KR20100002633A - 원통형 축전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원통형 전지에 관한 것으로서, 정극판 및 부극판 사이에 세퍼레이터가 개재된 두루마리형 극판군의 정극 및 부극 단부에, 정극 및 부극 집전체가 서로 반대측에 위치하도록 접합되어 이루어진 전극체와, 부극의 외부단자를 겸하며 상기 전극체를 내장하도록 개구부를 갖는 전지케이스와, 상기 개구부를 전기적으로 절연되는 상태로 밀봉하는 봉구체인 캡 어셈블리(Cap assembly)를 구비하는 원통형 축전지에 있어서, 상기 부극 집전체는 원형의 판상으로 형성되고, 상기 판상의 주변부에 설정된 간격으로 다수의 절취부가 형성되어 아래로 기울어지도록 하여, 부극 집전체와 전지케이스의 내부 하면의 용접시, 중심부의 제1 용접부와 절취부의 제2 용접부를 형성한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 부극 집전체와 전지케이스 내의 용접 면적의 증가 및 전류 통전 거리의 저감 전지의 내부 저항 저감으로 인해 대전류 방전 특성을 향상시킬 수 있으며, 부극 집전체 주위의 탄성을 갖는 다수의 용접부를 통해 전지 내부의 이상 발생에 의한 내압 상승 및 전지 외부의 충격에 대한 전지 성능에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
원통형 축전지, 부극 집전체, 저항 용접
Description
본 발명은 원통형 축전지에 관한 것으로서, 특히 부극의 단부와 접합되어 전지케이스 내부와 용접되는 부극 집전체의 구조적 특징을 갖는 원통형 축전지에 관한 것이다.
일반적으로, 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지, 리튬 이온 전지 등의 원통형 전지는, 정극 및 부극 사이에 세퍼레이터(separator)를 개재시키고, 이것들을 권회상으로 감은 뒤, 정극 및 부극의 각 단부에 각각 집전체를 접속하여 전극체를 형성하고, 이 전극체를 외장 용기로서 개구부를 갖는 금속제 전지 케이스에 삽입하고, 상기 집전체로부터 연장되는 집전리드의 한 쪽을 봉구체인 캡 어셈블리에 용접하고, 상기 부극의 단부에 접속된 부극 집전체를 전지케이스 내의 하면과 용접한 후 상기 전지케이스의 개구부에 절연 개스킷(gasket)을 개재시켜 봉구체인 캡 어셈블리로 밀폐하여 구성한다.
이러한 종래의 원통형 축전지를 전동 공구, 전기 자동차, HEV 등의 대전류로 충방전을 행하는 용도에 사용할 경우, 출력 특성이 중요하며 이를 위한 전지의 내부저항 저감이 요구되었다.
도 1 (a) 및 (b)은 종래 기술에 따른 부극 집전체의 일실시예를 나타내는 것으로서, 종래의 원통형 축전지의 구성에서는 전극체가 전지케이스 내에 삽입 후, 전극체의 부극 집전체와 전지케이스 내의 하면을 용접시에, 도 1(a) 및 (b)의 나타나는 바와 같이 부극 집전체의 혀모양(혹은 U 모양)으로 절취된 중심부(16)를 용접 전극을 가지고 가압하면서 저항 용접이 이루어졌다. 그러나 이렇게 한점을 통해서 용접되면, 대전류로 충방전을 행하는 용도에 사용될 경우에 부극 집전체와 전지케이스 간의 접속 저항이 높다는 문제가 있으며, 또한, 전지의 과충전 등으로 전지 내압이 상승할 경우 전지케이스의 팽창 및 집전체의 변형등에 의한 집전체와 전지케이스의 용접부가 파단되어 전지의 수명이 저하할 가능성이 높은 문제가 있었다.
본 발명은 이상과 같은 종래 기술에서의 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 원통형 축전지에 있어서 부극 집전체와 전지케이스 내의 하면 사이에 용접 면적의 증가 및 전류 통전 거리의 저감을 통한 전지의 내부 저항을 저감시키고,
특히, 부극 집전체 주위의 탄성을 갖는 다수의 용접부를 통해 전지 내부의 이상 발생에 의한 내압 상승 및 전지 외부의 충격에 대한 전지 성능에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 원통형 축전지를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원통형 축전지는, 정극판 및 부극판 사이에 세퍼레이터가 개재된 두루마리형 극판군의 정극 및 부극 단부에, 정극 및 부극 집전체가 서로 반대측에 위치하도록 접합되어 이루어진 전극체와, 부극의 외부단자를 겸하며 상기 전극체를 내장하도록 개구부를 갖는 전지케이스와, 상기 개구부를 전기적으로 절연되는 상태로 밀봉하는 봉구체인 캡 어셈블리(Cap assembly)를 구비하며,
상기 부극 집전체는, 원형의 판상으로 형성되고, 상기 판상의 주변부에 설정된 간격으로 다수의 절취부가 형성되어 아래로 기울어져 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전지케이스에 상기 전극체를 삽입 후, 상기 부극 집전체가 상기 전지케이스 내부 하면과 접합하는 때에 있어서, 상기 부극 집전체는, 상기 극판군의 중앙의 원통형 홀을 통과한 용접 전극이 상기 부극 집전체의 원형 판상의 중심부를 가압하여 아래로 돌출하는 돌출부위가 상기 전지케이스 내부 하면과 저항 용접되는 제1 용접부와, 상기 용접 전극과 함께 상기 전극체에 일정한 압력을 가하여 상기 부극 집전체의 아래로 기울어져 있는 다수의 절취부가 상기 전지케이스 내부 하면과 저항 용접되는 제2 용접부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 때에, 상기 부극 집전체의 상기 제2 용접부는 전지 케이스 내부 하면과의 용접성 향상을 위해 돌기가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 부극 집전체의 두께는 0.2mm ~ 0.3mm 인 것이 바람직하며, 또는 0.15mm의 두께를 갖는 2개의 원형 판상을 중첩하여 형성될 수도 있다.
상기 부극 집전체는 니켈, 니켈 도금 스틸, 구리, 니켈 도금 구리, 구리 도금 스틸, 구리 도금 니켈 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부극 집전체는 상기 극판군의 부극 단부와의 용접성 향상을 위해 타공 또는 슬릿이 형성되어 있을 수도 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 부극 집전체와 전지케이스 내의 용접 면적의 증가 및 전류 통전 거리의 저감 전지의 내부 저항 저감으로 인해 대전류 방전 특성을 향상시킬 수 있으며,
또한, 부극 집전체 주위의 탄성을 갖는 다수의 용접부를 통해 전지 내부의 이상 발생에 의한 내압 상승 및 전지 외부의 충격에 대한 전지 성능에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 원통형 축전지에 대해 도면을 참조하여 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 부극 집전체가 적용된 원통형 축전지의 단면도이고, 도 3의 (a)는 본 발명에 따른 부극 집전체의 일실시예를 나타내고, 도 3의 (b)는 상기 (a)의 부극 집전체의 일부분(절취부)의 확대도를 나타내며, 도 4는 본 발명에 따른 전지케이스 내부 하면과 부극 집전체의 저항 용접 공정의 일실시예를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 축전지(200)는, 크게 정극판(260) 및 부극판(250) 사이에 세퍼레이터(240)가 개재된 두루마리형 극판군의 정극 및 부극 단부에, 정극 및 부극 집전체(220, 230)가 서로 반대측에 위치하도록 접합되어 이루어진 전극체와, 부극의 외부단자를 겸하며 상기 전극체를 내장하도록 개구부를 갖는 전지케이스(210)와, 개구부를 전기적으로 절연되는 상태로 밀봉하는 봉구체인 캡 어셈블리(Cap assembly)(280)를 구비한다.
이 때, 캡 어셈블리(280)와 전지케이스(210)가 전기적으로 절연되도록, 전기케이스 내부에 절연 개스켓(290)을 설치후 밀폐화를 실시하게 된다. 또한, 정극 집전체(220)와 캡 어셈블리(280)는 집전리드(270)에 의해 연결되며 집전리드(270)는 도시된 모양에 제한되는 것이 아니라 기존의 다양한 형상, 재질 및 두께등의 다양한 적용이 가능하다.
부극 집전체(230)는, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 원형의 판상으로 형성되고, 원형의 판상 주변부에 미리 설정된 간격으로 다수의 절취부(350)가 형성되어 도 3의 (b)와 같이, 아래로 기울어지게 함으로써, 이 기울어진 절취부(350)가 전지케이스(210) 내부 하면과 용접되는 용접부를 이루게 된다.
보다 구체적으로, 도 4와 같이, 전지케이스(210)에 전극체를 삽입 후, 부극 집전체(230)가 전지케이스(210) 내부 하면과 접합하는 때에 있어서, 부극 집전체(230)는, 극판군의 중앙의 원통형 홀(hole)(450)을 통과한 용접 전극(400)이 부극 집전체(230)의 원형 판상의 중심부(330)를 화살표 방향과 같이, 가압하여 아래로 돌출하는 돌출부위(340)가 전지케이스(210) 내부 하면과 저항 용접되는 제1 용접부(330)를 형성하게 되고, 이와 동시에 용접 전극(400)과 함께 전극체에 화살표 방향과 같이 일정한 압력을 가하여 부극 집전체(230)의 아래로 기울어져 있는 다수의 절취부(350)가 전지케이스(210) 내부 하면과 저항 용접되는 제2 용접부(350)를 형성하게 된다. 이 때에, 상기 원통형 홀(450)은 정극판(260) 및 부극판(250) 사이에 세퍼레이터(240)를 개재시켜, 두루마리형 혹은 원통형으로 말아서 형성되는 극판군을 형성시에 생기는 중앙의 원통부 공간을 의미하는 것이다.
이 때에, 부극 집전체(230)의 제2 용접부(350)는 전지 케이스(210) 내부 하면과의 용접성 향상을 위해 돌기(미도시)가 형성되는 것도 바람직하다. 이 돌기는 미세한 펀칭 작업을 통해 형성할 수 있다.
이 경우, 제2 용접부(350)는 원형의 판상 주변부의 다수의 절취부(350)를 아래로 기울어지도록 하여 형성되는 것이므로, 부극 집전체의 재질, 두께 및 절취선의 길이등에 따라 탄성을 가지게 되어 부극 집전체(230)와 전지케이스(210) 내부의 용접시 가압에 의한 용접 특성을 향상시켜, 전지의 내압 상승과 외부 충격에 대해 전지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 부극 집전체(230)의 두께를 증가시키거나, 소정의 두께를 갖는 부극 집전체를 다수 중첩하는 것에 의해 용접 특성의 저하없이, 전지의 내부 저항을 저감시킬 수 있다. 바람직한 실시예로 부극 집전체(230)의 두께는 0.2mm ~ 0.3mm 인 것이 바람직하며, 또는 0.15mm의 두께를 갖는 2개의 원형 판상을 중첩하여 형성되는 것도 바람직하다.
또한, 부극 집전체(230)는 니켈, 니켈 도금 스틸, 구리, 니켈 도금 구리, 구리 도금 스틸, 구리 도금 니켈 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 부극 집전체(230)는 극판군의 부극(250) 단부와의 용접성을 향상시키고, 전해액 함침이 용이하게 되도록 하기 위해 도 1에서와 같이 부극 집전체의 원 형의 판상에 타공(120) 또는 슬릿(160)을 형성하는 것도 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 부극 집전체(230)를 전지케이스(210) 내부 하면에 다수의 용접부를 갖게 함으로써, 내부 저항이 감소하고 전류 통전 면적의 확대를 통한 대전류의 통전이 용이하며, 다수의 용접부를 형성함으로써, 외부 충격에 대한 용접부 파손 및 전지 성능 저하등의 가능성을 감소시켜 전지 성능의 신뢰성을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예의 원통형 축전지는 니켈수소전지로써, 정극 및 부극, 세퍼레이터, 집전리드, 가스켓, 캡 어셈블리 및 전지케이스를 구비하여 조립공정을 행하게 되며, 부극 집전체와 전지케이스 내부 하면 용접 공정외에 제조공정을 종래 기술에 따라 동일하게 진행된다.
본원 발명에 따른 보다 구체적인 제조 공정의 일 실시예로써, 정극은 Foam Ni을 소정의 크기로 절단 후, 일정한 두께로 압연한 후 정극 페이스트를 도포 건조하여 제작되고, 부극은 NPPS(Nickel Plated Pored Steel)을 소정의 크기로 절단 후, 일정한 두께로 압연한 후 부극 페이스트를 도포, 건조하여 제작한다. 정극 및 부극 사이에 세퍼레이터를 개재하고 권회상 말아 전극체을 형성하고, 전극체의 상부면은 정극인 Foam Ni에 Ni 리본을 용접한 단부가 노출되고, 하부면에는 부극인 NPPS의 단부가 노출된다. 부극 단부인 하부면에는 부극 컬렉터를 소정의 용접을 적용하여 소정의 횟수를 용접한다. 이와 같이, 전극체를 형성하여 본 발명에 따른 부극 집전체를 적용하여 전기저항 용접 또는 레이저 용접을 실시한다.
이 때에, 부극 집전체(230)는 원형 판상의 주변부에 소정의 가상선(도 3(a) 의 370참조)을 기준으로, 소정의 일정한 각도와 방향으로 절취부(350)를 형성하며, 도 3에서는 8개소의 절취부(350)를 갖는다. 이 때, 절취부(350)의 절단 길이가 너무 크면 용접시 가압중 절단 끝부분이 구부러져 용접성이 저하되고, 절단 길이가 너무 작으면 절취부인 제2 용접부에 용접성 향상을 위한 돌기 생성이 곤란하고 또한, 절단 끝부분이 전지케이스 내부 하면과 닿지 않아 용접성이 저하될 가능성이 있다. 또한 소정의 일정한 각도를 30도 이내의 각도로 하여 절취하면 용접부의 폭이 좁아져 용접성이 저하될 가능성이 있다. 또한 다수의 절취부도 최대 16개까지 적용하나 너무 수량이 많으면 제작이 곤란하고 절취부가 치수도 곤란한 문제가 발생할 수 있으며, 또한 절취부의 수량이 너무 적으면 통전경로가 적어 전지의 내부 저항 저감에 곤란한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 절취부(350)는 부극 집전체(230)의 둘레로부터 2mm 떨어진 내부의 소정의 가상선(370)을 기준으로, 30 ~ 40도로 경사지게 하여 절취부(350)를 갖는 것이 바람직하나, 반드시 이렇게 제한될 필요는 없다.
이런 부극 집전체(230)를 극판군의 부극 단부와 용접 후, 부극 집전체의 절취부(350)를 아래로 향하게 하여 형성된 전극체를 전지케이스 내에 차입한 후, 전극체 중앙의 원통형 홀을 통해 전기 저항 용접 전극을 통과시켜 전극체와 용접 전극(400)에 일정한 압력을 주면서 부극 집전체의 중심부인 제1 용접부(330)와 전지케이스 내부 하면에 저항용접을 실시한다. 이 때, 전기 저항 용접을 통해 부극 집전체의 8개의 절취부(350)인 제2 용접부(350)도 전지 케이스 내부 하면과 용접되게 된다.
이와 같은 용접 공정후, 일정량의 전해액을 주액하고, 전지의 밀폐화를 진행하여 원통형 축전지를 완성하게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예와 그 비교예의 전압-전류(V-I)특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 일실시예로써, 부극 집전체(230)는 직경 30mm, 두께 0.2mm의 원형의 니켈 판상으로 8개의 절취부를 형성하여 제1 용접부 및 제2 용접부를 적용하고, 또한, 비교예로써 기존의 부극 집전체는 직경 30mm, 두께 0.2mm의 니켈 판상으로 도1과 같이 부극 집전체(100)의 중심부(160)에만 용접부가 형성되는 일례를 적용하여 각각 조립후, 동일한 소정의 화성 조건 및 활성화 조건을 시행한 후 비교 시험을 각 3개로 하여 행하면 도 5와 같은 결과가 도출된다. 이 때, 시험 방법은 0.1C로 15시간 충전 후, 1/3C, 1C, 5C, 10C로 각 10 초간 방전을 행하여, 각 단계별로 10초 전압을 측정하여, 10후의 전지 전압을 그래프에서 세로축으로 하고, 각 전류치를 횡축으로 하여 V-I 특성을 구하게 된다.
즉, 도 5에서 명확한 것처럼, 본 발명에 따른 일실시예를 적용한 원통형 축전지의 V-I 특성곡선의 직선의 경사는 비교예보다 작은 것을 알 수 있다. 이것으로부터, 본 발명에 따른 실시예의 축전지의 작동 전압은 비교 예보다 높고, 내부저항이 낮은 것도 알 수 있다.
이는 본 발명에 따른 일실시예의 원통형 전지의 부극 집전체에 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 특정 실시예에 한정되지 않으며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 많은 수정과 변형이 가능함을 이해할 것이다. 또한, 상기 도면은 발명의 이해를 돕기 위해 도시된 것으로서, 청구범위를 한정하도록 이해해서는 아니될 것이다.
도 1 (a) 및 (b)은 종래 기술에 따른 부극 집전체의 일실시예를 나타낸 도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 부극 집전체가 적용된 원통형 축전지의 단면도.
도 3의 (a)는 본 발명에 따른 부극 집전체의 일실시예이며, 도 3의 (b)는 상기 (a)의 부극 집전체 일부분의 확대도.
도 4는 본 발명에 따른 전지케이스 내부 하면과 부극 집전체의 저항 용접 공정의 일실시예를 나타낸 도.
도 5는 본 발명의 일실시예와 그 비교예의 전압-전류(V-I)특성 곡선을 나타낸 그래프.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 230: 부극 집전체 120: 타공 140: 슬릿
160, 330: 중심부(용접부) 350: 절취부 400: 용접전극
Claims (7)
- 정극판 및 부극판 사이에 세퍼레이터가 개재된 두루마리형 극판군의 정극 및 부극 단부에, 정극 및 부극 집전체가 서로 반대측에 위치하도록 접합되어 이루어진 전극체와, 부극의 외부단자를 겸하며 상기 전극체를 내장하도록 개구부를 갖는 전지케이스와, 상기 개구부를 전기적으로 절연되는 상태로 밀봉하는 봉구체인 캡 어셈블리(Cap assembly)를 구비하는 원통형 축전지로서,상기 부극 집전체는,원형의 판상으로 형성되고, 상기 판상의 주변부에 설정된 간격으로 다수의 절취부가 형성되어 아래로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 원통형 축전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 전지케이스에 상기 전극체를 삽입 후, 상기 부극 집전체가 상기 전지케이스 내부 하면과 접합하는 때에,상기 부극 집전체는,상기 극판군의 중앙의 원통형 홀(hole)을 통과한 용접 전극이 상기 부극 집전체의 원형 판상의 중심부를 가압하여 아래로 돌출하는 돌출부위가 상기 전지케이스 내부 하면과 저항 용접되는 제1 용접부와,상기 용접 전극과 함께 상기 전극체에 일정한 압력을 가하여 상기 부극 집전체의 아래로 기울어져 있는 다수의 절취부가 상기 전지케이스 내부 하면과 저항 용 접되는 제2 용접부를 형성하는 것을 특징으로 하는 원통형 축전지.
- 제 2 항에 있어서,상기 부극 집전체의 상기 제2 용접부는 전지 케이스 내부 하면과의 용접성 향상을 위해 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 축전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 부극 집전체는 니켈, 니켈 도금 스틸, 구리, 니켈 도금 구리, 구리 도금 스틸, 구리 도금 니켈 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 원통형 축전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 부극 집전체의 두께는 0.2mm ~ 0.3mm 인 것을 특징으로 하는 원통형 축전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 부극 집전체는 0.15mm의 두께를 갖는 2개의 원형 판상을 중첩하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 축전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 부극 집전체는 상기 극판군의 부극 단부와의 용접성 향상을 위해 타공 또는 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 축전지.
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