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WO2010044554A1 - 안전성이 향상된 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 이차전지 - Google Patents

안전성이 향상된 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 이차전지 Download PDF

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WO2010044554A1
WO2010044554A1 PCT/KR2009/005407 KR2009005407W WO2010044554A1 WO 2010044554 A1 WO2010044554 A1 WO 2010044554A1 KR 2009005407 W KR2009005407 W KR 2009005407W WO 2010044554 A1 WO2010044554 A1 WO 2010044554A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
blocking member
current blocking
notch
battery
cap assembly
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2009/005407
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김성종
정병규
김수령
구자훈
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
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 LG Chem Ltd filed Critical LG Chem Ltd
Priority to EP09820704.6A priority Critical patent/EP2337110B1/en
Priority to CA2738303A priority patent/CA2738303C/en
Priority to JP2011530936A priority patent/JP5394498B2/ja
Priority to CN200980138224.6A priority patent/CN102165624B/zh
Publication of WO2010044554A1 publication Critical patent/WO2010044554A1/ko
Priority to US12/846,873 priority patent/US8383258B2/en
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    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/107—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure having curved cross-section, e.g. round or elliptic
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a cap assembly having improved safety and a cylindrical secondary battery including the same. More particularly, the cap assembly is mounted on an open upper end of a can in a battery having a structure in which an electrode assembly is embedded in a cylindrical can.
  • a safety vent having a predetermined notch formed to rupture by a high-pressure gas, coupled to the lower end of the safety vent by welding, a current blocking member for blocking a current when the internal voltage of the battery rises, and surrounding the outer circumferential surface of the current blocking member.
  • a gasket for the current blocking member wherein the current blocking member includes two or more through holes for discharging gas, and the through holes have a total area of 20 to the total area of the current blocking member. It relates to a cap assembly formed in the size of% to 50%.
  • secondary batteries are classified into cylindrical batteries and rectangular batteries in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can, and pouch-type batteries in which the electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. .
  • the cylindrical battery has the advantage of relatively large capacity and structurally stable.
  • the electrode assembly embedded in the battery case is a power generator capable of charging and discharging composed of a laminated structure of anode / separation membrane / cathode, a jelly-roll type wound through a separator between a long sheet-type anode and an anode coated with an active material, and A plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size are classified into a stack type in which a plurality of positive and negative electrodes are sequentially stacked in a state where a separator is interposed.
  • the jelly-roll type electrode assembly has advantages of easy manufacturing and high energy density per weight.
  • FIG. 1 schematically shows a vertical cross-sectional perspective view of a typical cylindrical battery.
  • the cylindrical secondary battery 100 receives a jelly-roll type (wound) electrode assembly 120 in a cylindrical case 130 and injects an electrolyte solution into the cylindrical case 130, and then the case 130.
  • a jelly-roll type (wound) electrode assembly 120 Is manufactured by combining the top cap 140 having an electrode terminal (for example, a positive electrode terminal; not shown) formed at an open upper end thereof.
  • the electrode assembly 120 has a structure in which the anode 121 and the cathode 122, and a separator 123 are interposed therebetween, and are wound in a round shape, and have a cylindrical center pin at its core (center of jelly-roll). 150 is inserted.
  • the center pin 150 is generally made of a metal material to impart a predetermined strength, and has a hollow cylindrical structure in which a plate is rounded.
  • the center pin 150 serves as a passage for fixing and supporting the electrode assembly and for discharging gas generated by internal reaction during charging and discharging and operation.
  • lithium secondary batteries have the disadvantage of low safety.
  • the battery when the battery is overcharged to about 4.5 V or more, decomposition reaction of the positive electrode active material occurs, dendrite growth of lithium metal at the negative electrode, decomposition reaction of electrolyte solution, and the like occur. In this process, heat is accompanied, so that the decomposition reaction and a number of side reactions are rapidly progressed, and the air supply may cause the battery to ignite and explode.
  • a general cylindrical secondary battery includes a current interrupting member (CID) and a safety vent for blocking an electric current during abnormal operation of the battery and relieving internal pressure. It is mounted in the space between.
  • CID current interrupting member
  • the top cap 10 has a positive electrode terminal formed in a protruding shape, and an exhaust port is perforated, and a PTC element for blocking current due to a large increase in battery resistance when the temperature inside the battery increases.
  • Positive temperature coefficient element: 20) in the normal state has a downwardly protruding shape, the safety vent 30 to explode and exhaust gas when the pressure inside the battery rises, and the upper one side is coupled to the safety vent 30
  • the connection plate 50 which is connected to the anode of the electrode assembly 40, is positioned sequentially.
  • the anode of the electrode assembly 40 is connected to the top cap 10 through the lead 42, the connection plate 50, the safety vent 30, and the PTC element 20 to conduct electricity. .
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • Still another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having improved safety using a cap assembly having improved safety.
  • the cap assembly according to the present invention for achieving the above object is a cap assembly mounted on the open upper end of the can in a battery having a structure in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical can, the predetermined notch is to be ruptured by the high pressure gas of the battery.
  • a safety vent formed;
  • a current blocking member coupled to the lower end of the safety vent by welding and blocking current when the battery breakdown voltage increases;
  • the area is formed in the size of 20% to 50% of the total area of the current blocking member.
  • the current blocking member is a member that ruptures when the pressure rises inside the battery to block the current.
  • An upwardly protruding protrusion that is welded to the bottom of the indent of the safety vent is formed at the center thereof, and is connected to the anode of the jelly-roll.
  • the positive lead may be a structure that is electrically connected through the bottom surface of the portion excluding the protrusion.
  • the current blocking member is coupled to the safety vent to cut off the current while the connection portion between the current blocking member and the anode ruptures according to the shape reversal of the safety vent.
  • the protrusion may have a notch formed on an outer circumferential surface thereof, and the protrusion is ruptured according to the shape reversal of the safety vent, and the protrusion is easily separated from the connection portion between the current blocking member and the anode in a state in which the protrusion is coupled with the safety vent. Can be.
  • the current blocking member is formed with two or more through-holes for the upward movement of the gas, through which the internal gas of the battery rises to induce the shape reversal of the safety vent.
  • the inventors have experimentally confirmed that, when the area of the through hole formed in the current blocking member is less than 20%, the rate at which the battery ignites or explodes when the high pressure inside the battery occurs is high. This is presumably because the amount of gas passing through the through hole is not effective, so that an effective disconnection is not achieved, or the upward movement path of the gas is blocked or changed, which results in a long time taken to cut off the current. On the other hand, if the size of the through-hole is too large, it is difficult to secure a predetermined strength, it is not preferable because the back-up phenomenon of the component occurs during processing.
  • the current blocking member includes two or more through holes for discharging the gas and its total area is 20% to 50% of the size of the current blocking member, more preferably. It is formed in the size of 30% to 40%, so that the upward movement amount (emission amount) of the gas can be increased and the rapid upward movement (emission) of the gas can be induced.
  • the gas when gas is generated inside the battery due to an overcharge or the like and the internal pressure increases, the gas may be quickly discharged to the outside of the battery due to power failure and the breakdown of the safety vent, thereby ensuring the safety of the battery.
  • the through holes are preferably formed in an arc shape at a radially symmetrical position with respect to the center of the current blocking member. In this case, when the radially symmetrical position is formed, the gas discharge can be prevented from being excessively biased in one direction and the strength of the current blocking member itself can be secured.
  • the number of the through holes is not particularly limited and may be preferably 2 to 4.
  • the three through holes may have a circular arc shape having a length corresponding to the angular range of 50 to 80 degrees with respect to the center of the current blocking member and arranged at equal intervals.
  • the protrusion may have a structure in which a bridge in which notches are formed by connecting the three to five through holes and the through holes in a concentric circle.
  • the through-holes may be a structure that is arranged at equal intervals in an arc shape having a length corresponding to the angle range of 40 to 55 degrees with respect to the center of the current blocking member at a position corresponding to the through-holes. have.
  • the safety vent is an element that ensures the safety of the battery by discharging the gas to the outside when the pressure inside the battery rises. For example, when gas is generated inside the cell and the internal pressure increases above the threshold, the safety vent ruptures, and the gas discharged to such a rupture portion is discharged to the outside through one or more gas outlets formed in the upper cap. Can be discharged.
  • the safety vent may have a structure having a center indented downward.
  • the downwardly indented shape in the center of the safety vent is reversed to an upwardly protruding shape, and is separated from the current blocking member to block the electrical connection.
  • the gas generated inside the battery passes through the through-holes of the current blocking member to apply an upward pressure to the safety vent, a constant pressure (hereinafter, abbreviated as 'first critical pressure')
  • 'first critical pressure' a constant pressure
  • the indentation may be formed of an upper bending portion and a lower bending portion, and the upper bending portion may be preferably formed with a first notch.
  • the lower bent portion has a narrow area, which is not suitable for effective gas release.
  • a notch for rupture is formed at the upper bent portion, and the area to be cut is relatively large, so that a large amount of gas can be discharged quickly.
  • the first notch may be cut off when the pressure continues to rise even above a certain level (hereinafter, abbreviated as 'second critical pressure') despite the current blocking of the safety vent, so that the pressurized gas inside the top cap It is smoothly discharged to the outside through the formed gas outlet.
  • 'second critical pressure' a certain level
  • the first notch may preferably have a structure of an open curve having one side open.
  • the open portion of one side serves as a bridge between the indentation and the remaining portion except this in the safety vent.
  • the size of the first notch is not particularly limited, the virtual circle connecting the center lines of the through holes formed in the current blocking member is preferably provided so that the gas moved upward from the current blocking member can directly press the first notch. It may have a size corresponding to the size.
  • the opening of the first notch is a size that can prevent the indentation from being completely cut when the first notch is cut, as described above, preferably 20 to 50 degrees with respect to the center of the safety vent, more preferably.
  • it can be formed with an arc length corresponding to an angle of 25 to 40 degrees.
  • the cutout structure is preferably open at both ends facing each other so that the cutting phenomenon may occur only at the upper bent portion when the internal pressure rises. It may be made of. In this manner, the structure in which both ends are open prevents cutting of the lower bent portion and induces opening by cutting of the upper bent portion even when the battery internal pressure increases.
  • Both ends opened at the second notch are preferably formed at a position that does not coincide with the opening portion of the first notch, and in a more preferred example, each is formed at a position of about ⁇ 90 degrees.
  • the first notch may be formed to a depth deeper than the second notch so that it can be broken (cut) preferentially over the second notch.
  • the safety vent is not particularly limited, but may be made of an aluminum sheet having a thickness of preferably 0.15 to 0.4 mm in order to have a rigidity that can be ruptured (cut off) by an increase in the internal pressure of a critical value or more.
  • the current blocking member gasket has a structure surrounding an outer circumferential surface of the current blocking member, and in a preferred embodiment, may be a structure having an opening formed in the center thereof. At this time, in order for the upward movement of the internal gas to be efficiently performed, it is preferable that the movement path of the pressurized gas is straight, so that the central opening may have a shape that does not block the through hole of the current blocking member.
  • the gasket has a shape partially covering the through hole of the current blocking member, so that the high pressure gas passing through the through hole is interrupted by the gasket, thereby reducing the discharge and changing the path, thereby making it difficult to induce immediate operation of the safety vent.
  • all of the high pressure gas passing through the through hole may reach the safety vent directly, thereby further securing the safety of the battery.
  • the through-hole of the current blocking member, the opening of the gasket for the current blocking member, and the notch of the safety vent may be formed in a position that communicates in a straight line.
  • the high-pressure gas is concentrated because the gas path can be maintained in a straight line in the process of moving the high-pressure gas generated from the inside of the battery through the through hole of the current blocking member and through the center opening of the gasket to the notch of the safety vent. Can be moved up quickly. Therefore, it is possible to induce immediate operation of the safety vents to ensure the safety of the battery.
  • the cap assembly according to the present invention may further include a member such as a PTC element (positive temperature coefficient element) that blocks the current by increasing the battery resistance significantly when the temperature inside the battery rises.
  • a member such as a PTC element (positive temperature coefficient element) that blocks the current by increasing the battery resistance significantly when the temperature inside the battery rises.
  • the cap assembly is composed of a laminated structure of a current capping member, a gasket for the current blocking member, a safety vent, a PTC element, and a top cap formed with one or more gas outlets, the gasket is additionally mounted on the outer peripheral surface of the laminated structure It may be a structure.
  • the PTC device may be interposed in close contact with the top cap and the safety vent.
  • the present invention provides a cylindrical battery including the cap assembly and the electrode assembly (jelly-roll) of the anode / separator / cathode structure.
  • the cylindrical battery is manufactured by accommodating a jelly roll in a cylindrical can, injecting an electrolyte solution into the cylindrical can, and then coupling an upper cap having an electrode terminal to an open upper end of the can.
  • the top of the jelly-roll may be equipped with a plate-shaped insulating member having an opening punched in the center and one or more through-holes drilled around it for gas discharge and connection of electrode terminals. have.
  • the through hole of the plate-shaped insulating member is preferably formed in a size and position that is in direct communication with the center opening of the current blocking member gasket and the through hole of the current blocking member. Therefore, the through hole of the plate-shaped insulating member may be formed in a size of 20% to 50% of the area of the plate-shaped insulating member.
  • the insulating member is not particularly limited as long as it is an insulating material.
  • the insulating member may be a polypropylene resin.
  • the high-strength polypropylene resin is particularly preferable because it exhibits excellent mechanical rigidity at the same thickness ratio, thereby preventing the movement and short-circuit of the jelly-roll during application of a strong external impact.
  • the jelly-roll has a structure in which a cathode, a cathode, and a separator are sequentially stacked and wound in a round shape, and a cylindrical center pin is inserted into its core (center of the jelly-roll).
  • the center pin is generally made of a metal material to impart a predetermined strength, and has a hollow cylindrical structure in which a plate is rounded.
  • the center pin acts as a passage for fixing and supporting the electrode assembly and for releasing gas generated by internal reaction during charge and discharge and operation.
  • the material of the cylindrical can is not particularly limited, and preferably, may be formed of any one of stainless steel, steel, aluminum, or an equivalent thereof.
  • the cylindrical battery according to the present invention may preferably be a lithium secondary battery having a high energy density, a discharge voltage, and an output stability.
  • Such lithium secondary batteries are composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, a lithium salt-containing nonaqueous electrolyte, and the like.
  • the positive electrode is prepared by, for example, applying a mixture of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder onto a positive electrode current collector, followed by drying, and further, a filler may be further added as necessary.
  • the negative electrode is also manufactured by coating and drying a negative electrode material on a negative electrode current collector, and if necessary, the components as described above may be further included.
  • the separator is interposed between the cathode and the anode, and an insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used.
  • the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte solution consists of a nonaqueous electrolyte solution and a lithium salt, and a liquid nonaqueous electrolyte solution, a solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte, and the like are used as the nonaqueous electrolyte solution.
  • the current collector the electrode active material, the conductive material, the binder, the filler, the separator, the electrolyte, the lithium salt, and the like are known in the art, a detailed description thereof will be omitted herein.
  • the lithium secondary battery according to the present invention can be produced by conventional methods known in the art. That is, it may be prepared by inserting a porous separator between the anode and the cathode and injecting the electrolyte therein.
  • the positive electrode may be manufactured by applying a slurry containing a lithium transition metal oxide active material, a conductive material, and a binder as a positive electrode active material onto a current collector, followed by drying and rolling.
  • the negative electrode can be prepared by, for example, applying a slurry containing a carbon active material, a conductive material, and a binder as a negative electrode active material on a thin current collector, as described above, and then drying.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional perspective view of a general cylindrical secondary battery
  • 2 to 4 are vertical cross-sectional views of a series of processes in which current is cut off and high pressure gas is discharged by the operation of a safety device in a conventional cylindrical secondary battery;
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a cylindrical battery according to one embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are a perspective view and a plan view of the safety vent used in the secondary battery of Figure 5;
  • 10 and 11 are a perspective view and a plan view of a gasket for the current blocking member used in the secondary battery of Figure 5;
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a lamination process of a plate-shaped insulating member, a current blocking member gasket, and a current blocking member according to an embodiment of the present invention
  • 15 to 17 are vertical cross-sectional views of a series of processes in which current is cut off and high pressure gas is discharged by the operation of the safety device in the secondary battery of FIG. 5.
  • FIG. 5 shows a cap assembly structure in a cylindrical battery according to an embodiment of the present invention
  • Figures 6 and 7 are a perspective view and a plan view of the safety vent used in the cylindrical battery of Figure 5, respectively.
  • a jelly roll 110 is inserted into the cylindrical can 200, an electrolyte is injected therein, and a plate shape is formed on the top of the jelly roll 110.
  • the insulating member 800 is mounted, and the cap assembly 300 is mounted on the open top of the cylindrical can 200.
  • the cap assembly 300 has an upper cap 310, a positive temperature coefficient element 350, and an internal pressure drop inside the hermetic gasket 400 mounted on the upper beading portion 210 of the cylindrical can 200.
  • Dragon safety vent 320 is made of a structure that is in close contact.
  • the lower end of the safety vent 320 is coupled to the current blocking member 600 to rupture when the pressure rises inside the battery to block the current, the current blocking member 600 to the current blocking member gasket 700 Is wrapped.
  • the PTC device 350 is interposed in close contact between the upper cap 310 and the safety vent 320, and when the temperature inside the battery increases, battery resistance increases to block current.
  • the upper cap 310 protrudes upward from the center thereof to serve as an anode terminal by connection with an external circuit, and a through hole 312 through which the compressed gas inside the cylindrical can 200 can be discharged along the periphery of the protrusion. A large number is formed.
  • the safety vent 320 is a thin film structure through which a current flows, and an indentation portion 322 having a downwardly indented shape is formed at a center thereof, and a first notch 324 is formed at an upper bending portion, and a lower bending portion.
  • the second notch 326 is formed in this.
  • the first notch 324 formed at the upper bent portion has a structure of an open curve having one side open.
  • the open part is the notch part 330, and even if the part where the notch is formed by the high pressure gas is cut off, the entire notch part may be prevented from being separated by the notch part 330.
  • a second notch 326 is formed at the lower bent portion, and has a structure of an open curve in which both ends facing each other are opened.
  • Two unnotched portions 340 are positioned at open both ends of the second notch 326.
  • the notch portions 340 are preferably formed at a position that does not coincide with the notch portion 330 formed in the first notch 324, more preferably. As shown in the figure, may be formed at a position of about ⁇ 90 degrees with respect to the center line of the notched portion 330 of the first notch portion 324, the two notched portions 340 are formed to face each other Can be.
  • FIG. 8 and 9 illustrate a current blocking member 600 used in the cylindrical battery of FIG. 5.
  • an upwardly projecting protrusion 620 welded to the indentation bottom 322 (see FIG. 6) of the safety vent 320 is disposed at the center of the current blocking member 600.
  • the anode lead 420 connected to the anode of the jelly-roll 110 is electrically connected to a portion of the lower surface of the current blocking member 600 except the protrusion 620.
  • the protrusion 620 is formed with a bridge 640 having three notches 650 connecting the three through holes 630 and the through holes 630 concentrically.
  • three through holes 610 for discharging gas are formed in an arc shape at a radially symmetrical position about a central axis on an outer circumferential surface of the current blocking member 600. Since the through holes 610 are formed to have a total area of 30% of the area of the current blocking member 600, the through holes 610 can increase the discharge of the high-pressure gas inside the battery, thereby exhibiting a reliable current blocking effect. .
  • the through holes 610 are spaced apart from each other at an angle of about 120 degrees, and the shape and size of each through hole are identically formed, and the intervals between the through holes 610 are also substantially the same. By this structure, the current blocking member 600 can maintain a high mechanical strength while maximizing gas emissions.
  • the size of the virtual circle (see dotted line) connecting the center line of the through holes 610 is formed to be approximately the same as the size of the first notch 324 of the safety vent 320 (see Figs. 6 and 7). desirable. Accordingly, when the internal pressure of the predetermined size or more occurs, the high-pressure gas passing through the through holes 610 may press the first notch 324 in a straight path to promote cutting of the first notch 324, thereby enabling rapid gas discharge. Do.
  • FIGS. 10 and 11 illustrate a gasket 700 for the current blocking member surrounding the current blocking member 600.
  • the gasket for the current blocking member is briefly expressed in order to express only the shape of the opening.
  • an opening 710 is formed at the center of the gasket 700 for the current blocking member, and the through holes 610 of the current blocking member 600 are formed.
  • the plate-shaped insulating member 800 has an opening 820 perforated in its center and one or more through holes 810 around it for gas discharge and connection of electrode terminals. ) Is perforated.
  • the through hole 810 of the plate-shaped insulating member 800 may be formed in a shape, a size, and a position corresponding to the through hole 610 formed in the current blocking member 600, and is approximately equal to the area of the plate-shaped insulating member 800. It is formed in the size of 30%.
  • FIG. 14 schematically illustrates a lamination form of the plate-shaped insulating member 800, the gasket 700 for the current blocking member, the current blocking member 600, and the safety vent 320 in the order of being mounted on the cylindrical battery.
  • the center of the through hole 810 and the current blocking member gasket 700 of the plate-shaped insulating member 800 may be discharged to the outside effectively.
  • the opening 710, the through hole 610 of the current blocking member 600, and the first notch 324 of the safety vent 320 are formed at positions that communicate in a straight line.
  • 15 to 17 schematically illustrate a process in which pressurized gas is discharged when the pressure inside the battery increases abnormally.
  • the pressurized gas passes through the through hole 610 and the through hole 630 of the current blocking member 600 to apply an upward pressure to the safety vent 320. Will be added.
  • the downward indentation 322 of the safety vent is lifted by the pressure, and the protrusion 620 welded to the indentation 322 is above the first threshold pressure. It is easily separated from the current blocking member 600 to block the energization of the safety vent 320.
  • the first notch 324 of the safety vent 320 is cut off and the pressurized gas penetrates the upper cap. It is discharged to the outside through the sphere (312).
  • the gas discharge rate is increased as compared with the case where the second notch having a small diameter is cut off, so that the high pressure gas can be promptly discharged.
  • a first notch of 8.0 mm diameter and 0.06 mm thickness was formed at the portion except the arc size of 30 degrees, and the second notch of 4.0 mm diameter and 0.1 mm thickness.
  • the safety vent was prepared to have an indentation protruded to the depth of 0.65 mm downward from the center.
  • a gasket for a current blocking member having a structure of not covering the through hole of the current blocking member was manufactured in a polypropylene sheet having an outer diameter of 12 mm and a thickness of 0.5 mm as shown in FIG.
  • the outer circumferential surface of the current blocking member was inserted into a gasket for the current blocking member, and the bottom surface of the indent of the safety vent was attached to the upper surface of the protrusion of the current blocking member by laser welding.
  • a jelly-roll type electrode assembly with a porous separator of polyethylene between a cathode composed of lithium cobalt oxide and a cathode composed of graphite into a cylindrical can, install a plate-shaped insulating member, and fix the top of the can by beading it.
  • the battery was manufactured by inserting a gasket into which the current blocking member is attached, a PTC element, and an upper cap, and pressing the upper end of the can inward to crimp the gasket.
  • a battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the first notch was 0.1 mm and the thickness of the second notch was 0.06 mm.
  • a battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the first notch was formed to have a diameter of 7 mm and a thickness of 0.06 mm when the safety vent was manufactured.
  • a battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the total area of the through holes of the current blocking member was 18% of the total area of the current blocking member.
  • the cap assembly according to the present invention includes a current blocking member having a through hole having a relatively large area, which can effectively discharge the high pressure gas inside the battery, and furthermore, penetrates the notch portion in which the rupture occurs in the safety vent.
  • a current blocking member having a through hole having a relatively large area, which can effectively discharge the high pressure gas inside the battery, and furthermore, penetrates the notch portion in which the rupture occurs in the safety vent.

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 및 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓(Gasket);을 포함하고, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구들을 포함하고 있으며, 상기 관통구들은 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 전체 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 캡 어셈블리를 제공한다.

Description

안전성이 향상된 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 이차전지
본 발명은 안전성이 향상된 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트, 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재, 및 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓(Gasket)을 포함하고, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구들을 포함하고 있으며, 상기 관통구들은 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 전체 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 캡 어셈블리에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지케이스에 내장되는 상기 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다. 그 중 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 원통형 케이스(130)에 수납하고, 원통형 케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(140)을 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
한편, 리튬 이차전지는 안전성이 낮다는 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 전지가 대략 4.5 V 이상으로 과충전되는 경우에는 양극 활물질의 분해반응이 일어나고, 음극에서 리튬 금속의 수지상(dendrite) 성장과, 전해액의 분해반응 등이 일어난다. 이러한 과정에서 열이 수반되어 상기와 같은 분해반응과 다수의 부반응들이 급속히 진행되며, 급기야는 전지의 발화 및 폭발이 유발되기도 한다.
따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 일반적인 원통형 이차전지에는 전지의 비정상적인 작동시 전류를 차단하고 내압을 해소하기 위한 전류차단부재(Current Interruptive Device; CID)와 안전벤트(vent)가 전극조립체와 상단 캡 사이의 공간에 장착되어 있다.
이를 도 2 내지 4를 참조하여 이하에서 설명한다.
이들 도면을 참조하면, 탑 캡(10)은 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고 배기구가 천공되어 있으며, 그것의 하부에 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element: 20), 정상적인 상태에서는 하향 돌출된 형상으로 되어 있고 전지 내부의 압력 상승시 돌출되면서 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트(30), 및 상단 일측 부위가 안전벤트(30)에 결합되어 있고 하단 일측이 전극조립체(40)의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트(50)가 순차적으로 위치되어 있다.
따라서, 정상적인 작동조건에서 전극조립체(40)의 양극은 리드(42), 접속 플레이트(50), 안전벤트(30) 및 PTC 소자(20)를 경유하여 탑 캡(10)에 연결되어 통전을 이룬다.
그러나, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전극조립체(40) 쪽으로부터 가스가 발생하여 내압이 증가하면, 도 3에서와 같이, 안전벤트(30)는 그것의 형상이 역전되면서 상향 돌출되게 되고, 이때, 안전벤트(30)가 접속 플레이트(50)로부터 분리되어 전류가 차단되게 된다. 따라서, 과충전이 더 이상 진행되지 않도록 하여 안전성을 확보한다. 그럼에도 불구하고, 계속적으로 내압이 증가하면, 도 4에서와 같이, 안전벤트(30)가 파열되고 가압 가스는 그러한 파열 부위를 경유하여 탑 캡(10)의 배기구를 통해 배기됨으로써, 전지의 폭발을 방지하게 된다.
그러나, 이러한 작동 과정은 전극조립체 부위에서의 가스 발생량 또는 가스 배출량에 절대적으로 의존하는 바, 가스 발생량 또는 배출량이 충분치 못하거나 짧은 시간내에 소정량의 수준으로 증가하지 못하면 단전이 늦어지게 되고, 전극조립체의 계속적인 통전으로 인해 열폭주 현상이 일어날 수 있다. 열폭주 현상은 전지가 계속적인 통전 상태에 놓여 있을 때 발생하거나 또는 더욱 가속화됨으로써, 전지가 발화 또는 폭발할 위험이 매우 커지므로 안전성에 심각한 문제가 있다. 더욱이, 최근 노트북 PC의 발화 사건이 연이어 발생함에 따라 전지의 안전성에 대한 중요성이 더욱 강조되고 있다.
따라서, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전지 내부에 가스가 발생하여 내압이 증가하는 경우, 전지 외부로 신속하게 가스를 배출할 수 있는 캡 어셈블리에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은, 전지 외부로 신속하게 내부의 가압 가스를 배출할 수 있는 안전성이 향상된 캡 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 안전성이 향상된 캡 어셈블리를 사용하여 안전성이 향상된 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캡 어셈블리는, 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 및 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓(Gasket);을 포함하고, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구들을 포함하고 있으며, 상기 관통구들은 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 전체 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 것으로 이루어져 있다.
상기 전류차단부재는 전지 내부의 압력 상승시 파열되어 전류를 차단하는 부재로서, 안전벤트의 만입부 하단에 용접 부착되어 있는 상향 돌출된 돌출부가 중앙에 형성되어 있고, 젤리-롤의 양극에 연결되어 있는 양극 리드가 상기 돌출부를 제외한 부위의 하단면을 통해 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
이와 같이, 전류차단부재는 안전벤트에 결합되어 있어서 안전벤트의 형상 역전에 따라 전류차단부재와 양극 사이의 연결 부위가 파열되면서 전류를 차단하게 된다. 구체적인 예에서, 상기 돌출부에는 외주면에 노치가 형성되어 있을 수 있고, 안전벤트의 형상 역전에 따라 노치 부위가 파열되면서 돌출부는 안전벤트와 결합된 상태로 전류차단부재와 양극의 연결부위와 용이하게 분리될 수 있다.
또한, 상기 전류차단부재에는 가스의 상향 이동을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구가 형성되어 있고, 이를 통해 전지의 내부가스가 상승하여 안전벤트의 형상 역전을 유도한다.
그러나, 본 발명자들이 실험적으로 확인한 바에 따르면, 상기 전류차단부재에 형성된 관통구의 면적이 20% 미만인 경우에는, 전지 내부의 고압 발생시 전지가 발화 내지 폭발에 이르는 비율이 높았다. 이는, 관통구를 통한 가스의 통과량이 적어 효과적인 단전이 이루어지지 못하거나, 또는 가스의 상향 이동 경로가 차단되거나 변경되어 전류차단에 걸리는 시간이 길어지기 때문인 것으로 추측된다. 한편, 상기 관통구의 크기가 지나치게 크면 소정의 강도를 확보하기 어렵고 가공시 부품의 뒤뜰림 현상이 발생하여 바람직하지 않다.
이에, 본 발명에 따른 캡 어셈블리에서, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 관통구가 둘 이상 포함되고 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 면적대비 20% 내지 50%의 크기, 더욱 바람직하게는 30% 내지 40%의 크기로 형성되어 있어서, 가스의 상향 이동량(배출량)을 높이고 가스의 신속한 상향 이동(배출)을 유도할 수 있다.
따라서, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전지 내부에 가스가 발생하여 내압이 증가하는 경우, 단전 및 안전벤트의 파열에 의해 전지 외부로 신속하게 가스를 배출하여 전지의 안전성을 담보할 수 있다.
상기 관통구들은 전류차단부재의 중심을 기준으로 방사상 대칭 위치에서 원호 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 방사상 대칭 위치로 형성되는 경우에는 가스 배출이 일 방향으로 지나치게 편중되는 것을 방지할 수 있고 전류차단부재 자체의 강도를 확보할 수 있다는 장점이 있다.
이 때, 상기 관통구들의 개수는 특별히 제한되는 것은 아니며 바람직하게는 2 ~ 4 개일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 3 개의 관통구들이 전류차단부재의 중심을 기준으로 50 ~ 80도의 각도 범위에 대응하는 길이의 원호 형상을 이루며 동일한 간격으로 배열되어 있는 구조일 수 있다.
한편, 상기 돌출부는 이를 중심으로 동심원상으로 3 ~ 5 개의 관통홀들과 상기 관통홀들을 연결하며 노치가 형성되어 있는 브릿지가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이 때, 관통홀들은 상기 관통구들에 대응하는 위치에서, 바람직하게는 전류차단부재의 중심을 기준으로 40 ~ 55도의 각도 범위에 대응하는 길이의 원호 형상을 이루며 동일한 간격으로 배열되어 있는 구조일 수 있다.
상기 안전벤트는 전지 내부 압력의 상승시 가스를 외부로 배출시켜 전지의 안전성을 담보하는 소자이다. 예를 들어, 전지의 내부에서 가스가 발생하여 임계치 이상으로 내압이 증가하였을 때, 안전벤트가 파열되고, 그러한 파열 부위로 배출되는 가스는 상단 캡에 형성되어 있는 하나 또는 둘 이상의 가스 배출구를 통해 외부로 배출될 수 있다.
상기 안전벤트는 중앙이 하향 만입된 형상의 구조일 수 있다. 이러한 구조에서, 전지의 내압 상승시 안전벤트의 중앙에서 하향 만입된 형상이 상향 돌출된 형상으로 역전되면서, 전류차단부재로부터 분리되어 전기적 연결을 차단하게 된다.
이러한 구조의 안전벤트의 작동 과정을 살펴보면, 전지 내부에서 발생한 가스는 전류차단부재의 관통구들을 통과하여 안전벤트에 상향 압력을 가하게 되고, 일정한 압력(이하, '제 1 임계 압력'으로 약칭함) 이상에서 안전벤트의 하향 만입부의 형상이 역전되면서 상기 만입부에 부착되어 있는 돌출부가 전류차단부재로부터 분리되어 전류차단부재로부터 안전벤트로의 통전을 차단하게 된다.
상기 만입부는 상절곡 부위 및 하절곡 부위로 이루어지고, 상기 상절곡 부위에는 바람직하게는 제 1 노치가 형성되어 있을 수 있다. 종래기술 중에는 하절곡 부위만이 절취되는 구조가 제안되기도 하였으나, 하절곡 부위는 좁은 면적을 가지므로 효과적인 가스 방출에 적합하지 않았다. 그러나, 본 발명에서는 상절곡 부위에 파열을 위한 노치가 형성되어 있어서, 절취되는 면적이 상대적으로 크므로, 다량의 가스를 신속하게 배출할 수 있다.
상기 제 1 노치는 안전벤트의 전류 차단에도 불구하고 계속적으로 압력이 상승하여 일정한 수준(이하, '제 2 임계 압력'으로 약칭함) 이상이 되면 절취될 수 있으므로, 내부의 가압 가스가 탑 캡에 형성된 가스 배출구를 통해 원활하게 외부로 배출된다.
한편, 상기 상절곡 부위 전체가 안전벤트로부터 분리되는 것을 방지하기 위해 상기 제 1 노치는 바람직하게는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있을 수 있다. 즉, 상기 일측의 개방 부위는 안전벤트에서 만입부와 이를 제외한 나머지 부위의 브릿지 역할을 한다.
상기 제 1 노치의 크기는 특별히 제한되지 않으나, 전류차단부재로부터 상향 이동한 가스가 제 1 노치에 직접 압력을 가할 수 있도록, 바람직하게는 전류차단부재에 형성된 관통구들의 중심선을 연결한 가상원의 크기에 대응하는 크기를 가질 수 있다.
또한, 상기 제 1 노치의 개방 부위는 앞서 설명한 바와 같이 제 1 노치부의 절취시 만입부가 완전히 절취되는 것을 방지할 수 있는 크기로서, 바람직하게는 안전벤트의 중심에 대해 20 ~ 50도의 각도, 더욱 바람직하게는 25 ~ 40도의 각도에 대응하는 원호 길이로 형성할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 안전벨트의 하절곡 부위에는 제 2 노치가 형성되어 있지만, 내압 상승시 상절곡 부위에서만 절취 현상이 발생할 수 있도록, 바람직하게는 서로 대향하는 양단이 개방된 개곡선의 구조로 이루어질 수 있다. 이와 같이 양단이 개방되어 있는 구조는 전지 내압이 상승하여도 하절곡 부위의 절취를 억제하고 상절곡 부위의 절취에 의한 개방을 유도한다.
상기 제 2 노치에서 개방된 양단은 상기 제 1 노치의 개방 부위와 일치하지 않는 위치에 형성되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 예에서, 약 ±90도의 위치에 각각 형성되는 것이 바람직하다.
바람직한 예에서, 상기 제 1 노치는 제 2 노치에 비해 우선적으로 파열(절취)될 수 있도록, 제 2 노치 보다 깊은 깊이로 형성될 수 있다.
상기 안전벤트는 특별히 제한되지 않으나, 임계치 이상의 내압 증가에 의해 파열(절취)될 수 있을 정도의 강성을 가지기 위하여, 바람직하게는 0.15 내지 0.4 mm의 두께를 가진 알루미늄 판재로 이루어진 것일 수 있다.
상기 전류차단부재용 가스켓은 전류차단부재의 외주면를 감싸는 구조로서, 바람직한 예에서, 중앙에 개구가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이 때, 내부 가스의 상승 이동이 효율적으로 이루어지기 위해서는, 가압 가스의 이동 경로가 일직선이 되는 것이 바람직하므로, 상기 중앙 개구는 전류차단부재의 상기 관통구를 가리지 않는 형상으로 이루어질 수 있다.
종래에는 가스켓이 전류차단부재의 관통구를 일부 가리는 형상으로 되어 있어서, 관통구를 통과한 고압 가스가 가스켓에 의해 방해를 받아 배출량이 줄어들고 경로가 변경됨으로써 안전벤트의 즉각적인 작동을 유도하기 어려웠다. 그러나, 상기와 같이, 가스켓이 관통구를 가리지 않는 구조에서는 관통구를 통과한 고압 가스 전부가 직접적으로 안전벤트에 도달할 수 있어서 전지의 안전성을 더욱 담보할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전류차단부재의 관통구, 전류차단부재용 가스켓의 개구, 및 안전벤트의 노치는 일직선 상으로 연통되는 위치로 형성될 수 있다.
이에 따라, 전지 내부로부터 발생한 고압 가스가 전류차단부재의 관통구를 통해 가스켓의 중앙 개구를 거쳐 안전벤트의 노치로 이동하는 과정에서 가스의 경로가 일직선상으로 유지될 수 있으므로, 고압 가스가 집중적이고 신속하게 상향 이동될 수 있다. 따라서, 안전벤트의 즉각적인 작동을 유도할 수 있어서 전지의 안전성을 담보할 수 있다.
본 발명에 따른 캡 어셈블리는 경우에 따라, 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element) 등의 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 캡 어셈블리는 전류차단부재, 전류차단부재용 가스켓, 안전벤트, PTC 소자, 및 하나 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑 캡의 적층 구조로 이루어져 있고, 상기 적층 구조의 외주면에 가스켓이 추가로 장착된 구조일 수 있다. 상기 PTC 소자는 상단 캡과 안전벤트 사이에 밀착된 상태로 개재될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 캡 어셈블리 및 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)를 포함하는 원통형 전지를 제공한다. 상기 원통형 전지는 젤리-롤을 원통형 캔에 수납하고, 원통형 캔 내에 전해액을 주입한 후에, 캔의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 상단 캡을 결합하여 제작한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 젤리-롤의 상단에는 가스 배출 및 전극단자의 연결을 위해 중앙에 개구가 천공되어 있고 그것의 주변에 하나 또는 그 이상의 관통구가 천공되어 있는 판상형 절연부재가 탑재될 수 있다.
이 때, 상기 판상형 절연부재의 관통구는 전류차단부재용 가스켓의 중앙 개구 및 전류차단부재의 관통구와 일직선 상으로 연통되는 크기와 위치로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 판상형 절연부재의 관통구는 판상형 절연부재의 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성될 수 있다.
상기 절연부재는 절연성 소재라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴리프로필렌 수지일 수 있다. 그 중에서도 고강도 폴리프로필렌 수지는 동일한 두께 대비로 우수한 기계적 강성을 발휘함으로써, 강한 외부 충격의 인가시에 젤리-롤의 이동과 단락을 방지할 수 있으므로, 특히 바람직하다.
상기 젤리-롤은 양극과 음극, 및 분리막을 차례로 적층하여 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀이 삽입되어 있다. 센터 핀은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
상기 원통형 캔의 소재는, 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는, 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 원통형 전지는 바람직하게는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다. 그러한 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 상기 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 재료를 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 삽입하고 거기에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.
양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 양극 활물질로서의 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 바인더를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조 및 압연하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 음극 활물질로서 탄소 활물질과 도전재 및 바인더를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.
도 1은 일반적인 원통형 이차전지의 수직 단면 사시도이다;
도 2 내지 4는 종래의 원통형 이차전지에서 안전소자의 작동에 의해 전류가 차단되고 고압 가스가 배출되는 일련의 과정에 대한 수직 단면도들이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지의 단면 모식도이다;
도 6 및 도 7은 도 5의 이차전지에 사용된 안전벤트의 사시도 및 평면도이다;
도 8 및 도 9는 도 5의 이차전지에 사용된 전류차단부재의 사시도 및 평면도이다;
도 10 및 도 11은 도 5의 이차전지에 사용된 전류차단부재용 가스켓의 사시도 및 평면도이다;
도 12 및 도 13은 도 5의 이차전지에 사용된 판상형 절연부재의 사시도 및 평면도이다;
도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 판상형 절연부재, 전류차단부재 가스켓 및 전류차단부재의 적층과정의 모식도이다;
도 15 내지 17은 도 5의 이차전지에서 안전소자의 작동에 의해 전류가 차단되고 고압 가스가 배출되는 일련의 과정에 대한 수직 단면도들이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 전지에서 캡 어셈블리 구조가 도시되어 있고, 도 6 및 도 7에는 도 5의 원통형 전지에 사용된 안전벤트의 사시도 및 평면도가 각각 도시되어 있다.
우선 도 5를 참조하면, 원통형 전지(100)는 원통형 캔(200)의 내부에 젤리-롤을(110)를 삽입하고, 여기에 전해액을 주입한 뒤, 젤리-롤(110)의 상단에 판상형 절연부재(800)를 탑재하고, 원통형 캔(200)의 개방 상단에 캡 어셈블리(300)를 장착함으로써 제조된다.
캡 어셈블리(300)는 원통형 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 장착되는 기밀유지용 가스켓(400) 내부에 상단 캡(310), PTC소자(positive temperature coefficient element: 350) 및 내부 압력 강하용 안전벤트(320)가 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
안전벤트(320)의 하단에는 전지 내부의 압력 상승시 파열되어 전류를 차단하는 전류차단부재(600)가 용접에 의해 결합되어 있으며, 전류차단부재(600)는 전류차단부재용 가스켓(700)에 의하여 감싸여 있다.
PTC 소자(350)는 상단 캡(310)과 안전벤트(320) 사이에 밀착된 상태로 개재되며 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단한다. 상단 캡(310)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행하고, 돌출부 주변을 따라 원통형 캔(200) 내부의 압축 가스가 배출될 수 있는 관통구(312)가 다수 개 형성되어 있다.
이러한 구조의 캡 어셈블리(300)에서, 안전벤트(320)의 구조를 도 6 및 7을 참조하여 더욱 구체적으로 살펴본다.
안전벤트(320)는 전류가 통하는 박막 구조물로서, 그것의 중앙에 하향 만입된 형상인 만입부(322)가 형성되어 있고, 상절곡 부위에는 제 1 노치(324)가 형성되어 있으며, 하절곡 부위에는 제 2 노치(326)가 형성되어 있다.
안전벤트(320)의 평면도를 도시한 도 7에 도시된 바와 같이, 상절곡 부위에 형성된 제 1 노치(324)는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있다. 이러한 개방 부위는 미노치부(330)로서, 고압 가스에 의해 노치가 형성된 부위가 절취되어도 미노치부(330)에 의해 제 1 노치부 전체가 분리되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 하절곡 부위에는 제 2 노치(326)가 형성되어 있으며, 서로 대향하는 양단이 개방된 개곡선의 구조로 이루어져 있다. 제 2 노치(326)의 개방된 양단 부위에는 2 개의 미노치부들(340)이 위치한다. 이러한 미노치부들(340)에 의해 제 2 노치(326)가 절취에 의해 분리되는 것이 방지될 수 있다. 제 2 노치(326)의 분리를 보다 확실히 방지하기 위해, 미노치부들(340)은 제 1 노치(324)에 형성된 미노치부(330)과 일치하지 않는 위치에 형성되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 본 도면에서와 같이, 제 1 노치부(324)의 미노치부(330)의 중심선을 기준으로 약 ±90도 위치에 형성될 수 있고, 2 개의 미노치부들(340)이 서로 대향하도록 형성될 수 있다.
도 8 및 도 9에는 도 5의 원통형 전지에 사용된 전류차단부재(600)가 도시되어 있다.
도 5와 함께 도 8 및 도 9를 참조하면, 전류차단부재(600)의 중앙에는 안전벤트(320)의 만입부 하단(322; 도 6 참조)에 용접 부착되는 상향 돌출된 돌출부(620)가 형성되어 있으며, 전류차단부재(600)의 하단면 중 돌출부(620)를 제외한 부위에는 젤리-롤(110)의 양극에 연결되어 있는 양극 리드(420)가 전기적으로 연결된다.
돌출부(620)에는 이를 중심으로 동심원상으로 3 개의 관통홀(630)과 상기 관통홀(630)을 연결하는 노치(650)가 형성되어 있는 브릿지(640)가 형성되어 있다.
또한, 전류차단부재(600)의 외주면에는 가스의 배출을 위한 3 개의 관통구들(610)이 중심축을 중심으로 방사상 대칭 위치에서 원호 형상으로 형성되어 있다. 관통구들(610)은 그것의 전체 면적이 전류차단부재(600)의 면적대비 30%의 크기로 형성되어 있는 바, 전지 내부의 고압 가스의 배출량을 높일 수 있어서 신뢰성 있는 전류차단 효과를 발휘할 수 있다. 관통구들(610) 상호간에 대략 120도의 각도로 이격되어 있으며, 각각의 관통구의 형상 및 크기가 동일하게 형성되어 있고, 관통구들(610) 사이의 간격 역시 대략 동일하게 이루어져 있다. 이러한 구조에 의해, 전류차단부재(600)는 가스 배출량을 최대화하면서도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다.
이 때, 관통구들(610)의 중심선을 연결한 가상의 원(점선 참조)의 크기는 안전벤트(320; 도 6 및 7 참조)의 제 1 노치(324)의 크기와 대략 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 소정 크기 이상의 내압 발생시, 관통구들(610)을 통과한 고압 가스가 직선 경로로 제 1 노치(324)를 가압하여 제 1 노치(324)의 절취를 촉진할 수 있으므로 신속한 가스 배출이 가능하다.
도 10 및 도 11에는 전류차단부재(600)를 감싸는 전류차단부재용 가스켓(700)이 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 개구의 형상만을 표현하기 위하여 전류차단부재용 가스켓은 간략히 표현하였다.
도 5와 함께 도 10 및 도 11을 참조하면, 전류차단부재용 가스켓(700)은 중앙에 개구(710)가 형성되어 있으며, 중앙 개구(710)는 전류차단부재(600)의 관통구들(610)을 가리지 않는 형상으로 되어 있다. 즉, 전류차단부재용 가스켓(700)의 형상은 전류차단부재(600)에서 개구가 형성되어 있지 않은 부분의 외주면의 형상과 대략 일치하도록 이루어져 있어서, 전류차단부재(600)의 외주면을 감싸면서 관통구(610)를 가리지 않으므로 관통구(610)가 가스 배출 통로로서 작용하는 것을 담보한다.
한편, 도 12 및 도 13에는 도 5에 따른 원통형 전지(100)에서 젤리-롤(110)의 상단에 탑재되는 판상형 절연부재(800)의 일 예가 도시되어 있다. 도 2-4와 함께 이들 도면을 참조하면, 판상형 절연부재(800)는 가스 배출 및 전극단자의 연결을 위해 중앙에 개구(820)가 천공되어 있고 그것의 주변에 하나 또는 그 이상의 관통구(810)가 천공되어 있다. 판상형 절연부재(800)의 관통구(810)는 전류차단부재(600)에 형성된 관통구(610)에 대응하는 형상, 크기 및 위치로 형성될 수 있으며, 판상형 절연부재(800)의 면적대비 대략 30%의 크기로 형성되어 있다.
도 14에는 원통형 전지에 장착되는 순서대로 판상형 절연부재(800), 전류차단부재용 가스켓(700), 전류차단부재(600) 및 안전벤트(320)의 적층형태가 모식적으로 도시되어 있다.
상기 설명한 도 2 내지 도 13과 함께 도 14를 참조하면, 전지 내부의 가압 가스가 효과적으로 외부로 배출될 수 있도록 판상형 절연부재(800)의 관통구(810)와 전류차단부재 가스켓(700)의 중앙 개구(710), 전류차단부재(600)의 관통구(610), 및 안전벤트(320)의 제 1 노치(324)는 일직선 상으로 연통되는 위치로 형성되어 있다.
도 15 내지 17에는 전지 내부의 압력이 비정상적으로 상승하는 경우 가압된 가스가 배출되는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지 내부의 압력이 비정상적으로 상승할 때 가압된 가스는 전류차단부재(600)의 관통구(610) 및 관통홀(630)을 통과하여 안전벤트(320)에 상향 압력을 가하게 된다.
그러한 압력에 의해 도 16에서와 같이 안전벤트의 하향 만입부(322)가 들려 올려지면서 상기 만입부(322)에 용접 부착되어 있는 돌출부(620)가 제 1 임계 압력 이상에서 전류차단부재(600)로부터 용이하게 분리되어 전류차단부재(600)로부터 안전벤트(320)로의 통전을 차단하게 된다.
이러한 전류의 차단에도 불구하고 계속적으로 압력이 상승하여 제 2 임계 압력 이상이 되면, 도 17에서와 같이 안전벤트(320)의 제 1 노치(324)가 절취되면서 내부의 가압 가스가 상단 캡의 관통구(312)를 통해 외부로 배출되게 된다. 본 발명에서는 직경이 큰 제 1 노치(324)가 절취됨에 따라 직경이 작은 제 2 노치(326)가 절취되는 경우에 비해 가스 배출량이 커지므로, 고압 가스의 신속한 배출을 유도할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
외경 16 mm 및 두께 0.3 mm 알루미늄 판재에, 도 7에서와 같이, 30도의 원호 크기를 제외한 부위에 8.0 mm 직경과 0.06 mm 두께의 제 1 노치를 형성하고 4.0 mm 직경과 0.1 mm 두께의 제 2 노치를 형성한 후, 중앙을 하향으로 0.65 mm 깊이만큼 돌출된 만입부를 가지도록 안전벤트를 제조하였다.
또한, 외경 11 mm 및 두께 0.5 mm의 알루미늄 판재에, 도 9에서와 같이, 3 개의 관통구들을 방사상으로 형성하고 관통구들의 총 면적이 상기 판재의 전체면적 대비 약 30%가 되도록 하였다. 그런 다음 중앙에 직경 1.53 mm 및 돌출 높이 0.20 mm의 돌출부를 형성하고, 폭 0.6 mm 및 원주 길이 2.61 mm의 관통홀을 중앙 돌출부의 중심으로부터 1.5 mm의 거리에 3 개 천공한 뒤, 관통홀을 잊는 각각의 브릿지에 두께 약 70 ㎛의 노치를 형성하여 전류차단부재를 제조하였다.
또한, 외경 12 mm 및 두께 0.5 mm의 폴리프로필렌 판재에, 도 11에서와 같이, 전류차단부재의 관통구를 가리지 않는 구조의 전류차단부재용 가스켓을 제조하였다.
상기 전류차단부재의 외주면을 전류차단부재용 가스켓에 삽입하고, 상기 안전벤트의 만입부 밑면을 전류차단부재의 돌출부 윗면에 레이저 용접하여 부착시켰다.
리튬 코발트 산화물로 구성된 양극과 흑연으로 구성된 음극 사이에 폴리에틸렌의 다공성 분리막을 개재한 형태의 젤리-롤형 전극조립체를 원통형 캔에 삽입한 후 판상형 절연부재를 장착한 뒤, 캔의 윗면을 비딩하여 고정시키고, 그러한 비딩부에 전류차단부재가 부착되어 있는 상기 안전벤트와, PTC 소자 및 상단 캡이 삽입되어 있는 가스켓을 끼워넣고 캔의 상단을 안쪽으로 프레싱하여 가스켓을 클림핑함으로써 전지를 제조하였다.
[실시예 2]
안전벤트의 제조시 제 1 노치의 두께를 0.1 mm, 제 2 노치의 두께를 0.06 mm로 하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[실시예 3]
안전벤트의 제조시 제 1 노치를 7 mm 직경과 0.06 mm 두께로 형성하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[비교예 1]
상기 전류차단부재의 관통구의 총 면적이 상기 전류차단부재의 전체면적 대비 18%가 되도록 하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1 ~ 3에서 제작된 전지와 비교예 1 에서 각각 제작된 전지들에 대해 nail test를 실시하였고, 그 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.
<표 1>
Figure PCTKR2009005407-appb-I000001
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 관통구의 면적비가 30%인 전류차단부재를 사용한 경우 전지의 폭발 또는 전지 캔의 변형이 발생하지 않았다. 반면에, 관통구의 면적비가 18%인 전류차단부재를 사용한 비교예 1의 전지는 nail test시 전지가 폭발하였다. 또한, 실시예 2 및 3에서와 같이 제 2 노치부가 절취되어 안전벤트에서 가스 분출이 원활히 일어나지 못하는 경우는 전지의 폭발은 일어나지 않았으나, 전지 캔의 변형이 발생하였다.
고용량의 전지의 경우 안전벤트의 절취부 및 전류차단부재의 관통구의 크기가 충분치 못한 경우 충분히 가스를 통과시킬 수 없고, 안전벤트의 절취부가 내부에 위치하는 제 2 노치인 경우, 노치의 직경을 확대하여도 절취 후 안전벤트의 경사진 내부 노치부에 의해 가스 분출에 대한 저항이 발생하는 문제점이 있음을 확인할 수 있었다.
이상 검토한 바와 같이, 전지 내부의 가압 가스를 효과적으로 배출하기 위해서는 전류차단부재의 관통구의 면적의 확대와 함께, 안전벤트의 절취부를 제 1 노치부로 하는 구조가 전지 안전성의 상승효과를 발휘할 수 있음을 알 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는 상대적으로 큰 면적을 갖는 관통구가 형성된 전류차단부재를 포함함으로써 전지 내부의 고압 가스를 효과적으로 배출할 수 있고, 나아가 안전벤트에서 파열이 이루어지는 노치부를 관통구에 대응되도록 형성하는 경우 고압 가스의 배출이 일직선상으로 이루어질 수 있는 바, 고압 가스 발생시 안전벤트의 즉각적인 단전을 유도할 수 있고 가스 배출이 신속하게 이루어질 수 있어서 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 전극조립체가 원통형 캔에 내장되어 있는 구조의 전지에서 캔의 개방 상단부에 탑재되는 캡 어셈블리로서, 전지의 고압 가스에 의해 파열되도록 소정의 노치가 형성되어 있는 안전벤트; 상기 안전벤트의 하단에 용접에 의해 결합되어 있고, 전지 내압 상승시 전류를 차단하는 전류차단부재; 및 상기 전류차단부재의 외주면을 감싸는 전류차단부재용 가스켓(Gasket);을 포함하고, 상기 전류차단부재는 가스의 배출을 위한 둘 또는 그 이상의 관통구들을 포함하고 있으며, 상기 관통구들은 그것의 전체 면적이 전류차단부재의 전체 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류차단부재는 안전벤트의 만입부의 하단에 용접 부착되어 있는 상향 돌출된 돌출부가 중앙에 형성되어 있으며, 젤리-롤의 양극에 연결되어 있는 양극 리드가 상기 돌출부를 제외한 부위의 하단면을 통해 전기적으로 연결되어 있고, 상기 돌출부를 중심으로 동심원상으로 3 ~ 5 개의 관통홀들과 상기 관통홀들을 연결하며 노치가 형성되어 있는 브릿지가 형성되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구들은 전류차단부재의 중심을 기준으로 방사상 대칭 위치에서 원호 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트는 중앙이 하향 만입된 형상으로 되어 있고, 상기 만입부를 형성하는 상절곡 부위 및 하절곡 부위에는 각각 제 1 노치 및 제 2 노치가 형성되어 있으며, 상부에 형성되는 제 1 노치는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 노치는 서로 대향하는 양단이 개방된 개곡선의 구조를 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 캡 어셈블리는 전류차단부재, 전류차단부재용 가스켓, 안전벤트, PTC 소자, 및 하나 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑 캡의 적층 구조로 이루어져 있고, 상기 적층 구조의 외주면에 가스켓이 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전류차단부재용 가스켓은 중앙에 개구가 형성되어 있고, 상기 중앙 개구는 전류차단부재의 상기 관통구를 가리지 않는 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전류차단부재의 관통구, 전류차단부재용 가스켓의 개구, 및 안전벤트의 노치는 일직선 상으로 연통되는 위치로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 캡 어셈블리 및 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(젤리-롤)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 가스 배출 및 전극단자의 연결을 위해 중앙에 개구가 천공되어 있고 그것의 주변에 하나 또는 그 이상의 관통구가 천공되어 있는 판상형 절연부재가 젤리-롤의 상단에 탑재되어 있으며, 상기 관통구는 판상형 절연부재의 면적대비 20% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 판상형 절연부재의 관통구는 전류차단부재용 가스켓의 중앙 개구 및 전류차단부재의 관통구와 일직선 상으로 연통되는 위치로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
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