KR100998847B1 - 비딩 보형부재 및 이를 포함하고 있는 원통형 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지로서, 캡 어셈블리는 캔의 개방 상단부에 형성된 비딩부 상에 가스켓이 개재된 상태로 설치되어 있고, 상기 비딩부를 포함한 캔의 개방 상단부 내주면을 따라 절연성의 부재('비딩 보형부재')가 설치되어 있으며, 상기 비딩 보형부재는 캔과 가스켓 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 전지는 캔의 상부 말단에 잔존하는 버(burr) 및 캔의 비딩 공정시 발생하는 이물질의 전지 내부 유입 및 캔의 부분적인 두께 감소 현상을 방지할 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킨다. 또한, 전극탭과 캔의 접촉에 의한 내부 단락을 근본적으로 방지할 수 있고, 절연부재와 가스켓의 보완 및 제거가 가능하다.

Description

비딩 보형부재 및 이를 포함하고 있는 원통형 전지 {Wrapping Member of Beading Portion and Cylindrical Battery Employed with the Same}
도 1은 종래의 원통형 이차전지의 대표적인 상부 구조를 보여주는 단면 모식도이다;
도 2는 한국 특허출원 제2006-22950호에 기재되어 있는 원통형 이차전지의 단면 모식도이다;
도 3은 도 2의 원통형 전지의 전극탭이 변형된 상태의 모식도이다;
도 4는 도 2의 원통형 전지에서 전극의 확대도이다;
도 5a 및 5b는 각각 일반적인 원통형 전지 캔의 상부 확대 사진 및 상부 단면 형상 사진이다;
도 6a 및 6b는 각각 일반적인 원통형 전지 캔의 내부 손상 사진 및 원부자재의 이물질을 확대한 사진이다;
도 7은 종래의 비딩 공정에 의해 비딩부에 부분적으로 두께 감소가 발생한 사진이다;
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 비딩 공정의 모식도이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 비딩 보형부재가 장착된 상태의 원 통형 이차전지의 단면 모식도이다.
본 발명은 비딩 보형부재 및 이를 포함하고 있는 원통형 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지로서, 캡 어셈블리는 캔의 개방 상단부에 형성된 비딩부 상에 가스켓이 개재된 상태로 설치되어 있고, 상기 비딩부를 포함한 캔의 개방 상단부 내주면을 따라 절연성의 부재('비딩 보형부재')가 설치되어 있으며, 상기 비딩 보형부재는 캔과 가스켓 사이에 위치하는 것으로 구성된 원통형 전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
일반적으로 원통형 이차전지는, 원통형 캔에 젤리-롤형 전극조립체를 삽입하고, 젤리-롤의 상단 외주면에 대응한 캔에 비딩부를 형성한 후, 가스켓이 장착된 캡 어셈블리를 비딩부에 설치한 뒤 캔의 상단을 클림핑하여 제조된다.
도 1에는 종래의 원통형 이차전지의 구조가 수직 단면도로서 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 원통형 이차전지(10)는 원통형 캔(20), 캔(20)의 내부에 수용되는 젤리-롤형의 전극조립체(30), 캔(20)의 상부에 결합되는 캡 어셈블리(40), 및 캡 어셈블리(40)를 장착하기 위한 클림핑 부위(50)로 구성되어 있다.
전극조립체(30)는 양극(31)과 음극(32) 사이에 분리막(33)을 개재한 상태로 젤리-롤형으로 감은 구조로 되어 있으며, 양극(31)에는 양극탭(34)이 부착되어 캡 어셈블리(40)에 접속되어 있고, 음극(32)에는 음극 탭(도시하지 않음)이 부착되어 캔(20)의 하단에 접속되어 있다.
캡 어셈블리(40)는 양극 단자를 형성하는 상단 캡(41), 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element; 42), 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 및/또는 가스를 배기하는 안전벤트(43), 특정 부분을 제외하고 안전벤트(43)를 캡 플레이트(45)로부터 전기적으로 분리시키는 절연부재(44), 양극(31)에 연결된 양극탭(34)이 접속되어 있는 캡 플레이트(45)가 순차적으로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 캡 어셈블리(40)는 가스켓(60)에 장착된 상태로 캔(20)의 상단부를 비딩 가공함으로써 내측으로 형성된 비딩부(21)에 장착된다.
그러나, 이러한 구조의 원통형 이차전지는 외부 충격에 대해 밀봉성이 떨어지고, 전기적 접속부위들의 저항이 가변적이며, 안전성이 낮아, 소망하는 수준의 전지 성능을 발휘하기 어려운 것으로 확인되었다.
따라서, 본 출원의 발명자들은 한국 특허출원 제2006-22950호에서 도 2에서와 같은 진일보한 구조의 이차전지를 제시한 바 있다. 이러한 이차전지의 전반적인 제조과정은 종래의 원통형 이차전지에서와 동일하다. 반면에, 구체적인 구조에서 있어서는 종래의 원통형 이차전지와 다르다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 캡 어셈블리(300)는 캔(200)의 상단에 형성된 비딩부(210)에 장착되는 기밀유지용 가스켓(400) 내부에 상단 캡(310)과 내부 압력 강하용 안전벤트(320)가 밀착되어 있는 구조의 클림핑 부위(500)에 의해 캔(200)의 개방 상단에 장착되어 있다. 상단 캡(310)에는 젤리-롤(110)의 양극에 연결된 양극탭(120)이 용접 등의 방법에 의해 접속되어 있다. 또한, 상단 캡(310)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행하고, 돌출부 주변을 따라 캔(200) 내부의 압축 가스가 배출될 수 있는 관통구(312) 가 다수 개 형성되어 있다.
안전벤트(320)는 전류가 통하는 박막 구조물로서, 그것의 중앙부는 함몰되어 만입형 중앙부(322)를 형성하고 있고, 중앙부(322)의 상절곡 및 하절곡 부위에는 각각 깊이를 달리하는 2 개의 노치들(324, 326)이 형성되어 있다. 안전벤트(320)의 하방에는, 전지 내부의 가스를 방출함과 동시에 전류를 차단하는 전류차단 부재(340)가 설치되어 있다. 안전벤트(320)의 단부(328)는 상단 캡(310)의 외주면(314)을 감싸고 있으며, 상단 캡(310)의 하단면에는 환형 돌기(316)가 형성되어 있다.
이러한 구조의 원통형 이차전지(100)는 밀봉성과 전기적 접속부위들의 가변적인 저항 문제를 전반적으로 해결하고 있다. 그러나, 도 2의 구조뿐만 아니라 도 1의 구조에서도, 제조 공정상의 불량 또는 외부적 충격 등의 다양한 원인에 의해 전지 셀 내부로 이물질이 삽입될 수 있고, 전극탭(120)의 변형이 발생하여 전극탭(120)과 비딩부(210)가 직접 접촉하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 특히, 자동화된 고속 라인에서 생산된 원통형 이차전지는 내부에 이물질이 유입되거나 전극탭이 공정 중 정위치를 이탈하는 등의 불량이 발생하더라도 그 특성상 이를 검출하기가 매우 어려운 실정이므로, 사용 과정에서 전지의 발화나 폭발이 발생하는 등 전지의 안전성이 심각한 문제로 대두되고 있다. 더욱이, 이러한 문제는 이차전지의 적용 범위가 열악한 기계적 환경으로 확대되면서 더욱 커지고 있다.
이와 관련하여, 도 3 및 도 4에는 각각 도 2의 원통형 이차전지에서 비딩부의 확대도 및 양극탭이 변형된 상태의 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 가스켓(400)은 음극 전하를 띄는 캔(200)과 캡 어셈블리(300)와의 전기적 절연성 및 밀봉성을 유지하기 위한 부재로서, 이러한 가스켓(400)의 하단부는 비딩부의 만입된 내측면 상에 위치하므로, 가스켓(400)의 하단부와 젤리-롤(110)의 상단면 사이의 소정의 이격 부위(L)에서 비딩부(210)가 노출되어 있다.
따라서, 외부로부터 강한 충격이 인가되거나 전지의 제조 공정 중 불량에 의해 양극탭(120)이 변형되거나 정위치로부터 이탈되는 경우, 양극탭(120)이 비딩부(210)의 노출 부위에서 전기적으로 음극을 띄는 원통형 캔(200)의 비딩부(210)와 접촉하는 경우, 리튬이온 이온전지의 사용 전압(3 ~ 4.2 V)의 저항이 거의 0에 가깝게 되므로 전류가 무한대로 흐르게 되는 내부 단락이 발생하게 되어 불꽃과 열이 발생할 수 있다. 특히, 상기 내부 단락에 의한 불꽃 또는 열이 카보네이트계 화합물로 구성되는 전해액과 접촉하는 경우, 전지가 발화하거나 폭발할 수 있으므로 안전성에 심각한 문제가 발생한다.
이러한 문제점을 방지하기 위해, 종래 양극탭에 부분적으로 절연성 물질을 도포하는 경우가 있으나, 강력한 유기 용제인 전해액에 의해 접착성을 상실하게 되거나, 탭 폴딩 공정 중 탈리되는 등으로 인해 전기적 절연성을 도모하는데 큰 한계가 있었다.
한편, 종래의 비딩 공정은 전극조립체를 원통형 캔에 삽입한 후 행해지고, 비딩부 형성 장치의 마찰이 발생함으로써 많은 문제를 야기할 수 있다. 구체적으로, 비딩부를 형성하기 위한 장치는 캔의 상부와 하부를 고정하는 상부 및 하부 금 형과 비딩 나이프(beading knife)로 이루어져 있으며, 이러한 금형이 회전하면서 비딩부가 형성되는 바, 비딩 공정 중 금형과 비딩 나이프가 접촉되는 부분에서 마찰에 의해 비딩부에 부분적으로 두께 변형이 일어나 기계적 강도가 저하되므로 충격 등에 의해 누액이 발생할 수 있다(도 7; 비딩부에 부분적으로 두께 감소가 발생한 부위를 나타낸 사진을 참조함).
또한, 비딩 공정시 금형이 직접 전지셀의 내부에 접촉한 상태로 공정이 이루어 짐으로써, 원부자재에 포함되어 있는 이물질(도 5a; 원통형 캔의 내부 원부자재 이물질 사진 참조)과, 가공 중 비딩 상금형과 캔의 접촉 등에 의해 원통형 캔의 내부가 손상될 수 있고(도 5b; 원통형 캔의 내부 손상 사진 참조) 이 때 발생하는 이물질 등이 전지 셀의 내부로 유입될 수 있으며, 이러한 이물질들은 내부 단락을 유발할 수 있다.
특히, 원통형 캔의 상단에는 원통형 캔의 제조시 생성된 버(burr)가 잔존할 수 있고(도 6a; 원통형 캔의 상부 확대 사진, 및 도 6b; 원통형 캔의 상부 단면 형상 사진 참조), 금속 도전성 물질인 버가 원통형 캔의 내부로 유입되는 경우 내부 단락을 초래할 수 있으므로 안전성에 심각한 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 종래의 전극 탭과 전지 캔의 접촉을 방지하거나, 이물질 등이 전지 내부로 유입되는 것을 방지하기 위한 기술들이 다수 존재한다. 예를 들어, 한국 특허출원공개 제2000-0015920호에는 원통형 전지의 측면이 충격 등에 의해 찢어진 경우, 안전성을 확보하고 캔의 비딩부가 전해액과 접촉되어 부식되는 것을 방지하기 위하여 캔의 내벽면 전체에 수지 코팅에 의한 보호막을 형성한 이차전지를 개시 하고 있다. 그러나, 상기 기술은 캔의 내벽면 전체에 보호막을 형성함으로써, 동일한 규격 대비 전지 용량이 상대적으로 감소하는 문제가 있다.
또한, 일본 특허출원공개 제2004-241251호는 원통형 전지의 비딩 가공 시 발생하는 도전성 금속 분말이 젤리-롤 내부로 침투하여 단락을 일으키는 현상을 방지하기 위하여 여과기능을 가진 절연체(Insulator)를 캔의 비딩부와 젤리-롤 상단부 사이에 장착하는 기술을 개시하고 있다. 또한, 일본 특허출원공개 제2000-277067호는 원통형 전지에서 외장 캔과 캡 어셈블리에 접촉하는 내부 가스켓 사이에 완충부재 기능을 하는 외부 가스켓이 형성된 밀폐형 전지를 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술들은 양극탭의 정위치 이탈시 발생하는 내부단락에 대해 적절히 대처할 수 없으므로 안전성에 문제가 있다.
한편, 일본 특허출원공개 제2001-076707호는 전지 캔의 개구의 내주면에 삽입되는 큰 외경을 갖는 원통형부(대경 통상부), 발전소자측에 설치되는 작은 외경을 갖는 원통형부(소경 통상부), 및 소경 통상부의 발전소자측 단부에 설치되고 양극 탭이 통과하는 탭 통과 개구를 갖는 바닥부로 구성된 바닥이 형성된 원통형의 가스켓을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 전극조립체의 상단면에 절연부재를 장착하지 않는 바, 비딩 공정시 전지 캔에서 탈리되는 금속 입자들이 전극조립체 내부로 직접 투입되게 되어 전지 내에서 많은 부반응을 유발할 수 있으므로 전지의 성능 및 안전성에 문제가 있다.
따라서, 전지 캔과 전극 탭의 접촉에 의한 내부 단락 및 이물질 등이 전지 내부로 유입됨으로써 발생하는 많은 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 비딩부를 포함한 캔의 개방 상단부 내주면을 따라 캔과 가스켓 사이에 소정 형태의 절연성 비딩 보형부재를 설치하는 경우, 이물질의 전지 내부 유입 및 전극 탭의 정위치 이탈에 의한 내부단락을 방지하여 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있으며, 나아가 절연부재와 가스켓의 보완함으로써 전해액의 누액을 방지할 수 있고, 제조 비용의 절감 및 생산 효율 향상의 효과가 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 원통형 전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지로서, 캡 어셈블리는 캔의 개방 상단부에 형성된 비딩부 상에 가스켓이 개재된 상태로 설치되어 있고, 상기 비딩부를 포함한 캔의 개방 상단부 내주면을 따라 절연성의 부재('비딩 보형부재')가 설치되어 있으며, 상기 비딩 보형부재는 캔과 가스켓 사이에 위치하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 원통형 캔의 제조시 생성된 버(burr) 또는 비딩 공정시 발생하는 이물질 등이 전지 내부로 유입되는 것을 방지하고, 전지의 양산 과정에서 유발되는 불량 또는 전지의 사용 과정 중 외부적 충격이 인가되는 경우 발생하는 전극탭의 변형에 의한 내부 단락을 근본적으로 차단할 수 있다. 또한, 가스켓 및 젤리-롤의 상단면에 장착되는 절연부재를 보완함으로써, 밀봉성을 향상시켜 전해액의 누액 현상을 방지할 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 나아가, 비딩 공정 중 캔의 특정 부위가 접촉에 의해 두께 변형이 일어나 기계적 강도가 저하되는 문제를 방지할 수 있다.
본 발명에서 상기 비딩 보형부재는 앞서 정의된 바와 같이, 비딩부를 포함한 캔의 개방 상단부 내주면을 따라 설치되고, 캔과 가스켓 사이에 위치하는 바, 예를 들어, 캔의 개방 상단부의 내주면의 형상과 대략 일치하는 형상으로 구성될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 비딩 보형부재의 상단은 캔의 상단면을 감싸고 있는 구조일 수 있다. 예를 들어, 비딩 보형부재의 상단 길이를 캔의 상단부의 길이보다 길게 구성하여 캔의 단부에서 외측으로 절곡함으로써 캔의 상단면을 감싸는 구조가 되도록 할 수 있다.
따라서, 원통형 캔의 단부에 잔존하는 도전성 물질인 버가 전지 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 종래에는 외부적 충격 등에 의해 캔의 단부가 변형되어 전지의 상단부의 밀봉성이 저하되거나, 날카로운 단부가 외부로 노출됨으로써 사용자의 불편을 유발할 수 있는 등의 문제가 있었다. 그러나, 상기와 같은 구조 는 비딩 보형부재에 의해 외부적 충격을 부분적으로 완화할 수 있어 캔의 상단부의 변형을 최소화할 수 있고, 가스켓을 보조하는 역할을 수행함으로써, 밀봉성을 향상시킬 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 비딩 보형부재의 하단은 젤리-롤 또는 절연부재(장착되는 경우에 한함, 이하 같다)의 상단면에 근접한 길이일 수 있고, 바람직하게는 캔 비딩부의 하단면 중 적어도 일부를 감쌀 수 있도록 외측으로 절곡되어 있는 구조일 수 있다. 이 때, 상기 비딩 보형부재의 외측 절곡 부위의 길이는 비딩부의 하단 내면의 길이에 대응하는 길이일 필요는 없으며, 전극탭의 비정상적인 변형에 의해 비딩부와 접촉할 수 있는 부위를 감쌀 수 있는 정도라면 특별히 제한되지 않는다.
따라서, 전극탭이 변형되어 정위치를 이탈하는 경우에도 절연성인 비딩 보형부재의 하단면과 접촉하게 됨으로써, 전극탭이 비딩부의 하단면에 직접 접촉함으로써 발생할 수 있는 내부 단락의 발생을 근본적으로 차단할 수 있고, 전해액의 누액 현상을 방지할 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 비딩 보형부재의 내측면 중 일부는 CID(Current Interruptive Device) 소자의 하부를 지지하고 있는 구조로 연장되어 있을 수 있다. 이 때, 비딩 보형부재의 상기 연장 부위는, 예를 들어, CID 소자 및 젤리-롤을 적절히 지지하는 동시에, 전지 내부에서 발생하는 가스가 적절히 배출할 수 있도록 중공부를 형성할 수 있을 정도로 연장된 것일 수 있다. 따라서, 상기 비딩 보형부재는 젤리-롤의 상단면에 장착되어 있는 절연부재의 기능을 보완하거나, 전해액의 누액을 방지할 수 있고, 이를 대체할 수도 있으므로, 전지의 제 조 비용을 절감할 수 있고 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 비딩 보형부재의 소재는 특별히 제한되지 않으나, 전지의 상단부를 따라 장착되므로, 밀봉성을 유지하기 위해 캔의 내면에 밀착될 수 있도록 가변적인 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 가변적 소재는 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 플라스틱 수지 또는 절연 코팅된 금속판재 등일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 이차전지는 전해액으로서 바람직하게는, 카보네이트계 화합물이 사용될 수 있다. 상기 카보네이트계 화합물은, 에틸렌 카보네이트와 같은 환형 카보네이트와 디메틸 카보네이트와 같은 선형 카보네이트의 혼합물로 이루어져 있다.
이러한 카보네이트계 화합물은 전해질 염을 효과적으로 용해시키고 해리시킬 수 있는 극성을 가진 극성 용매임과 동시에, 활성수소를 갖고 있지 않은 비양자성 용매로서, 예를 들어, 전극 탭 또는 전지 캔과 접촉하는 경우 단락에 의해 전지가 발화하거나 폭발할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 전지는 상기 비딩 보형부재를 장착함으로써, 전해액이 전극 탭 또는 전지 캔과 접촉하는 것을 근본적으로 방지할 수 있으므로 카보네이트계 화합물을 사용하는 경우에도 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
상기 젤리-롤의 전극 탭들 중 하나는 캡 어셈블리의 하단에 용접되어 있고, 상기 전극 탭을 캡 어셈블리의 하단에 용접하는 공정을 수행하기 위해서는 전극 탭의 길이가 적당히 길어야 하므로, 전극 탭이 젤리-롤의 상단면과 캡 어셈블리의 하단부 사이의 공간에 위치하는 바, 공간 낭비를 최소화하기 위해서는 탭 폴딩 공정 이 행해진다. 이러한 전극 탭의 절곡 부위가 젤리-롤이 상단면에 접촉하는 경우 발생할 수 있는 내부단락을 방지하기 위해, 절연성 테이프가 부착되어 있는 것이 바람직하다.
상기 절연성 테이프는, 예를 들어, 절연성 고분자, 또는 이들의 수지 복합체 테이프 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 절연성 테이프는, 예를 들어, 폴리이미드 또는 폴리프로필렌 등의 필름기재 상에 아크릴계 또는 실리콘계 접착제 등의 접착층이 부가되어 있는 형태일 수 있다.
상기 원통형 캔의 소재는, 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는, 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 전지는 바람직하게는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안전성의 리튬염 함유 전해액을 사용하는 리튬 이차전지일 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 기타 구성 요소들에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.
양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 탄소 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 원통형 전지의 제조시 비딩부의 형성 전에 원통형 캔의 개방 상단부에 장착되는 절연성 부재로서, 캔의 상단면을 감쌀 수 있도록 상단이 외측으로 절곡되어 있고, 비딩부 형성 위치에 대응하여 부위가 내측으로 절곡되어 있으며, 외력에 의해 가변적으로 변형되는 것으로 구성된 비딩 보형부재를 제공한다.
따라서, 상기 비딩 보형부재는 비딩부의 형성 전에 장착되는 바, 장착이 용이하고, 비딩 공정시 발생할 수 있는 이물질들이 전지 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 상기 비딩 보형부재는 내면에 밀착되는 구조로서 가스켓을 보완하여 밀봉성이 크게 향상되므로 전해액의 누액을 방지할 수 있다. 또한, 하단이 외측으로 절곡되어 있으므로, 전극탭이 캔의 비딩부에 접촉되는 것을 근본적으로 차단함으로써 내부 단락을 방지하여 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 비딩 보형부재의 내측 절곡부에는 중심을 향해 돌출된 연장부가 형성되어 있는 것일 수 있다. 따라서, 원통형 전지에 장착되는 경우 젤리-롤 및 절연부재의 들뜸을 방지함으로써 비딩부와 젤리-롤의 접촉에 의한 단락 및 전해액의 누액을 방지할 수 있다. 또한, 상기 돌출된 연장부는 실질적으로 절연부재의 역할을 수행할 수 있으므로, 절연부재를 보완할 수 있으며, 경우에 따라서는 이를 대체할 수도 있다.
상기 비딩 부형부재의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는0.1 내지 1 mm일 수 있다. 상기 부재의 두께가 너무 두꺼울 경우, 캡 어셈블리가 장착되기 어려워질 수 있으며, 비딩 가공 시 적절히 가변되지 않음으로써 캔의 내주면에 밀착되지 않아 밀봉성이 저하될 수 있으므로 바람직하지 않다. 반대로, 두께가 너무 얇을 경우, 강도가 약해지고 외부적 충격에 의해 찢어지는 등의 손상이 발생할 수 있으므로 소망하는 효과를 얻기 어려울 수 있다.
한편, 상기 비딩 보형부재를 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 사출 성형, 금형가공 등의 다양한 당업계의 공지의 방법을 이용하여 제조할 수 있다.
본 발명은 또한,
(a) 원통형 캔의 내부에 젤리-롤을 삽입하고, 상기와 같은 비딩 보형부재를 상기 캔의 개방 상단부에 설치하는 과정;
(b) 금형 및 비딩 나이프를 사용하여 상기 캔에 비딩부를 형성하는 과정;
(c) 상기 비딩부 상에 가스켓 장착 캡 어셈블리를 탑재하는 과정; 및
(d) 캔의 상단을 클림핑하여 캡 어셈블리를 고정하는 과정;
을 포함하는 것으로 구성된 원통형 전지의 제조방법을 제공한다.
따라서, 비딩부를 형성하기 전에 상기 비딩 보형부재, 즉, 상단이 외측으로 절곡되어 있고, 비딩부 형성 위치에 대응하는 부위가 내측으로 절곡되어 있으며, 외력에 의해 가변적으로 변형되는 비딩 보형부재를 장착하는 바, 비딩 공정에서 이물질 등이 전지 내부로 유입됨으로써 발생할 수 있는 전지의 성능 저하 및 내부 단락을 방지할 수 있다. 이때, 상기 비딩 보형부재의 내측 절곡 부위는 비딩부 형성 위치에 대응한 부위를 기 절곡한 상태로 설치될 수도 있으나, 가변적으로 변형될 수 있으므로 비딩 공정시 비딩부와 함께 형성될 수도 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 종래 비딩 공정시 금형과 비딩 나이프가 대면하는 부위에서 접촉에 의해 캔의 두께가 부분적으로 얇아지게 되어, 두께 감소 부위에서 낮은 기계적 강도를 가지게 되므로 외력의 인가시 쉽게 파손될 가능성이 있었다.
그러나, 본 발명에 따른 상기 방법에 의할 경우, 비딩 보형부재에 의해 마찰력이 완화됨으로써, 비딩부의 부분적인 두께 감소 현상을 방지할 수 있으므로 외부적 충격에 대하여 기계적으로 안정한 전지를 제조할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 제조시비딩부를 형성하기 위한 비딩 공정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 먼저 원통형 캔(200)의 수납부에 젤리-롤(110)을 삽입하고, 젤리-롤의 음극에 부착된 음극 탭(130)을 캔(200)의 하단에 접속시킨다. 그런 다음, 젤리-롤(110)의 상단부에 절연부재(500) 및 비딩 보형부재(450)를 차례로 장착한다. 절연부재(500)는 비딩 보형부재(450)의 장착으로 인해 생략할 수도 있음은 물론이다.
한편, 젤리-롤(110)의 양극에는 양극 탭(120)이 부착되어 있는 바, 양극 탭(120)에는 부분적으로 절연성 테이프(121)가 부착되어 있으며, 젤리-롤(110)의 중심부에 형성된 중공부(150)를 통해 캔(200)의 개방 상단으로 돌출되어 있다. 따라서, 절연부재(500) 및 비딩 보형부재(450)에는 각각 양극 탭(120)이 돌출될 수 있고, 전지 내부에서 발생한 가스가 중공부(150)를 통해 외부로 배출될 수 있도록 개구가 형성되어 있다.
한편, 비딩부를 형성하기 위한 장치는 상부 금형(700), 하부 금형(도시되지 않음) 및 비딩 나이프(730)로 구성되어 있고, 상부 금형(700)은 상부 내측 금형(711, 712)과 상부 외측 금형(721, 722)으로 구성되어 있다.
따라서, 일반적으로 캔(200)의 상단에서 상부 내측 금형(711, 712)이 삽입되어 캔의 내측면을 감싸게 되고, 상부 외측 금형(721, 722)은 캔(200)의 상단면을 고정한다.
본 발명에서는 캔(200)의 상단에 비딩 보형부재(450)가 삽입되는 바, 상부 내측 금형(711, 712)은 비딩 보형부재(450)의 내측면을 감싸게 되고, 비딩 보형부재(450)가 캔(200)의 상단면을 감싸는 구조로 이루어진 경우, 상부 외측 금형(721, 722)은 비딩 보형 부재(450)의 단부를 고정하게 된다. 이와 같이, 상부 금형(700)이 캔(200)를 고정한 상태에서 회전하게 되며, 이때 비딩 나이프(730)가 측면에서 도입되어 캔을 내측으로 변형시키면서 비딩부(210)를 형성하게 된다. 상기 비딩 보형부재(450)는 가변 소재로 이루어져 있으므로, 비딩부의 형성에 따라 소정의 형태로 변형되면서, 전지의 상단부 내면에 밀착된다.
따라서, 비딩 보형부재(450)가 삽입된 상태로 비딩 공정이 수행됨으로써, 캔의 내측면과 상부 내측 금형(711, 712)이 직접적으로 접촉하지 않으므로, 상부 내측 금형(711, 712)과 비딩 나이프(730)가 접촉하는 면에서 마찰에 의하여 캔(200)의 특정 부위가 얇아짐으로써 기계적 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 비딩 공정시 이물질 등이 젤리-롤(110)에 유입되는 것을 방지할 수 있으므로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 비딩 보형부재가 장착된 상태의 원통형 이차전지의 단면이 모식적으로 도시되어 있다. 단, 캡 어셈블리의 구성은 도 2의 원통형 이차전지에서와 동일하므로, 이에 대한 설명은 이하에서 생략한다.
도 9를 참조하면, 캔(200)과 가스켓(400) 사이에 캔(200)의 개방 상단부 내주면을 따라 비딩 보형부재(450)가 설치되어 있다.
비딩 보형부재(450)의 상단(451)은 캔의 상단면을 감싸고 있고, 하단(453)은 비딩부(210)의 하단면을 감쌀 수 있도록 외측으로 절곡되어 있다. 따라서, 캔(200)의 제조 시 단부에 잔존할 수 있는 버, 또는 비딩 공정시 전지의 원부자재에 포함되어 있거나 캔의 손상 등에 의해 발생한 이물질들이 전지 내부로 유입되는 것을 방지하고, 전극 탭(120)이 변형에 의해 비딩부(210)에 접촉함으로써 유발될 수 있는 내부 단락을 근본적으로 차단할 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 비딩 보형부재(450)의 내측 절곡부에는 중심을 향해 돌출된 연장부(452)가 형성되어 있으므로, CID 소자의 하부를 지지할 수 있고, 절연부재(500)의 기능을 보완할 수 있으므로, 기계적 안정성 및 밀봉성을 향상시키고, 전해액의 누액을 방지하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 경우에 따라서는, 절연부(500)를 대체할 수 있으므로, 제조 비용을 절감할 수 있고, 생산 효율을 증가시킬 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지는 캔의 개방 상단부 내주면을 따라 비딩 보형부재가 설치되어 있어서, 캔의 상부 말단에서 형성된 버(burr) 및 캔의 비딩 공정시 발생하는 이물질이 전지 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있고, 전극 탭의 변형에 의해 비딩부 하면에 접촉하는 것을 방지할 수 있으므로, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 가스켓 및 절연부재를 보완하거나 제거할 수 있으므로, 제조 비용을 절감할 수 있고, 생산 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지로서, 캡 어셈블리는 캔의 개방 상단부에 형성된 비딩부 상에 가스켓이 개재된 상태로 설치되어 있고, 상기 비딩부를 포함한 캔의 개방 상단부 내주면을 따라 절연성의 부재('비딩 보형부재')가 설치되어 있으며, 상기 비딩 보형부재는 캔과 가스켓 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비딩 보형부재의 상단은 캔의 상단면을 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 전지
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 비딩 보형부재의 하단은 캔 비딩부의 하단면 중 적어도 일부를 감쌀 수 있도록 외측으로 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 비딩 보형부재의 내측면 중 일부는 CID 소자의 하부를 지지하는 구조로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 비딩 보형부재는 가변적인 소재로서 캔의 내면에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 비딩 보형부재는 플라스틱 수지 또는 절연 코팅된 금속판재인 것을 특징으로 하는 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 전해액으로서 카보네이트계 화합물을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 젤리-롤의 전극 탭들 중 하나는 캡 어셈블리의 하단에 용접되어 있고, 상기 전극 탭에는 절연성 테이프가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 원통형 전지의 제조시 비딩부의 형성 전에 원통형 캔의 개방 상단부에 장착되는 절연성 부재로서, 캔의 상단면을 감쌀 수 있도록 상단이 외측으로 절곡되어 있고, 비딩부 형성 위치에 대응하는 부위가 내측으로 절곡되어 있으며, 외력에 의해 가변적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 비딩 보형부재.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 내측 절곡부에는 중심을 향해 돌출된 연장부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비딩 보형부재.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 부재의 두께는 0.1 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 비딩 보형부재.
  12. (a) 원통형 캔의 내부에 젤리-롤을 삽입하고, 제 9 항에 따른 비딩 보형부재를 상기 캔의 개방 상단부에 설치하는 과정;
    (b) 금형 및 비딩 나이프를 사용하여 상기 캔에 비딩부를 형성하는 과정;
    (c) 상기 비딩부 상에 가스켓 장착 캡 어셈블리를 탑재하는 과정; 및
    (d) 캔의 상단을 클림핑하여 캡 어셈블리를 고정하는 과정;
    을 포함하는 것으로 구성된 원통형 전지의 제조방법.
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