KR100363689B1 - 전지용 안전벤트 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전지 내부 압력 증가시 열리는 압력이 매우 균일하여 전지의 폭발사고를 높은 신뢰도로 방지할 수 있으면서도, 그 구조가 매우 간단하여 종래 기술에 따른 안전벤트에 비해 제조 비용이 훨씬 저렴하고 외경이 작은 전지에도 용이하게 적용될 수 있는 전지 안전벤트 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전지의 안전벤트는, 벤트 플레이트가 전지 외장 금속용기 저면에 구비되는 벤트홀의 용기 외부쪽에 용접되어 있으며, 상기 벤트 플레이트에는 벤트가 구비되어 있고, 금속용기 안팎의 벤트 플레이트 용접 부위가 페놀수지로 코팅되어 있음을 특징으로 한다.

Description

전지용 안전벤트 및 그의 제조방법{Safety Vent for Battery and The Producing Method Thereof}

본 발명은 전지의 안전벤트에 관한 것으로서, 구체적으로는, 전지의 내부압력이 급속히 상승하는 경우 전지의 폭발을 방지하기 위해 설치되는 신규한 안전벤트 구조 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

전지는 원래 내부에 들어 있는 화학물질의 전기화학적 산화-환원 반응시 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치를 말하는 것으로서, 그 사용상 특성에 따라 전지속의 에너지가 고갈되면 폐기해야 하는 1차전지(primary battery)와 계속 충전하면서 여러번 재사용이 가능한 2차전지(rechargeable battery)로 구분할 수 있다.

최근들어 전자, 통신, 컴퓨터 산업 등의 급속한 발전에 힘입어 기기의 소형·경량화, 고기능화와 함께, 캠코더, 휴대폰, 노트북 PC 등 휴대용 전자제품의 사용이 일반화됨으로써, 가볍고 오래 사용할 수 있으며 신뢰성이 높은 고성능의 소형전지들이 절실히 요청되고 있는데, 이러한 수요에 상응하여 많은 관심과 각광을 받고 있는 것이 바로 리튬 1, 2차전지이다.

리튬은 지구상에 존재하는 금속중 가장 가볍기 때문에 단위 질량당 전기용량이 가장 크며, 열역학적 산화전위의 값이 커서 전압이 높은 전지를 만들 수 있는 물질이기 때문에, 제한된 양의 화학물질로 최대한의 에너지를 낼 수 있도록 해야하는 전지에서는 가장 잠재력이 큰 음극 물질로 오래 전부터 연구되어 오고 있었다.

그러나, 이와 같은 리튬을 이용한 전지는 상기와 같이 작동 전압이 높고, 에너지 밀도가 크며, 수명이 긴 전지를 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있는 반면, 반응성이 큰 리튬을 사용하기 때문에 전지의 단락, 대전류 방전 또는 가열되는 때와 같이 비상 상황하에서는 폭발 위험성도 크다는 단점도 함께 가지고 있다.

따라서, 종래의 리튬전지에서는 이를 방지하거나 폭발하더라도 피해를 최소화 할 수 있는 여러 가지 방법이 강구되었으며, 이중 대표적인 것이 바로 안전벤트(Safety vent)의 채용이다.

안전벤트는 전지 케이스의 일부를 케이스의 다른 부분에 비해 취약하게 설계함으로써, 전지 내부의 압력이 일정 수치 이상으로 올라가게 되면, 이곳이 먼저 터져 압력을 약화시킴으로써, 압력이 일시에 집중되어 전지가 작은 파편으로 분리, 폭발하여 더 큰 피해를 발생시키는 것을 방지하기 위한 안전구조이다.

이와 같은 안전벤트 구조는 전지가 발전함에 따라 여러 가지 구조, 형태 및 기능을 가지도록 발전되어 왔는데, 이하 현재 일반적인 안전벤트 구조의 특징을 첨부한 도면 1a 및 1b를 기준으로 설명하면, 다음과 같다.

일반적으로, 종래의 전지에서는, 도 1a에 나타낸 바와 같이 전지 금속용기의 저면에, 또는 도 1b에 나타낸 바와 같이 전지의 금속용기(1)의 바깥쪽 측면 관벽에 프레스로써 "ㅡ"자 모양으로 가압하여 국부적으로 얇아진 부분, 즉 벤트(2)를 생성시켜 폭발시 이곳이 먼저 터지도록 하여 전지 내부의 압력배출이 이루어지는 안전벤트 구조를 채택하고 있다.

하지만, 이러한 간단한 구조의 안전벤트는 벤트가 열리는 압력이 불균일하기때문에 매우 높은 압력에서도 열리지 않는 경우가 발생함으로써 폭발시 안전을 도모하기에는 부족한 점을 많이 가지고 있었다.

도 2에 나타낸 안전벤트 구조는 상기 도 1a와 도 1b의 안전벤트를 개선한 것으로서 전지 상부를 덮는 리드(lid)(3)에 안전벤트를 구비한 것이다.

이와 같이 전지 리드(3)에 구비되는 안전벤트는 일반적으로 약 0.1mm 두께의 금속 박판인 리드(3)에 약 0.05mm 깊이를 에칭으로 부식시켜서 벤트면(4)을 만들고, 다시 그 위에 깊이 0.02∼0.03mm의 칼집(5)을 가공하여 넣는 방법, 즉, 안전벤트를 2단으로 제조하는 방법에 의해 제조되는 것으로서, 전지 내부에 압력이 차면 칼집(5)의 부위가 먼저 터지도록 한 것이다.

이와 같은 방법에 의해 만들어진 안전벤트는 열리는 압력이 설계치의 ±3kgf 범위 내에서 열리기 때문에 매우 신뢰성이 높다는 장점이 있는 반면, 전지 제조시 양극 단자(6)와 음극성을 가지는 리드(3)의 사이를 글래스(8)로서 가열 밀봉(sealing) 및 절연할 때, 박판의 열변형으로 인해서 완벽한 밀봉이 곤란하다는 단점이 있다.

따라서, 별도의 두꺼운 금속 링(7)에 양극단자(6)를 끼우면서 그 사이를 글래스(8)로 밀봉 및 절연한 다음 이 금속 링(7)을 박판 리드(3)에 용접하여야 하므로 공정이 복잡하고 안전벤트를 만드는 비용이 그만큼 비싸진다는 단점이 있다.

또한, 외경이 작은 전지, 예로서 AA 타입의 작은 전지에서는 리드(3)에 공간이 부족하여 도 2와 같은 구조의 안전벤트를 만들기가 곤란하다는 단점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은, 전지내부의 압력이 과도하게 상승할 때 이 압력을 높은 신뢰도로 안전하게 배출시킬 수 있으면서도, 제조 공정이 간단해서 제조 비용이 저렴하고, 작은 면적에도 용이하게 적용 가능한 전지의 안전벤트 구조 및 그의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

이를 위한 본 발명은, 전지의 금속용기 저부에 전지내부의 압력을 배출할 벤트홀을 미리 뚫고 그 위에 별도로 제작한 벤트를 레이저 용접기로 용접함으로써 제조되는 안전벤트 구조 및 그의 제조방법을 제공하는 것으로 이루어진다.

도 1a 및 도 1b는 전지의 금속 용기에 프레스로 가압하여 구비되는 일반적인 안전벤트의 개략도.

도 2는 전지 상부를 덮는 리드에 구비된 종래기술에 따른 안전벤트의 개략도.

도 3a는 본 발명에 따른 벤트홀 구조의 개략도.

도 3b는 본 발명에 따른 벤트 플레이트의 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 안전벤트의 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 금속용기 2, 21: 벤트

10: 금속용기의 저면 11: 벤트홀

20: 벤트 플레이트 21: 벤트

본 발명은 전지의 내부압력이 급속히 상승하는 경우 전지의 폭발을 방지하기 위해 설치하는 안전벤트 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는, 전지의 금속용기 저부에 전지 내부의 압력을 배출할 벤트홀(vent hole)을 미리 뚫고, 그 위에 별도로 제작한 벤트를 레이저 용접기로 용접하여 접합함으로써 제조되는 안전벤트 구조 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명에서 안전벤트는 개별적인 벤트 플레이트(plate)에 조성된 후, 전지 금속용기 저부에 마련된 벤트홀에 용접에 의해 접합되는 것이다.

본 발명에서, 별도로 제작되는 벤트는 두께 약 0.03∼0.1mm의 원형 박판 위에 깊이 0.01∼0.09mm, 폭 0.05∼1mm의 흠을 에칭에 의해 일정 길이로 가공함으로써 제조되는데, 이와 같이 에칭에 의해 만들어지는 박판 위의 흠은 그 깊이가 비교적 일정하여서 벤트가 열리는 압력도 일정하게 되어 이 벤트를 금속용기 저부에 접합하여 사용하게 되면, 그 구조가 대단히 간단하면서도 도 2에 나타낸 것과 같은 구조의 안전벤트처럼 높은 신뢰성을 가지는 안전벤트가 될 수 있는 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하고자 하나, 본 발명을 이에 제한하고자 하는 것은 아니다.

먼저, 벤트홀을 구비한 전지 외장용 금속용기는 하기와 같은 방법에 의해 제조된다.

전지 외장용 금속용기로 사용될 외경 약 33mm, 높이 약 55mm, 두께 약 0.35mm의 스테인레스 스틸관 저면(10)에 직경 5∼13mm의 벤트홀(11)을 뚫는다.

이때, 벤트홀을 뚫기 위해 사용되는 타공 금형에는, 금속용기와 벤트 플레이트(20) 용접시 벤트 플레이트(20)가 항상 일정한 위치에 놓일 수 있도록 외경이 약 14.5mm 정도이면서 약 0.3mm 정도의 깊이로 용기 내부로 돌출된 원형의 단(12)을 만들 수 있는 구조를 형성함으로써, 타공과 동시에 이 단(12)이 만들어질 수 있도록 한다.

다음으로, 벤트 플레이트(20)를 제조하기 위하여, 0.05mm 두께의 스테인레스 스틸 박판에 감광용 필름을 코팅시키고 그 위에 폭 0.3mm, 길이 9mm 정도의 원하는 모양의 벤트(21) 형상이 그려진 마스크를 밀착시킨 후 UV 램프로 조사하여 필름을 감광시킨다. 본 실시예에서는 "＋"자형의 벤트 형상을 사용하였다.

다음에, 필름을 현상시키고 그 위에 FeCl₃용액을 분사함으로써, 감광되지 않고 벤트(21) 형상으로 남아 있는 부위를 7∼10분 동안 에칭시켜 깊이 0.02∼0.03mm, 폭 0.3mm의 흠을 형성시킨 후, 5% NaOH 용액에 침적시켜 필름을 제거한다.

이렇게 하여 원하는 모양의 벤트(21)가 형성된 스테인레스 스틸 박판을 최종적으로 지름 14.0mm의 원형으로 재단하여 도 3b와 같은 형상의 벤트 플레이트(20)를 제조한다.

이렇게 제조된 벤트 플레이트(20)의 에칭된 깊이를 Mitutoyo제 표면거칠기측정기(Stylus Type Roughness Tester)를 사용하여 시료 5EA를 1시료당 4개소씩 측정한 결과 20±2㎛의 값이 얻어졌는데, 이로 미루어 볼 때 에칭에 의해 매우 균일한 흠이 형성되었음을 알 수 있다.

상기와 같이 제조된 전지 금속용기와 벤트 플레이트(20)를 접합하기 위하여, 우선 벤트 플레이트(20)를 상기 금속용기 저면(10)에 미리 형성시켜 놓았던 벤트홀(11)의 바깥쪽 위에 올려놓고 관 내부를 감압시켜 벤트 플레이트(20)가 스테인레스 스틸 관과 최대한 밀착되도록 한다.

다음에, NEC제 Nd:YAG 레이저 용접기의 레이저 에너지를 1.1KW, repetition rate를 4로 설정하여 레이저빔이 용접 부위에 50포인트 이하, 바람직하게는 약 25포인트 조사되도록 1차로 용접하는데, 이렇게 레이저 빔(beam)을 드물게 하여서 벤트 플레이트(20)를 금속 용기 저면(10)에 가접하여 밀착시킴으로써, 2차에 높은 빔밀도를 사용하여 완전 밀폐시킬 때 벤트 플레이트(20)의 열변형을 방지할 수 있게 된다. 만약, 1차에서 한번에 완전 밀폐용접을 하게 되면 박판 벤트 플레이트(20)가 열변형되어 주름지고 들뜨게 되며, 레이저에 벤트 플레이트(20)가 타서 작업이 어렵게 되는 상황이 벌어지게 된다.

2차 용접은 레이저빔이 200 포인트 이상, 바람직하게는 약 250 포인트 정도 조사되도록 하여 완전 밀폐하였다.

한편, 본 발명에서는, 전지를 장기간의 방치시 벤트 플레이트(20)를 접합한 레이저 용접부에서 전해액이 누출되거나 또는 전해액에 의해 용접부가 부식될 가능성을 배제하기 위하여, 금속용기 안팎의 벤트홀 가장자리, 즉 벤트 플레이트(20)가 금속용기 저면(10)에 용접된 용접 부위의 안팎을 페놀수지로 코팅하였다.

페놀수지 코팅은 수지분 60%의 용액상 접착제를 접착제의 용매인 알코올로 희석하여 벤트가 열리는 압력에 영향을 미치지 않을 정도의 두께로 얇게 코팅하고 140℃에서 1시간 건조하여 경화시켰다.

이상의 본 발명 실시예에 따라 벤트 플레이트가 완전 밀폐 용접된 스테인레스 스틸 금속용기와, 도 1b와 같이 스테인레스 스틸 관벽 바깥쪽에 "ㅡ"자 형의 벤트를 가공한 일반적인 금속용기의 안전벤트를 비교하기 위하여 각각의 관내에 질소 가스로써 압력을 가하면서 벤트가 열리는 압력을 측정하였다. 여기서, 종래의 안전벤트 샘플은 5개, 본 발명에 따른 안전벤트의 샘플은 10개로 하여 시험을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

샘플	종래의 방법(도 1b)	본 발명의 방법
1	15	20
2	24	20
3	15	20
4	15	21
5	50	20
6	-	20
7	-	20
8	-	20
9	-	21
10	-	18
평균	24	20
범위	35	3

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 스테인레스 스틸 관에 프레스로 가압하여 가공한 "ㅡ"자형의 일반적인 안전벤트는 열리는 압력 범위가 35kgf/cm²으로 매우 불균일하다. 도 1a의 경우도 방법이 같으므로 같은 결과일 것으로 생각된다. 이에 비해서 본 발명의 안전벤트는 열리는 압력 범위가 3kgf/cm²으로 균일함을 알 수 있다.

이상과 같이 볼 때, 본 발명에 의한 전지의 안전벤트는 종래의 방법에 따른 도 1a와 도 1b의 구조에 비해 안전벤트가 열리는 압력이 매우 균일하여, 전지 내부의 압력이 과도하게 상승할 때 안전벤트가 열리지 않아 폭발하게 되는 사고를 방지하는 데에 더 높은 신뢰도를 줄 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 2의 구조를 갖는 종래의 안전벤트 구조에 비해 본 발명의 안전벤트는 그 구조가 매우 간단하므로, 제품 제조시 원가를 절감할 수 있게 되었고, AA 타입과 같은 외경이 작은 전지에도 적용될 수 있음을 알 수 있다.

이와 같은 장점을 가지는 본 발명의 전지 안전벤트는 리튬전지를 포함하여폭발 위험성이 있는 모든 종류의 전지에 동일하게 적용될 수 있는데, 이는 당업자에게 있어 자명한 일이라고 할 수 있다.

이상과 같이 본 발명이 완성됨으로써, 전지 내부 압력 증가시 열리는 압력이 매우 균일하여 전지의 폭발사고를 높은 신뢰도로 방지하는, 전지의 안전벤트가 제공될 수 있게 되었다.

또한, 본 발명이 완성됨으로써, 동일한 신뢰도를 가지면서도 그 구조가 매우 간단하여, 종래 기술에 따른 안전벤트에 비해 제조 비용이 훨씬 저렴하고 외경이 작은 전지에도 용이하게 적용될 수 있는 전지의 안전벤트가 제공될 수 있게 되었다.

Claims (6)

1. 전지 안전벤트의 제조방법에 있어서,

   전지 외장용 금속용기 저면(10)에 벤트 플레이트(20)를 수용하기 위한 벤트홀(11)을 성형하는 벤트홀 성형단계;

   벤트 플레이트(20)에 벤트(21)를 형성시키는 벤트 플레이트 제조단계;

   금속용기 저면(10)에 성형된 벤트홀(11)의 용기 외부쪽에 상기 제조된 벤트 플레이트(20)를 접합하기 위한 접합단계; 및

   금속용기 안팎의 벤트 플레이트(20) 용접 부위를 페놀수지로 코팅하는 수지 코팅단계;

   로 이루어짐을 특징으로 하는, 전지 안전벤트의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 벤트홀(11)에는 전지 외장용 금속용기와 벤트 플레이트(20) 접합시 벤트 플레이트(20)가 항상 일정한 위치에 놓일 수 있도록 용기 내부로 돌출된 원형의 단(12)이 구비되며, 상기 벤트홀 성형단계는, 타공 금형에 상기 단(12)을 제조할 수 있는 구조를 형성함으로써 타공과 상기 단(12)의 제조과정이 한번에 이루어짐을 특징으로 하는,

   전지 안전벤트의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 벤트 플레이트 제조단계에서, 벤트 플레이트(20)의 두께는 0.03mm∼0.1mm이고, 에칭에 의해서 형성된 벤트 흠의 깊이는 0.01mm∼0.09mm이며, 에칭에 의해서 형성된 벤트 흠의 폭은 0.05mm∼1mm임을 특징으로 하는,

   전지 안전벤트의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 접합단계는, 상기 벤트 플레이트(20)를 상기 금속용기 벤트홀(11)의 용기 외부쪽 위에 올려놓고 관 내부를 감압시켜 벤트 플레이트(20)가 금속용기 저면(10)과 최대한 밀착되도록 한 다음, 레이저 용접함을 특징으로 하는,

   전지 안전벤트의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,

   레이저 용접은 2회로 나누어 실시하며, 1차 레이저 용접시 레이저 빔의 포인트 수는 2차 용접시의 1/10 이하임을 특징으로 하는,

   전지 안전벤트의 제조방법.
6. 전지의 안전벤트에 있어서,

   전지 외장용기 저면(10)에 구비되는 벤트홀(11)의 용기 외부쪽에 벤트 플레이트(20)가 용접되어 있으며,

   상기 벤트 플레이트(20)에는 벤트(21)가 구비되어 있고,

   금속용기 안팎의 벤트 플레이트(20) 용접 부위는 페놀수지로 코팅되어 있음을 특징으로 하는,

   전지의 안전벤트.