KR20190068049A - 열가소성 수지가 채워진 벤트를 포함하는 이차전지용 전지케이스 - Google Patents

열가소성 수지가 채워진 벤트를 포함하는 이차전지용 전지케이스 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 전지케이스에 벤팅용 노치를 형성하고, 상기 벤팅용 노치에 열가소성 수지를 채움으로써 물리적으로 충격으로부터 전지(케이스)를 보호하면서, 안전성에 영향을 미칠 수 있는 온도와 압력 이상에서만 벤팅부가 작동하는 전지케이스에 관한 것이다.

Description

열가소성 수지가 채워진 벤트를 포함하는 이차전지용 전지케이스 {Secondary Battery Case Having Vent Filled with Thermoplastic Resin}
본원 발명은 벤팅부를 포함하는 전지케이스 및 이를 포함하는 전지에 관한 것으로서, 구체적으로 전지케이스에 벤팅용 노치가 형성되고, 상기 벤팅용 노치에 열가소성 폴리머 수지가 채워진 구조로 이루어진 벤팅부를 포함하는 전지케이스에 관한 것이다.
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.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 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.
이차전지는 과열될 경우 폭발할 수 있기 때문에 이를 예방하는 것이 중요하다. 이차전지 과열의 여러 가지 원인 중 하나가 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우다. 과전류가 흐르면 이차전지가 발열하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 전지 내부의 온도가 상승으로 인해 액체 전해질이 기체로 변하고 이에 따라 전지 내부의 압력이 상승하여 파우치형 케이스가 부풀어오르는 이른바 스웰링(swelling) 현상이 발생한다. 결국 스웰링 현상으로 전지가 변형되어 전지의 단락 또는 폭발이 발생한다.
이차전지는 형태적 차이에도 불구하고, 전지 폭발의 직접적인 원인인 고압을 해소할 수 있는 수단을 기본적으로 구비하고 있다. 원통형 전지는 특정한 구조의 안전판이 캡 어셈블리에 설치되어 있고, 각형 전지는 전지의 캡 또는 케이스에 노치홈이 형성되어 있으며, 파우치형 전지는 별도의 노치홈 없이 라미네이트 시트의 봉합부(밀봉부)가 분리되는 방식으로 고압을 해소하고 있다.
종래 각형 이차전지는 일부 개방형의 노치홈을 전지 케이스의 측면에 포함하고 있다. 노치홈은 케이스의 응력 분포에 있어서 응력 값이 상대적으로 큰 부위에 형성되어 있어서, 전지의 과도한 내압 상승 시 곡선 형상이 파단 되도록 설계되어 있다.
이러한 구조의 노치홈은 전지 내부에서 발생한 고압에 상대적으로 민감하게 반응하는 장점은 있으나, 전지의 설계 시 의도한 압력 임계치를 정확하게 설정해야 하는 문제점이 있다. 케이스의 측면 모서리 부위에는 높은 응력이 가해지므로, 낮은 압력에서도 노치홈의 파단이 쉽게 일어날 수 있으며, 무엇보다 전지 케이스의 두께가 얇은 경우에는 고압에 특히 민감하게 반응하기 때문에 의도하지 않은 파단이 일어나게 된다.
응력 값이 큰 부위에 형성되는 노치홈의 크기 및 깊이는 상대적으로 작게 하는 것이 불가피한데, 노치홈의 크기 및 깊이를 작게 할 경우에는 오히려 노치홈의 파단이 원활하지 않은 문제점이 발생하게 된다.
전지 케이스의 두께, 응력 값에 따른 노치홈의 위치, 노치홈의 형상, 길이, 깊이 등을 종합적으로 고려하여, 내압이 증가하는 경우, 노치홈의 균일한 파단에 의해 신속하게 가스를 배출할 수 있는 각형전지에 대한 연구가 계속 진행되고 있다.
특허문헌 1은 케이스 본체의 수직 중심축 부위에서 잔여 두께(케이스 본체의 두께에서 노치홈의 깊이를 차감한 후의 두께)가 비연속적으로 감소하는구간("비연속적 감소 구간")을 포함하는 노치홈이 형성된 각형 이차전지를 개시하고 있으나, 노치홈이 열가소성 수지로 채워진 구조는 제시하지 못하고 있다.
특허문헌 2는 케이스의 측면에 형성되는 벤트에 있어서, 케이스의 단변의 일측에서 장변을 따라 증가하는 경사각의 40ㅀ에서 50ㅀ 사이에 위치하며 직각을 갖는 벤트를 포함하는 이차전지를 개시하고 있으나, 노치홈이 열가소성 수지로 채워진 구조는 제시하지 못하고 있다.
특허문헌 3은 전지 케이스의 저부 주연으로 형성되는 라운드부 일측 주연에 제1노치홈이 형성되고, 이와 대향하는 타측 주연으로 제2노치홈이 형성된 전지케이스를 개시하고 있으나, 노치홈이 열가소성 수지로 채워진 구조는 제시하지 못하고 있다.
그러나 현재까지 원하는 압력에서 명확하고 신속하게 파단되어 가스를 배출할 수 있는 안정적인 노치홈에 대한 기술은 제시되지 않았다.
대한민국 공개특허공보 제2012-0095703호
대한민국 공개특허공보 제2007-0027358호
대한민국 공개특허공보 제2000-0014825호
본원 발명은 상기과 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전지의 이상 상태에서 효과적으로 파단을 이룰 수 있는 개선된 구조의 벤팅부를 포함하는 전지케이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 전지케이스는, 전지케이스 내측면 또는 외측면에 적어도 1개 이상의 벤팅용 노치가 형성되어 있고, 상기 벤팅용 노치에는 열가소성 수지가 채워지는 구조로 이루어 질 수 있다.
상기 전지케이스는 금속, 수지 또는 라미네이트 시트 중 하나로 이루어 질 수 있다.
상기 벤팅용 노치는 전지의 이상 상태에 의해서 내부 압력이 높아질 시 폭발 방지를 위해서 전지케이스가 파단되어 가스가 배출될 수 있도록 형성된 것이다.
상기 벤팅용 노치는 정면 형상이 곡선, 직선, 곡선 및 직선, 및/또는 복수개의 점 형상으로 이루어 질 수 있다.
상기 벤팅용 노치는 깊이방향의 수직 단면상으로 사각형상, 삼각형상, 호형상, 사다리꼴형상 중 어느 하나로 형성된다.
상기 벤팅용 노치의 깊이는 상기 열가소성 수지가 없는 경우에 대비하여 100 ~ 150% 이다.
상기 열가소성 수지는 전지의 안정성에 영향을 미칠 수 있는 온도보다 더 낮은 유리전이온도를 갖는다.
상기 유리전이온도는 약 100℃ 내지 약 150℃일 수 있다.
상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리아마이드 수지 및 셀룰로이드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 것이 사용될 수 있다.
상기 열가소성 수지는 상기 벤팅용 노치의 깊이를 기준으로 100% 이하로 채워질 수 있다.
상기 전지케이스는 원통형으로서 상기 전지케이스 외주면 전체에 상기 벤팅용 노치가 형성될 수 있다.
상기 전지케이스는 각형으로서 서로 평행한 상면 및 하면과 상기 상면 및 하면을 연결하는 네 개의 측면으로 구성되어 있고, 상기 측면은 서로 대면하는 한 쌍의 장변부들과 서로 대면하는 한 쌍의 단변부들을 포함하고 있으며, 상기 상면 또는 하변 또는 장변부들에는 적어도 1개 이상의 벤팅용 노치가 형성될 수 있다.
본원 발명은 또한, 상기 전지케이스를 포함하는 전지를 제공한다.
상기 전지는 일차전지 또는 이차전지일 수 있다.
상기 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 전지일 수 있다.
상기 이차전지는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조의 전극조립체에 리튬염 함유 비수계 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어진 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질을 포함하고 있는 양극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 양극 합제에는, 필요에 따라, 바인더, 도전재, 충진재 등이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 내지 500㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 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 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체는, 상기 음극 집전체에서와 마찬가지로, 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga 이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 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(㎝C), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합제 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 전극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합제; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은, 예를 들어, 음극 집전체 상에 음극 활물질을 포함하고 있는 음극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 상기 음극 합제에는, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등의 성분들이 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 내지 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 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 활물질은, 예를 들어, 앞서 설명한 규소계 화합물을 포함하여, 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, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 바인더와 도전재 및 필요에 따라 첨가되는 성분들은 음극에서의 설명과 동일하다.
경우에 따라서는, 음극의 팽창을 억제하는 성분으로서 충진제가 선택적으로 첨가될 수 있다. 이러한 충진제는 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.
또한, 점도 조절제, 접착 촉진제 등의 기타의 성분들이 선택적으로 또는 둘 이상의 조합으로서 더 포함될 수 있다.
상기 점도 조절제는 전극 합제의 혼합 공정과 그것의 집전체 상의 도포 공정이 용이할 수 있도록 전극 합제의 점도를 조절하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 30 중량%까지 첨가될 수 있다. 이러한 점도 조절제의 예로는, 카르복시메틸셀룰로우즈, 폴리비닐리덴 플로라이드 등이 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 경우에 따라서는, 앞서 설명한 용매가 점도 조절제로서의 역할을 병행할 수 있다.
상기 접착 촉진제는 집전체에 대한 활물질의 접착력을 향상시키기 위해 첨가되는 보조성분으로서, 바인더 대비 10 중량% 이하로 첨가될 수 있으며, 예를 들어 옥살산 (oxalic acid), 아디프산(adipic acid), 포름산(formic acid), 아크릴산(acrylic acid) 유도체, 이타콘산(itaconic acid) 유도체 등을 들 수 있다.
상기 리튬염 함유 비수계 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
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 중합제 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, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 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 바람직한 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.
본 발명은 또한, 상기 전지를 포함하는 전지팩을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는, 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 전지케이스는 벤팅용 노치에 열가소성 고분자 수지를 채움으로써, 전지의 안전성에 영향을 미칠 수 있는 온도 이상에서 열가소성 수지가 용융(유리화)되면서 벤팅용 노치가 노출되어 가스가 배출된다.
상기 열가소성 수지의 유리전이온도, 즉 전지의 발화 위험 온도 이하에서는 열가소성 수지가 고체 상태로 벤팅용 노치를 덮고 있는 구조로 형성되는 바, 물리적인 충격으로부터 벤팅용 노치를 보호할 수 있다. 그러나 발화 위험 온도 이상에서는 열가소성 수지가 유리전이 상태가 되어 벤팅용 노치가 순간적으로 외부 응력에 노출되는 효과가 발생한다. 이에 따라, 일반적인 전지케이스에 비해 벤팅용 노치가 깊게 형성될 수 있고, 전지의 정상적인 작동 상태에서는 벤팅용 노치가 파단되는 것을 방지하면서 전지의 발화 위험 온도에서는 훨씬더 신속하면서 정확하게 파단 되어 전지 내부에서 발생한 가스를 효과적으로 배출할 수 있다.
또한, 유리전이온도가 상이한 열가소성 수지의 종류를 선택적으로 적용 가능하기 때문에 전지의 종류 및 특성에 따라 벤팅 압력을 다르게 설계할 수 있는 바, 적정 임계치에서 신뢰성 있는 파단을 이룰 수 있다. 물리적인 정밀 가공을 필요로 하는 벤팅용 노치는 각 개별 전지별로 다른 수치를 가질 수 있다. 반면에 열가소성 수지의 유리전이온도는 물질의 특성이므로 물질의 선택에 의해서 모든 전지에 동일한 특성을 부여할 수 있다. 그러므로 본원 발명에 따른 벤팅용 노치는 발화 위험 온도를 정밀하게 특정할 수 있는 매우 신뢰성 있는 가스 배출 특성을 보인다.
도 1은 본원 발명의 하나의 실시예에 따른 전지케이스의 벤팅부의 수직 단면도이다.
도 2는 본원 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지케이스의 사시도이다.
도 3은 본원 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 원통형 전지케이스의 사시도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 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.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 본원 발명에 따른 전지케이스의 벤팅부의 수직 단면도이다.
도 1을 참조하면, 벤팅부는 전지케이스(10) 내측면 또는 외측면에 형성된 벤팅용 노치(11)와, 상기 벤팅용 노치(11)에 채워진 열가소성 수지(12)를 포함한다. 내부 쇼트, 허용된 전류, 전압을 초과한 충전 상태, 고온의 노출, 낙하 등에 의한 충격 등과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 전지 내부가 고온, 고압이 될 경우, 열가소성 수지(12)가 용융(유리전이)되면서 벤틴용 노치를 고정하는 열가소성 수지에 의한 장력이 사라지거나, 열가소성 수지가 노치에 배출되어 벤팅용 노치(11)가 노출되고, 파단되어 가스가 배출된다. 따라서 열가소성 수지의 유리전이온도 이하에서는 벤팅용 노치에 특별한 응력이 걸리지 않기 때문에 전지를 설계할 때 온도 기준 또는 압력 기준에 따라서 벤팅용 노치의 깊이 등을 통상의 압력 기준보다 더 약하게 설정하는 것이 가능하다. 따라서 임계 온도 이상에서 열가소성 수지가 용융(유리전이)가 되면 이미 응력한계를 넘어선 노치가 순간적으로 동시에 파단될 수 있다는 특징이 있다.
상기 전지케이스(10)는 금속, 수지 또는 라미네이트 시트 중 하나로 이루어 질 수 있다.
상기 전지케이스(10)가 고분자 수지로 이루어질 경우, 상기 고분자 수지는 벤팅용 노치(11)에 채워지는 열가소성 수지(12)의 유리전이온도보다 높은 유리전이온도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 벤팅용 노치(11)는 다양한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 별도의 펀치를 이용하여 압력을 가함으로써 형성될 수 있다. 경우에 따라서는, 소정의 도구를 사용하여 케이스의 표면을 긁어 절취하는 방법도 가능할 수 있다. 또는 일부만을 에칭을 통해서 가공하는 방법도 가능하다.
상기 벤팅용 노치(11)의 수직 단면은 내압 발생시 전지케이스(10)를 용이하게 파단할 수 있는 형태라면 특별히 제한되지 않으며, 전지케이스(10)의 잔여 두께('벤트 두께')가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어, 쐐기형상, 사각형상, 호형상, 사다리꼴형상 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
쐐기형의 경우에는 벤팅용 노치(11) 상단부의 크랙(crack)에 의한 파단이 일어나며, 사다리꼴의 경우에는 단변이 늘어나면서 전단 응력에 의해 파단이 일어난다. 원호 형상의 경우, 가스배출이 벤팅용 노치(11)의 어느 한 부위에 지나치게 편중되는 것을 방지하여, 벤팅용 노치(11)의 파단시 압력편차를 최소화할 수 있으며, 얇은 케이스 본체에 대해 케이스 자체의 강도를 확보할 수 있다는 장점이 있다. 결과적으로, 벤팅용 노치(11)의 균일하고 즉각적인 파단을 유도할 수 있어서 전지의 안전성을 담보할 수 있다.
상기 열가소성 수지(12)의 유리전이온도, 즉 전지의 발화 위험 온도 이하에서는 열가소성 수지(12)가 고체 상태로 벤팅용 노치(11)를 덮고 있는 구조로 형성되는 바, 물리적인 충격으로부터 벤팅용 노치(11)를 보호할 수 있고, 본원 발명의 벤팅용 노치(11)는 종래 벤팅용 노치의 깊이보다 더 깊게 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 벤팅용 노치(11)의 깊이(t)는 종래 전지케이스에 형성되는 벤팅용 노치, 즉 열가소성 수지가 없는 경우에 대비하여 100 ~ 150%로 형성될 수 있다.
종래 벤팅용 노치의 깊이는 약 0.1mm로, 작동 압력에 따라 0.05mm의 차이가 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우 전지케이스(10)의 두께가 얇아질 경우 물리적인 충격 및 작은 압력에도 노치의 파단이 발생하므로 고압의 안전성이 떨어지는 문제가 있다.
이에 따라, 전지의 정상적인 작동 상태에서는 벤팅용 노치(11)가 파단되는 것을 방지하면서 전지의 발화 위험 온도에서는 더욱 신속하게 파단 되어 전지 내부에서 발생한 가스를 효과적으로 배출할 수 있다.
반면, 본원 발명은 상기 벤팅용 노치(11)에 열가소성 수지(12)를 채워넣음으로써 물리적인 충격으로부터 전지를 보호할 수 있으며, 낮은 압력에서도 벤팅용 노치(11)가 쉽게 파단되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 상기 열가소성 수지(12)는 상기 벤팅용 노치(11)의 깊이를 기준으로 100% 이하로 채워질 수 있으며, 구체적으로 80% 내지 100% 채워질 수 있다.
열가소성 수지(12) 양이 적으면 벤팅용 노치(11) 끝까지 채워넣지 못하고 벤팅부(20)를 물리적인 충격으로부터 보호할 수 없다. 100% 이상 과량으로 들어갈 경우 배터리 외관이 볼록하게 나올 우려가 있고, 전지의 위험 상태에서 벤팅용 노치(11)의 노출이 어려워 벤팅부(20)의 파단이 지연 될 수 있기 때문이다.
상기 열가소성 수지(12)는 전지의 안정성에 영향을 미칠 수 있는 온도보다 더 낮은 유리전이온도를 갖는다. 구체적으로, 상기 열가소성 수지(12)는 유리전이온도가 약 100℃ 내지 약 150℃일 수 있다. 바람직하게는 110℃ 내지 140℃가 될 수 있다.
상기 열가소성 수지(12)의 유리전이온도가 상기 범위를 만족함으로써, 전지 발화 위험 온도에서 열가소성 수지(12)가 유리화 되어 유동 가능하게 되고, 전지를 보호할 수 있다.
상기 범위 미만인 경우, 열가소성 수지(12)가 고체 상태로 존재하므로 전지의 안전성을 기대하기 어려우며, 상기 범위를 초과 할 경우 배터리가 불안정하여 발화 위험이 있는 상태에서도 열가소성 수지(12)가 경화된 상태로 존재하기 때문에 벤팅용 노치(11)가 노출되지 않고, 쉽게 파단될 수 없어 이차전지 내부에 발생된 가스가 배출되지 않아 전지가 폭발할 우려가 있다.
상기 열가소성 수지(12)는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리아마이드 수지 및 셀룰로이드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 것이 사용될 수 있다.
또한, 유리전이온도가 상이한 열가소성 수지(12)의 종류를 선택적으로 적용 가능하기 때문에 전지의 종류 및 특성에 따라 벤팅 압력을 다르게 설계할 수 있는 바, 적정 임계치에서 신뢰성 있는 파단을 이룰 수 있다.
도 2는 본원 발명의 하나의 실시예에 따른 각형 전지케이스(10)의 평면도이다. 상기 각형 전지케이스(10)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다.
상기 전지케이스(10)는 각형으로서 서로 평행한 상면 및 하면과 상기 상면 및 하면을 연결하는 네 개의 측면으로 구성되어 있고, 상기 측면은 서로 대면하는 한 쌍의 장변부들과 서로 대면하는 한 쌍의 단변부들을 포함하고 있으며, 상기 상면 또는 하면 또는 장변부들에는 적어도 1개 이상의 벤팅용 노치(11)가 된다. 도 2는 하나의 면에 생성될 수 있는 벤팅용 노치의 일 실시예를 보여주고 있다.
도 3은 본원 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 원통형 전지케이스(10)의 평면도이다.
상기 원통형 전지케이스(10)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸과 같은 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가진 원통 구조를 가지며, 전지케이스(10)의 외주면에 벤팅용 노치(11)가 형성된다.
도 2 및 3에서는 벤팅용 노치(11)는 곡선, +형, 복수개의 점 형상만 도시하였으나, 상기 벤팅용 노치(11)는 정면 형상이 곡선, 직선, 곡선 및 직선, 및/또는 복수개의 점 형상으로 이루어 질 수 있음은 물론이며, 여기서 벤팅용 노치(11)의 형상을 한정하는 것은 아니다.
또한 상기 벤팅용 노치(11)는 전지케이스(10) 외측면 또는 내측면 일부에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 외측면 또는 내측면 전체에 형성될 수 있다.
10: 전지케이스
20: 벤팅부
11: 벤팅용 노치
12: 열가소성 수지

Claims (13)

  1. 전지케이스 내측면 또는 외측면에 적어도 1개 이상의 벤팅용 노치가 형성되어 있고,
    상기 벤팅용 노치에는 열가소성 수지가 채워진 전지케이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지케이스는 금속, 수지 또는 라미네이트 시트 중 하나로 이루어진 전지케이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅용 노치는 전지의 이상 상태에 의해서 내부 압력이 높아질 시 폭발 방지를 위해서 사전에 가스가 배출될 수 있도록 형성된 것인 전지케이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅용 노치의 깊이는 상기 열가소성 수지가 없는 경우에 대비하여 100 ~ 150%인 전지케이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 전지의 안정성에 영향을 미칠 수 있는 온도보다 더 낮은 유리전이온도를 갖는 것인 전지케이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유리전이온도는 110 내지 140℃인 전지케이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리아마이드 수지 및 셀룰로이드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 상기 벤팅용 노치의 깊이를 기준으로 100% 이하로 채워지는 전지케이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅용 노치는 정면 형상이 곡선, 직선, 곡선 및 직선, 및/또는 복수개의 점 형상으로 이루어진 전지케이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 벤팅용 노치는 길이방향의 수직 단면상으로 사각형상, 삼각형상, 호형상, 사다리꼴형상 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 전지케이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전지케이스는 원통형으로서 상기 전지케이스 외주면 전체에 상기 벤팅용 노치가 형성되는 것인 전지케이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전지케이스는 각형으로서 서로 평행한 상면 및 하면과 상기 상면 및 하면을 연결하는 네 개의 측면으로 구성되어 있고,
    상기 측면은 서로 대면하는 한 쌍의 장변부들과 서로 대면하는 한 쌍의 단변부들을 포함하고 있으며,
    상기 상면, 하면 또는 장변부들에는 적어도 1개 이상의 벤팅용 노치가 형성되는 것인 전지케이스.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전지케이스를 포함하는 전지.
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