KR102406193B1 - 벤트 구조를 갖는 이차 전지용 캡 플레이트 및 캡 플레이트의 제조방법 - Google Patents

벤트 구조를 갖는 이차 전지용 캡 플레이트 및 캡 플레이트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벤트부를 캡 플레이트의 제조 공정에서 함께 일체 성형하여 제조 공정을 간소화시킨 벤트 구조를 갖는 이차 전지용 캡 플레이트, 캡 플레이트 제조용 금형 및 그 금형을 이용한 캡 플레이트의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 캡 플레이트는, 전극 조립체를 수용하는 케이스를 밀봉하기 위한 캡 플레이트로서, 상기 전극 조립체를 덮는 본체부; 및 상기 본체부에 형성되는 벤트부; 를 포함하며, 상기 벤트부와 상기 본체부는 동일한 소재로 단일 프레스 공정에 의해 형성되며, 상기 벤트부는, 본체부와 대응되는 두께를 가지며, 본체부의 평면방향과 어긋나게 배치되는 파단 지지부와 상기 파단 지지부와 본체부 간의 경계에서 전단변형되어 형성되는 구조 연약부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

벤트 구조를 갖는 이차 전지용 캡 플레이트 및 캡 플레이트의 제조방법{CAP PLATE FOR SECONDARY BATTERIES HAVING VENT STRUCTURE, AND MANUFACTURING MATHOD OF THE CAP PLATE}
본 발명은 벤트 구조를 갖는 이차 전지용 캡 플레이트, 캡 플레이트 제조용 금형 및 그 금형을 이용한 캡 플레이트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 벤트부를 캡 플레이트의 제조 공정에서 함께 일체 성형하여 제조 공정을 간소화시킨 벤트 구조를 갖는 이차 전지용 캡 플레이트, 캡 플레이트 제조용 금형 및 그 금형을 이용한 캡 플레이트의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 리튬 이온 이차 전지는 젤리롤(jelly roll) 형태로 권취 또는 적층된 극판 조립체와, 상기 극판 조립체가 삽입되어 고정되는 대략 육면체 형태의 캔과, 상기 캔의 내부에 채워져 리튬 이온의 이동이 가능하도록 하는 전해액과, 상기 극판 조립체 및 전해액 상부의 캔을 막는 캡 플레이트로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이온 이차 전지는 양극 활물질이 부착된 양극판, 음극 활물질이 부착된 음극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 젤리 롤 형태로 권취 또는 적층하고, 이를 다시 캔에 넣은 후 상부에 캡 플레이트를 용접하여 밀봉한다. 이후, 전해액을 주입한 후, 충전 및 검사를 수행함으로써, 베어 셀(bare cell) 형태의 리튬 이온 이차 전지를 완성한다. 물론, 이후 상기 베어 셀 형태의 리튬 이온 이차 전지에 각종 안전 장치 및 보호회로기판 등을 부착한 후 조립 및 검사함으로써, 통상의 전지 팩을 완성한다.
한편, 이러한 리튬 이온 이차 전지는 정전압/정전류 충전법을 사용하기 때문에 충전기에서 충전 전압이 정확하게 제어되면 과충전 현상은 없다. 그러나, 충전기가 파손되거나 오동작하여 이상 충전을 하는 경우가 있으며, 이러한 경우에는 양극활물질 예를 들면, 발트산리튬(LiCoO2)의 전위가 지속적으로 상승하는 특성으로 인해 전지 전압이 계속 상승하고, 또한 이상 발열 현상이 발생한다.
이러한 현상에 대한 안전대책으로는 피티씨 서미스터(Positive Temperature Coefficient thermistor)의 내장, 셧다운(shut down) 기능이 있는 세퍼레이터의 채택, 충방전 전압을 제어하는 보호회로기판 등이 있고, 이것 외에 가스 발생에 의해 작동하는 벤트부(safety vent)가 있다.
여기서, 상기 벤트부는 통상 캡 플레이트에 형성된 좀더 얇은 영역을 지칭하며, 이는 가스 발생으로 전지 내압이 상승할 경우 파열 또는 파단되며 캔 내부의 가스를 외부로 방출함으로써, 리튬 이온 이차 전지의 폭발과 같은 극단적인 상황을 예방하는 역할을 한다.
상기 가스는 리튬 이온 이차 전지의 충전 전압이 기준 전압 이상으로 상승할 경우, 상기 전해액이나 활물질이 분해되면서 발생한다. 이러한 가스는 통상 전지 내압을 상승시킴으로써, 캔을 스웰링(swelling)시키고, 이러한 전지의 내압 증가에 의해 상기 벤트부가 파열 또는 파열 또는 파단하여, 리튬 이온 이차 전지의 극단적인 폭발이나 화재를 방지하게 된다.
이와 같이 상기 벤트부는 전지 내압이 소정 압력 이상이 되면 자동적으로 작동하도록 설계된다. 그러나, 이러한 종래의 벤트부는 캡 플레이트 중 소정 영역이 상대적으로 얇게 되도록 가공한 것으로서, 전지마다 작동 속도가 약간씩 틀린 문제가 있다.
종래기술에 따른 전지의 벤트 구조는 벤트 기능을 위해 캡 플레이트에 홀을 형성하고, 별도로 형성되는 벤트 구조를 갖는 구성을 용접(레이저) 또는 열융착을 통해 결합시키는 방식을 취하고 있다.
그러나, 이와 같은 방법은 부품수 및 제조공정수가 증가되어 제조비용이 증가되는 문제점이 있고, 용접, 열융착 등에 필요한 2차 공정이 필수적으로 이루어져야 함으로 자재의 관리와 공정시간이 증가되는 문제점이 있다.
이 같은 문제점에 따라 최근에는 캡 플레이트에 주변의 다른 부분보다 두께가 얇은 벤트를 형성하는 코이닝(coining) 방식으로 벤트부를 구성하는 특허들이 공개되어 있다(한국특허공개 제2007-0071232호 참조).
그러나, 이와 같은 종래기술은 벤트 구조를 형성하기 위해 캡 플레이트 소재의 압축률이 과도하게 이루어지는 문제점이 있다. 이와 같은 종래기술은 벤트 구조를 일체로 형성할 때 벤트 구조의 성형 두께와 캡 플레이트의 두께 차이가 커 벤트 구조의 주변으로 이루어지는 급격한 캡 플레이트 소재의 변화에 따른 좌굴의 발생, 응력의 집중, 주름의 발생 등으로 캡 플레이트 자체의 결함이 발생되는 문제점이 있다. 따라서 이러한 종래 기술은 실제 적용되기에는 불가능한 기술로 평가되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 벤트부를 캡 플레이트의 제조 공정에서 함께 일체 성형하면서도 주변부의 변형이 없고 효과적으로 벤트 구조를 형성할 수 있는 제조 공정을 간소화시킨 벤트 구조를 갖는 이차 전지용 캡 플레이트, 캡 플레이트 제조용 금형 및 그 금형을 이용한 캡 플레이트의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 전극 조립체를 수용하는 케이스를 밀봉하기 위한 캡 플레이트로서, 상기 전극 조립체를 덮는 본체부; 및 상기 본체부에 형성되는 벤트부; 를 포함하며, 상기 벤트부와 상기 본체부는 단일 프레스 공정에 의해 함께 형성되며, 상기 벤트부는, 본체부와 대응되는 두께를 가지며, 본체부의 평면방향과 어긋나게 배치되는 파단 지지부와 상기 파단 지지부와 본체부 간의 경계에서 전단변형되어 형성되는 구조 연약부로 이루어지는 이차 전지용 캡 플레이트를 제공한다.
바람직하게는, 상기 파단 지지부의 압축률은 상기 본체부의 압축률과 대응되는 압축률을 가지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 파단 지지부는 본체부의 수평면의 상하 방향 중 한 방향으로 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 구조 연약부는 전단변형되어 변형률이 커진 부위에 상대적으로 얇은 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 구조연약부는 상기 파단 지지부 및 상기 본체부 보다 연성이 작은 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 구조 연약부는 상기 본체부를 둘러싸는 형태로 성형되어 그 단면 형상이 대칭을 가지게 성형되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 벤트부의 파단 지지부는 평평한 플레이트 형상을 가지며, 이 파단 지지부가 평평한 플레이트 형상의 본체부와 높이차를 가지게 결합됨으로써 해당 파단 지지부를 둘러싸는 구조 연약부가 함께 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 파단 지지부를 둘러싸는 결합측면의 전체 수직길이 중 10 내지 20%가 상기 본체부의 결합측면에 연결됨으로써 구조 연약부가 구성되어 파단 지지부와 본체부는 결합측면을 10 내지 20% 공유하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 파단 지지부를 둘러싸는 결합측면의 전체 수직길이 중 21 내지 70%가 상기 본체부의 결합측면에 연결됨으로써 구조 연약부가 구성되어 파단 지지부와 본체부는 결합측면을 21 내지 70% 공유하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 벤트부의 파단 지지부는 평평한 플레이트 형상을 가지며, 이 파단 지지부가 평평한 플레이트 형상의 본체부와 높이차를 가지며, 파단 지지부를 둘러싸는 결합측면은 상기 본체부의 결합측면과 결합측면을 공유하지 않고 띠 형상으로 구조 연약부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 파단 지지부는 상기 본체부와 동일한 높이에 형성되는 베이스부와 상기 베이스부에서 ㄱ자 형상을 가지고 상부로 돌출되게 연장되어 형성되는 절곡부를 포함하여 형성되며, 상기 절곡부는 상기 베이스부에서 수직하게 연장되는 제 1 연장부와 이 제 1 연장부에서 수평하게 연장되는 제 2 연장부로 구성되고, 수평하게 형성된 상기 베이스부는 상기 본체부와 동일한 수직높이를 가지며, 상기 제 1 연장부에 의해 상부로 돌출되는 제 2 연장부는 상기 본체부에 비해 상부로 돌출되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 파단 지지부는 라인 형태의 직선부에서 그 양 끝단에 제 1 꺽임부 및 제 2 꺽임부가 연결된 형상을 가지며, 상기 제 1 꺽임부 및 제 2 꺽임부는 직선부의 양 끝단에서 중심부위가 직선부의 말단에 연장되는 형태를 가지는 'V'자형으로 형성되며, 수평하게 형성된 상기 직선부, 제 1 꺽임부 및 제 2 꺽임부는 상기 본체부에 비해 상부로 돌출되는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 특징들 중 하나에 따른 캡 플레이트를 제조하기 위한 금형으로서, 상부 금형과 하부 금형은 금속재 모재를 개재한 상태에서 프레스되어 캡 플레이트의 본체부와 벤트부를 함께 성형할 수 있으며, 상기 상부 금형 또는 하부 금형 중 일측에는 프레스의 압력이 가해지는 방향 또는 그 반대 방향으로 돌출부가 구비되고 타측에는 상기 돌출부에 대응되는 오목부가 구비되고, 상기 돌출부의 측면과 상기 오목부의 측면의 사이에는 빈 간극부가 형성되어 프레스시 전단력을 발생시켜 구조 연약부를 성형하는 것을 특징으로 하는 캡 플레이트 제조용 금형을 제공한다.
바람직하게는 상기 상부 금형 및 상기 하부 금형은, 프레스된 상태에서 파단지지부를 형성하는 부위의 상부 금형과 하부 금형 사이의 간격은 본체부를 형성하는 상부 금형과 하부금형 사이의 간격과 대응하는 간격을 가지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 구조 연약부는 전단변형되어 변형률이 커진 부위에 상대적으로 얇은 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 또다른 측면에 따르면, 전술한 특징에 따른 캡 플레이를 제조하는 방법으로서, 상부 금형과 하부 금형의 사이에 원소재 금속판을 개재하는 단계; 및 상부 금형와 하부 금형으로 금속재 모재에 소정의 압력을 적용하는 프레스 가공을 진행하여 원소재 금속판을 본체부와 벤트부로 이루어지는 캡 플레이트로 성형하는 단계; 를 포함하며, 상기 상부 금형 또는 하부 금형 중 일측에는 프레스의 압력이 가해지는 방향 또는 그 반대 방향으로 돌출부가 구비되고 타측에는 상기 돌출부에 대응되는 오목부가 구비되고, 상기 돌출부의 측면과 오목부의 측면의 사이에는 빈 간극부가 형성되어 프레스시 전단력을 발생시켜 구조 연약부를 성형하는 것을 특징으로 하는 캡 플레이트의 제조방법을 제공한다.
바람직하게는 상기 구조 연약부는 전단변형되어 변형률이 커진 부위에 상대적으로 얇은 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 벤트부를 캡 플레이트의 제조 공정에서 함께 일체 성형하여 제조 공정을 간소화시킬 수 있으며 이를 통해 제조 원가를 절감할 수 있게 되는 효과가 있다.
또한 벤트부를 캡 플레이트와 대응되는 두께로 형성시키되 그 경계부에서 전단변형된 구조 연약부를 구비시킴으로써 물리적으로뿐만 아니라 재료적으도도 파열 또는 파단에 적합한 구조 및 성질을 가지게 되어 이차 전지 내압 상승시 보다 빠르고 정확하게 효과적으로 파열 또는 파단될 수 있는 효율적인 벤트 구조를 형성할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 소재의 압축률이 과도하게 이루어져 발생하는 주변부 변형의 문제점을 해소하면서도 캡 플레이트 외에 별도의 구성요소의 추가를 배제하여 생산성을 높일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 캡 플레이트의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 캡 플레이트를 제조하는 방법에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 금속재 모재로서 알루미늄의 응력-변형률 곡선이다.
도 5 내지 도 9은 본 발명에 따른 캡 플레이트에서 벤트부의 제 1 내지 제 5 실시형태를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 이차 전지(100)는, 내부에 전극 조립체(도시 않음)를 수용하는 케이스(110)와, 상기 전극 조립체를 수용한 케이스(110)를 마감하는 캡 플레이트(140)를 포함한다. 예를 들어, 상기 캡 플레이트(140)는 케이스(110) 상에 결합될 수 있고, 서로 맞닿는 캡 플레이트(140)와 케이스(110)의 가장자리를 따라 용접부가 형성될 수 있다. 이러한 용접부는 캡 플레이트(100)와 케이스(180) 간의 레이저 용접 등에 의해 형성될 수 있다.
이때, 전극 조립체는 양극과 음극 사이에 절연체인 세퍼레이터를 개재하여 귄취되어 형성된다. 본 발명에서 이차 전지(100)는 리튬 이온 2차 전지로서 각형인 것을 예로서 도시하여 설명하였으나, 리튬 폴리머 전지 또는 원통형 전지 등 다양한 형태의 전지에 적용될 수 있을 것이고, 전극 조립체의 구성은 이 분야에서 이미 다양하게 알려진 기술들이 선택적으로 적용될 수 있을 것이다.
이와 같은 이차 전지(100)에서 케이스(110)는 이차 전지(100)의 전체적인 외관을 형성하며, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 금속재 등으로 형성될 수 있다.
상기 캡 플레이트(140)는 전극 조립체 상부에 걸쳐 넓은 면적으로 형성된다. 이 같은 캡 플레이트(140)는 알루미늄, 알루미늄합금 등의 얇은 금속판으로 이루어질 수 있다.
상기 캡 플레이트(140) 상에는 서로 반대 극성을 갖는 한 쌍의 전극 단자(120, 130), 예를 들어, 제1, 제2 전극 단자(120, 130)가 외측으로 돌출되어 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 캡 플레이트(140)를 관통하도록 제1, 제2 전극 단자(120, 130)가 형성될 수 있다. 제1, 제2 전극 단자(120, 130)는 캡 플레이트(140)를 관통하여 설치되고, 제1, 제2 전극 단자(120, 130)와 캡 플레이트(140) 사이에는 절연 및 밀봉을 위하여 가스킷이 설치된다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 전극 단자(120, 130)는 이차 전지의 내부에 수용된 전극 조립체와 전기적으로 연결되며, 각각의 제1, 제2 전극 단자(120, 130)는, 전극 조립체의 제1, 제2 전극판과 전기적으로 연결되어 이차 전지에 축적된 방전 전력을 외부로 공급하거나, 외부로부터의 충전 전력을 입력받기 위한 양극 및 음극 단자의 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1, 제2 전극 단자(120, 130)는 이차 전지의 양측에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 이차 전지의 캡 플레이트(140)가 전극 조립체와 전기적으로 연결되어 단자의 기능을 수행할 수도 있으며, 이때 상기 제1, 제2 전극 단자(120, 130) 중에서 어느 한 전극 단자(120, 130)는 생략될 수도 있다.
상기 캡 플레이트(140)는 전극 조립체가 수용된 케이스(110)의 상단에 결합되며, 케이스(110)의 개구부를 밀봉할 수 있다. 예를 들어, 상기 캡 플레이트(140)와 케이스(110)는 캡 플레이트(140)의 가장자리를 따라 용접 결합될 수 있다.
상기 캡 플레이트(140)에는 상대적으로 취약한 구조로 형성되어, 이차 전지 내부의 압력이 설정 포인트를 초과하면 가스의 배출 경로를 제공하도록 파열 또는 파단 가능하게 설계된 벤트부(142)가 형성된다. 또한, 상기 캡 플레이트(140)에는 케이스(110) 내부로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구가 형성될 수 있으며, 전해액 주입이 완료된 이후에는 실링 마개(160)에 의해 전해액 주입구가 폐쇄될 수 있다.
비록 도면에서는 상기 벤트부(142)의 평면 형상이 대략 타원형 형태로 되어 있으나, 이러한 벤트부(142)의 평면 형태로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 벤트부(142)의 평면 형상은 원형, 타원형, 사각형, 오각형 등 매우 다양한 형태가 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 캡 플레이트의 사시도이다.
본 발명의 캡 플레이트(140)는 판상의 금속재 모재에 대해 프레스 가공을 적용함으로써 형성될 수 있다. 금속재 모재는 알루미늄, 알루미늄합금이 바람직하며, 그 외에도 일정 강도를 가지고 전연성을 갖는 소재라면 모두 적용 가능하다. 본 발명은 상부 금형 및 하부 금형 사이에 판상의 금속재 모재를 개재하고 소정의 압력을 가하는 프레스 가공을 통하여, 판상의 금속재 모재를 캡 플레이트(140)로 형성할 수 있다.
이때 본 발명은 판상의 금속재 모재에 대해 상부 금형 및 하부 금형을 한 차례 프레싱함으로써 벤트부(142)를 캡 플레이트(140)의 제조 공정에서 함께 일체 성형하면서도 주변부의 변형이 없고 내부 압력이 상승시 효과적으로 파열 또는 파단될 수 있는 벤트 구조를 갖는 캡 플레이트(140)를 제조할 수 있게 된다.
캡 플레이트(140)는 전극 조립체를 덮는 본체부(141)와 이 본체부(141)에 형성되는 벤트부(142)를 포함하여 구성될 수 있다.
본체부(141)는 일정한 두께를 가지도록 판상의 금속재 모재를 상부 금형 및 하부 금형으로 한 차례 프레싱하여 형성하게 된다.
이 같은 본체부(141)에는 전극 단자가 관통될 수 있는 전극 관통구가 형성될 수 있고, 케이스(110) 내부로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구가 형성될 수 있으며, 내부 가스의 배출 경로를 제공하도록 파열 또는 파단 가능하게 설계된 벤트부(142)가 형성될 수 있다.
따라서 캡 플레이트(140)의 본체부(141)와 벤트부(142)는 판상의 금속재 모재를 상부 금형 및 하부 금형으로 한 차례 프레싱하여 한번에 형성되게 된다. 물론 이 과정에서 상기 전극 관통구와 전해액 주입구 역시 함께 형성될 것이다.
도 2에서는 상기 벤트부(142)의 평면 형상이 대략 타원형 형태로 되어 있으나, 이러한 벤트부(142)의 형상으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 벤트부(142)의 평면 형상은 원형, 타원형, 사각형, 오각형 등 매우 다양한 형태가 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 캡 플레이트를 제조하는 방법에 대한 개념도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 금속재 모재로서 알루미늄의 응력-변형률 곡선(stress strain curve)이다.
본 발명은 판상의 금속재 모재에 대해 상부 금형 및 하부 금형을 한 차례 프레싱함으로써 벤트부(142)를 캡 플레이트(140)의 제조 공정에서 함께 일체 성형하여 제조공정을 단순화시키면서도 전단변형이 집중되어 전단변형률이 큰 부위에 구조 연약부(142b)를 형성하여 주변부의 변형이 없고 더욱 빠르고 정확하게 효과적으로 파열 또는 파단될 수 있는 벤트 구조를 갖는 캡 플레이트(140)를 제조할 수 있다.
도 3의 (a)는 상부금형, (b)는 하부금형, (c)는 벤트부가 형성된 캡 플레이트를 나타내는 개념도이다.
본 발명은 상부 금형(a) 및 하부 금형(b) 사이에 금속재 모재를 개재하고 소정의 압력을 적용하는 프레스 가공을 통하여 금속재 모재를 벤트부(142)가 형성된 캡 플레이트(140)로 형성할 수 있다.
또한 캡 플레이트(140)에 대한 한 차례 프레스 가공시 사용되는 상부 금형 및 하부 금형에는 판상으로 형성되는 캡 플레이트(140)의 본체부(141) 뿐만 아니라 벤트부(142)를 성형할 수 있는 성형 부위가 포함되어 본 발명의 캡 플레이트(140)는 본체부(141)와 벤트부(142)가 프레싱 공정에 의해 함께 성형되게 된다.
본 발명에서는 캡 플레이트(140)의 본체부(141)와 파단지지부(142a)는 압축성형에 의해 형성되고, 구조 연약부(142b)는 프레스 과정에서 상부 금형(a) 및 하부 금형(b)의 경계부에서 발생하는 전단력에 의해 전단변형이 집중되는 부위에 형성된다. 본 발명의 캡 플레이트 소재는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 기타 금속재 소재가 사용될 수 있는데, 금속재 소재는 전연성이 뛰어나 전단변형이 집중되어 변형률이 커진 부위에 상대적으로 얇은 구조 연약부가 형성될 수 있다.
도 3에서 A는 전단력이 발생하는 부위를 나타내는 것이고, B는 전단변형이 집중되어 변형률이 커진 부위를 나타낸다. 도 3 및 도 4를 참조하면 본 발명에서 프레스 가공시 전단변형 집중부위(B)에서 전단응력(shear stress)이 증가되어 소성영역에 들어서면 상대적으로 변형률(strain)이 증가되어 얇은 구조 연약부를 형성할 수 있게 된다. 전단변형이 집중되는 부위(B)에서는 이러한 전단변형에 의해 본체부(141) 및 파단지지부(142a)에 비해 변형률이 커져 상대적으로 얇은 두께로 성형되는 것과 함께 전단변형에 의한 결정구조의 변화(슬립, 쌍정, 전위 등)가 일어나게 되고 상대적으로 연성이 감소하게 된다. 이러한 재료성질의 변화는 수직응력에 의한 압축변형 부위에 비해 전단응력에 의한 전단변형 부위에서 상대적으로 잘 일어나게 되고, 변형률이 클 수록 잘 일어나게 된다.
캡 플레이트에서 벤트부는 전지의 내압이 상승할 경우 파열 또는 파단되어 전지의 내압을 감소시켜 전지의 폭발을 방지하는 역할을 해야 한다. 그런데 본 발명에서와 같이 하나의 소재를 가지고 한 번의 가공으로 이러한 벤트구조를 형성함에 있어서, 물리적으로 파열 또는 파단되어야 할 부위가 상대적으로 얇은 두께로 가공되어 다른 부위에 비해 내압에 대한 응력(stress)이 커지게 하는 것에 더하여 재료적으로 해당 부위의 재료성질이 구조적으로 파열 또는 파단에 적합한 성질을 가지게 한다면 보다 효과적인 벤트구조를 형성할 수 있을 것이다. 본 발명에서는 전단변형이 집중되어 변형률이 커지는 부위에 상대적으로 얇게 형성되는 구조 연약부를 형성함으로써 다른 부위에 비해 상대적으로 취성 파괴(brittle fracture)에 가까운 성질을 가지게 되어 구조 연약부에서 보다 빠르고 정확하게 효과적으로 파열 또는 파단될 수 있는 벤트구조를 가질 수 있게 된다. 본 발명에 의해 상대적으로 연성이 큰 다른 부위에 비해 상대적으로 연성이 감소한 구조 연약부를 형성함으로써 재료적 특성에서도 보다 효율적인 벤트구조를 형성할 수 있다.
한편, 도 3의 (c)에서 전단변형이 집중되는 부위에 구조 연약부(142b)가 효과적으로 형성되기 위해서는, 프레스 가공시 구조 연약부(142b)와 연결되어 있는 본체부(141) 및 파단지지부(142a)에서의 압축응력이 동일한 것이 바람직하고 큰 차이가 나는 것은 바람직하지 않다. 본체부(141) 및 파단지지부(142a)에서의 압축응력은 이들의 압축률과 비례할 것이며, 따라서 본체부(141) 및 파단지지부(142a)의 압축률이 동일한 것이 바람직하고 큰 차이가 나는 것은 바람직하지 않다. 즉, 파단 지지부(142a)의 압축률이 본체부(141)의 압축률과 대응하는 압축률을 가져야 한다.(본 발명에서는 동일하거나 차이가 있더라도 큰 차이가 나지 않는다는 것을 '대응한다'로 표현할 것이며, 이하 같다.) 본 발명에서는 본체부(141) 및 파단지지부(142a)에서 받는 압축응력이 다를 경우 압축응력의 차이가 이들과 연결된 구조 연약부(142b)에 작용하는 전단응력을 방해하게 되어 효과적인 전단변형이 일어나지 않게 된다.
실제 제조공정에 적용해 본 결과, 본체부(141) 및 파단지지부(142a)의 압축률 차이가 30%를 초과할 경우 구조 연약부(142b)가 변형되어 효과적으로 형성되지 않는 것으로 확인되었다. 따라서, 본 발명에서 파단지지부(142b)의 압축률이 본체부(141)의 압축률에 대응하는 압축률을 가진다는 것은 그 차이가 30% 이하인 것을 의미한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 캡 플레이트(140)의 구조 연약부(142b)가 프레스에 의해 전단변형이 집중되는 부위에 형성하기 위하여, 본 발명의 캡 플레이트를 제조하는 금형은 다음과 같은 구조를 가져야 한다.
도 3을 참조하여 설명하면, 상부 금형(a) 또는 하부 금형(b) 중 일측에는 프레스의 압력이 가해지는 방향 또는 그 반대 방향으로 돌출부가 구비되고(도 3의 (a) 참조) 타측에는 상기 돌출부에 대응되는 오목부가 구비된다(도 3의 (b) 참조). 프레스 과정에서 상기 돌출부 및 상기 오목부의 일측 또는 양측 경계(도 3의 A 부위)에서는 전단력이 발생하며, 이러한 전단력에 의해 전단변형이 집중되어 변형률이 커지는 부위(B)에 상대적으로 얇은 두께의 구조 연약부(142b)가 형성되고 압축변형되는 부위에는 파단지지부(142a)와 본체부(141)가 형성된다.
또한 구조 연약부(142b)를 형성하는 돌출부의 측면과 오목부의 측면의 사이에는 프레스의 수직 압력이 직접적으로 가해지지 않는 빈 간극부가 형성되어 구조 연약부(142b)를 성형할 수 있게 된다. 간극부의 간격은 전지의 내부 압력 증가시 파열 또는 파단될 수 있는 구조 연약부(142b)의 두께에 대응하게 된다. 따라서 간극부의 간격은 이차 전지의 내압 발생시 파열특성, 모재의 성질 등에 따라 결정되며, 본 발명의 일실시 형태에서는 0.1mm(20bar 기준)이다. 이 경우 금속재 모재는 0.3mm 내지 0.6mm 두께의 알루미늄을 사용한다.
또한, 본 발명의 캡 플레이트를 제조하는 금형에서 금속재 모재를 개재하여 프레스된 상태에서 파단지지부(142a)를 형성하는 부위의 상부 금형과 하부 금형 사이의 간격은 본체부(141)를 형성하는 상부 금형과 하부금형 사이의 간격과 대응하는 간격을 가져야 한다. 이는 전술한 바와 같이, 전단변형에 의한 구조 연약부(142b)가 효과적으로 성형되기 위해서는 파단 지지부(142a)의 압축률이 본체부(141)의 압축률과 대응하는 압축률을 가져야 하기 때문이다.
상기 간극부는 상부 금형이나 하부 금형의 돌출부와 오목부에 의해 프레스의 수직 압력이 직접적으로 가해지지 않기 때문에 전단력이 발생될 것이다(도 3의 (c) 참조). 또한, 프레스된 상태에서 파단지지부(142a)의 압축률은 본체부(141)의 압축률과 대응하는 압축률을 가지게 되어 상기 간극부를 통해 효율적으로 전단력이 발생할 것이다. 이 같은 금형의 구조적 전단력 인가에 의해 상기 구조 연약부(142b)는 파단 지지부(142a)나 본체부(141)에 비해 전단변형이 집중되어 변형률이 커지는 부위에 상대적으로 얇게 형성되며, 전술한 바와 같이 다른 부위에 비해 내압에 대한 응력(stress)이 커지는 것에 더하여 전단변형에 따른 변형률 증가로 해당 부위의 재료성질이 구조적으로 파열 또는 파단에 적합한 성질을 가지게 되어 이차 전지 내압 상승시 보다 빠르고 정확하게 효과적으로 파열 또는 파단될 수 있는 효율적인 벤트 구조를 형성할 수 있게 된다.
또한, 캡 플레이트의 제조 공정에서 벤트부 형성을 위한 별도의 공정이 추가되지 않기 때문에 부품 단일화를 통한 제조 공정의 축소가 가능하고 이를 통해 제조 원가를 절감시킬 수 있게 될 것이다.
또한, 금형의 빈 간극부에 대한 간격 조정을 통해 다양한 사양의 안전 벤트를 만들 수 있게 될 것이다.
이제 도 5 내지 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 벤트부의 제 1 내지 제 5 실시형태에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 9에서 (a)는 벤트부와 본체부가 형성된 캡 플레이트를 나타내는 사시도이고, (b)는 벤트부의 파단 지지부와 구조 연약부를 나타내는 단면도이며, (c)는 전지 내압 상승에 의해 구조 연약부가 파단되는 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
상기 벤트부(142)의 파단 지지부(142a)는 본체부(141)와 같은 두께를 가지며 본체부(141)의 평면방향과 어긋나게 배치되는 파단 지지부(142a)와, 파단 지지부(142a)와 본체부(141) 간의 경계에 전단변형되어 형성되는 구조 연약부(142b)를 포함한다.
상기 파단 지지부(142a)는 전체적으로 상기 캡 플레이트(140)의 본체부(141)의 두께와 대응되는 두께를 가진다. 즉 파단 지지부(142a)의 두께는 본체부(141)의 두께와 동일하거나 큰 차이가 나지 않는 정도에서 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이 실제 제조공정에 적용해 본 결과, 본체부(141) 및 파단지지부(142a)의 압축률 차이가 30%를 초과할 경우 구조 연약부(142b)가 변형되어 효과적으로 형성되지 않는 것으로 확인되었다. 동일한 두께의 금속재 모재를 사용할 경우 압축률은 두께와 비례하게 되므로, 본 발명에서 파단지지부(142b)의 두께는 본체부(141)의 두께에 대응하는 두께를 가진다는 것은 그 차이가 30% 이하인 것을 의미한다.
이 같은 파단 지지부(142a)는 전체 캡 플레이트(140)를 성형하는 상부 금형 및 하부 금형에 의해 한 차례의 프레싱 공정에서 함께 성형된다. 따라서 상기 파단 지지부(142a)의 압축률은 본체부(141)의 압축률과 대응되는 압축률을 가진다. 즉 파단 지지부(142a)의 압축률은 본체부(141)의 압축률과 동일하거나 그 차이가 30% 이하에서 결정되는 것이 바람직하다.
이 같은 파단 지지부(142a) 역시 전체 캡 플레이트(140)를 성형하는 상부 금형 및 하부 금형에 의해 한 차례의 프레싱 공정에서 함께 성형되기 때문에 그 두께를 다른 부위(전체 캡 플레이트)에 비해 더 두껍거나 더 얇게 제어하는 것은 용이하지 않다. 실제 파단 지지부(142a)의 두께를 두껍게 할 경우 압축률이 낮아 기계적 견고성이 떨어지게 되고 이는 곧 파단을 기대하지 않는 부위인 파단 지지부(142a) 자체의 파단을 유도할 수 있다. 반대로 파단 지지부(142a)의 두께를 얇게 할 경우 프레싱 공정에서 파단 지지부(142a)의 압축률이 과도하게 이루어지게 되면 파단 지지부(142a) 또는 그 주변에서 급격한 소재의 변화에 따른 좌굴의 발생, 응력의 집중, 주름의 발생 등으로 파단 지지부(142a) 자체에 결함이 발생될 수 있다. 또한, 파단 지지부(142a)의 압축률이 과도할 경우 구조 연약부(142b)의 전단변형을 방해하게 되어 원하는 두께 및 형상의 구조 연약부(142b)가 형성되지 않을 수 있다.
본 발명에서는 파단 지지부(142a)의 두께를 캡 플레이트(140)의 본체부(141)의 두께와 대응되는 두께로 형성함으로써 구조 연약부(142b)의 바람직한 전단변형을 유도하여 효과적인 파단 특성을 갖는 구조 연약부(142b)를 형성할 수 있으며, 파단 지지부(142a)에서 기대하지 않은 파단을 방지하고 프레싱 공정에서 이루어질 수 있는 파단 지지부(142a)의 구조적 결함을 예방하게 된다.
또한 상기 파단 지지부(142a)는 본체부(141)의 평면방향과 어긋나게 배치되는 특징을 갖는다. 전체적으로 평탄한 수평면을 가지게 형성되는 본체부(141)에서 상기 파단 지지부(142a)는 수평면의 상하 방향 중 한 방향으로 돌출 형성됨으로써 구조 연약부(142b)의 파단시 파단 부위가 쉽게 들려지게 만들고 파단이 이루어지지 않은 부위의 구조 연약부(142b)를 중심으로 파단 지지부(142a)가 내부 압력에 의해 용이하게 회전될 수 있게 만든다. 이 같이 파단 부위가 쉽게 들려지게 만들고 파단이 이루어지지 않은 부위의 구조 연약부(142b)를 중심으로 한 파단 지지부(142a)의 회전은 구조 연약부(142b)의 파단 후 내부 가스의 배출 경로가 막히지 않도록 할 것이다.
이 같은 파단 지지부(142a)의 다양한 형태는 이하의 도 3 내지 도 7에서 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
또한 상기 구조 연약부(142b)는 전체적으로 상기 파단 지지부(142a)를 둘러싸면서 상기 파단 지지부(142a)와 본체부(141) 간의 경계에 형성되며, 외력에 의해 파단이 유도될 수 있도록 파단 지지부(142a)와 본체부(141)의 사이에서 전단변형되어 변형률이 커지는 부위에 형성됨으로써 물리적으로뿐만 아니라 재료적으로도 효율적인 파단 특성을 가지게 된다.
이러한 구조 연약부(142b)는 그 중 한 곳에서 점 혹은 선 형태로 파단이 이루어질 수 있다.
이 같은 구조 연약부(142b)는 전체 캡 플레이트(140)를 성형하는 상부 금형 및 하부 금형에 의해 한 차례의 프레싱 공정에서 상기 파단 지지부(142a)와 함께 성형된다.
또한 구조 연약부(142b)는 본체부(141)를 둘러싸는 형태로 성형되어 그 단면 형상이 대칭을 가지게 성형된다. 따라서, 이차 전지 내압 상승시 특정 방향으로만의 급격한 파열 또는 파단을 방지할 수 있다.
본 발명에서는 구조 연약부(142b)가 전단변형되어 변형률이 커지는 부위에 상대적으로 얇은 두께로 형성됨으로써 물리적으로 이차 전지 내압 증가시 응력 집중을 유도할 수 있음은 물론 재료적으로도 해당 부위의 재료성질이 구조적으로 파열 또는 파단에 적합한 성질을 가지게 되어 효율적인 파열 또는 파단을 유도할 수 있다.
또한, 구조 연약부(142b)의 단면 형상이 대칭을 가지게 하여 파단이 이루어진 부위가 쉽게 들려지게 만들고 파단이 이루어지지 않은 부위의 구조 연약부(142b)를 중심으로 파단 지지부(142a)가 내부 압력에 의해 용이하게 회전될 수 있게 만든다. 이 같이 파단 부위가 쉽게 들려지게 만들고 파단이 이루어지지 않은 부위의 구조 연약부(142b)를 중심으로 한 파단 지지부(142a)의 회전은 구조 연약부(142b)의 파단 후 내부 가스의 배출 경로가 막히지 않도록 할 것이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 캡 플레이트(140)의 본체부(141)에는 벤트부(142)가 단일 프레싱 공정에 의해 함께 성형된다.
도 5의 (b)를 참고하면, 제 1 실시형태에서 벤트부(142)의 파단 지지부(142a)는 전체적으로 타원형으로 형성되며 평평한 플레이트 형상을 가진다. 그리고 이 파단 지지부(142a)가 평평한 플레이트 형상의 본체부(141)와 높이차를 가지게 결합됨으로써 해당 파단 지지부(142a)를 둘러싸는 경계에서 전단변형되어 변형률이 커진 부위에 상대적으로 얇은 두께로 구조 연약부(142b)가 함께 형성된다.
상기 파단 지지부(142a)를 둘러싸는 결합측면의 전체 수직길이 중 10 내지 20%가 상기 본체부(141)의 결합측면에 연결됨으로써 구조 연약부(142b)가 구성되는 것이다. 즉 파단 지지부(142a)와 본체부(141)는 결합측면을 10 내지 20% 공유하게 되는 것이다.
이 같은 구조 연약부(142b)는 가스 발생으로 전지 내압이 상승할 경우 파단되어 내부의 가스를 외부로 방출하는 부위가 되며, 파단 지지부(142a)와 본체부(141)가 공유하는 결합측면의 비율이 낮을수록 낮은 내압에도 파단이 이루어지고 공유하는 결합측면의 비율이 높을수록 높은 내압을 견디게 될 것이다.
여기에서 파단 지지부(142a)는 플레이트 형상으로서 그 두께를 캡 플레이트(140)의 본체부(141)의 두께와 대응되는 두께로 형성함으로써 전단변형된 구조 연약부(142b)를 효과적으로 형성하고 파단 지지부(142a)에서 기대하지 않은 파단을 방지할 수 있다.
그리고 구조 연약부(142b)를 이루는 파단 지지부(142a)와 본체부(141)가 공유하는 결합측면의 간단하고 직관적인 비율 조절을 통해 다양한 사양의 안전 벤트를 만들 수 있게 될 것이다.
도 6는 본 발명의 제 2 실시형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 캡 플레이트(140)의 본체부(141)에는 벤트부(142)가 단일 프레싱 공정에 의해 함께 성형된다.
도 6의 (b)를 참고하면, 제 2 실시형태에서 벤트부(142)의 파단 지지부(142a)는 전체적으로 타원형으로 형성되며 평평한 플레이트 형상을 가진다. 그리고 이 파단 지지부(142a)가 평평한 플레이트 형상의 본체부(141)와 높이차를 가지게 결합됨으로써 해당 파단 지지부(142a)를 둘러싸는 경계에서 전단변형되어 변형률이 커진 부위에 상대적으로 얇은 두께로 구조 연약부(142b)가 함께 형성된다.
상기 파단 지지부(142a)를 둘러싸는 결합측면의 전체 수직길이 중 21 내지 70%가 상기 본체부(141)의 결합측면에 연결됨으로써 구조 연약부(142b)가 구성되는 것이다. 즉 파단 지지부(142a)와 본체부(141)는 결합측면을 21 내지 70% 공유하게 되는 것이다.
이 같은 구조 연약부(142b)는 가스 발생으로 전지 내압이 상승할 경우 파단되어 내부의 가스를 외부로 방출하는 부위가 되며, 파단 지지부(142a)와 본체부(141)가 공유하는 결합측면의 비율이 낮을수록 낮은 내압에도 파단이 이루어지고 공유하는 결합측면의 비율이 높을수록 높은 내압을 견디게 될 것이다.
여기에서 파단 지지부(142a)는 플레이트 형상으로서 그 두께를 캡 플레이트(140)의 본체부(141)의 두께와 대응되는 두께로 형성함으로써 전단변형된 구조 연약부(142b)를 효과적으로 형성하고 파단 지지부(142a)에서 기대하지 않은 파단을 방지할 수 있다.
그리고 구조 연약부(142b)를 이루는 파단 지지부(142a)와 본체부(141)가 공유하는 결합측면의 간단하고 직관적인 비율 조절을 통해 다양한 사양의 안전 벤트를 만들 수 있게 될 것이다.
특히 제 1 실시예의 구조 연약부(142b)에 비해 제 2 실시예의 구조 연약부(142b)에서 파단 지지부(142a)와 본체부(141)가 공유하는 결합측면의 비율이 높기 때문에 해당 구조 연약부(142b)가 높은 내압을 견디게 될 것이다. 또한 제 1 실시예에 비해 제 2 실시예의 파단 지지부(142a)가 수직방향 돌출량이 적어 컴팩트한 구성이 가능하고 조립성이 개선될 수 있게 될 것이다.
도 7는 본 발명의 제 3 실시형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 캡 플레이트(140)의 본체부(141)에는 벤트부(142)가 단일 프레싱 공정에 의해 함께 성형된다.
도 7의 (b)를 참고하면, 제 3 실시형태에서 벤트부(142)의 파단 지지부(142a)는 전체적으로 타원형으로 형성되며 평평한 플레이트 형상을 가진다. 그리고 이 파단 지지부(142a)가 평평한 플레이트 형상의 본체부(141)와 높이차를 가지게 결합됨으로써 해당 파단 지지부(142a)를 둘러싸는 경계에서 전단변형되어 변형률이 커진 부위에 상대적으로 얇은 두께로 구조 연약부(142b)가 함께 형성된다.
상기 파단 지지부(142a)를 둘러싸는 결합측면은 상기 본체부(141)의 결합측면과 결합측면을 공유하지 않게 되며, 얇은 띠 형상으로 구조 연약부(142b)가 프레싱 공정에 의해 성형되게 된다.
이 같은 구조 연약부(142b)는 가스 발생으로 전지 내압이 상승할 경우 파단되어 내부의 가스를 외부로 방출하는 부위가 된다.
여기에서 파단 지지부(142a)는 플레이트 형상으로서 그 두께를 캡 플레이트(140)의 본체부(141)의 두께와 대응되는 두께로 형성함으로써 전단변형된 구조 연약부(142b)를 효과적으로 형성하고 파단 지지부(142a)에서 기대하지 않은 파단을 방지할 수 있다.
특히 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 구조 연약부(142b)에 비해 제 3 실시예의 구조 연약부(142b)는 얇은 띠 형상으로 성형되기 때문에 낮은 내압에도 파단이 쉽게 이루어지게 될 것이다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 캡 플레이트(140)의 본체부(141)에는 벤트부(142)가 단일 프레싱 공정에 의해 함께 성형된다.
도 8의 (b)를 참고하면, 제 4 실시형태에서 벤트부(142)의 파단 지지부(142a)는 전체적으로 타원형으로 형성되며 평평한 플레이트 형상을 가지고 상기 본체부(141)의 두께와 대응되는 두께로 형성되며, 상기 본체부(141)와 동일한 높이에 형성되는 베이스부(142a1)와 상기 베이스부(142a1)에서 ㄱ자 형상을 가지고 상부로 돌출되게 연장되어 형성되는 절곡부(142a2)를 포함하여 형성된다. 여기에서 절곡부(142a2)는 상기 베이스부(142a1)에서 수직하게 연장되는 제 1 연장부(142a3)와 이 제 1 연장부(142a3)에서 수평하게 연장되는 제 2 연장부(142a4)로 구성된다. 그리고 수평하게 형성된 상기 베이스부(142a1)는 상기 본체부(141)와 동일한 수직높이를 가지며, 상기 제 1 연장부(142a3)에 의해 상부로 돌출되는 제 2 연장부(142a4)는 상기 본체부(141)에 비해 상부로 돌출되게 된다. 그리고 상기 제 2 연장부(142a4)를 둘러싸는 결합측면은 상기 본체부(141)의 결합측면과 결합측면을 공유하지 않게 되며, 얇은 띠 형상으로 구조 연약부(142b)가 프레싱 공정에 의해 성형되게 된다.
이 같은 구조 연약부(142b)는 가스 발생으로 전지 내압이 상승할 경우 파단되어 내부의 가스를 외부로 방출하는 부위가 된다.
여기에서 파단 지지부(142a)는 그 두께를 전체적으로 캡 플레이트(140)의 본체부(141)의 두께와 대응되는 두께로 형성함으로써 전단변형된 구조 연약부(142b)를 효과적으로 형성하고 파단 지지부(142a)에서 기대하지 않은 파단을 방지할 수 있다.
특히 대략 평면 형상으로 파단 지지부(142a)가 형성되는 제 1 실시예 내지 제 3 실시예에 비해 파단 지지부(142a)의 외곽 부위가 상부로 돌출된 호 형상을 가지기 때문에 해당 부위에 내압이 집중될 수 있어 제 1 실시예 내지 제 3 실시예의 구조 연약부(142b)에 비해 제 4 실시예의 구조 연약부(142b)는 낮은 내압에도 파단이 쉽게 이루어지게 될 것이다.
도 9는 본 발명의 제 5 실시형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 캡 플레이트(140)의 본체부(141)에는 벤트부(142)가 단일 프레싱 공정에 의해 함께 성형된다.
도 9의 (b)를 참고하면, 제 5 실시형태에서 벤트부(142)의 파단 지지부(142a)는 전체적으로 선형으로 형성되며 평평한 플레이트 형상을 가지고 상기 본체부(141)의 두께와 대응되는 두께로 형성된다.
이때 상기 파단 지지부(142a)는 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 라인 형태의 직선부(142a5)에서 그 양 끝단에 제 1 꺽임부(142a6) 및 제 2 꺽임부(142a7)가 연결된 형상이다. 구체적으로, 상기 직선부(142a5)는 본체부(141)의 중앙에서 가로 방향으로 형성된다. 그리고, 상기 제 1 꺽임부(142a6) 및 제 2 꺽임부(142a7)는 직선부(142a5)의 양 끝단에서 직선부(142a5)의 밖을 향해 연장되어 형성되며, 'V'자형이다. 즉 'V'자형의 중심부위가 직선부(142a5)의 말단에 연장되는 형태로 형성된다. 이 같은 선 형태의 직선부(142a5), 제 1 꺽임부(142a6) 및 제 2 꺽임부(142a7)는 파단시 파단의 전달에 의해 함께 파단될 수 있다.
그리고 수평하게 형성된 상기 직선부(142a5), 제 1 꺽임부(142a6) 및 제 2 꺽임부(142a7)는 상기 본체부(141)에 비해 상부로 돌출되게 된다. 그리고 상기 직선부(142a5), 제 1 꺽임부(142a6) 및 제 2 꺽임부(142a7)를 둘러싸는 결합측면은 상기 본체부(141)의 결합측면과 결합측면을 공유하지 않게 되며, 얇은 띠 형상으로 구조 연약부(142b)가 프레싱 공정에 의해 성형되게 된다.
이 같은 구조 연약부(142b)는 가스 발생으로 전지 내압이 상승할 경우 파단되어 내부의 가스를 외부로 방출하는 부위가 된다.
여기에서 파단 지지부(142a)는 그 두께를 전체적으로 캡 플레이트(140)의 본체부(141)의 두께와 대응되는 두께로 형성함으로써 전단변형된 구조 연약부(142b)를 효과적으로 형성하고 파단 지지부(142a)에서 기대하지 않은 파단을 방지할 수 있다.
상술한 제 1 실시형태 내지 제 5 실시형태의 캡 플레이트는(140)는 판상의 금속 모재에 대해 도 3에 도시된 바와 같은 상부 금형 및 하부 금형을 이용해 프레스 가공을 적용함으로써 형성될 수 있다.
구체적으로는 상부 금형 및 하부 금형 사이에 원소재 금속판을 개재하고 소정의 압력을 적용하는 프레스 가공을 통하여, 원소재 금속판을 캡 플레이트(140)로 형성할 수 있다.
또한 캡 플레이트(140)에 대한 한 차례 프레스 가공시 사용되는 상부 금형 및 하부 금형에는 판상으로 형성되는 캡 플레이트(140)의 본체부(141) 뿐만 아니라 상술한 제 1 실시형태 내지 제 5 실시형태의 벤트부(142)를 성형할 수 있는 성형 부위가 포함되어 캡 플레이트(140)의 본체부(141)에는 벤트부(142)가 프레싱 공정에 의해 함께 성형되게 된다.
즉 상부 금형 또는 하부 금형 중 일측에는 상기 벤트부(142)의 파단 지지부(142a) 형상의 돌출부가 형성되고(도 8의 (a) 참조) 타측에는 이 돌출부에 대응되는 오목부가 형성되어(도 8의 (b) 참조) 파단 지지부(142a)를 성형할 수 있게 된다.
또한 상기 돌출부의 측면과 오목부의 측면의 사이에는 빈 간극부가 형성되어 구조 연약부(142b)를 성형할 수 있게 된다.
상기 간극부는 상부 금형이나 하부 금형의 돌출부와 오목부에 의해 프레스의 수직 압력이 직접적으로 가해지지 않기 때문에 전단력이 발생될 것이다(도 3의 (c) 참조). 또한, 프레스된 상태에서 파단지지부(142a)의 압축률은 본체부(141)의 압축률과 대응하는 압축률을 가지게 되어 상기 간극부를 통해 효율적으로 전단력이 발생할 것이다. 이 같은 금형의 구조적 전단력 인가에 의해 상기 구조 연약부(142b)는 파단 지지부(142a)나 본체부(141)에 비해 전단변형이 집중되어 변형률이 커지는 부위에 상대적으로 얇게 형성되어, 물리적으로뿐만 아니라 재료적으도도 파열 또는 파단에 적합한 구조 및 성질을 가지게 되어 이차 전지 내압 상승시 보다 빠르고 정확하게 효과적으로 파열 또는 파단될 수 있는 효율적인 벤트 구조를 형성할 수 있게 된다.
특히 이 같은 금형의 빈 간극부에 대한 간격 조정을 통해 전체적인 벤트부(142)의 파단 압력을 간단하게 직관적으로 설정할 수 있어서 다양한 사양의 안전 벤트를 만들 수 있게 될 것이다.
따라서 전체적인 캡 플레이트 (140)의 제조 공정에서 별도의 벤트부(142) 형성을 위한 공정이 추가되지 않기 때문에 부품 단일화를 통한 제조 공정의 축소가 가능하고 이를 통해 제조 원가를 절감시킬 수 있게 될 것이다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 이차 전지 110 : 케이스
120 : 제 1 전극 단자 130 : 제 2 전극 단자
140 : 캡 플레이트 141 : 본체부
142 : 벤트부 142a : 파단 지지부
142b : 구조 연약부

Claims (17)

  1. 전극 조립체를 수용하는 케이스를 밀봉하기 위한 캡 플레이트로서,
    상기 전극 조립체를 덮는 본체부; 및
    상기 본체부에 형성되는 벤트부; 를 포함하며,
    상기 벤트부와 상기 본체부는 단일 프레스 공정에 의해 함께 형성되며,
    상기 벤트부는, 상기 본체부와 대응되는 압축률로 성형되어 본체부와 대응되는 두께를 가지며 본체부의 평면방향과 어긋나게 배치되는 파단 지지부와, 상기 파단 지지부와 상기 본체부 간의 경계에서 전단변형되어 변형률이 커진 부위에 상대적으로 얇은 두께로 형성되는 구조 연약부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 플레이트.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 파단 지지부는 본체부의 수평면의 상하 방향 중 한 방향으로 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 플레이트.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 구조연약부는 상기 파단 지지부 및 상기 본체부 보다 연성이 작은 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 플레이트.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 구조 연약부는 상기 파단 지지부를 둘러싸는 형태로 성형되어 그 단면 형상이 대칭을 가지게 성형되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 플레이트.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 벤트부의 파단 지지부는, 평평한 플레이트 형상을 가지며, 이 파단 지지부가 평평한 플레이트 형상의 본체부와 높이차를 가지게 결합됨으로써 해당 파단 지지부를 둘러싸는 구조 연약부와 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 플레이트.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 파단 지지부를 둘러싸는 결합측면의 전체 수직길이 중 10 내지 20%가 상기 본체부의 결합측면에 연결됨으로써 구조 연약부가 구성되어 파단 지지부와 본체부는 결합측면을 10 내지 20% 공유하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 플레이트.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 파단 지지부를 둘러싸는 결합측면의 전체 수직길이 중 21 내지 70%가 상기 본체부의 결합측면에 연결됨으로써 구조 연약부가 구성되어 파단 지지부와 본체부는 결합측면을 21 내지 70% 공유하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 플레이트.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 벤트부의 파단 지지부는 평평한 플레이트 형상을 가지며, 이 파단 지지부가 평평한 플레이트 형상의 본체부와 높이차를 가지며, 파단 지지부를 둘러싸는 결합측면은 상기 본체부의 결합측면과 결합측면을 공유하지 않고 띠 형상으로 구조 연약부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 플레이트.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 파단 지지부는 상기 본체부와 동일한 높이에 형성되는 베이스부와 상기 베이스부에서 ㄱ자 형상을 가지고 상부로 돌출되게 연장되어 형성되는 절곡부를 포함하여 형성되며,
    상기 절곡부는 상기 베이스부에서 수직하게 연장되는 제 1 연장부와 이 제 1 연장부에서 수평하게 연장되는 제 2 연장부로 구성되고,
    수평하게 형성된 상기 베이스부는 상기 본체부와 동일한 수직높이를 가지며, 상기 제 1 연장부에 의해 상부로 돌출되는 제 2 연장부는 상기 본체부에 비해 상부로 돌출되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 플레이트.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 파단 지지부는 라인 형태의 직선부에서 그 양 끝단에 제 1 꺽임부 및 제 2 꺽임부가 연결된 형상을 가지며,
    상기 제 1 꺽임부 및 제 2 꺽임부는 직선부의 양 끝단에서 중심부위가 직선부의 말단에 연장되는 형태를 가지는 'V'자형으로 형성되며,
    수평하게 형성된 상기 직선부, 제 1 꺽임부 및 제 2 꺽임부는 상기 본체부에 비해 상부로 돌출되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 플레이트.
  13. 제 1항, 제 3항, 제 5항 내지 12항 중 어느 한 항에 따른 캡 플레이트를 제조하기 위한 금형으로서,
    상부 금형과 하부 금형은 금속재 모재를 개재한 상태에서 프레스되어 캡 플레이트의 본체부와 벤트부를 단일 프레스 공정으로 함께 성형할 수 있으며,
    상기 상부 금형 또는 하부 금형 중 일측에는 프레스의 압력이 가해지는 방향 또는 그 반대 방향으로 돌출부가 구비되고 타측에는 상기 돌출부에 대응되는 오목부가 구비되고,
    상기 돌출부의 측면과 상기 오목부의 측면의 사이에는 빈 간극부가 형성되어 프레스시 전단력을 발생시켜 구조 연약부를 성형하는 것을 특징으로 하는 캡 플레이트 제조용 금형.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 상부 금형 및 상기 하부 금형은,
    프레스된 상태에서 파단지지부를 형성하는 부위의 상부 금형과 하부 금형 사이의 간격은 본체부를 형성하는 상부 금형과 하부금형 사이의 간격과 대응하는 간격을 가지는 것을 특징으로 하는 캡 플레이트 제조용 금형.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 구조 연약부는 전단변형되어 변형률이 커진 부위에 상대적으로 얇은 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 플레이트 제조용 금형.
  16. 제 1항, 제 3항, 제 5항 내지 12항 중 어느 한 항에 따른 캡 플레이트를 제조하는 방법으로서,
    상부 금형과 하부 금형의 사이에 원소재 금속판을 개재하는 단계; 및
    상부 금형와 하부 금형으로 금속재 모재에 소정의 압력을 적용하여 단일 프레스 공정으로 원소재 금속판을 본체부와 벤트부로 이루어지는 캡 플레이트로 성형하는 단계; 를 포함하며,
    상기 상부 금형 또는 하부 금형 중 일측에는 프레스의 압력이 가해지는 방향 또는 그 반대 방향으로 돌출부가 구비되고 타측에는 상기 돌출부에 대응되는 오목부가 구비되고,
    상기 돌출부의 측면과 오목부의 측면의 사이에는 빈 간극부가 형성되어 프레스시 전단력을 발생시켜 구조 연약부를 성형하는 것을 특징으로 하는 캡 플레이트의 제조방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 구조 연약부는 전단변형되어 변형률이 커진 부위에 상대적으로 얇은 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 캡 플레이트의 제조방법.
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