KR101487392B1 - 하단 노치부가 형성되어 있는 각형 이차전지 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents
하단 노치부가 형성되어 있는 각형 이차전지 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 하단 노치부가 형성되어 있는 각형 이차전지 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 각형 캔은 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 캔 본체와, 상기 캔 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 탑 캡으로 이루어져 있고, 상기 탑 캡의 대향 위치인 캔 본체의 하단부에는 전지의 내압 상승시 파열되면서 가스를 배출하는 노치부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
Description
본 발명은 하단 노치부가 형성되어 있는 각형 이차전지 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 각형 캔은 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 캔 본체와, 상기 캔 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 탑 캡으로 이루어져 있고, 상기 탑 캡의 대향 위치인 캔 본체의 하단부에는 전지의 내압 상승시 파열되면서 가스를 배출하는 노치부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
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 스택형, 및 이들의 복합 구조인 스택/폴딩형으로 분류된다.
일반적으로 리튬 이차전지에 사용되는 재료들(예를 들어 양, 음극 활물질, 바인더, 전해액, 집전체 등)은 전지가 작동하는 전압(2.5 ~ 4.3V)에서 전기화학적으로 안정하다. 그러나, 전지가 상기 작동전압 이상의 전압으로 상승하게 되면 구성 재료들이 각각의 분해 전압에서 분해되면서 가스를 발생시킨다. 이렇게 발생되는 가스는 리튬 이차전지 내의 압력을 증가시키고, 그 결과, 전압이 계속 상승하게 되며, 이때 미세하게 단락된 부분이 있거나 음극의 표면에 전착된 리튬 금속이 분리막을 뚫고 양극과 접촉되는 경우에는 대량의 전류가 흐르면서 열과 가스의 발생을 촉진시킨다. 그러한 열과 가스는 전지의 취약한 부분을 통해 외부로 방출되며, 결국에는 전지가 발화하거나 폭발하게 된다. 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, 파우치형 전지는 별도의 노치부 없이 라미네이트 시트의 봉합부(밀봉부)가 분리되는 방식으로 고압을 해소하고 있다. 한편, 각형 전지는 캔의 캡 또는 본체의 소정 부분의 두께를 다른 부분보다 얇도록 압연하여 다른 부분보다 우선적으로 파열시키거나, 캡 또는 본체에 노치부를 형성시켜 이 부분을 파열시켜서 가스를 배출시키는 방식을 이용한다.
특히, 일반적인 각형 이차전지에서는, 알루미늄 전지 캔에 폐쇄형 또는 일부 개방형의 노치부가 절개 가능한 형태로 형성되어 있다.
예를 들어, 도 1에서와 같이, 각형 이차전지는 일부 개방형의 노치부를 캔 본체의 측면에 포함하고 있다. 도 1의 노치부(30)는 각형 이차전지 캔 본체(20)의 측면 모서리에 작은 윤곽으로 형성되어 있고, 일부 개방형으로 형성되어 있다. 즉, 노치부는 상대적으로 인장이 빠르게 일어나 인장력이 크게 작용하는 부위에 형성되어 있어서, 전지의 과도한 내압 상승시 곡선 형상이 파열되도록 설계되어 있다.
이러한 구조의 노치부는 전지 내부에서 발생한 고압에 상대적으로 민감하게 반응하는 장점은 있으나, 전지의 설계시 의도한 압력 임계치를 정확하게 설정하기에 어려움이 있다.
즉, 상기에서 언급한 바와 같이, 캔 본체의 측면 모서리 부위는 상대적으로 빠르게 인장이 일어나 큰 인장력이 가해지므로, 낮은 압력에서도 노치부의 파열이 쉽게 일어날 수 있으며, 무엇보다 캔의 두께가 얇은 경우에는 고압에 특히 민감하게 반응하기 때문에 의도하지 않은 파열이 일어나게 된다.
따라서, 인장력이 큰 부위에 형성되는 노치부의 크기 및 깊이는 상대적으로 작게 하는 것이 불가피한데, 노치부의 크기 및 깊이를 작게 할 경우에는 오히려 노치부의 파열이 원활하지 않은 문제점이 발생하게 된다.
또한, 노치부를 형성하는 부품 가공 과정에서는 노치부 인접부분의 두께 형상이 변형되는 바, 캔 본체의 측면은 전지의 전체적인 규격에 영향을 미치는 부위이므로 제조 조건을 맞추는 데 어려움이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 탑 캡에 노치부를 형성하는 기술이 제안되었지만, 각형 전지의 구조상 탑 캡에는 양극 단자 등의 부품이 다수 형성되어 있어 노치부를 적용하는데 문제가 있다.
따라서, 노치부의 위치, 노치부의 형상, 길이, 깊이 등을 종합적으로 고려하여, 상대적으로 높은 압력에서 작동할 수 있고, 내압이 증가하는 경우, 노치부의 균일한 파열에 의해 신속하게 가스를 배출할 수 있는 각형 이차전지에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 상대적으로 인장이 느리게 일어나 인장력이 작게 작용하는 캔 본체의 하단부에 노치부를 형성할 경우, 보다 높은 압력에서 노치부의 파열이 신뢰성 있게 일어나 가스를 배출시킴으로써 전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 각형 이차전지는, 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형 캔에 내장되어 있는 이차전지로서, 상기 각형 캔은 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 캔 본체와, 상기 캔 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 탑 캡으로 이루어져 있고, 상기 탑 캡의 대향 위치인 캔 본체의 하단부에는 전지의 내압 상승시 파열되면서 가스를 배출하는 노치부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 관련하여, 본 출원의 발명자들은, 캔 본체의 하단부는 다른 부위에 비해 상대적으로 인장이 느리게 일어나므로 이에 노치부를 형성시키는 경우, 낮은 압력에서 노치부가 쉽게 파열되는 것을 막고, 노치부 형성시 발생할 수 있는 두께 형상의 변형을 막아 전지 품질 중 두께 균일성 확보가 용이함을 확인하였다.
따라서, 하나의 구체적인 예에서, 상기 노치부가 파열되는 전지 내압은 정상적인 작동 상태의 전지 내압을 기준으로 3배 내지 10배 크기의 압력일 수 있다. 이 때, 정상적인 작동 상태의 전지 내압은 대기압(1기압) 내지 2기압 정도를 의미한다.
또한, 상기 노치부는 전지의 내압이 적어도 8 kgf/cm2 이상일 때 파열되는 구조일 수 있다.
본 발명자들이 확인한 바로는, 도 1과 같이 캔 본체 측면에 노치부가 형성되어 있는 경우에는 일반적으로 5.0 kgf/cm2 이하의 압력에서 노치부가 파열되나, 본 발명과 같이 캔 본체 하단부에 노치부가 형성되어 있는 경우에는 8 kgf/cm2 이상, 더욱 높게는 10 kgf/cm2 이상의 압력에서 파열되는 것으로 확인되었다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 노치부는 캔 본체 하단부의 장축 길이(L)에 대해 수직 중심축로부터 1/3 × L/2 내지 5/6 × L/2 거리의 지점에 형성될 수 있고, 더욱 상세하게는 2/3 × L/2 거리의 지점에 형성될 수 있다.
상기 노치부의 위치가 상기 범위를 벗어나는 경우에는, 보다 낮은 압력에서 노치부의 파열이 일어나거나 소망하는 전지 내압에 도달한 경우에도 원활하게 노치부의 파열이 일어나지 않으므로 고압의 안전성 측면에서 상기 범위에 형성되는 것이 바람직하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 노치부는 캔 본체 하단부의 단축 길이(W)의 1/2 내지 1배의 크기로 형성될 수 있고, 더욱 상세하게는 1배의 크기일 수 있다.
상기 노치부가 1/2 미만의 크기로 형성되는 경우에는 오히려 소망하는 전지 내압에 도달한 경우에도 노치부의 파열이 원활하게 이루어지지 않아 전지의 폭발을 막을 수 없는 문제가 있어 바람직하지 않다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 노치부는 캔 본체 하단부의 두께를 기준으로 20 내지 80%의 깊이로 형성될 수 있다. 상기 깊이가 20% 미만인 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 소망하는 전지 내압에서 노치부의 파열이 원활하게 이루어지지 못하여 작동신뢰성이 낮아지고, 80% 이상일 경우 작은 압력 하에서도 노치부가 쉽게 파열될 수 있어 고압에서도 작동할 수 있는 효과를 얻을 수 없다.
상기 노치부는 다양한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 상세하게는 별도의 펀치를 이용하여 압연함으로써 형성되거나 소정의 도구를 사용하여 캔의 표면을 긁어냄으로써 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 노치부는 전지 내압 상승시 용이하게 파열될 수 있는 형태라면 특별히 제한되지는 않으나, 상세하게는 캔 본체의 외면에 형성된 쐐기 형상의 노치일 수 있고, 상기 노치의 양변 사이의 각도는 상세하게는, 30 내지 80도일 수 있다. 상기 쐐기형의 노치는 노치부 상단부의 크랙에 의해 균일한 파열을 유도하는 바 전지의 안전성을 가져올 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개제된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형 구조일 수 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM’yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M’ = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 리튬 이차전지는 상기 전극조립체와 선택적으로 리튬염 함유 비수계 전해질을 포함할 수 있다.
리튬함유 비수계 전해질은 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있다. 비수 전해질로는 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N, N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 단위전지로 포함하는 전지팩을 제공하고, 상기 전지팩은 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 휴대용 네비케이터, 휴대용 게임기 등의 디바이스에 사용될 수 있다.
그러나, 단위전지의 개수를 가변적으로 조절하여 디바이스가 소망하는 출력과 용량을 제공하기 위한 전지팩을 용이하게 제조할 수 있으므로 휴대용 전자 디바이스뿐만 아니라, 가변적인 전지 용량을 필요로 하는 다양한 디바이스에 적용할 수 있음은 물론이고 한정되지 않는다.
상기 전지팩의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 각형 이차전지는, 캔 본체의 하단부에 노치부를 형성함으로써, 압력 구배를 함께 고려하지 않아도 되므로 부품 드로잉(drawing) 공정을 용이하게 할 뿐만 아니라 노치부 형성시 발생할 수 있는 두께 형상의 변형을 막아 전지의 두께 균일성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 캔 본체 바닥부는 상대적으로 인장이 느리게 일어나 인장력이 작게 작용하므로 보다 높은 내압에서 신뢰성 있게 작동하여 전지 내부의 고압 가스를 효과적으로 배출할 수 있어 전지의 안전성을 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 종래의 노치부를 포함하는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 본 발명에 사용되는 각형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 노치부를 포함하는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 4는 도 3의 노치부를 포함하는 캔 본체를 위에서 보았을 때의 부분 평면도이다;
도 5는 도 3의 노치부의 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 각형 이차전지의 분해 사시도이다;
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 노치부를 포함하는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 4는 도 3의 노치부를 포함하는 캔 본체를 위에서 보았을 때의 부분 평면도이다;
도 5는 도 3의 노치부의 수직 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 실시예에 대해 상술하지만, 이는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명에 사용되는 통상적인 각형 이차전지의 구조가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체(110)가 각형의 금속 캔 본체(120)에 수납되어 있고, 캔 본체(120)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 132)가 형성되어 있는 탑 캡(130)이 결합되는 구조로 이루어져 있다. 즉, 전극조립체(110)의 음극은 음극 탭(112)을 통해 탑 캡(130) 상의 음극단자(132)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(132)는 절연부재(134)에 의해 탑 캡(130)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극조립체(110)의 또 다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(114)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(130)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.
또한, 전극 탭들(112, 114)을 제외하고 전극조립체(110)와 탑 캡(130)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 캔 본체(120)과 전극조립체(110) 사이에 시트형 절연부재(140)가 삽입되며, 탑 캡(130)이 탑재된 상태에서, 탑 캡(130)과 캔 본체(120)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 전해액은 전해액 주입구(136)를 통해 캔 본체(120) 내부로 주입된다.
도 3에는 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 노치부를 포함하는 각형 이차전지의 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 노치부를 포함하는 캔 본체를 위에서 보았을 때의 부분 평면도, 도 5에는 도 3의 노치부의 수직 단면도가 각각 개시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 캔 본체(40)의 노치부(60)은 고압 가스를 배출하기 위한 것으로 캔 본체(40) 하단부의 장축 길이(L)에 대해 수직 중심축으로부터 약 2/3 × L/2 거리의 지점(l)에 캔 본체(40) 하단부의 단축 길이(W)의 약 0.8배의 크기로 형성되어 있다.
또한, 도 5에서 보는 바와 같이, 캔 본체(40) 하단부의 두께(T)는 약 0.3 mm이고, 노치부(60)는 캔 본체(40) 하단부 두께(T)의 약 75%의 깊이(t)로 형성되어 있다.
또한, 노치부(60)의 수직 단면은 쐐기 형상으로 되어 있으며 이 때, 노치의 양변 사이의 각도는 약 30도이다.
따라서, 내압이 상승하여 정상적인 작동 상태의 전지의 내압의 3배 내지 10배 크기의 내압 발생하게 되면, 노치부에 크랙이 발생하면서 균일하게 파열되어 전지 내부의 가스가 신속하게 배출되므로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
양극의 제조
LiCoO2가 함유된 양극 활물질을 알루미늄 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부에 상향 돌출되도록 양극 탭을 스팟 용접하여 부착하는 것으로 양극을 제조하였다.
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.
노치부의 형성
두께가 대략 280~320 ㎛의 범위에 있는 각형 알루미늄 캔에서, 캔 본체 하단부의 장축 길이(L)에 대해 수직 중심축으로부터 2/3 × L/2 거리의 지점에 캔 본체 하단부의 단축 길이(W)의 0.8배의 크기로 하여 수직 단면상 쐐기 형상의 노치부를 노치의 양변 사이의 각도가 30도가 되도록 펀치를 사용하여 노치부를 형성하였다.
전지의 제조
상기 양극과 상기 음극 사이에 분리막을 개재하고 둥글게 권취한 후 압축하여 각형 젤리-롤을 만들고, 이를 상기 노치부가 형성된 각형 알루미늄 캔 본체에 삽입한 다음, 전해액으로서의 EC-EMC blending계 용액을 함침시켜 전지를 제조하였다.
<실시예 2>
노치부를 캔 본체 하단부의 장축 길이(L)에 대해 수직 중심축으로부터 1/3 × L/2 거리의 지점에 캔 본체 하단부의 단축 길이(W)의 1배의 크기로 하여 형성시켰다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
<실시예 3>
노치부를 캔 본체 하단부의 장축 길이(L)에 대해 수직 중심축으로부터 5/6 × L/2 거리의 지점에 캔 본체 하단부의 단축 길이(W)의 1배의 크기로 하여 형성시켰다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
<비교예 1>
노치부를, 도 1과 같이, 케이스의 모서리 부위에 가공하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다. 도 1의 노치부 양단의 직선거리(h)는 약 15 mm이다.
<비교예 2>
노치부를 캔 본체 하단부의 장축 길이(L)에 대해 수직 중심축 부위에 캔 본체 하단부의 단축 길이(W)의 1배의 크기로 하여 형성시켰다는 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 노치부가 파열되는 전지의 내부 압력을 측정하였고, 그 평균 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 파열 압력 (kgf/cm2) | |
| 실시예 1 | 13.2 |
| 실시예 2 | 14.0 |
| 실시예 3 | 10.9 |
| 비교예 1 | 4.2 |
| 비교예 2 | - |
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 전지들은, 노치부가 파열되는 전지의 내부 압력이 각각 13.2, 14.0, 10.9 kgf/cm2로서, 상대적으로 큰 압력하에 파열이 발생하였다.
반면에, 노치부를 캔 본체의 측면 모서리에 형성한 비교예 1의 전지는, 실시예 1 내지 3에 비해 작은 압력하에서 노치부가 쉽게 파열되었다.
또한, 노치부를 캔 본체 하단부의 장축 길이(L)에 대해 수직 중심축 부위에 형성시킨 비교예 2의 전지는 캔 본체 하단부에 노치부가 형성되어 있음에도 불구하고 노치부가 파열되지 않았다.
본 발명은 상기한 구체적인 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (12)
- 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형 캔에 내장되어 있는 이차전지로서,
상기 각형 캔은 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 캔 본체와, 상기 캔 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 탑 캡으로 이루어져 있고,
상기 탑 캡의 대향 위치인 캔 본체의 하단부에는 전지의 내압 상승시 파열되면서 가스를 배출하는 노치부가 형성되어 있으며,
상기 노치부는 캔 본체 하단부의 장축 길이(L)에 대해 수직 중심축으로부터 2/3 × L/2 거리의 지점에, 캔 본체 하단부의 단축 길이(W)의 1/2 내지 1배의 크기로 평면상 직선 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지. - 제 1 항에 있어서, 상기 노치부는 정상적인 작동 상태의 전지의 내압을 기준으로 3배 내지 10배 크기의 내압 발생시 파열되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 2 항에 있어서, 상기 노치부는 전지의 내압이 적어도 8 kgf/cm2 이상일 때 파열되는 것을 특징으로 하는 이차전지
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 노치부는 캔 본체 하단부의 두께를 기준으로 20 내지 80%의 깊이로 형성되어 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 노치부는 캔 본체의 외면에 형성된 쐐기 형상의 노치인 것을 특징으로 하는 이차전지
- 제 8 항에 있어서, 상기 노치의 양변 사이의 각도는 30 내지 80도인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤형인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항 내지 제 3 항, 및 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 전지팩.
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