KR101566040B1 - 높은 전류 용량의 에너지 전달 장치용 캡 조립체 - Google Patents

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Abstract

전기화학적 전지에 사용하기 위한 캡 조립체가 개시되어 있다. 상기 캡 조립체는 탭 수집 포스트와, 코어 인서트와,
일단부가 전기화학적 전지 내의 전극 포일에 연결되고, 타단부가 탭 수집 포스트와 코어 인서트에 수평 방향으로 연결되는 하나 이상의 전류 수집 탭을 구비한다. 하나 이상의 전류 수집 탭은 탭 수집 포스트와 코어 인서트 사이에 배치되어 이들과 용접된다. 캡 조립체는 또한 코어 인서트 둘레에 배치되는 완충 장치를 포함한다.

Description

높은 전류 용량의 에너지 전달 장치용 캡 조립체{CAP ASSEMBLY FOR A HIGH CURRENT CAPACITY ENERGY DELIVERY DEVICE}
본 발명과 일치하는 바람직한 실시예는 대체로 에너지 전달 장치에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 에너지 전달 장치의 캡 조립체에 관한 것이다.
에너지 전달 장치(예컨대, 배터리 전지)에 있어서, 전류는 배터리 전극 포일로부터 중앙에 배치된 단자로 운반된다. 전극 포일은 중앙의 단자에 직접 연결되거나, 전류 수집 탭(예컨대, 얇은 금속 스트립)을 통해 중앙의 단자에 연결될 수 있다. 종래의 몇몇 에너지 전달 장치에 있어서, 중앙의 단자에 연결되는 지점에서 포일 또는 탭의 평면의 배향은 전지의 종축과 대부분 일치한다. 그러한 수직 연결을 채용하면 전지에서 상당한 수직 공간을 필요로 한다.
종래의 다른 에너지 전달 장치는 수평 탭 연결을 사용한다. 도 1은 그러한 에너지 전달 장치(102)를 도시하고 있다. 이 장치(102)에서, 탭(110)은 하단부가 전극(108)에 연결되고 상단부가 중앙의 단자(114)에 연결된다. 탭(110)은 상단부에 홀(도시 생략)을 구비하고, 돌출형 포스트(104)가 이 홀을 통해 돌출된다. 조립 중에, 탭(110)의 상단부는 포스트(104)의 상부 위로 절곡된 다음 포스트가 홀을 통과하면서 하방으로 압박된다. 이는 탭(110)의 길이가 전극(108)과의 연결점으로부터 포스트(104)의 상부까지 도달되는 것을 필요로 하는데, 이 길이는 전극(108)과의 연결점과 전지(102)의 중앙 사이의 수평 거리보다 길다. 전지(102)는 또한 전극(108)에서 나오는 전류가 기계적 연결부(106)를 통과하기 때문에 전기 임피던스가 크다. 예컨대, 포스트(104)와 볼트(112) 사이의 연결부는 나사식 연결이다. 탭(110)은 너트(116)를 탭(110)의 상부에 배치함으로써 포스트(104)의 바닥에서 단자(114)에 연결된다. 이 기계적 연결부(106)는 임피던스가 큰 경향이 있다. 종래의 몇몇 전지는 전류가 전도되어야 하는 다수의 구성요소를 갖는데, 이는 임피던스를 추가시킨다.
따라서, 공간 효율적이고 여분의 탭 길이를 필요로 하지 않는 낮은 임피던스의 캡 조립체를 채용하는 것이 요망된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 탭 수집 포스트와, 코어 인서트와, 하나 이상의 전류 수집 탭을 구비하는, 전기화학적 전지에 사용하기 위한 캡 조립체를 제공한다. 전류 수집 탭은 일단부가 전기화학적 전지 내의 전극 포일에 연결되고, 타단부가 탭 수집 포스트와 코어 인서트에 연결되도록 수평 방향으로 배향된다. 전류 수집 탭은 탭 수집 포스트와 코어 인서트가 하나 이상의 전류 수집 탭에 의해 연결되도록 탭 수집 포스트 및 코어 인서트와 용접 결합 상태로 배치된다. 탭 수집 포스트와 전기적으로 연결되는 리벳이 마련될 수 있고, 리드가 상기 리벳과 연결될 수 있다. 탭 수집 포스트는 전류 수집 탭의 홀을 통해 연장되고 코어 인서트의 홀 내에 배치되는 부분을 갖는 핀을 구비할 수 있다. 또한, 코어 인서트 둘레에 완충 장치가 배치될 수 있다. 본 발명의 양태에 따르면, 리벳은 탭 수집 포스트와 용접 결합 상태를 갖는다. 마찬가지로, 하나 이상의 전류 수집 탭은, 예컨대 탭 수집 포스트와 레이저 용접 결합 상태로 용접되고 코어 인서트와 저항 용접 결합 상태로 용접될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전기화학적 전지 내에 코어 인서트를 설치하는 것과, 하나 이상의 전류 수집 탭의 제1 단부를 코어 인서트를 향해 절곡시키는 것과, 전류 수집 탭을 제2 단부가 전기화학적 셀의 전극에 연결되도록 마련하는 것을 포함하는 전기화학적 전지의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은 전류 수집 탭과 코어 인서트의 상부에 탭 수집 포스트를 배치하는 것과, 탭 수집 포스트를 전류 수집 탭 및 코어 인서트와 용접하는 것과, 전기화학적 전지를 덮도록 캡 서브조립체를 배치하는 것을 더 포함한다. 캡 서브조립체는 리벳을 포함할 수 있어, 리벳과 탭 수집 포스트의 용접이 전기 연결을 형성한다. 탭 수집 포스트, 전류 수집 탭 및 코어 인서트의 용접은 레이저 용접 또는 저항 용접을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적만을 위해 제공되는 이하의 도면을 참조하여 설명되고, 본 발명의 전체 범위는 이하의 청구범위에 기재된다.
도 1은 종래 기술의 배터리 구성을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체의 구성요소들을 도시하는 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체의 구성요소들을 도시하는 단면도이다.
도 3a는 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체에 사용되는 전류 수집 탭의 평면도이다.
도 3b는 바람직한 실시예에 따른 전류 수집 탭의 측면도이다.
도 4는 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체의 다양한 구성요소들의 단면도이다.
도 5a는 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체를 이용하는 전지의 일부의 단면도이다.
도 5b는 캡 조립체를 이용하는 전지의 일부의 단면도인데, 전지는 중실형 코어를 갖는다.
도 6은 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체를 이용하는 전지의 일부의 다른 단면이다.
도 7a는 바람직한 실시예에 따른 전지를 조립하는 제1 단계를 도시하는 전지의 일부의 단면도.
도 7b는 바람직한 실시예에 따른 전지를 조립하는 제2 단계를 도시하는 전지의 일부의 단면도.
도 7c는 바람직한 실시예에 따른 전지를 조립하는 제3 단계를 도시하는 전지의 일부의 단면도.
도 7d는 바람직한 실시예에 따른 전지를 조립하는 제4 단계를 도시하는 전지의 일부의 단면도.
도 8a는 용접된 수직 단자 스터드를 구비하는 전지의 일부의 단면도.
도 8b는 중앙에 나사식 홀이 있는 캡 조립체를 구비하는 전지의 일부의 단면도.
도 8c는 용접된 수평 단자 스트랩을 구비하는 전지의 일부의 단면도.
도 8d는 탭 수집 포스트와 일체형인 수직 단자 스터드를 구비하는 전지의 일부의 단면도.
도 9는 한가지 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체를 구비하는 전지의 사시도.
도 10a는 한가지 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체의 구성요소들의 사시도.
도 10b는 한가지 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체의 구성요소들의 다른 사시도.
도 11a는 스탬프 가공된 절연체를 갖는 캡 조립체를 구비하는 배터리의 사시도.
도 11b는 주조된 절연체를 갖는 캡 조립체를 구비하는 배터리의 사시도.
도 12는 슬롯형 절연체를 구비하는 캡 조립체의 사시도.
본 발명의 양태는 임피던스가 낮고 공간 효율적인 배터리 전지용 캡 조립체를 제공한다. 다양한 실시예에 따르면, 캡 조립체는 수평 방향으로 연결되고(즉, 탭이 서로 연결되고 중앙의 단자에 연결되는 지점에서 탭의 평면이 배터리 전지의 종축에 대해 수직이고) 탭 수집 포스트와 코어 인서트 사이에 배치되는 전류 수집 탭을 포함한다. 탭은 탭 수집 포스트 및/또는 코어 인서트에 용접되어 전지의 전기 임피던스를 감소시킬 수 있다.
도 2a는 캡 조립체(202)의 다양한 구성요소들을 도시하는 단면도이다. 캡 조립체(202)는 배터리 전지의 전극(또는 전극들)으로부터 전류를 수집하고 전류를 외부 장치에 전달하는 데에 사용된다. 캡 조립체(202)는 리벳(204) 또는 유사한 고정 수단과, 상부 시일(206)과, 리드(208)와, 하부 개스킷(210)과, 와셔(212)를 포함할 수 있다. 캡 조립체(202)는 또한 탭 수집 포스트(214)와, 전류 수집 탭(216)과, 코어 인서트(218)를 포함할 수 있다.
리벳(204)은 전기를 외부 장치에 송전하는 데에 사용된다. 리벳은 전지의 전기 화학에 적합한 전기적 및 열적으로 도전성인 재료로 제조될 수 있다. 통상적인 구성 재료로는, 예컨대 구리, 탄소강, 니켈 도금된 탄소강, 스테인리스강, 니켈 및 리튬 이온 전지의 애노드 포텐셜에 사용되는 경우에 베릴륨 구리를 포함한다. 리튬 이온 전지의 캐소드 포텐셜에 사용되는 경우에, 통상적인 재료는 알루미늄이나 알루미늄 합금, 티타늄, 몰리브덴 또는 스테인리스강이다. 리벳(204)의 하부는 상부 시일(206), 리드(208), 하부 개스킷(210) 및 와셔(212)를 통해 삽입되어 탭 수집 포스트(214)와 연결될 수 있다. 리벳(204)은 중공 형태로 제조될 수 있어, 탭 수집 포스트(214)의 상부가 리벳(204) 내에 끼워져 리벳(204)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상부 시일(206)은 전기적으로 절연되고 탄성을 갖는다. 상부 시일은 조립 중에 리벳(204)과 리드(208) 사이에서 압축되어 누출 방지 시일 및 리벳(204)과 리드(208) 사이의 전기적 절연을 제공하는 기능을 담당한다. 상부 시일은 용융 처리 가능한 폴리머, 예컨대 PFA(perfluoroalkoxy), PP(polypropylene), PE(polyethylene), TPI(thermoplastic polyimide) 또는 PE/PP 혼합물, 또는 임의의 다른 적절한 재료로 구성될 수 있다.
리드(208)는 통상적으로 용접을 통해 전지 케이싱에 고정될 수 있어 캡 조립체의 나머지 부분을 적소에 유지하는 기능을 한다. 리드는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 다른 금속, 예컨대 스테인리스강 또는 니켈 도금된 탄소강으로 제조될 수 있다. 리드는 또한 강성 폴리머, 강화 폴리머 또는 임의의 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다. 리드(208)는 상부 리세스(220a)와 하부 리세스(220b)를 구비할 수 있다. 리벳(204)의 상부 섹션은 상부 리세스(220a) 내에 끼워질 수 있고, 상부 개스킷(210)의 상부 섹션은 하부 리세스(220b) 내에 끼워질 수 있다. 상부 리세스(220a)와 하부 리세스(220b)[뿐만 아니라 리벳(204)의 상부 섹션과 상부 개스킷(210)의 상부 섹션]는 리벳(204)과 상부 개스킷(210)의 회전을 방지하도록 정방형 형태일 수 있다. 그러나, 리세스(220a, 220b)는 이 목적을 위해 정방형일 필요는 없고, 육각형, 삼각형, 타원형 또는 다른 비원형의 기하학적 형태가 또한 회전을 방지할 수 있다.
하부 개스킷(210)은 리드(208)를 다른 내부 구성요소, 예컨대 탭(216)과의 원치않는 전기 접촉으로부터 절연시키는 기능을 갖는다. 하부 개스킷은 또한 전해질이 리드(208)와 리벳(204) 사이에 전기 경로를 만드는 것을 방지한다. 와셔(212)는 스프링력을 제공하고 시일(206)에 대한 압축력을 유지하도록 사용된다. 와셔(212)는 강성을 갖고 와셔가 유지되는 포텐셜에서의 전기 화학과 적절하게 적합한 금속 또는 경화 금속으로 제조될 수 있다. 그러한 재료로는 강, 니켈 도금된 강, 스테인리스강, 티타늄 및 몰리브덴을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
탭 수집 포스트(214)는 전류를 탭(216)으로부터 전지의 외측으로 운반하는 데에 사용된다. 탭 수집 포스트는 본 발명의 양태에 따라 매우 짧게 제조되어 단면적이 매우 크며, 저저항 재료로 제조될 수 있기 때문에, 전지 밖으로 이동하는 전류에 대해 매우 낮은 임피던스 경로를 생성한다. 탭 수집 포스트(214)의 상부에는 외측의 기계적 연결을 허용하도록 나사식 홀(226)이 마련될 수 있다.
전류 수집 탭(216)은 배터리 전지(예컨대, 젤리 롤 타입의 전기화학적 전지) 내의 전극 포일로부터 탭 수집 포스트(214)로 전류를 운반하는 수단을 제공한다. 각 탭(216)은 일단부가 전지 내의 전극에 연결되고 타단부가 탭 수집 포스트(214)에 연결된다. 탭(216)은 서로 그리고 탭 수집 포스트(214)에 수평 방향으로 연결될 수 있다. 수평 방향 연결은 전지 내에 수직 공간을 거의 필요로 하지 않아 전지를 공간 효율적으로 만든다.
코어 인서트(218)는 탭(216)을 함께 용접하는 플랫폼을 제공하고 탭 수집 포스트(214)를 수납하도록 전지의 코어(도시 생략) 내로 삽입될 수 있는 부품이다. 코어 인서트(218)는 탭(216)의 저항 용접을 용이하게 하도록 포함되는 요부이고, 탭의 초음파 용접과 같은 다른 결합 방법을 채용하는 경우에는 필요하지 않을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 코어 인서트(218)는 용접 중에 탭(216)을 지지하는 디스크형 플랫폼일 수 있어 코어 내로 돌출되지 않는다.
도 2a에 도시된 일실시예에 있어서, 포스트(214)는 탭(216)의 상호 조립 및 위치 결정을 용이하게 하도록 포스트의 하부면으로부터 돌출되는 핀(222)을 구비한다. 이 실시예에서, 탭(216)은 도 3a에 도시된 바와 같은 홀(302)을 구비한다. 코어 인서트(218)도 또한 홀(224)을 구비한다. 핀(222)은 탭의 홀(302)과 코어 인서트(218)의 홀(224)을 통과한다. 이는 탭(216)의 상호 조립과 위치 결정을 용이하게 한다. 탭(216)은, 예컨대 폭이 6 mm 내지 12 mm이고 두께가 0.03 mm 내지 0.2일 수 있다. 홀(302)은, 예컨대 3 mm의 직경을 가질 수 있고, 탭(216)의 에지로부터 5 mm 떨어져 배치될 수 있다.
탭(216)은 코어 인서트(218) 상에 포갠 상태로 개별적으로 함께 용접될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 탭(216)은 예컨대 레이저 용접을 이용하여 탭 수집 포스트(214)의 바닥면과 용접될 수 있고, 예컨대 저항 용접을 이용하여 코어 인서트(218)의 상부면과 용접될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 탭(216), 탭 수집 포스트(214) 및 코어 인서트(218)는 모두 레이저 용접을 이용하여 함께 용접된다. 탭(216)과 탭 수집 포스트(214) 간의 연결부가 용접에 의해 형성되기 때문에, 이들 연결부의 전기 임피던스는 나사식 연결부 등의 기계적 연결부의 임피던스에 비해 낮다. 또한, 탭(216)이 수직 포스트의 상부 위로 절곡될 필요가 없기 때문에 탭의 길이가 도 1에 도시된 종래 기술의 구성에 비해 감소된다.
도 2b에 도시된 변경예에 있어서, 탭 수집 포스트(214a)는 핀을 구비하지 않고, 탭(216)과 코어 인서트(218a)에 홀이 존재하지 않는다. 이 실시예에서, 전류 수집 탭(216)은 또한 탭(216)을 탭 수집 포스트(214a) 및 코어 인서트(218a)와 함께 용접함으로써 탭 수집 포스트(214a)와 코어 인서트(218a) 사이에 고정된다.
탭 수집 포스트(214)가 일단 리벳(204)의 내측에 끼워지면, 이들 2개의 구성요소는 또한 낮은 임피던스의 전기 연결을 제공하도록 함께 용접될 수 있다. 리벳(204)이나 탭 수집 포스트(214) 또는 양자는 순수한 구리보다는 인청동, 예컨대 C51000(Cu 95%, Sn 5%, 미량의 P) 등의 구리 합금에 의해 제조될 수 있다. 구리는 매우 낮은 전기 저항 때문에 바람직하지만, 구리는 구리와 구리 사이에 밀봉식 레이저 심 용접을 신뢰성 있게 생성하기가 어렵다고 입증되었다. 레이저 심 용접은 리벳과 탭 수집 포스트 간의 연결에 바람직한데, 그 이유는 이 방법이 에너지를 국부적으로 집중시켜 그러한 용접을 생성하는 데에 사용될 수 있는 GTAW 등의 다른 용접 프로세스에 비해 주변 부품들의 온도 증가를 최소화시키기 때문이다. 소량의 Sn과 미량의 P의 추가는 밀봉식 레이저 용접이 신뢰성 있게 수행될 수 있기에 충분하도록 재료의 특성을 변화시키는 것을 약속하는 것으로 판명되었다. Sn은 리튬 이온 전지의 애노드 포텐셜에 유지되는 경우에 Li와 쉽게 합금되지만, 실험에 따르면 합금 중의 Sn이 대략 5% 미만으로 유지될 때에, 합금이 리튬 이온 전지의 애노드 포텐셜에 유지되는 경우에 안정적이어서 합금을 실행 가능한 선택으로 만드는 것으로 판명되었다. 인청동(또는 유사한 합금)의 추가된 이점은 탄소강 만큼 대기 부식에 민감하지 않아, 그 저항이 탄소강보다 상당히 낮다는 것이다. 그 저항이 탄소강의 저항보다 낮은 반면에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 순수한 구리보다는 상당히 높기 때문에, 합금이 저항 용접에 의해 외측의 셀 구성요소들, 예컨대 버스 바아 및 회로 기판에 보다 쉽게 결합되게 한다.
니켈 도금된 강, 니켈 탄소강, 스테인리스강, 황동, 청동 또는 유사한 합금(이들로 제한되지 않음) 등의 알루미늄보다 저항이 높은 재료의 패드가 전지 외측의 위치에서 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 리벳에 결합될 수 있다. 이들 재료의 결합은 솔더링, 브레이징, 초음파 용접, 레이저 용접 또는 다른 유사한 기지의 금속 간 결합 기법을 통해 이루어질 수 있다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 결합되는 고저항 재료의 패드를 구비한 전지를 제조하는 이점은 저항 용접에 의한 결합을 보다 용이하게 한다는 것이다. 이 재료 패드는 또한 바이메탈 재료로 제조될 수 있는데, 바이메탈 재료의 성분 중 하나는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이고, 다른 재료는 이전에 언급한 고저항 재료 중 하나이다. 바이메탈 재료는 상당한 열을 사용하는 일 없이 다른 재료의 2개의 층을 영구적으로 야금 결합하도록 고압이 채용되는 클래딩 프로세스에 의해 일반적으로 제조된다. 통상적인 바이메탈 패드는 0.5 mm 두께의 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 대해 0.5 mm 두께의 구리 또는 구리 합금이 클래딩되어 전체 두께가 1 mm인 패드를 형성할 수 있다. 이 치수는 광범위한 두께가 성공적으로 채용될 수 있기 때문에 단지 제안된 두께이고, 다른 실시예에서는 다른 치수를 이용할 수 있다. 바이메탈 패드의 성분 중 하나로서 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 채용함으로써, 레이저 용접과 같이 널리 실시되는 기법을 통해 알루미늄 또는 알루미늄 합금 리벳에 대한 결합이 용이해진다. 전술한 브레이징 및 솔더링과 같은 결합 방법을 채용할 필요성이 제거된다.
전지 내에서, 탭(216)은 진동 및 충격 하중으로 인해 응력을 받는 경우가 많다. 이 응력을 감소시키기 위하여, 탭(216)은 도 3b에 도시된 바와 같이 파형으로 되거나 달리 변경될 수 있다. 파형은 그 길이를 따라 탭(216)의 강성을 몇 차수만큼 감소시키고, 이에 따라 충격 및 진동 상태 중에 전극 포일에 대한 용접부 상의 응력을 감소시킨다. 탭(216)은 또한 캡 조립체를 전지통(도시 생략) 상에 설치하기 전에 젤리 롤과 캡 조립체 사이에 전기를 연결시키는 수단으로서 산업 분야에서 일반적으로 사용되는 연장 탭일 수 있다.
도 4는 캡 조립체의 다양한 구성요소들을 도시하는 다른 단면도이다. 도 4에서, 리벳(204), 상부 시일(206), 리드(208), 하부 개스킷(210) 및 와셔(212)는 캡/리벳 서브조립체(402)에 조립되어 있다. 서브조립체(402)의 리벳(204)은 탭 수집 포스트(214)가 서브조립체(402) 내에 끼워질 수 있도록 중공형이다. 일단 끼워지면, 서브조립체(402)의 리벳(204)은 탭 수집 포스트(214)와 용접되어 낮은 임피던스의 전기 연결을 형성할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체를 사용하는 전지(502)의 상부의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 탭 수집 포스트(214), 탭(216) 및 코어 인서트(218)는 캡/리벳 서브조립체(402)와 함께 조립되어 있어 전지통(508)을 덮는 완전한 캡 조립체를 형성한다. 전지(502)의 중앙에는 코어(504)가 있고, 이 코어 내에 코어 인서트(218)가 삽입된다. 코어 인서트(218) 둘레 및 코어(504)와 코어 인서트(218) 사이에는 링형의 완충 장치(506)가 배치된다. 도 5a에서는 전지(502)의 상부만이 도시되어 있다. 전지(502)의 하부(도시 생략)는 상부와 실질적으로 동일한 캡 조립체 구조를 가질 수 있다.
완충 장치(506)는 코어(504)와 캡 조립체 사이의 공간을 유연성있게 채워서 충격 및 진동 하중 중에 전극(예컨대, 젤리 롤로 롤링되는 전극)으로 전달되는 힘의 크기를 감소시킴으로써 제조 공차를 증대시킨다. 완충 장치(506)는 탄성 재료, 예컨대 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM) 고무, 칼레즈(Kalrez; 듀퐁사) 또는 부틸 고무 엘라스토머로 제조된다.
코어(504)는 완충 장치(506)에 가해진 축방향 힘을 지지한다. 코어(504)는 전지통 재료와 유사한 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조될 수 있다. 코어(504)는 코어 인서트(218)와 전지 하부 내의 코어 인서트(도시 생략)가 서로 절연되도록 전기적 절연 재료, 전기적 절연 재료가 코팅된 도전성 재료 또는 몇몇의 전기적 절연 구성요소를 포함하는 다부품 조립체로 제조될 수 있다. 코어는 중공형이거나 중공형이 아닐 수 있다. 도 5b는 단부에 작은 캐비티(524)가 있는 본래 중실형의 코어(522)를 갖는 전지(520)를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 완충 장치(506)는 코어 인서트(218)의 최내측 표면과 코어 인서트(218)의 표면과 가장 가까운 코어(522)의 표면 사이에서 캐비티(524) 내에 위치할 수 있다.
완충 장치(506)의 크기와 편향은 최소화될 수 있다. 배터리통은 상대적으로 낮은 밀도 때문에 흔히 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다. 그러나, 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 열팽창 계수가 상대적으로 크다. 완충 장치(506)에서의 편향을 최소화하기 위하여, 코어(504)의 열팽창 계수는 배터리통(508)의 열팽창 계수에 매우 근사해야 한다. 몇몇 실시예에서, 이는 폴리머 재료 내에 짧은 유리 섬유의 일부를 코어(504) 내에 통합하고 이들 유리 섬유를 주로 코어(504)의 길이 방향으로 배향시킴으로써 달성된다. 일실시예에서, 3003 알루미늄 합금 통과 대략 동일한 열팽창 계수를 달성하도록 짧은 유리 섬유(SABIC 플라스틱 Valox 420)가 30% 충전된 PBT(polybutyleneterephthlate) 수지가 사용된다. 부품이 제조되는 몰드 캐비티를 목적에 맞게 설계함으로써, 유리 섬유가 주로 코어의 길이 방향으로 배향될 수 있고 원하는 열팽창 계수가 달성될 수 있다.
도 6은 캡 조립체를 이용하는 전지(602)의 일부의 다른 횡단면도이다. 화살표(604)는 전류의 경로를 도시한다. 도시된 바와 같이, 탭에 필요한 수직 공간(606)이 비교적 작다.
도 7a 내지 7d는 전술한 다양한 실시예에 따른 캡 조립체를 이용하는 전지를 제조하는 단계들을 도시하고 있다. 도 7a는 전지통(508)과 축방향으로 돌출되는 탭(216)을 구비한 젤리 롤 배터리를 조립 전의 상태로 도시하고 있다. 도 7b에 도시된 다음 단계에서, 코어 인서트(218)가 설치되고, 탭(216)이 코어 인서트(218)를 향해 절곡되어 코어 인서트(218)와 용접된다. 도 7c에 도시된 다음 단계에서, 탭 수집 포스트(214)가 탭(216) 및 코어 인서트(218)와 조립된다. 탭 수집 포스트(214)의 플랜지는 탭 및/또는 코어 인서트(218)와 용접된다. 도 7d에 도시된 마지막 단계에서, 캡/리벳 서브조립체(402)가 전지 위로 하강되어 서브조립체(402)의 중공형 중앙 내에 탭 수집 포스트(214)가 끼워지고, 서브조립체(402)의 에지가 전지통(508)의 상부에 끼워진다. 이어서, 서브조립체(402)는 화살표(704)에 의해 지시된 지점에서 탭 수집 포스트(214)와 용접되어 탭 수집 포스트(214)와의 전기 연결을 형성할 수 있다. 서브조립체(402)는 또한 화살표(702)에 의해 지시된 지점에서 전지통(508)과 용접되어 배터리 전지를 밀봉한다.
도 8a 내지 8d는 다양한 실시예에 따른 캡 조립체를 상호 연결하는 여러 방식을 도시하는 도면이다. 도 8a는 지점(806)에서 수직으로 배치된 단자 스터드(802)와 용접되는 캡 조립체(804)를 도시하고 있다. 단자 스터드(802)는 나사식 연결을 형성하도록 나사식일 수 있다. 이어서, 단자 스터드(802)는 예컨대 나사식 연결을 통해 다른 배터리 전지 또는 장치와 연결될 수 있다. 도 8b는 중앙에 나사식 홀(808)을 갖춘 캡 조립체(810)를 도시하고 있다. 나사식 홀은 예컨대 나사식 연결에 의해 단자 스터드(도시 생략)와 연결하도록 사용될 수 있다. 도 8c는 수평 방향으로 배치된 단자 스터드(814)와 용접되는 캡 조립체(812)를 도시하고 있다. 이어서, 스트랩(814)이 다른 전지 또는 장치와 연결하도록 사용될 수 있다. 도 8d는 캡 조립체(816) 내의 탭 수집 포스트(820)의 일체부인 수직 단자 스터드(818)를 갖는 캡 조립체(816)를 도시하고 있다. 이어서, 단자 스터드(818)는, 예컨대 나사식 연결을 통해 다른 배터리 또는 장치와 연결될 수 있다.
도 9는 한가지 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체(904)를 갖는 전지(902)의 사시도이다. 이 실시예에서, 캡 조립체(904)는 그 중앙에 정방형 리벳(906)을 구비한다. 도 10a 및 10b는 다른 바람직한 실시예에 따른 캡 조립체(1002)의 구성요소들의 사시도이다. 다른 구성요소들 중에, 캡 조립체(1002)는 상부가 정방형인 리벳(1004)과, 상부 시일(1006)과, 리벳(1004)이 내부에 끼워질 수 있는 정방형 리세스(1010)를 갖는 리드(1008)를 구비한다. 캡 조립체(1002)는 또한 탭 수집 포스트(1012)와 코어 인서트(1014)를 포함한다. 링형 완충 장치(1016)가 코어 인서트(1014) 둘레에 배치된다.
도 11a는 스탬프 가공된 절연체를 갖는 캡 조립체(1102)를 구비한 배터리의 사시도이다. 도 11b는 주조된 절연체(1106)를 갖는 배터리의 사시도이다. 도 11a 및 11b에 도시된 다양한 절연체 구성은 발명의 명칭이 "배터리 전지 구성 및 그 구성 방법"이고 전체가 본 명세서에 참고로서 합체되는 미국 특허 가출원 제60/951,571호에 기술되어 있다. 절연체는 탭과 전극 에지 사이에 배리어를 제공함으로써 내부 전지 단락으로부터 보호한다. 주조된 절연체의 이점은 탭과 전지통 벽 사이에서 배리어의 추가 보호이다.
도 12는 슬롯형 절연체를 갖는 캡 조립체(1202)의 사시도이다. 슬롯형 절연체는 캡 조립체(1202)의 캡/리벳 서브조립체와 탭 사이에서의 단락에 대한 보호를 제공한다. 절연체는 슬롯형으로 되어 있어 오용 조건 중에 캡 조립체에 배치된 배출구를 통해 가스가 탈출하게 하고 전지 조립체에서 충전 프로세스 중에 전해질의 도입을 용이하게 한다.
본 발명에 있어서, 캡 조립체의 여러 구성요소들(예컨대, 리벳, 탭 수집 포스트, 코어 인서트, 탭 등)은 다수의 재료로 제조되고 다수의 용접 방법에 의해 결합될 수 있다는 것을 유념해야 한다. 용접 기법은 초음파 용접, 저항 용접 및 레이저 용접을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 캡 조립체의 여러 연결부에 상이한 용접 기법을 채용할 수 있다.
당업자에 의해 다수의 추가적인 이점 또는 변경이 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명은 기술된 비제한적인 실시예로 제한되지 않고 첨부된 청구범위의 전체 사상 및 범위 내에 있는 것으로 해석된다.

Claims (22)

  1. 전기화학적 전지에 사용하기 위한 캡 조립체로서,
    탭 수집 포스트와,
    코어 인서트와,
    일단부가 전기화학적 전지 내의 전극 포일에 연결되고, 타단부가 탭 수집 포스트와 코어 인서트에 연결되도록 수평 방향으로 배향되는 하나 이상의 전류 수집 탭
    을 구비하고, 상기 전류 수집 탭은 탭 수집 포스트와 코어 인서트가 하나 이상의 전류 수집 탭에 의해 연결되도록 탭 수집 포스트 및 코어 인서트와 용접 결합 상태로 배치되는 것인 캡 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탭 수집 포스트와 전기적으로 연결되는 리벳과,
    상기 리벳과 연결되는 리드
    를 더 구비하는 캡 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 리벳은 탭 수집 포스트와 용접 결합 상태를 갖는 것인 캡 조립체.
  4. 제2항에 있어서, 상기 탭 수집 포스트는 외측 전기 연결을 위해 전원 단자에 전기적으로 연결되는 것인 캡 조립체.
  5. 제2항에 있어서, 전기화학적 전지의 중앙 코어와 코어 인서트 사이에 배치되는 완충 장치를 더 구비하는 캡 조립체.
  6. 제2항에 있어서, 상기 탭 수집 포스트는 외측 전기 연결을 위해 리벳의 개구 내로 돌출되는 나사부를 구비하는 것인 캡 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탭 수집 포스트는 전류 수집 탭의 홀을 통해 연장되고 코어 인서트의 홀 내에 배치되는 부분을 갖는 핀을 구비하는 것인 캡 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전류 수집 탭은 탭 수집 포스트 및 코어 인서트와 레이저 용접 결합 상태를 갖는 것인 캡 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전류 수집 탭은 탭 수집 포스트와 레이저 용접 결합 상태를 갖고 코어 인서트와 저항 용접 결합 상태를 갖는 것인 캡 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전류 수집 탭은 파형인 것인 캡 조립체.
  11. 제1항의 캡 조립체, 전극 포일, 중앙 코어 및 전지통을 구비하는 전기화학적 전지.
  12. 제11항에 있어서, 리튬 이온 젤리 롤 전지인 것인 전기화학적 전지.
  13. 제11항에 있어서, 하나 이상의 전류 수집 탭에 대한 배리어를 제공하는 절연체를 더 구비하는 전기화학적 전지.
  14. 제11항에 있어서, 상기 캡 조립체는 리드를 더 구비하고, 전기화학적 전지는 전류 수집 탭과 리드 사이에 배리어를 제공하는 슬롯형 절연체를 더 구비하는 것인 전기화학적 전지.
  15. 제11항에 있어서, 상기 중앙 코어는 제1 재료로 제조되고, 전지통은 제2 재료로 제조되며, 상기 제1 재료와 제2 재료는 근사한 열팽창 계수를 갖는 것인 전기화학적 전지.
  16. 전기화학적 전지의 제조 방법으로서,
    전기화학적 전지 내에 코어 인서트를 설치하는 것과,
    하나 이상의 전류 수집 탭의 제1 단부를 코어 인서트를 향해 절곡시키는 것과,
    전류 수집 탭과 코어 인서트의 상부에 탭 수집 포스트를 배치하는 것과,
    탭 수집 포스트를 전류 수집 탭 및 코어 인서트와 용접하는 것과,
    전기화학적 전지를 덮도록 캡 서브조립체를 배치하는 것
    을 포함하고, 상기 전류 수집 탭은 제2 단부가 전지화학적 전지의 전극에 연결되는 것인 전기화학적 전지의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 캡 서브조립체는 리벳을 포함하고, 상기 전기화학적 제조 방법은 상기 리벳을 탭 수집 포스트와 용접시켜 전기 연결을 형성하는 것을 더 포함하는 것인 전기화학적 전지의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 탭 수집 포스트, 전류 수집 탭 및 코어 인서트의 용접은 레이저 용접을 포함하는 것인 전기화학적 전지의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 탭 수집 포스트, 전류 수집 탭 및 코어 인서트의 용접은 탭 수집 포스트와 전류 수집 탭의 레이저 용접과, 전류 수집 탭과 코어 인서트의 저항 용접을 포함하는 것인 전기화학적 전지의 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서, 코어 인서트 둘레에 완충 장치를 배치하는 것을 더 포함하는 전기화학적 전지의 제조 방법.
  21. 제16항에 있어서, 나사식 연결을 이용하여 단자 스트랩 또는 스터드를 캡 조립체와 연결하는 것을 더 포함하는 전기화학적 전지의 제조 방법.
  22. 제16항에 있어서, 용접식 연결을 이용하여 단자 스트랩 또는 스터드를 캡 서브조립체와 연결하는 것을 더 포함하는 전기화학적 전지의 제조 방법.
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