KR102461576B1 - 원통형 리튬 이온 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 다양한 실시예는 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 과제는 과충전 시 내부의 가스 압력이 미리 설정된 제1기준 압력(작동 압력)보다 크고 미리 설정된 제2기준 압력(파단 압력)보다 작을 경우, 캡 조립체에 의해 전류 경로가 차단되지만 내부 밀폐가 가능한 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용된 전극 조립체; 및, 상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 평평하고 표면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되며, 상기 미들 플레이트에 절연 플레이트를 개재하여 부착되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 접속된 바텀 플레이트를 포함하는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 개시한다.
이를 위해 본 발명은 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용된 전극 조립체; 및, 상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 평평하고 표면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되며, 상기 미들 플레이트에 절연 플레이트를 개재하여 부착되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 접속된 바텀 플레이트를 포함하는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 개시한다.
Description
본 발명의 다양한 실시예는 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 내부의 가스 압력이 미리 설정된 제1기준 압력(작동 압력)보다 크고 미리 설정된 제2기준 압력(파단 압력)보다 작을 경우, 캡 조립체에 의해 전류 경로가 차단되지만, 내부의 밀폐 상태가 유지되는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예는 캡 조립체에 의한 전류 차단 동작 이후 내부 가스 압력이 미리 정해진 제2기준 압력(파단 압력)보다 클 경우 캡 조립체가 파단(개방)되어 어떠한 방해 요소도 없이 내부 가스를 외부로 방출할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예는 캡 조립체의 파단 압력을 용접 영역의 형성 위치에 따라 자유롭게 설정할 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 평평하고 표면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되며, 상기 미들 플레이트에 절연 플레이트를 개재하여 부착되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 접속된 바텀 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 탑 플레이트는 평평한 상면과, 상기 상면의 반대면인 평평한 하면을 포함하고, 상기 노치는 상기 하면에 형성될 수 있다.
상기 탑 플레이트는 상기 미들 플레이트의 상부에 위치된 평평한 상부 영역과, 상기 상부 영역으로부터 절곡되어 상기 미들 플레이트의 측부에 위치된 측부 영역과, 상기 측부 영역으로부터 절곡되어 상기 미들 플레이트의 하부에 위치된 하부 영역을 포함할 수 있다.
상기 노치는 미들 플레이트의 제1관통홀과 대응되는 영역의 외측에 형성될 수 있다.
상기 미들 플레이트는 상기 제1관통홀의 주변에 형성된 다수의 제2관통홀을 더 포함할 수 있다.
상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 미리 결정된 제1압력보다 크고 미리 결정된 제2압력보다 작을 경우, 상기 내부 가스 압력에 의해 상기 탑 플레이트가 상부 방향으로 볼록한 모양으로 변형되면서 상기 탑 플레이트가 상기 바텀 플레이트로부터 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 상기 미리 결정된 제2압력보다 클 경우, 상기 노치가 파단되면서 상기 원통형 캔의 내부 가스가 외부로 방출될 수 있다.
상기 탑 플레이트의 파단 압력을 설정하기 위해 상기 탑 플레이트와 상기 미들 플레이트의 사이에 적어도 하나의 용접 영역이 더 형성될 수 있다.
상기 탑 플레이트의 파단 압력은 상기 용접 영역의 형성 위치가 상기 탑 플레이트의 가장자리로부터 멀수록 작을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 내부의 가스 압력이 미리 설정된 제1기준 압력(작동 압력)보다 크고 미리 설정된 제2기준 압력(파단 압력)보다 작을 경우, 캡 조립체에 의해 전류 경로가 차단되지만 내부의 밀폐 상태는 유지되도록 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 캡 조립체에 의한 전류 차단 동작 이후 내부 가스 압력이 미리 정해진 제2기준 압력(파단 압력)보다 클 경우, 캡 조립체가 파단(개방)되어 어떠한 방해 요소도 없이 내부 가스를 외부로 방출할 수 있도록 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 캡 조립체의 파단 압력을 용접 영역의 형성 위치에 따라 자유롭게 설정할 수 있도록 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 캡 조립체의 상단 높이가 원통형 캔의 상단 높이와 같거나 작음으로써, 상대적으로 큰 전지 용량을 구현하도록 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 상대적으로 연질의 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 갖는 캡 조립체를 포함함으로써, 내부 가스 압력이 미리 정해진 기준 압력에 도달하였을 경우, 캡 조립체가 쉽게 파단(개방)되어, 전지의 안전성이 향상되도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 사시도 및 단면도이고, 도 1c는 캡 조립체만을 도시한 확대 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지 중에서 캡 조립체의 작동 및 파단 상태를 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지 중에서 캡 조립체를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지 중에서 캡 조립체의 파단 압력/작동 압력과 용접 영역 사이의 관계를 도시한 단면도 및 그래프이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지 중에서 캡 조립체의 작동 및 파단 상태를 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지 중에서 캡 조립체를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지 중에서 캡 조립체의 파단 압력/작동 압력과 용접 영역 사이의 관계를 도시한 단면도 및 그래프이다.
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 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)를 도시한 사시도 및 단면도이고, 도 1c는 캡 조립체(140)만을 도시한 확대 단면도이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)과, 전극 조립체(120)와, 캡 조립체(140)를 포함할 수 있다. 또한, 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는, 경우에 따라, 센터핀(130)을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100)에서, 캡 조립체(140)는 전류 차단 동작도 수행하기 때문에, 경우에 따라 전류 차단 디바이스(Current Interrupt Device)로 지칭되기도 한다.
원통형 캔(110)은 대략 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)의 둘레로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 원통형 측벽(112)을 포함할 수 있다. 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, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 제조될 수 있다.
또한, 원통형 캔(110)은 캡 조립체(140)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(140)를 중심으로 그 하부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)와, 그 상부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(120)는 원통형 캔(110)의 내부에 수용될 수 있다. 전극 조립체(120)는 음극 활물질(예를 들면, 흑연, 탄소 등등)이 음극 집전판에 코팅된 음극판(121), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등등))이 양극 집전판에 코팅된 양극판(122) 및, 음극판(121)과 양극판(122) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(123)를 포함할 수 있다. 또한, 음극판(121), 양극판(122) 및 세퍼레이터(123)는 대략 원기둥 형태로 권취될 수 있다. 여기서, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 음극 집전판은 구리(Cu) 포일, 양극판 집전판은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)로 제조될 수 있다.
또한, 음극판(121)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(124)이 용접되고, 양극판(122)에는 상부로 일정 길이 돌출되어 연장된 양극탭(125)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 더불어, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 음극탭(124)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni), 양극탭(125)은 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다.
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, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 제조될 수 있다. 이러한 센터핀(130)은 전지의 충방전 중 전극 조립체(120)의 변형을 억제하는 역할을 하며, 이차 전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 물론, 경우에 따라 이러한 센터핀(130)은 생략될 수도 있다.
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, 단면이 "Λ" 형태일 수 있다. 또한, 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 압력보다 클 경우 파단되어 전지의 내부 가스를 외부로 신속하게 방출시킴으로써, 전지의 안전성이 확보되도록 한다.
또한, 탑 플레이트(141)는 상부 영역(141d), 측부 영역(141e) 및 하부 영역(141f)을 포함할 수 있다. 상부 영역(141d)은 미들 플레이트(142)의 상부에 위치되며 대략 평평할 수 있다. 이러한 상부 영역(141d)은 이차 전지(100)의 단자 역할을 하여, 외부 장치(예를 들면, 부하 또는 충전기)에 전기적으로 접속될 수 있다. 측부 영역(141e)은 상부 영역(141d)으로부터 대략 하부 방향으로 절곡되어 미들 플레이트(142)의 측부를 감쌀 수 있다. 하부 영역(141f)은 측부 영역(141e)으로부터 대략 내부 수평 방향으로 절곡되어 미들 플레이트(142)의 하부 둘레에 위치될 수 있다. 이와 같이 하여, 탑 플레이트(141)는 상부 영역(141d), 측부 영역(141e) 및 하부 영역(141f)에 의해 미들 플레이트(142)와 결합될 수 있다.
더불어, 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d)의 높이는 원형형 캔(110)의 크림핑부(114)의 높이와 같거나 작음으로써, 원통형 캔(110)의 내부 체적이 상대적으로 증가될 수 있고, 이에 다라 이차 전지의 용량이 증가될 수 있다. 여기서, 높이는 원통형 캔(110)의 바닥부(111)로부터의 높이를 의미한다.
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.
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.
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 더 포함할 수 있다.
여기서, 제1관통홀(142a)은 하기할 바텀 플레이트(144)가 관통하여 탑 플레이트(141)에 전기적으로 접속되도록 하며, 또한 내부 가스 압력이 탑 플레이트(141)에 직접 작용되도록 한다. 또한, 제2관통홀(142b) 역시 내부 가스 압력이 탑 플레이트(141)에 직접 작용되도록 한다.
여기서, 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 형성된 노치(141c)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 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 절곡 영역(141g)과 대응되는 영역에 형성된 절곡 영역(142c)을 포함할 수 있다. 더불어, 제2관통홀(142b)는 이러한 절곡 영역(142c)에 형성될 수 있다. 이와 같이 하여, 전반적으로 미들 플레이트(142)는 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 밀착된 형태를 한다.
이러한 미들 플레이트(142)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸 및 그 등가물로 형성될 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. 일례로, 절연 플레이트(143)는 미들 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)과 제2관통홀(142b) 사이의 영역과 대응하는 영역에 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. 이러한 절연 재료는 전해액과 반응하지 않음으로써, 이차 전지(100)의 장기간 사용에도 불구하고 절연 플레이트(143)가 변형되지 않는다.
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 제1지역(144a), 제1지역(144a)으로부터 대략 하부 방향으로 절곡되어 미들 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)과 절연 플레이트(143)의 관통홀(143a)을 관통하는 제2지역(144b), 제2지역(144b)으로부터 대략 외측 방향으로 절곡되어 절연 플레이트(143)에 부착되는 제3지역(144c)을 포함할 수 있다. 도 1c에서 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. 또한, 제3지역(144c)은 미들 플레이트(143)로부터 이격되어 있고, 더욱이 탑 플레이트(141)의 제3영역(141f)으로부터 이격되어 있다. 더욱이, 바텀 플레이트(144)의 제1지역(144a)은 움푹하게 파인 적어도 하나의 그르브(144d)를 더 포함하며, 이러한 그르브(144d)는 전지의 내부 가스 압력이 미리 결정된 압력보다 클 경우, 탑 플레이트(141)가 상부 방향으로 볼록하게 변형(반전)되는데, 이때 바텀 플레이트(144)의 제1지역(144a)이 제2지역(144b)으로부터 쉽게 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 원통형 캔(110)의 측벽(111)을 절연시키는 절연 가스켓(145)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 절연 가스켓(145)은 실질적으로 원통형 캔(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 측부 영역(141e)과, 그 주변인 상부 영역(141d) 및 하부 영역(141f)을 감쌈으로써, 전지의 내부가 밀폐되도록 한다.
더불어, 원통형 캔(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.
이러한 캡 조립체(140)의 특징에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 캡 조립체(140)의 상단 높이가 원통형 캔(110)의 상단 높이와 같거나 작음으로써, 상대적으로 대용량을 갖도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 상대적으로 연질의 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 갖는 캡 조립체(140)를 포함함으로써, 내부 가스 압력이 미리 정해진 기준 압력에 도달하였을 경우, 캡 조립체(140)가 쉽게 파단(개방)되어, 내부의 가스를 외부로 방출하고, 이에 따라 전지의 안전성이 향상되도록 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100) 중에서 캡 조립체(140)의 작동 및 파단 상태를 도시한 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 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 변형(반전)되면서, 탑 플레이트(141)가 바텀 플레이트(144)로부터 전기적으로 분리될 수 있다. 즉, 바텀 플레이트(144) 중에서 제1지역(144a)이 파단되면서 제2지역(144b)으로부터 분리된다. 다르게 설명하면, 제1지역(144a) 중 그르브(144d)가 파단되면서, 제1지역(144a)의 일부 지역이 탑 플레이트(141)에 접속된 채로 상부로 이동함으로써, 결국 탑 플레이트(141)와 바텀 플레이트(144) 사이의 전류 경로가 차단된다.
다만,이차 전지의 내부 가스 압력이 제2압력(파단 압력)보다 작을 경우, 이차 전지의 밀폐 상태가 유지됨으로써, 내부 가스가 외부로 방출되지 않는다.
여기서, 전지가 과충전되거나, 전지가 관통 및/또는 압괴되어 내부에서 단락 현상이 일어나거나, 또는 전지가 외부에서 단락될 경우, 전해액의 분해 및/또는 활물질의 분해 등에 의해 가스가 발생하고, 이에 따라 이차 전지의 내부 압력이 증가하게 된다. 이때, 제2압력(파단 압력)은 제1압력(작동 압력)에 비해 상대적으로 큰 값을 갖도록 설계된다. 이러한 이차 전지의 내부 압력 증가는 이차 전지가 비정상 상태에 있음을 의미하며, 이에 따라 상술한 기구적 메카니즘에 의해 전류(충전 전류, 방전 전류, 단락 전류, 또는 과전류) 경로가 먼저 차단되고, 따라서 이차 전지의 안전성이 향상된다.
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 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)가 파단됨으로써, 내부의 가스를 외부로 어떠한 방해 요소도 없이 신속하게 방출하도록 한다. 즉, 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 형성된 노치(141c)가 파단됨으로써, 이차 전지(100)의 내부에 있는 가스가 외부로 신속하게 방출되고, 이에 따라 이차 전지(100)의 폭발이 방지되어 이차 전지(100)의 안전성이 향상된다. 여기서, 이차 전지(100)의 고압 폭발보다는 상술한 바와 같이, 미리 내부 가스를 외부로 방출시키는 편이 안전성 측면에서 더 유리하다.
또한, 탑 플레이트(141)의 파단 압력(또는 제2압력)은 상술한 노치(141c)의 형성 깊이로 조절할 수 있다. 예를 들어, 한정하는 것은 아니지만, 파단 압력을 상대적으로 크게 하려면 노치(141c)의 깊이를 상대적으로 얕게 하고, 파단 압력을 상대적으로 작게 하려면 노치(141c)의 깊이를 상대적으로 깊게 한다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 내부의 가스 압력이 미리 설정된 제1기준 압력(작동 압력)보다 크고 미리 설정된 제2기준 압력(파단 압력)보다 작을 경우, 1차로 캡 조립체(140)(또는 전류 차단 장치)에 의해 전류 경로가 차단되도록 한다. 물론, 이때 전지의 내부 밀폐 상태는 유지되도록 한다. 더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 캡 조립체(140)에 의한 전류 차단 동작 이후 내부 가스 압력이 미리 정해진 제2기준 압력(파단 압력)보다 클 경우, 2차로 캡 조립체(140)가 파단(개방)되어 어떠한 방해 요소도 없이 내부 가스가 외부로 신속히 방출되도록 한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 내부 가스 압력이 제1기준 압력보다 클 경우 1차로 전류 경로를 차단하고, 내부 가스 압력이 제2기준 압력보다 클 경우 2차로 내부 가스를 외부로 방출하도록 함으로써, 전지의 안전 동작이 2단계로 수행되도록 한다.
한편, 탑 플레이트(141)의 파단 압력은 노치(141c)의 깊이 외에도 탑 플레이트(141)의 동작 시(반전 시) 형성되는 힌지점에 의해 결정될 수 있다. 즉, 탑 플레이트(141)의 반전 시, 반전이 시작되는 힌지점이 존재하게 되는데, 예를 들면, 힌지점은 가스켓(145)과 탑 플레이트(141)의 상호간 경계 영역이 될 수 있다. 즉, 힌지점은 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d)에서 가스켓(145)의 단부와 대응되는 영역이 될 수 있다. 따라서, 탑 플레이트(141)의 파단 압력은 힌지점의 형성 위치에 따라 달라지게 되는데, 이를 아래에서 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100) 중에서 캡 조립체(140A,140B)를 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100) 중에서 캡 조립체(140A,140B)는 탑 플레이트(141)의 파단 압력을 설정(조정)하기 위해 탑 플레이트(141)와 미들 플레이트(142)의 사이에 형성된 적어도 하나의 용접 영역(146A,146B)을 더 포함할 수 있다. 이러한 용접 영역(146A,146B)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 레이저 용접, 저항 용접 또는 초음파 용접 등에 의해 형성될 수 있다. 이러한 용접 영역(146A,146B)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 상부에서 보았을 때, 대략 연속적인 원형 링 형태 또는 용접 영역이 점 형태로 배열된 형태일 수 있다. 또한, 용접 영역(146A,146B)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 탑 플레이트(141) 및 미들 플레이트(142)의 가장 자리에 가까운 영역에 형성될 수 있다. 즉, 예를 들면, 용접 영역(146A,146B)은 미들 플레이트(142)의 제2관통홀(142b)과 미들 플레이트(142)의 둘레 사이와 대응되는 탑 플레이트(141) 및 미들 플레이트(142)의 영역에 형성될 수 있다.
여기서, 탑 플레이트(141)의 파단 압력은 용접 영역(146A,146B)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 가장자리로부터 멀어질수록 작아질 수 있다. 다르게 설명하면, 탑 플레이트(141)의 파단 압력은 용접 영역(146A,146B)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 가장자리로부터 가까울수록 커질 수 있다. 여기서, 파단 압력이라 함은, 탑 플레이트(141)에 형성된 노치(141c)가 파단될 때의 압력을 의미한다.
일례로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 용접 영역(146A)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 가장자리로부터 상대적으로 멀 경우(다르게 설명하면, 용접 영역(146A)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 중심으로부터 상대적으로 가까울 경우), 파단 압력은 상대적으로 작을 수 있다. 즉, 상대적으로 더 작은 전지의 내부 압력에 의해 탑 플레이트(141)의 노치(141c)가 파단될 수 있다.
다른 예로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 용접 영역(146B)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 가장 자리로부터 상대적으로 가까울 경우(다르게 설명하면, 용접 영역(146B)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 중심으로부터 상대적으로 멀 경우), 파단 압력은 상대적으로 커질 수 있다. 즉, 상대적으로 더 큰 전지의 내부 압력에 의해 탑 플레이트(141)의 노치(141c)가 파단될 수 있다.
이와 같은 파단 압력의 변화는 파단을 위한 볼륨의 변화에 기인한 것이다.
다르게 설명하면, 용접 영역(146A,146B)을 힌지점으로, 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d)을 반전 영역으로 볼 수 있다.
이때, 용접 영역(147A,146B)이 탑 플레이트(141)의 둘레로부터 가까울수록(즉, 중심으로부터 멀수록) 탑 플레이트(141)를 반전시키기 위한 볼륨이 증가하고, 이에 따라 결국 탑 플레이트(141)를 동작시키거나 파단하는데 상대적으로 큰 내부 압력을 필요로 한다. 따라서 파단 압력/작동 압력이 상승하게 된다.
그러나, 용접 영역(147A,146B)이 탑 플레이트(141)의 둘레로부터 멀수록(즉, 중심으로부터 가까울수록) 탑 플레이트(141)를 반전시키기 위한 볼륨이 감소하고, 이에 따라 결국 탑 플레이트(141)를 동작시키거나 파단하는데 상대적으로 작은 내부 압력을 필요로 한다. 따라서 파단 압력/작동 압력이 감소하게 된다.
즉, 본 발명에서는 탑 플레이트(141)의 힌지점을 절연 가스켓(145)과 탑 플레이트(141) 사이의 접촉 경계 영역으로 결정하는 것이 아니라, 용접 영역(146A,146B)이 힌지점이 되도록 임의로 결정함으로써, 이차 전지(100)에서 탑 플레이트(141)의 작동 압력 및/또는 파단 압력을 임의로 조정할 수 있도록 한다.
또한, 이러한 용접 영역(146A,146B)에 의한 작동 압력 및/또는 파단 압력 조정으로 인해, 모든 이차 전지에서 탑 플레이트(141)의 작동 압력 및/또는 파단 압력을 균일하게 제어할 수 있다.
여기서, 실질적으로 파단 압력 및 작동 압력은 함께 상승하거나 또는 함께 감소할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100) 중에서 캡 조립체(140)의 파단 압력/작동 압력과 용접 영역 사이의 관계를 도시한 단면도 및 그래프이다. 도 4b에서 X축은 용접 영역의 중심으로부터의 거리이고, Y축은 파단 압력/작동 압력을 의미한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 탑 플레이트의 파단 압력/작동 압력은 탑 플레이트의 용접 중심 영역으로부터 탑 플레이트의 가장 자리로 갈수록 상승한다. 다르게 설명하면, 용접 영역을 탑 플레이트의 가장 자리에 가깝게 형성할 수록 탑 플레이트를 작동시키거나 파단시키기 위한 압력이 상승한다. 또 다르게 설명하면, 용접 영역을 탑 플레이트의 중심에 가깝게 형성할 수록 탑 플레이트를 자동시키거나 파단시키기 위한 압력이 감소한다.
또한, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 탑 플레이트의 파단 압력/작동 압력은 탑 플레이트의 용접 중심 영역으로부터 탑 플레이트의 중심으로 갈수록 감소한다. 다르게 설명하면, 용접 영역을 탑 플레이트의 중심에 가깝게 형성할 수록 탑 플레이트를 작동시키거나 파단시키기 위한 압력이 감소한다. 또 다르게 설명하면, 용접 영역을 탑 플레이트의 가장 자리에 가깝게 형성할 수록 탑 플레이트를 작동시키거나 파단시키기 위한 압력이 상승한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 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)
- 원통형 캔;
상기 원통형 캔에 수용된 전극 조립체; 및,
상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고,
상기 캡 조립체는 단자 역할을 하도록 평평하고 표면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되며, 상기 미들 플레이트에 절연 플레이트를 개재하여 부착되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 접속된 바텀 플레이트를 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 탑 플레이트는 평평한 상면과, 상기 상면의 반대면인 평평한 하면을 포함하고, 상기 노치는 상기 하면에 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 탑 플레이트는 상기 미들 플레이트의 상부에 위치된 평평한 상부 영역과, 상기 상부 영역으로부터 절곡되어 상기 미들 플레이트의 측부에 위치된 측부 영역과, 상기 측부 영역으로부터 절곡되어 상기 미들 플레이트의 하부에 위치된 하부 영역을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 노치는 미들 플레이트의 제1관통홀과 대응되는 영역의 외측에 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 미들 플레이트는 상기 제1관통홀의 주변에 형성된 다수의 제2관통홀을 더 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 미리 결정된 제1압력보다 크고 미리 결정된 제2압력보다 작을 경우, 상기 내부 가스 압력에 의해 상기 탑 플레이트가 상부 방향으로 볼록한 모양으로 변형되면서 상기 탑 플레이트가 상기 바텀 플레이트로부터 전기적으로 분리됨을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지. - 제 6 항에 있어서,
상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 상기 미리 결정된 제2압력보다 클 경우, 상기 노치가 파단되면서 상기 원통형 캔의 내부 가스가 외부로 방출됨을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 탑 플레이트의 파단 압력을 설정하기 위해 상기 탑 플레이트와 상기 미들 플레이트의 사이에 적어도 하나의 용접 영역이 더 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 탑 플레이트의 파단 압력은 상기 용접 영역의 형성 위치가 상기 탑 플레이트의 가장자리로부터 멀수록 작은 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
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