KR100878701B1 - 고율 충방전 원통형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지의 비정상적인 작동으로 인한 내압 상승시 전류를 차단하고 가압 가스를 배출하는 안전벤트가 중앙 돌출형 상단 캡에 접한 구조의 캡 어셈블리를 포함하는 원통형 전지로서, 상기 안전벤트의 단부는 상단 캡의 외주면을 감싸도록 절곡되어 있고, 상기 안전벤트와 상단 캡의 계면에는 전해액의 누출 및 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지하기 위한 그루브가 상단 캡의 외주면에 평행하게 형성되어 있는 것으로 구성된 이차전지를 제공한다.

본 발명에 따른 이차전지는 고율 충방전을 달성할 수 있고, 또한 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격시 균일한 출력을 제공할 뿐만 아니라, 상단 캡의 유동으로 인해 초래되는 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지할 수 있으며, 그러한 조건에서도 전지 내부의 전해액이 누출되는 것을 억제할 수 있으므로, 고출력 전원으로서 바람직하게 사용될 수 있다.

Description

고율 충방전 원통형 이차전지 {High Rate Charging and Discharging Cylindrical Secondary Battery}

도 1은 종래의 원통형 이차전지의 대표적인 상부 구조를 보여주는 단면 모식도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 상부 구조를 보여주는 단면 모식도이다;

도 3a 및 3b는 도 2의 전지에 사용된 안전벤트와 전류차단 부재의 사시도이다;

도 4는 도 2의 B 부위에 대한 확대도이다;

도 5a 및 5b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 상단 캡과 안전벤트의 계면 구조에 대한 수직 단면들이다;

도 6a 및 도 6b는 도 2의 캡 어셈블리의 제조과정에서 탑 캡의 외주면을 안전벤트의 단부로 감싸는 과정의 평면도 및 수직 단면도이다;

도 7a 및 7b는 실험예 1에서 실시예 1과 비교예 1 전지들의 드럼 테스트 결과를 보여주는 그래프들이다.

본 발명은 고율 충방전 원통형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지의 비정상적인 작동으로 인한 내압 상승시 전류를 차단하고 가압 가스를 배출하는 안전벤트가 중앙 돌출형 상단 캡에 접한 구조의 캡 어셈블리를 포함하는 원통형 전지로서, 상기 안전벤트의 단부는 상단 캡의 외주면을 감싸도록 절곡되어 있고, 안전벤트와 상단 캡의 계면에는 전해액의 누출 및 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지하기 위한 그루브가 형성되어 있어서, 안전벤트에 대한 상단 캡의 안정적인 전기적 연결이 달성되므로 순간적으로 높은 출력과 진동 등 외부 충격에 의해서도 안정적인 출력의 제공이 가능하고, 그루브 형상에 의한 면압에 의해 전해액의 누출 및 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지할 수 있다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지가 휴대폰, 노트북 등의 전원으로 사용되는 경우에는 일정한 출력을 안정적으로 제공하는 이차전지가 요구되는 반면에, 전동드릴 등과 같은 파워툴의 동력원으로 사용되는 경우, 순간적으로 높은 출력을 제공하면서 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격에 대해서도 안정적일 수 있는 이차전지가 요구된다.

이와 관련하여, 종래의 원통형 이차전지의 구조가 도 1에 개시되어 있다. 일반적으로 이차전지(10)는 원통형 캔(20), 캔(20)의 내부에 수용되는 젤리-롤형의 전극조립체(30), 및 캔(20)의 상부에 결합되는 캡 어셈블리(40)로 구성되어 있다.

전극조립체(30)는 양극(31)과 음극(32) 사이에 분리막(33)을 개재한 상태로 젤리-롤형으로 감은 구조로 되어 있으며, 양극(31)에는 양극 탭(34)이 부착되어 캡 어셈블리(40)에 접속되어 있고, 음극(32)에는 음극 탭(도시하지 않음)이 부착되어 캔(20)의 하단에 접속되어 있다.

캡 어셈블리(40)는 양극 단자를 형성하는 상단 캡(41), 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element; 42), 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 및/또는 가스를 배기하는 안전벤트(43), 특정 부분을 제외하고 안전벤트(43)를 캡 플레이트(45)로부터 전기적으로 분리시키고 전지 내부를 밀봉하는 가스켓(44), 양극(31)에 연결된 양극 탭(34)이 접속되어 있는 캡 플레이트(45)가 순차적으로 적층되어 있는 구조로 되어 있다.

그러나, 이러한 구조의 이차전지는 순간적으로 높은 출력을 제공하기 어려울 뿐만 아니라, 진동 등과 같은 외부 충격시 접촉면의 저항이 증가되어 균일한 출력을 제공하기 어려운 것으로 확인되었다. 구체적으로 PTC 소자(42)는 일반적으로 상온에서도 대략 7 ~ 32 m 정도의 전기 저항을 나타내며 더욱이 온도의 상승으로 가파른 저항 상승을 유발한다. 따라서, 순간적으로 높은 출력을 제공하는데 큰 저해요인으로 작용할 수 있으므로, PTC 소자(42)를 포함시키지 않는 구조가 요구된 다.

그럼에도 불구하고 상기 구조의 이차전지는, 진동 등의 외부 충격시 상단 캡(41), PTC 소자(42), 안전벤트(43) 및 캡 플레이트(45)의 접촉면은 저항의 변화가 매우 커지므로 균일한 출력을 제공하지 못한다. 예를 들어, 진동 등에 의해 상단 캡(41)과 PTC 소자(42) 또는 안전벤트(43) 사이의 접촉면 저항은 20 ~ 30 m 정도 증가한다.

이러한 내부 저항의 증가는 파워툴 등의 전원으로 사용되는 고전류용 이차전지에서 발열을 유발하여 전지의 안전성이 문제될 수 있으며, 전지의 성능을 저하시키는 주요 원인으로 작용한다.

이와 관련하여, 일본 특허출원공개 제2003-187773호에는 심한 진동, 충력 등과 고온에서의 장시간 사용에 따른 경시적인 가스켓의 열화에 의해 안전벤트와 상단 캡의 접촉저항이 증가하는 것을 방지할 수 있도록, 안전벤트의 단부를 절곡하여 상단 캡의 외주면을 감싸고 절곡된 안전벤트의 단부를 상단 캡 상에 용접하는 기술이 개시되어 있다.

목적 및 효과 상에 차이는 있지만, 안전벤트 등과 같은 부재로 상단 캡을 감싸는 구조는 일본 특허출원공개 제2004-152707호에도 개시되어 있으며, 전지 캔의 단부와 봉합부를 레이저 용접하는 기술이 일본 특허출원공개 제2003-051294호에 개시되어 있다.

상기 선행기술들에서 안전벤트의 단부에 의해 상단 캡의 외주면을 감싸는 기술은, 안전벤트와 상단 캡이 면접촉하고 있는 구조에 비해, 진동, 충격 등에 대해 접촉 저항의 상승을 억제하여 고전류용 전원으로서 사용 가능성을 제시한다. 그러나, 파워툴과 같이 매우 큰 진동이 유발되는 디바이스에는 상기와 같은 구조에도 불구하고 안전벤트와 상단 캡의 접촉면이 순간적으로 이격되고 이러한 이격 틈을 따라 전지 내부의 전해액이 누출되는 것으로 확인되었다. 또한, 안전벤트 단부의 절곡 구조에도 불구하고 안전벤트에 대한 상단 캡의 고정상태가 안정적이지 못하여 유동이 발생하므로, 안전벤트의 하단에 전류차단부재를 용접하거나 안전벤트와 상단 캡을 용접하는 등의 조립과정에서, 상기 용접 등이 소정의 위치(정위치)에서 수행되지 못함으로써 전지의 불량이 초래되는 것으로 확인되었다.

더나아가, 상기 선행기술들에서 절곡된 안전벤트의 단부를 상단 캡에 용접하는 기술은, 우수한 결합력을 제공하기는 하지만, 용접 부위가 전지 외부로 노출되어 장기간의 사용시 열화되면서 결합력의 현저한 저하가 초래됨을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 상기 안전벤트의 단부에 의해 상단 캡의 외면을 감싸고 안전벤트와 상단 캡의 계면에 그루브를 형성하는 경우에는, 진동, 충격 등과 같은 외력이 작용하더라도 접촉저항의 증가를 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 전해액이 전지 외부로 누출되는 것을 방지하 고 조립과정에서의 불량률을 현저히 줄일 수 있으며, 또한 상기 구조에서 상단 캡의 외주면 부근에 용접을 행하는 경우에는 용접 부위가 외부로 노출되지 않음으로써 장시간의 사용시 용접 부위의 열화에 의한 결합력 저하 및 그로 인한 접촉저항의 증가를 억제할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 비정상적인 작동으로 인한 내압 상승시 전류를 차단하고 가압 가스를 배출하는 안전벤트가 중앙 돌출형 상단 캡에 접한 구조의 캡 어셈블리를 포함하는 원통형 전지로서, 상기 안전벤트의 단부는 상단 캡의 외주면을 감싸도록 절곡되어 있고, 상기 안전벤트와 상단 캡의 계면에는 전해액의 누출 및 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지하기 위한 그루브가 상단 캡의 외주면에 평행하게 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 파워툴 등과 같은 디바이스들은 순간적으로 높은 출력을 필요로 하고 작업 환경의 특성상 진동, 충격 등의 외력을 받는 경우가 많으므로, 그러한 외력의 인가시에도 안정적인 고출력을 제공하면서, 전해액의 누출, 조립과정에서의 불량 발생 가능성, 구성요소들의 열화 등과 같은 현상을 억제할 수 있는 이차전지의 구조가 필수적이다. 이하의 실험 내용에서도 볼 수 있는 바와 같이, 상기 캡 어셈블리 구조를 가진 원통형 이차전지는 상기 요구사항들을 모두 충족시킬 수 있는 것으로 확인되었다.

상기 안전벤트는 전지의 비정상적인 작동 또는 전지 구성요소들의 열화로 인 한 전지 내부 압력의 상승시 가스를 외부로 배출시켜 전지의 안전성을 담보하는 일종의 안전소자이다. 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.

바람직하게는, 상기와 같은 비정상적인 조건에서 가스의 배출 이전에 전류를 차단할 수 있도록, 상기 안전벤트는 중앙부가 함몰된 형상으로서 그것의 상절곡 부위 및 하절곡 부위에는 각각 제 1 노치 및 제 2 노치가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 안전벤트의 하단에는 안전벤트의 파열 이전에 전류를 차단할 수 있는 전류차단 부재가 연결되어 있으며, 상기 전류차단 부재는 하나 또는 그 이상의 가스 배출구와 압력에 의해 분리가능하고 상향 돌출된 돌출부를 포함하고 있으며 상기 돌출부가 안전벤트의 하단에 결합되어 있고 돌출부 이외의 부분에 양극 탭이 연결되어 있는 구조일 수 있다.

더욱 바람직한 예로서, 상기 전류차단 부재는 돌출부를 중심으로 동심원상으로 3 ~ 5의 관통홀과 상기 관통홀을 연결하며 노치가 형성되어 있는 브릿지가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 전지 내부의 압력이 상승할 때 전류차단 부재로부터 더욱 용이하게 분리되어 전류차단 부재로부터 안전벤트로의 통전을 차단할 수 있다.

상기 안전벤트는 도전성 소재로서 그것의 단부가 탑 캡의 외주면을 감쌀 수 있도록 변형이 가능한 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 특히 바람직한 소재 로는 높은 전도성과 연성 및 전성을 가진 알루미늄을 들 수 있다.

원통형 이차전지의 형상이 수평 단면상으로 원형이고, 그에 따라, 탑 캡과 안전벤트 역시 대략 원판 구조로 이루어져 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 안전벤트의 단부를 수직으로 절곡한 후 탑 캡의 외주면을 감싸도록 탑 캡 상에 밀착시키는 바, 탑 캡 중 안전벤트가 감싸는 길이는 탑 캡의 반경을 기준으로 대략 5 내지 40%, 바람직하게는 10 내지 30%일 수 있다. 이러한 절곡 부위는 궁극적으로 가스켓에 의해 감싸여 진다.

본 발명에서는 특히 안전벤트와 상단 캡의 계면에 전지 내부의 전해액이 누출되는 것을 방지하고 동시에 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지하기 위한 그루브가 형성되어 있으며, 그러한 그루브는 탑 캡의 외주면에 평행하게 연속된 형태로 이루어져 있다. 이러한 그루브는 다양한 단면 형상이 가능한 바, 예를 들어, 돌기형, 단차형(계단형), 만입형, 또는 이들의 복합형(예를 들어, 톱니형 등)일 수 있다.

또한, 그루브는 안전벤트와 상단 캡의 접촉 계면에 위치하며, 상단 캡을 기준으로 상단 계면과 하단 계면 중 어느 곳에 형성될 수 있으며, 경우에 따라서는 이들 모두에 형성되어도 무방하다. 바람직하게는, 상단 캡의 하단 계면 상에 상단 캡의 일부가 돌출된 형태로서 형성될 수 있다.

안전벤트가 연성 및 전성을 가진 알루미늄 등으로 이루어진 경우, 단부가 상단 캡의 외주면을 감싸도록 안전벤트를 절곡하고 압연하면, 그루브 주위의 안전벤트는 변형되어 그것의 외면에 밀착되게 된다. 따라서, 매우 큰 접촉 계면이 형성 되며, 그로 인해 전지 내부의 전해액이 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있고, 동시에 외부로부터 습기 등이 유입되어 전지 구성요소들을 열화시키는 것을 방지할 수 있으며, 더나아가 상단 캡의 유동을 억제하여 조립과정에서 상단 캡과 안전벤트를 정위치시킴으로써 유동 편차로 인한 불량 발생의 가능성을 방지할 수 있다.

그루브의 크기는 상기와 같은 효과를 발휘할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 안전벤트의 두께, 연성 및 전성 크기 등을 고려하여 적절히 결정될 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 그루브의 높이는 안전벤트의 두께를 기준으로 5 내지 80%일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 50%일 수 있다.

안전벤트의 단부에 의해 탑 캡의 외주면을 감싸는 과정은, 예를 들어, 탑 캡의 외경보다 큰 외경을 가진 안전벤트 상에 탑 캡을 올려 놓고, 안전벤트의 외주면 잉여부분을 수직으로 절곡한 후 탑 캡의 중심축 방향으로 재차 수평 절곡하고 압축(압연)하는 과정을 거치게 된다. 제조공정의 경제성을 위해서는, 양산 공정에서 상기 과정은 연속적으로 진행되는 것이 바람직하다.

반면에, 상기에서와 같은 수직 절곡 및 수평 절곡 과정에서, 탑 캡의 외주면에 대응하는 안전벤트의 단부 부위(A)는 가장 심한 변형을 겪게 된다. 본 출원의 발명자들이 많은 시행착오와 다양한 실험들을 통해 확인한 바로는, 상기 과정이 연속적으로 진행되는 경우에는, 안전벤트의 단부 부위(A)에서 큰 응력(stress)이 집중되고 그로 인해 부분적인 파열이 초래되는 예(즉, 불량률)이 높아짐을 확인하였다.

따라서, 안전벤트의 단부를 상단 캡의 중심축 방향으로 30 내지 60 도의 각 도로 1차 절곡하고, 단부 부위(A)에서의 응력이 분산될 있는 시간의 경과 후, 안전벤트의 단부가 상단 캡의 상단면에 밀착되도록 2차 절곡하고 연속적으로 압축하는 과정을 거치는 것이 바람직하다. 이러한 비연속식 제작과정에 의해 앞서 설명한 바와 같은 불량률이 최소화될 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 안전벤트와 탑 캡의 기계적 결합력을 높이고 더욱 안정적인 전기적 접속 상태를 제공하기 위하여, 안전벤트와 탑 캡의 접촉 계면 중 적어도 한 곳에 용접을 행할 수 있으며, 이러한 용접은 용접부가 전지 외부로 노출되지 않도록 탑 캡 외주면 부근의 계면에서 행할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 종래기술에서는 전지 외부로 노출되는 안전벤트의 최단부를 상단 캡에 용접하는 기술이 제시되어 있지만, 이 경우 용접부가 장기간에 걸쳐 외부 환경에 의해 열화되는 문제점을 가지고 있다. 반면에, 본 발명에서는 용접부가 탑 캡 외주면 부근의 계면 상에 형성되고 궁극적으로 가스켓 등에 의해 밀폐되므로, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지에서 캡 어셈블리 구조가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전지(100)는 캔(200)의 내부에 전극조립체(도시하지 않음)를 삽입하고, 여기에 전해액을 주입하며, 캔(200)의 개방 상단에 캡 어셈블리(400)를 장착함으로써 제조된다.

캡 어셈블리(400)는 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 장착되는 기밀유지용 가스켓(500) 내부에 상단 캡(410)과 내부 압력 강하용 안전벤트(420)가 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 상단 캡(410)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행하고, 돌출부 주변을 따라 캔(200) 내부의 압축 가스가 배출될 수 있는 관통구(412)가 다수 개 형성되어 있다.

안전벤트(420)는 전류가 통하는 박막 구조물로서, 그것의 중앙부는 함몰되어 만입형 중앙부(422)를 형성하고 있고, 중앙부(422)의 상절곡 및 하절곡 부위에는 각각 깊이를 달리하는 2 개의 노치들(424, 426)이 형성되어 있다.

도 2 및 도 3a에서 보는 바와 같이, 노치(424, 426) 중 상부에 형성되는 제 1 노치(424)는 폐곡선을 이루고 있고, 하부에 형성되는 제 2 노치(426)는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있다. 또한, 제 2 노치(426)의 결합력은 제 1 노치(424)의 결합력보다 작게 만들어지므로, 제 2 노치(426) 는 제 1 노치(424)보다 깊게 파여 있다.

캔(200) 내부압력이 임계 압력 이상으로 상승하게 되면, 안전벤트(420)의 제 2 노치(426)가 압력을 견디지 못하고 파단되면서 캔(200) 내부의 가압 가스가 상단 캡(410)의 구멍(412)을 통해 빠져나가게 된다.

이러한 과정에서, 전지 내부의 가스를 방출함과 동시에 전류를 차단하는 전류차단 부재(700)가 안전벤트(420)의 하방에 설치되어 있다. 전류차단 부재(700)는 도전성 판재의 부재로서 보조 가스켓(510)이 설치되어 있다.

도 3b에는 전류차단 부재의 일 예가 도시되어 있다. 전류차단 부재(700)는 측면을 따라 가스가 배출되는 관통구들(710)이 다수 형성되어 있고, 중앙에는 상향 돌출된 돌출부(720)가 형성되어 있으며, 돌출부(720)를 중심으로 동심원 상으로 3 개의 관통홀(730)과, 관통홀(730)을 연결하는 3 개의 브릿지(740)가 대칭적으로 형성되어 있다. 브릿지(740)에는 노치(750)가 형성되어 있어서, 전지 내부에의 압력 상승으로 인해 가압 가스가 안전벤트(도 2: 420)에 가해질 때, 만입형 중앙부(422)가 들어 올려지면서 만입형 중앙부(422)에 용접되어 있는 돌출부(720)는 노치(750)가 절취되면서 전류차단 부재(700)의 본체로부터 분리되게 된다.

다시 도 2를 참조하면, 안전벤트(420)의 단부(428)는 상단 캡(410)의 외주면(414)를 감싸고 있으며, 상단 캡(410)의 하단면에는 그루브(416)가 형성되어 있다. 상기 부위의 더욱 자세한 구조를 확인하기 위한 부위 B의 확대도가 도 4에 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 안전벤트(420)는 상단 캡(410)의 외주면(414)를 완전히 감쌀 수 있도록, 그것의 단부(428)가 상단 캡 외주면(414)의 형상에 따라 절곡된 후 상단 캡(410)의 상단면에 밀착되어 있다. 또한, 상단 캡(410)과 안전벤트(420)의 계면 중, 상단 캡(410)의 하단 계면에는 돌기형의 그루브(416)가 돌출되어 있고, 안전벤트(420)의 해당 부위는 밀착된 계면을 형성할 수 있도록 변형되어 있다. 따라서, 진동 등의 외력이 가해지더라도 상단 캡(410)과 안전벤트(420)의 접촉면이 안정적으로 유지되어 접촉 저항의 증가를 억제할 수 있고, 큰 계면적에 의해 전해액의 누출 등을 방지할 수 있으며, 상단 캡(410)과 안전벤트(420)의 결합력을 높여 이들의 상대적인 유동을 억제함으로써, 안전벤트(420)의 하단에 전류 차단 부재(도 2의 700)를 정위치에서 용접하여 결합시킬 수 있으므로, 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지할 수 있다.

또한, 더욱 높은 기계적 체결력과 전기적 접속 상태를 제공할 수 있도록, 상단 캡(410)의 상단 계면에는 외주면(414)에 인접하여 용접부(600)가 형성되어 있으며, 이러한 용접부(600)는 가스켓(500)에 의해 밀폐되므로 장기간의 사용시에는 외부 물질로부터의 열화를 억제할 수 있다.

도 5a 및 5b에는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 상단 캡과 안전벤트의 계면 구조가 수직 단면상으로 도시되어 있다.

우선 도 5a를 참조하면, 상단 캡(410)의 하단면에는 톱니형 그루브(416a)가 형성되어 있고, 안전벤트(420)의 상단면은 그에 대응하여 변형됨으로써 밀착되어 있다.

도 5b를 참조하면, 상단 캡(410)의 단부 상단면 단부에는 돌기형 그루브(416b)가 형성되어 있어서 전체적으로 단차를 이루며, 안전벤트(420)의 하단면은 그에 대응하여 변형됨으로써 밀착되어 있다.

도 5a 및 도 5b의 그루브들(416a, 416b)은 형상의 차이에도 불구하고 상단 캡(410)과 안전벤트(420)의 접촉 계면적을 크게 함으로써, 안정적인 전기적 접속과 우수한 밀봉성을 제공한다는 점에서 공통점을 갖는다.

도 6a 및 도 6b에는 도 2의 캡 어셈블리의 제조과정에서 탑 캡의 외주면을 안전벤트의 단부로 감싸는 과정이 평면도 및 수직단면도로서 모식적으로 도시되어 있다.

우선 도 6a를 참조하면, 탑 캡(410)의 외경(R_t)보다 큰 외경(R_s)을 가진 안전벤트(420) 위에 탑 캡(410)을 올려 놓는다. 외경의 차이로 인한 안전벤트(410)의 잉여부, 즉, 단부(428)는 탑 캡(410)의 외주면(414)을 감싸면서 탑 캡(410)의 중심축(C) 방향으로 절곡되어 밀착된다.

이러한 절곡 과정은 비연속적으로 진행된다. 즉, 도 6b에서와 같이, 판상의 안전벤트(420)의 단부(428)를, 탑 캡(410)의 중심축 방향에 대한 각도()가 30 내지 60 도, 바람직하게는 40 내지 50 도가 되도록, 1차 절곡하는 과정(S1)과, 그와 같이 절곡된 단부(428)가 탑 캡(410)의 상단에 밀착되도록 2차 절곡한 후 압축하는 과정(S2)이 비연속적으로 진행된다. 1차 절곡 과정(S1)과 2차 절곡 과정(S2)의 시간 차는 절곡시 응력이 집중되는 절곡 부위(A)로부터 응력이 그것의 주변 부위로 분산될 수 있는 정도의 경시적 시간 차를 의미한다. 이러한 비연속적 절곡에 의해 절곡 부위(A)의 파단 가능성을 크게 줄일 수 있다.

이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

Ni을 도금한 SPCE(냉간압연강판)을 사용하여 상단 캡을 제작하고, 알루미늄 판(Al1050-H24)을 사용하여 안전벤트 및 도 3a 및 3b와 같은 구조의 전류차단 부재를 각각 제작하였다. 상단 캡의 하단면에는 상단 캡과 동심원 상으로 연속적인 폭 0.6 mm 및 높이 0.04 mm의 그루브를 형성하였다.

안전벤트는 16 mm의 외경과 0.3 mm의 두께를 가지는 판재로서, 그것의 상절곡 부위를 형성하는 제 1 노치는 10 mm의 직경과 0.13 mm의 두께로, 하절곡 부위를 형성하는 제 2 노치는 4 mm의 직경과 0.09 mm의 두께로 만들었다. 전류차단 부재는 11 mm의 외경과 0.5 mm의 두께를 가지는 판재로서, 직경 3 mm의 가스 배출구 6 개를 방사상으로 천공하였으며, 중앙에 Half-blanking 방식으로 직경 2 mm 및 돌출높이 0.2 mm의 돌출부를 형성하였다.

안전벤트는 그것의 반경이 상단 캡의 반경에 비해 1.4 배 정도 크게 제작되었으며, 그로 인한 안전벤트의 잉여부를 도 6b에서와 같이 절곡하여 상단 캡의 외면을 감싼 후 압축하였다. 또한, 상단 캡의 외주면에 인접한 부위에서 상단 캡과 안전벤트의 계면에 레이저 용접을 행하였다.

그와 같은 캡 어셈블리를 사용하여 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이전전지를 제작하였다.

[비교예 1]

상단 캡과 동일한 직경의 안전벤트를 사용하였고, 그에 따라 안전벤트로 상단 캡을 감싸지 않고 단지 밀착시킨 상태에서 용접을 행하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.

[실험예 1]

실시예 1에서 제조된 전지 10 개와 비교예 1에서 제조된 전지 10 개를 도립시킨 상태에서, 15 kgf 까지 셀 내부에 압력을 가하면서 전류차단 부재가 단락되기 전에 전해액이 누출되는 지를 확인하였다. 그 결과가 하기 표 1에 개시되어 있다.

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들에서는 어떠한 경우에는 전해액의 누출(leakage)가 발생하지 않은 반면에, 다수의 비교예 1의 전지들은 전류차단 부재의 단락 전후하여 전해액의 누출이 발생하였다.

[실험예 2]

실시예 1에서 제조된 전지 12 개를 각각 4 A 및 4.2 V로 만충전하고, 8 각형의 드럼에 넣어 66 rpm의 속도로 30 분간 회전시킨 뒤, 임피던스를 측정하였다. 동일한 방법으로 12 개의 전지들을 150 분간 회전시킨 뒤 임피던스를 측정하였다. 드럼 테스트 전과 비교하여 드럼 테스트 후의 임피던스 증가율이 10% 이하이면 우수한 전기적 접속상태를 유지하고 있다고 판단할 수 있다. 실험 결과가 도 7a에 개시되어 있다.

또한, 비교예 1에서 제조된 전지 12 개에 대해 상기와 동일한 방법으로 실험을 반복하여 그 결과를 도 7b에 나타내었다.

이들 도면에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들은 30 분간의 드럼 테스트 이후에도 임피던스의 증가가 매우 적었으며, 150 분간의 드럼 테스트 이후에도 대부분이 10% 이하의 임피던스 증가율을 보임으로써, 외력의 인가시에도 안정적인 전기적 접속상태를 유지할 수 있음을 알 수 있다. 반면에, 비교예 1의 전지들은 30 분간의 드럼 테스트에서는 작은 임피던스 증가를 보였지만 150 분간의 드럼 테스트 이후에는 매우 큰 임피던스 증가율을 보임으로써, 전기적 접속상태가 우수하지 못함을 알 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 고율 충방전을 달성할 수 있고, 또한 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격시 균일한 출력을 제공할 뿐만 아니라 상단 캡의 유동으로 인한 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지할 수 있으며, 그러한 조건에서도 전지 내부의 전해액이 누출되는 것을 억제할 수 있으므로, 고출력 전원으로서 바람직하게 사용될 수 있다.

Claims (9)

1. 전지의 비정상적인 작동으로 인한 내압 상승시 전류를 차단하고 가압 가스를 배출하는 안전벤트가 중앙 돌출형 상단 캡에 접한 구조의 캡 어셈블리를 포함하는 원통형 전지로서, 상기 안전벤트의 단부는 상단 캡의 외주면을 감싸도록 절곡되어 있고, 상기 안전벤트와 상단 캡의 계면에는 전해액의 누출 및 조립과정에서의 불량 발생 가능성을 방지하기 위한 그루브가 상단 캡의 외주면에 평행하게 형성되어 있는 것으로 구성되어 있는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 그루브는 돌기형, 단차형(계단형), 만입형, 또는 이들의 복합형 구조로서, 상단 캡을 기준으로 그것의 상단 계면 및/또는 하단 계면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 그루브는 상단 캡의 하단 계면 상에 상단 캡의 일부가 돌출된 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 그루브의 높이는 안전벤트의 두께를 기준으로 5 내지 80%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 절곡된 안전벤트는 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 상단 캡 중 안전벤트가 감싸는 길이는 상단 캡의 반경을 기준으로 대략 5 내지 40%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서, 상기 안전벤트와 상단 캡의 접촉 계면 중 적어도 한 곳으로서 상단 캡 외주면 부근의 계면에 용접을 행하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 1 항 내지 제 6 항 및 제 8 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 전지는 파워툴용 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 이차전지.

Images