WO2011037346A2 - 노치홈이 구비된 각형 이차전지 - Google Patents

노치홈이 구비된 각형 이차전지 Download PDF

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WO2011037346A2
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secondary battery
notch groove
battery
case body
thickness
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이진수
이길영
김진
안순호
성주환
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주식회사 엘지화학
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a rectangular secondary battery having a notch groove, and more particularly, to a rectangular secondary battery in which an electrode assembly is sealed in a rectangular battery case, wherein the battery case is a rectangular case body made of a metal material, and the case. It consists of a cap coupled to the open top of the main body and including an electrode terminal, the case body is less than 0.4 mm in thickness, broken in the event of high pressure in the battery ) Is formed on the case body showing a stress distribution of 40% or less based on the maximum stress (S MAX ) of the case under high pressure, and the notch groove is the remaining thickness ('vent thickness') of the case body.
  • the present invention relates to a rectangular secondary battery having a structure that becomes thinner from both ends toward the center portion in the longitudinal direction.
  • secondary batteries are classified into cylindrical batteries and rectangular batteries in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can, and pouch-type batteries in which the electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. .
  • the electrode assembly embedded in the battery case is a power generator capable of charging and discharging composed of a laminated structure of anode / separation membrane / cathode, a jelly-roll type wound through a separator between a long sheet-type anode and an anode coated with an active material, and A plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size are classified into a stack type in which a plurality of positive and negative electrodes are sequentially stacked in a state where a separator is interposed.
  • Such secondary batteries may be exposed to various environments depending on the conditions of use and conditions, and for the safety of users, it is particularly required to prevent the risk of explosion.
  • high temperature and high pressure inside the battery which can be caused by abnormal operating conditions of the battery, such as internal shorts, permitted currents, state of charge over voltage, exposure to high temperatures, impact from drops, etc., can cause the battery to explode. Can cause. Therefore, in spite of the morphological differences of the batteries as described above, a high pressure releasing means capable of releasing the high pressure which is a direct cause of the battery explosion is provided.
  • a cylindrical battery has a safety plate of a specific structure installed in a cap assembly, a rectangular battery has a notch groove formed in a cap or a case of the battery, and a pouch battery has a seal portion of a laminate sheet without a separate notch groove ( The high pressure is released in such a way that the sealing part is separated.
  • a closed or partially open notch groove is formed in the aluminum battery case in a form that can be cut.
  • the rectangular secondary battery includes some open notch grooves on the side of the battery case.
  • the notch groove 30 of FIG. 1 is formed in a small outline at the side edge of the rectangular secondary battery case 20, and is partially formed in an open shape. That is, the notch groove is formed in a portion where the stress value is relatively large in the stress distribution of the case, and is designed to break the curved shape when the battery is excessively increased in internal pressure.
  • the notch groove of this structure has the advantage of reacting relatively sensitive to the high pressure generated in the battery, but it is difficult to accurately set the pressure threshold intended in the design of the battery.
  • the size and depth of the notch groove formed in the site where the stress value is large is inevitably small.
  • a problem of not breaking the notch groove is rather smooth. .
  • the shape of the notch grooves is expected to be a very important factor for the reliable operation under abnormal conditions.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present invention have appropriate conditions for forming a notch groove having a specific structure in a region where the stress value is relatively small on the side of the battery case, and simultaneously forming a notch groove having a specific shape. It is confirmed that the fracture of the notch groove occurs reliably at, and as a result, the safety can be improved.
  • an object of the present invention is to provide a rectangular secondary battery having a notch groove of an improved structure that can effectively break.
  • the rectangular secondary battery according to the present invention for achieving the above object is a rectangular secondary battery in which an electrode assembly composed of a positive electrode, a negative electrode and a separator is sealed in a rectangular battery case,
  • the battery case has an open top and a rectangular case body made of a metal material, and a cap coupled to an open top of the case body and including an electrode terminal.
  • the case body has a thickness of 0.4 mm or less, and is broken in the form of a high voltage in the battery. ) Is formed on the case body showing a stress distribution of 40% or less based on the maximum stress (S MAX ) of the case under high pressure, and the notch groove is the remaining thickness ('vent thickness') of the case body. Is formed in a structure that becomes thinner from both ends to the central portion with respect to the longitudinal direction.
  • the notch groove of the square battery according to the present invention is formed in a relatively small portion where the stress value is 40% or less in the stress distribution of the case body, thereby preventing the notch groove from being easily broken even at low pressure. It is possible to provide a high breaking pressure and to form a deep notch.
  • the prismatic battery according to the present invention is formed in a structure in which the depth of the notch groove becomes thinner from both ends to the center portion in the longitudinal direction, as shown in the experimental example, so that the notch groove has high operating reliability.
  • the gas is quickly discharged to the outside of the battery by the rupture of the uniform notch groove, thereby ensuring the safety of the battery.
  • the thickness of the case body to which the present invention is applied may be preferably in the range of 0.2 to 0.4 mm. Therefore, the notch groove of the specific position and shape can achieve a reliable rupture at an appropriate threshold despite the case of a thin thickness than the general battery case.
  • the high pressure inside the battery in which the notch groove is broken may be at least twice the internal pressure of the battery under normal conditions, and the normal condition means a state of atmospheric pressure (1 atm) to 2 atm.
  • the linear notched groove is formed on the case body exhibiting a stress distribution of 40% or less based on the maximum stress S MAX of the case in the high pressure state as described above.
  • the stress distribution may be variously changed by the shape, structure, and the like of the battery case, and the stress distribution shown in a general rectangular battery is shown in FIG. 4.
  • the notch groove was formed on the case main body having a stress distribution exceeding 40% based on the S MAX of the case, the notch groove was easily broken even at low pressure. As a result, by satisfying the above conditions, breakage at higher pressure than in the case where notch grooves are formed on the case body showing a high stress distribution, that is, a stress distribution exceeding 40% based on S MAX as in the prior art, Can be.
  • This notch groove may be a structure that is formed on the case body preferably exhibiting a stress distribution of 10 to 40%, more preferably 25 to 35% of the S MAX .
  • the stress value in the stress distribution of the case main body is formed at a relatively small portion, so that notch grooves can easily be prevented from being broken even at low pressure, providing high breaking pressure and forming a deep notch. Do.
  • the notch groove may be formed in the vertical central axis portion on both sides of the case body, and more preferably, the case is a central position of 1/4 to 1/2 size based on the left and right width of the case body, It may be formed in the upper or lower position of 1/20 to 1/5 size based on the vertical length of the main body.
  • the location of the notch groove is out of the above range, it may be difficult to expect breakage of the notch groove and gas discharge at high pressure, and the notch groove may be broken at a small pressure, which is not preferable in the safety and assembly processability of the high pressure. .
  • the notch grooves may be ruptured uniformly as the notch grooves are uniformly ruptured as the pressure increases continuously, as described above, so that the gas is quickly discharged to the outside of the battery. It was confirmed that the stability of the battery can be improved.
  • the notch groove may be formed on the case body in a space corresponding to the upper end of the case body and the upper end of the electrode assembly mounted inside the case body, while satisfying the range of the formation position. .
  • the notch groove is close to the top opening of the case body, and within a maximum of 5 mm in the direction of the electrode assembly from the top of the anode of the electrode assembly mounted inside the case body, and corresponding space between the top opening. It may be formed on the case body.
  • the notch groove formed at such a position may be located at the upper portion of the surplus space inside the case, specifically, the electrode assembly mounting portion, to facilitate gas discharge and minimize damage of the electrode assembly.
  • the notch groove according to the present invention is formed in an arc shape, thereby preventing the gas discharge from being excessively biased in any part of the notch groove, thereby minimizing the pressure deviation during breakage of the notch groove, for a thin case body
  • the strength of the case itself can be secured.
  • the arc shape of the notch groove may preferably have a radius of curvature of 1/3 to 1.5 times the vertical length of the case body.
  • the curvature becomes large and the width of the arc shape becomes relatively small.
  • the notch groove may be difficult to break even if a high pressure is generated.
  • the notch groove may be formed in an upward arc shape in which the center of curvature of the arc is located at the top, or in a downward arc shape in which the center of curvature of the arc is at the bottom thereof. have.
  • the average value of the vent thickness may be determined in the range of 40 to 70% based on the thickness of the body case. This is determined as a range capable of providing an optimal state in consideration of various factors as described above.
  • the lowest vent thickness of the center portion of the notched groove may be 20 to 50% in size based on the thickness of the body case. If the depth is 20% or less, the notch groove can be easily ruptured even under a small pressure. If the depth is 50% or more, as described above, the thickness of the center and both ends of the notch groove does not have a desired difference, and thus the operation reliability It can be lowered, which is undesirable.
  • vent thickness may be configured to be sequentially thinned from both ends toward the center portion.
  • 'sequentially' means gradually thinner in stages. Therefore, it is possible to prevent the pressure from concentrating only on a specific part and to minimize the pressure deviation when the notch groove is broken.
  • the vent thickness at the center of the notch groove is thinner than the vent thickness at both ends thereof, so that the breakage of the notch groove is not particularly limited.
  • the vent thickness at the center portion is 40 to 70% of the vent thickness at both ends. Can be formed.
  • the notch groove may be formed by various methods, and preferably, may be formed by rolling using a separate punch. In some cases, a method of scraping off the surface of the case using a predetermined tool may be possible.
  • the vertical cross section of the notch groove is not particularly limited as long as it can easily break the notch groove when internal pressure is generated, and may be, for example, a downward wedge or trapezoid.
  • the fracture occurs due to a crack in the upper end of the notch groove, and in the case of the trapezoid, the fracture occurs due to the shear stress as the short side increases. As a result, it is possible to induce uniform and immediate breakage of the notch groove, thereby ensuring the safety of the battery.
  • the electrode assembly may be a jelly-roll (wound) structure having a structure in which long sheets of positive and negative electrodes are wound in a state where a separator is interposed therebetween, and has an advantage of easy manufacturing and high energy density per weight.
  • the secondary battery of this structure may be more preferably a lithium secondary battery.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a rectangular secondary battery including a conventional notch groove
  • FIG. 2 is a schematic view of a rectangular secondary battery used in the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view of a rectangular secondary battery including a notch groove according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a photograph showing the stress distribution of the square battery in FIG. 3;
  • FIG. 5 is a photograph showing a stress distribution of a square battery including a notch groove according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a partial plan view including the notch groove of FIG. 3;
  • FIG. 7 is a graph of the thickness of each vent part of FIG. 6;
  • FIG. 8 is a photograph showing a vertical cross section of the notch groove of FIG. 3;
  • FIG. 9 is a photograph showing a vertical cross section of the notch groove of FIG. 1.
  • Figure 2 shows the structure of a conventional rectangular secondary battery according to one embodiment that can be used in the present invention.
  • the rectangular secondary battery 100 is a inside of a rectangular battery case 200 serving as a negative electrode terminal, and has a jelly-roll structure having a structure in which a sheet-shaped positive electrode and a negative electrode are wound with a separator interposed therebetween.
  • the electrode assembly 300 is inserted.
  • the case 200 has a structure in which an upper end is open and a rectangular case body 210 made of a metal material and a cap 220 in which an anode terminal 400 is installed at an open upper end of the case body 210 are mounted. consist of.
  • the negative electrode terminal may be the case body 210 or the cap 220 which is electrically insulated from the positive electrode terminal 400.
  • the electrode assembly 300 is inserted into the case body 210, and the cap 220 is seated in the opening of the case body 210, and then the electrode assembly 300 is inserted into the case body 210.
  • the adhesive surface area is sealed by laser welding.
  • the electrolyte is injected into the case 200, the electrolyte is injected through the injection hole 230 formed on one side of the cap 220.
  • the ball member 600 made of aluminum or the like is inserted into the injection hole 230, and a separate metal sheet 610 is seated on the ball member 600 to inject the injection hole. It seals through the laser welding in the state which closed 230 entirely.
  • the sealing method of the injection hole 230 is not limited to the above, various other methods may be possible.
  • the notch groove according to the present invention is formed on the case front surface 211 or the rear surface 212 of the rectangular secondary battery 100, the thickness of the case body 210 is about 0.3 mm.
  • FIG. 3 is a plan view showing a shape of a notch groove according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a photograph showing a stress distribution of the square battery of FIG. 3.
  • the notch groove 60 of the case body 40 is a member that can be cut out to discharge the high pressure gas, and has a stress distribution of about 25 to 35% based on the maximum stress S MAX of the case.
  • the center of curvature of the circular arc is formed in the shape of the upward arc circular arc located in the upper part in the site
  • the stress distribution is a tensile stress appearing in each region when a constant pressure is applied as a contour line
  • the high brightness (light colored area) is a relatively high stress is the maximum stress (S MAX )
  • the site of distribution is a site of relatively low stress, and means the site of minimum stress (S MIN ) distribution.
  • the arc shape of the notch groove 60 is about one-tenth the size of the center position of about one third size based on the width W of the case body 40 and the length L of the case body 40. It is formed in the upper position.
  • the arc-shaped curvature is composed of a curvature formed with a radius R of about 1/2 of the length L of the case body 40.
  • the circular arc may have an upward arc shape in which the center of curvature of the arc is located at the upper side as in FIGS. 3 and 4, but on the contrary, as in FIG. 5, the circular arc in which the center of curvature of the arc is located at the bottom as in FIG. 5. It may be a shape.
  • the arc shape of the notch groove is the same as the position and curvature of the notch groove of FIG. 3 except that the center of curvature of the arc is formed in a downward arc shape having a lower portion. Detailed description will be omitted.
  • FIG. 6 is a partial plan view showing the shape of the notch groove of FIG. 3, and FIG. 7 shows a graph of the thickness of each vent part of the notch groove of FIG. 6, and FIG. 8 shows a vertical view of the notch groove of FIG. 3.
  • a photograph showing a cross section is disclosed.
  • the vent 80 has a thickness that is sequentially thinned from both ends 1 and 5 toward the center 3 based on the total length l of the notched groove. That is, the minimum vent thickness (see Example 1) of the center portion 3 of the notch groove 60 forms a vent having a thickness t of about 58 ⁇ m based on the thickness T of the case body, and toward both ends thereof. The thickness of the vents gradually increased to 70 ⁇ m and 90 ⁇ m, respectively.
  • the depth and range of the vent can be adjusted as shown in the graph of FIG. 7 (see Examples 2 and 3).
  • the vertical cross section of the notched groove 60 is formed in a downward wedge shape, the average value of the vent thickness is formed to a depth of about 60% based on the thickness (T) of the case body (40).
  • the positive electrode was manufactured by applying a positive electrode active material containing LiCoO 2 to an aluminum current collector and then spot welding the positive electrode tab so as to protrude upward from the end of the current collector.
  • a negative electrode was prepared by winding and attaching a polyimide film to a structure surrounding the front, rear, and one side of the negative electrode tab so as to protrude by ⁇ 6 mm.
  • the case body is positioned at about a third size based on the width of the case body and about 1/10 size based on the length of the case body.
  • a notch groove having a radius of curvature corresponding to about one-half size based on the length was formed into a wedge shape in a vertical section, and a notch groove was formed using a punch.
  • this notch groove its center portion was formed to a thickness of about 57 ⁇ m, and the vent was thickened to about 70 ⁇ m and about 90 ⁇ m, respectively, toward both edges (see Example 1 of FIG. 7). ).
  • the location where the notch groove was formed was found to be a site showing a stress distribution of about 25 to 35% based on the maximum stress (S MAX ) of the case.
  • the separator is interposed between the positive electrode of 1-1 and the negative electrode of 1-2, and then wound roundly and compressed to form a rectangular jelly-roll, and then inserted into a rectangular aluminum case in which the notches of 1-3 are formed.
  • a battery was prepared by impregnating an EC-EMC blending solution as an electrolyte.
  • the notch groove was formed to have a thickness of about 49 ⁇ m and the thickness of the vent gradually increased to about 55 ⁇ m and about 75 ⁇ m toward both ends. Except that, a battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
  • the notch grooves were formed to have a thickness of about 40 ⁇ m in the center portion thereof, and to gradually increase the thickness of the vents to about 45 ⁇ m and about 63 ⁇ m, respectively, toward both ends thereof, as in Example 3 of FIG. 7. Then, a battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
  • a notch groove was processed in the corner portion of the case as shown in FIG. 1, and a battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the vent was uniform as shown in FIG. 9.
  • the straight line distance h at both ends of the notch groove of FIG. 1 is about 16 mm.
  • the notch groove was processed in the upper part of the case as shown in FIG. 3, and the battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the vent was uniform as shown in FIG. 9.
  • an arc-shaped notched groove is formed in a specific portion having a low stress, and the vent thickness thereof is formed to become thinner toward the center thereof based on the entire length of the notched groove.
  • the break pressures were 12.4, 10.9, and 7.7 kgf / cm 2 , respectively, and fracture occurred under relatively large pressure.
  • the notch grooves were formed at the same position as in Examples 1 to 3 and the vent thickness was similar to that in Example 2, but the vent thickness was uniform in the longitudinal direction. In spite of the thick vent, the notch groove part bursts at a lower pressure than the battery of Example 2 as well as in Example 2.
  • the batteries of Examples 1 to 3 according to the present invention had an average burst operation time of 5 minutes, 4 minutes 37 seconds, and 4 minutes 14 seconds, respectively, and were able to withstand a relatively long time.
  • the battery of Comparative Example 1 was easily broken in the notch groove in a relatively short time.
  • the electrolyte in the battery is decomposed to generate gas, and the internal pressure caused by the gas also increases with time.
  • the battery provided with the safety plate according to the present invention is not easily ruptured at a low to medium pressure that should not be ruptured, thereby preventing human injury due to exposure of the electrolyte and vaporized gas.
  • the notch grooves are formed to have a structure that becomes thinner from the both ends to the center portion in an arc shape at a position where the stress is small, thereby achieving a synergistic effect of battery safety.
  • the rectangular secondary battery according to the present invention forms a notch groove in a specific portion of low stress, the notch groove is arc-shaped and the vent thickness becomes thinner toward its central portion based on the entire length of the notch groove.

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Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 케이스 캡으로 이루어져 있고, 상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이며, 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 선상(線狀)의 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있고, 상기 노치홈은 케이스 본체의 잔여 두께('벤트 두께')가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지를 제공한다.

Description

노치홈이 구비된 각형 이차전지
본 발명은 노치홈이 구비된 각형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극조립체가 각형의 전지 케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 전지 케이스는 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 캡으로 이루어져 있고, 상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이며, 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 선상(線
Figure 72c0
)의 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있고, 상기 노치홈은 케이스 본체의 잔여 두께('벤트 두께')가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어져 있는 각형 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이러한 이차전지는 사용 상태 및 조건에 따라 다양한 환경에 노출될 수 있으며, 사용자의 안전을 위해 특히 폭발의 위험성을 예방하는 것이 요구된다. 일반적으로, 내부 쇼트, 허용된 전류, 전압을 초과한 충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격 등과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압은 전지의 폭발을 초래할 수 있다. 따라서, 상기와 같은 전지의 형태적 차이에도 불구하고, 전지 폭발의 직접적인 원인인 고압을 해소할 수 있는 고압 해소 수단을 구비하고 있다.
예를 들어, 원통형 전지는 특정한 구조의 안전판이 캡 어셈블리에 설치되어 있고, 각형 전지는 전지의 캡 또는 케이스에 노치홈이 형성되어 있으며, 파우치형 전지는 별도의 노치홈 없이 라미네이트 시트의 봉합부(밀봉부)가 분리되는 방식으로 고압을 해소하고 있다.
일반적인 각형 이차전지에서는, 알루미늄 전지 케이스에 폐쇄형 또는 일부 개방형의 노치홈이 절개 가능한 형태로 형성되어 있다.
예를 들어, 도 1에서와 같이, 각형 이차전지는 일부 개방형의 노치홈을 전지 케이스의 측면에 포함하고 있다.
도 1의 노치홈(30)은 각형 이차전지 케이스(20)의 측면 모서리에 작은 윤곽으로 형성되어 있고, 일부 개방형으로 형성되어 있다. 즉, 노치홈은 케이스의 응력 분포에 있어서 응력값이 상대적으로 큰 부위에 형성되어 있어서, 전지의 과도한 내압 상승시 곡선 형상이 파단되도록 설계되어 있다.
이러한 구조의 노치홈은 전지 내부에서 발생한 고압에 상대적으로 민감하게 반응하는 장점은 있으나, 전지의 설계시 의도한 압력 임계치를 정확하게 설정하기에 어려움이 있다.
즉, 상기에서 언급한 바와 같이, 케이스의 측면 모서리 부위에는 높은 응력이 가해지므로, 낮은 압력에서도 노치홈의 파단이 쉽게 일어날 수 있으며, 무엇보다 전지 케이스의 두께가 얇은 경우에는 고압에 특히 민감하게 반응하기 때문에 의도하지 않은 파단이 일어나게 된다.
따라서, 응력값이 큰 부위에 형성되는 노치홈의 크기 및 깊이는 상대적으로 작게 하는 것이 불가피한데, 노치홈의 크기 및 깊이를 작게 할 경우에는 오히려 노치홈의 파단이 원활하지 않은 문제점이 발생하게 된다.
또한, 노치홈의 형상은 비정상적인 조건에서 신뢰성이 있게 작동하는데 매우 중요한 인자인 것으로 예상된다.
따라서, 전지 케이스의 두께, 응력값에 따른 노치홈의 위치, 노치홈의 형상, 길이, 깊이 등을 종합적으로 고려하여, 내압이 증가하는 경우, 노치홈의 균일한 파단에 의해 신속하게 가스를 배출할 수 있는 각형전지에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지 케이스의 측면에서 응력값이 상대적으로 작은 부위에 특정한 구조의 노치홈을 형성하고 그와 동시에 특정한 형상의 노치홈을 형성할 경우, 적정한 조건에서 노치홈의 파단이 신뢰성 있게 일어나고, 결과적으로 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명자의 목적은 효과적으로 파단을 이룰 수 있는 개선된 구조의 노치홈을 가진 각형 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 각형 이차전지는, 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지 케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서,
상기 전지 케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 캡으로 이루어져 있고,
상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이며, 전지 내부의 고압 발생시 파단되는 선상(線
Figure 72c0
)의 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있고, 상기 노치홈은 케이스 본체의 잔여 두께('벤트 두께')가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 형성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 각형전지의 노치홈은, 케이스 본체의 응력 분포에 있어서 응력값이 40% 이하의 상대적으로 작은 부위에 형성되어 있어서, 낮은 압력에서도 노치홈이 쉽게 파단되는 것을 미연에 방지할 수 있고, 높은 파단압의 제공 및 깊은 노치의 형성이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 각형전지는, 이후 실험예에서도 입증되는 바와 같이, 특정한 위치에 노치홈의 깊이가 길이방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 형성되어 있어서, 노치홈이 높은 작동신뢰성을 발휘하여 균일한 노치홈의 파열에 의해 전지 외부로 신속하게 가스가 배출되어 전지의 안전성을 담보할 수 있다.
최근 고용량화로 인한 케이스의 대면적화 및 얇은 소재로의 가공에 따라, 본 발명이 적용되는 케이스 본체의 두께는 바람직하게는 0.2 내지 0.4 mm의 범위 내에 있을 수 있다. 따라서, 상기 특정한 위치와 형상의 노치홈은 일반적인 전지케이스에 비해 얇은 두께의 케이스임에도 불구하고 적정 임계치에서 신뢰성 있는 파열을 이룰 수 있다.
노치홈이 파단되는 상기 전지 내부의 고압은 정상적인 조건에서의 전지 내압의 2 배 이상의 압력일 수 있으며, 상기에서 정상적인 조건은 대기압(1 기압) 내지 2 기압의 상태를 의미한다.
앞서 정의한 바와 같이, 선상의 노치홈은 상기와 같은 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있다.
응력 분포는 전지케이스의 형상, 구조 등에 의해 다양하게 변화될 수 있는 바, 일반적인 각형 전지에서 나타나는 응력 분포가 도 4에 개시되어 있다.
본 발명자들이 확인한 바로는, 케이스의 SMAX를 기준으로 40%를 초과하는 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 노치홈을 형성하는 경우에, 낮은 압력에서도 노치홈이 용이하게 파단되는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 상기와 같은 조건을 만족함으로써, 종래와 같이 높은 응력 분포, 즉, SMAX를 기준으로 40%를 초과하는 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 노치홈을 형성한 경우보다, 높은 압력에서 파단될 수 있다.
이러한 노치홈은 바람직하게는 SMAX의 10 내지 40%의 응력 분포, 더욱 바람직하게는 25 내지 35%의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 케이스 본체의 응력 분포에 있어서 응력값이 상대적으로 작은 부위에 형성되어 있어서, 낮은 압력에서도 노치홈이 쉽게 파단되는 것을 미연에 방지할 수 있고, 높은 파단압의 제공 및 깊은 노치의 형성이 가능하다.
이러한 노치홈은 바람직하게는 케이스 본체의 양면에서 수직 중심축 부위에 형성되어 있을 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 케이스 본체의 좌우 폭을 기준으로 1/4 내지 1/2 크기의 중앙 위치이면서, 케이스 본체의 상하 길이를 기준으로 1/20 내지 1/5 크기의 상부 또는 하부 위치에 형성되어 있을 수 있다.
상기 노치홈의 위치가 상기 범위를 벗어나는 경우에는, 고압에서 노치홈의 파단 및 가스 배출을 기대하기 어려울 수 있고, 작은 압력에도 노치홈의 파열이 발생하므로, 고압의 안전성 및 조립 공정성에서 바람직하지 않다.
본 발명자들이 행한 실험에 따르면, 상기 노치홈은, 앞서 설명한 바와 같이 계속적으로 압력이 상승하여 일정한 수준 이상이 되면, 노치홈이 균일하게 파열될 수 있으므로, 전지 외부로 신속하게 가스가 배출되어 결과적으로 전지의 안정성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
이러한 노치홈은 상기 형성 위치의 범위를 만족하면서, 바람직하게는, 케이스 본체의 상단 개구와, 케이스 본체의 내부에 장착되는 전극조립체의 상단 사이에 대응하는 공간의 케이스 본체 상에 형성되어 있을 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 노치홈은 케이스 본체의 상단 개구에 가까우면서, 케이스 본체의 내부에 장착되는 전극조립체의 양극의 상단으로부터 전극조립체 방향으로 최대 5 mm 이내와 상단 개구 사이에 대응하는 공간의 케이스 본체 상에 형성될 수도 있다. 이러한 위치에 형성된 노치홈은 케이스 내부의 잉여 공간, 구체적으로, 전극조립체 장착 부위의 상단에 위치함으로써, 가스 배출을 보다 용이하게 하고, 전극조립체의 파손을 최소화할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 노치홈은 원호 형상으로 형성됨으로써, 가스배출이 노치홈의 어느 한 부위에 지나치게 편중되는 것을 방지하여, 노치홈의 파단시 압력편차를 최소화할 수 있으며, 얇은 케이스 본체에 대해 케이스 자체의 강도를 확보할 수 있다는 장점이 있다.
상기 노치홈의 원호 형상은, 바람직하게는, 케이스 본체의 상하길이의 1/3 내지 1.5배 크기의 곡률반경을 가질 수 있다.
상기 반경이 너무 작은 경우에는 곡률이 커져서 상대적으로 원호 형상의 폭이 작아지게 되고, 반대로 너무 큰 경우에는 곡률이 완만해져서 고압이 발생하더라도 노치홈의 파열이 어려울 수 있으므로, 바람직하지 않다.
또한, 노치홈의 위치 및 곡률이 상기 범위를 벗어나지 않는다면, 상기 노치홈은 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 형상이거나, 또는 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상으로 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명자들이 실험적으로 확인한 바에 따르면, 상기 노치홈의 벤트 두께가 일정한 경우에는, 케이스 본체에서 응력이 상대적으로 작은 부위에 원호 형상으로 형성되어 있는 경우에도, 효과적인 노치홈의 파열에 적합하지 않았다.
즉, 일정한 벤트 두께로 노치홈을 형성하고자 하는 경우에는, 균일한 벤트 두께의 형성이 매우 어려워져 압력이 집중되는 부위가 임의의 위치에 설정되고, 그로 인해 작동 신뢰성이 떨어져서 낮은 압력하에서도 케이스의 형태가 변형되는 현상이 나타나는 등의 문제점이 발생하였다. 이에 따라, 케이스 본체의 응력값 및 벤트 두께는 노치홈의 파열 및 가스 배출과 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 벤트 두께의 평균값은 본체 케이스의 두께를 기준으로 40 내지 70%의 범위에서 결정할 수 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같은 다양한 요소들을 고려하여 최적의 상태를 제공할 수 있는 범위로서 결정된다.
또한, 상기 노치홈 중 중앙부의 최저 벤트 두께는 본체 케이스의 두께를 기준으로 20 내지 50% 크기일 수 있다. 상기 깊이가 20% 이하일 경우에는 작은 압력 하에서도 노치홈이 쉽게 파열될 수 있으며, 50% 이상일 경우 앞서 설명한 바와 같이, 노치홈의 중앙부와 양단부의 두께가 소망하는 정도의 차이를 갖지 못하여 작동신뢰성이 낮아질 수 있으므로, 바람직하지 않다.
또한, 상기 벤트 두께는 양단부로부터 중앙부 쪽으로 순차적으로 얇아지는 구조로 이루어질 수 있다. 여기에서, '순차적으로'는 단계적으로 점차 얇아지는 것을 의미한다. 따라서, 특정부위에만 압력이 집중되는 것을 방지하고 노치홈의 파단시 압력편차를 최소화할 수 있다.
상기 노치홈에서 중앙부의 벤트 두께가 양단부의 벤트 두께보다 얇아 노치홈의 파단이 용이한 두께라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 중앙부의 벤트 두께가 양단부의 벤트 두께의 40 내지 70% 크기로 형성될 수 있다.
이와 같이, 벤트의 두께가 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어진 노치홈이 구비된 각형전지는 효과적인 작동신뢰성을 발휘할 수 있음을 실험으로 확인하였다.
상기 노치홈은 다양한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 별도의 펀치를 이용하여 압연함으로써 형성될 수 있다. 경우에 따라서는, 소정의 도구를 사용하여 케이스의 표면을 긁어 절취하는 방법도 가능할 수 있다.
상기 노치홈의 수직 단면은 내압 발생시 노치홈을 용이하게 파단할 수 있는 형태라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 하향 쐐기형 또는 사다리꼴일 수 있다. 쐐기형의 경우에는 노치홈 상단부의 크랙(crack)에 의한 파단이 일어나며, 사다리꼴의 경우에는 단변이 늘어나면서 전단 응력에 의해 파단이 일어난다. 결과적으로, 노치홈의 균일하고 즉각적인 파단을 유도할 수 있어서 전지의 안전성을 담보할 수 있다.
상기 전극조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 구조일 수 있으며, 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점이 있다.
이러한 구조의 이차전지는 더욱 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있다.
도 1은 종래의 노치홈을 포함하는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 2는 본 발명에 사용되는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 노치홈을 포함하는 각형 이차전지의 모식도이다;
도 4는 도 3에서 각형 전지의 응력 분포를 나타내고 있는 사진이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노치홈을 포함하는 각형 전지의 응력 분포를 나타내고 있는 사진이다;
도 6은 도 3의 노치홈을 포함하는 부분 평면도이다;
도 7은 도 6의 벤트 부위별 두께에 대한 그래프이다;
도 8은 도 3의 노치홈의 수직 단면을 나타내고 있는 사진이다;
도 9는 도 1의 노치홈의 수직 단면을 나타내고 있는 사진이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 통상적인 각형 이차전지의 구조가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 각형 이차전지(100)는 음극단자의 역할을 이루는 각형 전지 케이스(200)의 내부로, 시트형의 양극, 음극이 분리막을 개재한 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤 구조의 전극조립체(300)가 삽입되어 있다.
케이스(200)는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체(210)와, 이러한 케이스 본체(210)의 개방 상단에 양극단자(400)가 설치된 캡(220)이 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 음극단자는 양극단자(400)와 전기적으로 절연된 케이스 본체(210) 또는 캡(220) 자체일 수 있다.
이와 같은 각형 이차전지(100)를 제조하기 위해서는, 우선 케이스 본체(210)의 내부로 전극조립체(300)를 삽입하고, 캡(220)을 케이스 본체(210)의 개구부에 안착시킨 후, 그것의 접착면 부위를 레이저 용접으로 밀봉한다. 그런 다음, 케이스(200)의 내부로 전해액을 주입하게 되는 바, 전해액 주입은 캡(220)의 일측부위에 형성되어 있는 주입구(230)를 통해 이루어진다. 상세하게는, 주입구(230)로 전해액을 주입한 후, 주입구(230)에 알루미늄 등으로 만들어진 볼 부재(600)를 끼워지고, 별도의 금속 박판(610)을 볼 부재(600) 위로 안착시켜 주입구(230)를 전체적으로 막은 상태에서 레이저 용접을 통해 밀봉한다. 주입구(230)의 밀봉 방법이 상기의 것으로 한정되는 것은 아니며, 기타 다양한 방법이 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 노치홈은 이러한 각형 이차전지(100)의 케이스 전면(211) 또는 후면(212) 상에 형성되며, 케이스 본체(210)의 두께는 약 0.3 mm이다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 노치홈의 형상을 보여주는 평면도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 각형전지에 대해 응력 분포를 나타낸 사진이 개시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 케이스 본체(40)의 노치홈(60)은 고압 가스를 배출하기 위한 절개 가능한 형태의 부재로서, 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 약 25 내지 35%의 응력 분포를 나타내는 케이스의 부위에, 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 원호 형상으로 형성되어 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 응력 분포는 일정한 압력이 인가되었을 때 각 부위별로 나타나는 인장응력이 등고선으로 나타나며, 명도가 높은 부위(밝은 색 부위)는 응력이 상대적으로 높은 부위로서 최대 응력(SMAX) 분포 부위이고, 명도가 낮은 부위(어두운 부위)는 응력이 상대적으로 낮은 부위로서, 최저 응력(SMIN) 분포 부위를 의미한다.
노치홈(60)의 원호 형상은 케이스 본체(40)의 폭(W)을 기준으로 약 1/3 크기의 중앙 위치 및 케이스 본체(40)의 길이(L)를 기준으로 약 1/10 크기의 상단 위치 내에 형성되어 있다. 또한, 원호 형상의 곡률은 케이스 본체(40)의 길이(L)를 기준으로 약 1/2의 반경(R)으로 형성된 곡률로 이루어져 있다. 이러한 원호 형상에 의해, 노치홈(60)는 가스 배출을 균일하게 하면서도 일정한 기계적 강도를 유지할 수 있다.
또한, 원호는, 도 3 및 4에서와 같이, 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 형상일 수도 있지만, 그와 반대로, 도 5에서와 같이, 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상일 수도 있다.
도 5를 도 3과 함께 참조하면, 노치홈의 원호 형상은 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상으로 형성되어 있는 점을 제외하고는, 도 3의 노치홈의 위치 및 곡률과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6에는 도 3의 노치홈의 형상을 보여주는 부분 평면도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 노치홈의 벤트 부위별 두께에 대한 그래프가 개시되어 있으며, 도 8에는 도 3의 노치홈의 수직 단면을 나타내는 사진이 개시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 벤트(80) 두께는 노치홈의 전체길이(l)를 기준으로 양단부(1, 5)로부터 중앙부(3) 쪽으로 순차적으로 얇아지는 구조로 형성되어 있다. 즉, 노치홈(60) 중 중앙부(3)의 최저 벤트 두께(실시예 1 참조)는 케이스 본체의 두께(T)를 기준으로 약 58 ㎛의 두께(t)의 벤트를 형성하고, 양단부로 갈수록 각각 70 ㎛, 90 ㎛로 점점 벤트의 두께는 두꺼워진다.
또한, 노치홈의 적정 범위 및 압력의 조정에 따라, 도 7의 그래프에서와 같이, 벤트의 깊이 및 범위를 조정할 수 있음은 물론이다 (실시예 2 및 3 참조).
한편, 노치홈(60)의 수직 단면은 하향 쐐기형으로 형성되어 있으며, 벤트 두께의 평균값은 케이스 본체(40)의 두께(T)를 기준으로 약 60%의 깊이로 형성되어 있다.
따라서, 내압이 점차 상승하여 정상적인 전지 내압의 2배 이상의 압력이 발생하게 되면, 노치홈에 크랙이 발생하면서 용이하게 파열되어 전지 외부로 신속하게 가스가 배출되며 결과적으로 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
1-1 양극의 제조
LiCoO2가 함유된 양극 활물질을 알루미늄 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부에 상향 돌출되도록 양극 탭을 스팟 용접하여 부착하는 것으로 양극을 제조하였다.
1-2 음극의 제조
인조흑연이 함유된 음극 활물질을 구리 집전체에 도포한 후, 집전체의 단부에 상향 돌출되도록 음극 탭을 스팟 용접하여 부착하고, 집전체와 음극 탭의 경계면 부위에서 집전체의 상단을 기준으로 5 ~ 6 mm 길이만큼 돌출될 수 있도록 폴리이미드 필름을 음극 탭의 전면과 후면 및 일 측면을 감싸는 구조로 권취하여 부착하는 것으로 음극을 제조하였다.
1-3 노치홈의 형성
두께가 대략 250~270 ㎛의 범위에 있는 각형 알루미늄 케이스에서, 케이스 본체의 폭을 기준으로 약 1/3 크기의 위치 및 케이스 본체의 길이를 기준으로 약 1/10 크기의 위치에, 케이스 본체의 길이를 기준으로 약 1/2 크기에 대응하는 반경의 곡률을 가진 노치홈을 수직 단면상 쐐기 형상으로, 펀치를 사용하여 노치홈을 형성하였다. 이러한 노치홈에서, 그것의 중앙부가 약 57 ㎛의 두께로 형성되었고, 양측 가장자리로 갈수록 각각 약 70 ㎛, 약 90 ㎛로 점점 벤트의 두께가 두꺼워지는 구조로 형성되었다(도 7의 실시예 1 참조). 노치홈이 형성된 상기 위치는 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 약 25 내지 35%의 응력 분포를 나타내는 부위인 것으로 확인되었다.
1-4 전지의 제조
상기 1-1의 양극과 상기 1-2의 음극 사이에 분리막을 개재하고 둥글게 권취한 후 압축하여 각형 젤리-롤을 만들고, 이를 상기 1-3의 노치홈이 형성된 각형 알루미늄 케이스에 삽입한 다음, 전해액으로서의 EC-EMC blending계 용액을 함침시켜 전지를 제조하였다.
[실시예 2]
노치홈을, 도 7의 실시예 2에서와 같이, 그것의 중앙부가 약 49 ㎛의 두께로 형성되고 양단부로 갈수록 각각 약 55 ㎛, 약 75 ㎛로 점점 벤트의 두께가 두꺼워지도록 형성하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[실시예 3]
노치홈을, 도 7의 실시예 3에서와 같이, 그 중앙부가 약 40 ㎛의 두께로 형성되고 양단부로 갈수록 각각 약 45 ㎛, 약 63 ㎛로 점점 벤트의 두께가 두꺼워지도록 형성하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 1]
노치홈을, 도 1과 같이, 케이스의 모서리 부위에 가공하였고, 도 9와 같이 벤트의 두께가 균일하다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다. 도 1의 노치홈 양단의 직선거리(h)는 약 16 mm이다.
[비교예 2]
노치홈을, 도 3과 같이, 케이스의 상단 부위에 가공하였고, 도 9와 같이 벤트의 두께가 균일하다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2의 방식으로 각각 5 개의 전지들을 준비하여, 점차적으로 압력을 증가시키면서 최초로 노치홈이 파단되는 전지의 파단 압력을 측정하였고, 그 평균 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
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상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 응력이 낮은 특정한 부위에 원호 형상의 노치홈을, 그것의 벤트 두께가 노치홈의 전체 길이를 기준으로 그것의 중앙부로 갈수록 점점 얇아지는 구조로 형성한 실시예 1 내지 3의 전지들은, 파단압력이 각각 12.4, 10.9, 7.7 kgf/cm2로서, 상대적으로 큰 압력하에 파단이 발생하였다.
반면에, 응력값이 상대적으로 큰 곳에 노치홈을 형성한 비교예 1의 전지는, 실시예 1 내지 3에 비해 벤트 두께가 상대적으로 두꺼움에도 불구하고, 작은 압력하에서 노치홈이 쉽게 파열되었다.
또한, 비교예 2의 전지는 노치홈의 형성 위치가 실시예 1 내지 3과 동일하고 벤트 두께가 실시예 2와 유사하지만, 벤트 두께가 길이 방향으로 균일한 구조를 가지고 있는 바, 실시예 3보다 벤트 두께가 두꺼움에도 불구하고, 실시예 2 뿐만 아니라 실시예 3의 전지보다 낮은 압력에서도 견디지 못하고 노치홈 부위가 터지는 현상이 발생하였다.
[실험예 2]
상기 실시예 1 내지 3과 비교예 1의 방식으로 각각 2 개의 전지들을 준비하여, 만충전 후 250℃에서 노출하는 핫 플레이트 실험을 실시하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
<표 2>
Figure PCTKR2010006255-appb-I000002
상기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 전지들은, 평균 파열 작동시간이 각각 5분, 4분 37초, 4분 14초로서, 상대적으로 오랜 시간을 견딜 수 있었다. 반면에, 비교예 1의 전지는 상대적으로 짧은 시간에 노치홈이 쉽게 파열되었다.
전지는 온도가 점점 증가함에 따라 전지내부의 전해액이 분해되어 가스가 발생하게 되는데, 가스에 의한 내부 압력 또한 시간에 따라 점점 증가하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 안전판을 구비한 전지는, 파열되지 말아야 할 중저압력에서 쉽게 파열되지 않음으로써, 전해액과 기화된 가스의 노출로 인한 인체 상해를 방지할 수 있다.
이상의 실험들을 통해, 전지 내부의 가스를 효과적으로 배출하기 위해서는 응력이 작은 위치에 원호 형상으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 노치홈을 형성하여야, 전지 안전성의 상승 효과를 발휘할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 각형 이차전지는 응력이 낮은 특정한 부위에 노치홈을 형성하고, 상기 노치홈이 원호 형상으로 벤트 두께가 노치홈의 전체 길이를 기준으로 그것의 중앙부로 갈수록 점점 얇아지는 구조로 형성됨으로써, 상대적으로 높은 내압에서 신뢰성 있게 작동하여 전지 내부의 고압 가스를 효과적으로 배출할 수 있어서, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 양극, 음극 및 분리막으로 구성된 전극조립체가 각형의 전지케이스에 밀봉되어 있는 각형 이차전지로서, 상기 전지케이스는 상단이 개방되어 있고 금속 소재로 이루어진 장방형의 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개방 상단에 결합되며 전극단자를 포함하고 있는 케이스 캡으로 이루어져 있고,
    상기 케이스 본체의 두께는 0.4 mm 이하이며,
    전지 내부의 고압 발생시 파단되는 선상(線
    Figure 72c0
    )의 노치홈이 고압 상태에서 케이스의 최대 응력(SMAX)을 기준으로 40% 이하의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있고,
    상기 노치홈은 케이스 본체의 잔여 두께('벤트 두께')가 길이 방향을 기준으로 양단부로부터 중앙부 쪽으로 얇아지는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스 본체의 두께는 0.2 내지 0.4 mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 노치홈이 파단되는 상기 전지 내부의 고압은 정상적인 조건에서의 전지 내압의 2 배 이상의 압력인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은 최대 응력(SMAX)의 10 내지 40%의 응력 분포를 나타내는 케이스 본체 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은 케이스 본체의 양면에서 수직 중심축 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 노치홈은, 케이스 본체의 좌우 폭을 기준으로 1/4 내지 1/2 크기의 중앙 위치이면서, 케이스 본체의 상하 길이를 기준으로 1/20 내지 1/5 크기의 상부 또는 하부 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 노치홈은, 케이스 본체의 상단 개구와, 케이스 본체의 내부에 장착되는 전극조립체의 상단 사이에 대응하는 공간의 케이스 본체 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈은 원호 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 노치홈의 원호 형상은 케이스 본체의 상하 길이의 1/3 내지 1.5배 크기의 곡률 반경을 가진 원호 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 노치홈은 원호의 곡률 중심이 상부에 위치하는 상향 원호 형상이거나, 또는 원호의 곡률 중심이 하부에 위치하는 하향 원호 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 벤트 두께의 평균값은 본체 케이스의 두께를 기준으로 40 내지 70% 크기인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈 중 중앙부의 최저 벤트 두께는 본체 케이스의 두께를 기준으로 20 내지 50% 크기인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 벤트 두께는 양단부로부터 중앙부 쪽으로 순차적으로 얇아지는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈에서 중앙부의 벤트 두께는 양단부의 벤트 두께의 40 내지 70% 크기인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈의 수직 단면은 하향 쐐기 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 노치홈의 수직 단면은 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
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