KR20110019580A - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

케이스의 내부 공간을 보다 확보하여 전해액량 및 용량을 증가시킬 수 있는 이차 전지가 개시된다.
일 예로, 전극 조립체 및 서로 마주보는 한 쌍의 장측벽과 상기 장측벽의 단부에 형성된 한 쌍의 단측벽을 구비하여 상기 장측벽과 단측벽이 형성하는 공간에 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하고, 상기 단측벽은 하부 영역의 두께보다 상부 영역의 두께가 더 얇게 형성된 이차 전지가 개시된다.
이차 전지, 케이스, 캔, 용량, 공간

Description

이차 전지{Secondary Battery}
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 의미한다. 이러한 이차 전지는 소형의 경우 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고, 대형의 경우 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 모터를 구동하기 위해 사용되고 있다. 이러한 이차 전지는 차지할 수 있는 부피가 한정되는 반면, 용량이 점차 커질 것이 요구되는 추세에 있기 때문에, 이에 대한 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 케이스의 내부 공간을 보다 확보하여 전해액량 및 용량을 증가시킬 수 있는 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 이차 전지는 전극 조립체 및 서로 마주보는 한 쌍의 장측벽과 상기 장측벽의 단부에 형성된 한 쌍의 단측벽을 구비하여 상기 장측벽과 단측벽이 형성하는 공간에 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하고, 상기 단측벽은 하부 영역의 두께보다 상부 영역의 두께가 더 얇게 형성될 수 있다.
여기서, 상기 하부 영역의 두께는 상기 장측벽의 두께와 동일하게 형성될 수 있다.
그리고 상기 하부 영역과 상부 영역의 경계에 단차가 형성될 수 있다.
또한, 상기 하부 영역의 두께는 1.5㎜ 내지 2.5㎜로 형성될 수 있다.
또한, 상기 상부 영역의 높이는 상기 하부 영역의 높이보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 상부 영역은 상기 장측벽과 접하는 부분에서 상기 단측벽의 중심을 향하는 경로를 따라 점차적으로 얇아지는 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 상부 영역은 외면의 곡률보다 내면의 곡률이 더 크게 형성될 수 있다.
또한, 상기 상부 영역은 상기 장측벽과 접하는 부분에서 상기 단측벽의 중심 을 향하는 경로를 따라 동일하게 형성된 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 상부 영역은 외면의 곡률과 내면의 곡률이 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 장측벽 및 상부 영역의 두께와 결합하여 상기 케이스를 밀봉하는 캡 플레이트를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 이차 전지는 케이스의 단측벽을 하부 영역과 상부 영역으로 구획하고, 상부 영역의 두께를 하부 영역의 두께보다 얇게 형성하여 케이스 내부의 부피를 증가시킴으로써, 전해액량 및 전지 용량을 증가시킬 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 케이스의 평면도이다. 도 3은 도 1의 A-A'선 단면도이다. 도 4는 도 1의 B-B'선 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(10), 상기 전극 조립체(10)를 수용하는 케이스(20), 상기 케이스(20)의 상단 개구부를 밀봉하는 캡 조립체(30), 상기 전극 조립체(10)와 캡 조립체(30)의 사이에 게재된 절연 케이스(40)를 포함한다.
상기 전극 조립체(10)는 얇은 판형 또는 막형으로 형성된 제 1 전극판(11), 제 2 전극판(12) 및 이들을 절연하는 세퍼레이터(13)를 권취하거나 겹쳐서 형성된다. 또한, 상기 전극 조립체(10)는 제 1 전극 탭(14) 및 제 2 전극탭(15)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제 1 전극판(11)은 알루미늄 포일로 이루어진 제 1 전극 집전체, 상기 제 1 전극 집전체에 형성된 제 1 전극 활물질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 제 1 전극 활물질로는 코발트산 리튬이 사용될 수 있다.
상기 제 2 전극판(12)은 구리 포일로 이루어진 제 2 전극 집전체, 상기 제 2 전극 집전체에 형성된 제 2 전극 활물질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 제 2 전극 활물질로는 탄소 등이 사용될 수 있다.
이 때, 상기 제 1 전극판(11)과 제 2 전극판(12)은 극성을 달리하며, 일 예로 상기 제 1 전극판(11)은 양극으로서, 상기 제 2 전극판(12)은 음극으로서 동작할 수 있다.
상기 세퍼레이터(13)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어질 수 있다. 상기 세퍼레이터(13)는 상기 제 1 전극판(11) 및 제 2 전극판(12)보다 폭을 넓게 형성하는 것이 극판 간의 단락을 방지하는데 유리하다.
상기 제 1 전극탭(14) 및 제 2 전극탭(15)은 상기 제 1 전극판(11) 및 제 2 전극판(12)으로부터 각각 인출된다. 상기 제 1 전극탭(14) 및 제 2 전극탭(15)에는 상기 전극 조립체(10)의 외부로 인출되는 경계부에 극판간 단락을 방지하기 위해 절연 테이프(16)가 감겨질 수 있다.
상기 케이스(20)는 금속 재질의 캔이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공 방법으로 형성될 수 있다. 상기 케이스(20)는 경량의 전도성 금속인 알루미늄 또는알루미늄 합금으로 형성되어, 상기 케이스(20) 자체가 전극으로서 역할을 수행하는 것도 가능하다. 이러한 케이스(20)는 전극 조립체(10)와 전해액의 용기가 되고, 상기 전극 조립체(10)가 투입되도록 개방된 상부는 상기 캡 조립체(30)에 의해 밀봉된다.
상기 케이스(20)는 하부면(21), 상기 하부면(21)로부터 수직하게 세워진 한쌍의 장측벽(22), 상기 장측벽(22)의 단부를 연결하는 한 쌍의 단측벽(23)을 포함한다. 상기 장측벽(22)과 단측벽(23)은 내부 공간을 구획하고, 상기 내부 공간에 상기 전극 조립체(10)와 전해액이 수용된다.
상기 하부면(21)은 일반적으로 편평한 플레이트 형상으로 이루어진다. 상기 하부면(21)은 일 방향을 따라서 길게 형성된 한 쌍의 장변과 상기 장변을 연결하는 한 쌍의 단변으로 이루어진다.
상기 장측벽(22)은 서로 마주보는 한 쌍으로 구비되며, 상기 하부면(21)에 수직하게 형성된다. 상기 장측벽(22)은 상기 하부면(22)의 길이 방향인 상기 장변을 따라서 수직하게 형성된다. 상기 장측벽(22)의 폭(d1)은 일반적으로 약 0.3㎜로 형성되며, 일정한 높이(h1)를 갖도록 형성된다.
상기 단측벽(23)은 서로 마주보는 한 쌍으로 구비되며, 상기 하부면(21)에 수직하게 형성된다. 상기 단측벽(23)은 상기 하부면(21)의 단변을 따라서 수직하게 형성된다. 상기 단측벽(23)은 상기 장측벽(22)의 단부를 연결하면서 형성된다. 상기 단측벽(23)은 상기 전극 조립체(10)의 형상에 맞도록 곡면으로 형성된 것으로 도시하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자의 설계에 따라 상기 장측벽(22)에 수직한 평면으로 형성될 수도 있다.
상기 단측벽(23)은 상기 하부면(21)에 접하도록 형성된 하부 영역(23a)과 상기 하부 영역(23a)의 상부에 형성된 상부 영역(23b)을 포함한다. 이 때, 상기 하부 영역(23a)의 높이(h2)와 상부 영역(23b)의 높이(h3)의 합은 상기 장측벽(22)의 높이(h1)와 동일하다.
상기 하부 영역(23a)은 상기 하부면(21)으로부터 수직하게 형성된다. 상기 하부 영역(23a)의 두께(d2)는 상기 장측벽(22)의 두께(d1)와 동일하게 형성된다. 상기 하부 영역(23a)은 상기 장측벽(22)의 단부를 연결하면서 형성된다.
상기 상부 영역(23b)은 상기 하부 영역(23a)으로부터 연장되어 형성된다. 그 리고 상기 상부 영역(23b)의 두께(d3)는 상기 하부 영역(23a)의 두께(d2)보다 얇게 형성된다. 상기 상부 영역(23b)은 상기 하부 영역(23a)에 비해 내면이 식각된 형태로 형성된다. 상기 상부 영역(23b)은 외면의 곡률(curvature)보다 내면의 곡률이 크게 이루어진다. 즉, 상기 상부 영역(23b)이 장측벽(22)과 접하는 부분은 상기 장측벽(22)과 동일한 두께를 갖고, 상기 단측벽(23)의 중심으로 향하는 경로를 따라 갈수록 두께가 감소하는 구성을 갖는다. 여기서, 상기 상부 영역(23b)의 두께(d3)는 상기 단측벽(23)의 중심에 위치한 가장 얇은 폭으로 정의될 수 있다. 그리고 상기 하부 영역(23a)과 상부 영역(23b)의 경계에서는 단차가 형성된다. 이러한 구조를 통해 상기 상부 영역(23b)은 상기 하부 영역(23a)과 동일한 두께로 형성되었던 종래에 비해 넓은 내부 부피를 갖는다. 결과적으로 상기 상부 영역(23b)의 구조에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 종래에 비해 많은 전해액 수납이 가능하게 되며, 전지 용량을 증대시킬 수 있게 된다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)에서 상기 상부 영역(23b)의 두께(d3)는 1.5㎜ 내지 2.5㎜인 것이 바람직하다. 상기 상부 영역(23b)의 두께(d3)가 상기 범위로 형성된 경우, 1.5㎜ 미만인 경우에 비해 케이스(20)의 강성을 유지하거나 상기 캡 조립체(30)와의 용접을 수행하기 용이하다. 또한, 2.5㎜를 초과하는 경우에 비해 케이스(20)의 용량을 증가시키기 용이하다.
또한, 상기 상부 영역(23b)의 높이(h3)는 상기 하부 영역(23a)의 높이(h2)보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다. 상기 상부 영역(23b)의 높이(h3)가 상기 하부 영역(23a)의 높이(h2)보다 낮으면, 높은 경우에 비해서 케이스(20)의 강성을 확보 할 수있어서 전지의 신뢰성을 보다 확보할 수 있기 때문이다.
상기 캡 조립체(30)는 캡 플레이트(31), 주입 마개(34), 안전 벤트(35) 및 전극 단자(36)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 캡 플레이트(31)는 상기 케이스(20)의 상단 개구부와 대응하는 크기와 형상을 갖는 금속판으로 형성된다. 즉, 상기 캡 플레이트(31)는 상기 케이스(20)의 장측벽(22) 및 단측벽(23)의 상부 영역(23b)과 대응하여 결합된다. 따라서, 상기 캡 플레이트(20)는 상기 케이스(20)의 상부를 덮으며, 전해액 등이 누출되는 것을 방지한다. 상기 캡 플레이트(31)는 용접 등의 방법으로 상기 케이스(20)와 결합되어 상기 케이스(20)와 동일한 전극, 예를 들면 양극으로 동작할 수 있다. 상기 캡 플레이트(31)의 중앙에는 단자 통공(32)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 캡 플레이트(31)의 일측에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(33)가 형성될 수 있다.
상기 주입 마개(34)는 상기 전해액 주입구(33)를 통해 전해액이 상기 케이스(20)에 주입된 이후, 상기 전해액 주입구(33)를 밀봉한다. 상기 주입 마개(34)는 통상 알루미늄이나 알루미늄 함유 금속으로 형성된다. 상기 주입 마개(34)는 상기 전해액 주입구(33)에 기계적으로 압입되어 상기 전해액 주입구(33)에 결합된다.
상기 안전 벤트(35)는 상기 캡 플레이트(31)의 타측에 형성될 수 있다. 상기 안전 벤트(35)는 상기 캡 플레이트(31)의 다른 부분보다 얇게 형성되어, 내압이 증가하면 우선적으로 파단된다. 따라서, 상기 안전 벤트(35)는 과충전 등으로 인하여 상기 케이스(20)의 내부 압력이 증가할 때 내부 가스를 방출시켜 전지의 안정성을 확보한다.
상기 전극 단자(36)는 상기 단자 통공(32)을 통해 상기 캡 플레이트(31)를 관통한다. 또한, 상기 전극 단자(36)의 하부에는 상기 전극 단자(36)와 캡 플레이트(31)의 절연을 수행하도록 튜브형의 가스켓(37)이 형성된다. 또한, 캡 플레이트(31)의 하면에는 절연 플레이트(38)가 형성되고, 상기 절연 플레이트(38)의 하면에는 단자 플레이트(39)가 형성된다. 상기 전극 단자(36)의 하면은 상기 단자 플레이트(39)와 전기적으로 연결된다. 상기 전극 단자(36)는 상기 전극 조립체(10)의 제 2 전극탭(15)을 통해 상기 전극 조립체(10)의 제 2 전극판(12)과 전기적으로 연결된다. 상기 전극 조립체(10)의 제 1 전극판(11)은 제 1 전극탭(14)을 통해 상기 캡 플레이트(31)에 전기적으로 연결된다.
상기 절연 케이스(40)는 상기 전극 조립체(10)와 캡 플레이트(30)의 사이에 형성된다. 상기 절연 케이스(40)는 상기 케이스(20)의 내부에 삽입되어, 상기 캡 플레이트(30)에 의해 밀폐된다. 상기 절연 케이스(40)는 절연성을 가지는 고분자 수지로 형성되며, 일반적으로 폴리프로필렌으로 형성된다.
상기 절연 케이스(40)는 플레이트 형상의 본체부(41), 상기 본체부(41)로 부터 수직하게 형성되어 상기 본체부(41)를 지지하고 상기 케이스(20)의 내벽과 밀착력을 증가시키는 지지부(42), 상기 제 1 전극탭(14)과 제 2 전극탭(15)이 인출되기 위한 전극탭 인출구(43, 44), 전해액이 유입되는 전해액 유입구(45)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같이 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 케이스(20)의 단측벽(23)을 하부 영역(23a)과 상부 영역(23b)으로 구획하고, 상부 영역(23b)의 두께(d3)를 하부 영역(23a)의 두께(d2)보다 얇게 형성하여 케이스(20) 내부의 부피를 증가시킴으로써, 전해액량 및 전지 용량을 증가시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 케이스(20')를 도시한 평면도이다. 앞선 실시예와 동일한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 케이스(20')는 하부면(21), 장측벽(22), 단측벽(23')을 포함한다.
그리고 상기 단측벽(23')은 상기 하부면(21)에 수직한 하부 영역(23a'), 상기 하부 영역(23a')에 수직한 상부 영역(23b')을 포함한다.
상기 하부 영역(23b')은 서로 마주보는 한 쌍으로 구비되어 상기 하부면(21)의 장변을 따라 형성된다. 상기 하부 영역(23b')의 두께(d2)는 상기 장측벽(22)의 두께(d1)와 동일하게 형성된다.
상기 상부 영역(23b')은 상기 하부 영역(23a')의 상부로부터 연장되어 형성 된다. 상기 상부 영역(23b')의 두께(d3)는 상기 상기 하부 영역(23a')의 두께(d2)보다 얇게 형성된다. 그리고 상기 상부 영역(23b')은 외면의 곡률과 내면의 곡률이 동일하게 형성된다. 즉, 상기 상부 영역(23b')은 상기 장측벽(22)과 접하는 부분으로부터 상기 단측벽(23')의 중심을 향하는 경로를 따라 일정한 두께(d3)를 갖도록 형성된다.
결과적으로 상기 상부 영역(23b')이 상기 장측벽(22)와 접하는 부분 및 상기 하부 영역(23a')과 접하는 부분에서 단차가 생기게 된다. 상기 상부 영역(23b')은 앞선 실시예에서의 상부 영역(23b)에 비해 넓은 내부 부피를 구비한다. 결과적으로 상기 상부 영역(23b')은 보다 많은 전해액을 포함할 수 있다.
상기와 같이 하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 케이스(20')의 상부 영역(23b')의 전체적인 두께(d3)를 하부 영역(23a')에 비해 얇게 형성하여 케이스(20')의 내부 부피를 증가시킴으로써, 전해액량 및 전지 용량을 증가시킬 수 있다.
또한, 별도로 도시하지는 않았지만, 단측벽이 곡면 형상이 아닌 평면 형상으로 이루어진 경우나 전기 차량 또는 하이브리드 차량에 사용되는 대용량 전지의 경우에도 동일한 방식을 적용하여, 케이스의 상부 영역의 두께를 하부 영역의 두께보다 얇게 형성함으로써, 내부 부피를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 케이스의 평면도이다.
도 3은 도 1의 A-A'선 단면도이다.
도 4는 도 1의 B-B'선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에 사용되는 케이스의 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100; 이차 전지
10; 전극 조립체 20, 20'; 케이스
21; 하부면 22; 장측벽
23, 23'; 단측벽 23a, 23a'; 하부 영역
23b, 23b'; 상부 영역 30; 캡 조립체

Claims (10)

  1. 전극 조립체; 및
    서로 마주보는 한 쌍의 장측벽과 상기 장측벽의 단부에 형성된 한 쌍의 단측벽을 구비하여 상기 장측벽과 단측벽이 형성하는 공간에 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하고,
    상기 단측벽은 하부 영역의 두께보다 상부 영역의 두께가 더 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 영역의 두께는 상기 장측벽의 두께와 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 영역과 상부 영역의 경계에 단차가 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 영역의 두께는 1.5㎜ 내지 2.5㎜로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 영역의 높이는 상기 하부 영역의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 영역은 상기 장측벽과 접하는 부분에서 상기 단측벽의 중심을 향하는 경로를 따라 점차적으로 얇아지는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 영역은 외면의 곡률보다 내면의 곡률이 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 영역은 상기 장측벽과 접하는 부분에서 상기 단측벽의 중심을 향하는 경로를 따라 동일하게 형성된 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 영역은 외면의 곡률과 내면의 곡률이 동일하게 형성된 것을 특징 으로 하는 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 장측벽 및 상부 영역의 두께와 결합하여 상기 케이스를 밀봉하는 캡 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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