JP6965492B2 - 安全ベントの離脱を防止するガイド部材を含むキャップアセンブリー - Google Patents
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Description
本発明は安全ベントの離脱を防止するガイド部材を含むキャップアセンブリーに関する。
モバイル機器に対する技術の開発及び需要が増加するにつれてエネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しており、そのような二次電池のうち高いエネルギー密度及び放電電圧のリチウム二次電池に対して多くの研究が行われ、ひいては商用化して広く使われている。
二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形又は角形の金属カンに内蔵されている円筒形電池及び角形電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースに内蔵されているパウチ型電池に分類される。そのうち、円筒形電池は相対的に容量が大きくて構造的に安定するという利点を有する。
電池ケースに内蔵される電極組立体は、陽極／分離膜／陰極の積層構造になった充放電の可能な発電素子であり、活物質が塗布された長いシート状の陽極と陰極の間に分離膜を挟んで巻き取られたジェリーロール型、所定の大きさの多数の陽極と陰極を分離膜を挟んだ状態で順次積層されたスタック型、及びフルセル又はバイセルなどのユニットセルが分離フィルムによって巻き取られているスタック／フォールディング型に分類される。そのうち、ジェリーロール形電極組立体は製造が容易であり、重量当たりエネルギー密度が高い利点を持っている。
図１には一般的な円筒形電池のトップアセンブリーの垂直断面図が模式的に示されており、図２には図１の安全ベントの斜視図が模式的に示されている。
図１及び図２を参照すると、トップキャップ１０は上方に突出した形態であり、その下部には、電池内部温度の上昇時に電池抵抗が大きく増加して電流を遮断するＰＴＣ素子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）２０、正常状態では下方に突出した形状になっているが、電池の内部圧力の上昇時に突出しながら破裂されてガスを排気する安全ベント３０、及び上端の一側部位が安全ベント３０に結合され、下端の一側が電極組立体４０の陽極に連結されている接続プレート５０が順に位置している。
安全ベント３０は全体的に円形平面の中心部が凹んでいる構造に形成され、凹んでいる中心部には平面部３５があり、平面部３５の外周面は上方に周長が増加する傾斜部３３になり、傾斜部の上部は外側に折り曲げられて平面部３５と平行な外周面３１をなしている。外周面３１と傾斜部３３間の第１折曲部３２及び傾斜部３３と平面部３５間の第２折曲部３４には、電池の内圧上昇によって凹部形状が凸部形状に容易に変形されて脱離することができるようにノッチが形成されている。
第２折曲部３４の大部分はノッチ構造によって平面部３５と傾斜部３３が弱く結合されているが、第２折曲部の一部３６には分離された平面部３５が傾斜部３３から離脱しないように熔接で強く結合されている。
このように、平面部が熔接によって傾斜部と結合されているから、電池セルの内圧が増加してベントが破裂されても、ベントが完全に開放しないし、安全ベントとトップキャップ又はＰＴＣ素子の間の空間が非常に狭いから、ガスが排出される経路を広く確保することが難しい。
したがって、ガス排出の経路をより広く確保して電池セル内部のガスが早くて速かに排出されることができるようにする技術に対する必要性が高い実情である。
本発明は前記のような従来技術の問題点及び過去から要請されて来た技術的課題を解決することを目的とする。
本出願の発明者らは深度ある研究と多様な実験を繰り返した結果、以降に説明するように、円筒状カンのキャップアセンブリーを構成する安全ベントが電池の内圧上昇によって破裂されて分離される場合、前記安全ベントの破裂部位が離脱することを防止するために、キャッププレートの内側にガイド部材を付着することによってガスが排出される経路を広く確保することができることを確認して本発明を完成するに至った。
このような目的を達成するための本発明によるキャップアセンブリーは、電極組立体が円筒状カンに内蔵されている構造の電池においてカンの開放上端部に搭載されるキャップアセンブリーであって、電池の内圧上昇時に破裂されてガスを排出する安全ベントと、前記安全ベントの上部に搭載され、ガス排出のための貫通口が形成されている上方突出形のキャッププレートと、前記安全ベントの下端に付着され、電池の内圧上昇時に電流を断電させる電流遮断部材と、電池の内圧上昇によって破裂された安全ベントの破裂部位が離脱することを防止するためにキャッププレートの内側に付着されているガイド部材とを含んでなることができる。
このように、本発明は、キャッププレートの内側にガイド部材が付着された構造のキャップアセンブリーを使い、電池の内圧上昇時に安全ベントの内側折曲部が全く破断されて安全ベントの残り部分から分離される構造を含むことにより、電池の内圧上昇の原因になるガスの排出経路をより広く確保することができるので、安全で速かにガスが排出されることができる。
したがって、従来に電池内部のガスを排出するために安全ベントを破裂させるとき、安全ベントの折曲部の一部は破断されるが折曲部の他部は破断されなくてベントが完全に開放しないため、電池内部のガスを排出するための通路を確保しにくかった問題点を解決することができる。
また、従来のように安全ベントの折曲部の一部が破断されないように結合するために熔接などの方法を用いる必要がないから、電池の製造工程がもっと簡素化するので、生産性が向上する効果を得ることができる。
円筒形電池セルは、充放電の過程で電池セルの内部にガスが発生することによって電池セルの内部圧力が上昇することになり、電池セルの内部圧力が一定の水準以上に増加する場合、安全ベントの一部が破裂されてガスを排出することになる。
したがって、前記ガイド部材は、電池の内圧上昇時に分離される安全ベントの部位がキャッププレートと衝突することを防止するために、キャッププレートの方向に上昇することを防止する作用をすることができる。
一具体例において、前記安全ベントは、外周部から下方に折り曲げられる第１折曲部、前記第１折曲部から下方に延びた傾斜部、及び前記傾斜部から中心に向かって水平に折り曲げられた第２折曲部を含んでなり、前記第１折曲部及び第２折曲部のうち、第２折曲部に、電池の内圧上昇時に破裂を誘導するノッチが形成されることができる。
すなわち、前記安全ベントは前記第１折曲部及び第２折曲部によって下方に湾入している構造に形成されることができ、前記第２折曲部にノッチが形成され、電池の内圧上昇時にノッチが破断されてガスが外部に排出される構造になることができる。
前記安全ベントは、電池の内圧上昇時、一次的に形状が逆転して湾入した部位が上方に膨らむように変形され、電池の内圧がもっと高くなれば、第２折曲部に形成されたノッチが破断される構造に形成されることができる。
もしくは、電池の内圧上昇時、安全ベントの形状が逆転せずに湾入した状態でも第２折曲部に形成されたノッチが破断される構造であってもよい。
前記電流遮断部材は電池の内部圧力の上昇時に破裂されて電流を遮断する部材であり、具体的に前記安全ベントの下端に熔接などで付着されている上方に突出した突出部が中央に形成され、ガスの排出のための二つ以上の貫通口が形成された構造になることができる。
前記電流遮断部材は、内圧上昇による安全ベントの形状逆転によって電流遮断部材と陽極間の連結部位が破裂されて電流を遮断するようになる。前記突出部の外周面にはノッチが形成されることができ、安全ベントの形状逆転によってノッチ部位が破裂されることにより、突出部は安全ベントと結合された状態で電流遮断部材と電極組立体の陽極の連結部品から容易に分離されることができる。
前記貫通口は電流遮断部材の中心を基準に放射状対称位置に円弧形に形成されることができる。このように放射状対称位置に形成される場合には、ガスの排出が一方向にあまりにも偏重することを防止することができ、電流遮断部材自体の強度を確保することができるという利点がある。
一具体例において、前記第２折曲部は閉曲線形のノッチ形態であるので、電池の内圧上昇時に閉曲線形の第２折曲部の全体が容易に破裂されることができる。したがって、平面上で円形に破裂された安全ベントの中心部は安全ベントの残りの部分から容易に分離されることができる。
前記ガイド部材は破裂された安全ベントの破裂部位が上昇して全く離脱することを防止するとともに広いガス排出通路を確保するための部材であり、前記キャッププレートの突出部の下面の外周部からキャッププレートの中心方向に延びている構造であってもよい。
前記ガイド部材はキャッププレートの突出部の下面の半径（Ｒ）に対して０．３Ｒ〜Ｒの範囲の幅に形成された構造であってもよく、ガイド部材の幅が０．３Ｒより小さい場合には破裂されるため、上昇する安全ベントの離脱を防止しにくく、Ｒより大きい場合には安全ベントの破裂部位がなす傾斜面の角度が小さくなるため、ガス排出通路を確保しにくい。
前記ガイド部材は、電池内部のガスを早く排出することができるように、できるだけ広いガス排出通路を確保しなければならないので、キャッププレートの突出部の下面を外周部とする平面上の円を基準に１０度〜９０度の範囲の中心角を有する大きさになることができる。
前記ガイド部材がキャッププレートの突出部の下面を外周部とする平面上の円を基準に１０度より小さな中心角を有する大きさの場合には、瞬間的に早く上昇する安全ベントの離脱を防止しにくいことがあり、９０度より大きい場合には安全ベントが完全に分離されてもガイド部材にぶつかって垂直に上昇するから、ガス排出通路を広く確保するのに問題になるので好ましくない。
前記安全ベントは、電池の内圧上昇時、第２折曲部のノッチが破断されることにより、前記傾斜部と第２折曲部を基準に区分される平坦部が分離される構造であってもよい。
前記分離された平坦部は、地面に対して傾斜面が形成されるように傾いてガス排出通路を形成することができる。
このように、本発明によるキャップアセンブリーは、キャッププレートの下面にガイド部材が付着されているので、分離された平坦部の一側面はガイド部材によって上昇が抑制され、地面と平行な状態で垂直に上昇せず、地面に対して斜めに傾斜面をなすようになる。
例えば、前記傾斜面の下部はガイド部材の下面に位置し、傾斜面の上部はガイド部材の反対側に位置することができ、傾斜面の上部側ではガス排出通路をもっと広く形成することができるので、迅速で安全にガスが排出されることができる。
場合によって、前記キャップアセンブリーには、電池の内部温度の上昇時に抵抗が大きく増加して電流を遮断するＰＴＣ素子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）などの部材がさらに含まれることができる。このようなＰＴＣ素子は、例えば前記上端キャップと安全ベントの間に介装されることができる。
前記キャップアセンブリーは、電流遮断部材、電流遮断部材用ガスケット、安全ベント、ＰＴＣ素子、及び一つ以上のガス排出口が形成されている上部キャップの積層構造になることができ、前記積層構造の外周面にガスケットがさらに装着された構造であってもよい。
前記電極組立体は、例えば陽極、陰極及び前記陽極と陰極の間に介装された分離膜の構造が巻き取られたジェリーロール形電極組立体であってもよいが、これに限定されない。
前記円筒状カンの素材は、特に制限されないが、好ましくはステンレススチール、スチール、アルミニウム又はその合金の中でいずれか１種から形成されることができる。
また、本発明は、前記キャップアセンブリーを含んでいる円筒形電池を提供する。前記円筒形電池は、高いエネルギー密度、放電電圧、及び出力安全性を提供するリチウム二次電池であってもよいが、これに限定されない。
以下では、本発明の実施例による図面に基づいて説明するが、これは本発明のより容易な理解のためのもので、本発明の範疇がこれによって限定されるものではない。
図３は一実施例による本発明のトップアセンブリーの垂直断面図を示し、図４は図３の電流遮断部材の斜視図を示している。
図３及び図４を参照すると、キャップアセンブリー１００は、電池の内圧上昇時にガスを排出するために破裂される安全ベント１２０、安全ベント１２０の上部に搭載され、ガス排出のための貫通口が形成された上方突出形のキャッププレート１１０、安全ベントの下端に付着され、電池の内圧上昇時に電流を断電させる電流遮断部材１３０、及び破裂された安全ベントの破裂部位が元の位置を離脱してトップキャップと衝突することを防止するためのガイド部材１４０を含んでいる。
キャッププレート１１０と安全ベント１２０の間にはＰＴＣ素子１５１が介装されており、キャッププレート１１０、ＰＴＣ素子１５１及び安全ベント１２０の外周面を取り囲む構造のガスケット１５０がさらに装着されている。
電流遮断部材１３０は電池の内部圧力の上昇時に破裂されて電流を遮断する部材であり、安全ベント１２０の下端に熔接で付着されている上方突出形の突出部１３２が中央に形成されており、突出部１３２を中心に同心円状に３個の貫通ホール１３７及び貫通ホール１３７を連結するノッチ１３５が形成されているブリッジが形成されている。
また、電流遮断部材１３０の外周面にはガス排出のための３個の貫通口１３６が中心軸を中心に放射状対称位置に円弧形に形成されている。
このような電流遮断部材１３０は、内圧上昇による安全ベント１２０の破裂分離によって電流遮断部材１３０と陽極間の連結部位が破裂されて電流を遮断するようになる。突出部１３２の外周面にはノッチ１３５が形成されており、安全ベント１２０の破裂分離によってノッチ１３５部位が破裂され、突出部１３２は電流遮断部材１３０と電極組立体の陽極の連結部品から分離される。
図５は図３の安全ベントの斜視図を示し、図６は図３の安全ベントの側面図を示している。
図５及び図６を参照すると、安全ベント１２０は、外周部１２１から下方に折り曲げられる第１折曲部１２２、第１折曲部１２２から下方に延びた傾斜部１２３、傾斜部１２３から中心に向かって水平に折り曲げられた第２折曲部１２４、及び中心に形成され、地面と平行な平坦部１２５からなる。
第２折曲部１２４には閉曲線形のノッチ１２９が形成されているので、電池の内圧上昇時にノッチが破断されることによって平坦部１２５が傾斜部から完全に分離される。
図７は図３の安全ベントが破裂した状態の側面図を示している。
図７を参照すると、安全ベント１２０は外周部１２１及び傾斜部１２３が連結された状態で凹んでいる形態を維持しているが、平坦部１２５は傾斜部１２３から分離されてキャッププレートの方向に移動した。
キャッププレート１１０の突出部１１１の下面の外周部１１２にはキャッププレートの中心方向に延びたガイド部材１４０が付着されている。これは、キャッププレートの方向に移動した平坦部１２５の一部と接触するようになり、平坦部が地面に対して傾斜面をなすように誘導する。すなわち、傾斜面の下部はガイド部材１４０の下面に位置し、傾斜面の上部はガイド部材の反対側に位置するようになる。したがって、傾いた平坦部１２５と傾斜部１２３間の空間１０１を通してガスが排出されることができ、平坦部周辺の全方向にガス排出経路が形成されることができるので、迅速で安全にガスが排出されることができる。
図８は図３のキャッププレートの底面図を示している。
図８を参照すると、キャッププレート１１０の下面は、平面視で、キャッププレート１１０の突出部１１１より半径が大きい外周部１１２からなり、外周部１１２には中心方向に延びたガイド部材１４０が付着されている。
ガイド部材１４０は頂点部が切断された扇形に示されているが、この形状に限定されるものではなく、棒形、線形又は多角形の形態に形成されることもできる。
ガイド部材の幅（Ｗ）はキャッププレートの突出部の下面の半径Ｒに対して０．３Ｒ〜Ｒの範囲になり、平面視で、円形の外周部１１２の円周３６０度を基準に１０度〜９０度の範囲の中心角１１３に形成されることができる。
このように、本発明によるキャップアセンブリーは、キャッププレートの下面にガイド部材が付着されているから、安全ベントの一部が破裂されて分離されてもガイド部材によって上昇が防止されて傾斜面をなすので、分離された安全ベントの周囲の全方向にガスが早くて安全に排出されることができる。
本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。
以上で説明したように、本発明によるキャップアセンブリーは、電池の内圧上昇時にガスを排出するために破裂される安全ベントの離脱を防止するために、キャッププレートの内側にガイドを部材を付着することにより、安全ベントの破裂部位が残りの安全ベントから完全に脱離されてガスの排出通路を広く確保することができるとともに、安全ベントの破裂部位が離脱してキャッププレートと衝突することを防止することができる。
また、安全ベントが破裂されて完全に脱離することを防止するために熔接のような固定部位を形成するための過程を省略することができるので、電池セルの製造過程が簡素化する利点がある。
Claims (9)
- 電極組立体が円筒状カンに内蔵されている構造の電池においてカンの開放上端部に搭載されるキャップアセンブリーであって、
電池の内圧上昇時に破裂されてガスを排出する安全ベントと、
前記安全ベントの上部に搭載され、ガス排出のための貫通口が形成されている上方突出形のキャッププレートと、
前記安全ベントの下端に付着され、電池の内圧上昇時に前記安全ベントと協働して電流を断電させる電流遮断部材と、
電池の内圧上昇によって破裂された安全ベントの破裂部位が前記キャッププレートと衝突することを防止するためにキャッププレートの内側に付着されているガイド部材と、
を含んでなり、
前記安全ベントは、外周部から下方に折り曲げられる第１折曲部、前記第１折曲部から下方に延びた傾斜部、及び前記傾斜部から中心に向かって水平に折り曲げられた第２折曲部を含んでなり、
前記第１折曲部及び第２折曲部のうち、第２折曲部に、電池の内圧上昇時に破裂を誘導するノッチが形成され、
前記ガイド部材は、キャッププレートの突出部の下面の半径（Ｒ）に対して０．３Ｒ〜Ｒの範囲の幅に形成され、
前記ガイド部材は、キャッププレートの突出部の下面を外周部とする平面上の円を基準に１０度〜９０度の範囲の中心角を有する大きさに形成され、
前記第２折曲部は閉曲線形のノッチ形態であり、
前記安全ベントは、電池の内圧上昇時、第２折曲部のノッチ全体が破断されることにより、前記傾斜部と第２折曲部を基準に区分される平坦部が完全に分離される、キャップアセンブリー。 - 前記ガイド部材は、電池の内圧上昇時に分離される安全ベントの部位がキャッププレートの方向に上昇することを防止する作用をする、請求項１に記載のキャップアセンブリー。
- 前記電流遮断部材は、安全ベントの下端に付着されている上方突出形の突出部が中央に形成されており、ガスの排出のための二つ以上の貫通口が形成されている、請求項１に記載のキャップアセンブリー。
- 前記貫通口は電流遮断部材の中心を基準に放射状対称位置に円弧形に形成されている、請求項３に記載のキャップアセンブリー。
- 前記第１折曲部は閉曲線形のノッチ形態である、請求項１に記載のキャップアセンブリー。
- 前記ガイド部材はキャッププレートの突出部の下面の外周部から中心方向に延びている構造である、請求項１に記載のキャップアセンブリー。
- 前記分離された平坦部は、地面に対して傾斜面が形成されるように傾いてガス排出通路を形成する、請求項１に記載のキャップアセンブリー。
- 前記傾斜面の下部はガイド部材の下面に位置し、傾斜面の上部はガイド部材の反対側に位置する、請求項７に記載のキャップアセンブリー。
- 請求項１〜８のいずれか一項に記載のキャップアセンブリーを含む、円筒形電池セル。
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