KR20230013502A - 이차전지 - Google Patents

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KR20230013502A
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Abstract

본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것으로, 캔; 상기 캔에 수용되는 전극조립체; 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 집전판; 및 상기 캔의 일측에 결합되기 위한 결합부를 구비하고, 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되는 단자를 포함하고, 상기 결합부와 상기 집전판이 압력에 의해 기계적으로 결합되어 전기적으로 연결되는 것이 특징이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 용접이 아닌 기계적인 접합 방식으로 양극 단자를 결합하므로, 전지 내부에 금속성 이물질이 존재하지 않도록 할 수 있고, 전지의 안정성이 향상될 수 있다.

Description

이차전지{Secondary battery}
본 발명의 실시예는 단자 연결 구조가 개선된 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 원통형 이차전지는 원통 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체와 전해액을 수용하는 원통형태의 캔과, 캔의 상단 개구부에 결합되어 캔을 밀봉하고 전극 조립체에서 발생되는 전류를 외부장치로 흐르게 하는 캡 어셈블리를 포함한다. 또한, 원통형 이차전지는 음극 단자 및 양극 단자를 구비한다. 음극 단자는 음극 집전판에 전기적으로 연결되고, 양극 단자는 양극 집전판에 전기적으로 연결된다. 이때, 양극 단자와 양극 집전판은 주로 용접에 의해 전기적으로 연결된다.
그런데 용접 시 용접 부산물로 이물질이 발생하므로 이차전지 내부에 금속 이물질이 잔존하게 되면 전지의 안정성을 위협하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 초음파 저항 용접을 하는 경우 이물질 발생은 방지할 수 있으나, 집전판과 단자의 형상이나 두께에 따라 용접봉에 모재가 달라붙는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시 예는 단자 결합 구조가 개선된 이차전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 캔; 상기 캔에 수용되는 전극조립체; 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 집전판; 및 상기 캔의 일측에 결합되기 위한 결합부를 구비하고, 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되는 단자를 포함하고, 상기 결합부와 상기 집전판이 압력에 의해 기계적으로 결합되어 전기적으로 연결되는 것이 특징이다.
상기 결합부는 압력에 의해 상기 단자로부터 외측으로 절곡되고, 상기 집전판은 상기 단자와 상기 결합부의 사이에 삽입된 상태로 결합되는 것이 특징이다.
상기 결합부의 외경은 3파이 내지 8파이인 것이 특징이다.
상기 단자는 양극 단자인 것이 특징이다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 이차전지는, 일측이 개방된 원통형의 캔; 상기 캔에 수용되며, 제1 전극판 및 제2 전극판을 구비한 전극 조립체; 상기 캔과 상기 전극 조립체의 일측 사이에 배치되어 상기 제1 전극판과 전기적으로 연결되는 제1 집전판; 상기 캔과 상기 전극 조립체의 타측 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 전기적으로 연결되는 제2 집전판; 상기 캔의 개방된 일측에 결합되어 상기 제1 집전판과 전기적으로 연결되는 캡 플레이트; 및 상기 캔의 타측에 삽입되고, 상기 제2 집전판과 결합되는 결합부를 구비한 단자를 포함하고, 상기 결합부와 상기 집전판이 압력에 의해 기계적으로 결합되어 전기적으로 연결되는 것이 특징이다.
상기 제2 집전판은 중앙에 관통홀이 관통 형성되고, 상기 결합부는 압력에 의해 상기 단자로부터 외측으로 절곡되며, 상기 집전판은 상기 관통홀이 형성된 내경 부분이 상기 단자와 상기 결합부의 사이에 삽입된 상태로 결합되는 것이 특징이다.
상기 결합부의 외경은 3파이 내지 8파이인 것이 특징이다.
상기 제2 전극판은 양극판이고, 상기 단자는 양극 단자인 것이 특징이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 용접이 아닌 기계적인 접합 방식으로 양극 단자를 결합하므로, 전지 내부에 금속성 이물질이 존재하지 않도록 할 수 있고, 전지의 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단자 결합 부위의 전기 저항 및 저항 산포를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단자 접합 공정이 단순해지고, 장비의 오염이 방지되므로 생산성 및 공정 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 따른 양극 단자의 결합 공정 초기 단계를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 따른 양극 단자의 결합 공정 후기 단계를 도시한 단면도이다.
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. 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 "포함한다(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 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 따른 원통형 이차전지에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 전극조립체(110), 캔(120), 캡 플레이트(130), 제1 가스켓(140), 제1 집전판(150), 단자(160), 제2 가스켓(170) 및 제2 집전판(180)을 포함할 수 있다.
전극조립체(110)는 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터를 포함할 수 있다.
제1 전극판은 음극판과 양극판 중 어느 하나일 수 있다. 예시적으로, 제1 전극판이 음극판일 수 있다. 음극판인 제1 전극판은 전도성 금속 박판, 예를 들면 구리 또는 니켈 포일 또는 메시로 이루어진 음극 집전판에 음극 활물질이 코팅된 음극 코팅부 및 음극 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 음극 활물질은 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. 예시적으로, 제1 전극판이 음극판이라면 제2 전극판은 양극판이 될 수 있다. 제2 전극판은 전도성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄 포일 또는 메시로 이루어진 양극 집전판에 양극 활물질이 코팅된 양극 코팅부 및 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 양극 활물질은 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. 예를 들면, 세퍼레이터는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 다공성 공중합체 등으로 이루어질 수 있다.
예시적으로, 전극조립체(110)는 제1 전극판의 무지부가 제2 전극판의 하단보다 하측으로 돌출되게, 그리고 제2 전극판의 무지부가 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 형성될 수 있다. 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 비딩부(121)와 크림핑부(122)가 형성될 수 있다. 도 1을 기준으로, 비딩부(121)는 제1 집전판(150)의 상측에서 캔(120)의 내부를 향해 돌출되어 제1 집전판(150)을 지지한다. 크림핑부(122)는 캡 플레이트(130)가 배치된 상태에서 캔(120)의 내측으로 절곡되어 캡 플레이트(130)의 가장자리를 감싸 캡 플레이트(130)의 이탈을 방지한다.
캡 플레이트(130)는 캔(120)의 하면을 밀봉하는 역할을 한다. 또한 캡 플레이트(130)에는 노치(131)가 형성되어 가스 배출을 위한 안전 벤트로서 역할을 할 수 있다. 캡 플레이트(130)와 크림핑부(122)의 사이에는 밀폐 강도 향상 및 절연을 위한 가스켓(140)이 삽입될 수 있다. 캡 플레이트(130)는 전도성 페이스트 등에 의해 캔(120)의 내주면 및 제1 집전판(150)과 전기적으로 연결될 수 있다. 전술한 설명에서 제1 전극판이 음극판이고 제1 집전판(150)이 음극 무지부와 전기적으로 연결되므로, 캔(120) 및 캡 플레이트(130)는 음극을 띄게 된다.
제1 집전판(150)은 음극판인 제1 전극판과 전기적으로 연결되고, 제2 집전판(180)은 양극판인 제2 전극판과 전기적으로 연결된다. 제1 집전판(150)과 제2 집전판(180)은 대략 원판 형상일 수 있고, 중앙에 관통홀이 형성될 수 있다.
한편, 단자(160)는 도 1을 기준으로 캔(120)의 상면에 설치될 수 있다. 예시적으로, 단자(160)는 리벳 형태일 수 있다. 즉, 캔(120)의 상면에 관통홀이 형성되어 단자(160)의 일부가 관통홀을 관통하여 배치될 수 있다. 단자(160)의 헤드는 캔(120)의 상면에 접촉되어 지지되며, 하단의 결합부(162)는 제2 집전판(180)의 하측에 결합된다. 단자(160)와 제2 집전판(180)의 결합에 대해서는 후술하기로 한다.
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.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 간략하게 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지(100')는 전극조립체(110'), 캔(120'), 캡 플레이트(130'), 제1 집전판(150'), 단자(160'), 제2 가스켓(170') 및 제2 집전판(180')을 포함할 수 있다.
전극조립체(110')의 구조는 전술한 도 1의 전극조립체(110)와 동일하므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2를 기준으로, 캔(120')은 상면이 개방되고 하면이 폐쇄된 원통 형상일 수 있다. 캔(120')의 내부에 전극조립체(110')가 수용된다.
캡 플레이트(130')는 캔(120')의 하면에 대응되는 형상, 이를테면 원판형으로 형성되어, 캔(120')의 하면을 밀봉한다.
제1 집전판(150)은 전극조립체(110')와 캡 플레이트(130') 사이에 배치되어, 전극조립체(110')의 제1 전극판과 캡 플레이트(130')를 전기적으로 연결한다. 전술한 설명에서 제1 전극판이 음극판이고 제1 집전판(150')이 음극 무지부와 전기적으로 연결되므로, 캔(120') 및 캡 플레이트(130')는 음극을 띄게 된다.
캔(120'), 캡플레이트(130') 및 제1 집전판(150')은 용접, 예컨대 레이저 용접에 의해 서로 접합될 수 있다(용접 부위는 도 2에 삼각형으로 표시하였다).
한편, 단자(160')는 도 1의 단자(160)와 동일하므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
전술한 구조를 갖는 본 발명의 실시 예들에 따른 이차전지에 있어서, 양극 단자와 제2 집전판의 결합 공정에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 도 1 및 도 2에 따른 양극 단자의 결합 공정 초기 단계를 도시한 단면도이다. 도 4는 도 1 및 도 2에 따른 양극 단자의 결합 공정 후기 단계를 도시한 단면도이다(도 1 또는 도 2를 기준으로 캔은 하부가 개방된 구조이며, 도 3 및 도 4는 도 1 또는 도 2의 캔을 뒤집은 상태를 도시한 것임).
본 발명의 실시 예들에 따른 단자(160, 160')는 리벳 형태일 수 있다. 단자(160, 160')는 양극판인 제2 전극판에 전기적으로 연결된 제2 집전판(180, 180')과 용접 없이 기계적으로 결합될 수 있다.
예시적으로, 단자(160, 160')와 제2 집전판(180, 180')의 기계적인 결합 방법은 압력을 가하여 접합하는 방법일 수 있다. 압력을 가해 접합하는 방법의 일 예로, 클린칭(clinching) 접합 공법을 적용할 수 있다.
클린칭 접합 공법은 압력을 가할 수 있는 가압 툴(preesure tool, 200)의 단부에 특정 형상이 구비되고, 압력을 받는 대상물의 일부가 가압 툴(200)에 의해 가압되면서 변형되어 접합되는 공법이다. 클린칭 접합은 압력을 받는 대상물의 목 무위의 소재 변형 경화와, 노치를 없앰으로써 높은 결합력을 발생할 수 있다. 또한 이종 재질의 금속 또는 두께가 서로 다른 금속의 기계적 결합을 가능하게 하는 공법이다. 클린칭 접합 공법의 모든 과정은 열을 이용하지 않으므로 냉간 성형 공법으로 지칭되기도 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 캔(120, 120')의 개방된 하면이 상부를 향하도록 배치한 다음, 제2 가스켓(170, 170')과 단자(160, 160')를 삽입한 후 제2 집전판(180, 180')과 전극조립체(110, 110')를 삽입할 수 있다. 또는, 캔(120, 120')에 제2 집전판(180, 180')과 전극조립체(110, 110')를 삽입한 후 제2 가스켓(170, 170')과 단자(160, 160')를 삽입할 수 있다. 캔(120, 120') 내부로 삽입된 단자(160, 160')의 단부는 소정의 두께를 가지며 내부가 비어 있는 원통 형상일 수 있다. 또한, 단자(160, 160')는 제2 집전판(180, 180')과의 사이가 이격되어 있는 상태이다. 좀더 상세하게는, 단자(160, 160')의 외주면이 제2 집전판(180, 180')의 중앙에 형성된 관통홀과 이격되어 있는 상태이다. 예시적으로, 단자(160, 160')의 변형 전 단부 외경은 3파이 내지 8파이일 수 있다. 전극조립체(110, 110')의 배치 후 전극조립체(110, 110') 내부의 중공을 통해 가압 툴(200)을 삽입해 단자(160, 160')를 가압할 수 있다. 가압 툴(200)로 단자(160, 160')를 가압하는 공정에 클린칭 접합이 적용되며, 가압 툴(200)은 클린칭 접합을 위한 전용 툴일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 가압 툴(200)에 의해 미리 설정된 압력으로 단자(160, 160')의 단부가 가압되면, 단자(160, 160')의 단부가 압력에 의해 변형되면서 외측 방향으로 향하게 절곡된다. 가압 전 제2 집전판(180, 180')과 단자(160, 160')의 단부 사이가 이격되어 있으나, 가압 툴(200)에 의해 단자(160, 160')의 단부가 밀착되면서 소성 변형되어 단자(160, 160')의 단부가 제2 집전판(180, 180')과 결합된다. 압력에 의해 변형되어 제2 집전판(180, 180')과 접합된 단자(160, 160')의 단부를 결합부(162, 162')로 정의한다. 이때, 제2 집전판(180, 180')의 내경 부분이 단자(160, 160')와 결합부(162, 162') 사이에 삽입된 상태가 된다. 이에 따라, 단자(160, 160')의 결합부(162, 162')와 제2 집전판(180, 180')이 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 용접 없이 기계적인 가압 방법만으로 단자(160, 160')와 제2 집전판(180, 180')이 결합되어 전기적으로 연결될 수 있다. 단자(160, 160')와 캔(120, 120')의 사이는 제2 가스켓(170, 170')에 의해 밀폐되고, 단자(160, 160')가 캔(120, 120') 내부에 고정되므로 캔(120, 120')의 밀폐력 역시 확보할 수 있다. 또한, 용접 없이 단자(160, 160')를 고정할 수 있으므로 용접에 따른 이물질 발생이나 용접 장비의 오염을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 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.
110, 110': 전극조립체
120, 120': 캔
160, 160': 단자
162, 162': 결합부
180, 180': 제2 집전판

Claims (8)

  1. 캔;
    상기 캔에 수용되는 전극조립체;
    상기 전극조립체와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 집전판; 및
    상기 캔의 일측에 결합되기 위한 결합부를 구비하고, 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되는 단자를 포함하고,
    상기 결합부와 상기 집전판이 압력에 의해 기계적으로 결합되어 전기적으로 연결되는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합부는 압력에 의해 상기 단자로부터 외측으로 절곡되고, 상기 집전판은 상기 단자와 상기 결합부의 사이에 삽입된 상태로 결합되는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합부의 외경은 3파이 내지 8파이인 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단자는 양극 단자인 이차전지.
  5. 일측이 개방된 원통형의 캔;
    상기 캔에 수용되며, 제1 전극판 및 제2 전극판을 구비한 전극 조립체;
    상기 캔과 상기 전극 조립체의 일측 사이에 배치되어 상기 제1 전극판과 전기적으로 연결되는 제1 집전판;
    상기 캔과 상기 전극 조립체의 타측 사이에 배치되어 상기 제2 전극판과 전기적으로 연결되는 제2 집전판;
    상기 캔의 개방된 일측에 결합되어 상기 제1 집전판과 전기적으로 연결되는 캡 플레이트; 및
    상기 캔의 타측에 삽입되고, 상기 제2 집전판과 결합되는 결합부를 구비한 단자를 포함하고,
    상기 결합부와 상기 집전판이 압력에 의해 기계적으로 결합되어 전기적으로 연결되는 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 집전판은 중앙에 관통홀이 관통 형성되고, 상기 결합부는 압력에 의해 상기 단자로부터 외측으로 절곡되며, 상기 집전판은 상기 관통홀이 형성된 내경 부분이 상기 단자와 상기 결합부의 사이에 삽입된 상태로 결합되는 이차전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 결합부의 외경은 3파이 내지 8파이인 이차전지.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 전극판은 양극판이고, 상기 단자는 양극 단자인 이차전지.
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