KR102288540B1 - 배터리 - Google Patents

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KR102288540B1
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윤장호
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Abstract

본 발명에서는 배터리가 개시된다. 배터리는, 전극 조립체; 전극 조립체로부터 연장된 전극탭이 결합되는 절연 스페이서; 및 절연 스페이서의 내부에서 전극탭에 용접되는 전극 리드를 포함하고, 전극탭이 절연 스페이서의 하부 영역 또는 측부 영역으로부터 결합될 수 있도록, 절연 스페이서의 하부 영역에 제1오프닝이 형성되고, 절연 스페이서의 측부 영역에 제2오프닝이 형성된다. 본 발명에 의하면, 전극 조립체의 전극탭이 절연 스페이서의 하부 방향뿐만 아니라 측부 방향으로부터 결합될 수 있음으로써, 전극탭의 얼라인먼트 및 결합 작업이 용이할 뿐만 아니라 전극 리드와의 용접 편의성도 향상된다.

Description

배터리{Battery}
본 발명의 일 실시예는 배터리에 관한 것이다.
일반적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 휴대폰, 노트북 등의 모바일 기기에 대한 기술개발과 생산 증가에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급증하고 있다. 최근에는 화석연료를 대체하기 위한 대체 에너지원으로 전기 자동차, 하이브리드 자동차의 용도로도 활발한 연구개발이 진행되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 전극 조립체와 캡 플레이트의 사이에 개재되어, 전극 조립체로부터 연장된 전극탭이 하부 영역뿐만 아니라 측부 영역으로부터 결합 가능한 절연 스페이서가 제공됨으로써, 전극탭과 절연 스페이서 사이의 얼라인먼트가 용이하게 맞춰질 수 있고, 이에 따라 전극탭과 절연 스페이서의 결합 및 전극탭과 전극 리드 사이의 용접 편의성도 향상될 수 있는 배터리를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 전극 조립체와 캡 플레이트 사이에 절연 스페이서가 개재됨으로써, 전극탭을 포함하는 전극 조립체의 절연 특성이 강화된 배터리를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 고주파 진동이나 낙하 충격과 같은 가혹한 환경에서도 전극 조립체의 전극탭에 대한 절연 특성이 강건하게 확보되는 배터리를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리는 전극 조립체; 상기 전극 조립체로부터 연장된 전극탭이 결합되는 절연 스페이서; 및 상기 절연 스페이서의 내부에서 상기 전극탭에 용접되는 전극 리드를 포함하고, 상기 전극탭이 상기 절연 스페이서의 하부 영역 또는 측부 영역으로부터 결합될 수 있도록, 상기 절연 스페이서의 하부 영역에 제1오프닝이 형성되고, 상기 절연 스페이서의 측부 영역에 제2오프닝이 형성된다.
상기 제1오프닝과 상기 제2오프닝은 상호간 연결될 수 있다.
상기 절연 스페이서에는 상기 제2오프닝이 폐색되도록 상기 절연 스페이서를 덮는 절연 부재가 더 부착될 수 있다.
상기 절연 스페이서는 상호간 이격된 한쌍의 장변부와, 상기 한쌍의 장변부에 연결되고 상호간 이격된 한쌍의 단변부와, 상기 장변부 및 단변부의 하부에 형성된 바닥부를 포함하고, 상기 제1오프닝은 상기 바닥부를 관통하여 형성될 수 있다.
상기 절연 스페이서는 상기 장변부와 단변부의 상부가 개방되어 형성된 개방부를 더 포함할 수 있다.
상기 절연 스페이서의 바닥부는 상기 전극 조립체와 접촉할 수 있다.
상기 제2오프닝은 상기 상호간 이격된 한쌍의 장변부를 관통하여 형성될 수 있다.
상기 제1오프닝과 제2오프닝의 경계 영역에는 적어도 하나의 보강대가 형성될 수 있다.
상기 보강대는 장변부의 상단 또는 하단에 형성될 수 있다.
상기 제1,2오프닝의 폭은 상기 전극탭의 폭보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리에서는, 전극 조립체와 캡 플레이트의 사이에 개재되어, 전극 조립체로부터 연장된 전극탭이 하부 영역뿐만 아니라 측부 영역으로부터 결합 가능한 절연 스페이서가 제공됨으로써, 전극탭과 절연 스페이서 사이의 얼라인먼트가 용이하게 맞춰질 수 있고, 이에 따라 전극탭과 절연 스페이서의 결합 및 전극탭과 전극 리드 사이의 용접 편의성도 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리에서는, 전극 조립체와 캡 플레이트 사이에 절연 스페이서가 개재됨으로써, 전극탭을 포함하는 전극 조립체의 절연 특성이 강화된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리에서는, 고주파 진동이나 낙하 충격과 같은 가혹한 환경에서도 전극 조립체의 전극탭에 대한 절연 특성이 강건하게 확보된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 도시한 사시도 및 분해 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 배터리 중에서 절연 스페이서만을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 중에서 전극 단자, 전극 리드 및 전극탭 사이의 연결 관계를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 중에서 전극 단자 및 전극 리드 사이의 연결 관계를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 중에서 전극 리드, 절연 스페이서 및 전극탭 사이의 결합 관계를 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 중에서 절연 스페이서에 전극탭이 결합되는 방향을 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 중에서 절연 스페이서의 내부에서 전극 리드에 전극탭이 결합되는 상태를 도시한 설명도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리를 도시한 사시도, 단면도 및 분해사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리를 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.
또한, 본 명세서에서 설명되는 배터리는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 또는 리튬 이온 폴리머 전지와 같이 재충전이 가능한 이차 전지일 수 있으며, 더욱이 스마트폰, 휴대폰, 태블릿, 노트북, 디지털 카메라 등에 채택되는 소형 전지, 또는/및 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 전기 오토바이 등에 채택되는 대형 전지를 의미하나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 도시한 사시도 및 분해 사시도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 배터리(100)는, 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10) 상에 배치된 절연 스페이서(110)와, 전극 조립체(10)와 절연 스페이서(110)가 함께 수용되는 케이스(20)와, 케이스(20)의 상부를 마감하는 캡 플레이트(130)를 포함한다.
전극 조립체(10)는 양극판(11), 음극판(13) 및 세퍼레이터(15)를 포함하고, 전해액(미도시)과 함께 케이스(20)의 내부에 밀봉될 수 있다.
예를 들어, 전극 조립체(10)는, 양극판(11), 음극판(13), 및 세퍼레이터(15)의 적층체가 젤리 롤(jelly roll) 형태로 권취되거나 또는 직육면체 형태로 스택되어 형성될 수 있다. 양극판(10)은 양극 집전체(미도시)의 적어도 일면 상에 양극 활물질을 도포한 형태로 형성될 수 있다. 이와 유사하게, 음극판(13)은 음극 집전체(미도시)의 적어도 일면 상에 음극 활물질을 도포한 상태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서 전극 조립체(10)의 최외곽 측에는 양극판(10)이 배치될 수 있다. 이것은 상대적으로 발열량이 많은 양극 집전체(미도시)를 케이스(20)에 인접한 외측에 배치함으로써, 케이스(20)를 통하여 방열을 촉진하기 위한 것이다. 예를 들어, 양극 집전체(미도시)는 케이스(20)와 직접 닿거나 적어도 케이스(20)와 열적으로 접촉할 수 있다. 열적으로 접촉한다는 것은 양자가 서로 직접 닿지는 않더라도 이들 간에 열적인 교류가 허용된다는 것이다.
전극 조립체(10)는, 케이스(20)의 개방된 상단을 통하여 전해액(미도시)과 함께 케이스(20)의 내부에 수용될 수 있고, 개방된 케이스(20)의 상단은 캡 플레이트(130)에 의해 밀봉될 수 있다. 캡 플레이트(130)와 케이스(20)의 맞닿는 부분은 레이저 용접으로 상호간 결합될 수 있다.
양극판(11)과 음극판(13)의 적어도 일 개소에는 양극탭(17) 및 음극탭(19)이 접속될 수 있다. 본 명세서를 통하여 양극탭(17) 및 음극탭(19)은 전극탭(17,19)으로 총괄적으로 호칭될 수 있다. 고용량 고출력 배터리의 경우에는 전극 조립체(10) 자체로부터 다수의 양극탭(17) 및 음극탭(19)이 연장될 수 있다. 다수의 양극탭(17) 및 음극탭(19)을 통하여 높은 출력 전류를 얻을 수 있으며 저항 손실을 줄일 수 있다. 물론, 이러한 양극탭(17) 및 음극탭(19)은 별도로 준비되어 각각 양극판(11) 및 음극판(13)에 부착될 수도 있다.
양극탭(17)은 캡 플레이트(130)의 자체에 접속될 수 있고, 음극탭(19)은 캡 플레이트(130)의 상면으로 연장된 음극 단자(139)에 접속될 수 있다. 예를 들어, 캡 플레이트(130)의 상면으로는 양극 단자(137)와 음극 단자(139)가 노출될 수 있다. 양극 단자(137)는 캡 플레이트(130)로부터 일체적으로 돌출된 부분 또는 캡 플레이트(130)의 상면에 덧대어지도록 결합된 별개의 부재로 형성될 수 있고, 양극 단자(137)는 캡 플레이트(130)와 같은 양극성을 가질 수 있다. 음극 단자(139)는 캡 플레이트(130)를 관통하도록 조립될 수 있다. 음극 단자(139)는 캡 플레이트(130)와 절연성 결합을 이루며, 캡 플레이트(130)의 상면으로 연장될 수 있다.
양극탭(17) 및 음극탭(19)은 절연 스페이서(110)의 오프닝(111)에 정렬된 후, 오프닝(111)에 끼워져 결합된다. 이렇게 절연 스페이서(110)에 결합된 양극탭(17) 및 음극탭(19)은 절연 스페이서(110)의 내부에서 각각 양극 리드(127)와 음극 리드(129)에 접속된다.
양극탭(17)이 절연 스페이서(110)의 오프닝(111)에 정렬되어 끼워 조립되기 전에, 다수의 양극탭(17)은 가용접을 통하여 하나의 묶음으로 집속될 수 있다. 이렇게 가용접을 통하여 하나의 묶음으로 집속된 양극탭(17)은 보다 용이하게 오프닝(111)에 정렬되어 끼워 조립될 수 있다. 마찬가지로, 음극탭(19)이 절연 스페이서(110)의 오프닝(111)에 정렬되어 끼워 조립되기 전에, 다수의 음극탭(19)은 가용접을 통하여 하나의 묶음으로 집속될 수 있다.
양극탭(17)은 절연 스페이서(110)의 오프닝(111)에 정렬된 후 오프닝(111) 끼워져, 절연 스페이서(110)의 내부에 위치되고 또한 절연 스페이서(110)의 외측으로 오프닝(111)을 통하여 노출되며, 이렇게 노출된 양극탭(17)은 양극 리드(127)에 접속된다. 그리고, 상기 양극 리드(127)는 캡 플레이트(130)에 접속된다. 이에 따라, 전극 조립체(10)의 양극탭(17)은 양극 리드(127)를 통하여 캡 플레이트(130)와 전기적으로 연결된다. 캡 플레이트(130)는 전체적으로 양극탭(17)과 같은 양극성을 띨 수 있으나, 캡 플레이트(130)의 일부를 돌출시켜 양극 단자(137)를 형성할 수 있다.
음극탭(19) 역시 절연 스페이서(110)의 오프닝(111)에 정렬된 후 오프닝(111)에 끼워져, 절연 스페이서(110)의 내부에 위치되고 또한 절연 스페이서(110)의 외측으로 오프닝(111)을 통하여 노출되며, 이렇게 노출된 음극탭(19)은 음극 리드(129)에 접속된다. 그리고, 음극 리드(129)는 음극 단자(137)에 결합된다. 이에 따라 전극 조립체(10)의 음극탭(19)은 음극 리드(129)를 통하여 음극 단자(139)와 전기적으로 연결된다. 참고로, 본 명세서를 통하여 양극 리드(127)와 음극 리드(129)는 총괄하여 전극 리드(127,129)로 호칭될 수 있다.
음극 단자(139)는 절연 가스켓(135)을 개재하여 캡 플레이트(130)에 조립된다. 캡 플레이트(130)에는 음극 단자(139)의 관통을 위한 단자 홀(130`)이 형성되어 있다. 음극 단자(139)는 가스켓(135)을 개재한 상태로 캡 플레이트(130)의 단자 홀(130`)에 끼워짐으로써 캡 플레이트(130)로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 가스켓(135)은 단자 홀(130`)의 주변을 실링하여, 케이스(20)의 내부에 수용된 전해액(미도시)의 누액을 방지하고, 외부 불순물의 침투를 저지하기 위한 실링 기능을 수행할 수 있다.
음극 리드(129)와 캡 플레이트(125)의 사이에는 이들 간의 전기적 절연을 위한 절연 플레이트(125)가 개재될 수 있다. 절연 플레이트(125)는 가스켓(15)과 함께 캡 플레이트(130)를 전기적으로 절연하며, 전극 조립체(10)의 양극탭(17)과 전기적으로 연결된 캡 플레이트(130)가 반대 극성과 도통되지 않도록 한다. 음극 리드(129)와 절연 플레이트(125)에는 각각 음극 단자(139)의 관통을 위한 단자 홀(125`,129`)이 형성될 수 있다.
음극 단자(139)는 캡 플레이트(130), 절연 플레이트(125), 및 음극 리드(129)의 단자 홀(130`,125`,129`)을 함께 관통하도록 조립되며 음극 단자(129)의 하부가 음극 리드(129)의 저면에 압착됨으로써, 캡 플레이트(130), 절연 플레이트(125), 및 음극 리드(129)가 위치 정렬된 상태로 일체적으로 결합될 수 있다.
예를 들어, 캡 플레이트(130), 절연 플레이트(125), 및 음극 리드(129)를 서로에 대해 겹쳐지게 적층한 다음에, 캡 플레이트(130)의 상부로부터 음극 단자(139)를 단자 홀(130`,125`,129`)들에 순차적으로 끼워 조립하고, 음극 리드(129)의 저면으로 노출된 음극 단자(139)의 하부에서 리벳팅 또는 스피닝 가공을 수행함으로써 음극 리드(129)의 저면에 대해 압착된 형태로 음극 단자(139)가 조립될 수 있다.
절연 스페이서(110)는 전극 조립체(10)와 캡 플레이트(130)의 사이에 개재된다. 절연 스페이서(110)는, 전해액과 반응하지 않는 절연성 소재, 예를 들면 polypropylene(PP), polyethylene(PE) 또는 ethylene propylene diene monomer(EPDM) 및 그 등가물로 형성될 수 있으나, 본 발명에서 절연 스페이서(110)의 재질이 한정되지 않는다. 이러한 절연 스페이서(110)는 전극 조립체(10)와 캡 플레이트(130) 사이의 전기적인 간섭이나 전기적인 단락을 방지하는 기능을 한다. 또한 절연 스페이서(110)는 전극 조립체(10)로부터 연장된 다수의 전극탭(17,19)을 적절한 영역에 정렬 및 위치시킴으로써, 전극 리드(127,129)와의 전기적인 접속을 용이하게 할 수 있다.
예를 들어, 전극 조립체(10)로부터 상부 방향으로 돌출 및 연장된 다수의 양극탭(17) 및 음극탭(19)은 절연 스페이서(110)의 오프닝(111)을 향하여 얼라인된 후 결합될 수 있고, 이렇게 얼라인 및 결합된 양극탭(17) 및 음극탭(19)의 묶음은 각각 양극 리드(127) 및 음극 리드(129)에 대해 용접 등의 방식에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
절연 스페이서(110)는 전극 조립체(10)와 캡 플레이트(130) 사이에 적절한 공간을 확보해줌으로써, 고주파 진동이나 낙하 충격과 같은 외부 충격이 가해지는 환경에서도 전극탭(17,19)의 절연성을 확보하도록 한다.
더욱이, 절연 스페이서(110)에 구비된 오프닝(111)은 전극탭(17,19)과 전극 리드(127,125) 간의 용접을 허용하기 위한 용접 공간으로 이용된다. 예를 들어, 오프닝(111)은 전극탭(17,19)과 전극 리드(127,129) 사이의 용접 위치 또는 조립 위치에 형성될 수 있다. 즉, 오프닝(111)은 이를 관통하여 결합된 양극탭(17) 및 음극탭(19)이 절연 스페이서(110)의 외측으로 노출되도록 할 수 있고, 이에 따라 양극탭(17) 및 음극탭(19)은 양극 리드(127) 및 음극 리드(129)에 각각 용접 또는 조립되도록 할 수 있다. 예를 들어, 전극탭(17,19) 및 전극 리드(127,129) 간에는 전기 저항 용접, 레이저 용접 또는 초음파 용접 용이하게 이루어질 수 있다. 이러한 절연 스페이서(110)의 구조 및 기능에 대해서는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
한편, 절연부재(150)는 절연 스페이서(110)를 감쌈으로써, 오프닝(111)이 외측으로 노출되지 않도록 하고, 이에 따라 전극탭(17,19) 및 전극 리드(127,129)의 절연성을 더욱 확실하게 확보하도록 한다. 더욱이, 이러한 절연부재(150)는 절연 스페이서(110)뿐만 아니라 전극 조립체(10)의 상단 영역도 함께 감쌈으로써, 절연 스페이서(110) 및 전극 조립체(10)가 기구적으로도 상호간 결합되도록 한다. 이러한 절연부재(150)에 대해서도 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 배터리 중에서 절연 스페이서만을 도시한 사시도이다. 여기서, 도 1b가 함께 참조된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 절연 스페이서(110,110')에는 전극탭(17,19)이 절연 스페이서(110,110')의 하부 영역(Y축 방향) 및/또는 측부 방향(X축 방향)으로부터 결합될 수 있도록, 절연 스페이서(110,110')의 하부 영역 및 측부 영역에 오프닝(111)이 형성된다. 물론, 2개의 전극탭이 구비되므로, 2개의 전극탭과 대응되는 위치에 2개의 오프닝(111)이 형성된다. 각각의 오프닝(111)에 대해 좀더 구체적으로 설명한다.
오프닝(111)은 절연 스페이서(110,110')의 하부 영역(Y축 방향)에 형성된 제1오프닝(112)과, 절연 스페이서(110,110')의 측부 영역(X축 방향)에 형성된 제2오프닝(113)을 포함한다. 물론, 제1오프닝(112)과 제2오프닝(113)은 상호간 연결된다.
다르게 설명하면, 절연 스페이서(110,110')는 전체적으로 튜브 형태의 몸체(114)와, 몸체(114)의 하단을 막는 바닥부(117)를 포함하고, 제1오프닝(112)은 바닥부(117)를 관통하여 형성될 수 있다. 즉, 제1오프닝(112)은 절연 스페이서(110,110')의 하부 영역에 형성된다.
또한, 절연 스페이서(110,110')의 몸체(114)는 상호간 이격된 한쌍의 장변부(115)와, 한쌍의 장변부(115)에 연결되고 상호간 이격된 한쌍의 단변부(116)를 포함하며, 제2오프닝(113)은 상호간 이격된 한쌍의 장변부(115)를 관통하여 형성된다. 즉, 제2오프닝(113)은 절연 스페이서(110,110')의 측부 영역에 형성된다.
여기서, 장변이라 함은 단변에 비해 상대적으로 길다는 의미이고, 단변이라 함은 장변에 비해 상대적으로 짧다는 의미이다.
더욱이, 절연 스페이서(110,110')의 몸체(114)와 바닥부(117)의 사이에는 제1,2오프닝(112,113)과 연결되는 속이 비어 있는 개방부(118)가 형성될 수 있다. 이러한 개방부(118)에는 전해액이 수용될 수 있음으로써, 본 발명에 따른 배터리(100)는 충분한 량의 전해액 수용 공간을 갖는다.
한편, 절연 스페이서(110,110')의 바닥부(117)는 전극 조립체(10)와 직접 또는 간접적으로 접촉하고, 절연 스페이서(110,110') 중 몸체(114)의 상단은 캡 플레이트(130)와 직접 또는 간접적으로 접촉하며, 더욱이 몸체(114)의 장변부(115) 및 단변부(116)은 케이스(20)의 내측벽에 직접 또는 간접적으로 접촉함으로써, 절연 스페이서(110,110')가 전극 조립체(10), 캡 플레이트(130) 및 케이스(20)의 사이에 안정적으로 지지될 수 있다. 즉, 절연 스페이서(110,110')에 구비된 3개의 바닥부(117)가 전극 조립체(10)의 상면에 밀착되고, 절연 스페이서(110,110')의 몸체(114)에 구비된 타원 형태의 상단이 캡 플레이트(130)의 하면에 밀착되며, 절연 스페이서(110,110')의 몸체(114)에 구비된 장변부(115) 및 단변부(116)가 케이스(20)의 내측면에 밀착된다. 물론, 이러한 절연 스페이서(110,110')에 의해 전극 조립체(10)와 캡 플레이트(130) 사이에 불필요한 전기적 접촉이 발생하지 않는다. 여기서, 실질적으로 절연 스페이서(110,110')의 몸체(114)에 구비된 장변부(115) 및 단변부(116)와 이와 대응하는 케이스(20)의 내측면 사이에는 절연 부재(150)가 개재됨으로써, 절연 스페이서(110,110')와 케이스(20) 사이의 결합력이 향상된다.
또한, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1오프닝(112)과 제2오프닝(113)의 경계 영역에는 절연 스페이서(110,110')의 강성을 증가시키기 위해, 필요하다면, 적어도 하나의 보강대(119a,119b)가 더 형성될 수 있다. 즉, 보강대(119b)는 분리된 장변부(115)의 상부 영역을 연결하거나(도 2a 참조), 또는/및 보강대(119a)는 분리된 장변부(115)의 하부 영역을 연결한다(도 2b 참조).
여기서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 보강대(119a)는 제1오프닝(112)의 후방에만 형성됨으로써, 전방의 측부 방향으로부터 결합되는 전극탭(17,19)과 보강대(119a)가 상호간 간섭되지 않도록 함이 바람직하다.
이와 같이 본 발명에서는 절연 스페이서(110,110')의 대략 하부 영역 및 측부 영역에 상호간 연결된 오프닝(111)이 형성됨으로써, 전극 조립체(10)로부터 연장된 전극탭(17,19)이 하부 방향으로부터 절연 스페이서(110,110')에 정렬된 후 용이하게 결합되거나, 또는/및 전극 조립체(10)로부터 연장된 전극탭(17,19)이 측부 방향으로부터 절연 스페이서(110,110')에 정렬된 후 용이하게 결합된다. 즉, 본 발명에서는 절연 스페이서(110,110')와 전극탭(17,19) 사이의 얼라인먼트를 쉽게 맞출 수 있을 뿐만 아니라 결합 공정도 용이하다.
더욱이, 절연 스페이서(110,110')의 오프닝(111) 중 제1오프닝(112)의 장변 방향(X축 방향) 폭은 한쌍의 장변부(115)가 갖는 폭과 동일하고, 또한, 제1,2오프닝(112,113)의 단변 방향(Z축 방향) 폭은 전극탭(17,19)의 폭보다 크므로, 전극탭(17,19)이 하부 방향(Y축 방향)으로부터 절연 스페이서(110,110')의 제1오프닝(112)에 용이하게 결합되고, 또는/및 전극탭(117,119)이 측부 방향(X축 방향)으로부터 절연 스페이서(110,110')의 제2오프닝(113)에 용이하게 결합된다. 물론, 이에 따라 전극탭(17,19)은 전극 리드(127,129)에 용이하게 용접될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 중에서 전극 단자, 전극 리드 및 전극탭 사이의 연결 관계를 도시한 분해 사시도이다. 여기서, 본 발명의 용이한 이해를 위해 절연 스페이서는 도시되어 있지 않다.
도 3을 참조하면, 양극 리드(127)는 전체적으로 'ㄱ' 형태로 절곡된 형태를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 양극 리드(127)는 서로 다른 두 방향으로 연장되며 절곡된 형태를 가질 수 있다. 양극 리드(127)의 제1부분(127a)은 캡 플레이트(130)에 대해 대면하도록 마주하는 방향으로 배치되어 캡 플레이트(130)에 대해 결합된다. 그리고, 제1부분(127a)과 다른 방향으로 연장되는 양극 리드(127)의 제2부분(127b)은 양극탭(17)과 대면하도록 마주하는 방향으로 배치되어 양극탭(17)에 대해 결합될 수 있다. 이렇게 양극 리드(127)는 주변의 캡 플레이트(130) 및 양극탭(17)과의 결합을 형성하기 위해 각각의 결합 상대와 마주하도록 서로 다른 방향으로 절곡된 구조를 가질 수 있다.
음극 리드(129)는 전체적으로 'ㄱ' 형태로 절곡된 형태를 가질 수 있다. 즉, 음극 리드(129)의 제1부분(129a)은 캡 플레이트(130)에 대해 대면하도록 마주하는 방향으로 배치되어 캡 플레이트(130)에 대해 결합된다. 그리고, 제1부분(129a)과 다른 방향으로 연장되는 음극 리드(129)의 제2부분(129b)은 음극탭(19)과 대면하도록 마주하는 방향으로 배치되어 음극탭(19)에 대해 결합될 수 있다. 이렇게 음극 리드(129)는 주변의 캡 플레이트(130)와 음극탭(19)과의 결합을 형성하기 위해 각각의 결합 상대와 마주하도록 서로 다른 방향으로 절곡된 구조를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 기술적 범위는 이에 한정되지 않고, 예를 들어, 음극 리드(129)는 평편한 판 상으로 형성될 수도 있다.
캡 플레이트(130)와 음극 리드(129) 사이에 절연 플레이트(125)가 배치되는 것과 유사하게, 캡 플레이트(130)와 양극 리드(127) 사이에도 절연 플레이트(124)가 배치될 수 있다. 이후에 음극 리드(129) 측에 배치되는 절연 플레이트(125)는 음극 절연 플레이트(125)라고 칭하고, 양극 리드(127) 측에 배치되는 절연 플레이트(124)는 양극 절연 플레이트(124)라고 칭하기로 한다.
양극 절연 플레이트(124)는, 음극 절연 플레이트(125)와의 균형을 위해 마련될 수 있다. 즉, 양극 절연 플레이트(124)는, 캡 플레이트(130)와 양극 리드(127) 간의 높이와, 캡 플레이트(130)와 음극 단자(129) 간의 높이 밸런스를 유지시키기 위해 삽입될 수 있다. 또한, 양극 절연 플레이트(124)는 캡 플레이트(130)와 양극 리드(127) 간에 개재되어 결합 핀(131)에 의해 압착 결합시 결합 강도를 높이는 기능을 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 중에서 전극 단자 및 전극 리드 사이의 연결 관계를 도시한 측면도이다.
도 4를 참조하면, 양극 리드(127)는 캡 플레이트(130)로부터 돌출된 결합 핀(131)에 의해 캡 플레이트(130)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 캡 플레이트(130)의 저면으로부터 돌출된 결합 핀(131)은 양극 리드(127)를 관통하도록 조립되고, 양극 리드(127)의 저면으로 노출된 결합 핀(131)의 하단이 리벳팅 또는 스피닝 방식으로 양극 리드(127)의 저면에 대해 압착 결합될 수 있다(결합 위치 P1 참조). 예를 들어, 리벳팅 결합에서는, 양극 리드(127)의 저면으로 노출된 결합 핀(131)의 하단을 헤머로 타격하여 결합 핀(131)의 하단이 양극 리드(127)의 저면에 대해 압착되도록 한다. 스피닝 결합에서는, 양극 리드(127)의 저면으로 노출된 결합 핀(131)의 하단을 고속 회전하는 가공 툴로 가압하면서 결합 핀(131)의 하단이 양극 리드(127)의 저면에 대해 압착되도록 할 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에서, 양극 리드(127)와 캡 플레이트(130)는 용접 결합될 수 있다.
음극 단자(139)의 하부는 음극 리드(129)의 저면에 대해 압착 결합된 상태이나, 음극 단자(139)의 하부에 대해 용접을 추가적으로 실시하여, 음극 단자(139)와 음극 리드(129) 간의 결합을 보다 견고하게 할 수 있다(결합위치 P2 참조). 음극 단자(139)와 음극 리드(129) 간의 결합은 음극 측의 충방전 경로를 형성하기 때문이다. 한편, 음극 단자(139)의 상부는 원통 형상의 몸통으로부터 판 상으로 돌출되어 캡 플레이트(130)의 상면에 대해 압착될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 중에서 전극 리드, 절연 스페이서 및 전극탭 사이의 결합 관계를 도시한 분해 사시도이다.
도 5를 참조하면, 오프닝(111)의 단변 방향 폭(W2)은, 전극탭(17,19)의 폭(W1) 보다 넓게 형성될 수 있다. 이는 용접봉(T, 도 7 참조)이 보다 많은 영역으로 접근할 수 있도록 허용함으로써 전극탭(17,19)과 전극 리드(127,129) 사이의 용접 강도를 높이고, 작업성을 향상시키기 위한 것이다. 즉, 전극탭(17,19) 및 오프닝(111) 사이의 폭은, 전극탭(17,19)의 폭(W1) < 오프닝(111)의 폭(W2) 관계를 만족할 수 있다.
한편, 전극탭(17,19) 및 전극 리드(127,129) 간의 용접이 완료된 후, 오프닝(111)은 절연 부재(150)에 의해 마감될 수 있다. 즉, 절연 부재(150)는 오프닝(111)(특히, 제2오프닝(113))을 밀봉하여 전극탭(17,19) 및 전극 리드(127,129)가 외부로 노출되지 않도록 이들을 은폐한다. 예를 들어, 절연 부재(150)는 양극탭(17) 및 음극탭(19) 측에 형성된 한 쌍의 오프닝(111)(특히, 제2오프닝(113))을 모두 둘러싸도록 절연 스페이서(110)의 외주를 따라 부착되는 절연 테이프로 마련될 수 있다. 이에 따라 전극탭(17,19) 및 전극 리드(127,129)는 오프닝(111)(특히, 제2오프닝(113))을 통하여 케이스(20)의 내측면에 접촉하지 않는다. 더욱이, 이러한 절연 부재(150)는 상술한 바와 같이 절연 스페이서(110)만을 감싸거나, 또는/및 절연 스페이서(110)와 전극 조립체(10)를 함께 감쌈으로써, 절연 스페이서(110)와 전극 조립체(10)가 절연 부재(150)에 의해 기구적으로 결합되어 일체화된다. 또한, 이러한 절연 부재(150)에 의해 절연 스페이서(110) 및 전극 조립체(10)가 케이스(20)의 내측에서 회전하거나 유동되지 않는다.
한편, 절연 부재(150)는 전해액(미도시)과의 반응에 따라 접착성을 보이는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연 부재(150)는 전해액과 반응하여 그 일부가 녹아 접착성을 띠게 되는 고분자 필름(테이프)으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 고분자 필름은 전해액과의 접촉시 전해액 중 카보네이트계 용매(e.g., Dimethyl carbonate (DMC), Ethylmethyl carbonate(EMC), Diethyl carbonate(DEC), Propylene Carbonate(PC))가 고분자와 고분자 사이에 침투하여 필름의 적어도 일부가 녹는 필름 일 수 있다. 예를 들어, 절연 부재로서는 방향성 폴리스티렌 (OPS: oriented polystyrene) 필름이 사용될 수 있다.
절연 부재(150)는 절연 스페이서(110)의 외주 상에 부착된 상태로, 전해액과 함께 케이스(20) 내에 수납된다. 이때, 절연 부재(150)는 전해액과 반응하여 접착성이 강화됨으로써 오프닝(111)(특히, 제2오프닝(113))을 보다 확실하게 차단할 수 있고, 또한 전극 조립체(10) 및 절연 스페이서(150)를 케이스(20)에 보다 확실하게 결합시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 중에서 절연 스페이서에 전극탭이 결합되는 방향을 도시한 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서는 전극 조립체(10)로부터 연장된 전극탭(17,19)이 하부에서 상부를 향하여 절연 스페이서(110)에 마련된 제1오프닝(112)을 통하여 개방부(118)에 위치되거나, 또는 일측(전방)에서 타측(후방)을 향하여 절연 스페이서(110)에 마련된 제2오프닝(113)을 통하여 개방부(118)에 위치될 수 있다. 물론, 전극탭(17,19)은 제1,2오프닝(112,113) 사이의 경계 영역을 통해 개방부(118)에 위치될 수 있다. 어느 경우에나, 전극탭(17,19)은 절연 스페이서(110)에 마련된 제2오프닝(113)을 통하여 외측(전방 및 후방)으로 노출되며, 따라서 전극 리드(127,129) 및 용접봉(T)이 쉽게 전극탭(17,19)에 접근할 수 있다.
한편, 이와 같이 전극탭(17,19)이 절연 스페이서(110)의 제1오프닝(112)을 통해 결합될 때 제1오프닝(112)의 폭은 절연 스페이서(110)에 구비된 이격된 한쌍의 장변부(115)가 갖는 폭과 동일하거나, 또는/및 제1오프닝(112)의 폭이 전극탭(17,19)의 폭보다 크기 때문에, 전극탭(17,19)과 제1오프닝(112) 사이의 얼라인먼트가 용이하다. 더불어, 전극탭(17,19)이 절연 스페이서(110)의 제2오프닝(113)을 통해 결합될 때에도 제2오프닝(113)의 폭이 전극탭(17,19)의 폭보다 크기 때문에, 전극탭(17,19)과 제2오프닝(113) 사이의 얼라인먼트도 용이하다. 더욱이, 절연 스페이서(110)에 마련된 바닥부(117)는 전극 조립체(10)의 상단에 밀착됨으로써, 절연 스페이서(110)는 전극 조립체(10)의 상부에 안정적으로 위치된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 중에서 절연 스페이서의 내부에서 전극 리드에 전극탭이 결합되는 상태를 도시한 설명도이다.
도 7을 참조하면, 전극탭(17,19) 및 전극 리드(127,129) 간의 용접은, 서로 다른 극성을 갖는 용접봉(T)을 서로 마주하게 전,후 방향으로 접근시키고, 이들 사이에 전극탭(17,19) 및 전극 리드(127,129)를 맞닿게 하고, 용접 전류를 인가시키는 방식으로 이루어질 수 있다.
이러한 이유로, 절연 스페이서(110)의 제2오프닝(113)은 전후 방향(X 방향)으로 접근하는 용접봉(T)의 접근을 허용하기 위해 전후 방향(X 방향)으로 개방되어 있다. 즉, 제2오프닝(113)은 전극탭(17,19)의 용접 위치의 전후방을 관통하도록 형성될 수 있다. 물론, 상술한 바와 같이, 제1오프닝(112)은 절연 스페이서(110)의 하부 영역에 걸쳐 형성됨으로써, 전극탭(17,19)은 절연 스페이서(110)에 용이하게 끼워질 수 있다.
한편, 본 발명에서는 이러한 전기 저항 용접 외에 레이저 빔에 의한 용접이나 또는 초음파 용접도 가능하다. 물론, 경우에 따라 전극탭과 전극 리드는 리벳팅 등의 다른 기구적 구조에 의해 상호간 결합될 수도 있다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리를 도시한 사시도, 단면도 및 분해사시도이다.
여기서, 도 8a 내지 도 8c에 도시된 배터리(200)는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 등에 채택된 것이다. 따라서, 기본적인 구조는 상술한 구조와 동일 유사하므로, 여기서는 그 차이점만을 설명하기로 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 절연 스페이서(210)는 캡 플레이트(130)와 전극 조립체(10)의 사이에 위치되며, 절연 스페이서(210)는 하부 영역 및 측부 영역이 개방된 오프닝(211)을 포함한다. 더불어, 오프닝(211)을 통해서는 전극 조립체(10)로부터 연장된 전극탭(17,19)이 결합되고, 또한 오프닝(211)의 내측에 전극 단자(137,139)와 접속된 전극 리드(127,129)가 위치된다. 따라서, 오프닝(211)의 내측에서 전극탭(17,19)과 전극 리드(127,129)가 상호간 용접될 수 있다.
한편, 이러한 전기 자동차용 배터리(200)는 배터리의 관통이나 압괴 시 캡 플레이트(130) 및 케이스(20)가 극성을 갖지 않아야 안전하기 때문에, 음극 단자(139)와 마찬가지로 양극 단자(237) 역시 캡 플레이트(130)로부터 절연될 수 있다. 이를 위해, 양극 단자(237)는 절연 가스켓(238)에 의해 캡 플레이트(130)로부터 전기적으로 절연될 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리를 도시한 단면도이다.
도 9에 도시된 배터리(300) 역시 도 8a 내지 도 8c에 도시된 배터리(200)와 유사하므로, 그 차이점을 중심으로 설명한다.
도면에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 무지부(317,329)는 상부 방향이 아니라 대향되는 양측부 방향으로 위치된 채 케이스(20)에 수용된다. 따라서, 전극 조립체(10)의 무지부(317,329)와 전극 단자(137,139)를 전기적으로 연결하기 위해, 집전탭(327,329)이 더 구비된다. 이러한 집전탭(327,329)은 전극 조립체(10)의 무지부(317,319)에 접속된 채 다수회 절곡되어 전극 단자(137,139)에 전기적으로 접속된다.
물론, 전극 조립체(10)와 캡 플레이트(130)의 사이에는 상술한 바와 같이 오프닝이 형성된 절연 스페이서(310)가 개재된다. 상술한 집전탭(327,329)의 상부 영역은 오프닝에 결합되며, 오프닝에서 전극 단자(137,139)에 미리 결합되어 있는 전극 리드(127,129)에, 또는 전극 단자(137,139)에 직접 결합될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 전극 조립체 11 : 양극판
13 : 음극판 15 : 세퍼레이터
17 : 양극탭 19 : 음극탭
20 : 케이스 110 : 절연 스페이서
110 : 오프닝 124,125 : 절연 플레이트
127 : 양극 리드 129 : 음극 리드
130 : 캡 플레이트 135 : 가스켓
137 : 양극 단자 139 : 음극 단자
150 : 절연 부재

Claims (10)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체로부터 연장된 전극탭이 결합되는 절연 스페이서; 및
    상기 절연 스페이서의 내부에서 상기 전극탭에 용접되는 전극 리드를 포함하고,
    상기 전극탭이 상기 절연 스페이서의 하부 영역 및 측부 영역으로부터 결합될 수 있도록, 상기 절연 스페이서의 하부 영역에 제1오프닝이 형성되고, 상기 제1오프닝에 연결되어 상기 절연 스페이서의 측부 영역에 제2오프닝이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연 스페이서에는 상기 제2오프닝이 폐색되도록 상기 절연 스페이서를 덮는 절연 부재가 더 부착된 것을 특징으로 하는 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 상호간 이격된 한쌍의 장변부와, 상기 한쌍의 장변부에 연결되고 상호간 이격된 한쌍의 단변부와, 상기 장변부 및 단변부의 하부에 형성된 바닥부를 포함하고, 상기 제1오프닝은 상기 바닥부를 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 상기 장변부와 단변부의 상부가 개방되어 형성된 개방부를 더 포함함을 특징으로 하는 배터리.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 절연 스페이서의 바닥부는 상기 전극 조립체와 접촉함을 특징으로 하는 배터리.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2오프닝은 상기 상호간 이격된 한쌍의 장변부를 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1오프닝과 제2오프닝의 경계 영역에는 적어도 하나의 보강대가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보강대는 장변부의 상단 또는 하단에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1,2오프닝의 폭은 상기 전극탭의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리.
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