KR102226916B1 - 용접성이 향상된 돌기부가 형성되어 있는 원통형 이차전지 - Google Patents

용접성이 향상된 돌기부가 형성되어 있는 원통형 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 원통형 전지셀은, 양극 탭과 음극 탭이 각각 외향 돌출되어 있는 젤리-롤 형의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스인 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 전지셀로서, 음극 탭은 니켈 및 구리를 포함하는 탭 코어의 외면을 크롬 코팅층이 감싸는 구조로 이루어져 있고, 저항 용접에 의해 금속 캔의 하단 내면에 전기적 접속을 이루고 있으며; 저항 용접된 부위에서, 음극 탭에는 하향 돌출형의 탭 돌기부가 형성되어 있고, 금속 캔에는 상향 돌출형의 캔 돌기부가 형성되어 있으며; 음극 탭의 탭 돌기부가 금속 캔의 캔 돌기부와 대면한 상태로 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀을 제공한다.

Description

용접성이 향상된 돌기부가 형성되어 있는 원통형 이차전지 {Cylindrical Secondary Battery Having Protrusion of Improved Weld-ability}
본 발명은 용접성이 향상된 돌기부가 형성되어 있는 원통형 이차전지에 관한 것이다.
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. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
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 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 원통형 이차전지(10)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(12)의 상단과 하단에 각각 절연성 플레이트를 장착한 상태로 전극조립체(12)를 원통형 금속 캔(100)에 수납하고, 원통형 금속 캔(100) 내에 전해액을 주입한 후에, 원통형 금속 캔(100)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(14)을 결합하여 제작한다.
전극조립체(12)는 양극(12a)과 음극(12b), 및 이들 사이에 분리막(12c)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(15)이 삽입되어 있다.
센터 핀(15)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(15)은 전극조립체(12)를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동 시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
탑 캡(14)은 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고, 배기구가 천공되어 있으며 그것의 하부에 전지 내부의 온도 상승시 전지의 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element), 정상적인 상태에서는 하향 돌출된 형상으로 되어 있고 전지 내부의 압력 상승시 돌출되면서 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트, 및 상단의 일측 부위가 안전벤트에 결합되고 하단 일측이 전극조립체(12)의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트가 순차적으로 위치되어 있다.
양극(12a)은 일반적으로 도전성이 우수한 금속판, 예를 들면, 알루미늄으로 이루어진 양극집전체와, 그 양면에 코팅된 양극활물질층을 포함하고 있다. 양극판(12a)의 양단에는 활물질층이 형성되지 않은 양극무지부가 형성되어 있다. 상기 양극무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄 재질로 형성되며 전극조립체(12)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극 탭이 접합되어 있고, 또한 음극(12b)은 전도성 금속 박판으로 이루어진 음극집전체와, 그 양면에 코팅된 음극활물질층을 포함하고 있다. 음극판(12b)의 양단에는 음극활물질층이 형성되지 않은 음극무지부가 형성되어 있다. 상기 음극무지부의 일단에는 일반적으로 전극조립체(12)의 하부로 일정 길이 돌출되는 음극 탭(200)이 접합되어 있다.
이러한 음극 탭은 저항용접에 의해 캔의 하면판에 용접되는 바, 저항용접은 일반적으로 제 1 용접봉을 전극조립체의 권심 부분에 삽입하여 음극 탭과 접촉시키고, 제 1 용접봉과 대향하는 위치에서 제 2 용접봉을 금속 캔의 하단 외면에 밀착시킨 상태에서 전류를 인가하여 이루어진다. 복수의 도체가 상호 접촉하는 경우 접촉 저항에 의해 열이 발생하고, 이러한 열에 의해 용접이 이루어지며 접촉 부분에 발생하는 열은 접촉 저항이 클수록 더 많이 발생하게 된다.
상기 접촉 저항은 도체 사이의 접촉 면적이 작을수록 커지게 되며, 일반적인 원통형 이차전지의 금속 캔의 하단 내면과 음극 탭은 매끄러운 평면으로 구성되어 있어 접촉 저항이 작으므로 용접성이 감소되는 문제점이 있다.
이와 관련하여, 한국 공개특허 제2007-0082969호에는 캔의 하면판에 돌출부를 형성하여 음극 탭과의 접촉시 접촉 저항을 증가시켜 음극 탭의 용접이 용이하게 되는 원통형 이차전지가 개시되어 있으나, 이는 금속 캔의 하면판과 음극 탭 사이의 융착면에 위치하는 돌출부에 의해 음극 탭이 변형되어 리플 현상이 유발될 수 있는 취약점을 가지고 있다.
또한, 저항이 낮은 금속으로 이루어진 음극 탭을 용접하기 위해 음극 탭에 엠보싱 구조를 형성하여 용접 공정성을 향상시키고 있으나, 저항이 낮은 금속으로 이루어진 음극 탭은 금속 캔과의 용접시 발열량이 현저히 낮은 바, 바람직한 수준의 공정성을 확보하지 못하며 용접이 불량한 이차전지가 다수 발생하는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점 이외에도, 통상적으로 음극 탭은 니켈(Ni) 또는 니켈 합금으로 형성될 수 있으나, 니켈 또는 니켈 합금으로 형성되는 음극 탭은 니켈(Ni) 자체의 저항이 높아 이차전지 충방전시 많은 열이 발생되는 문제가 있고, 용접 부위는 이종금속간 접합이 되는 부위이므로, 내부 저항이 증가하여 발열이 집중될 수 있으며 이는 고온 단락을 유발하고 이차전지의 폭발의 위험성까지 야기되는 문제점이 있다.
이에 대해, 한국 공개특허 제2009-0132494호에는 니켈과 구리의 이층 구조로 형성된 클래드 음극 탭을 포함하는 리튬 이차전지가 개시되어 있으나, 종래 기술과 마찬가지로, 이에 개시된 원통형 이차전지 또한 효과적인 고온 단락의 방지, 내부 저항 및 발열의 감소에는 한계가 존재하였다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 음극 탭 코어의 외면을 크롬 코팅층으로 감싸고 음극 탭과 금속 캔 각각에 돌기부를 형성하며, 복수의 용접봉을 이용하는 경우, 고온 단락 특성과 용접 공정성이 향상하고 용접 불량률이 감소하는 효과가 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은, 양극 탭과 음극 탭이 각각 외향 돌출되어 있는 젤리-롤 형의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스인 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 전지셀로서,
상기 음극 탭은 니켈 및 구리를 포함하는 탭 코어의 외면을 크롬 코팅층이 감싸는 구조로 이루어져 있고, 저항 용접에 의해 금속 캔의 하단 내면에 전기적 접속을 이루고 있으며;
상기 저항 용접된 부위에서, 음극 탭에는 하향 돌출형의 탭 돌기부가 형성되어 있고, 금속 캔에는 상향 돌출형의 캔 돌기부가 형성되어 있으며;
상기 음극 탭의 탭 돌기부가 금속 캔의 캔 돌기부와 대면한 상태로 용접되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀에서, 음극 탭은 종래보다 저항이 감소되어 발열량이 감소하게 되는 바, 원통형 전지셀의 고온단락에 대한 내성이 향상되고, 음극 탭과 금속 캔 각각에 형성되어 있는 돌기부에 의해 접촉 면적을 줄임으로써 저항 용접 시 접촉 저항이 증가하여 용접 공정성이 향상되며, 그와 동시에 용접 불량률을 감소시킬 수 있다.
앞서 정의한 바와 같이, 상기 음극 탭은 니켈 및 구리를 포함하는 탭 코어의 외면을 크롬 코팅층이 감싸는 구조로 이루어져 있다. 니켈은 구리보다 단위면적당 저항이 4배 가량 높은 금속이므로, 구리의 존재로 인해 음극 탭의 저항이 낮아지게 된다.
그 결과, 전지셀의 충방전시의 발열량이 현저히 감소하게 되며, 또한, 음극 탭과 금속 캔이 용접되는 부위는 이종금속 접합부위이므로 내부 저항이 증가되어 발열이 집중될 수 있는데, 이를 감소시키는 효과가 있다.
상기 음극 탭 코어의 외면에 추가적으로 크롬을 코팅하는 경우, 상기의 효과 이외에도 내식성 및 기계적 강도가 향상되는 효과가 있다.
구체적으로는, 니켈 또는 니켈/구리 합금으로 구성되는 음극 탭에 크롬층을 추가적으로 코팅하는 경우, 종래의 니켈/구리 합금으로 구성되는 음극 탭과 비교할 때, 음극 탭의 표면 저항이 더욱 증가한다. 따라서, 정전류 용접 수행 시 음극 탭과 금속 캔 하단 바닥부 사이의 발열량이 증가하여 용접 특성이 더욱 향상될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 음극 탭 코어는 니켈 스트립과 구리 스트립이 압용접(pressure-welding)에 의해 결합되어 있는 구조이며, 중량을 기준으로 10% 내지 90%의 구리와 90% 내지 10%의 니켈을 포함하고 있을 수 있다.
만일, 상기 범위를 벗어나 구리가 90%를 초과하는 경우, 용접 시의 구리 과다로 인해 구리의 스퍼터링 문제가 발생할 수 있다. 이와 반대로, 구리가 10% 이하로 포함되는 경우, 탭 코어에서의 구리의 비율이 지나치게 적게 되어, 저항 감소 효과를 충분히 발휘하지 못하게 되고, 니켈 과다로 인해 가격 경쟁력이 취약할 뿐만 아니라 열악한 변형능 등의 문제점이 발생될 수 있는 바 바람직하지 못하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 크롬층의 두께는 1 ㎛ 내지 25 ㎛이고, 크롬의 함량은 음극 탭의 전체 중량을 기준으로 0.5% 내지 20% 일 수 있다.
만일, 상기 범위를 벗어나 크롬층의 두께가 1 ㎛ 미만으로 형성되거나 크롬의 함량이 음극 탭의 전체 중량을 기준으로 0.5% 보다 적게 포함되면, 고온 단락 특성 및 내부 저항과 발열의 감소 효과를 소망하는 정도로 발휘할 수 없어 바람직하지 못하고, 이와 반대로 25 ㎛ 보다 더 두껍게 형성되거나 크롬의 함량이 음극 탭의 전체 중량을 기준으로 20% 보다 많이 포함되면, 경제성, 용접 특성, 및 용접 시 공정성의 측면에서 바람직하지 못하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 음극 탭의 두께는 0.02 mm 내지 0.2 mm이고, 저항은 0.1 mΩ 내지 2 mΩ 일 수 있다.
만일, 상기 범위를 벗어나 음극 탭의 두께가 0.02 mm 보다 얇게 형성되면 용접하거나 여러 번 구부려 설치할 경우 절단될 우려가 있어 바람직하지 못하다. 이와 반대로, 음극 탭의 두께가 0.2 mm 보다 두껍게 형성되면 용접 시 공정 시간이 오래 걸리게 되어 바람직하지 못하다. 또한, 음극 탭의 저항이 상기 범위를 벗어나면, 용접 공정성과 내부 저항 측면에서 소망하는 효과를 발휘할 수 없어 바람직하지 못하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 탭 돌기부와 캔 돌기부 각각은 복수의 용접용 돌기들로 이루어진 엠보싱 구조를 가지고 있을 수 있다.
상기 엠보싱 구조란, 판형 부재의 일면 또는 양면에 돌출형의 돌기부 및/또는 만입부가 형성되어 있는 구조로서, 일면에 돌기부가 형성되어 있고 상기 돌기부의 대향면에 만입부가 형성되어 있는 구조를 포함하는 것으로 해석된다.
저항 용접이 용이하게 이루어지기 위해, 본 발명에서의 음극 탭에는 하향 돌출형의 탭 돌기부가 형성되어 있고, 금속 캔에는 상향 돌출형의 캔 돌기부가 형성되어 있다. 상기의 엠보싱 구조를 형성하게 되면 공급된 전류의 경로가 엠보싱 구조의 돌기부로 집중되면서 저항값이 커지게 되고 발열되는 지점이 집중되어 쉽게 용접 온도에 도달할 수 있게 된다.
또한, 돌기부가 먼저 선택적으로 용접 온도에 도달하게 되면서, 음극 탭이나 금속 캔과 용접봉이 들러 붙는 현상을 방지하는 효과도 있다.
상기 음극 탭과 금속 캔에 형성되어 있는 용접용 돌기부들 각각은 수직 단면의 형상이, 예를 들어, 다각형 형상, 반원 형상 및 반타원 형상 중의 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 용접용 돌기들은 0.1 mm 내지 1 mm의 직경 또는 폭을 가질 수 있고, 우수한 용접 공정성을 위해 적어도 5개 이상의 돌기부가 형성되는 것이 바람직하다.
상기 돌기부의 개수가 지나치게 적게 형성되면 접합 부위가 좁아 용접 후에 음극 탭의 접합력이 약해지므로 단선이 발생할 가능성이 있다는 문제가 있으므로 바람직하지 못하고, 돌기부와 음극 탭의 접촉 면적을 줄이기 위해서는 용접용 돌기들의 직경 또는 폭이 0.1 mm 내지 1 mm의 범위에 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 용접용 돌기부들은, 예를 들어, 선형 형상 또는 매트릭스 형상으로 배열될 수 있다. 선형 형상 또는 매트릭스 형상으로 배열되지 않는 경우 용접 불량 부위가 발생할 수 있으며, 용접 시 용접 위치를 정확히 해야 하므로, 용접 용이성 측면에서도 바람직하지 못하다.
한편, 용접 공정성을 향상시키기 위해 금속 캔과 접촉하는 면에 돌기부를 형성할 경우, 용접 후 상기 돌기부에 의해 음극 탭이 변형되어 이로 인해 리플이 발생될 수 있으며, 이는 결국 내부 단락을 초래하여 폭발 등의 문제점이 발생될 수 있다.
따라서, 도 8에 도시한 바와 같이, 원통형 전지셀의 용접 공정성과 전지셀의 안전성을 함께 향상시키기 위해, 본 발명에 따른 하나의 구체적인 예에서, 상기 음극 탭의 금속 캔과 접촉하는 면의 반대면에는 이를 방지하기 위한 복수의 돌기부가 형성될 수 있으며, 상기 다수의 돌기부가 사방 일정 간격으로 배열되어 행렬을 이루는 형태를 가질 수 있고, 복수의 돌기부에 대응하도록 대응되는 음극 탭의 하면에는 음각 패턴이 형성될 수 있다.
한편, 상기 저항 용접은 한 쌍의 용접봉들을 이용하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 하나의 구체적인 예에서, 1개 이상의 제 1 용접봉을 금속 캔의 내부에서 음극 탭 상에 밀착시키고, 상기 제 1 용접봉에 대향하는 위치에서 1개 이상의 제 2 용접봉을 금속 캔의 하단 외면에 밀착시킨 상태에서 전류를 인가하여 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 하나의 구체적인 예에서, 1개 이상의 제 1 용접봉을 금속 캔의 내부에서 음극 탭 상에 밀착시키고, 상기 제 1 용접봉에 대항하는 위치에 인접한 부위에 제 2 용접봉을 금속 캔의 하단 외면에 밀착시킨 상태에서 저항 용접을 수행하는 경우, 전류의 이동 경로(path)가 증가하여 발열량이 대향하는 위치에서 밀착시킨 경우보다 증가할 수 있으므로 용접 공정성 향상의 측면에서 더욱 바람직하다.
상기 저항 용접의 전원으로는 교류, 직류, 또는 고주파 전원 등을 사용할 수 있으며, 전류가 흐르는 경로는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 제 1 용접봉, 음극 탭, 금속 캔 및 제 2 용접봉의 순서로 구성되거나, 제 1 용접봉, 금속 캔, 음극 탭 및 제 2 용접봉의 순서로 구성되는 것이 바람직하다.
하나의 구체적인 예에서, 용접 시간의 단축을 위해, 상기 저항 용접 시, 3개의 제 1 용접봉들을 금속 캔의 내부에서 음극 탭 상에 밀착시키고, 3개의 제 2 용접봉들을 금속 캔의 하단 외면에 밀착시켜 용접할 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 3개의 제 1 용접봉들 및 제 2 용접봉들은 음극 탭 및 금속 캔에 대해 수직으로 밀착되어 있고, 상기 제 1 용접봉들 또는 제 2 용접봉들이 음극 탭 또는 금속 캔과 접촉하는 평면에 있어서, 제 1 용접봉들 또는 제 2 용접봉들 각각의 중심을 잇는 삼각형 도형의 어느 두 변이 형성하는 각도는 30도 내지 120도일 수 있다. 상기 범위 이외의 각도를 가지는 경우, 용접 공정성 측면에서 소망하는 효과를 발휘할 수 없는 바 바람직하지 못하다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택될 수 있으며, 전지팩, 디바이스의 구조 및 그것의 제조 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
참고로, 상기 전지셀은 리튬이온 전지 또는 리튬 이차전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이러한 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있으며, 이들의 구성 및 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 음극 탭 코어에 크롬층을 코팅시킴으로써, 고온단락에 대한 내성을 향상시키고, 내부 저항 및 발열을 감소시키는 효과가 있으며, 음극 탭과 금속 캔 각각에 돌기부를 형성시킴으로써 접촉 저항을 증가시켜 우수한 용접 공정성을 향상시키며 용접 불량률을 감소시키는 효과가 있다. 또한, 금속 캔과 접촉하지 않는 음극 탭 면에 엠보 구조가 형성되어 있어 용접 과정에서 음극 탭이 변형되는 것을 억제할 수 있고 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 원통형 전지셀의 수직 단면 사시도에 관한 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀의 단면 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 음극 탭과 금속 캔 각각에 돌기부가 형성되어 있는 것을 나타내는 확대도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 음극 탭의 일부에 돌기부가 형성되어 있는 것을 나타내는 모식도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 음극 탭 코어의 외면을 크롬 코팅층이 감싸는 구조를 나타내는 모식도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 금속 캔의 하단 내면에 돌기부가 형성되어 있는 것을 나타내는 사시도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극조립체를 원통형 금속 캔에 삽입하는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 음극 탭의 금속 캔과 접촉하는 면의 반대면에 돌기부가 형성되어 있는 것을 나타내는 모식도이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 저항 용접이 이루어지는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 10는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 저항 용접이 이루어지는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 복수의 용접봉들에 의해 저항 용접이 이루어지는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 12는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 복수의 용접봉들에 의해 저항 용접이 이루어지는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3개의 상단 및 하단 용접봉들이 음극 탭과 금속 캔에 밀착되어 저항 용접이 이루어지는 과정을 나타내는 모식도이다;
도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 용접봉들이 일정한 각도를 가지도록 배열되어 저항 용접이 이루어지는 과정을 나타내는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 종래의 원통형 전지셀의 수직 단면 사시도에 관한 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀의 단면 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀의 음극 탭(200)과 금속 캔(100) 각각에 돌기부(110, 210)가 형성되어 있는 것을 나타내는 확대도가 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀(10)은 전해액과 함께 전극조립체(12)를 수납하는 금속 캔(100)과, 원통형 금속 캔(100)의 개방 상단을 밀봉할 수 있는 캡 어셈블리(14)를 포함하며, 양극 탭(도시하지 않음)과 음극 탭(200)이 각각 외향 돌출되어 있는 젤리-롤 형의 전극조립체(12)가 전해액(도시하지 않음)과 함께 전지케이스인 원통형 금속 캔(100)에 내장되어 있다.
또한 상기 도면들과 함께 도 5를 참조하면, 음극 탭(200)은 니켈 및 구리를 포함하는 탭 코어(320)의 외면을 크롬 코팅층(310)이 감싸는 구조로 이루어져 있고, 저항 용접에 의해 금속 캔(100)의 하단 내면에 전기적 접속을 이루고 있다. 상기 저항 용접된 부위에서, 음극 탭(200)에는 하향 돌출형의 탭 돌기부(210)가 형성되어 있고, 금속 캔(100)에는 상향 돌출형의 캔 돌기부(110)가 형성되어 있다. 음극 탭의 탭 돌기부(210)는 금속 캔의 캔 돌기부(110)와 대면한 상태로 용접되어 있다.
캡 어셈블리(14)에는 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고, 배기구가 천공되어 있으며, 그것의 하부에 전지 내부의 온도 상승시 전지의 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자, 정상적인 상태에서는 하향 돌출된 형상으로 되어 있고, 전지 내부의 압력 상승시 돌출되면서 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트 및 상단 일측 부위가 안전벤트에 결합되고 하단 일측이 전극조립체의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트가 순차적으로 위치하고 있다.
원통형 금속 캔(100)은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가진 원통 구조를 가진다. 금속 캔(100)의 내부 공간에는 전극조립체(12)와 전해액(도시하지 않음)이 내장된다.
금속 캔(100) 내부에 수납되는 전극조립체(12)는 서로 극판이 다르고 롤 형태의 넓은 판형을 가진 2개의 전극판들(12a, 12b)과 이러한 전극판들을 상호 절연시키기 위해 개재되는 분리막(12c)을 구비할 수 있다.
전극조립체(12)의 상단에 부착되는 양극 탭(도시하지 않음)은 캡 어셈블리(14)에 전기적으로 연결되고, 전극조립체(12)의 하단에 부착되는 음극 탭(200)은 저항 용접에 의해 금속 캔(100)의 하단에 내면에 전기적 접속을 이루며 연결된다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 금속 캔의 하단 내면에 상향 돌출형의 캔 돌기부가 형성되어 있는 것을 나타내는 사시도가 도시되어 있으며, 도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체를 상단이 개방되어 있는 원통형 금속 캔에 삽입하는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 6 및 도 7을 함께 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀(10)에 있어서 금속 캔(100)은 전극조립체(12)를 수용할 수 있도록 일정한 직경을 가지는 원통형 측면판과 측면판의 하부를 밀폐하는 하면판을 포함하여 형성되며, 상기 측면판의 상부는 전극조립체(12)를 삽입하기 위하여 개구되어 상기 전극조립체(12)를 전해액과 함께 내장한다. 상기 측면판과 하면판은 일체로 이루어져 있다.
금속 캔(100)의 하단에는 전극조립체(12)의 음극 탭(200)이 접합되어 금속 캔은 음극 역할을 수행하며, 금속 캔의 하단에는 복수의 캔 돌기부(110)가 형성되어 있고, 상기 전극조립체(12)의 음극 탭의 일면 및/또는 양면에는 복수의 돌기부(210, 330)가 형성되어 있다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 음극 탭의 일부에 돌기부가 형성되어 있는 것을 나타내는 모식도가 도시되어 있고 도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 음극 탭의 금속 캔과 접촉하는 면의 반대면에 복수의 돌기부가 형성되어 있는 것을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 4 및 도 8을 함께 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 음극 탭에는 하향 돌출형의 돌기부(210) 및 이와 반대되는 면에 상향 돌출형의 돌기부(330)가 형성되어 있다. 도 4에는 하향 돌출형의 돌기부(210)만을 도시하였으나, 상향 돌출형의 돌기부(330)가 금속 캔과 접촉하는 면과 반대되는 면에 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 하향 돌출형의 돌기부(210)는 용접 공정성의 향상 및 용접 불량률의 감소를 위해 형성되는 것이고, 상향 돌출형의 돌기부(330)는 용접 후의 음극 탭의 변형을 방지하여 전지셀의 안전성을 향상시키기 위해 형성되는 것으로써 그 역할이 다르다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 음극 탭 코어의 외면을 크롬 코팅층이 감싸는 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 음극 탭의 돌기부에서 저항 용접이 이루어지는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있으며, 도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 금속 캔의 돌기부에서 저항 용접이 이루어지는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 5, 도 9 및 도 10을 함께 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 용접봉은 니켈과 구리를 포함하는 탭 코어(320)의 외면에 크롬 코팅층(310)이 감싸는 구조로 이루어져 있으므로, 종래의 니켈 및/또는 구리로 이루어진 용접봉과 비교할 때, 정전류 용접 수행 시 음극 탭과 금속 캔 하단 바닥부 사이의 발열량이 증가하여 용접 특성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 도 7에 도시되어 있는 전극조립체(12)의 권심 부분(A)을 통하여 제 1 용접봉(301)이 삽입되어 음극 탭(200)에 접촉하고 금속 캔(100)의 하단에 제 2 용접봉(302)이 접촉되거나, 권심 부분(A)을 통하여 제 2 용접봉(302)이 삽입되어 음극 탭(200)에 접촉하고 금속 캔(100)의 하단에 제 1 용접봉(302)이 접촉된다.
제 1 용접봉(301)과 제 2 용접봉(302)에 각각 다른 극성의 전압이 걸리게 되면, 제 1 용접봉 및 제 2 용접봉과 음극 탭(200) 및 금속 캔(100)의 하단을 통해 통전되며 이때, 음극 탭(200)과 금속 캔(100)의 하단의 접촉 부분은 접촉 저항이 발생하므로 다른 부위에 비해 더 많은 열을 발생하게 되어 용접이 용이하게 이루어진다. 이 경우, 전류가 흐르는 경로는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 제 1 용접봉(301), 음극 탭(200), 금속 캔(100) 및 제 2 용접봉(302)의 순서로 통전되거나, 제 1 용접봉(301), 금속 캔(100), 음극 탭(200) 및 제 2 용접봉(302)의 순서로 통전된다. 즉, 제 1 용접봉과 제 2 용접봉은 전류가 흐르는 방향을 기준으로 구성된다. 따라서, 도 9를 참조하면 음극 탭의 돌기부(210)에 대해 저항 용접을 수행하기 위해 전극조립체(12)로부터 삽입된 용접봉이 제 1 용접봉(301)을 구성하고, 금속 캔(100) 하단 외면에 접촉되는 용접봉이 제 2 용접봉(302)를 구성한다. 이와 반대로, 도 10을 참조하면, 금속 캔의 캔 돌기부(110)에 대해 저항 용접을 수행하기 위해 금속 캔(100) 하단 외면에 접촉되는 용접봉이 제 1 용접봉(301)을 구성하고, 전극조립체(12)로부터 삽입된 용접봉이 제 2 용접봉(302)를 구성한다.
한편, 음극 탭의 돌기부(210)에 대한 저항 용접과 금속 캔의 돌기부(110)에 대한 저항 용접은 동시 또는 이시에 진행될 수 있으며, 상기 돌기부(110, 210)들은 엠보싱 형상으로 형성되어 저항을 더욱 증가시키므로, 적은 전류에 의해서도 용접을 위한 충분한 열을 발생시킬 수 있어 용접 공정성이 더욱 향상된다.
도 11 내지 도 13에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 복수의 용접봉들에 의해 저항 용접이 이루어지는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 11 및 도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 하나의 실시예에서, 저항 용접시 3개의 제 1 용접봉들(301)은 금속 캔(100)의 내부에서 음극 탭(200) 상에 밀착시키고, 제 1 용접봉들(301)에 대향하는 위치에 인접한 부위에서 3개의 제 2 용접봉들(302)을 금속 캔의 하단 외면에 밀착시킨 상태에서 전류를 인가하여 저항 용접이 이루어진다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 하나의 실시예에서, 저항 용접시 3개의 제 1 용접봉들(301)은 금속 캔(100)의 하단 외면에 밀착시키고, 제 1 용접봉들(301)에 대항하는 위치에 인접한 부위에서 제 2 용접봉들(302)을 금속 캔(100)의 내부에서 음극 탭(200) 상에 밀착시킨 상태에서 전류를 인가하여 저항 용접이 이루어진다.
따라서, 제 1 용접봉들(301)과 제 2 용접봉들(302)이 서로 대향하는 위치에서 밀착되어 용접이 이루어지는 경우보다 전류의 이동 경로가 증가하여 용접 공정성이 더욱 향상될 수 있다.
도 14에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 용접봉들이 일정한 각도를 가지도록 배열되어 저항 용접이 이루어지는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 14를 참조하면, 하나의 구체적인 예에서, 저항 용접은 3개의 제 1 용접봉들(301) 또는 제 2 용접봉들(302)이 음극 탭(200) 또는 금속 캔(100)과 접촉하는 평면에 있어서, 제 1 용접봉들(301) 또는 제 2 용접봉들(302) 각각의 중심을 잇는 삼각형 도형의 어느 두 변이 가지는 각도가 30도 내지 120도인 범위에서 이루어진다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 양극 탭과 음극 탭이 각각 외향 돌출되어 있는 젤리-롤 형의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스인 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 전지셀로서,
    상기 음극 탭은 니켈 및 구리를 포함하는 탭 코어의 외면을 크롬 코팅층이 감싸는 구조로 이루어져 있고, 저항 용접에 의해 금속 캔의 하단 내면에 전기적 접속을 이루고 있으며;
    상기 저항 용접된 부위에서, 음극 탭에는 하향 돌출형의 탭 돌기부가 형성되어 있고, 금속 캔에는 상향 돌출형의 캔 돌기부가 형성되어 있으며;
    상기 음극 탭의 탭 돌기부가 금속 캔의 캔 돌기부와 대면한 상태로 용접되어 있고,
    상기 음극 탭의 두께는 0.02 mm 내지 0.2 mm이고, 저항은 0.1 mΩ 내지 2 mΩ인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탭 코어는 니켈 스트립과 구리 스트립이 압용접에 의해 결합되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 탭 코어는 중량을 기준으로 10 내지 90%의 구리와 90 내지 10%의 니켈을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 크롬층의 두께는 1 ㎛ 내지 25 ㎛이고, 크롬의 함량은 음극 탭의 전체 중량을 기준으로 0.5% 내지 20%인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 탭 돌기부와 캔 돌기부 각각은 복수의 용접용 돌기들로 이루어진 엠보싱 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 용접용 돌기부들 각각은 수직 단면의 형상이 다각형 형상, 반원 형상 및 반타원 형상 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 용접용 돌기들은 0.1 mm 내지 1 mm의 직경 또는 폭을 가지고 있고, 탭 돌기부 또는 캔 돌기부에서 선형 또는 매트릭스 형상으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 저항 용접은, 1개 이상의 제 1 용접봉을 금속 캔의 내부에서 음극 탭 상에 밀착시키고, 상기 제 1 용접봉에 대향하는 위치의 인접한 부위에 1개 이상의 제 2 용접봉을 금속 캔의 하단 외면에 밀착시킨 상태에서 전류를 인가하여 달성되는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 저항 용접시, 3개의 제 1 용접봉들을 금속 캔의 내부에서 음극 탭 상에 밀착시키고, 3개의 제 2 용접봉들을 금속 캔의 하단 외면에 밀착시키는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 3개의 제 1 용접봉들 및 제 2 용접봉들은 음극 탭 및 금속 캔에 대해 수직으로 밀착되어 있고,
    상기 제 1 용접봉들 또는 제 2 용접봉들이 음극 탭 또는 금속 캔과 접촉하는 평면에 있어서,
    제 1 용접봉들 또는 제 2 용접봉들 각각의 중심을 잇는 삼각형 도형의 어느 두 변이 가지는 각도가 30도 내지 120도인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
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