KR102518866B1 - 벤팅부를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체의 수납을 위한 전지케이스를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전지케이스의 가장자리를 융착하여 형성된 실링부는 가스를 배출하는 벤팅부를 포함하며, 상기 벤팅부는 캡슐형 발포제를 포함하는 이차전지를 제공하며, 이에 따르면, 이차전지의 사고 상황에서 전지 내부의 온도 상승으로 인해 발생한 내부 가스를 안전하게 배출하여 전지 폭발과 같은 현상을 방지하고, 원하는 위치에 벤팅부를 구비하여 각 이차전지의 특징에 따라 발열량이 가장 높은 부분에 벤팅이 일어나도록 유도하여 이차전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

벤팅부를 포함하는 이차전지{SECONDARY BATTERY HAVING VENT PORTION}
본 발명은 안전성이 우수한 벤팅부를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 대표적으로, 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성이 우수한 리튬 코발트 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
그런데, 이차전지는 과열될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 이차전지가 발열하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승하며, 전지 내부의 온도가 상승으로 인해 액체 전해질이 기체로 변하게 되고 이에 따라 전지 내부의 압력이 상승하여 파우치형 케이스는 부풀어오르는 이른바 스웰링(swelling) 현상이 발생한다. 이러한 스웰링 현상으로 인해 전지부가 변형되어 전지의 단락이 발생하거나 폭발이 유발된다.
따라서, 전지 내부 발생 가스를 효과적으로 제거하여 전지의 안전성을 개선하고 성능을 향상시키며 전지의 수명을 연장할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
이러한 이차 전지의 내부 가스 발생으로 인한 문제를 해결하기 위한 연구는 이제까지 다양하게 진행되어 오고 있으며, 특히 전지 팩에 안전 변을 설치하여 내부의 가스를 제거하는 기술 및 별도의 안전 밸브(safety valve) 등을 장착하는 방법에 대한 발명이 다수 존재하고 있다. 그러나 상기와 같은 발명들은 구조 자체를 본래의 전지 또는 팩과 달리하고 별도의 부품을 제작하는 공정이 필요하며, 종래의 케이싱이 아닌 별도의 케이스를 제작하여 제조하여야 하는 등의 문제가 있다.
또한, 종래에는 이차 전지의 음극탭, 양극탭 또는 탑(Top) 실링부에 벤팅 시스템(Venting System)을 적용하여 내부에 발생된 가스가 배출되도록 하였으나, 이러한 경우에는 벤팅 시스템이 아닌 다른 곳으로 내부 가스가 배출되는 현상이 발생하여 예측 불가능한 상황이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 이차 전지의 내부에 발생한 가스를 안전하게 배출해 전지 폭발과 같은 현상을 방지하고, 각 이차전지의 특징에 따라 특정한 위치 및 온도에서 가스 배출이 이루어지는 벤팅부를 포함하는 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극조립체의 수납을 위한 전지케이스를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전지케이스의 가장자리를 융착하여 형성된 실링부는 가스를 배출하는 벤팅부를 포함하며, 상기 벤팅부는 캡슐형 발포제를 포함하는 이차전지를 제공한다.
상기 캡슐형 발포제는 융착된 전지케이스 사이에 위치할 수 있다.
상기 캡슐형 발포제는 상기 벤팅부에서의 밀도가 50 내지 1000개/mm3일 수 있다.
상기 캡슐형 발포제는 열팽창 작동 온도가 110 내지 260℃일 수 있다.
상기 캡슐형 발포제는 평균 직경이 2 내지 15㎛일 수 있다.
상기 캡슐형 발포제는 제1쉘 및 상기 제1쉘에 내포된 제1코어제로 이루어지며, 상기 제1쉘은 열가소성 수지이고, 상기 제1코어제는 휘발성 팽창제를 포함할 수 있다.
상기 열가소성 수지는 아크릴로니트릴 공중합체 및 염화 비닐리덴 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 휘발성 팽창제는 탄화수소일 수 있다.
상기 제1코어제는, 제2쉘 및 상기 제2쉘에 내포된 제2코어제로 이루어진 코어-쉘 구조를 더 포함할 수 있다.
상기 제2쉘은 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지 및 폴리스티렌계수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이며, 상기 제2코어제는 난연 물질을 포함할 수 있다.
상기 난연 물질은 플로라이드계 화합물일 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 사고 상황에서 전지 내부의 온도 상승으로 인해 발생한 내부 가스를 안전하게 배출하여 전지 폭발과 같은 현상을 방지하고, 원하는 위치에 벤팅부를 구비하여 각 이차전지의 특징에 따라 발열량이 가장 높은 부분에 벤팅이 일어나도록 유도하여 이차전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 구비된 벤팅부의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 5는 본 발명의 일 실시예인 코팅 조성물에 포함된 캡슐형 발포제의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 안전성이 우수한 벤팅부를 포함하는 이차전지에 관한 것으로, 구체적으로, 이차전지의 사고 상황에서 내부 가스를 안전하게 배출하는 밴팅부를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극조립체의 수납을 위한 전지케이스를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전지케이스의 가장자리를 융착하여 형성된 실링부는 가스를 배출하는 벤팅부를 포함하며, 상기 벤팅부는 캡슐형 발포제를 포함하는 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도를 나타낸 것으로, 도 1에 따르면, 전지케이스(2)의 가장자리를 융착하여 형성된 실링부(8)는 가스를 배출하는 벤팅부(3)를 포함하고 있다.
구체적으로, 도 1에 따르면, 이차전지는 소정의 전류를 생성하기 위해 양극판, 음극판 및 세퍼레이터로 구성되는 전극조립체(9)와, 이 전극조립체를 감싸서 밀봉하는 전지케이스(2)를 구비한다. 상기 전극조립체는 복수 개의 양극판, 세퍼레이터 및 음극판이 순차적으로 적층된 구조이며, 복수 개의 양극판 일 측에는 각각 양극탭(11)들이 연장 형성되어 전극조립체 밖으로 돌출 연장되고, 복수 개의 음극판 일 측에는 각각 음극탭(10)들이 연장 형성되어 전극조립체 밖으로 돌출 연장된다. 이러한 양극탭들과 음극탭들은 상호 대향되도록 위치하고, 이 탭들의 끝단이 모아져 각각 양극단자(13) 및 음극단자(12)에 부착되어 전지케이스 밖으로 뻗어 나와 전지의 충전 혹은 방전이 가능하도록 하는 것이다.
상기 전지케이스(2)는 파우치형인 것이 바람직하며, 합성수지로 이루어진 전지케이스가 전극조립체(9)를 수납하고, 전지케이스의 가장자리를 열 융착하여 전지케이스를 밀봉할 수 있다. 이때, 전극 단자(12, 13)들은 외부로 노출되도록 하고, 전지케이스의 가장자리를 융착하여 형성된 실링부(8)는 전지케이스의 둘레의 전반에 걸쳐 평형하고 고르게 형성되어 전지 내부의 전해액이 누설되지 않도록 함으로써 외부의 환경 가운데 노출되지 않도록 할 수 있다.
상기 실링부(8)가 고르게 형성된 이차전지는 실링부에 가스를 배출하는 벤팅부(3)를 포함할 수 있으며, 상기 벤팅부는 캡슐형 발포제를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 벤팅부(3)가 캡슐형 발포제를 포함함으로써, 이차전지의 사고 상황에서 전지 내부의 온도가 상승하는 경우에 캡슐형 발포제가 팽창할 수 있다. 이로 인해, 상기 벤팅부의 팽창이 발생함으로써 벤팅부가 개방되어 이차전지 내부에서 발생된 가스를 안전하게 배출해 전지 폭발과 같은 현상을 방지할 수 있다. 나아가, 본 발명은 원하는 위치에 벤팅부(3)를 구비하여 각 이차전지의 특징에 따라 발열량이 가장 높은 부분에 벤팅이 일어나도록 유도하여 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 구비된 벤팅부(3)의 단면을 나타낸 도면으로, 도 2에 따르면, 상기 캡슐형 발포제(1)는 융착된 전지케이스(2) 사이에 위치한다. 따라서, 이차전지의 사고 상황에서 전지 내부의 온도가 상승 시에 캡슐형 발포제가 팽창하며, 상기 전지케이스 사이에 위치하는 캡슐형 발포제의 팽창으로 인해 전지케이스 간의 간격이 멀어지고, 이로 인해, 이차전지의 내부에 발생된 가스가 이차전지 외부로 배출될 수 있다.
한편, 상기 캡슐형 발포제(1)는 상기 벤팅부(3)에서의 밀도가 50 내지 1000개/mm3인 것이 바람직하다. 상기 캡슐형 발포제의 밀도가 50개/mm3 미만이면 사고 상황에서 이차전지 내부에 발생된 가스가 배출되지 않아 이차전지가 폭발할 우려가 있으며, 밀도가 1000개/mm3 초과하면 전지케이스의 밀봉(sealing)력이 약화되어 전해액이 외부로 누설되거나 정상 상태에서 외부 공기가 전지케이스 내부로 유입될 수 있다.
본 발명의 이차전지에 포함되는 상기 캡슐형 발포제(1)는 열팽창 작동 온도가 110 내지 260℃인 것이 바람직하다. 상기 캡슐형 발포제의 열팽창 작동 온도가 110℃ 미만이면 사고 상황이 발생하지 않은 낮은 온도에서 벤팅부(3)가 개방되어 전지액이 외부로 누설될 수 있는 문제점이 있으며, 260℃ 초과하면 사고 상황에서 이차전지 내부에 발생된 가스가 배출되지 않아 이차전지가 폭발할 우려가 있다.
상기 캡슐형 발포제(1)는 평균 입자 직경이 2 내지 15㎛이며, 상기 캡슐형 발포제의 평균 입자 직경이 2㎛ 미만이면 사고 상황에서 이차전지 내부에 발생된 가스가 배출되지 않아 이차전지가 폭발할 우려가 있으며, 15㎛ 초과하면 벤팅부(3)에서 전지케이스(2) 간의 열 융착이 어려울 수 있다.
상기 캡슐형 발포제(1)는 열팽창율이 5배 이상인 것이 바람직하며, 열팽창율이 5배 미만이면 사고 상황에서 이차전지 내부에 발생된 가스가 배출되지 않아 이차전지가 폭발할 우려가 있다. 한편, 상기 캡슐형 발포제의 열팽창율의 상한은 특별히 한정하지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 이차전지에 포함된 캡슐형 발포제(1)의 단면을 모식적으로 나타낸 도면으로, 도 3에 따르면, 상기 캡슐형 발포제는 코어-쉘 구조를 가질 수 있으며, 구체적으로, 제1쉘(4) 및 상기 제1쉘에 내포된 제1코어제(5)로 이루어지는 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 상기 캡슐형 발포제의 제1쉘은 열가소성 수지일 수 있으며, 제1쉘에 내포된 상기 제1코어제는 휘발성 팽창제를 포함할 수 있다.
상기 캡슐형 발포제(1)에 열이 가해지면 제1쉘(4)의 연화가 시작됨과 동시에 제1코어제(5)의 휘발성 팽창제가 기화되면서 내압이 높아지며, 이로 인해, 캡슐형 발포제의 팽창이 이루어질 수 있다. 상기 캡슐형 발포제의 팽창 시 내압과 제1쉘의 장력(외압)이 균형을 이루어 팽창 상태가 유지될 수 있다. 한편, 가열이 지속되는 경우 두께가 얇아진 상기 제1쉘의 장력(외압)이 내압보다 커지기 때문에 수축이 일어날 수 있다.
상기 제1쉘(4)은 열가소성 수지로 이루어지는 것이 바람직하며, 열가소성 수지의 종류는 열을 가하여 성형한 뒤에도 다시 열을 가하면 형태를 변형시킬 수 있는 열가소성 수지라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 예를 들어, 아크릴로니트릴 공중합체 및 염화 비닐리덴 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것일 수 있다. 특히, 우수한 내열성 및 내약품성 측면에서 아크릴로니트릴 공중합체를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제1코어제(5)에 포함되는 휘발성 팽창제는 탄화수소일 수 있으며, 상기 탄화수소는 노말부탄, 노말펜탄 및 노말헥산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예인 이차전지에 포함된 캡슐형 발포제(1)의 단면을 모식적으로 나타낸 도면으로, 도 4에 따르면, 상기 제1코어제(5)는, 제2쉘(6) 및 상기 제2쉘에 내포된 제2코어제(7)로 이루어진 코어-쉘 구조를 더 포함할 수 있다. 상기 제2쉘은 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지 및 폴리스티렌계수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으며, 상기 제2코어제는 난연 물질을 포함할 수 있다. 또한, 도 5에 따르면, 본 발명의 캡슐형 발포제는 코어-쉘 구조의 발포제 내부에 2개 이상의 다수 개의 코어-쉘 구조의 캡슐을 포함할 수 있다.
본 발명의 이차전지에 포함되는 캡슐형 발포제(1)는 2중 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 캡슐형 발포제를 포함하는 이차전지는 1차 사고 발생 시 제1쉘(4) 및 제1코어제(5)의 팽창으로 인하여 캡슐형 발포제가 팽창하여 벤팅부(3)에서 이차전지 내부 기체를 외부로 배출할 수 있다. 260℃ 초과하는 온도에서 추가적으로 사고가 발생하는 경우 제1쉘 및 제2쉘(6)은 파열이 일어날 수 있다. 이로 인해, 제2코어제(7) 내에 포함된 난연 물질이 상기 캡슐형 발포제의 외부로 배출됨으로 인하여 고온에서 발생할 수 있는 발화 등의 문제점을 방지하여 안전성이 우수한 벤팅부를 포함하는 이차전지를 제공할 수 있다.
상기 난연 물질은 플로라이드계 화합물일 수 있으며, 플로라이드계 화합물을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 플로라이드계 화합물은 H(CF2)2OCH3, C4F9OCH3, H(CF2)2OCH2CH3, H(CF2)2OCH2CF3, H(CF2)2CH2O(CF2)2H 및 CF3CHFCF2OCH3, CF3CHFCF2OCH2CH3로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지의 제조방법은 특별히 한정되지 아니하며, 공지된 이차전지의 제조방법을 이용할 수 있다.
전극조립체(9)를 전지케이스(2)에 수납한 다음, 상기 전지케이스 가장자리의 일부에 캡슐형 발포제(1)를 적용한 후 융착하여 실링부(8)를 형성하여 이차전지를 제조할 수 있다.
이때, 상기 캡슐형 발포제를 2층의 전지케이스(2) 사이에 적용하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 이차전지의 사고 상황에서 전지 내부의 온도가 상승 시에 캡슐형 발포제가 팽창하며, 상기 전지케이스 사이에 위치하는 캡슐형 발포제의 팽창으로 인해 전지케이스 간의 간격이 멀어질 수 있다. 따라서, 벤팅부(3)에서 이차전지의 내부에 발생된 가스가 이차전지 외부로 배출될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
1 : 캡슐형 발포제
2 : 전지케이스
3 : 벤팅부
4 : 제1쉘
5 : 제1코어제
6 : 제2쉘
7 : 제2코어제
8 : 실링부
9 : 전극조립체
10 : 음극탭
11 : 양극탭
12 : 음극단자
13 : 양극단자

Claims (11)

  1. 전극조립체의 수납을 위한 전지케이스를 포함하는 이차전지에 있어서,
    상기 전지케이스의 가장자리를 융착하여 형성된 실링부는 가스를 배출하는 벤팅부를 포함하며,
    상기 벤팅부는 캡슐형 발포제를 포함하고,
    상기 캡슐형 발포제는 제1쉘 및 상기 제1쉘에 내포된 제1코어제로 이루어지며,
    상기 제1코어제는 제2쉘 및 상기 제2쉘에 내포된 제2코어제로 이루어진 코어-쉘 구조를 더 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐형 발포제는 융착된 전지케이스 사이에 위치하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐형 발포제는 상기 벤팅부에서의 밀도가 50 내지 1000개/mm3인 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐형 발포제는 열팽창 작동 온도가 110 내지 260℃인 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐형 발포제는 평균 직경이 2 내지 15㎛인 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1쉘은 열가소성 수지이고,
    상기 제1코어제는 휘발성 팽창제를 포함하는 이차전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 아크릴로니트릴 공중합체 및 염화 비닐리덴 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 이차전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 휘발성 팽창제는 탄화수소인 이차전지.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2쉘은 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지 및 폴리스티렌계수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이며,
    상기 제2코어제는 난연 물질을 포함하는 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 난연 물질은 플로라이드계 화합물인 이차전지.
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