KR20230057686A - 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents

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KR20230057686A
KR20230057686A KR1020210141748A KR20210141748A KR20230057686A KR 20230057686 A KR20230057686 A KR 20230057686A KR 1020210141748 A KR1020210141748 A KR 1020210141748A KR 20210141748 A KR20210141748 A KR 20210141748A KR 20230057686 A KR20230057686 A KR 20230057686A
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safety vent
cap assembly
kgf
cap
secondary battery
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김태진
윤우진
박지성
송한갑
김윤옥
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 일측이 개구되고, 내부에 전지 조립체를 수용하는 캔의 상부에 결합되는 캡 어셈블리에 있어서, 상기 캡 어셈블리는 상기 캔의 상부와 결합하는 탑 캡; 상기 탑 캡의 하측에 위치되고, 상기 탑 캡의 끝 단부와 결합되는 안전 벤트 및 상기 안전 벤트 하측에 위치되고, 상기 안전 벤트와 적어도 일부가 접촉되는 전류차단소자를 포함하고, 상기 전류차단소자는 상기 안전 벤트보다 경도가 낮은 재질을 포함하는 원통형 이차 전지에 관한 것이다.

Description

캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차 전지{CAP ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 안전 벤트와 전류차단소자의 물성 차이에 의해 외부 압력을 효과적으로 흡수할 수 있는 원통형 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전지 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전지 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
이 중, 원통형 이차 전지는 전지 캔의 상부에 탑 캡이 결합되고, 탑 캡의 하부에는 안전 벤트가 구비된 구조를 갖는 것이 일반적이다. 그리고, 이차 전지의 비정상적인 거동으로 인해 이차 전지의 온도가 상승하거나 내압이 상승하는 경우가 있는데, 이러한 경우에 발생할 수 있는 화재 또는 폭발의 위험을 방지하기 위해, 종래 기술에 따르면 이차전지 내에 안전 장치들이 구비되었다.
원통형 이차 전지는 안전 장치로 안전 벤트 및 전류차단소자(CID: current Interrupt Device)가 구비된다.
원통형 이차 전지의 안정성 테스트는 압력판 사이 원통형 이차 전지를 거치시킨 후 압력을 가해 원통형 이차 전지를 물리적으로 변형시킨다. 안정성 테스트는 원통형 이차 전지의 전체 형상을 변화시키기 때문에 캡 어셈블리 또한 심한 변형이 유발된다.
이때, 안전 벤트와 전류차단소자는 경도가 큰 재질로 구성되어, 외부 압력에 의해 변형이 일어나지 않고 가스켓을 관통하여 캔의 상단과 접촉되어 쇼트가 발생되는 문제가 있었다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결하여, 원통형 이차 전지의 발화나 열폭주 등의 불량률 발생의 문제를 획기적으로 개선할 수 있는 이차 전지 구조에 대한 필요성이 대두되고 있다.
한국등록특허 제10-1302849호
전술한 종래기술의 문제점에 착안하여, 본 발명은 안전 벤트 및 전류차단소자가 물성이 다른 재료로 이루어지는 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시상태는 일측이 개구되고, 내부에 전지 조립체를 수용하는 캔의 상부에 결합되는 캡 어셈블리에 있어서, 상기 캡 어셈블리는 상기 캔의 상부와 결합하는 탑 캡; 상기 탑 캡의 하측에 위치되고, 상기 탑 캡의 끝 단부와 결합되는 안전 벤트 및 상기 안전 벤트 하측에 위치되고, 상기 안전 벤트와 적어도 일부가 접촉되는 전류차단소자를 포함하고, 상기 전류차단소자는 상기 안전 벤트보다 경도가 낮은 재질을 포함하는 원통형 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 안전 벤트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 원통형 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 안전 벤트는 상기 전류차단소자와 0°내지 30°의 각도로 구비되는 원통형 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 실시상태에 따른 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 이차 전지는 물성이 다른 안전 벤트와 전류차단소자를 포함하여 외부 압력을 효과적으로 흡수하여 외부 압력에 형태가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 캡 어셈블리를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 원통형 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 캡 어셈블리를 도시한 단면도이다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 도면은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 도면에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태에 따른 원통형 이차 전지(100)를 도시한 단면도이다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 원통형 이차 전지(100)는 전지 조립체(10), 캔(20) 및 캡 어셈블리(30, Cap Assembly)를 포함할 수 있다.
전지 조립체(10)는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형 구조를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 이차 전지(100)는 전지 조립체(10) 상부 및 하부에 각각 제1 절연판(도시되지 않음) 및 제2 절연판(도시되지 않음)이 위치될 수 있다. 제1 절연판은 전지 조립체(10)와 캡 어셈블리(30) 사이를 절연할 수 있고, 제2 절연판은 전지 조립체(10)와 캔(20)의 하부 사이를 절연할 수 있다.
그리고, 전지 조립체(10)는 중심에 센터핀(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 센터핀은 젤리-롤 형태로 권취된 전지 조립체(10)가 풀리는 것을 방지하고 원통형 이차 전지(100) 내부의 가스의 이동 통로의 역할을 할 수 있다.
캔(20)은 내부에 공간이 형성된 원통형 구조로 구비될 수 있다. 캔(20)은 내부 공간에 전극과 분리막을 포함하는 전지 조립체(10) 및 전해액(도시되지 않음)이 수용될 수 있다. 캔(20)의 일측은 개구된 구조를 가질 수 있고, 타측은 밀봉된 구조를 가질 수 있다. 여기서, 캔(20)의 일측 및 타측은 중력 방향 또는 캔(20)의 중심축을 따라 상부 및 하부에 위치된 단부를 의미한다.
개구된 캔(20)의 일측에는 원통형 이차 전지(100)의 중심 방향으로 폴딩된 비딩부(21)가 구비될 수 있다. 그리고, 캔(20)은 비딩부(21) 상측에 크림핑부(22)가 구비될 수 있다. 즉, 크림핑부(22)는 캔(20)의 최상측에 위치될 수 있다.
캔(20)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태에 따른 캡 어셈블리(30)를 도시한 단면도이다. 캡 어셈블리(30)는 캔(20) 상부에 결합될 수 있고, 탑 캡(31), 안전 벤트(32) 및 전류차단소자(33)를 포함할 수 있다.
탑 캡(31)은 캡 어셈블리(30)의 가장 상부에 돌출되어 외부와 전기적으로 접속되도록 전극 단자 역할을 할 수 있다. 탑 캡(31)은 캔(20)의 상부와 결합될 수 있다. 즉, 탑 캡(31)은 캔(20)의 최상부에 위치된 크림핑부(22)와 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 이차 전지(100)는 크림핑부(22)와 탑 캡(31) 사이 가스켓(40)이 포함될 수 있다. 가스켓(40)은 캔(20)의 밀폐력을 증가시킬 수 있다.
안전 벤트(32)는 탑 캡(31)의 하측에 위치되고, 탑 캡(31)의 끝 단부와 결합될 수 있다. 안전 벤트(32)는 탑 갭(31)의 끝 단부와 일정 길이 접촉되고, 접촉 길이를 제외한 부분은 탑 캡(31)과 일정 거리 이격되어 위치될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 안전 벤트(32)는 탑 캡(31)과 접촉되는 끝 단부에서 중앙으로 갈수록 탑 캡(31)과의 이격거리가 증가할 수 있다. 여기서, 끝 단부는 크림핑부(22) 또는 가스켓(40)의 위치와 대응되는 위치를 의미할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 안전 벤트(32)는 끝 단부가 캔(20)의 축 방향과 수직으로 구비될 수 있다. 이때. 탑 캡(31)은 안전 벤트(32)와 동일하게 캔(20)의 축 방향과 수직되어 구비될 수 있다. 즉, 안전 벤트(32)와 탑 캡(31)은 수평되게 위치될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 안전 벤트(32)는 끝 단부가 절곡되어 탑 캡(32)의 외주면을 감싸는 형태로 구비될 수 있다.
안전 벤트(32)는 적어도 한 번 이상 절곡되어 구비될 수 있다. 안전 벤트(32)의 중앙이 함몰된 만입형 중앙부(32a), 탑 캡(31)의 끝 단부, 즉, 탑 캡(31)이 캔(20)과 결합되는 영역과 결합되는 테두리부(32c) 및 만입형 중앙부(32a)와 테두리부(32c)를 연결하는 벤팅부(32b)를 포함할 수 있다. 그리고, 안전 벤트(32)는 만입형 중앙부(32a)와 테두리부(32c) 사이 하나 이상의 노치(32d)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 안전 벤트(32)는 탑 캡(31)과 접촉되지 않는 부분에 두 개의 노치(32d)가 구비될 수 있다. 즉, 안전 벤트(32)는 노치(32d)에 의해 절곡되고, 안전 벤트(32)의 중앙은 함몰되어 만입형 중앙부(32a)가 형성될 수 있다. 그리고, 안전 벤트(32)는 탑 캡(31)과 접촉되는 테두리부(32c)와 만입형 중앙부(32a)를 연결하는 벤팅부(32b)가 형성될 수 있다. 다시 말해, 노치(32d)는 벤팅부(32b)와 만입형 중앙부(32a)가 접촉되는 영역 및 벤팅부(32b)와 테두리부(32c)가 접촉되는 영역에 구비될 수 있다.
안전 벤트(32)의 벤팅부(32b)는 기울기가 형성될 수 있고, 벤팅부(32b)의 하면은 안전 벤트(32)의 테두리부(32c) 상면 또는 하면과 0°내지 30°의 각도(θ) 기울기를 가질 수 있다. 다시 말해, 안전 벤트(32)의 테두리부(32c)는 후술되는 CID 필터(33b)와 평행하게 위치될 수 있으므로, 벤팅부(32b)의 하면은 CID 필터(33b)의 상면과 0°내지 30°의 각도로 구비될 수 있다.
벤팅부(32b)가 CID 필터(33b)와 30°를 초과하는 기울기를 가지면, 원통형 이차 전지(100)의 안정성 검사 시 안전 벤트(32)의 만입형 중앙부(32a)가 탑 캡(31) 방향으로 변형되어 단락 및 캡 어셈블리(30)의 형태 변형이 일어날 수 있다.
전류차단소자(33)는 안전 벤트(32) 하측에 위치되고, 안전 벤트(32)와 적어도 일부가 접촉될 수 있다.
전류차단소자(33)는 안전 벤트(32) 방향으로 돌출된 중앙부(33a) 및 중앙부 외측에 위치되는 CID 필터부(33b)를 포함할 수 있다. 따라서, 캡 어셈블리(30)는 전류차단소자(33)는 중앙부(33a)와 안전 벤트(32)의 만입형 중앙부(32a)가 접촉될 수 있다.
본 발명에 따른 캡 어셈블리(30)는 CID 필터부(33b) 끝 단부에 CID 가스켓(50)이 구비될 수 있다. CID 가스켓(50)은 안전 벤트(32)가 전류차단소자(33)의 중앙부(33a) 이외의 부분에서 접촉되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 캡 어셈블리(30)는 안전 벤트(32)보다 전류차단소자(33)가 경도가 낮은 재질을 포함할 수 있다. 전류차단소자(33)는 경도가 높을 경우 안정성 검사 또는 외압에 의해 전류차단소자(33)의 형태가 변형이 최소화되어 CID 가스켓(50)을 관통하여 비딩부(21)와 접촉되어 발화 가능성이 높아지는 문제가 있다.
안전 벤트(32)는 외부 압력에 의해 형태 변형율을 낮추기 위해 경도가 높은 재질을 포함할 수 있다. 즉, 안전 벤트(32)는 외부 압력에도 형태 변형율이 낮아 탑 캡(31)의 전체 변형율을 감소시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 안전 벤트(32)는 중앙이 함몰된 형태로 형성됨으로, 원통형 이차 전지(100)에 외부 압력이 가해지면 안전 벤트(32)의 만입형 중앙부는 전류차단소자(33) 방향으로 변형되게 될 수 있다.
이때, 안전 벤트(32)는 형태 변형에 의해 전류차단소자(33)에 압력을 가하게 되는데, 전류차단소자(33)는 무른 재질로 구비되어 안전 벤트(32)가 가하는 압력을 크게 받고, 따라서, 전류차단소자(33)는 형태 변형율이 증가될 수 있다.
안전 벤트(32)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 안전 벤트(32)가 알루미늄 합금일 경우, 알루미늄과 망간 계열의 합금일 수 있다. 예를 들어, 안전 벤트(32)는 알루미늄 85 중량% 내지 98 중량%, 망간 7 중량% 이하, 철 5 중량% 이하 및 실리콘 5 중량% 이하를 포함할 수 있다.
알루미늄 합금 중 알루미늄이 98 중량%를 초과하면, 연성이 증가하여 외부 압력에 의해 캡 어셈블리(30)의 형태가 변형되어 원통형 이차 전지(100)가 발화나 열폭주하는 문제가 발생할 수 있다.
알루미늄 합금 중 망간이 7 중량%를 초과하면, 주조성이 저하되고, 점착성으로 인해 작업성을 저하시킬 수 있다. 철이 5 중량%를 초과하면, 연성을 저하시킬 뿐 아니라 압출성과 생산성을 떨어뜨리게 될 수 있으며 소재의 부식을 초래할 수 있고, 알루미늄 및 실리콘과 결합하여 석출물이 생성될 수 있으며, 내식성을 저하시킬 수 있다. 실리콘이 5 중량%를 초과하면, 성형성이 떨어지게 될 뿐 아니라 성형제품의 표면 품질이 떨어지게 될 수 있다.
안전 벤트(32)는 경도(hardness)가 15 Kgf/㎜2 내지 35 Kgf/㎜2, 바람직하게는 경도가 20 Kgf/㎜2 내지 30 Kgf/㎜2일 수 있다.
안전 벤트(32)는 항복 강도가 1 Kgf/㎜2 내지 5 Kgf/㎜2이며, 바람직하게는 항복 강도가 2 Kgf/㎜2 내지 4 Kgf/㎜2 일 수 있다.
안전 벤트(32)는 연신율이 35% 내지 45%, 바람직하게는 35% 내지 40%일 수 있다.
전류차단소자(33)는 알루미늄 소재를 포함할 수 있다. 좀 더 상세하게는, 전류차단소자(33)는 순도 90% 이상의 알루미늄 소재를 포함할 수 있다. 전류차단소자(33)의 알루미늄 순도가 90% 미만이면, 전류차단소자(33)의 경도가 증가하여 외부 압력에 의해 형태 변형률이 증가할 수 있다.
전류차단소자(33)는 경도가 10 Kgf/㎜2 내지 30 Kgf/㎜2, 바람직하게는 경도가 15 Kgf/㎜2 내지 25 Kgf/㎜2 일 수 있다.
전류차단소자(33)는 항복 강도가 2 Kgf/㎜2 내지 6 Kgf/㎜2, 바람직하게는 경도가 3 Kgf/㎜2 내지 4 Kgf/㎜2일 수 있다.
전류차단소자(33)는 연신율이 25% 내지 35%, 바람직하게는 25% 내지 30%일 수 있다.
안전 벤트와 전류차단소자의 항복강도 및 연신율 측정은 안전 벤트와 전류차단소자 시편을 KS B 0802(금속재료의 표준 인장시험방법)에 의거한 인장시험기를 이용하여 측정하였고, 브리넬 경도는 안전 벤트와 전류차단소자 시편을 KS B 0805에 의거한 경도측정기를 이용하여 측정하였습니다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 원통형 이차 전지
10: 전지 조립체
20: 캔
21: 비딩부
22: 크림핑부
30: 캡 어셈블리
31: 탑 캡
32: 안전 벤트
32a: 만입형 중앙부
32b: 벤팅부
32c: 테두리부
32d: 노치
33: 전류차단소자
33a: 중앙부
33b: CID 필터부
40: 가스켓
50: CID 가스켓

Claims (11)

  1. 일측이 개구되고, 이차 전지 캔의 상부에 결합되는 캡 어셈블리에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는
    상기 캔의 상부와 결합하는 탑 캡;
    상기 탑 캡의 하측에 위치되고, 상기 탑 캡의 끝 단부와 결합되는 안전 벤트 및
    상기 안전 벤트 하측에 위치되고, 상기 안전 벤트와 적어도 일부가 접촉되는 전류차단소자를 포함하고,
    상기 전류차단소자는 상기 안전 벤트보다 경도가 낮은 재료를 포함하는 캡 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 안전 벤트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 캡 어셈블리.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 안전 벤트는 알루미늄 85 중량% 내지 98 중량%, 망간 0 중량% 내지 7 중량% 이하, 철 0 중량% 내지 5 중량% 이하 및 실리콘 0 중량% 내지 5 중량% 이하를 포함하는 캡 어셈블리.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 전류차단소자는 알루미늄 소재를 포함하는 캡 어셈블리.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 전류차단소자는 순도 90% 이상의 알루미늄 소재를 포함하는 캡 어셈블리.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 안전 벤트는 경도가 15 Kgf/㎜2 내지 35 Kgf/㎜2인 것인 캡 어셈블리.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 전류차단소자는 경도가 10 Kgf/㎜2 내지 30 Kgf/㎜2인 것인 캡 어셈블리.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 안전 벤트는 항복 강도가 1 Kgf/㎜2 내지 5 Kgf/㎜2이고,
    상기 전류차단소자는 항복 강도가 2 Kgf/㎜2 내지 6 Kgf/㎜2인 캡 어셈블리.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 안전 벤트는 연신율이 25% 내지 35%이고,
    상기 전류차단소자는 연신율이 35% 내지 45%인 캡 어셈블리.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 안전 벤트는 중앙이 함몰된 만입형 중앙부, 상기 탑 캡의 끝 단부와 결합되는 테두리부 및 상기 만입형 중앙부와 상기 단부를 연결하는 벤팅부를 포함하고,
    상기 만입형 중앙부와 상기 테두리부 사이 노치가 포함되고,
    상기 벤팅부의 하면은 상기 테두리부의 상면과 0°내지 30°의 각도로 이루어지는 캡 어셈블리.
  11. 다수의 전극 및 분리막이 교대로 적층된 전지 조립체;
    일측이 개구되고, 내부에 상기 전지 조립체를 거치하는 캔 및
    청구항 1 내지 10 중 한 항에 따른 캡 어셈블리를 포함하는 이차 전지.
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