KR102335696B1

KR102335696B1 - 전류차단부재 및 캡 조립체

Info

Publication number: KR102335696B1
Application number: KR1020170144794A
Authority: KR
Inventors: 이병구; 김도균; 정상석; 이병국; 신항수
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2021-12-07
Anticipated expiration: 2037-11-01
Also published as: KR20190049205A

Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전류차단부재는 원반 고리 형상을 가지며, 절연체로 제조되고, 상면이 안전 벤트의 하면에 밀착되는 CID 가스켓; 및 상기 CID 가스켓의 내측으로 연장 형성되며, 전도체로 제조되고, 상면이 상기 안전 벤트의 중심부와 접촉되며, 비정상 전류로 인하여 전지 케이스 내부의 압력이 증가하면 파열되고, 직경이 상기 CID 가스켓의 외경의 절반보다 작은 플레이트를 포함한다.

Description

전류차단부재 및 캡 조립체{The Current Interrupt Device And The Cap Assembly}

본 발명은 전류차단부재 및 캡 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 내부의 불용 체적(Dead Volume)을 감소시켜 내부 공간의 활용도를 증가시키는 전류차단부재 및 캡 조립체에 관한 것이다.

물질의 물리적 반응이나 화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 외부로 전원을 공급하는 전지(Cell, Battery)는 각종 전자 기기로 둘러싸여 있는 생활 환경에 따라, 건물로 공급되는 교류전원을 획득하지 못하거나 직류전원이 필요할 경우 사용된다.

이와 같은 전지 중에서 화학적 반응을 이용하는 화학 전지인 일차 전지와 이차 전지가 일반적으로 많이 사용되는데, 일차 전지는 건전지로 통칭되는 것으로 소모성 전지이다. 반면에, 이차 전지는 전류와 물질 사이의 산화 및 환원 과정이 다수 반복 가능한 소재를 사용하여 제조되는 재충전식 전지이다. 즉, 전류에 의해 소재에 대한 환원 반응이 수행되면 전원이 충전되고, 소재에 대한 산화 반응이 수행되면 전원이 방전되는데, 이와 같은 충전-방전이 반복적으로 수행되면서 전기가 생성된다.

일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.

리튬 이차 전지는 일반적으로 양극(Cathode), 분리막(Separator) 및 음극(Anode)이 적층되어 형성된다. 그리고 이들의 재료는 전지수명, 충방전 용량, 온도특성 및 안정성 등을 고려하여 선택된다. 리튬 이온이 양극의 리튬 금속 산화물로부터 음극의 흑연 전극으로 삽입(Intercalation) 및 탈리(Deintercalation)되는 과정이 반복되면서, 리튬 이차 전지의 충방전이 진행된다.

일반적으로 양극/분리막/음극의 3층 구조, 또는 양극/분리막/음극/분리막/양극 또는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 5층 구조로 적층된 단위 셀들이 모여, 하나의 전극 조립체가 된다. 전극 조립체는 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤 형(Jelly-Roll Type)과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형(Stack Type) 등으로 분류된다. 그리고 이러한 전극 조립체는 특정 케이스에 수용된다.

이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 형태가 일정하지 않은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 형태가 일정한 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.

이러한 캔 형(Can Type) 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 케이스가 다각면체의 형상을 가지는 각 형(Prismatic Type), 케이스가 원기둥의 형상을 가지는 원통형(Cylinder Type) 등으로 분류된다.

도 1은 종래의 캡 조립체(21)가 결합된 원통형 이차 전지(2)의 부분 단면도이다.

일반적으로 원통형 이차 전지(2)는 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형 전지 캔(12), 전지 캔(12)의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(13), 전지 캔(12)의 상부에 결합되는 캡 조립체(21), 캡 조립체(21)를 장착하기 위해 전지 캔(12)의 선단에 마련된 비딩부(14) 및 전지를 밀봉하기 위한 크림핑부(15)를 포함한다.

캡 조립체(21)는 전지 캔(12)의 개방부를 밀봉하고 양극 단자를 형성하는 탑 캡(111), 전지 내부의 온도 상승시 저항이 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(112), 비정상 전류로 인하여 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하고 내부의 기체를 배기하는 안전 벤트(213), 특정 부분을 제외하고 안전 벤트(213)를 CID 필터(215)로부터 전기적으로 분리시키는 CID 가스켓(214), 양극에 연결된 양극 리드(131)가 접속되고 전지 내의 고압 발생 시 전류를 차단하는 CID 필터(215)가 순차적으로 적층된 구조를 가진다.

그리고 캡 조립체(21)는 크림핑 가스켓(116)에 장착된 상태로 전지 캔(12)의 비딩부(14)에 설치된다. 따라서, 정상적인 작동 조건에서 전극 조립체(13)의 양극은 양극 리드(131), CID 필터(215), 안전 벤트(213) 및 PTC 소자(112)를 경유하여 탑 캡(111)에 연결되어 통전을 이룬다.

종래에는 CID 가스켓(214)이 CID 필터(215)와 별도의 부재로 구비되어, 안전 벤트(213)와 CID 필터(215)의 사이에 위치하였다. 따라서, 캡 조립체(21)의 전체 두께가 두꺼워지고, 이차 전지(2)의 내부에 불필요하게 낭비되는 공간, 즉 불용 체적(Dead Volume)을 증가시켰다. 따라서, 전지 캔(12)의 내부에 수용되는 전극 조립체(13)의 크기가 감소하고, 이차 전지(2)의 전기 용량이 감소하는 문제가 있었다.

또한, 최근에 전기 자동차 등에 대한 기술이 발전하고, 이러한 전기 자동차 등에 이차 전지(2)가 많이 사용되면서, 자동차 사고가 발생하는 등 이차 전지(2)가 외부로부터 큰 충격을 받을 위험이 많아졌다. 이에, 사람들은 이차 전지(2)의 안전성에 대하여 점점 많은 관심을 가지게 되었다. 그런데 종래의 이차 전지(2)는 외부로부터 충격을 받으면 외부 형태가 변하면서, 내부에서 양극과 음극이 접촉하여 폭발이 발생할 수 있었다. 특히, 이차 전지(2)를 양측에서 충격을 인가하는, 이른바 크러쉬(Crush) 테스트를 진행해보면, 양극 리드(131)와 연결된 CID 필터(215)의 형태가 변하면서, 음극 리드(미도시)와 연결된 비딩부(14)와 접촉하여 폭발이 발생하는 경우가 있었다.

한국공개공보 제2016-0039804호 한국공개공보 제 2016-0012955호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이차 전지의 내부의 불용 체적(Dead Volume)을 감소시켜 내부 공간의 활용도를 증가시키는 전류차단부재 및 캡 조립체를 제공하는 것이다.

또한, 이차 전지가 외부로부터 충격을 받아 형태가 변하더라도, 폭발의 가능성을 감소시키고 안전성을 확보할 수 있는 전류차단부재 및 캡 조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

또한, 상기 CID 가스켓과 상기 플레이트는, 인서트 사출로 성형되어 일체로 형성될 수 있다.

또한, 상기 플레이트는, 직경이 상기 CID 가스켓의 외경의 1/4보다 작을 수 있다.

또한, 상기 플레이트는, 상면이 상기 CID 가스켓의 상면과 동일 평면상에 위치할 수 있다.

또한, 상기 플레이트는, 두께가 상기 CID 가스켓의 두께보다 얇을 수 있다.

또한, 상기 플레이트는, 상기 두께가 상기 CID 가스켓의 두께의 절반보다 얇을 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 캡 조립체는 적어도 하나의 노치가 형성되어 비정상 전류 발생시 파열되는 안전 벤트; 원반 고리 형상을 가지며, 절연체로 제조되고, 상면이 상기 안전 벤트의 하면에 밀착되는 CID 가스켓 및 상기 CID 가스켓의 내측으로 연장 형성되며, 전도체로 제조되고, 상면이 상기 안전 벤트의 중심부와 접촉되며, 비정상 전류로 인하여 전지 케이스 내부의 압력이 증가하면 파열되고, 직경이 상기 CID 가스켓의 외경의 절반보다 작은 플레이트를 포함하는 전류차단부재를 포함한다.

또한, 상기 안전 벤트는, 원반 고리 형상을 가지며, 상기 전지 케이스의 개구부의 내주면에 결합되는 크림핑 가스켓의 내측에 결합되는 제1 주변부; 상기 제1 주변부의 내측으로 연장 형성되며, 상기 제1 주변부와의 사이에 상기 노치가 형성되는 제2 주변부; 및 상기 제2 주변부의 내측으로 연장 형성되는 중심부를 포함하고, 상기 제1 주변부 및 상기 제2 주변부는, 동일 평면상에 위치할 수 있다.

또한, 상기 제1 주변부는, 하방을 향해 돌출되는 돌출부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 CID 가스켓은, 상기 돌출부에 대응되는 모양, 크기 및 위치의 함몰부를 포함하고, 상기 돌출부는, 상기 함몰부에 삽입될 수 있다.

또한, 상기 CID 가스켓은, 상면이 상기 제1 주변부 및 상기 제2 주변부의 하면에 밀착될 수 있다.

또한, 상기 플레이트는, 상면이 상기 중심부의 하면에 밀착될 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

전류차단부재의 CID 가스켓과 플레이트가 인서트 사출을 통해 일체로 형성되며, 전류차단부재의 상면이 안전 벤트의 하면에 밀착되고, 전류차단부재 및 안전 벤트가 대략 평평한 면을 가짐으로써, 이차 전지의 내부의 불용 체적(Dead Volume)을 감소시키고 내부 공간의 활용도를 증가시킬 수 있다.

또한, 전류차단부재에서 CID 가스켓의 면적 비율이 플레이트의 면적 비율보다 상당히 높아, 이차 전지가 외부로부터 충격을 받아 형태가 변하더라도 플레이트가 이차 전지의 비딩부와 접촉할 가능성을 감소시켜, 이차 전지의 폭발의 가능성을 감소시키고 안전성을 확보할 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 종래의 캡 조립체가 결합된 원통형 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체가 결합된 원통형 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류차단부재의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡 조립체가 결합된 원통형 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류차단부재의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안전 벤트의 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체(11)가 결합된 원통형 이차 전지(1)의 부분 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지(1)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전지 캔(12), 전지 캔(12)의 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체(13), 전지 캔(12)의 상부에 결합되는 캡 조립체(11), 캡 조립체(11)를 장착하기 위해 전지 캔(12)의 선단에 마련된 비딩부(14) 및 전지를 밀봉하기 위한 크림핑부(15)를 포함한다. 이러한 원통형 이차 전지(1)는, 일정한 출력을 안정적으로 제공하는 휴대폰, 노트북, 전기 자동차 등의 전원으로 사용될 수 있다.

전지 캔(12)은 알루미늄, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가질 수 있다. 이러한 전지 캔(12)의 내부 공간에는 상기 전극 조립체(13)와 함께 전해액이 수용된다. 이러한 전지 캔(12)은 원통형으로 형성될 수 있으나, 각형과 같이 원통형 이외의 다양한 형태로 형성될 수도 있다.

전극 조립체(13)는 롤 형태의 넓은 판형을 가진 양극판 및 음극판 등 두 개의 전극판과, 전극판들을 상호 절연시키기 위해 전극판들 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극판의 좌측 또는 우측에 배치되는 분리막을 구비한 적층 구조체일 수 있다. 상기 적층 구조체는 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 권취될 수 있고, 소정 규격의 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 적층된 형태일 수도 있다. 두 개의 전극판은 각각 알루미늄과 구리를 포함하는 금속 포일 또는 금속 메쉬 형태의 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조이다. 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조 도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 용매는 후속 공정에서 제거된다. 전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있다. 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 한 쌍의 리드가 부착된다. 전극 조립체(13)의 상단에 부착되는 양극 리드(131)는 캡 조립체(11)에 전기적으로 연결되고, 전극 조립체(13)의 하단에 부착되는 음극 리드(미도시)는 전지 캔(12)의 하면에 연결된다. 다만 이에 제한되지 않고, 양극 리드(131)와 음극 리드는 모두 캡 조립체(11)를 향하는 방향으로 인출될 수도 있다.

한편, 전극 조립체(13)의 상단에는 상부 절연판(16)이 배치되고, 전극 조립체(13)의 하단에는 하부 절연판(미도시)이 배치되는 것이 바람직하다. 상부 절연판(16)은 전극 조립체(13)와 캡 조립체(11) 사이를 절연하고, 하부 절연판은 전극 조립체(13)와 전지 캔(12)의 바닥부 사이를 절연한다.

전지 캔(12)의 중앙에는 젤리 롤 형태로 권취된 전극 조립체(13)가 권출되는 것을 방지하고 이차 전지(1) 내부의 가스의 이동 통로의 역할을 수행하는 센터핀(미도시)이 삽입될 수도 있다.

전지 캔(12) 내에 충진되는 전해액은 이차 전지(1)의 충, 방전 시 전극판의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것으로, 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액; 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머를 포함할 수 있다.

캡 조립체(11)는 전지 캔(12)의 상단에 형성된 개방부에 결합되어 전지 캔(12)의 개방부를 밀폐시킨다. 이러한 캡 조립체(11)는, 전지 캔(12)의 형태에 따라 원형 또는 각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지 캔(12)이 원통형으로 형성되므로, 이 경우에는 캡 조립체(11)도 이에 대응되는 형상인 원반 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 캡 조립체(11)는 전지 캔(12)의 개방부를 밀봉하고 양극 단자를 형성하는 탑 캡(111), 비정상 전류로 인하여 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하고 내부의 기체를 배기하는 안전 벤트(113) 및 상기 전극 조립체(13)의 양극에 연결된 양극 리드(131)가 접속되고 전지 내의 고압 발생 시 전류를 차단하는 전류차단부재(114)가 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 그리고, 캡 조립체(11)는 크림핑 가스켓(116)에 장착된 상태로 전지 캔(12)의 비딩부(14)에 설치된다. 따라서, 정상적인 작동 조건에서 전극 조립체(13)의 양극은 양극 리드(131), 전류차단부재(114), 안전 벤트(113) 및 PTC 소자(112)를 경유하여 탑 캡(111)에 연결되어 통전을 이룬다.

탑 캡(111)은 캡 조립체(11)의 최상부에, 상부 방향으로 돌출된 형태로 배치되어 양극 단자를 형성한다. 따라서, 상기 탑 캡(111)은 부하 또는 충전 장치와 같은 외부 장치에 전기적으로 접속될 수 있다. 탑 캡(111)에는 이차 전지(1)의 내부에서 발생한 기체가 배출되는 기체 구멍(1111)이 형성될 수 있다. 따라서, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전극 조립체(13)쪽으로부터 기체가 발생하여 내압이 증가하면, 전류차단부재(114) 및 안전 벤트(113)가 파열되고, 내부의 기체는 상기 파열된 부분 및 기체 구멍(1111)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 충방전이 더 이상 진행되지 않고 이차 전지(1)의 안전성을 확보할 수 있다. 이러한 탑 캡(111)은 스테인리스 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속 재질로 제조될 수 있다.

안전 벤트(113)와 접촉되는 탑 캡(111) 부위의 두께는, 외부로부터 인가되는 압력으로부터 캡 조립체(11)의 여러 구성 요소들을 보호할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 0.3 내지 0.5mm일 수 있다. 탑 캡(111) 부위의 두께가 너무 얇으면 기계적 강성을 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 크기 및 중량 증가에 의해 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있다.

안전 벤트(113)는 비정상 전류로 인하여 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 역할을 하며, 금속 재질일 수 있다. 안전 벤트(113)의 두께는 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 전지 내부의 소정의 고압 발생시 파열되면서 가스 등을 배출할 수 있다면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 0.2 내지 0.6 mm일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트(113)에 대한 자세한 설명은 후술한다.

전류차단부재(CID, Current Interrupt Device, 114)는 안전 벤트(113)와 전극 조립체(13) 사이에 위치하여, 전극 조립체(13)와 안전 벤트(113)를 전기적으로 접속시킨다. 따라서, 정상적인 상태에서는 전극 조립체(13)로부터 생성된 전류가 양극 리드(131)를 거쳐 전류차단부재(114)를 경유하여 안전 벤트(113)로 흐름으로써 이차 전지(1)의 방전이 이루어질 수 있다. 그러나, 비정상 전류로 인하여 이차 전지(1)의 내부에서 발생한 기체로 인하여 전지의 내압이 증가하면, 안전 벤트(113)와 전류차단부재(114) 사이의 연결이 탈착되거나, 전류차단부재(114)가 파열된다. 그럼으로써, 안전 벤트(113)와 전극 조립체(13) 사이의 전기적 접속이 차단되어, 안전성을 확보할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전류차단부재(114)에 대한 자세한 설명은 후술한다.

캡 조립체(11)는 안전 벤트(113)와 탑 캡(111) 사이에 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient element, 112)를 더 포함할 수도 있다. PTC 소자(112)는 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 증가하여 전류를 차단한다. 즉, PTC 소자(112)는, 정상적인 상태에서는 탑 캡(111)과 안전 벤트(113)를 전기적으로 연결시킨다. 그러나 비정상 상태, 예를 들어 온도가 비정상적으로 상승 할 때에는, PTC 소자(112)는 탑 캡(111)과 안전 벤트(113) 간의 전기적 연결을 차단시킨다. 이러한 PTC 소자(112)의 두께 역시 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면 0.2 내지 0.4mm일 수 있다. PTC 소자(112)의 두께가 0.4mm 보다 두꺼우면 내부 저항이 상승하고, 전지의 크기를 증가시켜 동일 규격 대비 전지 용량을 감소시킬 수 있다. 반대로, PTC 소자(112)의 두께가 0.2mm 보다 얇으면, 고온에서 전류 차단 효과를 발휘하기 어렵고 약한 외부 충격에 의해서도 파괴될 수 있다. 따라서, PTC 소자(112)의 두께는 이러한 점들을 복합적으로 고려하여 상기 두께 범위 내에서 적절히 결정될 수 있다.

이와 같은 캡 조립체(11)를 포함하는 이차 전지(1)는, 전동드릴 등과 같은 파워툴의 동력원으로 사용되는 경우에는 순간적으로 높은 출력을 제공할 수 있고 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격에 대해서도 안정적일 수 있다.

전지 캔(12)의 상부에는 외측에서 내측으로 절곡된 비딩부(14)가 형성된다. 비딩부(14)는 상기 탑 캡(111), PTC 소자(112), 안전 벤트(113) 및 전류차단부재(114)가 적층된 캡 조립체(11)를 전지 캔(12)의 상단에 위치시키고, 전극 조립체(13)의 상하 방향의 이동을 방지한다.

상기 기술한 바와 같이, 캡 조립체(11)는 크림핑 가스켓(116)에 장착된 상태로 전지 캔(12)의 비딩부(14)에 설치된다. 크림핑 가스켓(116)은 양단이 개방된 원통형의 형태를 가지며, 전지 캔(12)의 내부를 향하는 일측 단은 도 2에 도시된 바와 같이, 중심축을 향해 대략 수직으로 1차 절곡된 후, 다시 전지 캔(12)의 내부를 향해 대략 수직으로 2차 절곡되어 비딩부(14)에 안착된다. 그리고 크림핑 가스켓(116)의 타측 단은, 최초에는 중심축과 평행한 방향으로 연장되어 있다. 그러나, 추후에 캡 조립체(11)를 결합하고 전지 캔(12)의 상단 외벽을 가압하여 크림핑부(15)를 형성하는 공정이 진행되면, 크림핑부(15)의 형상을 따라 함께 대략 수직으로 절곡되어 중심축을 향한다. 따라서, 크림핑 가스켓(116)의 내주면은 캡 조립체(11), 외주면은 전지 캔(12)의 내주면에 밀착된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류차단부재(114)의 단면도이다.

종래의 캡 조립체(21)에서는, CID 가스켓(214)이 CID 필터(215)와 별도의 부재로 구비되었다. 여기서 CID 필터(215)는 안전 벤트(213)의 중심부와 접촉하여 전극 조립체(13)로부터 전달되는 전류를 안전 벤트(213)로 전달하였다. 그리고, CID 가스켓(214)은 CID 필터(215)와 안전 벤트(213)의 주변부 사이에 배치되어, CID 필터(215)와 안전 벤트(213)의 주변부를 전기적으로 분리시켰다. 그러나, 상기 기술한 바와 같이, 캡 조립체(21)의 전체 두께가 두꺼워지고, 이차 전지(2)의 내부에 불필요하게 낭비되는 공간, 즉 불용 체적(Dead Volume)을 증가시켰다. 따라서, 전지 캔(12)의 내부에 수용되는 전극 조립체(13)의 크기가 감소하고, 이차 전지(2)의 전기 용량이 감소하는 문제가 있었다.

본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체(11)에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 전류차단부재(114)가 CID 가스켓(1141) 및 플레이트(1142)를 포함하고, CID 가스켓(1141)과 플레이트(1142)는 일체로 형성된다. 그리고, CID 가스켓(1141)이 플레이트(1142)의 상방 또는 하방에 배치되는 것이 아니라, 플레이트(1142)의 외주면에서 반지름 방향으로 연장되어 형성되므로 두께를 증가시키지 않는다. 따라서, 이차 전지(1)의 내부의 불용 체적(Dead Volume)을 감소시키고 내부 공간의 활용도를 증가시킬 수 있다.

CID 가스켓(1141)은 원반 고리 형상을 가지고, 안전 벤트(113)의 주변부의 하면에 접촉한다. 그리고 안전 벤트(113)의 주변부와 플레이트(1142)의 접촉을 방지한다. 이를 위해, CID 가스켓(1141)은 절연성을 가지는 물질로 제조되며, 예를 들어 폴리올레핀(Polyolefine), 폴리프로필렌(PP), 테트라플루오라이드-퍼플루오로알킬비닐에테르공중합체(PFA), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 또는 나일론 6,6 등의 폴리머를 적어도 하나 포함하는 혼합물로 제조될 수 있다.

CID 가스켓(1141)은 상면 및 하면이 평평하며, 원반 고리 형상을 가져 중심에 홀이 타공된다. 그리고, 타공된 홀의 내주면에 플레이트(1142)가 형성된다. 이러한 CID 가스켓(1141)의 두께는 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있고, 안전 벤트(113)와 플레이트(1142) 사이를 절연하여 접촉을 방지할 수 있다면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 0.2 내지 0.6 mm일 수 있다.

플레이트(1142)는 CID 가스켓(1141)의 내측으로, 즉 상기 타공된 홀의 내주면으로부터 반지름 방향으로 연장되어 형성된다. 따라서, 플레이트(1142)는 원반 형상을 가질 수 있다. 이러한 플레이트(1142)는 알루미늄 등의 금속과 같은 전도체로 제조되어, 전극 조립체(13)로부터 전달받은 전류를 안전 벤트(113)에 전달할 수 있다.

이러한 CID 가스켓(1141)과 플레이트(1142)는 인서트 사출을 통해 성형되어, 일체형으로 형성될 수 있다. 즉, 플레이트(1142)를 인서트로 삽입하고, CID 가스켓(1141)이 되는 주물을 용융하여 사출함으로써 성형한다. 만약 용이하게 분리가 가능하다면, 이차 전지(1)가 외부로부터 큰 충격을 받아 외부 형태가 변할 경우, 양극의 전류가 흐르는 플레이트(1142)가 음극의 전류가 흐르는 비딩부(14) 등의 전지 캔(12)의 내벽과 접촉하여 폭발이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류차단부재(114)와 같이, CID 가스켓(1141)과 플레이트(1142)가 일체형으로 형성됨으로써 플레이트(1142)와 전지 캔(12)의 내벽 사이의 접촉을 방지할 수 있다.

플레이트(1142)의 직경은, CID 가스켓(1141)의 외경의 절반보다 작다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, CID 가스켓(1141)의 외경의 1/4보다도 작은 것이 바람직하다. 그럼으로써, CID 가스켓(1141)의 면적 비율이 플레이트(1142)의 면적 비율보다 상당히 높아, 이차 전지(1)가 외부로부터 충격을 받아 형태가 변하더라도 플레이트(1142)가 이차 전지(1)의 비딩부(14)와 접촉할 가능성을 감소시킨다. 즉, 이차 전지(1)의 폭발의 가능성을 더욱 감소시키고 안전성을 확보할 수 있다.

그리고, 플레이트(1142)의 직경은, CID 가스켓(1141)의 내경과 대응된다. 여기서 CID 가스켓(1141)의 내경과 대응된다는 것은, 어느 정도 차이가 있더라도 오프셋의 범위 내로 플레이트(1142)의 직경이 더 크다는 것을 의미한다. 따라서, 플레이트(1142)가 CID 가스켓(1141)에 일체형으로 형성되어, 용이하게 분리되지 않을 수 있다.

상기 기술한 바와 같이, 이차 전지(1)의 내부에서 발생한 기체로 인하여 전지의 내압이 증가하면, 안전 벤트(113)뿐만 아니라 전류차단부재(114)도 파열되어 전류를 차단할 수 있다. 이 때, 전류를 차단하기 위해서는 플레이트(1142)가 파열되어야 한다. 플레이트(1142)가 용이하게 파열되기 위해, 플레이트(1142)의 두께는 CID 가스켓(1141)의 두께보다 얇아야 하며, 특히 CID 가스켓(1141)의 두께의 절반보다도 얇은 것이 바람직하다. 예를 들어, 플레이트(1142)의 두께는 0.01 내지 0.2mm일 수 있다.

상기 기술한 바와 같이, 플레이트(1142)는 CID 가스켓(1141)의 내측으로 연장되어 형성된다. 즉, CID 가스켓(1141)는 플레이트(1142)의 상방 또는 하방에 배치되는 것이 아니라, 플레이트(1142)의 외주면에서 반지름 방향으로 연장되어 형성된다. 이 때, CID 가스켓(1141)과 플레이트(1142)는 동일 평면상에 위치할 수 있다. 즉, CID 가스켓(1141)의 상면과 플레이트(1142)의 상면이 동일 평면상에 위치하거나, CID 가스켓(1141)의 하면과 플레이트(1142)의 하면이 동일 평면상에 위치할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 플레이트(1142)의 두께가 CID 가스켓(1141)의 두께보다 얇으므로, 도 3에 도시된 바와 같이, 플레이트(1142)의 상면은 CID 가스켓(1141)의 상면보다 하방에, 플레이트(1142)의 하면은 CID 가스켓(1141)의 하면보다 상방에 위치할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안전 벤트(113)의 단면도이다.

안전 벤트(113)는 비정상 전류로 인하여 전지 내부의 압력 상승시 파열되어, 전류를 차단하고 내부의 기체를 외부로 배출한다. 이러한 안전 벤트(113)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 주변부와 중심부(1133)를 포함한다. 그리고, 주변부는 원반 고리 형상을 가지며, 크림핑 가스켓(116)의 내측에 결합되는 제1 주변부(1131) 및 상기 제1 주변부(1131)의 내측으로 연장 형성되며, 상기 제1 주변부(1131)와의 사이에 노치(1134)가 형성되는 제2 주변부(1132)를 포함한다. 상기 기술한 바와 같이, 안전 벤트(113)는 이차 전지(1) 내부의 압력 상승시 파열된다. 이 때, 제1 주변부(1131)와 제2 주변부(1132)의 사이에 적어도 하나의 노치(1134)가 형성되어, 전지 캔(12)의 내압 증가 시에 노치(1134)가 파단됨으로써 안전 벤트(113)의 변형 및 파열이 용이할 수 있다. 이러한 제1 주변부(1131)와 제2 주변부(1132)는 동일 평면상에 위치하는 것이 바람직하다. 그럼으로써 안전 벤트(113)의 두께를 증가시키지 않아, 이차 전지(1)의 내부의 불용 체적(Dead Volume)을 감소시키고 내부 공간의 활용도를 증가시킬 수 있다.

상기 기술한 바와 같이, CID 가스켓(1141)의 상면은 전체적으로 평평하고, 안전 벤트(113)의 주변부의 하면도 전체적으로 평평하다. 이 때, 안전 벤트(113)의 주변부의 하면과 CID 가스켓(1141)의 상면이 접촉할 때, 서로 간극이 없이 밀착되는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 이차 전지(1)의 내부 공간의 활용도를 더욱 증가시킬 수 있다.

안전 벤트(113)의 중심부(1133)는, 하면이 전류차단부재(114)의 플레이트(1142)의 상면과 용접 등을 통해 전기적으로 연결된다. 그리고, 전류차단부재(114)로부터 전류를 전달받아 탑 캡(111)으로 상기 전류를 전달한다. 여기서 용접은, 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 등의 문언적 의미에서의 용접뿐만 아니라, 납땜 등의 체결 방법 등을 또한 포함하는 개념으로 사용될 수 있다. 그리고 용접은 캡 조립체(11) 자체의 조립과정에서 수행될 수도 있고, 캡 조립체(11)를 전지 캔(12)에 설치한 상태에서 수행될 수도 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 안전 벤트(113)의 중심부(1133)는 주변부보다 하방으로 돌출되어 형성될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 중심부(1133)는 주변부와 동일 평면상에 위치할 수도 있는 등 플레이트(1142)와 전기적으로 연결될 수 있다면 다양하게 형성될 수 있다.

만약, 안전 벤트(113)의 중심부(1133)가 주변부보다 하방으로 돌출되어 형성된다면, 상기 기술한 바와 같이 플레이트(1142)의 상면이 CID 가스켓(1141)의 상면보다 하방에 위치하더라도, CID 가스켓(1141)의 상면은 안전 벤트(113)의 주변부에 밀착되면서, 동시에 안전 벤트(113)의 중심부(1133)는 플레이트(1142)의 상면에 밀착될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡 조립체(11a)가 결합된 원통형 이차 전지(1a)의 부분 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류차단부재(114a)의 단면도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 전류차단부재(114)의 CID 가스켓(1141a)은 상면에 함몰부(1143a)를 더 포함할 수 있다. 하기 기술할 바, 안전 벤트(113a)의 주변부의 하면에 돌출부(1135a)가 형성될 수 있다. 그리고, 안전 벤트(113a)의 주변부의 하면에 CID 가스켓(1141a)이 접촉할 때, 상기 돌출부(1135a)가 함몰부(1143a)에 삽입될 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안전 벤트(113a)의 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기술한 바와 같이, CID 가스켓(1141a)의 상면은 전체적으로 평평하고, 안전 벤트(113a)의 주변부의 하면도 전체적으로 평평하다. 이 때, 안전 벤트(113a)의 주변부의 하면과 CID 가스켓(1141a)의 상면이 접촉할 때, 서로 간극이 없이 밀착되는 것이 바람직하다.

다만, 두 면이 모두 평평하므로, 안전 벤트(113a)가 CID 가스켓(1141a)과 밀착되면서 정위치가 아닌 부분에 결합될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 안전 벤트(113a)의 주변부의 하면에는 적어도 하나의 돌출부(1135a)가 더 형성될 수 있다. 이러한 돌출부(1135)는, CID 가스켓(1141a)의 상면에 형성된 함몰부(1143a)와 크기 및 모양이 대응된다. 여기서 크기 및 모양이 대응된다는 것은, 크기 및 모양이 정확히 일치하거나, 어느 정도 차이가 있더라도 오프셋의 범위 내라는 것을 의미한다. 따라서, 상기 돌출부(1135a)가 함몰부(1143a)에 용이하게 삽입되며, 이 때 상기 돌출부(1135a)와 함몰부(1143a)도 서로 밀착하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 안전 벤트(113a)의 돌출부(1135a)와, CID 가스켓(1141a)의 함몰부(1143a)는 서로 위치도 대응된다. 여기서 위치가 대응된다는 것은, 상기 돌출부(1135a)가 함몰부(1143a)에 삽입될 때 안전 벤트(113a)와 CID 가스켓(1141a)이 서로 정위치에 배치된다는 것을 의미한다. 안전 벤트(113a)와 CID 가스켓(1141a)이 전지 캔(12a)에 결합될 때, 서로 중심축이 일치하는 것이 정위치에 배치되는 것이다. 따라서, 안전 벤트(113a)와 CID 가스켓(1141a)이 전지 캔(12)에 결합되면, 안전 벤트(113a)와 CID 가스켓(1141a)은 서로 정위치에 배치되며 접촉할 수 있다.

이러한 돌출부(1135a)는 안전 벤트(113a)의 제1 주변부(1131a)의 하면에 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 이에 제한되지 않고 제2 주변부(1132a)의 하면에 형성될 수도 있고, 제1 주변부(1131a) 및 제2 주변부(1132a) 모두의 하면에 형성될 수도 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1, 2: 이차 전지 11, 21: 캡 조립체
12: 전지 캔 13: 전극 조립체
14: 비딩부 15: 크림핑부
16: 상부 절연판 111: 탑 캡
112: PTC 소자 113, 213: 안전 벤트
114: 전류차단부재 116: 크림핑 가스켓
131: 양극 리드 214, 1141: CID 가스켓
215: CID 필터 1111: 기체 구멍
1131: 제1 주변부 1132: 제2 주변부
1133: 중심부 1134: 노치
1135: 돌출부 1142: 플레이트
1143: 함몰부

Claims

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적어도 하나의 노치가 형성되어 비정상 전류 발생시 파열되는 안전 벤트;
원반 고리 형상을 가지며, 절연체로 제조되고, 상면이 상기 안전 벤트의 하면에 밀착되는 CID 가스켓 및 상기 CID 가스켓의 내측으로 연장 형성되며, 전도체로 제조되고, 상면이 상기 안전 벤트의 중심부와 접촉되며, 비정상 전류로 인하여 전지 케이스 내부의 압력이 증가하면 파열되고, 직경이 상기 CID 가스켓의 외경의 절반보다 작은 플레이트를 포함하는 전류차단부재를 포함하고,
상기 안전 벤트는 상기 전지 케이스의 개구부의 내주면에 결합되는 크림핑 가스켓의 내측에 결합되는 제1 주변부를 포함하며,
상기 제1 주변부는 하방을 향해 돌출되는 돌출부를 더 포함하고,
상기 CID 가스켓은 상기 돌출부에 대응되는 모양, 크기 및 위치의 함몰부를 포함하고,
상기 돌출부는 상기 함몰부에 삽입되는 캡 조립체.
제7항에 있어서,
상기 안전 벤트는,
상기 제1 주변부의 내측으로 연장 형성되며, 상기 제1 주변부와의 사이에 상기 노치가 형성되는 제2 주변부; 및
상기 제2 주변부의 내측으로 연장 형성되는 중심부를 더 포함하고,
상기 제1 주변부 및 상기 제2 주변부는,
동일 평면상에 위치하는, 캡 조립체.
제8항에 있어서,
상기 제1 주변부는,
원반 고리 형상을 가지는, 캡 조립체.
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제8항에 있어서,
상기 CID 가스켓은,
상면이 상기 제1 주변부 및 상기 제2 주변부의 하면에 밀착되는, 캡 조립체.
제8항에 있어서,
상기 플레이트는,
상면이 상기 중심부의 하면에 밀착되는, 캡 조립체.
제7항에 있어서,
상기 CID 가스켓과 상기 플레이트는,
인서트 사출로 성형되어 일체로 형성되는, 캡 조립체.
제7항에 있어서,
상기 플레이트는,
직경이 상기 CID 가스켓의 외경의 1/4보다 작은, 캡 조립체.
제7항에 있어서,
상기 플레이트는,
상면이 상기 CID 가스켓의 상면과 동일 평면상에 위치하는, 캡 조립체.
제7항에 있어서,
상기 플레이트는,
두께가 상기 CID 가스켓의 두께보다 얇은, 캡 조립체.
제16항에 있어서,
상기 플레이트는,
상기 두께가 상기 CID 가스켓의 두께의 절반보다 얇은, 캡 조립체.