WO2018124532A2 - 전기절연성 소재에 의해 전류차단부재와 안전벤트가 결합되어 있는 원통형 전지셀의 캡 어셈블리 - Google Patents

전기절연성 소재에 의해 전류차단부재와 안전벤트가 결합되어 있는 원통형 전지셀의 캡 어셈블리 Download PDF

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이병구
이병국
정상석
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Definitions

  • the present invention relates to a cap assembly of a cylindrical battery cell in which a current blocking member and a safety vent are coupled by an electrically insulating material.
  • secondary batteries are recently developed and used due to the advantages of being rechargeable and capable of miniaturization and large capacity.
  • the secondary battery includes an electrode assembly composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and a packaging material for sealingly storing the electrode assembly together with the electrolyte solution.
  • Secondary batteries may be classified into cylindrical secondary batteries, rectangular secondary batteries, pouch type secondary batteries, and the like according to structural features.
  • the cylindrical secondary battery generally includes a cylindrical can, an electrode assembly housed inside the cylindrical can, and a cap assembly coupled to the cylindrical can.
  • the cap assembly is located in the upper opening of the cylindrical can and includes a top cap, a safety vent, and the like.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a cap assembly portion of a conventional cylindrical secondary battery.
  • a conventional cylindrical secondary battery is coupled to a cylindrical battery can 20, an electrode assembly 30 having a jelly-roll shape accommodated in the battery can 20, and an upper portion of the battery can 20.
  • the cap assembly 10, the beading portion 40 provided at the upper portion of the battery can 20 for mounting the cap assembly 10, and a crimping portion 50 for sealing the battery are provided.
  • the electrode assembly 30 has a structure wound in a jelly-roll form with a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, the positive electrode lead 31 is attached to the cap assembly 10, and the negative electrode is connected to the negative electrode.
  • a lead (not shown) is attached and connected to the lower end of the battery can 20.
  • the cap assembly 10 may include a top cap 11 forming a positive electrode terminal, a safety element 12 such as a PTC element (Positive Temperature Coefficient element) that blocks a current when the temperature inside the battery increases due to an increase in battery resistance, and the inside of the battery.
  • Safety vent 13 to cut off current and / or discharge gas at elevated pressure of CID, CID gasket 14 to electrically separate safety vent 13 from current blocking member 15, except for a specific part
  • the current blocking member 15 to which the anode lead 31 connected to the current blocking member 15 is connected is sequentially stacked, and the cap assembly 10 is mounted on the gasket 16. 40 is mounted.
  • the anode of the electrode assembly 30 is connected to the top cap 11 through the anode lead 31, the current blocking member 15, the safety vent 13, and the safety element 12. State is achieved.
  • the charging and discharging is no longer performed, thereby ensuring the safety of the secondary battery. Furthermore, when the pressure inside the battery is increased to a predetermined value or more, the safety vent 13 is ruptured, and the pressurized gas fixes the rupture portion. Explosion of the battery is prevented by exhausting it through the gas hole 11a of the top cap via it.
  • 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 interface between the CID gasket and the current blocking member is not a structure that is fixed only by physical close contact, the electrical that can mutually couple the interface between the current blocking member and the safety vents
  • a cap assembly mounted on the top of a battery can for cylindrical secondary batteries
  • a top cap forming a positive terminal with an outwardly protruding structure at an upper end thereof;
  • a safety vent electrically connected to the top cap via a safety element at a lower end of the top cap and discharging gas
  • a current interrupting device which blocks a flow of current when a high voltage is generated inside the battery, with a part of an upper surface connected to the safety vent, and a part of a lower surface connected to an electrode lead of an electrode assembly;
  • the interface portion where the safety vent and the current blocking member are in contact is composed of a structure that is mutually coupled with an electrically insulating material.
  • the present invention unlike the conventional CID gasket used in the interface portion where the safety vent and the current blocking member is in contact with each other, by placing an electrically insulating material to join the mutual interface between the metal members, thereby providing a current blocking member
  • the safety assembly provides an improved safety cap assembly by electrically separating the safety vents and at the same time fixing the interface parts between the metal members.
  • the electrically insulating material may be made of an adhesive or a thermoplastic resin.
  • the adhesive is a UV curable material, and may be cured by irradiation with ultraviolet rays to couple the safety vent and the interface portion of the current blocking member to each other.
  • the UV curable material is irradiated with ultraviolet rays and cured.
  • the curing method can be cured without directly applying heat, and the curable material can be cured within a short time, thereby improving productivity efficiency.
  • the joint structure when the UV curable material is applied to the interface between the safety vent and the current blocking member as an adhesive of an electrically insulating material, the joint structure can be maintained.
  • the UV curable material may be a material having a hydrophilic function group.
  • the UV curable material may not only form a bonding structure between interfacial sites but also may be introduced into a battery. It can collect and improve the sealing property and can suppress the penetration of water.
  • the UV-curable material is a material exhibiting high intermolecular bonding ability while crosslinking is formed by a chemical reaction
  • polyacrylate-based resins such as unsaturated polyester resins, polyester acrylates, epoxy acrylates, urethane acrylates, and the like. Although these are mentioned, It is not limited only to these.
  • the adhesive is an aqueous adhesive, and can be cured by a drying method to mutually couple the interface portion of the safety vent and the current blocking member.
  • aqueous adhesive is dried by hot air in a temperature range of 0 ° C. to 500 ° C. or less, drying is possible within a short time, thereby increasing productivity.
  • the current blocking member is the current blocking member
  • a main body having a circular structure in plan view and having a plurality of openings formed therein;
  • the gas generated inside the battery can be discharged through the openings, and the break associated with the safety vent when the gas pressure inside the battery can rise is ruptured and / or separated from the main body of the current blocking member. Safety can be ensured by cutting off the current.
  • the electrically insulating material is bonded to the outer peripheral surface of the safety vent in a state where it is applied to the upper peripheral surface of the current blocking member;
  • the outer periphery of the current blocking member by the electrically insulating material may be made of a structure that maintains a fixed position with respect to the outer periphery of the safety vent.
  • each of the outer periphery of the safety vent and the current blocking member forms a tightly coupled state through an electrically insulating material or a cured adhesive, so that a strong external shock is applied or the pressure of the gas inside the battery is increased. Even if this rises, the current blocking member can maintain a steady state without shaking, and the short circuit caused by the current blocking member contacting the safety vent can be prevented as the conventional CID gasket is separated.
  • the top cap, the safety device and the safety vent is a structure including a sealing gasket that surrounds the outer peripheral portion thereof at the same time to be insulated from the inner surface of the battery can, the interface portion that the sealing gasket and the top cap and the safety vent is in contact
  • An electrically insulating material may be further applied to maintain a strong bond.
  • the sealing gasket may be made of a material having electrical insulation and impact resistance, elasticity and durability, for example, polyolefine or polypropylene.
  • the sealing gasket is located at the interface between the inner surface of the battery can and the members to have a curved shape, and the shape is preferably bent by mechanical processing, not by heat treatment, to prevent the insulation from being weakened.
  • the safety vent may have a plurality of notches, and thus may have a structure that is easily broken due to a pressure increase in the battery can.
  • the present invention also provides a cylindrical secondary battery including the cap assembly, wherein the cylindrical secondary battery has an electrode assembly having a structure in which a positive electrode, a separator, and a negative electrode are sequentially stacked in a cylindrical battery can together with an electrolyte. It is built in, the cap assembly is mounted on the top of the battery can has a structure that maintains the sealed state.
  • the type of the secondary battery of the present invention is not particularly limited, specific examples thereof include lithium ion (Li-ion) secondary batteries and lithium polymers having advantages such as high energy density, discharge voltage, and output stability.
  • Li-ion lithium ion
  • a lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte.
  • the positive electrode is manufactured by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder on a positive electrode current collector and / or an extension current collector, and then drying the composition, and optionally adding a filler to the mixture. do.
  • the positive electrode current collector and / or the extension current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 micrometers.
  • the positive electrode current collector and the extension current collector are not particularly limited as long as they have high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or aluminum Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver or the like on the surface of the stainless steel may be used.
  • the positive electrode current collector and the extension current collector may form fine irregularities on the surface thereof to increase adhesion of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery, and examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder is a component that assists the bonding of the active material and the conductive material to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butylene rubber, fluorine rubber, various copolymers and the like.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode is manufactured by coating and drying a negative electrode active material on a negative electrode current collector and / or an extension current collector, and optionally, the components as described above may be further included if necessary.
  • the negative electrode current collector and / or the extension current collector is generally made to a thickness of 3 to 500 micrometers.
  • Such a negative electrode current collector and / or an extension current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, Surface treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like on the surface of copper or stainless steel, aluminum-cadmium alloy, and the like can be used.
  • fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • carbon such as hardly graphitized carbon and graphite type carbon
  • 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 pore diameter of the separator is generally from 0.01 to 10 micrometers, the thickness is generally from 5 to 300 micrometers.
  • olefin polymers such as chemical resistance and hydrophobic polypropylene; Sheets or non-woven fabrics made of glass fibers or polyethylene are used.
  • a solid electrolyte such as a polymer
  • the solid electrolyte may also serve as a separator.
  • the electrolyte may be a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte, and consists of a non-aqueous electrolyte and a lithium salt.
  • nonaqueous electrolyte nonaqueous organic solvents, organic solid electrolytes, inorganic solid electrolytes, and the like are used, but not limited thereto.
  • non-aqueous organic solvent examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxy franc, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethylformamide, dioxolon , Acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxorone derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbo Aprotic organic solvents such as nate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be
  • organic solid electrolytes examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluorides, Polymers containing ionic dissociating groups and the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.
  • the lithium salt is a good material to be dissolved in the non-aqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic carboxylic acid lithium, lithium tetraphenyl borate and imide have.
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, Nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride and the like may be added.
  • pyridine triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide
  • Nitrobenzene derivatives sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyr
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene) may be further included. Carbonate), PRS (Propene sultone) may be further included.
  • lithium salts such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2, and the like, may be prepared by cyclic carbonate of EC or PC, which is a highly dielectric solvent, and DEC, DMC, or EMC, which are low viscosity solvents.
  • Lithium salt-containing non-aqueous electrolytes can be prepared by adding them to a mixed solvent of linear carbonates.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a cap assembly portion of a conventional cylindrical secondary battery
  • FIG. 2 is a vertical sectional view of a cap assembly for a cylindrical secondary battery according to the present invention
  • FIG. 3 and 4 are perspective views of the current blocking member included in the cap assembly according to the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram in which an adhesive that performs an electrically insulating function is applied to an upper surface portion of an outer periphery of the current blocking member of FIG. 3.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a cap assembly for a cylindrical secondary battery according to the present invention.
  • the cylindrical secondary battery 100 accommodates the electrode assembly 130 inside the battery can 120, injects an electrolyte (not shown), and then, in the upper opening of the battery can 120. It is manufactured by mounting the cap assembly 110.
  • the cap assembly 110 is a sealing gasket 116 mounted to the beading portion 140 of the inwardly indented structure located at the upper portion of the battery can 120, a top cap 111, an overcurrent inside the sealing gasket 116
  • the outer peripheral portion of the safety element 112 and the safety vent 113 for blocking the is formed in a structure wrapped in close contact.
  • the top cap 111 has a structure in which a central portion protrudes upward to serve as an anode terminal for connection with an external circuit, and a gas discharge port 111a for discharging gas is perforated in one portion.
  • the safety vent 113 has a lower end connected to an anode (not shown) of the electrode assembly 130 via the current blocking member 115 and the anode lead 131.
  • the current blocking member 115 which cuts off the current when the pressure rises above the predetermined value inside the battery is a conductive plate-shaped member and is installed at the lower end of the safety vent 113, and the material of the current blocking member 115 is safe. It is made of the same material as the vent 113.
  • the amount of current that is energized by the resistance of the safety element 112 is greatly reduced, and the electrolyte is decomposed as the temperature continues to rise.
  • the indentation portion 113a formed at the central portion of the safety vent 113 is deformed upward and separated from the break portion 115a of the current blocking member 115 to cut off the current. Can be secured.
  • the cap assembly 110 has a structure in which a sealing gasket 116 surrounds an outer peripheral portion of the top cap 111, the safety element 112, the safety vent 113, and the electrically insulating material 114. To prevent the electrolyte from leaking to the outside.
  • the lower surface portion of the outer circumferential surface of the safety vent 113 is joined by an adhesive agent 114 of an electrically insulating material applied to the upper surface portion of the outer circumference of the current blocking member 115, and in particular, the outer circumference of the safety vent 113.
  • the part has a downwardly protruding structure, so that a small distance from the current blocking member 115 can be set to increase the bonding force by the adhesive 114.
  • FIG 3 and 4 are perspective views of the current blocking member included in the cap assembly according to the present invention.
  • the current blocking member 115 has a circular shape in plan view, and includes a main body 116 having six openings 116a, 116b, 116c, 116d, 116e, and 116f formed therein, and It is formed in the central part of the main body 116, and includes the breaking part 117 broken by the internal pressure of gas.
  • the adhesive 114 of the electrically insulating material ensures electrical insulation of the safety vent 113 of the current blocking member 115, and firmly establishes a mutual coupling relationship with the safety vent 113.
  • it is apply
  • the current blocking member 215 has a circular shape in plan view, and is formed in the main body 216 having three openings 216a, 216b, and 216c, and in the center of the main body 216. And a break 217 that is ruptured by the internal pressure of the gas.
  • a broken portion 217 of an upwardly protruding structure connected to the lower end of the safety vent three on the concentric circle centered on the broken portion 217 Through holes 218a, 218b, and 218c are formed.
  • the openings 216a, 216b, and 216c have a total area of 30% of the area of the current blocking member 215, which can increase the discharge of the high pressure gas inside the battery, thereby providing a reliable current blocking effect. Can exert.
  • the openings 216a, 216b, and 216c are spaced apart from each other at an angle of approximately 120 degrees, and the shapes and sizes of the respective openings 216a, 216b, and 216c are identically formed, and the openings 216a and 216b are the same. , 216c) is the same. Therefore, under this structure, the current blocking member 215 can maintain high mechanical strength while maximizing gas discharge.
  • FIG. 5 is a schematic view in which an adhesive that performs an electrically insulating function is applied to an upper surface portion of the outer periphery of the current blocking member of FIG. 3.
  • an adhesive 114 that performs an electrical insulating function is coated on the outer peripheral upper surface of the current blocking member 115, and the adhesive 114 is a current blocking member 115. It is applied so as not to cover the openings 116a, 116b, 116c, 116d, 116e, and 116f formed in the main body 116.
  • a cap assembly having a structure in which both members are bonded to each other by curing by a drying method with an aqueous adhesive applied thereto, and the following experiments were performed.
  • a cap assembly having a structure having a CID gasket between the safety vent and the current blocking member was manufactured, and the same test as in Experimental Example 1 was performed.
  • Insulation member dropping strength CID Gasket Curing of UV Curable Materials Curing of Water-based Adhesives 10 Not separated Not separated Not separated 20 Not separated Not separated Not separated 30 Separation Not separated Not separated 40 Separation Not separated Not separated 50 Separation Not separated Not separated
  • the structure using the conventional CID gasket without the adhesive component as the insulating member generates separation of the current blocking member and the CID gasket at the point where the strength of the drop test is 30 or more, whereas the UV curable material and the water-based adhesive are used. In the case of curing by use, it can be seen that no separation occurs.
  • a cap assembly having a structure in which both members are bonded to each other by curing by a drying method with an aqueous adhesive applied thereto, and the following experiments were performed.
  • a cap assembly having a structure having a CID gasket between the safety vent and the current blocking member was manufactured, and the same test as in Experimental Example 2 was performed.
  • the cap assembly for a cylindrical secondary battery after applying an adhesive of an electrically insulating material, for example, a UV curable material or an aqueous adhesive to the interface portion between the safety vent and the current blocking member, Hardening may form a firmly coupled state between the two metal members, thereby stably maintaining the electrical insulation state of the safety vent of the current blocking member, thereby greatly improving safety.
  • an adhesive of an electrically insulating material for example, a UV curable material or an aqueous adhesive

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Abstract

원통형 이차전지용 전지캔의 상단에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 최상단에 외향 돌출 구조로 양극 단자를 형성하는 탑 캡(top cap); 탑 캡의 하단부에서 안전소자를 경유하여 탑 캡과 전기적으로 연결되고, 가스를 배출하는 안전벤트; 및 상면의 일부가 상기 안전벤트에 연결되어 있고, 하면의 일부가 전극조립체의 전극리드에 연결된 상태로, 전지 내부에 고압 발생시 전류의 흐름을 차단하는 전류차단부재(Current Interrupt Device);를 포함하고 있고, 상기 안전벤트와 전류차단부재가 접하는 계면 부위는 전기절연성 소재로 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리에 관한 것이다.

Description

전기절연성 소재에 의해 전류차단부재와 안전벤트가 결합되어 있는 원통형 전지셀의 캡 어셈블리
본 출원은 2016년 12월 27일자 한국 특허 출원 제2016-0179602호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전기절연성 소재에 의해 전류차단부재와 안전벤트가 결합되어 있는 원통형 전지셀의 캡 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능하다는 이점으로 인하여 최근 그 개발 및 사용이 증가하고 있다.
이차전지는 양극, 음극 및 분리막으로 이루어지는 전극조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다.
이차전지는 구조적 특징에 따라 원통형 이차전지, 각형 이차전지, 파우치형 이차전지 등으로 분류할 수 있다.
원통형 이차전지는 일반적으로 원통형 캔과, 원통형 캔 내부에 수납되는 전극 조립체와, 원통형 캔 상부에 결합되는 캡 어셈블리를 포함하여 이루어진다. 캡 어셈블리는 원통형 캔의 상부 개구부에 위치하며, 탑 캡, 안전벤트 등을 포함한다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지의 캡 어셈블리 부위의 수직 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 원통형 이차전지는 원통형 전지캔(20), 전지캔(20)의 내부에 수납되는 젤리-롤 형태의 전극조립체(30), 전지캔(20)의 상부에 결합되는 캡 어셈블리(10), 캡 어셈블리(10)를 탑재하기 위해 전지캔(20)의 상단 부위에 마련된 비딩부(40) 및 전지를 밀봉하기 위한 클림핑 부위(50)를 구비하고 있다.
전극조립체(30)는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 젤리-롤 형태로 권취된 구조이며, 양극에는 양극리드(31)가 부착되어 캡 어셈블리(10)에 접속되어 있고, 음극에는 음극리드(도시하지 않음)가 부착되어 전지캔(20)의 하단에 접속되어 있다.
캡 어셈블리(10)는 양극단자를 형성하는 탑 캡(11), 전지 내부의 온도가 상승하여 전지의 저항 증가시 전류를 차단하는 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient element)와 같은 안전소자(12), 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 및/또는 가스를 배출하는 안전벤트(13), 특정 부위를 제외하고 안전벤트(13)를 전류차단부재(15)로부터 전기적으로 분리시키는 CID 가스켓(14), 양극에 연결된 양극리드(31)가 접속되어 있는 전류차단부재(15)가 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 이러한 캡 어셈블리(10)는 가스켓(16)에 장착된 상태로 전지캔(20)의 비딩부(40)에 장착된다.
따라서, 정상적인 작동조건 하에서 전극조립체(30)의 양극은 양극리드(31), 전류차단부재(15), 안전벤트(13) 및 안전소자(12)를 경유하여 탑 캡(11)에 연결되어 통전 상태를 이루게 된다.
그러나, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전지캔(20) 내부로부터 가스가 발생하여 내압이 증가하게 되면, 안전벤트(13)는 그 형상이 변형되면서 상향 돌출되며, 이때, 안전벤트(13)는 전류차단부재(15)로부터 분리되어 전류가 차단된다.
이에 따라, 충방전이 더 이상 진행되지 않으므로 이차전지의 안전성이 확보되며, 더욱이, 전지 내부의 압력이 일정값 이상으로 증가하게 되면, 안전벤트(13)가 파열되고, 가압 가스는 이러한 파열 부위를 경유하여 탑 캡의 가스 구멍(11a)을 통해 배기됨으로써 전지의 폭발이 방지된다.
그러나, 상기와 같은 구조 하에서, 전류차단부재(15)와 별도의 부재로 구비되는 CID 가스켓(14)은, 전류차단부재(15)에 단순 밀착되는 형태이므로, 상기 부재들 간의 상호 계면 부위는 상대적으로 밀착성이 떨어지고, 이로 인해 외부의 강한 충격이 인가되거나, 또는 전지 내부의 가스 압력의 상승시, CID 가스켓(14)이 전류차단부재(15)로부터 이탈되거나 분리되는 문제가 발생한다.
이와 같이, CID 가스켓(14)이 전류차단부재(15)로부터 분리되어 전류차단부재(15)와 안전벤트(13)가 접촉하게 될 경우, 전류차단부재(15)는 전류를 차단하지 못하게 되고, 이로 인해 전지가 폭발하여 이차전지의 안전성을 심각하게 저해될 수 있다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 종래와 달리, CID 가스켓과 전류차단부재 상호 간의 계면 부위가 물리적인 밀착만으로 고정되는 구조가 아닌, 전류차단부재와 안전벤트의 계면 부위를 상호 결합시킬 수 있는 전기절연성 소재의 접착제를 배치함으로써, 부재들 간의 공고한 결합 구조를 이루어 안전성이 향상된 캡 어셈블리를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 따른 캡 어셈블리는,
원통형 이차전지용 전지캔의 상단에 탑재되는 캡 어셈블리로서,
최상단에 외향 돌출 구조로 양극 단자를 형성하는 탑 캡(top cap);
탑 캡의 하단부에서 안전소자를 경유하여 탑 캡과 전기적으로 연결되고, 가스를 배출하는 안전벤트; 및
상면의 일부가 상기 안전벤트에 연결되어 있고, 하면의 일부가 전극조립체의 전극리드에 연결된 상태로, 전지 내부에 고압 발생시 전류의 흐름을 차단하는 전류차단부재(Current Interrupt Device);
를 포함하고 있고,
상기 안전벤트와 전류차단부재가 접하는 계면 부위는 전기절연성 소재로 상호 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.
종래의 전류차단부재는, 그것의 외주변 부위에 단순히 밀착 고정되어 있는 CID 가스켓을 통해 안전벤트로부터 전기적 절연 상태를 유지하였으나, 이러한 구조는 외부의 강한 충격이 인가되는 경우, CID 가스켓이 전류차단부재로부터 이탈 또는 분리되어 전류차단부재가 안전벤트에 직접적으로 접촉할 수 있게 되며, 이러한 경우, 과충전시에 전류를 차단하지 못하여 원통형 이차전지의 안전성이 저해되는 문제점이 존재하였다.
따라서, 본 발명은, 안전벤트와 전류차단부재가 접하는 계면 부위에, 종래의 기술에서 CID 가스켓을 사용한 것과는 달리, 전기절연성 소재를 배치시켜 금속 부재들 간의 상호 계면 부위를 결합함으로써, 전류차단부재를 안전벤트에 대해 전기적으로 분리함과 동시에 금속 부재 상호 간의 계면 부위가 상호 결합되는 고정 구조를 이루어 안전성이 향상된 캡 어셈블리를 제공한다.
상기 전기절연성 소재는 접착제 또는 열가소성 수지로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 접착제는 UV 경화성 물질이고, 자외선(ultraviolet ray)의 조사에 의해 경화되어 안전벤트와 전류차단부재의 계면 부위를 상호 결합시킬 수 있다.
UV 경화성 물질에 자외선을 조사하여 경화시키는 방식은, 열을 직접 가하지 않고 경화가 가능하고, 짧은 시간 내에 경화가 이루어져 생산성의 효율을 높일 수 있는 특성을 가지고 있다.
이러한 특성을 고려할 때, 안전벤트와 전류차단부재의 계면 부위에 전기절연성 소재의 접착제로서 UV 경화성 물질을 적용하여 상호 결합시키는 경우, 양 부재들 상호 간의 공고한 결합 구조를 유지할 수 있다.
예를 들어, 상기 UV 경화성 물질은 친수성 기(hydrophilic function group)를 가지는 물질일 수 있는 바, 친수성 기를 가진 UV 경화성 물질을 사용함으로써, 계면 부위 간의 결합 구조를 형성할 뿐만 아니라 전지 내부로 유입되는 수분을 포집하여 밀봉성을 높임과 동시에 수분의 침투를 억제할 수 있다.
또한, UV 경화성 물질은 화학 반응에 의해 가교 결합이 이루어지면서 높은 분자간 결합력을 발휘하는 물질로서, 불포화 폴리에스테르계 수지나, 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트, 우레탄 아크릴레이트 등의 폴리아크릴레이트 계 수지를 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 접착제는 수성 접착제이고, 건조 방식에 의해 경화되어 안전벤트와 전류차단부재의 계면 부위를 상호 결합시킬 수 있다.
이러한 수성 접착제는, 온도가 0도 이상 내지 500도 이하인 범위의 열풍에 의해 건조되므로 짧은 시간 내에 건조가 가능하여 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전류차단부재는,
평면상으로 원형 구조로 이루어져 있고, 복수 개의 개구가 형성되어 있는 본체; 및
상기 본체의 중심부에 형성되어 있고, 안전 벤트의 하단에 결합되어 있으며, 전지캔 내부의 상승한 가스 압력에 의해 파열되는 파단부;
를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 구조 하에서, 전지캔 내부에서 발생한 가스는 상기 개구들을 통해 배출될 수 있고, 전지캔 내부의 가스 압력의 상승시 안전벤트와 연계되어 있는 파단부는, 전류차단부재의 본체로부터 파열 및/또는 분리되어 전류를 차단함으로써 안전성을 확보할 수 있다.
상기 전기절연성 소재는 전류차단부재의 외주변 상면 부위에 도포된 상태로 안전벤트의 외주변 하면 부위에 결합되어 있고;
전지캔 내부의 가스 압력의 상승시, 상기 안전벤트의 중심 부위가 상향 변형되면서 파단부가 파열되어 전류를 차단하며;
상기 전기절연성 소재에 의해 전류차단부재의 외주변은 안전벤트의 외주변에 대해 정위치 고정 상태를 유지하는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 구조 하에서, 안전벤트와 전류차단부재의 각각의 외주변의 계면 부위는 전기절연성 소재 또는 경화된 접착제를 통해 공고한 결합 상태를 형성하므로, 외부의 강한 충격이 인가되거나 또는 전지 내부의 가스의 압력이 상승하더라도 전류차단부재는 흔들림 없는 고정 상태를 유지할 수 있고, 종래의 CID 가스켓이 분리됨에 따라 전류차단부재가 안전벤트에 접촉되어 발생하는 단락을 미연에 방지할 수 있다.
상기 탑 캡, 안전소자 및 안전벤트가 전지캔 내면에 대해 절연되도록 이들의 외주 부위를 동시에 감싸는 밀봉 가스켓을 추가로 포함하는 구조이며, 상기 밀봉 가스켓과 탑 캡 및 안전벤트가 접촉하고 있는 계면 부위에는 전기절연성 소재가 추가로 도포되어 강한 결합 상태를 유지할 수 있다.
밀봉 가스켓은 전기절연성과 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가지는 소재, 예를 들어 폴리올레핀(polyolefine) 또는 폴리프로필렌(polypropylene)으로 제조될 수 있다. 또한, 밀봉 가스켓은 전지캔 내면과 상기 부재들의 계면 부위에 위치하고 있어 굴곡된 형상을 가지게 되는데, 이러한 형상은 절연성이 약화되는 것을 방지하기 위해 열처리에 의하지 않고, 기계적 가공에 의해 절곡되는 것이 바람직하다.
상기 안전벤트에는 복수 개의 노치가 형성되어 있어 전지캔 내부의 압력 상승에 의해 파단되기 용이한 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 캡 어셈블리를 포함하는 원통형 이차전지를 제공하는 바, 이러한 원통형 이차전지는 양극, 분리막, 음극이 순차적으로 적층된 상태로 권취된 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 원통형 전지캔에 내장되어 있고, 전지캔의 상단에 캡 어셈블리가 탑재되어 밀봉 상태를 유지하는 구조로 이루어져 있다.
본 발명의 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 및/또는 연장 집전부 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체 및/또는 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지의 캡 어셈블리 부위의 수직 단면도이다;
도 2는 본 발명에 따른 원통형 이차전지용 캡 어셈블리의 수직 단면도이다;
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 캡 어셈블리에 포함되어 있는 전류차단부재의 사시도이다; 및
도 5는 전기 절연성의 기능을 수행하는 접착제가 도 3의 전류차단부재의 외주변의 상면 부위에 도포되어 있는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명에 따른 원통형 이차전지용 캡 어셈블리의 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 전지캔(120)의 내부에 전극조립체(130)를 수납하고, 전해액(도시하지 않음)을 주입한 후, 전지캔(120)의 상단 개구부에 캡 어셈블리(110)를 장착하여 제조된다.
캡 어셈블리(110)는 전지캔(120)의 상단 부위에 위치하고 있는 내향 만입 구조의 비딩부(140)에 장착되는 밀봉 가스켓(116), 밀봉 가스켓(116)의 내측에는 탑 캡(111), 과전류를 차단하기 위한 안전소자(112) 및 안전벤트(113)의 외주변 부위가 밀착된 상태로 감싸여진 구조를 이루고 있다.
탑 캡(111)은 중앙 부위가 상향 돌출된 구조로 이루어져 외부 회로와의 접속을 위한 양극단자로서의 기능을 수행하며, 일 부위에는 가스 배출을 위한 가스배출구(111a)가 천공되어 있다.
안전벤트(113)는 하단이 전류차단부재(115) 및 양극리드(131)를 경유하여 전극조립체(130)의 양극(도시하지 않음)에 연결되어 있다.
전지 내부에서 일정값 이상으로 압력이 상승하였을 때 전류를 차단하는 전류차단부재(115)는 도전성 판상형의 부재로서 안전벤트(113)의 하단부에 설치되어 있으며, 전류차단부재(115)의 재질은 안전벤트(113)와 동일한 재질로 이루어져 있다.
예를 들어, 내부 단락, 과충전 등으로 인해 전지 내부의 온도가 상승하는 경우, 안전소자(112)의 저항 증가에 의해 통전되는 전류량이 크게 감소하게 되고, 온도가 지속적으로 상승함에 따라 전해액이 분해되면서 가스가 발생하고 그에 따라 내압이 증가하면, 안전벤트(113)의 중앙 부위에 형성된 만입부(113a)가 상향 변형되면서 전류차단부재(115)의 파단부(115a)와 분리되어 전류가 차단됨으로써 안전성을 확보할 수 있다.
캡 어셈블리(110)의 구조는 밀봉 가스켓(116)이 탑 캡(111), 안전소자(112), 안전벤트(113), 및 전기절연성 소재(114)의 외주변 부위를 감싸는 구조로 이루어져 전지 내부의 전해액이 외부로 누액되는 것을 방지한다.
안전벤트(113)의 외주면의 하면 부위는, 전류차단부재(115)의 외주변 상면 부위에 도포되어 있는 전기절연성 소재의 접착제(114)에 의해 결합되어 있으며, 특히, 안전벤트(113)의 외주 부위는 하향 돌출된 구조를 이루고 있어 전류차단부재(115)와의 이격 거리를 작게 설정하여 접착제(114)에 의한 결합력을 높일 수 있다.
도 3 및 도 4에는 본 발명에 따른 캡 어셈블리에 포함되어 있는 전류차단부재의 사시도가 도시되어 있다.
먼저, 도 3을 참조하면, 전류차단부재(115)는 평면상으로 원형으로 이루어져 있고, 6개의 개구들(116a, 116b, 116c, 116d, 116e, 116f)이 형성되어 있는 본체(116), 및 본체(116)의 중심부에 형성되어 있으며, 가스의 내압에 의해 파열되는 파단부(117)를 포함한다.
도 3을 도 2와 함께 참조하면, 전기절연성 소재의 접착제(114)는 전류차단부재(115)의 안전벤트(113)에 대한 전기 절연성을 담보하고, 안전벤트(113)와의 상호 결합 관계를 공고히 유지하기 위해 전류차단부재(115)의 외주변 상면 부위에 접착제로서 도포되어 있다.
도 4를 참조하면, 전류차단부재(215)는 평면상으로 원형으로 이루어져 있고, 3개의 개구(216a, 216b, 216c)가 형성되어 있는 본체(216), 및 본체(216)의 중심부에 형성되어 있으며, 가스의 내압에 의해 파열되는 파단부(217)를 포함한다.
전류차단부재(215)의 본체(216)의 중심부에는 안전벤트의 하단부에 연결되는 상향 돌출된 구조의 파단부(217)가 형성되어 있고, 상기 파단부(217)를 중심으로 하는 동심원상에서 3개의 관통홀(218a, 218b, 218c)들이 형성되어 있다.
개구들(216a, 216b, 216c)은 그것의 전체 면적이 전류차단부재(215)의 면적 대비 30%의 크기로 형성되어 있는 바, 전지 내부의 고압 가스의 배출량을 높일 수 있어 신뢰성 있는 전류차단 효과를 발휘할 수 있다. 개구들(216a, 216b, 216c)의 상호 간에는 대략 120도의 각도를 이루며 이격되어 있으며, 각각의 개구들(216a, 216b, 216c)의 형상 및 크기는 동일하게 형성되어 있으며, 개구들(216a, 216b, 216c) 사이의 간격 역시 동일하게 이루어져 있다. 따라서 이러한 구조 하에서 전류차단부재(215)는 가스 배출량을 최대화하면서도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다.
도 5에는 전기 절연성의 기능을 수행하는 접착제가 도 3의 전류차단부재의 외주변의 상면 부위에 도포되어 있는 모식도가 도시되어 있다.
도 2, 도 3 및 도 5를 함께 참조하면, 전류차단부재(115)의 외주변 상면에는 전기 절연성 기능을 수행하는 접착제(114)가 도포되어 있으며, 접착제(114)는 전류차단부재(115)의 본체(116)에 형성된 개구들(116a, 116b, 116c, 116d, 116e, 116f)을 덮지 않도록 도포된다.
<실험예 1>
낙하에 의한 전류차단부재의 분리 테스트
전류차단부재를 절연시키기 위한 부재로서, 도 2와 같이 안전벤트와 전류차단부재가 접하고 있는 계면 부위에, UV 경화성 물질이 도포된 상태로 자외선의 조사에 의해 경화되어 양 부재가 상호 결합되어 있는 구조 및 수성 접착제가 도포된 상태로 건조 방식에 의해 경화되어 양 부재가 상호 결합되어 있는 구조의 캡 어셈블리를 각각 제조하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
우레탄 소재로 이루어진 지면으로부터 1.2 m의 이격된 높이에서 상기와 같은 구조로 이루어진 캡 어셈블리가 장착된 원통형 이차전지를 강도를 변화시키며 낙하시키는 전류차단부재의 분리 테스트를 수행하였다.
<비교예 1>
전류차단부재를 절연시키기 위한 부재로서, 안전벤트와 전류차단부재 사이에 CID 가스켓을 개재한 구조의 캡 어셈블리를 제조하여 상기 실험예 1과 동일한 테스트를 수행하였다.
그리고, 실험예 1 및 비교예 1의 실험 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
절연부재낙하 강도 CID 가스켓 UV 경화성 물질의 경화 수성 접착제의경화
10 분리되지 않음 분리되지 않음 분리되지 않음
20 분리되지 않음 분리되지 않음 분리되지 않음
30 분리 분리되지 않음 분리되지 않음
40 분리 분리되지 않음 분리되지 않음
50 분리 분리되지 않음 분리되지 않음
(낙하 강도의 단위: N??s)
표 1을 참조하면, 절연부재로서 접착성분이 없는 종래의 CID 가스켓을 사용한 구조는 낙하 실험의 강도가 30 이상인 지점에서 전류차단부재와 CID 가스켓의 분리가 발생하는 반면, UV 경화성 물질 및 수성 접착제를 사용하여 경화시킨 경우에는 분리가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
진동에 의한 전류차단부재의 분리 테스트
전류차단부재를 고정하기 위한 부재로서, 도 2와 같이 안전벤트와 전류차단부재가 접하고 있는 계면 부위에, UV 경화성 물질이 도포된 상태로 자외선의 조사에 의해 경화되어 양 부재가 상호 결합되어 있는 구조 및 수성 접착제가 도포된 상태로 건조 방식에 의해 경화되어 양 부재가 상호 결합되어 있는 구조의 캡 어셈블리를 각각 제조하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
구동 회전수가 66 Rpm 인 조건 하에서 회전하는 드럼통 내부에 상기와 같은 구조로 이루어진 캡 어셈블리가 장착된 원통형 이차전지를 삽입한 후, 전류차단부재의 분리 테스트를 수행하였다.
<비교예 2>
전류차단부재를 고정하기 위한 부재로서, 안전벤트와 전류차단부재 사이에 CID 가스켓을 개재한 구조의 캡 어셈블리를 제조하여 상기 실험예 2와 동일한 테스트를 수행하였다.
그리고, 실험예 2 및 비교예 2의 실험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
고정부재진동시간 CID 가스켓 UV 경화성 물질의 경화 수성 접착제의경화
15 분 분리되지 않음 분리되지 않음 분리되지 않음
20 분 분리되지 않음 분리되지 않음 분리되지 않음
25 분 분리되지 않음 분리되지 않음 분리되지 않음
30 분 분리 분리되지 않음 분리되지 않음
45 분 분리 분리되지 않음 분리되지 않음
60 분 분리 분리되지 않음 분리되지 않음
표 2를 참조하면, 절연부재로서 접착성분이 없는 종래의 CID 가스켓을 사용한 구조는 드럼통 내부에서 진동하는 시간이 30 분을 경과하는 시점에서 전류차단부재와 CID 가스켓의 분리가 발생하는 반면, UV 경화성 물질 및 수성 접착제를 사용하여 경화시킨 경우에는 분리가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
이상 본 발명의 실험예 및 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 이차전지용 캡 어셈블리는, 안전벤트와 전류차단부재가 접하는 계면 부위에 전기절연성 소재의 접착제, 예를 들어, UV 경화성 물질 또는 수성 접착제를 도포한 후, 이를 경화시켜 양 금속 부재들 간의 공고한 결합 상태를 형성할 수 있고, 이를 통해 전류차단부재의 안전벤트에 대한 전기적 절연 상태를 안정적으로 유지하여 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 원통형 이차전지용 전지캔의 상단에 탑재되는 캡 어셈블리로서,
    최상단에 외향 돌출 구조로 양극 단자를 형성하는 탑 캡(top cap);
    탑 캡의 하단부에서 안전소자를 경유하여 탑 캡과 전기적으로 연결되고, 가스를 배출하는 안전벤트; 및
    상면의 일부가 상기 안전벤트에 연결되어 있고, 하면의 일부가 전극조립체의 전극리드에 연결된 상태로, 전지 내부에 고압 발생시 전류의 흐름을 차단하는 전류차단부재(Current Interrupt Device);
    를 포함하고 있고,
    상기 안전벤트와 전류차단부재가 접하는 계면 부위는 전기절연성 소재로 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기절연성 소재는 접착제 또는 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 접착제는 UV 경화성 물질이고, 자외선(ultraviolet ray)의 조사에 의해 경화되어 안전벤트와 전류차단부재의 계면 부위를 상호 결합시키는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 접착제는 수성 접착제이고, 건조 방식에 의해 경화되어 안전벤트와 전류차단부재의 계면 부위를 상호 결합시키는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 UV 경화성 물질은 친수성 기(hydrophilic function group)를 가진 물질인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 UV 경화성 물질은 불포화 폴리에스테르계 수지 또는 폴리아크릴레이트계 수지인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 수성 접착제는 온도가 0도 이상 내지 500도 이하인 범위의 열풍에 의해 건조되는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전류차단부재는,
    평면상으로 원형 구조로 이루어져 있고, 복수 개의 개구가 형성되어 있는 본체; 및
    상기 본체의 중심부에 형성되어 있고, 안전 벤트의 하단에 결합되어 있으며, 전지캔 내부의 상승한 가스 압력에 의해 파열되는 파단부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    전기절연성 소재는 상기 전류차단부재의 외주변 상면 부위에 도포된 상태로 안전벤트의 외주변 하면 부위에 결합되어 있고;
    전지캔 내부의 가스 압력의 상승시, 상기 안전벤트의 중심 부위가 상향 변형되면서 파단부가 파열되어 전류를 차단하며;
    상기 전기절연성 소재에 의해 전류차단부재의 외주변은 안전벤트의 외주변에 대해 정위치 고정 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 탑 캡, 안전소자 및 안전벤트가 전지캔 내면에 대해 절연되도록 이들의 외주 부위를 동시에 감싸는 밀봉 가스켓을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 밀봉 가스켓과 탑 캡 및 안전벤트가 접촉하고 있는 계면 부위에 전기절연성 소재가 추가로 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트에는 복수 개의 노치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  13. 제 1 항에 따른 캡 어셈블리를 포함하는 원통형 이차전지로서,
    양극, 분리막, 음극이 순차적으로 적층된 상태로 권취된 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 원통형 전지캔에 내장되어 있고, 전지캔의 상단에 캡 어셈블리가 탑재되어 밀봉 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
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