KR20210020662A - 원통형 전지 - Google Patents

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KR20210020662A
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Abstract

본 발명은 전극 조립체가 금속 캔에 내장된 원통형 전지로써 상기 전극 조립체의 상단에 위치하는 안전 벤트에 가스 배출 부재가 구비된 원통형 전지에 관한 것이다.

Description

원통형 전지{CYLINDRICAL BATTERY}
본 발명은 원통형 전지에 관한 것이다.
최근, 화석 연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래 생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산 기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장 장치에도 많은 관심이 이어지고 있다.
더욱이, 모바일 기기와 전지 자동차에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 특히, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높다.
이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류된다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극 조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극 조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
이러한 전극 조립체들을 사용 목적에 따라, 파우치 케이스, 원통형 캔, 및 각형 케이스 등에 수납하여 전지를 제조한다.
이 중에서, 원통형 전지는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있어, 휴대용 컴퓨터에서 전지 자동차에 이르기까지 다양한 기기들의 에너지원으로 사용되고 있다.
도 1은 종래의 원통형 전지의 단면 모식도이다.
도 1을 참조하면, 원통형 전지(100)는 젤리-롤형 전극 조립체(120)를 원통형 케이스(130)에 수납하고, 원통형 케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후 원통형 케이스(130)의 개방 상단에 탑 캡(140)을 결합하여 제작한다.
젤리-롤형 전극 조립체(120)는 양극(121), 음극(122) 및 분리막(123)을 적층하여 둥근 형태로 귄취한 구조로서, 그것의 권심인 전극 조립체(120)의 중심부에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극 조립체(120)를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 시 발생되는 가스가 방출하는 통로로서 작용한다.
상기의 공정을 통해 완성된 종래의 원통형 전지(100)는 활성화 과정을 거치게 된다. 이때, 원통형 전지(100)의 내부에서 발생한 가스는 원통형 전지(100)의 내부 압력을 증가시켜 안전성 문제를 야기할 뿐만 아니라 원통형 전지(100)의 성능 저하 및 수명 감소로 이어진다. 하지만, 종래의 원통형 전지(100)는 활성화 과정에서 발생한 가스를 제거하는 것이 구조적으로 가능하지 않다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 원통형 전지의 활성화 과정에서 발생한 내부 가스를 제거하여 전지의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 전지의 수명을 연장할 수 있는 원통형 전지를 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지는 전극 조립체가 금속 캔에 내장되고 상단 캡에는 배기구가 형성된 원통형 전지로써, 상기 전극 조립체의 상단에 위치하는 안전 벤트에 가스 배출 부재가 구비되며, 상기 가스 배출 부재는 적어도 두 개의 박막을 가지는 박막부를 포함할 수 있다.
상기 가스 배출 부재는 배출부, 연결부 및 절곡부를 포함할 수 있다.
상기 박막부는 제1 박막 및 제2 박막을 포함할 수 있다.
상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 상호 마주 보며 중심 부위(S)에서 접촉할 수 있다.
상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 진공 상태에서 서로 분리될 수 있다.
상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 아치 형상일 수 있다.
상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 금속 소재로 이루어질 수 있다.
상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 상기 배출부의 장축을 따라 배열될 수 있다.
상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 상기 배출부의 내면에 연결될 수 있다. 원통형 전지.
상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 형상 기억 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 형상 기억 합금은 티탄 니켈 합금일 수 있다.
상기 가스 배출 부재는 상기 상단 캡과 상기 안전 벤트가 접촉하는 가장자리에 형성될 수 있다.
상기 가스 배출 부재는 상기 배기구가 형성된 부위에 위치할 수 있다.
상기 배출부의 일측은 상기 절곡부에 연결되고, 상기 배출부의 타측은 개방된 구조일 수 있다.
상기 배출부의 일측에는 슬롯 형상의 가스 유입구가 형성될 수 있다.
상기 절곡부에는 주름이 형성될 수 있다.
상기 배출부는 X축, Y축 및 Z축 방향으로 절곡될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 전지는 활성화 과정에서 발생하는 내부 가스를 제거함으로써 원통형 전지의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 원통형 전지의 수명을 연장할 수 있다.
도 1은 종래의 원통형 전지의 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지를 나타낸 단면 모식도이다.
도 3은 도 2의 안전 벤트를 나타낸 모식도이다.
도 4는 도 2의 캡 어셈블리를 나타낸 모식도이다.
도 5는 도 2의 가스 배출 부재를 나타낸 측면 모식도이다.
도 6은 도 5의 배출부를 A 방향에서 바라보았을 때의 정면 모식도이다.
도 7은 도 5의 배출부를 B 방향에서 바라보았을 때의 정면 모식도이다.
도 8은 도 6의 박막부를 나타낸 측면 모식도이다.
도 9는 도 6의 제1 박막 및 제2 박막이 상호 분리된 것을 나타낸 정면 모식도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예를 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지를 나타낸 단면 모식도이다.
도 2를 참조하면, 원통형 전지(200)는 금속 캔(230)의 내부에 젤리-롤형 전극 조립체(240)을 삽입하고, 금속 캔(230)의 개방 상단에 캡 어셈블리(210)를 장착한 구조이다. 캡 어셈블리(210)는 상단 캡(211), 안전 벤트(212), 전류 차단 부재(CURRENT INTERRUPTIVE DEVICE: 213), 가스켓(215) 및 가스 배출 부재(216)를 포함할 수 있다.
상단 캡(211)은 원통형 전지(200)의 외부로 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고 배기구(214)가 천공된 구조일 수 있다. 상단 캡(211)은 안전 벤트(212)의 가장자리를 따라 안전 벤트(212)에 전기적으로 접속될 수 있다.
안전 벤트(212)는 원통형 전지(200)의 내부에서 발생하는 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치(222)가 형성될 수 있다. 안전 벤트(212)는 원통형 전지(200)가 정상적으로 작동할 때 하향 돌출된 구조를 유지한다. 하지만, 원통형 전지(200)의 내부에서 발생한 가스에 의해 내부 압력이 정상 범위를 초과하여 상승할 때, 안전 벤트(212)는 상향 돌출되면서 파열되어 내부 가스를 배출할 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 전지(200)는 안전 벤트(212)에 별도의 가스 배출 부재(216)가 형성될 수 있다. 가스 배출 부재(216)의 상세한 구조는 후술한다.
전류 차단 부재(213)는, 원통형 전지(200)가 비정상적으로 작동할 때, 전류를 차단하고 내압을 해소할 수 있다. 전류 차단 부재(213)는 전극 조립체(240)와 안전 벤트(212) 사이의 공간에 장착될 수 있다.
가스켓(215)은 상단 캡(211)의 가장 자리에 장착되어 양극 단자로 작용하는 상단 캡(211)과 음극 단자로 작용하는 금속 캔(230)을 전기적으로 절연할 수 있다.
도 3은 도 2의 안전 벤트를 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 안전 벤트(212)에는 내부 가스가 배출될 수 있는 가스 배출 부재(216)가 형성될 수 있다. 가스 배출 부재(216)의 위치는 특별히 한정되지 않으나, 상단 캡(211)과 안전 벤트(212)가 접촉하는 가장자리에 형성될 수 있다. 상단 캡(211)과 안전 벤트(212)가 접촉하는 가장자리는 가스 배출 부재(216)가 안정적으로 고정될 수 있는 지지력을 확보할 수 있는 공간일 수 있다.
또한, 작업자가 외부 기기를 가스 배출 부재(216)에 연결하여 내부 가스를 배출할 때 안전 벤트(212)의 구조적 변형을 최소화할 수 있으므로, 가스 배출 부재(216)를 상단 캡(211)과 안전 벤트(212)가 접촉하는 가장자리에 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 가스 배출 부재(216)는 노치(222)가 형성되지 않은 부분에 위치하는 것이 바람직하다.
도 4는 도 2의 캡 어셈블리를 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 가스 배출 부재(216)는 배기구(214)가 형성된 부위에 위치할 수 있으므로, 가스 배출 부재(216)의 위치는 육안으로 확인 가능하다.
한편, 가스 배출 부재(216)는 양극 단자로 작용하는 상단 캡(211)의 높이보다 낮게 형성하여 상단 캡(211)과 외부 접속 단자(도시하지 않음)의 전기적 접속을 간섭하지 않게 하는 것이 바람직하다.
도 5는 도 2의 가스 배출 부재를 나타낸 측면 모식도이다. 도 6은 도 5의 배출부를 A 방향에서 바라보았을 때의 정면 모식도이다. 도 7은 도 5의 배출부를 B 방향에서 바라보았을 때의 정면 모식도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 가스 배출 부재(216)는 배출부(216a), 박막부(216b), 연결부(216c) 및 절곡부(216d)를 포함할 수 있다.
배출부(216a)의 형상은 특별히 한정되지 않으나, 일 예로 단면이 타원인 컵 형상일 수 있다. 또한, 배출부(216a)의 타측(216a-1)의 장축(L1)과 단축(L2)은 일측(216a-2)의 장축(L1a)과 단축(L2a)보다 각각 길게 형성될 수 있다.
배출부(216a)의 일측(216a-2)은 절곡부(216d)에 연결되고, 배출부(216a)의 타측(216a-1)은 개방된 구조일 수 있다. 또한, 배출부(216a)의 일측(216a-2)은 컵의 바닥면처럼 폐쇄된 구조이나 장축(L1a)을 따라 슬롯 형상의 가스 유입구(216a-3)가 형성될 수 있다.
이러한 구조에 의해서, 연결부(216c), 절곡부(216d) 및 배출부(216a)는 유체적으로 연통되고, 원통형 전지(200)의 활성화 과정에서 발생한 내부 가스는 도 5의 점선 화살표 방향에 따라 외부로 배출될 수 있다.
연결부(216c)의 형상은 특별히 한정되지 않으나 일 예로 원통형상일 수 있다. 연결부(216c)의 소재 또한 특별히 한정되지 않으나, 알루미늄 A1050 또는 티탄 니켈 합금과 같은 금속일 수 있다.
절곡부(216d)는 연결부(216c)와 배출부(216a)를 연결한다. 그리고, 절곡부(216d)의 형상은 배출부(216a)가 연결부(216c)에 대해 소정의 각도로 절곡된 구조이면 특별히 한정되지 않는다. 절곡부(216d)의 소재 또한 특별히 한정되지 않으나, 알루미늄 A1050 또는 티탄 니켈 합금과 같은 금속일 수 있다.
도 8은 도 6의 박막부를 나타낸 측면 모식도이다.
도 6 및 도 8을 참조하면, 배출부(216a)의 내부 공간에는 박막부(216b)이 형성될 수 있다. 박막부(216b)은 제1 박막(216b-1)과 제2 박막(216b-2)을 포함할 수 있다. 제1 박막(216b-1)과 제2 박막(216b-2)은 배출부(216a)의 장축(L1) 방향으로 배열될 수 있고, 제1 박막(216b-1)과 제2 박막(216b-2)은 상호 마주 보며 중심 부위(S)에서 상호 접촉된 구조일 수 있다. 제1 박막(216b-1)과 제2 박막(216b-2)이 중심 부위(S)에서 접촉된 상태에서는 내부 가스가 배출되지 않는다.
제1 박막(216b-1)과 제2 박막(216b-2)의 형상은 특별히 한정되지 않으나 일 예로 아치 형상일 수 있다. 또한, 제1 박막(216b-1)은 제2 박막(216b-2)과 동일한 형상일 수 있다. 제1 박막(216b-1)의 측면 형상은 중심 부위(S)을 중심으로 대칭인 사다리꼴일 수 있다. 제1 변(216b-3)과 제2 변(216b-4)은 배출부(216a)의 내면에 연결된 구조일 수 있다. 제3 변(216b-5)과 제4 변(216b-6)은 상호 평행하게 형성될 수 있다. 제4 변(216b-6)은 중심 부위(S)와 동일한 길이로 형성될 수 있다.
제1 박막(216b-1)과 제2 박막(216b-2)은 중심 부위(S)를 제외한 가장 자리에서 상호 분리된 상태로 배출부(216a)의 내면에 연결된 구조일 수 있다.
도 9는 도 6의 제1 박막 및 제2 박막이 상호 분리된 것을 나타낸 정면 모식도이다.
도 6 및 도 9를 참조하면, 배출부(216a)의 타측(216a-1)에는 진공 상태를 인가할 수 있는 외부 기기(도시하지 않음)가 연결될 수 있다. 배출부(216a)에 진공 상태가 형성되면, 중심 부위(S)에서 제1 박막(216b-1)과 제2 박막(216b-2)이 도 6의 실선 화살표 방향으로 분리되면서 도 9의 중심 부위(S)와 같이 내부 가스가 배출될 수 있는 공간이 형성된다. 상기 공간을 통해서 내부 가스가 외부로 배출될 수 있다.
제1 박막(216b-1)과 제2 박막(216b-2)의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 0.001 밀리미터 내지 0.01 밀리미터 일 수 있다.
제1 박막(216b-1)과 제2 박막(216b-2)의 소재 또한 특별히 한정되지 않으나, 알루미늄 A1050 또는 티탄 니켈 합금과 같은 금속일 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 다른 일 실시예를 나타낸 측면 모식도이다.
도 10을 참조하면, 가스 배출 부재(316)는 배출부(316a), 박막부(도시하지 않음), 연결부(316c) 및 절곡부(316d)를 포함할 수 있다. 절곡부(316d)는 주름(316d-1)이 형성된 연결관일 수 있다. 이에, 배출부(316a)는 C를 중심으로 X축, Y축 및 Z축 방향으로 용이하게 절곡될 수 있다. 참고로, Z축은 도시하지 않았으나 X축 및 Y축에 수직이고 C를 지나며 도 10을 바라보는 방향으로 형성된 축이다.
이러한 구조를 통해서, 작업자는 외부 기기를 배출부(316a)에 용이하게 연결할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 다른 일 실시예를 나타낸 정면 모식도이다.
도 11을 참조하면, 박막부(416b)는 티탄 니켈 합금과 같은 형상 기억 합금으로 이루어진 제1 박막(416b-1)과 제2 박막(416b-2)을 포함할 수 있다. 제1 박막(416b-1)과 제2 박막(416b-2)은, 특정 온도 범위에서 변형되어, 실선 화살표와 같은 방향으로 상호 분리되는 구조일 수 있다. 일 예로, 제1 박막(416b-1)과 제2 박막(416b-2)은 섭씨 120도 이상의 온도에서 상호 분리되는 구조일 수 있다.
이러한 구조를 통해서, 전지 내부의 고압에 의한 폭주를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 외부 기기를 사용없이 내부 가스를 배출할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 전극 조립체가 금속 캔에 내장되고 상단 캡에는 배기구가 형성된 원통형 전지로써,
    상기 전극 조립체의 상단에 위치하는 안전 벤트에 가스 배출 부재가 구비되며, 상기 가스 배출 부재는 적어도 두 개의 박막을 가지는 박막부를 포함하는 원통형 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출 부재는 배출부, 연결부 및 절곡부를 포함하는 원통형 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 박막부는 제1 박막 및 제2 박막을 포함하는 원통형 전지.
  4. 제3에 있어서,
    상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 상호 마주 보며 중심 부위(S)에서 접촉된 원통형 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 진공 상태에서 서로 분리되는 원통형 전지
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 아치 형상인 원통형 전지.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 금속 소재로 이루어진 원통형 전지.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 상기 배출부의 장축을 따라 배열된 원통형 전지.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 상기 배출부의 내면에 연결된 원통형 전지.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1 박막과 상기 제2 박막은 형상 기억 합금으로 이루어진 원통형 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 형상 기억 합금은 티탄 니켈 합금인 원통형 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출 부재는 상기 상단 캡과 상기 안전 벤트가 접촉하는 가장자리에 형성된 원통형 전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가스 배출 부재는 상기 배기구가 형성된 부위에 위치하는 원통형 전지.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 배출부의 일측은 상기 절곡부에 연결되고, 상기 배출부의 타측은 개방된 구조인 원통형 전지.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 배출부의 일측에는 슬롯 형상의 가스 유입구가 형성된 원통형 전지.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 절곡부에는 주름이 형성된 원통형 전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 배출부는 X축, Y축 및 Z축 방향으로 절곡되는 원통형 전지.
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