KR20130116087A - 이차 전지 및 그 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기재는 셀의 상부 공간을 확보하고, 전극단자를 연결하는 연결부재의 개수를 줄일 수 있는 이차 전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 전극 조립체를 내장하는 케이스, 상기 케이스의 개구에 결합되고 단자 구멍을 가지는 캡 플레이트, 및 상기 단자 구멍에 설치되어 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극단자를 포함하며, 상기 전극단자는 상기 케이스의 측면에 수직 방향으로 돌출된다.

Description

이차 전지 및 그 모듈 {RECHARGEABLE BATTERY AND MODULE THEREOF}
본 기재는 셀의 상부 공간을 확보하는 이차 전지 및 그 모듈에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 일차전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지이다. 소용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 이차 전지는 전기자동차(Electric Vehicle) 또는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle) 등의 모터 구동용 전원으로 사용된다.
예를 들면, 이차 전지는 세퍼레이터(separator)의 양면에 양극(positive electrode)과 음극(negative electrode)을 구비하여 형성되는 전극 조립체, 전극 조립체를 내장하는 케이스, 케이스의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트, 및 캡 플레이트에 관통 설치되어 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극단자를 포함한다.
전극단자는 캡 플레이트를 관통하여 캡 플레이트의 평면에 수직 방향, 즉 셀(cell)에서 상 방향으로 설치된다. 즉 전극단자는 캡 플레이트의 상방으로 돌출 상태를 유지한다. 따라서 셀의 수직 상방에 큰 공간이 필요하고, 모듈 형성 시, 전극단자를 연결하는 연결부재의 개수가 증가될 수 있다.
본 발명의 기재는 셀의 상부 공간을 확보하고, 전극단자를 연결하는 연결부재의 개수를 줄일 수 있는 이차 전지 및 그 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 전극 조립체를 내장하는 케이스, 상기 케이스의 개구에 결합되고 단자 구멍을 가지는 캡 플레이트, 및 상기 단자 구멍에 설치되어 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극단자를 포함하며, 상기 전극단자는 상기 케이스의 측면에 수직 방향으로 돌출된다.
상기 케이스는, 돌출되는 상기 전극단자를 지지하도록 상기 측면에 지지홈을 형성할 수 있다.
상기 캡 플레이트는, 상기 케이스의 개구에 대응하는 평면부와, 상기 평면부의 단부에 교차 방향으로 형성되는 측면부를 포함할 수 있다.
상기 측면부는, 상기 평면부의 양측에서 서로 마주하여 형성되고 상기 단자 구멍을 가질 수 있다.
상기 측면부는 상기 케이스의 측면에 연결되며, 상기 전극단자를 지지하도록 형성되는 지지홈을 밀폐할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 상기 전극 조립체의 무지부에 연결되는 리드탭을 더 포함하며, 상기 리드탭은 상기 측면부에 대응하여 형성되고 상기 전극단자의 내측단에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 상기 리드탭과 상기 측면부 사이에 설치되는 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 인슐레이터는, 상기 전극 조립체의 무지부와 상기 케이스의 측면 사이로 더 연장되는 제1 연장부를 포함할 수 있다.
상기 인슐레이터는, 상기 평면부와 상기 전극 조립체 사이로 더 연장되는 제2 연장부를 포함할 수 있다.
상기 전극단자는, 상기 단자 구멍에 삽입되는 개스킷을 관통하여 상기 리드탭에 연결되는 내측 단자부와, 상기 내측 단자부에 연결되어 상기 개스킷의 외부로 돌출되는 외측 단자부를 포함할 수 있다.
상기 전극단자는, 상기 전극 조립체의 양극에 연결되는 양극단자와 음극에 연결되는 음극단자를 포함하며, 상기 양극단자의 외측 단자부와 상기 음극단자의 외측 단자부는, 설정된 기준 높이에서 서로 마주하는 하측과 상측에 각각 배치되어 서로 접촉될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈은, 이차 전지로 이루어지는 복수의 단위 셀들, 및 상기 단위 셀의 전극단자들을 직접 연결하는 제1 연결부, 상기 전극단자들을 연결부재로 연결하는 제2 연결부 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 제1 연결부는, 상기 전극단자들 중에서, 설정된 기준 높이에서 상하 방향으로 서로 마주하여 하측과 상측에 배치되는 1쌍의 전극단자를 용접으로 연결할 수 있다.
상기 제2 연결부는, 상기 전극단자들 중에서, 높이 차이를 가지고 나란하게 배치되는 1쌍의 전극단자를 단차를 가진 상기 연결부재로 연결할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극단자를 케이스의 측면에 수직 방향으로 돌출함으로써, 이차 전지의 상부 공간을 확보하는 효과가 있다. 또한 모듈 형성시, 단위 셀의 측면으로 돌출되는 전극단자들을 직접 연결함으로써, 전극단자를 연결하는 연결부재의 개수를 줄이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 도 2의 이차 전지를 분해한 사시도이다.
도 4는 도 2의 이차 전지에서 전극 조립체와 전극단자의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 평면도이다.
도 6은 도 5의 이차 전지 모듈에서, 직선 배치되는 단위 셀들의 음극단자와 양극단자의 연결 상태의 사시도이다.
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 8은 도 5의 이차 전지 모듈에서, 평행 배치되는 단위 셀들의 음극단자와 양극단자의 연결 상태의 사시도이다.
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 선을 따라 자른 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 이차 전지는 충전 및 방전 작용하는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)와 전해액을 내장하는 케이스(20), 케이스(20)의 개구에 결합되는 캡 플레이트(30), 캡 플레이트(30)에 설치되어 케이스(20)의 측면으로 돌출되는 전극단자(예를 들면, 음극단자(41)와 양극단자(42)), 및 음, 양극단자(41, 42)와 전극 조립체(10)를 전기적으로 연결하는 리드탭(51, 52)을 포함한다.
전극 조립체(10)는 절연체인 세퍼레이터(13)의 양면에 음극(11)과 양극(12)을 구비하여, 적층된 음극(11), 세퍼레이터(13) 및 양극(12)을 젤리롤 상태로 귄취하여 형성된다. 예를 들면, 전극 조립체는 세퍼레이터를 사이에 두고 단일 판으로 각각 이루어지는 음극과 양극을 적층하여 조립되거나, 음극, 세퍼레이터 및 양극을 지그재그(zigzag) 방식으로 접어서 적층하여 조립될 수도 있다(미도시).
음, 양극(11, 12)은, 각각의 집전체에 활물질을 도포하여 형성되는 코팅부(11a, 12a), 및 코팅부(11a, 12a)의 각 일측에서 활물질이 도포되지 않은 부분, 즉 집전체의 노출부로 형성되는 무지부(11b, 12b)를 포함한다. 예를 들면, 음극(11)의 집전체는 구리로 형성되고, 양극(12)의 집전체는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
음극(11)의 무지부(11b)는 권취되는 음극(11)을 따라 음극(11)의 한쪽 단부에 형성된다. 양극(12)의 무지부(12b)는 권취되는 양극(12)을 따라 양극(12)의 한쪽 단부에 형성된다. 즉 음, 양극(11, 12)의 무지부들(11b, 12b)은 전극 조립체(10)의 양단에 각각 배치되어, 음, 양극 리드탭(51, 52)에 기계적 및 전기적으로 연결된다.
도 3은 도 2의 이차 전지를 분해한 사시도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 케이스(20)는 일측 상방에 개구를 형성하고, 전극 조립체(10)와 전해액의 수용 공간을 형성한다. 전극 조립체(10)는 캡 플레이트(30)에 조립되어 개구를 통하여 케이스(20) 내부로 삽입된다.
일례로써, 케이스(20)는 개구의 반대측에 바닥을 형성하고, 개구와 바닥 사이에서 넓은 면적을 가지는 전면과 후면 및 좁은 면적을 가지고 바닥에 연결되는 측면(21, 22)을 가지는 직육면체로 형성될 수 있다.
케이스(20)는 측면(21, 22)에 지지홈(23, 24)을 각각 형성한다. 따라서 음, 양극단자(41, 42)는 지지홈(23, 24)을 통하여 케이스(20)의 측면(21, 22)에서 수직 방향으로 돌출될 수 있다. 음, 양극단자(41, 42)가 측면(21, 22)으로 돌출됨에 따라 이차 전지에서 상부, 즉 캡 플레이트(30)의 상부 공간을 효과적으로 확보할 수 있다.
캡 플레이트(30)는 전극 조립체(10)를 케이스(20)에 삽입한 상태에서 케이스(20)의 개구 및 측면(21, 22)의 지지홈(23, 24)에 결합됨으로써, 케이스(20)의 수용 공간을 설정하여 밀폐한다.
예를 들면, 캡 플레이트(30)는 케이스(20)의 개구에 대응하는 평면부(33)와, 평면부(33)의 단부에 교차 방향으로 형성되는 측면부(31, 32)를 포함한다. 평면부(33)는 케이스(20)의 개구에 대응하여 형성되고, 측면부(31, 32)는 지지홈(23, 24)에 대응하여 형성된다.
측면부(31, 32)는 평면부(33)의 양측에서 절곡되어 서로 마주하고, 지지홈(23, 24)을 각각 밀폐하여, 케이스(20)의 측면(21, 22)과 동일 평면을 형성하며, 음, 양극단자(41, 42)의 설치를 위한 단자 구멍(H1, H2)을 가진다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 캡 플레이트(30)는 전해액 주입구(34)와 벤트 구멍(35)을 가진다. 전해액 주입구(34)는 캡 플레이트(30)를 케이스(20)에 결합한 후, 케이스(20)의 내부로 전해액의 주입 통로를 제공한다. 전해액 주입 후, 전해액 주입구(34)는 밀봉 마개(36)로 밀봉된다.
벤트 구멍(35)은 전극 조립체(10)의 충전 및 방전 작용시, 전해액의 분해로 발생되는 가스에 의한 내부 압력이 설정치에 이르면, 이차 전지의 외부로 배출하는 배출 통로를 제공한다. 벤트 구멍(35)은 이차 전지의 폭발을 방지할 수 있도록 절개 가능한 벤트 플레이트(37)로 밀폐된다. 벤트 플레이트(37)는 노치(37a)에 의하여 절개 유도될 수 있다.
리드탭(51, 52)은 전극 조립체(10)의 무지부(11b, 12b)에 연결되고, 음, 양극단자(41, 42)는 측면부(31, 32)의 단자 구멍(H1, H2)에 각각 설치되어 리드탭(51, 52)에 전기적으로 연결된다.
인슐레이터(61, 62)는 리드탭(51, 52)과 측면부(31, 32) 사이에 설치되어, 리드탭(51, 52)과 캡 플레이트(30)의 측면부(31, 32)를 전기적으로 절연한다.
인슐레이터(61, 62)는 전극 조립체(10)의 무지부(11b, 12b)와 케이스(20)의 측면(21, 22) 사이로 더 연장되는 제1 연장부(611, 621)를 포함한다. 제1 연장부(611, 621)는 전극 조립체(10)의 무지부(11b, 12b)와 케이스(20)의 측면(21, 22)을 전기적으로 절연한다.
인슐레이터(61, 62)는 평면부(33)와 전극 조립체(10) 사이로 더 연장되는 제2 연장부(612, 622)를 포함한다. 제2 연장부(612, 622)는 전극 조립체(10)와 캡 플레이트(30)의 평면부(33)를 전기적으로 절연한다.
도 4는 도 2의 이차 전지에서 전극 조립체와 전극단자의 분해 사시도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 음, 양극단자(41, 42)는 케이스(20)의 내부에 위치하는 내측 단자부(411, 421)와, 케이스(20)의 외부에 위치하는 외측 단자부(412, 422)를 포함한다.
내측 단자부(411, 421)는 단자 구멍(H1, H2)에 삽입되는 개스킷(43, 44)을 관통하여 설치되고, 리드탭(51, 52)에 연결된다. 개스킷(43, 44)은 내측 단자부(411, 421)를 측면부(31, 32)에 전기적으로 절연시키며, 단자 구멍(H1, H2)을 실링한다. 외측 단자부(412, 422)는 내측 단자부(411, 421)에 연결되어 개스킷(43, 44)의 외부로 돌출되어, 이차 전지의 직렬 또는 병렬 연결을 가능하게 한다.
내측 단자부(411, 421)와 리드탭(51, 52)은 인슐레이터(61, 62)를 개재하여 내측 단자부(411, 421)를 리드탭(51, 52)의 관통구에 삽입하고, 내측 단자부(411, 421)의 단부를 코킹(caulking) 또는 용접함으로써 기계적 및 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 인슐레이터(61, 62)는 내측 단자부(411, 421)의 삽입이 가능하도록 제1 연결부(611, 621)에 관통구를 구비한다.
내측 단자부(411, 421)는 음, 양극단자(41, 42)에서 동일 구조로 형성되고, 외측 단자부(412, 422)는 설정된 기준 높이(L)에서 서로 마주하여 접촉될 수 있도록 상측과 하측에 각각 배치된다(도 6 참조).
즉 도 3을 참조하면, 음극단자(41)의 외측 단자부(412)는 설정된 기준 높이(L)에서 상측에 형성되고, 양극단자(42)의 외측 단자부(422)는 설정된 기준 높이(L)에서 하측에 형성된다. 따라서 음, 양극단자(41, 42)는 직렬 연결시, 외측 단자부(412, 422)를 직접 연결할 수 있으므로 연결부재의 개수를 줄일 수 있다.
또한, 음극단자의 외측 단자부는 설정된 기준 높이에서 하측에 형성되고, 양극단자의 외측 단자부는 설정된 기준 높이에서 상측에 형성될 수도 있다. 이 경우, 음, 양극단자는 병렬 연결시, 외측 단자부를 직접 연결하므로 연결부재의 개수를 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 평면도이다. 도 5를 참조하면, 일 실시예의 이차 전지 모듈은 이차 전지로 이루어지는 복수의 단위 셀들(101, 102), 및 단위 셀(101, 102)의 전극단자들을 직접 연결하는 제1 연결부(71), 전극단자들을 연결부재(73)로 연결하는 제2 연결부(72) 중 적어도 하나를 포함한다.
도 6은 도 5의 이차 전지 모듈에서, 직선 배치되는 단위 셀들(101, 102)의 음극단자(41)와 양극단자(42)의 연결 상태의 사시도이고, 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선을 따라 자른 단면도이다.
제1 연결부(71)는 전극단자들 중에서, 설정된 기준 높이에서 상하 방향으로 서로 마주하여 하측과 상측에 배치되는 1쌍의 전극단자를 용접으로 연결한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 일측 단위 셀(101)의 양극단자(42)의 외측 단자부(422)가 하측에 배치되고, 다른 단위 셀(102)의 음극단자(41)의 외측 단자부(412)가 상측에 배치된다. 그리고 양, 음극단자(42, 41)의 외측 단자부(422, 412)는 상하 방향으로 포개어져 서로 접촉되어 용접으로 직결된다. 따라서 제1 연결부(71)는 연결부재를 필요로 하지 않는다.
도 8은 도 5의 이차 전지 모듈에서, 평행 배치되는 단위 셀들(102, 103)의 음극단자(41)와 양극단자(42)의 연결 상태의 사시도이고, 도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 선을 따라 자른 단면도이다.
제2 연결부(72)는 전극단자들 중에서, 높이 차이를 가지고 나란하게 배치되는 1쌍의 전극단자를 연결부재(73)로 연결한다. 연결부재(73)의 양측이 전극단자에 용접으로 연결된다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 일측 단위 셀(102)의 음극단자(41)의 외측 단자부(412)가 설정된 기준 높이(L)에서 하측에 배치되고, 다른 단위 셀(103)의 양극단자(42)의 외측 단자부(422)가 설정된 기준 높이(L)에서 상측에 배치된다. 즉 외측 단자부(412, 422)는 높이 차이를 가지며, 단차를 가지는 연결부재(73)로 연결된다. 연결부재(73)는 외측 단자부(422, 412)의 높이 차이에 대응하도록 단차를 가지고 형성된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 : 전극 조립체 11 : 음극
11a, 12a : 코팅부 11b, 12b : 무지부
12 : 양극 13 : 세퍼레이터
20 : 케이스 21, 22 : 측면
23, 24 : 지지홈 30 : 캡 플레이트
31, 32 : 측면부 33 : 평면부
34 : 전해액 주입구 35 : 벤트 구멍
36 : 밀봉 마개 37 : 벤트 플레이트
37a : 노치 41, 42 : 음, 양극단자
43, 44 : 개스킷 51, 52 : 리드탭
61, 62 : 인슐레이터 71, 72 : 제1, 제2 연결부
73 : 연결부재 101, 102, 103 : 단위 셀
411, 421 : 내측 단자부 412, 422 : 외측 단자부
611, 621 : 제1 연장부 612, 622 : 제2 연장부
H1, H2 : 단자 구멍 L : 기준 높이

Claims (14)

  1. 전극 조립체를 내장하는 케이스;
    상기 케이스의 개구에 결합되고 단자 구멍을 가지는 캡 플레이트; 및
    상기 단자 구멍에 설치되어 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극단자를 포함하며,
    상기 전극단자는
    상기 케이스의 측면에 수직 방향으로 돌출되는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는,
    돌출되는 상기 전극단자를 지지하도록 상기 측면에 지지홈을 형성하는 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는,
    상기 케이스의 개구에 대응하는 평면부와,
    상기 평면부의 단부에 교차 방향으로 형성되는 측면부를 포함하는 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 측면부는,
    상기 평면부의 양측에서 서로 마주하여 형성되고 상기 단자 구멍을 가지는 이차 전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 측면부는
    상기 케이스의 측면에 연결되며, 상기 전극단자를 지지하도록 형성되는 지지홈을 밀폐하는 이차 전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 무지부에 연결되는 리드탭을 더 포함하며,
    상기 리드탭은
    상기 측면부에 대응하여 형성되고 상기 전극단자의 내측단에 연결되는 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 리드탭과 상기 측면부 사이에 설치되는 인슐레이터를 더 포함하는 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인슐레이터는,
    상기 전극 조립체의 무지부와 상기 케이스의 측면 사이로 더 연장되는 제1 연장부를 포함하는 이차 전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 인슐레이터는,
    상기 평면부와 상기 전극 조립체 사이로 더 연장되는 제2 연장부를 포함하는 이차 전지.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 전극단자는,
    상기 단자 구멍에 삽입되는 개스킷을 관통하여 상기 리드탭에 연결되는 내측 단자부와,
    상기 내측 단자부에 연결되어 상기 개스킷의 외부로 돌출되는 외측 단자부
    를 포함하는 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극단자는,
    상기 전극 조립체의 양극에 연결되는 양극단자와 음극에 연결되는 음극단자를 포함하며,
    상기 양극단자의 외측 단자부와 상기 음극단자의 외측 단자부는,
    설정된 기준 높이에서 서로 마주하는 하측과 상측에 각각 배치되어 서로 접촉되는 이차 전지.
  12. 이차 전지로 이루어지는 복수의 단위 셀들; 및
    상기 단위 셀의 전극단자들을 직접 연결하는 제1 연결부, 상기 전극단자들을 연결부재로 연결하는 제2 연결부 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 연결부는,
    상기 전극단자들 중에서, 설정된 기준 높이에서 상하 방향으로 서로 마주하여 하측과 상측에 배치되는 1쌍의 전극단자를 용접으로 연결하는 이차 전지 모듈.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 연결부는,
    상기 전극단자들 중에서, 높이 차이를 가지고 나란하게 배치되는 1쌍의 전극단자를 단차를 가진 상기 연결부재로 연결하는 이차 전지 모듈.
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