KR20060130529A - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

외장캔과, 상기 외장캔에 장착되는 것으로 양극, 세퍼레이터 및 음극이 적층 또는 권취되어 이루어진 전극 조립체와, 상기 외장캔과 결합되어 이를 밀폐하며 외부단자를 가지는 캡 조립체 및 상기 전극 조립체의 양,음극의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극용 집전판을 포함하고, 상기 양,음극용 집전판 중 적어도 어느 하나의 집전판이 판상의 본체와, 상기 본체 일측에서 절개되어 일체로 형성되고 상기 캡 조립체와 전기적으로 연결되는 탭을 포함하여 구성된다.

이차전지, 집전판, 탭

Description

이차 전지{secondary battery}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 일부절제 단면도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 일부절제 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양극 집전판을 발췌하여 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 집전판이 전극 조립체의 양극에 용접된 상태를 도시한 부분 단면도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극 집전판을 발췌하여 도시한 사시도이다.

본 발명의 이차 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 외장캔의 내부에 장착된 전극 조립체와 캡 조립체의 외부단자를 연결하는 구조가 개선된 이차전지에 관한 것이다.

최근, 소형화, 휴대화가 가능한 전자기기 및 친환경적인 모터 구동용 고출력전지에는 주로 고에너지 밀도의 비수전해액 이차전지가 이용된다. 이러한 비수전 해액 이차전지의 양극 및 음극에는 리튬 등의 알칼리금속이 사용되고 있기 때문에, 리튬 등의 알칼리금속이 대기중의 수분과 반응하지 않도록 전지용기에는 밀폐구조가 채용되고 있다.

이러한 밀폐구조의 이차전지는 상부가 개방된 외장캔과, 상기 외장캔의 내부에 장착되며 전해액이 함침된 전극 조립체와, 상기 외장캔과 결합되어 이를 밀폐하고 외부단자 즉, 양극단자부가 형성된 캡 조립체를 포함한다. 그리고 상기 전극 조립체의 양극판은 캡 조립체와 탭에 의해 연결된 구조를 가진다.

이와 같이 구성된 이차 전지에 있어서, 상기 전극 조립체와 외부단자를 연결하는 하나의 탭은 전극 조립체의 각 부위로부터 발생된 전압의 인출이 용이하지 않으며, 전극 조립체와 탭이 용접된 영역과 이로부터 멀어지는 영역의 사이에 전위차의 발생을 야기시킨다. 이러한 전위 차는 충방전이 계속됨에 따라 탭과 용접되는 부위의 열화를 심화시키게 되고 결과적으로는 전지의 출력저하와 수명을 감소시킨다. 이와 같은 현상은 짧은 시간에 충방전이 반복되는 모터구동용 전지의 경우 더욱 심하게 나타난다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 이차 전지가 일본국 공개특허 2003-7346호에 개시되어 있다. 이 이차 전지는 전극 조립체에 일방향으로 복수개의 탭을 형성하고, 이들 탭을 외부 단자부와 연결되는 내부 단자부와 결합한 구조를 가진다.

상기와 같이 구성된 이차 전지의 탭들은 집전체와 일체로 형성하거나 별도로 제작되어 집전체와 용접된다. 상기 탭들이 집전체와 일체로 형성되는 경우 집전체 재료의 소모가 심하고, 상기 탭을 집전체와 별도로 제작하여 용접하는 경우 많은 작업공수가 수요되는 문제점이 있다. 특히, 다수탭을 내부단자와 용접하는 경우 탭으로부터 발생되는 열에 의해 전극 조립체에 미치는 영향을 최소화하기 위해 탭의 길이가 상대적으로 길어지게 된다. 상기 탭의 길이 증가는 외장캔 내부에서의 탭 점유 공간이 커지게 되고 나아가서는 이차전지의 단위 체적당 에너지 밀도를 떨어뜨리게 되는 문제점이 있다.

일본국 공개특허 제2001-102029호, US6193765호, US6372380호에는 다수의 탭을 가지는 이차 전지의 다른 예들이 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로, 집전체와 탭들의 용접에 따른 작업공수를 줄이고, 외장캔 내부에서 탭이 차지하는 공간을 줄여 단위 체적당 에너지밀도를 높일 수 있는 이차전지를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전극조립체의 집전능력을 향상시키고, 전위차에 의한 열의 발생을 최소화시켜 출력 및 수명이 저하되는 것을 방지할 수 있는 이차전지를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 순간방출이 용이하여 전기자동차나 하이브리드 전기자동차에 적용 가능한 이차전지를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이차 전지는, 외장캔과, 상기 외장캔에 장착되는 것으로 양극, 세퍼레이터 및 음극이 적층 또는 권취되어 이루어진 전극 조립체와, 상기 외장캔과 결합되어 이를 밀폐하며 외부단자를 가 지는 캡 조립체 및 상기 전극 조립체의 양,음극의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극용 집전판을 포함하고, 상기 양,음극용 집전판 중 적어도 어느 하나의 집전판은 판상의 본체와, 이 본체로부터 돌기져 형성되어 상기 양극의 집전체 또는 상기 외장캔에 접촉되는 접촉부를 포함하여 구성된다.

상기에서 접촉부는 상기 본체에 임의의 패턴을 가지고 형성되는 적어도 1의 홈으로 구성될 수 있으며, 이러한 홈은 상기 집전판에 방사상, 바람직하게는 십자상으로 배치되어 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 있어, 상기 집전판이 양극용인 경우, 이 집전판에는 전해액 주입용 관통공이 적어도 1 이상으로 형성되고, 상기 캡 조립체와 전기적으로 연결되는 탭이 일체로 형성될 수 있다.

이러한 집전판은 상기 접촉부를 양극의 집전체 또는 상기 외장캔에 접촉되도록 한 상태에서 레이저 용접에 의해 상기 접촉부를 고정시킨다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에는 본 발명에 따른 이차전지(10)의 일 실시예를 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 이차전지(10)는 원통형 또는 육면체 형상을 가지며 상면이 개방된 외장캔(11)과, 상기 외장캔(11)의 내부에 삽입되는 전극 조립체(20)와, 상기 외장캔(11)과 결합되어 외장캔(11)을 밀폐하며 외부단자(31)를 가지는 캡 조립체(30)와, 상기 전극 조립체(20)의 양극(21) 집전체와 전기적으로 연결되는 집전판(40)과 상기 집전판(40)과 캡 조립체(30)를 전기적으로 연결하는 탭(50)을 포함 한다.

이하에 상기와 같이 구성된 이차전지를 구성요소 별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 외장캔(11)은 알루미늄이나 알루미늄 합금 등과 같은 도전성 금속재로 이루어지는데, 그 형상은 상술한 바와 같이 상기 전극 조립체(20)가 설치되는 공간부를 가진 원통형 또는 육면체로 한정되지 않고 전극 조립체(20)를 내장할 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.

한편, 싱기 전극 조립체(20)는 각각의 활물질이 집전체에 코팅되어 구성된 양극(21)과 음극(22)이 세퍼레이터(23)를 사이에 두고 적층되어 이루어지거나, 양극(21), 세퍼레이터(22) 및 음극(23)이 적층된 상태에서 이들을 감아 구성한 젤리롤(jelly roll) 타입으로 이루어 질 수 있다. 본 실시예에서 상기 외장캔(11)은 원통형, 상기 전극 조립체(20)는 젤리롤 타입으로 이루어지고 있다.

상기와 같이 구성된 전극 조립체(20)의 음극(23)의 하부에 이 음극(23)의 집전체에 음극 활물질이 도포되어 있지 않은 무지부(23a)가 형성되어 외장캔(11)과 접촉되고, 상기 양극(21)의 상부에는 상기 집전판(40)과 전기적으로 연결될 수 있도록 그 집전체 가장자리에 양극 활물질이 도포되지 않아서 형성된 무지부(21a)가 배치되어 있다. 여기에서 상기 음극(23)과 외장캔(11) 사이에는 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 음극(23)의 무지부(23a)와 상기 외장캔(11)에 접촉되는 음극용 집전판(60)이 더욱 배치될 수 있다.

상기 캡 조립체(30)는 외장캔(11)과 결합되어 외장캔(11)을 밀폐하는 것으 로, 외부단자(31a)를 가지는 캡 플레이트(31)와, 상기 외장캔(11)과 상기 캡 플레이트(31)를 절연시키는 가스킷(32)을 포함하는데, 이 캡 조립체(30)에는 내부 압력을 완충시킬수 있는 공간부를 가지며 설정된 압력에서 파손되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 안전변을 가지는 밴트 플레이트(33)가 더욱 포함될 수 있다. 상기 안전변은 밴트 플레이트에 형성된 것에 한정되지 않고, 설정된 압력하에서 상기 탭(50)을 통한 전극 조립체(20)와 외부단자를 전기적으로 단락시킬 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.

상기 집전판(40)은 도 3에 도시된 바와 같이 원판상의 본체(41)를 가지며, 이 본체(41)에는 상기 전극 조립체(20) 측으로 돌기져 상기 양극(21)의 무지부(21a)와 전기적으로 접촉되는 적어도 1의 홈(42)이 형성되어 있다.

여기서 상기 본체(41)는 그 형상을 원형으로 한정하지 않고, 삼각형, 사각형 또는 다각형 등 다양한 모양을 취하면서 형성될 수 있으며, 상기 홈(42)은 상기 본체(41)를 비딩 가공함으로써 형성될 수 있는데, 이러한 홈(42)은 복수로 구비되어 상기 본체(41)에 방사상으로 배치될 수 있으며, 그 일례로는 도면에 도시한 바와 같이 그 수를 4개로 하여 상기 본체(41)에 십자상으로 배치된 구조를 취할 수 있다.

본 실시예에서 상기 홈(42)은, 상기 본체(41)의 가장자리로부터 상기 본체(41)의 중심을 향해 따라 일자형으로 형성되고 있으나, 이는 일정 간격을 두고 볼록진 엠보싱 형태로도 형성될 수 있으며, 그 단면이 사각형 또는 삼각형 또는 반구형 등 여러 가지 형상을 가지고 형성될 수 있다.

한편, 상기 본체(41)의 중앙부에는 중공(44)이 형성되고 이의 가장자리에는 이를 따라 상부로 돌출된 파지부(45)가 더 구비된다.

이에 상기와 같이 구성된 이차 전지(10)는 그 제조시, 상기 외장캔(11) 내부로 상기 전극 조립체(20)가 삽입된 상태에서 상기 집전판(40)을 상기 전극 조립체(20)의 상면에 올려놓고, 상기 집전판(40)을 상기 전극 조립체(20)의 양극(21)에 전기적으로 연결시킨다. 이 때, 이의 연결은 상기 양극(21)의 무지부(21a)와 맞닿아 접촉된 상기 집전판(40)의 홈(42)이 레이저 용접을 통해 상기 무지부(21a)에 고정됨으로써 이루어지게 된다 (도 4 참조).

이러한 집전판(40)의 구조를 갖는 상기 이차 전지(10)는, 상기 홈(42)에 의해 상기 집전판(40)이 상기 전극 조립체(20)와의 접촉 상태를 안정적으로 이룰 수 있게 되므로, 상기 전극 조립체(20)로부터 보다 효율적으로 전류를 집전시킬 수 있어 그 품위를 한층 향상시킬 수 있게 된다.

더욱이, 상기 집전판(40)에 대한 용접 작업성도 향상시킬 수 있게 된다.

이러한 집전판에 대한 효과는 도 2에 도시한 음극용 집전판(60)에 대해서도 거둘 수 있다. 여기서 상기 음극용 집전판(60)이 갖는 구조는 전술한 양극용 집전판(40)과 동일하며, 상기 외장캔(11) 내부로 삽일 때, 그 홈(61)이 상기 외장캔(11)의 바닥면에 접촉되도록 하고, 이러한 상태에서 저항용접 등을 통해 고정되어 상기 외장캔(11)과 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예로서, 상기 양극용 집전판(40)은 다음의 구성을 더욱 가질 수 있다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극용 집전판(40)을 도 시한 사시도로서, 도시된 바와 같이, 그 기본적인 구성은 전술한 예의 집전판과 동일하다.

즉, 상기 집전판(40)의 판상의 본체(41)를 가지며, 여기에 전극 조립체와 전기적으로 접촉되어 레이저 용접 등을 통해 고정되는 홈(42)을 다수로 형성하고 있다. 이러한 집전판(40)으로 상기 본체(41) 상에는 관통공(43)이 적어도 1 이상으로 형성될 수 있는데, 이는 상기 외장캔 내부로 주입되는 전해액을 상기 집전판(40) 외부에서 용이하게 주입되도록 하는 역할을 한다.

또한, 상기 집전판(40)에는 이 집전판(40)과 캡 조립체를 전기적으로 연결하는 탭(50)이 랜싱(lancing) 가공 등을 통해 상기 본체(41)에 일체로 형성될 수 있다. 이러한 탭(50)은 별도로 상기 집전판(40)과 캡 조립체에 부착되지 않고, 상기 본체(41)의 일부 부위가 다만 캡 조립체에 부착되는 구조이므로, 상기 집전판(40)과 캡 조립체로부터 쉽게 이탈되는 것을 막을 수 있어 상기 이차 전지(20)의 기능 향상에 도움을 줄 수 있다.

본 발명의 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 이차 전지는 단일의 집전판을 이용 하여 권취된 집전체와 전기적인 접촉력을 향상시키고, 집전판과 전극 조립체와 용접이 간단하여 생산성의 향상을 도모할 수 있다.

그리고 상기 이차 전지는 짧은 시간내에 반복적이 충방전에 의해 용접부위의 열화와 열의 발생을 줄일 수 있으므로 전기 자동차나 하이브리드 전기자동차의 모터 구동용으로 적합하다.

Claims (1)

1. 외장캔과;

   상기 외장캔에 장착되는 것으로 양극, 세퍼레이터 및 음극이 적층 또는 권취되어 이루어진 전극 조립체와;

   상기 외장캔과 결합되어 이를 밀폐하며 외부단자를 가지는 캡 조립체; 및

   상기 전극 조립체의 양,음극의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극용 집전판을 포함하고,

   상기 양,음극용 집전판 중 적어도 어느 하나의 집전판이 판상의 본체와, 상기 본체 일측에서 절개되어 일체로 형성되고 상기 캡 조립체와 전기적으로 연결되는 탭을 포함하는 이차 전지.

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