WO2014133275A1 - 이차 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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secondary battery
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safety vent
assembly
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김성종
구자훈
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for manufacturing a secondary battery, and more particularly, to a secondary battery and a method of manufacturing the same having improved capacity and safety by preventing welding of the cap assembly and the battery case without forming a bead portion.
  • a secondary battery unlike a primary battery that cannot be charged, means a battery that can be charged and discharged, and is widely used in electronic devices such as mobile phones, notebook computers, camcorders, and electric vehicles.
  • the lithium secondary battery has an operating voltage of about 3.6V, and has about three times the capacity of a nickel-cadmium battery or a nickel-hydrogen battery, which is widely used as a power source for electronic equipment, and has a high energy density per unit weight. The degree is increasing rapidly.
  • Such lithium secondary batteries mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • the lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with such a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator interposed therebetween, and a battery case (external material) for sealingly storing the electrode assembly together with the electrolyte solution.
  • the lithium secondary battery may be classified into a can type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet according to the type of battery case.
  • the can-type secondary battery may be further classified into a cylindrical battery and a square battery according to the shape of the metal can.
  • the rectangular or cylindrical secondary battery packaging material includes a battery case having an open end and a cap assembly sealingly coupled to the open end of the battery case.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a conventional cylindrical secondary battery in which a beading portion is formed in a battery case.
  • a cylindrical secondary battery generally includes a cylindrical battery case 20 sealed at a lower end thereof and an open upper end thereof, a jelly-roll electrode assembly 30 accommodated inside the battery case 20, and a battery case.
  • the cap assembly 10 coupled to the upper portion of the 20, the beading portion 40 provided at the tip of the battery case 20 for mounting the cap assembly 10, and the crimping portion 50 for sealing the battery are provided. Equipped.
  • the electrode assembly 30 is typically a structure in which a separator is sandwiched between a positive electrode plate and a negative electrode plate in a jelly-roll shape, and a positive electrode lead 31 is attached to the positive electrode plate and connected to the cap assembly 10.
  • the negative lead 32 is attached to the lower end of the battery case 20.
  • the cap assembly 10 includes a top cap 11 that forms a positive terminal, a safety vent 12 that blocks current when the pressure rises inside the cell and / or exhausts gas, and a safety vent 12 except for a specific portion.
  • the insulating member 13 for electrically separating the current blocking member 15 from the current blocking member 15 and the current blocking member 14 to which the positive electrode lead 31 connected to the positive electrode plate is connected are sequentially stacked.
  • the cap assembly 10 is mounted to the beading part 40 of the battery case 20 while being mounted on the gasket 15. Therefore, under normal operating conditions, the anode of the electrode assembly 30 is connected to the top cap 11 via the anode lead 31, the current blocking member 14, and the safety vent 12 to conduct electricity.
  • the beading portion 40 should be formed in the battery case 20 in order to couple and fix the cap assembly 10. Since the storage capacity of the electrode assembly 30 is reduced by the portion, there is a problem that the battery capacity is eventually reduced. Therefore, in order to solve this problem, a secondary battery in which the beading portion 40 is not formed in the battery case 20 has recently been proposed.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a conventional cylindrical secondary battery in which no beading portion is formed in the battery case 20.
  • the beading part is not formed in the battery case 20.
  • the cap assembly 10 is coupled at the top of the battery case 20, such as a portion indicated by L, by laser welding or the like to seal the battery case 20.
  • the cover 16 is typically provided at the outermost portion of the cap assembly 10. Since the cover 16 is a component for welding the battery case 20, the cover 16 may be made of a material that can be welded with the battery case 20, for example, a metal material.
  • cap assembly 10 heat may be generated during welding of the cap assembly 10 and the battery case 20, which may damage various components of the cap assembly 10.
  • the cap assembly 10 since the cap assembly 10 must be separately provided with a cover 16 made of a material such as metal for welding with the battery case 20, the structure of the cap assembly 10 may be more complicated and manufacturing costs may increase. And, the weight of the secondary battery can be increased.
  • An object of the present invention is to provide a secondary battery capable of preventing damage and improving productivity and a method of manufacturing the same.
  • a secondary battery according to the present invention for achieving the above object is a secondary battery that does not have a beading portion, the electrode assembly having a positive electrode plate and a negative electrode plate disposed between the separator;
  • a battery case accommodating the electrode assembly and the electrolyte in an inner space, the battery case including an upper can and an open bottom and an upper can bent in an inward direction and a lower sealing member coupled to a lower end of the upper can to seal a lower end thereof;
  • a top cap disposed protruding from the top to form a positive electrode terminal, a safety vent that is deformed when the internal pressure of the battery case increases in a lower portion of the top cap, and a gasket surrounding edges of the top cap and the safety vent. It includes a cap assembly comprising a.
  • the gasket has an upper end contacting an inner surface of an upper bent portion of the upper can and a lower end contacting an upper surface of the electrode assembly.
  • the gasket has an upper end contacting an inner surface of an upper bent portion of the upper can, and a lower end contacting an upper surface of the upper insulating plate.
  • the upper can and the lower sealing member are coupled by laser welding.
  • the lower sealing member is provided with a groove, and the upper can is inserted into the groove of the lower sealing member.
  • the battery pack according to the present invention for achieving the above object includes the above-described secondary battery.
  • a secondary battery manufacturing method for achieving the above object, a method for manufacturing a secondary battery without a beading portion, comprising the steps of preparing an electrode assembly, the positive electrode plate and the negative electrode plate disposed between the separator; Preparing a battery case including an upper space is formed in the inner space to accommodate the electrode assembly and the electrolyte, and the upper and lower ends are bent in the inward direction and the lower sealing member separated from the upper can; A top cap disposed protruding from the top to form a positive electrode terminal, a safety vent that is deformed when the internal pressure of the battery case increases from a lower portion of the top cap, and a gasket surrounding edges of the top cap and the safety vent Preparing a cap assembly comprising a; Inserting the cap assembly upwardly through the lower opening of the upper can such that the upper end of the gasket contacts the bent upper inner surface of the upper can; Inserting the electrode assembly in an upward direction through the lower opening of the upper can to be positioned below the cap assembly; And
  • the step of inserting the electrode assembly the electrode assembly is inserted such that the upper surface of the electrode assembly is in contact with the lower end of the gasket.
  • the preparing of the electrode assembly may further include an upper insulating plate on the upper part of the electrode assembly, and the inserting of the electrode assembly may include the electrode assembly such that an upper surface of the upper insulating plate contacts the lower end of the gasket. Insert
  • the lower sealing member is coupled to the lower end of the upper can by laser welding.
  • the upper can is inserted into the groove of the lower sealing member.
  • the storage space of the electrode assembly is increased, the capacity of the secondary battery can be improved.
  • the battery case and the cap assembly are not welded, it is possible to prevent the short from occurring in the secondary battery due to the welding residue generated during the welding.
  • heat generated during the welding process can be transferred to the cap assembly to prevent damage to the cap assembly.
  • the cap assembly since the cap assembly does not need to include a cover for welding the battery case separately, this can prevent the structure of the cap assembly from being complicated and reduce manufacturing cost and time.
  • the productivity and quality of the secondary battery can be improved, and the weight reduction of the secondary battery can be easily achieved.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a conventional cylindrical secondary battery in which a beading portion is formed in a battery case.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a conventional cylindrical secondary battery in which no beading portion is formed in the battery case.
  • FIG 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view schematically showing a coupling configuration of an upper can and a lower sealing member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 and 6 are views schematically showing a coupling configuration of the upper can and the lower sealing member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view schematically showing a coupling configuration of an upper can and a lower sealing member according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a secondary battery in which the beading portion is not formed according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary battery according to the present invention includes an electrode assembly 300, a battery case 200, and a cap assembly 100.
  • the electrode assembly 300 may have a form in which a positive electrode plate and a negative electrode plate are disposed with a separator interposed therebetween and accommodated in the battery case 200.
  • the electrode assembly 300 may be wound and disposed in the form of a jelly roll, in which case it is also called a jelly roll.
  • the electrode plates of the electrode assembly 300 are formed as a structure in which an active material slurry is applied to a current collector, and the slurry may be formed by stirring a granular active material, an auxiliary conductor, a binder, a plasticizer, and the like in a state where a solvent is added. .
  • the electrode plates In the direction in which the electrode plates are wound, there may be a non-coating portion in which the slurry is not coated at the beginning and the end of the current collector, and an electrode lead corresponding to each electrode plate may be attached to the non-coating portion.
  • the anode lead 310 is attached to the top of the electrode assembly 300 to be electrically connected to the cap assembly 100
  • the cathode lead 320 is attached to the bottom of the electrode assembly 300 to be connected to the battery case 200. Is connected to the bottom of the.
  • the battery case 200 may be made of a lightweight conductive metal material such as aluminum, stainless steel, or an alloy thereof, and may have an internal space formed therein to accommodate the electrode assembly 300 and the electrolyte in the internal space.
  • the battery case 200 may be composed of an upper can 210 and a lower sealing member 220.
  • the upper can 210 constitutes an upper portion and a side portion of the battery case 200 as a configuration that occupies most of the battery case 200, and provides an inner space for accommodating the electrode assembly 300 and the electrolyte.
  • the upper and lower ends of the upper can 210 are open. Accordingly, the upper portion of the cap assembly 100 may be exposed to the outside of the secondary battery through the upper opening of the upper can 210 to be electrically connected to the external device.
  • the top opening of the upper can 210 has a size such that the cap assembly 100 and the electrode assembly 300 cannot pass, while the bottom opening of the upper can 210 has the cap assembly 100 and the electrode.
  • the assembly 300 is sized enough to pass through. Therefore, the cap assembly 100 and the electrode assembly 300 may be inserted into the battery case 200 through the lower opening of the upper can 210.
  • the upper end of the upper can 210 may be bent in the inner direction. That is, the upper can 210 may have a bent portion 211 at an upper end thereof.
  • the upper bent portion 211 may prevent the cap assembly 100 from escaping in the upper direction of the upper can 210.
  • the upper bent portion 211 of the upper can 210 is not formed after inserting the electrode assembly 300 and the cap assembly 100 into the battery case 200 like the conventional crimping portion of the secondary battery.
  • the electrode assembly 300 and the cap assembly 100 are preformed before insertion. Therefore, there is no fear that the electrode assembly 300 or the cap assembly 100 may be damaged in the conventional crimping process for forming the crimping portion.
  • the upper can 210 may be formed in a cylindrical shape. Therefore, the secondary battery according to the present invention can be applied to a cylindrical secondary battery.
  • the present invention is not necessarily limited by the specific shape of the upper can 210, the upper can 210 may be formed in a shape other than a cylindrical shape, such as a rectangular cylinder.
  • the lower sealing member 220 is coupled to the lower end of the upper can 210 serves to seal the lower end of the battery case 200. That is, in the secondary battery according to the present invention, the lower end of the upper can 210 is open, and the lower sealing member 220 is coupled to the lower end of the upper can 210 to prevent the lower opening. Therefore, the lower sealing member 220 may prevent the electrode assembly 300 and the electrolyte solution contained in the upper can 210 from leaking through the lower end of the upper can 210.
  • the lower sealing member 220 is coupled to the upper can 210 after the cap assembly 100 and the electrode assembly 300 are inserted into the inner space of the upper can 210 through the lower opening.
  • the electrolyte is injected through the lower end of the upper can 210 after the cap assembly 100 and the electrode assembly 300 are inserted and before the lower sealing member 220 is coupled with the upper can 210.
  • the electrolyte may be inserted into the upper can 210 through the cap assembly 100 after the lower sealing member 220 is combined with the upper can 210.
  • the upper can 210 and the lower sealing member 220 may be coupled by laser welding.
  • FIG. 4 is a view schematically showing a coupling configuration of the upper can 210 and the lower sealing member 220 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 for convenience of description, the portion A of FIG. 3 will be mainly described.
  • the lower end of the upper can 210 is open, and the lower sealing member 220 of the upper can 210 is inserted after the electrode assembly 300 is inserted. Will move to the bottom.
  • the lower sealing member 220 is in close contact with the lower end of the upper can 210, as indicated by L in FIG. 4B, the lower end of the upper can 210 and the lower sealing member 220 are laser welded. These parts can be sealed by being joined to each other through a joining method such as.
  • FIG. 4 illustrates the configuration of the lower left side of the battery case 200 of FIG. 3, but the coupling of the shape may be performed on the entire bottom of the battery case.
  • the coupling form of the upper can 210 and the lower sealing member 220 shown in Figure 4 is only one example, the present invention is not necessarily limited to this coupling form, there may be a variety of coupling forms.
  • the lower sealing member 220 is provided with a groove, and the upper can 210 is inserted into the groove of the lower sealing member 220, whereby the upper can 210 and the lower sealing member 220 are formed. Can be combined.
  • FIGS. 5 and 6 are views schematically showing a coupling configuration of the upper can 210 and the lower sealing member 220 according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 5 and 6 for convenience of description, parts corresponding to part A of FIG. 3 will be mainly described.
  • the lower sealing member 220 may have a groove 221, that is, a concave portion formed thereon.
  • the groove 221 may be formed in a shape corresponding to the lower end of the upper can 210. Therefore, as indicated by the arrow in FIG. 5, when the lower sealing member 220 moves to the lower end of the upper can 210 to be in close contact, the lower end of the upper can 210 may be inserted into the groove 221. have.
  • the groove 221 of the lower sealing member 220 may be formed in various ways.
  • the inside of the protrusion 222 becomes a concave portion, such a portion may also be called a groove. . Therefore, as indicated by the arrows in FIG. 6, when the lower sealing member 220 moves to the lower end of the upper can 210 and is in close contact with each other, the lower end of the upper can 210 inside the groove, that is, the protrusion 222. You can let it be located.
  • the upper can 210 and the lower sealing member 220 may be laser welded to each other. Can be.
  • FIG. 7 is a view schematically showing a coupling configuration of the upper can 210 and the lower sealing member 220 according to another embodiment of the present invention.
  • the lower sealing member 220 may be configured to be inserted into the lower inner surface of the upper can 210.
  • the lower sealing member 220 and the upper can 210 may be bonded to each other by laser welding as indicated by L.
  • the cap assembly 100 includes a top cap 110, a safety vent 120, and a gasket 150.
  • the cap assembly 100 may be formed in various shapes, such as a circle or a square, according to the shape of the battery case 200.
  • the top cap 110 is disposed in a shape protruding upward in the uppermost portion of the cap assembly 100 to form a positive electrode terminal.
  • the top cap 110 allows the secondary battery to be electrically connected to the outside.
  • a gas hole through which gas may be discharged may be formed in the top cap 110. Therefore, when gas is generated from the electrode assembly 300, the gas may be discharged to the outside of the battery case 200 through the gas hole.
  • the top cap 110 may be formed of a metal material such as stainless steel or aluminum, for example.
  • the safety vent 120 may be disposed such that the top cap 110 and the outer circumferential surface thereof, that is, the edge portion, contact the lower portion of the top cap 110.
  • the safety vent 120 is configured to be deformed when the internal pressure of the secondary battery, that is, the internal pressure of the battery case 200 increases to a predetermined level or more.
  • the safety vent 120 may be configured to deform and rupture when the internal pressure of the secondary battery is 12-25 kgf / cm 2 .
  • the safety vent 120 as shown in the figure, the center portion is formed to protrude in the downward direction, a predetermined notch may be formed near the center. Therefore, when gas is generated from the inside of the secondary battery, that is, the electrode assembly 300, and the internal pressure increases, the safety vent 120 protrudes upward while its shape is reversed, and may be ruptured around the notches. . Therefore, the gas that has been filled inside the battery case 200 may be discharged to the outside through the ruptured portion of the safety vent 120.
  • the gasket 150 is configured to surround the edges of the top cap 110 and the safety vent 120.
  • the gasket 150 may be interposed between the upper can 210, the top cap 110, and the safety vent 120.
  • the gasket 150 may be formed of a material having electrical insulation since the top cap 110 and the edge of the safety vent 120 may be insulated from the upper can 210.
  • the gasket 150 may be made of a material having impact resistance, elasticity, and durability to support and protect the cap assembly 100.
  • the gasket 150 may be made of, for example, polyolefine or polypropylene (PP).
  • PP polypropylene
  • the gasket 150 may be bent by mechanical processing rather than by heat treatment in order to prevent electrical insulation from being weakened.
  • the gasket 150 may include a protrusion 151 supporting the lower edge of the safety vent 120 in an upward direction.
  • the protrusion 151 of the gasket 150 may prevent the safety vent 120 and the top cap 110 from escaping downward.
  • the gasket 150 may not include the protrusion 151, and in this case, the top cap 110 and the safety vent 120 may be supported upward through a bent form.
  • the gasket 150 may be configured such that the lower end portion contacts the upper surface of the electrode assembly 300, as indicated in part B of FIG. 3.
  • the gasket 150 may be configured such that an upper end thereof contacts the inner surface of the upper bent part 211 of the upper can 210. According to this embodiment, it is possible to prevent the electrode assembly 300 from flowing in the battery case 200, in particular, the electrode assembly 300 flows up and down by the gasket 150.
  • the secondary battery according to the present invention may further include an upper insulating plate on the electrode assembly 300.
  • the upper insulating plate is made of a material having electrical insulation, and may serve to insulate the electrode assembly 300 and the cap assembly 100.
  • the gasket 150 may be configured such that a lower end thereof contacts the upper surface of the upper insulating plate. In addition, the gasket 150 may prevent the flow of the electrode assembly 300 by contacting the upper end portion with the inner surface of the upper bent portion 211 of the upper can 210.
  • the cap assembly 100 of the secondary battery according to the present invention may further include a current blocking member 140, as shown in FIG.
  • the current interrupting member 140 also called a CID (Current Interrupt Device) is located between the safety vent 120 and the electrode assembly 300, so that the electrode assembly 300 and the safety vent 120 are electrically connected. do. That is, at least a portion of the upper portion of the current blocking member 140 is connected to the lower end of the central protruding portion of the safety vent 120, and the lower portion thereof is connected to the electrode lead of the electrode assembly 300, such as the anode lead 310. Therefore, in the normal state, the current generated from the electrode assembly 300 flows through the anode lead 310 to the current blocking member 140, the safety vent 120, and the top cap 110, thereby discharging the secondary battery. have.
  • CID Current Interrupt Device
  • the cap assembly 100 may include the current blocking member 140.
  • the cap assembly 100 may further include an insulating member 130.
  • the insulating member 130 is interposed between the safety vent 120 and the current blocking member 140, except for a portion where the central protruding portion of the safety vent 120 is in contact with the current blocking member 140.
  • the blocking member 140 and the safety vent 120 are electrically insulated from each other.
  • the shape of the cap assembly 100 shown in FIG. 3 is only one embodiment, and the present invention is not limited to the specific shape of the cap assembly 100.
  • the cap assembly 100 of the secondary battery according to the present invention may further include a safety device (not shown).
  • the safety device is disposed between the top cap 110 and the safety vent 120 to electrically connect the top cap 110 and the safety vent 120.
  • a safety device may block a current flow inside the battery when the temperature of the secondary battery increases, for example, it may be formed of a positive temperature coefficient element (PTC) device.
  • PTC positive temperature coefficient element
  • the battery pack according to the present invention includes at least one secondary battery described above.
  • the battery pack may include a battery management device such as a battery management system (BMS) to control the charge / discharge operation.
  • BMS battery management system
  • FIG. 8 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a secondary battery in which the beading portion is not formed according to an embodiment of the present invention.
  • an electrode assembly 300 having a positive electrode plate and a negative electrode plate disposed therebetween is prepared (S110), and an upper can 210 and a lower sealing member.
  • a battery case 200 including the 220 is prepared (S120).
  • the cap assembly 100 including the top cap 110, the safety vent 120, and the gasket 150 is also prepared (S130).
  • the upper can 210 has an internal space is formed to accommodate the electrode assembly 300 and the electrolyte, the top and bottom are open, especially the top It is bent inward.
  • the lower sealing member 220 of the battery case 200 is provided in a state separate from the upper can 210.
  • the upper can 210 may be cylindrical, but the present invention is not necessarily limited to the shape of the upper can 210.
  • the top cap 110 is disposed in a form protruding on the top of the secondary battery to form a positive electrode terminal, the safety vent 120 of the top cap 110 The shape is changed when the internal pressure of the battery case 200 increases in the lower portion, and the gasket 150 is configured to surround the edges of the top cap 110 and the safety vent 120.
  • steps S110, S120, and S130 are illustrated as being sequentially performed, but this is for convenience of description only, and steps S110, S120, and S130 may be reversed. It may be performed at the same time.
  • the cap assembly eg, the upper end of the gasket 150 is in contact with the bent upper inner surface of the upper can 210.
  • 100 is inserted through the lower opening of the upper can 210 (S140).
  • the electrode assembly 300 is inserted into the upper can 210 through the lower opening of the upper can 210 so as to be positioned below the cap assembly 100 (S150).
  • the lower sealing member 220 is coupled to the lower end of the upper can 210 so that the lower opening of the upper can 210 can be sealed (S160).
  • the electrode assembly 300 may be inserted such that the upper surface of the electrode assembly 300 contacts the lower end of the gasket 150.
  • the upper insulating plate may be further provided on the upper part of the electrode assembly 300.
  • the electrode assembly (the upper surface of the upper insulating plate is in contact with the lower end of the gasket 150). It is preferred to insert 300).
  • the step S160 may be performed such that the lower sealing member 220 is coupled to the lower end of the upper can 210 by laser welding.
  • the step S160 may be performed in a form in which the upper can 210 is inserted into a groove of the lower sealing member 220.
  • the battery case 200 having a groove formed in the lower sealing member 220 may be prepared so that the lower end of the upper can 210 may be inserted.
  • the step S130 may include a current blocking member 140 and a safety vent 120 and a current blocking member having an upper portion connected to a lower end of the safety vent 120 and a lower portion connected to the electrode assembly 300.
  • the cap assembly 100 may further include an insulation member 130 interposed between the portions 140 to electrically insulate the current blocking member 140 from the safety vent 120 except for a portion thereof.
  • the step S130 may be disposed between the top cap 110 and the safety vent 120 to further include a safety element in the cap assembly 100 to block a current when the temperature rises.

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Abstract

본 발명은 비딩부가 형성되지 않으면서도 캡 조립체와 전지 케이스를 용접하지 않을 수 있도록 함으로써 용량 및 안전성이 향상된 이차 전지와 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 이차 전지는, 비딩부가 형성되지 않은 이차 전지로서, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체; 내부 공간에 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 상단 및 하단이 개방되어 있으며 상단이 내측 방향으로 절곡된 상부 캔 및 상기 상부 캔의 하단에 결합되어 하단을 밀폐시키는 하부 밀폐부재를 포함하는 전지 케이스; 및 최상부에 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성하는 탑 캡, 상기 탑 캡의 하부에서 상기 전지 케이스의 내압 증가시 형태가 변형되는 안전 벤트, 및 상기 탑 캡 및 상기 안전 벤트의 테두리들을 감싸는 가스켓을 포함하는 캡 조립체를 포함한다.

Description

이차 전지 및 그 제조 방법
본 발명은 이차 전지를 제조하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비딩부가 형성되지 않으면서도 캡 조립체와 전지 케이스를 용접하지 않을 수 있도록 함으로써 용량 및 안전성이 향상된 이차 전지와 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2013년 2월 26일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2013-0020744호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 약 3배의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스(외장재)를 구비한다.
한편, 리튬 이차 전지는 전지 케이스의 종류에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다. 그리고, 캔형 이차 전지는 다시 금속 캔의 형상에 따라 원통형 전지와 각형 전지로 분류될 수 있다. 이러한 각형 또는 원통형 이차 전지의 외장재는 개방단이 형성된 전지 케이스 및 전지 케이스의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체를 구비한다.
도 1은, 전지 케이스에 비딩부가 형성된 종래의 원통형 이차 전지의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 원통형 이차 전지는 하단은 밀폐되고 상단은 개방된 원통형 전지 케이스(20), 전지 케이스(20)의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(30), 전지 케이스(20)의 상부에 결합되는 캡 조립체(10), 캡 조립체(10)를 장착하기 위해 전지 케이스(20)의 선단에 마련된 비딩부(40) 및 전지를 밀봉하기 위한 클림핑 부위(50)를 구비한다.
전극 조립체(30)는 통상적으로 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 개재된 상태로 젤리-롤 형태로 권취된 구조이며, 양극판에는 양극 리드(31)가 부착되어 캡 조립체(10)에 접속되어 있고, 음극판에는 음극 리드(32)가 부착되어 전지 케이스(20)의 하단에 접속되어 있다.
캡 조립체(10)는 양극 단자를 형성하는 탑 캡(11), 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하고 및/또는 가스를 배기하는 안전 벤트(12), 특정 부분을 제외하고 안전 벤트(12)를 전류차단부재(15)로부터 전기적으로 분리시키는 절연부재(13), 양극판에 연결된 양극 리드(31)가 접속되어 있는 전류차단부재(14)가 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 그리고, 이러한 캡 조립체(10)는 가스켓(15)에 장착된 상태로 전지 케이스(20)의 비딩부(40)에 안착된다. 따라서, 정상적인 작동 조건에서 전극 조립체(30)의 양극은 양극 리드(31), 전류차단부재(14) 및 안전 벤트(12)를 경유하여 탑 캡(11)에 연결되어 통전을 이룬다.
하지만, 이와 같은 비딩부가 구비된 종래의 이차 전지의 경우, 캡 조립체(10)를 결합 및 고정하기 위해 전지 케이스(20)에 비딩부(40)가 형성되어야 하는데, 이러한 비딩부(40)가 차지하는 부분만큼 전극 조립체(30)의 수납 용량이 작아지므로 결국에는 전지 용량이 감소되는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 전지 케이스(20)에 비딩부(40)가 형성되지 않은 이차 전지가 제안되고 있다.
도 2는, 전지 케이스(20)에 비딩부가 형성되지 않은 종래의 원통형 이차 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 전지 케이스(20)에 비딩부가 형성되어 있지 않다. 그리고, 캡 조립체(10)를 전지 케이스(20)의 상단에서, L로 표시된 부분과 같이, 레이저 용접 등의 방식으로 결합시켜 전지 케이스(20)를 밀봉시킨다. 이때, 캡 조립체(10)를 전지 케이스(20)와 용접시키기 위해서는 도면에 도시된 바와 같이, 캡 조립체(10)의 최외곽에 커버(16)를 구비하는 것이 통상적이다. 이러한 커버(16)는 전지 케이스(20)와 용접을 하기 위한 구성요소이기 때문에 전지 케이스(20)와 용접이 가능한 재질, 이를테면 금속 재질로 이루어질 수 있다.
이처럼 종래의 비딩부가 형성되지 않은 이차 전지의 경우, 캡 조립체(10)와 전지 케이스(20)를 용접하는 공정이 수행된다. 그런데 이와 같은 용접 공정에서는, 용접 찌꺼기가 발생할 수 있으며, 이러한 용접 찌꺼기는 캡 조립체(10)나 전극 조립체(30)에 부착되어 전지 내부에서 쇼트를 일으킬 우려가 있다.
또한, 캡 조립체(10)와 전지 케이스(20)의 용접시에는 열이 발생할 수 있는데, 이러한 열은 캡 조립체(10)의 여러 구성요소를 손상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 캡 조립체(10)에 전지 케이스(20)와 용접하기 위한 금속과 같은 재질의 커버(16)를 별도로 구비해야 하기 때문에 캡 조립체(10)의 구조가 더 복잡해지고 제조 비용이 증가할 수 있으며, 이차 전지의 무게를 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전지 케이스에 비딩부가 형성되지 않아 용량이 향상될 수 있으면서도, 캡 조립체와 전지 케이스가 용접되지 않아 용접 찌꺼기로 인한 쇼트 및 캡 조립체의 손상이 방지되고 생산성이 향상될 수 있는 이차 전지 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지는, 비딩부가 형성되지 않은 이차 전지로서, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체; 내부 공간에 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 상단 및 하단이 개방되어 있으며 상단이 내측 방향으로 절곡된 상부 캔 및 상기 상부 캔의 하단에 결합되어 하단을 밀폐시키는 하부 밀폐부재를 포함하는 전지 케이스; 및 최상부에 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성하는 탑 캡, 상기 탑 캡의 하부에서 상기 전지 케이스의 내압 증가시 형태가 변형되는 안전 벤트, 및 상기 탑 캡 및 상기 안전 벤트의 테두리들을 감싸는 가스켓을 포함하는 캡 조립체를 포함한다.
바람직하게는, 상기 가스켓은, 상단부가 상기 상부 캔의 상단 절곡부 내면에 접촉되고, 하단부가 상기 전극 조립체의 상면에 접촉된다.
또한 바람직하게는, 상기 전극 조립체의 상부에 상부 절연판을 더 포함하고,
상기 가스켓은, 상단부가 상기 상부 캔의 상단 절곡부 내면에 접촉되고, 하단부가 상기 상부 절연판의 상면에 접촉된다.
또한 바람직하게는, 상기 상부 캔과 상기 하부 밀폐부재는, 레이저 용접에 의해 결합된다.
또한 바람직하게는, 상기 하부 밀폐부재는 홈이 형성되어 있고, 상기 상부 캔은 상기 하부 밀폐부재의 홈에 삽입된다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 이차 전지를 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지 제조 방법은, 비딩부가 형성되지 않은 이차 전지를 제조하는 방법으로서, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체를 준비하는 단계; 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납 가능하도록 내부 공간이 형성되고 상단 및 하단이 개방되어 상단이 내측 방향으로 절곡된 상부 캔 및 상기 상부 캔과 분리된 하부 밀폐부재를 포함하는 전지 케이스를 준비하는 단계; 상기 최상부에 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성하는 탑 캡, 상기 탑 캡의 하부에서 상기 전지 케이스의 내압 증가시 형태가 변형되는 안전 벤트, 및 상기 탑 캡 및 상기 안전 벤트의 테두리들을 감싸는 가스켓을 포함하는 캡 조립체를 준비하는 단계; 상기 가스켓의 상단부가 상기 상부 캔의 절곡된 상부 내면에 접촉되도록 상기 캡 조립체를 상기 상부 캔의 하단 개방부를 통하여 상부 방향으로 삽입하는 단계; 상기 캡 조립체의 하부에 위치하도록 상기 전극 조립체를 상기 상부 캔의 하단 개방부를 통하여 상부 방향으로 삽입하는 단계; 및 상기 상부 캔의 하단을 밀폐시키도록 상기 하부 밀폐부재를 상기 상부 캔의 하단에 결합하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전극 조립체의 삽입 단계는, 상기 전극 조립체의 상면이 상기 가스켓의 하단부에 접촉되도록 상기 전극 조립체를 삽입한다.
또한 바람직하게는, 상기 전극 조립체의 준비 단계는, 상기 전극 조립체의 상부에 상부 절연판을 더 구비하고, 상기 전극 조립체의 삽입 단계는, 상기 상부 절연판의 상면이 상기 가스켓의 하단부에 접촉되도록 상기 전극 조립체를 삽입한다.
또한 바람직하게는, 상기 하부 밀폐부재와 상부 캔의 결합 단계에서, 상기 하부 밀폐부재는 레이저 용접에 의해 상기 상부 캔의 하단에 결합된다.
또한 바람직하게는, 상기 하부 밀폐부재와 상부 캔의 결합 단계에서, 상기 상부 캔은 상기 하부 밀폐부재의 홈에 삽입된다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 전지 케이스에 비딩부가 형성되지 않으므로, 전극 조립체의 수납 공간이 증가되어, 이차 전지의 용량이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 전지 케이스와 캡 조립체가 용접되지 않으므로, 이러한 용접시 발생하는 용접 찌꺼기로 인해 이차 전지 내부에서 쇼트가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 용접 과정 중 생성되는 열이 캡 조립체에 전달되어 캡 조립체가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 캡 조립체에 전지 케이스와 용접하기 위한 커버를 별도로 구비할 필요가 없으므로, 이로 인해 캡 조립체의 구조가 복잡해지는 것을 방지하고 제조 비용 및 시간을 감소시킬 수 있다.
그러므로, 본 발명에 의하면 이차 전지의 생산성 및 품질을 향상시킬 수 있으며, 이차 전지의 경량화 달성에도 용이할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 전지 케이스에 비딩부가 형성된 종래의 원통형 이차 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는, 전지 케이스에 비딩부가 형성되지 않은 종래의 원통형 이차 전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 캔과 하부 밀폐부재의 결합 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상부 캔과 하부 밀폐부재의 결합 구성을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상부 캔과 하부 밀폐부재의 결합 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 비딩부가 형성되지 않은 이차 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지는, 전극 조립체(300), 전지 케이스(200) 및 캡 조립체(100)를 포함한다.
상기 전극 조립체(300)는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태를 가질 수 있으며, 전지 케이스(200)에 수납된다. 이때, 전극 조립체(300)는 젤리 롤 형태로 권취되어 배치될 수 있으며, 이 경우 젤리 롤이라고도 불린다. 전극 조립체(300)의 전극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 전극판들이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않은 무지부가 존재할 수 있으며, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 리드가 부착될 수 있다. 일반적으로 양극 리드(310)는 전극 조립체(300)의 상단에 부착되어 캡 조립체(100)에 전기적으로 연결되고, 음극 리드(320)는 전극 조립체(300)의 하단에 부착되어 전지 케이스(200)의 바닥에 연결된다.
상기 전지 케이스(200)는, 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성될 수 있으며, 내부 공간이 형성되어 내부 공간에 전극 조립체(300) 및 전해액을 수납할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 전지 케이스(200)는, 상부 캔(210) 및 하부 밀폐부재(220)로 구성될 수 있다.
여기서, 상부 캔(210)은, 전지 케이스(200)의 대부분을 차지하는 구성으로서 전지 케이스(200)의 상부 및 측부를 구성하며, 전극 조립체(300) 및 전해액을 수납하기 위한 내부 공간을 제공한다.
그리고, 상부 캔(210)은, 상단 및 하단이 개방되어 있다. 따라서, 상부 캔(210)의 상단 개방부를 통해 캡 조립체(100)의 상부가 이차 전지의 외부로 노출되어 외부 장치와 전기적으로 접속될 수 있다. 특히, 상부 캔(210)의 상단 개방부는 캡 조립체(100) 및 전극 조립체(300)가 통과할 수 없을 정도의 크기를 갖는 반면, 상부 캔(210)의 하단 개방부는 캡 조립체(100) 및 전극 조립체(300)가 통과할 수 있을 정도의 크기를 갖는다. 따라서, 상부 캔(210)의 하단 개방부를 통해 캡 조립체(100) 및 전극 조립체(300)가 전지 케이스(200) 내부로 삽입될 수 있다.
이때, 상부 캔(210)의 상단은 내측 방향으로 절곡될 수 있다. 즉, 상부 캔(210)은, 상단에 절곡부(211)를 가질 수 있다. 이러한 상단 절곡부(211)는 캡 조립체(100)가 상부 캔(210)의 상부 방향으로 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 특히, 상기 상부 캔(210)의 상단 절곡부(211)는 종래 이차 전지의 클림핑 부위와 같이 전극 조립체(300) 및 캡 조립체(100)를 전지 케이스(200)에 삽입한 이후에 형성된 것이 아니고, 전극 조립체(300) 및 캡 조립체(100)의 삽입 이전에 미리 형성되어 있는 것이다. 따라서, 클림핑 부위를 형성하기 위한 종래의 클림핑 공정에서 전극 조립체(300)나 캡 조립체(100)가 손상되는 등의 문제가 발생할 염려가 없다.
바람직하게는, 상기 상부 캔(210)은 원통형으로 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 이차 전지는 원통형 이차 전지에 적용될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 상부 캔(210)의 특정 형태에 의해 제한되는 것은 아니며, 상부 캔(210)은 원통형 이외의 다른 형태, 이를테면 사각통 형태로 형성될 수 있다.
상기 하부 밀폐부재(220)는 상부 캔(210)의 하단에 결합되어 전지 케이스(200)의 하단을 밀폐시키는 역할을 한다. 즉, 본 발명에 따른 이차 전지는 상부 캔(210)의 하단이 개방되어 있으며, 이러한 하단 개방부를 막기 위해 하부 밀폐부재(220)가 상부 캔(210)의 하단에 결합된다. 따라서, 하부 밀폐부재(220)는, 상부 캔(210)에 수납되어 있는 전극 조립체(300) 및 전해액이 상부 캔(210)의 하단을 통해 누설되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 하부 밀폐부재(220)는, 하단 개방부를 통해 상부 캔(210)의 내부 공간으로 캡 조립체(100) 및 전극 조립체(300)가 삽입된 이후에, 상부 캔(210)과 결합된다. 여기서, 전해액은, 캡 조립체(100) 및 전극 조립체(300)가 삽입된 이후에, 그리고 하부 밀폐부재(220)가 상부 캔(210)과 결합되기 이전에 상부 캔(210)의 하단을 통해 주입될 수 있다. 다만, 전해액은 하부 밀폐부재(220)가 상부 캔(210)과 결합된 이후에 캡 조립체(100)를 통해 상부 캔(210)으로 삽입될 수도 있다.
바람직하게는, 상부 캔(210)과 하부 밀폐부재(220)는 레이저 용접에 의해 결합될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 캔(210)과 하부 밀폐부재(220)의 결합 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4에서는, 설명의 편의를 위해 도 3의 A 부분을 중심으로 나타내도록 한다.
우선, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상부 캔(210)의 하단은 개방되어 있고, 하부 밀폐부재(220)는 전극 조립체(300)가 삽입된 이후에, 상부 캔(210)의 하단으로 이동하게 된다. 그리고, 하부 밀폐부재(220)가 상부 캔(210)의 하단에 밀착되면, 도 4의 (b)에서 L로 표시된 바와 같이, 상부 캔(210)의 하단과 하부 밀폐부재(220)는 레이저 용접 등의 접합 방법을 통해 서로 결합되어 이 부분은 밀폐될 수 있게 된다.
도 4는, 도 3의 전지 케이스(200)에서 좌측 하단 구성에 대해 도시하였으나, 전지케이스의 하단 전체에서 이와 같은 형태의 결합이 이루어질 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 상부 캔(210)과 하부 밀폐부재(220)의 결합 형태는 일례에 불과할 뿐, 본 발명이 반드시 이러한 결합 형태로 한정되는 것은 아니며, 다양한 결합 형태가 존재할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하부 밀폐부재(220)는 홈이 형성되어 있고, 상부 캔(210)은 이러한 하부 밀폐부재(220)의 홈에 삽입됨으로써, 상부 캔(210)과 하부 밀폐부재(220)가 결합될 수 있다.
도 5 및 도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상부 캔(210)과 하부 밀폐부재(220)의 결합 구성을 개략적으로 나타내는 도면들이다. 도 5 및 도 6에서도, 설명의 편의를 위해 도 3의 A 부분에 대응되는 부분을 중심으로 나타내도록 한다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 하부 밀폐부재(220)는 그 상부에 홈(221), 즉 오목한 부분이 형성될 수 있다. 이러한 홈(221)은 상부 캔(210)의 하단에 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 도 5에서 화살표로 표시된 바와 같이, 하부 밀폐부재(220)가 상부 캔(210)의 하단으로 이동하여 밀착될 때, 이러한 홈(221)에 상부 캔(210)의 하단이 삽입되도록 할 수 있다.
다만, 이러한 하부 밀폐부재(220)의 홈(221)은 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 하부 밀폐부재(220)의 상단 외주부에 돌출부(222)가 구비되면, 돌출부(222)의 내측은 오목한 부분이 되므로, 이러한 부분 역시 홈이라 할 수 있다. 따라서, 도 6에서 화살표로 표시된 바와 같이, 하부 밀폐부재(220)가 상부 캔(210)의 하단으로 이동하여 밀착될 때, 이러한 홈, 즉 돌출부(222)의 내측에 상부 캔(210)의 하단이 위치하도록 할 수 있다.
특히, 이와 같은 실시예들에 의하면, 상부 캔(210)과 하부 밀폐부재(220)의 좌우 유동을 방지할 수 있어, 상부 캔(210)과 하부 밀폐부재(220)의 결합력을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 상부 캔(210)이 하부 밀폐부재(220)의 홈에 삽입되는 실시예에서도, 상부 캔(210)과 하부 밀폐부재(220)는 서로 레이저 용접될 수 있다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상부 캔(210)과 하부 밀폐부재(220)의 결합 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 하부 밀폐부재(220)는 상부 캔(210)의 하단 내측면에 삽입되게 구성될 수 있다. 그리고, 하부 밀폐부재(220)와 상부 캔(210)은 L로 표시된 바와 같이 레이저 용접에 의해 서로 접합될 수 있다.
이러한 도 4 내지 도 7의 실시예 이외에도, 상부 캔(210)과 하부 밀폐부재(220)의 결합 구성에 대한 실시예는 다양하게 존재할 수 있다.
상기 캡 조립체(100)는, 탑 캡(110), 안전 벤트(120) 및 가스켓(150)을 포함한다. 그리고, 이러한 캡 조립체(100)는, 전지 케이스(200)의 형태에 따라 원형 또는 각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 탑 캡(110)은, 캡 조립체(100)의 최상부에 상부 방향으로 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성한다. 따라서, 상기 탑 캡(110)은 이차 전지가 외부와 전기적으로 접속되도록 한다. 또한, 이러한 탑 캡(110)에는 가스가 배출될 수 있는 가스 구멍이 형성될 수 있다. 따라서, 전극 조립체(300)로부터 가스 발생시 이러한 가스 구멍을 통해 전지 케이스(200) 외부로 가스가 배출되도록 할 수 있다. 상기 탑 캡(110)은, 예를 들어 스테인리스 스틸이나 알루미늄과 같은 금속 재질로 형성될 수 있다.
상기 안전 벤트(120)는, 상기 탑 캡(110)의 하부에서 탑 캡(110)과 외주면, 즉 테두리 부분이 접촉되도록 배치될 수 있다. 그리고, 이러한 안전 벤트(120)는 이차 전지의 내압, 즉 전지 케이스(200)의 내압이 일정 수준 이상으로 증가하는 경우, 형태가 변형되도록 구성된다. 예를 들어, 상기 안전 벤트(120)는 이차 전지의 내압이 12~25 kgf/cm2일 때 형태가 변형되어 파열되도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 안전 벤트(120)는, 도면에 도시된 바와 같이,중심부가 하부 방향으로 돌출되도록 형성되고, 그러한 중심부 부근에 소정의 노치가 형성될 수 있다. 따라서, 이차 전지의 내부, 즉 전극 조립체(300) 측으로부터 가스가 발생하여 내압이 증가하게 되면, 안전 벤트(120)는 그것의 형상이 역전되면서 상향 돌출되게 되고, 노치들을 중심으로 파열될 수 있다. 따라서, 이러한 안전 벤트(120)의 파열된 부분을 통해 전지 케이스(200)의 내부에 차 있던 가스가 외부로 배출될 수 있게 된다.
상기 가스켓(150)은, 탑 캡(110) 및 안전 벤트(120)의 테두리를 감싸도록 구성된다. 특히, 상기 가스켓(150)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 캔(210)과 탑 캡(110) 및 안전 벤트(120) 사이에 개재될 수 있다. 이러한 가스켓(150)은, 탑 캡(110) 및 안전 벤트(120)의 테두리 부분이 상부 캔(210)과 절연될 수 있도록 하므로, 전기 절연성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 가스켓(150)은 캡 조립체(100)를 지지하고 보호하기 위해 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가진 재질로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 가스켓(150)은, 예를 들어 폴리올레핀(polyolefine) 또는 폴리프로필렌(PP)으로 제조될 수 있다. 그리고, 상기 가스켓(150)은 전기 절연성이 약화되는 것을 방지하기 위해 열처리에 의하지 않고 기계적 가공에 의해 벤딩되는 것이 좋다.
특히, 상기 가스켓(150)은, 안전 벤트(120)의 테두리 하단을 상부 방향으로 지지하는 돌출부(151)가 형성될 수 있다. 이러한 가스켓(150)의 돌출부(151)는, 안전 벤트(120) 및 탑 캡(110)이 하부 방향으로 이탈하는 것을 막을 수 있다.
다만, 가스켓(150)은, 이와 같은 돌출부(151)를 구비하지 않을 수 있으며, 이 경우 절곡된 형태 등을 통해 탑 캡(110) 및 안전 벤트(120)를 상부 방향으로 지지할 수도 있다.
바람직하게는, 상기 가스켓(150)은, 도 3의 B 부분에 표시된 바와 같이, 하단부가 전극 조립체(300)의 상면에 접촉되도록 구성될 수 있다. 그리고, 상기 가스켓(150)은 상단부가 상부 캔(210)의 상단 절곡부(211) 내면에 접촉되게 구성될 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 가스켓(150)에 의해 전지 케이스(200) 내부에서 전극 조립체(300)가 유동되는 것, 특히 전극 조립체(300)가 상하부 방향으로 유동되는 것을 방지할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 이차 전지는, 전극 조립체(300)의 상부에 상부 절연판을 더 포함할 수 있다. 이러한 상부 절연판은, 전기적 절연성을 갖는 재질로 구성되어, 전극 조립체(300)와 캡 조립체(100)를 절연시키는 역할을 할 수 있다.
이 경우, 상기 가스켓(150)은, 하단부가 상부 절연판의 상면에 접촉되도록 구성될 수 있다. 그리고, 가스켓(150)은 상단부가 상부 캔(210)의 상단 절곡부(211) 내면에 접촉됨으로써, 전극 조립체(300)의 유동을 방지할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 이차 전지의 캡 조립체(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 전류차단부재(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 전류차단부재(140)는, CID(Current Interrupt Device)라고도 불리는데, 안전 벤트(120)와 전극 조립체(300) 사이에 위치하여, 전극 조립체(300)와 안전 벤트(120)가 전기적으로 접속되도록 한다. 즉, 전류차단부재(140)는, 상부의 적어도 일부분이 안전 벤트(120)의 중앙 돌출 부분 하단에 연결되고, 하부가 전극 조립체(300)의 전극 리드, 이를테면 양극 리드(310)와 연결된다. 따라서, 정상적인 상태에서는 전극 조립체(300)로부터 생성된 전류는 양극 리드(310)를 거쳐 전류차단부재(140), 안전 벤트(120) 및 탑 캡(110)으로 흐름으로써 이차 전지의 방전이 이루어질 수 있다. 그러나, 가스 발생으로 전지의 내압이 증가하여 안전 벤트(120)의 형상이 역전되면, 안전 벤트(120)와 전류차단부재(140) 사이의 접촉이 끊어지거나, 전류차단부재(140)가 파손되어, 안전 벤트(120)와 전류차단부재(140) 사이의 전기적 접속은 차단되게 된다.
이처럼 캡 조립체(100)는 전류차단부재(140)를 포함할 수 있는데, 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 절연부재(130)를 더 포함할 수 있다.
상기 절연부재(130)는, 안전 벤트(120)와 전류차단부재(140) 사이에 개재되어, 안전 벤트(120)의 중앙 돌출 부분과 전류차단부재(140)가 접촉되는 부분을 제외하고는 전류차단부재(140)와 안전 벤트(120)가 서로 전기적으로 절연되도록 한다.
한편, 도 3에 도시된 캡 조립체(100)의 형태는 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 이러한 캡 조립체(100)의 특정 형태로 제한되는 것은 아니다.
일 예로, 본 발명에 따른 이차 전지의 캡 조립체(100)는, 안전 소자(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 안전 소자는, 탑 캡(110)과 안전 벤트(120) 사이에 배치되어 탑 캡(110)과 안전 벤트(120)를 전기적으로 연결시킨다. 이러한 안전 소자는, 이차 전지의 온도가 상승하는 경우 전지 내부의 전류 흐름을 차단할 수 있는데, 이를테면 PTC(Positive Temperature Coefficient element) 소자로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상술한 이차 전지를 하나 이상 포함한다. 그리고, 이러한 배터리 팩은, 상술한 이차 전지 이외에도, 충방전 동작을 제어하기 위해 BMS(Battery Management System)와 같은 배터리 관리 장치를 포함할 수 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 비딩부가 형성되지 않은 이차 전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따라 이차 전지를 제조하기 위해서는, 먼저 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체(300)를 준비하고(S110), 상부 캔(210) 및 하부 밀폐부재(220)를 포함하는 전지 케이스(200)를 준비한다(S120). 그리고, 탑 캡(110), 안전 벤트(120) 및 가스켓(150)을 포함하는 캡 조립체(100)도 준비한다(S130).
여기서, 상기 S120 단계에서 마련되는 전지 케이스(200)에서, 상부 캔(210)은 전극 조립체(300) 및 전해액을 수납 가능하도록 내부 공간이 형성되어 있고, 상단 및 하단은 개방되어 있으며, 특히 상단은 내측 방향으로 절곡되어 있다. 그리고, 상기 S120 단계에서는, 상기 전지 케이스(200)의 하부 밀폐부재(220)가 상부 캔(210)과 별도로 분리된 상태로 구비된다. 따라서, 상기 상부 캔(210)의 하단은 개방 상태로 있게 된다. 한편, 상기 상부 캔(210)은 원통형일 수 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 상부 캔(210) 형태로 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 S130 단계에서 마련되는 캡 조립체(100)에서, 탑 캡(110)은 이차 전지의 최상부에 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성하고, 안전 벤트(120)는 탑 캡(110)의 하부에서 전지 케이스(200)의 내압 증가시 형태가 변형되며, 가스켓(150)은 탑 캡(110) 및 안전 벤트(120)의 테두리들을 감싸도록 구성된다.
한편, 도 8에서는, 상기 S110 단계, S120 단계 및 S130 단계가, 순차적으로 수행된 것처럼 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 상기 S110 단계, S120 단계 및 S130 단계는 서로 순서가 바뀌거나 동시에 수행되어도 무방하다.
이처럼, 전극 조립체(300), 전지 케이스(200) 및 캡 조립체(100)가 준비되면, 다음으로, 가스켓(150)의 상단부가 상부 캔(210)의 절곡된 상부 내면에 접촉되도록, 캡 조립체(100)를 상부 캔(210)의 하단 개방부를 통하여 삽입한다(S140).
그리고, 캡 조립체(100)의 하부에 위치하도록 전극 조립체(300)를 상부 캔(210)의 하단 개방부를 통하여 상부 방향으로 상부 캔(210)에 삽입한다(S150).
그리고 나서, 상부 캔(210)의 하단 개방부가 밀폐될 수 있도록 하부 밀폐부재(220)를 상부 캔(210)의 하단에 결합한다(S160).
바람직하게는, 상기 S150 단계는, 도 3의 B 부분에 표시된 바와 같이, 전극 조립체(300)의 상면이 가스켓(150)의 하단부에 접촉되도록 전극 조립체(300)를 삽입하는 것이 좋다.
또한, 상기 S110 단계는, 전극 조립체(300)의 상부에 상부 절연판을 더 구비하도록 할 수 있는데, 이 경우, 상기 S150 단계는, 상부 절연판의 상면이 가스켓(150)의 하단부에 접촉되도록 전극 조립체(300)를 삽입하는 것이 바람직하다.
또한 바람직하게는, 상기 S160 단계는, 레이저 용접에 의해 하부 밀폐부재(220)가 상부 캔(210)의 하단에 결합되도록 수행될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 S160 단계는, 상부 캔(210)이 하부 밀폐부재(220)의 홈에 삽입되는 형태로 수행될 수 있다. 이를 위해, 상기 S120 단계는, 상부 캔(210)의 하단이 삽입될 수 있도록 하부 밀폐부재(220)에 홈이 형성된 전지 케이스(200)를 준비할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 S130 단계는, 상부가 안전 벤트(120)의 하단에 연결되고 하부가 전극 조립체(300)와 연결될 수 있는 전류차단부재(140) 및 안전 벤트(120)와 전류차단부재(140) 사이에 개재되어 일부분을 제외하고는 전류차단부재(140)를 안전 벤트(120)와 전기적으로 절연시키는 절연부재(130)가 캡 조립체(100)에 더 포함되도록 할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 S130 단계는, 탑 캡(110)과 안전 벤트(120) 사이에 배치되어, 온도 상승시 전류를 차단하는 안전 소자가 캡 조립체(100)에 더 포함되도록 할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (17)

  1. 비딩부가 형성되지 않은 이차 전지에 있어서,
    양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체;
    내부 공간에 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 상단 및 하단이 개방되어 있으며 상단이 내측 방향으로 절곡된 상부 캔 및 상기 상부 캔의 하단에 결합되어 하단을 밀폐시키는 하부 밀폐부재를 포함하는 전지 케이스; 및
    최상부에 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성하는 탑 캡, 상기 탑 캡의 하부에서 상기 전지 케이스의 내압 증가시 형태가 변형되는 안전 벤트, 및 상기 탑 캡 및 상기 안전 벤트의 테두리들을 감싸는 가스켓을 포함하는 캡 조립체
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓은, 상단부가 상기 상부 캔의 상단 절곡부 내면에 접촉되고, 하단부가 상기 전극 조립체의 상면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 상부에 상부 절연판을 더 포함하고,
    상기 가스켓은, 상단부가 상기 상부 캔의 상단 절곡부 내면에 접촉되고, 하단부가 상기 상부 절연판의 상면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 캔과 상기 하부 밀폐부재는, 레이저 용접에 의해 결합된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 밀폐부재는 홈이 형성되어 있고, 상기 상부 캔은 상기 하부 밀폐부재의 홈에 삽입되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상부가 상기 안전 벤트의 하단에 연결되고, 하부가 전극 조립체와 연결될 수 있는 전류차단부재; 및 상기 안전 벤트와 상기 전류차단부재 사이에 개재되어 일부분을 제외하고는 상기 전류차단부재를 상기 안전 벤트와 전기적으로 절연시키는 절연부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탑 캡과 상기 안전 벤트 사이에 배치되어, 온도 상승시 전류를 차단하는 안전 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상부 캔은, 원통형으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 이차 전지를 포함하는 배터리 팩.
  10. 비딩부가 형성되지 않은 이차 전지를 제조하는 방법에 있어서,
    양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체를 준비하는 단계;
    상기 전극 조립체 및 전해액을 수납 가능하도록 내부 공간이 형성되고 상단 및 하단이 개방되어 상단이 내측 방향으로 절곡된 상부 캔 및 상기 상부 캔과 분리된 하부 밀폐부재를 포함하는 전지 케이스를 준비하는 단계;
    상기 최상부에 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성하는 탑 캡, 상기 탑 캡의 하부에서 상기 전지 케이스의 내압 증가시 형태가 변형되는 안전 벤트, 및 상기 탑 캡 및 상기 안전 벤트의 테두리들을 감싸는 가스켓을 포함하는 캡 조립체를 준비하는 단계;
    상기 가스켓의 상단부가 상기 상부 캔의 절곡된 상부 내면에 접촉되도록 상기 캡 조립체를 상기 상부 캔의 하단 개방부를 통하여 상부 방향으로 삽입하는 단계;
    상기 캡 조립체의 하부에 위치하도록 상기 전극 조립체를 상기 상부 캔의 하단 개방부를 통하여 상부 방향으로 삽입하는 단계; 및
    상기 상부 캔의 하단을 밀폐시키도록 상기 하부 밀폐부재를 상기 상부 캔의 하단에 결합하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 삽입 단계는, 상기 전극 조립체의 상면이 상기 가스켓의 하단부에 접촉되도록 상기 전극 조립체를 삽입하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 준비 단계는, 상기 전극 조립체의 상부에 상부 절연판을 더 구비하고,
    상기 전극 조립체의 삽입 단계는, 상기 상부 절연판의 상면이 상기 가스켓의 하단부에 접촉되도록 상기 전극 조립체를 삽입하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 하부 밀폐부재와 상부 캔의 결합 단계에서, 상기 하부 밀폐부재는 레이저 용접에 의해 상기 상부 캔의 하단에 결합되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 하부 밀폐부재와 상부 캔의 결합 단계에서, 상기 상부 캔은 상기 하부 밀폐부재의 홈에 삽입되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 캡 조립체의 준비 단계는, 상기 캡 조립체에 상부가 상기 안전 벤트의 하단에 연결되고, 하부가 전극 조립체와 연결될 수 있는 전류차단부재 및 상기 안전 벤트와 상기 전류차단부재 사이에 개재되어 일부분을 제외하고는 상기 전류차단부재를 상기 안전 벤트와 전기적으로 절연시키는 절연부재가 더 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 캡 조립체의 준비 단계는, 상기 캡 조립체에 상기 탑 캡과 상기 안전 벤트 사이에 배치되어, 온도 상승시 전류를 차단하는 안전 소자가 더 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 상부 캔은, 원통형인 것을 특징으로 하는 이차 전지 제조 방법.
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