KR101329858B1 - 밀폐형 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의해 제공되는 밀폐형 전지의 케이스(20)의 일부에 형성된 안전 밸브(40)는, 상기 안전 밸브의 주위의 부분보다도 박육으로 형성된 박육부(42)를 구비하고 있고, 상기 안전 밸브의 박육부의 주위 부분에 있어서, 상기 케이스의 다른 부분으로부터 상기 박육부로의 열전도를 방해하는 슬릿(80)이 상기 박육부를 포위하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

밀폐형 전지{SEALED BATTERY}

본 발명은, 밀폐된 케이스 내에 전극체가 전해질과 함께 수용된 구성의 밀폐형 전지에 관한 것이며, 상세하게는, 케이스 내압이 상승하였을 때에 개방하는 안전 밸브를 구비한 밀폐형 전지에 관한 것이다. 또한, 본 출원은 2009년 6월 4일에 출원된 일본 특허 출원 제2009-135601호에 기초하는 우선권을 주장하고 있으며, 그 출원의 전체 내용은 본 명세서 중에 참조로서 포함되어 있다.

최근, 리튬 이온 전지 그 밖의 밀폐형의 2차 전지는, 차량 탑재용 전원 혹은 퍼스널 컴퓨터나 휴대 단말 등의 전원으로서 중요성이 높아지고 있다. 특히, 경량이며 고에너지 밀도가 얻어지는 리튬 이온 전지는, 차량 탑재용 고출력 전원으로서 바람직하게 사용되는 것으로서 기대되고 있다.

이러한 밀폐형 전지에는, 일반적으로 과충전 등에 의해 케이스 내의 가스압(내압)이 과잉으로 상승한 경우에 상기 내압을 개방하기 위한 내압 개방 기구가 설치되어 있다. 이러한 내압 개방 기구의 하나의 대표예로서, 특허 문헌 1에 기재되는 있는 같은, 케이스의 일부에 다른 부분보다도 두께가 작은 박육부(전형적으로는 금속제)를 형성해 놓고, 상기 케이스의 내압이 소정값(개방 압력) 이상으로 되면 상기 박육부가 파단(개열)되어 케이스 내의 가스를 방출하여, 케이스 내압을 저하시키도록 구성된 안전 밸브가 있다. 또한, 이러한 종류의 안전 밸브를 구비한 전지에 관한 다른 종래 기술 문헌으로서 특허 문헌 2나 3을 들 수 있다.

일본 특허 출원 공개 평성 11-250885호 공보 일본 특허 출원 공개 2001-23595호 공보 일본 특허 출원 공개 2007-179793호 공보

상기 특허 문헌 1에도 기재되어 있는 바와 같이, 종래, 전지 케이스의 일부에 설치되는 박육의 안전 밸브는, 당해 케이스를 구성하는 소정 재질의 금속판(예를 들어 알루미늄판)을 프레스 가공 등의 수단에 의해 박육화함으로써 형성되어 있다. 따라서, 이러한 가공시에 발생하는 금속 경화(가공 경화)에 의해, 박육의 안전 밸브의 물리적 강도(구체적으로는 인장 강도)는 반대로 향상되어 있다. 그리고 종래의 안전 밸브에서는, 전지의 형상이나 용량에 따라서 적절한 밸브 개방압(즉, 안전 밸브가 개열될 때의 케이스 내압)이 미리 설정되고, 당해 밸브 개방압의 압력이 가해졌을 때에 정확하게 개열되도록, 박육 부분의 두께나 당해 박육 부분에 형성되는 각인부(즉 박육 부분의 개열을 유도하기 위한 개열 개시점으로 될 수 있는 홈부)의 홈 깊이가 규정되는 바, 이러한 두께나 홈 깊이는, 안전 밸브가 상기 가공 경화된 후의 재질로 이루어지는 것을 전제로 설정된다. 이 자체는 기술적으로 적절하다.

그러나, 실제의 밀폐형 전지의 제조 프로세스에서는, 상기 프레스 가공 등에 의해 박육화 및 가공 경화하여 형성된 안전 밸브를 갖는 전지 케이스에 전지를 구성하는 전극체나 다양한 전해질(전형적으로는 전해액)을 수용한 후, 당해 전지 케이스의 개구부를 밀봉하는 밀봉 처리가 행해진다. 일반적으로, 이러한 밀봉 처리는, 전지 케이스의 개구부에 소정의 덮개 부재(밀봉판)를 용접하는 등의 가열을 수반하는 처리에 의해 행해진다. 이 때문에, 당해 용접 등의 가열 처리시에 발생하는 열이 안전 밸브의 박육 부분에도 전달되고, 결과, 일단은 가공 경화된 안전 밸브의 박육 부분이, 이러한 입열에 의해 소위 어닐링이 이루어진 상태로 되어 반대로 연화될 우려가 있다. 이것은, 가공 경화된 것을 전제로 상기 밸브 개방압을 설정한 안전 밸브가, 연화의 결과, 당해 설정 밸브 개방압보다도 낮은 내압시에 밸브 개방해 버린다고 하는 문제를 발생시키는 원인으로 되기 때문에 바람직하지 않다.

이것에 관한 대처법으로서, 연화되는 것을 전제로 하여 설정 밸브 개방압에서의 밸브 개방을 실현할 수 있도록 미리 박육 부분의 두께나 각인부의 홈 깊이를 설정하는 것을 들 수 있지만, 실제로는 상기 어닐링의 발생이나 그 정도는 개개의 전지마다(즉 개개의 용접 등의 가열 처리의 강약)에 따라 상이하다. 따라서, 소정의 생산 라인에서 제조되는 모든 전지에 대하여, 어닐링의 정도를 예측하여 일률적으로 박육 부분의 두께나 각인부의 홈 깊이를 미리 설정한다고 하는 것은 실현 불가능하다.

본 발명은, 상기 종래의 문제점을 감안하여 창출된 것이며, 그 목적은, 상기 용접 등의 가열을 수반하는 처리가 행해져도 그것에 영향을 받지 않고 미리 설정된 밸브 개방압 부근에서 정상적으로 개열(개구)할 수 있는 구조의 안전 밸브를 제공하는 것이다. 또한, 그와 같은 안전 밸브를 구비하는 밀폐형 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의해 제공되는 일 형태의 전지는, 정극 및 부극을 구성하는 전극체와, 전해질과, 상기 전극체 및 전해질을 수용하는 밀폐된 케이스를 구비하는 밀폐형 전지이다. 또한, 상기 케이스의 일부에는, 상기 케이스의 내압이 소정 레벨 이상으로 상승한 경우에 개방되는 안전 밸브가 형성되어 있다. 이 안전 밸브는, 상기 안전 밸브의 주위의 부분보다도 박육으로 형성된 박육부를 구비하고 있다.

그리고, 상기 안전 밸브의 박육부의 주위 부분에 있어서, 상기 케이스의 다른 부분으로부터 상기 박육부로의 열전도를 방해하는 슬릿이, 상기 박육부를 포위하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성의 밀폐형 전지는, 상기한 바와 같은 슬릿(홈부)이 안전 밸브를 구성하는 박육부를 포위하도록 하여 상기 박육부의 주위에 형성되어 있다.

이에 의해, 전지 구축시의 케이스 밀봉 처리와 같은 열의 발생을 수반하는 처리에 안전 밸브가 일부에 형성된 케이스(전형적으로는 알루미늄 등의 금속제 케이스)가 노출된 경우라도, 케이스를 전도하는 열이 안전 밸브를 구성하는 박육부에 전달되는(입열하는) 것을 방해하여, 당해 박육부에의 입열에 의해 「어닐링」이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

이 때문에, 전지 제조 프로세스에 있어서 박육부의 어닐링에 의한 연화가 억제되고, 나아가서는 밸브 개방압의 저하가 억제되어, 미리 설정된 밸브 개방압 부근에서 정상적으로 개열(개구)할 수 있는 안전 밸브를 구비한 밀폐형 전지를 제공할 수 있다.

또한, 이러한 슬릿 형성에 의해, 상기와 같은 전도열의 영향뿐만 아니라, 진동에 대한 감쇠 특성을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 여기서 개시되는 밀폐형 전지의 케이스(예를 들어 케이스를 구성하는 덮개)에 설치된 안전 밸브는, 예를 들어 초음파를 사용한 전지 제조 프로세스(예를 들어 전극체에 집전 단자를 접합하기 위해서 행해지는 초음파 용접 공정)에 있어서 당해 초음파에 의한 데미지를 억제할 수 있다. 나아가서는 초음파에 의한 열화를 방지하여 신뢰성이 높은 안전 밸브를 구비한 밀폐형 전지를 제공할 수 있다.

여기서 개시되는 밀폐형 전지로서의 바람직한 일 형태에서는, 상기 슬릿은, 상기 안전 밸브의 박육부의 주위 부분에 있어서 상기 케이스의 내면측에 형성되어 있다.

이러한 구성에 따르면, 슬릿을 형성하는 것에 의한 전지 케이스(특히 박육부 주위)의 기계적 강도의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 케이스 내압이 이상하게 상승한 바와 같은 때(즉, 안전 밸브가 밸브 개방하기 직전과 같은 상태)라도, 당해 슬릿의 부분에서 개열이 발생하는 문제를 확실하게 방지할 수 있다.

또한, 여기서 개시되는 밀폐형 전지로서의 바람직한 다른 일 형태에서는, 상기 슬릿은 상기 케이스의 표면으로부터 적어도 상기 박육부의 두께를 상회하는 깊이까지 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는, 상기 슬릿은 상기 안전 밸브의 박육부의 주위 부분에 있어서의 케이스 외면측으로부터 내면측에 이르는 두께의 10％를 상회하는 깊이(예를 들어 당해 두께의 10 내지 50％에 상당하는 깊이, 바람직하게는 당해 두께의 10 내지 30％에 상당하는 깊이)까지 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 깊이로 슬릿을 형성함으로써, 보다 효과적으로 케이스를 전도하는 전도열의 박육부에의 입열(전도)을 방지할 수 있다.

또한, 여기서 개시되는 밀폐형 전지의 특히 바람직한 일 형태에서는, 상기 박육부의 소정 방향 X의 치수 W와, 상기 박육부의 주위에 형성된 슬릿의 상기 박육부를 사이에 두고 상기 소정 방향 X에 있는 슬릿 간의 치수 Ws의 비 : Ws/W가, 1.1≤Ws/W≤2(더욱 바람직하게는 1.25≤Ws/W≤2, 특히 1.5≤Ws/W≤2, 예를 들어 1.5≤Ws/W≤1.75 정도)를 구비하도록 상기 슬릿이 상기 박육부의 주위에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 조건을 만족시키도록 슬릿을 형성함으로써, 슬릿을 형성한 것에 의해 발생하는 어닐링 발생 방지 효과와, 슬릿의 존재에 의한 전지 케이스(특히 박육부 주위)의 기계적 강도의 저하를 억제하는 것을, 고차원으로 양립시킬 수 있다.

또한, 여기서 개시되는 밀폐형 전지의 바람직한 다른 일 형태는, 상기 슬릿이 형성되어 있는 상기 안전 밸브의 박육부의 주위 부분에 있어서의 케이스 외면측으로부터 내면측에 이르는 두께가, 상기 주위 부분보다 더욱 외측의 외주 부분보다도 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 슬릿이 형성되어 있는 부근의 두께를 주위보다도 의도적으로 두껍게 함으로써, 당해 후육 부분에서의 흡열 효과를 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 슬릿에 의한 열전도의 방해 효과와의 상승 작용에 의해, 더욱 효과적으로 케이스를 전도하는 전도열의 박육부에의 입열(전도)을 방지할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명은, 여기서 개시되는 밀폐형 전지로서, 리튬 2차 전지(전형적으로는 리튬 이온 전지)를 구성하는 전지를 제공할 수 있다. 리튬 2차 전지는, 전지 케이스 내부에 있어서 가스가 발생하여 케이스 내압이 상승하기 쉬워, 본 발명을 적용하는 대상으로서 적합하다.

여기서 개시되는 밀폐형 전지는, 소정 레벨의 케이스 내압에 도달하였을 때에 고정밀도로 개방될 수 있는 구조의 안전 밸브를 구비하고 있고, 특히 자동차 등의 차량에 탑재되는 모터(전동기)용 전원으로서 적절하게 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은, 여기서 개시되는 어느 하나의 밀폐형 전지(전형적으로는 당해 밀폐형 전지 복수개가 서로 전기적으로 접속된 조전지)를 전원으로서 구비하는 차량(전형적으로는 자동차, 특히 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 연료 전지 자동차와 같은 전동기를 구비하는 자동차)을 제공한다.

도 1은 일 실시 형태에 관한 밀폐형 전지를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 일 실시 형태에 관한 전극체 및 전극 단자를 도시하는 모식적 측면도이다.
도 3은 일 실시 형태에 관한 밀폐형 전지의 안전 밸브의 구조를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시하는 안전 밸브의 평면도이다.
도 5는 도 4에서의 V-V선 단면도이다.
도 6은 안전 밸브를 모의한 형상의 시험예에서 사용한 테스트 피스의 평면도이다.
도 7은 슬릿 깊이(ds : ㎜)와 밸브 개방압 저하율(％) 및 산출 내구성 감소율(％)의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 8은 슬릿 치수(Ws : ㎜)와 박육부 온도(℃) 및 산출 내구성 잔존율(％)의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 9는 일 실시 형태에 관한 밀폐형 전지의 안전 밸브의 구조를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 밀폐형 전지를 탑재한 차량을 모식적으로 도시하는 측면도이다.

이하, 본 발명의 적합한 실시 형태를 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 명세서에 있어서 특별히 언급하고 있는 사항 이외의 사항으로서 본 발명의 실시에 필요한 사항(예를 들어 전극체의 구축 방법이나 당해 전극체를 구축하기 위해서 사용하는 재료)은, 당해 분야에 있어서의 종래 기술에 기초하는 당업자의 설계 사항으로서 파악될 수 있다. 본 발명은, 본 명세서에 개시되어 있는 내용과 당해 분야에 있어서의 기술 상식에 기초하여 실시할 수 있다.

특별히 한정하는 것을 의도한 것은 아니지만, 이하에서는 권회 타입의 전극체(이하 「권회 전극체」라고 함)와 비수 전해액을 사각형(상자형)의 케이스에 수용한 형태의 밀폐형 리튬 2차 전지(리튬 이온 전지)를 예로 들어 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서의 치수 관계(길이, 폭, 두께 등)는 실제의 치수 관계를 반영하는 것은 아니다. 또한, 동일한 작용을 발휘하는 부재ㆍ부위에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략 또는 간략화한다.

본 실시 형태에 관한 리튬 이온 전지(10)는, 도 2에 도시한 바와 같은 권회 전극체(30)가, 도시하지 않은 액상 전해질(전해액)과 함께, 도 1에 도시한 바와 같은 편평한 사각형의 전지 케이스(즉 외장 용기)(20)에 수용된 구성을 갖는다.

케이스(20)는, 일단부[본 실시 형태에 관한 전지(10)의 통상의 사용 상태에 있어서의 상측의 단부에 상당함]에 개구부를 갖는 상자형(즉 바닥이 있는 사각 통 형상)의 케이스 본체(21)와, 그 개구부에 설치되어 상기 개구부를 막는 덮개(케이스 구성 부품)(22)로 구성된다. 덮개(22)에는, 외부 접속용의 정극 단자(14) 및 부극 단자(16)가 고정되어 있다. 그들 전극 단자(14, 16)의 일단부(외측 단부)는 케이스(덮개)의 외측으로 돌출되어 있고, 타단부(내측 단부)는 전극체(30)의 정극(32) 및 부극(34)과 각각 전기적으로 접속되어 있다.

케이스(20)의 재질은, 종래의 밀폐형 전지에서 사용되는 것과 동일하면 되고, 특별히 제한은 없다. 경량이며 열전도성이 좋은 금속 재료를 주체로 구성된 케이스(20)가 바람직하고, 이와 같은 금속제 재료로서 알루미늄, 스테인리스강, 니켈 도금 강 등이 예시된다. 본 실시 형태에 관한 케이스(20)[구체적으로는 본체(21) 및 덮개(22)]는 알루미늄 혹은 알루미늄을 주체로 하는 합금에 의해 구성되어 있다.

덮개(22)의 외형은 전체적으로 대략 직사각형 판 형상이며, 그 길이 방향의 양단부에는 전극 단자(14, 16)를 관통시키는 단자 인출 구멍(도시 생략)이 형성되어 있다.

덮개(22) 중, 전극 단자(14, 16)의 사이에 위치하는 부분의 폭 방향의 중앙부에는, 케이스(20)의 내압이 소정 레벨(예를 들어 설정 밸브 개방압 0.3 내지 1.0㎫ 정도) 이상으로 상승한 경우에 상기 내압을 개방하도록 구성된 안전 밸브(40)가 형성되어 있다. 본 실시 형태에 관한 안전 밸브(40)와 그 주위의 구조, 기구에 대해서는 후술한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 권회 전극체(30)는 통상의 리튬 이온 전지의 권회 전극체와 마찬가지로, 장척 시트 형상의 정극(정극 시트)(32) 및 부극(부극 시트)(34)을 합계 2매의 장척 시트 형상의 세퍼레이터(세퍼레이터 시트)(36)와 함께 적층하여 길이 방향으로 권회하고, 계속해서 얻어진 권회체를 측면 방향으로부터 눌러 찌부러뜨림으로써 제작된다. 구체적으로는, 정극 시트(32)와 부극 시트(34)는 폭 방향으로 위치를 약간 어긋나게 하여 세퍼레이터 시트의 폭 방향의 일단부 및 타단부로부터 상기 시트(32, 34)의 폭 방향의 일단부가 각각 밀려나오도록 적층된 상태에서 권회된다. 그 결과로서, 권회 전극체(30)의 권회축 방향의 한쪽 및 다른 쪽의 단부에는, 정극 시트(32)의 폭 방향의 일단부가 권회 코어부(31)[즉 정극 시트(32)와 부극 시트(34)와 세퍼레이터 시트가 조밀하게 권회된 부분]로부터 외측으로 밀려나온 부분과, 부극 시트(34)의 폭 방향의 일단부가 권회 코어부(31)로부터 외측으로 밀려나온 부분이 각각 형성되어 있다. 상기 밀려나옴부에 전극 단자(14, 16)가 결합된다.

이러한 권회 전극체(30)를 구성하는 재료 및 부재 자체는, 종래의 리튬 이온 전지에 구비되는 전극체와 마찬가지이어도 되고, 특별히 제한은 없다. 예를 들어 정극 시트(32)는, 장척 형상의 정극 집전체(예를 들어 알루미늄박) 상에 정극 활물질층이 형성된 구성일 수 있다. 이 정극 활물질층의 형성에 사용하는 정극 활물질로서는, 종래부터 리튬 이온 전지에 사용되는 물질의 1종 또는 2종 이상을 특별히 한정없이 사용할 수 있다. 적합한 예로서, LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂ 등의 리튬 천이 금속 산화물을 들 수 있다. 부극 시트(34)는, 장척 형상의 부극 집전체(예를 들어 동박) 상에 부극 활물질층이 형성된 구성일 수 있다. 이 부극 활물질층의 형성에 사용하는 부극 활물질로서는, 종래부터 리튬 이온 전지에 사용되는 물질의 1종 또는 2종 이상을 특별히 한정없이 사용할 수 있다. 적합한 예로서, 그라파이트 카본, 아몰퍼스 카본 등의 탄소계 재료, 리튬 천이 금속 산화물, 리튬 천이 금속 질화물 등을 들 수 있다. 상기 세퍼레이터 시트의 적합한 예로서는, 다공질 폴리올레핀계 수지로 구성된 것을 들 수 있다.

액상 전해질(전해액)로서는, 종래부터 리튬 이온 전지에 사용되는 비수 전해액과 마찬가지의 것을 특별히 한정없이 사용할 수 있다. 이러한 비수 전해액은, 전형적으로는, 적당한 비수 용매에 지지염을 함유시킨 조성을 갖는다. 상기 비수 용매로서는, 예를 들어, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 1, 2-디메톡시에탄, 1, 2-디에톡시에탄, 테트라히드로푸란, 1, 3-디옥소란 등으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 또한, 상기 지지염으로서는, 예를 들어, LiPF₆, LiBF₄, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiC₄F₉SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂, LiC(CF₃SO₂)₃ 등의 리튬염을 사용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 에틸렌 카보네이트와 디에틸 카보네이트의 혼합 용매(예를 들어 질량비 1 : 1)에 LiPF₆를 약 1mol/리터의 농도로 함유시킨 전해액을 사용하고 있다. 또한, 전해액 대신에 고체 상태나 겔 상태의 전해질을 채용해도 된다.

상기와 같은 구성의 각 부재를 구비하는 리튬 이온 전지(10)를 제조하는 적합한 일 형태에 대하여 간단히 설명한다.

우선, 정부의 전극 단자(14, 16)의 외측 단부를 덮개(22)로부터 외측으로 돌출시키고, 상기 단자(14, 16)를 덮개(22)에 고정한다. 그들 단자(14, 16)의 내측 단부를, 권회 전극체(30)의 정극(32) 및 부극(34)에 접속(예를 들어 용접)함으로써, 덮개(22)와 전극체(30)를 결합한다. 그리고, 덮개(22)에 결합된 전극체(30)를 케이스 본체(21)의 개구부로부터 내부에 수납하도록 하여 상기 개구부에 덮개(22)를 씌우고, 덮개(22)와 케이스 본체(21)의 이음매를 예를 들어 레이저 용접에 의해 밀봉한다. 이러한 레이저 용접에 의한 밀봉 처리는, 종래 기술에 있어서 상술한 「어닐링」을 발생시킬 수 있는 가열을 수반하는 처리에 해당하는 전형예이다.

계속해서, 도시하지 않은 전해액 주입 구멍으로부터 케이스(20) 내에 전해액을 주입한다. 그 후, 상기 전해액 주입 구멍을 막아 케이스(20)를 밀봉한다. 이와 같이 하여 밀폐형 리튬 이온 전지(10)를 제조(구축)할 수 있다. 또한, 전지의 구축 자체는 본 발명을 특징짓는 것은 아니기 때문에, 이 이상의 상세한 설명은 생략한다. 이하, 본 실시 형태(제1 실시 형태)에 관한 안전 밸브에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3은 케이스(20)의 덮개(22)에 형성된 안전 밸브(40)의 부근을 확대하여 도시하는 사시도이다. 도 4는 안전 밸브(40)의 표면측의 형상을 도시하는 평면도이다. 또한, 도 5는 도 4 중의 V-V선 단면도이다.

이들 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 안전 밸브는 케이스(20)[여기서는 덮개(22)]의 일부에 형성되어 있고, 그 주위의 부분보다도 박육으로 형성된 박육부(42)와 상기 박육부(42)의 내부에 소정 패턴으로 형성된 파단 홈부(각인부)(50)를 구비하고 있다. 도시된 바와 같이, 박육부(42)는, 그 주위 부분에 있어서의 케이스 두께(덮개의 두께는 대략 0.5㎜ 내지 1㎜, 여기서는 약 0.8㎜)보다도 박육(대략 0.1㎜ 내지 0.3㎜의 두께, 바람직하게는 0.1㎜ 내지 0.2㎜ 정도의 두께, 여기서는 약 0.1㎜)으로 형성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 관한 박육부(42)는, 장축 방향과 단축 방향의 사이즈가 다른 가로로 긴 형상으로 형성되어 있다. 구체적으로는, 주연이 장축 방향을 따르는 한 쌍의 직선부와 상기 방향의 양단부의 반원 형상의 곡선부로 구성되는 소위 장원 형상(트랙 형상이라고도 함)이며, 박육부(42)의 중심점을 통과하는 장축 방향에서 14㎜, 동일 중심점을 통과하는 단축 방향에서 4㎜의 박육부(42)로 형성되어 있다. 박육부(42)의 전형적 형상으로서, 이러한 장원 형상을 들 수 있지만, 본 발명을 적용할 수 있는 박육부의 형상은 이러한 장원 형상에 한정되지 않는다. 예를 들어 타원 형상, 원 형상, 직사각형이나 정사각형 등의 직사각 형상을 전형예로서 들 수 있다. 직사각형이나 정사각형의 코너부가 4분의 1 원 형상과 같은 곡선으로 되어 있는 소위 라운딩 처리된 사각 형상이어도 된다.

박육부(42)에 형성되어 있는 파단 홈부(각인부)(50)는, 도 4에 도시된 바와 같이 박육부(42)의 중앙 부분에 있어서 상기 박육부(42)의 장축 방향으로 연장되는 중앙 직선 홈부(60)와, 상기 중앙 직선 홈부(60)의 장축 방향의 양측에 형성되며 또한 상기 중앙 직선 홈부(60)에 연결되는 한 쌍의 사이드 홈부(70)로 구성되어 있다. 특별히 한정하지 않지만 본 실시 형태의 파단 홈부(50)는, 밸브 개방시의 박육부(42)의 외측으로의 말려올라감이 적절하게 실현될 수 있도록, 중앙 직선 홈부(60)의 일단부 및 타단부로부터 장축 방향의 외측을 향한 Y자 형상으로 연장된 홈 형상이다. 또한, 이러한 파단 홈부(50)의 단면 형상은, 박육부(42)의 외표면에 개방되는 V자 형상이다.

파단 홈부(50)의 두께는, 전지의 형상이나 용도에 따라서 밸브 개방시키고 싶은 압력 설정이 다르기 때문에 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 중앙 직선 홈부(60)의 두께가 대략 30㎛ 내지 50㎛(예를 들어 45㎛), 사이드 홈부(70)의 두께가 대략 50㎛ 내지 100㎛(예를 들어 55㎛)인 것이 적합하다.

상기와 같은 구조의 안전 밸브(40)를 설치함으로써, 본 실시 형태에 관한 밀폐형 리튬 이온 전지(10)는, 소정 레벨 이상의 케이스 내압이 발생한 경우에 효율적으로 안전 밸브가 밸브 개방되어, 신속하게 케이스(20)의 내부에서 발생한 가스를 방출할 수 있다.

구체적으로는, 케이스 내압의 상승에 수반하여, 우선 가장 두께가 얇은 중앙 직선 홈부(60)가 파단(개열)되고, 그것을 계기로 하여 사이드 홈부(70)가 파단(개열)되고, 그것에 의해 박육부(42)가 외측으로 말려올라감으로써 밸브 개방이 행해진다. 이와 같이 밸브 개방이 행해짐으로써, 전지 케이스 내부의 가스를 방출하여 신속하게 케이스 내압을 감소시킬 수 있다.

다음으로, 박육부의 주위에 형성된 본 실시 형태에 관한 슬릿(80)에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 케이스(20)[덮개(22)]의 내면측에 있어서 박육부(42)의 주위 부분에 박육부(42)를 포위하도록 하여 슬릿(80)이 형성되어 있다. 특별히 한정하지 않지만 본 실시 형태에 있어서 슬릿의 개구부의 폭은 30㎛ 이하(예를 들어 10㎛ 내지 30㎛), 보다 바람직하게는 20㎛ 이하(예를 들어 10㎛ 내지 20㎛)로 규정되고, 슬릿 깊이는 150㎛ 내지 200㎛로 규정되어 있다. 또한, 박육부(42)를 사이에 두고 슬릿(80) 간의 치수(거리)는, 박육부(42)의 중심점을 통과하는 단축 방향(도 4 중의 상하 방향)에서 8㎜, 박육부(42)의 중심점을 통과하는 장축 방향(도 4 중의 좌우 방향)에서 18㎜이다. 따라서, 박육부(42)와 근접하는 슬릿(80) 사이의 거리(치수)는, 단축 방향에서 2㎜, 장축 방향에서 2㎜이다.

상기와 같이, 본 실시 형태의 슬릿(80)은, 케이스(20)[덮개(22)]의 표면으로부터 적어도 박육부(42)의 두께(여기서는 100㎛)를 상회하는 깊이까지 형성되어 있다.

또한, 본 실시 형태의 슬릿(80)은, 박육부(42)의 주위 부분에 있어서의 케이스 외면측으로부터 내면측에 이르는 두께(여기서는 800㎛)의 10％를 상회하는 깊이(전형적으로는 당해 두께의 10 내지 50％에 상당하는 깊이, 바람직하게는 당해 두께의 10 내지 30％에 상당하는 깊이)까지 형성되어 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서 슬릿(80)은, 상기 장원 형상 박육부(타원 형상이나 라운딩 처리된 사각 형상의 박육부이어도 됨)에 있어서, 소정 방향 X로서 단축 방향의 박육부(42)의 치수(4㎜)와, 박육부(42)를 사이에 두고 단축 방향에 있는 슬릿(80) 간의 치수(8㎜)의 비가 8/4, 즉 2이다. 또한, 소정 방향 X로서 장축 방향의 박육부(42)의 치수(14㎜)와, 박육부(42)를 사이에 두고 장축 방향에 있는 슬릿(80) 간의 치수(18㎜)의 비가 18/14, 즉 1.28이다.

이와 같은 조건으로 슬릿(80)을 박육부(42)의 주위에 형성함으로써, 상기 레이저 용접에 의한 밀봉 처리와 같은 열의 발생을 수반하는 처리에 안전 밸브(40)[박육부(42)]를 구비하는 케이스(20)가 노출된 경우라도, 당해 열이 케이스(20)를 전도하여 박육부(42)에 고레벨로 입열되는 것을 방해할 수 있다. 이에 의해, 박육부에 있어서의 어닐링의 발생을 억제하여, 미리 설정되어 있는 밸브 개방압이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 이것을 실험적으로 확인하기 위해서, 이하의 시험을 행하였다.

<시험 1>

본 실시 형태에 관한 안전 밸브를 구비하는 밀폐형 전지 대신에, 동일 형상의 안전 밸브를 구비하고 또한 그 주위에 슬릿을 형성한 도 6에 도시하는 테스트 피스(200)를 제작하였다.

즉, 두께 약 0.8㎜의 알루미늄판(210)의 일부에, 상기 실시 형태와 마찬가지의 장원 형상(트랙 형상)의 박육부(242)를 형성하였다. 박육부(242)의 두께는 100㎛, 박육부(242)의 중심점을 통과하는 장축 방향의 치수 L은 14㎜, 동일 중심점을 통과하는 단축 방향의 치수 W는 4㎜로 설정하였다. 또한, 본 시험에서는, 박육부(242)를 사이에 두고 단축 방향에 있는 슬릿(280) 간의 치수 Ws를 8㎜로 설정하고, 장축 방향에 있는 슬릿(280) 간의 치수 Ls를 18㎜로 설정하였다. 바꾸어 말하면, 장원 형상 박육부(242)의 주연으로부터 2㎜의 간격을 두고 당해 주연을 따라서 슬릿을 형성하였다.

그리고 본 시험에서는, 슬릿 깊이 ds를 0㎜(즉 슬릿을 형성하지 않음), 0.05㎜, 0.1㎜, 0.15㎜, 0.2㎜, 0.25㎜, 0.3㎜, 0.4㎜ 및 0.5㎜로 설정하여 각종 테스트 피스를 제작하였다.

계속해서, 실제의 전지 제조 프로세스에 있어서의 밀봉을 위한 용접 처리의 모의로서, 각 테스트 피스에 대하여, 박육부(242)의 주연으로부터 5㎜의 간격[즉 슬릿(280)으로부터는 약 3㎜의 간격]을 유지하면서 당해 주연을 따라서 YAG 레이저를 연속적으로 조사하였다.

이러한 레이저 처리 후, 테스트 피스에 대하여 소정의 가스압을 가하여, 레이저 처리 전의 밸브 개방압에 대하여 레이저 처리 후의 밸브 개방압 저하율(％)을 구하였다. 또한, 일반적인 CAE(Computer Aided Engineering) 해석 방법에 의해, 슬릿의 깊이의 정도가 미치는 내구성의 감소율(％: 즉 슬릿 없음의 것을 내구성 감소율 0으로 함)을 산출하였다. 결과를 도 7에 도시한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 밸브 개방압 저하율(％)은, 슬릿 깊이가 대략 0.08㎜ 이상에서 감소하기 시작하였다(그래프 중에 점선으로 나타내는 경계선 참조). 한편, 슬릿 깊이의 증대에 따라서 내구성도 감소하기 때문에, 양자의 밸런스를 고려하면, 슬릿 깊이가 대략 0.08㎜ 이상 0.4㎜ 이하가 적당하며, 0.08㎜ 이상 0.25㎜ 이하 정도가 보다 바람직하다.

<시험 2>

본 시험에서는, 시험 1과 마찬가지의 테스트 피스(200)를 제작하였다. 단, 본 시험에서는, 슬릿을 형성하는 위치를 적절히 다르게 하였다. 구체적으로는, 상기 박육부(242)의 중심점을 통과하는 단축 방향의 치수 W(4㎜)에 대하여, 박육부(242)를 사이에 두고 단축 방향에 있는 슬릿(280) 간의 치수 Ws를 4㎜(즉 슬릿 없음)로부터 12㎜까지 1㎜씩 변화시킨 각종 테스트 피스를 제작하였다. 이것을 Ws/W로 환산하면 도 8의 횡축에 기재한 바와 같이, 0(즉 슬릿 없음) 내지 3의 범위로 된다. 본 시험에서는 슬릿(280)의 깊이는 모든 테스트 피스에 있어서 0.2㎜로 설정하였다. 또한, 각 테스트 피스(200)에 있어서의 박육부(242)를 사이에 두고 장축 방향에 있는 슬릿(280) 간의 치수 Ls(또한 L은 시험 1과 동일한 14㎜)는, 각 테스트 피스(200)에 있어서의 Ws/W에 대응하여 설정하였다. 즉, 박육부(242)의 전체 둘레에 걸쳐 상기 박육부(242)의 주연과 슬릿(280) 사이의 거리가 대략 동일하게 되도록, 박육부(242)의 외주를 따라서 박육부(242)를 포위하도록 슬릿(280)을 형성하였다.

계속해서, 시험 1과 마찬가지로, 실제의 전지 제조 프로세스에 있어서의 밀봉을 위한 용접 처리의 모의로서, 각 테스트 피스에 대하여, 박육부(242)의 주연으로부터 5㎜의 간격을 유지하면서 당해 주연을 따라서 YAG 레이저를 연속적으로 조사하였다.

이러한 레이저 처리 후, 각 테스트 피스의 박육부(242)의 온도(℃)를 측정하였다. 또한, 일반적인 CAE 해석 방법에 의해, 슬릿 치수 Ws의 변화(즉 Ws/W의 변화)가 미치는 내구성의 잔존율(％: 즉 슬릿 없음의 것을 내구성 잔존율 100％로 함)을 산출하였다. 결과를 도 8에 도시한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 박육부 온도(℃)는, 슬릿 치수 Ws가 8㎜(Ws/W=2)까지는 감소가 보여, 슬릿을 형성한 효과가 인정된다. 그러나 슬릿 치수 Ws가 8㎜를 초과해 가면, 온도 저하가 인정되지 않게 된다. 특별히 한정하는 것은 아니지만, 그 이유로서 Ws/W비가 지나치게 커지면, 슬릿 외측의 히트 매스가 저하되고, 테스트 피스 전체의 온도가 상승하여, 효과가 오르지 않게 된 것을 들 수 있다. 내구성의 저하 정도도 고려하면, Ws/W는, 1.25≤Ws/W≤2, 특히 1.5≤Ws/W≤2, 예를 들어 1.5≤Ws/W≤1.75 정도가 바람직하다.

이상, 제1 실시 형태의 안전 밸브와 슬릿을 구비하는 전지에 대하여 설명하였지만, 본 발명을 상술한 실시 형태의 전지에 한정하는 것을 의도한 것은 아니며, 본 발명의 목적을 실현할 수 있는 다양한 변경예가 본 발명의 기술적 범위에 포함될 수 있다. 예를 들어 제2 실시 형태로서 도 9에 도시하는 단면 구조의 형태를 들 수 있다.

도 9에 도시한 실시 형태에서는, 슬릿(180)이 형성되어 있는 안전 밸브(140)[박육부(142)]의 주위 부분(123)에 있어서의 케이스(120)[덮개(122)]의 외면측으로부터 내면측에 이르는 두께가, 상기 주위 부분보다 더욱 외측의 외주 부분(124)보다도 두껍게 형성되어 있다. 이 형태와 같이, 슬릿(180)이 형성되어 있는 부근의 두께를 주위보다도 의도적으로 두껍게 함으로써, 당해 후육 부분(123)에서의 흡열 효과를 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 슬릿(180)에 의한 열전도의 방해 효과와의 상승 작용에 의해, 더욱 효과적으로 케이스(120)를 전도하는 전도열의 박육부(142)에의 입열(전도)을 방지할 수 있다. 또한, 도 9에 도시하지 않은 부분은 제1 실시 형태의 전지와 마찬가지이기 때문에 중복 설명은 생략한다.

이상, 본 발명을 적합한 실시 형태에 의해 설명하였지만, 이러한 기술은 한정 사항은 아니며, 물론, 다양한 개변이 가능하다. 예를 들어, 전지의 종류는 상술한 리튬 이온 전지에 한정되지 않고, 전극체 구성 재료나 전해질이 다른 다양한 내용의 전지, 예를 들어 리튬 금속이나 리튬 합금을 부극으로 하는 리튬 2차 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지이어도 된다.

또한, 여기서 개시되는 밀폐형 전지는, 안전 밸브의 박육부의 열에 의한 어닐링 발생을 방지하여, 설정 밸브 개방압 부근에서 고정밀도로 밸브 개방이 실현되기 때문에, 특히 자동차 등의 차량에 탑재되는 모터(전동기)용 전원으로서 적절하게 사용될 수 있다. 따라서, 도 10에 모식적으로 도시한 바와 같이, 밀폐형 전지(10)[전형적으로는 당해 전지(10)를 복수 전기적으로 접속하여 형성되는 조전지]를 전원으로서 구비하는 차량(전형적으로는 자동차, 특히 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등과 같은 전동기를 구비하는 자동차)(100)을 제공한다.

본 발명에 관한 전지(10)는, 안전 밸브(40)의 박육부(42)의 주위 부분에 있어서, 케이스(20)의 다른 부분으로부터 상기 박육부(42)로의 열전도를 방해하는 슬릿(80)이, 상기 박육부(42)를 포위하도록 형성되어 있다. 이에 의해, 전지(10)의 제조 프로세스에 있어서 박육부(42)의 어닐링에 의한 연화가 억제되고, 나아가서는 밸브 개방압의 저하가 억제되어, 미리 설정된 밸브 개방압 부근에서 정상적으로 개열(개구)할 수 있는 안전 밸브(40)를 구비한 밀폐형 전지(10)를 제공할 수 있다. 이러한 특성에 의해, 본 발명에 관한 전지(10)는, 특히 자동차 등의 차량에 탑재되는 모터(전동기)용 전원으로서 적절하게 사용할 수 있다.

Claims (8)

1. 정극 및 부극을 구성하는 전극체와, 전해질과, 상기 전극체 및 전해질을 수용하는 밀폐된 케이스를 구비하는 밀폐형 전지이며,
   상기 케이스의 일부에는, 상기 케이스의 내압이 소정 레벨 이상으로 상승한 경우에 개방되는 안전 밸브가 형성되어 있고,
   상기 안전 밸브는, 상기 안전 밸브의 주위의 부분보다도 박육인 박육부이며 상기 케이스의 일부가 박육화됨으로써 형성된 박육부를 구비하고 있고,
   여기서 상기 안전 밸브의 박육부는 상기 케이스의 내면측에 형성되어 있음과 동시에, 상기 케이스의 내면측에 형성된 박육부의 주위 부분에 있어서, 상기 케이스의 다른 부분으로부터 상기 박육부로의 열전도를 방해하는 슬릿이 상기 박육부를 포위하도록 상기 케이스의 내면측의 표면으로부터 적어도 상기 박육부의 두께를 상회하는 깊이까지 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 밀폐형 전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 슬릿은, 상기 안전 밸브의 박육부의 주위 부분에 있어서의 케이스 외면측으로부터 내면측에 이르는 두께의 10％를 상회하는 깊이까지 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 밀폐형 전지.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 박육부의 소정 방향 X의 치수 W와, 상기 박육부의 주위에 형성된 슬릿의 상기 박육부를 사이에 두고 상기 소정 방향 X에 있는 슬릿 간의 치수 Ws의 비 : Ws/W가,
   1.1≤Ws/W≤2
   를 구비하도록 상기 슬릿이 상기 박육부의 주위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 밀폐형 전지.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 슬릿이 형성되어 있는 상기 안전 밸브의 박육부의 주위 부분에 있어서의 케이스 외면측으로부터 내면측에 이르는 두께는, 상기 주위 부분보다 더욱 외측의 외주 부분보다도 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 밀폐형 전지.
7. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   리튬 2차 전지를 구성하는 것을 특징으로 하는, 밀폐형 전지.
8. 제1항 또는 제4항에 기재된 밀폐형 전지를 구비하는, 차량.

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