KR101136215B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이차 전지는 케이스의 측면에 형성되는 벤트에 있어서, 벤트는 케이스의 단변의 일측에서 장변을 따라 증가하는 경사각의 40°에서 50° 사이에 위치하며 직각을 가지므로, 최소의 내압에서 케이스의 파단이 일어남으로써 케이스의 폭발 등의 위험을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

이차 전지{Secondary Battery}

도 1은 일반적인 이차 전지의 사시도,

도2는 내압에 의하여 발생하는 캔의 넓은 측면의 인장응력 분포를 도시한 도면,

도3은 본 발명에 따른 안전벤트가 형성된 이차 전지의 사시도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10: 캔 11: 캡 어셈블리

12: 전극단자 13: 전해액주입구

121: 모서리 부분 122: 평면부분

123: 제1귀퉁이부분 124: 제2귀퉁이부분

θ1, θ2: 경사각 140: 안전 벤트

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차 전지 내부의 압력이 증대되었을 때 이차 전지의 폭발을 줄여줄 수 있는 안전장치를 갖는 이차 전지에 관한 것이다.

최근에 전자 기기, 특히 캠코더 및 노트북 컴퓨터 등의 소형화, 경량화 및 무선화가 급속하게 진행됨에 따라 이들 전자 기기의 구동전원으로서 소형, 경량이며 에너지 밀도가 높은 2차전지에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 점에서, 특히 리튬 이온전지가 주목을 받고 있다. 리튬 이온전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈- 수소전지 등과 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 대략 3배 정도 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 국내외에서 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

도 1은 일반적인 리튬이온전지의 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 리튬 이온전지는 전류를 생성하는 전극조립체를 둘러싸서 밀봉하는 각형의 케이스(10)를 가지고 있다. 케이스(10)의 상측 개구(11)는 캡 플레이트(20)를 포함하는 캡 어셈블리(30)에 의해 밀봉된다. 캡 플레이트(20)에는 전극단자(12)와, 전극단자(12)와 캡 플레이트(20)를 절연시키는 절연가스켓(12a)과, 케이스(10) 내부로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(13) 그리고, 전해액 주입구(13)를 밀봉시키는 마개(13a) 등이 구비되어 있다. 케이스(10)의 내부에 수용되는 전극조립체(40)는 다공막의 세퍼레이터(43)를 개재되고, 서로 다른 극성을 갖는 제1,2전극판(41,42)이 다수의 층으로 권취되어 형성되며, 제1전극판(41)은 캡어셈블리(30)에 마련된 전극단자(12)와 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 리튬이온전지는 케이스(10)의 내부에 밀봉된 전극조립체(40)에서 단락(short) 등과 같은 동작이상이 발생하면, 케이스(10) 내부의 압력이 높아져 전지가 폭발할 수 있다. 이를 방지하기 위해서 종래에는 주로 케이스(10)의 상면에 안전 벤트(safety vent: 14)를 구비하고 있다.

이와 같이, 종래의 벤트(14)는 케이스(10)의 하부나 캡어셈블리(30)의 상부에 대부분 위치하여 일정압력에 의해 파단되도록 설계되어 있다. 또한, 이에 사용되는 벤트(14)는 프레싱이나 클래딩 기술을 이용하여 형성되는 데, 이러한 형태의 벤트(14)에 의해서는 일정 이하의 낮은 파단압을 유지하기가 어렵다. 결국, 이러한 방식의 벤트(14)는 제조공정에 어려움을 줄 뿐만 아니라 단가를 높이는 원인이 되고 있다. 또한, 케이스(10)는 변형을 가져올 정도로 내압이 상승할 경우에 케이스(10) 내부의 압력변화에 신속히 대응하지 못하여 케이스(10)의 안전성을 효과적으로 확보하지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 케이스의 보다 낮은 내압에 대하여도 민감하게 반응하여 케이스의 폭발에 따른 위험을 효과적으로 방지하고, 벤트의 설계나 제조공정에서 보다 큰 여유를 제공하며, 제조공정을 간단히 하여 단가를 낮추는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 케이스의 측면에 형성되는 벤트에 있어서, 상기 벤트는 케이스의 단변의 일측에서 장변을 따라 증가하는 경사각의 40°에서 50° 사이에 위치하며 직각을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지를 제공한다.

상기 벤트는 ㄷ자형으로 형성된 것이 좋다.

상기 벤트는 상기 케이스의 대각선 방향을 따라 형성되며, 상기 케이스의 대 각선 방향의 전체 길이에 대하여 5% 에서 35% 사이에 형성된 것이 좋다.

상기 벤트는 함몰된 노치형상인 것이 바람직하며, 상기 벤트는 상기 케이스의 대각선 방향에 수직방향을 따라 형성된 것이 좋다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이차 전지는 일측이 개구된 케이스(10)와 케이스(10)의 내부에 수용되는 전극 조립체(40)와, 케이스(10)의 개구(11)에 결합되어 케이스(10)의 상단을 밀봉하는 캡 어셈블리(30)를 구비하여 이루어진다.

본 실시예는 각형으로서 케이스(10)는 알미늄 혹은 알미늄 합금으로 형성되어 케이스(10)의 개구(11)를 통해 전극 조립체(40)와 전해액이 수용되는 공간을 갖는다. 케이스(10)는 그 자체가 제1,2전극판(41,42) 중 어느 하나의 전극단자 역할을 수행하는 것이 가능하다.

전극 조립체(40)는 얇은 판형 또는 막형으로 형성되어 제1전극탭(41)과 연결되는 제1전극판(41), 세퍼레이터(43), 제2전극탭(42)이 설치된 제2전극판(42)의 적층체를 와형으로 권취하여 형성한다. 이때, 제1,2전극판(41,42)은 음극이나 양극이 된다. 여기서, 제1전극판(41)은 통상적으로 음극인 것이 바람직하다.

음극은 전도성의 금속 박판, 이를 테면, 구리 호일로 된 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질층을 포함하고 있다. 음극에도 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체의 영역에 음극 단자가 접속되어 상측으로 인출된다.

양극은 도전성이 우수한 금속 박판 예컨대, 알미늄 호일로 된 양극 집전체 와, 그 양면에 코팅되며 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층을 포함한다. 양극은 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체의 영역에 양극 단자가 전기적으로 연결되어 상측으로 인출된다.

세퍼레이터(43)는 폴리 에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 공중합체(Co-Polymer)로 이루어지며, 제1,2전극판(41,42)보다 폭을 넓게 하여 형성되는 것이 극판간의 단락을 방지하는데 유리하다.

캡 어셈블리(30)는 케이스(10)이 개구(11)를 커버하여 밀봉하는 것으로서, 케이스(10)의 개구(11)에 대응되는 크기와 형상을 갖는 평판형의 캡 플레이트(20)가 마련된다. 캡 플레이트(30)의 하면에는 절연 플레이트(15)가 설치되고, 절연플레이트(15)의 하면에는 제1전극판(41)에 설치된 제1전극탭(41a)과 전기적으로 연결되는 단자 플레이트(16)가 설치된다.

캡 플레이트(20)는 중앙부에 전극단자(12)가 관통되어 제1전극탭(41a)과 연결되는 제1단자통공(20a)이 형성되고, 제1단자통공(20a)에는 전극단자(12)와 캡 플레이트(20)를 전기적으로 절연시키기 위해 튜브 형상의 가스켓(12a)이 설치된다.

캡 플레이트(20)의 일측에는 소정 크기의 전해액 주입공(13)이 형성된다. 전해액 주입공(13)은 캡 어셈블리(30)가 케이스(200)의 상단 개구(11)에 조립된 후, 전해액 주입공(13)을 통해 전해액이 주입되면 마개(13a)에 의해 밀폐된다.

절연 플레이트(15)는 가스켓(12a)과 같이 절연물질로 형성되며 캡 플레이트(20)의 하면에 결합된다. 절연 플레이트(15)는 캡 플레이트(20)의 제1단자통공(20a)과 대응되게 형성되어 연통되는 제2단자통공(15a)이 형성된다.

터미널 플레이트(16)는 Ni금속 또는 이의 합금으로 형성되며, 절연 플레이트(15)의 하면에 결합된다. 터미널 플레이트(16)는 캡 플레이트(20)의 제1단자통공(20a)에 대응되는 제3단자통공(16a)이 형성된다.

전극 조립체(40)의 상측에는 전극 조립체(40)와 캡 어셈블리(30)와의 전기적 절연과 전극 조립체(40)의 상단부를 커버하는 절연케이스(17)가 설치된다.

상기와 같은 구성을 갖는 이차 전지의 케이스(10)는 대략 직사각 박스형으로서, 케이스(10)의 종단면에서 장변과 인접한 면을 갖는 장변부(110)와 단변과 인접한 면을 갖는 단변부(120)가 포함된다.

도 2는 내압에 의하여 발생하는 케이스(10) 장변부(110)의 인장응력 분포를 도시하고 있다.

상술한 바와 같이 구성된 이차 전지는 케이스(10) 내부의 가스발생은 코발트산리튬(LiCoO₂)과 같은 양극활물질의 형성을 위해 사용되는 탄산리튬(Li₂CO₃) 때문이다. 과승으로 첨가된 탄산리튬은 미반응 상태로 양극활물질인 코발트산리튬(LiCoO₂)중에 잔류하고 있다가, 이상 충전에 의해 전지 전압이 높아져 발열하면 탄산리튬(Li₂CO₃)이 분해되어 탄산가스가 발생된다. 탄산가스의 발생에 의해 통상 케이스이 과도하게 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생하며, 이 스웰링 현상이 심하면 안전벤트 등이 파열되어 내부 가스를 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 음 극으로의 코발트 석출 현상을 일으켜 내부쇼트를 일으키는 더 큰 위험을 유발하게 되므로, 현재로서는 탄산리튬을 다량 넣고 있다.

이러한 내부가스에 의하여 스웰링된 케이스(10) 장변부(110)의 인장응력 분포를 보면, 도 2에 도시된 바와 같이, 케이스(10)의 가장자리를 구성하는 모서리 부분(121), 평면부분(122), 제1귀퉁이부분(123), 제2귀퉁이부분(124)의 순으로 인장응력이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 케이스(10)는 내부가스의 압력에 의하여 스웰링 될 때 제1,2귀퉁이 부분(123,124)에서 가장 큰 인장응력이 발생하고 있다.

제1귀퉁이부분(123)의 폭을 보면, 케이스(10)는 단변의 일측에서 장변을 따라 이동하면서 제1귀퉁이부분(123)의 시작부분의 제1경사각(θ1)이 35°이고, 단변의 일측에서 장변을 따라 더 이동하면서 측정된 제1귀퉁이부분(123)의 마지막부분의 제2경사각(θ2)이 70°를 보이고 있다. 또한, 제1귀퉁이부분(123)의 길이는 보면, 대각선 방향의 전체 길이에 대하여 5% 에서 35%를 차지하고 있다.

제2귀퉁이부분(124)의 폭은 케이스(10) 단변의 일측에서 장변을 따라 이동하면서 제2귀퉁이부분(124)의 시작부분의 제1경사각(θ1)이 3°이고, 단변의 일측에서 장변을 따라 더 이동하면서 측정된 제1귀퉁이부분(123)의 마지막부분의 제2경사각(θ2)은 65°를 보이고 있다. 또한, 제1귀퉁이부분(123)의 길이는 보면, 대각선 방향의 전체 길이에 대하여 10% 에서 30%를 차지하고 있다.

즉, 내압에 의하여 발생하는 케이스(10)의 인장응력은 제1,2귀퉁이 부분(123,124)에 집중된다.

따라서, 케이스(10)의 안전성을 위한 안전벤트(140)는 케이스(10)의 귀퉁이 부분에 설치하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 즉, 더욱 상세하게 설명하면, 안전벤트(140)는 케이스(10)의 단변 일측에서 장변을 따라 증가하는 경사각이 제1귀퉁이 부분(123)과 제2귀퉁이 부분(124)이 겹치는 40~50° 사이에 위치하도록 형성되는 것이 좋다.

또한, 안전벤트(140)는 대각선 방향을 따라 형성시키는 것이 바람직하며 대각선 방향에 대하여 수직한 방향으로 형성시킬 수도 있다.

그리고, 안전벤트(140)는 프레싱 등의 기계적인 방법이나 에칭법 및 전기주형법을 이용하여 일정 깊이로 함몰된 홈을 갖는 취약부 즉, 노치가 될 수 있다. 여기서, 기계적인 방법이나 에칭법 및 전기주형법으로 노치를 형성할 때, 그 깊이나 형상을 균일하게 하여 내압에 의한 파단시 압력 오차의 발생이나 작동불량의 작동산포의 불량이 발생하지 않도록 하여야 한다.

이러한 노치 형태의 안전벤트(140)는 적어도 두 개의 노치가 겹칠수록 내압에 의해 개방되기가 용이하다.

이에, 안전 벤트(140)는 노치가 겹칠 수 있도록 직각을 갖는 형상으로 형성되어 직각부분에서 파단이 시작되어 안전 벤트(140)의 파단됨이 용이하게 할 수 있다. 특히, 안전 벤트(140)는 직각 부분을 적어도 두 개 가질 수 있는 ㄷ자형으로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 노치로 형성되는 안전벤트(140)는 는 케이스(10)의 내부에서 발생되는 내압에 의하여 쉽게 개방된다. 케이스(10)의 평균 두께가 0.3mm 일 때, 노치 의 두께는 케이스의 내부압력이 40kg/Cm² 이하에서 원활하게 개방될 수 있도록 0.01 - 0.03mm로 형성된다. 노치의 두께가 0.01mm 이하가 되면 외부의 약한 충격에도 쉽게 파단될 수 있으므로, 노치의 두께는 0.01mm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 노치의 두께가 0.03mm 이상이면 케이스의 내부압력이 40kg/Cm² 이상에서도 개방되지 않게 되어 안전벤트(140)의 작동불량을 유발할 수 있으므로 노치의 두께는 0.03mm 이하로 하는 것이 바람직하다.

이상에서는 프레싱 등에 의하여 케이스(10)의 일부의 두께를 줄이는 방법을 사용하였지만, 케이스(10)의 일부를 관통하는 구멍을 뚫은 후에 이를 밀폐시키는 방법도 사용할 수 있다. 예를 들어, 케이스(10)의 일부를 관통하는 구멍을 형성하고, 그 구멍을 밀폐하기 위하여 별도의 파단플레이트를 접착한다. 파단플레이트의 작동을 보다 정확하고 용이하게 유지하기 위하여 구멍의 중심쪽으로 돌출 형성된 돌기를 형성시킬 수 있다. 돌기는 앞쪽을 날카롭고 첨예하게 형성시켜 블레이드 역할을 하여 파단 플레이트가 먼저 파단되도록 할 수 있다. 또한, 파단플레이트를 용이하게 부착하기 위하여 용접이 아닌 접착제를 사용할 수 있다. 접착제는 폴리에틸렌코아크리릭 에시드(polyethylenecoacrylic acid) 혹은 폴리에틸렌코아크리릭 에시드와 아이소프로필 알콜 및/또는 암모니아 용매를 혼합한 것을 사용할 수 있으며, 전지 내부에 전극과 함께 수납되는 것으로서 EC(에틸렌 카보네이트), PC(프로필렌 카보네이트), EMC(에틸 메틸 카보네이트), DEC(디에틸렌 카보네이트), MEC와 같은 전해액과 반응하지 않는 물질이어야 한다. 파단플레이트는 접착제를 바 른 후 케이스의 구멍에 부착되며, 60～70℃ 분위기의 오븐에서 6시간 동안 보관하여 경화 및 고정시킨다. 한편, 보통 케이스의 재질이 알루미늄(Al)이므로 파단플레이트의 재질도 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다.

따라서, 이차 전지는 케이스(10)의 내부에 작동이상이 발생할 경우 내압이 상승하면 ㄷ자형 안전벤트(140)의 파단으로 폭발을 방지할 수 있다.

이상과 같이, 내압에 의하여 발생하는 케이스의 스웰링에서 케이스에 가해지는 인장응력의 분포에 따라 직각을 갖도록 안전 벤트를 형성하게 되면, 최소의 내압에서 케이스의 파단이 일어남으로써 케이스의 폭발 등의 위험을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 케이스의 측면에 안전 벤트를 형성하므로, 안전 벤트의 설계나 제조공정에서 보다 여유가 생기고 제조단가도 크게 낮출 수 있다.

Claims (6)

1. 케이스의 측면에 형성되는 벤트에 있어서,

   상기 벤트는 케이스의 단변의 일측에서 장변을 따라 증가하는 경사각의 40°에서 50° 사이에 위치하며,

   상기 벤트는 상기 케이스의 대각선 방향의 전체 길이에 대하여 5% 내지 35% 사이에 상기 케이스의 대각선 방향을 따라 직각을 갖도록 ㄷ자형으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 벤트는 함몰된 노치형상인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 벤트는 상기 케이스의 대각선 방향에 수직방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.

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