WO2021187770A1 - 원통형 이차전지 - Google Patents

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WO2021187770A1
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plate
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secondary battery
notch
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김대규
문진영
이보람
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삼성에스디아이(주)
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Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a cylindrical secondary battery capable of preventing component deformation during assembly.
  • a cylindrical secondary battery includes a cylindrical electrode assembly, a cylindrical can for accommodating the electrode assembly and electrolyte, and a cap coupled to the upper opening of the can to seal the can and flow current generated from the electrode assembly to an external device. Includes assembly.
  • a beading portion is formed by applying pressure along the upper outer circumferential surface of the can. At this time, as pressure is applied from the outside to the inside of the can, pressure is also applied to the cap assembly, which causes stress and deformation of the components of the cap assembly.
  • a cylindrical secondary battery includes a cylindrical can; an electrode assembly accommodated in the cylindrical can; and a cap up, a cap down disposed under the cap up, a vent plate spaced apart from the cap down and having at least one notch disposed between the cap up and the cap down, and between the vent plate and the cap down. and a cap assembly having an insulating member inserted therein to insulate the vent plate and the cap down from each other, wherein the cap assembly is inserted between the vent plate and the cap down and inside the insulating member spaced apart from the insulating member It may further include a support member disposed on the.
  • the support member may be disposed in an inner region facing a central axis in the longitudinal direction of the can based on the notch.
  • the insulating member and the support member may have a circular ring shape, and the vent plate may further include a contact portion penetrating the insulating member and the support member to contact the cap down.
  • the support member may be disposed between the notch and the contact portion.
  • a width in a direction perpendicular to a longitudinal central axis of the can is equal to or greater than a length between the notch and the contact portion.
  • the support member is characterized in that it is welded to the insulating member.
  • the present invention is a cylindrical can; an electrode assembly accommodated in the cylindrical can; and a top plate having at least one notch formed thereon, a bottom plate disposed under the top plate and having a contact portion in which a portion of a plate surface protrudes toward the top plate and comes into contact with the top plate, the top plate and the bottom plate and a cap assembly having an insulating plate disposed therebetween to insulate the top plate and the bottom plate from each other except for the contact portion, wherein the cap assembly is inserted between the top plate and the insulating plate to form the top plate It may further include a support member for supporting.
  • the support member may be disposed in an inner region facing at least a longitudinal central axis of the can based on the notch.
  • the insulating plate and the support member may have a circular ring shape, and the contact portion of the bottom plate may pass through the insulating plate and the support member to contact the top plate.
  • the support member may be disposed between the notch and the contact portion, and the top plate may have a shape surrounding an edge of the support member.
  • the support member is characterized in that it is welded to the insulating plate.
  • the support member is characterized in that a portion of a surface in contact with the notch is spaced apart from the notch.
  • the support member is characterized in that a plurality of through-holes are formed therethrough at positions corresponding to the positions of the notch.
  • the vent fracture can be stably performed by supporting the deformed portion of the safety vent to prevent the deformation of the safety vent when stress occurs.
  • vent breaking pressure since the vent breaking pressure is maintained, it is possible to stably respond to changes in the pressure inside the can during overcharging, thereby preventing defects and damage of the secondary battery and ensuring reliability.
  • FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view showing a cylindrical secondary battery according to a comparative embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a cylindrical secondary battery according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a longitudinal cross-sectional view of the cap assembly according to FIG. 2 in an enlarged view;
  • FIG. 4 is a table showing the results of the deformation prevention experiment for each numerical value according to the main part of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a cap assembly of a cylindrical secondary battery according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a cap assembly of a cylindrical secondary battery according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view illustrating a partial configuration of the cap assembly according to FIG. 6 .
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers and/or parts, these members, parts, regions, layers, and/or parts are limited by these terms so that they It is self-evident that These terms are used only to distinguish one member, component, region, layer or portion from another region, layer or portion. Accordingly, a first member, component, region, layer, or portion discussed below may refer to a second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
  • Space-related terms such as “beneath”, “below”, “lower”, “above”, and “upper” refer to an element or feature shown in the drawings and It may be used to facilitate understanding of other elements or features. These space-related terms are for easy understanding of the present invention according to various process conditions or usage conditions of the present invention, and are not intended to limit the present invention. For example, if an element or feature in a figure is turned over, an element or feature described as “below” or “below” becomes “above” or “above”. Accordingly, “lower” is a concept encompassing “upper” or "below”.
  • FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view showing a cylindrical secondary battery according to a comparative embodiment of the present invention.
  • a typical cylindrical secondary battery 1 includes a cylindrical can 10 having an opening at one end in the longitudinal direction, an electrode assembly 30 accommodated in the can, and a cap assembly inserted into the opening ( 50).
  • the cap assembly 50 includes a safety vent 51 , a cap up 52 disposed above the safety vent 51 , and a cap down 53 disposed below the safety vent 51 .
  • the cap assembly 50 includes an insulating member 54 inserted between the safety vent 51 and the cap down 53 to insulate the portion other than the central portion of the safety vent 51 from contacting the cap down 53 and , an insulating gasket 55 to insulate between the cap assembly 50 and the can 10 may be further included.
  • a portion of the safety vent 51 in the vicinity of the central axis A in the longitudinal direction of the can 10 is in contact with the cap down 53 , and a portion supported by the insulating member 54 is spaced apart from the cap down 53 . .
  • the lower portion of the cap assembly 50 is depressed inwardly in a ring shape to form the beading portion 12 , and the upper portion of the cap assembly 50 is bent inwardly to be clamped.
  • a ping portion 14 may be formed.
  • a process of applying a force from the outside to the inside of the can 10 is performed, and stress is also generated in the cap assembly 50 by the external force.
  • the direction in which the stress is applied is a direction from the outside to the inside of the can 10 as shown in the arrow direction in FIG. 1 .
  • Stress acts on the cap assembly 50 as a whole, but since the notch 51a is formed in the safety vent 51 , it is relatively weak to stress compared to other components of the cap assembly 50 and thus deformation may occur.
  • a portion where deformation occurs in the safety vent 51 is a portion spaced apart from the cap down 53 (a dotted line region in FIG. 1 , hereinafter deformation portion).
  • the deformed portion of the safety vent 51 is likely to be deformed toward the cap down 53 when stress occurs, and when the safety vent 51 is deformed, the breaking pressure of the notch 51a changes, so abnormal gas inside the secondary battery 1 When this occurs, there may be a problem that the gas is not smoothly discharged. Therefore, a structure in which the safety vent 51 is not deformed is required even when stress is generated when assembling the cylindrical secondary battery 1 .
  • the present invention proposes a cap assembly having a novel structure.
  • FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a cylindrical secondary battery according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a longitudinal cross-sectional view of the cap assembly according to FIG. 2 in an enlarged view;
  • the cylindrical secondary battery 1000 includes a cylindrical can 100, an electrode assembly 300 inserted into the can 100, It may include a cap assembly 500 inserted into one end of the can 100 , and an insulating gasket 700 inserted between the can 100 and the cap assembly 500 .
  • a center pin 380 may be coupled to the electrode assembly 300 .
  • the can 100 includes a circular bottom portion 110 and a side portion 130 extending upwardly from the bottom portion 110 , and an upper portion of the side portion 130 has an open shape (hereinafter referred to as an opening).
  • the electrode assembly 300 is inserted into the can 100 together with the electrolyte through the opening of the can 100 .
  • the can 100 may be formed of steel, a steel alloy, nickel-plated steel, nickel-plated steel alloy, aluminum, an aluminum alloy, or an equivalent thereof, but the material thereof is not limited herein.
  • the cap assembly 500 is inserted into the opening of the can 100 .
  • a beading part 132 and a crimping part 134 may be formed on the side part 130 so that the inserted cap assembly 500 does not escape to the outside through the opening of the can 100 .
  • the beading portion 132 is formed at a lower portion of the cap assembly 500 as a center, and is depressed in a direction toward the inside of the can 100 .
  • the crimping part 134 is formed on the cap assembly 500 as the center, and is bent in the inner direction of the can 100 . Since the beading part 132 and the crimping part 134 hold the cap assembly 500 in the vertical direction, the cap assembly 500 is not separated from the can 100 .
  • the electrode assembly 300 is disposed under the cap assembly 500 inside the can 100 .
  • the electrode assembly 300 includes a negative electrode plate 310 coated with a negative electrode active material (eg, graphite, carbon, etc.), a positive electrode plate coated with a positive electrode active material (eg, transition metal oxide (LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, etc.)) 320), and a separator 330 disposed between the negative electrode plate 310 and the positive electrode plate 320 to prevent a short circuit and enable only movement of lithium ions.
  • the negative electrode plate 310 , the positive electrode plate 320 , and the separator 330 may be wound in a substantially cylindrical shape to be accommodated in the can 100 .
  • the negative electrode plate 310 may be copper (Cu) or nickel (Ni) foil
  • the positive electrode plate 320 may be aluminum (Al) foil
  • the separator 330 may be polyethylene (PE) or polypropylene (PP), but in the present invention, It does not limit the material of A negative electrode tab 340 protruding downward by a predetermined length may be welded to the negative electrode plate 310 , and a positive electrode tab 350 protruding upward by a predetermined length may be welded to the positive electrode plate 320 , but vice versa.
  • the negative electrode tab 340 may be made of copper or nickel
  • the positive electrode tab 350 may be made of aluminum, but the present invention is not limited thereto.
  • the negative electrode tab 340 may be welded to the bottom 110 of the can 100 , and in this case, the can 100 may operate as a negative electrode.
  • the positive electrode tab 350 may be welded to the bottom 111 of the can 100 , and in this case, the can 100 may operate as a positive electrode.
  • first insulating plate 360 and the second insulating plate 370 may be interposed in upper and lower portions of the electrode assembly 300 .
  • the first insulating plate 360 prevents the positive plate 320 from electrically contacting the bottom 110 of the can 100
  • the second insulating plate 370 connects the negative plate 310 to the cap assembly 500 electrically. Avoid contact.
  • the first insulating plate 360 has a first hole 362 communicating with the center pin 380 so that the gas can move upward through the cylindrical center pin 380 when a large amount of gas is generated due to an abnormality in the secondary battery. and a second hole 364 through which the negative electrode tab 340 can pass therethrough is formed.
  • the negative electrode tab 340 may be welded to the bottom portion 110 through the second hole 364 .
  • the second insulating plate 370 has a first hole 372 through which the gas can move to the cap assembly 500 when a large amount of gas is generated due to an abnormality in the secondary battery, and the positive electrode tab 350 passes therethrough.
  • a second hole 374 is formed through.
  • the positive electrode tab 350 may be welded to the cap down 550 to be described later through the second hole 374 .
  • the second hole 374 may be formed in plurality to serve as an inlet through which the electrolyte is injected into the electrode assembly 300 in the electrolyte injection process.
  • the center pin 380 has a hollow circular pipe shape, and may be coupled to the center of the electrode assembly 300 .
  • the center pin 380 may be formed of steel, a steel alloy, nickel-plated steel, a nickel-plated steel alloy, aluminum, an aluminum alloy, or polybutylene terepthalate, but the material is not limited here. .
  • the center pin 380 serves to suppress deformation of the electrode assembly 300 during charging and discharging of the secondary battery, and serves as a passage for gas generated inside the secondary battery. In some cases, the center pin 380 may be omitted.
  • the cap assembly 500 includes a cap up 510 exposed to the outside of the can 100 , a cap down 550 disposed under the cap up 510 , and a cap up ( It may include a vent plate 530 disposed between the 510 and the cap down 550 , an insulating member 570 and a support member 590 disposed between the vent plate 530 and the cap down 550 .
  • a vent plate 530 disposed between the 510 and the cap down 550
  • an insulating member 570 and a support member 590 disposed between the vent plate 530 and the cap down 550 .
  • the cap-up 510 is disposed at the uppermost portion of the cap assembly 500 and may include a through-hole 512 for discharging gas generated inside the can 100 to the outside.
  • the cap-up 510 may have a substantially circular plate shape, a predetermined region may convexly protrude upward about the central axis B, and a through hole 512 may be formed in the protruding portion.
  • a vent plate 530 is disposed under the cap-up 510 , and the vent plate 530 may be coupled to surround the edge of the cap-up 510 .
  • the vent plate 530 has a substantially disk shape, and the edge is bent toward the edge of the cap-up 510 to contact the lower edge of the cap-up 510 , and the inside of the can 100 is again centered around the contacted portion. It may be bent toward and contact the upper edge of the cap-up 510 .
  • the unbent disk portion of the vent plate 530 is bent toward the vent bottom 532 and the bent bottom 532 toward the cap-up 510 is the first support 534, the first support 534.
  • a portion bent inward from the second support portion 536 and convexly protruding downward from the vent bottom portion 532 and contacting the cap down 550 is defined as a contact portion 538 .
  • the vent plate 530 is formed so that all regions except for the contact portion 538 do not come into contact with the cap down 550 . At least one notch 532a may be formed on the vent bottom 532 of the vent plate 530 .
  • the notch 532a may be formed in a circular ring shape.
  • a plurality of notches 532a may be formed in a streamlined shape and may be arranged in a substantially circular shape.
  • the cap down 550 is disposed under the vent plate 530 and has a substantially disk shape.
  • the cap down 550 may be formed of aluminum, an aluminum alloy, or an equivalent thereof, but the material thereof is not limited thereto.
  • the cap-down 550 serves to support the cap-up 510 to prevent deformation of the cap-up 510 from an external force.
  • the edge of the cap down 550 is bent toward the vent plate 530 , and the insulating member 570 is disposed on the bent portion.
  • a portion bent toward the vent plate 530 is defined as a third support part 552 .
  • An unbent disk portion of the cap down 550 is defined as a cap down bottom 554 , and the cap down bottom 554 has a predetermined spacing from the vent bottom 532 of the vent plate 530 .
  • the cap down 550 may also have a through hole 554a formed on the cap down bottom 554 , and when an abnormal internal pressure occurs, the internal gas passes through the through hole 554a of the cap down 550 , and the vent plate 530 . ) may be discharged to the outside of the can 100 through the notch 532a of the cap-up 510 and the through-hole 512 of the cap-up 510 .
  • the insulating member 570 allows the vent plate 530 and the cap down 550 to maintain a spaced state except for the contact portion 538, and serves to insulate the vent plate 530 and the cap down 550 from each other. do. Accordingly, the insulating member 570 may be formed in a circular ring shape having a predetermined width when viewed from the top.
  • the insulating member 570 is formed of polyethylene (PE), polypropylene (PP: polypropylene), EPDM rubber: ethylene propylene diene monomer (M-class) rubber, or an equivalent thereof. may be, but is not limited thereto.
  • the insulating member 570 may be welded to the vent plate 530 and the cap down 550 by a method such as ultrasonic welding or laser welding.
  • the vent plate 530 When an external force is applied when the beading part 132 is formed on the can 100 in the manufacturing process of the secondary battery 1000 , stress may be generated in the cap assembly 500 .
  • the vent plate 530 may be deformed due to the generation of stress, and deformation may easily occur in a region where a gap exists between the vent plate 530 and the cap down 550 (see FIG. 1 ).
  • the reason is that there is no structure capable of supporting the vent plate 530 in the region where the separation exists, and since the notch 532a is formed in the region, the thickness of the region is thinner than that of other parts, so it is vulnerable to deformation due to stress generation. can do. Therefore, in order to prevent the deformation of the vent plate 530 , the support member 590 may be interposed in a region spaced apart from the cap down 550 (hereinafter, the deformable portion C, the dotted line region of FIG. 3 ).
  • the support member 590 may have a substantially circular ring shape having a predetermined width when viewed from the top, and may be made of the same or similar material as the insulating member 570 .
  • the cap down 550 may be made of the same or similar material.
  • the support member 590 When the vent plate 530 breaks, the support member 590 is located under the vent plate 530 and breaks while the vent plate 530 swells toward the cap-up 510, so the vent plate 530 and the support member ( 590) is not energized. Accordingly, the support member 590 may be formed of aluminum, an aluminum alloy, or the like.
  • the support member 590 is disposed between the notch 532a and the contact portion 538 to fill the space between the vent plate 530 and the cap down 550 . Since the support member 590 supports the vent plate 530 from the lower portion, the support member 590 may support the vent plate 530 from being deformed in the lower direction due to stress. In addition, since the support member 590 is in contact with the vent plate 530 , there is an effect of dispersing stress.
  • the support member 590 is not fixed to the vent plate 530 so as not to interfere with the movement of gas and breakage of the notch 532a when abnormal internal pressure occurs, but may be fixed with the cap down 550 by welding or the like. . To this end, the support member 590 may be disposed inside the notch 532a with reference to FIG. 3 .
  • the diameter of the vent bottom portion 532 of the vent plate 530 is defined as R1
  • the diameter of the contact portion 538 is defined as R2
  • the width of the support member 590 is defined as L1 .
  • the total length of the portion where the bent plate 530 and the cap down 550 are indirectly contacted through the support member 590 is twice the width L1 of the support member 590 .
  • the length of the portion where the vent plate 530 and the cap down 550 directly contact corresponds to the diameter R2 of the contact portion 538 .
  • the total length of the portion where the vent plate 530 and the cap down 550 directly or indirectly contact corresponds to (L1*2)+R2 (hereinafter, defined as the total contact length R3). Whether the deformed portion C of the vent plate 530 is deformed depends on how many % of the total contact length R3 occupies the length of the vent bottom 532 of the vent plate 530 . This was tested and summarized in FIG. 4 .
  • FIG. 4 is a table showing the results of the deformation prevention experiment for each numerical value according to the main part of FIG. 3 .
  • the diameter R1 of the vent bottom 532 of the vent plate 530 is 11.4 mm
  • the diameter R2 of the contact portion 538 is 3.28 mm
  • the width L1 of the support member 590 is is 1.2 mm
  • the total contact length R3 is 5.68 mm
  • the total contact length R3 occupied based on the diameter of the vent bottom 532 is 51.4%. .
  • the width L1 of the support member 590 is 1.8 mm, and the vent plate ( 530), it can be seen that no deformation occurred in the deformation region (C).
  • the width L1 of the support member 590 is at least 1.8 mm, most of the space between the notch 532a and the contact portion 538 of the vent plate 530 is occupied. Therefore, when the width L1 of the support member 590 at least occupies the inner direction of the notch 532a, deformation does not occur in the deformation portion C of the vent plate 530 (minimum condition for preventing deformation), It can be seen that it is free.
  • the diameter of the contact portion 538 and the length of the support member 590 may be calculated compared to the diameter of the vent bottom 532 of the vent plate 530 in which the vent plate 530 is not deformed. Accordingly, even when an external force is applied, the support member 590 supports the deformable portion C to prevent deformation of the vent plate 530 , and has an effect of smoothly discharging gas when abnormal pressure occurs.
  • FIG. 5 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a cap assembly of a cylindrical secondary battery according to a second embodiment of the present invention.
  • the cap assembly 900 of the cylindrical secondary battery according to the second embodiment of the present invention includes a top plate 910 and a bottom plate 920 , and a top plate 910 and a bottom plate 920 . It may include an insulating plate 930 disposed between the , and a support member 940 disposed between the top plate 910 and the insulating plate 930 .
  • a beading part and a crimping part may be formed on the upper part of the can of the secondary battery, and the edge of the cap assembly 900 may be inserted between the beading part and the crimping part to be fixed with an insulating gasket interposed therebetween (FIG. 2). see the cap assembly structure in ).
  • the top plate 910 has a substantially disk shape, and may have a shape in which an edge is bent downward and then bent again in an inward direction (hereinafter, a bent portion).
  • the top plate 910 may be formed of aluminum, an aluminum alloy, or the like.
  • a terminal portion 912 in which at least one notch 912a is formed may be formed in a predetermined region based on the central axis D of the top plate 910 .
  • the terminal part 912 serves as a terminal of the secondary battery and may be electrically connected to an external device.
  • the terminal part 912 may convexly protrude upward to a predetermined height, and a notch 912a is formed on the terminal part 912 .
  • the notch 912a is broken when the internal gas pressure of the secondary battery is greater than a predetermined breaking pressure, and serves to rapidly discharge the internal gas of the secondary battery to the outside.
  • a bottom plate 920 is disposed under the top plate 910 .
  • the bottom plate 920 has a base portion 922 positioned below the insulating plate 930 , convexly protrudes upward from the base portion 922 , and contacts the lower surface of the terminal portion 912 of the top plate 910 . (924) may be provided. That is, the contact portion 924 penetrates the inner hole of the ring-shaped insulating plate 930 and the support member 940 to contact the terminal portion 912 .
  • the base portion 922 and the contact portion 924 are integrally formed, and the contact portion 924 may be welded and fixed to the lower surface of the terminal portion 912 of the top plate 910 . At least one notch 924a may be formed on the contact portion 924 .
  • the notch 924a is a portion that is broken when the internal gas pressure of the secondary battery is greater than a predetermined breaking pressure.
  • the top plate 910 is convexly deformed upward before the notch 924a is broken.
  • the contact portion 924 may be separated from the bottom plate 920 as the notch 924a of the bottom plate 920 is broken. Accordingly, the current path between the top plate 910 and the bottom plate 920 is blocked, and the gas inside the secondary battery can be quickly discharged to the outside.
  • the insulating plate 930 is disposed between the top plate 910 and the bottom plate 920 , and a lower surface thereof may be fixed to the upper surface of the base part 922 of the bottom plate 920 by ultrasonic welding or the like.
  • the insulating plate 930 may have a circular ring shape having a predetermined width when viewed from above.
  • the insulating plate 930 is formed of polyethylene (PE), polypropylene (PP: polypropylene), EPDM rubber: ethylene propylene diene monomer (M-class) rubber, or an equivalent thereof. may be, but is not limited thereto.
  • a support member 940 is inserted between the insulating plate 930 and the top plate 910 .
  • the support member 940 has a substantially ring shape having a width greater than that of the insulating plate 930 , and may be formed of the same or similar material as the insulating plate 930 .
  • the top plate 910 may be formed of the same or similar material. Even though the support member 940 is energized with the top plate 910 , since the support member 940 may be insulated from the bottom plate 920 by the insulating plate 930 , the material of the support member 940 may be variously applied.
  • the support member 940 may be formed to have a greater thickness than the insulating plate 930 in the longitudinal direction of the central axis D.
  • the bent portion 914 of the top plate 910 having the aforementioned thickness may support the support member 940 in a form that surrounds the edge of the support member 940 .
  • a lower portion of the support member 940 may be supported by being in contact with the insulating plate 930 .
  • a contact portion between the support member 940 and the insulating plate 930 may be coupled to each other by ultrasonic welding or the like.
  • the support member 940 is not fixed to the top plate 910 in which the notch 912a is formed by welding or the like so as not to impede gas movement inside the secondary battery. Also, in the top plate 910 and the support member 940 , portions adjacent to the notch 912a may be spaced apart from each other by a predetermined distance. To this end, the support member 940 may be formed such that a surface of the top plate 910 in contact with the lower surface of the terminal portion 912 and a surface contacting the lower surface of the bent portion 914 have a step difference. The stepped region may be a partial surface of the support member 940 . Alternatively, the support member 940 may have a through hole 942 corresponding to the position of the notch 912a of the top plate 910 .
  • FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a cap assembly of a cylindrical secondary battery according to a third embodiment of the present invention.
  • 7 is a plan view illustrating a partial configuration of the cap assembly according to FIG. 6 .
  • the cap assembly 900 ′ of the cylindrical secondary battery according to the third embodiment of the present invention has the same structure as the cap assembly 900 of FIG. 5 , but the notch ( A support member 940' in which a through hole 942' is formed in a portion corresponding to the position 912a') may be included.
  • a plurality of through-holes 942' may be formed in the support member 940'.
  • the through-holes 942 ′ correspond to the positions of the notch 912a ′ of the top plate 910 ′, and a plurality of through holes 942 ′ may be formed through the plate surface of the support member 940 ′ with a predetermined spacing therebetween. Accordingly, when an abnormal pressure is generated inside the secondary battery, the internal gas may rapidly move through the through hole 942 ′ of the support member 940 ′.
  • the support member 940 ′ has a structure that supports both the inner and outer directions from the lower side around the notch 912a ′ of the top plate 910 ′. That is, the support member 940 ′ illustrated in FIGS. 5 to 7 has a structure that sufficiently satisfies the minimum condition for preventing deformation of the vent plate 530 illustrated in FIGS. 2 to 4 . Accordingly, even when pressure is applied to form a beading portion in the can during the secondary battery assembly process, deformation of the top plate 910 ′ in which the notch 912a ′ is formed can be prevented.

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Abstract

본 발명의 실시예는 원통형 이차전지에 관한 것으로, 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 캡 업, 상기 캡 업의 하부에 배치되는 캡 다운, 상기 캡 업과 상기 캡 다운의 사이에 배치되되 상기 캡 다운과 이격되며 적어도 하나의 노치가 형성된 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입되어 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 절연부재를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고, 상기 캡 어셈블리는 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입되되 상기 절연부재와 이격된 상기 절연부재의 내측에 배치되는 서포트 부재를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 안전 벤트의 변형 부위를 지지하여 응력 발생 시 안전 벤트의 변형을 방지함으로써 벤트 파단이 안정적으로 이루어질 수 있다.

Description

원통형 이차전지
본 발명의 실시예는 조립 시 부품 변형을 방지할 수 있는 원통형 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 원통형 이차전지는 원통 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체와 전해액을 수용하는 원통형태의 캔과, 캔의 상단 개구부에 결합되어 캔을 밀봉하고 전극 조립체에서 발생되는 전류를 외부장치로 흐르게 하는 캡 어셈블리를 포함한다.
전극 조립체의 유동을 방지하기 위해 캔의 상측 외주면을 따라 압력을 가해 비딩부(beading)를 형성한다. 이때 캔의 외측에서 내측을 향해 압력이 가해지므로 캡 어셈블리에도 압력이 가해지고, 이로 인해 응력이 발생해 캡 어셈블리의 구성품에 변형이 발생하게 된다.
특히 안전 벤트에 변형이 발생되면, 벤트 파단압이 달라져 과충전 시 압력 배출이 제대로 이루어지지 못하며, 이차전지의 불량 및 파손으로 이어지는 문제가 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 목적은 캔의 가공 시 발생하는 압력에 의한 응력을 분산시키고 안전 벤트의 변형을 방지할 수 있는 구조를 구비한 원통형 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 원통형 이차전지는 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 캡 업, 상기 캡 업의 하부에 배치되는 캡 다운, 상기 캡 업과 상기 캡 다운의 사이에 배치되되 상기 캡 다운과 이격되며 적어도 하나의 노치가 형성된 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입되어 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 절연부재를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고, 상기 캡 어셈블리는 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입되되 상기 절연부재와 이격된 상기 절연부재의 내측에 배치되는 서포트 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 서포트 부재는 상기 노치를 기준으로 상기 캔의 길이 방향 중심축을 향하는 내측 영역에 배치되는 것이 특징이다.
상기 절연부재 및 상기 서포트 부재는 원형 링 형상이고, 상기 벤트 플레이트는 상기 절연부재 및 상기 서포트 부재를 관통하여 상기 캡 다운에 접촉되는 접촉부를 더 포함할 수 있다.
상기 서포트 부재는 상기 노치와 상기 접촉부의 사이에 배치되는 것이 특징이다.
상기 서포트 부재는 상기 캔의 길이 방향 중심축에 수직한 방향의 폭이 상기 노치와 상기 접촉부 사이의 길이와 같거나 큰 것이 특징이다.
상기 서포트 부재는 상기 절연부재에 용접되는 것이 특징이다.
또한, 본 발명은 원통형 캔; 상기 원통형 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 적어도 하나의 노치가 형성된 탑 플레이트, 상기 탑 플레이트의 하부에 배치되며 판면의 일부가 상기 탑 플레이트를 향해 돌출되어 상기 탑 플레이트에 접촉되는 접촉부를 구비한 바텀 플레이트, 상기 탑 플레이트와 상기 바텀 플레이트의 사이에 배치되어 상기 접촉부를 제외한 상기 탑 플레이트와 상기 바텀 플레이트를 상호간 절연하는 절연 플레이트를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고, 상기 캡 어셈블리는 상기 탑 플레이트와 상기 절연 플레이트의 사이에 삽입되어 상기 탑 플레이트를 지지하는 서포트 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 서포트 부재는 상기 노치를 기준으로 적어도 상기 캔의 길이 방향 중심축을 향하는 내측 영역에 배치되는 것이 특징이다.
상기 절연 플레이트 및 상기 서포트 부재는 원형 링 형상이고, 상기 바텀 플레이트의 상기 접촉부는 상기 절연 플레이트 및 상기 서포트 부재를 관통하여 상기 탑 플레이트에 접촉되는 것이 특징이다.
상기 서포트 부재는 상기 노치와 상기 접촉부의 사이에 배치되고, 상기 탑 플레이트가 상기 서포트 부재의 가장자리를 감싸는 형태를 갖는 것이 특징이다.
상기 서포트 부재는 상기 절연 플레이트와 용접되는 것이 특징이다.
상기 서포트 부재는 상기 노치에 접촉되는 면의 일부가 상기 노치와 이격되는 것이 특징이다.
상기 서포트 부재는 상기 노치의 위치에 대응하는 위치에 복수의 관통홀이 관통 형성된 것이 특징이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 안전 벤트의 변형 부위를 지지하여 응력 발생 시 안전 벤트의 변형을 방지함으로써 벤트 파단이 안정적으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따라 벤트 파단압이 유지되므로 과충전 시 캔 내부 압력의 변화에 안정적으로 대응할 수 있어 이차전지의 불량 및 파손을 방지하고 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 비교 실시 예인 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다.
도 3은 도 2에 따른 캡 어셈블리를 확대 도시한 종단면도이다.
도 4는 도 3의 주요 부위에 따른 수치 별 변형 방지 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 종단면도이다.
도 7은 도 6에 따른 캡 어셈블리의 일부 구성을 도시한 평면도이다.
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 1은 본 발명의 비교 실시 예인 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 원통형 이차전지(1)는 길이 방향 일단에 개구가 형성된 원통형의 캔(10)과, 캔 내부에 수용되는 전극 조립체(30)와, 개구에 삽입되는 캡 어셈블리(50)를 포함한다. 캡 어셈블리(50)는 안전 벤트(51)와, 안전 벤트(51)의 상측에 배치되는 캡 업(52), 안전 벤트(51)의 하측에 배치되는 캡 다운(53)을 포함한다. 캡 어셈블리(50)는 안전 벤트(51)와 캡 다운(53) 사이에 삽입되어 안전 벤트(51)의 중앙 부위 이외의 부분이 캡 다운(53)과 접촉되지 않도록 절연하는 절연부재(54)와, 캡 어셈블리(50)와 캔(10)의 사이를 절연하는 절연 가스켓(55)을 더 포함할 수 있다. 안전 벤트(51)는 캔(10)의 길이 방향 중심축(A) 부근의 일부가 캡 다운(53)과 접촉되고, 절연부재(54)에 의해 지지되는 부분은 캡 다운(53)과 이격된다.
캔(10)의 개구된 일측은 캡 어셈블리(50)의 하측 부분이 링 형태로 내부 방향으로 함몰되어 비딩부(12)를 형성하며, 캡 어셈블리(50)의 상측 부분이 내부 방향으로 절곡되어 클림핑부(14)를 형성할 수 있다. 비딩부(14)와 클림핑부(14)를 형성하기 위해 캔(10)의 외부에서 내부 방향으로 힘을 가하는 공정을 거치게 되며, 외력에 의해 캡 어셈블리(50)에도 응력이 발생하게 된다.
응력이 작용하는 방향은 도 1의 화살표 방향과 같이 캔(10)의 외부에서 내부를 향하는 방향이다. 응력은 캡 어셈블리(50)에 전체적으로 작용하나, 안전 벤트(51)에는 노치(51a)가 형성되어 있으므로 캡 어셈블리(50)의 다른 구성에 비해 상대적으로 응력에 약해 변형이 일어날 수 있다. 안전 벤트(51)에 변형이 발생되는 부위는 캡 다운(53)과 이격된 부분(도 1의 점선 영역, 이하 변형 부위)이다. 안전 벤트(51)의 변형 부위는 응력이 발생할 때 캡 다운(53) 쪽으로 변형되기 쉬우며, 안전 벤트(51)가 변형되면 노치(51a)의 파단압이 달라져 이차전지(1) 내부의 이상 가스 발생 시 가스 배출이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 원통형 이차전지(1)의 조립 시 응력이 발생하 더라도 안전 벤트(51)가 변형되지 않는 구조가 필요하다. 이를 위해, 본 발명에서는 새로운 구조의 캡 어셈블리를 제안한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 따른 원통형 이차전지에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 종단면도이다. 도 3은 도 2에 따른 캡 어셈블리를 확대 도시한 종단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 원통형 이차전지(1000)는 원통형의 캔(100)과, 캔(100) 내부에 삽입되는 전극 조립체(300)와, 캔(100)의 일단에 삽입되는 캡 어셈블리(500)와, 캔(100)과 캡 어셈블리(500)의 사이에 삽입되는 절연 가스켓(700)을 포함할 수 있다. 전극 조립체(300)에는 센터핀(380)이 결합될 수 있다.
캔(100)은 원형의 바닥부(110)와, 바닥부(110)로부터 상부 방향으로 연장된 측부(130)를 포함하며, 측부(130)의 상부는 개방된 형태(이하 개구부)이다. 이차전지(1000)의 제조 공정에서 캔(100)의 개구부를 통해 전극 조립체(300)가 전해액과 함께 캔(100) 내부로 삽입된다. 캔(100)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다.
캔(100)의 개구부에는 캡 어셈블리(500)가 삽입된다. 삽입된 캡 어셈블리(500)가 캔(100)의 개구부를 통해 외부로 이탈되지 않도록 측부(130) 상에 비딩부(beading part, 132) 및 크림핑부(crimping part, 134)가 형성될 수 있다.
비딩부(132)는 캡 어셈블리(500)를 중심으로 그 하부에 형성되며, 캔(100)의 내부를 향하는 방향으로 함몰된 형태이다. 크림핑부(134)는 캡 어셈블리(500)를 중심으로 그 상부에 형성되며, 캔(100)의 내부 방향으로 절곡된 형태이다. 비딩부(132) 및 크림핑부(134)가 캡 어셈블리(500)를 상하 방향에서 잡아주므로 캡 어셈블리(500)가 캔(100)으로부터 이탈되지 않는다. 캔(100)의 내부에는 캡 어셈블리(500)의 하측으로 전극 조립체(300)가 배치된다.
전극 조립체(300)는 음극 활물질(예를 들어, 흑연, 탄소 등)이 코팅된 음극판(310), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 코팅된 양극판(320), 음극판(310)과 양극판(320)의 사이에 배치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(330)를 포함한다. 음극판(310), 양극판(320) 및 세퍼레이터(330)는 대략 원기둥 형태로 권취되어 캔(100) 내부에 수용될 수 있다. 음극판(310)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일, 양극판(320)은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터(330)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 음극판(310)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(340)이, 양극판(320)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극탭(350)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 음극탭(340)은 구리 또는 니켈 재질, 양극탭(350)은 알루미늄 재질일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 음극탭(340)은 캔(100)의 바닥부(110)에 용접될 수 있으며, 이 경우 캔(100)은 음극으로 동작할 수 있다. 반대로 양극탭(350)이 캔(100)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이 경우 캔(100)은 양극으로 동작할 수 있다.
또한, 전극 조립체(300)의 상하부에는 제1 절연판(360) 및 제2 절연판(370)이 개제될 수 있다. 제1 절연판(360)은 양극판(320)이 캔(100)의 바닥부(110)에 전기적으로 접촉되지 않도록 하며, 제2 절연판(370)은 음극판(310)이 캡 어셈블리(500)에 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
제1 절연판(360)에는 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생했을 때 원통형의 센터핀(380)을 통해 가스가 상부로 이동할 수 있도록 센터핀(380)과 연통되는 제1 홀(362)과, 음극탭(340)이 관통할 수 있도록 하는 제2 홀(364)이 관통 형성된다. 제2 홀(364)을 통해 음극탭(340)이 바닥부(110)에 용접될 수 있다.
제2 절연판(370)에는 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생했을 때 가스가 캡 어셈블리(500)로 이동할 수 있도록 하는 제1 홀(372)과, 양극탭(350)이 관통할 수 있도록 하는 제2 홀(374)이 관통 형성된다. 제2 홀(374)을 통해 양극탭(350)이 후술할 캡 다운(550)에 용접될 수 있다. 제2 홀(374)은 복수 개로 형성되어 전해액 주입 공정에서 전해액이 전극 조립체(300)로 주입되는 입구 역할을 할 수 있다.
센터핀(380)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로, 대략 전극 조립체(300)의 중앙에 결합될 수 있다. 센터핀(380)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 센터핀(380)은 이차전지의 충방전 중 전극 조립체(300)의 변형을 억제하는 역할, 이차전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 경우에 따라 센터핀(380)은 생략될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 캡 어셈블리(500)는 캔(100)의 외부로 노출되는 캡 업(510), 캡 업(510)의 하부에 배치되는 캡 다운(550), 캡 업(510)과 캡 다운(550)의 사이에 배치되는 벤트 플레이트(530), 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)의 사이에 배치되는 절연부재(570) 및 서포트 부재(590)를 포함할 수 있다. 도 2 및 3에서 캔(100)의 길이 방향을 따른 가상의 중심축(B)을 기준으로 하고, 중심축(B)을 향하는 방향을 내부 방향, 중심축(B)에서 멀어지는 방향을 외부 방향으로 정의한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 캡 업(510)은 캡 어셈블리(500)의 가장 상부에 배치되며, 캔(100) 내부에서 발생된 가스를 외부로 배출하는 관통홀(512)을 구비할 수 있다. 캡 업(510)은 대략 원판 형상일 수 있으며, 중심축(B)을 중심으로 소정의 영역이 볼록하게 상향 돌출되고, 돌출된 부분에 관통홀(512)이 형성될 수 있다. 캡 업(510)의 하부에 벤트 플레이트(530)가 배치되며, 벤트 플레이트(530)가 캡 업(510)의 가장자리를 감싸는 형태로 결합될 수 있다.
벤트 플레이트(530)는 대략 원판 형태로, 가장자리는 캡 업(510)의 가장자리를 향해 절곡되어 캡 업(510)의 가장자리 하부에 접촉되고, 접촉된 부분을 중심으로 다시 캔(100)의 내부를 향해 절곡되어 캡 업(510)의 가장자리 상부에 접촉될 수 있다. 벤트 플레이트(530)의 절곡되지 않은 원판 부분을 벤트 바닥부(532), 벤트 바닥부(532)로부터 캡 업(510)을 향해 절곡된 부분을 제1 지지부(534), 제1 지지부(534)로부터 내부 방향으로 절곡된 부분을 제2 지지부(536), 벤트 바닥부(532)로부터 하부를 향해 볼록하게 돌출되어 캡 다운(550)과 접촉되는 부분을 접촉부(538)로 정의한다. 벤트 플레이트(530)는 접촉부(538)를 제외한 모든 영역이 캡 다운(550)과 접촉되지 않도록 형성된다. 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532) 상에 적어도 하나의 노치(532a)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 노치(532a)는 원형의 링 형태로 형성될 수 있다. 또는, 노치(532a)가 유선형으로 형성되어 복수 개가 대략 원형이 되도록 배치될 수도 있다. 과충전 등의 원인으로 캔(100) 내부 가스 압력이 미리 정해진 파단 압력보다 클 경우, 벤트 플레이트(530)가 상부 방향으로 반전되면서 노치(532a)가 파단되어 캔(100) 내부 가스가 캡 업(510)의 관통홀(512)을 통해 외부로 신속하게 방출될 수 있다.
캡 다운(550)은 벤트 플레이트(530)의 하부에 배치되며, 대략 원판 형상을 갖는다. 예를 들어, 캡 다운(550)은 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질이 한정되는 것은 아니다. 캡 다운(550)은 캡 업(510)을 지지하여 외력으로부터 캡 업(510)의 변형을 방지하는 역할을 한다. 캡 다운(550)의 가장자리는 벤트 플레이트(530)를 향해 절곡되며, 절곡된 부분에 절연부재(570)가 배치된다. 벤트 플레이트(530)를 향해 절곡된 부분을 제3 지지부(552)로 정의한다. 캡 다운(550)의 절곡되지 않은 원판 부분을 캡 다운 바닥부(554)로 정의하며, 캡 다운 바닥부(554)는 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532)와 소정의 이격 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 단, 캡 다운 바닥부(554)의 대략 중앙 부분은 벤트 플레이트(530)의 접촉부(538)와 접촉된 상태이다. 캡 다운(550) 역시 캡 다운 바닥부(554) 상에 관통홀(554a)이 형성될 수 있으며, 이상 내압 발생 시 내부 가스가 캡 다운(550)의 관통홀(554a)을 거쳐 벤트 플레이트(530)의 노치(532a) 및 캡 업(510)의 관통홀(512)을 통해 캔(100)의 외부로 배출될 수 있다.
절연부재(570)는 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)이 접촉부(538)를 제외하고 이격 상태를 유지할 수 있도록 하며, 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)을 상호간 절연하는 역할을 한다. 따라서 절연부재(570)는 상부에서 보았을 때 일정 폭을 갖는 원형 링 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연부재(570)는 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 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다. 절연부재(570)는 초음파 용접이나 레이저 용접 등의 방법으로 벤트 플레이트(530) 및 캡 다운(550)에 용접될 수 있다.
이차전지(1000)의 제조 공정에서 캔(100)에 비딩부(132)를 형성할 때 외력이 가해지면 캡 어셈블리(500)에 응력이 발생할 수 있다. 응력의 발생으로 벤트 플레이트(530)가 변형될 수 있는데, 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550) 사이의 이격이 존재하는 영역에서 변형이 쉽게 발생할 수 있다(도 1 참조). 그 이유는 이격이 존재하는 영역은 벤트 플레이트(530)를 지지할 수 있는 구조가 없으며, 해당 영역에 노치(532a)가 형성되므로 다른 부분보다 해당 영역의 두께가 얇기 때문에 응력 발생에 따른 변형에 취약할 수 있다. 따라서 이러한 벤트 플레이트(530)의 변형을 방지하기 위해 캡 다운(550)과 이격이 있는 영역(이하 변형 부위(C), 도 3의 점선 영역)에 서포트 부재(590)를 개재할 수 있다.
서포트 부재(590)는 상부에서 보았을 때 소정의 폭을 갖는 대략 원형 링 형상일 수 있으며, 절연부재(570)와 동일하거나 유사한 소재로 만들어질 수 있다. 또는 캡 다운(550)과 동일하거나 유사한 소재로 만들어질 수도 있다. 벤트 플레이트(530)의 파단 시 서포트 부재(590)는 벤트 플레이트(530)의 하부에 위치하고 벤트 플레이트(530)가 캡 업(510)을 향해 부풀어 오르면서 파단되므로 벤트 플레이트(530)와 서포트 부재(590)와 통전되지 않는다. 따라서 서포트 부재(590)는 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물로 형성될 수 있다.
또한, 서포트 부재(590)는 노치(532a)와 접촉부(538)의 사이에 배치되어 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550) 사이의 이격 공간을 채운다. 서포트 부재(590)가 벤트 플레이트(530)를 하부에서 지지함으로써 응력에 의해 벤트 플레이트(530)가 하부 방향으로 변형되지 못하도록 지지할 수 있다. 또한, 서포트 부재(590)가 벤트 플레이트(530)와 접촉되므로 응력을 분산하는 효과도 있다.
서포트 부재(590)는 이상 내압 발생 시 가스의 이동 및 노치(532a)의 파단을 방해하지 않도록 벤트 플레이트(530)와 고정되지 않으나, 캡 다운(550)과는 용접 등의 방법으로 고정되어도 무방하다. 이를 위해, 서포트 부재(590)는 도 3을 기준으로 노치(532a)보다 내부에 배치될 수 있다.
도 3을 기준으로, 서포트 부재(590)가 벤트 플레이트(530)의 변형을 방지할 수 있는 유효 수치에 대해 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532) 직경을 R1, 접촉부(538) 직경을 R2, 서포트 부재(590)의 폭을 L1이라고 정의한다. 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)이 서포트 부재(590)를 통해 간접적으로 접촉되는 부분의 총 길이는 서포트 부재(590)의 폭(L1)의 2배이다. 또한, 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)이 직접적으로 접촉되는 부분의 길이는 접촉부(538)의 직경(R2)에 대응한다. 따라서 벤트 플레이트(530)와 캡 다운(550)이 직, 간접적으로 접촉되는 부분의 총 길이는 (L1*2)+R2(이하, 총 접촉 길이(R3)으로 정의함)에 해당한다. 총 접촉 길이(R3)가 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532) 길이 중 몇 %를 차지하는지에 따라 벤트 플레이트(530)의 변형 부위(C)의 변형 여부가 달라진다. 이를 실험하여 도 4에 정리하였다.
도 4는 도 3의 주요 부위에 따른 수치 별 변형 방지 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532) 직경(R1) 11.4mm, 접촉부(538)의 직경(R2)이 3.28mm, 서포트 부재(590)의 폭(L1)을 1.2mm인 경우를 예로 하면, 총 접촉 길이(R3)는 5.68mm이고, 총 접촉 길이(R3)가 벤트 바닥부(532) 직경을 기준으로 점유하는 점유량(R3/R1)은 51.4%가 된다. 이러한 수치를 갖는 캡 어셈블리(500)를 이용해 비딩부(132)의 형성 공정을 거치면서 벤트 플레이트(530)의 변형 여부를 실험한 결과, 도 4에서와 같이 변형 방지가 이루어지지 않았음을 알 수 있다.
동일한 방법으로 서포트 부재(590)의 폭(L1)을 0.2mm씩 증가시키면서 벤트 바닥부(532) 직경 대비 총 접촉 길이(R3)의 점유량을 구할 수 있으며, 전술한 것과 동일한 실험을 통해 벤트 플레이트(530)의 변형 여부를 실험할 수 있다.
그 결과 도 4에서와 같이, 서포트 부재(590)의 폭(L1)이 1.8mm이고, 벤트 바닥부(532) 직경 대비 총 접촉 길이(R3)의 점유량이 62% 이상이 되었을 때부터 벤트 플레이트(530)의 변형 부위(C)에 변형이 일어나지 않았음을 알 수 있다. 또한, 서포트 부재(590)의 폭(L1)이 최소 1.8mm일 때가 벤트 플레이트(530)의 노치(532a)와 접촉부(538) 사이를 거의 대부분 점유하는 상태이다. 따라서 서포트 부재(590)의 폭(L1)이 최소한 노치(532a)의 내부 방향을 점유해야 벤트 플레이트(530)의 변형 부위(C)에 변형이 일어나지 않으며(변형 방지 최소 조건), 그 이상이 되는 것은 무방함을 알 수 있다.
이와 같은 실험 결과를 바탕으로 벤트 플레이트(530)가 변형되지 않는 벤트 플레이트(530)의 벤트 바닥부(532) 직경 대비 접촉부(538)의 직경과 서포트 부재(590)의 길이를 산출할 수 있다. 따라서 외력이 가해지더라도 서포트 부재(590)가 변형 부위(C)를 지지함으로써 벤트 플레이트(530)의 변형을 방지하고, 이상 압력 발생 시 가스 배출이 원활하게 이루어지는 효과가 있다.
전술한 실시 예에서 상향 돌출된 형태의 캡 업, 벤트 플레이트가 캡 업의 가장자리를 감싸는 형태의 캡 어셈블리에 서포트 부재를 구비하여 벤트 플레이트의 변형을 방지하는 구조에 대해 설명하였다. 그러나 본 발명의 서포트 부재는 다른 형태의 원통형 이차전지에도 적용할 수 있다. 이하에서는 본 발명의 다른 실시 예에 대해 설명하기로 한다(전술한 제1 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 하며, 중심축(D)를 향하는 방향을 내부 방향으로, 반대 방향을 외부 방향으로 정의한다).
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 종단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리(900)는 탑 플레이트(910)와 바텀 플레이트(920), 탑 플레이트(910)와 바텀 플레이트(920)의 사이에 배치되는 절연 플레이트(930), 탑 플레이트(910)와 절연 플레이트(930)의 사이에 배치되는 서포트 부재(940)를 포함할 수 있다. 도면에 도시하지는 않았으나, 이차전지의 캔 상부에 비딩부 및 크림핑부가 형성되고 절연 가스켓을 사이에 두고 캡 어셈블리(900)의 가장자리가 비딩부와 크림핑부 사이에 삽입되어 고정될 수 있다(도 2의 캡 어셈블리 구조 참조).
탑 플레이트(910)는 대략 원판 형상으로, 가장자리가 하향 절곡된 후 내부 방향으로 다시 절곡된 형태를 가질 수 있다(이하, 절곡부). 예를 들어, 탑 플레이트(910)는 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물로 형성될 수 있다. 탑 플레이트(910)의 중심축(D)을 기준으로 소정 영역에는 적어도 하나의 노치(912a)가 형성된 단자부(912)가 형성될 수 있다.
단자부(912)는 이차전지의 단자 역할을 하며, 외부 장치에 전기적으로 접속될 수 있다. 단자부(912)는 상부를 향해 소정 높이로 볼록하게 돌출될 수 있으며, 단자부(912) 상에 노치(912a)가 형성된다.
노치(912a)는 이차전지의 내부 가스 압력이 미리 정해진 파단 압력보다 커질 때 파단되어 이차전지 내부 가스를 외부로 신속하게 방출하는 역할을 한다. 탑 플레이트(910)의 하부에 바텀 플레이트(920)가 배치된다.
바텀 플레이트(920)는 절연 플레이트(930)의 하측에 위치하는 베이스부(922), 베이스부(922)로부터 상부 방향으로 볼록하게 돌출되어 탑 플레이트(910)의 단자부(912) 하면에 접촉되는 접촉부(924)를 구비할 수 있다. 즉, 접촉부(924)는 링 형상의 절연 플레이트(930) 및 서포트 부재(940)의 내부 방향 쪽 홀을 관통하여 단자부(912)에 접촉되는 것이다. 베이스부(922) 및 접촉부(924)는 일체로 형성되며, 접촉부(924)는 탑 플레이트(910)의 단자부(912) 하면에 용접 고정될 수 있다. 접촉부(924) 상에는 적어도 하나의 노치(924a)가 형성될 수 있다.
노치(924a)는 이차전지의 내부 가스 압력이 미리 정해진 파단 압력보다 커질 때 파단되는 부분이다. 이차전지의 내부 가스 압력이 미리 정해진 압력보다 커지면, 노치(924a)가 파단되기 전 탑 플레이트(910)가 상부 방향으로 볼록하게 변형된다. 이때 접촉부(924)가 단자부(912) 하면에 용접되어 있으므로 바텀 플레이트(920)의 노치(924a)가 파단되면서 접촉부(924)가 바텀 플레이트(920)로부터 분리될 수 있다. 이에 따라 탑 플레이트(910)와 바텀 플레이트(920) 사이의 전류 경로가 차단되며, 이차전지 내부의 가스가 신속하게 외부로 배출될 수 있다.
절연 플레이트(930)는 탑 플레이트(910)와 바텀 플레이트(920)의 사이에 배치되되, 하면이 바텀 플레이트(920)의 베이스부(922) 상면에 초음파 용접 등의 방법으로 고정될 수 있다. 절연 플레이트(930)는 위에서 보았을 때 소정의 폭을 갖는 원형 링 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 절연 플레이트(930)는 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 있으나 여기에 한정되는 것은 아니다. 절연 플레이트(930)와 탑 플레이트(910)의 사이에 서포트 부재(940)가 삽입된다.
서포트 부재(940)는 절연 플레이트(930)보다 큰 폭을 갖는 대략 링 형상으로, 상기 절연 플레이트(930)와 동일하거나 유사한 소재로 형성될 수 있다. 또는, 탑 플레이트(910)과 동일하거나 유사한 소재로 형성될 수도 있다. 서포트 부재(940)가 탑 플레이트(910)과 통전되더라도 절연 플레이트(930)에 의해 바텀 플레이트(920)와 절연될 수 있으므로 서포트 부재(940)의 소재는 다양하게 적용이 가능하다.
서포트 부재(940)는 중심축(D)의 길이 방향에 따른 두께가 절연 플레이트(930)보다 크게 형성될 수 있다. 두께가 전술한 탑 플레이트(910)의 절곡부(914)가 서포트 부재(940)의 가장자리를 감싸는 형태로 서포트 부재(940)를 지지할 수 있다. 또한, 서포트 부재(940)의 하부 일부는 절연 플레이트(930)와 접촉되어 지지될 수 있다. 서포트 부재(940)와 절연 플레이트(930)의 접촉 부위는 초음파 용접 등의 방법으로 결합될 수 있다.
그러나 서포트 부재(940)는 이차전지 내부의 가스 이동을 방해하지 않도록 노치(912a)가 형성된 탑 플레이트(910)와는 용접 등으로 고정되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 탑 플레이트(910)와 서포트 부재(940)는 노치(912a)에 인접한 부분이 소정 간격으로 이격될 수 있다. 이를 위해, 서포트 부재(940)는 탑 플레이트(910)의 단자부(912) 하면에 접촉되는 면과 절곡부(914) 하면에 접촉되는 면이 단차를 갖도록 형성될 수 있다. 단차진 영역은 서포트 부재(940)의 일부 면일 수 있다. 또는, 서포트 부재(940)는 탑 플레이트(910)의 노치(912a) 위치에 대응하는 관통홀(942)이 형성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 종단면도이다. 도 7은 도 6에 따른 캡 어셈블리의 일부 구성을 도시한 평면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리(900')는 도 5의 캡 어셈블리(900)와 동일한 구조를 갖되 탑 플레이트(910')의 노치(912a') 위치에 대응하는 부분에 관통홀(942')이 형성된 서포트 부재(940’)를 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 서포트 부재(940’)에는 복수의 관통홀(942')이 형성될 수 있다. 관통홀(942')은 탑 플레이트(910')의 노치(912a') 위치에 대응하며, 복수 개가 소정의 이격 간격을 두고 서포트 부재(940’)의 판면에 관통 형성될 수 있다. 따라서 이차전지 내부에 이상 압력 발생 시 내부 가스가 서포트 부재(940’)의 관통홀(942')을 통해 신속하게 이동할 수 있다.
도 5 내지 도 7에 도시된 서포트 부재(940’)의 경우 탑 플레이트(910')의 노치(912a')를 중심으로 내부 및 외부 방향 모두를 하측에서 지지하는 구조이다. 즉, 도 5 내지 도 7에 도시된 서포트 부재(940’)는 도 2 내지 도 4에 도시된 벤트 플레이트(530)의 변형 방지 최소 조건을 충분히 만족하는 구조이다. 따라서 이차전지 조립 공정 중 캔에 비딩부를 형성하기 위해 압력을 가하더라도 노치(912a')가 형성된 탑 플레이트(910')의 변형을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 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 (13)

  1. 원통형 캔;
    상기 원통형 캔에 수용되는 전극 조립체; 및
    캡 업, 상기 캡 업의 하부에 배치되는 캡 다운, 상기 캡 업과 상기 캡 다운의 사이에 배치되되 상기 캡 다운과 이격되며 적어도 하나의 노치가 형성된 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입되어 상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운을 상호간 절연하는 절연부재를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고,
    상기 캡 어셈블리는
    상기 벤트 플레이트와 상기 캡 다운 사이에 삽입되되 상기 절연부재와 이격된 상기 절연부재의 내측에 배치되는 서포트 부재를 더 포함하는 원통형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 노치를 기준으로 상기 캔의 길이 방향 중심축을 향하는 내측 영역에 배치되는 원통형 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 절연부재 및 상기 서포트 부재는 원형 링 형상이고, 상기 벤트 플레이트는 상기 절연부재 및 상기 서포트 부재를 관통하여 상기 캡 다운에 접촉되는 접촉부를 더 포함하는 원통형 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 노치와 상기 접촉부의 사이에 배치되는 원통형 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 캔의 길이 방향 중심축에 수직한 방향의 폭이 상기 노치와 상기 접촉부 사이의 길이와 같거나 큰 원통형 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 절연부재에 용접되는 원통형 이차전지.
  7. 원통형 캔;
    상기 원통형 캔에 수용되는 전극 조립체; 및
    적어도 하나의 노치가 형성된 탑 플레이트, 상기 탑 플레이트의 하부에 배치되며 판면의 일부가 상기 탑 플레이트를 향해 돌출되어 상기 탑 플레이트에 접촉되는 접촉부를 구비한 바텀 플레이트, 상기 탑 플레이트와 상기 바텀 플레이트의 사이에 배치되어 상기 접촉부를 제외한 상기 탑 플레이트와 상기 바텀 플레이트를 상호간 절연하는 절연 플레이트를 구비한 캡 어셈블리를 포함하고,
    상기 캡 어셈블리는
    상기 탑 플레이트와 상기 절연 플레이트의 사이에 삽입되어 상기 탑 플레이트를 지지하는 서포트 부재를 더 포함하는 원통형 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 노치를 기준으로 적어도 상기 캔의 길이 방향 중심축을 향하는 내측 영역에 배치되는 원통형 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 절연 플레이트 및 상기 서포트 부재는 원형 링 형상이고, 상기 바텀 플레이트의 상기 접촉부는 상기 절연 플레이트 및 상기 서포트 부재를 관통하여 상기 탑 플레이트에 접촉되는 원통형 이차전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 노치와 상기 접촉부의 사이에 배치되고, 상기 탑 플레이트가 상기 서포트 부재의 가장자리를 감싸는 형태를 갖는 원통형 이차전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 절연 플레이트와 용접되는 원통형 이차전지.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 노치에 접촉되는 면의 일부가 상기 노치와 이격되는 원통형 이차전지.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 서포트 부재는 상기 노치의 위치에 대응하는 위치에 복수의 관통홀이 관통 형성된 원통형 이차전지.
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