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KR-102962017-B1 - SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

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Abstract

이차 전지는 육각형의 바닥부 및 여섯 개의 면을 가진 측부를 포함하는 캔과, 캔의 내부에 수용되는 전극 조립체와, 측부의 단부에 결합되어 캔을 밀봉하는 육각형의 캡 플레이트를 포함한다. 측부는 여섯 개의 면 각각에 독립적으로 위치하는 복수의 비딩부와, 복수의 절개부에 의해 분할된 복수의 크림핑부를 포함한다.

Inventors

  • 이병관
  • 박두선
  • 김덕현
  • 장운석

Assignees

  • 삼성에스디아이 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230810

Claims (15)

  1. 육각형의 바닥부와, 여섯 개의 면 및 여섯 개의 모서리를 가진 측부를 포함하는 캔; 상기 캔의 내부에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 측부의 단부에 결합되어 상기 캔을 밀봉하는 육각형의 캡 플레이트를 포함하며, 상기 측부는 상기 여섯 개의 면 각각에 독립적으로 위치하는 복수의 비딩부와, 복수의 절개부에 의해 분할된 복수의 크림핑부를 포함하고, 상기 복수의 비딩부 각각은 상기 측부의 둘레 방향을 따라 상기 모서리와 이격되어 위치하며, 평면 상에서 호(arc) 형상을 가지는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 폭이 서로 다른 복수의 전극이 이차 전지의 폭 방향을 따라 적층된 구성이며, 평면 상에서 육각형인 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 전극 각각은 사각의 시트형으로 이루어지며, 상기 복수의 전극 각각의 장변은 이차 전지의 길이 방향과 나란하고, 상기 복수의 전극 각각의 단변은 상기 측부를 구성하는 여섯 개의 면 중 서로 마주하는 어느 두 개의 면과 나란하게 위치하는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극 조립체는 상기 바닥부를 향한 일측에 위치하는 복수의 제1 탭과, 상기 캡 플레이트를 향한 타측에 위치하는 복수의 제2 탭을 포함하며, 상기 복수의 제1 탭과 연결되는 제1 집전판; 및 상기 복수의 제2 탭과 연결되는 제2 집전판을 더 포함하는 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 바닥부에 개구가 위치하고, 제1 절연체를 매개로 상기 개구에 끼워지며 상기 제1 집전판과 전기적으로 연결되는 리벳을 더 포함하는 이차 전지.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제2 집전판은 육각형의 집전부와, 상기 집전부의 여섯 변 중 적어도 두 변에 연결되며 상기 비딩부의 내면과 접촉하는 복수의 확장부를 포함하는 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 비딩부 각각의 함몰 깊이는 상기 측부의 각 면의 중앙에서 가장 크고, 중앙으로부터 멀어질수록 점진적으로 작아지며, 상기 복수의 확장부 각각은 평면 상에서 상기 비딩부의 내면 곡률에 대응하는 곡률을 가지는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수의 절개부는, 상기 측부의 여섯 개 모서리 각각의 단부에서 이차 전지의 길이 방향과 나란하게 위치하는 복수의 절개선으로 이루어지며, 상기 복수의 크림핑부 각각은 이웃한 크림핑부와 중첩 부분을 가지는 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 절개부는, 상기 측부의 여섯 개 모서리 각각의 단부에서 이차 전지의 길이 방향과 나란하게 위치하는 브이(V)자 모양의 복수의 절개홈으로 이루어지며, 상기 복수의 크림핑부 각각은 이웃한 크림핑부와 측면끼리 접하는 이차 전지.
  10. 육각형의 바닥부와, 여섯 개의 면 및 여섯 개의 모서리를 가진 측부로 구성된 캔이 준비되고, 상기 캔의 내부에 전극 조립체가 배치되는 전극 조립체 수용 단계; 상기 측부의 여섯 면 각각이 상기 모서리와 거리를 두고 개별적으로 프레스 성형되어 복수의 비딩부가 만들어지는 비딩부 가공 단계; 상기 복수의 비딩부 위로 절연체가 배치되고, 상기 측부의 여섯 개 모서리 각각의 단부에 이차 전지의 길이 방향과 나란한 복수의 절개부가 만들어지는 절개부 가공 단계; 및 상기 절연체의 중심에 캡 플레이트가 배치되고, 상기 캡 플레이트의 중심을 향해 상기 측부의 단부가 절곡 성형되어 복수의 크림핑부가 만들어지는 크림핑부 가공 단계를 포함하며, 상기 비딩부 가공 단계에서, 상기 측부를 향한 일측이 호(arc) 형상인 제1 가압부가 사용되는 이차 전지의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 비딩부 가공 단계에서, 상기 측부의 내측에 위치하는 지그와, 상기 캔을 지지하는 회전부가 사용되며, 상기 제1 가압부를 이용한 프레스 성형과 상기 회전부에 의한 상기 캔의 60° 회전이 반복 수행되는 이차 전지의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 절개부 가공 단계에서, 상기 복수의 절개부는 복수의 절개선으로 이루어지며, 상기 크림핑부 가공 단계에서, 제2 가압부와, 상기 캔을 지지하는 회전부가 사용되고, 상기 제2 가압부를 이용한 절곡 성형과 상기 회전부에 의한 상기 캔의 60° 회전이 반복 수행되는 이차 전지의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 크림핑부 가공 단계에서, 상기 복수의 크림핑부 각각은 이웃한 크림핑부와 중첩 부분을 가지는 이차 전지의 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 절개부 가공 단계에서, 상기 복수의 절개부는 복수의 절개홈으로 이루어지며, 상기 크림핑부 가공 단계에서, 상기 측부의 여섯 면 각각에 대응하는 여섯 개의 제2 가압부가 사용되고, 상기 여섯 개의 제2 가압부가 상기 측부의 단부를 동시에 절곡 성형하는 이차 전지의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 크림핑부 가공 단계에서, 상기 복수의 크림핑부 각각은 이웃한 크림핑부와 측면끼리 접하는 이차 전지의 제조 방법.

Description

이차 전지 및 이의 제조 방법 {SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF} 본 개시는 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 육각 기둥형의 이차 전지에 관한 것이다. 이차 전지는 휴대폰 및 노트북 컴퓨터와 같은 소형 전자 기기의 전원으로 사용될 뿐만 아니라 최근에는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차와 같은 운송 수단의 모터 구동을 위한 전원으로도 사용되고 있다. 후자의 경우, 복수의 이차 전지가 조합된 전지 모듈이 사용되며, 통상의 전지 모듈은 복수의 원통형 이차 전지로 구성된다. 도 1은 제1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A선을 기준으로 절개한 이차 전지의 단면도이다. 도 3은 도 1의 B-B선을 기준으로 절개한 이차 전지의 단면도이다. 도 4는 도 2에 도시한 이차 전지 중 전극 조립체와 집전판들의 분해 사시도이다. 도 5는 도 3에 도시한 이차 전지 중 전극 조립체의 부분 확대도이다. 도 6은 도 2의 부분 확대도이다. 도 7은 도 1의 C-C선을 기준으로 절개한 이차 전지의 단면도이다. 도 8은 도 1에 도시한 이차 전지의 평면도이다. 도 9는 도 1에 도시한 이차 전지에서 크림핑부의 절곡 성형 이전 상태를 도시한 사시도이다. 도 10은 제2 실시예에 따른 이차 전지의 평면도이다. 도 11은 도 10에 도시한 이차 전지에서 크림핑부의 절곡 성형 이전 상태를 도시한 사시도이다. 도 12는 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다. 도 13은 도 12에 도시한 비딩부 가공 단계를 설명하기 위한 캔과 제1 가압부 및 회전부의 개략적인 사시도이다. 도 14는 도 12에 도시한 크림핑부 가공 단계를 설명하기 위한 캔과 제2 가압부 및 회전부의 개략적인 사시도이다. 도 15는 도 12에 도시한 크림핑부 가공 단계를 설명하기 위한 캔과 제2 가압부의 평면도이다. 도 16은 일 실시예에 따른 전지 모듈의 개략도이다. 이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도 1은 제1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A선을 기준으로 절개한 이차 전지의 단면도이고, 도 3은 도 1의 B-B선을 기준으로 절개한 이차 전지의 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참고하면, 제1 실시예의 이차 전지(100)는 캔(120)과, 캔(120)의 내부에 수용된 전극 조립체(130)와, 캔(120)의 개구에 결합되어 캔(120)을 밀봉하는 캡 플레이트(140)를 포함한다. 캔(120)과 캡 플레이트(140)는 양측이 막힌 육각 기둥 모양을 이루며, 전극 조립체(130)는 복수의 시트형 전극(131, 132)이 일 방향을 따라 적층된 스택형 구조로 이루어진다. 전극 조립체(130)의 양측에 집전판(151, 152)이 위치할 수 있다. 캔(120)은 바닥부(121)와, 바닥부(121)의 가장자리에 연결된 측부(122)를 포함할 수 있다. 바닥부(121)는 캔(120)의 상하가 바뀌었을 때 탑부 또는 상면부로 지칭될 수 있다. 바닥부(121)는 육각형의 금속판일 수 있고, 측부(122)는 속이 빈 육각 기둥형의 금속관일 수 있다. 바닥부(121)와 측부(122)는 일체로 연결될 수 있으며, 측부(122)는 바닥부(121)와 직교할 수 있다. 바닥부(121)는 여섯 개의 변이 모두 같은 길이를 가지는 정육각형일 수 있다. 바닥부(121)의 중심에 리벳(160) 설치를 위한 개구가 위치할 수 있다. 다른 한편으로, 이차 전지(100)는 리벳(160)이 아닌 다른 형태의 단자를 구비할 수 있으며, 이 경우 바닥부(121)에 개구가 생략될 수 있다. 캔(120)은 강(steel), 스테인리스 강, 알루미늄, 또는 알루미늄 합금 등으로 구성될 수 있다. 이하에서, 캔(120)의 중심축과 나란한 방향을 이차 전지의 '길이 방향(L)'이라 하고, 길이 방향(L)과 직교하는 방향 중 측부(122)의 두 면이 서로 마주하는 방향을 이차 전지의 '폭 방향(W)'이라 한다. 측부(122)를 구성하는 여섯 개의 면은 서로 마주하는 세 쌍의 면으로 구성되는데, 이 중 어느 한 쌍의 면이 마주하는 방향을 편의상 폭 방향(W)이라 한다. 도 2에서 길이 방향(L)은 도면의 세로 방향과 일치하고, 폭 방향(W)은 도면의 가로 방향과 일치한다. 도 4는 도 2에 도시한 이차 전지 중 전극 조립체와 제1 및 제2 집전판의 분해 사시도이고, 도 5는 도 3에 도시한 이차 전지 중 전극 조립체의 부분 확대도이다. 도 3 내지 도 5를 참고하면, 전극 조립체(130)는 복수의 시트형 전극(131, 132)이 폭 방향(W)을 따라 순차적으로 적층된 구성으로 이루어질 수 있다. 복수의 전극(131, 132) 각각은 사각의 시트형으로 이루어질 수 있다. 각 전극(131, 132)의 장변은 길이 방향(L)과 나란할 수 있고, 각 전극(131, 132)의 단변은 측부(122)를 구성하는 여섯 개의 면 중 서로 마주하는 어느 두 개의 면과 나란할 수 있다. 구체적으로, 전극 조립체(130)는 폭 방향(W)을 따라 하나씩 교대로 배열된 복수의 제1 전극(131) 및 복수의 제2 전극(132)과, 이웃한 제1 전극(131)과 제2 전극(132) 사이마다 하나씩 위치하는 복수의 분리막(133)을 포함할 수 있다. 복수의 분리막(133) 각각은 사각의 시트형으로 이루어질 수 있다. 전극 조립체(130)는 전해질과 함께 캔(120)의 내부에 수용된다. 제1 전극(131)은 제1 기재(131a)와, 제1 기재(131a)에 위치하는 제1 활물질층(131b)을 포함할 수 있다. 제2 전극(132)은 제2 기재(132a)와, 제2 기재(132a)에 위치하는 제2 활물질층(132b)을 포함할 수 있다. 분리막(133)은 리튬 이온의 이동을 허용하면서 제1 전극(131)과 제2 전극(132)을 절연시킨다. 제1 기재(131a)는 알루미늄(Al) 포일을 포함할 수 있고, 제1 활물질층(131b)은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등의 전이금속 산화물을 포함할 수 있다. 제2 기재(132a)는 구리(Cu) 포일 또는 니켈(Ni) 포일 등을 포함할 수 있고, 제2 활물질층(132b)은 흑연과 같은 탄소계 물질을 포함할 수 있다. 분리막(133)은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 고분자 물질을 포함할 수 있다. 전극 조립체(130)는 평면 상에서(대상 부분을 위에서 보았을 때) 육각형을 이루도록 폭이 서로 다른 복수의 전극(131, 132)을 포함할 수 있다. 이하에서, '평면 상에서'는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미한다. 전극 조립체(130)를 구성하는 복수의 전극들(131, 132) 중 최외곽에 위치하는 두 개의 전극이 가장 작은 폭을 가질 수 있고, 전극 조립체(130)의 중심에 위치하는 전극이 가장 큰 폭을 가질 수 있다. 전극들(131, 132)의 폭은 전극 조립체(130)의 외곽에서 중심을 향할수록 점진적으로 커질 수 있다. 이때 복수의 전극(131, 132)은 길이 방향(L)을 따라 같은 높이를 가질 수 있다. 육각 기둥형 캔(120)의 내부에 원통 모양으로 권취된 전극 조립체가 위치하는 경우를 가정하면, 전극 조립체와 캔(120)의 모서리 사이에 빈 공간이 존재하므로 전지 용량이 저하된다. 반면, 본 실시예의 이차 전지(100)에서는 육각 기둥형 캔(120)의 내부에 빈 공간을 최소화하며 전극 조립체(130)를 배치할 수 있으므로, 전지 출력과 용량을 증대시킬 수 있다. 도 2와 도 4를 참고하면, 제1 전극(131)은 길이 방향에 따른 일측(예를 들어 하측)에 위치하는 제1 탭(135)을 포함할 수 있고, 제2 전극(132)은 제1 탭(135)의 반대측(예를 들어 상측)에 위치하는 제2 탭(136)을 포함할 수 있다. 제1 탭(135)은 제1 기재(131a)가 하측으로 확장된 부분일 수 있고, 제2 탭(136)은 제2 기재(132a)가 상측으로 확장된 부분일 수 있다. 제1 탭(135)과 제2 탭(136) 각각에 복수의 절개선(CL)이 위치할 수 있고, 제1 탭(135)과 제2 탭(136) 각각은 복수의 절개선(CL)에 의해 복수의 부분으로 분할될 수 있다. 제1 탭(135)과 제2 탭(136) 각각은 일 방향으로 절곡(bending)되어 이웃한 탭과 중첩 부위를 가질 수 있다. 제1 탭(135)의 절곡을 위해, 어느 하나의 최외곽 제1 탭(135)에 지그(도시하지 않음)가 밀착될 수 있고, 지그가 폭 방향을 따라 이동하여 복수의 제1 탭(135)을 순차적으로 눌러 절곡시킬 수 있다. 제2 탭(136)의 절곡 과정도 제1 탭(135)의 절곡 과정과 동일한 방법으로 진행될 수 있다. 복수의 절개선(CL)은 제1 탭(135)과 제2 탭(136)의 절곡 과정에서 이들의 절곡을 용이하게 한다. 복수의 제1 탭(135)과 복수의 제2 탭(136) 각각은 절곡에 의해 서로 겹치고 눌러져 실질적으로 평평한 면을 이룰 수 있다. 제1 집전판(151)과 제2 집전판(152) 각각은 레이저 용접 등의 방법에 의해 복수의 제1 탭(135) 및 복수의 제2 탭(136) 각각에 일체로 고정될 수 있다. 제1 집전판(151)과 제2 집전판(152)은 육각형의 금속판으로 구성될 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 이차 전지(100)의 충방전 과정에서 복수의 제1 전극(131)의 전류는 제1 집전판(151)으로 모이고, 복수의 제2 전극(132)의 전류는 제2 집전판(152)으로 모인다. 복수의 제1 탭(135)과 복수의 제2 탭(136) 각각이 절곡된 구조에서는 전극들(131, 132)의 집전 효율을 높일 수 있고, 집전판(151, 152)과의 용접 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 조립체(130)의 전체 높이 중 활물질층(131b, 132b)과 관련이 없는 부분의 높이를 최소화할 수 있으므로 이차 전지(100)의 용량을 증대시킬 수 있다. 리벳(160)은 제1 절연체(161)에 둘러싸인 상태로 바닥부(121)의 개구에