KR20190033900A - 탄성 부재를 포함하는 원통형 전지셀의 캡 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공간상의 문제로 인해 단락부품을 사용할 수 없는 경우, 전지셀의 온도의 급격한 증가, 압력 증가 등의 문제가 발생할 때 벤트를 통한 내부 가스 배출 및 단락을 구현할 수 있는 초소형 원통형 전지의 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로 캔 내부의 가스압력 또는 고온의 열원이 발생하더라도 캡 조립체의 안전벤트를 개방시켜 가스 또는 고온의 열원을 외부로 신속하게 방출하며, 이에 안전사고를 방지하는 효과 및 탄성부재를 구비함으로써 상기 안전벤트를 개방시킴과 동시에 다시 탄성부재가 원상태로 복원되면서 단락을 형성하여 2차적인 위험을 억제할 수 있는 효과가 있다.

Description

탄성 부재를 포함하는 원통형 전지셀의 캡 어셈블리 {Cap Assembly for Cylindrical Battery Cell Comprising Elastic Member}
본 발명은 이차전지의 안전벤트에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 공간상의 문제로 인해 단락부품을 사용할 수 없는 경우, 전지셀의 온도의 급격한 증가, 압력 증가 등의 문제가 발생할 때 벤트를 통한 내부 가스 배출 및 단락을 구현할 수 있는 초소형 원통형 전지의 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐 만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.
상기 리튬이차전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)으로 이루어지는데, 이들의 재료는 전지수명, 충방전용량, 온도특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 케이스가 원통형인 원통형 전지와 케이스가 각형인 각형 전지, 케이스가 얇은 라미네이트 시트인 파우치형 전지로 분류된다.
한편, 전지케이스에는, 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충·방전이 가능한 발전소자로서 전극조립체가 내장되는데, 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.
이들 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있고, 특히 원통형전지 케이스에 수납이 용이한 바, 젤리-롤형 전극조립체가 널리 제작되고 있다.
그런데, 리튬 이차전지는 양극의 리튬 금속 산화물로부터 리튬 이온이 음극의 흑연 전극으로 삽입(intercalation)되고 탈리(deintercalation)되는 과정을 반복하면서 충방전시 젤리-롤형 전극조립체는 반복적인 팽창과 수축을 겪으면서 변형되는 경향이 있고, 이러한 과정에서 응력이 중심부로 집중되어 전극이 분리막을 뚫고 금속 센터 핀에 접촉됨으로써 내부단락이 유발하는 경향이 있다.
상기 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 내부단락이 발생하였을 때에도 일어날 수 있다.
상기와 같은 전지의 안전성 문제를 해결하기 위하여, 원통형 전지의 캡 어셈블리는, 고압가스를 배출하는 안전밴트, 고온에서 전류를 차단하는 PTC 소자, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단소자(Current Interrupt Device: CID) 등의 안전 소자들과 상기 소자들을 보호하는 돌출형 단자를 형성하는 탑캡 등이 가스켓에 의해 고정된 구조로 이루어져 있다.
이와 같이, 다양한 안전장치를 통해 원통형 이차전지의 안전성을 해결하고 있으나, 초소형 원통형 전지와 같이 공간상의 문제가 있는 경우, 내부 가스의 배출 및 단락을 구현할 수 있는 캡 어셈블리를 개선하여 안정성을 향상시키려는 시도는 없었다.
한편, 한국 공개특허공보 제2017-0022702호는 가스 방출이 용이한 캡 조립체에 대한 것으로, 온도에 따라 신축하는 상승유도부가 안전벤트에 형성되어 있는 구성을 명시하고 있어, 안전벤트에 접해 있는 탄성부재의 구성을 개시되어 있어 일부 대응되나, 안전벤트와 탑 캡 사이에 탄성부재가 추가되어 있는 원통형 이차전지의 구성을 명시하고 있는 기술이 아니기에 차이가 있다.
한국 공개특허공보 제2011-0030043호에서는 안전벤트의 중앙부를 하향 만입되어 있는 만입부로 명시하고 있으며, 만입부를 형성하는 상절곡, 하절곡 부위에 각각 제1 노치, 제2 노치가 형성되어 있는 구성을 명시하고 있어, 제1, 2 노치부가 형성되어 있으며 중심부에 비해 상향 절곡되어 형성되어 있는 안전벤트의 구성을 개시하고 있어 일부 대응되나, 안전벤트와 탑 캡 사이에 탄성부재가 추가되어 있는 원통형 이차전지의 구성을 명시하고 있는 기술이 아니기에 차이가 있다.
일본 등록특허공보 제3160977호에서는 폭발 방지판은 중앙이 요함한 원형 판상체로서, 환상 베이스부, 환상 베이스부의 내측테두리에서 보다 아래로 경사 연신하는 만곡부 및 만곡부의 단부에 위치된 요함부을 가지며 환상 베이스부와 만곡부의 연결 부위에는 폐색한 원형요흔이 형성된 것이 개시되어 일부 대응되나, 안전벤트와 탑 캡 사이에 탄성부재가 추가되어 있는 원통형 이차전지의 구성을 명시하고 있는 기술이 아니기에 차이가 있다.
일본 공개특허공보 제2001-345123호에서는 발전 요소를 수납하는 개구부를 가지는 외장 캔과 이 개구부를 기밀하게 밀봉하는 밀봉체로 구성되는 전지 케이스를 구비한 밀폐형 축전지로서, 상기 전지 케이스 내에 전지 내압이 상승함으로써 저항값이 연속적으로 변화하는 감압 도전성 고무를 구비하고 있음과 동시에, 상기 감압 도전성 고무에 접속된 리드가 상기 전지 케이스부터 외부에 연장해 배설되어 있고 상기 전지 케이스부터 외부에 연장해 배설된 상기 리드에서 압력 검출 신호를 출력하도록 한 것을 특징으로 하는 밀폐형 축전지가 개시되어 있어 일부 대응되나, 안전벤트와 탑 캡 사이에 탄성부재가 추가되어 있는 원통형 이차전지의 구성을 명시하고 있는 기술이 아니기에 차이가 있다.
이와 같이, 이차전지 특히, 초소형 원통형 이차전지에 사용되는 탑 캡 전극어셈블리의 경우, 공간상의 한계로 인해 전지의 비정상 상태에서 단락 구성을 위한 부품을 사용하지 못하면서 이차전지에 단락 시스템을 구현하지 못하는 문제가 발생하여 전지의 성능에 문제를 일으키는 바, 이에 대한 근본적인 해결을 위하여 탑 캡과 안전벤트의 구성을 개선하여 이차전지의 전지셀에 문제가 발생시 벤트가 열리면서 가스는 배출되면서 단락도 형성하는 전지 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차전지 기술은 제시된 바가 없다.
한국 공개특허공보 제2017-0022702호 한국 공개특허공보 제2011-0030043호 일본 등록특허공보 제3160977호 일본 공개특허공보 제2001-345123호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주된 목적은 캔 내부의 온도가 상승하더라도 안전벤트를 개방시켜 캔 내부의 가스와 함께 고온의 열원을 외부로 방출하고, 단락을 유도하여 이에 사고를 미연에 방지하는 캡 조립체를 제공 목적이 있다.
또한, 종래의 안전밴트와 탑 캡 사이에 탄성부재를 형성하여 전지셀 이상시 가스를 외부로 방출하면서 단락을 유도하면서 공간도 절약할 수 있는 캡 조립체 및 이를 포함하는 이차전지를 제공하는데 추가적인 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 최상단에 외향 돌출 구조로 전극 단자를 형성하는 탑 캡(top cap); 상면의 일부는 상기 탑 캡과 연결되고 하면의 일부는 전극조립체의 전극리드와 연결되며, 전지셀 내부 가스 발생시 파단되면서 가스를 배출하는 안전벤트; 상기 탑 캡과 안전벤트 사이에 안전벤트의 파단과 가스 배출을 가이드 하는 압력에 따라 신축하는 탄성부재;를 포함하는 원통형 이차전지용 전지캔의 상단에 탑재되는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한, 상기 안전벤트는 상기 전극리드와 연결되는 중심부, 상기 중심부의 외주변으로부터 상향 절곡되어 배치되는 경사부, 및 상기 경사부의 외주에 절곡되어 배치되는 평면부를 포함하며, 상기 중심부와 상기 경사부 사이에는 제 1 노치부가 형성되어 있고, 상기 경사부와 상기 평면부 사이에는 제 2 노치부가 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 1 노치부의 두께는 제 2 노치부의 두께에 비해 상대적으로 더 작게 형성할 수 있다.
또한, 상기 안전벤트의 파단은 상기 중심부와 상기 경사부가 완전히 분리될 수 있다.
또한, 상기 탄성부재는 전지셀 내부 압력 증가시 수축되고, 상기 안전벤트의 파단시 원상태로 복원될 수 있다.
또한, 상기 무지부 전극탭과 용접되는 전극리드는 하단부는 상기 일정 거리만큼 타발하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 노치부의 두께(N1) 대 제 2 노치부의 두께(N2)의 비(N1/ N2)는 1 미만 내지 0.01일 수 있다.
또한, 상기 중심부와 상기 경사부가 이루는 각(α)은 1°도 초과 내지 90°도 미만일 수 있다.
또한, 상기 탑 캡 및 상기 안전벤트 사이에 형성된 상기 탄성부재의 최대두께(E1)대 최소두께(E2)의 비(E2/ E1)는 1 미만 내지 0.01일 수 있다.
또한, 상기 탄성부재는 부타디엔 또는 이소프렌계 고무를 포함하는 고분자 소재일 수 있다.
또한, 상기 캡 어셈블리를 포함하는 이차전지는 젤리롤형인 것을 특징으로 하는 이차전지일 수 있다.
또한, 상기 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스일 수 있다.
또한, 상기 디바이스는 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 탑 캡과 안전벤트 사이에 형성된 탄성부재를 포함하는 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차전지에 의하면, 조립체에 상승유도부를 포함함으로써, 캔 내부의 가스압력 또는 고온의 열원이 발생하더라도 캡 조립체의 안전벤트를 개방시켜 가스 또는 고온의 열원을 외부로 신속하게 방출하며, 이에 안전사고를 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 탄성부재를 마련함으로써 고압에 압축되면서 안전벤트를 상승시켜서 안전벤트에 형성된 절개부를 쉽게 개방할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 탄성부재를 구비함으로써 상기 안전벤트를 개방시킴과 동시에 다시 탄성부재가 원상태로 복원되면서 단락을 형성하여 2차적인 위험을 억제할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 원통형 이차전지의 안전벤트의 노치가 파단되는 형상을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄성부재가 형성된 원통형 이차전지의 노치가 파단되는 형상을 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성부재가 형성된 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 탄성부재의 파단 및 단락 형성시 형상 변화를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 종래 원통형 이차전지의 안전벤트의 노치가 파단되는 형상을 도시한 개념도이다.
종래에는 전극조립체, 전해액(미도시), 상기 전극조립체와 전해액이 개구부를 통해 수용되는 캔, 및 상기 캔의 개구부에 실장되는 캡 조립체를 포함한다.
여기서 캡 조립체는 캔의 개구부에 실장되면서 캔을 밀폐하는 것으로, 캔의 개구부 상부에 구비되는 탑 캡, 탑 캡의 하부에 구비되는 안전 소자, 안전 소자의 하부에 구비되고 절개부가 형성된 안전벤트, 안전벤트의 하부에 구비되는 다운 캡, 탑 캡, 안전 소자, 안전벤트 및 다운 캡의 테두리를 감싸고 캔의 개구부에 실장되는 가스켓을 포함할 수 있다.
상기 전지셀의 이상 상태로 내압 발생시 안전벤트에 형성된 노치가 끊어지면서 가스 배출 통로가 형성되어 전지셀에서 발생된 가스를 외부로 배출한다.
그러나 이러한 종래의 이차전지 안전벤트 구성의 경우, 가스 배출 통로는 형성되나 양극단자의 전류 경로는 차단되지 않는 문제점이 있다.
도 1의 경우, 330도 노치는 벤트가 완전히 끊어지는 것을 막아주는데, 완전히 끊어지는 경우 중심부 벤트의 거동이 자유로워져 재접촉으로 인한 스파크등이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
상기 밴트부의 두께는 밴트부의 소재에 따라 달라질 수 있으므로 특별히 한정되지는 않으나, 바람직하게는 0.15 내지 0.4 mm일 수 있다. 상기 밴트부의 두께는 안전밴트의 기계적 강성, 탄성력 등에 영향을 미치며, 밴트부의 두께가 두꺼워질수록, 상기 안전밴트가 전지케이스 내부에서 차지하는 공간이 커지면서 전지의 용량이 감소할 수 있다. 반대로, 상기 밴트부의 두께가 너무 얇을 경우 소망하는 기계적 강성 등을 나타내지 못하고 약한 외부 충격에 의해서도 파괴될 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 상기 밴트부는 소재의 두께가 두꺼울수록 높은 기계적 강성을 지닐 수 있지만, 전지의 용량이 감소하는 문제점이 발생할 수 있으므로, 이러한 점들을 복합적으로 고려하여, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 상기 범위 내에서 적절히 결정할 수 있음은 자명하다.
상기 캡 어셈블리는 안전밴트와 하나 이상의 가스 배출구가 형성되어있는 탑캡의 적층 구조로 이루어져 있고, 상기 적층 구조체의 외주면에 가스켓이 장착되어 있어서, 안전밴트는 전지의 내압 증가시 상부로 역전 변형되면서 고압 가스를 배출할 수 있으나, 전류를 차단함으로써 전지의 안전성을 크게 향상시키는 구조 형성에는 한계가 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄성부재가 형성된 원통형 이차전지의 노치가 파단되는 형상을 도시한 개념도이다.
도 2는 탑 캡 중심부에 탄성부재의 절연체 구조물을 추가 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성부재는 내압발생시 노치의 파단에 의한 전지셀에서 발생한 가스를 벤트시키면서 변형이 되며, 압축이 되다가 벤트 노치가 끊어지면서 벤트 중심부와 함께 원상태로 복귀하고, 벤트 경계부는 뒤집혀 있도록 형성될 수 있다.
이러한 구성으로부터 벤트 노치를 완전히 열리게 함으로써 단락과 가스배출이 동시에 이루어지게 할 수 있다.
안전밴트의 밴트부는, 바람직하게는, 중앙부가 하향 만입된 형상으로 되어 있고, 상기 만입부를 형성하는 경사부의 상절곡 부위 및 하절곡 부위에는 각각 제 1 노치 및 제 2 노치가 형성되어 있으며, 상기 제 1 노치는 폐곡선을 이루고 있고, 하부에 형성되는 제 2 노치는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있으며, 제 2 노치는 제 1 노치보다 깊게 파여 있고, 상기 안전밴트의 상단에는 전지 내부의 압력 상승시 압축되었다가 노치가 파단되면서 원 상태를 형태를 복귀하여 양극리드를 완전히 단락시키는 구조일 수 있다.
따라서, 전지 내부의 압력이 비정상적으로 상승하면, 가압된 가스는 탄성부재가 상부에 형성된 안전밴트에 압력을 가하게 되고, 그러한 압력에 의해 안전밴트는 중싱부인 하향 만입부가 들려 올려지면서 경사부와 중심부에 형성된 제 1 노치부에 파단력이 발생하게 된다.
상기 제 1노치부에 일정한 파단력을 형성하는 가스 압력이상에서 상기 경사부와 상기 중심부가 용이하게 분리되어 전지셀에서 발생하는 가스를 배출하게된다.
또한, 상기 파단이 발생한 후, 압력에 의해 수축되었던 탄성부재는 가스 배출로 인해 압력이 낮아지면서 초기 형상으로 복원되면서 안전밴트로의 통전을 차단하게 된다.
상기 안전벤트에는 가스의 배출을 위한 하나 또는 그 이상의 관통구를 포함하고 있고, 안전밴트의 만입부의 상단에 부착되어 있는 상향 돌출된 탄성부재가 중앙에 형성되어 있으며, 상기 안전벤트의 하부에는 젤리-롤의 양극에 연결되어 있는 양극 리드가 상기 탄성부재가 형성된 안전벤트의 하부에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 탄성부재를 중심으로 동심원상으로 3 내지 5 개의 관통홀과 상기 관통홀을 연결하며 노치가 형성되어 있는 브릿지가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 또한 상기 탄성부재를 포함하는 안전밴트가 있는 초소형 원통형 이차전지를 제공한다.
일반적으로 젤리-롤형 전극조립체의 양극 호일에 용접되어 있는 양극 탭은 캡 어셈블리에 용접되어 전지 상단의 돌출 단자에 연결되며, 음극 호일에 용접되어 있는 음극 탭은 전지케이스(원통 캔)의 하단에 용접되어 캔 자체가 음극 단자를 구성한다. 이와 같은 탑재가 이루어진 상태에서 전해액이 주입되고, 캔의 개방 상단을 밀봉하면 원통형 전지가 완성된다. 상기 원통형 캔의 소재는, 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는, 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 전지는 바람직하게는 높은 에너지 밀도, 2방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다. 그러한 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 상기 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.
양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 양극 활물질로서의 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 바인더를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 음극 활물질로서 탄소 활물질과 도전재 및 바인더를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.
최상단에 외향 돌출 구조로 전극 단자를 형성하는 탑 캡(top cap); 상면의 일부는 상기 탑 캡과 연결되고 하면의 일부는 전극조립체의 전극리드와 연결되며, 전지셀 내부 가스 발생시 파단되면서 가스를 배출하는 안전벤트; 상기 탑 캡과 안전벤트 사이에 안전벤트의 파단과 가스 배출을 가이드 하는 압력에 따라 신축하는 탄성부재;를 포함하는 원통형 이차전지용 전지캔의 상단에 탑재되는 캡 어셈블리를 제공한다.
또한, 상기 안전벤트는 상기 전극리드와 연결되는 중심부, 상기 중심부의 외주변으로부터 상향 절곡되어 배치되는 경사부, 및 상기 경사부의 외주에 절곡되어 배치되는 평면부를 포함하며, 상기 중심부와 상기 경사부 사이에는 제 1 노치부가 형성되어 있고, 상기 경사부와 상기 평면부 사이에는 제 2 노치부가 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄성부재가 형성된 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지의 탄성부재의 파단 및 단락 형성시 형상 변화를 도시한 도면이다.
도 4의 (a)와 같이 이차전지의 정상상태의 경우, 안전벤트의 중심부에 형성된 탄성부재는 탑 캡과의 사이에 원래의 두께(E1)을 갖으면 형성되나, 전지셀의 이상상태로 인해 가스발생으로 인한 내압이 상승됨에 따라, (b)와 같이 상기 중심부에 형성된 탄성부재가 압축되면서 안전벤트의 형상이 변형되기 시작한다. 전지셀에서 발생한 가스가 증가함에 따라 상기 중심부와 경계부에 형성된 제 1 노치부가 끊어질 수 있는 파단력을 발생하게 되며 이 때 탄성부재(c)의 두께(E2)는 최소가 된다. 최종적으로 상기 중심부와 상기 경사부의 제 1 노치부의 파단으로 전지의 내부압력은 낮아지게된고 압력 증가에 따라서 형태가 수축되었던 탄성부재는 원래의 상태로 복귀하게 되며(d), 이에 따라서, 안전벤트의 중심부의 하단에 형성된 양극리드가 완전히 단락되어 비정상 접촉으로 인한 문제를 배제할 수 있다.
또한, 상기 제 1 노치부의 두께는 제 2 노치부의 두께에 비해 상대적으로 더 작게 형성할 수 있다.
또한, 상기 안전벤트의 파단은 상기 중심부와 상기 경사부가 완전히 분리될 수 있다.
또한, 상기 탄성부재는 전지셀 내부 압력 증가시 수축되고, 상기 안전벤트의 파단시 원상태로 복원될 수 있다.
또한, 상기 무지부 전극탭과 용접되는 전극리드는 하단부는 상기 일정 거리만큼 타발하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 노치부의 두께(N1) 대 제 2 노치부의 두께(N2)의 비(N1/ N2)는 1 미만 내지 0.01일 수 있다. 바람직하게는 0.8 내지 0.4일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.7 내지 0.6일 수 있다. 상기 범위를 벗어나면 원할한 벤트를 위한 제1노치부의 파단 및 제2노치부의 유지효과를 얻을 수 없다.
또한, 상기 중심부와 상기 경사부가 이루는 각(α)은 1°도 초과 내지 90°도 미만일 수 있다. 바람직하게는 20 도 내지 70도 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30도 내지 50도 일 수 있다. 상기 범위를 벗어나면 제1노치부의 파단 및 제2노치부의 꺽임으로 인한 원할한 벤트 및 단락효과를 얻을 수 없다.
또한, 상기 탑 캡 및 상기 안전벤트 사이에 형성된 상기 탄성부재의 최대두께(E1)대 최소두께(E2)의 비(E2/ E1)는 1 미만 내지 0.01일 수 있다. 바람직하게는 0.3 내지 0.5일 수 있다. 상기 범위를 벗어나면 원할한 벤트 및 단락이 일어나지 않는다.
또한, 상기 탄성부재는 부타디엔 또는 이소프렌계 고무를 포함하는 고분자 소재일 수 있다.
또한, 상기 캡 어셈블리를 포함하는 이차전지는 젤리롤형인 것을 특징으로 하는 이차전지일 수 있다.
또한, 상기 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스일 수 있다.
또한, 상기 디바이스는 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스일 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 캔
110: 상부 비딩부
200: 전극조립체
210: 양극리드
300: 캡 어셈블리
310: 탑 캡
320: 안전벤트
321: 중심부
322: 경사부
323: 제1노치부
324: 제2노치부
325: 평면부
400: 가스켓
500: 탄성부재

Claims (12)

  1. 최상단에 외향 돌출 구조로 전극 단자를 형성하는 탑 캡(top cap);
    상면의 일부는 상기 탑 캡과 연결되고 하면의 일부는 전극조립체의 전극리드와 연결되며, 전지셀 내부 가스 발생시 파단되면서 가스를 배출하는 안전벤트;
    상기 탑 캡과 안전벤트 사이에 안전벤트의 파단과 가스 배출을 가이드 하는 압력에 따라 신축하는 탄성부재;를 포함하는 원통형 이차전지용 전지캔의 상단에 탑재되는 캡 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트는 상기 전극리드와 연결되는 중심부, 상기 중심부의 외주변으로부터 상향 절곡되어 배치되는 경사부, 및 상기 경사부의 외주에 절곡되어 배치되는 평면부를 포함하며, 상기 중심부와 상기 경사부 사이에는 제 1 노치부가 형성되어 있고, 상기 경사부와 상기 평면부 사이에는 제 2 노치부가 형성된 캡 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 노치부의 두께는 제 2 노치부의 두께에 비해 상대적으로 더 작게 형성되는 캡 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트의 파단은 상기 중심부와 상기 경사부가 완전히 분리되는 것인 캡 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성부재는 전지셀 내부 압력 증가시 수축되고, 상기 안전벤트의 파단시 원상태로 복원되는 캡 어셈블리.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제 1 노치부의 두께(N1) 대 제 2 노치부의 두께(N2)의 비(N1/ N2)는 1 미만 내지 0.01인 캡 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중심부와 상기 경사부가 이루는 각(α)은 1°도 초과 내지 90°도 미만인 캡 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탑 캡 및 상기 안전벤트 사이에 형성된 상기 탄성부재의 최대두께(E1)대 최소두께(E2)의 비(E2/ E1)는 1 미만 내지 0.01인 캡 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄성부재는 부타디엔 또는 이소프렌계 고무를 포함하는 고분자 소재인 캡 어셈블리.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리를 포함하는 이차전지는 젤리롤형인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 디바이스는 전자기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 저장장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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