KR100731413B1 - 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지 - Google Patents

기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 과충전시 안전 벤트가 신속하게 동작되도록 하여 전류 차단 시간을 앞당기고, 열적 안정성을 향상시켜 발연 및 발화 현상 등을 방지하는 데 있다.
이를 위해 본 발명에 의한 해결 방법의 요지는 전극 조립체와, 전극 조립체에 결합되는 동시에, 고분자 수지가 압축 성형되어 소정 온도에서 용융되는 센터핀과, 전극 조립체 및 센터핀이 수납된 캔과, 캔의 상부에 결합된 캡 조립체로 이루어진 원통형 리튬 이온 이차 전지가 개시된다. 여기서, 위의 고분자 수지로 형성된 센터핀에는 과충전 전압에서 가스 상태가 되는 가스화 부재 및/또는 발연 발화를 억제하는 난연 부재가 더 포함된다.
센터핀, 원통형 이차 전지, 기능성 물질, 안전 벤트, 회로기판

Description

기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지{Cylindrical lithium ion secondary battery having functional center pin}
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명에 따른 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도이고, 도 1d 및 도 1e는 기능성 센터핀을 확대 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지중 다른 기능성 센터핀을 확대 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지중 다른 기능성 센터핀을 확대 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지중 다른 기능성 센터핀을 확대 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지중 다른 기능성 센터핀을 확대 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지중 다른 기능성 센터핀을 확대 도시한 사시도 및 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100; 본 발명에 의한 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지
110; 전극 조립체 111; 음극판
112; 양극판 113; 세퍼레이터
114; 음극탭 115; 양극탭
116; 하부 절연판 117; 상부 절연판
120; 센터핀 121; 몸체
122; 테퍼 123; 폐색 부재
124; 가스화 부재 125; 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 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세히는 과충전시 안전 벤트가 신속하게 동작되도록 하여 전류 차단 시간을 앞당기고, 열적 안정성을 향상시켜 폭발 및 발화 현상 등을 방지할 수 있는 기능성 센터핀을 갖는 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 조립체를 원통형 캔에 삽입한 후, 상기 전극 조립체에 센터핀을 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 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 안 전 벤트 및 회로 기판은 총칭하여 CID(Current Interrupt Device)라고도 하며, 이는 캡 조립체의 한 구성 요소이다.
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 리튬이 석출되면서 전극 조립체의 대략 중심 영역부터 변형이 일어나기 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(Cyclo Hexyl Benzene: CHB) 및 바이 페닐(Biphenyl: 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 방지됨으로써, 전지의 발열, 누액, 발연, 폭발 및 발화 현상 등도 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 전해액의 첨가제인 사이클로 헥실 벤젠 및 바이 페닐 등 은 전지의 용량을 감소시키기 때문에 전해액에 충분하게 첨가하지 못하는 한계가 있다. 즉, 전해액에 첨가된 사이클로 헥실 벤젠, 바이 페닐과 전지의 용량, 수명, 품질 사이에는 트레이드 오프(trade off) 관계가 있다.
이에 따라, 전지의 종류에 따라 약간씩 차이가 있는 하지만, 전지 내부의 안전 벤트를 변형시키는 압력(또는 회로 기판을 파괴시키는 압력)이 대략 5~11Kgf/cm2이면, 상기 안전 벤트의 변형을 위해 대략 10~22ml의 가스가 필요한 것으로 알려져 있다. 그러나, 계산상 전해액 중에 포함된 0.7%의 사이클로 헥실 벤젠이 모두 분해된다고 해도 대략 4.116ml의 가스가 발생하고, 또한 0.3%의 바이 페닐가 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 전해액에 첨가될 수 있는 첨가제의 양에 한계가 있고, 또한 보이드 볼륨으로 인해 가스가 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.
더욱이, 종래의 전지는 과충전에 의해 고온 상태가 지속되는데, 주지된 바와 같이 전해액은 주로 불에 타기 쉬운 유기 용매로 이루어져 있기 때문에, 상기와 같은 고온의 상태에서 전기적 스파크 등에 의해 쉽게 발연 및 발화되는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전지의 과충전과 동시에 온도가 임계치 이상이 되면 기능성 센터핀으로부터 가스화 부재가 전지 내부로 도입되어 내부 가스 압력을 더욱 증가시킴으로써, 안전 벤트의 변형 시간 및 전류 차단 시간을 더욱 앞당길 수 있는 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 전지의 온도가 임계치 이상이 되면 기능성 센터핀으로부터 난연 부재가 전지 내부로 도입되어 발연 및 발화 현상을 방지할 수 있는 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체에 결합되는 동시에, 고분자 수지가 압축 성형되어 소정 온도에서 용융되는 센터핀과, 상기 전극 조립체 및 센터핀이 수납된 캔과, 상기 캔의 상부에 결합된 캡 조립체를 포함한다.
여기서, 상기 센터핀에는 상기 센터핀이 소정 온도에서 용융되면 전지 내부로 도입되는 가스화 부재 또는/및 난연 부재가 더 포함될 수 있다.
이와 같이 하여 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 과충전에 의 해 온도가 소정 온도 이상이 되면 센터핀 자체가 용융되면서 내부의 가스화 부재가 외부로 배출되고, 이러한 가스화 부재는 소정 전압 이상에서 신속히 가스화됨으로써, 안전 벤트의 동작 시간이 더욱 빨라진다. 물론, 전지의 온도도 더 이상 증가하지 않게 됨으로써, 전지의 열적 안정성도 향상된다.
또한, 본 발명은 전지의 온도가 소정 온도 이상이 되면 센터핀 자체가 용융되면서 내부의 난연 부재도 외부로 배출됨으로써, 전지의 발연 및 발화 현상을 방지할 수 있게 된다.
결론적으로, 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 센터핀 자체에 가스화 부재 및/또는 난연 부재가 더 포함됨으로써, 전지의 과충전, 발열, 누액, 발연, 폭발 및 발화 현상 등을 미연에 방지할 수 있게 된다.
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 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지의 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도가 도시되어 있고, 도 1d 및 도 1e를 참조하면, 기능성 센터핀의 확대 사시도 및 단면도가 도시되어 있다.
먼저 도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 전극 조립체(110)와, 상기 전극 조립체(110)에 결합된 동시에, 고분자 수지가 압축 성형되어 소정 온도에서 용융되는 센터핀(120)과, 상 기 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, 탄소 등등)이 코팅된 음극판(111), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등등))이 코팅된 양극판(112) 및, 음극판(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 수납된다. 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.
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 고분자 수지가 압축 성형되어 형성된 것으로서, 소정 온도(예를 들면 전지 내부 온도가 80~120℃ 정도)에서 용융되는 특징이 있다. 여기서, 상기 고분자 수지는 예를 들면, 폴리에틸렌, 에폭시, 아세탈, 인듐 또는 그 등가물중 적어도 어느 하나가 포함된 것일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 물론, 상기 센터핀(120)을 상기 고분자 수지로 한정하는 것은 아니며, 소정 온도에서 용융되는 것이면 어떤 재질도 사용할 수 있다. 더욱이, 상기 센터핀(120)에는 소정 온도(예를 들면, 전지의 내부 온도가 80~120℃)에서 전해액중으로 방출되는 가스화 부재가 더 포함될 수 있다. 물론, 이러한 가스화 부재는 과충전 전압인 4~4.5V 이상의 전압에서 분해되어 가스화되는 사이클로 헥실 벤젠, 바이 페닐 또는 그 등가물중 적어도 어느 하나가 포함된 것일 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어, 상기 센터핀(120)에는 소정 온도(예를 들면, 전지의 내부 온도가 80~120℃)에서 전해액중으로 방출되는 난연 부재가 더 포함될 수 있다. 이러한 난연 부재는 고온 상태에서 전지가 발연 또는 발화되지 않도록 함으로써, 전지의 안정성을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 난연 부재는 수산화마그네슘 계, 수산화알루미늄 계, 할로겐 계, 삼산화 안티몬 계, 멜라민 계, 인산염 계 또는 그 등가물중 적어도 하나가 포함된 것일 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
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)은 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 동작할 수 있다. 물론, 반대로 상기 양극탭(115)이 상기 원통형 캔(130)의 바닥면(132)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 상기 원통형 캔(130)은 양극으로 동작할 수 있다. 또한, 상기 전극 조립체(110)의 하면에는 하부 절연판(116) 및 상부에는 상부 절연판(117)이 각각 위치되어 전극 조립체(110)와 원통형 캔(130)의 불필요한 전기적 쇼트가 방지되도록 되어 있다. 한편, 상기 원통형 캔(130)은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄 또는 이의 등가물로 형성 가능하나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 캡 조립체(140)는 상기 원통형 캔(130)의 상부 영역(즉, 전극 조립체(110) 및 센터핀(120)의 상부 영역)에 대략 링 형태로 절연성 가스켓(141)이 결합되고, 상기 절연성 가스켓(141)에는 도전성 안전 벤트(142)가 결합되어 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 안전 벤트(142)에는 양극탭(115)이 접속될 수 있다. 물론, 반대로 상기 안전 벤트(142)에는 음극탭(114)이 접속될 수도 있다. 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)(또는 음극 캡)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 내부로 움푹 파인 비딩부(beading part)(133)가 형성되고, 그 상부에는 내부로 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 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 상기 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.
이어서, 도 1d 및 도 1e에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 기능성 센터핀(120)은 상,하 방향으로 관통된 동시에, 소정 길이를 갖는 대략 원형 파이프 형태의 몸체(121)를 포함한다. 물론, 상기 몸체(121)는 원형 파이프 형태 대신 삼각 파 이프, 사각 파이프, 다각 파이프 또는 타원형 파이프 등 다양한 형태가 가능하며, 여기서 상기 몸체(121)의 형태를 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 몸체(121)는 상술한 전극 조립체(110)의 높이와 같거나, 약간 크거나 또는 약간 작을 수 있으며, 여기서 그 길이를 한정하는 것도 아니다. 더불어, 상기 몸체(121)는 상단과 하단이 가장 쉽게 변형될 수도 있으므로, 그 변형이 최소화되도록 상단과 하단에 각각 직경이 작아지는 챔퍼(chamfer) 또는 테퍼(taper)(122)가 형성될 수 있으나, 이러한 형태로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 물론, 이러한 몸체(121) 및 테퍼(122)를 포함하는 기능성 센터핀(120)은 상술한 바와 같이 소정 온도(80~120℃)에서 용융되는 동시에, 가스화 부재 및/또는 난연 부재를 포함하고 있음으로써, 상기와 같은 용융 과정에서 상기 가스화 부재 및/또는 난연 부재를 전지 내부로 도입하게 된다.
위와 같이 하여 본 고안은 전지의 과충전에 의해 전지 내부 온도가 일례로 대략 80~120℃가 되면, 기능성 센터핀(120)이 용융됨으로써, 그 내부에 갖혀 있던 가스화 부재가 전지 내부로 도입되고 즉, 상기 가스화 부재가 센터핀(120)의 외측인 전해액 또는 전극 조립체쪽으로 전달되고, 또한 이때의 전압은 과충전 전압인 대략 4~4.5V 이상이므로 상기 가스화 부재가 신속히 분해되어 다량의 가스를 발생시킨다. 따라서, 상기 다량의 가스는 상기 안전 벤트(142)를 더욱 빠르게 변형시키거나 또는 파열시킴으로써, 회로기판(143)을 파괴하는 동시에, 그 가스는 양극 캡(145)을 통하여 외부로 배출되기도 한다. 결국, 상기 가스화 부재로 인하여 과충전이 방지되는 동시에, 열적 안정성도 현저히 향상된다고 볼 수 있다.
더불어, 본 고안은 전지의 내부 온도가 상술한 바와 같이 80~120℃ 범위에 다다르면, 기능성 센터핀(120)이 용융됨으로써, 상기 난연 부재가 센터핀(120)의 외측으로 전달되고, 이러한 난연 부재의 전달에 의해 전지의 발연 및 발화 가능성이 현저히 낮아지게 된다. 예를 들면 최종적으로 전지는 외관상 아무런 변화도 없는 형상을 띤다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지중 다른 기능성 센터핀의 확대 사시도 및 단면도가 도시되어 있다.
이하에서 설명할 모든 기능성 센터핀은 상술한 센터핀(120)과 같이 소정 온도에서 용융되는 고분자 수지가 압축 성형되어 형성된 것이며, 또한 내부에 가스화 부재 및/또는 난연 부재가 포함되어 있으므로, 이에 대한 설명은 생략하고 형상 위주로 설명하기로 한다.
도시된 바와 같이 본 발명의 다른 기능성 센터핀(220)은 몸체(221)의 상단과 하단에 별도의 챔퍼 또는 테퍼가 형성되어 있지 않다. 이와 같은 기능성 센터핀(220)은 상단과 하단에 챔퍼 또는 테퍼가 형성되지 않음으로써, 비교적 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 잇점이 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지중 다른 기능성 센터핀의 확대 사시도 및 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명의 다른 기능성 센터핀(320)은 몸체(321)의 길이 방향을 따라서 관통 슬릿(326)이 형성되어 있다. 더불어, 이러한 관통 슬릿(326)은, 센터핀(320)의 변형시 전극 조립체를 파손시키지 않도록, 내측으로 소정 길이 함몰된 형태를 할 수 있다. 또한, 상기 몸체(321)의 상단과 하단에는 챔퍼(322)가 형성될 수 있다. 물론, 상기와 같은 챔퍼(322)는 형성되지 않을 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지중 다른 기능성 센터핀의 확대 사시도 및 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명의 다른 기능성 센터핀(420)은 몸체(421)에 다수의 관통홀(426)이 형성되어 있다. 또한, 몸체(421)의 상단과 하단에는 챔퍼(422)가 형성될 수 있다. 물론, 상기와 같은 챔퍼(422)는 형성되지 않을 수도 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지중 다른 기능성 센터핀의 확대 사시도 및 단면도가 도시되어 있다.
상기 기능성 센터핀(520) 역시 상술한 센터핀(120)과 거의 같으므로 그 차이점만을 설명하기로 한다.
도시된 바와 같이 폐색 부재(523)가 센터핀(520)을 이루는 몸체(521)의 상단 및 하단을 막고 있다. 즉, 뚜껑 형태로 폐색 부재(523)를 형성한 후, 이를 몸체(521)의 상단과 하단에 각각 결합시킨 것이다. 물론, 이러한 폐색 부재(523) 역시 소정 온도(전지 내부 온도가 80~120℃)에서 용융되거나 파열되는 고분자 수지, 예를 들면, 폴리에틸렌, 에폭시, 아세탈, 인듐 또는 그 등가물중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 여기서, 상기 몸체(521)의 상단과 하단에는 직경이 작아지는 챔퍼(522)가 각각 형성되어 있다.
한편, 이러한 폐색 부재(523)를 갖는 센터핀(520)은 전지가 위험할 정도의 과충전 상태에 도달하기 전까지는 전지의 내부 보이드 볼륨 또는 데드 볼륨(void volume or dead volume)을 감소시키는 역할을 함으로써, 기능성 센터핀(520)이 본격적으로 작동하기 전에 내부 압력을 충분히 상승시켜 안전 벤트를 동작시키도록 한다.
물론, 이러한 센터핀(520)을 채택한 전지에 있어서도 내부 온도가 80~120℃에 도달하면, 상기 폐색 부재(523)가 용융되거나 파열되면서 센터핀(520) 자체가 가스 통로 역할을 하게 되고, 또한 센터핀(520) 자체를 이루는 가스화 부재 또는/및 난연 부재가 전지 내부로 도입된다. 더욱이, 상기 폐색 부재(523) 역시 상기 가스화 부재 또는/ 및 난연 부재가 더 포함될 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지중 다른 기능성 센터핀의 확대 사시도 및 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명의 다른 기능성 센터핀(620)은 몸체(621)가 대략 원통형 파이프 형태를 한다. 즉, 몸체(621)의 상단과 하단에 챔퍼가 형성되어 있지 않다. 또한, 상기 몸체(621)의 상단과 하단에는 각각 폐색 부재(623)가 뚜껑 형태로 결합되어 있다. 물론, 이러한 폐색 부재(623) 역시 소정 온도에서 용융 또는 파열되는 재질이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지는 과충전에 의해 온도가 소정 온도 이상이 되면 센터핀 자체가 용융되면서 내부의 가스화 부재가 외부로 배출되고, 이러한 가스화 부재는 소정 전압 이상에서 신속히 가스화됨으로써, 안전 벤트의 동작 시간이 더욱 빨라진다. 물론, 전지 의 온도도 더 이상 증가하지 않게 됨으로써, 전지의 열적 안정성도 향상된다.
또한, 본 발명은 전지의 온도가 소정 온도 이상이 되면 센터핀 자체가 용융되면서 내부의 난연 부재도 외부로 배출됨으로써, 전지의 발연 및 발화 현상을 방지할 수 있게 된다.
결론적으로, 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지는 센터핀 자체에 가스화 부재 및/또는 난연 부재가 더 포함됨으로써, 전지의 과충전, 발열, 누액, 발연, 폭발 및 발화 현상 등을 미연에 방지할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 기능성 센터핀을 갖는 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 (8)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체에 결합되는 동시에, 고분자 수지가 압축 성형되어 형성된 센터핀;
    상기 전극 조립체 및 센터핀이 수납된 캔; 및,
    상기 캔의 상부에 결합된 캡 조립체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센터핀에는 상기 센터핀이 용융되면 상기 센터핀의 외측으로 방출되는 가스화 부재가 더 포함된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 가스화 부재는 4.0~4.5V의 전압에서부터 분해되어 가스화됨을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 가스화 부재는 사이클로 헥실 벤젠 및 바이 페닐 중 선택된 적어도 어느 하나가 포함된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 센터핀에는 상기 센터핀이 용융되면 상기 센터핀의 외부로 방출되는 난연 부재가 더 포함된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 난연 부재는 수산화마그네슘 계, 수산화알루미늄 계, 할로겐 계, 삼산화 안티몬 계, 멜라민 계 및 인산염 계 중 선택된 적어도 어느 하나가 포함된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 센터핀은 80~120℃의 온도에서부터 용융되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 센터핀을 이루는 고분자 수지는 폴리에틸렌, 에폭시, 아세탈 및 인듐중 선택된 적어도 어느 하나가 포함된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
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