KR20060112728A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20060112728A
KR20060112728A KR1020050035288A KR20050035288A KR20060112728A KR 20060112728 A KR20060112728 A KR 20060112728A KR 1020050035288 A KR1020050035288 A KR 1020050035288A KR 20050035288 A KR20050035288 A KR 20050035288A KR 20060112728 A KR20060112728 A KR 20060112728A
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Abstract

전극 탭이 형성된 두 전극과 세퍼레이터를 가지는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 용기형 캔, 캔의 개구부에서 가스켓을 개재하여 상기 캔을 마감하는 캡 어셈블리를 구비하는 이차 전지에 있어서, 캡 어셈블리를 구성하는 부품들의 접촉면들 중 적어도 하나에 엠보싱처리가 된 것을 특징으로 하는 이차 전지가 개시된다. 본 발명에서 캡 어셈블리는 통상 캡업, 보회회로 기판이나 PTC(positive thermal coefficient), CID(Current Interrupt Device), 벤트가 적층되어 이루어지며, 본 발명의 엠보싱면은 이들 사이의 어떤 도체간 접촉부분에도 형성될 수 있으나 주로 캡업의 하면에 형성될 수 있다.
따라서, 엠보싱에 의해 캡 조립체 부품 사이의 전기 접속이 강화되어 전지 전체의 내부 저항을 줄이고, 충방전 효율을 늘리는 효과가 있다.

Description

이차 전지{cylinder type rechargeable battery}
도1 및 도2는 종래의 원통형 이차 전지의 일 예에 대한 구조를 나타내는 정단면도 및 분해 사시도,
도3은 본 발명 이차 전지의 일 실시예에 대한 정단면도를 나타내며,
도4는 도3의 정단면도에서 캡 어셈블리의 일부를 확대하여 도시한 부분적 정단면도,
도5는 본 발명의 이차 전지의 다른 실시예에 대한 상부 정단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 캔
13a,13b : 절연판 20: 전극 조립체
21,23: 세퍼레이터 25: 전극
27,29: 전극 탭 30: 가스켓
40,140,240: 벤트 50,150:CID(current interrupt device)
60,160: PTC(positive thermal coefficient)
70,170,270: 캡업(Cap up) 80,180,280: 캡 어셈블리
255: 절연재 265: 캡 다운
275: 서브 플레이트
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차 전지에서의 탭과 캔의 결합 구조 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능하다는 이점으로 인하여 근래에 그 개발이 급속히 이루어지고, 사용도 급속히 증가하고 있다. 이차 전지는 전극 활물질에 따라 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬이온(Li-ion) 전지 등으로 나뉠 수 있다.
리튬 이차 전지의 경우, 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 경우와 고체 폴리머 전해질 혹은 겔 상의 전해질을 사용하는 경우로 나뉠 수 있다. 리튬 이차 전지는 또한 전극 조립체가 수용되는 용기의 형태에 따라 캔형과 파우치형으로 나눌 수 있다.
캔형 리튬 이차 전지에서는 전극 조립체가 알미늄 함유 금속 등 금속으로 K 드로잉(deep drawing) 등 방법을 통해 형성한 캔에 내장된다. 통상적으로 캔형 이차 전지 구조에서는 액체 전해질을 사용하게 된다.
한편, 캔형 이차 전지는 형태에 따라 각형과 원통형 전지로 나뉠 수 있다. 각형은 용기를 직육면체형으로 혹은 직육면체의 측벽 모서리에 곡률을 주어 얇게 성형한 것이다. 원통형은 비교적 대용량의 전자 전기 기기에 많이 사용되며, 복수 개가 결합되어 전지 팩을 형성하는 형태로 많이 사용된다.
도1 및 도2는 종래의 원통형 리튬 이차 전지의 일 예에 대한 구조를 나타내는 정단면도 및 분해 사시도이다.
도1 및 도2를 참조하여 원통형 이차 전지의 형성방법을 살펴보면, 먼저, 직사각의 판형으로 형성된 두 전극(25)과 이들 전극 사이에 개재되어 두 전극 사이의 단락을 방지하는 세퍼레이터가(21,23) 적층되고, 와형으로 권취되어 젤리롤로 통칭되는 전극 조립체(20)를 이룬다. 각 전극판은 금속 포일로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어진다.
전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재한다. 무지부에는 한 전극판에 통상 하나씩 전극 탭(27,29)이 설치된다. 전극 탭(27,29)은 원통형 캔(10) 및 캔(10)과 절연된 캡 어셈블리(80)와 전기접속되어 충방전시 전극 조립체와 외부 회로를 연결하기 위한 통로의 일부를 형성한다. 전극 조립체(20)에서 전극 탭은 하나가 원통형 캔(10)의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출되도록 형성된다.
전극 조립체는 상하에 위치하는 상, 하 절연판(13a,13b)과 차례로 캔 개구부를 통해 원통형 캔(10)에 투입된다. 전극 조립체의 캔 내 유동을 막기 위한 비드가 캔에 형성되고, 전해액이 주입된다. 캔의 개구부 내측 벽에 절연 가스켓(30)이 설치되고, 가스켓(30) 내측으로 캔(10)의 개구부를 마감하는 캡 어셈블리(80)가 설치된다.
캡 어셈블리(80)로서 벤트 어셈블리, PTC(Positive Thermal Coefficient:60), 전극 단자를 가진 캡업(70)이 삽입된다. 벤트 어셈블리는 통상적 으로 아래쪽의 밴트(40)와 벤트의 작용과 함께 파단되어 전류의 경로를 끊는 전류 차단기(CID:Current Interrupt Device:50)를 구비하여 이루어진다.
그리고, 가스켓(30) 내측에 투입된 캡업(70) 등을 마개로 원통형 캔(10)의 개구부 벽체에 내측 및 아래쪽으로 압력을 가해 캔을 봉합하는 클림핑 작업이 이루어진다. 또한, 전지의 외부에 외장재를 입히는 튜빙(tubing) 작업이 이루어진다.
그런데, 기존의 원통형 전지 캡 어셈블리에서 캡업, PTC, CID, 벤트 어셈블리는 적층될 때 단순히 포개져 접촉된 상태를 이루게 된다. 이런 이차 전지에서 전류는 전극 조립체의 상향 전극 탭을 통해, 벤트, CID, PTC, 캡업의 순서로 흐르게 된다. 이 전류 경로에서 캡 어셈블리의 각 부품들 사이에서는 접촉저항이 존재하게 된다. 용접이 아닌 접촉부에서 저항은 용접된 부분의 저항에 비해 매우 크다.
또한, 전지 형성 과정에서 캡 조립체를 이루는 부품 사이의 접촉면에 이물질이 끼이거나 전지 사용 중에 이물질막이 형성될 수도 있다. 클램핑 과정에서 압력에 의해 혹은 완성된 전지 사용중에 외력에 의해 캡 조립체 부품들의 변형이 발생할 경우에도 부품 사이에 닿는 면적이 적어질 수 있다. 이런 요소들은 모두 접촉부의 저항을 높이게 된다.
클램핑 압력을 높이면 접촉면에서 압력에 의해 보다 접촉면 밀착이 이루어질 수도 있으나, 압력에 의해 부품 자체가 변형될 경우 오히려 접촉저항이 높아질 수 있다.
결국, 캡 어셈블리에서의 접촉 저항은 전지 내부 저항을 상당한 수준으로 높여 방전이나, 충전 효율을 떨어뜨리고, 내부 소모로 인하여 사용가능한 전력량을 줄이는 결과를 가져온다. 그러나, 캡 어셈블리를 이루는 부품들을 모두 용접하여 접속시킨다는 것은 공정 상의 또 다른 부담을 가져오는 문제가 있다.
따라서, 공정상의 다른 부담 없이 전지 자체의 내부 저항을 낮추는 방법이 요청되며, 특히, 대용량 고효율 전지에 대한 수요가 늘어남에 따라 캡 어셈블리 내의 내부 저항과 같은 내부 저항을 낮추는 문제가 더욱 요청되고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 원통형 이차 전지의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 캡 어셈블리 내에서 부품 사이의 접촉 저항을 낮출 수 있는 원통형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전지 내부의 저항을 낮추어 충방전 효율과 가용 전력량을 높일 수 있는 구성의 원통형 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 이차 전지는,
전극 탭이 형성된 두 전극과 상기 두 전극 사이에 개재되어 상기 두 전극 사이의 단락을 방지하는 세퍼레이터를 가지는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 용기형 캔, 상기 캔의 개구부에서 가스켓을 개재하여 상기 캔을 마감하는 캡 어셈블리를 구비하는 이차 전지에 있어서,
상기 캡 어셈블리를 구성하는 부품들의 접촉면들 중 적어도 하나에 엠보싱처 리가 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 캡 어셈블리는 통상 캡업, 보회회로 기판이나 PTC(positive thermal coefficient), CID(Current Interrupt Device), 벤트가 적층되어 이루어지며, 본 발명의 엠보싱면은 이들 사이의 어떤 도체간 접촉부분에도 형성될 수 있으며, 두 인접한 부품들 가운데 적어도 하나의 부품의 접촉면에 형성될 수 있다. 특히, 엠보싱은 캡 조립체의 최 상부에 있는 캡업의 하면에 형성될 수 있다.
본 발명에서 엠보싱을 형성하는 다수의 돌기들은 같은 수준의 높이를 갖는 것이 바람직하며, 도체로 이루어진 전면에 형성될 수 있다.
본 발명에서 엠보싱을 형성하는 다수의 돌기들은 돌기가 형성된 면을 이루는 캡 조립체 부품과 동일한 재질로 이루어지는 것이 형성의 용이성 면에서 바람직하다. 또한, 클림핑이 이루어질 때 압력에 의해 엠보싱이 이루어진 접촉면에서 돌기 단부가 변형되며 다른 부품면과 넓은 면에서 접촉하도록 돌기는 무른 도전재 가령 전성과 연성이 풍부한 알루미늄이나 이보다 무른 금속 재질로 형성될 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 살펴보기로 한다.
도3은 본 발명 이차 전지의 일 실시예에 대한 정단면도를 나타내며, 도4는 도3의 정단면도에서 캡 어셈블리의 일부를 확대하여 도시한 부분적 정단면도이다.
도3 및 도4를 참조하면서 본 실시예의 이차 전지의 형성과정을 살펴보면, 통상, 직사각의 판형으로 형성된 두 전극이 적층되고, 와형으로 권취되어 젤리롤형 전극 조립체(20)를 형성한다. 이때, 이들 전극 사이 및 두 전극 아래쪽 혹은 위쪽 에는 세퍼레이터가 하나씩 위치하므로 겹쳐지고, 권취되는 두 전극이 맞닿는 부분에는 어디나 세퍼레이터가 개재되어 단락을 방지한다.
각 전극판은 알미늄이나 구리로 된 금속 포일 혹은 금속 메쉬로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어진다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질과 보조 도체 및 바인더와 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 이루어진다. 용매는 이후의 전극 형성 공정에서 제거된다.
전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재한다. 무지부에는 한 전극판에 하나씩 전극 탭이 설치되며, 전극 탭(27,29)은 하나가 원통형 캔의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출되도록 형성된다.
캔(10)은 원통형으로 철재, 알미늄 합금 등을 사용하여 딥 드로잉 방법 등으로 형성한다. 이어서, 캔의 개구부를 통해 캔 내부로 전극 조립체(20)를 삽입한다. 이때, 전극 조립체를 삽입하기에 앞서 먼저 전극 조립체 하면에 하절연판(13b)을 덮고, 전극 조립체의 외측 부분에서 하향 인출된 전극 탭(29)이 하절연판(13b)의 외측을 우회하면서 캔 저면과 나란하도록 절곡된다. 하절연판과 전극 조립체를 함께 캔 내로 삽입하게 된다.
이때, 전극 조립체(20)는 원통형의 젤리롤을 이루며, 권취를 위해 맨드랠 전극 및 세퍼레이터를 파지하던 부분이 전극조립체와 분리되면서 젤리롤의 중심은 비어 중공을 형성한다. 하절연판의 중심은 전극 조립체의 중공에 해당하는 영역에 역시 통공을 가진다. 절곡된 전극 탭(29) 부분은 하절연판의 통공을 가로지르도록 한 다.
이런 상태에서 위쪽에서 전극 조립체의 중공을 통해 용접봉(미도시)이 캔 저면 방향으로 내려온다. 하절연판의 중앙 통공을 지나 하절연판의 아래쪽에서 중앙 통공을 가로지르는 전극 탭 부분과 만나게 된다. 전극 탭 부분은 위쪽으로 용접봉과 접하고, 아래로는 캔 저면과 접한 상태로 용접이 이루어진다.
실시예에 따라서는 전극 조립체(20)의 중공에 센터 핀(18)을 설치하게 되는 데, 금속 센터 핀(18)이 중공에 삽입된 상태로 캔(10)에 끼워지고, 센터 핀 상부에 용접봉을 연결하여 센터 핀 자체에 전류가 흐르는 경우도 생각할 수 있다.
하향 전극 탭(29) 용접 후, 상절연판(13a)을 전극 조립체(20) 위에 설치한다. 이때, 상절연판의 통공을 통해 전극 조립체의 상향 전극 탭(27)이 위쪽으로 인출되도록 한다. 상절연판이 중앙 통공을 가질 경우, 상절연판(13a) 설치 후 하향 전극 탭(29)의 용접이 실시될 수도 있다. 그리고, 캔 상부에 전극 조립체가 설치된 상단 레벨에 맞추어 캔 측벽을 캔 내측으로 구부려 비드(15)를 만드는 비딩 작업이 이루어진다. 비딩에 의해 전극 조립체는 완성된 원통형 이차 전지의 캔 내에서 외부 충격이 있어도 상하로 쉽게 유동할 수 없어 전기적 접속의 신뢰성을 높여준다.
전극 조립체 위로 전해액 주입이 이루어진다. 전해액 주입은 비딩 전에도 이루어질 수 있다. 비딩이 이루어진 캔 상부에 가스켓(30)이 삽입되고, 전극 조립체에서 상향 인출된 전극 탭이 캡조립체의 하단 벤트(140) 부분과 용접된다. 캡 조립체(180)는 먼저 결합된 형태로 한꺼번에 가스켓 내에 설치되거나, 부품들이 차례로 가스켓 내에 적층될 수 있다.
본 실시예에서는 캡 어셈블리의 PTC(160) 위에 캡업(170)이 놓이며, 캡업(170)의 하면, 즉, PTC(160)의 상면과 접하는 부분에 엠보싱 처리가 이루어진다. 이러한 처리는 캡업(170)을 형성하는 과정에서 프레스 등으로 형성할 수 있다. 그 밖에 캡업 표면의 한 쪽을 부분적으로 에칭하거나, 몰드를 이용하거나, 테이프를 이용하여 연전성이 뛰어난 연한 금속으로 이루어진 돌기 부분을 캡업 표면에 전사시킬 수도 있다.
실시예에 따라서는, CID(150)와 PTC(160) 등 보호회로가 접촉하는 면 가운데 도전재가 서로 접하는 부분, CID(150)와 벤트(140)가 만나는 부분 가운데 도전재가 서로 접하는 부분 등에도 적어도 한 면에 돌기가 형성되도록 할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라서는 도5와 같이 종래의 CID, PTC, 벤트 등의 적층 구성을, CID를 없앤 상태로 절연재를 개재하여 PTC와 벤트(240)를 끼워 결합시키고, 벤트(240)의 아래는 중공을 가진 캡 다운(265)에 다시 벤트(240)와 결합시켜 중공으로 돌출부가 튀어나오도록 설치하는 구조로 변경할 수 있다.
이때, 캡업(270) 하부 부품은 새로운 CID라고도 하며, 위로부터 PTC, 벤트(240), 캡 다운(265), 전극 조립체의 상향 전극 탭(27)이 접속되는 서브 플레이트(275)를 구비하여 이루어질 수 있다. 여기서, PTC와 벤트(240)는 전기접으로 접속되고, 벤트와 도전성 캡 다운(265)은 주변부에 절연재(255)를 개재시켜 서로 이격되되, 캡 다운(265)의 중앙 통공을 통해 벤트(240)의 아래로 볼록한 돌출부가 노출되도록 형성될 수 있다.
또한, 돌출부 저면은 전극 조립체(20)의 한 전극에서 나온 전극 탭(27)과 직 접 혹은 간접으로 전기 접속되는 데, 돌출부 저면은 중앙 통공 주변에서 캡 다운(265) 저면의 일부와 전기 접속된 서브 플레이트(275)를 통해 전극 탭과 접속된 상태를 유지하되 전지 내압이 상승할 때 돌출부의 돌출 방향이 역전되어 서브 플레이트 및 캡 다운과의 전기 접속이 끊어지도록 이루어질 수 있다.
이때, 서브 플레이트와 캡 다운은 용접에 의해 레이저 용접 등에 의해 전기 접속되고, 돌출부와 서브 플레이트(275)도 초음파 용접 등에 의해 전기 접속될 수 있고, 서브 플레이트는 캡 다운의 중앙 통공 주변에서 캡 다운(265) 저면과 용접되되 중앙 통공과의 사이에 틈을 가져 벤트의 돌출부에 내압이 작용하도록 이루어져야 한다.
도5와 같은 실시예의 구성에서는 캡업(270)을 제외한 나머지 캡 어셈블리 부품들이 일체화된 구조를 가지므로 캡업과 나머지 부품, 이를테면 새로운 CID와의 사이에만 캡업 하면에 엠보싱 처리를 하는 것도 가능하다.
캡 어셈블리가 정위치에 설치되며, 캔의 개구부인 상단 측벽을 내측으로, 캡 어셈블리의 주변 상부로 압박하여 변형시키는 클램핑이 이루어진다. 클램핑이 이루어질 때 캡 어셈블리(280)와 캔(10) 측벽은 가스켓(30)을 개재하여 서로 절연된 상태를 유지하면서, 밀착한다. 이때, 부품의 변형이 없는 동일한 클램핑 압력이 작용하는 경우에도 압력에 의해 엠보싱 처리가 이루어진 면의 돌기들은 면과 면이 직접 접하는 경우에 비해 높은 압력으로 상대편 부속의 대향면에 접촉을 유지할 수 있다.
돌기가 연한 금속으로 이루어질 경우, 상당한 압력으로 돌기가 대향면에 접 촉될 수 있으며, 접촉 면적도 증가할 수 있으므로 바람직하다.
클램핑 후에 원통형 전지의 상하단에 압력을 가하여 밀폐 정도를 높이는 작업이 더 이루어질 수 있다. 이런 작업에 의해서도 돌기가 형성된 엠보싱면에서의 접촉은 보다 밀접하게 이루어져 접촉 저항이 낮추어질 수 있다. 튜빙 등의 후속 공정이 통상적으로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 부품의 일면에 엠보싱 처리를 하는 것에 의해 별도의 공정의 추가나 시간적 지연 없이도 기존의 공정을 이용하면서 캡 어셈블리의 접촉 저항을 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면 전지 자체의 내부 저항을 줄임으로써 충방전 효율을 높일 수 있고, 1회 충전에 의한 가용 전력량을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 전극 탭이 형성된 두 전극과 상기 두 전극 사이에 개재되어 상기 두 전극 사이의 단락을 방지하는 세퍼레이터를 가지는 전극 조립체,
    상기 전극 조립체를 수용하는 용기형 캔,
    상기 캔의 개구부에서 가스켓을 개재하여 상기 캔을 마감하는 캡 어셈블리를 구비하는 이차 전지에 있어서,
    상기 캡 어셈블리를 형성하는, 서로 면접촉에 의해 전기접속된 부품들 가운데 적어도 하나의 전기 접속면의 적어도 일부에 복수의 돌기를 형성하는 엠보싱 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는 최상부에 위치하여 외부 전기 단자가 되는 캡업과, 하부 부품으로 이루어지고,
    상기 하부 부품과 접하는 상기 캡업의 하면 적어도 일부에 엠보싱 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 부품은 아래로부터 벤트, 전류차단소자(CID: Current Interrupt device), 보호회로기판이 적층되어 이루어지고, 상기 캡업은 상기 보호회로기판의 상부 도전체면과 접속되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 돌기는 같은 수준의 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기는 상기 돌기가 형성된 부품과 일체로 형성된 것임을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기는 상기 돌기가 형성된 상기 부품의 재질에 비해 연성 및 전성이 높은 도전재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기는 알미늄 이상의 연성과 전성을 가진 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 부품은 위로부터 PTC, 벤트, 캡 다운, 전극 조립체의 상향 전극 탭이 접속되는 서브 플레이트를 구비하여 이루어지고,
    상기 PTC와 상기 벤트는 전기접으로 접속되고,
    상기 벤트와 상기 도전성 캡 다운은 주변부에 절연채를 개재시켜 서로 이격되되,
    상기 캡 다운의 중앙 통공을 통해 상기 벤트의 아래로 볼록한 돌출부가 노출되고,
    상기 돌출부 저면은 상기 전극 조립체의 한 전극에서 나온 전극 탭과 직접 혹은 간접으로 전기접속되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 돌출부 저면은 상기 중앙 통공 주변에서 상기 캡 다운 저면의 일부와 전기접속된 서브 플레이트를 통해 상기 전극 탭과 접속된 상태를 유지하되 전지 내압이 상승할 때 상기 돌출부의 돌출 방향이 역전되어 상기 서브 플레이트 및 상기 캡 다운과의 전기 접속이 끊어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 서브 플레이트와 상기 캡 다운은 용접에 의해 전기 접속되고, 상기 돌출부와 상기 서브 플레이트도 용접에 의해 전기 접속된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 서브 플레이트는 상기 캡 다운의 중앙 통공 주변에서 상기 캡 다운 저면과 용접되며, 상기 중앙 통공과의 사이에 틈을 가져 상기 벤트의 돌출부에 내압이 작용하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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