KR101292534B1 - 원통형 이차전지 캔의 안전 벤트 - Google Patents

Abstract

이 발명은 중앙 지지대를 유지하여 내부의 젤리-롤을 포함한 센터 핀과 같은 충진물이 외부로 배출되지 않게 할 뿐만 아니라 초당 내부 가스 배출량을 높여 외부로 신속하게 배출시켜 2차적인 화재가 발생하는 것을 방지하기 위해 동일 파단 압력 하에서도 순간적으로 다량의 가스 배출이 이루어지도록 열리는 범위를 최대로 하는 원통형 이차전지 캔의 안전 벤트의 제공을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 실현하기 위해 이 발명은, 상부가 개방되고 하부가 밀폐된 원통형 이차전지 캔의 하부 저면 중심에서 상하로 소정 간극을 두고 형성되는 중앙 지지대를 사이에 두고 분리되어 실제로는 반원에 못 미치는 반원 형상부들이 서로 마주하면서 각각 형성되는 원통형 이차 전지 캔의 안전 벤트에 있어서, 상기 상부 반원 형상부의 일 측단과 상기 하부 반원 형상부의 타 측단에서 각각 안쪽을 항해 중심축을 중심으로 센터 핀이 용접되는 부위를 벗어나게 꺾이면서 연장 형성시킨 꺾임 연장부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지 캔의 안전 벤트를 제공한다.

Description

원통형 이차전지 캔의 안전 벤트 {The safety vent on cylindrical can of secondary battery}

이 발명은 원통형 이차전지 캔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원통형 캔의 하부 저면에 형성시켜, 내부의 가스 압력이 증가하면 파단되면서 가스가 외부로 신속하게 배출될 수 있도록 하여 전지의 폭발을 방지하게 하는 원통형 이차전지 캔의 안전 벤트에 관한 것이다.

이차전지는 내부 및 외부의 구조적 특징에 따라 원통형 전지, 각형 전지 그리고 파우치형 전지로 분류될 수 있으며, 이러한 이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체 구조에 따라 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분한다.

이 중에서 흔히 사용되는 젤리-롤형 전극 조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 필요로 하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조되며, 주로 원통형 전지에 사용된다.

일반적으로 원통형 이차전지(10)는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 젤리-롤형 전극 조립체(11)를 상부가 개방된 원통형 캔(12)에 수납하고, 상기 원통형 캔(12) 내에 전해액을 주입한 후에, 상기 전극 조립체(11)에서 발생되는 전류를 외부 장치로 공급하게 상단에 전극 단자가 형성되는 캡 조립체(13)로 상기 원통형 캔(12)의 상부를 밀봉 결합하여 제작한다.

여기서 상기 전극 조립체(11)의 권심(젤리-롤의 중심부)에는, 금속 소재로 이루어진 원통형의 센터 핀(14)이 삽입되어 소정의 강도를 부여하며, 상기 센터 핀(14)은 상기 전극 조립체(11)가 원통형 캔(12)의 하부 중심 위치에 고정 및 지지되도록 용접시킨다.

이와 같은 이차전지는, 적용 분야와 제품들이 다양화됨에 따라 전지의 종류 또한 그에 해당하는 높은 출력과 고용량을 제공할 수 있도록 단위 전지들이 팩 형태로 사용되고 있는데, 특히 리튬 이온 전지는 과충전과 같은 내부 변화나 사용 환경에 따른 외부 충격이 발생하는 경우 양극과 음극의 전위차가 급격하게 좁혀지면서 열 발생과 더불어 전해액이 분해되고 이에 따라 메탄가스나 수소가스 등이 다량 발생되어 내부 압력이 높아져 폭발할 가능성이 있으므로, 이에 대비하여 충분한 안정성이 확보되어야 한다.

따라서 이차전지에는, 내부에서 급격한 충방전 반응 또는 화학 반응에 의한 급격한 가스 발생이 일어나기 쉽고 전지가 파열할 위험성에 대비하는 안전장치로, 상기 캡 조립체(13)에는 전류차단부재(Current Interruptive Device; CID)가 설치되고, 상기 원통형 캔(12)의 하부 저면에는 안전 벤트(Safety Vent)가 형성된다.

여기서 안전 벤트는, 원통형 캔의 하부 저면에 홈을 이루면서 두께가 얇아진 부분에 의해 형성되는데, 내부 가스 압력이 증가하면 부분적으로 파단 강도를 약화시킨 얇아진 부분이 파단되면서 가스가 외부로 신속하게 배출될 수 있도록 한다.

그리고 원통형 캔에 있어서 안전 벤트의 형상으로서는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 ＋형상이 제안되었다.(일본 실공소 51-3376호 공보 참조)

그런데 하부 저면(21)에 상기 ＋형상의 안전 벤트(22)가 형성되는 원통형 캔(20)에서는, 하부 저면(21)의 중심을 안전 벤트(22)가 통과하므로, 전지를 제작할 때 상기 전극 조립체(11)를 하부 중심 위치에 고정 및 지지하게 상기 센터 핀(14)을 용접할 경우에 지장을 초래한다는 문제점이 있었다.

이로부터, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 하부 저면(31)의 중심축을 중심으로 홈을 이루면서 두께가 얇아진 부분인 안전 벤트(32)의 양측 단부 간에 이루어지는 각도가 180°를 넘어 예를 들어 230°정도 되는 부분 원호 형상의 원통형 캔(30)이 제안되었다.(일본 특개평10-92397호, 방폭형 전지캔 참조)

상기 원통형 캔(30)은, 하부 저면(31)의 중심을 안전 벤트(32)가 통과하지 않으므로 상기 센터 핀(14)을 하부 저면에 용접하는데 지장은 없게 된다.

그렇지만 내부 가스 압력이 가해지는 것에 의해 안전 벤트(32)가 파단되면서 열려졌을 때 젤리-롤을 포함한 센터 핀(14)과 같은 내부의 충진물들이 내부의 가스와 함께 추진력을 받아 전지 밖으로 배출되면서 주변에 물리적 충격을 가하거나 오염시키는 문제점이 발생되었다.

따라서 하부 저면의 중심축을 중심으로 한 부분 원호 형상의 안전 벤트의 양측 단부 간에 이루어지는 각도가 180°를 넘지 않는, 대략 반 원호로 형성시키게 되면 상기의 문제점을 해결할 수 있다.

그러나 파단 압력에 도달되더라도 안전 벤트가 열리지 않는 경우도 발생할 수 있는데, 이는 이차전지 캔을 제작하는 과정 중에 안전 벤트의 두께가 설계 값에 미치지 못하는 경우에 흔히 발생하며, 연속적인 다량 생산에 따라 금형의 마모 및 손상 등에 의해 유발될 수 있다.

그러므로 파단 압력에 도달되었을 때, 보다 정확하게 안전 벤트가 열릴 수 있도록 하는데 있어서, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 원통형 캔(40)의 하부 저면(41)에 형성되는 안전 벤트(42)로서, 대략 반 원호 형상 2개를 소정 간극을 두고 형성되는 중앙 지지대(43)를 사이에 두고 각각 상하로 마주보게 형성시켜 어느 하나가 열리지 않는 경우에도 다른 하나가 열릴 수 있도록 하여 작동의 확실성을 높여 안전성을 확보한다.

즉, 상기 원통형 캔(40)의 하부 저면(41) 중심축을 중심으로 상하로 소정 간극을 두고 형성되는 중앙 지지대(43)를 사이에 두고 실제로는 반원에 못 미치는 대략 반원 형상으로 서로 마주하게 '더블-C'형의 안전 벤트(42)를 형성한다.

이와 같은 전체가 원형이고 중심을 포함하는 가운데에서 상하로 소정 간극만큼 제거된 상태로 상하 분리되어 실제적으로는 반원이 아닌 대략 반 원 형상을 나타낸 '더블-C'형의 안전 벤트(42)의 구성에 의해, 상기 센터 핀(14)의 용접 부위가 상기 중앙 지지대(43)에 위치하여 두께가 얇아진 부분이 없어 용접에 지장을 초래하지 않게 된다.

더욱이 안전 벤트(42)가 파단되어 열릴 때 어느 하나가 열리지 않더라도 다른 하나가 열릴 수 있도록 하여 작동의 확실성을 높이게 된다.

아울러 안전 벤트(42)의 파단 작동 시 전체 압력을 지지하여 내부의 구성 물질이 외부로 배출되지 않도록 지지대 역할을 수행하는 상기 중앙 지지대(43)를 포함한 열리지 않는 나머지의 대략 반원 형상에 의해 내부의 내용물이 외부로 배출되지 않아 주변에 물리적 충격을 가하거나 오염시키는 것도 방지할 수 있게 된다.

그런데 상기의 '더블-C'형 안전 벤트(42)에 파단 압력이 가해질 때 안전 벤트가 열리는 각도가, 도 5에 도시되어 있는 바와 같은 30°내외 정도로 되어, 초당 내부 가스 배출량이 높지 않기 때문에 외부로 신속하게 배출시키지 못하여 외부적인 요인에 의해 2차적인 화재가 발생할 수 있는 문제점이 있게 된다.

일본 특개평10-92397호(방폭형 전지캔)

이 발명은 위의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 중앙 지지대를 유지하여 내부의 젤리-롤을 포함한 센터 핀과 같은 충진물이 외부로 배출되지 않게 할 뿐만 아니라 초당 내부 가스 배출량을 높여 외부로 신속하게 배출시켜 2차적인 화재가 발생하는 것을 방지하기 위해 동일 파단 압력 하에서도 순간적으로 다량의 가스 배출이 이루어지도록 열리는 범위를 최대로 하는 원통형 이차전지 캔의 안전 벤트의 제공을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 실현하기 위해 이 발명은, 상부가 개방되고 하부가 밀폐된 원통형 이차전지 캔의 하부 저면 중심에서 상하로 소정 간극을 두고 형성되는 중앙 지지대를 사이에 두고 분리되어 실제로는 반원에 못 미치는 반원 형상부들이 서로 마주하면서 각각 형성되는 원통형 이차 전지 캔의 안전 벤트에 있어서, 상기 상부 반원 형상부의 일 측단과 상기 하부 반원 형상부의 타 측단에서 각각 안쪽을 항해 중심축을 중심으로 센터 핀이 용접되는 부위를 벗어나게 꺾이면서 연장 형성시킨 꺾임 연장부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지 캔의 안전 벤트를 제공한다.

삭제

상기의 구성을 갖는 이 발명의 원통형 이차 전지 캔의 안전 벤트에 의하면, 상하로 소정 간극을 가지면서 분리되어 실제로는 반원에 못 미치는 반원 형상부들 중에서, 상부 반원 형상부의 일 측단과 하부 반원 형상부의 타 측단에서 각각 안쪽을 항해 중심축을 중심으로 센터 핀의 용접 부위를 벗어나게 꺾이면서 연장되게 형성시킴으로써, 안전 벤트가 열려지더라도 중앙 지지대를 유지하여 내부의 젤리-롤을 포함한 센터 핀과 같은 충진물이 외부로 배출되지 않게 할 뿐만 아니라 동일 파단 압력 하에서도 안전 벤트가 열려지는 범위를 최대로 하여 순간적으로 다량의 가스 배출이 이루어지면서 초당 내부 가스 배출량을 높여 내부에서 발생되는 가스의 신속하고 효율적인 배출을 통한 안전성을 향상시키는 효과가 있게 된다.

도 1은 일반적인 원통형 이차전지를 내부 구조가 나타나게 도시한 것이고,
도 2는 종래의 원통형 이차전지 캔에서 내부 가스 압력에 의해 열리는 안전 벤트가 하부 저면에 ＋형상으로 형성되어 있는 상태를 도시한 것이고,
도 3은 종래의 원통형 이차전지 캔에 센터 핀의 용접에 지장이 없게 하부 저면에 안전 벤트가 형성되어 있는 상태를 나타내는 것이고,
도 4는 종래의 원통형 이차전지 캔에 센터 핀의 용접에 지장이 없으면서 내부의 젤리-롤을 포함한 센터 핀과 같은 충진물이 외부로 배출되지 않고 작동 확실성을 높이게 하부 저면에 안전 벤트가 형성되어 있는 상태를 나타내는 것이고,
도 5는 도 4의 원통형 이차전지 캔에 형성되는 안전 벤트가 내부 압력에 의해 열려진 상태를 나타낸 것이고,
도 6a 및 도 6b는 이 발명의 실시 예에 따른 원통형 이차전지 캔의 안전 벤트를 나타낸 것이고,
도 7은 도 6a의 원통형 이차전지 캔에 형성되는 안전 벤트의 꺾임 연장부의 형성 예를 나타낸 것이고,
도 8은 도 6a의 원통형 이차전지 캔에 형성되는 안전 벤트가 내부 압력에 의해 열려진 상태를 나타낸 것이다.

이하에서는, 이 발명의 바람직한 실시 예를 첨부하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명하는데, 이는 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 이 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않으며, 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다.

도 6a 및 도 6b는 이 발명의 실시 예에 따른 원통형 이차전지 캔의 안전 벤트를 나타낸 것이고, 도 7은 도 6a의 원통형 이차전지 캔에 형성되는 안전 벤트의 꺾임 연장부의 형성 예를 나타낸 것이다.

이 발명의 실시 예에 따른 안전 벤트를 구비하는 원통형 이차전지 캔은, 예를 들면 일반적으로 니켈(Ni), 철(Fe) 또는 이들의 합금이나 니켈(Ni)이 도금된 철(Fe)로 이루어질 수 있으며, 상부가 개방되고 하부가 밀폐된 상태로 제작된다.

그리고 상기 원통형 이차전지 캔의 개방된 상부를 통해 내부에 젤리-롤형 전극 조립체의 중심부에 센터 핀을 삽입한 상태에서 넣고 하부 중심 위치에 용접시킨 후 전해액을 주입하고 전극 단자가 형성되는 캡 조립체로 상부를 밀봉 결합하여 원통형 이차전지를 제작한다.

여기서, 원통형 이차전지 캔(50)의 하부 저면에는, 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있는 바와 같이, 종래 '더블-C'형의 반원 형상부 일 측단에서 각각 안쪽을 항해 중심축을 중심으로 센터 핀이 용접되는 부위를 벗어나게 꺾이면서 연장 형성시킨 꺾임 연장부가 더 구비된 'S 형'의 이 발명의 실시 예에 따른 안전 벤트(52)를 형성한다.

이 발명의 실시 예에 따른 안전 벤트(52)는, 일정한 파단 압력 값을 유지시켜 동시에 열리면서 많은 양의 가스를 동시에 분출시키도록 두께 산포를 일정하게 하면서, 상부가 개방되고 하부가 밀폐된 원통형 이차전지 캔(50)의 하부 저면(51) 중심에서 상하로 소정 간극을 두고 형성되는 중앙 지지대(53)를 사이에 두고 분리되어 실제로는 반원에 못 미치게 서로 마주하면서 각각 형성되는 반원 형상부(52-1)들과, 상기 반원 형상부(52-1)들 중의 상부 반원 형상부의 일 측단과 상기 하부 반원 형상부의 타 측단에서 각각 안쪽을 항해 중심축을 중심으로 센터 핀이 용접되는 부위를 벗어나게 꺾이면서 연장 형성시킨 꺾임 연장부(52-2)들로 구성된다.

여기서 꺾임 연장부(52-2)는 반드시 직선이어야 할 필요는 없지만 금형 가공상 또는 생산시 유지 관리를 위해 직선으로 하는 것이 바람직하다.

또한 상기 꺾임 연장부(52-2)는, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 센터 핀(14)의 용접 부위에 따라 조절 가능하며, 상기 중심축을 중심으로 센터 핀(14)이 용접되는 부위 P를 벗어나게 연장 형성시켜 최대로 열려지도록 할 수 있다.

도 8은 도 6a의 원통형 이차전지 캔에 형성되는 안전 벤트가 내부 압력에 의해 열려진 상태를 나타낸 것이다.

이 발명의 실시 예에 따른 안전 벤트(52)는, 일정한 파단 압력 값을 유지시켜 동시에 열리면서 많은 양의 가스를 분출시키도록 두께 산포를 일정하게 하면서, 상기 반원 형상부(52-1)의 일 측단에서 안쪽으로 상기 꺾임 연장부(52-2)와 연결되면서 양 측 단부 간극이 좁아지며 더욱이 상기 반원 형상부(52-1)와 꺾임 연장부(52-2)가 만나는 부위가 존재하므로 여기에 압력이 집중되면서 작동의 확실성을 높일 수 있게 될 뿐만 아니라 전지가 과충전 등으로 인하여 내부 압력이 높아졌을 경우 동일 파단 압력 하에서도 전체적으로 열려지는 각도를 최대로 하여 순간적으로 다량의 가스 배출이 이루어지면서 초당 내부 가스 배출량을 높여 내부에서 발생되는 가스의 신속하고 효율적인 배출을 통해 전지의 안전성을 향상시키게 된다.

또한 이 발명의 실시 예에 따른 안전 벤트(52)는, 상기 원통형 캔(50)의 하부 저면(51)에 서로 마주하며 형성되지만, 전체적으로 개방된 형태가 아니며 중앙 지지대(53)는 그대로 유지되므로 실제로는 하나만 열려지고, 나머지 부분과 중앙 지지대(53)에서는 이 부위에 용접되어 있는 센터 핀의 지지대 역할을 수행하기 때문에 열려지지 않아, 안전 벤트가 열려지더라도 상기 원통형 캔(50)의 내부 젤리-롤을 포함한 센터 핀(14)과 같은 충진물과 벤트의 일부분이 외부로 튀어나오지 않게 하여 주위를 오염시켜 버릴 우려도 없다.

더욱이 전지의 제조 공정에 있어서도, 중심축 부근에는 홈을 이루게 하여 두께가 얇아진 부분인 안전 벤트(52)가 존재하지 않기 때문에, 상기 센터 핀(14)의 용접 공정에 지장을 초래하지 않게 된다.

이하에서는 이 발명의 실시 예에 따른 안전 벤트(52)의 두께를 일정하게 유지한 상태에서 상기 반원 형상부(52-1)의 일 측단에서 꺾임 연장부(52-2)를 각각 형성하는 예와, 종래 반원 형상부(52-1)만을 형성하는 예를 대비하여 살펴본다.

[실시 예1]

도 6a 및 도 6b에 도시되어 있는 바와 같은 원통형 이차전지 캔(50)에서 하부 저면(51)에 소정 간극을 갖는 중앙 지지대(53)를 사이에 두고 분리되면서 상하로 서로 마주하게 형성된 반원 형상부(52-1)와 상기 반원 형상부(52-1)의 일 측단에서 꺾임 연장부(52-2)를 각각 형성하는 안전 벤트(52)를 구비한다.

그리고 상기 원통형 이차전지 캔(50)의 하부 저면의 외경을 18㎜, 안전 벤트의 직경을 9.0㎜, 본체 두께를 0.3㎜, 안전 벤트의 두께를 0.045㎜, 안전 벤트간의 간극인 중앙 지지대(53)를 1.8㎜, 센터 핀 용접 부위 P의 직경을 3㎜, 꺾임 연장부(52-1)를 상기 반원 형상부(52-1)와 꺾임 연장부(52-2)가 만나는 부위에서 중심축을 중심으로 30°의 각도로 안쪽을 향해 3.5㎜로 되게 제작하였다.

여기에 전극 조립체를 충전하지 않는 상태로 공기압에 의해 안쪽으로부터 20㎏f/㎠의 파단 압력을 가하여 열려지는 상태를 확인하였다.

[비교 예1]

도 4에 도시되어 있는 바와 같은 원통형 이차전지 캔(40)에서 하부 저면(41)에 소정 간극을 갖는 중앙 지지대(43)를 사이에 두고 분리되면서 상하로 서로 마주하게 형성된 반원 형상부를 각각 형성하는 안전 벤트(42)를 구비한다.

그리고 상기 원통형 이차전지 캔(40)의 하부 저면의 외경을 18㎜, 안전 벤트의 직경을 9.0㎜, 본체 두께를 0.3㎜, 안전 벤트의 두께를 0.045㎜, 안전 벤트간의 간극인 중앙 지지대(43)를 1.8㎜로 되게 제작하였다.

여기에 전극 조립체를 충전하지 않는 상태로 공기압에 의해 안쪽으로부터 20㎏f/㎠의 파단 압력을 가하여 열려지는 상태를 확인하였다.

상기 실시 예1과 비교 예1에서 알 수 있는 바와 같이, 전극 조립체를 충전하지 않는 상태로 공기압에 의해 안쪽으로부터 동일한 파단 압력을 가하여 열려지는 상태를 확인한 바 동일한 파단 압력이 가해지더라도 안전 벤트가 열리는 각도에 차이가 발생하는데, 종래 '더블-C형' 안전 벤트(42)는 도5에 도시되어 있는 바와 같이 각도 30° 이내인 것에 대해, 이 발명의 'S형' 안전 벤트(52)는 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 열려지는 정도가 꺾임 연장부(52-2)가 연장되는 것에 의해 거의 90°로 되어, 순간적으로 다량의 가스 배출이 가능하게 되면서 초당 내부 가스 배출량이 높아진다. 즉, 종래에 비해 이 발명은 동일 파단 압력 하에서 열려지는 각도가 커지면서 작동의 확실성이 높아진다고 하는 결과를 얻을 수 있었다.

이 발명은 상기의 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재되는 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하고, 이러한 변형도 이 발명의 범위 내에 포함된다.

10 : 일반적인 원통형 이차전지
11 : 젤리-롤형 전극 조립체
12 : 원통형 캔
13 : 캡 조립체
14 : 센터 핀
20, 30, 40, 50 : 원통형 이차전지 캔
21, 31, 41, 51 : 하부 저면
22, 32, 42 : 종래 안전 벤트
52 : 이 발명의 실시 예에 따른 안전 벤트
52-1 : 반원 형상부
52-2 : 꺾임 연장부
43, 53 : 중앙 지지대(안전 벤트 사이의 간극)
P : 센터 핀의 용접 부위

Claims (2)

1. 삭제
2. 상부가 개방되고 하부가 밀폐된 원통형 이차전지 캔의 하부 저면 중심에서 상하로 소정 간극을 두고 형성되는 중앙 지지대를 사이에 두고 분리되어 실제로는 반원에 못 미치는 반원 형상부들이 서로 마주하면서 각각 형성되는 원통형 이차 전지 캔의 안전 벤트에 있어서,
   상기 상부 반원 형상부의 일 측단과 상기 하부 반원 형상부의 타 측단에서 각각 안쪽을 항해 중심축을 중심으로 센터 핀이 용접되는 부위를 벗어나게 꺾이면서 연장 형성시킨 꺾임 연장부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지 캔의 안전 벤트.

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