KR20110029061A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20110029061A
KR20110029061A KR1020100023887A KR20100023887A KR20110029061A KR 20110029061 A KR20110029061 A KR 20110029061A KR 1020100023887 A KR1020100023887 A KR 1020100023887A KR 20100023887 A KR20100023887 A KR 20100023887A KR 20110029061 A KR20110029061 A KR 20110029061A
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gasket
cap
secondary battery
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leakage preventing
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오경수
구자훈
최용수
김성종
이정아
장재동
김동명
정준용
황성민
김도균
남상봉
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명에 따른 이차 전지는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 전극 조립체가 수납되는 케이스 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체 케이스와 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓 및 전극 조립체를 향하면서 가스켓과 접촉되는 캡 조립체의 일면 또는 가스켓의 일면 중 적어도 어느 하나의 면에 형성된 누액 방지부를 구비한다.

Description

이차 전지{Secondary battery}
Cross-Reference
본 출원은 2009년 9월 14일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2009-0086691호의 국내우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬 이온/폴리머 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충, 방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등의 전원에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 약 3배의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 또한, 리튬 이차 전지는 각형 전지, 원통형 전지, 파우치형 전지로 구분될 수 있다.
리튬 이온 이차 전지는 양극/세퍼레이터/음극이 순차적으로 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다. 특히, 각형 또는 원통형 이차 전지의 외장재는 개방단이 형성된 케이스 및 케이스의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체를 구비한다.
전극 조립체는 각각 활물질이 도포된 시트 형태의 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재시켜 권취한 젤리-롤 타입과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 개재시켜 순차적으로 적층시킨 스택 타입으로 분류된다. 여기서, 젤리-롤 타입의 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점이 있고, 특히 원통형 또는 각형 전지의 케이스에 수납이 용이하므로 젤리-롤 타입의 전극 조립체가 널리 이용되고 있다. 한편, 스택 타입 전극 조립체는 파우치형 전지에 널이 이용되고 있다.
그런데, 이차 전지의 충, 방전 시, 전극 조립체는 반복적인 팽창과 수축을 겪으면서 변형되는 경향이 있고, 이러한 과정에서, 젤리-롤 타입 전극 조립체의 경우, 응력이 중심부로 집중되어 전극이 세퍼레이터를 뚫고 금속 센터 핀에 접촉됨으로써 내부 단락이 발생되는 경향이 있다. 이러한 내부 단락은 전지의 발열로 연결되어 유기 용매가 분해되어 가스를 발생시키게 되고, 전지 내부의 압력을 상승시켜 외장재가 파열될 수도 있다. 물론, 전지 내부의 가스 압력 상승은 외부 충격에 의한 내부 단락에 의해서도 발생될 수도 있다.
이와 같은 전지의 안전성 문제를 해결하기 위해, 이차 전지는 기본적으로 PTC 소자를 구비한다. 특히, 원통형 전지는, 고압 가스를 배출하는 안전 벤트, 전지의 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단소자(Current Interrupt Device:CID) 등의 안전 장치들과 이들 장치들을 보호하는 돌출형 단자를 형성하는 탑-캡(top-cap)을 포함하는 캡 조립체를 구비하고, 캡 조립체는 가스켓에 의해 케이스와 밀봉 결합된다.
그런데, 종래의 이차 전지에 있어서, 가스켓을 매개로 캡조립체와 케이스를 조립하는 과정에서, 가스켓과 캡 조립체 사이 또는 가스켓과 케이스 사이에 각각 틈이발생할 우려가 높아 전지의 기밀성이 저하되는 문제점이 있었다. 즉, 클램핑 공정 등에 의해, 가스켓이 케이스에 의해 눌려져 변형되면서 케이스와 캡 조립체 사이가 말착된다. 그러나, 종래 구조에 따른 가스켓은 케이스와 캡 조립체 사이에 밀착되는 면이 단순한 평면 형태이므로 그 기밀성이 떨어지게 된다. 특히, 케이스의 클램핑 과정에서 가스켓이 고르게 가압되지 않는 경우에는 가스켓의 편평한 면이 불균일하게 변형되면서 가스켓의 일부가 케이스 또는 캡 조립체와 밀착되지 못하고 그 사이가 벌어지는 현상이 발생되어 케이스와의 기밀 특성을 저하시키게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 한국특허공개번호 제10-2006-0037595호는, 케이스와 캡 조립체와 접하는 가스켓의 면에 요철 형태의 주름이 적어도 한 줄 이상 형성된 이차 전지를 개시하고 있다. 그러나, 이러한 종래기술에 따른 이차 전지 역시, 플라스틱 재질의 가스켓에만 요철 구조를 형성시킬 뿐이므로, 이차 전지의 밀봉성 저하의 문제점을 여전히 해결하지 못하고 있다. 왜냐하면, 이러한 종래 기술의 이차 전지의 가스켓의 밀봉 구조는, 전해액 및/또는 가스의 일차적인 누출 부위 즉, 캡 어셈블리의 최하층에 위치되는 안전 벤트와 그것의 외주면을 감싸는 가스켓사이의 계면 부분의 밀봉성에 초점을 맞추지 않았기 때문이다. 즉, 종래기술의 밀봉 방법은 안전 벤트와 그것의 외주면을 감싸는 가스켓의 계면을 통해 일단 전해액 등이 누출된 상태에서 그러한 계면의 최종단에서 밀봉을 하기 때문이다. 따라서, 종래기술에 따른 캡 조립체와 가스켓 사이의 밀봉 구조는 그 한계가 분명히 존재하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 극복하기 위해 착상된 것으로서, 전해액 및/또는 가스가 최초로 누액 또는 누설되는 부위 즉, 가스켓과 안전 벤트를 포함하는 캡 조립체의 계면 사이를 더욱 완벽하게 밀봉할 수 있도록 구조가 개선된 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 상기 전극 조립체가 수납되는 케이스 상기 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체 상기 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓 및 상기 전극 조립체를 향하면서 상기 가스켓과 접촉되는 상기 캡 조립체의 일면 또는 상기 가스켓의 일면 중 적어도 어느 하나의 면에 형성된 누액 방지부를 구비한다.
바람직하게, 상기 캡 조립체는: 상기 케이스의 개방단을 밀봉하는 탑 캡(top cap); 상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC 소자 및 일면은 상기 PTC 소자에 접촉되고 타면은 상기 누액 방지부가 형성되어 상기 가스켓에 접촉되도록 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트를 구비한다.
바람직하게, 상기 누액 방지부는 상기 캡 조립체의 상기 접촉면에 형성된 적어도 하나 또는 그 이상의 요철들 또는 적어도 하나 또는 그 이상의 돌기들을 포함한다.
바람직하게, 상기 요철은 삼각형 또는 사각형 또는 원형 또는 라운드형 구조이다.
바람직하게, 상기 돌기는 삼각뿔 또는 원뿔 구조이다.
바람직하게, 상기 요철 또는 상기 돌기는 미늘부를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 안전 벤트는 금속 재질이다.
바람직하게, 상기 누액 방지부와 대향되며 상기 가스켓과 접촉되는 상기 캡 조립체의 접촉면에 형성된 캡-부분 누액 방지부를 더 구비한다.
바람직하게, 상기 가스켓과 접촉되는 상기 캔의 접촉면에 형성된 캔-부분 누액 방지부를 더 구비한다.
바람직하게, 상기 캡-부분 누액 방지부와 상기 캔-부분 누액 방지부 중 적어도 어느 하나는 적어도 하나 또는 그 이상의 요철들 또는 적어도 하나 또는 그 이상의 돌기들을 포함한다.
바람직하게, 상기 누액 방지부와 상기 캔-부분 누액 방지부 중 적어도 어느 하나는 적어도 하나 또는 그 이상의 요철들 또는 적어도 하나 또는 그 이상의 돌기들을 포함한다.
본 발명에 따른 이차 전지는, 전해액또는 가스 등이 최소로 누액되는 부위 즉, 탑-캡, PTC 소자, 및 안전 벤트가 순차적으로 배치된 캡 조립체의 일면과 이와 접촉되는 가스켓의 일면 중 적어도 어느 하나의 면에 요철 또는 돌기를 마련함으로써 그들 사이의 결합력을 높이고, 그 부분을 통한 가스 또는 전해액의 이동 거리를 증가시킴으로써 외부 충격 및 내압 증가 시에도 이차 전지의 기밀성이 크게 향상되는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시하는 것에 불과하며, 본 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면들에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체 부위를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체부위를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체부위를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체부위를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 실시예의 캡 조립체의 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의또 다른 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체 부위를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체가 수납되는 케이스와, 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체와, 케이스와 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓, 및 전극 조립체를 향하면서 가스켓과 접촉되는 캡 조립체의 일면 또는 가스켓의 일면 중 적어도 어느 하나의 면에 형성된 누액 방지부를 구비한다.
캡 조립체는 케이스의 개방단을 밀봉하는 탑-캡과, 탑-캡에 접촉되도록 배치된 PTC 소자, 및 일면은 PTC 소자에 접촉되고 타면은 누액 방지부가 형성되어 가스켓에 접촉되도록 배치되고, 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트를 구비한다.
캡 조립체와 가스켓 사이의 계면 부위, 특히 가스켓과 안전 벤트 사이의 계면 부위는, 전술한 바와 같이, 전해액 또는 가스 등의 누출 가능성이 높기 때문에, 누액 방지부가 형성됨으로써, 안전 벤트가 단락될 때까지 그들의 계면에서 전해액 또는 가스 등이 누출되는 것을 방지하여 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
누액 방지부는 캡 조립체와 가스켓의 접촉면에 형성된 적어도 하나 또는 그 이상의 요철들 또는 적어도 하나 또는 그 이상의 돌기들을 포함한다. 한편, 돌기 또는 요철 구조의 누액 방지부는, 기계적 프레스 공정(크램핑 공정)에 의해 캡 조립체가 가스켓을 개재시켜 전지의 케이스와 조립될 때, 캡 조립체와 가스켓 사이의 결합력을향상시킨다. 왜냐하면, 돌기 또는 요철 구조의 누액 방지부는 금속성의 안전 벤트의 돌기 또는 요철이 플라스틱 재질의 가스켓의 표면 일 부분을 뚫고 들어가게 되고, 이렇게 결합된 캡 조립체와 가스켓 사이의 결합력이 매우 높아지기 때문이다.
돌기 또는 요철 구조의 누액 방지부는 가스켓에 접촉되는 캡 조립체의 면과이와 접촉되는 가스켓의 면 중 적어도 어느 하나의 면에 형성될 수 있다. 그런데, 결합력 측면에서 이들 모두의 면에 돌기 또는 요철이 형성되는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 돌기 또는 요철 형태의 누액 방지부는 가스켓과 캡 조립체 사이의 결합력을 공고히 할 수 있는 구조이면 되고, 그 위치, 크기, 형상 등에 특별한 제한을 두어서는 아니된다. 다만, 요철 구조의 누액 방지부는 단면이 삼각형 또는 사각형 또는 원형 또는 라운드형인 것이 바람직하고, 돌기 구조의 누액 방지부는 끝이 뾰족한 삼각뿔 또는 원뿔 구조인 것이 바람직하다. 끝이 뾰족한 삼각뿔 또는 원뿔 형상의 돌기는 주로 안전 벤트에 형성되어, 가스켓의 표면 속으로 무리없이 파고 들어 갈 수 있으므로, 접촉되는 계면 사이의 결합력, 밀착성(고정성), 형태 교합성을 향상시킬 수 있다. 또한, 돌기 구조의 누액 방지부는 계면 사이의 결합력 및/또는 밀착성을 더욱 향상시키기 위해 돌기의 끝 부분에 통상의 낚시 바늘 형태의 미늘부가 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 이차 전지는, 전술한 실시예의 누액 방지부와 대향되며 가스켓과 접촉되는 캡 조립체의 면에 형성된 캡-부분 누액 방지부를 더 구비한다. 이러한 캡-부분 누액 방지부는 누액 방지부에서 일차적으로 전해액 또는 가스의 누출을 방지하고, 그래도 부족한 경우 2차적으로 가스 또는 전해액의 누출을 방지하는 기능을 한다. 캡-부분 누액 방지부의 구조, 형상 등은 전술한 누액 방지부의 그것과 동일하다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 이차 전지는, 가스켓과 접촉되는 케이스의 면과 이에 접촉되는 가스켓의 면 중 어느 하나의 면에 형성된 캔-부분 누액 방지부를 더 구비한다. 이러한 캔-부분 누액 방지부는 전술한 누액 방지부 및 캡-부분 누액 방지부와 별도로 케이스와 가스켓 사이의 계면을 통해 전해액 또는 가스가 누출되는 것을 방지하기 위한 것이다.
안전 벤트는 금속 재질인 것이 바람직하다. 안전 벤트의 두께는 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 전지 내부의 소정의 고압 발생시 파열되면서 가스 등을 배출할 수 있다면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 0.2 내지 0.6mm일 수 있다.
PTC 소자의 두께 역시 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 바람직하게는 0.2 내지 0.4mm일 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 얇으면, 고온에서 소망하는 전류 차단 효과를 발휘하기 어렵고 약한 외부 충격에 의해서도 파괴될 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, PTC 소자의 두께는 이러한 점들을 복합적으로 고려하여 전술한 두께 범위 내에서 적절히 결정될 수 있다.
PTC 소자와 접촉되는 탑-캡 부위의 두께는, 외부로부터 인가되는 압력으로부터 캡 조립체의 여러 구성 요소들을 보호할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 0.3 내지 0.5mm일 수 있다. 탑-캡 부위의 두께가 너무 얇으면 소정의 기계적 강성을 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 크기 및 중량 증가에 의해 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.
가스켓은 전기 절연성의 탄력적인 소재로 구성되며, 이러한 소재는 전기 절연성과, 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가진 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리올레핀(polyolefine), 폴리프로필렌(PP)이 사용될 수 있다.
일반적으로, 원통형 이차 전지에 있어서, 젤리-롤 타입의 전극 조립체의 양극 호일에 용접된 양극 리드는 캡조립체와 전기적으로 연결되어 탑-캡 상단의돌출 단자에 연결되며, 음극 호일에 용접된 음극 리드는 케이스의 밀폐단에 용접되어 케이스 자체가 음극 단자를 구성한다. 케이스의 소재는 특별히 제한되지 않으며 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 전극 조립체가 케이스에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 케이스의 개방단에 캡 조립체를 장착하여 밀봉시키면 이차 전지의 조립이 완성된다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 이차 전지는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성이 높은 리튬(이온) 이차전지일 수 있다. 이러한 리튬 이차전지는 양극, 음극, 세퍼레이터, 리튬염을 함유한 비수 전해액 등으로 구성된다. 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 참가하기도 한다. 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라 전술한 성분들이 더 포함될 수도 있다. 세퍼레이터는 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가진 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 구성되며, 비수 전해액은 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. 여기서, 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 세퍼레이터, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 널이 알려져 있으므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지 를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 전극 조립체(10)를 전해액과 함께 수납하는 원통형 케이스(20)와, 케이스(20)의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체(30), 케이스(20)와 캡 조립체(30) 사이에 개재되는 가스켓(40), 및 전극 조립체(10)를 향하는 캡 조립체(30)의 면(도면의 하면)과 이러한 면에 접촉되는 가스켓(40)의 면 모두에 형성된 누액 방지부(50)를 구비한다.
전극 조립체(10)는 서로 극성이 다르고 롤 형태의 넓은 판형을 가진 두 개의 전극판들(11)과 이러한 전극판들(11)을 상호 절연시키기 위해 전극판들(11) 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극판(11)의 좌측 또는 우측에 배치되는 세퍼레이터(12)를 구비하고, 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 권취된 구조가 바람직하다. 물론, 소정 규격의 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태일 수도 있다. 두 개의 전극판들(11)은 각각 알루미늄과 구리를 포함하는 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조이다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성된다. 용매는 후속 공정에서 제거된다. 전극판(11)이감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재하는 것이 바람직하다. 무지부에는 각각의 전극판(11)에 대응되는 한 쌍의 리드가 부착된다. 전극 조립체(10)의 상단에 부착되는 제1 리드(13)는 캡 조립체(30)에 전기적으로 연결되고, 전극 조립체(10)의 하단에 부착되는 제2 리드(미도시)는 케이스(20)의 바닥에 연결된다. 물론, 제1 리드(13)와 제2 리드는 모두 캡 조립체(30) 방향으로 인출될 수도 있다.
전극 조립체(10)는 케이스(20)의 바닥부에 설치된 제1 절연판(미도시) 위에 배치되고, 전극 조립체(10)의 상단에는 제2 절연판(14)이 배치되는 것이 바람직하다. 제1 절연판은 전극 조립체(10)와 케이스(20)의 바닥부 사이를 절연시키고, 제2 절연판(14)은 전극 조립체(10)와 캡 조립체(30) 사이를 절연시킨다.
상기 케이스(20)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가진 원통 구조를 가진다. 케이스(20)의 내부 공간에는 전극 조립체(10)와 전해액(미도시)이 수용된다. 상기 전해액은 이차 전지(100)의 충, 방전 시 전극판(11)의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것이다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으나, 전해액의 종류는 문제되지 않는다.
한편, 케이스(20)의 중앙에는 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체(10)가 풀리는 것을 방지하고 이차 전지(100) 내부의 가스의 이동 통로의 역할을 수행하는 센터핀(미도시)이 삽입될 수도 있다. 케이스(20)의 상부 즉, 전극 조립체(10)의 상단 윗 부분에는 외부에서 내측으로 가압 절곡 형성된 비딩부(24)가 마련되어 전극 조립체(10)의 상, 하 방향의 유동을 방지한다.
캡 조립체(30)는 가스켓(40)을 개재시켜 밀폐된 상태에서 케이스(20)의 개방부에 조립되는 것으로서, 탑-캡(32), PTC(34), 안전 벤트(36), 및 전류차단기(38)를 포함한다. 탑-캡(32)은 외부와 전기적으로 접속되도록 형성된 전극단자(미도시)를 갖는다. PTC(34)는 전지(100)의 과열에 의해 전지 내부의 전류의 흐름을 차단하기 위한 것이다. 안전 벤트(36)는 중앙에 볼록하게 돌출되어 전류차단기(CID: current Interrupt Device)(38) 용접되고 전류차단기(38)는 이차 전지(100)의 내부 압력에 의해 안전 벤트(36)와 함께 변형될 수 있는 것으로서, CID 가스켓 및 CID 필터로 구분될 수도 있다.
상기 가스켓(40)은 전체적으로 양단이 개방된 원통 형태를 이루며, 케이스(20)의 내면을 향하는 일측단은 케이스(20)의 개방부 즉, 클램핑 부위에 놓여지도록 중심부를 향해 직각으로 절곡된 구조가 바람직하다. 가스켓(40)의다른쪽 선단은 최기에는 직선으로 펴져 원통형 가스켓(40)의 축방향으로 향하고 있으며, 케이스(20)와의 가압 공정시 중심부를 향해 직각으로 절곡되어 내주면과 외주면이 각각 캡 조립체(30) 탑-캡과 케이스(20)의 내측면에 밀착된 상태로 접히게 된다. 가스켓(40)은전기 절연성과, 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가진 소재 예를 들어, 폴리올레핀(polyolefine) 또는 폴리프로필렌(PP)으로 제조된다.
상기 누액 방지부(50)는 안전 벤트(36)의 하면과 안전 벤트(36)와 접촉되는 가스켓(40)의 면에 형성되고 그 측면이 삼각 형태인 요철 구조를 나타낸다. 즉, 안전 벤트(36)에 마련된 요철과 가스켓(40)에 마련된 요철은 케이스(20)의 개방단의 클램핑 작업시 서로 맞물리면서 밀착 결합되어 캡 조립체(30)와 가스켓(40) 사이의 밀봉 결합력을 더욱 강화시킬 수 있다. 따라서, 이러한 누액 방지부(50)는 이차 전지(100)에서 내압이 발생할 경우 안전 벤트(36)가 파열될 때까지 전해액 또는 가스가 캡 조립체(30)의 상부로 누출되는 것을 방지한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체 부위를 도시한 단면도이다. 도 1 에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 이차 전지(100)는 4각 형태의 누액 방지부(60)를 구비한다. 누액 방지부(60)는 안전 벤트(36)와 가스켓(40)의 계면 사이에 각각 그 접촉 부위에 형성된 4각 형태의 요철 구조를 포함한다. 이러한 누액 방지부(60)는 전술한 누액 방지부(50)보다 전해액 또는 가스의 누액 시 그 이동 거리를 증가시켜 외부 충격 또는 내압 증가 시에도 계면 사이의 기밀성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체 부위를 각각 도시한 단면도들이다. 도 1 및 도 2에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 각각 원형 의 누액 방지부(70) 및 라운드형 누액 방지부(80)를 구비한다. 도 3의 실시예에 따른 누액 방지부(70)는 안전 벤트(36)와 가스켓(40)이 접촉되는 면에 마련되는 것으로서, 각각 반원형의 요부와 철부가 연속되도록 형성되며, 계면에서 각각의 요부와 철부는 그 대응되는 철부와 요부에 각각 형합되는 구조이다. 도 4의 실시예에 따른 누액 방지부(80)는 안전 벤트(36)와 가스켓(40)이 접촉되는 면에 마련되는 것으로서, 실질적으로 라운드 진 요부와 철부가 연속되는 구조이며, 계면에서 각각의 요부와 철부는 그 대응되는 철부와 요부에 각각 형합되는 구조이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체 부위를 도시한 단면도이다. 도 1 내지 도 4에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(200)는 전술한 누액 방지부(50) 이외에 캡-부분 누액 방지부(150)를 더 구비한다.
캡-부분 누액 방지부(150)는 탑-캡(32)의 상면에 마련된 돌기 구조를 구비한다. 이러한 돌기 구조는 원뿔 또는 삼각뿔 형태일 수 있다. 캡-부분 누액 방지부(150)는 케이스(20)와 캡 조립체(30)의 크램핑 작업 시, 돌기의 뾰족한 부분이 가스켓(40)의 면을 뚫고 들어가 결합됨으로써, 가스켓(40)과 탑-캡(32) 사이의 결합력 및 밀봉력을 증가시키기 위한 것이다. 물론, 캡-부분 누액 방지부(150)의 돌기 구조는 요철 형태로 변형될 수도 있고, 이 경우 대응되는 가스켓(40)의 면에 요철이 형성될 수 있다.
도 6은 도 5의 실시예의 캡 조립체의 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 내지 도 5에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(200)의 캡 조립체(30')는 안전 벤트(36)의 하면에 형성된 돌기 형태의 누액 방지부(50') 및 탑-캡(32)의 상면에 형성된 돌기 형태의 캡-부분 누액 방지부(150')에 있어서, 각각의 누액 방지부(50')(150')의 돌기들(52)(152)는 뾰족부 근방에 형성된 미늘부(54)(154)를 더 구비한다. 이러한 미늘부(54)(154)는 클램핑 작업시 케이스(20)에 의해 가스켓(40)과 캡 조립체(30)가 결합되는 과정에서 돌기들(52)(152)이 가스켓(40)의 표면을 뚫고 들어갈 때 미늘부(54)(154)가 가스켓(40)에 더욱 확실하게 박히게 됨으로써 결합력 및 밀봉력을 향상시키기 위한 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 캡 조립체 부위를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 내지 도 6에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.
본 실시예에 따른 이차 전지(300)는 전술한 누액 방지부(50) 및 캡-부분 누액 방지부(150) 이외에 캔-부분 누액 방지부(250)를 더 구비한다.
캔-부분 누액 방지부(250)는 가스켓(40)과 접촉되는 케이스(20)의 내측면에 형성된 돌기 또는 요철 구조를 포함한다. 물론, 본 실시예의 변형에 따르면, 케이스(20)의 돌기 또는 요철 구조에 대응되도록 가스켓(40)의 면에도 요철 또는 돌기가 마련될 수도 있다. 이러한 캔-부분 누액 방지부(250)는 전지 내부의 전해액 또는 가스 등이 외부 충격 또는 내압 상승에 의해 외부로 배출될 때 가스켓(40)과 캡 조립체(30) 부분의 계면 이외의 부분 즉, 케이스(20)의 내측면을 통해 배출되는 경우를 대비하기 위한 것이다.
낙하 실험
가스켓에만 요철이 형성된 이차 전지(비교예1)의 샘플 10개를 제작하고, 가스켓과 안전 벤트 모두에 요철이 형성된 이차 전지(실험예1)의 샘플 20개를 제작하여 각각 1m의 높이에서 콘크리트 바닥면으로 10회씩 자유 낙하시키는 실험을 실시하였다. 실험결과, 비교예의 샘플들은 평균 2.1회의 낙하시 전해액이 누설되는 것을 확인할 수 있었고, 실험예1의 샘플 20개 모두는 연속하여 10회의 낙하 실험에 의하더라도 전해액의 누출이 발견되지 않았다.
이를 정리하면 다음 표 1과 같다.
[표1] 낙하실험 결과
Figure pat00001
압력 실험
이차 전지 샘플들의 바닥면에 구멍을 형성하고 그 구멍을 통해 질소 가스를 각각의 셀의 내부로 가압하는 실험을 하였다.
실험 결과, 가스켓에만 요철이 형성된 이차 전지(비교예2)의 샘플 20개 중 CID가 단락되기 전에 누액되는 경우는 없었고, CID가 단락되는 압력 즉, 12kgf/cm2 부근에서 3개의 샘플에서 누출이 발견되었다.
가스켓과 안전 벤트 모두에 요철이 형성된 이차 전지(실험예2)의 샘플 20개는 CID가 단락된 후 16 kgf/cm2까지 압력을 높이더라도 누액 현상이 발견되지 않았다.
이를 정리하면 다음 표 2와 같다.
[표 2] 압력 실험 결과
Figure pat00002
이상에서, 본 발명은 비록 한정된 실시예들과 도면들에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10전극 조립체 11전극판들
12세퍼레이터 13제1 리드
14제2 절연판 20케이스
30캡 조립체 32탑-캡
34PTC 36안전 벤트
38전류차단기 40가스켓
50,60,70,80누액 방지부

Claims (11)

  1. 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체
    상기 전극 조립체가 수납되는 케이스
    상기 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체
    상기 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓 및
    상기 전극 조립체를 향하면서 상기 가스켓과 접촉되는 상기 캡 조립체의 일면 또는 상기 가스켓의 일면 중 적어도 어느 하나의 면에 형성된 누액 방지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캡 조립체는:
    상기 케이스의 개방단을 밀봉하는 탑 캡(top cap);
    상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC 소자 및
    일면은 상기 PTC 소자에 접촉되고 타면은 상기 누액 방지부가 형성되어 상기 가스켓에 접촉되도록 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트를 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 누액 방지부는 상기 캡 조립체의 상기 접촉면에 형성된 적어도 하나 또는 그 이상의 요철들 또는 적어도 하나 또는 그 이상의 돌기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 요철은 삼각형 또는 사각형 또는 원형 또는 라운드형 구조인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 돌기는 삼각뿔 또는 원뿔 구조인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 요철 또는 상기 돌기는 미늘부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 안전 벤트는 금속 재질인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 누액 방지부와 대향되며 상기 가스켓과 접촉되는 상기 캡 조립체의 접촉면에 형성된 캡-부분 누액 방지부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓과 접촉되는 상기 캔의 접촉면에 형성된 캔-부분 누액 방지부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제8항 또는제9항에 있어서,
    상기 캡-부분 누액 방지부와 상기 캔-부분 누액 방지부 중 적어도 어느 하나는 적어도 하나 또는 그 이상의 요철들 또는 적어도 하나 또는 그 이상의 돌기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 누액 방지부와 상기 캔-부분 누액 방지부 중 적어도 어느 하나는 적어도 하나 또는 그 이상의 요철들 또는 적어도 하나 또는 그 이상의 돌기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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