KR101688481B1 - 전지 유니트 및 이를 채용한 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

개시된 전지 유니트는 전극 조립체가 수용되며 개구가 마련된 케이스와, 개구를 덮는 것으로서 상하방향으로 관통된 단자 삽입부가 마련된 캡 플레이트와, 단자 삽입부를 통하여 케이스 내부로 삽입되어 전극 조립체를 케이스 외부로 전기적으로 노출시키는 것으로서 전극 조립체에 전기적으로 접속되는 집전부와 캡 플레이트 외부로 노출되는 단자부와 집전부와 단자부를 연결하는 연결부를 구비하는 단자 부재와, 단자 삽입부에 위치되며 단자 부재를 캡 플레이트에 고정하는 것으로서 단자 부재가 단자 삽입부에 삽입된 상태에서 플라스틱 수지를 단자 삽입부에 사출하는 인써트 사출 방식에 의하여 형성되는 고정 부재를 포함한다.

Description

전지 유니트 및 이를 채용한 전지 모듈{Battery unit and battery module using the same}
본 발명은 전지 유니트 및 다수의 전지 유니트 유닛이 연결되어 구성되는 전지 모듈에 관한 것이다.
통상적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차 전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자건거, 무정전 전원공급장치(uninterruptible power supply) 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 전지들을 버스 바(bus bar)를 이용하여 전기적으로 연결하여 하나의 단위로 묶은 전지 모듈의 형태로 사용되기도 한다.
휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 전지의 출력과 용량으로 소정시간 동안 작동이 가능하지만, 전력소모가 많은 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같이 장시간 구동, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량의 문제로 전지 모듈이 선호되며, 전지 모듈은 내장된 전지의 개수에 따라 출력전압이나 출력전류를 높일 수 있다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지들을 직렬 연결 또는 병렬 연결시킴으로써 요구되는 출력전압이나 출력전류를 얻게 된다.
본 발명의 실시형태는 전극 단자의 조립성이 개선되고 제조 비용을 절감할 수 있는 전지 유니트 및 이를 채용한 전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 전지 유니트는, 전극 조립체가 수용되며, 개구가 마련된 케이스; 상기 개구를 덮는 것으로서, 상하방향으로 관통된 단자 삽입부가 마련된 캡 플레이트; 상기 단자 삽입부를 통하여 상기 케이스 내부로 삽입되어 상기 전극 조립체를 상기 케이스 외부로 전기적으로 노출시키는 것으로서, 상기 전극 조립체에 전기적으로 접속되는 집전부와, 상기 캡 플레이트 외부로 노출되어 상기 캡 플레이트의 상면과 나란하게 연장된 단자부와, 상기 집전부와 상기 단자부를 연결하는 연결부를 구비하는 단자 부재; 상기 단자 삽입부에 위치되며, 상기 단자 부재를 상기 캡 플레이트에 고정하는 것으로서, 상기 단자 부재가 상기 단자 삽입부에 삽입된 상태에서 플라스틱 수지를 상기 단자 삽입부에 사출하는 인써트 사출 방식에 의하여 형성되는 고정 부재;를 포함한다.
상기 단자부는 상기 캡 플레이트의 상면으로부터 이격될 수 있다.
상기 단자부는 상기 캡 플레이트의 장변 방향으로 연장될 수 있다. 상기 연결부는 상기 단자부로부터 하방으로 연장된 제1절곡부와 상기 제1절곡부로부터 상기 장변 방향으로 연장된 제2절곡부를 포함하며, 상기 집전부는 상기 제2절곡부의 상기 캡 플레이트의 단변 방향의 가장자리로부터 하방으로 연장될 수 있다.
상기 제2절곡부는 부분적으로 상기 고정 부재에 묻힐 수 있다.
상기 제2절곡부는 전체적으로 상기 고정 부재에 묻힐 수 있다.
상기 고정 부재는 상기 단자 삽입부를 채우는 제1고정부와, 상기 단자부와 상기 캡 플레이트의 상면 사이를 채우는 제2고정부를 포함할 수 있다. 상기 제2고정부는 상기 제1고정부의 상부에까지 연장될 수 있다. 상기 제2고정부는 상기 단자 삽입부의 가장자리를 넘어서 형성될 수 있다.
상기 단자 부재는 양극 단자 부재와 음극 단자 부재를 포함할 수 있다. 상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재는 동일한 금속으로 형성될 수 있다. 상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재는 이종의 금속으로 형성될 수 있다. 상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재 중 어느 하나의 단자부의 상면에는 상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재 중 다른 하나와 동일한 금속으로 된 용접 층이 마련될 수 있다. 상기 양극 단자 부재는 알루미늄으로 형성되며, 상기 음극 단자 부재는 구리로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 전지 모듈은, 상술한 다수의 전지 유니트; 이웃하는 상기 전지 유니트들의 단자부들을 서로 연결하는 버스 바;를 포함한다.
상기 버스 바는 상기 단자부들에 용접될 수 있다. 상기 단자 부재는 양극 단자 부재와 음극 단자 부재를 포함하며, 상기 버스 바는 상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재 중 어느 하나와 동일한 금속으로 형성될 수 있다. 상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재 중 상기 버스 바와 다른 금속으로 형성된 부재의 단자부의 상면에는 상기 버스 바와 동일한 금속으로 된 용접 층이 마련될 수 있다.상기 양극 단자 부재는 알루미늄으로 형성되며, 상기 음극 단자 부재는 구리로 형성되며, 상기 버스 바는 알루미늄으로 형성되며, 상기 음극 단자 부재의 단자부의 상면에는 알루미늄으로 된 용접 층이 마련될 수 있다.
본 발명에 따른 전지 유니트 및 전지 모듈의 일 실시형태에 의하면, 전극 조립체와 연결되는 단자 부재가 단일의 금속판재로 형성되므로, 제조 비용을 절감할 수 있으며 균일한 전기적 특성을 유지할 수 있다.
플라스틱 수지를 이용한 인써트 사출 성형 방식에 의하여 단자 부재를 캡 플레이트에 결합함으로써, 캡 플레이트와 단자 부재의 결합과 이들 사이의 전기적 절연을 동시에 형성할 수 있다.
횡방향으로 연장된 형태의 단자부를 채용함으로써, 전지 모듈을 형성할 때에, 인접하는 전지 유니트의 단자부들을 용이하게 연결할 수 있으며, 버스 바와의 용접을 위한 충분한 면적을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 전지 유니트의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 X-X' 단면도이다.
도 3은 전극 조립체의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 4는 양극 단자 부재와 음극 단자 부재의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 5a 내지 도 5c는 양극 집전부와 음극 집전부가 전극 조립체의 동일한 측면에 접속되는 배치 형태들을 도시한 사시도이다.
도 6a 내지 도 6c는 양극 집전부와 음극 집전부가 전극 조립체의 서로 다른 측면에 접속되는 배치 형태들을 도시한 사시도이다.
도 7a 내지 도 7c는 인써트 사출 성형 방식에 의하여 고정 부재를 형성하면서 양극 단자 부재와 음극 단자 부재를 캡 플레이트에 고정하는 과정의 일 예를 도시한 도면들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 관한 전지 모듈의 사시도이다.
도 9는 단자 부재의 다른 실시예의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 관한 전지 유니트의 단면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 캡 조립체의 부분 사시도이다.
도 12는 인써트 사출 성형 방식에 의하여 도 10에 도시된 고정 부재를 형성하면서 양극 단자 부재와 음극 단자 부재를 캡 플레이트에 고정하는 과정의 일 예를 도시한 도면이다.
도 13은 캡 조립체의 일 실시예의 부분 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 관한 전지 유니트 및 전지 모듈에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 전지 유니트(1)의 분해 사시도이며, 도 2는 도 1의 X-X' 단면도이다. 도 3은 전극 조립체(10)의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 전지 유니트(1)는 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10)를 수용하는 케이스(20)와, 케이스(20) 상단을 폐쇄하는 캡 조립체(30)를 포함할 수 있다.
전지 유니트(1)는 예를 들어 리튬 이온 전지와 같은 이차 전지일 수 있다. 이때, 원통형 전지 유니트, 각형 전지 유니트 또는 폴리머 전지 등 다양한 형태의 전지 유니트가 적용될 수 있으며, 어느 하나의 형태로 한정될 필요는 없다.
도 3을 참조하면, 전극 조립체(10)는 양극판(11)과, 음극판(12)과, 양극판(11) 및 음극판(12) 사이에 개재되는 세퍼레이터(13)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 양극판(11), 음극판(12), 및 세퍼레이터(13)의 적층체는 젤리 롤(jelly-roll) 형태로 권취될 수 있다.
양극판(11)은 양극 집전체(11a)와, 양극 집전체(11a)의 적어도 일면에 형성된 양극 활물질층(11b)을 포함한다. 양극 집전체(11a)의 폭 방향을 따라 일 가장자리에는 양극 활물질층(11b)이 형성되지 않은 양극 무지부(11c)가 마련된다. 음극판(12)은 음극 집전체(12a)와, 음극 집전체(12a)의 적어도 일면에 형성된 음극 활물질층(12b)을 포함한다. 음극 집전체(12a)의 폭 방향을 따라 일 가장자리에는 음극 활물질층(12b)이 형성되지 않은 음극 무지부(12c)가 마련된다. 양극 무지부(11c) 및 음극 무지부(12c)는 전극 조립체(10)의 폭 방향으로 서로 이격되게 배치될 수 있다. 예를 들어, 양극 무지부(11c) 및 음극 무지부(12c)는 전극 조립체(10)의 폭 방향의 양측 가장자리에 각각 배치될 수 있다.
캡 조립체(30)는 캡 플레이트(310)와, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되는 단자 부재(320)(330)와, 단자 부재(320)(330)를 각각 캡 플레이트(310)에 고정하는 고정 부재(340)(350)를 포함할 수 있다.
케이스(20)에는 전극 조립체(10)가 삽입될 수 있도록 개구(21)가 마련되며, 캡 플레이트(310)는 케이스(20)에 결합됨으로써 개구(21)를 막는다. 이를 위하여, 캡 플레이트(310)의 가장자리(311)는 개구(21)를 형성하는 케이스(20)의 상측 가장자리(22)와 형합된다. 이 상태에서 예를 들어 레이저 용접 등에 의하여 캡 플레이트(310)를 케이스(20)에 결합함으로써, 전극 조립체(10)가 수용되는 하우징이 형성된다. 캡 플레이트(30)에는 케이스(20) 내부의 압력이 설정 포인트를 초과하면 가스의 배출 경로를 제공하도록 파단 가능하게 설계된 안전 벤트(32)가 마련된다. 또한, 캡 플레이트(30)에는 케이스(20) 내로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(33)가 마련된다. 전해액 주입이 완료된 이후에 실링(sealing) 마개(34)에 의해 전해액 주입구(33)가 폐쇄된다.
단자 부재(320)(330)는 각각 양극 단자 부재와 음극 단자 부재이다. 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 각각 전극 조립체(10)의 양극 무지층(11c) 및 음극 무지층(12c)과 전기적으로 연결된다. 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)에 의하여 전극 조립체(10)의 양극 무지층(11c) 및 음극 무지층(12c)은 전기적으로 케이스(20) 외부로 노출된다. 단자 삽입부(35)(36)는 각각 양극 단자 삽입부와 음극 단자 삽입부이다. 단자 삽입부(35)(36)는 캡 플레이트(310)를 상하 방향으로 관통하여 형성된다. 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 단자 삽입부(35)(36)에 각각 삽입되며, 양극 고정 부재(340)와 음극 고정 부재(350)에 의하여 캡 플레이트(310)에 고정된다.
도 4는 단자 부재(320)(330)의 일 예를 도시한 사시도이다. 단자 부재(320)(330)는 일반적으로 그 형상이 동일하거나 또는 서로 대칭이다. 그러므로, 도 4에서는 음극 단자 부재(330)의 구성요소를 나타내는 참조부호와 함께 괄호 안에 양극 단자 부재(320)를 구성하는 구성요소의 참조부호를 병기한다.
도 1, 도 2, 및 도 4를 참조하면, 양극 단자 부재(320)는 양극 단자부(321), 음극 집전부(324), 및 양극 단자부(321)와 양극 집전부(324)를 연결하는 양극 연결부(325)를 포함할 수 있다. 음극 단자 부재(330)는 음극 단자부(331), 음극 집전부(334), 및 음극 단자부(331)와 음극 집전부(334)를 연결하는 음극 연결부(335)를 포함할 수 있다. 음극 단자부(331)와 양극 단자부(321)는 캡 플레이트(310)의 상면(312)과 나란하게 연장된다. 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 전기 전도성을 갖는 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 금속 판재를 프레스(press) 가공방식에 의하여 소망하는 형성으로 절단, 절곡함으로써 형성될 수 있다.
음극 단자부(330)는 횡방향, 즉 캡 플레이트(310)의 장변 방향(제1방항)으로 연장되며, 음극 집전부(334)는 하방, 즉 캡 플레이트(310)의 두께 방향(제2방향)으로 연장된다. 음극 연결부(335)는 음극 단자부(331)로부터 절곡되어 음극 단자부(331)와 음극 집전부(334)를 연결한다. 음극 연결부(335)는 음극 단자부(331)의 제1방향과 반대 방향(제3방향)의 가장자리(331a)로부터 하방(제2방향)으로 절곡되어 연장된 제1 음극 절곡부(332)와, 제1 음극 절곡부(332)의 제2방향의 가장자리(332a)로부터 제3방향으로 절곡되어 연장된 제2 음극 절곡부(333)를 포함할 수 있다. 음극 집전부(334)는 제2 음극 절곡부(333)의 제1방향 및 제3방향과 교차하는 방향, 즉 캡 플레이트(310)의 단변 방향(제4방향)의 가장자리(333a)로부터 하방(제2방향)으로 절곡되어 연장될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 음극 집전부(334)의 두께부(334c)가 아닌 대면적부(334b)가 전극 구조체(10)의 음극 무지부(12c)와 나란하게 위치된다. 대면적부(334b)의 폭(W)은 대면적부(334c)와 음극 무지부(12c)와의 접촉 면적이 가능한 한 넓게 되도록 결정될 수 있다. 그러므로, 음극 집전부(334)와 음극 무지부(12c)와의 접촉면적을 크게 확보할 수 있어 접촉 저항을 저감시키는 데에 유리하다.
도 5a 내지 도 5c는 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)의 배치 형태의 예들을 도시한 사시도들이다. 도 5a 내지 도 5c에 도시된 배치 형태들은 양극 집전부(324)와 음극 집전부(334)가 전극 조립체(10)의 동일한 측면에 접속되는 배치 형태들이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)가 서로 마주 보게 배치될 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)가 서로 등지게 배치될 수 있다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 배치 형태의 경우, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 장변 방향에 대하여 서로 대칭적인 형상을 가진다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)가 같은 방향으로 향하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)의 형상은 동일하다.
도 6a 내지 도 6c는 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)의 배치 형태의 예들을 도시한 사시도들이다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 배치 형태들은 양극 집전부(321)와 음극 집전부(331)가 전극 조립체(10)의 서로 다른 측면에 접속되는 배치 형태들이다. 도 6a와 도 6b에 도시된 배치 형태의 경우, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)의 형상은 동일하다. 도 6c에 도시된 배치 형태의 경우 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)의 형상은 장변 방향에 대하여 서로 대칭이다.
양극 단자 부재(320)의 형상이 음극 단자 부재(330)와 동일한 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 양극 단자 부재(320)는 제1방항으로 연장된 양극 단자부(321)와, 제2방향으로 연장된 양극 집전부(324), 및 양극 단자부(321)로부터 절곡되어 양음극 단자부(321)와 양극 집전부(324)를 연결하는 양극 연결부(335)를 구비한다. 양극 연결부(325)는 양극 단자부(321)의 제3방향의 가장자리(321a)로부터 제2방향으로 절곡되어 연장된 제1 양극 절곡부(322)와, 제1 양극 절곡부(322)의 제2방향의 가장자리(322a)로부터 제3방향으로 절곡되어 연장된 제2 양극 절곡부(323)를 포함할 수 있다. 양극 집전부(324)는 제2 양극 절곡부(323)의 제4방향의 가장자리(323a)로부터 제2방향으로 절곡되어 연장될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 양극 집전부(324)의 두께부(324c)가 아닌 대면적부(324b)가 전극 구조체(10)의 양극 무지부(11c)와 나란하게 위치된다. 대면적부(324b)의 폭(W)은 대면적부(324b)와 양극 무지부(11c)와의 접촉 면적이 가능한 한 넓게 되도록 결정될 수 있다. 그러므로, 양극 집전부(324)와 양극 무지부(11c)와의 접촉면적을 크게 확보할 수 있어 접촉 저항을 저감시키는 데에 유리하다.
양극 단자 부재(320)의 형상이 음극 단자 부재(330)의 형상과 대칭인 경우, 도 4에 점선으로 도시된 바와 같이, 양극 집전부(324)는 제2 양극 절곡부(323)의 제4방향과 반대 방향인 제5방향의 가장자리(323b)로부터 제2방향으로 절곡되어 연장된다.
양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 양극 단자 삽입부(35) 및 음극 단자 삽입부(36)에 각각 삽입된다. 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)는 캡 플레이트(310)의 상방에, 양극 집전부(324)와 음극 집전부(334)는 캡 플레이트(310)의 하방에 위치된다. 이 상태에서 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 단자 삽입부(35)(36)에 각각 삽입되는 양극 고정 부재(340)와 음극 고정 부재(350)에 의하여 캡 플레이트(310)에 고정된다. 고정 부재(340)(350)는 예를 들어 전기 절연성 플라스틱으로 형성될 수 있다. 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)는 캡 플레이트(310)의 상방으로 돌출되어, 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)와 캡 플레이트(310)의 상면(312) 사이에는 간격(G1)(G2)이 형성된다. 이에 의하여 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)가 캡 플레이트(310)에 고정되며, 간격(G1)(G2)과 전기 절연성 고정 부재(340)(350)에 의하여 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)는 캡 플레이트(310)와 전기적으로 절연된다.
전기 절연성 플라스틱은 예를 들어 폴리염화비닐(PVC: polyvinyl chloride), 폴리스틸렌(polystyrene), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene), ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 등의 범용 플라스틱, 폴리아세탈(polyacetal), PPO(polyphenylene oxide), PPE(polyphenyleneether), Pam(polyamide), PC(polycarbonate), PBT(Polybutylene Terephthalate) 등의 범용 엔지니어링 플라스틱, U폴리머, PSF(polysulfone),PPS(polyphenylenesulfide), PEI(polyetherimide), PES(polyethersulfone), PAR(polyarylate), PEEK(polyetheretherketone), PTFE(polytetrafluoroethylene) 등의 고성능 엔지니어링 플라스틱, PAI(polyamideimide), PI(polyimide) 등의 초내열성 엔지니어링 플라스틱 등일 수 있다. 일 예로서, 고정 부재(340)(350)는 PPS에 유리 섬유(glass fiber)를 40% 첨가한 수지로 형성될 수 있다.
고정 부재(340)(350)는 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)가 단자 삽입부(35)(36)에 각각 삽입된 상태에서 상술한 플라스틱 수지를 단자 삽입부(35)(36)에 사출하여 성형하는 인써트 사출 성형 방식에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7a 내지 도 7c에는 인써트 사출 성형 방식에 의하여 고정 부재(340)(350)를 형성하면서 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)를 캡 플레이트(310)에 고정하는 과정의 일 예가 도시되어 있다.
도 7a를 참조하면, 사출 금형의 상측 코어(1001)와 하측 코어(1002)가 서로 이격된 상태, 즉 금형이 열린 상태에서 캡 플레이트(310)를 하측 코어(1002)의 하측 파팅 라인(PL2) 상에 적치하고, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)를 각각 단자 삽입부(35)(36)를 통하여 캡 플레이트(310)를 관통하여 하측 코어(1002)에 삽입한다. 하측 코어(1002)에는 양극 집전부(324)와 음극 집전부(334)를 각각 지지하는 지지홈(1002a)(1002b)이 마련된다. 양극 집전부(324)와 음극 집전부(334)가 각각 지지홈(1002a)(1002b)에 지지되면, 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)는 캡 플레이트(310)의 상면(312)으로부터 이격되게 위치된다. 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)와 캡 플레이트(310)의 상면(312) 사이의 틈새(1009)(1010)에 플라스틱 수지가 채워지지 않도록 하기 위하여는 이 틈새(1009)(1010)는 상측 코어(1001)에 의하여 채워져야 한다. 틈새(1009)(1010)는 상측 코어(1001)의 작동 방향에 대하여 언더-컷부에 해당된다. 틈새(1009)(1010)는 상측 코어(1001)가 작동될 때에 작동 방향과 교차하는 방향으로 이동되는 슬라이드 코어(1003)(1004)에 의하여 채워질 수 있다. 즉, 상측 코어(1001)가 하측 코어(1002)에 접근/이격될 때에는 슬라이드 코어(1003)(1004)가 상측 코어(1001)의 작동 방향과 교차되는 방향으로 이동되어 틈새(1009)(1010)를 채우거나 그로부터 도피된다.
도 7b에 도시된 바와 같이 캡 플레이트(310), 양극 단자 부재(320), 및 음극 단자 부재(330)가 하측 코어(1002)에 지지된 상태에서 상측 코어(1001)를 하측 코어(1002)에 접근시킨다. 상측 코어(1001)와 하측 코어(1002)가 맞물리면, 상측 파팅 라인(PL1)과 하측 파팅 라인(PL2)에 의하여 고정 부재(340)(350)가 각각 형성될 성형 공간(1005)(1006)이 정의된다. 틈새(1009)(1010)는 슬라이드 코어(1003)(1004)에 의하여 채워진다. 게이트(1007)(1008)를 통하여 성형 공간(1005)(1006)에 수지를 주입한다. 소정의 냉각 시간이 경과되면, 성형 공간(1005)(1006)에 채워진 수지가 경화되면서 양극 단자 부재(320) 및 음극 단자 부재(330)를 캡 플레이트(310)에 고정시키는 고정 부재(340)(350)가 형성된다.
다음으로, 도 7c에 도시된 바와 같이, 상측 코어(1001)를 하측 코어(1002)로부터 이격시키고, 캡 조립체(30)를 하측 코어(1002)로부터 분리한다.
도 2를 참조하면, 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)는 캡 플레이트(310)의 상면(312)으로부터 상방으로 이격되게 위치되어, 그 사이에 간격(G1)(G2)을 각각 형성한다. 간격(G1)(G2)은 동일할 수 있다. 고정 부재(340)(350)는 양극 연결부(325) 및 음극 연결부(335)를 부분적으로 또는 전체적으로 에워싸며, 양극 연결부(325) 및 음극 연결부(335)와 캡 플레이트(310)의 단자 삽입부(35)(36)의 가장자리 사이에 고정 부재(340)(350)를 형성하는 수지가 채워진다. 이에 의하여, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)는 전체적으로 캡 플레이트(310)와 전기적으로 절연될 수 있다. 제2 양극 절곡부(323)와 제2 음극 절곡부(333)는 고정 부재(340)(350)에 부분적으로, 또는 전체적으로(도 2에 점선 참조) 묻힐 수 있다. 이와 같이 절곡된 형태가 고정 부재(340)(350) 내부에 묻힘으로써 고정 부재(340)(350)와 단자 부재(320)(330) 및 캡 플레이트(310)와의 결합 강도를 향상시킬 수 있다.
캡 조립체(30)의 형성이 완료된 후에 전극 조립체(10)와 양극 단자 부재(320) 및 음극 단자 부재(330)를 전기적으로 연결한다. 양극 무지부(11c)에는 양극 집전부(324)가 전기적으로 연결되고, 음극 무지부(12c)에는 음극 집전부(334)가 전기적으로 연결된다. 양극 무지부(11c)에 대한 양극 집전부(324)의 결합과, 음극 무지부(12c)에 대한 음극 집전부(334)의 결합은 예를 들어, 초음파 용접에 의해 수행될 수 있다.
캡 조립체(30)와 전극 조립체(10)가 결합된 상태에서, 전극 조립체(10)가 개구(22)를 통하여 케이스(20)에 삽입되며, 캡 플레이트(310)가 케이스(20)에 예를 들어 레이저 용접 방식에 의하여 결합됨으로써 개구(22)가 폐쇄되고, 전극 조립체(10)가 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)에 의하여 전기적으로 케이스(20)의 외부로 노출된다. 전해액 주입구(33)를 통하여 전해액을 주입한 후에 실링 마개(34)를 이용하여 전해액 주입구(33)를 막음으로써 전지 유니트(1)의 제조가 완료될 수 있다.
상술한 전지 유니트(1)에 따르면, 각 단자 부재(320)(330)가 단일의 금속 판재에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 집전부(324)(334)로부터 단자부(321)(331)에 이르는 단자 부재(320)(330)의 모든 요소가 동일한 금속으로 형성될 수 있다. 그러므로, 용접 등에 의한 결합과정없이 단자 부재(320)(330)를 형성할 수 있어, 제조 비용의 절감은 물론 집전부(324)(334)에서 단자부(321)(331)까지의 전류 경로의 전기적 특성을 균일하게 유지할 수 있다. 또한, 플라스틱 수지를 이용한 인써트 사출 성형 방식에 의하여 단자 부재(320)(330)를 캡 플레이트(310)에 결합함으로써, 캡 플레이트(310)와 단자 부재(320)(330)의 결합과 이들 사이의 전기적 절연을 동시에 형성할 수 있다. 또한, 횡방향으로 연장된 형태의 단자부(321)(331)를 채용함으로써, 후술하는 바와 같이 다수의 전지 유니트(1)의 조합에 의하여 전지 모듈(도 8: 2)을 형성할 때에, 인접하는 전지 유니트(1)의 단자부(321)(331)들을 용이하게 연결할 수 있다. 또한, 횡방향으로 연장된 형태의 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)는 용접을 위한 충분한 면적을 확보하는 데에 유리하다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 관한 전지 모듈의 사시도이다. 도 8을 참조하면, 전지 모듈(2)은 열을 이루어 배열된 다수의 전지 유니트(1)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전지 모듈(2)은 일 방향을 따라 배열된 전지 유니트(1)들을 포함할 수 있고, 1열 또는 2열 이상 배열된 전지 유니트(1)들을 포함하는 적층구조를 가질 수 있다.
이웃하는 전지 유니트(1)의 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)를 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 통하여 다수의 전지 유니트(1)가 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 버스 바(400)를 이용하여 이웃하는 한 쌍의 전지 유니트(1)의 다른 극성의 단자부를 연결함으로써 다수의 전지 유니트(1)를 직렬로 연결할 수 있다. 이를 위하여 다수의 전지 유니트(1)은 버스 바(400)의 연결 방향(A)으로 단자부의 극성이 서로 엇갈리도록 배치될 수 있다. 버스 바(400)는 예를 들어 단자부(321)(331)에 용접방식에 의하여 결합될 수 있다. 도면으로 도시되지는 않았지만 버스 바(400)를 이용하여 이웃하는 한 쌍의 전지 유니트(1)의 동일한 극성의 단자부를 연결함으로써 다수의 전지 유니트(1)를 병렬로 연결할 수도 있다.
버스 바(400)는 도전성이 우수한 금속소재로 형성될 수 있는데, 균일한 조성을 갖는 균질의 금속소재로 형성될 수 있다. 이때, 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)가 공히 버스 바(400)와 동종금속으로 형성되면, 각 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)와 버스 바(400) 간에는 동종금속 간의 용접이 수행될 수 있다. 동종 금속은 예를 들어 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)일 수 있다.
양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)는 서로 다른 금속으로 형성될 수도 있다. 버스 바(400)가 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)와 다른 금속으로 형성된 경우, 양극 단자부(321)와 버스 바(400) 사이, 및 음극 단자부(331)와 버스 바(400) 사이에는 이종금속 간의 결합이 형성될 수 있다. 버스 바(400)가 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331) 중 어느 하나와 동종 금속으로 형성된 경우, 버스 바(400)와 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331) 중 다른 하나와의 사이에는 이종 금속 간의 결합이 형성될 수 있다.
예를 들어, 알루미늄(Al)-알루미늄(Al)끼리, 또는 구리(Cu)-구리(Cu)끼리의 동종 금속 간에는 레이저 용접을 통하여 충분한 용접강도를 얻을 수 있다. 그러나, 알루니늄(Al)-구리(Cu)와 같은 이종금속 간에 레이저 용접을 적용하면 용접성이 저하되어 충분한 용접강도를 얻을 수 없다. 이종 금속 간에는 레이저 용접을 대체하여 마찰교반용접(FSW, Friction Stir Welding)이 수행될 수 있다. 마찰교반용접은 고속 회전되면서 모재 내부로 삽입되는 용접 툴(미도시)을 이용한다. 용접 툴과 모재와의 마찰열에 의하여 용접 툴 주변의 모재가 연화되고, 회전되는 용접 툴의 교반 작용에 기인하는 소성 유동에 의하여 두 모재의 경계면을 기준으로 두 모재가 강제적으로 혼입된다. 마찰교반용접을 통하여 용접성이 떨어지는 이종금속 간에도 충분한 용접강도를 얻을 수 있다.
일 예로서, 양극 단자부(321)는 전기화학적으로 양극에 적합한 알루미늄(Al), 음극 단자부(331)는 전기화학적으로 양극에 적합한 구리(Cu)로 형성되고, 버스 바(400)는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 양극 단자부(321)와 버스 바(400)와의 결합은 레이저 용접에 의하여, 음극 단자부(331)와 버스 바(400)와의 결합은 마찰교반용접에 의하여 수행될 수 있다. 이에 의하여, 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)와 버스 바(400)와의 충분한 용접 강도를 얻을 수 있다. 물론, 이 경우에도 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331) 모두 마찰교반용접에 의하여 버스 바(400)와 결합될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 유니트(1)에 적용되는 단자 부재(320)(330)의 다른 실시예를 도시한 사시도이다. 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)가 이종 금속으로 형성되고, 버스 바(400)가 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331) 중 어느 하나와 동종 금속으로 형성되는 경우, 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331) 중 다른 하나에는 버스 바(400)와 동종의 금속으로 된 용접층(326)(336)이 마련될 수 있다. 예를 들어, 양극 단자부(321)는 전기화학적으로 양극에 적합한 알루미늄(Al), 음극 단자부(331)는 전기화학적으로 양극에 적합한 구리(Cu), 버스 바(400)는 알루미늄(Al)으로 형성된 경우, 음극 단자부(330)의 상면에는 버스 바(400)와 동일한 알루미늄(Al)으로 된 용접 층(336)이 마련될 수 있다. 물론, 버스 바(400)가 구리(Cu)로 형성된 경우, 양극 단자부(321)의 상면에 버스 바(400)와 동일한 구리(Cu)로 된 용접 층(326)이 마련될 수 있다. 용접 층(326)(336)은 양극 단자부(321) 또는 음극 단자부(331)에 레이저 용접, 마찰교반용접 등의 방식에 의하여 형성될 수 있다. 이 경우, 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)의 최종적인 상면의 높이가 동일하게 되도록 하기 위하여, 간격(도 2: G1, G2)는 서로 다를 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 버스 바(400)와 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)와의 결합인 동종 금속 간의 결합이 되므로 레이저 용접에 의하여도 충분한 용접 강도를 확보할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 유니트의 다른 실시예를 도시한 단면도이며, 도 11은 도 10에 도시된 캡 조립체(10)의 부분 사시도이다. 도 10과 도 11을 참조하면, 고정 부재(340)(350)가 단자 삽입부(35)(36) 내측 및 단자부(321)(331)와 캡 플레이트(310)의 상면(312) 사이의 간격(G1)(G2)에까지 형성된다. 즉, 고정 부재(340)(350)는 단자 삽입부(35)(36)를 채우는 제1고정부(341)(351)와 단자부(321)(331)와 캡 플레이트(310)의 상면(312) 사이의 간격(G1)(G2)을 채우는 제2고정부(342)(352)를 구비한다.
이와 같은 고정 부재(340)(350)는 인써트 사출 성형 방식에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 사출 금형의 상측 코어(1001)와 하측 코어(1002)가 서로 이격된 상태, 즉 금형이 열린 상태에서 캡 플레이트(310)를 하측 코어(1002)에 삽입하고, 양극 단자 부재(320)와 음극 단자 부재(330)를 각각 단자 삽입부(35)(36)를 통하여 캡 플레이트(310)를 관통하여 하측 코어(1002)에 삽입한다. 그리고, 상측 코어(1001)를 하측 코어(1002)에 접근시킨다.상측 코어(1001)와 하측 코어(1002)가 맞물리면, 상측 파팅 라인(PL1)과 하측 파팅 라인(PL2)에 의하여 고정 부재(340)(350)가 각각 형성될 성형 공간(1005)(1006)이 정의된다. 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)와 캡 플레이트(310)의 상면(312) 사이의 틈새(1009)(1010)는 수지가 채워질 수 있도록 성형 공간(1005)(1006)과 연결된다. 게이트(1007)(1008)를 통하여 성형 공간(1005)(1006)과 틈새(1009)(1010)에 수지를 주입한다. 소정의 냉각 시간이 경과되면, 성형 공간(1005)(1006)과 틈새(1009)(1010)에 채워진 수지가 경화되면서 양극 단자 부재(320) 및 음극 단자 부재(330)를 캡 플레이트(310)에 고정시키는 제1고정부(341)(351)와 제2고정부(342)(352)를 구비하는 고정 부재(340)(350)가 형성된다. 다음으로, 상측 코어(1001)를 하측 코어(1002)로부터 이격시키고, 캡 조립체(30)를 하측 코어(1002)로부터 분리한다.
이와 같은 구성에 의하면, 단자 부재(320)(330)와 캡 플레이트(310)와의 결합 강도를 향상시킬 수 있다. 즉, 제2고정부(342)(352)는 단자 부재(320)(330) 및 캡 플레이트(310)와 고정 부재(340)(350)와의 접촉 면적을 증가시킴으로써, 단자 부재(320)(330)와 캡 플레이트(310)와의 결합 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 버스 바(400)가 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)에 용접 등의 방식에 의하여 결합될 때에 용접 툴에 의하여 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)에 하방으로 누르는 압력이 가해지는데, 양극 단자부(321) 및 음극 단자부(331)가 제2고정부(342)(352)에 의하여 캡 플레이트(310)에 지지되므로, 결합 과정에서 고정 부재(340)(350)가 단자 삽입부(35)(36)로부터 이탈될 가능성을 줄일 수 있다.
용접 과정에서 양극 단자부(321)와 음극 단자부(331)에 전달되는 열을 제2고정부(342)(352)를 통하여 분산시킬 수 있다.
제2고정부(342)(352)에 의하여 단자부(321)(331)가 지지되므로, 버스 바(400)를 용접하는 과정에서 단자부(321)(331)가 하방으로 구부러지는 것을 방지할 수 있다. 이에 의하여, 단자부(321)(331)와 버스 바(400)와의 결합 품질을 향상시킬 수 있으며, 단자 부재(320)(330)와 캡 플레이트(310)와의 전기적 절연성을 향상시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 유니트에 적용되는 캡 조립체(30)의 부분 사시도이다. 도 13을 참조하면, 제2고정부(342)(352)는 제1고정부(341)(351)의 상방에까지 연장되어 단자 삽입부(35)(36)를 완전히 덮을 수 있다. 즉, 제2고정부(341)(351)는 캡 플레이트(310)의 장변 방향 및 단변 방향으로 단자 삽입부(35)(36)의 가장자리(35a)(36a)를 넘어서 연장될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 고정 부재(340)(350)와 단자 삽입부(35)(36) 사이의 틈새를 통하여 수분이 케이스(20) 내부로 침투하여 캡 플레이트(310), 전극 조립체(10), 집전부(324)(325), 케이스(20) 등의 부식을 초래할 가능성을 줄일 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 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 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1...전지 유니트 10...전극 조립체
11, 12...양극(음극)판 11a, 12a...양극(음극) 집전판
11b, 12b...양극(음극) 활물질층 11c, 12c...양극(음극) 무지부
13 : 세퍼레이터 30... 캡 조립체
32...안전 벤트 33...전해액 주입구
34...실링 마개 35, 36...양극(음극) 단자 삽입부
310...캡 플레이트 320, 330...양극(음극) 단자 부재
321, 331...양극(음극) 단자부 322, 332..제1 양극(음극) 절곡부
323, 333..제2 양극(음극) 절곡부 324, 334...양극(음극) 집전부
325, 335...양극(음극) 연결부 340, 350...양극(음극) 고정 부재
341, 351...제1고정부 342, 352...제2고정부
1001, 1002...상측(하측) 코어 1003...1004...슬라이드 코어

Claims (21)

  1. 전극 조립체가 수용되며, 개구가 마련된 케이스;
    상기 개구를 덮는 것으로서, 상하방향으로 관통된 단자 삽입부가 마련된 캡 플레이트;
    상기 단자 삽입부를 통하여 상기 케이스 내부로 삽입되어 상기 전극 조립체를 상기 케이스 외부로 전기적으로 노출시키는 것으로서, 상기 전극 조립체에 전기적으로 접속되는 집전부와, 상기 캡 플레이트 외부로 노출되어 상기 캡 플레이트의 상면과 나란하게 연장된 단자부와, 상기 집전부와 상기 단자부를 연결하는 연결부를 구비하는 단자 부재;
    상기 단자 삽입부에 위치되며, 상기 단자 부재를 상기 캡 플레이트에 고정하는 것으로서, 상기 단자 부재가 상기 단자 삽입부에 삽입된 상태에서 플라스틱 수지를 상기 단자 삽입부에 사출하는 인써트 사출 방식에 의하여 형성되는 고정 부재;를 포함하며,
    상기 연결부는 상기 단자부로부터 하방으로 연장된 제1절곡부와, 상기 제1절곡부로부터 상기 캡 플레이트의 장변 방향으로 연장된 제2절곡부를 포함하며,
    상기 집전부는 상기 제2절곡부의 상기 캡 플레이트의 단변 방향의 가장자리로부터 하방으로 연장된 전지 유니트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단자부는 상기 캡 플레이트의 상면으로부터 이격된 전지 유니트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단자부는 상기 장변 방향으로 연장된 전지 유니트.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2절곡부는 부분적으로 상기 고정 부재에 묻히며,
    상기 제2절곡부의 하면은 상기 고정부재의 하방으로 노출된 전지 유니트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2절곡부는 전체적으로 상기 고정 부재에 묻히는 전지 유니트.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 고정 부재는 상기 단자 삽입부를 채우는 제1고정부와, 상기 단자부와 상기 캡 플레이트의 상면 사이를 채우는 제2고정부를 포함하는 전지 유니트.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2고정부는 상기 제1고정부의 상부에까지 연장된 전지 유니트.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2고정부는 상기 단자 삽입부의 가장자리를 넘어서 형성되는 전지 유니트.
  10. 제1항 내지 제3항 또는 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단자 부재는 양극 단자 부재와 음극 단자 부재를 포함하는 전지 유니트.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재는 동일한 금속으로 형성된 전지 유니트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재는 이종의 금속으로 형성된 전지 유니트.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 양극 단자 부재는 알루미늄으로 형성되며, 상기 음극 단자 부재는 구리로 형성된 전지 유니트.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재 중 어느 하나의 단자부의 상면에는 상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재 중 다른 하나와 동일한 금속으로 된 용접 층이 마련된 전지 유니트.
  15. 제1항 내지 제3항 또는 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 다수의 전지 유니트;
    이웃하는 상기 전지 유니트들의 단자부들을 서로 연결하는 버스 바;를 포함하는 전지 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 버스 바는 상기 단자부들에 용접되는 전지 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 단자 부재는 양극 단자 부재와 음극 단자 부재를 포함하는 전지 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재는 이종의 금속으로 형성된 전지 모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 버스 바는 상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재 중 어느 하나와 동일한 금속으로 형성된 전지 모듈.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 양극 단자 부재와 상기 음극 단자 부재 중 상기 버스 바와 다른 금속으로 형성된 부재의 단자부의 상면에는 상기 버스 바와 동일한 금속으로 된 용접 층이 마련된 전지 모듈.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 양극 단자 부재는 알루미늄으로 형성되며, 상기 음극 단자 부재는 구리로 형성되며, 상기 버스 바는 알루미늄으로 형성되며, 상기 음극 단자 부재의 단자부의 상면에는 알루미늄으로 된 용접 층이 마련된 전지 모듈.
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