KR20220050455A - 원통형 이차전지 - Google Patents

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KR20220050455A
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Abstract

본 발명의 실시예는 원통형 이차전지에 관한 것으로, 일단이 개구되어 개구부를 형성하는 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 개구부에서 멀어지는 방향의 최외곽에 배치되고 적어도 하나의 노치가 형성된 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트로부터 상기 개구부 방향으로 이격되어 배치되고 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 캡 다운, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 배치되어 상기 벤트 플레이트에 결합되는 서포트 플레이트, 상기 서포트 플레이트와 상기 캡 다운의 사이에 삽입되어 상기 서포트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 절연부재를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고, 상기 캔 내부의 가스가 상기 개구부를 향해 토출될 때 상기 벤트 플레이트가 파단되어 상기 캡 어셈블리로부터 분리되는 것이 특징이다.

Description

원통형 이차전지{Cylindrical secondary battery}
본 발명의 실시예는 작동 안정성을 유지함과 동시에, 가스 방출 효과를 극대화할 수 있는 원통형 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 원통형 이차전지는 원통 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체와 전해액을 수용하는 원통형태의 캔과, 캔의 상단 개구부에 결합되어 캔을 밀봉하고 전극 조립체에서 발생되는 전류를 외부장치로 흐르게 하는 캡 어셈블리를 포함한다.
캡 어셈블리에는 이차전지 내부의 가스압이 설정값 이상으로 높아질 때 파단되어 내부 가스를 방출하는 벤트 플레이트가 구비될 수 있다. 벤트 플레이트는 캡 어셈블리의 캡 업 내부에 배치된다. 벤트 플레이트의 파단 시 캡 업은 그대로 캔 상단에 고정되어 있고 벤트 플레이트는 캡 업에 의해 커버된다. 따라서 파단 이후 잔여 가스의 토출 시 파단된 벤트 플레이트에 의해 가스 토출구가 막히거나 좁아지는 문제가 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 발명의 목적은 작동 및 파단 시점에는 캡 어셈블리의 부품을 고정하여 작동 안정성을 유지함과 동시에 가스 방출 시에는 가스 방출을 극대화할 수 있도록 변형되는 캡 어셈블리가 구비된 원통형 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차전지는 일단이 개구되어 개구부를 형성하는 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 개구부에서 멀어지는 방향의 최외곽에 배치되고 적어도 하나의 노치가 형성된 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트로부터 상기 개구부 방향으로 이격되어 배치되고 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 캡 다운, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 배치되어 상기 벤트 플레이트에 결합되는 서포트 플레이트, 상기 서포트 플레이트와 상기 캡 다운의 사이에 삽입되어 상기 서포트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 절연부재를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고, 상기 캔 내부의 가스가 상기 개구부를 향해 토출될 때 상기 벤트 플레이트가 파단되어 상기 캡 어셈블리로부터 분리되는 것이 특징이다.
상기 캡 다운은 중앙 부위가 상기 벤트 플레이트를 향해 돌출되어 상기 벤트 플레이트에 결합되는 연결부를 형성하며, 상기 벤트 플레이트의 작동 시 상기 연결부가 상기 캡 다운으로부터 분리되는 것이 특징이다.
상기 연결부는 상기 벤트 플레이트와 용접되는 용접부를 구비하고, 상기 용접부로부터 외부 방향으로 이격되어 노치가 형성되는 것이 특징이다.
상기 서포트 플레이트는 원판 형상으로, 외측 가장자리로부터 내부 방향으로 이격되고 원주 방향을 따라 복수의 슬릿이 관통 형성되고, 상기 슬릿으로부터 내부 방향으로 이격되어 원형의 관통홀이 관통 형성되며, 상기 슬릿과 상기 관통홀의 사이에 원호 형상인 복수의 제2 지지부를 형성하는 것이 특징이다.
상기 벤트 플레이트는 원판 형상으로, 외측 가장자리가 접혀 형성된 벤딩부를 포함하고, 상기 서포트 플레이트의 상기 외측 가장자리는 상기 벤딩부에 삽입되는 제1 지지부인 것을 특징으로 한다.
상기 절연부재는 링 형상이며, 상기 제2 지지부와 상기 캡 다운의 사이에 배치되는 것이 특징이다.
상기 제1 지지부와 복수의 상기 제2 지지부를 각각 연결하는 복수의 상기 슬릿 사이 영역에 원주 방향을 따라 노치가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 벤트 플레이트의 노치는 상기 벤딩부에 인접하여 형성되고, 상기 서포트 플레이트의 노치는 상기 벤트 플레이트의 노치로부터 내부 방향으로 이격되어 형성되는 것이 특징이다.
상기 가스 토출 시 상기 서포트 플레이트가 상기 벤트 플레이트 방향으로 반전되면서 상기 벤트 플레이트가 상기 캡 어셈블리로부터 분리되는 것이 특징이다.
상기 가스 토출 시 상기 벤트 플레이트가 상기 캡 어셈블리로부터 분리될 때 상기 캡 다운이 상기 캡 어셈블리로부터 분리되는 것이 특징이다.
상기 서포트 플레이트 및 상기 절연부재는 중앙에 관통홀이 형성된 링 형상이고, 상기 절연부재는 상기 서포트 플레이트의 내주면 방향에 배치되어 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 것이 특징이다.
상기 절연부재는 외측 가장자리가 상기 서포트 플레이트의 내측 가장자리와 중첩된 상태로 결합되는 것이 특징이다.
본 발명의 실시예는 원통형 이차전지의 작동 중에는 노치가 형성된 캡 업이 캔에 고정된 상태를 유지하고, 가스 방출 시에는 파단되면서 캡 다운의 일부를 함께 파단시킨다. 또한, 가스 방출 시 서포트 플레이트가 변형되면서 캡 다운 역시 함께 변형 및 파단되어 가스 방출 유로가 확장되므로 가스 방출 속도 및 방출량을 크게 증가시킬 수 있어 가스 방출 효과가 극대화된다.
도 1은 일반적인 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 캡 어셈블리에서 가스 토출 시 캡 어셈블리의 상태를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다.
도 4는 도 3에 따른 캡 어셈블리의 서포트 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 3에 따른 캡 어셈블리에서 벤트 플레이트의 작동 상태를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5에 따른 캡 어셈블리에서 벤트 플레이트의 파단 상태를 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6에 따른 캡 어셈블리에서 가스 토출 시 캡 어셈블리의 상태를 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7에 따른 캡 어셈블리의 가스 토출 후 최종 상태를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 단면도이다.
도 10은 도 9에 따른 캡 어셈블리에서 벤트 플레이트의 파단 상태를 도시한 단면도이다.
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, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 따른 원통형 이차전지에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다. 도 2는 도 1에 따른 캡 어셈블리에서 가스 토출 시 캡 어셈블리의 상태를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적인 원통형 이차전지(A)는 길이 방향 일단에 개구가 형성된 원통형의 캔(10)과, 캔 내부에 수용되는 전극 조립체(30)와, 개구에 삽입되는 캡 어셈블리(50)를 포함한다. 캡 어셈블리(50)는 안전 벤트(51)와, 안전 벤트(51)의 상측에 배치되는 캡 업(52), 안전 벤트(51)의 하측에 배치되는 캡 다운(53)을 포함한다. 캡 어셈블리(50)는 안전 벤트(51)와 캡 다운(53) 사이에 삽입되어 안전 벤트(51)의 중앙 부위 이외의 부분이 캡 다운(53)과 접촉되지 않도록 절연하는 절연부재(54)와, 캡 어셈블리(50)와 캔(10)의 사이를 절연하는 절연 가스켓(55)을 더 포함할 수 있다. 안전 벤트(51)는 캔(10)의 길이 방향 중심축(Y1) 부근의 일부가 캡 다운(53)과 접촉되고, 절연부재(54)에 의해 지지되는 부분은 캡 다운(53)과 이격된다. 안전 벤트(51)에는 노치(51a)가 형성된다. 캔(10)의 개구된 일측은 캡 어셈블리(50)의 하측 부분이 링 형태로 내부 방향으로 함몰되어 비딩부(12)를 형성하며, 캡 어셈블리(50)의 상측 부분이 내부 방향으로 절곡되어 클림핑부(14)를 형성할 수 있다.
이차전지(A) 내부의 압력이 일정 압력 이상 상승하면, 안전 벤트(51)가 변형되면서 노치(51a)가 파단되어 이차전지(A) 내부의 가스가 배출된다. 가스는 파단된 안전 벤트(51)를 지나 캡 업(52)에 형성된 관통홀(52a)을 통해 이차전지(A) 외부로 배출된다.
그런데 도 2에서와 같이 안전 벤트(51)가 파단되어도 안전 벤트(51) 자체가 캡 업(52)과 캡 다운(53)의 사이에 여전히 존재하고, 캡 업(52) 역시 원래 위치에 존재하므로 가스가 배출되는 경로를 안전 벤트(51)가 막는 경우가 발생할 수 있다. 이렇게 되면 이차전지(A) 내부의 가스를 신속하게 배출할 수 없는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 새로운 구조의 캡 어셈블리를 제안한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다. 도 4는 도 3에 따른 캡 어셈블리의 서포트 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 원통형 이차전지(B)는 원통형의 캔(100)과, 캔(100) 내부에 삽입되는 전극 조립체(300)와, 캔(100)의 일단에 삽입되는 캡 어셈블리(500)와, 캔(100)과 캡 어셈블리(500)의 사이에 삽입되는 절연 가스켓(700)을 포함할 수 있다. 전극 조립체(300)에는 센터핀(380)이 결합될 수 있다.
캔(100)은 원형의 바닥부(110)와, 바닥부(110)로부터 상부 방향으로 연장된 측부(130)를 포함하며, 측부(130)의 상부는 개방된 형태(이하 개구부)이다. 이차전지(B)의 제조 공정에서 캔(100)의 개구부를 통해 전극 조립체(300)가 전해액과 함께 캔(100) 내부로 삽입된다. 캔(100)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다.
캔(100)의 개구부에는 캡 어셈블리(500)가 삽입된다(이에 대해서는 후술한다). 삽입된 캡 어셈블리(500)가 캔(100)의 개구부를 통해 외부로 이탈되지 않도록 측부(130) 상에 비딩부(beading part, 132) 및 크림핑부(crimping part, 134)가 형성될 수 있다.
비딩부(132)는 캡 어셈블리(500)를 중심으로 그 하부에 형성되며, 캔(100)의 내부를 향하는 방향으로 함몰된 형태이다. 크림핑부(134)는 캡 어셈블리(500)를 중심으로 그 상부에 형성되며, 캔(100)의 내부 방향으로 절곡된 형태이다. 비딩부(132) 및 크림핑부(134)가 캡 어셈블리(500)를 상하 방향에서 잡아주므로 캡 어셈블리(500)가 캔(100)으로부터 이탈되지 않는다. 캔(100)의 내부에는 캡 어셈블리(500)의 하측으로 전극 조립체(300)가 배치된다.
전극 조립체(300)는 음극 활물질(예를 들어, 흑연, 탄소 등)이 코팅된 음극판(310), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 코팅된 양극판(320), 음극판(310)과 양극판(320)의 사이에 배치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(330)를 포함한다. 음극판(310), 양극판(320) 및 세퍼레이터(330)는 대략 원기둥 형태로 권취되어 캔(100) 내부에 수용될 수 있다.
음극판(310)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일, 양극판(320)은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터(330)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 음극판(310)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(340)이, 양극판(320)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극탭(350)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 음극탭(340)은 구리 또는 니켈 재질, 양극탭(350)은 알루미늄 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 음극탭(340)은 캔(100)의 바닥부(110)에 용접될 수 있으며, 이 경우 캔(100)은 음극으로 동작할 수 있다. 반대로 양극탭(350)이 캔(100)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이 경우 캔(100)은 양극으로 동작할 수 있다.
또한, 전극 조립체(300)의 상하부에는 제1 절연판(360) 및 제2 절연판(370)이 개제될 수 있다. 제1 절연판(360)은 양극판(320)이 캔(100)의 바닥부(110)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하며, 제2 절연판(370)은 음극판(310)이 캡 어셈블리(500)에 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
제1 절연판(360)에는 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생했을 때 원통형의 센터핀(380)을 통해 가스가 상부로 이동할 수 있도록 센터핀(380)과 연통되는 제1 홀(362)과, 음극탭(340)이 관통할 수 있도록 하는 제2 홀(364)이 관통 형성된다. 제2 홀(364)을 통해 음극탭(340)이 바닥부(110)에 용접될 수 있다.
제2 절연판(370)에는 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생했을 때 가스가 캡 어셈블리(500)로 이동할 수 있도록 하는 제1 홀(372)과, 양극탭(350)이 관통할 수 있도록 하는 제2 홀(374)이 관통 형성된다. 제2 홀(374)을 통해 양극탭(350)이 후술할 캡 다운(550)에 용접될 수 있다. 제2 홀(374)은 복수 개로 형성되어 전해액 주입 공정에서 전해액이 전극 조립체(300)로 주입되는 입구 역할을 할 수 있다.
센터핀(380)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로, 대략 전극 조립체(300)의 중앙에 결합될 수 있다. 센터핀(380)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 센터핀(380)은 이차전지의 충방전 중 전극 조립체(300)의 변형을 억제하는 역할, 이차전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 경우에 따라 센터핀(380)은 생략될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 캡 어셈블리(500)는 캔(100)의 외부로 노출되는 벤트 플레이트(510), 벤트 플레이트(510)의 하부에 배치되는 캡 다운(550), 벤트 플레이트(510)와 캡 다운(550)의 사이에 배치되는 서포트 플레이트(530), 서포트 플레이트(530)와 캡 다운(550)의 사이에 배치되는 절연부재(570)를 포함할 수 있다. 도 3에서 캔(100)의 길이 방향을 따른 가상의 중심축(Y2)을 기준으로 하고, 중심축(Y2)을 향하는 방향을 내부 방향, 중심축(Y2)에서 멀어지는 방향을 외부 방향으로 정의한다. 또한, 도 3을 기준으로 상측을 상부 방향, 하측을 하부 방향으로 정의한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 벤트 플레이트(510)는 캡 어셈블리(500)의 가장 상부(도 3 및 후술할 도 5를 기준으로 최상부)에 배치된다. 좀더 상세히 설명하면, 벤트 플레이트(510)는 캡 어셈블리(500) 중 캔(100)의 개구부에서 가장 먼 최외곽에 배치된다. 벤트 플레이트(510)는 안전 벤트 기능을 수행하고, 캡 업이 생략된 캡 어셈블리(500)에서 캡 업의 기능을 대신한다. 벤트 플레이트(510)는 후술할 캡 다운(550)와 동일하거나 유사한 소재로 만들어질 수 있다. 또한, 벤트 플레이트(510)의 원활한 파단 동작을 위해 벤트 플레이트(510)의 소재는 캡 다운(550)의 소재보다 덜 단단한 강성을 가질 수 있다.
벤트 플레이트(510)는 대략 원판 형상으로, 외측 가장자리가 캔(100)의 개구부를 향해 접혀 벤딩부(512)를 형성한다. 벤딩부(512)는 후술할 서포트 플레이트(530)의 외측 가장자리를 감싸는 형태가 된다. 도 3을 기준으로, 벤딩부(512)는 아래 쪽으로 접히는(bending) 형태이다.
또한, 벤트 플레이트(510)에는 벤딩부(512)와 가상의 중심축(Y2) 사이에 원주 방향을 따라 노치(510a)가 형성된다. 노치(510a)는 원주 방향을 따라 링 형상으로 형성될 수도 있고, 복수 개의 부채꼴 형상이 일정한 간격으로 배치될 수도 있다. 노치(510a)가 가스 배출 시 파단되는 부분이므로 노치(510a)는 벤트 플레이트(510)의 판면 중 캔(100)의 개구부를 향하는 판면 상에 형성될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 벤트 플레이트(510)는 기존의 캡 업(52)에 형성된 관통홀(52a)에 해당하는 구조를 갖지 않는 것이 특징이다.
또한, 벤트 플레이트(510)는 벤딩부(512)가 판면의 다른 부분보다 도 3을 기준으로 하부에 배치되도록 단차를 가질 수 있다. 대략 노치(510a)를 기준으로 내부 방향 쪽 판면이 벤딩부(512) 쪽 가장자리 판면보다 높게 형성될 수 있다. 즉, 도 3을 기준으로 벤트 플레이트(510)는 상부 방향으로 볼록한 형태이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 서포트 플레이트(530)는 대략 원판 형상의 판재를 가공하여 만들어진다. 서포트 플레이트(530)는 원판 형상의 외측 가장자리로부터 중심축(Y2)을 향하는 내부 방향으로 이격된 부분에 복수의 슬릿(534)이 관통된다. 슬릿(534)은 원호 형상이며, 복수 개가 일정 간격으로 이격되도록 배치된다. 슬릿(534)으로부터 내부 방향으로 이격된 부분에 대략 원형의 관통홀(538)이 관통된다.
서포트 플레이트(530)의 외측 가장자리는 소정의 폭(직경 방향의 너비)을 가지며, 제1 지지부(532)라고 정의한다. 제1 지지부(532)의 일부 또는 전부를 전술한 벤트 플레이트(510)의 벤딩부(512)가 감싸게 된다. 슬릿(534)과 관통홀(538)의 사이 영역을 제2 지지부(536)로 정의한다. 슬릿(534)이 원호 형상이고 관통홀(538)이 원형으로 형성되므로, 제2 지지부(536)는 복수의 원호 형상을 갖게 된다. 제1 지지부(532)와 제2 지지부(536)는 슬릿(534) 사이의 영역으로 연결된다. 제1 지지부(532)와 제2 지지부(536)를 연결하는 슬릿(534)의 사이 부분에 각각 노치(530a)가 형성된다. 노치(530a)는 벤트 플레이트(510)의 노치(510a)보다 내부 방향 쪽에 형성된다. 가스가 배출될 때 노치(530a)를 기준으로 제2 지지부(536)가 상부 방향으로 변형되며 반전되어 가스를 신속하게 방출할 수 있다. 그러나 서포트 플레이트(530)는 캡 어셈블리로부터 분리되지는 않고 변형된 상태를 유지할 수 있다. 서포트 플레이트(530)는 절연부재(570)와 동일하거나 유사한 소재로 만들어질 수 있다. 또는 캡 다운(550)과 동일하거나 유사한 소재로 만들어질 수도 있다.
또한, 제1 지지부(532)와 제2 지지부(536)는 서로 단차를 갖는다. 도 3(및 후술할 도 5)을 기준으로 제1 지지부(532)의 상면보다 제2 지지부(536)의 상면이 더 상측에 위치한다. 즉, 도 3을 기준으로 서포트 플레이트(530)는 상부 방향으로 볼록한 형태이다. 이러한 구조는 벤트 플레이트(510)의 단차 구조에 대응하는 구조이다.
따라서 도 3을 기준으로 제1 지지부(532)는 캔(100)의 개구부를 향하는 하면의 일부가 벤딩부(512)에 의해 감싸이고, 상면의 대부분이 벤트 플레이트(510)의 하면에 접촉된 상태이다. 제2 지지부(536)는 상면 전체가 벤트 플레이트(510)의 하면에 접촉된 상태이다. 제2 지지부(536)는 벤트 플레이트(510)의 노치(510a)보다 내부 방향에 위치한다. 이 상태에서 절연부재(570)를 사이에 두고 캡 다운(550)이 배치된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 캡 다운(550)은 대략 원판 형상이며, 벤트 플레이트(510)의 하부에 배치된다. 캡 다운(550)은 원판의 중앙 부위가 대략 원기둥 형상으로 상향 돌출되어 벤트 플레이트(510)의 하면에 밀착된다. 반대로 설명하면, 캡 다운(550)은 중앙 부위로부터 가장자리가 하향 절곡된 형태를 갖는다. 벤트 플레이트(510)에 밀착되는 부분을 연결부(552)로 정의한다. 캡 다운(550)의 원판 가장자리는 절연부재(570)를 사이에 두고 서포트 플레이트(530)의 제2 지지부(536) 하면에 배치된다. 이 상태에서 연결부(552)와 벤트 플레이트(510)가 용접되어 고정된다. 용접이 이루어지는 용접부(554)만 벤트 플레이트(510)와 연결되고 다른 부분은 벤트 플레이트(510)와 접촉되지 않는다. 용접부(554)로부터 외부 방향으로 이격된 연결부(552) 상에는 직경 방향을 따라 노치(550a)가 형성될 수 있다. 가스 배출 시 연결부(552) 상의 노치(550a) 부분이 파단된다.
절연부재(570)는 서포트 플레이트(530)와 캡 다운(550)이 이격 상태를 유지할 수 있도록 하며, 서포트 플레이트(530)와 캡 다운(550)을 상호간 절연하는 역할을 한다. 따라서 절연부재(570)는 상부에서 보았을 때 일정 폭을 갖는 원형 링 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연부재(570)는 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(EPDM rubber: ethylene propylene diene monomer (M-class) rubber) 또는 그 등가물로 형성될 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다. 절연부재(570)는 초음파 용접이나 레이저 용접 등의 방법으로 서포트 플레이트(530) 및 캡 다운(550)에 용접될 수 있다.
전술한 바와 같이, 벤트 플레이트(510), 서포트 플레이트(530), 캡 다운(550) 및 절연부재(570)가 결합되어 캡 어셈블리(500)를 구성할 때, 벤트 플레이트(510)의 벤딩부(512)가 서포트 플레이트(530)의 제1 지지부(532)를 감싼다. 이에 따라, 서포트 플레이트(530)의 제2 지지부(536)와 벤트 플레이트(510)의 하면이 서로 접촉하게 된다. 이때, 절연부재(570)를 사이에 두고 서포트 플레이트(530)와 캡 다운(550)이 결합된다. 또한, 캡 다운(550)의 연결부(552)는 벤트 플레이트(510)의 하면에 용접된 상태이다. 이 상태를 캡 어셈블리(500)의 조립 상태라고 정의한다.
전술한 구조를 갖는 원통형 이차전지에서, 가스 배출 과정에 따른 캡 어셈블리 각 구성의 상태에 대해 설명하기로 한다(하기 도면에 도시되지 않은 구성은 도 3을 참조하여 설명함).
도 5는 도 3에 따른 캡 어셈블리에서 벤트 플레이트의 작동 상태를 도시한 단면도이다. 도 6은 도 5에 따른 캡 어셈블리에서 벤트 플레이트의 파단 상태를 도시한 단면도이다. 도 7은 도 6에 따른 캡 어셈블리에서 가스 토출 시 캡 어셈블리의 상태를 도시한 단면도이다. 도 8은 도 7에 따른 캡 어셈블리의 가스 토출 후 최종 상태를 도시한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 과충전 등으로 원통형 이차전지(B)의 내부에 이상 압력이 발생하면 벤트 플레이트(510)가 작동하게 된다. 벤트 플레이트(510)의 작동 상태에서 이차전지(B) 내부에 갇힌 가스에 의해 벤트 플레이트(510)가 상부 방향으로 볼록하게 변형되므로, 캡 다운(550)의 연결부(552)가 노치(550a)를 기준으로 분리된다.
내부 가스 압력이 점차 증가해 미리 정해진 파단 압력보다 커지면, 벤트 플레이트(510)의 노치(510a)가 파단되면서 도 6에서와 같이 벤트 플레이트(510)의 일부가 상부 방향으로 이동하게 된다(노치가 파단되어도 벤딩부는 서포트 플레이트와 결합된 상태를 유지함).
벤트 플레이트(510)의 파단으로 가스가 배출될 수 있는 경로가 열리면서 순간적으로 가스가 토출되면, 도 7에서와 같이 강한 가스 압에 의해 서포트 플레이트(530)의 제2 지지부(536)가 노치(530a)를 기준으로 상부 방향으로 반전될 수 있다. 노치(530a) 부분이 다른 부분에 비해 상대적으로 약한 부위이므로, 이 부분에서 변형이 발생된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 지지부(536)가 상부 방향으로 밀려 올라가면서 벤트 플레이트(510)를 상부 방향으로 밀어내므로 벤트 플레이트(510)가 완전히 파단되어 캡 어셈블리(500)로부터 분리될 수 있다. 제2 지지부(536)에 의해 벤트 플레이트(510)가 쉽게 분리될 수 있도록 서포트 플레이트(530)의 노치(530a)보다 벤트 플레이트(510)의 노치(510a)가 외측 방향에 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 서포트 플레이트(530)의 노치(530a)가 벤딩부(512)에서 멀어질수록 상부 방향으로의 반전 및 변형이 용이하기 때문이다. 벤트 플레이트(510)의 분리 시, 벤트 플레이트(510)는 노치(510a)를 기준으로 내부 방향의 일부가 제거되고, 노치(510a)를 기준으로 외부 방향의 일부와 벤딩부(512)는 서포트 플레이트(530)와 결합된 상태로 남겨진다. 동시에 강한 가스 압에 의해 캡 다운(550) 역시 상부 방향으로 밀리게 되고, 절연부재(570) 역시 파손되어 서포트 플레이트(530)로부터 분리될 수 있다(강한 가스 압과 높은 온도에 의해 절연부재가 녹거나 파손됨). 벤트 플레이트(510), 캡 다운(550)이 캡 어셈블리(500)로부터 분리되면서 가스가 토출될 수 있는 단면적이 커지므로 가스가 더욱 빠르게 토출될 수 있다.
가스가 토출되면서 벤트 플레이트(510), 캡 다운(550)이 캡 어셈블리(500)로부터 분리되어 제거되고, 서포트 플레이트(530)는 변형된 상태로 남아 캡 어셈블리(500)는 최종적으로 도 8에서와 같은 형태가 된다.
전술한 실시 예에서는 서포트 플레이트(530)가 제1 지지부(532) 및 제2 지지부(536)로 구성되고, 가스 토출 시 제2 지지부(536)가 벤트 플레이트(510)의 파단 및 개방을 위해 상부 방향으로 변형되는 예에 대해 설명하였다. 이하에서는 서포트 플레이트(530)가 링 형상인 실시 예에 대해 설명한다(전술한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다).
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 단면도이다. 도 10은 도 9에 따른 캡 어셈블리에서 벤트 플레이트의 파단 상태를 도시한 단면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 서포트 플레이트(530')는 중앙에 관통홀(536')이 형성된 링 형상의 판재이다. 서포트 플레이트(530')는 외측 가장자리를 벤트 플레이트(510)의 벤딩부(512)가 감싸는 형태로 설치된다. 벤딩부(512)가 감싸는 이 부분을 제1 지지부(532')라고 한다. 서포트 플레이트(530')는 상면이 벤트 플레이트(510)의 하면에 접촉되고, 하면이 절연부재(570')의 외측 가장자리 상면과 접촉된다. 이 부분을 제2 지지부(534')라고 한다. 제2 지지부(534')는 상면이 벤트 플레이트(510)의 형상에 대응하여 제1 지지부(532')의 상면보다 높게 형성될 수 있다.
절연부재(570')는 소정의 폭(도 9를 기준으로 좌우 방향(중심축 Y2에 수직인 방향)의 길이)과 두께(도 9를 기준으로 상하 방향(중심축 Y2 방향) 길이)를 갖는 대략 링 형상의 절연체이다. 절연부재(570')는 서포트 플레이트(530')의 내주면 쪽에 위치한다. 즉, 절연부재(570')는 서포트 플레이트(530')보다 내부 방향에 위치한다. 절연부재(570')는 상면이 서포트 플레이트(530')의 내측 가장자리인 제2 지지부(534') 하면에 접촉되는 제1 절연부(572')와, 제1 절연부(572')로부터 내부 방향으로 연장되며 상면이 벤트 플레이트(510)의 하면에 접촉되고 하면이 캡 다운(550)의 가장자리 상면에 접촉되는 제2 절연부(574')를 포함한다. 제1 절연부(572')는 제2 지지부(534')와 중첩된 상태로 결합된다. 제2 절연부(574')는 전술한 제1 실시 예에서 서포트 플레이트(530)의 제1 지지부(532) 위치에 대응하는 위치에 형성된다. 제1 절연부(572')에 의해 서포트 플레이트(530')가 절연 및 지지되고, 제2 절연부(574')에 의해 벤트 플레이트(510)가 절연 및 지지된다. 따라서 절연부재(570')에 의해 벤트 플레이트(510)와 캡 다운(550), 서포트 플레이트(530')와 캡 다운(550) 사이가 절연된다. 제1 절연부(572')는 서포트 플레이트(530')와, 제2 절연부(574')는 벤트 플레이트(510)와 캡 다운(550)에 용접 등의 방법으로 결합된다. 캡 다운(550)과 서포트 플레이트(530') 사이 간격보다 캡 다운(550)과 벤트 플레이트(510) 사이 간격이 넓으므로 제2 절연부(574')의 두께가 제1 절연부(572')의 두께보다 크게 형성된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 가스 배출 시 벤트 플레이트(510)가 파단되면서 상부 방향으로 변형되면 벤트 플레이트(510)에 부착되어 있던 절연부재(570')가 끌려 올라가면서 캡 다운(550)을 함께 움직이게 된다. 캡 다운(550)이 움직이면서 벤트 플레이트(510)의 작동 파단 산포가 커지고, 벤트 플레이트(510)의 잔여 부분이 손쉽게 파단되어 가스 배출이 신속하게 이루어질 수 있다. 가스 배출 후 최종적으로 남는 부분은 제1 실시 예와 동일하게 서포트 플레이트(530')일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 원통형 이차전지 내부의 가스 토출 시 가스 압에 의해 서포트 플레이트 또는 캡 다운이 가스 토출 방향으로 변형되면서 벤트 플레이트의 작동 산포가 커지게 된다. 따라서 벤트 플레이트가 파단된 후 캡 어셈블리로부터 분리되기 쉬우며, 이로 인해 가스 토출 경로가 잔여 부품들에 의해 차단되지 않고 개방되므로 가스가 신속하게 토출될 수 있다. 또한, 캡 업을 생략하고 벤트 플레이트가 안전 벤트 및 캡 업의 기능을 수행하므로 벤트 플레이트의 파단 및 분리로 신속한 가스 토출이 가능한 장점이 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 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: 캔 300: 전극 조립체
500: 캡 어셈블리 510: 벤트 플레이트
530: 서포트 플레이트 550: 캡 다운
570: 절연부재

Claims (12)

  1. 일단이 개구되어 개구부를 형성하는 원통형 캔;
    상기 원통형 캔에 수용되는 전극 조립체; 및
    상기 개구부에서 멀어지는 방향의 최외곽에 배치되고 적어도 하나의 노치가 형성된 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트로부터 상기 개구부 방향으로 이격되어 배치되고 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 캡 다운, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 배치되어 상기 벤트 플레이트에 결합되는 서포트 플레이트, 상기 서포트 플레이트와 상기 캡 다운의 사이에 삽입되어 상기 서포트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 절연부재를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고,
    상기 캔 내부의 가스가 상기 개구부를 향해 토출될 때 상기 벤트 플레이트가 파단되어 상기 캡 어셈블리로부터 분리되는 원통형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 다운은 중앙 부위가 상기 벤트 플레이트를 향해 돌출되어 상기 벤트 플레이트에 결합되는 연결부를 형성하며, 상기 벤트 플레이트의 작동 시 상기 연결부가 상기 캡 다운으로부터 분리되는 원통형 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 벤트 플레이트와 용접되는 용접부를 구비하고, 상기 용접부로부터 외부 방향으로 이격되어 노치가 형성되는 원통형 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 서포트 플레이트는 원판 형상으로, 외측 가장자리로부터 내부 방향으로 이격되고 원주 방향을 따라 복수의 슬릿이 관통 형성되고, 상기 슬릿으로부터 내부 방향으로 이격되어 원형의 관통홀이 관통 형성되며, 상기 슬릿과 상기 관통홀의 사이에 원호 형상인 복수의 제2 지지부를 형성하는 원통형 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 벤트 플레이트는 원판 형상으로, 외측 가장자리가 접혀 형성된 벤딩부를 포함하고, 상기 서포트 플레이트의 상기 외측 가장자리는 상기 벤딩부에 삽입되는 제1 지지부인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 절연부재는 링 형상이며, 상기 제2 지지부와 상기 캡 다운의 사이에 배치되는 원통형 이차전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 지지부와 복수의 상기 제2 지지부를 각각 연결하는 복수의 상기 슬릿 사이 영역에 원주 방향을 따라 노치가 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 벤트 플레이트의 노치는 상기 벤딩부에 인접하여 형성되고, 상기 서포트 플레이트의 노치는 상기 벤트 플레이트의 노치로부터 내부 방향으로 이격되어 형성되는 원통형 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스 토출 시 상기 서포트 플레이트가 상기 벤트 플레이트 방향으로 반전되면서 상기 벤트 플레이트가 상기 캡 어셈블리로부터 분리되는 원통형 이차전지.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 토출 시 상기 벤트 플레이트가 상기 캡 어셈블리로부터 분리될 때 상기 캡 다운이 상기 캡 어셈블리로부터 분리되는 원통형 이차전지.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 서포트 플레이트 및 상기 절연부재는 중앙에 관통홀이 형성된 링 형상이고, 상기 절연부재는 상기 서포트 플레이트의 내주면 방향에 배치되어 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 원통형 이차전지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 절연부재는 외측 가장자리가 상기 서포트 플레이트의 내측 가장자리와 중첩된 상태로 결합되는 원통형 이차전지.
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