KR20110035625A - 이중 실링된 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지 - Google Patents

이중 실링된 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상기 CID 지지부가 상기 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 전지가 이중실링되어 전해액 누액을 방지하는 구조의 원통형 이차전지용 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지에 관한 것이다. 본 발명은, 가스배출공이 구비되고, 돌출 단자를 형성하는 탑캡; 금속원판으로 이루어지고, 중앙에 돌출부가 구비되어 있으며, 상기 돌출부를 중심으로 동심원 상에 2개 이상의 노치가 형성되어 있는 안전밴트; 금속원판으로 이루어지고, 가스배출공과 중앙에 상기 안전밴트 돌출부와 접합되어 있는 중앙부가 구비되어 있으며, 상기 중앙부를 중심으로 한 동심원 상에 노치가 형성되어 있는 필터부, 및 상기 필터부의 직경 이상의 외경을 가지고 상기 필터부 상부에 고리형으로 구비되는 지지부가 일체로 형성되어 있는 CID; 및 경사부 또는 계단부가 형성되어 있고, 상기 소자들의 외주면을 감싸서 밀봉하는 가스켓을 포함하는 캡 어셈블리에 있어서, 상기 안전밴트와 상기 CID는 사이에 보조가스켓이 개재되어 상호 끼워맞춤 상태로 고정된 것이고, 상기 CID 지지부가 상기 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 상기 CID가 상기 안전밴트 및 상기 가스켓 사이에 추가 고정된 것이며, 상기 안전밴트 만입형 중앙부와 상기 CID 돌출부의 접합강도는 상기 안전밴트 및 상기 CID에 형성된 모든 노치들 각각의 파단강도보다 큰 것임을 특징으로 한다. 본 발명의 캡 어셈블리는 전해액 누액에 대하여 이중 실링되어 있는 바, 낙하 등에 의한 전지의 충격에도 전해액이 거의 누액되지 않 아 전지의 안전성을 크게 향상시키는 효과가 있다.
이중 실링, 안전밴트, CID, 탑캡, PTC 소자, 전해액 누액

Description

이중 실링된 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지{DOUBLE-SEALED CAP ASSEMBYLY, AND CYLINDERICAL SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상기 CID 지지부가 상기 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 전지가 이중실링되어 전해액 누액을 방지하는 구조의 원통형 이차전지용 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지에 관한 것이다.
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 다수 의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 구조로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어 가장 널리 제작되고 있으며, 젤리-롤형 전극조립체는 통상적으로 원통형 전지로 제작된다.
그런데, 전지의 충방전시 젤리-롤형 전극조립체는 반복적인 팽창과 수축을 겪으면서 변형되는 경향이 있다. 이러한 과정에서 응력이 중심부로 집중되어 전극이 분리막을 뚫고 금속 센터 핀에 접촉됨으로써 내부 단락이 유발한다. 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 안전밴트, 고온에서 전류를 차단하는 PTC 소자, 전지 내압의 상승시 전류를 차단하는 전류차단소자(Current Interrupt Device: CID) 등의 안전 소자들과 상기 소자들을 보호하는 돌출형 단자를 형성하는 탑캡 등이 가스켓에 의해 고정된 구조로 이루어져 있다.
상기 캡 어셈블리의 구조는, 가스켓이 안전밴트, PTC 소자, CID, 탑캡 등의 외주면을 감쌈으로써, 본질적으로 전지 내부의 전해액이 외부로 누출되는 것을 방 지한다. 따라서, 전지의 최내측에 위치하는 안전밴트와 그것의 외주면을 감싸는 가스켓의 계면을 통해 전해액이 누출되지 않는다면, 안전밴트와 PTC 소자의 계면, PTC 소자와 탑캡의 계면 등 금속 소재들 간의 계면에서도 전해액 누출이 발생하지 않는다.
그러나, 전지의 충방전 작동 과정, 낙하, 외부 충격 등에 의해, 실질적으로 가스켓과 안전밴트의 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 탑캡 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(안전밴트, PTC 소자 및 탑캡)의 상호 계면 부위에서 전해액 누액이 발생하므로, 상기의 문제점을 근원적으로 해결하고 있지는 못하다.
도 1a에는 종래의 원통형 이차전지의 상부 구조를 보여주는 부분 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1a를 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 탑캡(410)과 과전류를 차단하기 위한 PTC 소자(420) 및 내부 압력 저하를 위한 안전밴트(430)가 밀착되어 설치된다.
탑캡(410)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행하며, 가스 배출을 위한 다수의 관통구(도시하지 않음)가 천공되어 있다. 안전밴트(430)는 그것의 하단이 전류차단 안전소자(440) 및 양극리드(310)를 통해 전극조립체(300)의 양극에 연결되어 있다.
안전밴트(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 안전밴트(430)의 하방에 설치되어 있다. 전 류차단 안전소자(440)의 재질은 바람직하게는 안전밴트(430)와 동일한 재질로 이루어져 있고, 보조가스켓(510)은 전류차단 안전소자(440)와 안전밴트(430)가 통전되는 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, 안전밴트(430)의 만입부(432)가 들어 올려지면서 전류차단 안전소자(440)가 부분 파열되어 전류가 차단하여 안전성을 확보하게 된다. 그러나, 계속적인 압력 상승시에는 안전밴트(430)의 노치(436)이 파열되면서 고압 가스를 전지(100)로 외부로 배출하여 안전성을 담보하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 안전밴트와 CID를 상호 끼워맞춤 상태로 고정하고, 상기 CID를 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치시킴으로써 상기 CID가 상기 안전밴트 및 상기 가스켓 사이에 추가 고정되도록 구성할 경우, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
가스배출공이 구비되고, 돌출 단자를 형성하는 탑캡;
금속원판으로 이루어지고, 중앙에 돌출부가 구비되어 있으며, 상기 돌출부를 중심으로 동심원 상에 2개 이상의 노치가 형성되어 있는 안전밴트;
금속원판으로 이루어지고, 가스배출공과 중앙에 상기 안전밴트 돌출부와 접합되어 있는 중앙부가 구비되어 있으며, 상기 중앙부를 중심으로 한 동심원 상에 노치가 형성되어 있는 필터부, 및 상기 필터부의 직경 이상의 외경을 가지고 상기 필터부 상부에 고리형으로 구비되는 지지부가 일체로 형성되어 있는 CID; 및
경사부 또는 계단부가 형성되어 있고, 상기 소자들의 외주면을 감싸서 밀봉 하는 가스켓을 포함하는 캡 어셈블리에 있어서,
상기 안전밴트와 상기 CID는 사이에 보조가스켓이 개재되어 상호 끼워맞춤 상태로 고정된 것이고,
상기 CID 지지부가 상기 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 상기 CID가 상기 안전밴트 및 상기 가스켓 사이에 추가 고정된 것이며,
상기 안전밴트 만입형 중앙부와 상기 CID 돌출부의 접합강도는 상기 안전밴트 및 상기 CID에 형성된 모든 노치들 각각의 파단강도보다 큰 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 안전밴트는 “Z”형의 돌출된 끼움부를 구비하고, 상기 CID는 필터부와 지지부 사이에 맞춤부을 구비하며, 상기 안전밴트 끼움부와 상기 CID 맞춤부가 보조가스켓이 개재된 상태에서 끼워맞춰져 고정되는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 끼워맞춤 상태는 억지끼워 맞춤 상태인 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 CID 지지부가 가스켓에 안치되는 위치는 비딩부 영역 이내인 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 탑캡에 구비되는 가스배출공과 상기 CID에 구비되는 가스배출공은 축방향 관점에서 동일한 위치에 구비되는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 탑캡 및 상기 안전밴트 사이에 PTC 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 CID 지지부가 상기 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 전해핵 누액에 대하여 전지가 이중실링되는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한, 본 발명의 캡 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지를 제공한다.
본 발명의 캡 어셈블리는 전해액 누액에 대하여 이중 실링되어 있는 바, 낙하 등에 의한 전지의 충격에도 전해액이 거의 누액되지 않아 전지의 안전성을 크게 향상시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 캡 어셈블리는,
가스배출공이 구비되고, 돌출 단자를 형성하는 탑캡;
금속원판으로 이루어지고, 중앙에 돌출부가 구비되어 있으며, 상기 돌출부를 중심으로 동심원 상에 2개 이상의 노치가 형성되어 있는 안전밴트;
금속원판으로 이루어지고, 가스배출공과 중앙에 상기 안전밴트 돌출부와 접 합되어 있는 중앙부가 구비되어 있으며, 상기 중앙부를 중심으로 한 동심원 상에 노치가 형성되어 있는 필터부, 및 상기 필터부의 직경 이상의 외경을 가지고 상기 필터부 상부에 고리형으로 구비되는 지지부가 일체로 형성되어 있는 CID; 및
경사부 또는 계단부가 형성되어 있고, 상기 소자들의 외주면을 감싸서 밀봉하는 가스켓을 포함하는 캡 어셈블리에 있어서,
상기 안전밴트와 상기 CID는 사이에 보조가스켓이 개재되어 상호 끼워맞춤 상태로 고정된 것이고,
상기 CID 지지부가 상기 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 상기 CID가 상기 안전밴트 및 상기 가스켓 사이에 추가 고정된 것이며,
상기 안전밴트 만입형 중앙부와 상기 CID 돌출부의 접합강도는 상기 안전밴트 및 상기 CID에 형성된 모든 노치들 각각의 파단강도보다 큰 것임을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 안전밴트와 상기 CID는 사이에 보조가스켓이 개재되어 상호 끼워맞춤 상태로 고정된 것이다.
통상적으로, CID는 안전밴트에 고정되어 어셈블리에 구비되는데, 통상적으로 CID 중앙부가 안전밴트 돌출부와 용접되어 결합된다. 그런데, 문제는 전지에 낙하 등의 원인에 의해 충격이 가해졌을 경우, 이 부분의 단락이 일어날 소지가 있다는 것이다. CID가 안전밴트와 분리되면, CID는 전지 내부에서 자유로이 이동될 수 있고, 이에 따라 CID가 전지의 단락을 유발할 위험이 생기게 된다.
따라서, CID를 안전밴트와 안정적으로 고정·결합시키기 위해 안전밴트와 CID가 끼워맞춤 상태로 고정된다.
상기 안전밴트는, 도 2에 나타낸 바와 같이, “Z”형의 돌출된 끼움부를 구비할 있고, 상기 CID는, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 필터부와 지지부 사이에 맞춤부을 구비할 수 있다. 상기 맞춤부는 상기 안전밴트의 끼움부가 안치될 수 있는 홀, 및 보조가스켓과 상기 끼움부를 상기 홀에 고정시키는 역할을 하는 걸쇠를 포함할 수 있다. 상기 안전밴트 끼움부와 상기 CID 맞춤부가 보조가스켓이 개재된 상태에서 끼워맞춰져 고정되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 끼워맞춤 상태는 억지끼워 맞춤 상태인 것이 CID를 더욱 공고히 고정시킬 수 있어 보다 바람직하다. 상기‘억지끼워 맞춤’은 끼워지는 부분(예를들어, 축)과 맞춰지는 부분(예를들어, 구멍)의 공차 정도를 나타내는 의미이며, 기계설계학에서 널리 사용되는 용어인 바, 본 명세서 상의 ‘억지끼워 맞춤’정의는 통상적으로 널리 사용되는 기계설계학에서의 그것을 따른다.
본 발명에 있어서, 상기 CID는 지지부를 구비하고, 상기 CID 지지부가 상기 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 상기 CID가 상기 안전밴트 및 상기 가스켓 사이에 추가 고정될 수 있다.
상기 가스켓의 경사부는 가스켓이 클림핑되는 되면 자연스럽게 형성될 수 있다. 도 2와 같이 캔과 함께 가스켓이 클림핑되면 비딩부에 가스켓의 일부가 걸쳐지고 나머지 일부가 캔 안쪽 방향으로 나오게되는데, 이때 가스켓이 중력방향으로 소 정의 각도 휘게되면서 가스켓의 경사부가 형성될 수 있는 것이다.
한편, 상기 경사부에 CID 지지부가 안치되고, 이것이 클림핑되는 과정에서 상기 CID 지지부와 가스켓 사이에 압력이 가해지면, 가스켓의 일부가 밀리면서 자연스럽게 계단부가 형성될 수도 있다. 만약, 클림핑 과정에서 CID 지지부와 가스켓 간에 압력이 가해지지 않는 경우에는, 상기 CID 지지부는 경사부에 안치된 상태로 놓이게 될 수도 있다.
상기한 방법 이외에, 가스켓에 기설정된 경사부나 계단부를 형성하는 방법을 사용할 수도 있음은 물론이다. 즉, 가스켓에 특별한 공정을 더하여 인위적으로 홈을 파는 형식으로 계단부를 형성할 수도 있다는 것이다.
추가적으로 CID를 고정시키게 되면, 낙하 등의 원인에 의한 전지의 충격시에도 CID가 보다 견고하게 지지될 수 있는 이점이 있다. 다시말해, 종래의 전지 구조는 단순히 CID가 안전밴트에 용접된 상태로 고정될 뿐이지만, 본 발명 어셈블리는 CID가 안전밴트와 끼워맞춤 상태로 고정되므로 전지 충격시에 안전성이 더 높다. 특히, 전지에 가해진 충격으로 인해 CID와 안전밴트 간의 접합부위가 떨어져 버린 경우에도 CID가 안전밴트와 밀착·고정되어 있는 바, 안전성이 종래의 그것에 비해 매우 높다.
나아가, 상기 CID 지지부가 상기 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 전해핵 누액에 대하여 전지가 이중실링되는 효과 발생한다.
전지의 정상적인 상태 또는 작동 조건에서는 전지 내부의 전해액이 계면으로 유입되지 않지만, 외력의 인가 또는 내압의 증가시 캡 어셈블리의 밀봉 상태가 부분적 또는 일시적으로 해제되면서 전해액이 계면으로 유입될 수 있다. 전지 내부의 전해액이 안전밴트의 하단면과 가스켓의 계면으로 일단 유입되면, 상대적으로 밀착력이 떨어지는 안전밴트와 PTC 소자의 계면 또는 PTC 소자와 탑캡의 계면을 쉽게 통과하게 되어 누출된다.
그러나, 본 발명의 구조에서는 도 7에 나타낸 바와 같이, 안전밴트와 가스켓의 계면에 전해액이 노출되기 이전에 CID와 가스켓이 만드는 계면을 통과해야 하므로, 보다 높은 밀봉력을 제공할 수 있다.
특히, 상기 CID 지지부가 가스켓에 안치되는 위치는 비딩부 영역 이내인 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 CID 지지부가 가스켓에 안치되는 위치가 특별히 제한되는 것은 아니고, CID를 지지하기 위해서는 도 1b에서 나타낸 바와 같이, CID 지지부가 안전밴트 등의 나머지 소자과 같은 길이로 연장되어 동일한 외주면을 형성하는 방식을 사용할 수도 있지만, 이 경우 어셈블리의 두께가 증가하게 되고, 그 증가부분 만큼 전극조립체의 체적이 작아지는 바, 전지 용량이 줄어들 소지가 있어 다소 바람직하지 않다. 따라서, 바람직하게는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 CID 지지부가 가스켓에 안치되는 위치는 비딩부 영역 이내인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 안전밴트 만입형 중앙부와 상기 CID 돌출부의 접합강도는 상기 안전밴트 및 상기 CID에 형성된 모든 노치들 각각의 파단강도보다 큰 것이어야 한다. 왜냐하면, 상기 안전밴트 만입형 중앙부와 상기 CID 돌출부의 접합은 적어도 안전밴트의 노치가 파단되어 개방되기 전까지는 절대로 분리되어서는 안되기 때문이다. 만약, 안전밴트의 노치가 파단되기 이전에 상기 접합이 떨어지면 CID 부재의 전류차단효과가 발생하지 않을 우려가 있다. 따라서, 상기 안전밴트 만입형 중앙부와 상기 CID 돌출부의 접합강도는 강하면 강할수록 좋고, 그 상한이 제한되지는 않는다(이 점에 있어서, 소정의 압력에서 안전밴트와 리드판 등의 다른 소자의 용접이 분리되도록한 종래의 기술과 큰 차이점이 있다).
본 발명에 있어서, 상기 탑캡에 구비되는 가스배출공과 상기 CID에 구비되는 가스배출공은 축방향 관점에서 동일한 위치에 구비되는 것이 바람직하다. 가스배출공의 위치가 동일하면 발생가스가 꺽는 경로없이 바로 배출될 수 있는 바, 전지의 안전성을 보다 높일 수 있어 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 탑캡 및 상기 안전밴트 사이에 PTC 소자를 더 포함할 수도 있다. 통상적으로는 탑갭과 안전밴트 사이에 PTC 소자를 개재하지만, 반드시 PTC 소자를 개재하지 않아도 되는 구조도 있다. PTC 소자(positive temperature coefficient element)는 전지 내부의 온도 상승시 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 부재로서, 당해 기술분야에 널리 알려진 통상적인 소자인 바, 이에 대한 더 이상의 설명은 생략한다. 물론, 본 발명에 있어서, 상기 PTC 소자는 종래의 것을 제한없이 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 하나의 실시예를 도면을 참조하여 본 발명의 더욱 상세히 설명한다. 상기 실시예는 발명의 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범위를 그것에 의해 한정하려는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리 구조가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 캡 어셈블리(400a)는 캔(200)의 상부 비딩부(210a)에 장착되는 기밀유지용 가스켓(500a) 내부에 상단 캡(410a), 전류차단용 안전소자(PTC 소자: 420) 및 내부 압력 강하용 안전밴트(430a), 및 CID(440a)가 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 원통형 이차전지(100a)는 캔(200)의 내부에 전극조립체(110)를 삽입하고, 여기에 전해액을 주입하며, 캔(200)의 개방 상단에 캡 어셈블리(400a)를 장착함으로써 제조될 수 있다.
도 3에는 본 발명 캡 어셈블리의 하나의 구성인 탑캡을 분리 도시하였다.
탑캡(410a)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행하고, 돌출된 주변을 따라 캔 내부의 압축 가스가 배출될 수 있는 가스배출공(412a)이 다수 개 형성되어 있다.
도 4에는 본 발명 캡 어셈블리의 하나의 구성인 안전밴트를 분리 도시하였다.
안전밴트(430a)는 전류가 통하는 원판형의 박막 구조물로서, 노치(422a, 423a)가 형성되어 있고, 상기 노치(422a, 423a)에 의해 상절곡 및 하절곡 부위가 형성되어 있다. 상절곡 및 하절곡 부위는 각각 깊이를 달리하는 2 개의 노치들(422a, 423a)로 형성된다. 또한, 상기 그것의 중앙은 함몰되어 돌출부(421a)를 형성하고 있고, 이 부분은 하단에 위치하는 CID의 중앙부(444a)와 접합된다.
도 2 및 도 4에서 보는 바와 같이, 안전밴트(430a)는 노치(432a, 433a) 중 상부에 형성되는 제 1 노치(432a)는 폐곡선을 이루고 있고, 하부에 형성되는 제 2 노치(433a)는 일측 일부분이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있다. 이는, 제 2 노치(433a)가 내부압력에 의해 파단될 때, 돌출부(431a)가 안전밴트(430a)로부터 완전히 이탈되는 것을 막기 위함이다. 상기 돌출부(431a)가 완전히 이탈되면 전지 내에서 자유로이 돌아다니며 단락을 단락을 일으킬 소지가 발생하기 때문이다. 또한, 제 2 노치(433a)의 결합력은 제 1 노치(432a)의 결합력보다 작게 만들어지므로, 제 2 노치(433a)는 제 1 노치(422a)보다 깊게 파여 있다.
캔(200) 내부압력이 임계 압력 이상으로 상승하게 되면, 안전밴트(430a)에 형성된 노치(432a, 433a)에 의해 안전밴트가 상방향으로 변형된다. 이때, 돌출부(431a)가 상방향으로 들어올려지고, 이 때 하단에 접합되어 있는 CID 중앙부(444a)가 CID 본체로 부터 분리되어 추가적인 전류를 차단하여 가스발생을 억제한다. 이 후에도 가스발생이 계속되면, 안전밴트(430a)의 제 2 노치(433a)가 압력 을 견디지 못하고 파열되면서 캔(200) 내부의 가압 가스가 탑캡(410a)의 가스배출공(412a)을 통해 빠져나가게 만들어 전지의 안전성을 담보한다.
특히, 상기 안전밴트는 “Z”형의 돌출된 끼움부(437a)를 구비할 수 있다. 도 2에 나타난 바와 같이, “Z”형의 돌출된 끼움부(437a)는 하방에 위치하는 CID를 고정시키는 역할을 하게된다. 후술하겠지만, CID는 필터부(446a)와 지지부(448a) 사이에 맞춤부(447a)을 구비하며, 상기 안전밴트 끼움부(437a)와 상기 CID 맞춤부(447a)가 보조가스켓(510a)이 개재된 상태에서 끼워맞춰져 고정될 수 있는 것이다. 상기 끼워맞춤 상태는 억지끼워 맞춤 상태인 것이 바람직하다. 억지끼워 맞춤 상태일 때 CID 중앙부가 분리된 후에도 CID가 안전밴트에 안정적으로 고정되기 때문이다.
도 5a에는 본 발명 캡 어셈블리의 하나의 구성인 CID를 분리 도시하였다.
CID(440a)는 도전성 원형 판재의 부재로서, 전지 내부의 가스를 방출함과 동시에 전류를 차단하는 역할을 하며, 안전밴트(430a)의 하방에 설치되어 있다.
CID(440a)는 금속원판으로 이루어지고, 가스배출공(442a)과 중앙에 상기 안전밴트 돌출부(431a)와 접합되어 있는 중앙부(444a)가 구비되어 있으며, 상기 중앙부를 중심으로 한 동심원 상에 노치가 형성되어 있는 필터부(446a), 및 상기 필터부의 직경 이상의 외경을 가지고 상기 필터부 상부에 고리형으로 구비되는 지지부(448a)가 일체로 형성되어 있다. 즉, CID는 아래쪽 원판부분인 필터부와, 이보다 외경이 크게 상단에 구비되는 지지부로 구성되어 있다. 도 5b에는 CID의 단면을 도 시하였고, 이를 참고할 수 있다.
상기 CID(440a)는 측면을 따라 가스가 배출되는 가스배출공(442a)이 다수 형성되어 있고, 중앙에는 동심원 상에 노치(443a)가 형성되어 있는 중앙부(444a)가 형성되어 있으며, 중앙부(444a)를 중심으로 동심원 상으로 3 개의 관통홀(441a)과, 관통홀(441a)을 연결하는 3 개의 노치(444a)가 대칭적으로 형성되어 있다. 전지 내부에의 압력 상승으로 인해 가압 가스가 안전밴트(430a)에 가해질 때, 안전밴트 돌출부(431a)가 들어 올려지면서 돌출부(431a)에 용접되어 있는 중앙부(444a)는 노치(443a)가 절취되면서 CID(440a)의 본체로부터 분리되게 된다.
도 6에 본 발명의 캡 어셈블리의 각 구성의 결합에 대해 모식적으로 도시하였다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 캡 어셈블리는 CID에 보조가스켓(510a)을 개재하고 안전밴트를 그 위에 억지끼움하고, 그 상단에 PTC소자와 탑캡을 차례로 적층한 적층체의 외주면을 가스켓으로 감싸는 방식으로 제작될 수 있다.
도 6을 참조하면, 탑캡, PTC 소자 및 안전밴트가 상호 밀착되고 이를 가스켓으로 감싸서 고정되어 있다는 점에서는 도 1의 구조와 동일하지만, 상기 안전밴트와 상기 CID는 사이에 보조가스켓이 개재되어 상호 끼워맞춤 상태로 고정된 것이라는 점과 CID가 가스켓의 경사부 또는 계단부에 안착됨으로써, 전해액을 추가적으로 실링할 수 있다는 점에서 큰 차이점이 있다.
도 7을 참고하여 본 발명의 캡 어셈블리의 이중실링 구조를 설명한다.
전지의 정상적인 상태 또는 작동 조건에서는 전지 내부의 전해액이 계면(S1)으로 유입되지 않지만, 외력의 인가 또는 내압의 증가시 캡 어셈블리의 밀봉 상태가 부분적 또는 일시적으로 해제되면서 전해액이 계면(S1)으로 유입될 수 있다. 전지 내부의 전해액이 안전밴트(430a)의 하단면과 가스켓(500a)의 계면(S1)으로 일단 유입되면, 상대적으로 밀착력이 떨어지는 안전밴트(430a)와 PTC 소자(420)의 계면(S2) 또는 PTC 소자(420)와 탑캡(410a)의 계면(S3)을 쉽게 통과하게 되어 누출된다.
그러나, 본 발명의 구조에서는, 안전밴트(430a)와 가스켓(500a)의 계면(S1)에 전해액이 노출되기 이전에, CID(440a)와 가스켓(500a)이 만드는 계면(S4)을 통과해야 하므로, 보다 높은 밀봉력을 제공할 수 있다. 특히, 외력의 인가, 전지의 낙하, 내압의 증가 등이 발생하더라도, 전지 내부의 전해액이 안전밴트(430a)와 PTC 소자(420)의 계면(S2)과 PTC 소자(420)와 탑캡(410a)의 계면(S3)으로 유입될 가능성이 거의 없다.
본 발명의 원통형 이차전지는 상기한 본 발명의 캡 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
캡 어셈블리를 제외한 원통형 이차전지에 대한 나머지 구성에 대해서는 종래의 기술 및 구성을 제한 없이 사용할 수 있고, 이에 대한 내용은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
실험예 - 충격에 의한 전해액 누액 여부 확인 실험
이하에서는 본 발명의 상기 실시예를 대상으로 충격에 의한 전해액 누액 여부를 확인하는 실험을 실시하였다. 비교예로는 도 1에 나타낸 것과 같은 종래의 어셈블리 구조의 전지를 사용하였다.
실시예와 비교예는 둘다 원통형 전지로서 크기 모양, 전지의 용량, 전압이 모두 동일한 것을 사용하였다.
실험조건은 약 1.2m 높이에서 콘크리트에 원통형 전지를 낙하시킨 후, 전해액 누액 여부를 확인하였다. 전지를 떨어뜨리는 방향에 있어서, 윗부분(캡 어셈블리가 안치된 부분)을 아래로 하여 낙하하는 것; 전지의 측면을 아래로 하여 낙하하는 것; 및 전지의 윗부분을 위쪽으로 하하여 낙하하는 것의 3가지 방법을 사용하였다. 상기 3가지 방법을 1 cycle로 하여 누액여부를 확인하였다. 실험은 총 20 cycle 수행하였고, 사용된 전지는 실시예, 비교예 각각 30개씩 사용하였다.
결과는 하기 표 1과 같았다.
비교예
(누액 발생 전지의 수/실험 전지의 수)		 실시예
(누액 발생 전지의 수/실험 전지의 수)
1 cycle에서 전해액 누액 확인
(20/30)		 20 cycle까지 전해액 누액 미발생
(0/30)
상기 표 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 어셈블리 구조를 가진 전지는 20 cycle까지 전해액 누액 발생이 일어나지 아니하였다. 이러한 결과는, 본 발명의 어셈블리 구조가 전해액에 대해 이중실링되어 있어 더 밀봉력이 우수하기 때문에 기인한 것으로 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 종래의 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리 구조를 도시한 것이다.
도 2에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리 구조가 도시되어 있다.
도 3에는 본 발명 캡 어셈블리의 하나의 구성인 탑캡을 분리 도시하였다.
도 4a는 본 발명 캡 어셈블리의 하나의 구성인 안전밴트의 사시도이다.
도 4b는 본 발명 캡 어셈블리의 하나의 구성인 안전밴트의 단면도이다.
도 5a에는 본 발명 캡 어셈블리의 하나의 구성인 CID의 사시도이다.
도 5b에는 본 발명 캡 어셈블리의 하나의 구성인 CID의 단면도이다.
도 6에 본 발명의 캡 어셈블리의 각 구성의 결합에 대해 모식적으로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 캡 어셈블리가 이중실링된 것을 모식적으로 도시한 것이다.

Claims (8)

  1. 가스배출공이 구비되고, 돌출 단자를 형성하는 탑캡;
    금속원판으로 이루어지고, 중앙에 돌출부가 구비되어 있으며, 상기 돌출부를 중심으로 동심원 상에 2개 이상의 노치가 형성되어 있는 안전밴트;
    금속원판으로 이루어지고, 가스배출공과 중앙에 상기 안전밴트 돌출부와 접합되어 있는 중앙부가 구비되어 있으며, 상기 중앙부를 중심으로 한 동심원 상에 노치가 형성되어 있는 필터부, 및 상기 필터부의 직경 이상의 외경을 가지고 상기 필터부 상부에 고리형으로 구비되는 지지부가 일체로 형성되어 있는 CID; 및
    경사부 또는 계단부가 형성되어 있고, 상기 소자들의 외주면을 감싸서 밀봉하는 가스켓을 포함하는 캡 어셈블리에 있어서,
    상기 안전밴트와 상기 CID는 사이에 보조가스켓이 개재되어 상호 끼워맞춤 상태로 고정된 것이고,
    상기 CID 지지부가 상기 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 상기 CID가 상기 안전밴트 및 상기 가스켓 사이에 추가 고정된 것이며,
    상기 안전밴트 만입형 중앙부와 상기 CID 돌출부의 접합강도는 상기 안전밴트 및 상기 CID에 형성된 모든 노치들 각각의 파단강도보다 큰 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전밴트는 “Z”형의 돌출된 끼움부를 구비하고, 상기 CID는 필터부와 지지부 사이에 맞춤부을 구비하며, 상기 안전밴트 끼움부와 상기 CID 맞춤부가 보조가스켓이 개재된 상태에서 끼워맞춰져 고정되는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 끼워맞춤 상태는 억지끼워 맞춤 상태인 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 CID 지지부가 가스켓에 안치되는 위치는 비딩부 영역 이내인 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑캡에 구비되는 가스배출공과 상기 CID에 구비되는 가스배출공은 축방향 관점에서 동일한 위치에 구비되는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑캡 및 상기 안전밴트 사이에 PTC 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 CID 지지부가 상기 가스켓 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 전해핵 누액에 대하여 전지가 이중실링되는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 청구항의 캡 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
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