KR20110039934A - 가스켓 처짐이 방지된 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스켓 처짐이 방지된 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지에 관한 것이다. 본 발명의 캡 어셈블리는, 탑캡, 및 안전밴트를 순차적으로 포함한 적층체의 외주면이 주가스켓으로 감싸져 있고, 외주면에 보조가스켓이 감싸져 있는 전류차단부재가 상기 안전밴트 하방에 접합되어 있는 캡 어셈블리에 있어서, 상기 주가스켓은 상기 보조가스켓에 의해 지지되어 상기 안전밴트와 이격된 공간을 형성하지 않는 것임을 특징으로 하고, 본 발명의 원통형 이차전지는 상기 본 발명의 캡 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 캡 어셈블리는 CID 외주면을 감싸는 보조가스켓을 이용하여 비딩부에 안착되어 있는 주가스켓의 처짐을 막아줌으로 인해서 전해액 누액을 개선하는 효과가 있다.
가스켓 처짐, 주가스켓, 보조가스켓, 억지끼움, 안전밴트, CID, 탑캡, PTC 소자, 전해액 누액

Description

가스켓 처짐이 방지된 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지{CAP ASSEMBYLY CHARACTERIZED BY PREVENTING GASKET FROM DROOPING, AND CYLINDERICAL SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 가스켓 처짐이 방지된 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 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형 구조로 분 류된다. 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 주가스켓에 의해 고정된 구조로 이루어져 있다.
상기 캡 어셈블리의 구조는, 주가스켓이 안전밴트, PTC 소자, 탑캡 등의 외주면을 감쌈으로써, 본질적으로 전지 내부의 전해액이 외부로 누출되는 것을 방지한다. 따라서, 전지의 최내측에 위치하는 안전밴트와 그것의 외주면을 감싸는 주가 스켓의 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 주가스켓과 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 주가스켓과 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 주가스켓이 구비된 캡 어셈블리가 개시되어 있다. 그러나, 이들 출원들에 개시되어 있는 캡 어셈블리는 안전소자들의 외주면을 감싸면서 밀봉하는 주가스켓의 형상이 복잡하므로 제조하기가 용이하지 않고, 금속소재들(안전밴트, PTC 소자 및 탑캡)의 상호 계면 부위에서 전해액 누액이 발생하므로, 상기의 문제점을 근원적으로 해결하고 있 지는 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 주가스켓(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 노치들(434, 436)이 형성되어 있다.
전지 내부에서 임계치 이상으로 압력이 상승하였을 때 전류를 차단하는 전류차단 안전소자(440)는 도전성 판재로서 안전밴트(430)의 하방에 설치되어 있다. 전류차단 안전소자(440)의 재질은 바람직하게는 안전밴트(430)와 동일한 재질로 이루 어져 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 해결하고자 전해액 밀봉성이 우수한 캠 어셈블리, 및 원통형 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전해액 누액은 여러 부분에서 일어날 수 있지만, 그 중에 하나는 가스켓과 안전밴트 사이의 계면을 통해 일어날 수 있다. 특히, 탑캡, PTC 소자, 및 안전밴트를 감싸는 주가스켓의 말단 부분은 안전밴트와 밀착되지 않은 경우가 많고, 전지의 사용 중 주가스켓의 탄성이 열화되고 그 부분이 중력에 의해 처짐으로써 안전밴트와 밀착되지 않는 경우도 빈번하게 발생한다.
즉, 도 1a에 나타낸 것과 같이 주가스켓의 처짐 현상이 없어야 바람직하겠으나, 실제적으로는 도 1b에 나타낸 것과 같이 주가스켓이 아래방향으로 처져, 안전밴트와 이격된다.
도 1b는 종래의 원통형 이차전지의 내부를 나타낸 것으로서, 주가스켓의 처짐을 도식적으로 표현한 것이다. 도 1b의 확대도 부분은 실제 종래의 원통형 이차전지의 가스켓 처짐을 나타낸 사진으로서, 주가스켓의 말단 부위가 중력방향으로 처져 안전밴트와 이격된 공간이 발생함을 육안으로 확인할 수 있다.
이와 같이, 주가스켓이 처짐으로 인해, 가스켓과 안전밴트와의 이격 공간이 생기게 되고 이 부분은 전해액 침투의 주요 경로가 된다.
이에, 본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, CID 외주면을 감싸는 보조가스켓으로 주가스켓을 지지하면 주가스켓과 안전밴트 사이에 이격공간이 생기지 않아 전해액 누액 방지할 수 있고, 종국적으로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
탑캡, 및 안전밴트를 순차적으로 포함한 적층체의 외주면이 주가스켓으로 감싸져 있고, 외주면에 보조가스켓이 감싸져 있는 전류차단부재가 상기 안전밴트 하방에 접합되어 있는 캡 어셈블리에 있어서,
상기 주가스켓은 상기 보조가스켓에 의해 지지되어 상기 안전밴트와 이격된 공간을 형성하지 않는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 주가스켓의 일부는 CID 상에 안치되고, 상기 CID 상에 안치된 주가스켓의 일부를 상기 보조가스켓이 아래로부터 지지하는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 외주면에 보조가스켓이 감싸져 있는 전류차단부재가 상기 주가스켓에 억지끼움 상태로 개재됨으로써, 주가스켓이 측면으로부터 보조가스켓에 의해 지지되어지는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한, 본 발명의 캡 어셈블리를 구비하는 원통형 이차전지를 제공한다.
본 발명의 캡 어셈블리는 CID 외주면을 감싸는 보조가스켓을 이용하여 비딩부에 안착되어 있는 주가스켓의 처짐을 막아줌으로 인해서 전해액 누액을 개선하는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은,
탑캡, 및 안전밴트를 순차적으로 포함한 적층체의 외주면이 주가스켓으로 감싸져 있고, 외주면에 보조가스켓이 감싸져 있는 전류차단부재가 상기 안전밴트 하방에 접합되어 있는 캡 어셈블리에 있어서,
상기 주가스켓은 상기 보조가스켓에 의해 지지되어 상기 안전밴트와 이격된 공간을 형성하지 않는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명의 핵심은 주가스켓이 중력 등의 요인에 의해 처지는 현상을 CID 외주면을 감싸는 보조가스켓으로 지지해줌으로써 주가스켓과 안전밴트 사이에 이격된 공간을 형성하지 않는 것이고, 이러한 본 발명을 구현한 실시예는 다종 다양하게 존재할 수 있지만, 구체적인 실시예를 아래와 같이 2 가지 정도 예시한다.
본 발명의 실시예는, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 상기 주가스켓(500a)의 일부는 CID 상에 안치되고, 상기 CID 상에 안치된 주가스켓의 일부를 상기 보조가스켓(510a)이 아래로부터 지지하는 것일 수 있다.
도 5a에 나타낸 바와 같이 주가스켓의 일부를 보조가스켓이 지지하게 되면, 주가스켓이 안전밴트로부터 처지는 현상을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 주가스켓과 보조가스켓이 형성하는 밀착면(S1)에 의해 전해액이 이중실링되는 효과도 발생한다. 즉, 전해액이 누액되려면, 주가스켓(500a)과 보조가스켓(510a)이 형성하는 밀착면(S1)을 지나 다시 주가스켓과 안전밴트가 형성하는 면(S2)을 통과해야 하므로, 사실상 전해액 누액이 일어나기 어렵다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 외주면에 보조가스켓이 감싸져 있는 전류차단부재가 상기 주가스켓에 억지끼움 상태로 개재됨으로써, 주가스켓이 측면으로부터 보조가스켓에 의해 지지되어지는 것일 수도 있다.
도 5b에 나타낸 바와 같이 주가스켓(500b)의 측면을 보조가스켓(510b)이 측면으로부터 밀어 지지하게되면, 주가스켓이 주가스켓이 안전밴트로부터 처지는 현상을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 주가스켓과 보조가스켓이 형성하는 밀착면(S1')에 의해 전해액이 이중실링되는 효과도 발생한다. 즉, 전해액이 누액되려면, 주가스켓(500b)과 보조가스켓(510b)이 형성하는 밀착면(S1')을 지나 다시 주가스켓과 안전밴트가 형성하는 면(S2)을 통과해야 하므로, 사실상 전해액 누액이 일어나기 어 렵다.
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.
또한, 본 발명은,
상기한 본 발명의 캡 어셈블리를 구비하는 원통형 이차전지에 관한 것이다.
본 발명의 원통형 이차전지의 구조는 상술한 본 발명의 캡 어셈블리의 특별한 구조를 가진 것이 이외에는 모두 동일하다. 이에 대해서는 상기한 「배경기술」의 내용을 참조할 수도 있다.
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 - 처짐량에 따른 누액 특성 실험
이하에서는 본 발명의 상기 실시예의 성능을 증명하기 위한 실험에 대하여 설명한다.
실험은 처짐량 측정, 가압 상태에서 누액이 발생하는지 여부(가압 Leak Test), 및 충격발생시 누액여부(Drop Test)의 3가지를 수행하였다.
실험방법은 하기와 같았다.
[처짐량 측정]
도 2a에 나타낸 바와 같은 캡 어셈블리 구조로 제작한 전지의 처짐량과 도 1a에 나타낸 보와 같은 종래의 캡 어셈블리 구조로 제작한 전지의 처짐량을 측정하였다. 처짐량은 안전밴트로부터 이격된 가스켓 간의 거리 중 최대거리에 해당하는 것으로 정의하였고, 단위는 ㎜이다.
실시예의 경우 처짐량이 0.1 내지 0.12로 처짐량이 경미하고 그 편차도 크지 않았으나, 비교예의 경우 0.15 내지 0.25로 처짐량, 및 그의 편차도 크게 측정되었다.
[가압 Leak Test]
실시예, 및 비교예의 캡 어셈블리에 전해액을 주입하고, 이에 질소가스를 이용하여 전지 내를 가압하여 전해액이 누액되는지 여부를 알아보았다. 주입된 가스가 캡 어셈블리에 가하는 압력은 약 18 kgf/㎠ 이었다.
[Drop Test]
실험조건은 약 1m 높이에서 나무바닥에 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 방법 1순환을 1 cycle로 하여 누액여부를 확인하였다. 실험은 총 1 cycle 수행하였고, 사용된 전지는 실시예, 비교예 각각 30개씩 사용하였다.
상기 실험 수행에 대한 결과는 하기 표 1과 같았다.
처짐량 가압 Leak Test(누액발생한 전지의 수/실험한 전지의 수) Drop Test(누액발생한 전지의 수/실험한 전지의 수)
실시예 1 0.10 누액 미발생(0/30) 누액 미발생(0/30)
실시예 2 0.12 누액 미발생(0/30) 누액 미발생(0/30)
비교예 1 0.15 누액 미발생(0/30) 누액 발생(3/30)
비교예 2 0.17 누액 발생(9/30) 누액 발생(14/30)
비교예 3 0.20 누액 발생(18/30) 누액 발생(23/30)
비교예 4 0.25 누액 발생(26/30) 누액 발생(30/30)
상기 표 1에서 나타낸 바와 같이, 실시예의 경우가 비교예의 경우보다 전해액 밀봉력이 우수함을 알 수 있다. 이러한 결과는, 처짐량에 따라 가압 상황에서 누액되는 정도와 충격시 누액 정도가 어느 정도 비례 상관관계에 있음을 추정케할 수 있는 자료로 볼 수 있을 것이다. 따라서, 보조 가스켓으로 주가스켓의 처짐을 막는 본 발명의 캡 어셈블리, 및 이를 구비하는 원통형 이차전지가 전해액 밀봉력이 우수함을 상기 실험예로부터 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 종래의 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1b는 종래의 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타낸 단면도로서, 주가스켓의 처짐을 도식적으로 표현한 것이다.
도 2a는 본 발명의 실시예의 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 또 다른 실시예의 원통형 이차전지의 상부 구조를 나타낸 단면도이다.

Claims (4)

  1. 탑캡, 및 안전밴트를 순차적으로 포함한 적층체의 외주면이 주가스켓으로 감싸져 있고, 외주면에 보조가스켓이 감싸져 있는 전류차단부재가 상기 안전밴트 하방에 접합되어 있는 캡 어셈블리에 있어서,
    상기 주가스켓은 상기 보조가스켓에 의해 지지되어 상기 안전밴트와 이격된 공간을 형성하지 않는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 주가스켓의 일부는 CID 상에 안치되고, 상기 CID 상에 안치된 주가스켓의 일부를 상기 보조가스켓이 아래로부터 지지하는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 외주면에 보조가스켓이 감싸져 있는 전류차단부재가 상기 주가스켓에 억지끼움 상태로 개재됨으로써, 주가스켓이 측면으로부터 보조가스켓에 의해 지지되어지는 것임을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항의 캡 어셈블리를 구비하는 원통형 이차전지.
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