KR101078788B1

KR101078788B1 - 전지

Info

Publication number: KR101078788B1
Application number: KR1020040073325A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 도코
Original assignee: 소니 가부시키가이샤
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2011-11-02
Also published as: JP2005093239A; CN1314140C; US7432010B2; US20050058898A1; KR20050028208A; CN1599091A; TWI248695B; TW200520285A

Abstract

본 발명은, 온도 변화 또는 기계적 충격이 가해져도 내부 저항의 상승을 억제할 수가 있고, 또한 생산성도 우수한 전지를 제공한다. 전지 용기(20)의 개방부에는 안전 기구와 전지 덮개가 개스킷(60)을 통해 코킹(caulking)함으로써 장착되어 있다. 전지 용기(20)의 내부는 밀폐되어 있다. 전지 덮개의 플랜지부는 안전구의 안전 밸브의 플랜지부와 접촉하고 있다. 그 접촉면의 표면 거칠기는, 산술 평균 거칠기(Ra)를 기준으로 O.5㎛ 내지 5.5㎛의 범위로 설정되어 있다. 이것에 의해, 전지 덮개와 안전 밸브의 접촉 저항이 감소된다. 또한, 접촉면의 최대 높이(Ry)는 8.O㎛ 내지 50.0㎛인 것이 바람직하다.

Description

전지 {BATTERY}

도 1은 종래의 전지의 구성을 나타내는 단면도.

도 2는 종래의 다른 전지의 구성을 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2차 전지의 구성을 나타내는 단면도.

도 4는 도 3에 도시된 안전 기구를 확대하여 도시한 일부 절단 분해 조립도.

도 5는 예 1 내지 예 4에 따른 열 충격 사이클 시험의 결과를 나타내는 특성 도표.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 120 : 전력 생성 요소 11 : 양극

12 : 음극 13 : 세퍼레이터

14, 121 : 양극 리드 15 : 음극 리드

20, 110 : 전지 용기 31, 32, 130 : 절연판

40, 150 : 안전 기구 41, 151 : 안전 밸브

41A : 돌출부 41B, 51, 141 : 플랜지부

42 : 지지 홀더 42A, 42B : 개구

43 : 절연 홀더 44, 152 : 접촉판

60, 160 : 개스킷 140: 전지 덮개

본 발명은 내부에 전력 생성 요소가 수납된 전지 용기의 개방부에 전지 덮개와 안전 밸브가 중첩된 전지에 관한 것이다.

최근, 휴대 전화기, 콤비네이션 카메라 (비디오 테이프 녹화기) 및 랩탑 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 기기가 많이 등장하였고, 그들 휴대용 전자 기기의 성능의 향상이 요구되고 있다. 이러한 상황에 따라, 휴대용 전자 기기의 전원으로서, 충방전이 가능한 2차 전지에 대해 에너지 밀도의 향상과 소형화 및 경량화가 요구되고 있다. 그 중에서도 특히, 리튬 이온 2차 전지는 납 전지, 니켈 카드뮴 전지 등보다 고 에너지를 가지고, 장시간 사용 가능하다는 점에서 우수하다.

종래에, 리튬 이온 2차 전지에는, 전력 생성 요소를 수납하기 위해 금속 전지 용기가 널리 이용되고 있다. 도 1은 금속 전지 용기를 이용한 전지의 일부를 확대한 도면을 나타낸다. 이 전지에서는, 한 쌍의 절연판(130) 사이에 삽입된 전력 생성 요소(120)가 전지 용기(110)의 내부에 수납되어 있다. 전지 용기(110)의 개방부에는 전지 덮개(140)와 전지 덮개(140) 내부에 설치된 안전 기구(150)가 개스킷(160)을 통해 코킹(caulking)함으로써 장착되어 있다. 안전 기구(150)에는 주어진 압력에 의해 변형된 안전 밸브(151)가 전지 덮개(140)와 중첩되도록 설치되어 있다. 전력 생성 요소(120)로부터 도출된 양극 리드(121)가 안전 밸브(151)에 접촉판(152)을 통해 연결되어 있다. 이렇게 해서 전지 덮개(140)와 전력 생성 요소(120) 가 전기적으로 연결되어 있다.

그러나, 이와 같이 전지 덮개(140)와 안전 밸브(151)가 단순히 중첩된 전지에서는, 온도 변화 또는 기계적 충격 등이 가해지면 전지 덮개(140)와 안전 밸브(151)와의 접촉 저항이 증가하고, 결과적으로 내부 저항이 증가하는 문제점이 있었다.

따라서, 도 2에 도시한 바와 같이, 안전 밸브(151)와 접한 전지 덮개(140) 플랜지부(141)의 바깥 둘레 부분을 안전 밸브(151) 쪽으로 굽히는 작용이 취해졌다 (일본 미심사 특허 출원 공개 번호 2001-126682 참조).

그러나, 상기 예에서는, 제조 공정에서 자동화 기계 사용시, 원활하게 부품이 반송되지 않거나, 전지 덮개(140)의 굴곡시킨 부분에 의해 반송 치구 등이 깎이는 등의 문제가 일어날 수 있기 때문에, 공정 자동화가 어렵다는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 온도 변화 또는 기계적 충격 등이 가해지더라도 내부 저항의 상승을 억제할 수가 있고, 또한 생산성도 우수한 전지를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 전지는, 내부에 전력 생성 요소가 수납된 전지 용기의 개방부에, 전지 덮개와 안전 밸브가 중첩된 전지이다. 전지 덮개와 안전 밸브의 접촉면의 산술 평균 거칠기는 0.5㎛ 내지 5.5㎛ 이다.

본 발명의 전지에 의하면, 전지 덮개와 안전 밸브와의 접촉면의 산술 평균 거칠기는 0.5㎛ 내지 5.5㎛의 범위로 설정되어 있다. 따라서, 온도 변화 또는 기계 적 충격이 가해지거나 노후가 일어나더라도, 전지 덮개와 안전 밸브와의 접촉 저항을 낮게 억제하여, 내부 저항의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 반송을 방해하는 일은 없기 때문에, 공정을 자동화할 수가 있고, 생산성도 우수하다.

본 발명의 다른 목적과 추가 목적, 특징 및 이점은 다음 설명으로부터 보다 충분하게 나타날 것이다.

본 발명의 실시예는 도면을 참조해서 다음에 상세히 설명될 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 2차 전지의 단면 구조를 나타낸다. 도 4는 도 3에 도시한 안전 기구를 확대하여 나타낸다. 이 2차 전지는 이른바 원통형 2차 전지로, 전력 생성 요소(10)는 거의 중공(中空) 원주 형상의 전지 용기(20) 내부에 수납되어 있다.

전력 생성 요소(10)는, 예를 들면 세퍼레이터(13)를 사이에 둔 띠 형상의 양극(11)과 음극(12)을 감고, 이 세퍼레이터(13)를 액체 전해질인 전해질 용액으로 함침함으로써 형성된다. 양극(11)은, 예를 들면 알루미늄(Al) 박(箔) 등으로 만들어진 양극 집전체의 양면 또는 한 면에 양극 활성 물질로 리튬(Li)을 삽입 및 방출할 수 있는 양극 재료를 포함하는 양극 혼합물 층이 제공된 구조를 가지고 있다. 양극 집전체에는 알루미늄 등으로 만들어진 양극 리드(14)가 부착되어, 전력 생성 요소(10)의 외부에 도출되어 있다. 음극(12)은, 예를 들면, 구리(Cu) 박으로 만들어진 음극 집전체의 양면 또는 한 면에 음극 활성 물질로 리튬을 삽입 및 방출할 수 있는 음극 재료를 포함하는 음극 혼합물 층이 제공된 구조를 가지고 있다. 음극 집전체에는 구리 등으로 만들어진 음극 리드(15)가 부착되어, 전력 생성 요소(10)의 외부로 도출되어 있다. 세퍼레이터(13)는, 예를 들면 합성수지 또는 세라믹 물질의 다공성 막으로 만들어져 있다. 전해액은, 예를 들면 유기 용매와 같은 용매와, 이 용매에 용해된 전해질 염인 리튬 염을 포함하고 있다. 전력 생성 요소(10)의 권회(卷回) 둘레면 (winding periphery face)에는 한 쌍의 절연판(31,32)이 배치되어 있다.

전지 용기(20)는, 예를 들면 니켈(Ni) 도금이 된 철(Fe) 또는 스테인리스강으로 만들어져 있다. 전지 용기(20)의 일단 측은 폐쇄되고, 타단 측은 개방되어 있다. 음극 리드(15)는 전지 용기(20)의 폐쇄부에 용접되어 있고, 음극 단자로 작용한다. 전지 용기(20)의 개방부에는 안전 기구(40)와 전지 덮개(50)가 개스킷(60)을 통해 코킹함으로써 부착되어 있다. 전지 용기(20)의 내부는 밀폐되어 있다.

안전 기구(40)에서, 알루미늄과 같은 금속 재료로 만들어진 안전 밸브(41)와, 알루미늄과 같은 금속 재료로 만들어진 지지 홀더(42)는, 폴리부틸렌테레프탈레이트와 같은 절연 재료로 만들어진 절연 홀더(43)를 사이에 삽입해서 맞추어지고, 지지 홀더(42)의 바닥부(底部)에는 알루미늄과 같은 금속 재료로 만들어진 원판 형상의 접촉판(44)이 용접되어 있다. 안전 밸브(41)는, 예를 들면 안전 밸브(41)의 바닥부 중심에 위치하고, 전력 생성 요소(10) 쪽으로 돌출된 돌출부(41A)를 구비한다. 이 돌출부(41A)는 지지 홀더(42)의 바닥부 중심에 제공된 개구(42A)에 삽입되어, 접촉판(44)과 접촉되어 있다. 또한, 안전 밸브(41)는 안전 밸브(41)의 외주(外周)에, 전지 덮개(50)와의 전기적 연결을 확보하기 위한 플랜지부(41B)를 구비한다. 또한, 지지 홀더(42)에는 지지 홀더(42) 측벽에 복수의 개구(42B)가 각각 설치되어 있다. 접촉판(44)에는 양극 리드(14)가 용접되어 있다. 접촉판(44)을 설치하지 않고 양극 리드(14)를 안전 밸브(41)의 돌출부(41A)에 연결시킬 수 있다.

이 안전 기구(40)에서는, 내부 단락 또는 외부로부터의 가열에 의해 전지의 내압이 주어진 값까지 상승하면, 지지 홀더(42)의 개구(42B)를 통해, 상승한 내압이 안전 밸브(41)에 전달된다. 안전 밸브(41)는 이 내압에 의해, 예를 들면 전지 덮개(50) 쪽으로 변형된다. 이것에 의해, 전지 내부의 내압은 완화되고, 안전 밸브(41)와 양극 리드(14)와의 전기적인 연결이 끊어진다. 따라서, 전지 덮개(50)와 전력 생성 요소(10)와의 전기적 연결이 끊어진다.

전지 덮개(50)는 전지 용기(20)를 밀봉할 뿐만 아니라, 양극 단자로도 작용한다. 예를 들면, 전지 캔(20)과 마찬가지로, 전지 덮개(50)는 니켈 도금이 된 스테인리스강으로 만들어지고, 전지 덮개(50) 주위에 플랜지부(51)를 갖는다. 플랜지부(51)는 안전 밸브(41)의 플랜지부(41B)와 접촉하고 있다. 접촉면(S)의 표면 거칠기는 JISB0601에 명시되어 있는 산술 평균 거칠기(Ra)를 기준으로, O.5㎛ 내지 5.5㎛, 바람직하게는 O.6㎛ 이상의 범위로 설정되어 있다. 산술 평균 거칠기(Ra)가 너무 작거나 너무 크면, 전지 덮개(50)와 안전 밸브(41)의 접촉 저항은 커진다. 접촉면(S)의 표면 거칠기는 JISB0601에 명시된 최대 높이(Ry)를 기준으로, 8.0㎛ 내지 5O.0㎛의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 범위에서, 전지 덮개(50)와 안전 밸브(41)의 접촉 저항은 크게 줄어들 수 있다.

이 2차 전지에서는, 예를 들어 충전된 경우, 양극(11)으로부터 리튬 이온이 방출되고, 전해질 용액을 통해 음극(12)으로 삽입된다. 방전시에는, 예를 들면 음극(12)으로부터 리튬 이온이 방출되고, 전해질 용액을 통해 양극(11)에 삽입된다. 여기에서, 전지 덮개(50) 접촉면(S)의 표면 거칠기는 명시된 범위 내에 있다. 따라서, 온도 변화 또는 기계적 충격이 가해지거나 노후가 일어날 경우라 하더라도, 전지 덮개(50)와 안전 밸브(41)와의 접촉 저항은 낮게 억제되고, 내부 저항의 상승이 억제된다.

이 2차 전지는, 예를 들면 다음과 같이 해서 제조할 수가 있다.

우선, 예를 들면, 리튬을 삽입 및 방출할 수 있는 양극 재료, 도전제, 및 결착제를 혼합하여 양극 혼합물을 제조한다. 이 양극 혼합물을 혼합 용매에 분산시켜서 양극 혼합물 슬러리를 얻는다. 다음에, 양극 혼합물 슬러리를 양극 집전체에 도포하여 건조시킨다. 다음으로, 이를 압축 성형해서 양극 혼합물 층을 형성하고, 양극(11)을 형성한다. 이후, 초음파 용접 또는 스폿 (spot) 용접을 통해 양극 리드(14)를 양극 집전체에 접합한다.

또한, 예를 들면, 리튬을 삽입 및 방출할 수 있는 음극 재료와 결합제를 혼합하여 음극 혼합물을 제조한다. 이 음극 혼합물을 혼합 용매에 분산시켜서 음극 혼합물 슬러리를 얻는다. 다음에, 음극 혼합물 슬러리를 음극 집전체에 도포하고 건조시킨다. 다음으로, 압축 성형해서 음극 혼합물 층을 형성하고, 음극(12)을 형성한다. 이후, 초음파 용접 또는 스폿 용접을 통해 음극 리드(15)를 음극 집전체에 접합한다.

다음에, 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 양극(11)과 음극(12)을 여러 번 감아 돌려서 권회 전극체를 형성한다. 이 후, 권회 전극체를 한 쌍의 절연판(31,32) 사이에 삽입하고, 전지 캔(20)에 수납한다. 양극 리드(14)를 안전 기구(40)의 접촉판(44)에 용접하고, 음극 리드(15)를 전지 캔(20)에 용접한다.

용매에 전해질 염을 용해시켜 전해질 용액을 제조한다. 이 후, 전해질 용액을 전지 캔(20) 내부에 주입하고, 세퍼레이터(13)에 함침시킨다. 계속해서, 전지 캔(20)의 개방부에 안전 기구(40)와 전지 덮개(50)를 개스킷(60)을 통해 코킹함으로써 고정시킨다. 이것에 의해, 본 실시예의 2차 전지가 완성된다.

이와 같이, 본 실시예에서는, 전지 덮개(50)의 접촉면(S)의 표면 거칠기를 산술 평균 거칠기(Ra)를 기준으로 O.5㎛ 내지 5.5㎛의 범위로 설정한다. 따라서, 온도 변화 또는 기계적 충격이 가해지거나 노후가 일어나더라도, 전지 덮개(50)와 안전 밸브(41)의 접촉 저항을 낮게 억제하여, 내부 저항의 상승을 억제할 수가 있다. 또한, 반송을 방해하는 일이 없기 때문에, 공정을 자동화할 수 있고, 생산성도 우수하다.

특히, 접촉면(S)의 표면 거칠기를 최대 거칠기(Ry)를 기준으로 8.0㎛ 내지 50.0㎛의 범위로 한 경우, 내부 저항의 상승을 현저히 억제할 수 있다.

(예)

본 발명의 구체적인 예에 관한 추가 설명이 제공될 것이다.

예 1 내지 8로서, 실시예에서 설명한 2차 전지를 제작하였다. 전지 덮개(50)는 니켈 도금을 한 스테인리스강(JIS SUS430)으로 만들어졌다. 안전 밸브(41)는 알루미늄으로 만들어졌다. 예 1 내지 8에서, 전지 덮개(50)의 접촉면(S)의 표면 거칠 기는 표 1 내지 표 2에 나타낸 바와 같이, 산술 평균 거칠기(Ra)와 최대 높이(Ry)를 기준으로 변화시켰다. 또한, 예 1 내지 8에 대한 비교예 1과 2로서, 전지 덮개(50)의 접촉면(S)의 표면 거칠기를 산술 평균 거칠기(Ra)와 최대 높이(Ry)를 기준으로, 각각 표 1 또는 표 2에 나타낸 바와 같이 바꾼 것을 제외하고, 예 1 내지 8과 동일한 방법으로 제작하였다.

	산술평균 거칠기(Ra)(㎛)	최대 높이(Ry)(㎛)
예 1	0.5	5.5
예 2	0.8	8.4
예 3	1.7	12.5
예 4	5.0	36.0
비교예 1	0.1	1.3

	산술평균 거칠기(Ra)(㎛)	최대 높이(Ry)(㎛)	기계적인 충격 후 접촉 저항의 상승값(mΩ)
예 5	0.83	8.4	3.5
예 6	1.41	9.8	0
예 7	2.10	18.6	0.8
예 8	5.50	38.3	0.5
비교예 2	0.12	1.26	50 이상

제작한 예 1 내지 4 및 비교예 1의 2차 전지에 대해서, -20℃에서 2시간 동안 유지시킨 후, 5분 동안 +60℃까지 승온시키고, +60℃에서 2시간 동안 유지시킨 다음, 계속해서 5분 동안 -20℃까지 감온시키는 사이클을 반복하는 열 충격 사이클 시험을 수행했다. 다음으로, 각 사이클에 대해 전지 덮개(50)와 안전 밸브(41)와의 접촉 저항을 구하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다.

제작한 예 5 내지 8 및 비교예 2의 2차 전지에 대해서, 스테인리스강으로 만 들어진 지름 250㎜의 팔각형 배럴(barrel)에서 66 rpm으로 30분 동안 충격을 가하는 기계 충격 시험을 수행하였다. 그 결과, 예 5 내지 8 및 비교예 2의 2차 전지 모두에서, 전지 덮개(50)와 안전 밸브(41)와의 각각의 접촉 저항이 상승하였다. 표 2에 접촉 저항 상승값이 나타나 있다.

도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 예 1 내지 4에 따라, 사이클 수가 증가하더라도 접촉 저항은 변화하지 않았다. 한편, 비교예 1에서는, 사이클 수가 증가함에 따라, 접촉 저항이 증가하였다. 또한, 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 예 5 내지 8에 따라, 비교예 2에 비해 접촉 저항 상승값을 감소시킬 수 있었다.

즉, 접촉면(S)의 표면 거칠기를 소정의 범위 내로 할 경우, 온도 변화 또는 기계적 충격이 가해지더라도, 전지 덮개(50)와 안전 밸브(41)와의 접촉 저항을 낮게 억제할 수 있음이 밝혀졌다.

실시예와 예를 참조해서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예와 예에 한정되지 않고, 여러 가지의 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시예와 예에서, 안전 밸브(41)는 알루미늄으로 제조되고, 전지 덮개(50)는 니켈 도금을 한 스테인리스강으로 제조되었다. 그러나, 재료는 상기 재료에 한정되지 않고, 전지의 기능을 손상하지 않는 금속 재료라면 어느 것이라도 사용될 수 있다. 단, 안전 밸브의 구성 재료의 경도는 전지 덮개의 구성 재료보다 경도가 작은 것이 바람직하다.

상기 실시예와 예에서는, 원통형의 전지 용기(20)를 예로 들어 설명했다. 그러나, 전지 용기(20)의 형상은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 직사각형이 될 수 있다.

더욱이, 상기 실시예와 예에서는, 전력 생성 요소(10)의 구성에 대해 구체적으로 예를 들어 설명했지만, 다른 구성도 사용할 수 있다. 예를 들면, 양극과 음극은 안으로 접히거나 층을 이룰 수 있다. 또한, 전해질에 대해, 전해질 용액을 고 분자량의 화합물에 유지시킨 겔 형상의 전해질, 전해질 염을 고 분자량의 화합물에 분산시킨 고 분자량의 고체 전해질, 또는 이온 전도성 세라믹, 이온 전도성 유리, 이온 결정 등으로 이루어진 무기 고체 전해질을 전해질 용액 대신 사용할 수 있다.

또한, 상기 실시예와 예에서, 본 발명을 2차 전지에 적용하는 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명을 1차 전지에도 적용할 수 있다.

상기 교시의 관점에서 본 발명의 많은 변형과 변화가 가능하다. 따라서, 청부된 청구항의 범위 내에서 본 발명은 특정하게 기술된 것과는 다르게 실행될 수 있다는 점을 이해해야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 온도 변화 또는 기계적 충격이 가해지거나 노후가 일어나더라도, 전지 덮개와 안전 밸브와의 접촉 저항을 낮게 억제하여, 내부 저항의 상승을 억제할 수 있고, 반송을 방해하는 일이 없기 때문에, 공정을 자동화할 수 있으며, 생산성 또한 우수한 전지를 제공할 수 있다.

Claims

내부에 전력 생성 요소가 수납된 전지 용기의 상단 개방부에 안전 기구(40)와 전지 덮개가 순차 중첩된 전지로서,

상기 안전 기구(40)는 금속으로 이루어진 안전 밸브(41)와 금속으로 이루어진 지지 홀더(42)를 포함하며, 상기 안전 밸브(41)의 플랜지부(41B)와 지지 홀더(42) 사이에는 상기 안전 밸브(41)와 지지 홀더(42)를 서로 절연시키는 환형의 절연 홀더(43)가 배치되고, 상기 절연 홀더(43) 반대쪽 지지 홀더(42)의 하부에는 금속으로 이루어진 원판 형상의 접촉판(44)이 용접되어 있고, 상기 접촉판(44)에는 전지 내에 수납된 상기 전력 생성 요소와 전류가 흐를 수 있게 연결된 양극 리드(14)가 용접되어 있고,

상기 지지 홀더(42)는 개구(42A)를 구비하고 이 개구(42A) 주변에 복수의 개구(42B)를 더 구비하며, 상기 안전 밸브(41)는 상기 절연 홀더(43)의 환형 개구와 상기 지지 홀더(42)의 개구(42A)를 통해서 상기 접촉판(44)과 전기적으로 접촉하는 돌출부(41A)를 포함하며, 상기 절연 홀더(43) 반대쪽 안전 밸브(41)의 플랜지부(41B) 위에는 금속으로 이루어진 전지 덮개(50)가 중첩되고, 상기 안전 밸브(41)와 전지 덮개(50)는 개스킷(60)을 거쳐서 전지의 상단부에 코킹되어 있고,

상기 금속으로 이루어진 안전 밸브(41)의 플랜지부(41B)와 전기적으로 접촉하는 금속으로 이루어진 상기 전지 덮개(50)의 접촉면의 산술 평균 거칠기는, 금속으로 이루어진 안전 밸브(41)와 금속으로 이루어진 전지 덮개(50) 사이의 접촉 저항을 낮게 억제하기 위하여 0.5㎛ 내지 5.5㎛의 범위인, 전지.
제 1항에 있어서, 상기 안전 밸브의 플랜지부와 접촉하는 상기 전지 덮개의 접촉면의 표면 거칠기의 최대 높이는 8.0㎛ 내지 50.0㎛의 범위인, 전지.
제 1항에 있어서, 상기 전지 덮개는 스테인리스 강(鋼)으로 만들어진, 전지.
제 1항에 있어서, 상기 안전 밸브는 알루미늄으로 만들어진, 전지.