KR20060022358A - 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접성을 개선한 이차 전지에 관한 것으로, 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판 및 음극판을 권취해서 이루어진 전극군, 상기 전극군이 수납되는 케이스 및, 상기 케이스에 조립되어 이를 밀폐하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 양극판 및 음극판에는 선택적으로 일정 길이의 접촉면이 형성되는 무지부가 형성되고, 상기 접촉면에 집전판이 전기적으로 연결되는 구조로 이루어진다.

무지부, 집전판, 접촉, 절곡, 평탄화, 이차 전지

Description

이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체{SECONDARY BATTERY AND ELECTRODES ASSEMBLY}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 원통형으로 제작된 이차 전지의 전체 모습을 보여주는 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시한 이차 전지의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 무지부에 형성되는 접촉면의 위치를 설명하는 도면이다.

도 4는 집전판과 접촉면 사이의 접촉 관계를 보여주는 도면이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무지부에 대한 집전판의 용접 특성을 개선한 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 1차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대용 전화기나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리 드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 양극판과 음극판을 교대로 권취해서 형성한 전극군을 케이스에 설치하고, 이로부터 형성되는 전극 단자를 구비하는 형태로 이루어진다.

한편, 상기 양, 음극판은 전지 작용시 발생되는 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 탭(tap)이 각기 부착되고, 이 도전성 탭은 전극군에 용접 등으로 부착되어 각기 양, 음극판에 발생된 전류를 양, 음극 단자로 유도하게 된다.

또 다른 형태로, 상기한 이차 전지의 집전 구조에 있어서 고출력 이차 전지의 경우 전지의 저항을 감소시키기 위해 탭 대신 판 모양의 집전판이 제안되기도 하였다.

그런데, 이 같은 집전판 구조의 이차 전지는 전극군과 집전판 사이에 용접 불량이 야기되는 문제점을 앉고 있다.

즉, 젤리롤 형태로 전극군을 형성하고, 이를 집전판과 용접함에 있어서 전극군의 양 단부로 각각 활물질이 도포되지 않은 무지부가 형성되는데, 이 무지부의 단차로 인해서 집전판과의 접촉 면적이 줄어 용접이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있다.

더욱이, 무지부가 전극군의 양, 음극판 각각의 모서리에 형성되는 경우에는 무지부의 높이 차로 인해서 집전판과 무지부가 선택적으로 접촉을 하게 된다. 이에 따라, 집전판과 전극군의 접촉 면적이 더욱 줄어 들어 용접 불량 및 집전 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

이 같은 문제는 HEV(hybrid Electric Vehicle)용과 같은 모터 구동을 위한 고출력 대용량 이차 전지의 경우 더욱 심각한 데, 이러한 용접 불량의 전지 셀들이 모여 하나의 전지 팩을 구성하는 경우 각 전지 셀간의 내부저항 산포가 심해 저마다의 출력 상태가 불안하여 결국 고출력 전기 에너지를 필요로 하는 기기에 적용되기가 어렵다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 집전판과 무지부의 접촉 면적을 증대하는 것으로, 이 둘 사이의 용접 불량을 개선하면서 이차 전지의 동작 특성을 대용량 고출력에 맞게 개선한 이차 전지를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 이차 전지는,

세퍼레이터를 사이에 두고 양극판 및 음극판을 권취해서 이루어진 전극군, 상기 전극군이 수납되는 케이스 및, 상기 케이스에 조립되어 이를 밀폐하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 양극판 및 음극판에는 선택적으로 일정 길이의 접촉면이 형성되는 무지부가 형성되고, 상기 접촉면에 집전판이 전기적으로 연결되는 구조로 이루어진다.

본 발명에서, 상기 접촉면은 상기 무지부의 일부를 상기 전극군의 중심 방향으로 절곡시켜 형성될 수 있다.

이때, 상기 접촉면은 상기 무지부를 0.5 내지 2.0 미리미터(mm)로 절곡시켜 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 양극판의 일단에 무지부가 형성되고, 상기 무지부를 동일한 방향으로 절곡시킨 상태로 평탄한 접촉면이 형성되고, 그 위로 상기 집전판이 결합되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 음극판의 일단에 무지부가 형성되고, 상기 무지부를 동일한 방향으로 절곡시킨 상태로 평탄한 접촉면이 형성되고, 그 위로 상기 집전판이 결합될 수도 있다.

본 발명에서, 상기 무지부는 상기 양극판 또는(및) 음극판의 단부로 활물질을 도포하지 않고 형성되며, 이 무지부가 서로 대향하는 방향으로 서로 포갠 상태에서 이들을 권취해서 상기 전극군이 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서 제공하는 이차 전지용 전극 조립체는,

양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 감겨져 형성된 전극군, 상기 음극판 또는 양극판에 길이방향을 따라 일측 단부에 활물질을 도포하지 않고 형성되며, 일정한 길이로써 형성되어 면접촉을 이루는 접촉면이 형성되는 무지부, 및 상기 접촉면에 전기적으로 연결되는 집전판을 포함해서 구성된다.

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 사용하여 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 원통형으로 형성된 이차 전지를 보여주는 단면도이고, 도 2는 이의 단면도이다. 이하의 설명은 이를 기준으로 원통형 전지에 본 발명이 적용된 경우를 예를 들어 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1 및 도 2처럼, 본 실시예에 따른 이차 전지는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극군(10)과, 전해액과 함께 전극군(10)을 수용할 수 있도록 일측 선단이 개방된 원통형의 케이스(20)와, 가스켓(31)을 매개로 상기 케이스(20)의 개구부 상단에 설치되고 케이스(20)를 밀봉하는 캡 조립체(30)와, 상기 전극군(10)의 양, 음극판(11,12)에 형성되는 무지부(11a, 12a)와 전기적으로 연결되는 양,음극 집전판(40,50)을 포함하고, 상기 전극군(10)은 각 극판에 형성되는 무지부(11a,12a)가 횡권축 중심을 향해서 절곡되어 일정한 길이의 균일한 첩촉면(11b, 12b)이 구비된 형태로 이루어진다.

보다 상세히, 상기 케이스(20)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금 된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(10)이 위치하는 내부 공간부를 가진 원통형의 형상으로 이루어진다.

그리고, 상기 캡 조립체(30)는 외부 단자(32a)를 갖는 캡 플레이트(32)와, 케이스(20)와 캡 플레이트(32)를 절연시키는 가스켓(31)을 포함하며, 설정된 압력 조건에서 파손되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 밴트 플레이트(33)를 더욱 포함할 수 있고, 상기 밴트 플레이트(33)는 리드선(35)을 매개로 양극 집전판(40)과 전기적으로 연결된다. 상기 밴트 플레이트(33)는 설정된 압력 조건에서 상기 리드선(35)을 통한 전극 조립체(10)와 외부 단자(32a)의 전기적 연결을 차단할 수 있는 구조이면 도시한 형상에 한정되지 않고 다양하게 변형되어 사용될 수 있다.

여기서, 상기 전극군(10)은 각각의 활물질이 집전체에 코팅되어 구성된 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)을 사이에 두고 적층된 구성으로 이루어지거나, 양극판(11)과 세퍼레이터(13) 및 음극판(12)이 적층된 상태에서 이들이 와류상으로 감겨 형성된 젤리롤 타입으로 이루어진다.

이처럼 구성되는 전극군(10)은 양극판(11)과 음극판(12)에 전기적으로 연결되는 각 집전판(40, 50)을 포함하여 하나의 전극 조립체를 이루게 되는 데, 이에 대해서 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

양극(11)판 및 음극판(12)의 각 단부로 무지부(11a, 12a)를 배치하고, 이 상태에서 전극군(10) 밖으로 무지부가 나오도록 양극판(11) 및 음극판을 세퍼레이터를 사이에 두고 권취해서 원통형의 전극군(10)을 형성한다. 이에 따라, 전극군(10) 의 양 단부로는 양, 음극용 무지부가 돌출 형성된다.

이 상태에서, 양극 무지부(11a)가 위로 향하도록 전극군(10)을 수직으로 세워 위쪽으로 양극 무지부(11a)를 위치시킨다.

이후, 상기 양극 무지부(11a)를 횡권축의 중심 방향으로 절곡시키게 되는데, 이렇게 함으로써 무지부(11a)가 평탄한 판 상으로 형성이 됨으로 집전판과의 접촉 면적을 증대하면서 용접에 의한 집전판의 고정을 용이하게 할 수가 있다.

또한, 무지부를 횡권축의 중심 방향으로 일정하게 절곡시킴으로써 무지부(11a) 자체가 균일하게 구부러짐으로 이로 인한 무지부가 접촉면(11b, 12b) 자체가 평탄하게 이루어질 수가 있는 것이다.

이때, 본 발명에서는 상기 접촉면(11b)을 형성함에 있어서, 무지부의 길이(h)가 0.5 내지 2.0 미리미터(mm)의 범위내에서 절곡시키게 된다(도 3참조). 만일, 0.5 미리미터보다 작은 범위에서 무지부를 절곡시키게 되면, 무지부의 끝이 접촉면(11b) 밖으로 돌출되거나 부분적으로 무지부 사이에 공극이 발생하여 접촉 면적이 줄어드는 단점이 있다. 또한, 2.0 미리미터보다 크게 되면, 무지부가 서로 중첩되면서 접촉면(11b) 자체에 이로인한 단턱이 발생하므로 이 역시 바람직하지 못하다.

이처럼 무지부(11a)를 일정한 길이로 절곡해서 접촉면(11b)을 형성한 후에는 그 위로 판 상의 집전판을 올려놓고 용접으로 둘 사이를 고정하게 된다.

이때, 집전판과, 접촉면(11b) 사이의 용접은 레이저 용접으로 고정됨이 바람직한데, 본 발명에서처럼 무지부에 접촉면을 형성한 경우에는 레이저 용접용 레이저건의 초점 거리 안에 자연스럽게 접촉면(11b)과 맞닿은 집전판을 위치시킬 수가 있어 접촉면 전체에 걸쳐 균일하게 용접을 실시할 수 있는 장점이 있다(도 4 참조).

이처럼 양극 무지부(11a)에 접촉면(11b)을 형성해서 집전판(40)을 고정한 후에는 음극 무지부(12a)에도 동일한 방법으로 음극 집전판(50)을 결합시키게 된다. 선택적으로, 상기 음극 무지부(12a)는 집전판을 결합시키지 않고, 접촉면(11b) 만을 형성한 상태에서 그대로 케이스(20)에 접촉시킬 수도 있다.

이처럼 전극군(10)에 집전판을 결합해서 전극 조립체를 형성하고, 이 전극 조립체를 케이스 내부에 수납해 이차 전지를 완성하게 되는데, 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상술한 바처럼 전극 조립체를 조립한 후에는 이 전극 조립체를 케이스의 개구된 방향으로 삽입 안착시키게 된다. 이때, 전극 조립체의 양극 집전판(40)이 윗 방향, 즉 캡 조립체가 결합되는 방향을 향하도록 전극 조립체를 케이스에 수납한다.

이에 따라, 음극 집전판이 케이스의 바닥면에 접촉해서 이차 전지의 음극을 형성하게 된다. 이때, 음극 집전판과 케이스의 바닥면 사이는 용접을 통해서 고정할 수도 있다.

이처럼 전극 조립체를 케이스(20) 내부에 수납한 후에는 개구부에 캡 조립체를 결합하게 된다. 이때, 양극 집전판(40)에 리드선을 연결해서 캡조립체와 서로 연결한 상태로 상기 캡 조립체를 케이스에 결합함과 아울러, 케이스(20) 내부로 전해액을 주입시켜 전극 조립체를 함침시키게 된다. 이에 따라서, 캡 조립체가 전지 의 양극을 형성하게 된다.

이 상태에서, 가스켓으로 캡 조립체 및 케이스를 서로 절연시킨 상태에서 캡 조립체를 케이스의 개구부에 위치시켜 케이스를 비딩 가공하는 것으로 캡 조립체를 케이스에 고정하는 것으로 본 실시예에 따른 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, 상술한 문제점을 개선해서 집전판과 무지부 사이의 접촉 면적을 증대하면서도 이 둘 사이의 용접 특성을 개선하는 효과가 있다. 또한, 무지부와 집전판 사이의 접촉 면적이 증대되는 것으로 내부저항이나 출력이 좋아져 제품의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

Claims (11)

1. 세퍼레이터를 사이에 두고 양극판 및 음극판을 권취해서 이루어진 전극군;

   상기 전극군이 수납되는 케이스; 및,

   상기 케이스에 조립되어 이를 밀폐하는 캡 조립체;

   를 포함하고,

   상기 양극판 및 음극판에는 선택적으로 일정 길이의 접촉면이 형성되는 무지부가 형성되고, 상기 접촉면에 집전판이 전기적으로 연결되는 구조의 이차 전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 접촉면이 상기 무지부의 일부를 상기 전극군의 중심 방향으로 절곡시켜 형성되는 이차 전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 접촉면이 상기 무지부를 0.5 내지 2.0 미리미터(mm)로 절곡시켜 형성되는 이차 전지.
4. 제3항에 있어서,

   상기 양극판의 일단에 무지부가 형성되고, 상기 무지부를 동일한 방향으로 절곡시킨 상태로 평탄한 접촉면이 형성되고, 그 위로 상기 집전판이 결합되는 이차 전지.
5. 제3항에 있어서,

   상기 음극판의 일단에 무지부가 형성되고, 상기 무지부를 동일한 방향으로 절곡시킨 상태로 평탄한 접촉면이 형성되고, 그 위로 상기 집전판이 결합되는 이차 전지.
6. 제1항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 무지부가 상기 양극판 또는(및) 음극판의 단부로 활물질을 도포하지 않고 형성되며, 이 무지부가 서로 대향하는 방향으로 서로 포갠 상태에서 이들을 권취해서 상기 전극군이 형성되는 이차 전지.
7. 제1항에 있어서,

   상기 이차 전지가 원통형으로 형성되는 이차 전지.
8. 제1항에 있어서,

   상기 이차 전지가 모터 구동용인 이차 전지.
9. 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 감겨져 형성된 전극군;

   상기 음극판 또는 양극판에 길이방향을 따라 일측 단부에 활물질을 도포하지 않고 형성되며, 일정한 길이로써 형성되어 면접촉을 이루는 접촉면이 형성되는 무지부; 및,

   상기 접촉면에 전기적으로 연결되는 집전판;

   을 포함하는 이차 전지용 전극 조립체.
10. 제9항에 있어서,

    상기 접촉면이 상기 무지부의 일부를 상기 전극군의 중심 방향으로 절곡시켜 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.
11. 제10항에 있어서,

    상기 접촉면이 상기 무지부를 0.5 내지 2.0 미리미터(mm)로 절곡시켜 형성되는 이차 전지용 전극 조립체.

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