KR20140060881A - 용접 벤팅부가 구비된 각형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 상단 캡으로 이루어져 있으며; 상기 케이스 본체와 상단 캡의 접촉 부위는 레이저 용접으로 결합된 용접면을 포함하고 있고, 상기 용접면은 전지 내부의 고압 발생시 가스가 외부로 배출되도록 상대적으로 결합력이 낮은 용접 벤팅부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지를 제공한다.

Description

용접 벤팅부가 구비된 각형 이차전지 {Prismatic Secondary Battery Employed with Welding Vent Portion}

본 발명은 용접 벤팅부가 구비된 각형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 상단 캡으로 이루어져 있으며; 상기 케이스 본체와 상단 캡의 접촉 부위는 레이저 용접으로 결합된 용접면을 포함하고 있고, 상기 용접면은 전지 내부의 고압 발생시 가스가 외부로 배출되도록 상대적으로 결합력이 낮은 용접 벤팅부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.

전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형, 및 바이셀 또는 풀셀 등의 유닛셀을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형으로 대략 분류된다.

이러한 이차전지는 사용 상태 및 조건에 따라 다양한 환경에 노출될 수 있으며, 사용자의 안전을 위해 특히 폭발의 위험성을 예방하는 것이 요구된다. 일반적으로, 내부 쇼트, 허용된 전류, 전압을 초과한 충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격 등과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압은 전지의 폭발을 초래할 수 있다. 따라서, 이차전지는 상기와 같은 전지의 형태적 차이에도 불구하고, 전지 폭발의 직접적인 원인인 고압을 해소할 수 있는 고압 해소 수단을 구비하고 있다.

예를 들어, 원통형 전지는 특정한 구조의 안전판이 캡 어셈블리에 설치되어 있고, 각형 전지는 전지의 캡 또는 케이스에 노치홈이 형성되어 있으며, 파우치형 전지는 별도의 노치홈 없이 라미네이트 시트의 봉합부(밀봉부)가 분리되는 방식으로 고압을 해소하고 있다.

일반적인 각형 이차전지에서는, 알루미늄 전지케이스에 폐쇄형 또는 일부 개방형의 노치홈이 절개 가능한 형태로 형성되어 있다.

예를 들어, 도 1에서와 같이, 각형 이차전지는 일부 개방형의 노치홈을 전지케이스의 측면에 포함하고 있다.

도 1의 노치홈(10)은 각형 이차전지 케이스(20)의 측면 모서리에 작은 윤곽으로 형성되어 있고, 일부 개방형으로 형성되어 있다. 즉, 노치홈(10)은 케이스(20)의 응력 분포에 있어서 응력값이 상대적으로 큰 부위에 형성되어 있어서, 전지의 과도한 내압 상승시 곡선 형상이 파단되도록 설계되어 있다.

이러한 구조의 노치홈은 전지 내부에서 발생한 고압에 상대적으로 민감하게 반응하는 장점은 있으나, 전지케이스의 외면에 굴곡이 발생하여 주변에 두께가 두꺼워지는 문제점이 있다.

또한, 각형 이차전지의 또 다른 예로서, 노치홈이 전지케이스의 상단 중앙부에 형성된 구조를 들 수 있다.

그러나, 이러한 구조도 응력이 상대적으로 작은 전지케이스의 상단 중앙부에 노치홈으로 이루어진 안전판을 형성하여 대면적, 두께가 얇은 박형 전지에 대해 안전판의 파단압을 올릴 수 있으나, 안전판 작동시 노치홈의 주변 영역으로 크랙이 전파되거나 변형 등과 같은 불필요한 파단이 야기될 수 있는 문제점이 있다.

더욱이, 전지케이스에 노치홈을 형성하는 과정에서 전지케이스가 일부 변형되는 문제점도 발생한다.

따라서, 상기와 같이 종래의 각형 이차전지가 가진 복잡한 문제들을 해결할 수 있는 안전 수단을 구비한 각형 이차전지에 관한 기술이 매우 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 케이스 본체와 상단 캡의 접촉 부위의 용접면을 전지 내부의 고압 발생시 가스가 외부로 배출되도록 상대적으로 결합력이 낮은 용접 벤팅부를 구성함으로써, 전지의 안전성을 향상시키고 기존의 노치홈에 의해 발생하는 전지케이스 외면의 굴곡을 제거할 수 있는 특정 구조의 각형 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 구조의 용접 벤팅부는 기존의 제조 공정에서 레이저 용접 강도만을 조절하기 때문에 별도의 추가 공정이 필요 없는 각형 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 각형 이차전지는, 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서,

상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 상단 캡으로 이루어져 있으며;

상기 케이스 본체와 상단 캡의 접촉 부위는 레이저 용접으로 결합된 용접면을 포함하고 있고, 상기 용접면은 전지 내부의 고압 발생시 가스가 외부로 배출되도록 상대적으로 결합력이 낮은 용접 벤팅부를 포함하는 구조로 구성되어 있다.

따라서, 전지케이스와 상단 캡의 접촉 부위 중 일부에 상대적으로 결합력이 낮은 용접 벤팅부를 구성함으로써, 전지 내부의 고압 발생시에 상기 용접 벤팅부를 통해 가스를 용이하게 배출시킬 수 있다.

상기 전지케이스는 가공상의 용이성과 일정 수준 이상의 기계적 강도가 요구되므로, 금속 소재의 캔일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 캔 또는 스테인리스 스틸 캔일 수 있다.

상기 레이저 용접은 바람직하게는 YAG 레이저에 의해 수행될 수 있지만, 그것만으로 한정되지 않음은 물론이다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 용접 벤팅부는 레이저 용접 과정에서 용접 강도를 조절하여 형성되는 구조일 수 있다. 이 경우, 별도의 부재 또는 추가 공정 없이도 소망하는 용접 벤팅부를 형성하는 것이 가능하다.

상기 용접 벤팅부는, 예를 들어, 전지 내부의 고압이 정상적인 조건에서의 전지 내압의 3배 이상의 압력에서 개방되는 구조일 수 있다.

따라서, 내압이 점차 상승하여 정상적인 전지 내압의 3배 이상의 압력이 발생하게 되면, 용접 벤팅부에 응력이 집중되면서 용이하게 파열되어 전지 외부로 신속하게 가스가 배출되며 결과적으로 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 용접 벤팅부의 길이는 용접면의 전체 길이를 기준으로 1 내지 30%의 크기로 형성될 수 있으며, 상기 용접 벤팅부는 케이스 본체 상단 중의 측면 부위에 형성되어 있는 구조일 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다.

각형 이차전지의 케이스 본체는 수평 단면상으로 장축에 대응하는 양면들과 단축에 대응하는 양 측면들로 구별할 수 있는 바, 상기에서 용접 벤팅부가 형성되어 있는 케이스 본체 상단 중의 측면 부위는 상기 양 측면들 중의 어느 하나의 측면 또는 양 측면들을 포함하는 개념이다.

한편, 상기 용접 벤팅부 두께는, 예를 들어, 0.05 내지 0. 15 mm의 범위 내에 형성되는 구조일 수 있으며, 상기 용접 벤팅부의 두께는 0.1 mm로 형성되는 것이 바람직하다.

경우에 따라서는, 상기 전지케이스 외면에 외부 충격으로부터 전지를 보호하고, 전기적 절연상태를 유지하는 외장 필름이 추가로 부착될 수 있다.

상기 전극조립체는 젤리-롤(권취형) 구조 뿐만 아니라, 스택형 구조일 수도 있으며, 그 중 젤리-롤은 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점이 있지만, 그것으로 한정되지 않음은 물론이다.

이러한 구조의 이차전지는 더욱 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 각형 이차전지를 전원으로 사용하는 디바이스를 제공한다.

본 발명에 따른 각형 이차전지에 사용될 수 있는 디바이스의 바람직한 예로는, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치 등을 들 수 있다.

전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력저장 장치 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 각형 이차전지는 케이스 본체와 상단 캡의 접촉 부위의 용접면을 전지 내부의 고압 발생시 가스가 외부로 배출되도록 상대적으로 결합력이 낮은 용접 벤팅부를 구성함으로써, 전지의 안전성을 향상시키고 기존의 노치홈으로 인해 유발되는 전지케이스 외면의 굴곡 발생을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 용접 벤팅부는 기존의 제조 공정에서 레이저 용접 강도만을 조절하기 때문에 별도의 추가 공정이 요구되지 않는 장점이 있다.

도 1은 종래의 노치홈이 형성된 각형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 본 발명에 사용되는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 조립단계의 사시도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 각형 이차전지의 구조가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 각형 이차전지(100)는 음극단자의 역할을 이루는 각형 전지 케이스(200)의 내부로, 시트형의 양극, 음극이 분리막을 개재한 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤 구조, 양극과 음극 및 분리막을 적층한 스택형 구조, 또는 유닛셀들을 분리 필름으로 권취한 스택/폴딩형 구조의 전극조립체(300)가 삽입되어 있다.

전지 케이스(200)는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체(210)와, 이러한 케이스 본체(210)의 개방 상단에 음극단자(400)가 설치된 상단 캡(220)이 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 양극단자는 음극단자(400)와 전기적으로 절연된 케이스 본체(210) 또는 상단 캡(220) 자체일 수 있다.

이와 같은 각형 이차전지(100)를 제조하기 위해서는, 우선 케이스 본체(210)의 내부로 전극조립체(300)를 삽입하고, 상단 캡(220)을 케이스 본체(210)의 개구부에 안착시킨 후, 그것의 접착면 부위를 레이저 용접으로 밀봉한다. 그런 다음, 전지 케이스(200)의 내부로 전해액을 주입하게 되는 바, 전해액 주입은 상단 캡(220)의 일측 부위에 형성되어 있는 주입구(230)를 통해 이루어진다. 상세하게는, 주입구(230)로 전해액을 주입한 후, 주입구(230)에 알루미늄 등으로 만들어진 볼 부재(600)가 끼워지고, 별도의 금속 박판(610)을 볼 부재(600) 위로 안착시켜 주입구(230)를 전체적으로 막은 상태에서 상단 캡(220)과 전지 케이스(200)의 상단면 상호 접촉되는 접촉면(250)을 따라 레이저 용접을 통해 밀봉한다.

도 3 및 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 조립단계의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3 및 도 4를 도 2와 함께 참조하면, 이차전지(100)는 전극조립체(도시하지 않음)가 내부에 안착되어 있는 각형 전지 케이스(200)에 본 발명에 따른 절연성 상단 캡(500)을 결합시켜 제조된다.

상단 캡(500)은 전지 케이스(200)의 개방 상단(210)에 대응하는 형상의 장방형 구조물로서, 중앙에 음극 단자(520)를 포함하고 있으며, 한쪽에 전해액 주입구(530)가 관통하여 형성되어 있다. 상단 캡(500)을 전지 케이스(200)의 개방 상단(210)에 체결한 후, 상단 캡(500)와 접하는 전지 케이스(200)의 상단의 접촉면(250)을 따라 레이저 용접에 의해 상호 결합하게 된다.

여기서, 접촉면(250)에는 상대적은 결합력이 낮은 용접 벤팅부(700)가 전지 케이스(200)의 접촉면(250) 중 측면으로 0.1 mm 두께로 형성되어 있으므로, 전지 내부에 가스가 팽창하는 경우에 용접 벤팅부(700)를 통해 외부로 용이하게 배출될 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

1. 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 상단 캡으로 이루어져 있으며;
   상기 케이스 본체와 상단 캡의 접촉 부위는 레이저 용접으로 결합된 용접면을 포함하고 있고, 상기 용접면은 전지 내부의 고압 발생시 가스가 외부로 배출되도록 상대적으로 결합력이 낮은 용접 벤팅부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 본체는 금속 캔인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 용접은 YAG 레이저에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 용접 벤팅부는 레이저 용접 과정에서 용접 강도를 조절하여 형성되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 용접 벤팅부는 전지 내부의 고압이 정상적인 조건에서의 전지 내압의 3배 이상의 압력에서 개방되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 용접 벤팅부의 길이는 용접면의 전체 길이를 기준으로 1 내지 30%의 크기인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 용접 벤팅부는 케이스 본체 상단 중의 측면 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 용접 벤팅부 두께는 0.05 내지 0. 15 mm의 범위 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스의 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 또는 젤리-롤인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 각형 이차전지를 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.

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