KR20150098419A - 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 전류차단부, 전류차단부와 전기적으로 연결된 캡업 및 상기 전류차단부와 상기 캡업을 고정하는 가스켓을 포함하고, 상기 전류 차단부는 압력이 가해지는 경우 적어도 일부분이 파단되도록 형성된 안전벤트를 구비한 벤트부와, 상기 캡업 방향으로 가스가 통과하는 적어도 하나의 홀을 구비한 캡 다운을 포함하고, 상기 적어도 하나의 홀의 전체 면적은 상기 가스켓의 외직경에 따른 상기 가스켓의 단면적의 0.12% 내지 1.61%인 캡 어셈블리를 개시한다.

Description

캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차 전지{Cap assembly and secondary battery comprising the same}
본 발명은 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전을 반복하여 사용할 수 있는 전지로써, 경제적이고, 친환경적이므로 그 사용이 장려되고 있다.
이차 전지는 그것이 사용되는 전자 기기의 종류에 따라 단일 전지 또는 다수의 전지들이 전기적으로 연결된 형태로 사용될 수 있다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 이차 전지 1개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동작이 가능한 반면에, 전기 자동차등과 같이 보다 큰 출력 및 용량이 요구되는 경우는, 다수의 이차 전지들을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결한 전지 팩이 사용될 수 있다.
한편, 이차전지는 내부에 반응성이 큰 물질을 구비하고 있으므로, 이차 전지의 안정성이 선행적으로 확보되어야 한다.
본 발명의 목적은, 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예는, 전류차단부, 전류차단부와 전기적으로 연결된 캡업 및 상기 전류차단부와 상기 캡업을 고정하는 가스켓을 포함하고, 상기 전류 차단부는 압력이 가해지는 경우 적어도 일부분이 파단되도록 형성된 안전벤트를 구비한 벤트부와, 상기 캡업 방향으로 가스가 통과하는 적어도 하나의 홀을 구비한 캡 다운을 포함하고, 상기 적어도 하나의 홀의 전체 면적은 상기 가스켓의 외직경에 따른 상기 가스켓의 단면적의 0.12% 내지 1.61%인 캡 어셈블리를 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운은 중앙에 개구를 포함하고, 상기 전류차단부는, 상기 개구를 덮는 서브디스크를 더 포함하고, 상기 서브디스크와 상기 벤트부는 상기 개구에서 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운과 상기 서브디스크는 일체로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이의 가장자리에 인슐레이터를 더 포함하고, 상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이에는 상기 인슐레이터에 의해 간극이 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운은, 금형 성형되는 제1 하부 플레이트, 금형 성형되며, 상기 제1 하부 플레이트와 이격되도록 배치되는 제1 상부 플레이트 및 상기 제1 상부 플레이트와 상기 제2 하부 플레이트를 연결하는 복수의 제1 브릿지부들을 포함하고, 인접하는 상기 복수의 제1 브릿지부들 사이의 공간이 상기 인슐레이터로 막혀있을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운은 복수의 홀들을 포함하고, 상기 복수의 홀들은 상기 캡 다운의 중심으로부터 동일한 거리에 방사상으로 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 복수의 홀들 중 인접한 두 개의 홀들 간의 거리가 서로 동일할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운은 2개 내지 6개의 홀들을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 홀은 원형일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이의 인슐레이터를 더 포함하고, 상기 인슐레이터는 상기 전류차단부의 가장자리 외측을 감쌀 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 인슐레이터를 감싸도록 설치되며, 상기 캡업 방향으로 가스가 유동하는 유동홀이 형성되는 커버 플레이트를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유동홀의 면적은 10㎟이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 업은 제2 하부 플레이트, 제2 상부 플레이트 및 상기 제2 하부 플레이트와 상기 제2 상부 플레이트를 연결하는 복수의 제2 브릿지부들을 포함하고, 상기 제2 하부 플레이트 및 상기 제2 상부 플레이트와 연결된 상기 복수의 제2 브릿지부들의 연결부들에는 노치가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 전극조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 캔 및 상기 캔의 일측과 결합하는 캡 어셈블리를 포함하고, 상기 캡 어셈블리는, 전류차단부, 상기 전류차단부와 전기적으로 연결된 캡업 및 상기 전류차단부와 상기 캡업을 고정하는 가스켓을 포함하고, 상기 전류 차단부는 상기 캔의 내압이 상승하는 경우 적어도 일부분이 개방되도록 형성된 안전벤트를 구비한 벤트부와, 상기 캡업 방향으로 상기 캔의 내부에서 발생한 가스가 통과하는 적어도 하나의 홀을 구비한 캡 다운을 포함하고, 상기 적어도 하나의 홀의 전체 면적은 상기 캔의 내직경에 따른 상기 캔의 단면적의 0.12% 내지 1.61%인 이차 전지를 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운은 중앙에 개구를 포함하고, 상기 전류차단부는, 상기 개구를 덮는 서브디스크를 더 포함하고, 상기 서브디스크와 상기 벤트부는 상기 개구에서 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운과 상기 서브디스크는 일체로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이의 가장자리에 인슐레이터를 더 포함하고, 상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이에는 상기 인슐레이터에 의해 간극이 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운은, 금형 성형되는 제1 하부 플레이트, 금형 성형되며, 상기 제1 하부 플레이트와 이격되도록 배치되는 제1 상부 플레이트 및 상기 제1 상부 플레이트와 상기 제2 하부 플레이트를 연결하는 복수의 제1 브릿지부들을 포함하고, 인접하는 상기 복수의 제1 브릿지부들 사이의 공간이 상기 인슐레이터로 막혀있을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운은 복수의 홀들을 포함하고, 상기 복수의 홀들은 상기 캡 다운의 중심으로부터 동일한 거리에 방사상으로 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 복수의 홀들 중 인접한 두 개의 홀들 간의 거리가 서로 동일할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운은 2개 내지 6개의 홀들을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 홀은 원형일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이의 인슐레이터를 더 포함하고, 상기 인슐레이터는 상기 전류차단부의 가장자리 외측을 감쌀 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 인슐레이터를 감싸도록 설치되며, 상기 캡업 방향으로 가스가 유동하는 유동홀이 형성되는 커버 플레이트를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 유동홀의 면적은 10㎟이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캡 업은 제2 하부 플레이트, 제2 상부 플레이트 및 상기 제2 하부 플레이트와 상기 제2 상부 플레이트를 연결하는 복수의 제2 브릿지부들을 포함하고, 상기 제2 하부 플레이트 및 상기 제2 상부 플레이트와 연결된 상기 제2 복수의 브릿지부들의 연결부들에는 노치가 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캔의 하면에는 하부 안전벤트가 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 캔의 내부의 압력이 일정 압력을 초과하면, 상기 상부 안전벤트와 상기 하부 안전벤트가 함께 파단될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리롤 형태로 권취된 제1 전극판, 제2 전극판 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 세퍼레이터를 포함하고, 상기 전극조립체의 중앙은 중공을 형성하며, 상기 제1 전극판은 상기 전류차단부와 상기 제1 전극탭에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극판은 상기 캔과 제2 전극탭에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 전극조립체의 일단부와 타단부 상에는 각각 제1 절연판과 제2 절연판이 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차 전지의 안정성이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 내용 이외에도, 도면을 참조하여 이하에서 설명할 내용으로부터도 도출될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지의 개략적 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 I-I 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2의 전류차단부의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5는 도 4의 II-II 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 2의 전류차단부의 다른 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7은 도 3의 이차 전지의 캡 어셈블리의 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 도 3의 이차 전지의 캡 어셈블리의 다른 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시 예들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 사시도, 도 2는 도 1의 이차 전지의 개략적 분해 사시도 및 도 3은 도 1의 I-I 단면을 개략적으로 도시한 단면도, 도 4는 도 2의 전류차단부의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도, 도 5는 도 4의 II-II 단면을 개략적으로 도시한 단면도, 그리고 도 6은 도 2의 전류차단부의 다른 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)를 수용하는 캔(140) 및 캔(140)의 일측과 결합하는 캡 어셈블리(170)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(110)는 제1 전극판(111), 제2 전극판(112) 및 제1 전극판(111)과 제2 전극판(112) 사이의 세퍼레이터(113)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(110)는 제1 전극판(111), 세퍼레이터(113) 및 제2 전극판(112)이 순차적으로 적층한 후, 젤리롤(jelly-roll) 형태가 되도록 권취하여 제작될 수 있다. 또한, 전극 조립체(110)의 중앙은 중공이 형성됨으로써, 캔(140) 내부의 가스가 상하 방향으로 이동하는 통로를 제공할 수 있다.
제1 전극판(111)은 양극 필름 또는 음극 필름 중 어느 하나 일 수 있다. 제1 전극판(111)이 양극 필름인 경우, 제2 전극판(112)은 음극 필름일 수 있으며, 반대로, 제1 전극판(111)이 음극 필름인 경우, 제2 전극판(112)은 양극 필름일 수 있다. 즉, 제1 전극판(111)과 제2 전극판(112)은 전기적으로 극성이 다르게 형성되며 특정 극성에 한정되지 않는다. 다만 이하에서는 설명의 편의를 위해서 제1 전극판(111)은 양극 필름으로 형성되고, 제2 전극판(112)은 음극 필름으로 형성되는 경우를 설명한다.
제1 전극판(111)은 제1 활물질이 도포된 제1 활물질부와, 제1 활물질이 도포되지 않은 제1 무지부를 포함할 수 있다. 제1 활물질부는 예를 들어, 알루미늄 판의 적어도 어느 한 면의 일부에 제1 활물질을 도포하여 형성하며, 제1 활물질이 미 도포된 알루미늄 판의 나머지 부분은 제1 무지부가 될 수 있다. 제1 활물질은 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMnO4와 같은 리튬 함유 전이금속 산화물 또는 리튬 칼코게나이드 화합물 등과 같은 양극 활물질일 수 있다.
제2 전극판(112)은 제2 활물질이 도포된 제2 활물질부와, 제2 활물질이 도포되지 않은 제2 무지부를 포함할 수 있다. 제2 활물질부는 예를 들어, 구리 판의 적어도 어느 한 면의 일부에 제2 활물질을 도포하여 형성하며, 제2 활물질이 미 도포된 알루미늄 판의 나머지 부분은 제2 무지부가 될 수 있다. 제2 활물질은, 예를 들어, 음극 활물질 일 수 있으며, 구체적으로, 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유와 같은 탄소 재료, 리튬 금속 또는 리튬 합금 등일 수 있다.
세퍼레이터(113)는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene)막과 같은 다공성 고분자막일 수 있다. 세퍼레이터(113)는 세라믹 입자를 더 포함할 수 있고, 고분자 고체 전해질로 이루어질 수도 있다. 세퍼레이터(113)는 독립적인 필름으로 형성하거나, 제1 전극판(111) 또는 제2 전극판(112) 상에 비전도성의 다공성 층을 형성함으로써 형성될 수 있다.
제1 전극판(111)에는 제1 전극탭(114)이 전기적으로 연결되고, 제2 전극판(112)에는 제2 전극탭(115)이 전기적으로 연결된다. 제1 전극탭(114)은 일단이 제1 무지부에 용접 등에 의해 접속되고, 타단이 전류차단부(150)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 전극 탭(115)은 일단이 용접 등에 의에 제2 무지부에 접속되고, 타단은 캔(140)의 바닥면과 용접될 수 있다.
캔(140)은 일측에 개구를 포함하고, 개구를 통해 전극 조립체(110)는 캔(140)의 내부로 수용될 수 있다. 캔(140)은 일 예로 원통형일 수 있다. 캔(140)은 알루미늄과 같은 도전성 부재로 형성되어, 외부 충격으로부터 전극 조립체(110)을 보호하고, 전극 조립체(110)의 충방전 동작에 수반되는 열을 외부로 방출시키는 방열판의 기능을 할 수 있다. 또한, 캔(140)의 바닥면이 제2 전극 탭(115)과 용접 등에 의해 전기적으로 연결되므로, 캔(140)은 제2 전극으로 기능할 수 있다.
캔(140)의 바닥면에는 하부 안전벤트(146)가 형성될 수 있다. 하부 안전벤트(146)는 캔(140)의 내부 압력이 일정 압력을 초과하면 변형되거나 파열되어 캔(140)의 내부에서 발생한 가스를 외부로 방출시킬 수 있다.
캔(140)의 내부에는 제1 절연판(120)과 제2 절연판(130)이 전극 조립체(110)의 일단부와 타단부 상에 각각 배치될 수 있다. 제1 절연판(120)은 전극 조립체(110)의 상면과 캡 어셈블리(170) 사이에 배치되어, 전극 조립체(110)와 캡 어셈블리(170) 사이를 절연시키며, 제2 절연판(130)은 전극 조립체(110)와 캔(140)의 바닥면 사이에 배치되어, 전극 조립체(110)와 캔(140) 사이를 절연시킬 수 있다.
캡 어셈블리(170)는 캔(140)과 결합하여, 캔(140)의 개구를 밀봉한다. 구체적으로, 캔(140)에는 내측을 향하여 움푹 파인 비딩부(beading part)(142)가 형성되고, 캡 어셈블리(170)는 비딩부(142) 상에서 캔(140) 내부로 삽입되며, 캡 어셈블리(170)의 상부에는 캔(140)의 일부가 내측으로 절곡되어 크림핑부(crimping part)(144)를 형성함으로써, 캡 어셈블리(170)는 캔(140)과 결합할 수 있다. 비딩부(142)와 크림핑부(144)는 캡 어셈블리(170)를 캔(140)에 단단히 고정 및 지지하여 캡 어셈블리(170)의 이탈을 방지하고, 또한 전해액이 외부로 누액되지 않도록 할 수 있다.
이와 같은 캡 어셈블리(170)는 가스켓(141), 전류차단부(150) 및 캡업(160)을 포함할 수 있다.
가스켓(141)은 대략 링 형태로 캔(140)의 일 측에 배치된다. 가스켓(141)은 크림핑부(144)의 형상에 따라 전류차단부(150)와 캡업(160)을 고정시키며, 전류차단부(150) 및 캡업(160)을 캔(140)과 절연시킨다. 한편, 도 3에서는 캡업(160)이 전류차단부(150) 상에 배치되고, 가스켓(141)에 의해 캡업(160)과 전류차단부(150)가 고정된 구조를 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한하지 않는다. 즉, 전류차단부(150)의 가장자리가 외측으로 연장되고, 연장된 전류차단부(150)의 가장자리가 캡업(160)의 상부 가장자리를 덮도록 절곡됨으로써, 전류차단부(150)와 캡업(160)이 결합될 수 있으며, 이 상태에서 가스켓(141)에 의해 다시 고정될 수 있다.
전류차단부(150)는 캔(140) 내부의 압력 상승 시 전류를 차단시킬 수 있고, 안전벤트(155, 이하 '상부 안전벤트'라 함)를 포함함으로써, 캔(140)의 내부의 압력이 일정 압력을 초과하면 가스를 외부로 방출시킬 수 있다. 또한, 전류차단부(150)는 가스가 캡업(160) 방향으로 통과할 수 있는 홀(153)을 상기 상부 안전벤트(155)의 하부에 적어도 한 개 이상 포함할 수 있는데, 이때 상기 홀(153)이 특정한 크기를 가짐으로써, 가스가 캔(140)의 내부에서 상하 방향으로 균일하게 확산하여 상부 안전벤트(155)의 파단과 함께 하부 안전벤트(146)가 파단되도록 할 수 있다.
예를 들어, 홀(153)의 전체 면적은 캔(140)의 내직경(D)에 따른 캔(140)의 단면적의 0.12% 내지 1.61%로 형성될 수 있다. 한편, 캔(140)의 내직경(D)은 가스켓(141)의 외직경과 동일한 크기를 가질 수 있는바, 상기 홀(153)의 전체 면적은 가스켓(141)의 외직경에 따른 가스켓(141)의 단면적의 0.12% 내지 1.61%로 형성된다고 볼 수 있다.
홀(153)의 전체 면적이 캔(140)의 내직경(D)에 따른 캔(140)의 단면적의 0.12% 보다 작은 경우는, 충분한 가스가 홀(153)을 통과하여 외부로 배출되기 어렵기 때문에, 캔(140)의 내부 압력의 증가로 인해 캡 어셈블리(170)가 캔(140)으로부터 분리되는 현상이 발생될 수 있다.
반면에 홀(153)의 전체 면적이 캔(140)의 내직경(D)에 따른 캔(140)의 단면적의 1.61% 보다 큰 경우는, 캔(140)의 상부를 통해 과도하게 가스가 배출되므로, 캔(140)의 내부에서 가스가 상하 방향으로 균일하게 확산되지 못할 수 있다. 따라서, 하부 안전벤트(146)가 동작하지 못하고, 캔(140)의 상부측이 열에 의해 녹거나, 폭발에 의해 캔(140)의 측면에 터지는 현상이 발생할 수 있다. 이와 같이 하부 안전벤트(146)가 파단되지 않아 캔(140)의 측면에 터지는 경우는, 이웃하여 배치된 다른 이차 전지(100)들이 연쇄 폭발을 일으킬 수 있다.
도 4 및 도 5는 전류차단부(150)의 일 예를 도시하고 있는데, 도 4 및 도 5를 참조하면, 전류차단부(150)는 일 예로, 캡 다운(152), 벤트부(154), 인슐레이터(156) 및 서브 디스크(158)를 포함할 수 있다.
캡 다운(152)은 중앙부에 개구를 포함하고, 캡 다운(152)의 일면 상에는 벤트부(154)가 배치된다. 캡 다운(152)은, 금형 성형되는 제1 하부 플레이트(152a), 금형 성형되며, 제1 하부 플레이트(152a)와 이격되도록 배치되는 제1 상부 플레이트(152b) 및 제1 상부 플레이트(152a)와 제2 하부 플레이트(152b)를 연결하는 복수의 제1 브릿지부(152c)들을 포함하고, 인접하는 복수의 제1 브릿지부(152c)들 사이는 빈 공간(157)이 형성될 수 있다.
한편, 캡 다운(152)과 벤트부(154) 사이의 가장자리에는 인슐레이터(156)가 배치되어, 캡 다운(152)과 벤트부(154)는 서로 절연되며, 복수의 제1 브릿지부(152c)들 사이는 빈 공간(157)은 인슐레이터(156)에 의해 막힐 수 있다. 또한, 캡 다운(152)과 벤트부(154) 사이에는 인슐레이터(156)에 의해 간극이 형성될 수 있다.
벤트부(154)는 상부 안전벤트(155)를 포함할 수 있다. 상부 안전벤트(155)는 홈 등으로 형성됨에 따라, 외압이 가해지는 경우 적어도 일부분이 파단되도록 형성될 수 있다. 따라서, 캔(140)의 내부 압력이 일정 압력을 초과하면 변형되거나 파열되어 캔(140)의 내부의 가스를 외부로 방출시킬 수 있다.
한편, 캡 다운(152)에는 적어도 하나의 홀(153) 이 형성될 수 있다. 도 4는 일 예로 캡 다운(152)에 두 개의 홀(153)들이 형성된 예를 도시하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
홀(153)들의 전체 면적은 캔(140)의 내직경(도 3의 D)에 따른 캔(140)의 단면적의 0.12% 내지 1.61%로 형성될 수 있다. 따라서, 캔(140)의 내부에서 가스가 상하 방향으로 균일하게 확산되어, 상부 안전벤트(155)와 하부 안전벤트(146)가 함께 파단 되도록 할 수 있다.
캡 다운(152)의 타면 상에는 개구를 덮도록 서브디스크(158)가 배치된다. 서브디스크(158)의 일면은 제1 전극탭(114)과 접합되고, 타면은 캡 다운(152)의 개구에서 초음파 용접 등에 의해 벤트부(154)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이하에서는 도 5와 도 3을 함께 참조하여, 전류차단부(150)의 동작을 자세하게 설명한다.
이차 전지(100)는 급격한 가열, 과충전 등에 의해 과열될 수 있고, 이차 전지(100)의 발열시에는 전해액 첨가제인 사이클로 헥실 벤젠(CHB) 및 바이 페닐(BP)에 의해 가스가 발생할 수 있다. 그 결과, 캔(140)의 내부 압력이 급격히 증가하며, 이차 전지(100)가 폭발할 가능성도 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 캔(140)의 내부에 가스가 발생하면, 가스는 홀(153)들을 통해 확산하여, 캡 다운(152)과 벤트부(154) 사이의 간극 내의 압력이 증가하게 되고, 그 결과 벤트부(154)가 변형됨으로써 캡 다운(152)과 서브 디스크(158) 간의 접합부(P1)가 탈락되어, 전류가 차단될 수 있다. 또한, 인슐레이터(156)는 캔(140) 내부의 온도 상승시 용융될 수 있으며, 인슐레이터(156)에 막힌 복수의 제1 브릿지부(152c)들 사이의 빈 공간(157)을 통해 가스가 캡 다운(152)과 벤트부(154) 사이의 간극으로 유입될 수 있다.
캡 다운(152)과 벤트부(154) 사이의 간극 내의 압력이 더욱 증가하면, 상부 안전 벤트(155)가 파단되어 캔(140) 내부의 가스는 외부로 배출될 수 있다. 이때, 상부 안전 벤트(155)와 함께 하부 안전벤트(146)도 함께 파단 되어야 하는데, 이를 위해 홀(153)들의 전체 면적은 캔(140)의 내직경(D)에 따른 캔(140)의 단면적의 0.12% 내지 1.61%로 형성될 수 있다.
하기 표 1은 홀(153)들의 전체 면적에 따른 이차 전지(100)의 안정성을 테스트한 결과이다. 이하에서, 실시예 1 내지 비교예 3은 이차 전지(100)를 600℃의 복사열에 노출시켜 각각 20회씩 강제로 발화시키고, 완전연소 후 외부 형태를 관찰한 결과이다. 또한, 하기 표 1에서 캔(140)의 내직경(D)은 17.78mm이고, 실시예 1 내지 실시예 4의 홀(153)들의 전체 면적은 각각 0.3mm2, 0.6mm2, 1.3mm2 및 2.0mm2로 제작되었으며, 비교예 2 및 비교예 3의 홀(153)들의 전체 면적은 각각 6.0mm2 및 10.0mm2로 제작되었다.
Figure pat00001
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 4는 홀(153)들의 전체 면적이 캔(140)의 내직경(D)에 따른 캔(140)의 단면적의 0.12% 내지 1.61%로 형성된 경우로, 이차 전지(100)의 발화시 캔(140)의 내부에서 가스가 상하방향으로 균일하게 확산되어 하부 안전벤트(146)를 통해 가스가 안정적으로 배출되었다.
반면에, 비교예 2에서는 40%가 하부 안전벤트(146)를 통해 가스가 배출되지 못하였고, 비교예 3에서는 20%가 하부 안전벤트(146)를 통해 가스가 배출되지 못하였으며, 다른 20%에서는 캔(140)의 측면이 터지는 현상이 발생하였다.
비교예 2 및 비교예 3의 경우는, 홀(153)들의 전체 면적이 캔(140)의 내직경(D)에 따른 캔(140)의 단면적의 1.61% 보다 크게 형성됨에 따라, 캔(140)의 내부에서 가스가 상하 방향으로 균일하게 확산되지 못하고, 캔(140)의 상부 방향으로 가스가 집중됨에 따라, 하부 안전 벤트(146)가 동작하지 않은 결과이다. 특히, 비교예 3의 경우는 더욱더 많은 양의 가스가 순간적으로 상부 안전 벤트(155)를 통해 배출됨으로써, 폭발이 발생하여 캔(140)의 측면이 터지는 현상이 발생한 것이다.
한편, 비교예 1의 경우는 하부 안전 벤트(146)는 안정적으로 파단 되었으나, 가스가 상부 안전 벤트(155)를 통해 배출되기 어려워, 캔(140)의 내부 압력 증가로 인해 캡 어셈블리(170)가 캔(140)으로부터 분리되는 현상이 발생되었다.
따라서, 캔(140) 내부의 압력 증가시, 상부 안전 벤트(155)와 하부 안전 벤트(146)가 함께 파단되고, 이에 따라 이차 전지(100)의 안전성을 향상시키기 위해, 홀(153)들의 전체 면적은 캔(140)의 내직경(D)에 따른 캔(140)의 단면적의 0.12% 내지 1.6%로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 실시예 2 및 실시예 4에서 알 수 있는 바와 같이, 홀(153)들의 전체 면적이 동일한 경우는 홀(153)들의 개수는 다양하게 형성될 수 있다. 즉, 홀(153)들의 전체 면적이 상기 조건을 만족하는 경우는 홀(153)들의 개수는 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 홀(153)들은 2개 내지 6개로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
홀(153)은 원형일 수 있다. 또한, 캡 다운(152)에 복수의 홀(153)들이 형성된 경우는, 복수의 홀(153)들 각각이 원형일 수 있다. 또한, 복수의 홀(153)들은 캡 다운(152)의 중심으로부터 동일한 거리에 방사상으로 배치될 수 있으며, 인접한 두 개의 홀(153)들 간의 거리가 서로 동일하도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 4의 전류차단부(150)는 캡 다운(152)에 두 개의 홀(153)들이 형성된 경우로, 홀(153)들은 캡 다운(152)의 중심을 기준으로 서로 대칭적인 위치에 형성될 수 있다. 또한, 도 6의 전류차단부(150')는 세 개의 홀(153)들이 캡 다운(152)에 형성된 예를 도시하고 있는데, 이와 같이 홀(153)들이 세 개인 경우는 정삼각형의 각 꼭지점의 위치에 홀(153)들이 형성될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 캡업(160)은 제1 전극탭(114)과 전기적으로 연결된 전류차단부(150)와 연결되어 제1 전극으로 기능할 수 있다. 캡업(160)은 제2 하부 플레이트(161), 제2 상부 플레이트(163) 및 제2 하부 플레이트(161)와 제2 상부 플레이트(163)를 연결하는 복수의 제2 브릿지부(162)들을 포함할 수 있다.
복수의 제2 브릿지부(162)들 사이에는 가스 배출이 용이하도록 다수의 통공(164)이 형성되며, 제2 하부 플레이트(161) 및 제2 상부 플레이트(163)와 연결된 복수의 제2 브릿지부(162)들의 연결부들에는 노치가 형성될 수 있다. 따라서, 가스가 배출될 때 압력에 의해 연결부가 끊어짐으로써, 제2 상부 플레이트(163)가 탈락되고, 가스는 더욱 원활하게 외부로 배출될 수 있다.
도 7은 도 3의 이차 전지의 캡 어셈블리의 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 캡 어셈블리(270)는 전류차단부(250), 전류차단부(250)와 전기적으로 연결된 캡업(260) 및 전류차단부(250)와 캡업(260)을 고정하는 가스켓(241)을 포함할 수 있다. 가스켓(241) 및 캡업(260)은 도 1 내지 도 5에서 도시하고 설명한 가스켓(141) 및 캡업(160)과 동일하므로 반복하여 설명하지 않는다.
전류차단부(250)는 일 예로, 캡 다운(252), 벤트부(254), 인슐레이터(256) 및 서브디스크(258)를 포함할 수 있다.
캡 다운(252)은 적어도 한 개의 홀(253)을 포함하며, 상기 홀(253)의 전체 면적은 가스켓(241)의 외직경에 따른 가스켓(241)의 단면적의 0.12% 내지 1.61%로 형성될 수 있다.
인슐레이터(256)는 캡 다운(252)과 벤트부(254) 사이의 가장자리에 위치하며, 이에 의해 캡 다운(252)과 벤트부(254) 사이에는 간극이 형성될 수 있다.
서브디스크(258)는 벤트부(254)와 전기적으로 연결된다. 한편, 서브디스크(258)는 캡 다운(252)과 일체로 형성될 수 있고, 전극 탭과의 부착의 용이성을 위해 캡 다운(252)의 표면에서 돌출될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 서브디스크(258)는 캡 다운(252)의 표면에서 돌출되지 않고, 캡 다운(252)과 일체형으로 형성될 수 있다.
도 8은 도 3의 이차 전지의 캡 어셈블리의 다른 변형예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 캡 어셈블리(370)는 전류차단부(350), 전류차단부(350)와 전기적으로 연결된 캡업(360) 및 전류차단부(350)와 캡업(360)을 고정하는 가스켓(341)을 포함할 수 있다. 가스켓(341) 및 캡업(360)은 도 1 내지 도 5에서 도시하고 설명한 가스켓(141) 및 캡업(160)과 각각 동일하므로 반복하여 설명하지 않는다.
전류차단부(350)는 일 예로, 캡 다운(352), 벤트부(354), 인슐레이터(356), 서브 디스크(358) 및 커버 플레이트(359)를 포함할 수 있다.
벤트부(354)는 캔(도 1 140)의 내부 압력이 일정 압력을 초과하면 변형되거나 파열되어 가스를 외부로 방출시킬 수 있는 상부 안전벤트(355)를 포함할 수 있다.
캡 다운(352)은 적어도 한 개의 홀(353)을 포함하며, 상기 홀(353)의 전체 면적은 가스켓(341)의 외직경에 따른 가스켓(341)의 단면적의 0.12% 내지 1.61%로 형성될 수 있다.
캡 다운(352)은 중앙에 개구를 포함하고, 서브 디스크(358)는 상기 개구를 덮는 위치에서 벤트부(354)와 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 서브 디스크(358)는 도 7에서와 같이 캡 다운(352)과 일체로 형성될 수 있다.
인슐레이터(356)는 캡 다운(352)과 벤트부(354) 사이의 가장자리에 위치하며, 이에 의해 캡 다운(352)과 벤트부(354) 사이에는 간극이 형성될 수 있다. 또한, 인슐레이터(356)는 외측으로 연장되고 절곡되어 전류차단부(350)의 가장자리 외측을 감쌀 수 있다.
커버 플레이트(359)는 캡 다운(352)과 전기적으로 연결되고, 인슐레이터(356)를 감싸도록 형성될 수 있다. 커버 플레이트(359)는 가스켓(341)에 의해 감싸질 수 있다. 커버 플레이트(359)는 캡업(360) 방향으로 가스가 유동하는 유동홀(359')이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 유동홀(359')의 면적은 10㎟이하로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 이차 전지
110: 전극 조립체
120: 제1 절연판
130: 제2 절연판
140: 캔
146: 하부 안전 벤트부
150: 전류차단부
152: 캡 다운
155: 상부 안전 벤트
156: 인슐레이터
158: 서브디스크
160: 캡업
162: 브릿지부
170: 캡 어셈블리

Claims (30)

  1. 전류차단부;
    상기 전류차단부와 전기적으로 연결된 캡업; 및
    상기 전류차단부와 상기 캡업을 고정하는 가스켓;을 포함하고,
    상기 전류 차단부는 압력이 가해지는 경우 적어도 일부분이 파단되도록 형성된 안전벤트를 구비한 벤트부와, 상기 캡업 방향으로 가스가 통과하는 적어도 하나의 홀을 구비한 캡 다운을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 홀의 전체 면적은 상기 가스켓의 외직경에 따른 상기 가스켓의 단면적의 0.12% 내지 1.61%인 캡 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캡 다운은 중앙에 개구를 포함하고,
    상기 전류차단부는, 상기 개구를 덮는 서브디스크를 더 포함하고,
    상기 서브디스크와 상기 벤트부는 상기 개구에서 서로 전기적으로 연결된 캡 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캡 다운과 상기 서브디스크는 일체로 형성된 캡 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이의 가장자리에 인슐레이터를 더 포함하고,
    상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이에는 상기 인슐레이터에 의해 간극이 형성된 캡 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캡 다운은,
    금형 성형되는 제1 하부 플레이트;
    금형 성형되며, 상기 제1 하부 플레이트와 이격되도록 배치되는 제1 상부 플레이트; 및
    상기 제1 상부 플레이트와 상기 제2 하부 플레이트를 연결하는 복수의 제1 브릿지부들;을 포함하고,
    인접하는 상기 복수의 제1 브릿지부들 사이의 공간이 상기 인슐레이터로 막혀있는 캡 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캡 다운은 복수의 홀들을 포함하고,
    상기 복수의 홀들은 상기 캡 다운의 중심으로부터 동일한 거리에 방사상으로 배치된 캡 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 홀들 중 인접한 두 개의 홀들 간의 거리가 서로 동일한 캡 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캡 다운은 2개 내지 6개의 홀들을 포함하는 캡 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 홀은 원형인 캡 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이의 인슐레이터를 더 포함하고,
    상기 인슐레이터는 상기 전류차단부의 가장자리 외측을 감싸는 캡 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 인슐레이터를 감싸도록 설치되며, 상기 캡업 방향으로 가스가 유동하는 유동홀이 형성되는 커버 플레이트;를 더 포함하는 캡 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유동홀의 면적은 10㎟이하인 캡 어셈블리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 캡 업은 제2 하부 플레이트, 제2 상부 플레이트 및 상기 제2 하부 플레이트와 상기 제2 상부 플레이트를 연결하는 복수의 제2 브릿지부들을 포함하고,
    상기 제2 하부 플레이트 및 상기 제2 상부 플레이트와 연결된 상기 복수의 제2 브릿지부들의 연결부들에는 노치가 형성된 캡 어셈블리.
  14. 전극조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 캔; 및
    상기 캔의 일측과 결합하는 캡 어셈블리;를 포함하고,
    상기 캡 어셈블리는,
    전류차단부;
    상기 전류차단부와 전기적으로 연결된 캡업; 및
    상기 전류차단부와 상기 캡업을 고정하는 가스켓;을 포함하고,
    상기 전류 차단부는 상기 캔의 내압이 상승하는 경우 적어도 일부분이 개방되도록 형성된 안전벤트를 구비한 벤트부와, 상기 캡업 방향으로 상기 캔의 내부에서 발생한 가스가 통과하는 적어도 하나의 홀을 구비한 캡 다운을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 홀의 전체 면적은 상기 캔의 내직경에 따른 상기 캔의 단면적의 0.12% 내지 1.61%인 이차 전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 캡 다운은 중앙에 개구를 포함하고,
    상기 전류차단부는,
    상기 개구를 덮는 서브디스크;를 더 포함하고,
    상기 서브디스크와 상기 벤트부는 상기 개구에서 서로 전기적으로 연결된 이차 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 캡 다운과 상기 서브디스크는 일체로 형성된 이차 전지.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이의 가장자리에 인슐레이터를 더 포함하고,
    상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이에는 상기 인슐레이터에 의해 간극이 형성된 이차 전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 캡 다운은,
    금형 성형되는 제1 하부 플레이트;
    금형 성형되며, 상기 제1 하부 플레이트와 이격되도록 배치되는 제1 상부 플레이트; 및
    상기 제1 상부 플레이트와 상기 제2 하부 플레이트를 연결하는 복수의 제1 브릿지부들;을 포함하고,
    인접하는 상기 복수의 제1 브릿지부들 사이의 공간이 상기 인슐레이터로 막혀있는 이차 전지.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 캡 다운은 복수의 홀들을 포함하고,
    상기 복수의 홀들은 상기 캡 다운의 중심으로부터 동일한 거리에 방사상으로 배치된 이차 전지.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 홀들 중 인접한 두 개의 홀들 간의 거리가 서로 동일한 이차 전지.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 캡 다운은 2개 내지 6개의 홀들을 포함하는 이차 전지.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 홀은 원형인 이차 전지.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 캡 다운과 상기 벤트부 사이의 인슐레이터를 더 포함하고,
    상기 인슐레이터는 상기 전류차단부의 가장자리 외측을 감싸는 이차 전지.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 인슐레이터를 감싸도록 설치되며, 상기 캡업 방향으로 가스가 유동하는 유동홀이 형성되는 커버 플레이트;를 더 포함하는 이차 전지.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 유동홀의 면적은 10㎟이하인 이차 전지.
  26. 제14항에 있어서,
    상기 캡 업은 제2 하부 플레이트, 제2 상부 플레이트 및 상기 제2 하부 플레이트와 상기 제2 상부 플레이트를 연결하는 복수의 제2 브릿지부들을 포함하고,
    상기 제2 하부 플레이트 및 상기 제2 상부 플레이트와 연결된 상기 제2 복수의 브릿지부들의 연결부들에는 노치가 형성된 이차 전지.
  27. 제14항에 있어서,
    상기 캔의 하면에는 하부 안전벤트가 형성된 이차 전지.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 캔의 내부의 압력이 일정 압력을 초과하면, 상기 상부 안전벤트와 상기 하부 안전벤트가 함께 파단되는 이차 전지.
  29. 제14항에 있어서,
    상기 전극조립체는 젤리롤 형태로 권취된 제1 전극판, 제2 전극판 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 전극조립체의 중앙은 중공을 형성하며,
    상기 제1 전극판은 상기 전류차단부와 상기 제1 전극탭에 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 전극판은 상기 캔과 제2 전극탭에 의해 전기적으로 연결된 이차 전지.
  30. 제14항에 있어서,
    상기 전극조립체의 일단부와 타단부 상에는 각각 제1 절연판과 제2 절연판이 배치된 이차 전지.
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