KR20160085601A - 원통형 리튬 이온 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 캡 조립체를 구성하는 캡업과 양성온도소자의 사이에 솔더 또는 솔더 페이스트의 도포 영역 및/또는 도포량이 최적화되도록 함으로써, 산화층 발생, 저항 증가, 쇼트, 휨에 의한 부품 크랙 및/또는 밀폐 불량의 현상을 억제할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 원통형 캔; 원통형 캔에 전해액과 함께 수용된 전극 조립체; 및, 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 캡 조립체는 전극 조립체에 연결된 양성온도소자와, 양성온도소자에 연결된 캡업과, 양성온도소자와 캡업의 사이에 개재된 솔더를 포함하며, 양성온도소자와 캡업의 외측 둘레에는 솔더가 형성되지 않은 외측 공간부가 더 구비된 원통형 리튬 이온 이차 전지를 개시한다.

Description

원통형 리튬 이온 이차 전지{Cylindrical lithium ion secondary battery}
본 발명의 일 실시예는 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지는 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 휴대형 전자기기뿐만 아니라 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 전원 용도로 사용되고 있다.
이러한 리튬 이온 이차 전지는 형태에 있어서 원통형, 각형 또는 파우치형의 이차 전지로 분류될 수 있다. 이중 원통형 리튬 이온 이차 전지는 일반적으로 원기둥 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체가 결합되는 원통 형태의 캔과, 캔의 내측에 주액되어 리튬 이온의 이동이 가능하도록 하는 전해액과, 캔의 일측에 결합되어 전해액의 누액을 방지하고, 전극 조립체의 이탈을 방지하는 캡 조립체 등으로 이루어져 있다.
본 발명의 일 실시예는 캡 조립체를 구성하는 캡업과 양성온도소자의 사이에 솔더 또는 솔더 페이스트의 도포 영역 및/또는 도포량이 최적화되도록 설계함으로써, 산화층 발생, 저항 증가, 쇼트, 휨에 의한 부품 크랙 및/또는 밀폐 불량 등의 현상을 억제할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는 캡업에 단차부 및/또는 절곡부가 형성되도록 함으로써, 산화층 발생, 저항 증가, 쇼트, 휨에 의한 부품 크랙 및/또는 밀폐 불량 등의 현상을 억제할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 전해액과 함께 수용된 전극 조립체; 및, 상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 상기 전극 조립체에 연결된 양성온도소자와, 상기 양성온도소자에 연결된 캡업과, 상기 양성온도소자와 상기 캡업의 사이에 개재된 솔더를 포함하며, 상기 양성온도소자와 캡업의 외측 둘레에는 솔더가 형성되지 않은 외측 공간부가 더 구비된 원통형 리튬 이온 이차 전지를 개시한다.
상기 외측 공간부의 폭은 0.1 mm 내지 1.5 mm일 수 있다.
상기 캡업은 상기 외측 공간부를 향하여 돌출된 동시에 상기 양성온도소자에 접촉하는 외측 단차부를 더 포함할 수 있다. 상기 외측 단차부의 폭은 상기 외측 공간부의 폭과 같을 수 있다. 상기 외측 단차부는 상호간 이격된 다수개일 수 있다. 상기 외측 단차부는 다수의 톱니 형태로 형성될 수 있다.
상기 양성온도소자와 대응되는 캡업의 상면은 평평할 수 있다. 상기 양성온도소자와 대응되는 캡업의 상면은 절곡될 수 있다.
상기 양성온도소자와 상기 캡업의 내측 둘레에는 솔더가 형성되지 않은 내측 공간부가 더 구비될 수 있다. 상기 캡업은 상기 내측 공간부를 향하여 돌출된 동시에 상기 양성온도소자에 접촉하는 내측 단차부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 캡 조립체를 구성하는 캡업과 양성온도소자의 사이에 솔더 또는 솔더 페이스트의 도포 영역 및/또는 도포량이 최적화되도록 설계함으로써, 산화층 발생, 저항 증가, 쇼트, 휨에 의한 부품 크랙 및/또는 밀폐 불량 등의 현상을 억제할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는 캡업에 단차부 및/또는 절곡부가 형성되도록 함으로써, 산화층 발생, 저항 증가, 쇼트, 휨에 의한 부품 크랙 및/또는 밀폐 불량 등의 현상을 억제할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도이다.
도 2는 도 1b의 2 영역을 도시한 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이온 이차 전지를 도시한 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이온 이차 전지를 도시한 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이온 이차 전지를 도시한 확대 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 캡업, 양성온도소자 및 솔더 사이의 관계를 도시한 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이온 이차 전지를 도시한 확대 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 솔더 페이스트의 정상 도포 및 비정상 도포에 따른 양성온도소자의 동작을 설명하는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 솔더 페이스트의 정상 도포 및 비정상 도포에 따른 밀폐 동작을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 리튬 이온 이차 전지의 항온 항습 후 저항 변동량을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "연결된다"는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 것뿐만 아니라, A 부재와 B 부재가 그 사이에 C 부재를 개재하여 간접적으로 연결되는 것도 의미한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "솔더" 또는 "솔더 페이스트"라는 용어는 캡업과 양성온도소자를 전기적으로 접속하기 위해, 대략 180 ℃ 내지 250 ℃에서 리플로우되는 접속 부재를 의미한다. 일례로, 이러한 접속 부재는 공융점 솔더(eutectic solder: Sn37Pb), 고융점 솔더(High lead solder: Sn95Pb), 납이 없는 솔더(lead-free solder: SnAg, SnAu, SnCu, SnZn, SnZnBi, SnAgCu, SnAgBi 등) 중 선택된 하나로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 특히, 솔더는 주석(Sn)을 포함하지 않는 접속 부재도 포함할 수 있으며, 본 명세서에 기재되지 않는 다른 접속 부재도 포함할 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지의 사시도, 단면도 및 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)과, 전극 조립체(120)와, 센터핀(130)과, 캡 조립체(140)를 포함한다.
원통형 캔(110)은 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 측부(112)을 포함한다. 이차 전지의 제조 공정 중 원통형 캔(110)의 상부는 개방되어 있다. 따라서, 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체(120) 및 센터핀(130)이 전해액과 함께 원통형 캔(110)에 삽입될 수 있다. 원통형 캔(110)은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 원통형 캔(110)에는 캡 조립체(140)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(140)를 중심으로 그 하부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)가 형성되고, 그 상부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)가 형성되어 있다.
전극 조립체(120)는 원통형 캔(110)의 내부에 수용된다. 전극 조립체(120)는 음극 활물질(예를 들면, 흑연, 탄소 등)이 코팅된 음극판(121), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 코팅된 양극판(122) 및, 음극판(121)과 양극판(122) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(123)로 이루어진다. 음극판(121), 양극판(122) 및 세퍼레이터(123)는 대략 원기둥 형태로 권취된다. 여기서, 음극판(121)은 구리(Cu) 포일, 양극판(122)은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터(123)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 음극판(121)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(124)이, 양극판(122)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극탭(125)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 더불어, 음극탭(124)은 니켈(Ni) 재질, 양극탭(125)은 알루미늄(Al) 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 전극 조립체(120)의 음극탭(124)은 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있다. 따라서 원통형 캔(110)은 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 반대로 양극탭(125)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 원통형 캔(110)은 양극으로 동작할 수 있다.
더불어, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(126a) 및 그 외측에 제2홀(126b)이 형성된 제1절연판(126)이 전극 조립체(120)와 바닥부(111)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제1절연판(126)은 전극 조립체(120)가 원통형 캔(110) 중 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 제1절연판(126)은 전극 조립체(120) 중 양극판(122)이 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(126a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 센터핀(130)을 통해 상부로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(126b)은 음극탭(124)이 관통하여 바닥부(111)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다.
또한, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(127a) 및 그 외측에 다수의 제2홀(127b)이 형성된 제2절연판(127)이 전극 조립체(120)와 캡 조립체(140)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제2절연판(127)은 전극 조립체(120)가 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 제2절연판(127)은 전극 조립체(120) 중 음극판(121)이 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉하지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(127a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 캡 조립체(140)로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(127b)은 양극탭(125)이 관통하여 캡 조립체(140)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한 나머지 제2홀(127b)은 전해액 주입 공정에서, 전해액이 상기 전극 조립체(120)로 신속히 흘러 들어가도록 하는 역할을 한다.
더불어, 제1,2절연판(126,127)의 제1홀(126a,127a)의 직경은 센터핀(130)의 직경보다 작게 형성됨으로써, 외부 충격에 의해 센터핀(130)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111) 또는 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
센터핀(130)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로서, 전극 조립체(120)의 대략 중앙에 결합될 수 있다. 이러한 센터핀(130)은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 이러한 센터핀(130)은 전지의 충방전 중 전극 조립체(120)의 변형을 억제하는 역할을 하며, 이차 전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 경우에 따라 센터핀(130)은 생략될 수 있다.
캡 조립체(140)는 다수의 관통홀(141a)이 형성된 캡 업(cap-up)(141), 캡 업(141)의 하부에 설치된 양성온도소자(PTC: Positive Temperature Coefficient)(142), 양성온도소자(142)의 하부에 설치된 안전 플레이트(144), 안전 플레이트(144)의 하부에 설치된 절연판(145), 안전 플레이트(144)와 절연판(145)의 하부에 설치되고, 제1,2관통홀(146a,146b)이 형성된 캡 다운(cap-down)(146), 캡 다운(146)의 하부에 고정되어 양극탭(125)과 전기적으로 접속된 서브 플레이트(147), 그리고 캡 업(141), 양성온도소자(142), 안전 플레이트(144), 절연판(145), 캡 다운(146)을 원통형 캔(110)의 측부(111)로부터 절연시키는 절연 가스켓(148)을 포함한다.
여기서, 절연 가스켓(148)은 실질적으로 원통형 캔(110)의 측부(111)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착된 형태를 한다. 또한, 상기 캡 업(141) 및 상기 캡 다운(146)에 형성된 관통홀(141a,146a,146b)은 원통형 캔(110)의 내부에서 이상 내압 발생시 내부 가스를 외부로 배출하는 역할을 한다. 물론, 이러한 내압에 의해 우선 안전 플레이트(144)가 상부 방향으로 반전되면서 서브 플레이트(147)와 전기적으로 분리되고, 이후 안전 플레이트(144)가 찢어지면서 내부의 가스가 외부로 방출된다.
한편, 캡업(141)과 양성온도소자(142)는 솔더(143)에 의해 상호간 전기적으로 접속된다. 이러한 양성온도소자(142)는 온도 증가에 따라 자체 저항이 증가함으로써, 전류 또는 과전류 흐름을 방지하고, 이에 따라 이차 전지를 안전한 상태가 되도록 한다. 이러한 캡업(141), 양성온도소자(142) 및 솔더(143) 사이의 관계는 아래에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
더불어, 원통형 캔(110)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주액되어 있으며, 이는 충방전시 전지 내부의 음극판(121) 및 양극판(122)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 도 1b의 2 영역에 대한 확대 단면도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 캡 조립체(140)는 전극 조립체(120)에 전기적으로 연결된 양성온도소자(142)와, 양성온도소자(142)에 전기적으로 연결된 캡업(141)을 포함한다. 또한, 캡 조립체(140)는 양성온도소자(142)와 캡업(141)의 사이에 도포되고 리플로우되어 경화된 솔더(143)를 더 포함한다. 이러한 솔더(143)에 의해 양성온도소자(142)와 캡업(141)은 전기적으로 접속된다. 물론, 양성온도소자(142)와 전극 조립체(120)의 사이에는 안전 플레이트(144) 및 캡 다운(146)이 더 개재될 수 있다. 다르게 설명하면, 양성온도소자(142)의 하부에 안전 플레이트(144)가 전기적으로 연결되고, 안전 플레이트(144)에 캡 다운(146) 및 서브 플레이트(147)가 전기적으로 연결되며, 서브 플레이트(147)에 양극탭(125)이 전기적으로 연결되고, 양극탭(125)이 전극 조립체(120)에 전기적으로 연결된다.
여기서, 양성온도소자(142)는 소자부(142a)와, 소자부(142a)의 상면에 형성된 상면 도전 패턴(142b)과, 소자부(142a)의 하면에 형성된 하면 도전 패턴(142c)을 포함한다. 이러한 양성온도소자(142)는 상술한 바와 같이 이차 전지의 온도 상승 시 저항이 증가함으로써 충전 또는 방전 전류의 흐름을 차단하는 역할을 한다.
한편, 본 발명은 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 외측 둘레에 솔더(143)가 형성되지 않은 외측 공간부(141a)를 더 포함한다. 즉, 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 외측 둘레로부터 내측 방향으로 일정 길이 또는 폭에 걸쳐 속이 비어 있는 외측 공간부(141a)가 형성된다.
여기서, 외측 공간부(141a)의 수평 방향 길이는 대략 0.1 mm 내지 1.5 mm일 수 있다. 외측 공간부(141a)의 길이가 대략 0.1mm 보다 작을 경우, 리플로우 공정 중 솔더(143)가 캡업(141) 및 양성온도소자(142)의 외측 둘레까지 흘러감으로써, 캡업(141)이 양성온도소자(142)의 원하지 않는 영역 및/또는 안전플레이트(143)에 직접 쇼트되고, 이에 따라 전류 또는 과전류 차단 동작이 이루어지지 않게 된다. 또한, 외측 공간부(141a)의 길이가 대략 1.5 mm보다 클 경우, 크림핑 공정에서 캡업(141)의 외측 둘레가 휘어짐으로써, 이차 전지의 내부 밀폐성이 저하된다.
더욱이, 본 발명은 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 내측 둘레에 솔더(143)가 형성되지 않은 내측 공간부(141b)를 더 포함할 수 있다. 즉, 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 내측 둘레로부터 외측 방향으로 일정 길이에 걸쳐 속이 비어 있는 내측 공간부(141b)가 형성될 수 있다.
여기서, 내측 공간부(141b)의 길이는 대략 0.1 mm 내지 0.4 mm일 수 있다. 내측 공간부(141b)의 길이가 대략 0.1mm 보다 작을 경우, 리플로우 공정 중 솔더(143)가 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 내측 둘레까지 흘러감으로써, 캡업(141)이 양성온도소자(142)의 원하지 않는 영역 및/또는 안전 플레이트(143)에 직접 쇼트될 수 있고, 이에 따라 전류 또는 과전류 차단 동작이 이루어지지 않을 수 있다. 또한, 내측 공간부(141b)의 길이가 대략 0.4 mm보다 클 경우, 캡업(141)과 양성온도소자(142) 사이의 전기적 접속 영역이 작아짐으로써, 전기 저항이 증가할 수 있다.
그러나, 실질적으로, 내측 공간부(141b)의 폭이 대략 0.1 mm보다 작다고 해도, 리플로우 공정 중 솔더(143)는 대략 캡업(141) 쪽으로 주로 흘러 간다. 즉, 캡업(141)에 대한 솔더(143)의 젓음성이 양성온도소자(142)(특히, 소자부(142a))에 대한 솔더(143)의 젓음성보다 높기 때문에, 리플로우 공정 중 솔더(143)는 주로 양성온도소자(142)보다는 캡업(141)쪽으로 흘러간다. 따라서, 내측 공간부(141b)의 폭이 대략 0.1 mm보다 작다고 해도, 솔더(143)는 거의 양성온도소자(142)의 원하지 않는 영역 및/또는 안전플레이트(143)에까지 흘러가지 않는다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 사이에 솔더 또는 솔더 페이스트(143)가 도포된 후 리플로우됨으로써, 캡업(141)과 양성온도소자(142)가 일체화된다. 따라서, 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 사이로 전해액 및 수분이 침투하지 못하여 산화층이 발생되지 않고, 이에 따라 캡 조립체(140)의 저항이 증가하지 않게 된다.
더불어, 솔더 또는 솔더 페이스트(143)의 도포 영역 및/또는 도포량이 최적화됨으로써, 리플로우 공정 중 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 원하지 않는 영역(예를 들면, 하면 도전 패턴(142c)) 및/또는 캡업(141)과 안전플레이트(143) 사이에 솔더(143)에 의한 직접적인 쇼트 현상이 발생하지 않고, 또한 크림핑 공정 중 휨에 의한 부품 크랙 현상 및/또는 밀폐 불량 현상이 발생하지 않게 된다.
여기서, 솔더 또는 솔더 페이스트(143)는 상술한 바와 같이 캡업(141) 또는 양성온도소자(142)에 도포되어 형성될 수 있으나, 캡업(141) 또는 양성온도소자(142)에 미리 도금되어 형성될 수도 있으며, 본 발명에서 솔더 또는 솔더 페이스트(143)의 형성 방법을 한정하지 않는다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이온 이차 전지의 확대 단면도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 캡업(141)은 상술한 외측 공간부(141a)를 향하여 돌출된 동시에 양성온도소자(142)에 접촉하는 외측 단차부(141c)를 더 포함할 수 있다. 즉, 캡업(141)의 외측 둘레로부터 내측 방향으로 일정 길이에 걸쳐 양성온도소자(142)를 향하여 돌출된 외측 단차부(141c)가 형성된다.
여기서, 외측 단차부(141c)의 수평 방향 길이 또는 폭은 상술한 외측 공간부(141a)의 길이 또는 폭과 동일할 수 있다. 일례로, 외측 단차부(141c)의 길이는 대략 0.1 mm 내지 1.5 mm일 수 있으나, 이러한 길이로 본 발명이 한정되지 않는다. 즉, 외측 단차부(141c)의 길이는 대략 0.1 mm보다 작거나 또는 1.5 mm보다 클 수 있다.
더불어, 이러한 외측 단차부(141c)의 두께는 솔더(143)의 두께와 동일할 수 있다. 일례로, 외측 단차부(141c) 및 솔더(143)의 두께는 대략 0.01 mm 내지 0.03 mm일 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
이러한 외측 단차부(141c)에 의해 리플로우 공정 중 솔더(143)가 캡업(141) 및 양성온도소자(142)의 외측 둘레까지 흘러가지 않게 된다.
여기서, 캡업(141)의 외측 단차부(141c)는 상술한 양성온도소자(142)에 구비된 상면 도전 패턴(142b)에 직접 전기적으로 접속된다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 상술한 외측 공간부(141a)와 대응되는 영역에 외측 단차부(141c)가 더 형성됨으로써, 리플로우 공정 중 솔더(143)가 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 외측으로 흘러나가지 않게 되고(즉, 외측 단차부(141c)가 리플로우 공정 중 솔더(143)의 외측 흐름을 방지하는 댐 역할을 함), 이에 따라 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 원하지 않는 영역(예를 들면, 하면 도전 패턴(142c)) 및/또는 캡업(141)과 안전 플레이트(144) 사이의 전기적 쇼트 현상이 방지된다. 더욱이, 이러한 솔더(143) 및 외측 단차부(141c)에 의해, 크림핑 공정 중에서 캡업(141)이 완전히 또는 대략 평평하게 유지되어, 휨에 의한 부품 크랙 현상 및/또는 밀폐 불량 현상이 방지된다.
더불어, 이러한 외측 단차부(141c)는 캡업(141)에 형성되는 대신 양성온도소자(142)의 상면 도전 패턴(142b)에 형성될 수도 있다. 즉, 상면 도전 패턴(142b)의 형성을 위한 도금 공정 중, 외측 공간부와 대응되는 영역에 도금 공정이 상대적으로 긴 시간동안 수행됨으로써, 외측 공간부와 대응되는 영역에 상면 도전 패턴(142b)으로부터 캡업(141)을 향하여 외측 단차부(141c)가 두껍게 형성될 수 있다. 물론, 이러한 외측 단차부(141c)는 캡업(141)에 밀착됨은 당연하다. 이와 같이 양성온도소자(142)의 상면 도전 패턴(142b)으로부터 상부 방향으로 돌출되어 형성된 외측 단차부(141c)에 의한 효과는 상술한 바와 동일하다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이온 이차 전지의 확대 단면도가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 캡업(141)에 형성된 외측 단차부(241c)는 상호간 이격된 다수개일 수 있다. 일례로, 외측 단차부(241c)는 다수의 톱니 형태로 형성될 수 있다. 좀더 구체적으로, 각각의 외측 단차부(241c)는 양성온도소자(142)에 가까워짐에 따라 점차 폭이 작아지는 역삼각 형태로 형성될 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 외측 공간부(141a)와 대응되는 영역에 다수의 외측 단차부(241c)가 형성됨으로써, 리플로우 공정 중 솔더(143)가 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 외측 둘레로 흘러나가지 않게 되고, 이에 따라 전기적 쇼트 현상이 억제된다. 더욱이, 이러한 솔더(143) 및 외측 단차부(241c)에 의해, 크림핑 공정 중에서 캡업(141)이 평평하게 유지되어, 휨에 의한 부품 크랙 현상 및/또는 밀폐 불량 현상이 억제된다.
한편, 지금까지 설명한 캡업(141)의 단차부(141c, 241c)는 주로 주조, 단조, 압연, 펀치와 같은 통상의 금속 가공 공정에 의해 형성될 수 있으나, 본 발명에서 이러한 공정이 한정되지 않는다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이온 이차 전지의 확대 단면도가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 양성온도소자(142)와 대응되는 캡업(141)의 상면은 대략 절곡된 형태를 할 수 있다. 즉, 외측 단차부(341c)의 형성을 위해 외측 공간부(141a)와 대응하는 캡업(141)이 일정 각도로 절곡됨으로써, 외측 단차부(341c)와 대응하는 캡업(141)의 상면이 솔더(143)와 대응하는 캡업(141)의 상면보다 낮게 형성된다. 여기서, 외측 단차부(341c)와 솔더(143) 사이의 경계인 캡업(141)에 형성된 영역을 절곡부(341b)로 정의한다.
물론, 이러한 구조에도 불구하고 외측 단차부(341c)는 여전히 양성온도소자(142)의 상면 도전 패턴(142b)에 직접 접촉함으로써, 리플로우 공정 중 솔더(143)의 흐름을 억제한다.
한편, 이러한 캡업(141)의 외측 단차부(341c) 및/또는 절곡부(341b)는 프레스와 같은 통상의 금속 가공 공정에 의해 형성될 수 있으나, 본 발명에서 이러한 공정이 한정되지 않는다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 캡업(141)에 외측 단차부(341c) 및/또는 절곡부(341b)가 구비됨으로써, 산화층 발생 현상, 저항 증가 현상, 쇼트 현상, 휨에 의한 부품 크랙 현상 및/또는 밀폐 불량 현상 등이 발생하지 않게 된다.
여기서, 도 5의 실시예와 대비되는 도 2 내지 도 4의 실시예에서는 양성온도소자(142)와 대응되는 캡업(141)의 상면이 대략 평평하거나 또는 완전히 평평하게 형성되어 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 캡업(141), 양성온도소자(142) 및 솔더(143) 사이의 관계에 대한 확대 단면도가 도시되어 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 외측 공간부(141a)의 길이(폭)를 L로 정의하고, 솔더(143)의 두께를 D로 정의할 수 있다. 여기서, 솔더(143)의 두께 즉, D는 상술한 바와 같이 대략 0.01 mm 내지 0.03 mm일 수 있다.
이러한 상태에서, 아래의 표 1에 기재된 같이, 길이 L에 대응하는 외측 공간부(141a)가 형성되도록 솔더 또는 솔더 페이스트(143)를 캡업(141) 또는/및 양성온도소자(142)에 도포하고 리플로우한 이후, 이에 따른 부품 저항 불량 및 크림핑 불량을 확인해 보았다.
여기서, 부품 저항 불량이란, 리플로우 공정 중 솔더(143)가 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 외측 둘레까지 흘러감으로써, 솔더(143)가 양성온도소자(142)의 원하지 않는 영역(예를 들면, 하면 도전 패턴) 또는/및 안전 플레이트(144)에 직접 쇼트되는 현상을 의미한다. 또한 크림핑 불량이란, 캔 및 절연 가스켓의 크림핑 공정 중 캡업(141) 및/또는 양성온도소자(142)의 휨에 따라 전지 내부가 밀폐되지 않음을 의미한다.
길이 L (단위:mm) 부품 저항 불량 크림핑 불량
(쇼트 불량/측정수 [EA]) (밀폐압 [kgf/㎠])
0.0~0.05 21/100 0/20
0.05~0.1 7/100 0/20
0.1~0.2 0/100 0/20
0.2~0.3 0/100 0/20
0.3~0.5 0/100 0/20
0.5~0.7 0/100 0/20
0.7~0.9 0/100 0/20
0.9~1.1 0/100 0/20
1.1~1.3 0/100 0/20
1.3~1.4 0/100 0/20
1.4~1.5 0/100 0/20
1.5~1.55 0/100 3/20
1.55~1.6 0/100 7/20
위의 표 1에 기재된 바와 같이, 외측 공간부(141a)의 길이 L이 0 mm 내지 0.1 mm인 범위에서 부품 저항 불량(즉, 쇼트 불량)이 200개중 28개에서 발생하였다.
또한, 외측 공간부(141a)의 길이 L이 1.5 mm 내지 1.6 mm인 범위에서 크림핑 불량(즉, 밀폐 불량)이 40개중 10개에서 발생하였다.
따라서, 외측 공간부(141a)의 적정 길이(폭) L은 대략 0.1 mm 내지 1.5 mm임을 알 수 있다.
한편, 도 6b에 도시된 바와 같이, 외측 공간부(141a)와 대응하는 영역에 외측 단차부(141c)를 형성한 경우에는, 부품 저항 불량 및 크림핑 불량의 발생 확률이 더욱 저하된다.
즉, 외측 공간부(141a)의 길이 L이 0.1 mm보다 작다고 해도(도 6a에 관련된 실시예에서는 부품 저항 불량이 발생함), 외측 단차부(141c)가 존재하는 경우 부품 저항 불량이 발생하지 않는다. 또한, 외측 공간부(141a)의 길이가 1.5 mm보다 크다고 해도(도 6a에 관련된 실시예에서는 크림핑 불량이 발생함), 외측 단차부(141c)가 존재하는 경우 크림핑 불량이 발생하지 않는다.
이를 정리하여 기재하면 아래의 표 2와 같다.
항목 부품 저항 불량 크림핑 불량
(쇼트 불량/측정수 [EA]) (밀폐압 [kgf/㎠])
외측 단차부 적용 0/100 0/20
외측 단차부 미적용 21/100 4/20
즉, 외측 단차부의 적용 시 측정수 100개에서 부품 저항 불량이 전혀 발생하지 않았고, 측정수 20에서 크림핑 불량이 전혀 발생하지 않았다. 그러나, 외측 단차부의 미적용 시 측정수 100개에서 21개의 부품 저항 불량이 발생하였고, 측정수 20개에서 4개의 크림핑 불량이 발생하였다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이온 이차 전지의 확대 단면도가 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 캡업(141)과 양성온도소자(142)의 내측 둘레에는 내측 단차부(141d)가 더 형성될 수 있다. 즉, 캡업(141)은 양성온도소자(142)를 향하여 돌출된 동시에 양성온도소자(142)에 접속되는 내측 단차부(141d)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 하여, 내측 단차부(141d)는 리플로우 공정 중 솔더(143)가 캡업(141) 및 양성온도소자(142)의 내측 영역으로 흐르려 하는 현상을 억제함으로써, 산화층 발생 현상, 저항 증가 현상, 쇼트 현상, 휨에 의한 부품 크랙 현상 및/또는 밀폐 불량 현상 등을 억제하게 된다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 솔더(143)의 정상 도포 및 비정상 도포에 따른 양성온도소자(142)의 동작이 도시되어 있다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 캡업(141)이 외측 단차부(141c)를 갖고, 또한 솔더(143)가 정상적으로 도포 및 리플로우되었을 경우, 전지 온도 증가 시 양성온도소자(142)가 트립되어 전류 또는 과전류를 차단하게 된다.
그러나, 도 8b에 도시된 바와 같이, 캡업(141)이 외측 단차부(141c)를 갖지 않고, 또한 솔더(143)가 정상적으로 도포 및 리플로우되지 않은 경우(즉, 외측 공간부가 없는 경우), 예를 들면, 솔더(143)가 양성온도소자(142)의 상면 도전 패턴(142b) 및 하면 도전 패턴(142c)을 직접 쇼트시킴으로써, 전지 온도 증가 시 양성온도소자(142)가 트립되지 못하고 이에 따라 전류 또는 과전류를 차단할 수 없게 된다. 다시 말하면, 전지 온도 증가 시에도 전류 또는 과전류는 양성온도소자(142)를 바이패스하여 캡업(141)으로 흐름으로써, 전지가 불안정한 상태로 된다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 솔더(143)의 정상 도포 및 비정상 도포에 따른 전지의 밀폐 동작이 도시되어 있다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 캡업(141)이 외측 단차부(141c)를 갖고, 또한 솔더(143)가 정상적으로 도포 및 리플로우되었을 경우, 크림핑 공정 중 각 부품의 평탄도가 우수하게 유지됨으로써 전지의 밀폐력이 우수하다.
그러나, 도 9b에 도시된 바와 같이, 캡업(141)이 외측 단차부(141c)를 갖지 않고, 또한 과도하게 큰 외측 공간부를 가질 경우, 크림핑 공정 중 각 부품의 평탄도가 유지되지 않음으로써 전지의 밀폐력이 저하된다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬 이온 이차 전지의 항온 항습 후 저항 변동량에 대한 그래프가 도시되어 있다.
여기서, X축은 본 발명에 따른 일체형 캡업(141) 및 양성온도소자(142) 조립체의 방치 날짜이고, Y축은 일체형 캡업(141) 및 양성온도소자(142) 조립체의 저항값이다. 또한, 방치 조건은 온도 60 ℃ 및 습도 95 %였다.
본 발명에 따른 실시예는 L이 0.1 mm 내지 1.5 mm인 외측 공간부(141a)를 갖는 일체형 캡업(141) 및 양성온도소자(142) 조립체이고, 비교예는 분리형 캡업 및 양성온도소자 조립체(솔더가 없음)였다. 이를 표로 정리하여 기재하면, 표 3과 같다.
항온항습 후 저항 변동량 [mΩ]
5일 10일 15일 20일 25일 30일
비교예 1.65 0.60 2.50 2.80 3.00 3.20
실시예 1.79 0.65 2.53 2.62 2.72 2.72
도 10 및 표 3에 도시된 바와 같이, 항온 항습 후 저향 변동량은 본 발명에 따른 실시예가 비교예에 비해 더 우수함을 알 수 있다. 즉, 비교예는 방치 시간이 길어질 수록 저향 변동량이 커졌지만, 본 발명의 실시예는 저항 변동량이 특정값으로 새츄레이션되고, 더 이상 증가하지 않았다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지
110; 원통형 캔 120; 전극 조립체
130; 센터핀 140; 캡 조립체
141; 캡업 141a; 외측 공간부
141b; 내측 공간부 141c; 외측 단차부
141d; 내측 단차부 142; 양성온도소자
142a; 소자부 142b; 상면 도전 패턴
142c; 하면 도전 패턴 143; 솔더
143; 안전 플레이트

Claims (10)

  1. 원통형 캔;
    상기 원통형 캔에 전해액과 함께 수용된 전극 조립체; 및,
    상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 캡 조립체는 상기 전극 조립체에 연결된 양성온도소자와, 상기 양성온도소자에 연결된 캡업과, 상기 양성온도소자와 상기 캡업의 사이에 개재된 솔더를 포함하며,
    상기 양성온도소자와 캡업의 외측 둘레에는 솔더가 형성되지 않은 외측 공간부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 공간부의 폭은 0.1 mm 내지 1.5 mm인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡업은 상기 외측 공간부를 향하여 돌출된 동시에 상기 양성온도소자에 접촉하는 외측 단차부를 더 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 외측 단차부의 폭은 상기 외측 공간부의 폭과 같은 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 외측 단차부는 상호간 이격된 다수개인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 외측 단차부는 다수의 톱니 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 양성온도소자와 대응되는 캡업의 상면은 평평한 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 양성온도소자와 대응되는 캡업의 상면은 절곡된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 양성온도소자와 상기 캡업의 내측 둘레에는 솔더가 형성되지 않은 내측 공간부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 캡업은 상기 내측 공간부를 향하여 돌출된 동시에 상기 양성온도소자에 접촉하는 내측 단차부를 더 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
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