KR101521158B1 - 리튬－이온 전지에 대한 ｃｉｄ 보유 장치 - Google Patents

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필립 이. 파틴
리차드 브이. 챔버레인 2세
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Abstract

저압 전류 차단 장치(CID)는 예를 들어 약 4kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠ 범위 내의 최소 문턱값 내부 게이지 압력에서 작동한다. 바람직하게는, 상기 CID는 제 1 전도성 플레이트, 및 이 제 1 전도성 플레이트와 전기적으로 소통되는 제 2 전도성 플레이트를 포함하고, 이들 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트 사이에서의 전기적 소통은 상기 최소 문턱값 내부 게이지 압력에서 차단된다. 더욱 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트는 제 1 말단 및 제 2 말단을 갖는 절두체, 절두체의 제 1 말단 주변으로부터 방사상으로 연장되는 기부, 및 절두체의 제 2 말단을 밀봉시키는 본질적으로 평면상인 캡을 포함한다. 상기 제 1 말단은 제 2 말단보다 넓은 직경을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 제 2 전도성 플레이트는 용접부를 통해 본질적으로 평면상 캡과 전기적으로 접촉한다. 배터리, 바람직하게는 리튬-이온 배터리는 상기 기술한 CID를 포함한다. 상기 CID를 제조하는 방법은, 상기 기술한 제 1 및 제 2 전도성 플레이트를 형성시키고; 제 1 전도성 플레이트의 온도가 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트의 표면의 융점을 초과하지 않도록 조절하면서, 제 2 전도성 플레이트를 제 1 전도성 플레이트 상으로 용접시키는 것을 포함한다.

Description

리튬－이온 전지에 대한 ＣＩＤ 보유 장치{CID RETENTION DEVICE FOR LI-ION CELL}
본 출원은 2007년 6월 22일자로 출원된 미국 가출원 60/936825의 우선권을 주장한다. 상기 출원의 전체 교시 내용은 본원에 참조로 포함된다.
휴대용 전자 장치에서 리튬-이온 배터리는 전형적으로 이들의 용도를 기초로 다양한 하전, 방전 및 저장 과정을 겪는다. 리튬-이온 전지 화학성을 이용하는 배터리는 이들이 부적절하게 하전되거나 단락되거나 고온에 노출되는 경우에 가스를 생성할 수 있다. 이 가스는 연소가능할 수 있고, 상기 배터리의 신뢰성 및 안전성을 손상시킬 수 있다. 전류 차단 장치(CID)는, 전형적으로 배터리 내부의 압력이 소정 값보다 커지는 경우에 배터리로부터 전류 경로를 차단함으로써, 배터리 내에서 임의의 과량의 내부 압력의 증가에 대한 보호를 제공하도록 사용된다. CID는 전형적으로 서로 전기적으로 소통되는 제 1 및 제 2 전도성 플레이트를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 전도성 플레이트는 차례로 각각 배터리의 전극 및 터미널과 전기적으로 소통된다. 제 2 전도성 플레이트는 배터리 내부의 압력이 소정 값보다 커지면 CID의 제 1 전도성 플레이트로부터 분리되어(예를 들어, 변형되거나 이로부터 탈착된다), 이에 의해 전극과 터미널 사이에서의 전류 흐름이 차단된다.
그러나, 일반적으로 당업계에 공지된 CID는 상대적으로 고압에서, 예를 들어 약 15kg/㎠ 초과의 내부 게이지 압력에서 작동한다. 전형적으로 상기 CID의 작동을 개시하는 임의의 과량의 내부 압력 증가가 발생하는 경우, 배터리의 내부 압력 또한 상대적으로 높아서 추가적인 안전성 문제가 발생한다. 고온은 상대적으로 큰 전지, 예컨대 "18650" 전지(약 18mm의 외부 직경 및 65mm의 길이를 갖는 전지)보다 큰 전지에서 하나의 특정한 문제가 된다.
따라서, 상기 언급한 안전성 문제를 감소시키거나 최소화시킬 수 있는 배터리, 구체적으로 비교적 큰 배터리에 대한 CID가 필요하다.
본 발명은 일반적으로 저압 CID, 이러한 저압 CID를 포함하는 배터리, 예컨대 리튬-이온 배터리, 이러한 저압 CID를 제조하는 방법, 및 상기 배터리를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 CID는 전형적으로 제 1 전도성 플레이트, 및 상기 제 1 전도성 플레이트와 전기적으로 소통되는 제 2 전도성 플레이트를 포함한다. 전기적 소통은 상기 플레이트들 사이에서의 게이지 압력이 예를 들어, 약 4kg/㎠ 내지 약 10kg/㎠, 또는 약 4kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠의 범위 내에 있는 경우에 차단될 수 있다.
일 구체예에서, 본 발명은 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트를 포함하는 CID에 관한 것이다. 제 1 전도성 플레이트는 제 1 말단 및 제 2 말단을 갖는 절두체(frustum), 상기 절두체의 제 1 말단 주변으로부터 방사상으로 연장되는 기부, 및 상기 절두체의 제 2 말단을 밀봉하는 본질적으로 평면상인 캡을 포함한다. 제 1 말단은 제 2 말단보다 넓은 직경을 갖는다. 제 2 전도성 플레이트는 바람직하게는 용접부를 통해 본질적으로 평면상인 캡과 전기적으로 접촉된다.
다른 구체예에서, 본 발명은 상기한 하나 이상의 CID를 포함하는 배터리, 바람직하게는 리튬-이온 배터리에 관한 것이다. 배터리는 서로 전기적으로 소통되는 전지 케이스와 덮개를 갖는 배터리 캔을 추가로 포함한다. 배터리는 제 1 터미널 및 제 2 터미널을 추가로 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 터미널은 각각 배터리의 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 소통된다. 배터리에서, CID의 기부는 배터리 캔, 예컨대 전지 케이스 또는 덮개에 대해 근위(proximate)이며, 본질적으로 평면상인 캡은 전지 캔에 대해 원위(distal)이다. 배터리 캔은 제 1 터미널로부터 전기적으로 절연되어 있고, 배터리 캔의 적어도 일부는 제 2 말단의 적어도 한 성분이거나 제 2 터미널에 전기적으로 연결되어 있다.
더욱 다른 구체예에서, 본 발명은 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트를 포함하는 CID를 포함하는 리튬-이온 배터리에 관한 것이다. 제 2 전도성 플레이트는 제 1 전도성 플레이트와 전기적으로 소통된다. 리튬-이온 배터리는 서로 전기적으로 소통되는 전지 케이스와 덮개를 포함하는 배터리를 추가로 포함한다. CID의 제 1 전도성 플레이트는 배터리 캔과 전기적으로 소통된다. 이러한 전기적 소통은 상기 플레이트들 사이에서의 게이지 압력이 약 4kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠의 범위 내인 경우에 차단된다.
본 발명은 또한 CID를 제조하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 제 1 전도성 플레이트를 형성시키는 단계 및 제 2 전도성 플레이트를 형성시키는 단계를 포함한다. 제 1 전도성 플레이트는 제 1 말단 및 제 2 말단을 갖는 절두체, 상기 절두체의 제 1 말단 주변으로부터 방사상으로 연장되는 기부, 및 제 2 말단을 밀봉하는 본질적으로 평면상인 캡을 포함한다. 절두체의 제 1 말단은 절두체의 제 2 말단보다 넓은 직경을 갖는다. CID를 제조하는 방법은, 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트의 표면 융점을 초과하지 않도록, 제 1 전도성 플레이트의 온도를 조절하면서, 제 2 전도성 플레이트를 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡 상으로 용접시키는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명은 또한 상기한 본 발명의 배터리를 제조하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 CID를 형성시키고, 이 배터리의 제 1 전극 또는 제 2 전극 중 어느 하나를 CID에 부착시키는 것을 포함한다. CID의 형성은 제 1 말단, 및 제 1 말단보다 작은 직경을 갖는 제 2 말단을 갖는 절두체, 절두체의 제 1 말단 주변으로부터 방사상으로 연장되는 기부, 및 절두체의 제 2 말단을 밀봉하는 본질적으로 평면상인 캡을 포함하는 제 1 전도성 플레이트를 형성시키는 것을 포함한다. CID의 형성은 제 2 전도성 플레이트를 형성시키고, 제 2 전도성 플레이트를 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡 상으로 용접시키는 것을 추가로 포함한다. 용접은 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트의 표면 융점을 초과하지 않도록, 제 1 전도성 플레이트의 온도를 조절하면서 수행된다. 상기 방법은 CID를, 전지 케이스 및 덮개를 포함하는 배터리 캔, 즉 전지 케이스 또는 덮개 중 어느 하나에 부착시키는 것을 추가로 포함한다. 상기 방법은 제 1 전극과 전기적으로 소통되는 제 1 터미널, 및 제 2 전극과 전기적으로 소통되는 제 2 터미널을 형성시키는 것을 추가로 포함한다.
상기한 본 발명의 리튬-이온 배터리를 제조하는 방법이 또한 본 발명에 포함된다. 상기 방법은 서로 전기적으로 소통되는 전지 케이스 및 덮개를 포함하는 배터리 캔을 형성시키는 것을 포함한다. CID가 형성된다. CID의 형성은 제 1 전도성 플레이트를 형성시키는 단계, 제 2 전도성 플레이트를 형성시키는 단계 및 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트의 표면 융점을 초과하지 않도록 제 1 전도성 플레이트의 온도를 조절하면서, 제 2 전도성 플레이트를 제 1 전도성 플레이트 상으로 용접시키는 단계를 포함한다. 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트를 연결하는 용접부는, 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트 사이에서의 게이지 압력이 약 4kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠ 범위 내인 경우에 파괴된다. CID에 대한 배터리의 제 1 전극 또는 제 2 전극 중 어느 하나가 CID의 제 2 전도성 플레이트에 부착된다. CID의 제 1 전도성 플레이트는 배터리 캔에(즉, 전지 케이스 또는 덮개에) 부착된다. 하나 이상의 배기 수단이 전지 캔의 전지 케이스 상에 형성되는데, 배터리의 내부 게이지 압력이 약 12kg/㎠ 내지 약 20kg/㎠의 범위에 있는 경우에, 상기 배기 수단을 통해 배터리 내부 가스상 종(gaseous species)이 배출된다. 리튬-이온 배터리를 제조하는 방법은 덮개를 전지 케이스 상으로 용접시키는 것을 추가로 포함한다. 덮개와 전지 케이스를 연결시키는 용접부는 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트 사이에서의 게이지 압력이 약 20kg/㎠ 이상인 경우에 파괴된다. 특정의 일 구체예에서, 덮개와 전지 케이스를 연결시키는 용접부는, 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트 사이에서의 게이지 압력이 약 23kg/㎠ 이상 또는 약 25kg/㎠ 이상인 경우에 파괴된다. 리튬-이온 배터리를 제조하는 방법은 제 1 전극과 전기적으로 소통되는 제 1 터미널, 및 제 2 전극과 전기적으로 소통되는 제 2 터미널을 형성시키는 것을 추가로 포함한다.
복수개의 상기한 배터리를 포함하는 배터리 팩이 본 발명에 또한 포함된다.
본 발명의 배터리에서, 전류 차단 장치는 비교적 낮은 게이지 압력, 예를 들어 약 4kg/㎠ 내지 약 10kg/㎠에서 작동될 수 있고, 배터리의 내부 전류 흐름을 차단한다. 본 출원인은, 본 발명의 저압 CID가 약 4kg/㎠ 내지 약 10kg/㎠의 게이지 압력에서 작동하는 경우에, 사방정계형(prismatic) "183665" 구성을 지니고 Li1+xCoO2 (0 ≤ x ≤ 0.2)와 Li1+x9Mn(2-y9)O4 (0.05 ≤ x9, y9 ≤ 0.15)의 혼합물을 사용하는 리튬-이온 배터리에서의 평균 전지 스킨 온도는 약 60℃ 미만일 수 있음을 발견하였다. 예를 들어, 약 4.2V 초과의 전압에서 이러한 리튬-이온 배터리의 과충전 시험 동안에, 본 발명의 CID는 약 4kg/㎠ 내지 약 10kg/㎠에서 활성화되었고, 이때 전지 스킨 온도는 약 50℃ 내지 약 60℃의 범위 내에 있었다. 상기 "183665" 사방정계형 전지는 약 18mm ×36mm의 사방정계형 기부, 및 약 65mm의 길이를 지니고, 이 전지는 종래 "18650" 전지 크기의 약 2배이다. 따라서, 본 발명은 훨씬 캐선된 안전성을 갖는 배터리, 특히 비교적 큰 배터리, 및 상기 배터리를 포함하는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 이들의 최대 전압, 예를 들어 충분한 용량을 갖는 직렬 전지 블럭 당 4.2V에서 충전될 수 있는 배터리 또는 배터리 팩을 제공할 수 있다. 안전성 문제는 일반적으로, 더욱 높은 충전 전압에서 Li1+xCoO2-기재의 시스템의 발열 전지 화학성과 관련된 상대적으로 고온에 관한 것이다. 약 15kg/㎠의 내부 게이지 압력에서 배터리의 내부 전류 흐름을 일반적으로 차단하는 종래의 CID를 사용하는 경우에, 배터리의 전지 온도는, CID를 작동시키고 내부 전류 흐름을 차단시키기 전에 상당히 높을 수 있다. 전류 차단에 대한 어떠한 수단도 존재하지 않으면, 배기된 전지 또는 배터리가, 점화되어 불꽃을 일으킬 수 있는 전해질을 배출할 수 있기 때문에 전지 또는 배터리는 종국적으로 배기되어, 안전하지 않은 상황을 초래할 수 있다.
이와는 달리 본 발명의 CID는, 이들 CID가 과충전 동안에 비교적 낮은 온도에서 전류 흐름을 차단하기 때문에 CID가 혼입되는 배터리 또는 배터리 팩을 시판되는 제품에서 전형적으로 존재하는 것보다 낮은 위험을 가지면서 이들의 충분한 용량에서 작동될 수 있게 하므로, 상기 문제에 대한 해법을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 배터리 및 배터리 팩은 비교적 큰 전지를 사용할 수 있고, 이들이 과충전과 같은 남용되는 조건에 노출되는 경우에 전지 내에서 열 손실 가능성을 감소시킴으로써 더 큰 안전성과 함께 개선된 용량을 제공할 수 있다.
본 발명의 몇몇의 구체예에서, 저압 CID는 배터리 캔과 전기적으로 소통된다. 이러한 설계는 특히 주름진 캡 설계를 사용하지 않는 배터리에서 개선된 배터리 안전성을 제공할 수 있다. 주름진 캡 설계(crimped cap design)(예를 들어, 현재 시장에서 확인되는 원통형 강철 캔 18650)를 이용하는 배터리는, 종종 상기 캔이 시간 경과에 따라 부식될 수 있는 철 함유 물질을 사용한다는 사실과, 주름형성 공정이 상기 전지에서 금속 오염의 가능한 원인인 것으로 알려져 있다는 사실을 포함하여, 캔 어셈블리 및 물질을 둘러싼 제조 및 안전성 문제에 의해 영향받는다. 상기 종래 배터리에 사용된 CID 장치는 배터리 캔 내로 주름진 형태로 도입되고 배터리 캔으로부터 전기적으로 절연된다. 사방정계형 Al 캔의 사용을 포함하는 주름지지 않은 배터리 설계를 사용하는 것이 공지되어 있지만, 몇몇의 주름형성 수단을 도입하지 않은 경우에 상기 전지에 사용하기 위한 CID는 개발되지 않았다. 또한, 일반적으로 CID를 혼입시키기 위해 주름형성 방법을 사용하는 것은 효율적인 공간 이용이 아니며, 이것은 배터리 설계시 핵심적인 고려사항 중 하나이다. 대조적으로, 본 발명은 부분적으로 CID가 배터리 캔과 전기적으로 소통된다는 사실 때문에 주름형성(crimping)을 제외한 수단에 의해 주름형성되지 않은 배터리 내에 저압 CID를 혼입시킬 수 있게 한다. 이것은 또한 유사한 물질이 CID 및 상기 캔(예를 들어, Al)의 구성에 사용될 수 있게 하고, 철 함유 캔과 관련된 문제를 제거한다.
몇몇의 다른 구체예에서, 본 발명은 절두체 형태의 제 1 전도성 플레이트와 같은 원뿔형 부분을 포함하는 CID를 사용한다. 상기 절두체 형태의 전도성 플레이트는 CID가 상기 절두체 형태를 사용하지 않는 현재 사용된 유사한 크기의 CID 장치에서 확인되는 것보다 저압에서 작동될 수 있게 한다. 이러한 저압은 개선된 배터리 안전성, 특히 과충전 남용 시나리오 동안의 배터리 안전성과 연관되어 있다. 특히, 절두체 형태의 제 1 전도성 플레이트가 절두체의 말단을 밀봉하는 평면상 캡을 지니며, 제 1 전도성 플레이트가 상기 평면상 캡에서 제 2 전도성 플레이트와 전기적으로 소통되는 구체예에서, 평면상 캡에 의해 상기 2개의 플레이트가 서로 용접될 수 있게 된다. 적합한 용접 기술을 사용하여, 예를 들어 용접부의 위치 또는 수를 조절함으로써 본 발명의 CID를 사용하는 배터리의 작동 압력을 적어도 부분적으로 개선되게 조절할 수 있다. 또한, 절두체 형태의 전도성 플레이트를 사용하는 CID는 전류 차단 기능을 제공하며, 전체 높이 및 단면의 측면에서 배터리 내의 현저히 감소된 양의 공간을 점유할 수 있어, 결과적으로 더 많은 공간이 배터리의 동력 발생 특징과 직접적으로 관련된 물질에 대해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 시간, 비용 및 품질을 고려하면서 효율적인 공정으로 CID 장치를 제조할 수 있다. 특히 품질에 대하여, 절두체 형태는 본 발명의 CID 장치가 좁은 범위에서 압력의 활성화를 달성할 수 있게 하고 이에 따라 배터리의 양호한 배터리 설계가 가능해진다.
도 1은 본 발명의 CID의 개략도이다.
도 2a 내지 2c는 도 1의 CID의 제 1 전도성 플레이트의 일 구체예를 도시하는데, 여기서 도 2a는 제 1 전도성 플레이트의 측면도이고, 도 2b는 제 1 전도성 플레이트의 상면도(top view)이며, 도 2c는 도 2b의 A-A선을 따른 제 1 전도성 플레이트의 단면도이다.
도 3a 내지 3c는 도 1의 CID의 제 2 전도성 플레이트의 일 구체예를 도시하는데, 여기서 도 3a는 제 2 전도성 플레이트의 평면도(plane view)이고, 도 3b는 제 2 전도성 플레이트의 사시도이며, 도 3c는 도 3a의 A-A선을 따른 제 2 전도성 플레이트의 단면도이다.
도 4는 도 1의 CID를 수용할 수 있는 말단 플레이트의 일 구체예를 도시한다.
도 5a 내지 5c는 도 1의 CID의 제 1 전도성 플레이트의 일부와 제 2 전도성 플레이트의 일부 사이에 배치된 리테이너(retainer)의 일 구체예를 도시하는데, 여기서 리테이너의 절연체 성분이 도 5a에 도시되어 있고, 리테이너의 고리 성분의 측면도가 도 5b에 도시되어 있고, 리테이너 고리의 상면도가 도 5c에 도시되어 있다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 CID의 일 구체예를 도시하는데, 여기서 도 6a는 제 1 전도성 플레이트, 제 2 전도성 플레이트 및 이들 사이의 리테이너의 말단 플레이트 상으로의 어셈블리를 도시하며, 도 6b는 이렇게 조립된 CID를 도시한다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 CID의 다른 구체예를 도시하는데, 여기서 도 7a는 제 1 전도성 플레이트, 제 2 전도성 플레이트 및 이들 사이의 리테이너의 말단 플레이트 상으로의 어셈블리를 도시하며, 도 7b는 조립된 CID를 도시한다.
도 8a는 사방정계형의 본 발명의 배터리에 대한 일 구체예를 도시한다.
도 8b는 배터리 내부로부터 취한, 도 8a의 배터리의 덮개 부분의 하면도(bottom view)를 도시한다.
도 8c는 A-A선에 따른 도 8b의 덮개 부분의 단면도를 도시한다.
도 8d는 본 발명의 원통형 배터리의 일 구체예를 도시한다.
도 8e는 배터리 내부로부터 도 8d의 배터리의 하부 캔 부분의 측면도를 도시한다.
도 8f는 배터리 내부로부터 도 8e의 배터리의 최상부 덮개 부분의 측면도를 도시한다.
도 9는 본 발명에서의 개별 전지가 본 발명의 배터리 팩 내에 함께 배열되는 경우에 어떻게 바람직하게 연결되는 지를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 10은 본 발명의 CID의 CID 트립 압력(trip pressure)을 보여주는 그래프이다.
도 11은 배터리가 분당 2C 속도에서 과충전된 경우에 본 발명의 배터리의 과충전 전압에 대한 압력 상승율을 보여주는 그래프이다.
도 12는 CID가 작동되는 경우에 측정된 본 발명의 배터리의 전지 스킨 온도를 보여주는 그래프이다.
도 13은 분당 2C 속도에서 과충전된 본 발명의 배터리의 최대 전지 스킨 온도를 보여주는 그래프이다.
도 14는 분당 2C 속도에서 과충전된 본 발명의 배터리의 측정된 전지 스킨 온도에 대한 계산된 압력을 보여주는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 CID를 갖는 본 발명의 배터리(곡선 A 및 B) 및 종래 CID를 갖는 대조 배터리(곡선 C 및 D)의 전지 스킨 온도를 보여주는 그래프이다.
상기한 사항들은, 유사 도면 부호가 다양한 도면을 통해 동일 부분을 칭하는 첨부되는 도면에 예시된 대로, 본 발명의 실시 구체예에 대한 후술하는 보다 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. 도면들은 반드시 축척될 필요는 없으며, 본 발명의 구체예의 설명에서 강조되어 있다.
본원에 사용된, 본 발명의 배터리의 "터미널"은 외부 전기 회로가 연결되는 배터리 부분 또는 표면을 의미한다.
본 발명의 배터리는 전형적으로 제 1 전극과 전기적으로 소통되는 제 1 터미널, 및 제 2 전극과 전기적으로 소통되는 제 2 터미널을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 전극은 예를 들어 "젤리 롤(jelly roll)" 형태로 본 발명의 배터리의 전지 케이스 내에 내장된다. 제 1 터미널은 배터리의 포지티브 전극과 전기적으로 소통되는 포지티브 터미널, 또는 배터리의 네거티브 전극과 전기적으로 소통되는 네거티브 터미널일 수 있고 제 2 터미널에 대해서는 그와 반대일 수 있다. 바람직하게는, 제 1 터미널은 배터리의 네거티브 전극과 전기적으로 소통되는 네거티브 터미널이며, 제 2 터미널은 배터리의 포지티브 전극과 전기적으로 소통되는 포지티브 터미널이다.
본원에 사용된 구문 "전기적으로 연결된" 또는 "전기적으로 소통되는" 또는 "전기적으로 접촉되는"은, 전해질을 통한 이온, 예컨대 L1+의 흐름을 포함하는 전기화학적인 소통과는 반대되는, 특정 부분들이, 전도체를 통한 전자의 흐름에 의해 서로 소통됨을 의미한다.
본 발명의 배터리의 CID는 예를 들어 약 4kg/㎠ 내지 약 10kg/㎠, 예컨대 약 4kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠, 약 5kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠ 또는 7kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠의 범위 내의 내부 게이지 압력에서 작동될 수 있다. 본원에 사용된 CID의 "작동"은 CID를 통한 전자 장치의 전류 흐름이 차단됨을 의미한다. 특정의 일 구체예에서, 본 발명의 CID는 서로 전기적으로 소통되는(예를 들어, 용접, 주름형성, 리벳팅 등에 의해) 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트를 포함한다. 이러한 CID에서, CID의 "작동"은 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트 사이에서의 전기적 소통이 차단됨을 의미한다. 바람직하게는, 제 2 전도성 플레이트가 제 1 전도성 플레이트로부터 분리되는(예를 들어, 변형되거나 이로부터 탈착되는) 경우에, 제 1 전도성 플레이트에서 파괴는 일어나지 않는다.
몇몇의 구체예에서, 제 1 전도성 플레이트, 및 이 제 1 전도성 플레이트 및 배터리의 배터리 캔과 전기적으로 소통되고 압력적으로(즉, 가스와 같은 유체) 소통되는 제 2 전도성 플레이트를 사용하는 본 발명의 배터리의 CID는 예를 들어 약 4kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠, 예컨대 약 5kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠, 또는 7kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠의 범위 내인 내부 게이지 압력에서 작동한다. 이들 구체예에서, 바람직하게는 제 1 전도성 플레이트는 원뿔 형상부 또는 돔 형상부를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 상기 원뿔 형상부 또는 돔 형상부의 최상부(또는 캡)의 적어도 일부는 본질적으로 평면상이다. 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트는 본질적으로 평면상인 캡의 일부에서 서로 직접적으로 접촉한다. 더욱 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트는 본질적으로 평면상인 캡을 갖는 절두체를 포함한다.
도 1은 본 발명의 CID의 하나의 특정한 구체예를 도시한다. 도 1에 도시된 CID(10)는 제 1 전도성 플레이트(12) 및 제 2 전도성 플레이트(24)를 포함한다. 도 2a 내지 2c에 도시된 바와 같이, 제 1 전도성 플레이트(12)는 제 1 말단(16) 및 제 2 말단(18)을 포함하는 절두체(14)를 포함한다. 제 1 말단(16)은 제 2 말단(18)보다 넓은 직경을 갖는다. 제 1 전도성 플레이트(12)는 또한 절두체(14)의 제 1 말단(16)의 주변으로부터 방사상으로 연장되는 기부(20)를 포함한다. 본질적인 평면상 캡(22)이 절두체(14)의 제 2 말단(18)을 밀봉한다. 본원에 사용된, 용어 "절두체"는 2개의 평행한 평면 사이에서 엇갈린 최상부를 절삭시킴으로써 솔리드의 곧은 원형 원뿔(즉, 이의 다리 중 하나를 중심으로 직각 삼각형을 회전시킴으로써 형성된 솔리드)의 기본적인 벽 부분(하부 및 최상부 말단을 배제하고)을 의미한다.
본원에 사용된 용어 "본질적으로 평면상인 캡"은 하나 초과의 지점에서 무작위적으로 평면상 표면과 접촉할 수 있는 평면과 충분히 유사한 표면을 포함하는 평면상 캡을 의미하고, 이에 의해 상기 평면상 캡 및 평면상 표면은 적합한 수단, 예컨대 스폿 용접(spot welding)에 의해 융합될 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 어셈블리에 의해, 또는 CID(10)를 형성시키기 위해 본질적으로 평면상인 캡을 갖는 제 1 전도성 플레이트를 제조함으로써(예를 들어, 제 1 전도성 플레이트(12)를 제 2 전도성 플레이트(24)에 용접시킴으로써) 야기된 본질적으로 평면상인 캡의 변형은 본질적으로 평면상인 것으로 간주된다.
바람직하게는, 평면 캡(22) 및/또는 기부(20)는 약 0.05밀리미터 내지 약 0.5밀리미터, 예컨대 약 0.05밀리미터 내지 약 0.3밀리미터, 약 0.05밀리미터 내지 0.2밀리미터, 약 0.05밀리미터 내지 약 0.15밀리미터(예를 들어, 약 0.127밀리미터(또는 약 5밀리-인치))의 범위 내의 두께(도 2c에서 도면 부호 "d"로 표시됨)를 갖는다.
바람직하게는, 평면 캡(22)의 직경(도 2c에서 도면 부호 "b"로 표시됨)은 약 2밀리미터 내지 약 10밀리미터, 더욱 바람직하게는 5밀리미터 내지 약 10밀리미터, 더욱 더 바람직하게는 약 5 밀리미터 내지 약 8밀리미터(예를 들어, 약 0.20인치 내지 0.25인치), 예컨대 약 5.5밀리미터(또는 약 0.215인치)의 범위 내이다.
바람직하게는, 기부(20)로부터 본질적으로 평면상인 캡(22)의 높이(이는 도 2c에서 도면 부호 "c"로 표시됨)는 약 0.5밀리미터 내지 약 1밀리미터, 더욱 바람직하게는 약 0.6밀리미터 내지 약 0.8밀리미터, 예컨대 약 0.762밀리미터(또는 약 0.315인치)의 범위 내이다.
바람직하게는, 절두체(14)는 약 15도 내지 약 25도, 예컨대 약 18도 내지 약 23도, 또는 약 19도 내지 약 21도의 범위 내의, 기부(20)에 평행한 평면에 대한 각을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 절두체(14)는 약 21도의, 기부(20)에 평행한 평면에 대한 각을 갖는다. 바람직하게는, 절두체(14)는 약 1:1.20 내지 약 1:1.35, 예컨대 약 1:1.23 내지 약 1:1.28의 범위 내의 제 2 말단(18)에 대한 제 1 말단(16)의 직경 비(즉, 도 2c에서 "a"에 대한 "b"의 비)를 갖는다.
제 2 전도성 플레이트(24)는 제 1 전도성 플레이트(12)와 전기 및 압력(즉, 가스와 같은 유체)적으로 소통된다. 바람직하게는, 제 2 전도성 플레이트(24)는 하나 이상의 개구(26)를 규정하는데, 이 개구(26)를 통해 제 1 전도성 플레이트(12) 및 제 2 전도성 플레이트(24)가 서로 압력적으로 소통된다. 상기 제 2 전도성 플레이트(24)에 대한 하나의 구체예가 도 3a 내지 3c에 도시되어 있다. 도 3a 및 3b에 도시되어 있듯이, 제 2 전도성 플레이트(24)는 하나 이상의 개구(26)를 규정하며, 이 개구(26)를 통해 제 1 전도성 플레이트(12) 및 제 2 전도성 플레이트(24)가 서로 압력(예를 들어, 가스)적으로 소통된다. 바람직하게는, 제 2 전도성 플레이트(24)는 엠보싱부(또는 함몰부)(28)를 포함하며, 이에 따라 평탄 측부(30) 및 함몰 측부(32)를 갖는다(도 3c). 도 1로 다시 돌아가서 살펴보면, 제 2 전도성 플레이트(24)의 평탄 측부(30)는 제 1 전도성 플레이트(12) 쪽으로 향한다. 제 2 전도성 플레이트(24)는, 바람직하게는 용접부를 통해 제 1 전도성 플레이트(12)의 본질적으로 평면상인 캡(22)과 전기적으로 접촉한다. 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트(12)의 본질적으로 평면상인 캡(22)과 제 2 전도성 플레이트(24)를 연결시키는 용접부는 함몰부(28)에 있는 평탄 측부(30)에 위치한다. 바람직하게는, 상기 용접부는 하나 이상의 스폿 용접부, 예컨대 1개, 2개, 3개 또는 4개이다. 더욱 바람직하게는, 스폿 용접부 중 하나 이상은 알루미늄을 포함한다. 더욱 더 바람직하게는, 상기 용접부는 2개의 스폿 용접부이다. 바람직하게는, 상기 2개의 스폿 용접부가 서로 떨어져 있다.
당업계에 공지된 임의의 적합한 용접 기술이 제 1 및 제 2 전도성 플레이트(12, 24)를 용접시키는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 레이저 용접 기술이 본 발명에 사용된다. 더욱 바람직하게는, 용접 과정(예를 들어, 레이저 용접 과정) 동안에, 제 1 전도성 플레이트(12)의 온도는, 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트(12)의 표면 융점을 초과하지 않도록 조절된다. 상기 조절은 당업계에 공지된 임의의 적합한 냉각 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트(12)와의 용접부에 대해 근위인 제 2 전도성 플레이트(24)의 두께는, 상기 용접부에 대해 근위인 제 1 전도성 플레이트(12) 두께의 1/2 이상 내지 용접부에 대해 근위인 제 1 전도성 플레이트의 두께 미만이다.
다시 도 1로 돌아가서 살펴보면, CID(10)은 임의로 말단 플레이트(34)를 포함한다. 말단 플레이트(34)에 대한 하나의 상세한 구체예가 도 4에 도시되어 있다. 말단 플레이트(34)는 제 1 리세스(36) 및 제 2 리세스(38)를 포함한다. 제 1 리세스(36)(이것은 도 4에서 도면 부호 "a"로 표시됨)의 직경은 바람직하게는 제 1 전도성 플레이트(도 1에 도시된)의 기부(20)의 외부 직경과 동일한 말단을 갖는다(co-terminus). 본원에 사용된 "동일한 말단"은, 제 1 리세스(36)의 직경이 제 1 전도성 플레이트(12)의 기부(20)의 외부 직경과 본질적으로 동일하거나 이보다 약 101% 내지 약 120%(예를 들어, 약 110%)만큼 약간 더 큼을 의미한다. 제 1 리세스(36)의 깊이(이것은 도 4에서 도면 부호 "b"로 표시됨)는 제 1 전도성 플레이트(12)의 기부(20)의 두께(이것은 도 2c에서 도면 부호 "d"로 표시됨)보다 약간 더 작은데, 예를 들어 그 두께의 약 90% 정도이다. 제 2 리세스(38)는 이의 역전 시에 제 1 전도성 플레이트(12)의 절두체(14)를 수용할 수 있다. 이 제 2 리세스(38)는 바람직하게는 제 1 전도성 플레이트(도 1에 도시된)의 절두체(14)의 제 1 말단(16)의 주변과 동일한 말단을 갖는다. 본원에 사용된 "동일한 말단"은, 제 2 리세스(38)의 직경(이것은 도 4에서 도면 부호 "c"로 표시됨)이 절두체(14)의 캡(22)의 직경과 본질적으로 동일하거나 이 직경보다 약 101% 내지 약 120%(예를 들어, 약 103%)만큼 약간 더 큼을 의미한다. 제 1 리세스(36)로부터 측정된 바와 같이, 제 2 리세스(38)의 깊이(이것은 도 4에서 도면 부호 "d"로 표시됨)는 제 1 전도성 플레이트(12)의 높이(이것은 도 2c에서 도면 부호 "c"로 표시됨)보다 약간 더 큰데, 예를 들어 약 110% 내지 약 130%(예를 들어, 약 125%) 더 크다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 전도성 플레이트(12) 및 말단 플레이트(34)는 서로 전기적으로 접촉된다. 이러한 전기적인 접촉은 당업계에 공지된 임의의 적합한 방법에 의해, 예를 들어 용접, 주름형성, 리벳팅 등에 의해 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트(12) 및 말단 플레이트(34)는 서로 용접된다. 당업계에 공지된 임의의 적합한 용접 기술이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트(12) 및 말단 플레이트(34)는 기밀 상태로(hermetically) 결합된다. 바람직하게는, 레이저 용접 기술이 본 발명에 사용된다. 더욱 바람직하게는, 원주상(circumferential) 레이저 용접 기술이, 제 1 전도성 플레이트(12)와 말단 플레이트(34)를, 예를 들어 2개 부분 사이의 원주상 계면에서의 이음매 용접(seam welding)에 의해, 또는 제 1 전기 전도성 플레이트(12)의 기부(20)에서의 용입 용접(penetration welding)에 의해 기밀 상태로 결합시키는데 사용된다. 바람직하게는, 상기 용접부는 기부(20)의 중심 또는 기부(20)의 가장자리(이것은 도 1에서 각각 도면 부호 "a" 및 "b"로 표시됨) 주위의 원주 상에 위치한다. 바람직하게는, 용접 과정(예를 들어, 레이저 용접 과정) 동안, 제 1 전도성 플레이트(12)의 온도는, 상기 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트의 표면 융점을 초과하지 않도록 조절된다. 상기한 온도 조절은 당업계에 공지된 임의의 적합한 냉각 기술을 사용하여 얻어질 수 있다.
제 1 전도성 플레이트(12), 제 2 전도성 플레이트(24) 및 말단 플레이트(34)는 배터리에 대해 당업계에 공지된 임의의 적합한 전도성 물질로 제조될 수 있다. 적합한 물질의 예에는 알루미늄, 니켈 및 구리가 포함되며, 바람직하게는 알루미늄, 예컨대 알루미늄 3003 시리즈(예를 들어, 제 2 전도성 플레이트(24) 및 말단 플레이트(34)에 대해서는 알루미늄 3003 H-14 시리즈, 및 제 1 전도성 플레이트(12)에 대해서는 알루미늄 3003 H-0 시리즈)이다. 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트(12) 및 제 2 전도성 플레이트(24)는 실질적으로 동일한 금속으로 제조된다. 더욱 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트(12), 제 2 전도성 플레이트(24) 및 말단 플레이트(36)는 실질적으로 동일한 금속으로 제조된다. 본원에 사용된 용어 "실질적으로 동일한 금속"이란 소정 전압, 예를 들어 배터리의 작동 전압에서 실질적으로 동일한 화학적 및 전기화학적 안정성을 갖는 금속을 의미한다. 하나의 특정한 구체예에서, 제 1 전도성 플레이트(12) 및 제 2 전도성 플레이트(24) 중 하나 이상은 알루미늄, 예컨대 알루미늄 3003 시리즈를 포함한다. 더욱 특정한 하나의 구체예에서, 제 1 전도성 플레이트(12)는 제 2 전도성 플레이트보다 연성인 알루미늄을 포함한다. 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트(12) 및 제 2 전도성 플레이트(24)는 모두 알루미늄을 포함한다. 더욱 더 바람직하게는, 제 1 전도성 플레이트(12), 제 2 전도성 플레이트(24) 및 말단 플레이트(36)는 모두 알루미늄, 예컨대 알루미늄 3003 시리즈를 포함한다.
제 1 전도성 플레이트(12)의 절두체(14) 및 평면 캡(22), 제 2 전도성 플레이트(24)의 엠보싱부(28), 및 말단 플레이트(34)의 리세스(36, 38)는 당업계에 공지된 임의의 적합한 방법, 예를 들어 스탬핑(stamping), 코이닝(coining) 및/또는 밀링 기술에 의해 제조될 수 있다.
다시 도 1로 돌아가서 살펴보면, 하나의 바람직한 구체예에서, 본 발명의 CID는 제 1 전도성 플레이트(12)의 일부와 제 2 전도성 플레이트(24)의 일부 사이에 리테이너(40)(예를 들어, 전기적으로 절연된 층, 고리 또는 가스킷)를 추가로 포함한다. 리테이너(40), 예컨대 전기적으로 절연된 고리는 절두체(14)의 주변 주위로 그리고 제 1 전도성 플레이트(12)의 기부(20)와 제 2 전도성 플레이트(24) 사이에서 연장된다.
리테이너(40)의 하나의 특정한 구체예가 도 5a 내지 5c, 및 도 6a 및 6b에 도시되어 있다. 도 5a 내지 5c 및 도 6a 및 6b의 리테이너(40)는 절연체(42), 예컨대 전기적으로 절연되는 고리를 포함하는데, 상기 고리는 절연체(42)의 주변 주위로 둘 이상의 홈(43, 45)을 규정한다. 리테이너(40)는 고리(44), 예컨대 탭(46)을 구비하는 금속 고리를 추가로 포함한다. 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 고리(44)는 홈(45) 내부에 놓일 수 있고, 제 2 전도성 플레이트(24)는 홈(43) 내부에 놓일 수 있다. 탭(46)은 수형으로 구성(maleably adjusted)될 수 있고, 그 위에 제 1 전도성 플레이트(12)가 놓이는 덮개(106)의 금속 표면(또는 덮개의 일부인 말단 플레이트의 표면)에 고정되어서, 고리(44)가 제 1 전도성 플레이트(12) 위에 고정될 수 있다. 도 5a 및 5b, 및 도 6a 및 6b에 도시된 바대로, 탭(46)의 수는 임의의 수, 예를 들어 1개, 2개, 3개 또는 4개일 수 있다.
리테이너(40)의 다른 특정한 구체예가 도 7a 및 7b에 도시되어 있다. 도 7a 및 7b의 리테이너(40)는 절연체, 예컨대 전기적으로 절연되는 고리이며, 이는 리테이너(40)의 주변 주위로 하나 이상의 개구(48) 및 홈(50)을 규정한다. 도 7a에 도시된 대로, 제 2 전도성 플레이트(24)는 홈(50) 내부에 놓일 수 있다. 이 구체예에서, 제 1 전도성 플레이트(12)는 바람직하게는 하나 이상의 탭(52)을 포함한다. 제 1 전도성 플레이트(12)의 탭(52), 및 리테이너(40)의 개구(48)는, 리테이너(40) 및 제 1 전도성 플레이트(12)의 기부(22)가 동심상인 경우에 일직선이 될 수 있다. 제 1 전도성 플레이트(12)의 탭(52)은 도 7b에 도시된 바와 같이 리테이너(40)를 제 1 전도성 플레이트(12)에 고정시키기 위해 수형으로 구성될 수 있다.
CID(10)과 같은 본 발명의 CID는 배터리, 예컨대 리튬-이온 배터리에 내장될 수 있다. 도 8a 및 8b는 본 발명의 배터리의 2개의 상이한 배터리(100)(이것을 일괄적으로 도 8a의 배터리(100a) 및 도 8d의 배터리(100b)로 지칭함)의 구체예를 도시한다. 도 8b는 배터리 내부로부터 본 경우에, CID(10)를 포함하는 배터리(100)의 덮개 부분의 하면도를 나타낸다. 도 8c 및 8f는 각각 도 8a의 배터리(100a)의 덮개 부분 및 도 8d의 배터리(100b)의 덮개 부분의 단면도를 나타낸다.
도 8a 내지 8f에 도시된 것과 같이, 배터리(100)는 CID(10), 전지 케이스(104) 및 덮개(106)를 포함하는 배터리 캔(102), 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(110)을 포함한다. 제 1 전극(108)은 배터리의 제 1 터미널과 전기적으로 소통되고, 제 2 전극(110)은 배터리의 제 2 터미널과 전기적으로 소통된다. 전지 케이스(104) 및 덮개(106)는 서로 전기적으로 접촉된다. 제 1 전극(108)의 탭(도 8a 및 8d에는 도시되지 않음)은 피드-쓰루(feed-through) 장치(114)의 전기적으로 전도성인 제 1 부품(116)에 전기적으로 연결된다(예를 들어, 용접, 주름형성, 리벳팅 등에 의해). 제 2 전극(110)의 탭(도 8a 및 8d에는 도시되지 않음)은 CID(10)의 제 2 전도성 플레이트(24)에 전기적으로 연결된다(예를 들어, 용접, 주름형성, 리벳팅 등에 의해).
바람직한 특징들을 포함하는 CID(10)의 특징들이 상술되어 있다. 구체적으로, 도 8a 내지 8c, 및 도 8d 내지 8d에서, CID(10)는 제 1 전도성 플레이트(12), 제 2 전도성 플레이트(24), 말단 플레이트(34) 및 리테이너(40)를 포함한다. 도 8a 및 8d에 도시된 것과 같이, 배터리(100)에서 말단 플레이트(34)는 전지 캔(102)의 덮개(106)의 일부이다. 도시되어 있지는 않지만, 별개의 말단 플레이트(34)가 본 발명에 사용될 수 있다. 제 1 전도성 플레이트(12), 제 2 전도성 플레이트(24), 리테이너(40) 및 말단 플레이트(34)의 바람직한 특징들을 포함하는 특징들은 상술되어 있다. 바람직하게는, 제 2 전도성 플레이트(24)가 제 1 전도성 플레이트(12)로부터 분리되는 경우에, 배터리(100) 내부의 가스가 제 2 전도성 플레이트(24)를 통해서 배출되지 않도록 제 2 전도성 플레이트(24)가 파괴되지 않는다. 압력이 증가 상태로 유지되고 배기 수단(112)의 작동을 위한 소정 값에 도달하는 경우에, 가스는 전지 케이스(104)에 있는 하나 이상의 배기 수단(112)(도 8a 및 8d 참조)을 통해 배터리(100)를 빠져 나오며, 이는 이하에서 상세하게 논의될 것이다. 몇몇의 구체예에서, 예를 들어 약 10kg/㎠ 내지 약 20kg/㎠, 예컨대 약 12kg/㎠ 내지 약 20kg/㎠의 범위 내에 있는 내부 게이지 압력인, 배기 수단(112)의 작동을 위한 소정 값은, 예를 들어 약 4kg/㎠ 내지 약 10kg/㎠ 또는 약 4kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠인 CID(10)의 작동을 위한 소정 값보다 높다. 이러한 특징은 가스의 조기 누출방지를 돕는데, 상기한 조기 누출은 정상적으로 작동하는 이웃하는 배터리(또는 전지)를 손상시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명의 배터리 팩 내의 복수개 전지 중 하나가 손상되는 경우에, 다른 정상적인 전지는 손상되지 않는다. CID(10)의 작동에 적합한 게이지 압력 값 또는 이의 하위 범위, 및 배기 수단(112)의 작동을 위한 그러한 게이지 압력 값 또는 이의 하위 범위는, 선택된 압력 값들 간에 또는 하위 범위들 간에 중복되지 않도록 소정의 게이지 압력 범위로부터 선택된다. 바람직하게는, CID(10)의 작동을 위한 게이지 압력 값 또는 범위 및 배기 수단(112)의 작동을 위한 그러한 게이지 압력 값 또는 범위는 적어도 약 2kg/㎠만큼, 더욱 바람직하게는 적어도 약 4kg/㎠만큼, 더욱 더 바람직하게는 적어도 약 6kg/㎠만큼, 예컨대 약 7kg/㎠만큼 차이난다.
CID(10)는 상기한 바와 같이 제조될 수 있다. CID(10)를 배터리(100)의 배터리 캔(102)에 부착시키는 것은 당업계에 공지된 임의의 적합한 수단에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게는, CID(10)는 용접에 의해 배터리 캔(102)에 부착되며, 더욱 바람직하게는 제 1 전도성 플레이트(12)를 본 발명의 CID에 대해 상술한 바와 같이 덮개(106)의 말단 플레이트(34) 상으로 용접시킴으로써 부착된다.
하나의 CID(10)가 배터리(100)에 사용되긴 하지만, 하나 초과의 CID(10)가 본 발명에 사용될 수 있다. 또한, 도 8a 내지 8c, 및 도 8d 내지 8f에서 제 2 전극(110)과 전기적으로 접촉된 CID(10)가 도시되어 있지만, 몇몇의 다른 구체예에서 CID(10)는 제 1 전극(108) 및 전지 캔(102)로부터 절연되는 피드-쓰루 장치(114)와 전기적으로 소통될 수 있고, 제 2 전극(110)은 전지 캔(102)과 직접적으로 전기 접촉된다. 그러한 구체예에서, CID(10)는 전지 캔(102)과 전기적으로 소통되지 않는다. 또한, 8a 내지 8c 및 도 8e 내지 8f에서 CID(10)는 덮개(106)의 내부(105)에 위치하는 것으로 도시되어 있지만(도 8c 및 8f 참조), 본 발명의 CID(10)는 배터리(100)의 임의의 적합한 위치, 예를 들어 전지 케이스(102)의 측부, 또는 덮개(106)의 최상부 측(107) 상에 위치할 수 있다.
도 8c 및 도 8e에 도시된 대로, 피드-쓰루 장치(114)는 전기 전도성인 제 1 전도성 부품(116), 절연체(118) 및 배터리(100)의 제 1 터미널일 수 있는 제 2 전도성 부품(120)을 포함한다. 본원에 사용된 용어 "피드-쓰루"는, 배터리의 케이스 및 덮개에 의해 규정된 공간 내의 배터리의 전극과, 규정된 내부 공간에 대해 외부에 위치하는 배터리의 부품을 연결시키는 임의의 물질 또는 장치를 포함한다. 바람직하게는, 피드-쓰루 물질 또는 장치를 배터리의 덮개에 의해 규정된 관통 구멍(pass-through hole)을 통해 연장된다. 피드-쓰루 장치(114)는 전극 탭을 구부리거나, 꼬거나 및/또는 접는 것과 같은 변형 없이 배터리의 전지 케이스의 덮개를 통과하여, 전지 용량을 증가시킬 수 있다. 상기 피드-쓰루 장치는 증가된 공간 활용도로 인해, 전류 운반 탭이 전지 케이스 내로 접혀지거나 구부려져서 내부 전극과 용접되는 종래의 리튬 배터리의 전기 용량에 비교하여, 전지 용량을 잠재적으로 증가(예를 들어, 5 내지 15%)시킬 수 있다. 제 1 및 제 2 전도성 부품(116, 120)은 임의의 적합한 전기 전도성 물질, 예컨대 니켈로 제조될 수 있다. 당업계에 공지된 임의의 적합한 절연성 물질이 절연체(118)를 위해 사용될 수 있다.
전지 케이스(104)는 배터리, 예컨대 본 발명의 리튬-이온 배터리의 소정 전압에서 본질적으로 전기적으로 및 화학적으로 안정한 임의의 적합한 전도성 물질로 제조될 수 있다. 전지 케이스(104)의 적합한 물질의 예에는 알루미늄, 니켈, 구리, 강철, 니켈 도금된 철, 스테인레스 스틸, 및 이들의 조합체가 포함된다. 바람직하게는, 전지 케이스(104)는 알루미늄이거나 이를 포함한다. 덮개(106)의 적합한 물질의 예는 전지 케이스(104)에 대해 나열된 것들과 동일하다. 바람직하게는 덮개(106)는 전지 케이스(104)와 동일한 물질로 제조된다. 더욱 바람직한 하나의 구체예에서, 전지 케이스(104) 및 덮개(106) 둘 모두는 알루미늄으로 형성되거나 이를 포함한다. 덮개(106)는 당업계에 공지된 임의의 적합한 방법(예를 들어, 용접, 주름형성 등)으로 전지 케이스(104)를 기밀 상태로 밀봉시킬 수 있다. 바람직하게는, 덮개(106) 및 전지 케이스(104)는 서로 용접된다. 바람직하게는, 덮개(106)와 전지 케이스(104)를 연결하는 용접부는, 덮개(106)와 전지 케이스(104) 사이에서의 게이지 압력이 약 20kg/㎠을 초과하는 경우에 파괴된다.
본 발명의 배터리의 바람직한 하나의 구체예에서, 배터리 캔(102)의 전지 케이스(104) 및 덮개(106) 중 하나 이상은 도 8a 및 도 8d에 도시된 대로, CID(108)를 통해 배터리(100)의 제 2 전극(110)과 전기적으로 소통된다. 배터리 캔(102)은 제 1 터미널(120)로부터 전기적으로 절연되고, 전지 캔(102)의 적어도 일부는 배터리(100)의 제 2 터미널의 적어도 하나의 부품이거나 제 2 터미널에 전기적으로 연결된다. 더욱 바람직한 하나의 구체예에서, 덮개(106)의 적어도 일부 또는 전지 케이스(104)의 하부 단부는 제 2 터미널로 제공된다.
도 8c 및 도 8f에 도시된 대로, 배터리 캔(102)의 적어도 일부, 예를 들어 덮개(106) 또는 전지 케이스(104)의 하부 단부는 배터리(100)의 제 2 터미널일 수 있다. 대안적으로, 배터리 캔(102)의 적어도 일부는 제 2 터미널의 적어도 하나의 부품일 수 있거나 제 2 터미널에 전기적으로 연결될 수 있다. 전지 캔(102)의 덮개(106)는 절연체(118), 예컨대 절연 가스킷 또는 고리에 의해 피드-쓰루 장치(114)로부터 전기적으로 절연된다. 상기 절연체는 적합한 절연 물질, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리비닐플루오라이드(PVF), 천연 폴리프로필렌 등으로 형성된다. 바람직하게는, 제 1 터미널은 네거티브 터미널이며, 전지 캔(102)과 전기적으로 소통되는 배터리(100)의 제 2 터미널은 포지티브 터미널이다.
도 8a 및 도 8d로 다시 돌아가서 살펴보면, 몇몇의 바람직한 구체예에서, 전지 케이스(104)는, 필요한 경우에 예컨대 리튬-이온 배터리(100) 내의 가스가 일정 값, 예를 들어 약 10kg/㎠ 내지 약 20kg/㎠, 예컨대 약 12kg/㎠ 내지 약 20kg/㎠ 또는 약 10kg/㎠ 내지 약 18kg/㎠의 범위 내인 내부 게이지 압력을 초과하는 경우에 내부의 가스상 종을 배기시키기 위한 수단으로 하나 이상의 배기 수단(112)을 포함한다. 배기 수단이 정상적인 배터리 작동 조건에서 기밀상태의 밀봉을 제공할 수 있는 한, 임의의 적합한 유형의 배기 수단이 사용될 수 있다. 배기 수단에 대한 다양한 적합한 예가 2005년 9월 16일자로 출원된 미국 가출원 번호 제 60/717,898호에 기재되어 있으며, 상기 미국 가출원의 전체 교시내용은 본원에 참고로 포함되어 있다.
배기 수단에 대한 구체적인 예에는 배기 스코어(vent score)가 포함된다. 본원에 사용된 용어 "스코어"는 전지 케이스, 예컨대 전지 케이스(104)의 부분적인 자국 부분을 의미하며, 이는 전지 압력 및 임의의 내부 전지 성분이 소정 내부 압력에서 방출될 수 있도록 설계되어 있다. 바람직하게는, 배기 수단(112)은 배기 스코어이며, 더욱 바람직하게는 사용자 또는 이웃하는 전지로부터 방향성을 띠면서 멀리 위치하는 배기 스코어이다. 하나 초과의 배기 스코어가 본 발명에 사용될 수 있다. 몇몇의 구체예에서, 패턴화된 배기 스코어가 사용될 수 있다. 배기 스코어는 전지 케이스의 형태를 형성시키는 중에 전지 케이스 물질의 주 스트레칭(또는 연신) 방향에 대해 평행, 수직, 직교할 수 있다. 배기 스코어 특성, 예컨대 깊이, 형태 및 길이(사이즈)가 또한 고려된다.
본 발명의 배터리는 제 1 터미널 또는 제 2 터미널과 전기적으로 소통되는, 바람직하게는 제 1 터미널과 전기적으로 소통되는 포지티브한 열 계수 층(positive thermal coefficient layer: PTC)을 추가로 포함할 수 있다. 적합한 PTC 물질은 당업계에 공지된 것들이다. 일반적으로, 적합한 PTC 물질은, 설계 문턱값을 초과하는 전류에 노출되는 경우에, 이들의 전기 전도도가, 온도가 여러 차수의 세기(예를 들어, 104 내지 106 또는 그 초과)만큼 증가함에 따라 감소하는 PCT 물질들이다. 일단 전류가 적합한 문턱값 아래로 감소하면 일반적으로 PCT 물질은 실질적으로 초기 전기 저항율로 되돌아간다. 하나의 적합한 구체예에서, PTC 물질은 다결정질 세라믹, 또는 탄소 입자가 내부에 매립되어 있는 플라스틱 또는 중합체의 슬라이스 중에 소량의 반도체 물질을 포함한다. PTC 물질의 온도가 임계점에 도달하면, 상기 반도체 물질, 또는 탄소 입자가 매립된 플라스틱 또는 중합체는 전기 흐름에 대한 장벽을 형성하고, 전기 저항을 급격하게 증가시킨다. 전기 저항율이 급격하게 증가하는 온도는 당업계에 공지된 바와 같이 PTC 물질의 조성을 조절함으로써 가변될 수 있다. PTC 물질의 "작동 온도"는 PTC가 이의 최고 전기 저항과 최저 전기 저항 사이에서 약 절반의 전기 저항을 나타내는 온도이다. 바람직하게는, 본 발명에 사용된 PTC 층의 작동 온도는 약 70℃ 내지 약 150℃이다.
구체적인 PTC 물질의 예에는 소량의 바륨 티타네이트(BaTiO3)를 함유하는 다결정형 세라믹, 및 탄소 입자가 내부에 매립된 폴리올레핀을 포함한다. 2개의 전도성 금속 층 사이에 샌드위치된 PCT 층을 포함하는 시판되는 PTC 라미네이트의 예로는 레이켐 코포레이션(Raychem Co.) 제품인 LTP 및 LR4 시리즈가 포함된다. 일반적으로, 상기 PTC 층은 약 50㎛ 내지 약 300㎛ 범위 내의 두께를 갖는다.
바람직하게는, PCT 층은 전기 전도성 표면을 포함하며, 이의 전체 면적은 더개(106) 또는 배터리(100) 하부의 전체 표면적의 적어도 약 25% 또는 적어도 약 50%(예를 들어, 약 48% 또는 약 56%)이다. PTC 층의 전기 전도성 표면의 전체 표면적은 덮개(106) 또는 배터리(100) 하부의 전체 표면적의 적어도 약 56%일 수 있다. 배터리(100) 덮개(106)의 100% 이하의 총 표면적은 PTC 층의 전기 전도성 표면에 의해 점유될 수 있다. 대안적으로, 배터리(100) 하부의 전부 또는 일부가 PTC 층의 전기 전도성 표면에 의해 점유될 수 있다.
PTC 층은 배터리 캔의 외부에, 예를 들어 배터리 캔의 덮개 위에 위치할 수 있다.
바람직한 구체예에서, PTC 층은 제 1 전도성 및 제 2 전도성 층 사이에 있고 제 2 전도성 층의 적어도 일부는 적어도 제 1 터미널의 성분이거나 제 1 터미널에 전기적으로 연결된다. 보다 바람직한 구체예에서, 제 1 전도성 층은 피드-쓰루 장치에 연결된다. 제 1 및 제 2 전도성 층 사이에 삽입된 이러한 PTC 층의 적합한 예가 2006년 6월 23일 출원된 미국특허출원 11/474,081호에 개시되어 있고, 이의 전체 교시 내용이 본원에 참고로 포함된다.
바람직한 구체예에서, 본 발명의 배터리는 전지 케이스(104)와 덮개(106)를 포함하는 배터리 캔(102), 하나 이상의 CID, 바람직하게는 배터리의 제 1 또는 제 2 전극 중 어느 하나와 전기적으로 소통되는 상기 개시된 CID(10), 및 전지 케이스(104) 상에 있는 하나 이상의 배기 수단(112)을 포함한다. 상기 개시된 대로, 배터리 캔(102)은 배터리의 제 1 전극과 전기적으로 소통되는 제 1 터미널로부터 전기적으로 절연된다. 배터리 캔(102)의 적어도 일부는 적어도 배터리의 제 2 전극과 전기적으로 소통되는 제 2 터미널의 성분이다. 덮개(106)는 용접된 덮개가 약 20 kg/㎠보다 큰 내부 게이지 압력에서 전지 케이스(104)로부터 탈착되도록 전지 케이스(104) 상에 용접된다. CID는 바람직하게는 용접에 의해 서로 전기적으로 소통되는 제 1 전도성 플레이트(예컨대, 제 1 전도성 플레이트(12)) 및 제 2 전도성 플레이트(예컨대, 제 2 전도성 플레이트(24))를 포함한다. 이러한 전기적 소통은 약 4kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠, 약 5kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠ 또는 약 7kg/㎠ 내지 약 9kg/㎠의 내부 게이지 압력에서 차단된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 전도성 플레이트는 용접부가 소정의 게이지 압력에서 파괴되도록 서로 용접되며, 예컨대 레이저 용접된다. 적어도 하나의 배기 수단(112)은 내부 게이지 압력이 약 10kg/㎠ 내지 약 20kg/㎠ 또는 약 12kg/㎠ 내지 약 20kg/㎠의 범위 내일 때 내부의 가스상 종들을 배기시키도록 형성된다. 상기 개시된 대로, CID(10)의 작동에 적합한 게이지 압력 값 또는 하위 범위 및 배기 수단(112)의 작동에 적합한 것들은 선택된 압력 값들 간에 또는 하위 범위들 간에 중복되지 않도록 소정의 게이지 압력 범위로부터 선택된다. 바람직하게는, CID(10)의 작동을 위한 게이지 압력 값 또는 범위 및 배기 수단(112)의 작동에 적합한 것들은 적어도 약 2 kg/㎠, 보다 바람직하게는 적어도 약 4kg/㎠, 심지어 보다 바람직하게는 적어도 약 6kg/㎠, 예컨대 약 7kg/㎠의 압력 차만큼 상이하다. 또한, 전지 케이스(104)로부터 용접된 덮개(106)의 파괴에 적합한 게이지 압력 값 또는 하위 범위 및 배기 수단(112)의 작동에 적합한 것들은 선택된 압력 값들 간에 또는 하위 범위들 간에 중복되지 않도록 소정의 게이지 압력 범위로부터 선택된다. 바람직하게는 CID(10)의 작동을 위한 게이지 압력 값 또는 범위 및 배기 수단(112)의 작동에 적합한 것들은 적어도 약 2 kg/㎠, 보다 바람직하게는 적어도 약 4kg/㎠, 심지어 보다 바람직하게는 적어도 약 6kg/㎠의 압력 차만큼 상이하다.
바람직하게는, 본 발명의 배터리는 재충전될 수 있고, 예컨대 재충전될 수 있는 리튬-이온 배터리이다.
바람직하게는, 리튬-이온 배터리와 같은 본 발명의 배터리는 보통의 작업 조건하에서 약 2kg/㎠보다 낮거나 이와 동일한 내부 게이지 압력을 지닌다. 본 발명의 이러한 배터리의 경우에, 일 구체예에서, 활성 전극 물질이 먼저 작동된 다음 배터리의 배터리 캔이 용접 밀봉된다.
본 발명의 배터리(또는 전지)는 원통형(예컨대, 26650, 18650 또는 14500 구성)이거나 사방정계형(적층되거나 굴곡짐, 예컨대 183665 또는 103450 구성)일 수 있다. 바람직하게는, 사방정계형이고, 보다 바람직하게는 직사각형의 사방정계형 모양이다. 비록 본 발명에서 사방정계형의 모든 유형의 전지 케이스를 이용할 수 있으나, 직사각형 전지 케이스가 후술하는 두 가지 특징으로 인해 부분적으로 바람직하다.
183665 형태 요인과 같은, 직사각형 모양의 이용가능한 내부 부피는 동일한 외부 부피의 스택(stack)과 비교할 때 2개의 18650 전지의 부피보다 크다. 배터리 팩으로 조립될 때, 직사각형 전지는 배터리 팩에 의해 점유된 공간 이상을 충분히 이용한다. 이것은 오늘날 산업에서 발견되는 것에 비해 전지 용량을 희생시키지 않으며 중요한 성능 특징을 증가시킬 수 있는 내부 전지 구성요소에 대한 신규한 설계 변경을 가능하게 한다. 이용할 수 있는 더 큰 부피로 인해, 당업자는 비교적 높은 수명 주기(cycle life) 및 높은 용량율(rate capability)을 갖는 보다 얇은 전극을 이용하도록 정할 수 있다. 더욱이, 직사각형 캔은 더 큰 가요성을 지닌다. 예를 들어, 직사각형 모양 캔은 원통 형상의 캔에 비해 잘록한 지점에서 더 많이 구부러질 수 있어서, 충전시 스택 압력이 증가함에 따라 보다 적은 가요성을 허락한다. 증가된 가요성은 전극 상에서 기계적 약화를 감소시키고, 이는 차례로 보다 높은 주기 수명을 야기한다. 또한, 배터리에서 분리기 구멍 막힘이 비교적 낮은 스택 압력에 의해 개선될 수 있다.
비교적 높은 안전성을 허용하는 특히 요망되는 특징이 사방정계형 배터리에 비해 직사각형 모양 배터리에 가능할 수 있다. 직사각형 모양은 젤리 롤에 알맞은 스너그(snug)를 제공하는데, 이것은 배터리에 필요한 전해질의 양을 최소화한다. 비교적 적은 양의 전해질은 남용된 시나리오 동안 이용될 수 있는 반응성 물질을 더 적게 초래하므로 안전성이 더 높다. 또한, 적은 양의 전해질로 인해 비용은 더 낮다. 단면이 직사각형 모양인, 적층된 전극 구조를 지니는 사방정계형 캔의 경우, 불필요한 전해질 없이 본질적으로 충분한 부피 이용이 가능하나, 이러한 유형의 캔은 설계하기가 더 어려워서 제조의 관점에서 비용이 많이 든다.
본 발명의 일부 구체예에서, 도 9를 참조하면, 본 발명의 다수의 리튬-이온 배터리(예컨대, 2 내지 5개 전지)는 배터리 팩으로 연결될 수 있고, 여기서 각 배터리(전지)는 서로 직렬식, 병렬식, 또는 직렬식과 병렬식으로 연결된다. 본 발명의 일부 배터리 팩에서, 배터리간 병렬식 연결은 존재하지 않는다.
바람직하게는, 하나 이상의 전지는 사방정계형의 전지 케이스를 지니고, 보다 바람직하게는 도 8A에 도시된 직사각형 모양의 전지 케이스를 지닌다. 바람직하게는 배터리 팩 중 전지의 용량은 전형적으로 약 3.0Ah와 동일하거나 이를 초과하고, 보다 바람직하게는 약 4.0Ah와 동일하거나 이를 초과한다. 전지의 내부 임피던스는 바람직하게는 약 50 밀리옴 미만이고, 보다 바람직하게는 30 밀리옴 미만이다.
본 발명의 리튬-이온 배터리 및 배터리 팩은 휴대용 컴퓨터, 파워 툴(power tool), 장난감, 휴대용 전화기, 캠코더, PDA 등과 같은 휴대용 파워 디바이스에 이용될 수 있다. 리튬-이온 배터리를 이용하는 휴대용 전자 장치에서, 이들의 전하는 일반적으로 4.20 V 전압으로 설계된다. 따라서, 본 발명의 리튬-이온 배터리 및 배터리 팩은 특히 이러한 휴대용 전자 장치에 유용하다.
본 발명은 또한 상기 개시된 대로 리튬-이온 배터리와 같은 배터리를 제조하는 방법을 포함한다. 이 방법은 상기 개시된 대로 전지 케이스를 형성하고, 전지 케이스 내에 제 1 전극 및 제 2 전극을 배치하는 것을 포함한다. 상기 개시된 대로 전류 차단 장치(예컨대, 전류 차단 장치(28))를 형성시키고 전지 케이스에 전기적으로 연결한다.
본 발명의 리튬-이온 배터리용 포지티브 및 네거티브 전극과 전해질은 당 분야에 공지된 적합한 방법에 의해 형성될 수 있다.
네거티브 전극에 적합한 네거티브-활성 물질의 예는, 리튬이 임의의 물질 내에 또는 이 물질로부터 도핑되거나 도핑되지 않게 하는 임의의 물질을 포함한다. 이러한 물질의 예로는 탄소질 물질, 예를 들어 비-흑연 탄소, 인공 탄소, 인공 흑연, 천연 흑연, 열분해 탄소, 코크(coke), 예컨대 피치 코크, 니들 코크, 석유 코크, 흑연, 비정형 탄소, 또는 페놀 수지, 푸란 수지, 또는 유사한 탄소 섬유, 및 활성탄을 탄화시켜 수득된 열-처리된 유기 중합체 화합물이 있다. 추가로, 금속 리튬, 리튬 합금, 및 이들의 합금이나 화합물이 네거티브 활성 물질로서 이용될 수 있다. 특히, 리튬을 지니는 합금이나 화합물을 형성하도록 하는 금속 원소 또는 반도체 성분은 이로 제한되지 않으나 규소 또는 주석과 같은 IV족 금속 원소 또는 반도체 성분일 수 있다. 특히, 코발트 또는 철/니켈과 같은 전이 금속이 도핑된 무정형 주석은 이러한 유형의 배터리에서 애노드 물질로서 적합한 금속이다. 비교적 염기성 전위에서 리튬이 옥사이드 내에 또는 옥사이드로부터 도핑되거나 도핑되지 않도록 하는 옥사이드, 예컨대 산화철, 산화루테늄, 산화몰리브덴, 산화텅스텐, 산화티탄, 및 산화주석, 및 니트라이드를 유사하게 네거티브-활성 물질로서 이용할 수 있다.
포지티브 전극에 적합한 포지티브-활성 물질은 당 분야에 공지된 임의의 물질을 포함하고, 예를 들어 리튬 니켈레이트(예컨대, Li1+xNiM'O2, 여기서 x는 0 이상이고, 0.2 이하이다), 리튬 코발테이트(예컨대, Li1+xCoO2, 여기서 x는 0 이상이고, 0.2 이하이다), 감람석-형태의 화합물(예컨대, Li1+xFePO4, 여기서 x는 0 이상이고, 0.2 이하이다), 망가네이트 스피넬(예컨대, Li1+x9Mn2-y9O4, 여기서 x9 및 y9는 각각 독립적으로 0 이상이고, 0.3 이하이다, 예컨대 0≤x9,y9≤0.2 또는 0.05≤x9,y9≤0.15, 또는 Li1+x1(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1, 여기서 x1 및 x2는 각각 독립적으로 0.01 이상이고 0.3 이하이며; y1 및 y2는 각각 독립적으로 0.0 이상이고 0.3 이하이며; z1은 3.9 이상이고 4.2 이하이다) 및 이들의 혼합물이다. 적합한 포지티브-활성 물질의 다양한 예를 2005년 12월 23일 출원된 국제출원 PCT/US2005/047383호, 2006년 7월 12일 출원된 미국특허출원 11/485,068호, 및 대리인의 문서번호 3853.1001-015하에 2007년 6월 22일 출원된 국제출원, 명칭 "Lithium-Ion Secondary Battery"에서 찾아볼 수 있고, 이들 모두의 전체 교시가 본원에 참조로서 포함된다.
특정의 일 구체예에서, 본 발명의 포지티브 전극용 포지티브-활성 물질은 Li(1+x8)CoOz8과 같은 리튬 코발테이트를 포함한다. 보다 구체적으로, 약 60-90 중량%(예컨대, 약 80 중량%)의 리튬 코발테이트, 예컨대 Li(1+x8)CoOz8 및 약 40-10 중량%(예컨대, 약 20 중량%)의 망가네이트 스피넬, 예컨대, Li(1+x1)Mn2Oz1, 바람직하게는 Li(1+x1)Mn2O4의 혼합물이 본 발명에 적용된다. x1의 값은 0 이상이고 0.3 이하이다(예컨대, 0.05≤x1≤0.2 또는 0.05≤x1≤0.15). z1의 값은 3.9 이상이고 4.2 이상이다. x8의 값은 0 이상이고 0.2 이하이다. x8의 값은 1.9 이상이고 2.1 이상이다.
또 다른 특정 구체예에서, 본 발명의 포지티브-활성 물질은 Li(1+x8)CoOz8과 같은 리튬 코발테이트 및 실험식 Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1으로 표시되는 망가네이트 스피넬의 혼합물을 포함한다. x1 및 x2의 값은 각각 독립적으로 0.01 이상이고 0.3이하이다. y1 및 y2의 값은 각각 독립적으로 0.01 이상이고 0.3 이하이다. z1 값은 3.9 이상이고 4.2 이하이다. A'는 마그네슘, 알루미늄, 코발트, 니켈 및 크롬으로 구성된 군 중의 하나 이상의 성분이다. 보다 구체적으로, 리튬 코발테이트 및 망가네이트 스피넬은 약 0.95:0.05에서부터 약 0.9:0.1 내지 약 0.6:0.4까지의 리튬 코발테이트:망가네이트 스피넬의 중량비로 존재한다.
여전히 또 다른 특정의 구체예에서, 본 발명의 포지티브-활성 물질은 Li(1+x8)CoOz8과 같은 리튬 코발테이트를 100% 포함하는 혼합물을 포함한다.
여전히 또 다른 특정의 구체예에서, 본 발명의 포지티브-활성 물질은 a) 리튬 코발테이트; b) 리튬 니켈레이트; c) 실험식 Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1으로 표시되는 망가네이트 스피넬; d) 실험식 Li(1+x1)Mn2Oz1 또는 Li1+x9Mn2-y9O4로 표시되는 망가네이트 스피넬; 및 e) 실험식 Li(1-x10)A"x10MPO4로 표시되는 감람석 화합물로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 산화리튬을 포함한다. x1, z1, x9 및 y9의 값은 상기 개시된 바와 같다. x2 값은 0.01 이상이고 0.3 이하이다. y1 및 y2의 값은 각각 독립적으로 0.0 이상이고 0.3 이하이다. A'는 마그네슘, 알루미늄, 코발트, 니켈 및 크롬으로 구성된 군 중의 하나 이상의 성분이다. x10 값은 0.05 이상이고 0.2 이하이거나, x10값은 0.0 이상이고 0.1 이하이다. M은 철, 망간, 코발트 및 마그네슘으로 구성된 군 중의 하나 이상의 성분이다. A"는 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 니켈 및 니오븀으로 구성된 군 중의 하나 이상의 성분이다.
본 발명에 이용될 수 있는 리튬 니켈레이트는 Li 원자 또는 Ni 원자 중 어느 하나, 또는 둘 모두의 하나 이상의 개질제를 포함한다. 본원에서 사용된 "개질제"는 LiNiO2의 결정 구조에서 Li 원자 또는 Ni 원자의 부위, 또는 둘 모두를 점유하는 치환 원자를 의미한다. 일 구체예에서, 리튬 니켈레이트는 Li 원자의 개질제 또는 Li 원자에 대한 치환체("Li 개질제")만을 포함한다. 또 다른 구체예에서, 리튬 니켈레이트는 Ni 원자의 개질제 또는 Li 원자에 대한 치환체("Ni 개질제")만을 포함한다. 여전히 또 다른 구체예에서, 리튬 니켈레이트는 Li 개질제 및 Ni 개질제 둘 모두를 포함한다. Li 개질제의 예로는 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 및 스트론튬(Sr)이 있다. Ni 개질제의 예로는 Li에 대한 개질제에 추가하여, 알루미늄(Al), 망간(Mn) 및 붕소(B)가 있다. Ni 개질제의 다른 예로는 코발트(Co) 및 티탄(Ti)이 있다. 바람직하게는, 리튬 니켈레이트가 LiCoO2로 코팅된다. 코팅은, 예를 들어 구배 코팅이거나 스폿-식(spot-wise) 코팅일 수 있다.
본 발명에 이용될 수 있는 리튬 니켈레이트의 한 특정 유형은 실험식 Lix3Ni1-z3M'z3O2에 의해 표시되며, 여기서 0.05<x3<1.2이고 0<z3<0.5이고, M'는 Co, Mn, Al, B, Ti, Mg, Ca 및 Sr로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이다. 바람직하게는, M'이 Mn, Al, B, Ti, Mg, Ca 및 Sr로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이다.
본 발명에 이용될 수 있는 리튬 니켈레이트의 또 다른 특정 유형은 실험식 Lix4A* x5Ni(1-y4-z4)Coy4Oz4Oa에 의해 표시되며, 여기서 x4는 약 0.1 이상이고 약 1.3 이하이며; x5는 0.0 이상이고 약 0.2 이하이며; y4는 0.0 이상이고 약 0.2 이하이며; z4는 0.0 이상이고 약 0.2 이하이며; a는 약 1.5보다 크고 약 2.1보다 작으며; A*는 바륨(Ba), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)으로 구성된 군 중의 하나 이상의 성분이고; Q는 알루미늄(Al), 망간(Mn) 및 붕소(b)로 구성된 군 중의 하나 이상의 성분이다. 바람직하게는, y4는 0보다 크다. 바람직한 일 구체예에서, x5는 0이고, z4는 0.0보다 크고 약 0.2 이하이다. 또 다른 구체예에서, z4는 0이고, x5는 0.0보다 크고 약 0.2 이하이다. 여전히 또 다른 구체예에서, x5 및 z4는 각각 독립적으로 0.0보다 크고 약 0.2 이하이다. 여전히 또 다른 구체예에서, x5, y4 및 z4는 각각 독립적으로 0.0보다 크고 약 0.2 이하이다. x5, y4 및 z4가 각각 독립적으로 0.0보다 크고 약 0.2 이하인 리튬 니켈레이트의 다양한 예를 미국특허 6,855,461호 및 6,921,609호(이들의 전체 교시가 본원에 참조로서 포함된다)에서 볼 수 있다.
리튬 니켈레이트의 특정 예는 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2이다. 바람직한 특정 예는 LiCoO2-코팅된 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2이다. 스폿-식으로 코팅된 캐소드에서, LiCoO2는 니켈레이트 코어 입자를 완전히 코팅시키지 않는다. LiCoO2로 코팅된 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2의 조성은 조성물에서 Ni:Co:Al의 0.8:0.15:0.05의 중량비로부터 자연적으로 다소 벗어날 수 있다. 이러한 편차는 Ni의 경우 약 10-15%, Co의 경우 5-10% 및 Al의 경우 2-4%의 범위일 수 있다. 리튬 니켈레이트의 또 다른 특정 예는 Li0.97Mg0.03Ni0.9Co0.1O2이다. 바람직한 특정 예는 LiCoO2-코팅된 Li0.97Mg0.03Ni0.9Co0.1O2이다. LiCoO2로 코팅된 Li0.97Mg0.03Ni0.9Co0.1O2의 조성은 조성물에서 Mg:Ni:Co의 0.03:0.9:0.1의 중량비로부터 자연적으로 다소 벗어날 수 있다. 이러한 편차는 Mg의 경우 약 2-4%, Ni의 경우 10-15% 및 Co의 경우 5-10%의 범위일 수 있다. 본 발명에 이용될 수 있는 또 다른 바람직한 니켈레이트는 "333-형 니켈레이트" 라고도 불리는 Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2이다. 이러한 333-형 니켈레이트는 상기 개시된 대로 LiCoO2로 임의로 코팅될 수 있다.
본 발명에 이용될 수 있는 리튬 코발테이트의 적합한 예로는 Li 또는 Co 원자 중 하나 이상에 의해 개질된 Li1+x8CoO2가 있다. Li 개질제의 예는 리튬 니켈레이트의 Li에 대해 상기 개시된 바와 같다. Co 개질제의 예는 Li에 대한 개질제 및 알루미늄(Al), 망간(Mn) 및 붕소(B)를 포함한다. 다른 예로는 니켈(Ni) 및 티탄(Ti)이 있고, 특히 실험식 Lix6M'(1-y6)Co(1-z6)M"z6O2로 표시되는 리튬 코발테이트(여기서 x6은 0.05보다 크고 1.2보다 작으며; y6은 0 이상이고 0.1 미만이며, z6은 0 이상이고 0.5 미만이며; M'은 마그네슘(Mg) 및 나트륨(Na) 중의 하나 이상의 성분이고 M"은 망간(Mn), 알루미늄(Al), 붕소(B), 티탄(Ti), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 및 스트론튬(Sr)으로 구성된 군 중의 하나 이상의 성분이다)가 본 발명에 이용될 수 있다. 본 발명에 이용될 수 있는 리튬 코발테이트의 또 다른 예는 개질되지 않은 Li1+x8CoO2, 예컨대 LiCoO2이다. 특정한 일 구체예에서, 리튬 코발테이트(예컨대 LiCoO2)는 Mg로 도핑되고/거나 굴절성 옥사이드 또는 포스페이트, 예컨대 ZrO2 또는 Al(PO4)로 코팅되었다.
적용된 산화리튬 화합물이 구형-유사 형태를 지니는 것이 특히 바람직한데, 그 이유는 이것이 패킹 및 기타 제조-관련 특성들을 개선시키는 것으로 여겨지기 때문이다.
특히, 리튬 코발테이트 및 리튬 니켈레이트 각각의 결정 구조는 독립적으로 R-3m 타입 공간군(space group)(찌그러진 마름모형을 포함하는 마름모형)이다. 대안적으로, 리튬 니켈레이트의 결정 구조는 단사 공간군일 수 있다(예컨대, P2/m 또는 C2/m). R-3m 타입 공간군에서, 리튬 이온은 "3a" 부위를 점유하고(x=0, y=0 및 z=0) 전이 금속 이온은(즉, 리튬 니켈레이트의 Ni 및 리튬 코발테이트의 Co) "3b" 부위를 점유한다(x=0, y=0, z=0.5). 산소는 "6a" 부위에 위치한다(x=0, y=0, z=z0, 여기서 z0은 개질제(들)를 포함하는 금속 이온의 특성에 따라 변화된다).
본 발명에 사용하기 적합한 감람석 화합물의 예는 일반적으로 일반식 Li1-x2A"x2MPO4로 표시되며, 여기서 x2는 0.05 이상이거나, x2는 0.0 이상이고 0.1 이상이며; M은 Fe, Mn, Co 또는 Mg로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소이고; A"는 Na, Mg, Ca, K, Ni, Nb로 구성된 군으로부터 선택된다. 바람직하게는 M이 Fe 또는 Mn이다. 보다 바람직하게는, LiFePO4 또는 LiMnPO4, 또는 둘 모두가 본 발명에 이용된다. 바람직한 구체예에서, 감람석 화합물은 탄소와 같이 비교적 높은 전기 전도성을 갖는 물질로 코팅된다. 보다 바람직한 구체예에서, 탄소-코팅된 LiFePO4 또는 탄소-코팅된 LiMnPO4가 본 발명에 이용된다. M이 Fe 또는 Mn인 감람석 화합물의 다양한 예가 미국특허 5,910,382호에 발견될 수 있다(이의 전체 교시가 본원에 참조로서 포함된다).
감람석 화합물은 전형적으로 충전/방전시 결정 구조에 작은 변화를 갖는데, 이것이 일반적으로 감람석 화합물을 순환 특성에서 뛰어나게 한다. 또한, 안전성은 배터리가 고온 환경에 노출될 때조차 일반적으로 높다. 감람석 화합물(예컨대 LiFePO4 및 LiMnPO4)의 또 다른 이점은 이들의 비교적 낮은 가격에 있다.
망가네이트 스피넬 화합물은 LiMn2O4와 같은 망간 염기를 지닌다. 망가네이트 스피넬 화합물은 통상적으로 비교적 낮은 비용량(specific capacity)을 갖지만 (예컨대 약 110 내지 115 mAh/g의 범위), 전극으로 제형화될 때 비교적 높은 동력 전달을 지니고 통상적으로 고온에서 화학적 반응성의 관점에서 안전하다. 망가네이트 스피넬 화합물의 또 다른 이점은 이들의 비교적 낮은 가격에 있다.
본 발명에 이용될 수 있는 망가네이트 스피넬 화합물의 한 유형은 실험식 Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1로 표시되며, 여기서 A'는 Mg, Al, Co, Ni 및 Cr 중의 하나 이상이고; x1 및 x2는 각각 독립적으로 0.01 이상이고 0.3 이하이며; y1 및 y2는 각각 독립적으로 0.0 이상이고 0.3 이하이며; z1은 3.9 이상이고 4.1 이하이다. 바람직하게는, A'가 M3+이온, 예컨대 Al3+, Co3+, Ni3+ 및 Cr3+, 보다 바람직하게는 Al3+를 포함한다. Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1의 망가네이트 스피넬 화합물은 LiMn2O4에 비해 개선된 순환성 및 동력을 지닐 수 있다. 본 발명에 이용될 수 있는 망가네이트 스피넬 화합물의 또 다른 유형은 실험식 Li(1+x1)Mn2Oz1으로 표시되며, 여기서 x1 및 z1은 각각 독립적으로 상기 개시된 바와 같다. 대안적으로, 본 발명의 망가네이트 스피넬은 실험식 Li1+x9Mn2-y9Oz9로 표시된 화합물을 포함하고, 여기서 x9 및 y9는 각각 독립적으로 0.0 이상이고 0.3 이하이며(예컨대 0.05≤x9,y9≤0.15); z9는 3.9 이상이고 4.2 이하이다. 본 발명에 이용될 수 있는 망가네이트 스피넬의 특정 예로는 LiMn1.9Al0.1O4, Li1+x1Mn2O4, Li1+x7Mn2-y7O4, 및 Al과 Mg 개질제를 이용한 이들의 변형체가 있다. 타입 Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1의 망가네이트 스피넬 화합물의 다양한 다른 예를 미국특허 4,366,215호; 5,196,270호; 및 5,316,877호에서 찾아볼 수 있다(이들의 전체 교시 내용이 본원에 참조로서 포함된다).
본원에 개시된 적합한 캐소드 물질은 이들이 포함된 리튬-이온 배터리의 제조시에 실재하는 실험식에 의해 특성규명됨을 주목한다. 그 이후 이들의 특정 조성은 이용 동안에(예컨대 충전과 방전) 발생하는 이들의 전기화학적 반응에 따라 변화된다.
적합한 비수성 전해질의 예로는 전해질 염을 비수성 용매에 용해시킴에 의해 제조된 비수성 전해질 용액, 고체 전해질(전해질 염을 함유하는 무기 전해질 또는 중합체 전해질), 및 전해질을 중합체 화합물에 혼합시키거나 용해시킴에 의해 제조된 고체 또는 겔-유사 전해질 등이 있다.
비수성 전해질 용액은 통상적으로 염을 유기 용매에 용해시킴에 의해 제조된다. 유기 용매는 이 유형의 배터리에 일반적으로 사용되는 임의의 적합한 유형을 포함할 수 있다. 이러한 유기 용매의 예로는 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, γ-부티로락톤, 테트라히드로푸란, 2-메틸 테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 4-메틸-1,3-디옥솔란, 디에틸 에테르, 설폴란, 메틸설폴란, 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 아니솔, 아세테이트, 부티레이트, 프로피오네이트 등이 있다. 프로필렌 카보네이트와 같은 시클릭 카보네이트, 또는 디메틸카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 사슬 카보네이트를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 유기 용매를 단독으로 또는 두 유형 이상을 합쳐서 이용할 수 있다.
첨가제 또는 안정화제도 전해질에 존재할 수 있고, 예컨대 VC(비닐 카보네이트), VEC(비닐 에틸렌 카보네이트), EA(에틸렌 아세테이트), TPP(트리페닐포스페이트), 포스파젠, 바이페닐(BP), 시클로헥실벤젠(CHB), 2,2-디페닐프로판(DP), 리튬 비스(옥살라토)보레이트(LiBoB), 에틸렌 설페이트(ES) 및 프로필렌 설페이트이다. 이러한 첨가제는 애노드 및 캐소드 안정화제, 방염제 또는 가스 방출제로서 이용되며, 배터리가 형성, 순환 효율, 안전성 및 수명의 측면에서 더 높은 성능을 지니도록 할 수 있다.
고체 전해질은 재료가 리튬-이온 전도성을 지니는 한 무기 전해질, 중합체 전해질 등을 포함할 수 있다. 무기 전해질은, 예를 들어 리튬 니트라이드, 리튬 요오다이드 등을 포함할 수 있다. 중합체 전해질은 전해질 염과 전해질 염이 용해되는 중합체 화합물로 구성된다. 중합체 전해질에 이용되는 중합체 화합물의 예로는 에테르-기재 중합체, 예컨대 폴리에틸렌 옥사이드 및 가교된 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리메타크릴레이트 에스테르-기재 중합체, 아크릴레이트-기재 중합체 등이 있다. 이러한 중합체는 단독으로 또는 두 유형 이상의 혼합물이나 공중합체의 형태로 이용될 수 있다.
겔 전해질의 매트릭스는 중합체가 상기 개시된 비수성 전해질 용액을 흡수함에 의해 겔화되는 한, 임의의 중합체일 수 있다. 겔 전해질에 사용되는 중합체의 예로는 플루오로카본 중합체, 예컨대 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴-코-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP) 등이 있다.
겔 전해질에 사용되는 중합체의 예는 또한 폴리아크릴로니트릴 및 폴리아크릴로니트릴의 공중합체를 포함한다. 공중합반응에 이용되는 단량체(비닐 기재 단량체)의 예로는 비닐 아세테이트, 메틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 이타콘산, 수소화된 메틸 아크릴레이트, 수소화된 에틸 아크릴레이트, 아크릴아미드, 비닐 클로라이드, 비닐리덴 플루오라이드 및 비닐리덴 클로라이드가 있다. 겔 전해질에 이용되는 중합체의 예는 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체 러버(rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 수지, 아크릴로니트릴-염화(chlorinated) 폴리에틸렌-프로필렌디엔-스티렌 공중합체 수지, 아크릴로니트릴-비닐 클로라이드 공중합체 수지, 아크릴로니트릴-메타크릴레이트 수지, 및 아크릴로니트릴-아크릴레이트 공중합체 수지를 추가로 포함한다.
겔 전해질에 이용되는 중합체의 예로는 에테르 기재 중합체, 예컨대 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌 옥사이드의 공중합체, 및 가교된 폴리에틸렌 옥사이드가 있다. 공중합반응에 이용되는 단량체의 예로는 폴리프로필렌 옥사이드, 메틸 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트가 있다.
특히, 산화-환원 안정성의 관점에서, 플루오로카본 중합체가 겔 전해질의 매트릭스에 바람직하게 이용된다.
전해질에 사용된 전해질 염은 이러한 유형의 배터리에 적합한 임의의 전해질 염일 수 있다. 전해질 염의 예로는 LiClO4, LiAsF6, LiPF4, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiB(C2O4)2, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiCl, LiBr 등이 있다. 일반적으로, 분리기는 포지티브 전극을 배터리의 네거티브 전극으로부터 분리시킨다. 분리기는 이러한 유형의 비수성 전해질 이차 배터리의 분리기를 형성하는데 일반적으로 사용되어온 임의의 필름-유사 물질을 포함할 수 있는데, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 이 둘의 층상 조합으로부터 제조된 미세다공성 중합체 필름이다. 또한, 고체 전해질 또는 겔 전해질을 배터리의 전해질로서 이용하는 경우, 분리기가 반드시 제공될 필요는 없다. 유리 섬유 또는 셀룰로오스 물질로 제조된 미세다공성 분리기가 또한 특정 경우에 이용될 수 있다. 분리기 두께는 전형적으로 9 내지 25㎛이다.
일부 특정 구체예에서, 포지티브 전극은 캐소드 분말을 특정 비율로 혼합시킴에 의해 생성될 수 있다. 90 중량%의 이 블렌드를 이후 전도성 제제로서 5 중량%의 아세틸렌 블랙 및 결합제로서 5 중량%의 PVDF와 함께 혼합시킨다. 슬러리를 제조하기 위해 상기 믹스를 용매로서 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 분산시킨다. 이후 슬러리를 약 20㎛의 통상적인 두께를 지닌 알루미늄 집전 포일의 양 표면에 도포하고 약 100-150℃에서 건조시킨다. 건조된 전극을 이후 롤 프레스로 캘린더링하여 압축된 포지티브 전극을 수득한다. LiCoO2를 단독으로 포지티브 전극으로서 이용하는 경우, 94 중량%의 LiCoO2, 3%의 아세틸렌 블랙, 및 3%의 PVDF를 이용한 혼합물을 통상적으로 이용한다. 네거티브 전극은 네거티브 활성 물질로서 93 중량%의 흑연, 3 중량%의 아세틸렌 블랙, 및 결합제로서 4 중량%의 PVDF를 혼합시킴에 의해 제조될 수 있다. 이 네거티브 믹스를 또한 용매로서 N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 슬러리를 제조한다. 네거티브 믹스 슬러리는 약 10㎛의 통상적인 두께를 지닌 스트립-유사 구리 네거티브 집전 포일의 양 표면에 비균일하게 도포되었다. 건조된 전극을 이후 롤 프레스에 의해 캘린더링하여 조밀한 네거티브 전극을 수득한다.
네거티브 및 포지티브 전극과, 미세 기공을 지니는 두께가 25㎛인 폴리에틸렌 필름으로 형성된 분리기는 일반적으로 라미네이트 되고 나선형으로 감겨서 나선형 전극 엘리먼트를 생성한다.
일부 구체예에서, 예컨대 알루미늄으로 제조된 하나 이상의 포지티브 리드(lead) 스트립을 포지티브 전극에 부착시킨 다음, 본 발명의 배터리의 포지티브 터미널에 전기적으로 연결시킨다. 예컨대 니켈 금속으로 제조된 네거티브 리드를 네거티브 전극에 연결한 다음 피드-쓰루 장치에 부착시켰다. 예를 들어 1M LiPF6를 지니는 EC:DMC:DEC의 전해질이 본 발명의 리튬-이온 배터리의 전지 케이스에 진공 충전되는데, 여기서 전지 케이스는 나선형으로 감긴 "젤리 롤"을 지닌다.
실시예
실시예 1. 본 발명의 CID의 제조
본 실시예는 제 1 전도성 플레이트, 제 2 전도성 플레이트, 상기한 2개의 전도성 플레이트 사이에 있는 리테이너, 및 말단 플레이트를 포함하는 도 1에 도시된 CID를 제조하는 방법에 관한 것이다.
1A. 제 1 전도성 플레이트(12)의 제조
도 2A-2C에 도시된 대로, 알루미늄 3003(H0)의 편평한 시트를, 각진 모서리를 지닌 모자같이 생긴 형상으로 스탬핑함에 의해 제 1 전도성 플레이트(이후 "압력 디스크")를 형성하였다. 두께가 약 0.005 인치(약 0.127mm)(도 2C에서 "d")인 편평한 알루미늄 시트를 이용하였다. 편평한 알루미늄 시트를 먼저 편평한 상부를 지니는 원뿔형 펀치를 이용하여 내리누름에 의해 원뿔형 절두체를 형성하였는데, 이 기부의 직경은 약 0.315 인치(약 8mm)(도 2C에서 "a")이었고 편평한 상부는 기부로부터 약 0.03 인치(약 0.762mm)(도 2C에서 "c")의 높이에 있었다. 편평한 상부의 직경(도 2C에서 "b")은 약 0.215 인치(약 5.46mm)였다. 기부에 평행한 평면에 대한 절두체의 각도는 약 21도였다. 내리눌린 알루미늄 시트를 이후 기부가 약 0.500 인치(약 12.7mm)의 직경을 지니도록 트리밍하였다.
1B. 제 2 전도성 플레이트(24)의 제조
제 2 전도성 플레이트(이후 "용접 디스크")를 프로그레시브 다이에서 알루미늄으로부터 제조하였다. 두께가 약 0.020 인치(약 0.508mm)인 알루미늄 스톡(3003 H14)을 프로그레시브 다이에 공급하였고, 여기서 복합식 스탬핑 및 주조 작업으로 외부 직경이 약 0.401 인치(약 10.2mm)인 부분을 생성하였는데, 동심상 함몰부는 약 0.100 인치(약 2.54mm, 도 3C에서 "a")의 직경을 지니고 두께는 약 0.003 인치(약 0.0762mm)(도 3C에서 "c")이었다. 직경이 약 0.040 인치(약 1.02mm)인 두 대칭적인 홈통 구멍을 압력 소통을 위해 함몰부의 양 측에서 플레이트로 제조하였다. 구멍을 플레이트의 중심으로부터 약 0.140 인치(약 3.56mm) 떨어진 곳에 위치시켰다.
1C. 리테이너 고리(40)의 제조
도 1, 도 8A 및 도 8D에 도시된 리테이너 고리를 사출 성형에 의해 폴리프로필렌 재료로 제조하였다. 리테이너 고리의 목적은 압력 디스크를 역전시키기 전, 동안 및 이후에 용접 디스크를 압력 디스크에 대해 고정된 위치에 유지시키는 것이었다. 압력 디스크의 역전은 CID가 작동되었을 때 발생하였다. 리테이너 고리는 또한 용접 디스크를 이의 역전 이후에 압력 위험으로부터 전기적으로 분리시키는 것을 보장하기 위해 이용되었다. 리테이너 고리는 용접 디스크가 리테이너 고리에 물린(snapped) 후에 용접 디스크를 그 자리에 고정시키는 오버-몰드 특징부를 포함하였다.
1D. 말단 플레이트(34)의 제조
도 4에 도시된 말단 플레이트는 압력 디스크의 수용과 압력 디스크의 절두체 부분의 역전에 필요한 공간을 제공할 수 있다. 본 실시예에서, 배터리 캔의 덮개가 말단 플레이트로서 이용되었다. 말단 플레이트를 스탬핑된 알루미늄 3003 시리즈(H14)로부터 제조하였다.
압력 디스크를 수용하는데 필요한 공간을 위해, 제 1 원통형 엠보싱부(또는 도 4에서 리세스(36))를 밀링 또는 대안적으로 스탬핑 작업에 의해 덮개 상에 생성하였다. 엠보싱부의 직경(도 4에서 "a")은 약 0.505 인치(약 12.8mm)였고, 이는 압력 디스크의 외부 직경(약 0.500 인치(약 12.7mm))보다 약간 컸다. 제 1 엠보싱부의 깊이(도 4에서 "b")는 약 0.0045 인치(약 0.114mm)였고, 이것은 압력 디스크의 두께(약 0.005 인치(약 0.127mm))보다 다소 작았다.
압력 디스크의 역전시 이의 절두체 부분을 수용하는데 필요한 공간을 위해, 제 2 동심상 엠보싱부(도 4에서 리세스(38))가 밀링 또는 대안적으로 스탬핑에 의해 유사하게 제조되었다. 제 2 엠보싱부는 약 0.325 인치(약 8.25mm)의 직경을 지녔고, 이는 압력 디스크 절두체의 기부 직경(약 0.315 인치(약 8.0mm))보다 약간 큰 것이었다. 제 2 엠보싱부는 또한 절두체의 기부에서 기준선으로부터 측정시 압력 디스크의 순 높이(약 0.025인치(약 0.635mm), 도 3C에서 "c")보다 다소 큰, 제 1 엠보싱부로부터 측정된 바와 같이, 약 0.029 인치(약 0.737mm)의 깊이(도 4에서 "d")를 지녔다.
용접 핀을 수용하기 위해, 두 엠보싱부와 중심이 같은 관통 구멍을 드릴링 또는 펀칭에 의해 제조하였다. 구멍은 약 0.100 인치(약 2.54mm)의 직경을 지녔고, 이것은 하기 개시된 스폿 용접 작업 동안 압력 디스크를 지지하고 냉각시키기 위해 이용된 용접 핀을 수용하기에 충분히 큰 것이다.
1E. 용접 디스크, 말단 플레이트 및 리테이너 고리의 예비-세정
조립에 앞서, 용접 디스크(24), 말단 플레이트(34) 및 리테이너 고리(40)를 탈지시키고(degreased) 초음파 클리너에서 이소프로판올(예컨대 90% 이소프로판올)로 세정하였다. 세정은 전형적으로 약 10분 동안 수행되었고, 저습도 환경이나 약 70℃의 오븐에서 건조되었다.
1F. 어셈블리
CID의 구성요소들을 도 1에 도시된 대로 조립하였다. 압력 디스크(12)를, 원뿔형 절두체가 말단 플레이트와 마주하지 않도록 하여 말단 플레이트(34)의 제 1 엠보싱부(리세스 36)에 위치시켰다. 진공 흡입을 이용하여 말단 플레이트 위로 압력 디스크를 단단히 당겨서 두 부분간 양호한 접촉을 제공하였다. 두 부분은 제 1 전도성 플레이트(12)의 기부(20)의 중간 원주 영역에서(예컨대 도 1에 도시된 위치 "a") 용입 용접에 의해 밀봉되어 결합된다.
구멍을 통해 말단 플레이트를 관통한 고체 구리(Cu) 용접 핀을 이용하여 조립된 압력 디스크/말단 플레이트를 스폿 용접 설비에 위치시켰다. 용접 핀을 이용하여 나중에 스폿 용접 작업 동안에 압력 디스크를 지지하고 냉각하였다. 용접 디스크(24)를 리테이너 고리에 위치시켰다. 조립된 용접 디스크/리테이너 고리를 스폿 용접 설비에 탑재하여 압력 디스크의 상부에서 그 자리와 같은 중심으로 용접 디스크/리테이너 고리 어셈블리를 유지시켰다. 설비는 압력 디스크 상에서 압력 디스크 및 용접 디스크의 두드러진 변형 지점으로 용접 핀에 의해 용접 디스크를 단단히 밀도록 충분한 힘을 제공하였다.
용접 디스크는 용접 핀에 의해 변형되고 지지된 영역에서 두 스폿 레이저 용접으로 압력 디스크에 부착되었다. 용접 작업 동안, 압력 디스크는 용접 핀을 통해 냉각되었다.
실시예 2. 본 발명의 배터리의 제조
100%의 Li1+xCoO2(x는 약 0-0.2이다), 또는 약 80 중량%의 Li1+xCoO2(x는 약 0-0.2이다) 및 약 20 중량%의 Li1+x9Mn(2-y9)O4(x9 및 y9는 각각 독립적으로 약 0.05-0.15이다)의 혼합물을 리튬-이온 배터리의 활성 캐소드 물질로서 이용하여 리튬-이온 배터리를 제조하였다. 배터리의 전지 두께, 전지 너비 및 전지 높이는 각각 약 18mm, 약 37mm 및 약 65-66mm이었다. 배터리의 애노드는 탄소였다. 약 5.5 중량%의 바이페닐(BP)을 배터리의 전해질에 포함시켰다. Al 탭 및 Ni 탭을 각각 배터리의 캐소드 및 애노드 탭으로서 이용하였다. 캐소드의 Al 탭을 실시예 1에 개시된 CID의 제 2 전도성 플레이트 위로 용접시켰다. 배터리의 애노드의 Ni 탭을 배터리의 피드-쓰루 장치 위로 용접시켰다(도 8A 및 도 8D 참조).
실시예 3. CID 작동 시험
실시예 1에 개시된 대로 제조되며 배터리 전지에 설치되지 않은 CID를 본 실시예에서 시험하였다. 이러한 시험에서, 압력 시험 설비는 CID의 말단 플레이트(34)의 CID 측이 압축된 공기 또는 질소로 가압되어 CID 방출 압력(CRP)을 시험할 수 있도록 설계되었다. 시험 압력은 약 5 바(게이지)에서 시작하여, 0.5 바씩 증가되었다. 각 압력 설정에서, 압력을 증가시키기 전에 10초 동안 시험 압력하에 말단 플레이트를 유지시켰다. CRP가 0.1-0.2 바의 레졸루션으로 관찰될 수 있도록 각 설정간 압력을 점차적으로 증가시켰다. 시험 결과를 도 10에 요약한다. 도 10에 도시된 대로, CID 트립의 평균 게이지 압력은 약 7.7 바였다.
실시예 4. 리튬-이온 배터리에서 CID 작동 시험
4A. Li 1 + x CoO 2 및 Li 1 +x9 Mn (2- y9 ) O 4 의 혼합물을 포함하는 리튬-이온 배터리
본 실시예의 시험을 위해, 실시예 2에 개시된 대로 약 80 중량%의 Li1+xCoO2 및 약 20 중량%의 Li1+x9Mn(2-y9)O4를 포함하는 혼합물을 리튬-이온 배터리의 활성 캐소드 물질로서 적용시킨 리튬-이온 배터리를 2C 충전 속도로 과충전시켰다. 일반적으로 "1C"는 한 시간 내에 1%에서 100%의 충전 상태로 전지를 완전히 재충전시킬 수 있는 충전 속도를 나타낸다. 따라서, "2C" 속도의 경우, 전지는 30분 후에 완전히 재충전될 것이다. 시험된 배터리의 CID는 약 4.2V로 완전히 충전한 지 평균 약 5 내지 7.5분 후에 작동되었다.
도 11은 과충전 전압에 관한 압력 상승율을 도시한다. 시험된 배터리에서, 내부 압력은 약 4.68V의 과충전에서 분당 약 5 바의 속도로 증가되었다.
도 12는 시험된 배터리의 CID가 작동되었을 때 측정된 전지 스킨 온도를 도시한다. 도 12에 도시된 대로, CID 작동 시점에서의 평균 전지 온도는 약 52.8℃였다. 일반적으로, CID 작동 후, 전지 온도는 잠시 동안 추가로 10-15℃만큼 계속 상승한 다음 떨어지기 시작하였다. 도 13은 시험된 배터리의 최대 스킨 온도의 결과를 도시한다. 도 13에 도시된 대로, 시험된 배터리에 대한 평균 최대 스킨 온도는 약 65.1℃였다.
전지 압력(바)은 과충전 시험 동안 측정된 전지 두께에 기초하여 계산되었다. 시험된 전지의 경우, 평균 계산된 CID 트립의 게이지 압력은 약 7.9 바였다. 도 14는 시험된 배터리 중 하나의 계산된 압력 대 측정된 전지 스킨 온도를 도시한다. 도 14에 도시된 대로, 배터리의 CID는 과충전된 지 약 5-6분 후에 작동되었고, 이 시점에 측정된 전지 스킨 온도는 약 55℃였다. 상기 논의된 대로, 배터리의 전지 온도는 잠시 동안 추가로 10-15℃만큼 계속 상승한 다음 떨어지기 시작하였다.
4B. 100%의 Li 1 + x CoO 2 를 포함하는 리튬-이온 배터리
본 실시예의 시험을 위해, 실시예 2에 개시된 대로 100%의 Li1+xCoO2를 리튬-이온 배터리의 활성 캐소드 물질로서 적용시킨 리튬-이온 배터리를 이용하였다. 배터리를 실시예 4A에 상기 개시된 대로 2C 충전 속도로 과충전하였다. 배터리의 CID가 작동되었을 때 이들의 평균 전지 스킨 온도는 약 65℃였고, 전지 온도는 최대 약 72℃ 까지 추가로 증가되었다. 도 15는 CID가 작동되었을 때 실시예 4A 및 4B의 시험된 배터리의 평균 전지 스킨 온도를 도시하고, 여기서 곡선 A는 실시예 4A의 배터리를 나타내고 곡선 B는 실시예 4B의 배터리를 나타낸다.
4C. 시판되는 CID를 이용한 리튬-이온 배터리에 대한 대조 시험
비교를 위해, 두 개의 18650 시판되는 원통형 전지(Sony US18650GR: 동일한 모델의 전지 A 및 B)를 시험하였는데, 이들 각각은 표준 100%의 Li1 + xCoO2 전지 화학 및 CID를 이용하였다. 이들 전지를 상기 실시예 4A에 개시된 대로 2C 충전 속도로 과충전시켰다. Sony 전지의 CID를 도 15에 도시된 대로 약 94-96℃ 및 약 110-120℃의 온도에서 작동시켰다(18650 전지 A에 대한 곡선 C 및 18650 전지 B에 대한 곡선 D). CID 작동 후 전지의 온도는 계속하여 증가하여 약 110-126℃에 도달하였고, 이것은 전형적인 열폭주(thermal runaway) 온도에 매우 근접한 것이다.
추가로 두 개의 18650 시판되는 원통형 전지(Sony US18650GR: 동일한 모델의 전지 C 및 D)를 시험하였는데, 이들 각각은 표준 100%의 Li1+xCoO2 전지 화학 및 CID를 이용하였다. 이들 Sony 전지의 CID를 실시예 3에 상기 개시된 대로 압력 시험하였다. CID는 약 13.8-14.3 바(게이지 압력)에서 작동되었다(약 14.3 바에서 전지 C, 약 13.8 바에서 전지 D).
실시예 4A-4B 및 대조 실시예 4C의 결과에 기초하여, 본 발명의 배터리에서 도달되는 최대 전지 온도는 통상적인 CID를 지니는 대조 18650 전지보다 현저하게 낮았다. 실시예 4A 및 4B의 배터리가 대조 18650 전지 부피의 2배보다 컸고, 여전히 훨씬 낮은 CID 작동 온도 및 압력을 나타내었음을 주목한다. 이렇게 보다 낮은 CID 작동 온도 및 압력은 바꾸어 말해 전지에서 열폭주 가능성의 감소와 관련된다. 따라서, 본 발명의 CID는 고도로 개선된 안전성-관련 특성을 나타내는 배터리 또는 전지, 특히 비교적 큰(예컨대 18650 전지보다 큰) 배터리 또는 전지를 가능하게 한다.
본원에 인용된 참고문헌
Figure 112010004595075-pct00001
등가물
본 발명을 이의 예시적인 구체예를 참고로 구체적으로 기술하고 설명하였지만, 당업자는 첨부된 청구범위에 포함된 발명의 범위를 벗어나지 않고 형태 및 상세사항에서 본원에 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (76)

  1. a) i) 제 1 말단 및 제 2 말단을 갖는 절두체(frustum)로서, 제 1 말단이 제 2 말단보다 넓은 직경을 갖는 절두체,
    ii) 절두체의 제 1 말단 주변으로부터 방사상으로 연장되는 기부, 및
    iii) 절두체의 제 2 말단을 밀봉하는 본질적으로 평면상인 캡을 포함하는, 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트; 및
    b) 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡과 전기적으로 접촉하는, 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트를 포함하는 전류 차단 장치로서,
    제 2 전도성 플레이트가 관통 구멍을 가지고, 상기 관통 구멍을 통해 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트가 서로 압력적으로 소통되어, 배터리의 내부 게이지 압력이 소정의 값보다 큰 경우에 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트가 분리되고, 그로 인해 전기적 접촉에서의 전기적 소통을 차단하며,
    상기 전기적 접촉은 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡과 제 2 전도성 플레이트를 연결시키는 스폿 용접부(spot weld)를 포함하고, 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트의 표면 융점을 초과하지 않도록 제 1 전도성 플레이트의 온도를 조절함으로써 상기 용접부가 형성되는, 배터리 내에 사용하기 위한 전류 차단 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트가 함몰부를 가지고, 용접부가 함몰부에 위치하는 전류 차단 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 전기적 접촉이 2개 이상의 스폿 용접부를 포함하는 전류 차단 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트가 하나 이상의 개구를 가지는 전류 차단 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 절두체가 15° 내지 25°의 범위 내의, 제 1 전도성 플레이트의 기부에 대해 평행한 평면에 대한 각을 갖는 전류 차단 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 용접부에 가장 가까운 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트의 두께가, 상기 용접부에 가장 가까운 제 1 전도성 플레이트의 두께의 절반 이상 내지 상기 용접부에 가장 가까운 제 1 전도성 플레이트의 두께 미만인 전류 차단 장치.
  7. a) 배터리의 제 1 전극과 전기적으로 소통되는 제 1 터미널로서, 네거티브 터미널인 제 1 터미널;
    b) 배터리의 제 2 전극과 전기적으로 소통되는 제 2 터미널로서, 포지티브 터미널인 제 2 터미널;
    c) 서로 전기적으로 소통되는 전지 케이스(cell casing) 및 덮개를 갖는, 알루미늄의 배터리 캔(battery can)으로서, 상기 배터리 캔이 제 1 터미널로부터 전기적으로 절연되거나(여기서, 배터리 캔의 일부 또는 전부는 제 2 터미널의 하나 이상의 성분이다) 제 2 터미널에 전기적으로 연결되는 배터리 캔; 및
    d) 제 2 전극과 전기적으로 소통되는 하나 이상의 전류 차단 장치로서,
    i) 제 1 말단, 및 제 1 말단보다 작은 직경을 갖는 제 2 말단을 포함하는 절두체, 절두체의 제 1 말단 주변으로부터 방사상으로 연장되는 기부, 및 절두체의 제 2 말단을 밀봉하는 본질적으로 평면상인 캡을 포함하고, 기부는 배터리 캔에 대해 가까이에 위치하고, 본질적으로 평면상인 캡은 배터리 캔에 대해 멀리 위치하는(distal), 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트, 및
    ii) 제 1 전도성 플레이트와 그리고 제 1 전극 및 제 2 전극 중 어느 하나와 전기적으로 접촉하는, 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트를 포함하는 전류 차단 장치를 포함하는 배터리로서,
    제 2 전도성 플레이트가 관통 구멍을 가지고, 상기 관통 구멍을 통해 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트가 서로 압력적으로 소통되어, 배터리의 내부 게이지 압력이 소정의 값보다 큰 경우에 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트가 분리되고, 그로 인해 전기적 접촉에서의 전기적 소통을 차단하며,
    상기 전기적 접촉은 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡과 제 2 전도성 플레이트를 연결시키는 스폿 용접부를 포함하는, 배터리.
  8. 제 7항에 있어서, 제 2 전도성 플레이트가 함몰부를 가지고, 용접부가 함몰부에 위치하는 배터리.
  9. 제 8항에 있어서, 전기적 접촉이 2개 이상의 스폿 용접부를 포함하는 배터리.
  10. 제 9항에 있어서, 절두체가 15° 내지 25°의 범위 내의, 제 1 전도성 플레이트의 기부에 대해 평행한 평면에 대한 각을 갖는 배터리.
  11. 제 7항에 있어서, 절두체의 주변 주위로 그리고 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트의 기부와 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트 사이에서 연장되는 전기 절연성 고리를 추가로 포함하는 배터리.
  12. 제 7항에 있어서, 용접부에 가장 가까운 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트의 두께가, 상기 용접부에 가장 가까운 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트 두께의 절반 이상 내지 상기 용접부에 가장 가까운 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트의 두께 미만인 배터리.
  13. 제 7항에 있어서, 전류 차단 장치가 배터리 캔과 전기적으로 소통되는 배터리.
  14. 제 7항에 있어서, 제 1 전극이 활성 캐소드(cathode) 물질을 포함하고, 상기 캐소드 물질은,
    a) 리튬 코발테이트(lithium cobaltate), 및
    b) 하기 실험식으로 표시되는 망가네이트 스피넬(manganate spinel)을 포함하는 혼합물을 포함하고,
    리튬 코발테이트와 망가네이트 스피넬은 0.95:0.05 내지 0.6:0.4의 리튬 코발테이트 대 망가네이트 스피넬의 중량비로 존재하는 배터리:
    Li(1+x1)(Mn1-y1A'y2)2-x2Oz1
    상기 식에서,
    x1 및 x2는 각각 독립적으로 0.01 이상 내지 0.3 이하이고;
    y1 및 y2는 각각 독립적으로 0.0 이상 내지 0.3 이하이고;
    z1은 3.9 이상 내지 4.2 이하이고;
    A'는 마그네슘, 알루미늄, 코발트, 니켈 및 크롬으로 이루어진 군 중 하나 이상의 성분이다.
  15. a) 배터리의 제 1 전극과 전기적으로 소통되는 제 1 터미널로서, 네거티브 터미널인 제 1 터미널;
    b) 배터리의 제 2 전극과 전기적으로 소통되는 제 2 터미널로서, 포지티브 터미널인 제 2 터미널;
    c) 전지 케이스, 및 상기 전지 케이스 상에 용접된 덮개(lid)를 갖는 알루미늄의 배터리 캔으로서, 상기 배터리 캔이 제 1 터미널로부터 전기적으로 절연되거나(여기서, 배터리 캔의 일부 또는 전부는 제 2 터미널의 하나 이상의 성분이다) 제 2 터미널에 전기적으로 연결되며, 용접된 덮개는 내부 게이지 압력이 20kg/㎠ 이상인 경우에 탈착되는, 알루미늄의 배터리 캔;
    d) i) 제 1 말단, 및 제 1 말단의 직경보다 작은 직경을 갖는 제 2 말단을 포함하는 절두체, 절두체의 제 1 말단 주변으로부터 방사상으로 연장되는 기부, 및 절두체의 제 2 말단을 밀봉하는 본질적으로 평면상인 캡을 포함하고, 상기 기부는 배터리 캔에 대해 가까이에 위치하고, 상기 본질적으로 평면상인 캡은 배터리 캔에 대해 멀리 위치하는, 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트, 및
    ii) 제 1 전도성 플레이트와 그리고 제 1 전극 및 제 2 전극 중 어느 하나와 전기적으로 접촉하는, 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트를 포함하는, 제 2 전극과 전기적으로 소통되는 하나 이상의 전류 차단 장치로서,
    제 2 전도성 플레이트가 관통 구멍을 가지고, 상기 관통 구멍을 통해 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트가 서로 압력적으로 소통되어, 배터리의 내부 게이지 압력이 소정의 값보다 큰 경우에 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트가 분리되고, 그로 인해 전기적 접촉에서의 전기적 소통을 차단하며,
    상기 전기적 접촉은 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡과 제 2 전도성 플레이트를 연결시키는 스폿 용접부를 포함하고,
    제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트를 연결시키는 용접부가 이들 플레이트 사이에서의 게이지 압력이 4kg/㎠ 내지 9kg/㎠의 범위 내인 경우에 파괴되는 전류 차단 장치; 및
    e) 전지 케이스 상의 하나 이상의 배기 수단으로서, 내부 게이지 압력이 10kg/㎠ 내지 20kg/㎠의 범위 내인 경우에, 배터리 내부의 가스가 상기 배기 수단을 통해 배출되는 하나 이상의 배기 수단을 포함하는 배터리.
  16. a) 서로 전기적으로 소통되는 전지 케이스 및 덮개를 포함하는, 알루미늄의 배터리 캔; 및
    b) 서로 전기적으로 소통되는 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트 및 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트를 포함하는 전류 차단 장치로서,
    제 1 전도성 플레이트가 배터리 캔과 전기적으로 소통되며, 제 2 전도성 플레이트가 관통 구멍을 가지고, 상기 관통 구멍을 통해 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트가 서로 압력적으로 소통되어, 배터리의 내부 게이지 압력이 소정의 값보다 큰 경우에 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트가 분리되고, 그로 인해 전기적 접촉에서의 전기적 소통을 차단하며,
    상기 전기적 접촉은 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡과 제 2 전도성 플레이트를 연결시키는 스폿 용접부를 포함하는, 전류 차단 장치를 포함하며,
    제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트 사이에서의 전기적 소통이, 이들 플레이트 간의 게이지 압력이 4kg/㎠ 내지 9kg/㎠의 범위 내인 경우에 차단되는 리튬-이온 배터리.
  17. a) i) 제 1 말단, 및 제 1 말단의 직경보다 작은 직경을 갖는 제 2 말단을 갖는 절두체,
    ii) 절두체의 제 1 말단 주변으로부터 방사상으로 연장되는 기부, 및
    iii) 절두체의 제 2 말단을 밀봉하는 본질적으로 평면상인 캡을 포함하는 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트를 형성시키는 단계;
    b) 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트를 형성시키는 단계; 및
    c) 제 1 전도성 플레이트의 온도를, 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트의 표면 융점을 초과하지 않도록 조절하면서, 제 2 전도성 플레이트를 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡 상으로 용접시키는 단계로서,
    제 2 전도성 플레이트가 관통 구멍을 가지고, 상기 관통 구멍을 통해 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트가 서로 압력적으로 소통되어, 배터리의 내부 게이지 압력이 소정의 값보다 큰 경우에 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트가 분리되고, 그로 인해 전기적 접촉에서의 전기적 소통을 차단하며,
    상기 전기적 접촉은 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡과 제 2 전도성 플레이트를 연결시키는 스폿 용접부(spot weld)를 포함하고, 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트의 표면 융점을 초과하지 않도록 제 1 전도성 플레이트의 온도를 조절함으로써 상기 용접부가 형성되는 단계를 포함하는, 배터리 내에 사용하기 위한 전류 차단 장치의 제조 방법.
  18. a) i) 제 1 말단, 및 제 1 말단의 직경보다 작은 직경을 갖는 제 2 말단을 갖는 절두체, 절두체의 제 1 말단 주변으로부터 방사상으로 연장되는 기부, 및 절두체의 제 2 말단을 밀봉하는 본질적으로 평면상인 캡을 포함하는 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트를 형성시키는 단계;
    ii) 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트를 형성시키는 단계; 및
    iii) 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트의 표면 융점을 초과하지 않도록 제 1 전도성 플레이트의 온도를 조절하면서, 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트를 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡 상으로 용접시켜 전류 차단 장치를 형성시키는 단계로서,
    제 2 전도성 플레이트가 관통 구멍을 가지고, 상기 관통 구멍을 통해 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트가 서로 압력적으로 소통되어, 배터리의 내부 게이지 압력이 소정의 값보다 큰 경우에 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트가 분리되고, 그로 인해 전기적 접촉에서의 전기적 소통을 차단하며,
    상기 전기적 접촉은 제 1 전도성 플레이트의 본질적으로 평면상인 캡과 제 2 전도성 플레이트를 연결시키는 스폿 용접부를 포함하는 단계를 포함하여, 전류 차단 장치를 형성시키는 단계;
    b) 배터리의 제 2 전극을 전류 차단 장치에 부착시키는 단계;
    c) 전류 차단 장치를 배터리의 배터리 캔 상으로 부착시키는 단계로서, 배터리 캔이 서로 전기적으로 소통되는 전지 케이스 및 덮개를 포함하는 단계; 및
    d) 제 1 전극과 전기적으로 소통되는 제 1 터미널, 및 제 2 전극과 전기적으로 소통되는 제 2 터미널을 형성시키는 단계를 포함하는, 배터리 제조 방법.
  19. a) 서로 전기적으로 소통되는 전지 케이스 및 덮개를 포함하는 알루미늄의 배터리 캔을 형성시키는 단계;
    b) i) 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트를 형성시키는 단계;
    ii) 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트를 형성시키는 단계; 및
    iii) 용접부와 마주보는 제 1 전도성 플레이트의 표면 융점을 초과하지 않도록 제 1 전도성 플레이트의 온도를 조절하면서, 알루미늄의 제 2 전도성 플레이트를 알루미늄의 제 1 전도성 플레이트 상으로 스폿 용접시켜 전류 차단 장치를 형성시키는 단계로서,
    제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트를 연결시키는 용접부가 배터리 내의 게이지 압력이 4kg/㎠ 내지 9kg/㎠의 범위 내인 경우에 파괴되고,
    제 2 전도성 플레이트가 관통 구멍을 가지고, 상기 관통 구멍을 통해 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트가 서로 압력적으로 소통되어, 배터리의 내부 게이지 압력이 소정의 값보다 큰 경우에 제 1 전도성 플레이트 및 제 2 전도성 플레이트가 분리되고, 그로 인해 전기적 접촉에서의 전기적 소통을 차단하며,
    상기 전기적 접촉은 제 1 전도성 플레이트와 제 2 전도성 플레이트를 연결시키는 스폿 용접부를 포함하는 단계를 포함하여, 전류 차단 장치를 형성시키는 단계;
    c) 배터리의 제 2 전극을 전류 차단 장치의 제 2 전도성 플레이트에 부착시키는 단계;
    d) 전류 차단 장치의 제 1 전도성 플레이트를 배터리 캔에 부착시키는 단계;
    e) 전지 케이스 상에 하나 이상의 배기 수단을 형성시키는 단계로서, 내부 게이지 압력이 10kg/㎠ 내지 20kg/㎠의 범위 내인 경우에 배터리 내부의 가스가 상기 배기 수단을 통해 배출되는 단계;
    f) 배터리 캔의 덮개를 전지 케이스 상으로 용접시키는 단계로서, 덮개와 전지 케이스 사이에서의 게이지 압력이 20kg/㎠ 이상인 경우에, 덮개와 배터리 캔을 연결시키는 용접부가 파괴되는 단계; 및
    g) 제 1 전극과 전기적으로 소통되는 제 1 터미널, 및 제 2 전극과 전기적으로 소통되는 제 2 터미널을 형성시키는 단계를 포함하는, 리튬-이온 배터리 제조 방법.
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