KR101483700B1 - 이차 전지 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

이차 전지 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 이차 전지에서 음극 탭과 전지 캔의 접촉 고정 기술 및 이차 전지를 다수 포함하는 배터리 팩에서 이차 전지(셀) 간의 직렬 또는 병렬 연결 기술을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 리벳 구멍이 형성된 음극 탭이 부착된 음극판과 양극 탭이 부착된 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체; 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 상기 음극 탭과 접촉하며, 상기 음극 탭과 접촉하는 부분에 리벳 구멍이 형성된 전지 캔; 상기 전지 캔의 개방단에 결합되는 캡 조립체; 및 상기 음극 탭에 형성된 리벳 구멍과 상기 전지 캔에 형성된 리벳 구멍을 관통하여 상기 음극 탭과 상기 전지 캔을 결합 고정시키는 음극 리벳을 포함한다.

Description

이차 전지 및 이를 포함하는 배터리 팩{Secondary battery and battery pack including the same}
본 발명은 이차 전지 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차 전지에서 음극 탭과 전지 캔의 접촉 고정 기술 및 이차 전지를 다수 포함하는 배터리 팩에서 이차 전지(셀) 간의 직렬 또는 병렬 연결 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 약 3배의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재(케이스)를 구비한다.
한편, 리튬 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다. 그리고, 캔형 이차 전지는 다시 금속 캔의 형태에 따라 원통형 전지와 각형 전지로 분류될 수 있다. 이러한 각형 또는 원통형 이차 전지의 외장재는 개방단이 형성된 케이스, 즉 전지 캔 및 전지 캔의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체를 구비한다.
도 1은, 종래의 원통형 이차 전지의 개략적 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 원통형 이차 전지는 원통형 전지 캔(20), 전지 캔(20)의 내부에 수용되는 전극 조립체(10) 및 전지 캔(20)의 상부에 결합되는 캡 조립체(30)를 포함한다.
전극 조립체(10)는, 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 개재된 상태로 젤리-롤 형태로 권취된 구조를 가지며, 양극판에는 양극 탭(12)이 부착되어 통상적으로 캡 조립체(30)에 접속되고, 음극판에는 음극 탭(11)이 부착되어 전지 캔(20)의 하단에 접속된다. 이때, 음극 탭(11)과 전지 캔(20)의 접속은, 도 1에서 A 부분으로 표시된 바와 같이, 통상적으로 저항 용접과 같은 방식을 통해 결합 고정된다.
그런데, 이와 같은 음극 탭(11)과 전지 캔(20)의 용접 고정 방식에 의하면, 용접 당시 발생하는 열에 의해 음극 탭(11) 부근의 분리막이 수축되는 현상이 발생할 수 있다. 그리고, 이와 같이 분리막이 수축되면, 해당 부분에서의 양극판과 음극판의 접촉으로 인해 쇼트 현상이 발생할 수 있어, 이차 전지의 발열이나 발화, 폭발과 같은 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 배터리 팩을 구성할 때에는 보통 다수의 이차 전지(셀)를 직렬 또는 병렬로 연결하는데, 이때에는 니켈 플레이트와 같은 연결 부재를 양극 단자를 구성하는 캡 조립체(30) 및 음극 단자를 구성하는 전지 캔(20)의 하단과 접촉 고정시키게 된다. 그리고, 이때에도 니켈 플레이트와 같은 연결 부재를 캡 조립체(30) 및 전지 캔(20)과 저항 용접 등의 방식으로 용접시키게 되는데, 이 과정에서도 열이 발생하여 분리막이 수축될 수 있고, 그로 인해 양극판과 음극판이 쇼트되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 음극 탭과 전지 캔을 접속 고정할 때, 그리고 니켈 플레이트와 같은 연결 부재를 통해 다수의 이차 전지를 직렬 또는 병렬 연결할 때, 용접을 하지 않더라도 강한 고정력이 유지될 수 있는 이차 전지 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지는, 리벳 구멍이 형성된 음극 탭이 부착된 음극판과 양극 탭이 부착된 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체; 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 상기 음극 탭과 접촉하며, 상기 음극 탭과 접촉하는 부분에 리벳 구멍이 형성된 전지 캔; 상기 전지 캔의 개방단에 결합되는 캡 조립체; 및 상기 음극 탭에 형성된 리벳 구멍과 상기 전지 캔에 형성된 리벳 구멍을 관통하여 상기 음극 탭과 상기 전지 캔을 결합 고정시키는 음극 리벳을 포함한다.
바람직하게는, 상기 이차 전지는 상기 캡 조립체의 상부에 리벳 구멍이 형성되고, 이러한 캡 조립체의 리벳 구멍을 관통하여 상부 방향으로 돌출된 양극 리벳을 더 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 캡 조립체는 탑 캡, 안전 벤트 및 가스켓을 포함하고, 상기 탑 캡에는 리벳 구멍이 형성되며, 상기 양극 리벳은 상기 탑 캡에 형성된 리벳 구멍을 관통하여 탑 캡 위로 돌출된다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 연결 부재를 통해 직렬 연결된 다수의 이차 전지를 포함하는 배터리 팩으로서, 음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 음극 단자에 리벳 구멍이 형성된 전지 캔, 상기 전지 캔의 개방단에 결합되는 캡 조립체, 및 상기 전지 캔에 형성된 리벳 구멍과 상기 연결 부재를 관통하는 음극 리벳을 구비하는 제1 이차 전지; 및 음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하는 전지 캔, 상기 전지 캔의 개방단에 결합되고 상부에 리벳 구멍이 형성된 캡 조립체, 및 상기 캡 조립체에 형성된 리벳 구멍과 상기 연결 부재를 관통하는 양극 리벳을 구비하는 제2 이차 전지를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 이차 전지의 음극판에 부착된 음극 탭에 리벳 구멍이 형성되고, 상기 제1 이차 전지의 음극 리벳은 상기 음극 탭의 리벳 구멍을 관통한다.
또한 바람직하게는, 상기 배터리 팩은 제1 이차 전지와 제2 이차 전지 사이에 배치되어, 제1 연결 부재 및 제2 연결 부재를 통해 제1 이차 전지 및 제2 이차 전지와 직렬 연결되는 제3 이차 전지를 더 포함하되, 상기 제3 이차 전지는, 음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 음극 단자에 리벳 구멍이 형성된 전지 캔, 상기 전지 캔의 개방단에 결합되고 상부에 리벳 구멍이 형성된 캡 조립체, 상기 전지 캔에 형성된 리벳 구멍과 상기 제2 연결 부재를 관통하는 음극 리벳, 및 상기 캡 조립체에 형성된 리벳 구멍과 상기 제1 연결 부재를 관통하는 양극 리벳을 구비한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 양극 연결 부재 및 음극 연결 부재를 통해 병렬 연결된 다수의 이차 전지를 포함하는 배터리 팩으로서, 상기 이차 전지는, 음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 음극 단자에 리벳 구멍이 형성된 전지 캔, 상기 전지 캔의 개방단에 결합되고 상부에 리벳 구멍이 형성된 캡 조립체, 상기 전지 캔에 형성된 리벳 구멍과 상기 음극 연결 부재를 관통하는 음극 리벳, 및 상기 캡 조립체에 형성된 리벳 구멍과 상기 양극 연결 부재를 관통하는 양극 리벳을 포함한다.
바람직하게는, 상기 음극판에 부착된 음극 탭에 리벳 구멍이 형성되고, 상기 음극 리벳은 상기 음극 탭의 리벳 구멍을 관통한다.
또한 바람직하게는, 상기 캡 조립체는 탑 캡, 안전 벤트 및 가스켓을 포함하고, 상기 탑 캡에는 리벳 구멍이 형성되며, 상기 양극 리벳은 상기 탑 캡에 형성된 리벳 구멍과 상기 양극 연결 부재를 관통한다.
본 발명에 의하면, 이차 전지에서 음극 탭과 전지 캔이 서로 용접되지 않더라도 강하게 결합 고정되도록 할 수 있다. 따라서, 음극 탭과 전지 캔의 용접 공정으로 인해 분리막이 수축되어 양극판과 음극판이 쇼트되는 문제점을 예방할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 다수의 이차 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성시, 이차 전지 사이를 연결하는 니켈 플레이트 등의 연결 부재와 각 이차 전지의 전지 캔 또는 캡 조립체를 용접하지 않더라도 이차 전지 간 연결이 강하게 이루어지도록 할 수 있다. 따라서, 종전 배터리 팩 구성시 이차 전지 간 용접 공정으로 인해 분리막이 수축되는 문제점을 예방할 수 있음은 물론, 배터리 팩의 구성을 위한 이차 전지 간 직병렬 연결이 용이해질 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 종래의 원통형 이차 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 포함된 이차 전지의 직렬 연결 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 포함된 이차 전지의 직렬 연결 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 포함된 이차 전지의 병렬 연결 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지는, 전극 조립체(100), 전지 캔(200), 캡 조립체(300) 및 음극 리벳(400)을 포함한다.
상기 전지 캔(200)은, 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가진 원통형 또는 각형 구조를 가질 수 있다. 이러한 전지 캔(200)의 내부 공간에는 전극 조립체(100)와 함께 전해액이 수납된다.
상기 전극 조립체(100)는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되어 전지 캔(200)에 수납된다. 이때, 전극 조립체(100)는 젤리-롤 형태로 권취되어 배치될 수 있는데, 이 경우 형태적인 특성에 따라 젤리-롤이라고도 불린다. 전극 조립체(100)의 전극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 여기서, 전극판에는 전극판들이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재하는 것이 바람직한데, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 탭이 부착될 수 있다. 이때, 양극 탭(120)은 전극 조립체(100)의 상단에 부착되어 양극 단자를 형성하는 캡 조립체(300)에 전기적으로 연결될 수 있고, 음극 탭(110)은 전극 조립체(100)의 하단에 부착되어 음극 단자를 형성하는 전지 캔(200)의 바닥에 연결될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 이차 전지는 음극 리벳(rivet)(400)을 통해 음극 탭(110)과 전지 캔(200)이 결합 고정된다. 즉, 상기 음극 리벳(400)은 전지 캔(200)과 음극 탭(110)이 서로 전기적으로 연결되고 이러한 연결 상태가 안정적으로 유지될 수 있도록, 전지 캔(200)과 음극 탭(110)을 관통하여 이들을 서로 고정시킨다. 이를 위해, 전지 캔(200)과 음극 탭(110)에는 이러한 음극 리벳(400)이 관통할 수 있도록 리벳 구멍(201, 111)이 각각 형성될 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 음극 리벳(400)이 음극 탭(110)의 리벳 구멍(111)과 전지 캔(200)의 리벳 구멍(201)을 함께 관통하고 음극 탭(110)의 상부 및 전지 캔(200)의 하부에 음극 리벳(400)의 머리가 형성되면서 음극 탭(110)과 전지 캔(200)은 강한 결합력으로 체결될 수 있다. 한편, 이와 같은 전지 캔(200)의 리벳 구멍(201)과 음극 탭(110)의 리벳 구멍(111)은, 음극 리벳(400)이 관통하면서 형성된 것일 수도 있으나, 바람직하게는 전지 캔(200)과 음극 탭(110)의 제조 과정에서 미리 형성되는 것이 좋다. 이 경우, 음극 리벳(400)의 체결이 보다 용이해지기 때문이다.
본 발명에 따르면, 음극 탭(110)과 전지 캔(200)이 음극 리벳(400)을 통해 결합 고정되므로, 이들 간에 저항 용접 등을 수행할 필요가 없다. 따라서, 종래 이러한 저항 용접 등에 의해 음극 탭(110) 측의 분리막이 수축되는 등의 문제가 발생할 염려가 없다.
또한, 음극 리벳(400)은 음극 탭(110) 및 전지 캔(200)과 함께, 다른 이차 전지와 연결하기 위한 니켈 플레이트 등의 연결 부재를 고정할 수 있다. 이에 대해서는 후술하도록 한다.
상기 음극 리벳(400)은, SUS 또는 니켈 도금 스틸(Nickel plated steel) 재질로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이러한 음극 리벳(400)의 구체적인 재질에 의해 한정되는 것은 아니다.
한편, 전극 조립체(100)의 상단 및 하단에는 상부 절연판(610) 및 하부 절연판(620)이 배치될 수 있다. 이러한 상부 절연판(610) 및 하부 절연판(620)은, 전극 조립체(100)와 캡 조립체(300) 및 전극 조립체(100)와 전지 캔(200) 사이를 절연시키는 역할을 한다.
상기 캡 조립체(300)는, 전지 캔(200)의 개방단에 결합되어 전지 캔(200)을 밀폐시키고 전극 조립체(100)로부터 생성된 전류를 외부로 출력시키는 전류 경로 역할을 한다. 특히, 전지 캔(200)의 하부가 음극 단자로서 역할을 할 수 있는 반면, 캡 조립체(300)의 상부는 양극 단자로서 역할을 할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 캡 조립체(300)는, 탑 캡(310), 안전 벤트(330) 및 가스켓(360)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 탑 캡(310)은, 캡 조립체(300)의 최상부에서 상부 방향으로 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성한다. 따라서, 상기 탑 캡(310)은 이차 전지가 외부와 전기적으로 접속되도록 한다. 또한, 이러한 탑 캡(310)에는 가스가 배출될 수 있는 가스 구멍(312)이 형성될 수 있다. 따라서, 전극 조립체(100)로부터 가스 발생시 이러한 가스 구멍(312)을 통해 이차 전지 외부로 가스가 배출되도록 할 수 있다. 상기 탑 캡(310)은, 이를테면 스테인리스 스틸이나 알루미늄과 같은 금속 재질로 형성될 수 있다.
상기 안전 벤트(330)는, 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하고 또한/또는 가스를 배기한다. 즉, 이차 전지의 내압이 일정 수준 이상으로 증가하는 경우, 안전 벤트(330)는 파열되도록 구성될 수 있다. 그리고, 안전 벤트(330)는, 도면에 도시된 바와 같이, 중심부가 하부 방향으로 돌출되도록 구성되고, 그러한 중심부 부근에 소정의 노치(331)가 형성될 수 있다. 따라서, 이차 전지의 내부, 즉 전극 조립체(100) 측으로부터 가스가 발생하여 내압이 증가하게 되면, 안전 벤트(330)는 그것의 형상이 역전되면서 상향 돌출되게 되고, 노치들(331)을 중심으로 파열될 수 있다. 따라서, 이러한 안전 벤트(330)의 파열된 부분을 통해 전지 캔(200)의 내부에 차 있던 가스가 외부로 배출될 수 있게 된다.
상기 가스켓(360)은, 캡 조립체(300)의 테두리에 위치하여, 탑 캡(310), 안전 벤트(330)와 같은 캡 조립체(300)의 다른 구성 요소들을 감싼다. 따라서, 이러한 가스켓(360)은 'C'자 형태로 굴곡될 수 있으며, 전기 절연성과 내충격성, 탄력성 및 내구성 등을 가진 소재, 예를 들어 폴리올레핀(polyolefine)이나 폴리프로필렌(PP) 등으로 제조될 수 있다. 또한, 상기 가스켓(360)은 절연성이 약화되는 것을 방지하기 위해 열처리에 의하지 않고 기계적 가공에 의해 벤딩되는 것이 좋다.
그 밖에도, 상기 캡 조립체(300)는, 도면에 도시된 바와 같이, 안전 소자(320), 절연부재(340) 및 전류차단부재(350)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 안전 소자(320)는, 탑 캡(310)과 안전 벤트(330) 사이에 개재되어 탑 캡(310)과 안전 벤트(330)를 전기적으로 연결시킨다. 상기 안전 소자(320)는 전지의 과열에 의해 전지 내부의 전류의 흐름을 차단하기 위한 것으로서, 이를테면 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient element)로 형성될 수 있다.
상기 전류차단부재(350)는, 상부의 적어도 일부분이 안전 벤트(330)의 하단에 접속되는 구성 요소로서, 정상적인 상태에서는 안전 벤트(330)의 하부 돌출부분에 접촉되다가, 가스 발생으로 내압이 증가하여 안전 벤트(330)의 형상이 역전되면, 안전 벤트(330)와의 접속이 끊어져 전기적 연결이 차단된다. 또한, 상기 전류차단부재(350)의 하부는 전극 조립체(100)의 양극 탭(120)과 연결될 수 있다.
상기 절연부재(340)는, 안전 벤트(330)와 전류차단부재(350) 사이에 개재되어, 안전 벤트(330)의 돌출 부분과 전류차단부재(350)가 접촉되는 부분을 제외하고는 전류차단부재(350)와 안전 벤트(330)가 서로 전기적으로 절연되도록 한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 이차 전지의 경우, 캡 조립체(300)의 상부를 관통하는 양극 리벳(500)을 더 포함하는 것이 좋다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 캡 조립체(300)의 상부에 리벳 구멍(311)이 형성되고, 양극 리벳(500)이 이러한 캡 조립체(300)의 리벳 구멍(311)을 수직으로 관통하여 상부 방향으로 돌출되도록 할 수 있다. 상기 양극 리벳(500)은, 상기 음극 리벳(400)과 마찬가지로 SUS 또는 니켈 도금 스틸(Nickel plated steel) 재질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 캡 조립체(300)가 탑 캡(310), 안전 벤트(330) 및 가스켓(360)을 포함하여 이루어진다면, 상기 탑 캡(310)에 리벳 구멍(311)이 형성되고, 양극 리벳(500)은 이와 같이 탑 캡(310)에 형성된 리벳 구멍(311)을 관통하여 탑 캡(310) 위로 돌출되도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 캡 조립체(300)의 상단, 이를테면 탑 캡(310)에 형성된 리벳 구멍(311)을 관통하여 상부 방향으로 돌출된 양극 리벳(500)은, 니켈 플레이트와 같은 연결 부재를 이용해 다른 이차 전지와 직렬 또는 병렬 연결시, 연결 부재와 체결되는 역할을 할 수 있다. 따라서, 도면에 도시된 바와 같이, 이차 전지가 다른 이차 전지와 연결되기 위해 연결 부재와 체결되기 전에는, 이차 전지의 양극 리벳(500)의 머리(두꺼운 부분)는 탑 캡(310)의 하부에서만 형성되고, 탑 캡(310)의 상부에서는 형성되지 않는 것이 좋다. 그리고, 탑 캡(310)의 리벳 구멍(311)을 통해 탑 캡(310)의 상부로 돌출된 양극 리벳(500)은 연결 부재를 관통한 이후에 연결 부재 상부에서 그 머리가 형성될 수 있다. 그러므로, 탑 캡(310)의 하부 및 연결 부재의 상부에 양극 리벳(500)의 머리가 각각 형성되면서, 캡 조립체(300)와 연결 부재는 서로 강하게 체결될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 포함된 이차 전지의 직렬 연결 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은 다수의 이차 전지를 포함하고 있고, 이러한 이차 전지 사이에는 직렬 연결된 구성이 포함되어 있다. 그리고, 이러한 이차 전지 간 직렬 연결 구성은 연결 부재(700)를 통해 이루어질 수 있다. 이때, 연결 부재(700)는, 니켈 재질의 플레이트 형태로 구성될 수 있으나, 본 발명이 이러한 연결 부재(700)의 구체적인 재질이나 형태에 의해 제한되는 것은 아니다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 팩은 도 2를 바탕으로 상술한 이차 전지를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 이차 전지(1) 및 제2 이차 전지(2)의 적어도 2개의 이차 전지가 직렬 연결된 구성을 포함하고, 제1 이차 전지(1) 및 제2 이차 전지(2)는 각각, 음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체(100), 전극 조립체(100) 및 전해액을 수납하는 전지 캔(200), 전지 캔(200)의 개방단에 결합되는 캡 조립체(300)를 구비한다.
또한, 제1 이차 전지(1)의 전지 캔(200)에는 음극 단자를 형성하는 부분에 리벳 구멍(201)이 형성되어 있다. 그리고, 제1 이차 전지(1)는 이러한 전지 캔(200)의 리벳 구멍(201)과 연결 부재(700)를 관통하는 음극 리벳(400)을 포함한다. 따라서, 제1 이차 전지(1)의 전지 캔(200)과 연결 부재(700)는 이러한 음극 리벳(400)을 통해 강하게 체결될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 의하면, 제1 이차 전지(1)의 전지 캔(200)과 연결 부재(700)에 대하여 저항 용접 등을 수행하지 않더라도 상호 간 접촉이 안정적으로 유지되도록 할 수 있다.
또한, 제2 이차 전지(2)의 캡 조립체(300)에는 그 상부에 리벳 구멍(311)이 형성되어 있다. 즉, 제2 이차 전지(2)의 양극 단자에는 리벳 구멍(311)이 형성되어 있다. 그리고, 제2 이차 전지(2)는 이러한 캡 조립체(300)의 리벳 구멍(311)과 연결 부재(700)를 관통하는 양극 리벳(500)을 포함한다. 따라서, 제2 이차 전지(2)의 캡 조립체(300)와 연결 부재(700)는 이러한 양극 리벳(500)을 통해 서로 강하게 체결될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 의하면, 제2 이차 전지(2)의 캡 조립체(300)와 연결 부재(700)에 대하여 저항 용접 등을 수행하지 않더라도, 상호 간 접촉이 안정적으로 유지되도록 할 수 있다.
여기서, 제1 이차 전지(1)의 경우, 음극판에 부착되어 전지 캔(200)의 하단과 접속하는 음극 탭(110)에 리벳 구멍(111)이 형성되어 있을 수 있고, 이러한 음극 탭(110)의 리벳 구멍(111)에 상기 연결 부재(700)와 상기 전지 캔(200)의 리벳 구멍(201)을 관통하는 음극 리벳(400)이 관통할 수 있다. 그리고, 이 경우, 음극 리벳(400)의 머리는, 도 3에 도시된 바와 같이, 음극 탭(110)의 상부 및 연결 부재(700)의 하부에 위치할 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에 의하면, 하나의 음극 리벳(400)을 통해 이차 전지의 음극 탭(110), 전지 캔(200) 및 다른 이차 전지의 양극 단자에 연결된 연결 부재(700)가 서로 강하게 체결될 수 있다.
또한, 제2 이차 전지(2)의 경우, 캡 조립체(300)가 탑 캡(310), 안전 벤트(330) 및 가스켓(360)을 포함하여 구성될 수 있는데, 그 중 탑 캡(310)에 리벳 구멍(311)이 형성되고, 제2 이차 전지(2)의 양극 리벳(500)은 이러한 탑 캡(310)에 형성된 리벳 구멍(311)과 연결 부재(700)를 관통함으로써 제2 이차 전지(2)의 캡 조립체(300)와 연결 부재(700)가 서로 체결되도록 할 수 있다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 양극 단자를 형성하는 캡 조립체(300)가 연결 부재(700)를 통해 다른 이차 전지에 직렬 연결되는 제2 이차 전지(2)의 경우, 음극 리벳(400)을 구비하여 음극 탭(110)과 전지 캔(200)이 체결되도록 할 수도 있다. 또한, 이러한 제2 이차 전지(2)의 음극 리벳(400)은 제2 이차 전지(2)의 음극 단자에 다른 이차 전지를 연결하는 경우, 이를 위해 사용되는 다른 연결 부재와 전지 캔(200) 및 음극 탭(110)이 체결되도록 할 수도 있다.
한편, 도 3에는 도시되지 않았지만, 제1 이차 전지(1)의 캡 조립체(300)에는 양극 리벳(500)이 포함될 수 있으며, 이러한 양극 리벳(500)은 제1 이차 전지(1)의 양극 단자에 다른 이차 전지를 연결하는 경우, 이를 위해 사용되는 또 다른 연결 부재와 캡 조립체(300)가 체결되도록 할 수 있다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 포함된 이차 전지의 직렬 연결 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 팩은 연결 부재를 통해 직렬 연결된 3개의 배터리 팩으로 구성된다. 다만, 도 4의 실시예에서, 제1 이차 전지(1) 및 제2 이차 전지(2)의 구성은 도 3의 실시예에서의 제1 이차 전지(1) 및 제2 이차 전지(2)의 구성과 유사하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 제1 이차 전지(1) 및 제2 이차 전지(2)와 유사한 구성에 대해서는 제3 이차 전지(3)에 대하여 상세한 설명을 생략하도록 한다.
도 4에서, 제3 이차 전지(3)는, 제1 이차 전지(1) 및 제2 이차 전지(2)와 마찬가지로, 전극 조립체(100), 전지 캔(200) 및 캡 조립체(300)를 포함한다. 그리고, 제3 이차 전지(3)는, 제1 이차 전지(1)와 제2 이차 전지(2) 사이에 배치되고, 제1 연결 부재(710) 및 제2 연결 부재(720)를 통해 양극 단자 및 음극 단자가 제1 이차 전지(1) 및 제2 이차 전지(2)와 전기적으로 연결된다. 즉, 제3 이차 전지(3)의 양극은 제1 연결 부재(710)를 통해 제1 이차 전지(1)의 음극과 연결되고, 제3 이차 전지(3)의 음극은 제2 연결 부재(720)를 통해 제2 이차 전지(2)의 양극과 연결된다.
다만, 여기서, 제3 이차 전지(3)는 제1 연결 부재(710) 및 제2 연결 부재(720)를 통해 제1 이차 전지(1)와 제2 이차 전지(2)에 직접적으로 연결되는 것뿐 아니라, 간접적으로 연결될 수도 있다. 예를 들어, 제1 이차 전지(1)와 제3 이차 전지(3) 사이, 또는 제3 이차 전지(3)와 제2 이차 전지(2) 사이에 하나 이상의 다른 이차 전지가 직렬 연결될 수 있다.
이와 같이, 제3 이차 전지(3)는 양극 단자와 음극 단자가 모두 연결 부재를 통해 다른 이차 전지와 접속되기 때문에, 양극 리벳(500) 및 음극 리벳(400)을 모두 구비하고 있다.
즉, 제3 이차 전지(3)의 경우, 양극 단자를 형성하는 캡 조립체(300)의 상부에 리벳 구멍(311)이 형성되어 있고, 양극 리벳(500)이 이러한 캡 조립체(300)의 리벳 구멍(311)과 제1 연결 부재(710)를 관통하여 캡 조립체(300)와 제1 연결 부재(710)를 서로 접속 고정시킨다.
또한, 제3 이차 전지(3)의 전지 캔(200)의 음극 단자 형성 부분에도 리벳 구멍(201)이 형성되어 있고, 음극 리벳(400)은 이러한 전지 캔(200)의 리벳 구멍(201)과 제2 연결 부재(720)를 관통하여 전지 캔(200)과 제2 연결 부재(720)를 서로 접속 고정시킨다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 이차 전지의 개수는 일례에 불과할 뿐, 본 발명이 이러한 이차 전지의 직렬 연결 개수에 의해 제한되는 것은 아니다. 특히, 이차 전지의 직렬 연결 개수가 4개 이상인 경우, 도 4에 도시된 제3 이차 전지(3)의 구성이 더 포함될 수 있다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 포함된 이차 전지의 병렬 연결 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은 다수의 이차 전지를 포함하고 있고, 이러한 이차 전지 사이에는 병렬 연결된 구성이 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 이차 전지 간 병렬 연결 구성은 적어도 2개의 연결 부재, 즉 이차 전지 간 양극을 연결하는 양극 연결 부재(730) 및 이차 전지 간 음극을 연결하는 음극 연결 부재(740)를 통해 이루어질 수 있다. 이때, 양극 연결 부재(730) 및 음극 연결 부재(740)는 니켈 재질의 플레이트 형태로 구성될 수 있으나, 본 발명이 이러한 연결 부재의 구체적인 재질이나 형태에 의해 제한되는 것은 아니다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 팩은 도 2를 바탕으로 상술한 이차 전지를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 도 5에 도시된 바와 같이, 적어도 2개의 이차 전지가 병렬 연결된 구성을 포함하되, 각각의 이차 전지는, 전극 조립체(100), 전지 캔(200), 캡 조립체(300), 양극 리벳(500) 및 음극 리벳(400)을 구비한다. 그리고, 전지 캔(200)의 음극 단자 형성 부분 및 캡 조립체(300)의 양극 단자 형성 부분에는 음극 리벳(400)과 양극 리벳(500)이 삽입될 수 있는 리벳 구멍(201, 311)이 형성되어 있다. 따라서, 양극 리벳(500)은 캡 조립체(300)에 형성된 리벳 구멍(311)과 양극 연결 부재(730)를 관통하여 이들을 서로 체결하며, 음극 리벳(400)은 전지 캔(200)에 형성된 리벳 구멍(201)과 음극 연결 부재(740)를 관통하여 이들을 서로 체결한다.
바람직하게는, 상기 캡 조립체(300)에 탑 캡(310), 안전 벤트(330) 및 가스켓(360)이 포함된 경우, 리벳 구멍(311)은 탑 캡(310)에 형성되고, 양극 리벳(500)은 이러한 탑 캡(310)의 리벳 구멍(311)과 연결 부재를 관통하여 서로 체결되도록 할 수 있다.
또한 바람직하게는, 전극 조립체(100)의 음극판에 부착된 음극 탭(110)에 리벳 구멍(111)이 형성되고, 음극 연결 부재(740) 및 전지 캔(200)을 관통하는 음극 리벳(400)은 이러한 음극 탭(110)의 리벳 구멍(111)까지 관통하는 것이 좋다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 음극 리벳(400)은 음극 탭(110), 전지 캔(200) 및 음극 연결 부재(740)를 모두 접촉 고정시키는 것이 좋다. 이로써, 용접에 의하지 않고도, 하나의 음극 리벳(400)으로, 음극 탭(110), 전지 캔(200) 및 음극 연결 부재(740)까지 강하게 체결될 수 있게 된다.
그 밖에, 상술한 도 2 내지 도 4의 실시예에 대한 설명이 도 5의 실시예에 적용될 수 있는 부분에 대해서는 보다 상세한 설명을 생략한다.
한편, 도 5의 실시예에서는 하나의 양극 연결 부재(730) 및 하나의 음극 연결 부재(740)에 2개의 이차 전지가 병렬 연결된 것으로 도시되었으나, 이는 일 실시예에 불과하다. 즉, 하나의 양극 연결 부재(730) 및 하나의 음극 연결 부재(740)에 3개 이상의 이차 전지가 병렬 연결될 수도 있음은 물론이다. 또한, 하나의 이차 전지에 2개 이상의 양극 연결 부재(730) 및/또는 2개 이상의 음극 연결 부재(740)가 체결될 수도 있다.
상기 양극 리벳(500) 및/또는 음극 리벳(400)은 SUS 또는 니켈 도금 스틸(Nickel plated steel) 재질로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상술한 전지 캔(200)은 원통형일 수 있으나, 본 발명이 이러한 점에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 전극 조립체
110: 음극 탭
120: 양극 탭
200: 전지 캔
300: 캡 조립체
400: 음극 리벳
500: 양극 리벳

Claims (18)

  1. 리벳 구멍이 형성된 음극 탭이 부착된 음극판과 양극 탭이 부착된 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 하단에서 상기 음극 탭과 접촉하며, 상기 음극 탭과 접촉하는 부분에 리벳 구멍이 형성된 전지 캔;
    상기 전지 캔의 개방단에 결합되어 상기 양극 탭과 접속되는 캡 조립체; 및
    상기 음극 탭에 형성된 리벳 구멍과 상기 전지 캔에 형성된 리벳 구멍을 관통하여 상기 음극 탭과 상기 전지 캔을 결합 고정시키는 음극 리벳
    을 포함하고,
    상기 캡 조립체의 상부에 리벳 구멍이 형성되고, 이러한 캡 조립체의 리벳 구멍을 관통하여 상부 방향으로 돌출된 양극 리벳을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 탑 캡, 안전 벤트 및 가스켓을 포함하고, 상기 탑 캡에는 리벳 구멍이 형성되며, 상기 양극 리벳은 상기 탑 캡에 형성된 리벳 구멍을 관통하여 탑 캡 위로 돌출된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 음극 리벳은 SUS 또는 니켈 도금 스틸 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전지 캔은 원통형인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 연결 부재를 통해 직렬 연결된 다수의 이차 전지를 포함하는 배터리 팩에 있어서,
    음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 하단 음극 단자에 리벳 구멍이 형성된 전지 캔, 상기 전지 캔의 개방단에 결합되는 캡 조립체, 및 상기 전지 캔에 형성된 리벳 구멍과 상기 연결 부재를 관통하는 음극 리벳을 구비하는 제1 이차 전지; 및
    음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하는 전지 캔, 상기 전지 캔의 개방단에 결합되고 상부에 리벳 구멍이 형성된 캡 조립체, 및 상기 캡 조립체에 형성된 리벳 구멍과 상기 연결 부재를 관통하는 양극 리벳을 구비하는 제2 이차 전지
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 이차 전지의 음극판에 부착된 음극 탭에 리벳 구멍이 형성되고, 상기 제1 이차 전지의 음극 리벳은 상기 음극 탭의 리벳 구멍을 관통하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 이차 전지의 캡 조립체는 탑 캡, 안전 벤트 및 가스켓을 포함하고, 상기 제2 이차 전지의 탑 캡에는 리벳 구멍이 형성되며, 상기 제2 이차 전지의 양극 리벳은 상기 탑 캡에 형성된 리벳 구멍과 상기 연결 부재를 관통하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제6항에 있어서,
    제1 이차 전지와 제2 이차 전지 사이에 배치되어, 제1 연결 부재 및 제2 연결 부재를 통해 제1 이차 전지 및 제2 이차 전지와 직렬 연결되는 제3 이차 전지를 더 포함하되,
    상기 제3 이차 전지는,
    음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 하단 음극 단자에 리벳 구멍이 형성된 전지 캔, 상기 전지 캔의 개방단에 결합되고 상부에 리벳 구멍이 형성된 캡 조립체, 상기 전지 캔에 형성된 리벳 구멍과 상기 제2 연결 부재를 관통하는 음극 리벳, 및 상기 캡 조립체에 형성된 리벳 구멍과 상기 제1 연결 부재를 관통하는 양극 리벳을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 양극 리벳 및 상기 음극 리벳 중 적어도 하나 이상은, SUS 또는 니켈 도금 스틸 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제1 이차 전지의 전지 캔 및 상기 제2 이차 전지의 전지 캔은, 원통형인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 연결 부재는, 니켈 재질의 플레이트인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 양극 연결 부재 및 음극 연결 부재를 통해 병렬 연결된 다수의 이차 전지를 포함하는 배터리 팩에 있어서,
    상기 이차 전지는,
    음극판과 양극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수납하고 하단 음극 단자에 리벳 구멍이 형성된 전지 캔, 상기 전지 캔의 개방단에 결합되고 상부에 리벳 구멍이 형성된 캡 조립체, 상기 전지 캔에 형성된 리벳 구멍과 상기 음극 연결 부재를 관통하는 음극 리벳, 및 상기 캡 조립체에 형성된 리벳 구멍과 상기 양극 연결 부재를 관통하는 양극 리벳을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 음극판에 부착된 음극 탭에 리벳 구멍이 형성되고, 상기 음극 리벳은 상기 음극 탭의 리벳 구멍을 관통하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 탑 캡, 안전 벤트 및 가스켓을 포함하고, 상기 탑 캡에는 리벳 구멍이 형성되며, 상기 양극 리벳은 상기 탑 캡에 형성된 리벳 구멍과 상기 양극 연결 부재를 관통하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 양극 리벳 및 상기 음극 리벳 중 적어도 하나 이상은, SUS 또는 니켈 도금 스틸 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 전지 캔은, 원통형인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 양극 연결 부재 및 상기 음극 연결 부재는, 니켈 재질의 플레이트인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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