WO2012165765A2 - 신규한 구조의 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 전지 - Google Patents

신규한 구조의 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 전지 Download PDF

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WO2012165765A2
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이학준
조용호
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a cap assembly having a novel structure, and more particularly, an electrode assembly (jelly-roll) of the anode / separator / cathode structure is mounted in the open upper end of the can in a battery having a structure in which the cylindrical can is embedded.
  • a cap assembly comprising: a safety vent having a predetermined notch formed to be ruptured by a high pressure gas of a battery; A protruding top cap connected to the safety vent along the outer circumferential surface thereof; A gasket mounted on an outer circumferential surface of the upper cap; And a fire extinguishing component for preventing ignition of the battery, wherein at least a portion of the fire extinguishing member is mounted at an interface between the top cap and the gasket.
  • 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 cylindrical battery has the advantage of relatively large capacity and structurally stable.
  • the electrode assembly embedded in the battery case is a power generator capable of charging and discharging composed of a laminated structure of a cathode, a separator, and a cathode, and a jelly-roll type wound between a long sheet-type anode and an anode coated with an active material through a separator;
  • 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 therebetween.
  • the jelly-roll type electrode assembly has advantages of easy manufacturing and high energy density per weight.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional perspective view of a typical cylindrical battery.
  • the cylindrical battery 100 receives a jelly-roll type (wound) electrode assembly 120 in a cylindrical case 130 and injects an electrolyte solution into the cylindrical case 130, and then the case 130.
  • the top cap 140 is formed by coupling an electrode terminal (for example, a positive electrode terminal;
  • the jelly-roll type electrode assembly 120 has a structure in which a cathode 121, a cathode 122, and a separator 123 are stacked in turn to be wound in a round shape, and a center of the cylinder is formed at the center of the core assembly 120.
  • the pin 150 is inserted.
  • the center pin 150 is generally made of a metal material to impart a predetermined strength, and has a hollow cylindrical structure in which a plate is rounded.
  • the center pin 150 serves as a passage for fixing and supporting the electrode assembly 120 and for releasing gas generated by internal reactions during charging and discharging and during operation.
  • lithium secondary batteries have the disadvantage of low safety.
  • the battery when the battery is overcharged to about 4.5 V or more, decomposition reaction of the positive electrode active material occurs, dendrite growth of lithium metal at the negative electrode, decomposition reaction of electrolyte solution, and the like occur. In this process, heat is accompanied, so that the decomposition reaction and a number of side reactions are rapidly progressed, and the air supply may cause the battery to ignite and explode.
  • a general cylindrical secondary battery has a current interrupting member (CID) for blocking current during abnormal operation of the battery and relieving internal pressure, and space between the jelly-roll type electrode assembly and the top cap. It is mounted on.
  • CID current interrupting member
  • the top cap 10 has a positive electrode terminal formed in a protruding shape, and an exhaust port is perforated, and a PTC element for blocking current by greatly increasing battery resistance when the temperature inside the battery rises at the bottom thereof ( Positive temperature coefficient element: 20), in the normal state has a downwardly protruding shape, the safety vent 30 to explode and exhaust gas when the pressure inside the battery rises, and the upper one side is coupled to the safety vent 30
  • the connection plate 50 which is connected to the anode of the electrode assembly 40, is positioned sequentially.
  • the anode of the electrode assembly 40 is connected to the top cap 10 through the lead 42, the connection plate 50, the safety vent 30, and the PTC element 20 to conduct electricity. .
  • the lithium secondary battery has a high risk of ignition when placed in various environments such as overcharging, external heating, and physical deformation.
  • Various methods for preventing overcharge, which is a cause of such a ignition risk, and preventing an internal short due to physical deformation have been proposed.
  • the risk of ignition is particularly serious in high capacity batteries.
  • 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 cap assembly according to the present invention is a cap assembly mounted on an open top end of a can in a battery having a structure in which an electrode assembly (jelly-roll) having a cathode / separation membrane / cathode structure is embedded in a cylindrical can,
  • a safety vent having a predetermined notch formed to be ruptured by the high pressure gas of the battery
  • a protruding top cap connected to the safety vent along the outer circumferential surface thereof;
  • a gasket mounted on an outer circumferential surface of the upper cap
  • a fire extinguishing member including a fire extinguishing component for preventing ignition of the battery, at least a part of which is mounted at an interface between the top cap and the gasket;
  • It is composed of a structure including a.
  • the cap assembly according to the present invention can prevent the battery cell from being ignited by the fire extinguishing member by placing the fire extinguishing member at the interface between the upper cap and the gasket, thereby reacting more rapidly to temperature change. .
  • the space in which the fire extinguishing member which suppresses the ignition of the battery cell can be mounted is very limited in consideration of the overall structure of the battery.
  • at least a part of the fire extinguishing member is mounted at the interface between the upper cap and the gasket. It takes a structure to become.
  • the interface on which at least a portion of the fire extinguishing member is mounted may be the top surface or outer peripheral side of the top cap.
  • the fire extinguishing member can correspond to the shape of the interface of the top cap or gasket, it is preferably made of a planar hollow annular structure, the outer portion of the size of 20 to 100% in the radius of the top cap It may be a structure that is fixed to the interface of the gasket.
  • the fire extinguishing member is not particularly limited as long as it can exert an excellent fire suppression function without degrading the performance of the battery.
  • the fire extinguishing member may be a metal ring or a hollow hollow flame retardant film having a flame retardant component. have.
  • the kind of the flame retardant component (“frame retardant”) is not particularly limited, and for example, halogen-based flame retardants, phosphorus-based flame retardants, inorganic compound flame retardants, and the like may be used, and in some cases, one or more of them. It can also be used in the form of a mixture.
  • Halogen-based flame retardants generally exhibit a flame retardant effect by substantially stabilizing radicals occurring in the gas phase.
  • halogen-based flame retardants include tribromo phenoxyethane, tetra bromo bisphenol-A (TBBA), octabromo diphenyl ether (OBDPE), brominated epoxy, brominated polycarbonate oligomo, chlorinated paraffin, chlorinated polyethylene, alicyclic Chlorine-based flame retardants and the like.
  • Phosphorus-based flame retardants generally produce a polymethic acid by pyrolysis, and the carbon film produced by dehydration when it forms a protective layer or when polymethic acid is produced exerts a flame retardant effect.
  • phosphorus-based flame retardants include phosphates such as red, ammonium phosphate, phosphine oxide, phosphine oxide diols, phosphites, phosphonates, triaryl phosphate, alkyldiaryl phosphate, trialkyl phosphate, resorcinaol bisdiphenyl phosphate (RDP), and the like.
  • Inorganic compound flame retardants are generally decomposed by heat, releasing incombustible gases such as water, carbon dioxide, sulfur dioxide and hydrogen chloride and causing endothermic reactions, thereby diluting the combustible gases to prevent oxygen access and cooling and pyrolysis by endothermic reactions. Reduce the production of the product to exert a flame retardant effect.
  • inorganic compound flame retardants include aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, antimony oxide, tin hydroxide, tin oxide, molybdenum oxide, zirconium compounds, borate salts, calcium salts, and the like.
  • the flame retardant component may be one containing a halon component.
  • Halon is a carbon compound gas of halogen element (fluorine (fluorine), chlorine, bromine vapor). By blocking the oxidation reaction of the combustion product by the cocatalyst of halogen element, it prevents the access of oxygen and prevents combustion.
  • Halon-1211 Halon-1211: CF2BrCl
  • Halon-1211 can be preferably used.
  • the substrate of the flame retardant film is not particularly limited as long as the substrate can stably hold the flame retardant without causing chemical reaction inside the battery.
  • film substrates include polyethylene, polypropylene, polyurethane, or fluorine-based polymers. Polyurethanes and the like, which preferably exhibit flame retardancy per se, may be used.
  • the flame retardant component is preferably included in 20 to 90% by weight based on the total weight of the flame retardant film.
  • the flame retardant may be present in the form contained within the film substrate, and in some cases, may be present in the form of a coating on the outer surface of the film.
  • the flame retardant component may be included in the ring substrate in an amount of 20 to 90 wt% based on the total weight of the metal ring.
  • the extinguishing member may have a characteristic of absorbing heat by changing from a liquid to a gas at a predetermined temperature or more. That is, when the internal temperature of the battery cell continuously rises and reaches a predetermined temperature before the time of explosion, the fire can be effectively prevented by absorbing the surrounding heat by the extinguishing member and blocking the surrounding air to further increase the temperature. It can prevent.
  • the predetermined temperature may be, for example, 100 ° C or higher, and preferably, may be determined in the range of 100 ° C to 200 ° C.
  • the safety vent has a shape in which the center is indented downward, and the first notch and the second notch are formed in the upper bent portion and the lower bent portion forming the indentation, respectively, the first notch Comprising a closed curve, the second notch formed in the lower portion has a structure of the open curve on one side, the second notch may be a structure that is deeper than the first notch.
  • the 2nd notch is formed deeper than the 1st notch, when the pressurized gas more than a threshold pressure presses a safety vent, the 2nd notch is cut out.
  • the first notch acts with the second notch when pressurized gas below the second threshold pressure acts on the safety vent so that the indentation can be lifted up.
  • a PTC device may be interposed between the upper cap and the safety vent.
  • the fire extinguishing member since the PTC element is interposed in the adjacent position of the fire extinguishing member, when the PTC element does not operate at a predetermined temperature or more, the fire extinguishing member immediately absorbs heat, thereby ensuring the safety of the battery cell.
  • the present invention also provides a cylindrical cell consisting of including the cap assembly.
  • the cap assembly in the state in which the jelly-roll type electrode assembly is mounted on a cylindrical metal can, the cap assembly is coupled to the open top of the metal can, and the negative electrode of the electrode assembly is welded to the bottom of the can, It is manufactured by welding the positive electrode of the electrode assembly to the cap assembly coupled to the top of the electrode assembly and the electrolyte in order to seal the battery in the built-in state.
  • the battery according to the present invention may preferably be a lithium secondary battery of high energy density, discharge voltage, and output stability. Other components of the lithium secondary battery according to the present invention will be described in detail below.
  • a lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte, and the like.
  • the positive electrode is produced by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder onto a positive electrode current collector, followed by drying, and further, a filler may be further added as necessary.
  • the negative electrode is also manufactured by applying and drying a negative electrode material on the negative electrode current collector, and if necessary, the components as described above may be further included.
  • the separator is interposed between the cathode and the anode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution consists of a non-aqueous electrolyte solution and a lithium salt.
  • a non-aqueous electrolyte solution a liquid nonaqueous electrolyte solution, a solid electrolyte, an inorganic solid pregelatin, and the like are used.
  • the current collector the electrode active material, the conductive material, the binder, the filler, the separator, the electrolyte, the lithium salt, and the like are known in the art, a detailed description thereof will be omitted herein.
  • the lithium secondary battery according to the present invention can be produced by conventional methods known in the art. That is, it may be prepared by inserting a porous separator between the anode and the cathode and injecting the electrolyte therein.
  • the positive electrode may be manufactured by, for example, applying a slurry containing the lithium transition metal oxide active material, the conductive material, and the binder described above onto a current collector and then drying.
  • the negative electrode can be prepared by, for example, applying a slurry containing the above-described carbon active material, a conductive material and a binder onto a thin current collector and then drying it.
  • FIG. 1 is a vertical sectional perspective view of a typical cylindrical battery
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a perspective view of a cylindrical battery according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded view of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG. 3;
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional perspective view of FIG. 3;
  • FIG. 7 is a perspective view of the safety vent of FIG. 6.
  • Figure 3 is a schematic view of a perspective view of a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is an exploded view of Figure 3 is shown.
  • the cylindrical battery 100a inserts a jelly-roll (not shown) into the inside of the can 200, injects an electrolyte therein, and opens the open top of the can 200.
  • the insulating member 400 is seated on the cap assembly 300 to insulate the positive electrode and the negative electrode, the insulating member 400 is compressed by the tube 410 to maintain the insulating state.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG. 3 and FIG. 6 is a partially enlarged view of FIG. 3.
  • the cap assembly 300 includes a safety vent 330 having a predetermined notch formed to be ruptured by the high pressure gas of the battery; A protruding top cap 310 connected to it along the outer circumferential surface of the safety vent 320; A gasket 340 mounted on an outer circumferential surface of the upper cap 310; A PTC element 350 interposed between the upper cap 310 and the safety vent 320; And a fire extinguishing member 360 mounted at an interface between the upper cap 310 and the gasket 340.
  • the fire extinguishing member 350 is formed in a planar hollow annular structure, and the outermost portion is radially fixed to the interface between the top cap 310 and the gasket 340.
  • the fire extinguishing member 350 is in the shape of a metal ring including a halon component, which is a flame retardant component, and the flame retardant component is included in the ring substrate in an amount of about 60 wt% based on the total weight of the metal ring. .
  • the fire extinguishing member 350 absorbs the surrounding heat and blocks the surrounding air to further suppress temperature rise. Therefore, it is possible to fundamentally prevent the ignition of the battery and to improve the safety of the battery.
  • FIG. 7 schematically illustrates a perspective view of the safety vent of FIG. 6.
  • the first notch 324 formed on the upper part of the notches 324 and 326 of the safety vent 320 forms a closed curve
  • the second notch 326 formed on the lower part has a structure of an open curve having one side open. It is.
  • the engagement force of the second notch 326 is made smaller than the engagement force of the first notch 324, the second notch 326 is dug deeper than the first notch 324.
  • the second notch 326 of the safety vent 320 does not withstand the pressure and breaks so that the pressurized gas in the can 200 is discharged to the outside. do.
  • the cap assembly according to the present invention is equipped with a fire extinguishing member including a fire extinguishing component at the interface between the top cap and the gasket, thereby preventing the ignition of the battery to improve the safety.

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Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 외주면을 따라 그것에 접속되어 있는 돌출형의 상단 캡; 상기 상단 캡의 외주면에 장착되어 있는 가스켓; 및 전지의 발화를 방지하기 위한 소화성분을 포함하고 있고, 적어도 일부가 상단 캡과 가스켓의 계면에 장착되어 있는 소화부재; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.

Description

신규한 구조의 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 전지
본 발명은 신규한 구조의 캡 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 외주면을 따라 그것에 접속되어 있는 돌출형의 상단 캡; 상기 상단 캡의 외주면에 장착되어 있는 가스켓; 및 전지의 발화를 방지하기 위한 소화성분을 포함하고 있고, 적어도 일부가 상단 캡과 가스켓의 계면에 장착되어 있는 소화부재;를 포함하는 캡 어셈블리에 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. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
또한, 전지케이스에 내장되는 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. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
도 1에는 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 원통형 전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 원통형 케이스(130)에 수납하고, 원통형 케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(140)을 결합하여 제작한다.
젤리-롤형 전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 분리막(123)을 차례로 적층하여 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심인 전극조립체(120)의 중심부에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체(120)를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
한편, 리튬 이차전지는 안전성이 낮다는 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 전지가 대략 4.5V 이상으로 과충전되는 경우에는 양극 활물질의 분해반응이 일어나고, 음극에서 리튬 금속의 수지상(dendrite) 성장과, 전해액의 분해반응 등이 일어난다. 이러한 과정에서 열이 수반되어 상기와 같은 분해반응과 다수의 부반응들이 급속히 진행되며, 급기야는 전지의 발화 및 폭발이 유발되기도 한다.
따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 일반적인 원통형 이차전지에는 전지의 비정상적인 작동시 전류를 차단하고 내압을 해소하기 위한 전류차단부재(Current Interruptive Device; CID)가 젤리-롤형 전극조립체와 탑 캡 사이의 공간에 장착되어 있다.
도 2를 참조하면, 탑 캡(10)은 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고 배기구가 천공되어 있으며, 그것의 하부에 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element: 20), 정상적인 상태에서는 하향 돌출된 형상으로 되어 있고 전지 내부의 압력 상승시 돌출되면서 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트(30), 및 상단 일측 부위가 안전벤트(30)에 결합되어 있고 하단 일측이 전극조립체(40)의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트(50)가 순차적으로 위치되어 있다.
따라서, 정상적인 작동조건에서 전극조립체(40)의 양극은 리드(42), 접속 플레이트(50), 안전벤트(30) 및 PTC 소자(20)를 경유하여 탑 캡(10)에 연결되어 통전을 이룬다.
그러나, 안전벤트(30), 또는 PTC 소자(20) 등 일부 안전장치에 문제가 생길 경우, 전지의 발화가 발생할 위험성은 여전히 존재한다.
즉, 리튬 이차전지는 과충전, 외부로부터의 가열, 물리적 변형 등 다양한 환경하에 놓였을 때 발화의 위험성이 높다. 이러한 발화 위험성의 원인인 과충전을 예방하고, 물리적 변형에 따른 내부 쇼트 등을 예방하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다. 그러나, 이러한 예방 수단에도 불구하고 발화를 예방하거나, 적어도 발화가 개시되었을 때 그것의 진행을 억제할 수 있는 수단이 요구된다. 발화에 따른 위험성은 특히 대용량 전지에서 더욱 심각하게 대두된다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 소화 성분을 포함하는 소화부재에 의해 전지셀의 발화를 방지할 수 있는 캡 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 캡 어셈블리를 포함하여 안전성이 향상된 원통형 전지를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서,
전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트;
상기 안전벤트의 외주면을 따라 그것에 접속되어 있는 돌출형의 상단 캡;
상기 상단 캡의 외주면에 장착되어 있는 가스켓; 및
전지의 발화를 방지하기 위한 소화성분을 포함하고 있고, 적어도 일부가 상단 캡과 가스켓의 계면에 장착되어 있는 소화부재;
를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
일반적으로, 전지셀의 발화는 셀의 상부 부위에서 발생한다. 따라서, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는 상기 소화부재를 상기 상단 캡과 가스켓의 계면에 위치시킴으로써, 온도 변화에 더욱 신속하게 반응하여, 상기 소화부재에 의해 전지셀이 발화되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
이와 같이 전지셀의 발화를 억제하는 소화부재가 장착될 수 있는 공간은 전지의 전반적인 구조를 고려할 때 매우 제한적일 수밖에 없는 바, 본 발명에 따르면, 소화부재의 적어도 일부가 상단 캡과 가스켓의 계면에 장착되는 구조를 취하고 있다.
하나의 바람직한 예에서, 소화부재의 적어도 일부가 장착되는 계면은 상단 캡의 상면 또는 외주부 측면일 수 있다.
바람직하게는, 상기 소화부재가 상단 캡 또는 가스켓의 계면의 형상에 대응할 수 있도록, 바람직하게는 평면상으로 중공형의 환형 구조로 이루어져 있고, 반경상으로 20 내지 100% 크기의 외측 부위가 상단 캡과 가스켓의 계면에 장착 고정되어 있는 구조일 수 있다.
상기 소화부재는 전지의 성능을 저하시키지 않으면서 우수한 발화 억제 기능을 발휘할 수 있는 구조라면 특별히 제한하는 것은 아니며, 예를 들어, 난연성 성분을 내장하고 있는 금속 링 또는 박막 형상의 중공형 난연 필름일 수 있다.
상기 난연성 성분("난연제: frame retardant")의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 할로겐계 난연제, 인계 난연제, 무기화합물 난연제 등이 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 이들의 하나 또는 둘 이상의 혼합물의 형태로 사용될 수도 있다.
할로겐계 난연제는 일반적으로 기체상에서 발생하는 라디칼을 실질적으로 안정화시킴으로써 난연 효과를 발휘한다. 할로겐계 난연제의 예로는, 트리브로모 페녹시에탄, 테트라 브로모 비스페놀-A (TBBA), 옥타브로모 디페닐에테르 (OBDPE), 브롬화 에폭시, 브롬화 폴리 카보네이트 올리고모, 염소화 파라핀, 염소화 폴리에틸렌, 지환족 염소계 난연제 등을 들 수 있다.
인계 난연제는 일반적으로 열분해에 의해 폴리메타인산을 생성하고 이것이 보호층을 형성하거나 폴리메타인산이 생성될 때의 탈수작용에 의해서 생성되는 탄소 피막이 산소를 차단함으로써 난연 효과를 발휘한다. 인계 난연제의 예로는, 적인, 인산 암모늄 등의 phosphates, phosphine oxide, phosphine oxide diols, phosphites, phosphonates, triaryl phosphate, alkyldiaryl phosphate, trialkyl phosphate, resorcinaol bisdiphenyl phosphate (RDP) 등을 들 수 있다.
무기화합물 난연제는 일반적으로 열에 의해 분해되어, 물, 이산화탄소, 이산화황, 염화수소 등의 불연성 가스를 방출하고 흡열반응을 유발함으로써, 가연성 가스를 희석시켜 산소의 접근을 방지하고, 흡열반응에 의해 냉각 및 열분해 생성물의 생성을 감소시켜 난연 효과를 발휘한다. 그러한 무기 화합물 난연제의 예로는, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화안티몬, 수산화주석, 산화주석, 산화몰리브덴, 지르코늄화합물, 붕산염, 칼슘염 등을 들 수 있다.
구체적으로, 상기 난연성 성분은 하론 성분을 포함하고 있는 것일 수 있다. 하론(Halon)은 할로겐 원소(플루오르(불소), 염소, 브롬증기)의 탄소화합물 기체로서, 연소물의 산화반응을 할로겐 원소의 부촉매 작용으로 차단함으로써, 산소의 접근을 방지하여 연소를 막는다. 그러한 하론의 예로서 바람직하게 하론-1211 (Halon-1211: CF2BrCl)이 사용될 수 있다.
상기 난연 필름의 기재는 그 자체가 전지 내부에서 화학작용을 유발하지 않으면서 난연제를 안정하게 보지할 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 그러한 필름 기재의 예로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 또는 플루오린계 폴리머 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 그 자체로 난연성을 나타내는 폴리우레탄 등이 사용될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 난연성 성분은 난연 필름 전체 중량을 기준으로 20 내지 90 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 난연제는 필름 기재의 내부에 포함된 형태로 존재할 수도 있고, 경우에 따라서는 필름의 외면에 코팅된 형태로 존재할 수도 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 난연성 성분은 금속 링 전체 중량을 기준으로 할 때 20 내지 90 중량%의 함량으로 링 기재의 내부에 포함되어 있을 수도 있다.
한편, 상기 소화부재는 소정 온도 이상에서 액체에서 기체로 변화하여 열을 흡수하는 특성을 가질 수 있다. 즉, 전지셀의 내부 온도가 지속적으로 상승하여 폭발 시점 전에 소정의 온도 도달시, 소화부재에 의해 주위의 열을 흡수하고 주변의 공기를 차단하여 온도가 더 상승하는 것을 억제할 수 있으므로 발화를 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 소정 온도는, 예를 들어 100℃ 이상일 수 있으며, 바람직하게는 100℃ 내지 200℃의 범위에서 결정될 수 있다.
하나의 예에서, 상기 안전벤트는 중앙이 하향 만입된 형상으로 되어있고, 상기 만입부를 형성하는 상절곡 부위 및 하절곡 부위에는 각각 제 1 노치 및 제 2 노치가 형성되어 있으며, 상기 제 1 노치는 폐곡선을 이루고 있고, 하부에 형성되는 제 2 노치는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있으며, 제 2 노치는 제 1 노치 보다 깊게 파여 있는 구조일 수 있다.
따라서, 제 2 노치가 제 1 노치보다 깊게 형성되어 있어서, 임계 압력 이상의 가압 가스가 안전벤트를 압박할 때, 제 2 노치가 절취된다. 반면에, 제 1 노치는 제 2 임계 압력 이하의 가압 가스가 안전벤트에 작용할 때 제 2 노치와 함께 작용하여 만입부가 들려 올려질 수 있게 한다.
또 다른 예에서, 상기 상단 캡과 안전 벤트의 사이에는 PTC 소자가 개재되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 소화부재의 인접한 위치에 PTC 소자가 개재되어 있으므로, 소정 온도 이상에서 PTC 소자가 작동하지 않을 경우, 상기 소화부재가 즉시 열을 흡수함으로써, 전지셀의 안전성을 담보할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 캡 어셈블리를 포함하는 것으로 구성된 원통형 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 원통형 이차전지는, 젤리-롤형 전극조립체를 원통형 금속 캔에 장착한 상태에서 금속 캔의 개방 상단에 상기와 같은 캡 어셈블리를 결합하고, 전극조립체의 음극을 캔의 하단에 용접하며, 전극조립체와 전해질이 내장된 상태에서 전지를 밀폐시키기 위해 그것의 상단에 결합되는 캡 어셈블리에 전극조립체의 양극을 용접하여 제조된다.
본 발명에 따른 상기 전지는 바람직하게는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다. 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 기타 구성 요소들에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전헤질 등이 사용된다.
상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.
양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 탄소 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.
도 1은 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도이다;
도 2는 도 1의 부분 단면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지의 사시도이다;
도 4는 도 3의 분해도이다;
도5는 도 3의 부분 확대도이다;
도 6은 도 3의 부분 단면 사시도이다;
도 7은 도 6의 안전벤트의 사시도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지의 사시도가 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 분해도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 원통형 전지(100a)는 캔(200)의 내부에 젤리-롤(도시하지 않음)을 삽입하고, 여기에 전해액을 주입하며, 캔(200)의 개방 상단에 캡 어셈블리(300)를 장착한다. 또한, 양극과 음극을 절연시키기 위하여 캡 어셈블리(300) 상단에 절연부재(400)을 안착시킨 뒤, 튜브(410)로 압착시킴으로써 절연상태를 유지하게 된다.
도 5에는 도 3의 부분 확대도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 6에는 도 3의 부분 단면 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 3 및 도 4와 함께 참조하면, 캡 어셈블리(300)는 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트(330); 안전벤트(320)의 외주면을 따라 그것에 접속되어 있는 돌출형의 상단 캡(310); 상단 캡(310)의 외주면에 장착되어 있는 가스켓(340); 상단 캡(310)과 안전 벤트(320)의 사이에는 개재되어 있는 PTC 소자(350); 및 상단 캡(310)과 가스켓(340)의 계면에 장착되어 있는 소화부재(360);를 포함한다.
소화부재(350)는 평면상으로 중공형의 환형 구조로 이루어져 있고, 반경상으로 대부분의 외측 부위가 상단 캡(310)과 가스켓(340)의 계면에 장착 고정되어 있다.
또한, 소화부재(350)는 난연성 성분인 하론 성분을 포함하고 있는 금속 링의 형상으로, 난연성 성분은 금속 링 전체 중량을 기준으로 할 때 약 60 중량%의 함량으로 링 기재의 내부에 포함되어 있다.
따라서, 100℃ 이상에서 소화부재(350)는 주위의 열을 흡수하고 주변의 공기를 차단하여 더 이상의 온도 상승을 억제한다. 따라서, 전지의 발화를 근본적으로 방지하고 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 7에는 도 6의 안전벤트의 사시도가 모식적을 도시되어 있다.
안전벤트(320)의 노치들(324, 326) 중 상부에 형성되는 제 1 노치(324)는 폐곡선을 이루고 있고, 하부에 형성되는 제 2 노치(326)는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있다. 또한, 제 2 노치(326)의 결합력은 제 1 노치(324)의 결합력보다 작게 만들어지므로, 제 2 노치(326) 는 제 1 노치(324)보다 깊게 파여 있다.
따라서, 캔(200)의 내부압력이 임계 압력 이상으로 상승하게 되면, 안전벤트(320)의 제 2 노치(326)가 압력을 견디지 못하고 파단되면서 캔(200) 내부의 가압 가스가 외부로 빠져나가게 된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는 상단 캡과 가스켓의 계면에 소화성분을 포함하는 소화부재를 장착함으로써, 전지의 발화를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서,
    전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트;
    상기 안전벤트의 외주면을 따라 그것에 접속되어 있는 돌출형의 상단 캡;
    상기 상단 캡의 외주면에 장착되어 있는 가스켓; 및
    전지의 발화를 방지하기 위한 소화성분을 포함하고 있고, 적어도 일부가 상단 캡과 가스켓의 계면에 장착되어 있는 소화부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 소화부재의 적어도 일부가 장착되는 계면은 상단 캡의 상면 또는 외주부 측면인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 소화부재는 평면상으로 중공형의 환형 구조로 이루어져 있고, 반경상으로 20 내지 100% 크기의 외측 부위가 상단 캡과 가스켓의 계면에 장착 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 소화부재는 난연성 성분을 내장하고 있는 금속 링 또는 박막 형상의 중공형 난연 필름인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 난연성 성분은 할로겐계 난연제, 인계 난연제, 및 무기화합물 난연제로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 난연성 성분은 하론 성분을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 난연 필름의 기재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 또는 플루오린계 폴리머인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 난연성 성분은 난연 필름 전체 중량을 기준으로 할 때 20 내지 90 중량%의 함량으로 필름 기재의 내부에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 난연성 성분은 금속 링 전체 중량을 기준으로 할 때 20 내지 90 중량%의 함량으로 링 기재의 내부에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 소화부재는 소정 온도 이상에서 액체에서 기체로 변화하여 열을 흡수하는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 온도는 100℃ 이상인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트는 중앙이 하향 만입된 형상으로 되어 있고, 상기 만입부를 형성하는 상절곡 부위 및 하절곡 부위에는 각각 제 1 노치 및 제 2 노치가 형성되어 있으며, 상기 제 1 노치는 폐곡선을 이루고 있고, 하부에 형성되는 제 2 노치는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있으며, 제 2 노치는 제 1 노치 보다 깊게 파여 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 상단 캡과 안전 벤트의 사이에는 PTC 소자가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 캡 어셈블리를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
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