KR102906872B1 - 이차전지 - Google Patents

이차전지

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KR102906872B1
KR102906872B1 KR1020200032786A KR20200032786A KR102906872B1 KR 102906872 B1 KR102906872 B1 KR 102906872B1 KR 1020200032786 A KR1020200032786 A KR 1020200032786A KR 20200032786 A KR20200032786 A KR 20200032786A KR 102906872 B1 KR102906872 B1 KR 102906872B1
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Abstract

본 발명의 실시예는 이차전지에 관한 것으로, 이차전지는 캔; 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 캡 다운, 상기 캡 다운의 외측에 배치되고 적어도 하나의 노치가 형성된 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입되어 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 절연부재, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입된 서포트 부재를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고, 상기 절연부재와 상기 서포트 부재 중 어느 하나는 상기 노치를 기준으로 상기 캔의 길이 방향 중심축을 향하는 내측 영역에 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 안전 벤트의 변형 부위를 지지하여 응력 발생 시 안전 벤트의 변형을 방지함으로써 벤트 파단이 안정적으로 이루어질 수 있다.

Description

이차전지{secondary battery}
본 발명의 실시예는 조립 시 부품 변형을 방지할 수 있는 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 원통형 이차전지는 원통 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체와 전해액을 수용하는 원통형태의 캔과, 캔의 상단 개구부에 결합되어 캔을 밀봉하고 전극 조립체에서 발생되는 전류를 외부장치로 흐르게 하는 캡 어셈블리를 포함한다.
전극 조립체의 유동을 방지하기 위해 캔의 상측 외주면을 따라 압력을 가해 비딩부(beading)를 형성한다. 이때 캔의 외측에서 내측을 향해 압력이 가해지므로 캡 어셈블리에도 압력이 가해지고, 이로 인해 응력이 발생해 캡 어셈블리의 구성품에 변형이 발생하게 된다.
특히 안전 벤트에 변형이 발생되면, 벤트 파단압이 달라져 과충전 시 압력 배출이 제대로 이루어지지 못하며, 이차전지의 불량 및 파손으로 이어지는 문제가 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 목적은 캔의 가공 시 발생하는 압력에 의한 응력을 분산시키고 안전 벤트의 변형을 방지할 수 있는 구조를 구비한 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 캔; 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 캡 다운, 상기 캡 다운의 외측에 배치되고 적어도 하나의 노치가 형성된 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입되어 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 절연부재, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입된 서포트 부재를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고, 상기 절연부재와 상기 서포트 부재 중 어느 하나는 상기 노치를 기준으로 상기 캔의 길이 방향 중심축을 향하는 내측 영역에 배치될 수 있다.
상기 서포트 부재는 상기 절연부재와 이격되어 배치될 수 있다.
상기 절연부재 및 상기 서포트 부재는 원형 링 형상이고, 상기 벤트 플레이트는 상기 절연부재 및 상기 서포트 부재를 관통하여 상기 캡 다운에 접촉되는 접촉부를 더 포함할 수 있다.
상기 서포트 부재는 상기 노치와 상기 접촉부의 사이에 배치될 수 있다.
상기 서포트 부재는 상기 캔의 길이 방향 중심축에 수직한 방향의 폭이 상기 노치와 상기 접촉부 사이의 길이와 같거나 큰 것이 특징이다.
상기 서포트 부재는 상기 캡 다운에 용접될 수 있다.
상기 절연부재는 적어도 일면이 상기 캡 다운과 접촉될 수 있다.
상기 캡 어셈블리는 상기 벤트 플레이트의 외측에 배치된 캡 업을 더 포함할 수 있다.
상기 벤트 플레이트는 상기 캡 업의 가장자리 하부에 접촉되고 상기 캔의 길이 방향 중심축과 평행하게 상기 캡 업 상측 방향으로 절곡된 후 상기 캡 업의 가장자리 상부와 접촉될 수 있다.
상기 접촉부는 용접에 의해 상기 캡 다운에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 벤트 플레이트는 상기 접촉부가 구비된 벤트 바닥부의 직경 대비 상기 접촉부의 직경과 상기 서포트 부재의 폭의 합이 60% 이상일 수 있다.
상기 서포트 부재는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 서포트 부재는 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(EPDM rubber: ethylene propylene diene monomer (M-class) rubber) 또는 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 서포트 부재는 상기 벤트 플레이트와 상기 절연 부재의 사이에 위치할 수 있다.
상기 서포트 부재는 상기 노치를 향하는 면의 일부가 상기 노치와 이격될 수 있다.
상기 서포트 부재는 상기 노치의 위치에 대응하는 위치에 복수의 관통홀이 관통 형성될 수 있다.
상기 벤트 플레이트는 가장자리가 상기 전극 조립체를 향해 상기 캔의 길이 방향 중심축과 평행하게 절곡되어 상기 서포트 부재의 가장자리를 감싸는 것이 특징이다.
상기 서포트 부재는 상기 절연 부재보다 큰 폭을 갖는 링 형상일 수 있다.
상기 서포트 부재의 두께는 상기 절연 부재의 두께보다 두껍거나 같을 수 있다.
상기 서포트 부재는 상기 절연 부재와 초음파 용접으로 결합될 수 있다.
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본 발명의 실시예에 따르면, 안전 벤트의 변형 부위를 지지하여 응력 발생 시 안전 벤트의 변형을 방지함으로써 벤트 파단이 안정적으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따라 벤트 파단압이 유지되므로 과충전 시 캔 내부 압력의 변화에 안정적으로 대응할 수 있어 이차전지의 불량 및 파손을 방지하고 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 비교 실시 예인 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다.
도 3은 도 2에 따른 캡 어셈블리를 확대 도시한 종단면도이다.
도 4는 도 3의 주요 부위에 따른 수치 별 변형 방지 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 종단면도이다.
도 7은 도 6에 따른 캡 어셈블리의 일부 구성을 도시한 평면도이다.
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 1은 본 발명의 비교 실시 예인 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 원통형 이차전지(1)는 길이 방향 일단에 개구가 형성된 원통형의 캔(10)과, 캔 내부에 수용되는 전극 조립체(30)와, 개구에 삽입되는 캡 어셈블리(50)를 포함한다. 캡 어셈블리(50)는 안전 벤트(51)와, 안전 벤트(51)의 상측에 배치되는 캡 업(52), 안전 벤트(51)의 하측에 배치되는 캡 다운(53)을 포함한다. 캡 어셈블리(50)는 안전 벤트(51)와 캡 다운(53) 사이에 삽입되어 안전 벤트(51)의 중앙 부위 이외의 부분이 캡 다운(53)과 접촉되지 않도록 절연하는 절연부재(54)와, 캡 어셈블리(50)와 캔(10)의 사이를 절연하는 절연 가스켓(55)을 더 포함할 수 있다. 안전 벤트(51)는 캔(10)의 길이 방향 중심축(A) 부근의 일부가 캡 다운(53)과 접촉되고, 절연부재(54)에 의해 지지되는 부분은 캡 다운(53)과 이격된다.
캔(10)의 개구된 일측은 캡 어셈블리(50)의 하측 부분이 링 형태로 내부 방향으로 함몰되어 비딩부(12)를 형성하며, 캡 어셈블리(50)의 상측 부분이 내부 방향으로 절곡되어 클림핑부(14)를 형성할 수 있다. 비딩부(14)와 클림핑부(14)를 형성하기 위해 캔(10)의 외부에서 내부 방향으로 힘을 가하는 공정을 거치게 되며, 외력에 의해 캡 어셈블리(50)에도 응력이 발생하게 된다.
응력이 작용하는 방향은 도 1의 화살표 방향과 같이 캔(10)의 외부에서 내부를 향하는 방향이다. 응력은 캡 어셈블리(50)에 전체적으로 작용하나, 안전 벤트(51)에는 노치(51a)가 형성되어 있으므로 캡 어셈블리(50)의 다른 구성에 비해 상대적으로 응력에 약해 변형이 일어날 수 있다. 안전 벤트(51)에 변형이 발생되는 부위는 캡 다운(53)과 이격된 부분(도 1의 점선 영역, 이하 변형 부위)이다. 안전 벤트(51)의 변형 부위는 응력이 발생할 때 캡 다운(53) 쪽으로 변형되기 쉬우며, 안전 벤트(51)가 변형되면 노치(51a)의 파단압이 달라져 이차전지(1) 내부의 이상 가스 발생 시 가스 배출이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 원통형 이차전지(1)의 조립 시 응력이 발생하 더라도 안전 벤트(51)가 변형되지 않는 구조가 필요하다. 이를 위해, 본 발명에서는 새로운 구조의 캡 어셈블리를 제안한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 따른 원통형 이차전지에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다. 도 3은 도 2에 따른 캡 어셈블리를 확대 도시한 종단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 원통형 이차전지(1000)는 원통형의 캔(100)과, 캔(100) 내부에 삽입되는 전극 조립체(300)와, 캔(100)의 일단에 삽입되는 캡 어셈블리(500)와, 캔(100)과 캡 어셈블리(500)의 사이에 삽입되는 절연 가스켓(700)을 포함할 수 있다. 전극 조립체(300)에는 센터핀(380)이 결합될 수 있다.
캔(100)은 원형의 바닥부(110)와, 바닥부(110)로부터 상부 방향으로 연장된 측부(130)를 포함하며, 측부(130)의 상부는 개방된 형태(이하 개구부)이다. 이차전지(1000)의 제조 공정에서 캔(100)의 개구부를 통해 전극 조립체(300)가 전해액과 함께 캔(100) 내부로 삽입된다. 캔(100)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다.
캔(100)의 개구부에는 캡 어셈블리(500)가 삽입된다. 삽입된 캡 어셈블리(500)가 캔(100)의 개구부를 통해 외부로 이탈되지 않도록 측부(130) 상에 비딩부(beading part, 132) 및 크림핑부(crimping part, 134)가 형성될 수 있다.
비딩부(132)는 캡 어셈블리(500)를 중심으로 그 하부에 형성되며, 캔(100)의 내부를 향하는 방향으로 함몰된 형태이다. 크림핑부(134)는 캡 어셈블리(500)를 중심으로 그 상부에 형성되며, 캔(100)의 내부 방향으로 절곡된 형태이다. 비딩부(132) 및 크림핑부(134)가 캡 어셈블리(500)를 상하 방향에서 잡아주므로 캡 어셈블리(500)가 캔(100)으로부터 이탈되지 않는다. 캔(100)의 내부에는 캡 어셈블리(500)의 하측으로 전극 조립체(300)가 배치된다.
전극 조립체(300)는 음극 활물질(예를 들어, 흑연, 탄소 등)이 코팅된 음극판(310), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 코팅된 양극판(320), 음극판(310)과 양극판(320)의 사이에 배치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(330)를 포함한다. 음극판(310), 양극판(320) 및 세퍼레이터(330)는 대략 원기둥 형태로 권취되어 캔(100) 내부에 수용될 수 있다. 음극판(310)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일, 양극판(320)은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터(330)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 음극판(310)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(340)이, 양극판(320)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극탭(350)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 음극탭(340)은 구리 또는 니켈 재질, 양극탭(350)은 알루미늄 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 음극탭(340)은 캔(100)의 바닥부(110)에 용접될 수 있으며, 이 경우 캔(100)은 음극으로 동작할 수 있다. 반대로 양극탭(350)이 캔(100)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이 경우 캔(100)은 양극으로 동작할 수 있다.
또한, 전극 조립체(300)의 상하부에는 제1 절연판(360) 및 제2 절연판(370)이 개제될 수 있다. 제1 절연판(360)은 양극판(320)이 캔(100)의 바닥부(110)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하며, 제2 절연판(370)은 음극판(310)이 캡 어셈블리(500)에 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
제1 절연판(360)에는 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생했을 때 원통형의 센터핀(380)을 통해 가스가 상부로 이동할 수 있도록 센터핀(380)과 연통되는 제1 홀(362)과, 음극탭(340)이 관통할 수 있도록 하는 제2 홀(364)이 관통 형성된다. 제2 홀(364)을 통해 음극탭(340)이 바닥부(110)에 용접될 수 있다.
제2 절연판(370)에는 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생했을 때 가스가 캡 어셈블리(500)로 이동할 수 있도록 하는 제1 홀(372)과, 양극탭(350)이 관통할 수 있도록 하는 제2 홀(374)이 관통 형성된다. 제2 홀(374)을 통해 양극탭(350)이 후술할 캡 다운(550)에 용접될 수 있다. 제2 홀(374)은 복수 개로 형성되어 전해액 주입 공정에서 전해액이 전극 조립체(300)로 주입되는 입구 역할을 할 수 있다.
센터핀(380)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로, 대략 전극 조립체(300)의 중앙에 결합될 수 있다. 센터핀(380)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 센터핀(380)은 이차전지의 충방전 중 전극 조립체(300)의 변형을 억제하는 역할, 이차전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 경우에 따라 센터핀(380)은 생략될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 캡 어셈블리(500)는 캔(100)의 외부로 노출되는 캡 업(510), 캡 업(510)의 하부에 배치되는 캡 다운(550), 캡 업(510)과 캡 다운(550)의 사이에 배치되는 벤트 플레이트(530), 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)의 사이에 배치되는 절연부재(570) 및 서포트 부재(590)를 포함할 수 있다. 도 2 및 3에서 캔(100)의 길이 방향을 따른 가상의 중심축(B)을 기준으로 하고, 중심축(B)을 향하는 방향을 내부 방향, 중심축(B)에서 멀어지는 방향을 외부 방향으로 정의한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 캡 업(510)은 캡 어셈블리(500)의 가장 상부에 배치되며, 캔(100) 내부에서 발생된 가스를 외부로 배출하는 관통홀(512)을 구비할 수 있다. 캡 업(510)은 대략 원판 형상일 수 있으며, 중심축(B)을 중심으로 소정의 영역이 볼록하게 상향 돌출되고, 돌출된 부분에 관통홀(512)이 형성될 수 있다. 캡 업(510)의 하부에 벤트 플레이트(530)가 배치되며, 벤트 플레이트(530)가 캡 업(510)의 가장자리를 감싸는 형태로 결합될 수 있다.
벤트 플레이트(530)는 대략 원판 형태로, 가장자리는 캡 업(510)의 가장자리를 향해 절곡되어 캡 업(510)의 가장자리 하부에 접촉되고, 접촉된 부분을 중심으로 다시 캔(100)의 내부를 향해 절곡되어 캡 업(510)의 가장자리 상부에 접촉될 수 있다. 벤트 플레이트(530)의 절곡되지 않은 원판 부분을 벤트 바닥부(532), 벤트 바닥부(532)로부터 캡 업(510)을 향해 절곡된 부분을 제1 지지부(534), 제1 지지부(534)로부터 내부 방향으로 절곡된 부분을 제2 지지부(536), 벤트 바닥부(532)로부터 하부를 향해 볼록하게 돌출되어 캡 다운(550)과 접촉되는 부분을 접촉부(538)로 정의한다. 벤트 플레이트(530)는 접촉부(538)를 제외한 모든 영역이 캡 다운(550)과 접촉되지 않도록 형성된다. 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532) 상에 적어도 하나의 노치(532a)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 노치(532a)는 원형의 링 형태로 형성될 수 있다. 또는, 노치(532a)가 유선형으로 형성되어 복수 개가 대략 원형이 되도록 배치될 수도 있다. 과충전 등의 원인으로 캔(100) 내부 가스 압력이 미리 정해진 파단 압력보다 클 경우, 벤트 플레이트(530)가 상부 방향으로 반전되면서 노치(532a)가 파단되어 캔(100) 내부 가스가 캡 업(510)의 관통홀(512)을 통해 외부로 신속하게 방출될 수 있다.
캡 다운(550)은 벤트 플레이트(530)의 하부에 배치되며, 대략 원판 형상을 갖는다. 예를 들어, 캡 다운(550)은 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 캡 다운(550)은 캡 업(510)을 지지하여 외력으로부터 캡 업(510)의 변형을 방지하는 역할을 한다. 캡 다운(550)의 가장자리는 벤트 플레이트(530)를 향해 절곡되며, 절곡된 부분에 절연부재(570)가 배치된다. 벤트 플레이트(530)를 향해 절곡된 부분을 제3 지지부(552)로 정의한다. 캡 다운(550)의 절곡되지 않은 원판 부분을 캡 다운 바닥부(554)로 정의하며, 캡 다운 바닥부(554)는 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532)와 소정의 이격 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 단, 캡 다운 바닥부(554)의 대략 중앙 부분은 벤트 플레이트(530)의 접촉부(538)와 접촉된 상태이다. 캡 다운(550) 역시 캡 다운 바닥부(554) 상에 관통홀(554a)이 형성될 수 있으며, 이상 내압 발생 시 내부 가스가 캡 다운(550)의 관통홀(554a)을 거쳐 벤트 플레이트(530)의 노치(532a) 및 캡 업(510)의 관통홀(512)을 통해 캔(100)의 외부로 배출될 수 있다.
절연부재(570)는 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)이 접촉부(538)를 제외하고 이격 상태를 유지할 수 있도록 하며, 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)을 상호간 절연하는 역할을 한다. 따라서 절연부재(570)는 상부에서 보았을 때 일정 폭을 갖는 원형 링 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연부재(570)는 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 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다. 절연부재(570)는 초음파 용접이나 레이저 용접 등의 방법으로 벤트 플레이트(530) 및 캡 다운(550)에 용접될 수 있다.
이차전지(1000)의 제조 공정에서 캔(100)에 비딩부(132)를 형성할 때 외력이 가해지면 캡 어셈블리(500)에 응력이 발생할 수 있다. 응력의 발생으로 벤트 플레이트(530)가 변형될 수 있는데, 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550) 사이의 이격이 존재하는 영역에서 변형이 쉽게 발생할 수 있다(도 1 참조). 그 이유는 이격이 존재하는 영역은 벤트 플레이트(530)를 지지할 수 있는 구조가 없으며, 해당 영역에 노치(532a)가 형성되므로 다른 부분보다 해당 영역의 두께가 얇기 때문에 응력 발생에 따른 변형에 취약할 수 있다. 따라서 이러한 벤트 플레이트(530)의 변형을 방지하기 위해 캡 다운(550)과 이격이 있는 영역(이하 변형 부위(C), 도 3의 점선 영역)에 서포트 부재(590)를 개재할 수 있다.
서포트 부재(590)는 상부에서 보았을 때 소정의 폭을 갖는 대략 원형 링 형상일 수 있으며, 절연부재(570)와 동일하거나 유사한 소재로 만들어질 수 있다. 또는 캡 다운(550)과 동일하거나 유사한 소재로 만들어질 수도 있다. 벤트 플레이트(530)의 파단 시 서포트 부재(590)는 벤트 플레이트(530)의 하부에 위치하고 벤트 플레이트(530)가 캡 업(510)을 향해 부풀어 오르면서 파단되므로 벤트 플레이트(530)와 서포트 부재(590)와 통전되지 않는다. 따라서 서포트 부재(590)는 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물로 형성될 수 있다.
또한, 서포트 부재(590)는 노치(532a)와 접촉부(538)의 사이에 배치되어 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550) 사이의 이격 공간을 채운다. 서포트 부재(590)가 벤트 플레이트(530)를 하부에서 지지함으로써 응력에 의해 벤트 플레이트(530)가 하부 방향으로 변형되지 못하도록 지지할 수 있다. 또한, 서포트 부재(590)가 벤트 플레이트(530)와 접촉되므로 응력을 분산하는 효과도 있다.
서포트 부재(590)는 이상 내압 발생 시 가스의 이동 및 노치(532a)의 파단을 방해하지 않도록 벤트 플레이트(530)와 고정되지 않으나, 캡 다운(550)과는 용접 등의 방법으로 고정되어도 무방하다. 이를 위해, 서포트 부재(590)는 도 3을 기준으로 노치(532a)보다 내부에 배치될 수 있다.
도 3을 기준으로, 서포트 부재(590)가 벤트 플레이트(530)의 변형을 방지할 수 있는 유효 수치에 대해 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532) 직경을 R1, 접촉부(538) 직경을 R2, 서포트 부재(590)의 폭을 L1이라고 정의한다. 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)이 서포트 부재(590)를 통해 간접적으로 접촉되는 부분의 총 길이는 서포트 부재(590)의 폭(L1)의 2배이다. 또한, 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)이 직접적으로 접촉되는 부분의 길이는 접촉부(538)의 직경(R2)에 대응한다. 따라서 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)이 직, 간접적으로 접촉되는 부분의 총 길이는 (L1*2)+R2(이하, 총 접촉 길이(R3)으로 정의함)에 해당한다. 총 접촉 길이(R3)가 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532) 길이 중 몇 %를 차지하는지에 따라 벤트 플레이트(530)의 변형 부위(C)의 변형 여부가 달라진다. 이를 실험하여 도 4에 정리하였다.
도 4는 도 3의 주요 부위에 따른 수치 별 변형 방지 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532) 직경(R1) 11.4mm, 접촉부(538)의 직경(R2)이 3.28mm, 서포트 부재(590)의 폭(L1)을 1.2mm인 경우를 예로 하면, 총 접촉 길이(R3)는 5.68mm이고, 총 접촉 길이(R3)가 벤트 바닥부(532) 직경을 기준으로 점유하는 점유량(R3/R1)은 51.4%가 된다. 이러한 수치를 갖는 캡 어셈블리(500)를 이용해 비딩부(132)의 형성 공정을 거치면서 벤트 플레이트(530)의 변형 여부를 실험한 결과, 도 4에서와 같이 변형 방지가 이루어지지 않았음을 알 수 있다.
동일한 방법으로 서포트 부재(590)의 폭(L1)을 0.2mm씩 증가시키면서 벤트 바닥부(532) 직경 대비 총 접촉 길이(R3)의 점유량을 구할 수 있으며, 전술한 것과 동일한 실험을 통해 벤트 플레이트(530)의 변형 여부를 실험할 수 있다.
그 결과 도 4에서와 같이, 서포트 부재(590)의 폭(L1)이 1.8mm이고, 벤트 바닥부(532) 직경 대비 총 접촉 길이(R3)의 점유량이 62% 이상이 되었을 때부터 벤트 플레이트(530)의 변형 부위(C)에 변형이 일어나지 않았음을 알 수 있다. 또한, 서포트 부재(590)의 폭(L1)이 최소 1.8mm일 때가 벤트 플레이트(530)의 노치(532a)와 접촉부(538) 사이를 거의 대부분 점유하는 상태이다. 따라서 서포트 부재(590)의 폭(L1)이 최소한 노치(532a)의 내부 방향을 점유해야 벤트 플레이트(530)의 변형 부위(C)에 변형이 일어나지 않으며(변형 방지 최소 조건), 그 이상이 되는 것은 무방함을 알 수 있다.
이와 같은 실험 결과를 바탕으로 벤트 플레이트(530)가 변형되지 않는 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532) 직경 대비 접촉부(538)의 직경과 서포트 부재(590)의 길이를 산출할 수 있다. 따라서 외력이 가해지더라도 서포트 부재(590)가 변형 부위(C)를 지지함으로써 벤트 플레이트(530)의 변형을 방지하고, 이상 압력 발생 시 가스 배출이 원활하게 이루어지는 효과가 있다.
전술한 실시 예에서 상향 돌출된 형태의 캡 업, 벤트 플레이트가 캡 업의 가장자리를 감싸는 형태의 캡 어셈블리에 서포트 부재를 구비하여 벤트 플레이트의 변형을 방지하는 구조에 대해 설명하였다. 그러나 본 발명의 서포트 부재는 다른 형태의 원통형 이차전지에도 적용할 수 있다. 이하에서는 본 발명의 다른 실시 예에 대해 설명하기로 한다(전술한 제1 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 하며, 중심축(D)를 향하는 방향을 내부 방향으로, 반대 방향을 외부 방향으로 정의한다).
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 종단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리(900)는 벤트 플레이트(910)와 캡 다운(920), 벤트 플레이트(910)와 캡 다운(920)의 사이에 배치되는 절연부재(930), 벤트 플레이트(910)와 절연부재(930)의 사이에 배치되는 서포트 부재(940)를 포함할 수 있다. 도면에 도시하지는 않았으나, 이차전지의 캔 상부에 비딩부 및 크림핑부가 형성되고 절연 가스켓을 사이에 두고 캡 어셈블리(900)의 가장자리가 비딩부와 크림핑부 사이에 삽입되어 고정될 수 있다(도 2의 캡 어셈블리 구조 참조).
벤트 플레이트(910)는 대략 원판 형상으로, 가장자리가 하향 절곡된 후 내부 방향으로 다시 절곡된 형태를 가질 수 있다(이하, 절곡부). 예를 들어, 벤트 플레이트(910)는 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물로 형성될 수 있다. 벤트 플레이트(910)의 중심축(D)을 기준으로 소정 영역에는 적어도 하나의 노치(912a)가 형성된 단자부(912)가 형성될 수 있다.
단자부(912)는 이차전지의 단자 역할을 하며, 외부 장치에 전기적으로 접속될 수 있다. 단자부(912)는 상부를 향해 소정 높이로 볼록하게 돌출될 수 있으며, 단자부(912) 상에 노치(912a)가 형성된다.
노치(912a)는 이차전지의 내부 가스 압력이 미리 정해진 파단 압력보다 커질 때 파단되어 이차전지 내부 가스를 외부로 신속하게 방출하는 역할을 한다. 벤트 플레이트(910)의 하부에 캡 다운(920)가 배치된다.
캡 다운(920)은 절연부재(930)의 하측에 위치하는 베이스부(922), 베이스부(922)로부터 상부 방향으로 볼록하게 돌출되어 벤트 플레이트(910)의 단자부(912) 하면에 접촉되는 접촉부(924)를 구비할 수 있다. 즉, 접촉부(924)는 링 형상의 절연부재(930) 및 서포트 부재(940)의 내부 방향 쪽 홀을 관통하여 단자부(912)에 접촉되는 것이다. 베이스부(922) 및 접촉부(924)는 일체로 형성되며, 접촉부(924)는 벤트 플레이트(910)의 단자부(912) 하면에 용접 고정될 수 있다. 접촉부(924) 상에는 적어도 하나의 노치(924a)가 형성될 수 있다.
노치(924a)는 이차전지의 내부 가스 압력이 미리 정해진 파단 압력보다 커질 때 파단되는 부분이다. 이차전지의 내부 가스 압력이 미리 정해진 압력보다 커지면, 노치(924a)가 파단되기 전 벤트 플레이트(910)가 상부 방향으로 볼록하게 변형된다. 이때 접촉부(924)가 단자부(912) 하면에 용접되어 있으므로 캡 다운(920)의 노치(924a)가 파단되면서 접촉부(924)가 캡 다운(920)으로부터 분리될 수 있다. 이에 따라 벤트 플레이트(910)와 캡 다운(920) 사이의 전류 경로가 차단되며, 이차전지 내부의 가스가 신속하게 외부로 배출될 수 있다.
절연부재(930)는 벤트 플레이트(910)와 캡 다운(920)의 사이에 배치되되, 하면이 캡 다운(920)의 베이스부(922) 상면에 초음파 용접 등의 방법으로 고정될 수 있다. 절연부재(930)는 위에서 보았을 때 소정의 폭을 갖는 원형 링 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 절연부재(930)는 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 있으나 여기에 한정되는 것은 아니다. 절연부재(930)와 벤트 플레이트(910)의 사이에 서포트 부재(940)가 삽입된다.
서포트 부재(940)는 절연부재(930)보다 큰 폭을 갖는 대략 링 형상으로, 상기 절연부재(930)와 동일하거나 유사한 소재로 형성될 수 있다. 또는, 벤트 플레이트(910)와 동일하거나 유사한 소재로 형성될 수도 있다. 서포트 부재(940)가 벤트 플레이트(910)와 통전되더라도 절연부재(930)에 의해 캡 다운(920)과 절연될 수 있으므로 서포트 부재(940)의 소재는 다양하게 적용이 가능하다.
서포트 부재(940)는 중심축(D)의 길이 방향에 따른 두께가 절연부재(930)보다 크게 형성될 수 있다. 두께가 전술한 벤트 플레이트(910)의 절곡부(914)가 서포트 부재(940)의 가장자리를 감싸는 형태로 서포트 부재(940)를 지지할 수 있다. 또한, 서포트 부재(940)의 하부 일부는 절연부재(930)와 접촉되어 지지될 수 있다. 서포트 부재(940)와 절연부재(930)의 접촉 부위는 초음파 용접 등의 방법으로 결합될 수 있다.
그러나 서포트 부재(940)는 이차전지 내부의 가스 이동을 방해하지 않도록 노치(912a)가 형성된 벤트 플레이트(910)와는 용접 등으로 고정되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 벤트 플레이트(910)와 서포트 부재(940)는 노치(912a)에 인접한 부분이 소정 간격으로 이격될 수 있다. 이를 위해, 서포트 부재(940)는 벤트 플레이트(910)의 단자부(912) 하면에 접촉되는 면과 절곡부(914) 하면에 접촉되는 면이 단차를 갖도록 형성될 수 있다. 단차진 영역은 서포트 부재(940)의 일부 면일 수 있다. 또는, 서포트 부재(940)는 벤트 플레이트(910)의 노치(912a) 위치에 대응하는 관통홀(942)이 형성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 종단면도이다. 도 7은 도 6에 따른 캡 어셈블리의 일부 구성을 도시한 평면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리(900')는 도 5의 캡 어셈블리(900)와 동일한 구조를 갖되 벤트 플레이트(910')의 노치(912a') 위치에 대응하는 부분에 관통홀(942')이 형성된 서포트 부재(940’)를 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 서포트 부재(940’)에는 복수의 관통홀(942')이 형성될 수 있다. 관통홀(942')은 벤트 플레이트(910')의 노치(912a') 위치에 대응하며, 복수 개가 소정의 이격 간격을 두고 서포트 부재(940’)의 판면에 관통 형성될 수 있다. 따라서 이차전지 내부에 이상 압력 발생 시 내부 가스가 서포트 부재(940’)의 관통홀(942')을 통해 신속하게 이동할 수 있다.
도 5 내지 도 7에 도시된 서포트 부재(940’)의 경우 벤트 플레이트(910')의 노치(912a')를 중심으로 내부 및 외부 방향 모두를 하측에서 지지하는 구조이다. 즉, 도 5 내지 도 7에 도시된 서포트 부재(940’)는 도 2 내지 도 4에 도시된 벤트 플레이트(530)의 변형 방지 최소 조건을 충분히 만족하는 구조이다. 따라서 이차전지 조립 공정 중 캔에 비딩부를 형성하기 위해 압력을 가하더라도 노치(912a')가 형성된 벤트 플레이트(910')의 변형을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 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.
1000: 이차전지
100: 캔 132: 비딩부
300: 전극 조립체 500: 캡 어셈블리
510: 캡 업 530: 벤트 플레이트
550: 캡 다운 570: 절연부재
590: 서포트 부재

Claims (20)

  1. 캔;
    상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및
    캡 다운, 상기 캡 다운의 외측에 배치되고 적어도 하나의 노치가 형성된 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입되어 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 절연부재, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입된 서포트 부재를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고,
    상기 절연부재와 상기 서포트 부재 중 어느 하나는 상기 노치를 기준으로 상기 캔의 길이 방향 중심축을 향하는 내측 영역에 배치되는, 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 절연부재와 이격되어 배치된, 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연부재 및 상기 서포트 부재는 원형 링 형상이고, 상기 벤트 플레이트는 상기 절연부재 및 상기 서포트 부재를 관통하여 상기 캡 다운에 접촉되는 접촉부를 더 포함하는 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 노치와 상기 접촉부의 사이에 배치되는 이차전지.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 캔의 길이 방향 중심축에 수직한 방향의 폭이 상기 노치와 상기 접촉부 사이의 길이와 같거나 큰 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 캡 다운에 용접되는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연부재는 적어도 일면이 상기 캡 다운과 접촉되는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는 상기 벤트 플레이트의 외측에 배치된 캡 업을 더 포함하는 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 벤트 플레이트는 상기 캡 업의 가장자리 하부에 접촉되고 상기 캔의 길이 방향 중심축과 평행하게 상기 캡 업 상측 방향으로 절곡된 후 상기 캡 업의 가장자리 상부와 접촉되는 이차 전지.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 접촉부는 용접에 의해 상기 캡 다운에 전기적으로 연결되는 이차전지.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 벤트 플레이트는 상기 접촉부가 구비된 벤트 바닥부의 직경 대비 상기 접촉부의 직경과 상기 서포트 부재의 폭의 합이 60% 이상인 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 등가물 중 어느 하나로 형성된 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(EPDM rubber: ethylene propylene diene monomer (M-class) rubber) 또는 등가물 중 어느 하나로 형성된 이차전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 벤트 플레이트와 상기 절연 부재의 사이에 위치하는 이차전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 노치를 향하는 면의 일부가 상기 노치와 이격되는 이차전지.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 노치의 위치에 대응하는 위치에 복수의 관통홀이 관통 형성된 이차전지.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 벤트 플레이트는 가장자리가 상기 전극 조립체를 향해 상기 캔의 길이 방향 중심축과 평행하게 절곡되어 상기 서포트 부재의 가장자리를 감싸는 이차전지.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 절연 부재보다 큰 폭을 갖는 링 형상인 이차전지.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 서포트 부재의 두께는 상기 절연 부재의 두께보다 두껍거나 같은 이차 전지.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 절연 부재와 초음파 용접으로 결합된 이차전지.
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