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KR20190040699A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20190040699A
KR20190040699A KR1020170130172A KR20170130172A KR20190040699A KR 20190040699 A KR20190040699 A KR 20190040699A KR 1020170130172 A KR1020170130172 A KR 1020170130172A KR 20170130172 A KR20170130172 A KR 20170130172A KR 20190040699 A KR20190040699 A KR 20190040699A
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박정현
박준형
노부유키 오야기
이상미
이원익
차예지
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삼성에스디아이 주식회사
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Priority to US16/754,690 priority patent/US20200235369A1/en
Priority to EP18865555.9A priority patent/EP3696874A4/en
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Abstract

본 발명의 실시예는 이차 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 용량 손실없이 저저항 및 고출력이 가능하고, 또한 전극 조립체의 변형이나 크랙을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용되며, 상기 원통형 캔의 길이 방향인 제1방향으로 연장된 다수의 제1탭, 상기 제1방향에 반대인 제2방향으로 연장된 다수의 제2탭을 포함하는 전극 조립체; 상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체; 상기 원통형 캔으로부터 절연되는 동시에 상기 다수의 제1탭을 상기 캡 조립체에 전기적으로 접속시키는 제1집전 구조체; 및 상기 다수의 제2탭을 상기 원통형 캔에 전기적으로 접속시키는 제2집전 구조체를 포함하는 이차 전지를 개시한다.

Description

이차 전지{Secondary Battery}
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 용량 손실없이 저저항 및 고출력이 가능하고, 또한 전극 조립체의 변형이나 크랙을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용되며, 상기 원통형 캔의 길이 방향인 제1방향으로 연장된 다수의 제1탭, 상기 제1방향에 반대인 제2방향으로 연장된 다수의 제2탭을 포함하는 전극 조립체; 상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체; 상기 원통형 캔으로부터 절연되는 동시에 상기 다수의 제1탭을 상기 캡 조립체에 전기적으로 접속시키는 제1집전 구조체; 및 상기 다수의 제2탭을 상기 원통형 캔에 전기적으로 접속시키는 제2집전 구조체를 포함할 수 있다.
상기 제1집전 구조체는 상기 다수의 제1탭이 관통하여 지나가도록 중앙에 관통홀이 형성된 도전성 베이스 부재; 및 상기 도전성 베이스 부재에 결합되어 상기 다수의 제1탭을 압착하는 도전성 커버 부재를 포함할 수 있다.
상기 도전성 커버 부재는 도전성 리드 탭을 통하여 상기 캡 조립체에 전기적으로 접속될 수 있다.
상기 도전성 베이스 부재는 상기 전극 조립체 및 상기 캔을 향하는 면에 형성된 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 도전성 커버 부재는 상기 도전성 베이스 부재의 관통홀과 연결된 커버 부재 관통홀을 포함할 수 있다.
상기 도전성 커버 부재, 상기 다수의 제1탭 및 상기 도전성 베이스 부재는 상호간 용접될 수 있다.
상기 제2집전 구조체는 상기 다수의 제2탭이 관통하여 지나가도록 중앙에 관통홀이 형성된 도전성 베이스 부재; 및 상기 도전성 베이스 부재에 결합되어 상기 다수의 제2탭을 압착하는 도전성 커버 부재를 포함할 수 있다.
상기 도전성 커버 부재는 상기 캔의 바닥면에 직접 용접될 수 있다.
상기 도전성 베이스 부재는 상기 전극 조립체를 향하는 면에 형성된 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 도전성 베이스 부재, 상기 다수의 제2탭 및 상기 도전성 커버 부재는 상호간 용접될 수 있다.
본 발명의 실시예는 용량 손실없이 저저항 및 고출력이 가능하고, 또한 전극 조립체의 변형이나 크랙을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공한다.
즉, 본 발명의 실시예는 전극 조립체로부터 다수의 탭(또는 멀티탭)을 인출하되, 이들을 대면적의 집전 구조체를 통해서 캡 조립체 및/또는 원통형 캔에 전기적으로 접속되도록 함으로써, 저저항 및 고출력이 가능한 이차 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 전극 조립체가 기재 타발 방식으로 형성된 탭을 포함하도록 함으로써, 전체 전지 용량의 손실이 발생하지 않도록 한다. 즉, 기존에는 별도의 탭을 준비하고, 전극판중 일부 영역에 활물질층을 제거한 후, 상기 별도의 탭을 용접함으로써, 활물질층의 양이 감소하고, 이로 인해 용량 감소가 불가피하였다.
더불어, 본 발명의 실시예는 전극 조립체가 기재 타발 방식으로 형성된 탭을 포함함으로써, 이차 전지의 충방전중 발생하는 전극 조립체의 팽창 및 수축 현상에도 불구하고 전극 조립체의 변형이나 크랙이 발생하지 않게 된다. 즉, 기재 타발 방식의 탭은 전극 조립체의 진원율(원에 가까운 정도)을 저하시키지 않기 때문에, 반복되는 이차 전지의 충방전에도 불구하고 전극 조립체가 변경되거나 크랙되지 않게 된다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중 제1집전 구조체의 다양한 형태를 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중 제2집전 구조체의 다양한 형태를 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중 전극 조립체에 제1,2집전 구조체를 접속하는 방법을 도시한 개략도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 중 전극 조립체에 제1집전 구조체를 접속하는 방법을 도시한 사시도이다.
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, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100)는 원통형의 캔(110)과, 원기둥 형태의 전극 조립체(120)와, 제1집전 구조체(130)와, 제2집전 구조체(140)와, 캡 조립체(150)를 포함한다.
또한, 본 발명은 원통형 캔(110)과 캡 조립체(150)를 절연시키는 절연 가스켓(160) 및 전극 조립체(120)에 결합된 센터핀(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), 제1집전 구조체(130) 및 제2집전 구조체(140)가 하나의 구조물로 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 수용된다. 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 포함한다. 제1전극판(121), 제2전극판(122) 및 세퍼레이터(123)는 적층된 상태에서 대략 원기둥 형태로 권취된다. 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 상부로 일정 길이 돌출 및 연장된 다수의 제1탭(124)(예를 들면, 양극 기재 타발탭 또는 양극 멀티탭)이 구비되고, 제2전극판(122)에는 하부로 일정 길이 돌출 및 연장된 다수의 제2탭(125)(예를 들면, 음극 기재 타발탭 또는 음극 멀티탭)이 구비된다. 여기서, 제1탭(124) 및 제2탭(125)의 돌출 및 연장 방향은 원통형 캔(110) 및/또는 원기둥형 전극 조립체(120)의 길이 방향과 같으며, 제1탭(124)의 돌출 및 연장 방향을 제1방향으로 정의하면, 제2탭(125)의 돌출 및 연장 방향을 제1방향의 반대인 제2방향으로 정의할 수 있다.
이와 같이 하여, 전극 조립체(120)에 다수의 제1탭(124) 및 다수의 제2탭(125)이 구비됨으로써, 용량 손실없이 저저항 및 고출력이 가능한 이차 전지가 제공될 수 있다. 더불어, 다수의 제1,2탭(124,125)이 기재 타발 형태로 구비됨으로써, 전극 조립체(120)의 변형(즉, 진원율 저하 현상)이나 크랙이 방지될 수 있다.
더불어, 제1탭(124)은 알루미늄 재질일 수 있고, 제2탭(125)은 구리 또는 니켈 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 전극 조립체(120)의 제1탭(124)는 하기할 제1집전 구조체(130)에 전기적으로 접속되고, 전극 조립체(120)의 제2탭(125)은 하기할 제2집전 구조체(140)에 전기적으로 접속된다. 더불어, 제1집전 구조체(130)는 캡 조립체(150)에 전기적으로 접속되고, 제2집전 구조체(140)는 원통형 캔(110)에 전기적으로 접속된다. 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.
제1집전 구조체(130)는 원통형 캔(110)으로부터 절연되고, 또한 전극 조립체(120)에 구비된 다수의 제1탭(124)을 캡 조립체(150)에 전기적으로 접속하는 역할을 한다.
이러한 제1집전 구조체(130)는 도전성 베이스 부재(131) 및 도전성 커버 부재(136)를 포함한다.
도전성 베이스 부재(131)는 중앙에 다수의 제1탭(124)이 관통하여 지나가도록 형성된 관통홀(132)과, 관통홀(132)의 외측으로 다수의 제1탭(124)이 절곡된 후 안착되도록 대략 평평하게 형성된 안착면(133)과, 안착면(133)의 둘레에 상부 방향으로 돌출/연장된 측벽(134)을 포함한다. 더불어, 이러한 도전성 베이스 부재(131)는 전극 조립체(120) 및 원통형 캔(110)을 향하는 면(하면 및 측면)에 형성된 절연층(135)(예를 들면, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 금속 산화막 등)을 더 포함할 수 있다.(도 2a 참조)
실질적으로, 절연층(135)은 전극 조립체(120)중 제2전극판(122)이 도전성 베이스 부재(131)에 전기적으로 쇼트되지 않도록 하고, 또한 도전성 베이스 부재(131)가 원통형 캔(110)에 전기적으로 쇼트되지 않도록 한다.
도전성 커버 부재(136)는 도전성 베이스 부재(131)에 결합되어 다수의 제1탭(124)을 도전성 베이스 부재(131)에 압착하는 역할을 한다. 즉, 도전성 커버 부재(136)는 대략 원형 디스크 또는 원판 형태를 하며, 이는 도전성 베이스 부재(131)에 구비된 안착면(133)과 측벽(134)에 의해 마련된 공간에 결합되며, 다수의 제1탭(124)이 관통홀(132)로부터 절곡된 후 평평한 안착면(133)에 압착되도록 한다.
더불어, 도전성 커버 부재(136), 다수의 제1탭(124) 및 도전성 베이스 부재(131)는 상호간 용접(예를 들면, 레이저 용접, 초음파 용접 또는 저항 용접 등)될 수 있다. 더불어, 도전성 커버 부재(136)에도 도전성 베이스 부재(131)의 관통홀(132)과 연결되는 관통홀(137)이 더 형성될 수 있다.
이러한 도전성 베이스 부재(131)의 관통홀(132) 및 도전성 커버 부재(136)의 관통홀(137)은 이차 전지의 내부에서 다량의 가스가 발생하였을 경우, 그 가스가 신속하게 캡 조립체(150)로 전달되도록 하는 역할을 한다.
더불어, 상술한 중앙의 관통홀(132,137) 외에 그 외측에 도전성 커버 부재(136) 및 도전성 베이스 부재(131)를 관통하는 다수의 서브 관통홀(138)(도 1c 참조)이 더 형성될 수 있다. 이러한 다수의 서브 관통홀(138)은 전해액 주입 공정에서 전해액이 전극 조립체(120)를 향하여 신속하게 이동하도록 하는 역할을 한다. 물론, 서브 관통홀(138) 역시 전극 조립체(120)에서 발생한 연기가 캡 조립체(150)를 향하여 신속하게 이동하도록 하는 역할도 한다.
한편, 이러한 도전성 베이스 부재(131) 및 도전성 커버 부재(136)는 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금을 포함할 수 있다.
여기서, 도전성 베이스 부재(131)가 알루미늄 계열일 경우, 상술한 절연층(135)은 아노다이징층, 즉, 산화피막 또는 산화알루미늄층(Al2O3)일 수 있다. 더불어, 필요에 따라, 상술한 도전성 커버 부재(136)의 표면에도 절연층(135)(예를 들면, 아노다이징층)이 형성될 수 있다. 이러한 절연층(135)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 대략 25㎛ 내지 100㎛의 두께를 가짐으로써, 전극 조립체(120)의 용량을 극대화할 수 있도록 한다. 참고로, 기존의 절연판은 1 mm 내지 30 mm의 두께를 가져, 그만틈 전극 조립체(120)의 용량이 감소하였다.
더불어, 도전성 커버 부재(136)는 리드탭(139)을 통하여 캡 조립체(150)에 전기적으로 접속될 수 있다. 즉, 리드탭(139)의 하단이 도전성 커버 부재(136)에 용접되고, 리드탭(139)의 상단이 캡 조립체(150)에 용접될 수 있다.
제2집전 구조체(140)는 전극 조립체(120)에 구비된 다수의 제2탭(125)을 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 전기적으로 접속하는 역할을 한다.
이러한 제2집전 구조체(140) 역시 도전성 베이스 부재(141) 및 도전성 커버 부재(146)를 포함한다.
도전성 베이스 부재(141)는 중앙에 다수의 제2탭(125)이 관통하여 지나가도록 형성된 관통홀(142)과, 관통홀(142)의 외측으로 다수의 제2탭(125)이 절곡된 후 안착되도록 대략 평평하게 형성된 안착면(143)과, 안착면(143)의 둘레에 하부 방향으로 돌출/연장된 측벽(144)을 포함한다. 더불어, 이러한 도전성 베이스 부재(141)는 전극 조립체(120) 및 원통형 캔(110)을 향하는 면에 형성된 절연층(145)(예를 들면, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 금속 산화막 등)을 더 포함할 수 있다. 실질적으로, 절연층(145)은 전극 조립체(120)중 제1전극판(121)이 도전성 베이스 부재(141)에 전기적으로 쇼트되지 않도록 하고, 또한 도전성 베이스 부재(141)가 원통형 캔(110)에 전기적으로 쇼트되지 않도록 한다. 이러한 절연층(145)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 대략 25㎛ 내지 100㎛의 두께를 가짐으로써, 전극 조립체(120)의 용량을 극대화할 수 있도록 한다.
경우에 따라 도전성 베이스 부재(141)중 원통형 캔(110) 즉, 측부(112)를 향하는 영역에는 절연층(145)이 형성되지 않을 수도 있다.
도전성 커버 부재(146)는 도전성 베이스 부재(141)에 결합되어 다수의 제2탭(125)을 도전성 베이스 부재(141)에 압착하는 역할을 한다. 즉, 도전성 커버 부재(146)는 대략 원형 디스크 또는 원판 형태를 하며, 이는 도전성 베이스 부재(141)에 구비된 안착면(143)과 측벽(144)에 의해 마련된 공간에 결합되며, 다수의 제2탭(125)이 관통홀(142)로부터 절곡된 후 안착면(143)에 압착되도록 한다. 더불어, 도전성 커버 부재(146), 다수의 제2탭(125) 및 도전성 베이스 부재(141)는 상호간 용접(예를 들면, 레이저 용접, 초음파 용접 또는 저항 용접 등)될 수 있다.
더불어, 도전성 커버 부재(146)는 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 직접 용접(예를 들면, 레이저 용접, 초음파 용접 또는 저항 용접 등)될 수 있다.
한편, 이러한 도전성 베이스 부재(141) 및 도전성 커버 부재(146)는 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금을 포함할 수 있다. 여기서, 도전성 베이스 부재(141)가 알루미늄 계열일 경우, 상술한 절연층(145)은 아노다이징층일 수 있다.
캡 조립체(150)는 다수의 관통홀(151a)이 형성된 캡 업(cap-up)(151)과, 캡 업(151)의 하부에 설치된 안전 플레이트(153)와, 안전 플레이트(153)의 하부에 설치된 연결링(155)과, 연결링(155)에 결합되고 제1,2관통홀(156a,156b)이 형성된 캡 다운(cap-down)(156)과, 캡 다운(156)의 하부에 고정되어 리드탭(139)과 전기적으로 접속된 서브 플레이트(157)를 포함할 수 있다.
캡 업(151)에 형성된 관통홀(151a) 및 캡 다운(156)에 형성된 관통홀(156b)은 원통형 캔(110)의 내부에서 과충전 등의 이유로 이상 내압 발생시 내부 가스를 외부로 배출하는 역할을 한다. 물론, 이러한 내압에 의해 우선 안전 플레이트(153)가 상부 방향으로 반전되면서 안전 플레이트(153)가 서브 플레이트(157)로부터 전기적으로 분리되고, 이후 안전 플레이트(156)가 찢어지면서 내부의 가스가 외부로 방출된다.
한편, 절연 가스켓(160)은 캡 업(151), 안전 플레이트(153), 연결링(155) 및 캡 다운(156)을 대략 원형 링 형태로 감싸며, 이들을 원통형 캔(110)의 측부(111)로부터 전기적으로 절연시키는 역할을 한다. 절연 가스켓(160)은 실질적으로 원통형 캔(110)의 측부(111)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착된 형태를 한다. 절연 가스켓(160)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.
센터핀(170)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로서, 전극 조립체(120)의 대략 중앙에 결합될 수 있다. 이러한 센터핀(170)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다.
이러한 센터핀(170)은 상단이 제1집전 구조체(130)의 도전성 베이스 부재(131)에 접촉하고, 하단이 제2집전 구조체(140)의 도전성 베이스 부재(141)에 접촉할 수 있다. 여기서, 센터핀(170)에 의해 제1집전 구조체(130) 및 제2집전 구조체(140)의 상호간 전기적 쇼트 현상이 발생하지 않도록 센터핀(170)의 상단과 하단에 각각 절연층이 더 형성될 수 있다. 이러한 센터핀(170)은 전지의 충방전 중 전극 조립체(120)의 변형을 억제하는 역할을 하며, 이차 전지(100)의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 경우에 따라 센터핀(170)은 생략될 수 있다.
한편, 원통형 캔(110)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주액되어 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 다수의 기재 타발탭과 같은 전극 조립체(120)의 제1,2탭(124,125)이 도전성 베이스 부재(131,141) 및 도전성 커버 부재(136,146)를 포함하는 제1,2집전 구조체(130,140)에 각각 전기적으로 접속됨으로써, 용량 손실없이 저저항 및 고출력이 가능한 이차 전지(100)를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 탭이 별도로 구비되어 전극판에 용접되는 방식이 아닌, 탭이 전극판의 기재 타발에 의해 형성됨으로써, 전극 조립체(120)의 변형이나 크랙이 발생되지 않는 이차 전지(100)를 제공한다.
여기서, 최근에는 이차 전지의 용량 증가를 위해 음극판에 실리콘이 고농도로 첨가되는 경우가 있는데, 이러한 이차 전지는 충방전 시 음극판의 팽창률이 대략 25%에 이른다. 따라서, 이러한 고팽창률을 갖는 전극 조립체(120)에 본 발명의 실시예에 따른 다수의 제1,2탭(124,125) 및 제1,2집전 구조체(130,140)를 적용할 경우, 이차 전지(100)의 안전성이 크게 향상된다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100) 중 제1집전 구조체(130)의 다양한 형태를 도시한 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제1집전 구조체(130)는 다수의 제1탭(124)이 관통하여 지나가도록 중앙에 관통홀(132)이 형성된 도전성 베이스 부재(131)와, 도전성 베이스 부재(131)의 상부에 결합되어 다수의 제1탭(124)을 도전성 베이스 부재(131)에 압착하도록 하며, 마찬가지로 중앙에 관통홀(137)이 형성된 도전성 커버 부재(136)를 포함한다.
여기서, 도전성 커버 부재(136)의 관통홀(137)의 직경이 도전성 베이스 부재(131)의 관통홀(132)의 직경보다 작음으로써, 추후 센터핀(170)이 상단이 도전성 커버 부재(136)의 관통홀(137)은 관통한 후, 도전성 커버 부재(136)에 접촉될 수 있다.
도전성 베이스 부재(131)는 하면과 측면에 형성된 절연층(135)을 더 포함하고, 또한 도전성 커버 부재(136)가 안착되도록 하는 상부에 형성된 안착면(133)과, 안착면(133)의 둘레를 따라 상부 방향으로 연장된 측벽(134)을 더 포함한다. 또한, 측벽(134)의 내면은 중앙의 직경이 상대적으로 크고, 상,하단의 직경이 상대적으로 작은 형태로 되어 있으며, 이에 따라 측벽(134)의 내면에 도전성 커버 부재(136)가 결합되면, 도전성 커버 부재(136)가 측벽(134)으로부터 다시 분리되기 어려운 구조를 갖는다. 이러한 구조는 이차 전지의 제조 공정 중 유리한 작용을 한다. 즉, 제1탭(124)이 도전성 베이스 부재(131)와 도전성 커버 부재(136)의 사이에 끼워져 압착된 상태에서, 외부 충격이 제1집전 구조체(130)에 가해진다고 해도, 상술한 도전성 베이스 부재(131)와 도전성 커버 부재(136)가 상호간 분리되지 않음으로써, 예를 들면, 제1집전 구조체(130)의 용접 공정 전까지 전극 조립체(120)와 제1집전 구조체(130)가 안정적인 단일 구조를 유지하도록 하여, 이들의 다양한 이송 및 관리를 용이하도록 한다.
도전성 커버 부재(136)는 상면과 하면이 대략 평평한 원반 또는 원판 형태일 수 있으며, 특히, 둘레면의 중앙 직경이 상대적으로 크고, 둘레면의 상,하단 직경이 상대적으로 작다. 따라서, 도전성 커버 부재(136)는 하부의 도전성 베이스 부재(131)의 측벽(134)에 결합된 후, 다시 분리되기 어렵다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 제1집전 구조체(230) 중에서 도전성 베이스 부재(131)는 안착면(133)에 상부 방향으로 돌출된 돌기(233a)(예를 들면, 삼각 돌기)를 더 포함하고, 또한 도전성 커버 부재(136)는 하면에 돌기(233a)가 결합되도록 형성된 요홈(236a)(예를 들면, 삼각 요홈)을 포함할 수 있다.
따라서, 도전성 베이스 부재(131)의 돌기(233a) 및 도전성 커버 부재(136)의 요홈(236a)은 제1탭(124)을 추가적으로 압착/고정하게 되므로, 결국 제1집전 구조체(120)와 제1탭(124) 사이의 결합력이 더욱 향상된다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 제1집전 구조체(330) 중에서 도전성 베이스 부재(131)는 안착면(133)에 하부 방향으로 형성된 요홈(333a)(예를 들면, 삼각 요홈)을 더 포함하고, 또한 도전성 커버 부재(136)는 하면에 요홈(333a)에 결합되도록 형성된 돌기(336a)(예를 들면, 삼각 돌기)를 포함할 수 있다.
따라서, 도전성 베이스 부재(131)의 요홈(333a) 및 도전성 커버 부재(136)의 돌기(336a)는 제1탭(124)을 추가적으로 압착/고정하게 되므로, 결국 제1집전 구조체(330)와 제1탭(124) 사이의 결합력이 향상된다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 제1집전 구조체(430) 중에서 도전성 커버 부재(136)는 상면에 레이저 용접을 위해 형성된 요홈(436a)(예를 들면, 사각 요홈)을 더 포함할 수 있다. 즉, 돌기(336a)의 외측에 대응하는 도전성 커버 부재(136)의 상면에 상대적으로 도전성 커버 부재(136)의 두께를 얇게 하는 요홈(436a)이 더 형성됨으로써, 레이저 용접 시 도전성 커버 부재(136)가 신속하게 용융되어 제1탭(124) 및 도전성 베이스 부재(131)에 용접되도록 한다.
도 2e에 도시된 바와 같이, 제1집전 구조체(530) 중에서 도전성 커버 부재(136)는 상면에 레이저 용접을 위해 형성된 요홈(536a)(예를 들면, 사각 요홈)을 더 포함할 수 있다. 즉, 돌기(336a)의 내측에 대응하는 도전성 커버 부재(136)의 상면에 상대적으로 도전성 커버 부재(136)의 두께를 얇게 하는 요홈(536a)이 더 형성됨으로써, 레이저 용접 시 도전성 커버 부재(136)가 신속하게 용융되어 제1탭(124) 및 도전성 베이스 부재(131)에 용접되도록 한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100) 중 제2집전 구조체(140)의 다양한 형태를 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100) 중 제2집전 구조체(140)의 다양한 형태를 도시한 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 제2집전 구조체(140)는 다수의 제2탭(125)이 관통하여 지나가도록 중앙에 관통홀(142)이 형성된 도전성 베이스 부재(141)와, 도전성 베이스 부재(141)의 하부에 결합되어 다수의 제2탭(125)을 도전성 베이스 부재(141)에 압착하도록 하는 도전성 커버 부재(146)를 포함한다.
여기서, 도전성 커버 부재(146)에는 관통홀이 형성되지 않음으로써, 추후 센터핀(170)의 하단이 도전성 커버 부재(146)에 안정적으로 위치될 뿐만 아니라, 용접 툴에 의해 도전성 커버 부재(146)가 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용이하게 용접되도록 한다.
도전성 베이스 부재(141)는 상면과 측면에 형성된 절연층(145)을 더 포함하고, 또한 도전성 커버 부재(146)가 안착되도록 하는 하부에 형성된 안착면(143)과, 안착면(143)의 둘레를 따라 하부 방향으로 연장된 측벽(144)을 더 포함한다. 또한, 측벽(144)의 내면은 중앙의 직경이 상대적으로 크고, 상,하단의 직경이 상대적으로 작은 형태로 되어 있으며, 이에 따라 측벽(144)의 내면에 도전성 커버 부재(146)가 결합되면, 도전성 커버 부재(146)가 측벽(144)으로부터 다시 분리되기 어려운 구조를 갖는다. 이러한 구조는 이차 전지의 제조 공정 중 유리한 작용을 한다. 즉, 제2탭(125)이 도전성 베이스 부재(141)와 도전성 커버 부재(146)의 사이에 끼워져 압착된 상태에서, 외부 충격이 제2집전 구조체(140)에 가해진다고 해도, 상술한 도전성 베이스 부재(141)와 도전성 커버 부재(146)가 상호간 분리되지 않음으로써, 예를 들면, 제2집전 구조체(140)의 용접 공정 전까지 전극 조립체(120)와 제2집전 구조체(140)가 안정적인 단일 구조를 유지하도록 하여, 이들의 다양한 이송 및 관리를 용이하도록 한다.
도전성 커버 부재(146)는 상면과 하면이 대략 평평한 원반 형태일 수 있으며, 특히, 둘레면의 중앙 직경이 상대적으로 크고, 둘레면의 상,하단 직경이 상대적으로 작다. 따라서, 도전성 커버 부재(146)는 상부의 도전성 베이스 부재(141)의 측벽(144)에 결합된 후, 다시 분리되기 어렵다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 제2집전 구조체(240) 중에서 도전성 베이스 부재(141)는 안착면(143)에 하부 방향으로 돌출된 돌기(243a)(예를 들면, 삼각 돌기)를 더 포함하고, 또한 도전성 커버 부재(146)는 상면에 돌기(243a)가 결합되도록 형성된 요홈(246a)(예를 들면, 삼각 요홈)을 포함할 수 있다.
따라서, 도전성 베이스 부재(141)의 돌기(243a) 및 도전성 커버 부재(146)의 요홈(246a)은 제2탭(125)을 추가적으로 압착/고정하게 되므로, 결국 제2집전 구조체(240)와 제2탭(125) 사이의 결합력이 더욱 향상된다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 제2집전 구조체(340) 중에서 도전성 베이스 부재(141)는 안착면(143)에 상부 방향으로 형성된 요홈(343a)(예를 들면, 삼각 요홈)을 더 포함하고, 또한 도전성 커버 부재(146)는 상면에 요홈(343a)에 결합되는 돌기(346a)(예를 들면, 삼각 돌기)를 포함할 수 있다.
따라서, 도전성 베이스 부재(141)의 요홈(343a) 및 도전성 커버 부재(146)의 돌기(346a)는 제2탭(125)을 추가적으로 압착/고정하게 되므로, 결국 제2집전 구조체(340)와 제2탭(125) 사이의 결합력이 향상된다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 제2집전 구조체(440) 중에서 도전성 커버 부재(146)는 하면에 레이저 용접을 위해 형성된 요홈(446a)(예를 들면, 사각 요홈)을 더 포함할 수 있다. 즉, 돌기(346a)의 외측에 대응하는 도전성 커버 부재(146)의 하면에 상대적으로 도전성 커버 부재(146)의 두께를 얇게 하는 요홈(446a)이 더 형성됨으로써, 레이저 용접 시 도전성 커버 부재(146)가 신속하게 용융되어 제2탭(125) 및 도전성 베이스 부재(141)에 용접되도록 한다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 제2집전 구조체(540) 중에서 도전성 커버 부재(146)는 하면에 레이저 용접을 위해 형성된 요홈(564a)(예를 들면, 사각 요홈)을 더 포함할 수 있다. 즉, 돌기(346a)의 내측에 대응하는 도전성 커버 부재(146)의 하면에 상대적으로 도전성 커버 부재(146)의 두께를 얇게 하는 요홈(546a)이 더 형성됨으로써, 레이저 용접 시 도전성 커버 부재(146)가 신속하게 용융되어 제2탭(125) 및 도전성 베이스 부재(141)에 용접되도록 한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100) 중 전극 조립체(120)에 제1,2집전 구조체(130,140)를 접속하는 방법을 도시한 개략도이다. 또한, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100) 중 전극 조립체(120)에 제1집전 구조체(130)를 접속하는 방법을 도시한 사시도이다.
도 4a 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(120)는 제1방향(예를 들면, 상부 방향)으로 연장된 다수의 제1탭(124)을 포함한다. 또한, 도 4a에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(120)는 제1방향의 반대인 제2방향(예를 들면, 하부 방향)으로 연장된 다수의 제2탭(125)을 포함한다.
여기서, 제1탭(124) 및/또는 제2탭(125)은 2열 뿐만 아니라, 제5a에 도시된 바와 같이, 3열 또는 4열로 형성될 수도 있다. 이러한 탭의 갯수는 많으면 많을수록 저항이 작아지고 고출력이 가능하므로, 정해진 설계 기준에 맞춰 정해질 수 있다.
도 4b 및 도 5b 도시된 바와 같이, 제1탭(124)이 제1집전 구조체(130) 중 도전성 베이스 부재(131)의 관통홀(132)에 결합되고, 이어서 제1탭(124)이 절곡되어 도전성 베이스 부재(131)의 안착면(133)에 안착된다. 또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제2탭(125)이 제2집전 구조체(140) 중 도전성 베이스 부재(141)의 관통홀(142)에 결합되고, 이어서 제2탭(125)이 절곡되어 도전성 베이스 부재(141)의 안착면(143)에 안착된다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 제1집전 구조체(130) 중 도전성 커버 부재(136)가 도전성 베이스 부재(131)에 결합되어, 제1탭(124)을 덮는다. 또한, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제2집전 구조체(140) 중 도전성 커버 부재(146)가 도전성 베이스 부재(141)에 결합되어, 제2탭(125)을 덮는다.
도 4d 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1집전 구조체(130) 중에서 도전성 커버 부재(136)에 레이저 빔이 조사됨으로써, 도전성 커버 부재(136)의 일부 영역이 용융되어 제1탭(124) 및 도전성 베이스 부재(131)에 용접(124A)된다. 또한, 도 4d에 도시된 바와 같이, 제2집전 구조체(140) 중에서 도전성 커버 부재(146)에 레이저 빔이 조사됨으로써, 도전성 커버 부재(146)의 일부 영역이 용융되어 제2탭(125) 및 도전성 베이스 부재(141)에 용접된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 제1집전 구조체(130)가 다수의 제1탭(124)을 용이하게 수용할 수 있고, 또한 제2집전 구조체(140)가 다수의 제2탭(125)을 용이하게 수용할 수 있도록 한다. 즉, 전극 조립체(120)에 다수의 제1탭(124)이 형성될 경우, 이들을 캡 조립체(150)에 불량없이 모두 전기적으로 접속하기는 꽤 어렵다. 마찬가지로 전극 조립체(120)에 다수의 제2탭(125)이 형성될 경우에도, 이들을 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 불량없이 모두 전기적으로 접속하기는 꽤 어렵다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는 압착 구조를 갖는 제1집전 구조체(130) 및 압착 구조를 갖는 제2집전 구조체(140)를 구비함으로써, 제1집전 구조체(130)의 압착 구조 내에 다수의 제1탭(124)이 끼워져 압착되도록 하고, 제2집전 구조체(140)의 압착 구조 내에 다수의 제2탭(125)이 끼워져 압착되도록 하여, 다수의 제1탭(124) 및 제2탭(125)을 캡 조립체(150) 및 원통형 캔(110)에 용이하게 전기적으로 접속할 수 있도록 한다.
더욱이, 본 발명의 실시예에서는 제1집전 구조체(130)의 하면과 측면, 그리고 제2집전 구조체(140)의 상면과 측면에 각각 절연층(135,145)이 각각 형성됨으로써, 종래와 같은 별도의 절연판 구조가 필요없다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 제1,2집전 구조체(130,140)가 절연 기능과 집전 기능을 동시에 수행함으로써, 이차 전지(100)의 부품 갯수를 감소시킨다.
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.
100; 본 발명에 따른 이차 전지
110; 원통형 캔 120; 전극 조립체
124; 제1탭 125; 제2탭
130; 제1집전 구조체 131; 도전성 베이스 부재
132; 관통홀 133; 안착면
134; 측벽 135; 절연층
136; 도전성 커버 부재 137; 관통홀
138; 서브 관통홀 139; 리드탭
140; 제2집전 구조체 141; 도전성 베이스 부재
142; 관통홀 143; 안착면
144; 측벽 145; 절연층
146; 도전성 커버 부재 150; 캡 조립체
160; 가스켓 170; 센터핀

Claims (10)

  1. 원통형 캔;
    상기 원통형 캔에 수용되며, 상기 원통형 캔의 길이 방향인 제1방향으로 연장된 다수의 제1탭, 상기 제1방향에 반대인 제2방향으로 연장된 다수의 제2탭을 포함하는 전극 조립체;
    상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체;
    상기 원통형 캔으로부터 절연되는 동시에 상기 다수의 제1탭을 상기 캡 조립체에 전기적으로 접속시키는 제1집전 구조체; 및
    상기 다수의 제2탭을 상기 원통형 캔에 전기적으로 접속시키는 제2집전 구조체를 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1집전 구조체는
    상기 다수의 제1탭이 관통하여 지나가도록 중앙에 관통홀이 형성된 도전성 베이스 부재; 및
    상기 도전성 베이스 부재에 결합되어 상기 다수의 제1탭을 압착하는 도전성 커버 부재를 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전성 커버 부재는 도전성 리드 탭을 통하여 상기 캡 조립체에 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전성 베이스 부재는 상기 전극 조립체 및 상기 캔을 향하는 면에 형성된 절연층을 더 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전성 커버 부재는 상기 도전성 베이스 부재의 관통홀과 연결된 커버 부재 관통홀을 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전성 커버 부재, 상기 다수의 제1탭 및 상기 도전성 베이스 부재는 상호간 용접된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2집전 구조체는
    상기 다수의 제2탭이 관통하여 지나가도록 중앙에 관통홀이 형성된 도전성 베이스 부재; 및
    상기 도전성 베이스 부재에 결합되어 상기 다수의 제2탭을 압착하는 도전성 커버 부재를 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 도전성 커버 부재는 상기 캔의 바닥면에 직접 용접된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 도전성 베이스 부재는 상기 전극 조립체를 향하는 면에 형성된 절연층을 더 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 도전성 베이스 부재, 상기 다수의 제2탭 및 상기 도전성 커버 부재는 상호간 용접된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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