WO2023063662A1 - 원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법 - Google Patents

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전병민
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Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a cylindrical secondary battery having an improved assembly structure of a cap assembly and a manufacturing method of the secondary battery.
  • a secondary battery includes an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a cell including an electrolyte solution impregnated in the electrode assembly.
  • the secondary battery may be formed in various external shapes, such as a cylindrical shape, a prismatic shape, and a pouch shape, depending on its use.
  • the cylindrical secondary battery has a structure in which an electrode assembly and an electrolyte are accommodated in a cylindrical can and one end of the can is sealed with a cap assembly.
  • a cylindrical secondary battery has a structure in which a lead tab or a current collector plate is welded to a substrate of an electrode assembly and then electrically connected to a bottom surface of a can and a cap assembly. At this time, the cap assembly deforms one end of the can to form a beading portion, is seated on the beading portion, and is welded to the lead tab or current collector plate. After that, the assembly of the cylindrical secondary battery is completed by forming a crimping part at the end of the can to fix the cap assembly.
  • the manufacturing method of the general cylindrical secondary battery described above is complicated by requiring several welding and assembling processes for assembling the cap assembly, and has problems in that cost and manufacturing time are prolonged.
  • Embodiments of the present invention provide a cylindrical secondary battery with an improved assembly structure of a cap assembly and a manufacturing method of the secondary battery.
  • a cylindrical secondary battery includes a circular bottom portion, a cylindrical side portion having one end opened, a beading portion formed adjacent to one end of the side portion, and a curling portion formed by curling an end portion of the side portion.
  • the can an electrode assembly in which a first electrode plate, a second electrode plate, and a separator are wound, and accommodated in the can; a first cap assembly coupled to the open end of the side part, fixed by the curling part, and having a cap plate; a second cap assembly coupled to the bottom portion; a first electrode collector plate disposed between the first electrode plate and the first cap assembly and electrically connected to the first electrode plate and the first cap assembly; and a second electrode collector plate disposed between the second electrode plate and the second cap assembly and electrically connected to the second electrode plate and the second cap assembly, wherein the first cap assembly After being seated on the first electrode current collector, the beading part is formed in an area pressing the outer edge of the first electrode current collector in a state where the cap plate and the outer edge of the first electrode current collector are in contact with the side portion.
  • the first electrode plate is a negative electrode plate in which the first electrode uncoated portion is disposed toward the open end of the side portion
  • the second electrode plate is a positive electrode plate in which the second electrode uncoated portion is disposed toward the bottom portion.
  • the first cap assembly further includes a first gasket disposed between the curling part and the cap plate to insulate between the curling part and the cap plate.
  • the cap plate includes a disk-shaped cap body and a cap rib bent from an edge of the cap body, and the first electrode collector plate includes a collector plate rib bent from an edge of the cap body.
  • the cap rib and the collector plate rib are in contact with the beading part, and an end of the curling part is in close contact with the first gasket.
  • an embodiment of the present invention comprises electrically connecting the electrode assembly and the first electrode current collector; accommodating the electrode assembly in a can; seating the cap plate and the first gasket of the first cap assembly on the first electrode current collector; forming a beading portion by beading the side portions after the current collector rib of the first electrode current collector plate and the cap rib of the cap plate contact the inner circumferential surface of the side portion of the can; and forming a curling portion by curling an end portion of the side portion.
  • cap rib and the collector plate rib contact the beading part, and an end of the curling part is in close contact with the first gasket.
  • the first electrode collector plate is characterized in that it is electrically connected to the first electrode uncoated portion formed on the negative electrode plate of the electrode assembly.
  • the contact area is increased to reduce IR, the number of parts can be reduced because the lead tab can be removed, and the capacity of the electrode assembly can be increased by expanding the accommodating space.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a partial perspective view illustrating a welding step of a current collector plate of the cylindrical secondary battery according to FIG. 1 .
  • FIG. 2b and 2c are partial perspective views illustrating steps of assembling the first cap assembly of the cylindrical secondary battery according to FIG. 1 .
  • FIG. 2d is a partial perspective view illustrating a beading step of the cylindrical secondary battery according to FIG. 1 .
  • FIG. 2E is a partial perspective view illustrating a curling step of the cylindrical secondary battery according to FIG. 1 .
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the first cap assembly after the manufacturing process according to FIG. 2e.
  • first and second are used to describe various members, components, regions, layers and/or portions, but these members, components, regions, layers and/or portions are limited by these terms. It is self-evident that These terms are only used to distinguish one element, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described in detail below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a partial perspective view illustrating a welding step of a current collector plate of the cylindrical secondary battery according to FIG. 1 .
  • 2b and 2c are partial perspective views illustrating steps of assembling the first cap assembly of the cylindrical secondary battery according to FIG. 1 .
  • FIG. 2d is a partial perspective view illustrating a beading step of the cylindrical secondary battery according to FIG. 1 .
  • FIG. 2E is a partial perspective view illustrating a curling step of the cylindrical secondary battery according to FIG. 1 .
  • 3 is an enlarged cross-sectional view of the first cap assembly after the manufacturing process according to FIG. 2e.
  • a cylindrical secondary battery 10 includes a cylindrical can 100, an electrode assembly 200 inserted into the can 100, and the can 100. electrically connecting the first cap assembly 300 and the second cap assembly 400 coupled to both ends of the electrode assembly 200 and the first cap assembly 300 and the second cap assembly 400, respectively.
  • a first electrode current collector 500 and a second electrode current collector 600 may be included.
  • the can 100 may include a circular bottom portion 110 and a side portion 130 extending upward from the bottom portion 110 .
  • a through hole is formed in the bottom portion 110 to which the second cap assembly 400 is coupled.
  • the side portion 130 has a cylindrical shape, and an upper end is open to form an opening.
  • the bottom portion 110 and the side portion 130 may be integrally formed or may be separately formed and combined.
  • the electrode assembly 200 is accommodated in the can 100 together with the electrolyte through the opening, and the first cap assembly 300 is coupled to the opening to seal the can 100 .
  • the can 100 may be formed of steel, steel alloy, nickel-plated steel, nickel-plated steel alloy, aluminum, aluminum alloy, or an equivalent thereof, but is not limited thereto.
  • the electrode assembly 200 may include a first electrode plate, a second electrode plate, and a separator.
  • the first electrode plate may be a negative electrode plate having negative active material layers (eg, graphite, carbon, etc.) formed on both surfaces.
  • a portion of the first electrode plate may have a first electrode uncoated portion in which the negative electrode active material layer is not formed.
  • the first electrode uncoated portion may be disposed toward the opening of the can 100 .
  • the second electrode plate may be a positive electrode plate having a positive electrode active material layer (eg, a transition metal oxide (LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, etc.)) formed on both surfaces.
  • a portion of the second electrode plate may have a second electrode uncoated portion in which the positive electrode active material layer is not formed.
  • the second electrode uncoated portion may be disposed toward the bottom portion 110 of the can 100 .
  • the separator is interposed between the first electrode plate and the second electrode plate to prevent a short circuit and allow only the movement of lithium ions.
  • the first electrode plate may be copper (Cu) or nickel (Ni) foil
  • the second electrode plate may be aluminum (Al) foil
  • the separator may be polyethylene (PE) or polypropylene (PP).
  • the above materials are not limited.
  • the first electrode plate, the second electrode plate, and the separator may be wound in a substantially cylindrical shape and accommodated in the can 100 .
  • the first electrode uncoated portion may be electrically connected to the first electrode current collector plate 500 and the second electrode uncoated portion to the second electrode current collector plate 600 .
  • the first electrode collector plate 500 may be welded to the first electrode plate serving as a negative electrode plate and may also be welded to the first cap assembly 300 . Accordingly, the first electrode plate and the first cap assembly 300 may be electrically connected.
  • the first electrode current collector 500 may have a substantially disk shape. Also, an edge of the first electrode current collector 500 may be bent upward to a predetermined length toward the first cap assembly 300 and extended (see FIG. 2A ). This extended portion may be referred to as a collector plate rib 510 (this will be described later).
  • the second electrode collector plate 600 may be welded to the second electrode plate, which is a positive electrode plate, and may also be welded to the second cap assembly 400 .
  • the second electrode current collector 600 may have a substantially disk shape.
  • the second electrode current collector 600 may be formed to have a smaller diameter than the inner diameter of the can 100 and may be installed so as not to contact the can 100 . That is, the second electrode collector plate 600 is electrically connected only to the second cap assembly 400 .
  • the first cap assembly 300 may include a cap plate 310 and a first gasket 330 .
  • the cap plate 310 includes a cap body 312 having a substantially disk shape, a cap protrusion 314 integrally formed with the cap body 312, a cap rib 316 formed at an edge of the cap body 312, and a cap A fracture notch 314a formed on the protrusion 314 may be included.
  • the cap protrusion 314 protrudes upward from the plate surface of the cap body 312 to a predetermined height.
  • the cap protrusion 314 may protrude in a substantially circular shape, and a substantially central portion may protrude downward. This shape is to enhance the rigidity of the cap plate 310 .
  • An injection hole may be formed through a downwardly protruding portion of the cap protrusion 314 .
  • the downwardly protruding portion of the cap protrusion 314 may be spaced apart from the first electrode current collector 500 by a predetermined distance.
  • a sealing plate may be illustratively inserted and welded, or a blind rivet may be inserted and welded. Some space is required.
  • a downwardly protruding portion of the cap protrusion 314 may be spaced apart from the first electrode current collector 500 .
  • the cap rib 316 is bent upward from the edge of the cap body 312 and extends, and is a portion that contacts the side portion 130 of the can 100 during the assembly process of the first cap assembly 300 .
  • the cap rib 316 may have an outer edge bent at a predetermined angle in a direction toward the inner circumferential surface of the side portion 130 of the can 100 .
  • the cap rib 316 may extend longer than the current collector rib 510 of the first electrode current collector 500 when the first cap assembly 300 is assembled. Accordingly, the bent edge of the cap rib 316 may cover the collector plate rib 510 .
  • the break notch 314a may be formed along the circumferential direction on the cap protrusion 314 .
  • the breakage notch 314a of the cap protrusion 314 may be formed on the surface facing the electrode assembly 200 by internal forging (press) or the like. The fracture notch 314a is broken when gas is generated inside the secondary battery 10 and the internal pressure exceeds a predetermined pressure, and serves as a vent to discharge the gas.
  • the first gasket 330 may have a predetermined width and have a substantially ring shape.
  • the first gasket 330 includes an outer portion 130 and an inner portion 130, and a connection portion 336 connecting them, and the outer portion 130 and the inner portion 130 may have a step difference.
  • the outer portion 130 has a predetermined width and thickness, and a connection portion 336 is integrally formed at a lower portion of the inner edge.
  • the side surface 332a of the outer portion 130 contacts the inner circumferential surface of the side portion 130 of the can 100, and the lower surface 332b of the outer portion 130 contacts the top of the outer edge of the cap plate 310.
  • the upper surface 332c of the outer portion 130 is in contact with a curling portion 134 to be described later.
  • the connecting portion 336 has an upper end integrally formed with the outer portion 130 and a lower end integrally formed with the upper portion of the inner portion 130 .
  • the connecting portion 336 may have an angle that approximately corresponds to an angle at which the cap rib 316 of the cap plate 310 is bent.
  • the bending angle is not limited to the above-described bending angle.
  • the inner portion 130 has a predetermined width and thickness, and a lower surface contacts the upper surface of the cap body 312 of the cap plate 310 .
  • the first gasket 330 insulates between the curling part 134 of the can 100 and the cap plate 310, which will be described later.
  • the end of the cap rib 316 is not insulated by the first gasket 330 and is electrically connected to the side portion 130 or the beading portion 132 of the can 100 (. Therefore, the can 100 is It may have a cathode having the same polarity as that of the first cap assembly 300 .
  • the second cap assembly 400 may include a rivet terminal 410 and a second gasket 430 .
  • the rivet terminal 410 may include a terminal portion 412 having a substantially disc shape and a terminal pillar 414 integrally formed with the terminal portion 412 in a cylindrical shape.
  • the terminal portion 336 may be inserted into a through hole formed in the bottom portion 110 of the can 100 and electrically connected to the second electrode collector plate 600 by welding or the like. Since the rivet terminal 410 is insulated from the can 100 by the second gasket 430, the rivet terminal 410 becomes a positive terminal.
  • the first electrode current collector 500 is welded to the rolled electrode assembly 200 before assembling the first cap assembly 300 .
  • a plurality of arc-shaped collector plate ribs 510 are formed along the circumferential direction at the edge of the first electrode collector plate 500 .
  • the collector plate rib 510 is disposed to face upward.
  • the electrode assembly 200 is accommodated inside the can 100 .
  • the collector plate rib 510 of the first electrode collector plate 500 may contact the inner circumferential surface of the side portion 130 of the can 100 .
  • the cap plate 310 is seated on the first electrode collector plate 500 .
  • a portion of the outer circumferential surface of the cap rib 316 may contact the inner circumferential surface of the current collector rib 510 of the first electrode current collector 500 and the inner circumferential surface of the side portion 130 of the can 100 .
  • the upper end of the cap rib 316 may contact the inner circumferential surface of the side part 130 of the can 100 . In this state, as shown in FIG.
  • the first gasket 330 is seated.
  • the side surface 332a of the outer portion 130 contacts the inner circumferential surface of the side portion 130
  • the lower surface 332b of the outer portion 130 contacts the upper portion of the outer edge of the cap plate 310.
  • the connecting portion 336 of the first gasket 330 contacts the inner circumferential surface of the cap rib 316
  • the inner portion 130 contacts the upper surface of the cap body 312 .
  • the side portion 130 is processed to be concave toward the inside of the can 100 through a beading process.
  • a beading portion 132 is formed on the side portion 130 by a beading process, and the position of the beading portion 132 is an area in contact with the current collector rib 510 .
  • the beading portion 132 may be formed such that an upper end area of the collector plate rib 510 contacts the most inwardly convex area.
  • FIG. 2E the upper end of the side portion 130 is bent inward through a curling process to form a curling portion 134, and the curling portion 134 forms a connection portion 336 of the first gasket 330. ) to adhere to.
  • the current collector rib 510 is pressed toward the inside of the can 100 while the beading portion 132 is formed. Accordingly, the cap rib 316 along with the collector plate rib 510 is also pushed toward the inside of the can 100 .
  • the curling part 134 is formed by the curling process, the end of the curling part 134 is rolled toward the first gasket 330 . Accordingly, the first gasket 330 is pushed toward the cap rib 316 of the cap plate 310 .
  • the direction in which the current collector rib 510 and the cap rib 316 are pushed according to the formation of the beading portion 132 and the direction in which the cap rib 316 is pushed are shown in FIG. 3 .
  • the first cap assembly 300 has a shape in which the cap plate 310 contacts the first electrode current collector 500 and the side of the can 100 . Since the first electrode collector plate 500 is electrically connected to the first electrode plate, which is a negative electrode plate, the first cap assembly 300 and the can 100 may have negative polarity. In addition, the cap plate 310 and the first gasket 330 may be firmly fixed by the beading part 132 and the curling part 134 by coming into close contact with each other in the direction of the arrow. In this way, when assembling the first cap assembly 300, a welding process can be omitted, and thus process time can be reduced. Since the welding process itself is not performed, it is unnecessary to develop welding according to the welding material, so the process investment cost can be reduced.

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Abstract

본 발명은, 원형의 바닥부와, 일단이 개구된 원통형의 측부와, 상기 측부의 일단에 인접하여 형성된 비딩부와, 상기 측부의 단부를 컬링하여 형성된 컬링부를 구비하는 캔; 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 상기 측부의 개구된 단부에 결합되는 제1 캡 어셈블리; 상기 바닥부에 결합되는 제2 캡 어셈블리; 상기 제1 전극판과 상기 제1 캡 어셈블리의 사이에 배치되는 제1 전극 집전판; 및 상기 제2 전극판과 상기 제2 캡 어셈블리의 사이에 배치되는 제2 전극 집전판을 포함하고, 상기 제1 캡 어셈블리가 상기 제1 전극 집전판에 안착된 후 상기 캡 플레이트와 상기 제1 전극 집전판의 외측 가장자리가 상기 측부에 접촉된 상태에서 상기 비딩부는 상기 제1 전극 집전판의 외측 가장자리를 가압하는 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지에 관한다.

Description

원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법
본 발명의 실시 예는 캡 어셈블리의 조립 구조가 개선된 원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비한 전극조립체 및 상기 전극조립체에 함침되어 있는 전해액을 구비한 셀을 포함한다.
이차전지는 용도에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등 외관의 형태가 다양하게 형성될 수 있다. 이 중 원통형 이차전지는 원통형 캔 내부에 전극조립체와 전해액이 수용되고, 캔의 일단을 캡 어셈블리로 밀봉하는 구조이다. 일반적으로 원통형 이차전지는 전극조립체의 기재에 리드 탭이나 집전판을 용접한 후 캔의 바닥면 및 캡 어셈블리와 전기적으로 연결하는 구조를 갖는다. 이때, 캡 어셈블리는 캔의 일단을 변형해 비딩부를 형성한 후 비딩부에 안착되고, 다시 리드 탭이나 집전판과 용접된다. 그 후 캔의 단부에 크림핑부를 형성하여 캡 어셈블리를 고정함으로써 원통형 이차전지의 조립이 완료된다.
전술한 일반적인 원통형 이차전지의 제조방법은 캡 어셈블리의 조립에 여러 번의 용접 및 조립을 위한 공정이 필요해 복잡하며 비용 및 제조 시간이 길어지는 문제가 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시 예는 캡 어셈블리의 조립 구조가 개선된 원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 원통형 이차전지는 원형의 바닥부와, 일단이 개구된 원통형의 측부와, 상기 측부의 일단에 인접하여 형성된 비딩부와, 상기 측부의 단부를 컬링하여 형성된 컬링부를 구비하는 캔; 제1 전극판 및 제2 전극판, 세퍼레이터가 권취되며, 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 상기 측부의 개구된 단부에 결합되어 상기 컬링부에 의해 고정되고 캡 플레이트를 구비한 제1 캡 어셈블리; 상기 바닥부에 결합되는 제2 캡 어셈블리; 상기 제1 전극판과 상기 제1 캡 어셈블리의 사이에 배치되고, 상기 제1 전극판 및 상기 제1 캡 어셈블리와 전기적으로 연결되는 제1 전극 집전판; 및 상기 제2 전극판과 상기 제2 캡 어셈블리의 사이에 배치되고, 상기 제2 전극판 및 상기 제2 캡 어셈블리와 전기적으로 연결되는 제2 전극 집전판을 포함하고, 상기 제1 캡 어셈블리가 상기 제1 전극 집전판에 안착된 후 상기 캡 플레이트와 상기 제1 전극 집전판의 외측 가장자리가 상기 측부에 접촉된 상태에서 상기 비딩부는 상기 제1 전극 집전판의 외측 가장자리를 가압하는 영역에 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전극판은 제1 전극 무지부가 상기 측부의 개구된 단부를 향해 배치된 음극판이고, 상기 제2 전극판은 제2 전극 무지부가 상기 바닥부를 향해 배치된 양극판인 것이 특징이다.
상기 제1 캡 어셈블리는 상기 컬링부와 상기 캡 플레이트 사이에 배치되어 상기 컬링부와 상기 캡 플레이트 사이를 절연하는 제1 가스켓을 더 포함한다.
상기 캡 플레이트는 원판 형상의 캡 바디와, 상기 캡 바디의 가장자리로부터 벤딩되어 형성된 캡 리브를 포함하고, 상기 제1 전극 집전판은 가장자리로부터 벤딩되어 형성된 집전판 리브를 포함한다.
상기 제1 캡 어셈블리가 상기 제1 전극 집전판에 안착된 상태에서 상기 캡 리브 및 상기 집전판 리브가 상기 비딩부에 접촉되고, 상기 컬링부의 단부는 상기 제1 가스켓에 밀착되는 것이 특징이다.
또한, 본 발명의 실시 예는 전극 조립체와 제1 전극 집전판을 전기적으로 연결하는 단계; 상기 전극 조립체를 캔에 수용하는 단계; 제1 캡 어셈블리의 캡 플레이트 및 제1 가스켓을 제1 전극 집전판에 안착하는 단계; 상기 제1 전극 집전판의 집전판 리브 및 상기 캡 플레이트의 캡 리브가 상기 캔의 측부 내주면에 접촉된 후 상기 측부를 비딩하여 비딩부를 형성하는 단계; 및 상기 측부의 단부를 컬링하여 컬링부를 형성하는 단계를 포함하는, 원통형 이차전지의 제조방법을 제공한다.
상기 캡 리브 및 상기 집전판 리브가 상기 비딩부에 접촉되고, 상기 컬링부의 단부는 상기 제1 가스켓에 밀착되는 것이 특징이다.
상기 제1 전극 집전판은 상기 전극 조립체의 음극판에 형성된 제1 전극 무지부와 전기적으로 연결되는 것이 특징이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 캡 어셈블리의 조립 시 용접 공정을 거치지 않으므로 용접 재질에 따른 용접 개발이 불필요해 공정 투자 비용이 절감되고, 공정 시간이 단축될 수 있다.
또한, 캡 어셈블리의 조립 시 접촉 면적이 증가해 IR이 감소되고, 리드 탭을 삭제할 수 있어 부품 수를 줄일 수 있으며 수용 공간 확대로 전극 조립체의 용량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 2a는 도 1에 따른 원통형 이차전지의 집전판 용접 단계를 도시한 부분 사시도이다.
도 2b 및 도 2c는 도 1에 따른 원통형 이차전지의 제1 캡 어셈블리 조립 단계를 도시한 부분 사시도이다.
도 2d는 도 1에 따른 원통형 이차전지의 비딩 단계를 도시한 부분 사시도이다.
도 2e는 도 1에 따른 원통형 이차전지의 컬링 단계를 도시한 부분 사시도이다.
도 3은 도 2e에 따른 제조 공정 이후 제1 캡 어셈블리를 확대 도시한 단면도이다.
본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예 따른 원통형 이차전지에 대해 상세히 설명하기로 한다(편의상 도 1을 기준으로 위쪽을 상부, 아래쪽을 하부로 정의하고 설명한다).
도 1은 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 단면도이다. 도 2a는 도 1에 따른 원통형 이차전지의 집전판 용접 단계를 도시한 부분 사시도이다. 도 2b 및 도 2c는 도 1에 따른 원통형 이차전지의 제1 캡 어셈블리 조립 단계를 도시한 부분 사시도이다. 도 2d는 도 1에 따른 원통형 이차전지의 비딩 단계를 도시한 부분 사시도이다. 도 2e는 도 1에 따른 원통형 이차전지의 컬링 단계를 도시한 부분 사시도이다. 도 3은 도 2e에 따른 제조 공정 이후 제1 캡 어셈블리를 확대 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원통형 이차전지(10)는 원통형의 캔(100)과, 캔(100) 내부에 삽입되는 전극 조립체(200)와, 캔(100)의 양단에 각각 결합되는 제1 캡 어셈블리(300) 및 제2 캡 어셈블리(400)와, 전극 조립체(200)를 제1 캡 어셈블리(300) 및 제2 캡 어셈블리(400)와 전기적으로 연결하는 제1 전극 집전판(500) 및 제2 전극 집전판(600)을 포함할 수 있다.
캔(100)은 원형의 바닥부(110)와, 바닥부(110)로부터 상부 방향으로 연장된 측부(130)를 포함할 수 있다. 바닥부(110)에 관통홀이 형성되어 제2 캡 어셈블리(400)가 결합된다. 측부(130)는 원통형으로, 상단이 개방되어 개구부를 형성한다. 바닥부(110)와 측부(130)는 일체로 형성될 수도 있고, 별도로 형성되어 결합될 수도 있다. 이차전지(10)의 제조 공정에서 개구부를 통해 전극 조립체(200)가 전해액과 함께 캔(100)에 수용되고, 개구부에 제1 캡 어셈블리(300)가 결합되어 캔(100)을 밀봉한다. 캔(100)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기에 한정되지 않는다.
전극 조립체(200)는 제1 전극판 및 제2 전극판, 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 예시적으로, 제1 전극판은 양면에 음극 활물질층(예를 들어, 흑연, 탄소 등)이 형성된 음극판일 수 있다. 제1 전극판의 일부에는 음극 활물질층이 형성되지 않은 제1 전극 무지부가 형성될 수 있다. 제1 전극 무지부는 캔(100)의 개구부를 향하도록 배치될 수 있다. 또한 예시적으로, 제2 전극판은 양면에 양극 활물질층(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 형성된 양극판일 수 있다. 제2 전극판의 일부에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 제2 전극 무지부가 형성될 수 있다. 제2 전극 무지부는 캔(100)의 바닥부(110)를 향하도록 배치될 수 있다. 세퍼레이터는 제1 전극판과 제2 전극판의 사이에 개재되어 쇼트를 방지하고, 리튬 이온의 이동만 가능하게 한다. 예시적으로, 제1 전극판은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일일 수 있고, 제2 전극판은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 제1 전극판과 제2 전극판 및 세퍼레이터는 대략 원기둥 형태로 권취되어 캔(100) 내부에 수용될 수 있다. 이때, 제1 전극 무지부는 제1 전극 집전판(500)과, 제2 전극 무지부는 제2 전극 집전판(600)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 전극 집전판(500)은 음극판인 제1 전극판과 용접되고 제1 캡 어셈블리(300)에도 용접될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극판과 제1 캡 어셈블리(300)가 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극 집전판(500)은 대략 원판 형상일 수 있다. 또한, 제1 전극 집전판(500)의 가장자리는 제1 캡 어셈블리(300)를 향해 소정 길이로 상향 벤딩되어 연장될 수 있다(도 2a 참조). 이 연장된 부분을 집전판 리브(510)로 지칭할 수 있다(이에 대해서는 후술하기로 함). 제2 전극 집전판(600)은 양극판인 제2 전극판과 용접되고 제2 캡 어셈블리(400)와도 용접될 수 있다. 이에 따라, 제2 전극판과 제2 캡 어셈블리(400)가 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극 집전판(600)은 대략 원판 형상일 수 있다. 제2 전극 집전판(600)은 캔(100)의 내경보다 작은 직경을 갖도록 형성되어 캔(100)에 접촉되지 않도록 설치될 수 있다. 즉, 제2 전극 집전판(600)은 제2 캡 어셈블리(400)에만 전기적으로 연결된다.
도 2b 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 캡 어셈블리(300)는 캡 플레이트(310)와 제1 가스켓(330)을 포함할 수 있다.
캡 플레이트(310)는 대략 원판 형상의 캡 바디(312)와, 캡 바디(312)와 일체로 형성된 캡 돌출부(314)와, 캡 바디(312)의 가장자리에 형성된 캡 리브(316)와, 캡 돌출부(314) 상에 형성된 파단 노치(314a)를 포함할 수 있다. 캡 돌출부(314)는 캡 바디(312)의 판면으로부터 소정 높이로 상향 돌출된다. 캡 돌출부(314)는 대략 원형으로 돌출될 수 있으며, 대략 중앙 부분이 하향 돌출될 수 있다. 이러한 형상은 캡 플레이트(310)의 강성을 강화하기 위한 것이다. 캡 돌출부(314)의 하향 돌출된 부분에는 주액홀이 관통 형성될 수 있다. 또한, 제1 전극 집전판(500)의 높이 공차를 고려하여 캡 돌출부(314)의 하향 돌출된 부분은 제1 전극 집전판(500)과 소정 간격 이격될 수 있다. 주액 후 주액홀을 막을 때 예시적으로 실링 플레이트를 삽입해 용접하거나, 블라인드 리벳을 삽입해 용접할 수 있는데, 이때 용접 시 제1 전극 집전판(500)에 영향을 주지 않도록 하거나 리벳의 삽입을 위해 소정의 공간이 필요하다. 이를 위해, 캡 돌출부(314)의 하향 돌출된 부분은 제1 전극 집전판(500)과 이격될 수 있다. 캡 리브(316)는 캡 바디(312)의 가장자리로부터 상향 벤딩(bending)되어 연장되며, 제1 캡 어셈블리(300)의 조립 공정 시 캔(100)의 측부(130)에 접촉되는 부분이다. 캡 리브(316)는 외측 가장자리가 캔(100)의 측부(130) 내주면을 향하는 방향으로 소정 각도 벤딩(bending)된 형태를 가질 수 있다. 예시적으로, 캡 리브(316)는 제1 캡 어셈블리(300)의 조립 시 제1 전극 집전판(500)의 집전판 리브(510)보다 길게 연장될 수 있다. 따라서 캡 리브(316)의 벤딩된 가장자리가 집전판 리브(510)를 덮을 수 있다. 파단 노치(314a)는 캡 돌출부(314) 상에 원주 방향을 따라 형성될 수 있다. 예시적으로, 캡 돌출부(314)가 파단 노치(314a)는 전극 조립체(200)를 향하는 면 상에 내부 단조(press) 등으로 형성될 수 있다. 파단 노치(314a)는 이차전지(10) 내부에 가스가 발생하여 내부 압력이 일정 압력 이상이 되면 파단되어 가스를 배출하는 벤트 역할을 한다.
제1 가스켓(330)은 소정의 폭을 가지며, 대략 링 형상을 가질 수 있다. 제1 가스켓(330)은 외측부(130) 및 내측부(130), 이들 사이를 연결하는 연결부(336)로 구성되며, 외측부(130)와 내측부(130)는 단차를 가질 수 있다. 외측부(130)는 소정의 폭과 두께를 가지며, 내측 가장자리의 하부에 연결부(336)가 일체로 형성된다. 외측부(130)의 측면(332a)은 캔(100)의 측부(130) 내주면에 접촉되고, 외측부(130)의 하면(332b)은 캡 플레이트(310)의 외측 가장자리 상부에 접촉된다. 외측부(130)의 상면(332c)은 후술할 컬링부(134)에 접촉된다. 그러나 캡 플레이트(310)의 외측 가장자리 하부는 외측부(130)에 의해 커버되지 않고 캔(100)의 측부(130)에 접촉된다. 연결부(336)는 상단이 외측부(130)와 일체로 형성되고 하단이 내측부(130)의 상부에 일체로 형성된다. 연결부(336)는 캡 플레이트(310)의 캡 리브(316)가 벤딩된 각도에 대략적으로 대응하는 각도를 가질 수 있다. 그러나 연결부(336)는 캔(100)의 변형으로 압축 및 변형되어 캡 플레이트(310)에 밀착되므로 전술한 벤딩 각도에 한정되지 않는다. 내측부(130)는 소정의 폭과 두께를 가지며, 하면이 캡 플레이트(310)의 캡 바디(312) 상면에 접촉된다. 제1 가스켓(330)은 후술할 캔(100)의 컬링부(134)와 캡 플레이트(310) 사이를 절연한다. 그러나 캡 리브(316)의 단부는 제1 가스켓(330)에 의해 절연되지 않고 캔(100)의 측부(130 또는 비딩부(132))와 접촉되어 전기적으로 연결된다(. 따라서 캔(100)은 제1 캡 어셈블리(300)와 동일한 극성인 음극을 띌 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제2 캡 어셈블리(400)는 리벳 터미널(410)과, 제2 가스켓(430)을 포함할 수 있다.
리벳 터미널(410)은 대략 원판 형상의 단자부(412)와, 원기둥 형상으로 단자부(412)에 일체로 형성되는 단자 기둥(414)을 포함할 수 있다. 단자부(336)는 캔(100)의 바닥부(110)에 형성된 관통홀에 삽입되고 상단이 제2 전극 집전판(600)과 용접 등으로 결합되어 전기적으로 연결될 수 있다. 리벳 터미널(410)은 제2 가스켓(430)에 의해 캔(100)과 절연되므로 리벳 터미널(410)이 양극 터미널이 된다.
다시 도 2a 내지 도 3을 참조하여, 제1 캡 어셈블리의 조립 방법을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 캡 어셈블리(300)의 조립 이전에 먼저 권취된 전극 조립체(200)에 제1 전극 집전판(500)을 용접한다. 제1 전극 집전판(500)의 가장자리에는 원주 방향을 따라 원호 형상의 집전판 리브(510)가 복수 개 형성된다. 전극 조립체(200)와 제1 전극 집전판(500)이 용접될 때 집전판 리브(510)가 상부를 향하도록 배치된다.
그 후 도 2b에 도시된 바와 같이 캔(100) 내부에 전극 조립체(200)를 수용한다. 이때, 제1 전극 집전판(500)의 집전판 리브(510)가 캔(100)의 측부(130) 내주면에 접촉될 수 있다. 그 후 제1 전극 집전판(500)의 상부에 캡 플레이트(310)를 안착한다. 이때, 캡 리브(316)의 외주면 일부가 제1 전극 집전판(500)의 집전판 리브(510) 내주면 및 캔(100)의 측부(130) 내주면에 접촉될 수 있다. 또한, 캡 리브(316)의 상단부는 캔(100)의 측부(130) 내주면에 접촉될 수 있다. 이 상태에서 도 2c에 도시된 바와 같이, 제1 가스켓(330)을 안착하게 된다. 이때, 제1 가스켓(330)은 외측부(130)의 측면(332a)이 측부(130) 내주면에 접촉되고, 외측부(130)의 하면(332b)은 캡 플레이트(310)의 외측 가장자리 상부에 접촉된다. 또한, 제1 가스켓(330)의 연결부(336)는 캡 리브(316)의 내주면에 접촉되고, 내측부(130)는 캡 바디(312)의 상면에 접촉된다.
이 상태에서 도 2d에 도시된 바와 같이, 비딩 공정을 통해 측부(130)가 캔(100)의 내측을 향해 오목해지도록 가공하게 된다. 이때, 측부(130)에는 비딩 공정에 의해 비딩부(132)가 형성되며, 비딩부(132)의 위치는 집전판 리브(510)와 접촉되는 영역이다. 예시적으로, 비딩부(132)는 내측으로 가장 볼록한 영역에 집전판 리브(510)의 상단부 영역이 접촉되도록 형성될 수 있다. 그 후 도 2e에 도시된 바와 같이, 컬링 공정을 통해 측부(130)의 상단을 내측으로 벤딩하여 컬링부(134)를 형성하고, 컬링부(134)가 제1 가스켓(330)의 연결부(336)에 밀착되도록 한다.
비딩 공정은 기구에 압력을 가해 캔(100)의 측부를 영구적으로 변형하는 공정이므로, 비딩부(132)가 형성되면서 집전판 리브(510)를 캔(100)의 내측을 향해 가압하게 된다. 이에 따라 집전판 리브(510)와 함께 캡 리브(316) 역시 캔(100)의 내측 방향으로 밀리게 된다. 또한, 컬링 공정에 의해 컬링부(134)가 형성되면서, 컬링부(134)의 단부가 제1 가스켓(330)을 향해 말리게 된다. 이에 따라, 제1 가스켓(330)이 캡 플레이트(310)의 캡 리브(316) 쪽으로 가압되어 밀리게 된다. 집전판 리브(510)와 캡 리브(316)가 비딩부(132)의 형성에 따라 밀리는 방향, 캡 리브(316)가 밀리는 방향은 도 3에 도시하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 최종 컬링 공정까지 완료된 후 제1 캡 어셈블리(300)는 캡 플레이트(310)가 제1 전극 집전판(500) 및 캔(100)의 측부와 접촉되는 형태이다. 제1 전극 집전판(500)이 음극판인 제1 전극판과 전기적으로 연결되므로 제1 캡 어셈블리(300) 및 캔(100)은 음극 극성을 띌 수 있다. 또한, 비딩부(132) 및 컬링부(134)에 의해 캡 플레이트(310) 및 제1 가스켓(330)이 화살표 방향으로 밀착되어 단단히 고정될 수 있다. 이러한 방법으로 제1 캡 어셈블리(300)의 조립 시 용접 공정을 생략할 수 있어 공정 시간이 단축될 수 있다. 용접 공정 자체를 수행하지 않으므로, 용접 재질에 따른 용접 개발이 불필요해 공정 투자 비용이 절감될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 원형의 바닥부와, 일단이 개구된 원통형의 측부와, 상기 측부의 일단에 인접하여 형성된 비딩부와, 상기 측부의 단부를 컬링하여 형성된 컬링부를 구비하는 캔;
    제1 전극판 및 제2 전극판, 세퍼레이터가 권취되며, 상기 캔에 수용되는 전극 조립체;
    상기 측부의 개구된 단부에 결합되어 상기 컬링부에 의해 고정되고 캡 플레이트를 구비한 제1 캡 어셈블리;
    상기 바닥부에 결합되는 제2 캡 어셈블리;
    상기 제1 전극판과 상기 제1 캡 어셈블리의 사이에 배치되고, 상기 제1 전극판 및 상기 제1 캡 어셈블리와 전기적으로 연결되는 제1 전극 집전판; 및
    상기 제2 전극판과 상기 제2 캡 어셈블리의 사이에 배치되고, 상기 제2 전극판 및 상기 제2 캡 어셈블리와 전기적으로 연결되는 제2 전극 집전판을 포함하고,
    상기 제1 캡 어셈블리가 상기 제1 전극 집전판에 안착된 후 상기 캡 플레이트와 상기 제1 전극 집전판의 외측 가장자리가 상기 측부에 접촉된 상태에서 상기 비딩부는 상기 제1 전극 집전판의 외측 가장자리를 가압하는 영역에 형성된 것을 특징으로 하는, 원통형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극판은 제1 전극 무지부가 상기 측부의 개구된 단부를 향해 배치된 음극판이고, 상기 제2 전극판은 제2 전극 무지부가 상기 바닥부를 향해 배치된 양극판인, 원통형 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 캡 어셈블리는 상기 컬링부와 상기 캡 플레이트 사이에 배치되어 상기 컬링부와 상기 캡 플레이트 사이를 절연하는 제1 가스켓을 더 포함하는, 원통형 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 원판 형상의 캡 바디와, 상기 캡 바디의 가장자리로부터 벤딩되어 형성된 캡 리브를 포함하고, 상기 제1 전극 집전판은 가장자리로부터 벤딩되어 형성된 집전판 리브를 포함하는, 원통형 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 캡 어셈블리가 상기 제1 전극 집전판에 안착된 상태에서 상기 캡 리브 및 상기 집전판 리브가 상기 비딩부에 접촉되고, 상기 컬링부의 단부는 상기 제1 가스켓에 밀착되는, 원통형 이차전지.
  6. 전극 조립체와 제1 전극 집전판을 전기적으로 연결하는 단계;
    상기 전극 조립체를 캔에 수용하는 단계;
    제1 캡 어셈블리의 캡 플레이트 및 제1 가스켓을 제1 전극 집전판에 안착하는 단계;
    상기 제1 전극 집전판의 집전판 리브 및 상기 캡 플레이트의 캡 리브가 상기 캔의 측부 내주면에 접촉된 후 상기 측부를 비딩하여 비딩부를 형성하는 단계; 및
    상기 측부의 단부를 컬링하여 컬링부를 형성하는 단계를 포함하는, 원통형 이차전지의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 캡 리브 및 상기 집전판 리브가 상기 비딩부에 접촉되고, 상기 컬링부의 단부는 상기 제1 가스켓에 밀착되는, 원통형 이차전지의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 전극 집전판은 상기 전극 조립체의 음극판에 형성된 제1 전극 무지부와 전기적으로 연결되는, 원통형 이차전지의 제조방법.
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