KR20070078715A

KR20070078715A - 전지

Info

Publication number: KR20070078715A
Application number: KR1020070008131A
Authority: KR
Inventors: 다께시 메구로; 요시히로 독꼬
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2007-08-01
Also published as: CN101009393A; JP4747859B2; US20080107957A1; US7550225B2; KR101309430B1; JP2007200755A; CN100502140C

Abstract

본 발명의 과제는 가스가 발생하였을 때의 변형을 억제할 수 있는 전지를 제공하는 것이다.

전지 용기(20) 내부에 전지 소자(10)가 수납되어 있고, 전지 용기(20)의 개방부에는 안전 밸브(30), 열감 저항 소자(40) 및 전지 덮개(50)가 가스켓(60)을 통해 코킹됨으로써 설치되어 있다. 전지 소자(10)와 안전 밸브(30) 사이에는 절연판(71)이 배치되어 있다. 절연판(71)에는 중심부의 주위에 있어서 안전 밸브(30)의 통기구(31B)와 대향 가능한 위치에 복수의 개구부(71C)가 마련되어 있다. 개구부(71C)는 원주 방향에 있어서 7개 이상으로 분할되어 있다. 절연판(71)의 개구부(71C)와 안전 밸브(30)의 통기구(31B)와의 위치 관계가 원주 방향으로 어긋나도 그들 대향 면적을 넓게 할 수 있다.

안전 밸브, 통기구, 절연판, 전지 소자, 개구부, 전지 용기

Description

전지 {BATTERY}

도1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 이차 전지의 구성을 나타내는 단면도.

도2는 도1에 도시한 안전 밸브의 구성을 나타내는 부분 단면 분해 사시도.

도3은 도1에 도시한 절연판의 구성을 나타내는 평면도.

도4는 절연판의 개구부와 안전 밸브의 통기구와의 대향 면적을 설명하기 위한 평면도.

도5는 절연판의 개구부와 안전 밸브의 통기구와의 대향 면적을 설명하기 위한 평면도.

도6은 본 발명의 실시예에 대한 비교예에서 이용한 절연판의 구성을 나타내는 평면도.

도7은 크림프 영역을 설명하기 위한 단면도.

도8은 절연판의 개구부의 위치 및 수와 전지의 변형과의 관계를 나타내는 특성도.

도9는 종래의 전지의 구성을 나타내는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 전지 소자

11 : 정극(正極)

12 : 부극(負極)

13 : 세퍼레이터

14 : 센터 핀

15, 16 : 리드

20 : 전지 용기

30 : 안전 밸브

31 : 지지판

31A : 개구

31B : 통기구

32 : 절연 부재

33 : 반전판

33A : 돌출부

34 : 접촉판

40 : 열감 저항 소자

50 : 전지 덮개

60 : 가스켓

71, 72 : 절연판

71A : 중심 구멍

71B : 볼록부

71C : 개구부

[문헌 1] 일본 특허 공개 제2001-210384호 공보

[문헌 2] 일본 특허 공개 제2004-111105호 공보

본 발명은 전지 소자에 안전 밸브가 전기적으로 접속되고, 전지 소자와 안전 밸브 사이에 절연판이 배치된 전지에 관한 것이다.

최근, 카메라 일체형 VTR(Videotape Recorder ; 비디오테이프 레코더), 디지털 스틸 카메라, 휴대 전화, 휴대 정보 단말 혹은 노트북 컴퓨터 등의 포터블 전자 기기가 많이 등장하고, 그것의 소형 경량화가 도모되고 있다. 그에 수반하여, 이들 전자 기기의 전원으로서, 경량으로 고에너지 밀도를 얻을 수 있는 이차 전지의 개발이 진행되고 있다. 그 중에서도, 부극에 탄소 재료를 이용하고, 정극에 리튬(Li)과 천이 금속의 복합 재료를 이용하고, 전해액으로 탄산에스테르를 이용한 리튬 이온 이차 전지는 종래의 납 전지 및 니켈 카드뮴 전지에 비해 큰 에너지 밀도를 얻을 수 있으므로 널리 실용화되어 있다.

도9는 실용화되어 있는 리튬 이온 이차 전지의 일 구성예를 나타내는 단면도이다. 이 전지는 정극(111)과 부극(112)을 세퍼레이터(113)를 사이에 두고 권취한 전지 소자(110)를 한 쌍의 절연판(171, 172) 사이에 끼워 전지 용기(120)의 내부에 수납하고, 전지 용기(120)의 개방부에 안전 밸브(130) 및 전지 덮개(150)를 배치한 것이다(예를 들어, 특허문헌 1, 2 참조). 절연판(171)에는 중심부에 중심 구멍(171A)이 마련되고, 그 주위에 복수의 작은 개구부(171C)가 마련되어 있다. 중심 구멍(171A)은 전지 소자(110)의 리드(115)를 인출하여 안전 밸브(130)에 접속하는 동시에, 가열시 등에 발생한 가스를 통과시켜 안전 밸브(130)를 작용시키기 위한 것이고, 또한 전지 용기(120)의 내부에 전해액을 주입하기 위한 것이기도 하다. 주위의 개구부(171C)는 주로 전해액의 주입성을 향상시켜 절연판(171) 상에 전해액이 잔존하게 되는 것을 방지하기 위한 것이다.

그러나, 최근에는 전지 성능의 향상에 의해 에너지 밀도가 높아지고, 가열시 등에 발생하는 가스의 양이 증가하게 되었으므로, 종래의 절연판(171)에 마련되어 있는 중심 구멍(171A) 및 개구부(171C)에서는 충분히 가스를 통과시킬 수 없어, 전지가 변형되어 버리는 등의 문제가 있었다. 특히, 이 문제는 부극(112)에 주석(Sn) 혹은 규소(Si) 등의 고용량 재료를 이용하는 경우에 현저했다.

본 발명은 이러한 문제점에 비추어 이루어진 것으로서, 그 목적은 가스가 발생하였을 때의 변형을 억제할 수 있는 전지를 제공하는 데 있다.

본 발명의 전지는 전지 소자에 안전 밸브가 전기적으로 접속되고, 전지 소자와 안전 밸브 사이에 절연판이 배치된 것이며, 안전 밸브는 중심부의 주위에 복수의 통기구를 갖고, 절연판은 중심부의 주위에 있어서 안전 밸브의 통기구와 대향 가능한 위치에 원주 방향에 있어서 7개 이상으로 분할된 개구부를 갖는 것이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 이차 전지의 단면 구조를 나타내는 것이고, 도2는 도1에 도시한 안전 밸브를 분해하여 나타내고 있고, 도3은 도1에 도시한 절연판의 평면 구조를 나타내고 있다. 이 이차 전지는 소위 원통형이라 하고, 전지 소자(10)를 대략 중공 원기둥 형상의 전지 용기(20)의 내부에 수납한 것이다. 전지 소자(10)는 예를 들어 띠 형상의 정극(11)과 띠 형상의 부극(12)을 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층하여 권취된 구조를 갖고 있고, 중심에는 예를 들어 센터 핀(14)이 삽입되어 있다.

정극(11)은 예를 들어 알루미늄(Al)박 등으로 이루어지는 정극 집전체의 양면에 정극 활물질층이 설치되어 있고, 정극 집전체에는 알루미늄 등으로 이루어지는 리드(15)가 부착되어 있다. 정극 활물질층은 예를 들어 정극 활물질로서, 전극 반응 물질인 리튬을 흡장 및 방출 가능한 정극 재료의 어느 1종 또는 2종 이상을 포함하고 있고, 필요에 따라서 도전재 및 결착재를 포함하고 있어도 좋다. 리튬을 흡장 및 방출 가능한 정극 재료로서는, 예를 들어 리튬과 천이 금속 원소를 포함하는 복합 산화물, 또는 리튬과 천이 금속 원소를 포함하는 인산 화합물을 들 수 있고, 특히 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn) 및 철(Fe) 중 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다. 보다 높은 용량을 얻을 수 있기 때문이다. 그 화학식은, 예를 들어 Li_xMIO₂ 혹은 Li_yMIIPO₄로 나타낸다. 식 중, MI 및 MII는 1종류 이상의 천이 금속 원소를 나타낸다. x 및 y의 값은 전지의 충방전 상태에 따라 다르고, 통상 0.05 ≤ x ≤ 1.10, 0.05 ≤ y ≤ 1.10이다.

부극(12)은 예를 들어 구리(Cu)박으로 이루어지는 부극 집전체의 양면에 부극 활물질층이 설치되어 있고, 부극 집전체에는 구리 등으로 이루어지는 리드(16)가 부착되어 있다. 부극 활물질층은 예를 들어 부극 활물질을 포함하고 있고, 필요에 따라서 도전재 및 결착제 등의 다른 재료를 포함하고 있어도 좋다. 부극 활물질로서는, 예를 들어 전극 반응 물질인 리튬을 흡장 및 방출하는 것이 가능하고, 금속 원소 및 반금속 원소 중 적어도 1종을 구성 원소로서 포함하는 부극 재료를 들 수 있다. 이와 같은 부극 재료를 이용하면, 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문에 바람직하다. 이 부극 재료는 금속 원소 혹은 반금속 원소의 단일 부재라도 좋고, 합금이라도 좋고, 화합물이라도 좋고, 또한 이들 1종 또는 2종 이상의 상(相)을 적어도 일부에 갖는 것이라도 좋다. 또, 본 발명에 있어서, 합금에는 2종 이상의 금속 원소로 이루어지는 것에 더하여, 1종 이상의 금속 원소와 1종 이상의 반금속 원소를 포함하는 것도 포함한다. 또한, 비금속 원소를 포함하고 있어도 좋다. 그 조직에는 고용체, 공정(공융 혼합물), 금속간 화합물 혹은 그들 중 2종 이상이 공존하는 것이 있다.

이 부극 재료를 구성하는 금속 원소 혹은 반금속 원소로서는, 예를 들어 리튬과 합금을 형성 가능한 금속 원소 혹은 반금속 원소를 들 수 있다. 구체적으로는, 마그네슘(Mg), 붕소(B), 알루미늄, 갈륨(Ga), 인듐(In), 규소, 게르마늄(Ge), 주석, 납(Pb), 비스무트(Bi), 카드뮴(Cd), 은(Ag), 아연(Zn), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 팔라듐(Pd) 혹은 백금(Pt) 등을 들 수 있다.

그 중에서도, 이 부극 재료로서는, 장주기형 주기표에 있어서의 14족의 금속 원소 혹은 반금속 원소를 구성 원소로서 포함하는 것이 바람직하고, 특히 바람직한 것은 규소 및 주석의 적어도 한쪽을 구성 원소로서 포함하는 것이다. 규소 및 주석은 리튬을 흡장 및 방출하는 능력이 크고, 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문이다. 구체적으로는, 예를 들어 규소의 단일 부재, 합금, 혹은 화합물, 또는 주석의 단일 부재, 합금 혹은 화합물, 또는 이들의 1종 혹은 2종 이상의 상을 적어도 일부에 갖는 재료를 들 수 있다.

특히, 이 부극 재료로서는, 주석과, 코발트와, 탄소(C)를 구성 원소로서 포함하는 CoSnC 함유 재료, 또는 주석과, 철과, 탄소를 구성 원소로서 포함하는 FeSnC 함유 재료가 바람직하다. 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있는 동시에, 우수한 사이클 특성을 얻을 수 있기 때문이다. 이 CoSnC 함유 재료는 주석과 코발트와 탄소를 포함하는 상을 갖고, 이 상은 결정성이 낮은 또는 비정질의 구조를 갖고 있는 것이 바람직하다. 마찬가지로, FeSnC 함유 재료는 주석과 철과 탄소를 포함하는 상을 갖고, 이 상은 결정성이 낮은 또는 비정질의 구조를 갖고 있는 것이 바람직하다. 또한, CoSnC 함유 재료 및 FeSnC 함유 재료에 있어서, 구성 원소인 탄소의 적어도 일부는 다른 구성 원소인 금속 원소 또는 반금속 원소와 결합하고 있는 것이 바람직하다. 사이클 특성의 저하는 주석 등이 응집 혹은 결정화하는 것에 의한 것이라 생각되지만, 탄소가 다른 원소와 결합함으로써, 그와 같은 응집 혹은 결정화를 억제할 수 있기 때문이다. 또, 이들 CoSnC 함유 재료 및 FeSnC 함유 재료는 필요에 따라서 또 다른 구성 원소를 포함하고 있어도 좋다.

부극 활물질로서는, 또한 천연 흑연, 인조 흑연, 난흑연화탄소(難黑鉛化炭素) 혹은 이흑연화탄소(易黑鉛化炭素) 등의 탄소 재료를 이용해도 좋다. 탄소 재료를 이용하면 우수한 사이클 특성을 얻을 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 부극 활물질로서는, 리튬 금속도 들 수 있다. 부극 활물질은 이들 1종을 단독으로 이용해도 좋지만, 2종 이상을 혼합하여 이용해도 좋다.

세퍼레이터(13)는 예를 들어 폴리프로필렌 혹은 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계의 재료로 이루어지는 다공질막, 또는 세라믹제의 부직포 등의 무기 재료로 이루어지는 다공질막에 의해 구성되어 있고, 이들 2종 이상의 다공질막을 적층한 구조로 되어 있어도 좋다.

세퍼레이터(13)에는 예를 들어 액상의 전해질인 전해액이 함침되어 있다. 전해액은 예를 들어 용매와, 전해질염을 포함하고 있다. 용매로서는, 예를 들어 탄산프로필렌, 탄산에틸렌, 탄산디에틸, 탄산디메틸, 1, 2-디메톡시에탄, 1, 2-디에톡시에탄, γ-부티롤락톤, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1, 3-디옥솔란, 4-메틸-1, 3-디옥솔란, 디에틸에테르, 설포레인, 메틸설포레인, 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 아니솔, 아세트산에스테르, 낙산에스테르 혹은 프로피온산에스테르 등의 비수용매를 들 수 있다. 전해질염으로서는, 예를 들어 LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄, LiAsF₆, LiB(C₆H₅)₄, CH₃SO₃Li, CF₃SO₃Li, (CF₃SO₂)₂NLi, (CF₃SO₂)₃CLi, (C₂F₅SO₂)₂NLi, LiCl 혹은 LiBr 등의 리튬염을 들 수 있다. 용매 및 전해질염에는 1종을 단독으로 이용해도 좋지만, 2종 이상을 혼합하여 이용해도 좋다.

전지 용기(20)는 예를 들어 니켈이 도금된 철 혹은 스테인레스강에 의해 구성되어 있고, 일단부측이 폐쇄되고 타단부측이 개방되어 있다. 전지 용기(20)는 폐쇄부에 리드(16)가 용접되어 있고, 부극 단자로서 기능하도록 되어 있다. 또한, 전지 용기(20)의 개방부에는 안전 밸브(30), 열감 저항 소자(Positive Temperature Coefficient ; PTC 소자)(40) 및 전지 덮개(50)가 가스켓(60)을 통해 코킹됨으로써 설치되어 있고, 전지 용기(20)의 내부는 밀폐되어 있다.

안전 밸브(30)는 예를 들어 알루미늄 등의 금속 재료로 이루어지는 지지판(31)과, 지지판(31)과의 사이에 절연 부재(32)를 끼워 배치된 알루미늄 등의 금속 재료로 이루어지는 반전판(33)을 갖고 있다. 지지판(31)의 중심부에는 예를 들어 개구(31A)가 마련되어 있고, 이 중심부의 반전판(33)과 반대측에는 알루미늄 등의 금속 재료로 이루어지는 접촉판(34)이 접합되어 있다. 접촉판(34)은 리드(15)가 용접됨으로써 전지 소자(10)와 전기적으로 접속되어 있다. 지지판(31)에는 또한 예를 들어 중심부의 주위에 복수, 예를 들어 6개의 통기구(32B)가 마련되어 있다. 이 통기구(31B)는 전지 용기(20)의 내부 압력의 변화를 반전판(33)에 전달하기 위한 것이다. 반전판(33)은 예를 들어 중심부에 전지 소자(10) 측으로 돌출된 돌출부(33A)를 구비하고 있고, 이 돌출부(33A)가 지지판(31)의 개구(31A)에 삽입되어 접촉판(34)과 접촉하고 있다. 이에 의해, 반전판(33)은 열감 저항 소자(40)를 통해 전지 덮개(50)와 리드(15)를 전기적으로 접속하고 있고, 전지 덮개(50)는 정극 단자로서 기능하도록 되어 있다. 또한, 반전판(33)은 지지판(31)의 개구(31A)를 통해 전지 용기(20)의 내부 압력의 상승이 전달되면, 전지 덮개(50) 측으로 변 형하고, 내부 압력의 상승을 완화시키는 동시에, 리드(15)와의 전기적 접속을 차단하여 전지 덮개(50)와 전지 소자(10)와의 전기적 접속을 차단하도록 되어 있다. 또, 안전 밸브(30)에는 접촉판(34)을 설치하지 않고, 리드(15)를 반전판(33)의 돌출부(33A)에 직접 접촉시키도록 해도 좋다.

전지 용기(20)의 내부에는 또한 전지 소자(10)를 사이에 끼우도록 한 쌍의 절연판(71, 72)이 배치되어 있다. 절연판(71)은 전지 소자(10)와 안전 밸브(30) 사이에 배치되어 있고, 절연판(72)은 전지 용기(20)의 폐쇄부측에 있어서 전지 소자(10)와 전지 용기(20) 사이에 배치되어 있다. 절연판(71, 72)은 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌술파이드 등의 플라스틱에 의해 구성되어 있다. 절연판(71, 72)의 두께는 예를 들어 0.1 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.

절연판(71)은 예를 들어 중심부에 중심 구멍(71A)을 갖고 있다. 이 중심 구멍(71A)은 리드(15)를 인출하는 동시에, 전지 용기(20)의 내부에 전해액을 주입하기 위한 것이고, 또한 전지 용기(20)의 내부 압력이 상승한 경우에 가스를 통과시키기 위한 것이다. 중심 구멍(71A)에는 예를 들어 중심부를 향해 돌출된 볼록부(71B)가 마련되어 있고, 센터 핀(14)이 중심 구멍(71A)으로부터 돌출되어 리드(15)를 손상시키는 것을 방지하도록 되어 있다.

절연판(71)은, 또한 예를 들어 중심부의 주위에 복수의 개구부(71C)를 갖고 있다. 이 개구부(71C)는 전해액을 주입할 때의 주입성을 향상시키는 동시에, 전지 용기(20)의 내부 압력이 상승하였을 때에 가스를 보다 조속히 통과시키기 위한 것 이다. 개구부(71C)는 안전 밸브(30)의 통기구(31B)와 대향 가능한 위치, 구체적으로는 절연판(71)의 중심부를 중심으로 하여 회전시켰을 때에 통기구(31B)와 대향하는 영역에 마련되어 있다. 개구부(71C)는 또한 원주 방향에 있어서 7개 이상으로 분할되어 있다. 6개 이하에서는, 예를 들어 도4에 도시한 바와 같이 절연판(171)의 개구부(171)와 지지판(131)의 통기구(131B)와의 위치 관계가 원주 방향으로 어긋나면 그들의 대향 면적이 좁아지게 되는 것에 반해, 7개 이상으로 하면, 예를 들어 도5a, 도5b에 나타낸 바와 같이 그들의 위치 관계가 원주 방향으로 어긋나도 대향 면적을 넓게 할 수 있기 때문이다. 또, 도4 및 도5에서는 절연판(71, 171)의 개구부(71C, 171C)와 지지판(31, 131)의 통기구(31B, 131B)와의 대향 영역을 알기 쉽게 하기 위해, 그 대향 영역에 좌측 하부 사선을 부여하여 나타내고 있다. 또한, 도3 및 도5는 개구부(71C)를 8개로 분할한 경우를 예로서 나타내고 있고, 도5는 (1)과 (2)에서 절연판(71)이 π/8rad 회전한 상태를 나타내고 있다.

개구부(71C)의 원주 방향에 있어서의 분할수는 9개 이하인 것이 바람직하고, 8개가 가장 바람직하다. 9개보다도 많으면, 절연판의 강도를 확보하는 것이 어렵기 때문이다. 또한, 개구부(71C)의 원주 방향에 있어서의 사이의 거리는 0.1 ㎜ 이상인 것이 바람직하고, 개구부(71C)와 중심 구멍(71A) 사이에 거리는 0.1 ㎜ 이상인 것이 바람직하다. 이것보다도 짧으면 절연판(71)의 강도를 확보하는 것이 어렵기 때문이다. 또한, 개구부(71C)의 1개당 크기는 0.78 ㎟ 이상 7.1 ㎟ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 너무 크면 절연판(71)의 강도를 확보하는 것이 어렵고, 너무 작으면 가스의 통과성을 확보하는 것이 어렵고, 또한 생산성도 저하되고, 게다가 리드(15)가 인입하여 내부 쇼트를 발생시킬 우려가 있기 때문이다.

또, 도3 및 도5에서는 개구부(71C)가 중심 구멍(71A)과 분리되어 있는 경우에 대해 도시하였지만, 개구부(71C)는 중심 구멍(71A)과 일부에 있어서 연속하고 있어도 좋다. 단, 도3에 도시한 바와 같이 분리되어 있는 쪽이 바람직하다. 리드(15)가 인입하여 내부 쇼트를 발생시키거나, 또는 리드(15)가 손상될 우려가 있기 때문이다. 또한, 도3 및 도5에서는 개구부(71C)의 형상을 원형으로 하는 경우에 대해 도시하였지만, 원형에 한정되지 않고, 다각형, 부채꼴형 등의 다른 형상으로 해도 좋다.

이 이차 전지는, 예를 들어 다음과 같이 하여 제조할 수 있다.

우선, 예를 들어 정극 활물질과 도전제와 결착제를 혼합하여 분산매에 분산시키고, 정극 집전체에 도포하여 건조시킨 후 압축 성형하여 정극 활물질층을 형성하고, 정극(11)을 제작한다. 계속해서, 정극 집전체에 리드(15)를 접합한다. 또한, 예를 들어 부극 활물질과 결착제 등을 혼합하여 분산매에 분산시키고, 부극 집전체에 도포하여 건조시킨 후 압축 성형하여 부극 활물질층을 형성하고, 부극(12)을 제작한다. 이어서, 부극 집전체에 리드(16)를 접합한다.

계속해서, 정극(11)과 부극(12)을 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층하고, 다수회 권취하여 권취 전극체를 제작한다. 그 후, 권취 전극체의 중심에 센터 핀(14)을 삽입하고, 리드(15)를 안전 밸브(30)에 접합하는 동시에 리드(16)를 전지 용기(20)에 접합하고, 권취 전극체를 절연판(71, 72) 사이에 끼워 전지 용기(20)의 내부에 수납한다. 이어서, 전지 용기(20)의 내부에 절연판(71) 상으로부터 전해액 을 주입하여 세퍼레이터(13)에 함침시킨다. 계속해서, 전지 용기(20)의 개방부에 안전 밸브(30), 열감 저항 소자(40) 및 전지 덮개(50)를 가스켓(60)을 통해 코킹함으로써 고정한다. 이에 의해, 본 실시 형태에 관한 이차 전지를 얻을 수 있다.

이 이차 전지에서는, 충전을 행하면, 예를 들어 정극(11)으로부터 리튬 이온이 방출되고, 전해액을 통해 부극(12)에 흡장된다. 방전을 행하면, 예를 들어 부극(12)으로부터 리튬 이온이 방출되고, 전해액을 통해 정극(11)에 흡장된다. 또한, 이 이차 전지에서는 온도 상승 등에 의해 전해액이 분해되어 가스가 발생하는 경우가 있다. 특히, 부극(12)에 전극 반응 물질을 흡장 및 방출하는 것이 가능하고, 구성 원소로서 금속 원소 및 반금속 원소 중 적어도 1종을 포함하는 부극 활물질을 이용하는 경우에는, 전지의 에너지 밀도가 높기 때문에 가스의 발생량도 많아진다. 단, 본 실시 형태에서는, 절연판(71)의 중심부의 주위에 있어서 안전 밸브(30)의 통기구(31B)와 대향 가능한 위치에 개구부(71C)가 원주 방향에 있어서 7개 이상으로 분할되어 마련되어 있으므로, 절연판(71)의 개구부(71C)와 안전 밸브(30)의 통기구(31B)와의 대향 면적이 넓게 되어 있다. 따라서, 발생한 가스가 조속히 통과하여 안전 밸브(30)를 동작시켜 전지의 변형이 억제된다.

이와 같이 본 실시 형태에 따르면, 절연판(71)의 중심부의 주위에 있어서 안전 밸브(30)의 통기구(31B)와 대향 가능한 위치에 개구부(71C)를 원주 방향에 있어서 7개 이상으로 분할하여 마련하도록 하였으므로, 조립시 등에 절연판(71)의 개구부(71C)와 안전 밸브(30)의 통기구(31B)와의 위치 관계가 원주 방향으로 어긋나도, 그들의 대향 면적을 넓게 할 수 있다. 따라서, 가스가 발생하였을 때에, 조속히 가스를 통과시켜 안전 밸브(30)를 동작시킬 수 있어, 전지의 변형을 억제할 수 있다.

특히, 부극(12)에 전극 반응 물질을 흡장 및 방출하는 것이 가능하고, 구성 원소로서 금속 원소 및 반금속 원소 중 적어도 1종을 포함하는 부극 활물질, 예를 들어 주석 및 규소 중 적어도 한쪽을 구성 원소로서 포함하는 재료를 포함하는 경우에 보다 높은 효과를 얻을 수 있다.

또한, 개구부(71C)의 원주 방향에 있어서의 분할수를 9개 이하로 하도록 하면, 또는 개구부(71C)의 원주 방향에 있어서의 사이의 거리를 0.1 ㎜ 이상, 개구부(71C)와 중심 구멍(71A) 사이의 거리를 0.1 ㎜ 이상으로 하도록 하면, 또는 개구부(71C)의 1개당 크기를 0.78 ㎟ 이상 7.1 ㎟ 이하의 범위 내로 하도록 하면, 가스의 통과성을 확보하면서 절연판(71)의 강도를 확보할 수 있다.

[실시예]

또한, 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

제1 내지 제3 실시예로서 실시 형태에서 설명한 이차 전지를 제작하였다. 우선, 정극 활물질로서 코발트산리튬(LiCoO₂)을 이용하여, 이 코발트산리튬과, 도전제인 그라파이트와, 결착제인 폴리불화비닐리덴을 혼합하여 분산매에 분산시켜, 알루미늄박으로 이루어지는 정극 집전체의 양면에 도포하여 건조시킨 후, 압축 성형하여 정극 활물질층을 형성하고, 정극(11)을 제작하였다. 이어서, 정극 집전체에 알루미늄제의 리드(15)를 부착하였다.

또한, 부극 활물질로서 CoSnC 함유 재료를 이용하여 이 CoSnC 함유 재료와, 도전제 및 부극 활물질인 인조 흑연 및 카본블랙과, 결착제인 폴리불화비닐리덴을 혼합하여 분산매에 분산시켜, 구리박으로 이루어지는 부극 집전체의 양면에 도포하여 건조시킨 후, 압축 성형하여 부극 활물질층 형성하고, 부극(12)을 제작하였다. 이어서, 부극 집전체에 니켈제의 리드(16)를 부착하였다.

또, CoSnC 함유 재료는 주석 코발트 합금 분말과 탄소 분말을 혼합하여, 기계 화학적 반응을 이용하여 합성하였다. 합성한 CoSnC 함유 재료에 대해 조성의 분석을 행한 결과, 코발트의 함유량은 29.3 질량 %、주석의 함유량은 49.9 질량 %, 탄소의 함유량은 19.8 질량 %였다. 또, 탄소의 함유량은 탄소ㆍ유황 분석 장치에 의해 측정하고, 코발트 및 주석의 함유량은 ICP(Inductively Coupled Plasma : 유도 결합 플라즈마) 발광 분석에 의해 측정하였다. 또한, 이 CoSnC 함유 재료에 대해 X선 회절을 행한 결과, 회절각(2θ) = 20°내지 50°사이에, 회절각(2θ)이 1.0°이상의 넓은 반치폭(half bandwidth)을 갖는 회절 피크가 관찰되었다. 또한, 이 CoSnC 함유 재료에 대해 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy ; X선 광전자 분광법)를 행한 결과, CoSnC 함유 재료 중에 있어서의 C1s의 피크가 284.5e V보다도 낮은 영역에서 얻어져, CoSnC 함유 재료 중의 탄소가 다른 원소와 결합하고 있는 것이 확인되었다.

계속해서, 미공성(微孔性) 폴리프로필렌 필름으로 이루어지는 세퍼레이터(13)를 준비하여, 정극(11), 세퍼레이터(13), 부극(12), 세퍼레이터(13)의 순으로 적층한 후, 소용돌이 형상으로 다수회 권취하여 권취 전극체를 제작하였다. 그 후, 권취 전극체의 중심에 센터 핀(14)을 삽입하고, 리드(15)를 안전 밸브(30)에 접합하는 동시에 리드(16)를 전지 용기(20)에 접합하고, 권취 전극체를 절연판(71, 72) 사이에 두고 전지 용기(20)의 내부에 수납하였다.

그 때, 절연판(71)에는 도3에 도시한 바와 같이, 중심 구멍(71A)과 복수의 개구부(71C)를 마련한 것을 이용하고, 개구부(71C)의 수, 즉 원주 방향에 있어서의 분할수는 제1 실시예가 7개, 제2 실시예가 8개, 제3 실시예가 9개로 하였다. 또, 각 개구부(71C)는 직경이 약 2 ㎜, 면적이 약 3.14 ㎟인 원형으로 하고, 각 개구부(71C) 사이의 거리 및 각 개구부(71C)와 중심 구멍(71A) 사이의 거리는 각각 0.1 ㎜ 이상으로 하였다.

계속해서, 전지 용기(20)의 내부에 절연판(71) 상으로부터 전해액을 주입하였다. 전해액에는, 탄산에틸렌 50 체적 %와 탄산디에틸 50 체적 %를 혼합한 용매에 전해질염으로서 LiPF₆을 1 mol/ℓ의 함유량으로 용해시킨 것을 이용하였다. 계속해서, 전지 용기(20)의 개방부에 안전 밸브(30), 열감 저항 소자(40) 및 전지 덮개(50)를 가스켓(60)을 통해 코킹함으로써 고정하였다. 이에 의해 제1 내지 제3 실시예의 이차 전지를 얻었다.

본 실시예에 대한 제1, 제2 비교예로서, 도6a, 도6b에 도시한 바와 같이, 절연판(171)의 개구부(171C)를 제1 내지 제3 실시예보다도 외주측에 마련하여 가스켓(160)과 겹쳐서 지지판(131)의 통기구(131B)의 대향 면적을 좁게 하는 동시에, 개구부(171C)의 수를 5개 또는 10개로 한 것을 제외하고, 그 밖에는 제1 내지 제3 실시예와 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다. 또한, 제3 비교예로서, 절연판의 개구부의 수를 5개로 한 것을 제외하고, 그 밖에는 제1 내지 제3 실시예와 마찬가지로 하여 이차 전지를 제작하였다.

제작한 제1 내지 제3 실시예 및 제1 내지 제3 비교예의 이차 전지에 대해, 각각 5개씩 불속 투하 시험(fire drop test)을 행하여 파열된 전지의 수를 조사하는 동시에, 파열되지 않은 전지에 대해서는 도7에 도시한 크림프 영역(crimp margin)(L)의 변형량을 조사하였다. 얻어진 결과를 표1 및 도8에 나타낸다. 또, 표1 및 도8에 나타낸 크림프 영역(L)의 변형량은 파열되지 않은 전지에 있어서의 평균치이다.

[표1]

	절연판의 개구부수 (개)	파열된 개수 (개/5개 중)	크림프 영역 변형량 (㎜)
제1 실시예	7	0	0.26
제2 실시예	8	0	0
제3 실시예	9	0	0
제1 비교예	5	2	1.16
제2 비교예	10	1	0.68
제3 비교예	5	0	0.50

표1 및 도8에 나타낸 바와 같이, 제1 내지 제3 실시예에 따르면, 파열이 없고, 크림프 영역(L)의 변형량도 약간이었다. 이에 반해, 절연판의 개구부를 외주측에 마련하여 가스켓과 겹치도록 한 제1, 제2 비교예에서는, 파열이 발견되고, 크림프 영역(L)의 변형량도 컸다. 또한, 절연판의 개구부를 안전 밸브의 통기구와 대향 가능한 위치에 마련하고, 개구부의 수를 5개로 한 제3 비교예에서는 파열은 발견되지 않았지만, 크림프 영역(L)의 변형량을 충분하게 작게 할 수는 없었다.

즉, 안전 밸브(30)의 통기구(31B)와 대향 가능한 위치에 절연판(71)의 개구 부(71C)를 원주 방향에 있어서 7개 이상으로 분할하여 마련하도록 하면, 가스가 발생하였을 때에, 가스를 조속히 통과시켜 전지의 변형을 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다.

이상, 실시 형태 및 실시예를 들어 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 실시 형태 및 실시예에 한정되지 않고, 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시 형태 및 실시예에서는 전해질로서 전해액을 이용하는 경우에 대해 설명하였지만, 고분자 화합물에 전해액을 유지시킨 겔 형상의 전해질, 고분자 화합물에 전해질염을 분산시킨 고분자 고체 전해질, 또는 이온 전도성 세라믹스, 이온 전도성 유리 혹은 이온성 결정으로 이루어지는 무기 고체 전해질 등의 다른 전해질을 이용하도록 해도 좋다.

또한, 상기 실시 형태 및 실시예에서는 전극 반응 물질로서 리튬을 이용하는 전지에 대해 설명하였지만, 나트륨(Na) 혹은 칼륨(K) 등의 다른 알칼리 금속, 또는 마그네슘 혹은 칼슘(Ca) 등의 알칼리 토류 금속, 또는 알루미늄 등의 다른 경금속을 이용하는 경우에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 이차 전지에 한정되지 않고, 일차 전지 등의 다른 전지에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있다.

본 발명의 전지에 따르면, 절연판의 중심부의 주위에 있어서 안전 밸브의 통기구와 대향 가능한 위치에 개구부를 원주 방향에 있어서 7개 이상으로 분할하여 마련하도록 하였으므로, 절연판의 개구부와 안전 밸브의 통기구와의 위치 관계가 원주 방향으로 어긋나도 그들의 대향 면적을 넓게 할 수 있다. 따라서, 가스가 발생하였을 때에, 조속히 가스를 통과시킬 수 있고, 전지의 변형을 억제할 수 있다.

특히, 부극에 전극 반응 물질을 흡장 및 방출하는 것이 가능하고, 구성 원소로서 금속 원소 및 반금속 원소 중 적어도 1종을 포함하는 부극 활물질, 예를 들어 주석 및 규소 중 적어도 한쪽을 구성 원소로서 포함하는 재료를 포함하는 경우에는, 전지의 에너지 밀도가 높고, 가스의 발생량도 많으므로, 보다 높은 효과를 얻을 수 있다.

또한, 개구부의 원주 방향에 있어서의 분할수를 9개 이하로 하도록 하면, 또는 개구부의 원주 방향에 있어서의 사이의 거리를 0.1 ㎜ 이상으로 하도록 하면, 또는 개구부의 1개당 크기를 0.78 ㎟ 이상 7.1 ㎟ 이하의 범위 내로 하도록 하면, 가스의 통과성을 확보하면서 절연판의 강도를 확보할 수 있다.

Claims

전지 소자에 안전 밸브가 전기적으로 접속되고, 상기 전지 소자와 상기 안전 밸브 사이에 절연판이 배치된 전지이며,

상기 안전 밸브는 중심부의 주위에 복수의 통기구를 갖고,

상기 절연판은 중심부의 주위에 있어서 상기 안전 밸브의 통기구와 대향 가능한 위치에 원주 방향에 있어서 7개 이상으로 분할된 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
제1항에 있어서, 상기 개구부의 원주 방향에 있어서의 분할수는 9개 이하인 것을 특징으로 하는 전지.
제1항에 있어서, 상기 개구부의 원주 방향에 있어서의 사이의 거리는 0.1 ㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 전지.
제1항에 있어서, 상기 개구부의 1개당 크기는 0.78 ㎟ 이상 7.1 ㎟ 이하의 범위 내인 것을 특징으로 하는 전지.
제1항에 있어서, 상기 안전 밸브는 상기 통기구가 마련된 지지판과, 이 지지판과의 사이에 절연 부재를 끼워 배치된 반전판을 갖는 것을 특징으로 하는 전지.
제1항에 있어서, 상기 전지 소자는 정극과 부극을 세퍼레이터를 사이에 두고 적층하여 권취한 구조를 갖고,

상기 부극은 전극 반응 물질을 흡장 및 방출하는 것이 가능하고, 구성 원소로서 금속 원소 및 반금속 원소 중 적어도 1종을 포함하는 부극 활물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
제6항에 있어서, 상기 부극은 상기 부극 활물질로서 주석(Sn) 및 규소(Si) 중 적어도 한쪽을 구성 원소로서 포함하는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.