KR20040022715A - 리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

리튬이차전지를 개시한다. 본 발명은 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 전지부;와, 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;과, 캔의 상부에 결합되며, 전해액주입공이 형성된 캡플레이트와, 캡플레이트에 형성된 단자통공을 통하여 캔의 내부로 관통설치되고 그 외면에 캡플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극단자를 가지는 캡조립체;와, 캔의 내부에 설치되며, 전지부와 캡조립체를 상호 절연하는 평판형의 본체부와, 상기 본체부로부터 연장되며 전해액주입공을 밀폐하는 변형부로 된 절연체;를 포함하는 것으로서, 변형부가 전해액주입공을 통하여 주입되는 전해액의 주입구 역할을 하고 있으므로, 별도의 전해액주입공을 밀폐하는 밀폐수단이 필요없으므로 부품수가 줄어들고, 제조공정수가 간단해지며, 전지의 내압이 한계치를 초과하여 상승시. 절연체 자체가 변형을 하게 되어서 전해액주입공을 개방하여 이를 통하여 가스를 신속하게 방지할 수 있으므로 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

리튬이차전지 {Lithium secondary battery}

본 발명은 리튬이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지를 수용하는 캔의 내부에 수용되어서 캡어셈블리와, 전지부를 상호 절연시키는 구조가 개선된 리튬이차전지에 관한 것이다.

통상적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더등의 첨단 전자기기분야에서 널리 사용되고 있ㄷ. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴전지나, 니켈-수소전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬이차전지는 주로 양극활물질로 리튬계산화물, 음극활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체전해질전지와, 고분자전해질전지로 분류되며, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 또한, 리튬이차전지는 여러가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

도 1은 종래의 각형 리튬이차전지(10)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 리튬이차전지(10)는 캔(11)과, 상기 캔(11)의 내부에 수용되는 전지부(12)와, 상기 캔(11)에 결합되는 캡조립체(100)를 포함한다.

상기 캔(11)은 그 내부가 중공인 금속재로 된 각형의 케이스이며, 상기 전지부(12)는 양극판(13), 세퍼레이터(14), 음극판(15) 순으로 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 권취되어 있으며, 상기 양극 및 음극판(13)(15)으로부터는 양극 및 음극리드(16)(17)가 각각 인출되어 있다.

상기 캡조립체(100)는 상기 캔(11)의 상부에 결합되는 캡플레이트(110)와, 상기 캡플레이트(110)에 가스켓(120)을 매개로 하여 삽입되는 음극단자(130)와, 상기 캡플레이트(110)의 아랫면에 설치되는 절연플레이트(140)와, 상기 절연플레이트(140)의 아랫면에 설치되어 상기 음극단자(130)와 통전되는 단자플레이트(150)를 포함한다.

상기 양극리드(16)는 상기 캡플레이트(110)와 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 음극리드(17)는 상기 단자플레이트(150)를 통하여 음극리드(130)와 전기적으로 연결되어 있다.

그리고, 상기 캔(11)에는 상기 단자플레이트(150)의 하부에 위치하고, 상기 전지부(11)와 캡조립체(100)와의 절연을 위하여 절연체(160)가 설치되어 있다. 상기 절연체(260)는 상기 전지부(22)의 윗면에 안착되어 있다. 이러한 절연체(160)는 폴리프로필렌과 같은 열가소성 고분자 수지로 성형되어 있다.

또한, 상기 캡플레이트(110)에는 캔(11) 내부로 전해액이 주입되는 통로를 제공하는 전해액주입공(111)이 형성되어 있고, 상기 전해액주입공(111)에는 볼(170)이 밀폐가능하도록 결합되어 있다.

한편, 상기 캔(11)의 저면에는 전지(10)의 이상유무로 내압상승시 다른 부위보다 먼저 파단되는 안전변(180)이 설치되어 있다. 상기 안전변(180)은 상기캔(11) 저면에 형성된 통공을 커버하도록 상기 캔(11)의 두께보다 얇은 박판형의 플레이트이다.

상기한 구조를 가지는 리튬이차전지(10)는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 젤리-롤 형의 전지부(12)와 캡조립체(100)의 절연을 하기 위하여, 상기 캔(11)의 내부에 고분자 수지로 된 절연체(160)를 삽입하는 공정과, 상기 캡플레이트(110)의 일측에 전해액주입공(110)을 형성시키고, 이를 통하여 전해액을 주입시킨 다음에 볼(170)을 이용하여 밀봉하는 공정과, 상기 캔(111)의 저면에 통공을 형성시키고, 이 통공을 밀폐하도록 박판형의 안전변(180)을 설치하는 공정이 필요하다. 이처럼, 리튬이차전지(10)를 조립하는 공정이 복잡해지고, 부품수가 증가한다. 이에 따라, 리튬이차전지(10)의 제조원가가 상승하게 된다.

둘째, 상기 절연체(160)는 캔(11)과의 공차를 일정하게 유지하기가 어려워서, 전해액의 누수를 방지하기가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전지부와 캡어셈블리와의 절연과 동시에 안전변의 역할과, 전해액 누수방지를 동시에 할 수 있도록 구조가 개선된 리튬이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 리튬이차전지를 도시한 분리사시도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지를 도시한 분리사시도,

도 3은 도 2의 일부를 절제하여 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

20...리튬이차전지21...캔

22...전지부23...양극판

24...세퍼레이터25...음극판

26...양극리드27...음극리드

200...캡조립체210...캡플레이트

220...가스켓230...음극단자

240...절연플레이트250...단자플레이트

260...절연체261...본체부

262...변형부263...차단부

262b...변형공간부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 리튬이차전지는,

양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 전지부;

상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;

상기 캔의 상부에 결합되며, 전해액주입공이 형성된 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 형성된 단자통공을 통하여 캔의 내부로 관통설치되고 그 외면에 상기 캡플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극단자를 가지는 캡조립체; 및

상기 캔의 내부에 설치되며, 상기 전지부와 캡조립체를 상호 절연하는 평판형의 본체부와, 상기 본체부로부터 연장되며 상기 전해액주입공을 밀폐하는 변형부로 된 절연체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 절연체는 주입수단에 의하여 상기 전해액주입공을 통하여 변형부를 관통시켜 캔의 내부에 소정량의 전해액을 주입한 다음에 그 주입통로를 자체 복원성에 의하여 밀폐하도록 고탄성의 소재로 된 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 절연체는 상기 전해액주입공을 밀폐시키기 위하여 접착부재에 의하여 상기 캡플레이트의 저면에 밀착된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 변형부는 그 하부에 전지 내부의 가스발생시 변형되어 상기 전해액주입공의 통로를 개방가능한 변형공간부가 형성된 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 변형공간부는 전지 내부의 증가되는 압력에 의하여 변형이 우선적으로 발생되도록 상기 변형부보다 두께를 얇게 하여 형성된 것을 특징으로 한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 리튬이차전지의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각형의 리튬이차전지(20)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 리튬이차전지(20)는 캔(21)과, 상기 캔(21)의 내부에 수용되는 전지부(22)와, 상기 캔(21)의 상부에 결합되는 캡조립체(200)를 포함한다.

상기 캔(21)은 그 내부에 중공이 형성된 각형의 금속재로서, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다.

상기 캔(21)의 내부에 수용되는 전지부(22)는 양극판(23)과, 음극판(25)과, 세퍼레이터(24)를 포함하고 있다. 상기 양극 및 음극판(23)(25)과, 세퍼레이터(24)는 각각 한 장의 스트립으로 이루어져 있고, 양극판(23), 세퍼레이터(24), 음극판(25) 순으로 배치되어서 젤리-롤형으로 권취되어 있다.

리튬이차전지(20)의 경우, 상기 양극판(23)은 박판의 알루미늄으로 된 양극집전체와, 그 양면에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극활물질층이 코팅되어 있으며, 상기 음극판(25)은 박판의 구리로 된 음극집전체와, 그 양면에 탄소재를 주성분으로 하는 음극활물질층이 코팅되어 있다.

상기 양극판(23)과 음극판(25)으로부터는 양극집전체 및 음극집전체의 전극무지부(electrode uncoated area), 즉, 전극활물질층이 코팅되지 않은 영역에 양극리드(26)와, 음극리드(27)가 각각 용접되어 있다. 상기 양극 및 음극리드(26)(27)의 일부는 젤리-롤형으로 감겨진 전지부(22)의 상방으로 인출되어 있다. 상기 양극 및 음극리드(26)(27)는 극성을 달리하여 배치될 수도 있을 것이다.

상기 양극 및 음극리드(26)(27)의 인출부분에는 극판(23)(25)간의 단락을 방지하기 위하여 절연테이프(28)가 감싸져 있다.

상기 캔(21)의 상부에 결합되는 캡조립체(200)에는 캡플레이트(210)가 마련되어 있다. 상기 캡플레이트(210)는 상기 캔(21)과 대응되는 크기와 형상을 가진 평판형의 금속재이다. 상기 캡플레이트(210)의 중앙에는 소정크기의 단자통공(212)이 형성되어 있다. 상기 캡플레이트(210)의 일측에는 전해액주입공(211)이 형성되어 있다.

상기 단자통공(212)을 통해서는 하나의 전극단자, 예컨대 음극단자(230)가 삽입가능하도록 설치가능하다. 상기 음극단자(230)의 외면에는 이와 캡플레이트(210)와의 절연을 위하여 튜브형태의 가스켓(220)이 설치되어 있다.

상기 캡플레이트(210)의 아랫면에는 절연플레이트(240)가 설치되어 있다. 상기 절연플레이트(240)의 아랫면에는 단자플레이트(250)가 설치되어 있다. 상기 음극단자(230)는 가스켓(220)이 감싼 상태에서 상기 단자통공(212)을 통하여 삽입되고, 저면부는 캡플레이트(210)의 아랫방향으로 노출되어서 상기 절연플레이트(240)와 , 단자플레이트(250)이 개재된 상태에서 상기 캡플레이트(210)에 대하여 그 위치가 고정된다. 상기 음극단자(230)의 저면부는 단자플레이트(250)와 전기적으로 연결되어 있다.

여기서, 상기 전지부(22)가 수용되는 캔(21)의 상측에는 상기 전지부(22)와 캡조립체(200)와의 전기적인 절연을 위하여 절연체(260)가 삽입되어 있으며, 상기 절연체(260)는 안전변과, 전해액 누수방지의 역할을 공히 수행하고 있다.

보다 상세하게는 다음과 같다.

상기 절연체(260)는 외형이 상기 캔(21)의 중공으로 삽입가능한 형상이며, 캔(21)의 내벽에 억지끼워맞춤가능한 크기를 가지고 있다. 또한, 상기 절연체(260)의 외면은 상기 캔(21)의 내벽에 밀폐가능하게 접촉되어 있다.

상기 절연체(260)는 평판형의 본체부(261)와, 상기 본체부(261)의 일 가장자리로부터 연장되어 형성된 변형부(262)를 포함한다.

상기 본체부(261)는 그 중앙에 삽입공(261a)이 형성되어 있다. 상기 삽입공(261a)에는 상기 전지부(22)로부터 인출된 음극리드(27)가 상부로 돌출되는 통로를 제공한다.

상기 본체부(261)의 일변, 상기 변형부(262)가 형성되는 부분과 반대되는 단변부에는 이로부터 상방으로 차단벽(263)이 형성되어 있다. 상기 차단벽(263)은 상기 캔(21)에 조립시 상기 캔(21)의 내벽과의 밀폐성을 강화시키기 위하여 접촉면적을 확장시킨 부분이다.

상기 삽입공(261a)이 형성된 면이 상기 변형부(262)와, 차단부(263)와 높이를 달리한 것은 상기 캡조립체(200)가 결합시 상기 음극리드(27)와 음극단자(230)와의 연결될 수 있는 공간부와, 상기 절연판(240)과 단자플레이트(250)가 안착될 수 있는 공간부를 제공하기 위해서이다. 대안으로는, 상기 본체부(261)의 외형은 상기 캔(21)의 중공과 대응되는 형상이라면, 다른 형상으로도 형성이 가능하다고 할 것이다.

상기 변형부(262)는 상기 본체부(261)와 일체형으로 형성되어 있으며, 실질적으로 상기 절연체(260)의 다른 부분보다 얇은 두께를 가지도록 형성되는 부분이다. 상기 변형부(262)는 그 윗면이 상기 캡플레이트(250)의 아랫면에 밀착될 수 있도록 편평한 면(262a)을 제공하고 있다. 상기 편평한 면(262a)은 상기 캡플레이트(250)의 전해액주입공(211)을 완전 밀폐할 수 있도록 균활한 평탄도를 유지하고 있는 것이 바람직하다.

상기 편평한 면(262a)의 하부로는 변형공간부(262b)가 확보되어 있다. 이를 위하여, 상기 편평한 면(262a)에는 양 가장자리로부터 하방으로 연장되는 복수개의 연결부(262c)가 형성되어 있으며, 상기 연결부(262c)의 내측으로는 소정깊이의 홈이 형성되어서 변형공간부(262b)를 이루고 있다. 상기 일측의 연결부(262c)의 단부는 상기 본체부(261)와 일체로 연결되어 있다.

상기 본체부(261)와, 이로부터 일체로 형성된 변형부(262)는 복원성이 우수한 고탄성의 소재, 예컨대 고무재나 발포성 수지로 성형되어 있다. 발포성 수지로는 고무형 발포수지나, 폴리에틸렌 발포수지가 바람직하다. 고무재나 발포성 수지과 같은 압축성이 큰 소재로 된 절연체(260)는 상기 캔(21)의 내벽에 소정의 압력가지고 억지끼워맞춤되어 삽입가능하다.

도 3은 이러한 절연체(260)가 삽입되어 조립된 리튬이차전지(20)를 도시한 것이다.

여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조번호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.

도면을 참조하면, 상기 전지부(22)는 상기 캔(21) 내부에 삽입되어 있다. 상기 캔(21)의 상부에는 캡조립체(200)가 용접결합되어 있다. 상기 캡플레이트(210)의 단자통공(212)에는 가스켓(220)에 의하여 절연가능한 음극단자(230)가 삽입되어 있고, 상기 음극단자(230)의 하부단부는 절연플레이트(240)와, 단자플레이트(250)를 매개로 하여 상기 캡플레이트(210)의 아랫면에 그 위치를 고정하고 있다.

이때, 상기 전지부(22)가 장착된 캔(21)의 상부에는 소정의 공간부(21a)가 제공되어 있다. 이 공간부(21a)에는 상기 절연체(260)가 설치되어 있다. 상기 절연체(260)는 압축성이 우수한 소재인 고무재나 발포성 수지이므로, 상기 캔(21)의 내벽에 수축되어 설치된 다음에, 복원되어 상기 캔(21)의 측벽에 밀폐가능하게 접촉되어 있다.

이때, 상기 절연체(260)는 상기 캡플레이트(210)의 아랫면에 접착부재(31)를 개재한 상태에서 밀착되어 있다. 이에 따라, 상기 캡플레이트(210)에 형성된 전해액주입공(211)은 변형부(262)의 윗면인 편평한 면(262a)이 밀폐가능하게 부착되어 있다.

한편, 상기 전지부(22)의 양극판(23)으로부터 인출된 양극리드(26)는 상기 캡플레이트(210)의 저면에 직접적으로 용접고정되어 있다. 음극판(25)으로부터 인출된 음극리드(27)는 상기 절연체(260)의 삽입공(261a)으로 돌출되어서, 상기 단자플레이트(250)를 통하여 상기 음극단자(230)와 용접고정되어 전기적으로 연결되어 있다. 이러한 접속방식은 전지(20)를 설계하는 방식에 따라 극성을 달리하여 제조될 수도 있을 것이다.

상기와 같은 구성을 가지는 리튬이차전지(20)의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

상기 캔(22)의 내부에 전지부(22)를 장착하고, 상기 캔(22)의 상부에 접착부재(31)를 매개로 하여 절연체(260)가 부착된 캡조립체(200)를 삽입하여 전지(20)를 조립하게 된다.

다음으로, 상기 캡플레이트(210)의 일측에 형성된 전해액주입공(211)을 통하여 캔(21)의 내부로 전해액을 주입하게 된다. 이때, 상기 전해액주입공(211)이 형성된 캡플레이트(210)의 아랫면은 절연체(260)가 밀착되어 있다. 상기 전해액주입공(221)을 통하여 주입수단인 노즐을 삽입하여 상기 변형부(262)를 관통하여 캔(22)의 내부로 침투시킨다. 이러한 상태에서, 소량의 전해액을 주입하게 된다.

상기 캔(22)의 내부에 전해액이 주입되고 나면, 노즐을 제거하게 된다. 노즐이 변형부(262)로부터 제거되면, 절연체(260) 자체의 복원력에 의하여 전해액주입공(211)을 다시 밀폐하는 것이 가능하게 된다.

한편, 리튬이차전지(20)를 작동하는 중에 전지의 이상유무로 내압이 증가하게 되면, 캔(21)의 내부에 가스가 발생하게 된다. 이때, 상기 변형부(262)는 한계치 이상의 내압이 걸렸을 경우에 편평한 면(262a)을 포함하여 변형된다. 상기 편평한 면(262a)이나, 복수개의 연결부(262c)가 변형공간부(262b)측으로 변형하게 되면, 상기 전해액주입공(211)은 개방된다. 이렇게 개방된 전해액주입공(211)을 통하여 가스가 신속하게 배출되는 것이 가능하다고 할 수 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 리튬이차전지는 다음곽 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 변형부가 전해액주입공을 통하여 주입되는 전해액의 주입구 역할을 하고 있으므로, 별도의 전해액주입공을 밀폐하는 밀폐수단이 필요없으므로 부품수가 줄어들고, 제조공정수가 간단해진다.

둘째, 전지의 내압이 한계치를 초과하여 상승시. 절연체 자체가 변형을 하게 되어서 전해액주입공을 개방하여 이를 통하여 가스를 신속하게 방지할 수 있으므로 안전성을 향상시킬 수 있다.

셋째, 절연체 자체가 전해액 주입구와, 가스배출통로 역할을 공히 수행하므로, 부품수가 대폭 줄어들고, 이에 따라 제조공정이 단순해진다.

넷째, 전지부와 캡플레이트와의 상호 절연을 위하여 개재되는 절연체가 복원성이 우수한 소재로 이루어져 있으므로, 캔의 내벽과의 결합시 공차를 유지하기가 용이하다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

1. 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 전지부;

   상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;

   상기 캔의 상부에 결합되며, 전해액주입공이 형성된 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 형성된 단자통공을 통하여 캔의 내부로 관통설치되고 그 외면에 상기 캡플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극단자를 가지는 캡조립체; 및

   상기 캔의 내부에 설치되며, 상기 전지부와 캡조립체를 상호 절연하는 평판형의 본체부와, 상기 본체부로부터 연장되며 상기 전해액주입공을 밀폐하는 변형부로 된 절연체;를 포함하는 것을 특징으로 리튬이차전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 절연체는 주입수단에 의하여 상기 전해액주입공을 통하여 변형부를 관통시켜 캔의 내부에 소정량의 전해액을 주입한 다음에 그 주입통로를 자체 복원성에 의하여 밀폐하도록 고탄성의 소재로 된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 절연체는 고무형 발포수지인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
4. 제2항에 있어서,

   상기 절연체는 폴리에틸렌 발포수지인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
5. 제2항에 있어서,

   상기 절연체는 고무재인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
6. 제1항에 있어서,

   상기 절연체는 상기 전해액주입공을 밀폐시키기 위하여 접착부재에 의하여 상기 캡플레이트의 저면에 밀착된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
7. 제1항에 있어서,

   상기 변형부는 그 하부에 전지 내부의 가스발생시 변형되어 상기 전해액주입공의 통로를 개방가능한 변형공간부가 형성된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
8. 제7항에 있어서,

   상기 변형공간부는 전지 내부의 증가되는 압력에 의하여 변형이 우선적으로 발생되도록 상기 변형부보다 두께를 얇게 하여 형성된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
9. 제1항에 있어서,

   상기 절연체는 그 외면이 상기 캔의 내벽에 소정의 압축성을 가지고 밀착되도록 형성된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
10. 제1항에 있어서,

    상기 본체부에는 상기 전극단자와, 상기 전지부의 어느 한 극판으로부터 인출된 전극리드와의 결합될 수 있는 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.