KR102302969B1 - 가변 구조의 탑 캡을 포함하고 있는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 내장되어 있는 각형 캔의 상부에 탑 캡(top cap)이 장착된 전지셀로서, 상기 각형 캔의 상부에는 탑 캡의 장착을 위한 안착부가 형성되어 있고, 상기 탑 캡의 하부에는 안착부에 장착되기 위한 체결부가 위치하고 있으며, 상기 체결부는 고정부 및 탑 캡의 장축을 기준으로 고정부의 양측 단부에 위치한 상태로 안착부의 결합 부위에 대응하는 가변 구조의 변형부를 포함하는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀에 관한 것이다.

Description

가변 구조의 탑 캡을 포함하고 있는 이차전지 {Secondary Battery Having Top Cap with Variable Coupling Structure}
본 발명은 가변 구조의 탑 캡을 포함하고 있는 이차전지에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
한편, 최근 사용량이 증가하고 있는 이차전지는, 전지의 형상 면에서 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지, 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 각형 전지, 및 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
구체적으로, 도 1에는 종래의 각형 전지팩의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1를 참조하면, 각형 전지팩(10)은, 전극조립체가 전해액과 함께 캔 내부에 밀봉되어 있는 전지셀(11), 전해액을 주입하기 위한 전해액 주액구(19)와 돌출형 전극단자(140)가 형성되어 있고 전지케이스의 개방 상단에 결합되어 있는 탑 캡(17), 과충전 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어하는 PCM 어셈블리(12), 상부에 PCM 어셈블리(12)가 탑재되며 전지셀(11)의 탑 캡(top cap)(17)의 상단면에 장착되는 절연성 장착부재(13), PCM 어셈블리(12)가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(13)를 감싸면서 전지셀(11)의 상단부에 결합되는 절연성 상단 캡(14), 전지셀(11)의 하단부에 결합되는 절연성 하단 캡(15), 및 전지셀(11) 케이스의 외면을 감싸며 부착되는 외장 필름(16)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
한편, 종래기술에서는 전지셀(11)의 제조시 각형 캔에 탑 캡(17)을 압입 후 용접하여 캔의 상부를 밀봉하는 공정을 수행하였다.
이와 관련하여, 도 2에는 종래 각형 전지셀의 밀봉 공정과 탑 캡의 구조를 나타낸 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 종래기술에서는 탑 캡(17)의 길이(L)를 각형 캔의 내측의 길이(D) 대비 0.1mm 내지 0.2mm 만큼 크게 설계한 후, 탑 캡(17)을 각형 캔에 압입하여 억지끼움하는 방식으로 고정시킨 뒤, 용접을 진행하였다.
그러나, 이러한 억지끼움 과정에서, 탑 캡(17)이 길이 방향(가로 방향)을 기준으로 외측에서 내측으로 응력을 받아 탑 캡(17)의 중앙부(17a)가 솟아오르게 되거나, 탑 캡(17)을 과압입 시, 아래 방향으로 휘게 되면서 전장 평탄도에 불균형을 야기하는 문제가 발생하였다. 여기서, 전장은 전지셀의 하부에서 상부까지의 높이를 의미하고, 전장 평탄도가 불균형해질 경우, 전지셀 외면이 편평한 구조를 이룰 수 없어, 이후 전지팩의 제조 공정에서, 전지셀 외면에 팩 작업을 수행할 때 어려움이 따르게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하여, 탑 캡을 캔에 용이하게 결합 및 고정시킬 수 있으며, 전장 평탄도를 향상시킬 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, 각형 캔과 결합되는 탑 캡의 하단부를 가변 구조로 형성함으로써, 억지 끼움 방식을 사용하지 않고도 탑 캡을 각형 캔에 용이하게 결합 및 고정시킬 수 있고, 각형 전지셀에 가해지는 부하를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 부재들 간의 밀착성을 향상시키도록 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지셀은,
전극조립체가 내장되어 있는 각형 캔의 상부에 탑 캡(top cap)이 장착된 전지셀로서,
상기 각형 캔의 상부에는 탑 캡의 장착을 위한 안착부가 형성되어 있고, 상기 탑 캡의 하부에는 안착부에 장착되기 위한 체결부가 위치하고 있으며,
상기 체결부는 고정부 및 탑 캡의 장축을 기준으로 고정부의 양측 단부에 위치한 상태로 안착부의 결합 부위에 대응하는 가변 구조의 변형부를 포함하는 구조로 이루어진다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 각형 캔에 탑 캡을 결합시, 억지 끼움 방식을 사용하지 않고도 용이하게 결합 및 고정시킬 수 있으며, 부재들 간의 밀착성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 결합 과정에서 탑 캡에 가해지는 응력을 완화하여 전장 평탄도가 향상된다.
상기 고정부는 탑 캡의 하부의 중앙 부위에 위치하고 있는 구조일 수 있으며, 구체적으로, 탑 캡의 장축을 기준으로 상기 고정부의 길이는 탑 캡의 장변의 길이의 40% 내지 60% 인 크기일 수 있고, 변형부의 길이는 고정부의 20% 내지 30% 인 크기일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 변형부는 탑 캡의 장축을 따라 수평 이동하는 구조로 형성되어 있고, 변형부의 이동 경로에 대응하여 안착부와 체결부의 결합 부위가 변형되는 구조일 수 있다.
상기 변형부는 안착부의 양측 단부에 결합되는 결합부 및 수평 이동을 위한 탄성 변형부로 구성되는 구조일 수 있다.
이 때, 상기 탄성 변형부는 스프링에 의해 탄성력이 인가되어 수축 및 이완 운동을 반복함으로써 수평이동을 수행하게 된다.
상기 체결부의 폭은 탑 캡의 폭과 동일한 구조일 수 있으며, 상기 안착부의 내면에 밀착되어 결합되는 변형부의 양측 단부는, 탑 캡의 양측 단부와 단차를 형성하지 않도록 연속적인 형상으로 이루어진 구조일 수 있다.
탑 캡과 각형 캔과의 결합 및 고정 상태를 안정적으로 유지하기 위해, 상기 안착부의 내면에는 고정용 홈이 형성되어 있고, 변형부에는 고정용 홈에 결합되는 고정용 돌기가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 전지셀은 각형 캔에 전극조립체가 내장되어 있는 각형 전지셀일 수 있고, 상기 전극조립체는 젤리-롤(Jelly-roll)일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 각형 캔과 탑 캡은 용접이 용이하고, 전도성이 좋은 소재로 이루어져 있을 수 있고, 상세하게는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 있을 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지셀을 단위전지로 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스의 구체적인 예로는 스마트폰, 휴대폰, 노트북, 테블릿 PC, 웨어러블 전자기기 등을 포함하는 포터블 전자기기; 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 각형 캔에 탑 캡을 결합시, 억지 끼움 방식을 사용하지 않고도 용이하게 결합 및 고정시킬 수 있으며, 부재들 간의 밀착성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 결합 과정에서 탑 캡에 가해지는 응력을 완화하여 전장 평탄도가 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래의 각형 전지팩의 분해 사시도이다;
도 2는 종래의 각형 전지팩에서 각형 캔에 탑 캡을 압입하는 과정을 나타낸 모식도이다;
도 3 및 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀에 탑재되는 탑 캡의 모식도이다; 및
도 5는 도 3의 탑 캡이 각형 캔의 안착부에 장착되는 과정을 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀에 탑재되는 탑 캡이 모식적으로 도시되어 있으며, 도 5 및 도 6에는 도 3의 탑 캡이 각형 캔의 안착부에 장착되는 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 탑 캡(100)은 본 발명의 용이한 이해를 위해, 상부(101)와 하부(102)로 나뉘어 있고, 하부(102)에는 체결부(110)가 위치하고 있으며, 상기 체결부(110)는 고정부(120) 및 변형부들(130, 140)로 구성되어 있다.
고정부(120)는 탑 캡(100)의 하부(102)의 중앙 부위에 고정되어 있으며, 탑 캡(100)의 상부(101)와 일체로 형성된 구조로, 고정부(120)의 길이는 탑 캡(100)의 장축 방향을 기준으로, 탑 캡(100)의 길이의 40% 내지 60% 인 크기로 형성된다.
탑 캡(100)의 장축 방향을 기준으로, 고정부(120)의 양측 단부에는 각각 변형부들(130, 140)이 위치하고 있으며, 상기 변형부들(130, 140)은 상호 간 동일한 형상 및 크기로 형성되어 있으며, 각형 캔의 안착부에 결합되는 과정(도 5에서 설명)에서 가변되는 구조로 형성된다.
변형부(130)는 결합부(131) 및 탄성 변형부(132)를 포함하고 있고, 변형부(140)는 결합부(141) 및 탄성 변형부(142)를 포함하고 있다.
이러한 변형부들(130, 140)은 모두 결합부(131, 141) 및 탄성 변형부(132, 142)를 포함하는 구조이며, 상기 변형부들(130, 140)의 구조는 상호 동일하며, 가변되는 구조도 동일한 바, 이하에서는, 변형부(130) 만을 설명한다.
변형부(130)를 구성하고 있는 결합부(131)는 각형 캔의 내측면 또는 안착부의 일측 단부에 직접 맞닿으며, 결합이 이루어지는 부위로, 탑 캡(100)이 안착부에 결합되는 과정에서, 탄성 변형부(132)가 수축되어 결합부(131)는 우측 방향으로 이동하게 되며, 이는 도 4에서 확인할 수 있다.
도 5에는 도 3의 탑 캡이 각형 캔의 안착부에 결합되는 과정의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
각형 캔(200)의 상부에는 탑 캡(100)의 장착을 위한 안착부(210)가 형성되어 있으며, 상기 안착부(210)에 탑 캡(100)이 장착되는 과정에서 탄성 변형부들(132, 142)이 수축되어 결합부(131)는 우측 방향으로, 결합부(141)는 좌측 방향으로 수평 이동하게 되는 바, 억지 끼움 방식을 수행하지 않고도 탑 캡(100)은 각형 캔(200)에 용이하게 결합 및 고정된다.
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 (14)

  1. 전극조립체가 내장되어 있는 각형 캔의 상부에 탑 캡(top cap)이 장착된 전지셀로서,
    상기 각형 캔의 상부에는 탑 캡의 장착을 위한 안착부가 형성되어 있고, 상기 탑 캡의 하부에는 안착부에 장착되기 위한 체결부가 위치하고 있으며,
    상기 체결부는 고정부 및 탑 캡의 장축을 기준으로 고정부의 양측 단부에 위치한 상태로 안착부의 결합 부위에 대응하는 가변 구조의 변형부를 포함하는 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀에 있어서,
    상기 변형부는 탑 캡의 장축을 따라 수평 이동하는 구조로 형성되어 있고, 변형부의 이동 경로에 대응하여 안착부와 체결부의 결합 부위가 변형되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정부는 탑 캡의 하부의 중앙 부위에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 2 항에 있어서, 탑 캡의 장축을 기준으로 상기 고정부의 길이는 탑 캡의 장변의 길이의 40% 내지 60% 인 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 변형부의 길이는 고정부의 20% 내지 30% 인 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 변형부는, 안착부의 양측 단부에 결합되는 결합부 및 수평 이동을 위한 탄성 변형부로 구성되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 탄성 변형부는 스프링에 의해 탄성력이 인가되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서 상기 체결부의 폭은 탑 캡의 폭과 동일한 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 안착부의 내면에 밀착되어 장착되는 변형부의 양측 단부는, 탑 캡의 양측 단부와 단차를 형성하지 않도록 연속적인 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 안착부의 내면에는 고정용 홈이 형성되어 있고, 변형부에는 고정용 홈에 결합되는 고정용 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤(Jelly-roll)인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 각형 캔과 탑 캡은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 단위전지로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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