KR20170054671A - 고온에서의 안전성 향상을 위한 물질을 포함하고 있는 원통형 전지셀 - Google Patents

고온에서의 안전성 향상을 위한 물질을 포함하고 있는 원통형 전지셀 Download PDF

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KR20170054671A
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Abstract

본 발명은 발생한 가스에 의해 원통형 캔의 내압이 상승하는 경우, 전극조립체에 대한 전기적 연결을 단전시키는 안전 부재들; 및 상기 안전 부재들의 공간 상에 저장되어 있고, 상기 안전 부재들이 작동할 때 원통형 캔의 내부로 유입되면서 전해액과 혼합되어 전극에 대한 전해액의 반응성(reactivity)을 감소시키는 안정화제;를 포함하는 상기 캡 어셈블리가 전극조립체가 전해액과 함께 수용되어 있는 원통형 캔의 개방 상단에 장착되어 있는 전지셀을 제공한다.

Description

고온에서의 안전성 향상을 위한 물질을 포함하고 있는 원통형 전지셀 {Cylindrical Battery Including Materials for Improving Safety at High Temperature}
본 발명은 고온에서의 안전성 향상을 위한 물질을 포함하고 있는 원통형 전지셀에 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 전지셀과 각형 전지셀 및 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지셀로 분류된다. 그 중 원통형 전지셀은 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극(음극), 분리막, 음극(양극)을 포함하는 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 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 일반적인 원통형 전지셀의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 원통형 전지셀(100)은 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 원통형 캔(130)에 수납하고, 원통형 캔(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(140)을 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
한편, 리튬 전지셀은 안전성이 낮다는 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 전지가 대략 4.5 V 이상으로 과충전되는 경우에는 양극 활물질의 분해반응이 일어나고, 음극에서 리튬 금속의 수지상(dendrite) 성장과, 전극간 반응으로 전해액의 분해반응 등이 일어난다. 이러한 과정에서 열이 수반되어 상기와 같은 분해반응과 다수의 부반응들이 급속히 진행되며 다량의 가스를 발생시키고 이로 인해 전지셀이 부풀어 오르는 이른바 스웰링(swelling) 현상을 유발한다.
따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 일반적인 원통형 전지셀에는 전지의 비정상적인 작동 시, 전류를 차단하고 내압을 해소하기 위한 전류차단부재(Current Interruptive Device; CID)와 안전벤트(vent)가 전극조립체와 상단 캡 사이의 공간에 장착되어 있다.
이를 도 2 내지 4를 참조하여 이하에서 설명한다.
이들 도면을 참조하면, 탑 캡(10)은 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고 배기구가 천공되어 있으며, 그것의 하부에 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element: 20), 정상적인 상태에서는 하향 돌출된 형상으로 되어 있고 전지 내부의 압력 상승시 돌출되면서 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트(30), 및 상단 일측 부위가 안전벤트(30)에 결합되어 있고 하단 일측이 전극조립체(40)의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트(50)가 순차적으로 위치되어 있다.
따라서, 정상적인 작동조건에서 전극조립체(40)의 양극은 리드(42), 접속 플레이트(50), 안전벤트(30) 및 PTC 소자(20)를 경유하여 탑 캡(10)에 연결되어 통전을 이룬다.
그러나, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전극조립체(40) 쪽으로부터 가스가 발생하여 내압이 증가하면, 도 3에서와 같이, 안전벤트(30)는 그것의 형상이 역전되면서 상향 돌출되게 되고, 이때, 안전벤트(30)가 접속 플레이트(50)로부터 분리되어 전류가 차단되게 된다. 따라서, 과충전이 더 이상 진행되지 않도록 하여 안전성을 확보한다.
그럼에도 불구하고, 리튬 기반의 양극 활물질은 고온 환경에서 금속 성분이 이탈됨에 따라 열적으로 매우 불안정한 상태에 놓이게 되고, 이러한 상태에서는 양극에서 다량의 산소가 방출되는데, 이 산소가 전해액 용매의 발열과 분해반응을 촉진시키므로, 상기와 같이 전류를 차단하더라도, 전해액의 분해반응이 중지되지는 않는다.
이와 같이 전해액 분해반응이 지속되는 경우에는 급격한 온도 증가로 인하여 전극조립체의 내부 발화, 나아가 발화로 인한 폭발이 연쇄적으로 이어지면서 심각한 안전성 문제를 야기할 수 있다.
따라서, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전지 내부에 가스가 발생하여 내압이 증가하는 경우, 전지 외부로 신속하게 가스를 배출하여 전지셀의 스웰링을 방지하면서도, 기 촉발된 전해액 분해반응을 추가로 억제할 수 있는 기술에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전지셀의 과충전, 고온 상태 등의 원인에 의해 전지셀의 내압의 증가 시, 전기적 단전 및 내압 증가를 유발하는 다량의 가스를 외부로 신속하게 배출하는 동시에, 전해액 분해반응을 억제하여 단전과 가스 배출 이후에 발생될 수 있는 전지셀 발화, 폭발 등을 방지할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 전지셀은,
전극조립체가 전해액과 함께 수용되어 있는 원통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리가 장착된 구조의 원통형 전지셀로서,
상기 캡 어셈블리는,
발생한 가스에 의해 원통형 캔의 내압이 상승하는 경우, 전극조립체에 대한 전기적 연결을 단전시키는 안전 부재들; 및
상기 안전 부재들의 공간 상에 저장되어 있고, 상기 안전 부재들이 작동할 때 원통형 캔의 내부로 유입되면서 전해액과 혼합되어 전극에 대한 전해액의 반응성(reactivity)을 감소시키는 안정화제;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 원통형 전지셀은 과충전과 고온 상태에서 다량의 가스가 발생하면 안전 부재들이 작동하여 전지셀의 전기적 연결을 단전시킴과 동시에, 안정화제가 전해액과 혼합되면서 전해액의 분해반응이 지속되는 것을 억제할 수 있는 바, 안전 부재들의 작동 이후에도 발생될 수 있는 전지셀 발화, 폭발 등을 미연에 방지할 수 있다.
더욱이, 이러한 구조는 전류 차단과 내압 강하와 같은 물리적 안전 수단인 안전 부재들 이외에도, 화학적인 반응으로 전지셀 내부의 불안정한 상태를 안정시킬 수 있는 안정화제를 포함하는 다중 안전 시스템인 점에서 전지셀의 안전성에 대한 높은 신뢰성을 담보할 수 있다. 특히, 화학 반응에 의한 폭발과 발화가 대단히 심각한 안전 사고를 야기하는 점을 고려할 때, 본 발명에 따른 안전 시스템 구조는 전지셀의 안전성 측면에서 상당히 진보된 구조이다.
이하에서는 비제한적인 예들을 통해, 안전 부재들의 구체적인 구조와 작동 원리에 대해 상세하게 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 안전 부재들은,
가스의 내압에 의해 파단될 수 있는 복수의 노치들이 형성되어 있는 안전벤트(safety vent);
상기 안전벤트와 전극조립체의 전극단자 사이에서 이들 각각에 물리적 및 전기적으로 연결되어 있고, 원통형 캔의 내압 상승 시, 상기 전기적 연결을 단전시키는 전류차단부재; 및
상기 안전벤트에 밀착된 상태로 전류차단부재의 외주면을 감싸면서, 전류차단부재와 안전벤트 사이에 공간을 형성하는 가스켓;
을 포함하며, 상기 안정화제는 안전벤트, 전류차단부재 및 가스켓이 형성하는 공간 상에 충진된 구조일 수 있다.
따라서, 안정화제는 전지셀의 안전 부재인 안전벤트, 전류차단부재 및 가스켓들 중, 어느 하나가 개방되는 경우, 안정화제는 충진된 공간으로부터 외부로 유출될 수 있으며, 이와 같이 개방되는 안전 부재는 하나의 예로서, 전류차단부재일 수 있다.
이와 관련한 하나의 구체적인 예에서, 상기 전류차단부재는,
전극조립체의 전극단자에 전기적으로 연결되어 있고, 원통형 캔과 연통되는 개구가 형성되어 있는 본체; 및
상기 개구를 밀폐하는 구조로 본체로부터 연장되어 있고, 상기 안전벤트와 용접에 의해 결합되어 있으며, 가스의 내압에 의해 파단되어 개구를 개방시키는 파단부;
를 포함하며,
상기 공간은 안전벤트와 전류차단부재 사이가 가스켓, 본체 및 파단부와 안전벤트의 결합부위에 의해 밀폐된 구조로 이루어져 있고,
상기 공간에 충진되어 있는 안정화제는, 액상 또는 분말 상태로 존재하고, 공간의 외부에 대해 격리되어 있다.
여기서, 상기 캡 어셈블리는 원통형 캔의 외주에 대응하도록, 평면상으로 원의 형상을 가지며, 캡 어셈블리의 구성들인 안전 부재들 또한 이에 대응하도록 원주를 가지는 구조일 수 있다. 따라서, 전류차단부재의 본체와 안전벤트는 평면상으로 원형으로 이루어질 수 있으며, 전류차단부재, 상세하게는 본체의 외주를 따라 이를 감싸는 가스켓은 링 형상으로 이루어질 수 있다.
이러한 구조에 기반하여 안전벤트와 전류차단부재 사이 공간은 파단부와 안전벤트의 결합부위가 중심이 되는 도넛(doughnut)의 형상으로 이루어지며, 가스켓이 안전벤트에 밀착된 상태로 본체의 외주를 감싸면서 도넛 형상의 공간은 밀폐된다. 여기서 본체는 파단부가 밀폐하고 있는 개구를 제외하면, 원통형 캔 내부가 상기 공간에 대해 밀폐되도록 또 다른 개구들을 포함하지 않는 판상형 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명에서 안정화제는 상기 도넛 형상의 공간에 충진된 상태로 격리되어 있고, 도넛 형상의 중심부에 위치한 파단부가 본체로부터 파단되면, 격리된 상태가 해제되면서 개구를 통해 공간 외부로 유출될 수 있다.
본 발명에서 본체, 파단부 및 안전벤트는 전류의 통전이 가능한 금속 또는 고분자로 이루어질 수 있고, 상세하게는 철, 알루미늄, 구리, 니켈, 납, 주석, 비스무트에서 선택되는 하나 이상의 금속일 수 있다. 상기 가스켓은 수밀성을 가진 소재라면 크게 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 고무, 금속, 석면, 합성 수지 등일 수 있다.
상기 캡 어셈블리는 또한, 상기 안전벤트에 전기적으로 연결되어 있는 PTC(positive temperature coefficient) 소자; 상기 PTC 소자에 연결되어 있고, 하나 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑 캡; 및
상기 탑 캡, 안전벤트 및 PTC 소자의 외주면을 따라 형성되어 있는 밀봉 가스켓;을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 전극조립체와 캡 어셈블리의 전기적 연결 구조는 상세하게는, 전극조립체의 전극 단자와 연결된 본체가 전기적으로 연결된 상태에서, 본체로부터 연장된 파단부가 안전벤트에 결합되면서 전극 단자로부터 안전벤트까지 전기적으로 연결되며, 상기 안전벤트는 PTC 소자를 경유하여 탑 캡과 전기적으로 연결되어 있다.
따라서, 상기 구성들의 전기적 연결들 중 어느 하나가 해제되면 전극조립체와 캡 어셈블리의 전기적 연결은 단전된다. 이러한 전기적 연결의 단전은 원통형 캔의 내압 상승 시, 달성될 수 있다.
구체적으로, 고전류 또는 고온 등에 의해 원통형 캔 내부에서 다량의 가스가 발생하면, 가스가 본체에 연결된 파단부를 가압하고, 일정 압력 이상으로 파단부가 가압되면, 파단부가 본체로부터 파단되면서 본체로부터 탑 캡의 전기적 연결이 단전된다. 이와는 별도로, 소망하지 않는 고전류가 통전되는 경우, PTC 소자의 저항이 크게 증가하면서 전류가 단전될 수도 있다.
이러한 단전과 함께, 다량의 가스는 탑 캡을 통해 배출될 수 있다. 구체적으로 상기와 같이 파단부가 본체로부터 파단된 상태에서, 가스가 안전벤트를 가압하면, 안전벤트의 노치들이 파단되면서 탑 캡에 형성된 배출구를 통해 배출된다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 전지셀은, 고전류 또는 고온 등과 같이 전지셀의 안전성을 저해하는 원인에 대응하여 안전 부재들이 전지셀의 전기적 연결을 단전하여 1차 적인 안전성을 확보하는 동시에, 가스를 외부로 배출하여 전지셀의 팽창과 폭발을 방지할 수 있다.
이와 동시에, 본 발명에 따른 전지셀은 앞서 설명한 바와 같이, 안정화제가 전지셀 내부의 불안정한 상태를 안정시켜 안전 부재들의 작동 이후에도 발생될 수 있는 전지셀 발화, 폭발 등을 방지할 수 있다.
다만 안정화제는 일반적으로 양극과 음극의 전기화학 반응에 대한 저항으로 작용할 수 있으므로, 통상적인 상황에서는 전지셀의 전기화학 반응에 포함되지 않는 것이 바람직하다.
이에, 본 발명에 따른 전지셀은 안전 부재들에 의해 전지셀 단전과 가스 배출을 수행되는 동시에, 상기 안전 부재들이 작동하는 조건에서만 안정화제가 개방된 개구를 통해 원통형 캔의 내부로 유입되어 전해액과 혼합된다.
구체적으로, 상기 전지셀은, 상기 원통형 캔의 내압이 상승하여 파단부가 가압되면, 파단부가 본체로부터 파단되면서 개구를 개방시키고, 상기 공간에 격리되어 있던 안정화제가 개방된 개구를 통해 원통형 캔의 내부로 유입되어 전해액과 혼합될 수 있다.
여기서, 도넛 형상의 공간에 충진된 안정화제들이 대칭적으로 개구를 통과할 수 있도록, 상기 개구는 본체의 중심부에 천공될 수 있다.
또한, 상기 본체는, 안정화제들이 신속하게 개구를 통해 배출될 수 있도록 외주 부위로부터 개구까지 원통형 캔의 내부 방향으로 경사를 이루며 만입된 구조일 수 있다. 따라서, 안정화제들은 본체의 경사면을 따라 미끄러지듯이 개구까지 도달할 수 있다.
상기 경사는 안정화제들이 쉽게 미끄러질 수 있으면서도 안정화제들이 너무 빠르게 개구로 이동하면서 다량의 안정화제들에 의해 개구가 막히지 않는 범위 내에서 설계되어야 하고, 배기되는 가스에 의해 안정화제들의 유동 속도가 매우 낮기 때문에, 이 또한 고려되어야 한다.
이에 본 발명의 발명자들이 확인한 바에 따르면, 상기 경사가 전지케이스의 하단에 대해 10도 내지 45도의 각도로 기울어진 경우, 본체의 경사면이 안정화제들을 개구 방향으로 유도할 수 있고, 안정화제들은 개구와 개구에 인접한 전극조립체 상단에 적체되지 않는 속도로 유동할 수 있음을 확인하였다. 반면에, 상기 각도 범위 미만에서는 경사면에 의한 안정화제들의 유동 속도가 낮을 뿐만 아니라, 가스의 압력에 의해 유동성이 크게 저하되면서 본 발명의 의도한 효과를 기대할 수 없고, 상기 각도 범위를 초과하는 경우, 안정화제들의 유압에 의해 가스가 용이하게 배출되지 않는 바 바람직하지 않다.
이와 마찬가지로, 상기 개구의 크기 또한 안정화제의 용이한 유입과 가스 배출을 고려하여 설계되어야 하며, 상세하게는 개구는 본체의 직경 대비 10% 내지 50%의 직경을 가질 수 있다.
상기 개구의 크기가 상기 범위 미만에서는 가스의 압력에 의해 원통형 캔 내부로 유입되는 안정화제의 량이 작고 그 속도 또한 낮아 본 발명이 의도한 효과를 기대할 수 없고, 각도 범위를 초과하는 경우에는 안정화제의 저장을 위한 공간이 감소되므로 바람직하지 않다.
이상에서 설명한 안정화제는 전해액의 분해 반응을 억제할 수 있는 물질일 수 있으며, 상세하게는 난연성 화합물일 수 있다.
이러한 난연성 화합물은 앞서 설명한 바와 같이, 액상이나 분말의 형태로 캡 어셈블리에 포함될 수 있다.
난연성 화합물이 액상의 경우, 유동성이 높아, 전지셀의 이상 상황에서 대부분의 난연성 액상 화합물이 즉각적으로 전해액으로 유입될 수 있으므로 바람직하며, 혼합된 전해액 상에서의 확산도가 높아 유리한 측면이 있으나, 저장을 위한 공간이 넓어야 한다. 이와는 달리, 난연성 화합물이 분말일 경우에는, 상대적으로 저장을 위한 공간을 작게 설계할 수 있는 장점이 있다.
이러한 난연성 화합물은 전해액에 혼합될 때 전극에 피막을 형성하여 전극에 대한 전해액의 분해 반응을 억제시킬 수 있으며, 그에 따라, 단전과 가스 배출 이후에도 전지셀의 안전성은 크게 향상될 수 있다.
이와 유사하게 상기 난연성 화합물은 전해액에 혼합될 때 전극의 반응 속도를 지연시키는 작용을 할 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 난연성 화합물은, 할로겐계 난연성 화합물, 인계 난연성 화합물, 무기계 난연성 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 할로겐계 난연성 화합물은, 테트라프로모비스페놀-A(TBA), 데카프로모딜페닐에테르(DBDPE), 및 염화파라핀(TCP)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 인계 난연성 화합물은, 인산에스테르계 난연성 화합물, 함할로겐 인산에스테르계 난연성 화합물, 비할로겐 축합 인계 난연성 화합물, 폴리인산염계 난연성 화합물, 및 적인계 난연성 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 인계 난연성 화합물은, 트리페닐 포스페이트(Triphenyl phosphate, TPP), 트리크실레닐 포스페이트(Trixylenyl phosphate, TXP), 트리크레실 포스페이트(Tricresyl phosphate, TCP), 트리이소페닐 포스페이트(Triisophenyl phosphate, REOFOS), 트리스클로로에틸 포스페이트(Tris-chloroethylphosphate, TCEP), 트리스클로로프로필 포스페이트(Tris-chloroprophylphosphate, TCPP), 레조르시닐 디페닐 포스페이트(Resorcinyl diphenyl phosphate, RDP), 페닐 디레조르시닐 포스페이트(Phenyl diresorcinyl phosphate), 크레실 디페닐 포스페이트(Cresyl diphenyl phosphate), 크실레닐 디페닐 포스페이트(Xylenyl diphenyl phosphate), 페닐 디(이소프로필페닐)포스페이트(Phenyl di(isopropylphenyl) phosphate), 및 이들의 이량체 이상의 올리고머 또는 포리포스페이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 무기계 난연성 화합물은, 설폰 이미드 화합물, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 붕산아연, 몰리브덴 화합물, 삼산화 안티몬, 및 오산화 안티몬으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
한편, 본 발명의 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 또한, 상기 이차전지를 하나 이상 포함하는 전지팩 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 전지셀은 과충전과 고온 상태에서 다량의 가스가 발생하면 안전 부재들이 작동하여 전지셀의 전기적 연결을 단전시킴과 동시에, 안정화제가 전해액과 혼합되면서 전해액의 분해반응이 지속되는 것을 억제할 수 있는 바, 안전 부재들의 작동 이후에도 발생될 수 있는 전지셀 발화, 폭발 등을 미연에 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 종래 기술에 따른 전지셀과 캡 어셈블리의 모식도이다;
도 5는 본 발명에 따른 전지셀의 모식도이다;
도 6 및 도 7은 전류차단부재의 모식도들이다;
도 8은 안전 부재들과 안정화제의 작동 구조를 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지셀(200)의 모식도가 도시되어 있다.
원통형 전지셀(200)은, 전극조립체(도시하지 않음), 전해액(도시하지 않음), 원통형 캔(210) 및 캡 어셈블리(220)를 포함한다. 원통형 캔(210)에는 전극조립체가 전해액과 함께 수용되어 있으며, 전극조립체의 상단에는 절연판(240)이 장착되어 있고, 원통형 캔(210)의 개방 상단에는 캡 어셈블리(220)가 장착되어 있다.
캡 어셈블리(220)는 안전 부재들(110), 안정화제(118), 안전 부재들(110) 중 하나인 안전벤트(112)에 전기적으로 연결되어 있는 PTC(positive temperature coefficient) 소자(130), PTC 소자(130)에 연결되어 있고, 하나 이상의 가스 배출구(도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(140), 및 안전벤트(112) 및 PTC 소자(130)의 외주면을 따라 형성되어 있는 밀봉 가스켓(120)을 포함한다.
본 발명에서 안전 부재들(110)은 발생한 가스에 의해 원통형 캔(210)의 내압이 상승하는 경우, 전극조립체에 대한 전기적 연결을 단전시키고, 가스를 배출하도록 구성되어 있다. 또한, 안전 부재들(110)은 안정화제(118)가 캡 어셈블리(220)에 내부에 저장되기 위한 공간(119)을 제공한다.
먼저, 안전 부재들(110)은 가스의 내압에 의해 파단될 수 있는 복수의 노치들이 형성되어 있는 안전벤트(112, safety vent), 안전벤트(112)와 전극조립체의 전극단자(230) 사이에서 이들 각각에 물리적 및 전기적으로 연결되어 있고, 원통형 캔(210)의 내압 상승 시, 상기 전기적 연결을 단전시키는 전류차단부재(116), 안전벤트(112)에 밀착된 상태로 전류차단부재(116)의 외주면을 감싸면서, 전류차단부재(116)와 안전벤트(112) 사이에 공간(119)을 형성하는 가스켓(114)으로 구성되어 있다.
여기서, 안전 부재들(110)은 안전벤트(112), 전류차단부재(116) 및 가스켓(114)이 서로 결합된 상태에서 이들 사이에 공간(119)을 형성하며, 안정화제(118)는 이 공간(119)에 충진되어 있다. 경우에 따라서는 공간(119)의 기밀성 향상을 위하여, 가스켓(114)과 전류차단부재(116)가 밀착된 계면이나 단부들 또는 가스켓(114)과 안전벤트(112)가 밀착되는 계면이나 단부들에는 에폭시 수지 등의 고분자가 코팅될 수 있다.
따라서, 안정화제(118)는 전지셀(200)의 안전 부재들(110)인 안전벤트(112), 전류차단부재(116) 및 가스켓(114)들 중, 어느 하나가 개방되는 경우, 충진된 공간(119)으로부터 외부로 유출될 수 있다. 다만, 이상 상황에서만, 안정화제(118)와 전해액과 혼합되는 구조를 달성하기 위하여, 안정화제(118)는 전해액이 존재하는 원통형 캔(210)의 내부로만 유출 및 유도되어야 하며, 이에, 본 발명에서는 원통형 캔(210)의 개방된 상단, 상세하게는 절연판(240)과 대면하고 있는 전류차단부재(116)가 개방되면 안정화제(118)가 전류차단부재(116)에 의해 원통형 캔(210) 내부로 유도되는 구조일 수 있다.
이와 관련하여, 전류차단부재(116)의 구체적인 구조가 도 6과 도 7에 도시되어 있다.
이들 도면을 도 5와 함께 참조하면, 전류차단부재(116)는 전극조립체의 전극단자(230)에 전기적으로 연결되어 있고, 원통형 캔(210)과 연통되는 개구(116d)가 형성되어 있는 본체(116b) 및 개구(116d)를 밀폐하는 구조로 본체(116b)로부터 연장되어 있고, 안전벤트(112)와 용접에 의해 결합되어 있으며, 가스의 내압에 의해 파단되어 개구(116d)를 개방시키는 파단부(116a)를 포함한다.
따라서, 안정화제(118)가 충진되는 공간(119)은 안전벤트(112)와 전류차단부재(116) 사이가 가스켓(114) 및 파단부(116a)와 안전벤트(112)의 결합부위에 의해 밀폐된 구조로 이루어져 있고, 안정화제(118)는 이들에 의해 격리되어 있다.
본체(116b)는 안정화제(118)들을 유도하여 이들이 신속하게 개구(116d)를 통해 배출될 수 있도록 외주 부위로부터 개구(116d)까지 원통형 캔(210)의 내부 방향으로 경사(116c)를 이루며 만입된 구조로 이루어져 있다. 따라서, 안정화제(118)들은 본체(116b)의 경사(116c)면을 따라 미끄러지듯이 개구(116d)까지 도달할 수 있다.
이러한 경사(116c)는 안정화제(118)들이 쉽게 미끄러질 수 있으면서도 안정화제(118)들이 너무 빠르게 개구(116d)로 이동하면서 다량의 안정화제(118)들에 의해 개구(116d)가 막히지 않도록 전지케이스의 하단(도 7에서는 B-B')에 대해 대략 20도의 각도(T)로 기울어진 구조로 이루어져 있다.
한편, 다시 도 5를 참조하면, 전극조립체와 캡 어셈블리(220)의 전기적 연결 구조는 전극조립체의 전극 단자가 연결된 본체(116b)에 전기적으로 연결되어 있고, 본체(116b)로부터 연장된 파단부(116a)가 안전벤트(112)에 결합되면서 전극 단자로부터 안전벤트(112)까지 전기적으로 연결되며, 안전벤트(112)는 PTC 소자(130)를 경유하여 탑 캡(140)과 전기적으로 연결되어 있다.
따라서, 상기한 전기적 연결들 중 어느 하나가 해제되면 전극조립체와 캡 어셈블리(220)의 전기적 연결은 단전된다. 이러한 전기적 연결의 단전은 원통형 캔(210)의 내압 상승 시, 달성될 수 있다.
구체적으로, 고전류 또는 고온 등에 의해 원통형 캔(210) 내부에서 다량의 가스가 발생하면, 가스가 본체(116b)에 연결된 파단부(116a)를 가압하고, 일정 압력 이상으로 파단부(116a)가 가압되면, 파단부(116a)가 본체(116b)로부터 파단되면서 본체(116b)로부터 탑 캡(140)의 전기적 연결이 단전된다. 이것을 제 1 안전 수단이라 지칭한다.
이와 동시에 파단부(116a)가 파단되면 본체(116b)의 개구(116d)가 개방된다. 따라서, 가스켓(114), 본체(116b) 및 파단부(116a)와 안전벤트(112)의 결합부위에 의해 밀폐되어 있던 공간(119)은 파단부(116a)가 본체(116b)로부터 파단되면서 개구(116d)를 통해 원통형 캔(210)의 내부와 연통된다.
다만, 제 1 안전 수단이 작동하여 개구(116d)가 개방되더라도, 내압의 원인인 가스가 전지셀(200) 외부로 배출된 것은 아니므로, 캡 어셈블리(220)와 원통형 캔(210) 내부는 고압상태가 유지되면서 공간(119)에 충진된 대부분의 안정화제(118)가 원통형 캔(210) 내부로 유입되는 것은 아니다. 그러나, 안정화제(118)의 일부는 개구(116d)를 통해 원통형 캔(210) 내부로 유입되면서 전해액의 분해를 억제시키기 때문에, 전해액의 분해로부터 유래되는 가스의 발생이 지연되거나 중단될 수 있고, 궁극적으로 전해액 분해로부터 유래되는 전지셀(200)의 열화를 억제하여 전지셀(200)의 상태가 악화되는 것을 상당히 지연시키거나 중단시킬 수 있다.
이상의 제 1 안전 수단에서, 만약 가스가 안전벤트(112)를 더 가압하면, 도 8에서와 같이, 안전벤트(112)의 노치들 중 하나가 파단되면서 원통형 캔(210) 내부가 탑 캡(140)에 대해 완전히 개방되고, 가스는 탑 캡(140)을 통해 배출된다. 이것을 제 2 안전 수단이라 지칭한다.
이와 같은 제 2 안전 수단에서는 가스의 배기로 인하여 내압이 감소하기 때문에 안정화제(118)는 본체(116b)의 경사(116c)를 따라 신속하게 개구(116d)로 유도됨과 동시에, 개구(116d)를 통과하여 전해액과 혼합된다.
따라서, 안정화제(118)는 전해액과 혼합되어 전해액의 분해 반응을 억제시킨다. 이를 제 3 안전 수단이라 지칭한다.
이상과 같이, 본 발명은 과전류 시, 전기를 단전하는 제 1 안전 수단, 제 1 안전 수단 이후에도 가스를 배출하여 전지셀(200)의 팽창을 방지하는 제 2 안전 수단 및 제 2 안전 수단 이후에도 발생될 수 있는 전지셀(200) 발화, 폭발을 방지하도록 안정화제(118)가 전해액의 분해를 억제하는 제 3 안전 수단을 구비하고 있는 바, 안전성에 대한 높은 신뢰성이 담보된 전지셀(200)을 제공할 수 있다.
한편, 이하에서는 실시예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명에 따른 전지셀의 효과를 설명한다. 그러나, 상기 실시예와 비교예 등에 사용된 전지셀의 구성들, 예를 들어 양극 활물질, 음극 활물질, 전해액, 분리막, 안정화제 등은 발명을 용이하게 설명하기 위한 예시적인 것들로서, 본 발명의 전지셀 구성이 상기 실시예와 비교예에 사용된 구성들만으로 실시될 수 있는 것은 아닐 뿐만 아니라, 이들만으로 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
음극 활물질로 탄소를 사용하고, 도전재로 카본블랙, 바인더로 SBR, CMC를 사용하여 음극 슬러리를 제조하여, 10 μm Cu foil위에 슬러리를 도포, 건조, 압연하여 음극을 제조하였다.
양극 활물질로서 Ni rich NMC 복합 산화물을 사용하고, 도전재로 카본블랙, 바인더로 PVdF를 사용하여 양극 슬러리를 제조하여, 15 μm Al foil위에 슬러리를 도포, 건조, 압연하여 양극을 제조하였다.
이들 양극과 음극 사이에 분리필름을 개재한 후, 권취하여 젤리-롤 형상의 전극조립체를 제조한 후, 원통형 캔에 전해액과 함께 수납하였다.
이후, 안정화제로서 트리페닐 포스페이트(Triphenyl phosphate, TPP)를 캡 어셈블리의 내부에 충진하고 캡 어셈블리를 원통형 캔에 장착하여 원통형 전지셀을 제조하였다.
<비교예 1>
안정화제로서 트리페닐 포스페이트(Triphenyl phosphate, TPP)를 캡 어셈블리의 내부에 충진하지 않은 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 구조로 원통형 전지셀을 제조하였다.
<실험예 2>
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 전지셀들의 과전류 test를 실시하였다. Test는 약 1000A의 전류를 인가 후, 약 1분 동안 전지셀들의 온도를 확인하였다.
실험 결과, 비교예 1의 전지셀은 캡 어셈블리를 통해 가스 배출과 함께 전지셀이 단전되었으나, 온도가 215℃까지 상승하는 것을 확인하였다. 반면에, 실험예 1의 전지셀은 캡 어셈블리를 통해 가스 배출과 함께 전지셀이 단전되었으며, 온도가 100℃ 미만으로 형성되었다.
이상에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 단전과 가스 배출 이후에도 안정화제가 전해액의 분해를 억제하여 전지셀의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 전극조립체가 전해액과 함께 수용되어 있는 원통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리가 장착된 구조의 원통형 전지셀로서,
    상기 캡 어셈블리는,
    발생한 가스에 의해 원통형 캔의 내압이 상승하는 경우, 전극조립체에 대한 전기적 연결을 단전시키는 안전 부재들; 및
    상기 안전 부재들의 공간 상에 저장되어 있고, 상기 안전 부재들이 작동할 때 원통형 캔의 내부로 유입되면서 전해액과 혼합되어 전극에 대한 전해액의 반응성(reactivity)을 감소시키는 안정화제;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 안전 부재들은,
    가스의 내압에 의해 파단될 수 있는 복수의 노치들이 형성되어 있는 안전벤트(safety vent);
    상기 안전벤트와 전극조립체의 전극단자 사이에서 이들 각각에 물리적 및 전기적으로 연결되어 있고, 원통형 캔의 내압 상승 시, 상기 전기적 연결을 단전시키는 전류차단부재; 및
    상기 안전벤트에 밀착된 상태로 전류차단부재의 외주면을 감싸면서, 전류차단부재와 안전벤트 사이에 공간을 형성하는 가스켓;
    을 포함하며,
    상기 안정화제는 안전벤트, 전류차단부재 및 가스켓이 형성하는 공간 상에 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전류차단부재는,
    전극조립체의 전극단자에 전기적으로 연결되어 있고, 원통형 캔과 연통되는 개구가 형성되어 있는 본체; 및
    상기 개구를 밀폐하는 구조로 본체로부터 연장되어 있고, 상기 안전벤트와 용접에 의해 결합되어 있으며, 가스의 내압에 의해 파단되어 개구를 개방시키는 파단부;
    를 포함하며,
    상기 공간은 안전벤트와 전류차단부재 사이가 가스켓 및 파단부와 안전벤트의 결합부위에 의해 밀폐된 구조로 이루어져 있고,
    상기 공간에 충진되어 있는 안정화제는, 액상 또는 분말 상태로 존재하고, 공간의 외부에 대해 격리되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전류차단부재는 본체에서 파단부로 연장되는 부위에 복수의 노치들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 전지셀은,
    상기 원통형 캔의 내압이 상승하여 파단부가 가압되면, 파단부가 본체로부터 파단되면서 개구를 개방시키고, 상기 공간에 격리되어 있던 안정화제가 개방된 개구를 통해 원통형 캔의 내부로 유입되어 전해액과 혼합되는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 개구는 본체의 중심부에 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 본체는 외주 부위로부터 개구까지 원통형 캔의 내부 방향으로 경사를 이루며 만입된 구조인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 경사는 전지케이스의 하단에 대해 10도 내지 45도의 각도로 기울어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 개구는 본체의 직경 대비 10% 내지 50%의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 캡 어셈블리는,
    상기 안전벤트에 전기적으로 연결되어 있는 PTC(positive temperature coefficient) 소자; 상기 PTC 소자에 연결되어 있고, 하나 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑 캡; 및
    상기 탑 캡, 안전벤트 및 PTC 소자의 외주면을 따라 형성되어 있는 밀봉 가스켓;
    을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 안정화제는 난연성 화합물인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 난연성 화합물은 전해액에 혼합될 때 전극에 피막을 형성하여 전극에 대한 전해액의 분해 반응을 억제시키는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 난연성 화합물은 전해액에 혼합될 때 전해액과 전극의 반응 속도를 지연시키는 작용을 하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 난연성 화합물은, 할로겐계 난연성 화합물, 인계 난연성 화합물, 무기계 난연성 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 할로겐계 난연성 화합물은, 테트라프로모비스페놀-A(TBA), 데카프로모딜페닐에테르(DBDPE), 및 염화파라핀(TCP)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 인계 난연성 화합물은, 인산에스테르계 난연성 화합물, 함할로겐 인산에스테르계 난연성 화합물, 비할로겐 축합 인계 난연성 화합물, 폴리인산염계 난연성 화합물, 및 적인계 난연성 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 인계 난연성 화합물은, 트리페닐 포스페이트(Triphenyl phosphate, TPP), 트리크실레닐 포스페이트(Trixylenyl phosphate, TXP), 트리크레실 포스페이트(Tricresyl phosphate, TCP), 트리이소페닐 포스페이트(Triisophenyl phosphate, REOFOS), 트리스클로로에틸 포스페이트(Tris-chloroethylphosphate, TCEP), 트리스클로로프로필 포스페이트(Tris-chloroprophylphosphate, TCPP), 레조르시닐 디페닐 포스페이트(Resorcinyl diphenyl phosphate, RDP), 페닐 디레조르시닐 포스페이트(Phenyl diresorcinyl phosphate), 크레실 디페닐 포스페이트(Cresyl diphenyl phosphate), 크실레닐 디페닐 포스페이트(Xylenyl diphenyl phosphate), 페닐 디(이소프로필페닐)포스페이트(Phenyl di(isopropylphenyl) phosphate), 및 이들의 이량체 이상의 올리고머 또는 포리포스페이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 무기계 난연성 화합물은, 설폰 이미드 화합물, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 붕산아연, 몰리브덴 화합물, 삼산화 안티몬, 및 오산화 안티몬으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 하나 이상 포함하는 전지모듈.
  20. 제 19 항에 따른 전지모듈을 하나 이상 포함하는 전지팩.
  21. 제 20 항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.








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