KR20050037690A - 이차전지 - Google Patents

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Abstract

보호회로와 연결을 위한 리드 플레이트가 구비된 이차전지가 개시된다.
본 발명은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체, 알미늄 함유 금속으로 이루어지며 전극 조립체와 전해액을 수용하는 용기가 되는 캔, 캔의 개방된 상부를 마감하는 캡 조립체 및 보호회로를 포함하여 이루어지는 이차 전지에 있어서, 보호회로와 양극 혹은 음극 사이의 전기 접속을 매개하는 리드 플레이트가 캡 조립체 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 캔의 파손이나 안전변 파손을 줄이고 보호회로에 대한 전기적 충격을 방지하면서 보호회로와 연결된 리드 플레이트를 형성할 수 있다.

Description

이차전지{Secondary battery}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알미늄 함유 캔과 보호회로의 접속 구조를 가지는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성을 가지므로 최근에 많이 개발되고 사용되고 있다. 근래에 개발, 사용되는 대표적 이차 전지로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지 등을 들 수 있다.
이들 이차 전지의 단위 셀(bare cell) 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 알미늄 또는 알미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하여 캡 조립체를 밀봉함으로써 형성된다. 캔을 알미늄 또는 알미늄 합금으로 형성하게 되면 알미늄의 가벼운 속성으로 전지의 경량화가 이루어질 수 있고, 고전압하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 유리한 점이 있다.
이들 이차 전지의 단위 셀에서는 통상적으로 상부에 주위 부분과 절연된 전극 단자가 구비되며, 이 전극 단자가 전극 조립체의 한 전극과 연결되어 전지의 양극 단자 또는 음극 단자를 이루게 된다. 그리고, 캔 자체는 전극 단자와 반대의 극성을 가진다.
밀봉된 이차 전지 단위 셀의 전극 단자는 PTC 소자(positive temperature coefficient), 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호회로 기판(PCM: Protective Circuit Module) 등의 안전장치의 단자와 전기적으로 연결된다. 안전장치들은 양극과 음극에 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과도한 충방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 경우 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지하게 한다.
통상, 리드 플레이트(lead plate)라 불리는 도체구조가 전지의 양극, 음극과 안전장치의 전기 단자를 연결하는 역할을 한다. 리드 플레이트로는 니켈 또는 니켈 합금이나, 니켈이 도금된 스테인레스강이 사용된다.
안전장치와 단위 셀은 전기적으로 연결된 상태로 별도의 팩에 수납되거나, 용융된 수지로 사이 공간이 채워지고 피복되어 팩 전지를 이룬다.
그런데, 니켈로 이루어진 리드 플레이트는 알미늄으로 이루어진 캔의 바닥면과의 용접에 문제가 발생될 수 있다. 즉, 니켈과 알미늄은 니켈의 불용성과, 알미늄의 뛰어난 전도성으로 인하여 초음파 용접이나 저항용접이 매우 곤란하다. 따라서, 캔과 리드 플레이트는 레이저로 용접하게 된다. 그러나, 이러한 레이저 용접은 레이저빔 조사시 대전 현상, 전기 충격을 발생시켜 리드 플레이트를 통해 보호회로에 영향을 줌으로써 안전장치들의 그 신뢰성을 저하시키는 문제를 발생시킬 수 있다.
레이저 용접의 문제를 해결하기 위하여, 미국특허 제5,976,729호에는 알미늄제 캔의 외부 바닥면에 니켈로 이루어진 보조 리드 플레이트를 미리 레이저 용접에 의해 접합시키고, 보호회로와 직결되는 별도의 리드 플레이트를 마련하여 캔의 외부 바닥면에 접합된 리드 플레이트와 저항용접하여 결합시키는 기술이 제시된다.
도1은 종래의 기술의 일 예에 따라 외장 케이스(11)에 장착될 전지 캔(20)과 보호회로(40:41,42)의 연결 상태를 보이기 위한 리튬 이차 전지의 분리 사시도이며, 도2는 종래의 기술의 일 예에 따라 보호회로를 연결하기 전에 전지 캔(20)의 바닥에 보조 리드 플레이트(25)를 용접한 상태를 나타내는 저면도이다.
그런데, 이와 같이 캔(20)의 외부 바닥면에 대해 보조 리드 플레이트(25)를 레이저 용접하는 것은 캔(20)의 두께가 매우 얇기 때문에 그 용접 강도를 정확히 조절하지 않으면 레이저 용접부(27)에서 전해액이 누출되는 문제를 일으킬 수 있다.
또한, 보조 리드 플레이트(25)가 캔(20)에 용접된 상태에서 캔(20)의 바닥면과 틈이 있으면 리드 플레이트(46)와 용접할 때 보조 리드 플레이트(25) 자체에 구멍이 생길 수 있고, 보조 리드 플레이트(25)의 위치가 계산된 위치에서 벗어날 경우, 리드 플레이트(46)가 캔(20)에 직접 용접되면서 종래의 문제점이 재발될 수 있다.
뿐만 아니라, 캔(20)의 저면에 안전변(29)이 구비되어 있을 경우에는 레이저 용접 중에 이 안전변(29)에 열충격을 줄 수 있어 밀봉이 파괴되고 전지 불량으로 인한 공정 수율의 저하를 가져올 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 캔의 파손이나, 안전변이 캔 바닥에 형성된 경우의 안전변의 파손을 줄이면서 동시에 보호회로에 대한 전기적 충격 없이 보호회로에 연결될 수 있는 리드 플레이트를 가지는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 용융된 수지를 이용하여 성형된 팩 전지에서 팩의 비틀림이나 구부림에 의한 변형을 억제할 수 있는 구조를 가지는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체, 알미늄 함유 금속으로 이루어지며 전극 조립체와 전해액을 수용하는 용기가 되는 캔, 캔의 개방된 상부를 마감하는 캡 조립체 및 보호회로를 포함하여 이루어지는 이차 전지에 있어서, 보호회로와 양극 혹은 음극 사이의 전기 접속을 매개하는 리드 플레이트가 상기 캡 조립체 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 리드 플레이트는 니켈 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 리드 플레이트의 두께는 0.05 내지 0.45 mm로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 리드 플레이트는 캡 조립체(대개는 캡 플레이트)의 상면 일측에 레이져 용접으로 결합된다. 이때 레이져 용접은 용접부가 위에서 볼 때 원을 이루는 원형 용접과 직선을 이루는 직선형 용접의 형태로 이루어질 수 있다. 직선형 용접도 한줄 용접, 용접부가 상호 평행한 복수의 선을 형성하는 평행선 용접이 이루어질 수 있으며, 필요에 따라 "ㄱ"자형, "ㄷ"자형 등으로 형성할 수 있다.
캡 조립체 상에 리드 플레이트를 레이져 용접할 때 용접의 심도는 0.15 내지 0.4 mm까지 이루어질 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 단위 셀에 리드 플레이트가 결합된 상태에서의 각형 리튬 이온 전지를 도시한 분리 사시도이다.
도 3을 참조하면, 각형 리튬 이온 전지는 캔(11)과, 이 캔(11)의 내부에 수용되는 전극 조립체(12)와, 캔(11)의 개방된 상단과 결합하여 캔 상단을 밀봉하는 캡 조립체를 구비하여 이루어지는 단위 셀을 가진다.
전극 조립체(12)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 양극(13), 세퍼레이터(14), 음극(15), 세퍼레이터의 적층체를 와형으로 권취하여 형성한다.
양극(13)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예컨대 알미늄 호일로 된 양극 집전체와, 그 양면에 코팅된 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층을 포함하고 있다. 양극(13)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 리드(16)가 전기적으로 연결되어 있다.
음극(15)은 전도성의 금속 박판, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질층을 포함하고 있다. 음극(15)에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 리드(17)가 접속되어 있다.
양극(13) 및 음극(15)과, 양극 및 음극 리드(16,17)는 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 양극 및 음극 리드(16,17)가 전극 조립체(12)로부터 인출되는 경계부에는 두 전극(13,15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 각각 감겨져 있다.
세퍼레이터(14)는 폴리 에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어져 있다. 세퍼레이터(14)는 양극 및 음극(13)(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판간의 단락을 방지하는데 유리하다.
캔(11)은 대략 직육면체의 형상을 가진 알미늄 혹은 알미늄 합금으로 형성된다. 캔(11)의 개방된 상단을 통해 전극 조립체(12)가 수용되어 캔은 전극 조립체 및 전해액의 용기 역할을 하게된다. 캔은 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하나 본 발명에서는 캡 조립체가 양극 단자의 역할을 수행하게 된다.
캡 조립체에는 캔(11)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(110)가 마련되어 있다. 캡 플레이트(110)의 중앙부에는 전극 단자(130)가 통과할 수 있도록 단자용 통공(111)이 형성된다. 캡 플레이트(110)의 중앙부를 관통하는 전극 단자(130) 외측에는 전극 단자(130)와 캡 플레이트(110)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(120)이 설치되어 있다. 캡 플레이트(110) 중앙부, 단자용 통공(111) 근방에는 캡 플레이트(110) 하면에 절연 플레이트(140)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(140)의 아랫면에는 단자 플레이트(150)가 설치되어 있다.
전극 단자(130)는 가스켓(120)이 외주면을 감싼 상태에서 단자용 통공(111)을 통하여 삽입되어 있다. 전극 단자(130)의 저면부는 절연 플레이트(140)를 개재한 상태에서 단자 플레이트(150)와 전기적으로 연결되어 있다.
캡 플레이트(110) 하면에는 양극(13)으로부터 인출된 양극 리드(16)가 용접되어 있으며, 전극 단자(130)의 하단부에는 음극(15)으로부터 인출된 음극 리드(17)가 사행으로 접혀진 상태에서 용접되어 있다.
한편, 전극 조립체(12)의 상면에는 전극 조립체(12)와 캡 조립체와의 전기적 절연을 위하고, 이와 동시에 상기 전극 조립체(12)의 상단부를 커버할 수 있도록 절연 케이스(190)가 설치되어 있다. 절연 케이스(190)는 절연성을 가지는 고분자 수지이며, 폴리 프로필렌으로 된 것이 바람직하다. 절연 케이스(190)의 중앙부에는 음극 리드(17)가 통과할 수 있도록 리드 통공(191)이 형성되고, 다른 측방에는 전해액 통과공(192)이 형성되어 있다. 전해액 통과공은 별도로 형성되지 않을 수 있으며, 양극 리드(16)를 위한 리드 통공이 음극을 위한 중앙의 리드 통공(191) 옆에 형성될 수도 있다.
캡 플레이트(110)의 일측에는 전해액 주입공(112)이 형성되어 있다. 상기 전해액 주입공(112)에는 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입공을 밀폐시키기 위하여 마개(160)가 설치된다. 마개(160)는 알미늄이나 알미늄 함유 금속으로 만든 볼형 모재를 전해액 주입공(112) 위에 놓고 기계적으로 전해액 주입공(112)으로 압입하여 형성한다. 밀봉을 위해 마개(160)는 전해액 주입공(112) 주변에서 캡 플레이트(110)에 용접된다. 용접의 용이성을 위해 통상 마개(160)는 캡 플레이트(110)와 동일한 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
캡 조립체를 캔(11)과 결합시키는 방법으로 캡 플레이트(110) 주변부와 캔(11) 측벽의 용접이 이루어진다. 캡 조립체가 캔(11)에 결합된 후 캔(11)의 개구를 형성하던 캔(11) 측벽의 상단부가 내측으로 절곡되어 캡 플레이트(110) 위로 플랜지 형태를 가질 수 있다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 리드 플레이트의 평면도 및 정면도이며, 도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리드 플레이트의 평면도이다.
도3 내지 도5를 참조하여 설명하면, 캡 플레이트(110) 위에는 대략 'ㄷ'자형 측벽과 마개 부분에 통공을 가지는 저면으로 형성된 리드 플레이트(210)가 마개(160) 주변에 용접된다. 용접은 레이져 용접으로 이루어지며, 도4a에 도시된 바와 같이 몇 개소에 용접부(213)가 원형을 이루도록 하는 원형 용접이 이루어질 수 있다.
도5와 같은 다른 예에서, 원형 용접 대신 용접부(313)가 직선을 이루는 직선형 용접이 이루어질 수 있다. 가령, 이때의 리드 플레이트(310)는 마개 부분에 별도의 통공을 가지지 않고, 마개 부분이 리드 플레이트(310) 저면의 중앙에 오도록 하면서 저면이 두꺼운 부분은 3줄 직선 용접, 얇은 부분은 2줄 직선 용접을 할 수 있다. 직선형 용접도 한줄 용접, 용접부(313)가 상호 평행한 복수의 선을 형성하는 평행선 용접이 이루어질 수 있으며, 필요에 따라 "ㄱ"자형, "ㄷ"자형 등으로 형성할 수 있다.
캡 조립체 상에 리드 플레이트(210,310)를 레이져 용접할 때 용접의 심도는 캡 플레이트의 두께, 재질, 리드 플레이트의 재질에 따라 0.15 내지 0.4 mm까지 이루어질 수 있다.
이후, 전지의 과충방전을 방지하기 위한 보호회로가 장착된 보호회로 기판, 기타 전지 부속이 리드 플레이트가 용접된 상태의 전지에 연결된다. 이때 리드 플레이트는 양극으로 전극 단자는 음극으로 작용한다. 전극 구조와 극성은 실시예에 따라 달라질 수 있다. 보호회로 기판과 전지 부속의 종류와 형태에 따라 이들이 결합된 전지는 별도의 외장체에 수납될 수 있고, 혹은 저온 성형 수지를 이용하여 기판과 캡 플레이트 사이의 공간을 핫 멜트(hot melt) 방식으로 채우거나 전반적인 수지 피복을 입혀 팩 전지로 성형할 수 있다.
본 발명의 리드 플레이트는 니켈, 니켈 합금 혹은 니켈 도금된 스테인레스강 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 리드 플레이트의 두께는 0.05 내지 0.45 mm로 이루어지는 것이 바람직하다. 리드 플레이트의 두께는 캔의 두께와 용접 편의와 관련되며, 두껍게 형성될 경우, 캡 조립체로 밀봉한 전지 캔과 보호회로 기판 사이의 공간을 수지로 채워 형성하는 팩 전지에서 전지를 비틀거나(twisting) 구부릴(bending) 때 지지체로 작용하여 외력에 대한 저항 강도를 높일 수 있으므로 유리한 측면이 있다.
본 발명의 실시예에 따라 리드 플레이트를 원형 용접하거나 직선형 용접하고 저온 성형 수지를 이용하여 핫 멜트(hot melt) 방식으로 팩 전지를 형성하는 경우, 각각의 용접 강도를 시험한 결과를 보면, 원형 용접시 용접 강도가 8kgf/cm2이며, 직선 용접의 경우 12kgf/cm2 으로 직선 용접쪽이 다소 높았으며, 소정의 힘에 대한 변화 거리를 측정하는 구부림(bending) 검사 및 소정의 토오크에 대한 각변위를 측정하는 비틀림(twisting) 검사에서도 직선 용접의 경우가 양호한 것을 확인하였다.
본 발명에 따르면, 캔의 파손이나 안전변 파손을 줄이면서 동시에 보호회로에 대한 전기적 충격 없이 보호회로에 연결될 리드 플레이트를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 팩 전지 형태로 성형될 때 팩의 비틀림이나 구부림에 의한 변형을 억제할 수 있다는 이점을 가진다.
도1은 종래의 기술의 일 예에 따라 외장 케이스에 장착되는 전지 캔과 보호회로의 연결 형태를 나타내는 리튬 이차 전지의 분리 사시도,
도2는 종래의 기술의 일 예에 따라 보호회로를 연결하기 전에 전지 캔의 바닥에 보조 리드 플레이트를 용접한 상태를 나타내는 저면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 전지 단위체에 리드 플레이트가 결합된 상태에서의 캔형 리튬 이차 전지를 도시한 분리 사시도,
도4a 및 도4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 리드 플레이트의 평면도 및 정면도이며,
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리드 플레이트의 평면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11: 외장 케이스 20: 캔
25,210,310: 보조 리드 플레이트 29: 안전변
40(41,42): 보호 회로 46: 리드 플레이트
27,213,313: 용접부

Claims (5)

  1. 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체,
    알미늄 함유 금속으로 이루어지며 상기 전극 조립체와 전해액을 수용하는 용기가 되는 캔,
    상기 캔의 개방된 상부를 마감하는 캡 조립체 및
    보호회로를 구비하여 이루어지는 이차 전지에 있어서,
    상기 보호회로와 상기 양극 혹은 상기 음극 사이의 전기 접속을 매개하는 리드 플레이트가 상기 캡 조립체 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 리드 플레이트는 니켈을 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 리드 플레이트의 두께는 0.05 내지 0.45 mm로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 리드 플레이트는 상기 캡 조립체와 레이져 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 레이져 용접에서 용접의 심도는 0.15 내지 0.4 mm로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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