KR20170075658A

KR20170075658A - 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리

Info

Publication number: KR20170075658A
Application number: KR1020160176538A
Authority: KR
Inventors: 황만용; 김기린; 타카오 아베; 장극조; 김종호; 박건우
Original assignee: 신흥에스이씨주식회사
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2017-07-03
Also published as: WO2018117684A1

Abstract

본 발명은 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리를 개시한다.
본 발명에 따르는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리는 돌출부를 구비한 박형안전밴트와, 상기 돌출부가 개구인 중앙부에 대향하도록 배치된 캡다운부와, 상기 박형안전밴트와 캡다운부와의 사이에 상기 돌출부와 중앙부가 노출되도록 개재되는 절연부재 및 상기 중앙부를 덮도록 고정되고, 상기 돌출부에 용착되어 부착된 용착부를 구비한 서브플레이트를 포함하며, 상기 서브플레이트에는 용착부와 이격되어 배치되는 그루브홈인 파단부를 포함하는 하는데, 이에 의할 때 근본적으로 내구성을 저감시키는 크랙이 발생되는 확산 접합에 의한 초음파용접 부분을 근본적으로 제거하면서도 서브플레이트의 작동편차를 작게 유지할 수 있다.

Description

내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리{CID assembly for a secondary battery with excellent durability}

본 발명은 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 근본적으로 내구성을 저감시키는 크랙이 발생되는 초음파용접 부분을 근본적으로 제거하면서도 서브플레이트의 작동편차를 작게 유지할 수 있는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈에 관한 것이다.

종래 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 적층구조로 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 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 있으며, 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 전류 차단소자(Current Interrupt Device: CID)등의 안전 소자들과 상기 소자들을 보호하는 돌출형 단자를 형성하는 탑캡 등이 가스켓에 의해 고정된 구조를 채용하여 내부 가스압 상승이나 이상작동으로 인한 고온 발생시에 전류를 차단하는 기술을 적용하고 있다.

예를 들어, 대한민국공개특허공보 제2010-93375호에서는 도 6, 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 직사각의 판형으로 형성된 두 전극(127, 128)이 적층되고, 와형으로 권취되어 젤리롤형 전극 조립체(120)를 형성하며, 이들 전극 사이 및 두 전극 아래쪽 혹은 위쪽에는 세퍼레이터(126a, 126b)가 하나씩 위치하므로, 겹쳐지고, 권취되는 두 전극이 맞닿는 부분에는 어디나 세퍼레이터가 개재되어 단락을 방지하고, 또한, 전극 탭(121,122)은 하나가 원통형 캔의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출되도록 형성되며, 캔(110)은 원통형으로 철재, 알미늄 합금 등을 사용하여 딥 드로잉 방법 등으로 형성하게 되며, 또한, 캔의 개구부를 통해 캔 내부로 전극 조립체(120)를 삽입하며, 캔의 내부에는 상절연판(125) 및 하절연판(123)이 구비되어 있으며, 전극 조립체(120)의 중공에 센터 핀(124)을 설치하게 되고, 캔 상부에 전극 조립체가 설치된 상단 레벨에 맞추어 캔 측벽을 캔 내측으로 구부려 비드(111)가 형성될 수 있으며, 비딩이 이루어진 캔 상부에 가스켓(130)이 삽입되고, 캡 조립체(140)는 먼저 결합된 형태로 한꺼번에 가스켓 내에 설치되거나, 부품들이 차례로 가스켓 내에 적층될 수 있으며, CID, PTC, 벤트등의 적층 구성을, CID를 없앤 상태로 절연재(143)를 개재하여 PTC(Positive temperature Coefficient:146)와 벤트(144)를 끼워 결합시키고, 벤트(144)의 아래는 중공을 가진 캡 다운(142)이 위치하고, 캡 다운(142)의 하부에 서브 플레이트(141)가 위치하여, 상기 벤트(144)와 캡다운(142)은 상기 절연재(143)에 의하여 절연되고, 벤트(144)의 돌출부(145)는 서브 플레이트(141)와 접촉하고, 상기 서브 플레이트(141)는 캡 다운(142)과 연결하는데, 즉, 위로부터 캡업(147), PTC(146), 벤트(144), 캡 다운(142), 서브 플레이트(141)를 구비하여 이루어질 수 있고, 여기서, 캡업(147)과 PTC(146) 및 PTC(146)와 벤트(144)는 전기적으로 접속되고, 벤트와 캡 다운은 주변부에 절연재(143)를 개재시켜 서로 이격되어 절연됨과 동시에, 캡 다운(142)의 중앙 통공을 통해 벤트(144)의 아래로 볼록한 돌출부(145)가 노출되도록 형성될 수 있으며, 또한, 상기 돌출부는 서브 플레이트(141)와 접촉하고, 상기 서브 플레이트(141)는 캡 다운(142)과 연결되며, 또한, 전극 조립체의 상향 전극탭(122)은 상기 캡 다운(142)의 일면에 연결되는 구조를 개시하고 있으나, 이러한 구조는 안전벤트(144)의 돌출부(145)와 서브플레이트(141)와 접촉시켜 통전경로를 형성하는 방법으로 작동압 편차가 작아 작동성능이 우수한 초음파용접으로 부착시키고 있으나, 도 8에서 볼 수 있듯이, 경시적으로 초음파용접 부위에 크랙이 발생하는 문제가 고질적으로 발생하는 형편이었다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 근본적으로 내구성을 저감시키는 크랙이 발생되는 초음파용접 부분을 근본적으로 제거하면서도 서브플레이트의 작동편차를 작게 유지할 수 있는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 돌출부를 구비한 박형안전밴트와, 상기 돌출부가 개구인 중앙부에 대향하도록 배치된 캡다운부와, 상기 박형안전밴트와 캡다운부와의 사이에 상기 돌출부와 중앙부가 노출되도록 개재되는 절연부재 및 상기 중앙부를 덮도록 고정되고, 상기 돌출부에 용착되어 부착된 용착부를 구비한 서브플레이트를 포함하며, 상기 서브플레이트에는 용착부와 이격되어 배치되는 그루브홈인 파단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 용착부는 중앙부와 서브플레이트가 저항용접이나 레이저용접에 의한 열로 용해되어 용착된 부분인 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 용착부의 탈리강도는 파단부의 파단강도보다 큰 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 서브플레이트의 테두리와 캡다운부와 맞닿는 부분은 용해되어 용착되는 제2용착부가 구비되는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 제2용착부는 용착부와 동일한 용접방법으로 형성되는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 파단부의 서브플레이트에 대한 두께비는 0.13 내지 0.67인 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 서브플레이트의 두께는 0.15 내지 0.3㎜인 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 파단부의 두께는 0.04 내지 0.1㎜인 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 파단부의 바닥부에는 파단압을 미세하게 조정할 수 있는 세홈을 구비하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 파단부의 그루브홈이 형성된 경로상 파단되는 파단압을 조절하도록 타공된 조정홀을 더 구비하는 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 근본적으로 내구성을 저감시키는 크랙이 발생되는 초음파용접 부분을 근본적으로 제거하면서도 서브플레이트의 작동편차를 작게 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 캡조립체를 원통형 이차전지에 조립한 형상을 단면적으로 보여주는 그림이고,
도 2는 도 1의 Ⅳ로 표시된 부분을 확대하여 보여준 그림이며,
도 3은 본 발명의 서브플레이트의 파단부를 사시적으로 나타낸 그림이고,
도 4는 본 발명의 서브플레이트의 파단부만을 확대하여 단면적으로 나타낸 그림으로 (a)는 파단부를, (b)는 파단부의 저면에 구비된 세홈을 나타낸 그림이며,
도 5는 본 발명의 파단부 구비 경로상 관통홀로서 조정홀을 평면적으로 보여주는 그림이고,
도 6은 종래 원통형 이차전지의 단면을 보여주는 그림이며,
도 7은 도 6의 사시적으로 나타낸 그림이고,
도 8은 종래 서브플레이트의 접합부가 초음파방식용접에 의한 확산 접착에 의해 경시적으로 크랙이 발생되는 형상을 보여주는 그림과 사진이다.

이하에서는 본 발명을 상세하게 설명한다.

다만, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 하며, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이며, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 하고, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하며, 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하고, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따르는 캡조립체를 원통형 이차전지에 조립한 형상을 단면적으로 보여주는 그림이고, 도 2는 도 1의 Ⅳ로 표시된 부분을 확대하여 보여준 그림이며, 도 3은 본 발명의 서브플레이트의 파단부를 사시적으로 나타낸 그림이고, 도 4는 본 발명의 서브플레이트의 파단부만을 확대하여 단면적으로 나타낸 그림으로 (a)는 파단부를, (b)는 파단부의 저면에 구비된 세홈을 나타낸 그림이며, 도 5는 본 발명의 파단부 구비 경로상 관통홀로서 조정홀을 평면적으로 보여주는 그림인데, 이를 참조한다.

본 발명에 따르는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리(200)는 돌출부(212)를 구비한 박형안전밴트(210)와, 상기 돌출부가 개구인 중앙부(222)에 대향하도록 배치된 캡다운부(220)와, 상기 박형안전밴트와 캡다운부와의 사이에 상기 돌출부와 중앙부가 노출되도록 개재되는 절연부재(230) 및 상기 중앙부를 덮도록 고정되고, 상기 돌출부에 용착되어 부착된 용착부(242)를 구비한 서브플레이트(240)를 포함하며, 상기 서브플레이트에는 용착부와 이격되어 배치된 그루브홈인 파단부(250)가 구비된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 박형안전밴트(slim vent, 210)의 돌출부(212)는 캡다운부(Cap-down, 220)의 중앙부(222)로 노출되며, 절연부재(230)의 개재로 인해 서로 이격되어 있고, 상기 절연부재(230)의 개재되는 폭은 이상작동으로 내부압력이 상승되어, 파단부(250)의 파단면에 의하여 발생될 수 있는 단락(short)을 방지할 수 있도록 넓게 개재되는 것이 바람직한데, 상기 절연부재(230)는 그 중앙이 상기 중앙부(340) 직경 이상 크기의 홀부(미도시)를 구비하도록 하여 이를 실현할 수 있다.

상기 돌출부(212)의 주위로 동심원 형상으로 적어도 하나의 노치(미도시)를 구비하여 이상 고압시에 파단되거나 형태가 변하도록 하여 아웃개싱(outgasing)을 가능하게 할 수 있다.

한편, 상기 서브플레이트(240)는 중앙부를 덮도록 고정되고, 상기 돌출부에 용착되어 부착되는 용착부(242)를 구비하는데, 상기 용착부는 중앙부와 서브플레이트(240)가 저항용접이나 레이저용접에 의한 열로 용해되어 즉, 녹아서 용착된 부분으로, 종래에 사용되는 확산 접착법인 초음파 용접에 의한 확산접착과는 구별될 수 있다.

여기서, 상기 서브플레이트의 테두리와 캡다운부와 맞닿는 부분도 용착되는 제2용착부(244)가 구비될 수 있는데, 상기 제2용착부도 저항용접이나 레이저용접에 의한 열로 용해되어 즉, 녹아서 용착된 부분일 수 있다.

이렇듯이, 용착부와 제2용착부는 저항용접이나 레이저용접으로 같은 용접방법으로 형성할 수 있으므로, 종래 초음파용접과 혼용하여 사용하는 관계상 조립공정이 어렵고 복잡한 것을 단순화시키고(초음파용접에 의한 접합은 용착 접합보다 접합력이 작아서 공정에 순서가 태생적으로 정해짐), 크랙불량을 본래적으로 예방할 수 있다.

또한, 상기 서브플레이트에는 용착부와 이격되어 배치된 그루브홈인 파단부(250)가 구비될 수 있는데, 상기 그루브홈(groove home)은 서브플레이트의 용착부와 이격되어 형성된 음각홈으로 그 깊이가 깊어질수록 파단력이 작아지며, 얕아질 수록 파단력은 커지는 특징이 있다.

따라서, 상기 용착부(242)의 탈리강도는 파단부(250)의 파단강도보다 큰 것이 바람직한데, 상기 용착부의 탈리강도는 서브플레이트의 용착부와 돌출부가 녹아서 접합된 계면이 분리되기 위해 필요한 힘인 분리력(F1)으로 정의될 수 있으며, 상기 파단부(250)가 이차전지 내부의 이상작동에 의하여 증가되는 내부압력이 돌출부(212)를 밀어내어 찢어지는데 필요한 힘인 파단력(F2)으로 정의하는 경우에 F1>F2인 것을 의미한다.

만일 F1<F2이거나 F1=F2인 경우라면, 상기 돌출부와 서브플레이트 용착부의 탈리강도의 정밀한 조절이 어려우며, 파단시 작동 산포가 증가할 수 있어 바람직하지 아니하다.

상기 파단부의 서브플레이트에 대한 두께비는 0.13 내지 0.67인 것이 바람직한데, 만일 0.13미만이면, 파단작동의 산포가 증가하여 신뢰성이 저감될 수 있으며, 반대로 0.67을 초과하면, 파단력이 감소하여 필드 불량률이 증가될 수 있다.

이러한 서브플레이트의 두께(T), 파단부의 두께(t)는 각각 0.15 내지 0.3㎜이고, 0.04 내지 0.1㎜일 수 있다.

또한, 정밀한 파단력을 조절하기 위하여, 상기 파단부(250)의 바닥부(251)에는 파단압을 미세하게 조정할 수 있는 세홈부(252)을 더 구비할 수 있는데, 세홈부는 그루브홈으로서 파단부의 두께(t1)보다 작은 두께(t2)를 갖도록 조절하여 파단력을 정밀하게 조절할 수 있다.

또한, 상기 파단부(250)나 세홈부(252)는 통상적인 V자 그루브홈일 수도 있으나, 그 단면 측면과 저면인 바닥부(251)를 형성하는 장홈이나 그루브홈 형태로 구비하여 전지 내부압력에 의해 발생된 응력이 집중되어 파단이 용이하도록 할 수 있다.

아울러, 상기 파단부는 용착부와 이격되어 연속적으로 배치된 원형 형상이나 타원형 형상일 수 있음은 물론이고, 중간에 끈기는 영역이 있도록 단속적으로 배치할 수 있음은 물론이다.

한편, 이차전지 내부의 증가된 압력으로 파단의 시작되는 위치를 특정하기 위하여 상기 파단부의 그루브홈이 형성된 경로상 파단되는 파단압을 조절하도록 타공된 조정홀(260)을 더 구비할 수 있어 조정홀과 그루브홈이 접하는 접부(261)에서 내부압에 의하여 파단이 정확하게 조절될 수 있다.

즉, 상기 조정홀(260)은 이차전지 내부압력이 상승하여 전류를 차단하고자 서브플레이트의 용착부가 아닌 그 주변이 파단되도록 하기 위해 타공된 홀(hole)로서, 용착부 주변이 찢어져 파단되는 시작점이나 종료점이 되는 부분일 수 있다.

여기서 상기 조정홀은 그루브홈 경로상 적어도 하나 이상 타공하여 파단압을 설정할 수 있다.

캡어셈블리 200, 돌출부 212,
박형안전밴트 210, 중앙부 222,
캡다운부 220, 절연부재 230,
용착부 242, 서브플레이트 240,
파단부 250

Claims

돌출부를 구비한 박형안전밴트;
상기 돌출부가 개구인 중앙부에 대향하도록 배치된 캡다운부;
상기 박형안전밴트와 캡다운부와의 사이에 상기 돌출부와 중앙부가 노출되도록 개재되는 절연부재; 및
상기 중앙부를 덮도록 고정되고, 상기 돌출부에 용착되어 부착된 용착부를 구비한 서브플레이트;를 포함하며,
상기 서브플레이트에는 용착부와 이격되어 배치되는 그루브홈인 파단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 용착부는 중앙부와 서브플레이트가 저항용접이나 레이저용접에 의한 열로 용해되어 용착된 부분인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리.
제 2 항에 있어서,
상기 용착부의 탈리강도는 파단부의 파단강도보다 큰 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 서브플레이트의 테두리와 캡다운부와 맞닿는 부분은 용해되어 용착되는 제2용착부가 구비되는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리.
제 4 항에 있어서,
상기 제2용착부는 용착부와 동일한 용접방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 파단부의 서브플레이트에 대한 두께비는 0.13 내지 0.67인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리.
제 6 항에 있어서,
상기 서브플레이트의 두께는 0.15 내지 0.3㎜인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리.
제 6 항에 있어서,
상기 파단부의 두께는 0.04 내지 0.1㎜인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 파단부의 바닥부에는 파단압을 미세하게 조정할 수 있는 세홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 파단부의 그루브홈이 형성된 경로상 파단되는 파단압을 조절하도록 타공된 조정홀을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 이차전지 캡어셈블리.