KR101131258B1 - 밀봉식 전기화학 전지용 하우징 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전기화학 전지는 전지 용기의 개방 단부를 밀봉하는 컬렉터 조립체를 구비한다. 컬렉터 조립체는 둘레 플랜지를 지닌 접촉 스프링과 리테이너를 포함하고, 이들 접촉 스프링과 리테이너 각각은 내부에 중앙 개구를 갖는다. 접촉 스프링의 둘레 플랜지와 리테이너 사이에 배출되는 압력 배출 배기 부재는 정상적인 조건하에서 리테이너와 접촉 스프링의 개구를 밀봉하고, 압력 배출 배기 부재는 내부 압력이 에정된 제한값을 초과할 때, 전지 내에서 파열된다.

Description

밀봉식 전기화학 전지용 하우징{HOUSING FOR A SEALED ELECTROCHEMICAL BATTERY CELL}
본 발명은 전기화학 전지를 밀봉하는 컬렉터(collector) 조립체와 용기를 포함하는 하우징을 구비하는 전기화학 전지에 관한 것이다.
전자 장비용 동력원으로 사용되는 배터리는 대량의 에너지를 저장할 수 있다. 배터리는 하나 이상의 전기화학 전지를 포함할 수 있다. 전기화학 전지 내부의 압력은 내부 온도의 변화, 충전지인 경우에는 방전 중의 전극 내부 용적의 증가 및 충전 중에 발생되는 가스로 인해 증가될 수 있으며, 배출될 수 있다. 전형적으로, 그러한 전기화학 전지는 내부 압력의 증가를 제한하도록 전지로부터 가스를 배출 또는 방출하는 기구를 포함한다.
전기화학 전지는 단부가 개방된 용기와 전기화학 전지를 폐쇄하도록 상기 용기의 개방 단부에 배치되는 컬렉터 조립체를 구비할 수 있다. 컬렉터 조립체는 과잉 압력을 배출하는 압력 배출 배기 안전 기구를 포함할 수 있다.
다양한 집전 조립체와 압력 배출 배기 구성이 전기화학 전지에 사용되어 왔다. 예컨대, 재밀봉 가능한 압력 경감 배기구를 니켈-카드뮴 및 니켈-금속 수소화물 전지와 같은 수성 전해질 충전지에서 찾을 수 있다. 알칼리성 아연-망간 이산 화물 전지와 같은 1차(비충전식) 수성 전지에는 내부 압력이 예정된 제한치를 초과할 때 파열될 수 있는 취약부를 포함하는 비교적 큰 표면적을 지닌 플라스틱 시일을 지닌 컬렉터 조립체가 사용되어 왔다. 리튬 금속 및 리튬 삽입재를 포함하는 전극을 지닌 전지와 같은 1차 비수성 전해질 전지 및 비수성 전해질 충전지는 전형적으로 내부 압력을 급속히 저감시킬 수 있는 증기 투과 및 압력 경감 배기를 최소화하도록 벽이 얇은 플라스틱 밀봉 부재를 지닌 컬렉터 조립체를 구비한다.
종래의 컬렉터 조립체와 압력 배출 배기구 구성의 예는 미국 특허 제4,963,446호(Roels 등의 명의로 1990년 10월 16일자로 출원), 미국 특허 제5,015,542호(Chaney, Jr. 등의 명의로 1991년 5월 14일자로 출원), 미국 특허 제5,156,930호(Daio 등의 명의로 1992년 10월 20일자로 출원), 미국 특허 제5,609,972호(Kaschmitter 등의 명의로 1997년 5월 11일자로 출원), 미국 특허 제5,677,076호(Sato 등의 명의로 1997년 10월 14일자로 출원), 미국 특허 제5,741,606호(Mayer 등의 명의로 1998년 4월 21일자로 출원) 및 미국 특허 제 5,766,790(Kameishi 등의 명의로 1998년 6월 16일자로 출원)에서 확인할 수 있다. 이들 예 각각은 활성 성분을 위한 전지 내의 용적을 제한하는 치수 제한 혹은 조립체 용적을 갖고 많은 부품을 포함하여, 전지를 제조하기가 어렵고 비용이 더 많이 든다.
본 발명은 양극 및 음극과 이들 전극 사이의 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전해질 및 하우징을 포함하는 전기화학 전지에 관한 것이다. 하우징은 용기와 컬렉터 조립체를 포함한다. 컬렉터 조립체는 압력 배출 배기 부재를 포함하는데, 이 압력 배출 배기 부재는 전기화학 전지의 내부 압력이 예정된 배출 압력에 도달하는 경우에 파열될 수 있다. 컬렉터 조립체 내의 구성 요소의 갯수 및 배치는 적은 용적을 필요로 하고, 이에 따라 활성재를 위한 큰 용적이 허용되고 경제적이고 신뢰성 있는 전지의 제조가 용이해진다.
본 발명의 일실시예에서, 컬렉터 조립체는 리테이너와 접촉 스프링을 포함하는데, 이들 리테이너와 접촉 스프링 각각은 전기화학 전지 내의 압력 배출 채널을 따라 개구를 형성한다. 컬렉터 조립체는 또한 리테이너와 접촉 스프링 사이에 배치되고 압력 배출 채널을 폐쇄하는 압력 배출 배기 부재를 포함한다. 전기화학 전지 내의 압력이 예정된 배출 압력 이상인 경우, 압력 배출 배기 부재가 파열되어 전지 내의 물질이 리테이너의 개구를 통해 유출될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 리테이너와 접촉 스프링 둘레 플랜지는 압력 배출 배기 부재와 리테이너 사이를 밀봉하도록 압력 배출 배기 부재와 협동한다. 리테이너는, 예컨대 리테이너 내의 크림프를 통해 접촉 스프링과 압력 배출 배기 부재에 압축력을 인가할 수 있다. 또한, 접촉 스프링은 이 스프링의 둘레 플랜지 내에 연속적인 돌출부를 더 포함하여, 압력 배출 배기 부재에 인가되는 압축력이 감소되는 경우에도 리테이너와 압력 배기 부재의 둘레부 사이의 밀봉을 유지할 수 있다. 더욱이, 압력 배출 배기 부재는 핫멜팅, 초음파 용접 또는 접착제 도포에 의해 도전성 리테이너에 물리적으로 접합된다.
또 다른 실시예에서, 컬렉터 조립체는 압력 배출 배기 부재와 리테이너 사이에 밀봉 수단을 포함한다.
압력 배출 배기 부재는 도전성 또는 비도전성 성분을 포함하는 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 압력 배출 배기 부재는 금속, 폴리머 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 압력 배출 배기 부재의 구성 및 조성은 전해질의 증기 투과율을 기초로 하여, 바람직하게는 낮은 전지의 중량 손실을 제공할 수 있다. 압력 배출 배기 부재의 조성 및 두께는 또한 압력 배출 배기 부재의 파열이 일어나는 예정된 또는 소망하는 배출 압력을 기초로 할 수 있다. 일실시예에서, 폴리에틸렌테레프탈레이트/폴리에틸렌/알루미늄/폴리에틸렌/저밀도 폴리에틸렌의 5개 층으로 이루어진 적층체이고, 두께의 범위가 약 0.0254 mm(0.001 인치) 내지 약 0.254 mm(0.010 인치)인 압력 배출 배기 부재의 배출 압력의 범위는 실온(약 20℃ 내지 25℃)에서 약 14.1 kg/cm2 (200 lbs/in2) 내지 약 42.3 kg/cm2 (600 lbs/in2)이다.
이하의 도면을 참고하면 본 발명을 이해할 수 있을 것이다. 도면의 구성 요소는 실척으로 도시되지 않는다. 또한, 도면에서 동일한 참조 부호는 복수 개의 도면에 있어서 대응하는 부품을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지의 단면도이고,
도 2는 종래 기술의 전기화학 전지의 상부와 컬렉터 조립체의 단면도이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지의 상부와 컬렉터 조립체의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 전지의 상부와 컬렉터 조립체의 단면도이며,
도 5는 증기 투과율 시험에 사용되는 시험막의 단면도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 전기화학 전지(100)를 보여준다. 본 발명의 전기화학 전지(100)는 용기(104)와 컬렉터 조립체(106)를 포함하는 하우징(102)를 구비한다. 용기(104)는 폐쇄 저부와, 컬렉터 조립체(106)에 의해 폐쇄되는 개방 상단을 갖는다. 용기(104)는 또한 이 용기(104)의 상부와 저부를 분리하는 비드(bead)(107)를 갖는다. 용기(104)의 저부에는 음극 또는 애노드(110)), 양극 또는 캐소드(112) 및 이들 애노드(110)와 캐소드(112) 사이에 배치되는 세퍼레이터(114)를 포함하는 전극 조립체(108)가 배치된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 애노드(110), 캐소드(112) 및 세퍼레이터(114) 각각은 얇은 시트이며, 이들은 "젤리 롤" 구성으로도 알려져 있는, 나선형으로 함께 권취된다. 전기화학 전지(100)는 원통형이지만, 당업자라면 본 발명의 변형예는 다른 형태의 전지 및 전극도 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 용기(104)는 여러 가지 기하학적인 형태 중 한가지 형태일 수 있으며, 예컨대 각주형 또는 직사각형일 수 있다.
전기화학 전지가 리튬 전기화학 전지인 경우, 애노드(110)는 리튬 금속을 포함하며, 시트 또는 호일 형태일 수 있다. 리튬 전지용 캐소드(112)는, 통상적으로 미립자 형태인 하나 이상의 활성재를 포함할 수 있다. 임의의 적절한 활성 캐소드 재가 사용될 수 있으며, 이러한 임의의 적절한 활성 캐소드재는, 예컨대 FeS2, Mn02, CFx, 및 (CF)n를 포함할 수 있다. 적절한 세퍼레이터재는 비도전성이지만 전극에 대해서 이온 투과성이다. 리튬 전지에 사용되는 전해질은 전형적으로 유기 용매를 포함한다. 리튬 전지 및 다른 다양한 전기화학 전지의 애노드(110), 캐소드(112), 세퍼레이터(11) 및 전해질과 관련된 더욱 상세한 사항은 후술하겠다.
용기(104)는 일체형 폐쇄 저부를 지닌 금속 캔일 수 있지만, 양단부가 개방되어 있는 금속 튜브가 사용될 수도 있다. 용기(104)는 용기(104)의 외측이 부식되는 것을 방지하거나 소망하는 외관을 제공하도록, 적어도 외측면이 선택적으로 예컨대 니켈로 도금된 강(鋼)일 수 있다. 또한, 강의 타입은 부분적으로 용기(104)가 형성되는 방식에 의해 좌우될 수 있다. 예컨대, 드로잉(drawing) 공정을 이용하여 제조되는 용기는 입자 크기가 ASTM 9 내지 11이고 약간 신장된 입자 형태를 지닌 확산 어닐링 처리된 저탄소 알루미늄 킬드 SAE 1006 또는 이와 동등한 강으로 제조될 수 있다. 특정 요구를 만족시키기 위해 다른 금속이 사용될 수 있다. 예컨대, 용기(104)가 캐소드(112)와 전기 접촉하고 전지의 개방 회로 전압이 약 3 볼트 이상이거나, 충전식인 전기화학 전지(100)에 있어서는, 강보다 높은 내식성을 갖는 용기 재료가 바람직할 수 있다. 그러한 재료는 스테인리스 강, 니켈 도금 스테인리스 강, 니켈 피복 스테인리스 강, 알루미늄 및 이들의 합금을 포함하며, 이들로만 한정되지는 않는다.
하우징(102)의 상부에 배치되는 컬렉터 조립체(106)는 포지티브 접촉 단자(116), 개구가 형성되어 있는 리테이너(118), 압력 배출 배기 부재(120), 개구가 형성되어 있는 접촉 스프링(122) 및 이들 구성 요소와 용기(104) 사이에 위치하는 가스켓(124)을 포함할 수 있다. 컬렉터 조립체(106)는 선택적으로 양의 온도 계수(Positive Temperature Coeffecient; PCT) 장치(126)를 포함할 수 있으며, 이 장치는 리테이너(118)와 포지티브 접촉 단자(116) 사이에 배치되고 개구가 형성되어 있다. 용기(104) 위로 돌출되는 포지티브 접촉 단자(116)는 내측 방향으로 크림핑된 용기(104)의 엣지(128)와 가스켓(124)에 의해 적소에 유지된다.
전극 조립체(108)의 캐소드(112)는 접촉 스프링(122)에 의해 컬렉터 조립체(106)에 전기 접속된다. 접촉 스프링(122)은 하나 이상의 탭(134)을 구비할 수 있는데, 이 탭은 전극 조립체(108)의 상부에 배치된 전류 컬렉터(136)의 상부 엣지에 대하여 편향된다. 전류 컬렉터(136)는 캐소드재가 배치되고 캐소드재와 세퍼레이터(114)를 넘어 연장되는 도전성 기판, 예컨대 금속 기판이다. 전류 컬렉터(136)는 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 전지 내부에 적합한 다른 금속으로 형성될 수 있다. 전류 컬렉터(136)는 얇은 시트, 호일, 스크린 또는 연신된 금속 형태일 수 있다. 접촉 스프링(122)은, 예컨대 형상 기억 합금을 포함하는 스프링과 같은 특징을 지닌 하나 이상의 도전성 재료로 형성될 수 있다. 컬렉터 조립체(106)가 조립 중에 용기(104) 내로 배치될 때, 전류 컬렉터(136)는 힘에 대해 탄성이 있는 성분을 지닌 접촉 스프링(122)의 탭(134)을 가압할 수 있다. 이것은 탭(134)과 전류 컬렉터(136)의 접촉이 보장되는 것을 돕는다. 접촉 스프링(122)은 전류 컬렉터(136)와 접촉하는 하나 이상의 탭(134)을 구비할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 탭(124)과 전류 컬렉터(136)의 전기 접촉은 전류 컬렉터(136)에 대하여 탭(134)에 의해 인가되는 스프링 힘 등에 의해 유지된다. 다른 실시예에서, 탭(134)은 전류 컬렉터(136)에 용접될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 탭(134)은 전류 컬렉터(136)와 탭(134) 양자에 용접된 좁은 금속 스트립 또는 와이어와 같은 도전성 리드(lead)에 의해 전류 컬렉터(136)에 연결된다. 용접된 연결부는 특히 과격한 취급, 저장 및 사용 조건하에서 더욱 신뢰성 있지만, 압력 연결부는 추가적인 조립 공정 및 장비를 필요로 한다.
애노드(110)는 금속 애노드 리드(도시하지 않음)에 의해 용기(104)의 내면에 전기 접속되고, 그렇지 않은 경우에는 전극 조립체(108)가 세퍼레이터(114)의 외측 랩과 전극 조립체(108) 상부의 둘레부 주변에 위치하는 절연체(138)에 의해 용기(104)로부터 물리적으로 분리되어, 전류 컬렉터(136)가 용기(104)와 접촉하는 것을 방지한다. 캐소드(112)의 저부 엣지와 용기(104) 저부의 접촉은 내측 방향으로 절첩된 세퍼레이터(114)의 연장부와 용기(104)의 저부에 위치하는 절연성 저부 디스크(도시하지 않음)에 의해 방지된다.
전기화학 전지(100)의 정상적인 작동 중에, 전기 장치(도시하지 않음)는 일단부에서 컬렉터 조립체(106)의 포지티브 접촉 단자(116)와 접촉하고, 용기(104)의 폐쇄 단부에서 네거티브 접촉 단자와 접촉할 수 있다. 따라서, 애노드 리드, 전극 조립체(108), 전류 컬렉터(136)를 통해 네거티브 단자 또는 용기(104)와 컬렉터 조립체(108) 사이에 도전성 경로가 확립된다. 전류 경로는 접촉 스프링(122)의 탭(134)을 경유하고 압력 배출 배기 부재(120) 둘레의 리테이너(118)를 거쳐 포지 티브 접촉 단자(116)에 이른다. 리테이너(118)는 금속, 바이메탈 및 3개 층이 적층된 재료와 같은 하나 이상의 도전성 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 리테이터(118)는 니켈 도금 강, 또는 스테인리스 강, 또는 강, 스테인리스 강, 구리, 알루미늄 및 이들의 합금의 조합의 클래드 금속과 같은 금속일 수 있다.
포지티브 접촉 단자(116)는 주변 환경에 존재하는 물에 대한 양호한 내식성 및 양호한 도전성을 지녀야 한다. 포지티브 접촉 단자(116)는 니켈 도금 냉연 강 또는 접촉 단자를 형성한 후에 니켈 도금된 강과 같은 도전성 재료로 형성될 수 있다. 사용되는 재료는 포지티브 접촉 단자(116) 형태의 복잡성에 의해 좌우될 수도 있다. 포지티브 접촉 단자(116)가 복잡한 형상을 갖는 경우, 소망하는 내식성을 제공하기 위해서 ASTM 8 내지 9의 입자 크기를 지닌 타입 304 어닐링 처리된 소프트 스테인리스 강을 사용하여, 용이하게 금속을 단자로 성형할 수 있다. 단자를 성형하고 나면, 니켈과 같은 다양한 금속으로 포지티브 접촉 단자(134)를 도금할 수도 있다.
가스켓(124)은 용기(104)의 상부에 대한 컬렉터 조립체(106)용 시일을 제공한다. 가스켓(124)은 비드(107) 아래의 용기(104)의 하부로부터 전류 컬렉터(136)를 물리적으로 분리하는 절연체(138)에서부터 용기(104) 상부의 엣지(128)까지 연장된다. 용기(104) 상부의 외곽은 컬렉터 조립체(106)를 위한 안착면을 제공하는 비드(107)를 포함한다. 가스켓(124)은 물리적으로 용기(104)의 상부로부터 컬렉터 조립체(106)의 전도성 구성 요소를 분리하고, 또한 이들 구성 요소 사이에서의 전해질 누출 및 부식을 방지하도록 컬렉터 조립체(106)의 구성 요소의 둘레 엣지를 밀봉한다. 가스켓(124)은 컬렉터 조립체(106)를 용기(104) 내로 삽입하고 용기(104)의 상부 엣지와 가스켓(124)을 크림핑했을 때, 가스켓(124)이 압축되어 컬렉터 조립체(106)의 다른 구성 요소 내면과 가스켓(124) 사이뿐만 아니라 가스켓(124)과 용기(104) 사이가 밀봉되도록 크기가 정해진다.
가스켓(124)은 압축 밀봉을 형성할 수 있고, 전기화학 전지(100)로부터 전해질이 손실되는 것과 전지 내로 물이 유입되는 것을 최소화하도록 낮은 증기 투과율(Vapor Transmission Rate; VTR)을 갖는 재료 성분으로 형성될 수 있다. 가스켓(124)은 폴리머 성분, 예컨대 열가소성 또는 열경화성 폴리머로 형성될 수 있으며, 폴리머 성분은 부분적으로 전기화학 전지(100)에 사용되는 애노드(110), 캐소드(112) 및 전해질의 화학적 적합성을 기초로 한다. 리튬 전지 또는 리튬 이온 전지와 같은 비수성 전지용 가스켓(124)에 사용 가능한 재료의 예로는 폴리프로필렌, 폴리페닐렌 설파이드, 테트라플루오라이드-퍼플루오로알킬비닐에테르 코폴리머, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌, 폴리프탈아미드 및 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 이들로만 한정되는 것은 아니다. 사용 가능한 적절한 폴리프로필렌은 미국 델라웨어주 윌밍턴에 소재하는 Basell Polyolefins이 시판중인 PRO-FAX ？ 6524이다. 적절한 폴리페닐렌 설파이드는 미국 텍사스주 샤이너에 소재하는 Boedeker Plastics, Inc.이 시판중인 TECHTRON ？ PPS 이다. 폴리머는 또한 베이스 수지 이외에도 강화 무기질 충전제와 유기질 화합물을 포함할 수도 있다.
전기화학 전지(100)의 압력 배출 채널(142)은 리테이너(118)의 개구와 접촉 스프링(122)의 개구에 의해 형성된다. 전기화학 전지(100)와 압력 배출 채널(142)을 폐쇄하는 것은 리테이너(118)와 접촉 스프링(122)에 있는 개구 전반에 걸쳐 배치된 압력 배출 배기 부재(120)에 의해 완료된다. 리테이너와 접촉 스프링(122) 중 하나 이상과 압력 배출 배기 부재(120)의 둘레부 사이가 밀봉된다. 이 밀봉은 계면(들)에서의 빈틈없는 압력 접촉의 결과로서, 몇몇 실시예에서는 압력 배출 배기 부재(120)의 둘레부의 압축에 의해 강화될 수 있다. 이하에서 설명하겠지만, 선택적으로 접착제나 밀폐제가 계면(들)에 도포될 수 있다. 리테이너(118)와 접촉 스프링(122) 중 하나 이상의 둘레부는 용기(104)의 상부와 가스켓(124)이 크림핑될 때 가스켓(124)과 컬렉터 조립체(106)의 다른 구성 요소의 둘레부에 인가되는 축방향 힘의 결과로서 밀봉 계면(들)에 대하여 압력 배출 배기 부재(120)의 둘레부를 편향시키는 역할도 또한 할 수 있다. 리테이너(118)와 접촉 스프링(122)이 압력 배출 배기 부재를 편향시키는 특성은 리테이너(118)와 접촉 스프링(122)의 둘레 플랜지를 따른 적절한 기하학적 형상과 적절한 재료를 이용함으로써 달성될 수 있다.
전기화학 전지(100)의 정상 작동 중에, 화학 반응에 의해 전지 내에 가스가 생성된다. 전기화학 전지(100) 내에 내부 압력이 형성될 때, 내용물들은 실질적으로 압력 배출 배기 부재(120)에 의해 전기화학 전지(100) 내에 수용된다. 내부 압력이 형성될 때, 압력 배출 배기 부재(120)가 변형될 수 있지만, 전술한 바와 같은 용기(104)에 의해 컬렉터 조립체(106) 상에 인가되는 축방향 압축력은 압력 배출 배기 부재(120)가 실질적으로 적소에 유지되도록 하여 가스와 전지의 내용물이 리테이너(118)의 개구를 통해 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. 전기화학 전 지(100) 내에서의 컬렉터 조립체(106)의 압축은 적어도, 전지의 압력이 예정된 배출 압력 미만인 경우에 압력 배출 배기 부재(120)가 내측 방향으로 굴곡되어 리테이너(118)의 개구와 접촉 스프링(122)의 개구 사이에 있는 압력 배출 채널(142)에 개구가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 전기화학 전지(100) 내의 압력이 적어도 예정된 배출 압력보다 높을 때에는 압력 배출 배기 부재(120)가 파열되어 전지 내에 있는 가스 또는 액체 또는 이들 양자 형태의 물질이 리테이너(118)의 개구를 통해 빠져나가는 것을 허용한다. 전지 내의 물질은 포지티브 접촉 단자(116)에 있는 하나 이상의 배기 구멍(130)을 통해 유출될 수 있다. 예정된 배출 압력은 안전과 환경에 대한 요구 조건의 관점에서 전기화학 전지(100)의 화학적 타입과 보전성에 따라 변동될 수 있다. 예컨대, AA 크기 또는 AAA 크기의 리튬 전지에 있어서, 예정된 배출 압력, 즉 압력 배출 배기 부재(120)가, 예컨대 파열에 의해서 개구를 형성하는 압력의 범위는 실온에서 약 10.5 kg/cm2 (150 lbs/in2) 내지 약 42.3 kg/cm2 (600 lbs/in2)이며, 몇몇 실시예에서는 약 14.1 kg/cm2 (200 lbs/in2) 내지 약 28.1 kg/cm2 (400 1bs/in2)이다. 압력 배출 배기 부재가 파열되는 압력은 전지를, 예컨대 용기에 천공된 구멍을 통해 가압함으로써 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 전기화학 전지(100)는 선택적으로 PTC 장치(126)를 포함할 수 있으며, 이 PTC 장치에는 개구가 형성되어 있고, PTC 장치는 리테이너(118)와 포지티브 접촉 단자(116) 사이에 배치된다. 전기화학 전지(100)의 정상 작동 중에, PTC 장치(126)를 통해 전류가 흐른다. 전기화학 전지(100)의 온도가 비정상적으로 높은 수준에 도달하면, PTC 장치(126)의 전기 저항이 증가하여 전류 흐름을 감소시킨다. PTC 장치(126)는 외부적인 단락, 비정상적인 충전 및 지나치게 무리한 방전과 같은 전기적인 오용으로부터 기인하는 전지의 연속적인 내부 가열 및 압력 형성을 늦추거나 방지할 수 있다. 그러나, 예정된 배출 압력까지 내부 압력이 계속해서 형성되면 압력 배출 배기 부재(120)가 파열되어 내부 압력을 경감시킨다.
리테이너(118)와 접촉 스프링(122) 사이에 배치되는 압력 배출 배기 부재(120)는 금속, 폴리머 또는 이들의 혼합물 성분으로 이루어진 하나 이상의 층을 포함한다. 압력 배출 배기 부재(120)가 상이한 재료 성분으로 이루어진 2개 이상의 층을 포함하는 것도 또한 가능하다. 예컨대, 제1 층과 상이한 성분을 갖는 제2 층은 압력 배출 배기 부재(120)를 리테이너(118)나 접촉 스프링(122)에 접합시키기 위한 목적으로 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 층과 상이한 성분을 갖는 제2 층 및 제3 층은 압력 배출 배기 부재(120)를 리테이너(118)와 접촉 스프링(122) 양자에 접합시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 성능 특성, 예컨대 압력 배출 배기 부재(120)의 강도 및 가요성을 적절히 형성하기 위해서 2개 이상의 성분을 지닌 복수 층을 사용할 수 있다.
압력 배출 배기 부재(120)에 사용하기에 적절한 성분은 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스 강 및 이들의 합금과 같은 금속과, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 에틸렌 아크릴산, 에틸렌 메타아크릴산, 폴리에틸렌 메타아크릴산 및 이들의 혼합물과 같은 중합체 재료를 포함할 수 있으며, 이들로만 한정되는 것은 아 니다. 압력 배출 배기 부재(120)의 성분은 또한 금속으로 강화된 폴리머와 금속 또는 폴리머 또는 이들 양자로 이루어진 복수 층의 적층체 또는 단일 층을 포함할 수 있다. 예컨대, 단일층은 실질적으로 방수성인 금속과, 이산화탄소 및 전해질 또는, 예컨대 SiOx 또는 A120x와 같이, 증기 투과를 방지하는 산화재로 이루어진 층으로 피복된 폴리머로 이루어진 비금속 필름일 수 있다. 압력 배출 배기 부재(120)는, 예컨대 폴리우레탄을 함유하는 접착제층과, 예컨대 저밀도 폴리올레핀을 함유하는 열 차단층을 더 포함할 수 있다.
대안으로서, 컬렉터 조립체 내의 밀봉성을 증대시키기 위해서 접착제나 다른 타입의 밀폐제 재료가 압력 배출 배기 부재의 일부, 리테이너 또는 이들 양자에 도포될 수 있다.
성분에 상관없이, 압력 배출 배기 부재(120)는 전지(100) 내에 수용된 전해질에 대해서 내화학성이 있어야 하고, 광범위한 대기 온도에 걸쳐 전지(100)에 있어서의 낮은 중량 손실율을 제공하도록 낮은 증기 투과율(VTR)을 지녀야 한다. 예컨대, 압력 배출 배기 부재(120)가 증기 투과에 대해 비투과성인 금속인 경우에는 압력 배출 배기 부재(120)를 통과하는 VTR은 거의 0이다. 그러나, 압력 배출 배기 부재(120)는, 예컨대 접착제 또는 탄성중합체 층으로서 기능하여, 리테이너(118)와 접촉 스프링(122) 중 하나 이상과 압력 배출 배기 부재(120) 사이의 밀봉을 달성할 수 있는 증기 투과성 재료, 예컨대 전술한 바와 같은 중합체 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 배출 배기 부재(120) 층의 75℃에서 측정된 VTR은 약 11.81 g?mm/(day?mm2){3000 g?mil/(day?in2)} 미만일 수 있고, 몇몇 실시예에서는 약 0.1969 g?mm/(day?mm2){50 g?mil/(day?in2)} 내지 약 11.81 g?mm/(day?mm2){3000 g?mil/(day?in2)} 범위일 수 있으며, 변형예에서는 약 0.3543 g?mm/(day?mm2){90 g?mil/(day?in2)} 내지 약 9.84 g?mm/(day?mm2){2500 g?mil/(day?in2)} 범위일 수 있고, 다른 변형예에서는 약 0.3543 g?mm/(day?mm2){90 g?mil/(day?in2)} 내지 약 5.9 g?mm/(day?mm2){1500 g?mil/(day?in2)} 범위일 수 있다. VTR은, VTR이 소망하는 한계치 이내가 되도록 선택될 수 있는 압력 배출 배기 부재(120)의 증기 투과층의 성분뿐만 아니라 전기화학 전지(100) 내에 포함되는 전해질의 성분에 따라 변동될 수 있다. 하나 이상의 재료층을 갖는 압력 배출 배기 부재와, VTR을 계산하기 위한 시험 절차는 이하에서 더욱 상세히 설명하겠다.
예정된 배출 압력 또는 압력 배출 배기 부재(120)가 파열하게 되는 압력은 압력 배출 배기 부재의 물리적인 특성(예컨대, 강도), 물리적인 치수(예컨대, 두께) 및 리테이너(118)에 형성되어 있는 개구 및 PTC 장치에 형성되어 있는 개구의 면적의 함수이다. 리테이너(118)와 PTC 장치에 노출되는 압력 배출 배기 부재(120)의 면적이 클수록, 전기화학 전지의 내부 가스에 의해 인가되는 보다 큰 수 집력으로 인해 예정된 배출 압력이 더 낮아진다.
압력 배출 배기 부재(120)의 두께는 약 0.254 mm(0.010 인치) 미만일 수 있고, 몇몇 실시예에서는 약 0.0254 mm(0.001 인치) 내지 약 0.127 mm(0.005 인치) 범위일 수 있으며, 또 다른 실시예에서는 약 0.0254 mm(0.001 인치) 내지 약 0.05 mm(0.002 인치) 범위일 수 있다. 압력 배출 배기 부재(120)의 성분 및 두께는 증기 투과율(VTR)과 예정된 배출 압력 요구 사항을 고려하여 당업자에 의해 결정될 수 있다.
도 2는 종래 기술의 전기화학 전지(200) 상부의 단면도를 보여준다. 전기화학 전지(200)는 용기(204)의 상부와 저부를 분리하는 비드(207)와 컬렉터 조립체(206)에 의해 폐쇄되는 개방 단부를 구비하는 용기(204)를 구비하는 하우징(202)을 포함한다. 컬렉터 조립체(206)는 하나 이상의 배기 구멍(230)을 갖는 포지티브 접촉 단자(216), 가스켓(224), PTC 장치(226), 전지 커버(244), 부싱(246), 배기 볼(248) 및 용기(204)의 저부에 있는 전극 조립체(도시하지 않음)로부터 연장되는 전류 컬렉터(236)와 물리적으로 접촉하는 접촉 스프링(222)을 포함한다. 다른 점에서, 전류 컬렉터(236)는 절연체(238)에 의해 용기(204)로부터 물리적으로 분리된다. 전지 커버(244)는 포지티브 접촉 단자(216) 내부로부터 전기화학 전지(200)를 향해 하방으로 돌출되는 배기 웰(250)을 지닌다. 배기 웰(250)은 내부에 배기 천공부(252)를 지니며, 이 배기 천공부는 부싱(246)이 배기 볼(248)과 배기 웰(250)의 수직벽 사이에서 압축되도록 부싱과 배기 볼이 안착될 때 이들 부싱과 배기 볼에 의해서 밀봉된다. 전기화학 전지(200)의 내부 압력이 예정된 수준을 초과하는 경우와, 배기 볼(248)과, 어떤 경우에는 부싱(246)과 배기 볼(248) 양자가 배기 천공부(252)로부터 멀어지도록 배기 웰(250) 외측으로 강제되어 전기화학 전지(200)의 배기 천공부(252)와 배기 구멍(230)을 통해 압축 가스를 배출한다.
도 1에 도시되어 있는 본 발명의 실시예를 참고하면, 전기화학 전지(100)의 용기(104) 상부 또는 견부(肩部)의 수직 높이(h1)는 도 2에 도시되어 있는 전기화학 전지(200)의 용기(204) 상부의 수직 높이(h2)보다 낮다. 용기(104) 외측에서 측정되는 용기(104) 상부에서 비드(107)의 안착면(140)까지의 견부 높이(h1)(도 1)는, 용기(204) 외측에서 측정되는 용기(204) 상부에서 비드(207)의 안착면(240)까지의 견부 높이(h2)(도 2)보다 낮다. 도 1에 도시되어 있는 컬렉터 조립체(106)는 도 2의 종래 기술의 컬렉터 조립체(206)보다 낮은 수직 높이 또는 견부 높이를 취하기 때문에, 활성 전극재를 수용하는 전기화학 전지(100)의 용기(104) 저부의 보다 큰 용적이 허용된다. 실질적으로 평탄한 압력 배출 배기 부재(120)는 배기 웰(250)(도 2)을 구비하는 전지 커버(244)보다 적은 수직 공간을 점유한다. 그 결과, 종래 AA 크기의 리튬/FeS2 전기화학 전지(200)는 약 3.175 mm(0.125 인치)의 견부 높이(h2)를 갖는 반면, 본 발명의 실시예의 AA 크기의 리튬/FeS2 전기화학 전지(100)는 약 2.667 mm(0.105 인치) 이하의 견부 높이(h1)를 갖는다. 또한, 컬렉터 조립체(106)(도 1)는 종래 기술의 컬렉터 조립체(206)보다 적은 갯수의 부품을 지니며, 이에 따라 조립과 제조의 용이성과 유연성이 보다 커져서 비용이 절감된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컬렉터 조립체(306)와 전기화학 전지의 상부의 단면도이다. 전기화학 전지(300)는 상부와 저부 사이에 비드(307)가 마련되는 용기(304)와, 컬렉터 조립체(306)에 의해 폐쇄되는 개방 단부를 포함하는 하우징(302)을 포함한다. 컬렉터 조립체(306)는 하나 이상의 배기 구멍(330)을 지닌 포지티브 접촉 단자(316), 가스켓(324), 개구가 형성되어 있는 리테이너(318), 압력 배출 배기 부재(320) 및 접촉 스프링(322)을 포함하며, 이 접촉 스프링에는 개구가 형성되어 있고, 접촉 스프링은 용기(304)의 저부에 있는 전극 조립체(도시하지 않음)로부터 연장되는 전류 컬렉터(336)와 물리적으로 접촉하는 탭(334)을 구비한다. 리테이너(318)의 개구와 접촉 스프링(322)의 개구는 압력 배출 채널(342)을 따른 개구를 형성하고, 압력 배출 배기 부재(320)는 리테이너(318)와 접촉 스프링(322) 사이의 압력 배출 채널(342)을 폐쇄하도록 리테이너(318)와 접촉 스프링(322)의 개구를 가로질러 배치된다. 선택적으로, 컬렉터 조립체(306)에는 개구가 형성되고, 컬렉터 조립체는 리테이너(318)와 포지티브 접촉 단자(316) 사이에 배치되는 PTC 장치(326)를 포함할 수 있다.
컬렉터 조립체(306)는 도 1의 컬렉터 조립체(106)와 유사하다. 그러나, 리테이너(318)가 크림프(319), 예컨대 C형 크림프를 구비하며, 이 크림프는 접촉 스프링(322) 및 압력 배출 배기 부재(320) 양자와 접촉하며, 압력 배출 배기 부재(320)의 둘레가 리테이너(318)와 접촉 스프링(322)에 대하여 유지시키는 축방향 힘을 제공한다. 리테이너(318)의 크림프(319)는 반경 방향 및 축방향의 양방향으로 높은 강도를 지니며, 높은 반경 방향 및 축방향의 압축 밀봉력을 견딜 수 있어, 전기 화학 전지(300) 내부에 내부 압력이 형성될 때 압력 배출 배기 부재(320)를 실질적으로 적소에 유지할 수 있다. 압력 배출 배기 부재(320)는 압력이 형성될 때 변형 또는 돌출될 수 있지만, 전지 내부 압력이 소정의 배출 압력 미만일 때는 압축력이 리테이너(318)와 압력 배출 배기 부재(320) 사이의 밀봉을 유지할 수 있다.
게다가, 접촉 스프링(322)은 돌출부(332)를 포함하는 둘레 플랜지를 포함하여, 리테이너(318)와 압력 배출 배기 부재(320)의 둘레부 사이의 밀봉을 향상시킬 수 있다. 접촉 스프링(322)의 둘레 플랜지는 연속적인 환형 플랜지일 수 있고, 돌출부(332)는 스프링(322)의 중앙 개구를 완전히 둘러싸는 연속적인 돌출부일 수 있다. 대안으로서, 돌출부(332)는 비연속적이며, 복수 개의 개별 돌출부로 이루어질 수도 있다. 돌출부(332)는 리테이너(318)의 크림프(319)가 스프링백(springback)과 응력 완화를 겪고 접촉 스프링(322)으로부터 멀어질 때 압력 배출 배기 부재(320)의 둘레부에 대한 압축력을 유지하는 것을 돕는 형상을 갖는다. 도 3의 실시예에 도시되어 있는 돌출부(332)는 하방 및 내측 방향으로 감긴 접촉 스프링(322)의 둘레 플랜지의 엣지이다. 그러나, 돌출부는 상방으로 돌출할 수도 있고 다른 프로파일을 갖는 것도 가능하다.
접촉 스프링(322)은 또한 가스켓(324)에 대하여 반경 방향 압축력을 인가할 수 있는 연장벽(323)을 구비할 수도 있다. 이것은 접촉 스프링(322)과 가스켓(324) 사이에 추가적인 내부 밀봉을 제공함으로써 용기(304)의 개방 단부의 밀봉성의 효율성을 향상시킬 수 있다. 이것은 가스켓(324)과 컬렉터 조립체(306) 사이 의 밀봉 계면의 길이를 증가시키고 압력 배출 배기 부재(320)의 둘레부로부터 전해질 유지할 수 있다. 그것은 또한 접촉 스프링(322)의 둘레 엣지와 리테이너(318)의 저부 엣지를 전해질로부터 차폐하여 부식을 방지할 수 있다.
대안으로서, 리테이너는 도 1의 전지(100)에서와 같이 와셔 형태일 수 있으며, 접촉 스프링의 둘레 플랜지는 리테이너 둘레부 상부의 크림핑된 부분을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 변형예에 따른 전기화학 전지(400)를 도시한다. 전기화학 전지(400)는 비드(407)를 구비하고 컬렉터 조립체(406)에 의해 폐쇄되는 용기(404)를 포함하는 하우징(402)을 포함하며, 상기 비드는 용기(404)의 상부와 저부를 분리한다. 컬렉터 조립체(406)는 하나 이상의 배기 구멍(430)을 지닌 포지티브 접촉 단자(416), 가스켓(424), 개구를 지닌 리테이너(418), 압력 배출 배기 부재(420) 및 용기(404)의 저부에 있는 전극 조립체(도시하지 않음)로부터 연장되는 전류 컬렉터(436)와 물리적으로 접촉하는 탭(434)을 구비하는 접촉 스프링(422)을 포함한다. 선택적으로, 컬렉터 조립체(406)는 리테이너(418)와 포지티브 접촉 단자(416) 사이에 배치되는 PTC 장치(426)를 포함할 수 있다.
전기화학 전지(300)의 리테이너(318)(도 3)에서와 같이, 전기화학 전지(400)의 리테이너(418)(도 4)는 크림프(419), 예컨대 C형 크림프를 지니며, 이 크림프는 압력 배출 배기 부재(420) 및 접촉 스프링(422)과 접촉한다. 리테이너(418), 접촉 스프링(422) 및 압력 배출 배기 부재(420)는 컬렉터 조립체(406) 내의 전해질을 밀봉하도록 협동한다. 접촉 스프링(422)은 V형 프로파일을 지닌 하방으로 돌출된 환 형 홈 형태의 돌출부(432)를 구비하는 둘레 플랜지를 갖지만, 돌출부(432)는 다른 기하학적 형태나 프로파일을 지닐 수 있다. 접촉 스프링(422)의 둘레 플랜지는 연속적인(예컨대, 환형) 플랜지일 수 있으며, 돌출부(432)는 접촉 스프링(422)의 둘레 플랜지를 따라 연속적일 수 있다(예컨대, 환형 돌출부).
전술한 바와 같이, 압력 배출 배기 부재(420)가 파열되는 압력인 전기화학 전지(400)의 예정된 배출 압력은 리테이너(418)의 개구 크기를 변동시킴으로써 제어될 수 있다. 주어진 재료 타입 및 두께에 있어서, 압력 배출 배기 부재(420)가 동일한 두께 및 조성을 갖는다고 가정하면 전기화학 전지의 배출 압력은 리테이너(418)에 형성되는 개구를 증대시킴으로써 감소될 수 있는데, 그 이유는 더 많은 외측 방향 힘이 압력 배출 배기 부재(420)에 인가되기 때문이다. 예컨대, 리테이너(418)에 형성된 개구는 리테이너(318)(도 3)에 의해 형성된 개구보다 작고, 이에 따라 전기화학 전지(400)의 예정된 배출 압력은 전기화학 전지(300)(도 3)의 예정된 배출 압력보다 크다. 전술한 것은 또한 PTC 장치(426)의 개구가 적어도 리테이너(418)에 의해 형성된 개구보다 크다는 것을 가정한다.
변형예에서, 전기화학 전지(400)(도 4)는 컬렉터 조립체(406)를 구비할 수 있으며, 이 컬렉터 조립체는 가스켓(424)뿐만 아니라 선택적인 내부 가스켓도 포함할 수 있다. 내부 가스켓은 리테이너(418)와 접촉 스프링(422) 중 하나 이상과 압력 배출 배기 부재(420) 사이에 배치되어 전해질을 밀봉한다. 내부 가스켓은 컬렉터 조립체(406)가 용기(404) 내로 위치될 때 주위의 금속 구성품에 대한 압력 배출 배기 부재(420)의 밀봉의 효율성을 향상시킬 수 있다. 내부 가스켓은 여러 가지 재료 중 하나, 예컨대 가스켓(124)(도 1)과 관련하여 전술한 탄성중합체 재료로 제조될 수 있으며, 접착제 결합 밀봉을 제공하도록 접착제로 코팅된 재료일 수 있다. 내부 가스켓은 리테이너(418)와, 접촉 스프링(422) 및 압력 배출 배기 부재(420) 양자 사이에 배치되는 C형 프로파일을 지닐 수 있지만, 내부 가스켓은 다양한 형상을 지닐 수 있다. 예컨대, 내부 가스켓은 리테이너(418)와 압력 배출 배기 부재(420) 둘레부의 상부면 사이, 압력 배출 배기 부재(420)와 접촉 스프링(422) 둘레부의 상부면, 또는 이들 양 위치에 배치되는 실질적으로 편평한 와셔일 수 있다. 내부 가스켓은 또한, 접촉 스프링(422)과 리테이너(418)가 전기적으로 접촉하는 한, 그 수직벽이 접촉 스프링(422)과 압력 배출 배기 부재(420)의 둘레부의 외측 엣지 둘레에 배치되도록 직립 또는 거꾸로 배향된 L형일 수 있다. C형의 기하학적 형상뿐만 아니라 그러한 L형 구성도 압력 배출 배기 부재(420)의 둘레부로부터 전해질을 밀봉할 수 있다. 유사한 내부 가스켓이 도 1 및 도 3 각각에 도시된 전기화학 전지(100, 300)의의 변형예뿐만 아니라 다른 실시예에도 포함될 수 있다.
전지(400)에서, 압력 배출 배기 부재(420)는 제1 층(420a), 제2 층(420b) 및
제3 층(420c)을 포함한다. 예컨대, 제1 층(420a)과 리테이너(418) 사이에 배치되는 제2 층(420b)과, 제1 층(420a)과 접촉 스프링(422) 사이에 배치되는 제3 층(420c)은 리테이너(418)와 접촉 스프링(422)에 대해 압력 배출 배기 부재(420)를 밀봉하는 접착제 또는 밀봉 가능한 층으로서의 기능을 할 수 있다. 임의의 실시예에서와 같이, 압력 배출 배기 부재(420)는 여러 가지 방법 중 한가지, 예컨대 접착제 결합, 스폿 용접, 초음파 용접 또는 다른 용접 및 당업자에게 공지되어 있는 부 착 방법에 의해 리테이너(418)나 접촉 스프링(422) 또는 이들 양자에 접합될 수 있다. 압력 배출 배기 부재(420)는, 접착제 및 열 밀봉 가능 재료로 이루어진 층을 필요로 하지 않도록 기계식으로 적소에서 유지될 수 있다. 제2 층(420b) 및 제3 층(420c)은 또한 조립 중에 제1 층(420a)이 파열 또는 훼손되는 것을 방지하는 보호 코팅으로서 기능할 수도 있다.
전기화학 전지(100)(도 1)과 관련하여 전술한 바와 같이, 압력 배출 배기 부재(120)(도 1 및 도 3)와 압력 배출 배기 부재(420)(도 4)는 금속, 폴리머 및 이들의 혼합물을 함유하는 성분으로 이루어진 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 압력 배출 배기 부재(420)용으로 사용할 수 있는 적절한 3개 층의 적층체는 미국 위스콘신주에 소재하는 Curwood of Oshkosh가 시판중인 LIQUIFLEX？ 등급 05396 35C-501C와 같은 PET/알루미늄/EAA 코폴리머이다. 적절한 5개 층의 적층체는 미국 뉴지저주에 소재하는 Tyco International, Ltd.의 자회사인 미국 조지아주에 소재하는 Ludlow Coated Products of Columbus가 시판중인 BF-48와 같은 PET/PE/알루미늄/PE/LLDPE이다.
전술한 바와 같은 압력 배출 배기 부재(120; 도 1, 320; 도 3, 420; 도 4)의 임의의 투과층의 VTR 범위는 ASTM E96-80(재료의 수증기 투과율에 대한 표준 시험 방법)으로부터 채용되는 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 압력 배출 배기 부재, 예컨대 압력 배기 부재 120, 320, 420의 투과층의 성분을 지닌 테스트 막(501)(도 5)을 직경이 25 mm, 높이가 54 mm이고, 전지 내에 사용되는 전해질을 8 ml 수용하고 있는 15 ml 병(예컨대, 위튼 세럼 병, 직경 25 mm × 높이 54 mm, Cat. No. 06- 406D)의 상부에 걸쳐 위치시킨다. 배기 막(501)은 병을 밀봉하도록 크기가 정해진 테스트 막(507), 벽(503) 및 허브(505)를 구비한다. 벽(503)의 외측 직경은 19.56 mm이고, 벽(503)의 내측 직경은 14.33 mm이다. 허브(505)는 3.23 mm의 직경과, 1.91 mm의 테스트 막(507)의 길이보다 작은 길이를 갖는다. 테스트 면(507)은 0.508 mm의 두께와, 벽(503)과 허브(505) 사이에 위치하고 크기가 1.529 ㎠인 환형 영역인 테스트 표면적을 갖는다. 진공 그리스(vacuum grease)가 병의 립(lip)에 도포되며, 직경이 15.88 mm인 중앙 구멍을 지닌 시일(예컨대, 위튼 알루미늄 시일 Cat. No. 060405-15)이, 테스트 막(501)이 테스트 중에 병을 밀봉하는 상태로 유지되도록 테스트 막 위에 걸쳐 위치되고 병에 빈틈없이 크림핑된다. 밀봉된 병의 중량를 측정하고, 병을 75℃로 저장하여, 소정 테스트 주기 내에서 일정한 간격(예컨대, 6개월 동안 매월, 2주 동안 매일 등)으로 중량을 측정한다. 테스트 주기에 걸친 중량의 변화를 판별하고 제1 실험 VTR을 계산한다. 전술한 바와 같은 밀봉된 빈 병에서 동일한 테스트를 실시하고, 중량의 변화를 동일한 일정 간격 및 테스트 주기에 걸쳐 판별한다. 평균 총중량 손실을 이용하여 제1 및 제2 실험 VTR 각각을 계산한다. 최종적으로, 빈 병에서 실시된 테스트에 있어서 계산된 제1 실험 VTR을, 전해질을 포함하는 병에서 실시된 테스트에 있어서 계산된 제1 실험 VTR에서 감산하여 테스트 막의 VTR을 얻는다.
도 1, 도 3 및 도 4와 관련하여 전술한 본 발명의 실시예에 있어서의 전극 조립체와 전해질용으로 사용 가능한 재료는 다음과 같고, 후술하는 재료로만 한정되는 것은 아니다. 리튬 전기화학 전지의 애노드는, 종종 시트 또는 호일 형태의 리튬 금속을 포함한다. 리튬 성분은 순도는 항상 높지만 변동될 수 있다. 리튬은 알루미늄과 같은 다른 금속과 합금되어 소망하는 전지의 전기적 성능을 제공할 수 있다. 리튬 이온 전지용 애노드는 하나 이상의 리튬 삽입 가능 재료(lithuim-intercalable material)를 포함한다. 삽입 재료란 그들의 결정 구조에 리튬 이온을 삽입하고 그들의 결정 구조에서 리튬 이온을 취출할 수 있는 재료를 의미한다. 적절한 재료의 예로는 흑연, 준결정상 및/또는 비결정질 탄소와 같은 탄소; 니켈, 코발트 및 망간과 같은 전이 금속 산화물; 전이 금속 황화물, 예컨대 철, 몰리브덴, 구리 및 티타늄 황화물; 및 비결정질 금속 산화물, 예컨대 실리콘 및 주석을 함유하는 비결정질 금속 산화물을 들 수 있으며, 이들로만 한정되는 것은 아니다. 이들 재료는 통상적으로 소망하는 형태로 성형되는 미립자 재료이다.
리튬 전지용 캐소드는 통상적으로 미립자 형태인 하나 이상의 활성재를 함유한다. 임의의 적절한 활성 캐소드재가 사용될 수 있으며, 적절한 활성재는 예컨대 FeS2, MnO2, CFX 및 (CF)n을 포함할 수 있다. 리튬 이온 전지용 캐소드는 통상적으로 미립자 형태인 하나 이상의 리튬이 삽입된 재료 또는 리튬 삽입 가능 재료를 함유한다. 예로는, 바나듐 및 텅스텐과 같은 금속 산화물; 산화리튬 전이 금속 산화물, 예컨대 니켈, 코발트 및 망간; 산화리튬 금속 황화물, 예컨대 철, 몰리브덴, 구리 및 티타늄의 산화리튬 금속 황화물; 및 산화리튬 탄소를 들 수 있다.
적절한 세퍼레이터재는 이온 투과성 및 비도전성이다. 적절한 세퍼레이터의 예는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 고분자량 폴리에틸렌과 같은 재료로 형성된 미 소공성 막을 포함한다. Li/FeS2 전지용의 적절한 세퍼레이터재는 미국 노스 캐롤라이나주 샤롯트에 소재하는 Celgard Inc.가 시판중인 CELGARD？ 2400 미소공성 폴리프로필렌 막과, 미국 뉴욕주 마케도니아에 소재하는 Exxon Mobil Chemical Company가 시판중인 Stella F20DHI 미소공성 폴리에틸렌 막과 같은 것이 이용 가능하다. 고체 전해질 또는 폴리머 전해질로 이루어진 층도 또한 세퍼레이터로 사용될 수 있다.
리튬 전지 및 리튬 이온 전지용 전해질은 비수성 전해질이며, 리튬 전지 및 리튬 이온 전지용 전해질은 오염 물질로서 매우 적은 양, 예컨대 약 500 ppm(parts per million by weight) 미만의 물을 함유한다. 적절한 비수성 전해질은 유기 용매에 용해된 하나 이상의 전해질 염류를 함유한다. 임의의 적절한 염류는 애노드 및 캐소드 활성재와 소망하는 전지 성능에 따라 사용될 수 있다. 임의의 적절한 염류의 예는 리튬 브롬화물, 리튬 과염소산염, 리튬 헥사플루오로포스테이트, 리튬 트리플루오로메탄설포네이트 및 리튬 요오드화물을 포함한다. 적절한 유기 용매는 디메틸 카보네이트; 디에틸 카보네이트; 디프로필 카보네이트; 메틸에틸 카보네이트; 에틸렌 카보네이트; 프로필렌 카보네이트; 1,2-부틸렌 카보네이트; 2,3-부틸렌 카보네이트; 메타포메이트; 감마-부티로락톤; 설포레인; 아세토니트릴; 3,5-디메틸리소사졸; n,n-디메틸포마미드; 및 에테르 중 하나 이상을 포함한다. 염류와 용매의 조합은 소망하는 온도 범위에 대한 전지 방전 요건을 충족시키도록 충분한 전해성 및 전기 전도성을 제공해야 한다. 에테르가 용매에 사용될 때에는 통상적으로 낮은 점성, 양호한 습윤성, 양호한 저온 방전능 및 고속 방전능을 제공한다. 적절한 에테르는 1,2-디메톡시에탄(DME)과 같은 비환식(非環式) 에테르; 1,2-디에톡시에탄; 디(메톡시에틸)에테르; 트리글라임, 테트라글라임 및 디에틸에테르; 1,2-디옥소래인(DIOX), 테트라하이드로퓨란, 2-메틸 테트라하이드로 퓨란 및 3-메틸-2-옥사졸리디논; 및 이들의 혼합물을 포함하며, 이들로만 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 전기화학 전지는 리튬 전지 및 리튬 이온 전지 이외의 타입일 수 있다. 이러한 예는 아연/MnO2, 아연/NiOOH, 니켈/카드뮴 및 니켈/금속 수소화물 알칼리성 건전지와 같은 비수성 전해질을 지닌 1차 전지 및 충전지 양자를 포함한다. 이들 타입의 전지는 칼륨 수산화물, 나트륨 수산화물 및 이들의 혼합물과 같은 용질을 갖는 알칼리성 전해질을 포함할 수 있다.
전기화학 전지(100, 300, 400)는 임의의 적절한 공정에 의해 조립될 수 있다. 예컨대, 도 1의 전기화학 전지(100)는 전극 조립체(108)와 절연체(138)를 전지 용기(104) 내로 삽입한 후, 용기(104) 내에 전해질을 주입함으로써 형성된다. 다음에, 가스켓(124), 접촉 스프링(122), 리테이너(118), 압력 배출 배기 부재(120) 및 선택적으로 PTC 장치(126)가 용기(104)의 개방 단부에 위치된다. 용기(104)가 가스켓(124)에 대하여 압착되어 하우징에 있는 개방 단부의 밀봉을 완료하도록, 가스켓(124)과 포지티브 접촉 단자(116)를 포함하는 컬렉터 조립체(106)가 비드(107)와 용기(104)의 상부 엣지에 대하여 하방으로 가압되는 동안에 용기(104)는 비드(107)에서 지지된다. 전기화학 전지(100)를 밀봉하기 위해서, 용기(104)를 크림핑, 콜렉팅(collecting), 스웨이징(swaging) 또는 재드로잉(redrawing)에 의해 용기(104)를 변형시키는 것과 같은 임의의 적절한 방법을 사용할 수 있다.
변형예에서, 압력 배출 배기 부재(120)는 핫 멜팅, 초음파 용접에 의한 것 또는 접작체 도포에 의한 것과 같은 하나 이상의 방법에 의해 리테이너(118)에 접합될 수 있다. 전술한 바와 같이, 압력 배출 배기 부재(120)는 단일층이거나, 또는 대안으로서 2개 이상의 재료층의 적층체일 수 있다. 그러한 경우, 압력 배출 배기 부재(120)는 리테이너(118)에 접합되어 서브 조립체를 형성한 후 가스켓(124)과 접촉 스프링(122)이 후속하는 용기(104) 내로 삽입된다. 그 후, PTC 장치(126)와 포지티브 단자(116)가 전기화학 전지(100)를 밀봉하도록 용기(104)의 개방 단부에 위치된다. 대안으로서, 압력 배출 배기 부재(120)가 전술한 방법 중 하나에 의해 접촉 스프링(122)과 리테이너(118) 양자에 접합될 수 있다.
전기화학 전지(300)(도 3)의 실시예는 크림핑된 리테이너(318)를 포함하며, 크림핑된 리테이너는 압력 배출 배기 부재(320)를 리테이너(318)에 배치하고, 접촉 스프링(322)을 압력 배출 배기 부재(320)에 배치한 후, 리테이너의 엣지가 접촉 스프링(322)과 접촉하여 서브 조립체를 형성하도록 리테이너의 엣지를 굴곡시킴으로써 형성된다. 압력 배출 배기 부재(320)는 선택적으로 리테이너(318)나 접촉 스프링(322) 또는 리테이너와 접촉 스프링 양자에 선택적으로 접합될 수 있다. 전기화학 전지(400)에 사용하기 위한 유사한 서브 조립체를 제조할 수 있다. 접촉 스프링(322, 422)이 각각 돌출부(332, 432)를 포함하는 경우, 접촉 스프링(322, 422)의 둘레 플랜지는 서브 조립체를 형성하기 위해 접촉 스프링을 사용하기 전에, V형 홈 또는 라운드형 엣지와 같은 많은 가능한 프로파일 중 한가지를 지닌, 환형 또는 다 각형과 같은 많은 가능한 기하학적 형상 중 한가지 형상을 갖도록 형상화된다.
전술한 본 발명은 명확한 이해를 위해서 어느 정도 상세히 설명되었지만, 첨부된 청구 범위의 범주 내에서 본 발명을 변형 및 수정할 수 있다는 것이 명백할 것이다. 예컨대, 본 명세서에서는 주로 리튬 전지와 리튬 이온 전지에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 다른 전지 타입에도 또한 적용될 수 있다. 또한, 전술한 실시예는 방전시 캐소드에 연결되는 포지티브 접촉 단자와 관련된 압력 배출 배기 부재를 예로 들어 설명하였지만, 동일한 배출 기구가 네거티브 접촉 단자에서 채용될 수도 있다. 따라서, 본 실시예는 예시적이고 비제한적인 것으로 간주되며, 본 발명은 여기에서 설명한 세부 사항으로만 한정되지 않고, 첨부된 청구 범위의 범주 내에서 수정될 수 있으며, 단지 첨부된 청구 범위의 범주 내로만 한정된다.

Claims (42)

  1. 양극, 음극 및 이들 전극 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체와, 하우징과, 전해질을 포함하는 전기화학 전지로서,
    상기 하우징은 전극 조립체와 전해질이 내부에 배치되고 개방 단부를 지닌 용기와, 상기 전극 조립체와 하우징의 개방 단부 사이에 배치되는 컬렉터(collector) 조립체를 포함하고,
    상기 컬렉터 조립체는 제1 개구가 형성되어 있는 리테이너와, 제2 개구가 형성되어 있고 둘레 플랜지를 포함하는 접촉 스프링과, 상기 리테이너와 접촉 스프링 사이에 배치되는 둘레부를 지닌 압력 배출 배기 부재를 포함하며,
    상기 제1 개구 및 제2 개구는 압력 배출 채널을 형성하고, 상기 압력 배출 배기 부재는 압력 배출 채널을 폐쇄하며, 상기 압력 배출 배기 부재는 예정된 배출 압력 이상의 전지 내부 압력에 응답하여 파열 가능하고, 이에 의해 리테이너의 제1 개구를 통해 물질이 유출될 수 있는 것인 전기화학 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 금속, 폴리머 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성분으로 이루어진 제1 층을 적어도 포함하는 것인 전기화학 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 두께가 0.254 mm 이하인 것인 전기화학 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 리테이너, 접촉 스프링의 둘레 플랜지 및 압력 배출 배기 부재의 둘레부는 컬렉터 조립체 내에 전해질을 밀봉하도록 협동하는 것인 전기화학 전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 접촉 스프링의 둘레 플랜지는 연속적인 환형을 이루는 것인 전기화학 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 전해질의 증기 전달율이 11.81 g?mm/(day?mm2) 미만인 제1 층을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  7. 제2항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌 아크릴산, 에틸렌 메타아크릴산, 폴리에틸렌 메타아크릴산 및 이들의 혼합물 중 어느 하나로 이루어진 성분을 포함하는 제2 층을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 제3 층을 포함하고, 이 제3 층과 제2 층 사이에 제1 층이 배치되며, 상기 제3 층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌 아크릴산, 에틸렌 메타아크릴산, 폴리에틸렌 메타아크릴산 및 이들의 혼합물 중 어느 하나로 이루어진 성분을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 층은 알루미늄을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 컬렉터 조립체는 상기 용기에 대하여 배치된 제1 가스켓을 포함하며, 상기 가스켓, 리테이너, 접촉 스프링 및 압력 배출 배기 부재는 함께 압축되고, 이에 따라 리테이너와 접촉 스프링 사이를 밀봉하는 것인 전기화학 전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 컬렉터 조립체는 접촉 스프링과 압력 배출 배기 부재 중 하나 이상과 리테이너 사이에 배치되는 제2 가스켓을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 접촉 스프링의 둘레 플랜지는, 제1 개구를 둘러싸고 그 상부에 연속적인 돌출부를 구비하는 연속적인 플랜지를 포함하는 것인 전기화학 전지.
  13. 제1항에 있어서, 상기 리테이너와 압력 배출 배기 부재가 함께 결합되는 것인 전기화학 전지.
  14. 제12항에 있어서, 상기 접촉 스프링과 압력 배출 배기 부재는 함께 결합되는 것인 전기화학 전지.
  15. 제1항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 20℃ 내지 25℃ 범위의 온도에서 10.5 kg/㎠ 내지 42.3 kg/㎠ 범위의 압력에서 파열되는 것인 전기화학 전지.
  16. 제1항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 알루미늄을 포함하는 성분으로 이루어진 층을 포함하며, 상기 압력 배출 배기 부재의 최대 두께는 0.254 mm인 것인 전기화학 전지.
  17. 제16항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌 아크릴산, 에틸렌 메타아크릴산, 폴리에틸렌 메타아크릴산 및 이들의 혼합물 중 어느 하나로 이루어진 성분으로 구성된 제3 층과 제2 층을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 접촉 단자와, 이 접촉 단자와 리테이너 사이에 배치되는 양의 온도 계수(positive temperature coefficient) 장치를 더 포함하는 것인 전기화학 전지.
  19. 제18항에 있어서, 상기 양극은 FeS2를 포함하고, 상기 음극은 리튬 금속을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  20. 제19항에 있어서, 상기 리테이너는 원형인 둘레 엣지를 갖는 것인 전기화학 전지.
  21. 제20항에 있어서, 상기 하우징은 원통형인 것인 전기화학 전지.
  22. 제1항에 있어서, 상기 리테이너와 접촉 스프링 플랜지는, 압력 배출 배기 부재와 리테이너 사이가 밀봉되도록 압력 배출 배기 부재와 협동하는 것인 전기화학 전지.
  23. 제22항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재의 파열 압력은 20℃ 내지 25℃ 범위의 온도에서 10.5 kg/㎠ 내지 42.3 kg/㎠ 범위인 것인 전기화학 전지.
  24. 제22항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 금속, 폴리머 및 이들의 혼합물 중 어느 하나로 이루어진 성분으로 구성된 제1 층을 적어도 포함하는 것인 전기화학 전지.
  25. 제24항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재의 제1 층은 알루미늄을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  26. 제25항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌 아크릴산, 에틸렌 메타아크릴산, 폴리에틸렌 메타아크릴산 및 이들의 혼합물 중 어느 하나로 이루어진 성분을 포함하는 제2 층을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  27. 제26항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재는 제3 층을 포함하고, 이 제3 층과 제2 층 사이에 제1 층이 배치되며, 상기 제3 층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌 아크릴산, 에틸렌 메타아크릴산, 폴리에틸렌 메타아크릴산 및 이들의 혼합물 중 어느 하나로 이루어진 성분을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제2 층은 폴리에틸렌을 포함하고, 상기 제3 층은 폴리에틸렌을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  29. 제22항에 있어서, 상기 접촉 스프링의 둘레 플랜지는, 제1 개구를 둘러싸고 그 상부에 연속적인 돌출부를 지닌 연속적인 플랜지를 포함하는 것인 전기화학 전지.
  30. 제22항에 있어서, 상기 리테이너는 압력 배출 배기 부재와 접촉 스프링에 압축력을 인가하는 크림프(crimp)를 지닌 것인 전기화학 전지.
  31. 제29항에 있어서, 상기 리테이너는 압력 배출 배기 부재의 둘레부와 접촉 스프링의 둘레 플랜지에 압축력을 인가하는 크림프를 지닌 것인 전기화학 전지.
  32. 제31항에 있어서, 상기 컬렉터 조립체는 접촉 단자, 가스켓 및 접촉 단자와 리테이너 사이에 배치되는 양의 온도 계수 장치를 더 포함하는 것인 전기화학 전지.
  33. 제32항에 있어서, 상기 리테이너와 압력 배출 배기 부재가 함께 결합되는 것인 전기화학 전지.
  34. 제33항에 있어서, 상기 양극은 FeS2를 포함하고, 상기 음극은 리튬 금속을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  35. 제33항에 있어서, 상기 리테이너는 원형인 둘레 엣지를 지닌 것인 전기화학 전지.
  36. 제33항에 있어서, 상기 하우징은 원통형인 것인 전기화학 전지.
  37. 제1항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재와 리테이너 사이에 밀봉 수단을 더 포함하는 전기화학 전지.
  38. 제37항에 있어서, 상기 밀봉 수단은 리테이너, 접촉 스프링의 둘레 플랜지 및 압력 배출 배기 부재의 둘레부의 협동에 의해 생성되는 압축력을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  39. 제38항에 있어서, 상기 밀봉 수단은 접촉 스프링의 둘레 플랜지와 압력 배출 배기 부재의 둘레부 주변의 리테이너에 크림프를 포함하는 것인 전기화학 전지.
  40. 제39항에 있어서, 상기 컬렉터 조립체는, 압력 배출 배기 부재와 리테이너 사이의 압축력이 감소할 때 압력 배출 배기 부재와 리테이너 사이의 밀봉을 유지하는 수단을 포함하는 것인 전기화학 전지.
  41. 제40항에 있어서, 상기 압력 배출 배기 부재와 리테이너 사이의 밀봉을 유지하는 수단은 제2 개구를 완전히 둘러싸는 접촉 스프링의 둘레 플랜지 내에 연속적인 돌출부를 포함하는 것인 전기화학 전지.
  42. 제37항에 있어서, 상기 양극은 FeS2를 포함하고, 상기 음극은 리튬 금속을 포함하는 것인 전기화학 전지.
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