WO2019117343A1 - 원통형 리튬 이온 이차 전지 - Google Patents

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WO2019117343A1
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cylindrical
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김대규
전병민
김신중
고성귀
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삼성에스디아이(주)
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Definitions

  • Various embodiments of the present invention relate to a cylindrical lithium ion secondary battery.
  • Lithium ion secondary batteries are used for power supply of hybrid electric vehicles or electric vehicles as well as portable electronic devices because of their high operating voltage and high energy density per unit weight.
  • Such a lithium ion secondary battery can be classified into a cylindrical type, a rectangular type, and a pouch type secondary battery in the form.
  • the double cylindrical lithium ion secondary battery generally comprises a cylindrical electrode assembly, a cylindrical can having an electrode assembly coupled thereto, an electrolytic solution injected into the can to enable movement of lithium ions, A cap assembly for preventing leakage of the electrolytic solution and preventing the electrode assembly from escaping, and the like.
  • Various embodiments of the present invention allow the current path to be blocked by the cap assembly when the gas pressure inside is greater than a predetermined first reference pressure (operating pressure) and less than a preset second reference pressure (breaking pressure)
  • a predetermined first reference pressure operating pressure
  • a preset second reference pressure breaking pressure
  • the cap assembly when the internal gas pressure is greater than a predetermined second reference pressure (breaking pressure) after the current interruption operation by the cap assembly, the cap assembly is broken (opened) And a cylindrical lithium ion secondary battery capable of discharging the lithium ion secondary battery.
  • Various embodiments of the present invention provide a cylindrical lithium ion secondary battery in which the breaking pressure of the cap assembly can be freely set according to the formation position of the welding area.
  • a cylindrical lithium ion secondary battery includes a cylindrical can; An electrode assembly housed in the cylindrical can; And a cap assembly for sealing the cylindrical can, wherein the cap assembly includes: a top plate having a flat surface and a notch formed thereon; a middle plate coupled to the top plate and having a first through hole at the center; And a bottom plate attached to the middle plate through an insulating plate and connected to the top plate through a first through hole of the middle plate.
  • the top plate includes a flat top surface and a flat bottom surface opposite to the top surface, and the notch may be formed on the bottom surface.
  • the top plate includes a flat upper region positioned on the upper portion of the middle plate, a side region bent from the upper region and located on the side of the middle plate, and a lower region bent from the side region, Region. ≪ / RTI >
  • the notch may be formed outside the region corresponding to the first through-hole of the middle plate.
  • the middle plate may further include a plurality of second through holes formed in the periphery of the first through holes.
  • the top plate when the inner gas pressure of the cylindrical can is larger than a predetermined first pressure and smaller than a predetermined second pressure, the top plate is deformed into a convex shape upward by the inner gas pressure, And can be electrically separated.
  • the internal gas pressure of the cylindrical can is larger than the predetermined second pressure, the internal gas of the cylindrical can can be discharged to the outside while the notch is broken.
  • At least one welding area may be formed between the top plate and the middle plate to set the breaking pressure of the top plate.
  • the breaking pressure of the top plate may be smaller as the position of the welding area is located farther from the edge of the top plate.
  • the cylindrical lithium ion secondary battery according to various embodiments of the present invention is characterized in that when the internal gas pressure is larger than a predetermined first reference pressure (working pressure) and smaller than a preset second reference pressure (breaking pressure) Ensure that the path is blocked but the internal enclosure is maintained.
  • the cap assembly when the internal gas pressure is greater than a predetermined second reference pressure (breaking pressure) after the current interruption operation by the cap assembly, the cap assembly is broken
  • the internal gas can be discharged to the outside without any element.
  • the cylindrical lithium ion secondary battery allows the breaking pressure of the cap assembly to be freely set according to the formation position of the welding region.
  • the top height of the cap assembly is equal to or smaller than the top height of the cylindrical can, thereby realizing a relatively large battery capacity.
  • the cylindrical lithium ion secondary battery includes a cap assembly having a relatively soft pure aluminum or aluminum alloy so that when the internal gas pressure reaches a predetermined reference pressure, So that the safety of the battery can be improved.
  • FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a cross-sectional view illustrating a cylindrical lithium ion secondary battery according to various embodiments of the present invention
  • FIG. 1C is an enlarged sectional view showing only a cap assembly.
  • FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views illustrating operation and breakage of a cap assembly in a cylindrical lithium ion secondary battery according to various embodiments of the present invention.
  • 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a cap assembly in a cylindrical lithium ion secondary battery according to various embodiments of the present invention.
  • FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views and graphs showing the relationship between the breaking pressure / working pressure and the welding area of the cap assembly in a cylindrical lithium ion secondary battery according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 4A and 4B are cross-sectional views and graphs showing the relationship between the breaking pressure / working pressure and the welding area of the cap assembly in a cylindrical lithium ion secondary battery according to various embodiments of the present invention.
  • first, second, etc. are used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or portions, these members, components, regions, layers and / It is obvious that no. These terms are only used to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.
  • FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a cross-sectional view illustrating a cylindrical lithium ion secondary battery 100 according to various embodiments of the present invention
  • FIG. 1C is an enlarged cross-sectional view showing only a cap assembly 140.
  • a cylindrical lithium ion secondary battery 100 includes a cylindrical can 110, an electrode assembly 120, a cap assembly 140, . ≪ / RTI >
  • the cylindrical lithium ion secondary battery 100 may further include a center pin 130, as the case may be.
  • the cap assembly 140 may also be referred to as a current interrupt device (current interrupt device) in some cases because it performs a current cutoff operation.
  • the cylindrical can 110 may include a substantially circular bottom portion 111 and a cylindrical side wall 112 extending a predetermined length upwardly from the periphery of the bottom portion 111. During the manufacturing process of the secondary battery, the upper portion of the cylindrical can 110 is open. Therefore, the electrode assembly 120 and the center pin 130 can be inserted into the cylindrical can 110 together with the electrolyte during the assembly process of the secondary battery.
  • the cylindrical can 110 may be made of, for example, but not limited to, steel, stainless steel, aluminum, an aluminum alloy or its equivalent.
  • the cylindrical can 110 includes a beading part 113 which is embedded in the lower part of the cap assembly 140 around the cap assembly 140 so that the cap assembly 140 is not released to the outside, And may include a crimped crimping part 114.
  • the electrode assembly 120 may be received within the cylindrical can 110.
  • the electrode assembly 120 includes an anode plate 121 coated with a negative electrode active material (for example, graphite, carbon, etc.) on a negative electrode collector plate, a positive electrode active material (e.g., transition metal oxide (LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, etc.)
  • a positive electrode active material e.g., transition metal oxide (LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, etc.
  • the negative electrode plate 121, positive electrode plate 122 and separator 123 can be wound in a substantially cylindrical shape.
  • the negative electrode current collector plate may be made of copper (Cu) foil
  • the positive electrode current collector plate may be made of aluminum (Al) foil
  • the separator may be made of
  • the anode tabs 124 may be welded to the cathode plate 121 by extending a predetermined length to the lower portion of the cathode plate 121 and the cathode tabs 125 may be welded to the anode plate 122 by extending the anode tabs 122 by a predetermined length. It is also possible. Further, for example, although not limited, the negative electrode tab 124 may be formed of copper (Cu) or nickel (Ni), and the positive electrode tab 125 may be formed of aluminum (Al).
  • the negative electrode tab 124 of the electrode assembly 120 can be welded to the bottom 111 of the cylindrical can 110. Therefore, the cylindrical can 110 can operate as a cathode.
  • the anode tabs 125 can be welded to the bottom 111 of the cylindrical can 110, in which case the cylindrical can 110 can act as an anode.
  • the first insulating plate 126 is coupled to the cylindrical can 110 and has a first hole 126a at a center and a second hole 126b at an outer side of the first insulating plate 126.
  • the first insulating plate 126 is connected to the electrode assembly 120, Respectively.
  • the first insulating plate 126 serves to prevent the electrode assembly 120 from being in electrical contact with the bottom 111 of the cylindrical can 110.
  • the first insulating plate 126 serves to prevent the positive electrode plate 122 of the electrode assembly 120 from being electrically contacted to the bottom portion 111.
  • the first hole 126a serves to cause the gas to move rapidly to the upper portion through the center pin 130 when a large amount of gas is generated due to the abnormality of the secondary battery
  • the second hole 126b serves to move the cathode So that the tabs 124 can be penetrated and welded to the bottom portion 111.
  • a second insulating plate 127 coupled to the cylindrical can 110 and having a first hole 127a at the center and a plurality of second holes 127b at an outer side thereof is disposed between the electrode assembly 120 and the cap assembly 140 ).
  • the second insulating plate 127 serves to prevent the electrode assembly 120 from being electrically contacted to the cap assembly 140.
  • the second insulating plate 127 serves to prevent the negative electrode plate 121 of the electrode assembly 120 from electrically contacting the cap assembly 140.
  • the first hole 127a serves to rapidly move the gas to the cap assembly 140 when a large amount of gas is generated due to the abnormality of the secondary battery and the second hole 127b serves to move the cathode tab 125 May be penetrated and welded to the cap assembly 140.
  • the remaining second holes 127b serve to rapidly flow the electrolyte solution into the electrode assembly 120 in the electrolyte injection process.
  • the diameter of the first holes 126a and 127a of the first and second insulating plates 126 and 127 is smaller than the diameter of the center pin 130, So as not to electrically contact the bottom 111 or the cap assembly 140.
  • the center pin 130 is in the form of a circular pipe hollowed out and can be coupled approximately at the center of the electrode assembly 120.
  • the center pin 130 may be made of, for example, but not limited to, steel, stainless steel, aluminum, an aluminum alloy, or polybutylene terephthalate.
  • the center pin 130 serves to suppress the deformation of the electrode assembly 120 during charging and discharging of the battery, and serves as a passage for gas generated inside the secondary battery. Of course, such a center pin 130 may be omitted in some cases.
  • the cap assembly 140 may include a top plate 141, a middle plate 142, an insulating plate 143, and a bottom plate 144.
  • the top plate 141 includes a substantially flat upper surface 141a and a substantially flat lower surface 141b as an opposite surface to the upper surface 141a and further includes at least one notch 141c formed in the lower surface 141b can do.
  • the notch 141c may be, for example, but not limited to, a cross-sectional shape of "A ".
  • the notch 141c may be, for example, but is not limited to, a generally circular, oval, or "C" shape as viewed from the bottom.
  • the notch 141c is broken when the internal gas pressure of the secondary battery is greater than a predetermined reference pressure, thereby rapidly discharging the internal gas of the battery to the outside, thereby securing safety of the battery.
  • the top plate 141 may include an upper region 141d, a side region 141e, and a lower region 141f.
  • the upper region 141d is located at the top of the middle plate 142 and may be approximately flat.
  • the upper region 141d serves as a terminal of the secondary battery 100 and can be electrically connected to an external device (e.g., a load or a charger).
  • the side region 141e may be bent in a substantially downward direction from the upper region 141d to cover the side of the middle plate 142.
  • the lower region 141f may be folded in a substantially inner horizontal direction from the side region 141e and positioned around the lower portion of the middle plate 142.
  • the top plate 141 can be coupled with the middle plate 142 by the upper region 141d, the side region 141e and the lower region 141f.
  • the height of the upper region 141d of the top plate 141 is equal to or smaller than the height of the crimping portion 114 of the circular can 110, so that the inner volume of the cylindrical can 110 can be relatively increased , The capacity of the secondary battery can be increased.
  • the height means the height from the bottom 111 of the cylindrical can 110.
  • the top plate 141 may be formed from, for example, but not limited to, aluminum, an aluminum alloy, and the like, so that an aluminum bus bar, external lead, or external device can easily be connected ).
  • the top plate 141 is made of Al-Cu based alloy 1XXX series, Al-Cu based alloy 2XXX series, Al-Mn based alloy 3XXX series, Al-Si based alloy 4XXX series, Al- A Mg-based alloy 5XXX series, an Al-Mg-Si alloy 6XXX series, and an Al-Zn- (Mg, Cu) alloy 7XXX series.
  • the top plate 141 is made of soft aluminum among the above-mentioned series.
  • a top plate 141 is formed by a 5XXX series (for example, 5052, 5056, 5083, 5454) which is an Al-Mg based alloy excellent in strength, corrosion resistance and weldability as a soft material .
  • 5XXX series for example, 5052, 5056, 5083, 5454
  • Al-Mg based alloy excellent in strength, corrosion resistance and weldability
  • other than the non-heating type alloys 1XXX, 3XXX or 4XXX series can be used as the material of the top plate 141.
  • the top plate 141 may further include a bending region 141g formed in the top region 141d.
  • This bending region 141g may be in the form of a substantially circular ring as viewed from the bottom.
  • the upper region 141d formed on the inner side of the bending region 141g may be relatively higher than the upper region 141d formed on the outer side of the bending region 141g.
  • the notch 141c may be formed in the upper region 141d formed inside the bending region 141g.
  • the middle plate 142 is located at the bottom of the top plate 141, and can assume a substantially flat shape.
  • the middle plate 142 may include a first through hole 142a formed at a substantially central portion thereof.
  • the middle plate 142 may further include a plurality of second through-holes 142b formed in the periphery of the first through-holes 142a.
  • the first through hole 142a allows the bottom plate 144 to be penetrated to be electrically connected to the top plate 141 and also allows the internal gas pressure to be directly applied to the top plate 141.
  • the second through-hole 142b also allows the internal gas pressure to be directly applied to the top plate 141.
  • the notches 141c formed on the lower surface 141b of the top plate 141 may be formed in the same manner as the notches 141c formed in the first through holes 142a and the second through holes 142a of the middle plate 142, And 142b.
  • the middle plate 142 may also include a bending region 142c formed in a region corresponding to the bending region 141g of the top plate 141 described above.
  • the second through-hole 142b may be formed in the bending region 142c.
  • This middle plate 142 may be formed of, for example, but not limited to, aluminum, aluminum alloy, stainless steel, and the like.
  • the insulating plate 143 may include a through hole 143a formed in the lower surface of the middle plate 142 and formed in a region corresponding to the first through hole 142a.
  • the insulating plate 143 may be formed in the form of a circular ring having a constant width when viewed from the bottom.
  • the insulating plate 143 may be formed in a region corresponding to a region between the first through-hole 142a and the second through-hole 142b of the middle plate 142.
  • the insulating plate 143 serves to insulate the middle plate 142 and the bottom plate 144 from each other.
  • the insulating plate 143 is interposed between the middle plate 142 and the bottom plate 144, for example, but not limited thereto, and can be ultrasonically welded.
  • the insulating plate 143 may be made of, for example, but not limited to, polyethylene (PE), polypropylene (PP), ethylene propylene diene monomer (M-class) rubber, or an equivalent thereof. This insulating material does not react with the electrolytic solution, so that the insulating plate 143 is not deformed even though the secondary battery 100 is used for a long time.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • M-class ethylene propylene diene monomer
  • the bottom plate 144 is electrically connected to the top plate 141 through the through hole 143a of the insulating plate 143 and the first through hole 142a of the middle plate 142, Respectively. That is, the bottom plate 144 includes a first region 144a that is connected (welded) to an upper region 141d of the top plate 141, a second region 144b that is bent substantially in a downward direction from the first region 144a, A second region 144b passing through the first through hole 142a of the insulating plate 143 and the through hole 143a of the insulating plate 143 and a second region 144b bending in a substantially outward direction from the second region 144b, And a third region 144c. 1C, reference numeral 144e denotes a welding area for welding the first area 144a of the bottom plate 144 to the lower surface 141b of the upper area 141d of the top plate 141. [
  • the above-described positive electrode tab 125 may be electrically connected to the third area 144c of the bottom plate 144.
  • the third region 144c is spaced apart from the middle plate 143 and further apart from the third region 141f of the top plate 141.
  • the first region 144a of the bottom plate 144 further comprises at least one recess 144d, which is hollow, such that the grab 144d is positioned such that when the internal gas pressure of the cell is greater than a predetermined pressure
  • the top plate 141 is deformed (inverted) in the upward direction convexly so that the first region 144a of the bottom plate 144 is easily separated from the second region 144b.
  • the current path between the top plate 141 and the bottom plate 144 is thus cut off.
  • the bottom plate 144 may be formed from, for example, but not limited to, aluminum, an aluminum alloy, or the like, so that the anode tab of the aluminum material can be easily welded.
  • the cap assembly 140 may further include an insulating gasket 145 for insulating the top plate 141 from the side wall 111 of the cylindrical can 110.
  • the insulating gasket 145 is compressed between the beading portion 113 formed on the side wall 111 of the cylindrical can 110 and the crimping portion 114.
  • the insulating gasket 145 substantially encloses the side region 141e and the peripheral upper region 141d and the lower region 141f of the top plate 141 to seal the inside of the battery.
  • an electrolyte (not shown in the figure) may be injected into the cylindrical can 110, and the lithium ion generated by the electrochemical reaction in the negative electrode plate 121 and the positive electrode plate 122 inside the battery during charging / Thereby making it movable.
  • an electrolytic solution may be a non-aqueous organic electrolytic solution which is a mixture of a lithium salt and a high-purity organic solvent.
  • the electrolytic solution may be a polymer or a solid electrolyte using a polymer electrolyte, and the kind of the electrolytic solution is not limited thereto.
  • the upper end of the cap assembly 140 is equal to or smaller than the upper end of the cylindrical can 110, so that the cylindrical lithium ion secondary battery 100 according to the embodiment of the present invention, Have relatively large capacity.
  • the cylindrical lithium ion secondary battery 100 according to the embodiment of the present invention includes the cap assembly 140 having a relatively soft pure aluminum or aluminum alloy, so that when the internal gas pressure reaches a predetermined reference pressure , The cap assembly 140 is easily broken (opened), and the gas inside is released to the outside, thereby improving the safety of the battery.
  • FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views illustrating the operation and breakage state of the cap assembly 140 among the cylindrical lithium ion secondary batteries 100 according to various embodiments of the present invention.
  • a cylindrical lithium ion secondary battery 100 is configured such that the inner gas pressure of the cylindrical can 110 is greater than a predetermined first pressure (working pressure)
  • the top plate 141 can be electrically separated from the bottom plate 144 while the top plate 141 is deformed (inverted) into a convex shape upward by the internal gas pressure . That is, the first region 144a of the bottom plate 144 is separated from the second region 144b. A portion of the first region 144a is moved upward while being connected to the top plate 141 so that the top plate 141 is moved to the top of the top plate 141. In other words, And the bottom plate 144 is blocked.
  • the battery when the battery is overcharged, the battery is penetrated and / or collapsed to cause a short-circuit inside, or the battery is short-circuited outside, gas is generated by decomposition of the electrolytic solution and / or decomposition of the active material,
  • the internal pressure of the secondary battery is increased.
  • the second pressure breaking pressure
  • This increase in the internal pressure of the secondary battery means that the secondary battery is in an abnormal state. Accordingly, the current (charge current, discharge current, short-circuit current, or overcurrent) path is firstly cut off by the mechanical mechanism described above, The safety of the battery is improved.
  • the cylindrical lithium ion secondary battery 100 when the internal gas pressure of the cylindrical can 110 is greater than a predetermined second pressure (breaking pressure), the cylindrical lithium ion secondary battery 100 according to various embodiments of the present invention may be replaced with a non- The top plate 141 is broken so that the gas inside can be quickly discharged to the outside without any interference. That is, the notch 141c formed on the lower surface 141b of the top plate 141 is broken, so that the gas inside the secondary battery 100 is quickly discharged to the outside. As a result, the explosion of the secondary battery 100 And the safety of the secondary battery 100 is improved.
  • the breaking pressure (or the second pressure) of the top plate 141 can be adjusted by the depth of formation of the notch 141c described above.
  • the depth of the notch 141c may be relatively shallower and the depth of the notch 141c may be relatively increased to relatively reduce the breaking pressure.
  • the gas pressure inside the cylindrical lithium ion secondary battery 100 according to the embodiment of the present invention is larger than a first reference pressure (operating pressure) set in advance and smaller than a preset second reference pressure (breaking pressure) , So that the current path is blocked by the primary cap assembly 140 (or the current interrupting device). Of course, the internal sealing of the battery is maintained at this time. Further, in the cylindrical lithium ion secondary battery 100 according to the embodiment of the present invention, when the internal gas pressure is greater than a predetermined second reference pressure (breaking pressure) after the current interruption operation by the cap assembly 140, The assembly 140 is broken (opened) so that the internal gas can be quickly released to the outside without any interference.
  • the cylindrical lithium ion secondary battery 100 firstly blocks the current path when the internal gas pressure is higher than the first reference pressure, and when the internal gas pressure is higher than the second reference pressure, By allowing the internal gas to be discharged to the outside, the safety operation of the battery is performed in two stages.
  • the breaking pressure of the top plate 141 can be determined by the hinge point formed at the time of operation (inversion) of the top plate 141 in addition to the depth of the notch 141c. That is, when the top plate 141 is reversed, there is a hinge point at which the reversal starts.
  • the hinge point may be a boundary region between the gasket 145 and the top plate 141. That is, the hinge point may be an area corresponding to the end of the gasket 145 in the upper region 141d of the top plate 141.
  • the breaking pressure of the top plate 141 varies depending on the position of the hinge point, which will be described below.
  • 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a cap assembly 140A and 140B in a cylindrical lithium ion secondary battery 100 according to various embodiments of the present invention.
  • the cap assemblies 140A and 140B are used to set (adjust) the breaking pressure of the top plate 141 And may further include at least one welding area 146A, 146B formed between the top plate 141 and the middle plate 142.
  • These welding regions 146A and 146B may be formed by, for example, but not limited to laser welding, resistance welding, ultrasonic welding, or the like.
  • These welding regions 146A and 146B may be, for example, but not limited to, a substantially continuous circular ring shape as viewed from above, or a shape in which the welding regions are arranged in a point shape.
  • the welding regions 146A and 146B may be formed in, for example, a region near the edges of the top plate 141 and the middle plate 142, although not limited thereto. That is, for example, the welding areas 146A and 146B are formed on the top plate 141 and the middle plate 142, which correspond to the second through-hole 142b of the middle plate 142 and the periphery of the middle plate 142, As shown in FIG.
  • the breaking pressure of the top plate 141 can be made smaller as the positions of the welding areas 146A and 146B are formed away from the edge of the top plate 141. [ In other words, the breaking pressure of the top plate 141 can be increased as the position of the welding areas 146A and 146B is closer to the edge of the top plate 141. [
  • the breaking pressure means the pressure at which the notch 141c formed on the top plate 141 is broken.
  • the breaking pressure may be relatively small. That is, the notch 141c of the top plate 141 can be broken by the internal pressure of the relatively smaller battery.
  • the breaking pressure can be relatively large. That is, the notch 141c of the top plate 141 can be broken by the internal pressure of the relatively larger battery.
  • Such a change in the breaking pressure is due to a change in the volume for breaking.
  • the welding regions 146A and 146B can be regarded as a hinge point, and the upper region 141d of the top plate 141 can be regarded as a reversing region.
  • the welding regions 146A and 146B are arbitrarily determined to be hinge points ,
  • the operating pressure and / or the breaking pressure of the top plate 141 in the secondary battery 100 can be arbitrarily adjusted.
  • the operating pressure and / or the breaking pressure of the top plate 141 can be uniformly controlled in all the secondary batteries due to the adjustment of the operating pressure and / or the breaking pressure by the welding areas 146A and 146B.
  • substantially the breaking pressure and the working pressure can rise together or decrease together.
  • FIG. 4A and 4B are cross-sectional views and graphs showing the relationship between the breaking pressure / working pressure and the welding area of the cap assembly 140 in the cylindrical lithium ion secondary battery 100 according to various embodiments of the present invention.
  • the X-axis is the distance from the center of the welding area
  • the Y-axis is the breaking pressure / working pressure.
  • the breaking pressure / operating pressure of the top plate rises from the welding center area of the top plate toward the edge of the top plate. In other words, as the welding area is formed closer to the edge of the top plate, the pressure for operating or breaking the top plate rises. In other words, as the welding area is formed closer to the center of the top plate, the pressure for automatic or breaking of the top plate decreases.
  • the breaking pressure / operating pressure of the top plate decreases from the welding center area of the top plate toward the center of the top plate. In other words, as the welding area is formed closer to the center of the top plate, the pressure for operating or breaking the top plate decreases. In other words, as the welding area is formed near the edge of the top plate, the pressure for operating or breaking the top plate rises.
  • the cylindrical lithium ion secondary battery according to the present invention is only one embodiment of the present invention.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 과제는 과충전 시 내부의 가스 압력이 미리 설정된 제1기준 압력(작동 압력)보다 크고 미리 설정된 제2기준 압력(파단 압력)보다 작을 경우, 캡 조립체에 의해 전류 경로가 차단되지만 내부 밀폐가 가능한 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공하는데 있다. 이를 위해 본 발명은 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용된 전극 조립체; 및, 상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 평평하고 표면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되며, 상기 미들 플레이트에 절연 플레이트를 개재하여 부착되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 접속된 바텀 플레이트를 포함하는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 개시한다.

Description

원통형 리튬 이온 이차 전지
본 발명의 다양한 실시예는 원통형 리튬 이온 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지는 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 휴대형 전자기기뿐만 아니라 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 전원 용도로 사용되고 있다.
이러한 리튬 이온 이차 전지는 형태에 있어서 원통형, 각형 및 파우치형의 이차 전지로 분류될 수 있다. 이중 원통형 리튬 이온 이차 전지는 일반적으로 원기둥 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체가 결합되는 원통 형태의 캔과, 캔의 내측에 주액되어 리튬 이온의 이동이 가능하도록 하는 전해액과, 캔의 일측에 결합되어 전해액의 누액을 방지하고, 전극 조립체의 이탈을 방지하는 캡 조립체 등으로 이루어져 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 내부의 가스 압력이 미리 설정된 제1기준 압력(작동 압력)보다 크고 미리 설정된 제2기준 압력(파단 압력)보다 작을 경우, 캡 조립체에 의해 전류 경로가 차단되지만, 내부의 밀폐 상태가 유지되는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예는 캡 조립체에 의한 전류 차단 동작 이후 내부 가스 압력이 미리 정해진 제2기준 압력(파단 압력)보다 클 경우 캡 조립체가 파단(개방)되어 어떠한 방해 요소도 없이 내부 가스를 외부로 방출할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예는 캡 조립체의 파단 압력을 용접 영역의 형성 위치에 따라 자유롭게 설정할 수 있는 원통형 리튬 이온 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용된 전극 조립체; 및, 상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 평평하고 표면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되며, 상기 미들 플레이트에 절연 플레이트를 개재하여 부착되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 접속된 바텀 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 탑 플레이트는 평평한 상면과, 상기 상면의 반대면인 평평한 하면을 포함하고, 상기 노치는 상기 하면에 형성될 수 있다.
상기 탑 플레이트는 상기 미들 플레이트의 상부에 위치된 평평한 상부 영역과, 상기 상부 영역으로부터 절곡되어 상기 미들 플레이트의 측부에 위치된 측부 영역과, 상기 측부 영역으로부터 절곡되어 상기 미들 플레이트의 하부에 위치된 하부 영역을 포함할 수 있다.
상기 노치는 미들 플레이트의 제1관통홀과 대응되는 영역의 외측에 형성될 수 있다.
상기 미들 플레이트는 상기 제1관통홀의 주변에 형성된 다수의 제2관통홀을 더 포함할 수 있다.
상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 미리 결정된 제1압력보다 크고 미리 결정된 제2압력보다 작을 경우, 상기 내부 가스 압력에 의해 상기 탑 플레이트가 상부 방향으로 볼록한 모양으로 변형되면서 상기 탑 플레이트가 상기 바텀 플레이트로부터 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 상기 미리 결정된 제2압력보다 클 경우, 상기 노치가 파단되면서 상기 원통형 캔의 내부 가스가 외부로 방출될 수 있다.
상기 탑 플레이트의 파단 압력을 설정하기 위해 상기 탑 플레이트와 상기 미들 플레이트의 사이에 적어도 하나의 용접 영역이 더 형성될 수 있다.
상기 탑 플레이트의 파단 압력은 상기 용접 영역의 형성 위치가 상기 탑 플레이트의 가장자리로부터 멀수록 작을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 내부의 가스 압력이 미리 설정된 제1기준 압력(작동 압력)보다 크고 미리 설정된 제2기준 압력(파단 압력)보다 작을 경우, 캡 조립체에 의해 전류 경로가 차단되지만 내부의 밀폐 상태는 유지되도록 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 캡 조립체에 의한 전류 차단 동작 이후 내부 가스 압력이 미리 정해진 제2기준 압력(파단 압력)보다 클 경우, 캡 조립체가 파단(개방)되어 어떠한 방해 요소도 없이 내부 가스를 외부로 방출할 수 있도록 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 캡 조립체의 파단 압력을 용접 영역의 형성 위치에 따라 자유롭게 설정할 수 있도록 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 캡 조립체의 상단 높이가 원통형 캔의 상단 높이와 같거나 작음으로써, 상대적으로 큰 전지 용량을 구현하도록 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지는 상대적으로 연질의 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 갖는 캡 조립체를 포함함으로써, 내부 가스 압력이 미리 정해진 기준 압력에 도달하였을 경우, 캡 조립체가 쉽게 파단(개방)되어, 전지의 안전성이 향상되도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 도시한 사시도 및 단면도이고, 도 1c는 캡 조립체만을 도시한 확대 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지 중에서 캡 조립체의 작동 및 파단 상태를 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지 중에서 캡 조립체를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지 중에서 캡 조립체의 파단 압력/작동 압력과 용접 영역 사이의 관계를 도시한 단면도 및 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)를 도시한 사시도 및 단면도이고, 도 1c는 캡 조립체(140)만을 도시한 확대 단면도이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)과, 전극 조립체(120)와, 캡 조립체(140)를 포함할 수 있다. 또한, 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는, 경우에 따라, 센터핀(130)을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100)에서, 캡 조립체(140)는 전류 차단 동작도 수행하기 때문에, 경우에 따라 전류 차단 디바이스(Current Interrupt Device)로 지칭되기도 한다.
원통형 캔(110)은 대략 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)의 둘레로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 원통형 측벽(112)을 포함할 수 있다. 이차 전지의 제조 공정 중 원통형 캔(110)의 상부는 개방되어 있다. 따라서, 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체(120) 및 센터핀(130)이 전해액과 함께 원통형 캔(110)에 삽입될 수 있다. 원통형 캔(110)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 제조될 수 있다.
또한, 원통형 캔(110)은 캡 조립체(140)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(140)를 중심으로 그 하부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)와, 그 상부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(120)는 원통형 캔(110)의 내부에 수용될 수 있다. 전극 조립체(120)는 음극 활물질(예를 들면, 흑연, 탄소 등등)이 음극 집전판에 코팅된 음극판(121), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등등))이 양극 집전판에 코팅된 양극판(122) 및, 음극판(121)과 양극판(122) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(123)를 포함할 수 있다. 또한, 음극판(121), 양극판(122) 및 세퍼레이터(123)는 대략 원기둥 형태로 권취될 수 있다. 여기서, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 음극 집전판은 구리(Cu) 포일, 양극판 집전판은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)로 제조될 수 있다.
또한, 음극판(121)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(124)이 용접되고, 양극판(122)에는 상부로 일정 길이 돌출되어 연장된 양극탭(125)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 더불어, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 음극탭(124)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni), 양극탭(125)은 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다.
또한, 전극 조립체(120)의 음극탭(124)은 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있다. 따라서 원통형 캔(110)은 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 반대로 양극탭(125)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 원통형 캔(110)은 양극으로 동작할 수 있다.
더불어, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(126a) 및 그 외측에 제2홀(126b)이 형성된 제1절연판(126)이 전극 조립체(120)와 바닥부(111)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제1절연판(126)은 전극 조립체(120)가 원통형 캔(110) 중 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 제1절연판(126)은 전극 조립체(120) 중 양극판(122)이 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(126a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 센터핀(130)을 통해 상부로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(126b)은 음극탭(124)이 관통하여 바닥부(111)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다.
또한, 원통형 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(127a) 및 그 외측에 다수의 제2홀(127b)이 형성된 제2절연판(127)이 전극 조립체(120)와 캡 조립체(140)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제2절연판(127)은 전극 조립체(120)가 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하는 역할을 한다. 특히, 제2절연판(127)은 전극 조립체(120) 중 음극판(121)이 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉하지 않도록 하는 역할을 한다. 여기서, 제1홀(127a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 캡 조립체(140)로 신속히 이동하도록 하는 역할을 하고, 제2홀(127b)은 양극탭(125)이 관통하여 캡 조립체(140)에 용접될 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한 나머지 제2홀(127b)은 전해액 주입 공정에서, 전해액이 상기 전극 조립체(120)로 신속히 흘러 들어가도록 하는 역할을 한다.
더불어, 제1,2절연판(126,127)의 제1홀(126a,127a)의 직경은 센터핀(130)의 직경보다 작게 형성됨으로써, 외부 충격에 의해 센터핀(130)이 원통형 캔(110)의 바닥부(111) 또는 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
센터핀(130)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로서, 전극 조립체(120)의 대략 중앙에 결합될 수 있다. 이러한 센터핀(130)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 제조될 수 있다. 이러한 센터핀(130)은 전지의 충방전 중 전극 조립체(120)의 변형을 억제하는 역할을 하며, 이차 전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 물론, 경우에 따라 이러한 센터핀(130)은 생략될 수도 있다.
캡 조립체(140)는 탑 플레이트(141), 미들 플레이트(142), 절연 플레이트(143) 및 바텀 플레이트(144)를 포함할 수 있다.
탑 플레이트(141)는 대략 평평한 상면(141a)과, 상면(141a)의 반대면으로서 대략 평평한 하면(141b)을 포함하고, 특히, 하면(141b)에 형성된 적어도 하나의 노치(141c)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 노치(141c)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 단면이 "Λ" 형태일 수 있다. 또한, 노치(141c)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 하부에서 보았을 때 대략 원형, 타원형 또는 "C" 형태일 수 있다. 이러한 노치(141c)는 이차 전지의 내부 가스 압력이 미리 정해진 기준 압력보다 클 경우 파단되어 전지의 내부 가스를 외부로 신속하게 방출시킴으로써, 전지의 안전성이 확보되도록 한다.
또한, 탑 플레이트(141)는 상부 영역(141d), 측부 영역(141e) 및 하부 영역(141f)을 포함할 수 있다. 상부 영역(141d)은 미들 플레이트(142)의 상부에 위치되며 대략 평평할 수 있다. 이러한 상부 영역(141d)은 이차 전지(100)의 단자 역할을 하여, 외부 장치(예를 들면, 부하 또는 충전기)에 전기적으로 접속될 수 있다. 측부 영역(141e)은 상부 영역(141d)으로부터 대략 하부 방향으로 절곡되어 미들 플레이트(142)의 측부를 감쌀 수 있다. 하부 영역(141f)은 측부 영역(141e)으로부터 대략 내부 수평 방향으로 절곡되어 미들 플레이트(142)의 하부 둘레에 위치될 수 있다. 이와 같이 하여, 탑 플레이트(141)는 상부 영역(141d), 측부 영역(141e) 및 하부 영역(141f)에 의해 미들 플레이트(142)와 결합될 수 있다.
더불어, 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d)의 높이는 원형형 캔(110)의 크림핑부(114)의 높이와 같거나 작음으로써, 원통형 캔(110)의 내부 체적이 상대적으로 증가될 수 있고, 이에 다라 이차 전지의 용량이 증가될 수 있다. 여기서, 높이는 원통형 캔(110)의 바닥부(111)로부터의 높이를 의미한다.
이러한 탑 플레이트(141)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물로 형성될 수 있으며, 이에 따라 알루미늄 재질의 버스바, 외부 리드 또는 외부 장치가 용이하게 접속(또는 용접)될 수 있다.
여기서, 탑 플레이트(141)는 Al 순도 99.0% 또는 그 이상의 순수 알루미늄인 1XXX 시리즈, Al-Cu계 합금인 2XXX 시리즈, Al-Mn계 합금인 3XXX 시리즈, Al-Si계 합금인 4XXX 시리즈, Al-Mg계 합금인 5XXX 시리즈, Al-Mg-Si계 합금인 6XXX 시리즈, Al-Zn-(Mg,Cu)계 합금인 7XXX 시리즈 중에서 하나로 형성될 수 있다.
특히, 탑 플레이트(141)는 상술한 시리즈 중에서도 연질 알루미늄으로 형성됨이 바람직하다. 예를 들어, 한정하는 것은 아니지만, 연질 재료로서 강도, 내식성 및 용접성 등이 우수한 Al-Mg계 합금인 5XXX 시리즈(예를 들면, 5052, 5056, 5083, 5454)에 의해 탑 플레이트(141)가 형성될 수 있다. 물론, 이밖에도 비열처리형 합금인 1XXX, 3XXX 또는 4XXX 시리즈가 탑 플레이트(141)의 재료로 이용될 수 있다.
경우에 따라, 탑 플레이트(141)는 상부 영역(141d)에 형성된 절곡 영역(141g)을 더 포함할 수 있다. 이러한 절곡 영역(141g)은 하부에서 보았을 때 대략 원형 링 형태일 수 있다. 일례로, 절곡 영역(141g)의 내측에 형성된 상부 영역(141d)은 절곡 영역(141g)의 외측에 형성된 상부 영역(141d)에 비해 상대적으로 더 높을 수 있다. 더불어, 노치(141c)는 절곡 영역(141g)의 내측에 형성된 상부 영역(141d)에 형성될 수 있다.
미들 플레이트(142)는 탑 플레이트(141)의 하부에 위치되고, 대략 평평한 형태를 할 수 있다. 또한 미들 플레이트(142)는 대략 중앙에 형성된 제1관통홀(142a)을 포함할 수 있다. 더욱이, 미들 플레이트(142)는 제1관통홀(142a)의 주변에 형성된 다수의 제2관통홀(142b)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 제1관통홀(142a)은 하기할 바텀 플레이트(144)가 관통하여 탑 플레이트(141)에 전기적으로 접속되도록 하며, 또한 내부 가스 압력이 탑 플레이트(141)에 직접 작용되도록 한다. 또한, 제2관통홀(142b) 역시 내부 가스 압력이 탑 플레이트(141)에 직접 작용되도록 한다.
여기서, 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 형성된 노치(141c)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 상술한 미들 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)과 제2관통홀(142b) 사이의 영역과 대응되는 영역에 형성될 수 있다.
더욱이, 미들 플레이트(142) 역시 상술한 탑 플레이트(141)의 절곡 영역(141g)과 대응되는 영역에 형성된 절곡 영역(142c)을 포함할 수 있다. 더불어, 제2관통홀(142b)는 이러한 절곡 영역(142c)에 형성될 수 있다. 이와 같이 하여, 전반적으로 미들 플레이트(142)는 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 밀착된 형태를 한다.
이러한 미들 플레이트(142)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸 및 그 등가물로 형성될 수 있다.
절연 플레이트(143)는 미들 플레이트(142)의 하부에 위치(부착)되고, 제1관통홀(142a)과 대응되는 영역에 형성된 관통홀(143a)을 포함할 수 있다. 이러한 절연 플레이트(143)는 하부에서 보았을 때 일정 폭을 갖는 원형 링 형태로 형성될 수 있다. 일례로, 절연 플레이트(143)는 미들 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)과 제2관통홀(142b) 사이의 영역과 대응하는 영역에 형성될 수 있다. 또한, 이러한 절연 플레이트(143)는 미들 플레이트(142)와 바텀 플레이트(144)를 상호간 절연시키는 역할을 한다. 절연 플레이트(143)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 미들 플레이트(142)와 바텀 플레이트(144)의 사이에 개재되어 초음파 용접될 수 있다.
이러한 절연 플레이트(143)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 폴리에틸렌(PE: polyethylene), 폴리프로필렌(PP: polypropylene), 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(EPDM rubber: ethylene propylene diene monomer (M-class) rubber) 또는 그 등가물로 형성될 수 있다. 이러한 절연 재료는 전해액과 반응하지 않음으로써, 이차 전지(100)의 장기간 사용에도 불구하고 절연 플레이트(143)가 변형되지 않는다.
바텀 플레이트(144)는 절연 플레이트(143)의 관통홀(143a) 및 미들 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)을 통하여 탑 플레이트(141)에 전기적으로 접속되며, 절연 플레이트(143)에 부착된다. 즉, 바텀 플레이트(144)는 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d)에 접속(용접)되는 제1지역(144a), 제1지역(144a)으로부터 대략 하부 방향으로 절곡되어 미들 플레이트(142)의 제1관통홀(142a)과 절연 플레이트(143)의 관통홀(143a)을 관통하는 제2지역(144b), 제2지역(144b)으로부터 대략 외측 방향으로 절곡되어 절연 플레이트(143)에 부착되는 제3지역(144c)을 포함할 수 있다. 도 1c에서 미설명 도면 부호 144e는 바텀 플레이트(144)의 제1지역(144a)을 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d) 중 하면(141b)에 용접시키는 용접 영역이다.
여기서, 바텀 플레이트(144)의 제3지역(144c)에 상술한 양극탭(125)이 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 제3지역(144c)은 미들 플레이트(143)로부터 이격되어 있고, 더욱이 탑 플레이트(141)의 제3영역(141f)으로부터 이격되어 있다. 더욱이, 바텀 플레이트(144)의 제1지역(144a)은 움푹하게 파인 적어도 하나의 그르브(144d)를 더 포함하며, 이러한 그르브(144d)는 전지의 내부 가스 압력이 미리 결정된 압력보다 클 경우, 탑 플레이트(141)가 상부 방향으로 볼록하게 변형(반전)되는데, 이때 바텀 플레이트(144)의 제1지역(144a)이 제2지역(144b)으로부터 쉽게 분리되도록 하는 역할을 한다. 물론, 이에 따라 탑 플레이트(141)와 바텀 플레이트(144) 사이의 전류 경로가 차단된다.
이러한 바텀 플레이트(144)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 그 등가물로 형성될 수 있으며, 이에 따라 알루미늄 재질의 양극탭이 용이하게 용접될 수 있다.
한편, 캡 조립체(140)는 탑 플레이트(141)와 원통형 캔(110)의 측벽(111)을 절연시키는 절연 가스켓(145)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 절연 가스켓(145)은 실질적으로 원통형 캔(110)의 측벽(111)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착된 형태를 한다. 또한, 절연 가스켓(145)은 실질적으로으로 탑 플레이트(141) 중에서 측부 영역(141e)과, 그 주변인 상부 영역(141d) 및 하부 영역(141f)을 감쌈으로써, 전지의 내부가 밀폐되도록 한다.
더불어, 원통형 캔(110)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주액될 수 있으며, 이는 충방전 시 전지 내부의 음극판(121) 및 양극판(122)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하게 하는 역할을 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머 또는 고체 전해질일 수도 있으며, 여기서 전해액의 종류를 한정하는 것은 아니다.
이러한 캡 조립체(140)의 특징에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 캡 조립체(140)의 상단 높이가 원통형 캔(110)의 상단 높이와 같거나 작음으로써, 상대적으로 대용량을 갖도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 상대적으로 연질의 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 갖는 캡 조립체(140)를 포함함으로써, 내부 가스 압력이 미리 정해진 기준 압력에 도달하였을 경우, 캡 조립체(140)가 쉽게 파단(개방)되어, 내부의 가스를 외부로 방출하고, 이에 따라 전지의 안전성이 향상되도록 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100) 중에서 캡 조립체(140)의 작동 및 파단 상태를 도시한 단면도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)의 내부 가스 압력이 미리 결정된 제1압력(작동 압력)보다 크고 미리 결정된 제2압력(파단 압력)보다 작을 경우, 내부 가스 압력에 의해 탑 플레이트(141)가 상부 방향으로 볼록한 모양으로 변형(반전)되면서, 탑 플레이트(141)가 바텀 플레이트(144)로부터 전기적으로 분리될 수 있다. 즉, 바텀 플레이트(144) 중에서 제1지역(144a)이 파단되면서 제2지역(144b)으로부터 분리된다. 다르게 설명하면, 제1지역(144a) 중 그르브(144d)가 파단되면서, 제1지역(144a)의 일부 지역이 탑 플레이트(141)에 접속된 채로 상부로 이동함으로써, 결국 탑 플레이트(141)와 바텀 플레이트(144) 사이의 전류 경로가 차단된다.
다만,이차 전지의 내부 가스 압력이 제2압력(파단 압력)보다 작을 경우, 이차 전지의 밀폐 상태가 유지됨으로써, 내부 가스가 외부로 방출되지 않는다.
여기서, 전지가 과충전되거나, 전지가 관통 및/또는 압괴되어 내부에서 단락 현상이 일어나거나, 또는 전지가 외부에서 단락될 경우, 전해액의 분해 및/또는 활물질의 분해 등에 의해 가스가 발생하고, 이에 따라 이차 전지의 내부 압력이 증가하게 된다. 이때, 제2압력(파단 압력)은 제1압력(작동 압력)에 비해 상대적으로 큰 값을 갖도록 설계된다. 이러한 이차 전지의 내부 압력 증가는 이차 전지가 비정상 상태에 있음을 의미하며, 이에 따라 상술한 기구적 메카니즘에 의해 전류(충전 전류, 방전 전류, 단락 전류, 또는 과전류) 경로가 먼저 차단되고, 따라서 이차 전지의 안전성이 향상된다.
한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 원통형 캔(110)의 내부 가스 압력이 미리 결정된 제2압력(파단 압력)보다 클 경우, 탑 플레이트(141)가 파단됨으로써, 내부의 가스를 외부로 어떠한 방해 요소도 없이 신속하게 방출하도록 한다. 즉, 탑 플레이트(141)의 하면(141b)에 형성된 노치(141c)가 파단됨으로써, 이차 전지(100)의 내부에 있는 가스가 외부로 신속하게 방출되고, 이에 따라 이차 전지(100)의 폭발이 방지되어 이차 전지(100)의 안전성이 향상된다. 여기서, 이차 전지(100)의 고압 폭발보다는 상술한 바와 같이, 미리 내부 가스를 외부로 방출시키는 편이 안전성 측면에서 더 유리하다.
또한, 탑 플레이트(141)의 파단 압력(또는 제2압력)은 상술한 노치(141c)의 형성 깊이로 조절할 수 있다. 예를 들어, 한정하는 것은 아니지만, 파단 압력을 상대적으로 크게 하려면 노치(141c)의 깊이를 상대적으로 얕게 하고, 파단 압력을 상대적으로 작게 하려면 노치(141c)의 깊이를 상대적으로 깊게 한다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 내부의 가스 압력이 미리 설정된 제1기준 압력(작동 압력)보다 크고 미리 설정된 제2기준 압력(파단 압력)보다 작을 경우, 1차로 캡 조립체(140)(또는 전류 차단 장치)에 의해 전류 경로가 차단되도록 한다. 물론, 이때 전지의 내부 밀폐 상태는 유지되도록 한다. 더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 캡 조립체(140)에 의한 전류 차단 동작 이후 내부 가스 압력이 미리 정해진 제2기준 압력(파단 압력)보다 클 경우, 2차로 캡 조립체(140)가 파단(개방)되어 어떠한 방해 요소도 없이 내부 가스가 외부로 신속히 방출되도록 한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100)는 내부 가스 압력이 제1기준 압력보다 클 경우 1차로 전류 경로를 차단하고, 내부 가스 압력이 제2기준 압력보다 클 경우 2차로 내부 가스를 외부로 방출하도록 함으로써, 전지의 안전 동작이 2단계로 수행되도록 한다.
한편, 탑 플레이트(141)의 파단 압력은 노치(141c)의 깊이 외에도 탑 플레이트(141)의 동작 시(반전 시) 형성되는 힌지점에 의해 결정될 수 있다. 즉, 탑 플레이트(141)의 반전 시, 반전이 시작되는 힌지점이 존재하게 되는데, 예를 들면, 힌지점은 가스켓(145)과 탑 플레이트(141)의 상호간 경계 영역이 될 수 있다. 즉, 힌지점은 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d)에서 가스켓(145)의 단부와 대응되는 영역이 될 수 있다. 따라서, 탑 플레이트(141)의 파단 압력은 힌지점의 형성 위치에 따라 달라지게 되는데, 이를 아래에서 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100) 중에서 캡 조립체(140A,140B)를 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100) 중에서 캡 조립체(140A,140B)는 탑 플레이트(141)의 파단 압력을 설정(조정)하기 위해 탑 플레이트(141)와 미들 플레이트(142)의 사이에 형성된 적어도 하나의 용접 영역(146A,146B)을 더 포함할 수 있다. 이러한 용접 영역(146A,146B)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 레이저 용접, 저항 용접 또는 초음파 용접 등에 의해 형성될 수 있다. 이러한 용접 영역(146A,146B)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 상부에서 보았을 때, 대략 연속적인 원형 링 형태 또는 용접 영역이 점 형태로 배열된 형태일 수 있다. 또한, 용접 영역(146A,146B)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 탑 플레이트(141) 및 미들 플레이트(142)의 가장 자리에 가까운 영역에 형성될 수 있다. 즉, 예를 들면, 용접 영역(146A,146B)은 미들 플레이트(142)의 제2관통홀(142b)과 미들 플레이트(142)의 둘레 사이와 대응되는 탑 플레이트(141) 및 미들 플레이트(142)의 영역에 형성될 수 있다.
여기서, 탑 플레이트(141)의 파단 압력은 용접 영역(146A,146B)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 가장자리로부터 멀어질수록 작아질 수 있다. 다르게 설명하면, 탑 플레이트(141)의 파단 압력은 용접 영역(146A,146B)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 가장자리로부터 가까울수록 커질 수 있다. 여기서, 파단 압력이라 함은, 탑 플레이트(141)에 형성된 노치(141c)가 파단될 때의 압력을 의미한다.
일례로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 용접 영역(146A)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 가장자리로부터 상대적으로 멀 경우(다르게 설명하면, 용접 영역(146A)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 중심으로부터 상대적으로 가까울 경우), 파단 압력은 상대적으로 작을 수 있다. 즉, 상대적으로 더 작은 전지의 내부 압력에 의해 탑 플레이트(141)의 노치(141c)가 파단될 수 있다.
다른 예로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 용접 영역(146B)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 가장 자리로부터 상대적으로 가까울 경우(다르게 설명하면, 용접 영역(146B)의 형성 위치가 탑 플레이트(141)의 중심으로부터 상대적으로 멀 경우), 파단 압력은 상대적으로 커질 수 있다. 즉, 상대적으로 더 큰 전지의 내부 압력에 의해 탑 플레이트(141)의 노치(141c)가 파단될 수 있다.
이와 같은 파단 압력의 변화는 파단을 위한 볼륨의 변화에 기인한 것이다.
다르게 설명하면, 용접 영역(146A,146B)을 힌지점으로, 탑 플레이트(141)의 상부 영역(141d)을 반전 영역으로 볼 수 있다.
이때, 용접 영역(147A,146B)이 탑 플레이트(141)의 둘레로부터 가까울수록(즉, 중심으로부터 멀수록) 탑 플레이트(141)를 반전시키기 위한 볼륨이 증가하고, 이에 따라 결국 탑 플레이트(141)를 동작시키거나 파단하는데 상대적으로 큰 내부 압력을 필요로 한다. 따라서 파단 압력/작동 압력이 상승하게 된다.
그러나, 용접 영역(147A,146B)이 탑 플레이트(141)의 둘레로부터 멀수록(즉, 중심으로부터 가까울수록) 탑 플레이트(141)를 반전시키기 위한 볼륨이 감소하고, 이에 따라 결국 탑 플레이트(141)를 동작시키거나 파단하는데 상대적으로 작은 내부 압력을 필요로 한다. 따라서 파단 압력/작동 압력이 감소하게 된다.
즉, 본 발명에서는 탑 플레이트(141)의 힌지점을 절연 가스켓(145)과 탑 플레이트(141) 사이의 접촉 경계 영역으로 결정하는 것이 아니라, 용접 영역(146A,146B)이 힌지점이 되도록 임의로 결정함으로써, 이차 전지(100)에서 탑 플레이트(141)의 작동 압력 및/또는 파단 압력을 임의로 조정할 수 있도록 한다.
또한, 이러한 용접 영역(146A,146B)에 의한 작동 압력 및/또는 파단 압력 조정으로 인해, 모든 이차 전지에서 탑 플레이트(141)의 작동 압력 및/또는 파단 압력을 균일하게 제어할 수 있다.
여기서, 실질적으로 파단 압력 및 작동 압력은 함께 상승하거나 또는 함께 감소할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지(100) 중에서 캡 조립체(140)의 파단 압력/작동 압력과 용접 영역 사이의 관계를 도시한 단면도 및 그래프이다. 도 4b에서 X축은 용접 영역의 중심으로부터의 거리이고, Y축은 파단 압력/작동 압력을 의미한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 탑 플레이트의 파단 압력/작동 압력은 탑 플레이트의 용접 중심 영역으로부터 탑 플레이트의 가장 자리로 갈수록 상승한다. 다르게 설명하면, 용접 영역을 탑 플레이트의 가장 자리에 가깝게 형성할 수록 탑 플레이트를 작동시키거나 파단시키기 위한 압력이 상승한다. 또 다르게 설명하면, 용접 영역을 탑 플레이트의 중심에 가깝게 형성할 수록 탑 플레이트를 자동시키거나 파단시키기 위한 압력이 감소한다.
또한, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 탑 플레이트의 파단 압력/작동 압력은 탑 플레이트의 용접 중심 영역으로부터 탑 플레이트의 중심으로 갈수록 감소한다. 다르게 설명하면, 용접 영역을 탑 플레이트의 중심에 가깝게 형성할 수록 탑 플레이트를 작동시키거나 파단시키기 위한 압력이 감소한다. 또 다르게 설명하면, 용접 영역을 탑 플레이트의 가장 자리에 가깝게 형성할 수록 탑 플레이트를 작동시키거나 파단시키기 위한 압력이 상승한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 원통형 리튬 이온 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 원통형 캔;
    상기 원통형 캔에 수용된 전극 조립체; 및,
    상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 캡 조립체는 평평하고 표면에 노치가 형성된 탑 플레이트와, 상기 탑 플레이트에 결합되며 중앙에 제1관통홀이 형성된 미들 플레이트와, 상기 전극 조립체가 전기적으로 접속되며, 상기 미들 플레이트에 절연 플레이트를 개재하여 부착되고, 상기 미들 플레이트의 제1관통홀을 통해 상기 탑 플레이트에 접속된 바텀 플레이트를 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑 플레이트는 평평한 상면과, 상기 상면의 반대면인 평평한 하면을 포함하고, 상기 노치는 상기 하면에 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑 플레이트는 상기 미들 플레이트의 상부에 위치된 평평한 상부 영역과, 상기 상부 영역으로부터 절곡되어 상기 미들 플레이트의 측부에 위치된 측부 영역과, 상기 측부 영역으로부터 절곡되어 상기 미들 플레이트의 하부에 위치된 하부 영역을 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 노치는 미들 플레이트의 제1관통홀과 대응되는 영역의 외측에 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 미들 플레이트는 상기 제1관통홀의 주변에 형성된 다수의 제2관통홀을 더 포함함을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 미리 결정된 제1압력보다 크고 미리 결정된 제2압력보다 작을 경우, 상기 내부 가스 압력에 의해 상기 탑 플레이트가 상부 방향으로 볼록한 모양으로 변형되면서 상기 탑 플레이트가 상기 바텀 플레이트로부터 전기적으로 분리됨을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 원통형 캔의 내부 가스 압력이 상기 미리 결정된 제2압력보다 클 경우, 상기 노치가 파단되면서 상기 원통형 캔의 내부 가스가 외부로 방출됨을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑 플레이트의 파단 압력을 설정하기 위해 상기 탑 플레이트와 상기 미들 플레이트의 사이에 적어도 하나의 용접 영역이 더 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 탑 플레이트의 파단 압력은 상기 용접 영역의 형성 위치가 상기 탑 플레이트의 가장자리로부터 멀수록 작은 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이온 이차 전지.
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