KR101254174B1 - 안전성이 향상된 원통형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극을 권취하여 제조된 전극조립체('젤리-롤') 및 전해액이 원통형 캔에 내장되어 있는 원통형 전지로서, 상기 원통형 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리는, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓; 및 상기 안전벤트와 가스켓의 계면에서 누액을 방지하기 위해 상기 계면에 부가되어 있는 밀봉제;를 포함하는 것으로 구성되어 있는 원통형 전지를 제공한다.

Description

안전성이 향상된 원통형 이차전지 {Cylindrical Secondary Battery of Improved Safety}
본 발명은 안전성이 향상된 원통형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체('젤리-롤') 및 전해액이 원통형 캔에 내장되어 있는 원통형 전지로서, 상기 원통형 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리는, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓; 및 상기 안전벤트와 가스켓의 계면에서 누액을 방지하기 위해 상기 계면에 부가되어 있는 밀봉제;를 포함하는 원통형 전지에 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. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
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 스택형, 및 풀셀 또는 바이셀 등의 유닛셀들이 분리필름에 의해 권취되어 있는 스택/폴딩형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 원통형 케이스(130)에 수납하고, 원통형 케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(140)을 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
한편, 리튬 이차전지는 안전성이 낮다는 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 전지가 대략 4.5V 이상으로 과충전되는 경우에는 양극 활물질의 분해반응이 일어나고, 음극에서 리튬 금속의 수지상(dendrite) 성장과, 전해액의 분해반응 등이 일어난다. 이러한 과정에서 열이 수반되어 상기와 같은 분해반응과 다수의 부반응들이 급속히 진행되며, 급기야는 전지의 발화 및 폭발이 유발되기도 한다.
따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 일반적인 원통형 이차전지에는 전지의 비정상적인 작동시 전류를 차단하고 내압을 해소하기 위한 전류차단부재(Current Interruptive Device; CID)와 안전벤트(vent)가 전극조립체와 상단 캡 사이의 공간에 장착되어 있다.
도 2를 참조하면, 탑 캡(10)은 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고 배기구가 천공되어 있으며, 그것의 하부에 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element: 20), 정상적인 상태에서는 하향 돌출된 형상으로 되어 있고 전지 내부의 압력 상승시 돌출되면서 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트(30), 및 상단 일측 부위가 안전벤트(30)에 결합되어 있고 하단 일측이 전극조립체(40)의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트(50)가 순차적으로 위치되어 있다.
따라서, 정상적인 작동조건에서 전극조립체(40)의 양극은 리드(42), 접속 플레이트(50), 안전벤트(30) 및 PTC 소자(20)를 경유하여 탑 캡(10)에 연결되어 통전을 이룬다.
이러한 원통형 전지의 최종 조립 방식은 안전벤트를 장착한 후, 물리적으로 전지케이스를 절곡하여 밀봉하는 방식을 이용하고 있다.
그러나, 상기와 같이, 물리적인 방법으로 밀봉하는 방식은 전지케이스가 정확하게 절곡되지 않으면 밀봉 부위가 분리되어 전해액의 누액이 발생될 수 있다. 또한, 전지가 낙하되거나 또는 외부 충격이 가해졌을 경우, 전지케이스 내부에서 젤리-롤의 상하 운동에 의해 압력을 받아 전지의 상부를 압박하고, 그로 인해 밀봉 부위가 변형되어 전지케이스 내부의 전해액이 유출되는 문제점이 발생한다.
상기와 같은 불완전한 밀봉은 전해액의 누액 뿐만 아니라 공기의 전지내에 유입으로 인한 열화 및 안전성 저하의 문제를 유발하기도 한다.
따라서, 전해액의 유출 등을 방지하기 위한 원통형 전지에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 높은 밀봉성에 의해 전해액의 누액 등을 방지할 수 있는 안전성이 향상된 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극/분리막/음극을 권취하여 제조된 전극조립체('젤리-롤') 및 전해액이 원통형 캔에 내장되어 있는 원통형 전지로서,
상기 원통형 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리는, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓; 및 상기 안전벤트와 가스켓의 계면에서 누액을 방지하기 위해 상기 계면에 부가되어 있는 밀봉제;를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 원통형 이차전지는 상기 밀봉제가 안전벤트와 가스켓의 계면에서 누액이 발생할 수 있는 부위의 공간을 근본적으로 밀폐시켜, 전해액의 누액을 방지하고 그로 인해 전지의 안전성을 담보할 수 있다.
상기 밀봉제는 전해액의 누액을 방지할 수 있는 위치라면 특별히 한정되지 않으며, 바람직하게는 상기 계면에서 안전벤트의 외면, 가스켓의 외면, 또는 이들 각각에 도포되어 있을 수 있다.
또한, 상기 밀봉제는 안전벤트와 가스켓 사이에 개재되어 있을 수도 있으며, 예를 들어, 테이프 형태로 부착되어 있을 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 밀봉제는 소정 온도 이상에서 전해액과 작용하여 상기 계면을 밀봉하는 특성을 가지는 부재일 수 있다.
구체적으로, 상기 밀봉제는 소정 온도 이상에서 전해액을 흡수하면서 팽창하는 특성을 가지는 부재일 수 있다. 즉, 전해액이 상기 밀봉제에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 밀봉제의 소재를 이루는 조직 사이로 침투하여 조직 사이의 간격을 넓히면서 부피의 증가를 유발할 수 있다.
또한, 상기 밀봉제는 소정 온도 이상에서 전해액과의 화학 반응에 의해 팽창하는 특성을 가진 부재일 수도 있다. 즉, 전해액이 상기 밀봉제의 소재와 화학 반응을 일으키면서 예를 들어 부피 팽창용 가스를 발생시키고, 그러한 가스에 의해 밀봉제의 소재를 이루는 조직 사이에 폐쇄형 또는 개방형의 기공이 형성되면서 두께 팽창을 유발할 수 있다.
상기 전해액에 작용하는 소정 온도는, 예를 들어, 50℃ 이상일고, 바람직하게는 50℃ 내지 120℃일 수 있다.
또한, 상기 밀봉제가 팽창하여 가스켓과 안전벤트의 계면 및 그것의 하단 부위의 공간을 채우므로, 누액을 방지하고, 외부 충격에 대해 일종의 완충 부재의 역할을 수행함으로써 전지를 보호할 수 있다.
본 발명은 또한, 원통형 이차전지의 상단에 장착되는 캡 어셈블리를 제공한다.
구체적으로, 전극조립체 및 전해액이 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓; 및 상기 안전벤트와 가스켓의 계면에서 누액을 방지하기 위해 상기 계면에 부가되어 있으며, 소정 온도 이상에서 전해액과 작용하여 상기 계면을 밀봉하는 특성을 갖는 밀봉제;를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
상기 구조에서, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구들을 포함하고 있으며, 상기 관통구들은 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 전체 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성될 수 있다.
상기 전류차단부재는 전지 내부의 압력 상승시 파열되어 전류를 차단하는 부재로서, 안전벤트의 만입부 하단에 용접 부착되어 있는 상향 돌출된 돌출부가 중앙에 형성되어 있고, 젤리-롤의 양극에 연결되어 있는 양극 리드가 상기 돌출부를 제외한 부위의 하단면을 통해 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
이와 같이, 전류차단부재는 안전벤트에 결합되어 있어서 안전벤트의 형상 역전에 따라 전류차단부재와 양극 사이의 연결 부위가 파열되면서 전류를 차단하게 된다. 구체적인 예에서, 상기 돌출부에는 외주면에 노치가 형성되어 있을 수 있고, 안전벤트의 형상 역전에 따라 노치 부위가 파열되면서 돌출부는 안전벤트와 결합된 상태로 전류차단부재와 양극의 연결부위와 용이하게 분리될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 안전벤트와 가스켓의 계면에 부가되어 있는 밀봉제에 의해, 소정 온도에서 밀봉제가 팽창하여 가스켓과 안전벤트의 계면 및 그것의 하단 부위를 공간을 채우므로, 전해액의 누액을 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도이다;
도 2는 도 1의 부분 단면 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지의 단면 모식도이다;
도 4는 도 3의 원통형 전지가 약 50℃ 이상인 상태의 단면 모식도이다;
도 5는 도 3의 원통형 전지에 사용된 전류차단부재의 사시도이다.
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 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지의 단면 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 원통형 전지가 50℃ 이상인 상태의 단면 모식도가 도시되어 있다.
우선 도 3을 도 1과 함께 참조하면, 원통형 전지(100)는 원통형 캔(200)의 내부에 젤리-롤을(110)를 삽입하고, 여기에 전해액을 주입한 뒤, 젤리-롤(110)의 상단에 판상형 절연부재(800)를 탑재하고, 원통형 캔(200)의 개방 상단에 캡 어셈블리(300)를 장착함으로써 제조된다.
캡 어셈블리(300)는 원통형 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 장착되는 기밀유지용 가스켓(400) 내부에 상단 캡(310), PTC소자(positive temperature coefficient element: 350) 및 내부 압력 강하용 안전벤트(320)가 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
안전벤트(320)의 하단에는 전지 내부의 압력 상승시 파열되어 전류를 차단하는 전류차단부재(600)가 용접에 의해 결합되어 있으며, 전류차단부재(600)는 전류차단부재용 가스켓(700)에 의하여 감싸여 있다.
또한, 안전벤트(320)와 가스켓(700) 사이의 계면에서 안전벤트(320)의 외면에 누액을 방지하기 위해 밀봉제(900)가 도포되어 있다. 정상적인 온도 조건에서는 밀봉제(900)의 존재에도 불구하고 안전벤트(320)와 가스켓(700) 사이의 계면은 상당부분 이격된 상태를 유지한다.
반면에, 50℃ 이상에서 밀봉제(900)는 전해액과 화학 반응을 일으켜 그 두께가 팽창하며, 안전벤트(320)와 가스켓(700) 사이의 계면 및 그것의 하단 부위까지 팽창하여 해당 공간을 채우게 된다. 따라서, 전해액의 누액을 근본적으로 방지하고 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 5에는 도 3의 원통형 전지에 사용된 전류차단부재(600)가 도시되어 있다.
도 3와 함께 도 5를 참조하면, 전류차단부재(600)의 중앙에는 안전벤트(320)에 용접 부착되는 상향 돌출된 돌출부(620)가 형성되어 있으며, 전류차단부재(600)의 하단면 중 돌출부(620)를 제외한 부위에는 젤리-롤(110)의 양극에 연결되어 있는 양극 리드(420)가 전기적으로 연결된다.
돌출부(620)에는 이를 중심으로 동심원상으로 3 개의 관통홀(630)과 상기 관통홀(630)을 연결하는 노치(650)가 형성되어 있는 브릿지(640)가 형성되어 있다.
또한, 관통구들(610)은 그것의 전체 면적이 전류차단부재(600)의 면적대비 30%의 크기로 형성되어 있는 바, 전지 내부의 고압 가스의 배출량을 높일 수 있어서 신뢰성 있는 전류차단 효과를 발휘할 수 있다. 관통구들(610) 상호간에 대략 120도의 각도로 이격되어 있으며, 각각의 관통구의 형상 및 크기가 동일하게 형성되어 있고, 관통구들(610) 사이의 간격 역시 대략 동일하게 이루어져 있다. 이러한 구조에 의해, 전류차단부재(600)는 가스 배출량을 최대화하면서도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 양극/분리막/음극을 권취하여 제조된 전극조립체('젤리-롤') 및 전해액이 원통형 캔에 내장되어 있는 원통형 전지로서,
    상기 원통형 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리는,
    전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓; 및 상기 안전벤트와 가스켓의 계면에서 누액을 방지하기 위해 상기 계면에 부가되어 있는 밀봉제;를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉제는 상기 계면에서 안전벤트의 외면 및/또는 가스켓의 외면에 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉제는 안전벤트와 가스켓 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉제는 소정 온도 이상에서 전해액과 작용하여 상기 계면을 밀봉하는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 밀봉제는 소정 온도 이상에서 전해액을 흡수하면서 팽창하는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 밀봉제는 소정 온도 이상에서 전해액과의 화학 반응에 의해 팽창하는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 온도는 50℃ 이상인 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 밀봉제가 팽창하여 가스켓과 안전벤트의 계면 및 그것의 하단 부위를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  9. 전극조립체 및 전해액이 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서,
    전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓; 및 상기 안전벤트와 가스켓의 계면에서 누액을 방지하기 위해 상기 계면에 부가되어 있으며, 소정 온도 이상에서 전해액과 작용하여 상기 계면을 밀봉하는 특성을 갖는 밀봉제;를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구들을 포함하고 있으며, 상기 관통구들은 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 전체 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전류차단부재는 안전벤트의 만입부의 하단에 용접 부착되어 있는 상향 돌출된 돌출부가 중앙에 형성되어 있으며, 젤리-롤의 양극에 연결되어 있는 양극 리드가 상기 돌출부를 제외한 부위의 하단면을 통해 전기적으로 연결되어 있고, 상기 돌출부를 중심으로 동심원상으로 3 ~ 5 개의 관통홀들과 상기 관통홀들을 연결하며 노치가 형성되어 있는 브릿지가 형성되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
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