KR101329876B1 - 탄성력을 가지는 전극탭을 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로 보다 상세하게는, 캔과, 캔의 개구부를 밀봉하는 캡조립체와, 캔 내에 수용되며 전극탭을 구비한 서로 다른 두 전극으로 이루어지는 전극조립체가 포함되어 구성되는 이차전지에 있어서, 상기 전극탭이 상기 캡조립체의 밀착가압으로 탄성력을 가지는 형상으로 이루어지는 이차전지에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 이차전지가 외부에서 충격을 받거나 진동시 전극탭의 보존된 탄성력에 의해 전달된 외력이 완화됨으로서 전극탭의 단선이 방지되는 효과가 있다.
이차전지, 탄성력, 지그재그, 전극탭

Description

탄성력을 가지는 전극탭을 포함하는 이차전지{RECHARGEABLE BATTERY COMPRISING ELECTRODE TAB WITH ELASTICITY}
도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 종단면도.
도 2는 도 1의 A부분 확대도.
도 3a 및 도 3b는 외부충격 및 진동시 본 발명에 따른 이차전지의 전극탭이 외력을 완화하는 작용도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 캔 11a,11b: 절연판
20: 전극조립체 21: 세퍼레이터
23: 전극 25,27: 전극탭
29: 절곡부 30: 가스켓
40: 캡조립체 41: 벤트
43: 전류차단기:(CID:Current Interrupt Device)
45: PTC(Positive Thermal Coefficient)
47: 캡업
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 전극탭이 캡조립체의 밀착가압으로 탄성력을 가지는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지는 일회용 전지와 달리 충전을 하면 반복해서 사용할 수 있는 전지로, 그 주된 용도는 휴대폰/PCS/무선시스템 등의 통신용과, 노트북/PDA 등의 정보처리용 및 캠코더/디지털카메라 등의 오디오/비디오용 등이다. 최근에 이차전지에 대한 관심이 집중되고 개발화가 급속히 이루어지고 있는 주된 이유는 이차전지가 초경량, 고에너지밀도, 고출력전압, 낮은 자가방전율, 환경 친화적 배터리 및 긴 수명을 가진 전원이기 때문이다.
이차전지는 전극 활물질에 따라 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬이온(Li-ion)전지 등으로 나뉘며, 특히 리튬이온전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 경우와 고체 폴리머 전해질 혹은 겔 상의 전해질을 사용하는 경우로 나뉠 수 있다. 또한, 전극조립체가 수용되는 용기의 형태에 따라 캔형과 파우치형 등 다양한 종류로 나눠진다.
리튬이온전지는 무게당 에너지 밀도가 일회용 전지에 비해 월등히 높아 초경량 배터리의 구현이 가능하고, 셀당 평균전압은 3.6V로 다른 이차전지인 니카드전지나 니켈수소전지의 평균전압 1.2V보다 3배의 컴팩트효과가 있다. 또한, 리튬이온전지는 자가방전율이 20℃에서 한달에 약 5%미만으로 니카드전지나 니켈수소전지보다 약 1/3수준이고, 카드뮴(Cd)이나 수은(Hg)같은 중금속을 사용하지 않음으로써 환경 친화적이며, 또한, 정상적인 상태에서 1000회 이상의 충방전을 할 수 있는 장 점이 있다. 따라서, 이와 같은 장점을 바탕으로 최근의 정보통신기술의 발전과 더불어 그 개발이 급속히 이루어지고 있다.
이하, 리튬이온전지 중 종래의 예시적인 원통형 리튬이온전지를 설명한다.
원통형 리튬이온전지는 전극조립체와, 상기 전극조립체가 수용되는 캔과, 상기 캔을 밀봉하는 캡조립체 및 상기 캔의 상부와 캡조립체 사이에 개재되는 가스켓으로 구성된다.
상기 전극조립체는 두 전극과 이들 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되고, 와형으로 권취되어 전극조립체를 이룬다. 이때, 전극판은 금속 포일로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어지는데 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재하고, 이 무지부에는 한 전극판에 통상 하나씩의 전극탭이 설치되어 원통형 캔 및 캔과 절연된 캡조립체와 전기접속되어 충방전시 전극조립체와 외부 회로를 연결한다.
한편, 리튬이온전지는 캡조립체와 전극조립체 사이에 일정한 공간이 형성되어 전극조립체는 외부의 충격이나 진동시 상기 공간 내에서 잦은 유동을 하게 된다. 따라서, 전극조립체에 구비된 전극탭 또한 전극조립체의 유동으로 상기 공간 내에서 유동한다. 이때, 전극탭의 용접부에도 상기 유동에 따른 외력이 전해져 용접부에서 전극탭이 떨어지는 문제점이 있고, 전극탭과 캡조립체와의 전기접속이 표면 접촉에 의해 이루어짐으로써, 전지의 내부 저항이 증가하여 충방전 효율이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 상기 전극탭은 절곡부가 한 부분 또는 두 부분 형성되어 있으며, 이와 같은 전극탭의 구조는 외부충격이나 진동에 의해 외력을 완화하지 못하고 그대로 용접부나 전극탭 내부에 전달시킴으로써 전극탭이 자주 단선된다. 따라서, 전지로서의 용도를 수행할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 외부의 충격이나 진동에 의해 전극탭이 단선되는 것을 방지하도록 전극탭이 탄성력을 가지는 형상으로 이루어지는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이차전지는 캔과, 상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡조립체와, 전극탭을 구비한 서로 다른 두 전극 및 세퍼레이터가 권취되어 캔내에 수용되는 전극조립체가 포함되어 구성되는 이차전지에 있어서, 상기 전극조립체의 전극탭은 적어도 하나가 상기 전극조립체와 캡조립체 사이에서 탄성력을 가지는 형상을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 탄성력을 가지는 형상의 전극탭은 지그재그(zigzag)형상으로 구성될 수 있고, 적어도 3개 이상의 절곡부가 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극탭에서 상기 전극조립체 외측으로 인출되는 부분은 다수의 절곡부를 형성가능하도록 일정길이 이상으로 형성될 수 있고, 이때, 상기 전극탭은 14mm ~ 24mm 길이로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전극탭은 0.15mm ~ 0.2mm 두께로 형성될 수 있고, 3mm ~ 3.3mm 폭으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 전극탭은 전극조립체와 외부회로가 전기적으로 연결되도록 니켈(Ni)로 구성될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형 이차전지로 전극조립체(20)와, 전극조립체(20)를 수용하는 캔(10)과, 캔(10)과 결합하는 캡조립체(40)와, 캔(10)의 상부와 캡조립체(40) 사이에 개재되는 가스켓(30)이 포함되어 구성된다.
상기 전극조립체(20)는 서로 다른 두 전극(23)과, 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(21)로 구성된다. 상기 서로 다른 두 전극(23)은 전기용량을 높이도록 판형으로 형성되고, 상기 세퍼레이터(21)는 두 전극판 사이 및 두 전극판 아래쪽 혹은 위쪽에 위치되어 적층된 다음, 원형으로 권취되어 ‘젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전극판은 금속 포일로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어진다. 전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재하며, 상기 무지부에는 일반적으로 한 전극판에 하나의 전극탭(25,27)이 설치된다.
상기 전극탭(25,27)은 원통형 캔(10) 및 캔(10)과 절연된 캡조립체(40)와 전기접속되어 충방전시 전극조립체(20)와 외부 회로를 연결하기 위한 통로의 일부를 형성하며, 전극조립체(20)에서 전극탭(25,27)은 하나가 원통형 캔(10)의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 두 전극탭(25,27) 모두 개구부 방향인 위쪽으로 인출되도록 형성될 수도 있다.
한편, 상기 전극탭(25,27)의 연결을 살펴보면, 전극조립체(20)의 전극탭(25,27) 가운데 아래쪽으로 뻗은 것은 전극조립체(20)와 캔(10) 사이에 하절연판(11b)을 개재시킨 상태로 전극탭(27)이 하절연판(11b)을 통과하거나 우회하여 캔(10)의 저면에 용접되고, 위쪽으로 뻗은 것은 상절연판(11a)의 홀을 통해 캡조립체(40)의 후술할 벤트(41)에 용접된다. 특히, 위쪽으로 인출되는 상향 전극탭(25)과 캡조립체(40)를 용접하기 위해서는 용접 작업이 편리하도록 전극탭(25)은 여분의 길이를 갖게 형성되는 것이 바람직하며, 캡조립체(40)는 전극탭(25)을 절곡시키면서 가스켓(30)이 끼워진 캔(10) 위쪽 개구부에 삽입된다. 용접 후 상향 전극탭(25)의 여분의 길이를 갖는 부분이 캡조립체(40)와 전극조립체(20) 사이의 공간에 위치할 수 있고, 상절연판(11a)은 상향 전극탭(25)과 전극조립체(20)의 다른 극성과의 단락을 방지한다. 한편, 전극조립체(20)의 권취를 위한 중공에는 하향 전극탭(27) 용접 후에 센터핀이 설치될 수도 있다.
상기한 바와 같이, 전극탭(25,27)이 캡조립체(40)나 캔(10)과 용접될 때 어느 정도의 외부 충격이 있어도 용접이 유지될 수 있도록 상당한 강도로 이루어져야 하는 것은 물론이다.
상기 전극탭(25)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 캡조립체(40)가 캔(10)의 개구부를 밀봉시 상기 전극탭(25) 길이 방향의 압축력에 의해 자동적으로 탄성력을 가지는 형상을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 전극탭(25)이 다수의 절곡부(29)를 가지는 지그재그(zigzag)형상으로 구성된다. 이때 상기 전극탭(25)은 적어도 3개 이상의 절곡부(29)가 형성되는 것이 바람직한데, 구체적으로 3개 또는 4개의 절곡부(29)를 가지는 것이 바람직하다.
이하, 전극탭(25)이 상기한 탄성력을 가지는 지그재그형상으로 이루어지는 과정을 살펴보면, 상기 가스켓(30) 위에 벤트(41)를 안착할 때 상기 전극탭(25)은 자동적으로 압축된다. 전동공구용 드럼테스트로 종래의 2개의 절곡부(29)를 가진 전극탭(25)은 상기 젤리롤의 상하유동이 심할 때 끊어지는 현상이 발생하나, 전극탭(25)의 길이를 늘려 본 발명에 따른 적어도 3개 이상의 절곡부(29), 바람직하게는 3개 또는 4개의 절곡부(29)를 가진 전극탭(25)을 구성할 때, 전극탭(25)이 끊어지는 현상이 방지됨으로써 상기 드럼테스트시 150분의 스펙을 만족한다.
즉, 상기 전극탭(25)은 상술한 바와 같이, 다수의 절곡부(29)를 형성하기 위해 일정길이 이상으로 형성되어야 한다. 바람직한 전극탭(25)의 길이는 상기 전극탭(25)에서 상기 전극조립체(20) 외측으로 인출되는 부분이 14mm ~ 24mm이며, 상기 범위의 길이를 가지는 전극탭(25)은 3개 또는 4개의 절곡부(29)가 형성된다. 13mm이하의 길이로 형성된 전극탭(25)은 2개 이하의 절곡부(29)가 형성되고, 또한, 24mm를 초과하는 길이로 형성된 전극탭은 5개 이상의 절곡부를 가진다. 상기 전극탭(25)이 너무 길어지면 용접 후 전극탭(25)의 처리가 곤란하므로 작업성이 있는 범위 내에서 상향 전극탭(25)의 길이를 결정해야 함은 물론이다.
한편, 상기 전극탭(25)은 0.15mm ~ 0.2mm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 범위의 두께에서 전극탭(25)의 내부저항(IR)값이 낮기 때문이다. 일반적으로 두께가 얇은 탭보다 두께가 두꺼운 탭의 내부저항(IR)값이 낮다. 또한, 드럼 테스트시 두꺼운 탭이 사용됨으로서 전극탭(25)의 끊어짐 현상이 방지되기 때문이다.
또한, 상기 전극탭(25)은 3mm ~ 3.3mm의 폭으로 형성되는 것이 바람직하다.상기 전극탭(25)이 상기 범위의 두께에서 종래 크기인 4mm ~ 5mm의 폭으로 형성되면 장경에 영향을 미쳐 젤리롤 형상의 외형이 형성되지 않기 때문이다.
또한, 상기 전극탭(25)은 전극조립체(20)와 외부회로가 전기적으로 연결되도록 일정강도를 가지는 금속재질로 구성되며, 본 실시예에서는 니켈(Ni)로 구성된다.
상기 캔(10)은 알미늄 또는 알미늄 합금 같은 경량의 전도성 금속재질로 형성된 원통의 형상을 가지는 용기이며, 딥 드로잉(Deep Drawing) 등의 가공방법으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 원통형 캔(10) 내에 하절연판(11b)과 전극조립체(20)가 순서대로 설치되고, 전극조립체(20) 위에 상절연판(11a)이 더 설치될 수도 있다. 아래쪽으로 인출되는 전극탭(27)은 전극조립체(20)의 하면과 평행하도록 절곡되고, 상기 캔(10)의 바닥면에 용접된다. 이때, 전극조립체(20)의 하면이 캔(10)의 바닥면과 단락되지 않도록 절곡된 전극탭(27) 부분과 전극조립체(20)의 하면 사이에는 상기의 하절연판(11b)이 위치되는 것이 바람직하다.
상기 상절연판(11a)은 상기 전극탭(25)과 전극조립체(20)의 다른 극성의 극판 사이를 절연시키는 역할을 수행한다. 상절연판(11a)이 있는 경우에는 상절연판(11a)의 상단 바로 윗부분의 캔(10)의 외주를 따라, 상절연판(11a)이 없는 경우에는 전극조립체(20)의 상단 바로 윗부분의 캔(10)의 외주를 따라 상기 캔(10)의 외부에서 안쪽으로 가압하여 비딩부를 형성함으로써 전극조립체(20)의 유동을 방지할 수도 있다.
상기 캡조립체(40)는 벤트(41)와, 전류차단기(43)와, PTC(45)와, 캡업(47)이 아래로부터 순서대로 위치된다.
즉, 상기 벤트(41)는 캡조립체(40)의 가장 아래쪽에 위치하며 중앙부에 아래쪽으로 볼록하게 돌출되어 상기 전극탭(25)과 전기적으로 접속되는 전기접속부를 가진다. 또한, 위쪽에는 상기 전기접속부가 내부압력에 의해 위로 볼록하게 변형됨으로써 파단되도록 이루어진 전류차단기(CID:Current Interrupt Device)(43)가 설치된다. 상기 전류차단기(43) 위에는 PTC(Positive Thermal Coefficient)(45)가 설치되는데, 상기 PTC(45)는 전지의 과열에 의해 전지 내 전류의 흐름을 차단한다. 또한, PTC(45)위에는 외부와 전기 접속되도록 볼록하게 형성된 전극단자를 갖는 캡업(Cap Up)(47)이 설치된다.
상기 가스켓(30)은 상기 비딩부를 감싸며 밀착되도록 비딩부와 대응되는 부위에서 비딩부와 상보적인 형상을 갖는 것이 바람직하다. 또한, PET(Poly-Ethylene-Terephthalate)와 같은 재질 뿐만 아니라, 고무 재질 또는 실리콘 재질로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 외부충격에 의한 전극조립체(20)의 진동을 흡수하여 전지의 안정성을 높일 수 있게 된다. 한편, 비딩부 하부에 가스켓(30)의 하단이 캔(10)과 더욱 밀착될 수 있도록 하고, 클림핑 작업이나 외부충격 등에 의해 캔(10)에 밀착된 가스켓(30)의 구조가 변하지 않도록 보조비딩부가 형성될 수도 있다.
다음으로, 상기 전극조립체(20)가 상기 캔(10) 내부에 수용되어 베어셀을 조립하는 과정을 살펴본다.
먼저, 상기 전극조립체(20)는 상하에 위치하는 상, 하 절연판(11a,11b)과 차례로 캔(10) 개구부를 통해 원통형 캔(10)에 투입된다. 전극조립체(20)의 캔(10) 내 유동을 막기 위한 비딩부가 캔(10)에 형성되고, 전해액이 주입된다. 캔(10)의 개구부 내측 벽에 절연 가스켓(30)이 설치되고, 가스켓(30) 내측으로 캔(10)의 개구부를 밀봉하는 캡조립체(40)가 설치된다.
이 후, 가스켓(30) 내측에 투입된 캡업(47) 등을 마개로 원통형 캔(10)의 개구부 벽체에 내측 및 아래쪽으로 압력을 가해 캔(10)을 봉합하는 클림핑 작업이 이루어진다. 일차로 클림핑 작업이 이루어진 후 전지의 양단에 압력을 가하여 밀폐압을 높이는 작업이 통상적으로 부가된다. 또한, 전지의 외부에 외장재를 입히는 튜빙(Tubing)작업이 이루어진다.
다음에는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 이차전지의 구성요소 중 전극탭의 작용을 설명한다.
먼저, 캡조립체(40)가 상기 캔(10)의 개구부를 밀봉할 때, 다시 말하면, 가스켓(30) 위에 전류차단기(43)가 안착될 때, 상기 캡조립체(40)의 전극탭(25)은 탭 길이방향의 압축력에 의해 자동적으로 탄성력을 가지는 형상을 갖게 된다. 이때, 상기 전극탭(25)에서 상기 전극조립체(20) 외측으로 인출되는 부분의 길이가 14mm ~ 24mm로 이루어져 3개 내지 4개의 절곡부(29)를 가진 지그재그형상을 갖게 된다.
상기 전극탭(25)의 지그재그형상은 외력이 전달되었을 때, 자체적으로 복원하려는 성질을 가지며 전달된 힘을 완화시킬수 있는 탄성력을 내부에 보존할 수 있다. 즉, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 외부에서 충격이나 진동이 발생했을 때, 전극조립체(20)는 유동하게 되고, 따라서 전극조립체(20)에 구비된 전극탭(25), 구체적으로 말하면 (+)전극탭(25) 또한 유동하게 된다. 이때, 상기 전극탭(25)의 지그재그형상의 절곡부(29)는 전달된 외력을 하나의 작용점에 가중시키지 않고 보존된 탄성력에 의해 수축과 이완의 반복과정을 거치면서 힘을 분산시킨다.
상기 전극탭(25)은 상기와 같은 반복과정으로 내부 뿐만 아니라 캡조립체(40)와 용접된 부분까지 전달된 외력을 완화시키고 또한 상쇄시킨다. 따라서, 전극탭(25)이 단선되거나 용접부가 떨어지는 현상이 방지된다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예나 도면에 기재된 내용에 그 기술적 사상이 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 내에 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 전극탭이 탄성력을 가지는 형상으로 이루어짐으로써, 외부의 충격이나 진동에 의해 전극조립체의 유동시 전극탭이 단선되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 캔과, 상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡조립체와, 전극탭을 구비한 서로 다른 두 전극 및 세퍼레이터가 권취되어 캔내에 수용되는 전극조립체가 포함되어 구성되는 이차전지에 있어서,
    상기 전극조립체의 전극탭은 적어도 하나가 상기 전극조립체와 캡조립체 사이에서 탄성력을 가지는 형상을 갖도록 구성되고,
    상기 전극조립체의 상면에 직접 안착되며, 상기 서로 다른 두 전극 사이를 절연시키는 상절연판을 포함하고,
    상기 상절연판은 내부에 관통된 홀을 구비하고,
    상기 전극탭의 일단은 상기 전극의 무지부에 직접 연결되며, 타단은 상기 상절연판의 홀을 관통해 상기 캡조립체에 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄성력을 가지는 형상의 전극탭은 지그재그(zigzag)형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전극탭은 적어도 3개 이상의 절곡부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전극탭에서 상기 전극조립체 외측으로 인출되는 부분은 다수의 절곡부를 형성가능하도록 일정길이 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전극탭은 14mm ~ 24mm 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전극탭은 0.15mm ~ 0.2mm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 전극탭은 3mm ~ 3.3mm 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전극탭은 전극조립체와 외부회로가 전기적으로 연결되도록 니켈(Ni)로 구성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 삭제
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