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KR100599803B1 - 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 집전판 - Google Patents

이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 집전판 Download PDF

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KR100599803B1
KR100599803B1 KR1020040077053A KR20040077053A KR100599803B1 KR 100599803 B1 KR100599803 B1 KR 100599803B1 KR 1020040077053 A KR1020040077053 A KR 1020040077053A KR 20040077053 A KR20040077053 A KR 20040077053A KR 100599803 B1 KR100599803 B1 KR 100599803B1
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current collector
secondary battery
collector plate
electrode
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유석윤
김용삼
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 강성을 높여 조립과정에서 그 형태의 변형을 방지할 수 있도록, 세퍼레이터와, 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 전극군과 전기적으로 연결되어 외부 단자로 전류를 리드하고 전면에 외측으로 돌출되는 파지부가 형성된 집전판을 포함하는 이차 전지를 제공한다.
집전판, 파지부, 돌출, 접촉부

Description

이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 집전판{SECONDARY BATTERY, ELECTRODES ASSEMBLY AND PLATE USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 절개 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 양극 집전판을 상세히 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 음극 집전판을 상세히 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 이차 전지의 양극 집전판이 지그에 의해 파지된 상태를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 이차 전지의 음극 집전판이 지그에 의해 파지된 상태를 도시한 개략적인 단면도이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 집전판의 구조를 개선한 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 집전판에 관한 것이다.
이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀을 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감은 전극군(또는 젤리롤)을 케이스에 내장 설치하고, 상기 케이스에 외부 단자가 형성된 캡 조립체를 설치하여 전지를 구성한다.
그리고, 상기 양, 음극판에는 전지 작용시 발생되는 전류를 집전하기 위한 역할로서 도전성 리드 단자가 각기 부착되고, 이 도전성 리드 단자는 각기 양, 음극판에서 발생된 전류를 양, 음극 단자로 유도하게 된다.
그런데 상기 전극군과 외부 단자를 연결하는 리드 단자가 하나로 구비될 때에는 전극 조립체의 각 부위로부터 발생된 전압의 인출이 용이하지 않으며, 전극군과 리드 단자가 용접된 영역과 이로부터 멀어지는 영역의 사이에 전위차의 발생을 야기시킨다. 이러한 전위 차는 충방전이 계속됨에 따라 리드 단자와 용접되는 부위의 열화를 심화시키게 되고 결과적으로는 전지의 출력저하와 수명을 감소시킨다. 이와 같은 현상은 짧은 시간에 충방전이 반복되는 모터구동용 전지의 경우 더욱 심하게 나타난다.
따라서 고출력 이차 전지의 경우 복수의 리드 단자를 전극군에 부착하여 사 용하는 멀티탭 구조가 제안되었으며, 나아가서 미국특허 US6193765호의 경우 리드 단자 대신 판상의 플레이트를 리드 단자로 사용하는 이차 전지를 개시하고 있다.
그런데 상기한 종래 기술의 이차 전지의 경우 상기 집전판의 강도가 약하여 이차 전지 조립 과정에서 그 형태를 유지하기 어렵고 쉽게 파손되는 문제점이 있다.
즉, 종래기술에 따른 상기 집전판은 얇은 판 구조물로 이루어져 전극군과의 용접 시 변형의 우려가 높고, 더욱이 레이져 용접시 지그를 파지하기에 적절하지 않아 용접 위치를 정확히 맞추기 힘들었다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 강성을 높여 조립과정에서 그 형태의 변형을 방지할 수 있도록 된 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 집전판을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또다른 목적은 전극군과의 용접 위치를 정확히 맞추고 고정시킬 수 있도록 된 이차 전지와 이에 사용되는 전극 조립체 및 집전판을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 집전판의 전면을 외측으로 돌출시켜 파지부를 형성한 구조로 되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차 전지는,
세퍼레이터와 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 양극판 또는 음극판 중 적어도 하나의 극판에 전기적으로 연결되어 외부 단자로 전류를 리드하고 전면에 외측으로 돌출되는 파지부가 형성된 집전판을 포함한다.
이에 따라 집전판에 외측으로 절곡되어 돌출형성된 파지부가 보강재 역할을 하게 되어 판 구조물인 집전판에 강성을 부여할 수 있게 된다.
여기서 상기 집전판은 양극판에 용접부착되는 양극 집전판 또는/및 음극판에 용접부착되는 음극 집전판일 수 있다.
상기 양극판과 음극판은 집전체와 활물질이 코팅된 코팅부와, 코팅되지 않은 무지부로 이루어지는 데, 본 이차 전지의 경우 상기 무지부는 각 극판의 일측단을 따라 연속적으로 형성되며, 상기 양극판과 음극판에 대해 서로 대향하는 방향으로 배치되어 상기 각 극판의 무지부에 각각 집전판이 전기적으로 연결됨이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 케이스를 세워 캡 조립체가 상부를 향하였을 때 음극판의 무지부가 케이스 바닥 쪽으로 배치되고 양극판의 무지부가 상부로 배치되도록 하여 음극 집전판이 케이스 내측 바닥부에 위치하도록 한다.
또한, 상기 파지부는 집전판의 중앙에 형성됨이 바람직하다.
또한, 상기 파지부는 원형태로 이루어질 수 있으며, 사각형태나 다각형태의 파지부 또한 가능하며 특별히 그 형태에 한정되지 않는다.
또한, 상기 집전판이 양극용 집전판인 경우, 이 집전판의 중앙에는 구멍이 형성되며 상기 파지부는 상기 구멍의 가장자리를 따라 외측으로 돌출되는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 집전판이 음극용 집전판인 경우, 상기 파지부는 집전판의 중앙에 홈 형태로 돌출형성된 구조로 되어 있다.
여기서 상기 이차 전지는 원통형으로 이루어질 수 있다.
여기서 상기 이차 전지는 HEV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다
한편, 본 발명에 따른 전극 조립체는,
양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 감겨져 형성된 전극군과, 상기 양극판 또는 음극판의 길이방향을 따라 일측 단부에 형성되는 활물질이 도포되지 않은 영역인 무지부, 상기 무지부에 부착되고 전면에는 외측으로 파지부가 돌출 형성된 집전판을 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 제공하는 이차전지용 집전판은,
판상으로 이루어진 플레이트, 상기 플레이트에 외측으로 돌출 형성되는 파지부를 포함한다.
또한, 상기 집전판은 상기 플레이트에서 돌기져 형성되어 무지부에 부착되는 접촉부를 더욱 포함할 수 있다.
상기에서 접촉부는 상기 본체에 임의의 패턴을 가지고 형성되는 적어도 1의 홈으로 구성될 수 있으며, 이러한 홈은 상기 집전판에 방사상, 바람직하게는 십자 상으로 배치되어 형성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 절개 단면도이다.
상기한 도면을 참조하여 먼저 이차 전지를 살펴보면, 본 이차 전지는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)을 사이에 두고 위치하는 전극군과(10)와, 전해액과 함께 전극군을 수용할 수 있도록 일측 선단이 개방된 케이스(20)와, 가스켓(31)을 매개로 상기 케이스(20)의 개구부 상단에 설치되고 케이스(20)를 밀봉하는 캡 조립체(30)를 포함한다.
그리고 상기 전극군(10)의 양극판(11) 집전체와 전기적으로 연결되는 양극 집전판(40)과, 상기 전극군의 음극판(12)에 전기적으로 연결되는 음극 집전판(50)을 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 케이스(20)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(10)이 위치하는 내부 공간부를 가진 원통형으로 이루어진다.
여기서 본 실시예에서는 원통형 이차 전지를 예로서 설명하나, 본 발명은 이에 한정된 것은 아니며 원통형 이외에 각형이나 그 이외의 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 전극군(10)은 각각의 활물질이 집전체에 코팅되어 구성된 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)을 사이에 두고 적층된 구성으로 이루어지거나, 양극 판(11)과 세퍼레이터(13) 및 음극판(12)이 적층된 상태에서 이들이 와류상으로 감겨 형성된 젤리롤 타입으로 이루어질 수 있다. 도 1에서는 원통형 케이스(20)에 원형의 젤리롤 타입으로 감긴 전극군(10)이 위치하는 구조를 예시하고 있다.
상기와 같이 구성된 전극군(10)은 양극판(11)과 음극판(12)에 전기적으로 연결되는 각 집전판(40,50)을 포함하여 하나의 전극 조립체를 이루게 되는 데, 이를 위해 상기 음극판(12)의 하단에 음극판(12)의 집전체에 활물질이 도포되지 않은 무지부(12a)가 길이방향을 따라 형성되어 음극 집전판(50)과 접촉하며, 양극판(11)의 상부에는 집전체 가장자리에 양극 활물질이 도포되지 않은 무지부(11a)가 배치되어 양극 집전판(40)과 전기적으로 연결된다.
상기 캡 조립체(30)는 케이스(20)와 결합되어 케이스를 밀폐하는 것으로, 외부 단자(32a)를 갖는 캡 플레이트(32)와, 케이스(20)와 캡 플레이트(32)를 절연시키는 가스켓(31)을 포함하며, 설정된 압력 조건에서 파손되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 밴트 플레이트(33)를 더욱 포함할 수 있고, 상기 밴트 플레이트(33)는 리드(35)를 매개로 양극 집전판(40)과 전기적으로 연결된다.
한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 양극 집전판을 상세히 도시한 사시도로서, 이 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 상기 양극 집전판(40)을 살펴보면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 양극 집전판(40)은 원판형태의 플레이트(41)로 이루어지며, 플레이트(41)의 중앙부에는 구멍(44)이 형성되며 이 구멍 가장자리를 따라 외측으로 즉, 무지부(도 1에서 11a)와의 용접면 반대쪽으로 파지부(43)가 일체로 돌출 형성된다.
그리고 상기 플레이트(41)에는 파지부(43)를 중심으로 방사방향으로 배치되는 적어도 1개의 접촉부(42)가 양극판의 무지부(11a)를 향하여 돌출 형성된다.
본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 4개의 접촉부(42)가 구비되어 파지부(43)를 중심으로 90도 각도로 배열된 구조로 되어 있다.
상기 접촉부(42)는 슬롯(slot) 형태로 가공될 수 있으며, 상기 파지부(43)와 더불어 집전판(40) 전면을 엠보싱 가공하여 형성될 수 있고, 도시한 바와 같이 네 개의 접촉부(42)가 구멍(44)을 중심으로 십자상으로 배치되는 구조를 취할 수 있다.
여기서 상기 파지부(43)의 형성 높이는 캡 조립체(30)와 간섭되지 않는 정도면 특별히 한정되지 않으며, 그 형태에 있어서도 원형구조 이외에 다각형태 등 다양한 형태를 가지고 형성될 수 있다.
이에 따라 파지부(43)가 보강부재 역할을 하게 되어 집전판을 이루는 플레이트(41)의 강성을 높이게 된다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음극 집전판을 도시한 사시도로, 상기 도면을 참조하여 음극 집전판(50)에 대해 살펴보면 다음과 같다.
상기 음극 집전판(50)은 원판형태의 플레이트(51)로 이루어지며, 플레이트(51)의 중앙부에는 홈 형태의 파지부(53)가 무지부(도 1에서 12a)와의 용접면 반대쪽으로 돌출 형성된다.
그리고 상기 플레이트(51)에는 파지부(53)를 중심으로 방사방향으로 배치되 는 적어도 1개의 접촉부(52)가 음극판의 무지부(12a)를 향하여 돌출 형성된다.
상기 파지부(53)는 언급한 바와 같이 접촉부(52)와 더불어 집전판의 플레이트(51) 전면을 엠보싱 가공하여 형성될 수 있고, 도시한 바와 같이 네 개의 접촉부(52)가 파지부(53)를 중심으로 십자상으로 배치되는 구조를 취할 수 있다.
여기서 상기 파지부의 형성 높이는 특별히 한정되지 않는다.
그리고 상기 음극 집전판(50)의 경우 파지부(53)에 구멍이 형성되지 않은 홈 형태로 케이스(20)의 바닥면에 밀착되어 케이스와 레이저 용접되며, 상기 파지부(53)와는 반대쪽으로 돌출된 접촉부(52)는 음극판의 무지부(12a)에 접하여, 접촉부(52)를 따라 레이저 용접시킴으로써 무지부(12a)와 전기적으로 연결 부착된다.
이하, 상기한 구조를 갖는 이차 전지의 작용에 대해 도 4와 도 5를 참조하여 설명한다.
전극군(10)은 양단 무지부(11a,12a)에 양극집전판(40)과 음극집전판(50)을 부착하여 하나의 전극 조립체를 이루게 된다.
여기서 음극집전판의 부착에 대해 살펴보면, 전극군(10)의 음극판 무지부(12a)에 음극 집전판(50)의 접촉부(52)를 접한 상태에서 레이저 용접을 통해 음극 집전판의 접촉부(52)를 무지부에 고정시키게 된다.
이때 도 5에 도시된 바와 같이 상기 음극 집전판(50)은 전극군(10)과의 용접과정에서 유동이 발생되지 않도록 별도의 지그(60)에 의해 용접위치에서 고정되는 데, 상기 지그(60)는 집전판(50) 외측으로 돌출되는 파지부(53)의 형태와 대응되도록 내측으로 홈(61)이 형성됨으로써 파지부(53)를 매개로 집전판을 용이하게 파지 할 수 있게 된다.
이에 따라 지그를 통한 집전판(50)의 고정이 용이하고 확실하게 이루어져 집전판(50)의 흔들림을 확실히 방지할 수 있게 된다.
이와같이 전극군에 음극 집전판이 용접부착되면 상기한 전극 조립체는 케이스(20)의 개구부를 통해 상기 음극 집전판(50)이 케이스(20)의 내측 저면을 향하도록 하여 삽입시키고 음극 집전판(50)의 플레이트(51)에 돌출 형성된 파지부(53)가 케이스(20) 바닥면에 밀착된 상태에서 파지부(53)와 케이스(20)를 용접으로 고정시킨다.
한편, 상기 케이스(20) 내부로 상기 전극군(10)이 삽입된 상태에서 양극 집전판(40)을 상기 전극군(10)의 상면에 올려놓고, 상기 집전판(40)을 상기 전극군의 양극판의 무지부(11a)에 전기적으로 연결시킨다. 이때, 이의 연결은 상기 양극판의 무지부(11a)와 맞닿아 접촉된 상기 집전판(40)의 접촉부(42)가 레이저 용접을 통해 상기 무지부(11a)에 고정됨으로써 이루어진다.
여기서 도 4에 도시된 바와 같이 상기 양극 집전판(40)도 마찬가지로 용접시 별도의 지그(60)가 상기 양극 집전판(40)을 파지하여 용접 위치를 고정시키게 되는 데, 상기 지그(60) 또한 집전판(40) 외측으로 돌출되는 파지부(42)의 형태와 대응되도록 내측으로 홈(61)이 형성되어 파지부(43)를 매개로 집전판(40)을 용이하게 파지할 수 있게 된다.
이에 따라 지그(60)를 통한 집전판(40)의 고정이 용이하고 확실하게 이루어져 집전판(40)의 흔들림을 확실하게 방지할 수 있고 따라서 용접 불량 발생을 방지 할 수 있게 되는 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 집전판을 이루는 플레이트의 강성을 확보할 수 있게되어 전극군에 대한 집전판의 조립 과정에서 변형을 방지할 수 있게 된다.
또한, 플레이트 외측으로 파지부를 돌출형성시킴으로써 지그를 통한 집전판의 파지가 용이하고 확실하게 이루어져 용접불량을 방지하고 전지의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

Claims (14)

  1. 양극판, 음극판 및 이 양,음극판 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군;
    상기 전극군이 내장되는 케이스;
    상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체; 및
    상기 전극군과 전기적으로 연결되어 외부 단자로 전류를 리드하고 전면에 외측으로 돌출되는 파지부가 형성된 집전판을 포함하고,
    상기 파지부는 상기 집전판이 갖는 전극군과의 부착면에 대해 반대방향으로 돌출 형성된 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 집전판은 상기 양극판에 연결되는 양극 집전판인 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 파지부는 상기 집전판의 일부에 형성된 구멍의 가장자리로부터 돌출 형성되는 이차 전지.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 집전판은 상기 음극판에 연결되는 음극 집전판인 이 차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 파지부는 상기 집전판의 일부에 홈형태로 돌출 형성되는 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 파지부는 상기 집전판이 갖는 전극군과의 부착면에 대해 반대방향으로 돌출 형성되는 이차 전지.
  8. 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 파지부는 원형태 또는 다각형태로 이루어진 이차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 원통형인 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 이차 전지는 모터 구동용인 이차 전지.
  11. 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 감겨져 형성된 전극군과;
    상기 양극판 또는 음극판의 길이방향을 따라 일측 단부에 형성되는 활물질이 도포되지 않은 영역인 무지부;
    상기 양극판 또는 음극판 중 적어도 하나의 극판의 무지부에 부착되고 전면에 전극군과의 부착면에 대해 반대방향으로 돌출되는 파지부가 형성된 집전판
    을 포함하는 이차 전지의 전극 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 집전판은 중앙에 형성된 구멍의 가장자리를 따라 파지부가 돌출 형성되어 양극판의 무지부에 부착되는 이차 전지의 전극 조립체.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 집전판은 중앙에 파지부가 홈형태로 돌출 형성되어 음극판의 무지부에 부착되는 이차 전지의 전극 조립체.
  14. 판상으로 이루어진 플레이트;
    상기 플레이트 전면에 이차 전지의 전극 조립체의 전극군과의 부착면에 대해 반대방향으로 돌출 형성되는 파지부
    를 포함하는 이차전지의 집전판.
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