KR20040037578A

KR20040037578A - 각형리튬이차전지

Info

Publication number: KR20040037578A
Application number: KR1020020066125A
Authority: KR
Inventors: 나재호; 도경부
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-07
Also published as: KR100436714B1

Abstract

각형리튬이차전지를 개시한다. 본 발명은 양극판과, 음극판과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터가 젤리-롤형으로 와인딩된 전지부;와, 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;과, 캔의 상부에 결합되며, 전해액주입공이 형성된 캡플레이트와, 캡플레이트에 형성된 단자통공을 통하여 설치되며 그 외면에 캡플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극단자를 가지는 캡조립체;와, 전지부상에 설치되며, 전해액주입공을 통하여 유입되는 전해액이 전지부내로 유동하도록 경사면을 제공하는 절연케이스;를 포함하는 것으로서, 전지부의 상부에 안착되는 절연케이스에 소정각도 경사진 구배부가 형성됨으로서, 전해액주입공을 통하여 주입되는 전해액이 경사면을 따라서 유동하는 것이 가능함에 따라 절연케이스의 표면에 전해액이 잔류하는 현상을 미연에 방지할 수가 있다.

Description

각형리튬이차전지{Prismatic type lithium secondary battery}

본 발명은 각형리튬이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캔의 내부에 수용되어서 캡어셈블리와 전지부를 상호 절연시키는 절연케이스의 구조가 개선된 각형리튬이차전지에 관한 것이다.

통상적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 칭하는 것으로서, 셀룰라폰, 노트북컴퓨터, 캠코더등의 첨단전자기기분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-수소전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속하게 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬이차전지는 주로 양극활물질로 리튬계산화물, 음극활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체전해질전지와, 고분자전해질전지로 분류되며, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 또한, 리튬이차전지는 여러가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다

도 1을 참조하면, 종래의 각형리튬이차전지(10)는 캔(11)과, 상기 캔(11)의 내부에 수용되는 전지부(12)와, 상기 캔(11)에 결합되는 캡조립체(100)를 포함한다.

상기 캔(11)은 그 내부가 중공인 금속재로 된 각형의 케이스이며, 상기 전지부(12)는 양극판(13)과, 세퍼레이터(14)와, 음극판(15)이 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 권취되어 있으며, 상기 양극 및 음극판(13)(15)으로부터 양극 및 음극리드(16)(17)가 각각 인출되어 있다.

상기 캡조립체(100)는 상기 캔(11)의 상부에 결합되는 캡플레이트(110)와, 상기 캡플레이트(110)에 가스켓(120)을 매개로 하여 삽입되는 음극단자(130)와, 상기 캡플레이트(110)의 아랫면에 설치되는 절연플레이트(140)와, 상기 절연플레이트(140)의 아랫면에 설치되어 상기 음극단자(130)와 통전되는 단자플레이트(150)를 포함하고 있다. 또한, 상기 캡플레이트(110)에는 캔(11) 내부로 전해액이 주입되는 통로를 제공하는 전해액주입공(111)이 형성되어 있고, 상기 전해액주입공(111)에는 볼(160)이 밀폐가능하도록 결합되어 있다.

이때, 상기 양극리드(16)는 상기 캡플레이트(110)의 저면에 직접적으로 연결되어 있으며, 상기 음극리드(17)는 상기 단자플레이트(150)를 통하여 음극단자(130)와 전기적으로 연결되어 있다.

한편, 상기 캔(11)의 내부에는 상기 전지부(12)의 상부에 위치하며, 상기 전지부(12)와 캡조립체(100)와의 절연을 위한 절연케이스(190)가 설치되어 있다. 상기 절연케이스(190)에는 음극리드(17)가 인출되는 리드공(191)과, 전해액이 유동되는 전해액유입공(192)이 형성되어 있다.

상기와 같은 구조를 가지는 각형리튬이차전지(10)는 상기 캔(11)의 내부에 젤리-롤형의 전지부(12)를 삽입하고, 상기 전지부(12)의 윗면에 절연케이스(190)를안착시킨다. 상기 전지부(12)로부터 인출된 양극리드(16)와, 음극리드(17)는 마련된 캡조립체(100)의 캡플레이트(110)의 저면과, 음극단자(130)에 각각 용접하게 된다. 다음으로, 상기 캔(11)에 대하여 캡조립체(100)를 심용접(seam welding)하고, 전해액주입공(111)을 통하여 전해액을 주입하게 된다. 상기 전해액주입공(111)은 볼(160)로서 밀폐하게 된다.

그런데, 종래의 각형리튬이차전지(10)는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

상기 절연케이스(190)는 상기 전지부(12)의 상부에 안착되어서 그 위치를 설정하고 있는데, 전해액주입공(111)을 통하여 주입되는 전해액은 상기 절연케이스(190에 형성된 전해액유입공(192)을 통하여 상기 전지부(12)로 스며들게 된다. 이때, 상기 절연케이스(190)의 바닥면은 편평한 형상을 가지고 있으므로, 상기 리드공(191)과 전해액유입공(192) 사이의 영역에는 전해액의 일부가 상기 전지부(12)로 스며들지 못하고 잔류하게 된다. 이러한 전해액은 표면장력에 의하여 뭉쳐져서 불안정적인 상태로 존재하게 된다. 또한, 상기 절연케이스(19)의 바닥면이 편평한 형상을 가지고 있으므로, 전해액의 유동흐름속도가 늦어져서 전해액주입공정에 소요되는 시간이 길어진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전지부상에 설치되는 절연케이스의 형상을 변경하여 전해액의 흐름이 원할하게 된 각형리튬이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 각형리튬이차전지를 일부 절제도시한 단면도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각형리튬이차전지를 도시한 분리사시도,

도 3은 도 2의 절연케이스를 도시한 사시도,

도 4는 도 2의 각형리튬이차전지를 일부 절제도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

20...리튬이차전지21...캔

22...전지부23...양극판

24...세퍼레이터25...음극판

26...양극리드27...음극리드

30...절연케이스31...본체부

32...차단부33...평판부

34...제1 구배부35...제2 구배부

36...전해액유입공37...리드공

200...캡조립체210...캡플레이트

211...전해액주입공

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 각형리튬이차전지는,

양극판과, 음극판과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터가 젤리-롤형으로 와인딩된 전지부;

상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;

상기 캔의 상부에 결합되며, 전해액주입공이 형성된 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 형성된 단자통공을 통하여 설치되며 그 외면에 상기 캡플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극단자를 가지는 캡조립체; 및

상기 전지부상에 설치되며, 상기 전해액주입공을 통하여 유입되는 전해액이 전지부내로 유동하도록 경사면을 제공하는 절연케이스;를 포함하는 것을 특징으로 한다

또한, 상기 절연케이스는 평판부와, 상기 평판부로부터 연장되며 상기 전해액주입공과 대향되는 측으로 소정각도 경사지게 설치된 구배부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 구배부는 상기 평판부와의 경계부로부터 상기 전해액주입공이 위치한 부분으로 거리가 증가할수록 두께가 증가한 것을 특징으로 한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 리튬이차전지의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각형리튬이차전지(20)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 리튬이차전지(20)는 캔(21)과, 상기 캔(21)의 내부에수용되는 전지부(22)와, 상기 캔(21)의 상부에 결합되는 캡조립체(200)를 포함한다.

상기 캔(21)은 그 내부에 중공이 형성된 각형의 금속재로서, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 상기 캔(21)의 바닥면에는 이차전지(20)의 이상유무로 내압상승시 다른 부위보다 먼저 파단되는 안전변(29)이 설치되어 있다. 상기 안전변(29)은 상기 캔(21) 저면에 형성된 통공을 커버하도록 상기 캔(21)의 두께보다 얇은 박판형의 플레이트이다.

상기 캔(21)의 내부에 수용되는 전지부(22)는 양극판(23)과, 음극판(25)과, 세퍼레이터(24)를 포함하고 있다. 상기 양극 및 음극판(23)(25)과, 세퍼레이터(24)는 각각 한장의 스트립으로 이루어져 있고, 양극판(23), 세퍼레이터(24), 음극판(25), 세퍼레이터(24) 순으로 배치되어서 젤리-롤형으로 권취되어 있다. 상기 세퍼레이터(24)는 상기 양극 및 음극판(23)(25)의 절연을 위하여 복수개 배치되어 있다.

상기 양극판(23)은 박판의 알루미늄호일로 된 양극집전체와, 그 양면에 리튬계산화물을 주성무으로 하는 양극활물질이 코팅되어 있다. 상기 양극판(23)으로부터는 양극집전체의 전극무지부(electrode uncoated area)인 양극활물질층이 코팅되지 않은 영역에 양극리드(26)가 용접되어 있다. 상기 양극리드(23)의 일부는 상기 전지부(22)의 상방으로 인출되어 있다.

상기 음극판(25)은 박판의 구리호일로 된 음극집전체와, 그 양면에 탄소재를 주성분으로 하는 음극활물질층이 코팅되어 있다. 상기 음극판(25)으로부터도 음극집전체의 전극무지부에 음극리드(27)가 용접되어 있다.

이때, 상기 양극 및 음극리드(26)(27)는 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 양극 및 음극리드(26)(27)가 전지부(21)로부터 인출되는 부분에는 극판(23)(25)간의 단락을 방지하기 위하여 절연테이프(28)가 감싸져 있다.

상기 세퍼레이터(24)는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 복합필름으로 이루어져 있다. 상기 세퍼레이터(24)는 상기 양극판(23)과, 음극판(25)보다 폭을 넓게 형성하는 것이 극판(23)(25)의 단락을 방지하는데 유리하다고 할 것이다.

상기 양극 및 음극리드(26)(27)의 인출부분에는 극판(23)(25)간의 단락을 방지하기 위하여 절연테이프(28)가 감싸져 있다.

상기 캔(21)의 상부에 결합되는 캡조립체(200)에는 캡플레이트(210)가 마련되어 있다. 상기 캡플레이트(210)는 상기 캔(21)의 입구와 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 금속재이다. 상기 캡플레이트(210)의 중앙에는 소정크기의 단자통공(212)이 형성되어 있다. 캡플레이트(210)의 중앙에는 소정크기의 단자통공(212)이 형성되어 있다. 상기 캡플레이트(210)의 일측에는 전해액주입공(211)이 형성되어 있다. 상기 전해액주입공(211)에는 볼(260)이 밀폐가능하게 결합되어 있다.

상기 단자통공(21)에는 하나의 전극단자, 예컨대 음극단자(230)가 삽입가능하도록 위치하고 있다. 상기 음극단자(230)의 외면에는 이와 캡플레이트(210)와의 절연을 위하여 튜브형태의 가스켓(220)이 설치되어 있다. 상기 캡플레이트(210)의 아랫면에는 절연플레이트(240)가 설치되어 있다. 상기 절연플레이트(240)의 아랫면에는 단자플레이트(250)가 설치되어 있다.

상기 음극단자(230)는 가스켓(220)이 외주면을 감싼 상태에서 상기 단자통공(212)을 통하여 삽입되어 있다. 상기 음극단자(230)의 저면부는 캔(21)과 캡플레이트(210)가 결합되는 캡플레이트(210)의 아랫방향으로 노출되어서 상기 절연플레이트(240)와, 단자플레이트(250)가 개재된 상태에서 상기 캡플레이트(210)에 대하여 그 위치가 고정된다. 상기 음극단자(230)의 저면부는 단자플레이트(250)와 전기적으로 연결되어 있다.

여기서, 상기 전지부(22)의 상부에는 상기 전지부(22)와 캡조립체(200)의 전기적 절연을 위함과 동시에, 전해액주입공(211)을 통하여 주입되는 전해액의 유동경로를 제공하는 절연케이스(30)가 설치되어 있다. 상기 절연케이스(30)는 절연성을 가지는 소재인 고분자수지이며, 폴리프로필렌으로 된 것이 바람직하다.

도 3은 도 2의 절연케이스(30)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 절연케이스(30)는 전체적인 외형이 상기 캔(21)의 중공으로 삽입가능한 형상이며, 캔(21)의 내벽에 억지끼워맞춤가능한 크기를 가지고 있다. 또한, 상기 절연케이스(30)의 외면은 상기 캔(21)의 내벽에 밀폐가능하게 접촉되어 있다.

상기 절연케이스(30)는 본체부(31)와, 상기 본체부(31)로부터 수직방향으로 연장된 차단부(32)를 포함하고 있다.

상기 본체부(31)는 소정 두께의 평판부(33)와, 상기 평판부(33)로부터 일측으로 연장되는 제1 구배부(34)와, 상기 평판부(33)로부터 상기 제1 구배부(34)의 반대방향으로 연장되는 제2 구배부(35)로 이루어져 있다. 상기 평판부(33)와, 제1및 제2 구배부(34)(35)는 실질적으로 일체형이다. 이러한 본체부(31)의 외면은 중공이 형성된 캔(21)의 내벽에 밀착가능하다.

상기 제1 구배부(34)는 상기 평판부(33)의 일 변으로부터 소정각도 경사지게 형성되어 있다. 즉, 상기 제1 구배부(34)는 상기 평판부(33)와의 경계부에서 최저 두께를 가지며, 거리가 증가할수록 점차적으로 두께가 증가하게 되어서, 최외곽에서 최고 두께를 가진다. 상기 제2 구배부(35)도 상기 평판부(33)의 타변으로부터 소정각도 경사지게 형성되고, 거리가 증가할수록 두께가 증가한다. 상기 제1 및 제2 구배부(34)(35)는 방향만 반대일뿐 동일한 형상을 가지고 있다. 이러한 두께에 대한 최대한계치는 추후 전해액공정시 주입되는 전해액이 원할하게 유동할 수 있는 각도라면 무방하다고 할 것이다.

이러한 제1 및 제2 구배부(34)(35)에는 적어도 하나 이상의 소정크기의 전해액유입공(36)이 형성되어 있다. 상기 전해액유입공(36)은 상기 제1 및 제2 구배부(34)(35)의 두께방향으로 따라 이를 관통하여 형성되어 있다. 이에 따라, 주입되는 전해액이 상기 전해액유입공(36)을 경유하여 유동하는 것이 가능하다.

상기 평판부(33)에는 중앙에 리드공(37)이 형성되어 있다. 상기 리드공(37)에는 상기 전지부(22)로부터 인출된 음극리드(27)가 상부로 돌출될 수 있는 통로를 제공한다. 상기 리드공(37)이 형성된 평판부(33)의 양 가장자리에는 상방으로 소정높이의 차단부(32)가 형성되어 있다. 상기 차단부(32)는 상기 리드공(37)을 통하여 인출된 음극리드(27)가 구부려져서 음극단자(230)와 연결될 때, 음극리드(27)가 캔(21)의 내벽과 접촉되지 않도록 보호해주기 위하여 형성되어 있다.

한편, 상기 제1 및 제2 구배부(34)(35)의 최외곽에는 외면을 따라서 보조차단부(38)가 더 설치될 수가 있다. 상기 보조차단부(38)는 캔(21)의 내벽과의 밀폐성을 강화시키기 위하여 접촉면적을 확장시킨 부분이다.

상기와 같은 구조를 가지는 각형리튬이차전지(20)의 조립과정을 도 4를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조번호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.

먼저, 양극판(23), 세퍼레이터(24), 음극판(25), 세퍼레이터(24) 순으로 배치된 전지부(22)를 젤리-롤형으로 와인딩하게 된다. 와인딩된 전지부(22)는 각형캔(21)에 삽입된다. 상기 전지부(22)의 상부에는 절연케이스(30)가 안착되어 있다. 상기 절연케이스(30)에 형성된 리드공(37)을 통하여 음극리드(27)가 인출되어 있다. 양극리드(26)는 절연케이스(30)의 외벽을 통하여 인출되거나, 전해액유입공(36)을 통하여 인출가능하다.

상기 캔(21)의 상부에는 캡조립체(200)가 공급된다. 상기 캡조립체(200)는 가스켓(220)의 외주면에 개재한 음극단자(230)가 단자통공(212)을 통하여 캡플레이트(210)에 삽입되어 있으며, 캡플레이트(210)의 저면에 절연플레이트(240)와 단자플레이트(250)를 배치한 상태에서 음극단자(230)가 고정되어 있다.

상기 양극리드(26)는 상기 캡플레이트(210)의 저면에 직접적으로 용접되며, 상기 음극리드(27)는 상기 음극단자(230)와 전기적으로 연결되어 있다. 이때, 상기 음극리드(27)는 제약된 공간으로 인하여 접혀져서 음극단자(230)와 접속되는데, 접혀진 부분은 리드공(37)이 형성된 평판부(32)의 가장자리를 따라 형성된 차단부(32) 사이의 공간에 위치하게 되여서 상기 캔(21)의 내벽과 절연이 가능하다.

다음으로, 상기 캔(21)에 대하여 캡플레이트(210)를 심용접하게 된다. 이에 따라, 상기 캔(21)은 양극단자로서 역할을 수행하게 된다.

이어서, 상기 캔(21) 내부에는 전해액을 주입하게 된다.

즉, 상기 캡플레이트(210)의 일측에 형성된 전해액주입공(211)을 진공수단으로 밀폐시켜서 캔(21) 내부의 압력을 대기압보다 낮게 유지시키는 진공공정을 거친다. 다음으로, 상기 전해액주입공(211)을 통하여 적정량의 전해액을 주입하게 된다. 전해액주입이 완료되면, 상기 캔(21)의 전해액주입공(211)을 밀폐한 상태에서 공기를 불어넣어주는 가압공정을 수행하고, 대기를 개방하게 된다.

상기 캔(21)의 내부로 주입된 전해액은 상기 절연케이스(30)의 윗면에 적하된다. 적하된 전해액은 상기 절연케이스(30)의 제1 및 제2 구배부(34)(35)에 형성된 전해액유입공(36)을 통하여 상기 전지부(22)로 스며들게 된다. 이때, 상기 본체부(31)의 표면에 잔류하는 전해액은 상기 제1 및 제2 구배부(34)(35)가 경사져 있으므로, 이를 따라 유동하게 되면서 상기 전해액유입공(36)이나 리드공(37)을 통하여 하방으로 흘러들어간다. 이에 따라, 진공후 가압시 전해액이 전지부(22)로 함습되는 전해액 리드타임이 단축될 수 있다.

전해액 주입공정이 완료되면, 상기 전해액주입공(211)은 볼(260)로서 용접하여 밀폐시키게 된다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 각형리튬이차전지는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 전지부의 상부에 안착되는 절연케이스에 소정각도 경사진 구배부가 형성됨으로서, 전해액주입공을 통하여 주입되는 전해액이 경사면을 따라서 유동하는 것이 가능함에 따라 절연케이스의 표면에 전해액이 잔류하는 현상을 미연에 방지할 수가 있다.

둘째, 절연케이스의 바닥면이 경사진 형상을 가지고 있으므로, 전해액의 유동흐름속도가 빨라져서 전해액주입공정에 소요되는 시간이 단축된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

양극판과, 음극판과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터가 젤리-롤형으로 와인딩된 전지부;

상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;

상기 캔의 상부에 결합되며, 전해액주입공이 형성된 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 형성된 단자통공을 통하여 설치되며 그 외면에 상기 캡플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극단자를 가지는 캡조립체; 및

상기 전지부상에 설치되며, 상기 전해액주입공을 통하여 유입되는 전해액이 전지부내로 유동하도록 경사면을 제공하는 절연케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 각형리튬이차전지.
제1항에 있어서,

상기 절연케이스는 평판부와, 상기 평판부로부터 연장되며 상기 전해액주입공과 대향되는 측으로 소정각도 경사지게 설치된 구배부를 포함하는 것을 특징으로 하는 각형리튬이차전지.
제2항에 있어서,

상기 구배부는 상기 평판부와의 경계부로부터 상기 전해액주입공이 위치한 부분으로 거리가 증가할수록 두께가 증가한 것을 특징으로 하는 각형리튬이차전지.
제2항에 있어서,

상기 구배부는 평판부와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 각형리튬이차전지.
제4항에 있어서,

상기 평판부와 이로부터 일체로 연장된 구배부의 외면은 상기 캔의 내벽에 억지끼워맞춤으로 밀착된 것을 특징으로 하는 각형리튬이차전지.
제2항에 있어서,

상기 구배부에는 상기 전해액주입공을 통하여 유입되는 전해액이 상기 전지부내로 유동할 수 있는 통로를 제공하는 적어도 하나 이상의 전해액유입공이 형성된 것을 특징으로 하는 각형리튬이차전지.
제2항 또는 제6항에 있어서

상기 평판부에는 상기 구배부의 표면을 따라 흘러내리는 전해액이 상기 전지부내로 흘러가도록 리드공이 형성된 것을 특징으로 하는 각형리튬이차전지.
제7항에 있어서,

상기 리드공이 형성된 평판부의 가장자리에는 상기 리드공을 통하여 전지부로부터 인출가능한 전극리드가 상기 캔의 내벽에 접촉되지 않도록 소정높이의 차단부가 형성된 것을 특징으로 하는 각형리튬이차전지.
제1항에 있어서,

상기 절연케이스는 절연성을 가지는 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 각형리튬이차전지.