KR101230994B1 - 중대형 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중대형 배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중대형 배터리의 캔 구조 및 내부 양/음극 연결 방식을 개선함으로 체적 에너지 밀도를 향상시키고 단전지의 대용량화가 유리한 구조를 갖는 중대형 배터리에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 양 측면에 개구부가 형성되는 캔; 양극 집전체, 분리막, 음극 집전체가 차례로 적층 된 채로 권취되어 형성되며 상기 캔 내부에 수용되는 전극 젤리롤; 상기 전극 젤리롤 양측의 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 결합되는 리드탭; 및 상기 캔의 양 측면에 결합하며, 상기 리드탭과 전기적 연결을 수행하는 측면 캡 어셈블리; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 배터리를 제공한다.

Description

중대형 배터리{Large-sized Battery}
본 발명은 중대형 배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중대형 배터리의 캔 구조 및 내부 양/음극 연결 방식을 개선함으로 체적 에너지 밀도를 향상시키고 단전지의 대용량화가 유리한 구조를 갖는 중대형 배터리에 관한 것이다.
배터리는 내부에 들어있는 화학물질의 전기화학적 산화-환원 반응시 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 산업 분야 전반에 걸쳐 사용되고 있다. 특히, 전기 자동차 등에 사용되는 중대형 배터리는 고출력의 높은 전류량을 갖는 배터리로서, 에너지 밀도의 향상을 위한 개발이 꾸준히 이루어지고 있다.
도 7은 종래의 중대형 배터리의 구조 및 이의 제작 과정을 나타내고 있다. 도 7을 참조로 종래의 중대형 배터리의 제작 과정을 살펴보면, 먼저 양극 집전체(10), 분리막(미도시) 및 음극 집전체(12)를 순차적으로 적층 한 후(도 7(a)), 롤 형태로 권취하여 전극 젤리롤(jelly-roll, 20)을 제작한다(도 7(b)). 이때, 상기 양극 집전체(10)와 음극 집전체(12)는 소정 간격 어긋나게 적층하여 권취함으로, 상기 젤리롤(20)의 양측으로 각각 양극 및 음극 집전체(10, 12)의 단부가 돌출되도록 할 수 있다.
다음으로, 상기 젤리롤(20)의 양측에 돌출되는 양극 및 음극 집전체(10, 12)의 단부와 리드탭 기구물(22a, 22b)을 용접하고(도 7(c)), 상기 용접물을 상부가 개방된 형태의 캔(배터리 케이스, 30) 내에 삽입한다(도 7(d)). 마지막으로 상부 캡 어셈블리(미도시)를 조립하고 상기 캔(30)과 상부 캡 어셈블리 간의 접합 부위를 용접함으로 중대형 배터리의 제작이 완료된다.
한편, 종래의 중대형 배터리에 있어서 사용되는 캔(30)은 도 2에 도시된 바와 같이 상부가 개방된 각형의 구조를 가진 것으로서, 딥 드로잉 공정을 적용하여 연질의 알루미늄을 성형하는 방식이 사용되었다. 즉, 연질의 알루미늄(1)을 재료로 하여 수십 차례의 유압 프레스(2) 공정을 적용하였으며, 이에 따라 상부가 개방된 형태의 캔(30)이 제작될 수 있었다.
그러나 이러한 종래의 중대형 배터리 구조는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째로, 종래의 중대형 배터리에 사용되는 상부 개방형 캔은 딥 드로잉 공정에 의해 제작되기 때문에 연질의 알루미늄을 재료로 사용해야 하였으며, 이에 따라 캔의 강성이 약해지는 문제가 있었다. 캔의 강성을 확보하기 위해서는 캔 바닥부 및 측면의 두께가 두꺼워져야 하는데, 이는 캔 중량의 증가로 이어져 배터리의 중량 대비 에너지 밀도가 저하되는 단점이 있었다. 특히, 배터리 셀의 전기용량이 증가할 경우 캔의 크기 역시 증가하게 되는데, 이때 제작 불량률을 감소하고 캔의 강성을 확보하기 위해서는 캔 바닥 및 측면의 두께가 더욱 증가할 필요가 있게 되어 대형 전지에 적용하기 어려웠다.
둘째로, 딥 드로잉 방식을 적용할 경우 수십 차례의 유압 프레스 공정이 필요하게 되어 공정비가 과다하게 소요되고, 제작 불량률이 높은 문제점이 있었다. 특히 모서리 부분에 발생할 수 있는 크랙 현상은 캔의 단가가 증가하는데 영향을 주었다.
셋째로, 종래의 중대형 배터리 구조에서는 젤리롤의 양측에 형성되는 리드탭이 차지하는 공간으로 인해 배터리의 체적이 커지게 되는 단점이 있었다. 즉, 도 1을 참조로 하면, 젤리롤 양측에 돌출되는 양극 및 음극 집전체 단부와 결합하는 리드탭이 캔 상부의 개방부로 돌출될 수 있도록 결합하여야 하는데, 이러한 구조는 젤리롤 양측에 상기 리드탭이 장착되기 위한 별도의 공간이 필요하게 되어 배터리의 체적 에너지 밀도가 감소하게 되었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 중대형 배터리의 캔 구조 및 내부 양/음극 연결 방식을 개선함으로 배터리의 부피를 감소함과 동시에 강성이 강한 금속 재료를 통한 캔 성형이 가능하도록 하는 중대형 배터리를 제공하기 위한 목적을 가지고 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 중대형 배터리는, 양 측면에 개구부가 형성되는 캔; 양극 집전체, 분리막, 음극 집전체가 차례로 적층 된 채로 권취되어 형성되며 상기 캔 내부에 수용되는 전극 젤리롤; 상기 전극 젤리롤 양측의 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 결합되는 리드탭; 및 상기 캔의 양 측면에 결합하며, 상기 리드탭과 전기적 연결을 수행하는 측면 캡 어셈블리; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 측면 캡 어셈블리는 상기 리드탭과 접촉하기 위한 접속부를 포함하는 도체 플레이트; 및 상기 캔과 도체 플레이트 사이에 적층 되며, 상기 접속부와 리드탭의 접촉이 이루어질 수 있도록 하는 홀이 형성되는 절연 플레이트; 로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도체 플레이트의 접속부는 상기 캔의 내부 방향으로 돌출 형성되며, 상기 절연 플레이트의 홀을 관통하여 리드탭과 접촉하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 캔의 양 측면과 상기 측면 캡 어셈블리 사이에는 고무 패드가 더 적층되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 리드탭은 형상의 변형이 가능한 유연한 리드탭인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 중대형 배터리에 의하면, 배터리 캔의 제작을 딥 드로잉 방식이 아닌 다이캐스팅 또는 인발 방식으로 제작 가능하게 되어, 강성이 강한 금속 재료를 사용하여 캔을 제작할 수 있게 된다. 이에 따라 캔의 벽면 두께를 얇게 가공할 수 있으며, 배터리의 강성을 확보함과 동시에 중량을 절감할 수 있다.
또한, 기존의 딥 드로잉 방식에 의한 캔 제조 방법에 비해 캔 제작 공법이 간단하여 공정비용을 절감할 수 있으며, 불량률을 낮출 수 있다.
또한, 젤리롤의 측부에 형성되는 리드탭이 캔의 측면에 결합 되는 캡 어셈블리와 직접 전기적인 연결을 이루게 되므로, 리드탭이 차지하는 부피를 획기적으로 줄이고 배터리 전체의 체적 에너지 밀도를 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중대형 배터리의 캔 및 측면 캡 어셈블리를 나타내는 구성도.
도 2는 상기 캡 어셈블리의 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중대형 배터리의 구조 및 제작 과정을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 캔과 측면 캡 어셈블리 사이에 고무 패드가 적층 되는 모습을 나타내는 도면.
도 5는 상기 고무 패드와 측면 캡 어셈블리의 적층 구조를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 중대형 배터리의 구조 및 제작 과정을 나타내는 도면.
도 7은 종래 기술에 따른 중대형 배터리의 구조 및 제작 과정을 나타내는 도면.
도 8은 종래 기술에 따른 중대형 배터리의 캔 제작 과정을 나타내는 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중대형 배터리의 구조 및 제작 과정을 나타내고 있다. 도 1은 본 발명에 따른 배터리의 캔(100) 및 측면 캡 어셈블리(120)를 나타내고 있으며, 도 2는 상기 측면 캡 어셈블리(120)의 구성을 나타내고 있다. 또한, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 캔(100), 전극 젤리롤(20) 및 측면 캡 어셈블리(120)의 조립이 이루어지는 모습을 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 배터리는 캔(100), 전극 젤리롤(20), 리드탭(140) 및 측면 캡 어셈블리(120)를 포함할 수 있다.
상기 캔(100)은 전극 젤리롤(20)이 수용되기 위한 공간을 형성하는 것으로서, 본 발명의 실시예에 따라 양 측면이 개방되도록 형성된다. 따라서 상기 캔(100)은 다이캐스팅 또는 인발 공법으로 제작 가능하며, 이에 따라 강성이 강한 금속을 사용하여 얇게 제작 가능하다. 즉, 본 발명의 실시예에 따라 상기 캔(100)은 알루미늄으로 제작될 수 있는데, 이때 마그네슘의 함유량이 높은 경질의 알루미늄을 사용하여 제작 가능하다. 또한, 상기 캔(100)은 철이나 스테인레스(SUS) 등의 재질로도 제작 가능하다.
상기 전극 젤리롤(20)은 양극 집전체(10), 분리막(미도시), 음극 집전체(12)가 차례로 적층 된 채로 권취되어 형성되는 것으로서, 일반적인 전극 젤리롤이 사용될 수 있으며 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 전극 젤리롤(20)의 양측에는 본 발명에 따른 리드탭(140a, 140b)이 결합할 수 있다. 상기 리드탭(140a, 140b)은 권취된 전극 젤리롤(20)에서 돌출되어 나오는 양극 집전체(10) 및 음극 집전체(12)의 단부에 각각 연결될 수 있으며, 용접을 통해 결합이 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 리드탭(140a, 140b)은 측면 캡 어셈블리(120)의 접속부(122)와 접촉하기 위한 것으로서, 바람직하게는 형상의 변형이 가능한 유연한 리드탭이 사용될 수 있다. 즉, 상기 리드탭(140a, 140b)은 연질의 재질로 제작되어 상기 측면 캡 어셈블리(120)가 캔(100)의 측면에 결합함에 따라 구부러진 형태로 상기 측면 캡 어셈블리(120)에 형성되는 접속부(122)에 접촉할 수 있게 된다.
한편, 상기 캔(100)의 양 측면에 결합하는 측면 캡 어셈블리(120)는 캔(100)의 밀폐를 수행함과 동시에 상기 리드탭(140a, 140b)과 전기적 연결을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 측면 캡 어셈블리(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 도체 플레이트(120b) 및 절연 플레이트(120a)가 적층 되어 이루어질 수 있다. 상기 도체 플레이트(120b)는 캔(100) 내부의 리드탭(140a, 140b)과 접촉하기 위한 접속부(122)가 형성되어 있으며, 상기 절연 플레이트(120a)는 상기 접속부(122)와 리드탭(140a, 140b)의 접촉이 이루어질 수 있도록 하는 홀(124)이 형성되어 있다.
바람직하게는, 상기 도체 플레이트(120b)의 접속부(122)는 상기 캔(100)의 내부 방향으로 돌출 형성될 수 있으며, 상기 절연 플레이트(120a)의 홀(124)을 관통하여 리드탭(140a, 140b)과 접촉이 이루어질 수 있다.
즉, 상기 절연 플레이트(120a)와 도체 플레이트(120b)가 적층 되면, 도체 플레이트(120b)의 돌출된 접속부(122)는 절연 플레이트(120a)의 홀(124)을 관통하게 되며, 도 3에 도시된 바와 같이 캔(100) 내부에 수용된 전극 젤리롤(20)의 측부에 결합 된 리드탭(140a)과 접촉할 수 있게 된다. 도 3에서는 캔(100)의 우측면에 측면 캡 어셈블리(120)가 장착되는 모습을 도시하고 있으나, 좌측면도 이와 같은 방법으로 측면 캡 어셈블리(120)를 장착하여 도체 플레이트(120b)의 접속부(122)가 리드탭(140b)과 접촉하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 상기 접속부(122)와 리드탭(140a, 140b) 간의 결합은 상기 캡 어셈블리(120)가 캔(100)과 분리된 상태에서 용접 결합에 의해 이루어질 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에 따라 상기 리드탭(140a, 140b)이 형상의 변형이 가능한 유연한 형태로 제작됨으로 접속부(122)와 리드탭(140a, 140b) 간의 결합이 유지될 수 있다.
즉, 리드탭(140a, 140b)이 용접 결합 된 캡 어셈블리(120)를 캔(100)에 장착함에 따라 상기 접속부(122)가 리드탭(140a, 140b)을 가압하게 되면, 상기 리드탭(140a, 140b)이 구부러진 형태로 접속부(122)와 결합을 유지할 수 있게 된다. 이에 따라 본 발명의 중대형 배터리는 리드탭(140a, 140b)이 장착되기 위한 캔(100) 측부의 부피를 최소화할 수 있게 된다.
상기 측면 캡 어셈블리(120)는 캔(100)의 측면에 장착된 후 레이저 용접에 의해 결합 될 수 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 중대형 배터리의 구조 및 제작 과정을 나타내고 있다. 여기서 상기 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 본 발명의 실시예에 따른 중대형 배터리와 그 구성이 동일한 것은 자세한 설명을 생략하기로 한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 중대형 배터리는 캔(100)의 양 측면과 측면 캡 어셈블리(120) 간의 결합을 위한 고무 패드(110)를 더 포함할 수 있다. 상기 고무 패드(110)는 상기 캔(100)의 측면 개구부에 형성되는 테두리의 형상에 맞게 이루어진 것으로서, 캔(100)의 양 측면과 측면 캡 어셈블리(120) 사이에 적층 되어 클램핑을 수행할 수 있다. 이때, 상기 캔(100)과 측면 캡 어셈블리(120) 사이에는 별도의 용접 없이도 결합이 이루어질 수 있게 된다.
상기 고무 패드(110)는 상기 캔(100)과 측면 캡 어셈블리(120) 간의 결합을 유지시켜 줄 뿐만 아니라, 상기 캔(100) 내부에 수용되는 전극 젤리롤(20)이 외부 충격에 의해 흔들리지 않도록 고정시켜 줄 수 있다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있다. 따라서 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
10 : 양극 집전체 20 : 음극 집전체
20 : 전극 젤리롤 100 : 캔
110 : 고무 패드 120 : 측면 캡 어셈블리
120a : 절연 플레이트 120b : 도체 플레이트
122 : 접속부 124 : 홀
140a, 140b : 리드탭

Claims (5)

  1. 양 측면에 개구부가 형성되는 캔;
    양극 집전체, 분리막, 음극 집전체가 차례로 적층 된 채로 권취되어 형성되며 상기 캔 내부에 수용되는 전극 젤리롤;
    상기 전극 젤리롤 양측의 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 결합되는 리드탭; 및
    상기 캔의 양 측면에 결합하며, 상기 리드탭과 전기적 연결을 수행하는 측면 캡 어셈블리;
    를 포함하고,
    상기 측면 캡 어셈블리는
    상기 리드탭과 접촉하기 위한 접속부를 포함하는 도체 플레이트; 및
    상기 캔과 도체 플레이트 사이에 적층 되며, 상기 접속부와 리드탭의 접촉이 이루어질 수 있도록 하는 홀이 형성되는 절연 플레이트;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 배터리.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 도체 플레이트의 접속부는 상기 캔의 내부 방향으로 돌출 형성되며, 상기 절연 플레이트의 홀을 관통하여 리드탭과 접촉하는 것을 특징으로 하는 중대형 배터리.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 캔의 양 측면과 상기 측면 캡 어셈블리 사이에는 고무 패드가 더 적층되는 것을 특징으로 하는 중대형 배터리.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 리드탭은 형상의 변형이 가능한 유연한 리드탭인 것을 특징으로 하는 중대형 배터리.
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