KR20050121906A - 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군; 상기 횡권축이 평행한 상태로 상기 전극군을 수납하는 케이스; 및, 상기 케이스에 밀폐되면서, 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되는 캡 조립체;를 포함하고, 상기 횡권축과 교차하는 방향으로 상기 전극군의 양 단부에 각각 구비되며, 활물질이 도포되지 않은 극판을 선택적으로 중합(重合)해서 이루어진 무지부;와, 상기 전극 단자에 각각 연결되는 양, 음극용 리드 단자가 상기 무지부 전체에 대해서 고정되어 이루어진다.

Description

이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체{SECONDARY BATTERY AND ELECTRODES ASSEMBLY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세히는 전극 구조를 개선해서 집전 효율을 증가시킨 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 그 용도나 전지 용량을 감안하면, 하나 또는 수 개의 전지 셀을 팩 형태로 포장하여 사용하는 저용량 이차 전지(이하, '소형 전지)와, 전지 셀을 수십 개 모아 사용하는 전지 팩 단위의 모터 구동용 대용량 이차 전지(이하, '대형 전지')로 구분할 수 있다.
이중, 소형 전지는 주로 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자장치의 전원으로 사용되며, 대형 전지는 하이브리드 자동차에서처럼 모터 구동용 전원으로 사용된다.
소형 전지가 하나의 셀로서 구성될 때에는 주로 원통형이나 사각형의 외형을 가지고 형성되는 바, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극 조립체(또는, 젤리롤)를 형성하고, 이를 원통형의 케이스내부에 삽입하여 전지를 구성한다.
그리고, 상기 양, 음극판에는 리드 단자 즉, 전지의 작용시 양, 음극판에서 발생된 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 탭(tap)이 각기 부착되며, 이 도전성 탭은 전극 조립체에 용접 등으로 부착되어 각기 양, 음극판에 발생된 전류를 양, 음극 단자로 유도하게 된다.
이처럼 구성된 소형 전지의 구조를 그대로 대형 전지에 적용하는 경우에는 용량이나 출력면에서 대형전지의 동작 특성을 만족시키지 못하기 때문에, 복수의 탭을 전극 조립체 사이에 부착하여 사용하는 멀티탭 구조가 일본국 공개특허 제2003-7346호에서 제안되었다. 이 이차 전지는 전극 조립체의 일 방향으로 복수의 탭을 형성하고, 이들 탭을 외부 단자와 연결하는 내부 단자와 결합한 구조이다.
이처럼 구성된 이차 전지의 탭들은 집전체와 일체로 형성하거나 별도로 구비되어 집전체에 용접된다. 그런데, 탭들이 집전체의 일부로 구성되는 경우에는 집전체 재료의 소모가 심하므로 대형 전지에서 원하는 출력 특성을 만족시키기 힘들고, 별도의 탭을 구비하는 경우에는 많은 작업 공수가 수요되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해소하는 하나의 대안으로, 전극군 사이에 판 모양의 권회 심을 개재하고, 무지부를 선택적으로 이 판들과 접촉시키는 리드 구조가 제안되었다. 이에 따르면, 종래의 탭 구조에 비해서 무지부의 접촉 면적이 증가해서 집전 효율이 좋아지는 효과가 있다.
그러나, 권회 심을 포함해서 전극군이 형성됨으로 전극 자체가 커지는 문제가 있으며, 이로 인해서 작업 공수 및 부품수가 늘어 제조 원가를 높이는 문제를 수반하게 된다. 더욱이, 무지부의 중심 부분에 대해서만 선택적으로 접촉되어 있기 때문에 그렇지 않은 부분과의 관계에서 전류의 이동 통로가 상이해 지고, 이로 인해서 극판이 쉽게 열화되는 문제가 발생한다. 또한, 전지의 수명을 짧게 하는 추가적인 문제 역시 발생하게 된다.
이에, 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결해서, 종래의 탭 구조를 개선해서 집전 효율을 증대한 본 발명의 이차 전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 순간적인 출력을 좋게 해서 하이브리드 전기 자동차와 같이 대형 전지가 요구되는 산업 분야에 적용 가능한 이차전지를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 이차 전지는,
세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군;
상기 횡권축이 평행한 상태로 상기 전극군을 수납하는 케이스; 및,
상기 케이스에 밀폐되면서, 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되는 캡 조립체;를 포함하고,
상기 횡권축과 교차하는 방향으로 상기 전극군의 양 단부에 각각 구비되며, 활물질이 도포되지 않은 극판을 선택적으로 중합(重合)해서 이루어진 무지부;와, 상기 전극 단자에 각각 연결되는 양, 음극용 리드 단자가 상기 무지부 전체에 대해서 고정되어 이루어진다.
이때, 상기 무지부는 상기 횡권축과 교차하는 방향으로 긴 직사각형의 판 모양으로 이루어지며,
상기 리드 단자는 상기 무지부의 장변을 따라 전체에 걸쳐 상기 무지부에 접합된 상태로 고정됨이 바람직하다.
이러한 본 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 상기 전극군이 원통형 젤리롤 형태로 형성해서 이차 전지의 형상이 원통형으로 형성됨이 바람직하며, 이러한 셀 단위의 이차전지가 직렬로 복수 개 연결되어 하이브리드 전기 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle) 또는 전기 자동차(EV: Electric Vehicle)용도로 사용됨이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 발명은 이차 전지용 전극 조립체로,
세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군;
상기 횡권축과 교차하는 방향으로 상기 전극군의 양 단부에 각각 구비되며, 활물질이 도포되지 않은 극판을 선택적으로 중합(重合)해서 이루어진 무지부;
상기 무지부 전체에 대해서 접촉된 상태로 고정되는 양, 음극용 리드 단자:를 포함해서 이루어진다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다. 이를 참조해서 본 발명의 이차 전지를 설명하면 다음과 같다.
본 실시예의 이차전지는 원통형 또는 육면체 형상을 가지며 일부가 개방된 케이스(11)에, 절연 물질인 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극판(23) 및 음극판(22)을 권취해서 형성한 전극 조립체(20)를 삽입하고, 케이스(11)의 개방된 부분을 캡 조립체(30)로 밀봉한 형태로 이루어진다.
먼저, 케이스(11)는 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸 등과 같은 도전성 금속재로 이루어지는데, 그 형상은 상기 전극 조립체(20)가 삽입 안착될 수 있는 개구부(11a)가 형성된 육면체 형상으로 이루어짐이 바람직하나, 이에 한정될 필요는 없다. 도면에서는 육면체 형상을 갖는 각형 케이스에 대해서 예를 들어 도시하였다.
다음으로, 전극 조립체(20)는 양극판(23)과 음극판(22) 사이에 세퍼레이터(21)를 개재하고, 횡권축(O)을 중심으로 돌돌 말아 형성한 전극군(25)과, 상기 횡권축(O)과 교차하는 방향으로 상기 전극군(25)의 양 단부에 형성되는 무지부(22b, 23b)와 선택적으로 연결된 양, 음극용 리드 단자(70, 50)를 포함해서 이루어진다. 이때, 상기 전극 조립체(20)는 횡권축이 수평한 상태로 상기 케이스(11)에 수납된다. 즉, 본 실시예의 전극 조립체(20)는 도면을 기준으로 X축 방향으로 케이스(11)에 수납되는 구조로 이루어지는데, 이 전극 조립체(20)에 대해서는 도면을 달리해서 아래에서 자세히 설명한다.
한편, 도 1에서는 케이스(11)에 각형의 전극 조립체(20)가 위치하는 경우를 예를 들어 도시하였으며, 이하에서도 이를 기준으로 설명하나 본 발명이 이에 한정되고자 함은 아니다.
그리고, 캡 조립체(30)는 케이스(11)의 개구부(11a)에 고정되어서 케이스(11)를 밀봉하는 베이스(301)와, 상기 베이스(301)를 관통해서 캔 내부와 외부에 걸쳐 각각 위치하는 양, 음극용 전극 단자(301a, 301b)가 홈(미도시)을 통해서 상기 케이스(11)의 외부로 돌출되게 각각 고정되어 있다. 이때, 케이스(11)의 외부로 돌출된 전극 단자(301a, 301b)에는 나사산(S)이 형성되어 있으며, 베이스(301)와의 사이에 가스켓(303)을 개재한 상태에서 상기 나사산(S)을 볼트(305) 체결하는 것으로 전극 단자(301a, 301b)는 상기 케이스(11)에 고정된다. 이에 추가해서, 상기 캡 조립체(30)는 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출하는 것으로 전지의 폭발을 방지하는 벤트 부재(미도시)를 더욱 포함해서 구성될 수 있다.
본 실시예의 이차 전지는 이처럼 케이스(11) 밖으로 돌출된 전극 단자(301a, 301b)들을 사용해서 하이브리드 전기 자동차용 전지 모듈을 쉽게 구성할 수 있도록 하는데, 즉 수십 개의 전지들을 극성이 서로 반대되게 서로 엇갈려 일렬로 배열하고, 인접한 전지에 대해서 연결 부재를 통해 직렬 연결하는 것으로 전지 팩을 구성하고, 여기에 열 발생에 따른 냉각을 위한 장치들과, 제어 장치들을 연결해서 전지 모듈을 구성하게 된다.
이처럼 전지 모듈로 구성되는 이차 전지는 수초 내에 에너지를 방출해야 하는 고출력의 전지 동작 특성을 요구하게 되는데, 이를 위해서는 단위 체적당 에너지 밀도를 높여 전류의 집전 효율이 좋아야 함은 물론이다.
이하, 이러한 점에 주목해서 본 실시예를 통해 개시되는 전극 조립체에 대해서 설명한다.
먼저, 도 2 및 도 3을 가지고 전극 조립체의 일부를 구성하는 전극군에 대해서 설명하고, 다음으로 전극군(25)에 양, 음극용 리드 단자를 결합해 이루어진 전극 조립체를 설명한다.
본 실시예에서, 전극군(25)은 양극판(23)과 음극판(22) 사이에 세퍼레이터(21)를 개재하고, 이들을 횡권축(O)을 중심으로 말아서 이루어진다. 이때, 전극군(25)의 양 단부로는 활물질이 도포되지 않은 무지부(23b, 22b)가 횡권축(O)에 대해서 교차하는 방향으로 각각 형성된다.
보다 상세히, 양극 및 음극용 활물질(23a, 22a)을 각각의 집전체(231, 221)에 코팅해서 양극판(23)과 음극판(22)을 구성하고, 이들을 젤리롤(jelly roll) 타입으로 횡권축(O)에 따라 감은 상태에서, 이를 프레스와 같은 장치로 가압해서 각형으로 형성한다(도 3참조). 즉, 양극판(23)과 음극판(22)으로 이루어진 극판 사이에 이들을 절연하는 세퍼레이터(21)가 개재된 상태에서 이들을 감아 원형으로 형성한 전극군(25)을 프레스로 납작하게 가압하는 것으로 각형의 전극군(25)을 형성한다.
이때, 무지부(23b, 22b)는 양극판(23)과, 음극판(22) 각각의 길이 방향 단부, 즉 집전체(231, 221) 가장 자리(도면의 위, 아래)에 위치하고, 상기 세퍼레이터(21)를 사이에 두고 양극과 음극 무지부(23b, 22b)가 서로 엇갈리게 배치된다.
이 상태에서, 무지부(23b, 22b)를 각각 형성하고 있는 극판들을 서로 밀착시켜 판 상으로 형성하고, 이 곳에 양, 음극용 리드 단자(50, 70)를 결합하는 것으로 전극 조립체(20)를 완성한다.
이에 대해서 도 4 내지 도 6을 참조로 설명하면 다음과 같다.
본 실시예의 무지부(23b, 22b)는 전극군(25)의 횡권축(O)에 대해서 교차하는 방향(도면의 Z축 방향)으로 형성되는데, 무지부(23b, 22b)를 형성하는 극판들을 서로 포개어 합친 상태에서 용접 포인트(P)를 따라 저항 용접, 초음파 용접을 선택적으로 사용해서 서로 밀착시켜 이루어진다. 이때, 무지부(23b, 22b) 사이의 고정이 이루어지는 용접 포인트(P)는 무지부(23b, 22b)의 면적에 따라 적정한 수로 선택되는데, 무지부(23b, 22b) 사이에 공극이 발생하지 않도록 하는 범위내에서 선택되어야 한다.
이에 따라, 무지부(23b, 22b)는 전극군(25)의 폭 방향(도면의 X축 방향)보다 극판들이 횡권된 방향(도면의 Z축 방향)으로 더 긴 직사각형의 판 모양으로 이루어지게 된다. 따라서, 전극 단자(301a, 301b)들과 전극군(25)을 상호 연결하는 리드 단자(50, 70)의 접촉 부위를 넓혀, 접촉 저항으로 인해서 집전 효율이 떨어지는 것을 방지할 수가 있다. 이에 추가해서, 극판 사이에서 전류가 집전되는 경로에 차이가 발생하지 않기 때문에 극판간 전위차가 발생하지 않는 장점이 있다.
상술한 바처럼 전극군(25)에 무지부(23b, 22b)를 형성한 상태에서, 캡 조립체(30)의 전극 단자(301a, 301b)와 동일 극성끼리 연결되는 양, 음극용 리드 단자(50, 70)가 무지부(23b, 22b)에 고정된다.
이때, 상기 리드 단자들(50, 70)은 전극군(25)의 횡권축(O)에 대해서 교차하는 방향으로 상기 무지부(23b, 22b)와 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 이에 따라서, 전극 조립체(20)는 횡권축(O)이 수평한 상태로 양 단부에 마련된 무지부(23b, 22b) 상에 리드 단자(50, 70)가 세워진 형상을 갖게 된다(도 6참조).
이때, 상기 리드 단자들(50, 70)은 무지부(23b, 22b) 전체에 대해서 서로 접촉한 상태에서 용접을 통해 전기적으로 연결되게 된다. 이 같은 모습을 위에서 보면 도 5와 같으며, 무지부(23b, 22b)의 한 면을 리드 단자(50, 70)가 덮고 있는 모습으로 이루어진다. 이와 유사하게, 리드 단자(50, 70)가 무지부(23b, 22b)의 양쪽 면을 감싸고 있는 형상으로도 이루어질 수 있음은 물론이다.
이처럼 구성된 본 실시예의 전극 조립체(20)는 케이스(11)에 횡권축(O)이 수평한 상태로 수납된다. 따라서, 상술한 바처럼 전극군(25)의 양 단부로 무지부(23b, 22b)를 배치하고, 이 무지부(23b, 22b)상에 전극군(25)의 횡권축(O)과 교차하게 리드 단자(50, 70)를 연결하게 되면, 케이스(11)와 전극군(25) 사이의 빈 공간을 줄일 수가 있게 되는데, 종래와 비교해서 동일한 크기의 케이스에 대해서 전극군의 단위 체적을 높일 수가 있으므로, 전지의 단위 체적당 에너지 밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
이 상태에서, 케이스(11)의 높이 방향으로 돌출된 전극군(25)의 리드 단자(50, 70)와 동일 극성의 전극 단자가 위치하도록, 캡 조립체(30)를 위치시키고, 상기 리드 단자와 전극 단자가 맞닿은 접합면에 대해서 레이저 용접을 실시해서 전극군과 캡 조립체를 서로 연결한다.
그리고, 캡 조립체(11)를 케이스의 개구부에 결합한 후에, 그 접합면을 따라 레이저 용접하는 것으로 캡 조립체 및 케이스 사이를 밀봉해서 본 실시예의 이차 전지가 완성된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면, 집전판과 전극군 사이의 접촉 면적이 높아져 접촉 저항을 줄임으로, 이에 반해서 집전 효율은 증대시키는 장점이 있다. 또한, 케이스와 전극 사이의 빈 공간을 줄여 단위 체적당 에너지 밀도를 높이는 효과가 있다. 이에 따라, 상술한 문제점을 해결해서 대형 전지가 요구하는 동작 특성을 수용하므로, 하이브리드 전기 자동차용 전지 모듈을 구성하는데 매우 효과적으로 이용할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 권취하기 전의 전극군의 모습을 도시한 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따라 각형으로 형성한 전극군의 모습을 도시한 사시도이다.
도 4는 전극군에 리드 단자가 부착된 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 리드 단자와 무지부와의 연결 관계를 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 실시예에 따른 전극 조립체의 모습을 보여주는 사시도이다.

Claims (11)

  1. 세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군;
    상기 횡권축이 평행한 상태로 상기 전극군을 수납하는 케이스; 및,
    상기 케이스에 밀폐되면서, 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되는 캡 조립체;를 포함하고,
    상기 횡권축과 교차하는 방향으로 상기 전극군의 양 단부에 각각 구비되며, 활물질이 도포되지 않은 극판을 선택적으로 중합(重合)해서 이루어진 무지부;와, 상기 전극 단자에 각각 연결되는 양, 음극용 리드 단자가 상기 무지부 전체에 대해서 고정되어 있는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양, 음극용 리드 단자 중 적어도 어느 하나는 상기 무지부의 양쪽 면을 감싸고 있는 형상으로 고정되어 있는 이차 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 무지부가 상기 횡권축과 교차하는 방향으로 긴 직사각형의 판 모양으로 이루어지는 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 리드 단자가 상기 무지부의 장변을 따라 전체에 걸쳐 상기 무지부에 접합된 상태로 고정되는 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 리드 단자가 상기 횡권축과 교차하는 방향을 따라 상기 무지부에 접합하는 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극군이 각형으로 이루어지는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이차 전지가 EV(Electric Vehicle) 또는 HEV(Hybrid Electric Vehicle)용인 이차 전지.
  8. 세퍼레이터를 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성되는 전극군;
    상기 횡권축과 교차하는 방향으로 상기 전극군의 양 단부에 각각 구비되며, 활물질이 도포되지 않은 극판을 선택적으로 중합(重合)해서 이루어진 무지부;
    상기 무지부 전체에 대해서 접촉된 상태로 고정되는 양, 음극용 리드 단자:를 포함해서 이루어지는 이차 전지용 전극 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 무지부가 상기 횡권축과 교차하는 방향으로 긴 직사각형의 판 모양으로 이루어지는 이차 전지용 전극 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 리드 단자가 상기 무지부의 장변을 따라 전체에 걸쳐 상기 무지부에 접합된 상태로 고정되는 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 리드 단자가 상기 횡권축과 교차하는 방향을 따라 상기 무지부에 접합하는 이차 전지용 전극 조립체.
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