KR20140079031A - 이차 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제조 공정성이 개선되고 성능 및 생산성이 향상된 이차 전지 및 이를 제조하는 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 이차 전지는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제1 양극 탭 및 제1 음극 탭을 구비하는 제1 전극 조립체; 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제2 양극 탭 및 제2 음극 탭을 구비하는 제2 전극 조립체; 상기 제1 전극 조립체, 상기 제2 전극 조립체 및 전해액을 수납하는 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 개방단에 결합되는 캡 조립체를 포함하되, 상기 제1 양극 탭과 상기 제2 음극 탭은 서로 부착되고, 상기 제1 음극 탭은 상기 전지 케이스에 부착된다.
Description
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 이차 전지에 둘 이상의 전극 조립체가 포함되어 성능 및 생산성이 개선된 이차 전지와 그러한 이차 전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 약 3배의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스(외장재)를 구비한다.
한편, 리튬 이차 전지는 전지 케이스의 종류에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다. 그리고, 캔형 이차 전지는 다시 금속 캔의 형상에 따라 원통형 전지와 각형 전지로 분류될 수 있다. 이러한 각형 또는 원통형 이차 전지의 외장재는 개방단이 형성된 전지 케이스 및 전지 케이스의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체를 구비한다.
도 1은, 종래의 원통형 이차 전지의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 원통형 이차 전지는 상단이 개방된 원통형 전지 케이스(20), 전지 케이스(20)의 내부에 수용되는 전극 조립체(10), 전지 케이스(20)의 상부에 결합되는 캡 조립체(30), 캡 조립체(30)를 장착하기 위해 전지 케이스(20)의 선단에 마련된 비딩부(21) 및 전지를 밀봉하기 위한 클림핑 부위(22)를 구비한다.
전극 조립체(10)는 통상적으로 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 개재된 상태로 권취된 구조를 가질 수 있으며, 양극판에는 양극 탭(11)이 부착되어 캡 조립체(30)에 접속되어 있고, 음극판에는 음극 탭(12)이 부착되어 전지 케이스(20)의 하단에 접속되어 있다.
이러한 형태의 이차 전지는 단독으로 이용될 수도 있으나, 출력 및 용량 등을 증가시키기 위해 둘 이상의 이차 전지가 하나의 배터리 팩에 포함될 수 있다. 이때, 다수의 이차 전지는 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있는데, 이러한 연결 상태를 안정적으로 유지하기 위해서는 이차 전지끼리 용접을 하는 경우가 많다.
도 2는, 종래 복수의 이차 전지가 연결된 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩 내에서 둘 이상의 원통형 이차 전지를 직렬로 연결하기 위해서는 하나의 이차 전지의 양극 단자와 다른 하나의 이차 전지의 음극 단자가 서로 용접되도록 할 수 있다. 특히, 이 경우 이차 전지 간 연결의 편의성을 위해 별도의 연결 부재(90)가 사용되기도 하는데, 이때에는 도 2에서 A로 표시된 바와 같이, 연결 부재(90)와 이차 전지의 양극 단자 사이 및 연결 부재(90)와 이차 전지의 음극 단자 사이에서 용접이 이루어져야 한다.
이와 같이 복수의 이차 전지에 대한 연결이 이루어지는 구조에서는, 전극 단자 사이의 연결을 위해 용접 공정이 여러 번 이루어져야 하므로, 공정이 매우 복잡하고 시간이 오래 걸리는 등의 문제가 있다. 뿐만 아니라, 복수의 이차 전지를 직렬로 연결하는 경우, 도 2에서 B로 표시된 바와 같은, 이차 전지 사이의 공간 및 하부의 이차 전지에서 캡 조립체(30)가 차지하는 공간은, 전극의 용량 및 출력 증가에 큰 영향을 미치지 않고 부피만 차지할 수 있다. 더욱이, 최근 전기 자동차나 전력 저장 장치 등에 사용되는 배터리 팩과 같이, 배터리 팩에는 무수히 많은 수의 이차 전지가 포함되어 서로 연결될 수 있다는 점에서, 이와 같은 문제점은 배터리의 성능 및 생산성을 향상시키는데 무시할 수 없는 방해 요소가 될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 제조 공정성이 개선되고 성능 및 생산성이 향상된 이차 전지 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제1 양극 탭 및 제1 음극 탭을 구비하는 제1 전극 조립체; 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제2 양극 탭 및 제2 음극 탭을 구비하는 제2 전극 조립체; 상기 제1 전극 조립체, 상기 제2 전극 조립체 및 전해액을 수납하는 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 개방단에 결합되는 캡 조립체를 포함하되, 상기 제1 양극 탭과 상기 제2 음극 탭은 서로 부착되고, 상기 제1 음극 탭은 상기 전지 케이스에 부착된다.
바람직하게는, 상기 제1 전극 조립체는, 상기 전지 케이스 내부에서 상기 제2 전극 조립체의 하부에 위치한다.
또한 바람직하게는, 상기 제2 양극 탭은, 상기 캡 조립체의 하부에 부착된다.
또한 바람직하게는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제3 양극 탭 및 제3 음극 탭을 구비하는 제3 전극 조립체를 더 포함하고, 상기 제2 양극 탭과 상기 제3 음극 탭이 서로 부착된다.
또한 바람직하게는, 상기 전지 케이스는, 상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체 사이에 비딩부가 형성된다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 이차 전지를 하나 이상 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제1 양극 탭 및 제1 음극 탭을 구비하는 제1 전극 조립체를 전지 케이스에 삽입하는 단계; 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제2 양극 탭 및 제2 음극 탭을 구비하는 제2 전극 조립체를 상기 전지 케이스에 삽입하는 단계; 상기 제1 양극 탭과 상기 제2 음극 탭을 부착하는 단계; 및 상기 전지 케이스의 개방단에 캡 조립체를 결합하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 전극 조립체 삽입 단계는, 상기 전지 케이스에서 상기 제1 전극 조립체의 상부에 위치하도록 상기 제2 전극 조립체를 삽입한다.
또한 바람직하게는, 상기 제2 전극 조립체 삽입 단계 이후, 상기 제2 양극 탭을 상기 캡 조립체의 하부에 부착하는 단계를 더 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 캡 조립체의 결합 단계 이전에, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제3 양극 탭 및 제3 음극 탭을 구비하는 제3 전극 조립체를 상기 전지 케이스에 삽입하는 단계; 및 상기 제2 양극 탭과 상기 제3 음극 탭을 부착하는 단계를 더 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 전극 조립체 삽입 단계 이후, 상기 제1 전극 조립체의 상부 위치에서 상기 전지 케이스에 비딩부를 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 이차 전지 사이의 연결을 위해 용접 등의 공정 횟수를 줄일 수 있어, 이차 전지 및 이를 포함하는 배터리 팩의 공정성을 개선할 수 있으며, 제조 시간을 줄여 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 하나의 이차 전지 내에 복수의 전극 조립체가 직렬로 연결되어 있으므로, 이차 전지의 출력이 크게 증가될 수 있다. 즉, 전지 케이스와 전극 조립체의 크기만 크게 한 경우에는 용량은 크게 할 수 있어도 출력을 크게 하기는 어려우나, 본 발명의 이러한 측면에 따르면, 이차 전지의 출력이 크게 증가할 수 있다. 더욱이, 전지 케이스와 전극 조립체의 크기만 크게 한 경우, 전극 탭 측에서 발열량이 증가하는 단점이 있을 수 있으나, 본 발명의 경우, 이러한 문제가 발생하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 복수의 이차 전지를 직렬로 연결하는 경우에 비해, 이차 전지 사이의 공간 및 일부 캡 조립체가 차지하는 공간만큼 공간을 확보할 수 있으므로, 배터리 팩의 부피를 줄이거나 확보된 공간만큼 전극 조립체의 크기를 늘림으로써 용량을 증가시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전지 케이스의 크기 및 전극 조립체의 개수만 증가시키면 되므로, 고객의 요구에 맞는 다양한 출력 및 용량을 갖는 이차 전지의 제조가 용이하다.
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 아니 된다.
도 1은, 종래의 원통형 이차 전지의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는, 종래 복수의 이차 전지가 연결된 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 1은, 종래의 원통형 이차 전지의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는, 종래 복수의 이차 전지가 연결된 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지는, 제1 전극 조립체(110), 제2 전극 조립체(120), 전지 케이스(200) 및 캡 조립체(300)를 포함한다.
상기 제1 전극 조립체(110) 및 상기 제2 전극 조립체(120)는, 각각 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성된다. 이때, 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)는, 각각 하나의 양극판 및 하나의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 권취된 구조를 가질 수 있으며, 이 경우 그 형상에 따라 젤리 롤이라고 불릴 수도 있다. 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)의 전극판(양극판, 음극판)들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성될 수 있는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.
한편, 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)에는, 전극판에 슬러리가 도포되지 않은 무지부가 존재할 수 있으며, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭이 구비될 수 있다. 즉, 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)의 양극판에는 각각 양극 탭이 부착될 수 있고, 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)의 음극판에는 각각 음극 탭이 부착될 수 있다. 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해, 제1 전극 조립체(110)의 양극 탭 및 음극 탭은 제1 양극 탭(111) 및 제1 음극 탭(112)이라 하고, 제2 전극 조립체(120)의 양극 탭 및 음극 탭은 제2 양극 탭(121) 및 제2 음극 탭(122)이라 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 양극 탭(111) 및 제2 양극 탭(121)은 각각 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)의 상부에 돌출되게 구비될 수 있고, 제1 음극 탭(112) 및 제2 음극 탭(122)은 각각 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)의 하부에 돌출되게 구비될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 이차 전지에 있어서, 제1 양극 탭(111)과 제2 음극 탭(122)은 전지 케이스(200) 내부에서 서로 전기적으로 연결되도록 부착된다.
이때, 제1 양극 탭(111)과 제2 음극 탭(122)은 용접에 의해 서로 부착될 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 제1 양극 탭(111)과 제2 음극 탭(122)이 서로 강하게 결합될 수 있으므로, 전극 조립체의 유동에도 제1 양극 탭(111)과 제2 음극 탭(122)의 연결이 쉽게 끊어지지 않고 안정적으로 유지될 수 있다.
여기서, 제1 양극 탭(111)과 제2 음극 탭(122)의 용접은, 제2 전극 조립체(120)의 중앙 부분에 홀이 형성된 상태에서, 이러한 홀에 용접봉을 삽입하여 이루어지는 방식으로 수행될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 용접 방식으로 한정되는 것은 아니며, 제1 양극 탭(111)과 제2 음극 탭(122)의 용접은 다양한 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지는, 이처럼 전지 케이스(200) 내부에서 제1 양극 탭(111)과 제2 음극 탭(122)이 서로 부착되어 있으므로, 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120)가 직렬로 연결된 효과를 가질 수 있다. 따라서, 하나의 이차 전지에 적어도 2개의 전극 조립체가 직렬 연결되어 있으므로, 그 출력이 일반 이차 전지에 비해 크게 증가할 수 있다.
바람직하게는, 전극 조립체 사이의 직렬 연결을 위해, 복수의 전극 조립체는 서로 상하 방향으로 위치하는 것이 좋다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극 조립체(110)는, 전지 케이스(200) 내부에서 제2 전극 조립체(120)의 하부에 위치하는 것이 좋다. 이 경우, 제1 전극 조립체(110)의 양극 탭과 제2 전극 조립체(120)의 음극 탭 사이의 거리는 최소화될 수 있으며, 따라서 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120) 사이의 연결 공간을 줄일 수 있다.
한편, 제1 음극 탭(112)은 전지 케이스(200)에 부착될 수 있다. 그리고 이로 인해, 상기 전지 케이스(200)는 이차 전지에 있어서 음극 단자로서 기능할 수 있다.
상기 전지 케이스(200)는, 내부 공간이 형성되어 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)를 수납할 수 있다. 그리고, 이러한 전지 케이스(200)의 내부 공간에는 이러한 전극 조립체들과 함께 전해액이 수납될 수 있다.
상기 전지 케이스(200)는 하단이 밀폐되고 상단이 개방된 상태로 구성될 수 있으며, 개방된 상단에는 캡 조립체(300)가 결합될 수 있다. 이러한 전지 케이스(200)는, 원통형 또는 각형 등 다양한 구조로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 캔형 이차 전지의 경우, 상기 전지 케이스(200)는 금속 캔 재질로 이루어질 수 있다. 여기서, 전지 케이스(200)를 이루는 금속에는, 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금 등 다양한 금속이 포함될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 이차 전지의 무게를 줄이기 위해, 상기 전지 케이스(200)는, 경량의 전도성 금속 재질로 구성되는 것이 좋다.
특히, 본 발명에 따른 이차 전지의 전지 케이스(200)에는 복수의 전극 조립체가 수납되어 있기 때문에, 상기 전지 케이스(200)는 전극 조립체 사이의 위치에서 제1 비딩부(210)가 형성되는 것이 좋다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 전지 케이스(200)에 2개의 전극 조립체, 즉 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)가 수납된 경우, 전지 케이스(200)는 이러한 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120) 사이에서 제1 비딩부(210)가 형성될 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 제1 비딩부(210)에 의해 양극 탭과 음극 탭의 부착 부분 이외에, 제1 전극 조립체(110) 본체와 제2 전극 조립체(120) 본체가 직접 접촉하는 것을 막을 수 있다. 또한, 제1 비딩부(210)에 의해 제1 전극 조립체(110)와 제2 전극 조립체(120)가 전지 케이스(200) 내부에서 유동하는 것이 억제될 수 있다.
한편, 상기 전지 케이스(200)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 개방단에 제2 비딩부(220)가 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 비딩부(220)는 전지 케이스(200)에서 가장 상부에 위치한 전극 조립체(도 3에서 제2 전극 조립체(120))와 캡 조립체(300) 사이를 분리시키고, 캡 조립체(300)가 안착되는 공간을 제공하는 한편, 전극 조립체가 상부 방향으로 유동하는 것을 막을 수 있다.
상기 캡 조립체(300)는, 전지 케이스(200)의 상단, 즉 개방단에 결합되어 전지 케이스(200)의 개방단을 밀폐시킬 수 있다. 이러한 캡 조립체(300)는, 전지 케이스(200)의 형태에 따라 원형 또는 각형 등의 형태를 가질 수 있으며, 탑 캡(310), 안전 벤트(320) 및 가스켓(330)을 포함할 수 있다.
상기 탑 캡(310)은, 캡 조립체(300)의 최상부에 상부 방향으로 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성한다. 따라서, 상기 탑 캡(310)은 외부 장치, 이를테면 다른 이차 전지, 또는 부하나 충전 장치와 전기적으로 접속될 수 있다. 이러한 탑 캡(310)은, 예를 들어 스테인리스 스틸이나 알루미늄과 같은 금속 재질로 형성될 수 있다.
상기 안전 벤트(320)는, 상기 탑 캡(310)의 하부에 위치하여 탑 캡(310)과 외주부, 즉 테두리 부분이 접촉되도록 배치될 수 있다. 그리고, 이러한 안전 벤트(320)는, 이차 전지의 내압, 즉 전지 케이스(200)의 내압이 일정 수준 이상으로 증가하는 경우, 형태가 변형되도록 구성된다.
상기 가스켓(330)은, 탑 캡(310) 및 안전 벤트(320)의 테두리 부분이 전지 케이스(200)와 절연될 수 있도록 전기 절연성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 또한 상기 가스켓(330)은, 캡 조립체(300)를 지지하고 보호하기 위해 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가진 재질로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 가스켓(330)은, 예를 들어 폴리올레핀(polyolefine) 또는 폴리프로필렌(PP)으로 제조될 수 있다. 그리고, 상기 가스켓(330)은 전기 절연성이 약화되는 것을 방지하기 위해 열처리에 의하지 않고 기계적 가공에 의해 벤딩되는 것이 좋다.
또한 바람직하게는, 상기 캡 조립체(300)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 전류차단부재(340)를 더 포함할 수 있다.
상기 전류차단부재(340)는, CID(Current Interrupt Device)라고도 불리며, 안전 벤트(320)와 최상부의 전극 조립체 사이에 위치하여, 최상부의 전극 조립체와 안전 벤트(320)가 전기적으로 접속되도록 한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 최상부의 전극 조립체가 제2 전극 조립체(120)인 경우, 전류차단부재(340)는, 하부의 적어도 일부분이 제2 전극 조립체(120)의 전극 탭, 이를테면 제2 양극 탭(121)과 연결되고, 상부의 적어도 일부분이 안전 벤트(320)의 중앙 돌출 부분 하단에 연결된다. 따라서, 정상적인 상태에서 전류는 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)로부터 생성되어 양극 탭을 거쳐 전류차단부재(340), 안전 벤트(320) 및 탑 캡(310)으로 흐름으로써 이차 전지의 방전이 이루어질 수 있다. 그러나, 가스 발생으로 전지의 내압이 증가하여 안전 벤트(320)의 형상이 역전되면, 안전 벤트(320)와 전류차단부재(340) 사이의 접촉이 끊어지거나, 전류차단부재(340)가 파손되어, 안전 벤트(320)와 전극 조립체 사이의 전기적 접속은 차단될 수 있다.
이처럼 캡 조립체(300)는 전류차단부재(340)를 포함할 수 있는데, 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 절연부재(350)를 더 포함할 수 있다.
상기 절연부재(350)는, 안전 벤트(320)와 전류차단부재(340) 사이에 개재되어, 안전 벤트(320)의 중앙 돌출 부분과 전류차단부재(340)가 접촉되는 부분을 제외하고는 전류차단부재(340)와 안전 벤트(320)가 서로 전기적으로 절연되도록 한다.
다만, 도 3에 도시된 캡 조립체(300)의 형태는 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 이러한 캡 조립체(300)의 특정 형태로 제한되는 것은 아니다.
일 예로, 본 발명에 따른 이차 전지의 캡 조립체(300)는, 안전 소자(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 안전 소자는, 탑 캡(310)과 안전 벤트(320) 사이에 배치되어 탑 캡(310)과 안전 벤트(320)를 전기적으로 연결시킨다. 이러한 안전 소자는, 이차 전지의 온도가 상승하는 경우 전지 내부의 전류 흐름을 차단할 수 있으며, PTC(Positive Temperature Coefficient element) 소자 등으로 형성될 수 있다.
한편, 도 3의 실시예에서는, 이차 전지에 2개의 전극 조립체(제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120))만 포함된 것으로 도시되었다. 따라서, 도 3의 구성에서는, 제2 전극 조립체(120)가 전지 케이스(200)에서 가장 상부에 위치한 전극 조립체이므로, 제2 전극 조립체(120)의 양극 탭, 즉 제2 양극 탭(121)이 캡 조립체(300)의 하부에 부착되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이처럼 2개의 전극 조립체만 포함된 구성으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 따른 이차 전지에는 3개 이상의 전극 조립체가 포함될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 여기에서는, 도 4에 도시된 구성 중, 도 3의 구성에 대한 설명이 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 전지 케이스(200)에 3개의 전극 조립체가 수납되어 있다. 즉, 도 4에 도시된 이차 전지는, 도 3의 이차 전지에 비해, 제3 전극 조립체(130)를 더 포함한다.
이러한 제3 전극 조립체(130) 역시 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)와 마찬가지로 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 구조로 형성된다. 그리고, 제3 전극 조립체(130)도 하나의 양극판 및 하나의 음극판이 세퍼레이터와 함께 권취된 젤리 롤 형태의 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 제3 전극 조립체(130)는, 양극 탭 및 음극 탭을 구비할 수 있는데, 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)의 양극 탭들 및 음극 탭들과의 구별을 위해, 이하에서는 이러한 제3 전극 조립체(130)의 양극 탭 및 음극 탭을, 각각 제3 양극 탭(131) 및 제3 음극 탭(132)이라 한다.
도 4의 구성에서는, 도 3의 구성과 달리, 제2 양극 탭(121)이 캡 조립체(300)에 부착되는 것이 아니라 제3 음극 탭(132)에 부착된다. 이 경우, 제2 양극 탭(121)과 제3 음극 탭(132)의 부착 역시 용접에 의해 수행될 수 있다.
그리고, 제3 양극 탭(131)은 전극 조립체의 양극 탭 중 가장 상부에 위치한 양극 탭이 되므로, 이러한 제3 양극 탭(131)이 캡 조립체(300)의 하부, 이를테면 전류차단부재(340)에 부착될 수 있다.
다만, 이러한 실시예 이외에도 4개 이상의 전극 조립체가 전지 케이스(200)에 수납된 이차 전지도 가능함은 물론이다. 이 경우, 제3 양극 탭(131)은 다른 전극 조립체의 음극 탭에 부착될 수 있다.
또한, 도 4의 구성에서 전지 케이스(200)에는, 제2 전극 조립체(120)와 제3 전극 조립체(130) 사이에 제1 비딩부(210)가 더 형성될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 이차 전지는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 탭 절연판(400)을 더 포함할 수 있다.
상기 탭 절연판(400)은, 전기적 절연성을 갖는 재질로 형성되어, 양극 탭과 음극 탭이 부착된 부분에서 양극 탭이 전지 케이스(200)에 접촉하여 이차 전지 내부에서 쇼트가 일어나는 것을 방지할 수 있다. 즉, 도 3의 구성을 참조하면, 전지 케이스(200)에는 제1 음극 탭(112)이 부착하여 전지 케이스(200) 자체는 음극 단자로서 기능하는데, 제1 양극 탭(111)이 이러한 전지 케이스(200)에 접촉하는 경우 내부 쇼트가 발생하여 이차 전지의 손상은 물론, 발화나 폭발 등이 발생할 위험성이 있다. 따라서, 상기 탭 절연판(400)은 이러한 제1 양극 탭(111)과 전지 케이스(200)가 접촉하지 않도록 제1 양극 탭(111)과 전지 케이스(200) 사이에 개재된다.
특히, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 양극 탭과 음극 탭이 부착되는 부위에서 제1 비딩부(210)가 형성될 수 있는데, 이 경우 양극 탭과 전지 케이스(200)가 제1 비딩부(210)에 의해 접촉될 가능성이 더 높아진다. 따라서, 전지 케이스(200)에 제1 비딩부(210)가 형성된 경우, 양극 탭과 전지 케이스(200)의 비딩부 사이에 상기 탭 절연판(400)이 개재되는 것이 좋다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지는, 각 전극 조립체의 상부 및 하부에 전기적 절연성을 갖는 재질로 형성된 상부 절연판(510) 및 하부 절연판(520)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 실시예에서, 제1 전극 조립체(110)와 제1 음극 탭(112) 사이, 제2 전극 조립체(120)와 제2 음극 탭(122) 사이에 하부 절연판(520)이 구비될 수 있고, 제1 전극 조립체(110)와 제1 비딩부(210) 사이, 제2 전극 조립체(120)와 제2 비딩부(220) 사이에 상부 절연판(510)이 구비될 수 있다.
이러한 실시예에 의하면, 전극 조립체를 보호하고, 이차 전지 내부에서 서로 다른 극성을 갖는 구성요소끼리 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 각 전극 조립체에서 양극판과 음극 탭 또는 전지 케이스(200)가 서로 접촉하거나, 음극판과 양극 탭 또는 캡 조립체(300)가 서로 접촉하는 것을 방지하여, 내부 쇼트가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상술한 이차 전지를 하나 이상 포함한다. 그리고, 이러한 배터리 팩은, 상술한 이차 전지 이외에도, 충방전 동작을 제어하기 위해 BMS(Battery Management System)와 같은 배터리 관리 장치 등 여러 구성요소를 포함할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따라 이차 전지를 제조하기 위해서는, 먼저 제1 양극 탭(111) 및 제1 음극 탭(112)을 구비하는 제1 전극 조립체(110)를 전지 케이스(200)에 삽입한 후(S110), 이러한 전지 케이스(200)에 제2 양극 탭(121) 및 제2 음극 탭(122)을 구비하는 제2 전극 조립체(120)를 삽입한다(S140). 이때, 상기 S140 단계는, 전지 케이스(200) 내부에서 제2 전극 조립체(120)가 제1 전극 조립체(110)의 상부에 위치하도록 수행되는 것이 좋다.
바람직하게는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 S110 단계와 상기 S140 단계 사이에, 제1 전극 조립체(110)의 상부 위치에서 전지 케이스(200)에 비딩부를 형성하는 단계(S120)를 더 포함하는 것이 좋다.
또한 바람직하게는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 S120 단계와 상기 S140 단계 사이에, 상기 S120 단계에서 형성된 비딩부의 상부에 위치하도록 탭 절연판(400)을 전지 케이스(200)에 삽입하는 단계(S130)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 탭 절연판(400)은 전기적 절연성을 갖는 재질로 형성되어, 제1 양극 탭(111)과 비딩부 사이의 접촉을 방지할 수 있다.
이처럼 제1 전극 조립체(110) 및 제2 전극 조립체(120)가 순차적으로 전지 케이스(200)에 삽입되면, 다음으로 제1 양극 탭(111) 및 제2 음극 탭(122)을 서로 부착한다(S150). 이때, 상기 S150 단계는, 용접 방식에 의해 수행되는 것이 좋다.
그리고 나서, 전지 케이스(200)의 개방단에 캡 조립체(300)를 결합한다(S170).
바람직하게는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 S140 단계 이후에, 제2 양극 탭(121)을 캡 조립체(300)의 하부에 부착하는 단계(S160)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 5에는 도시되지 않았으나, 상기 S110 단계 이후에, 제1 음극 탭(112)을 전지 케이스(200)에 부착하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 또한, 상기 S170 단계 이전에, 전지 케이스(200)에 전해액을 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 각 전극 조립체의 상부 및 하부에 위치하도록 상부 절연판(510) 및 하부 절연판(520)을 삽입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 이러한 도 5의 실시예는 이차 전지에 2개의 전극 조립체만 포함된 구성을 위주로 도시된 구성으로, 이차 전지에는 3개 이상의 전극 조립체가 포함될 수도 있다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, 전지 케이스(200)에 제1 양극 탭(111) 및 제1 음극 탭(112)을 구비하는 제1 전극 조립체(110)를 삽입하는 단계(S210), 전지 케이스(200)에 제2 양극 탭(121) 및 제2 음극 탭(122)을 구비하는 제2 전극 조립체(120)를 삽입하는 단계(S220), 제1 양극 탭(111)과 제2 음극 탭(122)을 부착하는 단계(S230) 및 전지 케이스(200)에 캡 조립체(300)를 결합하는 단계(S260)를 포함하되, 상기 S260 단계 이전에, 전지 케이스(200)에 제3 양극 탭(131) 및 제3 음극 탭(132)을 구비하는 제3 전극 조립체(130)를 삽입하는 단계(S240) 및 제2 양극 탭(121)과 제3 음극 탭(132)을 서로 부착하는 단계(S250)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 6의 실시예에서 제3 전극 조립체(130) 상부에 다른 추가적인 전극 조립체가 삽입되지 않는다면, 제3 양극 탭(131)을 캡 조립체(300)에 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 만일, 도 6의 실시예에서 제3 전극 조립체(130) 상부에 다른 전극 조립체가 추가 삽입되는 경우, 제3 양극 탭(131)은 추가 삽입된 다른 전극 조립체의 음극 탭에 부착될 수 있다. 그리고, 이와 같은 방식으로 많은 수의 전극 조립체가 포함된 이차 전지가 제조될 수 있다.
또한, 도 6에는 도시되지 않았으나, 도 6의 실시예에서도 전극 조립체 사이에 위치한 전지 케이스(200) 선단에 비딩부를 형성하는 단계, 탭 절연판(400)을 전지 케이스(200)에 삽입하는 단계 및/또는 상부 절연판(510)과 하부 절연판(520)을 삽입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서는. 상, 하 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
110: 제1 전극 조립체
111: 제1 양극 탭
112: 제1 음극 탭
120: 제2 전극 조립체
121: 제2 양극 탭
122: 제2 음극 탭
200: 전지 케이스
210: 제1 비딩부
220: 제2 비딩부
300: 캡 조립체
310: 탑 캡
320: 안전 벤트
330: 가스켓
340: 전류차단부재
350: 절연부재
400: 탭 절연판
510: 상부 절연판
520: 하부 절연판
111: 제1 양극 탭
112: 제1 음극 탭
120: 제2 전극 조립체
121: 제2 양극 탭
122: 제2 음극 탭
200: 전지 케이스
210: 제1 비딩부
220: 제2 비딩부
300: 캡 조립체
310: 탑 캡
320: 안전 벤트
330: 가스켓
340: 전류차단부재
350: 절연부재
400: 탭 절연판
510: 상부 절연판
520: 하부 절연판
Claims (18)
- 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제1 양극 탭 및 제1 음극 탭을 구비하는 제1 전극 조립체;
양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제2 양극 탭 및 제2 음극 탭을 구비하는 제2 전극 조립체;
상기 제1 전극 조립체, 상기 제2 전극 조립체 및 전해액을 수납하는 전지 케이스; 및
상기 전지 케이스의 개방단에 결합되는 캡 조립체
를 포함하되,
상기 제1 양극 탭과 상기 제2 음극 탭은 서로 부착되고, 상기 제1 음극 탭은 상기 전지 케이스에 부착되는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 조립체는, 상기 전지 케이스 내부에서 상기 제2 전극 조립체의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 양극 탭은, 상기 캡 조립체의 하부에 부착되는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제3 양극 탭 및 제3 음극 탭을 구비하는 제3 전극 조립체를 더 포함하고,
상기 제2 양극 탭과 상기 제3 음극 탭이 서로 부착되는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 양극 탭과 상기 제2 음극 탭은, 용접에 의해 서로 부착되는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전지 케이스는, 금속 캔 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제6항에 있어서,
상기 전지 케이스는, 원통 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전지 케이스는, 상기 제1 전극 조립체와 상기 제2 전극 조립체 사이에 비딩부가 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제8항에 있어서,
전기적 절연성을 갖는 재질로 형성되어, 상기 제1 양극 탭과 상기 전지 케이스의 비딩부 사이에 개재된 탭 절연판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 조립체 및 상기 제2 전극 조립체는, 각각 하나의 양극판 및 하나의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 권취된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지를 포함하는 배터리 팩.
- 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제1 양극 탭 및 제1 음극 탭을 구비하는 제1 전극 조립체를 전지 케이스에 삽입하는 단계;
양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제2 양극 탭 및 제2 음극 탭을 구비하는 제2 전극 조립체를 상기 전지 케이스에 삽입하는 단계;
상기 제1 양극 탭과 상기 제2 음극 탭을 부착하는 단계; 및
상기 전지 케이스의 개방단에 캡 조립체를 결합하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제2 전극 조립체 삽입 단계는, 상기 전지 케이스에서 상기 제1 전극 조립체의 상부에 위치하도록 상기 제2 전극 조립체를 삽입하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제2 전극 조립체 삽입 단계 이후,
상기 제2 양극 탭을 상기 캡 조립체의 하부에 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 캡 조립체의 결합 단계 이전에,
양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되고 제3 양극 탭 및 제3 음극 탭을 구비하는 제3 전극 조립체를 상기 전지 케이스에 삽입하는 단계; 및
상기 제2 양극 탭과 상기 제3 음극 탭을 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제1 양극 탭과 상기 제2 음극 탭의 부착 단계는, 용접에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제1 전극 조립체 삽입 단계 이후,
상기 제1 전극 조립체의 상부 위치에서 상기 전지 케이스에 비딩부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 비딩부 형성 단계 이후, 상기 제2 전극 조립체 삽입 단계 이전에,
상기 비딩부의 상부에 위치하도록 전기적 절연성을 갖는 재질로 형성된 탭 절연판을 상기 전지 케이스에 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
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