KR101910738B1 - 이차전지용 캡조립체 및 그 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 캡조립체 및 그 이차전지를 개시한다.
본 발명에 따르는 이차전지용 캡조립체 및 그 이차전지는 원형의 금속판으로 그 중심영역에 해당하는 중심부와 상기 중심부의 주변둘레영역에 해당하는 주변부를 구비하며, 상기 중심부는 발전소자로부터 외부로 전달되는 전류의 통전성이 확보되는 도전경로를 형성하도록 구비되는 통전접촉부와, 상기 중심부의 중앙에는 제2도전경로를 형성하는 파단접합부를 포함하는 안전밴트와, 상기 안전밴트와 대향되어 파단접합부가 노출되도록 하는 중앙홀을 구비하고, 주변부와 밀착되는 버팀부를 구비한 캡다운부 및 상기 파단접합부와 접합되어 있고, 그 주변으로 노치부가 형성되며 외주면은 캡다운부와 절연층을 개재시킨 서브플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 이에 의할 때 동일 크기의 이차전지에서 발전소자의 용량을 증가시키며, 단자간 접촉저항이 낮으며, 부품의 원가가 감소시키는 동시에, 전지캔과 안전밴트와의 사이에서 가스켓이 외부에서 발생된 전기적 쇼트에 의한 에너지나 힘에 의하여 용해되거나 손실되서 발생되는 이차전지의 전기적인 쇼트 발생을 방지할 수 있다.

Description

이차전지용 캡조립체 및 그 이차전지{Cap assembly for a secondary battery and the battery}
본 발명은 이차전지용 캡조립체 및 그 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일 크기의 이차전지에서 발전소자의 용량을 증가시키는 동시에 외부 통전단자탭(pack-tab)의 용접시 변형이 없으며, 단자간 접촉저항이 낮고, 부품의 원가가 감소시키는 동시에, 전지캔과 안전밴트와의 사이에서 가스켓이 외부에서 발생된 전기적 쇼트에 의한 에너지나 힘에 의하여 용해되거나 손실되서 발생되는 이차전지의 전기적인 쇼트 발생을 방지할 수 있는 이차전지용 캡조립체 및 그 이차전지에 관한 것이다.
종래 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.
또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형 구조와, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 구조로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어 가장 널리 제작되고 있으며, 젤리-롤형 전극조립체는 통상적으로 원통형 전지로 제작된다.
그런데, 지속적인 충방전시 젤리-롤형 전극조립체는 반복적인 팽창과 수축을 겪으면서 변형되기도 하고, 이상작동으로 내부 단락(short)이 유발될 수 있고, 이러한 내부 단락으로 인한 발열에 의해 유기 용매가 분해되어 가스가 발생하고, 전지 내의 가스압 상승에 의해 전지가 파열/폭발할 수 있다.
이러한 전지 내부의 가스압 상승은 외부 충격에 의해 내부 단락이 발생하였을 때에도 일어날 수 있다.
상기와 같은 전지의 안전성 문제를 해결하기 위하여, 원통형 전지의 캡 어셈블리에는 고압가스를 배출하는 안전밴트, 고온에서 전류를 차단하는 PTC 소자, 전지 내압의 상승시 전류를 차단하는 전류차단소자(Current Interrupt Device: CID) 등의 안전 소자들과 상기 소자들을 보호하는 돌출형 단자를 형성하는 탑캡 등이 가스켓에 의해 고정된 구조로 이루어져 있었고, 이러한 기술들의 예로 일본특허출원공개 제2006-286561호, 일본특허출원공개 제2005-100927호, 일본특허출원공개 제2002-373711호, 대한민국공개특허공보 제2012-0103394호, 대한민국공개특허공보 제1999-67165호 등 다수를 들 수 있으나, 이들 출원들에 개시되어 있는 캡 어셈블리는 안전소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 가스켓은 캔과 캡조립체와의 계면을 밀봉하는 역할을 하기는 하나, 탑캡의 구조로 인하여 발전소자의 용량이 작을 뿐만 아니라, 안전밴트의 파단시 가스 배출성이 낮고, 접촉저항이 크며, 부품의 원가가 상승하는 원인이 되고 있다.
또한, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 원통형 이차전지(100)는 전지캔(110) 내부에 발전 젤리롤(JR, 발전소자)이 함입되어 음극탭(Tab)이 서브플레이트(128)에 접속되어 전지캔과 캡업부 단자(124)를 통해 전력을 공급할 수 있고, 전지캔의 개구 단부(e)가 클림핑되어 캡조립체(120)를 고정하며, 이러한 캡조립체는 안전밴트(122)가 절곡되어 캡업부(124)를 감싸는 형태일 수도 있고, 절곡없이 최상부로 캡업부가 노출되어 가스켓(130)에 직접 닿는 구조일 수도 있는데, 이차전지가 복수개로 모듈화되어 전기자동차, 에너지 저장장치(ESS)로 사용되는 경우에 다른 이차전지나 전력망으로부터 발생된 전기적 쇼트 에너지나 힘에 의하여 클림핑된 전지캔(110)과 캡업부(124) 또는 안전밴트(122)와의 사이에 개재된 가스켓(130)이 녹거나 조직이 약해질 수 있고, 전지캔(110)과 안전밴트와 접촉되어 쇼트가 발생되어 이차전지의 누액이나 폭발과 같은 안전사고가 발생될 우려가 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫번째 기술적 과제는 동일 크기의 이차전지에서 발전소자의 용량을 증가시키는 동시에 외부 통전단자탭(pack-tab)의 용접시 변형이 없으며, 단자간 접촉저항이 낮고, 부품의 원가가 감소시키는 동시에, 전지캔과 안전밴트와의 사이에서 가스켓이 외부에서 발생된 전기적 쇼트에 의한 에너지나 힘에 의하여 용해되거나 손실되서 발생되는 이차전지의 전기적인 쇼트 발생을 방지할 수 있는 이차전지용 캡조립체를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 두번째 기술적 과제는 동일 크기의 이차전지에서 발전소자의 용량을 증가시키며, 단자간 접촉저항이 낮으며, 부품의 원가가 감소시키는 동시에, 전지캔과 안전밴트와의 사이에서 가스켓이 외부에서 발생된 전기적 쇼트에 의한 에너지나 힘에 의하여 용해되거나 손실되서 발생되는 이차전지의 전기적인 쇼트 발생을 방지할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 첫번째 기술적 과제를 해결하기 위하여, 원형의 금속판으로 그 중심영역에 해당하는 중심부와 상기 중심부의 주변둘레영역에 해당하는 주변부를 구비하며, 상기 중심부는 발전소자로부터 외부로 전달되는 전류의 통전성이 확보되는 도전경로를 형성하도록 구비되는 통전접촉부와, 상기 중심부의 중앙에는 제2도전경로를 형성하는 파단접합부를 포함하는 안전밴트와, 상기 안전밴트와 대향되어 파단접합부가 노출되도록 하는 중앙홀을 구비하고, 주변부와 밀착되는 버팀부를 구비한 캡다운부 및 상기 파단접합부와 접합되어 있고, 그 주변으로 노치부가 형성되며 외주면은 캡다운부와 절연층을 개재시킨 서브플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 안전밴트는 하향으로 절곡될 수 있는 절곡부가 연장되어 구비된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 파단접합부는 버팀부에 마련된 중앙홀로 진입한 서브플레이트의 돌출부와 용착된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 돌출부는 중심부에 대향되는 부분이 상향 돌출되어 파단접합부와 대향되어 융착된 파단접합대향부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 파단접합대향부의 외측 둘레로 장홈 형태의 노치부를 구비한 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 돌출부는 중심부에 대향되는 부분이 상향 돌출되어 통전접촉부와 대향되어 밀착된 통전접촉대향부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 통전접촉대향부는 노치부의 외측 둘레에 구비되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 주변부에는 파단압에 의하여 안전밴트가 꺽일 수 있도록 파단노치부가 그 하부면에 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 파단노치부에 인접하여 통전접촉부를 이격시키고 파단접합부에 파단압을 인가하는 파단공간을 형성하는 꺾임완충부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 꺾임완충부의 바닥 너비는 파단노치부의 바닥 너비보다 넓은 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 캡다운부에는 중앙홀과 이격되어 그 주변에 내부의 기체나 액체의 통로인 통기홀을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 절연층은 서브플레이트의 단부를 벗어나도록 연장되어 캡다운부의 단부에 이르도록 확장되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 절연층은 캡다운부의 통기홀에 대향되는 대향통기홀을 구비하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 대향통기홀에는 스페이서 브릿지가 가로질러 구비된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 안전밴트의 가스켓을 사이에 두고 전지캔의 단부와 대향하는 부분에 단락방지층을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 단락방지층은 300℃이상의 고온에서 내열성을 갖는 고분자 소재나 무기재료를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 단락방지층은 도금층 제거후 레이저와 같은 고에너지로 표면처리하여 형성된 산화막, 질화막인 것일 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 단락방지층은 아노다이징된 링 형상의 알루미늄 소재인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 알루미늄 소재와 피착면은 솔더로 열융착된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 접착층을 개재하고 있는 캡다운부나 서브플레이트의 대향면에는 거친 형상의 조도면을 구비하는 것일 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 두번째 기술적 과제를 해결하기 위하여, 상술한 이차전지용 캡조립체를 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 의하면, 동일 크기의 이차전지에서 발전소자의 용량을 증가시키는 동시에 외부 통전단자탭(pack-tab)의 용접시 변형이 없으며, 단자간 접촉저항이 낮고, 부품의 원가가 감소시키는 동시에, 전지캔과 안전밴트와의 사이에서 가스켓이 외부에서 발생된 전기적 쇼트에 의한 에너지나 힘에 의하여 용해되거나 손실되서 발생되는 이차전지의 전기적인 쇼트 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 캡조립체를 평면적으로 보여주는 그림이고,
도 2는 도 1의 캡조립체를 단면적으로 보여주는 그림이며,
도 3은 본 발명의 따른 캡조립체를 이차전지 전지캔과 조립하여 제조한 이차전지와 외부 통전단자탭(pack-tab, Otab)의 용접(welding)시 형상을 단면적으로 보여주는 그림이고,
도 4는 본 발명의 캡조립체의 안전밴트가 작동압, 파단압에서 변형되는 형상을 단면적으로 묘사한 그림이며,
도 5는 본 발명에 의한 서브플레이트에 부착되는 음극탭이 전지캔 내부에서 변형되어 캡다운부와 절연층을 사이에 두고 밀착되는 형상을 단면적으로 보여주는 그림이고,
도 6은 도 5에 사용된 절연층을 평면적으로 상세하게 보여주는 그림이며,
도 7은 본 발명에 따르는 캡조립체의 안전밴트, 캡다운부가 단조를 거치지 아니한 상태로 조립된 형상을 단면적으로 보여주는 그림이고,
도 8은 본 발명에 따르는 캡조립체의 안전밴트, 캡다운부가 단조를 거치지 아니한 상태로 조립된 형상을 단면적으로 보여주는 그림이고,
도 9는 종래의 캡조립체를 장착한 이차전지의 단면을 보여주는 그림으로, 종래 외부의 회로나 부하에서 발생된 열에너지에 의하여 가스켓이 용융되거나 손상되어 전지캔 단부가 안전밴트에 접촉된 상태와 절연층이 융착되어 캡다운부와 안전밴트가 접촉된 상태를 보여준다.
이하, 본 발명을 상세하게 살펴본다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이며, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 하고, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하며, 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하고, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하며, 도면간 동일하거나 특징을 공유하는 구성요소에 대한 도면번호도 생략할 수 있다.
도 1은 본 발명의 캡조립체를 평면적으로 보여주는 그림이고, 도 2는 도 1의 캡조립체를 단면적으로 보여주는 그림이며, 도 3은 본 발명의 따른 캡조립체를 이차전지 전지캔과 조립하여 제조한 이차전지와 외부 통전단자탭(pack-tab, Otab)의 용접(welding)시 형상을 단면적으로 보여주는 그림이고, 도 4는 본 발명의 캡조립체의 안전밴트가 작동압, 파단압에서 변형되는 형상을 단면적으로 묘사한 그림이며, 도 5는 본 발명에 의한 서브플레이트에 부착되는 음극탭이 전지캔 내부에서 변형되어 캡다운부와 절연층을 사이에 두고 밀착되는 형상을 단면적으로 보여주는 그림이고, 도 6은 도 5에 사용된 절연층을 평면적으로 상세하게 보여주는 그림이며, 도 7은 본 발명에 따르는 캡조립체의 안전밴트, 캡다운부가 단조를 거치지 아니한 상태로 조립된 형상을 단면적으로 보여주는 그림인데, 이를 참고하여 설명한다.
발명에 따르는 이차전지용 캡조립체(120)는 원형의 금속판으로 그 중심영역에 해당하는 중심부(200)와 상기 중심부의 주변둘레영역에 해당하는 주변부(300)를 구비하며, 상기 중심부는 발전소자(JR)로부터 외부로 전달되는 전류의 통전성이 확보되는 도전경로를 형성하도록 구비되는 통전접촉부(210)와, 상기 중심부의 중앙에는 제2도전경로를 형성하는 파단접합부(220)를 포함하는 안전밴트(122)와, 상기 안전밴트와 대향되어 통전접촉부, 파단접합부가 노출되도록 타공된 중앙홀(510)을 구비하고, 주변부와 밀착되는 버팀부(500)를 구비한 캡다운부(126) 및 상기 파단접합부와 접합되어 있고, 그 주변으로 노치부(410)가 형성되며 외주면은 캡다운부와 절연층(600)을 개재시킨 서브플레이트(400)를 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 중심부(200)는 통전접촉부(210), 파단접합부(220)를 포함하고, 상기 통전접촉부(210)는 도전경로의 형성으로 접촉저항을 낮추는 기능을 하는 동시에, 통전단자탭 부착시 가해지는 압력을 지탱하는 지지력을 부여할 수 있으며, 상기 파단접합부(220)는 버팀부로 둘러싸인 중앙부분에 마련된 중앙홀(510)로 진입한 서브플레이트의 돌출부(420)와 용착된 것일 수 있는데, 이때 다양한 접합방법을 사용할 수 있으나, 레이저용접, 용융접합을 이용하여 용접부분이 이차전지 이상작동시 내부에서 발생되는 높은 압력(1차 압력, 2차 압력 등)에 의하여도 떨어지지 않도록 하는 것이 바람직하다.
다시 말하면, 상기 서브플레이트(400) 돌출부(420)는 중심부(200)에 대향되는 부분이 상향 돌출되어, 즉 중앙홀(510)로 진입하여 파단접합부(220)와 용접되며, 중앙홀(510)과 접촉되어서 통전되어 전기적 단락(short)되는 것을 방지하기 위해 돌출부와 중앙홀을 상호 닿지 않도록 이격되도록 조립되어야 한다.
더 나아가, 조립중에 발생할 수 있는 단락불량을 방지하기 위하여, 상기 절연층(600)은 중심부(200)가 노출되도록 중앙홀과 대향되는 대향중앙홀(620)을 구비하고, 상기 대향중앙홀 주변을 따라 돌출된 격벽인 기립부(625)를 구비하여 삽입되는 서브플레이트 돌출부(420)와 중앙홀(510)의 단락 우려를 근본적으로 제거할 수 있다.
또한, 상기 캡다운부(126)의 버팀부(500)는 안전밴트(122)의 주변부(300)에 대향되어 긴밀하게 밀착되고 있어, 발전소자(JR)로부터 외부로 전력인가시 접촉저항을 감소시켜 우수한 통전성을 확보할 수 있음은 물론, 복수개의 배터리를 직렬 또는 병렬로 패키지 모듈화시에 외부 통전단자탭(pack-tab, Otab)의 용접(welding)이 필요하고 그 과정에서 과도한 하중이나 압력으로 캡조립체의 변형이 초래되는 것을 방지하는 역할을 하기도 한다.
더 나아가, 상기 통전단자탭 용접시 캡조립체의 변형을 방지하도록 돌출부(420)가 중심부(200)와 넓게 밀착되어 지지하는 것이 유리하므로, 상기 돌출부(420)는 파단접합부(220)와 용접으로 접합된 파단접합대향부(220')와, 그 주변 둘레로 전지캔(110) 내부에서 이차전지의 이상작동으로 형성된 높은 압력에 의하여 파단되어 내부기체를 외부로 유출시키도록 구비된 음각된 장홈의 노치부(410)외에 통전접촉부와 밀착되는 통전접촉대향부(210')를 가지고 있어, 상기 통전접촉대향부에 의한 지지력을 확보하고 도전경로를 유지할 수 있어 통전성에 유익하다.
또한, 상기 캡다운부(126)에는 중앙홀(510)과 이격되어 그 주변에 내부의 기체나 액체가 외부로 유출되는 통로인 통기홀(530)을 포함하는데, 이차전지 이상작동시 발생하는 고압의 기체나 액체, 유동성 전해질이 채워지며 압력을 증가시켜, 통기홀을 통하여 안전밴트(122)에 작동압이나 파단압을 인가하게 된다.
여기서 작동압은 내부에서 증가하는 압력이 1차적으로(1st pressure) 안전밴트의 통전접촉부(210)와 통전접촉대향부(210'), 파단접합부(220)와 파단접합대향부(220')의 접촉, 접합을 이탈시켜 외부로 전력인가를 저지할 수 있는 정도의 압력을 의미하고, 파단압은 계속적으로 증가하는 2차 내부 압력(2nd pressure)에 의하여 이차전지가 폭발하기 전에 내부 압력을 외부로 누출시키기 위하여 안전밴트(122)가 파손되게 하는 압력을 의미한다.
따라서, 작동압은 상대적으로 파단압보다 작을 필요가 있는데, 예를 들어 캡조립체의 작동과 파단의 경계를 분명히 하기 위하여 작동압은 16 ㎏f/㎠ 정도, 파단압은 30 ㎏f/㎠ 정도로 차이를 크게 설계하기도 하며, 이러한 작동과 파단의 구조적 거동을 자세히 고찰해 보면, 이차전지 내부의 이상작동에 의하여 내부의 압력이 지속적으로 증가하면서 통전접촉부(210)를 통전접촉대향부(210')로부터 이탈시키고, 파단접합부(220)와 파단접합대향부(220')를 이탈시키는 순서로 내부 압력이 작동할 것인데, 파단접합부는 용접으로 접합되어 있어서, 증가되는 내부압력은 버팀부에 마련된 전해질이나 그 기체가 통과할 수 있는 통기홀(530)을 통해, 유동성 전해질, 액체나 기체에 의하여 직접적으로 안전밴트(122)를 들어올려, 파단접합부를 상하방향으로 이탈시키는 수직힘(Fy)과, 동시에 횡방향으로도 수평힘(Fx)에 의한 파단접합대향부의 파단력(F) 제공에 효과적이므로, 파단력(F)에 의하여 노치부(410)에서 파단이 일어나 이차전지의 전류 흐름이 차단될 수 있다.
즉, 통전접촉부의 이탈이나 파단접합부의 파단은 수직방향과 횡방향의 이탈력(Fy, Fx)이 복합적으로 작동하여 이루어질 수 있다.
한편, 작동압에 의하여 노치부(410)가 파단되어 전류 차단이 작동되었음에도 이차전지 내부의 압력이 지속적으로 증가될 수 있고(2nd pressure), 이러한 경우에는 폭발의 위험이 증가하게 되므로, 그 전에 내부의 압력을, 내부기체나 액체를 제거함으로써(outgasing), 낮출 필요가 있다.
따라서, 상기 안전밴트의 주변부에 장홈의 형태로 파단노치부(310)을 구비하여 이차전지 내부의 압력에 의하여 파단되도록 할 수 있는데, 상기 파단노치부(310)는 안전밴트와 캡다운부가 밀착되어 매우 근접한 상태이어서 꺾여서 파단되기 어려울 수 있고, 파단노치부(310)와 인접하게 꺾임완충부(320)을 장홈(long home)이나 그루브(groove) 형상으로 구비하여 파단노치부가 꺾이는 각도(θ)를 다변시킬 수 있어 파단이 효율적이며, 상기 꺾임완충부의 홈 바닥 넓이(G)는 파단노치부의 바닥 넓이(N) 보다 넓어야 파단노치부의 꺽이는 각도(θ)를 다변시키는데 유리하여 파단공간(꺾임완충부와 그에 대향되는 캡다운부와의 사이 공간)을 자유롭게 형성할 수 있으므로 파단노치부의 변형이나 파단에 효과적일 수 있다.
이러한 파단노치부(310)나 꺾임완충부(320)는 상기 안전밴트의 주변부 하면에 중심부의 중앙을 원점으로 하는 임의의 원주를 따라 배치될 수 있고, 작동압(1st pressure)에 의하여 전류를 차단한 후에도 내부압이 계속 증가되어 파단압(2nd pressure)에 이르러 파단되어 폭발을 방지할 수 있다.
또한, 상기 안전밴트(122)는 하향으로 절곡될 수 있는 절곡부(1221)가 연장되어서 구비되어 캡다운부(126)를 감쌀 수 있어서 밀착성 확보에 유익할 수 있는데, 이러한 절곡부는 이차전지의 발전용량을 증가시키기 위하여 캡다운부의 하면으로 더 절곡되는 부분을 제거한 형태를 사용할 수 있다.
한편, 상기 발전소자(JR)는 화학반응에 의하여 전기에너지를 생산하는 소자로서, 예컨대 리튬이온 2차전지의 경우에는 음극재, 양극재, 전해질, 센터핀을 포함하는 젤리-롤형 전극조립체일 수 있으며, 그중 하나의 전극은 음극탭(Tab, electrode tab)을 통해 캡조립체(120)와 통전되어 외부의 회로나 부하로 전력을 공급하게 된다.
이러한 음극탭은 이차전지 조립과정이나 어플리케이션에 적용되어 사용하는 중에 서브플레이트(400)에 용착된 부분이외의 연장부분이 캡조립체(120)가 있는 쪽으로 꺾이며(UP), 캡다운부(126)에 접촉되어 전기적 단락(short)이 발생되는 것을 방지하기 위하여 절연층(600)을 서브플레이트(400)의 단부를 벗어나도록 연장하여 캡다운부의 단부에 이르도록 확장하여 구비할 수 있다.
이러한 절연층(600)은 캡다운부와 서브플레이트와의 사이에 개재시켜 그들을 절연시키고, 음극탭이 캡다운부와 통전되는 것을 방지할 수 있으나, 통기홀(530)로 기체가 유동하는 것을 방해할 수 있으므로, 통기홀과 대향되는 위치에 대향통기홀(610)을 배치하되, 음극탭을 이격시킬 수 있는 스페이서 브릿지(612)을 대향통기홀을 가로질러 연장하여 구비할 수 있으며, 이는 대향통기홀을 가로지르는 바형태(bar-type)의 연결다리로 이해될 수 있다.
또한, 앞서 설명한 것과 마찬가지로, 상기 절연층(600)은 중심부(200)가 노출되도록 중앙홀과 대향되는 대향중앙홀(620)을 구비하여 서브플레이트(400)를 삽입할 수 있는데, 단락불량을 방지하기 위해 대향중앙홀 주변을 따라 돌출된 격벽인 기립부(625)를 구비할 수 있다.
더 나아가, 상기 절연층(600)은 캡다운부(126)와 서브플레이트(400)과의 부착력과 밀착성을 증가시키기 위하여 상호 대향면에 함몰된 형태의 홈들이나 그루브 형태인 장홈인 캡다운홈(1265)과 서브플레이트홈(4005)을 대향시켜 구비하고 그 사이에 절연층을 개재시켜 압착하거나 열압착하여 안전밴트홈과 캡다운홈으로 절연층이 충전되는 충전부(615)가 형성될 수 있다.
한편, 전지캔(110)과 안전밴트(122)와의 사이에서 가스켓(130)이 외부에서 발생된 전기적 쇼트에 의한 에너지나 힘에 의하여 용해되거나 손실되서 발생되는 이차전지의 전기적인 쇼트를 방지하기 위하여, 상기 안전밴트의 가스켓을 사이에 두고 전지캔의 단부와 대향하는 부분에 단락방지층(700)을 개재시킬 수 있다.
상기 단락방지층(700)은 절연성을 구비한 것인 한 특별히 재질을 한정할 것은 아니나, 금속재나 비철금속, 비금속재일 수 있고, 금속재나 비철금속인 경우에는 표면에 절연처리가 된 것이 바람직하다.
이러한 절연처리는 절연층 재료를 습식이나 건식의 물리적, 화학적 가공에 의하여 그 표면에 화학조성 변화가 생기도록 하여 절연성이 증가되게 하는 것으로, 예를 들면 알루미늄은 통전재이나 그 표면에 산화층이 형성되면 절연성이 증가되므로, 금속재나 비철금속의 경우에는 그 표면에 산화막이 형성되도록 처리할 수 있고, 산성이나 염기성 용액에 침지(dipping)하거나, 전기분해, 아노다이징(anodizing), 레이저 조사에 의한 산화막 형성 등을 예로 들 수 있다.
특히, 레이저 조사에 의한 건식가공은 상기 절연층이나 절연막의 표면에 도금층이 있는 경우에 가공의 어려움이 있을 수 있으므로, 도금층 제거후 고에너지를 가진 레이저빔을 조사하여 표면처리함으로써, 절연층이나 절연막 소재 표면에 산화막, 질화막 등을 형성시켜 절연성을 확보할 수 있다.
또 다른 측면에서의 단락방지층(700)은 고분자재를 사용할 수 있는데, 외부에서 발생된 쇼트에 의한 에너지나 힘에 의하여 가열되어 가스켓(130)이 녹거나 조직이 약화되어 손상되는 고온의 환경에서 물리적 지지력을 확보해야 하므로, 300℃ 이상에서 내열성을 가져 물성이 유지되는 소재인 한, 특별하게 한정하여 사용할 것은 아니다.
아울러, 상기 단락방지층(700)은 무기재료(inorganic materials)를 포함할 수 있는데, 절연층 자체를 무기재료로 형성하거나, 절연층의 표면에 무기재료, 예컨대 무기재료 입자 분말을 도포한 무기재료층(미도시)을 구비할 수 있다.
이러한 단락방지층(700)은 그 표면이 산화되거나, 아노다이징 처리된 형태의 금속재 또는 비철금속재, 예컨대 알루미늄 소재로 링(ring) 형태일 수 있는데, 절연층이 전지캔 단부(e)와 안전밴트(122)와의 간격을 쇼트 방지를 위하여 유지시키는 일종의 스페이서(spacer)이므로, 그 간격 내에 배치되는 한 형태로 개수를 한정할 것은 아니나, 제조 공정성을 고려할 때, 링 형태인 것이 유익할 수 있으며, 상기 안전밴트(122) 피착면과 열에 의한 땜납 솔더링(soldering)으로 고정되는 것일 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 이차전지용 캡조립체를 포함하는 이차전지를 제공하는데, 이는 일반적으로 공지된 전지캔에 음극재, 양극재, 전해질, 센터핀, 젤리롤 등을 조립하고 캡조립체을 전지캔 개구에 정렬한 클림핑하여 제조한 이차전지일 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.

Claims (16)

  1. 원형의 금속판으로 그 중심영역에 해당하는 중심부와 상기 중심부의 주변둘레영역에 해당하는 주변부를 구비하며, 상기 중심부는 발전소자로부터 외부로 전달되는 전류의 통전성이 확보되는 도전경로를 형성하도록 구비되는 통전접촉부와, 상기 중심부의 중앙에는 제2도전경로를 형성하는 파단접합부를 포함하는 안전밴트;
    상기 안전밴트와 대향되어 파단접합부가 노출되도록 하는 중앙홀을 구비하고, 주변부와 밀착되는 버팀부를 구비한 캡다운부; 및
    상기 파단접합부와 접합되어 있고, 그 주변으로 노치부가 형성되며 외주면은 캡다운부와 절연층을 개재시킨 서브플레이트;를 포함하고,
    상기 안전밴트에는 외부 통전단자탭이 용접되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전밴트는 하향으로 절곡될 수 있는 절곡부가 연장되어 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 파단접합부는 버팀부에 마련된 중앙홀로 진입한 서브플레이트의 돌출부와 용착된 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 돌출부는 중심부에 대향되는 부분이 상향 돌출되어 파단접합부와 대향되어 융착된 파단접합대향부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 파단접합대향부의 외측 둘레로 장홈 형태의 노치부를 구비한 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 돌출부는 중심부에 대향되는 부분이 상향 돌출되어 통전접촉부와 대향되어 밀착된 통전접촉대향부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 통전접촉대향부는 노치부의 외측 둘레에 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 주변부에는 파단압에 의하여 안전밴트가 꺽일 수 있도록 파단노치부가 그 하부면에 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 파단노치부에 인접하여 통전접촉부를 이격시키고 파단접합부에 파단압을 인가하는 파단공간을 형성하는 꺾임완충부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 꺾임완충부의 바닥 너비는 파단노치부의 바닥 너비보다 넓은 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡다운부에는 중앙홀과 이격되어 그 주변에 내부의 기체나 액체의 통로인 통기홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 서브플레이트의 단부를 벗어나도록 연장되어 캡다운부의 단부에 이르도록 확장되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 절연층은 캡다운부의 통기홀에 대향되는 대향통기홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 대향통기홀에는 스페이서브릿지가 가로질러 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전밴트의 가스켓을 사이에 두고 전지캔의 단부와 대향하는 부분에 단락방지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 캡조립체.
  16. 제 1 내지 15항 중 어느 한 항에 의한 이차전지용 캡조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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