KR101637224B1 - 누액 및 크랙 방지구조를 갖는 전지의 헤더 - Google Patents

누액 및 크랙 방지구조를 갖는 전지의 헤더 Download PDF

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Abstract

본 발명은 헤더의 원판부에 홈부를 형성하여 케이스 및 원판부의 용접부위의 두께를 동일하게 함으로써 용접홀이 방지되어 용접홀을 통한 누액을 방지할 수 있고, 원판부의 상면이 평평한 면으로 형성될 때에 비교하여 원판부의 상면에 홈부가 형성될 때 실링재로의 열전달경로가 증가하여 실링재의 크랙현상이 현저히 절감되며, 홈부의 일측면을 수직면으로, 수직면으로부터 원판부의 상면에 연결되는 면을 곡면으로 형성함으로써 용접부위로부터 실링재까지의 열전달경로가 더욱 증가하여 실링재의 크랙현상을 더욱 효율적으로 방지할 수 있는 전지의 헤더에 관한 것이다.

Description

누액 및 크랙 방지구조를 갖는 전지의 헤더{header of battery with structure for perventing leakage and crack}
본 발명은 누액 및 크랙 방지구조를 갖는 전지의 헤더에 관한 것으로서, 상세하게로는 별도의 구성수단을 추가하지 않고도 단순한 외형 변형만으로 용접의 정확도를 개선함과 동시에 실링재로의 열 전달경로를 최소화함으로써 전해액이 외부로 누수되는 누액현상 및 과도한 열로 인한 실링재의 크랙(crack)을 획기적으로 방지할 수 있는 전지의 헤더에 관한 것이다.
비축전지는 통상적으로 일측이 개구된 기둥 형상의 케이스와, 케이스 내부에 수용되는 전해액과, 양극, 음극 및 세퍼레이터(seperator)로 이루어지는 전극부와, 케이스의 개구부에 설치되는 헤더(header)를 포함한다.
또한 비축전지는 자기방전이 이루어지지 않아 사용 시 소망의 전지성능을 발휘할 수 있는 장점으로 인해 그 수요도가 점차적으로 급증하고 있는 실정이다.
이러한 비축전지는 전극부 및 전해액을 외부로부터 차단하여 밀폐시키는 기술이 매우 중요하고, 이에 따라 스테인리스 스틸 계열의 전지케이스 및 헤더를 티그(T.I.G) 용접 또는 레이져(Laser) 용접 등으로 완전 밀봉시킨다.
도 1은 종래의 헤더 및 케이스를 나타내는 예시도이다.
도 1의 종래의 전지(200)는 일측이 개구된 기둥형상으로 형성되어 내부에 전해액, 셀 및 전해액 등이 설치되는 케이스(201)와, 케이스(201)의 개구부를 밀폐시키는 헤더(203)로 이루어진다.
헤더(203)는 중공원판 형상으로 형성되어 케이스(201)의 개구부에 설치되는 헤더몸체(231)와, 헤더몸체(231)의 중공에 설치되는 양극핀(233)과, 헤더몸체(231) 및 양극핀(233)을 절연되게 고정시키는 실링재(235)로 이루어진다. 이때 양극핀(233)은 리드선에 의하여 전극부의 양극단자에 연결된다.
이와 같이 구성되는 헤더(203)는 케이스(201)의 개구부를 형성하는 내측면에 외측면이 용접됨으로써 케이스(201)의 내부 공간을 밀폐시키듯이 설치되나, 통상적으로 헤더몸체(231)는 케이스(201)의 두께(d2) 보다 큰 두께(d1)로 형성되기 때문에 용접 시 두께(d2)가 얇은 케이스(201)가 먼저 녹아내리게 되고, 이에 따라 케이스(201)가 대접되는 헤더몸체(231)에 외측면 보다 하부의 위치까지 녹아내리게 됨으로써 용접이 완성되더라도 케이스(201) 및 헤더(203) 사이에 용접홀들이 생성되고, 이러한 용접홀에 의해 케이스(201) 내부에 수용된 전해액이 외부로 누수되는 누액현상이 발생하여 전극의 전기효율이 현저히 떨어지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 헤더(203)의 헤더몸체(231)의 두께(d1)를 얇게 형성하여야 하나, 헤더몸체(231)의 두께(d1)를 얇게 형성하는 경우 양극핀(233)을 헤더몸체(231)의 중앙에 견고히 고정시킬 수 없는 문제점이 발생한다.
또한 통상적으로 실링재(235)는 한계치 이상으로 가열되고 나면, 열이 냉각된 이후에 크랙(crack)이 형성되기 때문에 헤더몸체(231)의 두께를 얇게 형성할 경우 헤더몸체(231)의 열전달율이 증가하고, 이에 따라 용접 시 발생하는 열이 실링재(235)로 과도하게 전달되어 크랙 발생률이 현저히 증가하게 된다.
도 2는 국내공개번호 특2002-0093181호(발명의 명칭 : 리튬 티오닐 클로라이드 전지의 헤더 및 그 제조 방법)에 개시된 헤더의 측단면도이다.
도 2의 전지헤더(이하 종래기술이라고 함)(100)는 하부가 양극에 연결되는 봉 형상의 양극핀(101)과, 중앙부에 양극핀(101)을 수용하는 원통형 내주부를 구비하고 하단부에 환형 플랜지(131)가 형성된 지지부재(103)와, 중앙공(151)에 지지부재(103)의 외주부가 결합되는 상부원판(105)을 포함한다.
또한 종래기술(100)은 양극핀(101) 및 지지부(103)가 절연 시일재(107)를 통해 융착 고정되고, 지지부재(103)의 플랜지(131)의 상면 및 플랜지(131) 상면에 접촉되는 상부원판(105)의 하면이 용재(109)를 통해 융착 고정된다.
이와 같이 종래기술(100)은 상부원판(105)의 두께를 얇게 형성하여 용접효율을 높이고, 두께가 얇게 형성됨에 따라 양극핀(101)의 결합성이 떨어지는 문제점을 해결하기 위해 별도의 지지부재(103)를 이용하여 양극핀(101) 및 상부원판(105)의 접촉면적을 증가시켜 결합성을 높일 수 있는 장점을 갖는다.
그러나 종래기술(100)은 상부원판(105)의 두께가 얇아짐에 따라 열전도율이 현저히 증가하게 되고, 이에 따라 용접 시 발생하는 열에 의하여 절연 시일재(107)에 크랙이 전해액이 외부로 누진되는 누액현상이 빈번하게 발생하는 단점을 갖는다.
특히 열충격에 의한 크랙은 작업도중 불량여부를 확인할 수 없을 뿐만 아니라 전지성능에 치명적 결합을 가져오기 때문에 용접효율을 높이기 위하여 헤더의 상부원판의 두께를 얇게 형성하는 것은 오히려 전극효율을 떨어뜨리게 된다.
또한 종래기술(100)은 제조 시 하부에 플랜지(131)가 형성되는 지지부재(103)를 준비하는 작업과, 지지부재(103)를 상부원판(105) 및 양극핀(101) 사이로 배치시킨 후 절연 시일재(107) 및 용재(109)를 이용하여 상부원판(105) 및 양극핀(101)으로 융착 고정시키는 작업을 수행하여야 하기 때문에 제조과정이 과도하게 복잡해지는 단점을 갖는다.
즉 1)용접이 이루어지는 케이스 및 헤더의 두께를 동일하게 형성하도록 하여 용접홀 발생률을 최소화하고, 2)실링재의 크랙 현상을 효율적으로 방지할 수 있는 전지 헤더에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 헤더의 원판부에 홈부를 형성하여 케이스 및 원판부의 용접부위의 두께를 동일하게 함과 동시에 홈부에 의해 실링재로 전달되는 열전달경로가 증가함으로써 용접홀 및 실링재의 크랙현상을 효율적으로 방지할 수 있는 전지의 헤더를 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 헤더의 원판부의 홈부의 일측을 수직면으로 형성하되 외측면으로부터 수직면까지의 길이를 케이스의 두께와 동일한 길이로 형성함으로써 헤더의 두께 변형 없이 단순히 홈부를 형성하는 것만으로 용접홀 생성을 최소화 할 수 있는 전지의 헤더를 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 헤더의 원판부가 경사면을 포함하여 용접이 이루어지는 용접부위로부터 실링재까지의 열전달경로를 증가시킴으로써 실링재의 크랙현상을 극소화할 수 있는 전지헤더를 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 헤더의 원판부가 곡면을 포함하여 용접이 이루어지는 용접부위로부터 실링재까지의 열전달경로 더욱 증가시키고, 이에 따라 실링재의 크랙현상을 더욱 극소화할 수 있는 전지헤더를 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 홈부의 깊이를 원판부의 두께의 50 ~ 60%의 길이로 형성함으로써 용접이 용이하게 이루어짐과 동시에 열전달경로가 더욱 증가하여 실링재의 크랙을 효율적으로 방지할 수 있는 전지의 헤더를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 일측이 개구된 원통 형상의 전지케이스에 설치되어 전지케이스를 밀봉시키는 헤더(header)에 있어서: 상기 헤더는 중공원판 형상으로 형성되며, 상기 전지케이스에 대향되는 일면에 외주연으로부터 내측으로 간격을 두고 홈부가 형성되며, 외주면이 상기 전지케이스의 개구부를 형성하는 내주면에 용접 결합되는 원판부; 하부가 양극에 연결되는 막대형상으로 형성되어 상기 원판부의 중공에 절연재를 통해 융착되는 양극핀을 포함하고, 상기 홈부는 상기 원판부의 일면으로부터 수직으로 하향 연결되는 수직면과, 양단부가 상기 수직면 및 상기 원판부의 일면에 연결되어 평면상으로 상기 원판부의 내측을 향할수록 상향되는 경사면을 포함하여 용접 시 용접부위로부터 상기 원판부의 중앙에 형성되는 상기 절연재로의 열 전달경로를 증가시키고, 상기 원판부의 외주면으로부터 상기 수직면까지의 길이(d)는 상기 원판부의 외주면에 대접되는 상기 전지케이스의 측부의 두께(d1)와 동일한 크기로 형성되고, 상기 원판부는 상기 수직면의 깊이가 상기 원판부의 두께의 50 ~ 60%인 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결수단은 일측이 개구된 원통 형상의 전지케이스에 설치되어 전지케이스를 밀봉시키는 헤더(header)에 있어서: 상기 헤더는 중공원판 형상으로 형성되며, 상기 전지케이스에 대향되는 일면에 외주연으로부터 내측으로 간격을 두고 홈부가 형성되며, 외주면이 상기 전지케이스의 개구부를 형성하는 내주면에 용접 결합되는 원판부; 하부가 양극에 연결되는 막대형상으로 형성되어 상기 원판부의 중공에 절연재를 통해 융착되는 양극핀을 포함하고, 상기 홈부는 상기 원판부의 일면으로부터 수직으로 하향 연결되는 수직면과, 양단부가 상기 수직면 및 상기 원판부의 일면에 연결되어 평면상으로 상기 원판부의 내측으로 만곡되는 곡면을 포함하여 용접 시 용접부위로부터 상기 원판부의 중앙에 형성되는 상기 절연재로의 열 전달경로를 증가시키고, 상기 원판부의 외주면으로부터 상기 수직면까지의 길이(d)는 상기 원판부의 외주면에 대접되는 상기 전지케이스의 측부의 두께(d1)와 동일한 크기로 형성되고, 상기 원판부는 상기 수직면의 깊이가 상기 원판부의 두께의 50 ~ 60%인 것이다.
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상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 헤더의 원판부에 홈부를 형성하여 케이스 및 원판부의 용접부위의 두께를 동일하게 함으로써 용접홀이 방지되어 용접홀을 통한 누액을 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 원판부의 상면이 평평한 면으로 형성될 때에 비교하여 원판부의 상면에 홈부가 형성될 때 실링재로의 열전달경로가 증가하여 실링재의 크랙현상이 현저히 절감된다.
또한 본 발명에 의하면 홈부의 일측면을 수직면으로, 수직면으로부터 원판부의 상면에 연결되는 면을 곡면으로 형성함으로써 용접부위로부터 실링재까지의 열전달경로가 더욱 증가하여 실링재의 크랙현상을 더욱 효율적으로 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 헤더 및 케이스를 나타내는 예시도이다.
도 2는 국내공개번호 특2002-0093181호(발명의 명칭 : 리튬 티오닐 클로라이드 전지의 헤더 및 그 제조 방법)에 개시된 전지 헤더의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 헤더를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 측단면도이다.
도 5는 도 3의 헤더가 케이스에 용접 설치된 모습을 나타내는 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 홈부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예를 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 헤더를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 측단면도이고, 도 5는 도 3의 헤더가 케이스에 용접 설치된 모습을 나타내는 측단면도이다.
도 3 내지 5의 헤더(1)는 케이스(3)의 일측 개구부에 설치되며, 개구부를 형성하는 케이스(3)의 내측면에 외측면이 용접 결합됨으로써 케이스(3)의 내부 공간을 밀폐시킨다.
또한 헤더(1) 및 케이스(3)는 스테인리스 스틸 계열의 재질인 것이 바람직하고, 티그(T.I.G) 용접 또는 레이져(Laser) 용접 등에 의에 의해 결합된다.
또한 도면에는 도시되지 않았지만 케이스(3) 내부에는 양극, 음극 및 세퍼레이터(seperator)로 이루어지는 전극부와, 전해액, 전해액을 보호하는 앰플 또는 격벽을 파손시키는 격발기 등이 설치된다.
또한 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 케이스(3)가 상부가 개구된 원통형상으로 형성되는 것으로 예를 들어 설명하였으나 케이스(3)의 형상은 이에 한정되지 않으며 일측이 개구되어 내부에 수용공간을 갖는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
또한 헤더(1)는 중공원판 형상으로 형성되는 원판부(11)와, 원판부(11)의 중공(119)에 설치되는 양극핀(13)과, 원판부(11) 및 양극핀(13)을 절연 융착시키는 실링재(15)를 포함한다.
양극핀(13)은 길이를 갖는 막대로 형성되며, 실링재(15)에 의해 원판부(11)의 중공(119)에 융착 고정된다. 이때 실링재(15)는 GTMS(Glass to Metal Seal)인 것이 바람직하다.
또한 실링재(15)는 한계치 이상으로 가열되면 냉각 이후 크랙(crack)이 발생하여 케이스 내부에 봉입된 전해액이 외부로 누출되는 누액현상이 발생하는 특성을 갖는다.
원판부(11)는 개구부를 형성하는 케이스(3)의 내경과 동일한 외경을 갖는 중공원판으로 형성되며, 외주면이 케이스(3)의 내주면에 억지끼움 된 상태에서 용접을 통해 케이스(3)를 밀봉시킨다. 이때 용접은 초음파 용접(ultrasonic welding), TIG 용접(Tungsten inert gaswelding) 또는 레이저 용접(laser welding) 등의 공지된 다양한 방법이 적용될 수 있다.
또한 원판부(11)의 중공(119)에는 양극핀(13)이 실링재(15)에 의하여 수직으로 절연 결합된다.
또한 원판부(11)는 외측단부로부터 내측으로 소정 이격된 위치의 상면에 홈부(111)가 형성되고, 홈부(111)는 원호를 따라 연결된다. 이하 홈부(111)를 기준으로 원판부(11)의 외측의 원판부(11)를 외측원판부로, 내측의 원판부(11)를 내측원판부라고 하기로 한다.
또한 홈부(111)는 외측원판부의 상면으로부터 수직으로 하향 연결되는 수직면(112)과, 수직면(112)의 하단부 및 내측원판부의 상면에 연결되어 내측을 향할수록 상향되는 경사면(113)을 포함한다.
이때 원판부(11)는 수직면(112) 및 경사면(113)으로 이루어지는 홈부(111)가 상면에 형성됨으로써 상면이 평면으로 형성될 때에 비교하여 용접부위로부터 실링재까지의 열전달경로가 현저히 증가하게 된다.
또한 원판부(11)는 외주면으로부터 홈부(111)의 수직면(112)까지의 거리(d)가 케이스(3)의 두께(d1)와 동일한 크기로 형성됨으로써 케이스(3) 및 용접부위인 외측원판부의 두께가 동일하게 형성되고, 이에 따라 용접 시 케이스(3) 및 외측원판부가 동일한 속도로 녹아내려 두께의 차이로 인한 용접홀 발생을 효율적으로 방지할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 홈부를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 헤더(1)는 원판부(11)의 상면에 홈부(111)가 형성되고, 홈부(111)는 수직면(112) 및 경사면(113)으로 형성됨으로써 용접부위로부터 실링재(15)까지의 열전달경로가 증가하게 된다.
즉 도 6에 도시된 바와 같이 홈부(111)가 형성되는 위치를 'P1', 'P2'라고 할 때 'P1'부터 'P2'까지의 수평길이는 'L3'가 되고, 'P1'부터 'P2'까지의 홈부(111)의 길이는 'L1+L2'가 된다. 이때 L1+L2는 L3보다 항상 크기 때문에 홈부(111)를 형성하였을 때 실링재(15)로의 열전달경로가 증가하게 된다.
또한 도 6의 참조하여 살펴보면, 수직면(112)의 길이(홈부의 깊이)인 'L1'(h)이 증가할수록 'L2'가 비례하여 증가하는 것을 알 수 있고, 이에 따라 본 발명에서는 수직면의 길이(홈부의 깊이)(h)를 극대화하여 실링재(15)의 크랙현상을 효과적으로 방지한다.
이때 홈부의 깊이(h)는 원판부 두께(h) 대비 50 ~ 60%인 것이 바람직하고, 만약 홈부의 깊이(h)가 원판부(11) 두께의 50% 미만이면 크랙방지효율이 떨어지고, 60% 이상이면 내구성이 떨어지게 된다.
이와 같이 본 발명은 단순히 헤더의 원판부(11)에 홈부(111)를 형성하는 것만으로 동일 두께로 케이스 및 헤더의 용접이 가능해짐과 동시에 실링재(15)로의 열전달경로를 증가시켜 실링재(15)의 크랙현상을 효율적으로 방지할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예를 나타내는 사시도이다.
본 발명의 제2 실시예인 헤더(50)는 원판부(51)와, 전술하였던 도 2의 헤더(1)와 동일한 형상의 양극핀(13) 및 실링재(15)를 포함한다.
원판부(51)는 중공원판 형상으로 형성되며, 중공에 양극핀(13)이 실링재(15)에 의해 절연 융착된다.
또한 원판부(51)는 외주연으로부터 내측으로 소정 이격된 거리의 상면에 제2 홈부(511)가 형성되고, 제2 홈부(511)는 원호를 따라 연결된다. 이하 제2 홈부(511)를 기준으로 형성되는 원판부(51)를 외측원판부로, 내측에 형성되는 원판부(51)를 내측원판부라고 하기로 한다.
또한 제2 홈부(511)는 외측원판부의 상면으로부터 수직으로 하향 연결되는 수직면(512)과, 양단부가 수직면(512)의 하단부 및 내측원판부의 상면에 연결되되 내측으로 만곡되는 곡면(513)을 포함한다.
이와 같이 구성되는 헤더(50)는 전술하였던 도 2의 헤더와 같이 원판부(51)의 외주면으로부터 홈부(511)의 수직면(512)까지의 거리(d')가 전술하였던 도 5의 케이스(3)의 두께(d1)와 동일한 크기로 형성됨으로써 용접홀 발생률이 현저히 절감된다.
다시 말하면 임의의 두 점 사이를 연결하는 선이 곡선일 때의 길이가 직선일 때의 길이보다 크고, 이에 따라 일측이 곡면(513)으로 형성되는 제2 홈부(511)가 일측이 경사면(113)으로 형성되는 홈부(111) 보다 열전달경로를 증가시킨다.
또한 제2 홈부(511)의 깊이는 원판부(51)의 두께의 50 ~ 60%로 형성된다.
즉 본 발명의 제2 실시예인 헤더(50)는 제2 홈부(511)가 곡면(513)을 포함함으로써 실링재(15)의 크랙을 더욱 효율적으로 방지할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명의 헤더는 별도의 구성수단을 추가 구비하거나 재료변경을 하지 않고 단순히 원판부의 외형을 변형하는 것만으로 용접홀 및 크랙 현상이 획기적으로 절감된다.
1:헤더 3:케이스 11:원판부
13:양극핀 15:실링재 50:제2 실시예
51:원판부 111:홈부 112:수직면
113:경사면 511:제2 홈부 512:수직면
513:곡면

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  2. 일측이 개구된 원통 형상의 전지케이스에 설치되어 전지케이스를 밀봉시키는 헤더(header)에 있어서:
    상기 헤더는
    중공원판 형상으로 형성되며, 상기 전지케이스에 대향되는 일면에 외주연으로부터 내측으로 간격을 두고 홈부가 형성되며, 외주면이 상기 전지케이스의 개구부를 형성하는 내주면에 용접 결합되는 원판부;
    하부가 양극에 연결되는 막대형상으로 형성되어 상기 원판부의 중공에 절연재를 통해 융착되는 양극핀을 포함하고,
    상기 홈부는 상기 원판부의 일면으로부터 수직으로 하향 연결되는 수직면과, 양단부가 상기 수직면 및 상기 원판부의 일면에 연결되어 평면상으로 상기 원판부의 내측을 향할수록 상향되는 경사면을 포함하여 용접 시 용접부위로부터 상기 원판부의 중앙에 형성되는 상기 절연재로의 열 전달경로를 증가시키고,
    상기 원판부의 외주면으로부터 상기 수직면까지의 길이(d)는 상기 원판부의 외주면에 대접되는 상기 전지케이스의 측부의 두께(d1)와 동일한 크기로 형성되고, 상기 원판부는 상기 수직면의 깊이가 상기 원판부의 두께의 50 ~ 60%인 것을 특징으로 하는 헤더.
  3. 일측이 개구된 원통 형상의 전지케이스에 설치되어 전지케이스를 밀봉시키는 헤더(header)에 있어서:
    상기 헤더는
    중공원판 형상으로 형성되며, 상기 전지케이스에 대향되는 일면에 외주연으로부터 내측으로 간격을 두고 홈부가 형성되며, 외주면이 상기 전지케이스의 개구부를 형성하는 내주면에 용접 결합되는 원판부;
    하부가 양극에 연결되는 막대형상으로 형성되어 상기 원판부의 중공에 절연재를 통해 융착되는 양극핀을 포함하고,
    상기 홈부는 상기 원판부의 일면으로부터 수직으로 하향 연결되는 수직면과, 양단부가 상기 수직면 및 상기 원판부의 일면에 연결되어 평면상으로 상기 원판부의 내측으로 만곡되는 곡면을 포함하여 용접 시 용접부위로부터 상기 원판부의 중앙에 형성되는 상기 절연재로의 열 전달경로를 증가시키고,
    상기 원판부의 외주면으로부터 상기 수직면까지의 길이(d)는 상기 원판부의 외주면에 대접되는 상기 전지케이스의 측부의 두께(d1)와 동일한 크기로 형성되고, 상기 원판부는 상기 수직면의 깊이가 상기 원판부의 두께의 50 ~ 60%인 것을 특징으로 하는 헤더.
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