KR101726909B1 - 광흡수 부재를 갖는 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 이차 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 레이저 빔으로 집전판을 전극 조립체에 용접할 때, 레이저 빔 및/또는 스패터가 전극 조립체의 무지부 내부로 유입되지 않도록 하여 세퍼레이터 및/또는 전극판의 손상 현상 및 내부 단락 현상을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 케이스; 상기 케이스에 수용된 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 결합된 광흡수 부재; 상기 전극 조립체에 용접되고 상기 광흡수 부재에 밀착된 집전판; 및, 상기 집전판에 연결되고, 상기 케이스의 외측으로 연장된 단자로 이루어진 이차 전지를 개시한다.

Description

광흡수 부재를 갖는 이차 전지{RECHARGEABLE SECONDARY BATTERY HAVING LIGHT ABSORPTION MEMBER}
본 발명의 일 실시예는 광흡수 부재를 갖는 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지는 노트북이나 셀룰러 폰과 같은 소형 전자 장치에 주로 사용되고 있다. 또한, 최근의 리튬 이온 이차 전지는 다른 종류의 이차 전지에 비해 고출력, 고용량 및 경량 등의 특성을 가지고 있기 때문에, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에도 사용되고 있다.
한편, 이차 전지의 제조 공정 중 일반적으로 집전판이 전극 조립체에 레이저 빔으로 용접된다. 일례로, 집전판의 슬릿에 전극 조립체의 활물질 비코팅부(무지부)가 끼워진 후, 레이저 빔이 조사됨으로써, 집전판이 전극 조립체에 전기적으로 연결된다.
그러나, 이러한 제조 공정은 레이저 빔이 활물질 비코팅부의 내부에까지 유입됨으로써, 세퍼레이터 및/또는 전극판이 손상되기 쉽고, 이에 따라 전극판 사이에 내부 단락이 발생하는 문제가 있다.
공개특허공보 제10-2012-0078601호(2012.07.10.) 일본 공개특허공보 특개2000-133241호(2000.05.12.) 공개특허공보 제10-2012-0082182호(2012.07.23.)
본 발명의 일 실시예는 레이저 빔에 의해 집전판이 전극 조립체에 용접될 때, 레이저 빔 및/또는 스패터가 전극 조립체의 무지부 내부로 유입되지 않도록 하여, 세퍼레이터 및/또는 전극판의 손상 현상 및 내부 단락 현상이 방지되는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 레이저 빔에 의한 용접 방향이 전극 조립체의 길이 방향과 수평 방향이 됨으로써, 전극 조립체의 내부 마진(활물질 코팅 면적)이 최대가 되고, 집전판의 디자인이 단순화되며, 제조 공정 횟수도 감소되는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 케이스; 상기 케이스에 수용된 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 결합된 광흡수 부재; 상기 전극 조립체에 용접되고 상기 광흡수 부재에 밀착된 집전판; 및, 상기 집전판에 연결되고, 상기 케이스의 외측으로 연장된 단자를 포함한다.
상기 광흡수 부재는 전기적으로 절연체일 수 있다.
상기 광흡수 부재의 색상은 검은색일 수 있다.
상기 광흡수 부재는 PP(polypropylene), PE(polyethylene) 및 EPDM(ethylene propylene diene monomer)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 전극 조립체는 활물질 코팅부와 활물질 비코팅부를 포함하고, 상기 집전판은 상기 활물질 비코팅부에 용접되며, 상기 광흡수 부재는 상기 활물질 비코팅부에 결합될 수 있다. 상기 집전판은 상기 활물질 비코팅부의 길이 방향의 끝단에 용접되고, 상기 광흡수 부재는 상기 활물질 비코팅부의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 위치될 수 있다. 상기 활물질 코팅부는 상기 광흡수 부재에 의해 상기 집전판으로부터 격리될 수 있다. 상기 전극 조립체는 상기 활물질 코팅부에 밀착된 세퍼레이터를 더 포함하고, 상기 세퍼레이터는 상기 광흡수 부재에 의해 상기 집전판으로부터 격리될 수 있다. 상기 집전판은 상기 단자에 연결된 제1영역; 상기 제1영역으로부터 연장되고, 상기 전극 조립체 중 상기 활물질 비코팅부의 길이 방향의 끝단에 용접된 제2영역; 및 상기 제1영역 및 상기 제2영역의 사이에 형성된 절곡 영역을 포함할 수 있다. 상기 활물질 비코팅부는 상기 활물질 코팅부의 길이 방향에 대하여 수평한 제1영역; 상기 집전판의 폭 방향에 대하여 수직한 제2영역; 및 상기 제1영역 및 상기 제2영역의 사이에 형성된 절곡 영역을 포함할 수 있다.
상기 집전판은 상기 전극 조립체의 길이 방향에 대하여 수직 방향의 폭을 가질 수 있다.
상기 전극 조립체는 제1활물질 코팅부와 제1활물질 비코팅부를 포함하는 제1전극판; 제2활물질 코팅부와 제2활물질 비코팅부를 포함하는 제2전극판; 및, 상기 제1,2전극판의 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 광흡수 부재는 상기 제1활물질 비코팅부에 결합된 제1광흡수 부재; 및 상기 제2활물질 비코팅부에 결합된 제2광흡수 부재를 포함할 수 있다. 상기 집전판과 전극 조립체의 레이저 용접 시, 상기 제1광흡수 부재에 의해 상기 제1전극판의 제1활물질 코팅부, 제2전극판의 제2활물질 코팅부 및 세퍼레이터쪽으로 레이저의 유입이 차단될 수 있다. 상기 집전판과 전극 조립체의 레이저 용접 시, 상기 제2광흡수 부재에 의해 상기 제1전극판의 제1활물질 코팅부, 제2전극판의 제2활물질 코팅부 및 세퍼레이터쪽으로 레이저의 유입이 차단될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 전극 조립체 중 활물질 비코팅부 사이에 광흡수율이 높은 광흡수 부재가 개재됨으로써, 레이저 빔에 의해 집전판이 전극 조립체에 용접될 때, 레이저 빔 및/또는 스패터가 전극 조립체의 활물질 비코팅부 내부로 유입되지 않고, 이에 따라 세퍼레이터 및/또는 전극판의 손상 현상 및 내부 단락 현상이 방지되는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 레이저 빔에 의한 용접 방향이 전극 조립체의 길이 방향에 수직 방향에 대하여 아닌 전극 조립체의 길이 방향에 대하여 대략 수평 방향이 됨으로써, 전극 조립체의 내부 마진(활물질 코팅 면적)이 최대가 되고, 집전판의 디자인이 단순화되며, 제조 공정 횟수가 감소되는 이차 전지를 제공한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 1b-1b선 단면도이며, 도 1c는 도 1a의 1c-1c선 단면도이고, 도 1d는 집전판 및 그 주변 구조를 도시한 부분 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전판과 전극 조립체의 용접 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집전판과 전극 조립체의 용접 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 전극 조립체의 권취 방법을 도시한 사시도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 집전판과 전극 조립체의 용접 방법을 도시한 단면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 집전판과 전극 조립체의 용접 방법을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 1b-1b선 단면도이며, 도 1c는 도 1a의 1c-1c선 단면도이고, 도 1d는 집전판 및 그 주변 구조를 도시한 부분 사시도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전판과 전극 조립체의 용접 구조를 도시한 단면도이다.
도 1a 내지 도 1d 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 케이스(110), 전극 조립체(120), 제1집전판(130a), 제1광흡수 부재(140a), 제1절연 부재(150a), 제2집전판(130b), 제2광흡수 부재(140b), 제2절연 부재(150b), 캡 플레이트(160), 제1단자(170a) 및 제2단자(170b)를 포함한다.
여기서, 전극 조립체(120)의 갯수는, 도 1c를 참조하면, 비록 1개로 도시되어 있으나, 이보다 더 작거나 또는 많은 개수가 존재할 수 있음은 당연하다. 또한, 케이스(110)는 캔(can)으로 지칭될 수도 있으며, 경우에 따라서는 캡 플레이트(160)를 포함하는 개념일 수 있다.
케이스(110)는 대략 평평하고 서로 마주보는 한쌍의 장측벽(111a, 111b)과, 상기 장측벽(111a, 111b)을 연결하며 서로 마주보는 한쌍의 단측벽(112a, 112b)과, 상기 장측벽(111a, 111b) 및 상기 단측벽(112a, 112b)을 연결하는 하나의 바닥벽(113)을 포함한다. 여기서, 장측벽의 면적이 단측벽의 면적보다 상대적으로 크다. 또한, 케이스(110)는 상부의 개방된 영역이 캡 플레이트(160)로 밀폐된다. 이러한 케이스(110)에는 전극 조립체(120)가 전해액과 함께 수용된다. 또한, 케이스(110)는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 철, 철 합금, 스테인리스 스틸 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
전극 조립체(120)는 대략 평평하고 서로 마주보는 한쌍의 장변 영역(120a,120b)과, 장변 영역(120a,120b)을 연결하며 서로 마주보는 한쌍의 단변 영역(120c,120d)을 포함한다. 여기서, 장변 영역(120a,120b)의 면적이 단변 영역(120c,120d)의 면적에 비하여 상대적으로 넓다.
또한, 전극 조립체(120)는 제1활물질이 코팅되지 않은 제1활물질 비코팅부(121a, 제1무지부) 및 제2활물질이 코팅되지 않은 제2활물질 비코팅부(122a, 제2무지부)가 서로 반대 방향으로 일정 길이 연장되어 있다. 즉, 제1활물질 비코팅부(121a)는 장변 영역(120a,120b) 및 단변 영역(120c,120d)을 통해 일측 방향으로 일정 길이 연장 및 돌출되고, 제2활물질 비코팅부(122a)는 장변 영역(120a,120b) 및 단변 영역(120c,120d)을 통해 상기 일측 방향의 반대인 타측 방향으로 일정 길이 연장 및 돌출되어 있다. 또한, 전극 조립체(120)의 제1활물질 비코팅부(121a) 및 제2활물질 비코팅부(122a)는 각각 케이스(110)에 구비된 단측벽(112a,112b)을 향하여 일정 길이 연장되어 있다.
더불어, 전극 조립체(120)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 제1전극판(121), 제2전극판(122), 및 제1,2전극판(121,122)의 사이에 개재된 세퍼레이터(123)의 적층체가 권취되거나 겹쳐서 형성된다. 여기서, 제1전극판(121)은 양극으로서 동작할 수 있으며, 제2전극판(122)은 음극으로서 동작할 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
제1전극판(121)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 포일로 형성된 제1전극 집전체(121b)에 전이금속산화물 등의 제1전극 활물질(121c, 경우에 따라 제1활물질 코팅부로 지칭됨)이 도포되어 형성되며, 제1활물질이 도포되지 않은 영역인 제1활물질 비코팅부(121a)를 포함한다. 제1활물질 비코팅부(121a)가 제1전극판(121)과 제1집전판(130a) 사이의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제1전극판(121)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
제2전극판(122)은 구리, 구리 합금 또는 니켈과 같은 금속 포일로 형성된 제2전극 집전체(122b)에 흑연 또는 탄소 등의 제2전극 활물질(122c, 경우에 따라 제2활물질 코팅부로 지칭됨)이 도포되어 형성되며, 제2활물질이 도포되지 않는 영역인 제2활물질 비코팅부(122a)를 포함한다. 제2활물질 비코팅부(122a)는 제2전극판(122)과 제2집전판(130b) 사이의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제2전극판(122)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기와 같은 제1전극판(121) 및 제2전극판(122)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있다.
세퍼레이터(123)는 제1전극판(121)과 제2전극판(122) 사이에 위치되어 상호간 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 한편, 본 발명에서 세퍼레이터(123)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
이러한 전극 조립체(120)는 상술한 바와 같이 전해액과 함께 케이스(110)에 수납된다. 상기 전해액은 EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate)와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
제1광흡수 부재(140a)는 제1활물질 비코팅부(121a)에 결합되어 있다. 즉, 제1광흡수 부재(140a)는 다수의 제1활물질 비코팅부(121a)들 사이의 공간에 끼워져 있다. 이와 같이 하여, 제1광흡수 부재(140a)의 일측에 위치된 제1전극판(121)의 제1활물질(121c), 세퍼레이터(123) 및 제2전극판(122)은 외측으로 노출되지 않는다. 다르게 설명하면, 제1전극판(121)의 제1활물질(121c), 세퍼레이터(123) 및 제2전극판(122)은 제1광흡수 부재(140a)에 의해 제1집전판(130a)으로부터 격리된다. 따라서, 하기할 제1집전판(130a)과 제1활물질 비코팅부(121a) 사이의 레이저 용접 공정에서, 레이저 빔 및 스패터 등이 제1전극판(121)의 제1활물질(121a), 세퍼레이터(123) 및 제2전극판(122)으로 유입되지 않는다.
한편, 제1광흡수 부재(140a)는 전기적으로 절연체일 수 있다. 더욱이, 하기할 레이저 용접 공정에서 레이저 빔의 흡수율이 높도록 제1광흡수 부재(140a)의 색상은 검은색 계열일 수 있다. 그러나, 이러한 색상으로 본 발명이 한정되지 않는다.
구체적으로, 제1광흡수 부재(140a)는 PP(polypropylene), PE(polyethylene), EPDM(ethylene propylene diene monomer) 및 그 등가물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 그러나, 이러한 재질로 본 발명이 한정되지 않는다. 일례로, 전해액과 반응하지 않는 재료이면, 제1광흡수 부재(140a)로 이용될 수 있다.
제1집전판(130a)은 케이스(110)의 내측에 위치되며, 이는 제1단자(170a)와 전극 조립체(120)의 사이에 전기적으로 접속된다. 구체적으로, 제1집전판(130a)은 제1단자(170a)에 전기적으로 연결되는 대략 평평한 제1영역(131a), 제1영역(131a)으로부터 절곡되어 전극 조립체(120)의 제1활물질 비코팅부(121a)에 전기적으로 연결되는 대략 평평한 제2영역(132a), 그리고 제1영역(131a)과 제2영역(132a) 사이에 형성된 절곡 영역(133a)을 포함한다. 더욱이, 제2영역(132a)에는 최외곽의 제1활물질 비코팅부(121a)를 감싸도록 제2영역(132a)으로부터 절곡된 제3영역(134a)이 더 형성될 수 있다.
여기서, 제1집전판(130a) 중 평평한 제2영역(132a)은 제1활물질 비코팅부(121a)의 길이 방향의 끝단에 용접된다. 이를 위해 제1집전판(130a) 중 평평한 제2영역(132a)의 폭 방향은 상기 제1활물질 비코팅부(121a)의 길이 방향에 대하여 대략 수직일 수 있다. 또한, 제1집전판(130a) 중 제2영역(132)과 제1활물질 비코팅부(121a)의 길이 방향 끝단 사이의 레이저 용접에 방해되지 않도록, 제1광흡수 부재(140a)는 제1활물질 비코팅부(121a)의 길이 방향에 대하여 대략 수직으로 위치될 수 있다.
또한, 제1집전판(130a) 중 제1영역(131a)에는 대략 사각 형태의 퓨즈 홀(135a)이 형성되고, 또한 퓨즈 홀(135a)의 양측에는 상대적으로 단면적이 작은 한쌍의 퓨즈부(136a)가 형성된다. 즉, 퓨즈부(136a)의 폭은 제1영역(131a) 또는 제2영역(132a)의 폭보다 작게 형성된다. 도면에서는 퓨즈부(136a)의 형성을 위해 제1영역(131a)에 관통 홀이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 절개부의 형성도 가능하다. 이러한 퓨즈부(136a)는 이차 전지(100)의 외부 단락 또는 과충전 시에 흐르는 과전류에 의해 발생되는 열로 용융됨으로써, 충전 및/또는 방전 전류를 차단하는 역할을 한다. 물론, 이에 따라 이차 전지(100)의 안전성이 향상된다.
또한, 제1집전판(130a) 중 제1영역(131a)에는 하기할 제1단자(170a)의 체결 영역(171a) 및 결합 돌기(174a)가 결합되는 결합홀들(137a,138a)이 형성될 수 있다.
여기서, 제1집전판(130a)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 스테인리스, 금, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 그러나, 이로서 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 일례로, 제1집전판(130a)이 알루미늄으로 형성될 경우, 퓨즈부(136a) 역시 알루미늄으로 형성된다. 알루미늄의 경우 용융점이 대략 659℃이므로, 과전류에 의해 퓨즈부(136a)의 온도가 대략 659℃에 도달하면, 퓨즈부(136a)가 자연스럽게 용융되어 끊어진다.
제1절연부(150a)는 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)을 대략 감싸는 형태를 한다. 구체적으로, 제1절연부(150a)는 캡 플레이트(160)와 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)의 사이에 위치되며, 제1단자(170a)의 체결 영역(171a) 및 플랜지(173a), 그리고 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)을 감싼다. 좀더 구체적으로, 제1절연부(150a)는 제1집전판(130a)의 제1영역(131a) 및 제1단자(170a)의 플랜지(173a)와, 캡 플레이트(160)의 사이에 개재된 상부 영역(151a), 그리고 제1집전판(130a)의 제1영역(131a) 중 측부 영역, 제1단자(170a)의 체결 영역(171a) 및 플랜지(173a)의 측부 영역을 둘러싸는 대략 4개의 측부 영역(152a)을 포함한다. 이러한 제1절연부(150a)는 전해액과 반응하지 않는 PPS(Polyphenylene Sulfide) 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
캡 플레이트(160)는 제1단자(170a)가 외부로 노출 또는 돌출되도록 하면서, 상기 케이스(110)의 개방된 영역을 덮는다. 물론, 상기 케이스(110)와 캡 플레이트(160)의 경계는 레이저 빔으로 용접될 수 있다. 더욱이, 캡 플레이트(160)에는 전해액 주액구(161)가 형성되고, 이러한 주액구는 마개(162)로 막힐 수 있으며, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 안전벤트(163)도 형성될 수 있다. 실질적으로, 이러한 캡 플레이트(160)는 케이스(110)와 동일 재질로 형성될 수 있다.
제1단자(170a)는 제1집전판(130a)에 전기적으로 연결되고, 캡 플레이트(160)를 관통하여 외측으로 일정 길이 연장된다. 즉, 제1단자(170a)는 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)에 결합되고, 제1절연부(150a) 및 캡 플레이트(160)를 관통하여 외측으로 일정 길이 연장된다. 이러한 제1단자(170a)는 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)에 구비된 결합홀(137a)에 전기적 및 기구적으로 결합되며, 기둥 형태를 하는 체결 영역(171a)과, 케이스(110) 또는 캡 플레이트(160) 외측의 체결 영역(171a)에 고정되고 버스바(도시되지 않음) 등이 결합되는 고정 영역(172a)을 포함한다. 또한, 체결 영역(171a) 중 케이스(110) 또는 캡 플레이트(160)의 내측에는 수평 방향으로 일정 길이 연장된 판상의 플랜지(173a)가 더 형성되며, 이러한 플랜지(173a)는 하부로 연장되어 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)에 구비된 또다른 결합홀(138a)에 결합되는 결합 돌기(174a)를 포함한다. 여기서, 플랜지(173a)의 상면이 제1절연부(150a)의 상부 영역(141a)에 밀착되고, 제1집전판(130a)의 퓨즈부(136a) 및 절곡 영역(133a) 등은 상술한 제1절연부(150a)에 형성된 4개의 측부 영역(152a)이 이루는 공간에 수용된다.
여기서, 제1단자(170a)를 이루는 체결 영역(171a), 고정 영역(172a), 플랜지(173a) 및 결합 돌기(174a) 등은 모두 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명이 한정되지 않는다.
더불어, 캡 플레이트(160) 위의 체결 영역(171a)은 고정 영역(172a)에 결합된 후 리벳팅 또는 용접되고, 캡 플레이트(160) 아래의 체결 영역(171a) 및 결합 돌기(174a)는 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)에 구비된 결합홀들(137a,138a)에 결합된 후 리벳팅 또는 용접된다.
또한, 제1단자(170a) 중 체결 영역(171a)이 캡 플레이트(160)를 관통하는데, 그 외주연에는 시일 가스켓(181a)이 더 형성될 수 있다. 따라서 제1단자(170a)는 캡 플레이트(160)로부터 절연될 수 있다. 일례로, 시일 가스켓(181a)은 전해액과 반응하지 않는 PFA(Perfluoroalkoxy)일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
더불어, 고정 영역(172a)과 케이스(110)의 사이에는 상부 절연부(182a)가 개재될 수 있다. 이러한 상부 절연부(182a)는 시일 가스켓(181a)에도 밀착될 수 있다. 이러한 상부 절연부(182a)는 제1고정 영역(172a)과 캡 플레이트(160)를 절연시킨다. 일례로, 상부 절연부(182a)는 PPS(Polyphenylene Sulfide)일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 더불어, 케이스(110) 및 캡 플레이트(160)가 양극으로 대전된 전지의 경우에는 고정 영역(172a)과 캡 플레이트(160)가 도시되지 않은 고저항 부재를 통하여 상호간 전기적으로 접속될 수도 있다.
한편, 제2집전판(130b), 제2광흡수 부재(140b) 및 제2단자(170b)의 구조는 기본적으로 상술한 제1집전판(130a), 제1광흡수 부재(140a) 및 제1단자(170a)의 구조와 유사하거나 동일하다. 더욱이, 제2집전판(130b)에는 퓨즈 홀(135b) 및 퓨즈부(136b)가 존재할 수 있다. 물론, 경우에 따라 퓨즈 홀(135b) 및 퓨즈부(136b)는 존재하지 않을 수도 있다.
다만, 제2광흡수 부재(140b)는 제2활물질 비코팅부(122a)에 결합되어 있다. 즉, 제2광흡수 부재(140b)는 다수의 제2활물질 비코팅부(122a)들이 이루는 공간에 끼워져 있다. 이와 같이 하여, 제2광흡수 부재(140b)의 일측에 위치된 제2전극판(122)의 제2활물질(122c), 세퍼레이터(123) 및 제1전극판(121)은 외측으로 노출되지 않는다. 다르게 설명하면, 제2전극판(122)의 제2활물질(122c), 세퍼레이터(123) 및 제1전극판(121)은 제2광흡수 부재(140b)에 의해 제2집전판(130b)으로부터 격리된다. 따라서, 하기할 제2집전판(130b)과 제2활물질 비코팅부(121b) 사이의 레이저 용접 공정에서 레이저 빔 및 스패터 등이 제2전극판(122)의 제2활물질(122c), 세퍼레이터(123) 및 제1전극판(121)으로 유입되지 않는다.
또한, 제1광흡수 부재(140a) 및 제2광흡수 부재(140b)는 서로 반대 방향으로 일정 길이 연장되어 있다. 즉, 제1광흡수 부재(140a)는 전극 조립체(120)의 장변 영역(120a,120b) 및 단변 영역(120c,120d)을 통해 일측 방향으로 일정 길이 연장되고, 제2광흡수 부재(140b)는 전극 조립체(120)의 장변 영역(120a,120b) 및 단변 영역(120c,120d)을 통해 상기 일측 방향의 반대인 타측 방향으로 일정 길이 연장되어 있다. 또한, 제1광흡수 부재(140a) 및 제2광흡수 부재(140b)는 각각 케이스(110)에 구비된 단측벽(112a,112b)을 향하여 일정 길이 연장되어 있다.
한편, 전극 조립체(120) 중 최외곽의 활물질 비코팅부(121a,122a)에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 광흡수 부재(140a,140b)가 위치되거나(도 2의 우측 영역 참조) 또는 위치되지 않을 수(도 2의 좌측 영역 참조) 있다. 이러한 최외곽의 광흡수 부재(140a,140b)는 집전판(130a,130b)의 크기나 디자인에 따라 존재하거나 존재하지 않을 수 있으며, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
이하에서는, 제1집전판(130a) 및 제2집전판(130b), 제1광흡수 부재(140a) 및 제2광흡수 부재(140b)의 모양이 동일하거나 유사하므로, 제1집전판(130a) 및 제1광흡수 부재(140a)를 중심으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 집전판과 전극 조립체의 용접 구조를 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1활물질 비코팅부(121a)는 제1활물질 코팅부(121c)의 길이 방향에 대하여 대략 수평한 제1영역(121a_a)과, 제1집전판(130a)의 폭 방향에 대하여 대략 수직한 제2영역(121a_c)과, 제1영역(121a_a) 및 제2영역(121a_c)의 사이에 형성된 절곡 영역(121a_b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스택된 두개의 제1전극판(121)의 사이에는 하나의 제2전극판(122)과, 두개의 세퍼레이터(123)가 개재되기 때문에, 스택된 두개의 제1활물질 비코팅부(121a)의 사이에 제1광흡수 부재(140a)가 개재된다고 해도, 두개의 제1활물질 비코팅부(121a)가 이루는 두께는 전극 조립체(120)의 전체 두께보다 상대적으로 작을 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1활물질 비코팅부(121a) 및 제1광흡수 부재(140a)가 가압되고, 이에 따라 제1활물질 비코팅부(121a) 및 제1광흡수 부재(140a)가 이루는 두께는 전극 조립체(120)의 전체 두께보다 상대적으로 얇아질 수 있다. 물론, 이에 따라 제1집전판(130a)의 폭 역시 전극 조립체(120)의 전체 두께에 비하여 상대적으로 작게 설계될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 전극 조립체의 권취 방법을 도시한 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)의 제조 공정 중 1개의 제1전극판(121), 1개의 제2전극판(122), 및 2개의 세퍼레이터(123)가 구비된다.
여기서, 제1전극판(121)은 제1활물질 코팅부(121c) 및 제1활물질 비코팅부(121a)를 가지며, 제1활물질 비코팅부(121a)의 상면 및/또는 하면에는 제1광흡수 부재(140a)가 위치되거나 부착된다. 또한, 제1광흡수 부재(140a)의 폭은 제1활물질 비코팅부(121a)의 폭과 같거나 또는 작을 수 있다. 물론, 제1집전판(130a)과의 용이한 용접을 위해 제1활물질 비코팅부(121a)의 끝단은 제1광흡수 부재(140a)를 통해 외부로 노출된다.
또한, 제2전극판(122)은 제2활물질 코팅부(122c) 및 제2활물질 비코팅부(122a)를 가지며, 제2활물질 비코팅부(122a)의 상면 및/또는 하면에는 제2광흡수 부재(140b)가 위치되거나 부착된다. 또한, 제2광흡수 부재(140b)의 폭은 제2활물질 비코팅부(122a)의 폭과 같거나 또는 작을 수 있다. 물론, 제2집전판(122)과의 용이한 용접을 위해 제2활물질 비코팅부(122a)의 끝단은 제2광흡수 부재(140b)를 통해 외측으로 노출된다.
한편, 제2전극판(122)의 상면과 하면에 각각 위치된 두개의 세퍼레이터(123)는 길이가 제1,2전극판(121,122)의 길이보다 더 길게 형성됨으로써, 전극 조립체(120)의 최외곽이 세퍼레이터(123)로 감싸여지고, 이에 따라 이차 전지(100)의 안전성이 향상된다.
마지막으로, 이러한 구조체의 상부 일측 끝단에 와인더(190)가 밀착되고, 예를 들어, 와인더(190)가 시계 방향으로 회전함으로써, 도 2에 도시된 바와 같은 권취된 전극 조립체(120)가 얻어진다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 집전판과 전극 조립체의 용접 방법을 도시한 단면도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(120)의 권취 전에 제1광흡수 부재(140a)는 제1활물질 비코팅부(121a)의 하면에 위치되고, 제2광흡수 부재(140b)는 제2활물질 비코팅부(122a)의 하면에 위치될 수 있다. 반대로, 전극 조립체(120)의 권취 전에 제1광흡수 부재(140a)는 제1활물질 비코팅부(121a)의 상면에 위치되고, 제2광흡수 부재(140b)는 제2활물질 비코팅부(122a)의 상면에 위치될 수 있다. 또한, 전극 조립체(120)의 권취 전에 제1광흡수 부재(140a)는 제1활물질 비코팅부(121a)의 상면 및 하면에 위치되고, 제2광흡수 부재(140b)는 제2활물질 비코팅부(122a)의 상면 및 하면에 위치될 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(120)의 권취 후에, 예를 들면, 제1광흡수 부재(140a)는 2개의 제1활물질 비코팅부(121a)의 사이에 개재될 수 있다. 물론, 제1활물질 비코팅부(121a)의 끝단은 제1광흡수 부재(140a)를 통해 외측으로 노출된다. 더불어, 이러한 제1광흡수 부재(140a)를 통하여, 제1전극판(121)의 제1활물질 코팅부(121c), 세퍼레이터(123) 및 제2전극판(122)이 외측으로 노출되지 않게 된다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(120)의 권취 후에 제1집전판(130a)이 제1활물질 비코팅부(121a)에 결합된다. 즉, 제1집전판(130a) 중 제1활물질 비코팅부(121a)의 길이 방향에 대하여 대략 수직 방향의 폭을 갖는 대략 평평한 제2영역(132a)이 제1활물질 비코팅부(121a) 및 제1광흡수 부재(140a)에 밀착된다. 더불어, 제1집전판(130a) 중 제3영역(134a)은 최외각의 제1활물질 비코팅부(121a)에 밀착된다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 제1집전판(130a) 중 평평한 제2영역(132a)에 레이저 빔이 입사된다. 이때, 레이저 빔의 입사 방향이 전극 조립체(120)의 길이 방향에 대하여 대략 수평 방향을 이룬다. 따라서, 제1집전판(130a) 중 평평한 제2영역(132a) 및 제1활물질 비코팅부(121a)의 끝단이 용융 및 냉각되면서 상호간 용접된다. 이때, 레이저 빔이 제1집전판(130a) 중 평평한 제2영역(132a)을 통과한다고 해도, 제1광흡수 부재(140a)가 이를 흡수함으로써, 레이저 빔 및/또는 스패터가 제1전극판(121)의 제1활물질 코팅부(121c), 세퍼레이터(123) 및 제2전극판(122)으로 입사되지 않는다.
따라서, 레이저 빔 및/또는 스패터에 의한 세퍼레이터(123) 및/또는 제1,2전극판(121,122)의 손상 현상 및 내부 단락 현상이 방지된다.
더욱이, 레이저 빔에 의한 용접 방향이 전극 조립체(120)의 길이 방향에 수직 방향이 아닌 전극 조립체(120)의 길이 방향에 대략 수평 방향이 됨으로써, 전극 조립체(120)의 내부 마진(즉, 제1활물질 코팅부(121c)의 면적)이 최대가 될 뿐만 아니라, 제1집전판(130a)의 디자인도 단순화되고, 제조 공정 횟수도 최소화된다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 집전판과 전극 조립체의 용접 방법을 도시한 단면도이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 낱개의 제1광흡수 부재(140a)의 두께는 제1전극판(121) 또는 제2전극판(122)의 두께와 유사할 수 있다. 또한, 제1광흡수 부재(140a)의 두께는 세퍼레이터(123)의 두께와 유사할 수 있다. 더불어, 이러한 제1광흡수 부재(140a)는 제1활물질 비코팅부(121a)의 상면 및/또는 하면에 위치될 수 있다.
이와 같이 하여, 제1활물질 비코팅부(121a)의 절곡 이전에는 인접한 제1광흡수 부재(140a)가 상호간 접촉하지 않고 이격될 수 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 제1활물질 비코팅부(121a)의 가압 공정을 통하여, 제1활물질 비코팅부(121a) 사이의 거리가 최소화되고, 이에 따라 인접한 제1광흡수 부재(140a)가 상호간 밀착될 수 있다. 물론, 이러한 가압 공정을 통하여 제1활물질 비코팅부(121a)의 전체적인 두께가 전극 조립체(120)의 전체적인 두께에 비하여 얇아진다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 압축된 제1활물질 비코팅부(121a)에 제1집전판(130a)이 결합된다. 이때, 제1집전판(130a)의 평평한 제2영역(132a)이 제1활물질 비코팅부(121a)의 끝단에 접촉되고, 또한 제3영역(134a)은 최외곽의 제1활물질 비코팅부(121a) 또는 최외곽의 제1광흡수 부재(140a)에 밀착된다.
도 6d에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 제1집전판(130a)의 제2영역(132a)에 입사된다. 즉, 레이저 빔이 전극 조립체(120)의 길이 방향에 대략 수평 방향으로 입사된다. 따라서, 제1집전판(130a)의 제2영역(132a) 및 제1활물질 비코팅부(121a)가 용융 및 냉각되면서 상호간 전기적으로 연결된다.
물론, 이때 레이저 빔 및/또는 스패터는 제1광흡수 부재(140a)에 의해 제1전극판(121)의 제1활물질 코팅부(121c), 세퍼레이터(123) 및 제2전극판(122)으로 유입되지 않고, 따라서 제1,2전극판(121,122), 세퍼레이터(123)의 손상 현상이 방지되고, 또한 제1,2전극판(121,122)의 내부 단락도 방지된다. 또한, 제1활물질 비코팅부(121a)의 가압 공정에 의해 제1활물질 비코팅부(121a) 및 제1광흡수 부재(140a)가 이루는 두께가 최소화됨으로써, 이에 접속되는 제1집전판(130a) 즉, 평평한 제2영역(132a)의 폭 역시 최소화할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 이차 전지 110; 케이스
120; 전극 조립체 121; 제1전극판
121a; 제1활물질 비코팅부 121b; 제1전극 집전체
121c; 제1활물질 122; 제2전극판
122a; 제2활물질 비코팅부 122b; 제2전극 집전체
122c; 제2활물질 123; 세퍼레이터
130a; 제1집전판 131a; 제1영역
132a; 제2영역 133a; 절곡 영역
134a; 제3영역 135a; 퓨즈 홀
136a; 퓨즈부 137a,138a; 결합홀
140a; 제1광흡수 부재 150a; 제1절연부
151a; 상부 영역 152a; 측부 영역
130b; 제2집전판 140b; 제2광흡수 부재
160; 캡 플레이트 161; 주액홀
162; 마개 163; 안전벤트
170a; 제1단자 171a; 체결 영역
172a; 고정 영역 173a; 플랜지
174a; 결합 돌기 181a; 시일 가스켓
182a; 상부 절연부 170b; 제2단자

Claims (14)

  1. 케이스;
    상기 케이스에 수용된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체에 결합된 광흡수 부재;
    상기 전극 조립체에 용접되고 상기 광흡수 부재에 밀착된 집전판; 및,
    상기 집전판에 연결되고, 상기 케이스의 외측으로 연장된 단자를 포함하고,
    상기 전극 조립체는 다수의 활물질 코팅부와 다수의 활물질 비코팅부를 포함하며, 상기 집전판은 상기 다수의 활물질 비코팅부에 용접되고, 상기 광흡수 부재는 상기 다수의 활물질 비코팅부 사이에 결합되며, 상기 광흡수 부재는 전기적으로 절연체인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광흡수 부재의 색상은 검은색인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광흡수 부재는 PP(polypropylene), PE(polyethylene) 및 EPDM(ethylene propylene diene monomer)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 집전판은 상기 활물질 비코팅부의 길이 방향의 끝단에 용접되고,
    상기 광흡수 부재는 상기 활물질 비코팅부의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 위치된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 활물질 코팅부는 상기 광흡수 부재에 의해 상기 집전판으로부터 격리됨을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 활물질 코팅부에 밀착된 세퍼레이터를 더 포함하고,
    상기 세퍼레이터는 상기 광흡수 부재에 의해 상기 집전판으로부터 격리됨을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 집전판은
    상기 단자에 연결된 제1영역;
    상기 제1영역으로부터 연장되고, 상기 전극 조립체 중 상기 활물질 비코팅부의 길이 방향의 끝단에 용접된 제2영역; 및
    상기 제1영역 및 상기 제2영역의 사이에 형성된 절곡 영역을 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 활물질 비코팅부는
    상기 활물질 코팅부의 길이 방향에 대하여 수평한 제1영역;
    상기 집전판의 폭 방향에 대하여 수직한 제2영역; 및
    상기 제1영역 및 상기 제2영역의 사이에 형성된 절곡 영역을 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 집전판은 상기 전극 조립체의 길이 방향에 대하여 수직 방향의 폭을 가짐을 특징으로 하는 이차 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는
    제1활물질 코팅부와 제1활물질 비코팅부를 포함하는 제1전극판;
    제2활물질 코팅부와 제2활물질 비코팅부를 포함하는 제2전극판; 및,
    상기 제1,2전극판의 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 광흡수 부재는
    상기 제1활물질 비코팅부에 결합된 제1광흡수 부재; 및
    상기 제2활물질 비코팅부에 결합된 제2광흡수 부재를 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 집전판과 전극 조립체의 레이저 용접 시,
    상기 제1광흡수 부재에 의해 상기 제1전극판의 제1활물질 코팅부, 제2전극판의 제2활물질 코팅부 및 세퍼레이터쪽으로 레이저의 유입이 차단됨을 특징으로 하는 이차 전지.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 집전판과 전극 조립체의 레이저 용접 시,
    상기 제2광흡수 부재에 의해 상기 제1전극판의 제1활물질 코팅부, 제2전극판의 제2활물질 코팅부 및 세퍼레이터쪽으로 레이저의 유입이 차단됨을 특징으로 하는 이차 전지.
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