KR20230003993A - 이차전지 - Google Patents

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KR20230003993A
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Abstract

본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 밀폐 강도를 높이고 안전성을 개선할 수 있는 이차전지를 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 일면이 개방되어 상기 조립체를 수용하는 캔; 상기 캔의 일면을 밀봉하는 캡플레이트; 상기 전극조립체와 상기 캡플레이트 사이에 배치되는 제1 집전판; 상기 캔과 상기 제1 집전판을 전기적으로 연결함과 동시에 물리적으로 고정하는 전도성 페이스트; 상기 캔의 타면에 설치되는 단자; 및 상기 제2 전극판과 상기 단자를 전기적으로 연결하는 제2 집전판을 포함하는 이차전지를 개시한다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}
본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차전지는 스마트폰, 피처폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라, 캠코더 등과 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량의 이차전지는 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동 및 전력 저장용 전지로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지는 음극과 양극으로 이루어지는 전극조립체, 이를 수용하는 캔, 전극조립체에 연결되는 단자 등을 포함할 수 있다. 이차전지는 그 형상에 따라 원통형, 각형 및 파우치형 등으로 구분할 수 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것일 뿐이며, 따라서 종래기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예는 밀폐 강도를 높이고 안전성을 개선할 수 있는 이차전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체; 일면이 개방되어 상기 조립체를 수용하는 캔; 상기 캔의 일면을 밀봉하는 캡플레이트; 상기 전극조립체와 상기 캡플레이트 사이에 배치되는 제1 집전판; 상기 캔과 상기 제1 집전판을 전기적으로 연결함과 동시에 물리적으로 고정하는 전도성 페이스트; 상기 캔의 타면에 설치되는 단자; 및 상기 제2 전극판과 상기 단자를 전기적으로 연결하는 제2 집전판을 포함할 수 있다.
또한 상기 전도성 페이스트는 상기 캔의 내주면과 상기 제1 집전판의 가장자리의 경계에 해당하는 부위에 위치할 수 있다.
또한 상기 전도성 페이스트는 상기 캡플레이트와 상기 제1 집전판 사이에 위치할 수 있다.
또한 상기 캡플레이트는 상기 전도성 페이스트가 위치할 공간을 제공하는 수용부가 형성될 수 있다.
또한 상기 캡플레이트는 가장자리가 전체적으로 상기 제1 집전판으로부터 멀리 절곡됨으로써 상기 수용부가 형성될 수 있다.
또한 상기 제1 집전판은 상기 제1 전극판에 접하기 위한 제1 영역 및 상기 캡플레이트에 접하기 위한 제2 영역을 포함하여, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역에 대해 높이 차를 갖도록 탄성 변형 가능하게 절곡되어 있을 수 있다.
또한 상기 캡플레이트는 전해액 주입공이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예는 전도성 페이스트를 이용해 캔과 제1 집전판을 전기적으로 연결함과 동시에 물리적으로 고정함으로써 밀폐 강도를 높일 수 있다.
또한 캔과 제1 집전판을 결합하는 데 용접을 사용하지 않기 때문에, 용접 시 이물이 발생할 가능성, 그 이물로 인해 안전성이 저하될 가능성 등을 없앨 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 2는 도 1에서 A 부분의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 제1 집전판의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술분야에서 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 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
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 "포함할 수 있다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"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.
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 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 단면도이고, 도 2는 도 1에서 A 부분의 확대도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)의 제1 집전판(150)의 사시도이다.
도 1, 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 전극조립체(110), 캔(120), 캡플레이트(130), 제1 가스켓(140), 제1 집전판(150), 단자(160), 제2 가스켓(170) 및 제2 집전판(180)을 포함한다.
전극조립체(110)는 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터를 포함한다.
제1 전극판은 음극판과 양극판 중 어느 하나일 수 있다. 제1 전극판이 음극판인 경우, 제1 전극판은 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 전도성 금속 박판, 예를 들면 구리 또는 니켈 포일 또는 메시로 이루어진 음극집전판에 음극활물질이 코팅된 음극코팅부 및 음극활물질이 코팅되지 않은 음극무지부를 포함할 수 있다. 여기서 음극활물질은 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 탄소 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체, 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이트 또는 금속 산화물 등으로 이루어질 수 있다.
제2 전극판은 음극판과 양극판 중 다른 하나일 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 전극판이 음극판이라면 제2 전극판은 양극판이 되는데, 이 경우 제2 전극판은 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 전도성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄 포일 또는 메시로 이루어진 양극집전판에 양극활물질이 코팅된 양극코팅부 및 양극활물질이 코팅되지 않은 양극무지부를 포함할 수 있다. 여기서 양극활물질은 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물, 예를 들면 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNiMnO2 등의 복합 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
세퍼레이터는 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 개재되어 제1 전극판과 제2 전극판 간 쇼트를 방지하는 역할을 한다. 세퍼레이터는 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 다공성 공중합체 등으로 이루어질 수 있다.
이러한 전극조립체(110)는 예컨대 제1 전극판의 하단이 제2 전극판의 하단보다 하측으로 돌출되게, 그리고 제2 전극판의 상단이 제1 전극판의 상단보다 상측으로 돌출되게 적층되어, 이른바 젤리롤(jelly-roll) 형태로 권취될 수 있다.
캔(120)은 전극조립체(110)를 수용하기 위해 일면이 개방되고, 타면이 폐쇄된 원통형으로 형성된다. 도 1에서는 하면이 개방되고 상면이 폐쇄되는 것으로 예시되어 있으나, 필요에 따라 상면이 개방되고 하면이 폐쇄되는 것도 가능하다. 다만 이하에서는 이해의 편의를 위해 도 1에 나타난 바와 같이 상면이 개방되고 하면이 폐쇄되는 것으로 설명한다. 이 경우 캔(120)은 하부에 돌출부(121)와 절곡부(122)가 형성될 수 있다. 돌출부(121)는 제1 집전판(150)이 설치되었을 때, 도 1을 기준으로, 제1 집전판(150)의 상측에서, 내측으로 약간 돌출되어, 제1 집전판(150)을 지지하는 역할을 한다. 또한 절곡부(122)는 캡플레이트(130)가 설치되었을 때, 도 1을 기준으로, 캡플레이트(130)의 상측에서, 크림핑(crimping) 공법에 의해, 내측으로 절곡되어, 캡플레이트(130)의 가장자리를 덮어 캡플레이트(130)가 이탈하는 것을 방지하는 역할을 한다.
캡플레이트(130)는 캔(120)의 하면에 대응되는 형상, 이를테면 원판형으로 형성되어, 캔(120)의 하면을 밀봉하는 역할을 한다. 또한 캡플레이트(130)는 미리 정해진 위치에 미리 정해진 모양으로 노치(131)가 형성된다. 이러한 노치(131)는 안전 벤트로서 역할을 한다. 따라서 이차전지(100)가 작동 중 이상으로 내부에서 가스가 발생하여 특정한 압력을 초과하면, 캡플레이트(130)가 그 힘에 의해 노치(131)를 따라 저절로 절개됨으로써 가스 및 압력을 신속하게 방출하여 이차전지(100)가 폭발하는 것을 방지할 수 있다. 또한 캡플레이트(130)는 가장자리에, 제1 집전판(150)으로부터 국부적으로 이격되어 그 사이에 소정의 공간을 제공하는 수용부(132)가 형성된다. 이러한 공간은 후술할 전도성 페이스트(P)가 위치하기 위한 것이다. 도 1에서는 캡플레이트(130)가 대략 접시 형태로, 가장자리가 전체적으로 제1 집전판(150)으로부터 멀리 절곡됨으로써 수용부(132)가 형성되는 것으로 예시되어 있다. 이 경우 전도성 페이스트(P)는 캔(120)의 내주면, 캡플레이트(130)의 가장자리 및 제1 집전판(150)의 가장자리에 의해 정의되는 공간에 위치한다.
한편 캔(120)의 절곡부(122)와 캡플레이트(130)의 가장자리 사이에 제1 가스켓(140)이 설치될 수 있는데, 이는 밀폐 강도를 높이는 역할을 한다.
제1 집전판(150)은 캔(120)의 내측에서 전극조립체(110)와 캡플레이트(130) 사이에 배치되어, 전극조립체(110)의 제1 전극판과 캡플레이트(130)를 전기적으로 연결할 수 있다. 전술한 바와 같이 전극조립체(110)의 제1 전극판이 음극판이라면 제1 집전판(150), 제1 집전판(150)에 접하게 되는 캔(120) 및 캡플레이트(130)는 음극을 띄게 될 것이다.
캔(120)과 제1 집전판(150)은 전도성 페이스트(P)에 의해 서로 접합될 수 있다. 이를 위해 우선 캔(120)에 전극조립체(110)가 설치되어 있는 상태에서, 제1 집전판(150)이 전극조립체(110)의 제1 전극판에 접하도록, 제1 집전판(150)을 캔(120)의 하부에 배치하고, 캔(120)의 내주면과 제1 집전판(150)의 가장자리의 경계에 해당하는 부위에 전도성 페이스트(P)를 도포한다. 다음으로 캡플레이트(130)가 제1 집전판(150)에 접하도록, 캡플레이트(130)로 캔(120)의 하면을 폐쇄하고, 국부적인 열 압착을 통해 전도성 페이스트(P)를 경화시킨다. 이후 캡플레이트(130)의 가장자리에 제1 가스켓(140)을 배치하고, 캔(120)의 하단을 내측으로 절곡하여 캡플레이트(130)를 고정한다.
이처럼 전도성 페이스트(P)를 활용하면, 절곡부(122)를 이용해 캡플레이트(130)를 고정하는 것에 더하여, 전도성 페이스트(P)를 이용해 제1 집전판(150)을 고정함으로써, 밀폐 강도를 더욱 높일 수 있다.
한편 전도성 페이스트(P) 자체는 이미 공지된 소재로서, 통상의 기술자라면 본 발명을 참조하여 캔(120)과 제1 집전판(150)을 전기적으로 연결함과 동시에 물리적으로 고정할 수 있으면서, 이차전지에 적용하기 부적절한 물성을 갖지 않는 것으로 적절하게 선택하여 사용할 수 있을 것이므로, 이에 대해 구체적인 설명은 생략한다.
위에서는 캔(120)과 제1 집전판(150)만 전도성 페이스트(P)에 의해 서로 접합되는 것으로 언급했으나, 필요에 따라 캡플레이트(130)도 전도성 페이스트(P)에 의해 함께 접합될 수 있다. 즉 캔(120)의 내주면과 제1 집전판(150)의 가장자리의 경계에 해당하는 부위에, 캡플레이트(130)의 수용부(132)보다 비교적 더 작은 부피로 전도성 페이스트(P)를 도포함으로써 캔(120)과 제1 집전판(150)만 전도성 페이스트(P)에 의해 서로 접합되게 할 수도 있고, 캡플레이트(130)의 수용부(132)와 실질적으로 동일하거나 그보다 약간 더 작은 부피로 전도성 페이스트(P)를 도포함으로써 캡플레이트(130)도 전도성 페이스트(P)에 의해 함께 접합되게 할 수도 있다.
한편 도 3을 참조하면 제1 집전판(150)은 전체적으로 원판형으로 형성되되, 일부 영역(151)이 절개되어 다른 영역(152)에 대해 절곡되는 구조를 가질 수 있다. 보다 구체적으로 제1 집전판(150)은 전극조립체(110)의 제1 전극판에 주로 접하기 위한 제1 영역(151) 및 캡플레이트(130)에 주로 접하기 위한 제2 영역(152)을 포함하여, 제1 영역(151)이 제2 영역(152)에 대해 높이 차(수직 오프셋)를 갖도록 탄성 변형 가능하게 절곡되는 구조를 가질 수 있다. 이에 의하면 제조 시 전극조립체(110), 캔(120), 캡플레이트(130), 제1 집전판(150) 등에 공차가 발생하더라도 유연한 제1 집전판(150)을 통해, 제1 영역(151)은 전극조립체(110)의 제1 전극판에 긴밀하게 접하고, 제2 영역(152)은 캡플레이트(130)에 긴밀하게 접하도록 조립할 수 있다.
또한 캡플레이트(130)는 전해액 주입구가 형성될 수도 있고 형성되지 않을 수도 있다. 도 1에서는 전해액 주입구가 형성되어 있지 않은 것으로 예시되어 있다. 만약 전해액 주입구가 형성되어 있다면, 전술한 바와 같이 제1 집전판(150)을 배치하여 전도성 페이스트(P)를 도포하고 캡플레이트(130)로 캔(120)의 하면을 폐쇄하여 전도성 페이스트(P)를 경화시킨 다음 크림핑 공법으로 캡플레이트(130)를 고정한 후에 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입한 뒤 밀봉하는 방식으로 공정을 진행할 수 있다. 만약 전해액 주입구가 형성되어 있지 않다면, 캡플레이트(130)로 캔(120)의 하면을 폐쇄하기 전에 캔(120)의 하면을 통해 전해액을 주입하는 방식으로 공정을 진행할 수 있다.
단자(160)는 캔(120)의 상면에 설치된다. 도 1에서는 단자(160)가 리벳 형태로 설치되는 것으로 예시되어 있다. 즉 캔(120)의 상면에 홀이 형성되어, 단자(160)가 그 홀을 관통하여 배치되고 상단은 캔(120)의 상측에서 그에 지지되며 하단은 제2 집전판(180)의 하측에서 그에 지지됨으로써 고정되어 있다. 이때 제2 가스켓(170)은 캔(120)과 단자(160) 사이에 설치되어 이들을 절연하고, 제2 집전판(180)은 전극조립체(110)의 제2 전극판과 단자(160)를 전기적으로 연결한다. 따라서 단자(160)는 양극을 띄게 된다. 다만 이처럼 양극 단자를 구성하는 것은 단순히 하나의 예시에 불과하며, 본 발명의 보호범위가 이로 제한되는 것은 아니다. 통상의 기술자라면 종래 원통형 이차전지를 참조하여 양극 단자를 얼마든지 다르게 구성할 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이차전지를 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.

Claims (7)

  1. 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터를 포함하는 전극조립체;
    일면이 개방되어 상기 조립체를 수용하는 캔;
    상기 캔의 일면을 밀봉하는 캡플레이트;
    상기 전극조립체와 상기 캡플레이트 사이에 배치되는 제1 집전판;
    상기 캔과 상기 제1 집전판을 전기적으로 연결함과 동시에 물리적으로 고정하는 전도성 페이스트;
    상기 캔의 타면에 설치되는 단자; 및
    상기 제2 전극판과 상기 단자를 전기적으로 연결하는 제2 집전판을 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 페이스트는 상기 캔의 내주면과 상기 제1 집전판의 가장자리의 경계에 해당하는 부위에 위치하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 페이스트는 상기 캡플레이트와 상기 제1 집전판 사이에 위치하는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캡플레이트는 상기 전도성 페이스트가 위치할 공간을 제공하는 수용부가 형성되는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캡플레이트는 가장자리가 전체적으로 상기 제1 집전판으로부터 멀리 절곡됨으로써 상기 수용부가 형성되는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집전판은 상기 제1 전극판에 접하기 위한 제1 영역 및 상기 캡플레이트에 접하기 위한 제2 영역을 포함하여, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역에 대해 높이 차를 갖도록 탄성 변형 가능하게 절곡되어 있는 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 캡플레이트는 전해액 주입공이 형성되는 이차전지.
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