KR20060103027A

KR20060103027A - 원통형 이차전지

Info

Publication number: KR20060103027A
Application number: KR1020050025167A
Authority: KR
Inventors: 조용현; 김경호
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-09-28
Also published as: KR100646512B1

Abstract

가스켓의 설계를 변경한 원통형 이차전지가 개시된다.

본 발명의 이차전지는 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 상기 전극조립체가 수용되는 캔의 상부에 조립되는 캡조립체; 및 상기 캡조립체와 상기 캔의 상부 사이에 개재된 채 압착되어 상기 캡조립체와 상기 캔 사이의 절연 및 밀폐를 유지시키는 가스켓;을 구비하는 원통형 이차전지에 있어서, 상기 가스켓의 하부는, 상기 전극조립체에 형성된 전극탭 중 적어도 하나 및 전지 내부에서 발생한 가스가 인출될 수 있는 통공을 구비하며, 상기 가스켓의 중심축을 향하여 연장되어 연장부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 전지의 낙하 또는 진동시 유동하는 젤리롤의 충격에 의해 벤트어셈블리의 파손을 방지하고, 젤리롤과 전극탭과의 결합 등의 손상을 방지할 수 있다.또한, 과충전시 빠른 시간 내에 벤트어셈블리를 작동시켜 전류차단기의 회로기판의 연결을 끊음으로써 전지의 폭발 및 발화를 방지할 수도 있다.

Description

원통형 이차전지 {CYLINDER TYPE SECONDARY BATTERY}

도 1 은 종래의 원통형 이차전지의 일 예에 대한 구조를 나타내는 정단면도이다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지를 나타내는 분리 사시도이고,

도 3 은 도 2 의 원통형 이차전지의 정단면도이다.

도 4a, 도 4b, 및 도 4c 는 각각 가스켓의 하부에 본 발명에 따른 연장부가 제공되어 있는 가스켓을 나타내는 사시도, 평면도, 정면도를 나타낸다.

도 5a 는 종래의 가스켓을 채택한 원통형 이차전지의 정단면도로서, 전지 낙하시 젤리롤 또는 센터핀에 의한 충격에 의해 벤트어셈블리가 변형되기 바로 전의 모습을 나타내는 도면이다.

도 5b 는 본 발명에 따른 가스켓을 채택한 원통형 이차전지의 정단면도로서, 전지 낙하시 젤리롤 또는 센터핀에 의한 충격이 벤트어셈블리에 가해지기 전에 가스켓의 하부의 연장부에 의해 미리 그 충격이 흡수되는 것을 나타내는 도면이다.

도 6a 는 도 5b 에서 도시한 가스켓의 구조를 갖는 원통형 이차전지 수 개를 1회, 9회, 12회째 낙하시킨 후 각각의 OCV(Open Circuit Voltage)를 측정하여 그 전압의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 6b 는 도 5b 에서 도시한 가스켓의 구조를 갖는 원통형 이차전지 수 개를 1회, 9회, 12회째 낙하시킨 후 각각의 IR(Internal Resistance)을 측정하여 그 내부저항의 분포를 나타낸 그래프이다.

도 7 은 본 발명인 원통형 전지의 가스켓의 다른 실시예로서, 가스켓의 연장부에 홀이 형성되어 있는 가스켓을 나타내는 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 원통형 캔 13a, 13b: 상·하절연판

18: 센터핀 20: 전극조립체

21,23: 세퍼레이터 25: 전극

27,29: 전극탭 30: 가스켓

32: 연장부 34: 통공

36: 지지부 38: 홀

40: 벤트 50: 전류차단기(CID; Current Interrupt Device)

60: PTC(Positive Thermal Coefficient)

70: 캡업(Cap Up) 80: 캡조립체

본 발명은 원통형 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 낙하 또는 진동시 전극조립체 또는 센터핀에 의한 벤트어셈블리의 파손 및 전극조립체의 손상을 방지함과 동시에 과충전시 빠른 시간 내에 전류차단기(CID; Current Interrupt Device)를 작동시키기 위한 가스켓의 구조에 관한 것이다.

이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능하다는 이점으로 인하여 근래에 그 개발이 급속히 이루어지고, 사용도 급속히 증가하고 있다. 이차전지는 전극활물질에 따라 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬이온(Li-ion) 전지 등으로 나뉠 수 있다.

리튬 이차전지의 경우, 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 경우와 고체폴리머 전해질 혹은 겔 상의 전해질을 사용하는 경우로 나뉠 수 있다. 리튬 이차전지는 또한 전극조립체가 수용되는 용기의 형태에 따라 캔형과 파우치형으로 나뉠 수 있다.

캔형 리튬 이차전지에서는 전극조립체가 알미늄 함유 금속 등의 금속으로 K 드로잉(deep drawing) 등의 방법을 통해 형성한 캔에 내장된다. 통상적으로 캔형 이차전지 구조에서는 액체 전해질을 사용하게 된다.

한편, 캔형 이차전지는 형태에 따라 각형과 원통형 전지로 나뉠 수 있다. 각형은 용기를 직육면체형으로 얇게 성형하여 이를 사용하는 휴대 전화기 등의 전자 ·전기기기 장착에 융통성을 줄 수 있다. 원통형은 비교적 대용량의 전자·전기기기에 많이 사용되며, 복수개가 결합되어 전지팩을 형성하는 형태로 많이 사용된다.

도 1 을 참조하여 원통형 이차전지의 구조를 살펴보면, 먼저, 직사각의 판형 으로 형성된 두 전극(25)과 이들 전극 사이에 개재되어 두 전극 사이의 단락을 방지하는 세퍼레이터가(21, 23) 적층되고, 원형으로 권취되어 젤리롤(Jelly-Roll)로 통칭되는 전극조립체(20)를 이룬다. 각 전극판은 금속 포일로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어진다.

전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재한다. 무지부에는 한 전극판에 통상 하나씩 전극탭(27, 29)이 설치된다. 전극탭(27, 29)은 원통형 캔(10) 및 캔(10)과 절연된 캡조립체(80)와 전기접속되어 충·방전시 전극조립체와 외부 회로를 연결하기 위한 통로의 일부를 형성한다. 전극조립체(20)에서 전극탭은 하나가 원통형 캔(10)의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출되도록 형성될 수도 있고, 두 탭 모두 개구부 방향인 위쪽으로 인출되도록 형성될 수도 있다.

전극조립체는 상·하에 위치하는 상·하 절연판(13a, 13b)과 차례로 캔 개구부를 통해 원통형 캔(10)에 투입된다. 전극조립체의 캔 내 유동을 막기 위한 비딩부(15)가 캔에 형성되고, 전해액이 주입된다. 캔의 개구부 내측 벽에 절연 가스켓(30)이 설치되고, 가스켓(30) 내측으로 캔(10)의 개구부를 마감하는 캡조립체(80)가 설치된다.

캡조립체(80)로서, 전극탭들 가운데 하나의 탭(27)과 용접되는 벤트어셈블리, PTC(Positive Thermal Coefficient)(60), 전극단자를 가진 캡업(70)이 삽입된다. 벤트어셈블리는 통상적으로 아래쪽의 벤트(40)와 벤트의 작용에 의해 파단되어 전류의 경로를 끊는 전류차단기(CID: Current Interrupt Device)(50)를 구비하여 이루어진다.

그리고, 가스켓(30) 내측에 투입된 캡업(70) 등을 마개로 원통형 캔(10)의 개구부 벽체에 내측 및 아래쪽으로 압력을 가해 캔을 봉합하는 클림핑 작업이 이루어진다. 또한, 전지의 외부에 외장재를 입히는 튜빙(tubing) 작업이 이루어진다.

원통형 리튬이온 이차전지의 벤트어셈블리의 작용을 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

예를 들어, 원통형 리튬이온 이차전지가 과충전 상태가 되면, 전극조립체의 대략 상부영역부터 전해액이 증발하여 저항이 증가하기 시작한다. 더욱이, 이때 전극조립체의 대략 중심영역부터 변형이 일어나 리튬이 석출되기 시작한다. 물론, 상기 전극조립체의 상부영역의 저항 증가에 따라 국부적으로 발열이 시작되어 전지 온도도 급상승한다.

이와 같은 상태가 되면, 통상 과충전시 분해되어 가스를 발생하는 싸이클로 핵산 벤젠(CHB) 및 벤츠 피렌(BP) 등의 전해액 첨가제의 작용에 의해 내부압력이 급격히 증가하게 된다. 이러한 내부압력은 캡조립체의 한 구성요소인 상기 벤트를 바깥 방향으로 밀어내고(즉, 바깥 방향으로 변형시키고), 이에 따라 그 위에 설치되어 있던 전류차단기의 회로기판이 파손됨으로써 전류를 차단하게 된다. 즉, 회로기판에 형성된 배선 패턴이 끊어짐으로써, 더 이상 전류가 흐르지 않게 된다. 물론, 전류가 차단되면 과충전 상태가 정지됨으로써, 전지의 폭발 및 발화 현상도 방지된다.

한편, 상기와 같은 과충전 현상에 의해 전지 내부압력이 임계치 이상이 되 면, 상기 벤트 자체가 찢어지면서 내부가스가 모두 외부로 방출되기도 한다.

그런데, 일반적으로 전지 내부에는 전극조립체와 캡조립체 사이에 빈 공간, 즉 보이드 볼륨(void volume) 또는 데드 볼륨(dead volume)이라는 것이 존재한다. 위쪽으로 인출되는 전극탭(27)과 벤트(40)를 용접하기 위해서는 그 용접작업의 편의를 위해 전극탭(27)은 여분의 길이를 갖도록 형성된다. 그리고, 전극탭(27)이 절곡되면서 벤트어셈블리는 가스켓(30)이 끼워진 캔의 상부의 개구부에 삽입된다. 이러한 공정은 벤트어셈블리와 전극조립체(20) 사이에 공정의 편의를 위한 약간의 공간을 요구한다. 또한, 캔에 전극조립체(20) 및 상절연판(13a)이 삽입된 후 이들을 캔 내에 고정적으로 안착시키기 위해 캔 벽체에 비딩부(15)가 형성되는데, 이 비딩부(15)도 전극조립체(20)와 캡조립체(80) 사이에 빈 공간을 형성하는 작용을 한다.

이러한 보이드 볼륨은 전지의 낙하 또는 진동시 젤리롤 또는 센터핀의 유동을 가능케 하는 공간을 제공하고, 유동하는 젤리롤 또는 센터핀이 벤트(40)에 가하는 충격에 의해 전류차단기(50)의 회로기판 또는 벤트(40)가 파손되거나, 젤리롤과 전극탭(27) 사이의 결합이 손상되는 등의 문제점이 생길 수 있다.

또한, 상기 보이드 볼륨은 상술한 벤트(40)의 변형 또는 파열시간을 지연시키는 한 원인으로 생각되고 있다. 다시 말해, 상기 보이드 볼륨은 전류차단시간을 지연시켜 전지의 각종 안정성을 저해하는 것으로 생각되고 있다.

예를 들어, 전지의 종류에 따라 약간씩 차이가 있기는 하지만, 전지 내부의 벤트를 변형시키는 압력(또는 전류차단기의 회로기판을 파괴시키는 압력)은 대략 5 ∼11Kgf/cm²이고, 보이드 볼륨이 대략 2ml이면, 상기 벤트의 변형을 위해 대략 10~22ml의 가스가 필요하다. 그러나, 계산상 전해액 중에 포함된 0.7%의 CHB가 모두 분해된다고 해도 대략 4.116ml의 가스가 발생하고, 또한 0.3%의 BP가 모두 분해된다고 해도 대략 1.833ml의 가스가 발생한다. 더불어, 화성공정에서 대략 1.5ml의 가스가 더 발생한다. 그러나, 이러한 3가지 가스를 모두 합쳐도 대략 7.449ml밖에 안되고, 이때 대략 3.75kgf/cm²의 힘을 상기 벤트에 가하게 될 뿐이다. 즉, 과충전시 벤트를 변형시키거나 또는 이로 인해 회로기판을 파괴시키는 압력은 대략 5~11Kgf/cm²가 필요하지만, 실제로 보이드 볼륨에 의해 대략 3.75kgf/cm²만 제공됨으로써, 벤트가 동작하지 않거나 또는 벤트의 동작시간이 지연된다. 다시 말해, 과충전시 전류차단시간이 지연된다. 따라서, 그 지연된 시간만큼 과충전이 더 진행되고, 또한 전지 온도도 더 증가함으로써, 전지의 폭발이나 발화가 일어날 확률이 매우 높아지는 문제가 있다. 물론, 전해액 첨가제인 싸이클로 핵산 벤젠(CHB)이나 벤츠 피렌(BP) 등의 함량을 증가시키면 과충전시 발생하는 가스량이 증가하기는 하지만, 이 경우에는 트레이드 오프(trade off) 관계에 있는 전지의 용량이나 품질이 저하되는 다른 여러 가지 문제가 발생한다.

본 발명은 상술한 종래의 원통형 이차전지의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 캔에 내장된 전극조립체와 캡조립체 사이의 빈 공간 발생의 문제를 해결할 수 있는 구조를 가진 원통형 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 과충전시 빠른 시간 내에 벤트어셈블리를 작동시켜 전류차단기의 회로기판의 연결을 끊음으로써 전지의 폭발 및 발화를 방지하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 전지의 낙하 또는 진동시 유동하는 젤리롤의 충격에 의해 벤트어셈블리의 파손을 방지하고, 젤리롤과 전극탭과의 결합 등의 손상을 방지하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 전극조립체와 캡조립체 사이를 절연시키는 상절연판을 가스켓과 일체화시킨 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체;

상기 전극조립체가 수용되는 캔;

상기 전극조립체가 수용되는 캔의 상부에 조립되는 캡조립체; 및

상기 캡조립체와 상기 캔의 상부 사이에 개재된 채 압착되어 상기 캡조립체와 상기 캔 사이의 절연 및 밀폐를 유지시키는 가스켓;을 구비하는 원통형 이차전지로서,

상기 가스켓의 하부는, 상기 전극조립체에 형성된 전극탭 중 적어도 하나 및 전지 내부에서 발생한 가스가 인출될 수 있는 통공을 구비하며, 상기 가스켓의 중심축을 향하여 연장되어 연장부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 가스켓의 연장부는, 상기 가스켓의 타부분보다 두껍게 형성될 수도 있고, 상기 연장부의 두께는 상기 캔의 측벽에 형성되어 있는 비딩부의 두께에 해당할 수도 있다.

또한, 상기 가스켓의 하단이 상기 캔의 측벽에 형성되어 있는 비딩부의 하단 이하에 위치할 수도 있다. 이 경우, 상기 가스켓의 하단이 상기 전극조립체의 상단과 접촉하여 위치할 수도 있다.

또한, 상기 가스켓의 하부의 연장부는, 전지의 낙하 또는 진동시 상기 전극조립체 또는 센터핀에 의한 충격을 흡수할 수 있는 재질로 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 가스켓의 하부의 연장부는, 상기 전극조립체와 상기 캡조립체 사이를 절연시킬 수 있는 재질로 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 가스켓의 하부의 연장부는, 상기 가스켓의 그 밖의 부분과 같은 재질일 수도 있다.

한편, 상기 가스켓의 하부의 연장부의 형상을 유지시키기 위해, 상기 가스켓의 중심축에 수직방향으로 상기 연장부에 1 이상의 지지부를 형성할 수도 있다.

또한, 상기 가스켓의 하부의 연장부에 가스 인출을 위한 1 이상의 홀이 형성되어 있을 수도 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지를 나타내는 분리 사시도이고, 도 3 은 도 2 의 원통형 이차전지의 정단면도이다.

도 2 및 도 3 을 참조하면, 원통형 이차전지는 전극조립체(20)와, 전극조립체(20)를 수용하는 캔(10)과, 이 캔(10)과 결합되는 캡조립체(80)와, 상기 캔(10)의 상부와 캡조립체(80) 사이에 개재되는 가스켓(30)을 포함한다.

전극조립체(20)는 통상 전기용량을 높이기 위해 서로 다른 두 전극(25)을 넓은 판형으로 형성한 뒤, 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(21, 23)를 이들 두 전극 사이 및 두 전극 아래쪽 혹은 위쪽에 위치시켜 적층하고, 원형으로 권취하여 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 만든다. 두 전극판은 각각 알미늄과 구리로 된 금속 포일 혹은 금속 메쉬로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어진다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 이루어진다. 용매는 이후의 전극형성 공정에서 제거된다. 전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재한다. 무지부에는 한 전극판에 하나씩 전극탭(27, 29)이 설치되며, 전극탭은 하나가 원통형 캔의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출되도록 형성될 수도 있고, 두 탭 모두 개구부 방향인 위쪽으로 인출되도록 형성될 수도 있다.

캔(10)은 도시된 바와 같이 원통의 형상을 가지고 있고, 알미늄 또는 알미늄 합금 같은 경량의 전도성 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성된다. 이 원통형 캔(10) 내에 하절연판(13b)과 전극조립체(20)와 상절연판(13a)이 순서대로 설치된다. 이때, 젤리롤의 풀림을 방지하고 내부가스의 이동통로의 역할을 수행하는 센터핀(18)이 젤리롤 중앙의 빈 공간에 삽입될 수도 있다. 아래쪽으로 인출되는 전극탭(29)은 젤리롤형 전극조립체(20)의 하면과 평행하도록 절곡되고, 원통형 캔(10)의 바닥면에 용접된다. 이때 전극조립체(20)의 하면이 캔(10)의 바닥면과 단락되지 않도록 절곡된 전극탭(29) 부분과 전극조립체(20)의 하면 사이에는 하절연판(13b)이 위치하도록 한다. 상절연판(13a)은 젤리롤과 캡조립체(80) 사이를 절연시키는 역할을 수행하고, 센터핀(18)에 대응되는 위치에 홀(미도시)이 없는 경우에는 전지의 낙하 또는 진동시 센터핀(18)의 움직임을 막아주는 역할을 수행하기도 한다. 하절연판(13b)과 전극조립체(20)와 상절연판(13a)이 수용된 원통형 캔(10)에 있어서, 상절연판(13a)의 상단 바로 윗부분의 캔(10)의 외주를 따라 외부에서 안쪽으로 가압하여 비딩부(15)를 형성함으로써 전극조립체(20)의 유동을 방지할 수도 있다.

이후, 원통형 캔에는 전해액이 주입된다. 이 전해액은 충·방전시 전극(25)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기용매류의 혼합물인 비수질계 유기전해액일 수도 있고, 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상기 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.

캡조립체(80)는 도시한 바와 같이 벤트(40), 전류차단기(50), PTC(60) 및 캡업(70)이 아래쪽부터 순서대로 위치한다. 캡조립체(80)의 가장 아래쪽에는 벤트(40)가 위치하는데, 이 벤트(40)의 중앙부는 아래쪽으로 볼록하게 돌출되어 전극탭(27)과 전기적으로 접속되는 전기접속부(42)를 가지고 있다. 벤트(40) 위쪽에는 벤트(40)의 전기접속부(42)가 내부압력에 의해 위로 볼록하게 변형됨으로써 파단되도 록 이루어진 전류차단기(CID: Current Interrupt Device)(50)가 설치되어 있다. 이 전류차단기(50) 위쪽에는 PTC(Positive Thermal Coefficient)(60)가 설치되어 있는데, 이 PTC는 전지의 과열에 의해 전지 내 전류의 흐름을 차단한다. PTC 위쪽에는 외부와 전기 접속되도록 볼록하게 형성된 전극단자를 갖는 캡업(Cap Up)(70)이 설치되어 있다.

상기 캔(10)의 상부와 상기 캡조립체(80) 사이에는 가스켓(30)이 위치하여 캔(10)과 캡조립체(80) 사이를 밀폐시키고 절연시키는 종래의 역할을 수행하면서, 전극조립체(20)와 캡조립체(80) 사이를 절연시키기도 하고, 전지의 낙하 또는 진동시 유동하는 전극조립체(20)에 의한 충격을 흡수하기도 하며, 과충전시 발생하는 전류차단기(CID)의 작동시간을 앞당기는 역할을 수행하기도 한다.

보다 상세하게는 다음과 같다.

도 4a , 도 4b, 및 도 4c 는 각각 가스켓(30)의 하부에 본 발명에 따른 연장부(32)가 제공되어 있는 가스켓(30)을 나타내는 사시도, 평면도, 정면도를 나타낸다.

상기 도면들 및 도 3 을 참조하면, 상기 가스켓(30)의 하부는, 상기 전극조립체(20)에 형성된 전극탭(27, 29) 중 적어도 하나 및 전지 내부에서 발생한 가스가 인출될 수 있는 통공(34)을 구비하며, 상기 가스켓(30)의 중심축을 향하여 연장되어 연장부(32)를 형성하고 있다. 이때, 상기 가스켓(30)의 연장부는, 벤트(40)의 변형 또는 파열시간을 지연시키는 한 원인으로 생각되고 있는 보이드 볼륨 등의 공간을 채우기 위해, 상기 가스켓(30)의 타부분보다 두껍게 형성되어 있을 수도 있는 데, 상기 연장부(32)의 두께는 상기 캔(10)의 측벽에 형성되어 있는 비딩부(15)의 두께에 해당할 수도 있고, 상기 가스켓(30)의 하단이 상기 캔(10)의 측벽에 형성되어 있는 비딩부(15)의 하단 이하에 위치할 수도 있다.

예를 들어, 전지의 종류에 따라 약간씩 차이가 있기는 하지만, 전지 내부의 벤트를 변형시키는 압력(또는 전류차단기의 회로기판을 파괴시키는 압력)은 대략 5∼11Kgf/cm²이고, 보이드 볼륨이 대략 2ml이면, 상기 벤트의 변형을 위해 대략 10~22ml의 가스가 필요하다. 그러나, 계산상 전해액 중에 포함된 0.7%의 CHB가 모두 분해된다고 해도 대략 4.116ml의 가스가 발생하고, 또한 0.3%의 BP가 모두 분해된다고 해도 대략 1.833ml의 가스가 발생한다. 더불어, 화성공정에서 대략 1.5ml의 가스가 더 발생한다. 그러나, 이러한 3가지 가스를 모두 합쳐도 대략 7.449ml밖에 안되고, 이때 대략 3.75kgf/cm²의 힘을 상기 벤트에 가하게 될 뿐이다. 즉, 과충전시 벤트를 변형시키거나 또는 이로 인해 회로기판을 파괴시키는 압력은 대략 5~11Kgf/cm²가 필요하지만, 실제로 보이드 볼륨에 의해 대략 3.75kgf/cm²만 제공됨으로써, 벤트가 동작하지 않거나 또는 벤트의 동작시간이 지연된다.

그런데, 상기 예에서, 보이드 볼륨이 2ml에서 대략 1ml로 감소하면, 상기 벤트의 변형을 위해 대략 5~11ml의 가스만 필요로 하게 되므로, 이론상 전해액 중에 포함된 0.7%의 CHB 및 0.3%의 BP가 모두 분해되기 이전에도 상기 벤트를 변형시켜 전류차단기를 작동시킬 수 있어 전지의 폭발이나 발화가 일어날 확률을 매우 낮출 수 있다. 물론, 상기 수치들은 온도 등의 변수를 고려하지 않은 값이지만, 보이드 볼륨의 감소로 인하여 전류차단시간이 앞당겨짐을 개략적으로 알 수 있다.

한편, 상기 가스켓(30)의 하부의 연장부(32)는, 전지 낙하시 젤리롤 또는 센터핀에 의한 충격이 벤트어셈블리에 가해지기 전에 미리 그 충격에 대한 배리어(barrier)의 역할을 수행하여 전류차단기(50)의 보호회로의 파손을 방지한다. 이 경우, 전지의 낙하 또는 진동시 전극조립체(20) 또는 센터핀(18)이 유동할 수 있는 공간을 일부 제거하기 위해, 상기 가스켓(30)의 하단과 상기 전극조립체(20)와의 간격이 좁은 것이 바람직하며, 따라서 상기 가스켓(30)의 하단이 상기 캔(10) 측벽에 형성되어 있는 비딩부(15)의 하단 이하에 위치하는 것이 바람직하다. 이로써, 전지의 안정성을 구조적으로 확보할 수 있게 된다. 나아가, 상기 가스켓(30)의 하부의 연장부(32)는, 전지의 낙하 또는 진동시 상기 전극조립체(20) 또는 센터핀에 의한 충격을 흡수할 수 있는 재질로 이루어질 수도 있다. 이에 따라, 유동하는 전극조립체(20) 또는 센터핀(18)이 벤트(40)에 가하는 충격에 의해 전류차단기(50)의 회로기판 또는 벤트(40)가 파손되거나, 젤리롤과 전극탭(27) 사이의 결합이 손상되는 등의 문제점을 해결할 수 있다.

도 5a 는 종래의 가스켓을 채택한 원통형 이차전지의 정단면도로서, 전지 낙하시 젤리롤 또는 센터핀에 의한 충격에 의해 벤트어셈블리가 변형되기 바로 전의 모습을 나타내는 도면이고, 도 5b 는 본 발명에 따른 가스켓을 채택한 원통형 이차전지의 정단면도로서, 전지 낙하시 젤리롤 또는 센터핀에 의한 충격이 벤트어셈블리에 가해지기 전에 가스켓의 하부의 연장부에 의해 그 충격이 흡수되는 것을 나타내는 도면이다.

도 6a 는 도 5b 에서 도시한 가스켓의 구조를 갖는 원통형 이차전지 수 개를 1회, 9회, 12회째 낙하시킨 후 각각의 OCV(Open Circuit Voltage)를 측정하여 그 전압의 분포를 나타낸 그래프이고, 도 6b 는 도 5b 에서 도시한 가스켓의 구조를 갖는 원통형 이차전지 수 개를 1회, 9회, 12회째 낙하시킨 후 각각의 IR(Internal Resistance)을 측정하여 그 내부저항의 분포를 나타낸 그래프이다. 도 6a , 도 6b 에서 나타낸 바와 같이, 전지 낙하시 젤리롤 또는 센터핀에 의한 충격이 벤트어셈블리에 가해지기 전에 가스켓의 하부의 연장부에 의해 그 충격이 흡수되어 전류차단기의 보호회로가 파손되지 않으므로, 결국 OCV 및 IR 값은 수 회의 전지 낙하에도 불구하고 일정한 값을 유지할 수 있게 된다.

또한, 상기 가스켓(30)의 하부의 연장부(32)는, 상기 전극조립체와 상기 캡조립체 사이를 절연시킬 수 있는 재질로 이루어질 수도 있고, 이에 따라 상기 가스켓(30)의 하단은 상기 전극조립체(20)의 상단과 접촉하여 위치할 수도 있다. 따라서, 종래의 원통형 이차전지의 경우와 달리, 상절연판(13a)이 불필요할 수도 있으며, 이러한 경우에는 종래의 상절연판(13a)이 차지한 부피만큼 전극조립체(20)의 전극판을 확대시켜 전지용량을 증대시키거나 혹은 전지를 소형화시킬 수 있다. 이와 함께, 공정의 단순화 및 비용절감의 효과도 있을 수 있다.

한편, 상기 가스켓(30)의 하부의 연장부(32)는, 상기 가스켓(30)의 그 밖의 부분과 같은 재질인 것이 바람직한데, 이는 같은 재질일 경우 본 발명에 따른 가스켓 제조공정이 용이하고, 전극조립체(20)와 캡조립체(80) 사이에 개재되어 이들 두 부품 사이를 절연시키는 역할을 수행하여 종래의 상절연판을 대체할 수도 있으며, 전해액과도 반응하지 않아 안정성을 확보할 수도 있기 때문이다.

또한, 상기 가스켓(30)의 하부의 연장부(32)에 1 이상의 지지부(36)를 형성할 수도 있다. 도 4a 를 참조하면, 상기 지지부(36)는 그 일단이 가스켓(30)의 하측부에 결합되어 있고, 그 장변이 가스켓의 중심축에 수직방향으로 연장부(32) 상에 결합되어 있다. 이 지지부(36)는, 가스켓(30)의 하부의 연장부(32)의 형상을 유지시키고 가스켓(30)의 변형을 방지하여 상술한 본 발명에 따른 역할들을 수행할 수 있도록 한다.

도 7 은 본 발명인 원통형 전지의 가스켓의 다른 실시예로서, 가스켓(30)의 연장부(32)에 홀(38)이 형성되어 있는 가스켓(30)을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이, 상기 가스켓(30)의 하부의 연장부(32)에는 가스 인출을 위한 1 이상의 홀(38)이 별도로 형성되어 있을 수도 있다. 즉, 도 4a 에서 나타낸 가스켓(30)의 경우에는 통공(34)이 전극탭 및 가스의 인출 통로의 역할을 수행하므로, 전류차단기의 전류차단시간과 관련하여 통공(34)의 크기를 줄이는 데 한계가 있을 수 있으나, 도 7 에 나타낸 가스켓(30)의 경우에는 가스 인출을 위한 별도의 홀(38)이 존재하므로 전극탭 인출을 위한 통공(34)의 크기 설계의 부담이 감소될 수 있다. 이와 함께, 전극조립체(20)와 캡조립체(80)와의 절연 부분을 분산시킬 수 있어 가스켓(30)이 상절연판의 역할을 수행하는 데 도움을 준다. 또한, 전지의 낙하 또는 진동시 센터핀의 충격에 의한 벤트어셈블리의 파손을 방지할 수도 있다. 즉, 통공(34)의 부피와 홀(38)의 부피와는 상보관계에 있게 된다.

본 발명에 따르면, 과충전시 빠른 시간 내에 벤트어셈블리를 작동시켜 전류차단기의 회로기판의 연결을 끊음으로써 전지의 폭발 및 발화를 방지할 수도 있다.

또한, 전지의 낙하 또는 진동시 유동하는 젤리롤의 충격에 의해 벤트어셈블리의 파손을 방지하고, 젤리롤과 전극탭과의 결합 등의 손상을 방지할 수 있다.

또한, 가스켓이 전극조립체와 캡조립체 사이를 절연시키는 상절연판의 역할도 수행할 수 있으므로, 종래의 상절연판이 차지한 부피만큼 전극조립체의 전극판을 확대시켜 전지용량을 증대시키거나 혹은 전지를 소형화시킬 수도 있으며, 이와 함께 공정의 단순화 및 비용절감의 효과도 있을 수 있다.

본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체;

상기 전극조립체가 수용되는 캔;

상기 전극조립체가 수용되는 캔의 상부에 조립되는 캡조립체; 및

상기 캡조립체와 상기 캔의 상부 사이에 개재된 채 압착되어 상기 캡조립체와 상기 캔 사이의 절연 및 밀폐를 유지시키는 가스켓;을 구비하는 원통형 이차전지에 있어서,

상기 가스켓의 하부는, 상기 전극조립체에 형성된 전극탭 중 적어도 하나 및 전지 내부에서 발생한 가스가 인출될 수 있는 통공을 구비하며, 상기 가스켓의 중심축을 향하여 연장되어 연장부를 형성하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 가스켓의 연장부는, 상기 가스켓의 타부분보다 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
제 2 항에 있어서,

상기 연장부의 두께는 상기 캔의 측벽에 형성되어 있는 비딩부의 두께에 해당하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 가스켓의 하단이 상기 캔 측벽에 형성되어 있는 비딩부의 하단 이하에 위치하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
제 4 항에 있어서,

상기 가스켓의 하단이 상기 전극조립체의 상단과 접촉하여 위치하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 가스켓의 하부의 연장부는, 전지의 낙하 또는 진동시 상기 전극조립체 또는 센터핀에 의한 충격을 흡수할 수 있는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 가스켓의 하부의 연장부는, 상기 전극조립체와 상기 캡조립체 사이를 절연시킬 수 있는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 가스켓의 하부의 연장부는, 상기 가스켓의 그 밖의 부분과 같은 재질인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 가스켓의 하부의 연장부의 형상을 유지시키기 위해, 상기 가스켓의 중심축에 수직방향으로 상기 연장부에 1 이상의 지지부를 형성하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
제 1 항에 있어서,

상기 가스켓의 하부의 연장부에 가스 인출을 위한 1 이상의 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.