KR20070088897A - 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이차전지는 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 상단에 용접되어 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하며, 상기 캡플레이트의 용접된 부분의 일부 및 그 주변부가 타부분보다 얇게 형성된 것을 특징으로 한다. 따라서, 스웰링시 캡플레이트와 캔 간의 용접 부위가 찢어지면서 가스 배출이 원활히 이루어지도록 함으로써 벤트 형성에 드는 비용 및 시간을 절약할 수 있다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분리 사시도,
도 2a 는 도 1 에 나타낸 이차전지의 개략적인 부분 단면도,
도 2b 는 도 2 에 나타낸 이차전지의 평면도,
도 3 은 캔의 상단과 캡플레이트의 취약부 간 용접 부위가 찢어진 것을 나타낸 단면도,
도 4 는 스웰링시 캔의 넓은 측면의 인장응력분포도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 이차전지 11: 캔
12: 전극조립체 110: 캡플레이트
115: 홈 117a, 117b: 턱
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스웰링시 캡플레이트와 캔 간의 용접 부위가 찢어지면서 가스 배출이 원활히 이루어지도록 함으로써 벤트 형성에 드는 비용 및 시간을 절약할 수 있는 이차전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 리튬이차전지는 여러가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
이 중 각형 이차전지는 전극조립체와, 이 전극조립체를 수용하는 캔과, 이 캔에 결합되는 캡조립체를 포함하여 이루어진다.
전극조립체는 양극과 음극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취되어 있으며, 양극 및 음극으로부터 양극 및 음극탭이 각각 인출되어 있다.
캔은 각형 이차전지에서 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다.
캡조립체는 캔의 상부에 결합되는 캡플레이트와, 단자통공을 통하여 설치되고 그 외면에 캡플레이트와의 절연을 위한 가스켓이 위치하는 전극단자와, 캡플레이트의 아랫면에 설치되는 절연플레이트와, 이 절연플레이트의 아랫면에 설치되어 전극단자와 통전되는 단자플레이트를 포함하여 이루어진다. 전극조립체의 음극은 음극탭과 단자플레이트를 통해 전극단자와 전기적으로 연결되고, 양극은 양극탭을 통해 캡플레이트나 캔에 전기적으로 연결된다.
한편, 캡플레이트의 일 측에 벤트(vent)가 형성될 수도 있다. 이 벤트는 과충전 등으로 인하여 전지의 내부압력이 증가할 때 다른 부분보다 우선적으로 파단되어 내부가스를 방출시킴으로써 전지의 안전성을 확보하는 역할을 한다.
캔 내부의 가스발생은 코발트산리튬(LiCoO2)과 같은 양극활물질의 형성을 위해 사용되는 탄산리튬(Li2CO3) 때문이다. 과승으로 첨가된 탄산리튬은 미반응 상태로 양극활물질인 코발트산리튬(LiCoO2) 중에 잔류하고 있다가, 이상 충전에 의해 전지 전압이 높아져 발열하면 탄산리튬(Li2CO3)이 분해되어 탄산가스가 발생된다. 탄산가스의 발생에 의해 통상 캔이 과도하게 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생하게 된다.
이러한 스웰링 현상은 탄산리튬을 적게 넣으면 해결될 수 있지만, 이렇게 되면 양극활물질에 산화코발트(CoO2)가 잔존하여 양극을 부식시키고 충전시 전해액 속으로 용출되며, 이것이 음극으로의 코발트 석출 현상을 일으켜 내부 쇼트를 일으키는 더 큰 위험을 유발하게 되므로, 현재로서는 탄산리튬을 다량 넣고 있다.
대신에, 이러한 스웰링 현상으로 인한 전지 폭발 전에 일정 압력 이상의 내부가스를 배출하기 위해 캡플레이트의 일 측에 벤트를 형성한다.
벤트는 캡플레이트의 다른 부분보다 얇게 성형된 부분으로서, 전지의 내부 이상시 파단이 예상되는 곳인 벤트의 가장자리부의 두께는 수 마이크로미터에 불과 하다.
따라서, 이러한 정밀한 두께의 벤트를 형성하는 것은 고도의 정밀한 성형작업을 요하고 제조단가를 높이며 공정시간이 지연되는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스웰링시 캡플레이트와 캔 간의 용접 부위가 찢어지면서 가스 배출이 원활히 이루어지도록 함으로써 벤트 형성에 드는 비용 및 시간을 절약할 수 있는 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이차전지는,
서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 상단에 용접되어 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서,
상기 캡플레이트의 용접된 부분의 일부 및 그 주변부가 타부분보다 얇게 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 캡플레이트의 상기 주변부의 상·하면 중 적어도 일면에 홈이 형성될 수도 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이차전지에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분리 사시도이다.
도면을 참조하면, 이차전지(10)는 전극조립체(12)와, 이 전극조립체(12)를 수용하는 캔(11)과, 이 캔(11)과 결합되는 캡 조립체(100)를 포함하여 이루어진다.
전극조립체(12)는 통상 전기용량을 높이기 위해 양극(13) 및 음극(15)을 넓은 판형으로 형성한 뒤, 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(14)를 양극(13)과 음극(15) 사이에 개재하여 적층하고, 와형으로 권취하여 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 만든다. 음극(15) 및 양극(13)은 각각 구리 및 알미늄 포일로 이루어진 집전체 각각에 음극 활물질인 탄소와 양극 활물질인 코발트산 리튬 등을 코팅시켜 형성할 수 있다. 세퍼레이터(14)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어져 있다. 세퍼레이터(14)는 양극(13) 및 음극(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판 간의 단락을 방지하는 데 유리하다. 전극조립체(12)에는 각 전극과 연결된 양극 및 음극탭(16, 17)이 인출되어 있다. 상기 양극 및 음극탭(16, 17)에는 상기 전극조립체(12)의 외부로 인출되는 경계부에 극판(13, 15) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다.
캔(11)은 도시된 바와 같은 각형 이차전지에서 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다. 따라서 캔 자체가 단자역할을 수행하는 것도 가능하다. 캔을 이루는 재질로는 경량의 전도성 금속인 알미늄 또는 알미늄 합금이 바람직하다. 캔(11)은 전극조립체(12)와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체(12)가 투입되도록 개방된 상부는 캡 조립체(100)에 의해 봉해진다.
캡조립체(100)는 캡플레이트(110)와, 전극단자(130)와, 절연플레이트(140)와, 단자플레이트(150)를 포함하여 이루어진다. 캡플레이트(110)에는 단자통공(111)이 형성되어 있는데, 전극단자(130)가 그 외면에 캡플레이트(110)와의 절연을 위하여 가스켓(120)을 위치시킨 채 단자통공(111)을 관통하여 설치된다. 캡플레이트(110)의 아랫면에는 절연플레이트(140)가 설치되어 있고, 이 절연플레이트(140)의 아랫면에는 단자플레이트(150)가 설치되어 있다. 이 단자플레이트(150)에는 전극단자(130)의 하단부가 결합되어 있다.
전극조립체(12)의 음극(15)은 음극탭(17)과 단자플레이트(150)를 통하여 전극단자(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 전극조립체(12)의 양극(13)의 경우에는 양극탭(16)이 캡플레이트(110)에 용접되어 있다. 상기 단자플레이트(150)의 하부에는 절연케이스(190)가 더 설치될 수도 있다. 한편, 극성을 달리하여 전지를 설계할 수도 있을 것이다.
또한, 캡플레이트(110)의 일 측에는 캔(11)의 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해액주입공(112)이 형성되어 있으며, 전해액 주입 후 상기 전해액주입공(112)을 밀폐시키는 밀봉부(160)가 형성되어 있다.
한편, 스웰링 현상의 심화에 따른 전지 폭발 전에 내부가스의 배출을 위해 종래의 벤트 대신에 본 발명이 채택한 구조를 살펴보면 다음과 같다.
도 2a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 개략적인 부분 단면도이고, 도 2b 는 도 2a 에 나타낸 이차전지의 평면도이며, 도 3 은 캔의 상단과 캡플레이트의 취약부 간 용접 부위가 찢어진 것을 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 전극조립체와, 이 전극조립체를 수용하는 캔(11)과, 이 캔의 상단에 용접되어 결합되는 캡플레이트(110)를 구비한 캡조립체를 포함하며, 상기 캡플레이트(110)의 용접된 부분의 일부(이하 '취약부'라고 함) 및 그 주변부가 타부분보다 얇게 형성된다.
상기 취약부 및 그 주변부를 캡플레이트(110)의 타부분보다 얇게 형성하는 이유는 전지의 내부가스압에 의해 상기 취약부와 캔의 상단 간의 용접 부위가 찢어지기 쉽게 하기 위함이다. 즉, 종래에는 벤트라는 내부가스의 배출구를 별도로 형성하였지만, 본 발명에서는 캡플레이트(110) 중 일부의 두께를 얇게 함으로써 캔(11)과 캡플레이트(110) 간의 용접 부위 중 용접 강도가 취약한 부위를 형성하여 전지 이상시 내부가스의 배출통로로서 활용하는 것이다.
여기서, 캡플레이트(110)의 타부분보다 얇게 형성되는 상기 주변부는 캡조립체의 부품 중 캡플레이트(110)보다 하부에 위치하는 부품에 의해 간섭받지 않을 것을 요한다. 즉, 전지의 내부에서 발생된 가스가 상승하여 상기 취약부 및 주변부를 가압하여 취약부와 캔의 접합을 찢는 것이 본 발명의 요체인데, 내부가스가 상기 주변부를 가압하기 위해서는 캡플레이트(110) 하부에 위치하는 절연플레이트나 단자플레이트가 가스의 흐름을 막지 않도록 할 필요가 있기 때문이다.
또한, 캡플레이트(110)의 상기 주변부의 상·하면 중 적어도 일면에 홈이 형성되는 것이 바람직한데, 도 2a 에서는 상기 주변부의 상면에 홈(115)이 형성되어 있다.
도 3 에 나타낸 바와 같이, 상기 주변부에 홈(115)이 형성된 부위는 캡플레 이트(110)의 타부분보다 얇은 부위이므로 전지 내압에 의해 가장 먼저 변형이 일어날 수 있다. 즉, 캡플레이트(110)의 변형을 촉진하는 부위이다. 따라서, 상기 홈(115)은 캡플레이트(110)의 변형을 촉진하여 캡플레이트(110)의 취약부와 캔(11) 간의 용접이 보다 낮은 내부가스압에 의해서도 찢어질 수 있도록 도와준다.
이때, 상기 홈(115)이 형성된 상기 캡플레이트 부분의 파단압보다 상기 캔(11)과 상기 취약부 간의 용접 부위의 파단압이 더 작다.
상기 홈(115)이 형성된 상기 캡플레이트 부분의 파단압은 상기 홈(115)이 형성된 캡플레이트(110) 부분의 두께에 의존한다. 예를 들어, 캡플레이트(110)의 두께가 0.8㎜∼1.0㎜라면, 상기 홈(115)이 형성된 캡플레이트 부분의 두께는 0.3㎜∼0.5㎜일 수 있다. 종래 벤트의 가장자리부 두께가 수 마이크로미터에 불과한 것에 비추어 볼 때, 상기 수치의 두께를 갖는 캡플레이트(110)를 형성하는 작업은 고도의 정밀한 성형작업을 요하지 않고, 따라서 제조단가 및 공정시간을 현저히 절약할 수 있게 된다.
또한, 상기 주변부의 상면 또는 하면 중 상기 홈을 형성할 위치를 선택함에 있어서는 상기 취약부 및 상기 주변부를 형성하기 위해 캡플레이트의 상면을 가압성형했는지, 아니면 캡플레이트의 하면을 가압성형했는지 여부를 고려한다. 가령, 캡플레이트(110)의 하면이 일부 가압성형되어 상기 취약부 및 상기 주변부가 형성된 경우에는, 상기 주변부의 상면에 홈(115)이 형성되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 캡플레이트가 가압성형된 면의 반대 면에 홈이 형성되어야 전지 내압에 의한 변형이 보다 용이하기 때문이다.
다음, 상기 취약부의 위치에 관하여 살펴보기로 한다.
도 1 및 도 2a 를 참조하면, 캔(11)은 대략 직육면체의 형상을 가지며, 상기 취약부는 상기 캔(11)의 두 좁은 측면 중 한 좁은 측면의 상단에 용접되어 있다.
도 4 를 참조하여 스웰링시 캔의 넓은 측면의 응력분포를 보면, 캔의 모서리부분(21), 평면부분(22), 제 1 귀퉁이부분(23), 제 2 귀퉁이부분(24)의 순으로 인장응력이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 캔이 내부가스의 압력에 의하여 스웰링될 때 귀퉁이부분(23, 24)에서 가장 큰 인장응력이 발생하고 있다.
따라서, 일단 취약부의 위치로서 캔의 좁은 측면의 상단이나 캔의 넓은 측면 중 귀퉁이부분의 상단에 용접되는 캡플레이트 부분을 고려할 수 있다.
여기서, 캔(11)의 형상이 직육면체이고, 이 캔(11)에 결합되는 캡플레이트(110)의 형상이 세로폭보다 가로폭이 긴 직사각형의 플레이트라는 점을 고려하면, 취약부는 캔(11)의 좁은 측면의 상단에 용접되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 가로변이 세로변보다 길어 세로변에 용접된 부분이 전지 내압에 의한 휨 변형을 많이 받기 때문이다.
또한, 상술한 바와 같이 상기 주변부의 상·하면 중 적어도 일부에 형성된 홈(115)의 촉진 작용으로 캡플레이트(110)가 변형된 경우 가로변보다 세로변에 용접된 부분에 더 많은 스트레스가 작용한다(도 3 참조).
도 2a 를 계속해서 보면, 캔(11) 상단의 내벽은 캡플레이트(110)가 안착가능하도록 단차져 턱(117a, 117b)이 형성되어 있고, 전지의 상면에서 용접이 이루어진다.
이때, 상기 캔(11)의 네 측면의 상단의 높이가 동일할 때, 각 측면의 상단에서 각 측면에 형성된 상기 턱(117a, 117b)까지의 깊이를 비교하면, 상기 취약부가 접하는 상기 캔(11)의 좁은 측면에 형성된 턱(117a)까지의 깊이가 가장 얕고, 나머지 세 측면에 형성된 턱(넓은 측면에 형성된 턱은 미도시)까지의 깊이는 같다.
이는 상기 캔(11)의 네 측면의 상단의 높이는 동일한 반면에, 상기 캔(11)의 상단에 용접된 부분 중에 취약부가 가장 두께가 얇기 때문에, 이를 받쳐주는 턱의 높이가 달라지기 때문이다.
한편, 도시되지는 않았지만, 전지의 상면에서 용접되지 않고 전지의 측면에서 용접되는 경우에도 본 발명의 내용이 적용될 수 있다. 이를 위해, 캡플레이트의 상부 측벽보다 하부 측벽의 둘레가 짧게 되도록 함으로써 상기 캡플레이트가 캔 상단에 안착될 수 있도록 한다. 물론, 이 경우에도 상기 캡플레이트의 용접된 부분의 일부 및 그 주변부가 타부분보다 얇게 형성된다.
본 발명에 따른 이차전지는 스웰링시 캡플레이트와 캔 간의 용접 부위가 찢어지면서 가스 배출이 원활히 이루어지도록 함으로써 벤트 형성에 드는 비용 및 시간을 절약할 수 있다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (8)

  1. 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 상단에 용접되어 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서,
    상기 캡플레이트의 용접된 부분의 일부(이하 '취약부'라고 함) 및 그 주변부가 타부분보다 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡플레이트의 상기 주변부의 상·하면 중 적어도 일면에 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 홈이 형성된 상기 캡플레이트 부분의 파단압보다 상기 캔과 상기 취약부 간의 용접 부위의 파단압이 더 작은 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캡플레이트의 하면이 일부 가압성형되어 상기 취약부 및 상기 주변부가 형성되고, 상기 주변부의 상면에 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캔은 대략 직육면체의 형상을 가지며, 상기 취약부는 상기 캔의 두 좁은 측면 중 한 좁은 측면의 상단에 용접된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 캔 상단의 내벽은 상기 캡플레이트가 안착가능하도록 단차져 턱이 형성되고, 전지의 상면에서 용접된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 캔의 네 측면의 상단의 높이가 동일할 때, 각 측면의 상단에서 각 측면에 형성된 상기 턱까지의 깊이를 비교하면, 상기 취약부가 접하는 상기 캔의 좁은 측면에 형성된 턱까지의 깊이가 가장 얕고, 나머지 세 측면에 형성된 턱까지의 깊이는 같은 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 캡플레이트가 상기 캔 상단에 안착가능하도록 상기 캡플레이트의 상부 측벽보다 하부 측벽의 둘레가 짧고, 전지의 측면에서 용접된 것을 특징으로 하는 이차전지.
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