KR20010026868A - 각형 이차전지와 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

목적: 본 발명은 각형 리튬 이온 이차전지에서 화성 충전시 발생하는 가스를 제거하여 각형 전지의 두께를 최소화하는 데 그 목적이 있다.

구성: 각형 캔의 내부에 정극 및 부극을 포함하는 전극군을 수납하고, 그 각형 캔의 개구에 캡 플레이트를 용접하며, 상기 캡 플레이트에 형성된 주입구를 통해 전해액 주입후 상기 주입구를 밀봉하여 형성된 각형 이차전지에서, 각형 캔의 일측 적당한 개소에 관통 형성된 배기공을 포함하고, 이 배기공은 화성 충전 전에 커버로 폐쇄된 다음 화성 충전 후에 파단되어 내부 가스를 배기시키며, 상기 배기공에 플러그를 삽입 밀봉한 구성으로 이루어진다.

효과: 각형 캔에 배기공과 커버를 형성한 수단에 의해 각형 리튬 이온 이차 전지의 화성 충전시 발생하는 가스를 제거하여 기존에 비해 전지 두께 증가를 절반 수준으로 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

Description

각형 이차전지와 그 제조 방법{Prismatic secondary battery and method for making the same}

본 발명은 각형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각형 리튬 이온 이차 전지의 화성 충전 공정에서 발생하는 가스를 배기 제거하여 전지의 두께를 최소화할 수 있는 각형 리튬 이온 이차 전지와 그 제조 방법에 관한 것이다.

각형 리튬 이온 이차 전지는 재충전이 가능하고, 소형 및 대용량화가 가능한 전지로서, 주로 노트북 컴퓨터, 캠코더, 휴대폰 등 휴대기기의 전원으로 사용된다.

도 5는 종래 공지된 각형 리튬 이온 이차 전지를 보여주고 있다.

도면에서와 같이 각형 리튬 이온 이차 전지는 정극과 부극 사이에 세퍼레이터를 개재시켜 일거에 권취하여 전극군(2)을 형성하고, 상기 전극군(2)을 압착한 후 캔(4) 내부에 수납하고, 다음에 그 캔(4)의 상측 개구에 캡 플레이트(6)를 용접 결합하되, 캡 플레이트(6)의 상부에 절연판(8)을 개재하여 단자 플레이트(10)를 설치하고 그들의 중심에 가스켓(12)으로 절연된 인출 단자(14)를 체결한 구조를 갖추고 있으며 내부의 전해액은 상기 캡 플레이트(6)에 형성된 주입구(6a)를 통해 주입되고 밀봉 결합되어진다.

상기 전극군 중에서 부극에 적용되는 음극 활물질로는 카아본이 사용되고 있고, 이것은 캔(4)과 직접 접촉을 통해 전기적으로 연결되고, 또 정극에 적용되는 양극 활물질로는 리튬 금속 산화물이 사용되며 이것은 인출단자(14)를 통해 단자 플레이트(10)로 접속되어진다.

이와 같이 결선함으로써 상기 인출 단자(14)는 캡 플레이트(6), 절연판(8), 가스켓(12), 및 단자 플레이트(10)를 물리적으로 체결하여 캡 어셈블리(18)를 구성한다.

이렇게 구성된 각형 리튬 이온 이차 전지는 전지로서의 기능을 갖도록 하기 위해 화성 충전 공정을 거친다. 화성 충전이란 전지가 제조된 직후 초기에 실시하는 충전으로서, 상기 각형 리튬 이온 이차 전지에 전기 에너지를 공급하여 전기 화학적 에너지로 바꾸어 주는 공정이며, 이 공정에서 양극과 음극 활물질은 낮은 상태에서 높은 에너지 상태로 변화하는 것이므로 화성 충전 시에는 낮은 전류를 장시간 공급하여 전지에 무리가 없이 안정하게 충전되도록 해야 한다.

한편, 각형 리튬 이온 전지의 경우 화성 충전을 거친 전지는 전지의 두께가 0.2∼0.5㎜ 가량 증가하는 경향을 보인다. 이 현상의 첫째 원인은 충전 초기에 발생하는 가스에 의한 내압 증가이다. 가스 발생은 전지 전해액이 카아보네이트 계열의 유기 용매이기 때문에 초충전 과정에서 일부가 분해되어 생성된다.

둘째 원인은 화성 충전시 리튬 이온이 카아본 내로 삽입되면서 극판 자체의 두께가 약 20∼30㎛ 증가하여 전지 두께 증가에 기여하는 것으로 판단된다.

각형 리튬 이온 이차 전지의 화성 충전시에 나타나는 두께 증가는 상기 두가지 원인이 약 50％ 정도 차지하고 있으므로, 충전 과정에서 발생하는 가스를 없앨 경우 전체 두께 증가분을 절반 수준으로 감소시킬 수 있다.

일반적으로 리튬 이온 이차 전지는 전해액의 특성상 충전시의 화학 반응에 의해 일정량의 가스가 발생하게 되어 있다. 이 일정량의 가스는 미소하여 사용자가 느끼지 못할 정도이지만 화성 충전시에는 장시간 충전으로 인해 많은 가스가 발생한다.

종래 공지된 기술은 일반적인 충전시 화학 반응에 의해 발생하는 가스에 기인하여 팽창하는 내부 안전 장치에 대한 분야이었으며, 화성 충전시 발생하는 가스를 근본적으로 제거할 수는 없었다. 이에 덧붙여 알루미늄제 각형 캔을 사용하여 3-4㎜ 두께의 초박형 전지를 제조함에 있어서는 전지 두께의 감소가 전지 용량의 증대로 이어지는 것이므로 대단히 중요한 과제가 되는 것이다.

따라서 본 발명은 각형 리튬 이온 이차 전지의 화성 충전 공정에서 발생하는 가스를 각형 캔의 외부로 방출하여 내압을 제거하므로써 전지의 두께를 감소시킨 각형 리튬 이온 이차 전지와 그 제조 방법을 제공함에 목적을 두고 있다.

이를 위하여 본 발명의 각형 리튬 이온 이차 전지는 알루미늄제 각형 캔의 일측 적당한 개소에 배기공이 열리고, 이 배기공은 화성 충전 전에 커버로 폐쇄된 다음, 화성 충전 후에 파단되어 내부 가스를 배기시키고 상기 배기공에 플러그를 삽입하여 용접 밀봉한 구성으로 된다.

상기 배기공의 형태는 특별한 제한을 둘 필요는 없고, 전지의 크기에 따라 다소 증감될 수 있지만 통상은 2㎜ 이내의 크기로 형성한다.

상기 커버는 금속판 또는 호일과 같은 박판을 사용하여 파단하기 용이한 것으로 한다.

상기 커버의 용접은 레이저 용접으로 하는 것이 바람직하다.

상기 배기공은 각형 캔에 에칭이나 혹은 프레싱에 의해 일종의 홈 형태로 형성되어서 쉽게 파단시킬 수 있는 구조로도 실시할 수 있다.

상술한 본 발명의 각형 리튬 이온 이차 전지를 구현하는 제조 방법은 각형 리튬 이온 이차 전지의 각형 캔에 배기공을 형성하는 제1 단계(100)와,

함께 권취된 정극, 부극, 세퍼레이터를 구비한 전극군을 캔의 내부에 수납하고 캔과 캡 어셈블리를 용접 조립하는 제2 단계(200)와,

상기 조립된 전지를 화성 충전 시키는 제3 단계(300)와,

화성 충전 후에 세정실에서 금속 박판을 파단시켜 전지 내의 가스와 내압을 제거하는 제4 단계(400)와,

상기 파단된 구멍에 플러그를 삽입하고 저항 용접하여 밀폐시키는 제5 단계로 진행된다.

상기와 같은 본 발명에 따르면 화성 충전 공정에서 각형 캔의 내부에 발생된 가스를 외부로 방출시키고 밀봉할 수 있음에 따라 전지의 두께 증가가 발생하지 않아 박형의 각형 리튬 이온 이차 전지를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용된 각형 리튬 이온 이차 전지의 배기장치에 관한 일 실시 예를 도시한 사시도.

도 2a는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선에 따른 단면도.

도 2b는 본 발명의 커버가 파단된 후 재밀폐 방식을 도시한 단면도.

도 3은 본 발명의 방법에 의한 배기 방법을 설명하는 공정도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도 2에 대응하여 도시한 단면도.

도 5는 종래 각형 리튬 이온 이차 전지의 전체 구성을 도시하는 측단면도.

* 도면의 간단한 설명 *

2: 전극군 4: 캔

6: 캡 플레이트 18: 캡 어셈블리

20: 커버 22: 배기공

24: 플러그 26: 홈

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 또한, 이 실시 예에서 도 5를 참조한 종래 기술의 구조와 동일한 부분은 설명의 중복을 피하기 위하여 동일 부호로 표시하고 있다.

본 발명에 관련된 각형 리튬 이온 이차 전지는 도 1의 도시와 같이 알루미늄제 각형 캔(4)으로 이루어지고, 그 상방은 같은 재질로 된 캡 플레이트(6)에 의해 밀폐된 구조를 갖추고 있다.

상기 캡 플레이트(6)에는 종래와 마찬가지로 전해액을 주입하기 위한 주입구(6a)가 설치되어 있고, 그 중앙부에는 절연판(8)을 개재하여 단자 플레이트(10)가 부착되어 있으며, 또한 단자 플레이트(10)의 중앙에는 인출단자(14)가 체결되어 있다.

한편, 상기 각형 캔(4)의 측방 소정 개소에는 커버(20)가 부착되어 있다.

이 실시 예에서 상기 커버(20)는 실제에 있어서 각형 캔(4)의 측방 소정 개소에 용접에 의존하여 부착되는 금속판 또는 호일과 같은 박판재이다. 여기서 상기 커버(20)의 용접은 레이저 용접을 채용하는 것이 바람직하다.

도 2a를 참조하면, 상기 커버(20)는 실질적으로 각형 캔(4)에 열려진 배기공(22)을 폐쇄시켜 주고 있다. 이 배기공(22)은 화성 충전 시에 각형 캔(4)의 내부에서 발생하는 가스를 외부로 배출시키기 위하여 마련되는 것이며, 이러한 배기는 화성 충전 공정에서 상기 커버(20)를 각형 캔(4)으로부터 분리시키는 것으로 행해지게 된다.

상기 배기공(22)은 그 형태에 구애받지 않는 것이고, 다만 전지의 크기에 따라 변동될 수 있으나 직경 2㎜ 이내로 형성하여 두는 것이 좋다. 커버(20)가 분리되어 개방된 각형 캔(4)의 배기공(22)은 최종적으로 도 2b의 도시와 같이 플러그(24)에 의해 폐쇄된다. 플러그(24)는 상기 배기공(22)의 크기보다 약간 큰 것이면 족하고, 이것은 저항 용접되어 상기 각형 캔(4)과 일체로 되는 것이다.

다음에 상술한 구성의 본 발명 전지를 제조하는 방법을 공정 순에 따라 도 3을 참조하여 설명한다.

제1 공정(100)에서 각형 캔(4)에 배기공(22)을 뚫고 상기 배기공(22)에 금속판 또는 호일과 같은 박판재의 커버(20)를 부착하여 레이저 용접으로 일체화시킨다.

다음에 상기 제1 공정(100)을 거친 각형 캔(4)의 내부에는 제2 공정(200)에서 전극군(2)이 수납된 후에 캡 플레이트(6)를 피복하고 용접하여 일체화된다. 여기서 상기 캡 플레이트(6)의 중앙에 위치하는 인출단자(14; 도 5 참조)와 전극군(2) 사이는 리본전극 등을 통해 도전 가능하게 접속된다. 이렇게 내부에 전극군(2)을 수용하고 난 후 전해액이 주입공(6a)을 통해 주입되고 이 주입공(6a)은 저항 용접으로 밀봉된다.

제 3공정(300)에서 상기 전해액이 주입된 각형 캔(4)은 전지로서의 기능을 갖기 위해 전기 에너지를 전기 화학적 에너지로 바꾸는 화성 충전을 거친다. 이 때의 화성 충전으로 상기 각형 캔(4)은 내부의 반응 가스 생성으로 인해 팽창된다.

제4 공정은 통상의 드라이 실에서 행해진다. 여기서 팽창된 각형 캔(4)의 커버(20)가 물리적 힘으로 파단되어 열리고, 이 때문에 상기 각형 캔(4)에 충만된 반응가스는 배기공(22)을 통해 드라이실 내부로 배기되어 각형 캔(4)의 두께는 축소된다.

내부 가스가 배출된 각형 캔(4)은 제5 공정(500)으로 보내져서 상기 배기공(22)이 폐쇄된다. 배기공(22)의 폐쇄는 플러그(24)를 삽입하고 저항 용접시켜 행해진다.

상술한 실시 예는 배기공(22)이 별도의 커버(20)에 의해 피복 밀폐된 구성으로 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 도 4에서 도시한 바와 같이 각형 캔(4)의 소정 개소에 프레싱(pressing) 또는 에칭(etching)의 방법으로 배기공(22)에 해당하는 홈(26)이 형성되게 하여 외부에서 쉽게 파단시킬 수 있도록 하는 구조로도 실시할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 화성 충전 공정에서 각형 캡의 내부에 가스가 충만하는 것에 기인하여 나타나는 각형 캔의 두께 증가에 있어서, 상기 각형 캔의 소정 부위에 형성된 배기공을 커버로 밀폐시켜서 화성 충전을 행하고, 충전 후에 이를 파단시켜 내부의 가스가 배기되게 하고, 이를 다시 밀봉하는 것으로 상기 각형 캡의 두께 증대 문제를 해결하는 것이므로 박형의 리튬 이온 2차전지를 제공할 수 있는 것이다.

Claims (5)

1. 각형 캔의 내부에 정극 및 부극을 포함하는 전극군을 수납하고, 그 각형 캔의 개구에 캡 플레이트를 용접하며, 상기 캡 플레이트에 형성된 주입구를 통해 전해액 주입후 상기 주입구를 밀봉하여 얻어지는 각형 이차전지에 있어서, 각형 캔에 관통 형성된 배기공과, 그 배기공에 삽입 및 밀봉되는 플러그를 포함하고; 상기 배기공은 화성 충전 전에 커버로 폐쇄되고 화성 충전 후에 파단되어 내부 가스를 배기시키며, 상기 플러그는 내부 가스의 배기후 삽입, 밀봉된 것임을 포함하는 각형 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 커버는 박판으로 된 것임을 특징으로 하는 각형 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 배기공을 캡 플레이트에 형성한 것임을 특징으로 하는 각형 이차 전지.
4. 각형 캔에 배기공을 형성하고 이를 커버로 밀봉시키는 제1 단계와,

   정극, 부극, 세퍼레이터를 함께 권취하여 형성한 전극군을 상기 각형 캔의 내부에 수납하고, 그 각형 캔의 개구에 캡 플레이트를 용접한 후 전해액을 주입한 다음 그 전해액 주입구를 밀봉하는 제2 단계와,

   상기 조립된 각형 캔을 화성 공정에서 충·방전 시키는 제3 단계와,

   화성 공정 후에 드라이 실에서 금속 박판을 파단시켜 전지 내의 가스와 내압을 제거하는 제4 단계와,

   상기 파단된 구멍에 플러그를 삽입하고 용접하여 밀폐시키는 제5 단계를 포함하는 각형 이차전지의 제조방법.
5. 각형 캔에 에칭 혹은 프레싱 방법으로 홈을 형성하는 제1 단계와,

   정극, 부극, 세퍼레이터를 함께 권취하여 형성한 전극군을 상기 각형 캔의 내부에 수납하고, 그 각형 캔의 개구에 캡 플레이트를 용접한 후 전해액을 주입한 다음 그 전해액 주입구를 밀봉하는 제2 단계와,

   상기 조립된 각형 캔을 화성 공정에서 충·방전 시키는 제3 단계와,

   화성 공정 후에 드라이 실에서 상기 홈을 파단시켜 전지 내의 가스와 내압을 제거하는 제4 단계와,

   상기 파단된 구멍에 플러그를 삽입하고 용접하여 밀폐시키는 제5 단계를 포함하는 각형 이차전지의 제조방법.