KR20090031444A - 밀폐형 전지 - Google Patents

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KR20090031444A
KR20090031444A KR1020097002418A KR20097002418A KR20090031444A KR 20090031444 A KR20090031444 A KR 20090031444A KR 1020097002418 A KR1020097002418 A KR 1020097002418A KR 20097002418 A KR20097002418 A KR 20097002418A KR 20090031444 A KR20090031444 A KR 20090031444A
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히데아키 후지타
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파나소닉 주식회사
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Abstract

양극판과 음극판을 분리막을 개재하여 감은 원통형의 전극군이, 전해액과 함께 각형 전지케이스에 삽입된다. 그리고, 전극군의 감김축에 평행인 전지케이스의 하면에 압력개방기구가 배치된다. 이 압력개방기구는, 전극군의 감김축을 전지케이스의 하면에 직각으로 투영했을 때의 투영선으로부터 떨어진 위치에 배치된다.

Description

밀폐형 전지{ENCLOSED BATTERY}
본 발명은, 전지 내압이 상승하여도 높은 안전성을 확보할 수 있는 밀폐형 전지에 관한 것이다.
밀폐형 전지, 특히 충방전 가능한 밀폐형 2차 전지는, 휴대전화나 퍼스널컴퓨터 등의 기기 전원으로서, 소형화, 경량화에 대응한 고 에너지밀도의 전지가 요구되는 분야 외에, 전동공구나 하이브리드 자동차 등의 전원으로서 고출력 전지가 요구되는 분야로 그 시장 범위가 확대되고 있다. 특히, 고출력 분야에서는, 밀폐형 전지의 내부저항을 최대한 억제하는 설계가 이루어지므로, 전지 내부에 혼합된 이물질 등의 내부 요인이나, 외부로부터의 압력 등의 외부 요인에 의하여, 양극과 음극이 단락된 경우, 큰 전류가 단락 부분에 집중적으로 흐르며, 이에 따른 발열로 전지 내 압력이 상승하여 전지케이스 자신이나 밀봉판 등의 접합 부분이 파손될 우려가 있다.
종래, 이와 같은 문제에 대하여, 전지케이스의 덮개 부분에 방폭밸브(safety valve)를 배치함으로써, 전지 내의 압력이 이상 상승했을 때, 이 방폭밸브를 작동 시켜 전지 내의 가스를 외부로 방출함으로써, 전지케이스 등의 파손을 미연에 방지하는 대책이 취해졌다(예를 들어 특허문헌 1; 일본 특허공개 평성 10-106524호 공보 참조).
그러나, 방폭밸브를 형성하는 전지케이스의 덮개 부분에는 전극단자도 배치되므로, 공간 상의 제약이 있어 방폭밸브 크기에 한계가 생긴다. 예를 들어, 덮개의 일부를 얇은 슬림부로 함으로써 방폭밸브를 형성한 경우, 한정된 크기로 소정의 작동압을 확보하기 의해 슬림부를 얇게 할 필요가 있으나, 낙하 등의 충격에 대하여 슬림부가 파단되지 않는 두께를 확보하는 데는 한계가 있다.
특허문헌 2(일본 특허공개 평성 11-185714호 공보)에는, 그와 같은 제약을 받지 않고 전지케이스에 방폭밸브를 형성한 구성이 기재되어 있다. 즉, 전지의 외장 캔 표면에, 홈 형상 슬림부로 이루어지는 방폭밸브를 형성함으로써, 공간 상의 제약을 받지 않고 소정의 작동압으로 방폭밸브를 동작시킬 수 있다. 이 방폭밸브는, 외장 캔 내의 압력이 상승하여 외장 캔이 변형됨에 따라 방폭밸브가 파단되도록, 홈 형상 슬림부의 두께나 홈 길이가 규정된다. 또, 이 방폭밸브는, 낙하 충격을 받기 어려운 외장 캔 일부에 형성되므로 내낙하성도 높다.
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
특허문헌 2에 기재된 방폭밸브는, 공간상의 제약을 받지 않고 형성할 수 있으므로, 설계 자유도가 높아지는 점에서 유용하나, 외장 캔이 변형됨으로써 홈형 슬림부가 파단하는 기구 구성이므로, 방폭밸브를 형성하는 위치에 따라 홈형 슬림부의 두께나 홈의 길이를 바꿀 필요가 있어 설계가 복잡해진다는 문제가 있다.
또, 전지 내의 압력이 이상 상승했을 때, 방폭밸브를 작동시켜 전지 내의 가스를 외부로 방출하여 전지케이스의 파손을 미연에 방지해도, 전극군에 함침되지 않은 잉여 전해액이 전지케이스 내에 잔존하면, 전지케이스 내의 온도가 더 고온으로 유지되고 있는 경우(온도저하 응답속도는, 가스방출 응답속도보다 매우 느리다), 가연성인 전해액이 가열되어 전지케이스 내의 온도가 더욱 상승할 우려가 있다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 주된 목적은 이상 발생 시에 전지 내 압력이 상승해도 신속하게 전지 내의 가스를 외부로 방출할 수 있는 압력개방기구를 구비한 안전성 높은 밀폐형 전지를 제공하는 것이다.
또, 이상 발생 시, 전지 내의 가스를 외부로 방출함과 더불어, 전지 내에 잔존하는 전해액을 신속하게 외부로 배출할 수 있는 압력개방기구를 구비한 안전성 높은 밀폐형 전지를 제공하는 것이다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 밀폐형 전지는, 양극판과 음극판을 분리막을 개재하여 감은 원통형의 전극군을, 전해액과 함께 각형 전지케이스에 삽입하여 이루어지는 밀폐형 전지에 있어서, 전극군의 감김축에 평행인 전지케이스 측면에 압력개방기구를 배치함과 더불어, 당해 압력개방기구를, 전극군의 감김축을 전지케이스 측면에 직각으로 투영시켰을 때의 투영선으로부터 떨어진 위치에 배치한 구성을 채용한다.
본 발명의 밀폐형 전지에 있어서, 원통형의 전극군과, 이 전극군의 감김축에 평행인 전지케이스의 측면 내벽으로 구획된 전지케이스 내의 영역은, 이상 발생 시의 작동압을 확보하는데 충분한 공간부를 이룬다. 이로써, 이 공간부에 대응한 전지케이스 측면, 즉, 전극군의 감김축에 평행인 전지케이스 측면이며, 전극군의 감김축을 전지케이스 측면에 직각으로 투영했을 때의 투영선으로부터 떨어진 위치에 압력개방기구를 배치함으로써, 이상 시에 발생한 전지 내의 가스를, 확실하고 신속하게 외부로 방출시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 전극군의 감김축에 평행인 전지케이스 측면 중, 제 1 측면에 양극판 및 음극판의 전극단자가 각각 형성되며, 압력개방기구는 제 1 측면에 대향하는 제 2 측면에 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 전극군의 감김축에 평행인 전지케이스 측면 중, 제 1 측면에 양극판 및 음극판의 전극단자가 각각 형성되며, 압력개방기구는, 제 1 측면에 인접하는 제 3 측면이며, 이 제 3 측면에서의 투영선으로부터 제 1 측면과 반대쪽으로 떨어진 위치에 배치된다.
기기 또는 전기자동차 등에 전지를 장전했을 때, 전극단자가 배치된 전지케이스의 제 1 측면이 상면(지면과 반대쪽 면)일 경우가 많다. 그러므로, 제 1 측면에 대향하는 제 2 측면, 즉, 하면(지면에 면한 면)에 압력개방기구를 배치함으로써, 이상 시에 발생한 전지 내의 가스를 신속하게 외부로 방출시킬 수 있음과 더불어, 전지 내에 잔존하는 전해액을 신속하게 외부로 배출시킬 수 있다.
또, 압력개방기구를, 제 1 측면에 인접하는 제 3 측면이며, 이 제 3 측면의 투영선으로부터 제 1 측면과 반대쪽, 즉, 하면 쪽으로 떨어진 위치에 배치함으로써, 이상 시에 발생한 전지 내의 가스를 신속하게 외부로 방출시킬 수 있음과 더불어, 전지 내의 하방 근방에 잔존하는 전해액을 신속하게 외부로 배출시킬 수 있다.
[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 이상 발생 시에 전지 내 압력이 상승하여도, 신속하게 전지 내의 가스를 외부로 방출시킬 수 있는 압력개방기구를 구비한 안전성 높은 밀폐형 전지를 제공할 수 있다.
또, 이상 발생 시, 전지 내의 가스를 외부로 방출시킬 수 있음과 더불어, 전지 내에 잔존하는 전해액을 신속하게 외부로 배출시킬 수 있는 압력개방기구를 구비한 안전성 높은 밀폐형 전지를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에서 밀폐형 전지의 구성을 나타낸 도면이며, (a)는 상면도, (b)는 전면(前面)투시도, (c)는 측면투시도, (d)는 저면도이다.
도 2의 (a)∼(c)는, 본 발명의 압력개방기구 배치를 나타낸 도면이다.
도 3은, 종래의 원통형 리튬이온 2차 전지의 구성을 나타낸 도면이다.
[부호의 설명]
1 : 전극군 2 : 양극집전판
3 : 음극집전판 4 : 양극단자
5 : 음극단자 6 : 덮개판
7 : 절연부재 8 : 전지케이스
9 : 주액공(注液孔) 10 : 방폭밸브(압력개방기구)
11 : 공간부 12 : 상면
13 : 하면 14 : 측면
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명하기로 한다. 이하의 도면에서는, 설명을 간략히 하기 위하여 실질적으로 동일 기능을 갖는 구성요소를 동일 참조부호로 나타낸다. 한편, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되지 않는다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에서 밀폐형 전지의 구성을 모식적으로 나타낸 도면이며, (a)는 상면도, (b)는 전면투시도, (c)는 측면투시도, (d)는 저면도이다.
도 1(b) 및 (c)에 나타낸 바와 같이, 양극판과 음극판을 분리막을 개재하여 감은 원통형의 전극군(1)이, 전해액과 함께 각형 전지케이스(8)에 삽입된다. 그리고, 전극군(1)의 감김축(A-A)에 평행인 전지케이스(8)의 하면(13)에 압력개방기구(10)가 배치된다. 이 압력개방기구(10)는 도 1(d)에 나타낸 바와 같이, 전극군(1)의 감김축(A-A)을 전지케이스(8) 하면(13)에 직각으로 투영시켰을 때의 투영선(T1-T1)으로부터 떨어진 위치에 배치된다.
도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 원통형의 전극군(1)과, 전극군의 감김축(A-A)에 평행인 전지케이스(8) 각 측면(12, 13, 14)의 내벽으로 구획된 전지케이스 내의 영역(11)은 공간부를 이룬다. 통상, 전극군(1)은 감김축(A-A) 방향으로 길어지므로, 영역(11)은 이상 발생 시의 압력개방기구(10) 작동압을 확보하는데 충분한 넓이의 공간부를 이룬다. 이로써, 영역(11)에 대응한 전지케이스(8)의 측면, 즉 전극군(1)의 감김축(A-A)에 평행인 전지케이스(8)의 측면(본 실시형태에서는 하면(13))이며, 전극군(1)의 감김축(A-A)을 전지케이스(8)의 측면에 직각으로 투영시켰을 때의 투영선(T1-T1)으로부터 떨어진 위치에 압력개방기구(10)를 배치함으로써, 이상 시에 발생한 전지 내의 가스를 확실하고 신속하게 외부로 방출시킬 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 전극군(1)의 감김축(A-A)에 평행인 전지케이스(8)의 측면 중, 상면(제 1 측면)(12)에는, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 양극집전판(2) 및 음극집전판(3)에 접속된 전극단자(4, 5)가 각각 형성된다. 통상, 기기 또는 전기자동차 등에 전지를 장전했을 때, 전극단자(4, 5)가 형성된 전지케이스(8)의 측면이 상면(12)이 되므로, 압력개방기구(10)를 하면(상면(12)에 대향하는 면)(13)에 배치함으로써, 이상 시에 발생한 전지 내의 가스를 신속하게 외부로 방출시킬 수 있음과 더불어, 전지 내에 잔존하는 전해액을 신속하게 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 압력개방기구(10)는, 도 1(d)에 나타낸 위치에 한정됨 없이, 투영선(T1-T1)으로부터 떨어진 위치라면 임의의 위치에 임의의 수만큼 배치할 수 있다. 예를 들어, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 2개의 압력개방기구(10)를, 하면(13)의 투영선(T1-T1)과 대치하는 위치에 배치해도 된다. 혹은, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 압력개방기구(10)를, 하면(13)의 투영선(T1-T1)과 교차하고 투영선(T1-T1)에 수직방향으로 연장 배치해도 된다.
또, 압력개방기구(10)를, 하면(13)에 인접하는 측면(14)에 배치할 경우에는, 도 2(c)에 나타낸 바와 같이, 전극군(1)의 감김축(A-A)을 전지케이스(8)의 측면(14)에 직각으로 투영시켰을 때의 투영선(T2-T2)으로부터 상면(12)과 반대쪽(즉, 하면(13) 쪽)으로 떨어진 위치에 압력개방기구(10)를 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같은 위치에 배치함으로써, 이상 시에 발생한 전지 내의 가스를 외부로 방출시킬 때, 전지 내의 하방 근방에 잔존하는 전해액을 외부로 배출시킬 수 있다.
본 발명의 원통형 전극군(1)은, 도 1(b)에 나타낸 바와 같은 형상에 한정됨 없이, 편평한 원통형의 것을 포함한다. 이 경우, 압력개방기구(10)의 투영선(T1-T1)으로부터 떨어진 거리는, 편평화 되지 않은 전극군(1)의 경우보다 길게 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 보다 넓은 공간부를 이루는 영역(11) 근방에, 압력개방기구(10)가 배치되게 되어 이상 시에 발생한 전지 내의 가스를 신속하게 외부로 방출시킬 수 있다.
또, 본 발명의 각형 전지케이스(8)는, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 사각형에 한정됨 없이 다각형의 것을 포함한다. 이 경우에도 전극군(1)의 감김축(A-A)을 전지케이스(8)의 측면(14)에 직각으로 투영시켰을 때의 투영선으로부터 떨어진 위치에 압력개방기구(10)를 배치함으로써, 이상 시에 발생한 전지 내의 가스를 확실하고 신속하게 외부로 방출시킬 수 있다.
본 실시형태에서의 밀폐형 전지의 구체적인 구성을, 도 1(a)∼(d)를 참조하면서 보다 상세히 설명한다.
양극판과 음극판을 분리막을 개재하여 감은 전극군(1)은, 좌면 쪽에서 양극 집전판(2)에, 우면 쪽에서 음극 집전판(3)에 각각 접속된다. 이 양극 집전판(2) 및 음극 집전판(3)은, 덮개판(6)과 케이싱으로 구성되는 전지케이스(8) 내부에서 단락되지 않도록 절연부재(7)로 절연된다. 또한, 양극 집전판(2)에는 양극단자(4)가, 음극집전판(3)에는 음극단자(5)가 설치되며, 이들 전극단자(4, 5)는 상면에 배치된 덮개판(6) 상부에 돌출되도록 배치된다. 여기서, 덮개판(6)과 케이싱은 용접되며, 양극단자(4) 및 음극단자(5)는 덮개판(6)에 실링되고, 주액공(9)은 전해액의 주액 후 폐색되므로 전지 내부는 밀폐구조가 유지된다.
전지케이스(8) 하면에는, 전지 내의 압력이 소정 압력에 도달했을 때 파손되는 방폭밸브(압력개방기구)(10)가 배치된다. 이 방폭밸브(10)는, 전극군(1)과 전지케이스(8) 내벽으로 구획된 공간부(11)에, 적어도 그 일부가 걸쳐지도록 배치된다.
리튬이온 2차 전지 등의 비수전해질 2차 전지에서는, 고리형 카보네이트나 사슬형 카보네이트 등의 휘발성이나 가연성이 높은 전해액이 이용된다. 또, 충분한 수명 특성을 얻기 위하여, 전극군이 충분히 함침되기보다 약간 많이 전해액을 가하는 경우가 많다. 이와 같은 밀폐형 전지에 있어서, 내부 단락 등의 이상이 발생한 경우, 발열에 따른 전해액의 기화에 의하여 전지 내 압력이 가속적으로 상승하는데, 방폭밸브(10)가 공간부(11)에 일부 걸쳐지도록 배치되므로, 이상 발생 시 전지 내의 가스를 신속하게 외부로 방출함과 더불어, 전지 내에 잔존하는 전해액을 효율적으로 외부에 배출할 수 있다.
여기서 방폭밸브(10)는, 예를 들어 슬림가공이나 각인가공 등에 의하여, 소정의 압력에 달했을 때 파괴되도록 설계된다. 또, 방폭밸브(10) 외에, 압력조정밸브나 역지(逆止)밸브 등을 이용해도 된다.
양극판은, 양극 활물질을 포함하는 양극 혼합제와, 박판으로 이루어지는 양극집전체로 구성된다. 양극 활물질로는, 예를 들어 코발트산 리튬 및 그 변성체(알루미늄이나 마그네슘을 공정(共晶)시킨 것 등), 니켈산리튬 및 그 변성체(일부 니켈을 코발트나 알루미늄 등으로 치환한 것), 망간산리튬 및 그 변성체 등의 복합산화물을 이용할 수 있다.
양극 활물질에, 도전제(예를 들어, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙(Ketjen Black), 각종 그라파이트 등), 결착제(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이나, 폴리불화비닐리덴(PVdF) 등), 필요에 따라 증점제를 혼합하고 물 혹은 유기용매와 함께 혼련하여 양극 합제 슬러리를 제작한다. 그 후, 알루미늄 박 등의 양극 집전체 상에, 양극 합제 슬러리를 도포, 건조시켜 양극 합제층을 형성한다. 여기서, 양극판 길이방향의 적어도 한쪽 단부에, 양극 합제층을 형성하지 않는 미도포 부분을 형성한다. 그 후, 필요에 따라 프레스 가공에 의해 양극 합제층의 두께를 조정하여 원하는 치수로 절단하여 양극판을 제작한다.
음극판은, 음극 활물질을 포함하는 음극 합제와, 박판으로 이루어지는 음극 집전체로 구성된다. 음극 활물질로는 예를 들어, 각종 천연흑연, 인조흑연 혹은 합금조성재료 등을 이용할 수 있다.
음극 활물질에, 결착제(예를 들어, 스티렌부타디엔고무(SBR)나 PVdF 등), 필요에 따라 증점제를 혼합하고 물 혹은 유기용매와 함께 혼련하여 음극 합제 슬러리를 제작한다. 그 후, 구리 박 등의 음극 집전체 상에, 음극 합제 슬러리를 도포, 건조시켜 음극 합제층을 형성한다. 여기서, 음극판 길이방향의 적어도 한쪽 단부에, 음극 합제층을 형성하지 않는 미도포 부분을 형성한다. 그 후, 필요에 따라 프레스 가공에 의해 음극 합제층의 두께를 조정하고 원하는 치수로 절단하여 음극판을 제작한다.
분리막은, 전해액 유지력이 높으며, 양극판 및 음극판의 어느 쪽 전위하에서도 안정된 재료(예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리이미드, 폴리아미드 등)를 이용한 미세다공성 필름이 이용된다.
여기서, 양극판을 양극 집전판(예를 들어 알루미늄)(2)과 접속하고, 음극판을 음극 집전판(예를 들어 구리 또는 니켈)(3)과 접속하므로, 양극판 및 음극판의 미도포 부분이 각각 양 단면(端面)이 되도록 전극군(1)이 제작된다. 또, 양극판 및 음극판은, 예를 들어 레이저 용접 또는 초음파 용접 등으로 양극 집전판(2) 및 음극 집전판(3)에 각각 접속된다.
(실시예)
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(전지A)
NiSO4수용액에, 몰 비로서 Ni:Co:Al=7:2:1이 되도록 코발트 및 알루미늄의 황산염을 가하여 포화수용액을 조제하고, 이 포화수용액을 교반시키면서 수산화나트륨 용액을 서서히 적하시켜 중화함으로써, Ni0.7Co0.2Al0.1(OH)2로 표시되는 삼원계 침전물을 공침법(coprecipitation method)에 의해 생성한다. 이 침전물을 여과하여 물 세정하고, 80℃에서 건조시켜 복합수산화물을 얻는다. 얻어진 복합수산화물의 평균 입경은 10㎛이다.
이 복합수산화물을, 대기 중 900℃에서 10시간 열처리하여, Ni0.7Co0.2Al0.1O로 표시되는 삼원계 복합산화물을 얻는다. 여기서, Ni, Co, Al의 원자수 합과 Li 원자수가 등량이 되도록 수산화리튬1수화물을 가하고 대기 중 800℃에서 10시간 열처리함으로써, LiNi0.7Co0.2Al0.1O2로 표시되는 리튬니켈 복합산화물을 얻는다. 이 리튬니켈 복합산화물을 분쇄하여 분급함으로써, 평균 입경 9.5㎛, 표면적비 0.4㎡/g의 양극 활물질을 얻는다.
이 양극 활물질 3kg과, 아세틸렌 블랙 90g과, PVdF용액 1000g을 적정량의 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)과 함께 혼련하여 양극 슬러리를 조제한다. 이 양극 슬러리를, 두께15㎛ 폭 150mm의 알루미늄 박 위에, 박의 한쪽 단부 길이방향으로 10mm의 미도포 부분을 남기도록 도포하고 건조시킨다. 이를, 총 두께 100㎛로 되도록 프레스 처리한 후, 미도포 부분 폭 10mm, 합제 도포 폭 110mm로 되도록 슬릿 처리하여 양극판을 제작한다.
음극 활물질인 인조흑연 3kg과, 스티렌부타디엔 공중합체의 고무입자인 결착제(고형분 중량 40중량%) 75g과, 증점제인 카르복시메틸셀룰로스(CMC) 30g, 및 적당량의 물을 혼련하여 음극 슬러리를 제조한다. 이 음극 슬러리를, 두께10㎛, 폭 150mm의 구리 박 위에, 박의 한쪽 단부 길이방향으로 10mm의 미도포 부분을 남기도록 도포, 건조한다. 이를, 총 두께 110㎛로 되도록 프레스 처리한 후, 미도포 부분 폭 10mm, 합제 도포 폭 114mm로 되도록 슬릿 처리하여 음극판을 제작한다.
이상과 같이 제작한 양극판과 음극판을, 폴리에틸렌 분리막을 개재하여 양단에 양극 및 음극 집전체가 노출되는 형태로 원통형상으로 감아 전극군(직경 30mm, 길이 80mm)을 제작한다.
이 전극군의 양극측 단면(端面)에 알루미늄제 양극 집전판을 레이저 용접하고, 음극측 단면에 구리제 음극 집전판을 레이저 용접한다. 또한, 양극 집전판에 양극단자를 용접하고, 음극 집전판에 음극단자를 용접하여 덮개판과 고정시킨다. 그 후, 전극군의 양단을 절연부재로 고정시킨 후, 이들을 10기압에서 개방되는 면적 75㎟(5×15mm)의 방폭밸브를 구비한 알루미늄제 직방형 케이싱에 삽입하고, 이 케이싱과 덮개판을 레이저 용접하여 전지케이스(폭 35mm×높이 35mm×길이 90mm)로 한다. 여기서, 전지케이스 내부에 형성된 공간부(전지케이스 내벽과 전극군이 접촉하지 않는 부분) 전체에 방폭밸브가 걸쳐지도록 방폭밸브를 배치(도 1(d)에 나타낸 위치에 상당)한다.
한편, 에틸렌카보네이트(EC)와 디메틸카보네이트(DMC)를 체적비 1:3의 배합비로 혼합한 혼합용매에, 용질로서 6불화인산리튬(LiPF6)을 1mol/dm3의 농도로 용해시켜 전해액을 제조한다. 이 전해액을, 덮개판에 형성한 주액공으로부터 전지케이스 내에 30g 주입하여 전극군에 함침시킨 후 최종적으로 봉입하여, 공칭용량 5Ah의 리튬이온 2차 전지를 제작한다. 여기서, 주액(注液) 함침 후의 잉여 전해액 양을, 전지케이스를 개구시켜 빼내고 중량을 측정한 결과, 약 10g이었다. 이 점에서, 초기상태의 전극군에는 약 20g의 전해액이 함침된 것으로 간주할 수 있다.
이상의 리튬이온 2차 전지를, 방폭밸브를 구비한 전지케이스 면이 하면이 되도록 배치한다. 이를 본 발명의 실시예인 전지A로 한다.
(전지B)
전지A에 있어서, 전극군에 방폭밸브의 일부가 대치하도록 방폭밸브를 배치(도 2(b)에 나타낸 위치에 상당)한 것 이외는, 전지A와 마찬가지로 리튬이온 2차 전지를 제작하여, 방폭밸브를 구비한 전지케이스 면이 하면이 되도록 배치한다. 이를 본 발명의 실시예인 전지B로 한다.
(전지C)
전지A와 마찬가지의 리튬이온 2차 전지를 제작하여, 방폭밸브를 구비한 전지케이스 면이 측면이 되도록 배치한다. 이를 본 발명의 실시예인 전지C로 한다.
(전지D)
도 3에 나타낸 종래의 원통형 리튬이온 2차 전지(직경 35mm, 길이 90mm)를 제작한다. 구체적으로는, 전지A와 마찬가지의 양극판(101), 분리막(103), 음극판(102)으로 이루어지는 전극군(전지A와 동일 치수)을 원통형 전지케이스(104)에 삽입한 후, 전지A와 동일 조성, 동량의 전해액을 주입하고, 전지A와 동일 면적의 방폭밸브를 갖는 봉쇄판(105)으로 전지케이스(104)의 상부 개구부를 코킹 처리로 밀봉하여, 공칭 용량 5Ah의 원통형 리튬이온 2차 전지를 제작한다. 이 리튬이온 2차 전지를, 봉쇄판(105)이 상면이 되도록 배치한다. 이를 비교예인 전지D로 한다.
이상의 각 전지를 각각 5개 제작하고, 25℃ 환경에서 이하의 못을 박는 시험을 실시한다. 우선, 1.0A의 전류값으로 충전 종지전압 4.2V, 방전 종지전압 3.0V의 충방전을 실시한다. 그 결과, 공칭용량(5Ah)에 가까운 방전용량이 얻어짐을 확인하였다. 그 후, 1.0A의 전류값으로 충전 종지전압 4.4V까지 과충전을 실시하고, 고정대 위에 각 전지를 고정시켜, 전지케이스 측면 중앙부분에 반경 1.5mm의 못을 관통시켰다.
전술한 조건으로 못 관통시험을 행하고, 전지케이스 내에 잔존하는 전해액량, 전지케이스의 파손 유무, 전지케이스의 팽창량, 및 전지 최고 도달온도를 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
전지 전지케이스 내 잔존 전해액(g) 전지케이스 파손 전지케이스 팽창량(mm) 전지 최고 도달온도(℃)
A 0 무 0.2 118
B 0 무 0.5 112
C 6 무 0.3 115
D 4 유 0.1 125
전지A에 대해서는, 못을 관통시킨 후 수초만에 방폭밸브가 작동하여 개구되고, 전지케이스 내의 잉여 전해액이 미스트(mist)로 배출되는 것이 관찰되었다. 또, 시험 후의 전지A는 5개 모두 방폭밸브 이외의 개소 파손은 확인되지 않으며, 전지케이스 팽창도 0.2mm로 매우 적고, 전지케이스 내에 전해액도 잔존하지 않았다.
전지B에 대해서는, 전지A와 마찬가지로, 전지케이스 내의 잉여 전해액이 미스트로 배출되는 것이 관찰되었다. 또, 시험 후의 전지는 5개 모두 방폭밸브 이외 개소의 파손은 확인되지 않으며, 전지케이스 내에 전해액도 잔존하지 않았으나, 전지A와 비교하여 전지케이스 팽창이 0.5mm로 약간 컸다. 이는, 방폭밸브가 전극군과 전지케이스가 접하는 위치에 배치되었기 때문에, 방폭밸브가 작동해도 전지A와 비교하여 가스의 배출이 원활하게 이루어지지 않아, 가스가 배출되는 동안 전지 내의 압력 상승에 의하여 전지케이스 변형에 이른 것으로 추정된다.
전지C에 대해서는, 전지케이스의 팽창은 적었으나 전지케이스 내에 잔존하는 전해액량은 6g으로 많았다. 이는, 공간부를 형성했음에도 불구하고, 방폭밸브가 전지케이스의 측면에 배치되었으므로, 전지케이스 하방 근방에 있는 전해액을 완전히 배출할 수 없기 때문인 것으로 생각된다. 그러나, 시험 후의 전지C는 5개 모두 방폭밸브 이외의 개소에서 파손은 확인되지 않았고, 전지케이스의 팽창도 매우 작은 점에서, 가스의 방출은 신속하게 이루어진 것으로 생각된다.
전지D에 대해서는, 방폭밸브이 작동했음에도 불구하고 3개의 전지케이스에서 그 저부 일부가 파손되는 결과를 나았다. 이는, 전지 A∼C와 달리, 전극군, 전지케이스가 모두 원통형이므로, 충분한 공간부가 형성되지 않았음과 더불어, 방폭밸브가 상부에 배치되었기 때문에 가스 방출이 신속하게 이루어지지 않았으며, 더욱이 잔존하는 전해액에 의하여 압력 상승이 가속됨으로써 전지케이스의 파손에 이른 것으로 추측된다.
이상의 결과로부터, 원통형의 전극군과 전지케이스 측면으로 구획된 전지케이스 내의 공간부에 대응한 전지케이스 측면에 방폭밸브를 배치함으로써, 이상 시에 발생한 전지 내의 가스를 확실하고 신속하게 외부로 방출시킬 수 있다. 또, 방폭밸브를 전지케이스 하면에 배치함으로써, 이상 시 발생한 전지 내의 가스를 신속하게 외부로 방출시킴과 더불어, 전지 내에 잔존하는 전해액을 신속하게 외부로 배출시킬 수 있다.
이상, 본 발명에 적합한 실시형태에 의하여 설명했으나, 이러한 기술은 한정사항이 아니며, 여러 가지 변형이 물론 가능하다.
본 발명은, 높은 레벨로 안전성이 요구되는 리튬이온 2차 전지에 유용하며, 전자기기만이 아닌, 전동공구, 전기자동차 등의 구동전원에도 적용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 양극판과 음극판을 분리막을 개재하여 감은 원통형의 전극군을, 전해액과 함께 각형 전지케이스에 삽입하여 이루어지는 밀폐형 전지에 있어서,
    상기 전극군의 감김축에 평행인 상기 전지케이스 측면에 압력개방기구가 배치되며,
    상기 압력개방기구는, 상기 전극군의 감김축을 상기 측면에 직각으로 투영했을 때의 투영선으로부터 떨어진 위치에 배치되는 밀폐형 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 측면 중, 제 1 측면에 상기 양극판 및 상기 음극판의 전극단자가 각각 배치되며,
    상기 압력개방기구는, 상기 제 1 측면에 대향하는 제 2 측면에 배치되는 밀폐형 전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 압력개방기구는, 상기 제 2 측면에서의 상기 투영선에 대치하는 위치로 서로 떨어지며, 적어도 2개 이상 배치되는 밀폐형 전지.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 압력개방기구는, 상기 제 2 측면에서의 상기 투영선과 교차하며, 이 투영선에 수직방향으로 연장 배치되는 밀폐형 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 측면 중, 제 1 측면에 상기 양극판 및 상기 음극판의 전극단자가 각각 배치되며,
    상기 압력개방기구는, 상기 제 1 측면에 인접하는 제 3 측면이며, 이 제 3 측면의 상기 투영선으로부터 상기 제 1 측면과 반대쪽으로 떨어진 위치에 배치되는 밀폐형 전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극군은 편평한 원통형을 이루는 밀폐형 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극군과 상기 측면의 내벽으로 구획된 상기 전지케이스 내의 영역은 공간부를 이루는 밀폐형 전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력개방기구는 방폭밸브(safety valve)로 구성되는 밀폐형 전지.
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