KR100696787B1 - 캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지에 관한 것으로서, 온도에 감응하여 전지 내부의 가스를 배출시키는 안전벤트를 구비하여 신뢰성 및 안전성이 향상된 캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.

Description

캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지{Cap Assembly and Lithium Ion Secondary Battery with the same}
도 1a 및 도 1b는 종래의 캡 조립체를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 리튬이온 이차전지 단면도.
도 3은 본 발명의 도 2의 1영역을 확대 도시한 확대도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안전벤트 영역을 확대 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안전벤트 영역을 확대 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 안전벤트 영역을 확대 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
30...리튬이온 이차전지 31...케이스
32...전극 조립체 34...제 1 전극판
35...세퍼레이터 36...제 2 전극판
37...제 1 전극 탭 38...제 2 전극 탭
300..캡 조립체 310...캡 플레이트
311...단자통공 312...전해액 주입구
320...전극단자 380...안전벤트 홀
390, 390a, 390b, 390c...마개 400...솔더
410...노치
본 발명은 캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지에 관한 것으로서, 온도에 감응하여 작동되는 신뢰성 및 안전성이 향상된 캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능하며 소형 및 대용량화가 가능한 전지를 말하는 것으로, 대표적으로는 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지와 니켈수소(Ni-MH)전지, 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다. 근래에 개발된 리튬 이온 이차 전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
특히, 리튬이온 이차전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬이온 이차전지는 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 리튬이온 이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지는 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
상기 리튬이온 이차전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취되어 형성된 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수용하는 리튬이온 이차전지용 케이스와 상기 케이스 내측에 주입되어 리튬이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬이온 이차전지는 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 권취하여 전극 조립체를 제조한다. 상기 전극 조립체는 상기 리튬이차 전지용 케이스에 수용되고, 상기 리튬이차 전지용 케이스 상단에 캡 조립체가 조립되어 상기 전극 조립체의 이탈을 방지한다. 상기 캡 조립체가 조립된 리튬이온 이차전지용 케이스에 전해액을 주입하고 밀봉하여 전지를 완성한다.
통상적으로 전지가 정상 충전될 경우에는 유기 용매의 용융, 음극의 SEI막 열분해 반응, 음극 활물질과 전해액과의 반응, 양극 활물질에서 분해된 산소와 전해액과의 반응, 리튬의 분해 등의 반응이 순차적으로 발생한다. 그러나 과충전 될 때에는 상기의 반응들이 동시 다발적으로 진행되어 발열 반응을 진행시키게 되며, 이로 인해 분출된 가스로 인하여 전지는 팽창과 동시에 불안정한 상태로 된다. 가스의 발생은 전지가 파열되기까지 계속 진행되므로 전지의 안전성을 위하여 소정의 압력에서 전지 외부로 가스를 방출시켜야 한다.
이러한 현상에 대한 안전대책으로는 피티씨 서미스터(Positive Temperature Coefficient thermistor)의 내장, 셧다운 기능이 있는 세퍼레이터의 채택 등이 있고, 이 외에 가스 발생에 의해 작동하는 안전벤트가 있다. 상기 안전벤트는 일반적으로 캡 조립체에 형성된 얇은 영역을 말하며, 가스 발생으로 인하여 전지가 스웰링 될 경우 파단 되어 가스를 배출시켜 전지의 안전성을 유지시키는 역할을 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 캡 조립체를 설명하기 위한 도면을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상기 동시 다발적으로 진행되는 발열반응에 의해 발생되는 가스를 방출시키기 위해 상기 캡 조립체는 안전벤트(190)가 형성되어 있는 캡 플레이트(100)를 구비한다. 상기 안전벤트(190)는 상기 전지의 내압이 상승할 때, 파단 되어 내부의 가스 등이 외부로 배출되도록 함으로써 전지의 안전성을 향상시킨다.
그러나 일반적으로 과충전 될 때에는 전지의 내부 압력뿐만 아니라 온도도 함께 상승하게 되지만, 상기 안전벤트는 전지의 내압에 의해서만 작동되고 온도 상승에 대해서는 반응하지 않아 급격한 온도 상승에 따른 전지의 안전성을 확보할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지에 관한 것으로서, 온도에 감응하여 작동되는 신뢰성 및 안전성이 향상된 캡 조립체 및 이를 구비하는 리튬이온 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 적어도 안전벤트 홀이 형성된 캡 플레이트를 구비하는 캡 조립체에 있어서, 상기 캡 플레이트에 형성된 안전벤트 홀은 마개가 결합 되어 마감되며, 상기 마개는 상기 마개 상부에 위치되며, 소정 온도에서 용융되는 솔더에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체를 제공한다.
또한, 본 발명은 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 권취형 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스와; 적어도 안전벤트 홀이 형성되어 있으며 상기 안전벤트 홀은 마개가 결합되어 마감되며, 상기 마개는 상기 마개 상부에 위치되며 소정 온도에서 용융되는 솔더에 의해 고정되는 캡 플레이트를 구비하는 캡 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지를 제공한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리튬이온 이차전지를 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 단면도를 나타내며, 도 3은 본 발명의 도 2의 1영역을 확대 도시한 확대도를 나타낸다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리튬이온 이차전지(30)는 케이스(31)와, 상기 케이스(31)의 내부에 수용되는 전극 조립체(32)와 상기 케이스(31)의 상부에 결합되는 캡 조립체(300)를 포함한다.
상기 케이스(31)는 상부가 개방된 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 일반적으로 가볍고 부식에 대처가 용이한 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용된다. 또 한, 그 자체가 단자 역할을 수행하는 것이 가능하다.
상기 전극 조립체(32)는 제 1 전극판(34)과, 제 2 전극판(36)과, 상기 제 1 전극판(34) 및 제 2 전극판(36) 사이에 개재되어 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(35)를 포함하고 있다.
상기 전극 조립체(32)는 제 1 전극판 및 제 2 전극판(34,36)과, 세퍼레이터(35)가 각각 한 장의 스트립으로 이루어져 있으며, 제 1 전극판(34), 세퍼레이터(35), 제 2 전극판(36), 세퍼레이터(35) 순으로 배치되어, 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 감겨져 있다.
상기 제 1 전극판(34)에는 제 1 전극 탭(37), 제 2 전극판(36)에는 제 2 전극 탭(38)이 용접되어 있으며 상기 제 1 전극 탭(37) 및 제 2 전극 탭(38)의 일단은 상기 전극 조립체(32)의 상측으로 돌출하여 있다. 상기 제 1 전극탭(37) 및 제 2 전극탭(38)은 절연 테이프(39)로 감싸여져 있어 양 극판 간의 단락을 방지할 수 있다. 상기 제 1 전극판(34) 및 제 2 전극판(36)은 양극판 또는 음극판으로 작용될 수 있다.
음극판으로 사용되는, 예를 들면, 제 1 전극판(34)은 전도성의 금속 박판, 이를테면 구리 호일로 된 음극 집전체와, 그 양면에 탄소재를 주성분으로 하는 슬러리가 코팅되어 있다.
양극판으로 사용되는, 예를 들면, 제 2 전극판(36)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예컨대 알루미늄 호일로 된 양극 집전체와, 그 양면에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 슬러리가 코팅되어 있다.
상기 세퍼레이터(35)는 폴리 에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 위 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 세퍼레이터(35)는 상기 제 1 전극판(34) 및 제 2 전극판(36)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판(34,36)간의 단락을 방지하는데 유리하다고 할 것이다.
상기 캡 조립체(300)에는 상기 케이스(31)의 개구부와 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡 플레이트(310)가 구비되어 있다. 상기 캡 플레이트(310)의 중앙부에는 단자통공(311)이 형성되어 있으며, 일측에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(312) 및 안전벤트 홀(380)이 형성되어 있다.
상기 캡 플레이트(310)에 구비된 상기 단자통공(311)에는 전극 단자(320), 예를 들어, 음극 단자가 삽입 가능하도록 위치하고 있다. 상기 전극단자(320)의 외부 면에는 상기 캡 플레이트(310)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(330)이 설치된다. 상기 캡 플레이트(310)의 단자통공(311) 근방의 캡 플레이트(310) 하면부에는 절연 플레이트(340)가 배치되어 있으며, 상기 절연플레이트(340)의 하면부에는 단자 플레이트(350)가 설치되어 있다.
상기 전극단자(320)는 상기 가스켓(330)이 외주면을 감싼 상태에서 상기 단자통공(311)을 통하여 삽입되어 있다. 상기 전극 단자(320)의 하면부는 상기 절연 플레이트(340)를 개자한 상태에서 단자 플레이트(350)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 전극 조립체(32)의 상면에는 상기 전극 조립체(32)와 캡 조립체(300)를 전기적으로 절연시켜 주며, 이와 동시에 상기 전극 조립체(32)의 상단부를 커버할 수 있는 절연 케이스(370)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(370)는 절연성을 가지는 고분자 수지로써, 바람직하게는 폴리프로필렌으로 이루어지나, 본 발명의 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 캡 플레이트(310)에 형성된 전해액 주입구(312)는 볼(360)로 밀폐되며, 상기 볼(360)은 그 상부로부터 승강운동을 하는 프레스와 같은 가압수단으로 상기 전해액 주입구(312)에 압착하는 것이 가능하다. 상기 전해액 주입구(312)는 볼(360)을 압착시킨 후, 상기 볼(360)과 캡 플레이트(310) 사이에 압착된 경계부분을 따라서 레이저 용접을 통하여 용접 부위(미도시)가 형성됨으로써 밀폐되는 것이 가능하다.
상기 캡 플레이트(310) 일측에 형성된 안전벤트 홀(380)은 일정 내압시 파단 되는 마개(390)로 마감될 수 있으며, 상기 마개(390)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 금속 박판뿐만 아니라 연성수지로도 형성될 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 마개(390)는 상기 안전벤트 홀(380)에 결합되어 상기 안전벤트 홀(380)을 마감하며, 소정 온도에서 용융되는 솔더(400)에 의해 고정된다. 상기 마개(390)는'ㅁ'자 형상으로 구성되어 내부는 비어 있으며 외측 면은 내부 압력이 일정 압력 이상으로 증가할 때, 가스를 방출 할 수 있도록 두께가 상기 캡 플레이트(310)의 두께보다 얇게 형성된다.
상기 안전벤트 홀(380) 및 마개(390) 상측에 위치되며 상기 마개(390)를 고 정시키는 솔더(400)의 용융점은 90 내지 110℃인 것이 바람직하다. 상기 솔더(400)의 용융점이 90℃ 이하일 경우 전지의 제조 공정 중 에이징 공정에서 녹을 수 있는 문제점이 있으며, 용융점이 110℃을 초과할 경우에는 이차전지의 내부 온도 상승에 민감하게 반응할 수 없게 되며, 이에 따라 전지의 과열 및 내압 상승에 대해 상기 솔더(400)가 용융되거나 마개(390)가 쉽게 파단 될 수 없어, 전지의 폭발 등의 위험성이 있다.
상기 솔더(400)는 주석(Sn), 아연(Zn) 및 납(Pb)의 합금이나, 주석(Sn), 납(Pb) 및 비스무트(Bi)의 합금 또는 그 등가물이 가능하며, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 주석(Sn)의 함량이 낮아지면 용융점이 증가하므로, 상기 주석(Sn)의 함량은 20 내지 90% 포함된 것을 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 리튬이온 이차전지(30)는 과충전 등에 의해 전지 내부의 온도가 상승하게 될 경우, 상기 솔더(400)가 용융되고, 이에 따라 상기 안전벤트 홀(380)에 결합된 마개(390)가 내부의 작은 압력에 의해서도 쉽게 이탈될 수 있어 전지 내부의 가스를 배출시킬 수 있으며, 전지의 폭발, 화재를 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안전벤트 영역을 확대 도시한 단면도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 도시된 바와 같이 캡 플레이트(310)에는 안전벤트 홀(380)이 형성되어 있으며, 상기 안전벤트 홀(380)은 '∩'자 형상의 마개(390a)가 결합되어 밀봉된다. 상기 마개(390a)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 금속 박판 및 연성 수지 바람직하게는 고무로도 형성될 수 있으나, 본 발명에서 위 재질을 한정 하는 것은 아니다. 상기 마개(390a)는 솔더(400)에 의해 상기 캡 플레이트(310)에 고정된다.
상기 마개(390a)는 하측부로 홈이 형성되어 있어 전지의 내압 상승에 따른 파단이 용이하게 이루어질 수 있어 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 상기 솔더(400)는 전지의 내부 온도가 상승시 용융되어 상기 안전벤트 홀(380)에 결합되어 있는 마개(390a)가 용이하게 이탈될 수 있도록 하여, 전지 내부의 압력뿐만 아니라 온도에 의해서도 작동하여 전지의 안전성을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안전벤트 영역을 확대 도시한 단면도를 나타내며, 도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 안전벤트 영역을 확대 도시한 단면도를 나타낸다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 마개(390b,390a)는 상기 캡 플레이트(310)의 내측 또는 외측 방향으로 노치가 형성되어 있어 가스 발생으로 인한 내부의 압력이 일정 이상이 될 때, 쉽게 파단 될 수 있다. 상기 노치는 V 또는 U 자 형상으로 형성될 수 있다. 상기 마개(390b,390a)는 솔더(400)에 의해 고정되며, 상기 솔더(400)는 90 내지 110℃에서 용융되어 전지의 내부 온도 상승시 상기 마개(390b,390a)가 쉽게 이탈될 수 있도록 한다.
여기서 상기 마개(390)의 형상은 'ㅁ'자 및 '∩'자 형상으로 형성된 것을 예로 하여 설명하였지만, 본 발명에 따른 마개(390)의 형상은 상기의 예로 한정되지 않는다. 예를 들어,'∪'자,'Ｈ'자 등의 다양한 형상이 가능하다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 내부의 온도 상승에 감응하여 안전벤트 홀을 마감하는 마개를 용이하게 이탈시킬 수 있어 내부의 압력뿐만 아니라 온도의 상승에 의해서도 내부의 가스를 방출시켜 전지의 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (18)

  1. 적어도 안전벤트 홀이 형성된 캡 플레이트를 구비하는 캡 조립체에 있어서,
    상기 캡 플레이트에 형성된 안전벤트 홀은 마개가 결합 되어 마감되며, 상기 마개는 상기 마개 상부에 위치되며, 90 내지 110℃에서 용융되는 솔더에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 솔더는 주석(Sn), 아연(Zn) 및 비스무트(Bi)의 합금인 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 솔더는 주석(Sn), 납(Pb) 및 비스무트(Bi)의 합금인 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 마개는 일정 내압에 파단 되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 금속 박판 또는 연성 수지로 형성된 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 마개는'ㅁ'자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 마개는'∩'자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 마개의 내측에는 노치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 마개는 외측에 노치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 노치는 V 또는 U 자 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  11. 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하는 권취형 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체를 수용하기 위한 공간을 구비하는 케이스와;
    적어도 안전벤트 홀이 형성되어 있으며 상기 안전벤트 홀은 마개가 결합되어 마감되며, 상기 마개는 상기 마개 상부에 위치되며 90 내지 110℃에서 용융되는 솔더에 의해 고정되는 캡 플레이트를 구비하는 캡 조립체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  12. 삭제
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 솔더는 주석(Sn), 아연(Zn) 및 비스무트(Bi)의 합금인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 솔더는 주석(Sn), 납(Pb) 및 비스무트(Bi)의 합금인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 마개는 일정 내압에 파단 되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 금속 박판 또는 연성 수지로 형성된 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 마개는'ㅁ'자 또는 '∩'자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 마개의 내측 또는 외측에는 노치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 노치는 V 또는 U 자 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
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