KR102610593B1 - 홈이 형성된 가스켓을 포함하는 원통형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원통형 이차전지의 밀봉성 및 절연성을 확보하기 위하여 제1가스켓 및 제2가스켓의 형태를 변형한 것으로서, 구체적으로, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체를 수용하는 원통형 캔, 상기 원통형 캔의 상부에 위치하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체의 탑 캡 및 벤팅부재의 외주변을 감싸도록 부가된 상태에서 상기 원통형 캔을 밀봉하는 제1가스켓, 상기 캡 조립체 하부에 위치하는 전류차단부재(CID), 및 상기 전류차단부재의 외주변에 위치하는 제2가스켓을 포함하며, 상기 제1가스켓의 상단부는 상기 탑 캡의 외주변 상면을 감싸는 구조이고, 상기 제1가스켓의 상단부 내측면의 적어도 일부에는 상기 탑 캡의 외주변 상면과 밀착되는 것을 방지하기 위한 홈부가 형성되어 있는 원통형 이차전지에 관한 것이다.

Description

홈이 형성된 가스켓을 포함하는 원통형 이차전지 {Cylindrical Secondary Battery Comprising Gasket with Groove}
본원 발명은 홈이 형성된 가스켓을 포함하는 원통형 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로 캡 조립체에서 온도가 높은 부분과 인접한 가스켓의 형태를 변형하여 고온에 관한 안전성을 향상시킨 홈이 형성된 가스켓을 포함하는 원통형 이차전지에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 이차전지 또는 각형 이차전지와 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류된다. 그 중 원통형 이차전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점이 있다.
원통형 이차전지는 개방된 원통형 케이스 상단에 캡 조립체를 위치시키고 원통형 케이스와 캡 조립체 사이에 가스켓을 개재하여 밀봉한다. 상기 가스켓은 전극조립체의 양극 탭과 연결되는 캡 조립체와 음극 탭과 연결되는 원통형 케이스 간의 절연성을 확보하는 기능도 갖는다.
도 1은 일반적인 원통형 이차전지의 수직 단면도를 도시하고 있다. 도 1을 참조하면 원통형 이차전지(100)는 원통형 전지케이스(120) 내부에 젤리-롤형 전극조립체(110)가 수납되어 있고, 상부에는 캡 조립체(130)가 위치하고 캡 조립체(130)의 제1가스켓(133)에 의해 원통형 이차전지(100)가 밀봉된다.
캡 조립체(130)는 탑 캡(131)의 외주를 감싸며 탑 캡의 하부에 위치하는 안전벤트(132)와 안전벤트(132)의 중심부와 접촉하면서 안전벤트(132)의 하부에 위치하는 전류차단부재(134)를 포함한다. 전류차단부재(134)의 외주변에는 안전벤트(132)와 전류차단부재(134)가 상기 중심부 이외의 부분에서 접촉하는 것을 방지하기 위한 제2가스켓(135)이 위치한다.
전류차단부재(134)의 하면에는 젤리-롤형 전극조립체(110)의 양극 탭(111)이 부착되어 캡 조립체(130)가 양극 단자의 역할을 하게 된다.
이와 관련하여, 탑 캡(131)에서 가스 배출용 개구가 형성되지 않은 부분은 양극 탭의 발열로 인해 과열될 수 있는데, 제1가스켓에서 탑 캡의 발열부와 밀착된 부분이 용융될 가능성이 높다. 제1가스켓이 용융되는 경우에는 이차전지의 밀봉이 문제되거나 전지케이스와 탭 어셈블리가 접촉되어 통전되는 문제가 발생할 수 있다.
도 2는 도 1의 제2가스켓과 양극 탭의 위치 관계를 나타내기 위한 하부 사시도이다.
도 2를 참조하면, 젤리-롤형 전극조립체에 부착되어 연장된 양극 탭(111)은 전류차단부재(생략됨)와 결합되는데, 전류차단부재와 안정적으로 결합하기 위하여 양극 탭의 끝단(112)을 절곡하고, 상기 양극 탭의 끝단(112)이 전류차단부재의 하면에 결합될 수 있다. 즉, 양극 탭은 전류차단부재의 하면 중심부에 결합되지 않고, 한쪽으로 치우친 상태로 결합하게 되는 바, 제2가스켓(135)에서 양극 탭의 끝단(112)과 인접한 부분은 주요 발열 부위인 양극 탭의 온도에 의해 용융될 수 있다. 이와 같은 경우, 전류차단부재(134)와 안전벤트(132)가 통전될 수 있다.
이에, 용융점이 높은 소재로 제1가스켓 및 제2가스켓을 제조하여 사용할 수 있으나, 이는 제조비용의 증가를 초래하여 적용이 어려운 문제가 있다.
특허문헌 1은 양면에 볼록부가 형성된 내부 가스켓을 포함하는 밀폐형 전지에 관한 것으로서 밀봉 체내부로 전해액이 침투하는 것을 억제하여 밀봉 체내부에 있는 PTC 소자나 방폭 밸브 등이 오작동하는 것을 방지할 수 있으나, 캡 조립체의 발열에 의해 가스켓이 용융되는 것을 방지할 수 있는 기술을 개시하지 못하고 있다.
특허문헌 2는 정극 단자로 사용되는 캡 조립체와 부극 단자로 사용되는 캔과의 절연을 위해 홈이 형성된 가스켓을 사이에 삽입하는 구조를 개시하나, 전류차단부재용 가스켓의 용융을 방지하기 위한 구조는 개시하지 못하고 있다.
특허문헌 3은 캡 조립체와 전지캔 사이에 개재되는 가스켓에서, 전지캔 방향에 홈이 형성된 구조를 개시하는 바, 가열된 탑 캡에 의해 가스켓이 용융되는 것을 방지하기 위한 기술에 해당되지 않는다.
특허문헌 4는 금속 캔의 상부로서 클램핑 된 부분의 내면에, 클램핑에 의해 가스켓이 부분적으로 도입된 만입형의 그루브가 형성된 원통형 전지셀에 관한 것으로서, 클램핑 공정시 가스켓이 손상되는 것을 방지하기 위한 구조이다.
이와 같이, 원통형 이차전지에서 고온에 의한 가스켓의 손상을 방지하기 위한 해결방안이 제시되지 못하고 있는 바, 용이한 방법으로 가스켓의 용융을 방지하여 밀봉성과 절연성을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 필요성이 높은 실정이다.
일본 공개특허공보 제1999-283588호 (1999.10.15) 한국 공개특허공보 제2000-0051436호 (2000.08.16) 일본 공개특허공보 제2009-135008호 (2009.06.18) 한국 공개특허공보 제2018-0036086호 (2018.04.09)
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 탑 캡과 전지케이스 사이에 개재되는 제1가스켓의 형태를 변형하여 탑 캡의 고온 부분과 제1가스켓의 접촉부분을 최소화하고, 전류차단부재의 외주에 위치하는 제2가스켓의 형태를 변형하여 고온의 양극 탭과 거리를 최대로 유지하는 구조할 수 있도록 홈부가 형성되어 있는 가스켓을 포함하는 원통형 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 원통형 이차전지는 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체를 수용하는 원통형 캔, 상기 원통형 캔의 상부에 위치하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체의 탑 캡 및 벤팅부재의 외주변을 감싸도록 부가된 상태에서 상기 원통형 캔을 밀봉하는 제1가스켓, 상기 캡 조립체 하부에 위치하는 전류차단부재(CID), 및 상기 전류차단부재의 외주변에 위치하는 제2가스켓을 포함하며, 상기 제1가스켓의 상단부는 상기 탑 캡의 외주변 상면을 감싸는 구조이고, 상기 제1가스켓의 상단부 내측면의 적어도 일부에는 상기 탑 캡의 외주변 상면과 밀착되는 것을 방지하기 위한 홈부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 탑 캡은 돌출형 중심부와 탑 캡의 외주변을 연결하는 브릿지를 포함하고, 상기 홈부는 상기 브릿지와 연결되는 탑 캡의 외주변과 대면하는 제1가스켓의 상단부에 형성될 수 있다.
상기 홈부의 양측 끝단을 연결한 길이는 브릿지의 폭보다 클 수 있다.
상기 홈부는 전체적으로 균일한 깊이의 홈이 형성된 구조일 수 있다.
상기 홈부는 오목부 및 볼록부가 연속적으로 형성된 구조일 수 있다.
상기 볼록부의 두께는 홈부가 형성되지 않은 제1가스켓 상단부의 두께와 동일한 크기일 수 있다.
상기 볼록부의 두께는 홈부가 형성되지 않은 제1가스켓 상단부의 두께보다 작을 수 있다.
상기 제1가스켓의 상단부는 다공성 구조일 수 있다.
상기 제2가스켓은 벤팅부재와 전류차단부재의 접촉을 방지하기 위하여 전류차단부재의 외주부 상면에 위치하는 상부, 및 상기 전류차단부재의 외주부 외측에 위치하는 측부를 포함하고, 상기 상부의 적어도 일부에는 타발부가 형성될 수 있다.
상기 타발부는 전류차단부재와 결합하는 양극 탭과 인접한 위치에 형성될 수 있다.
상기 타발부는 상기 제2가스켓 상부의 내측 일부가 제거된 형태일 수 있다
상기 타발부는 상기 제2가스켓 상부의 하면에 홈이 형성된 구조일 수 있다.
상기 홈은 슬릿 형태일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 원통형 이차전지는 제1가스켓에 형성된 홈부로 인하여 고온 부분인 탑 캡과 밀착되지 않는 바, 탑 캡의 발열로 인해 제1가스켓이 용융되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 제2가스켓에 타발부가 형성됨으로써 양극 탭과 거리를 최대로 유지할 수 있는 바, 양극 탭의 발열로 인해 제2가스켓이 용융되는 것을 최소화할 수 있다.
이와 같이, 제1가스켓 및 제2가스켓의 형태를 변형하는 방법으로 고온안전성을 향상시킬 수 있는 바, 고온안전성을 확보하기 위해 추가의 공정이 불필요하여 종래의 원통형 이차전지 제조공정에 쉽게 적용이 가능하다.
또한, 고가의 내열성 소재를 사용하지 않음으로써 제조비용을 절감할 수 있다.
도 1은 일반적인 원통형 이차전지의 수직 단면도이다.
도 2는 도 1의 제2가스켓과 양극 탭의 위치 관계를 나타내기 위한 하부 사시도이다
도 3은 캠 어셈블리의 사시도이다.
도 4는 제1가스켓의 제1실시예이다.
도 5는 제1가스켓의 제2실시예이다.
도 6은 제2가스켓의 제1실시예이다.
도 7은 제2가스켓의 제2실시예이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 관한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 관한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 3은 캠 어셈블리의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 캡 조립체는 탑 캡(210)의 외주변을 제1가스켓(220)이 감싸는 구조다. 탑 캡(210)은 돌출형의 중심부(211), 원통형 캔 내부에서 발생한 가스를 배출하기 위한 개구(213), 및 중심부(211)와 외주변을 연결하는 브릿지(212)를 포함한다.
캡 조립체의 하단에 위치하는 전류차단부재의 하면에는 양극 탭이 결합되는데, 상기 양극 탭은 전류가 흐르는 통로로서 특히 발열이 심하게 발생하는 부분이다.
따라서, 상기 양극 탭과 연결되는 캡 조립체는 전체적으로 온도가 증가하게 된다. 특히, 제1가스켓 내에서, 탑 캡의 브릿지(212)와 연결되는 탑 캡의 외주변과 대면하는 제1가스켓(220)의 상단부는 가장 높은 온도 분포를 보인다.
이에, 본 발명에서는 탑 캡의 외주변과 제1가스켓의 접촉을 최소화하여, 브릿지의 높은 온도가 제1가스켓으로 전달되는 것을 억제함으로써 제1가스켓이 용융되는 것을 방지할 수 있는 구조를 제시한다.
이와 관련하여, 도 4는 제1가스켓의 제1실시예이고, 도 5는 제1가스켓의 제2실시예이다.
도 4를 참조하면, 제1가스켓(230)은 상단부(231)의 내측면에 홈부(232)가 형성된 구조다.
구체적으로, 홈부(232)는 탑 캡의 브릿지와 연결되는 탑 캡의 외주변과 대면하는 제1가스켓의 상단부에 형성된다.
홈부(232)는 균일한 깊이의 홈이 형성된 구조로서, 사용되는 탑 캡에 형성된 브릿지의 개수와 동일한 개수의 홈부(232)가 형성될 수 있다.
상기 홈부(232)는 제1가스켓에서 홈부가 형성되지 않은 상단부의 두께보다 얇은 바, 제1가스켓의 홈부(232)에서 탑 캡의 상면과 이격된 공간이 형성된다.
홈부(232)의 크기는 브릿지와 연결된 탑 캡의 외주변 부분보다 큰 것이 바람직한 바, 가스켓(230)에서 홈부(232)의 양측 끝단을 연결한 길이(a1)는 도 3의 브릿지(212)의 폭(a2)보다 클 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1가스켓(240)은 상단부(241)의 내측면에 홈부(242)가 형성된 구조다.
도 4의 제1가스켓(230)과 같이, 홈부(242)는 탑 캡의 브릿지와 연결되는 탑 캡의 외주변과 대면하는 제1가스켓의 상단부의 내측면에 형성된다.
홈부(242)는 오목부(242a) 및 볼록부(242b)가 연속적으로 형성된 구조인바, 볼록부(242b)의 두께(d2)가 홈부가 형성되지 않은 제1가스켓 상단부의 두께(d1)와 동일한 크기일 경우에는, 브릿지와 연결되는 탑 캡의 외주변 상면과 홈부의 오목부(242a)는 밀착되지 않고 홈부의 볼록부(242b)는 밀착된다.
이와 같이 캡 조립체의 고온 부분과 제1가스켓과의 접촉점을 부분적으로 제거함으로써, 제1가스켓으로 높은 온도가 전달되어 제1가스켓이 손상되는 것을 억제할 수 있다.
또는, 상기 볼록부(242b)의 두께(d2)가 홈부가 형성되지 않은 제1가스켓 상단부의 두께(d1) 보다 작은 크기일 경우에는, 브릿지와 연결되는 탑 캡의 외주변 상면과 홈부 전체가 이격되도록 구성되는 바, 제1가스켓으로 높은 온도가 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
또는, 상기 제1가스켓(230, 240)의 상단부(231, 241)는 높은 온도가 제1가스켓으로 전달되는 것을 최소화하기 위하여 다공성 구조이고 측부(233, 243)는 원통형 캔의 밀봉을 위하여 고밀도 구조일 수 있다.
일반적으로, 캡 조립체 하부에 위치하는 전류차단부재의 외주변에는 제2가스켓이 위치하고, 상기 제2가스켓은 전류차단부재와 안전벤트가 분리됐을 때 전류차단부재와 안전벤트가 절연을 유지할 수 있는 기능을 한다.
상기 전류차단부재의 하면에는 전극조립체의 양극 탭이 부착되고, 양극 탭은 전류차단부재의 중심에서 일측으로 치우친 위치에 부착되는 바, 제2가스켓에서 양극 탭과 가까운 부분은 가장 높은 온도 분포를 보인다.
이와 관련하여, 도 6은 제2가스켓의 제1실시예이고, 도 7은 제2가스켓의 제2실시예이다.
도 6을 참조하면, 제2가스켓(350)은 벤팅부재와 전류차단부재의 접촉을 방지하기 위하여 전류차단부재의 외주부 상면에 위치하는 상부(351), 및 상기 전류차단부재의 외주부 외측에 위치하는 측부(352)를 포함하고, 상부(351)의 적어도 일부에는 타발부(353)가 형성되어 있다.
도 6은 전류차단부재의 하면에 부착되기 위하여 연장된 양극 탭(111)을 점선으로 도시하고 있는 바, 전류차단부재와 결합되는 양극 탭 끝단(112)과 인접한 위치에 제2가스켓 상부(351)의 내측 일부가 제거된 형태의 타발부(353)가 형성된다.
타발부(353)는 양극 탭(111)과의 이격 거리를 확보하는 크기 및 위치에 형성되는 것이 바람직한 바, 타발부의 양측 끝단을 연결한 길이(c1)는 양극 탭의 폭(c2) 보다 큰 크기인 것이 바람직하다.
따라서, 양극 탭 끝단(112)과 제2가스켓(350) 간의 거리를 최대화할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제2가스켓(360)은 벤팅부재와 전류차단부재의 접촉을 방지하기 위하여 전류차단부재의 외주부 상면에 위치하는 상부(361), 및 상기 전류차단부재의 외주부 외측에 위치하는 측부(362)를 포함하고, 상부(361)의 적어도 일부에는 타발부(363)가 형성되어 있다.
타발부(363)는 제2가스켓(360) 상부(361)의 하면에 홈이 형성된 구조이며, 상기 홈은 슬릿 형태다. 또는, 다른 하나의 실시예로서, 상기 타발부는 관통구가 형성된 구조일 수 있다.
따라서, 원통형 이차전지 내부 압력 증가로 안전벤트가 변형되어 전류차단부재와 결합되었던 안전벤트가 분리되는 경우, 안전벤트와 전류차단부재의 절연성을 확보할 수 있으면서, 양극 탭의 높은 열이 제2가스켓으로 전달되어 제2가스켓이 손상되는 것을 억제할 수 있다.
타발부(363) 또한 도 6의 타발부(353)와 동일하게 양극 탭의 끝단(112)과 인접한 제2가스켓의 상부에 형성되며, 타발부의 양측 끝단을 연결한 길이는 양극 탭의 폭 보다 크다.
참고로, 도 6 및 도 7에 도시된 양극 탭에서, 전류차단부재와 결합된 양극 탭 끝단(112)의 반대측 끝단은 전극조립체와 연결되는 부분인 바 캡 조립체와 이격되도록 위치하기 때문에, 도면에 도시된 바와 달리 제2가스켓과 인접하게 위치하지 않는다.
이와 같이, 본 발명은 제1가스켓 및 제2가스켓의 형태를 변형하여 적용함으로써 밀봉성 및 절연성을 확보할 뿐 아니라 고온안전성도 향상된 원통형 이차전지를 제공한다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 원통형 이차전지
110: 젤리-롤형 전극조립체
111: 양극 탭
112: 양극 탭의 끝단
120: 원통형 전지케이스
130: 캡 조립체
131, 210: 탑 캡
132: 안전벤트
133, 220, 230, 240: 제1가스켓
134: 전류차단부재
135, 350, 360: 제2가스켓
211: 탑 캡의 중심부
212: 브릿지
213: 개구
231, 241: 제1가스켓 상단부
232, 242: 홈부
233, 243: 제1가스켓 측부
242a: 오목부
242b: 볼록부
351, 361: 제2가스켓 상부
352, 362: 제2가스켓 측부
353, 363: 타발부
a1: 홈부의 양측 끝단을 연결한 길이
a2: 브릿지의 폭
c1: 타발부의 양측 끝단을 연결한 길이
c2: 양극 탭의 폭
d1: 홈부가 형성되지 않은 제1가스켓 상단부의 두께
d2: 볼록부의 두께

Claims (13)

  1. 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극조립체를 수용하는 원통형 캔;
    상기 원통형 캔의 상부에 위치하는 캡 조립체;
    상기 캡 조립체의 탑 캡 및 벤팅부재의 외주변을 감싸도록 부가된 상태에서 상기 원통형 캔을 밀봉하는 제1가스켓;
    상기 캡 조립체 하부에 위치하는 전류차단부재(CID); 및
    상기 전류차단부재의 외주변에 위치하는 제2가스켓;
    을 포함하며,
    상기 제1가스켓의 상단부는 상기 탑 캡의 외주변 상면을 감싸는 구조이고,
    상기 제1가스켓의 상단부 내측면의 적어도 일부에는 상기 탑 캡의 외주변 상면과 밀착되는 것을 방지하기 위한 홈부가 형성되어 있으며,
    탑 캡은 돌출형 중심부와 탑 캡의 외주변을 연결하는 브릿지를 포함하고, 상기 홈부는 상기 탑 캡의 외주변 중 상기 브릿지와 연결되는 부분과 대면하는 제1가스켓의 상단부에 상기 제1가스켓의 원주 방향을 따라 형성되는 원통형 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홈부의 양측 끝단을 연결한 길이는 브릿지의 폭보다 큰 원통형 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 홈부는 전체적으로 균일한 깊이의 홈이 형성되어 있는 원통형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 홈부는 오목부 및 볼록부가 연속적으로 형성된 구조인 원통형 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 볼록부의 두께는 홈부가 형성되지 않은 제1가스켓 상단부의 두께와 동일한 크기인 원통형 이차전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 볼록부의 두께는 홈부가 형성되지 않은 제1가스켓 상단부의 두께보다 작은 원통형 이차전지.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2가스켓은 벤팅부재와 전류차단부재의 접촉을 방지하기 위하여 전류차단부재의 외주부 상면에 위치하는 상부, 및 상기 전류차단부재의 외주부 외측에 위치하는 측부를 포함하고,
    상기 상부의 적어도 일부에는 타발부가 형성되어 있는 원통형 이차전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 타발부는 전류차단부재와 결합하는 양극 탭과 인접한 위치에 형성되는 원통형 이차전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 타발부는 상기 제2가스켓 상부의 내측 일부가 제거된 형태인 원통형 이차전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 타발부는 상기 제2가스켓 상부의 하면에 홈이 형성된 구조인 원통형 이차전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 홈부는 슬릿 형태인 원통형 이차전지.
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