KR101802347B1 - 아치형 탑 캡을 포함하는 각형 이차전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents
아치형 탑 캡을 포함하는 각형 이차전지 및 그의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 각형 캔에 내장되어 있는 각형 이차전지로서; 전극조립체의 단자들이 접속되는 단자 접속부들을 포함하고 있는 탑 캡으로서, 평면상으로 외주변이 2개의 단변들과 2개의 장변들로 이루어져 있으며, 상기 장변들 중에서 적어도 하나의 장변은 탑 캡의 중심 방향으로 만입된 아치형 변으로 이루어진 구조의 탑 캡; 및 상기 탑 캡이 결합되는 개방 상단부는 탑 캡의 외주변에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 하단부는 외주변이 평면상으로 2개의 단변들과 2개의 장변들을 포함하고 있으며, 상기 장변들이 각각 직선 구조인 각형 캔;을 포함하고 있는 것을 특징으로 하여 충방전시 전극조립체의 팽창 수축으로 인한 변형을 방지하고, 전극조립체를 강하게 고정하여 각형 이차전지의 안전성 및 안정성을 확보한다.
Description
본 발명은 각형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적어도 하나의 변이 탑 캡의 중심 방향으로 만입된 아치형 변(arcuated side)인 탑 캡 및 각형 캔을 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
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 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
젤리-롤형 전극조립체는 주로 원통형 전지와 각형 전지에 사용되는 바, 도 1에는 젤리-롤형 전극 조립체를 포함하고 있는 종래의 일반적인 각형 전지의 분해 사시도를 모식적으로 나타낸 것이고, 도 2는 도 1에 나타낸 종래 일반적인 각형 전지의 평면도를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 각형 전지(50)는 젤리-롤형 전극조립체(10)가 각형 캔(20)에 내장되어 있고 단자 접속부(32)가 형성되어 있는 탑 캡(30)이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.
탑 캡(30)과 전극조립체(10)는 전극조립체(10)의 음극으로부터 연장된 음극 단자(12)를 통해 탑 캡(30) 상의 단자 접속부(32)의 하단에 전기적으로 연결되며, 상기 단자 접속부(32)는 절연 부재를 포함하여, 전극조립체로부터 연장된 음극 단자(12)를 단자 접속부(32)를 제외한 탑 캡(30)으로부터 절연시킨다. 반면에, 전극조립체(10)로부터 연장된 양극 단자(14)는 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(30)에 전기적으로 연결된다.
또한, 전극 단자들(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 각형 캔(20)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 그런 다음, 전해액 주입구(36)를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 각형 전지(50)를 제조한다.
상기 과정을 더욱 상세히 살펴보기 위해, 도 2를 참조하면, 각형 캔(20)과 탑 캡(30)은 모두 외주변이 직선인 장방형으로, 탑 캡(30)의 외주변은 각형 캔(20)의 개방된 상단부의 내주변과 대응되는 형상으로, 탑 캡(30)이 전극조립체(10)를 수납하고 있는 각형 캔(20)의 상단부에 결합되어 안착되도록 구성되어 있다.
그러나, 상기한 방법들에 따라 제조된 각형 전지(50)는 반복적인 충방전과정에서, 전극조립체(10)의 부피 팽창 및 수축(10’)에 의해 양극/분리막/음극 간 결합이 느슨해지고, 사이에 공간이 생겨 내부 저항이 증가되는 바, 전지 특성이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점은 특히 전극조립체로부터 연장된 전극 단자들이 위치한 전극조립체 상단에서 극대화된다.
한편, 상기와 같은 부피 팽창 및 수축(10’)에 의해 케이스가 변형됨으로써, 상기 방법에 의해 제조된 전지는 적은 외부 충격에도 케이스 내 전극조립체의 위치가 이동하여 내부 단락이 발생하는 등 안전성 또한 문제된다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 탑 캡 및 각형 캔으로 이루어진 전지 케이스 내에 전극조립체가 고정될 수 있도록, 탑 캡의 중심 방향으로 만입된 아치형 변(arcuated side)을 포함하는 탑 캡과 상기 탑 캡의 외주변에 대응하는 형상으로 이루어져 있는 상단부를 포함하는 각형 캔을 이용하여 각형 이차전지를 제조함으로써, 충방전에 따른 전극조립체의 변형을 방지함과 동시에, 구조적 안정성을 높인 각형 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 각형 이차전지 제조시, 전극조립체 삽입이 용이하고, 높은 양품률을 확보하기 위한 이차전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 각형 캔에 내장되어 있는 각형 이차전지로서;
전극조립체의 단자들이 접속되는 단자 접속부들을 포함하고 있는 탑 캡으로서, 평면상으로 외주변이 2개의 단변들과 2개의 장변들로 이루어져 있으며, 상기 장변들 중에서 적어도 하나의 장변은 탑 캡의 중심 방향으로 만입된 아치형 변(arcuated side)으로 이루어진 구조의 탑 캡; 및
상기 탑 캡이 결합되는 개방 상단부는 탑 캡의 외주변에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 하단부는 외주변이 평면상으로 2개의 단변들과 2개의 장변들을 포함하고 있으며, 상기 장변들이 각각 직선 구조인 각형 캔;
을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지를 제공한다.
앞서 설명한 바와 같이, 각형 이차전지는 반복적인 충방전과정에 의해 전극조립체가 팽창 및 수축함에 따라 이를 수납하는 각형 캔도 팽창하고, 이에 따라, 내부 저항이 증가하고, 안정성이 저하되며, 이러한 현상은 전극 단자가 위치하는 전극조립체 및 각형 캔의 상단부에서 더욱 심화된다.
이에 본 발명의 발명자들은 평면상으로 외주변이 2개의 단변들과 2개의 장변들로 이루어져 있으며, 상기 장변들 중에서 적어도 하나의 장변은 탑 캡의 중심 방향으로 만입된 아치형 변으로 이루어진 구조의 탑 캡과, 상기 탑 캡에 대응하기 위해 각형 캔의 하단부에서 상단부로 갈수록 아치형 장변을 지니는 각형 캔을 포함하는 경우, 전극조립체의 팽창이 가장 큰 중심 상단부 쪽에 평면상 중심으로 만입되는 아치형 변을 형성하여, 전극조립체가 두께방향으로 팽창되는 것을 방지하고, 보다 강하게 고정하여, 안전성 및 구조적 안정성이 확보되는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 지속적인 충방전과정에 의해 전지의 내압이 증가 또는 감소하더라도, 전극조립체가 두께방향으로 팽창하는 것에 대응한 각형 캔의 반발력을 증가시키고, 전극조립체를 안정적으로 고정함으로써, 이차전지의 안전성뿐만 아니라, 수명 특성이 향상된 이차전지를 제공할 수 있다.
상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이면 상관 없으며, 스택/폴딩형 또는 젤리-롤형 전극조립체(젤리-롤)일 수 있으나, 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 점에서, 젤리-롤형 전극조립체인 것이 바람직하다.
상기 각형 캔은 제조의 용이성을 고려하여 연성 및 전도성이 우수한 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈 도금 연강 등의 금속 소재로 이루어진 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 탑 캡의 외주변은 상호 대면하는 단변들인 제 1 변과 제 3 변 및 상호 대면하는 장변들인 제 2 변과 제 4 변으로 이루어져 있고;
상기 각형 캔의 개방 상단부의 외주변은 상호 대면하는 단변들인 제 1 상단 변과 제 3 상단 변 및 상호 대면하는 장변들인 제 2 상단 변과 제 4 상단 변으로 이루어져 있으며;
상기 각형 캔의 하단부의 외주변은 상호 대면하는 단변들인 제 1 하단 변과 제 3 하단 변 및 상호 대면하는 장변들인 제 2 하단 변과 제 4 하단 변으로 이루어져 있고;
상기 제 1 상단 변과 제 1 하단 변 사이에 각형 캔의 제 1 측면이 위치하고, 상기 제 2 상단 변과 제 2 하단 변 사이에 각형 캔의 제 2 측면이 위치하며, 상기 제 3 상단 변과 제 3 하단 변 사이에 각형 캔의 제 3 측면이 위치하고, 상기 제 4 상단 변과 제 4 하단 변 사이에 각형 캔의 제 4 측면이 위치한다.
상기 탑 캡에서 상대적으로 긴 제 2 변 및 제 4 변 중 어느 하나 이상은 아치형 변으로 이루어져 있으며, 이와 대응되는 상기 각형 캔의 제 2 상단 변 및 제 4 상단 변 중 어느 하나 이상은 아치형 변으로 이루어질 수 있다.
이와 비교하여, 상기 각형 캔의 제 1 내지 제 4 하단 변들은 모두 직선형 변으로 이루어져 있다. 즉, 각형 캔의 상단부 외주변은 아치형 장변을 포함하나, 하단부 외주변은 모두 직선형이다.
구체적으로, 상기 탑 캡의 제 2 변과 그에 대응하는 각형 캔의 제 2 상단 변은 아치형 변으로 이루어진 구조일 수 있다. 즉, 탑 캡의 장변 중 하나만이 아치형 변으로 이루어질 수 있고, 이에 대응하는 각형 캔의 상단 변은 동일한 아치형 변으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 탑 캡의 제 2 변과 그에 대응하는 각형 캔의 제 2 상단 변 및 탑 캡의 제 4 변과 그에 대응하는 각형 캔의 제 4 상단 변이 각각 아치형 변으로 이루어진 구조일 수 있다. 즉, 탑 캡의 외주변에서 두 개의 장변들 모두 아치형 변으로 이루어질 수 있고, 이에 대응하는 각형 캔의 상단 변들 또한 아치형 변으로 형성될 수 있다. 이 때, 하나의 아치형 변을 포함하는 것과 비교하여, 각형 캔의 중심으로 전극조립체를 고정하고, 상기 전극조립체의 부피 팽창에 대해 효과적으로 반발력을 제공할 수 있어 바람직하다.
본 발명에 따른 각형 이차전지는 탑 캡 및 각형 캔의 상단부에 위치한 장변이 아치형 변으로 이루어져 있어, 그 외주변이 탑 캡 또는 각형 캔의 상단부 중심으로 만입된 구조를 갖는다.
상기 아치형 변의 만입 깊이는 탑 캡의 단변 길이를 기준으로 1% 내지 20%의 범위인 것이 바람직하고, 상세하게는 3% 내지 15%인 것이 더욱 바람직하다. 이때, 만입 깊이는, 아치형 변의 양 끝을 연결한 직선에서 이격된 수직거리를 의미한다.
상기 범위를 벗어나 1% 미만으로 만입 깊이를 형성하는 경우, 전극조립체의 부피 팽창 억제 등의 소망하는 효과를 달성하기 어려우며, 20%를 초과하여 만입 깊이를 형성하는 경우, 지나친 외압으로 오히려 전극조립체의 구조가 변형될 수 있고, 구조적으로 안정성이 떨어지는 바, 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 탑 캡의 제 2 변과 그에 대응하는 각형 캔의 제 2 상단 변 및 탑 캡의 제 4 변과 그에 대응하는 각형 캔의 제 4 상단 변이 모두 아치형 변으로 이루어진 경우, 만입 깊이는 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있으나, 제조 용이성 및 대칭성을 고려하여, 동일한 것이 바람직하다.
상기 아치형 변은 중심점에서 가장 큰 만입 깊이를 가지고 양 단부 쪽으로 갈수록 만입 깊이가 순차적으로 감소하는 구조로 이루어져, 결과적으로, 전극조립체를 수납하는 내부는, 중심점에서 양 단부쪽으로 갈수록 넓은 공간을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 각형 이차전지는, 각형 캔의 상단 변들 중 일부는 아치형 변을 포함하고 있으나, 하단 변들은 모두 직선형으로, 하단 변에 대응되는 상단 변이 아치형 변인 경우, 이에 대응하는 측면은 높이에 따라 다른 만입 깊이를 갖는다.
구체적으로, 각형 캔의 상기 제 2 상단 변이 아치형 변으로 이루어진 경우, 상기 제 2 상단 변과 제 2 하단 변 사이의 제 2 측면은 제 2 상단 변으로부터 제 2 하단 변 쪽으로 만입 깊이가 순차적으로 감소하는 구조로 이루어질 수 있다.
이와 유사하게, 각형 캔의 상기 제 2 상단 변 및 제 2 상단 변이 아치형 변으로 이루어진 경우, 상기 제 2 상단 변과 제 2 하단 변 사이의 제 2 측면은 제 2 상단 변으로부터 제 2 하단 변 쪽으로 만입 깊이가 순차적으로 감소하고, 상기 제 4 상단 변과 제 4 하단 변 사이의 제 4 측면은 제 4 상단 변으로부터 제 4 하단 변 쪽으로 만입 깊이가 순차적으로 감소하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기와 같이, 상단 변이 아치형 변으로 이루어져 있고, 하단 변이 직선형 변으로 이루어진 각형 캔의 측면은 이등변 삼각형으로 절곡된 구조를 갖는 바, 가장 만입된 부분인 상기 측면의 중앙 상단부는 응력이 최대로 집중되어, 내부에 위치한 전극조립체가 팽창되는 힘이 작용하더라도, 효과적으로 각형 캔 및 전극조립체의 형태를 유지할 수 있다.
각형 캔에 수납된 상기 전극조립체는 충방전과정에서 팽창 및 수축을 반복하고, 이러한 현상은 전극 단자가 포함된 전극조립체의 상단부에서 극대화된다. 따라서, 전극조립체에서 전극 단자가 포함된 부분과, 상기 각형 캔의 응력이 집중되는 부분을 일치시킬 필요가 있다. 상기 전극 단자에는 전극조립체의 양극으로부터 연장된 양극 단자와 음극으로부터 연장된 음극 단자 두 가지 종류가 있으며, 각형 캔의 응력이 집중되는 중앙 상단부에 상기 양극 단자 또는 음극 단자가 위치할 수 있도록, 상기 탑 캡에 포함되어 있는 상기 단자 접속부는 전극조립체의 양극으로부터 연장된 양극 단자 또는 음극으로부터 연장된 음극 단자와 연결되는 것이 바람직하다.
상기 단자 접속부와 전극조립체로부터 연장된 전극 단자의 연결은, 특별히 제한되는 것은 아니나, 스팟 용접 또는 솔더링을 통해 전기적 및 기계적으로 연결될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 각형 이차전지를 제조하는 방법으로서,
(i) 전극조립체의 단자들이 접속되는 단자 접속부들을 포함하고 있는 탑 캡으로서, 평면상으로 외주변이 2개의 단변들과 2개의 장변들로 이루어져 있으며, 상기 장변들 중에서 적어도 하나의 장변은 탑 캡의 중심 방향으로 만입된 아치형 변으로 이루어진 구조의 탑 캡을 준비하는 과정;
(ii) 개방 상단부와 하단부의 외주변이 평면상으로 2개의 단변들과 2개의 장변들을 포함하고 있고 상기 개방 상단부 및 하단부의 장변들이 각각 직선 구조인 각형 캔을 준비하는 과정;
(iii) 상기 각형 캔에 전극조립체를 수납하는 과정
(iv) 상기 전극조립체가 수납된 각형 캔의 개방 상단부에 탑 캡을 탑재하는 과정;
(v) 상기 각형 캔의 개방 상단부가 탑 캡의 외주변에 일치할 수 있도록, 상기 각형 캔의 개방 상단부를 가압하는 과정; 및
(vi) 상기 탑 캡과 각형 캔을 상호 용접하여 봉합하는 과정;
을 포함하는 이차전지의 제조방법을 제공한다.
상기 과정(i) 및 (ii)는 본 발명에 따른 각형 이차전지를 구성하는 탑 캡 및 각형 캔을 준비하는 과정으로, 가공이 용이하고 기계적 강도가 비교적 우수한 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈 도금 연강 등의 금속 소재로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 탑 캡은 전극조립체로부터 연장된 전극 단자들이 연결되는 단자 접속부를 포함하고, 필요에 따라, 전지셀의 과충전 및 과방전을 방지하기 위해, 전기 절연성 기재 및 안전소자를 포함하는 보호회로 기판을 포함할 수 있다.
또한, 상기 각형 캔은, 전극조립체를 수납할 수 있도록 개방 상단부와 폐쇄 하단부를 포함하고, 예를 들어, 다이 표면상의 소재판을 원주방향으로 압축하면서 펀치와 다이 사이에 이동시켜 측벽을 만드는 드로잉 가공(drawing work)에 의에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 각형 이차전지는, 결과적으로 장변들 중에서 적어도 하나의 장변은 탑 캡의 중심 방향으로 만입된 아치형 변으로 이루어진 구조의 탑 캡; 및 상기 탑 캡이 결합되는 개방 상단부는 탑 캡의 외주변에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 하단부의 외주변은 직선 구조인 각형 캔;을 포함하는 구성을 가지나, 상기 각형 캔의 준비 단계인 과정(ii)에서는, 개방 상단부와 하단부의 외주변이 평면상으로 2개의 단변들과 2개의 장변들을 포함하고 있고 상기 개방 상단부 및 하단부의 장변들이 각각 직선 구조인 각형 캔을 준비하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 과정(ii)에서는, 종래 각형 캔과 동일한 구조의 각형 캔을 준비하여, 과정(iii)에서의 전극조립체 수납이 용이하도록 한다.
상기 과정(ii)에서 각형 캔의 상단부를 탑 캡의 외주변과 대응하는 형상, 즉 평면상 중심 방향으로 만입된 아치형 변을 포함하는 형태로 제조하는 경우, 과정(iii)에서 전극조립체 삽입 시, 중심으로 만입된 아치형 개구부로 인해, 전극조립체의 하단부 중심이 걸리거나, 찢기는 등 손상이 있을 수 있어 바람직하지 않다.
따라서, 상기 과정(ii)에서는, 종래와 동일한 형상의 각형 캔을 준비하되, 전극조립체를 수납한 이후 각형 캔의 개방 상단부가 탑 캡의 외주변에 일치시키는 것이 바람직하다.
상기 과정(iii)에서 각형 캔에 전극조립체를 수납한 다음, 상기 과정(iv)에서는, 상기 각형 캔의 개방 상단부에 탑 캡을 탑재한다.
이 때, 상기 탑 캡의 단자 접속부에 전극조립체의 양극으로부터 연장된 양극 단자 및 음극으로부터 연장된 음극 단자를 연결하는 과정을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 양극 단자 및 음극 단자를 탑 캡의 단자 접속부에 연결하는 과정은 상기 과정(iii) 이전에 수행되어, 탑 캡과 연결된 전극조립체를 각형 캔에 수납할 수도 있고, 상기 과정(iii) 이후에 수행될 수도 있으나, 공정의 용이성을 고려하여, 상기 과정(iv)에서 전극조립체가 수납된 각형 캔의 개방 상단부에 탑 캡을 탑재한 뒤, 스팟 용접 등에 의해 탑 캡과 전극조립체를 전기적으로 연결하는 것이 바람직하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 각형 캔과 탑 캡은 서로 결합이 용이하도록 각각 하나 이상의 체결구와 상기 체결구에 결합되는 하나 이상의 체결 홈을 포함하고 있을 수 있다.
상기 과정(v)에서는 상기 각형 캔의 개방 상단부가 탑 캡의 외주변에 일치할 수 있도록, 상기 각형 캔의 개방 상단부를 가압한다.
상기 가압 과정은, 공정의 편의성을 고려하여, 탑 캡의 아치형 변에 대응하는 형상의 아치형 지그(jig)에 의해 수행될 수 있다.
상기 과정(vi)에서는 상기 탑 캡과 각형 캔을 상호 용접하여 케이스를 봉합한다. 상기 용접과정은, 특별히 제한되는 것은 아니나, 레이저 용접에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 과정(i) 내지 (vi)에 의해 제조된 각형 이차전지는, 이후에 탑 캡의 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입한 후 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포하여 각형 이차전지로 제조된다.
본 발명은 또한 상기 각형 이차전지를 둘 이상 포함하고 있는 전지모듈을 제공하고, 상기 전지모듈을 하나 이상을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 각형 이차전지는, 장변들 중에서 적어도 하나의 장변은 탑 캡의 중심 방향으로 만입된 아치형 변으로 이루어진 구조의 탑 캡과, 상기 탑 캡에 대응하기 위해 각형 캔의 중심부가 상부로 갈수록 아치형 장변을 지니는 각형 캔을 포함하여, 전극조립체가 두께방향으로 팽창되는 것을 방지하고, 보다 강하게 고정하여, 안전성 및 안정성이 증가하고, 수명 특성이 향상되는 효과를 가진다.
도 1에는 젤리-롤형 전극 조립체를 포함하고 있는 종래의 일반적인 각형 전지를 모식적으로 나타낸 분해 사시도이다;
도 2는 도 1에 도시한 종래 일반적인 각형 전지의 제조과정 및 충방전 과정에 따라 팽창 및 수축된 이차전지를 모식적으로 나타낸 평면도들이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(i)의 탑 캡을 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(ii)의 각형 캔을 모식적으로 나타낸 평면도 및 사시도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(iii)의 각형 캔을 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(iv)의 각형 캔 및 탑 캡을 모식적으로 나타낸 평면도 및 사시도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(v)를 모식적으로 나타낸 평면도들이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(v)를 모식적으로 나타낸 사시도들이다; 및
도 9은 종래 일반적인 각형 이차전지와 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 응력차이를 비교하기 위해 나타낸 평면도들이다.
도 2는 도 1에 도시한 종래 일반적인 각형 전지의 제조과정 및 충방전 과정에 따라 팽창 및 수축된 이차전지를 모식적으로 나타낸 평면도들이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(i)의 탑 캡을 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(ii)의 각형 캔을 모식적으로 나타낸 평면도 및 사시도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(iii)의 각형 캔을 모식적으로 나타낸 평면도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(iv)의 각형 캔 및 탑 캡을 모식적으로 나타낸 평면도 및 사시도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(v)를 모식적으로 나타낸 평면도들이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(v)를 모식적으로 나타낸 사시도들이다; 및
도 9은 종래 일반적인 각형 이차전지와 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 응력차이를 비교하기 위해 나타낸 평면도들이다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3 내지 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정 일부를 단계적으로 나타낸 평면도들이다.
도 3을 참조하면, 과정(i)에서 탑 캡(130)을 준비한다. 탑 캡(130)은 단자 접속부(132)를 포함하고 있고, 평면상으로 외주변이 2개의 단변들(131, 135)과 2개의 장변들(133, 137)로 이루어져 있다. 장변들(133, 137)은 모두 탑 캡(130)의 중심 방향으로 만입된 아치형 변으로 이루어져 있다.
장변(133)은 아치선(Arched line)으로 이루어져 있어, 소정의 만입 깊이(L)로 만입된 구조를 갖는다.
만입 깊이(L)는 장변(133)을 직선으로 연결한 부분으로부터 이격된 수직거리이며, 단변들(131, 135)의 길이를 기준으로 1% 내지 20%의 범위이다.
장변(133)은 중심점에서 가장 큰 만입 깊이(L)를 가지고 양 단부 쪽으로 갈수록 만입 깊이가 순차적으로 감소하는 구조를 가진다.
장변(133)과 장변(137)은, 제조의 편의성을 고려하여 각각 동일한 만입 깊이(L)를 가진다.
다음으로 도 4를 참조하면, 과정(ii)에서는 각형 캔(120)을 준비한다.
각형 캔(120)은 외주변이 평면상으로 2개의 상단 단변들(121, 125)과 2개의 상단 장변들(123, 127), 및 2개의 하단 단변들(122, 126)과 2개의 하단 장변들(124, 128)으로 이루어져 있고, 전극조립체를 수납할 수 있도록 상단변들(121, 123, 125, 127)로 이루어진 상단부는 개방되어 있고, 하단변들(122, 124, 126, 128)로 이루어진 하단부는 폐쇄되어 있다. 도 3의 탑 캡(130)에 포함된 장변들(133, 137)과는 달리, 각형 캔(120)의 상단 장변들(123, 127)은 각각 직선(Straight line) 구조이다.
다음으로 도 5를 참조하면, 과정(iii)에서는 전극조립체(100)를 도 4의 과정(ii)에서 제조된 각형 캔(120)에 수납한다.
다음으로 도 6을 참조하면, 과정(iv)에서는 도 3의 과정(i)에서 제조된 탑 캡(130)을 도 5에서 전극조립체(100)를 수납한 각형 캔(120)의 개방 상단부에 탑재한다.
이때, 탑 캡(130)의 단자 접속부(132)는 전극조립체(100)로부터 연장된 전극단자들(도시하지 않음)을 스팟 용접 등으로 통해 연결한다.
다음으로 도 7을 참조하면, 과정(v)에서는 각형 캔(120)의 개방 상단부가 탑 캡(130)의 외주변에 일치할 수 있도록, 각형 캔(120)의 개방 상단부를 가압한다.
구체적으로, 탑 캡(130)의 아치형 변에 대응하는 형상의 아치선(Arched line)을 포함하고 있는 아치형 지그(200)를 이용하여 각형 캔(120)을 가압한다.
이 과정에 의해, 각형 캔(120)의 직선구조의 장변들(123, 127)은 탑 캡(130)의 장변들(133, 137)과 동일한 형상의 아치형 변으로 휘어진다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 제조 과정(v)를 나타낸 모식적으로 나타낸 사시도들이다.
도 7과 함께 도 8을 참조하면, 가압 지그(200)는 화살표 방향으로 가압하되, 각형 캔(120)의 상단부를 가압한다.
각형 캔(120)은 개방 상단부의 상단 단변들(121, 125)과 상단 장변들(123, 127), 및 폐쇄 하단부의 하단 단변들(122, 126)과 하단 장변들(124, 128)을 포함하고 있고, 상기 가압에 의해, 상단 장변들(123, 127)만이 중심으로 만입된 아치형 변으로 형성된다.
따라서, 각형 캔(120)의 상단 장변들(123, 127)은 아치형 구조이나, 대응되는 하단 장변들(124, 128)은 모두 직선형으로, 상단 장변들(123, 127)과 하단 장변들(124, 128)을 포함하는 측면은 높이에 따라 다른 만입 깊이를 갖는다.
즉, 각형 캔(120)의 아치형인 상단 장변(127)과, 직선 구조인 하단 장변(128) 사이에 위치한 측면(A)는 상단 장변(127)로부터 하단 장변(128) 쪽으로 갈 수록 만입 깊이가 순차적으로 감소하여, 결과적으로 측면(A)는 이등변 삼각형으로 절곡된 구조(일점 쇄선)를 갖는다.
따라서 가장 만입된 부분인 측면(A)의 중앙 상단부는 응력이 최대로 집중되어, 내부에 위치한 전극조립체가 팽창되는 힘이 작용하더라도, 효과적으로 각형 캔 및 전극조립체의 형태를 유지할 수 있다.
과정(v)를 통해 가압된 각형 이차전지는 과정(vi)에서 레이저 용접에 의해 봉합되고, 탑 캡(130) 상의 전해액 주입구(132)를 통해 전해액을 주입하고 밀봉하여, 각형 이차전지(150)로 제조된다.
도 9는 종래 일반적인 각형 이차전지와 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 응력차이를 비교하기 위해 나타낸 평면도들이다.
도 9를 참조하면, 종래 각형 이차전지(50)에 수납되어 있는 전극조립체(10)는 지속적인 충방전 과정에 의해 팽창 및 수축을 반복한다. 따라서 전극조립체(10)를 구성하는 양극/분리막/음극 간 결합이 느슨해지고, 사이에 공간이 생겨 내부 저항이 증가되는 바, 전지 특성이 저하된다.
반면에, 본 발명에 따른 이차전지(150)는 수납된 전극조립체(100)가 가압과정에 의해 중심이 다소 압축된 구조일 수 있으나, 보다 견고하게 각형 캔 내부에 고정되고, 충방전에 의해 전극조립체가 팽창되는 힘에 반발하는 응력으로(화살표) 전극조립체의 변형을 방지하여, 구조적 안정성을 높인다.
Claims (20)
- 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 각형 캔에 내장되어 있는 각형 이차전지로서;
전극조립체의 단자들이 접속되는 단자 접속부들을 포함하고 있는 탑 캡으로서, 평면상으로 외주변이 2개의 단변들과 2개의 장변들로 이루어져 있으며, 상기 장변들 중에서 적어도 하나의 장변은 탑 캡의 중심 방향으로 만입된 아치형 변(arcuated side)으로 이루어진 구조의 탑 캡; 및
상기 탑 캡이 결합되는 개방 상단부는 탑 캡의 외주변에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 하단부는 외주변이 평면상으로 2개의 단변들과 2개의 장변들을 포함하고 있으며, 상기 장변들이 각각 직선 구조인 각형 캔;
을 포함하고 있고,
상기 전극조립체는 젤리-롤형 전극조립체(젤리-롤)이며,
상기 탑 캡의 외주변은 상호 대면하는 단변들인 제 1 변과 제 3 변 및 상호 대면하는 장변들인 제 2 변과 제 4 변으로 이루어져 있고;
상기 각형 캔의 개방 상단부의 외주변은 상호 대면하는 단변들인 제 1 상단 변과 제 3 상단 변 및 상호 대면하는 장변들인 제 2 상단 변과 제 4 상단 변으로 이루어져 있으며;
상기 각형 캔의 하단부의 외주변은 상호 대면하는 단변들인 제 1 하단 변과 제 3 하단 변 및 상호 대면하는 장변들인 제 2 하단 변과 제 4 하단 변으로 이루어져 있고;
상기 제 1 상단 변과 제 1 하단 변 사이에 각형 캔의 제 1 측면이 위치하고, 상기 제 2 상단 변과 제 2 하단 변 사이에 각형 캔의 제 2 측면이 위치하며, 상기 제 3 상단 변과 제 3 하단 변 사이에 각형 캔의 제 3 측면이 위치하고, 상기 제 4 상단 변과 제 4 하단 변 사이에 각형 캔의 제 4 측면이 위치하며,
상기 탑 캡의 제 2 변과 그에 대응하는 각형 캔의 제 2 상단 변 및 탑 캡의 제 4 변과 그에 대응하는 각형 캔의 제 4 상단 변이 각각 아치형 변으로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 각형 캔은 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 아치형 변의 만입 깊이는 탑 캡의 단변 길이를 기준으로 1% 내지 20%의 범위인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 아치형 변은 중심점에서 가장 큰 만입 깊이를 가지고 양 단부 쪽으로 갈수록 만입 깊이가 순차적으로 감소하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 상단 변과 제 2 하단 변 사이의 제 2 측면은 제 2 상단 변으로부터 제 2 하단 변 쪽으로 만입 깊이가 순차적으로 감소하고, 상기 제 4 상단 변과 제 4 하단 변 사이의 제 4 측면은 제 4 상단 변으로부터 제 4 하단 변 쪽으로 만입 깊이가 순차적으로 감소하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 탑 캡에 포함되어 있는 상기 단자 접속부는 전극조립체의 양극으로부터 연장된 양극 단자 또는 음극으로부터 연장된 음극 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
- 제 1 항에 따른 각형 이차전지를 제조하는 방법으로서,
(i) 전극조립체의 단자들이 접속되는 단자 접속부들을 포함하고 있는 탑 캡으로서, 평면상으로 외주변이 2개의 단변들과 2개의 장변들로 이루어져 있으며, 상기 장변들 중에서 적어도 하나의 장변은 탑 캡의 중심 방향으로 만입된 아치형 변으로 이루어진 구조의 탑 캡을 준비하는 과정;
(ii) 개방 상단부와 하단부의 외주변이 평면상으로 2개의 단변들과 2개의 장변들을 포함하고 있고 상기 개방 상단부 및 하단부의 장변들이 각각 직선 구조인 각형 캔을 준비하는 과정;
(iii) 상기 각형 캔에 전극조립체를 수납하는 과정;
(iv) 상기 전극조립체가 수납된 각형 캔의 개방 상단부에 탑 캡을 탑재하는 과정;
(v) 상기 각형 캔의 개방 상단부가 탑 캡의 외주변에 일치할 수 있도록, 상기 각형 캔의 개방 상단부를 가압하는 과정; 및
(vi) 상기 탑 캡과 각형 캔을 상호 용접하여 봉합하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법. - 제 12 항에 있어서, 상기 과정(iv)에서, 탑 캡의 단자 접속부에 전극조립체의 양극으로부터 연장된 양극 단자 및 음극으로부터 연장된 음극 단자를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 각형 캔과 탑 캡은 서로 결합이 용이하도록 각각 하나 이상의 체결구와 상기 체결구에 결합되는 하나 이상의 체결 홈을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 과정(v)의 가압은 탑 캡의 아치형 변에 대응하는 형상의 아치형 지그에 의해 이루어는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 과정(vi)는 레이저 용접에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 과정(vi) 이후에, 탑 캡의 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입한 후 밀봉하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지의 제조방법.
- 제 1 항에 따른 각형 이차전지를 둘 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 18 항에 따른 전지모듈 하나 이상을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140160922A KR101802347B1 (ko) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | 아치형 탑 캡을 포함하는 각형 이차전지 및 그의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140160922A KR101802347B1 (ko) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | 아치형 탑 캡을 포함하는 각형 이차전지 및 그의 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20160059260A KR20160059260A (ko) | 2016-05-26 |
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| JP2864175B2 (ja) * | 1991-07-25 | 1999-03-03 | 松下電器産業株式会社 | 角形密閉式電池 |
| KR100659853B1 (ko) | 2005-04-29 | 2006-12-19 | 삼성에스디아이 주식회사 | 비딩부를 갖는 이차 전지 및 그 제조 방법 |
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-
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- 2014-11-18 KR KR1020140160922A patent/KR101802347B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2864175B2 (ja) * | 1991-07-25 | 1999-03-03 | 松下電器産業株式会社 | 角形密閉式電池 |
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