KR20120094693A - 안전판이 구비된 각형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 케이스 캡으로 이루어져 있고, 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 안전판이 케이스 본체 상에 형성되어 있으며, 상기 안전판은 케이스 본체의 양면에서 수직 중심축을 가로지르는 선상(線狀)의 노치홈으로서, 상기 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 노치홈의 좌측 부위와 우측 부위는 서로 비대칭이고, 상기 노치홈에서 수직 중심축 상의 잔여 두께(케이스 본체의 두께에서 노치홈의 깊이를 차감한 후의 두께)가 가장 얇은 것을 특징으로 하는 각형 이차전지를 제공한다.

Description

안전판이 구비된 각형 이차전지 {Prismatic Secondary Battery Employed with Safety Plate}

본 발명은 안전판이 구비된 각형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 전지케이스는 장방형의 케이스 본체와 케이스 캡으로 이루어져 있고, 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 안전판이 케이스 본체 상에 형성되어 있으며, 안전판은 케이스 본체의 양면에서 수직 중심축을 가로지르는 선상(線狀)의 노치홈으로서, 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 노치홈의 좌측 부위와 우측 부위는 서로 비대칭이고, 노치홈에서 수직 중심축 상의 잔여 두께가 가장 얇은 구조로 이루어진 각형 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 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.

전지케이스에 내장되는 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 스택형, 및 바이셀 또는 풀셀 등의 유닛셀을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형으로 대략 분류된다.

이러한 이차전지는 사용 상태 및 조건에 따라 다양한 환경에 노출될 수 있으며, 사용자의 안전을 위해 특히 폭발의 위험성을 예방하는 것이 요구된다. 일반적으로, 내부 쇼트, 허용된 전류, 전압을 초과한 충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격 등과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압은 전지의 폭발을 초래할 수 있다. 따라서, 이차전지는 상기와 같은 전지의 형태적 차이에도 불구하고, 전지 폭발의 직접적인 원인인 고압을 해소할 수 있는 고압 해소 수단을 구비하고 있다.

예를 들어, 원통형 전지는 특정한 구조의 안전판이 캡 어셈블리에 설치되어 있고, 각형 전지는 전지의 캡 또는 케이스에 노치홈이 형성되어 있으며, 파우치형 전지는 별도의 노치홈 없이 라미네이트 시트의 봉합부(밀봉부)가 분리되는 방식으로 고압을 해소하고 있다.

일반적인 각형 이차전지에서는, 알루미늄 전지케이스에 폐쇄형 또는 일부 개방형의 노치홈이 절개 가능한 형태로 형성되어 있다.

예를 들어, 도 1에서와 같이, 각형 이차전지는 일부 개방형의 노치홈을 전지케이스의 측면에 포함하고 있다.

도 1의 노치홈(30)은 각형 이차전지케이스(20)의 측면 모서리에 작은 윤곽으로 형성되어 있고, 일부 개방형으로 형성되어 있다. 즉, 노치홈은 케이스의 응력 분포에 있어서 응력값이 상대적으로 큰 부위에 형성되어 있어서, 전지의 과도한 내압 상승시 곡선 형상이 파단되도록 설계되어 있다.

이러한 구조의 노치홈은 전지 내부에서 발생한 고압에 상대적으로 민감하게 반응하는 장점은 있으나, 전지의 설계시 의도한 압력 임계치를 정확하게 설정하기 어려운 문제점이 있다.

즉, 상기에서 언급한 바와 같이, 케이스의 측면 모서리 부위에는 높은 응력이 가해지므로, 낮은 압력에서도 노치홈의 파단이 쉽게 일어날 수 있으며, 무엇보다 전지케이스의 두께가 얇은 경우에는 고압에 특히 민감하게 반응하기 때문에 의도하지 않은 파단이 일어나게 된다.

따라서, 응력값이 큰 부위에 형성되는 노치홈의 크기 및 깊이는 상대적으로 작게 하는 것이 불가피한데, 노치홈의 크기 및 깊이를 작게 할 경우에는 오히려 노치홈의 파단이 원활하지 않은 문제점이 발생하게 된다.

또한, 각형 이차전지의 또 다른 예로서, 노치홈이 전지케이스의 상단 중앙부에 형성된 구조를 들 수 있다.

그러나, 이러한 구조는 응력이 상대적으로 작은 전지케이스의 상단 중앙부에 노치홈으로 이루어진 안전판을 형성하여 대면적, 두께가 얇은 박형 전지에 대해 안전판의 파단압을 올릴 수 있으나, 안전판 작동시 주변 영역으로 크랙이 전파되거나 변형 등과 같은 불필요한 파단이 야기될 수 있는 문제점이 있다. 더욱이, 중앙부를 기준으로 파단의 방향성을 예측하기 어려우므로 전지 구조의 설계시에 어려움이 있다.

따라서, 상기와 같이 종래의 각형 이차전지가 가진 복잡한 문제들을 해결할 수 있는 안전판 구조를 구비한 각형 이차전지에 관한 기술이 매우 필요한 실정이다.

또한, 노치홈의 형상은 비정상적인 조건에서 신뢰성이 있게 작동하는데 매우 중요한 인자인 것으로 예상된다.

따라서, 전지케이스의 두께, 응력값에 따른 노치홈의 위치, 노치홈의 형상, 길이, 깊이 등을 종합적으로 고려하여, 내압이 증가하는 경우, 노치홈의 균일한 파단에 의해 신속하게 가스를 배출할 수 있는 각형 이차전지에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.

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

본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 노치홈의 좌측 부위와 우측 부위는 서로 비대칭이고, 노치홈에서 수직 중심축 상의 잔여 두께가 가장 얇도록 구성함으로써, 노치홈을 용이하게 제조할 수 있고, 안전판 작동시 주변 영역으로 크랙이 전파되거나 변형 등과 같은 불필요한 파단이 야기되는 것을 방지할 수 있으며, 파단의 방향성을 예측하여 그에 따라 전지의 설계가 가능함을 확인하였다.

또한, 전지케이스 표면에서 응력값이 상대적으로 작은 부위에 특정한 구조의 노치홈을 형성하고 그와 동시에 특정한 형상의 노치홈을 형성할 경우, 적정한 조건에서 노치홈의 파단이 신뢰성 있게 일어나고, 결과적으로 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

따라서, 본 발명자의 목적은 필요한 시점에서 효과적으로 파단이 일어날 수 있는 개선된 구조의 안전판을 가진 각형 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 각형 이차전지는, 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 케이스 캡으로 이루어져 있고,

전지 내부의 고압 발생시 파단되는 안전판이 케이스 본체 상에 형성되어 있으며,

상기 안전판은 케이스 본체의 양면에서 수직 중심축을 가로지르는 선상(線狀)의 노치홈으로서, 상기 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 노치홈의 좌측 부위와 우측 부위는 서로 비대칭이고, 상기 노치홈에서 수직 중심축 상의 잔여 두께(케이스 본체의 두께에서 노치홈의 깊이를 차감한 후의 두께)가 가장 얇은 구조로 구성되어 잇다.

따라서, 본 발명에 따른 각형 이차전지의 안전판은, 케이스 본체의 양면에서 수직 중심축을 가로지르는 선상의 노치홈이 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 노치홈의 좌측 부위와 우측 부위에서 서로 비대칭인 구조로 이루어져 있으므로, 종래의 노치홈의 좌측 부위와 우측 부위가 서로 대칭인 안전판 구조와 비교하여 전지케이스의 중앙부로 갈수록 노치를 얇게 하면서 대칭 구조를 형성하기 어려운 문제점을 해결할 수 있다. 더욱이, 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 좌측 부위 또는 우측 부위의 노치홈을 상대적으로 크게 만듦으로써, 노치홈의 파단 방향성을 예측할 수 있고, 이를 바탕으로 필요한 사양을 만족하는 전지 또는 전지팩의 설계가 가능하다는 장점을 가진다.

또한, 노치홈에서 수직 중심축 상의 잔여 두께가 가장 얇은 구조로 구성되어 있으므로, 전지 내부의 고압 발생시 노치홈 중 수직 중심축에 위치한 부위가 먼저 찢어지도록 함으로써 소망하는 노치홈 이외의 부위에서 안전판이 불필요하게 찢어지는 것을 방지하고 안전판의 작동후 가스를 외부로 효과적으로 배출시킬 수 있다.

참고로, 본 명세서에서 케이스 본체의 양면은 케이스 본체의 전면 또는 후면을 의미한다.

상기 노치홈은, 예들 들어, 곡선 및/또는 직선으로 이루어질 수 있다. 즉, 노치홈의 형상은 소망하는 전지의 사양에 따라 곡선, 직선, 또는 곡선 및 직선의 조합으로 디자인될 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 노치홈은 케이스 본체의 상단으로부터 [(케이스 본체의 길이(L) - 케이스의 길이방향에 대한 젤리-롤의 양극 폭(W)) X 2]의 영역 이내에 적어도 일부가 위치하고 있는 구조일 수 있다. 또한, 바람직하게는 노치홈 중 50% 이하가 상기 케이스 본체의 특정 영역 이내에 위치할 수 있다.

따라서, 노치홈을 통해 고압의 가스가 분출되는 경우 고압에 의한 유체 유동에 의해 전극이 노치홈을 막을 수 있으므로, 노치홈이 상기에 정의된 특정 부위에 위치하고 있는 경우 노치홈이 막히는 것을 방지할 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 선상의 노치홈은 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(S_MAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.

응력 분포는 전지케이스의 형상, 구조 등에 의해 다양하게 변화될 수 있는 바, 일반적인 각형 이차전지에서 나타나는 응력 분포가 도 10에 개시되어 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이고, 상기 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(S_MAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 각형 이차전지의 노치홈은, 케이스 본체의 응력 분포에 있어서 응력값이 40% 이하의 상대적으로 작은 부위에 형성되어 있어서, 낮은 압력에서도 노치홈이 쉽게 파단되는 것을 미연에 방지할 수 있고, 높은 파단압의 제공 및 깊은 노치홈의 형성이 가능하다.

바람직하게는, 특정한 위치에 노치홈의 깊이가 길이방향을 기준으로 양단부로부터 케이스 본체의 수직 중심축으로 갈수록 얇아지는 구조로 형성됨으로써, 노치홈이 높은 작동신뢰성을 발휘하여 균일한 노치홈의 파열에 의해 전지 외부로 신속하게 가스가 배출되어 전지의 안전성을 담보할 수 있다.

한편, 고용량화로 인한 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공에 따라, 본 발명이 적용되는 케이스 본체의 두께는 바람직하게는 0.2 내지 0.4 mm의 범위 내에 있을 수 있다. 따라서, 상기 특정한 위치와 형상의 노치홈은 일반적인 케이스 본체에 비해 얇은 두께의 케이스 본체임에도 불구하고 적정 임계치에서 신뢰성 있는 파열을 이룰 수 있다.

본 발명자들이 확인한 바로는, 케이스의 S_MAX를 기준으로 40%를 초과하는 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 노치홈을 형성하는 경우에, 낮은 압력에서도 노치홈이 용이하게 파단되는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 상기와 같은 조건을 만족함으로써, 종래와 같이 높은 응력 분포, 즉, S_MAX를 기준으로 40%를 초과하는 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 노치홈을 형성한 경우보다, 높은 압력에서 파단될 수 있다.

이러한 노치홈은 바람직하게는 S_MAX의 10 내지 40%의 응력 분포, 더욱 바람직하게는 25 내지 35%의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.

한편, 노치홈의 좌측 부위와 우측 부위가 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 서로 비대칭인 구조는 필요에 따라 다양하게 형성될 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 노치홈의 좌측 부위 또는 우측 부위의 길이는 대응하는 우측 부위 또는 좌측 부위의 길이보다 큰 구조로 이루어질 수 있다.

구체적으로는, 상기 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 노치홈의 좌측 부위 또는 우측 부위의 길이는 대응하는 우측 부위 또는 좌측 부위의 길이보다 10% 내지 80% 큰 구조로 이루어질 수 있다.

노치홈의 파단은 잔여 두께가 가장 얇은 케이스 본체의 수직 중심축 부위에서 시작되어, 상대적으로 큰 크기의 부위(예를 들어, 우측 부위)로 전파되면서 파단이 진행되는 과정을 거치게 된다. 따라서, 그러한 파단 방향의 예측에 의해, 해당 부위에 별도의 안전소자, 검출소자 등을 위치시키거나, 해당 부위의 케이스 본체 외면 또는 그에 대응하는 전지팩 케이스 내면에 별도의 부재를 부가하는 등의 설계가 가능할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 노치홈의 잔여 두께는 가장 얇으며, 예를 들어, 케이스 본체의 두께를 기준으로 50% 이하의 크기일 수 있으며, 그에 따라 소망하는 압력에서 노치홈이 용이하게 파단되도록 할 수 있다.

이러한 노치홈의 잔여 두께는 상기의 조건을 만족하는 범위에서 다양한 형태가 가능하다.

하나의 예에서, 상기 노치홈의 잔여 두께는, 노치홈의 길이에 따른 잔여 두께의 1차 미분값이 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 비연속적이고, 노치홈의 단부로 갈수록 증가하는 구조일 수 있다.

또 다른 예에서, 상기 노치홈의 잔여 두께는 노치홈의 길이에 따른 잔여 두께의 1차 미분값이 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 연속적이고, 노치홈의 단부로 갈수록 증가하는 구조일 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 구조에서, 노치홈의 잔여 두께는 단부 방향에서 1차례 이상 변화되는 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 1차례 내지 5차례 변화되는 구조도 가능하다.

한편, 본 발명자들이 실험적으로 확인한 바에 따르면, 노치홈의 잔여 두께가 일정한 경우에는, 케이스 본체에서 응력이 상대적으로 작은 부위에 노치홈이 형성되어 있는 경우에도, 효과적인 노치홈의 파열이 달성되지 않았다.

즉, 일정한 잔여 두께로 노치홈을 형성하고자 하는 경우에는, 균일한 잔여 두께의 형성이 매우 어려워져 압력이 집중되는 부위가 임의의 위치에 설정되고, 그로 인해 작동 신뢰성이 떨어져서 낮은 압력하에서도 전지 케이스의 형태가 변형되는 현상이 나타나는 등의 문제점이 발생하였다. 이에 따라, 케이스 본체의 응력값 및 잔여 두께는 노치홈의 파열 및 가스 배출과 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 노치홈의 잔여 두께의 평균값은 케이스 본체의 두께를 기준으로 40 내지 70%의 범위에서 결정할 수 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같은 다양한 요소들을 고려하여 최적의 상태를 제공할 수 있는 범위로서 결정된다.

구체적으로, 상기 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 노치홈의 잔여 두께는, 잔여 두께의 평균값은 케이스 본체의 두께를 기준으로 40 내지 70% 크기를 만족하는 범위에서, 케이스 본체의 두께를 기준으로 20 내지 50% 크기일 수 있다.

즉, 상기 노치홈의 잔여 두께는 상기 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 케이스 본체의 두께를 기준으로 20 내지 50% 크기인 것이 바람직하다. 상기 크기가 20% 미만일 경우에는 작은 압력 하에서도 노치홈이 쉽게 파단될 수 있으며, 50%를 초과하는 경우 앞서 설명한 바와 같이, 수직 중심축의 노치홈과 양단부의 노치홈의 두께가 소망하는 정도의 차이를 갖지 못하여 작동신뢰성이 낮아질 수 있으므로, 바람직하지 않다.

또한, 상기 잔여 두께는 노치홈의 양단부로부터 수직 중심축으로 순차적으로 얇아지는 구배 구조로 이루어질 수 있다. 여기에서, '순차적으로'는 단계적으로 점차 얇아지는 것을 의미한다. 따라서, 특정부위에만 압력이 집중되는 것을 방지하고 노치홈의 파단시 압력편차를 최소화할 수 있다.

상기 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 노치홈의 잔여 두께는, 양단부의 잔여 두께보다 얇아 노치홈의 파단이 용이한 두께라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 일측 단부의 잔여 두께의 40 내지 70% 크기로 형성될 수 있다.

이와 같이, 잔여 두께가 양단부로부터 수직 중심축으로 얇아지는 구조로 이루어진 노치홈이 구비된 각형 이차전지는 효과적인 작동신뢰성을 발휘할 수 있음을 실험으로 확인하였다.

또 다른 예에서, 노치홈들이 파단되는 상기 전지 내부의 고압은 정상적인 조건에서의 전지 내압의 2배 이상의 압력일 수 있으며, 상기에서 정상적인 조건은 대기압(1 기압) 내지 3 기압의 상태를 의미한다.

한편, 상기 노치홈은, 케이스 본체의 좌우 폭을 기준으로 1/4 내지 1/2 크기의 중앙 위치에 형성되어 있을 수 있다.

상기 노치홈의 위치가 상기 범위를 벗어나는 경우에는, 고압에서 노치홈의 파단 및 가스 배출을 기대하기 어려울 수 있고, 작은 압력에도 노치홈의 파단이 발생하므로, 고압의 안전성 및 조립 공정성에서 바람직하지 않다.

본 발명자들이 행한 실험에 따르면, 앞서 설명한 바와 같이 계속적으로 압력이 상승하여 일정한 수준 이상이 되면, 상기 노치홈이 균일하게 파단될 수 있으므로, 전지 외부로 신속하게 가스가 배출되어 결과적으로 전지의 안정성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

이러한 노치홈은 상기 형성 위치의 범위를 만족하면서, 바람직하게는, 케이스 본체의 상단 개구와, 케이스 본체의 내부에 장착되는 전극조립체의 상단 사이에 대응하는 공간의 케이스 본체 상에 형성되어 있을 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 노치홈은 케이스 본체의 상단 개구에 가까우면서, 케이스 본체의 내부에 장착되는 전극조립체의 양극의 상단으로부터 전극조립체 방향으로 최대 5 mm 이내와 상단 개구 사이에 대응하는 공간의 케이스 본체 상에 형성될 수도 있다. 이러한 위치에 형성된 노치홈은 케이스 내부의 잉여 공간, 구체적으로, 전극조립체 장착 부위의 상단에 위치함으로써, 가스 배출을 보다 용이하게 하고, 전극조립체의 파손을 최소화할 수 있다.

특히, 상기 노치홈이 원호 형상으로 형성될 경우, 가스배출이 노치홈의 어느 한 부위에 지나치게 편중되는 것을 방지하여, 노치홈의 파단시 압력편차를 최소화할 수 있으며, 얇은 케이스 본체에 대해 케이스 자체의 강도를 확보할 수 있다는 장점이 있다.

상기 노치홈의 원호 형상은, 바람직하게는, 케이스 본체의 상하길이의 1/3 내지 1.5배 크기의 곡률반경을 가질 수 있다.

상기 반경이 너무 작은 경우에는 곡률이 커져서 상대적으로 원호 형상의 폭이 작아지게 되고, 반대로 너무 큰 경우에는 곡률이 완만해져서 고압이 발생하더라도 노치홈의 파단이 어려울 수 있으므로, 바람직하지 않다.

또한, 노치홈의 위치 및 곡률이 상기 범위를 벗어나지 않는다면, 상기 노치홈은 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 형상이거나, 또는 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상으로 형성될 수도 있다.

상기 노치홈은 다양한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 별도의 펀치를 이용하여 압연하거나 레이저 가공에 의해 형성될 수 있다. 경우에 따라서는, 소정의 도구를 사용하여 케이스의 표면을 긁어 절취하는 방법도 가능할 수 있다.

상기 노치홈의 수직 단면은 내압 발생시 노치홈을 용이하게 파단할 수 있는 형태라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 하향 쐐기형 또는 사다리꼴일 수 있다. 하향 쐐기형의 경우에는 노치홈 상단부의 크랙(crack)에 의한 파단이 일어나며, 사다리꼴의 경우에는 단변이 늘어나면서 전단 응력에 의해 파단이 일어난다. 결과적으로, 노치홈의 균일하고 즉각적인 파단을 유도할 수 있어서 전지의 안전성을 담보할 수 있다.

상기 전극조립체는 젤리-롤(권취형) 구조 뿐만 아니라, 스택형 구조 또는 스택/폴딩형 구조일 수도 있으며, 그 중 젤리-롤은 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점이 있지만, 그것으로 한정되지 않음은 물론이다.

이러한 구조의 이차전지는 더욱 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 각형 이차전지는 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 노치홈의 좌측 부위와 우측 부위는 서로 비대칭이고, 노치홈에서 수직 중심축 상의 잔여 두께가 가장 얇도록 구성함으로써, 노치홈의 제조가 용이하고, 안전판의 작동 후의 파단 응력을 용이하게 제어함과 동시에 안전판의 불필요한 파단을 방지하며, 안전판의 작동 후 가스 분출을 효율적으로 수행할 수 있다. 또한, 파단 방향성의 예측이 가능하여 전지 또는 전지팩의 설계에 유연성을 제공한다.

더욱이, 전지케이스의 측면에서 응력값이 상대적으로 작은 부위에 특정한 구조의 노치홈들을 형성하고, 그와 동시에 적어도 하나의 노치홈을 특정한 형상으로 형성함으로써, 적정한 조건에서 노치홈의 파단이 신뢰성 있게 일어나고, 결과적으로 안전성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 노치홈을 포함하는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 본 발명에 사용되는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 노치홈을 포함하는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 4는 도 3의 노치홈을 포함하는 케이스 본체의 부분 정면도이다;
도 5 및 도 6은 도 3의 노치홈의 길이에 따른 다양한 잔여 두께들을 나타내는 그래프들이다;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노치홈을 포함하는 케이스 본체의 부분 정면도이다;
도 8 및 도 9는 도 7의 노치홈의 길이에 따른 다양한 잔여 두께들을 나타내는 그래프들이다;
도 10은 도 3의 각형 이차전지의 응력 분포를 나타내고 있는 사진이다;
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노치홈을 포함하는 각형 이차전지의 응력 분포를 나타내고 있는 사진이다;
도 12는 도 3의 노치홈의 수직 단면을 나타내고 있는 사진이다;
도 13은 도 1의 노치홈의 수직 단면을 나타내고 있는 사진이다;
도 14는 도 2의 전지케이스에 탑재되는 젤리-롤형 전극조립체를 권취하는 과정을 나타내는 모식도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 통상적인 각형 이차전지의 구조가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 각형 이차전지(100)는 음극단자의 역할을 이루는 각형 전지케이스(200)의 내부로, 시트형의 양극, 음극이 분리막을 개재한 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤 구조의 전극조립체(도 14 참조)가 삽입되어 있다.

전지케이스(200)는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체(210)와, 이러한 케이스 본체(210)의 개방 상단에 양극단자(400)가 설치된 케이스 캡(220)이 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 음극단자는 양극단자(400)와 전기적으로 절연된 케이스 본체(210) 또는 케이스 캡(220) 자체일 수 있다.

이와 같은 각형 이차전지(100)를 제조하기 위해서는, 우선 케이스 본체(210)의 내부로 전극조립체를 삽입하고, 케이스 캡(220)을 케이스 본체(210)의 개구부에 안착시킨 후, 그것의 접착면 부위를 레이저 용접으로 밀봉한다. 그런 다음, 전지케이스(200)의 내부로 전해액을 주입하게 되는 바, 전해액 주입은 케이스 캡(220)의 일측부위에 형성되어 있는 주입구(230)를 통해 이루어진다. 상세하게는, 주입구(230)로 전해액을 주입한 후, 주입구(230)에 알루미늄 등으로 만들어진 볼 부재를 끼워지고, 별도의 금속 박판을 볼 부재(600) 위로 안착시켜 주입구(230)를 전체적으로 막은 상태에서 레이저 용접을 통해 밀봉한다. 주입구(230)의 밀봉 방법이 상기의 것으로 한정되는 것은 아니며, 기타 다양한 방법이 가능할 수 있다.

본 발명에 따른 노치홈은 이러한 각형 이차전지(100)의 케이스 본체의 전면(211) 또는 후면(도시하지 않음) 상에 형성되어 있다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 노치홈을 포함하는 각형 이차전지의 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 노치홈을 포함하는 케이스 본체의 부분 정면도가 모식적으로 도시되어 있다. 참고로, 도 3 및 도 4에서는 이해의 편의를 위하여 케이스 본체 대비 안전판의 크기를 상대적으로 크게 표현하였다.

또한, 도 5 및 도 6에는 도 3의 노치홈의 길이에 따른 다양한 잔여 두께들을 나타내는 그래프들이 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 도 12와 함께 참조하면, 각형 이차전지는 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 안전판이 케이스 본체(40) 상에 형성되어 있고, 안전판은 케이스 본체(40)의 양면에서 수직 중심축(B)을 가로지르는 선상의 노치홈으로서, 케이스 본체의 수직 중심축(B)을 기준으로 노치홈(60)의 좌측 부위(61)와 우측 부위(62)는 서로 비대칭으로 이루어져 있다.

구체적으로, 노치홈(60)은 1개의 원호 형상으로 이루어져 있고, 원호 형상은 케이스 본체(40)의 폭(Q)을 기준으로 우측 단부로부터 약 1/3 크기의 중앙 위치 및 케이스 본체(40)의 길이(L)를 기준으로 약 3/10 크기의 상단 위치 내에 형성되어 있다. 또한, 원호 형상의 곡률은 케이스 본체(40)의 길이(L)를 기준으로 약 3/10의 반경(R)으로 형성된 곡률로 이루어져 있다. 이러한 원호 형상에 의해, 노치홈(60)은 가스 배출을 균일하게 하면서도 일정한 기계적 강도를 유지할 수 있다.

또한, 노치홈(60)은 수직 단면상으로 케이스 본체(40)의 두께에서 노치홈(60)의 깊이를 차감한 후의 두께인 잔여 두께(80)가 수직 중심축(B) 상에서 가장 얇은 크기를 가지고 있다.

잔여 두께(80)는 노치홈의 전체길이(l)를 기준으로 양단부(A, C)로부터 수직 중심축(B) 쪽으로 순차적으로 얇아지는 구조로 형성되어 있다. 즉, 노치홈(60) 중 수직 중심축(B)의 최저 잔여 두께는 케이스 본체의 두께(T)를 기준으로 약 30%의 잔여 두께(t)를 형성하고, 양단부(A, C)로 점점 잔여 두께는 두꺼워져서 최대 80%의 두께를 형성한다.

구체적으로, 도 3 내지 도 6을 참조하면, 노치홈(60)의 우측 부위(62)의 길이는 케이스 본체(40)의 수직 중심축(B)을 기준으로 대응하는 좌측 부위(61)의 길이보다 250% 큰 크기로 이루어져 있다.

노치홈(60)의 잔여 두께(80)은, 수직 중심축 부위의 잔여 두께가(B-B') 가장 얇은 조건을 만족하면서, 노치홈(60)의 길이에 따라 다양할 수 있는 바, 도 5에서와 같이, 잔여 두께(80)의 1차 미분값이 케이스 본체(40)의 수직 중심축(B) 상에서 비연속적인 형태와, 도 6에서와 같이, 잔여 두께(80)의 1차 미분값이 케이스 본체(40)의 수직 중심축(B) 상에서 연속적인 형태가 모두 가능하다.

즉, 전자(도 5)의 경우, 수직 중심축 부위의 잔여 두께(B-B')를 기준으로 우측 부위와 좌측 부위의 잔여 두께가 노치홈의 길이 대비 두께의 그래프에서 직선의 기울기로 감소하는 구조를 갖는다.

반면에, 후자(도 6)의 경우, 수직 중심축 부위의 잔여 두께(B-B')를 기준으로 우측 부위와 좌측 부위의 잔여 두께가 노치홈의 길이 대비 두께의 그래프에서 곡선의 기울기로 감소하는 구조를 갖는다.

더욱이, 후자(도 6)의 경우, 노치홈(60)의 잔여 두께(80)는 단부 방향에서 1차례 변화되는 구조를 갖는다.

한편, 노치홈(60)은 케이스 본체(40)의 상단으로부터 [(케이스 본체의 길이(L) - 케이스의 길이 방향에 대한 젤리-롤의 양극 폭(W)) X 2]의 영역(a) 이내에 위치하고 있다. 또한, 젤리-롤은 음극(32), 분리막(36), 양극(34)이 권취된 구조로 이루어져 있다.

도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노치홈을 포함하는 케이스 본체의 부분 정면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 8 및 도 9에는 도 7의 노치홈의 길이에 따른 다양한 잔여 두께들을 나타내는 그래프들이 모식적으로 도시되어 있다. 참고로, 도 7에서는 이해의 편의를 위하여 케이스 본체 대비 안전판의 크기를 상대적으로 크게 표현하였다.

이들 도면을 참조하면, 노치홈(63)이 직선으로 이루어져 있고, 노치홈(63)의 우측 부위(64)의 길이는 케이스 본체(40)의 수직 중심축(B)을 기준으로 대응하는 좌측 부위(65)의 길이보다 200% 큰 크기로 이루어져 있는 것을 제외하고는 도 4 내지 도 6의 구조와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 10에는 도 3의 각형 이차전지의 응력 분포를 나타내고 있는 사진이 도시되어 있고, 도 11에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노치홈을 포함하는 각형 이차전지의 응력 분포를 나타내고 있는 사진이 도시되어 있다.

먼저 도 10을 도 3과 함께 참조하면, 케이스 본체(40)의 노치홈(60)은 고압 가스를 배출하기 위한 절개 가능한 형태의 부재로서, 케이스의 최대 응력(S_MAX)을 기준으로 약 25 내지 35%의 응력 분포를 나타내는 케이스의 부위에, 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 형상으로 형성되어 있다.

도 10에서 보는 바와 같이, 응력 분포는 일정한 압력이 인가되었을 때 각 부위별로 나타나는 인장응력이 등고선으로 나타나며, 명도가 높은 부위(밝은 색 부위)는 응력이 상대적으로 높은 부위로서 최대 응력(S_MAX) 분포 부위이고, 명도가 낮은 부위(어두운 부위)는 응력이 상대적으로 낮은 부위로서, 최저 응력(S_MIN) 분포 부위를 의미한다.

또한, 원호는, 도 10과 같이, 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 형상일 수도 있지만, 그와 반대로, 도 11과 같이, 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상일 수도 있다.

도 12에는 도 3의 노치홈의 수직 단면을 나타내고 있는 사진이 도시되어 있다.

도 12를 참조하면, 노치홈(60)의 수직 단면은 하향 쐐기형으로 형성되어 있으며, 잔여 두께(80)의 평균값은 케이스 본체(40)의 두께(T)를 기준으로 약 40%의 크기로 형성되어 있다.

따라서, 내압이 점차 상승하여 정상적인 전지 내압의 3배 이상의 압력이 발생하게 되면, 노치홈(60)에 크랙이 발생하면서 용이하게 파열되어 전지 외부로 신속하게 가스가 배출되며 결과적으로 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 14에는 도 2의 전지케이스에 탑재되는 젤리-롤형 전극조립체를 권취하는 과정을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.

도 14를 참조하면, 젤리-롤(10a)은 음극(32)과 양극(34)의 좌측 단부에서 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부(36)에 음극 탭(31)과 양극 탭(33)을 수직으로 부착한 후, 음극(32)과 양극(34)을 좌측 단부에서 우측 단부 방향으로 권취하여 제조된다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

1. 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 케이스 캡으로 이루어져 있고,
   전지 내부의 고압 발생시 파단되는 안전판이 케이스 본체 상에 형성되어 있으며,
   상기 안전판은 케이스 본체의 양면에서 수직 중심축을 가로지르는 선상(線狀)의 노치홈으로서, 상기 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 노치홈의 좌측 부위와 우측 부위는 서로 비대칭이고, 상기 노치홈에서 수직 중심축 상의 잔여 두께(케이스 본체의 두께에서 노치홈의 깊이를 차감한 후의 두께)가 가장 얇은 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은 곡선 및/또는 직선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은 케이스 본체의 상단으로부터 [(케이스 본체의 길이(L) - 케이스의 길이방향에 대한 젤리-롤의 양극 폭(W)) X 2]의 영역 이내에 적어도 일부가 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이고, 상기 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(S_MAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 본체의 수직 중심축을 기준으로 노치홈의 좌측 부위 또는 우측 부위의 길이는 대응하는 우측 부위 또는 좌측 부위의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 노치홈의 잔여 두께는 케이스 본체의 두께를 기준으로 50% 이하의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈의 잔여 두께는, 노치홈의 길이에 따른 잔여 두께의 1차 미분값이 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 비연속적이고, 노치홈의 단부로 갈수록 증가하는 것을 나타내는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈의 잔여 두께는 노치홈의 길이에 따른 잔여 두께의 1차 미분값이 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 연속적이고, 노치홈의 단부로 갈수록 증가하는 것을 나타내는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 노치홈의 잔여 두께는 단부 방향에서 1차례 이상 변화되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈의 잔여 두께의 평균값은 케이스 본체의 두께를 기준으로 40 내지 70% 크기인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 노치홈의 잔여 두께는, 잔여 두께의 평균값은 케이스 본체의 두께를 기준으로 40 내지 70% 크기를 만족하는 범위에서, 케이스 본체의 두께를 기준으로 20 내지 50% 크기인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 케이스 본체의 수직 중심축 상에서 노치홈의 잔여 두께는, 일측 단부의 잔여 두께의 40 내지 70% 크기인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
13. 제 1 항에 있어서, 안전판이 파단되는 상기 전지 내부의 고압은 정상적인 조건에서의 전지 내압의 3배 이상의 압력인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은, 케이스 본체의 좌우 폭을 기준으로 1/4 내지 1/2 크기의 중앙 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은, 케이스 본체의 상단 개구와, 케이스 본체의 내부에 장착되는 전극조립체의 상단 사이에 대응하는 공간의 케이스 본체 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은 원호 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 노치홈은 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 형상이거나, 또는 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈의 수직 단면은 하향 쐐기 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
19. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈의 수직 단면은 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
20. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
21. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.

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