KR101340659B1 - 배출구 폐쇄 시일 및 조립체 - Google Patents

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Abstract

전기화학적 배터리 전지에 사용하도록 된 폐쇄 조립체와 파열 가능한 배출 시일이 개시되어 있다. 배출 시일은 주름 또는 오버랩하는 절곡된 부분이 없이 배출 부재의 적절한 밀봉을 보장하도록 절곡될 수 있는 일련의 주변 돌기를 포함한다. 본 발명을 달성하는 방법이 또한 예상된다.

Description

배출구 폐쇄 시일 및 조립체{CLOSURE VENT SEAL AND ASSEMBLY}
본 발명은 전기화학적 전지용 폐쇄 조립체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 파열 가능한 배출구 시일과 비수성 전기화학적 전지에 사용하기에 적합한 장치에 관한 것이다.
전자 장비용 전원으로서 사용되는 배터리는 다량의 에너지를 저장하는 것이 요구된다. 그러한 배터리는 하나 이상의 전기화학적 전지를 포함할 수 있다. 각 전지 내의 압력은 내부 온도의 변화, 방전 중에 전극의 내부 용적의 증가 및/또는 전지의 충전(이차 배터리의 경우) 및/또는 전지의 방전 중에 발생되는 가스로 인해 증가할 수 있다. 따라서, 배터리는 통상적으로 내부 압력의 생성을 제한하도록 셀로부터 가스를 방출 또는 배출시키기 위한 메카니즘을 포함한다.
몇몇의 전기화학적 배터리 전지 구조는 단부가 개방된 용기와, 이 용기의 개방 단부에 배치되어 전기화학적 배터리 전지를 폐쇄하는 컬렉터 조립체를 구비한다. 그러한 경우에, 컬렉터 조립체(또한, 헤더 조립체라고도 함)는 일반적으로 과도한 압력을 방출하는 안전용 압력 방출 배출 메카니즘을 포함한다.
비수성 전해질을 갖는 일차 및 이차 전기화학적 전지, 예컨대 리튬 금속과 리튬 삽입 재료를 포함하는 전극을 구비한 전지는 일반적으로 내부 압력을 매우 신 속하게 감소시킬 수 있는 기체 투과 및 압력 경감 배출구를 최소화하도록 박벽의 플라스틱 밀봉 부재가 있는 컬렉터 조립체를 구비한다. 부식성의 수성 전해질 용액과 관련된 논쟁은 비교적 잘 증명되어 있지만, 그러한 전지에 이용되는 특정한 화학 작용에 의해 요구되는 다양한 비수성 전해질 및 염의 다양성, 휘발성 및 반응성은 재료, 디자인 명세 등의 관점에서 전지 설계자에게 독특한 세트의 도전을 제기하고 있다.
다양한 컬렉터 조립체와 압력 방출 배출구 설계가 전기화학적 전지에 사용되었다. 예컨대, 재충전 가능한 수성 전해질 전지, 예컨대 니켈-카드뮴 및 니켈-금속 수소화물 전지에서 재밀봉 가능한 압력 경감 배출구를 볼 수 있다. 일차(재충전 불가능) 수성 전지, 예컨대 알카리 아연-망간 이산화물 전지는 내부 압력이 예정된 한계값을 초과했을 때에 파열될 수 있는 약화부를 포함하는 비교적 큰 표면적의 플라스틱 시일이 있는 컬렉터 조립체를 사용하였다.
도 1은 종래 기술의 전형적인 전기화학적 배터리 전지(100)의 상부의 단면도를 도시하고 있다. 전기화학적 배터리 전지(100)는 하우징(102)을 포함하고, 이 하우징은 용기(104)의 상부와 하부를 분리하는 비드(107)를 갖는 용기(104)와, 컬렉터 조립체(106)에 의해 폐쇄되는 개방 단부를 포함한다. 컬렉터 조립체(106)는 용기(104)의 개방 단부를 위한 폐쇄 메카니즘으로서 작용하고, 하나 이상의 배출홀(130)이 있는 양극 접촉 단자(116)와, 가스켓(124)과, 정온도계수(PTC; positive temperature coefficient) 장치(126)와, 전지 커버(144)와, 부싱(146)과, 배출 볼(148)과, 용기(104)의 하부에 있는 전극 조립체(도시 생략)로부터 연장되는 전류 컬렉터(136)와 물리적으로 접촉하는 접촉 스프링(122)을 포함한다. 다른 점에서, 전류 컬렉터(136)는 절연체(138)에 의해 용기(104)로부터 물리적으로 분리되어 있다. 전지 커버(144)는 전기화학적 배터리 전지(100) 내측의 양극 접촉 단자(116)로부터 멀어지게 하방을 향해 돌출하는 배출 통로(150)를 갖는다. 배출 통로(150) 내에는 배출 구멍(152)이 형성되고, 이 배출 구멍은 부싱(146)이 배출 볼(148)과 배출 통로(150)의 수직벽 사이에서 압착되도록 배출 통로(150) 내에 안착될 때에 배출 볼(148)과 배출 부싱(146)에 의해 밀봉된다. 전기화학적 배터리 전지(100)의 내부 압력이 예정된 수준을 초과한 경우에, 배출 볼(148), 몇몇의 경우에는 부싱(146)과 배출 볼(148) 양자가 배출 구멍(152)으로부터 그리고 적어도 부분적으로 배출 통로(150) 밖으로 밀려나 전기화학적 배터리 전지(100)의 배출 홀(130)과 배출 구멍(152)을 통해 압축 가스를 방출시킨다.
종래의 컬렉터 조립체와 압력 방출 배출구의 설계의 다른 예는, 미국 특허 제4,963,446호(1990년 10월 16일자로 Roels 등에게 허여됨), 제5,015,542호(1991년 5월 14일자로 Chaney, Jr. 등에게 허여됨), 제5,156,930호(1992년 10월 20일자로 Daio 등에게 허여됨), 제5,609,972호(1997년 5월 11일자로 Kaschmitter 등에게 허여됨), 제5,677,076호(1997년 10월 14일자로 Sato 등에게 허여됨), 제5,741,606호(1998년 4월 21일자로 Mayer 등에게 허여됨) 및 제5,766,790호(1998년 6월 16일자로 Kameishi 등에게 허여됨)에서 찾을 수 있다. 이들 예들은 각각 활성 성분을 위한 전지 내의 내부 용적을 제한하는 큰 컬렉터 조립체 용적 또는 치수 제약을 갖거나 전지의 비용을 비싸게 하거나 제조를 어렵게 하는 다수의 구성요소들을 갖고 있다. 사실상, 당분야에서의 대부분의 컬렉터 및 폐쇄 조립체는 전지의 높이와 관련하여(보다 구체적으로는, 축방향 높이와 관련하여 원통형 전지에서) 상당량의 공간을 필요로 함으로써, 전지 내에 봉입될 수 있는 전기화학적 반응 물질의 전체 양을 감소시킨다. 또한, 다수의 및/또는 비교적 대형의 가스켓에 대한 의존은 가스켓 재료의 기체 투과 특성 때문에 전해질을 보유하는 전지의 능력을 더욱 제한할 수 있다.
시판중인 일차 전지의 대부분은 표준 치수의 용기(예컨대, "AA" 크기 또는 ANSI 명명법에 따라 R3 크기의 용기)를 가져야 하기 때문에, 전기화학적 반응 물질을 전지 내에 용량적으로 최대화하는 능력은, 특히 많은 소형 표준 크기의 용기(예컨대, "AAA" 크기 또는 ANSI 명명법에 따라 R3 크기의 용기)와 관련하여 극히 중요하다. 더욱이, 용적 문제는 리튬 전극을 통합한 전기화학적 시스템과 관련이 있는데, 그 이유는 많은 리튬 기반 시스템(구체적으로, 1.5V 플랫폼을 채택한 시스템)은 방전 중에 팽창하는 경향이 있기 때문이다.
특히 프로파일(즉, 원통형 전지에서 필요로 하는 축방향 높이의 크기)과 관련하여 폐쇄 조립체의 용적을 감소시킴으로써 용적 용량을 최대화하려는 희망에도 불구하고, 전지 폐쇄 시스템은 부식에 손상되지 않고 방전 전후에 전지 내에 수용되는 임의의 휘발성 전해질이나 다른 유체의 기체 투과 및/또는 누출을 신뢰성 있게 방지하는 오래가는 시일을 여전히 제공해야 한다. 용적 용량이 표준 전지 크기에서 감소할 때에, 기체가 투과될 수 있는 표면적(즉, 헤더 조립체)보다 전체 전지의 잠재적인 용적 및 중량이 보다 크게 감소하기 때문에 소형의 표준 전지 크기(예 컨대, R3 및/또는 "AAAA" 크기 또는 ANSI 명명법에 따라 특히 R61 크기 전지)에서 중량 손실 문제는 훨씬 더 중요하다.
전지 폐쇄 시스템은 또한 전지의 파국적인 고장을 방지하도록 방전 중에 휘발성 유체의 비상 배출이 가능해야 한다. 배출 메카니즘이 없으면, 전지는 방전 중에 부풀거나 누출되거나 분리될 수 있다.
본 발명의 한가지 목적은 이전에 공지된 시스템에 의해 제공되는 수명 또는 안전 중 어떠한 것도 포기하는 일 없이 전지의 용적 용량을 최적화시키는 전지 폐쇄 조립체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 특히 특정한 라미네이트 포일 및/또는 열로 활성화되는 밀봉 재료/공정과 관련하여, 부품을 제거하거나 제조 단계를 줄임으로써 제조 절차를 간소화시키는 표준 전지 크기에 통합될 수 있는 배출구 시일을 제공하는 것이다. 본 발명은 특히 비수성 전지 및 특히 일차 비수성 전지, 예컨대 리튬-철 이황화물계 시스템과 관련하여, 광범위한 온도 범위에 걸쳐서 작동할 수 있는 전기화학적 전지 시스템에 특별한 응용성을 갖는 것으로 예상된다. 그러나, 전술한 목적들은 단순히 예시적이고, 당업자라면 수많은 이점과 이하의 실시예 설명에 따라 통합될 수 있는 변경예 및 모든 다양한 파생물과 그 등가물을 쉽게 알 것이다. 이들 모두는 본 개시의 일부로서 생각되는 것이 명백하다.
제1 실시예에서, 전기화학적 전지 용기용의 배출구 폐쇄 시일이 제공된다. 폐쇄구는 전지용의 파열 가능한 시일로서 기능하게 하는 방식으로 형성되는 면형 부재를 포함한다. 상기 면형 부재는 또한 그 주변을 따라 형성되는 하나 이상의 돌출부를 갖고, 상기 돌출부는 주변을 따라 돌출하지 않은 부분을 지나서 반경 방향으로 연장된다.
다른 실시예에 있어서, 전기화학적 전지를 제조 및 밀봉하는 방법이 예상된다. 여기서, 주변에 돌출부를 갖는 파열 가능한 배출 부재와, 내부 헤더 링과, 전지 용기가 마련된다. 이어서, 배출 부재를 주름지지 않게 하면서 내부 헤더 링을 따라 배출 부재의 돌출부를 크림프하여 전지 폐쇄구가 형성되고, 다음에 전지 폐쇄구를 결합하고 전지 용기에 밀봉하여 용기와 전지 전극들 중 하나 사이에 전기 접촉을 생성함으로써, 전기화학적 전지를 형성한다.
또 다른 실시예는 헤더 조립체(바람직하게는 2 부품을 가짐)와, 배출/헤더 조립체의 외주부를 지나서 반경 방향으로 연장되는 다수의 돌출부를 제외하고 헤더 조립체와 동일한 형태를 갖는 파열 가능한 배출 부재가 마련되는 전기화학적 전지를 제조 및 밀봉하는 방법을 포함한다. 여기서, 돌출부는 전지 폐쇄구를 형성하도록 헤더 조립체 둘레에서 또는 헤더 조립체와 사이에서 크림프되어, 돌출부 중 어떤 것도 크림프된 후에 오버랩하지 않으며, 이어서 폐쇄구는 전지 용기 내에 전기화학적 전지의 구성요소들(예컫내, 애노드, 캐소드, 전해질)을 밀봉하는 데에 사용된다.
다른 실시예는 폐쇄 컵과, 정해진 주변 형태를 갖는 전기 접촉 메카니즘과, 폐쇄 컵의 형태와 상이한 주변 형태를 갖는 파열 가능한 배출 부재를 갖는 전기화학적 전지 용기용의 배출구 폐쇄 시일 조립체에 관한 것이다. 특히, 배출 부재는 폐쇄 컵과 전기 접촉 메카니즘 사이에 고정되고, 배출 부재의 주변 형태의 직경은 전기 접촉 메카니즘의 공통 중앙 지점과 교차하는 소정의 평면축을 따라 전기 접촉 메카니즘의 대응하는 직경과 동일하거나, 적어도 하나의 경우에 대응하는 직경보다 커야 한다.
또 다른 실시예는 전기화학적 반응 가스의 예정된 압력에 노출되었을 때에 선택적으로 파열되는 재료로 구성되는 원형 디스크를 포함하는 전기화학적 전지 용기용의 배출구 폐쇄 시일이 예상된다. 디스크는 또한 원주를 따라 통합되고 원형 디스크로부터 반경 방향 외측을 향해 연장되는 적어도 하나의 돌기를 구비한다.
본 발명은 이하의 도면을 참조하여 이해할 수 있다. 도면의 구성요소들은 반드시 실척은 아니다. 또한, 도면에서, 동일한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐서 대응하는 부품들을 지시한다.
도 1은 종래 기술의 전기화학적 배터리 전지의 상부의 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학적 배터리 전지의 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤더 조립체의 단면도.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 헤더 조립체의 단면도.
도 5는 기체 투과율(VTR) 시험에 사용되는 시험 멤브레인의 단면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배출 부재의 평면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 전기화학적 배터리 전지(200)를 도시하고 있다. 본 발명의 전기화학적 배터리 전지(200)는 용기(204)와 컬렉터 조 립체(206)를 포함하는 하우징(202)을 구비한다. 용기(204)는 바닥이 폐쇄되어 있고 개방된 상부는 컬렉터 조립체(206)에 의해 폐쇄된다. 용기(204)는 또한 용기(204)의 상부와 하부를 분리하는 비드(207)를 구비한다. 용기(204)의 하부 내에는 음극 또는 애노드(210)와, 양극 또는 캐소드(212)와, 애노드(210)와 캐소드(212) 사이에 배치된 분리막(214)을 포함하는 전극 조립체(208)가 배치된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 애노드(210), 캐소드(212) 및 분리막(214)은 각각 "젤리롤" 구조로서도 알려진 나선형으로 함께 권취되는 얇은 시트들이다. 전기화학적 배터리 전지(200)는 원통형이지만, 당업자라면 본 발명의 변경예들이 또한 다른 형태의 전지와 전극을 포함할 수 있다는 것을 알 것이다. 용기(204)는 용기의 개방 단부에 대한 배출 부재의 형태에 관한 교시가 이어진다면 단부가 개방된 용기를 위한 여러 기하학적 형태들 중 하나(예컨대, 주상(柱狀) 및 장방형)일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 단부가 개방된 원통형 전지의 밀봉이 시일을 생성하는 데에 필요한 반경 방향 힘 및 축방향 힘과 관련하여 독특한 도전 과제를 제공하는 한, 배출 부재(220)를 통합하는 컬렉터 조립체(206)는 원통형 용기에 특정한 용례를 갖는 것이 예상된다.
전기화학적 배터리 전지가 리튬 전기화학적 배터리 전지이면, 애노드(210)는 리튬 금속이나 합금된 리튬 금속을 포함하고, 시트 또는 포일의 형태로 있을 수 있다. 리튬 전지용 캐소드(212)는 일반적으로 특별한 형태의 하나 이상의 활성 물질을 포함할 수 있다. 임의의 적절한 캐소드 활성 물질이 사용될 수 있고, 예컨대 FeS2, MnO2, CFx 및 (CF)n을 포함할 수 있다. 적절한 분리막 재료는 전기적으로 비도전성이지만 전해질에 대해 이온 투과성을 갖는다. 리튬 전기화학적 배터리 전지에 사용되는 전해질은 일반적으로 보다 부식성을 갖고 알카리 또는 수성 전지에 널리 사용되는 많은 물질들과 양립하지 않는 경향이 있는 유기 용매 뿐만 아니라 대응하는 염 및/또는 공용매(co-solvent)를 포함한다. 애노드(210), 캐소드(212), 분리막(214) 및 리튬의 전해질 뿐만 아니라 다양한 다른 전기화학적 배터리 전지에 사용되는 재료 합성물에 관한 추가적인 상세 내용을 후술하지만, 본 명세서에 참조로서 모두 합체되는 미국 특허 제5,290,414호, 제5,514,491호 및 제6,849,360호에서도 추가 정보를 찾을 수 있다.
용기(204)는 폐쇄된 바닥이 일체형인 금속 캔일 수 있지만, 초기에 양단부가 개방되어 있는 금속 튜브를 사용할 수도 있다. 전지 용기(204)는 부식으로부터 용기(204)의 외측을 보호하거나 원하는 외양을 제공하도록 적어도 외측이, 예컨대 니켈에 의해 선택적으로 도금된 강일 수 있다. 또한, 강의 타입은 용기(204)가 형성되는 방식에 따라 부분적으로 결정될 수 있다. 예컨대, 드로잉 공정을 이용하여 제조되는 용기는 확산 어닐링되고 알루미늄 킬링된 저탄소 SAE 1006 또는 등가의 강으로 제조될 수 있고, 결정립 크기는 ASTM 9 내지 11이며 약간 긴 결정립 형태로 등축에 있다. 다른 강이 특정한 요구를 충족시키도록 사용될 수 있다. 예컨대, 용기(204)가 캐소드(212)와 전기 접촉하는 전기화학적 배터리 전지(200)의 경우에, 전지의 개방 회로 전압은 약 3 볼트 이상이거나 전지가 재충전될 수 있으며, 강보 다 내부식성이 강한 용기 재료가 요망될 수 있다. 그러한 재료로는 스테인레스강, 니켈 도금된 스테인레스강, 니켈 피복 또는 니켈 도금된 스테인레스강, 알루미늄 및 이들의 합금을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
하우징(202)의 상부에 배치되는 컬렉터 조립체(206)는 양극 접촉 단자(216)와, 개구를 획정하는 리테이너(218)와, 압력 방출 배출 부재(220)와, 개구를 획정하는 접촉 스프링(222)과, 이들 구성요소들과 용기(204) 사이에 위치하는 가스켓(224)을 포함할 수 있다. 컬렉터 조립체(206)는 선택적으로 개구를 획정하고 리테이너(218)와 양극 접촉 단자(216) 사이에 배치되는 정온도계수(PTC) 장치(226)를 포함할 수 있다. 용기(204) 위로 돌출하는 양극 접촉 단자(216)는 용기(204)의 내측을 향해 크림프 가공된 상부 에지(228)와 가스켓(224)에 의해 적소에 유지된다.
전극 조립체(208)의 캐소드(212)는 접촉 스프링(222)에 의해 컬렉터 조립체(206)에 전기적으로 연결된다. 접촉 스프링(222)은 전극 조립체(208)의 상부에 배치된 전류 컬렉터(236)의 상부 에지에 대해 편향된 적어도 하나의 탭(234)을 가질 수 있다. 전류 컬렉터(236)는 전기 도전성 기판, 예컨대 금속 기판이고, 그 위에는 캐소드 물질이 배치되며, 이 캐소드 물질과 분리막(214)을 지나서 연장된다. 전류 컬렉터(236)는 전지 내측에서 안정적이고 전지 내부에 배치된 물질들과 양립하는 한 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 다른 금속으로 제조될 수 있다. 전류 컬렉터(236)는 얇은 시트, 포일, 스크린 또는 확장된 금속의 형태일 수 있다. 접촉 스프링(222)은 바람직하게는 스프링과 같은 특성을 갖는 하나 이상의 도전성 재료(예컨대, 형상 기억 합금 또는 바이메탈 재료)로 제조될 수 있지만, 전지 내부와 충분한 전기 접촉을 하게 하고 그 접촉을 유지하는 임의의 실시도 충분할 것이다.
컬렉터 조립체(206)가 조립 중에 용기(204) 내에 배치되면, 전류 컬렉터(236)는 압박을 위해 탄성적인 구성을 갖는 접촉 스프링(222)의 탭(234)에 대해 압박될 수 있다. 이는 탭(234)과 전류 컬렉터(236) 간의 확실한 접촉에 일조한다. 접촉 스프링(222)은 전류 컬렉터(236)와 접촉하기 위해 2개 이상의 탭(234)을 구비할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 탭(234)과 전류 컬렉터 사이의 전기 접촉은 전류 컬렉터(236)에 대해 탭(234)에 의해 가해지는 스프링과 같은 힘에 의해 유지된다. 다른 실시예에 있어서, 탭(234)은 전류 컬렉터(236)에 용접될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 탭(234)은 이 탭(234)과 전류 컬렉터(236) 양자에 용접되는 좁은 금속 스트립 또는 와이어와 같은 전기 도전성 도선을 이용하여 전류 컬렉터(236)에 연결된다. 용접 결합은 특히 과격한 취급, 보관 및 사용 조건에서 때때로 보다 신뢰성이 있지만, 압력 결합은 추가 조립 작업 및 장비를 필요로 하지 않는다.
애노드(210)는 금속 애노드 도선(도시 생략)에 의해 용기(204)의 내표면에 전기적으로 연결되고, 다른 점에서 전극 조립체(208)는 분리막(214)의 외측 덮개와 전극 조립체(208)의 상부 주변부 둘레에 배치되는 절연체(238)에 의해 용기(204)로부터 물리적으로 분리되어 전류 컬렉터(236)가 용기(204)와 접촉하는 것을 방지한다. 캐소드(212)의 하부 에지와 용기(204)의 바닥 간의 접촉은 분리막(214)의 내측을 향해 절곡된 연장부와 용기(204)의 바닥에 위치하는 전기 절연 바닥 디스크(도시 생략)에 의해 방지된다.
전기화학적 배터리 전지(200)의 정상적인 작동 중에, 전기 장치(도시 생략)는 일단부에 있는 컬렉터 조립체(206)의 양극 접촉 단자(216) 및 용기(204)의 폐쇄 단부에 있는 음극 접촉 단자와 접촉할 수 있다. 따라서, 음극 단자 또는 용기(204)로부터 애노드 도선, 전극 조립체(208), 전류 컬렉터(236)를 통해 컬렉터 조립체(206)까지 도전성 경로가 달성된다. 컬렉터 조립체(206)를 통한 전류 경로는 접촉 스프링(222)의 탭(234)을 통해 리테이너(218)를 가로질러 압력 방출 배출 부재(220)를 돌아서 양극 접촉 단자(216)까지이다. 리테이너(218)는 하나 이상의 도전성 물질, 예컨대, 금속, 바이메탈 및 3층 중첩 물질로 제조될 수 있다. 예컨대, 리테이너(218)는 니켈 도금강, 니켈 도금된 스테인레스강, 니켈 피복된 강, 니켈 피복된 스테인레스강 및/또는 강, 스테인레스강, 구리, 알루미늄, 니켈 및 이들의 합금의 임의의 조합 등의 금속일 수 있다.
양극 접촉 단자(216)는 대기 환경에서 물에 의한 부식에 대해 우수한 내성을 가질 뿐만 아니라 우수한 전기 도전성을 가져야 한다. 양극 접촉 단자(216)는 니켈 도금된 냉간 압연강, 니켈 도금된 냉간 압연 스테인레스강, 접촉 단자가 형성된 후에 니켈 도금된 강, 알루미늄, 구리 등의 도전성 재료로 제조될 수 있다. 또한 사용되는 재료는 양극 접촉 단자(216)의 형태의 복잡성에 따라 결정될 수 있다. 양극 접촉 단자(216)가 복잡한 형태를 갖는다면, 예컨대 용이한 금속 성형으로 원하는 내부식성을 제공하도록 결정립 크기가 ASTM 8 내지 9이고 연화 어닐링된 타입 304의 스테인레스강이 사용될 수 있다. 일단 형성되면, 양극 접촉 단자(216)는 또한 다양한 금속, 예컨대 니켈, 알루미늄, 구리, 합금 등으로 도금 또는 피복될 수 있다.
가스켓(224)은 용기(204)의 상부에 대하여 컬렉터 조립체(206)에 시일을 제공한다. 가스켓(224)은 전류 컬렉터(236)를 비드(207) 아래의 용기(204)의 하부로부터 물리적으로 분리시키는 절연체(238)로부터 용기(204)의 상부의 에지(228)까지 연장될 수 있다. 용기(204)의 상부 윤곽은 컬렉터 조립체(206)에 밀봉면(240)을 제공하는 비드(207)를 포함한다. 가스켓(224)은 컬렉터 조립체(206)의 도전성 구성요소들을 용기(204)의 상부로부터 물리적으로 분리시키고 또한 컬렉터 조립체(206)의 구성요소들의 주변 에지를 밀봉하여 이들 구성요소들 사이에서 전해질의 누출과 부식을 방지한다. 가스켓(224)의 크기는 용기(204) 내로 컬렉터 조립체(206)의 삽입 및 용기(204)의 상부 에지(228)와 가스켓(224)의 크림핑 시에, 가스켓(224)이 압착되어 가스켓(224)과 용기(204) 사이 뿐만 아니라 가스켓(224)과 컬렉터 조립체(206)의 다른 구성요소들의 계면 사이에 시일을 생성하도록 정해진다.
가스켓(224)은 압착 시일을 형성할 수 있고 전지 내로 물의 진입과 전기화학적 배터리 전지(200)로부터 전해질의 손실을 최소화하도록 기체 투과율(VTR)이 낮은 재료 합성물로 제조될 수 있다. 가스켓(224)은 폴리머 합성물, 예컨대 열가소성 또는 열경화성 폴리머로 제조될 수 있고, 그 합성물은 부분적으로 전기화학적 배터리 전지(200)에 사용되는 애노드(210), 캐소드(212) 및 전해질의 화학적 양립성을 기초로 한다. 비수성 전지, 예컨대 리튬 또는 리튬 이온 전지용 가스켓(224)에 사용될 수 있는 재료의 예로는 폴리프로필렌, 폴리페닐렌 설파이드, 테트라플루 오라드-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 코폴리머, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌, 폴리프탈아미드 및 그 혼합물을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다. 사용될 수 있는 적절한 폴리프로필렌으로는 미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 Basell Polyolephins에서 시판하는 PRO-FAX®6524가 있다. 적절한 폴리페닐렌 설파이드는 미국 텍사스주 샤이너 소재의 Boedeker Plastics, Inc.로부터 TECHTRON®PPS로서 입수할 수 있다. 적절한 폴리프탈아미드는 조지아주 알파레타 소재의 Solvay Advanced Polymer of Alpharetta로부터 Amodel®ET 1001L로서 입수할 수 있다. 폴리머는 또한 유리 섬유 등과 같은 베이스 수지 외에 강화용 무기 충전제 및 유기 화합물을 포함할 수 있다.
전기화학적 배터리 전지(200)의 압력 방출 채널(242)은 리테이너(218)의 개구와 접촉 스프링(222)의 개구에 의해 형성된다. 전기화학적 배터리 전지(200)와 압력 방출 채널(242)의 폐쇄는 리테이너(218)의 개구와 접촉 스프링(222)의 개구를 가로질러 배치되는 압력 방출 배출 부재(220)에 의해 완성된다. 압력 방출 배출 부재(220)의 주변부와 리테이너(218) 및 접촉 스프링(222) 중 적어도 하나 사이에 시일이 형성된다. 이 시일은 계면에서 타이트한 압력 접촉의 결과일 수 있고, 몇몇 실시예에서 압력 방출 배출 부재(220)의 주변부의 압착에 의해 강화된다. 선택적으로, 후술하는 바와 같이, 계면에 접착제 또는 밀봉제가 도포될 수 있다. 리테이너(218) 또는 접촉 스프링(222) 중 적어도 하나의 주변부는 또한 용기(204)의 상부 에지와 가스켓(224)이 크림프 가공된 경우에 가스켓(224)과 컬렉터 조립체(206)의 다른 구성요소들의 주변부 상에 위치하는 축방향 힘의 결과로서 밀봉 계면에 대 해 압력 방출 배출 부재(220)의 주변부를 편향시키는 역할을 할 수 있다.
전기화학적 배터리 전지(200)의 정상적인 작동 중에, 화학적 반응을 통해 전지 내에 가스가 발생되고, 특정한 상황에서는 온도 등의 환경 조건으로 인해 가스가 발생되거나 증가된다. 전기화학적 배터리 전지(200) 내에 내부 압력이 생성하기 때문에, 내용물들은 압력 방출 배출 부재(220)에 의해 전기화학적 배터리 전지(200) 내에 실질적으로 수용된다. 내부 압력이 생성하기 때문에, 압력 방출 배출 부재(220)가 변형될 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 컬렉터 조립체(206) 상의 용기(204)에 의해 가해지는 축방향 압축력은 압력 방출 배출 부재(220)가 실질적으로 적소에 유지하게 하여 가스 및 전지 내용물이 리테이너(218)의 개구를 통해 탈출하는 것을 방지할 수 있다. 전기화학적 배터리 전지(200) 내에서 컬렉터 조립체(206)의 압축은 전지 압력이 예정된 방출 압력보다 작은 경우에 리테이너(218)의 개구와 접촉 스프링(222)의 개구 사이에 압력 방출 채널(242)의 개구를 형성하도록 지금까지는 압력 방출 배출 부재(220)가 내측을 향해 휘는 것을 적어도 방지할 수 있다.
그러나, 전기화학적 배터리 전지(200) 내의 압력이 적어도 예정된 방출 압력만큼 큰 경우에, 압력 해방 배출 부재(220)는 파열되어 가스 또는 액체 형태나 이등 양자의 형태인 전지 내의 물질이 리테이너(218)의 개구를 통해 배출되게 한다. 전지 내의 물질은 양극 접촉 단자(216)의 하나 이상의 배출 홀(230)을 통해 배출될 수 있다. 예정된 방출 압력은 안전 및 환경 요건의 관점에서 전기화학적 배터리 전지(200)의 무결성 및 화학물 타입에 따라 변할 수 있는데, 바람직한 하한은 대기 환경에서 정상적인 취급이나 극단적인 행위로 인해 잘못된 배출을 피하는 압력이고, 바람직한 상한은 용기 재료와 헤더 조립체에 가해지는 폐쇄력을 기반으로 한 전지의 분해를 피하도록 선택된다. 예컨대, AA 크기의 리튬 배터리에서, 예정된 방출 압력, 즉 예컨대 파열을 통해 압력 방출 배출 부재(220)가 개구를 생성하는 압력은 실온에서 약 10.5 kg/cm2(150 lbs/in2) 내지 약 112.6 kg/cm2(1600 lbs/in2), 몇몇 실시예에서는 약 14.1 kg/cm2(200 lbs/in2) 내지 56.3 kg/cm2(800 lbs/in2)이다. 압력 방출 배출 부재가 파열되는 압력은, 예컨대 용기 내에 천공된 홀을 통해 전지에 압력을 가함으로써 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 전기화학적 배터리 전지(200)는 선택적으로 개구를 형성하고 리테이너(218)와 양극 접촉 단자(216) 사이에 배치되는 PTC 장치(226)를 포함할 수 있다. 전기화학적 배터리 전지(200)의 정상적인 작동 중에, 전류는 PTC 장치(226)를 통해 흐른다. 전기화학적 배터리 전지(200)의 온도가 비정상적으로 높은 수준에 도달하면, PTC 장치(226)의 전기 저항이 증가하여 전류 유동을 감소시킨다. PTC 장치(226)는 외부 단락, 비정상적인 충전 및 강제적인 심한 방전 등과 같은 전기 남용으로부터 생기는 전지의 계속적인 내부 가열 및 압력 생성을 느리게 하거나 방지할 수 있다. 그러나, 내부 압력이 예정된 방출 압력까지 계속 생성되면, 압력 방출 배출 부재(220)가 파열되어 내부 압력을 경감시킨다.
리테이너(218)와 접촉 스프링(222) 사이에 배치되는 압력 방출 배출 부재(220)는 금속, 폴리머 또는 이들의 혼합물로 된 적어도 하나의 조성층을 포함한 다. 또한, 압력 방출 배출 부재(220)가 2개 이상의 상이한 재료 조성층을 포함할 수 있다는 것이 가능하다. 예컨대, 압력 방출 배출 부재(220)를 리테이너(218) 또는 접촉 스프링(222)에 접합하기 위하여 제1층과 조성이 상이한 제2층을 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 압력 방출 배출 부재(220)를 리테이너(218)와 접촉 스프링(222) 양자에 접합하기 위하여 제1층과 조성이 상이한 제2층 및 제3층을 이용할 수 있다. 또한, 압력 방출 배출 부재(220)의 성능 특성, 예컨대 강도 및 가요성에 맞추기 위하여 2개 이상의 조성을 갖는 다층을 사용할 수 있다. 이상적으로는, 전해질과의 양립성, 기체 투과를 방지하는 능력 및/또는 컬렉터 조립체(206) 내의 배출 부재(220)의 밀봉 특성을 향상시키는 능력을 기초로 하여 분리층이 제공된다. 예컨대, 폴리머 또는 본 명세서에 기술된 요소들과 양립하는 접착제 분야의 임의의 다른 공지된 재료와 같이 압력, 초음파 및/또는 열에 의해 활성화되는 접착제가 컬렉터 조립체(206) 내에 배출 부재(220)를 접합하도록 배출 부재(220)의 층으로서 제공될 수 있다.
압력 방출 배출 부재(220)에 사용하기에 적절한 조성은 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인레스강 및 이들의 합금 등의 금속과, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 에틸렌 아크릴산, 에틸렌 메타아크릴산, 폴리에틸렌 메타아크릴산 및 이들 혼합물 등의 폴리머 재료를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 압력 방출 배출 부재(220)의 조성은 또한 금속으로 강화된 폴리머 뿐만 아니라 금속 또는 폴리머나 이들 양자의 단일층 또는 다층 라미네이트를 포함할 수 있다. 예컨대, 단일층은 물, 탄소 이산화물 및 전해질에 실질적으로 불침투성인 금속 포일, 바람직하게는 알루미늄 포일이거나 기체 투과를 방지하는, 예컨대 SiOx 또는 Al2Ox 등의 산화 재료층이 피복된 폴리머의 비금속화된 필름일 수 있다. 더욱이, 압력 방출 배출 부재(220)는 접촉 접합 접착제 재료, 예컨대 폴리우레탄을 포함하는 접착제층 또는 열, 압력 및/또는 초음파에 의해 활성화되는 재료, 예컨대 저밀도 폴리올레핀을 포함할 수 있다. 이와 달리, 이들 또는 다른 접착제나 밀봉제 재료가 컬렉터 조립체 내에 시일을 향상시키기 위해 압력 방출 배출 부재의 일부[예컨대, 리테이너(218) 및/또는 스프링(222)과 접촉하는 외주부), 리테이너(218), 스프링(222) 또는 이들의 임의의 조합에 별도로 도포될 수 있다. 바람직한 층상 배출 구조는 배향된 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 알루미늄 포일 및 저밀도 폴리에틸렌으로 이루어지는 4개의 층을 갖는다.
조성에 관계없이, 압력 방출 배출 부재(220)는 전지(200) 내에 수용된 전해질에 화학적으로 내성을 가져야 하고, 광범위한 대기 온도의 범위에 걸쳐서 전지(200)의 중량 손실률을 낮게 하도록 낮은 증기 투과율(VTR)을 가져야 한다. 예컨대, 압력 방출 배출 부재(220)가 기체 투과에 불투과성인 금속이면, 압력 방출 배출 부재(220)의 두께를 통한 VTR은 실질적으로 제로이다. 그러나, 압력 방출 배출 부재(220)는 전술한 바와 같이 압력 방출 배출 부재(220)와 리테이너(218) 및 접촉 스프링(222) 중 적어도 하나 사이에 시일을 달성하도록, 예컨대 접착제 또는 엘라스토머층으로서 기능할 수 있는 기체 투과성 재료, 예컨대 폴리머 재료의 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 방출 배출 부재(220)의 층의 75℃에서 측정된 VTR은 약 11.81 g·mm/(day·mm2){3000 g·mil/(day·in2)} 미만일 수 있고, 몇몇 실시예에서는 약 0.1969 g·mm/(day·mm2){50 g·mil/(day·in2)} 내지 약 0.1181 g·mm/(day·mm2){3000 g·mil/(day·in2)}일 수 있으며, 몇몇 실시예에서는 약 0.001969 g·mm/(day·mm2){50 g·mil/(day·in2)} 내지 약 0.1181 g·mm/(day·mm2){3000 g·mil/(day·in2)}일 수 있고, 변경예에서는 약 0.003543 g·mm/(day·mm2){90 g·mil/(day·in2)} 내지 약 0.0984 g·mm/(day·mm2){2500 g·mil/(day·in2)}일 수 있으며, 또 다른 변경예에서는 약 0.003543 g·mm/(day·mm2){90 g·mil/(day·in2)} 내지 약 0.059 g·mm/(day·mm2){1500 g·mil/(day·in2)}일 수 있다. VTR은 VTR이 원하는 한계값 내에 있도록 선택될 수 있는 압력 방출 배출 부재(220)의 기체 투과층의 조성 외에 전기화학적 배터리 전지(200) 내에 수용된 전해질의 조성에 따라 변할 수 있다. 75℃에서의 데이터가 VTR 측정에 대해 제공되었지만, VTR은 다른 VTR 값이 본 발명의 원리에서 벗어남이 없이 가능하도록 온도에 종속적이라는 것을 알아야 한다. 하나 이상의 재료층을 갖는 압력 방출 배출 부재와 VTR을 계산하는 시험 절차를 이하에서 보다 상세히 설명한다.
예정된 방출 압력, 즉 압력 방출 배출 부재(220)가 파열하도록 된 압력은 물리적 특성(예컨대, 강도), 물리적 치수(예컨대, 두께) 및 리테이너(218)에 의해 형 성된 개구와 PTC 장치(226)에 의해 형성된 개구(어느쪽이든 작은쪽)의 영역의 함수이다. 리테이너(218)와 PTC 장치(226)에 의해 압력 방출 배출 부재(220)의 노출된 영역이 클수록 전기화학적 배터리 전지(200)의 내부 가스에 의해 가해지는 보다 큰 합력으로 인해 예정된 방출 압력은 작아진다. 따라서, 본 발명의 원리에서 벗어남이 없이 컬렉터 조립체와 배출 부재를 설계하기 위하여 이들 중 임의의 변수에 조절이 이루질 수 있다.
리테이너(218)에 의해 형성된 개구에 대해 배출 부재(220)의 노출된 영역에 따라, 압력 방출 배출 부재(220)의 두께는 약 0.254 mm(0.010 inch) 미만일 수 있고, 몇몇 실시예에서 약 0.0254 mm(0.001 inch) 내지 약 0.127 mm(0.005 inch)일 수 있으며, 또 다른 실시예에서 두께는 약 0.0254 mm(0.001 inch) 내지 약 0.05 mm(0.002 inch)일 수 있다. 압력 방출 배출 부재(220)의 조성 및 두께는 증기 투과율(VTR)과 예정된 방출 압력 요건의 관점에서 당업자에 의해 결정될 수 있다.
압력 방출 배출 부재는 금속, 폴리머 및 이들의 혼합물을 함유하는 적어도 하나의 조성층을 포함할 수 있다. 압력 방출 배출 부재에 사용될 수 있는 적절한 3층 라미네이트는 미국 위스콘신주 오쉬코쉬 소재의 Curwood로부터 LIQUIFLEX® Grade 05396 35C-501C로서 입수할 수 있는 PET/알루미늄/EAA 코폴리머이다. 배향된 PP/PE/알루미늄/LDPE의 적절한 4층 물질은 미국 조지아주 콜럼버스 소재의 Ludlow Coated Products로부터 입수할 수 있는 FR-2175인데, 상기 회사는 미국 뉴저지주 프린스톤 소재의 Tyco International, Ltd.의 전액 출자 계열사이다. 적절한 5층 라미네이트는 또한 미국 조지아주 콜럼버스 소재의 Ludlow Coated Products 로부터 BF-48로서 입수할 수 있는 PET/PE/알루미늄/PE/LLDPE이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 기체 투과를 방지하는 산화 재료층(예컨대, SiOx 또는 Al2Ox)으로 피복된 비금속화된 폴리머 필름 및/또는 알루미늄계 포일의 라미네이트들의 임의의 조합이 또한 특별히 예상된다.
전술한 바와 같이 압력 방출 배출 부재[220(도 1), 320(도 3) 및 420(도 4)]의 임의의 투과층의 VTR 범위는 ASTM E96-80(물질의 수증기 투과를 위한 표준 시험 방법)으로부터 적합하게 된 방법을 이용하여 결정될 수 있다. 압력 방출 배출 부재, 예컨대 압력 방출 배출 부재(220, 320, 420)의 투과층의 조성을 갖는 시험 멤브레인(도 5)을 직경이 25 mm이고 높이가 54 mm이며 전지에 사용될 전해질을 8 ml 수용하고 있는 15 ml 병(예컨대, Wheaton Serum Bottle, 25 mm 직경ㅧ54 mm 높이, Cat.No. 06-406D) 위에 놓는다. 배출 멤브레인(501)은 벽(503), 허브(505) 및 병에 대해 시일을 제공하는 크기인 시험면(507)을 갖는다. 벽(503)의 외경은 19.56 mm이고 벽(503)의 내경은 14.33 mm이다. 허브(505)는 직경이 3.23 mm이고 시험면(507) 아래의 길이가 1.91 mm이다. 시험면(507)의 두께는 0.508 mm이고 벽(503)과 허브(505) 사이의 환형 면적인 시험면 면적은 1.529 cm2이다. 병의 입구에 진공 그리스가 도포되고, 15.88 mm 직경의 중앙 홀을 갖는 시일(예컨대, Wheaton Aluminum Seal Cat.No. 060405-15)을 시험 멤브레인 위에 놓고 병 위로 타이트하게 크림프시켜 시험 멤브레인(501)이 시험 중에 병에 대해 밀봉된 상태로 유지되게 한다. 밀봉된 병의 중량을 달고 병을 75℃에서 보관하며 예정된 시험 주기 내에서 규칙적인 간격(6개월 동안 매달, 2주 동안 매일 등)으로 중량을 단다. 시험 주기에 걸쳐 중량 변화가 결정되고 제1 실험 VTR이 계산된다.
전술한 바와 같이 밀봉된 빈 병에 대해 동일한 시험을 수행하고 동일한 규치적인 간격 및 시험 주기에 걸쳐 중량 변화를 측정하며 제2 실험 VTR을 계산한다. 제1 및 제2 실험 VTR은 각각 평균적인 전체 중량 손실을 이용하여 계산한다. 마지막으로, 빈 병에 대해 수행한 시험에서 계산된 제2 실험 VTR을 전해질을 수용한 병에 대해 수행한 시험에서 계산된 제1 실험 VTR에서 감산하여 시험 멤브레인의 VTR을 얻는다.
상기 방법에 따라 어떠한 온도에서도 VTR을 계산할 수 있다는 것이 주목할 만하다. 선택된 온도는 전지 및/또는 시험 방법에 사용된 재료를 크게 편향시키거나 부정적인 영향을 미치지 않으면서 VTR 계산의 정밀도와 신뢰성을 최적화시키는 것이 바람직하다.
전기화학적 배터리 전지(200)는 임의의 적절한 공정에 의해 조립될 수 있다. 예컨대, 도 2의 전기화학적 배터리 전지(200)는 전극 조립체(208)와 절연체(238)를 전지 용기(204) 내에 삽입한 다음에, 전해질을 용기(204) 내에 투입함으로써 제조될 수 있다. 이어서, 가스켓(224), 접촉 스프링(222), 리테이너(218), 압력 방출 배출 부재(220) 및 선택적으로 PTC 장치(226)가 용기(204)의 개방 단부 내에 배치된다. 용기(204)는 비드(207)에서 지지되고 가스켓(224)과 양극 접촉 단자(216)를 포함하는 컬렉터 조립체(206)는 비드(207)의 안착부(240)에 대해 하방으로 압박되며 용기(204)의 크림프된 상부 에지(228)는 내측을 향해 만곡됨으로써 용기(204)의 크림프된 상부 에지가 가스켓(224)에 대해 기계적으로 압착되어 하우징의 개방 단부의 밀봉을 완료한다. 컬렉트나 다른 적절한 공구를 통해 용기(204)를 크림핑, 스웨이징 또는 재드로잉에 의해 변형시키는 것과 같이 임의의 적절한 방법을 이용하여 전기화학적 배터리 전지(200)를 밀봉시킬 수 있다. 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 배출 부재(220)의 독특한 형태는 반경 방향 및 축방향 양자에서 특별한 기계적 강도를 가능하게 한다.
변경예에 있어서, 압력 방출 배출 부재(220)는 고온 용융, 초음파 용접 등의 하나 이상의 여러 방법에 의해, 접착제의 도포에 의해 또는 이들 방법의 임의의 조합에 의해 리테이너(218)에 접합될 수 있다. 전술한 바와 같이, 압력 방출 배출 부재(220)는 단일층이거나, 이와 달리 2개 이상의 재료층의 라미네이트일 수 있다. 그러한 경우에, 압력 방출 배출 부재(220)는 가스켓(224)과 접촉 스프링(222)에 이어서 용기(204) 내로 삽입되는 부조립체를 형성하도록 리테이너(218)에 접합될 수 있다. 이어서, PTC 장치(226)와 양극 접촉 단자(216)가 용기(204)의 개방 단부 내에 배치되어 전기화학적 배터리 전지(200)를 밀봉한다. 이와 달리, 압력 방출 배출 부재(220)는 전술한 방법들 중 하나에 의해 접촉 스프링(222)과 리테이너(218) 양자에 접합될 수 있다.
전기화학적 배터리 전지(300; 도 3)의 실시예는 압력 방출 배출 부재(320)를 리테이너(318) 상에 배치하고, 접촉 스프링(322)을 압력 방출 배출 부재(320) 위에 놓은 다음에, 리테이너(318)의 에지(319)를 만곡시킴으로써 접촉 스프링(310)의 절곡된 에지(332)와 접촉시켜 부조립체를 형성시킴으로써 형성되는 크림프된 리테이 너(318)를 포함한다. 배출 부재(220) 상에 돌기(후술함)가 제공되면, 배출 부재(220)는 리테이너(318)와 스프링(322) 사이에서 축방향 및 반경 방향으로 기계적으로 압축된다. 압력 방출 배출 부재(320)는 선택적으로 리테이너(318)에 또는 접촉 스프링(322)에 또는 리테이너와 접촉 스프링 양자에 접합될 수 있다.
유사한 부조립체가 전기화학적 배터리 전지(400; 도 4)에 사용하도록 형성될 수 있다. 접촉 스프링(322, 422)이 절곡된 에지(332, 432)를 각각 포함하는 경우에, 접촉 스프링(322, 422)의 주변 플랜지는 접촉 스프링이 부조립체를 형성하도록 사용되기 전에 V 홈 또는 절곡된 에지와 같은 많은 가능한 프로파일들 중 하나를 갖는 많은 가능한 기하학적 형태 중 하나, 예컨대 환형 또는 다각형을 형성하도록 형성된다. 특히, 도 2 내지 도 4에 걸쳐서 이들 도면이 서로 대응하도록 참조 번호 중 마지막 2자리를 이용하는 것을 주의해야 한다(반면에, 도 2 내지 도 4의 참조 번호 중 첫번째 자리는 도면 번호 자체에 대응한다).
배출 부재(220)는 기체 방출 채널(242)을 가로질러 완벽한 방습지를 제공해야 한다. 배출 부재가 기계적으로 압축되는 범위까지, 배출 부재(220)는 채널(242)을 봉쇄하고 충분한 여분의 표면이 컬렉터 조립체(206)를 포함하는 부품들과 우수한 밀봉을 가능하게 하도록 크기가 정해진다는 점이 중요하다. 그러나, 배출 부재(220)는 주름지거나 절곡되어서는 않되는데, 그러한 주름 또는 절곡부가 전지 밖으로 원치않는 전해질의 누출을 가능하게 할 수 있기 때문이다.
따라서, 배출 부재는 그에 맞게 형성되어야 한다. 도 6에 도시된 원통형 전지에 특히 적합한 일실시예에서, 배출 부재(620)는 일련의 돌기(662)가 본체(660)의 원주를 따라 형성되는 실질적으로 원형 또는 디스크형의 본체(660)를 갖는다. 특히, 원형 본체(660)의 크기는 파선(664)에 의해 지시된 바와 같이 압력 경감 채널의 크기에 대응하도록 정해진다. 본체 형태 및 파선(664)이 캔의 개방 단부의 형태에 대응하는 한 배출 부재(620)에 대해 다른 구성이 가능하지만, 돌기(662)에 의해 생성되는 배출 부재(620)의 전체 프로파일은 파선(664)에 대해 상이한 형태를 갖는다(형태라는 용어는 실질적으로 상이한 기하학적 형태를 말한다는 것을 유념해야 한다). 배출 부재(220)의 대량 생산 중에 소비되는 원료를 최소화하는 돌기, 예컨대 형성된 배출 부재(220)에 실질적으로 사각형 또는 육각형 형태를 생성하는 돌기가 특히 유용할 수 있다.
전지의 조립 중에, 돌기(662)는 적어도 부분적으로 절곡되고 가스켓과 컬렉터 조립체 사이에서 압축 상태로 유지된다. 보다 구체적으로, 돌기(662)는 스프링(122)과 리테이너(118) 사이(도 2에 도시된 바와 같이), 스프링 주변의 절곡된 에지(332)와 리테이너(318) 사이(도 3에 도시된 바와 같이) 및 스프링 주변의 절곡된 에지(432)와 리테이너(418) 사이(도 4에 도시된 바와 같이)에서 크림프되거나 압축될 수 있다. 매 경우에, 크림프는 배출 부재(620)에 주름이나 절곡부를 생성하지 않으면서 달성된다. 바람직하게는, 크림프의 결과로서 배출 부재가 적어도 2개의 별개의 공간적 평면에서 바람직하게는 용기의 반경 방향 및 축방향 치수에 평행한 평면에서 스프링과 접촉하게 되지만, 다른 구성이 가능하다.
리테이너(218, 318, 418)는 외부 헤더 링의 내측 또는 전지(200, 300, 400)의 개방 단부에 끼워지는 크기의 내부 헤더 링으로서 형성될 수 있다. 이와 달리, 리테이너(218, 318, 418)는 가스가 통과하도록 바닥에 구멍이 형성되는 폐쇄 컵과 같이 형성될 수 있다. 어느 쪽이든, 리테이너는 배출 부재 및 스프링과 협동하여 전지 용기의 개방 단부 내에 끼워지는 전지 폐쇄구를 형성한다. 스프링의 어느 한쪽 또는 양쪽에서 리테이너 내측에 동심으로 끼워지는 가스켓이 또한 배출 부재를 컬렉터 조립체 내에 기계적으로 밀봉하는 압축력을 더욱 향상시키도록 사용될 수도 있다.
배출 부재(620) 상의 돌기(662)는 그 최외측 에지를 따라 정해진 주변 형태를 갖는다. 이 형태는 (도 6에 도시된) 각각의 개별적인 돌기에서 동일할 수 있거나, 돌기의 형태가 상이할 수도 있다. 적절한 형태는 도 6에 도시된 삼각형 또는 톱니 형상, 오목한 파라볼라, 볼록한 파라볼라 또는 다면 다각형(예컨대, 사각형, 오각형 등)을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 특히, 돌기의 형태는 배출 부재(620)에 비원형의 반경 방향 프로파일을 제공할 수 있다. 배출 부재(620)가 조립 공정 중에 주름지지 않는 한 임의의 형태나 형태들의 조합이 허용될 수 있다.
돌기의 반경 방향 길이는 폐쇄 컵 또는 내부 헤더 링의 축방향 측벽의 대응하는 길이에 따라 크기가 정해질 수 있다. 이상적으로는, 폐쇄 컵/헤더 링은 축방향 높이가 있는 측벽을 갖는 반면에, 돌기(662)는 이 측벽의 축방향 높이의 절반이 가장 바람직한 거리에 대해 파선(664)을 지나서 반경 방향으로 연장된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "반경 방향"이라는 용어는 배출 부재(620)의 주요 공간 평면(즉, 폭)을 지칭하는 반면에, "축방향"이라는 용어는 배출 부재(620)의 두께에 평행한 공간 평면을 지칭한다.
배출 부재의 돌기에 대해서 다른 형상이 가능하다. 전술한 바와 같이, 배출 부재의 주요한 특징은 폐쇄 공정 중에 주름이나 절곡부를 피하는 것이다. 사실상, 이것은 돌기가 배출 부재 상의 공통적인 중앙점을 향해 적어도 부분적으로 절곡될 때에 돌기들 중 어떤 것도 오버랩되거나 물리적으로 접촉하지 않도록 배출 부재의 주변을 따라 돌기들이 떨어져있다는 것을 의미한다.
도 2에 도시된 컬렉터 조립체(206)는 도 1의 종래 기술의 컬렉터 조립체(106)보다 수직 높이, 즉 숄더 높이를 보다 적게 낭비함으로써, 활성 전극 물질을 수용하는 전기화학적 배터리 전지(200)의 용기(204)의 상부 용적을 보다 크게 한다. 실질적으로 평탄한 압력 방출 배출 부재(220; 도 2)는 배출 통로(150; 도 1)를 갖는 전지 커버(144)보다 수직 공간을 보다 적게 낭비한다. 그 결과, 종래의 AA 크기 리튬/FeS2 전기화학적 배터리 전지(100)의 상부는 약 3.175 mm(0.125 inch)의 숄더 높이(h2)를 갖는 반면에, 본 발명의 실시예의 AA 크기 리튬 FeS2 전기화학적 배터리 전지(200)의 상부는 약 2.667 mm(0.105 inch) 이하의 숄더 높이(h1)를 가질 수 있다. 그러한 헤더 조립체 높이의 감소는 전지 내에 전기화학적 활성 물질이 보다 많이 삽입되게 함으로써, 수명을 향상시킨다. 또한, 컬렉터 조립체(206; 도 2)는 종래 기술의 컬렉터 조립체(106; 도 1)보다 부품들의 개수가 적어, 조립 및 제조의 용이함과 융통성을 크게 함으로써 비용을 절감시킨다.
이 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 리테이너와 스프링의 조합은 교환 가능하게 컬렉터 조립체 또는 헤더 조립체로서 지칭된다. 더욱이, 본 발명의 특정한 실시예는 실제 스프링이나 전기 접점의 통합 또는 사용을 반드시 필요로 하지 않아, 간단한 내부 리테이너 링 또는 몇몇의 다른 일체 부품(예컨대, PTC)을 본 발명의 원리에서 벗어남이 없이 헤더 조립체의 형성에 사용할 수 있다. 따라서, 이 요소를 총칭적으로 접촉 메카니즘이라 할 수 있다.
전술한 실시예들을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 본 발명의 실시예에서 전극 조립체와 전해질에 사용될 수 있는 물질은 다음 중 어떠한 것을 포함한다.
리튬 전기화학적 배터리 전지의 애노드는 흔히 시트나 포일 형태의 리튬 금속을 포함한다. 리튬의 조성은 변할 수 있지만, 순도는 항상 높다. 리튬은 알루미늄 등의 다른 금속과 합금되어 원하는 전지의 전기 성능을 제공할 수 있다. 리튬 이온 전지용 애노드는 하나 이상의 리튬 삽입 물질을 포함한다. 삽입 물질이라 함은 그 결정 구조 내로 리튬 이온의 삽입 및 취출이 가능한 물질을 의미한다. 적절한 물질의 예로는 흑연, 메소페이스(mesophase) 및/또는 비정질 탄소 등의 탄소와, 니켈, 코발트 및 망간 등의 천이 금속 산화물과, 천이 금속 황화물, 예컨대 철, 몰리브덴, 구리 및 티타늄의 황화물과, 비정질 금속 산화물, 예컨대 규소 및 주석을 함유하는 산화물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 이들 물질은 일반적으로 원하는 형태로 형성되는 입자상 물질이다.
리튬 전지용 캐소드는 보통 입자상 형태의 하나 이상의 활성 물질을 포함한다. 임의의 적절한 활성 캐소드 물질이 사용될 수 있고, 예컨대 FeS2, MnO2, CFx 및 (CF)n을 포함할 수 있다. 리튬 이온 전지용 캐소드는 보통 입자상 형태의 하나 이상의 리튬 삽입된 물질 또는 리튬 삽입 가능한 물질을 포함한다. 그 예로는 바나듐 및 텅스텐 등의 금속 산화물과, 리튬화된 천이 금속 산화물, 예컨대 니켈, 코발트 및 망간과, 리튬화된 금속 황화물, 예컨대 철, 몰리브덴, 구리 및 티타늄의 황화물과, 리튬화된 탄소를 포함한다. 특히, 캐소드 물질의 선택은 화학적 양립성 및 전체적인 전지 성능의 관점에서 최적의 전해질에 직접적으로 영향을 미치므로, 헤더 조립체는 선택된 물질로 특별히 구성되어야 한다.
적절한 분리막 재료는 이온 투과성이고 전기적으로 비도전성이다. 적절한 분리막의 예로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 초고분자량 폴리에틸렌 등의 재료로 제조된 미공성 멤브레인을 포함한다. Li/FeS2 전지용의 적절한 분리막 재료는 미국 노스캐롤라이나주 챨로테 소재의 Celgard Inc.로부터 CELGARD® 2400 미공성 폴리프로필렌 멤브레인로서 입수할 수 있고, 미국 뉴욕주 메세도니아 소재의 Exxon Mobil Chemical Company로부터 Setella F20DHI 미공성 폴리에틸렌 멤브레인으로서 입수할 수 있다. 고형 전해질 또는 폴리머 전해질의 층이 분리막으로서 사용될 수도 있다.
리튬 및 리튬 이온 전지용 전해질은 비수성 전해질이고, 오염물로서 물을 단지 매우 작은 양, 예컨대 약 500 ppmw 미만 함유한다. 적절한 비수성 전해질은 유기 용매에 분해되는 하나 이상의 전해질 염을 함유한다. 애노드 및 캐소드 활성 물질과 원하는 전지 성능에 따라 임의의 적절한 염을 사용할 수 있다. 그 예로는 리튬 브로마이드, 리튬 퍼클로레이트, 리튬 헥사플루오로포스페이트, 포타슘 헥사플루오로포스페이트, 리튬 헥사플루오로아르조네이트, 리튬 트리플루오로메탄설포네이트 및 리튬 요오드화물을 포함한다. 적절한 유기 용매로는 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 메틸레틸 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 메타포메이트, 감마-부티롤락톤, 설포레인, 아세토니트릴, 3,5-디메틸이소카졸, 및 에테르 중 하나 이상을 포함한다. 염 및 용매 조합은 원하는 온도 범위에 걸쳐서 전지의 방전 요건을 충족시키기에 충분한 전해질 및 전기 도전성을 제공해야 한다. 에테르가 용매에 사용되면, 에테르는 일반적으로 낮은 점성, 양호한 습윤 능력, 양호한 저온 방전 성능 및 높은 속도의 방전 성능을 제공한다. 적절한 에테르로는 1,2-디메톡시에탄(DME) 등의 아크릴 에테르와, 1,2-디에토시에탄과, 디(메토시에틸)에테르와, 트리글라임, 테트라글라임 및 디에틸에테르와, 1,3-디오졸란(DIOX), 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란 및 3-메틸-2-옥사졸리디논 등의 고리 모양 에테르와, 이들 혼합물을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
본 발명은 비수성 전지에 가장 적합하지만, 리튬 및 리튬 이온 전지 외에 다른 전기화학적 배터리 전지에도 적용될 수 있다. 그 예로는 수성 전해질을 갖는 일차 전지 및 재충전 전지, 예컨대 아연/MnO2, 아연/NiOOH, 니켈/카드뮴 및 니켈/금속 하이드라이드 알칼리 전지를 포함한다. 이들 유형의 전지들은 수산화칼륨, 수산화나트륨 및 이들의 혼합물 등의 용질을 갖는 알칼리 전해질을 포함할 수 있다. 그러한 경우에 컬렉터 조립체에 바람직한 재료는 여전히 적절한 화학적 양립성을 보장하고 원료 관점에서 비용을 최소화하도록 최적화되어야 한다. 예컨대, (전술한 재료 대신에) 나일론 가스켓의 사용은 수성 전해질과 조합하여 충분한 성능을 제공한다. 다른 가능한 치환이 당업자에게 명백할 것이다.
전술한 발명은 이해를 명료히 하기 위하여 약간 상세히 설명하였지만, 첨부된 청구범위의 범주 내에서 특정한 변경 및 수정이 실시될 수 있다는 것은 명백할 것이다. 예컨대, 명세서는 주로 리튬 및 리튬 이온 전지를 설명하고 있지만, 본 발명은 또한 다른 전지 타입에도 적용될 수 있다. 또한, 전술한 실시예들은 방전시에 캐소드에 연결되는 양극 접촉 단자와 관련된 압력 방출 배출 부재를 예시하고 있지만, 동일한 방출 메카니즘이 전지 음극 단자에서 채용될 수 있다. 따라서, 본 실시예들은 예시적이고 비제한적인 것으로 고려되어야 하고, 본 발명은 본 명세서에서 제공된 상세 내용으로 제한되지 않고 변경될 수 있으며, 오직 첨부된 청구범위의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (42)

  1. 전기화학적 전지 용기용 배출구 폐쇄 시일 조립체에 있어서,
    전기화학적 반응 가스가 통과하게 하는 구멍을 갖는 폐쇄 컵과,
    정해진 주변 형태를 갖는 접촉 부재와,
    조립체를 통해 흐르는 전기화학적 반응 가스를 선택적으로 제어하도록 폐쇄 컵과 접촉 부재 사이에 고정되는 파열 가능한 배출 부재
    를 구비하고, 상기 파열 가능한 배출 부재는 접촉 부재의 정해진 주변 형태와 동일하지 않는 주변 형태를 가지며,
    상기 파열 가능한 배출 부재의 제1 직경은 제1 공통 평면축을 따라 접촉 부재의 정해진 주변 형태의 대응하는 제1 직경과 동일하고,
    파열 가능한 배출 부재의 제2 직경은 제2 공통 평면축을 따라 접촉 부재의 정해진 주변 형태의 대응하는 제2 직경보다 크며,
    상기 제1 공통 평면축과 제2 공통 평면축은 접촉 부재의 중앙 지점에서 교차하고,
    상기 배출 부재는 형태가 장방형이 아니고 파열 가능한 배출 부재의 주변 에지를 따라 복수 개의 면형 돌기가 통합되는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 면형 돌기는 크기 및 형태가 동일하고, 폐쇄 컵은 정해진 길이를 갖는 측벽을 포함하고, 상기 면형 돌기는 측벽의 정해진 길이의 절반 이하의 거리 만큼 파열 가능한 배출 부재의 돌출하지 않는 부분을 지나서 반경 방향으로 연장되는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 파열 가능한 배출 부재는 기계적 압축에 의해 폐쇄 컵 내에 유지되는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기계적 압축은 2개 이상의 별개의 공간 평면에서 파열 가능한 배출 부재가 접촉 부재와 밀봉된 상태로 접촉하게 하는 주변 크림프를 포함하는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 파열 가능한 배출 부재는 폐쇄 컵 내에 접착식으로 유지되는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 파열 가능한 배출 부재는 기계적 압축에 의해 폐쇄 컵 내에 유지되는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기계적 압축은 2개 이상의 공간 평면에서 파열 가능한 배출 부재가 접촉 부재와 밀봉된 상태로 접촉하게 하는 주변 크림프를 포함하는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 파열 가능한 배출 부재는 금속 포일, 접착제 및 폴리머 재료를 포함하는 라미네이트인 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 폴리머 재료가 접촉 부재에 인접하고 금속 포일이 폴리머 재료와 접착제 사이에 배치되도록 층들이 배치되는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 파열 가능한 배출 부재는 알루미늄을 포함하는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 파열 가능한 배출 부재는 접착제를 포함하는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 파열 가능한 배출 부재는 폴리머를 포함하는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 접촉 부재에 인접하게 배치되는 가스켓을 더 구비하는 것인 배출구 폐쇄 시일 조립체.
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