KR100502347B1 - 각형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 각형 이차전지는, 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 개재되어 각각 별개로 권취된 적어도 2이상의 전극 조립체들과; 전극 조립체들이 수용되는 케이스와; 케이스의 상부에 설치되며, 단자 통공이 형성된 캡 플레이트와, 단자 통공을 통하여 케이스의 내부로 관통되어 설치되고 그 외면에 상기 캡 플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극 단자를 구비하는 캡 조립체; 및 전극 조립체들로부터 각각 인출되어 그 중의 일부가 전극 단자와 전기적으로 연결되는 전극 탭들;을 구비함으로써, 충방전시 발생되는 전극 조립체의 부피변화에 의한 케이스의 스웰링 현상을 억제하여 케이스의 변형을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

각형 이차전지{Rectangular secondary battery}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스웰링(swelling) 현상을 억제할 수 있도록 구조가 개선된 각형 이차전지에 관한 것이다.

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

이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와 고분자전해질 전지로 분류되며, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 또한, 리튬이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형, 그리고 파우치형이 있다.

도 1에는 종래의 각형 이차전지(10)의 일예가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 이차전지(10)는, 일면이 개구된 각형의 케이스(11)와, 상기 케이스(11)의 내부에 수용되는 전극 조립체(12)와, 상기 케이스(11)를 밀봉하는 캡 조립체(20)를 포함하여 구성된다.

상기 전극 조립체(12)는 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터(separator)를 개재하여 젤리-롤 형태로 권취한 후, 압박함으로써 편평한 형태로 상기 케이스(11)에 수용되며, 상기 양극판 및 음극판으로부터는 양극 탭(13) 및 음극 탭(14)이 각각 인출되어 있다.

상기 캡 조립체(20)는 상기 케이스(11)의 상부에 결합되는 캡 플레이트(21)와, 상기 캡 플레이트(21)에 가스켓(22)을 매개로 하여 절연되는 전극 단자(23)와, 상기 캡 플레이트(21)의 하부면에 설치되는 절연 플레이트(24)와, 상기 절연 플레이트(24)의 하부면에 설치되어 상기 전극 단자(23)와 통전되는 단자 플레이트(25)를 구비한다. 그리고, 상기 전극 조립체(20)와 캡 조립체(30)의 사이에는 절연성의 보호 부재(26)가 더 설치되어있다.

상기 전극 조립체(12)의 음극 탭(14)은 단자 플레이트(25)를 통하여 전극 단자(23)와 전기적으로 연결되며, 상기 양극 탭(13)은 캡 플레이트(21) 또는 케이스(11)와 전기적으로 연결됨으로써, 전극 단자(23)는 음극 단자부를 이루며, 전극 단자(23)를 제외한 부분은 양극 단자부를 이루게 된다.

상기와 같은 구성을 가지는 각형 이차전지(10)에 있어서, 전극 조립체(12)는 권취된 후 압박되어 편평한 상태로 케이스(11) 내에 수용되는데, 이에 따라, 충방전시 전극 조립체(12)가 팽창하게 되면, 전극 조립체(12)의 편평한 양측면이 부풀어오르게 된다. 최근엔 각형 이차전지(10)가 박형으로 가는 추세이므로, 상기 전극 조립체()의 전체적인 두께가 얇게 되는 경우에 전극 조립체(12)의 부풀어오르는 정도가 보다 심해질 수 있다.

상기와 같이, 전극 조립체(12)가 팽창하게 되면, 이에 상응하여 케이스(11)의 넓은 양측면도 부풀어오르게 되는 스웰링 현상을 일으키게 된다. 이와 같은 스웰링 현상을 억제하기 위하여, 종래에는 케이스(11)의 넓은 양측면을 전극 조립체(12)측으로 미리 변형시킴으로써, 스웰링 현상이 발생하게 되면 케이스(11)의 넓은 양측면이 복원되어 다시 편평해지는 방법을 이용하였으나, 이 경우엔 전극 조립체(12)의 변형 정도를 설정하기가 용이하지 않은 단점이 있으며, 박형으로 된 각형 이차전지(10)의 적용에는 한계가 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극 조립체를 별개로 마련된 작은 크기의 2개로 구성함으로써, 충방전시 발생되는 전극 조립체의 부피변화에 의한 케이스의 스웰링 현상을 억제하여 케이스의 변형을 최소화할 수 있는 각형 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 각형 이차전지는,

양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 개재되어 각각 별개로 권취된 적어도 2이상의 전극 조립체들과;

상기 전극 조립체들이 수용되는 케이스와;

상기 케이스의 상부에 설치되며, 단자 통공이 형성된 캡 플레이트와, 상기 단자 통공을 통하여 케이스의 내부로 관통되어 설치되고 그 외면에 상기 캡 플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극 단자를 구비하는 캡 조립체; 및

상기 전극 조립체들로부터 각각 인출되어 그 중의 일부가 상기 전극 단자와 전기적으로 연결되는 전극 탭들;을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

상기 전극 조립체들로부터 각각 인출된 전극 탭들 중에서, 어느 하나의 극성을 이루는 전극 탭들은 상기 전극 단자에 접속되며, 다른 극성을 이루는 전극 탭들은 캡 플레이트 또는 케이스에 접속된 것이 바람직하다.

상기 전극 단자에 접속되는 전극 탭들은 상기 케이스 내부공간의 내측에 위치되며, 상기 캡 플레이트 또는 케이스에 접속되는 전극 탭들은 상기 케이스 내부공간의 외측에 위치된 것이 바람직하다.

상기 전극 단자와 이와 접속되는 전극 탭들 사이에는 접속을 매개하는 단자 플레이트가 더 구비된 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 이차전지에 대한 분리 사시도가, 도 3에는 도 2의 각형 이차전지가 조립된 상태의 단면도가 각각 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 각형 이차전지(100)는, 각형의 케이스(110)와, 상기 케이스(110)의 내부에 수납되는 적어도 2개의 전극 조립체(120)를 포함하여 구성된다.

상기 케이스(110)는 도시된 바와 같이, 대략 직육면체의 형상을 가진 금속제로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다.

상기 케이스(110)는 그 일면이 개구된 개구부(111)를 구비하며, 이를 통하여 전극 조립체(120)가 케이스(110)의 내부로 수납될 수 있다. 상기 케이스(110)는 도시된 바와 같이, 그 측면 모서리 부분이 라운딩 처리될 수 있는데, 이에 한정되지 않고 각이 진 형태를 이룰 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 전극 조립체(120)는 별개로 마련된 한쌍의 제1,2전극 조립체(121)(122)로 이루어져 있다. 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)는 각각 양극판 및 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재하여 적층시킨 후 권취한 젤리-롤 형태로 이루어져 있다. 그리고, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)는 각각 압박되어 편평한 형태를 가지는데, 이와 같이 제1,2전극 조립체(121)(122)는 편평한 형태로 상기 케이스(110)의 내부 공간부에 삽입되어진다.

통상적으로, 리튬이차전지의 경우에 있어서, 상기 양극판은 박판의 알루미늄으로 된 양극 집전체와, 그 양면에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 슬러리가 코팅되어 있으며, 상기 음극판은 박판의 구리로 된 음극 집전체와, 그 양면에 탄소재를 주성분으로 하는 슬러리가 코팅되어 있는 구성을 가질 수 있다. 그리고, 상기 양극판 및 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터는 이들을 상호 절연하는 한편, 양극판과 음극판 사이에 활물질 이온이 교환될 수 있도록 한다.

또한, 상기 제1전극 조립체(121)의 상부로는 양극판 및 음극판에 각각 전기적으로 연결된 제1양극 탭(123) 및 제1음극 탭(124)이 각각 인출되어 있으며, 마찬가지로, 상기 제2전극 조립체(122)의 상부로도 양극판 및 음극판에 각각 전기적으로 연결된 제2양극 탭(125) 및 제2음극 탭(126)이 각각 인출되어 있다. 상기 제1,2양극 탭(123)(125) 및 제1,2음극 탭(124)(126)은 각각 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)의 양극판 및 음극판에 용접되어 고정될 수 있다. 한편, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)의 각 하측에는 마감재로서 절연 테이프(127)로 감싸질 수 있다.

상기와 같이 구성된 제1,2전극 조립체(121)(122)는 상기 케이스(110) 내에 수용되어지는데, 수용된 상태에서 상기 제1전극 조립체(121)의 좁은 면은 제2전극 조립체(122)의 좁은 면에 맞닿게 된다. 상기 제1,2전극 조립체(121)(122) 사이의 쇼트를 방지하기 위하여, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)의 최외곽층에는 세퍼레이터 또는 절연부재가 위치될 수 있다.

그리고, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)의 각각의 편평한 넓은 면은 케이스(110)의 넓은 면에 맞닿게 되는데, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)는 종래의 전극 조립체(12, 도 1참조)와 비교할 때, 동일한 크기의 케이스(11)(110)를 각각 채용하는 경우, 제1전극 조립체(121)의 편평한 넓은 면의 좌우폭 길이는 종래의 전극 조립체(12)의 편평한 넓은 면의 좌우폭 길이의 대략 1/2정도가 되며, 마찬가지로 제2전극 조립체(122)의 편평한 넓은 면의 좌우폭 길이도 종래의 전극 조립체(12)의 편평한 넓은 면의 좌우폭 길이의 대략 1/2정도가 된다. 즉, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)는 각각 종래의 전극 조립체(12)보다 크기가 작게 구성된다.

이에 따라, 충방전시에 제1,2전극 조립체(121)(122)의 편평한 넓은 편이 각각 부풀어오르게 됨에 따라, 종래의 하나로 이루어진 전극 조립체(12)의 편평한 넓은 편이 부풀어오르는 것보다, 케이스(110)에 전달되는 영역이 분산됨으로써 작아질 수 있다. 또한, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)가 케이스(110) 측으로 부풀어오르는 양도 종래의 하나로 이루어진 전극 조립체(12)가 케이스(11) 측으로 부풀어오르는 양보다 작아질 수 있다. 따라서, 종래에 케이스(11)의 넓은 양측면을 전극 조립체(12)측으로 미리 변형시키는 과정을 생략하고도, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)의 부피 팽창에 의하여 케이스(110)가 부풀어오르는 스웰링 현상을 종래보다 충분히 억제할 수 있게 된다.

상기와 같은 케이스(110)의 개구부(111)에는 캡 조립체(130)가 설치되는데, 상기 캡 조립체(130)는 상기 개구부(111)에 직접 용접되어 밀봉하는 캡 플레이트(131)를 구비한다. 상기 케이스(110)와 캡 플레이트(131)는 그 용접의 용이성을 위하여 동일한 금속제로 구비될 수 있다.

상기 캡 조립체(130)에는 상기 캡 플레이트(131)에 가스켓(132)을 통해 절연되도록 전극 단자(133)가 관통되어 설치되는데, 상기 전극 단자(133)의 하부면에는 절연 플레이트(134)가 설치되어 있으며, 상기 절연 플레이트(134)의 하부면에는 금속제의 단자 플레이트(135)가 각각 설치되어 있다.

상기 전극 단자(133)는 제1,2음극 탭(124)(126) 및 단자 플레이트(135)를 매개로 음극판과 전기적으로 연결되어 음극 단자부로서의 기능을 하게 된다.

즉, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)의 각 음극판으로부터 인출된 제1,2음극 탭(124)(126)은 단자 플레이트(135)에 접합되어지며, 상기 단자 플레이트(135)는 전극 단자(133)와 통전되게 설치됨으로써, 음극판과 전극 단자(133)간이 전기적으로 연결될 수 있게 된다. 한편, 상기 단자 플레이트(135)는 생략가능하며, 이에 따라 상기 제1,2음극 탭(124)(126)이 직접적으로 전극 단자(133)에 결합될 수도 있다.

그리고, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)의 각 양극판으로부터 인출된 제1,2양극 탭(123)(125)은 상기 캡 플레이트(131)의 하부면에 접합되어 전기적으로 연결됨으로써, 상기 전극 단자(133)를 제외한 전지(100)의 외부 전체가 양극 단자부로서의 기능을 하게 한다. 이에 한정되지 않고, 제1,2양극 탭(123)(125)은 케이스(110)의 내면에 전기적으로 직접 연결될 수도 있다.

그리고, 상기 제1,2음극 탭(124)(126)은, 상호 맞닿아 있는 제1,2전극 조립체(121)(122)의 내측에 위치되고, 상기 제1,2양극 탭(123)(125)은 상기 제1,2음극 탭(124)(126)과 각각 상호 소정간격으로 이격되어 제1,2전극 조립체(121)(122)의 외측에 위치되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 제1,2음극 탭(124)(126)이 단자 플레이트(135)에 보다 짧은 경로로 접합될 수 있으며, 상기 캡 플레이트(131)에 접합되는 제1,2양극 탭(123)(125)과 간섭이 일어나지 않게 된다.

한편, 상기 제1,2양극 탭(123)(125)은 케이스(110)에 접합될 수도 있는데, 이 경우에는 상기 제1,2음극 탭(124)(126)과 소정 간격으로 이격되는 한편, 상기 제1,2전극 조립체(121)(122)의 최외곽측에 각각 위치되는 것이 바람직할 것이다.

그리고, 본 발명에 따른 실시예에서는 전극 단자(133)가 음극 단자부의 기능을 하고, 전지(100)의 외부 전체가 양극 단자부의 기능을 하도록 되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 전극 단자(133)가 양극 단자부의 기능을 하고, 전지(100)의 외부 전체가 음극 단자부의 기능을 할 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 케이스(110) 내에는 절연성의 보호 부재(136)가 상기 전극 조립체(120)와 캡 조립체(130)의 사이에 더 설치되어 전극 조립체(120)를 보다 견고하게 고정시켜줄 수 있다. 또한, 상기 캡 조립체(130)를 케이스(110)의 개구부(111)에 용접시킨 후에는 캡 플레이트(131)에 형성된 전해액 주입구(131a)를 통하여 전해액을 주입한 후 플러그(137)등에 의해 이를 밀봉하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 각형 이차전지는, 전극 조립체를 별개로 마련된 적어도 2개 이상으로 구성함으로써, 충방전시 전극 조립체의 편평한 넓은 면이 부풀어오르는 영역을 분산시킬 수 있어, 케이스의 스웰링 현상을 충분히 억제할 수 있다. 따라서, 케이스의 변형을 최소화할 수 있게 되는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래의 각형 이차전지의 일예를 도시한 분리 사시도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 각형 이차전지를 도시한 분리 사시도.

도 3은 도 2의 각형 이차전지가 조립된 상태를 도시한 부분 단면도.

〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉

110..케이스 120..전극 조립체

121..제1전극 조립체 122..제2전극 조립체

123..제1양극 탭 124..제1음극 탭

125..제2양극 탭 125..제2음극 탭

130..캡 조립체 131..캡 플레이트

133..전극 단자 135..단자 플레이트

Claims (4)

1. 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 개재되어 각각 별개로 권취된 적어도 2이상의 전극 조립체들;

   상기 전극 조립체들이 공히 수용되는 케이스;

   상기 케이스의 상부에 설치되며, 단자 통공이 형성된 캡 플레이트와, 상기 단자 통공을 통하여 케이스의 내부로 관통되어 설치되고 그 외면에 상기 캡 플레이트와의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극 단자를 구비하는 캡 조립체; 및

   상기 전극 조립체들로부터 각각 인출된 전극 탭들;을 구비하며,

   상기 전극 탭들에 있어서, 양극 및 음극 중 어느 한쪽의 극성을 갖는 전극 탭들은 상기 전극 단자에 접속되며, 다른 쪽의 극성을 갖는 전극 탭들은 상기 캡 플레이트 또는 케이스에 접속된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 전극 조립체마다 상기 전극 단자에 접속되는 전극 탭은 상기 캡 플레이트 또는 케이스에 접속되는 전극 탭보다 상기 전극 단자에 가깝게 위치된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 전극 단자와 이와 접속되는 전극 탭들 사이에는 접속을 매개하는 단자 플레이트가 더 구비된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.