KR102430748B1 - 원통형 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 안전성 및 용량을 높일 수 있고, 외부 접촉 표면에서 내스크래치성 및 내압성을 높일 수 있는 원통형 이차 전지를 제공한다.
이를 위해 원통형의 케이스; 상기 케이스에 수용된 전극 조립체; 및 상기 케이스을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하되, 상기 캡 조립체는 적어도 일면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 결합된 바텀 플레이트를 포함하고, 상기 탑 플레이트의 표면에 대해 표면 처리를 통해 요철 구조를 형성한 표면 처리 영역을 포함하는 원통형 이차 전지가 개시된다.
이를 위해 원통형의 케이스; 상기 케이스에 수용된 전극 조립체; 및 상기 케이스을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하되, 상기 캡 조립체는 적어도 일면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 결합된 바텀 플레이트를 포함하고, 상기 탑 플레이트의 표면에 대해 표면 처리를 통해 요철 구조를 형성한 표면 처리 영역을 포함하는 원통형 이차 전지가 개시된다.
Description
본 발명은 안전성 및 용량을 높일 수 있고, 외부 접촉 표면에서 내스크래치성 및 내압성을 높일 수 있는 원통형 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 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 발명은 안전성 및 용량을 높일 수 있고, 외부 접촉 표면에서 내스크래치성 및 내압성을 높일 수 있는 원통형 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 원통형 이차 전지는 원통형의 케이스; 상기 케이스에 수용된 전극 조립체; 및 상기 케이스을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하되, 상기 캡 조립체는 적어도 일면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 결합된 바텀 플레이트를 포함하고, 상기 탑 플레이트의 표면에 대해 표면 처리를 통해 요철 구조를 형성한 표면 처리 영역을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 표면 처리 영역은 상기 탑 플레이트의 표면 중에서 상기 노치가 형성된 영역과 어긋나도록 형성될 수 있다.
그리고 상기 표면 처리 영역은 상기 탑 플레이트의 표면 중에서 상기 노치가 형성된 영역의 내측에 형성될 수 있다.
또한, 상기 표면 처리 영역은 상기 탑 플레이트의 표면 중에서 상기 노치가 형성된 영역의 외곽으로 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 표면 처리 영역은 널링, 엠보, 격자 또는 평행선 형상의 그루브 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 탑 플레이트는 중앙에 형성된 상부 영역과, 단차 영역을 통해 상기 상부 영역과 결합된 가장자리 영역을 포함하여 상기 케이스를 밀봉하도록 형성되고, 상기 표면 처리 영역은 상기 상부 영역에 대해 형성될 수 있다.
또한, 상기 가장자리 영역은 상기 케이스의 상부에 형성된 크림핑부에 의해 크림핑되어 결합될 수 있다.
또한, 상기 바텀 플레이트와 미들 플레이트의 사이에는 절연 플레이트가 더 형성되고, 상기 절연 플레이트는 상기 미들 플레이트의 제1관통홀에 대응되는 홀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 미들 플레이트는 상기 제1관통홀의 외곽에 배치된 적어도 하나의 제2관통홀을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 바텀 플레이트는 상기 미들 플레이트의 제1관통홀에 의해 상기 캡 플레이트와 결합되는 영역에 그루브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 그루브는 상기 캡 플레이트의 노치에 비해 수평 방향에서 내측에 위치할 수 있다.
본 발명은 과충전 시 내부의 가스 압력이 미리 설정된 제1기준 압력(작동압)보다 큰 경우, 캡 조립체에 의해 전류 경로가 차단되고, 제2기준 압력(파단압)보다 클 경우 캡 조립체가 파단되어 내부 가스를 외부로 방출함으로서, 안정성을 높일 수 있는 원통형 이차 전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 캡 조립체의 높이를 낮추어 전지의 전체 총고를 낮춤으로써, 크기를 줄일 수 있고, 전지 용량을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 캡 조립체의 캡 플레이트 표면에 널링 또는 엠보와 같은 표면 처리를 수행하여, 표면의 스크래치를 줄이고 하중 등 압력을 견딜 수 있는 원통형 이차 전지를 제공한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지를 도시한 사시도 및 단면도이고, 도 1c는 캡 조립체만을 도시한 확대 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지에서 캡 플레이트의 상면과 측면을 함께 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 이차 전지 중에서 캡 조립체의 작동 및 파단 상태를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지에서 캡 플레이트의 상면과 측면을 함께 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지에서 캡 플레이트의 상면과 측면을 함께 도시한 것이다.
[도면 부호의 간단한 설명]
140; 캡 조립체 141; 탑 플레이트
141a; 상면 141b; 하면
141c; 노치 141d; 상부 영역
141e; 가장자리 영역 141f; 단차 영역
141g; 측부 영역 141h; 하부 영역
142; 미들 플레이트 142a; 제1관통홀
142b; 제2관통홀 142c; 절곡 영역
143; 절연 플레이트 143a; 관통홀
144; 바텀 플레이트 144a; 제1영역
144b; 제2영역 144c; 제3영역
144d; 그루브 146A,146B; 용접 영역
10, 20, 30; 표면 처리 영역
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지에서 캡 플레이트의 상면과 측면을 함께 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 이차 전지 중에서 캡 조립체의 작동 및 파단 상태를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지에서 캡 플레이트의 상면과 측면을 함께 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지에서 캡 플레이트의 상면과 측면을 함께 도시한 것이다.
[도면 부호의 간단한 설명]
140; 캡 조립체 141; 탑 플레이트
141a; 상면 141b; 하면
141c; 노치 141d; 상부 영역
141e; 가장자리 영역 141f; 단차 영역
141g; 측부 영역 141h; 하부 영역
142; 미들 플레이트 142a; 제1관통홀
142b; 제2관통홀 142c; 절곡 영역
143; 절연 플레이트 143a; 관통홀
144; 바텀 플레이트 144a; 제1영역
144b; 제2영역 144c; 제3영역
144d; 그루브 146A,146B; 용접 영역
10, 20, 30; 표면 처리 영역
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.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 구성을 설명하도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 이차 전지를 도시한 사시도 및 단면도이고, 도 1c는 캡 조립체만을 도시한 확대 단면도이다.
먼저, 도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 이차 전지(100)는 케이스(110)과, 전극 조립체(120)와, 캡 조립체(140)를 포함할 수 있다. 원통형 이차 전지(100)는, 경우에 따라, 센터핀(130)을 더 포함할 수 있다.
원통형의 케이스(110)는 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 측벽(112)을 포함한다. 이차 전지의 제조 공정 중 케이스(110)의 상부는 개방되어 있다. 따라서, 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체(120) 및 센터핀(130)이 전해액과 함께 케이스(110)에 삽입될 수 있다. 케이스(110)는 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 케이스(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. 여기서, 전해액은 액체, 고체, 겔 형태일 수 있으며, 본 발명에서 전해액의 형태를 한정하지 않는다.
전극 조립체(120)는 케이스(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 케이스(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있다. 따라서 케이스(110)는 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 반대로 양극탭(125)이 케이스(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 케이스(110)는 양극으로 동작할 수 있다.
더불어, 케이스(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 케이스(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, 케이스(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 케이스(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 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), 미들 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. 여기서, 노치(141c)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 하부에서 보았을 때 대략 원형, 타원형 또는 "C" 형태일 수 있다. 이러한 노치(141c)는 이차 전지의 내부 가스 압력이 미리 정해진 기준 압력(파단압)보다 클 경우 파단됨으로써, 전지의 내부 가스를 외부로 신속하게 방출하는 역할을 한다.
또한, 탑 플레이트(141)는 상부 영역(141d), 가장자리 영역(141e), 측부 영역(141g) 및 하부 영역(141h)을 포함할 수 있다. 상부 영역(141d)은 미들 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.
또한, 상부 영역(141d)에는 후술하는 바와 같이, 표면 처리 영역(10)이 더 형성되어 있다. 표면 처리 영역(10)은 상부 영역(141d)의 상면에 대해 널링(knurling) 또는 엠보(emboss)를 통해 표면 처리를 수행하여 형성될 수 있고, 또한 이를 통해 스크래치에 대해 강해질 수 있고, 외부 하중을 더 잘 견뎌낼 수 있게 된다.
가장자리 영역(141e)은 일정 높이를 갖는 단차 영역(141e)을 통해 상부 영역(141d)과 결합될 수 있고, 이에 따라 상부 영역(141d)보다 상대적으로 낮은 위치에 형성될 수 있다. 가장자리 영역(141e)은 상부 영역(141d)의 테두리를 따라 형성된 대략 링 형상일 수 있다. 또한, 가장자리 영역(141e)의 외곽은 측부 영역(141g) 및 하부 영역(141h)과 함께 케이스(110)의 크림핑부(114)에 의해 크림핑됨으로써, 케이스(110)와 결합될 수 있다.
단차 영역(141g)은 하부에서 보았을 때 대략 원형 링 형태일 수 있다. 일례로, 단차 영역(141f)의 내측에 형성된 상부 영역(141d)은 단차 영역(141f)의 외측에 형성된 가장자리 영역(141e)에 비해 상대적으로 더 높을 수 있다. 더불어, 노치(141c)는 단차 영역(141f)의 내측에 형성된 상부 영역(141d)의 하면에 형성될 수 있다.
측부 영역(141g)은 상부 영역(141d)으로부터 하부 방향으로 절곡되어 미들 플레이트(142)의 측부를 대략 감쌀 수 있다.
하부 영역(141h)은 측부 영역(141g)으로부터 내측을 향해 수평 방향으로 절곡되어 미들 플레이트(142)의 하부에 결합될 수 있다. 이와 같이 하여, 탑 플레이트(141)는 상부 영역(141d), 가장자리 영역(141e), 측부 영역(141g) 및 하부 영역(141h)에 의해 미들 플레이트(142)와 결합될 수 있다.
이러한 탑 플레이트(141)는 이러한 탑 플레이트(141)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물로 형성될 수 있으며, 이에 따라 알루미늄 재질의 버스바, 외부 리드 또는 외부 장치가 용이하게 접속(또는 용접)될 수 있다.
여기서, 탑 플레이트(141)는 Al 순도 99.0% 또는 그 이상의 순수 알루미늄인 1XXX 시리즈, Al-Cu계 합금인 2XXX 시리즈, Al-Mn계 합금인 3XXX 시리즈, Al-Si계 합금인 4XXX 시리즈, Al-Mg계 합금인 5XXX 시리즈, Al-Mg-Si계 합금인 6XXX 시리즈, Al-Zn-(Mg,Cu)계 합금인 7XXX 시리즈 중에서 하나로 형성될 수 있다.
특히, 탑 플레이트(141)는 상술한 시리즈 중에서도 연질 알루미늄으로 형성됨이 바람직하다. 예를 들어, 한정하는 것은 아니지만, 연질 재료로서 강도, 내식성 및 용접성 등이 우수한 Al-Mg계 합금인 5XXX 시리즈(예를 들면, 5052, 5056, 5083, 5454)에 의해 탑 플레이트(141)가 형성될 수 있다. 물론, 이밖에도 비열처리형 합금인 1XXX, 3XXX 또는 4XXX 시리즈가 탑 플레이트(141)의 재료로 이용될 수 있다.
따라서, 탑 플레이트(141)는 후술할 바와 같이, 케이스(110) 내의 압력이 일정 기준 압력(작동압) 이상인 경우, 상부 영역(141d)가 위를 향해 부풀어오름으로써 미들 플레이트(142)와 물리적으로 분리되어 전기적으로 분리될 수 있다. 또한, 탑 플레이트(141)는 케이스(110) 내의 압력이 일정 기준 압력(파단압) 이상인 경우 노치(141c)가 파단되어 개방됨으로써, 내부의 가스가 외부로 배출되도록 하여 안정성을 높일 수 있다.
또한, 탑 플레이트(141)는 상부를 향해 돌출되어 있던 캡 업 구조에 비해 낮은 높이를 갖기 때문에, 캡 업 구조의 이차 전지에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지(100)의 총고를 낮게 함으로써 소형화된 이차 전지(100)를 구성할 수 있고, 기존과 동일한 높이에서는 전지의 용량을 높일 수 있다.
미들 플레이트(142)는 탑 플레이트(141)의 하부에 위치되고, 대략 평평한 형태를 할 수 있다. 또한 미들 플레이트(142)는 대략 중앙에 형성된 제1관통홀(142a)을 포함할 수 있다. 더욱이, 미들 플레이트(142)는 제1관통홀(142a)의 주변에 형성된 다수의 제2관통홀(142b)을 포함할 수 있다.
여기서, 제1관통홀(142a)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. 또한, 제2관통홀(142b) 역시 내부 가스 압력이 탑 플레이트(141)에 직접 인가되도록 한다.
여기서, 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 형성된 노치(141c)는, 예를 들면, 상술한 미들 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)과 제2관통홀(142b) 사이의 영역과 대응되는 영역에 형성될 수 있다.
더욱이, 미들 플레이트(142) 역시 상술한 탑 플레이트(141)의 단차 영역(141f)과 대응되는 영역에 형성된 절곡 영역(142c)을 포함할 수 있다. 따라서, 미들 플레이트(142)는 전반적으로 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 밀착된 형태를 가질 수 있다.
이러한 미들 플레이트(142)는 케이스(110)의 크림핑부(114)의 형성을 위한 크림핑 공정에서 압력이 가해질 때, 압력으로부터 캡 플레이트(141)의 형상을 유지시키기 위해 예를 들면, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸 및 그 등가물로 형성될 수 있다. 다만, 상기 미들 플레이트(142)는 크림핑시 압력이 상대적으로 크지 않은 경우, 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(EPDM rubber: ethylene propylene diene monomer (M-class) rubber)와 같은 절연 재질로 형성될 수도 있다. 그리고 이 경우에도 미들 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)을 통해 바텀 플레이트(144)가 탑 플레이트(141)과 결합된 상태이기 때문에, 평상시 전기적 연결이나 후술할 작동압 및 파단압에서의 전기적 분리 동작이 동일하게 이루어질 수 있다.
절연 플레이트(143)는 미들 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 미들 플레이트(142)와 바텀 플레이트(144)를 상호간 절연시키는 역할을 한다. 절연 플레이트(143)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 미들 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 미들 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 제1영역(144a), 제1영역(144a)으로부터 절곡되어 미들 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)과 절연 플레이트(143)의 관통홀(143a)을 관통하는 제2영역(144b), 제2영역(144b)으로부터 절곡되어 절연 플레이트(143)에 부착되는 제3영역(144c)을 포함할 수 있다. 도 1c에서 미설명 도면 부호(144e)는 바텀 플레이트(144)의 제1영역(144a)을 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d) 중 하면(141b)에 용접시키는 용접 영역이다.
여기서, 바텀 플레이트(144)의 제3영역(144c)에 상술한 양극탭(125)이 전기적으로 접속될 수 있다. 더욱이, 바텀 플레이트(144)의 제1영역(144a)은 움푹하게 파인 적어도 하나의 그루브(144d)를 더 포함한다. 이러한 그루브(144d)는 전지의 내부 가스 압력이 미리 결정된 압력(작동압)보다 클 경우, 탑 플레이트(141)가 상부 방향으로 볼록하게 변형될 때, 이때 바텀 플레이트(144)의 제1영역(144a)이 제2영역(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 양극탭이 용이하게 용접될 수 있다.
한편, 캡 조립체(140)는 탑 플레이트(141)와 케이스(110)의 측벽(111)을 절연시키는 절연 가스켓(145)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 절연 가스켓(145)은 실질적으로 케이스(110)의 측벽(111)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착된 형태를 한다. 또한, 절연 가스켓(145)은 실질적으로으로 탑 플레이트(141) 중에서 가장자리 영역(141e)과, 그 주변인 측부 영역(141g) 및 하부 영역(141h)을 감쌀 수 있다.
더불어, 케이스(110)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주액될 수 있으며, 이는 충방전 시 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.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지에서 캡 플레이트의 구성을 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지에서 캡 플레이트의 상면과 측면을 함께 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 캡 플레이트(141)는 상부 영역(141d)의 적어도 일부의 상면에 대해 형성된 표면 처리 영역(10)을 포함할 수 있다. 상기 표면 처리 영역(10)은 널링 또는 엠보 처리를 통해 상부 영역(141d)의 상면에 대해 다수의 요철 구조를 미리 형성할 수 있다. 요철 구조는 상부 영역(141d)에서 일정한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 그리고 이러한 표면 처리 영역(10)은 표면 처리하지 않은 평면과 비교할 때, 충방전핀이나 부하와 같은 외부 장치가 접촉할 때 내스크래치성이 향상될 수 있다. 또한, 표면 처리 영역(10)의 형성을 통해, 상부 영역(141d)에 가해지는 외부 장치의 하중과 같은 압력에 대해 견디는 내압성이 향상될 수 있다.
한편, 표면 처리 영역(10)은 상부 영역(141d) 중에서 캡 플레이트(141)의 하면에 형성된 노치(141c)와 어긋나도록, 구체적으로는 노치(141c)에 비해 수평 방향에서 내측에 형성될 수 있다. 이러한 배치를 통하면, 특히 널링 처리를 할 때, 노치(141c)와 표면 처리 영역(10)이 교차하게 되면, 해당 지점에서 캡 플레이트(141)의 두께가 얇아지게 되어 적정한 기준 압력(파단압)에 비해 낮은 압력에서 캡 플레이트(141)가 개방되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 외부 장치의 결합에 있어서도, 상부 영역(141d)의 중앙에 외부 장치가 접촉하게 되는 것이 일반적이기 때문에, 이러한 표면 처리 영역(10)의 배치에 의해서도 내스크래치성이나 내압성의 특성이 유지될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 동작을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지 중에서 캡 조립체의 작동 및 파단 상태를 도시한 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지는 케이스의 내부 가스 압력이 미리 결정된 제1압력(작동압)보다 크고 미리 결정된 제2압력(파단압)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. 즉, 바텀 플레이트(144) 중에서 제1영역(144a)이 파단되면서 제2영역(144b)으로부터 분리된다. 다르게 설명하면, 제1영역(144a) 중 그루브(144d)가 파단되면서, 제1영역(144a)의 일부 영역이 탑 플레이트(141)에 접속된 채로 상부로 분리됨으로써, 결국 탑 플레이트(141)와 바텀 플레이트(144) 사이의 전류 경로가 차단된다.
다만, 원통형 이차 전지의 내부 가스 압력이 제2압력(파단압)보다 작을 경우, 캡 플레이트(141)에 의해 아직 원통형 이차 전지의 밀폐 상태가 유지됨으로써, 내부 가스가 외부로 방출되지 않는다.
여기서, 원통형 이차 전지가 과충전되거나, 원통형 이차 전지가 관통 및/또는 압괴되어 내부에서 단락 현상이 일어나거나, 또는 원통형 이차 전지가 외부에서 단락될 경우, 전해액의 분해 또는 활물질층의 분해 현상 등에 의해 가스가 발생하고, 이에 따라 원통형 이차 전지의 내부 가스 압력이 증가하게 될 수 있다.
이러한 원통형 이차 전지의 내부 압력 증가는 원통형 이차 전지가 비정상 상태에 있음을 의미하며, 이에 따라 상술한 기구적 메커니즘에 의해 전류 경로가 차단되고, 따라서 이차 전지의 안전성이 향상된다.
한편, 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지는 케이스의 내부 가스 압력이 미리 결정된 제2압력(파단압)보다 클 경우, 탑 플레이트(141)가 파단됨으로써, 내부의 가스를 어떠한 방해 요소도 없이 외부로 신속하게 방출하도록 한다. 즉, 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 형성된 노치(141c)가 파단됨으로써, 원통형 이차 전지의 내부에 있는 가스가 외부로 신속하게 방출되고, 이에 따라 원통형 이차 전지의 폭발이 방지되어 원통형 이차 전지의 안전성이 향상된다. 여기서, 원통형 이차 전지의 고압 폭발보다는 상술한 바와 같이, 미리 내부 가스를 외부로 방출시키는 편이 안전성 측면에서 더 우수하다.
또한, 탑 플레이트(141)의 파단압(또는 제2압력)은 상술한 노치(141c)의 형성 위치 및 깊이로 조절할 수 있다. 예를 들어, 한정하는 것은 아니지만, 파단압을 상대적으로 크게 하려면 노치(141c)를 상부 영역(141d)의 보다 외곽으로 배치하고 노치(141c)의 깊이를 상대적으로 얕게 할 수 있고, 파단압을 상대적으로 작게 하려면 노치(141c)를 상부 영역(141d)의 보다 내측으로 배치하고 노치(141c)의 깊이를 상대적으로 깊게 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 구성을 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지에서 캡 플레이트의 상면과 측면을 함께 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지는 캡 플레이트(241)의 구성에서 앞선 실시예와 다르게 형성될 수 있다.
캡 플레이트(241)는 상부 영역(241d)에 대해 노치(141c)에 비해 수평 방향에서 내측에 형성된 표면 처리 영역(10)은 물론, 노치(141c)에 비해 외곽에 형성된 표면 처리 영역(20)을 포함할 수 있다. 즉, 표면 처리 영역(10, 20)은 노치(141c)가 형성되는 영역을 제외한 나머지 상부 영역(241d)에 대해 형성될 수 있다.
이렇게 하면, 외부 장치가 접촉할 때 내스크래치성 및 내압성을 최대로 확보하면서도, 노치(141c)의 형성에 의한 제1압력(작동압)은 설정한 대로 유지하여 안정성을 확보할 수 있다. 이러한 표면 처리 영역(10, 20)은 당업자의 선택에 따라, 요철의 사이 간격 및 깊이(또는 높이)가 선택될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 구성을 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지에서 캡 플레이트의 상면과 측면을 함께 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전치는 캡 플레이트(341)의 구성에서 앞선 실시예와 다르게 형성될 수 있다.
캡 플레이트(341)는 상부 영역(341d)의 상면에 대해 다수의 그루브를 미리 형성함으로서 표면 처리 영역(30)을 형성할 수 있다. 이러한 그루브는 도 5에서 격자 형상으로 도시되어 있으나, 당업자의 선택에 따라 격자 형상 대신, 나란하게 형성된 다수개의 평행선 형상으로 형성될 수도 있다. 또한, 표면 처리 영역(30)을 형성하는 그루브는 상부 영역(341d) 중 수평 방향에서 노치(141c)의 내측 영역에만 형성된 것으로 도시되어 있으나, 노치(141c)의 외곽에 대해서도 추가적으로 구성될 수 있다. 이러한 그루브의 형상은 표면 처리 영역(30)을 형성함에 있어서, 널링이나 엠보에 비해 공정을 단순화하고 공정 시간을 줄이는데 도움을 줄 수 있다. 물론, 선택에 따라 앞의 널링 또는 엠보 구조를 본 실시예의 홈과 조합하여 형성하는 것도 가능하다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 원통형 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 (11)
- 원통형의 케이스;
상기 케이스에 수용된 전극 조립체; 및
상기 케이스을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하되,
상기 캡 조립체는 적어도 일면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 결합된 바텀 플레이트를 포함하고,
상기 탑 플레이트의 표면에 대해 표면 처리를 통해 요철 구조를 형성한 표면 처리 영역을 포함하되,
상기 표면 처리 영역은 상기 탑 플레이트의 표면 중에서 상기 노치가 형성된 영역과 어긋나도록 형성되는 원통형 이차 전지. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 표면 처리 영역은 상기 탑 플레이트의 표면 중에서 상기 노치가 형성된 영역의 내측에 형성된 원통형 이차 전지. - 제 3 항에 있어서,
상기 표면 처리 영역은 상기 탑 플레이트의 표면 중에서 상기 노치가 형성된 영역의 외곽으로 더 형성된 원통형 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 표면 처리 영역은 널링, 엠보, 격자 또는 평행선 형상의 그루브 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 형상으로 형성된 원통형 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 탑 플레이트는 중앙에 형성된 상부 영역과, 단차 영역을 통해 상기 상부 영역과 결합된 가장자리 영역을 포함하여 상기 케이스를 밀봉하도록 형성되고,
상기 표면 처리 영역은 상기 상부 영역에 대해 형성된 원통형 이차 전지. - 제 6 항에 있어서,
상기 가장자리 영역은 상기 케이스의 상부에 형성된 크림핑부에 의해 크림핑되어 결합된 원통형 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 바텀 플레이트와 미들 플레이트의 사이에는 절연 플레이트가 더 형성되고, 상기 절연 플레이트는 상기 미들 플레이트의 제1관통홀에 대응되는 홀을 포함하는 원통형 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 미들 플레이트는 상기 제1관통홀의 외곽에 배치된 적어도 하나의 제2관통홀을 더 포함하는 원통형 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 바텀 플레이트는 상기 미들 플레이트의 제1관통홀에 의해 상기 탑 플레이트와 결합되는 영역에 그루브를 더 포함하는 원통형 이차 전지. - 제 10 항에 있어서,
상기 그루브는 상기 탑 플레이트의 노치에 비해 수평 방향에서 내측에 위치한 원통형 이차 전지.
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