KR102355109B1 - 용접용 기둥을 포함하는 원통형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체;
상기 젤리-롤형 전극조립체를 수용하기 위한 원통형 전지케이스; 및
상기 원통형 전지케이스의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리;
를 포함하고,
상기 원통형 전지케이스의 바닥면에 대해 수직이 되도록 용접용 기둥이 형성되어 있는 원통형 이차전지에 대한 것이다.

Description

용접용 기둥을 포함하는 원통형 이차전지 {Cylindrical Secondary Battery Having Pilar for Welding}
본 발명은 용접용 기둥을 포함하는 원통형 이차전지에 대한 것으로서, 구체적으로, 전지케이스에 대한 젤리-롤형 전극조립체의 용접을 용이하게 수행하고 용접 강도를 확보하기 위하여, 원통형 전지케이스의 바닥면에 대해 수직이 되도록 용접용 기둥이 형성되어 있는 원통형 이차전지에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지는 다양한 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다.
일반적으로, 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.
상기 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형 및 소정 크기의 다수의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있기 때문에 고용량의 이차전지의 적용이 필요한 분야에서 널리 사용되고 있다.
상기 원통형 전지는 상기 젤리-롤형 전극조립체가 전해액과 함께 원통형 전지케이스에 수납되는 방식으로 제조되며, 일반적으로, 상기 젤리-롤형 전극조립체는 상향 돌출된 양극 탭이 캡 어셈블리에 결합하여 탑 캡이 양극 단자의 역할을 하고, 하향 돌출된 음극 탭은 전지케이스에 결합하여 전지케이스가 음극 단자의 역할을 하게 된다.
그러나, 상기 음극 탭은 통상 전지케이스의 바닥에 용접에 의해 부착되는 바, 용접 과정에서 전극조립체의 손상을 방지하는 것이 중요한 이슈가 되고 있으며, 손상 방지 차원에서 레이저 용접을 적용하기 어려운 문제가 있다.
이에, 음극 탭의 용접시 저항용접을 사용하고 있으며, 젤리-롤형 전극조립체의 중심부 빈 공간으로 용접봉이 삽입된 상태에서 용접이 진행되는 바, 상기 용접봉은 젤리-롤형 전극조립체의 중심부의 크기와 형태를 고려하여 적용된다. 따라서, 전지케이스에 음극 탭을 부착하기 위하여 사용되는 용접봉의 범용성이 낮은 문제가 있다.
이와 관련하여, 특허문헌 1은 레이저를 이용하여 음극 탭을 원통형 케이스의 하면판에 용접하는 원통형 리튬 이차전지에 대한 것으로서, 상기 음극 탭의 용접을 위하여 전극 조립체의 중앙 공간에 센터 핀을 삽입하여 상기 음극 탭에 압력을 가하여 상기 음극 탭이 전지케이스의 하면판에 접촉하도록 한다.
즉, 특허문헌 1은 레이저 용접 방법을 사용하고 있으나, 음극 탭을 전지케이스의 하면판에 용접하기 위하여 센터 핀 및 푸셔라는 별도의 부재를 사용하는 점에서 공정 효율성이 낮은 문제가 있다.
특허문헌 2는 전지 캔의 개구부측 단부 내주면에 음극 탭이 용접되는 원통형 이차전지를 개시하고 있으나, 젤리-롤형 전극조립체의 위치가 고정되지 않기 때문에 전지의 사용 과정에서 용접부가 손상될 수 있는 문제가 있다.
이와 같이, 원통형 이차전지를 사용하는 경우, 전지케이스의 바닥면에 음극 탭을 용접하기 위하여 용접봉을 사용함에 따라 전극조립체가 손상되거나, 다양한 크기의 전극조립체에 대한 용접봉의 범용성이 떨어지는 문제를 해결하고, 전극조립체의 위치 고정이 가능한 기술에 대한 필요성이 높다.
대한민국 공개특허공보 제2005-0122682호 대한민국 공개특허공보 제2016-0132567호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원통형 전지케이스의 바닥면에 대해 수직이 되도록 용접용 기둥이 형성된 구조의 원통형 이차전지를 사용하는 경우에는, 상기 용접용 기둥에 음극 탭의 용접을 함으로써 전지케이스가 음극 단자의 역할을 할 수 있으며, 용접봉을 사용함으로써 전극조립체가 손상되는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 전지케이스의 중심부에 용접용 기둥이 형성되어 있기 때문에 젤리-롤형 전극조립체가 전지케이스 내부에서 위치 고정이 될 수 있는 바, 외부 충격 등에 의해 손상되는 위험을 낮출 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 이차전지는,
긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체;
상기 젤리-롤형 전극조립체를 수용하기 위한 원통형 전지케이스; 및
상기 원통형 전지케이스의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리;
를 포함하고,
상기 원통형 전지케이스의 바닥면에 대해 수직이 되도록 용접용 기둥이 형성된 구조로 이루어져 있다.
일반적으로 원통형 이차전지는, 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체를 사용하고, 상기 젤리-롤형 전극조립체에는 양극 탭 및 음극 탭이 부착되어 있다. 상기 양극 탭은 상향 연장되어 캡 어셈블리에 결합되고, 상기 음극 탭은 하향 연장되어 전지케이스의 하면에 부착된다.
그러나, 본 발명의 원통형 이차전지는 전지케이스의 바닥면에 대해 수직이 되도록 원통형 내지 다각형 기둥 형태의 용접용 기둥이 형성되어 있는 바, 상기 젤리-롤형 전극조립체의 양극 탭은 상기 캡 어셈블리에 결합하고, 음극 탭은 상기 용접용 기둥에 결합한다. 구체적으로, 상기 음극 탭은 상기 용접용 기둥의 최상단에 결합될 수 있다.
이와 같이 음극 탭의 용접을 위한 용접용 기둥이 전지 내부에 형성되어 있는 바, 종래에 상기 음극 탭을 전지케이스의 바닥면에 결합시키는 과정에서 젤리-롤형 전극조립체가 손상되는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 상기 용접용 기둥은 원통형 전지케이스의 바닥과 연결되어 있고, 상기 캡 어셈블리와는 절연되어 있는 바, 종래와 같이 전지케이스가 음극 단자의 역할을 할 수 있다.
상기 용접용 기둥은 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취 중심에 위치하는 바, 상기 용접용 기둥과 전지케이스 사이 공간에 젤리-롤형 전극조립체가 위치하기 때문에, 상대적으로 젤리-롤형 전극조립체의 위치 고정이 이루어지는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 이차전지의 사용 과정 내지 외부 충격에 의해 전극조립체의 위치가 이동됨에 따라 용접부가 분리됨으로써 단락이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
상기 용접용 기둥의 길이는 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취 축 방향 길이와 동일하거나 상대적으로 큰 크기로 형성될 수 있는 바, 상기 젤리-롤형 전극조립체의 상단부에 상기 용접용 기둥의 상단이 위치하기 때문에 음극 탭의 용접을 용이하게 수행할 수 있으며, 상기 용접용 기둥의 상단은 전지케이스의 바닥면과 평행한 평면으로 이루어지기 때문에 용접면이 확보되므로 용접성이 향상될 수 있다.
또한, 상기와 같이 상향 돌출 연장된 구조의 용접용 기둥에 대해 용접이 이루어지는 바, 용접봉과 같은 별도의 도구가 없어도 다양한 방법의 용접 방식을 적용할 수 있으며. 예를 들어, 상기 음극 탭은 상기 용접용 기둥에 대해 저항 용접, 초음파 용접 또는 레이저 용접 가운데 어느 하나의 방법으로 결합이 이루어질 수 있다.
본 발명의 원통형 이차전지는 양극 탭 및 음극 탭이 모두 상향 연장되는 구조의 젤리-롤형 전극조립체를 사용하고 있는 바, 상기 양극 탭 및 음극 탭의 접촉을 방지하기 위하여 권취된 상태에서 서로 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 젤리-롤형 전극조립체의 양극 탭은 양극 시트의 권취 개시부에 부착되어 있고, 음극 탭은 음극 시트의 권취 말단부에 부착될 수 있는 바, 이와 같은 양극 시트 및 음극 시트를 권취하면, 양극 탭은 전극조립체의 중심부에 위치하고, 음극 탭은 전극조립체의 외측부에 위치하게 된다.
다만, 상기 양극 탭 및 음극 탭의 접촉을 차단할 수 있는 구조 내지 배치의 적용이 가능하다면, 상기 양극 탭 및 음극 탭의 위치 내지 개수는 특별히 제한되지 않는다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 원통형 이차전지는, 원기둥 형태 내지 다각형 기둥 형태의 용접용 기둥이 원형의 전지케이스 바닥면에 부착된 구조일 수 있다. 이와 같은 경우에는, 원통형의 전지케이스를 성형한 후, 상기 전지케이스의 바닥에 상기 용접용 기둥을 부착하는 과정이 필요하다.
다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 용접용 기둥은 상기 원통형 전지케이스의 바닥 중심부가 상향 돌출되도록 연장된 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 원통형 전지케이스의 바닥의 평면도는 도넛 형상으로 이루어지고, 중심부가 상향 연장되어 상기 용접용 기둥은 바닥면이 개방된 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 원통형 이차전지를 포함하는 전지팩을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는, 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 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); 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 이차전지는 젤리-롤형 전극조립체를 수용하기 위한 원통형 전지케이스의 바닥면에, 용접용 기둥이 수직이 되도록 형성된 원통형 이차전지를 사용하기 때문에, 음극 탭을 상기 용접용 기둥에 용이하게 용접이 가능하여 전극조립체가 손상되는 것을 방지할 수 있고, 다양한 용접 방식의 적용이 가능하다.
또한, 용접 공정이 용이해지기 때문에 용접성이 향상되어 음극 탭의 고정이 안정적으로 이루어지고, 전지케이스와 연결된 용접용 기둥이 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취 중심에 위치하기 때문에 전극조립체의 위치 고정이 가능하여 외부 충격에 의한 전극조립체의 위치 이동으로 용접부가 분리되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 원통형 전지케이스의 사시도이다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 권취 전 상태를 나타낸 평면도이다.
도 3은 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 수직 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 원통형 전지케이스의 사시도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 전지케이스(100)는 상면이 개방된 형태의 원통형 구조로 이루어지고, 바닥면(101)의 중심(102)이 상향 돌출되도록 연장된 구조의 용접용 기둥(110)이 형성되어 있다.
용접용 기둥(110)은 원기둥 형태로 도시하고 있으나, 다각 기둥의 형태의 용접용 기둥도 가능하며, 용접용 기둥의 상면(111)은 전지케이스의 바닥과 평행한 평면으로 형성되어 있다.
용접용 기둥(110)의 하면(102)은 개방되어 있도록 도시하고 있으나, 전지케이스의 원형의 바닥면(101)에 원기둥 형상의 용접용 기둥이 부가되는 구조인 경우에는 용접용 기둥(110)의 하면(102)은 개방되지 않은 구조로 형성된다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 젤리-롤형 전극조립체의 권취 전 상태를 나타낸 평면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체(200)는 양극(210), 분리막(220), 음극(230) 및 분리막(240)이 적층된 상태에서 화살표 방향으로 권취되어 젤리-롤형 형태의 전극조립체를 형성하게 된다.
양극(210)은 긴 시트형의 양극 집전체(211)의 양면에 양극 합제층(212) 코팅되어 있고, 양극 합제층(212)이 코팅되지 않은 미코팅부에는 양극 탭(213)이 상향으로 돌출되도록 부착되어 있다.
음극(230)은 긴 시트형의 음극 집전체(231)의 양면에 음극 합제층(232) 코팅되어 있고, 음극 합제층(232)이 코팅되지 않은 미코팅부에는 음극 탭(233)이 상향으로 돌출되도록 부착되어 있다.
도 3은 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 수직 단면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 원통형 이차전지(300)는 전지케이스(310)의 내부에 도 2의 젤리-롤형 전극조립체(200)가 권취된 상태로 수납되어 있다.
전지케이스(310)는 도 1에 도시된 전지케이스(100) 형태로 이루어지는 바, 바닥면의 중심부가 상향 연장되어 용접용 기둥(330)이 형성되어 있고, 용접용 기둥(330)은 내부(331)가 비어 있고, 하부가 개방된 형태로 이루어진다.
양극 탭(213)은 젤리-롤형 전극조립체(200)의 권취 중심부에서 상향 연장되어 캡 어셈블리(320)의 하면에 결합되고, 음극 탭(233)은 젤리-롤형 전극조립체(200)의 권취 외주부에서 상향 연장되어 용접용 기둥(330)의 상면(332)에서 용접으로 결합된다.
용접용 기둥(330)의 높이는 젤리-롤형 전극조립체(200)의 높이와 대응되거나 상대적으로 큰 길이로 형성되기 때문에, 용접용 기둥(330)에 대한 음극 탭(233)의 용접을 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100 : 원통형 전지케이스
101 : 원통형 전지케이스의 바닥면
102 : 원통형 전지케이스 바닥면의 중심
110 : 용접용 기둥
111 : 용접용 기둥의 상면
200 : 젤리-롤형 전극조립체
210 : 양극
211 : 양극 집전체
212 : 양극 합제층
213 : 양극 탭
220, 240 : 분리막
230 : 음극
231 : 음극 집전체
232 : 음극 합제층
233 : 음극 탭
300 : 원통형 이차전지
310 : 전지케이스
320 : 캡 어셈블리
330 : 용접용 기둥
331 : 용접용 기둥의 내부
332 : 용접용 기둥의 상면

Claims (8)

  1. 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체;
    상기 젤리-롤형 전극조립체를 수용하기 위한 원통형 전지케이스; 및
    상기 원통형 전지케이스의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리;
    를 포함하고,
    상기 원통형 전지케이스의 바닥면에 대해 수직이 되도록 용접용 기둥이 형성되어 있는 원통형 이차전지에 있어서,
    상기 젤리-롤형 전극조립체의 양극 탭은 상기 캡 어셈블리에 결합하고, 음극 탭은 상기 용접용 기둥에 결합하며,
    상기 용접용 기둥은 상기 원통형 전지케이스의 바닥과 연결되어 있고,
    상기 용접용 기둥에 음극 탭을 결합함으로써 전지케이스가 음극 단자의 역할을 할 수 있는 원통형 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 용접용 기둥은 상기 젤리-롤형 전극조립체의 권취 중심에 위치하는 원통형 이차전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 용접용 기둥의 길이는 상기 젤리롤형 전극조립체의 권취 축 방향 길이와 동일하거나 상대적으로 큰 원통형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 음극 탭은 상기 용접용 기둥에 대해 저항 용접, 초음파 용접 또는 레이저 용접에 의해 결합되는 원통형 이차전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 젤리-롤형 전극조립체의 양극 탭은 양극 시트의 권취 개시부에 부착되어 있고, 음극 탭은 음극 시트의 권취 말단부에 부착되어 있는 원통형 이차전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 용접용 기둥은 상기 원통형 전지케이스의 바닥 중심부가 상향 돌출되도록 연장된 구조인 원통형 이차전지.
  8. 제1항, 제3항 내지 제7항 중 어느 하나에 따른 원통형 이차전지를 포함하는 전지팩.
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