KR20010110773A - 원통형 배터리와 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

배터리의 내부압이 비정상적으로 증가할 때 가스를 외부로 방출시키도록 작동하는 파괴방지기구를 가지는 고용량 원통형 배터리는 전력발생부를 위한 공간을 희생하지 않고 전력발생부용 전체 용량을 증가시킨다. 원통형 배터리는 전력발생부를 수용하는 배터리 케이스(1)의 개구부 주변에 형성된 원형 홈(5)을 가지며, 상기 원형 홈은 배터리 케이스 안쪽으로 구부러진 바닥을 가지며, 밀봉부(7)로 밀봉된 적어도 하나의 가스방출구(6)을 가진다. 밀봉부는 홈 내부에 설치된 탄성링이고, 가스방출구를 밀봉한다. 이러한 장치는 가스방출구가 파괴방지기구가 작동한 후라도 다시 밀봉될 수 있게 하여, 배터리의 연속적인 사용을 가능하게 한다.

Description

원통형 배터리와 그 제조방법{CYLINDRICAL BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
양극(anode) 활성물질로 아연을 사용하는 알카라인 배터리에 있어,아연의 부식 또는 잘못된 대전에 기인하여 가스가 배터리 내부에서 발생하여 배터리의 내부압을 증가시켜, 심지어는 배터리의 폭발을 일으킬 우려가 있다. 그러므로 알카라인 배터리는 일반적으로, 가능한 폭발을 피하기 위해서 배터리 내부압의 증가에 대응하여 작동하는 폭발방지기구를 가지고 있다.
폭발방지기구의 원리는, 배터리의 내부압이 증가하는 경우에 배터리의 개구부를 밀봉하는 밀봉부재의 부분이고, 약화된 기계강도를 가진 특정부위를 의도적으로 파괴하여, 강제로 가스를 배터리의 바깥으로 방출시켜 배터리가 폭발하는 것을 막는 것이다.
종래의 폭발방지기구를 가지는 전형적인 알카라인 배터리는 도 5에 나타나있다.
배터리 케이스(21)는 그 안에 음극 혼합물(22)과, 분리기(23), 전력발생부로서 양극(24)을 가지고 있다. 배터리 케이스(21)의 상부 개구부는, 외부의 홈파기공정에 의해 안으로 구부러진 턱부(25)를 가지고 있다. 합성수지, 예를 들면 나일론으로 된 밀봉부재(29)는 배터리 케이스(21)의 개구부를 밀봉하기 위해 사용되고, 양극 집전극(28)을 지지하는 내부관상(tubular)부(30)와 배터리 케이스(21)의 개구 끝에 죄어진 외부관상(tubulat)부(32), 외부관상부(32)와 내부관상부(30)을 연결하는 결합부(31)를 포함한다.
결합부(31)은 얇은 벽부(34)를 가진다. 내부관상부(30)가 그 안에 끼워맞춰지고 구멍을 통하여 중심을 가지는 금속와셔(26)와, 양극 단자판(33)의 외주부가 밀봉부재(29)의 외부관상부(32)에 끼워맞춰진다. 배터리 케이스(21)의 개구 끝이 막혀져서 금속와셔(26)와 양극 단자판(33)의 외주부는 외부관상부 (32)에 의해 단단하게 지지된다. 단단하게 지지된 부위는 배터리 케이스(21)의 턱부(25)에 고정된다.
배터리의 내부압이 과도하게 증가할 때, 밀봉부재(29)의 얇은 벽부(34)는 파괴되고, 이 파괴된 부분를 통하여 흐르는 가스는 금속와셔(26)와 양극 단자판 (33)에 각각 형성된 구멍(26a와 33a)를 통하여 외부로 방출된다.
도 5로부터 명백하게 이해되는 바와 같이, 종래의 파괴방지기구는 다소 복잡한 구조를 가지며, 배터리 내부에 위치한다. 파괴방지기구에 필요한 공간은 전력발생부의 용량을 희생시킨다.
일단 이러한 파괴방지기구가 작동하여 밀봉부재(29)의 얇은 벽부(34)를 파괴하면, 전해질은 파괴부의 개구를 통하여 새어나간다. 개구는 폐쇄되지 않으며 유출은 계속된다. 가스의 방출 후에, 방전할 수 있는 배터리조차도 더 이상 사용될 수 없다.
60℃ 이상의 고온환경에서는, 밀봉부재의 얇은 벽은 연장되어 파괴되지 않는다. 따라서 이러한 경우 파괴방지기구는 작동하지 않고, 배터리의 폭발을 이끌 수 있다.
본 발명의 주된 목적은 전력발생부의 공간을 희생하지 않고 전력발생부의 전용량을 증가시키는 파괴방지기구를 가지는 원통형 배터리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 또한 파괴방지기구가 배터리 내부로부터용 가스를 방출한 후에 다시 배터리의 내부를 외부로부터 방지함에 의해 연속적으로 사용할 수 있는 원통형 배터리를 제공하는 것이다.
본 발명은 전력발생부가 원통형 배터리 케이스에 수용되고, 배터리 케이스의 개구부가 밀봉부재로 밀봉되어 있는 알카라인 배터리 또는 리튬 배터리와 같은 원통형 배터리 뿐만 아니라, 원통형 배터리의 제조방법에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명의 한 실시예에서 알카라인 배터리를 도시한 부분적으로 생략된 도면이다.
도 2 는 도 1 의 알카라인 배터리를 제조하는 처음 절반의 공정을 나타낸다.
도 3 은 도 1 의 알카라인 배터리를 제조하는 두 번째 절반의 공정을 나타낸다.
도 4 는 본 발명의 또 다른 실시예에서 또 다른 알카라인 배터리를 도시한 부분적으로 생략된 도면이다.
도 5 는 종래의 알카라인 배터리의 주된 부분을 도시한 단면도이다.
본 발명의 주된 목적은 전력발생부를 구비한 배터리 케이스와, 배터리 케이스의 개구부를 밀봉하는 밀봉부재 및, 배터리 케이스 안쪽으로 구부러진 바닥을 가지고 배터리 케이스의 개구부 근방에 배치된 원형 홈을 포함하는 원통형 배터리를 얻는 것이며, 여기서 홈의 바닥은 밀봉부로 밀봉된 적어도 하나의 가스방출구를 가진다.
본 발명의 주된 목적과 또 다른 목적은 전력발생부를 구비한 배터리 케이스와, 배터리 케이스의 개구부를 밀봉하는 밀봉부재 및, 배터리 케이스 안쪽으로 구부러진 바닥을 가지고 배터리 케이스의 개구부 근방에 배치된 원형 홈을 포함하는원통형 배터리를 얻는 것이며, 여기서 홈의 바닥은 홈에 배치된 탄성링으로 밀봉된 적어도 하나의 가스방출구를 가진다.
본 발명의 신규한 형태는 첨부된 특히 청구항에 나타나있는 한편, 구성과 내용의 양자에서 본 발명은 다른 목적과 그 형태와 함께 도면과 결합하여 이하의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해되고 인식될 것이다.
본 발명의 원통형 배터리는 전력발생부가 구비된 배터리 케이스의 개구부 주변에 배치된 원형 홈을 가지며, 홈의 바닥이 밀봉부로 밀봉된 적어도 하나의 가스방출구를 가지는 배터리 케이스의 안쪽으로 구부러진 바닥을 가진다. 배터리 케이스의 내부압이 비정상적으로 높은 수준 이상으로 증가할 때, 가스는 밀봉부를 압박하고, 가스방출구를 통하여 바깥으로 흐른다.
본 발명의 바람직한 형태에 따르면, 밀봉부은 고온 용융 점착성 물질이다. 밀봉부는 홈에 둘러싸여 연장되는 링형상을 가지고 있다.
본 발명의 다른 바람직한 형태에 따르면, 밀봉부는 가스방출구를 밀봉하기 위해 홈에 배치된 탄성링이다.
탄성링은 실질적으로 원형의 단면적을 가지고, 홈 내부에 고정되는 것이 바람직하다. 탄성링은 내리 눌려지고 배터리 케이스의 바닥을 향하여 배터리 케이스의 개구 끝을 변형시킴에 의해 고정되어, 홈의 개구 외주를 좁게한다. 이러한 장치는 탄성링이 가스방출구를 밀봉하는 효과를 증가시키고, 그럼으로써 유출방지력을 개선한다.
홈과 접촉하는 탄성링의 표면에서 밀봉재층의 적용은 유출방지력을 더욱 개선시킨다. 배터리 케이스의 안쪽 가스방출구의 외주에 방수제의 적용은 또한 유출방지력을 더욱 개선시킨다.
밀봉부로 쓰이는 고온 용융 점착성물질의 바람직한 예는 폴리에틸렌의 그래프트 중합체 또는 아크릴산, 메타크릴산, 말레산등의 불포화산을 가진 에틸렌 -비닐 아세트산 공중합체이다.
밀봉부로 쓰이는 탄성물질의 전형적인 예는 실리콘고무와 불화고무 및 니트릴고무와 같은 가황고무와, 스틸렌-부타디엔 블록 공중합체와 폴리에스테르-폴리에테르 블록 공중합체 및 폴리프로필렌과 에틸렌-프로필렌 고무의 부분적 교차결합된 혼합물과 같은 열가소성 탄성체를 포함한다.
밀봉재의 예들은 아스팔트와 액체실리콘고무 및 클로로술폰화한 (chloro-sulfonated) 폴리에틸렌을 포함한다. 방수제의 예들은 규소그리이스 (silicon grease)나 액체실리콘고무를 포함한다.
본 발명은 또한, 고온용융 점착성물질이 배터리 케이스의 원형 홈 내부의 스프레이의 노즐로부터 방출되도록 하고 원형 홈의 가스방출구를 폐쇄하기 위해 응고되는 단계를 포함하는 원통형 배터리를 제조하는 방법을 이끈다. 고온용융 점착성물질의 링형상의 밀봉부를 형성하기 위해, 고온용융 점착성물질은 배터리 케이스가 회전되는 동안 홈 내부에 뿜어진다. 열가소성 탄성체가 밀봉부용으로 사용되는 경우에, 주형이 배터리 케이스의 홈을 둘러싸도록 위치되고, 열가소성 탄성체는 배터리 케이스의 홈 내에 둘러싸여 연장하는 링형상을 가지는 밀봉부를 형성하도록 주입 주조된다.
더하여 본 발명은 배터리 케이스의 개구부의 주변에 가스방출구를 제공하는 단계와, 배터리 케이스의 측면에 관을 형성하여 그 바닥의 가스방출구를 가지는 원형 홈을 제공하는 단계, 밀봉부재를 배터리 케이스의 개구부에 부착하고 개구부를 밀봉하도록 배터리 케이스의 개구부 끝을 막는 단계, 배터리 케이스의 개구부 끝에 압력을 가해 홈의 개구부 외주를 변형시켜 좁게하는 단계를 포함하는 원통형 배터리를 제조하는 또 다른 방법을 이끈다.
본 발명의 하나의 바람직한 형태에 따르면, 방법은 밀봉부재가 배터리 케이스의 개구부에 부착되기 전에 배터리 케이스의 내부 가스방출구의 외주부에 방수제를 사용하는 단계를 포함한다.
밀봉재가 탄성링이 홈에 배치되기 전에 홈 내부에 사용되는 것이 바람직하다.
이하는 도면을 참조하여 본 발명의 예들을 상세하게 설명한다. 도면은 단지 배터리의 도식적인 구조를 나타내며 각 구성부의 상대적인 크기와 위치를 정확하게 나타내지 않는다.
<실시예 1>
본 실시예는 복원형 파괴방지기구를 가지는 배터리를 나타낸다.
도 1 은 본 예의 알카라인 배터리의 구조를 나타낸다. 배터리 케이스(1)은 니켈이 도금된 강으로 구성되고, 또한 음극(cathode) 단자의 기능을 한다. 주로 이산화망간과 흑연을 포함하는 음극혼합물(2)과, 분리기(3) 및, 아연분말과 알카라인 전극 및 겔(gel)화 물질을 포함하는 겔(gel)화된 양극(4)이 배터리 케이스 (1)에 수용된다.
배터리 케이스(1)의 안쪽으로 구부러진 바닥을 가진 원형 홈(5)은 배터리 케이스(1)의 상부 개구부의 주변에 형성된다. 홈(5)의 바닥은 한 개 또는 수 개의 가스방출구(6)을 가진다. 탄성링(7)은 가스방출구(6)을 밀봉하도록 홈(5)내에 설치된다. AAA 사이즈의 알카라인 건조배터리의 케이스에는, 0.1mm 에서 0.5mm 사이의 직경을 가진 2개 내지 4개의 가스방출구를 형성하는 것이 바람직하다.
배터리 케이스(1)의 개구부를 밀봉하기 위한 합성수지의 밀봉부재(9)는 그 끝단이 겔화된 양극(4)내에 삽입된 양극집전극(8)과, 양극단자판(13)을 지지하는 얇은 벽 원형부(11) 및, 배터리 케이스의 개구 끝이 막힐 때 양극단자판 (13)의 외주부를 지지하는 L형상의 외부관상부(12)를 포함한다.
이러한 배터리를 제조하는 하나의 예인 공정이 도 2 와 도 3에 나타나있다.
공정은 우선 소정의 물질로 만들어진 바닥이 원형인 배터리 케이스(1)의 상부 개구부 주변에 가스방출구(6)을 형성한다(도 2(a)). 그 다음 공정은 배터리 케이스(1) 내부로 음극혼합물인 주조된 원형의 긴 조각을 삽입하고, 배터리 케이스 (1) 내에 원형의 긴 조각을 누르고, 가스방출구를 포함하는 배터리 케이스(1)의 외부 측면상 특정부위에 도관(channel)을 형성한다(도 2(b)). 뒤이은 공정은 그 바닥에 가스방출구(6)을 가지도록 그 안에 형성된 홈(5)을 가지는 배터리 케이스(1) 내에 분리기를 설치하고, 분리기(3) 내부에 형성된 쑥 들어간 부위에 겔화된 아연양극(4)를 주입한다. 이러한 단계에서, 방수제는 배터리 케이스(1) 내부의 가스방출구의 개구부 외주에 사용된다. 홈을 내는 공정을 편하게 하기 위해, 가스방출구들은 도 1 과 도 4에 나타난 홈(5)의 중심으로부터 약간 이동되어 형성되는 것이 바람직하다.
그 다음 공정은 배터리 케이스의 양극집전극(8)과 양극단자판(13)을 가진 밀봉부재-집전극조립체(14)를 위치시킨다(도 2(c)). 홈(5)이 배터리 케이스(1)의 홈 (5)내에 설치된 척에 의해 고정되는 한편, 배터리 케이스(1)은 소정의 밀폐장치 내에 설치된다. 공정은 양극단자판(13)의 외주부위를 둘러싸는 밀봉부재 (9)의 외부관상부(12)의 특정위치가 배터리 케이스(1)의 막혀진 개구 끝과 홈(5)에 의해 배터리 내부에 형성된 턱 사이에 고정되도록 배터리 케이스 (1)의 개구끝을 막는다(도 2(d)). 이러한 단계에서, 밀봉재가 홈(5)에 사용된다. 밀봉재가 모든 홈에 사용되는 것을 불필요하다. 그 사용은 오직 가스방출구의 주변에 제한될 수 있다.
그 다음 공정은 직경을 임의로 조정하는 지그(jig) 위에 탄성링을 위치시키고(도 3(e)), 배터리 케이스(1)의 홈(5)에 탄성링을 설치한다(도 3(f)). 뒤이은 공정은 밀봉장치 내에 조립된 배터리를 위치시킨다(도 3(g)). 밀봉장치는 배터리가 장착되는 테이블(16)과, 배터리 상부 절반이 고정된 다이(17) 및, 배터리 케이스 (1)의 개구끝을 압박하기 위해 다이(17)에서 아래로 이동하는 압력부 (18)를 포함한다. 배터리 케이스(1)의 외부면이 다이(17)에 고정되는 한편, 배터리 케이스(1)의 개구 끝은 압력부(18)에 의해 압박된다. 그러면 배터리 케이스(1)의 홈(5)의 개구 외주는 도 1에 나타난 것처럼 변형되어, 탄성링(7)은 홈(5)에 압축되고 고정된다. 그 다음에 공정은 가스방출구를 밀봉하기 위해 탄성링으로 구성된 밸브의 밸브 개구부 압력을 조절하고, 소정의 치수로 배터리의 전체높이를 조정한다.
본 실시예의 원통형 배터리는 배터리 케이스의 개구부 주변의 배터리 케이스 외부면에 형성되고, 가스방출구를 가지는 홈 내에 탄성링을 설치함으로써 구성된 복귀가능한 안전밸브를 가진다. 안전밸브가 배터리의 내부압의 증가에 따라 순간적으로 가스를 방출하도록 작동한 후에, 가스방출구는 탄성링에 의해 다시 밀봉된다. 즉 안전밸브의 작동 후에 가스방출구를 통한 액체의 유출은 없다. 안전밸브가 배터리의 외부면에 형성되고, 그럼으로써 배터리의 밀봉된 개구부 내에 요구되는 공간을 줄이는 것과 배터리가 고용량을 가지도록 하는 것은 종래기술의 파괴방지기구와 비교된다. 예를 들면, AAA 사이즈의 알카라인 건조배터리에 본 발명의 장치를 사용하는 것은 약 5%의 용량을 증가시킨다.
<실시예 2>
본 실시예는 비복원형 파괴방지기구를 가진 배터리를 나타낸다.
도 4 는 본 실시예의 알카라인 배터리의 구조를 나타낸다. 본 도면에서, 도 1 과 같은 숫자는 도 1 과 같은 장치를 나타낸다. 본 실시예의 구조에서, 하나의 가스방출구(6)은 홈(5)의 바닥에 형성되고, 고온-용융 점착성물질로 구성된 밀봉부 (7')에 의해 밀봉된다. 덮개라벨(19)은 열-수축성수지로 구성되고, 상표의 인쇄와 배터리 등급등을 가지고 있다.
본 실시예에서, 밀봉부(7')는 링 형상을 가진다. 예를 들면, 링 형상의 밀봉부(7')는, 배터리 케이스(1)가 도 3(e)의 단계에서 회전되는 동안 배출기로부터 홈 (5)내로 용융된 고온-용융 점착성물질을 배출함에 의해 설치된다.
밀봉부(7')가 링 형상을 가지지 않고, 가스방출구(6)의 외주부에 단순히 고착되어 가스방출구를 밀봉할 수 있다. 이러한 경우, 밀봉부가 벗겨질 우려가 있기 때문에, 배터리 케이스(1)에 접착을 위한 충분한 면적을 확보하는 것이 바람직하다. 밀봉부(7')가 가스방출구(6)의 주변을 단순히 둘러싸도록 홈(5)에 고착되어있을 때, 밀봉부(7')가 없는 특정부위의 덮개라벨(19)과 홈(5)의 바닥 사이에는 틈새가 있다. 예를 들면 외부력이 배터리의 전력으로 구동되는 장치의 단자로써 구성된 스프링 끝에 의해 덮개라벨의 특정부위에 인가될 때, 덮개라벨은 찢어지고 찌그러질 수 있다. 링형상의 밀봉부는 그러한 어떠한 문제도 발생시키지 않는다.
상기의 실시예는 알카라인 배터리를 관련되지만, 본 발명의 원리는 또한 예를 들면 리튬 배터리와 같은 다른 원통형 배터리에 적용될 수 있다. 본 발명은 밀봉부재를 지지하기 위해 배터리 케이스 개구부의 주변에 형성된 홈에 의해 정의되는 턱부를 가지는 구조에 사용하는 것이 특히 바람직하다. 본 발명의 원리는 바람직하게는 갑작스런 방전이나 비정상적인 전류인가 또는 비정상적인 가열의 경우의 화학반응에 의해, 내부압이 비정상적으로 증가될 수 있는 리튬배터리에 적용될 수 있다.
상기에 설명된 것처럼, 본 발명은 전력발생부용 공간을 희생하지 않고 전력발생부용 전 용량을 증가시키는 파괴방지기구를 가지는 원통형 배터리를 제공한다.
밀봉부용 탄성링의 사용은 파괴방지기구의 작동 후에 조차 전해질의 유출을 효과적으로 방출하는 원통형 배터리를 제공한다.

Claims (11)

  1. 전력발생부가 수용되는 배터리 케이스와,
    상기 배터리 케이스의 개구부를 밀봉하는 밀봉부재 및,
    상기 배터리 케이스의 안쪽으로 구부러진 바닥을 가지고 상기 배터리 케이스의 개구부 주변에 배치된 원형 홈으로 구성되고,
    상기 홈의 바닥은 밀봉부로 밀봉된 적어도 하나의 가스방출구를 가지는 원통형 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부가 고온-용융 점착성물질인 원통형 배터리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부가 상기 홈에 원형으로 연장되는 링형상을 가지는 원통형 배터리.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 밀봉부는 가스방출구를 밀봉하기 위한 탄성링인 원통형 배터리.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 탄성링이 실질적으로 원형의 단면적을 가지고 상기 홈 내부에 고정되는 원통형 배터리.
  6. 제 4 항에 있어서, 밀봉재층이 상기 홈에 접촉하는 상기 탄성링의 표면에 사용되는 원통형 배터리.
  7. 제 4 항에 있어서, 방수제가 상기 배터리 케이스 내부의 가스방출구의 외주부에 사용되는 원통형 배터리.
  8. 배터리 케이스의 개구부 주변에 상기 배터리 케이스의 안쪽으로 구부러진 바닥을 가지며 적어도 하나의 가스방출구를 가지는 원형 홈을 형성하는 단계와;
    상기 가스방출구를 밀봉하기 위한 밀봉부를 마련하기 위해 용융된 고온-용융 점착성물질을 상기 홈 내부에 사용하는 단계로 구성된 원통형 배터리를 제조하는 방법.
  9. 배터리 케이스의 개구부 주변에 상기 배터리 케이스의 안쪽으로 구부러진 바닥을 가지며 적어도 하나의 가스방출구를 가지는 원형 홈을 형성하는 단계와;
    상기 배터리 케이스의 상기 홈을 둘러싸기 위해 주형을 위치시키는 단계 및;
    열가소성 탄성체 주조물을 상기 가스방출구를 밀봉하고 상기 배터리 케이스의 상기 홈에 원형으로 연장되는 링형상의 밀봉부를 형성하기 위해 상기 홈 내부로 주입하는 단계로 구성되는 원통형 배터리를 제조하는 방법.
  10. 배터리 케이스의 개구부 주변에 상기 배터리 케이스의 안쪽으로 구부러진 바닥을 가지며 적어도 하나의 가스방출구를 가지는 원형 홈을 형성하는 단계와;
    상기 가스방출구를 밀봉하기 위해 상기 홈 내에 탄성링을 설치하는 단계 및;
    상기 탄성링을 상기 홈에 고정하기 위해 상기 배터리의 바닥을 향하여 상기 배터리 케이스의 개구부 끝을 압박하는 단계로 구성되는 원통형 배터리를 제조하는 방법.
  11. 적어도 하나의 가스방출구를 배터리 케이스의 개구부 주변의 설치하는 단계와;
    바닥에 상기 가스방출구를 가지는 원형 홈을 설치하기 위해 상기 배터리 케이스의 측면에 도관을 형성하는 단계;
    상기 배터리 케이스의 개구부에 밀봉부재를 부착하고 개구부를 밀봉하기 위해 상기 배터리 케이스의 개구부 끝을 막는 단계;
    상기 가스방출구를 밀봉하기 위해 상기 홈 내에 탄성링을 설치하는 단계 및;
    상기 배터리 케이스의 개구 끝을 압박하여 변형시키고 그럼으로써 상기 홈의 개구부 외주를 좁게하는 단계로 구성된 원통형 배터리를 제조하는 방법.
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