KR102614339B1 - 이차전지 - Google Patents

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KR102614339B1
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고성귀
박건규
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Abstract

본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 전지 용량을 개선할 수 있으면서 원가를 절감할 수 있는 이차전지를 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 전극조립체; 상단이 개방되어 상기 전극조립체를 수용하는 캔; 및 상기 캔의 상단에 결합되며, 상기 전극조립체의 상단에 접촉되어 용접되는 용접부를 포함하는 캡플레이트를 포함하는 이차전지를 개시한다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}
본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 스마트폰, 피처폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더 등과 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량의 이차 전지는 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동 및 전력 저장용 전지로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 외형에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등으로 구분할 수 있다. 이들 중 원통형 이차 전지는 전형적으로 전극 조립체, 캔, 캡 조립체 등을 포함하여, 캔에 전극 조립체를 삽입한 후 비딩부를 형성하고 그 위에 캡 조립체를 설치한 후 크림핑부를 형성하여 고정하는 구조를 갖는다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것일 뿐이며, 따라서 종래기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예는 전지 용량을 개선할 수 있는 이차전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 원가를 절감할 수 있는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 전극조립체; 상단이 개방되어 상기 전극조립체를 수용하는 캔; 및 상기 캔의 상단에 결합되며, 상기 전극조립체의 상단에 접촉되어 용접되는 용접부를 포함하는 캡플레이트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용접부는 상기 캡플레이트에서 상기 캔의 내측을 향해 오목하게 함몰되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 용접부는 상기 캡플레이트가 상기 캔에 결합될 때 상기 용접부의 저면이, 상기 전극조립체가 상기 캔에 수용되어 있을 때 상기 전극조립체의 상단이 위치하는 지점보다 아래에 위치하게 되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 용접부는 상기 캡플레이트의 중앙을 기준으로 방사상으로 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 용접부는 상기 캡플레이트의 중앙에서 상기 용접부가 연장된 길이보다 작은 직경을 가지며 상기 용접부와 함께 오목하게 함몰된 영역을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 캡플레이트는 안전 벤트로서 노치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 노치는 상기 용접부보다 외측에서 상기 캡플레이트의 둘레를 따라 형성될 수 있다.
또한, 상기 노치는 상기 캡플레이트의 내면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극조립체는 중심에 중공을 갖도록 권취되어 형성되고, 상기 캡플레이트는 중앙에 배치되는 주액구를 포함하며, 상기 주액구에 설치되어 상기 전극조립체의 중공의 내측에 위치하는 마개를 포함할 수 있다.
또한, 상기 캔의 상단에 단차가 형성되고, 상기 캡플레이트는 상기 단차에 안착될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 캡플레이트가 전극조립체에 직접 접촉되어 용접됨으로써, 종래 이차전지에 있던 비딩부와 크림핑부를 삭제할 수 있다. 따라서, 비딩부와 크림핑부를 형성하는 데 사용되던 캔의 공간을 전극조립체를 위해 더 할애할 수 있어 전지 용량을 개선할 수 있다. 또한, 비딩부와 크림핑부를 형성하지 않기 때문에, 공정 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 원가를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ 부분의 확대도이다.
도 3은 도 1의 이차전지를 사시도로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 캡플레이트의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 캡플레이트의 저면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지를 조립하는 과정을 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술분야에서 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 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
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 "포함할 수 있다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"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 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)의 단면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ 부분의 확대도이며, 도 3은 도 1의 이차전지(100)를 사시도로 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)는 전극조립체(110), 캔(120), 캡플레이트(130), 마개(140) 및 단자(150)를 포함한다.
전극조립체(110)는 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터를 포함한다.
제1 전극판은 음극판과 양극판 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극판이 음극판인 경우, 제1 전극판은 전도성 금속 박판, 예컨대 구리 또는 니켈 포일 또는 메시로 이루어진 집전판(음극집전판)에 활물질(음극활물질)이 코팅된 코팅부(음극코팅부) 및 음극활물질이 코팅되지 않은 무지부(음극무지부)(111)를 포함할 수 있다. 음극활물질은 예컨대 탄소 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체, 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이트 또는 금속 산화물 등으로 이루어질 수 있다.
제2 전극판은 음극판과 양극판 중 다른 하나일 수 있다. 예를 들어, 제2 전극판이 양극판인 경우, 제2 전극판은 전도성 금속 박판, 예컨대 알루미늄 포일 또는 메시로 이루어진 집전판(양극집전판)에 활물질(양극활물질)이 코팅된 코팅부(양극코팅부) 및 양극활물질이 코팅되지 않은 무지부(양극무지부)(112)를 포함할 수 있다. 양극활물질은 칼코게나이드 화합물, 예컨대 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNiMnO2 등의 복합 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
세퍼레이터는 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 개재되어 제1 전극판과 제2 전극판 간 쇼트를 방지하는 역할을 한다. 세퍼레이터는 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 다공성 공중합체 등으로 이루어질 수 있다.
이러한 전극조립체(110)는 제1 전극판의 무지부(111)가 일 측(도면의 경우, 상측)에서 그리고 제2 전극판의 무지부(112)는 그 반대 측(도면의 경우, 하측)에서 각각 정렬되도록 제1 전극판, 세퍼레이터, 제2 전극판 순서로 적층되어, 중심에 중공을 갖도록 권취되어 형성된다.
캔(120)은 원통형으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 캔(120)은 원판형으로 형성되는 바닥(121) 및 바닥(121)의 가장자리로부터 상방으로 연장되는 측면(122)을 포함한다. 이러한 캔(120)은 상단이 개방되어 있어, 캔(120)의 상단을 통해 캔(120)의 내부로 전극조립체(110)를 삽입한 후 캡플레이트(130)를 이용해 캔(120)의 상단을 폐쇄할 수 있다.
캔(120)은 바닥(121)에서 중앙에 단자(150)가 설치되기 위한 홀(121a)이 관통하여 형성된다. 또한, 캔(120)은 바닥(121)과 측면(122)이 일체로 형성될 수 있으며, 예컨대 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 등으로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)의 캡플레이트(130)의 평면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지(100)의 캡플레이트(130)의 저면도이다.
도 4와 도 5를 함께 참조하면, 캡플레이트(130)는 캔(120)의 상단에 대응되는 원판형으로 형성되어 캔(120)의 상단에 결합된다. 이때, 캡플레이트(130)가 캔(120)의 상단에 보다 안정적으로 결합될 수 있도록, 캔(120)의 상단에서 내경 측에 단차가 형성되어 캡플레이트(130)가 그 단차에 안착될 수 있다(도 2 참조). 캔(120)에 캡플레이트(130)를 결합한 후 캡플레이트(130)와 캔(120)의 경계를 따라 용접을 수행함으로써 캡플레이트(130)와 캔(120)을 고정할 수 있다.
또한, 캡플레이트(130)는 용접부(131), 노치(132) 및 주액구(133)를 포함한다.
용접부(131)는 전극조립체(110)의 제1 전극판의 무지부(111)에 직접 접촉되어 용접된다. 캡플레이트(130)에서 용접부(131) 이외 영역은 전극조립체(110)로부터 이격되어 있을 수 있다.
이러한 용접부(131)는 캡플레이트(130)에서 캔(120)의 내측을 향해 오목하게 함몰되어 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 용접부(131)는 캡플레이트(130)가 캔(120)에 결합될 때 용접부(131)의 저면이, 전극조립체(110)가 캔(120)에 수용되어 있을 때 제1 전극판의 무지부(111)의 상단이 위치하는 지점(즉, 레벨 또는 높이)보다 예컨대 약 0.1-0.2 mm 정도 아래에 위치하게 되도록 형성될 수 있다. 다시 말해, 캔(120)에 전극조립체(110)를 삽입한 후 캡플레이트(130)를 결합할 때, 용접부(131)가 제1 전극판의 무지부(111)를 살짝 짓누르면서 접하게 된다. 따라서, 용접부(131)가 제1 전극판의 무지부(111)에 긴밀하게 접촉되어 전기적으로 연결될 수 있도록 보장할 수 있다.
또한, 용접부(131)는 캡플레이트(130)의 중앙을 기준으로 방사상으로 연장될 수 있다. 따라서, 캡플레이트(130)의 외측에서 용접부(131)가 연장된 방향(즉, 반경 방향)을 따라 용접을 수행함으로써 캡플레이트(130)와 전극조립체(110)를 고정할 수 있다. 도면에서는 용접부(131)가 십자형으로 형성되어 네 개소에서 선형으로 용접을 수행할 수 있는 것으로 예시되어 있는데(도 4와 도 5에서 굵은 실선으로 표시한 부분 참조), 그 개수나 모양은 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 용접부(131)가 캡플레이트(130)의 중앙을 기준으로 방사상으로 세 갈래로 연장되어 세 개소에서 용접을 수행할 수 있도록 변경되는 것을 생각할 수 있다.
한편, 도면을 참조하면, 캡플레이트(130)의 중앙에서 용접부(131)가 연장된 길이보다 작은 직경을 가지며 용접부(131)와 함께 오목하게 함몰된 영역을 볼 수 있는데, 이 영역을 통해 캡플레이트(130)와 전극조립체(110) 간 접촉 면적(즉, 통전 면적)을 보다 넓게 확보할 수 있다. 도면에서는 위 영역이 원형으로 형성되는 것으로 예시되어 있는데, 그 모양은 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 그 영역이 사각형으로 형성되는 것을 생각할 수 있다.
노치(132)는 안전 벤트로서 역할을 한다. 보다 구체적으로, 노치(132)는 캔(120)의 내부에서 가스가 발생할 경우, 그로 인한 압력에 의해 저절로 절개되어 가스 및 압력을 방출함으로써 폭발을 방지할 수 있다.
이러한 노치(132)는 용접부(131)보다 외측에서 캡플레이트(130)의 둘레를 따라 형성될 수 있다. 따라서, 노치(132)가 용접부(131)와 간섭되지 않기 때문에, 제 기능을 의도한 대로 정확하게 수행할 수 있다. 또한, 노치(132)가 절개되었을 때 파단 면적을 상대적으로 넓게 확보할 수 있어, 가스 및 압력을 신속하게 방출할 수 있다.
또한, 노치(132)는 캡플레이트(130)의 내면에 형성될 수 있다. 따라서, 노치(132)가 외부 요인에 의해 의도치 않게 손상되거나 부식되는 것을 방지할 수 있다.
주액구(133)는 캔(120)에 캡플레이트(130)를 결합한 후 캔(120)에 전해액을 주입하기 위한 것으로, 캡플레이트(130)의 중앙에 형성될 수 있다.
마개(140)는 캔(120)에 전해액을 주입한 후 주액구(133)를 밀봉하기 위한 것으로, 리베팅(riveting)에 의해 설치될 수 있다. 이러한 마개(140)는 주액구(133)를 관통하여 배치되는 생크(141), 생크(141)의 일단에 배치되며 주액구(133)보다 크게 형성되어 캡플레이트(130)의 외면에 지지되는 헤드(142) 및 생크(141)의 타단이 주액구(133)보다 크게 변형됨으로써 캡플레이트(130)의 내면에 지지되는 벅테일(143)을 포함한다.
특히, 마개(140)가 주액구(133)에 설치되었을 때, 벅테일(143)은 전극조립체(110)의 중공의 내측에 위치하게 된다. 따라서, 캔(120)의 내부에 벅테일(143)을 위한 공간을 별도로 마련할 필요가 없으며, 이차전지(100)를 전체적으로 보다 콤팩트하게 설계할 수 있다.
단자(150)는 캔(120)의 바닥(121)의 홀(121a)에 설치되어 전극조립체(110)의 제2 전극판의 무지부(112)에 전기적으로 연결된다.
이러한 단자(150) 역시 리베팅에 의해 설치될 수 있다. 따라서, 단자(150)는 마개(140)와 유사하게, 홀(121a)을 관통하여 배치되는 생크(151), 생크(151)의 일단에 배치되며 홀(121a)보다 크게 형성되어 캔(120)의 바닥(121)의 외면에 지지되는 헤드(152) 및 생크(151)의 타단이 홀(121a)보다 크게 변형됨으로써 캔(120)의 바닥(121)의 내면에 지지되는 한편, 전극조립체(110)의 제2 전극판의 무지부(112)에 접촉되는 벅테일(153)을 포함한다.
나아가, 캔(120)과 단자(150) 사이에 절연 부재가 설치되어 이들을 전기적으로 절연할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지를 조립하는 과정을 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 캔(120)에 단자(150)를 설치한 상태에서, 캔(120)에 전극조립체(110)를 삽입한 후 캔(120)에 캡플레이트(130)를 결합한다. 이때, 캡플레이트(130)가 캔(120)의 상단의 단차에 안착됨으로써 안정적으로 결합될 수 있을 것이다.
다음으로, 캔(120)과 캡플레이트(130)의 경계를 따라 용접하여 캔(120)에 캡플레이트(130)를 고정하고, 캡플레이트(130)의 외측에서 용접부(131)가 연장된 방향을 따라 용접하여 전극조립체(110)에 캡플레이트(130)를 고정한다. 캔(120)에 대한 고정과 전극조립체(110)에 대한 고정은 선후에 상관없다. 따라서, 캡플레이트(130)를 캔(120)에 먼저 용접하고 나서 전극조립체(110)에 용접할 수도 있고, 전극조립체(110)에 먼저 용접하고 나서 캔(120)에 용접할 수도 있으며, 캔(120)과 전극조립체(110)에 거의 동시에 용접할 수도 있다.
마지막으로, 캡플레이트(130)의 주액구(133)를 통해 캔(120)에 전해액을 주입하고, 주액구(133)에 마개(140)를 설치하여 마무리한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이차전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 전극조립체;
    상단이 개방되어 상기 전극조립체를 수용하는 캔; 및
    상기 캔의 상단에 결합되며, 상기 전극조립체의 상단에 접촉되어 용접되는 용접부를 포함하는 캡플레이트를 포함하고,
    상기 용접부는 상기 캡플레이트에서 상기 캔의 내측을 향해 오목하게 함몰되어 형성되는 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용접부는 상기 캡플레이트가 상기 캔에 결합될 때 상기 용접부의 저면이, 상기 전극조립체가 상기 캔에 수용되어 있을 때 상기 전극조립체의 상단이 위치하는 지점보다 아래에 위치하게 되도록 형성되는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용접부는 상기 캡플레이트의 중앙을 기준으로 방사상으로 연장되어 형성되는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 용접부는 상기 캡플레이트의 중앙에서 상기 용접부가 연장된 길이보다 작은 직경을 가지며 상기 용접부와 함께 오목하게 함몰된 영역을 더 포함하는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캡플레이트는 안전 벤트로서 노치를 포함하는 이차전지.
  7. 제6항에서,
    상기 노치는 상기 용접부보다 외측에서 상기 캡플레이트의 둘레를 따라 형성되는 이차전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 노치는 상기 캡플레이트의 내면에 형성되는 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체는 중심에 중공을 갖도록 권취되어 형성되고,
    상기 캡플레이트는 중앙에 배치되는 주액구를 포함하며,
    상기 주액구에 설치되어 상기 전극조립체의 중공의 내측에 위치하는 마개를 포함하는 이차전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 캔의 상단에 단차가 형성되고,
    상기 캡플레이트는 상기 단차에 안착되는 이차전지.
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JP2015022862A (ja) * 2013-07-18 2015-02-02 株式会社豊田自動織機 溶接方法及び蓄電装置

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