WO2019054765A1 - 비딩부가 생략된 원통형 전지셀 - Google Patents

비딩부가 생략된 원통형 전지셀 Download PDF

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WO2019054765A1
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washer
battery case
gasket
outer periphery
cap assembly
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신항수
김도균
정상석
이병국
이병구
민건우
김찬배
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a cylindrical battery cell in which a beading portion is omitted, and more particularly, to a cylindrical battery case that does not include a bead portion, a jelly-roll type electrode assembly is housed in the cylindrical battery case, And a gasket surrounding a portion of the outer periphery of the vent is coupled to a washer for fixing the cap assembly.
  • the present invention is also directed to a battery cell having increased capacity corresponding to omission of the beading portion.
  • Rechargeable secondary batteries are widely used as energy sources for wireless mobile devices.
  • the secondary battery is attracting attention as an energy source for electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like, which is proposed as a solution for air pollution in existing gasoline vehicles and diesel vehicles using fossil fuels. Therefore, the types of applications using secondary batteries are diversifying due to the advantages of secondary batteries, and it is expected that secondary batteries will be applied to many fields and products in the future.
  • a secondary battery includes a cylindrical battery and a prismatic battery in which an electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can according to the shape of a battery case, and a pouch type battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch- , And an electrode assembly embedded in the battery case is a power generation device that includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator structure sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and is capable of charging and discharging.
  • the electrode assembly includes a long sheet-like positive electrode coated with an active material, A jelly-roll type which is wound with a separator interposed therebetween, and a stacked type in which a separator is interposed between a plurality of positive electrodes and a negative electrode of a predetermined size, which are sequentially stacked.
  • the jelly-roll type electrode assembly has an advantage of being easy to manufacture and having a high energy density per weight.
  • FIG. 1 schematically shows a vertical sectional view of the upper end portion of a cylindrical battery cell having a general beading portion.
  • a cylindrical battery 100 includes a jelly-roll type electrode assembly 130 housed in a housing part of a cylindrical can 101, and an electrode assembly 130 housed in a cylindrical can 101,
  • the cap assembly 110 is mounted on the open upper end of the cylindrical can.
  • the cap assembly 110 is connected to the positive electrode tab 131 and includes an upper cap 102 and an inner pressure drop 102 in a sealing gasket 105 mounted on the inner surface of the upper portion of the crimping portion and the beading portion 120 of the cylindrical can, And the upper end cap 102 protrudes upward to serve as a positive terminal by connection with an external circuit, and the gas inside the can flows along the periphery of the protrusion A plurality of through-holes which can be discharged are formed.
  • the can is reduced in height and the capacity is decreased.
  • the can height or diameter is changed during the beading process, the beading condition must be changed, there is a problem.
  • Patent Document 1 discloses a cylindrical battery cell in which a beading portion is omitted, but the outer periphery of the cap assembly is welded to the battery can after the cap assembly is inserted into the cylindrical can in a tight fitting manner There is a high risk of damaging the cap assembly or the battery can during the assembling process of the cap assembly.
  • Patent Document 2 discloses a cylindrical battery cell in which a beading portion is omitted, but a battery cell in which a protruding portion or a supporting structure is formed on the inner surface of a cylindrical can to fix the cap assembly is disclosed. In order to secure insulation between the battery case and the cap assembly The structure for increasing the capacity by changing the structure of the gasket is not recognized at all.
  • Patent Document 0001 Korean Patent Laid-Open Publication No. 2016-00885858
  • Patent Document 0002 Korean Published Patent Application No. 2007-0080866
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the related art and the technical problems required from the past, and it is an object of the present invention to provide a jelly-roll type electrode assembly that is housed in a cylindrical battery case not including a bead,
  • the gasket has a structure that surrounds the outer periphery of the safety vent and a bottom surface of the safety vent, and the gasket is coupled to a washer for fixing the cap assembly.
  • the jelly-roll type electrode assembly The space inside the cylindrical battery case that can be stored can be increased.
  • a cylindrical battery case not including a beading portion
  • a cap assembly positioned at an open upper end of the cylindrical battery case
  • a gasket mounted in a structure that surrounds the outer periphery of the safety vent and a part of the bottom surface to insulate insulation between the cap assembly and the cylindrical battery case;
  • the cap assembly includes a safety vent for discharging the gas while rupturing the internal pressure of the battery, a cap plate mounted on the safety vent and having a through hole for discharging gas, And a current blocking member for disconnecting the current when the internal pressure of the battery rises,
  • the gasket may be structured to be coupled with a washer that is positioned on an open upper peripheral portion of the battery case and fixes the cap assembly.
  • a cylindrical battery cell has a CID (Current Interruptive Device) for interrupting the current during abnormal operation of the battery and for relieving the internal pressure, and a PTC Element) is bonded to the open upper end of the cylindrical can to secure the safety of the cylindrical battery cell.
  • CID Current Interruptive Device
  • PTC Element PTC Element
  • a bead portion is formed by inserting an upper end portion of the cylindrical can inward by a predetermined width and then mounting a top cap thereon and folding the outer circumferential face of the cylindrical can to surround the outer circumferential face of the cylindrical can,
  • the coupling of the top cap by the part is achieved by the plastic deformation of the metal which is the material of the cylindrical can and the high mechanical strength, so that the stable coupling state can be maintained.
  • the cap assembly When the washer and the cap assembly, which are located on the open upper surface of the cylindrical battery case, are coupled to each other as in the present invention, the cap assembly is fixed in a state of being attached to the washer. Can be omitted from the battery case.
  • the process for forming the beading portion can be omitted.
  • the process of adjusting the size of the battery cell for forming the beading portion can be omitted and the cost can be reduced.
  • the gasket used in the present invention has a structure that surrounds the outer periphery of the cap plate, .
  • the height of the jelly-roll type electrode assembly can be increased by the height of the omitted beading portion, it is possible to provide a cylindrical battery cell with increased capacity corresponding to the volume.
  • the gasket may be a structure that is coupled to the washer through a thermoplastic adhesive layer, wherein the thermoplastic adhesive layer is applied to the undersurface of the washer, and the thermoplastic adhesive layer is heated and melted after positioning the gasket, And the washer can be coupled to each other.
  • the thermoplastic adhesive layer is not particularly limited to a material capable of exhibiting an adhesive force without being melted at a normal operating temperature of the battery cell.
  • the thermoplastic adhesive layer may be formed of a material selected from the group consisting of polyurethane (PU), polyethylene (polyethylene) (PE), polypropylene (PP), polyvinyl alcohol (PVA), silicone resin, epoxy resin, polyester resin, isocyanate resin and engineering plastic (Engineering plastic), and the engineering plastic is at least one selected from the group consisting of polyether ether ketone (PEEK), polyketone (PK), fluoropolymer (FP), liquid crystal polymer Liquid crystal polymer (LCP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyphenylene sulfide (PPS), poly (PPT), polyamide (PA), polycyclohexylene dimethylene terephthalate (PCT), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET), polyoxymethylene (POM
  • the present invention does not include a structure for fixing the cap assembly itself in the cylindrical battery case, and the cap assembly may be housed in the battery case in a state of being coupled to the washer together with the gasket.
  • the washer is positioned on the open upper peripheral portion of the cylindrical battery case in a state of being engaged with the cap assembly.
  • the washer must be sized so that it can not move inside the battery case in a fixedly fixed position. However, when the outer diameter of the washer is larger than the outer diameter of the battery case, the size of the upper end of the battery case becomes unnecessarily large.
  • the outer diameter of the washer is preferably the same as the outer diameter of the battery case.
  • the outer diameter of the cap assembly may be smaller than the outer diameter of the washer, and the cap assembly may be coupled with the washer so that the center of the cap assembly is aligned with the center of the washer. And the periphery may extend outwardly from the outer periphery of the cap assembly.
  • the outer circumference of the lower surface of the washer extending outwardly from the outer periphery of the cap assembly may be welded to the upper surface of the outer circumferential portion of the battery case while being positioned to cover the upper surface of the outer circumferential portion of the battery case.
  • the washer is made of the same material as the battery case.
  • the gasket has a first engaging portion for engaging with a lower outer circumferential portion of the current blocking member, a step vertically bent upward at an outer periphery of the first engaging portion, A third engaging portion bent perpendicularly upward from the outer periphery of the second engaging portion and engaged with an outer periphery of the safety vent and an outer periphery of the cap plate; And a fourth engaging portion that is engaged with the washer as an upper outer periphery of the third engaging portion.
  • the gasket may have a structure that surrounds the outer periphery of the safety vent and the outer periphery of the cap plate, while supporting a part of the lower surface of the current blocking member located under the cap plate.
  • the gasket may have a structure that surrounds the outer periphery of the safety vent while supporting a part of the lower surface of the current blocking member.
  • the washer may be coupled to the gasket and the cap assembly.
  • the washer may have an inner diameter that is sized to cover a portion of the outer periphery of the cap plate, for coupling between the washer and the cap assembly.
  • the washer may have a structure in which the gasket and the cap plate are fixed to the washer while engaging with the fourth engaging portion of the gasket and a part of the cap plate.
  • the distance between the electrode assembly and the lower end surface of the cap assembly may be smaller than the height of the stepped portion.
  • the present invention uses a cylindrical battery case in which a beading portion is omitted, the length of the electrode tab that engages with the current blocking member is reduced, and the height of the electrode assembly is increased by the height of the omitted beading portion The distance between the electrode assembly and the bottom surface of the cap assembly is relatively short.
  • the present invention can also provide a battery pack including the pouch type secondary battery.
  • the battery pack may be used as a power source for devices requiring high-temperature safety, long cycle characteristics, and high rate characteristics.
  • devices include a mobile device, a wearable device A power tool powered by an electric motor; An electric vehicle including an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), and the like; An electric motorcycle including an electric bike (E-bike) and an electric scooter (E-scooter); An electric golf cart; And an energy storage system, but the present invention is not limited thereto.
  • FIG. 1 is a vertical sectional view of the upper end of a cylindrical battery cell having a conventional beading portion.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a cap assembly according to one embodiment.
  • FIG. 3 is a vertical sectional view of the upper end of a cylindrical battery cell housing the cap assembly of FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a portion A in Fig.
  • FIG. 2 schematically shows a vertical cross-sectional view of a cap assembly according to one embodiment.
  • the cap assembly 210 includes a safety vent 203 that ruptures when the pressure inside the battery can rises and discharges the gas, a cap plate 202 mounted on the upper portion of the safety vent 203, And a current blocking member 204 attached to the lower end of the battery can 203 to cut off the current when the internal pressure of the battery can rises.
  • the gasket 205 having a structure for surrounding the outer periphery and the bottom surface of the cap assembly 210 is coupled to the washer 211 through the thermoplastic adhesive layer 221 and the thermoplastic adhesive layer 221 is bonded to the outer periphery of the cap assembly 210 from the outer periphery of the washer 211
  • the outer diameter of the washer 211 is larger than the outer diameter of the gasket 205 so that the center point of the washer 211 and the center point of the gasket 205 coincide with each other. .
  • the gasket 205 includes a first engaging portion 205a for engaging with the outer circumference of the lower surface of the current blocking member 204, a step portion 205b bent upward vertically at the outer periphery of the first engaging portion 205a, A second engaging portion 205c that is bent outwardly in parallel to the first engaging portion at an upper portion of the first engaging portion 205b and engages with a lower surface of the safety vent 203, A third engaging portion 205d that is vertically bent upward and is engaged with an outer periphery of the cap plate 202 that surrounds the outer periphery of the safety vent 203, And a fourth engaging portion (205e) coupled with the washer (211).
  • the third engagement portion 205d may be positioned to engage the outer periphery of the safety vent and the outer periphery of the cap plate.
  • Fig. 3 schematically shows a vertical cross-sectional view of a portion of the cap assembly of Fig. 2 housed in a cylindrical battery case
  • Fig. 4 is an enlarged view of a portion A of Fig.
  • the washer 211 is coupled with a portion of the safety vent 203 having a structure that surrounds the fourth engaging portion of the gasket 205 and the cap plate 202 through the thermoplastic adhesive layer 221 And is located on the open upper surface peripheral portion of the cylindrical battery case 201 in the state of FIG.
  • the washer 211 is connected to the fourth engaging portion of the gasket 205 through the thermoplastic adhesive layer 221, Is located on the open top surface outer periphery of the cylindrical battery case 201 in combination with a portion of the plate 202.
  • the outer periphery 211a of the lower surface of the washer 211 on which the thermoplastic adhesive layer 221 is not attached is larger than the outer diameter of the upper surface 201a of the battery case 201 ) By welding.
  • the battery case 201 is not provided with the beading portion 120. Since the size of the electrode assembly 230 can be made larger than the case where the beading portion is provided, The distance between the cap member and the current blocking member located at the lower end of the cap assembly is relatively short and may be smaller than the height of the stepped portion of the gasket.
  • the cylindrical battery cell according to the present invention uses a battery case in which a beading portion is omitted, and a cap assembly and a thermoplastic adhesive layer are formed on the gasket to fix the cap assembly to the battery case
  • a cap assembly and a thermoplastic adhesive layer are formed on the gasket to fix the cap assembly to the battery case
  • the size of the electrode assembly can be increased by the height of the omitted beading portion, thereby providing a high-capacity cylindrical battery cell.
  • thermoplastic adhesive layer 221: thermoplastic adhesive layer
  • the cylindrical battery cell according to the present invention uses a cylindrical battery case that does not include a beading portion and a gasket that does not wrap the upper surface of the cap plate, the inner space of the cylindrical battery case, It is possible to provide a high capacity cylindrical battery cell.

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Abstract

본 발명은 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 상태에서 권취된 형태의 젤리-롤형 전극조립체; 비딩부를 포함하지 않는 원통형 전지케이스; 상기 원통형 전지케이스의 개방 상단에 위치하는 캡 어셈블리; 및 상기 캡 어셈블리와 상기 원통형 전지케이스 간의 절연성을 담보하기 위해 안전벤트의 외주변과 하면 일부를 감싸는 구조로 장착되는 가스켓; 을 포함하고, 상기 캡 어셈블리는, 전지의 내압 상승시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트, 상기 안전벤트의 상부에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있는 캡 플레이트, 및 상기 안전벤트의 하단에 부착되고 전지의 내압 상승시 전류를 단전시키는 전류차단부재를 포함하며, 상기 가스켓은, 전지케이스의 개방된 상면 외주부 상에 위치하면서 캡 어셈블리를 고정하는 와셔와 결합되는 원통형 전지셀에 대한 것이다.

Description

비딩부가 생략된 원통형 전지셀
본 출원은 2017년 9월 13일자 한국 특허 출원 제2017-0117208호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 비딩부가 생략된 원통형 전지셀에 대한 것으로서, 상세하게는, 비딩부를 포함하지 않는 원통형 전지케이스에 젤리-롤형 전극조립체가 수납되고, 상기 원통형 전지케이스와 캡 어셈블리 간의 절연성을 담보하기 위하여 안전벤트의 외주변과 하면 일부를 감싸는 가스켓이 상기 캡 어셈블리를 고정하는 와셔와 결합되는 구조로 이루어지는 바, 상기 비딩부의 생략과 대응되는 만큼 용량이 증가한 전지셀에 대한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
일반적으로, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류되며, 전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어져 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형 및 소정 크기의 다수의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
도 1은 일반적인 비딩부가 형성된 원통형 전지셀 상단부의 수직 단면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 원통형 전지(100)는 젤리-롤형 전극조립체(130)를 원통형 캔(101)의 수납부에 수납하고, 원통형 캔(101) 내에 전극조립체(130)가 완전히 침지되도록 수납부에 전해액을 주입한 후에, 원통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리(110)를 탑재하여 제작한다.
캡 어셈블리(110)는 양극 탭(131)과 접속되며, 원통형 캔의 클림핑부와 비딩부(120)의 상부 내면에 장착되는 기밀유지용 가스켓(105) 내부에 상단 캡(102)과 내부 압력 강하용 안전벤트(103)가 밀착되는 구조로 이루어져 있고, 상단 캡(102)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행하고, 돌출부 주변을 따라 캔 내부의 가스가 배출될 수 있는 관통구가 다수 개 형성되어 있다.
그러나, 원통형 캔에 비딩부를 형성하게 되면 캔의 높이가 작아져 용량이 감소하게 되며, 비딩 공정 시에 캔의 높이 또는 지름이 변경되면 비딩 조건을 변경해야 하므로 이로 인해 생산성이 저하되고 비용이 증가하는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 특허문헌 1은 비딩부가 생략된 원통형 전지셀을 개시하나, 캡 어셈블리를 원통형 캔에 억지 끼움 방식으로 삽입된 후 캡 어셈블리의 외주변이 전지 캔에 용접되는 구조인 바 캡 어셈블리의 조립 과정에서 캡 어셈블리 내지 전지 캔이 손상될 위험이 높은 문제가 있다.
특허문헌 2는 비딩부가 생략된 원통형 전지셀을 개시하나, 캡 어셈블리를 고정하기 위하여 원통형 캔의 내면에 돌출부 내지 지지 구조가 형성된 전지셀을 개시하는 바, 전지케이스와 캡 어셈블리의 절연성을 확보하기 위한 가스켓의 구조 변경을 통하여 용량을 증가시키는 구조에 대해서는 전혀 인식하지 못하고 있다.
이와 같이, 원통형 전지셀의 용량을 증가시키기 위하여 젤리-롤형 전극조립체가 수납되는 원통형 캔 내부에서 사공간을 최소화 하고, 캡 어셈블리가 손상되지 않고 전지케이스와 결합될 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
- 선행기술문헌
(특허문헌 0001) 한국 공개특허공보 제 2016-00885858 호
(특허문헌 0002) 한국 공개특허공보 제 2007-0080866 호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 젤리-롤형 전극조립체가 비딩부를 포함하지 않는 원통형 전지케이스에 수납되고, 캡 어셈블리와 원통형 전지케이스 간의 절연성을 담보하기 위한 가스켓이 안전벤트의 외주변과 하면 일부를 감싸는 구조로 이루어지고, 상기 가스켓은 상기 캡 어셈블리를 고정하는 와셔와 결합되는 구조로 이루어지는 바, 비딩부가 생략된 부분만큼 젤리-롤형 전극조립체를 수납할 수 있는 원통형 전지케이스 내부의 공간이 증가될 수 있다.
따라서, 전극조립체 수납부의 크기가 증가되는 만큼 용량이 증가된 원통형 전지셀을 제공할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원통형 전지셀은,
양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 상태에서 권취된 형태의 젤리-롤형 전극조립체;
비딩부를 포함하지 않는 원통형 전지케이스;
상기 원통형 전지케이스의 개방 상단에 위치하는 캡 어셈블리; 및
상기 캡 어셈블리와 상기 원통형 전지케이스 간의 절연성을 담보하기 위해 안전벤트의 외주변과 하면 일부를 감싸는 구조로 장착되는 가스켓;
을 포함하고,
상기 캡 어셈블리는, 전지의 내압 상승시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트, 상기 안전벤트의 상부에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있는 캡 플레이트, 및 상기 안전벤트의 하단에 부착되고 전지의 내압 상승시 전류를 단전시키는 전류차단부재를 포함하며,
상기 가스켓은, 전지케이스의 개방된 상면 외주부 상에 위치하면서 캡 어셈블리를 고정하는 와셔와 결합되는 구조로 이루어질 수 있다.
일반적으로, 원통형 전지셀은 전지의 비정상적인 작동시 전류를 차단하고 내압을 해소하기 위한 CID(Current Interruptive Device) 및 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(Positive Temperature coefficient Element) 등을 포함하는 탑 캡이 원통형 캔의 개방 상단에 결합하여 원통형 전지셀의 안전성을 확보하고 있다.
상기 원통형 캔에 대한 탑 캡의 결합을 위하여, 원통형 캔의 상단 부위를 소정의 폭만큼 내측으로 만입한 후 그 위에 탑 캡을 탑재하고 다시 탑 캡의 외주면을 감싸도록 절곡한 비딩부를 형성하는데, 비딩부에 의한 탑 캡의 결합은 원통형 캔의 소재인 금속의 소성 변형과 높은 기계적 강도에 의해 달성되므로, 안정적인 결합 상태를 유지할 수 있다.
그러나, 상기 비딩부로 인해 전지케이스의 내부 공간이 좁아지게 되는 바, 전지의 용량이 축소되는 문제가 발생한다.
이에, 본 발명과 같이, 원통형 전지케이스의 개방 상면 상에 위치하는 와셔와 캡 어셈블리가 결합되는 구조로 이루어지는 경우, 상기 와셔에 부착된 상태로 캡 어셈블리의 고정이 이루어지는 바, 상기 캡 어셈블리의 고정을 위한 비딩부를 전지케이스에서 생략할 수 있다.
이와 같이, 비딩부가 생략된 전지케이스를 사용하기 때문에 비딩부의 형성을 위한 과정을 생략할 수 있으므로, 비딩부의 형성을 위해 전지셀의 크기를 조정하는 과정을 생략하고 비용을 절감할 수 있다.
또한, 비딩부의 형성 과정이 생략되기 때문에 캡 플레이트의 상면 일부를 감싸는 구조의 가스켓이 불필요한 바, 본 발명에서 사용되는 가스켓은 캡 플레이트의 외주변 내지 안전벤트의 외주변과 하면 일부를 감싸는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 생략된 비딩부의 높이만큼 젤리-롤형 전극조립체의 높이를 증가시킬 수 있으므로, 해당 부피에 대응되는 만큼 용량이 증가된 원통형 전지셀을 제공할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가스켓은 열가소성 접착층을 통해 상기 와셔와 결합되는 구조일 수 있는 바, 상기 와셔의 하면에 상기 열가소성 접착층을 부가하고 상기 가스켓을 위치시킨 후 열가소성 접착층을 가열 용융시킴으로써, 상기 가스켓과 와셔가 서로 결합될 수 있다.
상기 열가소성 접착층은, 전지셀의 정상적인 사용 온도에서는 용융되지 않으면서, 접착력을 발휘할 수 있는 소재로만 특별히 한정되지 않는 바, 예를 들어, 상기 열가소성 접착층은 폴리우레탄(Polyurethane, PU), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 실리콘(Silicon)계 수지, 에폭시(epoxy)계 수지, 폴리에스터(Polyester), 이소시아네이트(isocyanate)계 수지 및 엔지니어링 플라스틱(Engineering plastic)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며, 상기 엔지니어링 플라스틱은 폴리에테르 에테르 케톤(Polyether ether ketone, PEEK), 폴리케톤(Polyketone, PK), 플루오르폴리머(fluoropolymer, FP), 액정 폴리머(Liquid crystal polymer, LCP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluororide, PVDF), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide, PPS), 폴리프탈아미드(Polyphthalamide, PPA), 폴리아미드(Polyamide, PA), 폴리사이클로헥실렌 디메틸렌 테레프탈레이트(Polycyclohexylene dimethylene terephthalate, PCT), 폴리부틸렌 텔레프탈레이트(polybutylene terephtalate, PBT), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene, POM), 변성 폴리프로필렌(PP-modified), 초고분자 폴리에틸렌(Ultra high molecular weight Polyethylene , PE-UHMW), 고밀도 폴리에틸렌(High-density polyethylene, PE-HD) 또는 저밀도 폴리에틸렌(Low-density polyethylene, PE-LD)일 수 있다.
본 발명은 상기 캡 어셈블리 자체를 원통형 전지케이스 내에 고정하기 위한 구조를 포함하지 않는 바, 상기 캡 어셈블리는 가스켓과 함께 와셔에 결합된 상태에서 전지케이스에 수납될 수 있다.
상기 와셔는 캡 어셈블리와 결합된 상태에서 원통형 전지케이스의 개방된 상면 외주부 상에 위치하는 바, 상기 와셔는 정위치 고정된 상태에서 전지케이스 내측으로 이동할 수 없는 크기로 이루어져야 한다. 다만, 상기 와셔의 외경이 전지케이스의 외경보다 큰 경우에는 전지케이스의 상단부의 크기가 불필요하게 커지는 문제가 있는 바, 상기 와셔의 외경은 상기 전지케이스의 외경과 동일한 크기로 이루어지는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 캡 어셈블리의 외경은 상기 와셔의 외경보다 작은 크기로 이루어지고, 상기 캡 어셈블리의 중심과 상기 와셔의 중심이 일치되도록 상기 캡 어셈블리와 와셔가 결합될 수 있는 바, 상기 와셔의 외주변은 상기 캡 어셈블리의 외주변 보다 외측으로 연장된 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 캡 어셈블리의 외주변 보다 외측으로 연장된 와셔의 하면 외주변은 전지케이스의 외주부 상면에 걸쳐지도록 위치한 상태에서 상기 전지케이스의 외주부 상면과 용접에 의해 결합될 수 있다.
이와 같이, 상기 전지케이스와 와셔 간의 용접력을 향상시키기 위하여, 상기 와셔는 전지케이스와 동일한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 가스켓은, 상기 전류 차단 부재의 하면 외주부와 결합하는 제 1 결합부, 상기 제 1 결합부의 외주변에서 수직으로 상향 절곡된 단차부, 상기 단차부 상부에서 상기 제 1 결합부와 평행하도록 외측으로 절곡되고 상기 안전벤트의 하면과 결합되는 제 2 결합부, 상기 제 2 결합부의 외주변에서 수직으로 상향 절곡되며 상기 안전벤트의 외주변 및 캡 플레이트의 외주변과 결합되는 제 3 결합부, 및 상기 제 3 결합부의 상부 외주변으로서 상기 와셔와 결합되는 제 4 결합부를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 가스켓은 캡 플레이트의 하부에 위치하는 전류 차단 부재의 하면 일부를 지지하면서, 안전벤트의 외주변 및 캡 플레이트의 외주변을 둘러싸는 구조로 이루어질 수 있다. 또는, 안전벤트가 캡 플레이트의 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 경우에는, 상기 가스켓은 전류 차단 부재의 하면 일부를 지지면서 안전벤트의 외주변을 둘러싸는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 와셔는, 상기 가스켓 및 캡 어셈블리와 결합되는 바, 상기 와셔와 캡 어셈블리 간의 결합을 위하여 상기 와셔는 상기 캡 플레이트의 외주변 일부를 덮는 크기의 내경을 갖는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 와셔는 상기 가스켓의 제 4 결합부 및 캡 플레이트의 일부와 결합하면서, 상기 가스켓 및 캡 플레이트가 와셔에 고정되는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체와 캡 어셈블리 하단면의 이격 거리는 상기 단차부의 높이보다 작은 크기로 이루어질 수 있다.
본 발명은 비딩부가 생략된 원통형 전지케이스를 사용하기 때문에, 비딩부가 존재하는 경우와 비교할 때, 전류 차단 부재와 결합하는 전극 탭의 길이가 줄어들게 되고, 생략된 비딩부의 높이만큼 전극조립체의 높이를 증가시킬 수 있는 바, 상기 전극조립체와 캡 어셈블리 하단면 간의 이격 거리가 상대적으로 짧아지게 된다.
본 발명은 또한, 상기 파우치형 이차전지를 포함하는 전지팩을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 전지팩은 고온 안전성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 디바이스의 상세한 예로는, 모바일 전자기기(mobile device), 웨어러블 전자기기(wearable device), 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래의 비딩부가 형성된 원통형 전지셀 상단부의 수직 단면도이다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리의 수직 단면도이다.
도 3은 도 2의 캡 어셈블리를 수납하는 원통형 전지셀 상단부의 수직 단면도이다.
도 4는 도 3의 A부분의 확대도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리의 수직 단면도를 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 캡 어셈블리(210)는 전지 캔 내부의 압력 상승시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트(203), 안전벤트(203)의 상부에 탑재되는 캡 플레이트(202) 및 안전벤트(203)의 하단에 부착되고 전지 캔의 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재(204)를 포함한다.
캡 어셈블리(210)의 외주변과 하면 일부를 감싸는 구조의 가스켓(205)은 열가소성 접착층(221)을 통해 와셔(211)와 결합되어 있고, 열가소성 접착층(221)은 와셔(211)의 외주변으로부터 일정 거리(D)만큼 내측으로 이격된 부분에 부가되어 있는 바, 와셔(211)의 외경은 가스켓(205)의 외경보다 크고, 와셔(211)의 중심점과 가스켓(205)의 중심점이 일치하도록 결합되어 있다.
가스켓(205)은 전류 차단 부재(204)의 하면 외주부와 결합하는 제 1 결합부(205a), 상기 제 1 결합부(205a)의 외주변에서 수직으로 상향 절곡된 단차부(205b), 상기 단차부(205b)의 상부에서 상기 제 1 결합부와 평행하도록 외측으로 절곡되고 상기 안전벤트(203)의 하면과 결합되는 제 2 결합부(205c), 상기 제 2 결합부(205c)의 외주변에서 수직으로 상향 절곡되며 상기 안전벤트(203)의 외주변을 감싸는 캡 플레이트(202)의 외주변과 결합되는 제 3 결합부(205d), 및 상기 제 3 결합부(205d)의 상부 외주변으로서 상기 와셔(211)와 결합되는 제 4 결합부((205e)를 포함하는 구조로 이루어진다.
또는, 안전벤트가 캡 플레이트의 외주변을 감싸는 구조가 아닌 경우에는, 제 3 결합부(205d)는 안전벤트의 외주변 및 캡 플레이트의 외주변과 결합되도록 위치할 수 있다.
도 3은 도 2의 캡 어셈블리가 원통형 전지케이스에 수납된 상태의 일부분의 수직 단면도를 모식적으로 도시하고 있으며, 도 4는 도 3의 A 부분의 확대도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 와셔(211)는 열가소성 접착층(221)을 통해 가스켓(205)의 제 4 결합부 및 캡 플레이트(202)를 감싸는 구조의 안전벤트(203)의 일부분과 결합된 상태로 원통형 전지케이스(201)의 개방된 상면 외주부 상에 위치한다.
또는, 도 3과 달리, 안전벤트(203)가 캡 플레이트(202)를 둘러싸는 구조가 아닌 경우에는, 와셔(211)는 열가소성 접착층(221)을 통해 가스켓(205)의 제 4 결합부 및 캡 플레이트(202)의 일부분과 결합된 상태로 원통형 전지케이스(201)의 개방된 상면 외주부상에 위치한다.
와셔(211)의 외경은 전지케이스(201)의 외경과 동일하고, 와셔(211)에서 열가소성 접착층(221)이 부가되지 않은 하면의 외주변(211a)은 전지케이스(201)의 외주부 상면(201a)과 용접에 의해 결합된다.
전지케이스(201)는 전지케이스(101)와 달리 비딩부(120)가 형성되지 않은 구조인 바, 전극조립체(230)의 크기를 비딩부가 있는 경우에 비하여 더 크게 형성할 수 있으므로, 전극조립체와 캡 어셈블리의 하단에 위치하는 전류차단부재와의 이격 거리가 상대적으로 짧아지게 되고, 가스켓(205)의 단차부의 높이보다 작게 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 원통형 전지셀은 비딩부가 생략된 전지케이스를 사용하고, 캡 어셈블리의 고정을 위하여 캡 어셈블리와 가스켓 상에 열가소성 접착층을 개재하여 와셔와 결합하여 캡 어셈블리를 전지케이스와 고정하는 구조로 이루어지는 바, 생략된 비딩부의 높이만큼 전극조립체의 크기를 증가시킬 수 있으므로, 고용량의 원통형 전지셀을 제공할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
- 부호의 설명
100, 200 : 원통형 전지셀
101, 201 : 원통형 전지케이스
102, 202 : 탑 플레이트
103, 203 : 안전벤트
104, 204 : 전류차단부재
105, 205 : 가스켓
205a : 가스켓의 제 1 결합부
205b : 가스켓의 단차부
205c : 가스켓의 제 2 결합부
205d : 가스켓의 제 3 결합부
205e : 가스켓의 제 4 결합부
110, 210 : 캡 어셈블리
130, 230 : 전극조립체
131 : 양극 탭
201a : 전지케이스의 외주부 상면
211 : 와셔
211a : 와서의 하면 외주변
221 : 열가소성 접착층
D : 와셔의 외주변과 열가소성 접착층 외주변 간의 거리
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 전지셀은, 비딩부를 포함하지 않는 원통형 전지케이스 및 캡 플레이트의 상면을 감싸지 않는 구조의 가스켓을 사용하기 때문에 전극조립체가 수납될 수 있는 원통형 전지케이스 내부 공간이 증가될 수 있는 바, 고용량의 원통형 전지셀을 제공할 수 있다.
또한, 비딩부를 형성하는 과정이 불필요하기 때문에 비딩부 생산 과정에 따른 생산성 저하 및 비용 증가의 문제를 방지할 수 있다.

Claims (12)

  1. 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 상태에서 권취된 형태의 젤리-롤형 전극조립체;
    비딩부를 포함하지 않는 원통형 전지케이스;
    상기 원통형 전지케이스의 개방 상단에 위치하는 캡 어셈블리; 및
    상기 캡 어셈블리와 상기 원통형 전지케이스 간의 절연성을 담보하기 위해 안전벤트의 외주변과 하면 일부를 감싸는 구조로 장착되는 가스켓;
    을 포함하고,
    상기 캡 어셈블리는, 전지의 내압 상승시 파열되면서 가스를 배출하는 안전벤트, 상기 안전벤트의 상부에 탑재되고, 가스 배출을 위한 관통구가 형성되어 있는 캡 플레이트, 및 상기 안전벤트의 하단에 부착되고 전지의 내압 상승시 전류를 단전시키는 전류차단부재를 포함하며,
    상기 가스켓은, 전지케이스의 개방된 상면 외주부 상에 위치하면서 캡 어셈블리를 고정하는 와셔와 결합되는 원통형 전지셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓은 열가소성 접착층을 통해 상기 와셔와 결합되는 원통형 전지셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열가소성 접착층은 폴리우레탄(Polyurethane, PU), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 실리콘(Silicon)계 수지, 에폭시(epoxy)계 수지, 폴리에스터(Polyester), 이소시아네이트(isocyanate)계 수지, 및 엔지니어링 플라스틱(Engineering plastic)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이며,
    상기 엔지니어링 플라스틱은 폴리에테르 에테르 케톤(Polyether ether ketone, PEEK), 폴리케톤(Polyketone, PK), 플루오르폴리머(fluoropolymer, FP), 액정 폴리머(Liquid crystal polymer, LCP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide, PPS), 폴리프탈아미드(Polyphthalamide, PPA), 폴리아미드(Polyamide, PA), 폴리사이클로헥실렌 디메틸렌 테레프탈레이트(Polycyclohexylene dimethylene terephthalate, PCT), 폴리부틸렌 텔레프탈레이트(polybutylene terephtalate, PBT), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene, POM), 변성 폴리프로필렌(PP-modified), 초고분자 폴리에틸렌(Ultra high molecular weight Polyethylene , PE-UHMW), 고밀도 폴리에틸렌(High-density polyethylene, PE-HD) 또는 저밀도 폴리에틸렌(Low-density polyethylene, PE-LD)인 원통형 전지셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는 가스켓과 함께 와셔에 결합된 상태에서 전지케이스에 수납되는 원통형 전지셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 와셔의 외경은 상기 전지케이스의 외경과 동일한 원통형 전지셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 와셔의 하면 외주변은 전지케이스의 외주부 상면과 용접에 의해 결합되는 원통형 전지셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 와셔는 전지케이스와 동일한 소재로 이루어진 원통형 전지셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓은, 상기 전류 차단 부재의 하면 외주부와 결합하는 제 1 결합부, 상기 제 1 결합부의 외주변에서 수직으로 상향 절곡된 단차부, 상기 단차부의 상부에서 상기 제 1 결합부와 평행하도록 외측으로 절곡되고 상기 안전벤트의 하면과 결합되는 제 2 결합부, 상기 제 2 결합부의 외주변에서 수직으로 상향 절곡되며 상기 안전벤트의 외주변 및 캡 플레이트의 외주변과 결합되는 제 3 결합부, 및 상기 제 3 결합부의 상부 외주변으로서 상기 와셔와 결합되는 제 4 결합부를 포함하는 구조로 이루어진 원통형 전지셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 와셔는 상기 캡 플레이트의 외주변 일부를 덮는 크기의 내경을 갖는 원통형 전지셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 와셔는 상기 가스켓의 제 4 결합부 및 캡 플레이트의 일부와 결합하는 원통형 전지셀.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전극조립체와 캡 어셈블리 하단면의 이격 거리는 상기 단차부의 높이보다 작은 원통형 전지셀.
  12. 제1항 내지 제11항에 따른 원통형 전지셀을 포함하는 전지팩.
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