KR101775545B1 - 단락 돌기를 갖는 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극 어셈블리와, 상기 전극 어셈블리가 내장되는 케이스와, 상기 케이스와 결합되며 단락 홀이 형성된 캡 플레이트와, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 제1 단자와, 상기 제2 전극과 전기적으로 연결된 제2 단자와, 상기 제2 단자와 상기 캡 플레이트 사이에 배치되며 상기 단락 홀과 연통된 연결 홀 및 상기 연결 홀에서 이격 배치된 통기 홀이 형성된 상부 절연부재, 및 상기 단락 홀에서 상기 캡 플레이트와 상기 상부 절연부재 사이에 설치되며 변형되어 상기 음극과 상기 양극을 전기적으로 연결하도록 구성된 단락부재를 포함한다.

Description

단락 돌기를 갖는 이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY HAVING SHORT PROTRUSION}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단락 돌기의 구조를 개선한 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지로 구성된다.
또한, 하나의 대용량 이차 전지는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지로 이루어지며, 이차 전지는 원통형과 각형 등으로 이루어질 수 있다.
금속 등의 재질로 이루어진 케이스를 갖는 이차 전지 내부에서 이상 반응이 일어나 압력이 상승하면 이차 전지 이차 전지가 폭발하거나 발화할 위험이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단락 시의 접촉 저항이 감소된 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극 어셈블리와, 상기 전극 어셈블리가 내장되는 케이스와, 상기 케이스와 결합되며 단락 홀이 형성된 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 외측으로 돌출되며 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 제1 단자와, 상기 단락 홀에서 상기 캡 플레이트와 상기 상부 절연부재 사이에 설치되며 변형되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하도록 구성된 단락부재, 및 상기 제2 단자에 연결되어 상기 단락부재와 접촉하는 단락 돌기;를 포함하고, 상기 단락 돌기의 표면조도(roughness)는 상기 캡 플레이트의 표면조도보다 더 크게 형성된다.
상기 단락 돌기는 상기 제2 단자에서 돌출되어 상기 제2 단자와 일체로 형성될 수 있으며, 상기 제2 단자의 표면조도는 상기 캡 플레이트의 조도 보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 단락 돌기의 표면조도는 상기 제2 단자의 다른 부분의 표면조도 보다 더 크게 형성될 수 있으며, 상기 제2 단자에는 복수 개의 미세 돌기가 형성될 수 있다.
상기 제2 단자에서 상기 단락 돌기에만 복수 개의 미세 돌기가 형성될 수 있으며, 상기 단락 돌기의 표면조도는 상기 캡 플레이트의 표면조도의 1.3배 내지 10배로 이루어질 수 있다.
상기 단락 돌기의 평균 표면조도(Ra)는 0.5㎛∼100㎛로 이루어질 수 있으며, 상기 단락 돌기는 고리 형상으로 이어져 형성될 수 있다.
상기 단락 돌기는 산 또는 염기에 의하여 에칭될 수 있으며, 상기 단락 돌기는 샌드 블러스트(sand blast) 처리될 수 있다. 상기 단락 돌기는 미세돌기를 갖는 스탬프에 의하여 스탬핑 처리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단락 돌기의 표면조도가 증가되므로 단락부재와 단락 돌기의 접촉 시에 접촉 저항이 감소한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 일부를 도시한 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 단자를 아래에서 본 사시도이다.
도 5a는 조면화 처리되기 전의 제2 단자의 일부를 나타낸 사진이고, 도 5b는 조면화 처리된 제2 단자의 일부를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 단자를 아래에서 본 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 일 실시예에 따른 이차 전지(101)는 양극(제1 전극)(11)과 음극(제2 전극)(12) 사이에 세퍼레이터(13)를 개재하여 귄취된 전극 어셈블리(10)와, 전극 어셈블리(10)가 내장되는 케이스(26)와, 케이스(26)의 개구에 결합된 캡 어셈블리(30)를 포함한다.
본 일 실시예에 따른 이차 전지(101)는 리튬 이온 이차 전지로서 각형인 것을 예로서 설명한다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 리튬 폴리머 전지 또는 원통형 전지 등 다양한 형태의 전지에 적용될 수 있다.
양극(11) 및 음극(12)은 박판의 금속 호일로 형성된 집전체에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 영역인 무지부(11a, 12a)를 포함한다. 양극 무지부(11a)는 양극(11)의 길이 방향을 따라 양극(11)의 한 쪽 측단에 형성되고, 음극 무지부(12a)는 음극(12)의 길이 방향을 따라 음극(12)의 다른 쪽 측단에 형성된다. 그리고 양극(11) 및 음극(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 사이에 개재한 후 권취된다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기한 전극 어셈블리(10)는 복수 개의 시트(sheet)로 이루어진 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 구조로 이루어질 수도 있다.
케이스(26)는 대략 직육면체로 이루어지며, 일면에는 개방된 개구가 형성된다. 케이스(26)는 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속으로 이루어질 수 있다.
캡 어셈블리(30)는 케이스(26)의 개구를 덮는 캡 플레이트(31)와 캡 플레이트(31)의 외측으로 돌출되며, 양극(11)과 전기적으로 연결된 제1 단자(21)와 캡 플레이트(31)의 외측으로 돌출되며 음극(12)과 전기적으로 연결된 제2 단자(22)를 포함한다.
캡 플레이트(31)는 일방향으로 이어진 길쭉한 판 형태로 이루어지며, 케이스(26)의 개구에 결합된다. 캡 플레이트(31)에는 전해액 주입구(32)에 설치된 밀봉 마개(38)와 벤트 홀(34)에 설치되며 설정된 압력에서 개방될 수 있도록 노치(39a)가 형성된 벤트 플레이트(39)가 설치된다. 제1 단자(21) 및 제2 단자(22)는 캡 플레이트(31) 상부로 돌출되도록 설치된다.
제1 단자(21)는 집전탭(41)을 매개로 양극(11)과 전기적으로 연결되며, 제2 단자(22)는 집전탭을 매개로 음극(12)과 전기적으로 연결된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 단자(21)가 음극과 전기적으로 연결되고, 제2 단자(22)가 양극과 전기적으로 연결될 수도 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 제1 단자(21)는 직사각형의 판 형상으로 이루어진다. 제1 단자(21)는 집전탭(41)에 접합된 연결 단자(25)를 매개로 양극(11)과 전기적으로 연결된다. 제1 단자(21)에 결합된 연결 단자(25)와 제2 단자(22)에 결합된 연결 단자(25)는 동일한 구조로 이루어진다.
제1 단자(21)와 캡 플레이트(31) 사이에는 밀봉을 위한 실링 가스켓(59)이 단자가 관통되는 홀에 삽입 설치되고, 캡 플레이트(31)의 아래에는 제1 단자(21) 및 집전탭(41)을 캡 플레이트(31)에서 절연하는 하부 절연부재(45)가 설치된다.
제1 단자(21)의 하부에는 제1 단자(21)와 캡 플레이트(31)를 전기적으로 연결하는 연결판(58)이 설치된다. 연결판(58)에는 연결 단자(25)가 관통하도록 설치되며, 연결판(58)은 캡 플레이트(31)와 제1 단자(21) 사이에 위치한다. 이러한 구조로 캡 플레이트(31)는 제1 단자(21)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 단자(22)는 직사각형의 판 형상으로 이루어진다. 제2 단자(22)는 집전탭(42)에 접합된 연결 단자(25)를 매개로 음극(12)과 전기적으로 연결된다. 연결 단자(25)는 캡 플레이트(31) 및 제2 단자(22)를 관통하여 상단이 제2 단자(22)에 고정되는 기둥부(25a)와 기둥부(25a)의 하단에서 외측으로 돌출된 하부 플랜지부(25b), 및 기둥부(25a)의 하단에서 아래로 돌출되며 집전탭(42)에 삽입되어 용접으로 고정된 하부돌기(25c)를 포함한다.
제2 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에는 밀봉을 위한 실링 가스켓(55)이 단자가 관통되는 홀에 삽입 설치되고, 캡 플레이트(31)의 아래에는 제2 단자(22) 및 집전탭(42)을 캡 플레이트(31)에서 절연하는 하부 절연부재(43)가 설치된다.
한편, 제2 단자(22)의 하부에는 단락 홀(37)을 향하여 돌출된 단락 돌기(22c)가 형성된다. 제2 단자(22)는 단락 홀(37)을 덥도록 일방향으로 길게 연장되어 형성된다. 제2 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에는 제2 단자(22)와 캡 플레이트(31)를 전기적으로 절연하는 상부 절연부재(54)가 설치된다.
캡 어셈블리(30)는 양극(11)과 음극(12)을 단락시키는 단락부재(56)를 포함하는 바, 단락부재(56)는 캡 플레이트(31)와 전기적으로 연결되며, 이차 전지(101)의 내부 압력이 상승할 때 변형되어 제2 단자(22)와 연결된다.
캡 플레이트(31)에는 단락 홀(37)이 형성되며, 단락부재(56)는 단락 홀(37)에서 상부 절연부재(54)와 캡 플레이트(31) 사이에 배치된다. 단락부재(56)는 아래로 볼록하게 호형으로 굴곡된 만곡부(56a)와 만곡부(56a)의 외측에 형성되며 캡 플레이트(31)에 고정된 테두리부(56b)를 포함한다. 이러한 구조로 단락부재(56)는 기 설정된 압력에서 하부로 볼록하게 만곡된 만곡부(56a)가 상부로 볼록하도록 변형되며, 이때, 단락 돌기(22c)와 단락부재(56)가 맞닿게 된다.
상부 절연부재(54)는 길이방향 양쪽 측단에 돌출 형성된 지지 돌기(543, 545)를 포함한다. 상부 절연부재(54)는 직사각형의 판 형상으로 이루어진 하판과 하판의 측단에서 돌출된 측벽을 갖는다. 지지 돌기(543, 545)는 제2 단자(22)에 형성된 지지 턱(22a, 22b)와 맞닿아 제2 단자(22)를 지지한다. 지지 턱(22a, 22b)은 제2 단자(22)의 길이방향 양쪽 측단에서 단차지게 형성되어 지지 돌기(543, 545)와 결합된다. 지지 돌기(543, 545)는 하판의 내측을 향하여 돌출된 걸림부를 갖는 바, 걸림부가 지지 턱(22a, 22b)의 상면과 맞닿아 제2 단자(22)를 지지한다.
도 4에 도시된 바와 같이 제2 단자(22)는 직사각형의 판상으로 이루어지며 제2 단자(22)의 바닥에는 단락부재(56)를 향하여 돌출된 단락 돌기(22c)가 제2 단자(22)와 일체로 형성된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 단락 돌기는 제2 단자(22)에 용접 등의 방법으로 부착될 수 있다. 또한 제2 단자(22)에는 연결 단자(25)가 삽입되는 단자 홀(22d)과 캡 플레이트(31)에 형성된 지지돌기가 삽입되는 지지 홈(22e)이 형성된다.
단락 돌기(22c)는 제2 단자(22)의 하면에서 아래를 향하여 돌출되도록 형성되며 원형의 고리 형상으로 이어져 형성된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 단락 돌기(22c)는 다양한 형상으로 돌출 형성될 수 있다.
단락 돌기(22c)의 표면조도는 캡 플레이트(31)의 표면조도 보다 더 크게 형성된다. 이를 위해서 제2 단자(22)는 조면화 처리될 수 있는데, 조면화 처리는 샌드 블라스트 처리, 산 또는 염기에 의한 에칭, 마이크로 크기의 미세돌기를 갖는 스탬프를 이용한 스탬핑 등에 의하여 이루어질 수 있다.
이에 따라 단락 돌기(22c)에는 마이크로 크기의 미세한 돌기들(22f)이 형성되며 이러한 미세 돌기(22f)는 제2 단자(22) 전체에 조면화 처리가 이루어져서 제2 단자(22) 전체에 형성된다.
단락 돌기(22c)의 표면조도는 캡 플레이트(31)의 표면조도의 1.3배 내지 10배로 이루어질 수 있다. 또한 단락 돌기(22c)의 평균 표면조도(Ra)는 0.5㎛∼100㎛로 이루어질 수 있다.
본 실시예와 같이 단락 돌기(22c)의 표면조도가 증가하면 단락부재(56)가 변형되어 단락 돌기(22c)와 접촉할 때 접촉면적이 증가하게 된다. 단락 돌기(22c)와 단락부재(56) 사이의 접촉 면적이 작으면 단락 돌기(22c)와 단락부재(56) 사이의 접촉 저항에 의하여 단락부재(56)가 쉽게 용융되어 단락 상태를 유지하지 못하는 문제가 발생한다. 그러나 본 실시예에 따르면 단락부재(56)와 단락 돌기(22c)가 미세 돌기들(22f)에 의하여 접촉하므로 접점이 증가하여 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.
도 5a는 조면화 처리 전의 제2 단자의 일부를 나타낸 사진이고, 도 5b는 조면화 처리 후의 제2 단자의 일부를 나타낸 사진이다.
도 5a에 도시된 바와 같이 조면화 처리 전의 제2 단자(22)는 매끈한 표면을 유지하고 있으나, 산에 의한 에칭 공정을 이용한 조면화 처리 후에는 도 5b에 도시된 바와 같이 표면조도가 증가한 것을 알 수 있다. 또한 산에 의한 에칭 공정을 적용하면 제2 단자(22)의 표면에 있는 불순문을 제거할 수 있으며 이에 따라 기름 등의 유기물 및 탄소 등의 이물질을 확실하게 제거할 수 있다.
샌드 블라스트 공정은 제2 단자(22)에 모래 등의 미세 물질을 분사하여 제2 단자(22)를 조면화 시키는 공정으로서 이에 따라 제2 단자(22)의 표면조도가 증가하게 된다.
미세돌기를 갖는 스탬프를 이용한 스탬핑 공정은 마이크로 크기의 미세 돌기를 갖는 스탬프를 이용하여 단락 돌기 및 제2 단자(22)를 스탬핑하여 단락 돌기(22c)의 표면 조도를 증가시킨다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 단자를 도시한 사시도이다.
도 6을 참조하여 설명하며, 본 실시예에 따른 이차 전지는 제2 단자의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 다른 제2 단자(70)는 직사각형의 판상으로 이루어지며 제2 단자(70)의 바닥에는 단락부재(56)를 향하여 돌출된 단락 돌기(71)가 형성된다. 또한 제2 단자(70)에는 연결 단자(25)가 삽입되는 단자 홀(72)과 캡 플레이트(31)에 형성된 지지돌기가 삽입되는 지지 홈(73)이 형성된다.
단락 돌기(71)는 제2 단자(70)의 하면에서 아래를 향하여 돌출되도록 형성되며 원형의 고리 형상으로 이어져 형성된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 단락 돌기(71)는 다양한 형상으로 돌출 형성될 수 있다.
단락 돌기(71)의 표면조도는 캡 플레이트(31)의 표면조도 보다 더 크게 형성된다. 또한, 단락 돌기(71)의 표면조도는 제2 단자(70)의 다른 부분의 표면조도보다 더 크게 형성된다. 즉, 단락 돌기(71)만 조면화 처리되며 단락 돌기(71)를 제외한 제2 단자(70)의 다른 부분은 조면화 처리되지 않는다.
이를 위해서 단락 돌기(71)는 샌드 블라스트 처리, 산 또는 염기에 의한 에칭, 마이크로 크기의 미세돌기를 갖는 스탬프를 이용한 스탬핑 등에 의하여 조면화 처리될 수 있다. 이를 위해서 단락 돌기(71)만 산 또는 염기에 에칭될 수 있으며, 조면화 처리된 단락 돌기(71)가 제2 단자에 용접으로 고정될 수 있다.
이에 따라 단락 돌기(71)에는 마이크로 크기의 미세한 돌기들(75)이 형성되며 이러한 미세 돌기(75)는 제2 단자(70)에서 단락 돌기(71)에만 형성된다.
단락 돌기(71)의 표면조도는 제2 단자의 다른부분의 표면조도의 1.3배 내지 10배로 이루어질 수 있다. 또한 단락 돌기(71)의 평균 표면조도(Ra)는 0.5㎛∼100㎛로 이루어질 수 있다.
본 실시예와 같이 단락 돌기(71)의 표면조도가 증가하면 단락부재(56)가 변형되어 단락 돌기(71)와 접촉할 때 접촉면적이 증가하게 된다. 이에 따라 단락부재(56)와 단락 돌기(71) 사이의 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
101: 이차 전지 10: 전극 어셈블리
11: 양극 11a: 양극 무지부
12: 음극 12a: 음극 무지부
13: 세퍼레이터 21: 제1 단자
22, 70: 제2 단자 22a, 22b: 지지 턱
22c, 71: 단락 돌기 22d, 72: 단자 홀
22e, 73: 지지 홈 22f, 75: 미세 돌기
26: 케이스 30: 캡 어셈블리
31: 캡 플레이트 37: 단락 홀
54: 상부 절연부재 543, 545: 지지 돌기
55, 59: 실링 가스켓 56: 단락부재
56a: 만곡부 56b: 테두리부
58: 연결판

Claims (12)

  1. 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극 어셈블리;
    상기 전극 어셈블리가 내장되는 케이스;
    상기 케이스와 결합되며 단락 홀이 형성된 캡 플레이트;
    상기 캡 플레이트의 외측으로 돌출되며 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 제1 단자;
    상기 캡 플레이트의 외측으로 돌출되며 상기 제2 전극과 전기적으로 연결된 제2 단자;
    상기 단락 홀에서 상기 캡 플레이트와 상부 절연부재 사이에 설치되며 변형되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하도록 구성된 단락부재; 및
    상기 제2 단자에 연결되어 상기 단락부재와 접촉하는 단락 돌기;를 포함하고,
    상기 단락 돌기의 표면조도(roughness)는 상기 캡 플레이트의 표면조도보다 더 크며,
    상기 단락 돌기에는 복수 개의 마이크로 크기의 미세 돌기가 형성된 이차 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 단락 돌기는 상기 제2 단자에서 돌출되어 상기 제2 단자와 일체로 형성된 이차 전지.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 단자의 표면조도는 상기 캡 플레이트의 조도 보다 더 큰 이차 전지.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 단락 돌기의 표면조도는 상기 제2 단자의 다른 부분의 표면조도 보다 더 큰 이차 전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 단자에는 상기 미세 돌기가 형성된 이차 전지.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 단락 돌기의 표면조도는 상기 캡 플레이트의 표면조도의 1.3배 내지 10배인 이차 전지.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 단락 돌기의 평균 표면조도(Ra)는 0.5㎛∼100㎛인 이차 전지.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 단락 돌기는 고리 형상으로 이어져 형성된 이차 전지.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 단락 돌기는 산 또는 염기에 의하여 에칭된 이차 전지.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 단락 돌기는 샌드 블러스트(sand blast) 처리된 이차 전지.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 단락 돌기는 상기 미세돌기를 갖는 스탬프에 의하여 스탬핑 처리된 이차 전지.
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