KR20000026860A - 2차 전지 조립체 - Google Patents

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Abstract

2차 전지 조립체에 관하여 개시한다. 이 전지는, 케이스와, 상기 케이스 내에 위치하고 양극, 세퍼레이터, 음극이 감겨진 전극 조립체와, 상기 케이스 내의 전극 조립체의 상측에 위치하는 것으로서, 상기 양극과 접촉되는 메시 형상의 양극 그리드와 이 양극 그리드를 지지하는 도전성 양극 집전판을 구비하는 양극 집전체와, 상기 케이스의 상부에 위치하고 상기 양극 집전체에 전기적으로 연결되는 양극 단부 플레이트와, 상기 케이스 내의 전극 조립체의 하측에 위치하는 것으로서, 상기 음극과 접촉되는 메시 형상의 음극 그리드와 이 음극 그리드를 지지하는 도전성 음극 집전판을 구비하는 음극 집전체와, 상기 케이스의 하부에 위치하고 상기 음극 집전체에 전기적으로 연결되는 양극 단부 플레이트를 구비한다.

Description

2차 전지 조립체
본 발명은 2차 전지 조립체에 관한 것으로서, 특히 전기 자동차 등에 사용되는 대형전지에 관한 것이다.
통상적으로 2차 전지(secondary battery)는 충방전이 가능한 전지로서, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 컴퓨터 캠코더등 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 최근 들어서는, 대기 오염등의 환경 문제 해결을 위한 전기 자동차의 실용화가 크게 기대되고 있는데, 그 전원으로서 고성능의 2차 전지의 개발이 진행중이다.
특히, 리튬 2차 전지는 전자 장비 전원으로서 많이 사용되고 있는 니켈-카드늄(Ni-Cd) 전지나 니켈-수소(Ni-Mh) 전지보다 작동 전압이 3배에 해당되고, 단위 중량당 에너지 밀도가 우수하다는 점에서 각광받고 있다.
2차 전지는 여러 가지 형상으로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬-이온 전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형을 들 수 있다.
이와 같은, 2차 전지가 전기 자동차용 전지로 사용할 때에는 전원 전압으로 200 내지 300V가 필요하게되므로, 대형 단위 전지를 200셀 정도 직렬로 접속하여 사용한다.
통상적인 2차 전지는 전극의 상하부에 탭을 형성하여, 양극 탭을 양극단자가 연결된 양극 단부 플레이트에 용접하고, 음극 탭을 음극 단자가 연결된 음극 단부 플레이트에 용접결합한다.
그러나 전지 내부에서 과전류 및 과열과 같은 비정상적인 작동 조건이 발생하에서도, 전지의 전극은 탭의 영구적인 용접결합에 의하여 외부회로와 계속적으로 통전되므로, 이에 의하여 전지의 내부 부품이 파괴되는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 비정상적인 조건에서 전류를 차단하는 안전장치가 요구된다.
이러한 안전장치를 구성하기 위하여 여러 가지 방법이 사용되고 있다. 이 중의 하나가 미국 특허 5,521,021에 개시된다. 개시된 전지에서는, 양극 단자 및 음극 단자와 전기적으로 연결되고 V형 돌출부를 가진 양극 및 음극 집전체를 마련하여 이를 전극을 향하여 가압하여서, 돌출부가 전극의 양극 및 음극과 접촉되도록 하는 구성을 가진다. 그리고 과전류등의 상황이 발생하면, 양극 집전체가 내압에 의하여 이동하여 양극과 양극 집전체가 분리됨으로써 전류가 차단되도록 하는 것이다.
그러나 상기와 같은 2차 전지는 전극에 집전체의 V형 돌출부가 가압됨으로써 전극의 활물질 탈락, 전극의 파손 우려가 있을 뿐만 아니라, 전극과 집전체의 접촉면적이 비교적 좁아서 저항이 증가한다는 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 전극과 집전체 사이의 접촉 면적이 증가하고 접촉부의 손상이 방지될 수 있는 2차 전지 조립체를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 2차 전지 조립체의 일 실시예에 대한 분해 사시도이고,
도 2는 및 도 3은 도 1의 전지 조립체의 단면도로서, 도 2는 통상적인 작동 상태를 도시한 것이고, 도 3은 비상시 전류가 흐름이 차단된 상태를 도시한 것이다.
<도면의주요부분에대한부호의설명>
12...케이스 14...전극 조립체
16...음극 18...세퍼레이터
20...양극 31...양극 그리드
32...양극 집전판 34...스프링 탭
38...스프링 40...양극 단부 플레이트
46,80...가스켓 링 51...벤트 펠릿
54...양극 단자 57...벤트 홀
60...양극 밀폐링 71...음극 그리드
72...음극 집전판 86...음극 단부 플레이트
90...음극 단자 94...음극 밀폐링
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 2차 전지 조립체는, 케이스와, 상기 케이스 내에 위치하고 양극, 세퍼레이터, 음극이 감겨진 전극 조립체와, 상기 케이스 내의 전극 조립체의 상측에 위치하는 것으로서, 상기 양극과 접촉되는 메시 형상의 양극 그리드와 이 양극 그리드를 지지하는 도전성 양극 집전판을 구비하는 양극 집전체와, 상기 케이스의 상부에 위치하고 상기 양극 집전체에 전기적으로 연결되는 양극 단부 플레이트와, 상기 케이스 내의 전극 조립체의 하측에 위치하는 것으로서, 상기 음극과 접촉되는 메시 형상의 음극 그리드와 이 음극 그리드를 지지하는 도전성 음극 집전판을 구비하는 음극 집전체와, 상기 케이스의 하부에 위치하고 상기 음극 집전체에 전기적으로 연결되는 양극 단부 플레이트를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 전극 조립체의 상부에서 상기 양극이 음극보다 소정길이 돌출 형성되고, 상기 전극 조립체의 하부에서 상기 음극이 양극보다 소정길이 돌출 형성된 것이 바람직하다.
상기 양극 단부 플레이트는 상기 양극 집전체로부터 소정 간격 이격되어 설치되고, 상기 양극 단부 플레이트와 상기 양극 집전체의 양극 집전판사이에 개재되는 플렉시블한 도전성 부재가 더 마련되며, 상기 양극 그리드가 상기 극판 조립체의 양극에 확실하게 접촉되도록 상기 양극 집전판과 상기 양극 단부 플레이트 사이의 공간에 압축 스프링이 개재된 것이 바람직하다.
상기 양극 그리드 및 음극 그리드의 재질은 니켈, 구리, 알루미늄으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 양극 그리드는 상기 양극 집전판의 하측면에 용접결합되고, 상기 음극 그리드는 상기 음극 집전판의 상측면에 용접결합된 것이 바람직하다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 2차 전지 조립체의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 실시예의 원통형 2차 전지 조립체의 분리 사시도이고, 도 2은 도 1의 전극 조립체가 조립 상태의 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 실시예의 2차 전지(10)는 중공원통 형상의 케이스(12)와, 이 케이스(12)의 중심에 삽입 설치되며 음극(16), 세퍼레이터(18), 양극(20)이 적층되어 나선형으로 감겨진 전극 조립체(14)를 구비한다. 도 2에서 보는 바와 같이, 전극 조립체(14)의 상단부에서는 양극(20)이 소정 길이 만큼 돌출되게 형성되고, 전극 조립체(14)의 하단부에서는 음극(16)이 소정 길이 돌출 형성된다.
그리고 메시 형상의 양극 그리드(31)가 전극 조립체(14)의 상단부에 접촉 설치되어서, 이 그리드(31)와 전극 조립체의 양극(20)이 복수개의 점에서 물리적 그리고 전기적으로 연결된다. 양극 그리드(31) 및 후술할 음극 그리드(71)는 니켈, 구리, 알루미늄과 같은 전기 전도성이 높은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 양극 그리드(31)의 상부에는 원판 형상의 도전성 물질로 만들어진 양극 집전판(32)이 용접 결합된다. 이 양극 집전판(32)은 그리드(31)를 지지하면서 전류의 통로 역할을 하게 된다. 이와 같은 양극 그리드(31)와 양극 집전판(32)의 결합체가 양극 집전체(30)를 형성하게 된다. 양극 집전체(30)는 케이스(12) 내에서 수직방향으로 이동 가능하게 설치된다.
양극 잡전판(31)의 상면에는 플렉시블한 스프링 탭(34)이 상부를 향하여 소정의 각도로 연장된 후 양극 집전판(32)과 평행하게 수평으로 연장된다. 그리고 스프링 탭(34)에는 오리피스(36)가 형성된다. 이 스프링 탭(34)의 단부는 양극 집전판(31)의 상부에 위치하는 양극 단부 플레이트(40)의 하면에 접촉된다. 또한 압축 스프링(38)이 스프링 탭(34)의 주위의 양극 집전판(31)과 양극 단부 플레이트(40) 사이의 공간에 설치되어 수직방향으로 스프링력을 가함으로써, 양극 그리드(31)를 전극 조립체 방향(아랫 방향으로)으로 가압한다.
양극 단부 플레이트(40)는 양극 집전판(32)으로부터 소정간격 이격되어 설치되고, 그 중앙에는 벤트(43)가 마련된다. 양극 단부 플레이트(40)는 스프링 탭(34)에 의하여 양극 집전판(32)과 전기적으로 연결된다.
양극 단부 플레이트(40)의 주위에는 가스켓 링(46) 마련되어, 이 양극 단부 플레이트(40)과 케이스(12) 사이의 틈새를 밀봉한다. 그리고 벤트 펠릿(pellet)(51)이 상기 양극 단부 플레이트(40)의 벤트(43) 상부에 마련된다. 또한 나사부(55)를 가지는 양극 단자(54)가 양극 단부 플레이트(40)의 상부에 접촉 설치되는데, 그 하부에는 원형의 공간(56)이 마련되도록 홈부가 형성되고, 상기 공간(56)과 외부를 연통시키는 벤트 홀(57)이 수평 방향으로 형성된다. 그리고 이 공간(56)에는 벤트 펠릿(51)이 수용되어서, 결국 양극 단자(54)가 릴리프 밸브(relief)의 기능을 수행한다. 마지막으로 그 외측에 나사선(68)이 형성된 상부 밀폐링(60)이 케이스(12)의 상단부에 형성된 나사선(12a)에 맞물려서 결합됨으로써 케이스(12)의 내부 부품들이 유지되도록 한다.
전지(10)의 음극부분을 구성하기 위하여 케이스(12)의 하부에 고정되는 부품은 다음과 같다. 먼저 전극 조립체(14)의 하부면에 접촉되는 메시 형상의 음극 그리드(71)와 이 음극 그리드(71)의 하부에 용접 결합되는 음극 집전판(72)으로 이루어지는 음극 집전체(70)가 마련된다. 전극 조립체(14)의 하부에서는 음극(16)이 양극(20)보다 소정길이 돌출 형성되므로, 상기 음극 그리드(71)는 당연히 음극(16)에만 복수개의 점에서 접촉되어 전기적으로 연결된다. 음극 집전판(72)은 양극 집전판(31)과 마찬가지로 음극 그리드(71)를 지지하는 원판 형상의 도전성 재료로 이루어져서, 전류의 통로 역할을 하게 된다.
그리고 음극 집전판(72)의 하측면에는 음극 단부 플레이트(86)가 접촉 설치되고, 음극 단부 플레이트(86)의 주위에는 가스켓 링(80)이 마련되어 음극 단부 플레이트(86)와 케이스(12) 사이의 틈새를 밀봉한다. 음극 단부 플레이트(86)의 하측에는 음극 단자(90)가 접촉 설치된다. 그리고 그 원주상에 나사부(96)를 가지는 하부 밀폐링(94)이 케이스(12)의 하부에 형성된 나사선(12b)에 맞물려 결합된다.
이상과 같은 구성을 가진 본 실시예의 전지(10)는, 니켈-카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지등에 적용될 수 있고, 전기 자동차용으로 사용되는 경우에 상기의 전지 조립체가 직렬 또는 병렬로 연결되어 사용될 수 있다.
이하에서 상기와 같은 구성을 가진 본 실시예의 2차 전지의 작용을 설명한다.
양극부의 전류의 흐름은 양극 그리드(31), 양극 집전판(32), 스프링 탭(34), 양극 단부 플레이트(40), 양극 단자(54)를 통하여 차례로 진행되어 외부회로와 연결되고, 음극부의 전류의 흐름은 음극 그리드(71), 음극 집전판(72), 음극 단부 플레이트(86), 음극 단자(90)를 통하여 진행되어 외부회로와 연결된다.
전지의 내부에서 생성된 초과 압력은 스프링 탭(34)의 오리피스(36), 양극 단부 플레이트(40)의 벤트(43), 벤트 펠릿(51), 양극 단자(54)의 벤트 홀(57)을 통하여 기계적인 방식으로 외기로 배출된다.
그리고 전지의 내부에서 열의 증가, 과전류, 과부하 등 여러가기 비정상적인 현상에 의하여 상기 기계적인 방식으로 해결되지 않는 과중한 내압이 발생하면, 도 3에서 보는 바와 같이, 이 압력은 스프링(38)의 압력을 이기고 양극 집전체(30)를 상부로 이동시키게 된다. 따라서 전극 조립체(14)의 양극(20)이 양극 그리드(31)와 분리되어 전극과 집전판의 연결이 전기적 물리적으로 해제됨으로써, 더 이상 전류가 흐르지 않게 되어 전지를 보호할 수 있게 된다. 한편 전지(10)가 정상적인 상태로 되돌아와서 내압이 줄어들면, 스프링(38)의 힘에 의하여 양극 집전체(30)가 아랫방향으로 이동하여 양극 그리드(31)가 전극의 양극(20)에 접촉됨으로써, 전지는 다시 정상적인 작동을 계속하게 된다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명의 2차 전지 조립체는 다음과 같은 이점이 있다.
첫째, 전기 전도성이 좋은 메시 형상의 금속 그리드를 사용하여 전극과 집전체를 전기적 및 물리적으로 연결하므로, 접촉점이 증가하여 접촉저항이 감소되어 대용량 전지의 고율방전시에 저항을 감소할 수 있다.
둘째, 안전성 측면에서 전지의 열발산 작용이 용이해진다.
셋째, 전극 접촉부가 돌출부 형상을 가지지 않으므로, 전극의 활물질 탈락이나 전극의 파손과 같은 현상이 발생하지 않아서 전지 조립 공정상의 수율이 증가한다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 케이스와,
    상기 케이스 내에 위치하고 양극, 세퍼레이터, 음극이 감겨진 전극 조립체와,
    상기 케이스 내의 전극 조립체의 상측에 위치하는 것으로서, 상기 양극과 접촉되는 메시 형상의 양극 그리드와 이 양극 그리드를 지지하는 도전성 양극 집전판을 구비하는 양극 집전체와,
    상기 케이스의 상부에 위치하고 상기 양극 집전체에 전기적으로 연결되는 양극 단부 플레이트와,
    상기 케이스 내의 전극 조립체의 하측에 위치하는 것으로서, 상기 음극과 접촉되는 메시 형상의 음극 그리드와 이 음극 그리드를 지지하는 도전성 음극 집전판을 구비하는 음극 집전체와,
    상기 케이스의 하부에 위치하고 상기 음극 집전체에 전기적으로 연결되는 양극 단부 플레이트를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 2차전지 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 상부에서 상기 양극이 음극보다 소정길이 돌출 형성되고,
    상기 전극 조립체의 하부에서 상기 음극이 양극보다 소정길이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 2차 전지 조립체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 양극 단부 플레이트는 상기 양극 집전체로부터 소정 간격 이격되어 설치되고,
    상기 양극 단부 플레이트와 상기 양극 집전체의 양극 집전판사이에 개재되는 플렉시블한 도전성 부재가 더 마련되며,
    상기 양극 그리드가 상기 극판 조립체의 양극에 확실하게 접촉되도록 상기 양극 집전판과 상기 양극 단부 플레이트 사이의 공간에 압축 스프링이 개재된 것을 특징으로 하는 2차 전지 조립체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 양극 그리드 및 음극 그리드의 재질은 니켈, 구리, 알루미늄으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 2차 전지 조립체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 양극 그리드는 상기 양극 집전판의 하측면에 용접결합되고,
    상기 음극 그리드는 상기 음극 집전판의 상측면에 용접결합된 것을 특징으로 하는 2차 전지 조립체.
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