KR20240046985A - 원통형 이차 전지 - Google Patents

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KR20240046985A
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Abstract

본 발명은 단락 또는 과전류 발생시 전류를 차단하는 퓨즈부가 형성된 집전판을 구비하여 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
일례로, 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 갖는 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수용되고, 상기 음극판과 전기적으로 연결된 케이스; 상기 케이스의 하면을 관통하여 상기 양극판과 전기적으로 연결된 리벳 단자; 상기 케이스의 상부를 밀봉하는 캡 플레이트; 및 상기 전극 조립체의 하부에 위치하고, 상기 리벳 단자가 접속된 단자 접속부와, 상기 양극판이 접속된 극판 접속부, 및 상기 단자 접속부와 상기 극판 접속부 사이에 위치하는 퓨즈부를 구비하는 양극 집전판을 포함하는 원통형 이차 전지를 개시한다.

Description

원통형 이차 전지{Cylindrical secondary battery}
본 발명은 원통형 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 단락 또는 과전류 발생시 전류를 차단하는 퓨즈부가 형성된 집전판을 구비하여 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 의한 원통형 이차 전지는 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 갖는 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수용되고, 상기 음극판과 전기적으로 연결된 케이스; 상기 케이스의 하면을 관통하여 상기 양극판과 전기적으로 연결된 리벳 단자; 상기 케이스의 상부를 밀봉하는 캡 플레이트; 및 상기 전극 조립체의 하부에 위치하고, 상기 리벳 단자가 접속된 단자 접속부와, 상기 양극판이 접속된 극판 접속부, 및 상기 단자 접속부와 상기 극판 접속부 사이에 위치하는 퓨즈부를 구비하는 양극 집전판을 포함할 수 있다.
상기 퓨즈부는 상기 단자 접속부의 외주연의 일부를 따라 형성된 퓨즈홀; 및 상기 단자 접속부와 상기 극판 접속부를 전기적으로 연결하는 연결부;를 포함할 수 있다.
상기 연결부의 너비는 3mm 내지 5mm 일 수 있다.
상기 퓨즈홀의 너비는 1mm 내지 4mm 일 수 있다.
상기 양극 집전판의 중심에 대해 상기 연결부가 이루는 각은 60도 내지 100도 일 수 있다.
상기 양극 집전판의 반경에 대한 상기 단자 접속부의 반경의 비율은 1/7 내지 1/5 일 수 있다.
상기 양극 집전판은 상기 퓨즈부의 외측에 위치하며 'U'자 형상의 절개부를 포함할 수 있다.
상기 퓨즈부는 상기 퓨즈홀의 양단에 형성된 돌기홀을 더 포함하고, 상기 돌기홀은 서로를 향해 가까워지는 방향으로 돌출될 수 있다.
상기 퓨즈부는 상기 퓨즈홀의 양단에서 상기 양극 집전판의 외측을 향해 연장된 연장홀을 더 포함하고, 상기 연장홀은 서로 평행할 수 있다.
상기 퓨즈부는 하나 이상의 퓨즈홀을 포함하고, 상기 퓨즈홀은 상기 양극 집전판의 중심을 기준으로 동심원 상에 위치할 수 있다.
상기 단자 접속부의 두께는 상기 극판 접속부의 두께보다 클 수 있다.
상기 단자 접속부는 상기 극판 접속부로부터 상부로 돌출될 수 있다.
상기 퓨즈부는 상기 단자 접속부의 외주연의 일부를 따라 형성된 퓨즈홀; 및 상기 단자 접속부와 상기 극판 접속부를 전기적으로 연결하는 연결부;를 포함하고, 상기 연결부는 경사지게 형성될 수 있다.
상기 리벳 단자는 상기 케이스의 하면부의 하부에 위치하는 헤드; 및 상기 헤드의 중심부로부터 상기 케이스의 내부 방향으로 연장된 체결부를 포함할 수 있다.
상기 체결부는 상기 단자 접속부에 용접될 수 있다.
상기 케이스의 하면부에는 상기 리벳 단자가 관통하는 단자홀이 형성되고, 상기 체결부의 상단부의 직경은 상기 단자홀의 직경보다 크고, 상기 체결부의 하단부의 직경은 상기 단자홀의 직경보다 작을 수 있다.
상기 체결부와 상기 단자홀 사이에 개재된 제1가스켓을 더 포함할 수 있다.
상기 제1가스켓의 하단부는 상기 케이스의 하면부와 상기 헤드 사이로 연장될 수 있다.
상기 헤드와 상기 케이스의 하면부 사이에 개재된 절연 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 절연 부재는 상기 제1가스켓과 접촉하며, 상기 제1가스켓의 외주연에 위치할 수 있다.
상기 절연 부재의 외주연은 상기 헤드의 외측으로 연장되어 노출될 수 있다.
상기 케이스는 상기 캡 플레이트의 하부에서 상기 케이스의 내측 방향으로 함몰된 비딩부와, 상기 캡 플레이트의 상부에서 상기 케이스의 내부로 절곡된 크림핑부를 더 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트는 상기 전극 조립체의 상부에 위치하는 제1영역; 상기 제1영역의 외측에 위치하며 상기 제1영역보다 상부로 돌출된 제2영역; 및 상기 제1영역과 상기 제2영역을 연결하며 경사지게 형성된 제3영역;을 포함할 수 있다.
상기 제1영역에는 벤트가 형성될 수 있다.
상기 제2영역은 상기 비딩부와 상기 크림핑부 사이에 개재될 수 있다.
상기 제2영역과 상기 케이스 사이에 개재되며, 상기 비딩부와 상기 크림핑부의 내측에 밀착된 제2가스켓을 더 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트와 상기 크림핑부 사이에 위치한 상기 제2가스켓의 끝단은 상기 크림핑부의 끝단보다 상기 케이스의 내측으로 연장될 수 있다.
상기 캡 플레이트와 상기 비딩부 사이에 위치한 상기 제2가스켓의 끝단은 상기 비딩부보다 상기 케이스의 내측으로 돌출될 수 있다.
상기 전극 조립체의 상부에 위치하고, 상기 음극판이 접속된 평면부와 상기 평면부로부터 절곡되어 상부 방향으로 연장된 연장부를 구비하는 음극 집전판을 더 포함할 수 있다.
상기 연장부는 상기 비딩부에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 평면부에는 관통홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 리벳 단자가 접속되는 단자 접속부와, 전극 조립체가 접속되는 극판 접속부 및 단자 접속부와 극판 접속부 사이에 개재되며 퓨즈홀과 연결부를 갖는 퓨즈부를 포함하고, 이차 전지의 단락 또는 과전류 발생시 연결부가 용융 및 절단됨으로써 전류를 차단하여 이차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 원통형 이차 전지의 단면도이다.
도 3a는 도 1의 원통형 이차 전지에서 양극 집전판을 도시한 평면도이고, 도 3b는 단면도이다.
도 4 내지 도 9는 양극 집전판의 다양한 실시예를 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 양극 집전판의 외부저항(5mΩ) 단락 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 집전판의 외부저항(5mΩ) 단락 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
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)" 및/또는 "포함하는(comprising)"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 이용된다. 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 요소는 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결(electrically coupled)되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 원통형 이차 전지의 단면도이다. 도 3a는 도 1의 원통형 이차 전지에서 양극 집전판을 도시한 평면도이고, 도 3b는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차 전지(100)는 케이스(110), 전극 조립체(120), 양극 집전판(130), 음극 집전판(140), 리벳 단자(150) 및 캡 플레이트(160)를 포함할 수 있다.
케이스(110)는 원형의 하면부(111)와, 하면부(111)의 가장자리로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 측면부(112)를 포함한다. 케이스(110)의 하면부(111)와 측면부(112)는 일체형으로 이루어질 수 있다.
하면부(111)는 평평한 원형 판형상으로, 중심부를 관통하는 단자 홀(111a)을 구비할 수 있다. 하면부(111)는 단자홀(111a)에 리벳 단자(150)가 삽입되어 결합될 수 있다. 단자홀(111a)과 리벳 단자(150)사이에는 밀봉 및 전기적 절연을 위한 제1가스켓(115)이 더 개재될 수 있다. 제1가스켓(115)은 단자홀(111a)에 삽입되며, 하면부(111)의 하부로 연장될 수 있다. 제1가스켓(115)은 리벳 단자(150)와 케이스(110)사이의 접촉을 차단하여, 리벳 단자(150)와 케이스(110)를 전기적으로 분리할 수 있다. 제1가스켓(115)에 의해 케이스(110)의 하면부(111)의 단자홀(111a)은 밀봉될 수 있다. 제1가스켓(115)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 수지재질로 형성될 수 있다.
원통형 이차 전지(100)는 제조 공정 중 케이스(110)의 상부가 개방되어 있다. 따라서 원통형 이차 전지(100)는 제조 공정 중 전극 조립체(120)가 전해액과 함께 케이스(110)의 개방된 상부를 통해 삽입될 수 있다. 이러한 케이스(110)는 전해액 및 전극 조립체(120)가 삽입된 후, 개방된 상단부에 캡 플레이트(160)가 결합되어 케이스(110)를 밀봉할 수 있다. 여기서, 상기 전해액은 상기 전극 조립체(120)를 구성하는 제1전극판(121)과 제2전극판(122) 사이에서 리튬 이온의 이동을 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.
케이스(110)는 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 더불어, 케이스(110)에는 전극 조립체(120)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 플레이트(160)를 중심으로 그 하부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)와, 그 상부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)가 형성될 수 있다. 비딩부(113)와 크림핑부(114)는 캡 플레이트(160)가 케이스(110)로부터 분리되는 것을 방지할 수 있다.
전극 조립체(120)는 제1전극판(121), 제2전극판(122) 및 세퍼레이터(123)를 포함한다. 제1전극판(121)은 양극판이고, 제2전극판(122)은 음극판일 수 있다. 물론 그 반대도 가능하다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 제1전극판(121)은 양극판으로, 제2전극판(122)은 음극판으로 지칭하기로 한다.
양극판(121)은 알루미늄(Al)과 같은 금속 포일로 형성된 양극 집전체에 전이금속산화물 등의 양극 활물질을 도포함으로써 형성되며, 양극 활물질이 도포되지 않은 영역인 양극 무지부를 포함할 수 있다. 이러한 양극 무지부는 전극 조립체(120)의 하부 방향으로 돌출될 수 있다. 즉, 양극판(121)은 양극 무지부가 음극판(122) 및 세퍼레이터(123)에 비해서 하부 방향으로 더 돌출될 수 있다.
음극판(122)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 과 같은 금속 포일로 형성된 음극 집전체에 흑연 또는 탄소 등의 음극 활물질을 도포함으로써 형성되며, 음극 활물질이 도포되지 않는 영역인 음극 무지부를 포함한다. 이러한 음극 무지부는 전극 조립체(120)의 상부 방향으로 돌출될 수 있다. 즉, 음극판(122)은 음극 무지부가 양극판(121) 및 세퍼레이터(123)에 비해서 상부 방향으로 더 돌출될 수 있다.
세퍼레이터(123)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 세퍼레이터는 양극판(121)과 음극판(122) 사이의 전기적 쇼트를 방지하고, 리튬 이온의 이동만 가능하게 할 수 있다.
전극 조립체(120)는 양극판(121), 음극판(122) 및 세퍼레이터(123)가 적층된 후, 권취 선단부터 권취되어 대략 원기둥 형태로 권취된다. 또한, 전극 조립체(120)는 하부 방향으로 양극판(121)에서 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부가 돌출되고, 상부 방향으로 음극판(122)에서 음극 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부가 돌출될 수 있다.
양극 집전판(130)은 전극 조립체(120)의 하면과 대응되는 형상인, 원형 금속 판일 수 있다. 양극 집전판(130)의 면적(또는 크기)은 전극 조립체(120)의 상면의 면적(또는 크기)과 같거나 더 작을 수 있다. 양극 집전판(130)은 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있다. 양극 집전판(130)은 상면이 전극 조립체(120)의 하면에 접촉된 상태에서 용접에 의해, 전극 조립체(120)의 하부로 노출된 양극판(121)에 고정 및 전기적으로 접속될 수 있다. 양극 집전판(130)은 하면이 리벳 단자(150)의 상면에 접촉된 상태에서 용접에 의해, 리벳 단자(150)에 고정 및 전기적으로 접속될 수 있다. 양극 집전판(130)은 전극 조립체(120)의 양극판(121)과 리벳 단자(150)사이의 전류 흐름의 통로가 된다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 양극 집전판(130)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132), 및 퓨즈부(135)를 포함할 수 있다. 단자 접속부(131)는 양극 집전판(130)의 중심에 위치하며, 대략 원형으로 형성될 수 있다. 단자 접속부(131)의 하면에는 리벳 단자(150)의 체결부(152)가 용접될 수 있다. 단자 접속부(131)의 면적(또는 크기)은 체결부(152)의 면적(또는 크기)보다 더 클 수 있다. 다르게 설명하면, 단자 접속부(131)의 직경은 체결부(152)의 직경과 보다 더 클 수 있다. 양극 집전판(130)의 반경(R2)에 대한 단자 접속부(131)의 반경(R1)의 비율은 1/7 내지 1/5 일 수 있다. 예를 들어, 양극 집전판(130)의 반경(R2)에 대한 단자 접속부(131)의 반경(R1)의 비율이 1/7 보다 작으면, 리벳 단자(150)의 체결부(152)가 용접되기 어려울 수 있고, 양극 집전판(130)의 반경(R2)에 대한 단자 접속부(131)의 반경(R1)의 비율이 1/5 보다 크면, 극판 접속부(132)의 면적이 줄어들어 양극판(121)의 양극 무지부가 용접되기 어려울 수 있다. 일부 예들에서, 단자 접속부(131)의 두께(T1)는 극판 접속부(132)의 두께(T2)보다 두껍게 형성될 수 있다. 따라서, 리벳 단자(150)가 단자 접속부(131)에 용접될 때, 단자 접속부(131)가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
극판 접속부(132)는 단자 접속부(131)의 외측에 위치하며, 전극 조립체(120)의 양극판(121)이 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 극판 접속부(132)의 상면에는 전극 조립체(120)의 하부로 돌출된 양극판(121)의 양극 무지부가 용접될 수 있다.
퓨즈부(135)는 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132) 사이에 형성될 수 있다. 퓨즈부(135)는 퓨즈홀(136) 및 연결부(137)를 포함할 수 있다. 퓨즈부(135)는 이차 전지(100)의 단락 또는 과전류 발생 시, 발생된 열에 의해 연결부(137)가 용융 및 절단됨으로써 이차 전지(100)에 흐르는 전류를 차단할 수 있다.
퓨즈홀(136)은 단자 접속부(131)의 외주연의 일부를 따라서 대략 'C'자 형태로 형성되어, 퓨즈홀(136)의 양단은 서로 마주할 수 있다. 퓨즈홀(136)은 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132)를 분리시킬 수 있다. 즉, 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132)는 퓨즈홀(136)에 의해 서로 이격될 수 있다. 퓨즈홀(136)의 너비(W1)는 약 1 mm 내지 약 4 mm 일 수 있고, 바람직하게는 2 mm일 수 있다. 퓨즈홀(136)의 너비(W1)는 연결부(137)의 길이(L)를 정의할 수 있다.
연결부(137)는 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132)를 연결시킬 수 있다. 연결부(137)는 이차 전지(100)의 단락 또는 과전류 발생 시, 발생된 열에 의해 용융 및 절단되어 전류를 차단함으로써, 이차 전지(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다. 연결부(137)의 너비(W2)는 약 3 mm 내지 약 5 mm 일 수 있고, 바람직하게는 4 mm일 수 있다. 연결부(137)의 너비(W2)는 퓨즈홀(136)의 일단과 타단 사이의 길이를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 연결부(137)의 너비(W2)가 3 mm 보다 좁으면 퓨즈홀(136)의 양 끝단 사이의 간격이 너무 가까워 작은 충격에도 손상되거나 끊어질 위험이 있고, 연결부(137)의 너비(W2)가 5 mm 보다 넓으면 전류가 흐르는 단면적이 커져 단락 또는 과전류에 따른 열에 의해 연결부(137)가 절단되지 않아 퓨즈 기능을 하지 못할 수 있다.
또한, 양극 집전판(130)의 중심에 대해 연결부(137)가 이루는 각(a)은 약 60 도 내지 약 100 도 일 수 있다. 예를 들어, 양극 집전판(130)의 중심에 대해 연결부(137)가 이루는 각(a)이 60도 보다 작으면 퓨즈홀(136)의 양 끝단 사이의 간격이 너무 가까워 작은 충격에도 손상되거나 끊어질 위험이 있고, 양극 집전판(130)의 중심에 대해 연결부(137)가 이루는 각(a)이 100도 보다 크면 전류가 흐르는 단면적이 넓어져 단락 또는 과전류에 따른 열에 의해 연결부(137)가 절단되지 않아 퓨즈 기능을 하지 못할 수 있다.
음극 집전판(140)은 전극 조립체(120)의 상면과 대응되는 원형의 평면부(141)와, 평면부(141)의 가장자리로부터 상부 방향으로 연장된 연장부(142)를 포함할 수 있다. 평면부(141)의 하면은 전극 조립체(120)의 상면과 접촉될 수 있다. 평면부(141)의 하면은 전극 조립체(120)의 상면에 접촉된 상태에서 용접에 의해, 전극 조립체(120)의 상부로 노출된 음극판(122)에 고정 및 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 평면부(141)에는 관통홀(143)이 형성될 수 있다. 관통홀(143)은 평면부(141)에 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 관통홀(143)은 케이스(110)의 내부로 주입된 전해액이 이동하는 통로이거나, 내부 가스가 이동하는 통로일 수 있다.
연장부(142)는 평면부(141)의 가장자리로부터 절곡되어 상부 방향으로 연장될 수 있다. 이러한 연장부(142)는 케이스(110)의 비딩부(113)에 접촉 및 결합될 수 있다. 따라서, 연장부(142)는 비딩부(113)와 대응되도록 라운드 형태로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 연장부(142)는 케이스(110)의 비딩부(113)의 내표면에 접촉된 상태로 용접에 의해 결합될 수 있다. 더불어, 연장부(142)의 상부에는 제2가스켓(116)이 위치하여, 음극 집전판(140)은 캡 플레이트(160)와 전기적 절연될 수 있다. 또한, 연장부(142)는 평면부(141)의 가장자리를 따라 서로 이격되도록 다수개 구비될 수 있다. 음극 집전판(140)은 전극 조립체(120)의 음극판(122)과 케이스(110)사이의 전류 흐름 통로일 수 있다. 즉, 케이스(110)는 음극 단자일 수 있다.
리벳 단자(150)는 케이스(110)의 하면부(111)에 구비된 단자홀(111a)에 삽입되어, 양극 집전판(130)과 전기적으로 접속될 수 있다. 즉, 리벳 단자(150)는 양극 단자일 수 있다. 리벳 단자(150)와 케이스(110)는 서로 다른 극성을 가질 수 있다. 리벳 단자(150)는 양극 집전판(130) 및 양극판(121)과 동일하거나, 유사한 소재로 이루어질 수 있다. 리벳 단자(150)는 케이스(110)의 하부로 노출된 부분의 직경과, 케이스(110)의 내부에 위치하는 직경이 단자홀(111a)에 위치하는 직경에 비해 더 클 수 있다.
리벳 단자(150)는 케이스(110)의 하부로 노출된 헤드(151)와, 케이스(110)의 내부에 위치하여 양극 집전판(130)과 결합된 체결부(152)를 포함할 수 있다. 리벳 단자(150)는 케이스(110)의 단자홀(111a)에 외부로부터 내부방향으로 결합될 수 있다. 이때, 헤드(151)는 케이스(110)의 외부에 위치할 수 있다. 또한 체결부(152)는 리벳팅(rivetting)에 의해 압축 변형(압축 성형)되어 하면부(111)의 상부에 제1가스켓(115)이 개재된 상태로 압착될 수 있다. 여기서 체결부(152)는 단자홀(111a)에서 케이스(110)의 내부 방향으로 갈수록 더 큰 직경을 가질 수 있다. 다시 말해, 체결부(152)에서 상단부의 직경은 하단부의 직경보다 클 수 있다. 여기서, 체결부(152)의 하단부는 헤드(151)와 연결되는 부분을 지칭할 수 있다. 체결부(152)의 상단부의 직경은 단자홀(111a)의 직경보다 크고, 단자홀(111a)의 직경은 체결부(152)의 하단부의 직경보다 클 수 있다. 또한 헤드(151)는 제1가스켓(115)이 개재된 상태로, 하면부(111)의 하부에 밀착될 수 있다. 이때, 리벳 단자(150)와 단자홀(111a) 사이에는 제1가스켓(115)이 개재될 수 있다. 리벳 단자(150)는 양극 집전판(130)을 통해 전극 조립체(120)의 양극판(121)과 전기적으로 접속될 수 있다.
또한, 헤드(151)와 케이스(110)의 하면부(111) 사이에는 절연 부재(117)가 더 개재될 수 있다. 즉, 헤드(151)는 하면부(111)의 하부에 위치하고, 헤드(151)와 하면부(111)가 평면상 중첩되는 영역에는 리벳 단자(150)와 케이스(110) 사이의 전기적 접촉을 차단하는 절연 부재(117)가 개재될 수 있다. 절연 부재(117)의 직경은 헤드(151)의 직경보다 클 수 있다. 따라서, 절연 부재(117)의 외주연(또는 끝단)은 헤드(151)의 외측으로 연장되어 노출될 수 있다.
제1가스켓(115)은 체결부(152)와 케이스(110)의 단자홀(111a) 사이에 개재되며, 하단부가 헤드(151)와 케이스(110)의 하면부(111) 사이로 연장될 수 있다. 이때 제1가스켓(115)의 하단부의 끝단은 절연 부재(117)와 접촉될 수 있다. 즉, 리벳 단자(150)와 케이스(110)의 하면부(111) 사이에는 제1가스켓(115)과 절연 부재(117)가 개재되어, 리벳 단자(150)와 케이스(110) 사이를 전기적 절연시킬 수 있으며, 밀봉할 수 있다. 물론, 제1가스켓(115)과 절연 부재(117)는 일체형으로 이루어질 수 있다.
리벳 단자(150)는 헤드(151)의 하면부로부터 체결부(152) 방향으로 일정 깊이를 갖는 용접홈(153)을 더 포함할 수 있다. 즉, 용접홈(153)은 헤드(151)의 중심부를 관통하여 체결부(152)의 하부로부터 상부방향으로 형성될 수 있다. 이러한 용접홈(153)에 의해 체결부(152)의 두께가 감소되어, 케이스(110)의 외부에서 체결 단자(150)와 양극 집전판(130)의 용접이 용이할 수 있다.
일부 예들에서, 리벳 단자(150)는 용접홈(153)을 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 체결부(152)의 두께는 헤드(151)의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.
캡 플레이트(160)는 원형 금속판으로, 케이스(110)의 상단부에 결합될 수 있다. 캡 플레이트(160)의 상면은 외부로 노출될 수 있다. 캡 플레이트(160)는 케이스(110)의 상단부에 제2가스켓(116)이 개재된 상태로 결합되어, 케이스(110)와 전기적으로 접속되는 것을 방지할 수 있다. 캡 플레이트(160)는 전극 조립체(120)의 양극 또는 음극과 전기적으로 접속되지 않으므로, 별도의 전기 극성이 없을 수 있다.
캡 플레이트(160)는 음극 집전판(140)의 상부에 위치하는 제1영역(161)과, 제1영역(161)의 외측에 위치하는 제2영역(162) 및 상기 제1영역(161)과 제2영역(162) 사이에 위치한 제3영역(163)을 포함할 수 있다. 제1영역(161)은 캡 플레이트(160)의 중심에 위치하며, 상대적으로 넓은 면적을 포함할 수 있다. 제2영역(162)은 제1영역(161)보다 상부로 돌출되게 형성될 수 있다. 제2영역(162)은 케이스(110)의 비딩부(113)와 크림핑부(114)사이에 개재되어, 케이스(110)와 결합될 수 있다. 제3영역(163)은 서로 다른 높이를 갖는 제1영역(161)과 제2영역(162)을 연결하기 위해 경사지게 또는 절곡되게 형성될 수 있다.제2영역(162)은 케이스(110)의 비딩부(113)와 크림핑부(114)사이에 위치한 상태로 고정될 수 있다. 구체적으로, 케이스(110)의 비딩부(113)의 상부에 제2가스켓(116)이 개재된 상태로, 제2영역(162)이 제2가스켓(116)의 상부에 안착될 수 있다. 그 후, 케이스(110)의 크림핑부(114)가 캡 플레이트(160)의 내측방향으로 절곡되어 제2가스켓(116)을 가압함으로써, 캡 플레이트(160)와 케이스(110)를 결합시킬 수 있다. 제2가스켓(116)은 케이스(110)와 캡 플레이트(160) 사이에 밀착될 수 있다. 또한, 제2가스켓(116)은 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 내측에 밀착될 수 있다. 캡 플레이트(160)와 크림핑부(114) 사이에 위치한 제2가스켓(116)의 끝단은 크림핑부(114)의 끝단보다 케이스(110)의 내측으로 연장되게 형성되어, 외부로 노출될 수 있다. 캡 플레이트(160)와 비딩부(113) 사이에 위치한 제2가스켓(116)의 끝단은 비딩부(113)보다 케이스(110)의 내측으로 돌출되게 형성될 수 있다. 제2가스켓(116)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 수지재질로 형성될 수 있다.
상기 캡 플레이트(160)는 제1영역(161)에 형성되며 설정된 압력에 개방될 수 있는 벤트(165)를 포함할 수 있다. 상기 벤트(165)는 캡 플레이트(160)의 다른 영역에 비해서 그 두께가 더 얇을 수 있다. 상기 벤트(165)는 캡 플레이트(160)의 상면으로부터 하부 방향으로 형성된 노치일 수 있다. 상기 벤트(165)는 제1영역(161)에서 제3영역(163)에 인접한 부분에 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 벤트(165)는 연속된 노치 형태로 이루어지며 원형일 수 있다. 일부 예들에서, 벤트(165)는 서로 이격된 노치 형태일 수 있다.
도 4 내지 도 9는 양극 집전판의 다양한 실시예를 도시한 평면도이다.
도 4를 참조하면, 양극 집전판(230)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132), 퓨즈부(135) 및 절개부(239)를 포함할 수 있다. 절개부(239)는 퓨즈부(135)의 외측에 형성될 수 있다. 절개부(239)는 퓨즈부(135)를 기준으로 사방(또는 평면도 상에서 상/하/좌/우 방향)에 위치할 수 있다. 절개부(239)는 대략 'U'자 또는 말굽 형태로 형성될 수 있다. 절개부(239)의 내측 영역은 양극 집전판(230)으로부터 이격되어 있어, 일정 간격 상하로 이동이 가능할 수 있다. 따라서, 절개부(239)는 전극 조립체(120)에 탄성을 인가할 수 있고, 이차 전지(100)에 가해지는 충격을 흡수하여 전극 조립체(120)의 유동성을 확보할 수 있다.
도 5를 참조하면, 양극 집전판(330)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132) 및 퓨즈부(335)를 포함할 수 있다. 퓨즈부(335)는 퓨즈홀(136), 연결부(137) 및 돌기홀(136a)을 포함할 수 있다. 돌기홀(136a)은 퓨즈홀(136)의 일단과 타단에 각각 형성될 수 있다. 퓨즈홀(136)의 양단에 형성된 돌기홀(136a)은 서로를 향해 가까워지는 방향으로 돌출될 수 있다. 돌기홀(136a)의 너비는 퓨즈홀(136)의 너비보다 작을 수 있다. 돌기홀(136a)은 연결부(137)의 너비(W2), 즉 전류가 흐르는 단면적을 줄여주어, 퓨즈부(335)의 기능을 향상시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 양극 집전판(430)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132) 및 퓨즈부(435)를 포함할 수 있다. 퓨즈부(435)는 퓨즈홀(136), 연결부(137), 돌기홀(136a) 및 연장홀(136b)을 포함할 수 있다. 연장홀(136b)은 퓨즈홀(136)의 양단에서 각각 양극 집전판(430)의 외측을 향해 연장될 수 있다. 퓨즈홀(136)의 양단에 형성된 연장홀(136b)은 서로 평행할 수 있다. 연장홀(136b)은 연결부(137)의 길이(L), 즉 전류가 흐르는 길이를 늘려주어, 퓨즈부(435)의 기능을 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 양극 집전판(530)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132) 및 퓨즈부(535)를 포함할 수 있다. 퓨즈부(535)는 서로 이격된 2개의 퓨즈홀(536)과, 퓨즈홀(536) 사이에 위치한 2개의 연결부(537)를 포함할 수 있다. 2개의 퓨즈홀(536)은 양극 집전판(530)의 중심을 기준으로 동심원 상에 위치하며, 서로 대칭일 수 있다. 양극 집전판(530)의 중심에 대해 연결부(537)가 이루는 각(b)은 약 46 도일 수 있다.
도 8을 참조하면, 양극 집전판(630)은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132) 및 퓨즈부(635)를 포함할 수 있다. 퓨즈부(635)는 서로 이격된 3개의 퓨즈홀(636)과, 퓨즈홀(636) 사이에 위치한 3개의 연결부(637)를 포함할 수 있다. 3개의 퓨즈홀(636)은 양극 집전판(630)의 중심을 기준으로 동심원 상에 위치할 수 있으며, 동일한 크기로 형성될 수 있다. 양극 집전판(630)의 중심에 대해 연결부(637)가 이루는 각(c)은 약 11 도일 수 있다.
도 9를 참조하면, 양극 집전판(130')은 단자 접속부(131), 극판 접속부(132), 및 퓨즈부(135)를 포함할 수 있다. 단자 접속부(131)는 극판 접속부(132)로부터 상부로 돌출되게 형성될 수 있다. 다르게 설명하면, 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132)는 동일 평면 상에 형성되지 않는다. 따라서, 단자 접속부(131)와 극판 접속부(132)를 연결하는 연결부(137)는 경사지게 또는 절곡되게 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 양극 집전판의 외부저항(5mΩ) 단락 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다. 실시예1은 연결부의 너비가 4mm인 도 3a에 도시된 양극 집전판(130)이고, 비교예1은 연결부의 너비가 7mm인 양극 집전판이며, 비교예2는 퓨즈부가 없이 절개부만 형성된 양극 집전판이다. 여기서, 양극 집전판의 멜팅 온도는 대략 600~660℃이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예1은 단락 발생 후 대략 10초 만에 연결부(137)의 온도가 600℃에 도달하여 연결부(137)가 용융 및 절단되므로, 이차 전지(100)에 흐르는 전류를 차단할 수 있는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예1은 실시예1과 비교하여 동일한 시간 동안 연결부의 온도가 대략 400℃ 부근에 머무르며, 상대적으로 연결부의 너비가 넓어 전류밀도가 낮으므로 절단되기 어려운 것을 알 수 있다. 또한, 비교예2는 퓨즈부가 형성되지 않아 양극 집전판의 전체적인 온도만 상승할 뿐 전류를 차단하는 퓨즈 기능을 할 수 없는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 집전판의 외부저항(5mΩ) 단락 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다. 실시예2는 연결부(137)의 너비가 3.5mm인 도 3a에 도시된 양극 집전판(130)이고, 실시예3은 돌기홀(136a)이 형성되어 연결부(137)의 너비가 3mm인 도 5에 도시된 양극 집전판(330)이고, 실시예4는 돌기홀(136a)이 형성되어 연결부(137)의 너비가 3mm이며 연장홀(136b)을 갖는 도 6에 도시된 양극 집전판(430)이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 실시예2의 양극 집전판(130)과, 실시예3의 양극 집전판(330)은 단락 발생 후 대략 8초 후 연결부의 600℃에 도달하여 연결부(137)가 용융 및 절단되므로, 이차 전지(100)에 흐르는 전류를 차단할 수 있는 것을 알 수 있다. 실시예4의 양극 집전판(430)은 단락 발생 후 대략 5초 만에 연결부(137)의 600℃에 도달하여 연결부(137)가 용융 및 절단되므로, 이차 전지(100)에 흐르는 전류를 차단할 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, 도 10 및 도 11의 시뮬레이션 결과, 양극 집전판은 연결부(137)의 너비(W2)가 좁을수록, 또한 연결부(137)의 길이(L)가 길수록 단락이 빠르게 이루어지는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 원통형 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: 케이스
120: 전극 조립체 130,230,330,430,530,630: 양극 집전판
131: 단자 접속부 132: 극판 접속부
135,335, 435, 535, 635: 퓨즈부 136: 퓨즈홀
137: 연결부 140: 음극 집전판
150: 리벳 단자 160: 캡 플레이트

Claims (31)

  1. 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 갖는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수용되고, 상기 음극판과 전기적으로 연결된 케이스;
    상기 케이스의 하면을 관통하여 상기 양극판과 전기적으로 연결된 리벳 단자;
    상기 케이스의 상부를 밀봉하는 캡 플레이트; 및
    상기 전극 조립체의 하부에 위치하고, 상기 리벳 단자가 접속된 단자 접속부와, 상기 양극판이 접속된 극판 접속부, 및 상기 단자 접속부와 상기 극판 접속부 사이에 위치하는 퓨즈부를 구비하는 양극 집전판을 포함하는 원통형 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는
    상기 단자 접속부의 외주연의 일부를 따라 형성된 퓨즈홀; 및
    상기 단자 접속부와 상기 극판 접속부를 전기적으로 연결하는 연결부;를 포함하는 원통형 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연결부의 너비는 3mm 내지 5mm 인 원통형 이차 전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 퓨즈홀의 너비는 1mm 내지 4mm 인 이차 전지.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 양극 집전판의 중심에 대해 상기 연결부가 이루는 각은 60도 내지 100도 인 원통형 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 집전판의 반경에 대한 상기 단자 접속부의 반경의 비율은 1/7 내지 1/5 인 원통형 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 집전판은 상기 퓨즈부의 외측에 위치하며 'U'자 형상의 절개부를 포함하는 원통형 이차 전지.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 퓨즈홀의 양단에 형성된 돌기홀을 더 포함하고,
    상기 돌기홀은 서로를 향해 가까워지는 방향으로 돌출된 원통형 이차 전지.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 퓨즈홀의 양단에서 상기 양극 집전판의 외측을 향해 연장된 연장홀을 더 포함하고,
    상기 연장홀은 서로 평행한 원통형 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 하나 이상의 퓨즈홀을 포함하고,
    상기 퓨즈홀은 상기 양극 집전판의 중심을 기준으로 동심원 상에 위치하는 원통형 이차 전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 단자 접속부의 두께는 상기 극판 접속부의 두께보다 큰 원통형 이차 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 단자 접속부는 상기 극판 접속부로부터 상부로 돌출된 원통형 이차 전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는
    상기 단자 접속부의 외주연의 일부를 따라 형성된 퓨즈홀; 및
    상기 단자 접속부와 상기 극판 접속부를 전기적으로 연결하는 연결부;를 포함하고,
    상기 연결부는 경사지게 형성된 원통형 이차 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 리벳 단자는
    상기 케이스의 하면부의 하부에 위치하는 헤드; 및
    상기 헤드의 중심부로부터 상기 케이스의 내부 방향으로 연장된 체결부를 포함하는 원통형 이차 전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 체결부는 상기 단자 접속부에 용접된 원통형 이차 전지.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 케이스의 하면부에는 상기 리벳 단자가 관통하는 단자홀이 형성되고,
    상기 체결부의 상단부의 직경은 상기 단자홀의 직경보다 크고,
    상기 체결부의 하단부의 직경은 상기 단자홀의 직경보다 작은 원통형 이차 전지.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 체결부와 상기 단자홀 사이에 개재된 제1가스켓을 더 포함하는 원통형 이차 전지.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1가스켓의 하단부는 상기 케이스의 하면부와 상기 헤드 사이로 연장된 원통형 이차 전지.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 헤드와 상기 케이스의 하면부 사이에 개재된 절연 부재를 더 포함하는 원통형 이차 전지.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 절연 부재는 상기 제1가스켓과 접촉하며, 상기 제1가스켓의 외주연에 위치하는 원통형 이차 전지.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 절연 부재의 외주연은 상기 헤드의 외측으로 연장되어 노출된 원통형 이차 전지.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스는 상기 캡 플레이트의 하부에서 상기 케이스의 내측 방향으로 함몰된 비딩부와, 상기 캡 플레이트의 상부에서 상기 케이스의 내부로 절곡된 크림핑부를 더 포함하는 원통형 이차 전지.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는
    상기 전극 조립체의 상부에 위치하는 제1영역;
    상기 제1영역의 외측에 위치하며 상기 제1영역보다 상부로 돌출된 제2영역; 및
    상기 제1영역과 상기 제2영역을 연결하며 경사지게 형성된 제3영역;을 포함하는 원통형 이차 전지.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1영역에는 벤트가 형성된 원통형 이차 전지.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제2영역은 상기 비딩부와 상기 크림핑부 사이에 개재된 원통형 이차 전지.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 제2영역과 상기 케이스 사이에 개재되며, 상기 비딩부와 상기 크림핑부의 내측에 밀착된 제2가스켓을 더 포함하는 원통형 이차 전지.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트와 상기 크림핑부 사이에 위치한 상기 제2가스켓의 끝단은 상기 크림핑부의 끝단보다 상기 케이스의 내측으로 연장된 원통형 이차 전지.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트와 상기 비딩부 사이에 위치한 상기 제2가스켓의 끝단은 상기 비딩부보다 상기 케이스의 내측으로 돌출된 원통형 이차 전지.
  29. 제 22 항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 상부에 위치하고, 상기 음극판이 접속된 평면부와 상기 평면부로부터 절곡되어 상부 방향으로 연장된 연장부를 구비하는 음극 집전판을 더 포함하는 원통형 이차 전지.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 연장부는 상기 비딩부에 전기적으로 연결된 원통형 이차 전지.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 평면부에는 관통홀이 형성된 원통형 이차 전지.
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