KR20190041294A

KR20190041294A - 안전 벤트

Info

Publication number: KR20190041294A
Application number: KR1020170132722A
Authority: KR
Inventors: 이병국; 김도균; 정상석; 신항수; 민건우; 이병구; 김찬배
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-04-22
Also published as: KR102394496B1

Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 안전 벤트는 원통형 전지 캔의 개방부의 내주면을 따라 설치되는 가스켓에 외측이 삽입되고, 원반 고리 형상을 가지는 주변부; 상기 주변부의 내측으로부터 상방을 향해 1차 절곡되고 소정의 높이로 연장된 제1 절곡부와, 상기 제1 절곡부로부터 상기 원통형 전지 캔의 중심축을 향해 2차 절곡되어 연장된 제2 절곡부를 포함하는 힌지부; 상기 힌지부의 내측으로부터 상기 원통형 전지 캔의 중심축을 향해 연장되는 중심부를 포함한다.

Description

안전 벤트{The Safety Vent}

본 발명은 안전 벤트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탑 캡의 유무 및 형상, 조립 공차 등에 상관없이 변형되는 내압의 크기가 일정하게 유지됨으로써, 안전성의 확보를 담보하는 안전 벤트에 관한 것이다.

물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하게 되는 전지(Cell, Battery)는 각종 전자 기기로 둘러싸여 있는 생활 환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못하거나 직류전원이 필요할 경우 사용하게 된다.

이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학 전지인 일차 전지와 이차 전지가 일반적으로 많이 사용되고 있는데, 일차 전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지이다. 즉, 전류에 의해 소재에 대한 환원 반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화 반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성된다.

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 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.

리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층되어 형성된다. 그리고 이들의 재료는 전지수명, 충방전 용량, 온도특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다. 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극의 흑연 전극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.

일반적으로 양극/분리막/음극의 3층 구조, 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 5층 구조로 적층된 단위 셀들이 모여, 하나의 전극 조립체가 된다. 전극 조립체는 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤 형(Jelly-Roll Type)과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형(Stack Type) 등으로 분류된다. 그리고 이러한 전극 조립체는 특정 케이스에 수용된다.

이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 형태가 일정하지 않은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 형태가 일정한 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.

이러한 캔 형(Can Type) 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 케이스가 다각면체의 형상을 가지는 각 형(Prismatic Type), 케이스가 원기둥의 형상을 가지는 원통형(Cylinder Type) 등으로 분류된다.

도 1은 종래의 원통형 이차 전지(2)의 캡 조립체(21)의 부분 단면도이다.

일반적으로 원통형 이차 전지(2)는 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형 전지 캔(12), 전지 캔(12)의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(13), 전지 캔(12)의 상부에 결합되는 캡 조립체(21), 캡 조립체(21)를 장착하기 위해 전지 캔(12)의 선단에 마련된 비딩부(14) 및 전지를 밀봉하기 위한 크림핑부(15)를 포함한다.

전극 조립체(13)는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 젤리-롤 형태로 권취된 구조이며, 양극에는 양극 리드(131)가 부착되어 캡 조립체(21)에 접속되어 있고, 음극에는 음극 리드(미도시)가 부착되어 전지 캔(12)의 하면에 접속되어 있다.

캡 조립체(21)는 양극 단자를 형성하는 탑 캡(211), 전지 내부의 온도 상승시 저항이 증가하여 전류를 차단하는 안전 소자(212), 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하고 내부의 기체를 배기하는 안전 벤트(213), 특정 부분을 제외하고 안전 벤트(213)를 전류차단부재(215)로부터 전기적으로 분리시키는 절연부재(214), 양극에 연결된 양극 리드(131)가 접속되어 있는 전류차단부재(215)가 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 그리고, 이러한 캡 조립체(21)는 가스켓(216)에 장착된 상태로 전지 캔(12)의 비딩부(14)에 설치된다. 따라서, 정상적인 작동 조건에서 전극 조립체(13)의 양극은 양극 리드(131), 전류차단부재(215), 안전 벤트(213) 및 안전 소자(212)를 경유하여 탑 캡(211)에 연결되어 통전을 이룬다.

도 2는 도 1의 이차 전지(2)용 캡 조립체(21)의 안전 벤트(213)가 변형된 모습을 나타낸 부분 단면도이다.

만약, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전극 조립체(13)쪽으로부터 기체가 발생하여 내압이 증가하면, 안전 벤트(213)는 그 형상이 역전되면서 상방으로 변형된다. 이 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 전류차단부재(215)가 파열됨으로써, 안전 벤트(213)가 전류차단부재(215)로부터 분리되어 전류가 차단된다. 따라서, 충방전이 더 이상 진행되지 않아 이차 전지(2)의 안전성이 확보될 수 있다. 나아가, 이차 전지(2)의 내압이 더욱 증가하면, 도 2에 도시된 바와 같이 안전 벤트(213)도 파열되고, 내부의 기체는 파열 부위(f) 및 탑 캡(211)의 기체 구멍(2111)을 통해 배기됨으로써 전지의 폭발이 방지될 수 있다. 따라서 안전 벤트(213)에는 전지 캔(12)의 내압 증가 시에 변형 및 파열이 용이하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 노치부(2131)가 포함될 수 있다.

그런데 종래의 이차 전지(2)용 캡 조립체(21)의 안전 벤트(213)는, 상방에 배치된 탑 캡(211)이 안전 벤트(213)의 주변부를 지지하여 힌지부 역할을 함에 따라, 상기 노치부(2131)를 중심으로 변형이 될 수 있다. 따라서, 상기 탑 캡(211)의 유무 및 형상, 조립 공차 등에 따라서 상기 안전 벤트(213)가 변형되는 내압의 크기가 일정하지 않았다. 따라서, 안전 벤트(213)가 변형될 때의 내압을 예측할 수가 없어, 안전성의 확보가 확실히 담보되지 않는 문제가 있었다.

일본공개공보 제1998-505457호 한국공개공보 제2008-0094062호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 탑 캡의 유무 및 형상, 조립 공차 등에 상관없이 변형되는 내압의 크기가 일정하게 유지됨으로써, 안전성의 확보를 담보하는 안전 벤트 및 그를 포함하는 이차 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

또한, 상기 소정의 높이는, 0.01mm 내지 1mm 일 수 있다.

또한, 상기 제1 절곡부는, 상기 주변부의 내측으로부터 상방을 향해 수직으로 절곡될 수 있다.

또한, 상기 제1 절곡부는, 상기 주변부의 내측으로부터 예각을 이루며 절곡될 수 있다.

또한, 상기 제1 절곡부는, 상기 주변부의 내측으로부터 둔각을 이루며 절곡될 수 있다.

또한, 상기 제2 절곡부는, 하면에서 상방으로 함몰되어 형성된 노치부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 노치부는, 상기 1차 절곡된 하면으로부터 소정의 거리가 이격된 위치에 형성될 수 있다.

또한, 상기 소정의 거리는, 0.01mm 내지 1mm 일 수 있다.

또한, 상기 제2 절곡부는, 소정의 기울기를 가지며 연장될 수 있다.

또한, 상기 소정의 기울기는, 15도 내지 45도일 수 있다.

또한, 상기 주변부, 상기 힌지부 및 상기 중심부는, 일체로 형성될 수 있다.

또한, 상기 주변부와 상기 중심부는, 동일 평면상에 배치될 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

탑 캡의 유무 및 형상, 조립 공차 등에 상관없이 안전 벤트가 변형되는 내압의 크기가 일정하게 유지됨으로써, 안전성의 확보를 담보할 수 있다.

또한, 탑 캡의 유무에 상관없이 변형 압력이 일정하므로, 탑 캡이 포함되는 이차 전지 및 탑 캡이 포함되지 않는 이차 전지에 모두 사용될 수 있어 범용성을 확보할 수 있다.

또한, 탑 캡이 포함되지 않는 이차 전지에 사용될 수 있으므로, 공간 활용도가 증가하여 전체 용량이 증가할 수 있다.

또한, 이차 전지를 제조하는데 필요한 부품 수 및 공정 수를 감소시키므로, 원가를 절감할 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 종래의 원통형 이차 전지의 캡 조립체의 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지용 캡 조립체의 안전 벤트가 변형된 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안전 벤트를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안전 벤트를 나타낸 개략도이다.
도 6는 도 3의 안전 벤트가 장착된 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 캡 조립체의 부분 단면도이다.
도 7는 도 6의 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 내부에서 기체가 발생하여 내압이 증가한 경우, 도 3의 안전 벤트가 형상이 역전되는 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트의 주변부의 상면에 탑 캡이 형성된 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트의 주변부의 상면에 안전 소자가 형성된 모습을 나타낸 부분 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트(113)를 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안전 벤트(113)를 나타낸 개략도이며, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안전 벤트(113)를 나타낸 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트(113)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 원반 고리 형상을 가지는 주변부(1131), 상방을 향해 절곡되어 일부분이 돌출된 형상을 가지는 힌지부(1132) 및 상기 힌지부(1132)의 내측으로부터 중심을 향해 연장되는 중심부(1135)를 포함한다.

주변부(1131)는 원반 고리 형상을 가진다. 그리고 주변부(1131)의 최외측 모서리를 기준으로 측정한 크기가, 전지 캔(12)의 개방부의 크기와 대응된다. 구체적으로는, 주변부(1131)의 크기가 전지 캔(12)의 개방부의 크기보다, 크림핑 가스켓(116)의 두께만큼 작다. 따라서 하기 기술할 바, 전지 캔(12)의 개방부의 내주면을 따라 크림핑 가스켓(116)이 설치되면, 상기 주변부(1131)의 외측은 상기 크림핑 가스켓(116)에 밀착되며 삽입된다. 따라서, 상기 전지 캔(12)의 개방부를 밀폐할 수 있다. 이러한 주변부(1131)의 최외측 모서리를 기준으로 측정한 크기는 대략 15mm 내지 25mm, 특히 19.5mm인 것이 바람직하다.

힌지부(1132)는 상기 주변부(1131)로부터 상방을 향해 절곡되어 일부분이 돌출된 형상을 가진다. 그럼으로써, 이차 전지(1)의 내압이 상승하여 안전 벤트(113)의 형상이 역전되면서 상방으로 변형될 때, 상기 힌지부(1132)를 기준으로 변형된다. 따라서, 탑 캡(111)의 유무 및 형상, 조립 공차 등에 상관없이 안전 벤트(113)가 변형되는 내압의 크기가 일정하게 유지됨으로써, 안전성의 확보를 담보할 수 있다.

구체적으로, 힌지부(1132)는 도 3에 도시된 바와 같이, 주변부(1131)의 내측으로부터 상방을 향해 1차 절곡되고 소정의 높이로 연장된 제1 절곡부(1133) 및 상기 제1 절곡부(1133)로부터 상기 원통형 전지 캔(12)의 중심축을 향해 2차 절곡되어 연장된 제2 절곡부(1134)를 포함한다. 이 때, 상기 제1 절곡부(1133)가 연장되는 소정의 높이는 0.01mm 내지 1mm, 특히 0.3mm 인 것이 바람직하다. 제2 절곡부(1134)는 둔각으로 2차 절곡되어, 제1 절곡부(1133)와는 예각을 이루는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 제2 절곡부(1134)는 소정의 기울기를 가지며 중심을 향해 연장될 수 있다. 상기 소정의 기울기는 제한되지 않으나, 대략 15도 내지 45도인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 절곡부(1133)가 상방을 향해 1차 절곡될 때, 상기 주변부(1131)의 내측으로부터 대략 수직으로 절곡되는 것이 바람직하다. 다만, 이에 제한되지 않고 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 절곡부(1133)가 상기 주변부(1131)의 내측으로부터 대략 예각을 이루며 절곡될 수 있다. 상기 예각은 제한되지 않으나, 45도 내지 80도일 수 있다. 또는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 절곡부(1133)가 상기 주변부(1131)의 내측으로부터 대략 둔각을 이루며 절곡될 수 있다. 상기 둔각은 제한되지 않으나, 100도 내지 135도일 수 있다. 즉, 제1 절곡부(1133)는 제한되지 않고, 상기 주변부(1131)의 내측으로부터, 상방을 향해 다양한 각도로 1차 절곡될 수 있다.

중심부(1135)는 상기 힌지부(1132)의 내측, 특히 제2 절곡부(1134)로부터, 상기 원통형 전지 캔(12)의 중심축을 향해 연장되어 형성된다. 그리고 중심부(1135)의 하면은, 안전 벤트(113)가 전지 캔(12)에 설치되면 전류차단부재(115)와 연결된다. 따라서, 중심부(1135)는 상기 힌지부(1132)보다 하방에 배치되어야 한다. 이에, 상기 제2 절곡부(1134)가 소정의 기울기로 연장되며 형성되는 것이다.

상기 중심부(1135)는 기울기를 가지지 않고 형성된다. 따라서, 중심부(1135)는 주변부(1131)와 동일 평면상에 배치될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 중심부(1135)가 주변부(1131)보다 더 하방으로 돌출되어 배치되는 등 다양하게 배치될 수 있다.

상기 기술한 안전 벤트(113)의 주변부(1131), 힌지부(1132) 및 중심부(1135)는 동일한 재질로 일체로 형성될 수 있다. 그러나, 각각의 구성들이 별도로 제조된 후에 조립되어 형성될 수도 있다. 나아가, 각각의 구성들이 별개의 재질로 제조될 수도 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트(113)는, 제한되지 않고 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 그리고, 주변부(1131), 힌지부(1132) 및 중심부(1135)는 모두 두께가 항상 일정한 것이 바람직하다. 다만, 이에 제한되지 않고, 구성마다 두께가 상이할 수도 있는 등 다양한 두께로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트(113)는 노치부(1136)를 더 포함할 수 있다. 상기 기술한 바와 같이, 이차 전지(1)의 내부 압력이 증가하면 안전 벤트(113)가 변형되고 전류차단부재(115)가 파열됨으로써 내부에 흐르는 전류가 차단된다. 그리고 내부에 기체가 더욱 증가하여 내부 압력이 더욱 증가하면, 안전 벤트(113)도 파열되어 내부의 기체가 외부로 배기된다. 이 때, 상기 노치부(1136)가 안전 벤트(113)에 함몰되어 형성됨으로써, 상기 안전 벤트(113)는 노치부(1136)를 중심으로 더욱 용이하게 파열될 수 있다. 도 3에는 제2 절곡부(1134)에서 2차 절곡된 후 중심을 향해 연장된 부분에, 노치부(1136)가 형성된 것으로 도시되어 있다. 그리고 노치부(1136)는, 1차 절곡되어 수직면을 형성한 하면으로부터 대략 0.01mm 내지 1mm 이격된 위치에 형성되는 것이 바람직하며, 특히 0.5mm 이격된 위치에 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 그러나, 이에 제한되지 않고, 노치부(1136)는 2차 절곡된 부분에 형성될 수도 있는 등 다양한 위치에 형성될 수 있다.

또한, 도 3에는 노치부(1136)는 힌지부(1132)의 제2 절곡부(1134) 상에, 하면에서 상방을 향해 함몰되어 형성된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이에 제한되지 않고, 노치부(1136)는 힌지부(1132)의 제2 절곡부(1134) 상에, 상면에서 하방을 향해 함몰되어 형성되는 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.

노치부(1136)는 링 형상으로 형성될 수 있다. 캡 조립체(11)는 원통형 전지 캔(12)의 개방부를 밀폐하기 위해, 원통형 전지 캔(12)의 개방부와 대응되는 원반 형상을 가진다. 따라서, 상기 노치부(1136)도 캡 조립체(11)에 대응되도록 링 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 노치부(1136)는 하나의 홈이 연속적으로 이어진 링 형상으로 형성될 수도 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 노치부(1136)는 복수의 홈이 소정의 간격으로 이격되면서, 전체적으로는 링 형상으로 형성될 수도 있고, 또는 상기 링 형상이 복수로 형성되어 동심원을 이루는 등 다양하게 형성될 수 있다.

도 6는 도 3의 안전 벤트(113)가 장착된 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지(1)의 캡 조립체(11)의 부분 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)는 도 6에 도시된 바와 같이, 전지 캔(12), 전지 캔(12)의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(13), 전지 캔(12)의 상부에 결합되는 캡 조립체(11), 캡 조립체(11)를 장착하기 위해 전지 캔(12)의 선단에 마련된 비딩부(14) 및 전지를 밀봉하기 위한 크림핑부(15)를 포함한다.

상기 전극 조립체(13)는, 양극판 및 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치되어 전지 캔(12)에 수납된다. 이 때, 전극 조립체(13)는 젤리 롤 형태로 권취되어 형성될 수 있다. 전극 조립체(13)의 전극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성될 수 있으며, 상기 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 전극판들이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있고, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극 리드가 부착될 수 있다. 일반적으로 원통형 이차 전지(1)에서 양극 리드(131)는 전극 조립체(13)의 상단에 부착되어 캡 조립체(11)에 전기적으로 연결되고, 음극 리드는 전극 조립체(13)의 하단에 부착되어 전지 캔(12)의 하면에 연결된다.

한편, 전극 조립체(13)의 상단에는 상부 절연판이 배치될 수 있다. 이러한 상부 절연판은 전극 조립체(13)와 캡 조립체(11) 사이를 절연시키는 역할을 한다.

상기 전지 캔(12)은, 알루미늄, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가질 수 있다. 이러한 전지 캔(12)의 내부 공간에는 상기 전극 조립체(13)와 함께 전해액이 수납된다. 이러한 전지 캔(12)은 원통형으로 형성될 수 있으나, 각형과 같이 원통형 이외의 다양한 형태로 형성될 수 있다.

상기 캡 조립체(11)는 전지 캔(12)의 상단에 형성된 개방부에 결합되어 전지 캔(12)의 개방부를 밀폐시킨다. 이러한 캡 조립체(11)는, 전지 캔(12)의 형태에 따라 원형 또는 각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지 캔(12)이 원통형으로 형성되므로, 이 경우에는 캡 조립체(11)도 이에 대응되는 형상인 원반 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

캡 조립체(11)는 상기 기술한 안전 벤트(113)를 포함하며, 도 6에 도시된 바와 같이, 양극에 연결된 양극 리드(131)가 접속되어 있는 전류차단부재(115)를 더 포함할 수도 있다.

전류차단부재(CID, Current Interrupt Device, 115)는 안전 벤트(113)와 전극 조립체(13) 사이에 위치하여, 전극 조립체(13)와 안전 벤트(113)를 전기적으로 접속시킨다. 구체적으로, 전류차단부재(115)는 상부의 적어도 일부분이 안전 벤트(113)의 중앙에 돌출된 중심부(1135)의 하면에 연결되고, 하부의 적어도 일부분이 전극 조립체(13)의 전극 리드, 특히 양극 리드(131)와 연결된다. 따라서, 정상적인 상태에서는 전극 조립체(13)로부터 생성된 전류가 양극 리드(131)를 거쳐 전류차단부재(115)를 경유하여 안전 벤트(113)로 흐름으로써 이차 전지(1)의 방전이 이루어질 수 있다. 그러나, 이차 전지(1)의 내부에서 발생한 기체로 인하여, 전지의 내압이 증가하여 안전 벤트(113)의 형상이 역전되면, 안전 벤트(113)와 전류차단부재(115) 사이의 연결이 탈착되거나, 전류차단부재(115)가 파열된다. 그럼으로써, 안전 벤트(113)와 전극 조립체(13) 사이의 전기적 접속이 차단되어, 안전성을 확보할 수 있다.

캡 조립체(11)는 도 6에 도시된 바와 같이, 특정 부분을 제외하고 안전 벤트(113)를 전류차단부재(115)로부터 전기적으로 분리시키는 절연부재(114)를 더 포함할 수도 있다.

절연부재(114)는 안전 벤트(113)와 전류차단부재(115) 사이에 개재되어, 안전 벤트(113)의 중앙에 돌출된 중심부(1135)와 전류차단부재(115)가 연결되는 부분을 제외하고는, 전류차단부재(115)와 안전 벤트(113)의 나머지 부분을 서로 전기적으로 절연시킨다.

캡 조립체(11)는 도 6에 도시된 바와 같이, 가스켓(116)을 더 포함할 수 있다.

상기 가스켓(116)은 안전 벤트(113)의 주변부(1131)의 최외각 부분을 포위하여 절연시킨다. 그럼으로써, 안전 벤트(113)에 흐르는 양극과, 전지 캔(12)에 흐르는 음극이 접촉하여 쇼트가 발생하는 것을 방지한다. 가스켓(116)은 안전 벤트(113)의 주변부(1131)를 용이하게 포위하기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이 'ㄷ'자 형태로 절곡될 수 있다. 그리고, 가스켓(116)은 절연성, 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가진 소재, 예를 들어 폴리올레핀(Polyolefine) 또는 폴리프로필렌(PP) 등의 폴리머로 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 가스켓(116)은 절연성이 약화되는 것을 방지하기 위해, 화학 또는 열처리로 절곡되는 것 보다, 기계적 가공으로 절곡되는 것이 바람직하다.

도 7는 도 6의 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지(1)의 내부에서 기체가 발생하여 내압이 증가한 경우, 도 3의 안전 벤트(113)가 형상이 역전되는 모습을 나타낸 부분 단면도이다.

이차 전지(1)는 외부 충격에 의한 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의한 발열과 이로 인한 전해질 분해, 열폭주 현상 등 여러 가지 문제로 안전성을 위협받는다. 특히, 이차 전지(1)의 폭발은 여러 가지 원인에서 비롯되지만 전해질 분해에 따라 이차 전지(1) 내부의 기체 압력 증가도 하나의 원인이 된다. 구체적으로, 이차 전지(1)를 반복적으로 충방전하면, 전해질과 전극 활물질에 의한 전기화학적 반응으로 기체가 발생한다. 이 때, 발생한 기체는 이차 전지(1)의 내부 압력을 상승시켜 부품간의 결합력 약화, 이차 전지(1)의 케이스 파손, 보호회로의 조기 작동, 전극의 변형, 내부 단락, 폭발 등의 문제를 발생시킨다. 따라서, 안전성 확보를 위해, 내압이 증가하면 안전 벤트(113) 및 전류차단부재(115)가 파열되어 내부에 흐르는 전류를 차단하고 내부의 기체가 외부로 배기된다. 이 때, 탑 캡(111)의 유무 및 형상, 조립 공차 등에 따라서 안전 벤트(113)가 변형되는 내압의 크기가 변한다면, 안전 벤트(113)가 변형될 때의 내압을 예측할 수가 없어 안전성의 확보가 확실히 담보되지 않는 문제가 있다.

상기 기술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트(113)는, 상면에 부착된 탑 캡(111)이 힌지부(1132)의 역할을 수행하는 것이 아니라, 자체적으로 힌지부(1132)를 포함한다. 이러한 힌지부(1132)는 상기 주변부(1131)로부터 상방을 향해 절곡되어 일부분이 돌출된 형상을 가진다. 이로써, 이차 전지(1)의 내압이 상승하여 안전 벤트(113)의 형상이 역전되면서 상방으로 변형될 때, 상기 힌지부(1132)를 기준으로 변형된다. 그럼으로써, 탑 캡(111)의 유무 및 형상, 조립 공차 등에 상관없이 안전 벤트(113)가 변형되는 내압의 크기가 일정하게 유지됨으로써, 안전성의 확보를 담보할 수 있다.

또한, 탑 캡(111)의 유무에 상관없이 변형 압력이 일정하므로, 탑 캡(111)이 포함되는 이차 전지(1) 및 탑 캡(111)이 포함되지 않는 이차 전지(1)에 모두 사용될 수 있어 범용성을 확보할 수 있다. 나아가, 탑 캡(111)이 포함되지 않는 이차 전지(1)에 사용될 수 있으므로, 공간 활용도가 증가하여 전체 용량이 증가할 수도 있으며, 이차 전지(1)를 제조하는데 필요한 부품 수 및 공정 수를 감소시키므로, 원가를 절감할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트(113)의 주변부(1131)의 상면에 탑 캡(111)이 형성된 모습을 나타낸 부분 단면도이다.

캡 조립체(11)는 도 8에 도시된 바와 같이, 탑 캡(111)을 더 포함할 수 있다. 탑 캡(111)은 캡 조립체(11)의 최상부에, 상부 방향으로 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성한다. 따라서, 상기 탑 캡(111)은 부하 또는 충전 장치와 같은 외부 장치에 전기적으로 접속될 수 있다. 이러한 탑 캡(111)에는 이차 전지(1)의 내부에서 발생한 기체가 배출되는 기체 구멍(1111)이 형성될 수 있다. 따라서, 전극 조립체(13)로부터 기체가 발생하여 내압이 증가한 경우, 전류차단부재(115) 및 안전 벤트(113)가 파열되고, 내부의 기체는 상기 파열된 부분 및 기체 구멍(1111)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이러한 탑 캡(111)은 스테인리스 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속 재질로 형성될 수 있다.

상기 기술한 바, 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트(113)는 자체적으로 힌지를 포함한다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이 탑 캡(111)이 안전 벤트(113)의 상면에 형성되더라도, 이와 무관하게 안전 벤트(113)가 변형되는 내압의 크기가 일정할 수 있다. 즉, 항상 동일한 내압의 크기일 때, 안전 벤트(113)가 변형될 수 있다.

도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트(113)의 주변부(1131)의 상면에 안전 소자(112)가 형성된 모습을 나타낸 부분 단면도이다.

캡 조립체(11)는 도 9에 도시된 바와 같이, 안전 소자(112)를 더 포함할 수도 있다. 상기 안전 소자(112)는 안전 벤트(113)의 주변부(1131)의 상면과 탑 캡(111)의 사이에 배치되어, 이차 전지(1)가 과열될 때, 전지 내부의 전류의 흐름을 차단한다. 따라서 안전 소자(112)는, 정상적인 상태에서는 탑 캡(111)과 안전 벤트(113)를 전기적으로 연결시킨다. 그러나 비정상 상태, 예를 들어 온도가 비정상적으로 상승 할 때에는, 안전 소자(112)는 탑 캡(111)과 안전 벤트(113) 간의 전기적 연결을 차단시킨다. 이러한 안전 소자(112)는, 예를 들면 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient element)로 형성될 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1, 2: 이차 전지 11, 21: 캡 조립체
12: 전지 캔 13: 전극 조립체
14: 비딩부 15: 클림핑 부위
111, 211: 탑 캡 112, 212: 안전 소자
113, 213: 안전 벤트 114, 214: 절연부재
115, 215: 전류차단부재 116, 216: 가스켓
131: 양극 리드 1131: 주변부
1132: 힌지부 1133: 제1 절곡부
1134: 제2 절곡부 1135: 중심부
1136, 2131: 노치부

Claims

원통형 전지 캔의 개방부의 내주면을 따라 설치되는 가스켓에 외측이 삽입되고, 원반 고리 형상을 가지는 주변부;
상기 주변부의 내측으로부터 상방을 향해 1차 절곡되고 소정의 높이로 연장된 제1 절곡부와, 상기 제1 절곡부로부터 상기 원통형 전지 캔의 중심축을 향해 2차 절곡되어 연장된 제2 절곡부를 포함하는 힌지부;
상기 힌지부의 내측으로부터 상기 원통형 전지 캔의 중심축을 향해 연장되는 중심부를 포함하는 안전 벤트.
제1항에 있어서,
상기 소정의 높이는,
0.01mm 내지 1mm 인, 안전 벤트.
제1항에 있어서,
상기 제1 절곡부는,
상기 주변부의 내측으로부터 상방을 향해 수직으로 절곡되는, 안전 벤트.
제1항에 있어서,
상기 제1 절곡부는,
상기 주변부의 내측으로부터 예각을 이루며 절곡되는, 안전 벤트.
제1항에 있어서,
상기 제1 절곡부는,
상기 주변부의 내측으로부터 둔각을 이루며 절곡되는, 안전 벤트.
제1항에 있어서,
상기 제2 절곡부는,
하면에서 상방으로 함몰되어 형성된 노치부를 더 포함하는, 안전 벤트.
제6항에 있어서,
상기 노치부는,
상기 1차 절곡된 하면으로부터 소정의 거리가 이격된 위치에 형성되는, 안전 벤트.
제7항에 있어서,
상기 소정의 거리는,
0.01mm 내지 1mm 인, 안전 벤트.
제1항에 있어서,
상기 제2 절곡부는,
소정의 기울기를 가지며 연장되는, 안전 벤트.
제9항에 있어서,
상기 소정의 기울기는,
15도 내지 45도인, 안전 벤트.
제1항에 있어서,
상기 주변부, 상기 힌지부 및 상기 중심부는,
일체로 형성되는, 안전 벤트.
제1항에 있어서,
상기 주변부와 상기 중심부는,
동일 평면상에 배치되는, 안전 벤트.