KR20050037689A - 최적 위치의 벤트를 갖는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지에 형성되는 벤트의 최적위치에 관한 것으로, 벤트는 캔의 단변의 일측에서 장변을 따라 증가하는 경사각의 35°에서 70° 사이에 위치하고, 그 길이는 캔의 대각선 방향의 전체 길이에 대하여 5% 에서 35% 사이로 형성된다.

Description

최적 위치의 벤트를 갖는 이차전지{Secondary Battery with Vents Located at Optimum Positions}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 상세하게는 이차전지의 내부 압력이 규정 압력 이상으로 상승할 경우 전지의 내압을 감소시켜 폭발을 방지하는 이차전지의 안전장치에 관한 것이다.

최근에 전자 기기, 특히 캠코더 및 노트북 컴퓨터 등의 소형화, 경량화 및 무선화가 급속하게 진행됨에 따라 이들 전자 기기의 구동전원으로서 소형, 경량이며 에너지 밀도가 높은 2차전지에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 점에서, 특히 리튬 이온전지가 주목을 받고 있다. 리튬 이온전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈- 수소전지 등과 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 대략 3배 정도 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 국내외에서 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

도 1은 일반적인 리튬이온전지의 사시도이다. 도1에 도시된 바와같이, 리튬 이온전지는 전류를 생성하는 전극조립체를 둘러싸서 밀봉하는 각형의 캔(10)를 가지고 있다. 캔(10)의 상면(11)에는 양극단자(12)와 캔(10) 내부로 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(13) 등이 구비되어 있다. 캔(10) 내부의 전극조립체는 다공막의 세퍼레이터를 개재한 양극판과 음극판이 다수의 층으로 권취되어 형성되며, 양극판은 캡어셈블리(11)에 마련된 양극단자(12)와 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 리튬이온전지는 캔 내부에 밀봉된 전극조립체에서 단락(short) 등과 같은 동작이상이 발생하면, 캔 내부의 압력이 높아져 전지가 폭발할 수 있다. 이를 방지하기 위해서 종래에는 주로 캔의 상면에 안전 벤트(safety vent: 14)를 구비하고 있다. 예를 들면, 미합중국 특허 4,245,010호에는 상면에 마련된 파단 선을 이용한 안전 벤트가 개시되어 있으며, 일본 공개특허공보 평9-245839호에는 상면에 설치되는 절곡부를 이용한 안전 벤트가 개시되어 있다. 그 밖에, 캔의 바닥면에 파단선을 형성한 안전벤트도 개시된 경우가 있다.

이와같이, 종래의 벤트는 캔의 하부나 캡어셈블리의 상부에 대부분 위치하여 일정압력에 의해 파단되도록 설계되어 있다. 또한, 이에 사용되는 벤트는 프레싱이나 클래딩 기술을 이용하여 형성되는 데, 이러한 형태의 벤트에 의해서는 일정 이하의 낮은 파단압을 유지하기가 어렵다. 결국, 이러한 방식의 벤트는 제조공정에 어려움을 줄 뿐 아니라 단가를 높이는 원인이 되고 있다. 또한, 캔에 변형을 가져올 정도로 내압이 상승할 경우에 캔 내부의 압력변화에 신속히 대응하지 못하여 캔의 안전성을 효과적으로 확보하지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 캔의 보다 낮은 내압에 대하여도 민감하게 반응하여 캔의 폭발에 따른 위험을 효과적으로 방지하고, 벤트의 설계나 제조공정에서 보다 큰 여유를 제공하며, 제조공정을 간단히 하여 단가를 낮추는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 캔의 넓은 양측면 중에서 내압에 의하여 캔이 팽창할 때 인장응력이 가장 크게 발생하는 부분에 위치하는 벤트를 제공하여 내압에 의한 캔의 폭발을 효과적으로 방지하는 캔 구조를 제공한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도2는 내압에 의하여 발생하는 캔의 넓은 측면의 인장응력 분포를 도시하고 있다. 캔은 얇은 직육면체 형상으로서 전극조립체 및 전액액 등을 내장하여 이들을 외부와 격리시키는 포장재이다. 보통 리튬이온전지에서 캔은 그 자체가 양극으로 사용된다. 캔은 딥드로잉(Deep Drawing)법을 이용하여 형성시키며, 그 재질은 보통 알루미늄을 사용한다. 도2는 캔의 넓은 일측면을 도시하고 있다.

캔 내부의 가스발생은 코발트산리튬(LiCoO₂)과 같은 양극활물질의 형성을 위해 사용되는 탄산리튬(Li₂CO₃) 때문이다. 과승으로 첨가된 탄산리튬은 미반응 상태로 양극활물질인 코발트산리튬(LiCoO₂)중에 잔류하고 있다가, 이상 충전에 의해 전지 전압이 높아져 발열하면 탄산리튬(Li₂CO₃)이 분해되어 탄산가스가 발생된다. 탄산가스의 발생에 의해 통상 캔이 과도하게 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생하며, 이 스웰링 현상이 심하면 안전벤트 등이 파열되어 내부 가스를 외부로 내보내게 된다. 이러한 스웰링 현상은 탄산리튬을 적게 넣으면 해결될 수 있지만, 이렇게 되면 양극활물질에 산화코발트(CoO₂)가 잔존하여 양극을 부식시키고 충전시 전해액 속으로 용출되며, 이것이 음극으로의 코발트 석출 현상을 일으켜 내부쇼트를 일으키는 더 큰 위험을 유발하게 되므로, 현재로서는 탄산리튬을 다량 넣고 있다.

이러한 내부가스에 의하여 스웰링된 캔(여기서, 캔은 장변이 48.7mm, 단변이 33.8mm인 경우)의 넓은 측면의 인장응력 분포를 보면, 도2에 도시된 바와 같이, 캔의 가장자리를 구성하는 모서리 부분(21), 평면부분(22), 제1귀퉁이부분(23), 제2귀퉁이부분(24)의 순으로 인장응력이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 캔이 내부가스의 압력에 의하여 스웰링 될 때 귀퉁이 부분(23,24)에서 가장 큰 인장응력이 발생하고 있다.

먼저 제1귀퉁이부분(23)의 위치를 보다 자세히 살펴본다. 제1귀퉁이부분(23)의 폭을 보면, 캔의 단변의 일측에서 장변을 따라 이동하면서 제1귀퉁이부분(23)의 시작부분의 제1경사각(θ1)은 35°이고, 그리고 단변의 일측에서 장변을 따라 더 이동하면서 측정된 제1귀퉁이부분(23)의 마지막부분의 제2경사각(θ2)은 70°를 보이고 있다. 그리고, 제1귀퉁이부분(23)의 길이를 보면, 대각선 방향의 전체 길이에 대하여 5% 에서 35%를 차지하고 있다.

다음으로, 제2귀퉁이부분(24)의 위치를 보다 자세히 살펴본다. 제2귀퉁이부분(24)의 폭을 보면, 캔의 단변의 일측에서 장변을 따라 이동하면서 제2귀퉁이부분(24)의 시작부분의 제1경사각(θ1)은 30°이고, 그리고 단변의 일측에서 장변을 따라 더 이동하면서 측정된 제2귀퉁이부분(24)의 마지막부분의 제2경사각(θ2)은 65°를 보이고 있다. 그리고, 제2귀퉁이부분(24)의 길이를 보면, 대각선 방향의 전체 길이에 대하여 10% 에서 30%를 차지하고 있다.

이러한 실험결과는 내압에 의하여 발생하는 캔의 인장응력이 귀퉁이 부분에 집중되고 있으며, 따라서 캔의 안전성을 위한 벤트는 캔의 귀퉁이 부분에 설치하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

벤트는 도2의 제1귀퉁이부분(23)에 형성되는 것이 바람직하고, 제2귀퉁이부분(24)에 형성시키는 것이 가장 바람직하다. 벤트의 위치는 대각선 방향을 따라 형성시키는 것이 바람직하지만, 대각선 방향에 대하여 수직한 방향으로 형성시켜도 무방하다.

벤트는 프레싱 등의 기계적인 방법이나 에칭법 및 전기주형법을 이용하여 일정 깊이의 홈을 갖는 취약부 즉, 노치로서, 그 형상은 원형이나 일방향으로 길게 형성되는 사각형 등의 다양한 형상으로 구비시킬 수 있다. 일방향으로 길게 형성되는 경우에는 파단선의 형태로 나타난다. 여기서, 기계적인 방법이나 에칭법 및 전기주형법으로 노치를 형성할 때, 그 깊이나 형상을 균일하게 하여 내압에 의한 파단시 압력 오차의 발생이나 작동불량의 작동산포의 불량이 발생하지 않도록 하여야 한다.

이와같이 노치로 형성되는 벤트는 캔의 내부에서 발생되는 내압에 의하여 쉽게 개방된다. 캔의 평균 두께가 0.3mm 일 때, 노치의 두께는 캔의 내부압력이 40kg/Cm² 이하에서 원활하게 개방될 수 있도록 0.01 - 0.03mm로 형성된다. 노치의 두께가 0.01mm 이하가 되면 외부의 약한 충격에도 쉽게 파단될 수 있으므로, 노치의 두께는 0.01mm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 노치의 두께가 0.03mm 이상이면 캔의 내부압력이 40kg/Cm² 이상에서도 개방되지 않게 되어 벤트의 작동불량을 유발할 수 있으므로 노치의 두께는 0.03mm 이하로 하는 것이 바람직하다.

이상에서는 프레싱 등에 의하여 캔의 일부의 두께를 줄이는 방법을 사용하였지만, 캔의 일부를 관통하는 구멍을 뚫은 후에 이를 밀폐시키는 방법도 사용할 수 있다. 예를 들어, 캔의 일부를 관통하는 구멍을 형성하고, 그 구멍을 밀폐하기 위하여 별도의 파단플레이트를 접착한다. 파단플레이트의 작동을 보다 정확하고 용이하게 유지하기 위하여 구멍의 중심쪽으로 돌출 형성된 돌기를 형성시킬 수 있다. 돌기는 앞쪽을 날카롭고 첨예하게 형성시켜 블레이드 역할을 하여 파단 플레이트가 먼저 파단되도록 할 수 있다. 또한, 파단플레이트를 용이하게 부착하기 위하여 용접이 아닌 접착제를 사용할 수 있다. 접착제는 폴리에틸렌코아크리릭 에시드(polyethylenecoacrylic acid) 혹은 폴리에틸렌코아크리릭 에시드와 아이소프로필 알콜 및/또는 암모니아 용매를 혼합한 것을 사용할 수 있으며, 전지 내부에 전극과 함께 수납되는 것으로서 EC(에틸렌 카보네이트), PC(프로필렌 카보네이트), EMC(에틸 메틸 카보네이트), DEC(디에틸렌 카보네이트), MEC와 같은 전해액과 반응하지 않는 물질이어야 한다. 파단플레이트는 접착제를 바른 후 캔의 구멍에 부착되며, 60∼70℃ 분위기의 오븐에서 6시간 동안 보관하여 경화 및 고정시킨다. 한편, 보통 캔의 재질이 알루미늄(Al)이므로 파단플레이트의 재질도 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다.

도3a 및 도3b는 캔의 귀퉁이부분에 형성되는 노치의 형성방향을 도시하고 있다. 도3a에는 노치형상의 벤트(31)가 캔(10)의 대각선 방향을 따라 형성되어 있고, 도3b에는 노치형상의 벤트(32)가 캔(10)의 대각선에 수직되는 방향을 따라 형성되어 있다.

이상과 같이, 내압에 의하여 발생하는 캔의 스웰링에서 캔에 가해지는 인장응력의 분포에 따라 벤트를 설치하게 되면, 최소의 내압에서 캔의 파단이 일어남으로써 캔의 폭발 등의 위험을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 캔의 측면에 벤트를 설치하므로, 벤트의 설계나 제조공정에서 보다 여유가 생기고 제조단가도 크게 낮출 수 있다.

도 1은 일반적인 리튬이온전지의 사시도,

도2는 내압에 의하여 발생하는 캔의 넓은 측면의 인장응력 분포를 도시하고, 그리고

도3a 및 도3b는 캔의 귀퉁이부분에 형성되는 노치의 형성방향을 도시하고 있다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

10: 캔 11: 캡어셈블리

12: 양극단자 13: 전해액주입구

14: 상부벤트 21: 모서리 부분

22: 평면부분 23: 제1귀퉁이부분

24: 제2귀퉁이부분 θ1, θ2: 경사각

31, 32: 측면벤트

Claims (6)

1. 캔의 측면에 형성되는 벤트에 있어서,

   상기 벤트는 캔의 단변의 일측에서 장변을 따라 증가하는 경사각의 35°에서 70° 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 최적 위치의 벤트를 갖는 이차전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 벤트는

   캔의 대각선 방향의 전체 길이에 대하여 5% 에서 35% 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 최적 위치의 벤트를 갖는 이차전지.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 벤트는

   캔의 대각선 방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 최적 위치의 벤트를 갖는 이차전지.
4. 제3항에 있어서, 상기 벤트는

   함몰된 노치형상인 것을 특징으로 하는 최적 위치의 벤트를 갖는 이차전지.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 벤트는

   캔의 대각선 방향에 수직방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 최적 위치의 벤트를 갖는 이차전지.
6. 제5항에 있어서, 상기 벤트는

   함몰된 노치형상인 것을 특징으로 하는 최적 위치의 벤트를 갖는 이차전지.