KR20060031940A - 원통형 리튬 이차 전지 - Google Patents

원통형 리튬 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원통형 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부의 충격, 흔들림 등에 의한 전극 조립체의 단락을 방지하여 전지의 신뢰성이 향상된 원통형 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
원통형, 리튬 이차 전지, 센터 핀

Description

원통형 리튬 이차 전지{Cylindrical Lithium Secondary battery}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차 전지를 설명하기 위한 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1a의 1a-1a 라인에 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센터 핀 사시도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센터 핀 사시도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지 단면도.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100; 원통형 리튬 이차 전지 200; 전극 조립체
210; 제 1 전극판 215; 제 1 전극 탭
220; 제 2 전극판 225; 제 2 전극 탭
230; 세퍼레이터 214, 245; 절연 플레이트
300; 케이스 310; 측면판
320; 하면판 330; 크리핑부
340; 비딩부 400; 캡 조립체
410; 안전 밴트 420; 보호 회로 기판
450; 양성 온도 소자 440; 전극 캡
460; 절연 가스켓 500; 전해질
600; 센터 핀 610; 지지판
620: 수직핀 630; 홀
본 발명은 원통형 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 충격, 흔들림 등에 의한 전극 조립체의 단락을 방지하여 전지의 신뢰성이 향상된 원통형 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 상기 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 상기 원통형 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 대략 원통형으로 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 원통형 케이스와, 상기 원통형 케이스의 수용된 전극 조립체가 이완되어 풀리는 것을 방지하는 센터 핀과, 상기 원통형 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 원통형 리튬 이차 전지는 하기와 같이 제조된다.
우선, 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 대략 원통형으로 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 상기 대략 원통형의 전극 조립체를 상기 원통형 케이스에 수용하고 상기 전극 조립체가 이완되어 풀리는 것을 방지하기 위한 센터 핀을 삽입한다. 또한, 상기 전극 조립체가 상기 원통형 케이스에서 이탈하지 않도록 한 후, 상기 원통형 케이스에 전해액을 주입하고, 밀봉하여 원통형 리튬 이차 전지를 완성한다.
그러나 상기 원통형 케이스에 수용된 전극 조립체의 이완을 방지하기 위해 삽입되어 있는 센터 핀은 상기 원통형 케이스에 고정되어 있지 않아 전지의 외부 충격, 흔들림 등에 의해 쉽게 움직일 수 있다. 이에 따라 심한 충격 또는 흔들림에 의해 상기 센터 핀이 쉽게 상기 원통형 케이스 내부에서 흔들려 전극 조립체를 단락시킬 수 있어 전지의 신뢰성이 하락하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전극 조립체의 단락을 방지하여 전지의 신뢰성이 향상된 원통형 리튬 이차 전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원통형 리튬 이차 전지는 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 권취형 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수용할 수 있는 소정 공간을 형성하는 원통형의 측면판과, 상기 원통형의 측면판 하부 공간을 막는 하면판을 구비하는 케이스와 상기 케이스의 상부와 결합되어 이를 밀봉하는 캡 조립체와 원판 형상으로 상기 케이스의 내측 하면판에 결합되는 지지판과 상기 지지판에 수직으로 결합되는 수직핀을 구비하여 형성된 센터 핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도면의 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이차 전지를 설명하기 위한 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도 1a의 1a-1a 라인에 따른 단면도를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지(100)는 충ㆍ방전 시 전압차를 발생시키는 전극 조립체(200)와, 상기 전극 조립체(200)를 수납하는 원통형 케이스(300)와, 상기 원통형 케이스(300) 상부에 조립되어 상기 전극 조립체(200)가 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체(400)와, 상기 원통형 케이스(300)에 주입되어 상기 전극 조립체(200) 간에 리튬 이온의 이동이 가능하게 하는 전해액(500)과, 상기 전극 조립체의 중심부 공간에 위치하는 센터 핀(600)을 구비하는 구조로 이루어져 있다.
상기 전극 조립체(200)는 양극 활물질 및 음극 활물질 중 어느 하나, 예를 들면, 양극 활물질이 코팅된 제 1 전극판(210), 상기 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나, 예를 들면, 음극 활물질이 코팅된 제 2 전극판(220), 상기 제 1 전극판(210) 및 제 2 전극판(220) 사이에 위치하여 상기 제 1 전극판(210)과 제 2 전극판(220)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(230)로 이루어진다.
또한, 상기 제 1 전극판(210), 제 2 전극판(220) 및 세퍼레이터(230)는 대략 원형으로 권취되어 상기 원통형 케이스(300)에 수납된다. 또한, 상기 제 1 전극판(210)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출된 제 1 전극 탭(215)이 접합되어 있다.
상기 제 2 전극판(220)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출된 제 2 전극 탭(225)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어 상기 전극 조립체(200)의 상ㆍ하부에는 각각 직접적인 캡 조립체(400) 또는 원통형 케이스(300)와의 접촉을 피하기 위해 상ㆍ하부 절연 플레이트(241, 245)가 더 부착되어 있다.
상기 원통형 케이스(300)는 상기 원통형 전극 조립체(200)가 결합될 수 있도록 소정 공간을 가지며 일정 직경을 갖는 원통형 측면판(310)이 형성되어 있고, 상기 원통형 측면판(310)의 하부에는 그 원통형 측면판(310)의 하부 공간을 막은 하면판(320)이 형성되어 있으며, 상기 원통형 측면판(310)의 상부는 상기 전극 조립체(200)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 한편, 상기 원통형 케이스(300)의 내측 하면판(320)에는 상기 전극 조립체의 이완 및 변형을 방지하기 위한 센터 핀(600)이 ㅗ 자 형으로 고정되어 있다.
상기 원통형 케이스(300) 하면판(320)에 상기 전극 조립체(200)의 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 전극 탭(225) 중 어느 하나, 예를 들면, 제 2 전극 탭(225)이 접합됨으로써, 상기 원통형 케이스(300) 자체는 제 2 전극판(220)과 동일한 전극, 예들 들면 음극 단자의 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 원통형 케이스(300)는 일반적으로 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다.
더불어 상기 원통형 케이스(300)는 상부에서 상기 캡 조립체(400)를 압박하도록 한쪽으로 휘어진 크리핑(criping)부(330)가 형성되고, 하부에서 상부 방향으로 상기 캡 조립체(400)를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부(340)가 더 형성되어 있다.
상기 캡 조립체(400)는 상기 제 1 전극 탭(415)이 용접된 동시에, 과충전 또는 이상 발열시 형태가 반전되는 도전성 안전 벤트(410)와, 상기 도전성 안전 벤트(410) 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어, 상기 안전 벤트(410)의 반전시 회로가 끊어지는 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit board, 420)과, 상기 인쇄 회로 기판(420) 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 소정 온도 이상에서 회로가 끊어지는 양성 온도 소자(430)와, 상기 양성 온도 소자(430)의 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 실제의 전류를 외부로 인가하는 도전성 전극 캡(440)과, 상기 안전 벤트(410), 인쇄 회로 기판(420), 양성 온도 소자(430) 및 전극 캡(440)의 측부 둘레를 감싸는 형태를 하며 상기 원통형 케이스(300)로부터 상기 나열한 것들을 절연시키는 절연 가스켓(450)으로 이루어진다.
이때, 상기 전극 캡(440)은 상기 전극 조립체(200)의 제 1 전극 탭(215) 및 제 2 전극 탭(225) 중 어느 하나, 예를 들면, 제 1 전극 탭(215)이 접합되어 제 1 전극판(210)과 동일한 전극, 예들 들면 양극 단자의 역할을 수행한다.
상기 전해액(500)은 충ㆍ방전시 전지 내부의 양극 및 음극에서 전기 화학적 반응에 의하여 생성되는 리튬 이온(Li Ion)의 이동 매체 역할을 하며, 이는 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액(500)은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상기 전해액 물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 센터 핀(600)은 상기 원통형 케이스(300) 내측 하면판(320)에 안정적으로 고정시키며 상기 센터 핀(600)을 고정시켜주는 원형의 지지판(610)과 상기 지지 판(610)과 수직을 이루며 상기 전극 조립체(200)의 이완 및 변형을 방지하는 수직핀(620)으로 형성되어 있다.
예를 들면, 상기 센터 핀(600)은 상기 원통형 케이스(300)의 내측 하면판(320)에 고정되어, 상기 제 2 전극 탭(225)이 상기 센터 핀(600)의 지지판(610)에 접합ㆍ고정된 구조로 이루어진다. 상기 센터 핀(600)은 상기 내측 하면판(320)에 레이저 용접 또는 저항 용접에 의해 고정될 수 있다.
또한, 상기 센터 핀(600)은 상기 원통형 케이스(300)의 내측 하부면(320)에 고정되어 상기 권취형 전극 조립체(200)가 이완되어 풀리는 것을 방지함과 동시에, 외부의 충격, 흔들림 등에 의한 상기 센터 핀(600)의 흔들림을 방지하여 상기 권취형 전극 조립체(200)의 단락을 방지하는 역할도 수행한다. 상기 센터 핀(600)의 수직핀(620)은 봉형 또는 관형으로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 센터 핀 사시도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 센터 핀(600)은 원통형 케이스(300)의 하면판(320)에 안정적으로 고정가능하도록 하기 위한 지지판(610)과 전극 조립체(200)의 이완, 변형을 방지하는 수직핀(620)으로 형성되어 있다. 상기 센터 핀(600)의 지지판(610)은 상기 센터 핀(600)이 외부 충격, 흔들림 등에 의해 고정되어 있도록 하여 상기 센터 핀(600)에 의한 상기 전극 조립체(200)의 단락을 방지할 수 있다. 상기 수직 핀(620)은 봉형 또는 관형으로 형성될 수 있다.
상기 센터 핀(600)의 지지판(610)에는 다수의 홀이 형성되어 있어 상기 원통형 케이스(300)에 전해액을 주입할 때, 상기 지지판(610)에 의해 감소된 공간으로 인하여 주입되는 전해액 함량의 감소를 최소화 한다. 따라서 상기 센터 핀(600)은 전지 성능의 하락 없이 전극 조립체의 단락을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 센터 핀 사시도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 센터 핀(600)은 지지판(610)과 수직핀(620)을 구비하여 형성되어 있으며, 상기 수직핀(620)은 길이 방향으로 틈이 형성된 원통형 형상으로 구성되어 있으며, 상기 수직핀의 상기 틈에 의해 갈라진 상단은 내측으로 감겨져 있다. 상기 수직핀(620)의 상단을 내측으로 감긴 형태로 형성하여 상기 수직핀(620)의 상단에 의하여 전극 조립체가 단락되는 문제점을 더 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지 단면도.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지는 도 1 및 2에 도시된 바와 같은 원통형 리튬 이차 전지와 구조적으로 유사하다.
다만, 상기 센터 핀(600)의 지지판(610)은 절연성 재질로 형성되어 있어, 하부 절연 플레이트(245)의 역할과 상기 센터 핀(600)의 지지체 역할을 동시에 수행하게 된다. 이에 따라, 상기 센터 핀(600)의 지지판(620)이 추가적으로 상기 원통형 케이스(300)의 소정 공간을 차지하지 않게 되어 주입되는 전해액의 함량의 감소를 방지하면서 전지의 단락을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같은 원통형 리튬 이차 전지(100)는 전지의 외부 충격 등에 의해서도 움직이지 않는 센터 핀(600)을 구비함으로써, 상기 원통형 리튬 이차 전지(100) 케이스(300) 내측에 수용된 전극 조립체(200)의 이완을 방지함과 동시에 전극 조립체(200)의 단락을 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서 상기 원통형 리튬 이차 전지의 신뢰성이 향상될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 원통형 케이스의 하면판에 안정적으로 고정될 수 있도록 지지판을 구비하는 센터 핀을 이용하여 전극 조립체의 단락을 방지하고 전지의 신뢰성이 향상된 원통형 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 권취형 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체를 수용할 수 있는 소정 공간을 형성하는 원통형의 측면판과, 상기 원통형의 측면판 하부 공간을 막는 하면판을 구비하는 케이스와;
    상기 케이스의 상부와 결합되어 이를 밀봉하는 캡 조립체와;
    원판 형상으로 상기 케이스의 내측 하면판에 결합되는 지지판과 상기 지지판에 수직으로 결합되는 수직핀을 구비하여 형성된 센터 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센터 핀의 지지판에는 다수의 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 센터 핀의 수직핀은 봉형 또는 관형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 센터 핀의 수직핀은 길이 방향으로 틈이 형성된 원통형의 형상으로 형성되며, 상기 수직핀의 상기 틈에 의해 갈라진 상단은 내측으로 둥글게 감겨있는 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 센터 핀은 상기 내측 하면판에 레이저 용접 또는 저항 용접에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 센터 핀의 지지판은 절연성 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
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