KR20060060463A - 이차 전지와 이차 전지의 조립 방법 - Google Patents

이차 전지와 이차 전지의 조립 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 이차전지는 세퍼레이터와, 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 외부 단자가 구비되는 캡 조립체를 포함하며, 상기 캡 조립체는 상기 외부 단자가 끼워지는 관통구멍이 형성된, 캡 플레이트, 캡 플레이트 상방에 설치되는 체결부재와 캡 플레이트 하방에 설치되는 가스켓을 포함하여 구성된다. 상기 가스켓은 절연성 및 탄성을 갖는 재료로 제조되며 상기 외부 단자의 플랜지에 형합할 수 있는 각형으로 구성되어 외부 단자의 회전시 체결이 해재되지 않으며, 케이스 내벽과 절연성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
가스켓, 외부단자, 관형 체결부재, 플랜지

Description

이차 전지와 이차 전지의 조립 방법{SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR ASSEMBLING SECONDARY BATTERY}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 단자 설치 구조를 상세하게 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 다양한 단자 플랜지 및 이와 결합하는 가스켓의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 단자 설치 상태를 도시한 단면도이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부 단자의 설치구조를 개선한 이차 전지와 이차 전지의 조립 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로, 최근들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저 용량 전지의 경우 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대 전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원의 경우에는 상기 전지 셀을 수십 개 직렬 또는 병렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.
상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극군(또는, 젤리롤)을 형성하거나, 양극판과 음극판 및 세퍼레이터를 복수개로 적층하여 전극군을 형성한 후 이를 케이스에 내장 설치하고, 상기 케이스에 외부 단자가 형성된 캡 조립체를 설치하여 전지를 구성한다.
이와 같이 이차 전지의 캡 조립체는 전극군의 극판과 전기적으로 연결되는 외부단자가 구비되며 캡 조립체와는 기밀을 유지한 상태로 조립되는 데, 종래 기술의 경우 외부 단자를 캡 조립체에 조립할 때 단자가 안정적으로 조립되지 않는 문제점이 있다.
즉, 종래 이차 전지의 경우 캡 조립체를 구성하는 캡 플레이트 상에 단자 설치를 위한 관통구멍이 형성되고 이 관통구멍에 끼워지는 외부단자는 그 단부에 플랜지가 형성된 구조로, 캡 플레이트의 관통구멍에는 절연을 위한 가스켓과 오링이 장착되어 캡 플레이트와 외부 단자 사이의 전기적 절연성과 기밀성을 유지시키게 된다.
또한, 상기 캡 플레이트의 관통구멍으로 관통되어 돌출된 외부 단자에는 외 측으로부터 와셔가 끼워짐과 동시에 너트가 체결된 구조로 되어, 너트를 조임에 따라 단자가 회전하여 부품 사이가 헐거워져 조립 불량이 발생될 수 있고, 이에 따라 조립 공정이 복잡한 문제점이 있다.
또한, 상기 외부 단자를 캡 조립체에 조립시 상기 외부단자의 플랜지가 케이스 내벽과 통전하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 이차 전지의 캡 플레이트와 외부 단자와의 결합 구조를 개선하여 조립이 용이하도록 함으로써 조립에 소요되는 시간과 노력을 줄일 수 있도록 된 이차 전지와 이차 전지의 조립 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 이차 전지의 캡 플레이트와 외부 단자와의 결합 시 단자의 회전을 방지할 수 있는 부품의 구조를 제공하여 조립이 용이하고 케이스와 외부 단자의 절연성을 향상시켜 안정성을 증가시킬 수 있도록 된 이차 전지와 이차 전지의 조립 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이차 전지는 세퍼레이터와, 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 외부 단자가 구비되는 캡 조립체를 포함하며, 상기 캡 조립체는 상기 외부 단자가 끼워지는 관통구멍이 형성된, 캡 플레이트, 캡 플레이트 상방에 설치되 는 체결부재와 캡 플레이트 하방에 설치되는 각형 가스켓을 포함하도록 구성된다.
상기 외부 단자는 상기 캡 플레이트를 지나 외부로 노출되는 상단부와, 상기 캡 플레이트를 지나 내측에 위치하여 상기 전극 군과 접촉되는 탭이 형성된 하단부와, 상기 하단부 둘레에 상기 캡 플레이트와의 결합을 용이하게 위해서 형성된 플랜지로 구성되며, 상기 플랜지는 각기둥형태로 구성되고, 바람직하게는 사각기둥, 보다 바람직하게는 육각기둥의 형태로 구성된다.
한편, 가스켓의 형상도 상기 플랜지의 형상에 대응하여 형합할 수 있도록 박스형태로 구성되며, 상기 가스켓은 외부단자가 관통하는 관통구멍이 형성된 상판부와, 상기 상판부으로부터 수직하게 하방으로 연장되고 상기 상판부를 둘러싸는 측면부를 갖고, 상기 상판부가 다각형, 바람직하게는 사각형, 육각형으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 가스켓의 직경이 실질적으로 상기 플랜지의 직경과 동일하고, 상기 가스켓의 높이가 상기 플랜지의 높이와 실질적으로 동일하며, 상기 가스켓은 절연성 및 탄성을 갖는 PPS 또는 PP 재질로 이루어진다.
상기 체결부재는 외부단자와 동일한 직경을 갖는 관형부재와 관형부재 둘레에 형성된 플랜지로 구성된 관형 체결부재를 포함하고, 상기 관형 체결부재도 절연성 및 탄성을 갖는 PPS 또는 PP 재질로 이루어져 상기 외부단자와의 결합이 용이하게 하며 절연성을 향상시킬 수 있다.
상기 관형 체결부재의 관형부재가 상기 캡 플레이트의 관통구멍을 통해서 상기 캡 플레이트 하방으로 돌출되고, 상기 캡 플레이트 하방으로 돌출된 관형부재 둘레에 상기 가스켓이 설치된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 이차 전지는 캡 조립체를 이루는 캡 플레이트 상에 형성된 관통구멍을 관통하게 상기 관형 체결부재를 설치하는 단계와, 상기 캡 플레이트의 관통구멍을 통과한 상기 관형 체결부재의 관형부에 각형 가스켓의 관통구멍을 끼우는 단계와, 상기 가스켓의 관통구멍을 통해 캡 플레이트 외측으로 외부 단자를 돌출시키는 단계와, 상기 가스켓의 측면부와 상기 외부 단자의 플랜지를 대면접촉시키 단계를 포함하여 조립된다.
여기서 상기 이차 전지는 전극군이 젤리롤 형태로 감겨 각형 또는 원통형 케이스에 설치되는 각형 또는 원통형 구조일 수 있으며, 바람직하게는 각형으로 이루어진다.
또한, 상기 이차 전지는 HEV(하이브리드 전기 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, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이하 실시예에서는 캡 조립체를 이루는 캡 플레이트 상에 외부 단자인 양극단자와 음극단자가 설치된 각형의 이차 전지에 대해 설명하기로 한다. 본 발명은 이하 구조에 한정되는 것은 아니며, 원통형 전지 등 다양한 구조에 적용할 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.
상기한 도면을 참조하여 이차 전지에 대해 살펴보면, 상기 이차 전지는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극군(10)과, 상기 전극군(10)이 내장되는 공간부를 구비하는 케이스(20), 상기 케이스의 개구부에 설치되는 캡 조립체(30)를 포함하여 구성된다. 상기 캡 조립체(30)는 상기 케이스(20)의 개구부에 설치되어 케이스를 밀폐하는 캡 플레이트(31), 상기 양, 음극판과 탭(15)을 매개로 전기적으로 연결되고 상기 캡 플레이트(31)에 조립되어 외측으로 돌출되는 양, 음극단자(16, 17), 이 양, 음극단자(16, 17)와 캡 플레이트(31) 사이의 결합을 용이하게 위해서 상기 양, 음극단자(16, 17) 둘레에 형성된 플랜지(18), 캡 플레이트(31)상의 관통구멍(32) 아래에 설치되어 상기 외부 단자를 상기 캡 플레이트(31)와 결합하고 상기 외부 단자가 케이스 내벽과 통전되는 것을 방지하기 위한 가스켓(39), 상기 캡 플레이트(31) 상방에 설치되어 외부 단자(16, 17)를 캡 플레이트(31)에 체결하는 체결부재(50)를 구비한다.
여기서 상기 케이스(20)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(10)이 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체의 각형 또는 원통형이나 그 이외의 형상으로 이루어진다.
이하 실시예에서는 각형의 이차전지로 양극단자(16)와 음극단자(17)가 동일면에 배치된 구조를 예로써 설명하기로 한다.
또한, 본 실시예에서 상기 전극군(10)은 각각의 활물질이 집전체에 코팅되어 구성된 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층된 상태에서 이들이 와류 상으로 감겨 형성된 젤리롤 타입으로 이루어지며, 양극판의 무지부 (11a)와 음극판의 무지부(12a)가 세퍼레이터(13)를 기준으로 세퍼레이터의 폭방향 즉, 전극군(10)의 양단에 대향 배치되어, 케이스(20)를 수직으로 세워 캡 조립체(30)가 상,하방향으로 놓여졌을 때를 기준으로 케이스(20)의 양 측면에 전극군(10)의 무지부(11a,12a)가 위치할 수 있도록 내장 설치되며, 전극군(10)의 양단의 무지부(11a,12a)에 각각 설치되는 탭(15)(또는 집전판)을 매개로 캡 조립체의 양,음극단자(16,17)가 전기적으로 연결된다.
그리고 상기 양극단자(16)와 음극단자(17)는 상기 캡 플레이트(31)를 지나 외부로 노출되는 상단부에 수나사가 가공되며, 캡 플레이트(31)의 내측에 위치하는 하단부에는 외측으로 플랜지(18)가 형성되어 관통구멍(32) 하방에 배치된 가스켓(39)의 내 측면과 밀착 결합된다. 본 실시예에서 바람직하게는, 상기 플랜지가 각기둥형태로 구성되고, 바람직하게는 사각기둥, 보다 바람직하게는 육각기둥의 형태로 구성된다.
이하 도 2 및 도 3을 참고로, 상기 캡 조립체의 구성을 보다 상세하게 살펴본다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 단자 설치 구조를 상세하게 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 다양한 단자 플랜지 및 이와 결합하는 가스켓의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 가스켓(39)은 상기 외부 단자(16, 17)의 플랜지(18)의 형상에 형합할 수 있는 박스 형태로 구성되며, 상기 가스켓(39)은 외부단자가 관통하는 관통구멍(39a)이 형성된 상판부(39b)와, 상기 상판부(39b)로부터 수직하게 하방으로 연장되고 상기 상판부(39b)를 둘러싸는 측면부(39c)를 갖고, 상 기 상판부는 다각형, 바람직하게는 사각형, 육각형으로 구성되는 것이 바람직하다.
여기서 본 실시예에 따르면, 상기 가스켓(39)은 직경(D) 또는 높이(H)가 실질적으로 상기 외부 단자(16, 17)의 플랜지(18)의 직경(D) 또는 높이(H)와 동일하게 형성되지만, 절연성 및 탄성을 갖는 PPS 또는 PP 재질로 이루어지므로, 상기 외부단자(16, 17)와의 결합은 간단히 상기 가스켓(39)의 상판부(39b) 하방에 형성된 공간을 통해 상기 상판부(39b)에 형성된 관통구멍(39a)에 상기 외부단자(16, 17)의 상단부를 끼우고 외부단자(16, 18)의 단단한 플랜지(18)의 상면 및 측면으로 탄성을 갖는 상기 가스켓(39)의 상판부(39b)와 측면부(39c)를 벌려서 밀어 넘음으로써 이루어진다. 따라서 상기 가스켓(39)은 상기 플랜지(18)에 기밀하게 결합될 수 있다. 한편, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 플랜지(18) 및 상기 가스켓(39)의 형상이 각형으로 형성되어 있기 때문에, 상기 와셔(52) 또는 너트(51)의 암나사와 외부단자(16,17)의 상단부에 형성된 수나사를 일방향으로 회전시켜 조여줄 때 회전력에 의해서 상기 가스켓(39)과 플랜지(18)가 벗겨지는 일이 없다.
한편, 상기 가스켓(39)은 미리 상기 캡 플레이트(31) 상방에 구비된 체결부재(50)에 의해서 상기 캡 플레이트(31)의 하방에 배치될 수 있다. 이 때 상기 체결부재(50)는 상기 와셔(52)와 너트(51)이외에 외부단자와 동일한 직경을 갖는 관형부(53a)와 관형부 둘레에 형성된 플랜지(53b)로 구성된 관형 체결부재(53)를 더 포함하여 이 관형 체결부재(53)을 매개로 상기 캡 플레이트(31) 하방에 설치될 수 있다. 즉, 상기 관형 체결부재(53)은 절연성 및 탄성을 갖는 PPS 또는 PP 재질로 이루어지고 상기 관형부(53a)가 상기 캡 플레이트(31)의 관통구멍(32)을 통해서 상 기 캡 플레이트(31) 하방으로 돌출될 때 그 돌출된 관형부(53a) 둘레에 상기 가스켓(39)가 설치되고, 이 가스켓(39)의 관통구멍(39a)를 통해서 외부단자(16, 17)의 상단부가 끼워짐으로써 결합이 캡 조립체의 결합이 이루어질 수 있다.
이하 도 4를 참조로 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 캡 조립체의 구성요소간의 유기적인 결합관계에 대해서 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 단자 설치 상태를 도시한 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 상기 가스켓(39)은 상기 외부단자(16,17)의 플랜지(18)를 덮어 씌운 구조로 이루어진다. 즉, 상기 도면에 의하면, 상기 가스켓(39)은 그 일단부로 상판부(39b)에 의해서 막혀있고 그 상판부(39b)로부터 수직 하방으로 연장된 측면부(37c)에 의해서 상기 외부단자(16,17)의 각형 플랜지(18)의 각각의 측면이 씌워지고, 이들 플랜지(18)의 직경과 상기 상판부(39b)의 직경이 동일하기 때문에 상기 플랜지(18)의 각 측면에 가스켓(39)의 측면부(39c)(사각기둥형 플랜지이면 그 4측면과 각각의 측면에 대응하는 상기 가스켓(39)의 4측면)가 대면하도록 되어 있다. 이에 따라 상기 가스켓(39)를 외부단자(16,17)의 플랜지(18)에 설치하게 되면, 상기 측면부(39c)가 플랜지(18)의 측면을 덮고, 상기 상판부(39b)가 상기 플랜지(18)의 상면을 덮어서 상기 외부 단자(16, 17)의 플랜지(18)의 측면을 감싸서 케이스와 통전되는 것을 방지하게 된다. 또한, 상기 체결부재(50)가 외부단자(16,17)의 상단부에 결합될 때, 상기 각형 가스켓(39)는 그 회전력에 의해서 회전되어 상기 플랜지(18)로부터 이탈되는 일이 없다.
상기 구조의 경우 가스켓(39)과 외부단자(16,17)의 결합을 위해 나사결합식 등의 방법을 사용하지 않고 단지 가스켓(39) 자체의 탄성에 의해서 상기 외부단자(16, 17)의 플랜지(18)에 기밀하게 결합될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 이차 전지와 전지 모듈은, 고출력/대용량을 요구받는 모터 구동용 전지로서 전지의 내부 압력이 높은 경우에 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 캡 조립체의 구성요소로서 케이스 내부에 가스켓을 구비하며, 이 가스켓이 절연성 및 탄성을 갖는 재료로 제조되며 상기 외부 단자의 플랜지에 형합할 수 있는 각형으로 구성되어 외부 단자의 회전시 같이 회전하여 체결이 해지되지 않으며, 케이스 내벽과 절연성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (17)

  1. 세퍼레이터와, 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군;
    상기 전극군이 내장되는 케이스;
    상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 외부 단자가 구비되는 캡 조립체를 포함하며,
    상기 캡 조립체는 상기 외부 단자가 끼워지는 관통구멍이 형성된, 캡 플레이트, 캡 플레이트 상방에 설치되는 체결부재와 캡 플레이트 하방에 설치되는 각형 가스켓을 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 단자는 상기 캡 플레이트를 지나 외부로 노출되는 상단부와, 상기 캡 플레이트를 지나 내측에 위치하여 상기 전극 군과 접촉되는 탭이 형성된 하단부와, 상기 하단부 둘레에 상기 캡 플레이트와의 결합을 용이하게 위해서 형성되고 각기둥형태인 플랜지로 구성된 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플랜지는 사각기둥인 이차전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 플랜지는 육각기둥인 이차전지.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스켓은 상기 외부단자의 플랜지와 형합하는 박스형태인 이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스켓은 외부단자가 관통하는 관통구멍이 형성된 상판부와, 상기 상판부으로부터 수직하게 하방으로 연장되고 상기 상판부를 둘러싸는 측면부를 갖고, 상기 상판부가 다각형인 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상판부가 사각형인 이차전지.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 상판부가 육각형인 이차전지.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스켓의 직경이 실질적으로 상기 플랜지의 직경과 동일한 이차전지.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스켓의 높이가 상기 플랜지의 높이와 실질적으로 동일한 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스켓은 절연성 및 탄성을 갖는 PPS 또는 PP 재질로 이루어지는 이차 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 체결부재는 외부단자와 동일한 직경을 갖는 관형부재와 관형부재 둘레에 형성된 플랜지로 구성된 관형 체결부재를 포함하는 이차 전지.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 관형 체결부재는 절연성 및 탄성을 갖는 PPS 또는 PP 재질로 이루어지는 이차 전지.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 관형 체결부재의 관형부재가 상기 캡 플레이트의 관통구멍을 통해서 상기 캡 플레이트 하방으로 돌출되고, 상기 캡 플레이트 하방으로 돌출된 관형부재 둘레에 상기 가스켓이 설치되는 이차 전지.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 각형인 이차 전지.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 모터 구동용인 이차 전지.
  17. 캡 조립체를 이루는 캡 플레이트 상에 형성된 관통구멍을 관통하게 상기 관형 체결부재를 설치하는 단계;
    상기 캡 플레이트의 관통구멍을 통과한 상기 관형 체결부재의 관형부에 각형 가스켓의 관통구멍을 끼우는 단계;
    상기 가스켓의 관통구멍을 통해 캡 플레이트 외측으로 외부 단자를 돌출시키는 단계;
    상기 가스켓의 측면부와 상기 외부 단자의 플랜지를 대면 접촉시키는 단계
    포함하는 이차 전지의 조립 방법.
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