JP2022523858A - 円筒形電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、電極組立体が金属カンに内蔵された円筒形電池であって、前記電極組立体の上端に位置する安全ベントにガス排出部材が備えられた円筒形電池に関する。

Description

関連出願（ら）との相互引用
本出願は、２０１９年８月１６日付韓国特許出願第１０－２０１９－０１００４６９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た全ての内容は本明細書の一部として組み含まれる。
本発明は、円筒形電池に関する。
最近、化石燃料の枯渇によるエネルギー源の価格上昇、環境汚染への関心が増幅しつつ、環境にやさしい代替エネルギー源に対する要求が未来の生活のための必須不可欠な要因になってきている。そこで、原子力、太陽光、風力、潮力など多様な電力生産技術に対する研究が続いており、このように生産されたエネルギーをより効率的に用いるための電力貯蔵装置にも大きな関心が持続している。
なお、モバイル機器と電気自動車に対する技術開発と需要が増加することに伴いエネルギー源としての電池の需要が急激に増加しており、そのため、多様な要求に応えることができる電池に対する多くの研究が行われている。特に、材料の面では高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの長所を有するリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池に対する需要が高い。
二次電池は、正極、負極、および正極と負極との間に介される分離膜が積層された構造の電極組立体が如何なる構造からなっているのかにより分類される。代表的には、長いシート形の正極と負極を分離膜が介された状態で巻き取った構造のジェリーロール型（巻取型）電極組立体、所定の大きさの単位に切り取った多数の正極と負極を分離膜を介した状態で順次に積層したスタック型（積層型）電極組立体などが挙げられ、最近は、前記ジェリーロール型電極組立体およびスタック型電極組立体が有する問題点を解決するために、前記ジェリーロール型とスタック型の混合形態である一歩進んだ構造の電極組立体として、所定単位の正極と負極を分離膜を介した状態で積層した単位セルを分離フィルム上に位置させた状態で順次に巻き取った構造のスタック／フォルディング型電極組立体が開発されている。
このような電極組立体を使用目的により、パウチケース、円筒形カン、および角形ケースなどに収納して電池を製造する。
このうち、円筒形電池は、製造が容易であり、重量当たりエネルギー密度が高い長所を有しており、携帯用コンピュータから電気自動車に至るまで多様な機器のエネルギー源として使用されている。
図１は従来の円筒形電池の断面模式図である。
図１を参照すると、円筒形電池１００は、ジェリーロール型電極組立体１２０を円筒形ケース１３０に収納し、円筒形ケース１３０内に電解液を注入した後、円筒形ケース１３０の開放上端にトップキャップ１４０を結合して製作する。
ジェリーロール型電極組立体１２０は、正極１２１、負極１２２および分離膜１２３を積層して丸い形態に巻き取った構造であって、その巻芯である電極組立体１２０の中心部には円筒形のセンターピン１５０が挿入されている。このようなセンターピン１５０は、電極組立体１２０を固定および支持する作用と充放電時に発生するガスが放出する通路として作用する。
前述の工程を通じて完成された従来の円筒形電池１００は、活性化過程を経るようになる。この時、円筒形電池１００の内部で発生したガスは、円筒形電池１００の内部圧力を増加させて安全性の問題を招くだけでなく、円筒形電池１００の性能低下および寿命減少につながる。しかし、従来の円筒形電池１００は、活性化過程で発生したガスを除去することが構造的に可能ではない。
本発明が解決しようとする課題は、円筒形電池の活性化過程で発生した内部ガスを除去して電池の性能を向上させるだけでなく、電池の寿命を延ばすことができる円筒形電池を提供することにある。
しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、前述した課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張され得る。
本発明の一実施形態による円筒形電池は、電極組立体が金属カンに内蔵され、上端キャップには排気口が形成された円筒形電池であって、前記電極組立体の上端に位置する安全ベントにガス排出部材が備えられ、前記ガス排出部材は少なくとも二つの薄膜を有する薄膜部を含むことができる。
前記ガス排出部材は、排出部、連結部および折曲部を含むことができる。
前記薄膜部は、第１薄膜および第２薄膜を含むことができる。
前記第１薄膜と前記第２薄膜は、互いに向き合い、中心部位（Ｓ）で接触することができる。
前記第１薄膜と前記第２薄膜は、前記排出部に真空状態が形成されると互いに分離され得る。
前記第１薄膜と前記第２薄膜は、アーチ形状であり得る。
前記第１薄膜と前記第２薄膜は、金属素材からなることができる。
前記第１薄膜と前記第２薄膜は、前記排出部の長軸に沿って配列され得る。
前記第１薄膜と前記第２薄膜は、前記排出部の内面に連結され得る。
前記第１薄膜と前記第２薄膜は、形状記憶合金からなることができる。
前記形状記憶合金は、チタンニッケル合金であり得る。
前記ガス排出部材は、前記上端キャップと前記安全ベントが接触する周縁に形成され得る。
前記ガス排出部材は、前記排気口が形成された部位に位置することができる。
前記排出部の一側は前記折曲部に連結され、前記排出部の他側は開放された構造であり得る。
前記排出部の一側にはスロット形状のガス流入口が形成され得る。
前記折曲部にはシワが形成され得る。
前記排出部は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に折り曲げられ得る。
以上で説明したように、本発明の実施形態による円筒形電池は、活性化過程で発生する内部ガスを除去することによって円筒形電池の性能を向上させることができるだけでなく、円筒形電池の寿命を延ばすことができる。
従来の円筒形電池の断面模式図である。 本発明の一実施形態による円筒形電池を示す断面模式図である。 図２の安全ベントを示す模式図である。 図２のキャップアセンブリーを示す模式図である。 図２のガス排出部材を示す側面模式図である。 図５の排出部をＡ方向から眺めた時の正面模式図である。 図５の排出部をＢ方向から眺めた時の正面模式図である。 図６の薄膜部を示す側面模式図である。 図６の第１薄膜および第２薄膜が互いに分離されたことを示す正面模式図である。 本発明の他の一実施形態を示す模式図である。 本発明の他の一実施形態を示す模式図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の多様な実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外せず、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
図２は本発明の一実施形態による円筒形電池を示す断面模式図である。
図２を参照すると、円筒形電池２００は、金属カン２３０の内部にジェリーロール型電極組立体２４０を挿入し、金属カン２３０の開放上端にキャップアセンブリー２１０を装着した構造である。キャップアセンブリー２１０は、上端キャップ２１１、安全ベント２１２、電流遮断部材（ＣＵＲＲＥＮＴ ＩＮＴＥＲＲＵＰＴＩＶＥ ＤＥＶＩＣＥ）２１３、ガスケット２１５およびガス排出部材２１６を含むことができる。
上端キャップ２１１は、円筒形電池２００の外部に突出した形態で正極端子を形成し、排気口２１４が穿孔された構造であり得る。上端キャップ２１１は、安全ベント２１２の周縁に沿って安全ベント２１２に電気的に接続され得る。
安全ベント２１２は、円筒形電池２００の内部で発生する高圧ガスにより破裂されるように所定のノッチ２２２が形成され得る。安全ベント２１２は、円筒形電池２００が正常に作動する時、下向きに突出した構造を維持する。しかし、円筒形電池２００の内部で発生したガスにより内部圧力が正常範囲を超えて上昇する時、安全ベント２１２は上向きに突出されながら破裂して内部ガスを排出することができる。
本発明による円筒形電池２００は、安全ベント２１２に別途のガス排出部材２１６が形成され得る。ガス排出部材２１６の詳細な構造は後述する。
電流遮断部材２１３は、円筒形電池２００が非正常的に作動する時、電流を遮断し、内圧を解消することができる。電流遮断部材２１３は、電極組立体２４０と安全ベント２１２との間の空間に装着され得る。
ガスケット２１５は、上端キャップ２１１の周縁に装着されて正極端子として作用する上端キャップ２１１と負極端子として作用する金属カン２３０とを電気的に絶縁することができる。
図３は図２の安全ベントを示す模式図である。
図２および図３を参照すると、安全ベント２１２には内部ガスが排出されるガス排出部材２１６が形成され得る。ガス排出部材２１６の位置は特に限定されないが、上端キャップ２１１と安全ベント２１２が接触する周縁に形成され得る。上端キャップ２１１と安全ベント２１２が接触する周縁は、ガス排出部材２１６が安定的に固定される支持力を確保することができる空間であり得る。
また、作業者が外部機器をガス排出部材２１６に連結して内部ガスを排出する時、安全ベント２１２の構造的変形を最小化することができるため、ガス排出部材２１６を上端キャップ２１１と安全ベント２１２が接触する周縁に形成することが好ましい。
また、ガス排出部材２１６は、ノッチ２２２が形成されていない部分に位置することが好ましい。
図４は図２のキャップアセンブリーを示す模式図である。
図２および図４を参照すると、ガス排出部材２１６は、排気口２１４が形成された部位に位置することができるため、ガス排出部材２１６の位置は肉眼で確認可能である。
一方、ガス排出部材２１６は、正極端子として作用する上端キャップ２１１の高さよりも低く形成して上端キャップ２１１と外部接続端子（図示せず）の電気的接続を干渉しないようにすることが好ましい。
図５は図２のガス排出部材を示す側面模式図である。図６は図５の排出部をＡ方向から眺めた時の正面模式図である。図７は図５の排出部をＢ方向から眺めた時の正面模式図である。
図５から図７を参照すると、ガス排出部材２１６は、排出部２１６ａ、薄膜部２１６ｂ、連結部２１６ｃおよび折曲部２１６ｄを含むことができる。
排出部２１６ａの形状は特に限定されないが、一例として断面が楕円であるカップ形状であり得る。また、排出部２１６ａの他側２１６ａ－１の長軸Ｌ１と短縮Ｌ２は一側２１６ａ－２の長軸Ｌ１ａと短縮Ｌ２ｂよりもそれぞれ長く形成され得る。
排出部２１６ａの一側２１６ａ－２は折曲部２１６ｄに連結され、排出部２１６ａの他側２１６ａ－１は開放された構造であり得る。また、排出部２１６ａの一側２１６ａ－２はカップの底面のように閉鎖された構造であるが、長軸Ｌ１ａに沿ってスロット形状のガス流入口２１６ａ－３が形成され得る。
このような構造により、連結部２１６ｃ、折曲部２１６ｄおよび排出部２１６ａは流体的に連通し、円筒形電池２００の活性化過程で発生した内部ガスは図５の点線矢印方向に沿って外部に排出され得る。
連結部２１６ｃの形状は特に限定されないが、一例として円筒形状であり得る。連結部２１６ｃの素材も特に限定されないが、アルミニウムＡ１０５０またはチタンニッケル合金のような金属であり得る。
折曲部２１６ｄは、連結部２１６ｃと排出部２１６ａを連結する。そして、折曲部２１６ｄの形状は、排出部２１６ａが連結部２１６ｃに対して所定の角度に折り曲げられた構造であれば特に限定されない。折曲部２１６ｄの素材も特に限定されないが、アルミニウムＡ１０５０またはチタンニッケル合金のような金属であり得る。
図８は図６の薄膜部を示す側面模式図である。
図６および図８を参照すると、排出部２１６ａの内部空間には薄膜部２１６ｂが形成され得る。薄膜部２１６ｂは、第１薄膜２１６ｂ－１と第２薄膜２１６ｂ－２を含むことができる。第１薄膜２１６ｂ－１と第２薄膜２１６ｂ－２は、排出部２１６ａの長軸Ｌ１方向に配列され、第１薄膜２１６ｂ－１と第２薄膜２１６ｂ－２は、互いに向き合い、中心部位Ｓで互いに接触された構造であり得る。第１薄膜２１６ｂ－１と第２薄膜２１６ｂ－２が中心部位Ｓで接触された状態では内部ガスが排出されない。
第１薄膜２１６ｂ－１と第２薄膜２１６ｂ－２の形状は特に限定されないが、一例としてアーチ形状であり得る。また、第１薄膜２１６ｂ－１は第２薄膜２１６ｂ－２と同一の形状であり得る。第１薄膜２１６ｂ－１の側面形状は中心部位Ｓを中心に対称である台形であり得る。第１辺２１６ｂ－３と第２辺２１６ｂ－４は、排出部２１６ａの内面に連結された構造であり得る。第３辺２１６ｂ－５と第４辺２１６ｂ－６は、互いに平行に形成され得る。第４辺２１６ｂ－６は、中心部位Ｓと同一の長さに形成され得る。
第１薄膜２１６ｂ－１と第２薄膜２１６ｂ－２は、中心部位Ｓを除いた周縁で互いに分離された状態で排出部２１６ａの内面に連結された構造であり得る。
図９は図６の第１薄膜および第２薄膜が互いに分離されたことを示す正面模式図である。
図６および図９を参照すると、排出部２１６ａの他側２１６ａ－１には真空状態を印加できる外部機器（図示せず）が連結され得る。排出部２１６ａに真空状態が形成されると、中心部位Ｓで第１薄膜２１６ｂ－１と第２薄膜２１６ｂ－２が図６の実線矢印方向に分離されながら図９の中心部位Ｓのように内部ガスが排出され得る空間が形成される。前記空間を通じて内部ガスが外部に排出され得る。
第１薄膜２１６ｂ－１と第２薄膜２１６ｂ－２の厚さは特に限定されないが、０．００１ミリメートルから０．０１ミリメートルであり得る。
第１薄膜２１６ｂ－１と第２薄膜２１６ｂ－２の素材も特に限定されないが、アルミニウムＡ１０５０またはチタンニッケル合金のような金属であり得る。
図１０は本発明による他の一実施形態を示す側面模式図である。
図１０を参照すると、ガス排出部材３１６は、排出部３１６ａ、薄膜部（図示せず）、連結部３１６ｃおよび折曲部３１６ｄを含むことができる。折曲部３１６ｄは、シワ３１６ｄ－１が形成された連結管であり得る。そこで、排出部３１６ａはＣを中心にＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に容易に折り曲げられ得る。参考までに、Ｚ軸は示していないが、Ｘ軸およびＹ軸と垂直であり、Ｃを過ぎて図１０を眺める方向に形成された軸である。
このような構造を通じて、作業者は外部機器を排出部３１６ａに容易に連結することができる。
図１１は本発明による他の一実施形態を示す正面模式図である。
図１１を参照すると、薄膜部４１６ｂは、チタンニッケル合金のような形状記憶合金からなる第１薄膜４１６ｂ－１と第２薄膜４１６ｂ－２を含むことができる。第１薄膜４１６ｂ－１と第２薄膜４１６ｂ－２は、特定の温度範囲で変形されて、実線矢印のような方向に互いに分離される構造であり得る。一例としに、第１薄膜４１６ｂ－１と第２薄膜４１６ｂ－２は摂氏１２０度以上の温度で互いに分離される構造であり得る。
このような構造を通じて、電池内部の高圧による暴走を防止することができるだけでなく、外部機器の使用なしに内部ガスを排出することができる。
本発明が属した分野における通常の知識を有する者であれば、前述の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用および変形を行うことが可能であろう。

Claims (17)

  1. 電極組立体が金属カンに内蔵され、上端キャップには排気口が形成された円筒形電池であって、
    前記電極組立体の上端に位置する安全ベントにガス排出部材が備えられ、前記ガス排出部材は少なくとも二つの薄膜を有する薄膜部を含む円筒形電池。
  2. 前記ガス排出部材は、排出部、連結部および折曲部を含む、請求項１に記載の円筒形電池。
  3. 前記薄膜部は、第１薄膜および第２薄膜を含む、請求項２に記載の円筒形電池。
  4. 前記第１薄膜と前記第２薄膜は、互いに向き合い、中心部位（Ｓ）で接触された、請求項３に記載の円筒形電池。
  5. 前記第１薄膜と前記第２薄膜は、前記排出部に真空状態が形成されると互いに分離される、請求項４に記載の円筒形電池。
  6. 前記第１薄膜と前記第２薄膜は、アーチ形状である、請求項３から５のいずれか一項に記載の円筒形電池。
  7. 前記第１薄膜と前記第２薄膜は、金属素材からなる、請求項３から６のいずれか一項に記載の円筒形電池。
  8. 前記第１薄膜と前記第２薄膜は、前記排出部の長軸に沿って配列された、請求項３から７のいずれか一項に記載の円筒形電池。
  9. 前記第１薄膜と前記第２薄膜は、前記排出部の内面に連結された、請求項３から８のいずれか一項に記載の円筒形電池。
  10. 前記第１薄膜と前記第２薄膜は、形状記憶合金からなる、請求項３から９のいずれか一項に記載の円筒形電池。
  11. 前記形状記憶合金は、チタンニッケル合金である、請求項１０に記載の円筒形電池。
  12. 前記ガス排出部材は、前記上端キャップと前記安全ベントが接触する周縁に形成された、請求項１から１１のいずれか一項に記載の円筒形電池。
  13. 前記ガス排出部材は、前記排気口が形成された部位に位置する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の円筒形電池。
  14. 前記排出部の一側は前記折曲部に連結され、前記排出部の他側は開放された構造である、請求項２に記載の円筒形電池。
  15. 前記排出部の一側にはスロット形状のガス流入口が形成された、請求項２に記載の円筒形電池。
  16. 前記折曲部にはシワが形成された、請求項２に記載の円筒形電池。
  17. 前記排出部は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に折り曲げられる、請求項１６に記載の円筒形電池。
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