KR100433434B1 - 금속으로된용기의파열개방식안전밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속으로 된 용기에 폭발 방지 기능을 부가할 목적으로 설치되는 파열 개방식 안전 밸브에 관한 것이다.

소형의 전지 용기 등에 설치하고, 정상시에는 밀폐를 유지하면서도, 과충전 등의 이상으로 용기 내부의 압력이 상승하여 규정치에 달한 경우에는 빠르게 이를 해방하고, 전지 용기의 파열이나 변형에 의한 인체에 끼치는 위험이나 기기의 파손을 회피하는 안전 밸브를 개발했다.

본 발명의 냉간 압접법에 의한 금속박식 안전 밸브는 금속 용기의 통기 구멍을 막도록 금속박을 냉간 압접하고, 용기 내부의 내압이 규정치에 달하면, 금속박이 파열 개방하여 용기에 개구부를 형성하고, 내압을 개방하는 기능과 구조를 갖는다.

Description

금속으로 된 용기의 파열 개방식 안전 밸브 {BREAKABLE SAFETY VALVE FOR METAL-MADE CONTAINER}

최근 급속하게 보급되고 있는 리튬 이온 전지 등의 고성능 2차 전지는 소형 경량, 대용량을 특장점으로 하고, 특히 휴대 전화나 노트형 컴퓨터 등의 휴대용 기기에 많이 이용되고 있다.

그러나, 이들 고성능 2차 전지는 전지 내부의 에너지 밀도가 높고, 전해액으로서 유기 용제를 사용하는 경우도 있으며, 전지 내부에서의 단락이나 과충전 등의 이상시에는 전지 용기 내에서 가스가 발생하여 용기가 변형하거나 전지 내용물이 부주의로 누설하는 등의 장해가 발생한다.

이와 같은 위험을 회피할 목적으로, 용기의 내압이 규정치를 초과하여 상승한 경우에, 용기의 일부를 파열 개방시켜 개구부를 형성하고, 내압을 개방하는 파열 개방식 안전 밸브가 이용된다.

종래부터 이용되고 있는 파열 개방식 안전 밸브에는 각인식 안전 밸브와 금속박식 안전 밸브가 있으며, 용도에 따라서 선택된다.

각인식 안전 밸브는 용기의 일부에 쐐기형의 V형 단면의 이끝을 갖는 각인 펀치를 때려박고, 원형 등의 윤곽 형상으로 파열 개방 홈을 가공하여 용기의 내압이 규정치를 초과하여 상승한 경우에는 파열 개방 홈 저부의 박육부가 파열 개방하여 내압을 개방하는 구조로 되어 있다.

각인식 안전 밸브의 장점은 가공이 간단하여 비용이 저렴하다는 것이다.

그러나, 각인 펀치의 때려박기 가공에서는 각인 펀치의 이끝에 발생하는 크랙이 가공 후의 박육부에 잔류하므로, 박육부의 판 두께를 얇게 가공한 경우에는 박육부를 크랙이 관통해 버려 누설 발생의 원인이 된다.

각인식 안전 밸브의 파열 개방압은, 파열 개방 홈으로 둘러싸여진 수압(受壓) 면적과 파열 개방 홈 저부의 박육부 판 두께로 결정되므로, 소형 용기에 설치하기 위해 수압 면적을 작게 하면서 파열 개방압의 상승을 억제하기 위해서는 박육부의 판 두께를 더욱 얇게 할 필요가 있다. 그러나, 박육부의 판 두께를 더욱 얇게 가공하면, 누설에 의한 불량률이 증가하므로, 각인식 안전 밸브는 소형화가 어렵다.

금속박식 안전 밸브는 용기의 통기 구멍을 막도록 금속박을 접합 밀폐하고, 이상시에 용기의 내압이 규정치를 초과하면, 금속박이 파열 개방하여 내압을 개방하는 구조로 되어 있다.

종래의 금속박식 안전 밸브에서는 금속박을 용접법으로 접합하고 있지만, 용접법으로 접합 가능한 금속박 판 두께의 하한치는 각인 가공에 의한 파열 개방 홈저부의 박육부 판 두께의 하한치와 비교하여 1/2 이하로 되어 있으므로, 이 점에서 금속박식 안전 밸브 쪽이 소형화하기 쉽다.

그러나, 용접법에 의한 금속박의 접합은 용접 가공 특유의 관통 구멍의 문제나 얇은 금속박을 용접법으로 접합하여 밀폐하는 기술적인 어려움이 있으며, 더욱이 고액의 설비 투자가 필요해지는 등, 품질면에서의 불안정이나 비용이 상승하는 등의 결점이 있다.

본 발명은 2차 전지 등의 금속으로 된 용기(이하, 용기라 약칭한다)에 설치하고, 이상(異常)시에 용기 내부에 발생하는 압력을 개방하고, 용기의 변형 등을 방지하고 기기의 파손 등을 방지하는 파열 개방식 안전 밸브에 관한 것이다.

도1은 전지 용기 덮개측으로부터의 평면도이다.

도2는 전지 용기 측면으로부터의 단면도이다.

도3은 냉간 압접 전의 금속박의 측면도이다.

도4는 덮개의 단면도이다.

도5는 냉간 압접 전의 덮개와 금속박과 냉간 압접 금형의 단면도이다.

도6은 냉간 압접 중의 덮개와 금속박과 냉간 압접 금형의 단면도이다.

도7은 각인식 안전 밸브의 단면도이다.

도8은 냉간 압접 후의 금속박의 박육부 확대 단면도이다.

도9는 용기 내압이 규정치를 충족시키지 않는 상태의 덮개 단면도이다.

도10은 용기 내압이 규정치에 달하고 금속박의 돔이 반전한 상태의 도면이다.

도11은 금속박의 돔이 반전한 직후, 박육부가 파열 개방한 상태의 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 덮개

2 : 금속박

3 : 전지캔

4 : 통기 구멍

5 : 박육부

6 : 상부 펀치

7 : 하부 펀치

8 : 전극 인출구

9 : 접합부

10 : 각인식 안전 밸브의 수압부

11 : 돔

12 : 박육부 판 두께

13 : 파열 개방홈

본 발명에서는 용기의 통기 구멍을 막도록, 냉간 압접법으로 금속박을 접합하여 안전 밸브로 하는 냉간 압접법에 의한 금속박식 안전 밸브(이하, 본 안전 밸브라 약칭한다)를 개발했다.

냉간 압접법은 냉간 압접 금형으로 2개의 금속 부품의 접합부를 상온 상태 그대로 가압하여 접합하는 가공법이다.

접합의 원리는 냉간 압접 금형에 의한 가압력으로, 접합부에 소성 변형을 발생시키고, 접촉면 사이의 마찰로 쌍방의 접촉면에 신생면을 노출시키고, 이 상태에서 또 가압과 보유 지지를 계속하여 원자간 결합을 발생시키고, 2개의 부품을 접합하는 것이다.

지금까지, 금속박식 안전 밸브에 사용되는 바와 같은 판 두께 0.3 ㎜ 이하의 금속박을 냉간 압접한 경우, 냉간 압접 가공에서 받는 가압력에 의해 금속박이 파단하거나, 크랙이 발생하여 누설의 원인이 되는 등의 문제가 있었다.

그러나, 본 발명에서는 냉간 압접 금형의 치형이나 접합부의 형상, 금속박이나 용기의 재질에 따른 표면 처리나 열 처리, 또는 냉간 압접 가공시의 가압 속도나 하사점 위치에서의 보유 지지 시간 등, 냉간 압접 가공에 있어서의 모든 조건에 대해서 다시 시행 착오를 반복한 결과, 지금까지 무리라고 되어 있던 판 두께 0.01 ㎜까지의 금속박을 냉간 압접법으로 접합하고, 금속박식 안전 밸브에 응용하는 일에 성공했다.

본 안전 밸브는 레이저 빔 용접법에 의한 종래의 금속박식 안전 밸브에 비해 기밀성이 높고 밀폐 불량의 발생이 적은 것이나, 가공 시간이 단축되어 가공 비용을 약 1/5로 억제할 수 있고, 게다가 안전 밸브로서 가장 중요한 적정 파열 개방압의 실현이 용이하고, 대량 생산 가공한 경우의 파열 개방압의 불균일을 작게 할 수 있는 등, 많은 우수한 특장점을 갖는 것이 확인되었다.

본 발명을 사례를 들어 설명한다.

본 사례에서는 A3003 알루미늄 합금으로 된 각통형 전지캔(3)의 개구부에 같은 재질의 덮개(1)를 접합하여 구성되는 리튬 이온 2차 전지용인 금속으로 된 용기에 18 ㎏/㎠의 내압으로 파열 개방하는 방식의 본 안전 밸브를 설치했다.

도1 및 도2에 도시한 전지 용기는 판 두께 0.8 ㎜의 A3003제로 외형 치수가 34㎜×6㎜×47㎜인 전지캔(3)과, 판 두께 0.8 ㎜의 A3003제로 외형 치수가 전지캔(3)의 34㎜×6㎜인 개구부 내의 치수에 동등한 덮개(1)로 구성된다.

덮개(1)의 중앙에는 전극 인출구(8)가 배치되고, 이 전극 인출구(8)와 길이 방향의 단면 사이에 직경 1.5 ㎜의 통기 구멍이 개방되고, 덮개(1)와 전지캔(3)은 용접법에 의해 접합되어 있다. 이 통기 구멍(4)의 외측에, 판 두께(0.03 ㎜)의 A3003제의 금속박(2)을 냉간 압접하여 밀폐한다.

도1 내지 도12에 도시한 덮개(1), 금속박(2), 전지캔(3), 박육부(5), 접합부(9), 박육부 판 두께(12), 파열 개방 홈(13) 등에 있어서의 두께 및 도4에 있어서의 통기 구멍(4)의 직경은 설명을 위해 과장되어 있으며, 도2에 있어서는 본 발명의 설명에 관계되지 않은 전지의 내용물은 모두 생략되어 있다.

도3에는 금속박(2)을 나타낸다.

이 금속박(2)은 덮개(1)에 개방된 직경 1.5 ㎜의 통기 구멍을 막도록 냉간 압접되어 안전 밸브가 된다.

게다가 이 덮개(1)는 전지캔(3)의 개구부에 삽입되고, 레이저 빔 용접법으로 접합되어 밀폐 용기가 된다.

본 사례에서는 본 안전 밸브의 기밀성과 파열 개방압을 시험할 목적으로, 내용물이 미충전인 용기를 100개 제작하고, 전지캔(3)의 저면에 파열 개방 실험용의구멍을 개방했다.

기밀성 시험은 완성된 용기에 8.0 ㎏/㎠의 공기압을 15초간 인가하고, 이 사이의 압력 변화를 공기 누설 시험으로 측정하고, 누설의 유무를 판정하였지만 누설의 발생은 없었다.

파열 개방압 시험은 기밀성 시험이 종료한 샘플에 대해 실시했다.

시험 방법은 0.3 ㎏/sec의 가압 속도로 정수압을 인가하고, 금속박이 파열 개방할 때의 압력을 측정했다.

그 결과, 금속박(2)은 냉간 압접 가공시에 형성된 접합부(9) 측근의 박육부(5)로부터 파열 개방하고, 파열 개방압의 측정 결과는 본 사례와 같은 소형의 전지 용기에 설치하도록 소형화한 경우라도, 목표치의 18 ㎏/㎠에 대해 15 내지 20㎏/㎠의 범위로 이루어져 있으며 양호했다.

냉간 압접된 덮개(1)와 금속박(2)을 통기 구멍(4)의 중심선에 따라서 덮개(1)의 면에 수직인 평면으로 절단하고, 현미경으로 접합부(9)나 박육부(5) 등의 판 두께를 관찰하면서 냉간 압접 가공시의 상부 펀치(6)와 하부 펀치(7)의 이끝 간격이나 기타 여러 조건을 조정하고, 박육부(5)의 판 두께의 하한을 찾은 바 0.005 ㎜까지 조정 가능했다.

본 안전 밸브에서는 박육부(5)의 판 두께를 종래 기술의 1/2 이하로 안정되게 가공할 수 있으므로, 본 사례와 같은 소형의 전지 용기에 설치하도록 소형화한 경우라도, 15 내지 20 ㎏/㎠의 범위에서 적정한 파열 개방압을 실현할 수 있다.

도6에 도시한 바와 같이, 냉간 압접법으로 접합된 금속박(2)의 접합부(9)는냉간 압접 금형의 가압력으로 붕괴되고, 발생한 여분의 두께가 중앙에 집중하여 돔(11)이 형성된다.

여분의 두께를 돔 형상으로 하지 않은 경우에는 금속박에 주름이 발생하고, 꺾인 면으로부터 누설이 발생하거나, 파열 개방압이 불안정해지는 문제가 있었다.

이 돔(11)은 압접 금형에서의 조정에 의해 전지 용기의 내측과 외측 중 어느측이나 볼록부로 할 수 있지만, 전지 용기의 내측으로 볼록 형상으로 한 샘플로 전지 용기의 내측과 외측의 각각으로부터 가압하여 파열 개방압을 측정한 바, 용기 내측으로부터의 가압에서는 15 내지 20 ㎏/㎠, 용기 외측으로부터의 가압에서는 50 내지 60 ㎏/㎠의 파열 개방압이 되는 것이 확인되었다.

돔을 용기 내측으로 볼록하게 한 경우에는 용기 내부로부터의 압력에 대해서는 적정한 파열 개방압으로 파열 개방하지만, 용기 외부로부터의 압력에 대해서는 2배 이상의 내압성을 갖는 것을 알 수 있고, 전지용의 안전 밸브로서 사용하는 경우에는 돔(11)을 내측으로 볼록하게 한 쪽이 바람직한 특성을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

돔(11)이 파열 개방에 이르는 과정을 도9, 도10, 도11에 도시한다.

각각의 도면에 있어서는 덮개의 하측이 용기의 내측, 상측이 용기의 외측으로 되어 있다.

도9는 용기의 내압이 규정치에 충족되지 않은 정상인 상태, 도10은 내압이 규정치에 달하여 돔이 반전한 상태, 도11은 돔의 반전 직후에 박육부(5)가 파열 개방하고, 내압을 개방하고 있는 상태를 나타내고 있다.

본 안전 밸브에서는 접합부(9)의 내측 측변에 형성되는 박육부(5)로 둘러싸여지는 범위가 각인식 안전 밸브의 수압부(10)와 동등한 역할을 하고, 돔(11)의 반전이 박육부(5)의 파열 개방을 유발하여 적정 파열 개방압으로 확실한 파열 개방을 촉진하고 있는 것도 더불어 확인되었다.

본 안전 밸브는 소형의 용기에 설치하도록 소형화해도 적절히 낮은 파열 개방압을 실현하기 쉬운 특성을 가지므로, 휴대용 기기 등으로 사용되는 소형의 고성능 2차 전지 등의 금속 용기에 안전 밸브로서 설치한 경우, 이상시에는 정밀도 좋게 파열 개방하여 사용자의 안전을 확보하고, 기기의 파손을 미연에 방지하는 것이 가능하다.

Claims (19)

1. 판 두께를 갖고, 직경을 갖는 통기 구멍을 구비하는 금속 용기용 파열 개방식 안전 밸브이며,

   중앙부 및 냉간 압접에 의해 용기에 접합되는 외주연을 포함하고, 상기 외주연에 인접하여 그로부터 내향으로 방사상으로 배치되는 박육부를 더 포함하는 금속박을 포함하고,

   상기 박육부는 상기 용기에 금속박의 외주연을 냉간 압접함으로써 형성되고, 상기 박육부는 크랙 및 금(score)이 없고, 상기 금속박은 상기 통기 구멍을 막아 구멍 상부에 기밀성을 제공하고, 상기 금속박의 중앙부는 판 두께를 가지며, 상기 금속박의 박육부는 상기 중앙부의 판 두께보다 작은 판 두께를 갖고,

   상기 금속 용기의 내부의 내압이 규정치를 초과하여 상승하면 상기 박육부에서 상기 금속박이 파열 개방되는 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속박의 중앙부의 판 두께와 상기 용기의 판 두께의 비는 3:80이고,

   상기 금속박의 중앙부의 판 두께와 상기 구멍의 직경의 비는 3:150인 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브.
3. 제1항에 있어서, 상기 용기 및 상기 금속박은 A3003으로 제조되는 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브.
4. 제1항에 있어서, 상기 용기는 34mm×6mm×47mm의 치수를 갖고, 상기 용기의 판 두께는 0.8mm이며, 상기 금속박의 중앙부의 판 두께는 0.03mm인 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브.
5. 0.8mm의 판 두께를 갖고, 1.5mm의 직경을 갖는 통기 구멍을 구비하는 금속 용기용 파열 개방식 안전 밸브이며,

   중앙부 및 냉간 압접에 의해 상기 용기에 접합되는 외주연을 포함하고, 상기 외주연에 인접하여 그로부터 내향으로 방사상으로 배치된 박육부를 더 포함하는 금속박을 포함하고,

   상기 박육부는 상기 용기에 금속박의 외주연을 냉간 압접함으로써 형성되고, 상기 박육부는 크랙 및 금이 없고, 상기 금속박은 상기 통기 구멍을 막아 구멍 상부에 기밀성을 제공하고, 상기 금속박의 중앙부는 0.03mm 이하의 판 두께를 갖고, 상기 금속박의 외주연은 상기 금속박의 중앙부의 판 두께보다 작은 판 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브.
6. 제5항에 있어서, 상기 용기 및 상기 금속박은 모두 A3003으로 제조되는 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브.
7. 제5항에 있어서, 상기 용기는 34mm×6mm×47mm의 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브.
8. 0.8mm의 판 두께를 갖고, 1.5mm의 직경을 갖는 통기 구멍을 구비하는 금속 용기의 덮개용 파열 개방식 안전 밸브이며,

   냉간 압접에 의해 상기 덮개에 접합되어 상기 통기 구멍을 막아 상기 구멍 상부에 기밀성을 제공하고, 0.03mm 이하의 판 두께를 갖는 중앙부 및 상기 덮개에 냉간 압접되는 외주연을 갖고, 상기 외주연에 인접하여 그로부터 내향으로 방사상으로 배치된 박육부를 더 포함하는 금속박을 포함하고,

   상기 박육부는 상기 금속박의 외주연을 상기 용기에 냉간 압접함으로써 형성되고, 상기 박육부는 크랙 및 금이 없고, 상기 박육부는 상기 금속박의 중앙부의 판 두께보다 작은 판 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브.
9. 제8항에 있어서, 상기 금속박, 덮개 및 용기는 A3003으로 제조되고, 상기 용기는 0.8mm의 판 두께를 갖고, 상기 덮개는 34mm의 길이와 6mm의 폭을 가지며, 상기 용기는 34mm의 길이와 6mm의 폭 및 47mm의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브.
10. 금속 용기의 덮개용 파열 개방식 안전 밸브로서, 상기 덮개와 용기는 모두 A3003으로 제조되고 모두 0.8mm의 판 두께를 갖고, 상기 덮개는 34mm의 길이와 6mm의 폭을 갖고, 상기 용기는 34mm의 길이, 6mm의 폭 및 47mm의 깊이를 가지며, 상기 덮개는 1.5mm의 직경을 갖는 통기 구멍을 구비하는 파열 개방식 안전 밸브이며,

    냉간 압접에 의해 상기 덮개에 접합되어 상기 통기 구멍을 막아 상기 용기 상부에 기밀성을 제공하고, A3003으로 구성되고, 0.03mm 이하의 판 두께를 갖는 중앙부 및 상기 덮개에 접합된 외주연을 갖는 금속박을 포함하고,

    상기 외주연은 상기 금속박의 중앙부의 판 두께보다 작은 판 두께를 갖는 박육부를 포함하고, 상기 박육부는 상기 금속박의 외주연을 상기 용기에 냉간 압접함으로써 형성되고, 상기 박육부는 크랙 및 금이 없는 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브.
11. 개방 단부가 덮개에 접합되어 있는 용기 본체를 포함하고,

    상기 덮개는 통기 구멍을 포함하고, 상기 통기 구멍은 금속박에 의해 기밀 밀폐되어 파열 개방식 안전 밸브를 형성하고, 상기 금속박은 판 두께를 갖고 중앙부 및 외주연을 포함하고, 상기 금속박은 상기 외주연에 인접하여 그로부터 내향으로 방사상으로 배치된 박육부를 더 포함하고, 상기 외주연은 상기 외주연 및 상기 박육부에서 상기 금속박의 판 두께가 감소되는 냉간 압접에 의해 상기 덮개에 접합되어 상기 금속 용기 내부의 내압이 규정치를 증가하면 상기 박육부에서 상기 금속박을 파열 개방시키며, 상기 박육부는 크랙 및 금이 없는 것을 특징으로 하는 포위 용기.
12. 제11항에 있어서, 상기 덮개, 용기 본체 및 금속박은 A3003으로 제조되고, 상기 덮개 및 용기 본체는 모두 0.8mm의 판 두께를 갖고, 상기 금속박은 A3003으로 구성되고, 상기 금속박의 중앙부는 0.03mm 이하의 판 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 포위 용기.
13. 제11항에 있어서, 상기 덮개는 34mm의 길이와 6mm의 폭을 갖고, 상기 용기는 34mm의 길이, 6mm의 폭 및 47mm의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 포위 용기.
14. 제11항에 있어서, 상기 용기는 상기 금속박의 외주연의 파열 개방 전에 15kg/cm²이상의 내압을 견딜 수 있는 것을 특징으로 하는 포위 용기.
15. 제11항에 있어서, 상기 용기는 상기 금속박의 외주연의 파열 개방 전에 50kg/cm²이상의 외압을 견딜 수 있는 것을 특징으로 하는 포위 용기.
16. 용기에 파열 개방식 안전 밸브를 형성하는 방법이며,

    용기 본체를 제공하는 단계와,

    상기 용기 본체용 덮개를 제공하는 단계와,

    상기 덮개에 통기 구멍을 형성하는 단계와,

    상기 통기 구멍 상부에 금속박층의 외주연을 냉간 압접하여 상기 통기 구멍을 기밀 밀폐하고 상기 외주연에 인접하여 내향으로 방사상으로 배치된, 크랙 및 금이 없는 박육부를 형성하는 단계와,

    상기 용기 본체에 덮개를 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브 형성 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 용기, 덮개 및 금속박은 모두 A3003으로 구성되고, 상기 용기 및 덮개는 각각 0.8mm의 판 두께를 갖고, 상기 금속박층은 상기 냉간 압접 단계 전에 0.03mm의 균일한 판 두께를 갖고, 상기 냉간 압접 후의 금속박층의 박육부 및 외주연의 판 두께는 0.03mm 미만인 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브 형성 방법.
18. 제16항에 있어서, 상기 덮개는 34mm의 길이 및 6mm의 폭이고, 상기 용기는 34mm의 길이, 6mm의 폭 및 47mm의 깊이인 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브 형성 방법.
19. 제16항에 있어서, 상기 냉간 압접 후의 상기 금속박층의 외주연의 판 두께는 0.03mm 미만 내지 0.005mm의 범위인 것을 특징으로 하는 파열 개방식 안전 밸브 형성 방법.