KR102861069B1

KR102861069B1 - 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102861069B1
Application number: KR1020240080988A
Authority: KR
Inventors: 이진우; 이주형; 류광지
Original assignee: 케이제이인터내셔날 주식회사
Priority date: 2024-06-21
Filing date: 2024-06-21
Publication date: 2025-09-18
Anticipated expiration: 2044-06-21

Abstract

본 발명은 원통형 배터리의 전극결합에 고도의 제어기술을 필요로 하는 용접 작업을 최소화하고, 프레스 버튼에 의한 단순구조의 전극결합을 채택하는 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 캔(10)과 젤리롤(20) 및 볼록형 결합버튼(52)을 구비한 상·하부 집전판(24, 25)과 오목형 결합버튼(51)이 구비된 음극단자(11) 및 상부커버 어셈블리(30)를 이용하여, 젤리롤(20)의 양단에 상·하부 집전판(24, 25)을 부착한 결합체를 캔(10)에 수용할 때, 적절한 가압을 통해 하부집전판(25)과 음극단자(11)의 버튼 결합(50), 그리고 상부 집전판(24)과 상부커버 어셉블리 사이의 버튼결합(50)이 이루어지도록 설계한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 공정을 쉽게 자동화할 수 있고 보편적인 범용설비를 이용한 양산체제 구축이 가능하여 제조비용을 절감할 수 있으며, 배터리의 전극결합에 요구되는 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리 및 그 제조방법{Cylindrical battery having electrode coupling of press button type and its manufacturing method}

본 발명은 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원통형 배터리의 전극결합에 고도의 제어기술을 필요로 하는 용접 작업을 최소화하고, 프레스 버튼에 의한 단순구조의 전극결합을 채택함으로써, 공정을 쉽게 자동화할 수 있고 보편적인 범용설비를 이용한 양산체제 구축으로 제조비용을 절감할 수 있으며, 배터리의 전극결합에 요구되는 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리 및 그 제조방법에 관한 것이다.

리튬이온 배터리는 가볍고 에너지밀도가 높은 장점을 갖고 있어 전자제품이나 전기자동차의 에너지원으로 주목을 받고 있는데, 현재 전기자동차에 탑재되는 리튬이온 배터리는 주로 원통형(Cylindrical), 각형(Prismatic), 파우치형(Pouch)으로 제작되고 있다. 그중에서도 전기자동차 업계에서는 비교적 공정의 난이도가 낮고, 생산설비의 자동화가 용이하다는 측면에서 원통형 배터리(Cylindrical cell)의 구조를 선호하는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 원통형 셀(Cylindrical cell)은 케이스 기능을 담당하는 캔(can)과 그 캔 내부에 수용되는 젤리 롤(Jelly roll) 형태의 전극 조립체, 그리고 캔(can)의 개구부에 결합되는 상부커버 어셈블리를 포함하여 구성된다.

이러한 원통형 셀을 전기자동차의 에너지원으로 이용하기 위해서는 우선 개별 배터리 셀을 제조하고(Cell level), 다수의 배터리 셀을 조합하여 모듈을 만든 후(Module level), 복수의 모듈과 배터리 관리시스템(BMS)을 조합시켜 완성한 배터리팩(Pack-level)을 차량 내에 탑재해야 한다.

이때는 각 레벨을 진행할 때마다 전기적 연결을 위한 용접, 접합 또는 체결과 같은 부품간 결합 공정들이 수행된다. 예컨대, 셀 레벨(Cell level)에서는 탭(tab)과 전극(electrode), 그리고 캔(can)의 기밀 용접 등이 필요하고, 모듈 레벨(Module level)에서는 전극과 전극(electrode to electrode), 전극과 버스바(electrode to Bus-bar) 등의 결합공정이 필요하며, 팩 레벨(Pack level)에서도 다수의 모듈 사이에 전극 연결이나 기계적 체결을 위한 다수의 결합공정을 거치게 될 것이다.

이 때문에 전기자동차용 배터리 분야에서는 각 부품에 대한 최적의 결합방식을 찾는 노력이 강화되고 있으며, 특히 원통형 배터리 내부의 각 결합부에 요구되는 도전성, 내구성 등의 필요적 특성을 개선하거나 자동화에 유리한 결합 공정을 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

대표적으로 공개특허 제10-2016-0022654호(선행특허 1)에는 전극조립체가 수납된 캔(Can)의 상부커버 어셈블리에서 탑 캡(Top cap)과 벤트(Vent)를 접착 물질로 상호 접합하여, 외부 충격이나 진동에도 탑 캡(Top cap)과 벤트(Vent)의 밀착이 유지되고 공정의 단순화에 의한 제조비용의 절감이 가능하다는 기술사항을 개시하고 있고, 공개특허 제10-2011-0044994호(선행특허 2)에는 전극 탭(Tab)과 덮개판(상부 커버)을 연결하기 위해 절연스페이서 내부에 탄성도전링과 탄성압박 디스크를 압입 고정한 후 신축성 도체에 연결된 스테이플의 슬롯과 절연스페이서 상에 구비된 탄성 훅을 기계적으로 결합하는 배터리의 제조기술이 예시되어 있으며, 공개특허 제10-2023-0053484호(선행특허 3)에는 전극단자의 구조개선을 전제로 그 전극단자를 제1 집전판에 레이저 용접방식으로 결합하되, 전극조립체의 권취 중심 홀을 통해 레이저 용접을 수행함으로써, 전지 캔(Can) 내의 공간 효율성을 향상시킬 수 있고, 급속충전시 발생하는 내부발열의 문제를 크게 개선할 수 있다는 기술사항이 개시되어 있다.

그러나 상기 선행특허 1과 같이 접착제를 이용하는 경우에는 접합부 주변의 오염으로 안전장치와 같은 예민한 장치의 동작에 악영향을 미칠 수 있고, 선행특허 2와 같은 기계적 결합구조에서는 절연스페이서와 탄성도전링 및 탄성압박 디스크 등 다수의 맞춤형 부품을 각각 별도로 제작한 후 조립해야 하므로 공정의 복잡성이 증가할 수밖에 없으며, 선행특허 3의 레이저 용접을 채택하는 경우에도 권취 중심 홀 근처의 분리막에 손상을 입히거나 용접 부산물(미세파편, 분진)에 의해 젤리롤(Jelly roll) 내부에서 심각한 절연파괴(단락 또는 합선)가 일어날 수 있는 잠재적 위험 요인을 안고 있었다.

또한, 원통형 배터리의 제조공정은 표준화된 규격을 따를 수밖에 없는 현실적 제약이 존재한다는 점에서, 상기 종래기술들은 표준규격의 대형화 추세에 능동적으로 대처하거나 공정자동화를 추진하기에는 여전히 기대 수준을 충족시키지 못한다는 현실적 한계가 있었다.

공개특허 제10-2016-0022654호 공개특허 제10-2011-0044994호 공개특허 제10-2023-0053484호

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 극복하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 용접과정을 최소화하는 방향으로 셀레벨(Cell-level) 제조공정을 개선하여 정밀한 제어기술의 뒷받침이 없더라도 양산체제를 구축할 수 있는 원통형 배터리의 제조방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 원통형 배터리의 부품간 결합과정을 단순화하여 쉽게 제조공정의 자동화를 구현할 수 있고, 표준규격의 대형화 추세에 능동적으로 대처할 수 있는 원통형 배터리의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 제조비용의 절감과 더불어 원통형 배터리의 공간구조가 개선되도록 설계한 제조방법을 이용하여 완성한 프레스 버튼식 결합구조를 갖는 원통형 배터리를 제공하는 데 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리의 제조방법은 캔(10)과 젤리롤(20) 및 볼록형 결합버튼(52)을 구비한 상·하부 집전판(24, 25)과 오목형 결합버튼(51)이 구비된 음극단자(11) 및 벤트(36)를 구비한 상부커버 어셈블리(30)를 준비하는 단계, 상기 젤리롤(20)의 양단에 상기 상·하부 집전판(24, 25)을 부착하여 결합체를 생성하는 단계, 상기 결합체를 상기 캔(10)에 수용하면서 적절한 가압을 통해 상기 하부집전판(25)과 상기 음극단자(11)의 버튼 결합(50)을 완료하는 단계, 상기 캔(10)에 수용된 상기 결합체를 고정하기 위하여 상기 결합체의 규격에 맞춰 캔(10)의 상부에 비딩부(37)를 가공하는 단계, 상기 비딩부(37)의 상면에 상기 상부커버 어셈블리(30)를 탑재하면서 적절한 가압을 통해 상기 상부집전판(24)의 볼록형 버튼(52)과 상기 벤트(36)에 일체화되어 형성된 오목형 버튼(51) 사이에서 버튼결합(50)을 완료하는 단계, 상기 캔(10) 상부의 절곡으로 크림핑부(38)를 형성하여 상기 상부커버 어셈블리(30)을 고정시키는 단계가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상부커버 어셈블리(30)는 PTC(33), CID(34), 벤트(36)로 이루어진 안전장치를 포함하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 하부집전판(25)에는 볼록형 버튼(52) 대신 수나사 체결구(62)를 형성하고, 상기 음극단자(11)에는 오목형 버튼(51) 대신 암나사 체결구(61)를 형성하되, 상기 수나사 체결구(62)와 암나사 체결구(61)의 나사결합을 통해 스크류 체결(60)이 이루어지도록 설계한 것을 특징으로 하는 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리의 제조방법

또한, 본 발명 안전장치의 일부구성으로 포함되어 있는 벤트(36)의 구조는 배터리의 과도한 내부압력을 대비하여 의도적으로 기계적 강도를 약화시켜 설계한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 음극단자(11)는 캔(10)과 절연된 별도의 리벳결합된 구조체로서 오목형 버튼(51) 또는 암나사부가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 하부집전판(25)과 음극단자(11)의 버튼 결합(50)이 안전하게 이루어졌는지를 확인하는 방법으로 프레스 버튼 특유의 체결음을 활용할 수 있도록 설계한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 원통형 배터리의 제조에 고가설비의 용접 공정을 최소화할 수 있고, 용접 공정에 의한 열변형 등의 부작용을 방지할 수 있으며, 양극단자 결합용 스트립 탭(Tab)의 구성을 생략할 수 있어 배터리의 공간적 구조를 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 프레스 버튼 또는 스크류를 이용하는 간단한 체결방식을 적용함으로써, 결합부에 인접한 부품의 열변형이 없고, 집전판에서의 응력 집중도나 잔류응력 등의 영향을 최소화할 수 있으며, 특히 고도의 제어기술이 불필요하여 설비투자의 부담을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 프레스 버튼(50)은 접합부 면적의 확대가 비교적 자유스럽다는 점에서 낮은 전기저항을 갖는 접합부의 제작이 가능하고, 그로 인해 발열에 따른배터리의 성능저하나 에너지 손실이 줄어드는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 고온 노출에 취약한 부품의 훼손 가능성을 줄일 수 있고, 용접부산물(파편, 분진)에 의한 전극간 단락의 위험성을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 원동형 배터리의 세부 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 종래 원통형 배터리의 구조를 입체적으로 보여주는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 프레스버튼 체결방식을 설명하기 위한 예시도로, (a), (b)는 전극결합이 이루어지기 이전의 형태를 보여주고, (c), (d)는 전극결합이 완료된 이후의 형태를 보여준다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로, 하부집전판과 음극단자 사이의 결합에 적용하는 스크류 체결방식을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 배터리의 제조방법을 시계열적으로 나타낸 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

참고로, 본 발명을 설명함에 있어, 공지의 구성이나 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우에는 그에 대한 상세한 설명이 생략되어 있다는 점을 밝혀둔다. 그리고 본 발명에서 사용한 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것일 뿐, 본 발명을 그 실시예로만 한정하기 위한 표현이 아니며, 도면 또한 실제적인 규격을 나타내는 것이 아니라 다소 확대 또는 축소하여 표현된 것일 수도 있다는 점도 밝혀둔다.

본 발명에서 「상부」라는 표현은 캔(Can)이 지평면에 수직으로 세워진 상태에서 보아 캔(Can) 몸체의 위쪽 부분을 의미하고 「하부」는 캔 몸체의 아래쪽(지평면 쪽) 부분을 의미한다.

그리고 본 발명의 원통형 배터리는 충·방전이 가능한 2차전지를 전제로 하기 때문에 명세서의 이해를 돕기 위해 애노드(Anode)나 캐소드(Cathode)라는 표현의 사용을 배제하고, 「양극」과 「음극」이라는 용어의 의미를 새로 정의하여 사용하되, 「양극」은 금속박막에 양극활물질이 도포된 집전체(Metal film)를 의미하고, 「음극」은 음극활물질이 도포된 집전체(Metal film)를 의미하는 것으로 정의한다.

또한, 「양극단자」라는 표현은 배터리의 상부커버 어셈블리에서 외부로 노출되는 단자를 의미하고, 「음극단자」는 젤리 롤(Jelly-roll)을 수용하는 캔(Can)의 하부에서 외부로 노출되는 단자를 의미한다.

한편, 「벤트(Vent)」는 원통형 배터리의 내부압력이 임계치를 넘으면 변형되어 전지의 폭발을 방지하는 수단으로 채택한 커버(덮개)를 의미한다.

도 1은 종래 일반적인 원통형 셀(Cell)의 세부 구조를 설명하기 위한 예시도이다. 도 1의 원통형 셀은 젤리롤(20)과 캔(10) 및 상부커버 어셈블리(30)를 포함하고, 젤리롤(20)를 수용하고 있는 캔(10)은 그 몸체 자체가 음극단자(11)의 역할을 담당하는 구조로 되어 있다. 이때 젤리롤(20)은 양극(21)과 음극(22)이 분리막(23)을 사이에 두고 롤케이크(Roll Cake) 형상으로 권취(Winding)된 구조이며, 젤리롤(20)의 중심부에는 권취 중심홀(40)이 자리하고 있다.

그리고 상기 젤리롤(20)의 양쪽 단부에는 상부집전판(24)과 하부집전판(25)이 결합되며, 그 상부집전판(24)에 전기적으로 연결된 양극단자(31)와 하부 집전판(25)에 전기적으로 연결된 음극단자(11)를 통하여 외부장치로 전원공급이 가능하도록 구성된다. 이때는 금속으로 만들어진 캔(10)이 음극단자(11)의 역할을 담당하게 할 수도 있고, 필요에 따라서는 캔(10)과 절연된 별도의 음극단자(11)를 리벳조립 방식 등으로 부착할 수도 있을 것이다.

한편, 도 1의 원통형 셀에서 상부커버 어셈블리(30)에는 배터리의 폭발이나 열폭주를 방지하는 안전장치가 구비되는데, 그 안전장치는 통상적으로 과전류 방지장치(PTC : Positive Temperature Coefficient), 전류차단 장치(CID : Current Interrupt Device) 및 벤트(Vent)를 포함하여 구성된다.

도 1에 나타낸 PTC(33)는 셀의 온도가 상승하면 저항이 증가하여 전류를 감소시키는 기능을 담당하고, Vent(36)는 과충전 등으로 셀 내부의 가스압력이 임계치를 넘을 때, 자동 파열로 내부가스를 배기시켜 배터리의 폭발을 방지하며, CID(34)는 Vent(36)의 변형과 연계된 동작으로 상부집전판(24)과 양극단자(31) 사이의 전류 통로를 차단하여 열폭주를 방지하도록 설계된다.

위와 같은 안전장치는 리튬 배터리에서 필수적인 구성인데, 이는 리튬의 재질적 특성, 즉 기름 위에 뜰 정도로 가볍고, 물과 공기에 직접 접촉하면 거품을 일으키거나 폭발하는 등의 위험성에 대비하는 구성이기 때문이다.

도 1의 원통형 배터리는 양극(21)과 음극(22) 사이에 분리막(23)을 배치한 상태에서 롤케이크(Roll Cake) 형상으로 권취하여 젤리롤(20)을 형성하고, 그 젤리롤(20)을 캔(10) 내부에 수용한 후 전해액(electrolyte)을 주입하여 완성하는 구성이다. 이때 양극(21)과 음극(22)에는 각자의 무지부를 통해 스트립 형태의 전극용 탭(32, 12)을 부착하여 양극단자(31) 또는 음극단자(11)를 전기적으로 연결하게 되는데, 필요에 따라서는 전극용 탭(32, 12)을 생략하고 상·하부 집전판(24, 25)을 이용하여 양극(21)과 양극단자(31) 또는 음극(22)과 음극단자(11) 사이의 도전통로를 형성하도록 설계될 수도 있다. 여기에서 양극단자(31)는 전지 캔(10)의 상부를 밀봉하는 상부커버 어셈블리(30)의 최상층에서 외부로 노출되고, 음극단자(11)는 캔(10) 자체가 음극단자(11)의 기능을 담당하거나 캔(10)의 몸체와 절연시켜 리벳조립한 별도의 구조체를 음극단자(11)로 활용할 수 있게 된다.

도 1과 같은 배터리를 제조하기 위해서는 다수의 부품간 결합공정이 필요한데, 예컨대 양극(21)과 양극 탭(32) 및 CID(35)의 결합, 음극(22)과 음극 탭(12) 및 캔(10)의 결합, 또는 양극(21)과 상부집전판(24) 및 CID(35)의 결합, 음극(22)과 하부집전판(25) 및 캔(10)의 결합 등은 원통형 배터리 제조에 포함되는 필수적 결합으로 볼 수 있다.

그런데 위와 같은 다수의 결합부는 전기적·기계적으로 안정성과 신뢰성을 담보할 수 있어야 하고, 제조공정의 복잡성 문제가 극복되어야 한다는 수요자의 요구조건을 충족시켜야 하는 과제를 안고 있다.

현재 배터리의 제조에 이용되는 결합방식으로는 접착제를 이용하거나 용접 또는 리벳이나 스냅핏(Snap-Fit)과 같은 기계적 체결방식이 알려져 있으나, 기계적 체결방식은 주로 최종적인 팩 레벨(Pack-level)의 결합방식으로 적용되고 있을 뿐, 아직까지는 셀레벨(Cell-level)에서의 적합성을 인정받거나 수요업계로부터의 호의적 반응을 불러일으키지는 못하고 있다.

이에 따라 현재는 셀레벨(Cell-level)에서 기계적 체결방식 대신 대부분 용접방식을 채택하고 있는데, 용접은 정밀한 제어기술과 고가의 기계설비가 필요하여 저비용 구조의 대량생산이 최우선 목표인 셀레벨(Cell-level)에서의 결합방식으로는 비효율적이라는 비판의 목소리도 커지는 상황이다.

이처럼 셀레벨(Cell-level)에서 용접방식을 비판적으로 보는 이유는, 우선 사소한 부주의에도 용접부 근처의 부품을 쉽게 손상시킬 우려가 있고, 접합부의 면적이 좁아 전기저항을 낮추는 데는 한계가 있으며, 벤트(Vent)나 밀봉재(Seal) 등의 안전장치에 악영향을 미치거나 용접부산물(분진, 미세파편)에 의한 절연파괴(단락 또는 합선)의 잠재적 위험성을 안고 있기 때문일 것이다.

현시점에서의 상용화된 용접방식으로는 초음파 용접, 저항용접 또는 레이저 용접이 잘 알려져 있으나, 저항용접은 배터리의 전극이 대부분 낮은 저항의 도전체로 구성되어 용접을 위한 발열을 유도하기 어렵고, 초음파 용접은 결합부에 의도적인 진동에너지를 전달할 수밖에 없어 그 진동과 마찰에 의한 이물질의 발생(파편, 분진)을 막기 어려우며, 레이저 용접의 경우에도 전류통로가 좁게 형성되는 점용접(Spot Welding)의 특성 때문에 접합부에 고저항 지점이 형성되어 발열에 의한 악영향이 우려된다는 점에서, 상기의 용접방식들에 대한 과대평가를 경계하는 전문가도 많은 상황이다.

이에, 본 발명자들은 그동안 소홀히 여겨졌던 기계적 체결방식을 셀레벨(Cell-level)의 제조공정에 접목하는 방법을 고심하던 끝에, 기계적 결합방식은 열사용이 없어 접합부의 특성에 특별한 영향을 미치지 않고, 접촉면적의 확대를 통한 접합부의 저저항화가 용이하여 발열에 의한 배터리의 위험성을 줄일 수 있다는 장점에 착안하여, 용접과정을 최소화하는 대신 프레스 버튼식 결합구조를 적용하여 셀레벨(Cell-level)의 제조공정을 재설계하면, 정밀한 제어기술의 뒷받침이 없더라도 단순한 공정만으로 양산체제를 구축할 수 있고, 그로 인해 제조비용의 절감은 물론, 원통형 배터리의 공간구조도 개선할 수 있다는 확신에 기반하여 본 발명을 완성하게 된 것이다.

도 2는 종래 원통형 배터리의 주요구성을 입체적으로 설명하기 위한 예시도이다. 도 2에는 젤리롤(20)과 집전판(24, 25)의 세부적인 결합구조를 표시하지 않았지만, 젤리롤(20)의 양극(21)은 무지부에 형성된 다수의 탭(Tab)을 통해 상부집전판(24)과 전기적으로 연결되고, 마찬가지로 젤리롤(20)의 음극(22)도 무지부에 형성된 다수의 탭(Tab)을 통해 하부집전판(25)과 전기적으로 연결되도록 구성되어 있다. 이때의 전기적 연결은 젤리롤(20)의 양단에 형성된 탭(Tab)과 상·하부 집전판(24, 25) 사이에서 이루어지는데, 종래에는 활물질을 코팅하지 않은 무지부에 노칭(Notching) 공정으로 형성한 탭(Tab)에 각 집전판(24, 25)을 레이저 용접으로 결합하는 것이 대부분이었다.

그러나 종래의 레이저 용접은 작업자의 눈에 조사되지 않도록 철저한 주의가 필요하고, 고에너지의 빔으로 모재(母材)를 녹여 접합시키기 때문에 인접 부품의 손상방지를 위한 정밀제어가 필요했으며, 특히 집속 빔의 점용접(Spot Welding) 특성으로 전류통로에 생성되는 고저항 지점의 악영향이 우려됨에도 레이저 용접에 집착하는 것은 공정의 단순화와 제조비용의 절감을 바라는 업계의 요구에 부합되지 않는다는 비판에 직면해 있었다.

따라서 본 발명은 레이저 용접의 많은 장점에도 불구하고, 공정의 단순화와 제조비용의 절감을 우선시하는 현실적 요청에 기반하여 이루어진 것으로, 원통형 배터리의 부품간 결합과정에서 레이저 용접은 최소화하고, 간단한 프레스 버튼에 의해 부품간 결합이 이루어질 수 있도록 원통형 배터리의 제조공정을 재설계함으로써, 고도의 제어기술을 필요로 하지 않는 단순화된 공정으로 제조비용의 절감과 배터리의 공간적 구조를 개선할 수 있는 원통형 배터리 및 그 제조방법을 제안하는 것이 특징이라 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 예시도로, (a)는 상부집전판(24)과 벤트(36)가 결합되기 이전의 상태를 나타내고, (b)는 하부집집전판(25)과 음극단자(11)가 결합되기 이전 상태를 보여주고 있다. 그리고 (c)는 상부집전판(24)과 벤트(36)의 결합이 완료된 상태를 나타내고, (d)는 하부집전판(25)과 음극단자(11)의 결합이 완료된 이후의 상태를 보여주고 있다.

우선 도 3의 (a)를 보면, 일면에는 볼록버튼(52)이 구비되고 타면은 젤리롤(20)과 접합되도록 구성한 상부집전판(24)의 구조 및 상기 볼록버튼(52)과 대응되는 위치에 오목버튼(51)이 형성된 벤트(36)의 구조를 확인할 수 있다. 마찬가지로, 도 3의 (b)를 보면, 일면에는 볼록버튼(52)이 구비되고 타면은 젤리롤(20)에 접합되는 하부집전판(25)의 구조와 상기 볼록버튼(52)과 대응되는 위치에 오목버튼(51)이 형성된 음극단자(11)의 구조를 확인할 수 있다.

여기에서 상·하부 집전판(24, 25)과 벤트(36) 및 음극단자(11)는 사전에 본 발명의 목적에 맞게 설계를 변경한 독립된 부품으로 제조한 후, 조립과정에서 젤리롤(20)의 양 단부에 상·하부 집전판(24, 25)을 결합하며, 해당 결합체는 원통형 캔(10)의 내부에 수용되게 될 것이다. 이때 상기 결합체를 적절히 가압하면 하부집전판(25)의 볼록버튼(52)과 음극단자(11)에 구비된 오목버튼(51)이 맞물려 체결이 이루어지게 된다. 이때 볼록버튼(52)과 오목버튼(51)을 체결할 때는 순수한 버튼식 결합도 무방하지만, 볼록버튼(52)과 오목버튼(51) 사이에 도전성 접착제를 공급하여 결합력을 보강하는 것도 흔들림 등의 악영향을 배제할 수 있다는 점에서 유리할 수 있다. 다만, 도전성 접착제는 오로지 공정의 자동화를 방해하지 않는 범위 내에서 그 적용 여부를 결정하는 것이 바람직할 것이다.

그리고 하부집전판(25)과 음극단자(11)의 전극결합이 완료되면, 젤리롤(20)의 규격에 대응하여 캔(10)의 상부 쪽에 링(ring) 형상의 비딩부(37)를 가공하고, 그 비딩부(37)를 통해 젤리롤(20)과 상·하부 집전판(24, 25)의 결합체가 캔(10)의 내부 공간에서 안정적인 자세로 고정되게 된다.

한편, 상기 비딩부(37)의 상단에는 상부커버 어셈블리(30)가 탑재되는데, 이때 볼록버튼(52)이 구비된 상부집전판(24)과 오목버튼(51)이 일체로 형성된 구조의 벤트(36)를 정렬(위치맞춤)한 후 적절히 가압하면, 볼록버튼(52)과 오목버튼(51)의 결합되어 프레스버튼(50)의 체결이 이루어지게 된다. 여기에서의 상부커버 어셈블리(30)는, 도 1에 예시된 바와 같이, 양극단자(31)와 절연가스켓(39), 그리고 PTC(33), CID(34), 벤트(36)로 이루어진 안전장치를 포함하는 구조로 되어 있다.

그리고 상부집전체(24)와 상부커버 어셈블리(30) 사이의 프레스버튼(50)이 체결되어 양극(21)과 양극단자(31) 사이의 전류통로가 완성된 이후에는 캔(10)의 상부를 크림핑(Crimping)하여 상부커버 어셈블리(30)를 고정시키는데, 이때 상부커버 어셈블리(30)는 상기 비딩부(37)와 크림핑부(38) 사이에서 긴밀하게 고정되게 될 것이다. 물론 상부커버 어셈블리(30)의 조립과정에는 리륨이온 배터리에 필수적인 전해질 주입공정도 당연히 포함되지만, 그 주입공정은 종래의 방법을 그대로 이용하므로, 여기에서의 구체적인 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예로 하부집전판(25)과 음극단자(11)를 스크류 체결(60) 방식으로 결합하는 모습을 설명하기 위한 예시도이다. 도 4의 구조는 하부집전판(25)의 일면에 수나사 체결구(62)를 형성하고, 음극단자(11)에는 암나사 체결구(61)가 형성된 구성만 예외적으로 다를 뿐, 나머지의 구성은 도 3의 구조와 동일하다.

도 4의 구조에서는 젤리롤(20)을 캔(10)의 내부에 수용할 때, 수나사 체결구(62)와 암나사 체결구(61)를 정렬(위치맞춤)한 후 원통형 캔(10)을 회전시켜 나사결합이 이루어지도록 설계되어 있다. 여기에서 암·수나사의 체결구(61, 62)는 캔(10)이 젤리롤(20)의 권취방향과 동일한 방향으로 회전할 때, 체결이 이루어지도록 나사구조를 설계하는 것이 바람직할 것이다. 이는 원통형 캔(10)의 회전방향이 젤리롤(20)의 권취방향과 다를 경우, 사소한 작업자의 부주의에도 젤리롤(20)의 전극구조를 훼손시킬 우려가 있기 때문이다.

도 5는 본 발명 원통형 배터리의 제조방법을 시계열적으로 나타낸 흐름도이다. 도 5에 예시된 본 발명의 제조방법은 준비단계, 부품공급 단계, 젤리롤에 기반한 결합체를 생성, 수용, 고정하는 단계 및 상부커버 어셈블리의 고정단계를 주요 구성으로 포함하여 이루어진다.

우선, 준비단계에서는 본 발명의 원통형 배터리를 제조하기 위한 각종 부품을 공급할 준비를 한다. 이때는 자체 생산시설을 이용한 일관공정으로 부품의 생산 및 공급이 이루어지도록 설계할 수도 있지만, 주문제작이나 구매를 통해 개별 부품을 확보하여 공급하는 것도 가능할 것이다. 또한 이때의 부품들 가운데 상·하부 집전판(24. 25)과 상부커버 어셈블리(30)만 본 발명의 목적에 맞게 별도 제작하여 공급하고, 나머지 부품들은 기존의 상용화된 부품을 구매하여 공급하도록 설계하는 것도 가능할 것이다.

그다음은 결합체 생성단계로 젤리롤(20)의 양 단부에 상·하부 집전판(24, 25)을 부착하여 결합체를 조립하는 단계이다. 이때의 결합체는 양극(21)과 음극(22)의 무지부에 형성된 탭(Tab)과 상·하부 집전판(24, 25)의 전기적 연결 및 기계적 안정성을 갖도록 결합되어야 한다. 여기에서의 결합은 도전성 접착제를 이용하거나 레이저 용접을 이용하여 결합하더라도 본 발명의 본질을 훼손하는 것은 아니므로 자유롭게 선택하여 적용할 수 있을 것이다.

다음은 상기 단계의 젤리롤 결합체를 캔(10)에 수용하는 단계이다. 여기에서는 하부집전판(25)의 볼록버튼(52)과 음극단자(11)에 구비된 오목버튼(51)이 맞물려 음극측 버튼 결합이 이루어진다. 그 때문에 상기 결합체를 수용하는 단계에서는 캔(10)의 내부에서 볼록버튼(52)과 오목버튼(51)을 정렬(위치맞춤)한 후에 적절한 힘으로 상기 결합체를 가압하는 것이 바람직할 것이다. 이때의 음극측 버튼 결합은 캔(10) 내부에서 이루어지기 때문에 육안 확인이 어렵다는 점에서, 버튼식 결합에 따른 특유의 체결음을 이용하여 안전한 결합상태의 확인이 가능하도록 설계하는 것도 바람직할 것이다.

여기에서의 볼록버튼(52)과 오목버튼(51)으로 이루어진 버튼결합(50) 방식은 수나사 체결구(62)와 암나사 체결구(61)로 이루어진 스크류 결합(60) 방식으로 대체하는 것은 특별한 어려움 없이 얼마든지 구현 가능할 것이다.

다음으로 상기 결합체의 수용단계를 통해 하부집전판(25)과 음극단자(11)의 전극결합이 완료되면, 젤리롤(20)의 규격에 대응하여 캔(10)의 상부 쪽에 링(ring) 형상의 비딩부(37)를 가공하여 상기 결합체가 캔(10)의 안쪽으로 만곡된 형태의 비딩부(37)와 캔(10) 하부의 절연판(26) 사이에서 안정적인 자세를 유지하도록 고정하는 공정을 진행하게 된다.

그다음은 상기 비딩부(37) 위에 상부커버 어셈블리(30)를 탑재하는 단계이다. 이때 볼록버튼(52)이 구비된 상부집전판(24)과 오목버튼(51)이 형성된 벤트(36)를 정렬(위치맞춤)한 상태에서 적절히 가압하면, 상기의 양극측 버튼(51, 52)의 체결이 이루어지게 된다. 여기에서 안전장치의 일부인 벤트(36)는 과도한 내부압력을 대비하여 기계적 강도를 의도적으로 약화시켜 설계하기 때문에 양극측 버튼(51, 52)의 체결작업에는 세심한 주의가 필요할 것이다.

다음으로는 상부커버 어셈블리(30)를 고정하는 단계를 진행한다. 이는 상기의 탑재단계에서 상부집전판(24)과 상부커버 어셈블리(30)에 구비된 프레스 버튼(50)의 체결을 완료한 후에 캔(10)의 상부를 절곡하는 크림핑(Crimping) 공정을 통해 상부커버 어셈블리(30)를 캔(10)의 비딩부(37)와 크림핑부(38) 사이에서 긴밀한 고정이 이루어지도록 하는 단계이다.

그리고 마지막으로는 상기의 공정단계를 거쳐 제조된 원통형 배터리를 통상적인 검수 및 출하 과정을 통해 수요자에게 공급하는 단계를 진행한다.

이러한 본 발명의 제조방법에 의하면, 원통형 배터리의 제조에 고가설비의 용접 공정을 최소화할 수 있고, 용접 공정에 의한 열변형 등의 부작용을 방지할 수 있으며, 양극단자 결합용 스트립 탭(32)의 구성을 생략할 수 있어 배터리의 공간적 구조를 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 프레스 버튼(50) 또는 스크류(60)를 이용하는 간단한 체결방식을 적용함으로써, 결합부에 인접한 부품의 열변형이 없고 집전판에서의 응력 집중도나 잔류응력 등의 영향을 최소화할 수 있으며, 특히 고도의 제어기술이 필요 없어 설비투자의 부담도 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 고온노출에 취약한 부품의 훼손가능성을 줄일 수 있고, 용접부산물(파편, 분진)에 의한 전극간 단락(합선)의 위험성을 줄일 수 있는 효과가 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기의 명시적 기재나 설명에만 국한되는 것은 아니며, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 누구든지 본 발명의 요지 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

10:캔(can) 11:음극단자 12:음극 탭 20:젤리 롤 21:양극 22:음극
23:분리막 24:상부 집전판 25:하부 집전판 26:하부 절연판
30:상부커버 어셈블리 31:양극단자 32:양극 스트립(Tab) 33:PTC
34:CID 35:절연막 36:벤트(Vent) 37:비딩부 38:클림핑부
39:가스켓 40:권취 중심 홀 50:프레스버튼 결합 51:오목형 버튼
52 : 볼록형 버튼 60 : 스크류 결합 61 : 암나사 체결구
62 : 수나사 체결구

Claims

프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리의 제조방법에 있어서,
캔(10), 젤리롤(20), 볼록형 결합버튼(52)이 구비된 상·하부 집전판(24, 25) 및 오목형 결합버튼(51)이 형성된 상부커버 어셈블리(30)와 음극단자(11)를 준비하는 단계,
상기 젤리롤(20)의 양단에 상기 상·하부 집전판(24, 25)을 부착하여 결합체를 생성하는 단계,
상기 결합체를 상기 캔(10)에 수용하면서 적절한 가압을 통해 상기 하부집전판(25)과 상기 음극단자(11)의 프레스버튼 결합(50)을 완료하는 단계,
상기 캔(10)에 수용된 상기 결합체를 고정하기 위하여 상기 결합체의 규격에 맞춰 캔(10)의 상부에 비딩부(37)를 가공하는 단계,
상기 비딩부(37)의 상면에 상기 상부커버 어셈블리(30)를 탑재하면서 적절한 가압을 통해 상기 상부집전판(24)의 볼록형 버튼(52)과 상기 상부커버 어셈블리(30)의 오목형 버튼(51) 사이의 프레스버튼 결합(50)을 완료하는 단계,
상기 캔(10) 상부의 절곡으로 크림핑부(38)를 형성하여 상기 상부커버 어셈블리(30)를 고정시키는 단계,
상기 고정 단계의 완료 후에 검수하는 단계가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리의 제조방법
제1항에 있어서,
상기 상부커버 어셈블리(30)는 PTC(33), CID(34), 벤트(36)로 이루어진 안전장치가 포함되도록 설계한 것을 특징으로 하는 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리의 제조방법
제1항에 있어서,
상기 하부집전판(25)에는 볼록형 버튼(52) 대신 수나사 체결구(62)를 형성하고, 상기 음극단자(11)에는 오목형 버튼(51) 대신 암나사 체결구(61)를 형성하되, 상기 수나사 체결구(62)와 암나사 체결구(61)의 나사결합을 통해 스크류 체결(60)이 이루어지도록 설계한 것을 특징으로 하는 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리의 제조방법
제2항에 있어서,
상기 안전장치의 일부인 상기 벤트(36)는 배터리의 과도한 내부압력을 대비하여 의도적으로 기계적 강도를 약화시켜 설계한 것을 특징으로 하는 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리의 제조방법
제1항에 있어서,
상기 음극단자(11)는 캔(10)과 절연된 별도의 리벳결합된 구조체로서 오목형 버튼(51) 또는 암나사 체결구(61)을 구비하고 있는 것이 특징인 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리의 제조방법
제1항에 있어서,
상기 하부집전판(25)과 상기 음극단자(11)의 버튼 결합(50)이 안전하게 이루어졌는지는 프레스 버튼 특유의 체결음을 이용하여 확인할 수 있도록 설계한 것이 특징인 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리의 제조방법
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 제조한 프레스 버튼식 전극결합을 갖는 원통형 배터리