KR20160043724A

KR20160043724A - 실링층을 포함하는 원통형 이차 전지

Info

Publication number: KR20160043724A
Application number: KR1020140138268A
Authority: KR
Inventors: 이제준; 박필규; 박한솔; 구자훈
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-04-22

Abstract

본 발명은 원통형 전지의 상단의 클림핑부, 가스켓, 캡조립체가 조립되어 형성되는 경계선에 실링층을 형성함으로써, 원통형 전지의 밀폐성을 향상시키고, 전지 내부로의 수분침투를 방지하여 원통형 전지 내부 수분 유입에 따른 성능 저하 및 조기 단락을 방지하여 안정성이 향상된 원통형 이차전지를 제공한다.

Description

실링층을 포함하는 원통형 이차 전지{Cylindrical-type secondary battery comprising sealing layer}

본 발명은 실링층을 포함하는 원통형 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원통형 전지의 상부를 구성하는 각 부재의 경계선에 실링층이 형성된 것인 원통형 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충, 방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등의 전원에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 약 3배의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.

이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 또한, 리튬 이차 전지는 각형 전지, 원통형 전지, 파우치형 전지로 구분될 수 있다.

리튬 이온 이차 전지는 양극/분리막/음극이 순차적으로 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다. 특히, 각형 또는 원통형 이차 전지의 외장재는 개방단이 형성된 원통형 캔 및 원통형 캔의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체를 구비한다.

일반적으로 원통형 전지는 개방단이 형성되어 있고 상기 개방단에 형성되는 클림핑부에 의하여 밀봉되는 구조이기 때문에 원통형 전지의 상부의 경우 다수의 기재들이 경계선을 가지고 있고, 이는 외부로 노출되어 있으며, 상기 클림핑부의 압착에 의한 밀봉만으로는 외부의 수분 유입에 취약한 단점을 가지고 있다. 특히 원통형 전지 내부에 수납되는 전극조립체에는 전해질이 주입되는데 외부로부터의 수분 유입에 의하여 전해질은 충방전시에 가수분해에 의해서 산과 열이 발생하고, 전지 내부의 기재들을 부식시키고 또한 발생하는 열 때문에 전지가 발화할 가능성도 존재하게 된다. 또한, 온도상승에 의해 전지의 기전력의 저하가 일어나기도 한다. 이들 문제의 요인으로 되는 것은 외부에서 전지 내부로 수분이 침투하는 것에 의한다. 따라서, 전지는 외부로부터 수분을 차단하는 것이 요구된다. 특히, 전기자동차 하이브리드 자동차 등의 전원으로 이차 전지가 사용되는 경우 장기간의 수명이 필요하고, 다수의 전지 셀들이 밀집되므로 안전성의 확보가 매우 중요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 외부로부터의 수분 차단을 위한 실링층을 원통형 전지 상부에 형성하여, 원통형 전지 내부로의 수분침투를 억제시킴으로써, 장기 보관시나 외기의 습도가 높을 때에도 수분에 의한 성능저하의 염려가 없는 이차전지를 제공하는 것이다.

본 발명은 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극 조립체를 포함하는 원통형 이차전지로서, 상단 개구부를 포함하는 원통형 캔, 상기 원통형 캔의 상부 외주면에 형성되어 상기 상단 개구부의 일부가 내측으로 구부러져 형성되는 클림핑부에 의하여 상기 원통형 캔과 결합되는 캡 조립체, 상기 원통형 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓 및상기 클림핑부, 상기 가스켓, 및 상기 캡 조립체의 경계선을 덮는 실링층을 포함하는 것인 원통형 이차 전지를 제공한다.

여기서 상기 실링층은 상기 클림핑부의 상면 일부를 더 덮는 것일 수 있고, 상기 클림핑부, 상기 가스켓, 및 상기 캡 조립체의 경계선을 덮는 실링층은 그 모양이 계단형, 또는 일자형일 수 있다.

상기 실링층은 아크릴계 화합물, 실리콘계 화합물, 에폭시계 화합물, 우레탄계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 실링층은 그 두께가 2㎛ 이상 20㎛ 이하일 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 캡 조립체는 상기 원통형 캔의 개방단을 밀봉하는 탑 캡(top cap), 및 일면은 상기 탑 캡의 측면, 상면 및 하면 모두에 접촉되고, 타면은 상기 가스켓의 내주면에 접촉되도록 절곡되어 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트를 포함하는 것인 원통형 이차 전지일 수 있으며, 상기 실링층은 상기 클림핑부, 상기 가스켓, 상기 안전밴트 및 상기 탑 캡의 경계선을 덮는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예로서, 상기 캡 조립체는 상기 원통형 캔의 개방단을 밀봉하고 상기 가스켓의 돌출부에 접촉되도록 배치된 탑 캡, 상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC(positive temperature coefficient) 소자, 및 일면은 상기 PTC 소자에 접촉되고 타면의 일부가 상기 가스켓에 접촉되도록 배치된 안전밴트를 포함하는 것인 원통형 이차전지일 수 있으며, 상기 실링층은 상기 클림핑부, 상기 가스켓, 및 상기 탑 캡의 경계선을 덮는 것일 수 있다.

더하여, 본 발명의 원통형 전지는 상기 안전 벤트의 하단에 용접되고, 하부가 상기 전극 조립체와 연결될 수 있는 전류차단소자를 더 포함하는 것일 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것인 전지팩을 제공할 수 있다.

특히, 상기 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 장치에서 중대형 디바이스 전원으로 이용되는 것인 전지팩일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지는 전지 상단의 클림핑부, 가스켓, 캡조립체가 조립되어 형성되는 경계선에 실링층을 형성함으로써, 원통형 전지의 밀폐성을 향상시키고, 전지 내부로의 수분침투를 방지하여 원통형 전지 내부로의 수분 유입에 따른 성능 저하 및 조기 단락을 방지하여 안정성이 향상될 수 있다.

도 1은 원통형 전지 상부의 경계선을 나타낸 사시도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명 실시예에 따른 계단형, I 자형의 실링층을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 일시예에 따른 실링층을 포함하는 원통형 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실링층을 포함하는 원통형 이차전지를 도시한 단면도이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예 따른 원통형 이차 전지는, 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극 조립체를 포함하는 원통형 이차전지로서, 상단 개구부를 포함하는 원통형 캔, 상기 원통형 캔의 상부 외주면에 형성되어 상기 상단 개구부의 일부가 내측으로 구부러져 형성되는 클림핑부에 의하여 상기 원통형 캔과 결합되는 캡 조립체, 상기 원통형 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓, 및 상기 클림핑부, 상기 가스켓, 및 상기 캡 조립체의 경계선을 덮는 실링층을 포함하는 것인 원통형 이차 전지일 수 있다.

클림핑부는 캡 조립체를 원통형 캔의 개방단에 장착할 수 있도록 원통형 캔의 상단에 형성되어 있다. 보다 구체적으로, 클림핑부는, 원통형 캔의 상단부를 비딩 가공함으로써 내측으로 만입부를 형성하고, 가스켓을 개방단에 탑재해고, 탑 캡, PTC 소자, 안전벤트의 외주면을 차례로 삽입한 다음, 원통형 캔의 상단부를 내측으로 절곡함으로써 형성된다. 결과적으로, 클림핑부의 내측면에 위치하는 가스켓을 감싸는 형태로 되고, 클림핑(crimping) 및 프레싱 공정을 수행함으로써 캡 조립체를 장착한다.

상기 클림핑부는 가스켓이 개재된 상태에서 캡 조립체가 원통형 캔의 개방 상단에 안정적으로 장착할 수 있도록 단부가 내측으로 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 클림핑 부의 측벽은 전지의 측면과 동일하게 수직으로 형성되어 있다.

도 1은 조립이 완성된 원통형 전지(100)의 상부를 나타낸 사시도이다. 도 1을 참조하면, 원통형 전지(100)의 상부는 단부가 내측으로 구부러진 클림핑부(21)가 가스켓(40), 각종 부재를 포함하는 캡 조립체(30)를 결합시켜 밀봉하는 구조이다. 상기 결합부는 클림핑부(21), 가스켓(40), 캡 조립체(30)가 포개어져 형성되고, 이들의 각 경계선(1)은 상기 클림핑부(21)가 내측으로 구부러진 방향을 기준으로 원통형 전지의 상부 내주면의 내측벽에 형성되며, 각각의 경계선들은 외부로 노출되어 있다. 이러한 각 부재의 경계선이 노출되므로, 물리적인 충격에 의하여 클림핑부의 압착력이 약화되어 각 경계선에 틈새가 생길 수도 있고, 원통형 전지의 구조상 클림핑부 단부를 기점으로 원통형 전지의 길이 방향을 기준으로 만입부가 형성되는 바 수분에 쉽게 노출될 수 있고 외부로부터 수분 유입시 수분의 건조나 제거 등이 용이하지도 않다. 특히 이러한 경계선들은 외부로부터 전지 내부로 수분이 유입될 수 있는 경로에 해당 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지는 상기 각 경계선을 덮는 실링층을 형성하여 외부로의 수분 유입을 차단함으로써, 원통형 전지 내부에 수분이 침투될 수 있는 가능성을 현저히 낮추어 이차전지의 성능 저하 및 조기 단락을 방지할 수 있다.

더하여 상기 클림핑부, 상기 가스켓, 및 상기 캡 조립체의 경계선을 덮는 실링층은 그 모양이 계단형, 또는 일자형일 수 있다. 원통형 전지의 상기 클림핑부(21), 상기 가스켓(40), 상기 캡 조립체(30)의 경계선(1)은 각 부재가 조립되어 밀봉되므로 도 1에서 나타난 바와 같이 각 부재들이 노출면을 달리하여 외부에 배치되어 있다. 따라서 본 발명에 따른 실링층(50)의 형상은, 이러한 경계선을 덮는 실링층(50)의 두께에 따라 상이할 수 있다. 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실링층(50)의 두께가 얇은 경우에는 계단형 모양을 가지고, 도 2b를 참조하면 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 실링층(50)의 두께가 두꺼운 경우에는 클림핑부의 측벽과 수평한 I형의 실링층(50)이 형성될 수 있다. 상기 실링층은 그 두께가 2㎛ 이상 20㎛ 이하일 수 있이며, 상기 실링층의 두께가 2㎛ 이하인 경우, 수분의 침투를 충분히 방지하지 못할 수 있으며, 상기 두께가 20㎛ 이상인 경우 그 두께가 너무 두꺼워져 원통형 전지의 상부 구조에 영향을 미칠 수 있다. 상기 실링층은 상기 클림핑부의 상면 일부를 더 덮을 수 있다. 상기 경계선 중 상기 클림핑부와 가스켓이 형성하는 경계선을 더욱 면밀히 밀봉할 수 있기 때문이다.

상기 실링층은 수분 침투를 방지하기 위하여, 고분자 수지를 이용할 수 있으며,아크릴계 화합물, 실리콘계 화합물, 에폭시계 화합물, 우레탄계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 이때, 아크릴계 수지로는 예컨대 부틸아그릴레이트, 에틸헥실아크릴레이트 등을 이용할 수 있고, 메타크릴계 수지로는 예컨대 프로필렌글리콜메타크릴레이트, 테트라하이드로퍼프리 메타크릴레이트 등을 이용할 수 있으며, 에폭시계 수지로는 예컨대 싸이클로알리파틱 에폭사이드 등을, 우레탄계 수지로는 예컨대 우레탄 아크릴레이트 등을 이용할 수 있다.

상기 원통형 캔의 소재는, 특별히 제한되지 않으며, 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 원통형 캔은 도전성을 가져야 하기 때문에 금속 성분을 이용하게 되며, 이러한 금속 성분은 외부로부터의 수분 접촉에 따른 부식에 취약할 수 있다. 특히 원통형 캔에 있어서, 클림핑부가 형성되고, 캡 조립체가 수납되어진 원통형 전지의 상부는 다수의 부재가 접촉하고 있고, 굴곡 부위가 형성되어 있어 경계선의 부식이 더욱 취약하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실링층이 형성된 원통형 전지는 이러한 굴곡 부위 특히, 클림핑부 및 각 부재가 외부로 노출된 경계선에 실링층을 형성함으로써, 부식 형성을 억제하여 부식에 따라 형성될 수 있는 각 부재간의 틈새를 미연에 방지하여, 내부로의 수분 유입을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 캡 조립체는 상기 원통형 캔의 개방단을 밀봉하는 탑 캡 및 일면은 상기 탑 캡의 측면, 상면 및 하면 모두에 접촉되고, 타면은 상기 가스켓의 내주면에 접촉되도록 절곡되어 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트;를 포함하는 것인 원통형 이차 전지일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차 전지를 도 3으로 나타내었다. 도 3을 참조하면, 원통형 이차 전지(100)는, 전극 조립체(10)를 전해액과 함께 수납하는 원통형 원통형 캔(20)와, 원통형 캔(20)의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체(30), 원통형 캔(20)와 캡 조립체(30) 사이에 개재되는 가스켓(40), 및 실링층(50)을 포함한다.

상기 캡 조립체(30)는 상기 원통형 캔(20)의 개방단을 밀봉하는 탑 캡(32), 일면은 상기 탑 캡(32)의 측면, 상면 및 하면 모두에 접촉되고, 타면은 가스켓(40)의 내측면에 접촉되도록 절곡되어 배치되고, 상기 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결된 안전 벤트(36)일 수 있다.

이러한 캡 조립체(30)를 구비한 이차 전지는, 전동드릴 등과 같은 파워툴의 동력원으로 사용되는 경우에는 순간적으로 높은 출력을 제공할 수 있고 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격에 대해서도 안정적일 수 있다.

특히, 안전 벤트(36)가 절곡되어 탑 캡을 감싸는 형태인 상기 캡 조립체(30)는 안전 밴트(36)와 탑 캡(32)의 접촉면이 한 곳 이상의 연결부를 형성할 수 있으며, 상기 연결부는 용접 등에 의하여 형성된다. 본 발명에 사용된 용어 "용접"은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 등의 문언적 의미에서의 용접뿐만 아니라, 납땜 등의 체결방법 등을 또한 포함하는 개념으로 사용되고 있다. 용접은 캡 조립체(30) 자체의 조립과정에서 행해질 수도 있고, 캡 조립체(30)를 원통형 캔(20)에 설치한 상태에서도 행해질 수 있다.

상기 안전 벤트(36)는 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 역할을 하며, 금속 재질인 것이 바람직하다. 안전 벤트(36)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.

상기 안전밴트(36)와 접촉되는 상기 탑 캡(32) 부위의 두께는, 외부로부터 인가되는 압력으로부터 캡 조립체(30)의 여러 구성 요소들을 보호할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 0.3 내지 0.5mm일 수 있다. 탑 캡 부위의 두께가 너무 얇으면 기계적 강성을 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 크기 및 중량 증가에 의해 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.

상기 가스켓(40)은 전체적으로 양단이 개방된 원통 형태를 이루며, 원통형 캔(20)의 내면을 향하는 일 측단은 원통형 캔(20)의 개방부 즉, 클램핑부에 놓여지도록 중심부를 향해 직각으로 절곡된 구조가 바람직하다. 가스켓(40)의 다른 쪽 선단은 최초에는 직선으로 펴져 원통형 가스켓(40)의 축방향으로 향하고 있으며, 원통형 캔(20)과의 가압 공정시 중심부를 향해 직각으로 절곡되어 내주면과 외주면이 각각 캡 조립체(30) 탑 캡(32)과 원통형 캔(20)의 내측면에 밀착된 상태로 접히게 된다.

상기 가스켓(40)은 전기 절연성의 탄력적인 고분자 수지로 구성되며, 이러한 고분자 수지는 전기 절연성과, 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가진 것이 필요하다. 일반적으로 가스켓은 절연성을 가지고 있고, 전해액에 대한 누출 방지를 위해 전해액에 대한 내화학성이 우수하여야 하고, 전지 내부의 고온 고습의 가혹한 조건에서 가스켓의 기밀성을 유지해야 하기 때문에 내열성이 요구된다. 이러한 가스켓은 일반적으로 폴리프로필렌 소재를 이용하나 이에 한정되는 것은 아니다.

전극 조립체(10)는 서로 극성이 다르고 롤 형태의 넓은 판형을 가진 두 개의 전극판들(11)과 이러한 전극판들(11)을 상호 절연시키기 위해 전극판들(11) 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극판(11)의 좌측 또는 우측에 배치되는 분리막(12)를 구비하고, 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 권취된 구조가 바람직하다. 물론, 소정 규격의 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 적층된 형태일 수도 있다.

두 개의 전극판들(11)은 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 형성된다. 용매는 후속 공정에서 제거된다. 전극판(11)이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있다. 무지부에는 각각의 전극판(11)에 대응되는 한 쌍의 리드가 부착된다. 전극 조립체(10)의 상단에 부착되는 제1 리드(13)는 캡 조립체(30)에 전기적으로 연결되고, 전극 조립체(10)의 하단에 부착되는 제2 리드(미도시)는 원통형 캔(20)의 바닥에 연결된다. 물론, 제1 리드(13)와 제2 리드는 모두 캡 조립체(30) 방향으로 인출될 수도 있다. 전극 조립체(10)는 원통형 캔(20)의 바닥부에 설치된 제1 절연판(미도시) 위에 배치되고, 전극 조립체(10)의 상단에는 제2 절연판(미도시)이 배치되는 것이 바람직하다. 제1 절연판은 전극 조립체(10)와 원통형 캔(20)의 바닥부 사이를 절연시키고, 제2 절연판은 전극 조립체(10)와 캡 조립체(30) 사이를 절연시킨다.

상기 원통형 캔(20)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가진 원통 구조를 가진다. 원통형 캔(20)의 내부 공간에는 전극 조립체(10)와 전해액(미도시)이 수용된다. 상기 전해액은 이차 전지(100)의 충, 방전 시 전극판(11)의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬 이온을 이동시키기 위한 것이다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으나, 전해액의 종류는 문제되지 않는다.

한편, 원통형 캔(20)의 중앙에는 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체(10)가 풀리는 것을 방지하고 이차 전지(100) 내부의 가스의 이동 통로의 역할을 수행하는 센터핀(미도시)이 삽입될 수도 있다. 원통형 캔(20)의 상부 즉, 전극조립체(10)의 상단 윗 부분에는 외부에서 내측으로 가압 절곡 형성된 비딩부(24)가 마련되어 전극 조립체(10)의 상, 하 방향의 유동을 방지한다.

캡 조립체(30)는 가스켓(40)을 개재시켜 밀폐된 상태에서 원통형 캔(20)의 개방부에 조립되는 것으로서, 탑 캡(32), 안전 벤트(36)를 포함한다. 탑 캡(32)은 외부와 전기적으로 접속되도록 형성된 전극 단자(미도시)를 갖는다. 상기 안전 벤트(36)는 절곡되어 탑 캡(32)의 외주면을 감싸는 형태로 이루어져 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지는 상기 안전 벤트의 하단에 용접되고, 하부가 상기 전극 조립체와 연결될 수 있는 전류차단소자를 더 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 안전 벤트(36)는 중앙에 볼록하게 돌출되어 전류차단소자(CID: current InterruptDevice)(38)에 용접되고 전류차단소자(38)는 이차 전지(100)의 내부 압력에 의해 안전 벤트(36)와 함께 변형될 수 있는 것으로서, CID 가스켓 및 CID 필터로 구분될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지는 보조 가스켓을 더 포함할 수 있따. 상기 보조 가스켓(42)은 전류차단소자(38)용 가스켓으로서 전류차단소자(38)의 외주면을 감싸도록 구성된다. 특히, 상기 보조 가스켓(42)은, 전류차단소자(38)의 외주면에서 상부와 측면부에 접촉되어, 전류차단소자(38)의 상부 및 측면부를 지지한다. 그리고, 보조 가스켓(42)은 안전 벤트(36)의 돌출 부분과 전류차단소자(38)가 접촉되는 부분을 제외하고는 전류차단소자(38)와 안전 벤트(36)가 서로 전기적으로 절연되도록 하는 역할을 한다.

일반적으로, 원통형 이차 전지에 있어서, 젤리-롤 타입의 전극 조립체의 양극 호일에 용접된 양극 리드는 캡 조립체(30)와 전기적으로 연결되어 탑 캡(32) 상단의 돌출 단자에 연결되며, 음극 호일에 용접된 음극 리드는 원통형 캔의 밀폐단에 용접되어 원통형 캔 자체가 음극 단자를 구성한다. 원통형 캔의 소재는 특별히 제한되지 않으며 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 전극 조립체(10)가 원통형 캔(20)에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 원통형 캔(20)의 개방단에 캡 조립체(30)를 장착하여 밀봉시키면 이차 전지의 조립이 완성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성이 높은 리튬(이온) 이차전지일 수 있다. 이러한 리튬 이차 전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염을 함유한 비수 전해액 등으로 구성된다. 양극은 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 참가하기도 한다. 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라 전술한 성분들이 더 포함될 수도 있다. 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가진 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 구성되며, 비수 전해액은 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다. 여기서, 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 널이 알려져 있으므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 실링층(50)은, 상기 클림핑부(21), 상기 가스켓(40), 상기 안전밴트(36) 및 상기 탑 캡(32)의 경계선을 덮는 것일 수 있다. 상기 경계선을 실링층(50)으로 덮어 밀봉함으로써, 상기 경계선을 통하여 내부로 유입될 수 있는 수분의 경로를 미연에 차단할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의한 원통형 이차전지를 도 4로 나타내었다. 도 3 에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일부재이다. 도 4를 참조하면, 상기 캡 조립체(30)는 상기 원통형 캔(20)의 개방단을 밀봉하고 상기 가스켓(40)의 돌출부에 접촉되도록 배치된 탑 캡(32), 상기 탑 캡(32)에 접촉되도록 배치된 PTC 소자(positive temperature coefficient)(34), 및 일면은 상기 PTC 소자(34)에 접촉되고 타면의 일부가 상기 가스켓에 접촉되도록 배치된 안전밴트(36) 및 실링층(50)을 포함하는 것일 수 있다.

상기 PTC 소자(34)는 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 역할을 하고, 이러한 PTC 소자의 두께 역시 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면 0.2mm 내지 0.4mm일 수 있다. PTC 소자의 두께가 0.4mm 보다 두꺼우면 내부 저항이 상승하고, 전지의 크기를 증가시켜 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있다. 반대로, PTC 소자의 두께가 0.2mm 보다 얇으면, 고온에서 소망하는 전류 차단 효과를 발휘하기 어렵고 약한 외부 충격에 의해서도 파괴될 수 있다. 따라서, PTC 소자의 두께는 이러한 점들을 복합적으로 고려하여 상기 두께 범위 내에서 적절히 결정될 수 있다.

PTC 소자와 접촉되는 탑 캡 부위의 두께는, 외부로부터 인가되는 압력으로부터 캡 조립체의 여러 구성 요소들을 보호할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 0.3 내지 0.5mm일 수 있다. 탑 캡 부위의 두께가 너무 얇으면 기계적 강성을 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 크기 및 중량 증가에 의해 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.

이렇게 탑 캡, PTC 소자, 및 안전 벤트를 구비한 캡 조립체를 포함하는 이차전지는 일정한 출력을 안정적으로 제공하는 휴대폰, 노트북 등의 전원으로 사용될 수 있다.

상기 실링층(50)은, 상기 클림핑부(21), 상기 가스켓(40), 및 상기 탑 캡(32)의 경계선을 덮을 수 있다. 상기 경계선을 실링층을 이용하여 밀봉함으로써, 원통형 전지 내부에 유입될 수 있는 수분의 경로를 미연에 차단하여 이차 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상기 실시예로 제조된 리튬 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것인 전지팩을 제공할 수 있으며, 상기 전지팩은 파워 툴(Power Tool), 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차, 전기 트럭, 전기 상용차, 또는 전력 저장용 시스템으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 장치에서 중대형 디바이스 전원으로 이용되는 전지팩일 수 있다.

이상에서, 본 발명은 비록 한정된 실시예들과 도면들에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1…경계선들
10…전극 조립체 11…전극판들
12…분리막 13…제1 리드
14…제2 절연판 20…원통형 캔
21…클림핑부
30…캡 조립체 32…탑 캡
34…PTC 소자 36…안전 벤트
38…전류차단소자 40…가스켓
42…보조 가스켓 50…실링층
100…원통형 전지

Claims

양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극 조립체를 포함하는 원통형 이차전지로서,
상단 개구부를 포함하는 원통형 캔;
상기 원통형 캔의 상부 외주면에 형성되어 상기 상단 개구부의 일부가 내측으로 구부러져 형성되는 클림핑부에 의하여 상기 원통형 캔과 결합되는 캡 조립체;
상기 원통형 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓; 및
상기 클림핑부, 상기 가스켓, 및 상기 캡 조립체의 경계선을 덮는 실링층을 포함하는 것인 원통형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 실링층은 상기 클림핑부의 상면을 덮는 것인 원통형 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 클림핑부, 상기 가스켓, 및 상기 캡 조립체의 경계선을 덮는 실링층은 그 모양이 계단형, 또는 일자형인 것인 원통형 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 실링층은 아크릴계 화합물, 실리콘계 화합물, 에폭시계 화합물, 우레탄계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 원통형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 실링층은 그 두께가 2㎛ 이상 20㎛ 이하인 것인 원통형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 캡 조립체는 상기 원통형 캔의 개방단을 밀봉하는 탑 캡(top cap); 및
일면은 상기 탑 캡의 측면, 상면 및 하면 모두에 접촉되고, 타면은 상기 가스켓의 내주면에 접촉되도록 절곡되어 배치되고, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 안전 벤트;를 포함하는 것인 원통형 이차 전지.
제1항에 있어서,
상기 캡 조립체는 상기 원통형 캔의 개방단을 밀봉하고 상기 가스켓의 돌출부에 접촉되도록 배치된 탑 캡(top cap);
상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC 소자; 및
일면은 상기 PTC 소자에 접촉되고 타면의 일부가 상기 가스켓에 접촉되도록 배치된 안전밴트를 포함하는 것인 원통형 이차전지.
제6항에 있어서,
상기 실링층은 상기 클림핑부, 상기 가스켓, 상기 안전밴트 및 상기 탑 캡의 경계선을 덮는 것인 원통형 이차전지.
제7항에 있어서,
상기 실링층은 상기 클림핑부, 상기 가스켓, 상기 탑 캡의 경계선을 덮는 것인 원통형 이차전지.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 안전 벤트의 하단에 용접되고, 하부가 상기 전극 조립체와 연결될 수 있는 전류차단소자를 더 포함하는 것인 원통형 이차 전지.
제 1항 내지 제10항에 따른 리튬 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것인 전지팩.
제 11항에 있어서,
상기 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 장치에서 중대형 디바이스 전원으로 이용되는 것인 전지팩.