KR20080109949A - 전해액 밀봉성이 우수한 이차전지용 캡 어셈블리 - Google Patents

전해액 밀봉성이 우수한 이차전지용 캡 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지내의 고압 발생시 전류를 차단하는 소자(전류차단 안전소자)가 하부에 연결되어 있고, 그 이상의 고압 발생시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트; 상기 안전벤트 상에 탑재되며, 고온 발생시 전류를 차단하는 환형 구조의 PTC 소자; 상기 PTC 소자 상에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있으며, 돌출 단자를 형성하는 탑 캡; 및 상기 소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 가스켓(A); 을 포함하고 있으며, 상기 안전벤트의 외주면 단부는 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면에 대응하여 수직 절곡되어 있고, 상기 안전벤트의 수직 절곡 부위와 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면 사이에는 환형의 가스켓(B)이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.

Description

전해액 밀봉성이 우수한 이차전지용 캡 어셈블리 {Cap Assembly of Second Battery Having Excellent Electrolyte Sealing Property}
도 1은 종래의 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타낸 단면 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타낸 단면 모식도이다;
도 3은 도 1의 원통형 이차전지에서 캡 어셈블리의 상부 구조에 대한 부분 단면 모식도이다;
도 4는 도 2의 원통형 이차전지에서 캡 어셈블리의 상부 구조에 대한 부분 단면 모식도이다.
본 발명은 전해액 밀봉성이 우수한 이차전지용 캡 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지내의 고압 발생시 전류를 차단하는 소자(전류차단 안전소자)가 하부에 연결되어 있고, 그 이상의 고압 발생시 파열되면서 가스를 배출하는 안 전벤트, PTC 소자, 탑 캡, 및 가스켓(A)을 포함하고, 상기 안전벤트의 외주면 단부는 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면에 대응하여 수직 절곡되어 있고, 상기 안전벤트의 수직 절곡 부위와 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면 사이에는 환형의 가스켓(B)이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형 구조와, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 구조로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
그러나, 전지의 충방전시 젤리-롤형 전극조립체는 반복적인 팽창과 수축을 겪으면서 변형되는 경향이 있고, 이러한 과정에서 응력이 중심부로 집중되어 전극이 분리막을 뚫고 금속 센터 핀에 접촉됨으로써 내부단락이 유발하는 경향이 있다. 상기 내부 단락으로 인한 발열에 의해 유기 용매가 분해되어 가스가 발생하고, 전지 내의 가스압 상승에 의해 전지가 파열될 수 있다. 이러한 전지 내부의 가스압 상승은 외부 충격에 의해 내부 단락이 발생하였을 때에도 일어날 수 있다.
상기와 같은 전지의 안전성 문제를 해결하기 위하여, 원통형 전지의 캡 어셈블리에는 고압가스를 배출하는 안전벤트, 고온에서 전류를 차단하는 PTC 소자, 전지 내압의 상승시 전류를 차단하는 전류차단소자(Current Interrupt Device: CID) 등의 안전 소자들과 상기 소자들을 보호하는 돌출형 단자를 형성하는 탑 캡 등이 가스켓에 의해 고정된 구조로 이루어져 있다.
상기 캡 어셈블리의 구조는, 가스켓이 안전벤트, PTC 소자, CID, 탑 캡 등의 외주면을 감쌈으로써, 본질적으로 전지 내부의 전해액이 외부로 누출되는 것을 방지한다. 따라서, 전지의 최내측에 위치하는 안전벤트와 그것의 외주면을 감싸는 가스켓의 계면을 통해 전해액이 누출되지 않는다면, 안전벤트와 PTC 소자의 계면, PTC 소자와 탑 캡의 계면 등 금속 소재들 간의 계면에서도 전해액 누출이 발생하지 않는다.
그러나, 전지의 충방전 작동 과정, 낙하, 외부 충격 등에 의해, 실질적으로 가스켓과 안전벤트의 계면을 통해 일부 전해액이 누출되며, 이렇게 누출된 전해액이 금속 소재들 간의 계면을 통해 외부로 쉽게 누출될 수 있는 문제점이 있다. 즉, 금속 소재들 간의 상호 계면 부위는 상대적으로 밀착성이 떨어지므로, 일단 금속 소재들의 계면으로 유입된 전해액은 가스켓과 관련 소자들의 계면 부위에 비해 외부로 쉽게 누출될 수 있다. 따라서, 캡 어셈블리에서 전해액이 누출되는 현상을 감소시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2006-286561호, 일본 특허출원 공개 제2005-100927호, 일본 특허출원공개 제2002-373711호 등에는 탑 캡 하방에 가스켓이 구비된 캡 어셈블리가 개시되어 있다. 그러나, 이들 출원들에 개시되어 있는 캡 어셈블리는 안전소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 가스켓의 형상이 복잡하므로 제조하기가 용이하지 않고, 금속소재들(안전벤트, PTC 소자 및 탑 캡)의 상호 계면 부위에서 전해액 누액이 발생하므로, 상기의 문제점을 근원적으로 해결하고 있지는 못하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이차전지의 제조시, 캡 어셈블리의 안전벤트 외주면 단부를 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면에 대응하여 수직 절곡하고, 상기 안전벤트의 수직 절곡 부위와 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면 사이에 환형의 가스켓을 개재하는 경우, 금속 소재들(안전벤트, PTC 소자, 탑 캡) 간의 계면에서 전해액이 누출되는 현상을 최소화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 캡 어셈블리는,
(a) 전지내의 고압 발생시 전류를 차단하는 소자(전류차단 안전소자)가 하부에 연결되어 있고, 그 이상의 고압 발생시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트;
(b) 상기 안전벤트 상에 탑재되며, 고온 발생시 전류를 차단하는 환형 구조의 PTC 소자;
(c) 상기 PTC 소자 상에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있으며, 돌출 단자를 형성하는 탑 캡; 및
(d) 상기 소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 가스켓(A);
을 포함하고 있으며,
상기 안전벤트의 외주면 단부는 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면에 대응하여 수직 절곡되어 있고, 상기 안전벤트의 수직 절곡 부위와 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면 사이에는 환형의 가스켓(B)이 개재되어 있는 구조로 구성되어 있다.
일반적으로, 금속 소재인 안전벤트 및 탑 캡과 준금속 소재인 PTC 소자(이하 '금속 소재들'로 약칭함) 간의 상호 계면 부위는, 앞서 설명한 바와 같이, 가스켓과 이들 소자들의 계면 부위에 비해 전해액이 누출될 가능성이 높은 바, 본 발명의 캡 어셈블리에서는 안전벤트의 외주면 단부를 수직 절곡하고, 그러한 절곡 부위와 탑 캡, PTC 소자 사이에 환형의 가스켓을 탑재함으로써, 상기 안전벤트가 단락될 때까지 금속 소재들간의 계면에서 전해액이 누출되는 것을 방지하여 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
즉, 전지 최내측에 위치하는 안전벤트와 그것의 외주면을 감싸는 가스켓(A) 의 계면을 전해액이 통과하였다 하더라도, 상기 전해액은 안전벤트와 PTC 소자의 계면 및 PTC 소자와 탑 캡의 계면으로 직접 유입되지 못하고 또 다른 가스켓(B)의 계면을 통과하여야 하므로, 실질적으로 전해액의 누출이 방지될 수 있다.
상기 안전벤트의 두께는 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 소정의 고압 발생시 파열되면서 가스를 배출할 수 있다면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 0.2 내지 0.6 mm일 수 있다.
상기 PTC 소자의 두께 역시 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 바람직하게는 0.2 내지 0.4 mm일 수 있다. 다만, PTC 소자의 두께가 너무 두꺼우면, 내부 저항이 상승하고, 전지의 크기를 증가시켜 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있다. 반대로, PTC 소자의 두께가 너무 얇으며, 고온에서 소망하는 전류 차단 효과를 발휘하기 어렵고 약한 외부 충격에 의해서도 파괴될 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, PTC 소자의 두께는 이러한 점들을 복합적으로 고려하여 상기 범위내에서 적절히 결정할 수 있다.
상기 PTC 소자의 상단면과 접하고 있는 탑 캡 부위의 두께는 외부로부터 인가되는 압력으로부터 상기 캡 어셈블리의 소자들을 보호할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 0.3 내지 0.5 mm일 수 있다. 탑 캡 부위의 두께가 너무 얇으면 소정의 기계적 강성을 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 크기 및 중량 증가에 의해 동일 규격 대비 전지 용량을 감소시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명의 중요한 특징들 중의 하나는 안전벤트가 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면에 대응하여 수직 절곡되어 있다는 점이고, 또 다른 특징은 상기 안전벤트의 수직 절곡 부위와 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면 사이에는 환형의 가스켓(B)이 개재되어 있다는 점이다.
우선, 상기 안전벤트 외주면 단부의 수직 절곡 높이는 바람직하게는 PTC 소자와 탑 캡의 두께의 합과 일치하도록 이루어져 있어서, 상기 가스켓(A)가 안전벤트의 외주면을 감싸면서 밀봉을 달성할 때, 가스켓(A)의 내측면과 안전벤트 사이에 발생하는 이격공간을 최소화하여 상호간의 밀봉력을 극대화할 수 있다.
또한, 상기 환형 가스켓(B)의 높이는 바람직하게는 PTC 소자의 두께와 탑 캡의 두께의 합과 일치하도록 형성되어 있어서, 앞서 설명한 바와 같이, 가스켓(A)이 안전벤트의 외주면을 감싸면서 밀봉을 달성할 때, 가스켓(A)의 내측면과 환형 가스켓(B)의 상단 사이에 발생하는 이격공간을 최소화하여 상호간의 밀봉력을 극대화시킬 수 있다.
결과적으로, 상기와 같은 바람직한 구조에 의해, 안전벤트의 외주면 절곡 단부와 가스켓(B)의 상단이 가스켓(A)와 접하는 탑 캡의 높이에 일치하게 되고, 가스켓(A)가 당해 부위에 밀착될 수 있다.
상기 가스켓(A)와 환형 가스켓(B)는 바람직하게는 전기절연성의 탄력적인 소재로 이루어져 있으며, 이러한 소재는 전기절연성과 소정의 탄력성 및 내구성을 나타내는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP)이 사용될 수 있다.
안전벤트의 수직 절곡 부위와 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면 사이에 개재되 는 환형 가스켓(B)의 폭은, 상기 부재들이 접하는 상호 계면에서 전해액이 누출되는 것을 최대한 방지할 수 있도록, 바람직하게는 0.2 내지 0.4 mm일 수 있다. 따라서, 환형 가스켓(B)의 폭이 너무 얇으면 소정의 전기절연성과 탄력성을 제공하기 어려울 수 없고, 반대로 너무 두꺼우면 전지의 크기 증가를 초래하여 동일 규격 대비 전지 용량의 감소를 초래할 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명은 또한 전해액이 함침된 상태로 권취형 전극조립체('젤리-롤')이 원통형 캔에 내장되어 있고, 상기 원통형 캔의 상단에는 상기 구조의 캡 어셈블리가 장착되어 있는 이차전지를 제공한다.
일반적으로 원통형 이차전지의 구조에서, 젤리-롤형 전극조립체의 양극 호일에 용접되어 있는 양극 탭은 캡 어셈블리에 용접되어 전지 상단의 돌출 단자에 연결되며, 음극 호일에 용접되어 있는 음극 탭은 전지케이스(원통 캔)의 하단에 용접되어 캔 자체가 음극 단자를 구성한다. 이와 같은 탑재가 이루어진 상태에서 전해액이 주입되고, 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리를 장착하여 밀봉시키면 원통형 전지가 완성된다. 상기 원통형 캔의 소재는, 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는, 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 전지는 바람직하게는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다. 그러한 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하 기도 한다. 상기 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.
양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 양극 활물질로서의 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 바인더를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 음극 활물질로서 탄소 활물질과 도전재 및 바인더를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 종래의 원통형 이차전지의 상부 구조를 보여주는 부분 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지(100)는 캔(200)의 내부에 발전소자로서의 전극조립체(300)를 삽입하고 여기에 전해액을 주입하며, 캔(200)의 상단 개구부에 캡 어셈블리(400)를 장착함으로써 제조된다.
캡 어셈블리(400)는 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 실장되는 기밀유지용 가스켓(500) 내부에 탑 캡(410)과 과전류를 차단하기 위한 PTC 소자(420) 및 내부 압력 저하를 위한 안전벤트(430)가 밀착되어 설치된다. 탑 캡(410)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행하며, 가스 배출을 위한 다수의 관통구(도시하지 않음)가 천공되어 있다. 안전벤트(430)는 그것의 하단이 전류차단 안전소자(440) 및 양극리드(310)를 통해 전극조립체(300)의 양극에 연결되어 있다.
안전벤트(430)는 도전성의 얇은 판재로서, 그것의 중앙부는 하향 만입부(432)를 형성하고, 만입부(432)의 상절곡 및 하절곡 부위에는 각각 깊이를 달리하는 2 개의 노치들이 형성되어 있다.
전지 내부에서 임계치 이상으로 압력이 상승하였을 때 전류를 차단하는 전류차단 안전소자(440)는 도전성 판재로서 안전벤트(430)의 하방에 설치되어 있다. 전류차단 안전소자(440)의 재질은 바람직하게는 안전벤트(430)와 동일한 재질로 이루어져 있고, 보조가스켓(510)은 전류차단 안전소자(440)와 안전벤트(430)가 통전 되는 것을 막을 수 있도록 폴리프로필렌(PP) 계열의 재질로 이루어져 있다.
예를 들어, 다양한 원인에 의한 내부 단락, 과충전 등으로 인해 전지(100)의 온도가 상승하면, PTC 소자(420)의 저항 증가에 의해 통전 전류량이 크게 감소하게 된다. 온도의 계속적인 상승으로 전해액이 분해되면서 가스가 발생하고 그에 따라 내압이 증가하면, 안전벤트(430)의 만입부(432)가 들어 올려지면서 전류차단 안전소자(440)가 부분 파열되어 전류가 차단하여 안전성을 확보하게 된다. 그러나, 계속적인 압력 상승시에는 안전벤트(430)의 노치(436)이 파열되면서 고압 가스를 전지(100)로 외부로 배출하여 안전성을 담보하게 된다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타낸 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지(100a)의 캡 어셈블리(400a)에서, 전지내의 고압 발생시 전류를 차단하는 전류차단 안전소자(440)는 안전벤트(430)의 하부에 연결되고, 고온발생시 전류를 차단하는 PTC 소자(420)는 안전벤트(430)의 상부에 환형의 형태로 탑재되어 있으며, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되고 돌출단자를 형성하는 탑 캡(410)은 PTC 소자(420) 상에 탑재되고, 가스켓(A)(500)는 상기 소자들의 외주면(610)을 감싸면서 밀봉하도록 형성되어 있다는 점에서는 도 1의 전지(100)와 동일하다.
반면에, 안전벤트(430a)의 외주면 단부는 PTC 소자(420)와 탑 캡(410)의 외주 측면에 대응하는 높이를 가지며 'L'자형으로 수직 상향 절곡되어 있고, 전기절연성의 탄력적인 소재인 폴리프로필렌(PP)으로 만들어진 환형 가스켓(600)이 안전 벤트(430a)의 수직 절곡 부위(438)와 PTC 소자(420) 및 탑 캡(410)의 외주 측면 사이에 개재되어 있다.
즉, 안전벤트(430a)의 수직 절곡 부위(438)와 환형 가스켓(600)는 전지내에서 고압이 발생하여 안전벤트(430a)가 파열될 때까지 전해액이 캡 어셈블리(400)의 상부로 누출되는 것을 방지한다.
도 3에는 도 1의 원통형 이차전지에서 캡 어셈블리의 상부 구조에 대한 부분 단면 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도 2의 원통형 이차전지에서 캡 어셈블리의 상부 구조에 대한 부분 단면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 캡 어셈블리(400, 400a)의 상부는 탑 캡(410), PTC 소자(420) 및 안전벤트(430, 430a) 등을 포함하고, 그 중, PTC 소자(420)는 전지의 온도가 상승할 때 저항을 크게 증가시켜 전류를 차단하고, 안전벤트(430, 430a)는 전지의 내부 압력이 증가할 때 캡 어셈블리(400, 400a)의 상부로 형상이 역전되면서 고압가스를 배출하게 된다.
캡 어셈블리(400)는, 도 3에서 보는 바와 같이, 원판 형태의 PTC 소자(420)에 안전벤트(430)가 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 캡 어셈블리(400) 중, 탑 캡(410), PTC 소자(420) 및 안전벤트(430)로부터 초래되는 높이는 각 소자의 두께들의 합에 대응하여 나타난다.
도 3의 캡 어셈블리(400)에서, 가스켓(500)은 캡 어셈블리(400) 중 전지의 최내측에 위치하는 안전벤트(430)의 하단면을 감싼 상태에서, 안전벤트(430), PTC 소자(420) 및 탑 캡(410)의 외주 측면에 밀착되어 있고, 탑 캡(410)의 상단면을 감싸고 있다. 따라서, 전지 내부의 전해액이 안전벤트(430)의 하단면과 가스켓(500)의 계면(S1)으로 일단 유입되면, 상대적으로 밀착력이 떨어지는 안전벤트(430)와 PTC 소자(420)의 계면(S2) 또는 PTC 소자(420)와 탑 캡(410)의 계면(S3)을 쉽게 통과하게 되어 누출된다.
반면에, 본 발명에 따르면, 도 4에서 보는 바와 같이, 안전벤트(430a)는 탑 캡(410)과 PTC 소자(420)의 외주 측면에 대해 'L'자형으로 수직 절곡되어 있고, 환형 가스켓(600)의 높이(H)는 PTC 소자(420)와 탑 캡(410) 두께의 합과 동일하게 형성되어 있어서, 도 3의 캡 어셈블리(400)와 외형 크기가 동일하고, 가스켓(500)의 하단부와 환형 가스켓(600) 사이에 발생하는 이격공간을 최소화하고 상호간의 밀봉력을 극대화시킨다.
더욱이, 상기와 같은 구조에 의해, 안전벤트(430a)와 PTC 소자(420)의 계면(S2)과 PTC 소자(420)와 탑 캡(410)의 계면(S3)은 환형 가스켓(600)에 접해 있으므로, 전지 내부의 전해액이 안전벤트(430a)의 하단면과 가스켓(500)의 계면(S1)으로 유입되더라도, 안전벤트(430a)의 수직 절곡 부위(438)를 통과한 후 환형 가스켓(600)을 거쳐야만 비로소 계면(S2)와 계면(S3)에 도달할 수 있으므로, 실질적으로 전해액의 외부 유출이 불가능하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
도 2에서와 같이, 외경 16 mm 및 두께 0.3 mm의 알루미늄 판재에 9.6 mm 직경과 0.10 mm 두께의 제 1 노치를 형성하고, 4 mm 직경과 0.06 mm 두께의 제 2 노치를 형성한 후, 중앙을 하향으로 0.65 mm 깊이만큼 돌출된 만입부를 가지도록 안전벤트를 제조하고, 안전벤트의 외주면 단부를 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면에 대응하여 수직 절곡함으로써, PTC 소자와 탑 캡의 두께의 합과 일치하도록 제조하였다.
또한, 외경 11 mm 및 두께 0.5 mm의 알루미늄 판재에, 직경 1.5 mm의 관통구를 방사상으로 6 개 천공하고, 중앙에 직경 1.53 mm 및 돌출높이 0.20 mm의 돌출부를 형성하여 탑 캡을 제조하였다. 그런 다음, 폭 0.6 mm 및 원주길이 2.61 mm의 관통홀을 중앙 돌출부의 중심으로부터 1.5 mm의 거리에 3 개 천공하고, 관통홀을 연결하는 각각의 브릿지에 두께 약 70 ㎛의 노치를 형성하여 CID를 제조하였다.
상기 CID를 그것의 외주면을 따라 폴리프로필렌 소재의 보조 가스켓에 삽입하고, 상기 안전벤트의 만입부 밑면을 상기 돌출부 윗면에 레이저 용접하여 부착시켰다.
그리고, 폴리프로필렌 소재의 가스켓(A, B) 중, 두께가 0.3 mm로서 상기 안전벤트의 두께와 비슷한 가스켓(B)을 안전벤트의 수직 절곡 부위와 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면 사이에 개재하고, 나머지 가스켓(A)으로 안전벤트, PTC 소자 및 탑 캡을 감싸 캡 어셈블리를 제조하였다.
또한, 리튬 코발트 산화물로 구성된 양극과 흑연으로 구성된 음극 사이에 폴리에틸렌의 다공성 분리막을 개재한 형태의 젤리-롤형 전극조립체를 원통형 캔에 삽입한 후 캔의 윗면을 비딩하여 고정시키고, 그러한 비딩부에 상기 캡 어셈블리를 끼워넣고 캔의 상단을 안쪽으로 프레싱하여 가스켓(A)를 클림핑함으로써 원통형 이차전지를 제조하였다.
[비교예 1]
안전벤트의 외주면 단부를 수직으로 절곡하지 않고, 가스켓(B)를 안전벤트의 수직 절곡 부위와 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면 사이에 개재하지 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제조하였다.
[실험예 1]
실시예 1에서 제조된 5 개의 전지들과 비교예 1에서 제조된 5 개의 전지들을 도립시킨 상태에서, 20 kgf 까지 셀 내부에 압력을 가하면서, CID의 단락 압력, 전해액 누출 압력 및 벤팅 압력을 각각 측정하였다. 그 결과가 하기 표 1에 개시되어 있다.
<표 1>
Figure 112007042926329-PAT00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들 전부는 단락에 의한 안전벤트의 벤팅 전까지는 전해액의 누출(leakage)이 발생하지 않았다. 반면에, 비교예 1의 전지들은 안전벤트가 단락에 의한 벤팅 이전에 전해액의 누출이 발생하였다. 따라서, 본 발명에 따른 전지들은 안전벤트가 단락될 때까지 전해액의 누출을 억제함으로써 전지의 안전성을 향상시킴을 알 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 캡 어셈블리의 제조시 안전벤트의 외주면 단부를 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면에 대응하여 수직 절 곡하고, 상기 절곡 부위와 탑 캡, PTC 소자 사이에 환형 가스켓(B)를 장착함으로써, 종래의 가스켓(A)와 안전벤트 사이의 계면에서 전해액이 누출되는 현상을 안전벤트가 단락될 때까지 방지함으로써, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. (a) 전지내의 고압 발생시 전류를 차단하는 소자(전류차단 안전소자)가 하부에 연결되어 있고, 그 이상의 고압 발생시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트;
    (b) 상기 안전벤트 상에 탑재되며, 고온 발생시 전류를 차단하는 환형 구조의 PTC 소자;
    (c) 상기 PTC 소자 상에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있으며, 돌출 단자를 형성하는 탑 캡; 및
    (d) 상기 소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 가스켓(A);
    을 포함하고 있으며,
    상기 안전벤트의 외주면 단부는 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면에 대응하여 수직 절곡되어 있고, 상기 안전벤트의 수직 절곡 부위와 PTC 소자 및 탑 캡의 외주 측면 사이에는 환형의 가스켓(B)이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트는 0.2 내지 0.6 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 PTC 소자는 0.2 내지 0.4 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 탑 캡은 0.3 내지 0.5 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트 외주면 단부의 수직 절곡 높이는 PTC 소자의 두께와 탑 캡의 두께의 합과 일치하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 환형 가스켓(B)의 높이는 PTC 소자의 두께와 탑 캡의 두께의 합과 일치하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓(A)와 환형 가스켓(B)는 전기절연성의 탄력적인 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 가스켓(A)와 환형 가스켓(B)는 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 환형 가스켓(B)의 폭은 0.2 내지 0.4 mm인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  10. 전해액이 함침된 상태로 권취형 전극조립체('젤리-롤')이 원통형 캔에 내장 되어 있고, 상기 원통형 캔의 개방 상단에는 제 1 항에 따른 캡 어셈블리가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011040692A1 (ko) * 2009-09-30 2011-04-07 주식회사 엘지화학 이중 실링된 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지
US8394533B2 (en) 2009-02-16 2013-03-12 Samsung Sdi Co., Ltd. Cylindrical secondary battery responsive to operating pressure for interrupting current
US9620751B2 (en) 2009-09-30 2017-04-11 Lg Chem, Ltd. Dual sealing cap assembly and cylindrical secondary battery including the same
WO2018056475A1 (ko) * 2016-09-20 2018-03-29 삼성에스디아이(주) 이차 전지
KR20190033900A (ko) * 2017-09-22 2019-04-01 주식회사 엘지화학 탄성 부재를 포함하는 원통형 전지셀의 캡 어셈블리
KR20190137933A (ko) * 2017-06-07 2019-12-11 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 이차 전지, 전지 팩, 전동 차량, 전력 저장 시스템, 전동 공구 및 전자 기기
WO2020111641A1 (ko) * 2018-11-28 2020-06-04 주식회사 엘지화학 이차전지 및 그 이차전지 제조방법
US20230231243A1 (en) * 2018-06-05 2023-07-20 Lg Energy Solution, Ltd. Secondary Battery

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101184970B1 (ko) 2009-10-13 2012-10-02 주식회사 엘지화학 가스켓 처짐이 방지된 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지
US8420257B2 (en) 2009-10-13 2013-04-16 Lg Chem, Ltd. Cap assembly comprising gasket prevented from sagging

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8394533B2 (en) 2009-02-16 2013-03-12 Samsung Sdi Co., Ltd. Cylindrical secondary battery responsive to operating pressure for interrupting current
WO2011040692A1 (ko) * 2009-09-30 2011-04-07 주식회사 엘지화학 이중 실링된 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지
US9620751B2 (en) 2009-09-30 2017-04-11 Lg Chem, Ltd. Dual sealing cap assembly and cylindrical secondary battery including the same
WO2018056475A1 (ko) * 2016-09-20 2018-03-29 삼성에스디아이(주) 이차 전지
CN109690811B (zh) * 2016-09-20 2022-04-26 三星Sdi株式会社 二次电池
CN109690811A (zh) * 2016-09-20 2019-04-26 三星Sdi株式会社 二次电池
KR20190137933A (ko) * 2017-06-07 2019-12-11 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 이차 전지, 전지 팩, 전동 차량, 전력 저장 시스템, 전동 공구 및 전자 기기
CN110710015A (zh) * 2017-06-07 2020-01-17 株式会社村田制作所 二次电池、电池包、电动车辆、电力储存系统、电动工具及电子设备
US11276894B2 (en) 2017-06-07 2022-03-15 Murata Manufacturing Co., Ltd. Secondary battery, battery pack, electric vehicle, electric power storage system, electric power tool, and electronic apparatus
KR20190033900A (ko) * 2017-09-22 2019-04-01 주식회사 엘지화학 탄성 부재를 포함하는 원통형 전지셀의 캡 어셈블리
US20230231243A1 (en) * 2018-06-05 2023-07-20 Lg Energy Solution, Ltd. Secondary Battery
WO2020111641A1 (ko) * 2018-11-28 2020-06-04 주식회사 엘지화학 이차전지 및 그 이차전지 제조방법
US11817600B2 (en) 2018-11-28 2023-11-14 Lg Energy Solution, Ltd. Secondary battery and method for manufacturing the secondary battery

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