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KR100770098B1 - 이차 전지 - Google Patents

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KR100770098B1
KR100770098B1 KR1020040081296A KR20040081296A KR100770098B1 KR 100770098 B1 KR100770098 B1 KR 100770098B1 KR 1020040081296 A KR1020040081296 A KR 1020040081296A KR 20040081296 A KR20040081296 A KR 20040081296A KR 100770098 B1 KR100770098 B1 KR 100770098B1
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cap
secondary battery
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safety vent
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김종구
사이토아키히코
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명의 이차 전지는 전극 조립체가 수용된 케이스를 마감하는 캡 조립체에 있어서, 양측이 개구된 원통형으로 하측에 내측으로 돌출된 안착부가 마련되며 케이스의 상측에 안착되는 가스켓과, 가스켓의 안착부에 안착되는 안전벤트와, 안전벤트의 상측에 배치되는 전류차단부와, 전류차단부의 상측에 배치되는 캡업 및 가스켓과, 안전벤트 전류차단부 및 캡업을 일체로 결합시키는 결합수단을 포함하므로 조립과정에 따른 생산 비용은 절감되고 생산 수율이 향상되는 이점이 있다.
원통형 이차 전지, 캡 조립체, 가스켓

Description

이차 전지 {Secondary battery}
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 이차 전지를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 이차 전지의 캡 조립체를 도시한 단면도이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
100 : 이차 전지 200 : 전극 조립체
300 : 케이스 400 : 캡 조립체
410 : 안전벤트 412 : 돌출부
420 : 전류차단부 470 : 가스켓
471 : 안착부 473 : 결합돌기
475 : 측면판 480 : 이차보호소자
490 : 캡업
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지를 조립하는 공정을 간단히 하는 캡 조립체를 갖는 이차 전지에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화 된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정 기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li)전지와 리튬 이온(Li-ion)전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형 과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 이차 전지는 활물질이 코팅된 제1,2 전극판 및 제1전극판과 제2전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고, 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 전극 조립체를 수용하는 케이스와, 케이스의 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액, 그리고 케이스를 밀봉하는 캡 조립체 등으로 이루어져 있다.
이러한 이차 전지는 제1,2전극판으로부터 제1,2전극탭이 인출된 제1,2전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한 후, 전극 조립체 및 전해액을 케이스 내부에 수용하여 캡 조립체로 밀봉하여 마감한다.
캡 조립체는 케이스에 조립되어 케이스를 밀봉하는 가스켓과, 가스켓의 상측에 안착되는 안전벤트와, 안전벤트의 상측에 설치되는 전류차단부( CID : Current Interrupt Device ), 전류차단부의 상측에 설치되는 이차보호소자 그리고, 이차보호소자의 상측에는 외부로 전류를 통전시키도록 설치되는 캡업이 구비된다. 이와 같은 캡 조립체는 상술한 바와 같은 순서로 적층되어 결합된다.
그런데, 이러한 종래의 캡 조립체는 상술한 바와 같은 순서로 결합될 때 그 부품수가 많으므로 조립시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.
또한, 부품을 조립하기 위한 생산라인의 길이가 길어지고, 부품을 관리하기 위한 작업자의 수가 많아야 하므로 생산비용이 증대되는 문제점이 있다.
그리고, 부품의 조립단계가 많으므로 조립과정에서 발생할 수 있는 불량발생 확률이 증대되므로 생산수율이 감소하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소시키기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 캡 조립체의 조립과정을 줄여 생산비용이 절감되고 생산수율이 증대되는 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전극 조립체가 수용된 케이스를 마감하는 캡 조립체에 있어서, 양측이 개구된 원통형으로 하측에 내측으로 돌출된 안착부가 마련되며 상기 케이스의 상측에 안착되는 가스켓과, 가스켓의 안착부에 안착되는 안전벤트와, 상기 안전벤트의 상측에 배치되는 전류차단부와, 상기 전류차단부의 상측에 배치되는 캡업 및 상기 가스켓과, 상기 안전벤트 상기 전류차단부 및 상기 캡업을 일체로 결합시키는 결합수단을 포함하는 이차 전지를 제공한다.
상기 결합수단은 상기 가스켓의 상측에 내측으로 소정길이 돌출된 결합돌기인 것이 바람직하다.
상기 결합돌기의 저면은 상기 캡업의 상면과 접촉된 것이 바람직하다.
상기 가스켓은 탄성을 갖는 재질로 형성된 것이 바람직하다.
상기 케이스는 원통형인 것이 바람직하다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이차 전지를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 이차 전지의 캡 조립체를 도시한 단면도이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 원통형 이차 전지 (100)는 전극 조립체(200)와, 전극 조립체(200) 및 전해액을 수용하는 원통형 케이스(300)와, 원통형 케이스(300)의 상부에 조립되어 전극 조립체(200)가 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체(400)와, 캡 조립체(400)를 일체화 시키는 결합수단을 포함하여 형성된다.
전극 조립체(200)는 전극 집전체(200)의 표면에 활물질층이 코팅된 제1,2전극판(210,220)과, 제1전극판(210)과 제2전극판(220) 사이에 삽입되어 제1전극판(210)과 제2전극판(220)을 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터(230)가 권취되어 형성된다.
여기서, 제1전극판(210)은 양극, 제2전극판(220)은 음극이 될 수 있다.
따라서, 양극이 되는 제1전극판(210)은 도전성이 우수한 금속 박판 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(Foil)로 이루어진 양극집전체와 그 양면에 코팅된 양극활물질층을 포함한다. 양극판의 말단에는 양극활물질층이 형성되지 않은 양극집전체 영역 즉, 양극 무지부가 형성된다. 양극 무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되어 전극 조립체(200)의 상부로 일정 길이 돌출되는 제1전극탭(215)인 양극탭이 돌출된다.
또한, 음극이 되는 제2전극판은 전도성 금속 박판 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극 집전체와 그 양면에 코팅된 음극활물질층을 포함하고 있다. 음극판의 양 말단은 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체 영역 즉, 음극 무지부가 형성된다. 음극 무지부의 말단에는 일반적으로 니켈 재질로 형성되며 전극 조립체(200)의 하부로 일정 길이 돌출된 제2전극탭(225)이 되는 음극탭 이 접합되어 있다. 더불어 전극 조립체(200)의 상/하부에는 각각 캡 조립체(400) 또는 원통형 케이스(300)와의 접촉을 방지하기 위한 절연 플레이트(241,245)가 더 포함되어 형성될 수 있다.
원통형 케이스(300) 원통형 전극 조립체(200)가 수용될 수 있는 소정 공간이 형성되도록 일정 직경을 갖는 원통형 측면판(310)과 원통형 측면판(310)의 하부를 밀폐하는 하면판(320)을 포함하여 형성되며 원통형 측면판(310)의 상부는 전극 조립체(200)를 삽입하기 위하여 개구되어 있다.
원통형 케이스(300)의 하면판(320) 중앙에는 전극 조립체(200)의 제2전극탭(225)이 접합됨으로써, 원통형 케이스(300) 자체는 음극 역할을 수행하게 된다. 또한, 원통형 케이스(300)는 일반적으로 알루미늄, 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다. 더불어 원통형 케이스(300)는 상부의 개구에 결합되는 캡 조립체(400)의 상부를 압박하도록 상단에서 내부로 휘어진 크리핑(Clipping)부(330)가 형성된다. 또한, 원통형 케이스(300)는 크리핑부(330)로부터 하방으로 캡 조립체(300)의 두께에 대응되는 거리만큼 이격된 위치에 캡 조립체(400)의 하부를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(Beading)부(340)가 더 형성된다.
캡 조립체(400)는 안전벤트(410)와, 전류차단부(420)와, 이차보호소자(480)와, 캡업(490) 가스켓(490) 그리고, 결합수단(495)을 포함하여 형성된다.
안전벤트(410)는 도전성 금속재질로 된 원판형상으로서 중앙에 하방으로 돌출된 돌출부(412)를 포함하여 형성된다. 안전벤트(410)는 바람직하게는 알루미늄 금속 또는 니켈 금속으로 형성된다. 안전벤트(410)의 하부에는 제1전극탭(215)이 전기적으로 결합되며, 돌출부(412)에 용접되어 결합된다. 안전벤트(410)의 돌출부(412)는 정상적인 상태에서는 하부 방향으로 돌출되어 형성되며, 이차 전지(100)의 과/충방전 또는 이상 발열에 의하여 이차 전지(100)의 내부 압력이 증가되는 경우에는 돌출부(412)가 상부 방향으로 반전되게 형성된다.
여기서 돌출부(412)는 전술된 전극 조립체(200)의 제1전극탭(215)와 접합된다.
전류차단부(420)는 원형의 외곽링과 외곽링의 중앙을 가로지르는 바(460)를 포함하는 형상으로 형성되며 바(460)의 중앙에 비아홀(428)을 구비하는 절연인쇄기판(미도시)과 절연인쇄기판의 상부와 하부에 각각 도전박막을 포함하여 형성된다. 도전박막 중 상부 도전박막의 일측은 절연인쇄기판의 외곽링에 연결되지만 타측은 외곽링에 연결되지 않도록 형성된다. 반면 하부 도전박막은 일측이 외곽링에 연결되지 않으며 타측이 외곽링에 연결된다. 이에 비아홀(430)의 내부에는 구리와 같은 도전금속으로 도전층이 형성되어 상부와 하부의 도전박막을 전기적으로 연결한다. 여기서, 바(460)는 비아홀(430)이 형성된 부분의 양측면 및 중앙부에 파단부(428)가 형성되어 바(460)가 용이하게 파단될 수 있도록 한다.
또한, 전류차단부(420)는 안전벤트(410)의 상부에 설치되며, 안전벤트(410)로 흐르는 전류를 통전시켜 후술될 이차보호소자(480)로 흐르게 한다. 그러나, 이차 전지(100)가 비정상적으로 작동되어 이차 전지(100)의 내부 압력이 규정 이상으로 상승되는 경우에 안전벤트(410)의 돌출부(412)가 상향으로 변형되면서 전류차단부(420)의 바(460)가 돌출부(142)에 의하여 파괴되면서 전류의 흐름을 파괴하게 된 다.
따라서, 전류차단부(420)는 안전벤트(410)와 이차보호소자(480) 사이에 흐르는 전류를 차단하게 된다.
이차보호소자(480)는 전류차단부(420)의 상부에 안착되어 결합되며 이차 전지(100)의 온도가 증가되면 전류의 흐름을 차단하게 된다. 이차보호소자(480)는 바람직하게는 PTC 소자를 사용한다. PTC 소자는 수지와 탄소분말로 형성되는 소자층과 소자층의 상면과 하면에 결합되는 도전판으로 형성되며 PTC 소자의 온도가 증가되면 수지층의 수지가 팽창되면서 탄소분말의 연결을 끊어 전류를 차단하게 된다. PTC 소자로는 세라믹 소자가 사용될 수 있으며 필요에 따라서는 캡 조립체(400)를 구성할 때 생략될 수 있음은 물론이다.
캡업(490)은 캡 조립체(400)의 상부에 안착되어 결합되며 이차 전지에서 발생된 전류를 외부로 통전하게 된다.
가스켓(470)은 탄성을 갖는 재질로 형성된 것으로서, 원통형 케이스(300)의 상측에 안착되어 상술한 안전벤트(410)와, 전류차단부(420)와, 이차보호소자(480) 및 캡업(490)을 원통형 케이스(300)와 절연시키는 것으로서, 양측이 개구된 원통형으로 가스켓 측면판(475)이 형성되어 그 외면이 원통형 케이스(300)의 상부 측면판(310)의 내면과 접촉되게 설치된다. 가스켓 측면판(475)의 하측에는 내측으로 소정 길이 돌출된 안착부(471)가 형성된다.
즉, 가스켓(470)은 안전벤트(410)와, 전류차단부(420)와, 이차보호소자(480) 및 캡업(490)을 순차적으로 적층하여 적층된 측면이 가스켓 측면판(475)의 내면과 접촉되게 하여 가스켓(470)의 안착부(471)에 안착시킨다.
여기서, 결합수단은 캡 조립체(400)의 각 부품들을 일체로 결합시키는 것으로서, 가스켓(470)의 상부에 내측으로 소정길이 돌출되게 형성된 결합돌기(473)이다. 결합돌기(473)는 가스켓(470)의 가장 상부에 위치하는 캡업(490)의 상면과 그 저면이 접촉되게 형성된다.
따라서, 가스켓(470)은 탄성재질로 형성되므로 결합돌기(473)를 젖히고, 안착부(471)에 안전벤트(410)와, 전류차단부(420)와, 이차보호소자(480)와 캡업(490)을 적층시켜 안착시킨 후, 캡업(490)의 상면에 결합돌기(473)가 접촉되도록 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 이차 전지를 조립하는 과정은 원통형 케이스(300)는 내부에 전극 조립체(200)를 수용시킨다. 전극 조립체(200)의 상측으로 인출된 제2전극탭(225)은 원통형 케이스(300)의 하면판(320)에 접합시킨다.
다음, 결합돌기(473)에 의해 가스켓(470)에 적층되어 고정된 캡 조립체(400)는 하측에 위치한 안전벤트(410)의 돌출부(412)와 전극 조립체(200)의 상측으로 인출된 제1전극탭(215)을 접합시킨 후, 원통형 케이스(300)의 상측에 안착시켜 밀봉한다.
다음, 캡 조립체(400)의 상부를 압박하여 상단에서 내부로 휘어지는 크리핑부(330)를 형성하고, 크리핑(330)부의 하측으로 소정거리 이격된 위치에 비딩부(340)를 형성한다.
따라서, 원통형 이차 전지(100)는 원통형 케이스(300)에 전극 조립체(200)를 수용시킨 후, 미리 조립되어 결합돌기(473)으로 결합된 캡 조립체(400)를 통해 마 감한다.
본 발명에 따르면, 이차 전지는 원통형 케이스의 상측을 밀봉하는 캡 조립체의 조립과정이 단순화되므로 부품을 조립하는 라인의 길이가 축소되고, 작업자의 수가 줄어들며 이차 전지의 조립시간이 절약되는 이점이 있다.
또한, 이차 전지는 부품을 개별적으로 조립할 때 각각의 부품을 조립할 때 마다 발생될 수 있는 불량률이 감소되는 이점이 있다.
이에 따라 생산 비용은 절감되고 생산 수율이 향상되는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 전극 조립체가 수용된 케이스를 마감하는 캡 조립체에 있어서,
    양측이 개구된 원통형으로 하측에 내측으로 돌출된 안착부가 마련되며 상기 케이스의 상측에 안착되는 가스켓;
    상기 가스켓의 안착부에 안착되는 안전벤트;
    상기 안전벤트의 상측에 배치되는 전류차단부;
    상기 전류차단부의 상측에 배치되는 캡업; 및
    상기 가스켓과, 상기 안전벤트 상기 전류차단부 및 상기 캡업을 일체로 결합시키는 결합수단;을 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 결합수단은 상기 가스켓의 상측에 내측으로 소정길이 돌출된 결합돌기인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 결합돌기의 저면은 상기 캡업의 상면과 접촉된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스켓은 탄성을 갖는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스는 원통형인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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