KR20050082424A - 보호회로부가 구비된 일체형 캠 어셈블리 및 그것이구비되어 있는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지 캔의 상단 개구부에 장착되는 탑 캡을 기저판으로 하여 그 위에 탑재되는 보호회로부 등의 캡 조립체를 일체형으로 제작한 캡 어셈블리와, 상기 캡 어셈블리를 사용하여 이차전지를 제조하는 방법, 및 그로부터 제조된 이차전지 등을 제공한다.
본 발명에 따르면, 탑 캡을 기저판으로 하여 보호회로부 등의 캡 조립체를 일체형으로 제조함으로써, 전지의 제조 공정을 간략화시킬 수 있고 제품의 불량 발생을 최소화할 수 있으며, 특히 인서트 사출 성형에 의해 제조된 일체형 캡 어셈블리는 전지본체를 함께 금형에 넣어 제조하는 종래기술과 비교하여 현격한 잇점을 제공한다.

Description

보호회로부가 구비된 일체형 캠 어셈블리 및 그것이 구비되어 있는 이차전지 {Unification Type Cap Assembly Containing Protection Circuit Board And Secondary Battery Comprising the Same}
본 발명은 캡 어셈블리 및 그것을 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지 캔의 상단 개구부에 장착되는 탑 캡을 기저판으로 하여 그 위에 탑재되는 보호회로부 등의 캡 조립체를 일체형으로 제조한 캡 어셈블리, 상기 캡 어셈블리를 사용하여 이차전지를 제조하는 방법, 및 그로부터 제조된 이차전지 등을 제공한다.
충방전이 가능한 이차전지는 일반적으로 외장형(hard pack) 전지와 내장형(inner pack) 전지로 분류된다. 외장형 전지의 대표적인 예가 도 1에 개시되어 있는 바, 도 1을 참조하면, 외장형 전지(10)는 그것이 장착되는 외부기기(12)의 외형 일부를 형성하므로 사용시 외부기기(12)에 장착하기 용이한 장점을 가지지만, 전지본체(도시하지 않음)를 내장한 상태에서 케이스(하우징: 11)를 해당 외부기기의 종류에 맞추어 설계하여야 하므로 상대적으로 고가이고 호환성이 적은 문제점을 가지고 있다.
반면에, 내장형 전지(20)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 외부기기의 내부에 장착한 상태에서 외부기기의 일부를 형성하는 케이스를 덮어 사용하므로, 장착이 상대적으로 번거로운 단점은 있지만, 설계가 용이하고 저렴하며 호환성의 장점을 가지고 있다.
내장형 전지(20)의 더욱 구체적인 내용은 도 3 및 도 4에서 확인할 수 있는 바, 이들 도면을 함께 참조하면, 내장형 전지(20)는, 일측에 예를 들어 양극단자가 마련되어 있고 타측에 음극단자가 형성되어 있는 전지본체(21)와; 전지본체(21)의 두 전극 단자 중 하나와 접속되어 과전류, 과방전 및 과충전으로부터 전지를 일차적으로 보호하는 PTC 소자(22)와; 니켈 플레이트(23)를 통해 PTC 소자(22)측 전극 단자(양극단자 및 음극단자 중의 하나)와 니켈 플레이트(27)를 통해 나머지 전극 단자와 접속되어 전지를 이차적으로 보호하고 외측에는 해당 기기(도시되어 있지 않음)와 접속 가능하도록 외부 입출력 단자가 형성되어 있는 보호회로부(24)와; 전지본체(21), PTC 소자(22) 및 보호회로부(24)를 감싸는 상부 케이스(25) 및 하부 케이스(26)로 이루어져 있다.
전지본체(21)의 측면과 니켈 플레이트(23), 그리고 보호회로부(24)와 니켈 플레이트(27) 사이에는 절연시트(28)가 배치되어 있으므로, 각 니켈 플레이트(23, 27)와 인접한 전지본체(21) 또는 보호회로부(24) 간의 불필요한 접촉으로 단락을 방지하여 준다.
또한, 전지본체(21)와 하부 케이스(26) 사이에는 양면테이프(29)가 배치되어 있어서 전지본체(21)가 하부 케이스(26)의 바닥면에 밀착되게 고정될 수 있게 된다. 따라서, 상부 및 하부 케이스(25, 26) 내에 전지본체(21)가 수용되면 전지본체(21)는 상부 및 하부 케이스(25, 26) 내에 안정되게 고정될 수 있게 된다.
이와 같은 전지를 제조하기 위해서는, 우선 전지 캔(30)의 내부에 전극 조립체를 삽입하고, 캡(31)을 캔(30)의 개구부에 안착시킨 후, 이의 접착면 부위를 레이저 용접 등으로 결합시킨다. 그런 다음, 캔(30)의 내부로 전해액을 주입하게 되는 바, 이러한 전해액 주입은 캡(31)의 일측 부위에 형성된 주입구(32)를 통해 이루어진다.
그러나, 이러한 구조의 이차전지는 몇가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 외부기기의 소형 경박화의 경향에 따라 더욱 작고 가벼운 전지에 대한 수요가 크며, 이는 초정밀 박막 사출에 의한 케이스의 제작을 요구하지만, 기술적으로 용이하지 않고 원가의 상승이 불가피하다.
둘째, PTC 소자, 니켈 플레이트, 보호회로부, 상하부 케이스 등의 장착을 위한 공정수가 많고 조립작업이 까다로우며, 이로 인해 일반적으로 불량률과 제조 비용이 높다.
셋째, 상하부 케이스의 결합은 주로 초음파 용착에 의해 이루어지는데, 그러한 초음파 용착을 위해서는 팩의 두께가 일정한 크기 이상이어야 하므로 전지의 소형 경박화에 장애 요인으로 작용하며, 초음파 용착 과정에서 상하부 케이스의 미세한 유동이 발생하므로 불량의 가능성이 높고 지속적인 관리를 필요로 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 전지본체의 상단에 탑재되는 다수의 부품들(캡 조립체)을 전지본체와 함께 인서트 사출 성형하는 방법이 제시되고 있다. 도 5 내지 7에는 그러한 인서트 사출 성형의 방법의 모식도와 그로부터 제조된 이차전지의 정면도 및 측면도가 각각 도시되어 있다.
도 5 내지 7을 참조하면, 전지(20)의 보호회로부(24)와 전지본체(21)가 상부금형(41)과 하부금형(42)으로 이루어진 금형(40)의 성형공간(43) 내에서 보호회로부(24)측 접속 단자(50)와 전지본체(21)측 리드(51)가 접속된 상태에서 상부금형(41)의 주입구(44)로부터 주입되는 수지 용융물(도시하지 않음)에 의해 일체로 고정됨으로써 전지(20)가 제조된다.
이러한 인서트 사출 성형에 의한 전지(20)의 제조는 별도의 상하부 케이스를 사용하지 않으므로 전지(20)의 크기(특히, 두께)를 작게 만들 수 있다는 장점은 있지만, 캡 조립체(60)를 전지본체(21)와 함께 금형(40) 내에서 성형하므로 많은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 전극 조립체를 수용하는 전지본체(21)와 보호회로부(24)를 금형(40)의 성형공간(43) 내에 함께 위치시켜 회로가 동작하는 상태에서 수지 용융물로 고정하기 때문에, 전지본체(21)와 보호회로부(24)가 일체로 고정되는 과정에서 금형(40)과의 접촉으로 단락을 발생시킬 우려가 매우 높았다. 따라서, 전원이 인가된 회로 상태이므로 출력 단자 측에 전기적 쇼트를 방지하기 위한 코팅(coating)을 해야 하는 불편함이 있다.
둘째, 전지본체(21)와 보호회로부(24)가 금형(40)의 성형공간(43) 내에 가결합된 상태에서 상부금형(41)과 하부금형(42)이 결합되는 과정에 전지본체(21)의 외형 크기에 따라 물리적인 압력이 가해져 변형이 일어나거나 고온 고압의 수지 용융물이 성형공간(43) 내로 주입되는 경우, 수지 용융물이 성형공간(43) 내로 유입되는 과정에서 전지본체(21)와 보호회로부(43)의 위치가 틀어져 불량을 발생시킬 우려가 매우 높다.
셋째, 금형(40) 내에서 전지본체(21)가 고온 상태에 도달하면 전지 특성 변화가 있을 수 있고 폭발의 위험성도 있으며, 금형(40) 내에서 전지본체(21)를 형성하는 전지 캔에 압력이 가해지는 경우 캔과 캡을 용접한 부위에 압력이 가해져 미결합 부분(vent)이 형성될 수 있다.
따라서, 전지본체(21)와 함께 사출함으로 인해 내부 부품의 유동 문제, 수지 성형부와 전지본체(21)의 접착면의 불안정성, 금형(40)에 전지본체(21)를 넣기 위한 전지본체(21)의 치수정밀도 등이 요구되는 등 불안정한 요소들이 상당히 많이 존재한다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 전지 캔의 상단 개구부에 장착되는 탑 캡을 기저판으로 하여 그 위에 탑재되는 보호회로부 등의 캡 조립체들을 일체로 제조함으로써 전지의 제조과정을 매우 용이하게 하고 불량 발생율을 크게 낮출 수 있는 캡 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 캡 어셈블리를 사용하여 간단한 조립 과정에 의해 전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 목적은 이러한 방법으로 제조된 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캡 어셈블리는, 전지 캔의 개구부에 장착되는 탑 캡을 기저판(base plate)로 하여 보호회로부를 포함한 캡 조립체가 상기 기저판에 일체로 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 캡 어셈블리는 전지 캔의 개구부에 장착되는 독립된 부재로서, 탑 캡에 보호회로부, 캡 하우징 등의 캡 조립체가 일체로 탑재되어 있는 것을 특징으로 한다. 따라서, 전지 캔의 내부에 양극/분리막/음극으로 이루어진 전극 조립체를 내장하고 그것의 개구부에 본 발명에 따른 캡 어셈블리를 장착함으로써 전지를 용이하게 제조할 수 있다. 이와 같이, 탑 캡을 기저판으로 하여 그 위에 캡 조립체를 일체화한 독립된 부재는 이제껏 알려져 있지 않은 전혀 신규한 부재이다.
본 발명에서의 상기 캡 조립체는 탑 캡 상에 탑재되어 전지의 상부를 형성하는 부품들을 총체적으로 의미하며, 예를 들어, 전지의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하는 보호회로부, 상기 보호회로부 등의 외면을 덮는 캡 하우징 등을 포함하며, 경우에 따라서는, 전기적 연결을 위한 전극 리드, 전기적 단락을 방지하기 위한 절연부재, PTC 소자, 바이메탈, 퓨즈 등의 안전소자 등을 포함할 수 있다.
탑 캡(기저판)과 캡 조립체의 일체화를 위한 구성은, 체결 방식, 접착 방식, 성형 방식 등 다양할 수 있으며, 특히 바람직하게는 탑 캡과 캡 조립체를 전기적 접속을 이룬 상태로 금형에서 인서트 사출 성형(insert injection molding)하여 결합시킬 수 있다.
구체적으로, 2 개의 전극 단자가 구비된 탑 캡의 일면에 보호회로부가 2 개의 전극 단자와 전기 접속 가능하도록 탑재되어 있는 조립체를 삽입물로 하고 금형내에서 기저판의 다른 일면이 노출되도록 수지 용융물로 상기 삽입물을 인서트 사출 성형하여 일체형 캡 어셈블리를 제조할 수 있다.
이러한 인서트 사출 성형 방식에 의한 캡 어셈블리의 제조는, 보호회로부와 전지가 연결되지 않은 상태에서, 즉, 전원이 인가되지 않은 상태에서 2 개의 전극 단자가 구비된 기저판 상에 보호회로부를 탑재하여 성형함으로써, 일반적으로 사용되는 수지를 이용하여 성형할 수 있고, 전기적으로 안정적이며, 전기적 단락을 방지하기 위한 코팅 공정이 필요치 않고, 보호회로의 전기적 손상의 위험성이 없으며, 또한, 전지본체 없이 보호회로부를 성형함으로써 금형 내에 전지본체를 함께 성형할 때 전지본체에 열, 물리적 압력이 가해짐으로써 발생할 수 있는 전지 안정성 문제를 배제할 수 있고, 전지본체를 금형 내에 삽입함으로써 전지본체의 크기 오차에 의해 발생하는 제품 불량의 발생을 배제할 수 있으며, 전지본체를 금형 내에 삽입하지 아니하므로 금형의 크기를 작게 할 수 있는 등의 장점을 가진다.
인서트 사출 성형 과정에서 탑 캡과 캡 조립체는 용융 수지가 고화되면서 일체형으로 제조되는데, 수지 사출물과의 결합력을 높이기 위해 바람직하게는 일부 용융 수지가 침투할 수 있는 하나 또는 둘 이상의 고정용 홈이 탑 캡에 형성되어 있다. 따라서, 탑 캡의 고정용 홈으로 침투한 용융 수지는 고화된 후 탑 캡과 수지 사출물의 결합력을 높여 준다.
인서트 사출 성형시 가장 주의를 요하는 사항 중의 하나는 캡 조립체, 특히, 보호회로부의 유동성 문제이다. 따라서, 보호회로부와 탑 캡을 금형 내로 삽입하기 전에 이들 상호간의 결합을 이루는 구조가 바람직할 수 있다.
그러한 결합 구조의 예로서, 보호회로부 및/또는 탑 캡에 인서트 사출 성형시 틀어짐의 방지를 위한 하나 또는 둘 이상의 가이드 홈이 형성되어 있고, 상기 가이드 홈에 결합되는 연결부재에 의해 보호회로부와 탑 캡을 결합시키는 구조를 들 수 있다. 상기 연결부재는 독립된 부재일 수도 있고, 또는 상기 가이드 홈에 결합될 수 있도록 탑 캡 또는 보호회로부로부터 돌출되어 있는 구조물일 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 연결부재 중의 하나 또는 둘 모두가 보호회로부와 탑 캡의 전기적 연결을 위한 부재로서 사용될 수도 있다.
본 발명은 또한 상기 캡 어셈블리를 사용하여 이차전지를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전지의 제조방법은,
(a) 내부에 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 전지 캔에 삽입하는 단계;
(b) 상기 캔의 개구부에 상기 일체형 캡 어셈블리를 장착하고 상기 캔과 캡 어셈블리를 결합시키는 단계; 및
(c) 상기 캡 어셈블리에 형성되어 있는 전해액 주입구를 통해 전지 캔의 내부로 전해액을 주입한 후 밀봉하는 단계;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기 단계(b)에서 탑 캡과 캡 어셈블리의 결합 방식은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 체결 방식, 접착 방식, 용접 방식 등이 사용될 수 있다. 상기 체결 방식이란, 전지 캔과 캡 조립체에 각각 체결용 구조(체결구, 체결홈 등)를 형성하고 이들의 체결에 의해 상호 결합을 이루는 것을 의미한다. 이러한 체결 방식에는 크램핑(cramping)에 의한 결합도 포함된다. 상기 접착 방식은 탑 캡과 캡 어셈블리의 접촉 부위에 접착제 개재하거나 그 외면에 용융 수지를 도포하거나, 접착용 테이프 또는 라벨 등을 부착하는 것 등이 포함된다. 상기 용접 방식은 레이저 용접, 납땜 등을 포함하며, 특히 바람직한 결합 방식은 레이저 용접에 의한 달성될 수 있다.
상기 단계(b)에서 상기 캡 조립체를 전지 캔의 개구부에 장착할 때, 일반적으로는 보호회로부가 탑 캡의 상부에 위치하도록 캡 어셈블리를 전지 케이스의 개구부에 장착하지만, 경우에 따라서는 보호회로부가 탑 캡의 하부에 위치하도록 도립된 상태로 장착할 수도 있다. 후자의 경우, 보호회로부는 수지 사출물에 내장되어 있으므로 전해액으로부터 보호될 수 있으며, 캡 어셈블리의 제조과정에서 보호회로부와 전극 조립체의 전기적 연결을 위한 전극 리드가 수지 사출물의 외면에 노출되도록 캡 어셈블리를 제조함으로써, 상기와 같은 구성이 가능해진다. 이러한 다양한 전지 구성 방식들은, 일체형 캡 어셈블리를 사용하여 전지를 제조하는 것이라면, 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 또한 상기 방법으로 제조된 이차전지를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 이차전지의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니며, 전극 조립체의 구성면에서 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있으며, 전지 캔의 형상 면에서 바람직하게는 각형 전지일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도가 도시되어 있고, 도 9에는 결합된 상태에서의 사시도가 도시되어 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 이차전지(100)는 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 전극 조립체(210)가 삽입되는 전지 캔(200), 캔(200)의 상단 개구부에 장착되는 탑 캡(300), 및 탑 캡(300) 상에 탑재되는 캡 조립체(400)로 이루어져 있다.
탑 캡(300)은 알루미늄과 같은 도전성 소재의 판재(310)로 되어 있으며, 전극 조립체(210)의 양극 또는 음극과 연결되고 도전성 판재(310)와 절연되어 있는 돌출형 단자(320), 인서트 사출 성형시 수지 사출물과의 결합력을 높이기 위한 고정용 홈(330), 및 전해액 주입구(340)를 포함하고 있다. 도전성 판재(310)는 전극 조립체(210)의 음극 또는 양극에 연결되어 있는 전지 캔(200)에 결합되었을 때 그 자체로서 전극 단자를 형성한다. 경우에 따라서는 도전성 판재(310) 상에 접합된 Al-Ni로 이루어지는 클래드 판으로 전극 단자를 형성할 수도 있다. 특히, Al-Ni 클래드는 알루미늄으로 된 도전성 판재(310)와 접촉할 때 접착력을 향상시킬 수 있다.
캡 조립체(400)는, 돌출형 단자(320)를 제외하고 탑 캡(300)과 절연시키기 위한 절연부재(410), 과충전 등을 제어하기 위한 보호회로부(420), 탑 캡(300)과 보호회로부(420)를 전기적으로 연결하기 위한 전극 리드(430, 431), 및 보호회로부(420) 등을 안정적으로 감싸기 위한 캡 하우징(440) 등을 포함하고 있다.
보호회로부(PCM: Protection Circuit Module; 420)는 충방전시 과충전, 과방전, 과전류 등으로부터 전지를 보호하고 사이클 수명을 유지/보완하기 위한 보호회로(421)가 기판(422)상에 구비하고 있는 소자이다. 보호회로(421)가 형성되어 있는 기판(422)은 일반적으로 에폭시 복합수지 등으로 이루어져 있다.
기판(422)에는 보호회로(421)가 형성되어 있는 표면의 이면에 외부 입출력 단자(423, 424)가 형성되어 있거나 또는 커넥터(connector)에 연결될 접속코드(cord) 등이 형성되어 있을 수 있다. 보호회로(421)와 각각의 외부 입출력 단자(423, 424)는 기판(422)의 두께 방향으로 개방된 구멍을 통해서 접속된다. 또한, 기판(422)에는 테스트 포인트(test point; 425)가 포함되어 있다.
보호회로부(420)와 탑 캡(300) 상의 전극 단자는 보호회로부(420) 상의 접속 단자 또는 전극 리드(430, 431)를 통해 전기 접속될 수 있다. 대체 부품으로 와이어(wire)를 사용하는 것도 가능하다. 전극 리드(430)의 재료는, 예를 들어, 니켈, Al-Ni 클래드일 수 있으며, 스팟 용접, 레이저 용접 등에 의해 전극 단자(310, 320)에 전기적으로 연결될 수 있다.
캡 하우징(440)에는 보호회로부(430)의 외부 입출력 단자(423, 424)가 노출될 수 있는 창(441, 442)과 테스트 포인트(425)가 노출될 수 있는 홀(443)이 형성되어 있다. 또한, 전지의 조립이 완료된 상태에서 전해액을 주입하기 위해 전해액 주입구(340)와 연통되어 있는 관통구(444)가 형성되어 있고, 전해액의 주입 후 밀봉 캡(450)에 의해 밀봉된다.
본 발명에 따르면, 탑 캡(300)과 캡 조립체(400)가 일체형으로 제조되어 독립된 부재인 캡 어셈블리(500)를 형성한다.
도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 인서트 사출 성형으로 제조된 일체형 캡 어셈블리의 평면도와 그것의 단면도가 함께 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 인서트 사출 성형으로 제조된 캡 어셈블리(500)는 기저판으로서의 탑 캡(300)과 보호회로부(400)가 용융 수지가 고화된 수지 사출물(510)에 의해 결합됨으로써 일체로 제조된다.
탑 캡(300)에는 인서트 사출 성형 과정에서 용융 수지가 침투하여 고화될 수 있는 고정용 홈(330)이 양쪽에 형성되어 있고, 그것의 한쪽에 관통구(444)가 형성되어 있다. 고정용 홈(330)은 하향 테이퍼되어 있거나 또는 도 10에서와 같이 아래쪽의 내경이 큰 형상으로 되어 있어서 전지의 상단에 큰 충격이 가해지더라도 탑 캡(300)이 수지 사출물(510)로부터 분리되는 것을 방지하여 준다. 탑 캡(300)의 중앙에는 돌출형 단자(320)가 형성되어 있으며 탑 캡(300)으로부터 절연되어 있다.
돌출형 단자(320)는 전극 리드(430)에 의해 보호회로부(420)에 전기적으로 연결되며, 전극 리드(430)는 절연부재(410)에 의해 탑 캡(300)으로부터 전기적으로 절연되어 있다. 또한, 도전성의 탑 캡(300)은 그 자체로서 또다른 전극 단자를 형성하므로, 전극 리드(431)에 의해 보호회로부(420)와 전기적으로 연결되어 있다.
보호회로부(420)를 감싸고 있는 수지 사출물(510)은 보호회로부(420)의 외부 입출력 단자와 테스트 포인트가 노출될 수 있도록 그것의 상단에 단자용 창(441, 442)과 테스트 포인트용 홀(443)이 형성되어 있다.
전해액의 주입이 완료된 상태에서 수지 사출물(510)의 관통구(444)는 밀봉 캡(450)에 의해 밀봉된다. 밀봉용 캡(450)은 플라스틱 성형물 또는 고무 등을 재료로 되어 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 전지 본체와 별도로 보호회로부 및 기저판인 탑 캡만을 삽입하여 사출 성형하기 때문에, 저온저압의 수지 용융물 뿐만 아니라 고온고압의 수지 용융물에 의해 성형될 때에도 거의 불량이 발생되지 않는다. 따라서, 보호회로부의 인서트 사출 성형물에 적용되는 수지는 저온 저압의 폴리아미드 수지 뿐만 아니라, 고온고압의 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지 에폭시 수지 등도 가능하며, 나아가 일반 수지까지도 사용 가능하다.
상기와 같이 보호회로부 구비 인서트 사출 성형체의 제조방법은, 인서트 사출을 하는 과정에서 전류가 흐르지 않는 부품들을 사용하기 때문에 기존의 방식에서와 같이 금형의 전기적 절연을 위한 별도의 공정 내지 부재들이 필요치 않게 된다. 또한, 인서트 사출되어 완성되는 부품의 크기가 작기 때문에 기존의 방식에서 전지본체를 금형에 함께 넣어 인서트 사출 시킴으로써 발생하는 불필요한 공간을 줄여 준다.
금형 내에서 상기 보호회로부 구비 조립체를 삽입물로 하여 인서트 사출 성형하는 경우 가장 주의해야 할 사항들 중의 하나는 보호회로부 구비 조립체의 유동, 특히, 보호회로부(420)의 유동 문제이다. 이와 관련하여, 도 11에는 도 10의 선 B-B의 단면도가 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 인서트 사출 성형시 보호회로부(420)의 유동을 막기 위하여, 탑 캡(300), 보호회로부(420) 등이 금형 안에 삽입된 상태에서 보호회로부(420)는 단자용 창의 방향으로 도입되는 제 1 가이드 부재(600)와 수지 주입구 방향으로 도입되는 제 2 가이드 부재(610)에 의해 고정될 수 있다. 제 1 가이드 부재(600)는 보호회로부(420)의 외부 입출력 단자가 노출될 수 있도록 단자용 창(442)의 형성을 돕는 역할도 병행한다. 제 2 가이드 부재(610)의 전단부는 보호회로부(420)의 측단면에 잘 맞물릴 수 있도록 그에 상응하는 형상으로 되어 있다. 따라서, 제 1 가이드 부재(600)와 제 2 가이드 부재(610)의 작용에 의해 보호회로부(420)는 인서트 사출 성형 중에 금형 내에서 정위치에 안정적으로 고정될 수 있다.
도 12에는 도 10의 일체형 캡 어셈블리를 사용하여 전지를 제조하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다. 이러한 제조방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
a 단계: 우선, 기저판으로서의 탑 캡 상에 전극 단자들을 조립하여, 기저판 어셈블리(Base Plate Assembly)를 형성한다. 그러한 기저판 어셈블리의 일면에 양극용 리드, 음극용 리드, 보호회로부 등을 장착하여 보호회로부가 구비된 캡 조립체를 형성한다. 필요한 경우, 부품간의 쇼트를 방지하기 위해 절연부재가 더 구비될 수 있다. 이때 보호회로부, 전극 리드, 절연부재 등의 부품들은 스팟 용접 등에 의해 조립될 수 있다.
b 단계: 상기 보호회로부 구비 캡 조립체를 금형의 성형공간에 삽입하고 탑 캡의 다른 일면이 노출되도록 성형공간 안으로 수지 용융물을 주입함으로써 인서트 사출 성형하여 본 발명에 따른 일체형 캡 어셈블리를 제조한다. 용융 수지가 냉각되면서 탑 캡, 보호회로부, 전극 리드, 절연부재 등의 부품들은 고정되어 전체적으로 일체형의 부재가 만들어진다.
c 단계: 이렇게 완성된 캡 어셈블리는 외부 노출된 탑 캡의 일면을 사용하여 전극 조립체가 그 내부에 장착된 캔의 개구부와 결합된다. 캡 어셈블리와 전지 캔의 결합은 앞서 설명한 바와 같은, 체결 방식, 접착 방식, 용접 방식 등에 의해 달성될 수 있으며, 바람직하게는 레이저 용접에 의해 결합된다.
d 단계: 관통구를 통해 개방되어 있는 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입하고 밀봉용 캡으로 주입구를 막는다.
e 단계: 조립이 완료된 전지는 전지 캔에 직접 후가공을 행한다. 이때 캔에 적용할 수 있는 다양한 코팅방법을 자유롭게 적용할 수 있으며 최종적으로 라벨로 감싼다.
도 13 및 도 14에는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 일체형 캡 어셈블리에서 인서트 사출 성형 전의 보호회로부 구비 캡 조립체들의 사시도가 각각 도시되어 있고, 도 15에는 도 14의 보호회로부 구비 캡 조립체를 인서트 사출 성형하여 제조된 일체형 캡 어셈블리의 선 C-C의 단면도가 도시되어 있다. 이들 보호회로부 구비 조립체는 인서트 사출 성형시 보호회로부의 유동을 방지할 수 있고 경우에 따라서는 보호회로부와 탑 캡의 전기적 연결을 이룰 수 있다는 점에 특징이 있다.
우선, 도 13을 참조하면, 인서트 사출 성형시 금형 내에서 보호회로부(420)의 유동을 막기 위해, 탑 캡(300)의 도전성 판재(310)에는 돌출형의 연결부재(700)가 형성되어 있고, 보호회로부(420)의 기판(422)에는 연결부재(700)가 결합될 수 있는 가이드 홈(800, 810)이 형성되어 있어서, 연결부재(700)와 가이드 홈(800, 810)의 체결에 의해 보호회로 기판(422)은 캡 판재(422)에 고정된다. 연결부재(700)는 캡 판재(310)와 일체로 되어 있으며, 캡 판재(310) 가공시 연결부재(700)가 형성될 수 있도록 제작될 수 있다. 연결부재(700)와 가이드 홈(800, 810)의 체결은 x 방향 및 y 방향으로의 유동을 막고, 금형 상의 가이드 부재(도 11의 600)는 z 방향으로의 유동을 막아서, 인서트 사출 성형시 보호회로부(420)의 유동을 방지하여 준다. 연결부재(700)와 가이드 홈(800, 810)의 구성에 의해 금형 상의 또다른 가이드 부재(도 11의 610)는 필요치 않게 된다.
연결부재(700)의 형상과 가이드 홈(800, 810)의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 가이드 홈(800, 810)은 반드시 관통구의 형상일 필요는 없으며, 도 13에서와 같이, 하나의 가이드 홈(810)은 측면에 형성된 만입 형상일 수도 있다. 즉, 만입 형상의 가이드 홈(810)은 한쪽 방향이 개방되어 있어서 조립공차로 인한 결합의 어려움을 방지할 수 있다.
캡 판재(310) 상에 형성된 두 개의 연결부재(700) 중 하나는 그 자체로서 전극 단자인 캡 판재(310)와 보호회로부(420)의 전기적 연결을 위한 리드 또는 와이어로서 작용할 수 있도록 구성할 수 있으며, 이 경우, 전기적 접속을 위한 별도의 리드 또는 와이어가 필요치 않게 된다. 반면에, 캡 판재(310) 상에 구비된 또다른 전극 단자(320)와 보호회로부(420)의 전기적 연결을 위해서는 리드 또는 와이어(도시하지 않음)가 필요할 수도 있으며, 경우에 따라서는 전극 단자(320)의 돌출 높이를 높게 하여 보호회로부(420)에 직접 접속시킬 수도 있다.
바람직하게는, 보호회로부(420)에 대한 연결부재(700)의 지지 역할을 보다 보강하기 위하여 연결부재(700)와 보호회로부(420)의 접촉 부위에 납땜 등의 공정을 추가로 행할 수도 있다.
다음으로, 도 14 및 도 15를 참조하면, 연결부재(701, 702)는 그 자체가 독립된 부재로서 탑 캡(300)에 체결되며, 두 개의 연결부재(701, 702) 모두 전기적 연결을 위한 리드 또는 와이어의 역할을 수행한다는 점에서 도 13의 연결부재(700)와 차이가 있다. 보호회로부(420)에 대한 연결부재(702)의 전기적 연결을 위해 음극 단자(320)는 연결부재(702) 쪽으로 이동되어 있다. 양극 단자용 연결부재(701)가 도전성 캡 판재(310)에 직접 접속되어 있음에 반하여, 음극 단자(320)와 그것을 위한 연결부재(702)는 절연체(412)에 의해 캡 판재(310)로부터 절연되어 있다.
연결부재(701, 702)는 리벳팅에 의해 캡 판재(310) 상에 결합되고, 보호회로부(420)와 접촉 또는 납땜 등으로 연결되어, 리드 또는 와이어 역할을 대신한다.
연결부재(701, 702)와 가이드 홈(600, 610)의 결합, 및 도 11의 제 1 가이드 부재(700)와 동일한 역할을 가이드 부재(720)의 상호 작용에 의해, 보호회로부(420)는 인서트 사출 성형 과정에서 탑 캡(300) 상에 안정적으로 고정될 수 있다.
도 16 및 17에는 본 발명의 또다른 실시예로서 탑 캡의 상단 외주면을 따라 그루브(groove)가 형성되어 있는 일체형 캡 어셈블리의 사시도 및 수직 단면도가 도시되어 있고, 도 18에는 캡 어셈블리를 전지 캔에 결합시킨 상태에서 상기 측면 그루브에 환형부재를 체결한 상태의 단면도가 도시되어 있다. 또한, 도 19에는 상기 캡 어셈블리를 전지 캔에 결합시키고 환형부재를 체결하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 16 내지 도 19를 참조하면, 본 발명에 따른 일체형 캡 어셈블리에서 탑 캡(300) 상단의 수지 사출물(510)은 그것의 외주면을 따라 만입되어 그루브(900)를 형성하고 있다. 전지 캔(200)과 탑 캡(300)의 결합은 앞서 설명한 바와 같이 바람직하게는 레이저 용접 등으로 달성될 수 있는데, 이 때, 용접시의 열이 전도되어 탑 캡(300)에 인접한 수지 사출물(510)이 일부 용융 또는 변형될 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 용접 폭을 최소화하여야 하는 바, 이는 더욱 정밀한 공정을 필요로 한다. 따라서, 탑 캡(300)의 상단 외주면을 따라 수지 사출물(510)에 그루브(900)를 형성함으로써 열 전도에 따른 문제점을 최소화할 수 있으며, 결합을 위한 가공 부위의 폭을 더욱 크게 하여 제조 공정을 용이하게 할 수 있다.
또한, 일체형 캡 어셈블리(500)에서 전해액 주입구가 위치하는 한쪽 측면은 도 10에서와 같은 관통구(444)를 포함하지 않고 대신 만입되어 있으며, 환형부재(910)에는 상기 만입부(445)에 체결될 수 있는 돌출부(911)를 포함하고 있다. 따라서, 전해액의 주입 후 도 11에서와 같은 별도의 밀봉용 캡(450)을 사용하지 않고, 환형부재(910)를 캡 어셈블리(500)의 측면 그루브(900)와 만입부(445)에 체결함으로써, 전해액 주입구의 밀봉을 달성할 수 있다.
도 20에는 본 발명에 따른 이차전지의 하나의 실시예에 따른 형상이 도시되어 있다.
도 20의 이차전지(100)는 전지 캔(200)의 하단부에 하방 돌출부(201)가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이차전지(100)는 앞서 설명한 바와 같이 외장형과 내장형으로 분류될 수 있으며, 본 발명에 따른 전지는 특히 내장형 전지에 바람직하다. 따라서, 전지 캔(200)의 하방 돌출부(201)는 휴대폰, PDA 등의 기기(1000)에 장착된 전지를 탈리시키는 작업을 더욱 용이하게 해 준다. 그러한 돌출부(201)는 전지 캔(200)의 하단 뿐만 아니라 측면에도 형성될 수 있으며, 전지의 탈리를 용이하게 도와 줄 수 있는 위치 및 형상이라면 특별히 제한되지 않는다.
이상, 다양한 실시예들을 참조하여 본 발명을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 일체형 캡 어셈블리와 그것을 사용한 이차전지의 제조방법은, 탑 캡을 기저판으로 하여 보호회로부 등의 캡 조립체들을 일체형으로 제조함으로써, 전지의 제조 공정을 간략화시킬 수 있고 제품의 불량 발생을 최소화할 수 있다. 또한, 인서트 사출 성형에 의해 제조된 일체형 캡 어셈블리는 전지본체를 함께 금형에 넣어 제조하는 종래기술과 비교하여 현격한 잇점을 제공하는 바, 이와 같이 탑 캡과 캡 조립체를 일체화하여 하나의 독립된 부재로 제조하는 방법은 전혀 신규한 것이다.
도 1은 외장형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 종래기술에 따른 내장형 이차전지의 모식도이다;
도 3은 도 2의 이차전지의 일부 결합 상태도이다;
도 4는 도 2의 이차전지의 분해 사시도이다;
도 5는 종래기술에 따른 인서트 사출 성형 과정의 단면 모식도이다;
도 6 및 도 7은 도 5의 인서트 사출 성형으로 제조된 이차전지의 정면도 및 측면도이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도이다;
도 9는 도 8의 이차전지의 결합된 상태에서의 사시도이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 인서트 사출 성형으로 제조된 일체형 캡 어셈블리의 평면도와 선 A-A의 단면도이다;
도 11은 도 10의 선 B-B의 단면도이다;
도 12는 도 10의 일체형 캡 어셈블리를 사용하여 전지를 제조하는 과정이 모식도이다;
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 캡 어셈블리에서 인서트 사출 성형 전의 보호회로부 구비 캡 조립체의 사시도이다;
도 14는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 일체형 캡 어셈블리에서 인서트 사출 성형 전의 보호회로부 구비 캡 조립체의 사시도이다;
도 15는 도 14의 보호회로부 구비 캡 조립체를 인서트 사출 성형하여 제조된 일체형 캡 어셈블리의 선 C-C의 단면도이다;
도 16은 본 발명의 또다른 실시예로서 탑 캡의 상단 외주면을 따라 그루브(groove)가 형성되어 있는 일체형 캡 어셈블리의 사시도이다;
도 17은 도 16의 수직 단면도이다;
도 18은 도 16에서 캡 어셈블리를 전지 캔에 결합시킨 상태에서 측면 그루브에 환형부재를 체결한 상태의 단면도이다;
도 19는 도 16의 캡 어셈블리를 전지 캔에 결합시키고 환형부재를 체결하는 과정이 모식도이다;
도 20은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 사시도와 부분 확대 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 이차전지 200: 전지 캔
300: 탑 캡 400: 캡 조립체
500: 캡 어셈블리 600: 가이드 부재
700: 연결부재 800: 가이드 홈
900: 그루브 1000: 외부기기

Claims (22)

  1. 전지 캔의 개구부에 장착되는 탑 캡을 기저판(base plate)로 하여 보호회로부를 포함한 캡 조립체가 상기 기저판에 일체로 형성되어 있는 것으로 캡 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 캡 조립체는, 전지의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하는 보호회로부, 및 상기 보호회로부 등의 외면을 감싸는 캡 하우징을 포함하며, 선택적으로, 전기적 연결을 위한 전극 리드, 전기적 단락을 방지하기 위한 절연부재 및/또는 안전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 일체형 캡 어셈블리는 2 개의 전극 단자가 구비된 탑 캡의 일면에 보호회로부가 2 개의 전극 단자와 전기 접속 가능하도록 탑재되어 있는 조립체를 삽입물로 하고 금형내에서 기저판의 다른 일면이 노출되도록 수지 용융물로 상기 삽입물을 인서트 사출 성형하여 제조되는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 인서트 사출 성형 과정에서 일부 용융 수지가 침투할 수 있도록 하나 또는 둘 이상의 고정용 홈이 탑 캡에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 보호회로부와 탑 캡을 금형 내로 삽입하기 전에 이들 상호간의 결합을 이루는 구조인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서, 보호회로부 및/또는 탑 캡에 인서트 사출 성형시 틀어짐의 방지를 위한 하나 또는 둘 이상의 가이드 홈이 형성되어 있고, 상기 가이드 홈에 결합되는 연결부재에 의해 보호회로부와 탑 캡을 결합시키는 구조로 되어있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 연결부재는 독립된 부재이거나, 또는 상기 가이드 홈에 결합될 수 있도록 탑 캡 또는 보호회로부로부터 돌출되어 있는 구조물인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 연결부재 중의 하나 또는 두 개가 보호회로부와 탑 캡의 전기적 연결을 위한 부재로서 사용되는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  9. 제 6 항에 있어서, 탑 캡의 도전성 판재에는 돌출형의 연결부재가 일체로 형성되어 있고, 보호회로부의 기판에는 상기 연결부재가 결합될 수 있는 가이드 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서, 하나의 가이드 홈은 관통구의 형상으로 되어 있고, 기타 가이드 홈은 측면이 개방된 만입 형상으로 되어 있어서 조립공차로 인한 결합의 어려움을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 연결부재는 독립된 도전성 부재로서, 하나의 연결부재는 전극 단자(음극 또는 양극 단자)에 전기적으로 접속된 상태에서 탑 캡에 장착되고 다른 연결부재는 반대 전극 단자(양극 또는 음극 단자)에 전기적으로 접속된 상태에서 탑 캡에 장착되는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 연결부재는 리벳팅에 의해 탑 캡에 장착되는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 연결부재와 보호회로부의 접촉 부위에 납땜 공정을 추가로 행하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  14. 제 1 항에 있어서, 탑 캡 상단의 수지 사출물은 그것의 외주면을 따라 만입되어 그루브를 형성하고 있고, 전지 조립 후 상기 그루브에 환형부재가 결합되는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  15. 제 14 항에 있어서, 캡 어셈블리의 전해액 주입구가 위치하는 한쪽 측면은 만입되어 있고, 상기 환형부재에는 상기 만입부에 체결될 수 있는 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  16. (a) 내부에 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 전지 캔에 삽입하는 단계;
    (b) 상기 캔의 개구부에 상기 일체형 캡 어셈블리를 장착하고 상기 캔과 캡 어셈블리를 결합시키는 단계; 및
    (c) 상기 캡 어셈블리에 형성되어 있는 전해액 주입구를 통해 전지 캔의 내부로 전해액을 주입한 후 밀봉하는 단계;
    를 포함하는 것으로 구성된 이차전지의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 단계(b)에서 탑 캡과 캡 어셈블리의 결합 방식은 체결 방식, 접착 방식 또는 용접 방식인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 결합 방식은 레이저 용접에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 단계(b)에서 상기 캡 조립체를 전지 캔의 개구부에 장착할 때, 상기 보호회로부가 탑 캡의 상부에 위치하도록 캡 어셈블리를 전지 케이스의 개구부에 장착하거나, 또는 상기 보호회로부가 탑 캡의 하부에 위치하도록 장착하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  20. 제 16 항에 있어서, 인서트 사출 성형시 보호회로부의 유동을 막기 위하여, 탑 캡, 보호회로부 등이 금형 안에 삽입된 상태에서 보호회로부는 단자용 창의 방향으로 도입되는 제 1 가이드 부재와 수지 주입구 방향으로 도입되는 제 2 가이드 부재에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  21. 제 16 항에 따른 방법으로 제조된 이차전지.
  22. 제 21 항에 있어서, 외부기기에 장착된 전지의 탈리가 용이할 수 있도록, 전지 캔의 하단부에는 하방 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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