KR20180092444A - 원통형 리튬 이차전지 - Google Patents

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KR20180092444A
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송한갑
정안수
김민규
박필규
이소라
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 원통형 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 다른 소재의 파단부를 형성하여 캔부재의 내부 가스가 분출되는 가스 분출 통로를 늘려 줌으로써, 가스 분출이 캔부재 상부의 뚜껑(cap)에만 집중되는 것을 방지하여 가스 폭발력을 감소시킬 수 있고, 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부를 형성하여 줌으로써, 캔부재와의 열팽창 정도의 차이에 의해 균열이 발생되어 내부 가스가 배출되게 할 수 있으며, 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하여 줌으로써, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 할 수 있고, 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 구성되는 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과 특정한 형태의 점과 직선형 중에서 선택하여 구성하여 줌으로써, 형상기억합금의 구성 형태를 다양한 형태로 할 수 있어 제조사의 편의성을 제공할 수 있으며, 기존의 이차전지에서 가스분출의 통로가 캔부재 상부의 뚜껑에만 국한되던 것에서 벗어나, 캔부재와 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금의 구성을 통해 안전장치가 추가됨으로써, 원통형 이차전지의 사용함에 따른 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

원통형 리튬 이차전지{A cylindrical type Li-ion secondary battery}
본 발명은 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 다른 소재의 파단부를 형성하여 캔부재의 내부 가스가 분출되는 가스 분출 통로를 늘려줌으로써, 가스 분출이 캔부재 상부의 뚜껑(cap)에만 집중되는 것을 방지하여 가스 폭발력을 감소시킬 수 있고, 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부를 형성하여 줌으로써, 캔부재와의 열팽창 정도의 차이에 의해 균열이 발생되어 내부 가스가 배출되게 할 수 있으며, 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하여 줌으로써, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 할 수 있고, 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 구성되는 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과 특정한 형태의 점과 직선형 중에서 선택하여 구성하여 줌으로써, 형상기억합금의 구성 형태를 다양한 형태로 할 수 있어 제조사의 편의성을 제공할 수 있으며, 기존의 이차전지에서 가스분출의 통로가 캔부재 상부의 뚜껑에만 국한되던 것에서 벗어나, 캔부재와 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금의 구성을 통해 안전장치가 추가됨으로써, 원통형 이차전지의 사용함에 따른 안전성을 향상시킬 수 있는 원통형 리튬 이차전지에 관한 기술이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
통상적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 리튬이차전지는 여러가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와 고분자전해질 전지로 분류되며, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 리튬이차전지의 경우, 액체전해질을 사용하는 경우에도 리튬과 수분(H2O)의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용한다. 비수성 전해질을 사용함에 따라 리튬이온전지는 충전시 물의 분해전압의 지배를 받지 않으므로 상대적으로 높은 전지 전압을 가질 수 있다. 액체전해질은 리튬염이 유기용매에서 해리된 상태를 가진다. 리튬염이 용해되는 용매로는 대개 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 또는 다른 알킬기 함유 카보네이트나 이와 유사한 유기화합물이 사용된다.
고체전해질을 사용하는 리튬이차전지에서는 전해액의 누출 문제가 없을 것이나, 액상의 전해질을 사용하는 리튬이온전지의 경우 전해액의 누출을 방지하는 것은 화학전지 일반의 경우와 같이 중요한 문제가 되고 있다. 특히, 리튬이온전지가 전원으로 사용되는 휴대용 전화기, 컴퓨터, 개인정보 단말기, 캠코더 등이 고가 정밀기기임을 감안할 때 누출 방지의 문제는 더욱 중요해진다.
원통형 이차전지는 전극조립체와, 원통형 캔과, 캡조립체와, 가스켓을 포함하여 이루어진다.
이러한 원통형 이차전지의 구조 및 제조과정을 개략적으로 살펴보면, 전극조립체가 원통형 캔에 수용되고, 전극조립체의 캔 내 유동을 막기 위한 비딩부가 캔에 형성되며, 전해액이 주입된다. 캔의 개구부 내측 벽에 절연 가스켓이 설치되고, 가스켓 내측으로 캔의 개구부를 마감하는 캡조립체가 설치된다.
그리고, 가스켓 내측에 투입된 캡업 등을 마개로 원통형 캔의 개구부 벽체에 내측 및 아래쪽으로 압력을 가해 캔을 봉합하는 클림핑 작업이 이루어진다. 또한, 전지의 외부에 외장재를 입히는 튜빙(tubing) 작업이 이루어짐으로써 전지가 완성된다.
액상의 전해질을 사용하는 일반의 화학전지와 마찬가지로 전해액이 주입된 원통형 이차전지에서도 전지 내부의 전해액이 외부로 누출되는 것을 방지할 필요가 있다. 이를 위해 종래에는 상기 비딩부 위에 가스켓을 얹어 놓고, 가스켓 내부에 캡조립체를 위치시킨 후 상기 클림핑 작업을 통해 캡조립체와 캔 사이를 밀폐하였다.
이러한 종래의 원통형 이차전지는 전류차단장치(CID), 벤트(Vent) 등의 안전장치가 작동할 수 있는 충분한 시간이 주어지지 않는 직접 열 충격과 같은 테스트시 내부의 고압가스가 순간적으로 외부로 분출될 때, 가스가 분출될 수 있는 분출구가 탑캡(Top cap) 한 곳에만 집중되어 있기 때문에 배출 압력이 높아져 이차전지 내부의 전극집합체가 배출가스와 함께 외부로 배출되어 강력한 폭발이 발생하는 문제점이 있다.
그러므로, 기존의 이차전지에서 가스분출의 통로가 캔부재 상부의 뚜껑에만 국한되던 것에서 벗어나, 캔부재와 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금의 구성을 통해 안전장치가 추가됨으로써, 원통형 이차전지의 사용함에 따른 안전성을 향상시킬 수 있고, 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 구성되는 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과 특정한 형태의 점과 직선형 중에서 선택하여 구성하여 줌으로써, 형상기억합금의 구성 형태를 다양한 형태로 할 수 있는 원통형 리튬 이차전지의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
한국공개특허 10-2007-0006248(공개일: 2007.01.11.)
이에 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 다른 소재의 파단부를 형성하여 캔부재의 내부 가스가 분출되는 가스 분출 통로를 늘려 줌으로써, 가스 분출이 캔부재 상부의 뚜껑에만 집중되는 것을 방지하여 가스 폭발력을 감소시킬 수 있는 원통형 리튬 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
다른 본 발명의 목적은 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부를 형성하여 줌으로써, 캔부재와의 열팽창 정도의 차이에 의해 균열이 발생되어 내부 가스가 배출되게 할 수 있는 원통형 리튬 이차전지를 제공하는데 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하여 줌으로써, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 할 수 있는 원통형 리튬 이차전지를 제공하는데 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 구성되는 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과 특정한 형태의 점과 직선형 중에서 선택하여 구성하여 줌으로써, 형상기억합금의 구성 형태를 다양한 형태로 할 수 있어 제조사의 편의성을 제공할 수 있는 원통형 리튬 이차전지를 제공하는데 있다.
또 다른 본 발명의 목적은 기존의 이차전지에서 가스분출의 통로가 캔부재 상부의 뚜껑에만 국한되던 것에서 벗어나, 캔부재와 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금의 구성을 통해 안전장치가 추가됨으로써, 원통형 이차전지의 사용함에 따른 안전성을 향상시킬 수 있는 원통형 리튬 이차전지를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지는 내부에 양극, 분리막, 음극이 적층되는 전극집합체가 내장되는 캔부재와; 상기 캔부재의 일부에 상기 캔부재의 소재와 다른 소재로 형성하며, 상기 캔부재 내부의 온도가 상승하면 상기 캔부재의 내부가스가 외부로 분출되도록 파단하는 파단부와; 상기 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하며, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 하는 형상기억합금부재; 을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 파단부는 상기 캔부재의 둘레를 따라서 캔부재의 수평방향으로 형성되는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 파단부는 캔부재를 완전히 가로지르지 않고 캔부재의 둘레 일부에만 형성되어 파단부의 파단시 캔부재가 이등분되는 것을 방지하는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 파단부는 상기 캔부재의 둘레를 따라서 캔부재의 수직방향으로 가로지르도록 형성되는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 파단부는 상기 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재로 형성되며, 상기 캔부재와의 열팽창 정도의 차이에 의해 균열이 발생되어 파단되므로 내부 가스가 배출되는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 파단부의 소재는 인바(invar), 더글러스 퍼(douglas-fir), 텅스텐, 질화알루미늄, 티타늄, 백금, 스테인레스강, 탄소강, 철, 니켈, 금, 구리, 은, 황동, 알루미늄, 납 중 어느 하나 이상으로 구성되는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 형상기억합금부재는 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 구성되며, 특정한 형태의 패턴과, 특정한 형태의 점과, 직선형 중에서 선택하여 구성하는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 형상기억합금부재에 구성되는 특정한 형태의 패턴은 빗살무늬, 일자무늬, 체크무늬, 십자무늬 중에서 단수 또는 복수개가 선택되는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 형상기억합금부재에 구성되는 특정한 형태의 점은 원형, 사각형, 삼각형, 타원형, 마름모형 중에서 단수 또는 복수개가 선택되는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 형상기억합금부재는 Ni-Ti계 또는 Cu-Zn-Al계의 합금이며, V, Cr, Mn 및 Co 중의 하나 이상이 도핑되어 있는 구조의 합금인 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 형상기억합금부재에 V, Vr, Co를 첨가할 경우 복원 온도가 낮아지고, Hf, Zr, Pd, Pt를 첨가할 경우 복원 온도가 상승하는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 원통형 리튬 이차전지는 형태를 다양하게 변화시켜서 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되어 적용될 수 있는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 원통형 리튬 이차전지는 캔부재와 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금의 구성을 통해 안전장치가 추가되므로 원통형 리튬 이차전지의 사용함에 따른 안전성을 향상시킬 수 있는 것을 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원통형 리튬 이차전지는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 다른 소재의 파단부를 형성하여 캔부재의 내부 가스가 분출되는 가스 분출 통로를 늘려 줌으로써, 가스 분출이 캔부재 상부의 뚜껑에만 집중되는 것을 방지하여 가스 폭발력을 감소시킬 수 있다.
둘째, 본 발명은 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부를 형성하여 줌으로써, 캔부재와의 열팽창 정도의 차이에 의해 균열이 발생되어 내부 가스가 배출되게 할 수 있다.
셋째, 본 발명은 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하여 줌으로써, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 할 수 있다.
넷째, 본 발명은 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 구성되는 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과 특정한 형태의 점과 직선형 중에서 선택하여 구성하여 줌으로써, 형상기억합금의 구성 형태를 다양한 형태로 할 수 있어 제조사의 편의성을 제공할 수 있다.
다섯째, 본 발명은 기존의 이차전지에서 가스분출의 통로가 캔부재 상부의 뚜껑에만 국한되던 것에서 벗어나, 캔부재와 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금의 구성을 통해 안전장치가 추가됨으로써, 원통형 이차전지의 사용함에 따른 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지를 도시한 사시도.
도 2는 도 1에서 캔부재를 전개하여 도시한 전개도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지를 도시한 사시도.
도 4는 도 3에서 캔부재를 전개하여 도시한 전개도.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 각각 원통형 리튬 이차전지에서 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과, 특정한 형태의 점과, 직선형으로 구성한 형태를 나타낸 도면.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 각각 원통형 리튬 이차전지에서 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과, 특정한 형태의 점과, 직선형으로 구성한 형태를 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시 예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 원통형 리튬 이차전지를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 캔부재를 전개하여 도시한 전개도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에서 캔부재를 전개하여 도시한 전개도이며, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 각각 원통형 리튬 이차전지에서 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과, 특정한 형태의 점과, 직선형으로 구성한 형태를 나타낸 도면이고, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 각각 원통형 리튬 이차전지에서 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과, 특정한 형태의 점과, 직선형으로 구성한 형태를 나타낸 도면이다.
상기 원통형 리튬 이차전지는 캔부재(1), 탑캡(top cap)(3), 전극집합체(10), 파단부(20), 형상기억합금부재(30) 등으로 구성된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 캔부재를 전개하여 도시한 전개도이다.
도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 원통형 리튬 이차전지는 내부에 양극, 분리막, 음극이 적층되는 전극집합체(10)가 내장되는 캔부재(1)와; 상기 캔부재(1)의 일부에 상기 캔부재(1)의 소재와 다른 소재로 형성하며, 상기 캔부재(1) 내부의 온도가 상승하면 상기 캔부재(1)의 내부가스가 외부로 분출되도록 파단하는 파단부(20)와; 상기 캔부재(1) 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하며, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재(1)의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 하는 형상기억합금부재(30); 을 포함한다.
상기 캔부재(1)에는 상단이 개구되어 개구된 상단을 통해 내부에 양극, 분리막, 음극이 적층되는 전극집합체(10)가 내장되며, 개구된 상단은 탑캡(3)에 의해 밀폐되는 것이다.
상기 파단부(20)는 상기 캔부재(1)의 둘레를 따라서 형성되는데, 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 캔부재(1)의 둘레에 따라 캔부재(1)를 수직방향으로 가로지르게 형성될 수 있는 것이다.
이러한 상기 파단부(20)는 상기 캔부재(1)의 일부에 상기 캔부재(1)의 소재와 다른 소재로 형성하며, 상기 캔부재(1) 내부의 온도가 상승하면 상기 캔부재(1)의 내부가스가 외부로 분출되도록 파단하는 것이다.
이는 캔부재(1)와 열팽창계수가 다른 소재로 형성되어 직접 열 충격과 같은 시험과정에서 캔부재(1)의 내부에 순간적인 고압가스가 발생하여 고압가스의 압력에 의해 탑캡(3)이 캔부재(1)와 분리되면서 캔부재(1)의 상단으로 고압가스가 배출됨과 동시에 캔부재(1)와의 열팽창 정도의 차이에 의해 발생하는 균열에 의해 파단부(20)가 파단되면서 파단된 파단부(20)로도 고압가스가 분출되게 하는 것이며, 원통형 캔부재(1) 내부의 둘레의 특정구간에 구성되는 형상기억합금(30)이 특정온도 도달시에 원통형 캔부재(1)의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 하는 것이다.
따라서, 상술한 바와 같이 구성된 원통형 리튬 이차전지는 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 다른 소재의 파단부를 형성하여 캔부재의 내부 가스가 분출되는 가스 분출 통로를 늘려 주므로 가스 분출이 캔부재 상부의 뚜껑(cap)에만 집중되는 것을 방지하여 가스 폭발력을 감소시킬 수 있으며, 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부를 형성하여 주므로 캔부재와의 열팽창 정도의 차이에 의해 균열이 발생되어 내부 가스가 배출되게 할 수 있는 것이다. 또한, 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하여 줌으로써, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 할 수 있는 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통형 리튬 이차전지를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에서 캔부재를 전개하여 도시한 전개도이다.
도 3 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 원통형 리튬 이차전지는 내부에 양극, 분리막, 음극이 적층되는 전극집합체(10)가 내장되는 캔부재(1)와; 상기 캔부재(1)의 일부에 상기 캔부재(1)의 소재와 다른 소재로 형성하며, 상기 캔부재(1) 내부의 온도가 상승하면 상기 캔부재(1)의 내부가스가 외부로 분출되도록 파단하는 파단부(20)와; 상기 캔부재(1) 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하며, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재(1)의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 하는 형상기억합금부재(30); 을 포함한다.
상기 파단부(20)는 상기 캔부재(1)의 둘레를 따라서 형성되는데, 캔부재(1)의 둘레에 따라 캔부재(1)를 수평방향으로 가로지르게 형성될 수 있는 것이다.
이때, 상기 파단부(20)는 캔부재(1)를 완전히 가로지르지 않고 캔부재(1)의 둘레 일부에만 형성되어 파단부(20)의 파단시 캔부재(1)가 이등분되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 파단부(20)는 상기 캔부재(1)와 열팽창계수가 다른 소재로 형성되며, 상기 캔부재(1)와의 열팽창 정도의 차이에 의해 균열이 발생되어 파단되므로 내부 가스가 배출되는 것이며, 원통형 캔부재(1) 내부의 둘레의 특정구간에 구성되는 형상기억합금(30)이 특정온도 도달시에 원통형 캔부재(1)의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 하는 것이다.
따라서, 상술한 바와 같이 구성된 원통형 리튬 이차전지는 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 다른 소재의 파단부를 형성하여 캔부재의 내부 가스가 분출되는 가스 분출 통로를 늘려 주므로 가스 분출이 캔부재 상부의 뚜껑(cap)에만 집중되는 것을 방지하여 가스 폭발력을 감소시킬 수 있다. 또한, 원통형 캔부재의 일부에 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부를 형성하여 주므로 캔부재와의 열팽창 정도의 차이에 의해 균열이 발생되어 내부 가스가 배출되게 할 수 있다. 또한, 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하여 줌으로써, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 할 수 있는 것이다.
도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같은, 상기 캔부재(1)와 파단부(20)는 서로 다른 소재로 형성되는데, 상기 캔부재(1)의 소재는 일반적인 이차전지의 캔부재(1)의 소재로 사용되는 강철(steel)일 수 있다.
그리고 상기 파단부(20)의 소재는 인바(invar), 더글러스 퍼(douglas-fir), 텅스텐, 질화알루미늄, 티타늄, 백금, 스테인레스강, 탄소강, 철, 니켈, 금, 구리, 은, 황동, 알루미늄, 납 중 어느 하나 이상으로 구성되는 것이다.
여기서, 상기 인바(invar)는 특수합금강으로서, 100℃ 이하에서는 1/100만 전후이다. 실온에서는 온도가 약간 바뀌어도, 거의 치수가 변하지 않는다. 온도에 대해 불변이라는 뜻에서 'in(不) var(變)'라는 이름이 붙여졌다. 인바에 크롬을 첨가하면 탄성계수가 실온 근처에서 거의 불변이므로 탄성(彈性:elasticity)과 불변(invariable)이라고 해서 '엘린바(elinvar)'라고 하며, 시계의 태엽 등에 사용된다.
또한, 상기 더글러스 퍼(douglas-fir)는 북미산이며, 색깔과 강도의 변이가 크고,　기본비중이　0.43~0.45이다. 주로 건축구조재, 합판, 침목, 통, 항목, 창문틀, 상자, 가구,　마루판, 보트, 탱크, 수납장, 해양용재 등에 쓰인다.
상기 형상기억합금부재(30)는 상기 캔부재(1) 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하며, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재(1)의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 하는 것이다.
여기서, 상기 형상기억합금(shape memory alloys)는 재료를 변형시킨 뒤, 어느 온도이상으로 가열하면, 원래의 변형하기 전의 형상으로 복귀하는 현상을 형상기억 효과라고 말한다. 이것을 다시 저온으로 하면, 다시 변형한 상태로 되는 재료도 있다. 이처럼 형상기억 효과를 나타내는 합금을 말한다. 실용화 되어 있는 것으로는, 티탄니켈합금과 동 아연 알루미늄합금이 있다. 특히, 티탄니켈합금은 강도, 인성, 내식성, 내마모성에도 뛰어나기 때문에 실용재로서 이용되고 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 각각 원통형 리튬 이차전지에서 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과, 특정한 형태의 점과, 직선형으로 구성한 형태를 나타낸 도면이고, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 각각 원통형 리튬 이차전지에서 원통형 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 특정한 형태의 패턴과, 특정한 형태의 점과, 직선형으로 구성한 형태를 나타낸 도면이다.
상기 형상기억합금부재(30)는 캔부재(1) 내부의 둘레의 특정구간에 구성되며, 특정한 형태의 패턴과, 특정한 형태의 점과, 직선형 중에서 선택하여 구성하는 것이다.
상기 형상기억합금부재(30)에 구성되는 특정한 형태의 패턴은 도 5a 내지 도 6c에 도시한 바와 같이, 빗살무늬, 일자무늬, 체크무늬, 십자무늬 중에서 단수 또는 복수개가 선택되는 것이며, 상기 형상기억합금부재(30)에 구성되는 특정한 형태의 점은 도 5a 내지 도 6c에 도시한 바와 같이, 원형, 사각형, 삼각형, 타원형, 마름모형 중에서 단수 또는 복수개가 선택되는 것이다.
또한, 상기 형상기억합금부재(30)는 특별히 한정되지 않고 다양한 소재의 조합으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 Ni-Ti계 또는 Cu-Zn-Al계의 합금이며, V, Cr, Mn 및 Co 중의 하나 이상이 도핑되어 있는 구조의 합금일 수도 있는 것이다.
상기 형상기억합금(30)의 복원온도는 여러 가지 소재의 조합에 의해 다양하게 형성될 수 있으며, 캔부재(1) 외력의 인가 또는 전극집합체(10)의 팽창으로 변형되었을 때, 상기 복원온도의 환경을 설정하여 전지셀의 온도를 높임으로써 전지케이스를 원 상태로 복원할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 충전 또는 방전에 의해 전지셀의 온도가 상승하면서 전극집합체(10)의 팽창에 의해 전지셀의 부피가 증가하는 온도를 형상기억 합금의 복원온도로 설정하는 경우, 충방전에 의한 고온 상황에서 전지셀의 부피가 증가하는 것을 방지할 수 있다.
상기 복원온도는 형상기억합금을 이루는 소재들의 조합으로 설정이 가능하다. 참고로, 형상 기억 합금에 V, Vr, Co 등을 첨가할 경우 복원 온도가 낮아지고, Hf, Zr, Pd, Pt 등을 첨가할 경우 복원 온도가 상승하는 것이다.
그러므로 본 발명인 원통형 리튬 이차전지는 캔부재와 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금의 구성을 통해 안전장치가 추가되므로 원통형 리튬 이차전지의 사용함에 따른 안전성을 향상시킬 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같은 원통형 리튬 이차전지는 형태를 다양하게 변화시켜서 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되어 적용될 수 있으므로 그 적용대상이 광범위한 것이다.
1 : 캔부재 3 : 탑캡(top cap)
10 : 전극집합체 20 : 파단부
30 : 형상기억합금부재

Claims (13)

  1. 원통형 리튬 이차전지에 있어서,
    내부에 양극, 분리막, 음극이 적층되는 전극집합체가 내장되는 캔부재와;
    상기 캔부재의 일부에 상기 캔부재의 소재와 다른 소재로 형성하며, 상기 캔부재 내부의 온도가 상승하면 상기 캔부재의 내부가스가 외부로 분출되도록 파단하는 파단부와;
    상기 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금을 구성하며, 특정온도 도달시에 원통형 캔부재의 팽창 혹은 수축으로 균열이 발생하여 가스가 배출되게 하는 형상기억합금부재; 을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 파단부는 상기 캔부재의 둘레를 따라서 캔부재의 수평방향으로 형성되는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 파단부는 캔부재를 완전히 가로지르지 않고 캔부재의 둘레 일부에만 형성되어 파단부의 파단시 캔부재가 이등분되는 것을 방지하는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 파단부는 상기 캔부재의 둘레를 따라서 캔부재의 수직방향으로 가로지르도록 형성되는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 파단부는 상기 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재로 형성되며, 상기 캔부재와의 열팽창 정도의 차이에 의해 균열이 발생되어 파단되므로 내부 가스가 배출되는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 파단부의 소재는 인바(invar), 더글러스 퍼(douglas-fir), 텅스텐, 질화알루미늄, 티타늄, 백금, 스테인레스강, 탄소강, 철, 니켈, 금, 구리, 은, 황동, 알루미늄, 납 중 어느 하나 이상으로 구성되는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 형상기억합금부재는 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 구성되며, 특정한 형태의 패턴과, 특정한 형태의 점과, 직선형 중에서 선택하여 구성하는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 형상기억합금부재에 구성되는 특정한 형태의 패턴은 빗살무늬, 일자무늬, 체크무늬, 십자무늬 중에서 단수 또는 복수개가 선택되는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 형상기억합금부재에 구성되는 특정한 형태의 점은 원형, 사각형, 삼각형, 타원형, 마름모형 중에서 단수 또는 복수개가 선택되는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 형상기억합금부재는 Ni-Ti계 또는 Cu-Zn-Al계의 합금이며, V, Cr, Mn 및 Co 중의 하나 이상이 도핑되어 있는 구조의 합금인 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 형상기억합금부재에 V, Vr, Co를 첨가할 경우 복원 온도가 낮아지고, Hf, Zr, Pd, Pt를 첨가할 경우 복원 온도가 상승하는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    원통형 리튬 이차전지는 형태를 다양하게 변화시켜서 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로 이루어진 군에서 선택되어 적용될 수 있는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  13. 제 1항에 있어서,
    원통형 리튬 이차전지는 캔부재와 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재와 열팽창계수가 다른 소재의 파단부의 형성과, 캔부재 내부의 둘레의 특정구간에 형상기억합금의 구성을 통해 안전장치가 추가되므로 원통형 리튬 이차전지의 사용함에 따른 안전성을 향상시킬 수 있는 것을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
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