WO2021125654A1 - 유연한 입력부가 마련한 원통형 이차전지 - Google Patents

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WO2021125654A1
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cylindrical
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Definitions

  • the present invention relates to a cylindrical secondary battery provided with a flexible input unit. Specifically, it relates to a cylindrical secondary battery in which a hole is provided at the bottom of a cylindrical secondary battery made of a metal can and the hole is sealed using a flexible material such as a thermoplastic polymer or rubber.
  • Secondary batteries are classified according to the shape of the battery case. It can be broadly divided into a cylindrical battery and a prismatic battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or prismatic metal can, and a pouch-type battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch-type case of an aluminum laminate sheet.
  • the electrode assembly embedded in the battery case is a charge-discharge power generating element comprising a positive electrode, a negative electrode, and a separator structure interposed between the positive electrode and the negative electrode. It is classified into a jelly-roll type in which a separator is interposed between a long sheet-like positive electrode and a negative electrode coated with an active material, and a stack type in which a separator is sequentially stacked between a plurality of positive electrodes and negative electrodes of a predetermined size. Among them, the jelly-roll type electrode assembly is easy to manufacture and has the advantage of high energy density per weight.
  • the jelly-roll type electrode assembly may be embedded in a cylindrical metal can to constitute a cylindrical secondary battery.
  • Cylindrical secondary batteries are widely used in fields requiring high-capacity secondary batteries, such as electric vehicles.
  • cylindrical secondary batteries are activated after assembling the secondary batteries.
  • the can constituting the outer case is in a sealed state. Gas is inevitably generated during the activation process of the battery, and the pouch-type battery is finally sealed after discharging the generated gas to the outside.
  • the secondary battery does not have a separate outlet for smoothly discharging the generated gas.
  • Cylindrical secondary batteries are already started in a state in which the internal pressure is increased from the beginning. Due to the increase in internal pressure due to continuous use, the degree of volatilization of the internal electrolyte to the outside is faster than other types of batteries, resulting in shortened lifespan and reduced performance.
  • Patent Document 1 relates to a cylindrical battery including an electrolyte injection hole, a secondary battery having a structure in which an electrode assembly having a positive electrode/separator/negative electrode structure is embedded in a cylindrical can, and a cap assembly is mounted on the open upper end of the can, and the can At least one opening for the user to inject the electrolyte is perforated on the outer surface of the, and a sealing member through which the electrolyte injection pin can pass is press-fitted into the opening and sealed from the outside.
  • Patent Document 1 due to the fact that it is the side of the cylinder, 1) it is not easy to make a hole in a uniform position, 2) it is also necessary to be technically careful to drill a hole in the side, 3) Moreover, to seal the hole provided in the side part In order to do this, it is necessary to manufacture a separate support for the shape. If a can is manufactured by pre-drilling and stretching the steel plate, the hole cannot but be drilled after the can is manufactured because the stretching is not uniform due to the perforated area. 4) In addition, there is a problem in that it is difficult to get caught on the jaws of the support part or to pack in the same shape when manufacturing a battery module by combining several can-type secondary batteries due to the support part generated on the side.
  • Patent Document 1 has a problem in that it does not specifically disclose the sealing material.
  • Patent Document 2 discloses an electrode part in which an anode and a cathode are installed with an insulating plate interposed therebetween, a cap assembly connected to the anode of the electrode part, a can connected to the cathode of the electrode part and inserted into the electrode part, and an electrolyte injection device installed in the can. It relates to a secondary battery comprising.
  • the electrolyte injection device of Patent Document 2 includes an injection hole formed in a can, a body having a plurality of supply holes installed in the can and connected to the inside of the battery, and a body inserted into the body to connect and block the injection hole and the supply hole It is composed of a valve member and a pressing member for applying a constant force to the valve member.
  • the pressing member uses a spring.
  • Patent Document 2 adds an opening/closing device using the elasticity of a spring to the bottom of the can, but 1) the volume occupied by the spring is large in order to have a physical elastic part called the spring, and 2) the intrinsic problem of the electrolyte permeating due to the physically moving configuration. and 3) the installation is complicated.
  • Patent Document 2 is a very limitedly used technology or a technology that has many weaknesses in the reduction of the actual used volume according to the switching device.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 2018-0010389 (2018.01.31)
  • Patent Document 2 Republic of Korea Utility Model Publication No. 1998-021641 (July 15, 1998)
  • the present invention is intended to solve the above problems, and provides a technology that can effectively and economically solve the problems of rapid evaporation of the primary electrolyte due to initial sealing and activation of a cylindrical secondary battery, a decrease in lifespan, and deterioration of battery performance. aim to do
  • an object of the present invention is to provide a cylindrical secondary battery that can be sealed after activation of the cylindrical secondary battery.
  • the present invention 1) can supply additional electrolyte even after sealing, 2) has excellent sealing performance, and 3) has almost no compatibility problem due to deformation of the case even when used in a conventional battery module or battery pack.
  • 4) easy and economical to manufacture and 5) an object of the present invention is to provide a cylindrical secondary battery provided with a novel and flexible input unit that does not reduce the capacity of a conventional secondary battery according to the introduction of technology.
  • Cylindrical secondary battery for achieving this object, a cylindrical can consisting of a circular bottom and a cylindrical outer wall connected to the circumference of the bottom, a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode accommodated in the cylindrical can
  • a cylindrical secondary battery comprising a jelly-roll type electrode assembly having a wound structure and a cap assembly for sealing the cylindrical can, a hole is formed in a part of the bottom of the cylindrical can, and the hole is sealed by a sealing part.
  • the bottom portion may have a curved shape concave inwardly of the cylindrical battery, and the center of the bottom portion may include a flat portion.
  • a radius of curvature of the concave curved surface may increase from the outer periphery to the center of the bottom portion.
  • the through hole may be disposed at a central portion of the bottom portion of the cylindrical can, and specifically, may be disposed at a central portion excluding a portion where the negative electrode tab is welded.
  • the specific shape of the through hole is not limited.
  • the shape of the through hole may be a conservative circular shape, and other various shapes may be changed as needed.
  • the sealing part may be made of a polymer resin.
  • the polymer resin of the cylindrical secondary battery may be a thermoplastic polymer resin or a thermosetting polymer resin, and specifically may be a thermoplastic polymer resin.
  • the polymer resin may be an elastic body.
  • the sealing part may be in the form of a plug in which a radius of the central portion is smaller than that of the outer peripheral portion.
  • a portion entering the inside of the cylindrical secondary battery may be formed with a jaw whose radius is rapidly decreased after the radius is gradually increased.
  • the present invention provides a method for manufacturing a cylindrical secondary battery.
  • the manufacturing method of the cylindrical secondary battery is a method for manufacturing a cylindrical secondary battery.
  • sealing the through hole using a sealing part may include.
  • a step of injecting an additional electrolyte solution may be added between steps 4) and 5), and the sealing step of step 5) is sealed using a plug shape in which the radius of the center part is smaller than the outer periphery.
  • the sealing step of step 5) may be a step of injecting a thermoplastic polymer into the through hole to apply a negative electrode tab portion to be welded to the cylindrical can and then sealing.
  • the present invention can also be provided through various combinations of the above problem solving means.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a conventional general cylindrical secondary battery.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a cylindrical secondary battery provided with a through hole and a cylindrical secondary battery with a sealed through hole according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a lower cross-sectional view of three types of cylindrical secondary batteries provided with through holes according to the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a sealing part according to the present invention.
  • 5 is an example of sealing the through hole according to the present invention using a sealing part.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of an assembly process of a cylindrical secondary battery according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a vertical cross-sectional view of a conventional general cylindrical secondary battery.
  • the cylindrical secondary battery 100 has an electrode assembly 110 housed inside a cylindrical can 120 , and a cap assembly 130 is positioned on the upper part of the cylindrical secondary battery 100 by means of a crimping gasket 133 . 100) is sealed.
  • the cap assembly 130 surrounds the outer periphery of the top cap 131 and is in contact with the venting member 132 positioned under the top cap and the central portion of the venting member 132 to block the current positioned below the venting member 123 . member 135 .
  • a lower gasket 134 for preventing contact between the venting member 132 and the current blocking member 135 at a portion other than the central portion of the venting member 132 is positioned on the outer periphery of the current blocking member 135 .
  • the positive electrode tab 111 of the electrode assembly 110 is attached to the lower surface of the current blocking member 135 so that the cap assembly 130 serves as a positive terminal, and the negative electrode tab 112 is attached to the bottom of the cylindrical can 120 . ) are welded together.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a cylindrical secondary battery 200 provided with a through hole and a cylindrical secondary battery 200 with a sealed through hole according to an embodiment of the present invention.
  • the cylindrical secondary battery 200 is accommodated in a cylindrical can 220 and a cylindrical can 220 having a circular bottom and a cylindrical outer wall connected to the circumference of the bottom. It is a cylindrical secondary battery 200 including a positive electrode, a negative electrode, and a jelly-roll type electrode assembly 210 having a structure in which a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is wound, and a cap assembly 230 for sealing the cylindrical can 220 . .
  • a through hole 250 is formed in a portion of the bottom of the cylindrical can 200 , and the through hole 250 is sealed by a sealing part 260 .
  • FIG. 3 is a bottom cross-sectional view of three types of cylindrical secondary batteries provided with through holes according to the present invention.
  • the bottom portion of the secondary battery may have a flat shape (the first view of FIG. 3 ) or may have an inwardly concave curved surface, and the radius of curvature of the concave curved surface may increase from the outer periphery to the center (Fig. 2nd drawing of 3).
  • it may include a flat portion having a flat central portion of the bottom portion (third view of FIG. 3 ).
  • the through hole 250 is disposed at the center of the bottom of the cylindrical can 220 excluding the portion where the negative electrode tab 212 is welded.
  • FIG. 4 is a perspective view of a sealing part according to the present invention.
  • the sealing parts 260 and 264 may be made of a polymer resin, and specifically, the sealing parts 260 and 264 may be a thermoplastic polymer resin or a thermosetting polymer resin, and specifically, a thermoplastic polymer resin. have.
  • the polymer resin may be an elastic body.
  • the sealing part 260 shown in the upper part in FIG. 4 is in the form of a plug in which the radius of the central part is smaller than that of the outer periphery, and the sealing part 264 shown in the lower part is the cylindrical secondary battery 200, and the part entering the inside of the secondary battery 200 has a radius.
  • a chin that gradually enlarges and then suddenly becomes smaller may be formed.
  • FIG. 5 is an example of sealing the through hole according to the present invention using a sealing part.
  • the sealing part 260 may be inserted and sealed. (The drawing shown in the upper part of FIG. 5)
  • a thermoplastic polymer is injected into the through hole 250 to apply the welded portion to the cylindrical can 220, and then the sealing part ( 262) can be formed.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of an assembly process of a cylindrical secondary battery according to the present invention.
  • the assembly process of the cylindrical secondary battery in the present invention is as follows.
  • the present invention may also provide a battery pack including the cylindrical secondary battery.
  • the battery pack may be used as a power source for devices requiring high temperature stability, long cycle characteristics, and high rate characteristics, and specific examples of such devices include a mobile device, a wearable device, and the like.
  • a power tool powered by an omniscient motor electric vehicles, including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and the like; electric two-wheeled vehicles including electric bicycles (E-bikes) and electric scooters (E-scooter); electric golf carts; and an energy storage system, but is not limited thereto.
  • a through hole is provided in the bottom of the cylindrical battery and sealed using a polymer resin or rubber, etc., so that an additional electrolyte can be supplied even after sealing through a syringe or the like.
  • the sealing part is added by drilling the bottom part of the cylindrical secondary battery, the drilling itself can be easily and quickly performed, which is economical.
  • the material of the sealing part is thermoplastic polymer or rubber
  • the thermoplastic polymer or rubber surrounds the welding part of the negative electrode tab welded to the bottom of the can, thereby greatly increasing external shock and vibration. Even if it is used for the receiving car, it has the effect of preventing the welding part inside the can from falling off.

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Abstract

본원발명은 구체적으로 금속의 캔으로 제조된 원통형 이차전지의 바닥부에 홀을 마련하고 상기 홀을 고무 등의 유연한 재질을 사용하여 밀봉한 원통형 이차전지에 관한 것이다. (대표도) 도 2

Description

유연한 입력부가 마련한 원통형 이차전지
본 출원은 2019년 12월 18일자 한국 특허 출원 제2019-0169530호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본원발명은 유연한 입력부가 마련된 원통형 이차전지에 관한 것이다. 구체적으로 금속의 캔으로 제조된 원통형 이차전지의 바닥부에 홀을 마련하고 상기 홀을 열가소성 고분자 또는 고무 등의 유연한 재질을 사용하여 밀봉한 원통형 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라 구분된다. 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 크게 나눌 수 있다.
전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재된 분리막 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다. 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.
젤리-롤형 전극조립체는 원통형 금속 캔에 내장되어 원통형 이차전지를 구성할 수 있다. 전기자동차 등과 같이 고용량의 이차전지가 필요한 분야에서는 원통형 이차전지가 널리 사용되고 있다.
파우치형 전지와 달리 원통형 이차전지는 이차전지를 조립한 후 활성화 과정을 진행한다. 원통형 이차전지가 조립되면 외부 케이스를 이루는 캔이 밀봉된 상태가 된다. 전지의 활성화 과정에는 필연적으로 기체가 발생하고, 파우치형 전지는 발생하는 기체 등을 외부로 배출한 후 최종 밀봉을 한다. 이차전지는 발생한 기체를 원활하게 배출할 수 있는 별도의 배출구가 마련되지 않았다.
원통형 이차전지는 이미 처음 시작부터 내압이 증가되어 있는 상태에서 시작된다. 계속적인 사용에 따른 내압의 증가로 내부 전해액이 외부로 휘발되는 정도가 다른 종류의 전지에 비해 빠르고 이에 따른 수명의 단축, 성능 저하 문제가 발생한다.
특허문헌 1은 전해액 주입구를 포함하는 원통형 전지에 관한 것으로서, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 이차전지로서, 캔의 개방 상단부에는 캡 어셈블리가 탑재되어 있고, 캔의 외측면에는 사용자가 전해액을 주입하기 위한 적어도 한 개 이상의 개구부가 천공되어 있으며, 상기 개구부에는 전해액 주입핀이 관통할 수 있는 밀봉부재가 압입되어 외부로부터 밀폐되어 있다.
특허문헌 1은 원기둥의 측면이라는 점 때문에 1) 균일한 위치에 천공을 하는 것이 쉽지 않고, 2) 또한 측면에 천공을 하는 것 또한 기술적으로 주의가 필요하며, 3) 더욱이 측면부에 마련된 홀을 밀봉하기 위해서는 해당 모양에 맞춘 별도의 지지부를 제조해야 한다. 만약 철판에 미리 천공을 하고 연신하여 캔을 제조한다면 천공된 부위로 인해서 균일하게 연신되지 않기 때문에 캔을 제조한 후에 천공할 수 밖에 없다. 4) 또한 측면에 생성된 지지부 등으로 인해서 캔형 이차전지를 여러 개 조합하여 전지 모듈을 제조할 때 지지부의 턱에 걸리거나 동일한 모양으로 패킹하는 것이 곤란하다는 문제점이 있다. 5) 별도의 지지부에 의해서 지지하더라도 원기둥의 측면이라는 위치 때문에 밀봉 부재에 걸리는 부하가 균일하거나 대칭적이지 않는다면 문제도 있다. 6) 더욱이 특허문헌 1은 밀봉하는 재질에 대해서 구체적으로 개시하지 못하고 있는 점에서도 문제가 있다.
특허문헌 2는 양극과 음극이 절연판을 사이에 두고 설치되는 전극부와, 전극부의 양극과 연결되는 캡 어셈블리와, 전극부의 음극과 연결되고 전극부가 삽입되는 캔과, 캔에 설치되는 전해액 주입장치를 포함하는 이차전지에 관한 것이다.
특허문헌 2의 전해액 주입장치는 캔에 형성된 주입구멍과, 캔에 설치되고 전지의 안과 연결되는 복수의 공급구멍이 형성되는 몸체와, 몸체의 안에 삽입되어 주입구멍과 공급구멍의 연결과 차단을 행하는 밸브부재와, 밸브부재에 일정하게 힘을 가하는 가압부재로 구성된다. 가압부재는 스프링을 이용한다.
특허문헌 2는 캔의 바닥부에 스프링의 탄성을 이용한 개폐 장치를 부가하였으나, 1) 스프링이라는 물리적인 탄성부를 구비하기 위해서 차지하는 부피가 크고, 2) 물리적으로 움직이는 구성에 의해서 전해액이 스며드는 본질적인 문제가 발생할 수 있고, 3) 설치가 복잡하다는 단점이 있다.
전지의 용량을 최대한으로 늘이기 위한 기술이 절실히 요구되는 상황에서 개폐 장치에 따른 실 사용 부피의 감소는 특허문헌 2가 매우 제한적으로 사용되거나, 약점이 많은 기술임을 쉽게 파악할 수 있다.
이와 같이 원통형 이차전지가 가지고 있는 초기 밀봉과 활성화에 따른 원초적인 전해액의 빠른 증발, 수명 감소, 전지 성능 저하의 문제를 효과적이면서 경제적으로 해결할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 아울러 이차전지의 활용도가 점점 더 증가하고 있는 전지 모듈 또는 전지 팩에도 종래의 캔형 전지를 대체할 수 있도록 외형의 변형이 최소화 되어야 하는 것도 필요한 조건이다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제2018-0010389호 (2018.01.31)
(특허문헌 2) 대한민국 공개실용신안공보 제1998-021641호 (1998.07.15)
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원통형 이차전지가 가지고 있는 초기 밀봉과 활성화에 따른 원초적인 전해액의 빠른 증발, 수명 감소, 전지 성능 저하의 문제를 효과적이면서 경제적으로 해결할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해서 본원발명은 원통형 이차전지의 활성화 이후에 밀봉할 수 있는 원통형 이차전지를 제공하고자 한다. 구체적으로 본원발명은 1) 밀봉을 한 이후에도 추가의 전해액을 공급할 수 있고, 2) 밀봉의 성능이 우수하며, 3) 종래의 전지 모듈 또는 전지 팩에 사용되더라도 케이스의 변형에 따른 호환성 문제가 거의 없고, 4) 제조가 쉽고 경제적이며, 5) 기술 도입에 따라 종래 이차전지의 용량을 저하시키지 않는 신규하고 유연한 입력부가 마련된 원통형 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명에 따른 원통형 이차전지는, 원형의 바닥부와 바닥부의 원주에 연결되어 있는 원기둥 형태의 외벽으로 구성된 원통형 캔, 상기 원통형 캔에 수용된 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체, 상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 어셈블리를 포함하는 원통형 이차전지에 있어서, 상기 원통형 캔의 바닥부 일부에 통공이 형성되고 상기 통공은 밀봉부에 의해서 밀봉이 된 형태일 수 있다.
상기 바닥부는 원통형 전지의 내측으로 오목한 곡면 형태일 수 있으며, 상기 바닥부의 중심은 평탄부를 포함할 수 있다.
상기 바닥부는 외주변에서 중심으로 갈수록 상기 오목한 곡면의 곡률 반경이 증가할 수 있다.
상기 통공은 상기 원통형 캔의 바닥부에서 정 가운데 부분에 배치될 수 있고, 상세하게는, 음극 탭이 용접된 부위를 제외한 중심부에 배치될 수 있다.
통공의 구체적인 모양은 제한적이지 아니하다. 예를 들어, 상기 통공의 형태는 보존적인 원형의 형태일 수 있으며, 그 외의 다양한 형태를 필요에 따라서 변경 가능하다.
상기 밀봉부는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 원통형 이차전지의 상기 고분자 수지는 열가소성 고분자 수지 또는 열경화성 고분자 수지일 수 있으며,, 상세하게는 열가소성 고분자 수지일 수 있다. 구체적으로 상기 고분자 수지는 탄성체일 수 있다.
상기 밀봉부의 비제한적인 예시로서 가운데 부분의 반경이 그 외주변부 보다 작은 플러그 형태일 수 있다.
상기 플러그 형태는 상기 원통형 이차전지 내부로 들어가는 부분은 반경이 점점 더 커진 후 반경이 급격하게 작아지는 턱이 형성된 것일 수 있다.
본원발명은 다른 양태로서 원통형 이차전지의 제조방법을 제공한다. 상기 원통형 이차전지의 제조방법은,
1) 원통형 이차전지의 바닥부에 통공을 형성하는 단계,
2) 전극조립체를 수용한 후 전지 캡 어셈블리를 조립하는 단계;
3) 단계 2)의 조립된 원통형 전지의 바닥부가 상부로 오도록 배치하는 단계;
4) 상기 통공을 통해서 전해액을 주입하고 상기 원통형 전지를 활성화 또는 초기 충방전을 진행하는 단계;
5) 상기 통공을 밀봉부를 사용하여 밀봉하는 단계;를 포함할 수 있다.
본원발명은 상기 단계 4)와 단계 5) 사이에 추가 전해액을 주입하는 단계가 부가될 수 있으며, 상기 단계 5)의 밀봉하는 단계는 가운데 부분의 반경이 그 외주변부다 작은 플러그 형태를 사용하여 밀봉하는 것일 수 있다.
상기 단계 5)의 밀봉하는 단계는 열가소성 고분자를 상기 통공으로 주입하여 상기 원통형 캔에 용접되는 음극 탭 부위를 도포한 후 밀봉하는 단계일 수 있다.
본원발명은 상기의 과제 해결 수단의 다양한 조합을 통해서도 제공이 가능하다.
도 1은 종래의 일반적인 원통형 이차전지의 수직 단면도이다.
도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 통공이 마련된 원통형 이차전지와 통공이 밀봉된 원통형 이차전지의 단면도이다.
도 3은 본원발명에 따른 통공이 마련된 3가지 종류의 원통형 이차전지 하부 단면도이다.
도 4는 본원발명에 따른 밀봉부의 사시도이다.
도 5는 본원발명에 따른 통공을 밀봉부를 사용하여 밀봉하는 예시이다.
도 6은 본원발명에 따른 원통형 이차전지의 조립 과정에 대한 모식도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 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 경우 뿐만 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.
본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 종래의 일반적인 원통형 이차전지의 수직 단면도를 도시하고 있다. 도 1을 참조하면 원통형 이차전지(100)는 원통형 캔(120) 내부에 전극조립체(110)가 수납되어 있고, 상부에는 캡 어셈블리(130)가 위치하고 클림핑 가스켓(133)에 의해 원통형 이차전지(100)가 밀봉된다.
캡 어셈블리(130)는 탑 캡(131)의 외주를 감싸며 탑 캡의 하부에 위치하는 벤팅부재(132)와 벤팅부재(132)의 중심부와 접촉하면서 벤팅부재(123)의 하부에 위치하는 전류차단부재(135)를 포함한다. 전류차단부재(135)의 외주변에는 벤팅부재(132)와 전류차단부재(135)가 상기 벤팅부재(132)의 중심부 이외의 부분에서 접촉하는 것을 방지하기 위한 하부 가스켓(134)이 위치한다.
전류차단부재(135)의 하면에는 전극조립체(110)의 양극 탭(111)이 부착되어 캡 어셈블리(130)가 양극 단자의 역할을 하게 되고, 원통형 캔(120)의 바닥부에는 음극탭(112)이 용접되어 결합된다.
도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 통공이 마련된 원통형 이차전지(200)와 통공이 밀봉된 원통형 이차전지(200)의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본원발명에 따른 원통형 이차전지(200)는 원형의 바닥부와 상기 바닥부의 원주에 연결되어 있는 원기둥 형태의 외벽으로 구성된 원통형 캔(220), 원통형 캔(220)에 수용되고 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체(210), 원통형 캔(220)을 밀봉하는 캡 어셈블리(230)를 포함하는 원통형 이차전지(200)이다. 원통형 캔(200)의 바닥부 일부에 통공(250)이 형성되고 상기 통공(250)은 밀봉부(260)에 의해서 밀봉이 된다.
도 3은 본원발명에 따른 통공이 마련된 3가지 종류의 원통형 이차전지의 하부 단면도이다.
도 3을 참조하면, 이차전지의 바닥부는 평평한 형태(도 3의 첫번째 도면)이거나, 내측으로 오목한 곡면을 이룰 수 있고, 외주변에서 중심으로 갈수록 상기 오목한 곡면의 곡률 반경이 증가할 수 있다(도 3의 두번째 도면). 또는 상기 바닥부의 중심부가 평평한 평탄부를 포함할 수 있다(도 3의 세번째 도면).
도 2 내지 도 3에서 상기 통공(250)은 원통형 캔(220)의 바닥부에서 음극 탭(212)이 용접된 부위를 제외한 중심부에 배치된 것을 알 수 있다.
도 4는 본원발명에 따른 밀봉부의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 밀봉부(260, 264)는 고분자 수지로 이루어질 수 있고, 구체적으로 밀봉부(260, 264)는 열가소성 고분자 수지 또는 열경화성 고분자 수지일 수 있으며, 상세하게는 열가소성 고분자 수지일 수 있다. 또한 상기 고분자 수지는 탄성체일 수 있다.
도 4에 있어서 상부에 도시된 밀봉부(260)는 가운데 부분의 반경이 그 외주변부다 작은 플러그 형태이고 하부에 도식화된 밀봉부(264)는 원통형 이차전지(200) 내부로 들어가는 부분은 반경이 점차 커지다가 급격하게 작아지는 턱이 형성될 수 있다.
도 5는 본원발명에 따른 통공을 밀봉부를 사용하여 밀봉하는 예시이다. 도 5를 참조하면, 밀봉부(260)를 삽입하여 밀봉할 수 있다. (도 5의 상부에 도시된 도면) 또는, 밀봉하는 단계에서 열가소성 고분자를 상기 통공(250)으로 주입하여 음극 탭(212)이 상기 원통형 캔(220)에 용접된 부위를 도포한 후 밀봉부(262)를 형성할 수 있다.
도 6은 본원발명에 따른 원통형 이차전지의 조립 과정에 대한 모식도이다.
본원발명에서 원통형 이차전지의 조립과정은 다음과 같다.
원통형 이차전지의 바닥부에 통공을 형성하는 단계, 전극조립체를 수용한 후 전지 캡 어셈블리를 조립하는 단계(도 6의 1), 캡 어셈블리가 조립된 원통형 이차전지의 바닥부가 상부에 위치하고, 캡 어셈블리가 하부에 위치하도록 원통형 이차전지를 회전시켜 배치하고, 상기 통공을 통해서 전해액을 주입한 후, 상기 원통형 이차전지를 활성화 또는 초기 충방전을 진행하는 단계(도 6의 2), 상기 통공을 밀봉부를 사용하여 밀봉하는 단계(도 6의 3)를 거쳐 최종 원통형 이차전지가 완성된다(도 6의 4)
본원발명은 또한, 상기 원통형 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.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
(부호의 설명)
100, 200: 원통형 이차전지
110, 210: 전극조립체
111: 양극 탭
112, 212: 음극 탭
120, 220: 원통형 캔
130, 230: 캡 어셈블리
131: 탑 캡
132: 벤팅부재
133: 클림핑 가스켓
134: 하부 가스켓
135: 전류차단부재
250: 통공
260, 262, 264: 밀봉부
이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명은 원통형 전지의 바닥부에 통공을 마련하고 이를 고분자 수지 또는 고무 등을 이용하여 밀봉하고 있는 바, 주사기 등을 통해 밀봉을 한 이후에도 추가의 전해액을 공급할 수 있다.
또한, 안쪽으로 오목한 형상을 이루는 이차전지 바닥부의 형태 상 내압이 높아도 변형이 잘 일어나지 않고, 바닥부의 중심부가 오목한 형상인 바, 내부 압력이 고르게 균등하게 분산되어 밀봉성이 우수하다.
또한, 원통형 이차전지의 바닥 중앙부에 밀봉부가 부가되기 때문에 종래의 전지 모듈 또는 전지 팩에 사용되더라도 케이스의 변형에 따른 호환성 문제가 거의 없다.
또한, 원통형 이차전지의 바닥부에 천공하여 밀봉부를 부가하고 있는 바, 천공 자체가 쉽고 빠르게 진행할 수 있어 경제적이다.
또한, 밀봉부의 두께를 최소화하여 부가되는 바, 종래 이차전지의 용량을 저하시키지 않다는 장점이 있다.
또한, 밀봉부의 재질을 열가소성 고분자 또는 고무를 사용함으로, 캔 내부로 일부 주입하여 밀봉할 경우 상기 열가소성 고분자 또는 고무가 캔 내부 바닥에 용접되어 있는 음극 탭의 용접부위를 감싸게 되어 외부 충격 및 진동을 크게 받는 자동차 용으로 사용되더라도 캔 내부의 용접 부위가 떨어지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 원형의 바닥부와 바닥부의 원주에 연결되어 있는 원기둥 형태의 외벽으로 구성된 원통형 캔;
    상기 원통형 캔에 수용된 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재되어 권취된 구조의 젤리-롤형 전극조립체;
    상기 원통형 캔을 밀봉하는 캡 어셈블리;를 포함하는 원통형 이차전지에 있어서,
    상기 원통형 캔의 바닥부 일부에 통공이 형성되고 상기 통공은 밀봉부에 의해서 밀봉이 된 원통형 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바닥부는 원통형 전지의 내측으로 오목한 곡면 형태인 원통형 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바닥부의 중심은 평탄부를 포함하는 원통형 이차전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 바닥부는 외주변에서 중심으로 갈수록 상기 오목한 곡면의 곡률 반경이 증가하는 원통형 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 통공은 상기 원통형 캔의 바닥부에서 음극 탭이 용접된 부위를 제외한 중심부에 배치된 원통형 이차전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 통공은 원형의 형태인 원통형 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉부는 고분자 수지로 이루어진 원통형 이차전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 열가소성 고분자 수지인 원통형 이차전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 탄성체인 원통형 이차전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉부는 가운데 부분의 반경이 그 외주변부 보다 작은 플러그 형태인 원통형 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 플러그 형태는 상기 원통형 이차전지 내부로 들어가는 부분은 반경이 점점 더 커진 후 반경이 급격하게 작아지는 턱이 형성된 것인 원통형 이차전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 원통형 이차전지의 제조방법에 있어서,
    1) 원통형 이차전지의 바닥부에 통공을 형성하는 단계;
    2) 전극조립체를 수용한 후 전지 캡 어셈블리를 조립하는 단계;
    3) 단계 2)의 조립된 원통형 전지의 바닥부가 상부로 오도록 배치하는 단계;
    4) 상기 통공을 통해서 전해액을 주입하고 상기 원통형 전지를 활성화 또는 초기 충방전을 진행하는 단계;
    5) 상기 통공을 밀봉부를 사용하여 밀봉하는 단계;
    를 포함하는 원통형 이차전지의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 단계 4)와 단계 5) 사이에 추가 전해액을 주입하는 단계가 부가된 원통형 이차전지의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 단계 5)의 밀봉하는 단계는 가운데 부분의 반경이 그 외주변부다 작은 플러그 형태를 사용하여 밀봉하는 것인 원통형 이차전지의 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 단계 5)의 밀봉하는 단계는 열가소성 고분자를 상기 통공으로 주입하여 상기 원통형 캔에 용접되는 음극 탭 부위를 도포한 후 밀봉하는 단계인 원통형 이차전지의 제조방법.
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