KR20210006203A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20210006203A
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safety plate
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KR1020190082214A
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김대규
문진영
고성귀
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Abstract

본 발명은 절연 가스켓의 압축률이 낮아 밀폐압이 저하될 수 있는 상부 평탄 구조를 갖는 크림핑부를 적용하여도, 캡 업의 연장부를 덮는 안전 플레이트의 제2밴딩부의 길이를 조절하여 안전 플레이트의 변형을 방지함과 동시에 이차 전지의 밀폐압도 상승시킬 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
일예로, 본 발명은 원통형 캔과, 원통형 캔에 전해액과 함께 수용된 전극 조립체와, 원통형 캔의 상부에 결합되는 캡 조립체 및 캡 조립체와 원통형 캔 사이에 개재된 절연 가스켓을 포함하며, 캡 조립체는 캡 업 및, 캡 업의 하부에 설치되며 캡 업의 가장자리의 연장부를 감싸고 연장부의 상면의 일부를 덮는 제2밴딩부를 갖는 안전 플레이트를 포함하며, 제2밴딩부의 길이인 제2길이는 연장부의 길이인 제1길이의 50% 이상부터 54% 이하까지 중 어느 하나의 값을 가진 이차 전지를 개시한다.

Description

이차 전지{Secondary battery}
본 발명의 다양한 실시예는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장할 수 있는 우수한 에너지 밀도를 제공하는 전력 저장 시스템이다. 재충전이 불가능한 일차 전지에 비해 이차 전지는 재충전이 가능하여 스마트폰, 셀룰러폰, 노트북, 타블렛 PC 등 IT 기기에 많이 사용되고 있다. 최근에는 환경 오염 방지를 위해 전기 자동차에 대한 관심이 높아졌고, 이에 따라 전기 자동차에 고용량의 이차 전지가 채택되고 있다. 이러한 이차 전지는 고밀도, 고출력, 안정성 등의 특성이 요구되고 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명은 절연 가스켓의 압축률이 낮아 밀폐압이 저하될 수 있는 상부 평탄 구조를 갖는 크림핑부를 적용하여도, 캡 업의 연장부를 덮는 안전 플레이트의 제2밴딩부의 길이를 조절하여 안전 플레이트의 변형을 방지함과 동시에 이차 전지의 밀폐압도 상승시킬 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 원통형 캔과, 상기 원통형 캔에 전해액과 함께 수용된 전극 조립체와, 상기 원통형 캔의 상부에 결합되는 캡 조립체 및 상기 캡 조립체와 상기 원통형 캔 사이에 개재된 절연 가스켓을 포함하며, 상기 캡 조립체는 캡 업 및, 상기 캡 업의 하부에 설치되며 상기 캡 업의 가장자리의 연장부를 감싸고 상기 연장부의 상면의 일부를 덮는 제2밴딩부를 갖는 안전 플레이트를 포함하며, 상기 제2밴딩부의 길이인 제2길이는 상기 연장부의 길이인 제1길이의 50% 이상부터 54% 이하까지 중 어느 하나의 값을 가질 수 있다.
상기 안전 플레이트는 상기 캡 업의 하부에 위치하는 본체와, 상기 본체로부터 상부방향으로 절곡되어 상기 연장부의 가장자리면으로부터 일정거리 이격된 제1밴딩부 및 상기 제1밴딩부의 상부로부터 내측방향으로 수평하게 절곡되어 연장되어, 상기 연장부의 상면과 접촉된 상기 제2밴딩부를 포함할 수 있다.
상기 원통형 캔은 원형의 바닥부와, 상기 바닥부로부터 상부 방향으로 절곡되어 연장된 측부와, 상기 캡조립체의 하부에, 내부 방향으로 함몰된 비딩부와, 상기 비딩부의 상부에 내부 방향으로 절곡된 크림핑부 및, 상기 비딩부와 상기 크림핑부 사이를 연결하는 캔 연결부를 포함할 수 있다.
상기 크림핑부는 상기 캔 연결부의 상단으로부터, 대략 수평하도록 절곡되어, 상면이 평평한 상부 평탄 구조를가질 수 있다.
상기 절연 가스켓은 상기 원통형 캔의 크림핑부와 상기 안전 플레이트의 제2밴딩부 사이에 개재되며, 상기 크림핑부에 의해 상기 제2밴딩부 방향으로 가압된 제1영역 및, 상기 원통형 캔의 캔 연결부와 상기 안전 플레이트의 제1밴딩부 사이에 개재된 제2영역을 포함할 수 있다.
상기 제1영역의 두께가 상기 크림핑부로 가압되기 이전의 두께 대비, 상기 크림핑부에 의해 가압되어 압축된 두께의 비율인 압축률은 10% 이상부터 15%이하까지 중 어느 하나의 값을 가질 수 있다.
상기 제2영역의 두께인 제2두께에서 상기 제1영역의 두께인 제1두께를 뺀 값을, 상기 제2두께로 나눈 값인 압축률은 10% 이상부터 15%이하까지 중 어느 하나의 값을 가질 수 있다.
상기 캡업은 단자부와, 상기 단자부의 가장자리로부터 하부 방향으로 절곡된 연결부 및, 상기 연결부의 하단으로부터 외측 수평방향으로 연장된 상기 연장부를 포함할 수 있다.
상기 제1길이와 상기 제2길이의 연장선은 각각 상기 캡 업의 중심점과, 상기 안전 플레이트의 중심점을 지날 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 절연 가스켓의 압축률이 낮아 밀폐압이 저하될 수 있는 상부 평탄 구조를 갖는 크림핑부를 적용하여도, 캡 업의 연장부를 덮는 안전 플레이트의 제2밴딩부의 길이를 조절하여 안전 플레이트의 변형을 방지함과 동시에 이차 전지의 밀폐압도 상승시킬 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지 중 원통형 캔과 캡 조립체 사이의 관계를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 3부분을 확대 도시한 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서 "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지(100)를 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)과, 전극 조립체(120)와, 캡 조립체(140)를 포함한다. 또한, 본 발명은 전극 조립체(120)에 결합된 센터핀(130)을 더 포함할 수 있다.
원통형 캔(110)은 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 측부(112)를 포함한다. 이차 전지의 제조 공정 중 원통형 캔(110)의 상부는 개방되어 있다. 따라서, 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체(120)가 전해액과 함께 원통형 캔(110)에 삽입될 수 있다. 원통형 캔(110)은 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 원통형 캔(110)에는 캡 조립체(140)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(140)를 중심으로 그 하부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)가 형성되고, 그 상부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)가 형성될 수 있다.
전극 조립체(120)는 원통형 캔(110)의 내부에 수용된다. 전극 조립체(120)는 음극 활물질(예를 들면, 흑연, 탄소 등)이 코팅된 음극판(121), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 코팅된 양극판(122) 및, 음극판(121)과 양극판(122) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(123)로 이루어진다. 음극판(121), 양극판(122) 및 세퍼레이터(123)는 대략 원기둥 형태로 권취된다. 여기서, 음극판(121)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일, 양극판(122)은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터(123)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 음극판(121)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 적어도 하나의 음극탭(124)이, 양극판(122)에는 상부로 일정 길이 돌출된 적어도 하나의 양극탭(125)을 포함할 수 있다. 여기서 음극탭(124) 및 양극탭(125)은 별도의 금속 플레이트로 이루어질 수 있으며, 음극판(121) 및 양극판(122)에 각각 용접될 수 있다. 물론 반대로, 음극탭(124)이 전극 조립체(120)의 상부로 돌출되어 연장되고, 양극탭(125)이 전극 조립체(120)의 하부로 돌출 및 연장될 수도 있다. 더불어, 음극탭(124)은 구리 또는 니켈 재질, 양극탭(125)은 알루미늄 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 전극 조립체(120)의 음극탭(124)은 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있다. 따라서 원통형 캔(110)은 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 반대로 양극탭(125)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 원통형 캔(110)은 양극으로 동작할 수 있다.
더불어, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(126a) 및 그 외측에 제2홀(126b)이 형성된 제1절연판(126)이 전극 조립체(120)와 바닥부(111)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제1절연판(126)은 전극 조립체(120)가 원통형 캔(110) 중 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 제1절연판(126)은 전극 조립체(120) 중 양극판(122)이 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(126a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 센터핀(130)을 통해 상부로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(126b)은 음극탭(124)이 관통하여 바닥부(111)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다.
또한, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(127a) 및 그 외측에 다수의 제2홀(127b)이 형성된 제2절연판(127)이 전극 조립체(120)와 캡 조립체(140)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제2절연판(127)은 전극 조립체(120)가 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 제2절연판(127)은 전극 조립체(120) 중 음극판(121)이 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉하지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(127a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 캡 조립체(140)로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(127b)은 양극탭(125)이 관통하여 캡 조립체(140)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한 나머지 제2홀(127b)은 전해액 주입 공정에서, 전해액이 상기 전극 조립체(120)로 신속히 흘러 들어가도록 하는 역할을 한다.
더불어, 제1,2절연판(126,127)의 제1홀(126a,127a)의 직경은 센터핀(130)의 직경보다 작게 형성됨으로써, 외부 충격에 의해 센터핀(130)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111) 또는 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
센터핀(130)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로서, 전극 조립체(120)의 대략 중앙에 결합될 수 있다. 이러한 센터핀(130)은 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 이러한 센터핀(130)은 전지의 충방전 중 전극 조립체(120)의 변형을 억제하는 역할을 하며, 이차 전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 경우에 따라 센터핀(130)은 생략될 수 있다.
캡 조립체(140)는 다수의 관통홀(141d)이 형성된 캡 업(cap-up)(141), 캡 업(141)의 하부에 설치된 안전 플레이트(143), 안전 플레이트(143)의 하부에 설치된 연결링(145), 연결링(145)에 결합되고 제1,2관통홀(146a,146b)이 형성된 캡 다운(cap-down)(146) 및 캡 다운(146)의 하부에 고정되어 양극탭(125)과 전기적으로 접속된 서브 플레이트(147)를 포함할 수 있다. 물론 캡 다운(146)과 서브 플레이트(147)는 일체형으로 형성될 수 있으며, 이때 양극탭(125)은 캡 다운(146)에 고정될 수 있다.
상기 캡 업(141)은 상부가 볼록하게 형성되어 외부 회로와 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 상기 캡 업(141)은 상기 원통형 캔(110)의 내부에서 발생되는 가스가 배출될 수 있는 경로를 제공하는 가스 배출공(141)이 형성되어 있다. 상기 캡 업(141)은 상기 전극 조립체(110)와 전기적으로 연결되며 상기 전극 조립체(110)에서 발생되는 전류를 외부 회로로 전달한다.
상기 안전 플레이트(143)는 상기 캡 업(141)과 대응되는 원형의 판체로 형성된다. 상기 안전 플레이트(143)의 중앙에는 하부 방향으로 돌출된 돌출부(143a)가 형성된다. 이러한 안전 플레이트(143)는 상기 캡 다운(146)의 관통홀(146a)을 관통하는 돌출부(143a)를 이용하여, 상기 캡 다운(146)의 하면에 고정된 서브 플레이트(147)와 전기적으로 연결된다. 여기서, 상기 안전 플레이트(143)의 돌출부(143a)와 상기 서브 플레이트(147)는 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 또는 이의 등가방법으로 용접될 수 있다. 또한, 상기 돌출부(143a)의 외주연에는 안전 플레이트(143)의 파단을 안내하는 노치(143b)가 형성된다.
상기 안전 플레이트(143)의 외주연은 상기 캡 업(141) 중 외주연에 밀착되게 설치된다. 또한 상기 안전 플레이트(143)의 외주연은 상부 방향으로 절곡 및 연장되어 상기 캡 업(141)의 외주연을 감싸며, 서로 접촉될 수 있다. 즉, 상기 안전 플레이트(143)의 가장자리가 상기 캡 업(141)을 감싸며 캡 업(141)의 상부로 연장되어, 상기 캡업(141)의 상면을 덮을 수 있다. 이와같은 안전 플레이트(143)와 캡 업(141)의 관계는 아래에서 자세히 설명하고자 한다. 상기 안전 플레이트(143)는 상기 원통형 캔(110)의 내부에서 이상 내압 발생시 전류를 차단하면서 내부 가스를 배출시킨다. 상기 안전 플레이트(143)는 원통형 캔(110)의 내압이 상기 안전 플레이트(143)의 작동 압력 이상이 되면, 상기 캡 다운(146)의 가스 배출공(146a)을 통해 배출되는 가스에 의해 돌출부(143a)가 상부로 상승하면서, 상기 서브 플레이트(147)와 전기적으로 분리된다. 이때, 상기 서브 플레이트(147)는 상기 돌출부(143a)의 용접된 부분이 찢어지면서 상기 안전 플레이트(143)와 전기적으로 분리된다. 그리고 상기 안전 플레이트(143)는 케이스(110)의 내압이 상기 안전 플레이트(143)의 작동 압력보다 높은 파단 압력 이상이 되면 상기 노치(143b)가 파단되어 이차 전지(100)의 폭발을 방지할 수 있다.
상기 연결 링(145)은 상기 안전 플레이트(143)와 상기 캡 다운(146) 사이에 개재되어, 상기 안전 플레이트(143)와 상기 캡 다운(146) 사이를 절연시킨다. 구체적으로, 상기 연결 링(145)은 상기 안전 플레이트(143)의 외주연과 캡 다운(146)의 외주연 사이에 개재된다. 상기 연결 링(145)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 수지재질로 형성될 수 있다.
상기 캡 다운(146)은 원형의 판체로 형성된다. 상기 캡 다운(146)의 중앙에는 관통홀(146a)이 형성되며, 상기 관통홀(146a)에는 상기 안전 플레이트(143)의 돌출부(143a)가 관통한다. 또한, 상기 캡 다운(146)의 일측에는 가스 배출공(146b)이 형성되며, 상기 캡 다운(146)의 하부에는 서브 플레이트(147)가 결합된다. 상기 가스 배출공(146b)은 상기 원통형 캔(110)의 내부에서 과도한 내압 발생시 내부 가스를 배출시키는 역할을 한다. 이때, 상기 가스 배출공(146b)을 통해 배출되는 가스에 의해 안전 플레이트(143)의 돌출부(143a)가 상승되어, 상기 돌출부(143a)는 서브 플레이트(147)와 분리될 수 있다. 상기 서브 플레이트(147)는 상기 캡 다운(146)의 관통홀(146a)을 관통하는 안전 플레이트(143)의 돌출부(143a)와 양극탭(125) 사이에 용접된다. 이에 따라, 상기 서브 플레이트(147)는 상기 양극탭(125)과 상기 안전 플레이트(143)사이를 전기적으로 접속시킨다.
일반적으로, 이차 전지(100)에서 단락이 발생하면, 내압이 상승하여 내부 가스가 캡 다운(146)의 가스 배출공(146b)을 통해 배출된다. 이때, 배출되는 가스에 의해 안전 플레이트(143)의 돌출부(143a)가 상승하여 서브 플레이트(147)와 전기적으로 분리되어 전류를 차단시키게 된다.
그리고 캡 조립체(140)를 원통형 캔(110)의 측부(111)로부터 절연시키는 절연 가스켓(150을 포함한다.
상기 절연 가스켓(150)은 원통형 캔(110)의 상단 개구부에 설치된다. 여기서, 절연 가스켓(150)은 실질적으로 원통형 캔(110)의 측부(111)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착된 형태를 한다. 즉, 절연 가스켓(150)은 캡 업(141) 및 안전 플레이트(143)의 외주연, 상기 원통형 캔(110)의 상단 개구부 사이에 밀착되어 조립된다. 이때, 안전 플레이트(143)와 결합된 캡 업(141)은, 원통형 캔(110)의 상단에 형성된 크림핑부(114)에 의해 절연 가스켓(150)이 개재된 상태로, 원통형 캔(110)의 상단부에 고정될 수 있다.
상기 절연 가스켓(150)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 수지재질로 형성될 수 있다. 이러한 절연 가스켓(150)은 상기 원통형 캔(110)에서 상기 캡 조립체(130)가 분리되는 것을 방지할 수 있다.
더불어, 원통형 캔(110)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주액되어 있으며, 이는 충방전시 전지 내부의 음극판(121) 및 양극판(122)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머이거나 또는 고체(solid) 전해질일 수도 있으며, 여기서 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.
도 2를 참조하면 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지(100) 중 원통형 캔(110)과 캡 조립체(140) 사이의 관계를 도시한 단면도가 도시되어 있고, 도 3을 참조하면 도 2에서 3부분을 확대 도시한 확대도가 도시되어 있다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여, 원통형 캔(110)과 캡 조립체(140)의 결합관계 및, 캡 조립체(140)에서 안전 플레이트(143)와 캡 업(141)의 결합 구조를 자세히 설명하고자 한다.
상기 캡 조립체(140)의 캡 업(141)은 중심으로부터 외측 방향으로 순차적으로 위치하는 단자부(141a), 연결부(141b) 및 연장부(141c)를 포함한다.
상기 단자부(141a)는 대략 평평하며, 캡 업(141)의 대략 중심에 위치할 수 있다. 또한 단자부(141a)는 복수의 이차 전지(100)를 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈화할 경우에, 복수의 이차 전지(100)사이를 연결하기 위한 양극 팩 탭(pack tab, PT)이 상면에 용접(welding)될 수 있다.
상기 연결부(141b)는 단자부(141a)의 가장자리로부터 하부 방향으로 절곡되어 형성되며, 적어도 하나의 개구(141d)를 포함한다. 상기 개구(141d)는 안전 플레이트(143)의 벤트(143b)가 파단될 경우, 원통형 캔(110) 내부의 가스를 외부로 방출시킨다.
또한 연장부(141c)는 연결부(141b)의 하단으로부터 외측 수평 방향으로 연장될 수 있다. 연장부(141c)의 가장자리면(141cc)은 안전 플레이트(143)에 의해서 감싸질 수 있다. 바람직하게 연장부(141c)는 하면(141cb)과, 상면(141ca)일부가 안전 플레이트(143)와 접촉될 수 있다. 여기서 가장자리면(141cc)은 상기 연장부(141c)의 하면(141cb)과, 상면(141ca)사이를 연결하는 면일 수 있다.
이러한 캡 업(141)은 통상의 알루미늄, 알루미늄 합금, 스틸, 스틸 합금, 니켈, 니켈 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으며, 본 발명에서 그 재질이 한정되지 않는다.
캡 조립체(140)의 안전 플레이트(143)는 중심으로부터 외측 방향으로 순차적으로 위치하는 본체(143c)와, 제1밴딩부(143d) 및 제2밴딩부(143e)를 포함한다. 본체(143c)는 캡업(141)의 하부에 위치되며, 상부 표면에 다수의 벤트홈(143b)이 형성되고, 또한 대략 중앙에 하부 방향으로 돌출된 돌출부(143a)가 형성되어 서브 플레이트(147)에 접속될 수 있다. 여기서, 돌출부(143a)와, 벤트홈(143b)은 본체(143c)의 중심영역(143x)에 위치할 수 있다. 여기서 중심영역(143x)은 캡 업(141)의 단자부(141a)와 연결부(141b)의 하부에 위치하는 영역이다. 또한 본체(143c)는 외측영역(143y)이 캡 업(141)의 연장부(141c)의 하면(141cb)과 접촉될 수 있다.
제1밴딩부(143d)는 본체(143c)의 가장자리로부터 상부 방향으로 절곡되어, 상술한 캡 업(141)의 연장부(141c)의 가장자리면(141cc)을 감쌀 수 있다. 즉 제1밴딩부(143d)의 내측면(143da)이 연장부(141c)의 가장자리면(141cc)과 마주볼 수 있다. 이때 제1밴딩부(143d)는 캡 업(141)의 연장부(141c)의 가장자리면(141cc)으로부터 일정 거리 이격될 수 있다.
제2밴딩부(143e)는 제1밴딩부(143d)의 상부로부터 내측방향으로 수평하게 절곡되어 연장됨으로써, 캡 업(141)의 연장부(141c)의 상면(141ca)을 일부를 덮을 수 있다. 상기 제2밴딩부(143e)는 내측 방향으로 절곡되어, 캡 업(141)의 연장부(141c)의 상면(141ca)과 접촉될 수 있다. 즉, 안전 플레이트(143)는 제1밴딩부(143d) 및 제2밴딩부(143e)에 의해, 캡 업(141)의 연장부(141c)를 감쌈으로써, 상기 캡 업(141)과 결합될 수 있다.
상기 캡 업(141)과 안전 플레이트(143)가 결합된, 캡 조립체(140)는 원통형 캔(110)의 상단부에 안착된 후, 원통형 캔(110)의 크림핑부(114)의 절곡에 의해 원통형 캔(110)에 결합 및 고정 될 수 있다. 이때 원통형 캔(110)과 캡 조립체(140) 사에는 전기적 절연을 위한 절연 가스켓(150)이 개재될 수 있다. 좀 더 자세하게는, 원통형 캔(110)의 비딩부(113)의 상부에 절연 가스켓(150)이 개재된 상태로 캡 조립체(140)가 안착된 후, 원통형 캔(110)의 크림핑부(114)가 캡 조립체(140)의 내측 방향으로 절곡되어 균일한 두께를 갖는 절연 가스켓(150)을 가압함으로써 캡 조립체(140)와 원통형 캔(110) 사이를 결합시킬 수 있다.
이때 크림핑부(114)는 안전 플레이트(143)의 제2밴딩부(143e) 및 캡 업(141)의 연장부(141c)와 대략 수평하도록 절곡 될 수 있다. 이와같이 크림핑부(114)는 상면이 대략 평평한, 상부평탄 구조를 가질 수 있으며, 복수의 이차 전지(100)를 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈화할 경우에, 복수의 이차 전지(100)사이를 연결하기 위한 음극 팩 탭(pack tab, PT)이 상면에 용접(welding)될 수 있다. 즉, 상부 평탄 구조를 갖는 크림핑부(114)를 갖는 복수의 이차 전지(100)는, 상부 영역에 양극 팩 탭과 음극 팩 탭이 모두 용접될 수 있으므로, 이차 전지(100)의 하부 영역에 별도의 배선 구조를 구비할 필요가 없으므로 모듈 구조를 간략화 할 수 있다.
여기서 원통형 캔(110)은 비딩부(113)와 크림핑부(114)사이를 연결하며, 대략 수직방향으로 연장된 캔 연결부(115)를 더 포함할 수 있다.
상기 크림핑부(114)에 의해 가압된 절연 가스켓(150)의 압축률은 10%이상부터 15%이하까지 중 어느 하나일 수 있다. 여기서 압축률은 원통형 캔(110)의 크림핑부(114)와 안전 플레이트(143)의 제2밴딩부(143e)사이에 개재된 절연 가스켓(150)의 제1영역(151)의 두께인 제1두께(A1)와, 캔 연결부(115)와 안전 플레이트(143)의 제1밴딩부(143d)사이에 개재된 절연 가스켓(150)의 제2영역(152)의 두께인 제2두께(A2)를 통해 산출할 수 있다. 여기서 제1두께(A1)와 제2두께(A2)는 크림핑부(114)에 의해 가압되기 이전에는 동일한 두께를 가질 수 있다. 절연 가스켓(150)의 압축률(Cg)은 제1영역(151)의 제1두께(A1)가 크림핑부(114)에서 가압하기 이전의 두께 대비, 크림핑부(114)에 의해 가압되어 압축된 두께의 비율로 아래의 수학식 1과 같을 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 제1두께(A1)와 제2두께(A2)는 크림핑부(114)에 의해 가압되기 이전에는 동일한 두께를 가지므로, 제2두께(A2)를 제1두께(A1)가 크림핑부(114)에 의해 가압되기 이전의 두께로 볼 수 있다.
또한, 안전 플레이트(143)의 제2밴딩부(143e)의 길이인 제2길이(B2)는 연장부(141c)의 전체 길이인 제1길이(B1)의 50% 이상부터 54% 이하까지 중 어느 하나의 값을 가질 수 있다. 즉, 제2밴딩부(143e)는 연장부(141c)의 상면에서, 가장자리와 인접한 영역 일부를 덮을 수 있다. 여기서 제1길이(B1)와 제2길이(B2)는 캡 업(141)과 안전 플레이트(143)의 지름과 동일 선상에 위치할 수 있다. 즉, 제1길이(B1)와 제2길이(B2)의 연장선은 각각 캡 업(141)의 중심점과, 안전 플레이트(143)의 중심점을 지날 수 있다.
상기 제2길이(B2)가 제1길이(B1)의 54%를 초과할 경우, 안전 플레이트(143)에서 제2밴딩부(143e)가 절곡시, 겹쳐지거나 주름등에 의한 변형으로 캡 업(141)의 연장부(141c)의 상면에 밀착되지 못할 수 있다. 또한 제2길이(B2)가 제1길이(B1)의 50% 미만일 경우, 캡 조립체(140)와 원통형 캔(110) 사이의 밀폐가 유지되지 않을 수 있다.
아하의 표 1에서는 제1길이(B1)와 제2길이(B2)의 비율에 따른 캡 조립체(140)와 원통형 캔(110) 사이의 밀폐값과, 안전 플레이트의 변형 여부에 대한 실험결과 데이터를 나타낸다. 하기 실험 결과 데이터는 제1길이(B1)가 일정한 값(일예로 3.56mm)일 경우, 제2길이(B2)의 크기를 비율에 따라 변화하면서 측정되었다.
B2/B1(%) 밀폐값(kgf/cm2) 안전 플레이트 변형 여부
57% 30 변형
56% 30 변형
55% 30 변형
54% 30 X
53% 30 X
52% 30 X
51% 30 X
50% 30 X
49% 20.22 X
48% 19.34 X
47% 18.78 X
46% 16.56 X
추가적으로 표 2는 표 1에서 밀폐값을 산출하기 위해, 제1길이(B1)에 대한 제2길이(B2)의 비율에 따라 5번의 밀폐값 측정하고, 측정된 5개의 밀폐값들의 평균값을 산출한 결과가 표 1의 밀폐값으로 적용된 것을 알 수 있다. 즉, 표 1의 밀폐값은 제1길이(B1)에 따른 제2길이(B2)의 비율에 따라, 다수회 밀폐값을 측정하고 이의 평균값으로 산출함으로써, 결과 데이터의 측정시 발생될 수 있는 오차 발생을 감소시켰다.
B2/B1(%) 밀폐값1 밀폐값2 밀폐값3 밀폐값4 밀폐값5 밀폐값평균(kgf/cm2)
57% 30 30 30 30 30 30
56% 30 30 30 30 30 30
55% 30 30 30 30 30 30
54% 30 30 30 30 30 30
53% 30 30 30 30 30 30
52% 30 30 30 30 30 30
51% 30 30 30 30 30 30
50% 30 30 30 30 30 30
49% 18.4 21.2 20.9 19.5 21.1 20.22
48% 19.1 18.8 19 19.8 20 19.34
47% 18 19.4 18.8 19 18.7 18.78
46% 16.4 15.8 16.6 16.5 17.5 16.56
상기 표 1 및 표 2의 실험 결과와 같이, 제1길이(B1)에 비해서 제2길이(B2)가 54%를 초과하는 55%가 되면 안전 플레이트(143)에서 변형이 발생되었다. 또한 제1길이(B1)에 비해서 제2길이(B2)가 50%미만인 49%가 되면 밀폐값이 정상 밀폐값인 30kgf/cm2 보다 작은 20.22kgf/cm2가 되어, 캡 조립체(140)와 원통형 캔(110) 사이가 밀폐 상태를 유지하지 못하여 전해액 누출 등의 문제가 발생할 수 있다.
이와 같은 이차 전지(100)는 절연 가스켓(150)의 압축률이 낮아 밀폐압이 저하될 수 있는 상부 평탄 구조를 갖는 크림핑부(114)를 적용하여도, 안전 플레이트(143)의 제2밴딩부(143e)가 캡 업(141)의 연장부(141c)를 덮는 길이를 조절하여 안전 플레이트(143)의 변형을 방지함과 동시에 이차 전지(100)의 밀폐압도 상승시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 이차 전지 110; 원통형 캔
120; 전극 조립체 140; 캡 조립체
141; 캡 업 141c; 연장부
142; 안전 플레이트 143e; 제2밴딩부
150; 가스켓

Claims (9)

  1. 원통형 캔;
    상기 원통형 캔에 전해액과 함께 수용된 전극 조립체;
    상기 원통형 캔의 상부에 결합되는 캡 조립체; 및
    상기 캡 조립체와 상기 원통형 캔 사이에 개재된 절연 가스켓을 포함하며,
    상기 캡 조립체는
    캡 업 및, 상기 캡 업의 하부에 설치되며 상기 캡 업의 가장자리의 연장부를 감싸고 상기 연장부의 상면의 일부를 덮는 제2밴딩부를 갖는 안전 플레이트를 포함하며,
    상기 제2밴딩부의 길이인 제2길이는 상기 연장부의 길이인 제1길이의 50% 이상부터 54% 이하까지 중 어느 하나의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전 플레이트는
    상기 캡 업의 하부에 위치하는 본체;
    상기 본체로부터 상부방향으로 절곡되어 상기 연장부의 가장자리면으로부터 일정거리 이격된 제1밴딩부; 및
    상기 제1밴딩부의 상부로부터 내측방향으로 수평하게 절곡되어 연장되어, 상기 연장부의 상면과 접촉된 상기 제2밴딩부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 원통형 캔은
    원형의 바닥부;
    상기 바닥부로부터 상부 방향으로 절곡되어 연장된 측부;
    상기 캡조립체의 하부에, 내부 방향으로 함몰된 비딩부;
    상기 비딩부의 상부에 내부 방향으로 절곡된 크림핑부; 및
    상기 비딩부와 상기 크림핑부 사이를 연결하는 캔 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 크림핑부는 상기 캔 연결부의 상단으로부터, 대략 수평하도록 절곡되어, 상면이 평평한 상부 평탄 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 절연 가스켓은
    상기 원통형 캔의 크림핑부와 상기 안전 플레이트의 제2밴딩부 사이에 개재되며, 상기 크림핑부에 의해 상기 제2밴딩부 방향으로 가압된 제1영역; 및
    상기 원통형 캔의 캔 연결부와 상기 안전 플레이트의 제1밴딩부 사이에 개재된 제2영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1영역의 두께가 상기 크림핑부로 가압되기 이전의 두께 대비, 상기 크림핑부에 의해 가압되어 압축된 두께의 비율인 압축률은 10% 이상부터 15%이하까지 중 어느 하나의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2영역의 두께인 제2두께에서 상기 제1영역의 두께인 제1두께를 뺀 값을, 상기 제2두께로 나눈 값인 압축률은 10% 이상부터 15%이하까지 중 어느 하나의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡업은
    단자부;
    상기 단자부의 가장자리로부터 하부 방향으로 절곡된 연결부; 및
    상기 연결부의 하단으로부터 외측 수평방향으로 연장된 상기 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,상기 제1길이와 상기 제2길이의 연장선은 각각 상기 캡 업의 중심점과, 상기 안전 플레이트의 중심점을 지나는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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