KR20040110599A - 이차 전지 및 이의 안전변 제조 방법 - Google Patents

Abstract

전지의 내압이 규정 압력 이상으로 상승되는 경우 상기 내압을 감소시키도록 파열됨으로써 폭발을 방지하는 안전변을 갖는 이차 전지에 관한 것으로, 본 발명의 이차 전지는, 양극판과 음극판 및 이 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와; 상기 전극 조립체가 내부에 수납되는 캔과; 상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트와; 상기 캔의 내압이 규정치 이상으로 상승할 때 파열되어 상기 내압을 감소시키는 안전변;을 포함하며, 상기 안전변은 캡 플레이트와 캔이 서로 밀봉되는 밀봉부에 제공된다.

Description

이차 전지 및 이의 안전변 제조 방법{SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR FABRICATING SAFETY VALVE THEREOF}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지의 내압이 규정 압력 이상으로 상승되는 경우 상기 내압을 감소시키도록 파열됨으로써 폭발을 방지하여 안전성을 확보할 수 있도록 하는 이차 전지의 안전변에 관한 것이다.

이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 대표적인 것으로는 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있으며, 외관상으로는 원통형과 각형 전지로 구분된다.

통상적으로, 상기한 이차 전지는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터로 이루어진 발전 요소, 즉, 전극 조립체와, 전극 조립체 및 전해액을 수납하는 금속제의 캔과, 캔의 개구부를 밀봉하는 캡 조립체를 포함한다.

여기에서, 상기 캡 조립체는 캔의 개구부에 직접 용접되어 캔을 밀봉하는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트를 관통하여 설치되는 단자 핀 및 상기 단자 핀을 캡 플레이트와 절연시키는 가스켓을 포함하며, 단자 핀에는 음극판으로부터 인출된 음극 탭이 용접되어 상기 단자 핀이 음극 단자부로서의 기능을 한다.

그리고, 양극판으로부터 인출된 양극 탭은 상기 캡 플레이트의 하면이나, 캔의 내면에 직접 전기적으로 연결되어 상기 단자 핀을 제외한 전지 외부 전체가 양극 단자부로서의 기능을 하게 한다.

한편, 상기한 구성의 이차 전지는 전지 내부에서 가스가 생성되어 전지 내압이 규정치 이상으로 상승될 경우 파열되어 상기 내압을 감소시킴으로써 전지의 폭발을 방지하기 위한 안전변을 구비하는데, 상기한 안전변은 기계적인 방법이나 에칭법 및 전기주형법을 사용하여 캡 플레이트 또는 캔의 일부분에 일정한 깊이로 홈을 형성하여 제작된다.

그런데, 상기한 구성의 안전변을 갖는 이차 전지는 안전변을 형성하기 위한 별도의 공정 및 장비를 요구하게 되므로, 제조 공정 및 제조 비용이 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 별도의 추가 공정을 필요로 하지 않으면서도 안전변을 용이하게 형성할 수 있어 제조 공정의 단순화와 제조 비용의 절감을 실현한 이차 전지 및 이의 안전변 제조 방법을 제공함에 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 각형 이차 전지의 분해 사시도.

도 2는 캡 플레이트와 캔 사이의 조립 상태를 나타내는 도 1의 측면도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 사시도.

상기한 본 발명의 목적은,

양극판과 음극판 및 이 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와;

상기 전극 조립체가 내부에 수납되는 캔과;

상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트와;

상기 캔의 내압이 규정치 이상으로 상승할 때 파열되어 상기 내압을 감소시키는 안전변;

을 포함하며, 상기 안전변은 캡 플레이트와 캔의 밀봉부에 제공되는 이차 전지에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 밀봉부는 고 밀봉부와 저 밀봉부로 이루어지는데, 상기 저 밀봉부는 전지 폭발을 유발하는 규정치 이상의 압력, 예를 들면 12kgf 이상의 가스 압력에서 파열되는 밀봉부를 말하고, 고 밀봉부는 12kgf 이상의 가스 압력에서도 파열되지 않는 밀봉부를 말한다. 따라서, 상기한 안전변은 저 밀봉부로 이루어진다. 이때, 상기 안전변은 1cm 이하, 바람직하게는 0.1∼10㎜의 길이로 형성할 수 있다.

그리고, 상기한 안전변은 시임(seam) 용접 또는 크림핑(crimping) 공정을 사용하여 캡 플레이트를 캔에 밀봉할 때, 밀봉부의 일부 구간에서만 강도를 약하게 밀봉하여 함으로써 형성할 수 있다.

따라서, 상기 안전변을 형성하기 위한 별도의 추가 공정을 제거함으로써, 제조 공정의 단순화와 제조 비용의 절감을 실현할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 각형 이차 전지의 분해 사시도를 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 조립 상태를 나타내는 측면도를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 일면에 개구부(12)가 구비된 캔(10)과, 상기 개구부(12)를 통해 캔(10)의 내부에 수납되는 전극 조립체(20)와, 캔(10)의 개구부(12)를 밀봉하는 캡 조립체(30)를 포함한다.

상기 전극 조립체(20)는 양극판(22) 및 음극판(24)이 세퍼레이터(26)를 개재하여 형성된 것으로, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 양극판(22) 및 음극판(24)이 세퍼레이터(26)를 개재하여 적층된 후 권취된 젤리 롤형의 전극 조립체(20)가 사용될 수 있다.

이 때, 상기 음극판(24)은 스트립 형상의 금속박판으로 된 음극 집전체를 구비하며, 상기 음극 집전체로는 구리 박판이 사용될 수 있다. 상기 음극 집전체의 적어도 일면에는 음극 활물질을 포함한 음극합제가 코팅된 음극 코팅부가 형성되며, 상기 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고, 이에 바인더, 가소제, 도전재 등을 함유해 음극합제를 이룰 수 있다.

또한, 상기 양극판(22)은 스트립 형상의 금속박판으로 된 양극 집전체를 구비하며, 상기 양극 집전체로는 알루미늄 박판이 사용될 수 있다. 상기 양극 집전체의 적어도 일면에는 양극 활물질을 포함한 양극합제가 코팅되는 양극 코팅부가 형성되는 데, 상기 양극 활물질로는 리튬계 산화물을 사용하고, 이에 바인더, 가소제, 도전재 등을 함유해 양극합제를 이룰 수 있다.

상기와 같은 전극 조립체(20)의 상부로는 양극판(22) 및 음극판(24)에 각각 전기적으로 연결된 양극 탭(28) 및 음극 탭(28')이 인출되어 있다. 음극 탭(28')으로는 니켈 박막이 사용될 수 있고, 양극 탭(28)는 알루미늄 박막이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 양극 탭(28) 및 음극 탭(28')의 치는 도 1과는 반대로 구비될 수도 있음은 물론이다.

한편, 상기 캔(10)은 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 본 실시예에 따르면 상기 캔(10)은 경량의 전도성 금속인 Al 또는 Al 합금으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 캔(10)은 그 일면이 개구되어 개구부(12)를 구비하며, 이를 통해 상기 전극 조립체(20)가 캔(10)의 내부로 수납될 수 있다.

상기 캔(10)은 그의 측면 모서리 부분이 각이 진 각형으로 구비될 수도 있고, 비록 도면으로 나타내지는 않았지만, 그 모서리 부분이 라운드 처리된 라운드형으로 구비될 수도 있다.

상기와 같은 캔(10)의 개구부(12)에는 캡 조립체(30)가 설치되어 밀봉되는 데, 상기 캡 조립체(30)는 상기 개구부(12)에 직접 용접되어 캔(10)을 밀봉하는 캡 플레이트(32)를 구비한다. 상기 캔(10)과 캡 플레이트(32)는 그 용접의 용이성을 위하여 동일한 금속재로 구비될 수 있다.

상기 캡 조립체(30)에는 상기 캡 플레이트(32)에 가스켓(34)을 통해 절연되도록 관통 형성된 단자 핀(36)이 구비되는 데, 이 단자 핀(36)의 하부에는 절연 플레이트 및 단자 플레이트(미도시)가 더 형성되어 상기 단자 핀(36)이 캡 플레이트(32)와 절연되도록 한다. 이 단자 핀(36)의 하부에는 음극판(24)으로부터 인출된 음극 탭(28')이 용접되어, 상기 단자 핀(36)은 음극 단자부로서의 기능을 한다.

한편, 양극판(22)으로부터 인출된 양극 탭(28)은 상기 캡 플레이트(32)의 하면이나, 캔(10)의 내면에 직접 전기적으로 연결되어 상기 단자 핀(36)을 제외한 전지 외부 전체가 양극 단자부로서의 기능을 하게 한다. 그러나, 이러한 양극 단자 및 음극 단자의 구조는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 양극 단자부의 구조도 상기 음극 단자부의 구조와 같이 별도의 단자 핀을 통해 형성할 수도 있으며, 이 밖에도 다른 어떠한 구조도 적용될 수 있다.

한편, 상기와 같은 전극 조립체(20)가 캔(10)에 삽입된 후에는 절연성 소재로 구비된 보호 케이스(38)가 상기 전극 조립체(20)와 캡 조립체(30)의 사이에 더 설치되어 전극 조립체(20)를 보다 견고히 고정시켜줄 수 있다.

그리고, 캡 조립체(30)를 캔(10)의 개구부(12)에 용접시킨 후에는 캡 플레이트(32)에 형성된 전해액 주입구(미도시함)를 통하여 전해액을 주입한 후 플러그(미도시함)를 통해 이를 밀봉한다.

상기한 구성의 각형 이차 전지에 있어서, 상기 캡 플레이트(32)는 시임(seam) 용접 방식에 의해 캔(10)의 개구부(12)에 용접되는데, 이때, 상기 캡 플레이트(32)와 캔(10)이 용접된 부분, 즉 밀봉부(SP: Sealing Part)는 본 실시예에 있어서 고 밀봉부(HSP: High SP)와 저 밀봉부(LSP: Low SP)로 이루어진다. 도면을 명료하게 하기 위해, 도 2에서 고 밀봉부(HSP)는 실선으로 도시하였으며, 저 밀봉부(LSP)는 점선으로 도시하였다.

여기에서, 상기 저 밀봉부(LSP)는 캔(10)의 내압이 규정 압력 이상으로 상승하는 경우 상기 내압을 감소시키도록 파열되는 안전변(SV: Safety Valve)을 형성하기 위한 것으로, 바람직하게는 12kgf 이상의 가스 압력이 발생될 경우 파열되도록 형성된다. 이때, 상기 저 밀봉부(LSP)의 용접 길이(l)는 1cm 이하, 바람직하게는 작동 압력을 고려하여 0.1∼10㎜의 범위내에서 형성된다.

그리고, 고 밀봉부(HSP)는 통상의 경우와 마찬가지로 20kgf 정도의 압력을 견딜 수 있을 정도의 용접 강도로 형성된다.

상기한 저 밀봉부(LSP)는 캡 플레이트(32)와 캔(10)의 개구부(12)를 시임 용접할 때, 일부 구간에서 용접 강도를 조절하여 낮은 강도로 용접함으로써 형성할 수 있다.

이상에서는 상기한 저 밀봉부(LSP)에 의한 안전변(SV)을 한 개만 형성하는 것을 예로 들어 설명하였지만, 상기 안전변(SV)을 2개 이상 형성하는 것도 가능하며, 크림핑(crimping) 공정을 이용하여 캡 플레이트를 캔과 밀봉하는 원통형 이차 전지의 경우에는 크림핑력을 조절하여 저 밀봉부를 형성하는 것도 가능하다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로, 원통형 이차 전지의 사시도를 도시한 것이다.

상기한 원통형 이차 전지는 통상 크림핑 공정에 의해 캡 플레이트(32')와 원통형 캔(10')이 밀봉되는데, 이때, 본 실시예의 이차 전지는 캡 플레이트(32')와 캔(10')이 밀봉되는 밀봉부(SP)의 일부 구간이 다른 구간보다 낮은 강도로 크림핑된 저 밀봉부(LSP)를 구비한다. 도 3에 있어서, 미설명 도면부호 HSP는 저 밀봉부(LSP)보다 높은 강도로 크림핑된 고 밀봉부를 나타낸다.

따라서, 전지 내압이 규정치, 예를 들어 12kgf 이상이 되면 상기 저 밀봉부(LSP)가 안전변(SV)으로 작용하여 파열되고, 이로 인해 내압이 감소되어 전지 폭발을 방지하게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예로 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 캡 플레이트와 캔의 밀봉 공정에서 별도의 공정 추가없이 안전변을 형성할 수 있으므로, 제조 공정의 단순화와 제조 비용의 절감을 실현할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 안전변을 형성하는 저 밀봉부의 용접 또는 크림핑 강도를 적절히 조정함으로써 그 작동 압력을 보다 용이하고 정확하게 설정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 양극판과 음극판 및 이 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와;

   상기 전극 조립체가 내부에 수납되는 캔과;

   상기 캔의 개구부를 밀봉하는 캡 플레이트와;

   상기 캔의 내압이 규정치 이상으로 상승할 때 파열되어 상기 내압을 감소시키는 안전변;

   을 포함하며, 상기 안전변은 캡 플레이트와 캔이 서로 밀봉되는 밀봉부에 제공되는 이차 전지.
2. 제 1항에 있어서, 상기 밀봉부는 고 밀봉부와 저 밀봉부로 이루어지며, 상기 안전변은 저 밀봉부로 이루어지는 이차 전지.
3. 제 2항에 있어서, 상기 안전변은 0.1∼10㎜의 길이로 형성되는 이차 전지.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 안전변은 12kgf 이상의 압력이 발생할 때 파열되는 이차 전지.
5. 제 4항에 있어서, 상기 캔이 각형으로 이루어지는 이차 전지.
6. 제 4항에 있어서, 상기 캔이 원통형으로 이루어지는 이차 전지.
7. 전지 내압이 규정 압력 이상으로 상승할 때 상기 내압을 감소시키도록 파열되는 안전변을 제조하기 위한 각형 이차 전지의 안전변 제조 방법으로서,

   캡 플레이트를 각형 캔의 개구부에 용접하여 밀봉부를 형성할 때, 상기 밀봉부의 일부 구간에서는 용접 강도를 조절하여 다른 구간보다 용접 강도가 낮은 저 밀봉부를 형성함으로써, 저 밀봉부가 상기 안전변으로 작용하도록 하는 이차 전지의 안전변 제조 방법.
8. 전지 내압이 규정 압력 이상으로 상승할 때 상기 내압을 감소시키도록 파열되는 안전변을 제조하기 위한 원통형 이차 전지의 안전변 제조 방법으로서,

   캡 플레이트를 원통형 캔의 개구부에 크림핑하여 밀봉부를 형성할 때, 상기 밀봉부의 일부 구간에서는 크림핑 강도를 조절하여 다른 구간보다 크림핑 강도가 낮은 저 밀봉부를 형성함으로써, 저 밀봉부가 상기 안전변으로 작용하도록 하는 이차 전지의 안전변 제조 방법.