KR20110006826A - 이차 전지 및 에너지 저장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이차 전지는, 전극 조립체와 전해액이 함께 수납되는 수납부와, 개방부를 포함하는 금속성 캔; 캔을 밀봉할 수 있도록 캔의 개방부에 위치되는 금속성 캡; 및 캔과 캡의 용융점보다 낮은 융점을 갖으며, 캔과 캡의 접합부 사이에 개재된 상태에서 및/또는 접합부 주위를 둘러싼 상태에서 용융 접합되는 용융 접합부재를 구비한다.
이차 전지, 용융 접합, 캔, 캡, 금속, 밀봉

Description

이차 전지 및 에너지 저장 장치{Secondary Battery ＆ Energy Storing Apparatus}
본 발명은 이차 전지 및 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 리튬(이온 및/또는 폴리머) 이차 전지 및 커패시터, 연료 전지 등과 같은 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 디지털 카메라, 캠코더, 휴대용 전화기, 휴대용 PC 등과 같은 휴대용 전자 제품의 구조가 경량화 또는 고기능화됨으로써 전자 제품의 전원으로 사용되는 전지에 대해서 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 전지는 충/방전에 의해 연속적으로 사용할 수 있다.
통상적으로, 반복 충/방전이 가능한 전지 즉, 이차 전지는 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소전지, 니켈 아연전지, 리튬 2차전지 등으로 분류되며, 이들 중에서 수명과 용량을 고려하면 리튬 2차 전지가 범용화 되고 있다.
상기 리튬 2차 전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속전지, 리튬 이온전지, 및 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 구분된다. 리튬 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 유기 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 폴리머 전지, 유기 전해액을 함유하는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분된다.
리튬 이온 이차 전지는 기존 이차 전지 제품보다 향상된 에너지 밀도와 반복 사용 수명 특성을 가지며, 이러한 장점들 때문에 수요와 사용 범위가 꾸준히 증가하고 있다. 그러나, 리튬 이온 이차 전지는 높은 에너지 밀도로 인해 외부 환경의 변화 및 위험 요인에 대해 보다 안정적으로 성능을 유지하고, 이상 상황에서 전극의 내용물이 케이스(팩)의 외부로 유출되어 안전성을 침해하는 일이 발생하지 않도록 제품 설계에 근본적인 안전장치의 도입이 필요하다.
전극 조립체를 감싸는 금속 재질의 외장재(예, 케이스 또는 팩)는 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 하나의 방편으로써 오랜 기간 사용되어 왔으며, 그 형태와 크기도 다양하게 존재한다. 그러나, 그 형태에 관계없이 기존의 금속 외장재는 크게 전지의 내용물을 수용하는 캔(용기)과 이를 덮는 캡(덮개)으로 구성되는 것이 일반적이며, 그 재질로는 철, 스테인리스, 알루미늄 및 기타 금속 또는 이들의 합금이 사용된다.
통상적으로, 전지의 외장재로서 캔과 캡을 접합하거나 그들의 접촉부를 밀봉하기 위해서는 예를 들어, 압착 또는 크림핑 등과 같은 물리적인 고정, 용접 등과 같은 열 가공에 의한 고정 등의 방법이 사용되어 왔다. 특히, 용접 방식은 모재(캔과 캡)가 접합부에서 용융되어 혼합된 후 응고됨으로써 접합부의 영구적인 결합을 형성하기 때문에 전지의 안정적인 밀봉성을 보장해 준다. 이러한 금속 외장재의 용접은 예를 들어, 레이저 용접, 아크 용접, 플라즈마 용접 등이 사용되어 왔으며, 이와 관련된 선행기술들은 본 출원인에 의해 출원된 여러 특허들을 참고할 수 있다(특허출원번호 제2000-0021513호; 특허출원번호 제2000-0014318호; 특허출원번호 제2000-0044179호; 특허출원번호 제2003-0065237호)
용접 방식에 의해 영구적으로 접합 및/또는 밀봉된 금속 외장재는 전지의 장기 사용의 신뢰성을 제공할 뿐만 아니라 압력 및 기계적 충격, 온도 및 습도 변화 등의 외부 환경 요인으로부터 전지의 내용물을 보호하고, 동시에 전지 내부의 유해한 화학 물질이 외부로 유출되는 것을 효과적으로 막아 준다.
그런데, 금속 재질의 외장재를 적용하여 용접 등과 같은 방식에 의해 전지의 캔과 캡을 용접하는 종래의 밀봉 방식은 다음과 같은 문제점들이 있다.
첫째, 모재(외장재)가 직접 용융되어야 하므로 높은 열 발생이 필요하다(철 및 스테인리스의 용융 온도는 1500℃이고, 알루미늄의 용융 온도는 660℃ 이상 임).
둘째, 밀봉 과정에서 외장재에 직접 고열이 가해지므로, 열에 약한 전지의 구성요소들(예, 세퍼레이터, 전해액 등)에 치명적 손상을 초래할 수 있다.
셋째, 용접 조건의 최적화가 까다로우며 용접을 위한 시간과 비용의 소모가 크다.
넷째, 용접 공정 중 발생하는 모재의 변형 및/또는 변성에 의해 용접 부위에 예를 들어, 핀 홀(pin hole) 등과 같은 미세 결함이 발생할 우려가 있다.
다섯째, 접합(또는 용접) 면적의 제어가 어려워 용접 강도 조절에 한계가 있다. 특히, 고용량/고출력 특성을 가진 박형 광면적 전지의 경우, 접합 거리와 접합 면적이 커짐에 따라 용접에 많은 시간과 비용이 크게 증가된다.
한편, 이러한 전지의 안정적인 밀봉에 대한 요구와는 반대로, 전지의 오/남용 혹은 기타 원인에 의해 전지 내부의 압력과 온도가 상승할 경우, 전지의 밀봉 상태를 가급적 빨리 붕괴시켜서 전지 내부의 높은 온도와 압력을 상온 및 상압으로 안정화시킬 필요가 있다. 이 때문에 대부분의 이차 전지는 (특히, 금속 외장재를 사용하는 이차 전지의 경우) 예를 들어, 벤트(vent) 등과 같은 별도의 압력 해소 메커니즘을 갖추고 있으며, 이러한 압력 해소 메커니즘은 전지의 이상 상황에서 전지 내부와 외부를 물리적으로 연결시킴으로써 전지를 안정화시킬 수 있다.
그런데, 금속 재질의 외장재를 사용하는 종래의 전지들은 각각의 전지의 모델, 사이즈, 용량, 사용 형태 등에 따라 각각 다른 설계를 가진 압력 해소 메커니즘을 구비해야 하므로 전지 제조 비용 및 공정이 증가되고 제품의 단가가 높아지는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 개선하기 위해 착상된 것으로서, 모재의 융점보다 낮은 온도(예를 들어, 140℃ 부근부터 자유롭게 선택 가능)에서 이종 금속 용융재를 이용하여 접합시킴으로써, 전지 내부로 전달되는 열을 최소화할 수 있고, 접합 부위의 형상 등에 제약 없이 간편하고 빠르게 밀봉이 가능하며, 모재의 변형이 없으며, 이종 금속 용융재의 도포량을 조절함으로써 따른 접합 면적을 제어할 수 있도록 전지의 금속 외장재의 밀봉 구조가 개선된 이차 전 지를 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 전술한 바와 같은 종래기술의 또 다른 문제점이었던 별도의 벤트 메커니즘의 설계에 대한 요구조건들을 개선하여, 적절한 이종 금속 용융재의 재질 선택에 의해 특정 온도에서 전지의 밀봉성이 해제할 수 있는 벤트 메커니즘이 전지의 밀봉 및/또는 접합부와 일체화된 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다. 이러한 목적은, 용융재의 도포량 및 접합 면적 제어가 용이한 점에 착안하여, 압력 내구성 제어가 가능한 벤트 일체형 밀봉 설계를 갖춘 이차 전지의 구현이 가능하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지는, 전극 조립체와 전해액이 함께 수납되는 수납부와, 개방부를 포함하는 금속성 캔; 상기 캔을 밀봉할 수 있도록 상기 캔의 상기 개방부에 위치되는 금속성 캡; 및 상기 캔과 상기 캡의 용융점보다 낮은 융점을 갖으며, 상기 캔과 상기 캡의 접합부 사이에 개재된 상태에서 및/또는 상기 접합부 주위를 둘러싼 상태에서 용융 접합되는 용융 접합부재를 구비한다.
바람직하게, 상기 캔과 상기 캡 사이의 접합 또는 밀봉 상태는 상기 용융 접합부재의 융점에 의해 제어가능하다.
바람직하게, 상기 캔과 상기 캡 사이에 개재되는 상기 용융 접합부재의 면적에 의해 상기 캔과 상기 캡 사이의 밀봉 또는 접합 강도가 조절될 수 있다.
바람직하게, 상기 용융 접합부재는, 상기 이차 전지의 압력 내구성의 제어가 가능하도록 미리 결정된 온도에서 접합 또는 밀봉 상태가 해제되는 벤트(vent) 수 단을 겸한다.
바람직하게, 상기 용융 접합부재는, 상기 접합부에 접촉되어 용융 후 응고될 수 있도록 미리결정된 형상으로 사전-성형(pre-formed) 된다.
바람직하게, 상기 용융 접합부재는 상기 접합부 주변에 도포되는 액상 물질이다.
바람직하게, 상기 용융 접합부재는 상기 캡의 상기 접합부에 인쇄되는 페이스트 형태이다.
바람직하게, 상기 접합부를 형성하는 상기 캔과 상기 캡의 적어도 어느 일면에는 상기 용융 접합부재를 수용할 수 있는 수용홈이 마련된다.
바람직하게, 상기 캔 및/또는 상기 캡은 철, 알루미늄, 구리를 포함하는 단일 금속 또는 황동, 청동, 스테인리스를 포함하는 합금을 구비한다.
바람직하게, 상기 용융 접합부재는 납, 주석, 아연, 알루미늄, 은 또는 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 포함한다.
바람직하게, 상기 합금은 Zn-Al 계열, Sn-Pb 계열, Sn-Ag-Cu 계열, Sn-Zn 계열, Sn-Bi-Ag 계열로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 포함한다.
바람직하게, 상기 용융 접합부재는 약 100℃ 내지 약 450℃ 사이, 바람직하게는 약 138℃ 내지 약 250℃ 사이의 융점을 가진다.
바람직하게, 상기 캔 및/또는 상기 캡은 상기 용융 접합부재와의 접합성을 향상시키기 위해 상기 접합부의 표면이 니켈 또는 구리에 의해 도금된다.
본 발명의 목적은 리튬 이온 이차 전지 이외의 다른 이차 전지, 커패시터, 연료 전지 등과 같은 에너지 저장 장치(소자) 등으로 확대될 수 있으며, 그러한 에너지 저장 장치는, 이차 전지용 전극 조립체 또는 커패시터용 극판 조립체 또는 연료 전지용 극판 조립체를 포함하는 에너지 저장 장치용 구성요소들을 수납하는 수납부를 가지며 개방부를 포함하는 금속성 제1 외장재; 상기 제1 외장재의 개방부에 포개지는 금속성 제2 외장재; 및 상기 제1 외장재 및 상기 제2 외장재의 용융점보다 낮은 융점을 갖으며, 상기 제1 및 제2 외장재 사이의 접합부에서 용융 접합되며, 상기 제1 및 제2 외장재와 다른 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 용융 접합부재를 구비한다.
바람직하게, 상기 제1 외장재 및/또는 상기 제2 외장재의 재질은 상기 수납부에 수납된 내용물이 외부로 유출되거나 외기가 유입되지 않도록 하고, 내,외부 사이의 기압차, 물리, 화학, 기후 환경적 충격에 대해 상기 내용물이 정상적으로 작동할 수 있는 범위 내에서 기밀성을 보장하는 재료를 포함한다.
바람직하게, 상기 제1 외장재 및/또는 상기 제2 외장재는 약 10 kcal/mh℃(20℃) 이상의 열전도율, 약 5 kgf/mm2 이상의 인장강도를 가지며, 약 30㎛ 이상의 두께를 가진다.
바람직하게, 상기 접합 또는 밀봉은 열 및/또는 압력에 의해 용융된 후 응고되어 상기 제1 외장재와 상기 제2 외장재의 위치를 고정한다.
본 발명에 따른 이차 전지는, 금속 재질의 외장재를 밀봉 할 때, 접합 대상 이 되는 모재(스테인리스, 알루미늄, 철 등)에 소정 범위의 용융 온도 범위를 가진 이종의 금속 또는 금속 화합물을 녹여 붙이는 과정에서, 모재보다 낮은 융점을 가진 금속/금속 화합물을 외장재의 접합면 또는 접합부 주변에 도포하고, 이렇게 도포된 이종 금속/금속 화합물에 의해 전지의 밀봉을 유지하는 방법을 사용함으로써 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 접합 부위와 제품의 형상에 제약을 받지 않고 다양한 제품을 밀봉할 수 있다.
둘째, 종래에 일반적으로 이용되던 접합 방법인 용접 방식에 비해 좀 더 낮은 온도에서 접합이 이루어짐으로써, 모재 또는 전지의 구성요소들에 가해지는 열 손상의 우려를 방지할 수 있다.
셋째, 용융재로 쓰이는 이종 금속/금속 화합물의 종류와 융점이 다양하게 존재하여 상업화되어 있으므로 재료의 선택의 폭이 넓다.
넷째, 접합 부위의 융점 조절이 자유롭기 때문에 특정 온도 범위에서 비교적 정확히 제어되는 온도 감응형 벤트 메커니즘을 접합 부위에 일체로 구현할 수 있다.
다섯째, 용융재의 도포 면적(접합 면적)을 조절하면 접합부 자체를 특정 압력 범위에서 제어되는 압력 감응형 벤트 메커니즘으로도 활용할 수 있다.
본 발명의 이차 전지가 특히 효과적으로 적용될 수 있는 분야는 박형 광면적 이차 전지 제품으로써, 종래 기술의 취약점을 보완, 개선할 수 있는 효과를 가진다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 이차 전지는 리튬 이온 이차 전지 이외에 커패시터, 연료 전지 등과 같은 에너지 저장 장치의 구성요소들을 감싸는 케이스 등에도 확대될 수 있음은 당업자가 이해할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지를 설명한다. 도면에서, 동일한 구성요소들은 동일한 참조부호가 부여되었다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 이차 전지(100)는 금속성의 캔(10)과, 금속성 캡(20), 및 캔(10)과 캡(20)의 접합부에 개재되는 용융 접합부재(30)를 구비한다.
상기 캔(10)은 전극 조립체(40)와 전해액(미도시)을 포함하는 전지의 구성요소들을 수납하는 수납부(12)를 가지며 일단이 개방된 개방부(14)를 가진다. 캔(10)은 그 자체가 전극 단자의 기능을 할 수도 있다. 본 실시예에서 캔(10)은 4면체 형태의 각형 전지로 도시되었지만 원통형 전지 또는 그 어떤 다른 형태의 전지 등과 같이 업계에서 요구되는 치수들로 얼마든지 변형될 수 있음은 당업자가 용이하게 이해할 것이다. 캔(10)의 수납부(12)는 전극 조립체(40)와 전해액을 수납/수용하여 그것을 밀폐시키는 공간으로서 개략적으로 직사각 형태로 도시되었지만, 실제적으로 조립되는 전극 조립체(40)의 형상 또는 모양에 상응하는 형태로 변경될 수 있다. 캔(10)의 개방부(14)는 캡(20)에 의해 덮여지는 것으로서 특별히 그 형상 및 사이즈에 제한이 있는 것은 아니다.
캔(10)은 측벽(16)으로부터 실질적으로 직교되는 외측 방향으로 미리결정된 길이만큼 돌출된 플랜지 형태의 실질적으로 편평한 접합 평면(18)을 구비한다. 이러한 플랜지 형태의 접합 평면(18)은 캔(10)의 두께에 대하여 안정된 접합 면적을 확보하기 위한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 캔(10) 및/또는 캡(20)은 수납부(12)에 수납된 전극 조립체(40)와 전해액과 같은 내용물이 외부로 유출되거나 외기가 유입되지 않도록 하고, 내,외부 사이의 기압차, 물리, 화학, 기후 환경적 충격에 대해 내용물이 정상적으로 작동할 수 있는 범위 내에서 기밀성을 보장하는 재료를 포함한다. 예를 들어, 캔(10) 및/또는 캡(20)은 약 10 kcal/mh℃(20℃) 이상의 열전도율, 약 5kgf/mm2 이상의 인장강도를 가지며, 약 30㎛이상의 두께를 가진다.
상기 전극 조립체(40)는 양극판/세퍼레이터/음극판이 순차적으로 배치(예, 복수의 단위 전극들이 적층되는 라미네이션 타입 또는 단위 전극들이 권취된 젤리-롤 타입)된 구조이며, 전체적인 외형이 직육면체 또는 코인형 등과 같이 다양하게 변형될 수 있다.
통상적으로, 이차 전지에 있어서, 양극판은 알루미늄 박판의 양극 집전체의 적어도 하나의 면에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질이 도포된 구조이고, 음극판은 구리 박판의 음극 집전체의 적어도 하나의 면에 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질이 도포된 구조이다. 양극판과 음극판은 각각 양극탭과 음극탭 을 구비한다. 이러한 양극탭과 음극탭은 극성에 따라 서로 다른 위치에 배치될 수도 있고, 양극판과 음극판으로부터 돌출되는 양극탭과 음극탭 부분은 극판들 사이의 단락을 방지하기 위해 절연 테이프가 부착될 수 있다. 또한, 세퍼레이터는 양극판과 음극판을 분리시키기 위한 다공성 고분자 필름을 사용한다. 양극판/세퍼레이터/음극판으로 구성되는 전극 조립체(40)의 구조는 당업자에 의해 얼마든지 변형될 수 있다.
도 2는 도 1의 캡을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 캡(20)은 캔(10)의 개방부(14)를 덮어서 밀봉할 수 있는 것으로서, 캔(10)의 접합 평면(18)에 포개지는 제2 접합 평면(22)을 구비한다. 캡(20)은 전체적으로 플레이트 형태를 가지며, 전극 조립체(40)의 전극 단자(미도시)가 관통할 수 있는 관통공(미도시)이 형성될 수 있으며, 필요에 따라 캔(10)의 하면에는 절연재, 단자 플레이트(미도시) 등이 포함될 수 있다. 또한 캡(20)에는 밀봉된 상태에서 캔(10) 내부로 전해액을 주입할 수 있는 전해액 주입구(미도시)가 마련될 수도 있다.
또한, 캔(10) 및/또는 캡(20)은 용융 접합부재(30)와의 접합성을 향상시키기 위해 접합부의 표면이 니켈 또는 구리에 의해 도금되는 것이 바람직하다.
상기 용융 접합부재(30)는 금속성의 캔(10)과 캡(20)의 용융점보다 낮은 융점을 갖으며, 캔(10)의 접합 평면(18)과 캡(20)의 제2 접합 평면(22)를 포함하는 접합부 사이에 위치된다.
용융 접합부재(30)는 모재의 융점보다 낮으며, 내부 열전달 우려가 없는 용 융점을 갖으면서, 모재와의 접합성이 우수하여 충분한 접합 강도를 기대할 수 있으며, 전지의 성능 외적인 요인(예, 비용, 환경 친화성)까지 고려하고, 특정 온도에 도달하면 용융되어 밀봉성이 해제되는 성질을 고려하여 다양한 종류의 금속 및 금속 화합물중에서 선택될 수 있다. 한편, 용융 접합부재(30)로서 합금을 사용하는 이유는, 단일 금속보다 융점을 낮출 수 있고, 기계적 강도를 개선할 수 있으며, 가격을 낮출 수 있고, 모재 금속과의 접합 친화성을 기대할 수 있으며, 다양한 액상선-고상선 온도 범위를 가질 수 있다는 것이다. 용융 접합부재(30)의 가용한 종류 및 특징은 아래 [표 1]과 같다.
[표 1] 용융 접합부재의 종류
계열 종류 융점


Sn-Pb 계

 Sn-37Pb 183℃
Sn-40Pb 190℃
Sn-45Pb 203℃
Sn-50Pb 215℃
Sn-55Pb 227℃


Sn-Cu 계

 Sn-9.5Cu 227~422℃
Sn-3Cu 227~312℃
Sn-0.7Cu 227℃
Sn-0.7Cu-0.3Ag 221~227℃
Sn-0.5Cu-0.06Ni 220~233℃
Sn-Zn 계
 Sn-9Zn 197~198℃
Sn-8Zn-3Bi 190~197℃

Sn-Ag 계

 Sn-3.5Ag 221℃
Sn-3.0Ag-0.2Cu 217~220℃
Sn-1Ag-4Cu 217~225℃
Sn-4Ag-0.1Ni 221~231℃

기타

 Sn-49In 117℃
Sn-8In-3.5Ag-0.5Bi 170~206℃
Sn-57Bi-1Ag 138~140℃
Zn-5Al 382℃
한편, 본 발명의 바람직한 실시예들에 있어서, 용융 접합부재(30)는 납을 포함하는 것으로 서술되었지만, 친환경적 요인들을 감안하여 납 또는 그 합금을 선택 하지 않을 수도 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 용융 접합부재(30)는 약 100℃ 내지 약 450℃ 사이, 더 바람직하게는 약 138℃ 내지 약 250℃ 사이의 융점을 가진다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 용융 접합부재(30)는 예를 들어, 190℃의 융점을 가지는 Sn-8Zn-3Bi를 선택한다. 왜냐하면, 종래의 플라즈마 용접에 의한 접합 방법의 경우, 외장재에 직접 1000℃ 이상의 고열이 가해지며, 공정 조건 달성에 많은 에너지/시간이 필요하고, 100℃에서 전해액이 분리되고, 120~140℃에서 세퍼레이터의 다공이 막히고, 150~180℃에서 세퍼레이터가 파괴되는 등 이차 전지(100)의 주요 구성요소들이 용접 과정에서 열 손상을 받을 우려가 있기 때문이다.
따라서, 이차 전지(100)의 구성요소들의 손상 우려를 고려하면, 용융 접합부재(30)는 용융 가능한 낮은 온도를 갖으며, 가급적이면 높은 열원이 공정 중에 배치되는 것을 회피하고, 범용 장비(히터, 지그)(후술)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 용융 접합부재(30)는 이차 전지(100)의 일반적인 작동 범위(예, 80℃미만)에서는 그 밀봉성이 해제되거나 약해지지 않으며, 일반화된 내열 가혹 테스트 규격(리튬 이온 전지에 대한 UL 규격: 130℃)에서는 내부 압력이 급격히 증가하지 않는 한(분리막의 절연성이 파괴되지 않아서 내부 단락이 발생하지 않는 범위) 누액을 일으키지 않도록 밀봉성을 유지하지만 전지의 안전성에 치명적인 위험을 가져오는 것으로 알려진 양극물질의 내부 열폭주 개시 온도(예, 약 200℃)에 도달하기 전에 는 밀봉성이 충분히 해제될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 이유에 대해 부연 설명하면, 종래의 이차 전지의 일반적인 벤트 메커니즘(외장재의 일부 좁은 면적에 벤트 수단이 구비됨)에서는, 벤트 메커니즘이 작동하여도 내부 물질의 분출 양상에 비해 충분한 면적을 통한 배출이 어렵고, 더욱이 분출물질에 의해 벤트 구멍이 막히는 일도 발생한다. 그러나, 본 실시예의 벤트 메커니즘 겸용 용융 접합부재(30)에 따르면, 의도하는 넓은 면적을 벤트 메커니즘으로 활용 가능하고, 그러한 범위 내에서 온도와 내구 압력이 용이하게 조절될 수 있다는 점이다.
본 발명의 실시예들에 따른 용융 접합부재(30)의 온도/압력 범위 선택은 도 3을 참조할 수 있다. 도 3의 온도와 압력은 예시적인 것에 불과하며, 제품 설계에 따라 그 최적값들은 얼마든지 다양하게 조절될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
상기 용융 접합부재(30)의 융점에 따라 캔(10)과 캡(20) 사이의 접합 또는 밀봉 상태가 제어된다. 또한, 캔(10)과 캡(20) 사이의 접합 또는 밀봉 상태는 상기 용융 접합부재의 융점에 의해 제어가능하다. 또한, 캔(10)과 캡(20) 사이에 개재되는 용융 접합부재(30)의 면적에 의해 캔(10)과 캡(20) 사이의 밀봉 또는 접합 강도가 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용융 접합부재(30)의 일 예를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 용융 접합부재(30)는 캔(10)의 접합 평면(18) 및 캡(20)의 제2 접합 평면(22)에 각각 접촉되어 용융된 후 응고될 수 있도록 단면이 사각 형태로 되어 있고 실질적으로 직사각 형태의 폐루프를 형성 하는 고리 모양으로 사전-성형(pre-formed)된다. 이러한 성형 방법은 업계에 이미 알려진 여러 가지 다양한 방식으로 구현될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 용융 접합부재(30)는 고상으로 성형되어 예를 들어, 열선 히터(미도시)에 의한 직접 가열, 고주파에 의한 초음파 가열, 저항열로 가열됨과 함께 지그(미도시) 등에 의해 가해지는 압력에 의해 압착 용융되면서 캔(10)과 캡(20)의 접합부를 밀봉한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지를 밀봉하는 공정을 개략적으로 각각 도시한 구성도들이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 하부 지그(52)의 개구에 전극 조립체(40)가 수납된 캔(10)을 삽입하여 하부 지그(52)의 끝단이 캔(10)의 플랜지를 지지한 상태에서 용융 접합부재(30)를 캔(10)의 접합 평면(18) 위에 위치시키고 그 위에 캡(20)을 포갠 후 캡(20)의 상부에서 상부 지그(54)를 눌러 소정 압력 및 온도으로 가압하게 되면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 용융 접합부재(30)가 용융 후 응고되면서 캡(20)이 캔(10)에 견고하게 고정된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 각각 도시한 단면도들이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(200)는 캔(110)의 접합 평면(118)과 캡(120)의 제2 접합평면(122) 중 적어도 어느 한 곳에 미리 성형된 용융 접합부재(30)가 수납될 수 있도록 수납홈(119)(123)이 마련된다. 즉, 본 실시예에 따르면, 수납홈(119)(123)에 용융 접합부재(30)가 삽입될 수 있도록 캔(110)과 캡(120)을 위치시켜 전술한 바와 같은 지그 또는 당업자에 의해 고려될 수도 있는 다른 장치들을 사용하여 캔(110)과 캡(120)을 소정 압력 및 온도로 압착하게 되면 용융 접합부재(30)가 용융되어 접합 평면(118) 및 제2 접합 평면(122)에서 용융 접합부재(30)가 용융되어 응고되면, 캔(110)과 캡(120)은 견고하게 밀봉 또는 접합된다.
도 6a 및 도 6b의 수용홈(119)(123)은 직각 형태로 캔(110)과 캡(120)의 접합 표면들(118)(122)에 인입 형성된 것으로 도시되었지만, 도 7에 도시된 바와 같이, 캔(210)과 캡(220)의 접합 표면들의 적어도 어느 하나의 표면에 오목하게 형성된 리세스 형태의 수용홈(223) 등과 같이 당업자에 의해 얼마든지 변형가능하다. 본 실시예에 따르면, 용융 접합부재(230)는 그 단면이 원형으로 미리 성형될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 밀봉 조립 공정을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(300)에 있어서, 캔(310)은 접합 평면(318)로부터 실질적으로 수직으로 연장되는 연장부(311)를 구비하고, 캡(320)은 캡 플레이트(321)의 모서리로부터 단차지게 형성되고 캔(310)의 접합 평면(318)에 접촉되며 그 단부가 연장부(319)의 측벽에 접촉되면서 소정의 공간을 형성하여 그 공간에 액상의 용융 접합부재(330)를 수용가능한 단차부(323)를 구비한다.
본 실시예에 따르면, 캔(310)의 내부에 전극 조립체(40)가 수납된 상태에서 캡(320)을 위치시킨 후 연장부(319)와 단차부(323)가 형성하는 공간에 용융 상태 (액상)의 용융 접합부재(330)를 쏟아 부은 후 그 용융 접합부재(330)를 응고시키게 되면 캔(310)과 캡(320)이 밀봉 접합될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 캔(310)과 캡(320)이 접촉되는 부분에 가스캣(미도시)이 개재될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 접합 공정을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지는 도 1 및 도 2에 도시된 캔(10)과 캡(20)을 사용하며, 업계에서 이미 알려진 솔더 페이스트 인쇄기(401)를 이용하여 캔(10)의 접합 표면(18)에 용융 접합부재(430)를 페이스트 상태로 인쇄한 후 그 위에 캡(20)을 포갠 상태에서 소정 온도 및 소정 압력으로 가열 및 가압함으로써 캔(10)과 캡(20)을 용융 접합시킬 수 있다.
본 발명의 효과를 확인하기 위해 리튬 이온 이차 전지를 제작하여 그 성능을 시험해 보았다. 본 시험은 SUS 304 스테인리스 외장재(두께 250㎛, Ni 도금)를 다양한 방식으로 접합(밀봉)하여, 15Ah 용량의 각형 전지(148x210x6.5, 단위 mm)를 만들어 측정하였다.
비교 제품은 종래의 플라즈마 용접에 의해 캔과 캡이 접합된 이차 전지를 이용하였고, 실험 제품은 Sn-8Zn-3Bi(융점: 191℃)를 재료로 하는 용융 접합부재를 이용하여 캔과 캡이 용융 접합된 이차 전지를 이용하였다.
테스트 항목은 다음과 같다.
(1) 용량: 0.5C/0.2C 표준 충방전 용량
(2) 고온 보존 특성:
① 80℃에서 7일간 보관하며 매 1일마다 외관 검사/무게 변화 측정
② 150℃에서 3시간 보관 후 외관 검사/무게 변화 측정
(3) 감압 테스트: -760mm/Hg에서 24시간 감압 후 외관 검사/무게 변화 측정
(4) 가열 테스트: 상온-400℃까지 5℃/분으로 가열하며 발생 현상 관찰
(5) 충격 테스트: 전지를 지그에 고정하여 최고 가속도 150gn / 지속 시간 6ms 의 충격을 각 축 (x, y, z축)당 6회 인가 후 외관 검사/무게 변화 측정
이러한 실험의 결과는 다음 [표 2]와 같다.
[표 2] 비교 실험 결과

실험항목
결 과

비고

비교제품
(용접밀봉)
실험제품
(이종금속 용융 접합 밀봉)

용량
15.1Ah
15.1Ah
차이 없음

고온보존특성 1
테스트 전후 외관 변화 무
테스트 전후 외관 변화 무
차이 없음

무게변화:534.95->534.94g
(△= -0.01g)
무게변화:527.73->527.72g
(△= -0.01g)

고온보존특성 2
테스트 전후 외관 변화 무
테스트 전후 외관 변화 무
차이 없음

무게 변화: △=-0.02g/7일 경과
무게 변화: △=-0.01g/7일 경과

감압 테스트
테스트 전후 외관 변화 무
테스트 전후 외관 변화 무		 차이 없음

무게 변화: △=0.00g
무게 변화: △=0.00g


가열 테스트		 250 이상에서 강한 발화와 함께 외장재의 일부 면을 찢으며 내용물 강하게 분출 200 부근에서 외장재 밀봉이 분리되며 내용물이 약하게 분출됨. 계속 가열되어 250 이상에서 발화되었지만 강한 분출 (폭발)은 없음.
실험 제품 :
고온 안전성
개선

충격 테스트
테스트 전후 외관 변화 무
테스트 전후 외관 변화 무
차이 없음

무게 변화: △=0.00g
무게 변화: △=0.00g
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 이차 전지는 박형의 광면적 각형 전지(접합 부위의 시작-종료 거리가 길거나 면적이 큰 경우)에 적용할 경우 특히 유용하지만, 다른 한 편으로는 예를 들어, 원통형 전지, 코인형 전지 등과 같은 이차 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켄 수소 전지 등의 다양한 전지 및 이를 전지들의 다양한 형태의 외장재나 접합 구조 또는 형상에 적용될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 저장 장치는, 커패시터, 연료 전지 등과 같은 에너지 저장 소자 등으로 확대될 수 있으며, 그러한 에너지 저장 장치는, 이미 알려진 커패시터용 극판 조립체 또는 연료 전지용 극판 조립체를 포함하는 에너지 저장 장치용 구성요소들을 수납하는 수납부를 가지며 개방부를 포함하는 금속성 제1 외장재와, 제1 외장재의 개방부에 포개지는 금속성 제2 외장재, 및 제1 외장재 및 제2 외장재의 용융점보다 낮은 융점을 갖으며, 제1 및 제2 외장재 사이의 접합부에서 용융 접합되며, 제1 및 제2 외장재와 다른 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 용융 접합부재를 구비한다. 여기서, 용융 접합부재의 접합 또는 밀봉은 열 및/또는 압력에 의해 용융된 후 응고되어 제1 외장재와 제2 외장재의 위치를 고정한다.
본 발명의 다양한 실시예들이 위에서 설명되었다. 그러나, 당업자들은 바람직한 실시예들의 전술한 설명들은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명은 전술한 장치들 및 방법들에 대한 수정 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 당업자들은 본 명세 서에 개시된 본발명의 특정의 실시예들에 대한 많은 균등물을 일상적인 실험을 통해 알거나 확인할 수 있을 것이다. 그러한 수정, 변형 및 균등물들은 아래의 청구범위에 열거된 본 발명의 정신 및 범위에 포함되는 것을 의도한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 캡을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 용융 접합부재의 온도/압력 범위 선택시 고려되는 사항을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용융 접합부재(30)의 일 예를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지를 밀봉하는 공정을 각각 개략적으로 도시한 구성도들이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 각각 도시한 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캔과 캡의 표면에 형성된 수용홈의 변형예를 설명하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 밀봉 조립 공정을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 접합 공정을 개략적으로 도시한 사시도이다.

Claims (19)

  1. 전극 조립체와 전해액이 함께 수납되는 수납부와, 개방부를 포함하는 금속성 캔;
    상기 캔을 밀봉할 수 있도록 상기 캔의 상기 개방부에 위치되는 금속성 캡; 및
    상기 캔과 상기 캡의 용융점보다 낮은 융점을 갖으며, 상기 캔과 상기 캡의 접합부 사이에 개재된 상태에서 및/또는 상기 접합부 주위를 둘러싼 상태에서 용융 접합되는 용융 접합부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캔과 상기 캡 사이의 접합 또는 밀봉 상태는 상기 용융 접합부재의 융점에 의해 제어가능한 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캔과 상기 캡 사이에 개재되는 상기 용융 접합부재의 면적에 의해 상기 캔과 상기 캡 사이의 밀봉 또는 접합 강도가 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용융 접합부재는 상기 이차 전지의 압력 내구성의 제어가 가능하도록 미리 결정된 온도에서 접합 또는 밀봉 상태가 해제되는 벤트(vent) 수단을 겸하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용융 접합부재는 상기 접합부에 접촉되어 용융 후 응고될 수 있도록 미리결정된 형상으로 사전-성형된(pre-formed) 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용융 접합부재는 상기 접합부 주변에 도포되는 액상 물질인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용융 접합부재는 상기 캡의 상기 접합부에 인쇄되는 페이스트 형태인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 접합부를 형성하는 상기 캔과 상기 캡의 적어도 어느 일면에는 상기 용융 접합부재를 수용할 수 있는 수용홈이 마련된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캔 및/또는 상기 캡은 철, 알루미늄, 구리를 포함하는 단일 금속 또는 황동, 청동, 스테인리스를 포함하는 합금을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 용융 접합부재는 납, 주석, 아연, 알루미늄, 은 또는 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 합금은 Zn-Al 계열, Sn-Pb 계열, Sn-Ag-Cu 계열, Sn-Zn 계열, Sn-Bi-Ag 계열로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 캔 및/또는 상기 캡의 재질은 상기 수납부에 수납된 전극 조립체 또는 상기 전해액이 외부로 유출되거나 외기가 유입되지 않도록 하고, 내,외부 사이의 기압차, 물리, 화학, 기후 환경적 충격에 대해 상기 전극 조립체 및 상기 전해액이 정상적으로 작동할 수 있는 범위 내에서 기밀성을 보장하는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 캔 및/또는 상기 캡은 약 10kcal/mh℃(20℃) 이상의 열전도율, 약 5kgf/mm2 이상의 인장강도를 가지며, 약 30㎛ 이상의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 용융 접합부재는 약 100℃ 내지 약 450℃ 사이, 바람직하게는 약 138℃ 내지 약 250℃ 사이의 융점을 가진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 캔 및/또는 상기 캡은 상기 용융 접합부재와의 접합성을 향상시키기 위해 상기 접합부의 표면이 니켈 또는 구리에 의해 도금된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  16. 이차 전지용 전극 조립체 또는 커패시터용 극판 조립체 또는 연료전지용 극판 조립체를 포함하는 에너지 저장 장치용 구성요소를 수납하는 수납부를 가지며 개방부를 포함하는 금속성 제1 외장재;
    상기 제1 외장재의 개방부에 포개지는 금속성 제2 외장재; 및
    상기 제1 외장재 및 상기 제2 외장재의 용융점보다 낮은 융점을 갖으며, 상기 제1 및 제2 외장재 사이의 접합부에서 용융 접합되며, 상기 제1 및 제2 외장재와 다른 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 용융 접합부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 외장재 및/또는 상기 제2 외장재의 재질은 상기 수납부에 수납된 내용물이 외부로 유출되거나 외기가 유입되지 않도록 하고, 내,외부 사이의 기압차, 물리, 화학, 기후 환경적 충격에 대해 상기 내용물이 정상적으로 작동할 수 있는 범위 내에서 기밀성을 보장하는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 외장재 및/또는 상기 제2 외장재는 약 10 kcal/mh℃(20℃) 이상의 열전도율, 약 5 kgf/mm2 이상의 인장강도를 가지며, 약 30㎛ 이상의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 접합 또는 밀봉은 열 및/또는 압력에 의해 용융된 후 응고되어 상기 제 1 외장재와 상기 제2 외장재의 위치를 고정하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
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