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KR100929033B1 - 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지 - Google Patents

캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지 Download PDF

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KR100929033B1
KR100929033B1 KR1020070100372A KR20070100372A KR100929033B1 KR 100929033 B1 KR100929033 B1 KR 100929033B1 KR 1020070100372 A KR1020070100372 A KR 1020070100372A KR 20070100372 A KR20070100372 A KR 20070100372A KR 100929033 B1 KR100929033 B1 KR 100929033B1
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Abstract

본 발명은 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지에 관한 것으로, 터미널 플레이트의 음극 탭이 용접되는 영역을 제외한 영역의 일부분 또는 전체에 절연 부재를 구비함으로써, 안전성을 향상시킬 수 있는 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지에 관한 것이다.
본 발명은 캡 플레이트, 터미널 플레이트 및 상기 캡 플레이트와 상기 터미널 플레이트 사이에 위치하는 절연 플레이트를 구비하는 캡 조립체에 있어서, 상기 터미널 플레이트의 음극 탭이 용접되는 영역을 제외한 영역의 일부분 또는 전체에 절연 부재가 구비되는 캡 조립체인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 양극 탭 및 음극 탭을 구비하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하며, 상단부가 개구된 캔 및 상기 캔의 상단부를 마감하는 캡 조립체를 포함하며, 상기 캡 조립체는 캡 플레이트, 터미널 플레이트 및 상기 캡 플레이트와 상기 터미널 플레이트 사이에 위치하는 절연 플레이트를 포함하고, 상기 터미널 플레이트의 상기 음극 탭이 용접되는 영역을 제외한 영역의 일부분 또는 전체에 절연 부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 이차 전지인 것을 특징으로 한다.
따라서, 외부 압력에 의해 캔의 개구부를 마감하는 캡 조립체의 일부분이 찌그러지면서 전극 조립체 방향으로 휘어질 때, 캡 조립체를 형성하는 도전성의 터미널 플레이트가 전극 조립체를 찌르거나, 캔과 접촉하면서 발생하는 이상 쇼트를 방지할 수 있다.
따라서, 이상 쇼트에 의한 발화 및 폭발의 발생을 방지할 수 있으므로, 안전성을 향상시킬 수 있다.
캡 조립체, 이차 전지, 터미널 플레이트, 절연 부재

Description

캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지{Cap assembly and secondary battery using the same}
본 발명은 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지에 관한 것으로, 터미널 플레이트의 음극 탭이 용접되는 영역을 제외한 영역의 일부분 또는 전체에 절연 부재를 구비함으로써, 안전성을 향상시킬 수 있는 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전과 방전을 거듭하며 반복 사용할 수 있으므로 일회용인 건전지에 비해 경제적이며, 근래에는 적은 부피에 고용량을 구현할 수 있게 됨에 따라, 휴대폰, 캠코더, 노트북 컴퓨터 등 휴대용 전자/전기기기의 구동전원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지로는, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다.
이들 중에서 리튬 이차 전지는 소형 및 대용량화가 가능하며, 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 가장 널리 사용되고 있다.
리튬 이차 전지는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체를 수용하는 외장재의 형태에 따라 캔형 및 파우치형으로 구분되며, 캔형은 원통형과 각형으로 분류할 수 있다.
리튬 이차 전지가 캔형으로 이루어지는 경우, 외장재는 일반적으로 알루미늄 등의 금속으로 형성되며, 원통형 혹은 각기둥형이나 모서리에 곡면을 형성한 기둥형 등의 형상을 갖는다.
캔의 상부에 개구부를 형성하고, 개구부를 통해 캔 내부에 전극 조립체를 삽입하고, 전해액을 주입한다.
이후, 캔의 상부에 형성된 개구부에 해당하는 크기와 형상을 갖는 캡 조립체로 캔을 마감하여 밀봉된 베어 셀을 형성한다.
리튬 이차 전지가 파우치형으로 이루어지는 경우, 외장재는 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 파우치 외장재의 하면에 전극 조립체를 수용한다.
이후, 파우치 외장재의 상면을 이용하여 상기 하면을 덮고, 상기 파우치 외장재의 상면 및 하면의 가장자리에 형성되는 실링부를 접합하여 밀봉함으로써 베어 셀을 형성한다.
상기와 같이 형성된 베어 셀은 과충전, 과방전, 과전류 등의 이상 동작으로 인한 안전사고를 예방하기 위한 보호소자를 구비하고 있는 보호회로기판과 전기적으로 연결된다.
일반적으로, 베어 셀과 보호회로기판은 리드 단자를 이용하여 전기적으로 연결되며, 이런 상태의 이차 전지를 코어 팩이라 할 수 있다.
코어 팩을 별도의 외장 케이스에 수납하거나 핫 멜트(hot-melt) 수지로 간극을 채우고, 얇은 외장재로 튜빙, 라벨링 등의 방법으로 배터리 팩을 이루게 된다.
각형 이차 전지의 경우, 외부 압력에 의해 캔의 개구부를 마감하는 캡 조립체의 일부분이 찌그러지면서 전극 조립체 방향으로 휘어질 때, 캡 조립체를 형성하는 도전성의 터미널 플레이트가 전극 조립체를 찌르거나, 캔과 접촉하면서 쇼트를 유발시키고, 발화 및 폭발의 안전성 문제를 발생시킨다.
본 발명은 캡 플레이트, 터미널 플레이트 및 상기 캡 플레이트와 상기 터미널 플레이트 사이에 위치하는 절연 플레이트를 구비하는 캡 조립체에 있어서, 상기 터미널 플레이트의 음극 탭이 용접되는 영역을 제외한 영역의 일부분 또는 전체에 절연 부재가 구비되는 캡 조립체인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 양극 탭 및 음극 탭을 구비하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하며, 상단부가 개구된 캔 및 상기 캔의 상단부를 마감하는 캡 조립체를 포함하며, 상기 캡 조립체는 캡 플레이트, 터미널 플레이트 및 상기 캡 플레이트와 상기 터미널 플레이트 사이에 위치하는 절연 플레이트를 포함하고, 상기 터미널 플레이트의 상기 음극 탭이 용접되는 영역을 제외한 영역의 일부분 또는 전체에 절연 부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 이차 전지인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 절연 부재는 폴리에틸렌 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 도포되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 절연 부재는 절연 테이프를 부착하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 이차 전지는 이너 팩 또는 하드 팩 형태인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 외부 압력에 의해 캔의 개구부를 마감하는 캡 조립체의 일부분이 찌그러지면서 전극 조립체 방향으로 휘어질 때, 캡 조립체를 형성하는 도전성의 터미널 플레이트가 전극 조립체를 찌르거나, 캔과 접촉하면서 발생하는 이상 쇼트를 방지할 수 있다.
따라서, 이상 쇼트에 의한 발화 및 폭발의 발생을 방지할 수 있으므로, 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 두께, 길이 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도1 및 도2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 분리 사시도 및 결합 단면도를 나타낸 것이다.
도1 및 도2를 참조하면, 이차 전지는 전극 조립체(10), 상기 전극 조립 체(10)를 수용하는 캔(20) 및 상기 캔(20)의 개구부 상에 구비되는 캡 조립체(30)로 이루어진다.
상기 전극 조립체(10)는 양극 집전체에 양극 활물질을 도포해서 형성된 양극판(11), 음극 집전체에 음극 활물질을 도포해서 형성된 음극판(13) 및 양극판(11)과 음극판(13) 사이에 개재되어 두 극판(11, 13)의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 세퍼레이터(15)로 이루어진다.
상기 양극판(11)에는 양극 활물질이 도포되지 않는 양극 무지부가 형성되며, 상기 음극판(13)에는 음극 활물질이 도포되지 않는 음극 무지부가 형성된다.
상기 양극 무지부에는 캡 플레이트와 전기적으로 연결되는 양극 탭(17)이 접합되며, 음극 무지부에는 전극 단자와 전기적으로 연결되는 음극 탭(19)이 접합된다.
이때, 양극 탭(17) 및 음극 탭(19)은 초음파 용접에 의해 양극 무지부 및 음극 무지부에 접합될 수 있으며, 본 발명에서 접합 방법을 한정하는 것은 아니다.
상기 양극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다.
양극 집전체의 형태로는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포제 등을 들 수 있으며, 두께는 통상 1~50μm, 바람직하게는 1~30μm이며, 여기서 형태 및 두께를 한정하는 것은 아니다.
양극 활물질은 리튬 이온을 흡장 또는 탈리할 수 있는 물질로서, 코발트, 망 간, 니켈에서 선택되는 최소한 1종 및 리튬과의 복합산화물 중 1종 이상의 것이 바람직하다.
음극 집전체로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있으며, 이들 중 구리 또는 구리 합금이 바람직하다.
음극 집전체의 형태로는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포제 등을 들 수 있으며, 두께는 통상 1~50μm, 바람직하게는 1~30μm이며, 여기서 형태 및 두께를 한정하는 것은 아니다.
음극 활물질은 리튬 이온을 흡장 또는 탈리할 수 있는 물질로서, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 세퍼레이터(15)는 통상적으로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 열가소성 수지로 형성되며, 그 표면은 다공막 구조로 되어 있다.
이러한 다공막 구조는 전지 내부의 온도 상승으로 상기 열가소성 수지의 융점 근처가 되면 세퍼레이터(15)가 용융되어 통공이 막힘으로써 절연 필름이 된다.
이렇게 절연 필름으로 바뀜으로써, 양극판(11)과 음극판(13) 간의 리튬 이온 이동이 차단되고, 더 이상의 전류가 흐르지 못하게 됨으로써, 전지 내부의 온도 상승이 중단된다.
상기 캔(20)은 개구된 상단부를 갖는 형태의 금속재로 형성될 수 있으며, 전극 조립체(10) 및 전해액을 수용하며, 전극 조립체의 상부에 절연 케이스를 수용할 수 있다.
금속재로는 가볍고 연성이 있는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 스테인레스강 등이 사용될 수 있으며, 캔(20)이 금속재로 형성되는 경우 극성을 가질 수 있기 때문에 전극 단자로 사용할 수도 있다.
캔(20)의 형상은 각형이거나 모서리가 둥글게 구부러진 타원형일 수 있으며, 캔(20)의 개구된 상단부는 캡 플레이트와 용접 또는 열 융착되어 밀봉된다.
상기 캔(20)의 개구된 상부에 결합되는 캡 조립체(30)는 절연 케이스(31), 캡 플레이트(32), 절연 가스켓(33), 전극 단자(34), 절연 플레이트(35), 터미널 플레이트(36) 및 전해액 주입구 마개(37)를 구비한다.
상기 절연 케이스(31)는 캔(20)의 내부에 삽입되는 전극 조립체(10)의 상부에 위치하여, 전극 조립체(10)의 유동을 방지한다.
절연 케이스(31)는 터미널 플레이트(36)와 터미널 플레이트(36)를 덮는 절연 플레이트(35)를 안착시킬 수 있도록 주변부가 벽을 형성하고 있다.
또한, 절연 케이스(31)는 쇼트를 방지하도록 양극 탭(17)과 음극 탭(19)을 소정 거리 이격시키며, 외부로 돌출되는 경우 가이드 역할을 하기 위한 홈을 형성한다.
절연 케이스(31)는 폴리프로필렌(PP), 폴리페닐렌설파이트(PPS), 폴리에테르술폰(PES) 또는 변성 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 등의 절연성 고분자 수지로 형성할 수 있다.
상기 캡 플레이트(32)는 캔(20)의 개구부를 밀봉할 수 있도록 캔(20)이 개구 부에 결합되며, 개구부와 동일한 크기 및 형상을 갖는 금속판으로, 절연 가스켓(33)과 전극 단자(34)가 삽입될 수 있는 단자 통공(32a)을 포함한다.
또한, 캡 플레이트(32)에는 캔(10)의 내부로 전해액을 주입하기 위한 통로를 제공하는 전해액 주입구(32b)가 형성된다.
전해액 주입구(32b)는 전해액이 주입된 후, 상기 전해액 주입구 마개(37)로 밀봉함으로써 상기 캔(20)을 밀봉한다.
상기 절연 가스켓(33)은 캡 플레이트(32)에 형성되는 단자 통공(32a)에 결합되며, 전극 단자(34)와 캡 플레이트(32)를 절연시키기 위해 절연성이 좋은 고무 또는 비도전성 물질로 형성된다.
또한, 절연 가스켓(33)의 중앙부에는 전극 단자(34)가 결합할 수 있도록 홀을 형성하고 있으며, 전극 단자(34)가 결합되는 경우, 전극 단자(34)의 외측을 감싸는 형태가 된다.
상기 전극 단자(34)는 절연 가스켓(33)에 형성된 홀에 삽입된 형태로 캡 플레이트(32)에 결합되며, 전극 단자(34)의 하단부는 캡 플레이트(32)를 관통한 상태에서 터미널 플레이트(36)와 전기적으로 연결된다.
상기 절연 플레이트(35)는 절연 물질로서 형성되며, 캡 플레이트(32)의 하부면에 위치하여, 캡 플레이트(32)와 절연 플레이트(35)의 하부면에 위치하는 터미널 플레이트(36)를 절연시킨다.
또한, 절연 플레이트(35)에는 캡 플레이트(32)에 형성되는 단자 통공(32a)과 대응되도록 홀을 형성한다.
상기 홀을 통해 전극 단자(34)가 삽입되어 터미널 플레이트(36)와 연결되어, 터미널 플레이트(36)에 용접되는 전극 조립체(10)의 음극 탭(19)과 전기적으로 연결된다.
상기 터미널 플레이트(36)는 절연 플레이트(35)의 하부면에 위치하며, 전도성 물질로 형성되어, 하부면에 용접되는 전극 조립체(10)의 음극 탭(19)과 전극 단자(34)의 전기적 경로를 형성한다.
또한, 상기 터미널 플레이트(36)에는 음극 탭(19)이 용접되는 영역을 제외한 영역의 일부분 또는 전체에는 절연 부재(36a)가 구비될 수 있다.
상기 절연 부재(36a)로는 폴리에틸렌(PE : Poly-ethylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET : Poly-ethylene-terephthalate)와 같은 도전성이 없고, 전해액에 부식되지 않는 물질을 도포하여 형성된 것일 수 있으며, 또한, 절연 테이프를 부착한 것일 수 있다.
따라서, 외부 압력에 의해 캔의 개구부를 마감하는 캡 조립체의 일부분이 찌그러지면서 전극 조립체 방향으로 휘어질 때, 캡 조립체를 형성하는 도전성의 터미널 플레이트가 전극 조립체를 찌르거나, 캔과 접촉하면서 단락되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 형성된 베어 셀 형태의 이차 전지는 일측에 보호회로기판을 결합한 코어 팩 상태에서 얇은 외장재로 튜빙, 라벨링하는 이너 팩 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기의 이차 전지는 일측에 보호회로기판을 결합한 코어 팩 상태에서 별도의 외장 케이스에 수납하는 하드 팩 형태로 형성될 수도 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 도시하고 있으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 분리 사시도를 나타낸 것이다.
도2는 도1의 이차 전지의 결합 단면도를 나타낸 것이다.
[도면의 주요부호에 대한 설명]
10 : 전극 조립체 11 : 양극판
13 : 음극판 15 : 세퍼레이터
17 : 양극 탭 19 : 음극 탭
20 : 캔 30 : 캡 조립체
31 : 절연 케이스 32 : 캡 플레이트
32a : 단자 통공 32b : 전해액 주입구
33 : 절연 가스켓 34 : 전극 단자
35 : 절연 플레이트 36 : 터미널 플레이트
36a : 절연 부재 37 : 전해액 주입구 마개

Claims (11)

  1. 캡 플레이트, 터미널 플레이트 및 상기 캡 플레이트와 상기 터미널 플레이트 사이에 위치하는 절연 플레이트를 구비하는 캡 조립체에 있어서,
    상기 터미널 플레이트의 음극 탭이 용접되는 영역을 제외한 영역의 일부분 또는 전체에 절연 부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 부재는 폴리에틸렌 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 도포되어 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 부재는 절연 테이프를 부착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  4. 양극 탭 및 음극 탭을 구비하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하며, 상단부가 개구된 캔; 및
    상기 캔의 상단부를 마감하는 캡 조립체를 포함하며,
    상기 캡 조립체는 캡 플레이트, 터미널 플레이트 및 상기 캡 플레이트와 상기 터미널 플레이트 사이에 위치하는 절연 플레이트를 포함하고,
    상기 터미널 플레이의 상기 음극 탭이 용접되는 영역을 제외한 영역의 일부분 또는 전체에 절연 부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연 부재는 폴리에틸렌 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 도포되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연 부재는 절연 테이프를 부착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 캔은 각형이거나 모서리가 둥글게 구부러진 타원형인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 캔은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 스테인레스강으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 일측에 보호회로기판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 이너 팩 형태인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 하드 팩 형태인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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