KR20170060445A - 이차 전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 낙하 및 충돌 시 캔의 변형을 최소화하며, 방열성을 향상시킬 수 있는 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일례로, 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 캔; 및 상기 캔의 상부에 결합되어 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캔의 상단부 및 하단부의 두께는 중심부의 두께보다 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지를 개시한다.

Description

이차 전지 및 그의 제조 방법{Secondary battery and fabricating method thereof}
본 발명은 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 팩이 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 전지의 단락, 비정상 충전, 과충전, 강제 방전 등의 전기적 시험과 진동, 낙하, 충격 등 물리적 상황에서 이차 전지의 폭발, 발화에 대한 안전성을 시험한다. 특히, 이차 전지의 안전성 시험 중 낙하 및 충격 시험 시, 캔의 상단부 및 하단부가 중심부에 비해 충격을 많이 받아 변형이 일어나기 쉽다. 따라서, 캔의 상단부 및 하단부의 강도를 보강하기 위한 구조가 필요하다.
본 발명은 낙하 및 충돌 시 캔의 변형을 최소화하며, 방열성을 향상시킬 수 있는 이차 전지 및 그의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 이차 전지는 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 캔; 및 상기 캔의 상부에 결합되어 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캔의 상단부 및 하단부의 두께는 중심부의 두께보다 두껍게 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 캔은 서로 다른 두께를 갖는 금속 판재들을 용접하여 하나의 금속 판재로 형성하고, 상기 하나의 금속 판재를 접고 접촉하는 부분을 용접하여 형성할 수 있다.
상기 제 1 전극판에 전기적으로 연결되며, 상기 전극 조립체의 하부로 돌출된 제 1 전극탭을 더 포함하고, 상기 제 1 전극탭은 상기 캔의 바닥면에 용접될 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 이차 전지의 제조 방법은 상단부 및 하단부의 두께가 중심부의 두께보다 두껍게 형성된 캔을 제조하는 단계; 상기 캔에 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 삽입하는 단계; 및 상기 캔의 상부에 캡 조립체를 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 캔을 제조하는 단계에서는 제 1 두께를 갖는 제 1 금속 판재와, 제 2 두께를 갖는 제 2 금속 판재 및 제 3 두께를 갖는 제 3 금속 판재를 준비하고, 상기 제 1 금속 판재, 제 2 금속 판재 및 제 3 금속 판재를 용접하여 하나의 금속 판재로 형성할 수 있다.
상기 하나의 금속 판재를 접고 접촉하는 부분을 용접하여 상기 캔을 형성할 수 있다.
상기 제 1 금속 판재의 제 1 두께와 상기 제 2 금속 판재의 제 2 두께는 동일하며, 상기 제 3 금속 판재의 제 3 두께는 제 1, 2 두께 보다 얇을 수 있다.
상기 제 3 금속 판재는 상기 제 1 금속 판재와 제 2 금속 판재 사이에 위치할 수 있다.
상기 제 1 전극판에 전기적으로 연결되며, 상기 전극 조립체의 하부로 돌출된 제 1 전극탭을 더 포함하고, 상기 제 1 전극탭은 상기 캔의 하단부에 용접될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 캔의 상단부 및 하단부의 두께를 중심부의 두께보다 두껍게 형성함으로써, 이차 전지의 낙하 및 충돌 시 캔의 변형을 최소화하는 동시에 방열성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은 서로 다른 두께를 갖는 금속 판재를 용접하여 연결하고, 이를 접어서 캔을 제조한다. 이에 따라, 본 발명은 캔의 제조 방법이 용이하며, 캔의 강도를 부분적으로 다르게 형성하여 낙하 및 충돌 시 캔의 변형을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ’선을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캔을 도시한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ’선을 도시한 단면도이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캔을 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 캔(120) 및 캡 조립체(130)를 포함한다.
상기 전극 조립체(110)는 제 1 전극판(111), 제 2 전극판(112) 및 제 1 전극판(111)과 제 2 전극판(112) 사이에 개재된 세퍼레이터(113)를 포함한다. 상기 전극 조립체(110)는 상기 제 1 전극판(111)과 세퍼레이터(113) 및 제 2 전극판(112)의 적층제를 권취하여 형성한다. 여기서, 제 1 전극판(111)은 양극으로서 작용할 수 있으며, 제 2 전극판(112)은 음극으로서 작용할 수 있다.
상기 제 1 전극판(111)은 알루미늄과 같은 금속 포일로 형성된 제 1 전극 집전체에 전이금속산화물 등의 제 1 전극 활물질을 도포함으로써 형성된다. 상기 제 1 전극판(111)에는 제 1 전극탭(114)이 부착된다. 상기 제 1 전극탭(114)의 일단은 제 1 전극판(111)에 전기적으로 연결되며, 타단은 전극 조립체(110)의 하부로 돌출된다. 여기서, 상기 제 1 전극탭(114)은 상기 캔(120)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제 2 전극판(112)은 구리 또는 니켈과 같은 금속 포일로 형성된 제 2 전극 집전체에 흑연 또는 탄소 등의 제 2 전극 활물질을 도포함으로써 형성된다. 상기 제 2 전극판(112)에는 제 2 전극탭(115)이 부착된다. 상기 제 2 전극탭(115)의 일단은 제 2 전극판(112)에 전기적으로 연결되며, 타단은 전극 조립체(110)의 상부로 돌출된다.
상기 세퍼레이터(113)는 제 1 전극판(111)과 제 2 전극판(112) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어져 있다.
상기 전극 조립체(110)는 실질적으로 전해액과 함께 캔(120)에 수납된다. 상기 전해액은 EC, PC, DEC, EMC, DMC와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
상기 캔(120)은 상기 전극 조립체(110)가 삽입 안착될 수 있는 개구부가 형성된 대략 육면체 형상으로 이루어진다. 상기 캔(120)은 바닥면(121)과, 상기 바닥면(121)으로부터 상부로 돌출되며 상대적으로 넓은 면적을 갖는 한 쌍의 장측면(122)과, 상기 바닥면(121)으로부터 상부로 돌출되며 상대적으로 좁은 면적을 갖는 한 쌍의 단측면(123)을 포함한다. 상기 캔(120)은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성된다. 또한, 상기 캔 (120)에는 상기 제 1 전극탭(114)이 전기적으로 연결되므로, 상기 캔(120)은 양극으로서 작용할 수 있다.
한편, 이차 전지(100)의 성능 시험 중 낙하나 충돌과 같은 시험에서, 상기 캔(120)에 가해지는 힘은 중심부에 비해 상대적으로 상단부 및 하단부에 집중된다. 따라서, 본 발명에서는 캔(120)의 상단부 및 하단부의 두께를 중심부의 두께보다 두껍게 형성함으로써, 이차 전지(100)의 낙하나 충돌 시 캔의 변형을 최소화할 수 있는 구조를 제공한다. 이러한 캔(120)의 구조에 대해서는 하기에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 캡 조립체(130)는 상기 전극 조립체(110)의 상부에 위치하며, 상기 캔(120)의 개구부에 결합되어 상기 캔(120)을 밀봉한다. 상기 캡 조립체(130)는 전극 단자(131), 가스켓(132), 캡 플레이트(133), 절연 플레이트(136), 터미널 플레이트(137) 및 절연 케이스(138)를 포함한다. 상기 전극 단자(131)와 캡 플레이트(133) 사이에는 가스켓(132)이 삽입되며, 상기 전극 단자(131)와 터미널 플레이트(137)는 서로 전기적으로 연결된다. 상기 절연 플레이트(136)는 캡 플레이트(133)와 터미널 플레이트(137)를 절연시키게 된다. 상기 캡 플레이트(133)의 일측에는 전해액 주입구(134)가 형성되어 있다. 상기 전해액 주입구(134)에는 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입구(134)을 밀폐시키기 위하여 마개(미도시)가 설치된다. 또한, 상기 캡 플레이트(133)의 타측에는 안전벤트(135)가 형성되어 있다. 상기 안전벤트(135)는 상기 캡 플레이트(133)보다 얇게 형성된다. 상기 안전벤트(135)는 캔(120)의 내압이 상기 안전벤트(135)의 작동 압력 이상이 되면 개방되어 가스를 방출한다. 상기 절연 케이스(138)는 상기 캔(120)의 개구부에 형성되어, 상기 캔(120)을 밀봉한다. 상기 절연 케이스(138)는 절연성을 가지는 고분자 수지이며, 폴리프로필렌(PP)으로 형성될 수 있다. 상기 절연 케이스(138)에는 제 2 전극탭(115)이 통과할 수 있도록 홀(138a)이 형성되어 있다. 또한, 상기 절연 케이스(138)에는 상기 전해액 주입구(134)와 대응되는 위치에 전해액 통과공(138b)이 형성되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 캔의 구조를 자세히 설명하기로 한다.
상기 캔(120)은 높이 방향을 기준으로 크게 3부분으로 나뉠 수 있으며, 본 발명에서는 이를 제1영역(A1), 제2영역(A2) 및 제3영역(A3)으로 정의하기로 한다. 여기서, 제1영역(A1)은 캔(120)의 윗부분으로 상단부라고 불리며, 상기 제2영역(A2)은 캔(120)의 아랫부분으로 하단부라고 불리며, 제3영역(A3)은 제1영역(A1)과 제2영역(A2) 사이로 중심부라고 불린다.
상기 상단부의 두께(T1)와 하단부의 두께(T2)는 중심부의 두께(T3)보다 두껍게 형성된다. 이는 상기에서 설명한 바와 같이, 이차 전지(100)의 낙하나 충돌 시 캔(120)의 상단부(A1) 및 하단부(A2)가 중심부(A3)에 비해 변형이 많이 일어나기 때문이다. 즉, 본 발명에서는 캔(120)의 상단부 및 하단부의 두께(T1, T2)를 중심부의 두께(T3)보다 두껍게 형성함으로써, 이차 전지(100)의 낙하나 충돌 시 캔(120)의 변형을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 캔(120)의 상단부의 두께(T1)와 하단부의 두께(T2)는 동일하게 형성된다(T1=T2). 예를 들어, 상기 상단부 및 하단부의 두께(T1, T2)는 0.6mm ~ 0.8mm로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 상단부 및 하단부의 두께(T1, T2)가 0.6mm 보다 작으면 충돌 및 낙하 시 캔(120)이 변형되기 쉽다. 또한, 상기 캔(120)은 금속 판재를 접어서 형성하는데, 상기 상단부 및 하단부의 두께(T1, T2)가 0.8mm 보다 크면 금속 판재가 접혀지지 않으므로 캔(120)을 형성할 수 없게 된다. 상기 중심부의 두께(T3)는 0.3mm ~ 0.6mm로 형성될 수 있다. 물론, 상기 상단부의 두께(T1)와 하단부의 두께(T2)는 사용자의 설계에 따라 서로 다르게 형성될 수도 있다(T1≠T2). 더불어, 상기 캔(120)은 두께가 다른 금속 판재를 서로 용접하여 형성된다. 이러한, 캔(120)의 제조 방법에 대해서는 하기에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
또한, 상기 하단부(A2)는 캔(120)의 바닥면(121)을 포함하고, 상기 바닥면의 두께(T4)는 상기 하단부의 두께(T2)와 동일하게 형성될 수 있다(T2=T4). 상기 바닥면(121)에는 상기 전극 조립체(110)의 제 1 전극탭(114)이 직접적으로 용접된다. 따라서, 상기 바닥면의 두께(T4)를 두껍게 형성함으로써, 방열성을 높일 수 있다.
더불어, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 상단부(A1) 및 하단부(A2)는 상기 캔(120)의 외측으로 돌출되게 형성된다. 물론, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상단부(A1) 및 하단부(A2)는 캔(120)의 내측으로 돌출되게 형성할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 캔(120)의 상단부 및 하단부의 두께(T1, T2)를 중심부의 두께(T3)보다 두껍게 형성함으로써, 이차 전지(100)의 낙하 및 충돌 시 캔(120)의 변형을 최소화하는 동시에 방열성을 향상시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은 캔을 제조하는 단계, 상기 캔에 전극 조립체를 삽입하는 단계 및 상기 캔의 상부에 캡 조립체를 결합하는 단계를 포함한다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 캔을 제조하는 단계에서는 제 1 두께(T1)를 갖는 제 1 금속 판재(120a)와 제 2 두께(T2)를 갖는 제 2 금속 판재(120b)와 제 3 두께(T3)를 갖는 제 3 금속 판재(120c)를 준비한다. 여기서, 제 1 금속 판재(120a)의 두께(T1)와 제 2 금속 판재(120b)의 두께(T2)는 동일하며(T1=T2), 상기 제 3 금속 판재(120c)의 두께(T3)는 상기 제 1,2 금속 판재(120a, 120b)의 두께(T1, T2)보다 얇게 형성된다(T3<T1=T2). 또한, 상기 제 1 금속 판재(120a), 제 2 금속 판재(120b) 및 제 3 금속 판재(120c)는 캔(120)의 형태에 맞게 절단된 상태이다. 물론, 상기 제 1 금속 판재(120a), 제 2 금속 판재(120b) 및 제 3 금속 판재(120c)는 서로 용접되고 난 후에 절단될 수도 있다. 상기 제 1 금속 판재(120a), 제 2 금속 판재(120b) 및 제 3 금속 판재(120c)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성된다.
다음으로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 금속 판재(120a), 제 2 금속 판재(120b) 및 제 3 금속 판재(120c)를 용접하여 서로 연결시켜 하나의 금속 판재로 만든다. 여기서, 서로 다른 두께를 갖는 금속 판재를 용접하는 것을 TWB(Tailor Welded Blanks)공법이라고 한다. 이때, 상기 제 1 금속 판재(120a)와 제 2 금속 판재(120b) 사이에 제 3 금속 판재(120c)가 위치하도록 용접한다. 그리고 나서, 하나로 연결된 금속 판재를 도 5b의 점선을 따라서 접고 연결부위를 용접함으로써, 도 5c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 캔(120)을 완성한다. 이러한 캔(120)은 바닥면(121)과, 상기 바닥면(121)으로부터 상부로 돌출되며 상대적으로 넓은 면적을 갖는 한 쌍의 장측면(122)과, 상기 바닥면(121)으로부터 상부로 돌출되며 상대적으로 좁은 면적을 갖는 한 쌍의 단측면(123)을 포함한다.
한편, 상기 캔(120)의 바닥면(121)은 상기 제 2 금속 판재(120b)와 일체로 형성된 것으로 도시하였으나, 상기 바닥면(121)은 제 2 금속 판재(120b)와 분리되어 제 2 금속 판재(120b)와 다른 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 바닥면(121)은 별도의 용접 공정에 의해 캔(120)에 연결된다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 전극 조립체를 삽입하는 단계에서는 상기 캔(120)에 전극 조립체(110)를 삽입한다. 그리고 나서, 도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 캡 조립체를 결합하는 단계에서는 상기 전극 조립체(110)가 삽입된 캔(120)의 상부에 캡 조립체(130)를 결합한다. 상기 전극 조립체(110) 및 캡 조립체(130)는 상기에서 설명한 바와 같으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)의 제조 방법은 서로 다른 두께를 갖는 금속 판재를 용접하여 연결하고, 이를 접어서 캔(120)을 제조한다. 이에 따라, 본 발명은 캔(120)의 제조 방법이 용이하며, 캔(120)의 강도를 부분적으로 다르게 형성하여 낙하 및 충돌 시 캔(120)의 변형을 최소화할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지 및 그의 제조 방법을 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: 이차 전지 110: 전극 조립체
111: 제 1 전극판 112: 제 2 전극판
113: 세퍼레이터 114: 제 1 전극탭
115: 제 2 전극탭 120: 캔
121: 바닥면 122: 장측면
123: 단측면 130: 캡 조립체

Claims (9)

  1. 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 캔; 및
    상기 캔의 상부에 결합되어 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 캔의 상단부 및 하단부의 두께는 중심부의 두께보다 두껍게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔은 서로 다른 두께를 갖는 금속 판재들을 용접하여 하나의 금속 판재로 형성하고, 상기 하나의 금속 판재를 접고 접촉하는 부분을 용접하여 형성한 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극판에 전기적으로 연결되며, 상기 전극 조립체의 하부로 돌출된 제 1 전극탭을 더 포함하고,
    상기 제 1 전극탭은 상기 캔의 바닥면에 용접된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 상단부 및 하단부의 두께가 중심부의 두께보다 두껍게 형성된 캔을 제조하는 단계;
    상기 캔에 제 1 전극판, 제 2 전극판 및 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 삽입하는 단계; 및
    상기 캔의 상부에 캡 조립체를 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 캔을 제조하는 단계에서는 제 1 두께를 갖는 제 1 금속 판재와, 제 2 두께를 갖는 제 2 금속 판재 및 제 3 두께를 갖는 제 3 금속 판재를 준비하고,
    상기 제 1 금속 판재, 제 2 금속 판재 및 제 3 금속 판재를 용접하여 하나의 금속 판재로 형성하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나의 금속 판재를 접고 접촉하는 부분을 용접하여 상기 캔을 형성하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 판재의 제 1 두께와 상기 제 2 금속 판재의 제 2 두께는 동일하며, 상기 제 3 금속 판재의 제 3 두께는 제 1, 2 두께 보다 얇은 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 3 금속 판재는 상기 제 1 금속 판재와 제 2 금속 판재 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 전극판에 전기적으로 연결되며, 상기 전극 조립체의 하부로 돌출된 제 1 전극탭을 더 포함하고,
    상기 제 1 전극탭은 상기 캔의 하단부에 용접된 것을 특징으로 하는 이차 전지의 제조 방법.
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