KR20180082776A - 가스켓이 용접에 의해 결합되어 있는 원통형 전지셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하는 전극조립체; 상기 전극조립체가 내장되는 수납부를 형성하도록, 상부가 개방된 원통형 구조로 이루어진 셀 케이스; 상기 셀 케이스에 전극조립체와 전해액이 내장된 상태에서, 셀 케이스의 개방된 상부를 밀봉하도록 셀 케이스에 결합되는 캡 어셈블리; 및 상기 캡 어셈블리의 외주변과 셀 케이스 사이에 전기절연 상태를 유지하면서 밀봉성을 제공하도록, 캡 어셈블리의 외주변을 감싸는 구조로 장착되어 있는 가스켓;을 포함하고 있고, 상기 가스켓의 외주면에는, 셀 케이스의 상단부를 수용하면서 결합되도록, 내측으로 만입된 결합형 단차가 형성되어 있으며, 상기 가스켓은 결합형 단차가 셀 케이스의 상단부와 결합되어 셀 케이스를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀을 제공한다.
Description
본 발명은 가스켓이 용접에 의해 결합되어 있는 원통형 전지셀에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 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.
도 1에는 종래의 원통형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 "A"부분의 구조를 확대하여 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1 및 2를 함께 참조하면, 원통형 전지셀(100)은 권취형 구조의 전극조립체(120)를 원통형의 셀 케이스(130)에 수납하고, 셀 케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 셀 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 캡 어셈블리(140)를 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 분리막(123)을 차례로 적층하고 둥근 형태로 권취하여 제조된다.
전극조립체(120)의 중앙 부위에 형성된 관통형의 권심부(150)에는 원통형의 센터 핀(160)이 삽입되어 있다. 센터 핀(160)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(160)은 전극조립체(120)를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
캡 어셈블리(140)의 외주변에는 셀 케이스(130)와의 사이에서 전기절연 상태를 유지하면서 밀봉성을 제공하도록, 가스켓(170)이 캡 어셈블리(140)의 외주변을 감싸는 구조로 장착되어 있다.
캡 어셈블리(140)와 가스켓(170)을 셀 케이스(130)의 개방 상단에 장착하는 경우에는, 캡 어셈블리(140)가 안정적으로 안착되도록 이에 대응되는 셀 케이스(130)의 외주변이 내측으로 만입된 비딩부(beading portion; 220)를 형성한다.
캡 어셈블리(140)와 가스켓(170)이 안착된 상태에서, 셀 케이스(130)의 개방 상단은 캡 어셈블리(140)의 외주변을 고정함으로써, 셀 케이스(130)로부터의 이탈을 방지하도록, 단부 부위가 가스켓(170)과 함께 내측으로 만입되어 크림핑부(crimping portion; 230)를 형성한다.
그러나, 상기 셀 케이스의 개방 상단에 형성되는 비딩부와 크림핑부는 내측으로 만입된 형상으로 인해, 전극조립체가 수납되는 셀 케이스 내의 수납부 부피를 필수적으로 감소시키게 되며, 이에 따라, 상기 수납부에 수납될 수 있는 전극조립체의 크기가 제한됨으로써, 전지셀의 크기에 비해 용량을 증가시키는데 한계가 있다.
또한, 상기 비딩부와 크림핑부는 셀 케이스의 개방 상단 부위에 물리적 외력을 인가함으로써 형성되므로, 제품의 불량률을 증가시키거나, 각각의 셀 케이스에 따라, 형상 내지 만입 깊이가 상이해질 수 있어, 제품의 치수 안정성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 캡 어셈블리의 외주변에 장착된 가스켓의 외주면에 셀 케이스의 상단부를 수용하면서 결합되도록, 내측으로 만입된 결합형 단차가 형성됨으로써, 상기 결합형 단차가 셀 케이스의 상단부와 결합되어 셀 케이스를 밀봉하므로, 캡 어셈블리를 안착하여 고정하기 위한 비딩부 및 크림핑부를 형성할 필요가 없으며, 이에 따라 상기 셀 케이스 내의 수납부 공간을 보다 증가시킬 수 있어, 상기 수납부에 수납되는 전극조립체의 크기 및 용량을 증가시킬 수 있고, 상기 비딩부 및 크림핑부를 형성하는 과정에서 물리적 외력으로 인해 발생할 수 있는 가스켓의 손상 및 밀봉력 저하와 제품의 불량을 예방할 수 있는 동시에, 상기 비딩부 및 크림핑부의 불균일한 형상 내지 크기로 인해 발생할 수 있는 치수 안정성 저하를 방지해, 균일한 형상 내지 크기를 갖는 전지셀을 보다 용이하게 제작할 수 있으며, 상기 캡 어셈블리의 외주변에 장착된 가스켓과 셀 케이스는 레이저 플라스틱 용접에 의해 결합됨으로써, 상기 가스켓과 셀 케이스가 상이한 소재로 이루어져 있음에도 불구하고 우수한 결합력을 발휘해, 전체적인 구조적 안정성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 전지셀은,
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하는 전극조립체;
상기 전극조립체가 내장되는 수납부를 형성하도록, 상부가 개방된 원통형 구조로 이루어진 셀 케이스;
상기 셀 케이스에 전극조립체와 전해액이 내장된 상태에서, 셀 케이스의 개방된 상부를 밀봉하도록 셀 케이스에 결합되는 캡 어셈블리; 및
상기 캡 어셈블리의 외주변과 셀 케이스 사이에 전기절연 상태를 유지하면서 밀봉성을 제공하도록, 캡 어셈블리의 외주변을 감싸는 구조로 장착되어 있는 가스켓;
을 포함하고 있고,
상기 가스켓의 외주면에는, 셀 케이스의 상단부를 수용하면서 결합되도록, 내측으로 만입된 결합형 단차가 형성되어 있으며,
상기 가스켓은 결합형 단차가 셀 케이스의 상단부와 결합되어 셀 케이스를 밀봉하는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 캡 어셈블리를 안착하여 고정하기 위한 비딩부 및 크림핑부를 형성할 필요가 없으며, 이에 따라 상기 셀 케이스 내의 수납부 공간을 보다 증가시킬 수 있어, 상기 수납부에 수납되는 전극조립체의 크기 및 용량을 증가시킬 수 있고, 상기 비딩부 및 크림핑부를 형성하는 과정에서 물리적 외력으로 인해 발생할 수 있는 가스켓의 손상 및 밀봉력 저하와 제품의 불량을 예방할 수 있는 동시에, 상기 비딩부 및 크림핑부의 불균일한 형상 내지 크기로 인해 발생할 수 있는 치수 안정성 저하를 방지해, 균일한 형상 내지 크기를 갖는 전지셀을 보다 용이하게 제작할 수 있으며, 상기 캡 어셈블리의 외주변에 장착된 가스켓과 셀 케이스는 레이저 플라스틱 용접에 의해 결합됨으로써, 상기 가스켓과 셀 케이스가 상이한 소재로 이루어져 있음에도 불구하고 우수한 결합력을 발휘해, 전체적인 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가스켓의 결합형 단차가 내측으로 만입된 깊이는 셀 케이스의 두께와 동일한 구조일 수 있다.
따라서, 상기 가스켓의 결합형 단차가 셀 케이스의 상단부와 결합됨으로써, 상기 셀 케이스를 밀봉하는 경우, 상기 결합 부위에서 가스켓의 결합형 단차의 만입 깊이와 셀 케이스의 두께 차이로 인한 단차의 발생을 예방할 수 있고, 이에 따라 보다 균일한 외면을 형성할 수 있다.
또한, 상기 가스켓은 고분자 수지 또는 고무 소재로 이루어져 있고, 상기 셀 케이스는 금속 소재로 이루어진 구조일 수 있다.
따라서, 상기 가스켓은 금속 소재로 이루어진 셀 케이스에 비해 우수한 탄성을 발휘할 수 있으며, 이에 따라, 셀 케이스의 상부와 캡 어셈블리의 외주변 사이에 밀착되어, 보다 우수한 밀봉력을 발휘할 수 있다.
한편, 상기 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스의 상단부는 레이저 플라스틱 용접에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저 플라스틱 용접은 LAMP(Laser-Assisted Metal and Plastic) 용접으로서, 이러한 용접은 라인 형상의 레이저 빔을 이용하여 고분자 수지와 같은 플라스틱과 금속을 접합하는데 이용된다.
더욱 구체적으로, 상기 레이저 플라스틱 용접, 보다 상세하게는, LAMP 용접은 플라스틱과 금속이 중첩되도록 고정시킨 상태에서, 상기 플라스틱 또는 금속 방향으로부터 연속 또는 펄스 레이저, 또는 2-레이저 빔을 조사함으로써, 상기 금속에 접촉된 계면 부위의 플라스틱을 용융시키고, 상기 용융된 부위에 미세한 기포를 발생시킴으로써 용착시키는 용접 방법이다.
이에 따라, 상기 레이저 플라스틱 용접은 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스의 상단부가 중첩된 상태에서, 상기 중첩 부위에 대응되는 가스켓의 적어도 일부가 용융되도록 레이저를 조사함으로써 수행되는 구조일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스 상단부 사이의 중첩 부위에는 탄성 시트가 개재되는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스 상단부 사이의 중첩 부위에서는, 상기 레이저에 의해 용융된 가스켓의 부위가 접합되는 과정, 또는 접합된 이후의 온도 변화로 인한 응력이 발생할 수 있으며, 이에 따라 상기 중첩 부위의 형상이 변형되거나, 이로 인한 결합력의 저하가 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 원통형 전지셀은 상기 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스 상단부 사이의 중첩 부위에 탄성 시트가 개재됨으로써, 상기 가스켓과 셀 케이스 상단부 사이의 물리적 특성 차이를 완화 내지 해소할 수 있으며, 이에 따라 상기 중첩 부위 내지 결합 부위에서 발생하는 응력을 완화시켜 내구성과 강도를 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 탄성 시트의 두께는 50 마이크로미터 내지 200 마이크로미터일 수 있다.
만일, 상기 탄성 시트의 두께가 상기 범위를 벗어나, 지나치게 얇을 경우에는, 상기 탄성 시트의 개재를 통해 소망하는 효과를 충분히 발휘하지 못할 수 있으며, 이와 반대로 상기 탄성 시트의 두께가 상기 범위를 벗어나, 지나치게 두꺼울 경우에는, 오히려 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스 상단부 사이의 결합력이 저하되거나, 상기 중첩 부위로부터 용융된 탄성 시트가 외부로 용출됨으로써, 전지셀의 외면을 깔끔하게 형성하지 못할 수 있다.
또한, 이러한 레이저 플라스틱 용접을 통해 가스켓과 셀 케이스 상단부를 결합하는 경우, 일반적인 접착 내지 기계적 체결 방법에 비해 레이저에 의한 순간적인 결합이 가능하므로, 전지셀의 제작에 소요되는 시간 및 비용을 효과적으로 절약할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가스켓은,
상기 캡 어셈블리의 하면의 외주변 부위를 지지하는 지지부; 및
상기 캡 어셈블리의 외주변을 감싸도록, 상기 지지부의 외측 단부로부터 상향 연장되어 있는 측벽;
을 포함하고 있으며,
상기 결합형 단차는 상기 측벽의 외면 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 가스켓은 측벽의 외면 상에 형성되어 있는 결합형 단차 부위에서 셀 케이스의 상단부와 결합되는 동시에, 상기 측벽과 연결된 지지부가 캡 어셈블리의 하면의 외주변 부위를 보다 지지하는 구조로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 측벽은 캡 어셈블리의 상단에 대응하는 높이만큼 상향 연장되어 있는 구조일 수 있다.
만일, 상기 측벽이 캡 어셈블리의 상단에 비해 지나치게 높은 구조로 상향 연장되어 있는 경우에는, 상기 상향 연장된 측벽으로 인해, 전지셀의 전체적인 크기가 증가하며, 이로 인해 상기 전지셀이 탑재되는 공간에 제약이 발생할 수 있다.
이와 반대로, 상기 측벽이 캡 어셈블리의 상단에 비해 지나치게 낮은 구조로 상향 연장되어 있는 경우에는, 전지셀의 전극 단자를 형성하는 캡 어셈블리의 상단이 돌출된 구조를 형성하게 되므로, 상기 가스켓의 측벽에 의해 캡 어셈블리의 상단을 효과적으로 보호하지 못할 수 있다.
또한, 상기 결합형 단차는, 가스켓 측벽의 전체 높이를 기준으로, 상기 상향 연장된 가스켓 측벽의 상단으로부터 10% 내지 50% 길이로 이격된 부위에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
만일, 상기 결합형 단차가, 가스켓 측벽의 전체 높이를 기준으로, 상기 상향 연장된 가스켓 측벽의 상단으로부터 10% 미만의 길이로 이격된 부위에 형성되는 경우에는, 상기 셀 케이스의 상단부 상에 돌출된 가스켓 측벽의 상단부가 지나치게 짧아, 외부로부터의 물리적 자극으로 인한 손상 내지 마모가 발생하는 경우, 셀 케이스와 캡 어셈블리 사이의 안정적인 결합력을 유지하지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 결합형 단차가, 가스켓 측벽의 전체 높이를 기준으로, 상기 상향 연장된 가스켓 측벽의 상단으로부터 50%를 초과하는 길이로 이격된 부위에 형성되는 경우에는, 상기 가스켓 측벽의 결합형 단차와 셀 케이스 상단부 사이의 중첩 면적이 지나치게 좁아, 셀 케이스와 캡 어셈블리 사이의 안정적인 결합력을 유지하지 못할 수 있다.
한편, 상기 결합형 단차는 가스켓 측벽의 외면을 따라 연속적으로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 가스켓은 결합형 단차가 셀 케이스 상단부와 모두 접촉된 상태로 결합되므로, 보다 안정적인 결합력을 발휘할 수 있는 동시에, 보다 우수한 밀봉력을 발휘할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가스켓 측벽의 외면 중에서, 상향 연장된 단부로부터 결합형 단차에 이르는 외면에는, 셀 케이스의 개방된 상부에 대한 용접 면적을 증가시키도록, 상기 결합형 단차와 동일한 깊이로 만입된 부분 결합형 단차들이 소정의 간격을 두고 규칙적으로 이격되어 형성되어 있는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 용접이 수행되는 가스켓 측벽의 결합형 단차와 셀 케이스의 개방된 상부의 중첩 부위는 외측 방향으로 노출된 가스켓 측벽의 결합형 단차와 셀 케이스의 상단부 사이의 접촉 계면일 수 있다.
이에 따라, 상기 가스켓 측벽의 외면 중에서, 상향 연장된 단부로부터 결합형 단차에 이르는 외면에, 상기 결합형 단차와 동일한 깊이로 만입된 부분 결합형 단차들이 소정의 간격을 두고 규칙적으로 이격되어 형성됨으로써, 상기 외측 방향으로 노출된 가스켓 측벽의 결합형 단차와 셀 케이스의 상단부 사이의 접촉 계면을 증가시킬 수 있고, 상기 접촉 계면에 대한 용접 부위가 증가함으로써, 보다 우수한 결합력을 발휘할 수 있다.
또한, 상기 가스켓 측벽의 내면에는, 캡 어셈블리의 이탈을 방지하도록, 내측으로 돌출된 테이퍼 형상의 고정용 돌기가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 가스켓은 측벽의 내면에 돌출된 고정용 돌기의 테이퍼 형상으로 인해, 보다 용이하게 캡 어셈블리의 측벽에 장착될 수 있는 동시에, 상기 고정용 돌기에 의해 가스켓으로부터 캡 어셈블리의 이탈을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 상기 가스켓의 지지부와 측벽은 캡 어셈블리의 안전 벤트 부재와 접하고 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 캡 어셈블리는 전지셀의 이상 작동 시에, 셀 케이스 내부에서 발생하는 가스로 인해 내압이 증가하는 경우, 상기 가스를 외부로 배출하도록 개방되는 안전 벤트 부재를 포함할 수 있다.
이때, 상기 안전 벤트 부재는 전지셀의 안전성을 확보할 수 있도록, 소망하는 압력에서 필수적으로 개방되어야 하나, 상기 안전 벤트 부재가 장착된 캡 어셈블리의 외주변 부위에서, 밀봉성이 저하되는 경우, 상기 셀 케이스 내부에서 발생하는 가스가 상기 외주변 부위를 통해 유출될 수 있으며, 이로 인해 전지셀의 내압이 충분히 상승하지 않아 안전 벤트 부재가 소망하는 수준에서 개방되지 않을 수 있고, 이러한 현상이 지속되는 경우 전지셀의 오작동으로 인한 발화 내지 폭발을 유발할 수 있는 문제점이 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 원통형 전지셀은 상기 가스켓의 지지부와 측벽은 캡 어셈블리의 안전 벤트 부재와 접하고 있는 구조로 이루어짐으로써, 상기 안전 벤트 부재가 장착된 부위에서의 밀봉성을 확보할 수 있으며, 상기 안전 벤트 부재의 미개방으로 인해 발생할 수 있는 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 캡 어셈블리는 소망하는 강도를 발휘하는 동시에, 상기 캡 어셈블리의 상단이 전극 단자로서의 역할을 수행할 수 있도록, 금속 소재로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 캡 어셈블리와 가스켓은 접착제에 의한 접착 또는 레이저 플라스틱 용접으로 결합되어 있는 구조일 수 있다.
그러나, 상기 캡 어셈블리와 가스켓의 결합 방법이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 캡 어셈블리와 가스켓 사이의 우수한 결합력을 발휘함으로써, 구조적 안정성을 발휘할 수 있는 것이라면, 그 결합 방법이 크게 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 가스켓의 지지부의 하단은 캡 어셈블리의 전류 차단 부재를 지지하도록 내향 연장된 구조로 이루어질 수 있다.
일반적으로 원통형 전지셀은 비정상적인 작동시 전류를 차단하고 내압을 해소하기 위한 전류 차단 부재와 안전 벤트 부재가 전극조립체와 캡 어셈블리의 상단 사이의 공간에 장착되어 있다.
이에 따라, 상기 가스켓의 지지부의 하단은 내향 연장된 구조로 이루어짐으로써, 상기 캡 어셈블리 상단과의 사이에 위치한 전류 차단 부재를 보다 안정적으로 지지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는, 원통형 구조로 이루어진 셀 케이스의 수납부 공간을 최대한 활용함으로써, 용량 및 에너지 밀도를 최대화할 수 있도록, 긴 시트 형상의 양극과 음극 사이에 분리막 시트가 개재된 상태에서, 일방향으로 권취된 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 원통형 전지셀은,
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하는 전극조립체;
상기 전극조립체가 내장되는 수납부를 형성하도록, 상부가 개방된 원통형 구조로 이루어진 셀 케이스;
상기 셀 케이스에 전극조립체와 전해액이 내장된 상태에서, 셀 케이스의 개방된 상부를 밀봉하도록 셀 케이스에 결합되는 캡 어셈블리; 및
상기 캡 어셈블리의 외주변과 셀 케이스 사이에 전기절연 상태를 유지하면서 밀봉성을 제공하도록, 캡 어셈블리의 외주변을 감싸는 구조로 장착되어 있는 가스켓;
을 포함하고 있고,
상기 가스켓의 외주면에는, 셀 케이스의 상단부를 수용하면서 결합되도록, 내측으로 만입된 결합형 단차가 형성되어 있으며,
상기 가스켓은 결합형 단차가 셀 케이스의 상단부와 용접된 상태로 결합되어 셀 케이스를 밀봉하는 구조일 수 있다.
상기 구성 내지 구조를 제외한 원통형 전지셀의 나머지 구성 내지 구조는 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 전지셀은, 캡 어셈블리의 외주변에 장착된 가스켓의 외주면에 셀 케이스의 상단부를 수용하면서 결합되도록, 내측으로 만입된 결합형 단차가 형성됨으로써, 상기 결합형 단차가 셀 케이스의 상단부와 결합되어 셀 케이스를 밀봉하므로, 캡 어셈블리를 안착하여 고정하기 위한 비딩부 및 크림핑부를 형성할 필요가 없으며, 이에 따라 상기 셀 케이스 내의 수납부 공간을 보다 증가시킬 수 있어, 상기 수납부에 수납되는 전극조립체의 크기 및 용량을 증가시킬 수 있고, 상기 비딩부 및 크림핑부를 형성하는 과정에서 물리적 외력으로 인해 발생할 수 있는 가스켓의 손상 및 밀봉력 저하와 제품의 불량을 예방할 수 있는 동시에, 상기 비딩부 및 크림핑부의 불균일한 형상 내지 크기로 인해 발생할 수 있는 치수 안정성 저하를 방지해, 균일한 형상 내지 크기를 갖는 전지셀을 보다 용이하게 제작할 수 있으며, 상기 캡 어셈블리의 외주변에 장착된 가스켓과 셀 케이스는 레이저 플라스틱 용접에 의해 결합됨으로써, 상기 가스켓과 셀 케이스가 상이한 소재로 이루어져 있음에도 불구하고 우수한 결합력을 발휘해, 전체적인 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 원통형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 2는 도 1의 "A"부분의 구조를 확대하여 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀의 캡 어셈블리가 결합된 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 전지셀의 상면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1의 "A"부분의 구조를 확대하여 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀의 캡 어셈블리가 결합된 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 전지셀의 상면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀의 캡 어셈블리가 결합된 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 원통형 전지셀(300)은 셀 케이스(310)의 개방된 상부에 캡 어셈블리(320)가 결합되어 밀봉된 구조로 이루어져 있다.
캡 어셈블리(320)의 외주변과 셀 케이스(310)의 내면 사이에는, 가스켓이 캡 어셈블리(320)의 외주변을 감싸는 구조로 장착되어 있다.
가스켓(330)은 캡 어셈블리(320)의 하면의 외주변 부위를 지지하는 지지부(331) 및 캡 어셈블리(320)의 외주변을 감싸도록, 지지부(331)의 외측 단부로부터 상향 연장되어 있는 측벽(332)을 포함하고 있다.
가스켓(330)의 측벽(332)의 외주면에는 셀 케이스(310)의 상단부를 수용하면서 결합되도록, 셀 케이스(310)의 두께와 동일한 깊이로 내측으로 만입된 결합형 단차(333)가 형성되어 있다.
결합형 단차(333)는, 가스켓(330)의 측벽(332)의 전체 높이(L1)를 기준으로, 가스켓(330)의 측벽(332)의 상단으로부터 약 25% 길이(L2)로 이격된 부위에 형성되어 있다.
결합형 단차(333)와 셀 케이스(310)의 상단부가 대면하여 외측 방향으로 노출된 접촉 계면(P1)는 레이저 플라스틱 용접에 의해 결합되어 있다.
가스켓(330)의 측벽(332)의 내면에는, 캡 어셈블리(320)의 이탈을 방지하도록, 내측으로 돌출된 테이퍼 형상의 고정용 돌기(334)가 형성되어 있다.
안전 벤트 부재(322)는 외주변 부위가 캡 어셈블리(320)의 상단부(321)의 외주변 부위를 감싸도록 연장 및 절곡되어 있으며, 가스켓(330)의 지지부(331)와 측벽(332)은 연장 및 절곡된 캡 어셈블리(320)의 안전 벤트 부재(322)의 외주변과 접하고 있어, 밀봉성을 향상시킬 수 있다.
가스켓(330)의 지지부(331)의 하단(335)은 캡 어셈블리(320)의 전류 차단 부재를 지지하도록 내향 연장된 구조로 이루어져 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 전지셀의 상면 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 가스켓(430)의 측벽의 외면에는, 셀 케이스의 개방된 상부에 대한 용접 면적을 증가시키도록, 결합형 단차와 동일한 깊이로 만입된 부분 결합형 단차(431)가 소정의 간격을 두고 규칙적으로 이격되어 형성되어 있다.
따라서, 외측 방향으로 노출된 가스켓(430)의 결합형 단차와 셀 케이스의 상단부 사이의 접촉 계면(432)을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 접촉 계면(432)에 대한 용접 면적이 증가함으로써, 보다 우수한 결합력을 발휘할 수 있다.
상기 구조를 제외한 원통형 전지셀의 나머지 구조는 도 3의 전지셀과 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
측벽의 외주면에 내측으로 만입된 결합형 단차를 포함하는 가스켓을 캡 어셈블리의 외주변에 장착하고, 상기 캡 어셈블리를 원통형 구조로 이루어진 셀 케이스의 개방된 상단에 결합하는 과정에서, 상기 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스 상단부 사이의 중첩 부위에 100 마이크로미터 두께의 탄성 시트를 개재한 상태에서, LAMP 용접에 의해 상기 캡 어셈블리를 셀 케이스의 개방된 상단에 결합함으로써, 도 3과 같은 구조의 원통형 전지셀을 제조하였다.
<비교예 1>
캡 어셈블리의 결합시 LAMP 용접을 사용하지 않고, 비딩부와 크림핑부를 형성해 결합함으로써, 도 2와 같은 구조의 원통형 전지셀을 제조한 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 크기의 원통형 전지셀을 제조하였다.
<비교예 2>
LAMP 용접에 의해 캡 어셈블리를 결합하는 과정에서, 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스 상단부 사이의 중첩 부위에 탄성 시트를 개재하지 않은 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 구조의 원통형 전지셀을 제조하였다.
<실험예 1>
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 원통형 전지셀의 하면에 관통구를 각각 천공하고, 물이 담긴 수조에 침지시켰다. 상기 천공된 관통구로부터 기포가 새어 나오지 않을 때까지 대기한 후, 내부가 완전히 물로 채워진 각각의 전지셀들을 상기 물이 담긴 수조에서 꺼내었다. 이후, 상기 전지셀들의 내부에 채워져 있는 물의 부피를 각각 별도로 준비된 눈금 실린더를 사용해 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 물의 부피(cm3) | |
| 실시예 1 | 68.7 |
| 비교예 1 | 66.1 |
표 1에서 보이는 바와 같이, 캡 어셈블리가 LAMP 용접에 의해 결합됨으로써, 별도의 비딩부 및 크림핑부를 형성하지 않은 실시예 1의 경우, 상기 비딩부 및 크림핑부를 형성해 캡 어셈블리를 결합한 비교예 1에 비해, 전체적인 크기가 동일함에도 불구하고, 전지셀 내부 공간의 부피가 증가하였음을 알 수 있다. 이는 내측으로 만입되는 구조로 형성된 비딩부와 크림핑부가 전지셀 내부의 수납부 공간을 감소시키는 요인으로 작용하였음을 나타내며, 이에 따라 상기 비딩부 및 크림핑부를 형성하지 않는 본원발명의 전지셀은 보다 큰 수납부로 인해, 상기 수납부에 수납되는 전극조립체의 크기를 증가시킬 수 있어, 보다 높은 용량을 갖도록 형성될 수 있음을 나타낸다.
<실험예 2>
실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 각각의 원통형 전지셀의 하면과 캡 어셈블리의 상면에 대해, 서로 대향하는 방향으로 작용하는 장력을 인가함으로써, 상기 원통형 전지셀의 셀 케이스로부터 캡 어셈블리가 완전히 분리될 때까지의 장력을 각각 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 장력(kg/cm2) | |
| 실시예 1 | 200 |
| 비교예 2 | 150 |
표 2에서 보이는 바와 같이, 캡 어셈블리가 LAMP 용접에 의해 결합되는 과정에서, 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스 상단부 사이의 중첩 부위에 탄성 시트가 개재된 실시예 1의 경우, 상기 탄성 시트가 개재되지 않은 비교예 2에 비해, 캡 어셈블리가 셀 케이스로부터 완전히 분리된 시점에서의 장력이 보다 큰 것을 알 수 있다. 이는 상기 탄성 시트가 LAMP 용접에 의한 캡 어셈블리의 결합시, 가스켓과 셀 케이스 사이의 물리적 특성 차이를 완화 내지 해소함으로써, 상기 결합 부위에서 발생하는 응력을 완화시켜 결합력을 향상시켰음을 나타내며, 이에 따라 상기 결합 부위의 내구성과 강도가 향상되었음을 나타낸다.
이상 본 발명의 실시예 및 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (20)
- 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하는 전극조립체;
상기 전극조립체가 내장되는 수납부를 형성하도록, 상부가 개방된 원통형 구조로 이루어진 셀 케이스;
상기 셀 케이스에 전극조립체와 전해액이 내장된 상태에서, 셀 케이스의 개방된 상부를 밀봉하도록 셀 케이스에 결합되는 캡 어셈블리; 및
상기 캡 어셈블리의 외주변과 셀 케이스 사이에 전기절연 상태를 유지하면서 밀봉성을 제공하도록, 캡 어셈블리의 외주변을 감싸는 구조로 장착되어 있는 가스켓;
을 포함하고 있고,
상기 가스켓의 외주면에는, 셀 케이스의 상단부를 수용하면서 결합되도록, 내측으로 만입된 결합형 단차가 형성되어 있으며,
상기 가스켓은 결합형 단차가 셀 케이스의 상단부와 결합되어 셀 케이스를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀. - 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓의 결합형 단차가 내측으로 만입된 깊이는 셀 케이스의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓은 고분자 수지 또는 고무 소재로 이루어져 있고, 상기 셀 케이스는 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스의 상단부는 레이저 플라스틱 용접에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 4 항에 있어서, 상기 레이저 플라스틱 용접은 LAMP(Laser-Assisted Metal and Plastic) 용접인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 4 항에 있어서, 상기 레이저 플라스틱 용접은 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스의 상단부가 중첩된 상태에서, 상기 중첩 부위에 대응되는 가스켓의 적어도 일부가 용융되도록 레이저를 조사함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 6 항에 있어서, 상기 가스켓의 결합형 단차와 셀 케이스 상단부 사이의 중첩 부위에는 탄성 시트가 개재되는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 7 항에 있어서, 상기 탄성 시트의 두께는 50 마이크로미터 내지 200 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓은,
상기 캡 어셈블리의 하면의 외주변 부위를 지지하는 지지부; 및
상기 캡 어셈블리의 외주변을 감싸도록, 상기 지지부의 외측 단부로부터 상향 연장되어 있는 측벽;
을 포함하고 있으며,
상기 결합형 단차는 상기 측벽의 외면 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀. - 제 9 항에 있어서, 상기 측벽은 캡 어셈블리의 상단에 대응하는 높이만큼 상향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 9 항에 있어서, 상기 결합형 단차는, 가스켓 측벽의 전체 높이를 기준으로, 상기 상향 연장된 가스켓 측벽의 상단으로부터 10% 내지 50% 길이로 이격된 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 9 항에 있어서, 상기 결합형 단차는 가스켓 측벽의 외면을 따라 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 9 항에 있어서, 상기 가스켓 측벽의 외면 중에서, 상향 연장된 단부로부터 결합형 단차에 이르는 외면에는, 셀 케이스의 개방된 상부에 대한 용접 면적을 증가시키도록, 상기 결합형 단차와 동일한 깊이로 만입된 부분 결합형 단차들이 소정의 간격을 두고 규칙적으로 이격되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 9 항에 있어서, 상기 가스켓 측벽의 내면에는, 캡 어셈블리의 이탈을 방지하도록, 내측으로 돌출된 테이퍼 형상의 고정용 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 9 항에 있어서, 상기 가스켓의 지지부와 측벽은 캡 어셈블리의 안전 벤트 부재와 접하고 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 캡 어셈블리는 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 캡 어셈블리와 가스켓은 접착제에 의한 접착 또는 레이저 플라스틱 용접으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓의 지지부의 하단은 캡 어셈블리의 전류 차단 부재를 지지하도록 내향 연장된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 긴 시트 형상의 양극과 음극 사이에 분리막 시트가 개재된 상태에서, 일방향으로 권취된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
- 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하는 전극조립체;
상기 전극조립체가 내장되는 수납부를 형성하도록, 상부가 개방된 원통형 구조로 이루어진 셀 케이스;
상기 셀 케이스에 전극조립체와 전해액이 내장된 상태에서, 셀 케이스의 개방된 상부를 밀봉하도록 셀 케이스에 결합되는 캡 어셈블리; 및
상기 캡 어셈블리의 외주변과 셀 케이스 사이에 전기절연 상태를 유지하면서 밀봉성을 제공하도록, 캡 어셈블리의 외주변을 감싸는 구조로 장착되어 있는 가스켓;
을 포함하고 있고,
상기 가스켓의 외주면에는, 셀 케이스의 상단부를 수용하면서 결합되도록, 내측으로 만입된 결합형 단차가 형성되어 있으며,
상기 가스켓은 결합형 단차가 셀 케이스의 상단부와 용접된 상태로 결합되어 셀 케이스를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 원통형 전지셀.
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| KR1020170004071A KR102234221B1 (ko) | 2017-01-11 | 2017-01-11 | 가스켓이 용접에 의해 결합되어 있는 원통형 전지셀 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109216596A (zh) * | 2018-08-09 | 2019-01-15 | 广东微电新能源有限公司 | 一种电池 |
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- 2017-01-11 KR KR1020170004071A patent/KR102234221B1/ko active IP Right Grant
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| KR102234221B1 (ko) | 2021-03-31 |
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