KR20060086125A - 이차 전지와 이에 사용되는 캡 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접촉저항을 최소화할 수 있도록 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판 및 음극판을 포함하는 전극군 및 상기 무지부에 형성된 전류를 집전하는 집전부를 포함하는 전극 조립체, 상기 전극군이 내장되는 케이스 및, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 전극 단자를 갖는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 전극 단자와 상기 전극 조립체의 집전부 사이를 전기적으로 직접 연결하는 리드부를 포함하는 이차 전지를 제공한다.

이차 전지, 캡 조립체, 리드부, 캡 플레이트

Description

이차 전지와 이에 사용되는 캡 조립체{SECONDARY BATTERY, CAP ASSEMBLY USED IN THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지를 도시한 측단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 리드부 및 밴트 플레이트의 일부를 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 리드부 및 밴트 플레이트를 도시한 측단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류를 리드하는 구조를 개선한 이차 전지와 이에 사용되는 캡 조립체에 관한 것이다.

이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다.

하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구 동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감은 전극군(또는 젤리-롤)을 케이스에 내장 설치하고, 상기 케이스에 외부 단자가 형성된 캡 조립체를 설치하여 전지를 구성한다.

한편, 이차 전지는 케이스를 밀봉하는 캡 조립체가 케이스의 입구에 설치되는데, 상기 캡 조립체는 내측에 밴트 플레이트가 구비되어 필요시 케이스 내부의 가스를 배출시키는 구조로 되어 있다.

그리고, 상기 양, 음극판은 전지 작용 시 발생되는 전류를 집전하기 위한 역할로서 집전부가 양,음극판의 무지부와 전기적으로 연결되는데 이때 도전성 도체인 리드 단자 또는 집전판이 사용되어 집전부의 역할을 수행한다.

이때, 또한 상기 리드 단자 또는 집전판은 리드를 매개로 밴트 플레이트에 용접되어 전극군과 전기적으로 연결되고, 상기 밴트 플레이트는 캡 플레이트와 용접되어 전기적으로 연결된다.

또한 이 경우 밴트 플레이트와 캡 플레이트는 동일 재질의 알루미늄으로 형성되어 있어서 용접하기가 어렵다.

즉 알루미늄의 경우 비열과 열전도도가 커서 용접온도까지 가열하기 위해서는 고온의 열원이 필요하며, 용융점이 비교적 낮다. 또한, 고온강도가 낮고 용접변형이 크며, 균열이 생기기 쉽기 때문에 용접하기가 난이하다.

따라서 종래에는 구리 재질의 컬러를 삽입 설치하여 밴트 플레이트와 캡 플레이트 사이의 용접성을 개선하고 있는 실정이다.

여기서 전류의 유도 경로를 살펴보면 집전판에 리드가 용접되고 상기 리드는 밴트 플레이트에 용접되며, 상기 밴트 플레이트는 컬러와 용접되고 또한 컬러는 캡 플레이트와 용접되어 캡 플레이트에 위치한 외부단자에 전류를 유도하게 된다.

그러나 상기한 종래의 구조의 경우 다수의 용접부가 존재하여 상기 용접부에서 접촉 저항이 발생하므로 이차 전지의 출력을 감소시킬 수 있다는 문제점이 있다.

또한, 전극군과 단자를 연결하기 위한 용접과정이 많아 공정이 복잡하며, 상기 밴트 플레이트와 캡 플레이트 사이에 용접성을 개선하기 위해서 컬러를 더 설치해야 하는 불편이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 접촉 저항을 감소시킨 이차 전지와 이에 사용되는 캡 조립체를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 캡 조립체의 리드부가 집전부와 외부 단자를 직접 연결하는 구조로 되어 있다.

또한, 본 발명의 이차 전지는 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터의 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군 및 무지부에 형성된 전류를 집전하는 집전부를 포함하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 케이스, 상기 케이 스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡조립체는 캡 플레이트의 외부 단자와 전극 조립체의 집전부가 리드부에 의하여 직접 연결된 구조로 되어 있다.

이때 상기 집전부는 무지부에 형성된 전류를 외부 단자로 전류를 리드하는 역할을 수행하며 리드 단자 또는 집전판이 사용되어 집전부의 역할을 수행할 수 있다.

또한, 상기 캡 조립체는 전극 단자가 구비되는 캡 플레이트와, 캡 플레이트의 아래에 위치되어 단자와 전극군을 전기적으로 연결하는 리드부를 포함하여 형성되며 가스켓을 매개로 케이스에 기밀을 유지한 상태로 설치된다.

또한, 상기 캡 조립체는 리드부에 고정되고 그 중심에 일정한 압력에서 파단되는 안전변이 형성되는 밴트 플레이트를 포함할 수 있다. 그리고 밴트 플레이트의 내측에는 캡 조립체의 강성을 확보할 수 있도록 캡부재가 더 설치될 수 있다.

또한, 리드부와 밴트 플레이트 사이에는 전기적 절연 및 기밀 유지를 위한 가스켓이 설치될 수 있다.

여기서 리드부는 단자와 전기적으로 연결되는 상부 리드 탭과 이 상부 리드 탭에 일체로 연결되고 하부로 연장되어 전극군과 전기적으로 접하는 하부 리드 탭을 포함한다.

상기 상부 리드 탭과 하부 리드 탭 사이에는 밴트 플레이트가 설치되므로 두 탭은 밴트 플레이트의 바깥쪽을 지나 서로 연결됨이 바람직하다. 이에 상기 리브두는 밴트 플레이트의 외주면을 감싸는 몸통부의 상단과 하단에 상부 리드 탭과 하 부 리드 탭이 형성될 수 있다.

따라서 리드부는 상부면과 하부면의 중앙에 홀이 구비되고 내부가 비어 있는 캔 형상으로 형성되는 몸통부와 상기 몸통부의 상부면에서 돌출 형성되어 상기 단자와 전기적으로 연결되는 상부 리드 탭 및 상기 몸통부의 하부면에서 돌출 형성되어 전극군과 전기적으로 연결되는 하부 리드 탭을 포함한다.

상기 몸통부는 바람직하게는 중공형 원통형상으로 형성될 수 있다.

또한 상부 리드 탭 및 하부 리드 탭은 상부면과 하부면의 중앙에 형성된 홀의 내측면에서 외측으로 돌출 형성된다.

여기서 하부 리드 탭은 전극군의 리드 단자 또는 집전판과 용접되어 전기적으로 연결되는데 하부 리드 탭은 끝단부터 소정의 길이 만큼 수평을 이루며 형성되어 용접이 용이한 구조로 구비되며, 상부 리드 탭 또한 단자와 용접이 용이하도록 그 끝단부터 소정의 길이 만큼 수평을 이루며 형성된다.

한편, 본 발명에 따른 캡 조립체의 밴트 플레이트는 판상으로 이루어진 플레이트, 상기 플레이트 전면에 외측으로 돌출되어 형성되고 일정 압력에서 개방되는 안전변을 포함한다.

여기서 상기 양,음극판은 집전체와 활물질이 코팅된 코팅부와, 코팅되지 않은 무지부로 이루어지는 데, 본 이차 전지의 경우 상기 무지부는 각 극판의 일측단을 따라 연속적으로 형성되며, 상기 양극판과 음극판에 대해 서로 대향하는 방향으로 배치되어 상기 각 극판의 무지부에 각각 집전부가 전기적으로 연결됨으로써 전극 조립체를 구성한다.

상기 집전부는 리드 단자 또는 집전판 등이 사용될 수 있으며 그 종류에 대해서는 한정하지 않는다.

더욱 바람직하게는 케이스를 세워 캡 조립체가 상부를 향하였을 때 음극판의 무지부가 케이스 바닥 쪽으로 배치되고 양극판의 무지부가 상부로 배치되도록 하여 음극 집전판이 케이스 내측 바닥부에 위치하도록 함이 바람직하다.

상기 이차 전지는 원통형으로 이루어질 수 있으며 이 경우 상기 밴트 플레이트 또한 원형으로 이루어진다.

여기서 상기 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 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.

상기한 도면을 참조하여 먼저 이차 전지를 살펴보면, 본 이차 전지는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)을 사이에 두고 위치하는 전극군(10)과, 전해액과 함께 전극군을 수용할 수 있도록 일측 선단이 개방된 케이스(20)와, 제1가스켓(31)을 매개로 상기 케이스(20)의 개구부 상단에 설치되고 케이스(20)를 밀봉하는 캡 조립체(30)를 포함한다.

보다 구체적으로, 상기 케이스(20)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(10)이 위치하는 내부 공간부를 가진 원통형으로 이루어진다.

여기서 본 실시예에서는 원통형 이차 전지를 예로서 설명하나, 본 발명은 이에 한정된 것은 아니며 원통형 이외에 각형이나 그 이외의 형상으로 이루어질 수 있다.

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 이루어질 수 있다.

도 1에서는 원통형 케이스(20)에 원형의 젤리롤 타입으로 감긴 전극군(10)이 위치하는 구조를 예시하고 있다.

상기와 같이 구성된 전극군(10)은 양극판(11)과 음극판(12)에 전기적으로 연결되는 각 집전부를 포함하여 하나의 전극 조립체를 이루게 되는데, 이를 위해 도 1에서와 같이 캡 조립체가 위를 향하도록 케이스를 세운 상태에서 상기 음극판(12)의 하단에 음극판(12)의 집전체에 활물질이 도포되지 않은 무지부(12a)가 길이방향을 따라 형성되어 음극 집전부와 접촉하며, 양극판(11)의 상부에는 양극 집전부와 전기적으로 연결될 수 있도록 집전체 가장자리에 양극 활물질이 도포되지 않은 무지부(11a)가 배치된다.

상기 집전부는 리드 단자(미도시) 또는 집전판(40, 50) 등이 사용될 수 있으며 그 종류에 대해서는 한정하지 않는다. 다만 실시예에서는 집전판(40, 50)이 설 치된 구조를 설명한다.

한편, 상기 캡 조립체(30)는 외부 단자(32a)를 갖는 캡 플레이트(32)와, 상기 캡 플레이트(32)의 아래에 위치되어 외부 단자(32a)와 집전판(40)을 전기적으로 연결하는 리드부(35) 및 상기 리드부(35)의 내측면에 위치하여 그 중심에 일정한 압력에서 파단되는 안전변이 형성되는 밴트 플레이트(33)를 포함하여 형성되며 제1가스켓(31)을 매개로 케이스(20)에 기밀을 유지한 상태로 설치된다.

그리고 상기 밴트 플레이트(33)의 내측에는 상기 캡 조립체(30)의 강성을 확보할 수 있도록 다수의 개구부(391)가 형성된 캡 부재(39)가 설치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 캡 부재(39)는 중앙에 돌출부가 형성되고 두께를 크게 형성하여 캡 조립체(30)를 지지하는 역할을 하며, 돌출부의 가장자리에는 다수의 개구부(391)가 형성되어 상기 밴트 플레이트(33)가 개방될 경우 내부 가스를 방출할 수 있는 구조로 형성된다.

또한, 상기 밴트 플레이트(33)와 리드부(35) 사이에는 전기적 절연 및 기밀 유지를 위한 제2가스켓(34)이 설치될 수 있다.

이처럼 본 실시예에 따른 캡 조립체(30)는 캡 플레이트(32), 리드부(35), 제2가스켓(34) 및 밴트 플레이트(33)가 순차적으로 적층된 구조로 이루어져 있으며, 이 캡 조립체(30)의 외주면을 완전히 감싼 형태로 제1가스켓(31)이 위치한다.

이처럼 형성되는 캡 조립체(30)는 케이스(20)의 개구부에 위치하고, 이 상태에서 캡 조립체(30)의 외주면을 기준으로 케이스(20)를 강제적으로 클램핑(clamping) 성형해서 캡 조립체(30)를 케이스(20)에 고정시킨다.

여기서 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 리드부(35) 및 밴트 플레이트(33)의 일부를 도시한 사시도이고, 도 3은 그 단면도로서, 이 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 상기 리드부(35)를 살펴보면 다음과 같다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 상기 리드부(35)는 중앙에 홀이 구비된 원통형 캔 형상의 몸통부(36)와 상기 몸통부(36)의 상부면에서 돌출 형성된 상부 리드 (37)탭, 그리고 상기 몸통부의 하부면에서 돌출 형성된 하부 리드 탭(38)을 포함한다.

여기서 상기 몸통부(36)는 내부에 밴트 플레이트(33) 및 제2가스켓(34)을 포함할 수 있도록 소정의 높이를 가지며, 상부면와 하부면은 중앙에 홀이 구비된 중공형 원통 형상으로 형성된다.

또한 상기 몸통부(36)의 내측에는 일정한 압력하에서 개방되는 밴트 플레이트(33)가 제2가스켓(34)을 매개로 설치될 수 있으며, 상기 제2가스켓(34)은 상기 밴트 플레이트(33)와 상기 몸통부(36) 사이를 전기적으로 절연시켜주고 내밀성을 확보하는 기능을 수행한다.

따라서 단위 전지 내부에서 가스가 발생하여 압력이 상승할 경우 상기 밴트 플레이트(33)가 개방되며 단위 전지 내부의 가스는 상기 몸통부(36)의 상부면과 하부면에 형성된 홀을 통하여 외부로 유출될 수 있다.

그리고 상기 몸통부(36)의 상부면에서 돌출 형성되는 상부 리드 탭(37)은 상기 상부면에 구비된 홀의 내측면에서부터 돌출 형성된다.

또한 상기 상부 리드 탭(37)은 상부면의 홀의 내측면에서부터 상부면의 중심 을 향해 돌출된 부분, 위쪽에 위치한 외부 단자(32a)를 향하여 소정의 경사로 형성된 부분 및 상기 외부 단자(32a)의 상면과 평행하게 형성되어 외부 단자(32a)와 전기적으로 연결되는 부분이 순차적으로 연결되어 일체화된 구조로 형성된다.

상기 경사진 부분의 경사각은 제한하지 않으나, 바람직하게는 상기 외부 단자의 옆면이 캡 플레이트와 이루는 각과 동일하여 외부단자의 옆면에 접하도록 형성되거나 또는, 직각으로 형성될 수 있다.

또한 상기 수평 부분은 상기 외부 단자(32a)에 용접되어 전기적으로 연결되며, 그 넓이는 단자(32a)와 최대한 넓게 접촉할 수 있도록 형성된다.

또한 상기 상부 리드 탭(37)은 긴 직사각형의 판 형상으로 형성될 수 있다.

그리고 상기 몸통부(36)의 하부면에서 돌출 형성되는 하부 리드 탭(38)은 상기 하부면에 구비된 홀의 내측면에서부터 돌출 형성된다.

또한 상기 하부 리드 탭(38)은 하부면에 형성된 홀의 내측면에서부터 하부면의 중심을 향해 돌출된 부분, 아래 방향으로 소정의 경사로 형성된 부분 및 양극 집전판(40)의 상면과 평행하게 형성되어 양극 집전판(40)과 전기적으로 연결되는 부분이 순차적으로 열결되어 일체화된 구조로 형성된다.

또한 상기 수평 부분은 상기 외부 단자(32a)에 용접되어 전기적으로 연결되며, 그 넓이는 단자(32a)와 최대한 넓게 접촉할 수 있도록 형성된다.

또한 상기 평행한 부분은 상기 양극 집전판(40)에 용접되어 상기 전극군(10)에서 발생한 전류를 상기 리드부(35)를 통하여 유도한다.

본 발명의 실시예에 따라 상기 리드부(35)는 하부 리드 탭(38), 몸통부(36), 상부 리드 탭(37)이 하나의 부재로 일체화된 구조로 형성되며, 상부 리드 탭(37)이 상기 외부 단자(32a)와 연결되고 상기 하부 리드 탭(38)이 상기 양극 집전판(40)과 연결됨으로써 집전판의 전류가 리드부를 통하여 상기 외부단자로 유도된다.

따라서 종래의 경우와 달리 상기 집전판(40)과 외부단자(32a)가 리드부를 매개로 직접 연결되어 용접부에서 생기는 접촉 저항이 감소하여 단위 전지의 출력을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 이차전지는 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.

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.

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, 단자와 집전판를 리드부가 직접 연결하여 접촉 저항을 감소시킴으로써 이차전지의 성능을 향상시키게 된다.

또한, 불필요한 용접공정을 제거시킴으로써 공정을 단순화할 수 있다.

Claims (16)

1. 세퍼레이터와, 상기 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군, 및 상기 무지부에 형성된 전류를 집전하는 집전부를 포함하는 전극 조립체;

   상기 전극군이 내장되는 케이스,

   상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체;

   를 포함하고,

   상기 캡 조립체는 외부 단자를 갖는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트의 전극 단자와 상기 전극 조립체의 집전부 사이를 전기적으로 직접 연결하는 리드부를 포함하는 이차 전지.
2. 제 1항에 있어서, 상기 캡 조립체는 상기 리드부의 내측에 위치하여 일정한 압력에서 파단되는 밴트 플레이트를 포함하는 이차 전지.
3. 제 1항에 있어서, 상기 캡 조립체는 상기 리드부의 내측에 위치하여 상기 캡 조립체를 지지하는 캡 부재를 포함하는 이차전지.
4. 제 2항에 있어서, 상기 캡 조립체는 상기 리드부와 밴트 플레이트 사이에 제2가스켓을 포함하는 이차 전지.
5. 제 1항에 있어서, 상기 리드부는 전극단자와 전기적으로 접하는 상부 리드 탭과 상기 상부 리드 탭에 일체로 연결되고 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 하부 리드 탭을 포함하는 이차 전지.
6. 제 5항에 있어서, 상기 리드부는 상부면에서 상부 리드탭과 일체로 연결되고, 하부면에서는 하부 리드탭과 일체로 연결되며, 중앙에 홀이 구비된 중공형 원통형상의 몸통부를 포함하는 이차 전지.
7. 제 5항에 있어서, 상기 상부 리드 탭은 몸통부의 상부면에 형성된 홀의 내측면에서부터 외부단자를 향하여 상향으로 돌출 형성되며, 그 단부에서 소정 길이만큼 상기 외부단자의 상면과 평행하게 형성되어 단자와 전기적으로 연결되는 이차 전지.
8. 제 5항에 있어서, 상기 하부 리드 탭은 몸통부의 하부면에 형성된 홀의 내측면에서부터 아래 방향으로 돌출 형성되며, 그 단부에서 소정 길이만큼 상기 집전부의 상단면과 평행하게 형성되어 집전부와 전기적으로 연결되는 이차 전지.
9. 제 1항에 있어서, 상기 이차 전지는 원통형인 이차 전지.
10. 제 1항에 있어서, 상기 이차전지는 모터 구동용인 이차 전지.
11. 전극 단자가 구비되는 캡 플레이트; 및

    상기 전극 단자와 전기적으로 접하는 상부 리드 탭과 상기 상부 리드탭에 일체로 연결되고 전극 조립체에 전기적으로 직접 연결되는 하부 리드 탭을 포함하는 리드부;

    를 포함하는 이차 전지의 캡 조립체.
12. 제 11항에 있어서, 상기 리드부는 상부면에서 상부 리드 탭과 일체로 연결되고, 하부면에서 하부 리드 탭과 일체로 연결되며, 중앙에 홀이 구비된 중공형 원통형상의 몸통부를 포함하는 이차 전지의 캡 조립체.
13. 제 11항에 있어서, 상기 캡 조립체는 상기 리드부의 내측면에 위치하여 일정한 압력에서 파단되는 밴트 플레이트를 포함하는 이차 전지의 캡 조립체.
14. 제 13항에 있어서, 상기 캡 조립체는 상기 리드부와 밴트 플레이트 사이에 제2가스켓을 포함하는 이차 전지의 캡 조립체.
15. 제 11항에 있어서, 상기 상부 리드 탭은 상부면에 형성된 홀의 내측면에서부터 외부단자를 향하여 상향으로 돌출 형성되며 그 끝단부터 소정 길이만큼 상기 외 부 단자의 상단면과 평행하게 형성되어 단자와 전기적으로 연결되는 이차전지의 캡 조립체.
16. 제 11항에 있어서, 상기 하부 리드 탭은 하부면에 형성된 홀의 내측면에서부터 아래 방향으로 돌출 형성되며 그 끝단부터 소정 길이만큼 상기 집전부의 상단면과 평행하게 형성되어 집전부와 전기적으로 연결되는 이차전지의 캡 조립체.

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