KR20070082943A - 개선된 구조의 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극조립체가 내장된 전지케이스의 개방 상단에 결합되는 탑 캡과, 상기 전극조립체의 전극에 접속되어 외부로 돌출되어 있는 단자, 및 상기 단자가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 가스켓을 포함하고 있는 캡 어셈블리로서, 전극조립체의 전극에 접속되는 상대적으로 큰 크기의 헤드를 가진 리벳과, 상기 리벳의 헤드 하단면과 바디의 외면을 감싸는 형상의 절연성 부재를 사용하여, 탑 캡에 천공되어 있는 접속용 홈에 상기 리벳과 절연성 부재를 탑 캡의 하부로부터 삽입한 후, 탑 캡의 상부로 돌출된 리벳의 상단부를 압연함으로써 상기 돌출단자와 가스켓이 동시에 형성되는 것으로 구성된 캡 어셈블리를 제공한다.

Description

개선된 구조의 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차전지 {Cap Assembly of Improved Structure and Secondary Battery Containing the Same}

도 1은 젤리-롤형 전극조립체를 내장하고 있는 종래기술의 각형 전지의 부분 모식도이다;

도 2는 종래기술에 따른 캡 어셈블리의 수직 단면도이다;

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리의 일련의 조립 과정에 대한 모식도들이다;

도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리의 부분 수직 단면도이다.

본 발명은 개선된 구조의 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체의 전극에 접속되는 상대적으로 큰 크기의 헤드를 가진 리벳과, 상기 리벳의 헤드 하단면과 바디의 외면을 감싸는 형상의 절연성 부재를 사용하여, 탑 캡에 천공되어 있는 접속용 홈에 상기 리벳과 절연성 부재를 탑 캡의 하부로부터 삽입한 후, 탑 캡의 상부로 돌출된 리벳의 상단부를 압연함으로써 돌출단자와 가스켓이 동시에 형성되는 구성의 캡 어셈블리와 그것을 전지케이스에 장착하고 있는 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막에 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.

그 중 각형 전지의 일반적인 구조가 도 1에 개시되어 있다.

도 1을 참조하면, 각형 전지(50)는 젤리-롤형 전극조립체(10)가 각형 금속 케이스(20)에 내장되어 있고 케이스(20)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 32)가 형성되어 있는 탑 캡(30)을 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전극조립체(10)의 음극은 음극 탭(12)을 통해 탑 캡(30) 상의 음극단자(32)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(32)는 절연부재(34)에 의해 탑 캡(30)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극조립체(10)의 또다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(14)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(30)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.

또한, 전극 탭들(12, 14)을 제외하고 전극조립체(10)와 탑 캡(30)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 각형 케이스(20)와 전극조립체(10) 사이에 시트형 절연부재(40)를 삽입한 뒤, 탑 캡(30)을 덮고, 탑 캡(30)과 케이스(20)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 그런 다음, 전해액 주입구(43)를 통해 전해액을 주입한 후 용접하여 밀봉하고, 에폭시 등으로 용접 부위를 도포함으로써 전지가 제조된다.

도 2에는 도 1에서의 캡 어셈블리를 구성하는 하나의 방법으로서, 한국 특허출원공개 제2001-8860호에 개시되어 있는 캡 어셈블리의 구조를 보여주는 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 캡 어셈블리는 금속성 탑 캡(30)의 중앙에 천공되어 있는 접속용 홈에 가스켓(34, 36)을 경유하여 돌출단자(32)가 삽입 결합되어 있으며, 탑 캡(30)의 하단에 전극조립체(도시하지 않음)의 음극 탭이 용접되기 위한 도전판(38)이 가스켓(36)에 의해 절연된 상태로 돌출단자(32)의 하단에 결합되어 있다.

이러한 구조의 캡 어셈블리의 조립 과정을 살펴보면, 우선 상부 가스켓(34) 을 탑 캡(30)의 상부로부터 접속용 홈에 삽입하여 장착하고, 하부 가스켓(36)과 도전판(38)을 탑 캡(30)의 하단면에 위치시킨 상태에서, 돌출단자(32)용 리벳을 상부 가스켓(34)을 관통하여 도전판(38)에 이르도록 탑 캡(30)의 상부로부터 삽입한 후, 리벳의 하단을 압연하여 결합시키는 과정을 거친다. 따라서, 캡 어셈블리를 조립하기 위해서는 다수의 부품들을 사용하여야 하고 그로 인해 조립과정이 복잡하다는 단점이 있다.

따라서, 이러한 단점을 해결하기 위하여 한국 특허출원공개 제2004-34248호에서는, 상부 가스켓과 하부 가스켓을 탑 캡 상에 인서트 사출 성형에 의해 일체로 형성하며, 리벳을 탑 캡의 상부로부터 삽입한 후 그것의 하단을 압연하여 캡 어셈블리를 조립하는 기술이 제시되어 있다. 상기 출원의 캡 어셈블리는 도전판을 사용하지 않고 가스켓이 하나의 부품으로 구성되므로, 도 2의 캡 어셈블리 구조에 비해 부품 수를 크게 절감하는 효과가 있다. 그러나, 이러한 캡 어셈블리 구조는 몇가지 문제점을 가지고 있다.

첫째, 가스켓을 탑 캡에 일체의 형태로 성형하는 과정에서 인서트 사출 성형을 수행하여야 하는 바, 부품 수를 줄이는 대신에 인서트 사출 성형이라는 복잡한 성형 공정을 거쳐야 하므로, 실질적으로 도 2의 구조와 비교하여 개선된 공정이라 할 수 없다. 오히려, 이러한 인서트 사출 성형은 금형 및 성형 장치의 추가적인 설치 등 경제적인 측면에서 매우 큰 단점을 가지며, 이는 전지의 제조비용을 증가시키는 원인으로 작용한다.

둘째, 전극조립체의 전극 탭이 결합되는 부위가 압연된 리벳의 하단으로서 높은 결합력의 용접을 수행하기에는 그것의 표면적이 너무 좁다는 문제점을 가지고 있다. 상기 선행기술에서는 그에 대한 하나의 개선 예로서 하부 방향으로 리벳의 폭을 증가시킨 구조를 추가로 제안하고 있지만, 그럼에도 불구하고 충분한 결합력의 용접을 수행하기에는 하단의 표면적이 너무 좁으며, 그러한 경사 구조로 인해 가스켓의 밀봉성이 저하될 수 있다.

따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 상대적으로 큰 크기의 헤드를 가진 리벳과, 상기 리벳의 외면을 감싸면서 리벳의 형상에 대응하는 내면 구조를 가진 가스켓을 상기 리벳과 함께 탑 캡의 하부로부터 장착한 후 리벳의 돌출 상단을 압연하여 돌출단자를 형성하는 경우에는, 인서트 사출 성형을 행하지 않고도 일체형의 가스켓을 탑 캡에 형성할 수 있으며, 넓은 표면적을 가진 돌출단자의 하단, 즉, 리벳의 헤드에 전극조립체의 전극 탭을 용접함으로써 높은 결합력을 제공할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는, 전극조립체가 내장된 전지케이스의 개방 상단에 결합되는 탑 캡과, 상기 전극조립체의 전극에 접속되어 외부로 돌출되어 있는 단자, 및 상기 단자가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 가스켓을 포함하고 있는 캡 어셈블리로서, 전극조립체의 전극에 접속되는 상대적으로 큰 크기의 헤드를 가진 리벳과, 상기 리벳의 헤드 하단면과 바디의 외면을 감싸는 형상의 절연성 부재를 사용하여, 탑 캡에 천공되어 있는 접속용 홈에 상기 리벳과 절연성 부재를 탑 캡의 하부로부터 삽입한 후, 탑 캡의 상부로 돌출된 리벳의 상단부를 압연함으로써 상기 돌출단자와 가스켓이 동시에 형성되는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는 전극조립체의 전극과 연결되는 단자(돌출단자)의 하단부가 큰 크기의 표면적을 가지므로 상기 전극과의 높은 결합력을 제공할 수 있으며, 돌출단자의 형성 과정에서 가스켓이 함께 형성되므로 인서트 사출 성형과 같은 복잡한 성형 공정이 필요지 않게 된다.

상기 리벳은 헤드의 폭이 바디의 직경에 대해 적어도 250% 이상, 바람직하게는 300 내지 500%의 크기로 되어 있다. 전극조립체의 전극(예를 들어, 전극 탭)과의 높은 결합력의 용접을 행하기 위해서는 충분한 접촉면이 확보되어야 하는 바, 상기와 같은 큰 폭의 리벳 헤드는 종래기술의 캡 어셈블리에서 도전판에 대한 전극 탭의 용접에서와 같은 높은 결합력을 제공한다.

상기 절연성 부재는 리벳이 도전판과 돌출단자를 형성할 때, 밀봉성을 유지하면서 탑 캡으로부터 리벳을 전기적으로 절연시키는 역할을 하므로, 적어도 리벳 과 탑 캡의 접촉을 방지할 수 있도록 리벳의 헤드 하단면과 바디 외면을 감싸는 내면 구조를 가져야 한다. 또한, 절연성 부재는 리벳과 함께 탑 캡의 접속용 홈에 삽입될 수 있어야 하므로, 대략적인 형상은 리벳과 유사할 수 있다. 즉, 절연성 부재는 리벳의 바디가 삽입될 수 있는 내경을 가진 중공 본체와, 리벳의 헤드 하단면을 감싸는 크기로 상기 중공 본체의 일측 단부로부터 측면으로 넓게 연장되어 있는 지지부로 구성되어 있다.

절연성 부재는 상기 지지부가 형성되어 있지 않은 타측 단부가 탑 캡의 접속용 홈에 삽입되어 리벳의 압연시 돌출단자의 형상에 따라 변형된다. 따라서, 절연성 부재의 소재로는 전기절연성 및 전해액에 대해 내성을 가지면서 소성 변형 또는 탄성 변형이 유발되는 플라스틱 수지가 바람직하다. 이러한 플라스틱 수지의 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 합성고무, 천연고무, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드 등을 들 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 또한 상기 캡 어셈블리가 전지케이스의 개방 상단에 결합되어 있는 구조의 이차전지를 제공한다.

상기 전지케이스는 다양한 구조와 소재로 이루어질 수 있으며, 특히 바람직하게는 금속으로 이루어진 각형 케이스일 수 있다. 이러한 각형 금속 케이스에 대한 캡 어셈블리의 결합 방식 역시 다양할 수 있으며, 바람직하게는 용접에 의해 달성될 수 있다.

캡 어셈블리의 돌출단자의 하단, 즉 리벳의 헤드에는 바람직하게는 전극조립 체의 전극 탭에 용접된다. 이러한 전극 탭은 바람직하게는 음극 탭일 수 있다.

전지케이스에 내장되는 전극조립체의 구성과 전지의 조립에 대한 내용은 당업자에게 공지되어 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 캡 어셈블리를 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3a 내지 도 3c에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리의 일련의 조립 과정이 모식적으로 도시되어 있다.

우선 도 3a를 참조하면, 본 발명의 캡 어셈블리(100)는 전지케이스(도시하지 않음)의 상단에 결합되는 탑 캡(200), 접속용 홈(210)을 통해 탑 캡(200)에 장착되는 절연성 부재(300), 및 절연성 부재(300)에 의해 절연된 상태로 접속용 홈(210)을 통해 탑 캡(200)에 장착되는 리벳(400)으로 구성되어 있다.

탑 캡(200)에는 절연성 부재(300)와 리벳(400)이 삽입되어 장착되기 위한 접속용 홈(210)이 중앙에 천공되어 있고, 일 측부에 전해액 주입구(220)가 천공되어 있다. 탑 캡(200)은 전극조립체가 내장되어 있는 전지케이스의 개방 상단에 용접되어 결합되므로, 상기 전지케이스의 수평 단면 형상에 대응하는 판상 구조로 이루어져 있다.

절연성 부재(300)는 다소 유연성 있는 플라스틱 수지로 이루어져 있고, 탑 캡(200)의 접속용 홈(210)에 삽입되는 중공 본체(310)와 그것의 하단에 큰 크기의 형성된 지지부(320)로 구성되어 있다. 중공 본체(310)의 외경은 접속용 홈(210)의 내경에 대략 일치하며, 중공 본체(310)의 내경은 리벳(400)의 바디(410)의 외경에 대략 일치한다.

리벳(400)은 압연시 소성 변형되는 도전성의 금속 소재로 이루어져 있으며, 절연성 부재(300)의 중공 본체(310)의 내경에 대략 일치하는 외경의 바디(410)와 상대적으로 넓은 폭의 헤드(420)로 이루어져 있다. 헤드(420)의 폭(W_h)는 바디 외경(W_b)의 대략 250% 이상으로서 전극조립체의 전극 탭을 용접하기 용이하며 용접된 상태에서의 결합력이 우수하다.

본 발명에 따르면, 절연성 부재(300)와 리벳(400)은 탑 캡(200)의 하부로부터 삽입되어 장착된다. 탑 캡(200)의 접속용 홈(210)에 절연성 부재(300)의 중공 본체(310)를 삽입한 후 리벳(400) 바디(410)를 중공 본체(310)의 관통홈(312)에 삽입한다. 경우에 따라서는, 리벳(400)을 절연성 부재(300)에 결합시킨 후에 탑 캡(200)의 접속용 홈(210)에 삽입할 수도 있다.

이와 같이 장착된 상태에서의 단면 구조가 도 3b에 도시되어 있다. 리벳(400)은 절연부재(300)에 의해 전기적으로 절연된 상태에서 탑 캡(200)의 하부로부터 장착되어 있다. 이러한 장착 상태에서 리벳(400)의 바디 단부(412)를 압연하면 리벳(400)의 바디(410)가 소성 변형되면서 탑 캡(200)에 결합되어, 도 3c에서와 같이 돌출단자를 형성한다.

절연성 부재(300) 역시 그것의 중공 본체(310)가 리벳 바디(410)의 변형에 따라 소성 또는 탄성 변형되면서 가스켓을 형성하는데, 이러한 변형 과정에서도 중공 본체(310)는 리벳 바디(410)를 감싼 구조를 유지하므로 탑 캡(200)에 대한 리벳(400)의 전기적 절연 상태는 그대로 보존될 수 있다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 제조된 캡 어셈블리의 부분 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 리벳(400)의 압연으로 형성된 돌출단자(400a)는 절연성 부재(300)가 변형되어 형성된 가스켓(300a)에 의해 탑 캡(200)에 전기 절연된 상태로 안정적으로 장착되어 있다. 또한, 가스켓(300a)은 돌출단자(400a)가 결합되어 있는 탑 캡(200) 부위를 밀봉하는 작용도 담당한다.

돌출단자(400a)의 하단은 넓은 표면을 형성하고 있으므로 전극조립체(도시하지 않음)의 전극 탭에 우수한 결합력으로 용접될 수 있다. 이러한 구조는 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 바와 같이, 별도의 인서트 사출 성형을 요구하지 않으며, 탑 캡(200)의 접속용 홈(210)에 대한 절연성 부재(300)와 리벳(400)의 삽입 장착 과정 및 리벳(400)의 압연 과정에 의해 손쉽게 제조될 수 있으므로, 조립 공정 자체가 매우 경제적이다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는 인서트 사출 성 형을 행하지 않고도 일체형의 가스켓을 탑 캡에 형성할 수 있으며, 넓은 표면적을 가진 돌출단자의 하단, 즉, 리벳의 헤드에 전극조립체의 전극 탭을 용접함으로써 높은 결합력을 제공할 수 있으므로, 캡 어셈블리를 구성하는 부품 수가 적고 그것의 조립 공정이 간단하며 우수한 결합 특성의 전지를 제조할 수 있다.

Claims (8)

1. 전극조립체가 내장된 전지케이스의 개방 상단에 결합되는 탑 캡과, 상기 전극조립체의 전극에 접속되어 외부로 돌출되어 있는 단자, 및 상기 단자가 탑 캡에 대해 전기절연성을 유지할 수 있도록 탑 캡과의 계면에 개재되는 가스켓을 포함하고 있는 캡 어셈블리로서, 전극조립체의 전극에 접속되는 상대적으로 큰 크기의 헤드를 가진 리벳과, 상기 리벳의 헤드 하단면과 바디의 외면을 감싸는 형상의 절연성 부재를 사용하여, 탑 캡에 천공되어 있는 접속용 홈에 상기 리벳과 절연성 부재를 탑 캡의 하부로부터 삽입한 후, 탑 캡의 상부로 돌출된 리벳의 상단부를 압연함으로써 상기 돌출단자와 가스켓이 동시에 형성되는 것으로 구성된 캡 어셈블리.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 리벳은 헤드의 폭이 바디의 직경에 대해 적어도 250% 이상인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 리벳은 헤드의 폭이 바디의 직경에 대해 적어도 300 내지 500%인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 부재는 리벳의 바디가 삽입될 수 있는 내경을 가진 중공 본체와, 리벳의 헤드 하단면을 감싸는 크기로 상기 중공 본체의 일측 단부로부터 측면으로 넓게 연장되어 있는 지지부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 부재의 소재로는 전기절연성 및 전해액에 대해 내성을 가지면서 소성 변형 또는 탄성 변형이 유발되는 플라스틱 수지로 되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 따른 캡 어셈블리가 전지케이스의 개방 상단에 결합되어 있는 구조의 이차전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속의 각형 케이스이며, 상기 케이스에 대한 캡 어셈블리의 결합은 용접에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 캡 어셈블리의 돌출단자의 하단에는 전극조립체의 음극 탭이 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지.

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