KR20240070922A - 원통형 이차 전지 - Google Patents

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KR20240070922A
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secondary battery
cylindrical secondary
electrode
center pin
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신주연
박정현
김정현
김종구
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Abstract

본 발명은 전극 조립체의 내부에서 지지하는 절연 센터핀에 적어도 하나의 플랜지부가 구비되어, 전극탭의 절곡 및 다짐이 용이하고 권취 선단영역에서의 쇼트를 방지하고 전기적 절연성을 향상시킬 수 있는 원통형 이차 전지에 관한 것이다.
일예로, 본 발명은 제1전극판, 세퍼레이터 및 제2전극판을 갖는 전극 조립체와, 전극 조립체의 권취축을 관통하는 센터핀과, 전극 조립체와 센터핀이 수용된 케이스와, 케이스를 상면을 관통하고, 전극 조립체의 제1전극판과 전기적으로 접속된 단자 및, 케이스의 하단부를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하며, 센터핀은 절연 재질로 이루어지며, 상단 및 하단 중 적어도 하나에 플랜지를 구비하는 원통형 이차 전지을 개시한다.

Description

원통형 이차 전지{Cylindrical secondary battery}
본 발명의 다양한 실시예는 원통형 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 원통형 이차전지는 원통 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체와 전해액을 수용하는 원통형 캔과, 캔의 일측 개구부에 결합되어 캔을 밀봉하고 전극 조립체와 전기적으로 연결되어, 외부 구성과 전극 조립체 사이의 전기적으로 연결하는 수단이 되는 캡 어셈블리를 포함한다.
원통형 이차전지는 음극을 띄는 캔과 양극을 띄는 캡 어셈블리가 가스켓에 의해 상호 절연된 구조를 갖는 경우가 일반적이다. 이러한 원통형 이차전지를 복수개 연결하여 이용하는 전지 모듈의 경우, 이차전지의 상하부에 각각 버스바가 연결되어야 하므로, 구조가 복잡해지고 공정 시간이 길어지는 문제가 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 발명은 단자와 결합시 집전판의 중심부가 눌림으로 인해 발생될 수 있는 전극 조립체의 권취 선단영역의 쇼트를 방지하고 전기적 절연성을 향상시킬 수 있는 원통형 이차 전지를 제공한다.
또한 본 발명은 전극조립체의 전극탭의 절곡 및 누름시 발생될 수 있는 절곡 불균형 및 불량을 개선시킬 수 있는 원통형 이차 전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 전극 조립체를 내부에서 지지하여, 전극 조립체의 권심의 디폼을 방지하고 안전성을 향상 할 수 있는 원통형 이차 전지를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 센터핀에 전극 조립체가 직접 권취되며, 센터핀의 플랜지부가 가이드 역할을 하여 높낮이 산포를 개선할 수 있는 원통형 이차 전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차 전지는 제1전극판, 세퍼레이터 및 제2전극판을 갖는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체의 권취축을 관통하는 센터핀과, 상기 전극 조립체와 상기 센터핀이 수용된 케이스와, 상기 케이스를 상면을 관통하고, 상기 전극 조립체의 제1전극판과 전기적으로 접속된 단자 및, 상기 케이스의 하단부를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하며, 상기 센터핀은 절연 재질로 이루어지며, 상단 및 하단 중 적어도 하나에 플랜지를 구비할 수 있다.
상기 플랜지는 원기둥 형상의 본체부와, 상기 본체부의 상단으로부터 상기 전극 조립체의 상면을 따라 외측 방향으로 연장된 제1플랜지부 및, 상기 본체부의 하단으로부터 상기 전극 조립체의 하면을 따라 외측 방향으로 연장된 제2플랜지부를 포함할 수 있다.
상기 본체부, 상기 제1플랜지부 및 상기 제2플랜지부는 일체형으로 이루어질 수 있다.
상기 제1플랜지부 및 상기 제2플랜지부의 외경은 상기 본체부의 외경 보다 더 클 수 있다.
상기 제1플랜지부 및 상기 제2플랜지부의 외경은 상기 본체부의 외경에 대비 1.1 내지 4.3일 수 있다.
상기 전극 조립체는 상면으로부터 상부 상향으로 돌출되고, 상기 전극 조립체의 권취축방향으로 절곡된 다수의 양극탭 및, 하면으로부터 하부 상향으로 돌출되고, 상기 전극 조립체의 권취축방향으로 절곡된 다수의 음극탭을 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 양극탭 중 권취 선단 영역에 위치하는 양극탭은 상기 제1플랜지부의 상부에 위치하고, 평면상 중첩되며, 상기 다수의 음극탭 중 권취 선단 영역에 위치하는 음극탭은 상기 제2플랜지부의 하부에 위치하고, 평면상 중첩될 수 있다.
상기 제1플랜지부는 상기 전극 조립체의 상면에서 권취 중심축과 인접한 일부 영역을 덮고, 상기 제2플랜지부는 상기 전극 조립체의 하면에서 권취 중심축과 인접한 일부 영역을 덮을 수 있다.
상기 본체부의 권취 축방향 길이는 상기 전극 조립체의 권취 축방향 길이와 대응될 수 있다.
상기 센터핀의 상기 본체부, 상기 제1플랜지부 및 상기 제2플랜지부의 두께는 각각 0.1mm 내지 1mm일 수 있다.
상기 센터핀은 중심을 관통하는 중공부를 구비할 수 있다.
상기 중공부의 직경은 상기 단자의 하면 보다 더 작을 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 센터핀에 직접 권취되어, 상기 센터핀의 외주면이 상기 전극 조립체의 내주면에 접촉 및 밀착될 수 있다.
상기 센터핀은 폴리프로필렌 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어질 수 있다.
상기 전극 조립체의 상면과 상기 케이스 사이에 개재되며, 상기 양극탭과 상기 단자 사이를 전기적으로 연결하는 제1집전판을 더 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체의 하면과 대응되는 원형 판 형상으로, 상기 전극 조립체의 하부로 돌출된 상기 음극탭과 접촉 및 전기적으로 접속된 제2집전판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지는 단자와 결합시 집전판의 중심부가 눌림으로 인해 발생될 수 있는 전극 조립체의 권취 선단영역의 쇼트를 방지하고 전기적 절연성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 다양한 실시예에 원통형 이차 전지는 전극조립체의 전극탭의 절곡 및 누름시 발생될 수 있는 절곡 불균형 및 불량을 개선시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 원통형 이차 전지는 전극 조립체를 내부에서 지지하여, 전극 조립체의 권심의 디폼을 방지하고 안전성을 향상 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 원통형 이차 전지는 센터핀에 전극 조립체가 직접 권취되며, 센터핀의 플랜지부가 가이드 역할을 하여 높낮이 산포를 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 원통형 이차 전지의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전극 조립체가 권취 되기 이전을 도시한 모식도이다.
도 4는 도 2의 전극 조립체의 전극탭이 절곡되기 이전을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
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)" 및/또는 "포함하는(comprising)"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 이용된다. 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 요소는 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결(electrically coupled)되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 이차 전지(100)를 도시한 사시도가 도시되어 있고, 도 2는 도 1에 도시된 원통형 이차 전지(100)의 단면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 이차 전지(100)는 케이스(110), 케이스(110)의 내부에 수납된 전극 조립체(120), 전극 조립체(120)의 중심에 위치하는 센터핀(130), 케이스(110)의 일단에 구비된 단자홀에 결합된 단자(160) 및 케이스(110)의 타단의 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트(170)를 포함할 수 있다.
케이스(110)는 원형의 상면부(111)와, 상면부(111)의 가장자리로부터 하부 방향으로 일정 길이 연장된 측면부(112)를 포함한다. 케이스(110)의 상면부(111)와 측면부(112)는 일체형으로 이루어질 수 있다. 또한 상면부(111)와 측면부(112)사이에는 라운드 형태로 절곡된 절곡부를 더 포함할 수 있다.
원형의 상면부(111)는 평평한 원형 판형상으로, 중심부를 관통하는 단자 홀(111a)을 구비할 수 있다. 상면부(111)는 단자 홀(111a)에 단자(160)가 삽입되어 결합될 수 있다. 단자 홀(111a)과 단자(160)사이에는 밀봉 및 전기적 절연을 위한 제1가스켓(115)이 더 개재될 수 있다. 제1가스켓(115)은 단자(160)와 케이스(110)사이의 접촉을 차단하여, 전기적으로 분리할 수 있다. 제1가스켓(115)은 케이스(110)의 상면부(111)의 단자 홀(111a)을 밀봉할 수 있다. 제1가스켓(115)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 수지재질로 형성될 수 있다.
또한 케이스(110)는 상면부(111)의 내측면을 덮도록 구비된 내측 절연 부재 (116)를 더 포함할 수 있다. 여기서 내측 절연 부재(116)는 상면부(111)의 내면에 코팅 또는 접착에 의해 부착될 수 있다. 여기서 상면부(111)의 내면은 전극 조립체(120)의 상면과 마주보는면으로, 상면부(111)의 하면일 수 있다. 내측 절연 부재 (116)는 케이스(110)의 상면부(111)와, 전극 조립체(120)의 제1전극판(121) 사이의 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 다른예로 내측 절연 부재 (116)는 절곡부(111b)의 내면까지 연장될 수 있다. 내측 절연 부재(116)는 상면부(111) 및 절곡부(111b)의 내면을 덮도록 구비되거나, 상면부(111)의 내면만 덮도록 구비될 수 있다.
원통형 이차 전지(100)는 제조 공정 중 케이스(110)의 하부가 개방되어 있다. 따라서 원통형 이차 전지(100)는 제조 공정 중 전극 조립체(120) 및 센터핀(130)이 전해액과 함께 케이스(110)의 개방된 하부를 통해 삽입될 수 있다. 이때, 케이스(110)는 개방된 하부가, 상부를 향한 상태로 전해액, 전극 조립체(120) 및 센터핀(130)이 삽입될 수 있다. 이와 같은 케이스(110)는 전해액, 전극 조립체(120) 및 센터핀(130)이 삽입된 후, 개방된 하단부에 캡 플레이트(170)가 결합되어 케이스(110)의 내부를 밀봉할 수 있다. 여기서, 상기 전해액은 상기 전극 조립체(120)를 구성하는 양극판(121)과 음극판(122) 사이에서 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머이거나 또는 고체(solid) 전해질일 수도 있으며, 여기서 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.
케이스(110)는 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 케이스(110)에는 전극 조립체(120)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 플레이트(170)를 중심으로 그 상부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)가 형성되고, 그 하부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)가 형성될 수 있다.
케이스(110)는 개방된 하단부를 통해 전극 조립체(120) 및 센터핀(130)이 삽입된 후, 비딩부(113)가 형성되어, 전극 조립체(120)가 케이스(110)로부터 분리되는 것을 방지할 수 있다.
전극 조립체(120)는 제1전극판(121), 제2전극판(122) 및 세퍼레이터(123)를 포함한다. 제1전극판(121)은 양극판이고, 제2전극판(122)은 음극판일 수 있다. 물론 그 반대도 가능하다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 제1전극판(121)은 양극판이고, 제2전극판(122)은 음극판인 경우를 설명하고자 한다. 이와같은 전극 조립체(120)는 센터핀(130)에 직접 권취될 수 있다. 여기서 센터핀(130)은 권취 설비의 회전부에 고정되어, 각각의 롤러를 통해 공급되는 제1전극판(121), 제2전극판(122) 및 세퍼레이터(123)를 소정의 순서대로 센터핀(130)상에 권취 할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 전극 조립체(120)가 센터핀(130)을 통해 권취 되기 이전을 도시한 모식도가 도시되어 있고, 도 4는 도 2의 전극 조립체(120)의 전극탭(121a, 122a)이 다져지기 이전을 도시한 단면도가 도시되어 있다. 이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여, 전극 조립체(120) 및 센터핀(130)을 설명하고자 한다.
제1전극판(121)은 알루미늄(Al)으로 이루어진 판형의 금속 포일의 적어도 일면에 전이금속 산화물로 이루어진 양극 활물질이 코팅되어 있다. 또한 제1전극판(121)은 상단부에 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부(121a)가 구비될 수 있다. 이와같은 양극 무지부(121a)는 전극 조립체(120)의 상부 방향으로 돌출될 수 있다. 또한 양극 무지부(121a)는 다수의 양극탭(121b)을 포함할 수 있다. 다수의 양극탭(121b)은 양극 무지부(121a)의 상단부에 위치할 수 있으며, 권취 이전에 일방향(x)으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 이와같은 다수의 양극탭(121b)은 권취 선단 및/또는 권취 종단에 구비되지 않을 수 있다. 이와같은 다수의 양극탭(121b)은 레이저 노칭, 초음파 커팅 또는 타발등에 의해서 형성될 수 있다. 상기 양극탭(121b)은 전극 조립체(120)에서 제2전극판(122) 및 세퍼레이터(123)에 비해서 상부 방향으로 더 돌출될 수 있다.
제2전극판(122)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)로 이루어진 판형의 금속 포일의 적어도 일면에 흑연 또는 탄소등의 음극 활물질이 코팅되어 있다. 또한 제2전극판(122)은 하단부에 음극 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부(122a)가 구비될 수 있다. 또한 음극 무지부(122a)는 다수의 음극탭(122b)을 포함할 수 있다. 다수의 음극탭(122b)은 음극 무지부(122a)의 하단부에 위치할 수 있으며, 권취 이전에 일방향(x)으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 이와같은 다수의 음극탭(122b)은 권취 선단 및/또는 권취 종단에 구비되지 않을 수 있다. 이와같은 다수의 음극탭(122b)은 레이저 노칭, 초음파 커팅 또는 타발등에 의해서 형성될 수 있다. 이와같은 다수의 음극탭(122b)은 전극 조립체(120)에서 제1전극판(121) 및 세퍼레이터(123)에 비해서 하부 방향으로 더 돌출될 수 있다.
세퍼레이터(123)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 세퍼레이터는 제1전극판(121)과 제2전극판(122) 사이의 전기적 쇼트를 방지하고, 리튬 이온의 이동만 가능하게 할 수 있다.
전극 조립체(120)는 제1전극판(121) 세퍼레이터(123), 제2전극판(122) 및 세퍼레이터(123)가 적층된 후, 센터핀(130)에 권취 선단부터 권취되어 대략 원기둥 형태로 권취된다. 이와같은 전극 조립체(120)는 센터핀(130)에 직접 권취되므로, 권취 선단이 센터핀(130)의 외측 표면에 접촉 및 밀착될 수 있다. 또한 전극 조립체(120)는 기설정된 턴만큼 세퍼레이터(123)이 권취된 후, 제1전극판(121) 및 제2전극판(122)이 권취될 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
또한, 전극 조립체(120)는 상부 방향으로 양극탭(121b)이 돌출되고, 하부 방향으로 음극탭(122b)이 돌출될 수 있다. 또한 전극 조립체(120)는 최외곽의 양극탭(121b)은 양극 무지부(121a)로부터 돌출되지 않고, 최외곽 음극탭(122b)은 음극 무지부(122a)로부터 돌출되지 않을 수 있다. 즉, 전극 조립체(120)는 상부 및 하부의 최외측이 다른 영역에 비해서 오목한 단차가 구비될 수 있다. 이와 같은 전극 조립체(120)는 케이스(110)의 절곡부(111b)에 내측 절연 부재(117)가 형성되지 않을 경우, 전극 조립체(120)와 케이스(110) 사이의 접촉을 예방할 수 있다.
센터핀(130)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로서, 전극 조립체(120)의 권취축을 관통하도록 위치할 수 있다. 상기 센터핀(130)은 원형 파이프 형태로 권취축 방향(y)을 따라 연장된 본체부(131)와, 본체부(131)의 상단 및 하단 중 어느 하나에 플랜지(132, 133)를 포함할 수 있다. 상기 플랜지(132, 133)는 본체부(131)의 상단으로부터 전극 조립체(120)의 상면을 따라 외측 방향으로 연장된 제1플랜지부(132)와 본체부(131)의 하단으로부터 전극 조립체(120)의 하면을 따라 외측 방향으로 연장된 제2플랜지부(133)를 포함할 수 있다. 이러한 센터핀(130)은 절연 재질로 이루어질 수 있다. 좀더 바람직하게 센터핀(130)은 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)로 이루어질 수 있다. 상기 본체부(131), 제1플랜지부(132) 및 제2플랜지부(133)는 일체형으로 이루어질 수 있다.
상기 본체부(131)는 외주면(131a)이 전극 조립체(120)의 내주면에 접촉 및 밀착될 수 있다. 상기 본체부(131)는 원형 파이프 형태로, 중심 축방향을 관통하는 중공부(130a)가 구비될 수 있다. 상기 본체부(131)의 내경인 중공부(130a)의 직경은 단자(160)의 하면에 비해서 더 작을 수 있다. 상기 본체부(131)는 외경이 4mm 내지 7mm일 수 있다.
상기 제1플랜지부(132)와 제2플랜지부(133)는 중심에 홀을 갖는 링형상의 판일 수 있다. 예를 들어 플랜지부(132, 133)는 평면상 원형링 형상의 판일 수 있다. 또한 제1플랜지부(132)와 제2플랜지부(133)의 중심을 관통하는 중공부를 구비하며, 이는 본체부(131)의 중공부로부터 연장될 수 있다. 즉, 센터핀(130)은 중심 축방향을 관통하는 중공부(130a)를 구비할 수 있다. 또한 센터핀(130)은 상기 본체부(131)의 내경이 제1플랜지부(132)의 내경과, 제2플랜지부(133)의 내경과 동일할 수 있다.
여기서, 제1플랜지부(132)는 전극 조립체(120)의 상면 일부를 덮을 수 있으며, 제2플랜지부(133)는 전극 조립체(120)의 하면 일부를 덮을 수 있다. 즉, 센터핀(130)의 제1플랜지부(132)는 전극 조립체(120)에서 권취 중심축과 인접한 상면의 일부 영역을 덮을 수 있고, 센터핀(130)의 제2플랜지부(133)는 전극 조립체(120)에서 권취 중심축과 인접한 하면의 일부 영역을 덮을 수 있다. 이와같은 센터핀(130)의 본체부(131)의 권취 축 방향(y) 길이는 전극 조립체(120)의 권취 축방향 길이와 대응될 수 있다. 여기서, 전극 조립체(120)의 권취 축 방향(y)의 길이는 양극탭(121b) 및 음극탭(122b)을 제외한 길이일 수 있다.
상기 제1플랜지부(132)와 제2플랜지부(133)는 센터핀(130)의 외주면을 따라 전극 조립체(120)가 권취될 때, 권취 선단에서 권취 가이드 역할을 함으로써 전극 조립체(120)의 높낮이 산포를 개선할 수 있다.
상기 센터핀(130)에 권취된 전극 조립체(120)는 양극탭(121b)이 센터핀(130)에 비해서 상부방향으로 더 돌출될 수 있으며, 음극탭(122b)이 센터핀(130)에 비해서 하부 방향으로 더 돌출될 수 있다. 이와 같은 양극탭(121b)과 음극탭(122b)은 권취축을 향해 절곡될 수 있다. 즉, 다수의 양극탭(121b)과 다수의 음극탭(122b)은 권취 선단 영역부터 센터핀(130)을 향해 절곡 및 다져질 수 있다. 이때 전극 조립체(120)는 센터핀(130)과 인접한 영역의 양극탭(121b) 및 음극탭(122b)이 각각 제1플랜지부(132) 및 제2플랜지부(133)를 가이드로 하여 절곡 및 다져질 수 있다.
다수의 양극탭(121b)중에서 권취 선단 영역의 양극탭(121b)은 제1플랜지부(132)의 상부에 위치할 수 있다. 또한, 다수의 양극탭(121b)중에서 권취 선단 영역에 위치하는 양극탭(121b)은 제1플랜지부(132)와 평면상 중첩될 수 있다. 또한 다수의 음극탭(122b)중에서 권취 선단 영역에 위치하는 음극탭(122b)은 제2플랜지부(133)의 상부에 위치할 수 있다. 또한, 다수의 음극탭(122b) 중에서 권취 선단 영역에 위치하는 음극탭(122b)은 제1플랜지부(132)와 평면상 중첩될 수 있다. 여기서 권취 선단 영역은 센터핀(130)과 접촉되는 권취 선단과 인접한 일부 영역을 의미할 수 있다.
센터핀(130)의 제1플랜지부(132) 및 제2플랜지부(133)는 권취 선단 영역에 위치하는 박막의 양극탭(121b)과 음극탭(122b)이 절곡 및 다져질 때 발생될 수 있는 꺽임, 찢어짐 또는 절곡 불균일을 개선할 수 있다. 또한 센터핀(130)은 전극 조립체(120)를 내부에서 지지하여, 전극 조립체(120)의 권심의 디폼을 방지하고 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한 센터핀(130)은 양극탭(121b)과 음극탭(122b)이 절곡 및 다짐 시, 권취 선단에서 발생되는 눌림에 의한 쇼트를 방지할 수 있다. 또한 센터핀(130)은 절연 재질로 이루어지므로, 전극 조립체(120)의 전기적 절연 효과를 더 향상 시킬 수 있다.
제1플랜지부(132)와 제2플랜지부(133)의 외경은 본체부(131)의 외경에 비해서 더 클 수 있다. 또한 제1플랜지부(132)와 제2플랜지부(133)의 외경은 단자(160)의 하면에 비해서 더 클 수 있다. 상기 제1플랜지부(132)와 제2플랜지부(133)의 외경은 9.5mm 내지 17mm일 수 있다. 또한 제1플랜지부(132)와 제2플랜지부(133)의 외경은 본체부(131)의 외경 대비 1.1 내지 4.3 일 수 있다. 이와같은 1플랜지부(132)의 외경이 본체부(131)의 외경 대비 1.1 보다 작을 경우, 전극 조립체(120)를 권취할때나 전극탭(121b, 122b)을 절곡할 때의 가이드 역할에 용이하지 않을 수 있다. 또한 제1플랜지부(132)의 외경이 본체부(131)의 외경 대비 4.3를 초과할 경우, 전극탭(121b, 122b)이 형성될 수 있는 영역의 감소로 인해 전기 전도도가 감소할 수 있다.
또한 센터핀(130)의 본체부(131), 제1플랜지부(132) 및 제2플랜지부(133)의 두께는 0.1mm 내지1mm일 수 있다. 본체부(131), 제1플랜지부(132) 및 제2플랜지부(133)의 두께가 0.1mm 미만일 경우 강성 유지가 어려울 수 있으며, 두께가 1mm를 초과할 경우 불필요한 두께 증가로 인해 전극 조립체(120)의 용량 저하를 초래할 수 있다.
상기 전극 조립체(120)는 양극탭(121b)중 센터핀(130)과 인접한 양극탭(121b)은 절곡되어 제1플랜지부(132)의 상면에 접촉될 수 있다. 또한 전극 조립체(120)는 음극탭(122b)중 센터핀(130)과 인접한 음극탭(122b)은 절곡되어 제2플랜지부(133)의 하면에 접촉될 수 있다. 이러한 센터핀(130)은 전극 조립체(120)의 변형을 억제하고 강성을 유지시킬 수 있다.
제1집전판(140)은 전극 조립체(120)의 상면과 대응되는 형상인, 원형 금속 판일 수 있다. 제1집전판(140)의 평면크기는 전극 조립체(120)의 상면의 크기와 같거나 더 작을 수 있다. 제1집전판(140)은 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있다. 제1집전판(140)은 하면이 전극 조립체(120)의 상면에 접촉된 상태에서 용접에 의해, 전극 조립체(120)의 양극탭(121b)에 고정 및 전기적으로 접속될 수 있다. 제1집전판(140)은 상면이 단자(160)의 하면에 접촉된 상태에서, 용접에 의해, 단자(160)에 고정 및 전기적으로 접속될 수 있다. 제1집전판(140)은 전극 조립체(120)의 제1전극판(121)과 단자(160)사이의 전류 흐름의 통로가 된다. 제1집전판(140)은 전극 조립체(120)의 양극탭(121b)과 용접된 후, 케이스(110)내에 수납된 후 단자(160)와 용접될 수 있다. 상기 제1집전판(140)은 그 두께가 0.2mm 내지 1.5mm일 수 있다. 이와같은 박판의 제1집전판(140)은 단자(160)와 용접시, 하부로 돌출된 단자(160)로 인해 중심부가 눌림으로써 하부로 돌출될 수 있다. 이때 제1집전판(140)의 중심부의 하부에는 센터핀(130)의 제1플랜지부(132)가 위치하여 전극 조립체(120)의 중심부가 눌려 발생되는 쇼트등을 방지할 수 있다.
제2집전판(150)은 전극 조립체(120)의 하면과 대응되는 원형의 평면부(151)와, 평면부(151)의 가장자리로부터 하부 방향으로 연장된 연장부(152)를 포함할 수 있다. 평면부(151)의 상면은 전극 조립체(120)의 하면과 접촉될 수 있다. 평면부(151)의 상면은 전극 조립체(120)의 하면에 접촉된 상태에서 용접에 의해, 전극 조립체(120)의 음극탭(122b)에 고정 및 전기적으로 접속될 수 있다.
연장부(152)는 평면부(151)의 가장자리로부터 하부 방향으로 연장될 수 있다. 일예로 연장부(152)는 평면부(151)의 가장자리를 따라 서로 이격되도록 다수개 구비될 수 있다. 연장부(152)는 평면부(151)의 가장자리로부터 하부 방향으로 절곡되어 연장될 수 있다. 또한 연장부(152)는 비딩부(113)의 내표면에 접촉될 수 있다. 즉, 연장부(152)는 비딩부(113)를 따라 라운드 또는 절곡될 수 있다. 여기서 내표면은 케이스(110)의 내측 표면일 수 있다. 연장부(152)는 끝단부가 비딩부(113)와 제2가스켓(117)사이에 위치할 수 있다. 이와같은 연장부(152)는 케이스(110)의 비딩부(113)에 접촉 및 결합될 수 있다. 일예로 연장부(152)는 케이스(110)의 비딩부(113)의 내표면에 접촉된 상태로 용접에 의해 결합될 수 있다. 상기 제2집전판(150)은 전극 조립체(120)의 제2전극판(122)과 케이스(110)사이의 전류의 흐름 통로가 된다. 즉, 케이스(110)는 음극 단자일 수 있다. 또한 제2집전판(150)은 평면부(151)의 중심에 상면과 하면사이를 관통하는 홀이 구비될 수 있으며, 상기 홀을 통해 전극 조립체(120) 내로 전해액 주입이 용이할 수 있다.
단자(160)는 케이스(110)의 상면부(111)에 구비된 단자 홀(111a)에 삽입되어, 제1집전판(140)과 전기적으로 접속될 수 있다. 단자(160)는 제1집전판(140)을 통해 전극 조립체(120)의 양극탭(121b)과 전기적으로 접속될 수 있다. 즉, 단자(160)는 양극 단자일 수 있다. 단자(160)와 케이스(110)는 서로 다른 극성을 가질 수 있다. 단자(160)는 제1집전판(140) 및 제1전극판(121)과 동일하거나, 유사한 소재로 이루어질 수 있다. 단자(160)는 케이스(110)의 상부로 노출된 부분의 직경과, 케이스(110)의 내부에 위치하는 직경이 단자 홀(111a)에 위치하는 직경에 비해 더 클 수 있다.
단자(160)는 케이스(110)의 상부로 노출된 부분을 헤드(161), 헤드(161)의 중심부로 부터 케이스(110)의 내측 방향으로 연장된 체결부(162)를 포함할 수 있다. 헤드(161)의 평면상 크기는 체결부(162)의 평면상 크기에 비해서 더 클 수 있다. 상기 단자(160)는 체결부(162)의 상단이 헤드(161)의 하면과 연결될 수 있으며, 헤드(161)와 체결부(162)가 일체형으로 이루어질 수 있다. 단자(160)는 케이스(110)의 단자 홀(111a)에 외부로부터 내부방향으로 결합될 수 있다. 이때, 단자(160)와 케이스(110) 사이에는 제1가스켓(115)이 개재될 수 있다. 체결부(162)는 하부가 리벳팅(rivetting)에 의해 압축 변형(압축 성형)되고, 제1가스켓(115)을 가압함으로써 단자 홀(111a)을 밀봉할 수 있다. 여기서 체결부(162)는 단자 홀(111a)에서 케이스(110)의 내부 방향으로 갈수록 더 넓은 직경을 가질 수 있다. 체결부(162)는 하면이 평면상 케이스(110)와 중첩될 수 있다.
또한 제1가스켓(115)는 헤드(161)와 케이스(110)의 상면부(111) 사이에도 더 개재될 수 있다. 즉, 헤드(161)는 상면부(111)의 상부에 위치하고, 헤드(161)와 상면부(111)가 평면상 중첩되는 영역에는 전기적 접촉을 차단하는 제1가스켓(115)이 개재될 수 있다.
또한 제1가스켓(115)은 체결부(162)와 케이스(110)의 단자 홀(111a)사이에 개재되며, 상단부가 헤드(161)와 케이스(110)의 상면부(111)사이로 연장될 수 있다. 이때 제1가스켓(115)의 상단부의 끝단은 헤드(161)보다 외측으로 더 연장될 수 있다. 즉, 단자(160)와 케이스(110) 사이에는 제1가스켓(115)이 개재되어, 단자(160)와 케이스(110)사이를 전기적 절연시킬 수 있으며, 밀봉할 수 있다. 제1가스켓(115)은 내측 절연 부재(116)에 접촉될 수 있다.
캡 플레이트(170)는 원형 금속판으로, 케이스(110)의 하단부에 결합될 수 있다. 캡 플레이트(170)의 하면은 외부로 노출될 수 있다. 캡 플레이트(170)는 케이스(110)의 하단부에 제2가스켓(117)이 개재된 상태로 결합되어, 케이스(110)와 전기적으로 접속되는 것을 방지할 수 있다. 캡 플레이트(170)는 전극 조립체(120)의 양극 또는 음극과 전기적으로 접속되지 않으므로, 별도의 전기 극성이 없을 수 있다.
캡 플레이트(170)는 가장자리 영역(172)이 케이스(110)의 비딩부(113)와 크림핑부(114)사이에 위치한 상태로 고정될 수 있다. 좀 더 자세하게는 케이스(110)의 비딩부(113)의 하부에 제2가스켓(117)이 개재된 상태로, 캡 플레이트(170)가 그 하부에 안착될 수 있다. 그 후, 케이스(110)의 크림핑부(114)가 캡 플레이트(170)의 내측방향으로 절곡되어 제2가스켓(117)을 가압함으로써 캡 플레이트(170)와 케이스(110)사이를 결합시킬 수 있다. 제2가스켓(117)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 수지재질로 형성될 수 있다. 이러한 제2가스켓(117)은 상기 케이스(110)에서 캡 플레이트(170)사이를 가압하여 밀봉할 수 있으며, 캡 플레이트(170)가 케이스(110)부터 분리되는 것을 방지할 수 있다. 상기 제2가스켓(117)은 상부가 상기 비딩부(113)와 캡 플레이트(170) 사이에 개재되고, 하부가 크림핑부(114)와 캡 플레이트(170) 사이에 개재될 수 있다. 상기 제2가스켓(117)의 하단부는 크림핑부(114)에 비해서 캡 플레이트(170)의 중심 방향으로 돌출될 수 있다.
캡 플레이트(170)는 제2집전판(150)의 하부에 위치하는 중심영역(171)과, 케이스(110)의 비딩부(113)와 크림핑부(114)사이에 개재되어, 케이스(110)와 결합하는 가장자리 영역(172)을 포함할 수 있다. 또한 캡 플레이트(170)는 중심 영역(171)이 가장자리 영역(172)에 비해서, 케이스(110)의 내측 방향으로 오목할 수 있다. 즉, 캡 플레이트(170)는 중심 영역(171)에 비해서, 가장자리 영역(172)이 케이스(110)의 외측 방향으로 돌출될 수 있다. 또한 캡 플레이트(170)은 중심 영역(171)와 가장자리 영역(172)를 연결하는 연결 영역(173)를 더 포함할 수 있다. 상기 연결 영역(173)은 중심 영역(171)와 가장자리 영역(172)의 단차로 인해 경사지도록 구비될 수 있다. 또한 연결 영역(173)와 중심 영역(171)사이, 연결 영역(173)과 가장자리 영역(172) 사이에는 절곡된 절곡부가 더 구비될 수 있다.
상기 캡 플레이트(170)는 중심 영역(171)에 설정된 압력에 개방될 수 있도록 벤트(175)가 구비된다. 상기 벤트(175)는 캡 플레이트(170)의 다른 영역에 비해서 그 두께가 더 얇을 수 있다. 상기 벤트(175)는 캡 플레이트(170)의 하면으로부터 상부 방향으로, 형성된 노치일 수 있다.
즉 원통형 이차 전지(100)는 케이스(110)의 내부에 과도한 내압 발생시 벤트(175)가 파단되어, 내부의 과도한 내압을 배출시킬 수 있다. 캡 플레이트(170)의 벤트(175)는 중심으로부터 이격되고, 평면상 링 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 다른 예로 벤트(175)는 평면상 직선 또는 곡선 형상을 갖는 적어도 하나 이상의 패턴을 가질 수 있다. 이와 같은 벤트(175)의 두께는 캡플레이트(170)의 다른영역에 두께에 비해서 더 얇은 두께를 가질 수 있다. 상기 벤트(175)의 두께는 0.05mm 내지 0.35mm 일 수 있다. 벤트(175)의 두께가 0.05mm미만일 경우, 원통형 이차 전지(100)의 내부 압력이 증가하지 않아도 변형 또는 크랙등이 발생할 수 있으며, 두께가 0.35mm를 초과할 경우, 원통형 이차 전지(100)의 내부 압력이 증가하여도 벤트(175)가 파단되지 않아 벤트(175)로써 동작되지 않을 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 원통형 이차 전지를 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 : 원통형 이차 전지
110: 케이스 120: 전극 조립체
130: 센터핀 140: 제1집전판
150: 제2집전판 160: 단자
170: 캡플레이트

Claims (16)

  1. 제1전극판, 세퍼레이터 및 제2전극판을 갖는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체의 권취축을 관통하는 센터핀;
    상기 전극 조립체와 상기 센터핀이 수용된 케이스;
    상기 케이스를 상면을 관통하고, 상기 전극 조립체의 제1전극판과 전기적으로 접속된 단자; 및
    상기 케이스의 하단부를 밀봉하는 캡 플레이트를 포함하며,
    상기 센터핀은 절연 재질로 이루어지며, 상단 및 하단 중 적어도 하나에 플랜지를 구비하는 원통형 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플랜지는
    원기둥 형상의 본체부;
    상기 본체부의 상단으로부터 상기 전극 조립체의 상면을 따라 외측 방향으로 연장된 제1플랜지부; 및
    상기 본체부의 하단으로부터 상기 전극 조립체의 하면을 따라 외측 방향으로 연장된 제2플랜지부를 포함하는 원통형 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 본체부, 상기 제1플랜지부 및 상기 제2플랜지부는 일체형으로 이루어진 원통형 이차 전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1플랜지부 및 상기 제2플랜지부의 외경은 상기 본체부의 외경 보다 더 큰 원통형 이차 전지.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1플랜지부 및 상기 제2플랜지부의 외경은 상기 본체부의 외경에 대비 1.1 내지 4.3인 원통형 이차 전지.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 조립체는
    상면으로부터 상부 상향으로 돌출되고, 상기 전극 조립체의 권취축방향으로 절곡된 다수의 양극탭; 및
    하면으로부터 하부 상향으로 돌출되고, 상기 전극 조립체의 권취축방향으로 절곡된 다수의 음극탭을 더 포함하는 원통형 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 다수의 양극탭 중 권취 선단 영역에 위치하는 양극탭은 상기 제1플랜지부의 상부에 위치하고, 평면상 중첩되며,
    상기 다수의 음극탭 중 권취 선단 영역에 위치하는 음극탭은 상기 제2플랜지부의 하부에 위치하고, 평면상 중첩되는 원통형 이차 전지.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1플랜지부는 상기 전극 조립체의 상면에서 권취 중심축과 인접한 일부 영역을 덮고,
    상기 제2플랜지부는 상기 전극 조립체의 하면에서 권취 중심축과 인접한 일부 영역을 덮는 원통형 이차 전지.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 본체부의 권취 축방향 길이는 상기 전극 조립체의 권취 축방향 길이와 대응된 원통형 이차 전지.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 센터핀의 상기 본체부, 상기 제1플랜지부 및 상기 제2플랜지부의 두께는 각각 0.1mm 내지 1mm인 원통형 이차 전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 센터핀은 중심을 관통하는 중공부를 구비하는 원통형 이차 전지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 중공부의 직경은 상기 단자의 하면 보다 더 작은 원통형 이차 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 센터핀에 직접 권취되어,
    상기 센터핀의 외주면이 상기 전극 조립체의 내주면에 접촉 및 밀착된 원통형 이차 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 센터핀은 폴리프로필렌 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어진 원통형 이차 전지.
  15. 제 6 항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 상면과 상기 케이스 사이에 개재되며, 상기 양극탭과 상기 단자 사이를 전기적으로 연결하는 제1집전판을 더 포함하는 원통형 이차 전지.
  16. 제 6 항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 하면과 대응되는 원형 판 형상으로, 상기 전극 조립체의 하부로 돌출된 상기 음극탭과 접촉 및 전기적으로 접속된 제2집전판을 더 포함하는 원통형 이차 전지.
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