JP2023513117A - 二次電池およびこれを含むデバイス - Google Patents
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Abstract
本発明の一実施形態による二次電池は、電流遮断部材（ＣｕｒｒｅｎｔＩ ｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ、ＣＩＤ）；前記電流遮断部材上に位置し、前記電流遮断部材に電気的に連結された安全ベント；および前記電流遮断部材の周縁を囲むＣＩＤガスケットを含み、前記ＣＩＤガスケットは、強化材を含み、前記強化材は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、セルロース、セラミック粒子およびフィラーのうちの少なくとも一つを含む。
Description
関連出願（ら）との相互引用
本出願は、２０２０年４月６日付韓国特許出願第１０－２０２０－００４１４３６号および２０２１年４月５日付韓国特許出願第１０－２０２１－００４４２１４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含まれる。
本出願は、２０２０年４月６日付韓国特許出願第１０－２０２０－００４１４３６号および２０２１年４月５日付韓国特許出願第１０－２０２１－００４４２１４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含まれる。
本発明は、二次電池およびこれを含むデバイスに関し、より具体的には、高温および高圧環境に対する安全性が向上した二次電池およびこれを含むデバイスに関する。
近来、ノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急激に増大し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化することに伴い、その駆動電源として使用される二次電池に対して多くの研究が行われている。
電池ケースに内蔵される前記電極組立体は、正極、分離膜、負極の積層構造からなる充放電が可能な発電素子として、ジェリーロール型、スタック型およびスタック／フォルディング型に分類される。ジェリーロール型は、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介して巻き取った形態であり、スタック型は、所定の大きさの多数の正極と負極を分離膜が介された状態で順次に積層した形態であり、スタック／フォルディング型は、ジェリーロール型とスタック型の複合構造である。そのうち、ジェリーロール型電極組立体は、製造が容易であり、重量当たりのエネルギー密度が高いという長所を有している。
二次電池は、電池ケースの形状により、電極組立体が円筒型金属カンに内装されている円筒型電池、電極組立体が角型の金属カンに内装されている角型電池、および電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内装されているパウチ型電池に分類される。そのうち円筒型電池は、相対的に容量が大きく、構造的に安定しているという長所を有する。
一方、二次電池には、例えばニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがある。これらのうち、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらず、充放電が自由であり、自放電率が非常に低く、作動電圧が高く、単位重量当たりのエネルギー密度が高いという長所のため、先端電子機器分野で広く使用されている。
しかし、リチウム二次電池は、高温に露出したり、過充電、外部短絡、針状貫通、局部的損傷などにより短時間内に大きい電流が流れるようになる場合、ＩＲ発熱により電池が加熱されながら爆発が起こる危険性がある。言い換えると、電池の圧力や温度が上昇すると活物質の分解反応と多数の副反応が行われ、そのために電池の温度が急激に上昇するようになり、これは再び電解液と電極との間の反応を加速化させる。終局は電池の温度が急激に上昇する熱暴走現象が起こるようになり、温度が一定以上まで上昇すると電池の発火が起こることがあり、上昇した電池の内圧によりリチウム二次電池が爆発するようになる。
したがって、リチウム二次電池が高温、高圧のなどの非正常な作動状態に置かれた時、これを効果的に制御するために多様な方案を議論している。安全性を確保するための努力の一環として、セル外側に素子を装着する方法とセル内部の物質を利用する方法があるが、電池内圧の変化を利用する安全ベント（ｓａｆｅｔｙ ｖｅｎｔ）は前者に該当する。
以下、図１および図２と共に、安全ベントを備えた従来の円筒型二次電池について説明する。
図１は従来の円筒型二次電池の上部の部分断面図である。
図１を参照すれば、ジェリーロール型電極組立体５０が円筒型ケース２０に収納され、円筒型ケース２０の開放された上部にキャップ組立体３０が装着されて円筒型二次電池１０が製造され得る。
キャップ組立体３０は、上端キャップ３１、および内部圧力降下用安全ベント３２を含み、上端キャップ３１と内部圧力降下用安全ベント３２は互いに密着した構造を形成することができる。
安全ベント３２は、電流遮断部材（ＣｕｒｒｅｎｔＩ ｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ、ＣＩＤ）６０を通じて電極組立体５０と電気的に連結され得る。電流遮断部材６０の周縁をＣＩＤガスケット７０が囲むことができる。
図２は図１の円筒型二次電池が内圧が上昇した時の様子を示す部分断面図である。
図２を参照すれば、円筒型二次電池１０が高温に露出したり内部発熱により内部圧力が上昇すると、安全ベント３２の形状が逆転しながら、電流遮断部材６０が２部分に分離されて電流を遮断する。この時、ＣＩＤガスケット７０が、安全ベント３２と電流遮断部材６０との間に位置することで、安全ベント３２と分離された電流遮断部材６０が互いに通電しないようにする役割を担当することができる。
しかし、高温および高圧の環境でＣＩＤガスケット７０が溶融する場合が発生することがある。具体的に、図２に示されているように、一部のＣＩＤガスケット７０が溶融して、内圧により上昇した電流遮断部材６０と安全ベント３２が接触する場合が発生し、これによって電流が遮断されずに再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生することがある。電流を遮断できないため、温度は継続して上昇することがあり、結局、円筒型二次電池１０の発火および爆発につながり得る。
したがって、高温および高圧の環境で溶融が発生しても、絶縁特性を維持することができるように、熱変形温度が高いＣＩＤガスケットに対する開発が必要であるのが実情である。
本発明の実施形態は、既に提案されている方法におけるこのような問題点を解決するために提案されたものであり、高温および高圧の環境でも安全性が向上した二次電池およびこれを含むデバイスの提供をその目的とする。
ただし、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二次電池は、電流遮断部材（ＣｕｒｒｅｎｔＩ ｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ、ＣＩＤ）；前記電流遮断部材上に位置し、前記電流遮断部材に電気的に連結された安全ベント；および前記電流遮断部材の周縁を囲むＣＩＤガスケットを含み、前記ＣＩＤガスケットは、強化材を含み、前記強化材は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、セルロース、セラミック粒子およびフィラーのうちの少なくとも一つを含む。
前記ＣＩＤガスケットは、前記電流遮断部材の周縁を囲む第１部分、および前記第１部分上に位置して前記電流遮断部材の中心方向に延長された第２部分を含むことができる。
前記第２部分は、前記安全ベントと前記電流遮断部材との間に延長され得る。
前記ＣＩＤガスケットは、高分子樹脂を含み、前記高分子樹脂は、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）およびペルフルオロアルコキシアルカン（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｏｘｙ ａｌｋａｎｅ、ＰＦＡ）のうちの少なくとも一つを含むことができる。
前記ＣＩＤガスケットは、高分子樹脂を含み、前記高分子樹脂は、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）を含むことができる。
前記電流遮断部材は、外周部、および前記外周部により囲まれた遮断部を含み、前記二次電池の内圧上昇時、前記遮断部が前記外周部と分離され得る。
前記安全ベントは、前記遮断部と電気的に連結され得る。
前記二次電池は、正極、負極および分離膜を含む電極組立体をさらに含み、前記外周部は、正極タブを通じて前記正極と電気的に連結され得る。
前記二次電池は、前記安全ベント上に位置し、前記安全ベントに電気的に連結された上端キャップをさらに含むことができる。
前記二次電池は、円筒型ケースをさらに含むことができる。
本発明の実施形態によるＣＩＤガスケットは、強化材を含むことによって、耐熱性および熱変形温度が上昇することで、高温および高圧の環境で溶融が発生しても、絶縁特性を維持することができる。そのために、安全性が向上した二次電池の製造が可能である。
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。
本発明を明確に説明するために、説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。
また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したため、本発明が必ず図示されたところに限定されるのではない。図面において、複数の層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上」にあるという時、これは他の部分の「直上」にある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には中間にまた他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分の「上」にあるということは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ず重力反対方向に向かって「上」に位置することを意味するのではない。
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。
また、明細書全体において、「平面上」という時、これは対象部分を上方から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を側方から見た時を意味する。
図３は本発明の一実施形態による二次電池の上部の部分断面図である。
図３を参照すれば、本発明の一実施形態による二次電池１００は、電極組立体５００を円筒型ケース２００に挿入し、ここに電解液を注入し、円筒型ケースの開放された上部にキャップ組立体３００を装着して製造され得る。
電極組立体５００は、正極５１０および負極５２０の間に分離膜５３０を介して巻き取ったジェリーロール形態の構造であり、その中心部にセンターピン（図示せず）が挿入され得る。センターピンは、一般に所定の強度を付与するために金属素材からなっており、板材を丸く折り曲げた中空円筒形構造からなっている。このようなセンターピンは、電極組立体５００を固定および支持する作用と充放電および作動時に内部反応により発生するガスを放出する通路として作用することができる。
キャップ組立体３００は、上端キャップ３１０と安全ベント３２０を含み、このような上端キャップ３１０は、安全ベント３２０上に位置し、安全ベント３２０と互いに密着した構造を形成して電気的に連結され得る。上端キャップ３１０は、中央が上向きに突出した構造であり、電極組立体５００の正極５１０と電気的に連結されて、外部回路との接続のための正極端子として機能することができる。具体的に、上端キャップ３１０は、安全ベント３２０、電流遮断部材６００および正極タブ５１１を通じて正極５１０と間接的に連結され得る。
円筒型ケース２００は、ビーディング部２１０およびクリンピング部２２０を含むことができる。
ビーディング部２１０は、円筒型ケース２００のうちの一部が電極組立体５００の中心方向に湾入された部分を称し、キャップ組立体３００の安定した結合および電極組立体５００の流動防止のためのものである。
クリンピング部２２０は、ビーディング部２１０の上部に位置して、キャップ組立体３００を囲む部分を称し、キャップ組立体３００の安定した結合のためのものである。密封ガスケット４００は、クリンピング部２２０とビーディング部２１０の内面に装着されてキャップ組立体３００と円筒型ケース２００との間の密封力を増大させる。つまり、円筒型ケース２００とキャップ組立体３００との間に密封ガスケット４００を位置させ、円筒型ケース２００の端部を曲げることによってクリンピング部２２０を形成する。これによってキャップ組立体３００の装着および二次電池１００の密封がなされ得る。
具体的に図示していないが、電極組立体５００の負極５２０に連結された負極タブは円筒型ケース２００に接合され得る。これによって、円筒型ケース２００が外部回路との接続のための負極端子として機能することができる。
一方、安全ベント３２０の下には電流遮断部材（ＣｕｒｒｅｎｔＩ ｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ、ＣＩＤ）６００およびＣＩＤガスケット７００が位置する。以下、これについて詳しく説明する。
本実施形態による二次電池１００は、電流遮断部材６００、電流遮断部材６００上に位置し、電流遮断部材６００に電気的に連結された安全ベント３２０、および電流遮断部材６００の周縁を囲むＣＩＤガスケット７００を含む。ＣＩＤガスケット７００は、強化材を含み、前記強化材は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、セルロース、セラミック粒子およびフィラーのうちの少なくとも一つを含むことができる。
安全ベント３２０は、電流が通じる薄膜構造物として、それぞれ深さを異にする２個の溝部３２１、３２２が形成されている。
電流遮断部材６００は、導電性板材の部材として、外周部６１０、および外周部６１０により囲まれた遮断部６２０を含むことができる。また、具体的に図示していないが、ガスの排出のための多数の貫通口が形成され得る。一方、後述する外周部６１０と遮断部６２０間の分離のために外周部６１０と遮断部６２０の間の境界は相対的に弱い強度を有するように設計され得る。
ＣＩＤガスケット７００は、電流遮断部材６００の周縁を囲む第１部分７１０、および第１部分７１０上に位置して電流遮断部材６００の中心方向に延長された第２部分７２０を含むことができる。より具体的に、第２部分７２０は、安全ベント３２０と電流遮断部材６００との間に延長され得る。
図４は図３の二次電池が内圧が上昇した時の様子を示す部分断面図である。具体的に、二次電池１００の内圧が上昇した時、安全ベント３２０および電流遮断部材６００が電流を遮断する様子を示す。
図３および図４を参照すれば、外周部６１０は、正極タブ５１１を通じて電極組立体５００の正極５１０と電気的に連結されており、遮断部６２０は、安全ベント３２０の下面と電気的に連結され得る。このような電気的連結方法に特別な制限はなく、溶接により連結され得る。二次電池１００の正常な作動状況では、正極タブ５１１、電流遮断部材６００、安全ベント３２０および上端キャップ３１０が電気的に連結されて二次電池１００が外部回路と接続される。
しかし、二次電池１００内部での圧力上昇により加圧ガスが安全ベント３２０に加えられると、安全ベント３２０の形状が逆転する。そのために、図４のように遮断部６２０が外周部６１０と分離され、外部回路と電極組立体５００間の電気的連結が遮断される。これによって、二次電池１００が高温に露出したり内部発熱により内部圧力が上昇しても爆発や発火につながることを防止することができる。
この時、ＣＩＤガスケット７００の第２部分７２０は、安全ベント３２０と外周部６１０との間に延長されて、安全ベント３２０が外周部６１０と接触することを防止することができる。つまり、外周部６１０と遮断部６２０が分離された後、安全ベント３２０が外周部６１０と接触することを防止して、再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）、つまり、再び電流が流れることを遮断することができる。
先に説明したとおり、従来はＣＩＤガスケットが溶融または変形されて安全ベント３２０と外周部６１０の接触を遮断できないことがあった。
これとは異なり、本発明の実施形態によるＣＩＤガスケット７００は、強化材を含み、耐熱性と熱変形温度を高めることができる。そこで、高温および高圧の環境でも安全ベント３２０と外周部６１０の接触を遮断して、絶縁を維持することができる。このような本実施形態による強化材は、ガラス繊維（ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ）、炭素繊維、アラミド繊維、セルロース、セラミック粒子およびフィラーのうちの少なくとも一つを含むことができ、特に、ガラス繊維を含むことが好ましい。
一方、ＣＩＤガスケット７００は、高分子樹脂を含み、射出成形で製造され得る。このような高分子樹脂は、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）およびペルフルオロアルコキシアルカン（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｏｘｙ ａｌｋａｎｅ、ＰＦＡ）のうちの少なくとも一つを含むことができる。その中でもポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）を含むことができる。ポリフェニレンスルフィド（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ、ＰＰＳ）のようなスーパーエンジニアリングプラスチック素材は強い剛性を有するため、当該素材を含む場合、成形性が良くなく、当該素材に強化材が添加される場合、成形性にさらに悪影響を与え得る。反面、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）やポリプロピレン（ＰＰ）などの素材は、弾性が良いエラストマーであり、このような素材を含めば射出性が改善されるため、ＣＩＤガスケット７００を成形することが容易である。言い換えると、本実施形態でのように、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）などの高分子樹脂が含まれる場合、ＣＩＤガスケット７００の成形性と軟性を確保することができるため、射出成形が容易になり、電流遮断部材６００との接触性が増大することができる。
一方、安全ベント３２０が作動する状況は、活物質の分解反応と多数の副反応により二次電池１００内部の温度および圧力が急激に上昇する場合が多く、ＣＩＤガスケット７００は、このような高温、高圧のガスに直接的に露出される部品である。ＣＩＤガスケット７００は、密封ガスケット４００のような密封性を大きく必要としない代わりに耐熱性を備えることが何よりも重要である。本実施形態によるＣＩＤガスケット７００は、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）などの高分子樹脂を含んで成形性と軟性を確保すると同時に、ガラス繊維などの強化材を含むことで、高温、高圧の環境でも絶縁特性を維持することができる。
一方、本発明の一実施形態によれば、ＣＩＤガスケット７００の質量に対する前記強化材の質量が１５％以上５０％以下であり得、より好ましくは２５％以上４０％以下であり得る。一例として、ＣＩＤガスケット７００は、ポリブチレンテレフタレート（以下、ＰＢＴという）とガラス繊維（ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ）を含むことができ、前記ＰＢＴと前記ガラス繊維を含むＣＩＤガスケットの全体質量に対する前記ガラス繊維の質量は１５％以上５０％以下であり得る。
ＣＩＤガスケット７００の質量に対する前記強化材の質量が１５％未満である場合、ＣＩＤガスケット７００の耐熱性と熱変形温度を目的とする程度に高めることができない。結局、電流遮断部材６００の分離後、安全ベント３２０と外周部６１０の接触を遮断できず、再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生することがある。一方、複数の二次電池１００が集まって電池パックを形成することができるが、この時、ＣＩＤガスケット７００の質量に対する前記強化材の質量は２５％以上であることが好ましい。電池パック単位でＣＩＤガスケット７００の質量に対する前記強化材の質量が２５％未満である場合、電池パック内部での熱と圧力に耐えることができず、ＣＩＤガスケット７００が溶融され得る。再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生することがあり、これが電池パックの熱暴走や爆発につながり得る。
一方、ＣＩＤガスケット７００の質量に対する前記強化材の質量が５０％を超える場合、ＣＩＤガスケット７００の成形性を阻害することがある。ＰＢＴなどの高分子樹脂に前記強化材を添加した後、射出成形してＣＩＤガスケット７００を製造することができるが、強化材の質量が５０％を超える場合、必要以上の剛性を有するようになって射出成形が良好になされないことがある。
以下、具体的な実施例および比較例を通じて本発明によるＣＩＤガスケットについて説明する。
評価例１：熱変形温度測定
表１は、本発明の実験群と比較群で、ＰＢＴとガラス繊維（ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ、ＧＦ）が含まれているＣＩＤガスケットと、ＰＢＴのみが含まれているガスケットとの熱特性を比較した表である。ＰＢＴとガラス繊維が含まれているＣＩＤガスケットの場合、ＣＩＤガスケットの質量に対するガラス繊維の質量が３０％である。
表１を参照すれば、両素材の溶融点は類似しているか、ガラス繊維を添加した場合が熱変形温度が大きく増加したことを確認できる。特に、１．８ＭＰａで測定された熱変形温度の場合、両素材の値が大きい差を示す。これによって、ガラス繊維の添加によりＣＩＤガスケットの耐熱性が向上することを確認できる。
評価例２：外部短絡評価
実施例１、２と比較例１、２を準備した後、外部短絡評価を実施した。
実施例１、２と比較例１、２を準備した後、外部短絡評価を実施した。
具体的に、１８６５０円筒型電池にＰＢＴとガラス繊維を含むＣＩＤガスケットを適用して実施例１と２を準備し、１８６５０円筒型電池にＰＢＴのみを含むＣＩＤガスケットを適用して比較例１と２を準備した。実施例１と２共にＣＩＤガスケットの質量に対するガラス繊維の質量は３０％である。
外部短絡評価の場合、円筒型電池の正極、負極端子に外部導線を一定の抵抗値で連結した後、前記円筒型電池の挙動を確認することによって行った。
評価例２では、実施例１、２と比較例１、２の円筒型電池に対して２５ｍΩの外部抵抗を印加して各円筒型電池の挙動を確認した。具体的に、円筒型電池の電流値、電圧値およびＣＩＤガスケットの温度を時間により測定して図５から図８と下記表２に示した。図５から図８は、それぞれ実施例１、実施例２、比較例１および比較２に対して実施した外部短絡評価の結果を示すグラフである。表２は前記グラフの結果を整理したものである。
追加的に、外部短絡評価での電流遮断部材（ＣＩＤ）の分離後に再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生しているか否かを測定した。
図５から図８と前記表２を共に参照すれば、グラフ上で円筒型電池の電流値と電圧値が急激に減少して０に近づく時点が、内圧上昇により電流遮断部材（ＣＩＤ）が分離されて電流および電圧が遮断される時点である。実施例１と２の場合、３０秒（ｓｅｃ）代中盤で電流遮断部材が分離された反面、比較例１と２の場合、４０秒（ｓｅｃ）を超えて電流遮断部材が分離されたことを確認できる。また、円筒型電池の最大温度（Ｍａｘ．ｔｅｍｐ）は比較例１、２の場合が高く測定された。
前記の原因を検討してみれば、外部短絡評価が進行される間に円筒型電池内部の温度と圧力が上昇し、そのために電流遮断部材が分離および開放されるべきであるが、比較例１、２の場合、ＣＩＤガスケットが支持台としての役割を果たすことができず、熱変形したため、電流遮断部材の分離時点が遅れ、円筒型電池の最大温度が高くなったと把握される。反面、実施例１、２の場合、ガラス繊維の添加によりＣＩＤガスケットの耐熱性が向上して、支持台としての役割を円滑に行ったことが分かる。
一方、実施例１、２と比較例１、２共に電流遮断部材（ＣＩＤ）の分離後に再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生しなかった。
評価例３：外部短絡評価
実施例３、４と比較例３、４を準備した後、外部短絡評価を実施した。
実施例３、４と比較例３、４を準備した後、外部短絡評価を実施した。
具体的に、２１７００円筒型電池にＰＢＴとガラス繊維を含むＣＩＤガスケットを適用して実施例３と４を準備し、２１７００円筒型電池にＰＢＴのみを含むＣＩＤガスケットを適用して比較例３と４を準備した。実施例３と４共にＣＩＤガスケットの質量に対するガラス繊維の質量は３０％である。
評価例３では、実施例３、４と比較例３、４の円筒型電池に対して２０ｍΩの外部抵抗を印加して各円筒型電池の挙動を確認した。また、外部短絡評価での電流遮断部材（ＣＩＤ）の分離後に再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生しているか否かを測定した。実験の結果は図９から図１２と下記表３に示した。図９から図１２は、それぞれ実施例３、実施例４、比較例３および比較例４に対して実施した外部短絡評価の結果を示すグラフである。表３は前記グラフの結果を整理したものである。
図９、図１０および前記表３を参照すれば、実施例３と４の場合、４０秒（ｓｅｃ）前後に電流遮断部材が分離され、図１１、図１２および前記表３を参照すれば、比較例３と４の場合も４０秒（ｓｅｃ）前後に電流遮断部材が分離された。実施例３、４と比較例３、４は、内圧上昇により電流遮断部材が分離された時点が類似している。また、円筒型電池の最大温度（Ｍａｘ．ｔｅｍｐ）も実施例３、４と比較例３、４が互いに類似するように測定された。
しかし、比較例３、４の場合、電流遮断部材（ＣＩＤ）の分離後に電流流れを測定してみた結果、それぞれ７．５ｍΩと４．９ｍΩの抵抗が測定された。これは電流遮断部材（ＣＩＤ）の分離後に安全ベントと電流遮断部材間の電気的連結が完全に遮断されず、再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生したことを意味する。反面、実施例３、４の場合、再連結が発生しなかった。
図１３から図１６は、それぞれ実施例３、実施例４、比較例３および比較例４に対して電流遮断部材が分離された後のＣＴイメージ、上端キャップおよび密封ガスケットを順次に示す写真である。ＣＴイメージの場合、円筒型電池でキャップ組立体が位置した上端の部分を示した。
図１３、図１４および表３を参照すれば、前述したとおり、実施例３と４の場合は再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生せず、ＣＩＤガスケットや密封ガスケットの溶融が発生しなかった。
反面、図１５および表３を参照すれば、比較例３の場合、再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生しただけでなく、ＣＩＤガスケットと密封ガスケットが全て溶融された。次に、図１６および表３を参照すれば、比較例４の場合、再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生しただけでなく、密封ガスケットが溶融された。
前記実験結果を総合すれば、ガラス繊維を添加した実施例３、４の場合、耐熱性が向上し、熱変形が起こらず、安全ベントと電流遮断部材間の再連結を効果的に遮断した。反面、ガラス繊維を添加しなかった比較例３、４の場合、温度上昇によるＣＩＤガスケットの熱変形や溶融により安全ベントと電流遮断部材間の再連結を遮断することができなかった。
評価例４：外部短絡評価
実施例５と６を準備した後、外部短絡評価を実施した。
実施例５と６を準備した後、外部短絡評価を実施した。
具体的に、１８６５０円筒型電池に対してＣＩＤガスケットに含まれるガラス繊維の含有量を異にして実施例５と６を準備した。また、１８６５０円筒型電池を５個（直列）＊２個（並列）で構成して電池パックを形成した後、外部短絡評価を進行した。
実施例５の場合、ＣＩＤガスケットの質量に対するガラス繊維の質量は３０％で製造し、実施例６の場合、ＣＩＤガスケットの質量に対するガラス繊維の質量は２０％で製造した。
評価例４では、実施例５、６の円筒型電池をそれぞれ複数含む電池パックに対して８０ｍΩの外部抵抗を印加して各電池パックの挙動を確認した。また、外部短絡評価での電流遮断部材（ＣＩＤ）の分離後に再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生しているか否かを評価した。実験の結果は図１７、図１８と下記表４に示した。図１７および図１８は、それぞれ実施例５および実施例６に対して実施した外部短絡評価の結果を示すグラフである。表４は前記グラフの結果を整理したものである。
図１７、図１８および表４を参照すれば、実施例５の場合、５０．６秒（ｓｅｃ）に電流遮断部材が分離され、その後に再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生しなかった。反面、実施例６の場合、４９．４秒（ｓｅｃ）に電流遮断部材が分離されたが、その後に再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生し、結局、爆発（Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ）につながった。
つまり、電池パック単位でＣＩＤガスケットの質量に対する前記ガラス繊維の質量が２５％未満で、前記強化材が少なく含まれる場合、電池パック内部での熱と圧力に耐えることができず、ＣＩＤガスケットが溶融されて再連結（ｒｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が発生することがあり、これが電池パックの熱暴走や爆発につながり得る。
本実施形態で前、後、左、右、上、下のような方向を示す用語が使用されているが、このような用語は説明の便宜のためのものに過ぎず、対象となる事物の位置や観測者の位置などにより変わり得る。
前述した本実施形態による一つまたはそれ以上の二次電池は、多様なデバイスに適用され得る。具体的には電気自転車、電気自動車、ハイブリッドなどの運送手段に適用され得るが、これに制限されず、二次電池を使用することができる多様なデバイスに適用可能である。
以上で本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の範囲に属する。
１００：二次電池
２００：円筒型ケース
３００：キャップ組立体
３１０：上端キャップ
３２０：安全ベント
４００：密封ガスケット
５００：電極組立体
６００：電流遮断部材
７００：ＣＩＤガスケット
２００：円筒型ケース
３００：キャップ組立体
３１０：上端キャップ
３２０：安全ベント
４００：密封ガスケット
５００：電極組立体
６００：電流遮断部材
７００：ＣＩＤガスケット
Claims (11)
- 電流遮断部材（ＣｕｒｒｅｎｔＩ ｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ、ＣＩＤ）；
前記電流遮断部材上に位置し、前記電流遮断部材に電気的に連結された安全ベント；および
前記電流遮断部材の周縁を囲むＣＩＤガスケットを含み、
前記ＣＩＤガスケットは、強化材を含み、
前記強化材は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、セルロース、セラミック粒子およびフィラーのうちの少なくとも一つを含む二次電池。 - 前記ＣＩＤガスケットは、前記電流遮断部材の周縁を囲む第１部分、および前記第１部分上に位置して前記電流遮断部材の中心方向に延長された第２部分を含む、請求項１に記載の二次電池。
- 前記第２部分は、前記安全ベントと前記電流遮断部材との間に延長される、請求項２に記載の二次電池。
- 前記ＣＩＤガスケットは、高分子樹脂を含み、
前記高分子樹脂は、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）およびペルフルオロアルコキシアルカン（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｏｘｙ ａｌｋａｎｅ、ＰＦＡ）のうちの少なくとも一つを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の二次電池。 - 前記ＣＩＤガスケットは、高分子樹脂を含み、
前記高分子樹脂は、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の二次電池。 - 前記電流遮断部材は、外周部、および前記外周部により囲まれた遮断部を含み、前記二次電池の内圧上昇時、前記遮断部が前記外周部と分離される、請求項１から５のいずれか一項に記載の二次電池。
- 前記安全ベントは、前記遮断部と電気的に連結される、請求項６に記載の二次電池。
- 正極、負極および分離膜を含む電極組立体をさらに含み、
前記外周部は、正極タブを通じて前記正極と電気的に連結される、請求項６に記載の二次電池。 - 前記安全ベント上に位置し、前記安全ベントに電気的に連結された上端キャップをさらに含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の二次電池。
- 円筒型ケースをさらに含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の二次電池。
- 請求項１から１０のいずれか一項に記載の二次電池を含むデバイス。
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