KR100696792B1 - 원통형 리튬 이온 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 보이드 불륨을 줄여 과충전시 안전 벤트를 신속히 작동시키고, 열적 안정성을 향상시켜 폭발 및 발화 현상을 방지하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 의한 해결 방법의 요지는 보이드 볼륨을 줄이고, 전기적 쇼트를 방지하기 위해 상부에 소정 두께의 상부 절연 링이 안착된 전극 조립체와, 상단 및 하단이 폐색(閉塞)된 채 전극 조립체에 결합된 센터핀과, 전극 조립체 및 센터핀이 수납된 캔과, 캔의 상부에 결합된 동시에, 상부 절연 링에 안착된 캡 조립체를 포함하는 원통형 리튬 이온 이차 전지가 개시된다.
원통형 이차 전지, 센터핀, 뚜껑, 안전 벤트, 회로기판, 보이드 볼륨

Description

원통형 리튬 이온 이차 전지{Cylindrical lithium ion secondary battery}
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도이다.
도 2a는 과충전에 의해 낮은 압력 발생으로 안전 벤트가 변형된 상태를 도시한 단면도이고, 도 2b는 높은 압력 발생으로 안전 벤트가 파열된 상태를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 4a는 과충전에 의해 낮은 압력 발생으로 안전 벤트가 변형된 상태를 도시한 단면도이고, 도 4b는 높은 압력 발생으로 안전 벤트가 파열된 상태를 도시한 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100,200; 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지
110; 전극 조립체 111; 음극판
112; 양극판 113; 세퍼레이터
114; 음극탭 115; 양극탭
116; 하부 절연 링 117; 상부 절연 링
120; 센터핀 121; 몸체
122; 뚜껑 122a; 결합부
122b; 테퍼부 122c; 필름
123; 가스화 부재 124; 난연 부재
130; 캔 131; 원통면
132; 바닥면 133; 비딩부
134; 크림핑부 140; 캡 조립체
141; 가스켓 142; 안전 벤트
143; 회로기판 143a; 배선 패턴
144; 양성 온도 소자 145; 양극 캡
145a; 통공
본 발명은 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 보이드 불륨을 줄여 과충전시 안전 벤트를 신속히 작동시키고, 열적 안정성을 향상시켜 폭발 및 발화 현상을 방지할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 원통형 리튬 이온 이차 전지는 센터핀이 결합된 원통 형태의 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 결합되는 원통 형태의 캔과, 상기 캔 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동이 가능하도록 하는 전해액과, 상기 캔의 일측에 결합되어 상기 전해액의 누액을 방지하고, 전극 조립체의 이탈을 방지하는 캡 조립체 등으로 이루어져 있다.
이러한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 통상 그 용량이 2000~2400mA 정도이기 때문에, 주로 대용량의 전력이 필요한 노트 피씨(note PC), 디지털 카메라, 캠코더 등에 장착되고 있다. 일례로 이러한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 다수개가 필요한 개수만큼 직병렬로 연결되고, 또한 보호회로가 장착된 채 소정 형태의 하드팩(hard pack)으로 조립되어 상기 전자기기에 전원용으로 결합되어 이용된다.
또한, 이러한 원통형 리튬 이온 이차 전지의 제조 방법은 음극 활물질이 코팅된 음극판, 세퍼레이터 및 양극 활물질이 코팅된 양극판을 함께 적층한 후, 봉형태의 권취축에 일단을 결합한 후, 대략 원통 형태로 권취하여 전극 조립체를 형성한다. 이어서, 상기 전극 조립체에 센터핀을 결합한 후, 이를 원통형 캔에 삽입한다. 이어서, 상기 원통형 캔에 전해액을 주입하고, 캡 조립체를 상기 원통형 캔의 상부에 결합함으로써, 대략 원통 형태의 리튬 이온 전지를 완성한다.
한편, 이러한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 과충전시 폭발 및 발화 현상을 방지하기 위해, 과충전에 의한 내부 압력 증가시 형태가 변형되는 안전 벤트, 상기 안전 벤트의 형태 변경에 의해 전류가 차단되는 회로 기판이 설치되고 있다. 통상 상기 안전 벤트 및 회로 기판은 총칭하여 CID(Current Interrupt Device)라고도 하며, 이는 캡 조립체의 한 구성 요소가 된다.
이러한 원통형 리튬 이온 이차 전지의 안전 벤트 및 회로기판의 작용을 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
예를 들어, 원통형 리튬 이온 이차 전지가 과충전 상태가 되면, 전극 조립체의 대략 상부 영역부터 전해액이 증발하여 저항이 증가하기 시작한다. 더욱이, 이때 전극 조립체의 대략 중심 영역부터 변형이 일어나 리튬이 석출되기 시작한다. 물론, 상기 전극 조립체의 상부 영역의 저항 증가에 따라 국부적으로 발열이 시작되어 전지 온도도 급상승한다.
이와 같은 상태가 되면, 통상 과충전시 분해되어 가스를 발생하는 사이클로 헥실 벤젠(CHB) 및 바이 페닐(BP)(전해액 첨가제) 등의 작용에 의해 내부 압력이 급격히 증가하게 된다. 이러한 내부 압력은 캡 조립체의 한 구성 요소인 상기 안전 벤트를 바깥 방향으로 밀어내고(즉, 바깥 방향으로 변형시키고), 이에 따라 그 위에 설치되어 있던 회로 기판이 파손됨으로써 전류를 차단하게 된다. 즉, 회로기판에 형성된 배선 패턴이 끊어짐으로써, 더 이상 전류가 흐르지 않게 된다. 물론, 전류가 차단되면 과충전 상태가 정지됨으로써, 전지의 폭발 및 발화 현상도 방지된다.
한편, 상기와 같은 과충전 현상에 의해 전지 내부 압력이 임계치 이상이 되면, 상기 안전 벤트 자체가 찢어지면서 내부 가스가 모두 외부로 방출되기도 한다.
그런데, 일반적으로 전지 내부에는 보이드 볼륨(void volume) 또는 데드 볼륨(dead volume)이라는 것이 존재한다. 즉, 전극 조립체와 캡 조립체 사이의 비어 있는 공간, 센터핀 내부의 비어 있는 공간을 모두 보이드 볼륨으로 볼 수 있다. 이러한 보이드 볼륨은 상술한 안전 벤트의 변형 또는 파열 시간을 지연시키는 한 원인으로 생각되고 있다. 다른 말로 하면, 상기 보이드 볼륨은 전류 차단 시간을 지 연시켜 전지의 각종 안정성을 저해하는 것으로 생각되고 있다.
예를 들어, 전지의 종류에 따라 약간씩 차이가 있는 하지만, 전지 내부의 안전 벤트를 변형시키는 압력(또는 회로 기판을 파괴시키는 압력)은 대략 5~11Kgf/cm2이고, 보이드 볼륨이 대략 2ml이면, 상기 안전 벤트의 변형을 위해 대략 10~22ml의 가스가 필요하다. 그러나, 계산상 전해액 중에 포함된 0.7%의 CHB가 모두 분해된다고 해도 대략 4.116ml의 가스가 발생하고, 또한 0.3%의 BP가 모두 분해된다고 해도 대략 1.833ml의 가스가 발생한다. 더불어, 화성 공정에서 대략 1.5ml의 가스가 더 발생한다. 그러나, 이러한 3가지 가스를 모두 합쳐도 대략 7.449ml밖에 안되고, 이때 대략 3.75kgf/cm2의 힘을 상기 안전 벤트에 가하게 될 뿐이다. 즉, 과충전시 안전 벤트를 변형시키거나 또는 이로 인해 회로기판을 파괴시키는 압력은 대략 5~11Kgf/cm2이 필요하지만, 실제로 보이드 볼륨에 의해 대략 3.75kgf/cm2만 제공됨으로써, 안전 벤트가 동작하지 않거나 또는 안전 벤트의 동작 시간이 지연된다. 다른 말로 하면, 과충전시 전류 차단 시간이 지연된다. 따라서, 그 지연된 시간만큼 과충전이 더 진행되고, 또한 전지 온도도 더 증가함으로써, 전지의 폭발이나 발화가 일어날 확률이 매우 높아지는 문제가 있다. 물론, 전해액의 첨가제인 사이클로 헥실 벤젠(CHB)이나 바이 페닐(BP) 등의 함량을 증가시키면 과충전시 발생하는 가스량이 증가하기는 하지만, 이 경우에는 트레이드 오프(trade off) 관계에 있는 전지의 용량이나 품질이 저하되는 다른 여러 가지 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전지 내부의 보이드 볼륨을 줄여 과충전시 안전 벤트의 변형 시간 및 전류 차단 시간을 최소화할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전지의 과충전과 동시에 온도가 소정 온도 이상이 되면 내부 가스 압력을 더욱 증가시키고, 또한 이러한 가스가 안전 벤트쪽으로 더욱 잘 흘러가도록 하여 안전 벤트의 변형 시간 및 전류 차단 시간을 최소화할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 전지의 과충전과 동시에 온도가 소정 온도 이상이 되면 난연 부재를 전지 내부로 도입하게 되어 전지의 발화 현상을 미연에 방지할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 보이드 볼륨을 줄이고 전기적 쇼트를 방지하기 위해 상부에 소정 두께의 상부 절연 링이 안착된 전극 조립체와, 상단 및 하단이 폐색(閉塞)된 채 상기 전극 조립체에 결합된 센터핀과, 상기 전극 조립체 및 센터핀이 수납된 캔과, 상기 캔의 상부에 결합된 동시에, 상기 절연 링에 안착된 캡 조립체를 포함한다.
여기서, 상기 센터핀에는 상단 및 하단에 결합된 동시에, 소정 온도에서 용융되거나 파열되는 뚜껑이 결합될 수 있다.
또한, 상기 센터핀의 내측에는 소정 전압에서 가스화되고, 발화를 억제하는 가스화 부재 및 난연 부재가 더 위치될 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 전극 조립체와, 상단 및 하단이 폐색(閉塞)된 채 상기 전극 조립체에 결합된 센터핀과, 상기 전극 조립체 및 센터핀이 수납된 캔과, 상기 캔의 상부에 결합된 캡 조립체와, 상기 전극 조립체와 캡 조립체 사이에 충진되어 보이드 볼륨을 줄이는 보이드 볼륨 감소 부재를 포함한다.
여기서, 상기 보이드 볼륨 감소 부재는 캔에 전해액 주입후 발포된 다공성의 재료일 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 상부 절연 링의 두께가 종래에 비해 대폭 커지는 동시에 센터핀이 폐색되거나, 또는 캡 조립체와 전극 조립체 사이에 다공성 재료가 발포 형성되는 동시에 센터핀이 폐색됨으로써, 안전 벤트(또는 회로기판)의 동작 시간을 지연시키는 보이드 볼륨(또는 데드 볼륨)을 현저히 감소시키게 된다. 따라서, 전지의 과충전시 내부 압력이 안전 벤트쪽으로 신속히 집중되어 그 동작 시간이 최소화되고, 또한 전류 차단 시간도 최소화됨으로써, 과충전 현상도 신속히 정지된다.
또한, 전지의 온도가 소정 온도 이상이 되면 센터핀의 상단 및 하단이 개방되어 굴뚝 역할을 함으로써, 내부의 가스화 부재가 외부로 신속히 배출될 뿐만 아니라 미리 형성된 가스도 안전 벤트쪽으로 신속히 움직인다. 더욱이, 상기 배출된 가스화 부재는 소정 전압에 의해 가스화됨으로써, 안전 벤트 및 회로기판이 더욱 신속히 작동된다. 물론, 전지의 온도도 더 이상 증가하지 않게 됨으로써, 전지의 열적 안정성도 향상된다.
또한, 전지의 온도가 소정 온도 이상이 되면 센터핀 내부의 난연 부재도 외부로 배출됨으로써, 전지의 발화 현상이 원천적으로 방지된다.
결론적으로, 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 내부의 쓸모없는 보이드 볼륨 또는 데드 볼륨을 현저히 줄여, 안전 벤트 및 회로기판의 동작 시간을 종래에 비해 현저하게 앞당기게 된다. 또한, 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 센터핀 내부에 가스화 부재 및/또는 난연 부재가 위치되어, 전지의 과충전, 폭발 및 발화 현상이 원천적으로 방지된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지의 사시도, 단면도 및 분해 사시도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 전극 조립체(110)와, 상기 전극 조립체(110)에 결합된 동시에, 상단 및 하단이 폐색(閉塞)된 센터핀(120)과, 상기 전극 조립체(110) 및 센터핀(120)이 수납된 캔(130)과, 상기 캔(130)의 상부를 막는 캡 조립체(140)를 포함한다.
상기 전극 조립체(110)는 음극 활물질(예를 들면 흑연)이 코팅된 음극판(111), 양극 활물질(예를 들면 코발트산리튬(LiCoO2))이 코팅된 양극판(112) 및, 음 극판(111)과 양극판(112)과 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(113)로 이루어져 있으며, 위의 음극판(111), 양극판(112) 및 세퍼레이터(113)는 대략 원기둥 형태로 권취되어 원통형 캔(130)에 수납되어 있다. 여기서, 상기 음극판(111)은 구리(Cu) 포일, 상기 양극판(112)은 알루미늄(Al) 포일, 상기 세퍼레이터(113)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 음극판(111)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(114)이, 상기 양극판(112)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극탭(115)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 더불어, 상기 음극탭(114)은 니켈(Ni) 재질, 상기 양극탭(115)은 알루미늄(Al) 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어, 상기 전극 조립체(110)의 하부에는 하부 절연 링(116)이, 상부에는 상부 절연 링(117)이 각각 위치되어 전극 조립체(110)와 원통형 캔(130)의 불필요한 전기적 쇼트가 방지되도록 되어 있다.
더욱이, 상기 상부 절연 링(117)은 두께가 상기 하부 절연 링(116)의 대략 2배에서 5배 정도 더 두껍게 형성되어 있다. 물론, 상기 상부 절연 링(117)은 종래와 같은 얇은 것을 다수개 적층하여 이러한 두께가 되도록 할 수 있다. 이와 같은 상부 절연 링(117)은 통상 캡 조립체(140)중 하기할 절연 가스켓과 접촉되어 있다. 이와 같이 상부 절연 링(117)의 두께를 두껍게 한 이유는 캔(130) 내부에서 쓸모없는 보이드 볼륨 또는 데드 볼륨을 최소화함으로써, 과충전시 압력이 하기할 안전 벤트에 더욱 신속히 전달되도록 하기 위함이다. 도면중 미설명 부호 117a는 가스가 통과하는 중앙 통공이고, 미설명 부호 117b는 음극 탭(115)이 관통하는 외측 통공이다.
상기 센터핀(120)은 상기 전극 조립체(110)의 대략 중앙에 결합되어 있으며, 이는 전지의 충방전중 상기 전극 조립체(110)의 변형을 억제하는 역할을 한다. 또한, 상기 센터핀(120)은 상단과 하단이 뚜껑(122)으로 각각 폐색되어 있음으로서, 캔(130) 내부에서의 보이드 볼륨 또는 데드 볼륨이 더욱 줄어들 수 있도록 되어 있다. 즉, 종래에는 상기 센터핀(120)의 상단과 하단이 모두 관통된 형태를 함으로써, 상기 센터핀(120)의 내부도 보이드 볼륨 또는 데드 볼륨으로 작용했으나, 본 발명은 그렇치 않다.
이러한 센터핀(120)은 상단 및 하단이 관통된 일체의 몸체(121)를 포함한다. 즉, 상기 몸체(121)는 속이 비어 있는 파이프 형태를 한다. 또한, 상기 몸체(121)의 상단과 하단에는 제조 비용을 절감하기 위해 종래와 같은 테퍼(taper)가 형성되어 있지 않다. 또한, 상기 몸체(121)는 통상의 스틸, 스텐레스 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물로 형성 가능하나 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어, 상기 몸체(121)의 상단과 하단에 결합된 뚜껑(122)은 상기 몸체(121)에 직접 결합되는 결합부(122a), 상기 몸체 외측으로 일정 길이 노출되고 직경이 점차 작아지는 테퍼부(122b), 상기 결합부(122a)와 테퍼부(122b) 사이에 형성되어 실제로 몸체(121)를 막는 필름(122c)으로 이루어져 있다. 여기서, 상기와 같이 테퍼부(122b)를 형성한 이유는 센터핀(120)을 전극 조립체(110)의 중앙에 비교적 쉽게 결합시키고, 또한 결합중 전극 조립체(110)가 손상되지 않도록 하기 위함이다. 한편, 상기 뚜껑 (122)은 소정 온도(예를 들면, 전지 내부 온도 80~120℃ 또는 전지 표면 온도 30~60℃)에서 용융되거나 파열되는 고분자 수지로 형성될 수 있다. 좀더 구체적으로 상기 뚜껑(122)은 폴리에틸렌, 에폭시, 아세탈 또는 그 등가물중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 특히, 상기 뚜껑(122)중 필름(122c)이 상기와 같은 소정 온도(예를 들면, 전지 내부 온도 80~120℃ 또는 전지 표면 온도 30~60℃)에서 용융되거나 파열되는 고분자 등으로 형성함이 좋다. 이와 같이 뚜껑(122)이 소정 온도에서 용융되거나 파열되도록 한 이유는, 전지의 과충전으로 내부 온도 80~120℃ 또는 전지 표면 온도 30~60℃일 경우에는 센터핀(120)의 상단 및 하단이 폐색되어 있는 것보다는 관통됨으로써, 굴뚝 역할을 하는 편이 더 좋기 때문이다. 즉, 전지의 과열 상태에서는 보이드 볼륨 또는 데드 볼륨을 줄이는 것보다, 이미 형성된 내부 가스가 상기 센터핀(120)을 따라서 하기할 안전 벤트쪽으로 잘 흘러 가도록 하는 편이 더 좋기 때문이다.
더불어, 상기 몸체(121)의 내측에는 각종 기능성 재료가 더 내장될 수 있다. 예를 들어, 상기 몸체(121)의 내측에는 가스화 부재(123) 또는/및 난연 부재(124)가 더 삽입되어 내장될 수 있다. 따라서, 이러한 센터핀(120)을 채택한 전지는 내부 온도가 80~120℃에 도달하거나, 또는 전지 표면 온도가 30~60℃에 도달하면, 뚜껑(122)이 용융되거나 파열됨으로써, 상기 가스화 부재(123) 또는/및 난연 부재(124)가 전해액 및 전극 조립체 쪽으로 용이하게 전달된다. 결과적으로, 가스화 부재(123) 또는/및 난연 부재(124)에 의해 하기할 안전 벤트가 신속하게 동작하여 과충전 상태가 정지되고, 또한 발화 현상도 억제된다. 물론, 더 이상의 온도 증가 현 상은 없다.
상기 캔(130)은 대략 원통 형태로서 일정 직경을 갖는 원통면(131)이 형성되고, 상기 원통면(131)의 하부에는 대략 원판 형태의 바닥면(132)이 형성되어 있으며, 상부는 개방되어 있다. 따라서, 상기 전극 조립체(110) 및 센터핀(120) 등은 상기 원통형 캔(130)의 상부를 통해 하부로 바로 삽입될 수 있다. 여기서, 상기 전극 조립체(110)의 음극탭(114)은 상기 원통형 캔(130)의 바닥면(132)에 용접될 수 있다. 따라서 상기 원통형 캔(130)은 음극으로 동작한다. 물론, 반대로 상기 양극탭(115)이 상기 원통형 캔(130)의 바닥면(132)에 용접되어, 상기 원통형 캔(130)이 양극으로 동작할 수도 있다. 한편, 상기 원통형 캔(130)은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄 또는 이의 등가물로 형성 가능하며, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 캡 조립체(140)는 상기 원통형 캔(130)의 상부 영역 즉, 상부 절연 링(117) 위에 절연성 가스켓(141)이 위치되고, 상기 절연성 가스켓(141)에는 상술한 양극탭(115)과 접속되는 도전성 안전 벤트(142)가 결합되어 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 안전 벤트(142)는 주지된 바와 같이 캔(130) 내부의 압력 상승시 변형되거나 파열되어 하기할 회로기판(143)을 파손시키거나 또는 가스를 외부로 방출시키는 역할을 한다. 또한, 상기 안전 벤트(142)의 상부에는 상기 안전 벤트(142)의 변형시 파손 또는 파괴되어 전류가 차단되는 회로기판(143)이 더 위치되어 있고, 상기 회로기판(143)의 상부에는 과전류시 전류가 차단되는 양성 온도 소자(144)가 위치되어 있다. 더불어, 상기 양성 온도 소자(144)의 상부에는 외부에 양극 전압( 또는 음극 전압)을 제공하며, 가스 배출이 용이하도록 다수의 통공(145a)이 형성된 도전성 양극 캡(145)이 더 위치되어 있다. 물론, 상술한 안전 벤트(142), 회로기판(143), 양성 온도 소자(144) 및 양극 캡(145)은 모두 절연성 가스켓(141) 내측에 장착되어 있음으로써, 상기 원통형 캔(130)과의 직접적인 쇼트가 방지되도록 되어 있다. 더불어, 상기 회로기판(143)의 표면에는 배선 패턴(143a)이 형성되어 있는데, 이러한 배선 패턴(143a)은 상기 회로기판(143)이 파손되거나 파괴되면 자연스럽게 끊어지도록 되어 있다.
한편, 상기 원통형 캔(130)에는 상기 캡 조립체(140)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(140)를 중심으로 그 하부에는 내부 방향으로 절곡된 비딩부(beading part)(133)가 형성되고, 그 상부에는 내부 방향로 절곡된 크림핑부(crimping part)(134)가 형성되어 있다. 이러한 비딩부(133) 및 크림핑부(134)는 상기 캡 조립체(140)를 원통형 캔(130)에 단단히 고정 및 지지하는 역할을 하며, 또한 하기할 전해액이 외부로 누액되지 않도록 하는 역할을 한다. 더불어, 상기 비딩부(133)는 상기 상부 절연 링(117)과 접촉된 상태를 할 수 있으나, 이러한 구성으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
상기 원통형 캔(130)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주입되어 있으며, 이는 충방전시 전지 내부의 음극판(111) 및 양극판(112)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상 기 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.
도 2a를 참조하면, 과충전에 의해 낮은 압력 발생으로 안전 벤트가 변형된 상태가 도시되어 있고, 도 2b를 참조하면, 높은 압력 발생으로 안전 벤트가 파열된 상태가 도시되어 있다.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(110)와 캡 조립체(140) 사이에는 비교적 두께가 두꺼운 상부 절연 링(117)이 위치되고, 또한 센터핀(120)은 상단 및 하단에 결합된 뚜껑(122)에 의해 폐색되어 있음으로써, 전지 내부의 쓸모없는 보이드 볼륨 또는 데드 볼륨은 종래에 비해 대폭 축소된 상태이다. 이러한 상태에서, 전지가 과충전 상태가 되면, 전해액중에 첨가된 사이클로 헥실 벤젠(CHB)과 같은 첨가제가 분해되어 가스를 발생시킨다. 그러면, 상기 가스에 의해 전지 내부 압력이 높아지고, 이러한 압력은 상기 안전 벤트(142)를 바깥 방향으로 밀어낸다. 이때, 상술한 바와 같이 두꺼운 상부 절연 링(117) 및 폐색된 센터핀(120)에 의해 보이드 볼륨이 최소화됨으로써, 작은 량의 가스에도 불구하고 내압은 무척 커진 상태가 된다. 따라서, 안전 벤트(142)는 종래에 비해 더욱 빠른 시간에 바깥 방향으로 변형된다. 이와 같이 안전 벤트(142)가 바깥 방향으로 변형되면, 상기 안전 벤트(142) 위에 설치되어 있던 회로기판(143)이 파괴되면서, 그 표면에 형성된 배선 패턴(143a)이 끊어진다. 따라서, 상기 전지의 과충전 상태 및 온도 증가 현상이 바로 정지된다.
이어서 도 2b에 도시된 바와 같이 전지가 과충전 상태인 동시에 내부 온도가 80~120℃(전지의 표면 온도는 30~60℃)까지 증가하여 열적 상태가 불안정해지면, 폭발 및 발화 위험이 매우 커진다. 본 발명에 의한 전지는 이와 같은 조건이 되면, 센터핀(120)을 막고 있던 뚜껑(121)중 필름(122c)이 용융되거나 파열된다. 즉, 센터핀(120)을 이루는 몸체(121)의 상단과 하단에 형성된 뚜껑(122)의 필름(122c)이 80~120℃의 온도가 되면 용융되거나 파열된다. 또한, 이와 같이 필름(122c)이 용융되거나 파열되면 상기 센터핀(120)의 내측에 있던 가스화 부재(123) 및/또는 난연 부재(124)가 외부의 전해액 및 전극 조립체쪽으로 자연스럽게 이동한다. 더욱이, 상기 센터핀(120)은 굴뚝 역할을 함으로써, 전지 내부의 가스가 안전 벤트(142)쪽으로 신속하게 이동하도록 함으로써, 상기 안전 벤트(142)에 더욱 많은 스트레스를 주게 된다.
더욱이, 상기 가스화 부재(123)는 4~4.5V 이상에서 분해되어 가스화되는 특성이 있는데, 현재 전지가 과충전 상태이므로, 자연스럽게 가스화된다. 따라서, 상기 안전 벤트(142)를 더욱 강한 힘으로 바깥 방향으로 밀어내거나 변형시킨다. 이와 같은 가스화 부재(123)에 의해 통상은 상기 안전 벤트(142)가 파열되면서 내부의 가스가 양극 캡(145)의 통공(145a)을 통해 외부로 빠져나가기도 한다. 따라서, 전지의 폭발 현상이 미연에 방지된다. 물론, 이때 상기 회로기판(143)도 크게 파손되어 그 배선 패턴(143a)이 완벽하게 끊어짐으로써, 충전은 정지되고 따라서 전지의 열적 안정성도 향상된다.
더불어, 상기 난연 부재(124)는 전해액 중에 섞임으로써, 상기 전지의 인화 또는 발화를 근본적으로 억제한다. 즉, 전지의 안정성을 더욱 향상시킨다. 이러한 난연 부재(124)는 상기 센터핀(120)의 내측에 고압으로 충진될 수도 있기 때문에, 안전 벤트(142)의 변형 내지 파열에도 도움을 준다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 원통형 리튬 이온 이차 전지가 단면도로서 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 다른 원통형 리튬 이온 이차 전지(200)는 전극 조립체(210)와, 상단 및 하단이 폐색(閉塞)된 채 상기 전극 조립체(210)에 결합된 센터핀(220)과, 상기 전극 조립체(210) 및 센터핀(220)이 수납된 캔(230)과, 상기 캔(230)의 상부에 결합된 캡 조립체(240)와, 상기 전극 조립체(210)와 캡 조립체(240) 사이에 충진되어 보이드 볼륨을 줄이는 보이드 볼륨 감소 부재(250)를 포함한다. 이러한 전지(200)는 상술한 전지(100)와 구조가 거의 유사하므로, 그 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
먼저, 상기 전극 조립체(210) 위에는 상부 절연 링(217)이 형성되어 있는데, 이러한 상부 절연 링(217)은 캡 조립체(240)를 이루는 절연 가스켓(241)과 소정 거리 이격되어 있다. 또한, 상기 상부 절연 링(217)과 절연 가스켓(241) 사이에는 캔(230)에 형성된 비딩부(233)가 위치되어 있다.
한편, 상기 보이드 볼륨 감소 부재(250)는 상술한 바와 같이 캡 조립체(240)중 안전 벤트(242)의 하부와 상부 절연 링(217) 사이에 형성되어 있다. 이러한 보이드 볼륨 감소 부재(250)는 캔(230)에 전해액 주입후 다공성 재료를 발포하여 형성될 수 있다. 따라서, 상기 보이드 볼륨 감소 부재(250)는 캡 조립체(240)와 전극 조립체(210) 사이의 보이드 볼륨을 최소화하면서도, 전해액 및 전극 조립체로부터 발생한 내부 압력은 그대로 캡 조립체(240) 쪽으로 전달한다. 여기서, 상기 보이드 볼륨 감소 부재(250)는 가스를 안전 벤트쪽으로 보낼 수 있으면서도, 보이드 볼륨은 감소시키는 다공성의 우레탄, 다공성의 스펀지 또는 그 등가물중 선택된 어느 하나가 가능하지만, 본 발명에서 이러한 보이드 볼륨 감소 부재(250)를 한정하는 것은 아니다.
도 4a를 참조하면, 과충전에 의해 낮은 압력 발생으로 안전 벤트가 변형된 상태가 도시되어 있고, 도 4b를 참조하면, 높은 압력 발생으로 안전 벤트가 파열된 상태가 도시되어 있다.
먼저 도 4a에 도시된 바와 같이, 전지의 과충전에 의해 낮은 내부 압력이 발생했을 경우에는, 그 낮은 압력에 의한 가스가 보이드 볼륨 감소 부재(250)를 관통한 후, 안전 벤트(242)를 바깥 방향으로 밀어낸다. 이와 같이 안전 벤트(242)가 바깥 방향으로 변형되면, 상기 안전 벤트(242) 위에 설치되어 있던 회로기판(243)이 파괴되면서, 그 표면에 형성된 배선 패턴(243a)이 끊어진다. 따라서, 상기 전지의 과충전 상태 및 온도 증가 현상이 정지된다.
여기서, 상기 안전 벤트(242) 하부로서 전극 조립체(210)에 끼워진 센터핀(220)은 상단 및 하단(도시되지 않음)이 모두 뚜껑(222)으로 폐색되어 있다. 따라서, 전지 내부에서 보이드 볼륨은 거의 존재하지 않게 된다. 즉, 전극 조립체(210)와 캡 조립체(240) 사이에는 별도의 보이드 볼륨 감소 부재(250)가 형성되어 있기 때문이다. 따라서, 과충전시 전해액에 첨가된 사이클로 헥실 벤젠(CHB) 등의 분해로 생성된 가스가 안전 벤트(242)를 직접 동작시킴으로써, 상기 안전 벤트(242)의 동작 시간 및 전류 차단 시간은 더욱 앞당겨지게 된다.
이어서 도 4b에 도시된 바와 같이 전지가 과충전 상태인 동시에 내부 온도가 80~120℃(전지의 표면 온도는 30~60℃)까지 증가하여 열적 상태가 불안정해지면, 폭발 및 발화 위험이 매우 커진다. 본 발명에 의한 전지는 이와 같은 조건이 되면, 센터핀(220)을 막고 있던 뚜껑(221)중 필름(222c)이 용융되거나 파열된다. 즉, 센터핀(220)을 이루는 몸체(221)의 상단과 하단에 형성된 뚜껑(222)의 필름(222c)이 80~120℃의 온도가 되면 용융되거나 파열된다. 또한, 이와 같이 필름(222c)이 용융되거나 파열되면 상기 센터핀(220)의 내측에 있던 가스화 부재(223) 및/또는 난연 부재(224)가 외부의 전해액 및 전극 조립체쪽으로 자연스럽게 이동한다. 더욱이, 상기 센터핀(220)은 굴뚝 역할을 함으로써, 전지 내부의 가스가 안전 벤트(242)쪽으로 신속하게 이동하도록 함으로써, 상기 안전 벤트(242)에 더욱 많은 스트레스를 주게 된다.
더욱이, 상기 가스화 부재(223)는 4~4.5V 이상에서 분해되어 가스화되는 특성이 있는데, 현재 전지가 과충전 상태이므로, 자연스럽게 가스화된다. 따라서, 상기 안전 벤트(242)를 더욱 강한 힘으로 바깥 방향으로 밀어내거나 변형시킨다. 이와 같은 가스화 부재(223)에 의해 통상은 상기 안전 벤트(242)가 파열되면서 내부의 가스가 양극 캡(245)의 통공(245a)을 통해 외부로 빠져나가기도 한다. 따라서, 전지의 폭발 현상이 미연에 방지된다. 물론, 이때 상기 회로기판(243)도 크게 파손 되어 그 배선 패턴(243a)이 완벽하게 끊어짐으로써, 충전은 정지되고 따라서 전지의 열적 안정성도 향상된다.
더불어, 상기 난연 부재(224)는 전해액 중에 섞임으로써, 상기 전지의 인화 또는 발화를 근본적으로 억제한다. 즉, 전지의 안정성을 더욱 향상시킨다. 이러한 난연 부재(224)는 상기 센터핀(220)의 내측에 고압으로 충진될 수도 있기 때문에, 안전 벤트(242)의 변형 내지 파열에도 도움을 준다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 상부 절연 링의 두께가 종래에 비해 대폭 커지는 동시에 센터핀이 폐색되거나, 또는 캡 조립체와 전극 조립체 사이에 다공성 재료가 형성되는 동시에 센터핀이 폐색됨으로써, 안전 벤트(또는 회로기판)의 동작 시간을 지연시키는 보이드 볼륨(또는 데드 볼륨)을 현저히 감소시키게 된다. 따라서, 전지의 과충전시 내부 압력이 안전 벤트쪽으로 신속히 집중되어 그 동작 시간이 최소화되고, 또한 전류 차단 시간도 최소화됨으로써, 과충전 현상도 신속히 정지된다.
또한, 전지의 온도가 소정 온도 이상이 되면 센터핀의 상단 및 하단이 개방되어 굴뚝 역할을 함으로써, 내부의 가스화 부재가 외부로 신속히 배출될 뿐만 아니라 미리 형성된 가스도 안전 벤트쪽으로 신속히 움직인다. 더욱이, 상기 배출된 가스화 부재는 소정 전압에 의해 가스화됨으로써, 안전 벤트 및 회로기판이 더욱 신속히 작동된다. 물론, 전지의 온도도 더 이상 증가하지 않게 됨으로써, 전지의 열적 안정성도 향상된다.
또한, 전지의 온도가 소정 온도 이상이 되면 센터핀 내부의 난연 부재도 외부로 배출됨으로써, 전지의 발화 현상이 원천적으로 방지된다.
결론적으로, 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 내부의 쓸모없는 보이드 볼륨 또는 데드 볼륨을 현저히 줄여, 안전 벤트 및 회로기판의 동작 시간을 종래에 비해 현저하게 앞당기게 된다. 또한, 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 센터핀 내부에 가스화 부재 및/또는 난연 부재가 위치되어, 전지의 과충전, 폭발 및 발화 현상이 원천적으로 방지된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (21)

  1. 보이드 볼륨을 줄이고, 전기적 쇼트를 방지하기 위해 상부에 상부 절연 링이 안착된 전극 조립체;
    상단 및 하단이 폐색(閉塞)된 채 상기 전극 조립체에 결합된 센터핀;
    상기 전극 조립체 및 센터핀이 수납된 캔;
    상기 캔의 상부에 결합된 동시에, 상기 상부 절연 링에 안착된 캡 조립체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 절연 링과 대응하는 캔에는 상기 상부 절연 링 방향으로 절곡된 비딩부가 더 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 절연 링에는 중앙에 내압 증가시 가스를 안전 벤트 쪽으로 신속히 보낼 수 있도록 중앙 통공이 형성되고, 일측에는 전극 조립체와 안전 벤트를 전기적으로 연결하는 탭이 통과하도록 외측 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 절연 링은 다수개가 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 캡 조립체는
    상기 상부 절연 링 위에 안착된 동시에, 캔의 내측에 접촉된 절연 가스켓;
    상기 절연 가스켓에 결합된 동시에, 상기 상부 절연 링 위에 위치된 안전 벤트; 및,
    상기 절연 가스켓에 결합된 동시에, 상기 안전 벤트의 상부에 안착된 회로기판을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 센터핀은
    상,하 방향으로 관통되어 있는 몸체; 및,
    상기 몸체의 상단 및 하단을 폐색하는 뚜껑을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 몸체는 스틸, 스테인레스 스틸 또는 알루미늄중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 뚜껑은 80~120℃의 온도에서 용융되거나 파열되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 뚜껑은 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 뚜껑은 폴리에틸렌, 에폭시, 아세탈중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 뚜껑은
    상기 센터핀에 결합되는 결합부;
    상기 결합부에 일체로 형성된 동시에, 센터핀의 외측에 위치되며, 외경이 점차 작아지도록 형성된 테퍼부; 및,
    상기 결합부와 테퍼부 사이에 형성되어 센터핀을 막는 필름으로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 센터핀 내측에는 가스화 부재가 더 위치된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 가스화 부재는 4~4.5V 이상의 전압에서 분해되어 가스화됨을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 가스화 부재는 사이클로 헥실 벤젠(CHB)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 센터핀 내측에는 난연 부재가 더 위치된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 난연 부재는 수산화마그네슘 계열, 수산화알루미늄 계열 또는 인산염 계열중 적어도 어느 하나가 포함된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 안전 벤트는 충전 전압이 4~4.5V 이상일 경우 2~10분 이내에 동작하여 회로기판의 전류를 차단시킴을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 충전 전압 4~4.5V 이상일 경우 표면 온도가 30~60℃를 유지하면서 충전이 정지됨을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  19. 전극 조립체;
    상단 및 하단이 폐색(閉塞)된 채 상기 전극 조립체에 결합된 센터핀;
    상기 전극 조립체 및 센터핀이 수납된 캔;
    상기 캔의 상부에 결합된 캡 조립체; 및,
    상기 전극 조립체와 캡 조립체 사이에 충진되어 보이드 볼륨을 줄이는 보이드 볼륨 감소 부재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 보이드 볼륨 감소 부재는 캔에 전해액 주입후 발포된 다공성의 재질인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 보이드 볼륨 감소 부재는 캔에 전해액 주입후 발포된 다공성의 우레탄 또는 다공성의 스펀지중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
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