KR20110015656A

KR20110015656A - 원통형 전지

Info

Publication number: KR20110015656A
Application number: KR1020107029773A
Authority: KR
Inventors: 도모히코 요코야마
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-02-16
Also published as: US20110064979A1; JP5571318B2; WO2010116590A1; CN102047468A; CN102047468B; JP2010250970A; US9601735B2

Abstract

바닥있는 원통형 전지 케이스(1)의 개구부가 조립 봉구체(5)에 의해 봉구된다. 조립 봉구체(5)는 상측 밸브판(13), 하측 밸브판(15) 및 바닥판(16)을 가지고 있다. 바닥판(16)에는 내부 가스 배출 구멍(21)이 형성되어 있다. 내부 가스 배출 구멍(21)은, 전지 케이스(1)의 축방향으로 보았을 때 적어도 일부분이 하측 밸브판 (15)의 밸브 구멍 형성부(15b)와 겹쳐져 있다. 이러한 구성에 따르면, 예컨대 전지 내압의 상승에 의해 전극군(20)이 조금씩 위로 올라가고, 그에 따라 바닥판(16)이 밀려올라가도 밸브 구멍이 막히는 일이 없다.

Description

원통형 전지{CYLINDRICAL BATTERY}

본 발명은 원통형 전지에 관한 것으로서, 특히 원통형 전지의 안전성을 향상시키기 위한 봉구 구조의 개량에 관한 것이다.

원통형 전지는, 일반적으로, 발전 요소를 수납하는 바닥있는 원통형의 금속제 전지 케이스를 가지고 있다. 전지 케이스의 개구부는, 금속제 봉구판 또는 조립 봉구체에 의해 봉구된다.

조립 봉구체는 전지의 안전성을 확보하기 위한 밸브 기구를 갖는다. 전지에 이상이 발생하고, 전지 케이스의 내부의 압력이 소정값 이상으로까지 상승하면 밸브 기구가 작동하여 전지 케이스의 내부의 가스가 방출된다. 이에 따라, 전지 케이스에 균열 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 6에 종래의 원통형 전지의 일례를 나타내었다. 전지(100)는 리튬 이온 이차전지로서, 전지 케이스(102)의 내부에 양극(104) 및 음극(106)을 세퍼레이터 (108)를 사이에 두고 소용돌이 형태로 권회한 전극군(110)이 수납되어 있다. 전지 케이스(102)의 개구부는, 조립 봉구체(112)에 의해 봉구되어 있다.

조립 봉구체(112)는, 최하부에 바닥판(115)이 배치되고, 최상부에 외부 단자판(116)이 배치되고, 그들 사이에 상측 밸브판(118), 하측 밸브판(120), 환형의 PTC 서미스터판(122) 및 환형의 절연 부재(124)가 배치되어 있다. 상측 밸브판 (118) 및 하측 밸브판(120)은 전지 케이스(102)의 내압이 이상 상승했을 때 중앙에 밸브 구멍을 개구시키도록 환형의 파단 용이부(118a 및 120a)가 각각 형성되어 있다. 또한, 조립 봉구체(112)의 바닥판(115)의 가장자리부 부근에는 복수 개의 가스 배출 구멍(115a)이 형성되어 있다. 또한, 외부 단자판(116)에도 복수 개의 가스 배출 구멍(116a)이 형성되어 있다.

이상의 구성에 의해, 전지 케이스(102)의 내압이 이상 상승하면, 상측 밸브판(118) 및 하측 밸브판(120)의 파단 용이부(118a 및 120a)가 파단되어 밸브 구멍이 열리고, 전지 케이스(102)의 내부의 가스가 외부로 해방된다.

그러나, 최근 전자 기기의 다기능화가 진행됨에 따라 전지의 더 많은 고용량화가 추진되고 있으며, 그 결과, 리튬 이온 이차 전지에 이상이 발생했을 때의 전지 케이스 내부의 압력의 상승도 점점 커지고 있다. 이에 대처하기 위해, 전지의 안전성을 보다 확실하게 확보하기 위한 기술에 대한 제안이 다양하게 이루어지고 있다.

예컨대, 특허문헌 1은, 비수 전해액 전지의 급격한 내압 상승으로 인한 파열, 발화를 방지하기 위해, 봉구체에 마련되는 가스 배출 구멍의 면적을 전지용량 (Ah) 당 0.15~1.2㎠로 하는 것을 제안하였다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 평 6-187957호 공보

그러나, 도 6에 도시한 종래의 원통형 전지에 있어서, 전지 케이스(102) 내부의 압력이 이상 상승하면, 예컨대 전극군(110)이 조금씩 위로 올라가고, 이에 따라 조립 봉구체(112)의 최하부에 배열된 바닥판(115)이 밀려올라가 하측 밸브판 (120)에 가압될 수가 있었다. 그러한 경우에, 상측 밸브판(118) 및 하측 밸브판 (120)의 파단 용이부(118a 및 120a)의 파단에 의해 형성된 밸브 구멍이 바닥판 (115)에 의해 막히고, 그에 따라 전지 케이스(102)의 내부의 가스를 신속하게 방출할 수가 없게 되는 것도 생각할 수 있다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 전지 케이스의 내압이 이상 상승했을 때 개방되는, 전지 케이스의 봉구부에 마련된 안전밸브가 다른 부재에 의해 막혀 기능하지 않게 되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 발전 요소와, 상기 발전 요소를 수납하는 바닥있는 원통형 전지 케이스와, 상기 전지 케이스의 개구부를 봉구하는 조립 봉구체를 포함하는 원통형 전지로서,

상기 조립 봉구체가, 외부 가스 배출 구멍을 갖는 단자판 및 내부 가스 배출 구멍을 갖는 바닥판, 및 그들 사이에 배열된 적어도 하나의 밸브판을 포함하고,

상기 밸브판을 통하여 상기 단자판과 상기 바닥판이 도통되어 있으며,

상기 밸브판이, 전지 내압이 상승하면 파단되어 밸브 구멍을 형성하는 파단 용이부를 가지고,

상기 조립 봉구체가, 상기 바닥판이 상기 밸브판에 눌려붙여졌을 때 상기 밸브 구멍을 막는 것을 방지하는 막힘 방지 기구를 더 포함하는 원통형 전지를 제공한다.

본 발명에 따른 막힘 방지 기구는, 전지 내압이 이상 상승하고, 발전 요소가 조금씩 올라가거나 하여 조립 봉구체의 바닥판이 밸브판 쪽으로 눌려붙여진 경우에도 전지 내압의 상승에 의해 밸브판에 형성되는 밸브 구멍이 바닥판에 의해 막히는 것을 방지한다. 이에 따라, 전지 내압이 이상 상승했을 때, 보다 확실하게 케이스 내부의 가스를 해방시키는 것이 가능해져, 원통형 전지의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 원통형 전지의 개략 구성을 보인 단면도이다.
도 2는 실시 형태 1의 원통형 전지의 조립 봉구체의 저면도이다.
도 3은 실시 형태 1의 원통형 전지의 변형예의 단면도이다.
도 4는 실시 형태 1의 원통형 전지의 다른 변형예의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 원통형 전지의 개략 구성을 보인 단면도이다.
도 6은 종래예에 따른 원통형 전지의 개략 구성을 보인 단면도이다.

(실시 형태 1)

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다.

도 1에 본 발명의 일 실시 형태에 따른 원통형 전지의 개략 구성을 단면도에 의해 나타내었다. 도시한 예의 전지(10)는 원통형의 리튬 이온 이차 전지로서, 양극(2)과, 음극(3)과, 그들 사이에 개재되는 세퍼레이터(4)를 소용돌이 형태로 권회하여 구성된 전극군(20)을 구비하고 있다. 전극군(20)은, 도시하지 않은 비수 전해질과 함께 바닥있는 원통형의 금속제 전지 케이스(1)에 수납된다. 전지 케이스 (1)의 개구부는 조립 봉구체(5)에 의해 봉구되고, 이에 따라 전극군(20) 및 비수 전해질은 전지 케이스(1)의 내부에 밀폐된다. 전지 케이스(1)의 내부에 있어서, 전극군(20)의 상측 및 하측에는 각각 상측 절연판(8A) 및 하측 절연판(8B)이 배열되어 설치된다.

조립 봉구체(5)는 도체로 이루어지는, 모자(hat)형의 단자판(11), 환형의 PTC(positive temperature coefficient: 양의 온도 계수) 서미스터판(12), 원판형의 상측 밸브판(13) 및 하측 밸브판(15), 절연체로 이루어지는 환형의 조립체용 가스켓(14) 및 바닥판(16)으로 구성된다. 바닥판(16)은 조립 봉구체(5)의 최하부에 배치되는 바닥부(17)와, 원통부(16a)와, 바닥부(17)와 원통부(16a)를 연결하는 연결부(16b)를 포함한다.

바닥부(17)은 원형을 하고 있으며, 그 가장자리부로부터 연결부(16b)가 세워져 올라가 있다. 연결부(16b)의 상승부의 상단에는 평탄부가 계속되어 있고, 그 평탄부의 가장자리부로부터 원통부(16a)가 더 세워져 올라가 있다. 하측 밸브판 (15)은 연결부(16b)의 평탄부 상에 올려져 있다.

조립체용 가스켓(14)은 상측 밸브판(13)의 주변부와 하측 밸브판(15)의 주변부와의 사이에 배열 설치되어, 상측 밸브판(13)의 주변부와 하측 밸브판(15)의 주변부가 접촉하는 것을 방지하고 있다. 또한, 조립체용 가스켓(14)은 바닥판(16)의 원통부(16a)와 단자판(11)의 가장자리부가 직접적으로 접촉하지 않도록 이 둘 사이에 개재된다.

조립 봉구체(5)의 가장자리부, 보다 구체적으로는, 바닥판(16)의 원통부 (16a)와 전지 케이스(1)의 개구부와의 사이에는 절연체로 이루어지는 가스켓(9)이 배열 설치된다. 가스켓(9)은 조립 봉구체(5)와 전지 케이스(1)와의 사이를 밀봉함과 아울러, 그들 사이를 절연하고 있다.

단자판(11)과 PTC 서미스터판(12)은 그들의 주변부에서 접촉하고 있다. PTC 서미스터판(12)과 상측 밸브판(13)은 그들의 주변부에서 접촉하고 있다. 상측 밸브판(13)과 하측 밸브판(15)은 그들의 중앙부에서 접촉하고 있다. 상측 밸브판 (13)의 중앙부와 하측 밸브판(15)의 중앙부는 서로 용접되어 있다. 하측 밸브판 (15)과 바닥판(16)은 하측 밸브판(15)의 주변부와 바닥판(16)의 연결부(16b) 및 원통부(16a)에서 접촉하고 있다. 이상의 구성에 의해, 단자판(11)과 바닥판(16)은 PTC 서미스터판(12) 및 상측 밸브판(13) 및 하측 밸브판(15)의 중앙의 접촉부를 통해 서로 도통된다.

바닥부(17)는 양극(2)과 양극 리드(6)를 통해 도통된다. 그 결과, 단자판 (11)이 양극(2)과 도통되어, 전지(10)의 양극측의 외부 단자로서 기능한다. 한편, 전지 케이스(1)가 음극(3)과 음극 리드(7)를 통해 도통되어, 전지(10)의 음극측의 외부 단자로서 기능한다.

어떠한 원인으로 인해 전지(10)에 과도한 전류가 흐르면, PTC 서미스터판 (12)의 온도가 상승하고, PTC 서미스터판(12)의 전기 저항이 증가한다. 이에 따라, 전류가 억제 내지는 차단되어, 전지(10)에 과도한 전류가 흐르는 것이 방지된다. 또한, 나중에 설명하는 바와 같이, 전지 내압이 이상 상승하면 상측 밸브판 (13) 및 하측 밸브판(15)의 중앙부에 밸브 구멍이 형성되어, 상측 밸브판(13)과 하측 밸브판(15)과의 접촉부가 소멸된다. 이에 따라, 단자판(11)과 바닥판(16)과의 도통 상태가 해제된다.

조립체용 가스켓(14)의 외부 가장자리부는 바닥판(16)의 원통부(16a)의 상단부보다 더 위로 돌출되어 있다. 이 상태에서, 원통부(16a)의 상단부를 내측으로 굽히도록 하여 크림핑(crimping)함으로써, 단자판(11), PTC 서미스터판(12), 상측 밸브판(13), 조립체용 가스켓(14) 및 하측 밸브판(15)이 바닥판(16)에 고정된다. 이때, 단자판(11), PTC 서미스터판(12) 및 상측 밸브판(13)의 가장자리부는 조립체용 가스켓(14)에 의해 원통부(16a)와 접촉하지 않도록 격리된다.

조립 봉구체(5)의 단자판(11)은 외부 가스 배출 구멍(22)을 가지고 있다. 조립 봉구체(5)의 바닥판(16)도 또한 내부 가스 배출 구멍(21)을 가지고 있다.

상측 밸브판(13)은 원형이며, 그 형상과 동심의 환형 홈인 파단 용이부(13a)가 상측 밸브판(13)의 중앙부에 형성되어 있다. 파단 용이부(13a)에 의해 에워싸인 부분은 파단 용이부(13a)의 파단에 의해 밸브 구멍이 개구되는 부분(밸브 구멍 형성부)(13b)으로 되어 있다.

하측 밸브판(15)도 또한 원형이며, 그 형상과 동심의 환형 홈인 파단 용이부 (15a)를 중앙부에 가지고 있다. 파단 용이부(15a)에 의해 에워싸인 부분은 파단 용이부(15a)의 파단에 의해 밸브 구멍이 개구되는 부분(밸브 구멍 형성부)(15b)으로 되어 있다.

하측 밸브판(15)의 파단 용이부(15a)의 지름은, 상측 밸브판(13)의 파단 용이부(13a)의 지름보다 약간 작게 되어 있다. 그 결과, 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부(15b)는 전체가 상측 밸브판(13)의 밸브 구멍 형성부(13b)와 겹쳐 있다. 이에 따라, 전지 내압이 이상 상승하여 상측 밸브판(13)의 파단 용이부(13a) 및 하측 밸브판(15)의 파단 용이부(15a)가 파단되었을 때, 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부(15b)가 상측 밸브판(13)에 형성된 밸브 구멍을 막는 것을 방지할 수 있다.

나아가, 같은 이유로, PTC 서미스터판(12)의 중앙의 구멍의 지름은 상측 밸브판(13)의 밸브 구멍 형성부(13b)의 지름보다 약간 크게 되어 있으며, 상측 밸브판(13)의 밸브 구멍 형성부(13b)는 전체가 PTC 서미스터판(12)의 중앙의 구멍과 겹쳐져 있다. 또한, 조립체용 가스켓(14)의 중앙의 구멍의 지름은 PTC 서미스터판 (12)의 중앙의 구멍의 지름보다 크게 되어 있으며, PTC 서미스터판(12)의 중앙의 구멍은 전체가 조립체용 가스켓(14)의 중앙의 구멍과 겹쳐져 있다.

다음, 도 2를 참조하여, 바닥판(16)에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 도 2는 조립 봉구체의 저면도이다.

상기 도면에 도시한 바와 같이, 조립 봉구체(5)의 바닥판(16)에는 소정 수(도시한 예에서는 3개)의 내부 가스 배출 구멍(21)이 형성되어 있다. 그들 내부 가스 배출 구멍(21)은 전지 케이스(1)의 축방향으로 보았을 때 각각의 일부분이 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부(15b)와 겹치고, 나머지 부분이 하측 밸브판(15)의 외측부(15c)와 겹쳐지도록 형성되어 있다. 내부 가스 배출 구멍(21) 각각은 하측 밸브판(15)의 파단 용이부(15a)를 따르도록 만곡되는 긴 구멍으로 되어 있다.

다음, 전지 내압이 이상 상승했을 때, 전지 케이스(1)의 내부의 가스를 보다 확실하게 해방시키기 위한 전지(1)의 안전기구의 동작을 설명한다.

어떠한 원인으로 전지 내압이 이상 상승하면, 상측 밸브판(13) 및 하측 밸브판(15)의 파단 용이부(13a 및 15a)가 파단되고, 상측 밸브판(13) 및 하측 밸브판 (15)에 도시하지 않은 밸브 구멍이 개구된다. 이에 따라, 전지 케이스(1)의 내부의 가스는 바닥판(16)의 내부 가스 배출 구멍(21)으로부터 상측 밸브판(13) 및 하측 밸브판(15)의 상기 밸브 구멍을 통과하여 단자판(11)의 외부 가스 배출 구멍 (22)으로부터 전지 케이스(1)의 외부로 방출된다. 이와 같이 하여 전지 내압의 이상 상승으로 인한 사고가 방지된다.

그런데, 전지 내압의 상승이 너무 급격하면, 전극군(20)이 조금씩 위로 올라가고, 그에 따라, 바닥부(17)가 하측 밸브판(15)에 가압될 수가 있다. 종래의 전지의 경우, 바닥부(17)가 하측 밸브판(15)에 가압되면, 그 바닥부(17)에 의해 상측 밸브판(13) 및 하측 밸브판(15)에 개구된 밸브 구멍이 막혀 전지 케이스(1)의 내부의 가스를 신속하게 외부로 해방시킬 수 없게 되는 것도 생각할 수 있다.

한편, 본 발명의 경우, 바닥판(16)에, 내부 가스 배출 구멍(21)이, 전지 케이스(1)의 축방향으로 보아, 적어도 일부가 상측 밸브판(13) 및 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부(13b 및 15b)와 겹쳐지도록 마련된다. 이에 따라, 상측 밸브판 (13) 및 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍이 바닥부(17)에 의해 완전히 막혀 버리는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 전지 케이스(1) 내부의 가스의 배출로를 확보할 수 있다. 따라서, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

여기서, 내부 가스 배출 구멍(21)과 겹치는 하측 밸브판(15)의 파단 용이부 (15a)의 길이의 합계는, 파단 용이부(15a) 전체의 길이의 50~80%로 하는 것이 바람직하다.

상기 비율이 50% 이상임으로써, 바닥판(16)의 바닥부(17)가 하측 밸브판(15)에 가압될 때 바닥부(17)의 면방향으로 어긋난 경우에도 밸브 구멍이 전부 막히는 것을 피할 수 있다. 한편, 상기 비율이 80% 이하임으로써 바닥부(17)의 강도가 저하되어 버리는 것을 피할 수 있다.

도 3에 실시 형태 1의 전지(1)의 변형예를 나타내었다.

도 1의 전지(10)에서는, 바닥판(16)에 마련된 소정 수의 내부 가스 배출 구멍(21)은, 전지 케이스(1)의 축방향으로 보았을 때, 각각의 일부분이 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부(15b)와 겹쳐져 있다. 이에 반해, 도 3의 전지(10A)에서는, 바닥판(16A)에 마련된 소정 수의 내부 가스 배출 구멍(31 및 32) 중 일부분의 내부 가스 배출 구멍(31)은, 그 전체가 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부 (15b)와 겹쳐져 있다. 한편, 다른 내부 가스 배출 구멍(32)은 밸브 구멍 형성부 (15b)와 전혀 겹쳐져 있지 않다. 이에 따라, 바닥판(16A)의 바닥부(17A)가 하측 밸브판(15)에 가압되었을 때, 밸브 구멍이 바닥부(17A)에 의해 막히는 것을 방지할 수 있다.

도 4에 실시 형태 1의 전지(1)의 다른 변형예를 나타내었다.

도 4의 전지(10B)에서는, 바닥판(16B)에 마련된 소정 수의 내부 가스 배출 구멍(33 및 34) 중 일부분의 내부 가스 배출 구멍(33)은, 전지 케이스(1)의 축방향으로 보았을 때, 일부분만 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부(15b)와 겹쳐져 있다. 한편, 다른 내부 가스 배출 구멍(34)은, 밸브 구멍 형성부(15b)와 전혀 겹쳐져 있지 않다. 이에 따라, 바닥판(16B)의 바닥부(17B)가 하측 밸브판(15)에 가압되었을 때, 밸브 구멍이 바닥부(17B)에 의해 막히는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도 4의 전지(10B)에서는, 내부 가스 배출 구멍(33)과 겹쳐지는 파단 용이부(15a)의 길이는 50% 미만으로 되어 있다.

이상의 변형예로부터 이해되는 바와 같이, 실시 형태 1의 전지에서는, 조립 봉구체의 바닥판에 마련되는 내부 가스 배출 구멍 중 적어도 하나의 내부 가스 배출 구멍의 적어도 일부분이 하측 밸브판의 밸브 구멍 형성부와 겹쳐져 있으면 된다. 또한, 가스 배출 구멍의 배치나 바닥판에 차지하는 비율(파단 용이부와 겹쳐지는 길이)도 기본적으로는 한정되지 않는다. 그러나, 내부 가스 배출 구멍을, 도 2에 나타낸 바와 같은 배치 및 비율로 마련함으로써 가장 확실하게 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

나아가, 바닥판에 형성되는 내부 가스 배출 구멍은 하나일 수도 있고, 2개 이상일 수도 있다.

다음, 실시 형태 1에 따른 본 발명의 실시예를 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.

<실시예 1>

이하와 같이 하여 리튬 이온 이차 전지로 이루어지는 시험체를 제조했다.

(양극의 제조)

양극 활물질로서, 평균 입자 직경이 10μm인 코발트산 리튬(LiCoO2)을 사용했다. 100중량부의 양극 활물질에, 결착제로서의 8중량부의 폴리불화 비닐리덴 (PVDF)과, 도전재로서의 3중량부의 아세틸렌 블랙과, 적당량의 N-메틸-2-피롤리돈 (NMP)을 혼합하여 양극 합제 페이스트를 조제했다.

그 양극 합제 페이스트를 알루미늄 박으로 이루어지는 양극 집전체의 양면에 양극 리드(6)의 접속 부분을 제외하고 도포하고, 건조하여 양극 합제층을 형성했다. 그와 같이 하여 양극의 전구체를 제조하고, 그 후, 그것을 압연하여 양극을 얻었다. 이때, 집전체의 한쪽면 당 양극 합제층의 두께가 70μm가 되도록 양극의 전구체를 압연했다.

또한, 양극 집전체로서 사용한 알루미늄 박의 길이는 600mm, 폭은 54mm, 두께는 20μm이었다. 또한, 양극 리드(6)의 접속 부분은, 후술하는 바와 같이, 양극의 권취 시작 부분에 형성했다.

(음극의 제조)

음극 활물질로서, 평균 입자 직경이 20μm인 인조 흑연을 사용했다. 100중량부의 음극 활물질에, 결착제로서의 1중량부의 스티렌부타디엔 고무와, 증점제로서의 1중량부의 카르복시메틸셀룰로오스와, 적당량의 물을 혼합하여 음극 합제 페이스트를 조제했다.

그 음극 합제 페이스트를 동박으로 이루어지는 음극 집전체의 양면에 음극 리드(7)의 접속 부분을 제외하고 도포하고, 건조하여 음극 합제층을 형성했다. 이와 같이 하여 음극의 전구체를 제조하고, 그 후 그것을 압연하여 음극을 얻었다. 이 때, 집전체의 한쪽면 당 음극 합제층의 두께가 65μm가 되도록 음극의 전구체를 압연했다.

또한, 음극 집전체로서 사용한 동박의 길이는 630mm, 폭은 56mm, 두께는 10μm이었다. 또한, 음극 리드(7)의 접속 부분은 음극의 권취 종료 부분에 형성했다.

(조립 봉구체의 제조)

도 1에 도시한 조립 봉구체(5)를 제조했다. 상측 밸브판(13) 및 하측 밸브판(15)은 알루미늄제로 했다. 단자판(11)은 철제로 했다. 바닥판(16)은 알루미늄제로 했다. 조립체용 가스켓(14)은 폴리프로필렌제로 했다. 바닥판(16)의 내부 가스 배출 구멍(21)은 전지 케이스(1)의 축방향으로 보았을 때의 형상(이하, 투사 형상이라고 함)의 내측의 부분이 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부(15b)와 겹치고, 외측의 부분이 하측 밸브판(15)의 파단 용이부(15a)보다 외측의 부분과 겹쳐지도록 형성했다.

(전지의 조립)

전술한 바와 같이 하여 제조한 양극 및 음극을, 사이에 세퍼레이터(4)를 개재시켜 적층하여 적층체를 얻었다. 세퍼레이터(4)에는 두께가 20μm인 폴리에틸렌제 다공막을 사용했다. 얻어진 적층체의 양극의 권취 시작 부분에 양극 리드(6)를 접속하고, 음극의 권취 종료 부분에 음극 리드(7)를 접속했다. 양극 리드(6) 및 음극 리드(7)는 각각 상기 접속 부분에 초음파 용접법에 의해 접속했다. 그 상태에서, 상기 적층체를 소용돌이 형태로 권회하여 전극군(20)을 얻었다.

그와 같이 하여 얻어진 전극군(20)을 철제 전지 케이스(1)에 수납했다. 이 때, 양극 리드(6)를 가장자리부에 폴리프로필렌제 가스켓(9)을 부착한 조립 봉구체 (5)의 바닥판(16)에 레이저 용접법에 의해 용접하고, 음극 리드(7)를 전지 케이스 (1)의 바닥부에 저항 용접법에 의해 용접했다. 전지 케이스(1)는 직경(외경)이 18mm, 높이가 65mm, 캔벽의 두께가 0.15mm인 것을 사용했다. 이 전지 케이스(1)의 두께는 통상 시판되고 있는 원통형의 리튬 이온 이차 전지의 전지 케이스의 두께에 가까운 것이다. 또한, 전극군(20)의 상측 및 하측에는 각각 폴리프로필렌제의 상측절연판(8A) 및 하측 절연판(8B)을 배열 설치했다. 또한, 그 전지 케이스(1)의 측벽의 바닥부에 가까운 위치에 홈파기를 하여, 균열 예정부를 형성했다.

그리고, 전지 케이스(1) 내에 비수 전해질을 주입했다. 비수 전해질은 에틸렌카보네이트와 에틸메틸카보네이트를 일대일의 체적비로 혼합한 혼합 용매에 6불화 인산 리튬(LiPF₆)을 1.0mol/L의 농도로 용해함으로써 조제했다.

그리고, 전지 케이스(1)의 개구 단부보다 5mm의 위치에서, 전지 케이스(1)의 둘레 방향을 따라, 내측으로 돌출하는 돌출부(1a)(도 1 참조)를 형성했다. 이에 따라 전극군(20)을 전지 케이스(1)의 내부에 유지했다.

다음, 돌출부(1a) 상에 얹도록 해서 조립 봉구체(5)를 전지 케이스(1)의 개구부에 배치했다. 그 후, 전지 케이스(1)의 개구부를 내측으로 굽히도록 크림핑하여, 전지 케이스(1)를 봉구했다.

이상과 같이 하여 직경이 18mm, 높이가 65mm인 원통형의 리튬 이온 이차 전지로 이루어지는 시험체를 10개 제조했다. 이 리튬 이온 이차 전지의 설계 용량은 2600mAh으로 했다.

<실시예 2>

캔벽의 두께가 0.12mm인 전지 케이스(1)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 리튬 이온 이차 전지로 이루어지는 시험체를 10개 제조했다.

<실시예 3>

캔벽의 두께가 0.10mm인 전지 케이스(1)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, 리튬 이온 이차 전지로 이루어지는 시험체를 10개 제조했다.

<비교예 1>

조립 봉구체의 바닥판에, 투사 형상이 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부 (15b)와 전혀 겹쳐지지 않는 가스 배출 구멍을 마련한(도 6참조) 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 리튬 이온 이차 전지로 이루어지는 시험체를 10개 제조했다.

실시예 1~3, 및 비교예 1의 각 10개의 시험체에 대하여 이하와 같은 시험을 실시했다. 먼저, 25℃의 환경 하에서 1500mA의 정전류로 전지 전압이 4.25V가 될 때가지 충전했다. 충전 후의 시험체를 핫 플레이트 위에 놓고, 25℃ 내지 200℃까지 매초 1℃씩 온도가 상승하도록 가열했다. 그리고, 전지 케이스(1)에 작은 균열이 발생한 시험체의 개수를 셌다.

이상의 결과를 표 1에 나타내었다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1~3에서는 시험체에 균열이 생기지 않았다. 이는, 실시예 1~3에서는 바닥판(16)의 적어도 하나의 내부 가스 배출 구멍 (21)의 투사 형상의 적어도 일부분이 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부(15b)와 겹쳐져 있기 때문이다. 이에 따라, 바닥부(17)가 전지 내압의 상승에 의해 하측 밸브판(15)에 가압되었을 때에도, 하측 밸브판(15)에 개구된 밸브 구멍이 전부 바닥부(17)에 의해 막혀 버리는 일이 없었기 때문이라고 생각된다. 따라서, 실시예 3과 같이, 전지 케이스(1)의 두께를 통상의 것(실시예 1 참조)보다 상당히 얇게 해도 균열은 생기지 않았다.

이에 반해, 비교예 1에서는 시험체에 균열이 생긴 것이 3개 있었다. 이는, 그들 시험체에 있어서, 바닥부(17)가 전지 내압의 상승에 의해 하측 밸브판(15)에 가압되었을 때, 하측 밸브판(15)에 개구된 밸브 구멍이 바닥부(17)에 의해 막혀 전지 내압이 과도하게 커졌기 때문이라고 생각된다.

비교예 1에서의 이 결과는, 전지 케이스(1)의 두께를 통상보다 상당히 얇게 한 것에도 기인한다고 생각된다. 그러나, 전지 케이스(1)의 두께가 통상의 두께라 하더라도 몇천개, 몇만개 혹은 몇십만개라는 전지 중에는, 비교예 1과 동일한 균열이 생기는 전지가 없다고는 단정지을 수 없다.

따라서, 상기 결과는, 본 발명에 의해 전지의 안전성이 향상된 것을 나타내는 것이라고 할 수 있다.

(실시 형태 2)

다음, 본 발명의 실시 형태 2를 설명한다. 도 5에 실시 형태 2에 따른 전지의 개략적인 구성을 단면도에 의해 나타내었다. 실시 형태 2는, 실시 형태 1을 변형한 것으로서, 이하에서는 실시 형태 1과 다른 부분을 주로 설명한다.

실시 형태 2에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 바닥판(16C)은, 하측 밸브판 (15)의 밸브 구멍 형성부(15b)와 겹치는 위치에 내부 가스 배출 구멍(35)이 형성되어 있지 않다. 대신, 바닥판(16C)은, 바닥부(17C)가 하측 밸브판(15)에 가압되었을때 하측 밸브판(15)의 외측부(15c)와 맞닿는 돌출부(23)를 갖는다. 돌출부(23)는 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍이 바닥부(17C)에 의해 막혀 버리는 것을 방지한다.

보다 구체적으로는, 도 5의 전지(10C)에서는, 바닥부(17C)의 하측 밸브판 (15)의 외측부(15c)와 대향하는 위치에 돌출부(23)가 마련되어 있다. 그러한 위치에 돌출부(23)를 마련함으로써, 바닥부(17C)가 하측 밸브판(15)에 가압되어도 바닥부(17C)와 하측 밸브판(15)과의 사이에 공극을 확보하는 것이 가능해진다. 따라서, 하측 밸브판(15)에 개구되는 밸브 구멍을 바닥부(17C)에 의해 막아 버리는 것을 피할 수 있다. 또한, 바닥부(17C)에 돌출부(23)를 마련하는 것 이외에, 바닥부 (17C)의 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍 형성부(15b)와 겹쳐지는 위치에 내부 가스 배출 구멍을 형성하는 것도 물론 가능하다.

돌출부(23)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 바닥부(17C)와 다른 부재로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 돌출부(23)는, 바닥판(16C)과 일체로 형성하는 것도 가능하다. 그 재질은 어느 정도 이상의 강성을 가지면 되며, 특별히 한정되지 않는다. 그 형상은, 환형으로 하거나, 독립된 돌기형으로 할 수 있다. 독립된 돌기형으로 한 경우의 개수는, 보다 확실하게 하측 밸브판(15)의 밸브 구멍이 바닥부 (17C)에 의해 막혀 버리는 것을 방지하기 위해, 적어도 3개 이상으로 하는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 바닥부(17C)가 하측 밸브판(15) 쪽으로 가압되었을 때 하측 밸브판(15)의 외측부(15c)와 맞닿을 위치에 돌출부(23)를 마련함으로써, 하측 밸브판 (15)의 밸브 구멍이 바닥부(17C)에 의해 막혀 버리는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 원통형 전지의 안전성이 향상된다.

본 발명에 따르면, 안전성이 향상된 원통형 전지를 제공할 수 있다. 이러한 본 발명의 원통형 전지는, 특히 개인용 컴퓨터, 휴대 전화, 모바일 기기, 휴대 정보 단말기(PDA), 휴대용 게임기기 및 비디오 카메라 등의 휴대용 전자 기기의 전원으로서 유용하다. 또한, 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 연료전지 자동차 등의 교통용 기기에 있어서, 그 전동기의 구동을 보조하는 전원으로서도 유용하다. 또한, 전동 공구, 청소기 및 로봇 등의 구동용 전원으로서도 유용하며, 플러그인 HEV의 동력원으로서도 유용하다.

1…전지 케이스,
5…조립 봉구체,
10, 10A, 10B, 10C…전지,
11…단자판,
13…상측 밸브판,
13a…파단 용이부,
13b…밸브 구멍 형성부,
15…하측 밸브판,
15a…파단 용이부,
15b…밸브 구멍 형성부,
15c…외측부,
16, 16A, 16B, 16C…바닥판,
17, 17A, 17B, 17C…바닥부,
20…전극군,
21, 31, 32, 33, 34, 35…내부 가스 배출 구멍,
22…외부 가스 배출 구멍,
23…돌출부,

Claims

발전 요소와, 상기 발전 요소를 수납하는 바닥있는 원통형 전지 케이스와, 상기 전지 케이스의 개구부를 봉구하는 조립 봉구체를 포함하는 원통형 전지로서,
상기 조립 봉구체가, 외부 가스 배출 구멍을 갖는 단자판 및 내부 가스 배출 구멍을 갖는 바닥판 및 그들 사이에 배열된 적어도 하나의 밸브판을 포함하고,
상기 밸브판을 통해 상기 단자판과 상기 바닥판이 도통되어 있고,
상기 밸브판이, 전지 내압이 상승하면 파단되어 밸브 구멍을 형성하는 파단 용이부를 가지며,
상기 조립 봉구체가, 상기 바닥판이 상기 밸브판에 가압되었을 때 상기 밸브 구멍을 막는 것을 방지하는 막힘 방지 기구를 더 포함하는 원통형 전지.
청구항 1에 있어서, 상기 막힘 방지 기구는 상기 내부 가스 배출 구멍과 상기 밸브판으로 구성되고, 상기 전지 케이스의 축방향으로 보았을 때, 상기 내부 가스 배출 구멍의 적어도 일부분이 상기 밸브판의 상기 밸브 구멍이 개구되는 부분과 겹쳐있는 원통형 전지.
청구항 2에 있어서, 상기 바닥판이 복수 개의 상기 내부 가스 배출 구멍을 가지고, 상기 전지 케이스의 축방향으로 보았을 때, 각각의 상기 내부 가스 배출 구멍은 일부분만이 상기 밸브판의 상기 밸브 구멍이 개구되는 부분과 겹쳐있는 원통형 전지.
청구항 2에 있어서, 상기 바닥판이 제1원판형 부재로 이루어지고,
상기 밸브판이 상기 바닥판과 동심으로 배열된 제2원판형 부재로 이루어지며,
상기 밸브판의 상기 밸브 구멍이 개구되는 부분이, 상기 밸브판의 중앙부에 위치하면서, 상기 밸브판과 동심의 원형부분으로 이루어지고,
상기 파단 용이부가 환형이고, 그 전체 길이의 50~80%가, 상기 내부 가스 배출 구멍과 겹쳐있는 원통형 전지.
청구항 2에 있어서, 상기 바닥판이 복수 개의 상기 내부 가스 배출 구멍을 가지고,
상기 전지 케이스의 축방향으로 보았을 때, 적어도 하나의 상기 내부 가스 배출 구멍은, 전체가 상기 밸브판의 상기 밸브 구멍이 개구되는 부분과 겹치고, 다른 상기 가스 배출 구멍은, 상기 밸브판의 상기 밸브 구멍이 개구되는 부분과 전혀 겹쳐있지 않은 원통형 전지.
청구항 2에 있어서, 상기 바닥판이, 복수 개의 상기 내부 가스 배출 구멍을 가지며,
상기 전지 케이스의 축방향으로 보았을 때, 적어도 하나의 상기 내부 가스 배출 구멍은 일부분만이 상기 밸브판의 상기 밸브 구멍이 개구되는 부분과 겹치고, 다른 상기 내부 가스 배출 구멍은, 상기 밸브판의 상기 밸브 구멍이 개구되는 부분과 전혀 겹쳐있지 않은 원통형 전지.
청구항 1에 있어서, 상기 막힘 방지 기구가 상기 밸브판 쪽으로 돌출하도록 상기 바닥판에 마련한 돌출부를 포함하고, 상기 전지 케이스의 축방향으로 보았을 때, 상기 돌출부의 위치가, 상기 밸브판의 상기 밸브 구멍이 개구되는 부분 이외의 부분과 겹쳐 있는 원통형 전지.
청구항 1에 있어서, 상기 발전 요소가, 리튬 이온을 흡장 및 방출 가능한 양극, 리튬 이온을 흡장 및 방출 가능한 음극, 상기 양극과 음극과의 사이에 개재되는 세퍼레이터, 및 리튬 이온 전도성을 갖는 비수 전해질로 구성되는 원통형 전지.
청구항 1에 있어서, 상기 양극이 양극 활물질과, 금속박으로 이루어지는 집전체를 포함하며, 상기 양극 활물질이 리튬 함유 전이 금속 산화물을 포함하고 있는 원통형 전지.
청구항 1에 있어서, 상기 음극이 음극 활물질과, 금속박으로 이루어지는 집전체를 포함하며, 상기 음극 활물질이 탄소질 재료를 포함하고 있는 원통형 전지.