KR20050121116A - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 별도의 성형 수지나 조립체 형태로 이루어진 보호회로부와 베어 셀 사이의 접속 단자 용접을 용이하게 할 수 있는 이차 전지에 관한 것으로, 베어 셀 외측에 보호회로부를 결합하여 이루어지는 이차 전지에 있어서, 상기 보호회로부는 별도의 성형 수지나 조립체 형태로 이루어지고, 상기 보호회로부와 상기 베어 셀의 외면 가운데 이들이 서로 결합될 결합면에는 이들을 결합할 수 있는 접속 단자가 형성되어 있으며, 상기 보호회로부에는 용접을 위해 상기 보호회로부와 상기 베어 셀의 접속 단자가 접촉되는 용접 부위를 외부에 드러낼 수 있는 공간이 형성되어 있는 이차 전지를 제공한다.

Description

이차 전지{secondary battery}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 별도의 성형 수지나 조립체 형태로 이루어진 보호회로부와 베어 셀 사이의 접속 단자 용접을 용이하게 할 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.

이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성으로 인하여 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.

이들 이차 전지에서 베어 셀의 대부분은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 통상 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 형성된다. 캔은 철재로 형성될 수 있으나 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성하게 되면 알루미늄의 가벼운 속성으로 전지의 경량화가 이루어질 수 있고, 고전압 하에서 장시간 사용할 때에도 부식되지 않는 등 유리한 점이 있다.

그런데, 전지는 에너지원으로서 많은 에너지를 방출할 가능성을 가지고 있다. 이차전지의 경우, 에너지를 충전된 상태에서 자체에 높은 에너지를 축적하고 있으며, 충전하는 과정에서는 다른 에너지원으로부터 에너지를 공급받아 축적하게 된다. 이런 과정이나 상태에서 내부 단락 등 이차 전지의 이상이 발생하는 경우, 전지 내에 축적된 에너지가 단시간에 방출되면서 발화, 폭발 등의 안전 문제를 일으킬 수 있다.

최근에 많이 사용되는 리튬계 이차전지는 리튬 자체가 높은 활성을 가지므로 전지 이상 발생시 발화나 폭발의 위험이 크다. 리튬 이온 전지의 경우는 금속 상태의 리튬이 아닌 이온 상태의 리튬만 존재하므로 금속 리튬을 사용하는 전지에 비해 안전성이 향상되었다. 그러나 여전히 전지에 사용되는 음극이나 비수성 전해액 등의 재료들은 가연성을 가지는 등의 이유로 전지 이상 발생시 발화나 폭발의 위험성이 크다.

따라서, 이차 전지에는 충전된 상태에서 또는 충전하는 과정에서 전지 자체의 이상으로 인한 발화나 폭발을 막기 위해 여러 가지 안전 장치가 구비된다. 안전 장치들은 통상 리드 플레이트(lead plate)로 불리는 도체구조에 의해 베어 셀의 양극 단자 및 음극 단자와 연결된다. 이들 안전 장치는 전지의 고온 상승이나, 과도한 충방전 등으로 전지의 전압이 급상승하는 등의 경우에 전류를 차단해 전지의 파열, 발화 등 위험을 방지하게 한다. 안전 장치로서 베어 셀에 연결되는 것으로는 이상 전류나 전압을 감지하여 전류 흐름을 막는 보호회로, 이상 전류에 의한 과열로 작동하는 PTC(positive temperature coefficient)소자, 바이메탈 등이 있다.

베어 셀과 안전 장치가 결합된 상태의 이차 전지는 별도의 케이스에 수납되어 완성된 외관을 갖춘 이차 전지를 이루게 된다. 또는, 베어 셀과 보호회로 기판 등 안전 장치는 전기적으로 서로 접속된 상태로 그 사이의 간극이 성형 수지에 의해 채워지면서 상호 고정되거나 함께 피복되어 완성된 외관을 갖춘 이차 전지를 이루게 된다.

도 1은 성형 수지에 의해 결합되기 전 단계에 있는 종래의 리튬 이온 팩형 전지의 일례에 대한 개략적 분해 사시도이며, 도 2는 성형 수지에 의해 결합된 상태의 종래의 리튬 이온 팩형 전지를 나타내는 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 팩형 전지에서 베어 셀의 전극 단자(130, 111)가 형성된 면에 나란히 보호회로 기판(30)이 배치된다. 그리고, 도 2와 같이 베어 셀(100)과 보호 회로 기판과의 간극을 성형 수지로 충전한다. 성형 수지로 충전할 때 성형 수지가 보호회로 기판의 바깥 면까지 덮을 수 있으나 전지의 외부 입출력 단자(31, 32)는 외부로 노출될 수 있도록 한다.

베어 셀(100)에는 보호회로 기판(30)과 대향하는 측면에 양극 단자(111)와, 음극 단자(130)가 형성되어 있다. 양극 단자(111)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 캡 플레이트(110) 자체이거나 캡 플레이트 상에 결합된 니켈 함유 금속 판이 될 수 있다. 음극 단자(130)는 캡 플레이트 상에 돌기 모양으로 돌출된 단자이며, 주위에 개재된 절연체 가스켓에 의해서 캡 플레이트(110)와 전기적으로 격리된다.

보호회로 기판(30)은 수지로 이루어진 판넬에 회로가 형성되어 이루어지고, 외측 표면에 외부 입출력 단자(31, 32) 등이 형성되어 있다. 상기 기판(30)은 베어 셀(100)의 대향 면(캡 플레이트 면)과 거의 같은 크기와 모양을 가진다.

보호회로 기판(30)에서 외부 입출력 단자(31, 32)가 형성된 이면, 즉, 내측면에는 회로부(35) 및 접속 단자(36, 37)가 구비된다. 회로부(35)에는 충방전 시에 있어서, 과충전, 과방전으로부터 전지를 보호하기 위한 보호회로 등이 형성되어 있다. 회로부(35)와 각각의 외부 입출력 단자(31, 32)는 보호회로 기판(30)을 통과하는 도전 구조에 의해 전기 접속되어 있다.

베어 셀(100)과 보호회로 기판(30) 사이에는 접속 리드(41, 42) 및 절연 플레이트(43) 등이 배치되어 있다. 접속 리드(41, 42)는 통상 니켈로 이루어지고 캡 플레이트(110) 및 보호회로 기판(30)의 접속 단자(36, 37)와의 전기 접속을 위해 형성되며 'L'자형 구조 또는 평면적 구조로 이루어진다. 접속 리드(41, 42)와 각 단자(36, 37)의 접속을 위해서는 저항 스폿 용접이 사용될 수 있다. 본 예에서는 보호회로 기판과 음극 단자 사이에 있는 접속 리드(42)에는 브레이커(breaker) 등이 별도로 형성된 경우를 나타내고 있다. 이 경우, 보호회로 기판의 회로부(35)에는 브레이커는 제외된다. 절연 플레이트(43)는 음극 단자(130)와 접속되는 접속 리드(42)와, 양극이 되는 캡 플레이트 사이를 절연하기 위해서 설치된다.

그런데, 이상에서 도시된 바와 같이 베어 셀(100)과 보호회로 기판(30) 기타 전지 부속을 성형 수지를 이용하여 팩형 전지로 형성할 때, 팩형 전지 상태에서 보호회로 기판(30) 등 전지 부속을 베어 셀(100)에 고정적으로 결합시키는 성형 수지부(20)는 캡 플레이트(110)나 캔과 같이 금속으로 이루어지는 베어 셀(100)과 재질이 다르고, 접해있는 면적도 크지 않아 부착 강도가 약하다는 문제가 있다.

또한, 성형 수지를 베어 셀과 보호회로 기판 사이에 부어 넣고, 굳히기 위해서는 틀을 사용해야 하고, 사용 후 틀을 벗기는 작업을 해야 하므로 번거롭다. 수지를 부어 넣을 때 보호회로 기판과 베어 셀 사이에 수지가 고르게 채워지지 않을 수 있고, 특히, 보강 구조가 복잡하게 형성되면 보호회로와 베어 셀 사이에 성형 수지를 고르게 채우는 것이 보다 어렵게 된다.

따라서 본 발명은 상술한 종래 팩형 이차 전지의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보호회로부를 별도의 성형 수지나 조립체 형태로 형성하고, 상기 보호회로부와 베어 셀을 전기적, 기계적으로 접속시키기 위해 용접을 함에 있어서 용접을 보다 쉽고 빠르게 할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 베어 셀과 보호회로부가 결합되어 이루어지는 이차 전지에 있어서,

상기 보호회로부는 별도의 성형 수지나 조립체 형태로 이루어지고,

상기 보호회로부와 상기 베어 셀의 외면 가운데 이들이 서로 결합될 결합면에는 이들을 결합할 수 있는 접속 단자가 형성되어 있으며,

상기 보호회로부에는 용접을 위해 상기 보호회로부와 상기 베어 셀의 접속 단자가 접촉되는 용접 부위를 외부에 드러낼 수 있는 공간이 형성되어 있음을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 공간은 보호회로부의 성형 수지나 조립체의 하면에 형성되는 홈이 될 수 있으며, 상기 홈은 일 방향 또는 양방향으로 상기 접속 단자를 노출시킬 수 있다.

본 발명에서, 상기 접속 단자는 상기 보호회로부와 상기 베어 셀의 상기 결합면에 형성되는 리드 플레이트로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 접속 단자는 상기 보호회로부 및 상기 베어 셀의 상기 결합면에 형성되는 암형 수용부와 수형 삽입부로 이루어져, 예를 들면 똑딱단추 모양으로 서로 끼울 수 있게 구성될 수 있다.

상기 접속 단자인 똑딱단추나 리드 플레이트를 서로 끼우거나 겹쳐 접촉시킨 뒤 용접을 통해 이들을 전기적, 기계적으로 결합시킬 때, 본 발명에 따른 홈에 의해 외부로 용접 부위가 드러나므로 이 홈 부분을 통해 레이저 빔을 조사하는 방법 등으로 용접을 쉽고 빠르게 할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따르는 실시예들의 보호회로부와 베어 셀의 상부 구조를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 보호회로부와 베어 셀의 접속 단자가 용접으로 체결된 상태에서의 외형을 개략적으로 나타내는 결합 상태의 정면도이다.

도 3, 및 도 4를 참조하면, 이차 전지는 보호회로부(20)와 베어 셀(100)을 포함하여 이루어진다. 보호회로부(20)는 보호회로 기판(21)과 바이메탈(23)이 전기 단자로 접속되어 직렬로 연결되고, 이들이 연결된 상태에서 이들을 감싸도록 성형 수지(24)가 몰딩됨으로써 이루어진다. 본 발명과 같이 몰딩 방법으로 보호회로부(20)를 형성하는 경우에는 보호회로부(20)는 베어 셀(100)을 포함하는 이차 전지 전체에 비해 훨씬 작은 크기이므로 주형 생산 관리와 다량 몰딩 작업이 용이해진다. 또한, 종래와 같이 보호회로 기판과 베어 셀 사이에 성형 수지를 주입하는 경우에 비해 캡 플레이트(110)의 안전변(미도시)을 고려해야 할 제약이 없어진다. 성형 수지 부착 강도를 높이기 위한 부품들의 변형 구조나 여러 가지 부품으로 인해 보호회로 기판과 베어 셀 사이의 성형 수지가 고르게 채워지지 않는 문제가 없어진다.

본 실시예에서는 보호회로부(20)는 성형 수지 몰딩을 이용하거나 경우에 따라서는 수지 및 금속 부품을 이용하여 보호회로 기판(21)과 바이메탈(23) 등을 포함하도록 결합시킨 조립체로 이루어질 수 있다.

보호회로 기판(21)과 바이메탈(23) 사이의 직렬 연결에 참여하지 않는 보호회로 기판의 일 단자와 바이메탈의 일 단자는 각각 보호회로부(20)의 하면에서 보호회로부의 접속 단자로 사용되는 리드 플레이트(25) 둘 가운데 하나 또는 음극 연결부(26)와 연결되어 있다. 따라서, 보호회로 기판(21) 단자와 연결된 리드 플레이트(25)는 전기적 결합부의 역할도 하게 된다.

보호회로부(20)와 베어 셀(100)의 접속 단자로는 리드 플레이트(25, 50)를 사용할 수 있다. 도 3에 나타낸 실시예에서 종래의 리튬 이온 팩형 전지와는 달리 보호회로부(20)와 베어 셀(100)이 성형 수지 몰딩에 의해 결합되는 것이 아니고, 먼저 안전 장치인 보호회로 등의 성형 수지(24)에 의해 보호회로부로 형성된 뒤 베어 셀(100)과 결합한다. 본 실시예에서는 보호회로부(20)와 베어 셀(100) 사이의 결합을 위해 양측의 리드 플레이트(25, 50)를 겹쳐 용접하면서 용접을 용이하게 하기 위해 성형 수지(24) 몰드에 베어 셀(100)과 보호회로부(20)의 결합 상태에서도 리드 플레이트(25, 50) 거의 전부를 잘 드러내는 홈(141) 구조를 채용하고 있다. 이런 홈 구조를 통해 리드 플레이트(25, 50)의 재질에 따라 적합한 용접 방법을 빠르고 쉽게 시도할 수 있다. 예를 들면, 용접 방법으로 레이저 용접뿐만 아니라 저항 용접도 시도할 수 있다. 다만, 이런 실시예에서는 보호회로부(20)와 베어 셀(100) 사이의 리드 플레이트(25, 50)용접이 이들 결합의 기계적 강도를 유지해야 한다. 따라서 접촉 저항을 용접 저항으로 바꿔 저항을 줄이기 위한 한 점에서의 스폿 용접은 적합하지 않고, 더 많은 부분에서 더 깊은 심도로 용접점(143)이 이루어지며, 리드 플레이트도 기계적 강도를 가질 수 있는 두꺼운 것을 사용할 필요가 있다. 또한, 용접의 기계적 강도를 높인다는 측면에서 본 실시예의 접속 단자를 드러내는 홈은 전지의 두 대향면을 잇는 것으로 접속 단자의 리드 플레이트 양쪽을 외부에 드러나게 하여 양쪽에서 모두 접속 단자 용접을 가능하게 하는 것이 바람직하다.

보호회로부(20)에서 바이메탈(23)의 일 전기 단자가 연결된 음극 연결부(26)는 아래로 볼록한 판스프링으로 되어 베어 셀(100)과 보호회로부(20)의 접속 단자(25, 50)가 용접된 상태에서는 판스프링이 베어 셀(100)의 음극 단자(130)에 닿아 변형되면서 음극 단자(130)에 넓게 접촉된 상태를 유지하게 된다.

도 3 및 도 4와 같은 보호회로부의 홈(141)을 성형 수지(24)로 형성하기 위해서는 보호회로부를 몰딩하는 단계에서 몰딩 틀을 홈을 가지도록 형성할 필요가 있다. 홈(141)은 정면쪽으로만 형성하거나 정면과 후면 모두에서 형성할 수 있다.

성형 수지 대신 수지 부품을 조립하여 사용하는 경우, 수지 부품 가운데 보호회로부 하부를 구성하는 수지 부품에 홈이 형성되도록 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에서 베어 셀(100)의 접속 단자인 암형 수용부(70)에 보호회로부(20)의 접속 단자인 수형 삽입부가 체결된 상태에서의 외형을 개략적으로 나타내는 결합 상태의 정면도이다. 도 5는 도 3의 실시예와 달리 보호회로부의 수형 삽입부가 베어 셀의 암형 수용부(70)와 기계적으로 체결된 후에 이 체결부에 용접을 실시하여 기계적 결합 외에도 용접에 의해 안정적인 전기 접속이 이루어질 수 있다. 성형 수지(24)에는 레이저 빔을 조사할 수 있는 홈(241)이 형성되어 있다. 상기 홈(241)을 통해 레이저 빔을 일정 시간 조사하면 암형 수용부(70)의 외면이 부분적으로 녹으면서 그 내측면에 접촉되어 있는 수형 삽입부의 외면도 열전도에 의해 녹여 점용접(253)이 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 보호회로와 바이메탈 등의 안전장치를 포함하는 보호회로부를 별도의 성형 수지나 조립체 형태로 구성하고, 상기 보호회로부를 베어 셀에 전기적, 기계적으로 접속시키기 위해 용접을 함에 있어서 보호회로부에 형성되어 있는 홈으로 인해 보다 쉽고 빠르게 용접을 실시할 수 있다. 따라서 용접 불량을 줄일 수 있어 제조 공정 효율이 증가하고, 보호회로부와 베어 셀간의 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.

또한, 종래의 팩형 전지에서 성형 수지를 몰딩하는 가운데 안전변 주변을 보호하는 문제, 수지의 균등한 채워짐의 문제 발생을 원천적으로 제거할 수 있다.

본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 성형 수지에 의해 결합되기 전 단계에 있는 종래의 리튬 이온 팩형 전지의 일 예에 대한 개략적인 분해 사시도.

도 2는 성형 수지에 의해 결합된 상태의 종래의 리튬 이온 팩형 전지를 나타내는 사시도.

도 3은 본 발명에 따르는 실시예들의 보호회로부와 베어 셀의 상부 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에서 보호회로부와 베어 셀의 접속 단자가 용접으로 결합되는 상태에서의 외형을 개략적으로 나타내는 결합 상태의 정면도.

Claims (5)

1. 베어 셀 외측에 보호회로부를 결합하여 이루어지는 이차 전지에 있어서,

   상기 보호회로부는 별도의 성형 수지나 조립체 형태로 이루어지고,

   상기 보호회로부와 상기 베어 셀의 외면 가운데 이들이 서로 결합될 결합면에는 이들을 결합할 수 있는 접속 단자가 형성되어 있으며,

   상기 보호회로부에는 용접을 위해 상기 보호회로부와 상기 베어 셀의 접속 단자가 접촉되는 용접 부위를 외부에 드러낼 수 있는 공간이 형성되어 있음을 특징으로 하는 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 공간은 보호회로부의 성형 수지나 조립체의 하면에 형성된 홈임을 특징으로 하는 이차 전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 홈은 일 방향 또는 양 방향으로 상기 접속 단자를 노출시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 접속 단자는 상기 보호회로부와 상기 베어 셀의 상기 결합면에 형성되는 리드 플레이트로 이루어짐을 특징으로 하는 이차 전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 접속 단자는 상기 보호회로부 및 상기 베어 셀의 상기 결합면에 형성되는 수형 삽입부와 암형 수용부로 이루어짐을 특징으로 하는 이차 전지.