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KR100846986B1 - 리튬 이차전지 및 그 제조방법과 리튬 이차전지용가스방출기구 - Google Patents

리튬 이차전지 및 그 제조방법과 리튬 이차전지용가스방출기구 Download PDF

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KR100846986B1
KR100846986B1 KR1020050126093A KR20050126093A KR100846986B1 KR 100846986 B1 KR100846986 B1 KR 100846986B1 KR 1020050126093 A KR1020050126093 A KR 1020050126093A KR 20050126093 A KR20050126093 A KR 20050126093A KR 100846986 B1 KR100846986 B1 KR 100846986B1
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KR
South Korea
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sealing member
lithium secondary
secondary battery
hole
plate
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박정환
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지 및 그 제조방법과 리튬 이차전지용 가스방출기구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캡플레이트에 안전밴트용 홀을 형성하고, 열융착에 의해 경화되는 플라스틱 재질 또는 성고무 재질의 밀폐부재로 안전밴트용 홀을 밀폐한 후, 화성충방전시 발생한 가스를 미세한 관을 통하여 외부로 배출시키고 열융착에 의해 밀폐부재를 경화시킴으로써, 전지의 두께를 감소시키고 성능을 향상시키며 밀폐부재가 안전밴트 역할을 할 수 있도록 한 리튬 이차전지 및 그 제조방법과 리튬 이차전지용 가스방출기구에 관한 것이다.
리튬 이차전지, 안전밴트용 홀, 밀폐부재, 가스방출기구, 화성충방전

Description

리튬 이차전지 및 그 제조방법과 리튬 이차전지용 가스방출기구{Lithium rechargeable battery and Method of making the same and Gas emitting device for the same}
도 1은 일반적인 리튬 이차전지의 분리 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 분리 사시도
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡플레이트의 평면도
도 3b는 도 3a의 A-A 단면도
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스방출기구의 사시도
도 4b는 도 4a의 정면도
도 4c는 도 4b의 B-B 단면도
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 제조과정 중 가스방출단계를 도시한 수직 단면도
도 5b는 열융착단계를 도시한 수직 단면도
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
200 - 리튬 이차전지 210 - 캔
220 - 전극조립체 230 - 캡조립체
240 - 캡플레이트 242 - 전해액주입구
243 - 안전밴트용 홀 244 - 밀폐부재
250 - 가스방출기구 252 - 주사바늘부
254 - 지지부
본 발명은 리튬 이차전지 및 그 제조방법과 가스방출기구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캡플레이트에 안전밴트용 홀을 형성하고, 열융착에 의해 경화되는 플라스틱 재질 또는 합성고무 재질의 밀폐부재로 안전밴트용 홀을 밀폐한 후, 화성충방전시 발생한 가스를 미세한 관을 통하여 외부로 배출시키고 열융착에 의해 밀폐부재를 경화시킴으로써, 전지의 두께를 감소시키고 성능을 향상시키며 밀폐부재가 안전밴트 역할을 할 수 있도록 한 리튬 이차전지 및 그 제조방법과 가스방출기구에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 리튬 이차전지의 분리 사시도를 나타낸다.
상기 리튬 이차전지(100)는, 도 1을 참조하면, 양극판(123), 음극판(125) 및 세퍼레이터(124)로 구성되는 전극조립체(120)를 전해액과 함께 캔(110)에 수납하고, 이 캔(110)의 상단개구부(110a)를 캡조립체(130)로 밀봉함으로써 형성된다.
상기 캔(110)은 일반적으로 알루미늄 또는 그 합금 재질로 형성되며, 딥드로잉 방식에 의하여 제작된다. 상기 캔(110)의 하면(110b)은 일반적으로 거의 평면 형상으로 형성된다.
상기 전극조립체(120)는 양극판(123)과 음극판(125) 사이에 세퍼레이터(124)가 개재되면서 권취되어 형성된다. 상기 양극판(123)에는 양극탭(126)이 결합되어 전극조립체(120)의 상단부로 돌출되며, 음극판(125)에는 음극탭(127)이 결합되어 전극조립체(120)의 상단부로 돌출된다. 상기 전극조립체(120)에서 상기 양극탭(126)과 음극탭(127)은 소정거리 떨어져 형성되어 전기적으로 절연되도록 한다. 상기 양극탭(126)과 음극탭(127)은 일반적으로 니켈 금속으로 형성된다.
상기 캡조립체(130)는 캡플레이트(140)와 절연플레이트(160)와 터미널플레이트(170) 및 전극단자(135)를 포함하여 구성된다. 캡조립체(130)는 별도의 절연케이스(180)와 결합되어 캔(110)의 상단개구부(110a)에 결합되어 캔(110)을 밀봉하게 된다.
상기 캡플레이트(140)는 상기 캔(110)의 상단개구부(110a)와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 상기 캡플레이트(140)의 중앙에는 소정 크기의 단자통공1(141)이 형성되며, 단자통공1(141)에 삽입될 때는 전극단자(135)와 캡플레이트(140)의 절연을 위하여 전극단자(135)의 외면에는 튜브형의 개스킷튜브(146)가 결합되어 함께 삽입된다. 한편, 상기 캡플레이트(140)의 일측에는 전해액주입구(142)가 소정크기로 형성된다. 상기 캡조립체(130)가 상기 캔(110)의 상단개구부(110a)에 조립된 후 전해액주입구(142)를 통하여 전해액이 주입되고, 전해액주입구(142)는 별도의 밀폐수단인 볼에 의하여 밀폐된다. 또한, 상기 캡플레이트(140)의 타측에는 안전밴트(143)가 소정 크기로 형성된다. 상기 안전밴트(143)는 캡플레이트(140)의 다른 부분에 비해 얇게 형성되어 전지 내부의 압력이 임계치 이상으로 상승하면 파손된다.
상기 전극단자(135)는 상기 음극판(125)의 음극탭(127) 또는 상기 양극판(123)의 양극탭(126)에 연결되어 음극단자 또는 양극단자로 작용하게 된다.
상기 절연플레이트(160)는 가스켓과 같은 절연물질로 형성되며, 캡플레이트(140)의 하면에 결합된다. 절연플레이트(160)에는 상기 캡플레이트(140)의 단자통공1(141)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(135)가 삽입되는 단자통공2(161)가 형성되어 있다. 상기 절연플레이트(160)의 하면에는 상기 터미널플레이트(170)가 안착되도록 터미널플레이트(170)의 크기에 상응하는 안착홈(162)이 형성된다.
상기 터미널플레이트(170)는 일반적으로 니켈 합금으로 형성되며, 상기 절연플레이트(160)의 하면에 장착된다. 상기 터미널플레이트(170)에는 캡플레이트(140)의 단자통공1(141)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(135)가 삽입되는 단자통공3(171)이 형성되어 있으며, 상기 전극단자(135)가 상기 개스킷튜브(146)에 의하여 절연되면서 캡플레이트(140)의 단자통공1(141)을 통하여 결합되므로 상기 터미널플 레이트(170)는 상기 캡플레이트(140)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(135)와 전기적으로 연결된다.
상기 터미널플레이트(170)의 일측에는 상기 음극판(125)에 결합된 음극탭(127)이 용접되며, 캡플레이트(140)의 타측에는 상기 양극판(123)에 결합된 양극탭(126)이 용접된다. 상기 음극탭(127)과 양극탭(126)을 결합시키는 용접방법으로는 저항용접, 레이저 용접 등이 사용되며, 일반적으로는 저항용접이 사용된다.
상기 절연케이스(180)는 캡조립체(130)와 전극조립체(120) 사이의 절연을 담당하게 되며, 양극탭용 홀(182)과 음극탭용 홀(184)이 형성되어 있다.
통상적으로 리튬 이차전지는 베어셀에 보호회로를 장착한 후 화성공정을 거치게 된다. 화성공정에서는 전해액이 충분히 함침될 수 있도록 여러 번의 에이징(aging) 단계를 거치고 초기 충방전 과정을 거치게 된다. 이 때, 리튬 이차전지는 초기 충방전 과정에서 극판의 스웰링 현상이 발생하고 전지 내부에 다량의 가스가 발생하게 된다. 이러한 가스 발생 현상은 전지의 두께를 증가시킬 뿐만 아니라 전지의 성능을 저하시키게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 캡플레이트에 안전밴트용 홀을 형성하고, 열융착에 의해 경화되는 플라스틱 재질 또는 합성고무 재질의 밀폐부재로 안전밴트용 홀을 밀폐한 후, 화성충방전시 발생한 가스를 미세한 관을 통하여 외부로 배출시키고 열융착에 의해 밀폐부재를 경화시킴으로써, 전지의 두께를 감소시키고 성능을 향상시키며 밀폐부재가 안전밴트 역할을 할 수 있도록 한 리튬 이차전지 및 그 제조방법과 리튬 이차전지용 가스방출기구를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 리튬 이차전지는 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 캡플레이트를 포함하며 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체를 구비하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 캡플레이트에는 안전밴트용 홀이 형성되며, 상기 안전밴트용 홀은 열융착에 의해 경화되는 플라스틱 재질 또는 합성고무 재질의 밀폐부재로 밀폐되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 안전밴트용 홀은 상기 캡플레이트의 일측에 형성되며, 평면 형상이 사각형상, 원형상, 타원형상, 다각형상 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 밀폐부재는 소정의 두께를 갖는 판상으로 형성되며, 평면 형상이 사각형상, 원형상, 타원형상, 다각형상 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 밀폐부재는 상기 안전밴트용 홀을 덮을 수 있는 크기로 상기 안전밴트용 홀의 상부에 형성될 수 있다. 또한, 상기 밀폐부재는 제 1차수지(primary resin), 열가소성 수지, 합성고무 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제 1차수지는 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 에폭시수지를 포함할 수 있다. 또한, 상기 합성고무는 에틸렌프로필렌 고무(Ethylene Propylene Monomer:EPM), 에틸렌프로필렌디엔 고무(Ethylene Propylene Diene Monomer:EPDM)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이차전지용 가스방출기구는 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 안전밴트용 홀이 형성된 캡플레이트를 포함하며 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체를 구비하고, 상기 안전밴트용 홀은 열융착에 의해 경화되는 플라스틱 재질 또는 합성고무 재질의 밀폐부재로 밀폐되는 리튬 이차전지의 내부에 발생되는 가스를 방출하는 리튬 이차전지용 가스방출기구에 있어서, 상기 밀폐부재를 관통하는 주사바늘부 및 상기 주사바늘부의 외주면 일부 영역을 감싸도록 형성되며, 상기 밀폐부재를 덮는 지지부를 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 지지부는 하단이 개구된 캔 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 지지부는 원통형상, 타원통형상, 사각박스 형상 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
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또한, 본 발명의 리튬 이차전지 제조방법은 캡플레이트의 일측에 안전밴트용 홀을 형성하는 안전밴트용 홀 형성단계; 상기 안전밴트용 홀을 열융착에 의해 경화되는 밀폐부재로 밀폐하는 밀폐단계; 에이징과 초기 충방전을 시행하는 화성충방전단계; 주사바늘부를 구비하는 가스방출기구로 상기 밀폐부재를 찔러 전지 내부에 발생한 가스를 방출하는 가스방출단계; 및 상기 밀폐부재를 열융착에 의해 경화시키는 열융착단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 밀폐단계는 접착제를 이용하여 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 분리 사시도를 나타낸다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡플레이트의 평면도를 나타내며, 도 3b는 도 3a의 A-A 단면도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는, 도 2를 참조하면, 양극판(223), 음극판(225) 및 세퍼레이터(224)로 구성되는 전극조립체(220)를 전해액과 함께 캔(210)에 수납하고, 이 캔(210)의 상단개구부를 캡조립체(230)로 밀봉함으로써 형성된다. 상기 리튬 이차전지(200)는 장변을 포함하며 서로 마주보도록 형성되는 정면과 배면, 단변을 포함하며 서로 마주보도록 형성되는 양 측면, 상기 캡플레이트(240)가 위치하는 상면과 상기 상면과 마주보는 하면(210b)을 포함하여 이루어진다.
상기 전극조립체(220)는 양극판(223)과 음극판(225) 사이에 세퍼레이터(224)가 개재되면서 권취되어 형성된다.
상기 양극판(223)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극 집전체와, 그 양면에 코팅된 양극 활물질층을 포함하고 있다. 상기 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMnO2 등의 리튬산화물이 사용되고 있다. 상기 양극판(223)의 양 말단에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체 영역, 즉 양극 무지부가 형성된다. 상기 양극 무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되며, 전극 조립체(220)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극 탭(226)이 접합되어 있다.
상기 음극판(225)은 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고 있다. 상기 음극판(225)의 양 말단은 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체 영역, 즉 음극 무지부가 형성된다. 상기 음극 무지부의 일단에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 형성되며, 전극 조립체(220)의 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(227) 이 접합되어 있다. 더불어 상기 전극 조립체(220)의 하부에는 캔(210)과의 접촉을 방지하기 위한 절연판이 더 포함되어 형성될 수 있다.
상기 세퍼레이터(224)는 상기 양극판(223)과 음극판(225) 사이에 개재되며 상기 전극조립체(220)의 외주면을 둘러싸도록 연장되어 형성될 수도 있다. 상기 세퍼레이터(224)는 상기 양극판(223)과 음극판(225)의 단락을 방지하며, 리튬 이온을 통과시킬 수 있도록 다공막 고분자물질로 형성된다.
상기 캔(210)은 대략 직사각형 형상의 한 쌍의 장측벽(212)과, 한 쌍의 단측벽(213) 및 하면판(210b)을 포함하여 대략 박스 형상으로 형성되며, 상부는 개구되어 상단개구부를 이루고 있다. 또한, 상기 캔(210)은 대략 박스형상으로 형성될 때 수평방향으로의 단면의 형상이 사각형상 또는 타원형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 상단개구부로는 상기 전극조립체(220)가 삽입된다. 또한, 상기 전극조립체(220) 사이로 함침하여 리튬 이온의 이동을 가능하게 해 주는 전해액이 주입된다. 캔(210)의 재질은 주로 가벼운 알루미늄(Al)이 사용된다. 상기 캔(210)의 상부는 캡조립체(230)에 의해 밀봉되어, 전해액의 누출이 방지된다. 상기 캔(210)의 장측벽(212)과 단측벽(213)의 두께는 대략 0.2 내지 0.4mm로 형성되며, 상기 하면판(210b)의 두께는 대략 0.2 내지 0.7mm로 형성된다. 다만, 여기서 상기 장측벽(212)과 단측벽(213)의 두께를 한정하는 것은 아니다. 상기 캔(210)은 바람직하게는 딥드로잉(deep drawing) 방식에 의하여 형성되며, 상기 장측벽(212)과 단측벽(213) 및 상기 하면판(210b)은 일체형으로 형성된다. 다만, 여기서 상기 캔(210)의 형성 방법을 한정하는 것은 아니다.
상기 캡조립체(230)는 캡플레이트(240)와 절연플레이트(260)와 터미널플레이트(270) 및 전극단자(235)를 포함하여 구성된다. 상기 캡조립체(230)는 별도의 절연케이스(280)와 결합되어 캔(210)의 상단개구부에 결합되어 캔(210)을 밀봉하게 된다.
상기 캡플레이트(240)는, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 캔(210)의 상단개구부에 용접되어 상기 캔(210)을 밀봉한다. 상기 캡플레이트(240)는 단자통공1(241)과 전해액주입구(242)와 안전밴트용 홀(243)을 포함하여 형성된다. 또한, 상기 안전밴트용 홀(243)는 밀폐부재(244)에 의해 밀폐된다.
상기 단자통공1(241)은 상기 캡플레이트(240)의 대략 중앙에 형성되며, 개스킷튜브(246)에 의해 절연된 전극단자(235)가 삽입된다.
상기 전해액주입구(242)는 상기 캡플레이트(240)의 일측에 형성되며, 금속재질의 볼(245)로 압입, 용접된다. 상기 전해액주입구(242)의 상단은 리튬 이차전지(200)의 상부 방향을 향하도록 형성되며, 상기 전해액주입구(242)의 하단은 리튬 이차전지(200)의 캔(210) 내부, 즉 전극조립체(220)를 향하도록 형성된다. 또한, 상기 전해액주입구(242)는 볼(245)에 의해 밀폐된 후, 밀폐도를 보다 향상시키기 위해 광경화성 수지가 도포될 수도 있다.
상기 안전밴트용 홀(243)은, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 캡플레이트(240)의 타측에 형성된다. 상기 안전밴트용 홀(243)의 상부는 리튬 이차전지(200)의 상부 방향을 향하도록 형성되며, 상기 밀폐부재(244)에 의해 밀폐된다. 한편, 상기 리튬 이차전지(200)가 상부에 보호회로기판을 포함한 핫멜팅부가 형성되는 이 너팩(inner pack) 방식으로 제조되는 경우 상기 밀폐부재(244)의 상부에는 핫멜팅부(도면 미도시)가 위치하게 된다. 또한, 상기 안전밴트용 홀(243)의 하부는 리튬 이차전지(200)의 내부, 즉 전극조립체(220) 방향을 향하도록 형성된다. 상기 안전밴트용 홀(243)은 평면 형상이 사각형상, 원형상, 타원형상, 다각형상 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 다만, 여기서 상기 안전밴트용 홀(243)의 평면 형상을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 안전밴트용 홀(243)은 수직 단면 형상이 Y자 형상 또는 11자 형상으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 11자 형상으로 형성된다. 이 때, 상기 안전밴트용 홀(243)의 내주면은 상기 캡플레이트(240)의 상면 및 하면과 대략 수직을 이루도록 형성된다. 상기 안전밴트용 홀(243)은 전지 내부에 발생한 가스를 외부로 배출하는 통로 역할을 하게 된다.
상기 밀폐부재(244)는 상기 안전밴트용 홀(243)의 상부를 덮도록 형성되어, 상기 안전밴트용 홀(243)을 밀폐시키게 된다. 상기 밀폐부재(244)는 접착제 등의 접착수단을 사용하여 안전밴트용 홀(243)의 상부에 부착된다. 상기 밀폐부재(244)는 소정의 두께를 갖는 판상으로 형성되며, 평면 형상이 사각 형상, 원형상, 타원형상, 다각형상 중 어느 하나로 이루어진다. 상기 밀폐부재(244)는 상기 안전밴트용 홀(243)의 평면 형상에 대응되는 형상으로 형성되는 것이 바람직하나, 상기 안전밴트용 홀(243)의 평면 형상과 무관하게 형성될 수도 있음은 물론이다. 즉, 상기 안전밴트용 홀(243)의 평면 형상이 원형상으로 형성되고, 상기 밀폐부재(244)의 평면 형상은 사각 형상으로 형성될 수도 있다. 다만, 여기서 상기 밀폐부재(244)의 평면 형상을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 밀폐부재(244)는 전지 내부로 수분 이 유입되지 않도록 어느 정도의 밀폐도를 확보할 수 있으며, 한편 화성충방전 공정 이후에 가스방출기구(250)의 주사바늘부(252)로 관통될 수 있을 정도의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 밀폐부재(244)는 열융착에 의해 경화되는 플라스틱 재질 또는 합성고무 재질로 형성된다. 한편, 상기 밀폐부재(244)는 상온에서는 주사바늘부(252)에 의해 관통될 수 있을 정도의 연성을 가져야 한다. 상기 플라스틱에는 제 1차수지(primary resin), 열가소성 수지 등이 포함될 수 있으며, 상기 합성고무에는 에틸렌프로필렌 고무(Ethylene Propylene Monomer:EPM), 에틸렌프로필렌디엔 고무(Ethylene Propylene Diene Monomer:EPDM) 등이 포함될 수 있다. 또한, 상기 제 1차수지에는 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 에폭시수지 등이 포함될 수 있다. 다만, 여기서 상기 밀폐부재(244)의 재질을 한정하는 것은 아니며, 열융착에 의해 경화되는 재질이면 예시된 재질 이외에도 사용될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 밀폐부재(244)의 재질이 선택되는 기준은 주사바늘부(252)의 강도와 직경 및 밀폐부재(244)의 두께에 따라 정해질 수 있다.
또한, 상기 밀폐부재(244)는 상기 안전밴트용 홀(243)의 상부를 덮을 수 있는 크기로 형성된다. 상기 밀폐부재(244)는 안전밴트용 홀(243)을 밀폐하여 전해액의 누출을 방지하고, 또한 외부로부터 수분 등의 이물질이 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 또한, 상기 밀폐부재(244)는 화성충방전 공정 이후에 전지 내부에 발생한 가스를 배출하여 전지의 두께를 줄이는 역할도 하게 된다. 가스방출 이후에는 상기 밀폐부재(244)는 열융착수단에 의해 경화되어 안전밴트의 역할을 하게 된다.
상기 절연플레이트(260)는 가스켓과 같은 절연물질로 형성되며, 캡플레이트 (240)의 하면에 결합된다. 상기 절연플레이트(260)에는 상기 캡플레이트(240)의 단자통공1(241)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(235)가 삽입되는 단자통공2가 형성되어 있다. 상기 절연플레이트(260)의 하면에는 상기 터미널플레이트(270)가 안착되도록 터미널플레이트(270)의 크기에 상응하는 안착홈이 형성된다.
상기 터미널플레이트(270)는 일반적으로 Ni합금으로 형성되며, 상기 절연플레이트(260)의 하면에 장착된다. 상기 터미널플레이트(270)에는 캡플레이트(240)의 단자통공1(241)에 대응되는 위치에 상기 전극단자(235)가 삽입되는 단자통공3이 형성되어 있으며, 상기 전극단자(235)가 상기 개스킷튜브(246)에 의하여 절연되면서 캡플레이트(240)의 단자통공1(241)을 통하여 결합되므로 상기 터미널플레이트(270)는 상기 캡플레이트(240)와 전기적으로 절연되면서 상기 전극단자(235)와 전기적으로 연결된다.
상기 터미널플레이트(270)의 일측에는 상기 음극판(225)에 결합된 음극탭(227)이 용접되며, 캡플레이트(240)의 타측에는 상기 양극판(223)에 결합된 양극탭(226)이 용접된다. 상기 음극탭(227)과 양극탭(226)을 결합시키는 용접방법으로는 저항용접, 레이저 용접 등이 사용되며 일반적으로는 저항용접이 사용된다.
상기 전극단자(235)는 상기 음극판(225)의 음극탭(227) 또는 상기 양극판(223)의 양극탭(226)에 연결되어 음극단자 또는 양극단자로 작용하게 된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 가스방출기구에 대하여 설명한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스방출기구의 사시도를 나타내며, 도 4b는 도 4a의 정면도를 나타내며, 도 4c는 도 4b의 B-B 단면도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지용 가스방출기구(250)는, 도 4a를 참조하면, 주사바늘부(252)와 지지부(254)를 포함하여 형성된다. 상기 가스방출기구(250)는 에이징 및 화성충방전시 전지 내부에 발생한 다량의 가스를 배출시켜 전지의 두께를 줄이고, 성능을 향상시킬 수 있도록 한다.
상기 주사바늘부(252)는 내부에 가스방출로가 형성된 얇은 관 형상으로 형성된다. 상기 주사바늘부(252)의 일측 단부는 소정의 경사를 갖도록 날카롭게 커팅되어 있으며, 타측 단부는 외주면과 대략 수직을 이루도록 커팅된다. 상기 주사바늘부(252)의 일측 단부는 상기 밀폐부재(244)를 관통하기 위해 날카롭게 형성되어 있다. 상기 주사바늘부(252)는 내부가 비어 있으며 일측 단부가 경사를 갖도록 커팅된 대략 길고 가는 원기둥 형상으로 형성된다. 상기 주사바늘부(252)의 일측 단부는 상기 지지부(254)의 일측 단부(하면)보다 소정 길이만큼 연장되어 돌출되며, 상기 주사바늘부(252)의 타측 단부도 마찬가지로 상기 지지부(254)의 타측 단부(상면)보다 소정 길이만큼 돌출되어 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 주사바늘부(252)의 타측 단부는 상기 지지부(254)의 타측 단부, 즉 상면과 동일 평면을 이루도록 형성되더라도 무관하다. 상기 주사바늘부(252)의 일측 단부가 지지부(254)의 일측 단부보다 돌출된 부분의 길이는 상기 캡플레이트(240)의 두께보다 길도록 형성되며, 한편 상기 주사바늘부(252)의 일측 단부가 전극조립체(220)에 닿지 않도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 주사바늘부(252)의 일측 단부가 전극조립체 (220)에 닿게 되면 쇼트가 발생할 수 있다는 문제가 있다. 또한, 상기 주사바늘부(252)는 밀폐수단(244)을 뚫을 수 있을 정도의 강도를 가지는 금속 재질로 형성된다. 이 때, 상기 주사바늘부(252)의 일측 단부는 강도를 향상시키기 위해 담금질(quenching)과 같은 열처리가 행해질 수도 있다. 상기 주사바늘부(252)는 전지 내부에 발생한 가스를 외부로 방출시키는 통로 역할을 하게 된다.
상기 지지부(254)는 상기 주사바늘부(252)의 외주면 일부 영역을 감싸도록 형성된다. 상기 지지부(254)는 하단이 개구된 캔 형상으로 형성된다. 또한, 상기 지지부(254)는 원통 형상, 타원통 형상, 사각박스 형상 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 다만 여기서 상기 지지부(254)의 형상을 한정하는 것은 아니다. 상기 지지부(254)는, 도 5a를 참조하면, 상기 밀폐부재(244)을 덮을 수 있도록 상면과 하면의 면적이 밀폐부재(244)보다 크도록 형성된다. 따라서, 상기 지지부(254)의 하면은 밀폐부재(244)의 외각에 위치하는 캡플레이트(240)의 상면에 닿게 된다. 상기 지지부(254)는 플라스틱 또는 금속재질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 금속 재질로 형성된다. 상기 지지부(254)가 금속재질로 형성되는 경우 주사바늘부(252)와 용접 등의 방식으로 부착될 수 있다. 상기 지지부(254)는 주사바늘부(252)를 고정시켜 밀폐부재(244)의 관통이 보다 용이하게 이루어질 수 있도록 함으로써 가스방출이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다. 이와 더불어, 상기 지지부(254)는 주사바늘부(252)와 밀폐부재(244)가 접촉하는 영역을 둘러싸도록 형성됨으로써, 가스방출공정 동안 수분 등 이물질이 전지 내부로 침투할 수 없도록 한다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 제조방법에 대해서 설명한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 제조과정 중 가스방출단계를 도시한 수직 단면도를 나타내며, 도 5b는 열융착단계를 도시한 수직 단면도를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)의 제조방법은 전극조립체(220) 를 형성하는 전극조립체(220) 형성단계, 캡플레이트(240)에 안전밴트용 홀(243)을 형성하는 안전밴트용 홀(243) 형성단계, 상기 안전밴트용 홀(243)을 열융착에 의해 경화되는 밀폐부재(244)로 밀폐하는 밀폐단계, 캔(210)의 상단개구부로 상기 전극조립체(220)를 삽입하는 전극조립체(220) 삽입단계, 캡조립체(230)로 상기 상단개구를 밀봉하는 캔(210) 밀봉단계, 상기 전해액주입구(242)에 전해액을 주입하는 전해액 주입단계, 상기 전해액주입구(242)를 볼 등으로 압입하는 볼 압입 및 용접단계, 에이징과 초기 충방전을 시행하는 화성충방전 단계, 전지 내부에 발생한 가스를 방출하는 가스방출단계 및 밀폐부재(244)를 열융착시키는 열융착단계를 포함하여 이루어진다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)의 제조방법에서 상기 밀폐단계는 접착제를 이용하여 이루어질 수 있다. 상기 전극조립체(220) 형성단계, 전극조립체(220) 삽입단계, 캔(210) 밀봉단계, 전해액 주입단계 및 볼 압입 및 용접단계는 일반적인 리튬 이차전지 제조방법과 유사하므로, 상세한 설명은 생략한다.
상기 안전밴트용 홀(243) 형성단계는 캡플레이트(240)의 일측에 안전밴트용 홀(243)을 형성하는 단계이다. 상기 안전밴트용 홀(243) 형성단계는 캡플레이트(240)를 제조한 후 이루어지며, 프레스에 의한 펀칭 방식으로 이루어질 수 있다. 다만, 여기서 상기 안전밴트용 홀(243) 형성단계가 이루어지는 방식을 한정하는 것은 아니다.
상기 밀폐단계는 상기 안전밴트용 홀(243)을 열융착에 의해 경화되는 밀착부재(244)로 밀폐하는 단계이다. 상기 밀폐단계는 상기 밀착부재(244)를 안전밴트용 홀(243)의 상부에 부착하는 방식으로 이루어질 수 있으며, 다만 여기서 상기 밀폐단계가 이루어지는 방식을 한정하는 것은 아니다. 상기 밀폐단계에 의해 밀착부재(244)가 부착되면 이후에 전해액이 주입된 후 전해액이 외부로 누출되지 않으며, 수분 등 이물질이 전지 내부로 유입되지 않게 된다.
상기 화성충방전 단계는 에이징과 초기 충방전을 시행하는 단계이다. 화성 공정은 일반적으로 조립이 완료된 전지에 대해 충전, 에이징, 방전 등 일련의 공정을 통해 전지 구조를 안정화시켜 활성화시키기 위해 이루어진다. 또한, 화성 공정은 에이징 중에 OCV와 방전용량을 측정하여 불량전지를 선별하기 위해 이루어진다.
상기 가스방출단계는, 도 5a를 참조하면, 주사바늘부(252)를 구비하는 가스방출기구(250)로 밀폐부재(244)를 찔러 전지 내부에 발생한 가스를 외부로 방출하는 단계이다. 상기 화성충방전 단계에서는 극판의 스웰링 현상과 다량의 가스 발생 현상이 나타나게 된다. 이 때, 전지 내부에 발생한 가스가 외부로 배출되지 않으면 전지의 두께가 두꺼워질 뿐만 아니라, 전지의 성능도 저하되는 결과를 초래하게 된다. 따라서, 상기 가스방출단계에서는 가스방출기구(250)의 주사바늘부(252)를 밀 폐부재(244)의 상부에 위치시킨 후, 하부 방향으로 압력을 가해 밀폐부재(244)를 관통시키게 된다. 이 때, 지지부(254)는 밀폐부재(244)의 상부에 위치하게 되고, 주사바늘부(252)가 전지 내부로 삽입되는 깊이를 조절해 준다. 상기 가스방출단계는 전지 내부에 발생한 가스가 외부로 충분히 배출될 수 있도록 일정 기간동안 이루어지게 된다.
상기 열융착단계는, 도 5b를 참조하면, 상기 밀폐부재(244)를 열융착에 의해 경화시키는 단계이다. 상기 밀폐부재(244)는 가스방출단계를 거치고 나면 주사바늘자국이 형성되어 밀폐가 되지 않을 뿐만 아니라, 수분 등 이물질이 전지 내부로 침투하게 될 위험이 있다. 따라서, 상기 밀폐부재(244)는 열융착단계에 의해 주사바늘자국이 메꾸어지게 된다. 상기 열융착단계는 가열기구(H)를 이용하여 이루어지며, 밀폐부재(244)의 상면에 가열기구(H)로 소정의 압력을 가하게 된다. 상기 밀폐부재(244)는 열융착에 의해 경화되는 성질을 갖는 플라스틱 재질 또는 합성고무 재질로 이루어져 있으므로, 상기 열융착단계를 통해 안전밴트 역할을 할 수 있도록 충분히 경화가 이루어지게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지 및 그 제조방법과 가스방출기구에 의하면, 가스방출기구로 전지 내부에 발생한 가스를 배출할 수 있어 전지의 두께가 두꺼워지는 것을 방지하고, 전지의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이차전지 및 제조방법에 의하면 플라스틱 재질 또는 합성고무 재질의 밀폐수단을 경화시켜 안전밴트 역할을 하게 함으로써, 캡플레이트를 적절한 두께로 프레스하여 안전밴트를 형성하는 별도의 노력을 할 필요가 없다는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 캡플레이트를 포함하며 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체를 구비하는 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 캡플레이트에는 안전밴트용 홀이 형성되며, 상기 안전밴트용 홀은 열융착에 의해 경화되는 플라스틱 재질 또는 합성고무 재질의 밀폐부재로 밀폐되고,
    상기 밀폐부재는 소정의 두께를 갖는 판상으로 형성되며, 상기 밀폐부재는 평면 형상이 사각형상, 원형상, 타원형상, 다각형상 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 밀폐부재는 상기 안전밴트용 홀을 덮을 수 있는 크기로 상기 안전밴트용 홀의 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 안전밴트용 홀은 상기 캡플레이트의 일측에 형성되며, 평면 형상이 사각형상, 원형상, 타원형상, 다각형상 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 밀폐부재는 제 1차수지(primary resin), 열가소성 수지, 합성고무 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1차수지는 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 에폭시수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 합성고무는 에틸렌프로필렌 고무(Ethylene Propylene Monomer:EPM), 에틸렌프로필렌디엔 고무(Ethylene Propylene Diene Monomer:EPDM)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 캡플레이트의 일측에 안전밴트용 홀을 형성하는 안전밴트용 홀 형성단계;
    상기 안전밴트용 홀을 열융착에 의해 경화되는 밀폐부재로 밀폐하는 밀폐단계;
    에이징과 초기 충방전을 시행하는 화성충방전단계;
    주사바늘부를 구비하는 가스방출기구로 상기 밀폐부재를 찔러 전지 내부에 발생한 가스를 방출하는 가스방출단계; 및
    상기 밀폐부재를 열융착에 의해 경화시키는 열융착단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 밀폐단계는 접착제를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 제조방법.
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