KR102275333B1 - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지는 내부에 전극 조립체를 포함하는 케이스, 케이스와 결합되며 케이스 내부 및 외부를 관통하는 제1 단자 구멍 및 제2 단자 구멍을 가지는 캡 플레이트, 제1 단자 구멍 및 제2 단자 구멍에 각각 삽입되어 있으며 삽입 구멍을 가지는 제1 실 개스킷 및 제2 실 개스킷, 그리고 삽입 구멍에 각각 삽입되어 전극 조립체의 제1 집전 부재 및 제2 집전 부재와 각각 전기적으로 연결되어 있는 제1 단자 및 제2 단자를 포함하고, 제1 단자 구멍 및 제2 단자 구멍의 내벽과 접촉하는 제1 실 개스킷과 제2 실 개스킷의 측벽은 각각 제1 단자 구멍 및 상기 제2 단자 구멍의 중심축에 대해서 기울어져 있다.

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 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 복수의 이차 전지를 직렬로 연결하여 대용량의 전지 모듈로 구성된다.
또한, 하나의 전지 모듈은 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지들로 이루어지며, 이차 전지는 원통형과 각형 등으로 이루어질 수 있다. 이차 전지는 외측으로 돌출된 음극 단자와 양극 단자를 갖는데, 음극 단자와 양극 단자는 캡 플레이트를 관통하여 설치된다. 또한, 단자들과 캡 플레이트 사이에는 밀봉을 위한 실링부재가 설치된다.
실링 부재는 단자와의 사이에 있어 정합성이 떨어지거나 캡 플레이트의 물질에 따른 열팽창 계수가 달라 이들 사이의 리크(leak)가 발생할 수 있다. 이처럼, 정합성이 떨어지고, 리크가 발생하면 단자 주위의 밀봉력이 저하되어 전해액이 누출되거나 수분 등이 침입하여 단락을 유발할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 것으로 단자와 캡플레이트 사이의 밀봉력을 향상시켜 안전성이 향상된 이차 전지를 제공함에 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지는 내부에 전극 조립체를 포함하는 케이스, 케이스와 결합되며 케이스 내부 및 외부를 관통하는 제1 단자 구멍 및 제2 단자 구멍을 가지는 캡 플레이트, 제1 단자 구멍 및 제2 단자 구멍에 각각 삽입되어 있으며 삽입 구멍을 가지는 제1 실 개스킷 및 제2 실 개스킷, 그리고 삽입 구멍에 각각 삽입되어 전극 조립체의 제1 집전 부재 및 제2 집전 부재와 각각 전기적으로 연결되어 있는 제1 단자 및 제2 단자를 포함하고, 제1 단자 구멍 및 제2 단자 구멍의 내벽과 접촉하는 제1 실 개스킷과 제2 실 개스킷의 측벽은 각각 제1 단자 구멍 및 상기 제2 단자 구멍의 중심축에 대해서 기울어져 있다.
상기 제1 실 개스킷과 제2 실 개스킷의 측벽은 각각 제1 단자 구멍 및 제2 단자 구멍의 내벽에 대해 기울어져 있을 수 있다.
상기 제1 실 개스킷 및 제2 실 개스킷의 각 삽입 구멍의 내벽은 제1 단자 및 제2 단자의 측벽에 대해서 기울어져 있을 수 있다.
상기 제1 단자 및 제2 단자는 제1 실 개스킷 및 제2 실 캐스킷의 삽입 구멍 각각의 내벽에 대해서 기울어져 있을 수 있다.
상기 실 개스킷의 케이스의 내부에 위치하는 제1 단부의 외경이 케이스의 외부에 위치하는 제2 단부의 외경보다 더 클 수 있다.
상기 제1 단자 및 제2 단자는 횡단면이 원형인 막대이고, 제1 집전 부재 및 제2 집전 부재는 횡단면이 다각형인 막대일 수 있다.
상기 실 개스킷은 PFA(perfluoroalkoxy)로 이루어질 수 있다.
상기 실 개스킷을 둘러싸는 몰딩 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서와 같이 개스킷을 형성하면 단자 주위의 밀봉력을 향상시켜 전해액이 누출되거나 수분 등이 침입하여 단락 등이 발생하지 않아 안전성이 향상된 이차 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대한 확대도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 단자와 집전 부재의 평면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지로, 도 2의 A 부분에 대응하는 부분을 확대한 확대도이다.
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 한 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지(101)는 양극(11)과 음극(12) 사이에 세퍼레이터(13)를 개재하여 귄취된 전극 어셈블리(10), 전극 어셈블리(10)가 내장되는 케이스(100), 케이스(100)의 개구에 결합된 캡 어셈블리(400)를 포함한다.
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 호일(foil)로 형성된 집전체에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 영역인 무지부를 포함한다.
양극 무지부(15)는 양극(11)의 길이 방향을 따라 양극(11)의 한 쪽 측단에 형성되고 음극 무지부(17)는 음극(12)의 길이 방향을 따라 음극(12)의 한 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 복수의 시트(sheet)로 이루어진 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 구조로 이루어질 수도 있다.
케이스(100)는 대략 직육면체로 이루어지며, 일면에는 개방된 개구가 형성된다.
캡 어셈블리(400)는 케이스(100)의 개구를 덮는 캡 플레이트(42)와, 캡 플레이트(42) 밖으로 돌출되어 있으며 양극(11)과 전기적으로 연결된 제1 단자(24)와, 캡 플레이트(42) 밖으로 돌출되어 있으며 음극(12)과 전기적으로 연결된 제2 단자(34), 및 설정된 내부 압력에 따라 파단될 수 있도록 노치(41)가 형성된 벤트 부재(44)를 포함한다.
벤트 부재(44)는 캡 플레이트(42)에 형성된 벤트 구멍(47)을 막도록 설치된다.
캡 플레이트(42)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 얇은 금속판이며, 일측에 형성된 전해액 주입구(46)에는 이를 밀봉하는 밀봉 마개(48)가 끼워져 캡 플레이트(42)에 고정 설치된다.
제1 단자(24) 및 제2 단자(34)는 캡 플레이트(42)에 형성된 단자 구멍(H1, H2)을 관통하도록 설치되고, 전극 어셈블리(10)에 전기적으로 연결된다.
즉, 제1 단자(24)는 집전 부재(22)를 매개로 양극(11)과 전기적으로 연결되고, 제2 단자(34)는 집전 부재(32)를 매개로 음극(12)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1 단자(24)는 알루미늄으로 이루어질 수 있고, 제2 단자(34)는 구리로 이루어질 수 있다.
한편, 제1 단자(24)와 제2 단자(34)는 각각 실 개스킷(seal gasket)(43)과 몰딩 부재(45)에 의해서 단자 구멍(H1, H2)을 밀봉하도록 고정 설치된다.
제1 단자(24) 및 제2 단자(34)는 각각 실 개스킷(43)의 삽입 구멍(Q)에 삽입되어 있으며, 실 개스킷(43)은 몰딩 부재(45)로 감싸져 있다.
실 개스킷(43)은 전해액에 영향을 받지 않으며, 탄성을 가지는 물질로 예를 들어, PFA(perfluoroalkoxy)로 이루어 질 수 있고, 몰딩 부재(45)는 열가소성 물질로 내열성이 우수하고 성형 수축이 적은 물질로, 예를 들어, PPS(poly phenylene sulfide)로 이루어질 수 있다.
몰딩 부재(45)는 제1단자(22)가 캡 플레이트(32) 상에 설치된 상태에서 NMT(nano molding technology) 방법으로 형성될 수 있다.
이때, 몰딩 부재(45)는 NMT 공정 전에, 제1 단자 및 제2 단자의 버(burr)를 제거하기 위한 전처리를 실시한 후 몰딩을 형성할 수 있다. 알루미늄으로 이루어지는 제1 단자(24)는 탄산소다(sodium carbonate, Na2CO3)와 제3 인산소다(Sodium phosphate tribasic anhydrous, Na3PO4)를 각각 10g/ℓ 내지 30g/ℓ의 농도로 혼합한 후, 30℃ 내지 80℃의 온도에서 10초 내지 600초 동안 전해 또는 무전해 연마를 실시하여 제거할 수 있다.
그리고 구리로 이루어지는 제2 단자는 1g/ℓ 내지 5g/ℓ 농도인 가성소다(Sodium hydroxide, NaOH), 10g/ℓ 내지 30g/ℓ 농도의 탄산소다(Sodium carbonate, Na2CO3), 10g/ℓ 내지 30g/ℓ 농도인 제3 인산소다(Sodium phosphate tribasic anhydrous)를 혼합한 후, 30℃ 내지 80℃의 온도에서 전해 또는 무전해 연마를 실시하여 제거할 수 있다.
NMT 방법으로 몰딩 부재를 형성하면, 몰딩 부재(45)는 형성됨과 동시에 캡 플레이트(42)에 고정 설치되며, 제1 단자 및 제2 단자와 함께 실 개스킷(43)을 감싸면서 캡 플레이트(42)에 안정적으로 고정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 A 부분을 확대한 확대도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 단자와 집전 부재의 평면도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지로, 도 2의 A 부분에 대응하는 부분을 확대한 확대도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 제2 단자(34) 및 이에 결합된 부재들은 제1 단자(24) 및 이에 결합된 부재들과 대칭된 구조로 이루어지는 바, 제2 단자(34)와 이에 결합된 부재에 대한 설명으로 제1 단자(24)에 대한 설명을 대체한다.
제2 단자(34)는 횡단면이 원형인 막대로 케이스(100) 내에 위치하는 일단이 집전 부재(32)의 일단과 접촉하도록 연결되어 있다. 제2 단자(34)는 삽입 구멍(Q)에 용이하게 삽입하고, 밀착성을 높이기 위해서 횡단면이 원형으로 이루어질 수 있다.
집전 부재(32)는 횡단면이 다각형인 막대로, 집전 부재(32)의 폭(D1)은 제2 단자(34)의 폭(D2)보다 클 수 있다.
제2 단자와 집전 부재(32)는 일체형으로 이루어질 수 있으나, 각각 형성한 후 용접 등의 방법으로 연결시킬 수 있다.
실 개스킷(43)은 케이스 내부에 위치하는 제1 단부의 외격이 케이스의 외부에 위치하는 제2 단부의 외경보다 더 크게 형성되어, 종단면이 평행 사변형으로 상부로 갈수록 폭이 좁아지며 경사진 측벽을 가진다. 즉, 실 개스킷(43)의 제2 단부의 외경은 단자 구멍(H2)보다 작고, 제1 단부의 외경은 단자 구멍(H2)보다 클 수 있다. 물론, 제2 단부의 외경이 제1 단부의 외경보다 작게 형성될 수도 있다.
이처럼 실 개스킷(43)의 측벽을 기울어지도록 형성하면 단자 구멍(H2)과 실 개스킷(43)의 측벽 사이의 쐐기 작용에 의해서 실 개스킷(43)가 단자 구멍(H2)의 내벽에 완전히 밀착되어 단자 구멍(H2)을 완전히 밀봉시킨다. 이때, 실 개스킷(43)이 단자 구멍(H2)의 내벽에 밀착되면서 실 개스킷(43)의 삽입 구멍의 내벽은 제2 단자 쪽으로 밀려 삽입 구멍(Q)의 내벽과 제2 단자(34)가 밀착되어 삽입 구멍(Q) 또한 완전히 밀봉될 수 있다.
도 3에서는 실 개스킷(43)과 단자 구멍(H2)의 하부 모서리만 접촉하는 것으로 도시되어 있으나, 실 개스킷(43)이 단자 구멍(H2)에 삽입되면서 단자 구멍(H2)의 내벽을 가압시키므로 단자 구멍(H2)의 내벽 전체와 실 개스킷(43)이 접촉할 수 있다. 이때, 실 개스킷(43)은 탄성을 가지므로 단자 구멍(H2)의 내벽과 접촉하는 부분이 다른 부분에 비해서 함몰될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서와 같이, 실 개스킷의 측벽을 기울어지도록 형성하면, 쐐기 작용에 의해서 단자 구멍을 완전히 밀봉시킬 수 있다. 따라서, 외부로부터 단자 구멍을 통해서 수분이 침투하는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 실 개스킷(43)은 PFA로 형성함으로써, PPS로 이루어지는 몰딩 부재(45)와의 접합성이 우수하여 밀봉력을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3에서는 실 개스킷(43)의 외부 측벽이 기울어진 것만을 예로 들었으나, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 단자 및 제2 단자(34)의 측벽 또는 삽입 구멍(Q)의 내벽이 기울어지도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 도 5에 도시한 바와 같이, 제2 단자(34)는 실 개스킷(43)에 삽입된 제1 부분(L1)과 캡 플레이트(42) 밖으로 돌출한 제2 부분(L2)을 가질 수 있다.
제1 부분(L1)은 삽입 구멍(Q)의 내벽에 대해서 기울어져 있으며, 제2 부분(L2)은 내벽과 같은 기울기를 가지도록 형성되어 있으나, 필요에 따라서 제2 단자는 삽입 구멍(Q)의 내벽에 대해서 기울어진 제1 부분만으로 이루어질 수 있다.
이처럼, 삽입 구멍(Q)에 삽입된 제2 단자(34)의 일부분을 삽입 구멍(Q)의 내벽에 대해서 기울어지도록 형성하면, 제2 단자(34)가 삽입 구멍(Q)에 삽입되면서 쐐기 작용으로 제2 단자(34)가 삽입 구멍(Q)의 내벽에 밀착되어 제2 단자(34)에 의해서 삽입 구멍(Q)이 완전히 밀봉된다.
그리고, 도 6에 도시한 바와 같이, 제2 단자(34)는 도 2에서와 같이 지름이 일정한 원형 막대일 수 있다.
반면, 삽입 구멍(Q)의 내벽은 제2 단자(34)에 대해서 기울어질 수 있다. 즉, 삽입 구멍(Q)은 케이스의 외부와 인접한 상부로부터 케이스의 내부와 인접한 하부로 갈수록 지름이 줄어들거나, 늘어나도록 형성될 수 있다.
이처럼, 삽입 구멍(Q)의 내벽을 기울어지게 형성하면, 제2 단자(34)가 삽입 구멍(Q)에 삽입되면서 쐐기 작용으로 삽입 구멍(Q)의 내벽이 제2 단자(34)에 밀착되어 제2 단자(34)에 의해서 삽입 구멍(Q)이 완전히 밀봉된다.
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.
15: 양극 무지부 17: 음극 무지부
22, 32: 집전 부재 24: 제1 단자
26: 케이스 34: 제2 단자
41: 노치 42: 캡 플레이트
43: 실 개스킷 44: 벤트 부재
45: 밀봉 부재 46: 주입구
47: 벤트 구멍 48: 밀봉 마개
101: 이차 전지 400: 캡 어셈블리

Claims (8)

  1. 내부에 전극 조립체를 포함하는 케이스,
    상기 케이스와 결합되며 상기 케이스 내부 및 외부를 관통하는 제1 단자 구멍 및 제2 단자 구멍을 가지는 캡 플레이트,
    상기 제1 단자 구멍 및 제2 단자 구멍에 각각 삽입되어 있으며 삽입 구멍을 가지는 제1 실 개스킷 및 제2 실 개스킷, 그리고
    상기 삽입 구멍에 각각 삽입되어 상기 전극 조립체의 제1 집전 부재 및 제2 집전 부재와 각각 전기적으로 연결되어 있는 제1 단자 및 제2 단자,
    상기 실 개스킷을 밀봉하며 몰딩 방법으로 형성한 몰딩 부재
    를 포함하고,
    상기 제1 단자 구멍 및 상기 제2 단자 구멍의 내벽과 접촉하는 상기 제1 실 개스킷과 제2 실 개스킷의 측벽은 각각 상기 제1 단자 구멍 및 상기 제2 단자 구멍의 중심축에 대해서 기울어져 있으며,
    상기 제1 실 개스킷과 제2 실 개스킷의 측벽은 상기 캡 플레이트 밖으로 돌출되며 상기 몰딩 부재로 덮여 있는 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 실 개스킷과 제2 실 개스킷의 측벽은 각각 상기 제1 단자 구멍 및 상기 제2 단자 구멍의 내벽에 대해 기울어져 있는 이차 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 실 개스킷 및 제2 실 개스킷의 각 삽입 구멍의 내벽은 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자의 측벽에 대해서 기울어져 있는 이차 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 상기 삽입 구멍을 관통하는 제1 부분, 상기 제1 부분과 연결되어 상기 캡 플레이트 밖에 위치하는 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분은 상기 제1 실 개스킷 및 상기 제2 실 캐스킷의 삽입 구멍 각각의 내벽에 대해서 기울어져 있는 이차 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 실 개스킷의 상기 케이스의 내부에 위치하는 제1 단부의 외경이 상기 케이스의 외부에 위치하는 제2 단부의 외경보다 더 큰 이차 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 단자 및 제2 단자는 횡단면이 원형인 막대이고, 상기 제1 집전 부재 및 제2 집전 부재는 횡단면이 다각형인 막대인 이차 전지.
  7. 제1항에서,
    상기 실 개스킷은 PFA(perfluoroalkoxy)로 이루어지는 이차 전지.
  8. 삭제
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