WO2013009148A2 - 원통형 이차 전지 - Google Patents

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WO2013009148A2
WO2013009148A2 PCT/KR2012/005630 KR2012005630W WO2013009148A2 WO 2013009148 A2 WO2013009148 A2 WO 2013009148A2 KR 2012005630 W KR2012005630 W KR 2012005630W WO 2013009148 A2 WO2013009148 A2 WO 2013009148A2
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case
cap
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이제준
김성종
구자훈
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a cylindrical secondary battery, and more particularly, to a cylindrical lithium ion / polymer secondary battery having a gasket made of a high heat resistant polymer resin.
  • a secondary battery unlike a primary battery that cannot be charged, means a battery that can be charged and discharged, and is widely used in electronic devices such as mobile phones, notebook computers, camcorders, and power supplies for electric vehicles.
  • the lithium secondary battery has an operating voltage of 3.6 V, and has a capacity of about three times that of a nickel-cadmium battery or a nickel-hydrogen battery, which is widely used as a power source for electronic equipment, and has a high energy density per unit weight. Is rapidly increasing.
  • Such lithium secondary batteries mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • the lithium secondary battery may be classified into a square battery, a cylindrical battery, and a pouch type battery.
  • the lithium ion secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode / separator / negative electrode is sequentially arranged, and a packaging material for sealingly storing the electrode assembly together with the electrolyte solution.
  • the packaging material of the rectangular or cylindrical secondary battery has a case having an open end and a cap assembly sealingly coupled to the open end of the case.
  • the electrode assemblies are classified into a jelly-roll type wound through a separator between a cathode and an anode coated with an active material, and a stack type sequentially stacked through a separator between a plurality of cathodes and anodes of a predetermined size. do.
  • the jelly-roll type electrode assembly has advantages of being easy to manufacture and having a high energy density per weight.
  • the jelly-roll type electrode assembly is widely used because it is easy to store in a cylindrical or rectangular battery case.
  • a stack type electrode assembly is widely used in a pouch type battery.
  • the electrode assembly tends to deform while undergoing repeated expansion and contraction.
  • the stress is concentrated to the center portion so that the electrode is separated from the separator.
  • This internal short circuit is connected to the heat generated by the battery, the organic solvent is decomposed to generate a gas, and the pressure of the inside of the battery may be increased to rupture the exterior material.
  • the gas pressure increase inside the battery may also be caused by an internal short circuit caused by an external impact.
  • a secondary battery basically includes a positive temperature coefficient (PTC) element (safety element).
  • PTC positive temperature coefficient
  • the cylindrical battery forms safety devices such as a safety vent for discharging high pressure gas, a current interrupt device (CID) that blocks current when the internal pressure of the battery rises, and a protruding terminal for protecting these devices.
  • a cap assembly comprising a top cap, the cap assembly being hermetically coupled to the case by a gasket.
  • the gap between the gasket and the cap assembly or between the gasket and the case is high in the process of assembling the cap assembly and the case via the gasket, thereby degrading the airtightness of the battery. . That is, by the clamping process or the like, the gasket is pressed by the case and deformed, thereby closely contacting the case and the cap assembly.
  • the gasket according to the conventional structure is inferior in airtightness since the surface closely contacted between the case and the cap assembly is a simple flat shape.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a gasket made of a high heat-resistant polymer resin to prevent the short circuit caused by heat deformation even when the gasket is exposed to a high temperature environment due to the increase in the temperature of the secondary battery, the sealing force is It is to provide an improved cylindrical secondary battery.
  • the problem to be solved by the present invention is that a structure that can more completely seal the area where the electrolyte and / or gas leakage or leakage first, that is, between the interface of the cap assembly including the gasket and the safety vent is introduced It is to provide a cylindrical secondary battery.
  • An electrode assembly in which a cathode plate and an anode plate are disposed with the separator interposed therebetween;
  • a cap assembly capable of sealing the open end of the case
  • the gasket has a melting point of 200 °C or more, the hardness is 100D or less, formed of a polymer resin containing 10 to 30 mol% of repeating units represented by the following formula (1) and 70 to 90 mol% of repeating units represented by the following formula (2) Cylindrical secondary batteries are provided:
  • n is an integer of 100 to 250.
  • An asphalt coating layer may be further provided on the surface of the gasket.
  • An electrode assembly in which a cathode plate and an anode plate are disposed with the separator interposed therebetween;
  • a cap assembly capable of sealing the open end of the case
  • a gasket bent and interposed to have two transverse surfaces opposing between said case and said cap assembly,
  • An uneven portion is formed in one transverse surface of the gasket, a protrusion is formed in the other transverse surface, and an edge of the cap assembly is inserted and inserted between the uneven portion and the protruding portion,
  • the gasket is formed of a polymer resin having a melting point of 200 ° C. or more and a hardness of 100 D or less.
  • the polymer resin may be at least one selected from the group consisting of thermoplastic polyester elastomer (TPEE), tetrafluoride-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and polybutylene terephthalate (PBT).
  • TPEE thermoplastic polyester elastomer
  • PFA tetrafluoride-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer
  • PBT polybutylene terephthalate
  • the cap assembly includes a top cap disposed to seal an open end of the case and to contact a protrusion of the gasket; A PTC element disposed to contact the top cap; And a safety vent disposed on one surface of the gasket to be in contact with the PTC element, and a part of the other surface of the gasket to contact the uneven portion of the gasket, and electrically connected to the electrode assembly.
  • the cap assembly includes a top cap sealing an open end of the case; One side may be in contact with all of the side surface, the upper surface and the lower surface of the top cap, the other surface is bent and disposed so as to contact the protrusions and protrusions of the inner circumferential surface of the gasket, and may be provided with a safety vent electrically connected to the electrode assembly.
  • the cap assembly may further include a current blocking device having an upper portion welded to a lower end of the safety vent and a lower portion connected to the electrode assembly.
  • the cap assembly may further include an auxiliary gasket surrounding an outer circumferential surface of the current blocking device.
  • a gasket into which an edge of the cap assembly is inserted may surround the auxiliary gasket and the lower surface of the current blocking device.
  • a gasket into which the rim of the cap assembly is inserted may surround the upper surface of the auxiliary gasket and the current blocking device.
  • the gasket may further include an auxiliary gasket interposed between the safety vent and the current blocking device to fix each other in a fitted state.
  • the gasket into which the rim of the cap assembly is inserted has an inclined portion or a step portion, and a distal end of the current blocking element is placed in an inclined portion or step portion of the gasket, thereby adding the current blocking element between the safety vent and the gasket. Can be fixed.
  • the irregularities and the protrusions may each independently have a triangular, rectangular, trapezoidal, or semicircular cross-sectional structure.
  • the uneven portion or the protrusion may further include a barb portion.
  • the safety vent may be a metal material.
  • Cylindrical secondary battery by using a polymer resin of high heat resistance and does not have excessive hardness of the material of the gasket due to heat deformation when the gasket is exposed to a high temperature environment due to the increase in the temperature of the inside of the secondary battery It is possible to prevent the occurrence of a short and the sealing force, and to provide an uneven portion and a protrusion on the lower surface and the upper surface of the inner peripheral surface of the gasket contacting the cap assembly, that is, the electrolyte or gas, such as the cap assembly to increase the bonding force of the contact surface, By increasing the moving distance of the gas or the electrolyte through the portion, it is possible to greatly improve the airtightness of the secondary battery even when the external shock and the internal pressure increase.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cylindrical secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating a gasket used in a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cylindrical secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cylindrical secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cylindrical secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a cylindrical secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • a cylindrical secondary battery including: an electrode assembly in which a cathode plate and an anode plate are disposed with a separator interposed therebetween; A case accommodating the electrode assembly; A cap assembly capable of sealing the open end of the case; And a gasket interposed between the case and the cap assembly, wherein the gasket has a melting point of 200 ° C. or more, a hardness of 100D or less, and includes a repeating unit represented by the following Chemical Formula 1 and a repeating unit represented by the following Chemical Formula 2 It is formed of a polymeric resin:
  • n is an integer of 100 to 250.
  • the gasket is composed of an electrically insulating elastic polymer resin, and the polymer resin needs to have electrical insulating property, impact resistance, elasticity and durability.
  • the gasket should be excellent in chemical resistance to the electrolyte in order to prevent leakage to the electrolyte, and high heat resistance is required to maintain the airtightness of the gasket in the harsh conditions of high temperature and high humidity inside the battery.
  • the polymer resin forming the gasket of the cylindrical secondary battery according to an aspect of the present invention has a melting point of 200 ° C or higher, or 200 to 350 ° C, or 200 to 310 ° C.
  • the melting point of the polymer resin satisfies this range, the fluidity of the polymer resin is not exhibited below the melting point even at the time of abnormally overheating due to an electrical short circuit inside the secondary battery or an external environment, so that the structure of the gasket contacts the cap assembly. Can be suppressed, and the airtightness of the gasket can be improved.
  • the polymer resin has a hardness of 100D or less, or 40 to 100D, or 60 to 90D based on Shore Hardness.
  • Shore hardness was designed by AF Shore of the United States in 1906 and has a constant weight and shape. Indicates.
  • the gap is not opened when the gasket contacts the cap assembly, the adhesion is improved, and the risk of damage may be reduced even when the secondary battery is assembled.
  • the polymer resin is an example of a thermoplastic polyester elastomer, and the hard segment represented by Chemical Formula 1 and the soft segment represented by Chemical Formula 2 may be alternately repeated regularly or irregularly.
  • the hard segment may include crystalline polybutylene terephthalate prepared from 1,4-butylene glycol and terephthalic acid or dimethylphthalate
  • the soft segment may include amorphous polyether, which is polytetra-methylene glycol. have.
  • the polymer resin may be prepared by generally known polymerization and condensation methods.
  • the hardness of the polymer resin may be prevented from being excessively high, thereby exhibiting low hardness characteristics, and the polymerization of the polymer resin.
  • the time can be adjusted appropriately.
  • the weight average molecular weight of the polymer resin is, for example, 10,000 to 500,000, or 20,000 to 300,000, or 50,000 to 250,000.
  • the gasket may be further provided with an asphalt coating layer on the surface in contact with the cap assembly.
  • the asphalt coating layer may be applied without particular limitation as long as it is an asphalt material having a predetermined sealing property to prevent penetration of moisture or leakage of electrolyte solution.
  • the asphalt material since the asphalt material is applied on the gasket, the asphalt material having a very high conductivity, the uneven portion and the protrusion formed on the gasket in the process of applying it may make it difficult to close the gasket and the cap assembly tightly. The airtightness of the battery may be rather harmed. Therefore, the asphalt material also needs to have a malleability that is not too large by having a predetermined viscosity.
  • the asphalt material may be at least one selected from the group consisting of coal tar pitch, straight asphalt pitch, and blond asphalt pitch, but is not particularly limited thereto.
  • a cylindrical secondary battery including: an electrode assembly in which a cathode plate and an anode plate are disposed with a separator interposed therebetween; A case accommodating the electrode assembly; A cap assembly capable of sealing the open end of the case; And a gasket that is bent and interposed to have two transverse surfaces opposing between the case and the cap assembly, wherein an uneven portion is formed on one transverse surface of the gasket, and a protrusion is formed on the other transverse surface. And an edge of the cap assembly is inserted and inserted between the uneven portion and the protruding portion, and the gasket is formed of a polymer resin having a melting point of 200 ° C. or more and a hardness of 100 D or less.
  • polymer resins may be one or more selected from the group consisting of thermoplastic polyester elastomers (TPEE), tetrafluoride-perfluoroalkylvinylether copolymers (PFA), and polybutylene terephthalate (PBT). However, it is not limited to this.
  • TPEE thermoplastic polyester elastomers
  • PFA tetrafluoride-perfluoroalkylvinylether copolymers
  • PBT polybutylene terephthalate
  • Cap assembly seals the open end of the case, the top cap disposed to be in contact with the protrusion of the gasket; A PTC element disposed to contact the top cap; And a safety vent disposed at one surface of the gasket in contact with the PTC element and a part of the other surface of the gasket in contact with the uneven portion of the gasket, and electrically connected to the electrode assembly.
  • the interface portion between the cap assembly and the gasket especially the interface portion between the gasket and the safety vent, has a high possibility of leakage of electrolyte or gas, as described above, the uneven portion is formed, so that their safety vent is shorted. It is possible to greatly prevent the leakage of the electrolyte or gas at the interface, thereby greatly improving the safety of the battery.
  • the uneven portion improves the bonding force between the cap assembly and the gasket when the cap assembly is assembled with the case of the battery via the gasket by a mechanical press process (clamping process).
  • the reason is that the upper and lower surfaces of the gasket are provided with irregularities to increase the contact area between the metallic top cap and the safety vent, thereby increasing the adhesion between the cap assembly and the gasket.
  • the uneven portion formed of the gasket may be further formed on the surface of the cap assembly in contact with the gasket. If concavities and convexities are formed on the surfaces of both the gasket and the cap assembly in such contact, the bond between the two can be further increased.
  • the concave-convex portion may be a structure capable of solidifying the coupling force between the gasket and the cap assembly, and the position, size, shape, and the like of the concave-convex portion should not be particularly limited.
  • the uneven portion may have a triangular, rectangular, trapezoidal or semicircular cross-sectional structure.
  • the protrusion may be triangular, square, trapezoidal or semicircular in cross section, and when assembled with the case of the battery, the protrusion contacts the upper surface of the gasket and the cap assembly, that is, the top cap, which causes the contact area with the gasket due to the protrusion. Since the protrusions are increased and compressed more than other parts, the bonding force, adhesion (fixability), and shape occlusion between the interfaces to be contacted can be improved.
  • the protrusion may be formed with a barbed portion in the form of a conventional fish hook at the end of the projection to further improve the bonding force and / or adhesion between the interface.
  • the secondary battery according to another embodiment of the present invention may further include an uneven portion for preventing can-part leakage formed on any one surface of a case contacting the gasket and a surface of the gasket contacting the gasket.
  • the additional uneven portion is to prevent the electrolyte or gas from leaking through the interface between the case and the gasket separately from the uneven portion described above.
  • the safety vent serves to block a current or exhaust gas when the pressure inside the battery rises, and is preferably made of metal.
  • the thickness of the safety vent may vary depending on the material and the structure, and the like may be, but is not particularly limited, as long as the safety vent may burst while generating a high pressure inside the battery, and may be 0.2 to 0.6 mm, for example.
  • the PTC device serves to block the current by greatly increasing the battery resistance when the temperature inside the battery rises, and the thickness of the PTC device may also vary depending on the material and the structure, for example, 0.2 to 0.4 mm.
  • the thickness of the PTC element is too thick, the internal resistance increases, and the size of the battery may be increased to reduce the capacity of the battery compared to the same standard.
  • the thickness of the PTC element is too thin, it is difficult to exert a desired current interruption effect at high temperature and can be destroyed even by a weak external impact. Therefore, the thickness of the PTC element can be appropriately determined within the above-described thickness range in consideration of these points in combination.
  • the thickness of the top cap portion in contact with the PTC element is not particularly limited as long as it can protect various components of the cap assembly from pressure applied from the outside, and may be, for example, 0.3 to 0.5 mm. If the thickness of the top cap portion is too thin, it is difficult to exert predetermined mechanical rigidity. On the contrary, if the thickness of the top cap portion is too thick, the capacity of the battery compared to the same standard may be reduced by increasing the size and weight.
  • the secondary battery including a cap assembly having a top cap, a PTC element, and a safety vent may be used as a power source for a mobile phone or a notebook, which stably provides a constant output.
  • a lithium secondary battery having a top cap, a PTC element, and a safety vent may not be able to provide a high output at a moment, and may have a uniform output due to a change in resistance of a contact surface during external shock such as vibration.
  • PTC devices typically exhibit an electrical resistance of about 7 to 32 m ⁇ even at room temperature and, furthermore, a steep rise in resistance as the temperature rises, which can be a major deterrent to providing instantaneous high output. Because there is.
  • the contact surface of the top cap, the PTC element, and the safety vent during external impact such as vibration may not provide a uniform output because the change of resistance becomes very large.
  • the cap assembly includes a top cap for sealing the open end of the case; One side is in contact with all of the side, top and bottom of the top cap, the other side is bent and disposed so as to contact the concave and convex portion of the gasket, and a safety vent electrically connected to the electrode assembly.
  • the secondary battery having the cap assembly When used as a power source of a power tool such as a power drill, the secondary battery may provide a high output instantaneously and may be stable against external physical shocks such as vibration and dropping.
  • the uneven portion of the gasket secures the bonding force between the gasket and the cap assembly, and the protrusion is bent and wrapped around the top cap, and the bonding force, adhesion, form between the interface of the safety vent and the gasket contacted with the top surface of the top cap. It plays a role in improving occlusion.
  • the contact surface of the safety van and the top cap may form one or more welds, and may be simultaneously formed in a radially symmetric position, for example, two places. , Symmetrical structure in 4 places, 6 places and 8 places.
  • welding used in the present invention is used as a concept that includes not only welding in a literal sense such as laser welding, ultrasonic welding, resistance welding, but also a fastening method such as soldering. Welding may be performed in the process of assembling the cap assembly itself, or even in a state where the cap assembly is placed in a can.
  • the protrusions provided on the upper and lower longitudinal surfaces of the gasket may be tightly bound to the surface of the irregularity to effectively prevent leakage of the electrolyte or the like. can do.
  • the secondary battery having the cap assembly may further include an uneven portion for preventing can-part leakage formed on any one surface of a case contacting the gasket and a surface of the gasket contacting the gasket.
  • the cathode lead welded to the cathode foil of the jelly-roll type electrode assembly is electrically connected to the cap assembly and connected to the protruding terminal at the top of the top cap, and the anode lead welded to the anode foil
  • the case itself constitutes the anode terminal by welding to the closed end of the case.
  • the material of the case is not particularly limited and may be formed of any one of stainless steel, steel, aluminum, or equivalents thereof.
  • the secondary battery according to an embodiment of the present invention may be a lithium (ion) secondary battery having high energy density, high discharge voltage, and high output stability.
  • a lithium secondary battery is composed of a cathode, an anode, a separator, a nonaqueous electrolyte containing lithium salt, and the like.
  • the cathode is produced by, for example, applying a mixture of a cathode active material, a conductive material, and a binder on a cathode current collector and then drying, and optionally, a filler may be further added.
  • the anode is manufactured by applying and drying the anode active material on the anode current collector, and may further include the above-described components as necessary.
  • the separator is interposed between the anode and the cathode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is composed of a nonaqueous electrolyte and a lithium salt, and the nonaqueous electrolyte is a liquid nonaqueous electrolyte, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like.
  • a current collector, an electrode active material, a conductive material, a binder, a filler, a separator, an electrolyte, a lithium salt, and the like are known in the art, and thus detailed description thereof is omitted.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary battery 100 includes a cylindrical case 20 accommodating the electrode assembly 10 together with an electrolyte, and a cap assembly sealingly coupled to an open end of the case 20. 30, a gasket 40 interposed between the case 20 and the cap assembly 30, an uneven portion 50 formed on a surface of the gasket 40 in contact with the bottom surface of the safety vent 36, and a top cap ( 32 is provided with a projection 60 formed on the surface of the gasket 40 in contact with the upper surface.
  • the electrode assembly 10 is interposed between two electrode plates 11 having different polarities from each other and having a wide plate shape in a roll shape and the electrode plates 11 to insulate the electrode plates 11 from each other. It is preferable to have a separator 12 disposed on the left side or the right side of the electrode plate 11 and wound in a so-called 'Jelly Roll' shape.
  • the cathode plate and the anode plate of a predetermined standard may be stacked in such a manner that the separator is interposed therebetween.
  • the two electrode plates 11 have a structure in which an active material slurry is applied to a current collector in the form of a metal foil or a metal mesh each containing aluminum and copper.
  • the slurry is usually formed by stirring a granular active material, auxiliary conductor, binder, plasticizer and the like in a state where a solvent is added. The solvent is removed in the subsequent process.
  • a pair of leads corresponding to each electrode plate 11 is attached to the uncoated portion.
  • the first lead 13 attached to the top of the electrode assembly 10 is electrically connected to the cap assembly 30, and the second lead (not shown) attached to the bottom of the electrode assembly 10 is the case 20. Is connected to the bottom of the. Of course, both the first lead 13 and the second lead may be drawn out toward the cap assembly 30.
  • the electrode assembly 10 may be disposed on a first insulating plate (not shown) installed at the bottom of the case 20, and a second insulating plate (not shown) may be disposed on the top of the electrode assembly 10.
  • the first insulating plate insulates between the electrode assembly 10 and the bottom of the case 20, and the second insulating plate insulates between the electrode assembly 10 and the cap assembly 30.
  • the case 20 is made of a lightweight conductive metal material such as aluminum or an aluminum alloy, and has a cylindrical structure having an open upper end and a closed bottom opposite thereto.
  • the electrode assembly 10 and the electrolyte (not shown) are accommodated in the inner space of the case 20.
  • the electrolyte is to move lithium ions generated by the electrochemical reaction of the electrode plate 11 during charging and discharging of the secondary battery 100.
  • the electrolyte may be a polymer using a non-aqueous organic electrolyte or a polymer electrolyte which is a mixture of lithium salts and high purity organic solvents, but the type of electrolyte is not a problem.
  • a center pin (not shown) may be inserted into the center of the case 20 to prevent the electrode assembly 10 wound in a jelly roll form from being loosened and to serve as a gas passageway inside the secondary battery 100. It may be.
  • An upper portion of the case 20, that is, an upper portion of the upper end of the electrode assembly 10 is provided with a beading portion 24 formed to be bent from the outside to the inside to prevent the up and down flow of the electrode assembly 10.
  • the cap assembly 30 is assembled to the opening of the case 20 in a sealed state through the gasket 40, and includes a top cap 32, a PTC element 34, a safety vent 36, and a current cutoff. Element 38.
  • the top cap 32 has electrode terminals (not shown) formed to be electrically connected to the outside.
  • the PTC element 34 is for blocking the flow of current inside the battery by overheating the battery 100.
  • the safety vent 36 is convexly protruded at the center to be welded to a current interrupt device (CID) 38, and the current interrupt device 38 is connected to the safety vent 36 by an internal pressure of the secondary battery 100.
  • CID current interrupt device
  • it may be divided into a CID gasket and a CID filter.
  • the gasket 40 has a cylindrical shape with both ends open as a whole, and one side end facing the inner surface of the case 20 has a structure that is bent at a right angle toward the center so as to be placed at the opening of the case 20, that is, the clamping portion. desirable.
  • the other end of the gasket 40 is first extended in a straight line to face the axial direction of the cylindrical gasket 40, and is bent at a right angle toward the center during the pressing process with the case 20 so that the inner and outer circumferential surfaces of the gasket 40 are cap assemblies 30, respectively.
  • the top cap is folded in close contact with the inner surface of the case 20.
  • the gasket 40 is a material having electrical insulation, impact resistance, elasticity and durability, and is made of a polymer resin having a melting point of 200 ° C. or more and a hardness of 100 D or less.
  • the uneven portion 50 is formed on the surface of the gasket 40 in contact with the safety vent 36 and has a triangular cross-sectional shape, wherein the uneven portion may be further provided on the bottom surface of the safety vent 36.
  • the protruding portion 60 is formed on the surface of the gasket 40 in contact with the upper surface of the top cap 32, and has a protruding structure having a triangular cross section. Such irregularities and protrusions may have a rectangular, trapezoidal or semicircular cross-sectional structure in addition to the triangles.
  • the concave-convex portion 50 and the protrusion 60 provided in the gasket 40 are closely coupled while being engaged with each other during the clamping operation of the open end of the case 20 to further improve the sealing coupling force between the cap assembly 30 and the gasket 40. You can strengthen it. Therefore, the uneven parts 50 and the protrusions 60 prevent the electrolyte or gas from leaking to the upper portion of the cap assembly 30 until the safety vent 36 ruptures when internal pressure occurs in the secondary battery 100. do.
  • an auxiliary gasket 42 may be further included.
  • the auxiliary gasket 42 is configured to surround the outer circumferential surface of the current blocking device 38 as a gasket for the current blocking device 38.
  • the auxiliary gasket 42 contacts the upper and side portions at the outer circumferential surface of the current blocking element 38 to support the upper and side portions of the current blocking element 38.
  • the auxiliary gasket 42 may allow the current blocking device 38 and the safety vent 36 to be electrically insulated from each other except for a portion where the protruding portion of the safety vent 36 and the current blocking element 38 contact each other. Play a role.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • the same components as those described in FIG. 1 are the same members with the same functions.
  • the PTC device is not disposed between the top cap and the safety vent, and the safety vent 36 is bent to form the top cap 32. It consists of a form that wraps around.
  • the uneven portion 50 is formed on one surface of the gasket 40 in contact with the bottom surface of the safety vent 36
  • the protrusion 60 is formed on one surface of the gasket 40 in contact with the top surface of the top cap 32.
  • These include triangular cross sectional structures. As described above, these uneven portions and protrusions may have a rectangular, trapezoidal or semicircular cross-sectional structure in addition to the triangle.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view before and after the pressing process of the gasket of the secondary battery according to an embodiment of the present invention. That is, the other end of the gasket 40 is first extended in a straight line to face the axial direction of the cylindrical gasket 40 (refer to the left figure in FIG. 3), and bent at a right angle toward the center during the pressing process with the case 20. And a concave-convex portion 50 having two or more concave-convex structures on the lower surface facing each other and a projection 60 on the upper surface (see the right figure in FIG. 3).
  • the uneven part 50 and the protruding part 60 may not be actually observed in the battery assembly process because the concave-convex part 50 and the protruding part 60 are closely bonded with the top cap or the safety vent.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • the same components as those described in FIG. 1 are the same members with the same functions.
  • an asphalt coating layer 70 is provided on a part of the inner circumferential surface of the gasket 40 and the case surrounding the edge of the cap assembly 30.
  • the gasket 40 of the cap assembly 30 has a structure in which a lower end thereof extends to a lower portion of the current blocking element 38, and a lower end portion of the gasket 40 surrounds a lower portion of the current blocking element 38.
  • the gasket 40 supports the current blocking device 38 together with the auxiliary gasket 42 and simultaneously protects it.
  • the lower end of the gasket 40 when an impact is applied to the side surface of the case 20 so that the case 20 is deformed inward, the lower end of the gasket 40 is disposed under the current interruption element 38. Since it moves further inward, the gasket 40 is wrapped to support the lower portion of the current blocking device 38 more securely.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a secondary battery according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the gasket 40 of the cap assembly 30 has a structure in which a lower end extends to an upper portion of the current blocking element 38, and a lower end portion of the gasket 40 surrounds the upper portion of the current blocking element 38.
  • the auxiliary gasket 42 has a structure surrounding the lower portion of the current interrupting element 38. Therefore, the gasket 40 supports the current blocking device 38 together with the auxiliary gasket 42 and simultaneously protects it.
  • the cap assembly 30 includes a top cap 32, a PTC element 34 and a safety vent 36 inside a gasket 40 mounted to the bead 24 of the case 20. It consists of a structure in which the current interruption element 38 is in close contact.
  • the auxiliary gasket 42 may be further added to serve to secure the fitting between the safety vent 36 and the current interrupt device 38. That is, the auxiliary gasket 42 is positioned between the upper surface of the current blocking element 38 and the protruding fitting of the “Z” type of the safety vent 36 to support and protect the current blocking element 38. do.
  • the gasket 40 may have an inclined portion or a step portion toward the lower end, and the current blocking element 38 is disposed by the distal end portion 38a of the current blocking element 38 being placed on the inclined portion or the step portion of the gasket 40. May be further secured between the safety vent 36 and the gasket 40.
  • a top cap and a cylindrical case were fabricated, a cylindrical case electrode assembly was mounted, and a beading process was performed on the cylindrical case corresponding to the upper end of the electrode assembly to form a crimping portion.
  • a thermoplastic polyester elastomer (TPEE) resin having a melting point of 208 ° C. and a shore hardness of 65D on the inner surface of the crimping portion, and having three uneven portions of triangular cross section on the lower surface of the bent inner peripheral surface.
  • TPEE thermoplastic polyester elastomer
  • the TPEE resin comprises 20 mol% of repeating units of Formula 1 and 80 mol% of repeating units of Formula 2, and had a weight average molecular weight of 100,000:
  • the current interrupting device was mounted and coupled to the safety vent through laser welding. At this time, welding was performed at a power about 5% higher than the general rated welding power. Then, the PTC element and the top cap were mounted, and the top of the can was bent inward, and then, a crimping and pressing process was performed to prepare ten cylindrical transfer batteries of 18650 (diameter 18 mm, length 65 mm).
  • Ten cylindrical secondary batteries were prepared in the same manner as in Example 1, except that the gasket was composed of tetrafluoride-perfluoroalkylvinyl ether copolymer (PFA) having a melting point of 306 ° C and a shore hardness of 60D. .
  • PFA tetrafluoride-perfluoroalkylvinyl ether copolymer
  • Example 2 Ten cylindrical secondary batteries were produced in the same manner as in Example 1 except that the gasket was made of polybutylene terephthalate (PBT) having a melting point of 224 ° C. and a Shore hardness of 90D.
  • PBT polybutylene terephthalate
  • Ten cylindrical secondary batteries were produced in the same manner as in Example 1, except that the gasket was made of polypropylene having a melting point of 165 ° C. and a Shore hardness of 85D.
  • Cylindrical secondary batteries prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were stored in a high temperature storage chamber at 200 ° C. for 1 hour to evaluate heat resistance.
  • Second insulating plate 20 ... case

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Abstract

캐소드판 및 애노드판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되는 케이스; 상기 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체; 및 상기 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓을 포함하고, 상기 가스켓이 융점 200℃ 이상이고, 경도가 100D 이하인 고분자 수지로 형성되는 원통형 이차 전지가 제시된다.

Description

원통형 이차 전지
본 발명은 원통형 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고내열성 고분자 수지로 이루어진 가스켓을 구비한 원통형 리튬 이온/폴리머 이차 전지에 관한 것이다.
본 출원은 2011년 7월 13일에 출원된 한국특허출원 제10-2011-0069510호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
또한, 본 출원은 2012년 7월 13일에 출원된 한국특허출원 제10-2012-0076626호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충, 방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등의 전원에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 약 3배의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 또한, 리튬 이차 전지는 각형 전지, 원통형 전지, 파우치형 전지로 구분될 수 있다.
리튬 이온 이차 전지는 양극/세퍼레이터/음극이 순차적으로 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다. 특히, 각형 또는 원통형 이차 전지의 외장재는 개방단이 형성된 케이스 및 케이스의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체를 구비한다.
전극 조립체는 각각 활물질이 도포된 시트 형태의 캐소드와 애노드 사이에 세퍼레이터를 개재시켜 권취한 젤리-롤 타입과, 소정 크기의 다수의 캐소드와 애노드 사이에 세퍼레이터를 개재시켜 순차적으로 적층시킨 스택 타입으로 분류된다. 여기서, 젤리-롤 타입의 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점이 있고, 특히 원통형 또는 각형 전지의 케이스에 수납이 용이하므로 젤리-롤 타입의 전극 조립체가 널리 이용되고 있다. 한편, 스택 타입 전극 조립체는 파우치형 전지에 널리 이용되고 있다.
그런데, 이차 전지의 충, 방전 시, 전극 조립체는 반복적인 팽창과 수축을 겪으면서 변형되는 경향이 있고, 이러한 과정에서, 젤리-롤 타입 전극 조립체의 경우, 응력이 중심부로 집중되어 전극이 세퍼레이터를 뚫고 금속 센터 핀에 접촉됨으로써 내부 단락이 발생되는 경향이 있다. 이러한 내부 단락은 전지의 발열로 연결되어 유기 용매가 분해되어 가스를 발생시키게 되고, 전지 내부의 압력을 상승시켜 외장재가 파열될 수도 있다. 물론, 전지 내부의 가스 압력 상승은 외부 충격에 의한 내부 단락에 의해서도 발생될 수도 있다.
이와 같은 전지의 안전성 문제를 해결하기 위해, 이차 전지는 기본적으로 PTC(positive temperature coefficient) 소자(안전 소자)를 구비한다. 특히, 원통형 전지는, 고압 가스를 배출하는 안전 벤트, 전지의 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단소자(Current Interrupt Device:CID) 등의 안전 장치들과 이들 장치들을 보호하는 돌출형 단자를 형성하는 탑 캡(top-cap)을 포함하는 캡 조립체를 구비하고, 캡 조립체는 가스켓에 의해 케이스와 밀봉 결합된다.
그런데, 종래의 이차 전지에 있어서, 가스켓을 매개로 캡 조립체와 케이스를 조립하는 과정에서, 가스켓과 캡 조립체 사이 또는 가스켓과 케이스 사이에 각각 틈이 발생할 우려가 높아 전지의 기밀성이 저하되는 문제점이 있었다. 즉, 클램핑 공정 등에 의해, 가스켓이 케이스에 의해 눌려져 변형되면서 케이스와 캡 조립체 사이가 밀착된다. 그러나, 종래 구조에 따른 가스켓은 케이스와 캡 조립체 사이에 밀착되는 면이 단순한 평면 형태이므로 그 기밀성이 떨어지게 된다. 특히, 케이스의 클램핑 과정에서 가스켓이 고르게 가압되지 않는 경우에는 가스켓의 편평한 면이 불균일하게 변형되면서 가스켓의 일부가 케이스 또는 캡 조립체와 밀착되지 못하고 그 사이가 벌어지는 현상이 발생되어 케이스와의 기밀 특성을 저하시키게 된다. 따라서, 캡 조립체와 가스켓 사이의 밀봉 구조에 대한 개발의 요구가 있었다.
또한, 전지 케이스의 두께에 비해서 전지 단면이 큰 원통형 전지를 고온 환경에 두는 경우 전해액 중에 저비점 용매가 기화하여 전지의 내부 압력을 증가시켜 전지 케이스를 팽창시키고, 더불어 전해액 자체의 누출 및 외부로부터의 공기 및 습기의 유입에 의해 내부 저항의 증가를 포함한 전지 특성의 열화 등의 문제점이 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 내열성이 높은 가스켓, 밀봉제 등의 유기 전기 재료의 내열성을 향상시키는 노력이 또한 요구되고 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고내열성 고분자 수지로 이루어진 가스켓을 구비하여 이차 전지의 내부의 온도의 상승으로 가스켓이 고온 환경에 노출시에도 열변형에 의한 쇼트 발생이 방지되고, 실링력이 개선된 원통형 이차 전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전해액 및/또는 가스가 최초로 누액 또는 누설되는 부위 즉, 가스켓과 안전 벤트를 포함하는 캡 조립체의 계면 사이를 보다 완벽하게 밀봉할 수 있는 구조가 추가적으로 도입된 원통형 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,
캐소드판 및 애노드판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체;
상기 전극 조립체가 수납되는 케이스;
상기 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체; 및
상기 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓을 포함하고,
상기 가스켓이 융점 200℃ 이상이고, 경도가 100D 이하이고, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 10 내지 30몰% 및 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위 70 내지 90몰%를 포함하는 고분자 수지로 형성되는 원통형 이차 전지가 제공된다:
[화학식 1]
Figure PCTKR2012005630-appb-I000001
,
[화학식 2]
Figure PCTKR2012005630-appb-I000002
(상기 식에서 n은 100 내지 250의 정수이다).
상기 가스켓의 표면 상에 아스팔트 도포층이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
캐소드판 및 애노드판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체;
상기 전극 조립체가 수납되는 케이스;
상기 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체; 및
상기 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 대향하는 2개의 횡방향면을 갖도록 절곡되어 개재되는 가스켓을 포함하고,
상기 가스켓의 일 횡방향면에 요철부가 형성되어 있고, 타 횡방향 면에 돌출부가 형성되어 있고, 상기 요철부 및 상기 돌출부 사이에 상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 끼워져 있고,
상기 가스켓이 융점 200℃ 이상이고, 경도가 100D 이하인 고분자 수지로 형성되는 원통형 이차 전지가 제공된다.
상기 고분자 수지는 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 테트라플루오라이드-퍼플루오로알킬비닐에테르공중합체(PFA), 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 캡 조립체는 상기 케이스의 개방단을 밀봉하고 상기 가스켓의 돌출부에 접촉되도록 배치된 탑 캡(top cap); 상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC 소자; 및 일면은 상기 PTC 소자에 접촉되고 타면의 일부가 상기 가스켓의 요철부에 접촉되도록 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트;를 구비할 수 있다.
상기 캡 조립체는 상기 케이스의 개방단을 밀봉하는 탑 캡(top cap); 일면은 상기 탑 캡의 측면, 상면 및 하면 모두에 접촉되고, 타면은 가스켓의 내주면의 요철부 및 돌출부에 접촉되도록 절곡되어 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트;를 구비할 수 있다.
상기 캡 조립체는 상부가 상기 안전 벤트의 하단에 용접되고, 하부가 전극 조립체와 연결될 수 있는 전류차단소자를 더 포함할 수 있다.
상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓 이외에, 상기 전류차단소자의 외주면을 감싸는 보조 가스켓을 더 포함할 수 있다.
상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓이 상기 보조 가스켓 및 상기 전류차단소자의 하부면을 감쌀 수 있다.
상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓이 상기 보조 가스켓 및 상기 전류차단소자의 상부면을 감쌀 수 있다.
상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓 이외에, 상기 안전 벤트와 상기 전류차단소자의 사이에 개재되어 상호 끼워맞춤 상태로 고정시키는 보조 가스켓을 더 포함할 수 있다.
상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓이 경사부 또는 계단부를 가지고, 상기 전류차단소자의 말단부가 상기 가스켓의 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 상기 전류차단소자가 상기 안전벤트 및 상기 가스켓 사이에 추가 고정될 수 있다.
상기 요철부 및 상기 돌출부가 각각 독립적으로 삼각형, 사각형, 사다리꼴형또는 반원형의 단면 구조를 가질 수 있다.
상기 요철부 또는 상기 돌출부가 미늘부를 더 포함할 수 있다.
상기 안전 벤트는 금속 재질일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 원통형 이차 전지는, 가스켓의 재료를 고내열성이면서 과도한 경도를 가지지 않는 고분자 수지를 사용하여 이차 전지의 내부의 온도의 상승으로 가스켓이 고온 환경에 노출시에도 열변형에 의한 쇼트 발생 및 실링력 저하를 방지할 수 있고, 전해액 또는 가스 등이 누액되는 부위 즉, 캡 조립체와 접촉되는 가스켓의 대향하는 내주면의 하면 및 상면에 요철부 및 돌출부를 마련하여 접촉면의 결합력을 높이고, 그 부분을 통한 가스 또는 전해액의 이동 거리를 증가시킴으로써 외부 충격 및 내압 증가 시에도 이차 전지의 기밀성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 일 실시예들을 예시하는 것에 불과하며, 본 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면들에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지에 사용되는 가스켓을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 원통형 이차 전지는, 캐소드판 및 애노드판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되는 케이스; 상기 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체; 및 상기 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓을 포함하고, 상기 가스켓이 융점 200℃ 이상이고, 경도가 100D 이하이고, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자 수지로 형성된다:
[화학식 1]
Figure PCTKR2012005630-appb-I000003
,
[화학식 2]
Figure PCTKR2012005630-appb-I000004
(상기 식에서 n은 100 내지 250의 정수이다).
상기 가스켓은 전기 절연성의 탄력적인 고분자 수지로 구성되며, 이러한 고분자 수지는 전기 절연성과, 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가진 것이 필요하다. 특히, 가스켓은 전해액에 대한 누출 방지를 위해 전해액에 대한 내화학성이 우수하여야 하고, 전지 내부의 고온 고습의 가혹한 조건에서 가스켓의 기밀성을 유지하기 위해서는 고내열성을 구비할 것이 요구된다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 원통형 이차 전지의 가스켓을 형성하는 고분자 수지는 200℃ 이상, 또는 200 내지 350℃, 또는 200 내지 310℃의 융점을 가진다.
상기 고분자 수지의 융점이 이러한 범위를 만족하는 경우, 이차 전지 내부의 전기적 단락이나 외부 환경에 의한 이상 과열시에도 융점 이하에서는 고분자 수지의 유동성이 발현되지 않아, 가스켓이 캡 조립체와 접촉하는 부위에서 구조의 변형 등이 억제되어, 가스켓의 기밀성이 개선될 수 있다.
또한, 상기 고분자 수지는 쇼어 경도(Shore Hardness) 기준으로 100D 이하, 또는 40 내지 100D, 또는 60 내지 90D의 경도를 가진다.
쇼어 경도는 1906년 미국의 A. F. 쇼어에 의해 고안된 것으로 일정한 무게와 형상을 가지며 끝에 구 모양의 다이아몬드를 박은 강제(鋼製) 해머를 일정한 높이에서 시료 면에 수직으로 자유 낙하시켜 튀어 오르는 높이로 경도를 나타낸다.
상기 고분자 수지의 경도가 이러한 범위를 만족하는 경우, 가스켓이 캡 조립체와의 접촉시 틈새가 벌어지지 않고, 밀착성이 개선되며, 이차 전지의 조립시에도 파손의 위험성이 적어질 수 있다.
상기 고분자 수지는 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머의 일례로서, 상기 화학식 1로 표시되는 하드 세그멘트와 상기 화학식 2로 표시되는 소프트 세그멘트가 규칙적으로 또는 불규칙하게 교대로 반복될 수 있다.
즉, 상기 하드 세그먼트는 1,4-부틸렌 글리콜 및 테레프탈산 또는 디메틸프탈레이트로부터 제조되는 결정성 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하고, 상기 소프트 세그멘트는 폴리테트라-메틸렌 글리콜인 비정질의 폴리에테르를 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 일반적으로 알려진 중합 및 축합법으로 제조될 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 10 내지 30몰% 및 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위 70 내지 90몰%, 또는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 12.5 내지 27.5몰% 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위 72.5 내지 87.5몰%, 또는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 15 내지 25몰% 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위 75 내지 85몰%이다.
상기 화학식 1로 표시되는 반복단위 및 상기 화학식 2로 표시되는 반복단위의 몰%가 이러한 범위를 만족하는 경우, 고분자 수지의 경도가 지나치게 높아지는 것을 방지하여 저경도 특성을 발휘할 수 있고, 고분자 수지의 중합 시간이 적절히 조절될 수 있다.
상기 고분자 수지의 중량평균분자량은, 예를 들면 10,000 내지 500,000, 또는 20,000 내지 300,000, 또는 50,000 내지 250,000이다.
상기 고분자 수지의 중량평균분자량이 이러한 범위를 만족하는 경우, 이러한고분자 수지로 이루어진 가스켓이 캡 조립체와 접촉하는 부위에서 구조의 변형 등이 억제되어, 가스켓의 기밀성이 개선될 수 있다.
상기 가스켓은 캡 조립체와 접촉하는 표면 상에 아스팔트 도포층이 더 구비될 수 있다.
상기 아스팔트 도포층에는 수분의 침투 또는 전해액의 누액을 방지할 수 있도록 소정의 밀봉성을 가진 아스팔트 재료라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다.
다만, 상기 아스팔트 재료는 가스켓 상에 도포되는 바, 전성이 매우 큰 아스팔트 소재인 경우, 이를 도포하는 과정에서 가스켓 상에 형성된 요철부 및 돌출부를 덮게 되어 가스켓과 캡 조립체간의 긴밀한 체결을 어렵게 만들 수 있으므로 전지의 기밀성을 오히려 해할 염려가 있다. 따라서, 상기 아스팔트 재료는 소정의 점성을 가짐으로써 너무 크지 않은 전성을 가질 필요도 있다.
이러한 아스팔트 재료로는 콜 타르 피치，스트레이트 아스팔트 피치，및 블론 아스팔트 피치로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 사용할 수 있으나, 여기에 특별히 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 원통형 이차 전지는, 캐소드판 및 애노드판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되는 케이스; 상기 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체; 및 상기 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 대향하는 2개의 횡방향면을 갖도록 절곡되어 개재되는 가스켓을 포함하고, 상기 가스켓의 일 횡방향면에 요철부가 형성되어 있고, 타 횡방향 면에 돌출부가 형성되어 있고, 상기 요철부 및 상기 돌출부 사이에 상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 끼워져 있고, 상기 가스켓이 융점 200℃ 이상이고, 경도가 100D 이하인 고분자 수지로 형성된다.
이러한 고분자 수지의 예로는 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 테트라플루오라이드-퍼플루오로알킬비닐에테르공중합체(PFA), 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 있을 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체는 케이스의 개방단을 밀봉하고, 상기 가스켓의 돌출부에 접촉되도록 배치된 탑 캡; 상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC 소자; 및 일면은 상기 PTC 소자에 접촉되고 타면의 일부가 상기 가스켓의 요철부에 접촉되도록 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트;를 구비한다.
상기 캡 조립체와 가스켓 사이의 계면 부위, 특히 가스켓과 안전 벤트 사이의 계면 부위는, 전술한 바와 같이, 전해액 또는 가스 등의 누출 가능성이 높기 때문에, 요철부가 형성됨으로써, 안전 벤트가 단락될 때까지 그들의 계면에서 전해액 또는 가스 등이 누출되는 것을 방지하여 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 요철부는, 기계적 프레스 공정(크램핑 공정)에 의해 캡 조립체가 가스켓을 개재시켜 전지의 케이스와 조립될 때, 캡 조립체와 가스켓 사이의 결합력을 향상시킨다. 그 이유는, 가스켓의 상면과 하면에 요철을 주어 금속성의 탑 캡과 안전 벤트와의 접촉 면적을 증가시켜 캡 조립체와 가스켓 사이의 밀착성이 더 높아지기 때문이다.
상기 가스켓의 형성되어 있는 요철부는 가스켓에 접촉되는 캡 조립체의 면에도 더 형성될 수 있다. 이렇게 접촉하는 가스켓과 캡 조립체 모두의 면에 요철부가 형성되면 양 자간의 결합성은 더 증가될 수 있다.
상기 요철부는 가스켓과 캡 조립체 사이의 결합력을 공고히 할 수 있는 구조이면 되고, 그 위치, 크기, 형상 등에 특별한 제한을 두어서는 아니 된다. 다만, 요철부는 삼각형, 사각형, 사다리꼴형 또는 반원형의 단면 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 돌출부는 단면이 삼각형, 사각형, 사다리꼴형 또는 반원형일 수 있고, 전지의 케이스와 조립될 때, 가스켓과 캡 조립체의 상면, 즉 탑 캡과 접촉하여, 돌출부로 인해 가스켓과의 접촉 면적이 증가하고 돌출부가 다른 부분에 비해 많이 압축되기 때문에, 접촉되는 계면 사이의 결합력, 밀착성(고정성), 형태 교합성을 향상시킬 수 있다. 또한, 돌출부는 계면 사이의 결합력 및/또는 밀착성을 더욱 향상시키기 위해 돌기의 끝 부분에 통상의 낚시 바늘 형태의 미늘부가 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 가스켓과 접촉되는 케이스의 면과 이에 접촉되는 가스켓의 면 중 어느 하나의 면에 형성된 캔-부분 누액 방지를 위한 요철부를 더 구비할 수 있다. 이러한 추가적인 요철부는 전술한 요철부와 별도로 케이스와 가스켓 사이의 계면을 통해 전해액 또는 가스가 누출되는 것을 방지하기 위한 것이다.
상기 안전 벤트는 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 역할을 하며, 금속 재질인 것이 바람직하다. 안전 벤트의 두께는 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 전지 내부의 소정의 고압 발생시 파열되면서 가스 등을 배출할 수 있다면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 0.2 내지 0.6 mm일 수 있다.
상기 PTC 소자는 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 역할을 하고, 이러한 PTC 소자의 두께 역시 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면 0.2 내지 0.4mm일 수 있다. 다만, PTC 소자의 두께가 너무 두꺼우면 내부 저항이 상승하고, 전지의 크기를 증가시켜 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있다. 반대로, PTC 소자의 두께가 너무 얇으면, 고온에서 소망하는 전류 차단 효과를 발휘하기 어렵고 약한 외부 충격에 의해서도 파괴될 수 있다. 따라서, PTC 소자의 두께는 이러한 점들을 복합적으로 고려하여 전술한 두께 범위 내에서 적절히 결정될 수 있다.
PTC 소자와 접촉되는 탑 캡 부위의 두께는, 외부로부터 인가되는 압력으로부터 캡 조립체의 여러 구성 요소들을 보호할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 0.3 내지 0.5mm일 수 있다. 탑 캡 부위의 두께가 너무 얇으면 소정의 기계적 강성을 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 크기 및 중량 증가에 의해 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.
이렇게 탑 캡, PTC 소자, 및 안전 벤트를 구비한 캡 조립체를 포함하는 이차전지는 일정한 출력을 안정적으로 제공하는 휴대폰, 노트북 등의 전원으로 사용될 수 있다.
다만, 탑 캡, PTC 소자, 및 안전 벤트를 구비한 구조의 리튬 이차전지는 순간적으로 높은 출력을 제공하기 어려울 수 있고, 진동 등과 같은 외부 충격시 접촉면의 저항이 변화되어 균일한 출력을 제공하는데 다소 어려움이 있을 수 있다. 구체적으로 살펴보면, PTC 소자는 일반적으로 상온에서도 대략 7 ~ 32 mΩ 정도의 전기 저항을 나타내며 더욱이 온도의 상승으로 가파른 저항 상승을 유발하고, 그 결과, 순간적으로 높은 출력을 제공하는데 큰 저해요인으로 작용할 수 있기 때문이다. 또한, 진동 등의 외부 충격시 탑 캡, PTC 소자, 안전 벤트의 접촉면은 저항의 변화가 매우 커지므로 균일한 출력을 제공하지 못할 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡 조립체는 상기 케이스의 개방단을 밀봉하는 탑 캡; 일면은 상기 탑 캡의 측면, 상면 및 하면 모두에 접촉되고, 타면은 가스켓의 요철부 및 돌출부에 접촉되도록 절곡되어 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트;를 구비한다.
이러한 캡 조립체를 구비한 이차 전지는, 전동드릴 등과 같은 파워툴의 동력원으로 사용되는 경우에는 순간적으로 높은 출력을 제공할 수 있고 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격에 대해서도 안정적일 수 있다.
이 경우에도, 상기 가스켓의 요철부는 가스켓과 캡 조립체 사이의 결합력을 공고히 하고, 돌출부는 탑 캡을 감싸면서 절곡되어 탑 캡의 상면과 접촉되어 있는 안전 벤트와 가스켓의 계면 사이의 결합력, 밀착성, 형태 교합성을 향상시키는 역할을 한다. 특히, 안전 벤트가 절곡되어 탑 캡을 감싸는 형태의 캡 조립체에서는 안전 밴트와 탑 캡의 접촉면은 한 곳 이상의 용접부를 형성할 수 있으며, 방사상 대칭 위치에 동시에 형성될 수 있게, 예를 들어, 2 곳, 4 곳, 6 곳, 8 곳에 대칭 구조로 형성된다. 본 발명에 사용된 용어 "용접"은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 등의 문언적 의미에서의 용접뿐만 아니라, 납땜 등의 체결방법 등을 또한 포함하는 개념으로 사용되고 있다. 용접은 캡 조립체 자체의 조립과정에서 행해질 수도 있고, 캡 조립체를 캔에 설장한 상태에서도 행해질 수 있다.
이러한 용접부를 갖는 안전 벤트의 상면은 평활한 표면을 갖지 못하고, 다소불규칙한 요철 표면을 띌 수 있으므로, 상기 가스켓의 상단 종횡면에 구비된 돌출부는 이러한 요철 표면과 단단히 결속하여 전해액 등의 누설을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기한 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 경우에도 가스켓과 접촉되는 케이스의 면과 이에 접촉되는 가스켓의 면 중 어느 하나의 면에 형성된 캔-부분 누액 방지를 위한 요철부를 더 구비할 수 있다.
일반적으로, 원통형 이차 전지에 있어서, 젤리-롤 타입의 전극 조립체의 캐소드 호일에 용접된 캐소드 리드는 캡 조립체와 전기적으로 연결되어 탑 캡 상단의 돌출 단자에 연결되며, 애노드 호일에 용접된 애노드 리드는 케이스의 밀폐단에 용접되어 케이스 자체가 애노드 단자를 구성한다. 케이스의 소재는 특별히 제한되지 않으며 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 전극 조립체가 케이스에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 케이스의 개방단에 캡 조립체를 장착하여 밀봉시키면 이차 전지의 조립이 완성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성이 높은 리튬(이온) 이차전지일 수 있다. 이러한 리튬 이차 전지는 캐소드, 애노드, 세퍼레이터, 리튬염을 함유한 비수 전해액 등으로 구성된다. 캐소드는 예를 들어, 캐소드 집전체 상에 캐소드 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 참가하기도 한다. 애노드는 애노드 집전체 상에 애노드 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라 전술한 성분들이 더 포함될 수도 있다. 세퍼레이터는 애노드와 캐소드 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가진 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 구성되며, 비수 전해액은 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. 여기서, 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 세퍼레이터, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 널이 알려져 있으므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 전극 조립체(10)를 전해액과 함께 수납하는 원통형 케이스(20)와, 케이스(20)의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체(30), 케이스(20)와 캡 조립체(30) 사이에 개재되는 가스켓(40), 안전 벤트(36)의 하면에 접촉되는 가스켓(40)의 면에 형성된 요철부(50), 및 탑 캡(32)의 상면에 접촉되는 가스켓(40)의 면에 형성된 돌출부(60)를 구비한다.
전극 조립체(10)는 서로 극성이 다르고 롤 형태의 넓은 판형을 가진 두 개의 전극판들(11)과 이러한 전극판들(11)을 상호 절연시키기 위해 전극판들(11) 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극판(11)의 좌측 또는 우측에 배치되는 세퍼레이터(12)를 구비하고, 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 권취된 구조가 바람직하다. 물론, 소정 규격의 캐소드판과 애노드판이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 형태일 수도 있다.
두 개의 전극판들(11)은 각각 알루미늄과 구리를 포함하는 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조이다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조 도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성된다. 용매는 후속 공정에서 제거된다. 전극판(11)이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있다. 무지부에는 각각의 전극판(11)에 대응되는 한 쌍의 리드가 부착된다. 전극 조립체(10)의 상단에 부착되는 제1 리드(13)는 캡 조립체(30)에 전기적으로 연결되고, 전극 조립체(10)의 하단에 부착되는 제2 리드(미도시)는 케이스(20)의 바닥에 연결된다. 물론, 제1 리드(13)와 제2 리드는 모두 캡 조립체(30) 방향으로 인출될 수도 있다.
전극 조립체(10)는 케이스(20)의 바닥부에 설치된 제1 절연판(미도시) 위에 배치되고, 전극 조립체(10)의 상단에는 제2 절연판(미도시)이 배치되는 것이 바람직하다. 제1 절연판은 전극 조립체(10)와 케이스(20)의 바닥부 사이를 절연시키고, 제2 절연판은 전극 조립체(10)와 캡 조립체(30) 사이를 절연시킨다.
상기 케이스(20)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가진 원통 구조를 가진다. 케이스(20)의 내부 공간에는 전극 조립체(10)와 전해액(미도시)이 수용된다. 상기 전해액은 이차 전지(100)의 충, 방전 시 전극판(11)의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것이다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으나, 전해액의 종류는 문제되지 않는다.
한편, 케이스(20)의 중앙에는 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체(10)가 풀리는 것을 방지하고 이차 전지(100) 내부의 가스의 이동 통로의 역할을 수행하는 센터핀(미도시)이 삽입될 수도 있다. 케이스(20)의 상부 즉, 전극 조립체(10)의 상단 윗 부분에는 외부에서 내측으로 가압 절곡 형성된 비딩부(24)가 마련되어 전극 조립체(10)의 상, 하 방향의 유동을 방지한다.
캡 조립체(30)는 가스켓(40)을 개재시켜 밀폐된 상태에서 케이스(20)의 개방부에 조립되는 것으로서, 탑 캡(32), PTC 소자(34), 안전 벤트(36), 및 전류차단소자(38)를 포함한다. 탑 캡(32)은 외부와 전기적으로 접속되도록 형성된 전극 단자(미도시)를 갖는다. PTC 소자(34)는 전지(100)의 과열에 의해 전지 내부의 전류의 흐름을 차단하기 위한 것이다. 안전 벤트(36)는 중앙에 볼록하게 돌출되어 전류차단소자(CID: current Interrupt Device)(38)에 용접되고 전류차단소자(38)는 이차 전지(100)의 내부 압력에 의해 안전 벤트(36)와 함께 변형될 수 있는 것으로서, CID 가스켓 및 CID 필터로 구분될 수도 있다.
상기 가스켓(40)은 전체적으로 양단이 개방된 원통 형태를 이루며, 케이스(20)의 내면을 향하는 일 측단은 케이스(20)의 개방부 즉, 클램핑 부위에 놓여지도록 중심부를 향해 직각으로 절곡된 구조가 바람직하다. 가스켓(40)의 다른 쪽 선단은 최초에는 직선으로 펴져 원통형 가스켓(40)의 축방향으로 향하고 있으며, 케이스(20)와의 가압 공정시 중심부를 향해 직각으로 절곡되어 내주면과 외주면이 각각 캡 조립체(30) 탑 캡과 케이스(20)의 내측면에 밀착된 상태로 접히게 된다. 가스켓(40)은 전기 절연성과, 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가진 소재로서, 융점 200℃ 이상이고, 경도가 100D 이하인 고분자 수지로 제조된다.
상기 요철부(50)는 안전 벤트(36)와 접촉되는 가스켓(40)의 면에 형성되고 그 단면이 삼각형인 요철 구조를 나타내고, 이때 안전 벤트(36)의 하면에도 요철부가 더 구비될 수 있다. 또한 상기 돌출부(60)는 탑 캡(32)의 상면에 접촉되는 가스켓(40)의 면에 형성되고, 그 단면이 삼각형인 돌출 구조를 나타내고 있다. 이러한 요철부 및 돌출부는 삼각형 이외에 사각형, 사다리꼴형 또는 반원형의 단면 구조를 가질 수도 있다.
상기 가스켓(40)에 마련된 요철부(50) 및 돌출부(60)는 케이스(20)의 개방단의 클램핑 작업시 서로 맞물리면서 밀착 결합되어 캡 조립체(30)와 가스켓(40) 사이의 밀봉 결합력을 더욱 강화시킬 수 있다. 따라서, 이러한 요철부(50) 및 돌출부(60)는 이차 전지(100)에서 내압이 발생할 경우 안전 벤트(36)가 파열될 때까지 전해액 또는 가스가 캡 조립체(30)의 상부로 누출되는 것을 방지한다.
또한, 필요에 따라, 상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓(40)이외에, 보조 가스켓(42)를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 가스켓(42)은 전류차단소자(38)용 가스켓으로서 전류차단소자(38)의 외주면을 감싸도록 구성된다. 특히, 상기 보조 가스켓(42)은, 전류차단소자(38)의 외주면에서 상부와 측면부에 접촉되어, 전류차단소자(38)의 상부 및 측면부를 지지한다. 그리고, 보조 가스켓(42)은 안전 벤트(36)의 돌출 부분과 전류차단소자(38)가 접촉되는 부분을 제외하고는 전류차단소자(38)와 안전 벤트(36)가 서로 전기적으로 절연되도록 하는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 이차 전지(100)는 탑 캡과 안전 벤트 사이에 PTC 소자가 게재되어 있지 않고, 바로 안전 벤트(36)가 절곡되어 탑 캡(32)을 감싸는 형태로 이루어져 있다. 요철부(50)는 안전 벤트(36)의 하면과 접촉하는 가스켓(40)의 일면에 형성되고, 돌출부(60)는 탑 캡(32)의 상면과 접촉하는 가스켓(40)의 일면에 형성되고, 이들은 삼각형의 단면 구조를 포함한다. 전술한 바와 같이, 이러한 요철부 및 돌출부는 삼각형 이외에 사각형, 사다리꼴형 또는 반원형의 단면 구조를 가질 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 가스켓의 가압 공정 전후의단면을 도시하고 있다. 즉, 가스켓(40)은 다른 쪽 선단은 최초에는 직선으로 펴져 원통형 가스켓(40)의 축방향으로 향하고 있으며 (도 3의 좌측 도면 참조), 케이스(20)와의 가압 공정시 중심부를 향해 직각으로 절곡되어 서로 대향하는 하면 상에 2개 이상의 요철 구조로 이루어진 요철부(50) 및 상면 상에 하나의 돌출부(60)를 구비하고 있다 (도 3의 우측 도면 참조). 상기 요철부(50) 및 돌출부(60)는 전지의 조립 과정에서 탑 캡 또는 안전 벤트와의 긴밀한 결착이 이루어져 압착되는 관계로 실제로는 관찰되지 않을 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다. 도 4를 참조하면, 캡 조립체(30)의 테두리를 감싸는 가스켓(40)의 내주면 및 케이스의 일부에 아스팔트 도포층(70)을 구비하고 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다. 도 5를 참조하면, 캡 조립체(30)의 가스켓(40)은 하단부가 전류차단소자(38)의 하부까지 연장되어, 가스켓(40)의 하단부가 전류차단소자(38)의 하부를 감싸는 구조를 갖는다. 따라서, 가스켓(40)이 보조 가스켓(42)과 함께 전류차단소자(38)를 지지함과 동시에 이를 보호하게 된다. 더욱이, 이러한 가스켓(40)의 구조에 의하면, 케이스(20)의 측면에 충격이 인가되어 케이스(20)가 안쪽으로 변형되는 경우, 가스켓(40)의 하단부가 전류차단소자(38)의 하부에서 안쪽으로 더욱 이동하게 되므로, 가스켓(40)이 전류차단소자(38)의 하부를 보다 확실하게 감싸 지지하도록 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 및 5에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다. 도 6을 참조하면, 캡 조립체(30)의 가스켓(40)은 하단부가 전류차단소자(38)의 상부까지 연장되어, 가스켓(40)의 하단부가 전류차단소자(38)의 상부를 감싸는 구조를 갖고, 보조 가스켓(42)은 전류차단소자(38)의 하부를 감싸는 구조를 갖는다. 따라서, 가스켓(40)이 보조 가스켓(42)과 함께 전류차단소자(38)를 지지함과 동시에 이를 보호하게 된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1 에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다. 도 7을 참조하면, 캡 조립체(30)는 케이스(20)의 비딩부(24)에 장착되는 가스켓(40) 내부에 탑 캡(32), PTC 소자(34) 및 안전 밴트(36), 및 전류차단소자(38)가 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 또한, 보조 가스켓(42)은 안전 벤트(36)와 전류차단소자(38)의 사이에 상호 끼워맞춤 상태로 고정시키는 역할을 수행하기 위하여 더 부가될 수 있다. 즉 보조 가스켓(42)은 전류차단소자(38)의 상부면과 안전 밴트(36)의 "Z"형의 돌출된 끼움부 사이에 위치하여 전류차단소자(38)를 지지함과 동시에 이를 보호하게 된다.
이때, 가스켓(40)은 하단 쪽으로 경사부 또는 계단부를 가질 수 있고, 전류차단소자(38)의 말단부(38a)가 가스켓(40)의 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 상기 전류차단소자(38)가 상기 안전 벤트(36) 및 가스켓(40) 사이에 추가 고정될 수 있다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
Ni을 도금한 SPCE(냉간압연강판)을 사용하여 탑 캡 및 원통형 케이스를 제작하고, 원통형 케이스 전극 조립체를 장착한 다음, 전극 조립체의 상단부에 대응하는 부위의 원통형 케이스에 비딩 공정을 행하여 클림핑 부위를 형성하고, 클림핑 부위의 내측면에 융점이 208℃ 이고 쇼어 경도가 65D인 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE) 수지로 이루어지고, 절곡된 내주면의 하면 상에 삼각형 단면의 요철을 3개 가진 요철부와 상면 상에 삼각형 단면의 돌출부를 구비한 가스켓을 삽입하였다.
이때, 상기 TPEE 수지가 하기 화학식 1의 반복 단위 20몰% 및 하기 화학식 2의 반복 단위 80몰%를 포함하고, 100,000의 중량평균분자량을 가졌다:
[화학식 1]
Figure PCTKR2012005630-appb-I000005
,
[화학식 2]
Figure PCTKR2012005630-appb-I000006
(n은 200 이다).
이후 여기에 전류차단소자를 장착하고 레이저 용접을 통해 안전 벤트와 결합하였다. 이 때, 용접은 일반적인 정격 용접 파워보다 약 5% 정도 높은 파워로 실시하였다. 그런 다음, PTC 소자 및 탑 캡을 장착하고, 캔의 상단을 내측으로 절곡한 다음, 클림핑 및 가압 공정을 행하여 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이전전지를 10개 제작하였다.
실시예 2
가스켓이 융점이 306℃이고 쇼어 경도가 60D인 테트라플루오라이드-퍼플루오로알킬비닐에테르공중합체(PFA)로 이루어진 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 10개 제작하였다.
실시예 3
가스켓이 융점이 224℃이고 쇼어 경도가 90D인 폴리부틸렌테레프탈레이트 (PBT)로 이루어진 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 10개 제작하였다.
비교예 1
가스켓이 융점이 165℃이고 쇼어 경도가 85D인 폴리프로필렌으로 이루어진 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 10개 제작하였다.
내열성 평가 실험
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 원통형 이차전지를 200℃에서 1시간 동안 고온 보관 챔버에 보관하여 내열성 평가를 하였다.
그 결과, 기존 폴리프로필렌 가스켓을 이용한 비교예 1의 원통형 이차전지 샘플 10개 모두에서 가스켓이 녹아서 케이스와 탑 캡이 접촉이 일어나 쇼트를 발생하였다.
반면에 실시예 1 내지 3의 원통형 이차전지 샘플들은 모두 가스켓 형상을 그대로 유지하였으며, 케이스와 탑 캡 접촉에 의한 쇼트도 발생하지 않았다.
드롭(Drop) 평가 실험
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 원통형 이차전지를 1m의 높이에서 콘크리트 바닥으로 자유 낙하를 10회 동안 반복할 때 이들 이차전지에서 비수전해액의 누액 여부를 평가하였다. 이러한 누액 여부는 먼저 이차전지의 외면의 육안 관찰을 하고, 이러한 육안 관찰에서 누액 여부의 판정이 어려울 경우, 드롭 평가 전후의 무게 변화를 측정하여 판정하였다. 그 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
표 1
평가 결과
비교예 1 3회 자유 낙하시 누액 현상 발생
실시예 1 10회 자유 낙하 후에도 누액 현상 관찰되지 않음
실시예 2 10회 자유 낙하 후에도 누액 현상 관찰되지 않음
상기 표 1을 참조하면, 융점 200℃ 이상이고, 경도가 100D 이하인 고분자 수지로 이루어진 가스켓을 채용한 실시예 1 및 2의 경우, 드롭 평가 실험 결과 10회의 자유 낙하시에도 누액 현상이 일절 관찰되지 않았으나, 비교예 1의 경우에는 3회 자유 낙하시에도 누액 현상이 발생하였다.
이상에서, 본 발명은 비록 한정된 실시예들과 도면들에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
<부호의 설명>
10…전극 조립체 11…전극판들
12…세퍼레이터 13…제1 리드
14…제2 절연판 20…케이스
30…캡 조립체 32…탑 캡
34…PTC 소자 36…안전 벤트
38…전류차단소자 40…가스켓
42…보조 가스켓 50…요철부
60…돌출부 70…아스팔트 도포층

Claims (16)

  1. 캐소드판 및 애노드판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되는 케이스;
    상기 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체; 및
    상기 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓을 포함하고,
    상기 가스켓이 융점 200℃ 이상이고, 경도가 100D 이하이고, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 10 내지 30몰% 및 하기 화학식 2로 표시되는 반복단위 70 내지 90몰%를 포함하는 고분자 수지로 형성되는 원통형 이차 전지:
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2012005630-appb-I000007
    ,
    [화학식 2]
    Figure PCTKR2012005630-appb-I000008
    (상기 식에서 n은 100 내지 250의 정수이다).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓의 표면 상에 아스팔트 도포층이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  3. 캐소드판 및 애노드판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되는 케이스;
    상기 케이스의 개방단을 밀봉할 수 있는 캡 조립체; 및
    상기 케이스와 상기 캡 조립체 사이에 대향하는 2개의 횡방향면을 갖도록 절곡되어 개재되는 가스켓을 포함하고,
    상기 가스켓의 일 횡방향면에 요철부가 형성되어 있고, 타 횡방향 면에 돌출부가 형성되어 있고, 상기 요철부 및 상기 돌출부 사이에 상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 끼워져 있고,
    상기 가스켓이 융점 200℃ 이상이고, 경도가 100D 이하인 고분자 수지로 형성되는 원통형 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고분자 수지가 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPEE), 테트라플루오라이드-퍼플루오로알킬비닐에테르공중합체(PFA), 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 캡 조립체가
    상기 케이스의 개방단을 밀봉하고 상기 가스켓의 돌출부에 접촉되도록 배치된 탑 캡(top cap);
    상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC 소자; 및
    일면은 상기 PTC 소자에 접촉되고 타면의 일부가 상기 가스켓의 요철부에 접촉되도록 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 캡 조립체가
    상기 케이스의 개방단을 밀봉하는 탑 캡(top cap); 및
    일면은 상기 탑 캡의 측면, 상면 및 하면 모두에 접촉되고, 타면은 가스켓의 내주면의 요철부 및 돌출부에 접촉되도록 절곡되어 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 캡 조립체가 상부가 상기 안전 벤트의 하단에 용접되고, 하부가 전극 조립체와 연결될 수 있는 전류차단소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓 이외에, 상기 전류차단소자의 외주면을 감싸는 보조 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓이 상기 보조 가스켓 및 상기 전류차단소자의 하부면을 감싸는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓이 상기 보조 가스켓 및 상기 전류차단소자의 상부면을 감싸는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓 이외에, 상기 안전 벤트와 상기 전류차단소자의 사이에 개재되어 상호 끼워맞춤 상태로 고정시키는 보조 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 캡 조립체의 테두리가 삽입되어 있는 가스켓이 경사부 또는 계단부를 가지고, 상기 전류차단소자의 말단부가 상기 가스켓의 경사부 또는 계단부에 안치됨으로써 상기 전류차단소자가 상기 안전벤트 및 상기 가스켓 사이에 추가 고정되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 요철부 및 상기 돌출부가 각각 독립적으로 삼각형, 사각형, 사다리꼴형또는 반원형의 단면 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 요철부 또는 상기 돌출부가 미늘부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  15. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 안전 벤트가 금속 재질인 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 가스켓의 표면 상에 아스팔트 도포층이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차 전지.
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