KR20080023372A - 안전성이 향상된 원통형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리를 장착하기 위한 클림핑 부위가 캔의 상단부에 형성되어 있는 전지로서, 상기 클림핑 부위는 내면측에 위치하는 가스켓을 감쌀 수 있도록 그것의 상단부가 소정의 곡률 반경(R)으로 완만하게 절곡되어 있고, 절곡 전단은 상기 가스켓을 압박하도록 내측으로 연장되어 있으며, 상기 클림핑 부위의 측벽에는, 그것의 상부가 내측을 향하도록, 소정의 각도로 기울기가 형성되어 있는 원통형 이차전지를 제공한다.

본 발명에 따른 이차전지는 외부적 충격을 부분적으로 흡수하고 클림핑 부위의 변형을 최소화 함으로써 전해액의 누출을 방지할 수 있고, 내압의 상승에 의한 클림핑 부위의 변형도 방지할 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

안전성이 향상된 원통형 이차전지 {Cylindrical Secondary Battery of Improved Safety}

도 1은 종래의 원통형 이차전지의 대표적인 상부 구조를 보여주는 단면 모식도이다;

도 2는 한국 특허출원 제2006-22950호에 기재되어 있는 원통형 이차전지의 단면 모식도이다;

도 3은 도 2의 클림핑 부위의 확대도이다;

도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지에서 클림핑 부위의 확대도이다;

도 5는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지에서 클림핑 부위의 확대도이다.

본 발명은 원통형 이차전지에 관한 것으로, 전극조립체가 내장되어 있는 원 통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리를 장착하기 위한 클림핑 부위가 캔의 상단부에 형성되어 있는 전지에서, 상기 클림핑 부위를 특정한 조건으로 형성함으로써, 전해액의 누출을 방지할 수 있고, 내압의 상승에 의한 클림핑 부위의 변형도 방지할 수 있는 원통형 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이와 같이 이차전지의 적용 분야와 제품들이 다양화됨에 따라, 전지의 종류 또한 그에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 예를 들어, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들은 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 소형 경량의 이차전지(단위전지)들이 사용되고 있다.

이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다.

그 중에서 흔히 사용되는 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 주로 원통형 전지에 사용되며, 경우에 따라서는, 이를 판상형으로 압축하여 각형 또는 파우치형 전지에 적용하기도 한다.

도 1에는 종래의 원통형 이차전지의 구조가 수직 단면도로서 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 일반적으로 원통형 이차전지(10)는 원통형 캔(20), 캔(20)의 내부에 수용되는 젤리-롤형의 전극조립체(30), 캔(20)의 상부에 결합되는 캡 어셈블리(40), 및 캡 어셈블리(40)를 장착하기 위한 클림핑 부위(50)로 구성되어 있다.

전극조립체(30)는 양극(31)과 음극(32) 사이에 분리막(33)을 개재한 상태로 젤리-롤형으로 감은 구조로 되어 있으며, 양극(31)에는 양극 탭(34)이 부착되어 캡 어셈블리(40)에 접속되어 있고, 음극(32)에는 음극 탭(도시하지 않음)이 부착되어 캔(20)의 하단에 접속되어 있다.

캡 어셈블리(40)는 양극 단자를 형성하는 상단 캡(41), 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element; 42), 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 및/또는 가스를 배기하는 안전벤트(43), 특정 부분을 제외하고 안전벤트(43)를 캡 플레이트(45)로부터 전기적으로 분리시키는 절연부재(44), 양극(31)에 연결된 양극 탭(34)이 접속되어 있는 캡 플레이트(45)가 순차적으로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.

클림핑 부위(50)는 캡 어셈블리(40)를 캔(20)의 개방 상단에 장착할 수 있도록 캔(20)의 상단에 형성되어 있다. 보다 구체적으로, 클림핑 부위(50)는, 캔(20) 의 상단부를 비딩 가공함으로써 내측으로 만입부(21)를 형성하고, 가스켓(60)에 캡 플레이트(45), 절연부재(44), 안전벤트(43) 및 상단 캡(41)의 외주면을 차례로 삽입한 다음, 상단부를 절곡함으로써 형성된다. 결과적으로, 클림핑 부위(50)의 내측면에 위치하는 가스켓(60)을 감싸는 형태로 되고, 클림핑(crimping) 및 프레싱 공정을 수행함으로써 캡 어셈블리(40)를 장착한다.

그러나, 이러한 구조의 원통형 이차전지는 외부 충격에 대해 밀봉성이 떨어지고, 전기적 접속부위들의 저항이 가변적이며, 안전성이 낮아, 소망하는 수준의 전지 성능을 발휘하기 어려운 것으로 확인되었다.

따라서, 본 출원의 발명자들은 한국 특허출원 제2006-22950호에서 도 2에서와 같은 진일보한 구조의 이차전지를 제시한 바 있다.

도 2를 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 캔(200)의 내부에 전극조립체(110)를 삽입하고, 여기에 전해액을 주입하며, 캔(200)의 개방 상단에 캡 어셈블리(300)를 장착함으로써 제조된다. 이러한 전반적인 제조과정은 종래의 원통형 이차전지에서와 동일하다. 반면에, 구체적인 구조에서 있어서는 종래의 원통형 이차전지와 다르다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

캡 어셈블리(300)는 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 장착되는 기밀유지용 가스켓(400) 내부에 상단 캡(310)과 내부 압력 강하용 안전벤트(320)가 밀착되어 있는 구조의 클림핑 부위(500)에 의해 캔(200)의 개방 상단에 장착되어 있다. 상단 캡(310)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행하고, 돌출부 주변을 따라 캔(200) 내부의 압축 가스가 배출될 수 있는 관통구(312)가 다수 개 형성되어 있다.

안전벤트(320)는 전류가 통하는 박막 구조물로서, 그것의 중앙부는 함몰되어 만입형 중앙부(322)를 형성하고 있고, 중앙부(322)의 상절곡 및 하절곡 부위에는 각각 깊이를 달리하는 2 개의 노치들(324, 326)이 형성되어 있다. 안전벤트(320)의 하방에는, 전지 내부의 가스를 방출함과 동시에 전류를 차단하는 전류차단 부재(600)가 설치되어 있다. 안전벤트(320)의 단부(328)는 상단 캡(310)의 외주면(314)을 감싸고 있으며, 상단 캡(310)의 하단면에는 환형 돌기(316)가 형성되어 있다.

이러한 구조의 원통형 이차전지(100)는 밀봉성과 전기적 접속부위들의 가변적인 저항 문제를 전반적으로 해결하고 있다. 그러나, 본 출원의 발명자들이 실험적으로 확인한 바로는, 도 2의 구조뿐만 아니라 도 1의 구조에서 클림핑 부위는, 외부로부터 강한 충격이 인가되거나 전지의 내압이 급격히 증가되었을 때, 쉽게 변형되면서 상단 캡 및 안전벤트와 가스켓 사이의 접촉면이 벌어져 전지의 밀봉성이 떨어지는 것으로 확인되었다.

도 3에는 도 2의 원통형 이차전지에서 클림핑 부위의 부분 확대도가 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 클림핑 부위를 형성하는 캔의 단면만이 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 클림핑 부위(500)는 가스켓(도 2: 400)이 개재된 상태에서 캡 어셈블리(도 2: 300)가 캔(도 2: 200)의 개방 상단에 안정적으로 장착할 수 있도록 단부가 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 클림핑 부위의 측 벽(520)은 전지의 측면과 동일하게 수직으로 형성되어 있고, 절곡 전단(510)은 가스켓(도 2: 400)을 압박할 수 있도록 소정의 각도로 기울어지면서 내측으로 연장되어 있다.

그러나, 이러한 구조에서 전지의 측면(수평 화살표)에 강한 외력이 인가되는 경우, 예를 들어, 클림핑 부위의 측벽(520)이 내측으로 구부러지거나 눌리면서, 절곡 전단(510)이 상향 이동하는 등의 변형이 발생된다 (점선 a 참조). 또한, 전지의 모서리 방향(대략 45도 방향 화살표)으로 외력이 인가되는 경우에는, 예를 들어, 클림핑 부위의 측벽(520)이 외측으로 돌출되면서, 절곡 전단(510)이 펼쳐지는 등의 변형이 발생된다 (점선 b 참조). 이러한 변형은 클림핑 부위(500)에 의한 가스켓의 밀봉력을 저하시키는 원인으로 작용한다.

한편, 전지가 고온의 환경에 노출되거나 외부적 충격 등에 의해 국부적인 내부 단락이 일어나게 되면, 양극 계면에서 전해액의 분해 반응이 일어나게 되고 그로 인해 가스가 다량 발생한다. 이와 같이 다량으로 발생한 가스는 전지의 내압 증가를 초래하므로, 내압이 소정 압력 이상으로 상승하면, 도 2의 안전벤트(320) 등이 작동하여 고압 가스를 배출하게 된다. 그러나, 그러한 고압 가스에 의해 안전벤트가 작동되기 이전에 클림핑 부위가 변형되면, 가스켓의 밀봉력이 떨어지므로, 전지 내부의 전해액이 고압 가스와 함께 전지 외부로 배출됨으로써, 안전성을 크게 훼손시킬 수 있다.

구체적으로, 외부적 충격 또는 내압 증가에 의해 클림핑 부위의 변형이 발생하면, 상단 캡 및 안전벤트와 가스켓 사이의 접촉면에 이격 부위가 형성되거나, 클 림핑 부위의 절곡 전단이 가스켓을 강하게 압박하지 못하고 가스켓의 밀봉 상태가 부분적으로 해제되어 안전벤트와 상단 캡의 접촉면이 순간적으로 이격되게 된다. 따라서, 이러한 이격 틈을 따라 전지 내부의 전해액이 누출됨으로써, 전지가 발화 또는 폭발될 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 저하시키는 것으로 확인되었다.

따라서, 외부적 충격이나 내압으로부터 밀봉성을 유지할 수 있는 원통형 이차전지에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 원통형 이차전지에서 클림핑 부위의 측벽 자체와 그것의 상부가 내측을 향하도록 소정의 각도로 기울어지게 형성하고 절곡 구조를 특정한 조건으로 설정하는 경우, 외부적 충격을 부분적으로 흡수하고 가스켓을 강하게 밀착시켜, 강한 외부 충격 및 내압에 의한 클림핑 부위의 변형을 최소화함으로써, 우수한 밀봉성을 유지하여 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리를 장착하기 위한 클림핑 부위가 캔의 상단부에 형성되어 있는 전지로서, 상기 클림핑 부위는 내면측에 위치하는 가스켓을 감쌀 수 있도록 그것의 상단부가 소정의 곡률 반경(R)으로 완만하게 절곡되어 있고, 절곡 전단은 상기 가스켓을 압박하도록 내측으로 연장되어 있으며, 상기 클림핑 부위의 측벽은 그것의 상부가 내측을 향하도록 소정의 각도로 기울어져 있는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지에서 클림핑 부위의 측벽은 그 자체 및 그것의 상부는 내측을 향하도록 소정의 각도로 기울어져 있어서, 낙하, 진동 등을 이유로 외부로부터 물리적 충격이 가해지는 경우에 발생할 수 있는 클림핑 부위의 변형을 최소화 함으로써, 전해액의 누액 현상을 방지할 수 있다.

특히, 전지의 측면 또는 모서리 방향으로 강한 외력이 가해지는 경우, 상기 측벽의 기울어진 부위에 의해 충격이 부분적으로 흡수되고, 상대적으로 클림핑 부위 측벽의 하부에 충격이 집중되어, 가스켓에 대한 탄력적인 밀착력을 유지할 수 있다. 따라서, 강한 외부 충격에도 불구하고, 클림핑 부위의 변형이 거의 발생하지 않거나 또는 전지의 안전성을 확보할 수 있는 정도의 변형만이 유발되므로, 전지의 안전성 면에서 예상치 못한 현저한 효과를 발휘할 수 있다. 그러한 현저한 효과는 추후 설명하는 실시예와 비교예를 통해 더욱 명료하게 확인할 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따른 이차전지에서 클림핑 부위의 절곡 전단의 각도를 소정의 조건으로 설정하는 경우, 내압의 증가로 인한 클림핑 부위의 변형을 최소화할 수 있으므로 전지의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 클림핑 부위 측벽이 기울어진 각도는 캡 어셈블리의 변형을 유발하지 않는 범위 내에서, 캔의 기계적 강도, 가스켓의 탄성력과 내구성 등을 고려하여 적절히 결정할 수 있으며, 바람직하게는 캔의 측면을 기준으로 1 내지 8 도, 더욱 바람직하게는 1 내지 5 도일 수 있다.

상기 기울기 각도가 8 도를 초과하는 경우, 가스켓을 지나치게 가압하게 되므로 가스켓의 탄성력에 의해 기울기를 유지하기 어렵고, 내부의 안전성 부품의 변형을 유발시킬 수 있기 때문에 문제가 있으며, 반대로, 상기 기울기 각도가 1 도 미만인 경우에는, 본 발명에 따른 효과를 발휘하기 어려우므로 바람직하지 않다.

클림핑 부위의 측벽에 형성되는 상기 기울기 부위의 시작점은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는, 클림핑 부위의 하단부에서 개시되는 구조나, 클림핑 부위의 중앙 인근 부위에서 개시되는 구조일 수 있다.

예를 들어, 전지의 측면 방향으로 수평하게 외력이 인가되었을 때, 측벽 기울기가 측벽의 최하단부에서 시작하는 구조에서는 충격이 좁은 부위에 집중되게 되므로, 내부에 크랙이 유발되거나, 또는 클림핑 부위에 매우 큰 압력이 가해지면서 큰 변형이 유발될 수 있다. 반대로, 측벽 기울기가 그것의 상단부 쪽으로 많이 편향된 위치에서 시작되는 경우에는, 클림핑 부위의 상단부에도 하단부와 거의 대등한 정도의 충격이 가해져, 충격 완화의 효과가 적으므로 클림핑 부위의 변형을 최소화하기 어렵다. 따라서, 상기 측벽 기울기는 클림핑 부위의 변형을 최소화하는 범위로 설정하는 것이 바람직하며, 측벽의 중심을 기준으로 측벽의 총 길이에 대해 상하 30% 이내의 범위에서 측벽 기울기가 개시되는 구조가 특히 바람직하다.

한편, 상기 기울기의 형성 방법 및 공정은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 전지 캔의 제조시 형성하거나, 전지 캔에 전극조립체를 삽입한 후 클림핑 부위 를 형성하는 과정에서 형성할 수도 있으나, 바람직하게는 캡 어셈블리의 장착을 용이하게 하고, 클림핑 부위의 내측면에 위치한 가스켓을 충분히 가압하기 위해, 전지의 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리를 장착한 후에 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 클림핑 부위는 내측면에 위치하는 가스켓을 감쌀 수 있도록 완만하게 절곡되어 있다. 상기 가스켓은 안전벤트를 상단 캡으로부터 전기적으로 분리시키고 전지 내부를 밀봉하는 역할을 한다. 그러나, 가스켓은 전지의 과충전 등의 원인에 의하여 전지의 내압이 상승하는 경우, 심한 변형이 유발될 수 있으며, 그에 따라 전지 내부의 밀봉력이 크게 저하되어 누액이 발생할 염려가 있으므로, 이를 방지하는 것이 중요하다. 따라서, 상기 클림핑 부위의 절곡 전단은 가스켓의 심한 변형을 방지하면서 가스켓을 충분히 압박할 수 있도록, 내측으로 연장되어 있고, 또한 클림핑 부위의 측면을 기준으로 소정의 각도로 기울어져 있다.

상기 클림핑 부위의 내측으로의 연장 길이는 캔의 기계적 강도, 가스켓의 탄성력과 내구성 등을 고려하여 적절히 결정할 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 클림핑 부위의 측면으로부터 2 내지 3 mm의 길이로 연장되어 있는 구조일 수 있다.

또한, 가스켓과 클림핑 부위의 밀착력을 유지하고 소정의 압력을 가하여 가스켓을 압박할 수 있도록, 바람직하게는, 상기 절곡 전단은 클림핑 부위의 측벽을 기준으로 60 내지 85 도의 각도로 기울어져 있는 구조일 수 있다. 따라서, 상기 절곡 전단에 의해 가스켓이 적절히 압박되면서 절곡 단부와 밀착되므로, 내압에 의한 누액 현상(전해액의 누출 현상)을 방지할 수 있으며, 궁극적으로 전지의 안전성 을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 내측으로의 연장 길이가 너무 짧거나 절곡 전단의 각도가 너무 큰 경우에는, 클림핑 부위의 변형에 의해 가스켓을 충분히 압박할 수 없으므로 전해액의 누액 현상이 발생할 가능성이 있다. 반대로, 내측으로의 연장 길이가 너무 길거나 절곡 전단의 각도가 너무 작은 경우에는, 상기 절곡 단부가 가스켓을 심하게 압박하여 가스켓을 손상시킬 가능성이 있으므로 바람직하지 않다.

상기 절곡 공정은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 비연속적으로 진행될 수 있다. 즉, 절곡 전단을 클림핑 부위의 측면을 기준으로, 상단 캡의 중심축 방향에 대해 대략 수직이 되도록 1차 절곡하고, 절곡된 단부가 가스켓의 상단에 밀착되도록 60 내지 85 도의 각도로 2차 절곡한 후 압축하는 과정에 의해 비연속적으로 진행될 수 있다. 이때, 1차 절곡 과정과 2차 절곡 과정의 시간 차는 절곡시 응력이 집중되는 절곡 부위로부터 응력이 그것의 주변 부위로 분산될 수 있는 정도의 경시적 시간 차를 의미한다. 이러한 비연속적 절곡에 의해 절곡 부위의 파단 가능성을 크게 줄일 수 있다.

상기 클림핑 부위는, 앞서 정의한 바와 같이, 그것의 상단부가 소정의 곡률 반경(R 값)으로 완만하게 절곡되어 있고, 상기 곡률 반경은 바람직하게는 0.3 내지 2 mm 일 수 있다.

상기 곡률 반경(R 값)이 2 mm 이상인 경우에는, 도 3에서와 같이, 측면 방향으로부터의 외력 인가시 응력 발생에 의해 절곡 부위가 변형되면서 절곡 전단이 가스켓으로부터 이격되어 전해액의 누액 현상이 발생할 수 있다. 반면에, 굴곡 변 경(R 값)이 0.3 mm 보다 작은 경우에는, 상기와 같은 측면 방향으로부터의 외력 또는 내압에 의해 절곡 부위의 변형 및 절곡 단부의 이격 현상을 방지할 수는 있으나, 상단으로부터의 외력 인가시 절곡 부위에 응력이 집중되어 해당 부위에 크랙이 발생하게 되며, 단면상으로 날카로운 각이 형성되어 사용 중 취급이 바람직하지 못하다는 문제점이 있다.

상기 원통형 캔의 두께는 바람직하게는 0.15 내지 0.35 mm이다. 상기 원통형 캔의 두께가 너무 얇은 경우, 기계적 강도의 저하가 불가피하게 나타나고, 음극 리드를 원통형 캔의 하면에 용접하는 과정에서 용접 불량이 발생할 수 있으므로, 용접시 원통형 캔의 하면이 파열되거나 심하게 손상될 염려가 있다. 반대로, 캔의 두께가 너무 두꺼운 경우에는, 전지의 전체 중량이 증가하고, 상대적으로 전극조립체의 면적이 줄어 들어 전지의 용량 감소가 초래되며, 캔의 개방 상단 부위에 비딩 및 클림핑을 행하기가 용이하지 않게 된다.

상기 원통형 캔의 소재는, 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는, 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 전지는 외부적 충격이 가해지는 경우가 많거나, 전지의 내부 단락이 발생할 염려가 많아서 고도의 안전성을 요구하는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있는 바, 바람직하게는 사용 과정에서 충격에 노출되는 경우가 많은 노트북 PC용 원통형 전지로 사용될 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지에서 클림핑 부위의 확대도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지에서 클림핑 부위의 확대도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 4 및 도 5의 클림핑 구조는 실질적으로 도 3의 대응 형태로서, 클림핑 부위의 측벽의 기울기, 절곡 부위의 곡률 반경, 절곡 전단의 연장 형태 및 각도를 보여주고 있다.

이들 도면을 참조하면, 클림핑 부위(501, 502)는 대략적인 형태에서 도 3의 클림핑 부위(500)와 유사하지만, 측벽 부위에 소정의 기울기가 형성되어 있어서, 동일한 각도인 경우, 측벽의 상단면이 다소 완만한 형태를 이루고 있다.

도 4의 구조에서, 측벽 부위(521)는 클림핑 부위의 총 길이에 대하여 30%의 범위내에서 측벽 부위(521)의 중심에 대해 아래쪽으로 편향된 부위에서 기울기가 시작되는 구조로 이루어져 있다. 또한, 도 5의 구조에서, 측벽 부위(522)는 클림핑 부위의 중심 부근에서 기울기가 시작되는 구조로 이루어져 있다.

이러한 기울기는 측벽 수직면을 기준으로 1 내지 8 도의 각도()를 이루고 있으며, 그에 따라 측벽 부위(521, 522)는 도 3의 측벽(520)과 비교하여, 동일한 내측 연장 길이의 조건에서도, 가스켓(도시하지 않음)에 대한 압박력이 크며, 높은 밀봉성을 나타낸다.

따라서, 측면 방향으로 강한 외력이 인가되었을 때, 소정의 각도()로 형성된 측벽 기울기에 의해 부분적으로 충격이 흡수되고, 클림핑 부위의 측벽 부위(521, 522)의 하단부 쪽에 충격이 집중됨으로써 클림핑 부위의 상단부에 위치하는 절곡 전단(511, 512)에는 상대적으로 충격이 적게 인가되므로, 클림핑 부위(501)의 내측면에 위치하는 가스켓과의 밀착성이 유지될 수 있다.

또한, 모서리 방향으로 강한 외력이 인가되면, 일반적으로는 측벽 부위(521, 522)가 외측으로 변형되고, 이에 따라, 절곡 전단(511, 512)이 상향 이동되는 경향이 있지만, 측벽 기울기에 의해 가스켓에 대한 밀착력이 유지된다. 따라서, 소정의 각도()로 기울기가 형성된 구조로 이루어진 클림핑 부위(500)는 외력에 대해 높은 저항성을 나타내어 형태 변형을 억제하는 역할을 한다.

더욱이, 60 내지 85 도의 각도()로 절곡된 절곡 전단(511)은, 전지의 내압의 증가 시에도 형태 유지성이 뛰어나므로, 가스켓과의 밀착력이 크게 감소되지 않아 전해액의 누출을 방지할 수 있다.

절곡 전단(511)은 클림핑 부위(501)의 측면으로부터 소정의 각도()로 절곡되면서 내측으로 연장되어 있으며, 곡률 반경(R), 절곡 각도(), 내측 연장길이 등은 앞서 설명한 바와 같다.

이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

Ni을 도금한 SPCE(냉간압연강판)을 사용하여 상단 캡 및 원통형 캔을 제작하고, 원통형 캔에 전극조립체를 장착한 다음, 전극조립체의 상단부에 대응하는 부위 의 원통형 캔에 비딩 공정을 행하여 클림핑 부위를 형성하고, 클림핑 부위의 내측면에 가스켓을 삽입한 후 캡 어셈블리를 장착하였다. 그런 다음, 도 4에서와 같은 구조로, 클림핑 부위의 측벽을 캔의 측면에 대해 2 도가 되도록 완만하게 절곡하였다. 또한, 클림핑 부위의 절곡 단부가 캔의 측면에 대해 70 도를 이루도록 내측으로 절곡하였다. 이 때, 절곡 단부의 곡률 반경이 1.3 mm가 되도록 한 다음, 클림핑 및 가압 공정을 행하여 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이전전지를 제작하였다. 클림핑 부위의 절곡 전단은 그것의 측면으로부터 내측으로 약 2.4 mm의 길이로 연장되어 있었다.

[실시예 2]

클림핑 부위의 측벽 기울기의 개시점이 도 5에서와 같은 구조가 되도록 하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.

[비교예 1]

클림핑 부위의 측벽이 캔의 측면에 대하여 0 도를 이루도록 하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.

[비교예 2]

클림핑 부위의 측벽은 캔의 측면에 대하여 9 도를 이루도록 하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.

[비교예 3]

클림핑 부위의 절곡 단부가 캔의 측면에 대해 90 도를 이루도록 절곡하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.

[비교예 4]

클림핑 부위의 절곡 단부가 캔의 측면에 대해 50 도를 이루도록 절곡하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.

[실험예 1]

실시예 1 및 2에서 제조된 전지 10 개와 비교예 1 및 2에서 제조된 전지 10 개를 4.2 V 전압에서 충격 실험을 실시하였다. 상기 충격 실험은 4.2 V로 충전된 전지를 기준으로 1 m의 높이에서 상부/하부/측부의 방향으로 우드(wood)위로 자유낙하 시켜 전해액의 누출 여부를 확인하는 과정으로 수행되었다. 이때, 각각 상부/하부/측부의 방향으로 1 회 드롭을 수행한 것을 1 사이클로 하여 30 사이클을 수행하였다.

실험 결과, 실시예 1 및 2의 모든 전지들에서는 전해액 누출이 확인되지 않았으나, 비교예 1의 전지들은 총 3 개의 전지에서, 비교예 2의 전지들은 총 1 개의 전지에서 전해액 누출이 확인되었다.

[실험예 2]

실시예 1 및 2에서 제조된 전지 30 개와 비교예 1 내지 4에서 제조된 전지 30 개의 전지들을 도립시킨 상태에서, 15 kgf 까지 셀 내부에 압력을 가하면서 전류차단 부재(안전벤트)가 작동되기 전에 전해액이 누출되는 지를 확인하였다. 그 결과가 하기 표 1에 개시되어 있다.

<표 1>

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 전지들에서는 어떠한 경우에도 전해액의 누출(leakage)이 발생하지 않은 반면에, 전류차단 부재의 작동 전후하여 비교예 3 및 비교예 4의 전지들은 각각 7 개 및 3 개에서 전해액의 누출이 발생하였다. 따라서, 본 발명에 따른 전지들은 전류차단 부재의 작동 이후에도 우수한 밀봉성을 나타냄을 알 수 있다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 클림핑 부위의 측벽에 소정 의 각도로 기울기가 형성되어 있으므로 외부 충격을 부분적으로 흡수할 수 있고, 클림핑 부위의 상단부는 소정의 조건으로 절곡되어 있어서, 외부충격 및/또는 내압의 증가에 따른 클림핑 부위의 변형을 최소화하여 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격시 접촉면의 접촉저항의 증가를 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 전해액의 누출을 방지할 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (8)

1. 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리를 장착하기 위한 클림핑 부위가 캔의 상단부에 형성되어 있는 전지로서, 상기 클림핑 부위는 내면측에 위치하는 가스켓을 감쌀 수 있도록 그것의 상단부가 소정의 곡률 반경(R)으로 완만하게 절곡되어 있고, 절곡 전단은 상기 가스켓을 압박하도록 내측으로 연장되어 있으며, 상기 클림핑 부위의 측벽에는, 그것의 상부가 내측을 향하도록, 소정의 각도로 기울기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 각도는 캔의 측면을 기준으로 1 내지 8 도인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 각도는 캔의 측면을 기준으로 1 내지 5 도인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 기울기는 측벽의 중심을 기준으로 측벽의 총 길이에 대해 상하 30 % 이내에서 개시되는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 절곡 전단은 클림핑 부위의 측면으로부터 2 내지 3 mm 의 길이로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 절곡 전단은 클림핑 부위의 측벽을 기준으로 60 내지 85 도의 각도로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 R 값은 0.3 내지 2 mm인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 원통형 캔의 두께는 0.15 내지 0.35 mm인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.

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