KR20220163779A - 이차 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20220163779A
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손종인
김지은
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함한다. 상기 캡 조립체는, 안전 벤트; 및 상기 안전 벤트 아래에 위치한 CID 필터를 포함한다. 상기 안전 벤트는, 상단에서 외부로 노출되며, 상기 안전 벤트에 상하로 관통된 벤트홀이 형성되고, 상기 CID 필터에, 상하로 관통되고 상기 벤트홀과 연결되는 CID 홀이 형성된다. 상기 전극 조립체로부터 연장된 제1 전극탭이 상기 CID 필터에 접합되며, 상기 CID 홀은 상기 제1 전극탭에 의해 폐쇄되거나 개방된다.

Description

이차 전지 및 이의 제조 방법{SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 이차 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 활성화 공정에서 발생한 가스의 배출이 가능한 이차 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 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.
대표적으로 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차 전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤형 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는 상기 젤리롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위 셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
또한, 이차 전지는 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형의 케이스에 내장된 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 케이스에 내장된 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.
한편, 이차 전지는 사용 용도에 적합한 성능을 만족시키는 동시에 안전성을 갖추어야 시장에서 적합하게 활용 가능하다. 이차 전지를 설계할 때는 이러한 성능과 안전성 측면을 동시에 고려하여 설계 인자를 결정하게 된다. 설계 및 제작이 완료된 전지는 수명, 고율 특성, 고온/저온 특성 등의 성능 평가와 함께 과충전, 과방전, 충격(impact), 네일 테스트(Nail Test), 핫박스(hot box) 등의 안전성 평가를 진행하게 된다.
다양한 형태의 이차 전지 중 원통형 이차 전지는, 과충전 등의 비정상적인 상태에서 이차 전지 내부에 가스가 급격히 발생하여 내압이 일정 수준 이상이 되면, 전극 단자와 전극탭 간의 전류를 차단하여 추가적인 반응이 일어나지 않도록 방지하는 CID(Current Interrupt Device) 필터를 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 원통형 이차 전지의 상부에 대한 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 1을 참고하면, 전극 조립체(20)가 원통형 케이스(30)에 수납되고, 원통형 케이스(30)의 개방된 상부에 캡 조립체(40)가 장착되어 원통형 이차 전지(10)가 제조될 수 있다.
전극 조립체(20)는 제1 전극(21), 제2 전극(22) 및 분리막(23)이 권취된 젤리롤형 전극 조립체일 수 있다.
캡 조립체(40)는 상단 캡(41), 내부 압력 강하용 안전 벤트(42) 및 CID(Current Interrupt Device) 필터(43)를 포함할 수 있다. 상단 캡(41)과 안전 벤트(42)는 상호 밀착된 구조를 형성할 수 있고, 안전 벤트(42)는 CID 필터(43)의 중심부와 연결될 수 있다. CID 필터(43)의 하단부에 제1 전극(21)으로부터 돌출된 제1 전극탭(21t)이 연결될 수 있다. 여기서 제1 전극(21)은 양극일 수 있고, 제1 전극탭(21t)은 양극탭일 수 있다.
위와 같이, 상단 캡(41)은, 안전 벤트(42), CID 필터(43) 및 제1 전극탭(21t)들과 직, 간접적으로 연결되어 전극 조립체(20)와 전기적으로 연결될 수 있고, 전극 단자로써 기능할 수 있다.
한편, 캡 조립체(40)와 원통형 케이스(30) 간의 밀봉을 위한 가스켓(70) 및 CID 필터(43)의 가장자리를 감싸는 CID 가스켓(80)이 배치될 수 있다.
도 2는 도 1의 원통형 이차 전지가 내압이 상승했을 때의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 2를 참고하면, 원통형 이차 전지(10)가 고온에 노출되거나 비정상적인 작동 상태에 놓여 내부 압력이 상승하면, 안전 벤트(42)의 형상이 역전되고, CID 필터(43)가 분리되어 전류를 차단한다. 구체적으로, CID 필터(43)가 안전 벤트(42)와 연결된 부분(43a) 및 제1 전극탭(21t)과 연결된 부분(43b)으로 나누어져, 전극 단자로 기능하는 상단 캡(41)과 제1 전극탭(21t) 간의 전류 흐름이 차단된다. 또한 내부 압력이 크게 상승된 경우, 안전 벤트(42)의 노치부분이 끊어지면서 안전 벤트(42)가 열리고, 내부 가스가 배출된다.
종래의 원통형 이차 전지(10)와 같이 상단 캡(41)을 구비한 경우, 구조적 강성은 뛰어나지만, 안전 벤트(42)가 열리면서 내부 가스가 배출될 때 상단 캡(41)에 의해 공간적인 부분이 열위하여 안전 벤트(42)가 완전히 열리지 못해 가스 배출이 제한된다는 단점이 있다. 또한, CID 필터(43)가 확실히 분리되지 못하는 경우가 발생하여, 비정상적인 작동 상태에서도 전류가 계속 흐르는 문제가 있을 수 있다.
한편, 일반적으로 리튬 이차 전지는 제조 과정에서 화성(formation) 공정, 즉 활성화 공정을 수행한다. 상기 활성화 공정은 전지 조립 후 충전과 방전을 수행하여 전지를 활성화하는 공정으로서, 충전 시 양극으로부터 나온 리튬 이온이 음극으로 이동하여 삽입되며 이 때 음극 표면에서 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 막이 형성된다. 이러한 활성화 공정은 일반적으로 일정 범위의 정전류 또는 정전압으로 충방전을 반복하는 것으로 진행된다.
이러한 활성화 공정에서, 전극 피막 형성이나 셀 내부 수분의 분해로 인해 다량의 가스가 발생하는데, 활성화 공정에서 발생한 가스는 양도 많고 전극 피막과 지속적으로 반응하기 때문에 이를 배출시켜주는 공정이 필요하다. 이를 탈기(degas) 공정이라고 한다.
그러나, 도 1 및 도 2를 다시 참고하면, 종래의 원통형 이차 전지(10)는 전해액 주입 후 밀폐를 유지해야 하기에 활성화 공정에서 발생한 가스를 배출하기 용이하지 않다. 활성화 공정에서 발생한 가스가 배출되지 못하면, 양극과 음극 사이의 전지반응을 방해하여, 전지의 초기용량, 안정적 고체 전해질 계면(SEI) 형성, 수명성능발현 특성 등에 악영향을 끼칠 수 있다. 또한, 가스가 배출되지 못해 상술한 안전성 평가의 결과에 영향을 미치기도 한다.
이에, 활성화 공정에서 발생한 가스의 배출이 가능한 원통형 이차 전지에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 활성화 공정 이후 가스 배출이 가능한 이차 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 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 이차 전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함한다. 상기 캡 조립체는, 안전 벤트; 및 상기 안전 벤트 아래에 위치한 CID 필터를 포함한다. 상기 안전 벤트는, 상단에서 외부로 노출되며, 상기 안전 벤트에 상하로 관통된 벤트홀이 형성되고, 상기 CID 필터에, 상하로 관통되고 상기 벤트홀과 연결되는 CID 홀이 형성된다. 상기 전극 조립체로부터 연장된 제1 전극탭이 상기 CID 필터에 접합되며, 상기 CID 홀은 상기 제1 전극탭에 의해 폐쇄되거나 개방된다.
상기 벤트홀 및 상기 CID 홀은 동일한 수직선 상에 위치할 수 있고, 상기 CID 홀을 폐쇄한 상기 제1 전극탭이 상기 벤트홀 및 상기 CID 홀을 통해 외부에서 보여질 수 있다.
상기 벤트홀은, 상기 CID 홀보다 큰 직경을 가질 수 있다.
상기 제1 전극탭은, 상측탭부 및 하측탭부를 포함할 수 있다. 상기 하측탭부는 상기 전극 조립체에 연결될 수 있고, 상기 하측탭부와 연결된 상기 상측탭부의 일단이 상기 CID 필터에 접합될 수 있다.
상기 상측탭부의 타단이 상기 CID 필터의 하면에 밀착되거나 이격되면서, 상기 CID 홀을 폐쇄하거나 개방할 수 있다.
상기 제1 전극탭은, 탄성 복원력을 가진 소재를 포함할 수 있고, 상기 상측탭부의 상기 타단이 상기 CID 필터의 하면에 탄력적으로 밀착될 수 있다.
상기 CID 홀의 내주면 하단과 상기 상측탭부가 용접 접합될 수 있다.
상기 제1 전극탭은, 상기 CID 홀에 삽입되는 돌기부를 포함할 수 있다.
상기 이차 전지는, 상기 CID 홀에 삽입된 밀폐볼을 더 포함할 수 있다.
상기 전지 케이스의 상부 일단이 구부러져 상기 안전 벤트의 외주 부분을 감싸며 크림핑부를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, 전극 조립체를 상부가 개방된 전지 케이스에 수납하는 단계; 상기 전지 케이스의 개방된 상부에, 안전 벤트 및 CID 필터를 포함하는 캡 조립체를 결합하는 단계; 상기 전극 조립체를 활성화하는 활성화 단계; 및 상기 활성화 단계에서 발생한 가스를 상기 안전 벤트에 형성된 벤트홀과 상기 CID 필터에 형성된 CID 홀을 통해 외부로 배출하는 가스 배출 단계를 포함한다. 상기 안전 벤트는, 상단에서 외부로 노출된다. 상기 전극 조립체로부터 연장된 제1 전극탭이 상기 CID 홀을 닫은 상태로 상기 CID 필터에 접합된다. 상기 가스 배출 단계에서, 상기 벤트홀과 상기 CID 홀을 통해 상기 제1 전극탭을 하부 방향으로 눌러 상기 CID 홀을 개방시키고, 상기 가스가 상기 CID 홀과 상기 벤트홀을 통해 외부로 배출될 수 있다.
상기 가스 배출 단계에서, 막대부재나 흡입 장치를 상기 벤트홀과 상기 CID 홀을 통해 삽입하여, 상기 제1 전극탭을 하부 방향으로 누를 수 있다.
상기 가스 배출 단계 이후, 상기 제1 전극탭을 누르는 힘을 제거하고, 상기 제1 전극탭을 원위치로 복귀시켜 상기 CID 홀을 다시 폐쇄할 수 있다.
상기 이차 전지의 제조 방법은, 상기 가스 배출 단계 이후, 상기 CID 홀의 내주면 하단을 상기 제1 전극탭과 용접하는 용접 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이차 전지의 제조 방법은, 상기 벤트홀을 통해 상기 CID 홀에 밀폐볼을 삽입하는 밀폐볼 삽입 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이차 전지의 제조 방법은, 상기 CID 홀에 삽입된 상기 밀폐볼을 용융하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상단 캡을 제거하고 안전 벤트를 외부로 노출시켜 안전 벤트에 대한 공간적 제약을 없앰으로써, 내부 압력 상승 시 안전 벤트가 완전히 열릴 수 있어 가스 배출에 효과적일 수 있다.
또한, 안전 벤트가 외부로 노출되었기 때문에, 안전 벤트에 별도의 벤트홀을 형성하여 활성화 공정에서 발생한 가스를 용이하게 배출시킬 수 있다. 이에 따라, 가스로 인한 전극 조립체의 팽창, 변형 등의 문제나 잔류 가스 기포로 인한 리튬 석출 유발의 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 원통형 이차 전지의 상부에 대한 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 원통형 이차 전지가 내압이 상승했을 때의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 이차 전지에 포함된 안전 벤트에 대한 단면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 상부에 대한 단면도이다.
도 6은 도 5의 “A”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 7은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따라 돌기부가 형성된 제1 전극탭을 나타낸 부분 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 CID 홀에 삽입된 밀폐볼을 나타낸 부분 도면이다.
도 9 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
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.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에 대한 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 이차 전지에 포함된 안전 벤트에 대한 단면 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 상부에 대한 단면도이다. 특히, 도 5는 도 3의 이차 전지의 각 부품들을 조립한 후 xz 평면을 따라 자른 단면의 상부를 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 전극 조립체(200); 전극 조립체(200)가 수납되고 상부가 개방된 전지 케이스(300); 및 전지 케이스(300)의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체(400)를 포함한다.
우선, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200)는, 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)을 포함할 수 있다. 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)이 함께 권취되어 젤리롤형 전극 조립체(200)가 형성될 수 있다. 분리막(230)은 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 사이에 개재될 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 제1 전극(210)은, 제1 전극 집전체 상에 전극 활물질을 도포하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 제1 전극 집전체 중 전극 활물질이 도포되지 않아 상기 제1 전극 집전체가 노출되는 부분에 제1 전극탭(213)이 용접 등의 방법으로 부착될 수 있다.
제2 전극(220)은 제2 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 제2 전극 집전체 중 전극 활물질이 도포되지 않아 상기 제2 전극 집전체가 노출되는 부분에 제2 전극탭(223)이 용접 등의 방법으로 부착될 수 있다.
이 때, 제1 전극(210)은 양극일 수 있고, 제2 전극(220)은 음극일 수 있다. 이에 따라, 제1 전극탭(213)은 양극탭일 수 있고, 제2 전극탭(223)은 음극탭일 수 있다. 한편, 권취된 전극 조립체(200)에 대해서, 제1 전극탭(213)과 제2 전극탭(223)은 서로 반대 방향으로 돌출될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극탭(213)은 캡 조립체(400)가 위치한 방향(z축 방향)으로 돌출될 수 있고, 제2 전극탭(223)은 전지 케이스(300)의 바닥부가 위치한 방향(-z축 방향)으로 돌출될 수 있다. 제1 전극탭(213)은 캡 조립체(400)와 연결되고, 제2 전극탭(223)은 전지 케이스(300)의 바닥부와 연결될 수 있다. 즉, 캡 조립체(400)와 전지 케이스(300)가 각각 이차 전지(100)의 전극 단자로써 기능할 수 있다.
한편, 전지 케이스(300)는 전해액이 함침된 전극 조립체(200)를 수납하는 구조물로써, 금속 소재를 포함할 수 있고, 원통형 케이스일 수 있다.
본 실시예에 다른 캡 조립체(400)는, 안전 벤트(410, Safety vent) 및 안전 벤트(410) 아래에 위치한 CID(Current Interrupt Device) 필터(420)를 포함한다. 안전 벤트(410)는 상단에서 외부로 노출된다. 안전 벤트(410)에 상하로 관통된 벤트홀(410H)이 형성되며, CID 필터(420)에 상하로 관통되고 벤트홀(410H)과 연결되는 CID 홀(420H)이 형성된다. 여기서 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)이 연결된다는 의미는, 각각이 형성하는 홀 내부의 공간이 서로 연결되는 것을 의미한다.
본 실시예에 따른 캡 조립체(400)는, 종래의 원통형 이차 전지(10, 도 1 참고)와 달리, 상단 캡이 제거된 구조로써, 안전 벤트(410)가 상단에서 외부로 노출된다.
이러한 안전 벤트(410)는 CID 필터(420) 상에 위치하며, CID 필터(420)에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 벤트홀(410H)을 제외한 안전 벤트(410)의 중심 부분과 CID 홀(420H)을 제외한 후술할 CID 필터(420)의 제1 부분(421)이 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다. CID 필터(420)에는 전극 조립체(200)로부터 연장된 제1 전극탭(213)이 접합된다. 구체적으로, CID 필터(420)의 하단부에는 제1 전극(210)으로부터 돌출된 제1 전극탭(213)이 접합될 수 있다.
안전 벤트(410)는 전류가 통하는 박막 구조물로써, 원판형 플레이트일 수 있다. 안전 벤트(410), CID 필터(420) 및 제1 전극탭(213)들이 차례로 연결되어, 안전 벤트(410)가 전극 조립체(200)의 전기적 연결을 안내하는 전극 단자로써 기능할 수 있다.
본 실시예에 따른 CID 필터(420)는 전류가 통하는 판재 부재로써, 가스의 배출을 위한 배출구(422H)들이 형성될 수 있다. 또한, CID 필터(420)는, 안전 벤트(410)와 연결된 제1 부분(421) 및 제1 전극탭(213)과 연결된 제2 부분(422)을 포함할 수 있으며, 제1 부분(421)은 CID 필터(420)의 중심 부분에 위치하고, 제2 부분(422)은 CID 필터(420)의 외주 부분에 위치할 수 있다.
이차 전지(100)의 내압이 상승할 경우, 안전 벤트(410)의 형상이 역전될 수 있다. 안전 벤트(410)의 형상 역전에 따라, CID 필터(420)의 제1 부분(421)이 함께 상승되어, CID 필터(420)의 제1 부분(421)과 제2 부분(422)이 서로 분리될 수 있다. 내압 상승에 따른 이러한 분리를 유도하기 위해 제1 부분(421)과 제2 부분(422) 사이는 다소 약한 강도를 갖도록 설계될 수 있다. 제1 부분(421)과 제2 부분(422)의 분리에 의해, 안전 벤트(410)와 제1 전극탭(213) 사이의 전류가 차단된다.
또한, 도 5에 도시된 것처럼, 안전 벤트(410)에 일종의 홈(groove)과 같은 노치 구조가 마련될 수 있다. 내압 상승에 따라, 이러한 노치 구조가 끊어지거나 찢어지면서 안전 벤트(410)가 열리게 되고, 내부 가스가 배출된다. 종래의 원통형 이차 전지(10, 도 1 참고)의 경우, 상단 캡(41)이 안전 벤트(42) 상에 위치해 있기 때문에 공간적인 부분이 열위하여 안전 벤트(42)가 완전히 열리지 못한다. 이에 가스가 효과적으로 배출되지 못 한다. 또한 상단 캡(41) 자체가 가스 배출에 방해가 될 수 있다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 상단 캡 없이 안전 벤트(410)가 상단에서 외부로 노출되어 있기 때문에 내압 상승 시 안전 벤트(410)의 형상 역전이나 분리가 방해 없이 자유롭게 이루어질 수 있다. 따라서 종래의 원통형 이차 전지(10)와 비교하여, 가스 배출에 더 효과적이며, 비정상적인 작동 상태에서 제1 부분(421)과 제2 부분(422)의 분리에 의한 전류 차단이 보다 확실히 이루어질 수 있다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 벤트홀(410H), CID 홀(420H), 제1 전극탭(213)의 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 6은 도 5의 “A”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 상술한 바 대로, 전극 조립체(200)로부터 연장된 제1 전극탭(213)이 CID 필터(420)에 접합된다. CID 홀(420H)은 제1 전극탭(213)에 의해 폐쇄되거나 개방된다.
또한, 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)이 연결된다. 특히, 안전 벤트(410)와 CID 필터(420)가 결합되고, 안전 벤트(410)와 CID 필터(420)가 결합된 부분에서 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)이 서로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, CID 홀(420H)은 CID 필터(420) 중에서 안전 벤트(410)와 연결된 제1 부분(421)에 형성될 수 있다.
구체적으로, 제1 전극탭(213)이 CID 필터(420)에 밀착될 경우, CID 홀(420H)이 폐쇄되고, 제1 전극탭(213)이 CID 필터(420)로부터 이격될 경우, CID 홀(420H)이 개방된다.
후술하겠으나, 긴 막대를 안전 벤트(410)의 벤트홀(410H) 및 CID 필터(420)의 CID 홀(420H)을 관통시킨 다음, CID 홀(420H)을 닫고 있는 제1 전극탭(213)을 하부 방향으로 누를 수 있다. 이에 따라 CID 홀(420H)이 개방되면서 후술하는 활성화 과정에서 발생한 가스를 CID 홀(420H)과 벤트홀(410H)을 통해 외부로 배출시킬 수 있다. 따라서, 잔존 가스로 인한 전극 조립체의 팽창, 변형 등의 문제나 잔류 가스 기포로 인한 리튬 석출 유발의 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 상단 캡이 제거된 구조이기 때문에, 긴 막대를 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)에 통과시키기 쉽다. 바꾸어 말하면, 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)을 훼손시키지 않고 막대를 삽입시켜 제1 전극탭(213)을 누를 수 있다.
본 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 제1 전극탭(213)에 의해 CID 홀(420H)이 폐쇄되어 있기 때문에 활성화 공정에서 안정적으로 충, 방전을 수행할 수 있다. 활성화 공정 이후 제1 전극탭(213)을 하부 방향으로 눌러 개방된 CID 홀(420H)을 통해 내부 가스를 외부로 배출할 수 있다. 가스 배출이 완료되면 제1 전극탭(213)과 CID 홀(420H)이 밀봉되도록 용접하여 전해액 누출을 방지한다. 이와 같은 일련의 제조 과정은, 도 9 내지 도 15를 통해 다시 자세히 설명하도록 한다.
한편, 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)은 막대가 삽입될 수 있는 최소한의 직경을 가질 수 있다. 일례로, 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)은 1~3mm의 직경을 가질 수 있고, 이에 따라 전지 케이스(300) 내부의 가스를 외부로 배출하는 한편, 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)을 통한 이물질 유입은 방지할 수 있다.
한편, 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)은 동일한 수직선 상에 위치할 수 있다. 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)이 상하방향으로 배치되고 동일한 수직선상에 위치할 수 있다. 이에 따라 CID 홀(420H)을 막고 있는 제1 전극탭(213)이 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)을 통해 외부에서 보여질 수 있다. 그 결과 이차 전지(100) 외부에서 CID 홀(420H)의 마감 여부를 손쉽게 확인할 수 있다. 더욱이, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 상단 캡이 제거된 형태이기 때문에, CID 홀(420H)의 마감 여부를 보다 손쉽게 확인할 수 있다.
또한, 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)이 일직선상에 위치함에 따라, 제1 전극탭(213)을 보다 효과적으로 눌러서 CID 홀(420H)을 개방할 수 있다. 여기서, 벤트홀(410H)은 안전 벤트(410)의 중심점에 형성되고 CID 홀(420H)은 CID 필터(420)의 중심점에 형성되어, 강도 약화를 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예로써, 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)은 일부만 동일한 수직선 상에 위치할 수 있다. 일례로, 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)은 절반만 동일한 수직선 상에 위치하고, 나머지 절반은 서로 다른 수직선 상에 위치할 수 있다. 이에 따라 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)로 불필요한 물체나 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있고, 아울러, 불필요한 물체로 인해 제1 전극탭(213)이 눌리는 것을 방지할 수 있다.
한편, 벤트홀(410H)의 직경(d1)은 CID 홀(420H)의 직경(d2)보다 클 수 있다. 벤트홀(410H)에 제1 전극탭(213)을 누르기 위한 긴 막대를 삽입할 때, 상기 막대의 유동현상으로 인해 쉽게 삽입하기 어려울 수 있다. 이에 따라, 벤트홀(410H)은 CID 홀(420H) 보다 큰 직경을 가짐으로써, 막대를 용이하게 관통시킬 수 있다. 특히, 제1 전극탭(213)을 누르는 막대에 의해 벤트홀(410H)이 훼손되는 것을 방지할 수 있다. 안전 벤트(410)는 상술한 바 대로, 이차 전지(100)의 폭발 방지를 위해 형상 역전이나 분리가 이루어져야 하는데, 벤트홀(410H)과 그 주변부의 훼손으로 인해 불량이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 벤트홀(410H)은 CID 홀(420H)의 직경보다 클 수 있다. 일례로, 벤트홀(410H)의 직경은 3mm일 수 있고, CID 홀(420H)의 직경은 2mm일 수 있다.
상술한 바 대로, 안전 벤트(410)와 CID 필터(420)가 결합되고, 안전 벤트(410)와 CID 필터(420)가 결합된 부분에서 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)이 서로 연결될 수 있다. 특히, 벤트홀(410H)의 외주면과 CID 홀(420H)의 외주면이 서로 접합될 수 있다. 구체적으로, 벤트홀(410H)의 하부 외주면과 CID 홀(420H)의 상부 외주면이 용접 접합되어 접합 부분(W)이 형성될 수 있다. 즉, 안전 벤트(410)와 CID 필터(420)가 밀봉되게 접합되어 되고, 안전 벤트(410)와 CID 필터(420) 사이를 통해 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)로 이물질이 유입되거나 전해액이 누출되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 전극탭(213)은, 상측탭부(213a) 및 하측탭부(213b)를 포함할 수 있다. 하측탭부(213b)는 전극 조립체(200)에 연결될 수 있다. 즉, 하측탭부(213b)는 전극 조립체(200)로부터 연장된 부분일 수 있다.
하측탭부(213b)와 연결된 상측탭부(213a)의 일단이 CID 필터(420)에 접합될 수 있다. 특히, 상측탭부(213a)의 상기 일단이 CID 필터(420)의 하면과 용접 접합되어 접합 부분(W)이 형성될 수 있다.
또한, 상측탭부(213a)의 타단은 CID 필터(420)의 하면에 밀착되거나 이격되면서, CID 홀(420H)을 폐쇄하거나 개방할 수 있다. 구체적으로, CID 홀(420H)을 닫고 있는 상측탭부(213a)를 후술하는 막대 등으로 누르면, 상측탭부(213a)의 타단이 CID 필터(420)로부터 이격되면서 CID 홀(420H)이 개방된다. 상측탭부(213a)의 타단을 누른 힘을 제거하면, 상측탭부(213a)의 탄성 복원력에 의해 상측탭부(213a)의 타단이 CID 필터(420)에 다시 밀착되면서 CID 홀(420H)을 폐쇄한다.
이에 따라 제1 전극탭(213)은, 이차 전지(100)의 활성화 공정 동안 CID 홀(420H)을 안정적으로 밀폐할 수 있고, 활성화 공정 후, CID 필터(420)로부터 이격되어 CID 홀(420H)을 개방하고 가스를 배출할 수 있다.
제1 전극탭(213)은, 탄성 복원력을 가진 소재를 포함할 수 있고, 상측탭부(213a)의 상기 타단이 CID 필터(420)의 하면에 탄력적으로 밀착될 수 있다. 상측탭부(213a)의 타단을 누른 외력을 제거하면 탄성 복원력에 의해 상측탭부(213a)의 타단이 원위치로 신속하게 복귀하며, 그 결과 CID 홀(420H)을 신속하고 안정적으로 마감할 수 있다. 여기서 제1 전극탭(213)은 탄성 복원력을 가진 소재를 함유한 합금강일 수 있다.
한편, 가스 배출 후, CID 홀(420H)의 내주면 하단과 제1 전극탭(213)의 상측탭부(213a)가 용접 접합될 수 있다. 즉, CID 필터(420)의 하면에 밀착된 상측탭부(213a)의 타단은 가스 배출 후 CID 필터(420)에 접합되며, 이에 따라 CID 홀(420H)이 완전히 밀봉된다. 그 결과 가스 배출 이후에 이물질이 유입되거나 전해액이 누출되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 변형된 일 실시예에 따라 돌기부가 형성된 제1 전극탭을 나타낸 부분 도면이다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 제1 전극탭(213)은, CID 홀(420H)에 삽입되는 돌기부(213a-1)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상술한 바 대로, 제1 전극탭(213)은 상측탭부(213a) 및 하측탭부(213b)를 포함할 수 있는데, 상측탭부(213a)에 돌출된 형태의 돌기부(213a-1)가 형성될 수 있다.
돌기부(213a-1)는 제1 전극탭(213)과 CID 홀(420H) 간의 밀봉력을 높이기 위한 것으로, CID 홀(420H)의 직경과 동일한 지름을 가질 수 있다. 이러한 돌기부(213a-1)가 CID 홀(420H)에 삽입되면서 제1 전극탭(213)과 CID 홀(420H) 사이의 밀봉력을 높인다. 특히 돌기부(213a-1)는, 반구형태의 융기 구조로 형성되며, 이에 따라 돌기부(213a-1)를 CID 홀(420H)에 용이하게 결합할 수도 있고, 용이하게 분리시킬 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 CID 홀에 삽입된 밀폐볼을 나타낸 부분 도면이다.
도 5, 도 6 및 도 8을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는, CID 홀(420H)에 삽입된 밀폐볼(500)을 더 포함할 수 있다. 활성화 공정 이후에 발생한 가스의 배출이 완료되면, CID 홀(420H)에 밀폐볼(500)이 삽입될 수 있다. 밀폐볼(500)은 CID 홀(420H)을 밀봉하기 위한 것으로, 원기둥 형태 또는 구 형태를 가지며, 벤트홀(410H)을 통해 CID 홀(420H)에 삽입되면서 CID 홀(420H)을 밀봉한다.
이 때, 원기둥 형태 또는 구 형태의 밀폐볼(500)이 CID 홀(420H)에 볼 용접(Ball welding)으로 접합될 수 있다. 여기서 볼 용접이라 함은, 볼 형태의 구성을 상기 볼보다 직경이 작은 구멍에 발사하여, 상기 구멍을 막는 접합 방식을 의미한다. 즉, CID 홀(420H)에 채워지기 전 밀폐볼(500)의 직경은 CID 홀(420H)의 내경보다 클 수 있다. 이러한 밀폐볼(500)을 강하게 발사하여 CID 홀(420H)에 억지로 삽입시킴으로써, CID 홀(420H)을 막을 수 있다. 도 8은 밀폐볼(500)이 CID 홀(420H)에 볼 용접으로 삽입 및 접합된 상태를 도시한 것이다.
또한, 밀폐볼(500)는 CID 홀(420H)에 삽입된 이후, 열융착 장치(미도시)를 통해 용융될 수 있다. 이에 따라 밀폐볼(500)이 CID 홀(420H)의 내주면에 접합되면서 CID 홀(420H)과 밀폐볼(500) 사이의 밀봉력을 높일 수 있다
이 때, 본 실시예에 따른 안전 벤트(410)는 상단 캡의 제거에 따라 외부로 노출되는 구조이기 때문에 CID 홀(420H)을 밀폐하기 용이하다. 종래의 원통형 이차 전지(10, 도 1 참고)의 경우, CID 홀이 형성되어 있다고 하더라도, 상단 캡(41)이 존재하기 때문에 가스의 배출 이후에 CID 홀을 다시 막는 것이 구조적으로 상당히 어렵다. 가스 배출을 위해서는 상단 캡(41)과 안전 벤트(42) 모두에 홀이 형성되어야 하는데, 상단 캡(41)의 존재로 인해 안전 벤트(42)과 CID 필터(43)에 형성된 홀을 막는 것이 구조적으로 복잡하고 어려울 수밖에 없다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 캡 조립체(400)는 안전 벤트(410)가 최상단에 노출된 구조이기 때문에 가스 배출 이후에 위에서 설명한 대로, CID 홀(420H)의 내주면 하단과 상측탭부(213a) 간의 용접 접합이나 밀폐볼(500)의 삽입 등의 방법으로 CID 홀(420H)을 밀봉하기 용이하다.
한편, 도 3 내지 도 5를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 케이스(300)는 크림핑부(300C) 및 비딩부(300B)를 포함할 수 있다. 비딩부(300B)는 원통형의 전지 케이스(300) 중 일부가 전극 조립체(200)의 중심 방향으로 만입된 부분을 지칭하는 것으로, 전극 조립체(200)의 유동 방지를 위한 것이다.
크림핑부(300C)는 비딩부(300B)의 상부에 위치하여, 캡 조립체(400)를 감싸는 부분을 지칭하는 것으로, 캡 조립체(400)의 안정적인 결합을 위한 것이다. 전지 케이스(300)의 상부 일단이 구부러져 캡 조립체(400)를 감싸며 크림핑부(300C)를 형성할 수 있다. 보다 구체적으로는, 전지 케이스(300)의 상부 일단이 구부러져 안전 벤트(410)의 외주 부분을 감싸며 크림핑부(300C)를 형성할 수 있다.
밀봉용 가스켓(700)은 크림핑부(300C)와 비딩부(300B)의 내면에 장착되어 캡 조립체(400)와 전지 케이스(300) 간의 밀봉력을 증대시킬 수 있다. 또한, 가스켓(700)은 캡 조립체(400)와 전지 케이스(300) 간의 전기적 연결을 차단할 수 있다. 전지 케이스(300)와 캡 조립체(400) 사이에 가스켓(700)을 위치시키고, 전지 케이스(300)의 상부 일단을 구부려 크림핑(Crimping) 결합을 실시하여 크림핑부(300C)를 형성할 수 있다. 즉, 크림핑 결합에 의해 캡 조립체(400)의 장착, 이차 전지(100)의 밀봉 및 전지 케이스(300)와 캡 조립체(400) 간의 절연이 이루어질 수 있다. 이러한 가스켓(700)은 크림핑부(300C)와 안전 벤트(410) 사이에 위치할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 안전 벤트(410)에는 굴곡부(410B)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 안전 벤트(410)의 일 부분이 상향하는 방향으로 휘어져 굴곡부(410B)가 형성될 수 있다. 이러한 굴곡부(410B)가 형성되어, 크림핑 결합 시 안전 벤트(410)로 전달되는 변형을 줄일 수 있다. 또한, 상술한 바 대로, 비정상적인 작동 상태에서 안전 벤트(410)의 형상 역전에 따라, CID 필터(420)의 제1 부분(421)이 함께 상승되어, CID 필터(420)의 제1 부분(421)과 제2 부분(422)이 서로 분리된다. 이로써 전류의 흐름이 차단되는데, 효과적인 전류 차단을 위해 안전 벤트(410)와 CID 필터(420) 사이에 어느 정도의 간격이 형성되는 것이 바람직하다. 이에, 캡 조립체(400) 자체의 높이는 최소화하면서 안전 벤트(410)와 CID 필터(420) 간의 간격을 늘리기 위해 상향하는 방향으로 휘어진 굴곡부(410B)를 형성할 수 있다.
한편, 상술한 크림핑 결합의 경우, 강한 물리적 압착이 캡 조립체(400)에 인가될 수 있고, 이에 따라 캡 조립체(400)가 손상되는 문제가 있을 수 있다. 특히, 본 실시예에서와 같이, 상단 캡 없이 안전 벤트(410)가 노출되는 구조에서 안전 벤트(410)가 손상될 우려가 있다. 그렇다고 안전 벤트(410)의 강성 보완을 위해 안전 벤트(410)의 두께를 기존보다 두껍게 형성한다면, 내압 상승 시 안전 벤트(410)의 형상 역전이나 분리 등이 제대로 구현되지 않을 가능성이 높다.
본 실시예에 따른 캡 조립체에서는, 단순히 안전 벤트(410)의 두께를 두껍게 하는 것이 아닌, 안전 벤트(410) 중 크림핑부(300C)와 대응하는 부분에 컬링부(410C, Curling part)를 마련할 수 있다. 구체적으로, 안전 벤트(410)는 안전 벤트(410)의 외주 부분에서 구부러진 컬링부(410C)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 도 3 및 도 4에는 컬링부(410C)가 형성되기 이전에 플랜지부(410F, Flange part)의 모습을 나타내었고, 도 5에서는 플랜지부(410F)가 안쪽으로 구부러져 컬링부(410C)를 형성한 모습을 나타냈다.
전지 케이스(300)의 크림핑부(300C)가 가스켓(700)을 사이에 두고 안전 벤트(410)를 감쌀 수 있는데, 그 중에서도 안전 벤트(410)의 컬링부(410C)를 감싸며 크림핑 결합이 이루어질 수 있다. 이에 안전 벤트(410)의 중심 부분은 1겹으로 이루어지나, 크림핑부(300C)가 감싸는 안전 벤트(410)의 외주 부분은 2겹으로 이루어질 수 있다. 즉, 컬링부(410C)를 마련함으로써, 크림핑 결합 시 발생할 수 있는 안전 벤트(410)의 손상을 방지함과 동시에 내압 상승시 안전 벤트(410)의 형상 역전이나 분리 등에 방해가 되지 않고자 하였다.
이하에서는, 도 9 내지 도 15를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법에 자세히 설명하도록 한다. 다만, 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분은 설명의 반복을 피하기 위해 생략하도록 한다.
도 9 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 구체적으로, 모두 이차 전지의 상부에 대한 단면을 나타내었다.
우선, 도 3, 도 4 및 도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, 전극 조립체(200)를 상부가 개방된 전지 케이스(300)에 수납하는 단계 및 전지 케이스(300)의 개방된 상부에, 안전 벤트(410) 및 CID 필터(420)를 포함하는 캡 조립체(400)를 결합하는 단계를 포함한다. 이때, 상술한 바 대로, 전극 조립체(200)는 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)이 함께 권취되어 젤리롤 형태일 수 있고, 전지 케이스(300)는 원통형 케이스일 수 있다. 또한, 캡 조립체(400)의 결합 이전에 전극 조립체(200)와 함께 전해액을 전지 케이스(300) 내부에 주입할 수 있다.
캡 조립체(400)의 안전 벤트(410)는 상단에서 외부로 노출되고, 안전 벤트(410)에 벤트홀(410H)이 형성되며, CID 필터(420)에 CID 홀(420H)이 형성된다. 안전 벤트(410)와 CID 필터(420)의 구체적인 구조는 앞서 설명한 내용이므로 생략하도록 한다.
도 5 및 도 6을 다시 참고하면, 캡 조립체(400)를 배치할 때, 전극 조립체(200)로부터 연장된 제1 전극탭(213)이 CID 홀(420H)을 닫은 상태로 CID 필터(420)의 하면에 접합된다. 이 때, 상술한 바 대로, 제1 전극탭(213)은 상측탭부(213a) 및 하측탭부(213b)를 포함할 수 있다.
상기 캡 조립체(400)를 결합하는 단계에서, 상측탭부(213a)를 CID 필터(420)의 하면에 밀착시킨 다음, 상측탭부(213a)의 타단을 이동시켜서 CID 홀(420H)을 폐쇄한다. 다음, 상측탭부(213a)의 일단을 CID 필터(420)의 하면에 용접 접합한다. 다시 말해, 상측탭부(213a)의 타단은 CID 홀(420H)을 포함한 CID 필터(420)의 하면에 밀착되면서 CID 홀(420H)을 마감하고, 상측탭부(213a)의 일단은 CID 필터(420)에 용접된다. 이러한 형태로, CID 필터(420)와 제1 전극탭(213)이 연결된다. 특히 제1 전극탭(213)은 CID 홀(420H) 방향으로 탄성력을 가지며, 이에 따라 상기 CID 홀(420H)이 닫힌 상태로 유지될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 전극탭(213)의 상측탭부(213a)에 돌기부(213a-1)가 형성된 경우, CID 필터(420)와 제1 전극탭(213)을 연결하는 과정에서, 돌기부(213a-1)가 CID 홀(420H)에 삽입될 수 있다.
도 9 및 도 10을 참고하면, 상기 캡 조립체(400)를 결합하는 단계는, 전지 케이스(300)의 상부 일단(300U)을 구부려 안전 벤트(410)를 감싸는 크림핑부(300C)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 가스켓(700)을 캡 조립체(400)의 안전 벤트(410)와 전지 케이스(300) 사이에 위치시키고, 전지 케이스(300)의 상부 일단(300U)을 구부려 크림핑 결합을 실시할 수 있다.
이 때, 안전 벤트(410)는 안전 벤트(410)의 외주 부분에서 구부러진 컬링부(410C)를 포함할 수 있고, 크림핑부(300C)가 컬링부(410C)를 감싸도록 크림핑 결합이 이루어질 수 있다. 이러한 컬링부(410C)는 상향하는 플랜지부(410F, 도 4 참고)를 안쪽으로 구부림으로써 형성될 수 있다.
다음 도 10을 참고하면, 본 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, 전극 조립체(200)를 활성화하는 활성화 단계를 포함한다. 제1 전극탭(213)이 CID 홀(420H)을 닫고 있는 상태에서, 일정 범위의 정전류 또는 정전압으로 충, 방전을 반복하여 상기 활성화 단계가 이루어질 수 있다. 활성화 단계는, 음극 표면에서의 고체 전해질 계면(solid electrolyte interface: SEI) 막의 형성 및 저전압 선별 등을 목적으로, 충전과 방전을 반복 수행하는 공정이다. 전극 단자로 기능하는 안전 벤트(410)와 전지 케이스(300)에 정전류 또는 정전압을 인가하여, 충, 방전을 반복할 수 있다. 활성화 단계 동안, 전극 조립체와 전해액의 상호 반응으로 인해 전지 케이스(300) 내부에 가스가 발생하고, 상기 가스는 전지 케이스(300) 내부에 축척되면서 압력을 증대시킨다.
도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, 상기 활성화 단계에서 발생한 가스를 안전 벤트(410)에 형성된 벤트홀(410H)과 CID 필터(420)에 형성된 CID 홀(420H)을 통해 외부로 배출하는 가스 배출 단계를 포함한다. 구체적으로, 상기 가스 배출 단계에서, 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)을 통해 제1 전극탭(213)을 하부 방향으로 눌러 CID 홀(420H)을 개방시키고, 상기 가스가 CID 홀(420H)과 벤트홀(410H)을 통해 외부로 배출된다. 제1 전극탭(213) 중에서도 상측탭부(213a)를 누른다.
본 실시예에 따르면, 상기 가스 배출 단계에서, 막대부재(1000)를 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)을 통해 삽입하여, 제1 전극탭(213)을 하부 방향으로 누를 수 있다. 마찬가지로, 막대부재(1000)가 제1 전극탭(213) 중에서도 상측탭부(213a)를 하부 방향으로 누를 수 있다. 그러면, CID 홀(420H)이 개방되면서 전지 케이스(300) 내부에 발생한 가스가 CID 홀(420H)과 벤트홀(410H)을 통해 외부로 배출된다.
특히, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 상단 캡이 제거된 구조이기 때문에, 막대부재(1000)를 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)에 통과시키기 쉽다. 바꾸어 말하면, 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)을 훼손시키지 않고 막대를 삽입시켜 제1 전극탭(213)을 누를 수 있다. 또한, 상단 캡이 제거되어 있기 때문에 가스 배출도 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
한편, 도 12를 참고하면, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, 흡입 장치(1100)를 이용한 가스 배출 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 11에서의 막대부재(1000)가 아닌 별도의 흡입 장치(1100)를 벤트홀(410H)과 CID 홀(420H)을 통해 삽입시켜 제1 전극탭(213)의 상측탭부(213a)을 하부 방향으로 누를 수 있다. CID 홀(420H)이 개방된 상태에서, 흡입 장치(1100)가 전지 케이스(300) 내부의 가스를 흡입할 수 있다. 단순히 막대부재(1000)를 삽입하는 경우에 비해, 보다 효과적으로 전지 케이스(300) 내부의 가스를 제거할 수 있다.
다음 도 13을 참고하면, 상기 가스 배출 단계 이후 제1 전극탭(213)을 누르는 힘을 제거하고, 제1 전극탭(213)을 원위치로 복귀시켜 CID 홀(420H)을 다시 폐쇄할 수 있다. 제1 전극탭(213)을 누르는 힘을 제거하는 것은, 막대부재(1000)나 흡입 장치(1100)를 제거하는 것을 의미한다. CID 홀(420H)이 닫히면, 가스 배출은 마무리된다.
본 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, 상기 가스 배출 단계 이후, CID 홀(420H)의 내주면 하단을 제1 전극탭(213)과 용접하는 용접 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 별도의 용접 장치(미도시)를 벤트홀(410H) 및 CID 홀(420H)을 통과하도록 삽입하여 CID 홀(420H)의 내주면 하단을 제1 전극탭(213)에 용접한다. 도 13에는 해당 부분에 용접으로 인한 접합 부분(W)이 형성된 것이 표현되어 있다. 특히 상측탭부(213a)가 CID 홀(420H) 밀착된 상태에서, 상측탭부(213a)와 CID 홀(420H)의 내주면을 용접하여 CID 필터(420)와 제1 전극탭(213) 사이를 밀봉한다. 이를 통해 가스 배출 단계 이후 CID 홀(420H)이 1차적으로 밀봉될 수 있다.
다음 도 14를 참고하면, 본 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, 벤트홀(410H)을 통해 CID 홀(420H)에 밀폐볼(500)을 삽입하는 밀폐볼 삽입 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 밀폐볼 삽입 단계에서, CID 홀(420H)에 밀폐볼(500)을 억지끼움 방식으로 삽입할 수 있다. 이에 따라 CID 홀(420H)이 효과적으로 밀봉될 수 있다. 구체적으로, CID 홀(420H)에 밀폐볼(500)을 볼 용접으로 접합시킬 수 있다. CID 홀(420H)은 원형의 관통구일 수 있으며, 밀폐볼(500)은 원기둥 형태 또는 구 형태 일 수 있다. 밀폐볼(500)이 CID 홀(420H)에 강하게 발사되고, 밀폐볼(500)이 CID 홀(420H)에 삽입될 수 있다.
다음 도 15를 참고하면, 본 실시예에 따른 이차 전지의 제조 방법은, CID 홀(420H)에 삽입된 밀폐볼(500)을 용융하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 벤트홀(410H)을 통해 용융 장치(1200)를 삽입한 다음 밀폐볼(500)에 열을 가할 수 있다. 이에 따라, 일부가 용융된 밀폐볼(500)이 CID 홀(420H)의 내주면과 접합한다. 그러면 CID 홀(420H)을 완전하게 밀봉할 수 있다.
활성화 단계에서, 전극 피막 형성이나 셀 내부 수분의 분해로 인해 다량의 가스가 발생하는데, 활성화 단계에서 발생한 가스는 양도 많고 전극 피막과 지속적으로 반응하기 때문에 이를 배출시켜주는 공정이 필요하다. 위와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차 전지(100)는 활성화 단계에서 발생한 가스를 배출하고나서 최종적으로 밀봉됨으로써, 잔존 가스로 인한 전극 조립체의 팽창, 변형 등의 문제나 잔류 가스 기포로 인한 리튬 석출 유발의 문제를 해결할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 이차 전지가 복수로 모여 전지 모듈을 형성할 수 있다. 상기 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 이차 전지, 상기 전지 모듈이나 상기 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 이차 전지
200: 전극 조립체
300: 전지 케이스
400: 캡 조립체
410: 안전 벤트
410H: 벤트홀
420: CID 필터
420H: CID 홀

Claims (16)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스; 및
    상기 전지 케이스의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 캡 조립체는, 안전 벤트; 및 상기 안전 벤트 아래에 위치한 CID 필터를 포함하고,
    상기 안전 벤트는, 상단에서 외부로 노출되며,
    상기 안전 벤트에 상하로 관통된 벤트홀이 형성되고,
    상기 CID 필터에, 상하로 관통되고 상기 벤트홀과 연결되는 CID 홀이 형성되며,
    상기 전극 조립체로부터 연장된 제1 전극탭이 상기 CID 필터에 접합되며,
    상기 CID 홀은 상기 제1 전극탭에 의해 폐쇄되거나 개방되는 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 벤트홀 및 상기 CID 홀은 동일한 수직선 상에 위치하고,
    상기 CID 홀을 폐쇄한 상기 제1 전극탭이 상기 벤트홀 및 상기 CID 홀을 통해 외부에서 보여지는 이차 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 벤트홀은, 상기 CID 홀보다 큰 직경을 가지는 이차 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 전극탭은, 상측탭부 및 하측탭부를 포함하고,
    상기 하측탭부는 상기 전극 조립체에 연결되며,
    상기 하측탭부와 연결된 상기 상측탭부의 일단이 상기 CID 필터에 접합되는 이차 전지.
  5. 제4항에서,
    상기 상측탭부의 타단이 상기 CID 필터의 하면에 밀착되거나 이격되면서, 상기 CID 홀을 폐쇄하거나 개방하는 이차 전지.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 전극탭은, 탄성 복원력을 가진 소재를 포함하고,
    상기 상측탭부의 상기 타단이 상기 CID 필터의 하면에 탄력적으로 밀착되는 이차 전지.
  7. 제4항에서,
    상기 CID 홀의 내주면 하단과 상기 상측탭부가 용접 접합되는 이차 전지.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 전극탭은, 상기 CID 홀에 삽입되는 돌기부를 포함하는 이차 전지.
  9. 제1항에서,
    상기 CID 홀에 삽입된 밀폐볼을 더 포함하는 이차 전지.
  10. 제1항에서,
    상기 전지 케이스의 상부 일단이 구부러져 상기 안전 벤트의 외주 부분을 감싸며 크림핑부를 형성하는 이차 전지.
  11. 전극 조립체를 상부가 개방된 전지 케이스에 수납하는 단계;
    상기 전지 케이스의 개방된 상부에, 안전 벤트 및 CID 필터를 포함하는 캡 조립체를 결합하는 단계;
    상기 전극 조립체를 활성화하는 활성화 단계; 및
    상기 활성화 단계에서 발생한 가스를 상기 안전 벤트에 형성된 벤트홀과 상기 CID 필터에 형성된 CID 홀을 통해 외부로 배출하는 가스 배출 단계를 포함하고,
    상기 안전 벤트는, 상단에서 외부로 노출되며,
    상기 전극 조립체로부터 연장된 제1 전극탭이 상기 CID 홀을 닫은 상태로 상기 CID 필터에 접합되고,
    상기 가스 배출 단계에서, 상기 벤트홀과 상기 CID 홀을 통해 상기 제1 전극탭을 하부 방향으로 눌러 상기 CID 홀을 개방시키고, 상기 가스가 상기 CID 홀과 상기 벤트홀을 통해 외부로 배출되는 이차 전지의 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 가스 배출 단계에서,
    막대부재나 흡입 장치를 상기 벤트홀과 상기 CID 홀을 통해 삽입하여, 상기 제1 전극탭을 하부 방향으로 누르는 이차 전지의 제조 방법.
  13. 제11항에서,
    상기 가스 배출 단계 이후, 상기 제1 전극탭을 누르는 힘을 제거하고, 상기 제1 전극탭을 원위치로 복귀시켜 상기 CID 홀을 다시 폐쇄하는 이차 전지의 제조 방법.
  14. 제11항에서,
    상기 가스 배출 단계 이후, 상기 CID 홀의 내주면 하단을 상기 제1 전극탭과 용접하는 용접 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  15. 제11항에서,
    상기 벤트홀을 통해 상기 CID 홀에 밀폐볼을 삽입하는 밀폐볼 삽입 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 CID 홀에 삽입된 상기 밀폐볼을 용융하는 단계를 더 포함하는 이차 전지의 제조 방법.

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