KR102593582B1 - 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 세퍼레이터가 개재된 전극 조립체; 일측에 개구를 가지며 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및 상기 개구에 결합되어 상기 케이스를 밀폐하는 캡 조립체;를 포함하고, 상기 캡 조립체는, 상기 개구에 결합되고 단자 홀이 구비된 캡 플레이트, 상기 단자 홀을 덮도록 상기 캡 플레이트 상부에 결합된 단자 플레이트, 상기 캡 플레이트와 상기 단자 플레이트 사이에 개재되도록 상기 캡 플레이트의 상부에 위치하는 상부 인슐레이터, 및 상기 캡 플레이트의 하부에 위치하며, 상기 케이스에 인접한 가장자리가 하부로 연장된 하부 인슐레이터를 포함한다.
Description
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초소형 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
대표적인 이차 전지에는 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 이차 전지 등이 있다. 특히, 리튬 이온 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 작동 전압이 약 3배나 높다. 또한, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 널리 사용되고 있다.
특히, 최근에는 블루투스(Bluetooth)를 이용한 헤드폰, 이어폰, 스마트워치(Smartwatch), 신체 부착형 의료기기 등의 웨어러블 디바이스(Wearable devices)에 대한 수요가 증가함에 따라, 에너지 밀도가 높으면서 초소형의 이차 전지의 필요성이 증가하고 있다.
일례로써, 초소형 이차 전지에는 코인형 전지(coin cell) 또는 버튼형 전지(button cell)가 있다. 일반적으로 코인형 전지(coin cell) 또는 버튼형 전지(button cell)는 높이가 낮은 형태이고, 하우징의 반쪽체인 전지 컵(cell cup)과 전지 탑(cell top) 간에 크림핑(crimping)을 통한 결합이 이루어진다. 이에 따라 전지 용량이 감소되는 문제가 있다.
반면에, 코인형 전지 또는 버튼형 전지의 하우징이 용접을 통한 결합 구조(케이스와 캡 플레이트 간 용접 결합)일 경우, 용접열에 의하여 전극 조립체가 손상될 수 있다. 또한, 용접을 통한 결합 구조을 갖는 하우징에 별도의 전극 단자를 마련하는 경우에는, 전극 단자가 설치되는 부분의 두께가 증대하여 전지 용량이 감소될 수 있다.
본 발명의 일 측면은 전극 단자가 설치되는 부분의 두께를 줄여서 전지 용량을 증대할 수 있는 이차 전지를 제공하고자 한다.
또한, 케이스와 캡 플레이트 간의 결합을 위한 용접열로부터 전극 조립체를 보호할 수 있는 이차 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 세퍼레이터가 개재된 전극 조립체; 일측에 개구를 가지며 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및 상기 개구에 결합되어 상기 케이스를 밀폐하는 캡 조립체;를 포함하고, 상기 캡 조립체는, 상기 개구에 결합되고 단자 홀이 구비된 캡 플레이트, 상기 단자 홀을 덮도록 상기 캡 플레이트 상부에 결합된 단자 플레이트, 상기 캡 플레이트와 상기 단자 플레이트 사이에 개재되도록 상기 캡 플레이트의 상부에 위치하는 상부 인슐레이터, 및 상기 캡 플레이트의 하부에 위치하며, 상기 케이스에 인접한 가장자리가 하부로 연장된 하부 인슐레이터를 포함한다.
상기 하부 인슐레이터는, 제 1 두께를 가지고 상기 캡 플레이트의 하부에 위치하는 베이스부, 및 상기 베이스부의 가장자리에 연결되며 상기 제 1 두께보다 두꺼운 제 2 두께를 갖는 차단부를 포함할 수 있다.
상기 케이스는 바닥판과 상기 바닥판의 가장자리에서 상방으로 연장된 측판을 가지고, 상기 차단부는 상기 케이스의 측판과 상기 전극 조립체 사이에 위치될 수 있다.
상기 캡 조립체는, 상기 상부 인슐레이터와 상기 하부 인슐레이터를 연결하도록 상기 단자 홀의 둘레부에 접하여 상기 단자 홀을 통과하는 연결 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 상부 인슐레이터, 상기 하부 인슐레이터, 및 상기 연결 인슐레이터는 일체로 연결될 수 있다.
상기 캡 플레이트, 상기 단자 플레이트, 상기 상부 인슐레이터, 상기 하부 인슐레이터, 및 상기 연결 인슐레이터는 인서트 사출(Insert Molding)에 의해 일체로 형성될 수 있다.
상기 제 1 전극을 상기 단자 플레이트와 전기적으로 연결하는 제 1 전극탭, 및 상기 제 2 전극을 상기 케이스 및 상기 캡 플레이트와 전기적으로 연결하는 제 2 전극탭을 더 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체는 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 세퍼레이터가 상기 케이스의 바닥면에 수직한 방향으로 배열된 회전축을 중심으로 권취될 수 있다.
상기 제 1 전극탭은 상기 전극 조립체의 상부로 연장되어 상기 단자 플레이트의 내측면에 용접되고, 상기 제 2 전극탭은 상기 전극 조립체의 하부로 연장되어 상기 케이스의 내측면에 용접될 수 있다.
상기 제 1 전극탭과 상기 전극 조립체의 상면 사이에 개재되는 제 1 절연부재, 및 상기 제 2 전극탭과 상기 전극 조립체의 하면 사이에 개재되는 제 2 절연부재를 더 포함할 수 있다.
상기 단자 플레이트는 상기 단자 홀로 삽입되는 삽입부를 포함할 수 있다.
상기 삽입부와 상기 단자 홀 사이에 상기 연결 인슐레이터가 위치할 수 있다.
상기 단자 플레이트의 상부면은 편평할 수 있다.
상기 단자 플레이트에서 상기 삽입부에 대응되는 위치의 상부면은 하부 방향으로 오목할 수 있다.
상기 상부 인슐레이터의 가장자리는 상기 단자 플레이트의 가장자리 단면을 덮도록 상방으로 연장될 수 있다.
상기 케이스는 원통형이고, 상기 캡 플레이트는 상기 케이스의 개구와 용접 결합될 수 있다.
상기 이차 전지는 직경에 대한 높이의 비율이 1 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 캡 조립체의 두께를 줄여서 전지 용량을 증대시킬 수 있다.
또한, 케이스와 캡 플레이트 간의 용접으로 인한 용접열로부터 전극 조립체를 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 방향의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체를 확대한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 방향의 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체를 확대한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 방향의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체를 확대한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 방향의 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체를 확대한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 초소형 전지로서, 코인형 전지(coin cell) 또는 버튼형 전지(button cell)일 수 있다. 여기서 코인형 전지 또는 버튼형 전지는 얇은 동전 또는 단추 형태의 전지로서, 직경에 대한 높이의 비율(높이/직경)이 1 이하인 전지를 의미한다.
코인형 전지 또는 버튼형 전지는 주로 원통형이므로 수평 방향의 단면이 원형이나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수평 방향의 단면이 타원형 또는 다각형인 형태도 이에 포함될 수 있다. 이 때, 직경은 전지의 수평 방향을 기준으로 최대 거리를 의미하고, 높이는 전지의 편평한 바닥면에서 전지의 편평한 상단면까지의 최소 거리를 의미한다.
그러나, 코인형 전지 또는 버튼형 전지는 본 발명의 예시로서 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 원통형 또는 핀(pin) 형 전지일 수 있다. 다만, 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지가 코인형 전지 또는 버튼형 전지인 경우를 예시적으로 상세히 설명한다.
한편, 본 명세서에서 '내부', '내측' 등의 방향은 전극 조립체(10)를 향한 방향을 의미하고, '외부', '외측' 등의 방향은 그 반대 방향을 의미한다. 또한, '상부', '상방', '하부', '하방', '높이 방향', '수직 방향', '종방향' 등은 케이스(20, 도 3 등 참조)의 바닥판(24, 도 3 등 참조)에 수직한 방향을 의미하고, '수평 방향', '횡방향'은 바닥판(24, 도 3 등 참조)에 나란한 방향을 의미한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지를 분해하여 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 방향의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지(1)는 전극 조립체(10), 케이스(20), 및 캡 조립체(80)를 포함한다.
전극 조립체(10)는 전기 절연재인 세퍼레이터(13)의 양면에 구비되는 제 1 전극(11, 예를 들면, 음극)과 제 2 전극(12, 예를 들면, 양극)을 포함하고, 제 1 전극(11), 세퍼레이터(13) 및 제 2 전극(12)을 권취하여 형성된다. 이에 따라, 전극 조립체(10)는 젤리-롤(jelly-roll) 형태를 가질 수 있으며, 전류를 충전 및 방전하도록 구성된다.
이 때, 전극 조립체(10)의 권취축(C, 도 3 참조)은 케이스(20)의 높이 방향(케이스의 바닥면에서 수직한 방향)과 나란하게 배열될 수 있으며, 전극 조립체(10)의 상면과 하면은 편평하며 서로 나란한 형태일 수 있다.
도면에 도시되지 않았지만, 전극 조립체(10)는 권취축(C)의 자리에 센터핀을 구비할 수도 있다. 센터핀은 제 1 전극탭(81) 및 제 2 전극탭(82)을 각각 단자 플레이트(40) 및 케이스(20)에 용접할 때, 일단으로 제 1 전극탭(81)과 단자 플레이트(40)를 밀착시키고, 다른 일단으로 제 2 전극탭(82)과 케이스(20)를 밀착시켜서 용접 작업이 용이하게 이루어지도록 할 수 있다. 다만, 용접 방식이나 이차 전지의 조립 공정에 따라 센터핀은 존재하지 않을 수 있다.
이하, 설명에서는 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12)은 각각 음극 및 양극인 경우를 예시로써 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12)은 각각 양극 및 음극일 수 있다.
음극(11, 제 1 전극)은 길게 이어진 띠 형상으로 이루어지며, 금속박(예를 들면, Cu 포일)의 집전체에 음극 활물질층이 도포된 영역인 음극 코팅부와 활물질이 도포되지 않는 영역인 음극 무지부를 포함한다. 음극 무지부는 음극의 길이 방향으로 일측 단부에 위치할 수 있다.
양극(12, 제 2 전극)은 길게 이어진 띠 형상으로 이루어지며, 금속박(예를 들면, Al 포일)의 집전체에 양극 활물질층이 도포된 영역인 양극 코팅부와 활물질이 도포되지 않는 영역인 양극 무지부를 포함한다. 양극 무지부는 양극의 길이 방향으로 일측 단부에 위치할 수 있다.
제 1 전극(11)에는 제 1 전극탭(81)이 고정 설치되고, 제 2 전극(12)에는 제 2 전극탭(82)이 고정 설치된다. 제 1 전극탭(81)과 제 2 전극탭(82)은 각각 음극 무지부와 양극 무지부에 설치되며, 전극 조립체(10)의 권취축과 평행하도록 연장된 후 단부가 권취축을 향해 절곡될 수 있다. 예를 들어, 절곡된 제 1 전극탭(81) 및 제 2 전극탭(82)의 단부는 각각 전극 조립체(10)의 상부 및 하부에 배치될 수 있다.
제 1 전극탭(81)은 구리, 니켈과 같은 전기 전도성 재질로 이루어지며, 캡 조립체(80)의 단자 플레이트(40)와 전기적으로 연결된다. 예를 들어 제 1 전극탭(81)의 절곡된 단부는 캡 조립체(80)의 단자 플레이트(40)의 내측면과 용접(예를 들어, 레이저 용접)으로 직접 연결될 수 있다.
제 2 전극탭(82)은 니켈, 알루미늄과 같은 전기 전도성 재질로 이루어지며, 케이스(20) 또는 캡 조립체(80)의 캡 플레이트(30)에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 제 2 전극탭(82)의 절곡된 단부는 케이스(20) 내부의 내측면(내측 바닥면)과 용접(예를 들어, 레이저 용접)으로 직접 연결될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(1)는 제 2 전극탭(82)과 전극 조립체(10) 사이에 개재되는 제 1 절연부재(91), 및 제 1 전극탭(81)과 전극 조립체(10) 사이에 개재되는 제 2 절연부재(92)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 전극 조립체(10)의 하면과 상면에는 각각 제 1 절연부재(91)와 제 2 절연부재(92)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(10)의 하면과 절곡된 제 2 전극탭(82) 사이에 제 1 절연부재(91)가 배치될 수 있고, 전극 조립체(10)의 상면과 절곡된 제 1 전극탭(81) 사이에 제 2 절연부재(92)가 배치될 수 있다.
제 1 절연부재(91) 및 제 2 절연부재(92)는 전극 조립체(10)의 상면과 하면 전체를 커버할 수 있도록 원판 형태를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전극 조립체(10)의 상면과 하면의 일부를 커버할 수도 있고, 센터핀이나 제 1, 2 전극탭(81, 82) 등이 관통하도록 개구를 가질 수도 있다.
제 1 절연부재(91)를 통해 제 2 전극탭(82)과 전극 조립체(10) 간의 전기적인 접촉을 방지할 수 있고, 제 2 절연부재(92)를 통해 제 1 전극탭(81)과 전극 조립체(10) 간의 전기적인 접촉을 방지할 수 있다. 또한, 제 1 절연부재(91) 및 제 2 절연부재(92)를 통해 전극 조립체(10)와 케이스(20) 간의 전기적인 접촉을 방지할 수 있다.
전극 조립체(10)의 외주면은 절연 테이프(93)로 둘러싸일 수 있다. 이를 통해 전극 조립체(10)의 외부를 보호하면서, 전극 조립체(10)의 외주면과 케이스(20)의 내면 사이를 전기적으로 절연할 수 있다.
케이스(20)의 일측에 형성된 개구(21)를 통하여 전극 조립체(10)가 삽입되어 케이스(20)에 수용될 수 있다. 케이스(20)는 바닥판(24)과 측판(22)으로 이루어지며, 내부에 전극 조립체(10)와 전해액이 수용되는 공간을 설정한다. 바닥판(24)과 측판(22)은 일체로 형성될 수 있고, 또는 바닥판(24)과 측판(22)이 용접 방식으로 연결될 수도 있다.
예를 들어, 케이스(20)는 원통형으로 이루어지고, 원통형의 전극 조립체(10)를 삽입하도록 상단에 원형의 개구(21)를 구비할 수 있다. 이 때, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 개구(21)의 가장자리, 즉, 측판(22)의 상단부 내측면에는 캡 조립체(80)가 지지될 수 있도록 단차가 형성될 수 있다.
케이스(20)는 제 2 전극탭(82)과 전기적으로 연결되므로 전기 전도성을 가지는 금속재로 이루어질 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 캡 조립체(80)는 케이스(20)의 개구(21)를 밀폐하며, 개구(21)에 용접 결합될 수 있다. 캡 조립체(80)는 캡 플레이트(30), 단자 플레이트(40), 및 인슐레이터(100)를 포함한다.
본 실시예에 따르면, 인슐레이터(100)는 캡 플레이트(30)와 단자 플레이트(40) 사이를 전기적으로 절연하면서 밀봉할 수 있다.
인슐레이터(100)는 상부 인슐레이터(50), 하부 인슐레이터(60), 및 이들을 연결하는 연결 인슐레이터(70)를 포함할 수 있다. 이 때, 상부 인슐레이터(50), 하부 인슐레이터(60), 및 연결 인슐레이터(70)는 동일 소재로 이루어지고, 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 인슐레이터(100)는 캡 플레이트(30)의 상면에서 단자홀(35)의 둘레부를 통과하여 캡 플레이트(30)의 하면까지 연속적으로 이어지는 구조를 가질 수 있다.
캡 조립체(80)는 금속재인 캡 플레이트(30) 및 단자 플레이트(40), 그리고 전기 절연재인 인슐레이터(100)(상부 인슐레이터(50), 하부 인슐레이터(60) 및 연결 인슐레이터(70))가 인서트 사출(Insert Molding) 방식을 통해 일체로 형성될 수 있다. 이에 따라 캡 조립체(80)의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 캡 조립체(80)를 얇은 원판 형태로 형성할 수 있다. 이에 따라 전지 용량이 증대될 수 있다.
예시적으로, 캡 플레이트(30) 및 단자 플레이트(40)는 전기 전도성을 가지는 다양한 금속재로 이루어질 수 있다. 또한, 상부 인슐레이터(50), 하부 인슐레이터(60) 및 연결 인슐레이터(70)는 전기 절연성을 가지는 수지재로 이루어질 수 있다.
한편, 인슐레이터(100)는 케이스(20)와 캡 플레이트(40) 간의 결합을 위한 용접열로부터 전극 조립체(10)를 보호할 수 있는데, 이에 대해서는 후술한다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지(1)에서 캡 조립체(80)의 구성을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체를 확대한 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 캡 조립체(80)는 전체적으로 얇은 원판 형태이며, 캡 플레이트(30) 및 단자 플레이트(40)가 동심으로 배치될 수 있다.
캡 플레이트(30)는 중심에 단자 홀(35)이 구비된 환형의 판 형태로 이루어질 수 있다. 단자 홀(35)은 원형일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 원형 외에 다각형 등의 다양한 형태일 수 있다. 캡 플레이트(30)의 외주부는 케이스(20)의 개구(21)에 결합될 수 있다.
캡 플레이트(30)는 케이스(20)와 용접 결합될 수 있으며, 케이스(20)와 동일한 극성을 가진다. 예를 들어, 케이스(20)에 전기적으로 연결된 제 2 전극(12)과 동일한 극성을 가질 수 있다.
단자 플레이트(40)는 단자 홀(35)을 덮도록 캡 플레이트(30)의 상부에 설치되며, 캡 플레이트(30)와 다른 극성을 가진다. 즉, 단자 플레이트(40)는 제 1 전극(11)과 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 캡 플레이트(40)와 단자 플레이트(40) 사이에 절연재로 이루어진 인슐레이터(100)가 개재될 수 있다.
단자 플레이트(40)의 내측면에는 제 1 전극탭(81)이 레이저 용접으로 연결될 수 있는데, 단자 플레이트(40)가 단자 홀(35)를 덮도록 배치함으로써, 단자 홀(35)를 통해 내부 방향으로 노출된 단자 플레이트(40)의 내측면에 제 1 전극탭(81)이 접촉하여 용이하게 용접될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 단자 플레이트(40)는 상부면이 편평한 평판 형태를 가질 수 있다. 즉 단자 플레이트(40)의 상부면이 평면을 형성함에 따라, 도시하지 않았으나 복수의 이차 전지들을 연결하는 팩 구성시, 복수의 이차 전지들을 연결하는 연결 단자의 위치 자유도를 향상시킬 수 있다.
캡 플레이트(30)와 단자 플레이트(40)는 서로 나란한 상태로 배열되고 사이에 개재된 인슐레이터(100)에 의해 결합될 수 있다. 이 때, 캡 플레이트(30), 단자 플레이트(40) 및 인슐레이터(100)에 의해 구성된 캡 조립체(80)는 전체적으로 얇은 판형의 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 캡 조립체(80)의 두께를 줄여서 전지 용량을 늘릴 수 있고, 외부 단자가 연결되는 단자 플레이트(40)가 캡 조립체(80)의 상부면에 넓은 면적으로 노출될 수 있다.
전술하였듯이, 인슐레이터(100)는 캡 플레이트(30)와 단자 플레이트(40) 사이를 절연하면서 밀봉한다. 또한, 인슐레이터(100)는 케이스(20)와 캡 플레이트(30) 간의 결합을 위한 용접열로부터 전극 조립체(10)를 보호할 수 있다.
인슐레이터(100)는 캡 플레이트(30)의 상부에 위치하는 상부 인슐레이터(50), 캡 플레이트(30)의 하부에 위치하는 하부 인슐레이터(60), 및 상부 인슐레이터(50)와 하부 인슐레이터(60)를 서로 연결하는 연결 인슐레이터(70)를 포함할 수 있다.
전술하였듯이, 금속재로 이루어진 캡 플레이트(30), 단자 플레이트(40)와, 수지재로 이루어진 인슐레이터(100)는 인서트 사출 방식을 통해 일체로 형성될 수 있다. 인서트 사출 방식으로 캡 플레이트(30), 단자 플레이트(40) 및 인슐레이터(100)가 결합됨으로써, 인슐레이터(100)가 캡 플레이트(30)의 상부에서 단자 홀(35)의 둘레부를 통과하여 캡 플레이트(30)의 하부까지 연속적으로 연결된 구조가 형성될 수 있다. 또한, 이종 소재인 캡 플레이트(30)와 단자 플레이트(40), 그리고 인슐레이터(100) 간에 결합력과 밀봉력을 높일 수 있다.
평면에서 보았을 때, 인슐레이터(100)는 캡 플레이트(30) 형태에 대응되는 환형일 수 있으며, 단면으로 보았을 때, 인슐레이터(100)는 캡 플레이트(30)가 개재되는 공간을 사이에 두고 상부 인슐레이터(50) 및 하부 인슐레이터(60)가 나란히 배열된 이층 구조를 가질 수 있다.
도 4를 참고하면, 상부 인슐레이터(50)는 캡 플레이트(30)와 단자 플레이트(40)의 사이에 배치되어 이들과 함께 나란하게 배열될 수 있다. 상부 인슐레이터(50)의 (단자 홀(35)에서 멀어지는 방향으로) 가장자리는 단자 플레이트(40)의 가장자리 단(端)면을 덮도록 상방으로 연장될 수 있다. 즉, 상부 인슐레이터(50)는 가장자리에 상방으로 볼록한 테두리부(52)가 구비되고, 테두리부(52)의 내부에 단자 플레이트(40)가 결합된 구조를 가질 수 있다.
도 4를 참고하면, 하부 인슐레이터(60)는 캡 플레이트(30)의 하부에 배치될 수 있다. 하부 인슐레이터(60)는, 캡 플레이트(30)의 하부면 중 케이스(20)의 측판(22)이 결합되는 가장자리 일부 영역을 제외하고, 전면을 덮을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 하부 인슐레이터(60)는 케이스(20)에 인접한 가장자리가 하방으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 하부 인슐레이터(60)는 케이스(20)와 캡 플레이트(30) 간의 결합을 위한 용접열로부터 전극 조립체(10)를 보호할 수 있다.
보다 상세히, 하부 인슐레이터(60)는 캡 플레이트(30)의 하부에 위치하는 베이스부(61), 및 베이스부의 (단자 홀(35)에서 멀어지는 방향으로) 가장자리에 연결되는 차단부(62)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 베이스부(61)는 캡 플레이트(30)의 하부에 캡 플레이트(30)와 나란하게 위치하며, 캡 플레이트(30)의 하부면에 결합될 수 있다. 베이스부(61)는 일정 두께, 예를 들어 제 1 두께(D1)를 가질 수 있다.
차단부(62)는 베이스부(61)의 가장자리에 연속적으로 연결되어, 최외측 단부면이 케이스(20)의 측판(22)에 인접할 수 있다. 차단부(62)는 두께가 베이스부(61)보다 두껍도록 하방으로 연장되는 형태를 가질 수 있으며, 베이스부(62)보다 두꺼운 제 2 두께(D2)를 가질 수 있다.
차단부(62)는 베이스부(61)와 연속적으로 연결되며 일체로 형성될 수 있다. 도 4 등에 도시된 바와 같이, 차단부(62)는 가장자리로 갈수록 두께가 두꺼워지는 형태를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 차단부(62)는 베이스부(61)보다 두꺼운 일정한 두께를 가질 수 있다.
즉, 차단부(62)는 횡방향으로 연장된 형태의 베이스부(61)와는 달리 종방향으로 연장된 형태를 갖는다. 이에 따라, 차단부(62)는 케이스(20)의 측판(22)과 전극 조립체(10) 사이에 위치될 수 있다.
이와 같이, 하부 인슐레이터(60)가 두께가 서로 다른 베이스부(61)와 차단부(62)로 구성됨으로써, 전지 용량을 극대화하면서도 용접열로부터 전극 조립체(10)를 보호할 수 있다. 또한, 서로 극성이 다른 제 1 전극탭(81)과 캡 플레이트(30) 사이를 절연하기 위한 별도의 절연 수단이나, 용접열로부터 전극 조립체(10)를 보호하기 위한 별도의 보호 수단을 마련할 필요가 없다.
연결 인슐레이터(70)는 상부 인슐레이터(50)와 하부 인슐레이터(60)를 연결하는 부분으로, 캡 플레이트(30)의 단자 홀(35)의 둘레부에 위치할 수 있다. 즉, 캡 플레이트(30)의 상부에 위치하는 상부 인슐레이터(50)와 캡 플레이트(30)의 하부에 위치하는 하부 인슐레이터(60)는 캡 플레이트(30)의 단자 홀(35)의 둘레부에 접하면서 단자 홀(35)을 통과하는 연결 인슐레이터(70)에 의해 연결될 수 있다. 이에 따라, 인슐레이터(100)와 캡 플레이트(30) 간의 결합력을 높일 수 있고, 제 1 전극탭(81)이 단자 홀(35)의 둘레부에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
이하 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 설명한다. 전술한 제 1 실시예와 비교하여 동일한 구성들에 대한 설명은 생략하고 서로 다른 구성들에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 방향의 단면도이다. 또한, 도 7 및 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체를 확대한 도면이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차 전지(2)는 캡 조립체(180)를 제외하고는 전술한 제 1 실시예에 따른 이차 전지(1)와 동일하다. 즉, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 이차 전지(2)는, 단자 플레이트(140)에 삽입부(145)가 형성된 캡 조립체(180)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 단자 플레이트(140)가 평판 형태가 아니라 일부가 내부 방향으로 함몰된 형태를 갖는다. 보다 상세히, 단자 플레이트(140)에 캡 플레이트(30)의 단자 홀(35)에 삽입되는 삽입부(145)가 형성될 수 있다.
도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 단자 플레이트(140)의 상부면은 평면이 아니며, 삽입부(145)가 하방으로 오목한 형상을 갖는다. 단자 플레이트(140)의 하부면 역시 평면이 아니며, 삽입부(145)가 내부 방향으로 볼록한 형상을 갖는다. 평면에서 보았을 때, 삽입부(145)는 원형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 삽입부(145)는 캡 플레이트(30)의 단자 홀(35)에 대응되는 위치에 형성되어, 단자 홀(35)에 삽입되는 형태를 갖는다.
삽입부(145)는 단자 플레이트(140)와 일체로 형성되는 부분이다. 예를 들어, 본 실시예의 단자 플레이트(140)는 소정 두께의 평판 형태를 갖는 금속재의 단자 플레이트를 드로잉(drawing) 가공하여 제작될 수 있다.
즉, 단자 플레이트(140)의 외주부는 캡 플레이트(30)의 상부에 캡 플레이트(30)와 나란하게 배열되며, 단자 플레이트(140)의 삽입부(145)는 단자 홀(35)에 삽입됨으로써, 수직 방향으로 캡 플레이트(30)와 비슷한 위치 또는 캡 플레이트(30)보다 하부 위치에 배열될 수 있다.
이에 따라, 제 1 실시예과 같이 단자 플레이트에 삽입부가 형성되지 않은 경우와 비교할 때, 전극 조립체(10)에서 인출된 제 1 전극탭(81)은 단자 플레이트(140)의 내측면, 즉 삽입부(145)의 내측면과 보다 가까이 인접할 수 있으므로, 제 1 전극탭(81)과 삽입부(145)의 내측면 간의 용접 작업이 용이해질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 단자 플레이트(140)의 삽입부(145)와 캡 플레이트(30)의 단자 홀(35) 사이에 연결 인슐레이터(70)가 위치될 수 있다. 보다 상세히, 삽입부(145)가 단자 홀(35) 내에 위치하며, 삽입부(145)와 단자 홀(35) 사이의 공간에 연결 인슐레이터(70)가 채워질 수 있다. 단자 플레이트(140)와 캡 플레이트(30)의 극성이 서로 다르기 때문에, 단자 홀(35)에 삽입된 삽입부(145)와 단자 홀(35) 둘레부 간에 접촉을 방지할 필요가 있다. 본 실시예는, 연결 인슐레이터(70)를 통해 삽입부(145)와 단자 홀(35) 둘레부 간 접촉을 방지하여 전기적인 절연이 가능하다.
또한, 단자 플레이트(140)의 삽입부(145)가 캡 플레이트(30)의 단자 홀(35) 내에 위치하며, 삽입부(145)와 단자 홀(35) 사이의 공간에 연결 인슐레이터(70)가 채워지기 때문에, 단자 플레이트(140)와 인슐레이터(100) 간의 결합력을 높일 수 있다.
이하 본 발명의 제 3 실시예에 대하여 설명한다. 전술한 제 1, 2 실시예와 비교하여 동일한 구성들에 대한 설명은 생략하고 서로 다른 구성들에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이차 전지(3)는 캡 조립체(280)를 제외하고는 전술한 제 1, 2 실시예에 따른 이차 전지(1, 2)와 동일하다. 즉, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 이차 전지(3)는, 단자 플레이트(240)에 전술한 제 2 실시예와는 다른 형태의 삽입부(245)가 형성된 캡 조립체(280)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 단자 플레이트(240)가 상부면이 편평한 평면 형태이고, 하부면은 일부가 내부 방향으로 볼록한 형태의 삽입부(245)를 갖는다. 보다 상세히, 도 9를 참조하면, 단자 플레이트(240)의 외주부는 t1의 두께를 가지는 평판 형태이고, 캡 플레이트(30)의 상부에 캡 플레이트(30)와 나란하게 배열될 수 있다. 또한, 단자 플레이트(240)의 삽입부(245)는 t2의 두께를 가지는 평판 형태이고, 단자 홀(35)에 삽입됨으로써, 수직 방향으로 캡 플레이트(30)와 비슷한 위치 또는 캡 플레이트(30)보다 하부 위치에 배열될 수 있다.
본 실시예의 경우, 단자 플레이트(240)의 상부면이 평면을 형성함에 따라, 전술한 제 1 실시예와 같이, 복수의 이차 전지들을 연결하는 팩 구성시, 복수의 이차 전지들을 연결하는 연결 단자의 위치 자유도를 향상시킬 수 있다. 또한, 단자 플레이트(240)에 단자 홀(35)에 삽입된 삽입부(245)가 형성됨에 따라, 전술한 제 2 실시예와 같이, 제 1 전극탭(81)과 삽입부(245)의 내측면 간의 용접 작업이 용이해질 수 있다. 또한, 삽입부(245)와 단자 홀(35) 사이의 공간에 연결 인슐레이터(70)가 채워지기 때문에, 단자 플레이트(240)와 인슐레이터(100) 간의 결합력을 높일 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(1, 2, 3)는 코인형 전지 또는 버튼형 전지일 수 있으며, 직경(D, 도 3, 6, 9 참조)에 대한 높이(H, 도 3, 6, 9 참조)의 비율(H/D)이 1 이하일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(1, 2, 3)는, 캡 플레이트(30)의 상부에 인슐레이터(예를 들어, 상부 인슐레이터(50))를 개재하여 단자 플레이트(40, 140, 240)를 설치함으로써, 캡 조립체(80, 180, 280)를 얇은 두께를 갖는 플레이트 형태로 구성할 수 있다.
또한, 캡 플레이트(30)의 하부에 가장자리의 두께가 두꺼운 인슐레이터(예를 들어, 하부 인슐레이터(60))를 설치함으로써, 용접열로부터 전극 조립체(10)를 보호할 수 있다.
또한, 캡 플레이트(30)의 단자 홀(35) 둘레부를 통과하도록 인슐레이터(예를 들어, 연결 인슐레이터(70))를 설치함으로써, 인슐레이터(100)를 캡 플레이트(30)의 상부 및 하부에 걸쳐 일체로 연결되도록 형성시킬 수 있다. 이 때, 캡 플레이트(30), 단자 플레이트(40, 140, 240), 및 인슐레이터(100)를 인서트 사출 방식으로 일체로 형성할 수 있다.
이상을 통해 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.
1, 2, 3 이차 전지 10 전극 조립체
11 제 1 전극(음극) 12 제 2 전극(양극)
13 세퍼레이터 20 케이스
21 개구 22 측판
24 바닥판 30 캡 플레이트
35 단자 홀 40, 140, 240 단자 플레이트
145, 245 삽입부 50 상부 인슐레이터
60 하부 인슐레이터 70 연결 인슐레이터
81 제 1 전극탭 82 제 2 전극탭
91 제 1 절연부재 92 제 2 절연부재
80, 180, 280 캡 조립체 100 인슐레이터
11 제 1 전극(음극) 12 제 2 전극(양극)
13 세퍼레이터 20 케이스
21 개구 22 측판
24 바닥판 30 캡 플레이트
35 단자 홀 40, 140, 240 단자 플레이트
145, 245 삽입부 50 상부 인슐레이터
60 하부 인슐레이터 70 연결 인슐레이터
81 제 1 전극탭 82 제 2 전극탭
91 제 1 절연부재 92 제 2 절연부재
80, 180, 280 캡 조립체 100 인슐레이터
Claims (17)
- 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 세퍼레이터가 개재된 전극 조립체;
일측에 개구를 가지며 상기 전극 조립체를 수용하고, 바닥판과 상기 바닥판의 가장자리에서 상방으로 연장된 측판을 가지는 케이스; 및
상기 개구에 결합되어 상기 케이스를 밀폐하는 캡 조립체;
를 포함하고,
상기 캡 조립체는,
상기 개구에 결합되고 단자 홀이 구비된 캡 플레이트,
상기 단자 홀을 덮도록 상기 캡 플레이트 상부에 결합된 단자 플레이트,
상기 캡 플레이트와 상기 단자 플레이트 사이에 개재되도록 상기 캡 플레이트의 상부에 위치하는 상부 인슐레이터, 및
상기 캡 플레이트의 하부에 위치하며, 상기 케이스에 인접한 가장자리가 하방으로 연장된 하부 인슐레이터를 포함하고,
상기 하부 인슐레이터는,
제 1 두께를 가지고 상기 캡 플레이트의 하부에 위치하는 베이스부, 및 상기 베이스부의 가장자리에 연결되며 상기 제 1 두께보다 두꺼운 제 2 두께를 갖는 차단부를 포함하며,
상기 차단부는 상기 케이스의 측판과 상기 전극 조립체 사이에 위치된, 이차 전지. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 캡 조립체는,
상기 상부 인슐레이터와 상기 하부 인슐레이터를 연결하도록 상기 단자 홀의 둘레부에 접하여 상기 단자 홀을 통과하는 연결 인슐레이터를 더 포함하는, 이차 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 상부 인슐레이터, 상기 하부 인슐레이터, 및 상기 연결 인슐레이터는 일체로 연결된, 이차 전지. - 제 5 항에 있어서,
상기 캡 플레이트, 상기 단자 플레이트, 상기 상부 인슐레이터, 상기 하부 인슐레이터, 및 상기 연결 인슐레이터는 인서트 사출(Insert Molding)에 의해 일체로 형성된, 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극을 상기 단자 플레이트와 전기적으로 연결하는 제 1 전극탭, 및
상기 제 2 전극을 상기 케이스 및 상기 캡 플레이트와 전기적으로 연결하는 제 2 전극탭을 더 포함하는, 이차 전지. - 제 7 항에 있어서,
상기 전극 조립체는 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 세퍼레이터가 상기 케이스의 바닥면에 수직한 방향으로 배열된 회전축을 중심으로 권취된, 이차 전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 전극탭은 상기 전극 조립체의 상부로 연장되어 상기 단자 플레이트의 내측면에 용접되고,
상기 제 2 전극탭은 상기 전극 조립체의 하부로 연장되어 상기 케이스의 내측면에 용접되는, 이차 전지. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 전극탭과 상기 전극 조립체의 상면 사이에 개재되는 제 1 절연부재, 및
상기 제 2 전극탭과 상기 전극 조립체의 하면 사이에 개재되는 제 2 절연부재를 더 포함하는, 이차 전지. - 제 4 항에 있어서,
상기 단자 플레이트는 상기 단자 홀로 삽입되는 삽입부를 포함하는, 이차 전지. - 제 11 항에 있어서,
상기 삽입부와 상기 단자 홀 사이에 상기 연결 인슐레이터가 위치하는, 이차 전지. - 제 11 항에 있어서,
상기 단자 플레이트의 상부면은 편평한, 이차 전지. - 제 11 항에 있어서,
상기 단자 플레이트에서 상기 삽입부에 대응되는 위치의 상부면은 하부 방향으로 오목한, 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 상부 인슐레이터의 가장자리는 상기 단자 플레이트의 가장자리 단면을 덮도록 상방으로 연장된, 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 케이스는 원통형이고, 상기 캡 플레이트는 상기 케이스의 개구와 용접 결합된, 이차 전지. - 제 1 항, 제 4 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이차 전지는 직경에 대한 높이의 비율이 1 이하인, 이차 전지.
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