KR101183529B1 - 노치홈이 구비된 각형 이차전지 - Google Patents

노치홈이 구비된 각형 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 케이스 캡으로 이루어져 있고, 상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이며, 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 선상(線狀)의 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있고, 상기 노치홈은 케이스 본체의 잔여 두께('벤트 두께')가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지를 제공한다.

Description

노치홈이 구비된 각형 이차전지 {Prismatic Secondary Battery Employed with Safety Groove}
본 발명은 노치홈이 구비된 각형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극조립체가 각형의 전지 케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 전지 케이스는 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 캡으로 이루어져 있고, 상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이며, 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 선상(線狀)의 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있고, 상기 노치홈은 케이스 본체의 잔여 두께('벤트 두께')가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어져 있는 각형 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이러한 이차전지는 사용 상태 및 조건에 따라 다양한 환경에 노출될 수 있으며, 사용자의 안전을 위해 특히 폭발의 위험성을 예방하는 것이 요구된다. 일반적으로, 내부 쇼트, 허용된 전류, 전압을 초과한 충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격 등과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압은 전지의 폭발을 초래할 수 있다. 따라서, 상기와 같은 전지의 형태적 차이에도 불구하고, 전지 폭발의 직접적인 원인인 고압을 해소할 수 있는 고압 해소 수단을 구비하고 있다.
예를 들어, 원통형 전지는 특정한 구조의 안전판이 캡 어셈블리에 설치되어 있고, 각형 전지는 전지의 캡 또는 케이스에 노치홈이 형성되어 있으며, 파우치형 전지는 별도의 노치홈 없이 라미네이트 시트의 봉합부(밀봉부)가 분리되는 방식으로 고압을 해소하고 있다.
일반적인 각형 이차전지에서는, 알루미늄 전지 케이스에 폐쇄형 또는 일부 개방형의 노치홈이 절개 가능한 형태로 형성되어 있다.
예를 들어, 도 1에서와 같이, 각형 이차전지는 일부 개방형의 노치홈을 전지 케이스의 측면에 포함하고 있다.
도 1의 노치홈(30)은 각형 이차전지 케이스(20)의 측면 모서리에 작은 윤곽으로 형성되어 있고, 일부 개방형으로 형성되어 있다. 즉, 노치홈은 케이스의 응력 분포에 있어서 응력값이 상대적으로 큰 부위에 형성되어 있어서, 전지의 과도한 내압 상승시 곡선 형상이 파단되도록 설계되어 있다.
이러한 구조의 노치홈은 전지 내부에서 발생한 고압에 상대적으로 민감하게 반응하는 장점은 있으나, 전지의 설계시 의도한 압력 임계치를 정확하게 설정하기에 어려움이 있다.
즉, 상기에서 언급한 바와 같이, 케이스의 측면 모서리 부위에는 높은 응력이 가해지므로, 낮은 압력에서도 노치홈의 파단이 쉽게 일어날 수 있으며, 무엇보다 전지 케이스의 두께가 얇은 경우에는 고압에 특히 민감하게 반응하기 때문에 의도하지 않은 파단이 일어나게 된다.
따라서, 응력값이 큰 부위에 형성되는 노치홈의 크기 및 깊이는 상대적으로 작게 하는 것이 불가피한데, 노치홈의 크기 및 깊이를 작게 할 경우에는 오히려 노치홈의 파단이 원활하지 않은 문제점이 발생하게 된다.
또한, 노치홈의 형상은 비정상적인 조건에서 신뢰성이 있게 작동하는데 매우 중요한 인자인 것으로 예상된다.
따라서, 전지 케이스의 두께, 응력값에 따른 노치홈의 위치, 노치홈의 형상, 길이, 깊이 등을 종합적으로 고려하여, 내압이 증가하는 경우, 노치홈의 균일한 파단에 의해 신속하게 가스를 배출할 수 있는 각형전지에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지 케이스의 측면에서 응력값이 상대적으로 작은 부위에 특정한 구조의 노치홈을 형성하고 그와 동시에 특정한 형상의 노치홈을 형성할 경우, 적정한 조건에서 노치홈의 파단이 신뢰성 있게 일어나고, 결과적으로 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명자의 목적은 효과적으로 파단을 이룰 수 있는 개선된 구조의 노치홈을 가진 각형 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 각형 이차전지는, 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지 케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서,
상기 전지 케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 캡으로 이루어져 있고,
상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이며, 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 선상(線狀)의 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있고, 상기 노치홈은 케이스 본체의 잔여 두께('벤트 두께')가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 형성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 각형전지의 노치홈은, 케이스 본체의 응력 분포에 있어서 응력값이 40% 이하의 상대적으로 작은 부위에 형성되어 있어서, 낮은 압력에서도 노치홈이 쉽게 파단되는 것을 미연에 방지할 수 있고, 높은 파단압의 제공 및 깊은 노치의 형성이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 각형전지는, 이후 실험예에서도 입증되는 바와 같이, 특정한 위치에 노치홈의 깊이가 길이방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 형성되어 있어서, 노치홈이 높은 작동신뢰성을 발휘하여 균일한 노치홈의 파열에 의해 전지 외부로 신속하게 가스가 배출되어 전지의 안전성을 담보할 수 있다.
최근 고용량화로 인한 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공에 따라, 본 발명이 적용되는 케이스 본체의 두께는 바람직하게는 0.2 내지 0.4 mm의 범위 내에 있을 수 있다. 따라서, 상기 특정한 위치와 형상의 노치홈은 일반적인 전지케이스에 비해 얇은 두께의 케이스임에도 불구하고 적정 임계치에서 신뢰성 있는 파열을 이룰 수 있다.
노치홈이 파단되는 상기 전지 내부의 고압은 정상적인 조건에서의 전지 내압의 2 배 이상의 압력일 수 있으며, 상기에서 정상적인 조건은 대기압(1 기압) 내지 2 기압의 상태를 의미한다.
앞서 정의한 바와 같이, 선상의 노치홈은 상기와 같은 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있다.
응력 분포는 전지케이스의 형상, 구조 등에 의해 다양하게 변화될 수 있는 바, 일반적인 각형 전지에서 나타나는 응력 분포가 도 4에 개시되어 있다.
본 발명자들이 확인한 바로는, 케이스의 SMAX를 기준으로 40%를 초과하는 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 노치홈을 형성하는 경우에, 낮은 압력에서도 노치홈이 용이하게 파단되는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 상기와 같은 조건을 만족함으로써, 종래와 같이 높은 응력 분포, 즉, SMAX를 기준으로 40%를 초과하는 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 노치홈을 형성한 경우보다, 높은 압력에서 파단될 수 있다.
이러한 노치홈은 바람직하게는 SMAX의 10 내지 40%의 응력 분포, 더욱 바람직하게는 25 내지 35%의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 케이스 본체의 응력 분포에 있어서 응력값이 상대적으로 작은 부위에 형성되어 있어서, 낮은 압력에서도 노치홈이 쉽게 파단되는 것을 미연에 방지할 수 있고, 높은 파단압의 제공 및 깊은 노치의 형성이 가능하다.
이러한 노치홈은 바람직하게는 케이스 본체의 양면에서 수직 중심축 부위에 형성되어 있을 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 케이스 본체의 좌우 폭을 기준으로 1/4 내지 1/2 크기의 중앙 위치이면서, 케이스 본체의 상하 길이를 기준으로 1/20 내지 1/5 크기의 상부 또는 하부 위치에 형성되어 있을 수 있다.
상기 노치홈의 위치가 상기 범위를 벗어나는 경우에는, 고압에서 노치홈의 파단 및 가스 배출을 기대하기 어려울 수 있고, 작은 압력에도 노치홈의 파열이 발생하므로, 고압의 안전성 및 조립 공정성에서 바람직하지 않다.
본 발명자들이 행한 실험에 따르면, 상기 노치홈은, 앞서 설명한 바와 같이 계속적으로 압력이 상승하여 일정한 수준 이상이 되면, 노치홈이 균일하게 파열될 수 있으므로, 전지 외부로 신속하게 가스가 배출되어 결과적으로 전지의 안정성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
이러한 노치홈은 상기 형성 위치의 범위를 만족하면서, 바람직하게는, 케이스 본체의 상단 개구와, 케이스 본체의 내부에 장착되는 전극조립체의 상단 사이에 대응하는 공간의 케이스 본체 상에 형성되어 있을 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 노치홈은 케이스 본체의 상단 개구에 가까우면서, 케이스 본체의 내부에 장착되는 전극조립체의 양극의 상단으로부터 전극조립체 방향으로 최대 5 mm 이내와 상단 개구 사이에 대응하는 공간의 케이스 본체 상에 형성될 수도 있다. 이러한 위치에 형성된 노치홈은 케이스 내부의 잉여 공간, 구체적으로, 전극조립체 장착 부위의 상단에 위치함으로써, 가스 배출을 보다 용이하게 하고, 전극조립체의 파손을 최소화할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 노치홈은 원호 형상으로 형성됨으로써, 가스배출이 노치홈의 어느 한 부위에 지나치게 편중되는 것을 방지하여, 노치홈의 파단시 압력편차를 최소화할 수 있으며, 얇은 케이스 본체에 대해 케이스 자체의 강도를 확보할 수 있다는 장점이 있다.
상기 노치홈의 원호 형상은, 바람직하게는, 케이스 본체의 상하길이의 1/3 내지 1.5배 크기의 곡률반경을 가질 수 있다.
상기 반경이 너무 작은 경우에는 곡률이 커져서 상대적으로 원호 형상의 폭이 작아지게 되고, 반대로 너무 큰 경우에는 곡률이 완만해져서 고압이 발생하더라도 노치홈의 파열이 어려울 수 있으므로, 바람직하지 않다.
또한, 노치홈의 위치 및 곡률이 상기 범위를 벗어나지 않는다면, 상기 노치홈은 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 형상이거나, 또는 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상으로 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명자들이 실험적으로 확인한 바에 따르면, 상기 노치홈의 벤트 두께가 일정한 경우에는, 케이스 본체에서 응력이 상대적으로 작은 부위에 원호 형상으로 형성되어 있는 경우에도, 효과적인 노치홈의 파열에 적합하지 않았다.
즉, 일정한 벤트 두께로 노치홈을 형성하고자 하는 경우에는, 균일한 벤트 두께의 형성이 매우 어려워져 압력이 집중되는 부위가 임의의 위치에 설정되고, 그로 인해 작동 신뢰성이 떨어져서 낮은 압력하에서도 케이스의 형태가 변형되는 현상이 나타나는 등의 문제점이 발생하였다. 이에 따라, 케이스 본체의 응력값 및 벤트 두께는 노치홈의 파열 및 가스 배출과 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 벤트 두께의 평균값은 본체 케이스의 두께를 기준으로 40 내지 70%의 범위에서 결정할 수 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같은 다양한 요소들을 고려하여 최적의 상태를 제공할 수 있는 범위로서 결정된다.
또한, 상기 노치홈 중 중앙부의 최저 벤트 두께는 본체 케이스의 두께를 기준으로 20 내지 50% 크기일 수 있다. 상기 깊이가 20% 이하일 경우에는 작은 압력 하에서도 노치홈이 쉽게 파열될 수 있으며, 50% 이상일 경우 앞서 설명한 바와 같이, 노치홈의 중앙부와 양단부의 두께가 소망하는 정도의 차이를 갖지 못하여 작동신뢰성이 낮아질 수 있으므로, 바람직하지 않다.
또한, 상기 벤트 두께는 양단부로부터 중앙부 쪽으로 순차적으로 얇아지는 구조로 이루어질 수 있다. 여기에서, '순차적으로'는 단계적으로 점차 얇아지는 것을 의미한다. 따라서, 특정부위에만 압력이 집중되는 것을 방지하고 노치홈의 파단시 압력편차를 최소화할 수 있다.
상기 노치홈에서 중앙부의 벤트 두께가 양단부의 벤트 두께보다 얇아 노치홈의 파단이 용이한 두께라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 중앙부의 벤트 두께가 양단부의 벤트 두께의 40 내지 70% 크기로 형성될 수 있다.
이와 같이, 벤트의 두께가 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어진 노치홈이 구비된 각형전지는 효과적인 작동신뢰성을 발휘할 수 있음을 실험으로 확인하였다.
상기 노치홈은 다양한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 별도의 펀치를 이용하여 압연함으로써 형성될 수 있다. 경우에 따라서는, 소정의 도구를 사용하여 케이스의 표면을 긁어 절취하는 방법도 가능할 수 있다.
상기 노치홈의 수직 단면은 내압 발생시 노치홈을 용이하게 파단할 수 있는 형태라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 하향 쐐기형 또는 사다리꼴일 수 있다. 쐐기형의 경우에는 노치홈 상단부의 크랙(crack)에 의한 파단이 일어나며, 사다리꼴의 경우에는 단변이 늘어나면서 전단 응력에 의해 파단이 일어난다. 결과적으로, 노치홈의 균일하고 즉각적인 파단을 유도할 수 있어서 전지의 안전성을 담보할 수 있다.
상기 전극조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 구조일 수 있으며, 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점이 있다.
이러한 구조의 이차전지는 더욱 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 각형 이차전지는 응력이 낮은 특정한 부위에 노치홈을 형성하고, 상기 노치홈이 원호 형상으로 벤트 두께가 노치홈의 전체 길이를 기준으로 그것의 중앙부로 갈수록 점점 얇아지는 구조로 형성됨으로써, 상대적으로 높은 내압에서 신뢰성 있게 작동하여 전지 내부의 고압 가스를 효과적으로 배출할 수 있어서, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 노치홈을 포함하는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 본 발명에 사용되는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 노치홈을 포함하는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 4는 도 3에서 각형 전지의 응력 분포를 나타내고 있는 사진이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노치홈을 포함하는 각형 전지의 응력 분포를 나타내고 있는 사진이다;
도 6은 도 3의 노치홈을 포함하는 부분 평면도이다;
도 7은 도 6의 벤트 부위별 두께에 대한 그래프이다;
도 8은 도 3의 노치홈의 수직 단면을 나타내고 있는 사진이다;
도 9는 도 1의 노치홈의 수직 단면을 나타내고 있는 사진이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 통상적인 각형 이차전지의 구조가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 각형 이차전지(100)는 음극단자의 역할을 이루는 각형 전지 케이스(200)의 내부로, 시트형의 양극, 음극이 분리막을 개재한 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤 구조의 전극조립체(300)가 삽입되어 있다.
케이스(200)는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체(210)와, 이러한 케이스 본체(210)의 개방 상단에 양극단자(400)가 설치된 캡(220)이 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 음극단자는 양극단자(400)와 전기적으로 절연된 케이스 본체(210) 또는 캡(220) 자체일 수 있다.
이와 같은 각형 이차전지(100)를 제조하기 위해서는, 우선 케이스 본체(210)의 내부로 전극조립체(300)를 삽입하고, 캡(220)을 케이스 본체(210)의 개구부에 안착시킨 후, 그것의 접착면 부위를 레이저 용접으로 밀봉한다. 그런 다음, 케이스(200)의 내부로 전해액을 주입하게 되는 바, 전해액 주입은 캡(220)의 일측부위에 형성되어 있는 주입구(230)를 통해 이루어진다. 상세하게는, 주입구(230)로 전해액을 주입한 후, 주입구(230)에 알루미늄 등으로 만들어진 볼 부재(600)를 끼워지고, 별도의 금속 박판(610)을 볼 부재(600) 위로 안착시켜 주입구(230)를 전체적으로 막은 상태에서 레이저 용접을 통해 밀봉한다. 주입구(230)의 밀봉 방법이 상기의 것으로 한정되는 것은 아니며, 기타 다양한 방법이 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 노치홈은 이러한 각형 이차전지(100)의 케이스 전면(211) 또는 후면(212) 상에 형성되며, 케이스 본체(210)의 두께는 약 0.3 mm이다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 노치홈의 형상을 보여주는 평면도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 각형전지에 대해 응력 분포를 나타낸 사진이 개시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 케이스 본체(40)의 노치홈(60)은 고압 가스를 배출하기 위한 절개 가능한 형태의 부재로서, 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 약 25 내지 35%의 응력 분포를 나타내는 케이스의 부위에, 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 원호 형상으로 형성되어 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 응력 분포는 일정한 압력이 인가되었을 때 각 부위별로 나타나는 인장응력이 등고선으로 나타나며, 명도가 높은 부위(밝은 색 부위)는 응력이 상대적으로 높은 부위로서 최대 응력(SMAX) 분포 부위이고, 명도가 낮은 부위(어두운 부위)는 응력이 상대적으로 낮은 부위로서, 최저 응력(SMIN) 분포 부위를 의미한다.
노치홈(60)의 원호 형상은 케이스 본체(40)의 폭(W)을 기준으로 약 1/3 크기의 중앙 위치 및 케이스 본체(40)의 길이(L)를 기준으로 약 1/10 크기의 상단 위치 내에 형성되어 있다. 또한, 원호 형상의 곡률은 케이스 본체(40)의 길이(L)를 기준으로 약 1/2의 반경(R)으로 형성된 곡률로 이루어져 있다. 이러한 원호 형상에 의해, 노치홈(60)는 가스 배출을 균일하게 하면서도 일정한 기계적 강도를 유지할 수 있다.
또한, 원호는, 도 3 및 4에서와 같이, 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 형상일 수도 있지만, 그와 반대로, 도 5에서와 같이, 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상일 수도 있다.
도 5를 도 3과 함께 참조하면, 노치홈의 원호 형상은 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상으로 형성되어 있는 점을 제외하고는, 도 3의 노치홈의 위치 및 곡률과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6에는 도 3의 노치홈의 형상을 보여주는 부분 평면도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 노치홈의 벤트 부위별 두께에 대한 그래프가 개시되어 있으며, 도 8에는 도 3의 노치홈의 수직 단면을 나타내는 사진이 개시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 벤트(80) 두께는 노치홈의 전체길이(l)를 기준으로 양단부(1, 5)로부터 중앙부(3) 쪽으로 순차적으로 얇아지는 구조로 형성되어 있다. 즉, 노치홈(60) 중 중앙부(3)의 최저 벤트 두께(실시예 1 참조)는 케이스 본체의 두께(T)를 기준으로 약 58 ㎛의 두께(t)의 벤트를 형성하고, 양단부로 갈수록 각각 70 ㎛, 90 ㎛로 점점 벤트의 두께는 두꺼워진다.
또한, 노치홈의 적정 범위 및 압력의 조정에 따라, 도 7의 그래프에서와 같이, 벤트의 깊이 및 범위를 조정할 수 있음은 물론이다 (실시예 2 및 3 참조).
한편, 노치홈(60)의 수직 단면은 하향 쐐기형으로 형성되어 있으며, 벤트 두께의 평균값은 케이스 본체(40)의 두께(T)를 기준으로 약 60%의 깊이로 형성되어 있다.
따라서, 내압이 점차 상승하여 정상적인 전지 내압의 2배 이상의 압력이 발생하게 되면, 노치홈에 크랙이 발생하면서 용이하게 파열되어 전지 외부로 신속하게 가스가 배출되며 결과적으로 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
1-1 양극의 제조
LiCoO2가 함유된 양극 활물질을 알루미늄 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부에 상향 돌출되도록 양극 탭을 스팟 용접하여 부착하는 것으로 양극을 제조하였다.
1-2 음극의 제조
인조흑연이 함유된 음극 활물질을 구리 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부에 상향 돌출되도록 음극 탭을 스팟 용접하여 부착하고, 집전체와 음극 탭의 경계면 부위에서 집전체의 상단을 기준으로 5 ~ 6 mm 길이만큼 돌출될 수 있도록 폴리이미드 필름을 음극 탭의 전면과 후면 및 일 측면을 감싸는 구조로 권취하여 부착하는 것으로 음극을 제조하였다.
1-3 노치홈의 형성
두께가 대략 250~270 ㎛의 범위에 있는 각형 알루미늄 케이스에서, 케이스 본체의 폭을 기준으로 약 1/3 크기의 위치 및 케이스 본체의 길이를 기준으로 약 1/10 크기의 위치에, 케이스 본체의 길이를 기준으로 약 1/2 크기에 대응하는 반경의 곡률을 가진 노치홈을 수직 단면상 쐐기 형상으로, 펀치를 사용하여 노치홈을 형성하였다. 이러한 노치홈에서, 그것의 중앙부가 약 57 ㎛의 두께로 형성되었고, 양측 가장자리로 갈수록 각각 약 70 ㎛, 약 90 ㎛로 점점 벤트의 두께가 두꺼워지는 구조로 형성되었다(도 7의 실시예 1 참조). 노치홈이 형성된 상기 위치는 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 약 25 내지 35%의 응력 분포를 나타내는 부위인 것으로 확인되었다.
1-4 전지의 제조
상기 1-1의 양극과 상기 1-2의 음극 사이에 분리막을 개재하고 둥글게 권취한 후 압축하여 각형 젤리-롤을 만들고, 이를 상기 1-3의 노치홈이 형성된 각형 알루미늄 케이스에 삽입한 다음, 전해액으로서의 EC-EMC blending계 용액을 함침시켜 전지를 제조하였다.
[실시예 2]
노치홈을, 도 7의 실시예 2에서와 같이, 그것의 중앙부가 약 49 ㎛의 두께로 형성되고 양단부로 갈수록 각각 약 55 ㎛, 약 75 ㎛로 점점 벤트의 두께가 두꺼워지도록 형성하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[실시예 3]
노치홈을, 도 7의 실시예 3에서와 같이, 그 중앙부가 약 40 ㎛의 두께로 형성되고 양단부로 갈수록 각각 약 45 ㎛, 약 63 ㎛로 점점 벤트의 두께가 두꺼워지도록 형성하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 1]
노치홈을, 도 1과 같이, 케이스의 모서리 부위에 가공하였고, 도 9와 같이 벤트의 두께가 균일하다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다. 도 1의 노치홈 양단의 직선거리(h)는 약 16 mm이다.
[비교예 2]
노치홈을, 도 3과 같이, 케이스의 상단 부위에 가공하였고, 도 9와 같이 벤트의 두께가 균일하다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2의 방식으로 각각 5 개의 전지들을 준비하여, 점차적으로 압력을 증가시키면서 최초로 노치홈이 파단되는 전지의 파단 압력을 측정하였고, 그 평균 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
Figure 112010059619106-pat00001
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 응력이 낮은 특정한 부위에 원호 형상의 노치홈을, 그것의 벤트 두께가 노치홈의 전체 길이를 기준으로 그것의 중앙부로 갈수록 점점 얇아지는 구조로 형성한 실시예 1 내지 3의 전지들은, 파단압력이 각각 12.4, 10.9, 7.7 kgf/cm2로서, 상대적으로 큰 압력하에 파단이 발생하였다.
반면에, 응력값이 상대적으로 큰 곳에 노치홈을 형성한 비교예 1의 전지는, 실시예 1 내지 3에 비해 벤트 두께가 상대적으로 두꺼움에도 불구하고, 작은 압력하에서 노치홈이 쉽게 파열되었다.
또한, 비교예 2의 전지는 노치홈의 형성 위치가 실시예 1 내지 3과 동일하고 벤트 두께가 실시예 2와 유사하지만, 벤트 두께가 길이 방향으로 균일한 구조를 가지고 있는 바, 실시예 3보다 벤트 두께가 두꺼움에도 불구하고, 실시예 2 뿐만 아니라 실시예 3의 전지보다 낮은 압력에서도 견디지 못하고 노치홈 부위가 터지는 현상이 발생하였다.
[실험예 2]
상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1의 방식으로 각각 2 개의 전지들을 준비하여, 만충전 후 250℃에서 노출하는 핫 플레이트 실험을 실시하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
<표 2>
Figure 112010059619106-pat00002
상기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 전지들은, 평균 파열 작동시간이 각각 5분, 4분 37초, 4분 14초로서, 상대적으로 오랜 시간을 견딜 수 있었다. 반면에, 비교예 1의 전지는 상대적으로 짧은 시간에 노치홈이 쉽게 파열되었다.
전지는 온도가 점점 증가함에 따라 전지내부의 전해액이 분해되어 가스가 발생하게 되는데, 가스에 의한 내부 압력 또한 시간에 따라 점점 증가하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 안전판을 구비한 전지는, 파열되지 말아야 할 중저압력에서 쉽게 파열되지 않음으로써, 전해액과 기화된 가스의 노출로 인한 인체 상해를 방지할 수 있다.
이상의 실험들을 통해, 전지 내부의 가스를 효과적으로 배출하기 위해서는 응력이 작은 위치에 원호 형상으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 노치홈을 형성하여야, 전지 안전성의 상승 효과를 발휘할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 케이스 캡으로 이루어져 있고,
    상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이며,
    전지 내부의 고압 발생시 파단되는 선상(線狀)의 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있고,
    상기 노치홈은 케이스 본체의 잔여 두께( '벤트 두께' )가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어져 있으며, 케이스 본체의 상하 길이의 1/3 내지 1.5배 크기의 곡률 반경을 가진 원호 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 본체의 두께는 0.2 내지 0.4 mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 노치홈이 파단되는 상기 전지 내부의 고압은 정상적인 조건에서의 전지 내압의 2 배 이상의 압력인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은 최대 응력(SMAX)의 10 내지 40%의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은 케이스 본체의 양면에서 수직 중심축 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 노치홈은, 케이스 본체의 좌우 폭을 기준으로 1/4 내지 1/2 크기의 중앙 위치이면서, 케이스 본체의 상하 길이를 기준으로 1/20 내지 1/5 크기의 상부 또는 하부 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 노치홈은, 케이스 본체의 상단 개구와, 케이스 본체의 내부에 장착되는 전극조립체의 상단 사이에 대응하는 공간의 케이스 본체 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 형상이거나, 또는 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 벤트 두께의 평균값은 본체 케이스의 두께를 기준으로 40 내지 70% 크기인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈 중 중앙부의 최저 벤트 두께는 본체 케이스의 두께를 기준으로 20 내지 50% 크기인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 벤트 두께는 양단부로부터 중앙부 쪽으로 순차적으로 얇아지는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈에서 중앙부의 벤트 두께는 양단부의 벤트 두께의 40 내지 70% 크기인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈의 수직 단면은 하향 쐐기 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈의 수직 단면은 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  19. 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 케이스 캡으로 이루어져 있고,
    상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이며,
    전지 내부의 고압 발생시 파단되는 선상(線狀)의 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있고,
    상기 노치홈은 케이스 본체의 잔여 두께( '벤트 두께' )가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어져 있으며,
    상기 노치홈은 최대 응력(SMAX)의 10 내지 40%의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  20. 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 케이스 캡으로 이루어져 있고,
    상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이며,
    전지 내부의 고압 발생시 파단되는 선상(線狀)의 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있고,
    상기 노치홈은 케이스 본체의 잔여 두께( 벤트 두께 )가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어져 있으며,
    상기 노치홈의 수직 단면은 하향 쐐기 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
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