KR20060029750A - 리튬 이차 전지 - Google Patents

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KR20060029750A
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Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 제1 전극, 제2 전극, 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 캔의 상단 개구부에 결합되는 캡플레이트를 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 캡플레이트에는 전해액 주입구와, 상기 전해액 주입구 주변에 휨 보강용 리브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
캡플레이트, 리브, 휨, 이차 전지

Description

리튬 이차 전지{Lithium secondary battery}
도 1은 종래의 리튬 이차 전지를 나타낸 분리 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 나타낸 분리 사시도.
도 3a는 도 2에 도시된 캡플레이트의 평면도.
도 3b 및 3c는 도 3a의 A-A'선을 따라 절취한 단면도.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡플레이트의 평면도.
도 4b 및 4c는 도 4a의 B-B'선을 따라 절취한 단면도.
도 5 내지 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캡플레이트의 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 캔 112: 전극조립체
113: 제1 전극 114: 세퍼레이터
115: 제2 전극 116: 제1 전극탭
117: 제2 전극탭 118: 절연 테이프
120: 캡조립체 130: 전극단자
135: 개스킷 140: 캡플레이트
141: 단자통공 142: 전해액 주입구
143: 마개
145a, 145b, 145c, 145d, 145e, 145f: 리브
150: 절연플레이트 160: 터미널플레이트
170: 절연케이스
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캡플레이트의 전해액 주입구 주변에 휨 보강용 리브(rib)를 형성하여 전해액 주입구를 통하여 전해액을 주입할 때 캡플레이트가 휘는 것을 방지할 수 있는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화가 급속하게 진전됨에 따라서 이들의 구동 전원으로서 사용되는 전지의 소형화 및 고용량화에 대한 필요성이 증대되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로서, 휴대용 전자 기기의 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속하게 신장되고 있는 추세이다.
리튬 이차 전지는 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입(intercalation)/탈리(deintercalation)될 때의 산화, 환원 반응에 의하여 전기 에너지를 생성한다. 리튬 이차 전지는 리튬 이온의 가역적인 삽입/탈리 가능한 물질을 양극과 음극의 활물질로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충 전시켜 제조한다.
리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 리튬코발트 산화물(LiCoO2), 리튬니켈 산화물(LiNiO2), 리튬망간 산화물(LiMnO2) 등의 리튬함유 금속산화물을 사용하고 있으며, 리튬 이차 전지의 음극 활물질로는 리튬 금속 또는 리튬 합금을 사용하였으나, 리튬 금속을 사용할 경우 덴드라이트(dendrite)의 형성으로 인한 전지 단락에 의해 폭발 위험성이 있어서 리튬 금속 대신 비정질 탄소 또는 결정질 탄소 등의 탄소계 물질로 대체되어 가고 있다. 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
도 1은 종래의 리튬 이차 전지를 나타낸 분리 사시도이다.
도 1을 참조하면, 리튬 이차 전지는 제1 전극(13), 제2 전극(15) 및 세퍼레이터(14)로 구성되는 전극조립체(12)를 전해액과 함께 캔(10)에 수납하고, 이 캔(10)의 상단부를 캡조립체(20)로 밀봉함으로써 형성된다.
상기 캡조립체(20)는 캡플레이트(40)와 절연플레이트(50)와 터미널플레이트(60) 및 전극단자(30)를 포함하여 구성된다. 상기 캡조립체(20)는 별도의 절연케이스(70)에 의해 상기 전극조립체(12)와 절연되면서 상기 캔의 상단개구부에 결합되어 캔(10)을 밀봉하게 된다.
상기 캡플레이트(40)는 상기 캔(10)의 상단개구부와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 상기 캡플레이트(40)의 중앙에는 소정 크기의 단자통공(41)이 형성되며, 단자통공(41)에는 전극단자(30)가 삽입된다. 상기 전극단 자(30)가 단자통공(41)에 삽입될 때는 전극단자(30)와 캡플레이트(40)의 절연을 위하여 전극단자(30)의 외면에는 튜브형의 개스킷(35)이 결합되어 함께 삽입된다. 한편 상기 캡플레이트(40)의 일측에는 전해액 주입구(42)가 소정크기로 형성되고, 타측에는 안전벤트(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 안전벤트는 캡플레이트(40)의 단면 두께를 얇게하여 일체로 형성된다. 상기 캡조립체(20)가 상기 캔(10)의 상단개구부에 조립된 후 전해액 주입구(42)을 통하여 전해액이 주입되고 전해액 주입구(42)는 마개(43)에 의하여 밀폐된다
상기 전극단자(30)는 상기 제2 전극(15)의 제2 전극탭(17) 또는 상기 제1 전극(13)의 제1 전극탭(16)에 연결되어 제2 전극단자 또는 제1 전극단자로 작용하게 된다. 상기 제1 전극탭(16) 및 제2 전극탭(17)이 전극조립체(12)로부터 인출되는 부분에는 전극(13, 15)간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다. 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 양극 또는 음극으로 작용하게 된다.
상기와 같은 리튬 이차 전지에 있어서 전해액은 이온의 공급원이며, 이온이 이동할 수 있는 매질 역할을 하여 전지반응이 원할하게 이루어질 수 있는 역할을 한다. 이러한 전해액의 주입은 전지의 성능 및 수명을 결정하는데 중요한 요소가 된다. 통상적으로 사용되는 전해액 주입방법으로는 상압 주입법, 원심 주입법, 진공 주입법이 있으며, 최근에는 진공 주입법을 많이 사용하고 있다.
전해액의 주입방법으로서 사용되고 있는 진공 주입법에는 다양한 방법들이 있는데, 대표적인 것으로 전해액 주입구에 주입 노즐을 부착하고, 전해액 주입 장치의 배기수단을 통해 캔 내부를 진공으로 만든 후 소정량의 전해액을 공급하면, 캔 내부의 기압과 대기압의 압력차에 의해 전해액이 캔 내부로 주입되는 방법이 있다.
그러나, 상기와 같이 전해액을 주입할 때 캡플레이트의 전해액 주입구 주변에 가해지는 외력에 의하여 캡플레이트가 휘어질 수 있으며, 이러한 캡플레이트의 휨 현상은 캔의 밀폐성을 저하시킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 캡플레이트의 전해액 주입구 주변에 휨 보강용 리브를 형성하여, 상기 전해액 주입구를 통하여 전해액을 주입할 때 캡플레이트의 휨 현상을 방지할 수 있는 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제1 전극, 제2 전극, 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 캔의 상단 개구부에 결합되는 캡플레이트를 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 캡플레이트는 전해액 주입구와, 상기 전해액 주입구 주변에 휨 보강용 리브가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 리브는 상기 캡플레이트의 상면 또는 하면을 프레스하여 형성될 수 있다.
또한 프레스에 의해 상기 캡플레이트의 상면 또는 하면에 단차부가 형성되며, 상기 단차부와 주변과의 단차는 상기 캡플레이트 두께의 2배이하인 것이 바람 직하다.
상기 리브는 사각형, 원형, 반원형 및 타원형 중 어느 하나의 형상이거나 이들 형상을 조합하여 이루어질 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차 전지를 나타낸 분리 사시도이다.
도 2를 참조하면, 리튬 이차 전지는 캔(110)과, 상기 캔(110)의 내부에 수용되는 전극조립체(112)와, 상기 캔(110)의 상부에 결합되는 캡조립체(120)를 포함하여 형성된다.
상기 캔(110)은 상부가 개방된 대략 각형의 금속재로 형성되며, 바람직하게는 가볍고 연성이 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 스테인레스강 등으로 형성되나 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다. 상기 캔(110)은 그 자체가 단자 역할을 수행하는 것이 가능하다.
상기 전극조립체(112)는 제1 전극(113)과 제2 전극(115)과 세퍼레이터(114)를 포함한다. 상기 제1 전극(113)과 제2 전극(115)은 세퍼레이터(114)를 개재하여 적층된 후 젤리롤(jelly-roll) 형태로 권취될 수 있다. 상기 제1 전극(113)에는 제1 전극탭(116)이, 상기 제2 전극(115)에는 제2 전극탭(117)이 레이저용접, 초음파용접, 저항용접과 같은 용접이나 도전성 접착제에 의하여 통전가능하도록 부착되어 있으며, 각각 상방향으로 인출되어 있다.
상기 제1 전극(113) 및 제2 전극(115)은 서로 극성을 달리하며, 양극 또는 음극으로 사용할 수 있다. 상기 제1 전극(113) 및 제2 전극(115)은 집전체와 상기 집전체의 적어도 일면에 도포되는 전극 활물질, 즉 양극 활물질 또는 음극 활물질을 포함한다.
상기 제1 전극(113) 또는 제2 전극(115)이 양극으로 사용되는 경우, 전극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다. 상기 제1 전극(113) 또는 제2 전극(115)이 음극으로 사용되는 경우, 전극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.
상기 양극 활물질로는 통상적으로 리튬함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물을 모두 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, 또는 LiNi1-x-yCoxMyO 2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, M은 Al, Sr, Mg, La 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 세퍼레이터(114)는 상기 제1 전극(113) 및 제2 전극(115) 사이의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하는 것으로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸 렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포와 같은 공지된 것을 사용할 수 있다.
상기 캔(110)의 상부에 결합되는 캡조립체(120)는 캡플레이트(140)와 절연플레이트(150)와 터미널플레이트(160)와 전극단자(130)를 포함하여 구성된다.
상기 캡플레이트(140)는 캔(110)의 상단개구부에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 금속재로 형성되며, 중앙부의 단자통공(141)과 일측의 전해액 주입구(142)와 상기 전해액 주입구(142) 주변에 형성되어 있는 휨 보강용 리브(145a)를 포함하여 구성된다. 상기 캡플레이트(140)는 캔(110)과의 용접성 향상을 위해 캔(120)과 동일한 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 스테인레스강으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 전해액 주입구(142)는 전해액 주입 후 마개(143)와 결합되어 밀폐된다.
상기 리브(145a)는 상기 전해액 주입구(142) 주변에서 가로방향으로 배치되어 있는 사각형으로 이루어져 있으며, 상기 캡플레이트(140)의 상면을 프레스하여 형성된다. 상기 리브(145a)의 형상은 여기에만 한정되지 않으며, 원형, 타원형, 반원형 등 여러 형상 및 이들 형상을 조합하여 구성될 수 있다. 상기 리브(145a)는 상기 캡플레이트(140)에 소정의 강성을 제공함으로써 전해액 주입 시 상기 캡플레이트(140)에 국부적인 응력집중이나 국부변형을 완화시켜 휘는 것을 방지한다.
상기 단자통공(141)에는 전극단자(130)가 삽입되며, 상기 전극단자(130)의 외면에는 상기 캡플레이트(140)와의 전기적 절연을 위한 튜브 형상의 가스켓(135)이 설치되어 있다. 상기 캡플레이트(140)의 아랫면에는 절연플레이트(150)가 설치 되어 있으며, 상기 절연플레이트(150)의 아랫면에는 터미널플레이트(160)가 배치되어 있다. 상기 전극단자(130)의 저면부는 상기 절연플레이트(150)를 개재시킨 상태에서 상기 터미널플레이트(160)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 캡플레이트(140)의 아랫면에는 상기 제1 전극탭(116) 및 제2 전극탭(117) 중 어느 하나, 예를 들면 제1 전극탭(116)이 용접되어 있다. 상기 터미널플레이트(160)에는 상기 제2 전극탭(117)이 용접됨으로써 상기 전극단자(130)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 전극탭(116) 및 제2 전극탭(117)은 니켈 금속으로 이루어져 있다.
상기 전극조립체(112)의 상부에는 상기 전극조립체(112)와 캡조립체(120)를 전기적으로 절연시켜 주며, 상기 전극조립체(112)와 제1 전극탭(116)과 제2 전극탭(117)의 위치를 고정시키는 절연 케이스(170)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(170)는 절연성 고분자 수지로, 예를 들면 폴리프로필렌(polypropylene: PP)으로 이루어진다.
도 3a는 도 2에 도시된 캡플레이트(140)의 평면도를 나타낸다. 도 3b 및 3c는 도 3a의 A-A' 선을 따라 절취한 단면도를 나타낸다.
도 3a, 3b, 및 3c를 참조하면, 상기 캡플레이트(140)는 단자통공(141)과, 전해액 주입구(142)와, 전해액 주입구(142) 주변에 형성되어 있는 휨 보강용 리브(145a)를 포함한다. 상기 휨 보강용 리브(145a)는 전해액 주입구 주변(142) 가로방향으로 한 쌍이 평행하게 배치되어 있다. 상기 리브(145a)는 가로방향 뿐만 아니라 세로방향으로도 배치될 수 있으며, 상기 전해액 주입구(142) 주변을 따라 불연속적 으로 또는 연속적으로 형성될 수도 있다. 캡플레이트(142)의 휨강도는 길이가 길수록 저하되므로, 상기 캡플레이트(140)의 변형이 일어나기 쉬운 장측면 방향, 즉 가로방향에 리브가 배치되는 것이 바람직하다.
상기 리브(145a)는 도 3a와 같이 상기 캡플레이트(140)의 상면을 프레스하거나 도 3b와 같이 상기 캡플레이트(140)의 하면을 프레스하여 형성될 수 있다. 도 3a에 나타나 있듯이 상기 캡플레이트(140)의 상면을 프레스하면 상기 캡플레이트(140)의 상면은 인입되어 단차부가 형성되고, 그 하면에 돌기가 돌출된다. 상기 캡플레이트(140)의 하면을 프레스하는 경우에는 상기 캡플레이트(140)의 하면에 단차부가 형성되고, 그 상면에 돌기가 돌출된다. 상기 프레스에 의해 상기 캡플레이트(140)의 상면 또는 하면이 인입되어 형성되는 단차(t2)는 상기 캡플레이트(140)의 두께(t1)의 2배 이하로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 캡플레이트의 두께(t1) 이하로 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 단차(t2)가 상기 캡플레이트의 두께(t1)의 2배를 초과하는 경우 상기 캡플레이트(140)에 성형응력이 과다하게 작용하여 캡플레이트의 강도를 저하시키거나 변형을 일으킬 수 있다. 상기 캡플레이트의 재질 특성에 따라 단차 정도를 적절히 선택하는 것이 바람직하다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡플레이트의 평면도를 나타낸다. 도 4b 및 4c는 도 4a의 B-B' 선을 따라 절취한 단면도를 나타낸다.
도 4a, 4b 및 4c를 참조하면, 리브(145b)는 상기 캡플레이트(140)의 전해액 주입구(142) 주변에 세로방향으로 한 쌍이 평행하게 배치되어 있으며, 직사각형 형 상으로 이루어져 있다. 상기 리브(145b)도 상기 캡플레이트(140)의 상면 또는 하면을 프레스하여 형성될 수 있으며, 상기 캡플레이트(140)의 상면 또는 하면이 소정 깊이로 인입되어 단차가 형성된다.
도 5 내지 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캡플레이트의 평면도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 휨 보강용 리브(145c)는 사각형 형상으로 이루어져 있으며, 상기 캡플레이트(140)의 전해액 주입구(142) 주변을 따라 연속적으로 형성되어 있다.
도 6을 참조하면, 휨 보강용 리브(145d)는 반원 형상으로 이루어져 있으며, 상기 캡플레이트(140)의 전해액 주입구(142) 주변에 배치되어 있다.
도 7을 참조하면, 휨 보강용 리브(145e)는 원 형상으로 이루어져 있으며, 상기 캡플레이트(140)의 전해액 주입구(142) 주변을 따라 연속적으로 형성되어 있다.
도 8을 참조하면, 휨 보강용 리브(145f)는 사각형과 원형을 결합한 형상으로 이루어져 있으며, 상기 캡플레이트(140)의 전해액 주입구(142) 주변에 가로방향으로 한 쌍이 평행하게 배치되어 있다.
상기와 같이 캡플레이트(140)의 전해액 주입구(142) 주변에 형성되어 있는 휨 보강용 리브(145a, 145b, 145c, 145d, 145e, 145f)는 전해액 주입구(142)를 통하여 전해액을 주입할 때 상기 캡플레이트(140)에 가해지는 국부적인 응력집중을 감소시키고 상기 캡플레이트(140)의 강도를 증가시켜 상기 캡플레이트(140)가 휘는 것을 방지할 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.
상술한 바와 같이 본 발명에 따라 전해액 주입구 주변에 형성된 리브를 구비한 캡플레이트를 포함하는 리튬 이차 전지는 전해액 주입구를 통하여 전해액이 주입될 때 캡플레이트가 휘는 것을 방지할 수 있다.

Claims (12)

  1. 제1 전극, 제2 전극, 및 그 사이에 개재된 세퍼레이터와 함께 권취된 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 캔의 상단 개구부에 결합되는 캡플레이트를 포함하는 리튬 이차 전지에 있어서,
    상기 캡플레이트에는 전해액 주입구와, 상기 전해액 주입구 주변에 휨 보강용 리브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 리브는 상기 캡플레이트의 상면 또는 하면을 프레스하여 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 캡플레이트의 상면 또는 하면에 단차부가 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 단차부와 주변과의 단차는 상기 캡플레이트 두께의 2배 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단차는 상기 캡플레이트 두께 이하인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 리브는 사각형, 원형, 반원형 및 타원형 중 어느 하나의 형상이거나 이들 형상을 조합한 것임을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 리브는 전해액 주입구 주변에서 가로방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 리브는 전해액 주입구 주변에서 세로방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 리브는 서로 평행하게 배치된 한 쌍의 리브인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 리브는 상기 전해액 주입구 주변을 따라 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 리브는 캡플레이트와 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 캡플레이트는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 스테인레스강으로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
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