WO2020159313A1 - 이차전지 - Google Patents

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WO2020159313A1
WO2020159313A1 PCT/KR2020/001529 KR2020001529W WO2020159313A1 WO 2020159313 A1 WO2020159313 A1 WO 2020159313A1 KR 2020001529 W KR2020001529 W KR 2020001529W WO 2020159313 A1 WO2020159313 A1 WO 2020159313A1
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battery
top cap
secondary battery
bent portion
bending
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PCT/KR2020/001529
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김형권
심현수
허하영
류덕현
김남원
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a secondary battery having a structure capable of effectively discharging gas when the internal pressure of the secondary battery rises.
  • Secondary batteries capable of repetitive charging and discharging may be divided into pouch-type secondary batteries, prismatic secondary batteries, and cylindrical secondary batteries according to the structure and manufacturing method.
  • the cylindrical secondary battery has a structure in which an electrode assembly is accommodated inside a battery can of a cylindrical structure and a top cap is coupled to the top of the battery can.
  • the content of nickel contained in the positive electrode active material in the positive electrode is increasing.
  • the thermal stability of the positive electrode active material decreases. The decrease in the thermal stability of the positive electrode active material means that the possibility of fire or explosion of the secondary battery increases due to an increase in temperature or pressure in the secondary battery.
  • the problem to be solved by the present invention is to eliminate the risk of fire or explosion of the secondary battery, which may occur when the pressure or temperature inside the secondary battery is increased by optimizing the structure of the secondary battery.
  • the electrode assembly A battery can accommodating the electrode assembly and having an open top; And a top cap coupled to an upper portion of the battery can. Containing, the upper end of the battery can be bent inward toward the top cap to form a bent portion for fixing the top cap, and when the internal pressure of the battery can exceeds a certain value, the top cap or the bent Due to the negative deformation, the area of the region R where the top cap and the bent portion overlap with each other when viewed from above decreases, thereby reducing the bonding force between the bent portion and the top cap, so that the entire region of the top cap is A secondary battery spaced apart from a battery can is provided.
  • the top cap When the internal pressure of the battery can exceeds the predetermined value, the top cap may be spaced apart from the battery can in an unbreakable state in a plurality of configurations.
  • the degree of bending of the bent portion is relaxed, so that the top cap can be spaced apart from the battery can.
  • the top cap When the internal pressure of the battery can exceeds the predetermined value, the top cap may be spaced apart from the battery can by bending the center portion of the top cap upward.
  • the predetermined value may be a value falling within a range of 30 kgf or more and 60 kgf or less.
  • the battery can has a width (W), the bent portion has a bending length (A), and the ratio A/W of the bending length (A) of the bent portion to the width (W) of the battery can is 2.27 ⁇ 10 ⁇ It may be 2 to 7.5 ⁇ 10 -2 .
  • the bent portion has a thickness t 1 , the bent portion has a bending length A, and a ratio A/t 1 of the bending portion A of the bent portion to the thickness t 1 of the bent portion is 1.43 to 6
  • a ratio A/t 1 of the bending portion A of the bent portion to the thickness t 1 of the bent portion is 1.43 to 6
  • the terminal region protruding upward from the top cap has a thickness (t 2 ), the bent portion has a bending length (A), and the bending length of the bent portion with respect to the thickness (t 2 ) of the terminal region of the top cap
  • the ratio A/t 2 of (A) may be 1 to 5.
  • the bending length (A) of the bent portion may be 0.5 mm to 1.5 mm.
  • the width W of the battery can may be 20 mm to 22 mm.
  • the thickness (t 1 ) of the bent portion may be 0.25 mm to 0.35 mm.
  • the thickness t 2 of the terminal region of the top cap may be 0.3 mm to 0.5 mm.
  • the battery can may include nickel (Ni) coated iron (Fe) material.
  • the present invention by optimizing the structure of the secondary battery, it is possible to eliminate the risk of fire or explosion of the secondary battery that may occur when the pressure or temperature inside the secondary battery rises.
  • FIG. 1 is a side cross-sectional view showing the structure of a secondary battery according to the present invention.
  • FIG. 1 is a side cross-sectional view showing the structure of a secondary battery according to the present invention.
  • the secondary battery 10 includes an electrode assembly (not shown), a battery can 100 accommodating the electrode assembly and having an open top, and an upper portion of the battery can 100. It may include a top cap 200 to be combined. 1, the top cap 200 may have a structure in which the central portion protrudes upward.
  • the region protruding upward from the top cap 200 will be referred to as a'terminal region'.
  • the secondary battery according to the present invention may be, for example, a cylindrical secondary battery, but the type of the secondary battery to which the present invention can be applied is not limited thereto.
  • the battery can 100 may have a cylindrical shape, but the shape of the battery can 100 is not limited thereto.
  • the battery can 100 may include an iron (Fe) material containing nickel (Ni).
  • a gasket 300 for sealing may be provided between the upper inner portion of the battery can 100 and the outer circumference of the top cap 200.
  • a safety vent 400 may be closely attached to the lower surface of the top cap 200.
  • the bent portion 110 bent inward toward the top cap 200 may be formed at the upper end of the battery can 100. As shown in FIG. 1, since the bent portion 110 presses the gasket 300 downward, the top cap 200 may be fixed by the bent portion 110. A beading portion 120 having a shape indented in an inner direction may be formed under the bent portion 110 formed in the battery can 100.
  • an area (R, hereinafter,'overlapping area') in which the top cap 200 and the bent portion 110 overlap each other may be formed.
  • the entire area of the top cap 200 is spaced apart from the battery can 100 to discharge the gas inside the secondary battery 10 to the outside.
  • Can have a structure.
  • the secondary battery 10 when the pressure inside the secondary battery exceeds a certain value, the top cap 200 or the top cap when viewed from above by deformation of the bent portion 110 shape The area of the overlapping region R of the 200 and the bent portion 110 is reduced, so that the bonding force between the top cap 200 and the bent portion 110 is reduced, so that the entire area of the top cap 200 is the battery can 100 ).
  • the entire area of the top cap 200 is spaced apart from the battery can 100 in two ways. Can be divided.
  • the bent part 110 by pressing the bent part 110 formed at the upper end of the battery can 100, such as the top cap 200 and the gasket 300 by upward pressure of the secondary battery 10 upwards
  • the bending degree is alleviated, and accordingly, the bending portion 110 and the top cap 200 slide in each other in the overlapping region R, so that the top cap 200 is spaced apart from the battery can 100 (hereinafter, It will be called'the first separation method').
  • the internal pressure of the secondary battery 10 increases the internal pressure of the secondary battery 10 to press the lower surface of the center of the top cap 200 upwards, so that the central portion (ie, terminal area) of the top cap 200 is upwards. It is curved, and accordingly, the bent portion 110 and the top cap 200 slide in each other in the overlapping region R, so that the top cap 200 is spaced apart from the battery can 100 (hereinafter, referred to as'second'. I'll call it the separation method).
  • the two methods may not occur selectively, but may occur simultaneously in a mixed state when all regions of the top cap 200 are separated from the battery can 100.
  • the top cap 200 is a battery can ( 100).
  • the top cap 200 or the bent portion 110 may be deformed to change the shape of the top cap 200.
  • the entire area may be spaced apart from the battery can 100, wherein the predetermined value may be a value belonging to a range of 30 kgf or more and 60 kgf or less.
  • the predetermined value is less than 30kgf, the coupling between the top cap 200 and the battery can 100 is too weak, so even if the gas inside the secondary battery does not need to be discharged to the outside, the top cap 200 is a battery can Problems that are separated from the (100) may occur.
  • the predetermined value exceeds 60kgf, the coupling between the top cap 200 and the battery can 100 becomes excessively strong, so even if the gas needs to be discharged to the outside due to the increase in the pressure inside the secondary battery 200 ) May not be spaced apart from the battery can 100.
  • the predetermined value may be a value belonging to a range of 30 kgf or more and 55 kgf or less.
  • the battery can 100 may have a predetermined width (W).
  • W width of the battery can 100.
  • the bent portion 110 formed on the battery can 100 may have a bent length A, which is a predetermined length in which the bent portion is bent inside the battery can 100. Then, the bent portion 110 may have a predetermined thickness (t 1 ).
  • the top cap 200 may have a predetermined thickness t 2 .
  • t 2 may have a constant thickness over the entire area of the top cap 200, for convenience, this specification will be mainly described when the thickness of the terminal region protruding upward from the top cap 200 is t 2 .
  • the bending length A of the bending portion 110 with respect to the width W of the battery can 100 may have a constant ratio. That is, the ratio A/W of the bending length A of the bending portion 110 to the width W of the battery can 100 may be 2.27 ⁇ 10 -2 to 7.5 ⁇ 10 -2 .
  • the bonding force between the battery can 100 and the top cap 200 becomes too small, so that the bending degree of the bent portion 110 may be bent even in a situation where the internal pressure of the secondary battery 10 is normal. It may be relaxed that the top cap 200 is spaced apart from the battery can 100 may occur. Conversely, when the A/W exceeds 7.5 ⁇ 10 -2 , the bonding force between the battery can 100 and the top cap 200 becomes excessively large, and the top cap 200 even in a situation where the internal pressure of the secondary battery 10 is abnormal. Since the battery is not spaced from the can 100, there is a risk that the secondary battery 10 may explode.
  • the bending length A of the bending portion 110 with respect to the thickness t 1 of the bending portion 110 may also have a constant ratio. That is, the ratio A/t 1 of the bending length A of the bending portion 110 to the thickness t 1 of the bending portion 110 may be 1.43 to 6.
  • A/t 1 When A/t 1 is less than 1.43, the thickness t 1 of the bent portion 110 is relatively large, while the bending length A is relatively small, so the bent portion 110 is formed at the upper end of the battery can 100. It may be difficult to mold the moldability of the bent portion 110 may be deteriorated. Conversely, when A/t 1 exceeds 6, the thickness t 1 of the bent portion 110 is relatively small while the bending length A is relatively large, so that the area where the bent portion 110 is formed is Since the durability is deteriorated, a problem in which the bent portion 110 is damaged may occur during the forming process of the bent portion 110. More preferably, A/t 1 may be 2.0 to 4.3.
  • the bending length A of the bent portion 110 may also have a constant ratio with respect to the thickness t 2 of the terminal region of the top cap 200. That is, the ratio A/t 2 of the bending length A of the bent portion to the thickness t 2 of the terminal region of the top cap may be 1.0 to 5.0.
  • the bending length A of the bending part 110 of the secondary battery 10 according to the present invention may be 0.5 mm to 1.5 mm.
  • the bending length (A) of the bending portion 110 When the bending length (A) of the bending portion 110 is less than 0.5 mm, the bending length (A) becomes too short, so it is difficult to form the bending portion 110 at the upper end of the battery can 100, resulting in a bending portion
  • the moldability of the 110 may be deteriorated, and the bonding force between the battery can 100 and the top cap 200 due to the bent portion 110 is usually lowered, so that the top cap 200 is the battery can 100 even under normal circumstances. This can cause problems that are separated from.
  • the bending length (A) of the bending portion 110 is more than 1.5mm, the bending length (A) is too large, so the bonding force between the battery can 100 and the top cap 200 by the bending portion 110 Due to the excessive increase in the internal pressure of the secondary battery 10, even when the top cap 200 is to be spaced apart from the battery can 100, the secondary battery 10 may explode.
  • the thickness t 1 of the bent portion 110 formed in the battery can 100 of the secondary battery 10 according to the present invention may be 0.25 mm to 0.35 mm.
  • the thickness (t 1 ) of the bent portion 110 is less than 0.25 mm, the durability of the region where the bent portion 110 is formed is lowered, so that the bent portion 110 is damaged in the forming process of the bent portion 110. Can occur.
  • the thickness t 1 of the bent portion 110 exceeds 0.35 mm, it becomes difficult to mold the bent portion 110 at the upper end of the battery can 100, so that the moldability of the bent portion 110 is made. This can fall.
  • the thickness t 2 of the top cap 200 of the secondary battery 10 according to the present invention may be 0.3 mm to 0.5 mm.
  • t 2 When the thickness (t 2 ) of the top cap 200 is less than 0.3 mm, when the entire region of the top cap 200 is separated from the battery can 100 due to an increase in the internal pressure of the secondary battery 10, the above-mentioned'second separation' Method. On the other hand, when the thickness (t 2 ) of the top cap 200 exceeds 0.5 mm, when the entire region of the top cap 200 is spaced apart from the battery can 100 due to an increase in the internal pressure of the secondary battery 10 It can be achieved only by the'first separation method'. More preferably, t 2 may have a value between 0.35 mm and 0.45 mm.
  • the width W of the battery can 100 of the secondary battery 10 according to the present invention may be 20 mm to 22 mm for productivity of the secondary battery 10 and efficiency when using the secondary battery 10. .
  • a safety vent 400, see FIG. 1
  • the safety vent breaks and the gas and electrolyte inside the secondary battery are external. By discharging to, secondary battery explosion is prevented.
  • the top Since the entire area of the cap 200 is spaced from the battery can 100, gas and electrolyte in the secondary battery can be quickly discharged to the outside.
  • the size of the fractured open area among the safety vents is not limited by the top cap, so the size of the fractured area in the safety vent increases to increase the gas and electrolyte inside the secondary battery. It can be discharged more quickly.
  • a cylindrical secondary battery was prepared.
  • the diameter of the battery can was 21.05 mm
  • the thickness of the battery can was 0.3 mm
  • the thickness of the bent portion formed at the upper end of the battery can was also 0.3 mm.
  • the thickness of the top cap combined with the bent portion at the top of the battery can was 0.4 mm.
  • the bending length of the bent portion was 0.5 mm.
  • a cylindrical secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the bending length of the bent portion was 1.5 mm.
  • the pressure inside the secondary battery when all areas of the top cap were separated from the battery can in an integral state was 33 kgf.
  • the pressure inside the secondary battery when all areas of the top cap were separated from the battery can in an integral state was 50 kgf.

Abstract

이차전지가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 전지 캔의 상부 끝부에는 탑 캡을 향해 내측으로 절곡되어 탑 캡을 고정하는 절곡부가 형성되고, 전지 캔의 내부 압력이 일정 값을 초과하는 경우 탑 캡 또는 절곡부의 변형에 의해, 위에서 바라보았을 때의 탑 캡과 절곡부가 서로 중첩되는 영역(R)의 면적이 감소하여 절곡부와 탑 캡 간의 결합력이 감소함으로써, 탑 캡의 전 영역이 전지 캔으로부터 이격되는 이차전지가 제공된다.

Description

이차전지
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2019년 2월 1일자 한국특허출원 제10-2019-0013848호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이차전지의 내압 상승시 가스를 효과적으로 배출할 수 있는 구조를 갖는 이차전지에 관한 것이다.
반복적인 충전 및 방전이 가능한 이차전지(secondary battery)는 구조 및 제조 방법에 따라 파우치형 이차전지, 각형 이차전지, 원통형 이차전지 등으로 나뉠 수 있다. 이 중 원통형 이차전지는 원통 구조의 전지 캔 내부에 전극 조립체가 수용되고 전지 캔의 상부에 탑 캡이 결합된 구조를 가진다.
한편, 종래에 비해 동일 부피 대비 보다 큰 용량을 갖는 이차전지에 대한 요구가 증가하면서 그러한 이차전지를 제조하기 위한 연구 역시 활발하게 진행되고 있다.
동일 부피 대비 보다 큰 용량을 갖는 이차전지를 제조하기 위해 양극 내 양극 활물질에 포함되는 니켈의 함량이 증가하고 있는 추세이다. 그러나, 양극 활물질에 포함되는 니켈의 함량이 증가할수록 양극 활물질의 열적 안정성은 저하되는 문제가 있다. 양극 활물질의 열적 안정성이 저하된다는 것은 이차전지 내의 온도 또는 압력 상승으로 인해 이차전지의 화재 또는 폭발이 발생할 가능성이 증가한다는 것이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 이차전지에 열적 안정성을 향상시킬 수 있는 화합물 등을 추가하는 방법을 고려해볼 수 있으나 비용, 생산성 등의 측면에서 한계가 있는 것이 현실이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이차전지의 구조를 최적화함으로써 이차전지 내부의 압력 또는 온도가 상승하였을 때 발생할 수 있는 이차전지의 화재 또는 폭발의 위험성을 제거하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하고 상부가 개방되어 있는 전지 캔; 및 상기 전지 캔의 상부에 결합되는 탑 캡; 을 포함하고, 상기 전지 캔의 상부 끝부에는 상기 탑 캡을 향해 내측으로 절곡되어 상기 탑 캡을 고정하는 절곡부가 형성되고, 상기 전지 캔의 내부 압력이 일정 값을 초과하는 경우 상기 탑 캡 또는 상기 절곡부의 변형에 의해, 위에서 바라보았을 때의 상기 탑 캡과 상기 절곡부가 서로 중첩되는 영역(R)의 면적이 감소하여 상기 절곡부와 상기 탑 캡 간의 결합력이 감소함으로써, 상기 탑 캡의 전 영역이 상기 전지 캔으로부터 이격되는 이차전지가 제공된다.
상기 전지 캔의 내부 압력이 상기 일정 값을 초과하는 경우, 상기 탑 캡은 복수의 구성으로 조각나지 않은 일체(一體)의 상태로 상기 전지 캔으로부터 이격될 수 있다.
상기 전지 캔의 내부 압력이 상기 일정 값을 초과하는 경우, 상기 절곡부가 절곡된 정도가 완화됨으로써 상기 탑 캡이 상기 전지 캔으로부터 이격될 수 있다.
상기 전지 캔의 내부 압력이 상기 일정 값을 초과하는 경우, 상기 탑 캡의 중심부가 상방으로 휘어짐으로써 상기 탑 캡이 상기 전지 캔으로부터 이격될 수 있다.
상기 일정 값은 30kgf 이상 60kgf 이하의 범위에 속하는 값일 수 있다.
상기 전지 캔은 폭(W)을 가지고, 상기 절곡부는 절곡 길이(A)를 가지고, 상기 전지 캔의 폭(W)에 대한 상기 절곡부의 절곡 길이(A)의 비 A/W는 2.27×10-2 내지 7.5×10-2일 수 있다.
상기 절곡부는 두께(t1)를 가지고, 상기 절곡부는 절곡 길이(A)를 가지고, 상기 절곡부의 두께(t1)에 대한 상기 절곡부의 절곡 길이(A)의 비 A/t1은 1.43 내지 6일 수 있다.
상기 탑 캡에서 상방으로 돌출된 단자 영역은 두께(t2)를 가지고, 상기 절곡부는 절곡 길이(A)를 가지고, 상기 탑 캡의 상기 단자 영역의 두께(t2)에 대한 상기 절곡부의 절곡 길이(A)의 비 A/t2는 1 내지 5일 수 있다.
상기 절곡부의 절곡 길이(A)는 0.5mm 내지 1.5mm일 수 있다.
상기 전지 캔의 폭(W)은 20mm 내지 22mm일 수 있다.
상기 절곡부의 두께(t1)는 0.25mm 내지 0.35mm일 수 있다.
상기 탑 캡의 단자 영역의 두께(t2)는 0.3mm 내지 0.5mm일 수 있다.
상기 전지 캔은 니켈(Ni)이 코팅된 철(Fe) 재질을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 구조를 최적화함으로써 이차전지 내부의 압력 또는 온도가 상승하였을 때 발생할 수 있는 이차전지의 화재 또는 폭발의 위험성을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 구조를 도시한 측단면도이다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명에 따른 이차전지의 구조를 설명하도록 한다.
이차전지
도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 구조를 도시한 측단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이차전지(10)는, 전극 조립체(미도시), 전극 조립체를 수용하고 상부가 개방되어 있는 전지 캔(100), 및 전지 캔(100)의 상부에 결합되는 탑 캡(200)을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 탑 캡(200)은 중앙부가 상방으로 돌출된 구조를 가질 수 있다. 이하, 본 명세서에서는 탑 캡(200)에서 상방으로 돌출된 영역을 '단자 영역'이라 부르기로 한다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지는 예를 들어, 원통형 이차전지일 수 있으나, 본 발명이 적용될 수 있는 이차전지의 종류는 그에 제한되지 않는다. 또한, 전지 캔(100)은 원통 형상을 가질 수 있으나, 전지 캔(100)의 형상 역시 그에 제한되지 않는다. 한편, 전지 캔(100)은 니켈(Ni)이 포함된 철(Fe) 재질을 포함할 수 있다.
전지 캔(100)의 상부 내측부와 탑 캡(200)의 외측 둘레 사이에는 밀봉을 위한 가스켓(300)이 구비될 수 있다. 또한, 탑 캡(200)의 하면에는 안전 벤트(400)가 밀착 구비될 수 있다.
계속해서 도 1을 참고하면, 전지 캔(100)의 상부 끝부에는 탑 캡(200)을 향해 내측으로 절곡되는 절곡부(110)가 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 절곡부(110)는 가스켓(300)을 하방으로 가압하게 되므로, 절곡부(110)에 의해 탑 캡(200)이 고정될 수 있다. 전지 캔(100)에 형성된 절곡부(110)의 하부에는 내측 방향으로 만입된 형상을 갖는 비딩부(120)가 형성될 수 있다.
이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 이차전지(10)를 위에서 바라보았을 때 탑 캡(200)과 절곡부(110)가 서로 중첩되는 영역(R, 이하, '중첩 영역')이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지(10)는 이차전지 내부의 압력이 증가하는 경우 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격됨으로써 이차전지(10) 내부의 가스를 외부로 배출할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 이차전지(10)는, 이차전지 내부의 압력이 일정 값을 초과하는 경우, 탑 캡(200) 또는 절곡부(110) 형상의 변형에 의해, 위에서 바라보았을 때의 탑 캡(200)과 절곡부(110)의 중첩 영역(R)의 면적이 감소하여 탑 캡(200)과 절곡부(110) 간의 결합력이 감소함으로써, 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격되는 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지(10)에서, 전지 캔(100)의 내부 압력이 일정 값을 초과하는 경우, 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격되는 방식은 크게 두 가지로 나뉠 수 있다.
첫번째는, 이차전지(10)의 내압 상승에 의해 탑 캡(200)과 가스켓(300) 등이 전지 캔(100)의 상부 끝부에 형성된 절곡부(110)를 상방으로 가압함으로써 절곡부(110)가 절곡된 정도가 완화되고, 이에 따라 중첩 영역(R)에서 절곡부(110)와 탑 캡(200)이 서로 미끄러지게 되어 탑 캡(200)이 전지 캔(100)으로부터 이격되는 방식(이하, '제1 이격 방식'이라 부르기로 한다)이다.
두번째는, 이차전지(10)의 내압 상승에 의해 이차전지(10)의 내압이 탑 캡(200)의 중심부의 하면을 상방으로 가압하여 탑 캡(200)의 중심부(즉, 단자 영역)가 상방으로 휘어지고, 이에 따라 중첩 영역(R)에서 절곡부(110)와 탑 캡(200)이 서로 미끄러지게 되어 탑 캡(200)이 전지 캔(100)으로부터 이격되는 방식이다(이하, '제2 이격 방식'이라 부르기로 한다).
상기 두 가지 방식은 선택적으로 하나만 일어나는 것이 아니고, 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격될 때 서로 혼재된 상태로 동시에 일어날 수 있다.
만약, 이차전지의 내압 상승으로 탑 캡의 전 영역이 전지 캔으로부터 이격될 때, 탑 캡이 복수의 파편으로 조각난 상태로 전지 캔으로부터 이격되는 경우 복수의 파편들이 여러 방향으로 날아감으로써 안전 사고가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지(10)에서, 전지 캔(100)의 내부 압력이 일정 값을 초과하는 경우, 탑 캡(200)은 복수의 구성으로 조각나지 않은 일체(一體)의 상태로 전지 캔(100)으로부터 이격될 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 이차전지(10)는, 이차전지 내부의 압력이 일정 값을 초과하는 경우, 탑 캡(200) 또는 절곡부(110) 형상의 변형에 의해 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격될 수 있는데, 이때, 상기 일정 값은 30kgf 이상 60kgf 이하의 범위에 속하는 값일 수 있다.
상기 일정 값이 30kgf 미만인 경우에는, 탑 캡(200)과 전지 캔(100) 간의 결합이 지나치게 약하게 되므로, 이차전지 내부의 가스가 외부로 배출될 필요가 없는 경우에도 탑 캡(200)이 전지 캔(100)으로부터 이격되는 문제가 발생할 수 있다. 반면, 상기 일정 값이 60kgf를 초과하는 경우에는, 탑 캡(200)과 전지 캔(100) 간의 결합이 지나치게 강하게 되므로, 이차전지 내부 압력 상승으로 가스가 외부로 배출되어야 하는 경우에도 탑 캡(200)이 전지 캔(100)으로부터 이격되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 일정 값은 30kgf 이상 55kgf 이하의 범위에 속하는 값일 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이차전지(10)에서 전지 캔(100)은 소정의 폭(W)을 가질 수 있다. 전지 캔(100)이 원통 형상을 갖는 경우 도 1에 도시된 폭(W)은 전지 캔(100)의 직경이라고 볼 수 있다.
또한, 전지 캔(100)에 형성되는 절곡부(110)는 절곡부가 전지 캔(100)의 내측으로 절곡된 소정의 길이인 절곡 길이(A)를 가질 수 있다. 그리고, 절곡부(110)는 소정의 두께(t1)를 가질 수 있다.
한편, 탑 캡(200)은 소정의 두께(t2)를 가질 수 있다. 이때, 탑 캡(200)의 전 영역에 걸쳐 일정한 두께를 가질 수도 있으나, 편의상 본 명세서에서는 탑 캡(200)에서 상방으로 돌출된 단자 영역의 두께가 t2인 경우를 중심으로 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 이차전지(10)에서 전지 캔(100)의 폭(W)에 대하여 절곡부(110)의 절곡 길이(A)는 일정한 비율을 가질 수 있다. 즉, 전지 캔(100)의 폭(W)에 대한 절곡부(110)의 절곡 길이(A)의 비 A/W는 2.27×10-2 내지 7.5×10-2일 수 있다.
A/W가 2.27×10-2 미만인 경우에는 전지 캔(100)과 탑 캡(200) 간의 결합력이 지나치게 작게 되어, 이차전지(10)의 내압이 정상적인 상황에서도 절곡부(110)의 절곡 정도가 완화되어 탑 캡(200)이 전지 캔(100)으로부터 이격되는 문제가 발생할 수 있다. 반대로, A/W가 7.5×10-2 를 초과하는 경우에는 전지 캔(100)과 탑 캡(200) 간의 결합력이 지나치게 크게 되어, 이차전지(10)의 내압이 비정상적인 상황에서도 탑 캡(200)이 전지 캔(100)으로부터 이격되지 않으므로 이차전지(10)가 폭발할 위험성이 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지(10)에서 절곡부(110)의 두께(t1)에 대하여 절곡부(110)의 절곡 길이(A) 역시 일정한 비율을 가질 수 있다. 즉, 절곡부(110)의 두께(t1)에 대한 절곡부(110)의 절곡 길이(A)의 비 A/t1은 1.43 내지 6일 수 있다.
A/t1가 1.43 미만인 경우에는 절곡부(110)의 두께(t1)는 상대적으로 큰 반면 절곡 길이(A)는 상대적으로 작게 되므로, 전지 캔(100)의 상부 끝부에 절곡부(110)를 성형하는 것이 어려워지게 되어 절곡부(110)의 성형성이 떨어질 수 있다. 반대로, A/t1가 6을 초과하는 경우에는 절곡부(110)의 두께(t1)는 상대적으로 작은 반면 절곡 길이(A)는 상대적으로 크게 되므로, 절곡부(110)가 형성되는 영역의 내구성이 떨어지게 되어 절곡부(110)의 성형 과정에서 절곡부(110)가 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 보다 바람직하게 A/t1은 2.0 내지 4.3일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지(10)에서 탑 캡(200)의 단자 영역의 두께(t2)에 대하여 절곡부(110)의 절곡 길이(A) 역시 일정한 비율을 가질 수 있다. 즉, 탑 캡의 단자 영역의 두께(t2)에 대한 상기 절곡부의 절곡 길이(A)의 비 A/t2는 1.0 내지 5.0일 수 있다.
A/t2가 1.0 미만인 경우에는 탑 캡(200)의 단자 영역의 두께(t2)는 상대적으로 큰 반면 절곡 길이(A)는 상대적으로 작게 되므로, 탑 캡(200)의 단자 영역에서의 변형이 거의 일어나지 않게 되어, 이차전지(10)의 내압 상승으로 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격될 때 주로 상기 '제1 이격 방식'에 의해서만 이루어지게 된다. 반대로, A/t2가 5.0을 초과하는 경우에는 탑 캡(200)의 단자 영역의 두께(t2)는 상대적으로 작은 반면 절곡 길이(A)는 상대적으로 크게 되므로, 절곡 길이(A)에서 절곡이 되는 정도의 완화가 거의 일어나지 않게 되어, 이차전지(10)의 내압 상승으로 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격될 때 주로 상기 '제2 이격 방식'에 의해서만 이루어지게 된다. 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격될 때 제1 이격 방식에만 의존하는 경우, 이차전지의 사용 상태에 따라 제1 이격 방식이 작동하지 않는 경우 탑 캡(200)이 전지 캔(100)으로부터 이격되지 않아 이차전지(10)가 폭발할 수 있다. 이는 제2 이격 방식에만 의존하는 경우에도 마찬가지이다. 따라서, 이차전지의 사용 상태에 관계없이 탑 캡(200)이 이차전지(10)로부터 이격될 수 있도록 하기 위해서는 제1 이격 방식과 제2 이격 방식이 조화롭게 작동할 수 있도록 A/t2를 설정할 필요가 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지(10)의 절곡부(110)의 절곡 길이(A)는 0.5mm 내지 1.5mm일 수 있다.
절곡부(110)의 절곡 길이(A)가 0.5mm 미만인 경우에는 절곡 길이(A)가 지나치게 짧게 되므로, 전지 캔(100)의 상부 끝부에 절곡부(110)를 성형하는 것이 어려워지게 되어 절곡부(110)의 성형성이 떨어질 수 있고, 평상시에 절곡부(110)에 의한 전지 캔(100)과 탑 캡(200) 간의 결합력이 떨어지게 되어 정상적인 상황에서도 탑 캡(200)이 전지 캔(100)으로부터 이격되는 문제가 발생할 수 있다. 반면, 절곡부(110)의 절곡 길이(A)가 1.5mm 초과인 경우에는 절곡 길이(A)가 지나치게 크게 되므로, 절곡부(110)에 의한 전지 캔(100)과 탑 캡(200) 간의 결합력이 지나치게 커지게 되어 이차전지(10)의 내압 상승으로 탑 캡(200)이 전지 캔(100)으로부터 이격되어야 하는 상황에서도 이격되지 않게 되어 이차전지(10)가 폭발할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지(10)의 전지 캔(100)에 형성된 절곡부(110)의 두께(t1)는 0.25mm 내지 0.35mm일 수 있다.
절곡부(110)의 두께(t1)가 0.25mm 미만인 경우에는 절곡부(110)가 형성되는 영역의 내구성이 떨어지게 되어 절곡부(110)의 성형 과정에서 절곡부(110)가 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 반면, 절곡부(110)의 두께(t1)가 0.35mm를 초과하는 경우에는 전지 캔(100)의 상부 끝부에 절곡부(110)를 성형하는 것이 어려워지게 되어 절곡부(110)의 성형성이 떨어지게 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지(10)의 탑 캡(200)의 두께(t2)는 0.3mm 내지 0.5mm일 수 있다.
탑 캡(200)의 두께(t2)가 0.3mm 미만인 경우에는 이차전지(10)의 내압 상승으로 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격될 때 주로 상기 '제2 이격 방식'에 의해서만 이루어질 수 있다. 반면, 탑 캡(200)의 두께(t2)가 0.5mm를 초과하는 경우에는 이차전지(10)의 내압 상승으로 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격될 때 주로 상기 '제1 이격 방식'에 의해서만 이루어질 수 있다. 보다 바람직하게 t2는 0.35mm 내지 0.45mm 사이의 값을 가질 수 있다.
또한, 이차전지(10)의 생산성 및 이차전지(10)를 사용할 때의 효율성 등을 위해 본 발명에 따른 이차전지(10)의 전지 캔(100)의 폭(W)은 20mm 내지 22mm일 수 있다.
원통형 이차전지의 경우 안전 벤트(400, 도 1 참조)가 구비되는 것이 일반적인데, 종래 기술에 따르면 원통형 이차전지의 내부 압력이 상승하는 경우 안전 벤트가 파단되면서 이차전지 내부의 가스와 전해액 등을 외부로 배출함으로써 이차전지의 폭발을 방지하게 된다.
그러나, 종래 기술에 따르면 안전 벤트가 파단되더라도 이차전지 내부의 가스와 전해액 등이 외부로 배출되는 출구는 안전 벤트에서 파단된 영역에 제한되기 때문에 가스와 전해액 등의 신속한 배출이 어렵다는 문제점이 있었다. 특히, 이차전지의 직경 또는 크기가 큰 경우, 예를 들어, 이차전지의 직경이 11mm를 초과하는 경우에는 이차전지의 폭발을 방지하기 위해서 가스와 전해액이 최대한 신속하게 외부로 배출될 필요가 있는데, 안전 벤트에서 파단된 영역은 국부적이므로 가스와 전해액이 외부로 신속하게 배출되지 못하여 이차전지의 안전성이 담보되지 못하는 문제점이 있었다. 또한, 안전 벤트가 파단되더라도 탑 캡은 전지 캔과 결합된 상태를 유지하게 되므로, 안전 벤트가 탑 캡의 하부에 여전히 구속되어 안전 벤트에서 파단되어 개방되는 영역의 크기가 탑 캡에 의해 제한되는 문제점도 있었다.
그러나, 전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전지 캔(100)의 내부 압력이 일정 값을 초과하는 경우 전지 캔(100)의 절곡부(110)와 탑 캡(200) 간의 결합력이 감소하면서, 탑 캡(200)의 전 영역이 전지 캔(100)으로부터 이격되므로, 이차전지 내부의 가스와 전해액이 신속하게 외부로 배출될 수 있다. 또한, 탑 캡이 전지 캔으로부터 이격되므로, 안전 벤트 중 파단되어 개방되는 영역의 크기가 탑 캡에 의해 제한되지 않게 되므로, 안전 벤트에서 파단되는 영역의 크기가 증가하여 이차전지 내부의 가스와 전해액이 더욱 신속하게 외부로 배출될 수 있다.
실시예 1
원통형 이차전지를 제조하였다. 전지 캔의 직경은 21.05mm였고, 전지 캔의 두께는 0.3mm였고, 전지 캔의 상부 끝부에 형성되는 절곡부의 두께 역시 0.3mm였다. 또한, 전지 캔의 상부에서 절곡부와 결합되는 탑 캡의 두께는 0.4mm였다. 또한, 절곡부의 절곡 길이는 0.5mm였다.
실시예 2
절곡부의 절곡 길이가 1.5mm인 경우를 제외하면, 실시예 1과 동일하게 원통형 이차전지를 제조하였다.
실험예
실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 원통형 이차전지 내부의 압력을 증가시키면서, 탑 캡의 전 영역이 일체(一體)의 상태로 전지 캔으로부터 이격될 때의 이차전지 내부의 압력을 측정하였다.
실시예 1에 따른 원통형 이차전지에서 탑 캡의 전 영역이 일체의 상태로 전지 캔으로부터 이격될 때의 이차전지 내부의 압력은 33kgf였다.
실시예 2에 따른 원통형 이차전지에서 탑 캡의 전 영역이 일체의 상태로 전지 캔으로부터 이격될 때의 이차전지 내부의 압력은 50kgf였다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능함은 물론이다.

Claims (13)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하고 상부가 개방되어 있는 전지 캔; 및
    상기 전지 캔의 상부에 결합되는 탑 캡; 을 포함하고,
    상기 전지 캔의 상부 끝부에는 상기 탑 캡을 향해 내측으로 절곡되어 상기 탑 캡을 고정하는 절곡부가 형성되고,
    상기 전지 캔의 내부 압력이 일정 값을 초과하는 경우 상기 탑 캡 또는 상기 절곡부의 변형에 의해, 위에서 바라보았을 때의 상기 탑 캡과 상기 절곡부가 서로 중첩되는 영역(R)의 면적이 감소하여 상기 절곡부와 상기 탑 캡 간의 결합력이 감소함으로써, 상기 탑 캡의 전 영역이 상기 전지 캔으로부터 이격되는 이차전지.
  2. 청구항 1에서,
    상기 전지 캔의 내부 압력이 상기 일정 값을 초과하는 경우, 상기 탑 캡은 복수의 구성으로 조각나지 않은 일체(一體)의 상태로 상기 전지 캔으로부터 이격되는 이차전지.
  3. 청구항 2에서,
    상기 전지 캔의 내부 압력이 상기 일정 값을 초과하는 경우, 상기 절곡부가 절곡된 정도가 완화됨으로써 상기 탑 캡이 상기 전지 캔으로부터 이격되는 이차전지.
  4. 청구항 2에서,
    상기 전지 캔의 내부 압력이 상기 일정 값을 초과하는 경우, 상기 탑 캡의 중심부가 상방으로 휘어짐으로써 상기 탑 캡이 상기 전지 캔으로부터 이격되는 이차전지.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에서,
    상기 일정 값은 30kgf 이상 60kgf 이하의 범위에 속하는 값인 이차전지.
  6. 청구항 1에서,
    상기 전지 캔은 폭(W)을 가지고,
    상기 절곡부는 절곡 길이(A)를 가지고,
    상기 전지 캔의 폭(W)에 대한 상기 절곡부의 절곡 길이(A)의 비 A/W는 2.27×10-2 내지 7.5×10-2인 이차전지.
  7. 청구항 1에서,
    상기 절곡부는 두께(t1)를 가지고,
    상기 절곡부는 절곡 길이(A)를 가지고,
    상기 절곡부의 두께(t1)에 대한 상기 절곡부의 절곡 길이(A)의 비 A/t1은 1.43 내지 6인 이차전지.
  8. 청구항 1에서,
    상기 탑 캡에서 상방으로 돌출된 단자 영역은 두께(t2)를 가지고,
    상기 절곡부는 절곡 길이(A)를 가지고,
    상기 탑 캡의 상기 단자 영역의 두께(t2)에 대한 상기 절곡부의 절곡 길이(A)의 비 A/t2는 1 내지 5인 이차전지.
  9. 청구항 6에서,
    상기 절곡부의 절곡 길이(A)는 0.5mm 내지 1.5mm인 이차전지.
  10. 청구항 6에서,
    상기 전지 캔의 폭(W)은 20mm 내지 22mm인 이차전지.
  11. 청구항 7에서,
    상기 절곡부의 두께(t1)는 0.25mm 내지 0.35mm인 이차전지.
  12. 청구항 8에서,
    상기 탑 캡의 단자 영역의 두께(t2)는 0.3mm 내지 0.5mm인 이차전지.
  13. 청구항 1에서,
    상기 전지 캔은 니켈(Ni)이 코팅된 철(Fe) 재질을 포함하는 이차전지.
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