KR101084919B1 - 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이차전지는 전극조립체; 이 전극조립체가 수용되는 캔; 및 이 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하여 이루어진 이차전지에 있어서, 상기 캔의 넓은 측면 중 이웃하는 두 귀퉁이부분 사이에 벤트가 형성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 내압에 의한 벤트 파단시 캔의 과도한 파손을 막아 전극조립체 및/또는 전극탭의 손상을 방지할 수 있고, 전지의 안정성에 대한 신뢰를 확보할 수 있다.

Description

이차전지 {SECONDARY BATTERY}

도 1 은 종래의 이차전지의 벤트가 파단되는 과정을 개략적으로 나타낸 사시도,

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분리 사시도,

도 3 은 도 2 에 나타낸 이차전지의 벤트가 파단되는 과정을 개략적으로 나타낸 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 이차전지 11: 캔

11a: 캔의 넓은 측면 12: 전극조립체

100: 캡조립체 110: 캡플레이트

20, 200: 벤트

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캔의 측면에 형성된 벤트의 위치를 변경함으로써 내압에 의한 벤트 파단시 캔의 과도한 파손을 막아 전극조립체 또는 전극탭의 손상을 방지하는 구조에 관한 것이다.

통상적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 리튬이차전지는 여러가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.

이 중 각형 이차전지는 전극조립체와, 이 전극조립체를 수용하는 캔과, 이 캔에 결합되는 캡조립체를 포함하여 이루어진다.

전극조립체는 양극과 음극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취되어 있으며, 양극 및 음극으로부터 양극 및 음극탭이 각각 인출되어 있다.

캔은 각형 이차전지에서 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다. 따라서 캔 자체가 단자역할을 수행하는 것도 가능하다. 캔을 이루는 재질로는 경량의 전도성 금속인 알미늄 또는 알미늄 합금이 바람직하다. 캔은 전극조립체와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체가 투입되도록 개방된 상부는 캡 조립체에 의해 봉해진다.

캡조립체는 캔의 상부에 결합되는 캡플레이트와, 단자통공을 통하여 설치되고 그 외면에 캡플레이트와의 절연을 위한 가스켓이 위치하는 전극단자와, 캡플레 이트의 아랫면에 설치되는 절연플레이트와, 이 절연플레이트의 아랫면에 설치되어 전극단자와 통전되는 단자플레이트를 포함하여 이루어진다. 전극조립체의 한 전극은 전극탭과 단자플레이트를 통해 전극단자와 전기적으로 연결되고, 다른 전극은 이와 연결되는 전극탭을 통해 캡플레이트나 캔에 전기적으로 연결된다.

한편, 캡플레이트의 일 측에 벤트가 형성될 수도 있고, 혹은 캔의 넓은 측면의 한 귀퉁이부분에 벤트(vent)가 형성될 수도 있다. 이러한 벤트는 과충전 등으로 인하여 전지의 내부압력이 증가할 때 다른 부분보다 우선적으로 파단되어 내부가스를 방출시킴으로써 전지의 안전성을 확보하는 역할을 한다. 캔의 넓은 측면에 형성되는 벤트(이하, '측면벤트'라고 함)는 원형의 개루프 등의 형상으로 일정 깊이의 홈을 갖는 취약부가 형성된 부분이다.

기존의 측면벤트는 캔의 귀퉁이부분에 형성된다. 이는 캔이 내부가스의 압력에 의하여 스웰링될 때 귀퉁이부분에 가장 큰 인장응력이 가해지기 때문이다. 즉, 가장 큰 인장응력이 가해지는 위치인 귀퉁이부분에 측면벤트를 위치시켜 내압의 증가에 민감하게 반응하도록 함으로써 전지의 안정성을 향상시키기 위함이다.

그런데, 기존의 측면벤트에는 다음과 같은 문제점이 있다.

도 1 에서 도시한 바와 같이 측면벤트(20)가 캔의 넓은 측면(11a)의 귀퉁이부분에 위치하는 경우에는, 전술한 바와 같이 귀퉁이부분에 가장 큰 인장응력이 가해지므로, 내압에 의한 벤트 파단시 이에 기한 크랙(crack)이 전지의 전(全) 부분으로 번져 나가게 된다.

이에 따라, 전극조립체 및 전극탭을 보호하는 외장재인 캔이 과도하게 파손 되어, 결국 전극조립체 및/또는 전극탭이 손상되는 문제가 있다.

특히, 측면벤트(20)가 캔의 넓은 측면(11a)의 우상부 또는 좌상부의 귀퉁이부분에 위치하는 경우에는, 벤트 파단에 의한 크랙으로 인해 캔의 상부에 결합된 캡플레이트의 용접부위까지 파손될 수 있어 전극조립체나 전극탭이 캔의 외부로 빠져나갈 수도 있다.

따라서, 전극조립체 및/또는 전극탭이 손상되는 것뿐만 아니라 전지의 안정성에 대한 신뢰를 떨어뜨리는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 캔의 측면에 형성된 벤트의 위치를 변경함으로써 내압에 의한 벤트 파단시 캔의 과도한 파손을 막아 전극조립체 또는 전극탭의 손상을 방지하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이차전지는,

전극조립체; 이 전극조립체가 수용되는 캔; 및 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하여 이루어진 이차전지에 있어서, 상기 캔의 넓은 측면 중 이웃하는 두 귀퉁이부분 사이에 벤트가 형성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 벤트는 캔이 내압에 의해 변형될 때 생기는 주름이 이루는 대략 사각형 가운데 단변에 해당하는 위치에 형성되는 것이 바람직하고, 상기 벤트는 상기 단변의 주름 중앙부에 해당하는 위치에 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 벤트는 한 변이 열린 사각의 형상(

-형)을 띄며, 상기 열린 부분은 캔의 넓은 측면의 중앙을 향하도록 위치할 수 있다.

또한, 상기 벤트는 함몰된 노치(notch) 형상일 수도 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이차전지에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분리 사시도이다.

도면을 참조하면, 이차전지는 전극조립체(12)와, 이 전극조립체(12)를 수용하는 캔(11)과, 이 캔(11)과 결합되는 캡 조립체(100)를 포함하여 이루어진다.

전극조립체(12)는 통상 전기용량을 높이기 위해 양극(13) 및 음극(15)을 넓은 판형으로 형성한 뒤, 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(14)를 양극(13)과 음극(15) 사이에 개재하여 적층하고, 와형으로 권취하여 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 만든다. 음극(15) 및 양극(13)은 각각 구리 및 알미늄 포일로 이루어진 집전체 각각에 음극 활물질인 탄소와 양극 활물질인 코발트산 리튬 등을 코팅시켜 형성할 수 있다. 세퍼레이터(14)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어져 있다. 세퍼레이터(14)는 양극(13) 및 음극(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판 간의 단락을 방지하는 데 유리하다. 전극조립체(12)에는 각 전극과 연결된 양극 및 음극탭(16, 17)이 인출되어 있다. 상기 양극 및 음극탭(16, 17)에는 상기 전극조립체(12)의 외부로 인출되는 경계부에 극판(13, 15) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감겨져 있다.

캔(11)은 도시된 바와 같은 각형 이차전지에서 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다. 따라서 캔 자체가 단자역할을 수행하는 것도 가능하다. 캔을 이루는 재질로는 경량의 전도성 금속인 알미늄 또는 알미늄 합금이 바람직하다. 캔(11)은 전극조립체(12)와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체(12)가 투입되도록 개방된 상부는 캡 조립체(100)에 의해 봉해진다. 캔의 넓은 측면에는 벤트(200)가 형성되는데, 이 벤트(200)에 관해서는 후술하기로 한다.

캡조립체(100)는 캡플레이트(110)와, 전극단자(130)와, 절연플레이트(140)와, 단자플레이트(150)를 포함하여 이루어진다. 캡플레이트(110)에는 단자통공(111)이 형성되어 있는데, 전극단자(130)가 그 외면에 캡플레이트(110)와의 절연을 위하여 가스켓(120)을 위치시킨 채 단자통공(111)을 관통하여 설치된다. 캡플레이트(110)의 아랫면에는 절연플레이트(140)가 설치되어 있고, 이 절연플레이트(140)의 아랫면에는 단자플레이트(150)가 설치되어 있다. 이 단자플레이트(150)에는 전극단자(130)의 하단부가 결합되어 있다.

전극조립체(12)의 음극(15)은 음극탭(17)과 단자플레이트(150)를 통하여 전극단자(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 전극조립체(12)의 양극(13)의 경우에는 양극탭(16)이 캡플레이트(110)나 캔(11)에 용접되어 있다. 상기 단자플레이트(150)의 하부에는 절연케이스(190)가 더 설치될 수도 있다. 한편, 극성을 달리하여 전지를 설계할 수도 있을 것이다.

캡플레이트(110)의 일 측에는 캔(11)의 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해 액주입공(112)이 형성되어 있으며, 전해액 주입 후 상기 전해액주입공(112)을 밀폐시키는 밀봉부(160)가 형성된다. 이 밀봉부(160)에 관해서는 다양한 실시형태들이 있을 수 있다. 예를 들어, 전해액주입공(112)보다 직경이 큰 볼(ball)을 전해액주입공 입구에 놓고 기계적으로 전해액주입공으로 압입하여 밀봉부(160)를 형성한 후, 그 밀봉부(160)의 가장자리를 따라서 용접을 함으로써 전해액주입공(112)을 밀폐할 수도 있다. 또한, 전해액주입공(112)의 윗면에 이보다 큰 박판의 밀봉플레이트를 면접촉시킨 후, 이 밀봉플레이트의 가장자리를 따라서 용접을 함으로써 전해액주입공(112)을 밀폐할 수도 있다.

캔의 넓은 측면(11a)에 형성된 벤트(200)에 관하여 보다 상세하게는 다음과 같다.

도 3 은 도 2 에 나타낸 이차전지의 벤트가 파단되는 과정을 개략적으로 나타낸 그림이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 캔의 넓은 측면(11a) 중 이웃하는 두 귀퉁이부분 사이에 벤트(200)가 형성되어 있다.

벤트(200)는 과충전 등으로 인하여 전지의 내부가스에 의한 압력이 증가할 때 다른 부분보다 우선적으로 파단되어 내부가스를 방출시킴으로써 전지의 안전성을 확보하는 역할을 한다.

캔 내부의 가스발생은 코발트산리튬(LiCoO₂)과 같은 양극활물질의 형성을 위해 사용되는 탄산리튬(Li₂CO₃) 때문이다. 과승으로 첨가된 탄산리튬은 미반응 상태 로 양극활물질인 코발트산리튬(LiCoO₂) 중에 잔류하고 있다가, 이상 충전에 의해 전지 전압이 높아져 발열하면 탄산리튬(Li₂CO₃)이 분해되어 탄산가스가 발생된다. 탄산가스의 발생에 의해 통상 캔이 과도하게 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생하며, 이 스웰링 현상이 심하면 벤트가 파열되어 내부가스를 외부로 내보내게 된다.

이러한 스웰링 현상은 탄산리튬을 적게 넣으면 해결될 수 있지만, 이렇게 되면 양극활물질에 산화코발트(CoO₂)가 잔존하여 양극을 부식시키고 충전시 전해액 속으로 용출되며, 이것이 음극으로의 코발트 석출 현상을 일으켜 내부 쇼트를 일으키는 더 큰 위험을 유발하게 되므로, 현재로서는 탄산리튬을 다량 넣고 있다.

이러한 내부가스에 의하여 스웰링된 캔의 넓은 측면(11a)의 인장응력분포를 살펴보면 캔의 모서리부분, 평면부분, 귀퉁이부분의 순으로 인장응력이 증가한다. 즉, 캔이 내부가스의 압력에 의하여 스웰링될 때 귀퉁이부분에서 가장 큰 인장응력이 발생한다. 도 3 에서 캔의 귀퉁이부분은 스웰링에 의해 주름진 3개의 선이 만나는 부분이고, 캔의 평면부분은 캔의 중앙부분이며, 캔의 모서리부분은 스웰링에 의해 생기는 주름이 이루는 대략 사각형의 각 변에 해당하는 부분을 의미한다.

본 발명에 따라 종래 캔의 귀퉁이부분에 형성되었던 벤트의 위치를 변경하여 모서리부분에 형성함으로써, 내압에 의한 벤트(200) 파단시 캔의 과도한 파손을 막아 전극조립체 및/또는 전극탭의 손상을 방지할 수 있게 된다.

상기 캔의 모서리부분은 장변과 단변으로 나눌 수 있다. 상기 장변에 해당하는 위치에 벤트(200)가 형성될 경우에는, 내부가스에 의한 인장응력이 너무 약해 원하는 파단압을 가진 벤트를 설계하기가 어려워 전지의 안정성을 해할 우려가 있다.

따라서, 상기 벤트(200)는 캔이 내압에 의해 변형될 때 생기는 주름이 이루는 대략 사각형 가운데 단변에 해당하는 위치에 형성되는 것이 바람직하고, 상기 단변의 주름 중앙부에 해당하는 위치에 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 이는 상기 단변의 주름 중앙부에 해당하는 위치가, 원하는 파단압을 가진 벤트를 설계함과 동시에 내압에 의한 벤트 파단시 캔의 과도한 파손을 방지할 수 있는 최적의 위치이기 때문이다.

또한, 상기 벤트(200)는 한 변이 열린 사각의 형상(

-형)을 띄며, 상기 열린 부분은 캔의 넓은 측면의 중앙을 향하도록 위치할 수도 있다. 다만, 본 발명의 내용은 이에 한하지 않고 다양한 형태를 취할 수 있다.

또한, 상기 벤트는 함몰된 노치(notch) 형상일 수도 있다. 벤트는 프레싱 등의 기계적인 방법이나 에칭법이나 전기주형법을 이용하여 노치형으로 일정 깊이의 홈을 내어 형성된 취약부이다. 여기서, 기계적인 방법이나 에칭법이나 전기주형법으로 노치를 형성할 때에는, 그 깊이나 형상을 균일하게 하여 내압에 의한 파단시 압력 오차의 발생이나 작동산포의 불량이 발생하지 않도록 하여야 한다. 이와 같이, 노치로 형성되는 벤트는 캔의 내부에서 발생되는 내압에 의하여 쉽게 개방될 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 캔의 측면에 형성된 벤트의 위치를 변경함으로써 내압에 의한 벤트 파단시 캔의 과도한 파손을 막아 전극조립체 및/또는 전극탭의 손상을 방지할 수 있고, 전지의 안정성에 대한 신뢰를 확보할 수 있다.

본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (5)

1. 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡플레이트를 구비한 캡조립체를 포함하여 이루어진 이차전지에 있어서,

   상기 캔의 넓은 측면 중 이웃하는 두 귀퉁이부분 사이에 벤트가 형성되고,

   상기 벤트는 상기 캔이 내압에 의해 변형될 때 생기는 주름이 이루는 사각형 중 단변에 해당하는 위치에 형성되고,

   상기 벤트는 상기 단변과 평행한 제 1 변부, 및 상기 제 1 변부의 양단에 각각 연결되고 상기 단변에 수직한 제 2 변부를 포함하고,

   상기 제 2 변부는 상기 단변을 가로지르며,

   상기 벤트는 한 변이 열린 사각의 형상(

   

   -형)을 띄며, 상기 열린 부분은 상기 캔의 넓은 측면의 중앙을 향하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 벤트는 상기 단변의 주름 중앙부에 해당하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 삭제
5. 제 1 항 및 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 벤트는 함몰된 노치(notch) 형상인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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