WO2024075914A1 - 이차 전지 - Google Patents

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WO2024075914A1
WO2024075914A1 PCT/KR2023/004542 KR2023004542W WO2024075914A1 WO 2024075914 A1 WO2024075914 A1 WO 2024075914A1 KR 2023004542 W KR2023004542 W KR 2023004542W WO 2024075914 A1 WO2024075914 A1 WO 2024075914A1
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WO
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Prior art keywords
secondary battery
case
fixing part
coupled
cap plate
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/004542
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이찬호
변상원
성일원
김상훈
송혜영
최미래
구자현
정고운
정강국
Original Assignee
삼성에스디아이(주)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이(주) filed Critical 삼성에스디아이(주)
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/103—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure prismatic or rectangular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to secondary batteries.
  • a prismatic or cylindrical battery may be manufactured by inserting an electrode assembly having an anode, a cathode, and a separator into a metal case and then sealing it, while a pouch-shaped battery may be manufactured by wrapping the electrode assembly in aluminum foil coated with an insulator.
  • prismatic or cylindrical batteries can be constructed by inserting the electrode assembly into the case and then assembling the cap assembly.
  • the cap assembly may be provided with a safety vent that ruptures when the pressure of the internal gas exceeds a set pressure and a vent hole through which the safety vent is formed and the internal gas moves.
  • This internal gas may be a gas of high temperature and high pressure.
  • the present invention provides a secondary battery that can reduce the heat energy of internal gas generated inside a case.
  • the secondary battery according to the present invention includes an electrode assembly; a case accommodating the electrode assembly; a cap plate that seals the top of the case and has a vent hole with a safety vent; And it may include a rotating member coupled to the lower part of the vent hole.
  • the rotating member includes a fixing part fixed to the lower surface of the cap plate; a rotation axis formed at the center of the fixing part; A connecting rib connecting the rotating shaft and the fixing part; And it may include a wing coupled to the rotation shaft.
  • the connecting rib may extend outward from the top and bottom of the rotation shaft and be coupled to the fixing part.
  • the connecting ribs may be formed in plural numbers and spaced apart from each other.
  • the wing portion includes a body rotatably coupled to the rotation shaft; and wings formed on the outside of the body.
  • the horizontal length of the wing may be shorter than the length of the connecting rib.
  • the longitudinal length of the wing may be shorter than the height of the central axis.
  • a separation space may be formed between the body and the rotation axis.
  • the diameter of the fixing part may be larger than the diameter of the vent hole.
  • the wing portion may rotate by internal gas formed inside the case.
  • the secondary battery according to an embodiment of the present invention has a rotating member coupled to the lower part of the vent hole formed in the cap plate, thereby reducing the heat energy of the internal gas generated inside the case.
  • Figure 1 is a perspective view showing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is an enlarged view of part A of Figure 2.
  • Figure 4 is a top view of the rotating structure.
  • Figure 5 is an exploded perspective view of the rotating structure.
  • 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. It is obvious that this cannot be done. These terms are used only to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. 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 invention.
  • Space-related terms such as “beneath,” “below,” “lower,” “above,” and “upper” are used to refer to an element or feature shown in a drawing. It is used for easy understanding of other elements or features. These space-related terms are for easy understanding of the present invention according to various process states or usage states of the present invention, and are not intended to limit the present invention. For example, if an element or feature in a drawing is flipped over, an element described as “bottom” or “below” becomes “top” or “above.” Therefore, “below” is a concept encompassing “top” or “below.”
  • Figure 1 is a perspective view showing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is an enlarged view of part A of Figure 2.
  • the secondary battery 100 includes an electrode assembly 110, a first terminal 120, a second terminal 130, a case 140, and a cap plate. It includes (150) and a rotating member (160).
  • the electrode assembly 110 is formed by stacking or winding a laminate of the first electrode plate 111, the separator 113, and the second electrode plate 112, which are formed in a thin plate or film shape.
  • the first electrode plate 111 can operate as a cathode
  • the second electrode plate 112 can operate as an anode.
  • the first electrode plate 111 and the second electrode plate 112 may be arranged with different polarities.
  • the first electrode plate 111 is formed by applying a first electrode active material, such as graphite or carbon, to a first electrode current collector formed of a metal foil such as copper, copper alloy, nickel, or nickel alloy. It may include a first electrode uncoated area 111a, which is an area where the electrode active material is not applied.
  • a first electrode active material such as graphite or carbon
  • the first electrode uncoated region 111a may be referred to as a first current collection tab.
  • the first electrode uncoated area 111a is formed to protrude from the first electrode plate 111.
  • the first electrode uncoated region 111a may be formed to protrude from the first electrode plate 111 in a certain direction and overlap on one side.
  • the first electrode uncoated area 111a is arranged at a pre-calculated distance from the first electrode plate 111, so that the first electrode uncoated area 111a protrudes from the same area after being wound. It can be formed by overlapping them.
  • the first electrode uncoated area 111a has a structure formed integrally with the first electrode plate 111, and is drawn out from each of the first electrode plates 111, so it has the advantage of increasing the current collection efficiency of the electrode assembly 110.
  • the first electrode uncoated region 111a may be formed through a member separate from the first electrode plate 111, depending on the selection of a person skilled in the art.
  • the second electrode plate 112 is formed by applying a second electrode active material such as a transition metal oxide to a second electrode current collector formed of a metal foil such as aluminum or aluminum alloy, and the second electrode active material is not applied. It may include a second electrode uncoated area 112a, which is an unused area. In some examples, the second electrode uncoated region 112a may be referred to as a second current collection tab. The second electrode uncoated region 112a is formed to protrude from the second electrode plate 112. The second electrode uncoated area 112a may have the same shape as the first electrode uncoated area 111a. However, the first electrode uncoated area 111a may protrude to one side of the electrode assembly 110, and the second electrode uncoated area 112a may protrude to the other side of the electrode assembly 110.
  • a second electrode active material such as a transition metal oxide
  • the separator 113 is located between the first electrode plate 111 and the second electrode plate 112 and serves to prevent short circuit and enable the movement of lithium ions, and is made of polyethylene, polypropylene, or polyethylene and polypropylene. It may include a composite film.
  • the electrode assembly 110 may be accommodated in the case 140 substantially together with the electrolyte solution.
  • the electrolyte may be composed of lithium salts such as LiPF 6 and LiBF 4 in organic solvents such as EC (ethylene carbonate), PC (propylene carbonate), DEC (diethyl carbonate), EMC (ethyl methyl carbonate), and DMC (dimethyl carbonate). there is.
  • the electrolyte solution may be liquid, solid, or gel-like.
  • the first terminal 120 is made of metal and can be electrically connected to the first electrode plate 111.
  • the first terminal 120 may include a first current collector plate 121, a first terminal pillar 122, and a first terminal plate 124.
  • the first current collector plate 121 may be electrically connected to the first electrode uncoated region 111a protruding from one end of the electrode assembly 110.
  • the first current collector plate 121 may include a first region to which the first electrode uncoated region 111a is connected, and a second region bent at the top of the first region and positioned at the top of the electrode assembly 110. there is.
  • a terminal hole is formed in the second area of the first current collector plate 121, and the first terminal pillar 122 can be inserted into the terminal hole and riveted and/or welded.
  • the first terminal pillar 122 protrudes and extends upward for a certain length through the cap plate 151, which will be described later, and may be electrically connected to the first current collector plate 121 at the lower part of the cap plate 150.
  • the first terminal plate 124 may be coupled to the first terminal pillar 122.
  • the second terminal 130 is made of metal and can be electrically connected to the second electrode plate 112.
  • the second terminal 130 may include a second current collector plate 131, a second terminal pillar 132, and a second terminal plate 134.
  • the second current collector plate 131 may be electrically connected to the second electrode uncoated region 112a protruding from the other end of the electrode assembly 110.
  • the second current collector plate 131 may include a first region to which the second electrode uncoated region 112a is connected, and a second region bent at the top of the first region and positioned at the top of the electrode assembly 110. there is.
  • a terminal hole is formed in the second area of the second current collector plate 131, and the second terminal pillar 132 can be inserted into the terminal hole and riveted and/or welded.
  • the second terminal pillar 132 protrudes and extends upward for a certain length through the cap plate 150, which will be described later, and may be electrically connected to the second current collector plate 131 at the lower part of the cap plate 150.
  • the second terminal plate 134 may be coupled to the second terminal pillar 132.
  • the second terminal plate 134 may be electrically connected to the cap plate 150, and the cap plate 150 and case 140 may have the same polarity (e.g., positive) as the second terminal 130. there is.
  • the case 140 is made of a conductive metal such as aluminum, aluminum alloy, or nickel-plated steel, and has an approximately hexahedral shape with an opening into which the electrode assembly 110 can be inserted and seated.
  • a cap plate 150 may be coupled to the opening of the case 140 to seal the case 140.
  • the inner surface of the case 140 is basically insulated, thereby preventing electrical short circuits from occurring inside.
  • one electrode of the electrode assembly 110 may be electrically connected to the case 140 through the cap plate 150.
  • the case 140 can act as an anode.
  • the cap plate 150 seals the opening of the case 140 and may be formed of the same material as the case 140.
  • the cap plate 150 may be coupled to the case 140 using a laser welding method.
  • the cap plate 150 may include a vent hole 151, a safety vent 152, an electrolyte injection port 153, a gasket 154, an upper coupling member 155, and a lower insulating member 156. there is.
  • a vent hole 151 may be formed at approximately the center of the cap plate 150, and a safety vent 152 may be formed inside the vent hole 151 with a relatively thin thickness compared to other areas.
  • the safety vent 152 can prevent the secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention from breaking and exploding when the pressure inside the case 140 is higher than the set breaking pressure.
  • an electrolyte injection hole 153 for injecting an electrolyte solution may be formed on one side of the cap plate 150. The electrolyte is injected into the interior of the case 140 through the electrolyte injection hole 153, and thereafter, the electrolyte injection hole 153 may be sealed with a stopper.
  • terminal holes through which the first terminal pillar 122 and the second terminal pillar 132 pass may be formed on both sides of the cap plate 150.
  • the gasket 154 may be made of an insulating material.
  • the gasket 154 is coupled to the terminal hole along with the first and second terminal pillars 122 and 132 at the lower part of the cap plate 150 to seal between the first and second terminal pillars 122 and 132 and the cap plate 150. there is.
  • This gasket 154 may prevent external moisture from penetrating into the interior of the secondary battery 100 or prevent the electrolyte contained within the secondary battery 100 from leaking out.
  • the upper coupling member 155 is coupled to the terminal hole along with the first and second terminal pillars 122 and 132 at the top of the cap plate 150 to seal between the first and second terminal pillars 122 and 132 and the cap plate 150. can do.
  • the upper coupling member 155 may be in contact with the gasket 154.
  • the upper coupling member 155 coupled to the first terminal 120 may insulate between the first terminal 120 and the cap plate 150, and the upper coupling member coupled to the second terminal 130 The member 155 may electrically connect the second terminal 130 and the cap plate 150.
  • the lower insulating member 156 is formed between each of the first and second current collector plates 121 and 131 and the cap plate 150 to prevent a short circuit between the first current collector plate 121 and the cap plate 150. , and it is possible to prevent a short circuit between the second current collector plate 131 and the cap plate 150.
  • Figure 4 is a plan view of the rotating structure
  • Figure 5 is an exploded perspective view of the rotating structure.
  • the rotating member 160 may be coupled to the vent hole 151 at the lower portion of the cap plate 150.
  • the rotating member 160 may include a fixing part 161, a rotating shaft 162, a connecting rib 163, and a wing part 165.
  • the fixing part 161 may be coupled to the lower surface of the cap plate 150.
  • the fixing part 161 may be formed in a cylindrical shape with open top and bottom.
  • the upper end of the fixing part 161 may be fixed to the lower surface of the cap plate 150.
  • the fixing part 161 may be fixed to the lower surface of the cap plate 150 by welding.
  • the fixing part 161 may be formed of the same material as the cap plate 150.
  • the fixing part 161 may be fixed to the lower surface of the cap plate 150 through a separate fixing member (eg, bolt). At this time, the fixing member may pass from the bottom to the top of the fixing part 161 and be coupled to the cap plate 150.
  • the diameter of the fixing part 161 may be larger than the diameter of the vent hole 151. Accordingly, the rotating member 160 can cover the safety vent 152 formed in the vent hole 151.
  • the rotation axis 162 is located at the inner center of the fixing part 161 and can be coupled to the fixing part 161 by the connecting rib 163.
  • the rotation axis 162 may be the central axis around which the wing unit 165 rotates.
  • the height of the rotation axis 162 may be the same as the height of the fixing part 161.
  • Wings 165 may be coupled to the rotation axis 162.
  • the connecting rib 163 extends outward from the top and bottom of the rotation shaft 162, respectively, and may be coupled to the fixing portion 161.
  • the connecting rib 163 may be coupled to the rotating shaft 162 and the fixing portion 161 by welding.
  • the connecting rib 163 may be coupled to the rotating shaft 162 and the fixing portion 161 by welding.
  • the connecting rib 163 may be formed integrally with the rotating shaft 162 or the fixing portion 161. In this case, the fixing part 161 and the rotating shaft 162 may be separated into upper and lower parts, and the wing part 165 may be inserted between them.
  • the connecting ribs 163 may be formed in plural numbers.
  • the connecting rib 163 located at the top of the rotation axis 162 may contact the lower surface of the cap plate 150. Since the connecting ribs 163 formed at the upper and lower parts of the fixing part 161 are spaced apart from each other, the internal gas formed inside the case 140 breaks the safety vent 162 located at the upper part of the fixing part 161. It can be discharged to the outside through the vent hole 161.
  • the wing portion 165 may be coupled to the rotation shaft 162.
  • the connecting ribs 163 formed on the upper and lower portions of the rotating shaft 162 can prevent the wing portion 165 from being separated from the rotating shaft 162.
  • the wing portion 165 may include a body 166 and a wing 167.
  • the body 166 may include a hole 166a in the center into which the rotation axis 162 is inserted.
  • the body 166 may be rotatably coupled to the rotation axis 162. That is, the body 166 is not fixed to the rotation axis 162, and a space may be formed between the body 166 and the rotation axis 162. Accordingly, the body 166 can rotate together with the wings 167 by the high-pressure gas formed inside the case 140.
  • a plurality of wings 167 may be formed on the outside of the body 166.
  • the wings 167 may be formed integrally with the body 166.
  • the wings 167 may extend from the body 166 in an outward direction (or in a direction toward the fixing part 161).
  • the horizontal length of the wing 167 may be shorter than the length of the connecting rib 163.
  • the vertical length of the wings 167 may be shorter than the height of the central axis 162.
  • the wings 167 may rotate by internal gas generated inside the case 140.
  • the shape of the wing 167 can be any shape as long as it can be rotated by internal gas.
  • the blades 167 may be blades used in an electric fan or fan.
  • the wings 167 may discharge gas inside the case 140 to the outside.
  • the gas generated internally may be a high temperature and high pressure gas.
  • the wing portion 165 of the rotating member 160 rotates due to the pressure of the internal gas.
  • These wings 165 may serve to lower the temperature of the internal gas discharged through the vent hole 151. That is, the rotating member 160 may serve to reduce the thermal energy of the internal gas and prevent the temperature of an adjacent secondary battery from increasing. Additionally, the rotating member 160 may serve to quickly discharge the internal gas through the vent hole 151 by concentrating the internal gas into the vent hole 151 .
  • the present invention relates to secondary batteries.

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Abstract

본 발명은 케이스 내부에서 발생한 내부 가스의 열 에너지를 감소시킬 수 있는 이차 전지에 관한 것이다. 일례로, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 상기 케이스의 상부를 밀봉하며, 안전 벤트가 형성된 벤트홀을 구비하는 캡 플레이트; 및 상기 벤트홀의 하부에 결합된 회전 부재를 포함하는 이차 전지를 개시한다.

Description

이차 전지
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
전지는 형상에 따라 각형, 원통형, 파우치형 등으로 분류될 수 있다. 각형 또는 원통형 전지는 금속 케이스의 내부에 양극, 음극 및 분리막을 갖는 전극 조립체가 삽입된 후 밀봉되어 제조되고, 파우치형 전지는 전극 조립체가 절연체로 코팅된 알루미늄 포일로 감싸져 제조될 수 있다.
특히, 각형 이나 원통형 전지는 케이스 내부에 전극 조립체가 삽입된 후 캡 조립체를 조립하여 전지를 구성할 수 있다. 또한, 캡 조립체는 내부 가스의 압력이 설정 압력 이상이면 파단되는 안전 벤트 및 상기 안전 벤트가 형성되고 내부 가스가 이동하는 벤트홀을 구비할 수 있다. 이러한 내부 가스는 고온 및 고압의 가스일 수 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 발명은 케이스 내부에서 발생한 내부 가스의 열 에너지를 감소시킬 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 의한 이차 전지는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 상기 케이스의 상부를 밀봉하며, 안전 벤트가 형성된 벤트홀을 구비하는 캡 플레이트; 및 상기 벤트홀의 하부에 결합된 회전 부재를 포함할 수 있다.
상기 회전 부재는 상기 캡 플레이트의 하면에 고정된 고정부; 상기 고정부의 중심에 형성된 회전축; 상기 회전축과 상기 고정부를 연결하는 연결 리브; 및 상기 회전축에 결합된 날개부를 포함할 수 있다.
상기 연결 리브는 상기 회전축의 상단 및 하단에서 외측 방향으로 연장되어 상기 고정부에 결합될 수 있다.
상기 연결 리브는 다수개로 형성되며 서로 이격될 수 있다.
상기 날개부는 상기 회전축에 회전 가능하게 결합되는 바디; 및 상기 바디의 외측에 형성된 날개;를 포함할 수 있다.
상기 날개의 가로 방향 길이는 상기 연결 리브의 길이보다 짧을 수 있다.
상기 날개의 세로 방향 길이는 상기 중심축의 높이보다 짧을 수 있다.
상기 바디와 상기 회전축 사이에는 이격 공간이 형성될 수 있다.
상기 고정부의 직경은 상기 벤트홀의 직경보다 클 수 있다.
상기 날개부는 상기 케이스 내부에서 형성된 내부 가스에 의해 회전할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 캡 플레이트에 형성된 벤트홀의 하부에 결합된 회전 부재를 구비함으로써, 케이스 내부에서 발생된 내부 가스의 열 에너지를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 A부분의 확대도이다.
도 4는 회전 구조체의 평면도이다.
도 5는 회전 구조체의 분해 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"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 이용된다. 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 요소는 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결(electrically coupled)되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다. 도 3은 도 2의 A부분의 확대도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 제1단자(120), 제2단자(130), 케이스(140), 캡 플레이트(150) 및 회전 부재(160)를 포함한다.
상기 전극 조립체(110)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 제1전극판(111), 세퍼레이터(113) 및 제2전극판(112)의 적층체를 스택하거나 권취하여 형성한다. 여기서, 제1전극판(111)은 음극으로서 동작할 수 있으며, 제2전극판(112)은 양극으로서 동작할 수 있다. 물론, 당업자의 선택에 따라 제1전극판(111) 및 제2전극판(112)은 서로 극성을 달리하여 배치될 수도 있다.
일부 예들에서, 제1전극판(111)은 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금과 같은 금속 포일로 형성된 제1전극 집전체에 흑연 또는 탄소 등의 제1전극 활물질이 도포되어 형성되며, 제1전극 활물질이 도포되지 않는 영역인 제1전극 무지부(111a)를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 제1전극 무지부(111a)는 제1집전탭으로 지칭될 수 있다. 제1전극 무지부(111a)는 제1전극판(111)으로부터 돌출되도록 형성된다. 스택 구조의 경우, 제1전극 무지부(111a)는 제1전극판(111)으로부터 일정 방향으로 돌출되고 일측에서 중첩되도록 형성될 수 있다. 또한, 권취 구조의 경우, 제1전극 무지부(111a)는 제1전극판(111)으로부터 미리 계산된 거리로 배치되어, 권취된 이후 제1전극 무지부(111a)들이 동일한 영역에서 돌출되도록 하고 이를 중첩하여 형성할 수 있다. 제1전극 무지부(111a)는 제1전극판(111)에 일체로 형성된 구조를 갖고, 제1전극판(111) 각각으로부터 인출되기 때문에 전극 조립체(110)의 집전 효율을 높일 수 있는 장점을 갖는다. 다만, 제1전극 무지부(111a)는 당업자의 선택에 따라 제1전극판(111)과 별도의 부재를 통해 형성되는 것도 가능하다.
일부 예들에서, 제2전극판(112)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 포일로 형성된 제2전극 집전체에 전이금속산화물 등의 제2전극 활물질이 도포되어 형성되며, 제2전극 활물질이 도포되지 않은 영역인 제2전극 무지부(112a)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제2전극 무지부(112a)는 제2집전탭으로 지칭될 수 있다. 제2전극 무지부(112a)는 제2전극판(112)으로부터 돌출되도록 형성된다. 제2전극 무지부(112a)는 제1전극 무지부(111a)와 동일한 형상을 가질 수 있다. 다만, 제1전극 무지부(111a)는 전극 조립체(110)의 일측으로 돌출되고, 제2전극 무지부(112a)는 전극 조립체(110)의 타측으로 돌출될 수 있다.
세퍼레이터(113)는 제1전극판(111)과 제2전극판(112) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌 또는 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극 조립체(110)는 실질적으로 전해액과 함께 상기 케이스(140)에 수납될 수 있다. 상기 전해액은 EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate)와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
제1단자(120)는 금속으로 형성되며, 제1전극판(111)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 예들에서, 제1단자(120)는 제1집전판(121), 제1단자 기둥(122) 및 제1단자 플레이트(124)를 포함할 수 있다. 제1집전판(121)은 전극 조립체(110)의 일측 단부로 돌출된 제1전극 무지부(111a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제1집전판(121)은 제1전극 무지부(111a)가 연결되는 제1영역과, 상기 제1영역의 상부에서 절곡되어 전극 조립체(110)의 상부에 위치하는 제2영역을 포함할 수 있다. 제1집전판(121)의 제2영역에는 단자홀이 형성되고, 상기 단자홀에는 제1단자 기둥(122)이 끼워져 리벳팅 및/또는 용접될 수 있다. 제1단자 기둥(122)은 후술되는 캡 플레이트(151)를 관통하여 상부로 일정 길이 돌출 및 연장되며, 캡 플레이트(150)의 하부에서 제1집전판(121)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1단자 플레이트(124)는 제1단자 기둥(122)에 결합될 수 있다.
제2단자(130)는 금속으로 형성되며, 제2전극판(112)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 예들에서, 제2단자(130)는 제2집전판(131), 제2단자 기둥(132) 및 제2단자 플레이트(134)를 포함할 수 있다. 제2집전판(131)은 전극 조립체(110)의 타측 단부로 돌출된 제2전극 무지부(112a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2집전판(131)은 제2전극 무지부(112a)가 연결되는 제1영역과, 상기 제1영역의 상부에서 절곡되어 전극 조립체(110)의 상부에 위치하는 제2영역을 포함할 수 있다. 제2집전판(131)의 제2영역에는 단자홀이 형성되고, 상기 단자홀에는 제2단자 기둥(132)이 끼워져 리벳팅 및/또는 용접될 수 있다. 제2단자 기둥(132)은 후술되는 캡 플레이트(150)를 관통하여 상부로 일정 길이 돌출 및 연장되며, 캡 플레이트(150)의 하부에서 제2집전판(131)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2단자 플레이트(134)는 제2단자 기둥(132)에 결합될 수 있다. 제2단자 플레이트(134)는 캡 플레이트(150)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 캡 플레이트(150) 및 케이스(140)는 제2단자(130)와 같은 극성(예를 들면, 양극)을 가질 수 있다.
케이스(140)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성되며, 전극 조립체(110)가 삽입 안착될 수 있는 개구부가 형성된 대략 육면체 형상으로 이루어진다. 케이스(140)의 개구부에는 캡 플레이트(150)가 결합되어 상기 케이스(140)를 밀봉할 수 있다. 상기 케이스(140)의 내면은 기본적으로 절연 처리되어, 내부에서 전기적 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 경우에 따라, 상기 전극 조립체(110)의 일 전극이 캡 플레이트(150)를 통해 케이스(140)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 케이스(140)는 양극으로서 작용할 수 있다.
캡 플레이트(150)는 케이스(140)의 개구부를 밀봉하며, 케이스(140)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 캡 플레이트(150)는 레이저 용접 방식으로 케이스(140)에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 캡 플레이트(150)는 벤트홀(151), 안전 벤트(152), 전해액 주입구(153), 가스켓(154), 상부 결합부재(155) 및 하부 절연부재(156)를 포함할 수 있다.
캡 플레이트(150)의 대략 중앙에는 벤트홀(151)이 형성되고, 벤트홀(151)의 내부에 다른 영역에 비해 상대적으로 얇은 두께로 형성된 안전 벤트(152)가 형성될 수 있다. 안전 벤트(152)는 케이스(140) 내부의 압력이 설정된 파단 압력에 비해 높은 경우, 파단되어 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(100)가 폭발하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 캡 플레이트(150)의 일측에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구(153)가 형성될 수 있다. 전해액 주입구(153)를 통해 케이스(140)의 내부로 전해액이 주입되며, 그 이후 상기 전해액 주입구(153)는 마개에 의해 밀봉될 수 있다. 또한, 캡 플레이트(150)의 양측에는 제1단자 기둥(122) 및 제2단자 기둥(132)가 관통되기 위한 단자홀이 형성될 수 있다.
가스켓(154)은 절연성 재질로 이루어질 수 있다. 가스켓(154)은 캡 플레이트(150)의 하부에서 제1,2단자 기둥(122,132)과 함께 단자홀에 결합되어, 제1,2단자 기둥(122,132)과 캡 플레이트(150) 사이를 밀봉할 수 있다. 이러한 가스켓(154)은 외부의 수분이 이차 전지(100)의 내부로 침투하지 못하도록 하거나, 이차 전지(100)의 내부에 수용된 전해액이 외부로 유출되지 못하도록 할 수 있다.
상부 결합부재(155)는 캡 플레이트(150)의 상부에서 제1,2단자 기둥(122,132)과 함께 단자홀에 결합되어, 제1,2단자 기둥(122,132)과 캡 플레이트(150) 사이를 밀봉할 수 있다. 상부 결합부재(155)는 가스켓(154)과 접촉할 수 있다. 일부 예들에서, 제1단자(120)에 결합된 상부 결합부재(155)는 제1단자(120)와 캡 플레이트(150) 사이를 절연시킬 수 있고, 제2단자(130)에 결합된 상부 결합부재(155)는 제2단자(130)와 캡 플레이트(150) 사이를 전기적으로 연결할 수 있다.
하부 절연부재(156)는 제1집전판(121) 및 제2집전판(131) 각각과 캡 플레이트(150) 사이에 형성되어, 제1집전판(121)과 캡 플레이트(150) 사이의 단락, 그리고 제2집전판(131)과 캡 플레이트(150) 사이의 단락을 방지할 수 있다.
도 4는 회전 구조체의 평면도이고, 도 5는 회전 구조체의 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 회전 부재(160)는 캡 플레이트(150)의 하부에서 벤트홀(151)에 결합될 수 있다. 회전 부재(160)는 고정부(161), 회전축(162), 연결 리브(163), 및 날개부(165)를 포함할 수 있다.
고정부(161)는 캡 플레이트(150)의 하면에 결합될 수 있다. 고정부(161)는 상부 및 하부가 개방된 원통형으로 형성될 수 있다. 고정부(161)의 상단부는 캡 플레이트(150)의 하면에 고정될 수 있다. 예를 들어, 고정부(161)는 용접에 의해 캡 플레이트(150)의 하면에 고정될 수 있다. 일부 예들에서, 고정부(161)는 캡 플레이트(150)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 또한, 고정부(161)는 별도의 고정 부재(예를 들어, 볼트)를 통해서 캡 플레이트(150)의 하면에 고정될 수 있다. 이때, 고정 부재는 고정부(161)의 하부에서 상부를 관통하여 캡 플레이트(150)에 결합될 수 있다. 고정부(161)의 직경은 벤트홀(151)의 직경보다 크게 형성될 수 있다. 따라서, 회전 부재(160)는 벤트홀(151)에 형성된 안전 벤트(152)를 커버할 수 있다.
회전축(162)은 고정부(161)의 내측 중심에 위치하며, 연결 리브(163)에 의해 고정부(161)와 결합될 수 있다. 회전축(162)은 날개부(165)가 회전하는 중심축일 수 있다. 회전축(162)의 높이는 고정부(161)의 높이와 동일할 수 있다. 회전축(162)에는 날개부(165)가 결합될 수 있다.
연결 리브(163)는 회전축(162)의 상단 및 하단에서 각각 외측 방향으로 연장되어, 고정부(161)에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 연결 리브(163)는 회전축(162) 및 고정부(161)에 용접에 의해 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 회전축(162)에 날개부(165)가 결합된 후, 연결 리브(163)가 회전축(162) 및 고정부(161)에 용접에 의해 결합될 수 있다. 물론, 연결 리브(163)는 회전축(162) 또는 고정부(161)와 일체로 형성되는 것도 가능하다. 이 경우, 고정부(161)와 회전축(162)은 상부 및 하부로 분리되어, 그 사이에 날개부(165)가 끼워지는 구조일 수 있다.
연결 리브(163)는 복수개로 형성될 수 있다. 회전축(162)의 상단에 위치한 연결 리브(163)는 캡 플레이트(150)의 하면과 접촉할 수 있다. 고정부(161)의 상부 및 하부에 형성된 연결 리브(163)는 서로 이격되어 있기 때문에, 케이스(140) 내부에서 형성된 내부 가스가 고정부(161)의 상부에 위치한 안전 벤트(162)를 파단하고 벤트홀(161)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
날개부(165)는 회전축(162)에 결합될 수 있다. 회전축(162)의 상부 및 하부에 형성된 연결 리브(163)는 날개부(165)가 회전축(162)으로부터 분리되는 것을 방지할 수 있다. 날개부(165)는 바디(166) 및 날개(167)를 포함할 수 있다.
바디(166)는 중심에 회전축(162)이 삽입되는 홀(166a)을 포함할 수 있다. 바디(166)는 회전축(162)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 즉, 바디(166)는 회전축(162)에 고정된 것이 아니며, 바디(166)와 회전축(162) 사이에는 이격 공간이 형성될 수 있다. 따라서, 바디(166)는 케이스(140) 내부에서 형성된 고압 가스에 의해 날개(167)와 함께 회전할 수 있다.
날개(167)는 바디(166)의 외측에 다수개가 형성될 수 있다. 날개(167)는 바디(166)와 일체로 형성될 수 있다. 날개(167)는 바디(166)로부터 외측 방향(또는 고정부(161)를 향하는 방향)으로 연장될 수 있다. 날개(167)의 가로 방향 길이는 연결 리브(163)의 길이보다 짧게 형성될 수 있다. 또한, 날개(167)의 세로 방향 길이는 중심축(162)의 높이 보다 짧게 형성될 수 있다. 날개(167)는 케이스(140) 내부에서 발생된 내부 가스에 의해 회전할 수 있다. 날개(167)의 형태는 내부 가스에 의해 회전할 수 있는 형태라면 어떠한 형태라도 적용 가능하다. 예를 들어, 날개(167)는 선풍기 또는 팬에 사용되는 날개 등이 사용될 수 있다. 또한, 날개(167)는 케이스(140) 내부의 가스를 외부로 배출할 수 있다.
이차 전지(100)는 단락 또는 과전류 등과 같은 이상 상황이 발생하면, 케이스(140) 내부에서 가스가 발생되고 케이스(140) 내부 압력이 기준 압력 이상이 되면 안전 벤트(152)가 파단된다. 이때, 내부에서 발생된 가스는 고온 및 고압의 가스일 수 있다. 내부 가스가 벤트홀(151)로 배출될 때, 내부 가스의 압력에 의해 회전 부재(160)의 날개부(165)가 회전하게 된다. 이러한 날개부(165)는 벤트홀(151)을 통해 방출되는 내부 가스의 온도를 낮추는 역할을 할 수 있다. 즉, 회전 부재(160)는 내부 가스의 열 에너지를 감소시켜, 인접한 이차 전지의 온도 상승을 방지하는 역할을 할 수 있다. 또한, 회전 부재(160)는 내부 가스를 벤트홀(151)로 집중시킴으로써, 내부 가스가 벤트홀(151)을 통해 빠르게 배출되도록 하는 역할을 할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.

Claims (10)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;
    상기 케이스의 상부를 밀봉하며, 안전 벤트가 형성된 벤트홀을 구비하는 캡 플레이트; 및
    상기 벤트홀의 하부에 결합된 회전 부재를 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 부재는
    상기 캡 플레이트의 하면에 고정된 고정부;
    상기 고정부의 중심에 형성된 회전축;
    상기 회전축과 상기 고정부를 연결하는 연결 리브; 및
    상기 회전축에 결합된 날개부를 포함하는 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연결 리브는 상기 회전축의 상단 및 하단에서 외측 방향으로 연장되어 상기 고정부에 결합된 이차 전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 연결 리브는 다수개로 형성되며 서로 이격된 이차 전지.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 날개부는
    상기 회전축에 회전 가능하게 결합되는 바디; 및
    상기 바디의 외측에 형성된 날개;를 포함하는 이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 날개의 가로 방향 길이는 상기 연결 리브의 길이보다 짧은 이차 전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 날개의 세로 방향 길이는 상기 중심축의 높이보다 짧은 이차 전지.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 바디와 상기 회전축 사이에는 이격 공간이 형성된 이차 전지.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 고정부의 직경은 상기 벤트홀의 직경보다 큰 이차 전지.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 날개부는 상기 케이스 내부에서 형성된 내부 가스에 의해 회전하는 이차 전지.
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