WO2022196942A1 - 이차 전지 - Google Patents

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WO2022196942A1
WO2022196942A1 PCT/KR2022/001943 KR2022001943W WO2022196942A1 WO 2022196942 A1 WO2022196942 A1 WO 2022196942A1 KR 2022001943 W KR2022001943 W KR 2022001943W WO 2022196942 A1 WO2022196942 A1 WO 2022196942A1
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WO
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cap
safety vent
support protrusion
secondary battery
assembly
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PCT/KR2022/001943
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English (en)
French (fr)
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박종준
김대규
김신중
고성귀
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삼성에스디아이(주)
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Publication date
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Priority to US18/003,476 priority patent/US20230253669A1/en
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    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
    • H01M50/3425—Non-re-sealable arrangements in the form of rupturable membranes or weakened parts, e.g. pierced with the aid of a sharp member
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    • H01M50/148—Lids or covers characterised by their shape
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present disclosure relates to a secondary battery capable of increasing an operating time before a safety vent is broken in a high-temperature environment.
  • a cylindrical secondary battery includes a cylindrical electrode assembly, a cylindrical can for accommodating the electrode assembly and an 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. assembly is included.
  • the cap assembly has a safety vent for discharging the internal gas to the outside when the internal pressure of the can is greater than a threshold value.
  • a safety vent for discharging the internal gas to the outside when the internal pressure of the can is greater than a threshold value.
  • the present disclosure provides a secondary battery capable of increasing the operating time before the safety vent is broken in a high-temperature environment.
  • An exemplary secondary battery according to the present disclosure includes a can having a space therein; an electrode assembly accommodated in the space of the can; and a cap assembly sealing the electrode assembly by blocking the can, wherein the cap assembly includes a cap up, a cap down under the cap up, and a safety vent between the cap up and the cap down, wherein the safety vent is the cap It may include a support protrusion formed on the contact surface coupled to the up.
  • the support protrusion may be formed inside an edge at which the safety vent is coupled to the cap-up.
  • the support protrusion may be formed in contact with a lower surface of the cap-up.
  • the cap-up may further include a cap-up inclined portion provided in a shape to protrude from an edge in contact with the safety vent toward an inner upper end.
  • the support protrusion may contact a lower surface of the cap-up inclined portion.
  • the support protrusion may protrude from the safety vent along the shape of the cap-up inclined portion.
  • the safety vent may include a vent groove formed in an inner region of the support protrusion.
  • the safety vent may be coupled to the cap down through a contact portion formed in the center.
  • the safety vent may be spaced apart from the cap-down from the support protrusion to the contact portion.
  • the support protrusion may be fixed to and supported by the cap-up during the lifting operation of the safety vent.
  • the support protrusion formed on the safety vent is coupled to the lower surface of the cap-up to serve as a support for the bending operation when the safety vent is operated, so that the safety vent does not break even at a higher pressure than before. state can be maintained.
  • FIG. 1A is a perspective view illustrating an exemplary secondary battery according to the present disclosure.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 1A.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a cap assembly in an exemplary secondary battery according to the present disclosure.
  • FIG. 3 is an enlarged view of part B of FIG. 2 .
  • 4 to 6 are cross-sectional views illustrating an operation of a cap assembly in an exemplary secondary battery according to the present disclosure.
  • 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 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 described below may refer to a second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present disclosure.
  • 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 disclosure according to various process states or usage states of the present disclosure, and are not intended to limit the present disclosure. 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. 1A is a perspective view illustrating an exemplary secondary battery according to the present disclosure.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 1A.
  • the exemplary secondary battery 100 may include a cylindrical can 110 , an electrode assembly 120 , and a cap assembly 140 .
  • the secondary battery 100 may further include a center pin 130 coupled to the electrode assembly 120 .
  • the can 110 may include a circular bottom part 111 and a cylindrical side part 112 extending a predetermined length upward from the bottom part 111 .
  • the upper portion of the can 110 is opened. Accordingly, during the assembly process of the secondary battery, the electrode assembly 120 may be inserted into the can 110 together with the electrolyte.
  • can 110 may include steel, a steel alloy, aluminum, an aluminum alloy, or the like.
  • the can 110 has a beading part 113 recessed inside the cap assembly 140 at the center of the cap assembly 140 to prevent the electrode assembly 120 and the cap assembly 140 from being separated to the outside. It may include, it may include a crimping part (crimping part) 114 bent inside the upper portion.
  • the electrode assembly 120 may be accommodated in the can 110 .
  • the electrode assembly 120 includes a negative electrode plate 121 coated with a negative electrode active material (eg, graphite, carbon, etc.), a positive electrode active material (eg, transition metal oxide (LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , etc.))
  • a negative electrode active material eg, graphite, carbon, etc.
  • a positive electrode active material eg, transition metal oxide (LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , etc.)
  • the coated positive electrode plate 122 and a separator 123 positioned between the negative electrode plate 121 and the positive electrode plate 122 to prevent a short circuit and allow only movement of lithium ions may be included.
  • the negative electrode plate 121 , the positive electrode plate 122 , and the separator 123 may be wound in a substantially cylindrical shape.
  • the negative electrode plate 121 may include copper (Cu) or nickel (Ni) foil
  • the positive electrode plate 122 may include an aluminum (Al) foil
  • the separator 123 may include polyethylene (PE) or polypropylene (PP), respectively.
  • the negative electrode tab 124 protruding downward by a predetermined length may be welded to the negative electrode plate 121
  • the positive electrode tab 125 protruding upward by a predetermined length may be welded to the positive electrode plate 122 , but vice versa. do.
  • the negative electrode tab 124 may include copper or nickel
  • the positive electrode tab 125 may include an aluminum material.
  • the negative electrode tab 124 of the electrode assembly 120 may be welded to the bottom 111 of the can 110 . Accordingly, the can 110 may act as a cathode.
  • the positive electrode tab 125 may be welded to the bottom 111 of the can 110 , and in this case, the can 110 may operate as a positive electrode.
  • the first insulating plate 126 coupled to the can 110 and having a first hole 126a in the center and a second hole 126b on the outside thereof is provided with the electrode assembly 120 and the bottom portion 111 . may be interposed between The first insulating plate 126 may prevent the electrode assembly 120 from electrically contacting the bottom 111 of the can 110 . In some examples, the first insulating plate 126 may prevent the positive electrode plate 122 of the electrode assembly 120 from electrically contacting the bottom part 111 . In some examples, the first insulating plate 126 is provided with a first hole 126a, so that when a large amount of gas is generated due to an abnormality in the secondary battery, the gas passes through the first hole 126a to the center pin 130 . You can quickly move to the top through In addition, a second hole 126b is formed in the first insulating plate 126 , so that the negative electrode tab 124 may penetrate the second hole 126 and be welded to the bottom portion 111 .
  • the second insulating plate 127 coupled to the can 110 and having a first hole 127a in the center and a plurality of second holes 127b on the outside thereof is provided with the electrode assembly 120 and the cap assembly ( 140) may be interposed.
  • the second insulating plate 127 may prevent the electrode assembly 120 from electrically contacting the cap assembly 140 .
  • the second insulating plate 127 may prevent the negative electrode plate 121 of the electrode assembly 120 from electrically contacting the cap assembly 140 .
  • the first hole 127a may allow the gas to rapidly move to the cap assembly 140 when a large amount of gas is generated due to an abnormality in the secondary battery
  • the second hole 127b may be formed by the positive electrode tab ( 125 may be penetrated to be welded to the cap assembly 140 .
  • the remaining second hole 127b may allow the electrolyte to flow rapidly into the electrode assembly 120 during the electrolyte injection process.
  • the diameters of the first holes 126a and 127a of the first and second insulating plates 126 and 127 are formed to be smaller than the diameter of the center pin 130, so that the center pin 130 is moved to the can 110 by an external impact. Do not make electrical contact with the bottom 111 or the cap assembly 140 of the
  • the center pin 130 has a hollow circular pipe shape, and may be coupled to the approximately center of the electrode assembly 120 .
  • the center pin 130 may include steel, a steel alloy, aluminum, an aluminum alloy, or polybutylene terepthalate.
  • the center pin 130 serves to suppress deformation of the electrode assembly 120 during charging and discharging of the battery, and serves as a passage for gas generated inside the secondary battery. In some cases, the center pin 130 may be omitted.
  • the cap assembly 140 includes a cap-up 141 having a plurality of through-holes 141a, a safety vent 142 positioned under the cap-up 141, and a lower portion of the safety vent 142.
  • a cap-down (cap-down) ( 144) may be included.
  • the cap assembly 140 may further include an insulating gasket 148 that insulates the cap-up 141 , the safety vent 143 , and the cap-down 144 from the side 111 of the can 110 . .
  • the insulating gasket 148 may be substantially compressed between the crimping portion 114 and the beading portion 113 formed on the side 111 of the can 110 .
  • the through-hole 141a of the cap-up 141 and the through-hole 144a of the cap-down 144 may discharge the internal gas to the outside when an abnormal internal pressure is generated inside the can 110 .
  • the internal gas reverses the safety vent 143 upward through the through-hole 144a of the cap-down 144 , so that the safety vent 143 is electrically separated from the cap-down 144 , and then As the safety vent 144 is torn (opened), the gas inside may be discharged to the outside through the through hole 141a of the cap-up 141 .
  • an electrolyte solution (not shown) may be injected into the can 110 , which is lithium generated by an electrochemical reaction in the negative electrode plate 121 and the positive electrode plate 122 inside the battery during charging and discharging. Allows ions to move.
  • the electrolyte may include a non-aqueous organic electrolyte, which is a mixture of a lithium salt and a high-purity organic solvent.
  • the electrolyte may include a polymer or a solid electrolyte using a polyelectrolyte.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a cap assembly in an exemplary secondary battery according to the present disclosure.
  • 3 is an enlarged view of part B of FIG. 2 .
  • the cap assembly 140 includes a cap-up 141, a safety vent 142 disposed under the cap-up 141, and a connecting ring disposed under the safety vent 142 ( 143 ) and a cap-down 144 disposed under the connecting ring 143 .
  • the cap-up 141 may be in contact with the safety vent 142 at the coupling portion 141d that is an edge, but may have a shape protruding upward from the inside.
  • the cap-up 141 may include a cap-up inclined portion 141b having a plurality of through-holes 141a.
  • the cap-up inclined portion 141b may be bent upward from the coupling portion 141d of the cap-up 141 inwardly.
  • a through hole 141a may be provided in a portion of the cap-up inclined portion 141b to provide a path through which the internal gases escape when the safety vent 142 breaks.
  • the safety vent 142 may contact the cap-up 141 at the coupling portion 142c that is the edge.
  • the safety vent 142 includes a support protrusion 142a protruding upward toward the cap-up inclined portion 141b of the cap-up 141, and the lower portion through the contact portion 142b located inside the support protrusion 142a. of the cap down 144 can be maintained in a contact state.
  • the support protrusion 142a may protrude from the edge of the cap-up 141 to contact and support a portion of the lower surface 141c of the cap-up inclined portion 141b. Accordingly, the cap-up inclined portion 141b and the lower surface 141c of the support protrusion 142a may maintain a contact state with the safety vent 142 for a longer period of time.
  • the safety vent 142 starts to operate, and the deformation to bend toward the upper part based on the central contact part 142b starts, and the contact part ( 142b) may be physically and electrically separated from the cap down 144 .
  • the contact portion 142b of the safety vent 142 is gradually deformed toward the upper side, and when the pressure is higher than the reference pressure, the vent groove of the safety vent 142 ( 142c), the fracture is made.
  • the inner contact portion 142b is deformed upward in a state in which the support protrusion 142a is in contact with the lower surface 141c of the cap-up inclined portion 141b, even if the upper portion of the contact portion 142b starts to deform.
  • the contact between the support protrusion 142a and the lower surface 141c of the cap-up inclined portion 141b may be maintained for a predetermined period of time. Therefore, the time from the time point after the contact portion 142b is separated from the cap down 144 by the operation of the safety vent 142 to the time point at which the vent groove 142c of the safety vent 142 is broken is the existing time. can be extended compared to
  • the connecting ring 143 may be interposed between the safety vent 142 and the cap down 144 .
  • cap-up 141 , safety vent 142 , and cap-down 144 include a metallic material (eg, aluminum, copper, or nickel), while connecting ring 143 is formed of an insulating material (eg, , polypropylene or polyethylene).
  • the cap down 144 may be coupled to the safety vent 142 through the connecting ring 143 at the edge.
  • the cap down 144 may be basically spaced apart from the lower surface of the safety vent 142 .
  • a vertical separation distance between the lower surface of the safety vent 142 and the cap down 144 may be about 0.20 mm to about 30 mm.
  • the cap down 144 may be coupled to the contact portion 142b of the safety vent 142 .
  • the cap-down 144 may be coupled to the contact portion 142b of the safety vent 142 by welding or the like.
  • the cap-down 144 has at least one through-hole 144a in its inner part, and the gas generated inside the can 111 through the through-hole 144a can reach the safety vent 142. have. Accordingly, the operation and breakage of the safety vent 142 described above may be made.
  • 4 to 6 are cross-sectional views illustrating an operation of a cap assembly in an exemplary secondary battery according to the present disclosure.
  • pressure may be applied upward by the generation of gas inside the can 110 . And as the gas moves along the through hole 144a of the cap down 144 , this pressure may be applied to the lower surface of the safety vent 142 . In addition, as described above, since the contact portion 142b of the safety vent 142 is coupled to the cap down 144 , the safety vent 142 may not be deformed below the reference pressure.
  • the safety vent 142 may start to deform upward with respect to the contact portion 142b. And as the deformation force increases, the contact portion 142b may be separated from the cap-down 144 .
  • the support protrusion 142a may be coupled to the inner side of the cap-up inclined portion 141b along the lower surface 141c of the cap-up inclined portion 141b in a state in which it further rises.
  • the support protrusion 142a supports the deformation operation at the edge of the safety vent 142 . Accordingly, it is possible for the safety vent 142 to be bent more toward the inner upper side than the deformation in the flat state without the support protrusion 142a. As a result, the safety vent 142 is able to withstand the pressure of more gas even after it is operated, so that it can withstand the high pressure until it breaks.
  • the safety vent 142 may be broken in the vent groove 142c.
  • the safety vent 142 is opened with the vent groove 142c as a boundary, and the gas inside may escape to the outside of the cap-up 141 through the open area. Accordingly, due to the breaking operation of the safety vent 142 , the internal pressure of the can 111 does not rise above the reference value, so that the explosion of the secondary battery 100 can be prevented.

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Abstract

본 개시는 고온의 환경에서 안전벤트의 파단 전까지의 작동 시간을 늘릴 수 있는 이차 전지를 제공한다. 일 예로, 내부에 공간을 구비하는 캔; 상기 캔의 공간에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 캔을 막아 상기 전극 조립체를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 캡업, 상기 캡업 하부의 캡다운 및 상기 캡업과 상기 캡다운 사이의 안전벤트를 포함하되, 상기 안전벤트는 상기 캡업과 결합되는 접촉면에 형성된 서포트 돌기를 포함하는 이차 전지가 개시된다.

Description

이차 전지
본 개시는 고온의 환경에서 안전벤트의 파단 전까지의 작동 시간을 늘릴 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 원통형 이차 전지는 원통 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체와 전해액을 수용하는 원통 형태의 캔과, 캔의 상단 개구부에 결합되어 캔을 밀봉하고 전극 조립체에서 발생되는 전류를 외부 장치로 흐르게 하는 캡 조립체를 포함한다.
캡 조립체는 캔의 내부 압력이 임계값보다 클 경우 내부 가스를 외부로 방출하는 안전벤트를 갖는다. 일반적으로 캔의 내부 압력은 온도에 비례하므로, 이차 전지가 고온의 환경에 놓여졌을 때, 예상치 못하게 안전벤트가 상대적으로 빨리 개방되는 문제가 있었다.
본 개시는 고온의 환경에서 안전벤트의 파단 전까지의 작동 시간을 늘릴 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 개시에 따른 예시적 이차 전지는 내부에 공간을 구비하는 캔; 상기 캔의 공간에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 캔을 막아 상기 전극 조립체를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 캡업, 상기 캡업 하부의 캡다운 및 상기 캡업과 상기 캡다운 사이의 안전벤트를 포함하되, 상기 안전벤트는 상기 캡업과 결합되는 접촉면에 형성된 서포트 돌기를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 서포트 돌기는 상기 안전벤트가 상기 캡업과 결합되는 가장자리 내측에 형성될 수 있다.
일부 예들에서, 상기 서포트 돌기는 상기 캡업의 하면에 접촉하여 형성될 수 있다.
일부 예들에서, 상기 캡업은 상기 안전벤트와 접촉하는 가장자리로부터 내측 상단을 향해 돌출되는 형상으로 구비된 캡업 경사부를 더 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 서포트 돌기는 상기 캡업 경사부의 하면에 접촉할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 서포트 돌기는 상기 캡업 경사부의 형상을 따라 상기 안전벤트로부터 돌출될 수 있다.
일부 예들에서, 상기 안전벤트는 상기 서포트 돌기의 내측 영역에 형성된 벤트홈을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 안전벤트는 중앙에 형성된 접촉부을 통해 상기 캡다운과 결합될 수 있다.
일부 예들에서, 상기 안전벤트는 상기 서포트 돌기로부터 상기 접촉부에 이르기까지 상기 캡다운과 이격될 수 있다.
일부 예들에서, 상기 서포트 돌기는 상기 안전벤트의 상승 동작시 상기 캡업에 고정되어 지지할 수 있다.
본 개시에 따른 예시적 이차 전지는 안전벤트에 형성된 서포트 돌기가 캡업의 하면에 결합되어, 안전벤트의 작동시 휨 동작의 지지 역할을 수행함으로써, 기존에 비해 높은 압력에서도 안전벤트가 파단되지 않고 작동 상태를 유지할 수 있다.
도 1a는 본 개시에 따른 예시적 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 A-A선 단면도이다.
도 2는 본 개시에 따른 예시적 이차 전지에서 캡 조립체를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 B 부분 확대도이다.
도 4 내지 도 6은 본 개시에 따른 예시적 이차 전지에서 캡 조립체의 동작을 도시한 단면도이다.
본 개시들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시를 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 개시의 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 개시를 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 개시의 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 개시의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 개시의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 개시를 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 1a는 본 개시에 따른 예시적 이차 전지를 도시한 사시도이다. 도 1b는 도 1a의 A-A선 단면도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 예시적 이차 전지(100)는 원통형의 캔(110), 전극 조립체(120), 캡 조립체(140)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 이차 전지(100)는 전극 조립체(120)에 결합된 센터핀(130)을 더 포함할 수 있다.
캔(110)은 원형의 바닥부(111)와, 바닥부(111)로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 원통형 측부(112)를 포함할 수 있다. 이차 전지의 제조 공정 중 캔(110)의 상부는 개방되어 있다. 따라서, 이차 전지의 조립 공정 중 전극 조립체(120)가 전해액과 함께 캔(110)에 삽입될 수 있다. 일부 예들에서, 캔(110)은 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 캔(110)은 전극 조립체(120) 및 캡 조립체(140)가 외부로 이탈되지 않도록 캡 조립체(140)를 중심으로 그 하부에 내부로 함몰된 비딩부(beading part)(113)를 포함할 수 있고, 그 상부에 내부로 절곡된 크림핑부(crimping part)(114)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(120)는 캔(110)의 내부에 수용될 수 있다. 전극 조립체(120)는 음극 활물질(예를 들면, 흑연, 탄소 등)이 코팅된 음극판(121), 양극 활물질(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 코팅된 양극판(122) 및, 음극판(121)과 양극판(122) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(123)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 음극판(121), 양극판(122) 및 세퍼레이터(123)는 대략 원기둥 형태로 권취될 수 있다. 일부 예들에서, 음극판(121)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일, 양극판(122)은 알루미늄(Al) 포일, 세퍼레이터(123)는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)를 각각 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 음극판(121)에는 하부로 일정 길이 돌출되어 연장된 음극탭(124)이, 양극판(122)에는 상부로 일정 길이 돌출된 양극탭(125)이 용접될 수 있으나, 그 반대도 가능하다. 일부 예들에서, 음극탭(124)은 구리 또는 니켈 재질, 양극탭(125)은 알루미늄 재질을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 전극 조립체(120)의 음극탭(124)은 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있다. 따라서 캔(110)은 음극으로 동작할 수 있다. 물론, 반대로 양극탭(125)이 캔(110)의 바닥부(111)에 용접될 수 있으며, 이러한 경우 캔(110)은 양극으로 동작할 수 있다.
일부 예들에서, 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(126a) 및 그 외측에 제2홀(126b)이 형성된 제1절연판(126)이 전극 조립체(120)와 바닥부(111)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제1절연판(126)은 전극 조립체(120)가 캔(110) 중 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 제1절연판(126)은 전극 조립체(120) 중 양극판(122)이 바닥부(111)에 전기적으로 접촉되지 않도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 제1절연판(126)에는 제1홀(126a)이 구비되어 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 제1홀(126a)을 관통하여 센터핀(130)을 통해 상부로 신속히 이동할 수 있다. 또한, 제1절연판(126)에는 제2홀(126b)이 형성되어, 음극탭(124)이 제2홀(126)을 관통하여 바닥부(111)에 용접될 수 있다.
일부 예들에서, 캔(110)에 결합되며, 중앙에 제1홀(127a) 및 그 외측에 다수의 제2홀(127b)이 형성된 제2절연판(127)이 전극 조립체(120)와 캡 조립체(140)의 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제2절연판(127)은 전극 조립체(120)가 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 제2절연판(127)은 전극 조립체(120) 중 음극판(121)이 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉하지 않도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 제1홀(127a)은 이차 전지의 이상에 의해 다량의 가스가 발생하였을 경우, 가스가 캡 조립체(140)로 신속히 이동하도록 할 수 있고, 제2홀(127b)은 양극탭(125)이 관통하도록 하여 캡 조립체(140)에 용접되도록 할 수 있다. 또한 나머지 제2홀(127b)은 전해액 주입 공정에서, 전해액이 전극 조립체(120)로 신속히 흘러 들어가도록 할 수 있다.
일부 예들에서, 제1,2절연판(126,127)의 제1홀(126a,127a)의 직경은 센터핀(130)의 직경보다 작게 형성됨으로써, 외부 충격에 의해 센터핀(130)이 캔(110)의 바닥부(111) 또는 캡 조립체(140)에 전기적으로 접촉되지 않도록 한다.
센터핀(130)은 속이 비어 있는 원형 파이프 형태로서, 전극 조립체(120)의 대략 중앙에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 센터핀(130)은 스틸, 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 폴리부틸렌 테프탈레이트(PolyButylene Terepthalate)을 포함할 수 있다. 이러한 센터핀(130)은 전지의 충방전 중 전극 조립체(120)의 변형을 억제하는 역할을 하며, 이차 전지의 내부에서 발생하는 가스의 이동 통로 역할을 한다. 경우에 따라 센터핀(130)은 생략될 수 있다.
캡 조립체(140)는 다수의 관통홀(141a)을 갖는 캡업(cap-up)(141), 캡업(141)의 하부에 위치된 안전벤트(142), 안전벤트(142)의 하부에 위치된 연결링(143), 안전벤트(142) 및 연결링(143)의 하부에 위치되고 다수의 관통홀(144a)을 가지며, 양극탭(125)과 전기적으로 접속된 캡다운(cap-down)(144)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 캡 조립체(140)는 캡업(141), 안전벤트(143) 및 캡다운(144)을 캔(110)의 측부(111)로부터 절연시키는 절연 가스켓(148)을 더 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 절연 가스켓(148)은 실질적으로 캔(110)의 측부(111)에 형성된 비딩부(113)와 크림핑부(114)의 사이에 압착될 수 있다. 일부 예들에서, 캡업(141)의 관통홀(141a) 및 상기 캡다운(144)의 관통홀(144a)은 캔(110)의 내부에서 이상 내압 발생시 내부 가스를 외부로 배출할 수 있다. 일부 예들에서, 내부 가스가 캡다운(144)의 관통홀(144a)을 통해 안전벤트(143)를 상부 방향으로 반전시켜, 안전벤트(143)가 캡다운(144)으로부터 전기적으로 분리되고, 이어서 안전벤트(144)가 찢어지면서(개방되면서) 내부의 가스가 캡업(141)의 관통홀(141a)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
일부 예들에서, 캔(110)의 내측에는 전해액(도면에 도시되지 않음)이 주액될 수 있으며, 이는 충방전시 전지 내부의 음극판(121) 및 양극판(122)에서 전기화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온이 이동 가능하도록 한다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머 또는 고체(solid) 전해질을 포함할 수 있다.
도 2는 본 개시에 따른 예시적 이차 전지에서 캡 조립체를 도시한 단면도이다. 도 3은 도 2의 B 부분 확대도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 캡 조립체(140)는 캡업(141), 캡업(141)의 하부에 배치된 안전벤트(142), 안전벤트(142)의 하부에 배치된 연결링(143) 및 연결링(143)의 하부에 배치된 캡다운(144)을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 캡업(141)은 가장자리인 결합부(141d)에서 안전벤트(142)와 접촉하되, 내측에서는 상방으로 돌출된 형태를 가질 수 있다. 또한, 캡업(141)은 다수의 관통홀(141a)을 갖는 캡업 경사부(141b)를 포함할 수 있다. 캡업 경사부(141b)는 캡업(141)의 결합부(141d)로부터 내측을 향해 상방으로 굴곡될 수 있다. 캡업 경사부(141b)의 일부 영역에는 관통홀(141a)이 구비되어, 안전벤트(142)의 파단시 내부의 가스들이 빠져나가는 경로를 제공할 수 있다.
안전벤트(142)는 가장자리인 결합부(142c)에서 캡업(141)과 접촉할 수 있다. 또한, 안전벤트(142)는 캡업(141)의 캡업 경사부(141b)을 향해 상방으로 돌출된 서포트 돌기(142a)를 포함하고, 서포트 돌기(142a)의 내측에 위치한 접촉부(142b)를 통해 하부의 캡 다운(144)과 접촉 상태를 유지할 수 있다. 서포트 돌기(142a)는 캡업(141)의 가장자리로부터 돌출되어 캡업 경사부(141b)의 하면(141c) 일부를 접촉하고 지지할 수 있다. 따라서, 서포트 돌기(142a)에 의해 캡업 경사부(141b)와 그 하면(141c)은 안전벤트(142)와 접촉된 상태를 더 오래 유지할 수 있다.
예를 들어, 캔(110) 내부의 가스가 생성되어 상부로 이동되는 경우, 안전벤트(142)가 작동하기 시작하고, 중앙의 접촉부(142b)를 기준으로 상부를 향해 휘어지는 변형이 시작되고 접촉부(142b)가 캡 다운(144)과 물리적 및 전기적으로 분리될 수 있다. 그리고 캔(110)의 내부 가스가 생성되어 압력이 증가함에 따라, 안전벤트(142)의 접촉부(142b)는 점점 더 상부를 향하도록 변형되며, 기준 압력 이상인 경우 안전벤트(142)의 벤트홈(142c)을 기준으로 파단이 이루어지게 된다. 이 때, 서포트 돌기(142a)가 캡업 경사부(141b)의 하면(141c)과 접촉한 상태에서 내측의 접촉부(142b)가 상부로 변형되기 때문에, 접촉부(142b)의 상부를 향한 변형이 시작되더라도 서포트 돌기(142a)와 캡업 경사부(141b)의 하면(141c) 사이의 접촉이 일정 시간 더 유지될 수 있다. 따라서, 안전벤트(142)의 작동에 의해 접촉부(142b)가 캡 다운(144)과 분리된 이후의 시점부터, 안전벤트(142)의 벤트홈(142c)에서 파단이 이루어지는 시점까지의 시간이 기존에 비해 연장될 수 있다.
이를 바꿔 설명하면, 캔(111) 내부에서 생성되는 가스에 의해 점차 내압이 증가하더라도, 안전벤트(142)의 작동 이후 파단에 이르기까지의 시간이 연장되므로 이차전지가 내압을 견디는 시간이 연장될 수 있다. 따라서, 이차 전지의 동작 신뢰성을 높일 수 있다.
연결링(143)은 안전벤트(142)와 캡다운(144)의 사이에 개재될 수 있다. 일부 예들에서, 캡업(141), 안전벤트(142) 및 캡다운(144)은 금속 재료(예를 들면, 알루미늄, 구리 또는 니켈)를 포함하나, 연결링(143)은 절연 재료(예를 들면, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌)를 포함할 수 있다.
캡다운(144)은 가장자리에서 연결링(143)을 통해 안전벤트(142)와 결합될 수 있다. 또한, 캡다운(144)은 기본적으로 안전벤트(142)의 하면과 이격될 수 있다. 일부 예들에서, 안전벤트(142)의 하면과 캡다운(144) 사이의 수직 이격 거리는 대략 0.20 mm 내지 대략 30 mm일 수 있다. 한편, 캡다운(144)은 안전벤트(142)의 접촉부(142b)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 캡다운(144)은 안전벤트(142)의 접촉부(142b)에 대해 용접과 같은 방법으로 결합이 유지될 수 있다.
또한, 캡다운(144)은 내측 일부에 적어도 하나의 관통홀(144a)을 구비하고, 관통홀(144a)을 통해 캔(111)의 내부에서 발생되는 가스가 안전 벤트(142)이 도달할 수 있다. 이에 따라, 앞서 설명한 안전벤트(142)의 작동 및 파단이 이루어질 수 있다.
이하에서는 본 개시에 따른 예시적 이차 전지의 캡 조립체(140)의 동작을 보다 세부적으로 설명하도록 한다.
도 4 내지 도 6은 본 개시에 따른 예시적 이차 전지에서 캡 조립체의 동작을 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 화살표로 표시한 것과 같이, 캔(110) 내부에서 가스의 발생에 의해 압력이 상방을 향해 인가될 수 있다. 그리고 캡다운(144)의 관통홀(144a)을 따라 가스가 이동함에 따라, 이러한 압력은 안전벤트(142)의 하면에 대해 인가될 수 있다. 또한, 설명한 것과 같이, 안전벤트(142)의 접촉부(142b)는 캡다운(144)과 결합되어 있기 때문에, 기준 압력 이하에서는 안전벤트(142)가 변형되지 않을 수 있다.
도 5를 참조하면, 가스 발생으로 인한 캔(111) 내부의 압력이 기준 압력을 초과하는 경우, 안전벤트(142)가 접촉부(142b)를 기준으로 상방으로 변형되기 시작할 수 있다. 그리고 변형되는 힘이 커짐에 따라, 접촉부(142b)는 캡다운(144)에서 분리될 수 있다.
한편, 이 경우, 안전벤트(142)가 변형되어도 서포트 돌기(142a)가 캡업 경사부(141b)의 하면(141c)에 접촉한 상태가 유지될 수 있다. 또한, 캡업 경사부(141b)의 하면(141c)은 캡업 경사부(141b)의 형상에 따라 곡면으로 상부를 향하도록 형성된다. 또한, 서포트 돌기(142a)는 캡업 경사부(141b)의 하면(141c)을 따라 캡업 경사부(141b)의 내측으로 더 상승한 상태로 결합될 수 있다.
따라서, 안전벤트(142)가 작동하여, 변형 동작이 이루어지는 경우, 서포트 돌기(142a)는 안전벤트(142)의 가장자리에서 변형 동작을 지지하게 된다. 이에 따라, 안전벤트(142)는 서포트 돌기(142a)가 없는 평평한 상태에서의 변형에 비해 내측 상부로 더 많이 휘어지는 것이 가능하다. 결과적으로, 안전벤트(142)는 작동이 된 이후에도 더 많은 가스에 의한 압력을 견딜 수 있게 되어, 파단에 이르기 전까지 다 높은 압력에 견딜 수 있게 된다.
도 6을 참조하면, 가스 발생에 의해 캔(111) 내부의 압력이 더 증가한 경우, 안전벤트(142)는 벤트홈(142c)에서 파단이 이루어질 수 있다. 이 때, 벤트홈(142c)을 경계로 안전벤트(142)가 개방되며, 개방된 영역을 통해 내부의 가스가 캡업(141)의 외부로 빠져나갈 수 있다. 따라서, 안전벤트(142)의 파단 동작으로 인해, 캔(111)의 내부 압력이 기준값 이상으로 올라가지 않게 되어, 이차 전지(100)의 폭발이 방지될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 개시를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 개시는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 개시의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 내부에 공간을 구비하는 캔;
    상기 캔의 공간에 수용되는 전극 조립체; 및
    상기 캔을 막아 상기 전극 조립체를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 캡 조립체는 캡업, 상기 캡업 하부의 캡다운 및 상기 캡업과 상기 캡다운 사이의 안전벤트를 포함하되,
    상기 안전벤트는 상기 캡업과 결합되는 접촉면에 형성된 서포트 돌기를 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포트 돌기는 상기 안전벤트가 상기 캡업과 결합되는 가장자리 내측에 형성된 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포트 돌기는 상기 캡업의 하면에 접촉하여 형성된 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡업은 상기 안전벤트와 접촉하는 가장자리로부터 내측 상단을 향해 돌출되는 형상으로 구비된 캡업 경사부를 더 포함하는 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 서포트 돌기는 상기 캡업 경사부의 하면에 접촉하는 이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 서포트 돌기는 상기 캡업 경사부의 형상을 따라 상기 안전벤트로부터 돌출된 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전벤트는 상기 서포트 돌기의 내측 영역에 형성된 벤트홈을 포함하는 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전벤트는 중앙에 형성된 접촉부을 통해 상기 캡다운과 결합된 이차 전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 안전벤트는 상기 서포트 돌기로부터 상기 접촉부에 이르기까지 상기 캡다운과 이격되어 있는 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포트 돌기는 상기 안전벤트의 상승 동작시 상기 캡업에 고정되어 지지하는 이차 전지.
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