KR20090044632A - 원통형 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부극의 단자인 개구부를 가진 전지 케이스와, 상기 개구부를 밀봉하는 봉구체인 캡 어셈블리(Cap Assembly), 상기 전지 케이스 및 상기 캡 어셈블리로 이루어지는 전지 용기내에 삽입되는 정·부극의 발전 수단, 상기 발전 수단의 정·부극의 단부에 각각 접속되는 정·부극 집전체를 구비한 원통형 전지에 관한 발명으로서, 상기 정극 또는 부극의 단부에 상기 집전체를 접속하여 형성된 전극체와 봉구체인 캡 어셈블리를 연결하는 집전리드가 원형 또는 다각형의 링상으로 형성하여, 캡 어셈블리와 집전리드 용접부의 확대로 대전류 통전시 저항이 저감될 수 있으며, 특히 다수 전지로 모듈 구성시 전지간 연결 구조와의 통전 거리 감소에 따른 저항의 저감화도 가능하며, 다수의 용접 개소의 설치로 외부 진동 및 충격 등에 대해서도 내구성을 확보하여 전지 성능 신뢰성 확보에도 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 더욱이, 전극체와의 용접부인 컬렉터부와 캡 어셈블리 하부 용접부 그리고 이 사이를 연결하는 사각판상으로 이루어지는 일체형으로 적용시, 부품 개수의 증가 억제 및 작업 공정의 단순화도 가능하다.

집전리드, 원통형 전지, 캡 어셈블리, 캔

Description

원통형 전지{The Cylindrical Battery}

본 발명은 원통형 전지에 관한 것이고, 특히, 정극에서 도출되는 집전리드 에 대해 캡 어셈블리 하면에 용접하는 집전 구조에 관하는 것이다.

일반적으로 니켈수소전지, 니켈카드뮴전지, 리튬이온 전지 등의 원통형 전지는 정극 및 부극 사이에 세퍼레이터(Separator)를 개재시키고, 이것들을 권회상으로 감은 뒤, 정극 또는 부극의 단부에 집전체를 접속하여 전극체를 형성하고, 이 전극체를 외장 용기로서 금속제 전지 케이스에 수납하고 집전체로부터 연장하는 집전리드의 한쪽을 봉구체인 캡 어셈블리에 용접하고, 이 전극체를 전지 케이스 내에 차입한 후 전지 케이스의 개구부에 절연 개스킷을 개재시켜 봉구체로 밀폐하여 구성한다.

이러한 원통형 전지를 전동 공구, 전기 자동차, HEV 등의 대전류로 충방전을 행하는 용도에 사용할 경우, 출력 특성이 중요하며 이를 위한 전지의 내부 저항 저감이 요구되었다. 특히 전지 구성 요소 중 집전리드가 큰 영향을 주며 집전리드의 저항이 클 경우 전기 저항에 기인한 큰 전압 강하가 생기고 전지 전압이 저하되는 문제가 발생하였다.

기존의 집전리드는 극군과 용접되는 원형 컬렉터부와 캡 어셈블리 하부에 용접되는 사각판상으로 구성된 일체형으로써, 캡 어셈블리와 용접되는 부분은 중심부로써 용접 면적의 한계로 용접 면적의 한계 및 진동 등의 외부 충격시 용접부의 손상에 따른 전지 성능 저하 등의 문제가 있었다.

이에 따라 집전리드의 개선을 통한 여러 가지 방안이 도출되어왔지만, 부품 개수의 증가, 공정 작업성의 저하 등의 문제점이 발생되어졌다.

도 1은 종래의 원통형 전지 집전리드의 형상 및 원통형 전지를 나타낸 도이며, 종래 원통형 전지의 집전리드로써 극군과 용접되는 원형의 컬렉터판과 캡 어셈블리와 용접되는 사각판상으로 구성된 일체형으로, 전극쪽 용접부는 다수 용접하고, 단자쪽인 캡 어셈블리 하부에는 좁은 사각판상을 전기 저항 용접으로 수 점을 용접한다.

그러나, 대전류 충방전 용도에서는 집전리드의 캡 어셈블리로의 용접 면적이 적고, 집전리드의 좁은 사각 판상을 통해 전류가 통전하므로 전기저항이 높다는 문 제점이 있었다.

또한 외부 충격에 의해 용접부가 파손될 경우 전지 성능이 저하한다는 문제도 있었다. 이의 개선을 위한 집전리드의 두께 증가 및 컬렉터와 캡 어셈블리 간 사각판상의 면적 증가도 검토하였으나, 극군의 차입 후 집전리드의 절곡 곤란 등의 작업성 저하 및 극군 차입시 사각판상의 캔과의 간섭 등의 문제로 개선에 한계가 있었다.

이를 개선한 도 2는 종래 기술에 따른 대전류 충방전 용도에 적용하기 위한 원통형전지를 나타낸 도로서, 전극쪽 컬렉터부와 별개로 캡 어셈블리사이에 집전리드를 설치 용접하는 것으로 전류 통전 경로의 저감 및 용접 면적의 확대, 집전리드를 통한 전류 통전 경로 최소화 등으로 전기저항의 저감이 가능하였다.

그러나, 집전리드를 전극 컬렉터부 및 별도 부품 적용하는 등 부품 수량이 증가하였으며, 기존 집전리드와 캡 어셈블리 하부의 직접 용접이 불가하여 컬렉터와 전극체의 1차 용접 후 전극체의 캔 차입, 집전리드 개선 부품의 컬렉터와의 용접, 캡 어셈블리 장착 후 외부 전기 저항 용접을 통한 캡 어셈블리와 집전리드 용접 등 공정 증가 및 작업성 저하의 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기와 같은 배경에서 안출된 것으로써, 종래 기술에 있어서 캡어셈블리 하부에서의 집전리드 개선을 통하여 용접 면적의 증가 및 그에 의한 전기 저항의 저감과 다수의 용접에 의한 외부 충격에 대한 전지 성능의 신뢰성을 향상시키고, 부가적으로 집전리드의 전극체 용접 컬렉터부와 캡 어셈블리 하부 용접부의 일체화를 제공하는 집전리드를 제공한다.

본 발명은 부극의 단자인 개구부를 가진 전지 케이스와, 상기 개구부를 밀봉하는 봉구체인 캡 어셈블리(Cap Assembly), 상기 전지 케이스 및 상기 캡 어셈블리로 이루어지는 전지 용기내에 삽입되는 정·부극의 발전 수단, 상기 발전 수단의 정·부극의 단부에 각각 접속되는 정·부극 집전체를 구비한 원통형 전지에 관한 것으로서, 상기 정극 또는 부극의 단부에 상기 집전체를 접속하여 형성된 전극체와 봉구체인 캡 어셈블리를 연결하는 집전리드가 원형 또는 다각형의 링상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캡 어셈블리 하부의 상기 집전리드와의 용접부 형상은 원형의 캡 어셈블리 하부의 중심인 벤트(Vent)구를 제외한 영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 집전리드는 상기 전극체와의 용접부인 컬렉터(Collector)부와 캡 어셈블리(Cap Assembly)의 하부 용접부와, 상기 컬렉터부와 상기 캡 어셈블리의 하부용접부를 연결하는 사각판상을 포함하여 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 컬렉터부와 상기 캡 어셈블리의 하부 용접부에 용접되는 원형 또는 다각형의 링상에 타공 또는 슬릿이 형성되며, 상기 집전리드는 다수로 중첩하여 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 집전리드는 니켈, 니켈 도금 스틸, 니켈 도금 구리, 구리, 구리 도금 스틸, 구리 도금 니켈, 알루미늄 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 원통형 전지에 따르면, 캡 어셈블리와 집전리드 용접부의 확대로 대전류 통전시 저항이 저감될 수 있으며, 특히 다수 전지로 모듈 구성시 전지간 연결 구조와의 통전 거리 감소에 따른 저항의 저감화도 가능하다.

또한 다수의 용접 개소의 설치로 외부 진동 및 충격 등에 대해서도 내구성을 확보하여 전지 성능 신뢰성 확보에도 기여할 수 있다.

더욱이, 전극체와의 용접부인 컬렉터부와 캡 어셈블리 하부 용접부 그리고 이 사이를 연결하는 사각판상으로 이루어지는 일체형으로 적용시, 부품 개수의 증가 억제 및 작업 공정의 단순화도 가능하다.

이하 상기와 같이 구성된 원통형전지의 집전리드에 대해 도면을 참조하여 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.

도 3은 원통형 전지의 집전리드가 적용된 원통형 전지를 나타낸 도이며, 도 4는 본 발명의 한 실시예로써 양단이 원형인 링상의 집전리드의 형상 및 원통형 전지를 나타낸 도이고, 도 5는 본 발명에 따른 집전리드의 형상을 나타낸 도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예와 그 비교예의 전압-전류(V-I)특성 곡선을 나타낸 그래프이다.

도 3에 나타난 바와 같이, 원통형 전지의 집전리드가 적용된 원통형 전지는 부극의 단자인 개구부(미도시)를 가진 전지 케이스(10)와, 상기 개구부를 밀봉하는 봉구체인 캡 어셈블리(Cap Assembly, 9), 상기 전지 케이스(10) 및 상기 캡 어셈블리(9)로 이루어지는 전지 용기내에 삽입되는 정(8)·부극(6)의 발전 수단(미도시)으로 구성된다.

여기서, 상기 원통형 전지는 상기 발전 수단의 정·부극의 단부에 각각 접속되는 정·부극 집전체(미도시)를 구비하고, 상기 정극(8) 및 상기 부극(6)간을 구분짓는 세퍼레이터(7)도 포함한다.

도 4는 본원의 일실시예인 원통형 전지의 집전리드가 적용된 원통형 전지를 나타낸 도로서, 상기 발전 수단의 정극 또는 부극의 단부에 상기 집전체를 접속하여 형성된 전극체와 봉구체인 캡 어셈블리를 연결하는 집전리드가 원형 또는 도 5 의 집전리드와 같이 다각형의 링상으로 형성될 수 있다. 즉, 전극체를 권회하여 그 상부에 본 발명의 한 예인 집전리드의 한 부분을 용접한다. 이후 집전리드의 나머지 한 부분과 캡 어셈블리(Cap Assembly)의 하부를 용접한다. 용접 방법은 전기 저항 용접 또는 레이저 용접 등이 적용 가능하다.

상기 집전리드는 상기 전극체와의 용접부인 컬렉터(Collector ;1)부와 캡 어셈블리(Cap Assembly)의 하부 용접부(2)와, 상기 컬렉터부(1)와 상기 캡 어셈블리의 하부용접부(2)를 연결하는 사각판상(3)을 포함하여 일체형으로 형성된다.

상기 집전리드의 형상을 캡 어셈블리 하부 용접부(2)에서의 용접 면적의 극대화를 위해 원형 또는 다각형의 링상으로 하고, 상기 캡 어셈블리 하부 용접부(2)에 다수의 전기 저항 용접 또는 레이저 용접 등을 행한다.

이를 통해 전류 통전 면적의 확대를 통한 대전류의 통전이 용이하여 전기 저항의 감소와 다수의 용접에 의한 외부 충격에 대한 용접부 파손 및 전지 성능 저하 등의 가능성을 감소시켜 전지 성능 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이러한 캡 어셈블리 하부의 집전리드 용접부 형상은 캡 어셈블리 하부(2)의 전지 내부 압력을 조절하는 벤트(Vent) 구(4)를 막지 않는 일정 공간을 가진 것으로 원형의 캡 어셈블리 하부의 중심부로부터 최외부 사이에 최대한 넓은 공간을 확보할 수 있는 다양한 형태의 링상이 가능할 수 있다.

또한, 본 발명에서 집전리드의 형상을 전극체와의 용접부인 컬렉터부(1)와 캡 어셈블리 하부 용접부(2) 그리고 이 사이를 연결하는 사각판상(3)으로 이루어지는 일체형으로 적용시, 부품 개수의 증가 억제 및 작업 공정의 단순화 등도 제공할 수 있다.

한편, 전극체와의 용접부인 컬렉터부(1)는 원형 또는 다각형의 링상으로 도 2의 종래 기술과 같이 타공(11) 또는 슬릿을 포함할 수 있다.

또한, 집전리드는 다수로 중첩하여 형성될 수 있으며, 니켈, 니켈 도금 스틸, 니켈 도금 구리, 구리, 구리 도금 스틸, 구리 도금 니켈, 알루미늄 등 전기 저항이 낮은 다양한 재질의 적용이 가능하고, 다수의 얇은 집전리드를 중첩하여 용접하게 되면 조립 공정의 작업성이 향상될 수도 있다.

도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 집전리드의 다양한 실시예에 따른 형상을 볼 수 있다.

여기서, 집전리드와 용접된 캡 어셈블리 및 전극체를 전지의 외부에 장착한 캔에 차입 한 후 캔 내부에 가스켓을 설치 후 밀폐화를 실시하게 된다.

상기 실시예는 본 발명의 집전리드 형상 중 한 예를 적용한 공정 일례로써, 집전리드의 형상, 재질, 두께 등 다양한 적용이 가능하다.

여기서, 상기와 같은 본 발명의 집전리드의 일실시예를 다음과 같이 니켈수소전지를 들어 자세하게 설명하기로 한다.

본 실시예 및 비교예 모두 니켈수소전지로써, 정-부극 및 세퍼레이터, 부극 컬렉터, 가스켓, 캡 어셈블리, 캔을 구비하여 조립 공정을 행하고, 실시예 및 비교예는 집전리드외 부품 및 제조 공정을 모두 동일하게 하여 진행한다.

상기 정극은 Foam Ni을 소정의 크기로 절단 후 일정한 두께로 압연한 후 정극 페이스트를 도포 건조하여 제작한다.

상기 부극은 NPPS(Nickel Plated Pored Steel)을 소정의 크기로 절단 후 부극 페이스트를 도포, 건조하여 제작한다.

상기 정극 및 부극을 세퍼레이터를 개재하여 권회상으로 하여 전극군을 형성하고, 상기 권회상은 상부면에는 정극판인 Foam Ni에 Ni리본을 용접한 단부가 노출되고, 하부면에는 NPPS의 단부가 노출되어 있다. 하부면에는 부극 컬렉터를 전기저항용접을 적용하여 소정의 횟수를 용접한다.

상기와 같이 전극군을 제작하여, 실시예에는 도 1에서와 같은 본 발명에 따른 집전리드 일례를 적용하여 소정의 용접 횟수로 전기저항용접 또는 레이저 용접을 한다.

상기 집전리드의 재질은 니켈로써 두께는 0.3mm, 전극측 원판 치수는 직경 28mm, 캡 어셈블리 하부 용접측 원판은 치수가 23mm, 그리고 원판을 연결하는 사각판은 20mm로 하는 것이 바람직하다. 상기 집전리드의 전극측 원판에는 전해액 함침 및 극군과의 전기저항용접을 위한 다수의 돌기 및 슬릿을 형성할 수 있다.

한편, 이에 대한 비교예로서 도 2와 같이 기존의 집전리드 일례를 적용하여 소정의 용접 횟수로 전기저항용접을 행한다.

또한, 집전리드의 재질은 니켈로써 두께는 0.3mm, 전극측 원판 치수는 직경 28mm, 캡 어셈블리 하부 용접측 사각 폭은 12mm인 것이 바람직하다.

전극측 원판에는 전해액 함침 및 극군과의 전기저항용접을 위한 다수의 돌기 및 슬릿이 형성되어 있다.

실시예 및 비교예를 각각 조립 후 동일한 소정의 화성 조건 및 활성화 조건을 시행한 후 비교 시험을 각 3개로 하여 행하면 다음과 같은 결과가 도출된다.

시험 방법은 0.1C로 15시간 충전 후 1/3C, 1C, 5C, 10C로 각 10초간 방전을 행하여, 각 단계별로 10초 전압을 측정하여, 10초후의 전지 전압을 세로 축으로 하고, 각 전류치를 횡축으로서 V-I 특성을 구한 후, 그 결과가 도 6과 같이 그래프로 표현된다.

따라서, 도 6으로부터 명확한 것처럼, 실시예의 전지의 V-I 직선의 경사는 비교예보다 작은 것이 밝혀진다. 이것으로부터, 실시예의 전지의 작동 전압은 비교예보다 높고, 내부저항이 낮은 것도 알 수 있다.

이는 본 발명에 따른 실시예의 전지 집전리드에 의해, 단축되는 도전 경로에 의한 내부저항의 감소에 기인하는 것으로, 고율 방전 특성이 우수한 것을 나타낼 수 있을 것이다.

이상, 본 발명에 대하여 도면과 실시예를 가지고 설명하였으나, 본 발명은 특정실시예에 한정되지는 않으며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 많은 수정과 변형이 가능함을 이해할 것이다.

또한, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허 청구범위에 의해 정해져야 할 것이 다.

도 1은 종래의 원통형 전지 집전리드의 형상 및 원통형 전지를 나타낸 도,

도 2는 종래 기술에 따른 대전류 충방전 용도에 적용하기 위한 원통형전지를 나타낸 도,

도 3은 본 발명의 한 실시예로써 양단이 원형인 링상의 집전리드의 형상 및 원통형 전지를 나타낸 도,

도 4는 원통형 전지의 집전리드가 적용된 원통형 전지를 나타낸 도,

도 5는 본 발명에 따른 집전리드의 형상을 나타낸 도,

도 6은 본 발명의 일 실시예와 그 비교예의 전압-전류(V-I)특성 곡선을 나타낸 그래프이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

1. 전극 용접부(Collector) 2. 캡 어셈블리 용접부

3. 사각판상 4. 캡 어셈블리 하부 벤트구

5. 본 발명의 적용 일례 6. 부극

7. 세퍼레이터(Separator) 8. 정극

9. 캡 어셈블리(Cap Assembly) 10. 캔(Can)

Claims (6)

1. 부극의 단자인 개구부를 가진 전지 케이스와, 상기 개구부를 밀봉하는 봉구체인 캡 어셈블리(Cap Assembly), 상기 전지 케이스 및 상기 캡 어셈블리로 이루어지는 전지 용기내에 삽입되는 정·부극의 발전 수단, 상기 발전 수단의 정·부극의 단부에 각각 접속되는 정·부극 집전체를 구비한 원통형 전지에 있어서,

   상기 발전 수단의 정극 또는 부극의 단부에 상기 집전체를 접속하여 형성된 전극체와 봉구체인 캡 어셈블리를 연결하는 집전리드가 원형 또는 다각형의 링상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 캡 어셈블리 하부의 상기 집전리드와의 용접부 형상은 원형의 캡 어셈블리 하부의 중심인 벤트(Vent)구를 제외한 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형전지.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 집전리드는 상기 전극체와의 용접부인 컬렉터(Collector)부와 캡 어셈블리(Cap Assembly)의 하부 용접부와, 상기 컬렉터부와 상기 캡 어셈블리의 하부용 접부를 연결하는 사각판상을 포함하여 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형전지.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 컬렉터부와 상기 캡 어셈블리의 하부 용접부에 용접되는 원형 또는 다각형의 링상에 타공 또는 슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형전지.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 집전리드는 다수로 중첩하여 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 원통형전지.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 집전리드는 니켈, 니켈 도금 스틸, 니켈 도금 구리, 구리, 구리 도금 스틸, 구리 도금 니켈, 알루미늄 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 원통형전지.

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