KR100880321B1

KR100880321B1 - 이차전지

Info

Publication number: KR100880321B1
Application number: KR1020060128248A
Authority: KR
Inventors: 정상석
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2009-01-28
Also published as: EP1933403A3; EP1933403B1; KR20080055229A; EP1933403A2; US8273473B2; US20080145748A1

Abstract

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지 내압의 이상 상승시나 외부 충격 등에 의해 리크(leak) 형태의 국부적 파열을 하지 않는 안전벤트에 관한 것이다.

본 발명은, 충·방전 기능을 하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 내측에 수용하는 캔, 상기 캔의 개방 측을 밀봉하는 캡 플레이트가 구비된 캡 조립체를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 캡 조립체의 캡 플레이트에 안전벤트가 형성되며, 상기 안전벤트는 비대칭의 트랙 형태인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이차전지는, 전지 내압의 이상 상승시 전반적인 파열과 함께 상승된 내압을 신속히 해소하는 안전벤트의 기능이 안정적으로 보장되고, 외부 충격시 안전벤트의 리크(leak) 현상이 쉽게 발생하지 않아 구조적인 안전성이 향상된다.

이차전지, 안전벤트, 비대칭, 트랙형

Description

이차전지{Secondary battery}

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안전벤트가 적용된 캡 플레이트의 평면도

도 2는 도 1에 따른 캡 플레이트의 단면도

도 3은 도 1의 실시 예에 따른 안전벤트 및 캡 플레이트가 사용된 이차전지의 전체 구성을 보인 단면도

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안전벤트가 적용된 캡 플레이트의 평면도

도 5는 도 4에 따른 캡 플레이트의 단면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 이차전지 110,210 : 캡 플레이트

120,220 : 전극단자 130,230 : 절연 가스켓

140,240 : 전해액 주입구 140,240 : 마개

150,250 : 안전벤트 151,251 : 제1 호형부

152,252 : 연결부 153,253 : 제2 호형부

154 : 단차부 160 : 절연 플레이트

170 : 단자 플레이트 410 : 캔

421 : 양극 422 : 음극

423 : 세퍼레이터 424 : 양극탭

425 : 음극탭 426 : 절연테이프

460 : 절연케이스 461 : 탭홀

일반적으로 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 이러한 이차 전지로는 현재 니켈수소(Ni-MH) 전지와 리튬 전지 등이 널리 사용되고 있다.

이와 같은 이차전지는 휴대폰, 노트북 컴퓨터, PDA 등에 사용되는 핵심부품으로서 휴대용 전자기기의 고성능화와 보급 확대 등에 힘입어 소형 이차전지 시장이 발전하고 있는 추세이다.

특히 리튬 이차전지는 양극 활물질로는 리튬계 산화물을, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하며, 이와 같은 리튬 이차전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류될 수 있다. 즉, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬이온(Li-ion) 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머 전지 라고 한다. 또한, 이와 같은 리튬 이차전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로 원통형, 각형, 그리고 파우치형이 있다.

이러한 리튬 이차전지에 있어서, 리튬이온 전지의 경우, 과충전이 되면 양극에서 전해액의 분해가 발생하게 되고, 음극에서는 리튬금속이 석출되는데, 이에 따라 전지의 특성이 열화 되는 한편, 발열이나 발화가 일어날 수 있다. 또한, 리튬 폴리머 전지의 경우, 충·방전시 국부적으로 과열될 수 있는데, 이에 따라 열에 약한 고분자 전해질이 부분적으로 용해되거나 연화됨으로써, 전류와 전위가 균일하지 못하게 되어 단락의 원인이 되고 전지의 파열 및 폭발이 일어날 가능성이 있다. 또한, 전기화학적인 반응에 의하여 전지 내에 가스가 발생하여 전지의 내압이 상승하게 됨으로써 전지가 팽창하게 되는데, 이는 전지의 파열까지 계속 진행된다. 이와 같은 현상들은 전지의 안전성에 치명적이다.

따라서, 상기의 문제점을 해결함으로써 전지의 안전성을 확보하고자 하는 많은 방안들이 제안되어 왔는데, 그 중, 전지 내에 발생된 가스를 소정의 압력 이상에서 외부로 방출시키기 위해 전지에 안전벤트를 채용한 것이 있다. 그리고, 상기 안전벤트는 기계적인 방법이나 에칭법 및 전기주형법을 사용하여 이차전지의 캡 플레이트 또는 캔의 일부분에 일정한 깊이로 홈을 형성하여 제작되는 형태가 널리 사용되고 있다. 또한, 상기와 같이 캡 플레이트나 캔의 일부분에 형성되는 홈은 통상 노치홈의 형태로 이루어진다.

그리고, 이러한 안전벤트를 포함하여 이차전지의 안전성을 테스트하는 과정 중 하나로 고온 플레이트 테스트를 실시하고 있으며, 이와 같은 고온 플레이트 테 스트는 제조된 이차전지(통상 베어 셀 상태)를 200℃~250℃의 가열된 플레이트 위에 올려놓고 고열에 대한 저항도를 테스트하는 것이다.

또한, 이차전지의 안전성을 테스트하는 다른 과정으로 낙하 테스트를 실시하고 있으며, 이러한 낙하 테스트는 외부 충격에 대한 테스트로서, 일 예로 1m 높이의 통에 이차전지를 넣은 후 소정 시간 회전시키는 과정으로 진행된다.

그러나, 상기한 종래의 안전벤트는 파열부가 되는 노치홈이 통상 가상의 중심선을 기준으로 양측이 대칭을 이루는 형태였다. 하지만, 노치홈에서의 압력은 노치홈 내의 위치마다 다를 수 있다. 상기 노치홈이 캡 플레이트에 형성되는 구조를 예로 들면, 캡 플레이트의 중앙에 위치하는 전극단자를 기준으로 노치홈의 전체 중 상기 전극단자에 가까운 쪽과 먼 쪽 간에 작용하는 압력이 다소 차이가 날 수 있다.

이에 따라, 이차전지가 내부 단락이나 과충전 등에 의해 내압 상승시, 안전벤트의 노치홈에 리크(leak)와 같은 국부적인 불량파열 현상이 종종 발생된다. 이와 같은 리크가 발생할 경우 전지 내부의 압력 조건이 정상적인 상태를 유지하지 못하게 되고, 그 결과 안전벤트는 규정치 이상의 내압에서 전체적으로 신속히 파열하여 전지의 상승된 내압을 해소하는 정상 기능을 수행하지 못하는 문제가 발생된다. 그리고, 이러한 제 기능을 다하지 못하는 안전벤트로 인해 전지의 내압이 계속 상승하면서 결국에는 전지의 폭발로 이어지는 치명적인 결과를 초래하게 된다.

또한, 전지에 낙하나 기타 이유로 인해 충격이 작용하는 경우, 전지는 그 횡단면을 기준으로 중앙보다 양측에 더 많은 충격이 가해질 수 있으며, 여기서 종래 의 안전벤트는 상기한 것처럼 가상의 중심선을 기준으로 양측이 대칭을 이루는 형태이므로, 그 전체 중 전지의 양측에 보다 근접해 있는 부분에 더 많은 충격이 전해지면서 리크(leak)와 같은 불량 파열이 발생할 위험이 크다.

또한, 전지에 외부로부터 열이 작용하는 경우, 안전벤트가 전지의 캡 플레이트에 형성된 구조를 예로 들면, 캡 플레이트의 외각 부분으로부터 중심 부분으로 가열이 진행되고, 여기서 가상의 중심선을 기준으로 대칭형인 종래 안전벤트의 경우, 캡 플레이트의 외각에 인접하는 부분이 전체 크기에서 상당한 부분을 차지하며, 이에 따라 안전벤트의 캡 플레이트 외각에 위치하는 부분에서 열 팽창에 의해 리크(leak)와 같은 불량 파열이 발생할 위험이 크다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 안전벤트가 그 중심부 기준으로 비대칭의 트랙 형태로 이루어져, 비대칭의 트랙 형태인 안전벤트에 의해 내부단락이나 과충전 등에 의해 전지의 내압이 규정치 이상으로 상승시, 전지의 외부로 작용하는 압력이 비대칭의 트랙 형태인 안전벤트에 의해 안전벤트 위치별로 다르게 작용하는 것이 보상되고, 그로 인해 리크(leak)와 같은 불량파열 없이 안전벤트의 전반에 걸친 신속한 파열이 진행되어 내압 해소와 전해액의 분출 기능이 매우 양호하게 이루어지는 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전지의 캡 플레이트에 안전벤트를 그 중심부 기준으로 비대칭의 트랙 형태로 형성함으로써, 전지에 외부로부터 고온의 열이나 충격이 작용하는 경우, 안전벤트의 캡 플레이트 외각에 위치한 일 부분에 더 큰 충격이 가해지거 나 조속히 가열되는 현상이 완화되면서 리크(leak)와 같은 불량 파열이 최소화될 수 있도록 하는 이차전지를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 충·방전 기능을 하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 내측에 수용하는 캔, 상기 캔의 개방 측을 밀봉하는 캡 플레이트가 구비된 캡 조립체를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 캡 조립체의 캡 플레이트에 안전벤트가 형성되며, 상기 안전벤트는 비대칭의 트랙 형태인 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.

또한, 상기 안전벤트의 비대칭 트랙 형태는, 일측의 제1 호형부와, 상기 제1 호형부와 이격되고 그 곡률이 상기 제1 호형부보다 작은 제2 호형부와, 상기 제1 호형부와 제2 호형부의 양단을 각각 연결하는 한 쌍의 연결부로 이루어지는 구성일 수 있다. 여기서, 상기 캡 플레이트는 마주하는 한 쌍의 장변과 단변을 갖는 형태이며, 상기 안전벤트와 인접하는 단변을 기준으로 상기 제1 호형부와 상기 단변 간의 거리가 상기 제2 호형부와 상기 단변 간의 거리보다 긴 것일 수 있다. 또한, 상기 캡 플레이트의 중앙에 전극단자가 설치되고, 상기 제1 호형부와 상기 전극단자와의 거리가 상기 제2 호형부와 상기 전극단자와의 거리보다 짧은 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 호형부 그리고 연결부는 모두 노치홈 형태로 이루어지는 구성일 수 있다.

또한, 상기 안전벤트를 구성하는 노치홈의 주연에 상기 캡 플레이트의 다른 면보다 축소된 두께를 갖는 단차부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 캡 플레이트의 중앙에 전극단자가 설치되고, 상기 비대칭의 트랙 형태인 안전벤트가 상기 전극단자를 중심으로 한 어느 한 쪽에 상기 캡 플레이트의 외곽 방향으로 편중되게 형성되는 구성이 바람직하다.

또한, 상기 비대칭 트랙 형태인 안전벤트는 24㎛~30㎛ 범위의 두께인 것일 수 있고, 또한 22±3kgf/㎠ 범위의 파단압인 것일 수 있다.

또한, 상기 안전벤트는 상기 캡 플레이트의 장변 방향으로의 길이가 4.8mm 내지 5.2mm이고 단변 방향으로의 길이가 2.8mm 내지 3.2mm인 것일 수 있다.

상기와 같은 구성에 의해서, 안전벤트의 형태가 비대칭인 것에 의해, 이차전지가 내부단락이나 과충전 등에 의해 그 내압이 규정치 이상으로 상승할 경우, 이차전지의 외부로 작용하는 압력이 안전벤트 위치별로 다르게 작용하는 것이 보상되고, 그로 인해 안전벤트는 리크(leak)와 같은 불량파열 없이 그 전반에 걸쳐 신속한 파열이 이루어져 전지의 내압 해소 및 전해액의 분출 기능이 매우 양호하게 이루어질 수 있다.

또한, 이차전지에 외부로부터 고온의 열이나 충격이 작용하는 경우, 안전벤트의 캡 플레이트 외각에 위치하는 부분에 대한 충격 전달의 완화나 열 전달의 감소가 이루어져, 안전벤트에 리크(leak)와 같은 불필요한 국부 파열을 최소화할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안전벤트가 적용된 캡 플레이트의 평 면도이고, 도 2는 도 1에 따른 캡 플레이트의 단면도이며, 도 3은 도 1의 실시 예에 따른 안전벤트 및 캡 플레이트가 사용된 이차전지의 전체 구성을 보인 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지(1)는 전극 조립체, 캔(410), 캡 플레이트(110)를 구비하는 캡 조립체, 안전벤트(150)를 포함하여 구성된다.

전극 조립체는 양극(421) 및 음극(422)을 넓은 판형으로 형성한 뒤 세퍼레이터(423)를 양극(421)과 음극(422)의 사이에 개재하여 적층하고 와형으로 권취하여 이른바 '젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 제작된다. 이와 같은 전극 조립체의 양극(421)에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극탭(424)이 전기적으로 연결되어 있고, 음극(422)에는 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극탭(425)이 전기적으로 연결되어 있다.

여기서, 양극(421) 및 음극(422)과, 양극탭(424) 및 음극탭(425)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 양극탭(424) 및 음극탭(425)이 전극 조립체로부터 인출되는 경계부에는 두 전극 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(426)가 각각 감겨져 있다.

캔(410)은 일측을 개방한 구조로써, 이와 같은 캔(410)의 개방된 일측을 통해 전극 조립체가 수용된다. 그리고, 캔(410)은 알미늄이나 알미늄 합금으로 형성되는 것이 바람직하다.

캡 조립체에는 캔(410)의 개방된 상단에 대응되는 크기와 형상을 가지는 캡 플레이트(110)가 구비된다. 캡 플레이트(110)는 캔(410)과의 결합을 위한 용접성 향상을 위해 캔(410)과 동일하게 알미늄이나 알미늄 합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 캡 플레이트(110)의 중앙부에는 전극단자(120)가 통과할 수 있도록 관통홀이 형성된다. 캡 플레이트(110)의 중앙부를 관통하는 전극단자(120)의 외측에는 전극단자(120)와 캡 플레이트(110)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 절연 가스켓(130)이 설치된다.

그리고, 캔(410)의 내측에 전극 조립체가 수용되고, 이와 같이 전극 조립체가 수용된 캔(410)의 개방된 일측을 캡 조립체에 의해 밀봉하여 이차전지의 기본 구성이라 할 수 있는 베어 셀이 형성된다. 그리고, 이와 같은 베어 셀의 이상 충·방전에 따른 내압 상승시, 그 상승된 내압의 해소 및 베어 셀 내부에서 발생된 고온의 가스를 외부에 방출하기 위한 안전벤트(150)가 형성된다.

안전벤트(150)는 캡 조립체의 캡 플레이트(110)에 형성되며, 이와 같은 안전벤트(150)의 일 실시예를 도 1 및 도 2을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 안전벤트(150)는 비대칭의 트랙 형태로 이루어져 캡 조립체의 캡 플레이트(110)에 형성된다. 이와 같이 안전벤트(150)가 비대칭의 트랙 형태로 이루어짐에 따라, 베어 셀이 내부 단락이나 과도한 충·방전에 의해 그 내압이 규정치 이상으로 상승시, 베어 셀의 내압 상승으로 인해 안전벤트(150)를 향해 작용하는 압력이 안전벤트(150)의 위치별로 다르게 작용하는 것이 보상될 수 있다. 즉, 안전벤트(150)가 그에 작용하는 압력의 불균형으로 인해 리크(leak)와 같이 어느 일 부분만 제한적으로 파열되는 불량 파 열 현상이 방지될 수 있다.

그리고, 이와 같이 안전벤트에 리크(leak)와 같은 국부적인 불량파열 현상이 방지됨에 따라, 상기 리크(leak)와 같은 불량파열로 인해 전지의 내압 조건이 정상적인 상태가 되지 못해 안전벤트가 정상적인 작용을 하지 못하고, 그 결과 전지의 내압이 계속 상승하여 결국 전지의 폭발에 이르게 되는 치명적인 현상은 사전에 방지된다.

이와 같은 안전벤트(150)는 곡률을 달리하는 제1 및 제2 호형부(151)(153)가 서로 간격을 유지하면서 형성되고, 이와 같은 제1 및 제2 호형부(151)(153)의 양단을 각각 연결하는 한 쌍의 연결부(152)를 갖는 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 본 실시예와 같이 캡 플레이트(110)는 마주하는 한 쌍의 장변과 단변을 갖는 통상의 형태이고, 제2 호형부(153)와 인접하는 캡 플레이트(110)의 어느 한 단변을 기준으로 제1 호형부(151)와 캡 플레이트(110)의 단변 간의 거리가 제2 호형부(153)와 캡 플레이트(110)의 단변 간의 거리보다 길게 형성될 수 있다. 상기 형태에 해당하는 구성을 본 실시예를 기준하여 설명하면, 캡 플레이트(110)의 중앙에 전극단자(120)가 절연 가스켓(130)에 의해 절연된 상태로 설치되고, 제1 호형부(151)와 전극단자(120) 간의 거리가 제2 호형부(153)와 전극단자(120) 간의 거리에 비해 짧게 형성된다.

이에 따라, 이차전지(1)의 낙하로 인한 지면과의 충돌 현상 발생시, 그 충돌로 인해 베어 셀에 작용하는 외부 충격이 통상 캡 플레이트의 안쪽 면보다 바깥쪽 면, 특히 양측 모서리의 주연에 보다 강하게 작용하므로, 안전벤트(150)의 곡률이 작은 제2 호형부(153)가 캡 플레이트의 외각 방향에 위치하여 캡 플레이트의 양측 모서리에 가해지는 외부 충격으로부터 가능한 이격될 수 있어, 외부 충격으로 인한 안전벤트(150)의 리크(leak)와 같은 불필요한 국부적 파열이 방지되는 작용을 기대할 수 있다.

이에 더하여, 이차전지에 외부로부터 고온의 열이 작용하는 경우, 캡 플레이트의 외각 부분이 먼저 가열되면서 중앙 부분으로 점차 가열되고, 여기서 안전벤트는 비대칭의 트랙 형태인 구조적인 특성으로 인해 기존의 대칭형 트랙 형태인 안전벤트에 비해 캡 플레이트의 외각에 위치하는 부분이 상대적으로 축소된 형태이고, 이에 따라 안전벤트가 외부의 고열로 인한 열팽창에 의해 리크(leak)와 같은 불필요한 국부적 파열이 방지되는 작용을 기대할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 안전벤트(150)는 그를 구성하는 제1 호형부(151), 제2 호형부(153), 연결부(152)가 캡 플레이트(110)의 내면에 형성되는 노치홈의 구성이며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 본 실시예에서는 제1 호형부(151), 제2 호형부(153), 연결부(152)가 캡 플레이트(110)의 내면에 형성되는 형태를 예로 하였으나, 이와는 반대로 제1 및 제2 호형부와 연결부가 캡 플레이트의 외면에 형성되는 형태로도 이루어질 수 있음은 물론이다.

또한, 이와 같이 노치홈 형태인 안전벤트(150)의 주연에 단차부(154)가 형성되는 것이 바람직하며, 이와 같은 단차부(154)는 캡 플레이트의 타 부분에 비해 얇은 두께를 갖도록 형성된다. 이를 통해, 이차전지의 규정치 이상으로 상승된 내압으로 인해 안전벤트(150)에 압력 작용시, 얇은 두께로 인해 함몰된 형태를 이루고, 또한 강도 면에서도 취약한 단차부(154)에 이차전지의 상승된 내압이 집중되어 작용한다. 이에 더하여 단차부(154)에 노치홈 형태인 안전벤트(150)가 형성됨에 따라 안전벤트(150)의 파열 동작이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.

그리고, 이와 같은 안전벤트(150)는 캡 플레이트(110)의 절연 상태로 결합된 전극단자(120)를 중심으로 전해액 주입구(140)의 반대쪽에 위치하도록 설치되는 구성일 수 있다. 여기서 안전벤트(150)는 캡 플레이트(110)의 어느 한 쪽에 가상의 중심선을 정하고, 이와 같은 가상의 중심선을 기준으로 캡 플레이트의 외측 방향으로 편중되어 형성되되, 곡률이 작은 제2 호형부(153)가 베어 셀의 외측 방향에 위치하도록 형성됨이 바람직하다. 이는 팩 형태의 이차전지 내지는 베어 셀이 낙하되어 지면과 충돌하면서 그 외력이 안전벤트(150)에 작용시, 캡 플레이트의 외각 부분, 특히 모서리 부분에 상대적으로 많은 외력이 작용함에 따라, 캡 플레이트의 외각 부분에 곡률이 작은 제2 호형부(153)를 위치시켜 안전벤트(150)의 불필요한 국부 파열 현상을 최소화시키기 위함이다. 이에 대해서는 앞에서 언급한바 있다.

본 출원인은 상기와 같은 비대칭의 트랙 형태인 안전벤트가 캡 플레이트에 형성되는 구조로써 이차전지를 제작하고, 이와 같은 이차전지를 250℃의 조건에서 핫 플레이트 테스트를 실시하였다.

이하, 본 발명의 실험예를 기재한다. 그리고, 기재되는 실험예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 또한, 설명에 앞서 실험 과정에서 이차전지에 이상이 발생되지 않는 경우를 L0, 안전벤트를 통해 누액이 발생하는 경우를 L1, 이차전지에서 섬광이 발생하는 경우를 L2, 이차전지에서 연기가 발생하는 경우를 L3, 이차 전지의 발화가 일어나는 경우를 L4, 이차전지의 파열이 이루어지는 경우를 L5 단계로 정하기로 한다.

실험예 1

캡 플레이트에 형성되는 비대칭의 트랙형 안전벤트는 두께 24㎛, 파단압 22±3kgf/㎠, 캡 플레이트의 장변 방향으로의 길이가 4.8mm 내지 5.2mm이고 단변 방향으로의 길이가 2.8mm 내지 3.2mm인 크기로 형성되고, 이러한 안전벤트를 구비하는 베어 셀을 250℃의 조건에서 핫 플레이트 테스트를 실시한 결과, 동일한 실험 조건 하에서 기존의 대칭형 안전벤트가 채용된 이차전지의 경우 모두 파열(L5) 단계까지 진행된 반면, 상기 본 발명에 따른 비대칭의 트랙형 안전벤트가 적용된 베어 셀의 경우, 5개의 베어 셀은 안전벤트가 정상 작동하여 파열(L5) 단계까지 진행된 경우는 전혀 발생하지 않았고, 누액(L1) 현상까지 진행 1, 발화(L4) 현상까지 진행 4의 결과를 얻었다.

실험예 2

캡 플레이트에 형성되는 비대칭의 트랙형 안전벤트는 두께 27㎛, 파단압 22±3kgf/㎠, 캡 플레이트의 장변 방향으로의 길이가 4.8mm 내지 5.2mm이고 단변 방향으로의 길이가 2.8mm 내지 3.2mm인 크기로 형성되고, 이러한 안전벤트를 구비하는 베어 셀을 250℃의 조건에서 핫 플레이트 테스트를 실시한 결과, 동일한 실험 조건 하에서 기존의 대칭형 안전벤트가 채용된 이차전지의 경우 위의 실험예 1에서와 마찬가지로 모두 파열(L5) 단계까지 진행된 반면, 상기 본 발명에 따른 비대칭의 트랙형 안전벤트가 적용된 베어 셀은 안전벤트가 정상 작동하여 10개의 베어 셀 중 파열(L5) 단계까지 진행된 경우는 전혀 발생하지 않았고, 누액(L1) 현상까지 진행 2, 섬광(L3) 현상까지 진행 5, 발화(L4) 현상까지 진행 3의 결과를 얻었다.

실험예 3

캡 플레이트에 형성되는 비대칭의 트랙형 안전벤트는 두께 30㎛, 파단압 22±3kgf/㎠, 캡 플레이트의 장변 방향으로의 길이가 4.8mm 내지 5.2mm이고 단변 방향으로의 길이가 2.8mm 내지 3.2mm인 크기로 형성되고, 이러한 안전벤트를 구비하는 베어 셀을 250℃의 조건에서 핫 플레이트 테스트를 실시한 결과, 동일한 실험 조건 하에서 기존의 대칭형 안전벤트가 적용된 베어 셀은 위의 실험예 1,2에서와 마찬가지로 모두 파열(L5) 단계까지 진행된 반면, 상기 본 발명에 따른 비대칭의 트랙형 안전벤트가 적용된 베어 셀은 안전벤트가 정상 작동하여 5개의 베어 셀 중 파열(L5) 단계까지 진행된 경우는 전혀 발생하지 않았고, 섬광(L3) 현상까지 진행 2, 발화(L4) 현상까지 진행 3의 결과를 얻었다.

또한, 본 출원인은 본 발명에 따른 비대칭의 트랙 형태인 안전벤트가 캡 플레이트에 두께 24㎛~30㎛, 파단압 22±3kgf/㎠, 캡 플레이트의 장변 방향으로의 길이가 4.8mm 내지 5.2mm이고 단변 방향으로의 길이가 2.8mm 내지 3.2mm인 크기로 형성되고, 이와 같은 안전벤트가 캡 플레이트에 적용된 베어 셀은 1M 높이의 회전통 내에서 회전시키는 낙하 테스트를 실시하였다.

이러한 낙하 테스트의 결과, 기존의 대칭형 안전벤트가 적용된 베어 셀의 경우 상기 조건의 낙하 테스트에 대한 합격율이 0%이었던 반면, 상기 본 발명에 따른 비대칭의 트랙형 안전벤트가 적용된 베어 셀의 경우 상기 조건의 낙하 테스트에서 100%의 합격률을 보였다.

한편, 도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안전벤트가 적용된 캡 플레이트를 보인 평면도와 단면도로써, 안전벤트(250)의 형상이 비대칭의 트랙 형태로 이루어지는 것은 도 1 내지 도 3의 실시예의 안전벤트와 동일하며, 다만 안전벤트(250)의 주연에 단차부가 형성되지 않는다는 점에서 상술한 도 1 내지 도 3의 실시예와 다르다.

따라서, 이와 같은 도 4 및 도 5의 실시예에 따른 안전벤트의 구성 및 작용은 도 1 내지 도 3의 실시예에 따른 안전벤트의 그것과 크게 다르지 않은 것이므로, 그 구성 및 작용에 대한 구체적인 설명은 생략하며, 간략하게만 서술하면, 본 실시예에 따른 안전벤트(250)는 곡률을 달리하는 제1 및 제2 호형부(251)(253)가 서로 간격을 유지하면서 형성되고, 이와 같은 제1 및 제2 호형부(251)(253)의 양단을 각각 연결하는 한 쌍의 연결부(252)를 갖는 형태로 이루어진다. 또한, 도 4와 도 5에서 도 1 내지 도 3의 실시예에 따른 캡 플레이트의 구성과 동일한 부분에 대해서는 부호만 달리 표기하였음을 밝혀 둔다.

한편, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 구성에 대해 부연 설명하면, 캡 플레이트(110)의 중앙부, 즉 관통홀 근방에는 캡 플레이트(110) 하면에 절연 플레이트(160)가 배치되어 있다. 절연 플레이트(160)의 아랫면에는 단자 플레이트(170)가 설치되어 있다.

캡 플레이트(110)에는 양극탭(424)이 용접 등의 방법으로 전기적으로 접속되며, 절연 가스켓(130)에 의하여 캡 플레이트(110)와 절연된 전극단자(120)에는 음 극탭(425)이 사행으로 접혀진 상태에서 역시 전기 용접 등의 방법으로 전기적으로 접속된다. 양극탭(424) 및 음극탭(425)은 도시되지 않은 PTC(positive temperature coefficient)와 보호회로부에 각각 극성 따라 전기적으로 접속된다.

또한, 전극 조립체의 상면에는 전극 조립체와 캡 조립체와의 전기적 절연을 위하고, 이와 동시에 전극 조립체의 상단부를 커버할 수 있도록 절연 케이스(460)가 설치되어 있으며, 전극 조립체의 중앙부와 음극탭(425)이 통과할 수 있도록 탭홀(461)이 형성되고, 다른 측방에는 전해액 통과공(462)이 형성되어 있다.

그리고, 캡 플레이트(110)의 일측에는 전해액 주입공(140)이 형성되어 있고, 상기 전해액 주입공(140)에는 전해액이 주입된 다음에 전해액 주입공을 밀폐시키기 위하여 마개(142)가 설치된다.

상기한 실시 예들을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지에 의해서, 내부 단락이나 과도한 충·방전 등에 의해 이차전지의 내압이 규정치 이상으로 상승되는 현상 발생시, 안전벤트가 리크(leak)와 같은 국부적인 불량 파열을 유발하지 않고 항상 그 전반에 걸친 정상적 파열을 하게 되고, 그 결과 전지의 상승된 내압이 안전벤트를 통해 신속하게 해소되는 것일 뿐만 아니라, 상기 리크(leak)와 같은 불량 파열로 인한 안전벤트의 비정상적 작용에 의해 이차전지가 폭발로까지 진행되는 현상이 방지되어 이차전지의 구조적인 안전성이 크게 향상되는 효과가 있다.

또한, 안전벤트가 전지의 규정치 이상되는 내압 상승시 리크(leak) 등의 불 량 파열을 일으키지 않고 항상 충분한 규모로써 파열되고, 또한 외부 충격시 리크(leak) 등의 불량 파열이 쉽게 발생하지 않는 것이므로, 이러한 안전벤트에 의해, 전지의 내압 상승시에는 전반적으로 파열되는 안전벤트를 통해 이차전지 내부의 전해액이 누액되는 현상 없이 신속하게 전량 외부로 배출되고, 또한 외부 충격에 따른 리크(leak)에 의해 전해액이 누액되는 현상이 방지되는 것이므로, 전해액이 안전벤트의 리크(leak)를 통해 누액되고 이렇게 누액된 전해액이 이차전지 주변의 고열로 반응하면서 전지의 폭발 내지 파열을 촉진하는 현상이 방지되어 이차전지의 안전성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 이차전지에 외부로부터 고온의 열이 작용하는 경우, 캡 플레이트에 형성되는 안전벤트가 외부 열에 의한 팽창이 지연 및 완화될 수 있는 형태로 이루어짐에 따라, 안전벤트에 외부 열로 인한 불필요한 국부 파열 현상이 최소화되면서 이차전지의 안전성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 이차전지에 외부로부터 충격이 가해지는 경우, 캡 플레이트에 형성되는 안전벤트는 외부 충격의 전달이 완화될 수 있는 형태로 이루어짐에 따라, 안전벤트에 외부 충격으로 인한 불필요한 국부 파열 현상이 최소화되면서 이차전지의 안전성이 향상되는 효과가 있다.

Claims

충·방전 기능을 하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 내측에 수용하는 캔, 상기 캔의 개방 측을 밀봉하는 캡 플레이트가 구비된 캡 조립체를 포함하는 이차전지에 있어서,

상기 캡 조립체의 캡 플레이트에 안전벤트가 형성되며,

상기 안전벤트는, 일측의 제1 호형부와, 상기 제1 호형부와 이격되고 그 곡률이 상기 제1 호형부보다 작은 제2 호형부와, 상기 제1 호형부와 제2 호형부의 양단을 각각 연결하는 한 쌍의 연결부로 이루어지는 비대칭의 트랙 형태인 것을 특징으로 하는 이차전지.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 캡 플레이트는 마주하는 한 쌍의 장변과 단변을 갖는 형태이며, 상기 안전벤트와 인접하는 단변을 기준으로 상기 제1 호형부와 상기 단변 간의 거리가 상기 제2 호형부와 상기 단변 간의 거리보다 긴 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 캡 플레이트의 중앙에 전극단자가 설치되고, 상기 제1 호형부와 상기 전극단자와의 거리가 상기 제2 호형부와 상기 전극단자와의 거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 호형부 그리고 연결부는 모두 노치홈 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 5 항에 있어서,

상기 노치홈의 주연에 상기 캡 플레이트의 다른 면보다 축소된 두께를 갖는 단차부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 안전벤트의 두께는 24㎛~30㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 안전벤트의 파단압은 22±3kgf/㎠의 범위인 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 3 항에 있어서,

상기 안전벤트는 상기 캡 플레이트의 장변 방향으로의 길이가 4.8mm 내지 5.2mm이고 단변 방향으로의 길이가 2.8mm 내지 3.2mm인 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 캡 플레이트의 중앙에 전극단자가 설치되고, 상기 비대칭의 트랙 형태인 안전벤트가 상기 전극단자를 중심으로 어느 한쪽에 상기 캡 플레이트의 외각 방향으로 편중되게 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.