WO2012047053A2 - 전해액 주입구의 밀봉성이 우수한 각형 전지 - Google Patents

전해액 주입구의 밀봉성이 우수한 각형 전지 Download PDF

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sealing member
secondary battery
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injection hole
chamfer structure
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이승태
이은정
김학균
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a rectangular battery having excellent sealing property of an electrolyte injection hole, and more particularly, to a secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a rectangular can, and an electrolyte injection hole of a base plate mounted on an open upper end of the rectangular can has an inner surface. It is formed in the upper portion of the chamfer structure that becomes smaller in the lower direction, and the lower portion of the non-chamfer structure formed continuously to the chamfer structure, and deformed into an electrolyte injection hole shape when the sealing member is pressed into the electrolyte injection hole.
  • the sealing member relates to a secondary battery that is in close contact with each other by shear stresses between the chamfer structure and the sealing member and forms a sealed state by frictional force with the non-chamfer structure.
  • Secondary batteries are roughly classified into cylindrical batteries, rectangular batteries and pouch-shaped batteries according to the external and internal structural features.
  • rectangular batteries and pouch-type batteries having a small width to length have been particularly attracting attention.
  • the rectangular secondary battery has an electrode assembly composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator inside a rectangular battery case, and a base plate is mounted on the top by welding, and then inside the battery case through an electrolyte injection hole formed in the base plate.
  • the electrolyte is injected and sealed using a metal ball, and a safety device, a protection circuit, and the like are mounted thereon and then sealed by a housing (outer case).
  • FIG. 1 a plan view of the base plate mounted on the top of the battery case and a vertical cross-sectional view along a straight line A-A are shown in FIG. 1.
  • the base plate 100 has a protruding electrode terminal 101 connected to an electrode (for example, a cathode) tab of an electrode assembly at the center thereof, and an electrolyte injection hole for injecting an electrolyte solution on a side surface thereof. 102 is formed.
  • an electrode for example, a cathode
  • an electrolyte injection hole for injecting an electrolyte solution on a side surface thereof. 102 is formed.
  • electrical insulation with the base plate 100 which is connected to another electrode (for example, an anode) of the electrode assembly and serves as an electrode terminal by itself, is provided.
  • the electrolyte injection hole 102 in which the electrolyte is injected is generally rectangular in the vertical section as shown in FIG. 2, and is sealed by a sealing member 104 such as aluminum having a slightly larger aperture than that.
  • the sealing member 104 is pressurized from its upper end in the state in which the sealing member 104 is positioned in the electrolyte injection hole 102 to seal the injection hole 120 by plastic deformation, and then laser welding the periphery of the plastic deformation sealing member 104.
  • the electrolyte injection opening is sealed by laser welding while a thin metal plate is placed thereon.
  • an inner upper end portion of the electrolyte injection hole is formed in a tapered structure, and a sealing member having a shape corresponding to the electrolyte injection hole instead of a spherical metal ball.
  • a technique for sealing an electrolyte injection hole by inserting the same is disclosed.
  • Such a sealing structure has an advantage of preventing the occurrence of grooves as described above, but has a disadvantage in that the bonding force between the electrolyte injection hole and the sealing member is low and thereby the sealing property is poor, and as a result, to compensate for the insufficient bonding force. There is a need to perform additional work.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • an object of the present invention is to provide a secondary battery having an electrolyte injection hole and a sealing member of a specific structure and shape, thereby providing a secondary battery that can reduce the occurrence of defect rate and improve the sealing performance without performing a welding process will be.
  • the secondary battery according to the present invention is a secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a rectangular can, and an electrolyte injection hole of a base plate mounted on an open upper end of the rectangular can has a lower diameter in a downward direction.
  • the sealing member is formed of an upper portion of the structure and a lower portion of the non-chamfer structure that is continuously formed in the chamfer structure, and when the sealing member is press-fitted into the electrolyte injection hole, the sealing member deformed into an electrolyte injection hole shape is formed between the chamfer structure and the sealing member. They are in close contact with each other by the shear stress of and form a sealed state by the frictional force with the unchamfered structure.
  • the groove at the top of the press-fitted sealing member is induced by inducing a smooth plastic deformation of the sealing member when the sealing member is press-fitted. It is possible to prevent the generation of cracks at the interface between the sealing member and the inner surface of the injection hole.
  • the sealing member when the sealing member is pressed into the electrolyte injection hole, the sealing member is pushed into the non-chamfered structure according to the chamfer structure. At this time, the shape of the sealing member is deformed, whereby a local elastic force is generated. The elastic force is generated at both sides of the chamfer portion and the sealing member, thereby ensuring a sealing force. In addition, the adhesive force is increased by the elastic force between the non-chamfer structure and the sealing member to ensure the sealing of the sealing member.
  • the volume of the plastically deformed sealing member relative to the space of the chamfer structure is relatively large, so that a substantial portion of the sealing member may protrude to the top or bottom surface of the base plate, and vice versa. It is not preferable because it may be difficult to seal the electrolyte inlet.
  • the chamfer structure may be preferably formed in the range of 0.3D to 0.7D from the upper end of the electrolyte injection hole, based on the depth (D) of the electrolyte injection hole.
  • the top width of the chamfer structure is preferably wider than that of the sealing member so that the sealing member can be easily indented and effectively sealed without the welding process, and specifically, the top width W top of the chamfer structure is sealed.
  • a condition of 1.0R ⁇ W top 1.7R is satisfied based on the diameter (R) of the member, and the bottom width (W bottom ) of the chamfer structure is 0.5RW bottom 0.9R based on the diameter (R) of the sealing member. It is more preferable to satisfy.
  • the width W of the non-chamfered structure may be a structure corresponding to the bottom width W bottom of the chamfer structure to prevent the plastically deformed sealing member from flowing into the bottom.
  • the difference between the top width W top and the bottom width W bottom of the chamfer structure may be configured to satisfy a condition of 8% to 42% based on the top width W top .
  • the difference between the top width (W top ) and the bottom width (W bottom ) of the chamfer structure exceeds 0.5 mm, the frequency of deformation of the electrolyte inlet increases, and the airtightness to the lower portion of the electrolyte inlet decreases.
  • the difference between the top width W top and the bottom width W bottom of the chamfer structure is preferably comprised between 0.1 and 0.5 mm.
  • the difference between the diameter (R) of the sealing member and the bottom width (W bottom ) of the chamfer structure may be made of a structure that satisfies the conditions of 8% to 25% based on the diameter (R) of the sealing member.
  • the difference between the diameter (R) of the sealing member and the bottom width (W bottom ) of the chamfer structure exceeds 0.3 mm, the frequency of deformation of the electrolyte inlet increases, and thus the airtightness of the lower part of the electrolyte inlet decreases.
  • the difference between the diameter R of the sealing member and the bottom width W bottom of the chamfer structure is preferably 0.1 to 0.3 mm.
  • the inclination angle of the chamfer structure may be a structure in the range of 30 to 70 degrees based on the angle formed by the two sides extending line of the chamfer, more preferably in the range of 30 to 64 degrees.
  • the deformation frequency of the electrolyte inlet increases, and the airtightness of the lower part of the electrolyte inlet decreases, which is not preferable.
  • the inclination angle of the chamfer structure when the inclination angle of the chamfer structure is too small, it may protrude to the top and bottom surfaces of the base plate due to the relatively large sealing member. It is not desirable because it may fall or crack.
  • the depth, width, and inclination angle of the chamfer structure may be appropriately determined by the size of the electrolyte inlet, the base plate, and the like. If the sealing member is plastically deformed to easily seal the electrolyte inlet, the structure may be partially modified as necessary. Of course it is also possible.
  • the sealing member is in the shape of a sphere and the electrolyte injection hole may be in the shape of a circle on a horizontal cross section.
  • the sealing member is plastically deformed at the time of indentation to seal the electrolyte injection hole, and preferably, may be a metal ball.
  • the sealing member is press-fit in a state positioned on the electrolyte injection hole, it is preferable to further increase the frictional force with the sealing member by a downward chamfer structure for increasing the contact interface area with the inner surface of the electrolyte injection hole.
  • the site may be coated with a polymer resin such as an epoxy resin.
  • the press-fitting method can be used without any limitation as long as it can seal the electrolyte injection hole.
  • the sealing member may be pressurized while rotating clockwise or counterclockwise to seal the electrolyte inlet. Since the press moves downward while rotating, the amount of impact applied to the sealing member and the electrolyte injection port is reduced as compared with the conventional direct downward movement, and is very effective in improving the airtightness of the physical sealing method.
  • the press downwardly moving while rotating rotates the sealing member into the electrolyte injection hole by one press. Even if the electrolyte inlet is sealed by a single press, the impact amount is reduced compared to the conventional method, and thus it is effective to improve airtightness while minimizing the collapse and deformation of the electrolyte inlet, thereby improving the efficiency of the process.
  • the rotating downwardly moving press may be press-fitted by pressing the sealing member by one press, and then repeatedly pressurized at a predetermined height to seal the electrolyte inlet.
  • the entire process may be greatly shortened and further improved sealing may be achieved.
  • the predetermined height may be a distance of 1 to 5 cm from the electrolyte inlet, the repeated pressing may be performed 5 to 20 times.
  • the pressure of the press on the sealing member is lowered from 5 kgf to 3 kgf, the airtightness and uniformity between the plastically deformed sealing member and the electrolyte injection section can be secured.
  • FIG. 1 is a plan view and a vertical sectional view along a straight line A-A of a base plate in which an electrolyte injection hole is formed in a rectangular secondary battery according to the prior art;
  • FIG. 2 is an enlarged view of the dotted circle a portion of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a plan view and a vertical sectional view along a straight line B-B of a base plate in which an electrolyte injection hole is formed in a rectangular secondary battery according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is an enlarged view of the dotted circle b portion of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a schematic diagram of an apparatus for manufacturing a secondary battery according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a process of pressing the electrolyte injection hole and the sealing member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view and a vertical cross-sectional view along a straight line BB of a base plate in which an electrolyte injection hole is formed in a rectangular secondary battery according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is an enlarged view of a dotted circle b of FIG. 3. A diagram is schematically illustrated.
  • the base plate 200 has an electrode terminal 201 connected to a negative electrode tab of an electrode assembly (not shown) at the center thereof, and an electrolyte injection hole 202 is formed at one side thereof. have.
  • the upper indentation groove near the electrolyte injection hole 202 is formed to stably mount the protection circuit module on the base plate 200.
  • An insulating member 203 is interposed between the electrode terminal 201 and the base plate 200 to insulate the base plate 200 connected to the positive electrode tab of the electrode assembly from the electrode terminal 201.
  • the inner surface of the electrolyte injection hole 202 of the base plate 200 is formed of a chamfer structure 220 whose diameter is smaller in the lower direction, the lower portion is formed of a non-chamfer structure 230.
  • the unchamfered structure 230 means a vertically penetrating structure that is not substantially inclined.
  • the depth d of the chamfer structure 220 is formed at a depth of approximately 0.4D to 0.6D from an upper end of the electrolyte injection hole, based on the depth D of the electrolyte injection hole, and the inclination angle r of the chamfer structure 220 is It forms an angle of about 45 degrees based on the angle formed by the extension of the chamfers.
  • top width W top of the chamfer structure 220 is approximately 1.2R based on the diameter R of the sealing member 204, and the bottom width W bottom of the chamfer structure 220 is sealed. It has a size of approximately 0.7R based on the diameter R of the member 204, and the width W of the unchamfered structure 230 coincides with the bottom width W bottom of the chamfer structure 220.
  • the electrolyte injection hole 202 is press-sealed by a press in which a spherical sealing member 204 larger than the top width W top is rotated, and the sealing member 204 is made of a metal ball.
  • Figure 5 is a schematic diagram of a device for manufacturing a secondary battery according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is an operating process of the press for pressing the electrolyte injection hole and the sealing member according to another embodiment of the present invention A schematic diagram is shown for.
  • the secondary battery manufacturing apparatus 400 fixes an angle can (not shown) in which an electrode assembly (not shown) is built and a base plate 200 is mounted on an open top.
  • Die 420 the upper and lower reciprocating motion (iii) in the upper portion of the die 420, and during the downward movement (i) to press the sealing member 204 to seal the electrolyte inlet 202 of the base plate 200
  • the press 430 press-fits the member 204 and a control unit 440 controls the operation of the press 430.
  • the press 430 includes a cylinder 435 for the up and down reciprocating motion (iii) and a rotation motor 437 for the rotation of the press 430, so that the sealing member when the press 430 is moved downward (i) Pressing the sealing member 204 while rotating (ii) clockwise with respect to (204).
  • control unit 440 presses the sealing member 204 by one downward movement (i) once, and then moves up and down about 10 times in a state of moving upward to a height (L) of about 3 cm. Control to pressurize the sealing member 204 by the movement (iii).
  • the secondary battery according to the present invention by the base plate including the electrolyte injection hole of a specific structure, it can shorten the manufacturing process of the battery and reduce the occurrence of defective rate, it can greatly reduce the leakage of the electrolyte to the outside have.

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 각형 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 각형 캔의 개방 상단에 장착되는 베이스 플레이트의 전해액 주입구는 내면이 하부 방향으로 직경이 작아지는 챔퍼(chamfer) 구조의 상부와, 상기 챔퍼 구조에 연속하여 형성되어 있는 비챔퍼 구조의 하부로 형성되어 있고, 상기 전해액 주입구에 밀봉부재를 압입할 때, 전해액 주입구 형상으로 변형된 밀봉부재는 챔퍼 구조와 밀봉부재 상호간의 전단 응력에 의해 상호 밀착되고 비챔퍼 구조와의 마찰력에 의해 밀봉 상태를 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지는 불량률의 발생을 감소시키고 용접공정을 수행하지 않고도 밀봉성을 향상시킬 수 있다.

Description

전해액 주입구의 밀봉성이 우수한 각형 전지
본 발명은 전해액 주입구의 밀봉성이 우수한 각형 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체가 각형 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 각형 캔의 개방 상단에 장착되는 베이스 플레이트의 전해액 주입구는 내면이 하부 방향으로 직경이 작아지는 챔퍼 구조의 상부와, 상기 챔퍼 구조에 연속하여 형성되어 있는 비챔퍼 구조의 하부로 형성되어 있고, 상기 전해액 주입구에 밀봉부재를 압입할 때, 전해액 주입구 형상으로 변형된 밀봉부재는 챔퍼 구조와 밀봉부재 상호간의 전단 응력에 의해 상호 밀착되고 비챔퍼 구조와의 마찰력에 의해 밀봉 상태를 형성하는 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류된다. 최근에는, 모바일 기기의 소형화에 따라 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
각형 이차전지는 각형의 전지케이스 내부에 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체를 내장하고 상단에 베이스 플레이트를 용접 등의 방법으로 장착한 뒤, 베이스 플레이트에 형성되어 있는 전해액 주입구를 통해 전지케이스 내부에 전해액을 주입하고 금속 볼을 이용하여 밀봉하며, 그 위에 안전소자와 보호회로 등을 실장한 뒤, 하우징(외부 케이스)으로 밀봉하여 제조된다.
이러한 각형 이차전지에서 전지케이스의 상단에 장착되는 베이스 플레이트의 평면도와 직선 A-A에 따른 수직 단면도가 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 베이스 플레이트(100)는 그것의 중앙에 전극조립체의 전극(예를 들어 음극) 탭에 연결되어 있는 전극단자(101)가 돌출되어 있고, 측면에 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(102)가 형성되어 있다. 또한, 돌출된 전극단자(101)와 베이스 플레이트(100) 사이에는, 전극조립체의 다른 전극(예를 들어 양극)과 연결되어 그 자체로서 전극단자의 역할을 하는 베이스 플레이트(100)와의 전기적 절연을 위한 절연부재(103)가 개재되어 있다.
여기서, 전해액의 주입이 이루어진 전해액 주입구(102)는 일반적으로 도 2에서와 같이, 수직 단면상으로 사각형의 형태이며, 그것보다 다소 큰 구경을 가진 알루미늄 등의 밀봉부재(104)에 의하여 밀봉된다. 구체적으로, 밀봉부재(104)를 전해액 주입구(102)에 위치시킨 상태에서 그것의 상단으로부터 가압하여 소성 변형시켜 주입구(120)를 밀봉한 뒤, 소성 변형된 밀봉부재(104)의 주변을 레이저 용접하거나 또는 그 위에 금속 박판을 덧댄 상태에서 레이저 용접함으로써 전해액 주입구를 밀봉한다.
그러나, 상기 밀봉부재를 이용하여 전해액 주입구를 밀봉할 경우, 수직 단면상으로 사각형의 형태인 전해액 주입구에 밀봉부재가 소성 변형되어 삽입될 때, 볼의 양측이 전해액의 주입구의 내측 상단부에 밀리면서 그루브가 형성되고, 이렇게 형성된 그루브는 레이저 용접에 의한 밀봉에 악영향을 미친다. 또한, 그로 인해 생성된 내부 크랙이 볼과 주입구 내측면의 계면에 연속되어 밀봉성을 떨어뜨리는 것으로 확인되었다.
용접을 하지 않는 밀봉 방법으로 밀봉부재의 표면에 접착성을 가지는 물질로 코팅하여 압입하는 방법이 개발되어 사용되고 있다. 그러나, 상기 방법은 밀봉부재의 비용(cost)를 상승시키고, 용접 공정 대신 코팅 공정이 추가되어 전체 공정상 이점을 가진다고 보기도 어렵다.
또한, 일본 특허공개출원 제2004-0023253호 및 일본 특허공개출원 제2002-358948호에는, 전해액 주입구의 내측 상단부를 테이퍼 구조로 형성하고, 구형의 금속 볼 대신 상기 전해액 주입구에 대응하는 형태의 밀봉부재를 삽입하는 방식으로 전해액 주입구를 밀봉하는 기술이 개시되어 있다. 이러한 밀봉 구조는 앞서 설명한 바와 같은 그루브의 발생 등을 방지할 수 있는 장점은 있지만, 전해액 주입구와 밀봉부재 간의 결합력이 낮고 그로 인해 밀봉성이 떨어진다는 단점을 가지고 있으며, 결과적으로 부족한 결합력을 보완하기 위해 별도의 작업을 추가로 수행해야 하는 번거로움이 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.
구체적으로, 본 발명의 목적은 특정한 구조 및 형상의 전해액 주입구와 밀봉부재를 가지는 이차전지를 제공함으로써, 불량률의 발생을 감소시키고 용접공정을 수행하지 않고도 밀봉성을 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체가 각형 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 각형 캔의 개방 상단에 장착되는 베이스 플레이트의 전해액 주입구는 내면이 하부 방향으로 직경이 작아지는 챔퍼(chamfer) 구조의 상부와, 상기 챔퍼 구조에 연속하여 형성되어 있는 비챔퍼 구조의 하부로 형성되어 있고, 상기 전해액 주입구에 밀봉부재를 압입할 때, 전해액 주입구 형상으로 변형된 밀봉부재는 챔퍼 구조와 밀봉부재 상호간의 전단 응력에 의해 상호 밀착되고 비챔퍼 구조와의 마찰력에 의해 밀봉 상태를 형성하는 것으로 구성되어 있다.
즉, 전해액 주입구의 내면은 그것의 상부가 하부 방향으로 직경이 작아지는 챔퍼 구조로 형성되어 있으므로, 밀봉부재를 압입할 때, 밀봉부재의 원활한 소성 변형을 유도함으로써, 압입된 밀봉부재 상단에서의 그루브 발생 및 밀봉부재와 주입구 내측면 계면에서의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
또한, 상기 밀봉부재가 전해액 주입구에 압입될 때, 밀봉부재는 챔퍼 구조에 따라 비챔퍼 구조로 밀려 들어가게 된다. 이 때, 밀봉부재의 모양이 변형되고, 이로 인하여 국부적인 탄성력이 발생하게 된다. 상기 탄성력은 챔퍼 부위와 밀봉부재 양측에서 모두 발생하게 되며, 이로 인하여 밀봉력을 확보할 수 있게 된다. 또한, 비챔퍼 구조와 밀봉부재 사이의 탄성력에 의해 밀착력이 커져서 밀봉부재의 밀봉성을 확보하게 된다.
한편, 전해액 주입구의 내면 중 상부가 챔퍼 구조로 형성되어 있고 하부가 비챔퍼 구조로 형성되어 있는 경우, 소성 변형된 밀봉부재가 캔 내부로 유입되는 것을 방지하고 보다 높은 밀봉력을 발휘할 수 있으므로 매우 바람직하다.
상기 챔퍼 구조의 깊이가 너무 얕은 경우에는 챔퍼 구조의 공간 대비 소성 변형된 밀봉부재의 부피가 상대적으로 커서 밀봉부재의 상당 부분이 베이스 플레이트의 상단면 또는 하단면으로 돌출될 수 있으며, 반대로 너무 깊은 경우에는 전해액 주입구를 밀봉하기 어려울 수 있으므로 바람직하지 않다.
따라서, 상기 챔퍼 구조는 전해액 주입구의 깊이(D)를 기준으로 바람직하게는 전해액 주입구의 상단으로부터 0.3D 내지 0.7D의 범위에 형성될 수 있다.
또한, 용접공정 없이 밀봉부재를 전해액 주입구에 용이하게 압입하고 효과적으로 밀봉할 수 있도록, 챔퍼 구조의 상단 폭은 밀봉부재보다 넓은 것이 바람직하며, 구체적으로, 상기 챔퍼 구조의 상단 폭(Wtop)은 밀봉부재의 직경(R)을 기준으로 1.0R < Wtop 1.7R의 조건을 만족하고, 상기 챔퍼 구조의 하단 폭(Wbottom)은 밀봉부재의 직경(R)을 기준으로 0.5R Wbottom 0.9R의 조건을 만족하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 비챔퍼 구조의 폭(W)은 소성 변형된 밀봉부재가 하부로 유입되는 것을 방지할 수 있도록 챔퍼 구조의 하단 폭(Wbottom)과 일치하는 구조일 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 챔퍼 구조의 상단 폭(Wtop)과 하단 폭(Wbottom)의 차이는 상단 폭(Wtop)을 기준으로 8% 내지 42%의 조건을 만족하는 구조로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 챔퍼 구조의 상단 폭(Wtop)과 하단 폭(Wbottom)의 차이가 0.5 mm를 초과하는 경우 전해액 주입구의 변형 발생 빈도가 증가하고, 전해액 주입구의 하부에 대한 기밀성이 저하되므로, 챔퍼 구조의 상단 폭(Wtop)과 하단 폭(Wbottom)의 차이는 0.1 내지 0.5 mm로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 밀봉부재의 직경(R)과 챔퍼 구조의 하단 폭(Wbottom)의 차이는 밀봉부재의 직경(R)을 기준으로 8% 내지 25%의 조건을 만족하는 구조로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 밀봉부재의 직경(R)과 챔퍼 구조의 하단 폭(Wbottom)의 차이가 0.3 mm를 초과하는 경우 전해액 주입구의 변형 발생 빈도가 증가하고, 전해액 주입구의 하부에 대한 기밀성이 저하되므로, 밀봉부재의 직경(R)과 챔퍼 구조의 하단 폭(Wbottom)의 차이는 0.1 내지 0.3 mm로 구성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 챔퍼 구조의 경사각은 챔퍼의 양측 연장선이 만나 형성하는 각도를 기준으로 30 내지 70도의 범위 내에 있는 구조일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30 내지 64도의 범위 내에 있은 구조일 수 있다.
특히, 70도를 초과하는 경우 전해액 주입구의 변형 발생 빈도가 증가하고 전해액 주입구 하부의 기밀성이 저하되므로 바람직하지 않다.
앞서의 설명과 마찬가지로, 상기 챔퍼 구조의 경사각이 너무 작은 경우에는 상대적으로 큰 밀봉부재로 인해 베이스 플레이트의 상단면 및 하단면으로 돌출될 수 있고, 이와 반대로 너무 큰 경우에는 전해액 주입구에 대해 밀봉성이 떨어지거나 크랙이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.
따라서, 챔퍼 구조의 깊이와 폭 및 경사각은 전해액 주입구 및 베이스 플레이트의 크기 등에 의해 적절히 결정될 수 있으며, 밀봉부재가 소성 변형되어 전해액 주입구를 용이하게 밀봉할 수 있는 구조라면, 필요에 따라 일부 변형된 구조도 가능함은 물론이다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 밀봉부재는 구의 형상이고 상기 전해액 주입구는 수평 단면상으로 원의 형상일 수 있다.
즉, 상기 밀봉부재는 압입시 소성 변형되어 전해액 주입구를 밀봉하게 되며, 바람직하게는 금속 볼일 수 있다.
한편, 상기 밀봉부재는 전해액 주입구 상에 위치시킨 상태에서 압입되고, 상기 전해액 주입구 내면과의 접촉 계면적을 높이기 위한 하향 챔퍼 구조에 의해 밀봉부재와의 마찰력을 더 증가시킨 것이 바람직하다.
또한, 압입 후 전해액 주입구를 밀봉된 상태에서 전해액 주입구 주변부를 밀폐하기 위하여, 상기 부위를 에폭시 수지 등의 고분자 수지로 도포할 수도 있다.
상기 압입 방법은 전해액 주입구를 밀봉시킬 수 있는 방법이면 어느 것이든 제한없이 사용이 가능하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 밀봉부재는 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하면서 가압되어 전해액 주입구를 밀봉하는 방식으로 압입될 수 있다. 프레스가 회전하면서 하향 운동을 하게 되므로, 종래의 직하향 운동과 비교하여 밀봉부재 및 전해액 주입구에 가해지는 충격량이 저감되어, 물리적 밀봉방식의 기밀성 향상에 매우 효과적이다.
상기 회전하면서 하향 운동하는 프레스가 1회 가압에 의해 밀봉부재를 전해액 주입구에 압입시키는 것이 바람직하다. 1회 가압에 의해 전해액 주입구를 밀봉하더라도 기존 방식보다 충격량이 저감되므로, 전해액 주입구의 무너짐과 변형을 최소화하면서 기밀성 향상에도 효과적이고, 공정의 효율성을 제고할 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 회전하면서 하향 운동하는 프레스가 밀봉부재를 1회 가압에 의해 압입한 후, 소정 높이에서 반복적으로 가압하여 전해액 주입구를 밀봉하는 방식으로 압입될 수도 있다.
이 경우, 용접 과정을 생략하고 밀봉부재의 삽입 및 압입 공정만으로도 전해액 주입구를 용이하게 밀봉할 수 있으므로, 전체 공정과정이 크게 단축되며 더욱 향상된 밀봉성을 발휘할 수 있다.
구체적으로, 상기 소정 높이는 전해액 주입구로부터 1 내지 5 cm의 거리일 수 있으며, 상기 반복적인 가압은 5 내지 20회 수행할 수 있다. 또한, 상기 밀봉부재에 대한 프레스의 압력이 종래의 5 kgf에서 3 kgf로 낮아짐으로써 소성 변형된 밀봉부재와 전해액 주입구간의 기밀성 및 균일성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 각형 이차전지에서 전해액 주입구가 형성되어 있는 베이스 플레이트의 평면도 및 직선 A-A에 따른 수직 단면도이다;
도 2는 도 1의 점선원 a 부위의 확대도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지에서 전해액 주입구가 형성되어 있는 베이스 플레이트의 평면도 및 직선 B-B에 따른 수직 단면도이다;
도 4는 도 3의 점선원 b 부위의 확대도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 이차전지를 제조하기 위한 장치에 대한 모식도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 전해액 주입구 및 밀봉부재를 가압하는 과정에 대한 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지에서 전해액 주입구가 형성되어 있는 베이스 플레이트의 평면도 및 직선 B-B에 따른 수직 단면도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 점선원 b 부위의 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 베이스 플레이트(200)는 그것의 중앙에 전극조립체(도시하지 않음)의 음극 탭에 연결되어 있는 전극단자(201)가 돌출되어 있고, 일측에 전해액 주입구(202)가 형성되어 있다. 전해액 주입구(202) 인근의 상단 만입홈은 보호회로모듈 등을 베이스 플레이트(200) 상에 안정적으로 탑재하기 위해 형성되어 있다. 전극단자(201)와 베이스 플레이트(200) 사이에는 절연부재(203)가 개재되어 있어서, 전극조립체의 양극 탭에 연결되는 베이스 플레이트(200)를 전극단자(201)로부터 절연시킨다.
베이스 플레이트(200)의 전해액 주입구(202)의 내면은 상부가 하부 방향으로 직경이 작아지는 챔퍼(chamfer) 구조(220)로 형성되어 있고, 하부가 비챔퍼 구조(230)로 형성되어 있다. 비챔퍼 구조(230)은 실질적으로 경사지지 않은 수직 관통 구조를 의미한다.
챔퍼 구조(220)의 깊이(d)는 전해액 주입구의 깊이(D)를 기준으로 전해액 주입구의 상단으로부터 대략 0.4D 내지 0.6D의 깊이로 형성되어 있고, 챔퍼 구조(220)의 경사각(r)은 챔퍼의 연장선이 만나 형성하는 각도를 기준으로 약 45도의 각도를 이룬다.
또한, 챔퍼 구조(220)의 상단 폭(Wtop)은 밀봉부재(204)의 직경(R)을 기준으로 대략 1.2R의 크기를 이루고, 챔퍼 구조(220)의 하단 폭(Wbottom)은 밀봉부재(204)의 직경(R)을 기준으로 대략 0.7R의 크기를 이루며, 비챔퍼 구조(230)의 폭(W)은 챔퍼 구조(220)의 하단 폭(Wbottom)과 일치한다.
이러한 전해액 주입구(202)는 상단 폭(Wtop)보다 큰 구형의 밀봉부재(204)가 회전하는 프레스에 의해 압입되어 밀봉되며, 밀봉부재(204)는 금속 볼로 이루어져 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 이차전지를 제조하는 장치에 대한 모식도가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 전해액 주입구 및 밀봉부재를 가압하는 프레스의 작동 과정에 대한 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 도 4와 함께 참조하면, 이차전지 제조장치(400)는 전극조립체(도시하지 않음)가 내장되어 있고 개방 상단에 베이스 플레이트(200)가 장착되어 있는 각형 캔(도시하지 않음)을 고정하기 위한 다이(420), 다이(420)의 상부에서 상하 왕복 운동(iii)을 하며, 하향 이동(i)시 밀봉부재(204)를 가압하여 베이스 플레이트(200)의 전해액 주입구(202)에 밀봉부재(204)를 압입하는 프레스(430) 및 프레스(430)의 작동을 제어하는 제어부(440)로 이루어져 있다.
프레스(430)는 상하 왕복 운동(iii)을 위한 실린더(435)와, 프레스(430)의 회전을 위한 회전모터(437)를 포함하고 있어서, 프레스(430)가 하향 이동(i)시 밀봉부재(204)를 기준으로 시계방향으로 회전(ii)하면서 밀봉부재(204)를 가압한다.
또한, 제어부(440)는 프레스(430)가 1회 하향 운동(i)에 의해 밀봉부재(204)를 가압한 후, 약 3 cm의 높이(L)로 상향 이동한 상태에서 약 10회의 상하 왕복 운동(iii)에 의해 밀봉부재(204)를 가압하도록 제어한다.
또한, 밀봉부재(204)에 대한 프레스(430)의 압력(G)은 약 3 kgf 로 상대적으로 낮은 압력으로 가압함으로써, 소성 변형된 밀봉부재와 전해액 주입구간의 기밀성 및 균일성을 확보할 수 있다.
즉, 회전모터(437)에 의해 프레스(430)를 시계방향으로 회전(ii)시키면서 밀봉부재(204)에 대해 상하 왕복 운동(iii)을 시킴으로써, 전해액 주입구의 무너짐과 변형의 문제점을 미연에 방지할 수 있으며, 전해액 주입구의 밀봉성의 향상으로 인해 결과적으로 전지의 기밀성을 확보할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 특정 구조의 전해액 주입구를 포함하는 베이스 플레이트에 의해, 전지의 제조공정을 단축하고 불량률의 발생을 감소시키며, 전해액이 외부로 누액되는 것을 크게 감소시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 전극조립체가 각형 캔에 내장되어 있는 이차전지로서,
    상기 각형 캔의 개방 상단에 장착되는 베이스 플레이트의 전해액 주입구는 내면이 하부 방향으로 직경이 작아지는 챔퍼(chamfer) 구조의 상부와, 상기 챔퍼 구조에 연속하여 형성되어 있는 비챔퍼 구조의 하부로 형성되어 있고,
    상기 전해액 주입구에 밀봉부재를 압입할 때, 전해액 주입구 형상으로 변형된 밀봉부재는 챔퍼 구조와 밀봉부재 상호간의 전단 응력에 의해 상호 밀착되고 비챔퍼 구조와의 마찰력에 의해 밀봉 상태를 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 챔퍼 구조는 전해액 주입구의 깊이(D)를 기준으로 전해액 주입구의 상단으로부터 0.3 × D 내지 0.7×D의 범위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 챔퍼 구조의 상단 폭(Wtop)은 밀봉 부재의 직경(R)을 기준으로 1.0×R < Wtop < 1.7×R의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 챔퍼 구조의 하단 폭(Wbottom)은 밀봉부재의 직경(R)을 기준으로 0.5×R ≤ Wbottom ≤ 0.9×R의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 비챔퍼 구조의 폭(W)은 챔퍼 구조의 하단 폭(Wbottom)과 일치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 챔퍼 구조의 상단 폭(Wtop)과 하단 폭(Wbottom)의 차이는 상단 폭(Wtop)을 기준으로 8% 내지 42%의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재의 직경(R)과 챔퍼 구조의 하단 폭(Wbottom)의 차이는 밀봉부재의 직경(R)을 기준으로 8% 내지 25%의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 챔퍼 구조의 경사각은 챔퍼의 연장선이 만나 형성하는 각도를 기준으로 30 내지 70도인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 구의 형상이고 상기 전해액 주입구는 수평 단면상으로 원의 형상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 금속 볼인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 전해액 주입구 상에 위치시킨 상태에서 압입되고, 상기 전해액 주입구 내면과의 접촉 계면적을 높이기 위한 하향 챔퍼 구조에 의해 밀봉부재와의 마찰력을 더 증가시킨 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하면서 가압되어 전해액 주입구를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 1회 가압에 의해 전해액 주입구에 압입되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 밀봉부재는 1회 가압에 의해 밀봉부재를 압입한 후, 소정 높이에서 반복적으로 가압하여 전해액 주입구를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 소정 높이는 전해액 주입구로부터 1 내지 5 cm의 높이인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 반복적인 가압은 5 내지 20회 수행하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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