KR100824896B1

KR100824896B1 - 원통형 리튬 이차전지

Info

Publication number: KR100824896B1
Application number: KR1020050134531A
Authority: KR
Inventors: 고석
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2008-04-23
Also published as: KR20070071236A

Abstract

본 발명은 원통형 리튬 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상절연판과 센터 핀을 일체형으로 형성하여 전지의 낙하 등 외부 충격시 센터 핀에 의한 안전 밴트 파손을 방지하기 위한 원통형 리튬 이차전지에 관한 것이다.

원통형 리튬 이차전지, 센터 핀, 안전 밴트

Description

원통형 리튬 이차전지{Cylinderical Lithium Rechargeable Battery}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지의 사시도

도 2는 도 1의 A-A 단면도

도 3은 도 2의 캡 조립체 부분을 확대 도시한 사시단면도

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 상절연판과 센터 핀의 일체형의 사시도

도 4b는 도 4a의 B-B 사시단면도

도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상절연판과 센터 핀의 일체형의 사시도

도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상절연판과 센터 핀의 일체형의 사시도

도 5c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상절연판과 센터 핀의 일체형의 사시도

도 6은 도 5a의 C-C 단면도

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상절연판과 센터 핀의 일체형의 사시도

도 8은 도 7의 D-D 단면도

도 9는 본 발명에 따른 원통형 리튬 이차전지의 제조 방법을 도시한 순서도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 - 베어 셀 200 - 전극 조립체

210 - 양극판 220 - 음극판

230 - 세퍼레이터 241 - 상절연판

242 - 제 1형 홀 243 - 전극 탭 관통부

250 - 일체형 260 - 센터 핀

265 - 제 2형 홀 270 - 절개 홈

272 - 양 단 280 - 테이퍼

300 - 캔 305 - 가스켓

330 - 크림핑 부 340 - 비딩부

400 - 캡 조립체 412 - 안전 밴트

420 - 전류차단수단(Current Interrupt Device ; CID)

본 발명은 원통형 리튬 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센터 핀을 구비하여 열적 안정성이 향상된 원통형 리튬 이차전지에 관한 것이다.

최근에는 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전 자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.

상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차전지 등이 있다.

특히, 리튬 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 리튬 이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 상기 리튬 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

통상적으로, 상기 원통형 리튬 이차 전지는 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 세퍼레이 터가 대략 원통형으로 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 원통형 케이스와, 상기 원통형 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.

이러한 원통형 리튬 이차 전지는 하기와 같이 제조된다.

우선, 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 대략 원통형으로 권취하여 전극 조립체를 제조한다. 그런 다음, 상기 대략 원통형의 전극 조립체를 상기 원통형 케이스에 수용하여 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 상기 원통형 케이스에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 원통형 리튬 이차 전지를 완성한다.

그러나, 상기한 바와 같은 원통형 리튬 이차 전지는 충ㆍ방전 시에 전지 화학 반응에 의하여 열이 발생하게 되며, 이러한 열은 전지를 발화시키며, 파열하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있는 구조의 개발을 통하여 원통형 리튬 이차 전지의 열적 안전성의 확보가 필요하다. 한편, 최근에는 상기 리튬 이온 이차 전지의 충ㆍ방전 중 상기 전극 조립체가 변형되지 않도록 상기 전극 조립체의 중앙에 대략 원통 형태의 센터 핀(center pin)을 결합시키고 있다.

캔에 수납되는 전극조립체의 중앙부에는 소정의 공간이 형성되어 있다. 이러한 공간은 양극판과 음극판에 세퍼레이터를 개재하여 권취할 때 권취용 축을 빼낸 곳이다. 여기에 원통 형태의 센터 핀이 삽입된다. 센터 핀은 비용 및 가스 배출 효 율 등의 이유로 통상 금속제의 얇은 판을 둥글게 말아서 형성되는데, 이렇게 형성할 경우 구부린 판이 접하는 부분에 소정의 폭을 가진 슬릿(slit)이 형성된다. 이러한 슬릿의 형성을 방지하기 위해 처음부터 원통 형태의 일체형으로 제작하는 경우도 있다.

센터 핀을 장착한 기존의 원통형 전지의 경우, 낙하 등에 의한 충격을 받을 때 센터 핀이 캡 조립체, 특히 안전밴트 하부에 충격을 가하게 되어 전지가 파손될 수 있다는 문제점이 있다.

또한 금속판을 둥글게 말아서 센터 핀을 제조하는 경우에는 외부 충격에 의해 센터 핀이 변형되고 특히 슬릿 부분에서 금속판이 센터 핀의 외부로 변형될 수 있는데, 이렇게 변형된 센터 핀의 단부가 전극 조립체의 세퍼레이터를 파괴하여 전극판 간의 쇼트를 유발할 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 이차 전지의 문제점을 제거하기 위한 것으로, 원통형 전지의 낙하 등에 의한 충격시, 센터 핀이 캡 조립체에 충격을 가하게 되어 전지 파손의 위험이 있는데 상절연판과 센터 핀을 일체형으로 성형함으로써 낙하 등에 의한 전지 파손을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 금속판을 둥글게 말아서 제조된 센터 핀의 경우 슬릿 주변의 금속판의

단부를 내측 방향으로 절곡하여 형성함으로써, 외부 충격에 의해 센터 핀이 변형될 경우에도 내부 쇼트를 방지할 수 있는 안전성이 향상된 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차전지는, 중앙에 센터 핀이 삽입된 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 캔, 상기 캔의 상단 개구부에 결합하여 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하여 이루어지는 원통형 리튬 이차전지에 있어서, 상기 센터 핀은 상절연판과 일체형으로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 상절연판에는 홀이 형성되어 전극 탭 관통부를 이루고, 상기 전극 탭 관통부와 상기 상절연판의 원주 사이에 수개의 제 1형 홀이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 전극 탭 관통부는 적어도 2개 이상 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전극 탭 관통부는 상기 상절연판의 중심에서 소정거리 이격되어 소정의 중심각을 가지는 호(弧) 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 센터 핀의 표면에는 상기 센터 핀의 외부와 내부를 관통하는 수개의 제 2형 홀이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제 2형 홀의 형상은 원, 삼각형, 직사각형 형상 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 센터 핀의 재질은 PPS(poly phenylene sulfide) 또는 불소 수지일 수도 있고, 알루미늄(Al), 철(Fe) 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어질 수도 있다. 상기 센터 핀의 재질이 PPS 또는 불소수지인 경우는 상기 센터 핀과 상기 상절연판이 사출 성형 방식에 의해 일체형으로 제조될 수 있고, 상기 센터 핀의 재질이 알루미늄, 철 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어진 경우 상기 센터 핀과 상기 상절연판은 인서트(insert) 사출 성형 방식에 의해 일체형으로 제 조될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 센터 핀은 길이 방향을 따라 절개 홈이 형성된 관 형상으로 이루어지며, 상기 절개 홈을 이루는 양단은 상기 센터 핀의 내부를 향하도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 센터 핀의 재질은 알루미늄(Al), 철(Fe) 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 상기 센터 핀과 상기 상절연판은 인서트(insert) 사출 성형 방식에 의해 일체형으로 제조될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 원통형 리튬 이차전지의 제조 방법은 센터 핀과 상절연판을 일체형으로 형성하는 단계와, 제 1 전극판, 세퍼레이터, 제 2 전극판을 적층하고 일단에 결합되는 권취축을 이용하여 전극 조립체를 형성하는 단계와, 원통형 케이스에 전극 조립체를 삽입하고 상기 일체형을 전극 조립체에 결합하는 단계와, 상기 원통형 케이스의 상부에 캡 조립체를 결합하여 밀봉하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지의 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A 단면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체 부분의 확대 사시단면도이다. 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 상절연판과 센터 핀의 일체형(이하, "일체형"이라 한다)의 사시도이다. 도 4b는 도 4a의 B-B 사시단면도이다. 도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형의 사시도이다. 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형의 사시도이다. 도 5c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형의 사시도이다. 도 6은 도 5a의 C-C 단면도이다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형의 사시도이다. 도 8은 도 7의 D-D 단면도이다. 도 9는 본 발명에 따른 원통형 리튬 이차전지의 제조 방법을 도시한 순서도이다.

본 발명에 따른 원통형 리튬 이차전지(100)는, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상절연판(241)과 센터 핀(260)의 일체형(250)이 삽입되어 있는 전극 조립체(200)와, 상기 전극 조립체(200)와 전해액을 수용하는 원통형 캔(300)과, 상기 원통형 캔(300) 상부에 조립되어 상기 원통형 캔(300)을 밀봉하며 상기 전극 조립체(200)에서 발생되는 전류를 외부 장치로 흐르게 하는 캡 조립체(400)를 포함하여 형성된다.

상기 전극 조립체(200)는 양극집전체의 표면에 양극활물질층이 코팅된 양극판(210)과 음극집전체의 표면에 음극활물질층이 코팅된 음극판(220)과 상기 양극판(210) 및 음극판(220) 사이에 위치하여 상기 양극판(210)과 음극판(220)을 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터(230)가 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다. 상기 양극판(210)은, 도면에는 상세히 도시되지 않았지만, 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극집전체와, 그 양면에 코팅된 양극활물질층을 포함하고 있다. 상기 양극판(210)의 양 말단에는 양극활물질층이 형성되지 않은 양극집전체 영역, 즉, 양극무지부가 형성된다. 상기 양극무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되며, 전극조립체(200)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극 탭(215)이 접합되어 있다. 또한, 상기 음극판(220)은 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극집전체와, 그 양면에 코팅된 음극활물질층을 포함하고 있다. 상기 음극판(220)의 양 말단은 음극활물질층이 형성되지 않은 음극집전체 영역, 즉 음극무지부가 형성된다. 상기 음극무지부의 일단에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 형성되며, 전극조립체(200)의 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(225)이 접합되어 있다. 더불어 상기 전극조립체(200)의 상부 및 하부에는 각각 캡조립체(400) 또는 원통형 캔(300)과의 접촉을 방지하기 위한 절연 플레이트(241, 245)가 더 포함되어 형성될 수 있다.

상기 센터 핀(260)은 대략 다음의 두 가지 이유에서 삽입된다고 볼 수 있다. 첫째는, 리튬 이온 전지는 충방전을 반복함에 따라 전극 조립체(200)가 팽창하게 되는데 캔(300)에 의해 막혀 있는 외측으로는 팽창할 수 없으므로 전극 조립체(200)의 중앙부로 팽창하여 극판을 변형시키고 이에 따라 쇼트가 발생할 위험이 있다. 센터 핀(260)은 이러한 극판의 변형을 방지하는 기능을 한다. 둘째는, 과충전 등에 의해 전지 내부가 고온상태가 되면 내부에 가스가 다량 발생하게 되는데 이러한 가스의 방출 통로의 기능을 한다. 센터 핀(260)은 제조 비용 및 가스 배출의 효율성 측면에서 통상 금속재의 얇은 판자를 둥글게 말아서 형성되어 그 단부에 슬릿(slit)이 존재하는 형상을 하고 있다. 또는, 슬릿이 존재하지 않도록 처음부터 이음부가 없는 원통형으로 제조하는 경우도 있다.

상기 센터 핀(260)의 재질로는 PPS(poly phenylene sulfide, 이하 PPS라 한다), 불소 수지 또는 알루미늄(Al), 철(Fe) 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 센터 핀(260)의 재질로 PPS 또는 불소 수지를 사용하는 경우에는, 통 상적으로 센터 핀(260)에 슬릿이 존재하지 않도록 이음부가 없는 원통형으로 제조된다. 따라서 상절연판(241)과 일체형으로 성형하는 경우에도, 일체형의 형상으로 제조된 몰드에 용융된 수지를 주입하는 사출 성형 방식으로 성형할 수 있다. 또한 센터 핀(260)의 재질로 알루미늄, 철 및 이들의 합금 중 어느 하나로 사용하는 경우에는, 이음부가 없는 원통형으로 처음부터 제조할 수도 있으나 비용문제 등에 의해 금속판을 말아서 슬릿이 존재하는 형상으로 제조된다. 이 경우, 상절연판(241)과 일체형으로 성형하는 경우 센터 핀(260)을 몰드에 장착하고 용융 수지를 몰드내부로 주입하여 서로 결합시키는 인서트(insert) 사출 성형 방식으로 성형할 수 있다.

PPS는 para-dichlorobenzene과 sodium sulfide를 극성인 N-methyl pyrrolidone과 같은 용매에서 반응시켜 제조하는데, 고성능 플라스틱으로 매우 강하며, 내열성이 우수하여　300℃ 근처까지 녹지 않는다. 또한 난연성이어서 과충전, 과방전, 과전류 등의 경우에 전지가 폭발, 발화할 위험성을 낮추는 기능을 할 수도 있다.

불소 수지는 C-C결합으로 이루어지는 폴리올레핀과 같은 결합인데, 폴리올레핀의 수소의　일부 또는 전부가 불소(F)원자로 대치된 구조를 가진 합성수지이다. 불소 수지에는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오르에틸렌-페르플루오트 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 폴리불화비닐라덴(PVDF) 등이 있다. PTFE는 테프론이란 상품 명으로 알려져 있는 결정성수지로　260℃에서의 장기사용에 견디는 내열성이 있고 내약품 성, 전기절연성, 난연성 등이 우수한 플라스틱이다. FEP는 융점 250~295℃, 연속 사용온도 200℃이며 사출성형, 압출성형도 된다. 내열성 이외의 특성은 　PTFE에 가깝고 광투과성과 내후성이 우수하다. PFA는 융점 302~310℃, 연속 사용온도는 260℃이며 사출성형이나 압출성형도 가능한외에 다른　특성은 PTFE에 가깝다. PVDF는 융점 170~185℃, 연속 사용온도는 120℃로서 불소 수지 중에서는 최저이나, 사출성형, 압출성형 그 밖의 가공적성이 있고 기계적 특성이나 내후성이 뛰어나며 압전성이 있다.

또한 알루미늄, 철 등은 강도와 가공성이 우수하고 내열성이 좋다는 장점이 있다. 원하는 성질에 따라 이들 금속을 합금할 수도 있음은 물론이다. 다만, 여기서 센터 핀의 재질을 한정하는 것은 아니다.

상기 센터 핀(260)과 상절연판(241)이 결합되는 부분에는, 도 3을 참조하면, 센터 핀(260)의 내부에 형성되어 상절연판(241)과의 결합부분까지 연장된 홀(246)이 형성되어 있다. 상기 홀(246)은 과충전 등으로 인해 전지 내부의 온도가 80~120℃까지 상승하여 내부에 가스가 발생한 경우, 가스를 베어 셀의 상부로 배출시켜 안전밴트(410)가 작동하도록 하는 가스 배출구 기능을 한다. 또한, 이렇게 센터 핀(260)과 상절연판(241)을 일체형으로 성형함으로써, 낙하 등으로 인한 충격이 전지에 가해지는 경우에도 비딩(beading)부(340)가 일체형(250)의 상절연판(241)을 잡고 있고, 가스켓(305) 또한 일체형(250)의 상절연판(241)을 잡고 있어 센터 핀(260)이 안전 밴트(410) 방향으로 돌출되지 못하게 되므로 안전밴트(410)에 손상이 없는 구조가 된다.

유사한 기능을 수행하기 위해 하절연판(245)과 센터 핀(260)을 일체형으로 성형할 수도 있으나, 이 경우에는 센터 핀(260) 내부의 홀을 통해 용접봉을 삽입하여 캔 바닥(320)과 음극 탭(225)를 용접해야 하므로 용접이 힘들게 되는 문제점이 있다. 본 발명에 따라 상절연판(241)과 센터 핀(260)을 일체형(250)으로 성형하면, 권취된 전극 조립체(200)을 캔 내부에 삽입한 후 권취축을 빼낸 공간으로 용접봉을 삽입하여 용접을 수행한 후에 일체형(250)을 삽입할 수 있으므로, 캔 바닥(320)과 음극 탭(225)의 용접에 있어 문제점이 없다. 또한, 상절연판(241)과 센터 핀(260)을 처음부터 일체형(250)으로 성형함으로써 별도로 장착하는 종래의 경우에 비해서 공정이 단순화된다는 장점이 있다.

도 4a는 본 발명에 따라 상절연판(241)과 센터 핀(260)이 일체형(250)으로 성형된 형상을 도시한 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 B-B 단면도이다. 도 4a를 참조하면, 상기 상절연판(241)에는 상절연판(241)의 중심에서 소정거리 이격되어 소정의 중심각을 가지는 홀이 형성되어 전극 탭 관통부(243)를 이루고, 상기 전극 탭 관통부(243)와 상기 상절연판(241)의 원주 사이에 다수의 제 1형 홀(242)이 형성되어 있다. 전극 조립체(200)에서 돌출된 양극 탭(215)은 안전밴트(412)의 하부와 전기적으로 결합되어야 하므로, 상절연판(241)은 양극 탭(215)이 하부에서 상부로 관통할 수 있도록 설계되어야 한다. 이를 위해 상절연판(241)에는 전극 탭 관통부(243)가 형성되어 있다. 상기 전극 탭 관통부(243)는 호(弧) 형상으로 2개 이상 형성되는 것이 바람직하다. 상기 전극 탭 관통부(243)가 너무 넓으면 상절연판(241)의 표면적이 감소하여 기계적 강도가 약해지므로 상절연판(241)이 변형, 파손될 가 능성이 있다. 또한, 일체형(250)을 전극 조립체(200)의 중앙에 삽입시 원활한 삽입을 위해 센터 핀(260)을 회전시켜 가면서 수행하게 되는데, 이 경우 일체형(250)의 삽입 후에 양극 탭(215)과 상기 전극 탭 관통부(243)가 제대로 매치(match)되지 않을 수도 있기 때문에 2개 이상으로 형성하여 매칭(matching) 가능성을 높이는 것이 좋다.

상기 전극 탭 관통부(243)와 상기 상절연판(241)의 원주 사이에는 복수개의 제 1형 홀(242)이 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 원통형 리튬 이차전지는 전극 조립체(200)에 일체형(250)을 삽입한 후, 캔의 상부에 비딩부(340)를 형성하고 전해액을 주입하게 된다. 이 경우, 캔의 상부로부터 주입된 전해액은 주로 상절연판(241)의 제 1형 홀(242)을 통해서 전극 조립체(200)에 채워지게 되고, 일부는 상기 전극 탭 관통부(243)를 통해서 전극 조립체(200) 내에 채워지게 된다. 따라서, 전해액의 원활한 주입을 위해 상기 제 1형 홀(242)은 복수개로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 제 1형 홀(242)의 형상에는 제한이 없으나 통상 원형으로 형성된다. 이 때, 전해액은 상절연판(241)과 센터 핀(260)이 연결된 부위에 존재하는 홀(246)을 통해서 센터 핀(260)의 내부로도 주입되는데, 이렇게 하여 센터 핀(260) 내부에 주입된 전해액의 대다수는 전극 조립체(200)를 채우고 일부는 센터 핀(260) 내부에 남게 될 수도 있다. 센터 핀(260) 내부에 잔존하는 전해액은, 과충전 등에 의해 전지 내부 온도가 고온으로 상승하여 전해액이 증발하는 경우, 전극 조립체(200)에 전해액을 보충하는 기능을 하게 된다.

상기 센터 핀(260)의 표면에는 상기 센터 핀(260)의 외부와 내부를 관통하는 복수개의 제 2형 홀(265, 266, 267)이 형성될 수 있다. 도 5a, 도 5b, 도 5c는 센터 핀의 표면에 제 2형 홀이 형성된 형상을, 도 6은 도 5a의 단면도를 나타낸다. 상기 제 2형 홀(265, 266, 267)은 원(265), 삼각형(266), 사각형(267) 형상으로 형성될 수 있으며, 여기서 상기 제 2(265, 266, 267)홀의 형상을 한정하는 것은 아니다. 상술한 바와 같이, 캔(300)의 상부로 주입된 전해액은 상절연판(241)에 형성된 제 1형 홀(242), 전극 탭 관통부(243), 상절연판(241)과 센터 핀(260)이 연결된 부위에 존재하는 홀(246)을 통해서 전극 조립체(200) 내부로 스며들게 되는데, 상절연판(241)과 센터 핀(260)이 연결된 부위에 존재하는 홀(246)을 통해서 주입된 전해액이 전극 조립체(200) 내부로 원활하게 이동하기 위해 센터 핀(260)의 표면에 복수개의 제 2형 홀(265, 266, 267)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 2형 홀(265, 266, 267)은 전극 조립체(200)로부터 발생한 가스를 센터 핀(260)을 통해 캡 조립체(400) 방향으로 배출할 때 가스의 이동 통로로서의 기능도 하게 된다. 도 6을 참조하면, 베어 셀 내부의 온도가 고온으로 상승하여 가스가 발생하는 경우, 전극 조립체(200) 내부에서 발생한 가스는 제 2형 홀(265)을 통해서 센터 핀(260)의 내부로 이동하고, 센터 핀(260) 내부에서 상승하여 상절연판(241)과 센터 핀(260)의 연결부위에 형성된 홀(246)을 통해서 배출된다.

이러한 가스 방출에 의해 베어 셀의 내부 압력은 상승하게 되어 캡 조립체(400)의 한 구성요소인 안전 밴트(412)를 바깥 방향으로 밀어내고, 이에 따라 그 위에 설치되어 있던 전류차단수단(420, 이하 CID라 한다)이 파손됨으로써 전류를 차단하게 된다. 즉, CID(420)에 형성된 배선 패턴이 끊어짐으로써, 더 이상 전류가 흐르지 않게 된다. 물론, 전류가 차단되면 과충전 상태가 정지됨으로써 전지의 폭발 및 발화 현상도 방지된다.

도 7을 참조하면, 상기 센터 핀(260)은 길이 방향을 따라 절개 홈(270)이 형성된 관 형상으로 이루어지며, 상기 절개 홈(270)을 이루는 양 단(272)은 상기 센터 핀(260)의 내부를 향하도록 형성될 수 있다. 센터 핀(260)은 플라스틱, 금속 등의 재질로 처음부터 이음부가 없는 구조로 형성할 수도 있으나, 통상은 비용을 낮추고 가스 방출구 기능의 원활한 수행을 위해, 가공성이 좋은 알루미늄, 철 등의 금속재질의 판을 원통형으로 둥글게 구부려 양단이 만나는 부분에 절개 홈(270)이 형성되도록 한다. 이러한 센터 핀(260)은 인서트(insert) 사출 성형 방식에 의해 상절연판(241)과 일체형(250)으로 결합될 수 있다.

이 때, 전지의 낙하 등 외부 충격에 의해 센터 핀(260)에 충격이 가해지는 경우, 센터 핀(260)의 상기 양 단(272) 중 일측 또는 양측이 센터 핀(260) 외부로 변형되어 인접하고 있는 전극 조립체(200)의 세퍼레이터(230)를 파손할 수 있다. 이렇게 하여 세퍼레이터(230)가 파손된 영역에는 양극판(210)과 음극판(220)이 직접 접촉하게 되어 쇼트가 발생할 위험이 있다.

본 발명에 의하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 절개 홈(270)을 이루는 양 단(272)을 센터 핀(260) 내부로 절곡하여, 외부 충격에 의해 센터 핀(260)이 변형되는 경우에도 양 단(272)이 센터 핀(260) 내부로 변형되도록 하여 쇼트 위험을 방지하였다. 여기서, 상기 절개 홈(270)은 도 5a의 제 2형 홀(265)과 마찬가지로, 전극 조립체(200) 내부에서 발생한 가스의 이동 통로 역할과, 주입된 전해액이 인접한 전극 조립체(200)의 내부로 원활하게 스며들도록 하는 역할을 수행한다. 이 때, 상기 센터 핀(260)의 상단과 하단에는 테이퍼(taper, 280)가 형성될 수 있다. 외부 충격에 의해 센터 핀(260)이 변형될 경우에 센터 핀(260)의 중앙부보다 상단과 하단이 상대적으로 쉽게 변형될 수 있으므로, 그 변형이 최소화되도록 상단과 하단에 각각 중앙부보다 직경이 작아지는 테이퍼(280)가 형성될 수 있다.

상기 원통형 캔(300)은 상기 원통형 전극조립체(200)가 수용될 수 있는 소정 공간이 형성되도록 일정 직경을 갖는 원통형 측면판(310)과 상기 원통형 측면판(310)의 하부를 밀폐하는 하면판(320)을 포함하여 형성되며, 상기 원통형 측면판(310)의 상부는 상기 전극조립체(200)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 상기 원통형 캔(300)의 하면판(320) 중앙에 상기 전극조립체(200)의 음극 탭(225)이 접합됨으로써, 상기 원통형 캔(300) 자체는 음극 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 원통형 캔(300)은 일반적으로 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다. 더불어 상기 원통형 캔(300)은 상부의 개구에 결합되는 상기 캡조립체(400)의 상부를 압박하도록 상단에서 내부로 휘어진 크림핑(crimping)부(330)가 형성된다. 또한, 상기 원통형 캔(300)은 상기 크림핑부(330)로부터 하방으로 상기 캡조립체의 두께에 대응되는 거리만큼 이격된 위치에 상기 캡조립체(400)의 하부를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부(340)가 더 형성되어 있다.

상기 캡조립체(400)는 안전밴트(410)와 전류차단수단(420)과 이차보호소자 (480)및 캡업(490)을 포함하여 형성된다. 상기 안전밴트(410)는 판상으로 중앙에 하부로 돌출되는 돌출부가 형성되어 상기 캡조립체(400)의 하부에 위치하며, 이차 전지의 내부에서 발생한 압력에 의하여 돌출부가 상부 방향으로 변형하게 된다. 상기 안전밴트(410)의 하면 소정위치에는 전극조립체(200)의 양극판(210) 및 음극판(220) 중에서 한 전극판 예를 들어, 양극판(210)에서 인출한 양극탭(215)이 용접되어 상기 안전밴트(410)와 전극조립체(200)의 양극판(210)이 전기적으로 연결된다. 여기서 양극판(210) 및 음극판(220) 중 나머지전극판 예를 들어 음극판(220)은, 음극판(220)에서 인출한 음극탭(225)이 베어 셀의 바닥면(320)에 용접되어 캔(300)과 전기적으로 연결된다.

다음으로, 본 발명에 따른 원통형 리튬 이차전지의 제조 방법을 설명한다. 본 발명에 따른 원통형 리튬 이차전지의 제조 방법은, 도 9를 참조하면, 먼저 센터 핀(260)과 상절연판(241)을 일체형(250)으로 형성한다(S1). 상술한 바와 같이, 일체형(250)으로 형성하는 방법은 사출 성형 방식 또는 인서트(insert) 사출 성형 방식 등을 적용할 수 있다. 원활한 양산을 위해서는 전지를 조립하기 전에 미리 상기 일체형(250)을 형성해 놓는 것이 좋다. 그 다음으로 제 1전극판, 세퍼레이터, 제 2전극판을 적층하고, 일단에 결합되는 권취축을 이용하여 전극 조립체(200)를 형성한다(S2). 그 다음으로 원통형 케이스(300)에 상기 전극 조립체(200)를 삽입(S3)한 후, 케이스(300)에 삽입된 전극 조립체(200)의 중앙에 상기 S1에서 형성된 일체형(250)을 삽입한다(S4). 이 경우 원활한 삽입을 위해 센터 핀(260)을 회전시켜 전극 조립체(200) 내로 삽입하는 것이 좋다. 그 다음으로, 캡 조립체(400)의 안착을 위해 비딩부(340)를 형성하고 전해액을 주입한다(S5). 이 때, 전해액 주입 전후의 무게를 측정하여 일정량의 전해액을 캔(300)의 내부에 주입하도록 한다. 그 다음으 로, 캔(300)의 상단에 캡 조립체(400)를 결합(S6)하고 베어 셀(100)의 밀봉을 위해 캔(300)의 상단 개구부를 내측 방향으로 절곡하여 크림핑(crimping)부(330)를 형성한다.

한편, 상술한 바와 같이 원통형 케이스(300)에 전극 조립체(200)를 삽입(S3)한 후 전극 조립체(200)에 일체형(250)을 삽입(S4)할 수도 있지만, 이와 반대로 전극 조립체(200)에 일체형(250)을 삽입(S4)한 후에 이를 원통형 케이스(300)에 삽입(S3)할 수도 있다. 전자(前者)의 순서를 따르는 경우, 원통형 케이스(300)에 전극 조립체(200)를 삽입하는 과정은 용이하나, 이미 케이스(300) 내에 삽입되어 더 이상 변형될 수 없는 전극 조립체(200)의 중앙에 일체형(250)을 삽입하는 과정은 상대적으로 용이치 않게 된다. 후자(後者)의 순서를 따르는 경우에는 전자(前者)의 경우와 반대의 결과가 도출될 것이다.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지의 작용에 대해서 설명한다.

통상적으로, 센터 핀(260)이 삽입된 원통형 리튬 이차전지에서 센터 핀(260)과 전극 조립체(200)는, 권취된 전극 조립체(200)가 캔(300)의 내부 방향, 즉 센터 핀(260) 방향으로 가해지는 압력에 의한 센터 핀(260)과 전극 조립체(200) 사이의 마찰력에 의해 센터 핀(260)이 지지된다. 따라서 전지의 낙하 등에 의해 외부 충격이 가해질 경우, 특히 베어 셀의 캡 업(cap up, 490)이 아래로 향하도록 하여 낙하된 경우에는 전극 조립체(200)의 중앙에 삽입된 센터 핀(260)이 전극 조립체(200) 와의 마찰력을 이기고 캡 조립체(400) 방향으로 미끄러져 캡 조립체(400), 특히 캡 조립체(400)의 하측에 결합된 안전 밴트(410)를 가격(加擊)하게 되어 안전 밴트(410)에 변형을 가져 오게 된다. 이렇게 되면 안전 밴트(410)는 제 기능을 상실하게 되고, 따라서 안전 밴트(410)가 손상된 전지는 전지 전체로도 더 이상 사용할 수 없는 전지가 된다.

도 3을 참조하면, 센터 핀(260)과 상절연판(241)이 일체형(250)으로 결합되어 있고 상기 상절연판(241)은 비딩부(340)에 의해 고정되어 있어, 외부 충격이 가해지더라도 센터 핀(260)이 캡 조립체(400) 방향으로 상승할 수 없게 된다. 여기에 더하여, 상기 상절연판(241)은 가스켓(305)으로 눌려 있어 센터 핀(260)의 상승이 이중으로 방지된다. 따라서, 낙하 등에 의해 전지에 외부 충격이 가해지더라도 적어도 안전 밴트(410)의 손상에 의해 전지를 더 이상 사용할 수 없게 되는 경우는 발생하지 않게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따른 원통형 리튬 이차전지에 의하면, 상절연판과 센터 핀을 일체형으로 형성함으로써 전지의 낙하 등에 의한 외부 충격시 센터 핀이 캡 조립체, 특 히 안전 밴트에 충격을 가하여 전지가 파손되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

단부를 내측 방향으로 절곡하여 형성함으로써, 외부 충격에 의해 센터 핀이 변형될 경우에도 내부 쇼트를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

중앙에 센터 핀이 삽입된 전극 조립체, 상기 전극 조립체 상부에 위치하는 상절연판, 상기 전극 조립체를 수용하는 캔, 상기 캔의 상단 개구부에 결합하여 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하여 이루어지는 원통형 리튬 이차전지에 있어서,

상기 센터 핀은 상기 상절연판과 일체형으로 형성되고, 상기 상절연판에는 복수개의 제1형 홀이 형성되며, 상기 상절연판에는 중심에서 소정거리 이격된 위치에 상기 전극 조립체에서 인출된 전극탭이 관통되는 전극 탭 관통부를 형성하되, 상기 전극 탭 관통부는 상기 상절연판의 소정의 중심각에 대응되는 호(弧) 형상을 갖고 적어도 2개 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
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제 1항에 있어서,

상기 센터 핀의 표면에는 상기 센터 핀의 외부와 내부를 관통하는 복수개의 제 2형 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
제 5항에 있어서,

상기 제 2형 홀의 형상은 원, 삼각형, 직사각형 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
제 1항에 있어서,

상기 센터 핀의 재질은 PPS(poly phenylene sulfide) 또는 불소(F) 수지인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
제 1항에 있어서,

상기 센터 핀의 재질은 알루미늄(Al), 철(Fe) 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
제 7항에 있어서,

상기 센터 핀과 상기 상절연판은 사출 성형 방식에 의해 일체형으로 제조되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지
제 8항에 있어서,

상기 센터 핀과 상기 상절연판은 인서트(insert) 사출 성형 방식에 의해 일체형으로 제조되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지
제 1항에 있어서,

상기 센터 핀은 길이 방향을 따라 절개 홈이 형성된 관 형상의 몸체를 구비하며, 상기 절개 홈을 이루는 양단은 상기 센터 핀의 내부를 향하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지
제 11항에 있어서,

상기 몸체는 상단과 하단에 테이퍼가 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지
제 11항에 있어서,

상기 센터 핀의 재질은 알루미늄(Al), 철(Fe) 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
제 11항에 있어서,

상기 센터 핀과 상기 상절연판은 인서트(insert) 사출 성형 방식에 의해 일체형으로 제조되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지
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