KR101111073B1 - 이차전지용 캡 어셈블리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전지내의 고압 발생시 전류를 차단하는 소자(전류차단 안전소자)가 하부에 연결되어 있고, 그 이상의 고압 발생시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트; 상기 안전벤트 상에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있으며, 돌출 단자를 형성하는 탑 캡; 및 상기 소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 가스켓; 을 포함하고 있으며, 상기 안전벤트의 외주면 단부 부위에는 전지의 제조과정에서 가스켓을 가압할 수 있는 하향 돌출부가 형성되어 있는 것으로 구성된 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차전지를 제공한다.
Description
본 발명은 캡 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 안전벤트의 외주면 단부 부위에 하향 돌출부를 형성하여 안전벤트와 가스켓 사이의 계면에서 전해액이 누출되는 것을 방지하는 구조의 이차전지용 캡 어셈블리에 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.
이와 같이 이차전지의 적용 분야와 제품들이 다양화됨에 따라, 전지의 종류 또한 그에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 예를 들어, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들은 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 소형 경량의 이차전지(단위전지)들이 사용되고 있다.
이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다.
그 중에서 흔히 사용되는 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 주로 원통형 전지에 사용되며, 경우에 따라서는, 이를 판상형으로 압축하여 각형 또는 파우치형 전지에 적용하기도 한다.
도 1에는 젤리-롤형 전극조립체를 장착한 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 양극 탭(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 상 승시 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 양극 탭(34)이 접속되어 있는 캡 플레이트(45)가 순차적으로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.
클림핑 부위(50)는 캡 어셈블리(40)를 캔(20)의 개방 상단에 장착할 수 있도록 캔(20)의 상단에 형성되어 있다. 보다 구체적으로, 클림핑 부위(50)는, 캔(20)의 상단부를 비딩 가공함으로써 내측으로 만입부(21)를 형성하고, 가스켓(60)에 캡 플레이트(45), 절연부재(44), 안전벤트(43) 및 상단 캡(41)의 외주면을 차례로 삽입한 다음, 상단부를 절곡함으로써 형성된다. 결과적으로, 클림핑 부위(50)의 내측면에 위치하는 가스켓(60)을 감싸는 형태로 되고, 클림핑(crimping) 및 프레싱 공정을 수행함으로써 캡 어셈블리(40)를 장착한다.
그러나, 이러한 구조의 이차전지는, 전지가 고온의 환경에 노출되거나 외부적 충격 등에 의해 국부적인 내부 단락이 일어나게 되면, 전극 계면에서 전해액의 분해 반응이 일어나게 되고 그로 인해 가스가 다량 발생한다. 이와 같이 다량으로 발생한 가스는 전지의 내압 증가를 초래하므로, 내압이 소정 압력 이상으로 상승하면, 안전벤트가 작동하여 고압 가스를 배출하게 된다.
이러한 구조에서, 캡 어셈블리의 탑 캡, PTC 소자, 안전벤트 등의 금속 소재들 간의 상호 계면 부위는 가스켓과 상기 소자들의 계면 부위에 비해 전해액이 누 출될 위험성이 높다. 캡 어셈블리에서, 가스켓과 안전벤트의 계면을 통해 전해액이 누출되지 않는다면, 금속 소재들 간의 계면에서의 전해액 누출이 일어나지 않지만, 실질적으로 가스켓과 안전벤트의 계면을 통해 전해액이 일부 누출되며, 이렇게 누출된 전해액은 상기와 같이 금속 소재들간의 계면을 통해 외부로 쉽게 누출되는 문제점이 있다. 이렇게 누출된 전해액은 발화 또는 폭발의 원인이 되므로 전지의 안전성을 크게 저하시킨다.
따라서, 외부적 충격이나 내압으로부터 밀봉성을 유지할 수 있는 원통형 이차전지에 대한 개발의 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, 이차전지의 캡 어셈블리에서 안전벤트의 외주면 단부 부위에 하향 돌출부를 형성하여 가스켓을 강하게 압박하여 밀착시킬 경우, 밀봉성이 크게 향상되어 전해액의 누출을 방지함으로써 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 캡 어셈블리는,
전지내의 고압 발생시 전류를 차단하는 소자(전류차단 안전소자)가 하부에 연결되어 있고, 그 이상의 고압 발생시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트;
상기 안전벤트 상에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있으며, 돌출 단자를 형성하는 탑 캡; 및
상기 소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 가스켓;
을 포함하고 있으며,
상기 안전벤트의 외주면 단부 부위에는 전지의 제조과정에서 가스켓을 가압할 수 있는 하향 돌출부가 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.
상기 안전벤트는 전지의 비정상적인 작동 또는 전지 구성요소들의 열화로 인한 전지 내부 압력의 상승시 가스를 외부로 배출시켜 전지의 안전성을 담보하는 일종의 안전부재로서, 예를 들어, 전지의 내부에서 가스가 발생하여 임계치 이상으로 내압이 증가하였을 때, 안전벤트가 파열되고, 그러한 파열 부위로 배출되는 가스는 상단 캡에 형성되어 있는 하나 또는 둘 이상의 가스 배출구를 통해 외부로 배출되는 구조로 이루어진다.
이러한 안전벤트의 외주면 단부 부위에 하향 돌출부를 형성하여 전지의 조립시 가스켓을 압박하여 밀봉성을 높임으로써, 캡 어셈블리의 금속 소재들의 계면 부위로 전해액이 누출되는 것을 근본적으로 방지한다.
또한, 상기의 구조에 따른 높은 밀봉성은, 외력의 인가 또는 내압의 증가시 캡 어셈블리의 밀봉 부위가 부분적 또는 일시적으로 해제되면서 전해액이 외부로 누출되는 것을 방지함으로써 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 안전벤트와 탑 캡 사이에는 고온 발생시 전류를 차단하는 환형 구조의 안전소자(PTC 소자)가 추가로 포함되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 상기와 같이 PCT 소자가 장착되는 캡 어셈블리는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터용 전지팩의 원통형 전지의 캡 어셈블리에 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명에서, 상기 하향 돌출부는 바람직하게 안전벤트의 외주면 단부에 형성되어 있을 수 있다. 캡 어셈블리에서는 탑 캡과 안전벤트 등의 외주면이 가스켓에 의해 감싼 형태로 고정되어 있으므로, 안전벤트의 외주면에 형성된 하향 돌출부는 그것과 인접하는 가스켓을 압박하여 밀봉성을 높이는 구조로 이루어진다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 하향 돌출부는 안전벤트의 외주면 단부를 수직으로 하향 절곡하여 형성될 수 있고, 이 경우 상기 절곡된 단부가 가스켓을 압박하는 구조로 이루어질 수 있는 바, 이러한 하향 돌출부의 구조는 간단한 제조 공정으로도 큰 밀봉성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
경우에 따라서는, 안전벤트의 제조과정에서 하향 돌출부를 함께 성형할 수도 있으며, 안전벤트의 단부 상에 별도의 부재를 부착하여 하향 돌출부를 형성할 수도 있다.
상기 하향 돌출부의 높이는 효과적인 밀봉성을 가지는 높이로 형성될 수 있으며, 하향 돌출부가 높이가 너무 크면 안전벤트의 외주면 중 하향 돌출부가 형성되지 않은 부위와 가스켓이 서로 이격되어 오히려 밀봉성이 감소하거나 지나치게 강한 압박에 의해 가스켓이 손상될 수 있으며, 반대로 높이가 너무 작으면 본 발명 에 따른 하향 돌출부에 의한 밀봉효과를 기대하기 어려울 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 하향 돌출부는 0.05 내지 0.2 mm의 높이로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 하향 돌출부는 가스켓을 압박하여 밀봉성을 높이는 형태라면 특별히 제한되지 않고 다양한 구조가 가능할 수 있으며, 하나의 바람직한 예로서 쐐기형 구조일 수 있다. 상기 쐐기형 구조의 하향 돌출부는 클림핑 과정에서 가스켓을 탄력적으로 강하게 압박하여 높은 밀봉성을 제공한다. 반면에, 쐐기의 단부가 날카로운 경우에는 가압되면서 가스켓을 손상시킬 수 있으므로, 단부가 완만한 쐐기형 구조가 더욱 바람직하다.
상기 안전벤트는 도전성 소재로서 특별히 제한되는 것은 아니며, 가볍고, 전지의 내압이 소정의 임계치에 도달하였을 때 그것의 작동에 의해 파단될 수 있는 적절한 기계적 강성을 가지는 알루미늄 또는 그것의 합금으로 이루어진 소재가 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 가스켓은 탄력성을 가지며 전지 캔으로부터 탑 캡과 안전벤트를 고정시키며 전해액에 대한 밀봉력을 가지는 다양한 소재가 쓰일 수 있으며, 바람직하게는 폴리프로필렌(PP)이 사용될 수 있다.
한편, 이차전지가 휴대폰, 노트북 등의 전원으로 사용되는 경우에는 일정한 출력을 안정적으로 제공하는 이차전지가 요구되는 반면에, 전동드릴 등과 같은 파워툴의 동력원으로 사용되는 경우, 순간적으로 높은 출력을 제공하면서 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격에 대해서도 안정적일 수 있는 이차전지가 요구된다.
즉, PTC 소자를 캡 어셈블리에 포함하고 있는 구조의 이차전지는 순간적으로 높은 출력을 제공하기 어렵고, 진동 등과 같은 외부 충격시 접촉면의 저항이 증가되어 균일한 출력을 제공하기 어렵게 된다. 구체적으로 PTC 소자는 일반적으로 상온에서도 대략 7 ~ 32 mW 정도의 전기 저항을 나타내며 더욱이 온도의 상승에 따른 가파른 저항 상승을 유발하므로 순간적으로 높은 출력을 제공하는데 큰 저해요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 캡 어셈블리는 PTC 소자를 포함하고 있지 않은 캡 어셈블리로서,
전류차단 안전소자가 하부에 연결되어 있고, 고압 발생시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트;
상기 안전벤트 상에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있으며, 돌출 단자를 형성하는 탑 캡; 및
상기 소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 가스켓;
을 포함하고 있으며,
상기 안전벤트의 단부는 탑 캡의 외주면을 감싸도록 절곡되어 있고, 상기 가스켓과 접하는 안전벤트의 외주면에는 전지의 제조과정에서 가스켓을 가압할 수 있는 돌출부가 형성되는 것으로 구성될 수 있다.
즉, 상기와 같은 캡 어셈블리는, 안전벤트의 단부를 수직으로 절곡한 후 탑 캡의 외주면을 감싸도록 탑 캡 상에 밀착시키고, 가스켓과 접하는 안전벤트의 외주면에 돌출부를 형성함으로써, 안전벤트와 탑 캡의 계면 및 안전벤트와 가스켓의 계면을 따라 전지 내부의 전해액이 누출되는 것을 방지할 수 있다.
일 예로, 상기 탑 캡 중 안전벤트가 감싸는 길이는 탑 캡의 반경을 기준으로 대략 5 내지 40%, 바람직하게는 10 내지 30%일 수 있다. 이러한 절곡 부위는 궁극적으로 가스켓에 의해 감싸여진다.
상기 돌출부는 가스켓과의 밀봉성을 향상시킬 수 있으면 안전벤트의 외주면 어느 부위에 형성되든지 특별히 제한이 없지만, 바람직하게는 안전벤트의 외주면 단부 부위에 하향으로 돌출되어 있어서, 전지의 조립시 가스켓과의 밀봉성을 더욱 향상시킬 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 안전벤트와 탑 캡의 계면에, 전해액의 누출 및 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지하기 위한 그루브가 탑 캡의 외주면에 평행하게 추가로 형성될 수도 있다. 이러한 구조에 대한 더욱 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-0022950호에 기재되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
본 발명은 또한, 전해액이 함침된 상태로 권취형 전극조립체('젤리-롤')이 원통형 캔에 내장되어 있고, 상기 원통형 캔의 개방 상단에는 본 발명에 따른 캡 어셈블리가 장착되어 있는 구조의 원통형 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 상기 전지는 전극조립체를 전지케이스에 내장한 상태에서 리튬 함유 전해액을 함침시켜 제조되는 리튬 이차전지에 바람직하게 적용될 수 있다. 그러한 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더 의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 상기 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 바와 같이, 양극 활물질로서의 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 바인더를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 음극 활물질로서 탄소 활물질과 도전재 및 바인더를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지에서 캡 어셈블리 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 캔(200)의 내부에 전극조립체(110)를 삽입하고, 여기에 전해액을 주입하며, 캔(200)의 개방 상단에 캡 어셈블리(400)를 장착함으로써 제조된다.
캡 어셈블리(400)는 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 장착되는 기밀유지용 가스켓(500) 내부에 상단 캡(410), 전류차단용 안전소자(PTC 소자: 760) 및 내부 압력 강하용 안전벤트(420)가 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 상단 캡(410)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(412)가 다수 개 형성되어 있다.
안전벤트(420)는 전류가 통하는 박막 구조물로서, 그것의 중앙부는 함몰되어 만입형 중앙부(421)를 형성하고 있고, 중앙부(421)의 상절곡 및 하절곡 부위에는 각각 깊이를 달리하는 2 개의 노치들(422, 423)이 형성되어 있다.
도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 노치(422, 423) 중 상부에 형성되는 제 1 노치(422)는 폐곡선을 이루고 있고, 하부에 형성되는 제 2 노치(423)는 일측이 개 방된 개곡선의 구조로 되어 있다. 또한, 제 2 노치(423)의 결합력은 제 1 노치(422)의 결합력보다 작게 만들어지므로, 제 2 노치(423) 는 제 1 노치(422)보다 깊게 파여 있다.
캔(200) 내부압력이 임계 압력 이상으로 상승하게 되면, 안전벤트(420)의 제 2 노치(423)가 압력을 견디지 못하고 파열되면서 캔(200) 내부의 가압 가스가 상단 캡(410)의 구멍(412)을 통해 빠져나가게 된다.
이러한 과정에서, 전지 내부의 가스를 방출함과 동시에 전류를 차단하는 CID(700)가 안전벤트(420)의 하방에 설치되어 있다. CID(700)는 도전성 판재의 부재로서 보조 가스켓(510)이 설치되어 있다.
도 4에는 전류차단 안전소자(CID)의 일 예가 도시되어 있다. CID(700)는 측면을 따라 가스가 배출되는 관통구들(710)이 다수 형성되어 있고, 중앙에는 상향 돌출된 돌출부(720)가 형성되어 있으며, 돌출부(720)를 중심으로 동심원 상으로 3 개의 관통홀(730)과, 관통홀(730)을 연결하는 3 개의 브릿지(740)가 대칭적으로 형성되어 있다. 브릿지(740)에는 노치(750)가 형성되어 있어서, 전지 내부에의 압력 상승으로 인해 가압 가스가 안전벤트(도 2: 420)에 가해질 때, 만입형 중앙부(421)가 들어 올려지면서 만입형 중앙부(421)에 용접되어 있는 돌출부(720)는 노치(750)가 절취되면서 CID(700)의 본체로부터 분리되게 된다.
다시 도 2를 참조하면, 안전벤트의 외주면 단부(424)에는 하향 돌출부가 형성되어 있으며, 안전벤트(420)의 외주면과 접촉하는 가스켓(500)의 해당 부위가 하향 돌출부에 의해 압박되는 구조로 이루어져 있다. 상기 부위의 더욱 자세한 구조 를 확인하기 위한 부위 A의 확대도가 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 탑 캡(410), PTC 소자(760) 및 안전벤트(420)는 상호 밀착되어 가스켓(500)에 의해 감싸여 고정되어 있다. 안전벤트(420)의 외주면 단부에는 하향 돌출부(426)가 형성되어 있으며, 하향 돌출부(426)는 탄력성을 가지는 가스켓(500)을 강하게 압박하여 전지 내부의 전해액이 안전벤트(420)와 가스켓(500) 사이로 누출되는 것을 방지한다.
이와 비교하여, 도 6에는 도 5의 구조에서 안전벤트의 외주면 단부에 하향 돌출부가 형성되어 있지 않은 캡 어셈블리의 대응 구조가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 탑 캡(410), PTC 소자(760) 및 안전벤트(420')가 상호 밀착되어 가스켓(500)에 의해 감싸여 고정되어 있다는 점에서는 도 5의 구조와 동일하지만, 안전벤트(420')의 외주면 단부에 하향 돌출부가 형성되어 있지 않다는 점에서 차이가 있다. 따라서, 전지 내부의 전해액이 안전벤트(420')의 하단면과 가스켓(500)의 계면(S1)으로 일단 유입되면, 상대적으로 밀착력이 떨어지는 안전벤트(420')와 PTC 소자(760)의 계면(S2) 또는 PTC 소자(760)와 탑 캡(410)의 계면(S3)을 쉽게 통과하게 되어 누출된다. 전지의 정상적인 상태 또는 작동 조건에서는 전지 내부의 전해액이 계면(S1)으로 유입되지 않지만, 외력의 인가 또는 내압의 증가시 캡 어셈블리의 밀봉 상태가 부분적 또는 일시적으로 해제되면서 전해액이 계면(S1)으로 유입될 수 있다.
반면에, 도 5의 구조에서는, 안전벤트(420)와 가스켓(500)의 계면(S1)에 하향 돌출부(426)가 형성되어 있음에 인해 높은 밀봉력을 나타내므로, 외력의 인가, 전지의 낙하, 내압의 증가 등이 발생하더라도, 전지 내부의 전해액이 안전벤트(420)와 PTC 소자(760)의 계면(S2)과 PTC 소자(760)와 탑 캡(410)의 계면(S3)으로 유입될 가능성이 거의 없다.
도 7에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안전벤트의 단부 부위의 확대도가 수직 단면도로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 안전벤트(420)의 단부에 쐐기형 구조의 하향 돌출부(428)가 형성되어 있는 구조로서, 전지의 조립시 쐐기형 하향 돌출부(428)가 가스켓(500)을 탄력적으로 강하게 압박함으로써 전해액에 대한 밀봉성을 더욱 향상시킨다. 하향 돌출부(428)의 쐐기 단부는 날카롭지 않은 완만한 구조를 가짐으로써 압박에 의해 가스켓(500)이 손상되는 것을 최소화한다.
도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 상부 구조를 보여주는 단면 모식도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8의 B 부위에 대한 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 원통형 이차전지(101)는 파워툴의 동력원으로 사용하기 위하여, 안전벤트(420a)의 외주면 단부(420b)가 탑 캡(410)의 외주면을 감싸도록 절곡되어 있고, PTC 소자가 장착되지 않았다는 점을 제외하면, 도 2의 이차전지(100)와 동일하다.
안전벤트(420a)의 외주면 단부(420b)가 수직으로 절곡된 후 탑 캡(410)의 외주면을 감싸면서 탑 캡(410) 상에 밀착되어 있으므로, 진동 등과 같은 외부 충격에도 안전벤트(420a)와 탑 캡(410)의 접촉면 저항이 변화되지 않아 균일한 출력을 제 공할 수 있고, 이들의 계면을 따라 전지 내부의 전해액이 누출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 안전벤트(420a)의 외주면 단부 부위에 하향 돌출부(426a)가 형성되어 있어서, 안전벤트(420a)와 가스켓(500) 사이의 밀봉성을 향상시켜, 이들의 계면을 따라 전지 내부의 전해액이 누출되는 것을 방지할 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.
[실시예]
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
Ni을 도금한 SPCE(냉간압연강판)을 사용하여 상단 캡 및 원통형 캔을 제작하고, 원통형 캔에 전극조립체를 장착한 다음, 전극조립체의 상단부에 대응하는 부위의 원통형 캔에 비딩 공정을 행하여 클림핑 부위를 형성하고, 클림핑 부위의 내측면에 가스켓을 삽입하여 캡 어셈블리의 탑 캡, PTC 소자 및 안전벤트를 고정하였다. 안전벤트는 그것의 외주면의 단부를 0.1 mm의 높이로 하향 수직 절곡하여, 하향 돌출부를 형성시켜서 가스켓을 압박할 수 있는 형태로 제작하였다.
이러한 과정으로 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이차전지를 제작하였다.
[비교예 1]
안전벤트의 외주면 단부에 하향 돌출부를 형성시키지 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.
[실험예 1]
실시예 1에서 제조된 전지 10 개와 비교예 1에서 제조된 전지 10 개를 도립시킨 상태에서, 15 kgf까지 셀 내부에 압력을 가하면서 전류차단 안전소자가 단락되기 전에 전해액이 누출되는 지를 확인하였다. 그 결과가 하기 표 1에 개시되어 있다.
<표 1>
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들에서는 어떠한 경우에도 전해액의 누출(leakage)가 발생하지 않은 반면에, 비교예 1의 전지들 중 다수의 전지들은 전류차단 안전소자의 단락 전후하여 전해액의 누출이 발생하였다. 따라서, 본 발명에 따른 안전벤트의 단부에 하향 돌출부가 형성된 전지들 은 전해액에 대해 우수한 밀봉성을 나타냄을 알 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 안전벤트의 외주면 단부에 가스켓을 압박하여 밀봉성을 높이는 하향 돌출부가 형성되어 있어서, 외부충격 또는 내압의 증가에 따른 전해액의 누출을 방지할 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지의 대표적인 상부 구조를 보여주는 단면 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 상부 구조를 보여주는 단면 모식도이다;
도 3 및 4는 도 2의 전지에 사용된 안전벤트와 전류차단 안전소자의 사시도이다;
도 5는 도 2의 A 부위에 대한 확대도이다;
도 6은 도 5의 구조에서 안전벤트의 외주면 단부에 하향 돌출부가 형성되어 있지 않은 캡 어셈블리의 대응 구조에 대한 확대도이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안전벤트의 단부 부위의 확대도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 상부 구조를 보여주는 단면 모식도이다;
도 9는 도 8의 B 부위에 대한 확대도이다.
Claims (12)
- 전지내의 고압 발생시 전류를 차단하는 소자(전류차단 안전소자)가 하부에 연결되어 있고, 그 이상의 고압 발생시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트;상기 안전벤트 상에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있으며, 돌출 단자를 형성하는 탑 캡; 및상기 소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 가스켓;을 포함하고 있으며,상기 안전벤트의 외주면 단부 부위에는 전지의 제조과정에서 가스켓을 가압할 수 있는 하향 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트와 탑 캡 사이에는 고온 발생시 전류를 차단하는 환형 구조의 PTC 소자가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하향 돌출부는 안전벤트의 외주면 단부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하향 돌출부는 안전벤트의 외주면 단부를 수직으로 하향 절곡하여 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하향 돌출부의 높이는 0.05 내지 0.2 mm인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하향 돌출부는 쐐기형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트는 알루미늄 또는 그것의 합금으로 이루어져 있고, 가스켓은 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- PTC 소자를 포함하고 있지 않은 캡 어셈블리로서,전류차단 안전소자가 하부에 연결되어 있고, 고압 발생시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트;상기 안전벤트 상에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있으며, 돌출 단자를 형성하는 탑 캡; 및상기 소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 가스켓;을 포함하고 있으며,상기 안전벤트의 단부는 탑 캡의 외주면을 감싸도록 절곡되어 있고, 상기 가스켓과 접하는 안전벤트의 외주면에는 전지의 제조과정에서 가스켓을 가압할 수 있 는 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 8 항에 있어서, 상기 돌출부는 안전벤트의 외주면 단부 부위에 하향으로 돌출되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 8 항에 있어서, 상기 안전벤트와 탑 캡의 계면에, 전해액의 누출 및 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지하기 위한 그루브가, 탑 캡의 외주면에 평행하게 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 전해액이 함침된 상태로 권취형 전극조립체('젤리-롤')이 원통형 캔에 내장되어 있고, 상기 원통형 캔의 개방 상단에는 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 따른 캡 어셈블리가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
- 제 11 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
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