KR20060022357A - 전극 조립체 및 이의 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집전 효율을 개선한 이차 전지에 관한 것으로, 격리판을 사이에 두고 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 및, 상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되어 있는 캡 플레이트;를 포함하고, 상기 전극 조립체의 횡권축 방향 양 단부로 무지부가 형성되고, 상기 무지부에는 상기 전극 단자가 삽입 안착되는 결합부를 구비한다.

이차 전지, 절개, 결합부, 삽입, 전극 단자

Description

전극 조립체 및 이의 이차 전지{ELECTRODE AND SECONDARY BATTERY THEREOF}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 이차 전지의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 전극 조립체의 모습을 보여주는 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무지부의 정면 모습을 도시한 정면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무지부의 평면 모습을 도시한 평면도이다.

도 5는 다른 형태의 결합부를 갖는 무지부의 정면 모습을 도시한 정면도이다.

도 6은 전극 단자가 전극 조립체에 결합되는 관계를 보여주는 부분 사시도이다.

도 7은 무지부에 전극 단자가 삽입 안착된 조립 관계를 보여주는 부분 접합단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세히는 전극 조립체를 개선해서 집전 효율을 향상시킨 이차 전지 및 그 전극 조립체에 관한 것이다.

이차 전지는 그 용도나 전지 용량을 감안하면, 하나 또는 수 개의 전지 셀을 사용하는 저용량 이차 전지(이하, '소형 전지)와, 전지 셀을 수십 개 모아 사용하는 팩(pack) 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 HEV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터와 같은 곳에서 모터 구동용 전원으로 사용된다.

소형 전지가 하나의 셀로서 구성될 때에는 주로 원통형이나 각형의 외형을 가지고 형성되는 바, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 격리판(separator)을 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극 조립체를 형성하고, 이를 원통형의 케이스 내부에 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 제안되었으며, 나아가서는 판 상의 플레이트를 탭으로 사용하는 이차 전지가 제안되었다.

이 같은 구성을 갖는 이차 전지는 그 형상이 원통형 또는 직육면체와 같은 각형으로 이루어지고, 복수(약, 40개 전후)의 이차 전지들을 모아 전지 모듈로 구성하게 된다.

한편, 대용량 고출력이 요구되는 전지 모듈용 이차 전지의 동작 특성을 감안하면, 단위 체적당 에너지 밀도가 높게 각 이차 전지들을 구성해야 함은 물론, 그 집전 성능 역시 고려해야 한다. 이를 해결하는 하나의 방법이 전극 조립체와 전지 단자와의 연결 구조를 개선하는 것으로써, 이 사이의 접촉 저항을 최대한 줄이는 것으로 이차 전지의 집전 효율을 향상시킬 수가 있다.

본 발명은 이 같은 배경에서 개발된 것으로, 전극 조립체와 단자 사이의 접촉 저항을 최대로 줄여 집전 효율을 향상시킨 본 발명을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서 제공하는 이차 전지는,

격리판을 사이에 두고 횡권축을 중심으로 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취하고, 이를 각진 모습으로 형성하는 전극 조립체;

상기 횡권축이 평행한 상태로 상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 및,

상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되어 있는 캡 플레이트;를 포함하고,

상기 전극 조립체의 횡권축 방향 양 단부로 무지부가 형성되고, 상기 무지부에는 상기 전극 단자가 삽입 안착되는 결합부를 구비한다.

본 발명에서, 상기 결합부는 무지부의 장축을 따라서 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 결합부는 슬릿(slit) 모양으로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

이때, 상기 결합부는 무지부의 외주면에서 중심에 이르는 부분에만 선택적으로 형성될 수도 있고, 상기 무지부의 장축에 걸쳐 형성될 수도 있다.

본 발명에서, 상기 전극 단자는 상기 무지부 바로 위로 위치하고, 여기서 상기 전극 단자가 아래로 연장되어 상기 결합부에 삽입 고정된다.

또한 본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 이차 전지용 전극 조립체는,

격리판을 사이에 두고 양극판과 음극판을 교대로 권취해서 형성되는 이차 전지용 전극 조립체에 있어서,

상기 전극 조립체의 횡권축 방향 양 단부로 활물질이 도포되지 않은 무지부가 형성되고, 상기 무지부에는 전극 단자가 삽입 안착되는 결합부를 구비하는 형태로 이루어진다.

이러한 본 실시예에서 제공하는 이차 전지는, 복수의 이차 전지들을 서로 연결해서 팩(pack) 단위로 구성되는 전지 모듈로 구성됨이 바람직하다. 이때, 서로 연결된 복수의 이차 전지는 동작 및 온도를 제어 관리하는 BMS(battery management system)에 연결된 상태에서 하우징에 담겨 포장된다.

그리고, 본 발명의 이차 전지(또는, 전지 모듈)는 HEV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용 하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다

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 일 실시예에 따라 그 형상을 각형으로 해서 구성된 이차 전지를 도시한 사시도이다. 이를 참조해서 본 실시예의 이차 전지를 설명하면 다음과 같다.

본 실시예의 이차 전지는 세로(도면의 X 축 방향)로 긴 육면체 형상을 가지며 일부가 개방된 케이스(11)에, 절연 물질인 격리판(21)을 사이에 두고 양극판(22) 및 음극판(23)을 권취해서 형성한 각형의 전극 조립체(25)를 삽입하고, 케이스(11)의 개방된 부분을 캡 플레이트(30)로 밀봉한 형태로 이루어진다.

케이스(11)는 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸 등과 같은 도전성 금속재로 이루어지는데, 그 형상은 각형의 전극 조립체(25)가 삽입 안착될 수 있는 개구부가 형성된 육면체 형상으로 이루어진다. 도면에서는 케이스(11)에 캡 플레이트(30)가 조립된 예를 도시해서 개구부가 도시되지 않았지만, 캡 플레이트(30)의 둘레(11a) 부분이 실질적으로 개방된 부분이다.

다음으로, 전극 조립체(25)는 양극판(22)과 음극판(23) 사이에 격리판(21)를 개재하고, 횡권축(O)을 중심으로 말아서 젤리롤 형태로 형성한 다음에, 이를 프레스와 같은 가압 수단으로 프레싱해서 각형으로 형성하게 된다. 이 같은 방식으로 형성된 각형 전극 조립체(25)가 도 2에 도시되어 있다.

본 실시예에 따른 전극 조립체(25)는 양극판(22)과 음극판(22)을 격리판(21)을 사이에 두고 서로 포개어 권취할 때, 서로 대향하는 방향으로 각각 양, 음극의 무지부(22b, 23b)가 나오도록 서로 포갠 상태에서 이들을 권취해서 전극 조립체(25)를 형성한다. 여기서, 무지부(22b, 23b)는 활물질을 도포하지 않아 극판용 집전체가 그대로 드러난 영역을 말한다.

이에 따라, 도 2에서 예시하고 있는 전극 조립체(25)처럼 양 단부로 각각 양, 음극용 무지부(23b, 22b)가 위치하게 된다.

이처럼 형성된 전극 조립체(25)의 무지부(22b, 23b)에는 전극 단자가 삽입 안착되는 결합부(50)가 형성되어 있다.

첨부한 도면 도 3 및 도 5는 무지부의 정면 모습을 도시한 것이고, 도 4는 도 3에 따른 전극 조립체의 평면 모습을 도시한 것이다.

도시된 바처럼, 본 실시예의 결합부(50)는 얇고 긴 슬릿(slit) 모양의 긴 홈으로 형성되어 있다. 이때, 결합부(50)는 무지부의 장변(L)을 따라 형성되는 것이 바람직하다. 실질적으로, 전극 조립체(25)는 세워진 상태로 케이스(11)에 수납되기 때문에, 이처럼 결합부(5)를 무지부의 장변을 따라 길게 형성하면 전극 단자(60, 70)와 무지부(22b, 23b)와의 접촉 영역을 확대하면서도, 무지부(22b, 23b) 위로 전극 단자(60, 70)를 배치해서 둘 사이의 체결도 쉽게 할 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 3에서는 결합부(50)가 무지부(22b, 23b)의 외주면(C)에서 중심(O)에 이르는 모양으로 형성된 경우를 예시하였으나, 도 5에서와 같이 무지부(22b, 23b)의 장축(L)을 따라서 상, 하 연통되는 형태로 형성될 수도 있다. 이처럼 형성하면, 전극 단자(60, 70)와 무지부(22b, 23b)의 접촉 면적을 최대한 확대함으로써, 둘 사이의 접촉 저항을 최대로 줄이는 장점이 있다.

그리고, 본 실시예의 결합부(50)는 도 4에서처럼 무지부의 너비(W)보다 작게 형성됨이 바람직하다. 이보다 크게 되면, 양극판 및 음극판이 전극 단자를 매개로 연결됨으로 숏트가 발생한다.

도 1로 돌아가서, 캡 플레이트(30)는 상기 케이스의 개구부에 형합(形合)하는 형상으로 만들어지며, 양, 음극용 전극 단자(60, 70)를 구비한다. 상기 양, 음극용 전극 단자(60, 70)는 후술하는 전극 조립체(25)의 결합부(50)에 각각 연결되어 이차 전지의 양극 및 음극 단자를 형성하게 된다.

이 양, 음극용 전극 단자(60, 70)는 캡 플레이트에 형성된 홈(미도시)을 통해서 상기 케이스(11)의 외부로 돌출되게 각각 고정되어 있다. 이때, 케이스(11)의 외부로 돌출된 전극 단자(60, 70)에는 나사산(S)이 형성되어 있으며, 캡 플레이트와의 사이에 가스켓(G)을 개재한 상태에서 상기 나사산(S)을 따라 볼트(B) 체결하는 것으로 전극 단자(60, 70)는 상기 케이스(11)에 고정된다.

이에 추가해서, 상기 캡 플레이트(30)는 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출하는 것으로 전지의 폭발을 방지하는 벤트부(40)를 더 포함할 수도 있다.

이하, 도 6 내지 도 7을 참조해서 전극 조립체와 전극 단자가 결합되는 관계를 설명한다.

도 6 및 도 7에서, 전극 단자(60, 70)가 볼트 결합되는 것으로 캡플레이트 (30)에 고정되는 실시예를 설명하나 본 발명이 이로써 한정되고자 함은 아니다.

도 6은 캡플레이트를 사이에 두고, 전극 조립체와 전극 단자가 결합되는 모습을 보여주는 부분 사시도이고, 도 7은 이의 결합 단면도이다.

이를 참조하면, 전극 단자(60, 70)는 상술한 바처럼 캡 플레이트(30)에 형성된 홀(h) 볼트 결합되는 것으로 캡 플레이트(30) 편에 고정이 되고, 상기 전극 단자(60, 70) 또는 홀(h)의 바로 아래로는 전극 조립체(25)의 무지부(22b, 23b)가 위치하도록 전극 조립체(25)가 배치된다.

이에 따라, 상기 전극 단자(60, 70)의 아래 방향으로 길게 연장 형성되어 있는 접촉부(60a)가 무지부(22b, 23b)의 결합부(50)에 삽압 안착이 된다. 이 상태에서 무지부(22b, 23b)를 용접하거나 열융착해서 결합부(50)와 전극 단자(60, 70)의 접촉부(60a)가 서로 연결된다. 이때, 결합부(60)와 무지부(22b, 23b0 사이에는 공극이 발생하지 않도록 밀착 고정됨이 바람직하다.

이처럼 전극 조립체(25)가 결합부(50)를 매개로 결합되고 나면, 전극 조립체(25)를 케이스(11)에 수납한다. 이 상태에서 캡 플레이트(30)와 케이스의 접합면을 따라 레이저 용접해서 캡 프레이트(30)를 케이스(11)에 결합한다.

그리고, 캡 플레이트(30)에 형성된 전해액 주입구(미도시)를 통해서 케이스 내부로 전해액을 주입하는 것으로 본 실시예의 이차 전지가 완성된다.

본 실시예의 이차 전지는 이처럼 전극 조립체와 전기적으로 연결된 전극 단자들을 사용해서 HEV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터와 같은 곳에서 모터 구동용 전원으로 사용되는 전지 모듈을 쉽 게 구성할 수 있도록 하는데, 즉 수십 개의 전지들을 극성이 서로 반대되게 서로 엇갈려 차례대로 배열하고, 인접한 전지에 대해서 연결 부재를 통해 직렬(또는, 병렬) 연결하는 것으로 전지 팩을 구성하고, 여기에 열 발생에 따른 냉각을 위한 장치들과, 제어 장치들을 연결해서 하우징에 담아 전지 모듈을 구성하게 된다.

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, 전극 단자와 전극 조립체의 연결 구조를 개선해서 둘 사이의 접촉 저항을 줄이는 것으로 집전 효율을 증대하는 효과가 있다. 특히, 전극 조립체와 전극 단자 사이의 연결 관계를 더욱 견고히 함으로써 이 사이에서 전극 단자가 떨어져 발생하던 불량 문제를 해소하는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 격리판을 사이에 두고 양극판과 음극판으로 이루어진 극판을 권취해서 형성하는 전극 조립체;

   상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 및,

   상기 케이스를 밀폐하면서 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 양, 음극용 전극 단자가 설치되어 있는 캡 플레이트;를 포함하고,

   상기 전극 조립체의 횡권축 방향 양 단부로 무지부가 형성되고, 상기 무지부에는 상기 전극 단자가 삽입 안착되는 결합부를 구비하는 이차 전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 결합부가, 무지부의 장축을 따라서 형성되는 이차 전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 결합부가 슬릿(slit) 모양으로 형성되는 이차 전지.
4. 제3항에 있어서,

   상기 결합부가, 무지부의 외주면에서 중심에 이르는 부분에만 선택적으로 형성되는 이차 전지.
5. 제3항에 있어서,

   상기 결합부가, 상기 무지부의 장축에 걸쳐 형성되는 이차 전지.
6. 제1항에 있어서,

   상기 전극 단자가, 상기 무지부 바로 위로 위치하고, 여기서 상기 전극 단자가 아래로 연장되어 상기 결합부에 삽입 고정되는 이차 전지.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극 단자가 상기 결합부에 공극없이 밀착 고정되는 이차 전지.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이차 전지가 모터 구동용인 이차 전지.
9. 격리판을 사이에 두고 양극판과 음극판을 교대로 권취해서 형성되는 이차 전지용 전극 조립체에 있어서,

   상기 전극 조립체의 횡권축 방향 양 단부로 활물질이 도포되지 않은 무지부가 형성되고, 상기 무지부에는 전극 단자가 삽입 안착되는 결합부를 구비하는 이차 전지용 전극체.
10. 제9항에 있어서,

    상기 결합부가, 상기 무지부의 장축을 따라서 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
11. 제10항에 있어서,

    상기 결합부가 슬릿(slit) 모양으로 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
12. 제11항에 있어서,

    상기 결합부가, 무지부의 외주면에서 중심에 이르는 부분에만 선택적으로 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
13. 제11항에 있어서,

    상기 결합부가, 상기 무지부의 장축에 걸쳐 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.

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