KR102397764B1 - 원통형 리튬 이온 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원통형 캔의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체의 변형을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다.
일례로, 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용된 전극 조립체; 및 상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트의 하면에 밀착되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 지지 플레이트와, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되며 상기 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트의 하면에 접속된 바텀 플레이트를 포함하고, 상기 지지 플레이트의 강도는 상기 탑 플레이트의 강도 보다 높은 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 개시한다.

Description

원통형 리튬 이온 이차 전지
본 발명은 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지는 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 휴대형 전자기기뿐만 아니라 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 전원 용도로 사용되고 있다.
이러한 리튬 이온 이차 전지는 형태에 있어서 원통형, 각형 및 파우치형의 이차 전지로 분류될 수 있다. 이중 원통형 리튬 이온 이차 전지는 일반적으로 원기둥 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체가 결합되는 원통 형태의 캔과, 캔의 내측에 주액되어 리튬 이온의 이동이 가능하도록 하는 전해액과, 캔의 일측에 결합되어 전해액의 누액을 방지하고, 전극 조립체의 이탈을 방지하는 캡 조립체 등으로 이루어져 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 원통형 캔의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체의 변형을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용된 전극 조립체; 및 상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트의 하면에 밀착되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 지지 플레이트와, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되며 상기 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트의 하면에 접속된 바텀 플레이트를 포함하고, 상기 지지 플레이트의 강도는 상기 탑 플레이트의 강도 보다 높은 것을 특징으로 한다.
상기 지지 플레이트는 상기 제1관통홀이 형성된 제1영역과, 상기 제1영역의 외측에 위치하며 상기 제1영역의 높이보다 낮게 형성된 제2영역과, 상기 제1영역과 제2영역을 연결하며 다수의 제2관통홀이 형성된 제3영역을 포함할 수 있다.
상기 제3영역은 경사지게 형성되어, 상기 캡 조립체를 상기 원통형 캔에 고정하기 위해 상기 원통형 캔의 상단을 클램핑 할 때 발생되는 응력을 분산시킬 수 있다.
상기 제2영역에는 링 형태의 그루브가 형성되어, 상기 캡 조립체를 상기 원통형 캔에 고정하기 위해 상기 원통형 캔의 상단을 클램핑 할 때 발생되는 응력을 분산시킬 수 있다.
상기 그루브의 깊이는 상기 지지 플레이트의 두께의 5% 내지 20%로 형성될 수 있다.
상기 지지 플레이트와 상기 바텀 플레이트 사이에 위치하며, 중앙에 상기 제1관통홀과 대응되는 관통홀이 형성된 절연 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 미리 결정된 작동 압력보다 크고 미리 결정된 파단 압력보다 작으면, 상기 탑 플레이트가 상부 방향으로 볼록한 모양으로 변형되면서 상기 탑 플레이트가 상기 바텀 플레이트로부터 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 미리 결정된 파단 압력보다 크면, 상기 탑 플레이트의 노치가 파단될 수 있다.
상기 캡 조립체와 상기 원통형 캔 사이에 위치하여, 상기 캡 조립체와 원통형 캔 사이를 절연시키는 절연 가스켓을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 탑 플레이트의 강도보다 높은 강도를 갖는 지지 플레이트를 구비하여 원통형 캔의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체의 중심을 향해 발생되는 응력을 완화시킴으로써, 탑 플레이트의 변형을 방지하고 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 단차가 형성된 지지 플레이트를 구비하여 원통형 캔의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체의 중심을 향해 발생되는 응력을 분산시킴으로써, 탑 플레이트의 변형을 방지하고 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 그루브가 형성된 지지 플레이트를 구비하여 원통형 캔의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체의 중심을 향해 발생되는 응력을 분산시킴으로써, 탑 플레이트의 변형을 방지하고 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지에서 캡 조립체만을 도시한 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지에서 지지 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지에서 크림핑부를 형성할 때 발생하는 응력을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지에서 지지 플레이트를 도시한 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지에서 캡 조립체만을 도시한 확대 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지에서 지지 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)과, 전극 조립체(120)와, 캡 조립체(140)를 포함할 수 있다. 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는, 경우에 따라, 센터핀(130)을 더 포함할 수 있다.
원통형 캔(110)은 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 측벽(112)을 포함한다. 이차 전지의 제조 공정 중 원통형 캔(110)의 상부는 개방되어 있다. 따라서, 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체(120) 및 센터핀(130)이 전해액과 함께 원통형 캔(110)에 삽입될 수 있다. 원통형 캔(110)은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 원통형 캔(110)에는 캡 조립체(140)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(140)를 중심으로 그 하부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)가 형성되고, 그 상부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)가 형성되어 있다.
전극 조립체(120)는 원통형 캔(110)의 내부에 수용된다. 전극 조립체(120)는 음극 활물질(예를 들면, 흑연, 탄소 등등)이 코팅된 음극판(121), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등등))이 코팅된 양극판(122) 및, 음극판(121)과 양극판(122) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(123)로 이루어진다. 음극판(121), 양극판(122) 및 세퍼레이터(123)는 대략 원기둥 형태로 권취된다. 여기서, 음극판(121)은 구리(Cu) 포일, 양극판(122)은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터(123)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 음극판(121)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(124)이, 양극판(122)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극탭(125)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 더불어, 음극탭(124)은 니켈(Ni) 재질, 양극탭(125)은 알루미늄(Al) 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 전극 조립체(120)의 음극탭(124)은 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있다. 따라서 원통형 캔(110)은 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 반대로 양극탭(125)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 원통형 캔(110)은 양극으로 동작할 수 있다.
더불어, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(126a) 및 그 외측에 제2홀(126b)이 형성된 제1절연판(126)이 전극 조립체(120)와 바닥부(111)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제1절연판(126)은 전극 조립체(120)가 원통형 캔(110) 중 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 제1절연판(126)은 전극 조립체(120) 중 양극판(122)이 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(126a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 센터핀(130)을 통해 상부로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(126b)은 음극탭(124)이 관통하여 바닥부(111)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다.
또한, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(127a) 및 그 외측에 다수의 제2홀(127b)이 형성된 제2절연판(127)이 전극 조립체(120)와 캡 조립체(140)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제2절연판(127)은 전극 조립체(120)가 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 제2절연판(127)은 전극 조립체(120) 중 음극판(121)이 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉하지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(127a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 캡 조립체(140)로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(127b)은 양극탭(125)이 관통하여 캡 조립체(140)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한 나머지 제2홀(127b)은 전해액 주입 공정에서, 전해액이 상기 전극 조립체(120)로 신속히 흘러 들어가도록 하는 역할을 한다.
더불어, 제1,2절연판(126, 127)의 제1홀(126a, 127a)의 직경은 센터핀(130)의 직경보다 작게 형성됨으로써, 외부 충격에 의해 센터핀(130)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111) 또는 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
센터핀(130)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로서, 전극 조립체(120)의 대략 중앙에 결합될 수 있다. 이러한 센터핀(130)은 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 이러한 센터핀(130)은 이차 전지의 충방전 중 전극 조립체(120)의 변형을 억제하는 역할을 하며, 이차 전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다.
캡 조립체(140)는 탑 플레이트(141), 지지 플레이트(142), 절연 플레이트(143) 및 바텀 플레이트(144)를 포함할 수 있다.
탑 플레이트(141)는 대략 평평한 상면(141a)과, 상면(141a)의 반대면으로서 대략 평평한 하면(141b)을 포함하고, 특히, 하면(141b)에 형성된 적어도 하나의 노치(141c)를 더 포함할 수 있다. 이러한 노치(141c)는 이차 전지의 내부 가스 압력이 미리 정해진 파단 압력보다 클 경우 파단됨으로써, 이차 전지의 내부 가스를 외부로 신속하게 방출하는 역할을 한다.
또한, 탑 플레이트(141)는 상부 영역(141d), 측부 영역(141e) 및 하부 영역(141f)을 포함할 수 있다. 상부 영역(141d)은 지지 플레이트(142)의 상부에 위치되며 대략 평평할 수 있다. 이러한 상부 영역(141d)은 이차 전지의 단자 역할을 하여, 외부 장치(예를 들면, 부하 또는 충전기)에 전기적으로 접속될 수 있다. 측부 영역(141e)은 상부 영역(141d)으로부터 하부 방향으로 절곡되어 지지 플레이트(142)의 측부를 대략 감쌀 수 있다. 하부 영역(141f)은 측부 영역(141e)으로 내측 수평 방향으로 절곡되어 지지 플레이트(142)의 하부에 위치될 수 있다. 이와 같이 하여, 탑 플레이트(141)는 상부 영역(141d), 측부 영역(141e) 및 하부 영역(141f)에 의해 지지 플레이트(142)와 일체화될 수 있다.
이러한 탑 플레이트(141)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물로 형성될 수 있으며, 이에 따라 알루미늄 재질의 버스바 또는 외부 리드 등이 용이하게 용접될 수 있다. 특히, 탑 플레이트(141)는 제1강도를 갖는 연성 알루미늄으로 형성되어, 이차 전지의 내부 가스 압력이 미리 정해진 기준 압력보다 클 경우 파단될 수 있다.
경우에 따라, 탑 플레이트(141)는 상부 영역(141d)에 형성된 절곡 영역(141g)을 더 포함할 수 있다. 이러한 절곡 영역(141g)은 하부에서 보았을 때 대략 원형 링 형태일 수 있다. 일례로, 절곡 영역(141g)의 내측에 형성된 상부 영역(141d)은 절곡 영역(141g)의 외측에 형성된 상부 영역(141d)에 비해 상대적으로 더 높을 수 있다. 더불어, 노치(141c)는 절곡 영역(141g)의 내측에 형성된 상부 영역(141d)에 형성될 수 있다.
지지 플레이트(142)는 탑 플레이트(141)의 하부에 위치하며, 제1영역(142a), 제2영역(142b) 및 제3영역(142c)을 포함할 수 있다. 제1영역(142a)은 탑 플레이트(141)의 상부 영역과 대응되는 위치에 형성된다. 특히, 제1영역(142a)은 탑 플레이트(141)에서 절곡 영역(141g)의 내측에 형성된 상부 영역(141d)에 밀착되게 형성된다. 또한, 제1영역(142a)의 대략 중앙에는 제1관통홀(142d)이 형성된다. 여기서, 제1관통홀(142d)은 하기할 바텀 플레이트(144)가 관통하여 탑 플레이트(141)에 전기적으로 접속하도록 하며, 또한 내부 가스 압력이 탑 플레이트(141)에 직접 인가되도록 한다. 제2영역(142b)은 제1영역(142a)의 외측에 위치하며, 제1영역(142a)에 비해 상대적으로 더 낮게 형성된다. 즉, 제1영역(142a)과 제2영역(142b) 사이에는 높이 차이에 따른 단차가 발생된다. 특히, 제2영역(142b)은 탑 플레이트(141)에서 절곡 영역(141g)의 외측에 형성된 상부 영역(141d)에 밀착되게 형성된다. 따라서, 제2영역(142b)은 절곡 영역(141g)의 외측에 형성된 상부 영역(141d), 측부 영역(141e) 및 하부 영역(141f)에 의해 감싸진다. 제3영역(142c)은 제1영역(142a)과 제2영역(142b) 사이에 위치하며, 제1영역(142a)과 제2영역(142b)을 연결한다. 또한, 제3영역(142c)은 서로 높이가 다른 제1영역(142a)과 제2영역(142b)을 연결하기 위해 경사지게(절곡되게) 형성된다. 즉, 제3영역(142c)은 탑 플레이트(141)의 절곡 영역(141g)과 대응되는 형태로 형성된다. 이와 같이, 지지 플레이트(142)는 전반적으로 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 밀착된 형태를 한다.
더불어, 제3영역(142c)은 캡 조립체(140)에 가해지는 힘, 구체적으로 원통형 캔(110)의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체(140)의 중심을 향해 발생되는 응력을 분산시켜 캡 조립체(140)의 변형을 방지하는 역할을 한다. 더불어, 제3영역(142c)에는 다수의 제2관통홀(142e)이 형성된다. 여기서, 제2관통홀(142e)은 내부 가스 압력이 탑 플레이트(141)에 직접 인가되도록 한다. 여기서, 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 형성된 노치(141c)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 상술한 지지 플레이트(142)의 제1관통홀(142d)과 제2관통홀(142e) 사이에 위치한 제1영역(142a)과 대응되는 영역에 형성될 수 있다.
이러한 지지 플레이트(142)는 예를 들면, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물로 형성될 수 있다. 특히, 지지 플레이트(142)는 제1강도를 갖는 탑 플레이트(141) 보다 높은 제2강도를 갖는 강성 알루미늄으로 형성될 수 있다. 따라서, 지지 플레이트(142)는 캡 조립체(140)에 외부 힘이 가해질 때, 구체적으로 원통형 캔(110)의 상단을 클램핑 할 때, 탑 플레이트(141)를 지지하여 탑 플레이트(141)의 변형을 방지하는 역할을 한다.
절연 플레이트(143)는 지지 플레이트(142)의 하부에 위치(부착)되고, 제1관통홀(142a)과 대응되는 영역에 형성된 관통홀(143a)을 포함할 수 있다. 이러한 절연 플레이트(143)는 하부에서 보았을 때 일정 폭을 갖는 원형 링 형태로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 절연 플레이트(143)는 지지 플레이트(142)와 바텀 플레이트(144)를 상호간 절연시키는 역할을 한다. 절연 플레이트(143)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 지지 플레이트(142)와 바텀 플레이트(144)의 사이에 개재되어 초음파 용접될 수 있다.
이러한 절연 플레이트(143)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(EPDM rubber: ethylene propylene diene monomer (M-class) rubber) 또는 그 등가물로 형성될 수 있다.
바텀 플레이트(144)는 절연 플레이트(143)의 관통홀(143a) 및 지지 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)을 통하여 탑 플레이트(141)에 전기적으로 접속되며, 절연 플레이트(143)에 부착된다. 즉, 바텀 플레이트(144)는 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d)에 접속(용접)되는 제1지역(144a), 제1지역(144a)으로부터 절곡되어 지지 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)과 절연 플레이트(143)의 관통홀(143a)을 관통하는 제2지역(144b), 제2지역(144b)으로부터 절곡되어 절연 플레이트(143)에 부착되는 제3지역(144c)을 포함할 수 있다. 도 3에서 미설명 도면 부호 144e는 바텀 플레이트(144)의 제1지역(144a)을 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d) 중 하면(141b)에 용접시키는 용접 영역이다.
여기서, 바텀 플레이트(144)의 제3지역(144c)에 상술한 양극탭(125)이 전기적으로 접속될 수 있다. 더욱이, 바텀 플레이트(144)의 제1지역(144a)에는 적어도 하나의 노치(144d)가 형성된다. 이러한 노치(144d)는 이차 전지의 내부 가스 압력이 미리 결정된 압력보다 클 경우, 탑 플레이트(141)가 상부 방향으로 볼록하게 변형되는데, 이때 바텀 플레이트(144)의 제1지역(144a)이 제2지역(144b)으로부터 분리되도록 하는 역할을 한다. 물론, 이에 따라 탑 플레이트(141)와 바텀 플레이트(144) 사이의 전류 경로가 차단된다.
이러한 바텀 플레이트(144)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 그 등가물로 형성될 수 있으며, 이에 따라 알루미늄 재질의 양극탭(125)이 용이하게 용접될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)의 내부 가스 압력이 미리 결정된 제1압력(작동 압력)보다 크고 미리 결정된 제2압력(파단 압력)보다 작을 경우, 내부 가스 압력에 의해 탑 플레이트(141)가 상부 방향으로 볼록한 모양으로 변형되면서, 탑 플레이트(141)가 바텀 플레이트(144)로부터 전기적으로 분리될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)의 내부 가스 압력이 미리 결정된 제2압력(파단 압력)보다 클 경우, 탑 플레이트(141)에 형성된 노치(141c)가 파단됨으로써, 이차 전지의 내부에 있는 가스가 외부로 신속하게 방출되고, 이에 따라 이차 전지의 폭발이 방지되어 안전성이 향상된다.
한편, 캡 조립체(140)는 탑 플레이트(141)와 원통형 캔(110)의 측벽(112)을 절연시키는 절연 가스켓(145)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 절연 가스켓(145)은 실질적으로 원통형 캔(110)의 측벽(112)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착된 형태를 한다. 또한, 절연 가스켓(145)은 실질적으로으로 탑 플레이트(141) 중에서 측부 영역(141e)과, 그 주변인 상부 영역(141d) 및 하부 영역(141f)을 감쌀 수 있다.
더불어, 원통형 캔(110)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주액될 수 있으며, 이는 충방전 시 이차 전지 내부의 음극판(121) 및 양극판(122)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머 또는 고체 전해질일 수도 있으며, 여기서 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지에서 크림핑부를 형성할 때 발생하는 응력을 나타낸 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 캡 조립체(140)를 원통형 캔(110)에 고정하기 위해서 원통형 캔(110)의 상단을 클램핑 할 때, 캡 조립체(140)의 상부에서 하부를 향하는 방향과 캡 조립체(140)의 외측에서 내측을 향하는 방향으로 힘(F1)이 가해진다. 이러한 힘(F1)에 따라 캡 조립체(140)의 중심을 향해 응력(F2)이 발생하게 되어, 캡 조립체(140)가 중앙으로 함몰되는 변형이 발생된다. 이에 따라, 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)를 구성하는 부품의 특성이 변하게 된다. 특히, 탑 플레이트(141)의 제1압력(작동 압력) 및 제2압력(파단 압력)이 변하게 되어, 정해진 압력에서 탑 플레이트(141)가 제대로 동작하지 않게 된다.
그러나, 본 발명에서는 탑 플레이트(141)의 강도보다 높은 강도를 갖는 (즉, 탑 플레이트(141)의 제1강도 보다 높은 제2강도를 갖는) 지지 플레이트(142)를 구비함으로써, 원통형 캔(110)의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체(140)의 중심을 향해 발생되는 응력을 완화시킬 수 있다. 이에 따라, 지지 플레이트(142)는 탑 플레이트(141)의 변형을 방지하여 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 지지 플레이트(142)에는 제1영역(142a)과 제2영역(142b)의 높이 차이에 따른 단차가 발생되는 제3영역(142c)이 형성되어, 원통형 캔(110)의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체(140)의 중심을 향해 발생되는 응력을 분산시킬 수 있다. 이에 따라, 지지 플레이트(142)는 탑 플레이트(141)의 변형을 방지하여 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지에서 지지 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(200)는 원통형 캔(110)과, 전극 조립체(120)와, 캡 조립체(240)를 포함한다. 여기서, 캡 조립체(240)는 도 5에 도시된 캡 조립체(140)와 비교하여 지지 플레이트(242)의 형태만 상이하고, 나머지 구성 요소는 동일하다. 따라서, 이하에서는 지지 플레이트(242)에 대해서만 설명하기로 한다.
지지 플레이트(242)는 탑 플레이트(141)의 하부에 위치하며, 제1영역(242a), 제2영역(242b) 및 제3영역(242c)을 포함할 수 있다. 제1영역(242a)은 탑 플레이트(141)에서 절곡 영역(141g)의 내측에 형성된 상부 영역(141d)에 밀착되게 형성된다. 또한, 제1영역(242a)의 대략 중앙에는 제1관통홀(242d)이 형성된다. 제2영역(242b)은 제1영역(242a)의 외측에 위치하며, 제1영역(242a)에 비해 상대적으로 더 낮게 형성된다. 특히, 제2영역(242b)은 탑 플레이트(141)에서 절곡 영역(141g)의 외측에 형성된 상부 영역(141d)에 밀착되게 형성된다. 따라서, 제2영역(242b)은 절곡 영역(141g)의 외측에 형성된 상부 영역(141d), 측부 영역(141e) 및 하부 영역(141f)에 의해 감싸진다. 더불어, 제2영역(242b)의 상면에는 그루브(242f)가 형성된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 그루브(242f)는 제2영역(242b)의 상면에 링 형태로 형성되며, 탑 플레이트(141)에서 절곡 영역(141g)의 외측에 형성된 상부 영역(141d)과 접촉한다. 이러한 그루브(242f)는 원통형 캔(110)의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체(240)의 중심을 향해 발생되는 응력을 분산시키는 역할을 한다.
그루브(242f)의 깊이는 지지 플레이트(242)의 두께의 약 5% 내지 20%로 형성될 수 있다. 여기서, 그루브(242f)의 깊이가 지지 플레이트(242) 두께의 5%보다 작으면, 원통형 캔(110)의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체(240)의 중심을 향해 발생되는 응력을 분산시키기에 충분하지 않다. 또한, 그루브(242f)의 깊이가 지지 플레이트(242)의 두께의 20%보다 크면, 원통형 캔(110)의 상단을 클램핑 할 때 캡 조립체(240)의 중심을 향해 발생되는 응력에 의해 지지 플레이트(242)가 쉽게 변형된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 원통형 리튬 이온 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 원통형 캔;
    상기 원통형 캔에 수용된 전극 조립체; 및
    상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 캡 조립체는 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트의 하면에 밀착되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 지지 플레이트와, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되며 상기 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트의 하면에 접속된 바텀 플레이트를 포함하고,
    상기 지지 플레이트의 강도는 상기 탑 플레이트의 강도 보다 높으며,
    상기 탑 플레이트는 상부 영역과, 상기 상부 영역으로부터 하부 방향으로 절곡되어 상기 지지 플레이트의 측부를 감싸는 측부 영역, 상기 측부 영역으로부터 내측 수평방향으로 절곡되어 상기 지지 플레이트의 하부에 위치하는 하부 영역을 포함하고,
    상기 상부 영역은 절곡영역을 더 포함하며, 상기 절곡영역의 내측의 상부 영역이 상기 절곡영역의 외측의 상부 영역에 비해서 더 높게 위치하여, 상기 절곡 영역은 외측 하부 방향으로 경사지게 형성되며,
    상기 지지 플레이트는 상기 상부영역의 하부에 밀착되며, 상기 절곡 영역의 하부에 대응되는 경사진 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 플레이트는 상기 제1관통홀이 형성된 제1영역과, 상기 제1영역의 외측에 위치하며 상기 제1영역의 높이보다 낮게 형성된 제2영역과, 상기 제1영역과 제2영역을 연결하며 다수의 제2관통홀이 형성된 제3영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 플레이트에서 경사진 영역은 상기 제3영역으로, 상기 캡 조립체를 상기 원통형 캔에 고정하기 위해 상기 원통형 캔의 상단을 클램핑 할 때 발생되는 응력을 분산시키는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2영역에는 링 형태의 그루브가 형성되어, 상기 캡 조립체를 상기 원통형 캔에 고정하기 위해 상기 원통형 캔의 상단을 클램핑 할 때 발생되는 응력을 분산시키는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 그루브의 깊이는 상기 지지 플레이트의 두께의 5% 내지 20%로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 플레이트와 상기 바텀 플레이트 사이에 위치하며, 중앙에 상기 제1관통홀과 대응되는 관통홀이 형성된 절연 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 미리 결정된 작동 압력보다 크고 미리 결정된 파단 압력보다 작으면, 상기 탑 플레이트가 상부 방향으로 볼록한 모양으로 변형되면서 상기 탑 플레이트가 상기 바텀 플레이트로부터 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 미리 결정된 파단 압력보다 크면, 상기 탑 플레이트의 노치가 파단되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 조립체와 상기 원통형 캔 사이에 위치하여, 상기 캡 조립체와 원통형 캔 사이를 절연시키는 절연 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
KR1020207015540A 2017-12-13 2017-12-13 원통형 리튬 이온 이차 전지 KR102397764B1 (ko)

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