KR101531323B1 - 단자 보호 부재를 포함하고 있는 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체가 내장된 전지케이스의 개방 상단에 결합되는 탑 캡, 상기 전극조립체의 전극에 접속되어 외부로 돌출되어 있고 탑 캡에 장착되어 있는 돌출단자, 상기 돌출단자가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 가스켓, 및 상기 돌출단자의 외주면을 감싸는 전기 절연성의 부재로서, 상단은 적어도 돌출단자의 돌출 높이보다 높게 형성되어 있고, 하단은 돌출단자 또는 가스켓에 고정되어 있는 단자 보호 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.

Description

단자 보호 부재를 포함하고 있는 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 전지셀 {Cap Assembly Having Electrode Terminal Protection Member and Battery Cell Comprising the Same}
본 발명은 단자 보호 부재를 포함하고 있는 캡 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체가 내장된 전지케이스의 개방 상단에 결합되는 탑 캡, 상기 전극조립체의 전극에 접속되어 외부로 돌출되어 있고 탑 캡에 장착되어 있는 돌출단자, 상기 돌출단자가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 가스켓, 및 상기 돌출단자의 외주면을 감싸는 전기 절연성의 부재로서, 상단은 적어도 돌출단자의 돌출 높이보다 높게 형성되어 있고, 하단은 돌출단자 또는 가스켓에 고정되어 있는 단자 보호 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리에 관한 것이다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
그 중 각형 전지의 일반적인 구조가 도 1에 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 각형 전지(50)는 젤리-롤형 전극조립체(10)가 각형 금속 케이스(20)에 내장되어 있고 케이스(20)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 32)가 형성되어 있는 탑 캡(30)이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전극조립체(10)의 음극은 음극 탭(12)을 통해 탑 캡(30) 상의 음극단자(32)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(32)는 절연부재(34)에 의해 탑 캡(30)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극조립체(10)의 또 다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(14)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(30)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.
또한, 전극 탭들(12, 14)을 제외하고 전극조립체(10)와 탑 캡(30)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(20)와 전극조립체(10) 사이에 시트형 절연부재(40)를 삽입한 뒤, 탑 캡(30)을 덮고, 탑 캡(30)과 케이스(20)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 그런 다음, 전해액 주입구(43)를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 전지가 제조된다.
이러한 전지는 제조과정에서 충방전에 의해 활성화시키는 과정을 거치는 바, 예를 들어 지그에 전지를 장착하고 전지의 양극단자와 음극단자에 각각 충방전 핀들을 접속시켜 충방전을 반복하는 과정에 의해 전지를 활성화 시킨다.
그러나, 전지의 활성화를 위해 충방전 핀들을 전지의 전극단자들에 접속시키는 과정에서, 충방전 핀들이 전극단자에 정확하게 접속이 되지 않을 경우에는 쇼트가 발생하는 문제점이 있다.
구체적으로, 충방전 핀들을 전극단자들에 접속시키는 과정에서 위치 정밀도가 떨어지거나, 또는 접속 과정 중 전극단자 상에서 충방전 핀이 미끄러지는 경우에, 충방전 핀이 단자 외측으로 벗어나게 되어 쇼트가 발생한다.
이러한 문제점은 높은 정밀도를 필요로 하는 소형 전지에서 주로 발생하며, 도 1에서와 같이 비교적 크기가 작은 돌출형 전극단자에 충방전 핀이 접속하는 과정에서 더욱 심각하게 발생하고 있다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결하여 전지의 활성화 과정에서의 안전성을 향상시키고, 불량률을 낮출 수 있는 구조의 캡 어셈블리에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 캡 어셈블리에서 돌출단자의 외주면을 단자 보호 부재로 감싸는 경우 전지의 활성화 과정에서 충방전 핀이 돌출단자 외측으로 벗어나는 현상을 방지할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 돌출단자의 외주면을 단자 보호 부재로 감싸도록 함으로써, 안전성을 향상시키고 불량률을 낮출 수 있는 구조의 캡 어셈블리를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캡 어셈블리는,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체가 내장된 전지케이스의 개방 상단에 결합되는 탑 캡,
상기 전극조립체의 전극에 접속되어 외부로 돌출되어 있고 탑 캡에 장착되어 있는 돌출단자;
상기 돌출단자가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 가스켓; 및
상기 돌출단자의 외주면을 감싸는 전기 절연성의 부재로서, 상단은 적어도 돌출단자의 돌출 높이보다 높게 형성되어 있고, 하단은 돌출단자 또는 가스켓에 고정되어 있는 단자 보호 부재;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는 돌출단자의 돌출 높이보다 높게 형성되어 있는 단자 보호 부재가 돌출단자의 외주면을 감싸는 구조를 포함하고 있으므로, 전지의 활성화 과정에서 충방전 핀이 돌출단자 외측으로 벗어나는 현상을 방지하는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 돌출단자에 충방전 핀이 접속하는 과정에서 위치 정밀도가 떨어지거나 또는 돌출단자 상에서 충방전 핀이 미끄러지면서 발생하는 쇼트를 방지하여, 안전성을 향상시키고 전지의 불량률을 감소시키는 효과를 제공한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 돌출단자 및 전지케이스가 각각 음극단자 및 양극단자를 형성하는 구조로 형성될 수 있다. 상기 탑 캡은 전지케이스와 결합되므로 역시 양극단자로 형성될 수 있으며, 상기 탑 캡과 돌출단자 사이에 가스켓이 개재되어 상호 절연을 이룰 수 있다.
상기 단자 보호 부재의 상단은, 앞서 정의한 바와 같이, 돌출단자가 돌출된 높이보다 높게 형성될 수 있다. 즉, 전지의 활성화 과정에서 충방전 핀이 돌출단자에 정확하게 접속되지 않거나 또는 미끄러지는 경우에도, 돌출단자 외측으로 벗어나 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 돌출단자를 감싸면서 돌출단자보다 높게 연장되어 있다. 이를 위하여, 상기 단자 보호 부재의 높이는, 예를 들어, 돌출단자의 돌출 높이를 기준으로 105 내지 400%의 크기로 형성될 수 있다.
상기 단자 보호 부재의 소재는 전기 절연성을 가진 소재라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 고분자 수지 또는 실리콘이 사용될 수 있다. 이러한 단자 보호 부재는 유연성을 가지도록 소재에 따라 박막 형태, 또는 겔 형태로 형성될 수도 있다.
상기 단자 보호 부재는 상기 돌출단자의 외주면을 감싸는 구조로 고정되며, 그것의 하단이 돌출단자 또는 가스켓에 고정될 수 있다. 구체적인 예로, 상기 단자 보호 부재의 하단은 돌출단자와 가스켓의 계면에 고정된 구조로 형성될 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 단자 보호 부재는 가스켓이 연장된 구조로도 형성될 수도 있다. 일반적으로 가스켓은 돌출단자와 탑 캡 사이에 상호 절연을 위해 개재되는 부재로서, 밀봉성의 향상을 위하여 유연성 및 탄성을 가진 소재로 제조되기도 한다. 따라서, 상기 가스켓의 외부로 노출되는 부위가 상기 돌출단자의 외주면을 감싸면서 돌출단자의 높이보다 높게 형성되어 있는 구조로 형성될 수 있다.
한편, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격에 의해 발생하는 발열, 폭발 등의 위험을 방지하고 안전성을 향상시키기 위해서 상기 돌출단자에는 안전소자가 접속될 수 있다. 따라서, 상기 단자 보호 부재의 일측에는 돌출단자에 접속되는 안전 소자가 삽입되는 하나 이상의 측면 개구가 형성될 수 있다.
상기 안전 소자는 예를 들어 PTC 소자 또는 퓨즈일 수 있다. 이러한 PTC 소자 또는 퓨즈는 비정상적인 고온 또는 고전류 상태에서 전원을 차단하는 차단 소자, 및 상기 차단 소자와 상기 돌출단자를 연결하는 도전성의 연결부를 포함하는 구조로 구성될 수 있다. 상기 도전성의 연결부는 상기 돌출부재에 안정적으로 결합되기 위한 플레이트 형상으로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 플레이트 형상의 도전성의 연결부가 삽입되는 상기 단자 보호 부재의 측면 개구는 타원 또는 슬릿 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 측면 개구는 상기 도전성의 연결부가 삽입되어 상기 돌출단자와의 접속이 용이하도록 상기 돌출상단의 상단에 대응하는 높이의 단자 보호 부재의 측면에 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 캡 어셈블리가 전지케이스의 개방 상단에 결합되어 있는 구조의 전지셀을 제공한다.
상기 전지케이스는 다양한 구조와 소재로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 금속으로 이루어진 각형 케이스일 수 있다. 이러한 각형 금속 케이스에 대한 캡 어셈블리의 결합은 특별히 한정되지 않고 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 용접에 의해 달성될 수 있다.
한편, 상기 전지셀에는 보호회로모듈(PCM)이 추가로 포함될 수 있으며, 상기 보호회로모듈(PCM)은 상기 캡 어셈블리의 돌출단자와 전기적으로 접속된 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 보호회로모듈(PCM)은, 보호회로 기판(PCB), 및 일측 단부가 상기 돌출단자와 연결되어 있고 타측 단부가 상기 보호회로 기판(PCB)과 연결되어 있는 PTC 소자를 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스의 대표적인 예로는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는 돌출단자의 돌출 높이보다 높게 형성되어 있는 단자 보호 부재가 돌출단자의 외주면을 감싸는 구조를 포함하고 있어서, 전지의 활성화 과정에서 충방전 핀이 돌출단자 외측으로 벗어나는 현상을 방지하는 구조로 구성되어 있다. 따라서, 충방전 핀이 돌출단자의 외측에 접촉되면서 발생하는 쇼트를 방지하여 안전성을 향상시키고 전지의 불량률을 감소시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 캡 어셈블리가 장착되는 하나의 예시적인 전지셀에관한 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리의 수직 단면도이다;
도 3은 도 2의 캡 어셈블리의 평면도이다;
도 4는 도 2의 돌출단자 부위에 관한 측면 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캡 어셈블리의 수직 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리(100)의 수직 단면도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 캡 어셈블리(100)의 평면도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 캡 어셈블리(100)는 탑 캡(110), 돌출단자(120), 가스켓(130), 및 단자 보호 부재(140)를 포함하는 구조로 구성되어 있다. 탑 캡(110)은 전극조립체가 내장되는 전지케이스(도시하지 않음)의 개방 상단에 결합되는 구조로 형성되어 있고, 돌출단자(120)는 하부가 전극조립체의 전극에 접속되고, 상부는 외부로 돌출되어 있다.
돌출단자(120)와 탑 캡(110) 사이에는 이들에 대해 전기절연성을 제공하도록 가스켓(130)이 개재되어 있고, 돌출단자(120)의 측면에는 절연성의 단자 보호 부재(140)가 돌출단자(120)를 감싸는 구조로 고정되어 있다.
단자 보호 부재(140)의 돌출 높이(H2)는 돌출단자(120)의 돌출 높이(H1)보다 높게 형성되어 있어서, 전지의 활성화 과정에서 충방전 핀이 돌출단자(120) 외측으로 벗어나는 현상을 방지하는 구조로 이루어져 있으며, 단자 보호 부재(140)의 하단은 돌출단자(120) 및 가스켓(130)의 계면에 고정되어 있다.
또한, 단자 보호 부재(140)는 유연성 및 탄력성을 가진 소재로 이루어져 있어서, 돌출단자(120)의 측면에 탄력적으로 밀착되는 구조로 이루어져 있다.
도 4에는 도 2의 돌출단자 부위에 관한 측면 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 도 2와 함께 참조하면, 단자 보호 부재(140)의 일측에는 측면 개구(142)가 형성되어 있다. 일반적으로 전지셀은 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격에 의해 발생하는 발열, 폭발 등의 위험을 방지하고 안전성을 향상시키기 위해서 안전소자를 단자에 접속한 구조를 포함하고 있다. 따라서, 단자 보호 부재(140)의 일측에는 돌출단자(120)에 접속되는 안전 소자(도시하지 않음)를 삽입하기 위한 측면 개구(142)가 형성되어 있다. 측면 개구(142)는 플레이트 형상의 접속부재(도시하지 않음)가 삽입될 수 있도록 폭(W) 보다 길이(L)가 긴 타원 형상으로 형성되어 있다. 또한, 측면 개구(142)는 안전소자가 삽입되면서 돌출단자(120)와의 접속이 용이하도록 상기 돌출단자(120)의 상단에 대응하는 높이의 단자 보호 부재(140)의 측면에 형성되어 있다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캡 어셈블리의 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 단자 보호 부재(135)는 탑 캡(110)과 돌출단자(120) 사이에 절연성을 제공하는 가스켓(130’)이 연장되어 돌출된 구조로도 형성되어 있다. 구체적으로, 가스켓(130’)의 외부로 노출되는 부위가 돌출단자(120)의 외주면을 감싸면서 돌출단자(120)의 높이보다 높게 형성되어 있는 구조로 형성되어 있다. 즉, 가스켓(130’)의 상부는 돌출단자(120)를 감싸면서 돌출단자(120)의 높이 보다 높도록 돌출되어 단자 보호 부재(140)를 형성하는 구조로 이루어져 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체가 내장된 전지케이스의 개방 상단에 결합되는 탑 캡;
    상기 전극조립체의 전극에 접속되어 외부로 돌출되어 있고 탑 캡에 장착되어 있는 돌출단자;
    상기 돌출단자가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 가스켓; 및
    상기 돌출단자의 외주면을 감싸는 전기 절연성의 부재로서, 상단은 적어도 돌출단자의 돌출 높이보다 높게 형성되어 있고, 하단은 돌출단자 또는 가스켓에 고정되어 있는 단자 보호 부재;
    를 포함하며,
    상기 단자 보호 부재의 일측에는 돌출단자에 접속되는 안전 소자가 삽입되는 하나 이상의 측면 개구가 형성되어 있고, 상기 측면 개구는 상기 돌출단자의 상단에 대응하는 높이의 단자 보호 부재의 측면에 형성되어 있으며, 상기 측면 개구는 타원 또는 슬릿 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 돌출단자는 음극단자인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단자 보호 부재의 높이는 돌출단자의 돌출 높이를 기준으로 105 내지 400%의 크기인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단자 보호 부재는 전기 절연성의 고분자 수지 또는 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단자 보호 부재는 박막 또는 겔(gel)의 형태인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단자 보호 부재는 돌출단자와 가스켓의 계면에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 단자 보호 부재는 가스켓이 연장된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 안전 소자는 PTC 소자 또는 퓨즈인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 중 어느 하나 에 따른 캡 어셈블리가 전지케이스의 개방 상단에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속의 각형 케이스이며, 상기 케이스에 대한 캡 어셈블리의 결합은 용접에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 캡 어셈블리의 돌출단자와 전기적으로 접속되는 보호회로모듈(PCM)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 보호회로모듈(PCM)은 보호회로 기판(PCB), 및 일측 단부가 상기 돌출단자와 연결되어 있고 타측 단부가 상기 보호회로 기판(PCB)과 연결되어 있는 PTC 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지셀인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 16 항에 따른 전지셀을 전원으로 포함하고 있는 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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