WO2020235916A1 - 이차 전지 - Google Patents

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WO2020235916A1
WO2020235916A1 PCT/KR2020/006547 KR2020006547W WO2020235916A1 WO 2020235916 A1 WO2020235916 A1 WO 2020235916A1 KR 2020006547 W KR2020006547 W KR 2020006547W WO 2020235916 A1 WO2020235916 A1 WO 2020235916A1
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secondary battery
safety vent
cylindrical
electrode
cap
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Inventor
김문성
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삼성에스디아이(주)
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Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a secondary battery.
  • Lithium-ion secondary batteries for example, are used as power sources for hybrid or electric vehicles as well as portable electronic devices because of the advantages of high operating voltage and high energy density per unit weight.
  • Cylindrical secondary batteries generally include a cylindrical electrode assembly, a cylindrical can to which the electrode assembly is coupled, an electrolyte that is injected into the inner side of the can to allow lithium ions to move, and the electrolyte is bonded to one side of the can. It consists of a cap assembly, etc. that prevents leakage and prevents the electrode assembly from being separated.
  • An embodiment of the present invention provides a secondary battery capable of minimizing component resistance or internal resistance to improve output and reduce material cost.
  • a secondary battery includes a cylindrical can having an opening; An electrode assembly accommodated in the opening of the cylindrical can and wound in a cylindrical shape; A current collector plate electrically connected to the electrode assembly; And a safety vent electrically connected to the current collecting plate and sealing the opening of the cylindrical can.
  • An electrode tab having a flat upper surface and a flat lower surface as a surface opposite to the upper surface may be further interposed between the safety vent and the current collecting plate.
  • a central region of the upper surface of the electrode tab may be welded to the safety vent, and an edge region of the lower surface of the electrode tab may be welded to the current collecting plate.
  • the current collecting plate may further include a central through hole formed in a central region.
  • the current collector plate may further include a peripheral through-hole formed outside the central region.
  • the secondary battery according to an embodiment of the present invention may further include a cap-up, and the cap-up may be electrically connected to an upper portion of the safety vent.
  • the safety vent may further include a bent portion bent upward along the edge and coupled to the edge of the cap-up.
  • the cap-up includes an edge flat portion electrically connected to the safety vent; A bent portion bent from the flat edge portion toward the inner upper portion; And a central flat portion extending in a horizontal direction from the bent portion and spaced apart from the safety vent.
  • the bent portion may further include a peripheral through hole.
  • the central flat portion may further include a central through hole.
  • An embodiment of the present invention can provide a secondary battery capable of minimizing component resistance or internal resistance to improve output and reduce material cost.
  • the safety vent and the current collecting plate may be electrically connected to each other through electrode tabs in the form of a flat plate, and thus component resistance or internal resistance of the secondary battery may be minimized.
  • the output of the secondary battery may be improved, as well as the heat generation phenomenon of the secondary battery may be reduced.
  • the conventional current interrupting device or insulating ring is not required, the material cost of the secondary battery can be reduced.
  • FIGS. 1A and 1B are perspective and cross-sectional views illustrating a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is an enlarged cross-sectional view illustrating a cap assembly in a secondary battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2B is a perspective view illustrating a relationship between a current collector plate and an electrode tab.
  • 3A to 3F are views for explaining input/output of current and various contact surfaces and welding surfaces in a secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • first and second are used to describe various members, parts, regions, layers and/or parts, but these members, parts, regions, layers and/or parts are limited by these terms. It is self-evident. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Accordingly, the first member, part, region, layer or part to be described below may refer to the second member, part, region, layer or part without departing from the teachings of the present invention.
  • FIGS. 1A and 1B are perspective and cross-sectional views illustrating a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary battery 100 includes a cylindrical can 110, a cylindrical electrode assembly 120, a first current collecting plate 130, and a second battery.
  • a current collector plate 140 and a cap assembly 150 may be included.
  • the present invention may further include an electrode tab 160 in the form of a thin plate electrically connecting the first current collecting plate 130 and the cap assembly 150.
  • the present invention may further include an insulating gasket 170 for insulating the cylindrical can 110 and the cap assembly 150.
  • the cylindrical can 110 includes a substantially circular bottom portion 111 and a side portion 112 extending from the bottom portion 111 to an upper direction for a predetermined length.
  • the upper portion of the cylindrical can 110 is open. Accordingly, during the assembly process of the secondary battery, the electrode assembly 120, the first current collector plate 130, and the second current collector plate 140 may be integrated into one structure and inserted into the cylindrical can 110. Of course, afterwards, the electrolyte may be additionally injected into the cylindrical can 110.
  • the cylindrical can 110 may be formed of steel, a steel alloy, a nickel plated steel, a nickel plated steel alloy, aluminum, an aluminum alloy, or an equivalent thereof, but the material is not limited thereto.
  • a beading part 113 recessed in the inner direction is formed at the lower portion of the cap assembly 150 so that the cap assembly 150 is not separated to the outside.
  • a crimping part 114 that is bent in an inward direction may be formed.
  • the cylindrical electrode assembly 120 may be accommodated in the cylindrical can 110.
  • the electrode assembly 120 includes a first electrode plate 121 coated with a first electrode active material (for example, a positive electrode active material such as a transition metal oxide (LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, etc.), and a second electrode active material (for example, a negative electrode active material such as graphite, carbon, silicon, etc.) is coated with the second electrode plate 122, and is positioned between the first electrode plate 121 and the second electrode plate 122 to prevent mutual electrical shorts. It may include a separator 123 that allows only the movement of lithium ions.
  • a first electrode active material for example, a positive electrode active material such as a transition metal oxide (LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, etc.
  • a second electrode active material for example, a negative electrode active material such as graphite, carbon, silicon, etc.
  • It may include a separator 123 that allows only the movement
  • the first electrode plate 121, the second electrode plate 122, and the separator 123 may be wound in a substantially cylindrical shape in a stacked state.
  • the first electrode plate 121 may include an aluminum (Al) foil
  • the second electrode plate 122 is a copper (Cu) or nickel (Ni) foil
  • the separator 123 is, for example, but not limited to PES (Polyethylene Separator), PPS (Polypropylene Separator), CCS (Ceramic Coated Separator), PCS (Polymer Coated Separator), MCS (Multi-layer Coated Separator) or MFS (Multi-Functional Separator) may be included.
  • the first electrode plate 121 may be provided with a first uncoated portion 124 that is not coated with the first electrode active material but protrudes and extends for a certain length upward, and the second electrode plate 122 has a second electrode.
  • a second uncoated portion 125 may be provided that is not coated with the active material and protrudes and extends to the bottom for a predetermined length.
  • the protruding and extending directions of the first uncoated part 124 and the second uncoated part 125 are the same as the longitudinal direction of the cylindrical can 110 and/or the cylindrical electrode assembly 120, and the first uncoated part ( If the protrusion and extension directions of the 124) are defined as the first direction, the protrusion and extension directions of the second uncoated portion 125 may be defined as a second direction opposite to the first direction.
  • the first uncoated part 124 and the second uncoated part 125 serve as a path for charging/discharging current, and the first uncoated part 124 and the second uncoated part 125 are respectively formed by the first electrode plate 121 and the second uncoated part 125. 2Because the electrode plate 122 extends directly outward over the entire width or length of the electrode plate 122 (shown in a number of cross-sectional shapes), the electrode assembly 120 may be prevented from being deformed (i.e., lowering the roundness) or cracking. It can also be advantageous for the high power of the battery.
  • first uncoated part 124 extends from the first electrode plate 121, it may be aluminum or an aluminum alloy such as the first electrode plate 121, and the second uncoated part 125 is a second electrode plate ( 122), the same as the second electrode plate 122 may be copper, copper alloy, nickel, or nickel alloy.
  • first uncoated portion 124 of the electrode assembly 120 is electrically connected (welded) to the first current collecting plate 130 to be described below, and the second uncoated portion 125 of the electrode assembly 120 is described below. It may be electrically connected (welded) to the second current collecting plate 140.
  • first current collecting plate 130 may be electrically connected (welded) to the cap assembly 150, and the second current collecting plate 140 may be electrically connected (welded) to the cylindrical can 110.
  • the cap assembly 150 may operate as an anode
  • the cylindrical can 110 may operate as a cathode.
  • the connection relationship is reversed, so that the cap assembly 150 can operate as a cathode, and the cylindrical can 110 can operate as an anode.
  • the first collector plate 130 serves to electrically connect the first uncoated portion 124 provided in the electrode assembly 120 to the cap assembly 150.
  • the first collector plate 130 has a substantially disk shape, and may further include a depression 131 for compressing the first uncoated portion 124 and welding to the first uncoated portion 124.
  • the first current collecting plate 130 is a central through hole through which the welding rod passes and the electrolyte can be injected so that resistance welding can be performed on the bottom 111 of the cylindrical can 110 of the second current collecting plate 140. It may further include a peripheral through hole.
  • the first current collecting plate 130 may be aluminum or aluminum alloy.
  • the first current collecting plate 130 may further include an insulating layer (eg, polyimide, polypropylene, polyethylene, or metal oxide film) formed on the side circumferential surface facing the side wall 112 of the cylindrical can 110.
  • an insulating layer eg, polyimide, polypropylene, polyethylene, or metal oxide film
  • the insulating layer prevents the first current collecting plate 130 from being electrically shorted to the sidewall 112 of the cylindrical can 110.
  • the above-described insulating layer may be an anodizing layer, that is, an oxide film or an aluminum oxide layer (Al2O3).
  • the thickness of the insulating layer may be, for example, but not limited to, about 10 ⁇ m to about 100 ⁇ m.
  • the second current collecting plate 140 may electrically connect the second uncoated portion 125 provided in the electrode assembly 120 to the cylindrical can 110.
  • the second collector plate 140 has a substantially disk shape, and may further include a recessed portion 141 that compresses the second uncoated portion 125 and is welded to the second uncoated portion 125.
  • the second current collecting plate 140 may be resistance-welded to the bottom part 111 of the cylindrical can 110 by a welding rod.
  • the second current collecting plate 140 may be copper, a copper alloy, nickel, or a nickel alloy.
  • the cap assembly 150 may include a safety vent 151.
  • the cap assembly 150 may further include a cap-up 152 positioned on the safety vent 151.
  • the circumferential region of the safety vent 151 may be bent to wrap the circumference of the cap-up 152.
  • the safety vent 151 and/or the cap-up 152 may be aluminum or aluminum alloy.
  • the electrode tab 160 has a substantially flat thin plate shape, and may be interposed between the first current collecting plate 130 and the safety vent 151. That is, the electrode tab 160 may electrically connect the first current collecting plate 130 and the safety vent 151.
  • the insulating gasket 170 surrounds the safety vent 151 and the cap-up 152 in a substantially circular ring shape, and serves to electrically insulate them from the side 111 of the cylindrical can 110.
  • the insulating gasket 170 is substantially pressed between the beading portion 113 and the crimping portion 114 formed on the side portion 111 of the cylindrical can 110.
  • the insulating gasket 170 is, for example, not limited, but may contain a heat-resistant resin.
  • the heat-resistant resin is, for example, but is not limited to 1 selected from the group containing PP (polypropylene), PE (polyathylen), PI (polyimide), PBT (polybutyleneterephthalate), PC (polycarbonate), or PS (polystyrene). It may contain a species or two or more.
  • an electrolyte solution (not shown in the drawing) may be injected into the inside of the cylindrical can 110, which is an electrochemical reaction in the first electrode plate 121 and the second electrode plate 122 inside the battery during charging and discharging. It plays a role in allowing lithium ions generated by the movement.
  • This electrolyte may be a non-aqueous organic electrolyte that is a mixture of a lithium salt and a high purity organic solvent.
  • the electrolyte may be a polymer using a polymer electrolyte or a solid electrolyte, and the type of the electrolyte is not limited here.
  • the embodiment of the present invention provides a secondary battery in which the safety vent and the current collecting plate can be electrically connected to each other through the electrode tabs in the form of a flat plate, and thus component resistance or internal resistance of the secondary battery can be minimized.
  • an embodiment of the present invention may provide a secondary battery capable of improving battery output and reducing heat generation of the battery by minimizing internal resistance.
  • the embodiment of the present invention does not require a current interupting device or an insulating ring as in the prior art, it is possible to provide a secondary battery with reduced component material cost.
  • FIG. 2A is an enlarged cross-sectional view illustrating a cap assembly in a secondary battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2B is a perspective view illustrating a relationship between a current collector plate and an electrode tab.
  • the current collector plate 130 may be formed in a substantially circular flat plate shape, and after pressing the first uncoated part 124 of the electrode assembly 120, the first uncoated part ( A substantially cross-shaped depression 131 that is laser-welded to 124 may be further included.
  • the current collector plate 130 may include a central through hole 132 formed approximately at the center and a plurality of peripheral through holes 133 formed around the central through hole 132. As described above, the welding rod may enter and exit through the central through hole 132, and the electrolyte may be injected into the electrode assembly 120 through the peripheral through hole 133.
  • the cap assembly 150 may include a safety vent 151 formed in an approximately circular flat plate shape, and the safety vent 151 may further include a vent groove 151a formed in an approximately upper surface.
  • the vent groove 151a may be formed in an approximately circular ring shape, and the thickness of the vent groove 151a may be thinner than the thickness of the peripheral region of the vent groove 151a.
  • the safety vent 151 may further include a bent portion 151b bent upward along the edge and coupled to the edge of the cap-up 152. That is, the safety vent 151 and the cap-up 152 may be integrated. To this end, the bent part 151b and the cap-up 152 of the safety vent 151 may be welded to each other.
  • the thickness of the central region 151c connected to the electrode tab 160 among the safety vents 151 may be thicker than the thickness of the surrounding region, and may also protrude toward the electrode tab 160. Accordingly, the central region 151c of the safety vent 151 can be well welded to the electrode tab 160.
  • the cap-up 152 may include an edge flat portion 152a, a bent portion 152b, and a central flat portion 152d.
  • the flat edge portion 152a may be coupled to and electrically connected to the bent portion 151b of the safety vent 151 as a flat substantially circular ring shape.
  • the bent portion 151b may be bent obliquely toward the inner upper portion from the flat edge portion 152a, and may include a peripheral through hole 152c.
  • the peripheral through-hole (152c) serves to discharge the gas inside the battery to the outside when the safety vent (151) is broken, and if the central through-hole (152e) is not provided, a laser beam for welding is transmitted to the safety vent (151).
  • the central flat portion 152d extends in a horizontal direction from the bent portion 152b, is spaced apart from the safety vent 151 by a predetermined distance, and may include a central through hole 152e formed approximately in the center.
  • the central through-hole 152e may serve as a window for allowing the laser beam to reach the central region 151c of the safety vent 151 during laser welding between the safety vent 151 and the electrode tab 160.
  • the electrode tab 160 may include an approximately flat upper surface and an approximately flat lower surface as opposed to the upper surface. As described above, the electrode tab 160 may be interposed between the safety vent 151 and the current collector plate 130 in a flat shape. In some examples, the thickness of the electrode tab 160 may be approximately 0.1 mm to 0.5 mm, and the width may be approximately 10 mm to 20 mm.
  • a central region of the upper surface of the electrode tab 160 may be laser welded to the central region of the safety vent 151, and an edge region of the lower surface of the electrode tab 160 may be welded to the current collector plate 130.
  • the electrode tab 160 may have a circular disk shape, although it is shown in a substantially rectangular plate shape in the drawing.
  • 3A to 3F are views for explaining input/output of current and various contact surfaces and welding surfaces in a secondary battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 3A is a plan view of the cap-up 152, showing that the area X1 to which the current is input or output has a substantially circular ring shape. That is, the charging/discharging current may flow through the donut-shaped area X1 indicated by hatching.
  • 3B illustrates a contact surface X2 through the electrode tab 160 connected to the first current collecting plate 130. That is, the electrode tab 160 may contact the central area 151c of the safety vent 151 through the circular area X2 indicated by hatching.
  • 3C illustrates a welding surface X3 through the electrode tab 160 connected to the first current collecting plate 130. That is, the electrode tab 160 may be welded to the safety vent 151 through the circular area X3 indicated by hatching.
  • the area of the welding surface X3 may be smaller than the area of the contact surface X2.
  • the contact surface X4 between the electrode tab 160 and the first current collecting plate 130 may be formed in an approximately quadrangular line shape. However, since a plurality of depressions 131 are formed in the first current collecting plate 130, the contact surface X4 is not formed in the depressions 131.
  • 3E illustrates a welding surface X5 formed between the electrode tab 160 and the first current collecting plate 130. That is, the welding surface X5 between the electrode tab 160 and the first current collecting plate 130 may also be formed in an approximately square line shape. Here, the width of the welding surface X5 may be smaller than the width of the contact surface X4 described above.
  • FIG. 3F shows an input or output area X6 of a current formed by welding of the first current collecting plate 130 and the first uncoated part 124. That is, the input or output region X6 of the charge/discharge current is formed in a region corresponding to the recessed portion 131 of the first current collecting plate 130 and may be formed in an approximately cross shape.
  • the cap assembly 150 has a smaller component resistance or internal resistance than the conventional one.
  • the electrical resistance of the cap-up 152 and the safety vent 151 is approximately 0.0826 m ⁇
  • the electrical resistance of the electrode tab 160 is 0.0636 m ⁇
  • the resistance of the first current collecting plate 130 is 0.0149 m ⁇
  • the total component resistance or internal resistance of the cap assembly 150 may be 0.01611 m ⁇ .
  • the internal resistance of the cap assembly 150 according to the embodiment of the present invention is only about 34% of the internal resistance of the existing cap assembly. Accordingly, an embodiment of the present invention can provide a secondary battery capable of minimizing component resistance or internal resistance to improve output and reduce material cost. In addition, heat generation of the secondary battery may be reduced by minimizing the internal resistance.

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Abstract

본 발명의 실시예는 이차 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 부품 저항 또는 내부 저항을 최소화하여 출력을 향상시키고, 또한 재료비를 절감할 수 있는 이차 전지를 제공하는데 있다. 이를 위해 본 발명은 개구를 갖는 원통형 캔; 상기 원통형 캔의 개구에 수용되며 원기둥 형태로 권취된 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 전기적으로 접속된 집전판; 및 상기 집전판에 전기적으로 접속되며 상기 원통형 캔의 개구를 밀봉하는 안전벤트를 포함하는, 이차 전지를 개시한다.

Description

이차 전지
본 발명의 실시예는 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지는, 예를 들어, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 휴대형 전자기기뿐만 아니라 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 전원 용도로 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 형태에 있어서 원통형, 각형 또는 파우치형으로 분류될 수 있다. 이중 원통형 이차 전지는 일반적으로 원기둥 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체가 결합되는 원통 형태의 캔과, 캔의 내측에 주액되어 리튬 이온의 이동이 가능하도록 하는 전해액과, 캔의 일측에 결합되어 전해액의 누액을 방지하고, 전극 조립체의 이탈을 방지하는 캡 조립체 등으로 이루어져 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예는 부품 저항 또는 내부 저항을 최소화하여 출력을 향상시키고, 또한 재료비를 절감할 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 개구를 갖는 원통형 캔; 상기 원통형 캔의 개구에 수용되며 원기둥 형태로 권취된 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 전기적으로 접속된 집전판; 및 상기 집전판에 전기적으로 접속되며 상기 원통형 캔의 개구를 밀봉하는 안전벤트를 포함할 수 있다.
상기 안전벤트와 상기 집전판의 사이에 평평한 상면과 상기 상면의 반대면으로서 평평한 하면을 갖는 전극탭이 더 개재될 수 있다.
상기 전극탭의 상면 중 중앙 영역이 상기 안전벤트에 용접될 수 있고, 상기 전극탭의 하면중 가장자리 영역이 상기 집전판에 용접될 수 있다.
상기 집전판은 중앙 영역에 형성된 중앙 관통홀을 더 포함할 수 있다.
상기 집전판은 중앙 영역의 외측에 형성된 주변 관통홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 캡업을 더 포함할 수 있고, 상기 캡업은 상기 안전벤트의 상부에 전기적으로 접속될 수 있다.
상기 안전벤트는 가장자리를 따라 상부로 절곡되어 상기 캡업의 가장자리에 결합된 절곡부를 더 포함할 수 있다.
상기 캡업은 상기 안전벤트에 전기적으로 접속된 가장자리 평탄부; 상기 가장자리 평탄부로부터 내측 상부를 향하여 절곡된 절곡부; 및 상기 절곡부로부터 수평 방향으로 연장되어 상기 안전벤트와 이격된 중앙 평탄부를 포함할 수 있다.
상기 절곡부는 주변 관통홀을 더 포함할 수 있다.
상기 중앙 평탄부는 중앙 관통홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 부품 저항 또는 내부 저항을 최소화하여 출력을 향상시키고, 또한 재료비를 절감할 수 있는 이차 전지를 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 안전벤트와 집전판이 평판 형태의 전극탭을 통해 상호간 전기적으로 접속될 수 있고, 이에 따라 이차 전지의 부품 저항 또는 내부 저항이 최소화될 수 있다.
더불어, 내부 저항의 최소화에 따라 이차 전지의 출력이 향상됨은 물론 이차 전지의 발열 현상까지 감소될 수 있다. 또한, 종래와 같은 전류차단장치(Current Interupting Device)나 절연링 등을 필요로 하지 않기 때문에, 이차 전지의 재료비도 절감될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중에서 캡 조립체를 도시한 확대 단면도이고, 도 2b는 집전판 및 전극탭의 관계를 도시한 사시도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에서 전류의 입력/출력, 그리고 다양한 접촉면 및 용접면의 설명을 위한 도면들이다.
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, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100)는 원통형의 캔(110), 원기둥 형태의 전극 조립체(120), 제1집전판(130), 제2집전판(140) 및 캡 조립체(150)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 제1집전판(130)과 캡 조립체(150)를 전기적으로 접속하는 박판 형태의 전극탭(160)을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 원통형 캔(110)과 캡 조립체(150)를 절연시키는 절연 가스켓(170)을 더 포함할 수 있다.
원통형 캔(110)은 대략 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 측부(112)를 포함한다. 이차 전지의 제조 공정 중 원통형 캔(110)의 상부는 개방되어 있다. 따라서, 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체(120), 제1집전판(130) 및 제2집전판(140)이 하나의 구조물로 일체화 되어 원통형 캔(110)에 삽입될 수 있다. 물론, 이후 전해액이 추가적으로 원통형 캔(110)에 주액될 수 있다.
원통형 캔(110)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 원통형 캔(110)에는 캡 조립체(150)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(150)를 중심으로 그 하부에 내부 방향으로 함몰된 비딩부(beading part)(113)가 형성되고, 그 상부에 내부 방향으로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)가 형성될 수 있다.
원기둥형 전극 조립체(120)는 원통형 캔(110)의 내부에 수용될 수 있다. 전극 조립체(120)는 제1전극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등과 같은 양극 활물질)이 코팅된 제1전극판(121), 제2전극 활물질(예를 들면, 흑연, 탄소, 실리콘 등과 같은 음극 활물질)이 코팅된 제2전극판(122), 제1전극판(121)과 제2전극판(122) 사이에 위치되어 상호간 전기적 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(123)를 포함할 수 있다. 제1전극판(121), 제2전극판(122) 및 세퍼레이터(123)는 적층된 상태에서 대략 원기둥 형태로 권취될 수 있다. 여기서, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 제1전극판(121)은 알루미늄(Al) 포일을 포함할 수 있고, 제2전극판(122)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일을 포함할 수 있다. 또한, 세퍼레이터(123)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, PES(Polyethylene Separator), PPS(Polypropylene Separator), CCS(Ceramic Coated Separator), PCS(Polymer Coated Separator), MCS(Multi-layer Coated Separator) 또는 MFS(Multi-Functional Separator) 등을 포함할 수 있다.
한편, 제1전극판(121)에는 제1전극 활물질이 코팅되지 않고 상부로 일정 길이 돌출 및 연장된 제1무지부(124)가 구비될 수 있고, 제2전극판(122)에는 제2전극 활물질이 코팅되지 않고 하부로 일정 길이 돌출 및 연장된 제2무지부(125)가 구비될 수 있다. 여기서, 제1무지부(124) 및 제2무지부(125)의 돌출 및 연장 방향은 원통형 캔(110) 및/또는 원기둥형 전극 조립체(120)의 길이 방향과 같으며, 제1무지부(124)의 돌출 및 연장 방향을 제1방향으로 정의하면, 제2무지부(125)의 돌출 및 연장 방향을 제1방향의 반대인 제2방향으로 정의할 수 있다.
제1무지부(124) 및 제2무지부(125)는 충방전 전류의 통로가 되는데, 제1무지부(124) 및 제2무지부(125)가 각각 제1전극판(121) 및 제2전극판(122)의 전체 폭 또는 전체 길이에 걸쳐 직접 외측으로 연장되므로(단면 형태로는 다수개로 도시됨), 전극 조립체(120)의 변형(즉, 진원율 저하 현상)이나 크랙이 방지될 수 있고, 또한 전지의 고출력에 유리할 수 있다. 더불어, 제1무지부(124)는 제1전극판(121)으로부터 연장되므로 제1전극판(121)과 같은 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있고, 제2무지부(125)는 제2전극판(122)으로부터 연장되므로 제2전극판(122)과 같은 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금일 수 있다.
또한, 전극 조립체(120)의 제1무지부(124)는 하기할 제1집전판(130)에 전기적으로 접속(용접)되고, 전극 조립체(120)의 제2무지부(125)는 하기할 제2집전판(140)에 전기적으로 접속(용접)될 수 있다. 더불어, 제1집전판(130)은 캡 조립체(150)에 전기적으로 접속(용접)되고, 제2집전판(140)는 원통형 캔(110)에 전기적으로 접속(용접)될 수 있다. 따라서, 캡 조립체(150)가 양극으로 동작할 수 있고, 원통형 캔(110)이 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 그 접속 관계가 반대로 이루어져, 캡 조립체(150)가 음극으로 동작할 수 있고, 원통형 캔(110)이 양극으로 동작할 수 있다.
제1집전판(130)은 전극 조립체(120)에 구비된 제1무지부(124)를 캡 조립체(150)에 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 제1집전판(130)은 대략 원판 형태이며, 제1무지부(124)를 압착하며 제1무지부(124)에 용접되도록 하는 함몰부(131)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제1집전판(130)은 제2집전판(140)의 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 저항 용접될 수 있도록 용접봉이 관통하는 중앙 관통홀 및 전해액이 주액될 수 있도록 하는 주변 관통홀을 더 포함할 수 있다. 이러한 제1집전판(130)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
한편, 제1집전판(130)은 원통형 캔(110)의 측벽(112)을 향하는 측부 둘레면에 형성된 절연층(예를 들면, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 금속 산화막 등)을 더 포함할 수 있다. 실질적으로, 절연층은 제1집전판(130)이 원통형 캔(110)의 측벽(112)에 전기적으로 쇼트되지 않도록 한다. 여기서, 제1집전판(130)이 알루미늄 계열일 경우, 상술한 절연층은 아노다이징층, 즉, 산화피막 또는 산화알루미늄층(Al2O3)일 수 있다. 이러한 절연층의 두께는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 대략 10㎛ 내지 대략 100㎛일 수 있다.
제2집전판(140)은 전극 조립체(120)에 구비된 제2무지부(125)를 원통형 캔(110)에 전기적으로 접속할 수 있다. 제2집전판(140)은 대략 원판 형태이며, 제2무지부(125)를 압착하며 제2무지부(125)에 용접되도록 하는 함몰부(141)를 더 포함할 수 있다. 이러한 제2집전판(140)은 용접봉에 의해 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 저항 용접될 수 있다. 이러한 제2집전판(140)은 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금일 수 있다.
캡 조립체(150)는 안전벤트(151)를 포함할 수 있다. 또한, 캡 조립체(150)는 안전벤트(151) 상에 위치되는 캡업(152)을 더 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 안전벤트(151)의 둘레 영역이 절곡되어 캡업(152)의 둘레를 감쌀 수 있다. 안전벤트(151) 및/또는 캡업(152)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
전극탭(160)은 대략 평평한 박판 형태이며, 이는 제1집전판(130)과 안전벤트(151)의 사이에 개재될 수 있다. 즉, 전극탭(160)은 제1집전판(130)과 안전벤트(151)를 전기적으로 접속할 수 있다.
절연 가스켓(170)은 안전벤트(151) 및 캡업(152)을 대략 원형 링 형태로 감싸며, 이들을 원통형 캔(110)의 측부(111)로부터 전기적으로 절연시키는 역할을 한다. 절연 가스켓(170)은 실질적으로 원통형 캔(110)의 측부(111)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착된 형태를 한다. 절연 가스켓(170)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 내열성 수지를 포함할 수 있다. 내열성 수지는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, PP(polypropylene), PE(polyathylen), PI(polyimide), PBT(polybutyleneterephthalate), PC(polycarbonate) 또는 PS(polystyrene)를 포함하는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
한편, 원통형 캔(110)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주액될 수 있으며, 이는 충방전 시 전지 내부의 제1전극판(121) 및 제2전극판(122)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 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.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 안전벤트와 집전판이 평판 형태의 전극탭을 통해 상호간 전기적으로 접속될 수 있고, 이에 따라 이차 전지의 부품 저항 또는 내부 저항이 최소화될 수 있는 이차 전지를 제공할 수 있다. 더불어, 본 발명의 실시예는 내부 저항의 최소화에 따라 전지 출력이 향상됨은 물론 전지의 발열 현상까지 감소될 수 있는 이차 전지를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 종래와 같은 전류차단장치(Current Interupting Device)나 절연링 등을 필요로 하지 않기 때문에, 부품 재료비가 절감된 이차 전지를 제공할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중에서 캡 조립체를 도시한 확대 단면도이고, 도 2b는 집전판 및 전극탭의 관계를 도시한 사시도이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 집전판(130)은 대략 원형 평판 형태로 형성될 수 있으며, 전극 조립체(120)의 제1무지부(124)를 가압한 후, 제1무지부(124)에 레이저 용접되는 대략 십자 형태의 함몰부(131)를 더 포함할 수 있다. 또한, 집전판(130)은 대략 중앙에 형성된 중앙 관통홀(132)과, 그 주변에 형성된 다수의 주변 관통홀(133)을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 중앙 관통홀(132)을 통해서 용접봉이 출입할 수 있고, 주변 관통홀(133)을 통해 전해액이 전극 조립체(120)에 주입될 수 있다.
또한, 캡 조립체(150)는 대략 원형 평판 형태로 형성된 안전벤트(151)를 포함할 수 있는데, 안전벤트(151)는 대략 상면에 형성된 벤트홈(151a)을 더 포함할 수 있다. 벤트홈(151a)은 대략 원형 링 형태로 형성될 수 있고, 벤트홈(151a)의 두께는 벤트홈(151a)의 주변 영역 두께보다 얇을 수 있다. 또한, 안전벤트(151)는 가장자리를 따라 상부로 절곡되어 캡업(152)의 가장자리에 결합된 절곡부(151b)를 더 포함할 수 있다. 즉, 안전벤트(151)와 캡업(152)은 일체화될 수 있다. 이를 위해, 안전벤트(151)의 절곡부(151b)와 캡업(152)은 상호간 용접될 수도 있다.
더불어, 안전벤트(151)중 전극탭(160)에 접속되는 중앙 영역(151c)의 두께는 그 주변 영역의 두께보다 더 두꺼울 수 있으며, 또한 전극탭(160)을 향하여 돌출된 형태일 수 있다. 따라서, 안전벤트(151)의 중앙 영역(151c)이 전극탭(160)에 양호하게 용접될 수 있다.
또한, 캡업(152)은 가장 자리 평탄부(152a), 절곡부(152b) 및 중앙 평탄부(152d)를 포함할 수 있다. 가장 자리 평탄부(152a)는 평평한 대략 원형 링 형태로서 안전벤트(151)의 절곡부(151b)에 결합 및 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 절곡부(151b)는 가장 자리 평탄부(152a)로부터 내측 상부를 향하여 경사지게 절곡될 수 있으며, 주변 관통홀(152c)을 포함할 수 있다. 주변 관통홀(152c)은 안전벤트(151)의 파단 시 전지 내부 가스를 외부로 방출하는 역할을 하며, 또한 중앙 관통홀(152e)이 구비되지 않을 경우 용접을 위한 레이저 빔이 안전벤트(151)의 중앙 영역(151c)에 도달되도록 하는 윈도우 역할을 할 수 있다. 중앙 평탄부(152d)는 절곡부(152b)로부터 수평 방향으로 연장되어 안전벤트(151)와 소정 거리 이격되며, 대략 중앙에 형성된 중앙 관통홀(152e)을 포함할 수 있다. 이러한 중앙 관통홀(152e)은 안전벤트(151)와 전극탭(160)의 상호간 레이저 용접 시 레이저 빔이 안전벤트(151)의 중앙 영역(151c)에 도달되도록 하는 윈도우 역할을 할 수 있다.
한편, 전극탭(160)은 대략 평평한 상면과 상면의 반대면으로서 대략 평평한 하면을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 전극탭(160)은 평평한 형태로 안전벤트(151)와 집전판(130)의 사이에 개재될 수 있다. 일부 예들에서, 전극탭(160)의 두께는 대략 0.1 mm 내지 0.5 mm일 수 있고, 폭은 대략 10 mm 내지 20 mm일 수 있다. 여기서, 전극탭(160)의 상면 중 중앙 영역이 안전벤트(151)의 중앙 영역에 레이저 용접될 수 있고, 전극탭(160)의 하면중 가장자리 영역이 집전판(130)에 용접될 수 있다. 더불어, 전극탭(160)은 비록 도면에 대략 사각 판 형태로 도시되어 있으나, 원형 디스크 형태일 수도 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에서 전류의 입력/출력, 그리고 다양한 접촉면 및 용접면의 설명을 위한 도면들이다.
도 3a는 캡업(152)의 평면도로서, 전류가 입력되거나 출력되는 영역(X1)이 대략 원형 링 형태임을 도시하고 있다. 즉, 해칭으로 표시된 도넛츠 형태의 영역(X1)을 통해 충방전 전류가 흐를 수 있다.
도 3b는 제1집전판(130) 상에 접속된 전극탭(160)을 통한 접촉면(X2)을 도시한 것이다. 즉, 전극탭(160)은 해칭으로 표시된 원형의 영역(X2)을 통해 안전벤트(151)의 중앙 영역(151c)에 접촉될 수 있다.
도 3c는 제1집전판(130) 상에 접속된 전극탭(160)을 통한 용접면(X3)을 도시한 것이다. 즉, 전극탭(160)은 해칭으로 표시된 원형의 영역(X3)을 통해 안전벤트(151)에 용접될 수 있다. 여기서, 용접면(X3)의 면적이 접촉면(X2)의 면적보다 작을 수 있다.
도 3d는 전극탭(160)과 제1집전판(130) 사이에 형성되는 접촉면(X4)을 도시한 것이다. 즉, 전극탭(160)과 제1집전판(130) 사이의 접촉면(X4)은 대략 4각 라인 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 제1집전판(130)에 다수의 함몰부(131)가 형성되어 있으므로, 이러한 함몰부(131)에는 접촉면(X4)이 형성되지 않는다.
도 3e는 전극탭(160)과 제1집전판(130) 사이에 형성되는 용접면(X5)을 도시한 것이다. 즉, 전극탭(160)과 제1집전판(130) 사이의 용접면(X5) 역시 대략 4각 라인 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 용접면(X5)의 폭은 상술한 접촉면(X4)의 폭보다 작을 수 있다.
마지막으로, 도 3f는 제1집전판(130)과 제1무지부(124)의 용접에 의해 형성된 전류의 입력 또는 출력 영역(X6)을 도시한 것이다. 즉, 충방전 전류의 입력 또는 출력 영역(X6)은 제1집전판(130)의 함몰부(131)와 대응되는 영역에 형성되며, 대략 십자 형태로 형성될 수 있다.
이러한 구조에 의해 본 발명에 따른 캡 조립체(150)는 기존에 비해 작은 부품 저항 또는 내부 저항을 갖는다. 일례로, 캡업(152)과 안전벤트(151)의 전기 저항이 대략 0.0826 mΩ이고, 전극탭(160)의 전기 저항이 0.0636 mΩ이며, 또한 제1집전판(130)의 저항이 0.0149 mΩ으로서, 캡 조립체(150)의 전체 부품 저항 또는 내부 저항은 0.01611 mΩ일 수 있다. 이러한 본 발명의 실시예에 따른 캡 조립체(150)의 내부 저항은 기존 캡 조립체가 갖는 내부 저항에 비해 대략 34%의 수준에 불과하다. 따라서, 본 발명의 실시예는 부품 저항 또는 내부 저항을 최소화하여 출력을 향상시키고, 또한 재료비를 절감할 수 있는 이차 전지를 제공할 수 있다. 또한, 내부 저항의 최소화에 따라 이차 전지의 발열 현상까지 감소될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 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.

Claims (10)

  1. 개구를 갖는 원통형 캔;
    상기 원통형 캔의 개구에 수용되며 원기둥 형태로 권취된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체에 전기적으로 접속된 집전판; 및
    상기 집전판에 전기적으로 접속되며 상기 원통형 캔의 개구를 밀봉하는 안전벤트를 포함하는, 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전벤트와 상기 집전판의 사이에 평평한 상면과 상기 상면의 반대면으로서 평평한 하면을 갖는 전극탭이 더 개재된, 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극탭의 상면 중 중앙 영역이 상기 안전벤트에 용접되고,
    상기 전극탭의 하면중 가장자리 영역이 상기 집전판에 용접된, 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전판은 중앙 영역에 형성된 중앙 관통홀을 더 포함하는, 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전판은 중앙 영역의 외측에 형성된 주변 관통홀을 더 포함하는, 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    캡업을 더 포함하고,
    상기 캡업은 상기 안전벤트의 상부에 전기적으로 접속된, 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 안전벤트는 가장자리를 따라 상부로 절곡되어 상기 캡업의 가장자리에 결합된 절곡부를 더 포함하는, 이차 전지.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 캡업은 상기 안전벤트에 전기적으로 접속된 가장자리 평탄부;
    상기 가장자리 평탄부로부터 내측 상부를 향하여 절곡된 절곡부; 및
    상기 절곡부로부터 수평 방향으로 연장되어 상기 안전벤트와 이격된 중앙 평탄부를 포함하는, 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 절곡부는 주변 관통홀을 더 포함하는, 이차 전지.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 중앙 평탄부는 중앙 관통홀을 더 포함하는, 이차 전지.
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