WO2021085807A1 - 이차 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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secondary battery
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이상효
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삼성에스디아이 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a microsecondary battery and a method of manufacturing the same.
  • a rechargeable battery is a battery capable of charging and discharging unlike a primary battery that cannot be charged.
  • Low-capacity secondary batteries are used in portable small electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and camcorders, and large-capacity batteries are widely used as power sources for driving motors such as hybrid vehicles.
  • Representative secondary batteries include nickel-cadmium (Ni-Cd) batteries, nickel-hydrogen (Ni-MH) batteries, lithium (Li) batteries, and lithium ion (Li-ion) secondary batteries.
  • lithium-ion secondary batteries have an operating voltage that is about three times higher than that of nickel-cadmium batteries or nickel-hydrogen batteries that are widely used as power sources for portable electronic equipment. In addition, it is widely used in terms of high energy density per unit weight.
  • a micro secondary battery includes a coin cell or a button cell.
  • a coin cell or a button cell since the overall height is low, when the thickness of the portion where the electrode terminal is installed increases, the battery capacity may be reduced.
  • the ends of the bent lead tabs are adjacent to both ends of the wound electrode assembly having a height lower than that of the diameter, workability for welding of the ends of the lead tabs and the electrode terminals may be deteriorated.
  • An aspect of the present invention is to provide a secondary battery and a method for manufacturing the same, which can increase productivity by simplifying a manufacturing process while increasing the capacity of a micro secondary battery.
  • the secondary battery according to an embodiment of the present invention has an electrode assembly wound around a rotation axis and an inner space accommodating the electrode assembly, a case having an open opening at one side, and is coupled to an opening of the case, exposing the inner space
  • a cap plate having a terminal hole that is electrically connected to the electrode assembly through the terminal hole, an electrode terminal positioned on the cap plate and a sealing material positioned in the terminal hole to insulate between the electrode terminal and the cap plate, and the width of the sealing material Is larger than the width of the electrode terminal.
  • the electrode assembly may be wound in a state in which the first electrode, the separator, and the second electrode are stacked.
  • the lower end of the electrode terminal may further include a pillar portion integrally connected to the electrode terminal and having a cutout portion into which an edge of the first electrode is inserted.
  • the pillar portion may be a rotation axis of the electrode assembly.
  • the first electrode may include a first electrode active portion to which an active material is applied and a first electrode uncoated portion to which the active material is not applied, and the first electrode uncoated portion may be inserted into the cutout portion to surround the pillar portion while contacting the pillar portion.
  • the length of the cutout may be equal to or greater than the width of the first electrode.
  • a lead tab electrically connected to the second electrode and welded to the case may be further included.
  • the lead tab may be sandwiched between the case and the cap plate and welded to be fixed to the cap plate and the case.
  • the lead tab may be welded to an upper surface of the cap plate by bending a portion protruding out of the case through the case and the cap plate.
  • the center pin of the wound electrode assembly as a rotation shaft, it is possible to reduce the process of removing the rotation shaft after winding, thereby improving productivity.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an exploded secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 1.
  • 3 to 8 are views for explaining a method of manufacturing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 9 and 10 are schematic cross-sectional views of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • the cross section in the horizontal direction is circular, but is not limited thereto, and a shape in which the cross section in the horizontal direction is oval or polygonal may be included therein.
  • the diameter means the maximum distance based on the horizontal direction of the battery
  • the height means the minimum distance from the flat bottom surface of the battery to the flat top surface of the battery.
  • the coin-type battery or the button-type battery is not limited thereto as an example of the present invention, and the present invention may be a cylindrical or pin-type battery.
  • the secondary battery according to the embodiment of the present invention is a coin-type battery or a button-type battery will be exemplarily described in detail.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an exploded secondary battery according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 1.
  • the secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a case 10 having an inner space, an electrode assembly 20 accommodated in the inner space of the case 10, and a case 10. ) Is coupled to the cap plate 30 to seal the inner space.
  • the first electrode 11 includes a first electrode active portion 11a, which is an area to which an active material is applied, on a thin plate formed of an elongated strip-shaped metal foil, and a first electrode uncoated portion, which is an area to which the active material is not applied. 11b) (see Fig. 6).
  • the first electrode uncoated portion 11b may be formed on opposite sides of the first electrode active portion 11a, that is, at both ends of the first electrode 11 in the longitudinal direction, but is not limited thereto and is at one end. Can be formed.
  • the lead tab 14 may be connected to the second electrode uncoated portion of the second electrode 12, and the lead tab 14 may protrude from the second electrode 12 and be electrically connected to the cap plate 30.
  • the lead tab 14 is made of an electrically conductive material such as nickel or copper, and may be connected to the second electrode uncoated portion 12b by welding. In this case, the welding may be laser welding.
  • the separator 13 is positioned between the first electrode 11 and the second electrode 12, and serves to prevent a short circuit therebetween and to enable the movement of lithium ions.
  • the separator 13 may be made of, for example, a composite film of polyethylene, polypropylene, polyethylene, and polypropylene.
  • the electrode assembly 20 may be accommodated in the case 10 together with an electrolyte in a direction parallel to the rotation axis of the electrode assembly 20.
  • the electrolyte may be made of a lithium salt such as LiPF 6 or LiBF 4 in an organic solvent such as EC, PC, DEC, EMC, and DMC.
  • the electrolyte may be liquid, solid or gel.
  • the center pin 50 may be installed at the center of the electrode assembly 20 and may have a cylindrical shape.
  • the center pin 50 is located in the case 10 and extends from the pillar portion 5 and the pillar portion 5 parallel to the winding axis X and connects the electrode terminal 7 located outside the case 10. Includes.
  • the center pin is used as a rotation shaft for winding the electrode and the separator, so that the process of winding and separating using a separate rotation shaft can be reduced.
  • the case 10 has a space in which the electrode assembly 20 and the electrolyte solution are accommodated therein, and has an opening 1 at one side thereof, and the electrode assembly 20 is inserted through the opening 1 to form the case 10 Can be accommodated in the interior space of the.
  • the case 10 may be a cylindrical shape having a low height, and the case 10 may be made of stainless steel.
  • a terminal hole 31 and an injection hole 32 are formed in the cap plate 30, and the terminal hole 31 is positioned so as to correspond to the center of the electrode assembly 20.
  • the center pin 50 of the electrode assembly 20 may protrude to the outside through the terminal hole 31 and is installed in the terminal hole 31 while being inserted into the sealing material 33.
  • the sealing material 33 prevents the electrode terminals 7 of different polarities and the cap plate 30 from being electrically shorted. Accordingly, the width (or diameter) W1 of the sealing material 33 may be larger than the width (or diameter) W2 of the electrode terminal 7. In addition, the sealing material 33 fills a gap between the cap plate 30 and the center pin 50 due to the terminal hole 31 to prevent the internal electrolyte from leaking to the outside.
  • the sealing material 33 is an insulating material, and must be able to overcome thermal shock even at a high temperature of about 1000°C, and must have crack resistance due to thermal shock and thermal expansion.
  • the sealing material 33 may be a glass seal.
  • the sealing material 33 may be formed by injecting molten glass between the outer surface of the electrode terminal 7 in the circumferential direction and the inner surface of the terminal hole 31 due to process characteristics.
  • the sealing material 33 may be formed of a gasket instead of a glass seal and be fitted into the terminal hole.
  • the injection port 32 is a hole through which the electrolyte is injected, and may be sealed with a stopper 60 or a sealing material after the electrolyte is injected.
  • 3 to 8 are views for explaining a method of manufacturing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the center pin 50 is fixed to the cap plate 30.
  • the center pin 50 is arranged so that the electrode terminal 7 is positioned on the cap plate 30, and then the sealing material 33 is injected into the terminal hole 31 so that the center pin 50 is fixed to the terminal hole 31. Make it possible.
  • the first electrode uncoated portion 11b is inserted into the cutout portion 9. At this time, so that the first electrode uncoated portion 11b does not come out from the cutout 9 when the center pin 50 rotates, one end of the first electrode uncoated portion 11b penetrates the cutout 9 and passes through the columnar portion ( 5) It can protrude outward.
  • the center pin 50 is rotated to wind the first electrode uncoated portion 11b around the column portion 5.
  • the center pin 50 first rotates together with the cap plate 30 as a rotation shaft for rotation when the electrode assembly 20 is wound and formed.
  • the lead tab 14 is attached to the second electrode uncoated portion 12b left without being wound around the center pin 50.
  • the lead tab 14 can be attached by welding, for example, by laser welding.
  • the center pin 50 is rotated three times, and the remaining first electrode, second electrode, and separator are wound to complete the electrode assembly 20.
  • the lead tab 14 located outside the case 10 is cut, and the cap plate 30 is fixed to the case 10 by welding to fix the secondary battery. Complete.
  • the cut end of the lead tab 14 may be exposed between the cap plate 30 and the case 10, and when the cap plate 30 is welded, the end of the lead tab 14 is also included in the case 10 and It is fixed to the cap plate 30 by welding.
  • 9 and 10 are schematic cross-sectional views of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • the secondary battery of FIGS. 9 and 10 includes a case 10 having an inner space, an electrode assembly 20 accommodated in the inner space of the case 10, and a cap plate 30 coupled to the case 10 to seal the inner space. ).
  • the electrode assembly 20 may have a shape in which the first electrode 11, the separator 13, and the second electrode 12 are wound with the center pin 50 as a rotation axis.
  • the center pin 50 may be rotated while the first electrode uncoated portion of the first electrode 11 is inserted, and the lead tab 14 may be electrically connected to the second electrode uncoated portion of the second electrode 12. have.
  • the lead tab 14 may be welded to the case 10 and the cap plate 30 when welding the cap plate 30.
  • electrode assembly 22 insulating tape
  • cap plate 31 terminal hole

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(rechargeable battery)는 회전축을 중심으로 권취된 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 내부 공간을 가지며, 일측이 개방된 개구를 가지는 케이스, 케이스의 개구에 결합되며, 내부 공간을 노출하는 단자 구멍을 가지는 캡 플레이트, 단자 구멍을 통해서 전극 조립체와 전기적으로 연결되며 캡 플레이트 위에 위치하는 전극 단자, 단자 구멍에 위치하여, 전극 단자와 캡 플레이트 사이를 절연시키는 실링재를 포함하고, 실링재의 폭은 전극 단자의 폭보다 크다.

Description

이차 전지 및 그 제조 방법
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초소형 이차 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
대표적인 이차 전지에는 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH) 전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 이차 전지 등이 있다. 특히, 리튬 이온 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 작동 전압이 약 3배나 높다. 또한, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 널리 사용되고 있다.
특히, 최근에는 블루투스(Bluetooth)를 이용한 헤드폰, 이어폰, 스마트워치(Smartwatch), 신체 부착형 의료기기 등의 웨어러블 디바이스(Wearable devices)에 대한 수요가 증가함에 따라, 에너지 밀도가 높으면서 초소형의 이차 전지의 필요성이 증가하고 있다.
일례로써, 초소형 이차 전지에는 코인형 전지(coin cell) 또는 버튼형 전지(button cell)가 있다. 코인형 전지(coin cell) 또는 버튼형 전지(button cell)의 경우, 전체 높이가 낮기 때문에 전극단자가 설치되는 부분의 두께가 증대하는 경우, 전지 용량이 감소될 수 있다. 또한 직경에 비하여 높이가 낮게 권취된 전극 조립체의 양단에 절곡된 리드탭의 단부가 인접하므로 리드탭의 단부와 전극단자의 용접에 대한 작업성이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 측면은 초소형 이차 전지의 용량을 증가시키면서도, 제작 공정을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있는 이차 전지 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 회전축을 중심으로 권취된 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 내부 공간을 가지며, 일측이 개방된 개구를 가지는 케이스, 케이스의 개구에 결합되며, 내부 공간을 노출하는 단자 구멍을 가지는 캡 플레이트, 단자 구멍을 통해서 전극 조립체와 전기적으로 연결되며 캡 플레이트 위에 위치하는 전극 단자, 단자 구멍에 위치하여, 전극 단자와 캡 플레이트 사이를 절연시키는 실링재를 포함하고, 실링재의 폭은 전극 단자의 폭보다 크다.
상기 전극 조립체는 제1 전극, 세퍼레이터 및 제2 전극이 적층된 상태로 권취될 수 있다.
상기 전극 단자의 하단에 전극 단자와 일체로 연결되며, 제1 전극의 가장자리가 끼워지는 절개부를 가지는 기둥부를 더 포함할 수 있다.
상기 기둥부는 전극 조립체의 회전축일 수 있다.
상기 제1 전극은 활물질이 도포된 제1 전극 활성부와 활물질이 도포되지 않은 제1 전극 무지부를 포함하고, 제1 전극 무지부는 절개부에 삽입되어 기둥부와 접촉하면서 기둥부를 감싸고 있을 수 있다.
상기 절개부의 길이는 제1 전극의 폭과 같거나 더 클 수 있다.
상기 제2 전극과 전기적으로 연결되며 케이스에 용접되는 리드탭을 더 포함할 수 있다.
상기 리드탭은 케이스와 캡플레이트 사이에 끼워져 용접되어 캡 플레이트 및 케이스에 고정될 수 있다.
상기 리드탭은 케이스와 캡 플레이트 사이를 통해서 케이스 밖으로 돌출된 부분이 절곡되어 캡 플레이트 상면에 용접될 수 있다.
상기 리드탭은 케이스와 캡 플레이트 사이를 통해서 케이스 밖으로 돌출된 부분이 절곡되어 케이스의 외면에 용접될 수 있다.
상기 실링재는 글라스실일 수 있다.
상기 이차 전지는 직경에 대한 높이의 비율이 1 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은 절개부를 가지는 센터핀을 캡 플레이트의 단자 구멍에 고정시키는 단계, 절개부에 제1 전극의 제1 전극 무지부를 삽입시키는 단계, 센터핀을 회전시켜 상기 제1 전극 무지부를 센터핀에 감는 1차 회전 단계, 제1 전극 위에 세퍼레이터 및 제2 전극을 배치하는 단계, 센터핀을 회전시켜, 상기 제1 전극, 세퍼레이터 및 제2 전극의 일부를 센터핀에 감는 2차 회전 단계, 제2 전극의 제2 전극 무지부에 리드탭을 부착하는 단계, 센터핀을 회전시켜, 나머지 상기 제1 전극, 세퍼레이터 및 제2 전극을 센터핀에 감아 전극 조립체를 완성하는 3차 회전 단계, 케이스에 전극 조립체를 삽입한 후 용접으로 캡 플레이트를 상기 케이스에 고정시키는 단계를 포함한다.
상기 고정시키는 단계에서, 리드탭을 캡 플레이트와 함께 케이스에 용접할 수 있다.
상기 고정시키는 단계 전에, 캡 플레이트 밖으로 돌출된 리드탭을 절단하여 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고정시키는 단계 전에, 캡 플레이트의 상면으로 리드탭을 절곡시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 1차 회전 단계, 2차 회전 단계 및 3차 회전 단계에서, 캡 플레이트는 상기 센터핀과 함께 회전할 수 있다.
상기 센터핀은 단자 구멍을 통해서 캡 플레이트 밖에 위치하는 전극 단자와 상기 절개부를 가지는 기둥부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 권취형 전극 조립체의 센터핀을 회전축으로 사용함으로써, 권취후 회전축을 제거하는 공정을 줄일 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 센터핀을 전극 단자로 사용함으로써 전극 단자와 연결되는 리드탭을 추가로 형성하지 않아 리드탭을 형성하는 공정을 줄일 수 있으며, 리드탭을 절곡시키지 않아 리드탭이 차지하던 공간만큼 전지 용량을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 초소형 전지로서, 코인형 전지(coin cell) 또는 버튼형 전지(button cell)일 수 있다. 여기서 코인형 전지 또는 버튼형 전지는 얇은 동전 또는 단추 형태의 전지로서, 직경에 대한 높이의 비율(높이/직경)이 1 이하인 전지를 의미한다.
코인형 전지 또는 버튼형 전지는 주로 원통형이므로 수평 방향의 단면이 원형이나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수평 방향의 단면이 타원형 또는 다각형인 형태도 이에 포함될 수 있다. 이때, 직경은 전지의 수평 방향을 기준으로 최대 거리를 의미하고, 높이는 전지의 편평한 바닥면에서 전지의 편평한 상단면까지의 최소 거리를 의미한다.
그러나, 코인형 전지 또는 버튼형 전지는 본 발명의 예시로서 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 원통형 또는 핀(pin)형 전지일 수 있다. 다만, 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지가 코인형 전지 또는 버튼형 전지인 경우를 예시적으로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 분해하여 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 내부 공간을 가지는 케이스(10), 케이스(10)의 내부 공간에 수용되는 전극 조립체(20), 케이스(10)에 결합되어 내부 공간을 밀봉하는 캡 플레이트(30)를 포함한다.
전극 조립체(20)는 제1 전극(11), 제2 전극(12) 및 세퍼레이터(13)를 포함하고, 전기 절연재인 세퍼레이터(13)를 중심으로 양쪽에 각각 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)이 위치한다.
제1 전극(11)은 길게 이어진 띠 형상의 금속 포일(foil)로 형성되는 박판에 활물질이 도포된 영역인 제1 전극 활성부(11a)와 활물질이 도포되지 않는 영역인 제1 전극 무지부(11b)를 포함한다(도 6참조). 제1 전극 무지부(11b)는 제1 전극 활성부(11a)를 중심으로 반대편, 즉 제1 전극(11)의 길이 방향의 양측 단부에 각각 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 일측 단부에 형성될 수 있다.
제1 전극(11)은 양극일 수 있으며, 제1 전극 활성부(11a)는 알루미늄과 같은 금속 포일에 전이 금속 산화물 등의 활물질이 도포될 수 있다.
제2 전극(12)은 길게 이어진 띠 형상의 금속 포일로 형성되는 박판에 활물질이 도포된 영역인 제2 전극 활성부(12a)와 활물질이 도포되지 않는 영역인 제2 전극 무지부(12b)를 포함한다(도 6참조). 제2 전극 무지부(12b)는 제2 전극 활성부(12a)를 중심으로 반대편, 즉 제2 전극(12)의 길이 방향의 양측 단부에 각각 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 일측 단부에 형성될 수 있다.
제2 전극(12)의 제2 전극 무지부에는 리드탭(14)이 연결될 수 있으며, 리드탭(14)은 제2 전극(12)으로부터 돌출되어 캡 플레이트(30)와 전기적으로 연결될 수 있다. 리드탭(14)은 니켈, 구리와 같은 전기 전도성 물질로 이루어지며, 용접으로 제2 전극 무지부(12b)에 연결될 수 있다. 이때, 용접은 레이저 용접일 수 있다.
제2 전극(12)은 음극일 수 있으며, 제2 전극 활성부(12a)는 구리 또는 니켈과 같은 금속 포일에 흑연 또는 탄소 등의 활물질이 도포될 수 있다.
세퍼레이터(13)는 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 위치하며, 이들 사이의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 한다. 세퍼레이터(13)는 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다.
세퍼레이터(13)의 폭은 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)의 폭과 같거나 클 수 있으며, 제2 전극(12)의 폭이 제1 전극(11)의 폭보다 클 수 있다. 따라서, 별도의 절연 부재 또는 절연판이 전극 조립체(20)와 캡 플레이트(30) 사이에 위치하지 않아도, 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)이 제1 전극(11)보다 더 캡 플레이트(30)의 하면과 인접하게 위치하므로, 제1 전극(11)과 캡 플레이트(30)가 단락되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 폭은 케이스에 전극 조립체가 삽입되는 방향으로의 길이이다.
전극 조립체(20)는 제1 전극(11), 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)이 중첩된 상태로 회전축을 중심으로 권취하여 젤리-롤(jelly-roll) 형태를 가질 수 있다. 전극 조립체(20)는 직경 방향 외주면을 따라 절연 테이프(22)로 피복될 수 있다. 절연 테이프(22)는 전극 조립체(20)의 외부를 보호하면서, 전극 조립체(20)의 외주면과 케이스(10)의 내면 사이를 전기적으로 절연한다.
전극 조립체(20)는 전극 조립체(20)의 회전축에 나란한 방향으로 전해액과 함께 케이스(10)에 수납될 수 있다. 전해액은 EC, PC, DEC, EMC, DMC와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
전극 조립체(20)의 중심에는 센터핀(50)이 설치될 수 있으며, 원기둥 형태를 가질 수 있다.
센터핀(50)은 케이스(10) 내에 위치하며, 권취하는 축(X)에 대해서 나란한 기둥부(5)와 기둥부(5)로부터 연장되며 케이스(10) 밖에 위치하는 전극 단자(7)를 포함한다.
이처럼, 센터핀(50)을 외부로 돌출시켜 전극 단자(7)로 사용하면, 전극 조립체의 제1 전극(11)과 외부 전극 단자를 연결하기 위한 별도로 리드탭을 부착하지 않아 공정을 단순화 시키면서도 리드탭이 차지하는 공간을 활용하여 전지의 용량을 증가시킬 수 있다. 또한, 케이스 내의 리드탭을 전극 단자와 연결하기 위해서 리드탭이 절곡되는 공간이 필요치 않으므로, 동일한 전지 용량일 경우 케이스의 높이를 줄여 더욱 작은 이차 전지를 제조할 수 있다.
기둥부(5)에는 기둥부(5)의 길이방향으로 긴 절개부(9)가 형성될 수 있으며, 절개부(9)는 기둥부(5)를 관통하여 기둥부(5)가 길이방향으로 이등분될 수 있다. 절개부(9)는 제1 전극(11), 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)을 감아 회전시키기 위한 회전축일 수 있다.
이때, 절개부(9)에는 제1 전극(11)의 제1 전극 무지부(11b)가 끼워질 수 있으며, 절개부(9)의 길이는 제1 전극 무지부(11b)의 폭과 같거나 클 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 전극 조립체를 권취하여 형성할 때, 센터핀을 이용하여 전극 및 세퍼레이터를 감는 회전축으로 사용함으로써, 별도의 회전축을 이용하여 감고 분리하는 공정을 줄일 수 있다.
케이스(10)는 내부에 전극 조립체(20)와 전해액이 수용되는 공간을 가지며, 일측이 개방된 개구(1)를 가지며, 전극 조립체(20)는 개구(1)를 통해서 삽입되어 케이스(10)의 내부 공간에 수용될 수 있다. 예를 들어, 케이스(10)는 높이가 낮은 원통형일 수 있으며, 케이스(10)는 스테인레스 강으로 이루어질 수 있다.
케이스(10)의 개구(1)에는 케이스(10)의 내부 공간을 밀폐하는 캡 플레이트(30)가 결합될 수 있으며, 캡 플레이트(30)는 개구(1)에 용접으로 결합될 수 있다. 이때, 리드탭(14)이 케이스(10)와 캡 플레이트(30) 사이에 위치하며, 리드탭(14)은 용접으로 캡 플레이트(30)와 함께 케이스(10)에 고정될 수 있다.
캡 플레이트(30)는 개구(1)에 대응하여 형성되고 개구(1)에는 캡 플레이트(30)가 용이하게 안착될 수 있도록 단차부(2)가 형성될 수 있다.
캡 플레이트(30)에는 단자 구멍(31) 및 주입구(32)가 형성되어 있으며, 단자 구멍(31)은 전극 조립체(20)의 중심과 대응하도록 위치한다.
전극 조립체(20)의 센터핀(50)은 단자 구멍(31)을 통해서 외부로 돌출될 수 있으며, 실링재(33)에 삽입된 상태로 단자 구멍(31)에 설치된다.
실링재(33)는 다른 극성의 전극 단자(7)와 캡 플레이트(30)가 전기적으로 단락되는 것을 방지한다. 따라서, 실링재(33)의 폭(또는 직경)(W1)은 전극 단자(7)의 폭(또는 직경)(W2)보다 클 수 있다. 또한, 실링재(33)는 단자 구멍(31)으로 인해서 캡 플레이트(30)와 센터핀(50) 사이에 틈을 매워 내부 전해액이 외부로 새는 것을 방지한다.
실링재(33)는 절연 물질로, 약 1000℃의 고온에서도 열충격을 극복할 수 있어야 하고, 열 충격 및 열팽창에 의한 내크랙성을 가져야 한다. 예를 들어 실링재(33)는 글라스실(glass seal)일 수 있다. 실링재(33)는 공정 특성 상, 즉 용융 글라스를 전극 단자(7)의 원주 방향 외면과 단자 구멍(31) 내면 사이에 주입하여 형성될 수 있다. 물론, 실링재(33)는 글라스실 대신 가스캣으로 형성되어 단자 구멍에 끼워질 수 있다.
주입구(32)는 전해액이 주입되는 구멍으로 전해액 주입 후 마개(60) 또는 실링재로 밀봉될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 제조하는 방법에 대해서 설명한다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서와 같이, 센터핀(50)을 캡 플레이트(30)에 고정시킨다. 센터핀(50)은 전극 단자(7)가 캡 플레이트(30) 위에 위치하도록 배치한 후, 실링재(33)를 단자 구멍(31)에 주입하여 센터핀(50)이 단자 구멍(31)에 고정되도록 한다.
이후, 도 4에서와 같이, 제1 전극 무지부(11b)를 절개부(9)에 삽입한다. 이때, 제1 전극 무지부(11b)는 센터핀(50)의 회전시 절개부(9)로부터 빠지지 않도록, 제1 전극 무지부(11b)의 일단은 절개부(9)를 관통하여 기둥부(5) 밖으로 돌출될 수 있다.
그런 다음, 도 5에서와 같이 센터핀(50)을 회전시켜 제1 전극 무지부(11b)를 기둥부(5)에 감는다. 이때, 센터핀(50)은 전극 조립체(20)를 권취하여 형성할 때 회전시키기 위한, 회전축으로 캡 플레이트(30)와 함께 1차 회전한다.
그런 다음, 도 6에서와 같이 제1 전극(11) 위에 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)을 배치한 후 센터핀(50)을 2차 회전시킨다. 이때, 전극 조립체(20)를 형성하기 위한 제1 전극(11), 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)의 길이 대부분이 감아진 상태로, 제2 전극 무지부(12b)와 대응하는 일부만 감아지지 않고 남겨질 수 있다.
그런 다음, 도 7에서와 같이, 센터핀(50)에 감겨지지 않고 남겨진 제2 전극 무지부(12b)에 리드탭(14)을 부착한다. 리드탭(14)은 용접으로 부착할 수 있으며, 예를 들어 레이저 용접으로 부착할 수 있다.
그리고, 도 8에서와 같이, 센터핀(50)을 3차 회전시켜, 나머지 제1 전극, 제2 전극 및 세퍼레이트를 감아 전극 조립체(20)를 완성한다.
이후, 케이스(10)에 전극 조립체(20)를 삽입한 후 케이스(10) 밖에 위치하는 리드탭(14)을 절단하고, 용접으로 캡 플레이트(30)를 케이스(10)에 고정시켜 이차 전지를 완성한다.
이때, 리드탭(14)의 절단된 단부가 캡 플레이트(30)와 케이스(10) 사이로 노출될 수 있으며, 캡 플레이트(30)의 용접시 리드탭(14)의 단부도 함께 케이스(10) 및 캡 플레이트(30)에 용접으로 고정된다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 단면도이다.
도 9 및 도 10에 도시한 이차 전지는 대부분 도 1 및 도 2의 이차 전지와 동일하므로 다른 부분에 대해서만 구체적으로 설명한다.
도 9 및 도 10의 이차 전지는 내부 공간을 가지는 케이스(10), 케이스(10)의 내부 공간에 수용되는 전극 조립체(20), 케이스(10)에 결합되어 내부 공간을 밀봉하는 캡 플레이트(30)를 포함한다.
전극 조립체(20)는 센터핀(50)을 회전축으로 하여 제1 전극(11), 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)이 권취된 형태일 수 있다.
센터핀(50)에는 제1 전극(11)의 제1 전극 무지부가 삽입된 상태로 회전될 수 있으며, 제2 전극(12)의 제2 전극 무지부에는 리드탭(14)이 전기적으로 연결될 수 있다.
리드탭(14)은 캡 플레이트(30)를 용접할 때 케이스(10) 및 캡 플레이트(30)에 용접될 수 있다.
그러나 도 1 의 실시예에서와 달리, 캡 플레이트(30) 밖으로 돌출되는 리드탭(14)의 일단이 도 9 및 도 10에서와 같이 캡 플레이트(30)의 상면으로 절곡된 상태로 용접될 수 있다. 이때, 절곡되는 방향은 센터핀(50)을 향하는 방향 또는 그 반대 방향 어느 쪽이든 상관은 없다. 또한, 리드탭(14)의 길이가 긴 경우 도 10에서와 같이 케이스(10)의 외벽에 용접될 수 있다.
이처럼, 외부로 돌출되는 리드탭(14)을 절곡시켜 캡 플레이트(30) 상면 또는 케이스(10)의 외면에 용접시킬 경우 외부로 노출된 리드탭(14)을 절단하는 작업을 실시하지 않을 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
- 부호의 설명 -
1: 개구 2: 단차부
5: 기둥부 7: 전극 단자
9: 절개부 10: 케이스
11: 제1 전극 12: 제2 전극
13: 세퍼레이터 14: 리드탭
20: 전극 조립체 22: 절연 테이프
30: 캡 플레이트 31: 단자구멍
32: 주입구 33: 실링재
50: 센터핀

Claims (18)

  1. 회전축을 중심으로 권취된 전극 조립체,
    상기 전극 조립체를 수용하는 내부 공간을 가지며, 일측이 개방된 개구를 가지는 케이스,
    상기 케이스의 개구에 결합되며, 상기 내부 공간을 노출하는 단자 구멍을 가지는 캡 플레이트,
    상기 단자 구멍을 통해서 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되며 상기 캡 플레이트 위에 위치하는 전극 단자,
    상기 단자 구멍에 위치하여, 상기 전극 단자와 상기 캡 플레이트 사이를 절연시키는 실링재
    를 포함하고,
    상기 실링재의 폭은 상기 전극 단자의 폭보다 큰 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 전극 조립체는 제1 전극, 세퍼레이터 및 제2 전극이 적층된 상태로 권취되어 있는 이차 전지.
  3. 제2항에서,
    상기 전극 단자의 하단에 상기 전극 단자와 일체로 연결되며, 상기 제1 전극의 가장자리가 끼워지는 절개부를 가지는 기둥부
    를 더 포함하는 이차 전지.
  4. 제3항에서,
    상기 기둥부는 상기 전극 조립체의 회전축인 이차 전지.
  5. 제3항에서,
    상기 제1 전극은 활물질이 도포된 제1 전극 활성부와 활물질이 도포되지 않은 제1 전극 무지부를 포함하고,
    상기 제1 전극 무지부는 상기 절개부에 삽입되어 상기 기둥부와 접촉하면서 상기 기둥부를 감싸고 있는 이차 전지.
  6. 제5항에서,
    상기 절개부의 길이는 상기 제1 전극의 폭과 같거나 더 큰 이차 전지.
  7. 제2항에서,
    상기 제2 전극과 전기적으로 연결되며 상기 케이스에 용접되는 리드탭
    을 더 포함하는 이차 전지.
  8. 제7항에서,
    상기 리드탭은 상기 케이스와 상기 캡플레이트 사이에 끼워져 용접되어 상기 캡 플레이트 및 상기 케이스에 고정되어 있는 이차 전지.
  9. 제7항에서,
    상기 리드탭은 상기 케이스와 상기 캡 플레이트 사이를 통해서 상기 케이스 밖으로 돌출된 부분이 절곡되어 상기 캡 플레이트 상면에 용접되어 있는 이차 전지.
  10. 제7항에서,
    상기 리드탭은 상기 케이스와 상기 캡 플레이트 사이를 통해서 상기 케이스 밖으로 돌출된 부분이 절곡되어 상기 케이스의 외면에 용접되어 있는 이차 전지.
  11. 제1항에서,
    상기 실링재는 글라스실인 이차 전지.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 직경에 대한 높이의 비율이 1 이하인, 이차 전지.
  13. 절개부를 가지는 센터핀을 캡 플레이트의 단자 구멍에 고정시키는 단계,
    상기 절개부에 제1 전극의 제1 전극 무지부를 삽입시키는 단계,
    상기 센터핀을 회전시켜 상기 제1 전극 무지부를 상기 센터핀에 감는 1차 회전 단계,
    상기 제1 전극 위에 세퍼레이터 및 제2 전극을 배치하는 단계,
    상기 센터핀을 회전시켜, 상기 제1 전극, 세퍼레이터 및 제2 전극의 일부를 상기 센터핀에 감는 2차 회전 단계,
    상기 제2 전극의 제2 전극 무지부에 리드탭을 부착하는 단계,
    상기 센터핀을 회전시켜, 나머지 상기 제1 전극, 세퍼레이터 및 제2 전극을 상기 센터핀에 감아 전극 조립체를 완성하는 3차 회전 단계,
    케이스에 상기 전극 조립체를 삽입한 후 용접으로 상기 캡 플레이트를 상기 케이스에 고정시키는 단계
    를 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 고정시키는 단계에서,
    상기 리드탭을 상기 캡 플레이트와 함께 상기 케이스에 용접하는 이차 전지의 제조 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 고정시키는 단계 전에,
    상기 캡 플레이트 밖으로 돌출된 상기 리드탭을 절단하여 제거하는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  16. 제13항에서,
    상기 고정시키는 단계 전에,
    상기 캡 플레이트의 상면으로 상기 리드탭을 절곡시키는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  17. 제13항에서,
    상기 1차 회전 단계, 2차 회전 단계 및 3차 회전 단계에서
    상기 캡 플레이트는 상기 센터핀과 함께 회전하는 이차 전지의 제조 방법.
  18. 제13항에서,
    상기 센터핀은 상기 단자 구멍을 통해서 상기 캡 플레이트 밖에 위치하는 전극 단자와 상기 절개부를 가지는 기둥부를 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
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