WO2022092566A1 - 이차 전지 - Google Patents

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WO2022092566A1
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notch
cap
opening
diameter
secondary battery
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김대규
이상호
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Samsung SDI Co Ltd
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Samsung SDI Co Ltd
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Priority to US18/247,734 priority patent/US20230378595A1/en
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery.
  • a secondary battery is a battery that can be charged and discharged, unlike a primary battery that cannot be charged.
  • Low-capacity secondary batteries are used in small portable electronic devices such as smart phones, feature phones, notebook computers, digital cameras and camcorders, and high-capacity secondary batteries are batteries for driving motors such as hybrid and electric vehicles and for power storage. etc. are widely used.
  • Such lithium ion secondary batteries may be classified into cylindrical, prismatic, and pouch-type secondary batteries in terms of shape.
  • a cylindrical lithium ion secondary battery generally includes a cylindrical electrode assembly, a cylindrical case to which the electrode assembly is coupled, an electrolyte injected inside the case to enable movement of lithium ions, and one side of the case It is combined with a cap assembly to prevent leakage of electrolyte, and to prevent separation of the electrode assembly.
  • the present invention provides a secondary battery capable of improving safety by easily discharging internal gas.
  • a secondary battery according to the present invention includes an electrode assembly; a case accommodating the electrode assembly; and a cap-up coupled to the upper portion of the case and having an opening, a safety vent installed in the lower portion of the cap-up and having a notch that breaks at a set pressure or higher, and installed in the lower portion of the safety vent and electrically connected to the electrode assembly and a cap assembly including a connected cap down, wherein the notch is exposed through the opening.
  • the area of the opening may include an inner area positioned inside the notch and an outer area positioned outside the notch with respect to the line in which the notch is formed, and the inner area may be larger than the outer area.
  • the inner area may be set to be 55% or more of the total area of the opening.
  • the cap-up may include a terminal part protruding upward, a coupling part positioned on an outer periphery of the terminal part and coupled to the safety vent, and a connection part connecting the terminal part and the coupling part, wherein the opening may be formed in the connection part.
  • the inner area of the opening may be determined by the diameter of the terminal part and the diameter of the notch.
  • the outer area of the opening may be determined by the diameter of the notch and the diameter of the connection part.
  • a diameter of the notch may be greater than a diameter of the terminal part and smaller than a diameter of the connection part.
  • a gas discharge hole located below the notch may be formed in the cap down.
  • a gasket may be further included between the cap assembly and the case.
  • the safety vent notch is exposed through the cap-up opening to rapidly discharge internal gas, thereby improving safety.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a cap assembly in a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are views illustrating an inner area and an outer area of the opening according to the position of the notch.
  • Space-related terms such as “beneath”, “below”, “lower”, “above”, and “upper” refer to an element or feature shown in the drawing It may be used to facilitate understanding of other elements or features. These space-related terms are for easy understanding of the present invention according to various process conditions or usage conditions of the present invention, and are not intended to limit the present invention. For example, if an element or feature in a figure is turned over, an element or feature described as “below” or “below” becomes “above” or “above”. Accordingly, “lower” is a concept encompassing “upper” or "below”.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • a secondary battery 100 may include an electrode assembly 110 , a case 120 , a cap assembly 130 , and a gasket 190 .
  • the electrode assembly 110 includes a first electrode 111 and a second electrode 112 , and a separator 113 interposed between the first electrode 111 and the second electrode 112 .
  • the electrode assembly 110 may be formed by winding a laminate of the first electrode 111 , the separator 113 , and the second electrode 112 in the form of a jelly-roll.
  • the first electrode 111 may act as an anode
  • the second electrode 112 may act as a cathode.
  • a first electrode tab 114 is connected to the cap assembly 130 at an upper portion of the electrode assembly 110
  • a second electrode tab 115 is connected to the lower surface plate 122 of the case 120 at a lower portion of the electrode assembly 110 .
  • the first electrode 111 is formed by coating a first electrode active material such as a transition metal oxide on a first electrode current collector formed of a metal foil such as aluminum. A first electrode uncoated region to which the first electrode active material is not applied is formed on the first electrode 111 , and a first electrode tab 114 is attached to the first electrode uncoated region. One end of the first electrode tab 114 is electrically connected to the first electrode 111 , and the other end protrudes above the electrode assembly 110 to be electrically connected to the cap assembly 130 .
  • a first electrode active material such as a transition metal oxide
  • a metal foil such as aluminum
  • the second electrode 112 is formed by coating a second electrode active material such as graphite or carbon on a second electrode current collector formed of a metal foil such as copper or nickel.
  • a second electrode uncoated region to which the second electrode active material is not applied is formed on the second electrode 112 , and a second electrode tab 115 is attached to the second electrode uncoated region.
  • One end of the second electrode tab 115 is electrically connected to the second electrode 112 , and the other end protrudes below the electrode assembly 110 to be electrically connected to the lower surface plate 122 of the case 120 .
  • the separator 113 is positioned between the first electrode 111 and the second electrode 112 to prevent a short circuit and to enable movement of lithium ions.
  • the separator 113 may be made of polyethylene, polypropylene, or a composite film of polyethylene and polypropylene.
  • the case 120 includes a side plate 121 that is a cylindrical body having a predetermined diameter to form a space in which the electrode assembly 110 is accommodated, and a lower plate 122 that seals the lower portion of the side plate 121 .
  • the upper opening of the case 120 is opened to seal after the electrode assembly 110 is inserted.
  • a beading portion 123 for preventing the electrode assembly 110 from flowing is formed on the upper portion of the case 120 .
  • a crimping part 124 for fixing the cap assembly 130 and the gasket 190 is formed at the uppermost end of the case 120 .
  • the crimping part 124 has a gasket 190 interposed therein and is formed to press the cap assembly 130 , and serves to prevent separation of the cap assembly 130 and leakage of the electrolyte.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a cap assembly in a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the cap assembly 130 includes a cap-up 140 , a safety vent 150 , an insulator 160 , and a cap-down 170 . can do.
  • the cap-up 140 is formed in a circular plate body, and includes a terminal part 141 convexly formed in the center, a coupling part 142 positioned on the outer periphery of the terminal part 141, and a coupling part with the terminal part 141 . and a connecting portion 143 connecting the 142 .
  • the terminal part 141 protrudes upward compared to the coupling part 142 , and serves as a terminal electrically connected to an external circuit.
  • the terminal part 141 is electrically connected to the first electrode tab 114 and may, for example, act as an anode.
  • the coupling part 142 is located on the outer periphery of the terminal part 141 , and the safety vent 150 is coupled to the coupling part 142 .
  • the vent extension part 153 of the safety vent 150 is coupled to the upper portion of the coupling part 142 .
  • the connection part 143 connects the terminal part 141 and the coupling part 142 , and an opening 143a is formed in the connection part 143 .
  • a plurality of openings 143a may be formed in the connection part 143 , and provide a path through which gas generated inside the case 120 may be discharged. Also, a portion of the opening 143a may extend to the terminal portion 141 and the coupling portion 142 . In some examples, when the opening 143a extends to the terminal part 141 , the diameter of the terminal part 141 decreases and the area occupied by the opening 143a increases.
  • the safety vent 150 is formed of a circular plate body corresponding to the cap-up 140 , and is coupled to a lower portion of the cap-up 140 .
  • a protrusion 151 protruding downward is formed in the center of the safety vent 150 .
  • the safety vent 150 is electrically connected to the sub-plate 175 fixed to the lower surface of the cap down 170 using the protrusion 151 penetrating the through hole 171 of the cap down 170 .
  • the protrusion 151 of the safety vent 150 and the sub-plate 175 may be welded by laser welding, ultrasonic welding, resistance welding, or an equivalent method thereof.
  • a notch 152 guiding the breakage of the safety vent 150 is formed on the outer periphery of the protrusion 151 .
  • the safety vent 150 discharges the internal gas while blocking the current when an abnormal internal pressure occurs inside the case 120 .
  • the protrusion 151 is formed by the gas discharged through the gas discharge hole 172 of the cap down 170 . As it rises, it is electrically separated from the sub-plate 175 . At this time, the sub-plate 175 is electrically separated from the safety vent 150 while the welded portion of the protrusion 151 is torn.
  • the safety vent 150 when the internal pressure of the case 120 is greater than or equal to a breaking pressure higher than the operating pressure of the safety vent 150 , the notch 152 is broken to prevent explosion of the secondary battery 100 .
  • the safety vent 150 may be formed of aluminum (Al).
  • the notch 152 may be formed in a circular shape along the outer periphery of the safety vent 150 .
  • the notch 152 may be positioned at a position corresponding to the opening 143a formed in the cap-up 140 , that is, below the opening 143a and exposed to the outside through the opening 143a . That is, the notch 152 may be visually confirmed through the opening 143a from the outside of the secondary battery 100 .
  • the opening 143a is positioned on the upper portion of the notch 152 , when the notch 152 is broken by the internal gas, the gas may be rapidly discharged through the opening 143a.
  • the safety vent 150 is installed in close contact with the coupling portion 142 at the lower portion of the cap-up 140 .
  • the edge of the safety vent 150 is formed to surround the cap-up 140 and extend to the upper portion of the cap-up 140 .
  • a portion extending upwardly of the cap-up 140 is defined as a vent extension portion 153 .
  • the safety vent 150 may be fixed to the cap-up 140 by welding the upper portion of the vent extension part 153 .
  • the insulator 160 is interposed between the safety vent 150 and the cap down 170 to insulate the safety vent 150 and the cap down 170 .
  • the insulator 160 is formed in a ring shape and is interposed between the outer periphery of the safety vent 150 and the outer periphery of the cap down 170 .
  • the insulator 160 may be formed of a resin material such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), or the like.
  • the cap down 170 is formed in a circular plate body.
  • a through hole 171 is formed in the center of the cap down 170 , and the protrusion 151 of the safety vent 150 passes through the through hole 171 .
  • a gas discharge hole 172 is formed at one side of the cap down 170 , and a sub-plate 175 is coupled to the lower portion of the cap down 170 .
  • the gas discharge hole 172 serves to discharge the internal gas when excessive internal pressure is generated inside the case 120 .
  • the protrusion 151 of the safety vent 150 may be raised by the gas discharged through the gas discharge hole 172 , and the protrusion 151 may be separated from the sub-plate 175 .
  • the sub-plate 175 is welded between the protrusion 151 of the safety vent 150 passing through the through-hole 171 of the cap down 170 and the first electrode tab 114 . Accordingly, the sub-plate 175 may electrically connect the first electrode tab 114 and the safety vent 150 .
  • the gas discharge hole 172 may be formed at a position corresponding to the portion in which the notch 152 of the safety vent 150 is formed. Accordingly, a path through which the gas is discharged can be shortened, and thus the gas can be easily discharged.
  • the gasket 190 is installed in the upper opening of the case 120 . That is, the gasket 190 is assembled in close contact between the outer periphery of the cap-up 140 and the safety vent 150 and the upper opening of the case 120 .
  • the gasket 190 may be formed of a resin material such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), or the like.
  • the gasket 190 may electrically insulate between the case 120 and the cap assembly 130 .
  • 3 and 4 are views illustrating an inner area and an outer area of the opening according to the position of the notch.
  • the opening ( The area of 143a may be divided into an inner area S1 positioned inside the notch 152 and an outer area S2 positioned outside the notch 152 based on the line on which the notch 152 is formed.
  • the area of the opening 143a has no inner area and no outer surface. It is made of only the area S2'. That is, the ratio of the inner area to the area of the opening 143a is 0%, and the ratio of the outer area S2' is 100%.
  • the inner area S1 of the opening 143a may be determined by the diameter D1 of the terminal 141 of the cap-up 140 and the diameter D2 of the notch 152 .
  • the outer area S2 may be determined by the diameter D2 of the notch 152 and the diameter of the connection part 143 .
  • the diameter D2 of the notch 152 is larger than the diameter D1 of the terminal portion 141 and smaller than the diameter of the connection portion 143 .
  • the inner area S1 may increase as the difference between the diameter D1 of the terminal part 141 and the diameter D2 of the notch 152 increases. Also, as the inner area S1 of the opening 143a increases, that is, as the diameter D2 of the notch 152 increases, the gas inside the secondary battery 100 may be discharged to the outside more quickly.
  • thermal diffusion test Passive Propagation Resistance test
  • the thermal diffusion test uses multiple secondary batteries to conduct a thermal runaway event in one cell (secondary battery) in an EV/ESS/E-bike constituting a module or pack, which can cause a chain ignition by propagating thermal diffusion to adjacent cells. It is a thermal safety evaluation method that evaluates the degree of influence.
  • Comparative Example 1 when the notch diameter D2 is smaller than the terminal diameter D1 and the ratio of the inner area S1 is 0%, all 10 secondary batteries are ignited and a NG determination is received.
  • the notch diameter D2 is located inside the opening 143a, and the gas discharged through the notch 142 collides with the terminal part 141, so it is not easy to release the internal gas, so the side of the secondary battery bursts and ignites do.
  • the notch diameter (D2) and the terminal diameter (D1) were the same, and when the ratio of the inner area (S1) was 0%, 6 of the 10 secondary batteries were ignited and received a NG determination.
  • the ratio of the inner area S1 of the opening 143a is 55% or more, the gas generated inside the secondary battery 100 is rapidly discharged through the opening 143a, It can be seen that the thermal diffusion propagation to the secondary battery 100 can be prevented.
  • the present invention relates to a secondary battery.

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Abstract

본 발명은 내부 가스를 용이하게 방출하여 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지에 관한 것이다. 일례로, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및 상기 케이스의 상부에 결합되며, 오프닝이 형성된 캡 업과, 상기 캡 업의 하부에 설치되며 설정 압력이상에서 파단되는 노치가 형성된 안전 벤트와, 상기 안전 벤트의 하부에 설치되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결된 캡 다운을 포함하는 캡 조립체;를 포함하고, 상기 노치는 상기 오프닝을 통해 노출되는 것을 특징으로 하는 이차 전지를 개시한다.

Description

이차 전지
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 스마트폰, 피처폰, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량의 이차 전지는 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원 및 전력 저장용 전지 등으로 널리 사용되고 있다. 이러한 리튬 이온 이차 전지는 형태에 있어서 원통형, 각형 및 파우치형의 이차 전지로 분류될 수 있다.
구체적으로, 원통형 리튬 이온 이차 전지는 일반적으로 원기둥 형태의 전극 조립체와, 전극 조립체가 결합되는 원통 형태의 케이스와, 케이스의 내측에 주액되어 리튬 이온의 이동이 가능하도록 하는 전해액과, 케이스의 일측에 결합되어 전해액의 누액을 방지하고, 전극 조립체의 이탈을 방지하는 캡 조립체 등으로 이루어진다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명은 내부 가스를 용이하게 방출하여 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 의한 이차 전지는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및 상기 케이스의 상부에 결합되며, 오프닝이 형성된 캡 업과, 상기 캡 업의 하부에 설치되며 설정 압력이상에서 파단되는 노치가 형성된 안전 벤트와, 상기 안전 벤트의 하부에 설치되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결된 캡 다운을 포함하는 캡 조립체;를 포함하고, 상기 노치는 상기 오프닝을 통해 노출되는 것을 특징으로 한다.
상기 오프닝의 면적은 상기 노치가 형성된 라인을 기준으로 노치의 내측에 위치하는 내측면적과, 노치의 외측에 위치하는 외측면적을 포함하며, 상기 내측면적은 상기 외측면적보다 넓을 수 있다.
상기 내측면적은 상기 오프닝 전체 면적의 55% 이상으로 설정될 수 있다.
상기 캡 업은 상부로 돌출된 단자부와, 상기 단자부의 외주연에 위치하며 상기 안전 벤트와 결합되는 결합부 및 상기 단자부와 상기 결합부를 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 오프닝은 상기 연결부에 형성될 수 있다.
상기 오프닝의 내측면적은 상기 단자부의 지름과 상기 노치의 지름에 의해 결정될 수 있다.
상기 오프닝의 외측면적은 상기 노치의 지름과 상기 연결부의 지름에 의해 결정될 수 있다.
상기 노치의 지름은 상기 단자부의 지름보다 크고 상기 연결부의 지름보다 작을 수 있다.
상기 캡 다운에는 상기 노치의 하부에 위치한 가스 배출공이 형성될 수 있다.
상기 캡 조립체와 상기 케이스 사이에 위치한 가스켓을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 안전 벤트의 노치가 캡 업의 오프닝을 통해 노출되어 내부 가스를 신속히 방출하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 캡 조립체를 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4는 노치의 위치에 따른 오프닝의 내측면적과 외측면적을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 케이스(120), 캡 조립체(130) 및 가스켓(190)을 포함할 수 있다.
전극 조립체(110)는 제1전극(111)과 제2전극(112) 및 상기 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에 개재된 세퍼레이터(113)를 포함한다. 전극 조립체(110)는 제1전극(111), 세퍼레이터(113) 및 제2전극(112)의 적층제를 젤리-롤 형태로 권취하여 형성할 수 있다. 여기서, 제1전극(111)은 양극으로서 작용할 수 있으며, 제2전극(112)은 음극으로서 작용할 수 있다. 전극 조립체(110)의 상부에는 제1전극탭(114)이 캡 조립체(130)와 연결되고, 하부에는 제2전극탭(115)이 케이스(120)의 하면판(122)에 연결된다.
제1전극(111)은 알루미늄과 같은 금속 포일로 형성된 제1전극 집전체에 전이금속산화물 등의 제1전극 활물질을 도포함으로써 형성된다. 상기 제1전극(111)에는 제1전극 활물질이 도포되지 않은 제1전극 무지부가 형성되며, 상기 제1전극 무지부에는 제1전극탭(114)이 부착된다. 제1전극탭(114)의 일단은 제1전극(111)에 전기적으로 연결되며, 타단은 전극 조립체(110)의 상부로 돌출되어 캡 조립체(130)와 전기적으로 연결된다.
제2전극(112)은 구리 또는 니켈과 같은 금속 포일로 형성된 제2전극 집전체에 흑연 또는 탄소 등의 제2전극 활물질을 도포함으로써 형성된다. 제2전극(112)에는 제2전극 활물질이 도포되지 않은 제2전극 무지부가 형성되며, 상기 제2전극 무지부에는 제2전극탭(115)이 부착된다. 제2전극탭(115)의 일단은 제2전극(112)에 전기적으로 연결되며, 타단은 전극 조립체(110)의 하부로 돌출되어 케이스(120)의 하면판(122)과 전기적으로 연결된다.
세퍼레이터(113)는 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 한다. 상기 세퍼레이터(113)는 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다.
케이스(120)는 상기 전극 조립체(110)가 수용되는 공간이 형성되도록 일정 직경을 갖는 원통체인 측면판(121)과, 측면판(121)의 하부를 밀폐하는 하면판(122)을 포함한다. 케이스(120)의 상단 개구부는 전극 조립체(110)를 삽입한 후에 밀폐하도록 개방되어 있다. 또한, 케이스(120)의 상부에는 전극 조립체(110)의 유동을 방지하기 위한 비딩부(123)가 형성된다. 그리고 케이스(120)의 최상단부에는 캡 조립체(130)와 가스켓(190)을 고정하기 위한 크림핑부(124)가 형성된다. 크림핑부(124)는 내측에 가스켓(190)이 개재되며 캡 조립체(130)를 압박하도록 형성되어, 캡 조립체(130)의 이탈 및 전해액의 누출을 방지하는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 캡 조립체를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 캡 조립체(130)는 캡 업(Cap-up)(140), 안전 벤트(Safety Vent)(150), 인슐레이터(160) 및 캡 다운(Cap-down)(170)을 포함할 수 있다.
캡 업(140)은 원형의 판체로 형성되며, 중앙에 상부로 볼록하게 형성된 단자부(141)와, 상기 단자부(141)의 외주연에 위치한 결합부(142) 및 상기 단자부(141)와 결합부(142)를 연결하는 연결부(143)를 포함한다.
단자부(141)는 결합부(142)에 비해 상부로 돌출되어, 외부 회로와 전기적으로 접속하는 단자 역할을 한다. 단자부(141)는 제1전극탭(114)과 전기적으로 연결되며, 예를 들어, 양극으로 작용할 수 있다. 결합부(142)는 단자부(141)의 외주연에 위치하며, 결합부(142)에는 안전 벤트(150)가 결합된다. 결합부(142)의 상부에는 안전 벤트(150)의 벤트 연장부(153)가 결합된다. 연결부(143)는 단자부(141)와 결합부(142)를 연결하며, 상기 연결부(143)에는 오프닝(143a)이 형성된다. 오프닝(143a)은 연결부(143)에 다수개가 형성될 수 있으며, 케이스(120) 내부에서 발생되는 가스가 배출될 수 있는 경로를 제공한다. 또한, 오프닝(143a)의 일부는 단자부(141) 및 결합부(142)로 연장될 수 있다. 일부 예에서, 오프닝(143a)이 단자부(141)로 연장되면, 단자부(141)의 직경이 줄어들고 오프닝(143a)이 차지하는 면적이 커지게 된다.
안전 벤트(150)는 캡 업(140)과 대응되는 원형의 판체로 형성되며, 캡 업(140)의 하부에 결합된다. 안전 벤트(150)의 중앙에는 하부 방향으로 돌출된 돌출부(151)가 형성된다. 이러한 안전 벤트(150)는 캡 다운(170)의 관통홀(171)을 관통하는 돌출부(151)를 이용하여, 캡 다운(170)의 하면에 고정된 서브 플레이트(175)와 전기적으로 연결된다. 여기서, 안전 벤트(150)의 돌출부(151)와 서브 플레이트(175)는 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 또는 이의 등가방법으로 용접될 수 있다.
또한, 돌출부(151)의 외주연에는 안전 벤트(150)의 파단을 안내하는 노치(152)가 형성된다. 안전 벤트(150)는 케이스(120)의 내부에서 이상 내압 발생시 전류를 차단하면서 내부 가스를 배출시킨다. 안전 벤트(150)는 케이스(120)의 내압이 안전 벤트(150)의 작동 압력 이상이 되면, 캡 다운(170)의 가스 배출공(172)을 통해 배출되는 가스에 의해 돌출부(151)가 상부로 상승하면서, 서브 플레이트(175)와 전기적으로 분리된다. 이때, 서브 플레이트(175)는 돌출부(151)의 용접된 부분이 찢어지면서 안전 벤트(150)와 전기적으로 분리된다. 그리고, 안전 벤트(150)는 케이스(120)의 내압이 안전 벤트(150)의 작동 압력보다 높은 파단 압력 이상이 되면, 노치(152)가 파단되어 이차 전지(100)의 폭발을 방지할 수 있다. 이러한 안전 벤트(150)는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다.
노치(152)는 안전 벤트(150)의 외주연을 따라서 원형으로 형성될 수 있다. 또한, 노치(152)는 캡 업(140)에 형성된 오프닝(143a)과 대응되는 위치 즉, 오프닝(143a)의 하부에 위치하여 오프닝(143a)을 통해 외부로 노출될 수 있다. 즉, 이차 전지(100)의 외부에서 오프닝(143a)을 통해 노치(152)를 육안으로 확인할 수 있다. 또한, 노치(152)의 상부에 오프닝(143a)이 위치하므로, 내부 가스에 의해 노치(152)가 파단되었을 때, 가스가 오프닝(143a)을 통해 신속하게 방출될 수 있다.
안전 벤트(150)는 캡 업(140)의 하부에서 결합부(142)에 밀착되게 설치된다. 또한, 안전 벤트(150)의 가장자리는 상기 캡 업(140)을 감싸며 캡 업(140)의 상부로 연장되어 형성된다. 여기서, 상기 캡 업(140)의 상부로 연장된 부분을 벤트 연장부(153)라고 정의한다. 일부 예에서, 벤트 연장부(153)의 상부를 용접하여, 안전 벤트(150)를 캡 업(140)에 고정시킬 수 있다.
인슐레이터(160)는 안전 벤트(150)와 캡 다운(170) 사이에 개재되어, 안전 벤트(150)와 캡 다운(170) 사이를 절연시킨다. 구체적으로, 인슐레이터(160)는 링 형태로 형성되어, 안전 벤트(150)의 외주연과 캡 다운(170)의 외주연 사이에 개재된다. 이러한 인슐레이터(160)는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 수지재질로 형성될 수 있다.
캡 다운(170)은 원형의 판체로 형성된다. 캡 다운(170)의 중앙에는 관통홀(171)이 형성되며, 상기 관통홀(171)에는 안전 벤트(150)의 돌출부(151)가 관통한다. 또한, 캡 다운(170)의 일측에는 가스 배출공(172)이 형성되며, 캡 다운(170)의 하부에는 서브 플레이트(175)가 결합된다. 상기 가스 배출공(172)은 케이스(120)의 내부에서 과도한 내압 발생시 내부 가스를 배출시키는 역할을 한다. 이때, 가스 배출공(172)을 통해 배출되는 가스에 의해 안전 벤트(150)의 돌출부(151)가 상승되어, 돌출부(151)는 서브 플레이트(175)와 분리될 수 있다. 서브 플레이트(175)는 캡 다운(170)의 관통홀(171)을 관통하는 안전 벤트(150)의 돌출부(151)와 제1전극탭(114) 사이에 용접된다. 이에 따라, 서브 플레이트(175)는 제1전극탭(114)과 안전 벤트(150)를 전기적으로 접속시킬 수 있다. 일부 예에서, 가스 배출공(172)은 상기 안전 벤트(150)의 노치(152)가 형성된 부분과 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 이에 따라, 가스가 배출되는 경로를 짧게 형성하여, 가스 배출을 용이하게 할 수 있다.
가스켓(190)은 케이스(120)의 상단 개구부에 설치된다. 즉, 가스켓(190)은 캡 업(140) 및 안전 벤트(150)의 외주연과, 케이스(120)의 상단 개구부 사이에 밀착되어 조립된다. 가스켓(190)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 수지재질로 형성될 수 있다. 이러한 가스켓(190)은 케이스(120)와 캡 조립체(130) 사이를 전기적으로 절연시킬 수 있다.
도 3 및 도 4는 노치의 위치에 따른 오프닝의 내측면적과 외측면적을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지(100)는 안전 벤트(150)의 노치(152)가 캡 업(140)의 오프닝(143a)을 통해 노출되므로, 캡 업(140)의 오프닝(143a)의 면적을 노치(152)가 형성된 라인을 기준으로 노치(152)의 내측에 위치하는 내측면적(S1)과 노치(152)의 외측에 위치하는 외측면적(S2)으로 구분할 수 있다. 일부 예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 노치(152)가 오프닝(143a)을 통해 노출되지 않고 단자부(141)의 하부에 위치하게 되면, 오프닝(143a)의 면적은 내측면적은 없고, 외측면적(S2')으로만 이루어지게 된다. 즉, 오프닝(143a)의 면적 중 내측면적의 비율은 0%이고, 외측면적(S2')의 비율은 100%이다.
다시 도 3을 참조하면, 오프닝(143a)의 내측면적(S1)은 캡 업(140)의 단자부(141) 지름(D1)과 노치(152)의 지름(D2)에 의해 결정될 수 있다. 외측면적(S2)은 노치(152)의 지름(D2)과 연결부(143)의 지름에 의해 결정될 수 있다. 본 발명에서, 노치(152)의 지름(D2)은 단자부(141) 지름(D1)보다 크고, 연결부(143)의 지름보다 작게 이루어진다.
일부 예에서, 내측면적(S1)은 단자부(141)의 지름(D1)과 노치(152)의 지름(D2)의 차가 클수록 커질 수 있다. 또한, 오프닝(143a)의 내측면적(S1)이 넓을 수록, 즉, 노치(152)의 지름(D2)이 커질 수록, 이차 전지(100)의 내부 가스가 외부로 더 빠르게 방출될 수 있다.
오프닝(143a)의 내측면적(S1)과 외측면적(S2)의 비율에 따른 이차 전지(100)의 안전성을 평가하기 위해, 열확산 테스트(PPR test: Passive Propagation Resistance test)를 실시하였다. 열확산 테스트는 다수의 이차 전지를 사용하여 모듈 또는 팩을 구성하는 EV/ESS/E-bike 등 에서 한 셀(이차 전지)의 열폭주 이벤트 발생으로 인해 인접한 주변 셀에 열확산 전파되어 연쇄 발화될 수 있는 영향도를 평가하는 열 안전성 평가 방법이다.
먼저, 내측면적이 차치하는 비율이 각기 다른 이차 전지를 각각 10개씩 준비하고, 동일한 내측면적을 갖는 이차 전지끼리 하나의 배터리 팩을 형성한다. 다음으로, 각 배터리 팩 별로 열확산 테스트를 실시하고, 그 결과를 표 1에 도시하였다.
구분 단자부 지름(mm) 노치 지름(mm) 외측면적 내측면적 전체 면적(mm2) PPR결과
비율 비율
비교예1 9 8 8.33 0 8.33 NG
10/10
100% 0%
비교예2 9 9 8.33 0 8.33 NG
6/10
100% 0%
비교예3 9 10 5.1 3.23 8.33 NG
4/10
61% 39%
비교예4 8.5 10 5.1 4.75 9.85 NG
2/10
52% 48%
실시예1 8 10 5.1 6.19 11.29 OK
10/10
45% 55%
실시예2 7.5 10 5.1 7.38 12.48 OK
10/10
41% 59%
실시예3 6.5 10 5.1 9.49 14.59 OK
10/10
35% 65%
실시예4 4.85 10 5.1 11.41 16.51 OK
10/10
31% 69%
먼저, 비교예1을 살펴보면, 노치 지름(D2)이 단자부 지름(D1)보다 작은 경우로 내측면적(S1)의 비율이 0%일 때, 10개의 이차 전지 모두 발화되어 NG 판정을 받았다. 비교예1에서 노치 지름(D2)이 오프닝(143a)의 내측에 위치하여 노치(142)를 통해 배출되는 가스가 단자부(141)에 부딪혀 내부 가스 방출이 용이하지 않아 이차 전지의 측면이 터지면서 발화된다. 비교예2는 노치 지름(D2)과 단자부 지름(D1)이 같은 경우로 내측면적(S1)의 비율이 0%일 때, 10개의 이차 전지 중 6개가 발화되어 NG 판정을 받았다. 비교예3은 노치 지름(D2)이 단자부 지름(D1)보다 크고 내측면적(S1)의 비율이 39%일 때, 10개의 이차 전지 중 4개가 발화되어 NG 판정을 받았다. 비교예4는 노치 지름(D2)이 단자부 지름(D1)보다 크고 내측면적(S1)의 비율이 48%일 때, 10개의 이차 전지 중 2개가 발화되어 NG 판정을 받았다. 다음으로, 실시예1을 살펴보면, 노치 지름(D2)이 단자부 지름(D1)보다 크고 내측면적(S1)의 비율이 55%일 때, 10개의 이차 전지 모두 OK 판정을 받았다. 실시예2 내지 실시예4는 노치 지름(D2)이 단자부 지름(D1)보다 크고 내측면적(S1)의 비율이 각각 59%, 65%, 69%일 때, 10개의 이차 전지 모두 OK 판정을 받았다.
상기와 같이, 오프닝(143a)의 내측면적(S1)의 비율이 55% 이상이면, 이차 전지(100)의 내부에서 발생된 가스를 오프닝(143a)을 통해 신속히 방출하여, 내부 가스 발생에 따른 인접한 이차 전지(100)로의 열확산 전파를 방지할 수 있는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.

Claims (9)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 케이스의 상부에 결합되며, 오프닝이 형성된 캡 업과, 상기 캡 업의 하부에 설치되며 설정 압력이상에서 파단되는 노치가 형성된 안전 벤트와, 상기 안전 벤트의 하부에 설치되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결된 캡 다운을 포함하는 캡 조립체;를 포함하고,
    상기 노치는 상기 오프닝을 통해 노출되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오프닝의 면적은 상기 노치가 형성된 라인을 기준으로 노치의 내측에 위치하는 내측면적과, 노치의 외측에 위치하는 외측면적을 포함하며,
    상기 내측면적은 상기 외측면적보다 넓은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 내측면적은 상기 오프닝 전체 면적의 55% 이상으로 설정된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 캡 업은 상부로 돌출된 단자부와, 상기 단자부의 외주연에 위치하며 상기 안전 벤트와 결합되는 결합부 및 상기 단자부와 상기 결합부를 연결하는 연결부를 포함하고,
    상기 오프닝은 상기 연결부에 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 오프닝의 내측면적은 상기 단자부의 지름과 상기 노치의 지름에 의해 결정된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 오프닝의 외측면적은 상기 노치의 지름과 상기 연결부의 지름에 의해 결정된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 노치의 지름은 상기 단자부의 지름보다 크고 상기 연결부의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 다운에는 상기 노치의 하부에 위치한 가스 배출공이 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 조립체와 상기 케이스 사이에 위치한 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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