KR20100041472A - 안전성이 향상된 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 및 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓(Gasket);을 포함하고, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구들을 포함하고 있으며, 상기 관통구들은 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 전체 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 캡 어셈블리를 제공한다.

본 발명에 따른 캡 어셈블리는 전지 내부에서 고압 가스 발생시 전류의 흐름을 효과적으로 차단하고 가스를 신속하게 방출함으로써 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

안전성이 향상된 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 이차전지 {Cap Assembly of Improved Safety and Cylindrical Secondary Battery Employed with the Same}

본 발명은 안전성이 향상된 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트, 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재, 및 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓(Gasket)을 포함하고, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구들을 포함하고 있으며, 상기 관통구들은 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 전체 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 캡 어셈블리에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이 차전지의 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. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.

전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

이와 관련하여, 도 1에는 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 원통형 케이스(130)에 수납하고, 원통형 케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(140)을 결합하여 제작한다.

전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.

한편, 리튬 이차전지는 안전성이 낮다는 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 전지가 대략 4.5 V 이상으로 과충전되는 경우에는 양극 활물질의 분해반응이 일어나고, 음극에서 리튬 금속의 수지상(dendrite) 성장과, 전해액의 분해반응 등이 일어난다. 이러한 과정에서 열이 수반되어 상기와 같은 분해반응과 다수의 부반응들이 급속히 진행되며, 급기야는 전지의 발화 및 폭발이 유발되기도 한다.

따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 일반적인 원통형 이차전지에는 전지의 비정상적인 작동시 전류를 차단하고 내압을 해소하기 위한 전류차단부재(Current Interruptive Device; CID)와 안전벤트(vent)가 전극조립체와 상단 캡 사이의 공간에 장착되어 있다.

이를 도 2a 내지 2c를 참조하여 이하에서 설명한다.

이들 도면을 참조하면, 탑 캡(10)은 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고 배기구가 천공되어 있으며, 그것의 하부에 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element: 20), 정상적인 상태에서는 하향 돌출된 형상으로 되어 있고 전지 내부의 압력 상승시 돌출되면서 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트(30), 및 상단 일측 부위가 안전벤트(30)에 결합되어 있고 하단 일측이 전극조립체(40)의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트(50)가 순차적으로 위치되어 있다.

따라서, 정상적인 작동조건에서 전극조립체(40)의 양극은 리드(42), 접속 플레이트(50), 안전벤트(30) 및 PTC 소자(20)를 경유하여 탑 캡(10)에 연결되어 통전을 이룬다.

그러나, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전극조립체(40) 쪽으로부터 가스가 발생하여 내압이 증가하면, 도 2b에서와 같이, 안전벤트(30)는 그것의 형상이 역전되면서 상향 돌출되게 되고, 이때, 안전벤트(30)가 접속 플레이트(50)로부터 분리되어 전류가 차단되게 된다. 따라서, 과충전이 더 이상 진행되지 않도록 하여 안전성을 확보한다. 그럼에도 불구하고, 계속적으로 내압이 증가하면, 도 2c에서와 같이, 안전벤트(30)가 파열되고 가압 가스는 그러한 파열 부위를 경유하여 탑 캡(10)의 배기구를 통해 배기됨으로써, 전지의 폭발을 방지하게 된다.

그러나, 이러한 작동 과정은 전극조립체 부위에서의 가스 발생량 또는 가스 배출량에 절대적으로 의존하는 바, 가스 발생량 또는 배출량이 충분치 못하거나 짧은 시간내에 소정량의 수준으로 증가하지 못하면 단전이 늦어지게 되고, 전극조립체의 계속적인 통전으로 인해 열폭주 현상이 일어날 수 있다. 열폭주 현상은 전지가 계속적인 통전 상태에 놓여 있을 때 발생하거나 또는 더욱 가속화됨으로써, 전지가 발화 또는 폭발할 위험이 매우 커지므로 안전성에 심각한 문제가 있다. 더욱이, 최근 노트북 PC의 발화 사건이 연이어 발생함에 따라 전지의 안전성에 대한 중 요성이 더욱 강조되고 있다.

따라서, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전지 내부에 가스가 발생하여 내압이 증가하는 경우, 전지 외부로 신속하게 가스를 배출할 수 있는 캡 어셈블리에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.

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

본 발명의 목적은, 전지 외부로 신속하게 내부의 가압 가스를 배출할 수 있는 안전성이 향상된 캡 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 안전성이 향상된 캡 어셈블리를 사용하여 안전성이 향상된 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캡 어셈블리는, 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 및 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재 용 가스켓(Gasket);을 포함하고, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구들을 포함하고 있으며, 상기 관통구들은 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 전체 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 것으로 이루어져 있다.

상기 전류차단부재는 전지 내부의 압력 상승시 파열되어 전류를 차단하는 부재로서, 안전벤트의 만입부 하단에 용접 부착되어 있는 상향 돌출된 돌출부가 중앙에 형성되어 있고, 젤리-롤의 양극에 연결되어 있는 양극 리드가 상기 돌출부를 제외한 부위의 하단면을 통해 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.

이와 같이, 전류차단부재는 안전벤트에 결합되어 있어서 안전벤트의 형상 역전에 따라 전류차단부재와 양극 사이의 연결 부위가 파열되면서 전류를 차단하게 된다. 구체적인 예에서, 상기 돌출부에는 외주면에 노치가 형성되어 있을 수 있고, 안전벤트의 형상 역전에 따라 노치 부위가 파열되면서 돌출부는 안전벤트와 결합된 상태로 전류차단부재와 양극의 연결부위와 용이하게 분리될 수 있다.

또한, 상기 전류차단부재에는 가스의 상향 이동을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구가 형성되어 있고, 이를 통해 전지의 내부가스가 상승하여 안전벤트의 형상 역전을 유도한다.

그러나, 본 발명자들이 실험적으로 확인한 바에 따르면, 상기 전류차단부재에 형성된 관통구의 면적이 20% 미만인 경우에는, 전지 내부의 고압 발생시 전지가 발화 내지 폭발에 이르는 비율이 높았다. 이는, 관통구를 통한 가스의 통과량이 적어 효과적인 단전이 이루어지지 못하거나, 또는 가스의 상향 이동 경로가 차단되 거나 변경되어 전류차단에 걸리는 시간이 길어지기 때문인 것으로 추측된다. 한편, 상기 관통구의 크기가 지나치게 크면 소정의 강도를 확보하기 어렵고 가공시 부품의 뒤뜰림 현상이 발생하여 바람직하지 않다.

이에, 본 발명에 따른 캡 어셈블리에서, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 관통구가 둘 이상 포함되고 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 면적대비 20% 내지 50%의 크기, 더욱 바람직하게는 30% 내지 40%의 크기로 형성되어 있어서, 가스의 상향 이동량(배출량)을 높이고 가스의 신속한 상향 이동(배출)을 유도할 수 있다.

따라서, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전지 내부에 가스가 발생하여 내압이 증가하는 경우, 단전 및 안전벤트의 파열에 의해 전지 외부로 신속하게 가스를 배출하여 전지의 안전성을 담보할 수 있다.

상기 관통구들은 전류차단부재의 중심을 기준으로 방사상 대칭 위치에서 원호 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 방사상 대칭 위치로 형성되는 경우에는 가스 배출이 일 방향으로 지나치게 편중되는 것을 방지할 수 있고 전류차단부재 자체의 강도를 확보할 수 있다는 장점이 있다.

이 때, 상기 관통구들의 개수는 특별히 제한되는 것은 아니며 바람직하게는 2 ~ 4 개일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 3 개의 관통구들이 전류차단부재의 중심을 기준으로 50 ~ 80도의 각도 범위에 대응하는 길이의 원호 형상을 이루며 동일한 간격으로 배열되어 있는 구조일 수 있다.

한편, 상기 돌출부는 이를 중심으로 동심원상으로 3 ~ 5 개의 관통홀들과 상기 관통홀들을 연결하며 노치가 형성되어 있는 브릿지가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이 때, 관통홀들은 상기 관통구들에 대응하는 위치에서, 바람직하게는 전류차단부재의 중심을 기준으로 40 ~ 55도의 각도 범위에 대응하는 길이의 원호 형상을 이루며 동일한 간격으로 배열되어 있는 구조일 수 있다.

상기 안전벤트는 전지 내부 압력의 상승시 가스를 외부로 배출시켜 전지의 안전성을 담보하는 소자이다. 예를 들어, 전지의 내부에서 가스가 발생하여 임계치 이상으로 내압이 증가하였을 때, 안전벤트가 파열되고, 그러한 파열 부위로 배출되는 가스는 상단 캡에 형성되어 있는 하나 또는 둘 이상의 가스 배출구를 통해 외부로 배출될 수 있다.

상기 안전벤트는 중앙이 하향 만입된 형상의 구조일 수 있다. 이러한 구조에서, 전지의 내압 상승시 안전벤트의 중앙에서 하향 만입된 형상이 상향 돌출된 형상으로 역전되면서, 전류차단부재로부터 분리되어 전기적 연결을 차단하게 된다.

이러한 구조의 안전벤트의 작동 과정을 살펴보면, 전지 내부에서 발생한 가스는 전류차단부재의 관통구들을 통과하여 안전벤트에 상향 압력을 가하게 되고, 일정한 압력(이하, '제 1 임계 압력'으로 약칭함) 이상에서 안전벤트의 하향 만입부의 형상이 역전되면서 상기 만입부에 부착되어 있는 돌출부가 전류차단부재로부터 분리되어 전류차단부재로부터 안전벤트로의 통전을 차단하게 된다.

상기 만입부는 상절곡 부위 및 하절곡 부위로 이루어지고, 상기 상절곡 부위에는 바람직하게는 제 1 노치가 형성되어 있을 수 있다. 종래기술 중에는 하절곡 부위만이 절취되는 구조가 제안되기도 하였으나, 하절곡 부위는 좁은 면적을 가지므로 효과적인 가스 방출에 적합하지 않았다. 그러나, 본 발명에서는 상절곡 부위에 파열을 위한 노치가 형성되어 있어서, 절취되는 면적이 상대적으로 크므로, 다량의 가스를 신속하게 배출할 수 있다.

상기 제 1 노치는 안전벤트의 전류 차단에도 불구하고 계속적으로 압력이 상승하여 일정한 수준(이하, '제 2 임계 압력'으로 약칭함) 이상이 되면 절취될 수 있으므로, 내부의 가압 가스가 탑 캡에 형성된 가스 배출구를 통해 원활하게 외부로 배출된다.

한편, 상기 상절곡 부위 전체가 안전벤트로부터 분리되는 것을 방지하기 위해 상기 제 1 노치는 바람직하게는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있을 수 있다. 즉, 상기 일측의 개방 부위는 안전벤트에서 만입부와 이를 제외한 나머지 부위의 브릿지 역할을 한다.

상기 제 1 노치의 크기는 특별히 제한되지 않으나, 전류차단부재로부터 상향 이동한 가스가 제 1 노치에 직접 압력을 가할 수 있도록, 바람직하게는 전류차단부재에 형성된 관통구들의 중심선을 연결한 가상원의 크기에 대응하는 크기를 가질 수 있다.

또한, 상기 제 1 노치의 개방 부위는 앞서 설명한 바와 같이 제 1 노치부의 절취시 만입부가 완전히 절취되는 것을 방지할 수 있는 크기로서, 바람직하게는 안전벤트의 중심에 대해 20 ~ 50도의 각도, 더욱 바람직하게는 25 ~ 40도의 각도에 대응하는 원호 길이로 형성할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 안전벨트의 하절곡 부위에는 제 2 노치가 형성되어 있지만, 내압 상승시 상절곡 부위에서만 절취 현상이 발생할 수 있도록, 바람직하게는 서로 대향하는 양단이 개방된 개곡선의 구조로 이루어질 수 있다. 이와 같이 양단이 개방되어 있는 구조는 전지 내압이 상승하여도 하절곡 부위의 절취를 억제하고 상절곡 부위의 절취에 의한 개방을 유도한다.

상기 제 2 노치에서 개방된 양단은 상기 제 1 노치의 개방 부위와 일치하지 않는 위치에 형성되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 예에서, 약 ㅁ90도의 위치에 각각 형성되는 것이 바람직하다.

바람직한 예에서, 상기 제 1 노치는 제 2 노치에 비해 우선적으로 파열(절취)될 수 있도록, 제 2 노치 보다 깊은 깊이로 형성될 수 있다.

상기 안전벤트는 특별히 제한되지 않으나, 임계치 이상의 내압 증가에 의해 파열(절취)될 수 있을 정도의 강성을 가지기 위하여, 바람직하게는 0.15 내지 0.4 mm의 두께를 가진 알루미늄 판재로 이루어진 것일 수 있다.

상기 전류차단부재용 가스켓은 전류차단부재의 외주면를 감싸는 구조로서, 바람직한 예에서, 중앙에 개구가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이 때, 내부 가스의 상승 이동이 효율적으로 이루어지기 위해서는, 가압 가스의 이동 경로가 일직선이 되는 것이 바람직하므로, 상기 중앙 개구는 전류차단부재의 상기 관통구를 가리지 않는 형상으로 이루어질 수 있다.

종래에는 가스켓이 전류차단부재의 관통구를 일부 가리는 형상으로 되어 있어서, 관통구를 통과한 고압 가스가 가스켓에 의해 방해를 받아 배출량이 줄어들고 경로가 변경됨으로써 안전벤트의 즉각적인 작동을 유도하기 어려웠다. 그러나, 상기와 같이, 가스켓이 관통구를 가리지 않는 구조에서는 관통구를 통과한 고압 가스 전부가 직접적으로 안전벤트에 도달할 수 있어서 전지의 안전성을 더욱 담보할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 전류차단부재의 관통구, 전류차단부재용 가스켓의 개구, 및 안전벤트의 노치는 일직선 상으로 연통되는 위치로 형성될 수 있다.

이에 따라, 전지 내부로부터 발생한 고압 가스가 전류차단부재의 관통구를 통해 가스켓의 중앙 개구를 거쳐 안전벤트의 노치로 이동하는 과정에서 가스의 경로가 일직선상으로 유지될 수 있으므로, 고압 가스가 집중적이고 신속하게 상향 이동될 수 있다. 따라서, 안전벤트의 즉각적인 작동을 유도할 수 있어서 전지의 안전성을 담보할 수 있다.

본 발명에 따른 캡 어셈블리는 경우에 따라, 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element) 등의 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 캡 어셈블리는 전류차단부재, 전류차단부재용 가스켓, 안전벤트, PTC 소자, 및 하나 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑 캡의 적층 구조로 이루어져 있고, 상기 적층 구조의 외주면에 가스켓이 추가로 장착된 구조일 수 있다. 상기 PTC 소자는 상단 캡과 안전벤트 사이에 밀착된 상태로 개재될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 캡 어셈블리 및 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)를 포함하는 원통형 전지를 제공한다. 상기 원통형 전지는 젤리-롤을 원 통형 캔에 수납하고, 원통형 캔 내에 전해액을 주입한 후에, 캔의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 상단 캡을 결합하여 제작한다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 젤리-롤의 상단에는 가스 배출 및 전극단자의 연결을 위해 중앙에 개구가 천공되어 있고 그것의 주변에 하나 또는 그 이상의 관통구가 천공되어 있는 판상형 절연부재가 탑재될 수 있다.

이 때, 상기 판상형 절연부재의 관통구는 전류차단부재용 가스켓의 중앙 개구 및 전류차단부재의 관통구와 일직선 상으로 연통되는 크기와 위치로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 판상형 절연부재의 관통구는 판상형 절연부재의 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성될 수 있다.

상기 절연부재는 절연성 소재라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴리프로필렌 수지일 수 있다. 그 중에서도 고강도 폴리프로필렌 수지는 동일한 두께 대비로 우수한 기계적 강성을 발휘함으로써, 강한 외부 충격의 인가시에 젤리-롤의 이동과 단락을 방지할 수 있으므로, 특히 바람직하다.

상기 젤리-롤은 양극과 음극, 및 분리막을 차례로 적층하여 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀이 삽입되어 있다. 센터 핀은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.

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

본 발명에 따른 상기 원통형 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 첨가하기도 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 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지에서 캡 어셈블리 구조가 도시되어 있고, 도 4a 및 도 4b에는 도 3의 원통형 전지에 사용된 안전벤트의 사시도 및 평면도가 각각 도시되어 있다.

우선 도 3을 참조하면, 원통형 전지(100)는 원통형 캔(200)의 내부에 젤리-롤을(110)를 삽입하고, 여기에 전해액을 주입한 뒤, 젤리-롤(110)의 상단에 판상형 절연부재(800)를 탑재하고, 원통형 캔(200)의 개방 상단에 캡 어셈블리(300)를 장착함으로써 제조된다.

캡 어셈블리(300)는 원통형 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 장착되는 기밀유지용 가스켓(400) 내부에 상단 캡(310), PTC소자(positive temperature coefficient element: 350) 및 내부 압력 강하용 안전벤트(320)가 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있다.

안전벤트(320)의 하단에는 전지 내부의 압력 상승시 파열되어 전류를 차단하 는 전류차단부재(600)가 용접에 의해 결합되어 있으며, 전류차단부재(600)는 전류차단부재용 가스켓(700)에 의하여 감싸여 있다.

PTC 소자(350)는 상단 캡(310)과 안전벤트(320) 사이에 밀착된 상태로 개재되며 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단한다. 상단 캡(310)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행하고, 돌출부 주변을 따라 원통형 캔(200) 내부의 압축 가스가 배출될 수 있는 관통구(312)가 다수 개 형성되어 있다.

이러한 구조의 캡 어셈블리(300)에서, 안전벤트(320)의 구조를 도 4a 및 4b를 참조하여 더욱 구체적으로 살펴본다.

안전벤트(320)는 전류가 통하는 박막 구조물로서, 그것의 중앙에 하향 만입된 형상인 만입부(322)가 형성되어 있고, 상절곡 부위에는 제 1 노치(324)가 형성되어 있으며, 하절곡 부위에는 제 2 노치(326)가 형성되어 있다.

안전벤트(320)의 평면도를 도시한 도 4b에 도시된 바와 같이, 상절곡 부위에 형성된 제 1 노치(324)는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있다. 이러한 개방 부위는 미노치부(330)로서, 고압 가스에 의해 노치가 형성된 부위가 절취되어도 미노치부(330)에 의해 제 1 노치부 전체가 분리되는 것이 방지될 수 있다.

또한, 하절곡 부위에는 제 2 노치(326)가 형성되어 있으며, 서로 대향하는 양단이 개방된 개곡선의 구조로 이루어져 있다. 제 2 노치(326)의 개방된 양단 부위에는 2 개의 미노치부들(340)이 위치한다. 이러한 미노치부들(340)에 의해 제 2 노치(326)가 절취에 의해 분리되는 것이 방지될 수 있다. 제 2 노치(326)의 분리를 보다 확실히 방지하기 위해, 미노치부들(340)은 제 1 노치(324)에 형성된 미노치부(330)과 일치하지 않는 위치에 형성되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 본 도면에서와 같이, 제 1 노치부(324)의 미노치부(330)의 중심선을 기준으로 약 ±90도 위치에 형성될 수 있고, 2 개의 미노치부들(340)이 서로 대향하도록 형성될 수 있다.

도 5a 및 도 5b에는 도 3의 원통형 전지에 사용된 전류차단부재(600)가 도시되어 있다.

도 3와 함께 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 전류차단부재(600)의 중앙에는 안전벤트(320)의 만입부 하단(322; 도 4a 참조)에 용접 부착되는 상향 돌출된 돌출부(620)가 형성되어 있으며, 전류차단부재(600)의 하단면 중 돌출부(620)를 제외한 부위에는 젤리-롤(110)의 양극에 연결되어 있는 양극 리드(420)가 전기적으로 연결된다.

돌출부(620)에는 이를 중심으로 동심원상으로 3 개의 관통홀(630)과 상기 관통홀(630)을 연결하는 노치(650)가 형성되어 있는 브릿지(640)가 형성되어 있다.

또한, 전류차단부재(600)의 외주면에는 가스의 배출을 위한 3 개의 관통구들(610)이 중심축을 중심으로 방사상 대칭 위치에서 원호 형상으로 형성되어 있다. 관통구들(610)은 그것의 전체 면적이 전류차단부재(600)의 면적대비 30%의 크기로 형성되어 있는 바, 전지 내부의 고압 가스의 배출량을 높일 수 있어서 신뢰성 있는 전류차단 효과를 발휘할 수 있다. 관통구들(610) 상호간에 대략 120도의 각도로 이격되어 있으며, 각각의 관통구의 형상 및 크기가 동일하게 형성되어 있고, 관통 구들(610) 사이의 간격 역시 대략 동일하게 이루어져 있다. 이러한 구조에 의해, 전류차단부재(600)는 가스 배출량을 최대화하면서도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다.

이 때, 관통구들(610)의 중심선을 연결한 가상의 원(점선 참조)의 크기는 안전벤트(320; 도 4a 및 4b 참조)의 제 1 노치(324)의 크기와 대략 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 소정 크기 이상의 내압 발생시, 관통구들(610)을 통과한 고압 가스가 직선 경로로 제 1 노치(324)를 가압하여 제 1 노치(324)의 절취를 촉진할 수 있으므로 신속한 가스 배출이 가능하다.

도 6a 및 도 6b에는 전류차단부재(600)를 감싸는 전류차단부재용 가스켓(700)이 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 개구의 형상만을 표현하기 위하여 전류차단부재용 가스켓은 간략히 표현하였다.

도 3와 함께 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 전류차단부재용 가스켓(700)은 중앙에 개구(710)가 형성되어 있으며, 중앙 개구(710)는 전류차단부재(600)의 관통구들(610)을 가리지 않는 형상으로 되어 있다. 즉, 전류차단부재용 가스켓(700)의 형상은 전류차단부재(600)에서 개구가 형성되어 있지 않은 부분의 외주면의 형상과 대략 일치하도록 이루어져 있어서, 전류차단부재(600)의 외주면을 감싸면서 관통구(610)를 가리지 않으므로 관통구(610)가 가스 배출 통로로서 작용하는 것을 담보한다.

한편, 도 7a 및 도 7b에는 도 3에 따른 원통형 전지(100)에서 젤리-롤(110)의 상단에 탑재되는 판상형 절연부재(800)의 일 예가 도시되어 있다. 도 2와 함께 이들 도면을 참조하면, 판상형 절연부재(800)는 가스 배출 및 전극단자의 연결을 위해 중앙에 개구(820)가 천공되어 있고 그것의 주변에 하나 또는 그 이상의 관통구(810)가 천공되어 있다. 판상형 절연부재(800)의 관통구(810)는 전류차단부재(600)에 형성된 관통구(610)에 대응하는 형상, 크기 및 위치로 형성될 수 있으며, 판상형 절연부재(800)의 면적대비 대략 30%의 크기로 형성되어 있다.

도 8에는 원통형 전지에 장착되는 순서대로 판상형 절연부재(800), 전류차단부재용 가스켓(700), 전류차단부재(600) 및 안전벤트(320)의 적층형태가 모식적으로 도시되어 있다.

상기 설명한 도 2 내지 도 7과 함께 도 8을 참조하면, 전지 내부의 가압 가스가 효과적으로 외부로 배출될 수 있도록 판상형 절연부재(800)의 관통구(810)와 전류차단부재 가스켓(700)의 중앙 개구(710), 전류차단부재(600)의 관통구(610), 및 안전벤트(320)의 제 1 노치(324)는 일직선 상으로 연통되는 위치로 형성되어 있다.

도 9a 내지 9c에는 전지 내부의 압력이 비정상적으로 상승하는 경우 가압된 가스가 배출되는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지 내부의 압력이 비정상적으로 상승할 때 가압된 가스는 전류차단부재(600)의 관통구(610) 및 관통홀(630)을 통과하여 안전벤트(320)에 상향 압력을 가하게 된다.

그러한 압력에 의해 도 9b에서와 같이 안전벤트의 하향 만입부(322)가 들려 올려지면서 상기 만입부(322)에 용접 부착되어 있는 돌출부(620)가 제 1 임계 압력 이상에서 전류차단부재(600)로부터 용이하게 분리되어 전류차단부재(600)로부터 안전벤트(320)로의 통전을 차단하게 된다.

이러한 전류의 차단에도 불구하고 계속적으로 압력이 상승하여 제 2 임계 압력 이상이 되면, 도 9c에서와 같이 안전벤트(320)의 제 1 노치(324)가 절취되면서 내부의 가압 가스가 상단 캡의 관통구(312)를 통해 외부로 배출되게 된다. 본 발명에서는 직경이 큰 제 1 노치(324)가 절취됨에 따라 직경이 작은 제 2 노치(326)가 절취되는 경우에 비해 가스 배출량이 커지므로, 고압 가스의 신속한 배출을 유도할 수 있다.

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

[실시예 1]

외경 16 mm 및 두께 0.3 mm 알루미늄 판재에, 도 4b에서와 같이, 30도의 원호 크기를 제외한 부위에 8.0 mm 직경과 0.06 mm 두께의 제 1 노치를 형성하고 4.0 mm 직경과 0.1 mm 두께의 제 2 노치를 형성한 후, 중앙을 하향으로 0.65 mm 깊이만큼 돌출된 만입부를 가지도록 안전벤트를 제조하였다.

또한, 외경 11 mm 및 두께 0.5 mm의 알루미늄 판재에, 도 5b에서와 같이, 3 개의 관통구들을 방사상으로 형성하고 관통구들의 총 면적이 상기 판재의 전체면적 대비 약 30%가 되도록 하였다. 그런 다음 중앙에 직경 1.53 mm 및 돌출 높이 0.20 mm의 돌출부를 형성하고, 폭 0.6 mm 및 원주 길이 2.61 mm의 관통홀을 중앙 돌출부의 중심으로부터 1.5 mm의 거리에 3 개 천공한 뒤, 관통홀을 잊는 각각의 브릿지에 두께 약 70 ㎛의 노치를 형성하여 전류차단부재를 제조하였다.

또한, 외경 12 mm 및 두께 0.5 mm의 폴리프로필렌 판재에, 도 6b에서와 같이, 전류차단부재의 관통구를 가리지 않는 구조의 전류차단부재용 가스켓을 제조하였다.

상기 전류차단부재의 외주면을 전류차단부재용 가스켓에 삽입하고, 상기 안전벤트의 만입부 밑면을 전류차단부재의 돌출부 윗면에 레이저 용접하여 부착시켰다.

리튬 코발트 산화물로 구성된 양극과 흑연으로 구성된 음극 사이에 폴리에틸렌의 다공성 분리막을 개재한 형태의 젤리-롤형 전극조립체를 원통형 캔에 삽입한 후 판상형 절연부재를 장착한 뒤, 캔의 윗면을 비딩하여 고정시키고, 그러한 비딩부에 전류차단부재가 부착되어 있는 상기 안전벤트와, PTC 소자 및 상단 캡이 삽입되어 있는 가스켓을 끼워넣고 캔의 상단을 안쪽으로 프레싱하여 가스켓을 클림핑함으로써 전지를 제조하였다.

[실시예 2]

안전벤트의 제조시 제 1 노치의 두께를 0.1 mm, 제 2 노치의 두께를 0.06 mm로 하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.

[실시예 3]

안전벤트의 제조시 제 1 노치를 7 mm 직경과 0.06 mm 두께로 형성하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.

[비교예 1]

상기 전류차단부재의 관통구의 총 면적이 상기 전류차단부재의 전체면적 대비 18%가 되도록 하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1 ~ 3에서 제작된 전지와 비교예 1 에서 각각 제작된 전지들에 대해 nail test를 실시하였고, 그 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.

<표 1>

상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 관통구의 면적비가 30%인 전류차단부재를 사용한 경우 전지의 폭발 또는 전지 캔의 변형이 발생하지 않았다. 반면에, 관통구의 면적비가 18%인 전류차단부재를 사용한 비교예 1의 전지는 nail test시 전지가 폭발하였다. 또한, 실시예 2 및 3에서와 같이 제 2 노치부가 절취되어 안전벤트에서 가스 분출이 원활히 일어나지 못하는 경우는 전지의 폭발은 일어나지 않았으나, 전지 캔의 변형이 발생하였다.

고용량의 전지의 경우 안전벤트의 절취부 및 전류차단부재의 관통구의 크기가 충분치 못한 경우 충분히 가스를 통과시킬 수 없고, 안전벤트의 절취부가 내부에 위치하는 제 2 노치인 경우, 노치의 직경을 확대하여도 절취 후 안전벤트의 경사진 내부 노치부에 의해 가스 분출에 대한 저항이 발생하는 문제점이 있음을 확인할 수 있었다.

이상 검토한 바와 같이, 전지 내부의 가압 가스를 효과적으로 배출하기 위해서는 전류차단부재의 관통구의 면적의 확대와 함께, 안전벤트의 절취부를 제 1 노치부로 하는 구조가 전지 안전성의 상승효과를 발휘할 수 있음을 알 수 있다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는 상대적으로 큰 면적을 갖는 관통구가 형성된 전류차단부재를 포함함으로써 전지 내부의 고압 가스를 효과적으로 배출할 수 있고, 나아가 안전벤트에서 파열이 이루어지는 노치부를 관통구에 대응되도록 형성하는 경우 고압 가스의 배출이 일직선상으로 이루어질 수 있는 바, 고압 가스 발생시 안전벤트의 즉각적인 단전을 유도할 수 있고 가스 배출이 신속하게 이루어질 수 있어서 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.

도 1은 일반적인 원통형 이차전지의 수직 단면 사시도이다;

도 2a 내지 2c는 종래의 원통형 이차전지에서 안전소자의 작동에 의해 전류가 차단되고 고압 가스가 배출되는 일련의 과정에 대한 수직 단면도들이다;

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지의 단면 모식도이다;

도 4a 및 도 4b는 도 3의 이차전지에 사용된 안전벤트의 사시도 및 평면도이다;

도 5a 및 도 5b는 도 3의 이차전지에 사용된 전류차단부재의 사시도 및 평면도이다;

도 6a 및 도 6b는 도 3의 이차전지에 사용된 전류차단부재용 가스켓의 사시도 및 평면도이다;

도 7a 및 도 7b는 도 3의 이차전지에 사용된 판상형 절연부재의 사시도 및 평면도이다;

도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 판상형 절연부재, 전류차단부재 가스켓 및 전류차단부재의 적층과정의 모식도이다;

도 9a 내지 9c는 도 3의 이차전지에서 안전소자의 작동에 의해 전류가 차단되고 고압 가스가 배출되는 일련의 과정에 대한 수직 단면도들이다.

Claims (11)

1. 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 및 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓(Gasket);을 포함하고, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구들을 포함하고 있으며, 상기 관통구들은 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 전체 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류차단부재는 안전벤트의 만입부의 하단에 용접 부착되어 있는 상향 돌출된 돌출부가 중앙에 형성되어 있으며, 젤리-롤의 양극에 연결되어 있는 양극 리드가 상기 돌출부를 제외한 부위의 하단면을 통해 전기적으로 연결되어 있고, 상기 돌출부를 중심으로 동심원상으로 3 ~ 5 개의 관통홀들과 상기 관통홀들을 연결하며 노치가 형성되어 있는 브릿지가 형성되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구들은 전류차단부재의 중심을 기준으로 방사상 대칭 위치에서 원호 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트는 중앙이 하향 만입된 형상으로 되어 있고, 상기 만입부를 형성하는 상절곡 부위 및 하절곡 부위에는 각각 제 1 노치 및 제 2 노치가 형성되어 있으며, 상부에 형성되는 제 1 노치는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 노치는 서로 대향하는 양단이 개방된 개곡선의 구조를 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 캡 어셈블리는 전류차단부재, 전류차단부재용 가스켓, 안전벤트, PTC 소자, 및 하나 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑 캡의 적층 구조로 이루어져 있고, 상기 적층 구조의 외주면에 가스켓이 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전류차단부재용 가스켓은 중앙에 개구가 형성되어 있고, 상기 중앙 개구는 전류차단부재의 상기 관통구를 가리지 않는 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 전류차단부재의 관통구, 전류차단부재용 가스켓의 개구, 및 안전벤트의 노치는 일직선 상으로 연통되는 위치로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 캡 어셈블리 및 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
10. 제 9 항에 있어서, 가스 배출 및 전극단자의 연결을 위해 중앙에 개구가 천공되어 있고 그것의 주변에 하나 또는 그 이상의 관통구가 천공되어 있는 판상형 절연부재가 젤리-롤의 상단에 탑재되어 있으며, 상기 관통구는 판상형 절연부재의 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 판상형 절연부재의 관통구는 전류차단부재용 가스켓의 중앙 개구 및 전류차단부재의 관통구와 일직선 상으로 연통되는 위치로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.

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