JP2022514552A - 二次電池 - Google Patents

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Abstract

二次電池が開示される。本発明の一側面によれば、電池カンの上端部には、トップキャップに向かって内側に折り曲げられてトップキャップを固定する折曲部が形成され、電池カンの内部圧力が一定の値を超過する場合、トップキャップまたは折曲部の変形によって、上から眺めた時のトップキャップと折曲部が互いに重畳される領域（Ｒ）の面積が減少し、折曲部とトップキャップの間の結合力が減少することにより、トップキャップの全領域が電池カンから離隔される二次電池が提供される。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年２月１日付韓国特許出願第１０－２０１９－００１３８４８号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、二次電池に関し、より詳しくは、二次電池の内圧が上昇した時にガスを効果的に排出することができる構造を有する二次電池に関する。
反復的な充電及び放電が可能な二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は、構造及び製造方法によってパウチ型二次電池、角形二次電池、円筒状二次電池などに分けられてよい。この中でも、円筒状二次電池は、円筒構造の電池カンの内部に電極組立体が収容され、電池カンの上部にトップキャップが結合されている構造を有する。
一方、従来に比べ、同一体積に対してより大きい容量を有する二次電池に対する要求の増加に伴い、かかる二次電池を製造するための研究も活発に進められている。
同一体積に対してより大きい容量を有する二次電池を製造するため、正極内の正極活物質に含まれるニッケルの含量が増加している傾向にある。しかし、正極活物質に含まれるニッケルの含量が増加するほど、正極活物質の熱的安定性は低下するという問題がある。正極活物質の熱的安定性が低下するというのは、二次電池内の温度または圧力の上昇によって二次電池の火事または爆発が発生する可能性が増加するということである。
このような問題点を解決するために、二次電池に熱的安定性を向上させることができる化合物などを追加する方法が考慮されているが、費用、生産性などの側面で限界があることが現実である。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、二次電池の構造を最適化することにより、二次電池内部の圧力または温度が上昇した時に発生し得る二次電池の火事または爆発の危険性を除去することである。
前記目的を達成するための本発明の一側面によれば、電極組立体と、前記電極組立体を収容して上部が開放されている電池カンと、前記電池カンの上部に結合されるトップキャップと、を含んでなり、前記電池カンの上端部には、前記トップキャップに向かって内側に折り曲げられて前記トップキャップを固定する折曲部が形成され、前記電池カンの内部圧力が一定の値を超過する場合、前記トップキャップまたは前記折曲部の変形によって、上から眺めた時の前記トップキャップと前記折曲部が互いに重畳される領域（Ｒ）の面積が減少し、前記折曲部と前記トップキャップの間の結合力が減少することにより、前記トップキャップの全領域が前記電池カンから離隔される二次電池が提供される。
前記電池カンの内部圧力が前記一定の値を超過する場合、前記トップキャップは、複数の構成に断片化しない一体の状態で前記電池カンから離隔され得る。
前記電池カンの内部圧力が前記一定の値を超過する場合、前記折曲部が折り曲げられた程度の緩和により前記トップキャップが前記電池カンから離隔され得る。
前記電池カンの内部圧力が前記一定の値を超過する場合、前記トップキャップの中心部が上方に曲がることにより前記トップキャップが前記電池カンから離隔され得る。
前記一定の値は、３０ｋｇｆ以上６０ｋｇｆ以下の範囲に属する値であってよい。
前記電池カンは幅（Ｗ）を有し、前記折曲部は折曲長さ（Ａ）を有し、前記電池カンの幅（Ｗ）に対する前記折曲部の折曲長さ（Ａ）の比であるＡ／Ｗは２．２７×１０－２から７．５×１０－２であってよい。
前記折曲部は厚さ（ｔ１）を有し、前記折曲部は折曲長さ（Ａ）を有し、前記折曲部の厚さ（ｔ１）に対する前記折曲部の折曲長さ（Ａ）の比であるＡ／ｔ１は１．４３から６であってよい。
前記トップキャップから上方に突き出された端子領域は厚さ（ｔ２）を有し、前記折曲部は折曲長さ（Ａ）を有し、前記トップキャップの前記端子領域の厚さ（ｔ２）に対する前記折曲部の折曲長さ（Ａ）の比であるＡ／ｔ２は１から５であってよい。
前記折曲部の折曲長さ（Ａ）は、０．５ｍｍから１．５ｍｍであってよい。
前記電池カンの幅（Ｗ）は、２０ｍｍから２２ｍｍであってよい。
前記折曲部の厚さ（ｔ１）は、０．２５ｍｍから０．３５ｍｍであってよい。
前記トップキャップの端子領域の厚さ（ｔ２）は、０．３ｍｍから０．５ｍｍであってよい。
前記電池カンは、ニッケル（Ｎｉ）がコーティングされた鉄（Ｆｅ）の材質を含んでよい。
本発明によれば、二次電池の構造を最適化することにより、二次電池内部の圧力または温度が上昇した時に発生し得る二次電池の火事または爆発の危険性を除去することができる。
本発明に係る二次電池の構造を示した側断面図である。
以下、図を参考にしつつ、本発明に係る二次電池の構造を説明する。
二次電池
図１は、本発明に係る二次電池の構造を示した側断面図である。
図１に示されている通り、本発明に係る二次電池１０は、電極組立体（図示省略）、電極組立体を収容して上部が開放されている電池カン１００、及び電池カン１００の上部に結合されるトップキャップ２００を含むことができる。図１に示されている通り、トップキャップ２００は、中央部が上方に突き出された構造を有することができる。以下、本明細書では、トップキャップ２００から上方に突き出された領域を「端子領域」と称する。
一方、本発明に係る二次電池は、例えば、円筒状二次電池であってよいが、本発明が適用され得る二次電池の種類はそれに制限されない。また、電池カン１００は円筒状を有してよいが、電池カン１００の形状もそれに制限されない。一方、電池カン１００は、ニッケル（Ｎｉ）が含まれている鉄（Ｆｅ）の材質を含むことができる。
電池カン１００の上内側部とトップキャップ２００の外周の間には密封のためのガスケット３００が備えられてよい。また、トップキャップ２００の下面には安全ベント４００が密着して備えられてよい。
引き続き図１に示されている通り、電池カン１００の上端部には、トップキャップ２００に向かって内側に折り曲げられる折曲部１１０が形成されてよい。図１に示されている通り、折曲部１１０はガスケット３００を下方に加圧することになるので、折曲部１１０によってトップキャップ２００が固定され得る。電池カン１００に形成された折曲部１１０の下部には、内側方向に湾入した形状を有するビーディング部１２０が形成されてよい。
このとき、図１に示されている通り、二次電池１０を上から眺めた時にトップキャップ２００と折曲部１１０が互いに重畳される領域（以下、「重畳領域」と記す）（Ｒ）が形成されてよい。
本発明に係る二次電池１０は、二次電池内部の圧力が増加する場合、トップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔されることにより、二次電池１０内部のガスを外部に排出することができる構造を有してよい。
このために、本発明に係る二次電池１０は、二次電池内部の圧力が一定の値を超過する場合、トップキャップ２００または折曲部１１０の形状の変形によって、上から眺めた時のトップキャップ２００と折曲部１１０の重畳領域（Ｒ）の面積が減少し、トップキャップ２００と折曲部１１０の間の結合力が減少することにより、トップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔される構造を有してよい。
本発明に係る二次電池１０において、電池カン１００の内部圧力が一定の値を超過する場合、トップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔される方式は大きく二種類に分けられ得る。
第一は、二次電池１０の内圧の上昇によってトップキャップ２００とガスケット３００などが電池カン１００の上端部に形成された折曲部１１０を上方に加圧することで折曲部１１０が折り曲げられた程度が緩和され、これによって重畳領域（Ｒ）で折曲部１１０とトップキャップ２００が互いに滑るようになることでトップキャップ２００が電池カン１００から離隔される方式（以下、「第１離隔方式」と記す）である。
第二は、二次電池１０の内圧の上昇によって二次電池１０の内圧がトップキャップ２００の中心部の下面を上方に加圧することでトップキャップ２００の中心部（すなわち、端子領域）が上方に曲がり、これによって重畳領域（Ｒ）で折曲部１１０とトップキャップ２００が互いに滑るようになることでトップキャップ２００が電池カン１００から離隔される方式（以下、「第２離隔方式」と記す）である。
前記二種類の方式は、選択的に一つだけ起こるのではなく、トップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔される時に互いに混在された状態で同時に起こり得る。
二次電池の内圧の上昇でトップキャップの全領域が電池カンから離隔されるとき、もしトップキャップが複数の破片に断片化した状態で電池カンから離隔される場合は、複数の破片が幾多の方向に飛ぶことによって安全事故が発生し得る。
本発明に係る二次電池１０において、電池カン１００の内部の圧力が一定の値を超過する場合、トップキャップ２００は、複数の構成に断片化しない一体の状態で電池カン１００から離隔され得る。
前述したように、本発明に係る二次電池１０は、二次電池内部の圧力が一定の値を超過する場合、トップキャップ２００または折曲部１１０の形状の変形によってトップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔されることがあり、このとき、前記一定の値は３０ｋｇｆ以上６０ｋｇｆ以下の範囲に属する値であってよい。
前記一定の値が３０ｋｇｆ未満の場合は、トップキャップ２００と電池カン１００の間の結合が過度に弱くなるので、二次電池内部のガスが外部に排出される必要がない場合でも、トップキャップ２００が電池カン１００から離隔される問題が発生し得る。一方、前記一定の値が６０ｋｇｆを超過する場合は、トップキャップ２００と電池カン１００の間の結合が過度に強くなるので、二次電池内部の圧力の上昇でガスが外部に排出されなければならない場合でも、トップキャップ２００が電池カン１００から離隔されない問題が発生し得る。より好ましくは、前記一定の値が３０ｋｇｆ以上５５ｋｇｆ以下の範囲に属する値であってよい。
一方、図１に示されている通り、本発明に係る二次電池１０において、電池カン１００は所定の幅（Ｗ）を有することができる。電池カン１００が円筒状を有する場合、図１に示された幅（Ｗ）は、電池カン１００の直径とみることができる。
また、電池カン１００に形成される折曲部１１０は、折曲部が電池カン１００の内側に折り曲げられた所定の長さである折曲長さ（Ａ）を有することができる。そして、折曲部１１０は所定の厚さ（ｔ１）を有することができる。
一方、トップキャップ２００は所定の厚さ（ｔ２）を有することができる。このとき、トップキャップ２００の全領域にかけて一定の厚さを有してもよいが、便宜上、本明細書では、トップキャップ２００から上方に突き出された端子領域の厚さがｔ２の場合を中心に説明する。
本発明に係る二次電池１０において、電池カン１００の幅（Ｗ）に対し折曲部１１０の折曲長さ（Ａ）は一定の割合を有することができる。すなわち、電池カン１００の幅（Ｗ）に対する折曲部１１０の折曲長さ（Ａ）の比であるＡ／Ｗは２．２７×１０－２から７．５×１０－２であってよい。
Ａ／Ｗが２．２７×１０－２未満の場合は、電池カン１００とトップキャップ２００の間の結合力が過度に小さくなるので、二次電池１０の内圧が正常な状況でも折曲部１１０の折り曲げられた程度が緩和され、トップキャップ２００が電池カン１００から離隔されるという問題が発生し得る。逆に、Ａ／Ｗが７．５×１０－２を超過する場合は、電池カン１００とトップキャップ２００の間の結合力が過度に大きくなり、二次電池１０の内圧が異常な状況でもトップキャップ２００が電池カン１００から離隔されないので、二次電池１０が爆発する危険性があり得る。
また、本発明に係る二次電池１０において、折曲部１１０の厚さ（ｔ１）に対し折曲部１１０の折曲長さ（Ａ）も一定の割合を有することができる。すなわち、折曲部１１０の厚さ（ｔ１）に対する折曲部１１０の折曲長さ（Ａ）の比であるＡ／ｔ１は１．４３から６であってよい。
Ａ／ｔ１が１．４３未満の場合、折曲部１１０の厚さ（ｔ１）は相対的に大きい反面、折曲長さ（Ａ）は相対的に小さくなるので、電池カン１００の上端部に折曲部１１０を成形することが難しくなり、折曲部１１０の成形性が落ちることがある。逆に、Ａ／ｔ１が６を超過する場合、折曲部１１０の厚さ（ｔ１）は相対的に小さい反面、折曲長さ（Ａ）は相対的に大きくなるので、折曲部１１０が形成される領域の耐久性が落ちるようになり、折曲部１１０の成形の過程で折曲部１１０が損傷されるという問題が発生し得る。より好ましくは、Ａ／ｔ１は２．０から４．３であってよい。
また、本発明に係る二次電池１０において、トップキャップ２００の端子領域の厚さ（ｔ２）に対し折曲部１１０の折曲長さ（Ａ）もまた一定の割合を有することができる。すなわち、トップキャップの端子領域の厚さ（ｔ２）に対する前記折曲部の折曲長さ（Ａ）の比であるＡ／ｔ２は１．０から５．０であってよい。
Ａ／ｔ２が１．０未満の場合、トップキャップ２００の端子領域の厚さ（ｔ２）は相対的に大きい反面、折曲長さ（Ａ）は相対的に小さくなるので、トップキャップ２００の端子領域における変形がほぼ起こらなくなり、二次電池１０の内圧の上昇でトップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔されるとき、主に前記「第１離隔方式」によってだけなされるようになる。逆に、Ａ／ｔ２が５．０を超過する場合、トップキャップ２００の端子領域の厚さ（ｔ２）は相対的に小さい反面、折曲長さ（Ａ）は相対的に大きくなるので、折曲長さ（Ａ）で折り曲げられる程度の緩和がほぼ起こらなくなり、二次電池１０の内圧の上昇でトップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔されるとき、主に前記「第２離隔方式」によってだけなされるようになる。トップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔される時に第１離隔方式にだけ依存する場合、二次電池の使用状態によって第１離隔方式が作動しない場合は、トップキャップ２００が電池カン１００から離隔されず二次電池１０が爆発することがある。これは、第２離隔方式にだけ依存する場合も同様である。よって、二次電池の使用状態に関わりなくトップキャップ２００が二次電池１０から離隔され得るようにするためには、第１離隔方式と第２離隔方式が調和して作動できるようにＡ／ｔ２を設定する必要がある。
一方、本発明に係る二次電池１０の折曲部１１０の折曲長さ（Ａ）は０．５ｍｍから１．５ｍｍであってよい。
折曲部１１０の折曲長さ（Ａ）が０．５ｍｍ未満の場合は折曲長さ（Ａ）が過度に短くなるので、電池カン１００の上端部に折曲部１１０を成形することが難しくなって折曲部１１０の成形性が落ちることがあり、通常時に折曲部１１０による電池カン１００とトップキャップ２００の間の結合力が落ちるようになるので、正常な状況でもトップキャップ２００が電池カン１００から離隔されるという問題が発生し得る。一方、折曲部１１０の折曲長さ（Ａ）が１．５ｍｍ超過の場合は折曲長さ（Ａ）が過度に大きくなるので、折曲部１１０による電池カン１００とトップキャップ２００の間の結合力が過度に大きくなり、二次電池１０の内圧の上昇でトップキャップ２００が電池カン１００から離隔されなければならない状況でも離隔されなくなって二次電池１０が爆発することがある。
また、本発明に係る二次電池１０の電池カン１００に形成された折曲部１１０の厚さ（ｔ１）は０．２５ｍｍから０．３５ｍｍであってよい。
折曲部１１０の厚さ（ｔ１）が０．２５ｍｍ未満の場合は、折曲部１１０が形成される領域の耐久性が落ちるようになり、折曲部１１０の成形の過程で折曲部１１０が損傷されるという問題が発生し得る。一方、折曲部１１０の厚さ（ｔ１）が０．３５ｍｍを超過する場合は、電池カン１００の上端部に折曲部１１０を成形することが難しくなるので、折曲部１１０の成形性が落ちるようになることがある。
また、本発明に係る二次電池１０のトップキャップ２００の厚さ（ｔ２）は０．３ｍｍから０．５ｍｍであってよい。
トップキャップ２００の厚さ（ｔ２）が０．３ｍｍ未満の場合は、二次電池１０の内圧の上昇でトップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔されるとき、主に前記「第２離隔方式」によってだけなされ得る。一方、トップキャップ２００の厚さ（ｔ２）が０．５ｍｍを超過する場合は、二次電池１０の内圧の上昇でトップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔されるとき、主に前記「第１離隔方式」によってだけなされ得る。より好ましくは、ｔ２は、０．３５ｍｍから０．４５ｍｍの間の値を有することができる。
また、二次電池１０の生産性及び二次電池１０を用いる時の効率性などのために、本発明に係る二次電池１０の電池カン１００の幅（Ｗ）は２０ｍｍから２２ｍｍであってよい。
円筒状二次電池の場合、安全ベント（図１を参照）４００が備えられるのが一般的であるところ、従来の技術によれば、円筒状二次電池の内部圧力が上昇する場合、安全ベントの破断に伴って二次電池内部のガスと電解液などを外部に排出することにより二次電池の爆発を防止することになる。
しかし、従来の技術によれば、安全ベントが破断されても、二次電池内部のガスと電解液などが外部に排出される出口は安全ベントで破断された領域に制限されるため、ガスと電解液などの迅速な排出が困難であるという問題点があった。特に、二次電池の直径または大きさが大きい場合、例えば、二次電池の直径が１１ｍｍを超過する場合は、二次電池の爆発を防止するためにガスと電解液が最大限速やかに外部に排出される必要があるが、安全ベントで破断された領域は局所的なので、ガスと電解液が外部に速やかに排出できず、二次電池の安全性が担保できないという問題点があった。また、安全ベントが破断されても、トップキャップは電池カンと結合された状態を保つことになるので、安全ベントがトップキャップの下部に依然として拘束され、安全ベントで破断されて開放される領域の大きさがトップキャップにより制限されるという問題点もあった。
しかし、前述したところのように、本発明によれば、電池カン１００の内部圧力が一定の値を超過する場合、電池カン１００の折曲部１１０とトップキャップ２００の間の結合力が減少するに伴い、トップキャップ２００の全領域が電池カン１００から離隔されるので、二次電池内部のガスと電解液が速やかに外部に排出され得る。また、トップキャップが電池カンから離隔されるので、安全ベントが破断されて開放される領域の大きさがトップキャップにより制限されなくなる。よって、安全ベントが破断される領域の大きさが増加し、二次電池内部のガスと電解液がさらに速やかに外部に排出され得る。
実施例１
円筒状二次電池を製造した。電池カンの直径は２１．０５ｍｍで、電池カンの厚さは０．３ｍｍであり、電池カンの上端部に形成される折曲部の厚さも０．３ｍｍであった。また、電池カンの上部で折曲部と結合されるトップキャップの厚さは０．４ｍｍであった。さらに、折曲部の折曲長さは０．５ｍｍであった。
実施例２
折曲部の折曲長さが１．５ｍｍの場合以外は、実施例１と同様に円筒状二次電池を製造した。
実験例
実施例１及び実施例２によって製造された円筒状二次電池内部の圧力を増加させながら、トップキャップの全領域が一体の状態で電池カンから離隔される時の二次電池内部の圧力を測定した。
実施例１に係る円筒状二次電池において、トップキャップの全領域が一体の状態で電池カンから離隔される時の二次電池内部の圧力は３３ｋｇｆであった。
実施例２に係る円筒状二次電池において、トップキャップの全領域が一体の状態で電池カンから離隔される時の二次電池内部の圧力は５０ｋｇｆであった。
以上、本発明は、たとえ限定された実施例と図によって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者により、本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な実施が可能であるのは勿論である。

Claims (13)

  1. 電極組立体と、
    前記電極組立体を収容して上部が開放されている電池カンと、
    前記電池カンの上部に結合されるトップキャップと、
    を含んでなり、
    前記電池カンの上端部には、前記トップキャップに向かって内側に折り曲げられて前記トップキャップを固定する折曲部が形成され、
    前記電池カンの内部圧力が一定の値を超過する場合、前記トップキャップまたは前記折曲部の変形によって、上から眺めた時の前記トップキャップと前記折曲部が互いに重畳される領域（Ｒ）の面積が減少し、前記折曲部と前記トップキャップの間の結合力が減少することにより、前記トップキャップの全領域が前記電池カンから離隔される、二次電池。
  2. 前記電池カンの内部圧力が前記一定の値を超過する場合、前記トップキャップは、複数の構成に断片化しない一体の状態で前記電池カンから離隔される、請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記電池カンの内部圧力が前記一定の値を超過する場合、前記折曲部が折り曲げられた程度の緩和により前記トップキャップが前記電池カンから離隔される、請求項２に記載の二次電池。
  4. 前記電池カンの内部圧力が前記一定の値を超過する場合、前記トップキャップの中心部が上方に曲がることにより前記トップキャップが前記電池カンから離隔される、請求項２に記載の二次電池。
  5. 前記一定の値は、３０ｋｇｆ以上６０ｋｇｆ以下の範囲に属する値である、請求項３または請求項４に記載の二次電池。
  6. 前記電池カンは幅（Ｗ）を有し、
    前記折曲部は折曲長さ（Ａ）を有し、
    前記電池カンの幅（Ｗ）に対する前記折曲部の折曲長さ（Ａ）の比であるＡ／Ｗは２．２７×１０－２から７．５×１０－２である、請求項１から５のいずれか一項に記載の二次電池。
  7. 前記折曲部は厚さ（ｔ１）を有し、
    前記折曲部は折曲長さ（Ａ）を有し、
    前記折曲部の厚さ（ｔ１）に対する前記折曲部の折曲長さ（Ａ）の比であるＡ／ｔ１は１．４３から６である、請求項１から６のいずれか一項に記載の二次電池。
  8. 前記トップキャップから上方に突き出された端子領域は厚さ（ｔ２）を有し、
    前記折曲部は折曲長さ（Ａ）を有し、
    前記トップキャップの前記端子領域の厚さ（ｔ２）に対する前記折曲部の折曲長さ（Ａ）の比であるＡ／ｔ２は１から５である、請求項１から７のいずれか一項に記載の二次電池。
  9. 前記折曲部の折曲長さ（Ａ）は、０．５ｍｍから１．５ｍｍである、請求項６から８のいずれか一項に記載の二次電池。
  10. 前記電池カンの幅（Ｗ）は、２０ｍｍから２２ｍｍである、請求項６に記載の二次電池。
  11. 前記折曲部の厚さ（ｔ１）は、０．２５ｍｍから０．３５ｍｍである、請求項７に記載の二次電池。
  12. 前記トップキャップの端子領域の厚さ（ｔ２）は、０．３ｍｍから０．５ｍｍである、請求項８に記載の二次電池。
  13. 前記電池カンは、ニッケル（Ｎｉ）がコーティングされた鉄（Ｆｅ）の材質を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の二次電池。
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