KR20210044114A - 원통형 전지 및 원통형 전지 제조 방법 - Google Patents

원통형 전지 및 원통형 전지 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극 조립체, 및 상기 전극 조립체가 수납되고, 수지로 형성된 전지 케이스를 포함하며, 상기 전지 케이스는 상부 케이스, 측면 케이스 및 하부 케이스를 포함하고, 상기 측면 케이스에는 중공이 형성된 원통형 전지에 관한 것이다.

Description

원통형 전지 및 원통형 전지 제조 방법{CYLINDRICAL BATTERY AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 원통형 전지 및 원통형 전지 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 화석 연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래 생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산 기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장 장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
더욱이, 모바일 기기와 전지 자동차에 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. 특히, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높다.
이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류된다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극 조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
이러한 전극 조립체들을 사용 목적에 따라, 파우치 케이스, 원통형 캔, 및 각형 케이스 등에 수납하여 전지를 제조한다.
이 중에서, 원통형 전지는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어, 휴대용 컴퓨터에서 전지 자동차에 이르기까지 다양한 기기들의 에너지원으로 사용되고 있다.
도 1은 종래의 원통형 전지를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 원통형 전지(10)는 젤리-롤형 전극 조립체(12)를 원통형 케이스(13)에 수납하고, 원통형 케이스(13) 내에 전해액을 주입한 후 원통형 케이스(13)의 개방 상단에 탑 캡(14)을 결합하여 제작한다. 젤리-롤형 전극 조립체(12)는 양극(12a), 분리막(12b) 및 음극(12c)을 차례로 적층하여 둥근 형태로 귄취한 구조이다. 전극 조립체(12)의 중심부에는 원통형의 센터 핀(15)이 삽입되어 있다. 이러한 센터 핀(15)은 전극 조립체(12)를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
이러한 종래의 원통형 전지(10)의 원통형 케이스(13)는 금속 재질로 이루어진 단일층 구조이기 때문에 외부로 열이 쉽게 방출된다. 따라서, 저온 환경에서 원통형 전지(10)가 사용될 때 충방전 과정에서 발생한 내부 열은 외부로 쉽게 방출되어 전지의 성능이 급격히 감소하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 단열성이 우수한 전지 케이스를 구비한 원통형 전지를 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지는 전극 조립체, 및 상기 전극 조립체가 수납되고, 수지로 형성된 전지 케이스를 포함할 수 있다.
상기 전지 케이스는 상부 케이스, 측면 케이스 및 하부 케이스를 포함하고, 상기 측면 케이스에는 중공이 형성될 수 있다.
상기 측면 케이스는 내부 케이스와 외부 케이스를 포함할 수 있다.
상기 중공은 상기 내부 케이스와 상기 외부 케이스 사이에 형성될 수 있다.
상기 하부 케이스는 단자 연결부를 포함할 수 있다.
상기 단자 연결부의 옆면에는 계단형 단차가 형성될 수 있다.
상기 하부 케이스는 상기 단자 연결부의 형상에 대응하는 장착 공간을 포함할 수 있다.
상기 단자 연결부는 금속 소재로 이루어질 수 있다.
상기 전극 조립체의 음극 탭이 상기 단자 연결부에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 상부 케이스는 제1 결합부를 포함할 수 있다.
상기 측면 케이스는 제2 결합부를 포함할 수 있다.
상기 제1 결합부는 래치일 수 있다.
상기 제2 결합부는 상기 래치가 체결되는 홈을 포함할 수 있다.
상기 제1 결합부는 나사산 또는 나사골을 포함할 수 있다.
상기 제2 결합부는 상기 나사산 또는 나사골에 결합되는 나사산 또는 나사골을 포함할 수 있다.
상기 원통형 전지를 제조하는 상기 원통형 전지 제조 방법은 상기 상부 케이스를 제조하는 단계, 상기 상부 케이스를 상기 측면 케이스에 연결하는 단계, 및 상기 단자 연결부를 상기 하부 케이스에 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 상부 케이스는 상기 측면 케이스에 강제 끼움 방식으로 체결될 수 있다.
상기 상부 케이스는 상기 측면 케이스에 나사산/나사골 결합 방식으로 결합할 수 있다.
상기 상부 케이스는 사출 성형으로 제조될 수 있다.
상기 단자 연결부는 상기 전지 케이스의 수납부에서 중력이 작용하는 방향으로 이동하며 상기 하부 케이스에 장착 공간에 장착될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 전지는 수지로 이루어지고 중공이 형성된 전지 케이스를 포함함으로써 우수한 단열성을 발휘할 수 있다.
도 1은 종래의 원통형 전지를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지를 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 2의 단자 연결부가 결합되는 것을 나타난 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원통형 전지를 나타낸 모식도이다.
도 5는 도 4의 상부 케이스가 분리된 것을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원통형 전지를 나타낸 모식도이다.
도 7은 도 6의 상부 케이스가 분리된 것을 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "중공"은 진공 상태의 빈공간을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지를 나타낸 수직 단면도이다. 도 3은 도 2의 단자 연결부가 결합되는 것을 나타난 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 원통형 전지(100)는 탑 캡(도시하지 않음), 전지 케이스(110), 단자 연결부(120) 및 전극 조립체(140)를 포함할 수 있다. 전극 조립체(140)는 전지 케이스(110) 내부에 수납될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 전극 조립체(140)의 일부를 생략하여 도시하였다.
상기 탑 캡은 전극 조립체(140)의 상단에 탑재될 수 있다. 상기 탑 캡은 안전 벤트(도시하지 않음) 및 전력 차단 부재(도시하지 않음)를 포함하는 구조일 수 있다. 또한 상기 탑 캡은 상기 안전 벤트 및 상기 전력 차단 부재를 포함하지 않는 구조일 수 있다.
전지 케이스(110)는 상부 케이스(111), 측면 케이스(112) 및 하부 케이스(113)를 포함할 수 있다. 측면 케이스(112)는 내부 케이스(112a) 및 외부 케이스(112b)를 포함할 수 있다.
전지 케이스(120)는 수지(RESIN)로 이루어질 수 있다. 상기 수지는 특별히 한정되지 않으나, 일 예로 테플론(TEFLON)일 수 있다. 수지로 이루어진 전지 케이스(120)는 금속 캔에 비해 열전도율이 낮기 때문에 원통형 전지(100)의 충방전 과정에서 발생하는 열이 원통형 전지(100) 내부에 더 오랫동안 유지될 수 있다.
상부 케이스(111)는 이미 비딩 공정이 완료된 형상일 수 있다. 이러한 형상은 사출 성형으로 제작될 수 있기 때문에 원통형 전지(100)의 제조 공정이 간소화될 수 있다. 상부 케이스(111)는 단일층으로 형성될 수 있다. 또한, 상부 케이스는 내부 케이스(112a)와 외부 케이스(112b)에 연결된 구조일 수 있다.
내부 케이스(112a)는 상기 전극 조립체가 수납되는 수납부(130) 쪽에 위치하고, 외부 케이스(112b)는 내부 케이스(112a)를 둘러싼 형태로 외부로 노출된 구조일 수 있다. 내부 케이스(112a)와 외부 케이스(112b)는 원통 형상일 수 있고, 내부 케이스(112a)의 직경은 외부 케이스(112b)의 직경보다 작게 형성될 수 있다. 내부 케이스(112a)와 외부 케이스(112b) 사이에는 소정의 거리만큼 이격된 공간(S)이 형성될 수 있다. 공간(S)은 중공일 수 있다. 진공 상태로 유지된 공간(S)은 단일층으로 형성된 금속 캔 구조에 비해 연전도율이 낮기 때문에 우수한 단열 효과를 발휘할 수 있다. 따라서, 원통형 전지(100)의 충방전 과정에서 발생하는 열이 원통형 전지(100)의 내부에 오랫동안 유지될 수 있다.
하부 케이스(113)는 내부 케이스(112a)와 외부 케이스(112b)와 연결된 구조일 수 있다. 내부 케이스(112a)와 외부 케이스(112b)는 하부 케이스(113)의 가장자리 부위에 형성될 수 있다. 하부 케이스(113)는 단일층으로 형성될 수 있다. 그리고, 하부 케이스(113)의 중심부에는 단자 연결부(120)가 형성될 수 있다. 또한, 하부 케이스(113)는 단자 연결부(120)의 형상에 대응하는 장착 공간(121)이 형성된 구조일 수 있다.
단자 연결부(120)는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 전극 조립체(140)의 음극 탭(140)이 단자 연결부(120)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에, 단자 연결부(120)는 원통형 전지(100)의 음극 단자가 될 수 있다.
단자 연결부(120)는 높이가 낮은 둘 이상의 원기둥들이 적층된 형상일 수 있다. 원기둥들은 서로 다른 단면 직경을 가지고 있기 때문에 단자 연결부(120)의 옆면은 계단형 단차가 형성된 구조일 수 있다. 일 예로, 단자 연결부(120)는 단면 직경이 작은 원기둥(C2) 상에 단면 직경이 큰 원기둥(C1)이 적층된 구조일 수 있다. 이에, 단자 연결부(120)는 수납부(130)에서 중력이 작용하는 방향으로 이동하며 장착 공간(121)에 장착될 수 있다.
단자 연결부(120)와 하부 케이스(113)는 다양한 연결 구조를 통해서 결합될 수 있다. 일 예로, 단자 연결부(120)와 하부 케이스(113)의 연결 부위에는 나사산과 나사골이 형성되어 상호 결합될 수 있다. 또한, 단자 연결부(120)와 하부 케이스(121)의 연결 부위에 고무 재질의 오링이 형성될 수 있다. 상기 결합을 통해서 전해액이 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원통형 전지를 나타낸 모식도이다.
도 5는 도 4의 상부 케이스가 분리된 것을 나타낸 모식도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 원통형 전지(200)는 탑 캡(도시하지 않음), 전지 케이스(210), 단자 연결부(220) 및 전극 조립체(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 전지 케이스(210)는 상부 케이스(211), 측면 케이스(212) 및 하부 케이스(213)를 포함할 수 있다.
상부 케이스(211)는 제1 결합부(211a)를 포함할 수 있다. 상부 케이스(211)는 제1 결합부(211a)를 통해서 측면 케이스(212)와 결합될 수 있다. 제1 결합부(211a)는 래치일 수 있다.
측면 케이스(212)는 내부 케이스(212a), 외부 케이스(212b) 및 제2 결합부(212c)를 포함할 수 있다. 측면 케이스(212)는 제2 결합부(212c)를 통해서 상부 케이스(211)와 결합할 수 있다. 제2 결합부(212c)는 상기 래치와 결합할 수 있는 홈 구조를 포함할 수 있다. 또한, 측면 케이스(212)에는 중공이 형성될 수 있다.
이러한 구조에 의해서 상부 케이스(211)와 측면 케이스(212)는 강제 끼움(SNAP-FIT) 방식으로 체결 될 수 있다. 이는 원통형 전지(100)의 제조 공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원통형 전지를 나타낸 모식도이다. 도 7은 도 6의 상부 케이스가 분리된 것을 나타낸 모식도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 원통형 전지(300)는 탑 캡(도시하지 않음), 전지 케이스(310), 단자 연결부(320) 및 전극 조립체(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 전지 케이스(310)는 상부 케이스(311), 측면 케이스(312) 및 하부 케이스(313)를 포함할 수 있다. 측면 케이스(312)는 내부 케이스(312a)와 외부 케이스(312b)를 포함할 수 있다.
상부 케이스(311)는 제1 결합부(311a)를 포함할 수 있다. 상부 케이스(311)는 제1 결합부(311a)를 통해서 측면 케이스(312)와 결합될 수 있다. 제1 결합부(311a)는 나사산 또는 나사골을 포함할 수 있다.
측면 케이스(312)는 내부 케이스(312a), 외부 케이스(312b) 제2 결합부(312c)를 포함할 수 있다. 측면 케이스(312)는 제2 결합부(312c)를 통해서 상부 케이스(311)와 결합할 수 있다. 제2 결합부(312c)는 나사산 또는 나사골을 포함할 수 있다. 또한, 측면 케이스(312)에는 중공이 형성될 수 있다.
이러한 구조에 의해서 상부 케이스(311)를 회전시키며 측면 케이스(312)에 결합할 수 있다. 이는 원통형 전지(300)의 제조 공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상부 케이스(311)를 필요에 따라 측면 케이스(312)로부터 용이하게 분리할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 전극 조립체, 및
    상기 전극 조립체가 수납되고, 수지로 형성된 전지 케이스를 포함하며,
    상기 전지 케이스는 상부 케이스, 측면 케이스 및 하부 케이스를 포함하고,
    상기 측면 케이스에는 중공이 형성된 원통형 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측면 케이스는 내부 케이스와 외부 케이스를 포함하는 원통형 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중공은 상기 내부 케이스와 상기 외부 케이스 사이에 형성된 원통형 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 케이스는 단자 연결부를 포함하는 원통형 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단자 연결부의 옆면에는 계단형 단차가 형성된 원통형 전지.
  6. 제4항에 있어서
    상기 하부 케이스는 상기 단자 연결부의 형상에 대응하는 장착 공간을 포함하는 원통형 전지.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 단자 연결부는 금속 소재로 이루어진 원통형 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 음극 탭이 상기 단자 연결부에 전기적으로 연결된 원통형 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상부 케이스는 제1 결합부를 포함하는 원통형 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 측면 케이스는 제2 결합부를 포함하는 원통형 전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 결합부는 래치인 원통형 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 결합부는 상기 래치가 체결되는 홈을 포함하는 원통형 전지.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 결합부는 나사산 또는 나사골을 포함하는 원통형 전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 결합부는 상기 나사산 또는 나사골에 결합되는 나사산 또는 나사골을 포함하는 원통형 전지.
  15. 제1항에 따른 원통형 전지를 제조하는 제조 방법으로서,
    상기 상부 케이스를 제조하는 단계;
    상기 상부 케이스를 상기 측면 케이스에 연결하는 단계; 및
    단자 연결부를 상기 하부 케이스에 연결하는 단계;
    를 포함하는 원통형 전지 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 상부 케이스는 상기 측면 케이스에 강제 끼움 방식으로 체결하는 원통형 전지 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 상부 케이스는 상기 측면 케이스에 나사산/나사골 결합 방식으로 결합하는 원통형 전지 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 상부 케이스는 사출 성형으로 제조하는 원통형 전지 제조 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 단자 연결부는 상기 전지 케이스의 수납부에서 중력이 작용하는 방향으로 이동하며 상기 하부 케이스에 장착 공간에 장착되는 원통형 전지 제조 방법.
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