KR20110082908A - 2개 이상의 음극 탭들을 포함하는 원통형 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체인 젤리-롤이 전해액을 함침한 상태로 원통형 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 음극은 2개 이상의 음극 탭들을 경유하여 전지케이스의 내면 하단에 용접되어 있고, 상기 젤리-롤의 하단과 전지케이스 사이에는 상기 음극 탭들이 관통하는 개구들이 천공되어 있는 절연성 원판부재가 장착되어 있으며, 상기 개구들 중 하나의 개구(중앙 개구)는 절연성 원판부재의 중앙에 천공되어 있고, 나머지 개구들은 상기 중앙 개구로부터 편심 위치에 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
Description
본 발명은 2개 이상의 음극 탭들을 포함하는 원통형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 젤리-롤이 전해액을 함침한 상태로 원통형 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 음극은 2개 이상의 음극 탭들을 경유하여 전지케이스의 내면 하단에 용접되어 있고, 상기 젤리-롤의 하단과 전지케이스 사이에는 상기 음극 탭들이 관통하는 개구들이 천공되어 있는 절연성 원판부재가 장착되어 있으며, 상기 개구들 중 하나의 개구는 절연성 원판부재의 중앙에 천공되어 있고, 나머지 개구들은 상기 중앙 개구로부터 편심 위치에 천공되어 있는 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조인 스택/폴딩형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 하단 절연성 원판부재(160)의 정면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 전지케이스(130)에 수납하고, 전지케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(140)을 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
또한, 원통형 이차전지(100)의 하단에 위치한 절연성 원판부재(160)는 전극조립체(120)의 하단과 케이스(130)의 사이에 위치하고 있으며, 중앙에 개구(161)가 천공되어 있어서, 음극(122)에 부착된 음극 탭(도시하지 않음)이 케이스(130)의 하단으로 관통하여 접속된다.
한편, 이차전지가 휴대폰, 노트북 등의 전원으로 사용되는 경우에는 일정한 출력을 안정적으로 제공하는 이차전지가 요구되는 반면에, 전동드릴 등과 같은 파워 툴의 동력원으로 사용되는 경우, 순간적으로 높은 출력을 제공하면서 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격에 대해서도 안정적일 수 있는 이차전지가 요구된다.
그러나, 종래의 이차전지가 단시간에 높은 출력을 제공하는 파워 툴의 동력원으로 사용되는 경우, 순간적으로 높은 출력을 제공하기 어려울 뿐만 아니라, 전극조립체와 전지단자 간의 접속 저항과 접촉 부위의 저항이 높아, 균일한 출력을 제공하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 간단한 구조의 변경만으로 파워 툴 등의 동력으로 사용하기 적합한 원통형 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 2개 이상의 음극 탭을 통해 파워 툴에 적합한 출력을 제공함으로써 저항을 최소화 한 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 2개 이상의 음극 탭에 사용 가능한 절연성 원판부재를 포함하는 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체인 젤리-롤이 전해액을 함침한 상태로 원통형 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지로서, 상기 젤리-롤의 음극은 2개 이상의 음극 탭들을 경유하여 전지케이스의 내면 하단에 용접되어 있고, 상기 젤리-롤의 하단과 전지케이스 사이에는 상기 음극 탭들이 관통하는 개구들이 천공되어 있는 절연성 원판부재가 장착되어 있으며, 상기 개구들 중 하나의 개구(중앙 개구)는 절연성 원판부재의 중앙에 천공되어 있고, 나머지 개구들은 상기 중앙 개구로부터 편심 위치에 천공되어 있는 구조로 이루어져 있다.
일반적으로, 파워 툴은 순간적으로 높은 출력을 필요로 하고, 장시간의 연속적인 작동보다는 불연속적인 작동이 요구되는 경우가 많으며, 작업 환경의 특성상 진동, 낙하 등의 내부 또는 외부의 물리적 충격을 받는 경우가 많다.
이러한 요구에 부합하기 위해서는, 첫째, 전지의 내부 저항이 작아야 하며, 둘째, 전지 구성 요소들의 접속 상태가 안정적이어야 한다.
이에 대해, 본 발명에 따른 이차전지는 상기의 요건을 만족시키기 위하여, 다수의 음극 탭을 포함함으로써, 파워 툴에 적합한 출력을 제공하면서도 내부 저항을 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명의 이차전지는, 다수의 음극 탭에 대응하여 다수의 개구를 형성한 절연성 원판부재를 포함함으로써, 하나의 개구를 포함한 종래의 절연성 원판부재를 본 발명의 다수의 음극 탭에 적용할 경우 발생할 수 있는 접촉면에 대한 불균일한 접속 상태를 방지할 수 있다.
이러한 이차전지의 구조는 종래의 다수의 원통형 전지들을 사용하는 파워 툴 이차전지와는 전혀 다른 신규한 구조이다.
전극조립체의 음극과 음극 탭들의 연결은 다양한 방식으로 달성될 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 음극 탭들은 젤리-롤의 중앙부와 상기 중앙부로부터 소정 간격의 이격 위치에서 전극조립체의 음극에 각각 연결되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 이격 위치는 젤리-롤의 반경을 기준으로 중앙부로부터 30 내지 100%의 반경 내에 위치하고 있는 바, 상기 이격 위치가 30% 반경 미만일 경우, 양극 탭과의 중첩 등 설계상의 어려움이 발생할 수 있으므로, 바람직하지 않다.
상기 음극 탭은 전지케이스에 스트립 형태의 도전성 플레이트로서, 전지케이스가 용이하게 접속될 수 있도록, 바람직하게는 적어도 일부가 절곡된 상태로, 전지케이스의 내면 하단에 용접되어 있는 형태일 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 젤리-롤의 음극은 2개의 음극 탭들을 경유하여 전지케이스의 내면 하단에 용접되어 있고, 절연성 원판부재에는 제 1 음극 탭의 관통을 위한 중앙 개구와, 제 2 음극 탭의 관통을 위한 주변 개구가 천공되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 절연성 원통부재의 개구들은 음극 탭과 일직선 상으로 연통되는 크기와 위치로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 2개의 음극 탭들에 대응되는 위치에 개구들이 천공되어 있는 절연성 원판부재에 의해, 진동 등에 의한 외부 충격에 대해서도 전지케이스와 음극 탭의 안정적인 접속상태를 유지할 수 있다.
상기 구조에서, 절연성 원판구조의 형상은 2개의 음극 탭들의 이격 위치에 따라 다양한 형상을 이룰 수 있으며, 바람직하게는, 상기 주변 개구는 제 2 음극 탭에 대응하는 위치에서 절연성 원판부재 상에 천공되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 예시로서, 절연성 원판부재의 상기 주변 개구는 중앙 개구에 일부 중첩된 형상으로 천공되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 이러한 구조의 절연성 원판부재는 음극 탭들이 젤리-롤의 중앙으로 집중되어 상호 이격 거리가 매우 좁은 형상에 용이하게 적용될 수 있다.
또 다른 예시로서, 절연성 원판부재의 상기 주변 개구는 절연성 원판부재의 외주면과 중첩된 형태로 천공되어 있는 구조일 수 있으며, 이러한 구조는 제 1 음극 탭이 젤리-롤의 중앙에 위치하고, 제 2 음극 탭이 젤리-롤의 최외곽에 위치하는 경우에 적용될 수 있다.
상기 절연성 원판부재는 절연성 소재라면 특별히 제한되지 않고 다양한 소재로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 폴리프로필렌 수지일 수 있다.
상기 폴리프로필렌의 두께는 0.2 mm 내지 0.4 mm인 것이 바람직하며, 젤리-롤의 크기 및 무게에 따라 상기 두께의 범위를 벗어날 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 이차전지는, 순간적으로 높은 출력을 제공하는 전동공구의 전원에 사용될 수 있으며, 바람직하게는 고출력의 파워툴용 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 2개 이상의 음극 탭들을 포함하는 원통형 이차전지의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 원통형 전지의 제조방법은, 양극, 음극, 및 분리막을 양극/분리막/음극의 적층 형태로 권취하여 젤리-롤을 형성하는 단계;
전지케이스에 절연성 원판부재와 젤리-롤을 차례로 삽입하는 단계;
중공형의 권심에 용접 봉을 삽입하여 중앙부의 음극 탭과 중앙부로부터 이격 위치의 음극 탭을 전지케이스의 내면 하단에 용접하는 단계;
상부의 양극 탭과 상부에 캡 어셈블리를 용접하는 단계; 및
전지케이스에 전해액을 주입하고, 전지케이스의 개방 상단에 캡 어셈블리를 용접하는 단계;
를 포함하는 것으로 이루어져 있다.
따라서, 다수의 음극 탭들에 의해 파워 툴에 적합한 출력을 제공하면서도 전지의 내부 저항을 최소화할 수 있다. 또한, 음극 탭들의 위치에 대응하여 다수의 개구를 포함하는 절연성 원판부재를 포함함으로써, 음극 탭과 전지케이스의 내면 하단의 접속 상태를 안정적으로 이룰 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 젤리-롤의 음극이 2개 이상의 음극 탭을 경유하여 전지케이스의 내면 하단에 전기적으로 연결되는 구조로 이루어져 있으므로, 순간적인 고출력과 낮은 내부 저항이 요구되는 파워 툴의 동력원으로 바람직하게 사용될 수 있다.
또한, 상기 젤리-롤의 하단과 전지케이스의 사이에 상기 음극 탭들에 대응하는 개구들이 천공되어 있는 절연성 원판부재가 장착되어 있으므로, 외부 충격에 대해 안전하면서도 음극 탭과 전지케이스의 접속을 안정적으로 이룰 수 있다.
도 1은 일반적인 원통형 이차전지의 수직 단면 사시도이다;
도 2는 도 1의 절연성 원판부재의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 4는 도 3의 절연성 원판부재의 모식도이다;
도 5는 다른 형태의 절연성 원판부재의 모식도이다;
도 6은 또 다른 형태의 절연성 원판부재의 모식도이다.
도 2는 도 1의 절연성 원판부재의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 4는 도 3의 절연성 원판부재의 모식도이다;
도 5는 다른 형태의 절연성 원판부재의 모식도이다;
도 6은 또 다른 형태의 절연성 원판부재의 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 절연성 원판부재에 음극 탭이 관통한 정면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 이차전지(200)은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체인 젤리-롤(220)이 전해액을 함침한 상태로 원통형 전지케이스(230)에 내장되어 있는 구조로서, 젤리-롤(220)의 음극(222)은 제 1 음극 탭(271)과 제 2 음극 탭(272)을 포함하고 있고, 음극 탭들(271, 272)이 관통하는 개구들(261, 262)이 천공되어 있는 절연성 원판부재(260)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
음극 탭들(271, 272)은 스트립 형태의 도전성 플레이트로서, 젤리-롤(220)의 중앙부와 중앙부로부터 40% 이격 위치(L)에서 전극조립체의 음극(222)에 각각 연결되어 있고, 젤리-롤(220)의 하단과 전지케이스(230) 사이에 위치하며, 절곡된 형태로 전지케이스(230)의 내면 하단(231)에 용접된다.
절연성 원판부재(260)는 대략 0.3 mm의 폴리프로필렌으로 이루어져 있으며, 절연성 원판부재(260)에는 중앙 개구(261)와 주변 개구(262)가 천공되어 있다. 즉, 절연성 원판부재(260)에는 제 1 음극 탭(271)의 관통을 위한 중앙 개구(261)와, 제 2 음극 탭(272)에 대응하는 위치에 주변 개구(262)가 천공되어 있다.
따라서, 2개의 음극 탭들(271, 272)에 의해 파워 툴에 적합한 출력을 제공하면서도 전지의 내부 저항을 최소화할 수 있으며, 음극 탭들(271, 272)의 위치에 대응하여 2개의 개구(261, 262)가 천공되어 있는 절연성 원판부재(260)를 포함함으로써, 음극 탭과 전지케이스의 내면 하단의 접속 상태를 안정적으로 이룰 수 있다.
도 5에는 다른 형태의 절연성 원판부재(280)의 정면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 도 3과 함께 참조하면, 절연성 원판부재(280)는 제 1 음극 탭(271)의 관통을 위한 중앙 개구(281)과 중앙 개구(281)에 일부 중첩된 형상의 주변 개구(282)가 천공되어 있다. 따라서, 이러한 구조의 절연성 원판부재(280)는 음극 탭들(271, 272)이 젤리-롤(220)의 중앙으로 집중되어 상호 이격 거리가 매우 좁은 구조의 이차전지에 적용된다.
원통형 전지의 기타 구성은 도 3의 구조와 동일하므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 6에는 또 다른 형태의 절연성 원판부재(290)의 정면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 도 3과 함께 참조하면, 절연성 원판부재(290)는 제 1 음극 탭(271)의 관통을 위한 중앙 개구(291)와 절연성 원판부재(290)의 외주면과 중첩된 형태로 천공되어 있는 주변 개구(292)를 포함하고 있다. 이러한 구조는 제 1 음극 탭이 젤리-롤의 중앙에 위치하고, 제 2 음극 탭이 젤리-롤의 최외곽에 위치하는 구조의 이차전지에 적용된다.
이차전지의 기타 구성은 도 3의 구조와 동일하므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
Claims (12)
- 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체인 젤리-롤이 전해액을 함침한 상태로 원통형 전지케이스에 내장되어 있는 구조의 이차전지로서,
상기 젤리-롤의 음극은 2개 이상의 음극 탭들을 경유하여 전지케이스의 내면 하단에 용접되어 있고,
상기 젤리-롤의 하단과 전지케이스 사이에는 상기 음극 탭들이 관통하는 개구들이 천공되어 있는 절연성 원판부재가 장착되어 있으며,
상기 개구들 중 하나의 개구(중앙 개구)는 절연성 원판부재의 중앙에 천공되어 있고, 나머지 개구들은 상기 중앙 개구로부터 편심 위치에 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 제 1 항에 있어서, 상기 음극 탭들은 젤리-롤의 중앙부와 상기 중앙부로부터 소정 간격의 이격 위치에서 전극조립체의 음극에 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 2 항에 있어서, 상기 이격 위치는 젤리-롤의 반경을 기준으로 중앙부로부터 30 내지 100%의 반경 내의 위치인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 음극 탭은 스트립 형태의 도전성 플레이트로서, 적어도 일부가 절곡된 상태로, 전지케이스의 내면 하단에 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 젤리-롤의 음극은 2개의 음극 탭들을 경유하여 전지케이스의 내면 하단에 용접되어 있고, 절연성 원판부재에는 제 1 음극 탭의 관통을 위한 중앙 개구와, 제 2 음극 탭의 관통을 위한 주변 개구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 5 항에 있어서, 상기 주변 개구는 제 2 음극 탭에 대응하는 위치에서 절연성 원판부재 상에 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 6 항에 있어서, 상기 주변 개구는 중앙 개구에 일부 중첩된 형상으로 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 6 항에 있어서, 상기 주변 개구는 절연성 원판부재의 외주면과 중첩된 형태로 천공되어 있는 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 원판부재는 폴리프로필렌으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 9 항에 있어서, 상기 폴리프로필렌의 두께는 0.2 mm 내지 0.4 mm 인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 고출력의 파워툴용 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 2개 이상의 음극 탭들을 포함하는 원통형 이차전지의 제조방법으로써,
양극, 음극, 및 분리막을 양극/분리막/음극의 적층 형태로 권취하여 젤리-롤을 형성하는 단계;
전지케이스에 절연성 원판부재와 젤리-롤을 차례로 삽입하는 단계;
중공형의 권심에 용접 봉을 삽입하여 중앙부의 음극 탭과 중앙부로부터 이격 위치의 음극 탭을 전지케이스의 내면 하단에 용접하는 단계;
상부의 양극 탭과 상부에 캡 어셈블리를 용접하는 단계; 및
전지케이스에 전해액을 주입하고, 전지케이스의 개방 상단에 캡 어셈블리를 용접하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지 제조방법.
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