KR100654257B1 - 밀폐 전지 - Google Patents

Abstract

외부로부터 힘이 가해져 변형을 일으킨 경우에도 내부 단락에 의한 이상 발열을 일으키기 어려운 밀폐 전지를 제공한다.

센터 핀(20)은 원통형체이며, 그 일부, 즉 슬릿(21)을 마주보는 단부(22a, 22b) 근방 영역에 있어서의 외주면이 센터 핀(20)의 내측을 향해 절곡된 형상을 갖는다. 따라서, 단부(22a, 22b)는 센터 핀(20)의 슬릿(21)을 보간한 가상 외주 보다 내측에 배치되게 되며, 외력에 의해 센터 핀(20)이 변형된 경우라도 와권형 전극체(10)에 접촉되기 어려워지며, 손상을 입기 어려워진다.

또한, 센터 핀(20)은 단부(22a, 22b) 근방 영역(23a, 23b)의 외주면끼리 120˚ 이하의 각도를 이루도록 절곡 가공되어 있다.

리튬 이온 전지, 와권형 전극체, 분리기, 슬릿, 창부, 외장캔

Description

밀폐 전지 {Sealed Battery}

도1은 실시 형태 1에 관한 리튬 이온 전지의 외관 사시도(일부 단면도).

도2는 도1에 있어서의 센터 핀의 상세도.

도3은 실시 형태 2에 관한 센터 핀의 단면도.

도4는 충격 시험의 장치 및 방법의 설명도.

도5는 실시 형태 3에 관한 리튬 이온 전지에 구비되어 있는 센터 핀의 외관을 도시하는 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 리튬 이온 전지

10 : 와권형 전극체

11 : 정극판

12 : 부극판

13 : 분리기

20, 25, 29 : 센터 핀

21 : 슬릿

22a, 22b, 27a, 27b : 단부

23a, 23b, 28a, 28b : 단부 근방 영역

30 : 외장캔

40 : 밀봉 덮개

본 발명은, 밀폐 전지에 관한 것으로, 특히 전극체의 내부에 있어서의 중공 부분에 센터 핀이 삽입 설치된 구조를 갖는 밀폐 전지에 관한 것이다.

근래 급속한 휴대용 전자 기기의 보급에 따라, 이들 기기에 이용되는 밀폐 전지에는 소형·경량·고에너지화가 요구되고 있다.

밀폐 전지 중에서도, 충방전이 가능한 2차 전지가 보급되어 오고 있으며, 그 중에서도 특히 리튬 이온 전지 등 비수(非水) 2차 전지가 경량·고에너지밀도라는 점에서 근래 보급되어 오고 있다.

이하에서는, 밀폐 전지의 구조에 대하여, 원통형 리튬 이온 전지를 일례로 설명한다.

원통형 리튬 이온 전지는, 정극판과 부극판을 분리기를 개재하여 감아서 형성된 와권형 전극체가 외장캔에 수납되고, 전해액이 주입되고, 밀봉 덮개로 밀봉된 구조를 갖는다.

외장캔에 수납된 와권형 전극체에는, 그 중앙부에 중공 부분이 형성되어 있다. 이 중공 부분은 정극판과 부극판을 분리기를 개재하여 감을 때 이용한 권취용 축심을 빼낸 자리이다.

리튬 이온 전지 중에는, 이 중공 부분에 원통형 센터 핀이 삽입 설치되어 있는 것이 있다. 리튬 이온 전지에 있어서, 분리기는 이하, 두 가지 이유로 삽입 설치되어 있다.

우선, 첫번째는, 리튬 이온 전지가 충방전의 반복에 의한 와권형 전극체에 있어서의 극판의 변형을 억제하기 위함이다. 즉, 충방전의 반복에 의해 와권형 전극체는 팽창하려고 하는데, 외장캔에 의해 구속되어 있는 외측으로는 팽창할 수 없으므로, 중공 부분을 향해 집중적으로 팽창한다. 이 때, 와권형 전극체에서는 중공 부분 근방에 있어서의 극판에 변형을 일으키고, 그 변형을 일으킨 부분에서 단락을 일으키는 일이 있다. 센터 핀은 이 극판의 변형을 억제할 목적으로 삽입 설치되어 있다.

센터 핀이 삽입 설치되어 있는 또 하나의 이유는, 리튬 전지가 잘못하여 불속으로 투하되어, 내부 온도가 200℃ 이상의 고온이 되었을 때에도, 가스 배기 통로인 와권형 전극체의 중공 부분을 확보하기 위함이다. 통상, 리튬 이온 전지에는 폴리에틸렌제 등의 미세 다공막으로 이루어지는 분리기가 이용되고 있는데, 이 분리기는 200℃ 이상의 고온이 되면 용융되고, 중공 부분을 막아버리는 일이 있다. 센터 핀은 이와 같이, 분리기가 용융된 때에도 가스 배기 통로를 확보하기 위해 삽입 설치되어 있다.

이상에서와 같은 이유에 의해 삽입 설치되어 있는 센터 핀은 비용 및 가스 배출 효율 등의 면에서, 통상 금속제의 박판을 통형으로 말아서 형성되는데, 주위 방향에 있어서의 단부끼리 접합하지 않으므로, 이들 양단부 사이에 슬릿이 남는 구 조로 되어 있다.

그런데, 이와 같은 리튬 이온 전지를 높은 곳에서 떨어뜨리거나, 거꾸로 리튬 이온 전지 위에 물건을 떨어뜨리거나 하는 경우에는, 외장캔에 변형을 일으킨다. 이와 같이, 외장캔이 변형되는 외력을 받는 리튬 전지에서는 내부에 삽입 설치된 센터 핀도 변형되어버리는 경우가 있으며, 변형이 클 때는 와권형 전극체의 분리기가 파손되어 버리는 경우도 있다.

이와 같이, 분리기가 파손된 경우에는, 리튬 이온 전지의 내부에서 단락을 일으키지만, 그 발생 면적이 비교적 커지므로, 단락 전류 밀도가 작아지며, 전지가 고온(약 130℃ 이상)이 되는 일이 없다.

그러나, 상기와 같이, 분리기의 파손이 일어나지 않고 센터 핀이 변형되어, 슬릿을 바라보는 단부가 와권형 전극체에 꽂힌 때에는, 와권형 전극체에 있어서의 내부 단락의 발생 면적이 작고, 국부적으로 단락을 일으키기 때문에 단락 전류 밀도가 커지며, 전지가 고온(약 130℃ 이상)이 되는 경향이 있다.

본 발명은, 상기 문제에 대해 이루어진 것이며, 외부로부터 힘이 가해져 변형을 일으킨 경우에도 내부 단락에 의한 이상 발열을 일으키기 어려운 밀폐 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 분리기를 개재하여 배치된 정극판과 부극판이 내부 공간을 갖는 형상으로 형성되어 이루어지는 전극체와, 전극체의 내부 공간에 삽입 설치되는 통형 센터 핀을 갖는 밀폐 전지에 있어서, 센터 핀의 측 벽에 단부를 갖고 있으며, 이 단부의 적어도 일부 영역이 전극체와 접촉하지 않도록 센터 핀의 가상 외주 보다 내측에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 모서리부의 처리가 행해지지 않은 센터 핀을 갖는 종래의 밀폐 전지에서는 외력에 의해 센터 핀이 변형되고, 슬릿에 마주보는 단부가 전극체를 향해 변형된 경우에는, 전극체가 손상을 받는 일이 있고, 내부 단락을 일으키기 쉽고, 그에 의한 이상 발열을 일으키기 쉽다.

이에 반하여, 상기 본 발명의 밀폐 전지에서는, 센터 핀에 있어서의 슬릿을 마주보는 단부의 적어도 일부 영역이 센터 핀의 가상 외주 보다 내측에 배치되어 있으며, 외력에 의해 센터 핀이 변형된 경우에 있어서도, 적어도 내측에 배치된 단부가 전극체에 손상을 입기 어려워지고, 내부 단락을 일으키기 어렵다. 따라서, 본 발명의 밀폐 전지에서는 외력에 의해 센터 핀에 변형을 일으킨 경우에도, 내부 단락에 의한 이상 발열을 일으키기 어렵다.

또한, 센터 핀의 가상 외주는 예를 들어 통형체의 일부 영역에 오목형의 홈이 형성되어 있는 경우에, 그 오목형의 홈 부분을 보간한 외주를 표시하는 것이다.

센터 핀에는 여러 가지 형상의 것이 있지만, 단면 방향으로 모서리가 생기지 않는 점이나, 가공성 등의 점에서 길이 방향으로 슬릿을 갖는 원통형체인 것이 바람직하다. 여기서 말하는 원통형체도, 상술한 바와 마찬가지로 완전한 원형 단면을 갖는 통체가 아니라, 슬릿 부분을 보간한 가상 외주가 원형인 통체를 표시하는 것이다.

또한, 본 발명의 밀폐 전지는, 외력에 의해 센터 핀이 변형된 경우에도, 전 극체가 손상을 받기 어렵기 때문에, 센터 핀에 있어서의 슬릿을 마주보는 단부 근방 영역에 있어서의 외주면이 내측을 향해 절곡되어 있는 것이 바람직하다.

절곡된 외주면끼리 이루는 각도는, 센터 핀의 외측을 향해 120˚이하인 것이 보다 바람직하다. 이 각도의 근거에 대해서는 후술하는 확인 실험에서 설명한다.

또한, 외주면끼리 이루는 각도는 0˚(외주면끼리 평행 상태)가 하한치가 아니라, 양단부가 센터 핀의 단부 근방 영역에 있어서의 내주면에 접촉하는 상태일 때의 각도가 하한치가 된다.

따라서, 본 발명은 센터 핀에 있어서의 단부 중 한 쪽이, 그 근방 영역에 있어서의 센터 핀 내주면에 접촉 또는 근접하여 있는 경우에도 상술한 바와 마찬가지 효과를 발휘한다.

상기 밀폐 전지에서는 센터 핀의 측벽에 그 내외를 연통하도록 창부를 설치해 두면, 경량화되는 동시에, 전극체의 높이 방향에 있어서의 중간 부분에 있어서도, 센터 핀의 내외에서의 전해액을 유통시킬 수 있고, 전지 성능이라는 면에서 바람직하다. 창부의 형성은 센터 핀의 측벽 전체에 걸친 부분에 행하는 것이 바람직하다.

또한, 센터 핀은 여러 가지 재료로 형성되지만, 가공성 및 비용 면에서 금속 재료로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 전극체와 센터 핀을 구비하는 밀폐 전지에 대하여 효과를 발휘하지만, 특히 고에너지 밀도의 비수 2차 전지에 적용하는 경우에 효과적이다.

(실시 형태 1)

본 발명의 실시 형태 1에 관한 리튬 이온 전지에 대하여, 도1 및 도2를 이용하여 설명한다.

도1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 리튬 이온 전지(1)의 구조를 도시하는 사시도(일부 단면도)이며, 도2는 안에 구비되는 센터 핀을 도시하는 사시도이다.

도1에 도시한 바와 같이, 리튬 이온 전지(1)는 와권형 전극체(10)가 바닥을 갖는 원통형 외장캔(30)에 수납되고, 그 개구부에 밀봉 덮개(40)를 배치하여 코오킹 고정을 실시하여 입구를 밀봉한 구조를 갖는다.

밀봉 덮개(40)에는 랩춰 디스크(41)와 가스 배출 구멍(42)을 구비한다. 랩춰 디스크(41)와 가스 배출 구멍(42)은 리튬 이온 전지(1)의 내부에서 가스가 발생되고, 이에 의해 전지 내부에 있어서의 압력이 일정치를 초과한 경우에 가스를 리튬 이온 전지(1)의 외부로 배출하기 위해 설치된 것이다. 즉, 리튬 이온 전지(1)에 있어서, 전지가 불속으로 투하되는 등으로 해서 전지 내부에서 생긴 가스는 전지의 내부 압력이 일정치를 초과한 시점에서 랩춰 디스크(41)를 깸으로써, 간극을 만들고, 그곳에서 가스 배출 구멍(42)을 통해서 전지 외부로 배출된다.

와권형 전극체(10)는 분리기(13)를 개재하여 정극판(11)과 부극판(12)을 대향 배치하고, 권취용 축심을 이용하여 와권형으로 권취된 것이다. 구체적으로는 이하에서와 같이 하여 제작된다.

우선, 정극 활성 물질로서의 LiCoO₂와, 도전제로서의 카본블랙과 결착제로서 의 폴리불화비닐리덴과, 용제로서의 N-메틸-2-피롤리돈(이하, 「NMP」라 한다) 용액을 혼합하여 슬러리를 조제한 후, 정극 집전탭의 용접 부위를 제외하고 상기 슬러리를 정극집전체로서의 알루미늄박(두께: 20㎛)의 양면에 도포한다. 그 후, 용제를 건조하고, 롤러로 소정의 두께까지 압축한 후에, 소정의 폭 및 길이가 되도록 재단하고, 또 알루미늄제의 정극 집전탭을 용접하여 정극판(11)을 제작한다.

또한, 이와 병행하여 부극 활성 물질로서의 흑연분말과, 결착제로서의 폴리불화비닐리덴과, 용제로서의 NMP 용액을 혼합하여 슬러리를 조제한 후, 부극집전탭의 용접 부위를 제외하고 상기 슬러리를 부극집전체로서의 동박(두께: 16㎛)의 양면에 도포한다. 그 후, 용제를 건조하고, 니켈제의 부극집전탭을 용접하여 부극판(12)을 제작한다.

다음에, 상기 정극판(11)과 부극판(12)을 폴리에틸렌제의 미세 다공막으로 이루어지는 분리기(13)(두께: 25㎛)를 개재하여 권취 가공하여 와권형 전극체(10)를 제작한다.

와권형 전극체(10)의 중앙부에는 권취용 축심을 빼낸 자리인 중공 부분이 남아 있으며, 그 곳에 원통형 센터 핀(20)이 삽입 설치되어 있다.

센터 핀(20)은 상술한 바와 같이 리튬 이온 전지가 이상 상태(잘못하여 불속에 투하되는 등)가 된 경우에 있어서의 가스 배출 통로의 확보 및 충방전을 반복할 때 중공 부분 근방에서의 와권형 전극체(10)의 정극판(11) 및 부극판(12)의 변형을 억제한다는 두 가지 목적에서 구비되어 있다.

센터 핀(20)의 구조에 대하여 도2를 이용하여 설명한다.

도2의(a)에 도시한 바와 같이, 센터 핀(20)은 원통형의 형상을 갖고 있으며, 길이 방향으로 슬릿(21)을 갖고 있다. 센터 핀(20)은 소정의 크기인 직사각형상으로 재단된 금속제의 박판을 이용하여 형성된 것이며, 공정수 면, 비용 면에서 제약 및 가스 배출 효율 등의 면에서, 단면에 있어서의 양단부를 접합시키지 않고, 이들 양단부 사이에 슬릿(21)이 남는 구조로 되어 있다.

센터 핀(20)에 이용되는 박판은 내열성 및 전해액에 대한 내부식성을 갖고, 가공성 및 비용 면에서 허용되는 것이면 좋고, 예를 들어, 판 두께 0.05㎜ 내지 0.5㎜ 정도의 스텐레스판 등이 최적이다.

또한, 센터 핀(20)의 상하단 부분에는 테이퍼부(20t)가 각각 형성되어 있다. 이 테이퍼부(20t)는, 와권형 전극체(10)의 중공 부분으로의 삽입을 용이하게 하기 위해, 삽입시에 분리기(13)가 손상되지 않도록 하기 위해 형성되어 있는 것이다. 이와 같은 테이퍼부(20t)는 상기 권취 가공 후에 교축 가공 혹은 프레스 가공 등을 실시함으로써 형성된다.

센터 핀(20)의 형상에 대하여 도2의(b)를 이용하여 설명한다. 도2의(b)는 도2의(a)에 있어서의 A-A 화살표 방향에서 본 단면도이다.

센터 핀(20)은 도2의(b)에 도시한 바와 같은 대략 원형상의 단면을 갖는 대략 원통이다. 다만, 그 일부, 즉 슬릿(21)을 마주보는 단부(22a, 22b)의 근방 영역(23a, 23b)은 그 외주면끼리 서로 일정 각도 θ를 갖도록 통의 내측 방향을 향해 둥근 모양을 띠고 절곡된 형상으로 되어 있다. 이에 의해, 단부(22a, 22b)는 센터 핀(20)의 슬릿(21)을 보간한 가상 외주 보다 내측에 배치되는 동시에, 절곡 부분도 예리하지 않게 된다.

여기서, 상기 근방 영역(23a, 23b)의 외주면끼리 이루는 각도 θ는 그 외주면끼리 센터 핀(20)의 외측으로 열리는 것을 플러스라고 할 때, 140˚ 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 또 120˚ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

이와 같은 센터 핀(20)은 예를 들어 소정 형상의 금형을 구비하는 멀티포밍기를 이용하는 라운드 벤딩 가공에 의해 가공된다.

또한, 센터 핀(20)은 상기 방법 이외에, 종래와 같이 직사각형의 판재를 권취하여 원통형체를 제작하고, 원통형을 보유 지지한 상태로 슬릿(21) 부분에 상기 일정한 각도 θ를 그 선단 부분에 갖는 쐐기형 공구를 침입시킴으로써 형성할 수 있지만, 그 방법은 상기 방법에 한정되는 것은 아니다.

이상에서와 같은 구조의 센터 핀(20)은 리튬 이온 전지(1)의 외측으로부터 가해진 힘에 의해 변형된 경우라도 와권형 전극체(10)에 손상을 입기 어렵고, 내부 단락에 의한 이상 발열을 일으키기 어렵다. 그것은 다음과 같은 이유에 의한 것이다.

상기 종래의 전지에서는, 예를 들어 센터 핀의 슬릿이 개구 방향으로부터 90˚ 회전한 방향으로부터 외력을 받으면, 센터 핀의 슬릿을 마주보는 단부가 와권형 전극체의 방향으로 변형하여 와권형 전극체에 손상을 주고, 와권형 전극체의 내부에서 단락을 일으킨다.

이에 반하여, 상기 센터 핀(20)을 구비하는 실시 형태 1에 관한 리튬 이온 전지(1)에서는 단부(22a, 22b)를 센터 핀(20)의 외주면보다 내측에 배치하고 있으 므로, 외력이 가해져 센터 핀(20)이 변형된 경우에도 단부(22a, 22b)가 분리기(13)에 접촉되기 어렵고, 와권형 전극체(10)에 손상을 입기 어려워진다.

따라서, 상기 리튬 이온 전지(1)에서는 외력을 받아서 변형을 일으킨 경우에 있어서도 내부에 수납된 와권형 전극체(10)에 있어서의 내부 단락을 일으키기 어려워지고, 그에 의한 이상 발열도 발생하기 어려우므로, 신뢰성 높은 전지이다.

또한, 상기 도2에서는 각도 θ가 약 80˚ 정도인 센터 핀(20)을 도시하였지만, 근방 영역(23a, 23b)을 내측으로 절곡하여 갈수록, 이 각도 θ는 작아진다. 즉, 각도 θ는 근방 영역(23a, 23b)끼리 서로 평행이 되는 정도(각도 θ= 0˚)가 되기까지 깊게 절곡되어도 좋고, 또 후술하는 변형예와 같이 각도 θ가 마이너스가 되기까지 깊게 절곡되어도 좋다.

(실시 형태 2)

실시 형태 2에 관한 리튬 이온 전지가 내장하는 센터 핀(25)에 대하여, 도3을 이용하여 설명한다. 도3은 센터 핀(25)의 단면을 도시하는 단면도이다.

또한, 전지의 기본적인 구조는 상기 리튬 이온 전지(1)와 마찬가지이다. 상위점은 센터 핀(25)의 단면 형상에 있다.

도3에 도시한 바와 같이, 본 변형예에 관한 센터 핀(25)은 상기 센터 핀(20)과 마찬가지로 금속(예를 들어 스텐레스)제의 박판을 이용하여 성형하여 얻어진 원통형이며, 단면에 있어서의 단부(27a, 27b)끼리의 사이에 슬릿(26)을 구비하고 있다.

센터 핀(25)이 상기 센터 핀(20)과 다른 것은, 단부(27a, 27b)의 근방 영역(28a, 28b)에 있어서의 외주면을 상술한 도2b에 있어서의 센터 핀(20) 보다도 더욱 내측까지 절곡하여, 단부(27a, 27b)가 센터 핀(25) 내주면에 접촉하는 위치에 배치되어 있는 점이다. 즉, 근방 영역(28a, 28b)은 센터 핀(25)의 외측을 향해 열려있는 것이 아니고, 내측을 향해 열려있으므로, 상술한 도2b에 있어서의 각도 θ는 0˚ 보다도 작게 되어 있다.

이와 같은 구조를 갖는 센터 핀(25)은 기본적으로 상술한 센터 핀(20)과 마찬가지로, 멀티포밍기를 이용한 라운드 벤딩 가공에 의해 성형할 수 있다.

이 센터 핀(25)은 상기 센터 핀(20)과 비교해서, 외력이 가해져 변형된 경우에 단부(27a, 27b)가 분리기(13)에 접촉할 가능성이 더욱 낮다.

따라서, 센터 핀(25)을 구비하는 리튬 이온 전지는 외력에 의해 변형을 받은 경우에, 상기 실시 형태의 리튬 이온 전지(1) 보다도 단부(27a, 27b)가 분리기(13)에 손상을 입기 어렵다.

따라서, 센터 핀(25)을 내부에 구비하는 리튬 이온 전지는 외력이 가해져 전지가 변형되고, 내부 센터 핀(25)이 변형된 경우에 있어서도 센터 핀(25)이 와권형 전극체(10)에 손상을 입기 어렵고, 와권형 전극체(10)에 있어서의 내부 단락에 의한 이상 발열을 일으키기 어렵다.

(실시 형태 3)

실시 형태 3에 관한 리튬 이온 전지에 대하여 도5를 이용하여 설명한다. 도5는 실시 형태 3에 관한 리튬 이온 전지에 수납되어 있는 센터 핀(29)의 외관을 도시하는 사시도이다.

센터 핀(29) 이외의 전지의 구성에 대해서는 상기 실시 형태 1, 2와 마찬가지이므로 그 설명을 생략한다.

도5의(a)에 도시한 바와 같이 센터 핀(29)이 상기 센터 핀(20)과 다른 것은 크게 두 가지 점이다.

첫번째는, 그 측면에 원형 창부(29h)가 복수 형성되어 있는 데 있다. 이 창부(29h)는 센터 핀(29)의 벽면 전 영역에 걸쳐서 거의 균일한 분포 형태로, 센터 핀(29)의 측벽을 두께 방향으로 관통하도록 설치되어 있다.

또한, 센터 핀(29)이 상기 센터 핀(20)과 다른 또 다른 하나는, 측벽의 외면측에 절연성 막이 형성되어 있는 점이다. 이에 대하여 도5의(b)를 이용하여 설명한다. 도5의(b)는 도5의(a)에 있어서의 B-B의 단면도이다. 도5의(b)에 도시한 바와 같이, 창부(29h)를 갖는 센터 핀(29)은 멀티포밍기 등을 이용하여 라운드 벤딩 가공되어지는 금속판부(291)의 외측 벽면에 절연막(292)이 형성되어 있다. 이 절연막(292)은 예를 들어, 막 두께 1 내지 20㎛의 실리콘 수지로 이루어지는 층이며, 라운드 벤딩 가공 전에 금속제의 판재에 도포된 것이다.

이와 같은 센터 핀(29)을 내부에 구비하는 리튬 이온 전지는, 상기 실시 형태 1, 2에 관한 리튬 이온 전지보다도 창부(29h) 만큼 중량이 가볍다. 이것은 0.1g 단위로 경량화가 요구되고 있는 전지에 있어서, 매우 큰 효과라고 말할 수 있다. 예를 들어 스텐레스(SUS304)로 이루어지는 판 두께: 0.25㎜, 외경: φ3.0㎜, 높이: 59.5㎜의 센터 핀에 구멍 형성 비율(개구율) 50%인 창부(29h)를 설치한 경우에는 절연막(292)을 형성한 만큼을 산입하여도 창부를 설치하지 않는 경우에 비해 약 0.4g 가볍다.

또한, 센터 핀(29)의 창부(29h)는 전지 내부에 있어서의 전해액의 유통을 좋게 한다는 작용도 한다. 즉, 이 리튬 이온 전지에서는 전해액이 창부(29h)를 통해 센터 핀(29)의 내외를 유통할 수 있으므로, 전지 내부에서 전해액의 유통성이 우수하다. 따라서, 상기 리튬 이온 전지는 전지 내부에 있어서의 이온 교환이 원활하게 행해지고, 전지 성능이 높아진다.

또한, 센터 핀(29)을 내장하는 리튬 이온 전지에서는, 전지에 외력이 가해져 센터 핀(29)이 변형을 받는 사태에 빠진 경우에도, 상기 실시 형태 1, 2의 리튬 이온 전지보다도 와권형 전극체에 손상을 줄 확률이 작다. 이것은 다음의 두 가지 이유에 의한 것이다.

첫번째 이유는 센터 핀(29)의 측벽에 창부(29h)가 형성되어 있으므로, 센터 핀(29)이 외력을 받는 경우에도 창부(29h)가 설치된 부분이 먼저 변형함으로써 외력을 흡수하므로, 슬릿을 마주보는 단부가 변형되기 어렵다는 것이다.

두번째 이유는 센터 핀(29)의 외주면에 절연막(292)이 형성되어 있기 때문에, 금속면이 드러내어진 상태로 내장되어 있는 경우에 비해, 와권형 전극체 쪽을 향하여 변형되어도 단락을 일으키기 어렵게 할 수 있다는 것이다.

따라서, 센터 핀(29)을 내장하는 리튬 이온 전지는 경량이며, 또 높은 전지 성능을 갖고, 전지 외부로부터 외력을 받는 경우에도 안전성이 확보된다.

또한, 상기에서는 센터 핀(29)에 설치되는 창부(29h)의 형상을 원형으로 했지만, 형상은 이들에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 창부(29h)의 형상은 3각형 이나 4각형 혹은 그 이상의 다각형이어도 좋다. 다만, 개구율은 강도 등의 면에서 30 내지 50% 정도가 바람직하다.

또한, 절연막(292)은 절연성을 갖는 것이면 실리콘 이외의 수지나 세라믹 등의 재료로 형성해도 좋고, 형성 장소도 외측 벽면 뿐 아니라, 내측 벽면이나 단부면에 형성해도 좋다.

(그 밖의 사항)

상기 실시 형태 및 변형예에서는, 집전체에 금속박을 이용하여 이들에 활성 물질을 도포한 극판을 이용한 원통형 리튬 이온 전지를 일례로 본 발명의 설명을 행했지만, 전극체의 중공 부분에 센터 핀이 삽입 설치된 밀폐 전지라면, 종류, 형상 등은 이들에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명은 니켈 수소 전지나 니켈 카드뮴 전지 등에 적용해도 유효하고, 스택 구조를 갖는 전극체를 구비하는 전지 등에 적용한 경우에도 유효하다.

또한, 안에 삽입 설치되는 센터 핀의 형상은 간편하게 형성 가능하다는 점에서 상술한 바와 같이 원통으로 하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 권취된 전극체를 갖는 편평각형 전지 등의 경우에는 전극체의 중앙부에 있어서의 중공 부분에 단면 형상이 장원형인 중공형 센터 핀을 이용하는 것도 가능하지만, 이와 같은 센터 핀에도 본 발명을 적용할 수 있다.

센터 핀의 재료는 상기에서는 스텐레스를 이용하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 알루미늄, 니켈, 티탄, 스틸 및 이들의 합금 등이어도 좋다.

또한, 상기 실시 형태 및 변형예에서는 슬릿을 마주보는 단부의 근방 전체에 대하여 내측을 향해 절곡 가공을 실시하였지만, 절곡 가공을 실시하는 영역은 단부의 일부 영역만이어도 좋다. 예를 들어 절곡 가공을 실시하는 영역은 센터 핀에 있어서 외력에 의해 변형을 받기 쉬운 부위(센터 핀의 축 방향에 있어서의 중앙부 부근 등)만이어도 좋다. 다만, 이와 같이 단부의 일부에 절곡 가공을 실시하는 경우에는 절곡 가공을 실시하는 영역과 실시하지 않는 영역의 경계 부분에 모서리 등이 남지 않도록 매끄럽게 가공해 두는 것이 바람직하다.

상기 실시 형태에 있어서는 센터 핀을 마주보는 단부 근방 영역에 절곡 가공을 실시하였지만, 어느 한 쪽 근방만을 절곡 가공한 경우에 있어서도 절곡 가공을 실시한 측에 있어서의 단부는 전극체에 손상을 입기 어려우므로, 그 만큼 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 센터 핀은 와권형으로 형성된 것이어도 좋다. 그 경우에는 외측으로 노출되는 단부만을 센터핀의 내측으로 빠지도록 절곡 가공하면, 마찬가지로 센터 핀이 변형된 경우에 있어서도 전극체에 손상을 입기 어려워지고, 밀폐 전지에 있어서의 내부 단락에 의한 이상 발열을 일으키기 어렵게 된다.

또한, 단면에 있어서, 3 부위 이상 단부를 갖는 형상의 센터 핀이어도 그 단부를 가상 외주 보다 내측에 위치하도록 형성하면 상기와 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.

(확인 실험)

이상에서와 같은 본 발명의 효과에 대하여 이하 실험 1, 2를 행하고 확인했다.

(실험 1)

우선, 실험 1에서는 상술한 실시 형태 중, 실험 형태 1의 효과를 확인하기 위한 실험을 행했다. 실험에는 이하에 표시한 5 종류의 실험예와 1 종류의 비교예의 리튬 이온 전지를 제작하여 이용했다.

실험에 이용한 전지는 다음과 같은 것이다.

·전지 종류 ; 원통형 리튬 이온 전지

·전지 치수 ; 외경 φ18㎜

높이 65㎜

·분리기 ; 재질 폴리에틸렌제 미세 다공막

막 두께 t = 25㎛

·센터 핀 ; 재질 스텐레스(SUS304)

판 두께 0.25㎜

외경 φ3.0㎜

높이 59.5㎜

(1) 실시예 1

센터 핀에 있어서, 슬릿을 마주보는 단부 근방 영역에 있어서의 외주면끼리 외측을 향해 각도 60˚를 이루도록 절곡 가공한다.

(2) 실시예 2

센터 핀에 있어서, 슬릿을 마주보는 단부 근방 영역에 있어서의 외주면끼리 외측을 향해 각도 80˚를 이루도록 절곡 가공한다.

(3) 실시예 3

센터 핀에 있어서, 슬릿을 마주보는 단부 근방 영역에 있어서의 외주면끼리 외측을 향해 각도 100˚를 이루도록 절곡 가공한다.

(4) 실시예 4

센터 핀에 있어서, 슬릿을 마주보는 단부 근방 영역에 있어서의 외주면끼리 외측을 향해 각도 120˚를 이루도록 절곡 가공한다.

(5) 실시예 5

센터 핀에 있어서, 슬릿을 마주보는 단부 근방 영역에 있어서의 외주면끼리 외측을 향해 각도 140˚를 이루도록 절곡 가공한다.

(6) 비교예

센터 핀에 있어서, 슬릿을 마주보는 단부 근방 영역에 있어서의 외주면끼리 외측을 향해 각도 180˚, 즉, 외주면에 절곡 가공을 실시하지 않았다(종래 제품).

이상의 (1) 내지 (6)의 리튬 이온 전지를 각 50개 제작하여 도4에 도시한 바와 같은 충격 시험을 행했다.

도4에 도시한 바와 같이, 충격 시험은 각 리튬 이온 전지(100)를 다이(200) 위에 놓고, 그 위에 외경 φ16㎜의 철봉(300)을 얹어서, 리튬 이온 전지(100)의 상방에서 중량 9.1kg의 추(400)를 5 수준의 높이에서 낙하시킨다. 추를 낙하시키는 높이는 리튬 이온 전지(100)의 상면으로부터 10cm, 20cm, 30cm, 40cm, 50cm로 했다. 각 수준에 대해 10개의 리튬 이온 전지(100)에 대하여 충격 시험을 행했다.

또한, 도면에 도시하지는 않지만, 철봉(300)의 양단부는 낙하한 추(400)가 닿는 시점에서 지지가 해제되는 지지체로 보유 지지되어 있다. 그리고, 리튬 이온 전지(100)에는 열전대를 부착해 두고, 전지의 온도를 측정했다.

본 실험에서는 상기 낙하 시험 후에 내부 단락을 일으킨 전지 갯수와 내부 단락을 일으킨 리튬 이온 전지(100)에 있어서, 전지의 온도가 130℃ 이상으로 된 전지 개수를 카운트했다. 그 결과를 표1에 표시한다.

[표 1]

추의 높이	비교예	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
10cm	1/1	0/0	0/0	0/0	0/0	0/0
20cm	2/2	0/0	0/0	0/0	0/0	0/0
30cm	4/4	0/0	0/0	0/0	0/0	1/1
40cm	0/10	0/10	0/10	0/10	0/10	0/10
50cm	0/10	0/10	0/10	0/10	0/10	0/10

표 안에 있어서의 수치는(내부 단락을 일으키고, 또 130℃ 이상이 된 전지 개수)/(내부 단락을 일으킨 전지 개수)를 표시한다.

표 1에 표시한 바와 같이, 추의 높이를 40cm 이상으로 한 경우에는, 시험을 실시한 리튬 이온 전지(100)의 전부의 수량에 있어서 분리기 파손에 의한 내부 단락을 일으켜서 상술한 바와 같이 단락 전류 밀도가 작고, 전지 온도가 130℃ 이상이 되는 전지는 없었다.

그리고, 비교예의 리튬 이온 전지에서는 추(400)의 높이 10cm 내지 30cm의 3 수준에 있어서, 내부 단락을 일으키는 동시에, 전지 온도가 130℃ 이상이 되어 있었다. 즉, 비교예의 리튬 이온 전지(100)는 작은 외력이 가해진 경우라도 센터 핀에 있어서의 슬릿을 마주보는 단부가 와권형 전극체에 손상을 주고, 내부 단락을 발생하고, 전지 온도가 130℃ 이상이 된 것을 알았다.

이에 반하여, 실시예 1 내지 실시예 4의 리튬 이온 전지에서는 추의 높이가 10cm 내지 30cm이 된 때의 충격 시험 후에 있어서의 내부 단락을 일으킨 전지는 없고, 변형에 대하여 우수한 것임을 알 수 있었다.

또한, 실시예 5의 리튬 이온 전지에서는, 충격 시험에 있어서, 추(400)를 높이 30cm에서 떨어뜨린 때에, 시험을 행한 10개 중 1개에서 내부 단락을 일으켰다. 실시예 5의 리튬 이온 전지는, 상술한 바와 같이, 센터 핀에 있어서의 슬릿을 마주보는 단부 근방 영역의 외주면끼리 이루는 각도가 140˚이다. 즉, 실시예 5의 리튬 이온 전지에서는 센터 핀의 단부는 상기 각도가 크기 때문에, 변형 전의 상태에 있어서도 와권형 전극체가 센터 핀의 근처에 위치하므로, 외력에 의해 센터 핀이 변형된 경우에 실시예 1 내지 실시예 4의 전지에 비해서 내부 단락이 발생하기 용이하다. 다만, 실시예 5의 리튬 이온 전지에서도 비교예의 것과 비교하면 훨씬 내부 단락의 발생이 억제되어 있다.

이상의 결과로부터, 센터 핀의 슬릿을 마주보는 단부 근방 영역에 있어서의 외주면이 이루는 각도는 120˚ 이하로 하는 것이 최적임을 알 수 있다.

또한, 실험은 행하지 않았지만, 상기 실시 형태 2에 관한 센터 핀(25)은 상기 실험 1에 있어서의 실시예 1 내지 실시예 4의 전지에 이용된 센터 핀보다도 전지에 외력이 가해진 때 내부 단락의 발생 억제 효율이 크다고 생각할 수 있다. 이는 센터 핀(25)이 외력에 의해 변형된 경우에도 그 슬릿을 마주보는 단부가 전극체에 접촉되기 어렵기 때문이다.

(실험 2)

다음에, 실험 2에서는 상술한 실시 형태 중, 실험 형태 3의 효과를 확인하기 위한 실험을 행했다. 실험에 이용된 전지는 다음과 같은 것이다.

·전지 종류 ; 원통형 리튬 이온 전지

·전지 치수 ; 외경 φ18㎜

높이 65㎜

·분리기 ; 재질 폴리에틸렌제 미세 다공막

막 두께 t = 25㎛

·센터 핀 ; 재질 스텐레스(SUS304)

판 두께 0.25㎜

외경 φ3.0㎜

높이 59.5㎜

(1) 실시예 1

상기 실험 1에 있어서의 실시예 1과 같은 사양의 리튬 이온 전지이며, 내장하는 센터 핀에는 창부 및 절연막이 형성되어 있지 않은 것이다.

(2) 실시예 6

이 리튬 이온 전지가 내장되는 센터 핀에는 상기 실시예 1의 것에 창부만 형성되어 있지만, 절연막이 형성되어 있지 않다. 창부 형상은 원형이며, 개구율이 50%가 되도록 설정되어 있다.

(3) 실시예 7

이 리튬 이온 전지가 내장하는 센터 핀은 상기 실시예 6의 센터 핀 외측 벽 면에 실리콘 수지가 코팅된 것이다.

이상 (1)∼(3)의 리튬 이온 전지를 각 40개 제작하고, 다음 3개의 시험에 의해 평가하였다.

(평가 1) 상기 도4와 마찬가지 시험 장치를 이용하여, 3 수준(20cm, 40cm, 60cm)의 추의 높이에서 충격 시험을 행했다. 시험에 이용되는 전지 수는 각 수준에서 30개씩으로 했다.

평가 방법은 상기 실험 1과는 달리, 시험 직후 전지 온도가 40℃ 이상이 되어 있는 전지 개수를 카운트 한 것이다.

(평가 2) 각 10개의 전지를 외부 가열 시험하고, 파열 전지 개수를 카운트하였다. 구체적으로는 만충전한 각 전지 250℃의 핫 플레이트 상에 얹어서 방치하고, 외장캔으로부터 전극체가 튀어나온 전지수를 카운트했다.

이들 결과와 각 전지에 이용한 센터 핀의 질량 측정 결과를 표 2에 표시한다.

[표 2]

충격 시험	추의 높이	실시예 1	실시예 6	실시예 7
	20cm	5	0	0
	40cm	9	3	0
	60cm	10	10	10
외부 가열 시험		0	0	0
센터 핀의 질량 (g)		1.0	0.5	0.6

표 2에 도시한 바와 같이, 센터 핀의 질량은 실시예 1의 것이 1.0g으로 가장 무거운 것에 반하여, 실시예 6 및 실시예 7의 것은 각각 0.5g, 0.6g으로 경량임을 알 수 있다. 실시예 6과 실시예 7 사이의 질량 차는 절연막의 질량에 상당한다.

또한, 충격 시험에 있어서는 실시예 1이 추의 높이가 20cm의 경우에도 10개 중 5개의 전지에서 40℃ 이상이 되어 있으며, 50%의 확률로 내부 단락이 발생하고 있음을 알았다. 이에 반하여, 실시예 6, 실시예 7의 전지에서는 추의 높이가 20cm의 경우, 40℃ 이상이 된 전지는 없고, 외력을 받아도 내부 단락을 일으키기 어려움을 알 수 있다. 특히, 실시예 7의 전지에서는 추의 높이를 40cm으로 한 경우에 있어서도 시험 후에 40℃ 이상이 된 전지는 없고, 내부 단락을 일으키기 어렵다.

외부 가열 시험에 대해서는 전부 전지(실시예 1, 실시예 6, 실시예 7)에서 파열은 생기지 않았다. 즉, 센터 핀은 250℃의 열이 전지에 가해져도 확실하게 가스 배출 경로를 확보하고 있다.

따라서, 창부를 갖는 센터 핀을 내장하는 전지에서는, 창부만큼 중량이 경감되고, 또 전지가 외력을 받아도 센터 핀이 전극체에 손상을 주기 어렵고, 내충격성이 우수하다.

또한, 창부를 갖고, 또 외벽면에 절연막이 형성된 센터 핀을 전지에 내장한 경우에는 중량적으로 절연막 만큼 무거워지지만, 내충격성이라는 면에서 우수한 효과를 발휘한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 분리기를 개재하여 배치된 정극판과 부극판이 내부 공간을 갖는 형상으로 형성되어지는 전극체와, 전극체의 내부 공간에 삽입 설치되는 원통의 센터 핀을 갖는 밀폐 전지에 있어서, 센터 핀이 측벽에 단부를 갖고 있으며, 이 슬릿을 마주보는 단부의 적어도 일부 영역이 전극체와 접 촉하지 않도록 센터 핀의 가상 외주 보다 내측에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명의 밀폐 전지에서는 센터 핀에 있어서의 슬릿을 마주보는 단부의 적어도 일부 영역이 센터 핀의 가상 외주 보다 내측에 배치되어 있으며, 외력에 의해 센터 핀이 변형된 경우에 있어서도, 적어도 내측에 배치된 단부가 전극체에 손상을 입기 어려워지고, 내부 단락에 의한 이상 발열을 일으키기 어렵다.

특히, 본 발명의 밀폐 전지에서는 상기 슬릿을 마주보는 단부 근방 영역의 외주면끼리 이루는 각도를 센터 핀의 외측을 향해 120˚ 이하로 설정하는 경우에 센터 핀 변형시에 있어서의 전극체가 받는 손상을 매우 적게 할 수 있다. 따라서, 센터 핀을 상기 구성으로 한 경우에, 본 발명은 특히 효과적이다.

Claims (9)

1. 분리기를 개재하여 배치된 정극판과 부극판이 내부 공간을 갖는 형상으로 형성되어 이루어지는 전극체와, 전극체의 내부 공간에 삽입 설치되는 통형의 센터 핀을 갖는 밀폐 전지이며,

   상기 센터 핀은 측벽에 2개의 단부를 갖고 있으며,

   상기 각 단부의 근방 영역에 있어서의 외주면은 각각 상기 전극체와 접촉하지 않도록 상기 센터 핀의 내측으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 밀폐 전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 외주면끼리 이루는 각도는 상기 센터 핀의 외측을 향해 120˚이하인 것을 특징으로 하는 밀폐 전지.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 슬릿을 마주보는 양단부 중 적어도 한 쪽은 그 근방 영역에 있어서의 상기 센터 핀의 내주면에 접촉 또는 근접하고 있는 것을 특징으로 하는 밀폐 전지.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 센터 핀의 측벽에는 상기 센터 핀의 내외를 연통하는 창부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 밀폐 전지.
7. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 센터 핀은 금속 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 밀폐 전지.
8. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 전극체는 상기 정극판과 부극판이 권취되어 이루어지고, 와권형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 밀폐 전지.
9. 제1항 또는 제4항에 있어서, 그 밀폐 전지는 비수 2차 전지인 것을 특징으로 하는 밀폐 전지.

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