WO2023140620A1 - 이차전지 - Google Patents

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WO2023140620A1
WO2023140620A1 PCT/KR2023/000886 KR2023000886W WO2023140620A1 WO 2023140620 A1 WO2023140620 A1 WO 2023140620A1 KR 2023000886 W KR2023000886 W KR 2023000886W WO 2023140620 A1 WO2023140620 A1 WO 2023140620A1
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gasket
cap assembly
secondary battery
battery
circumferential surface
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유성훈
성낙기
황규옥
조주현
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LG Energy Solution Ltd
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LG Energy Solution Ltd
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Priority to EP23743466.7A priority patent/EP4276998B1/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, and more particularly, to a secondary battery having a porous member capable of venting gas.
  • the secondary battery is classified into a cylindrical battery and a prismatic battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or prismatic metal can, and a pouch-type battery in which the electrode assembly is embedded in a pouch-type case of an aluminum laminate sheet.
  • the cylindrical battery has the advantage of having a relatively large capacity and structural stability.
  • the electrode assembly embedded in the battery case is a power generating device capable of charging and discharging with a laminated structure of anode/separator/cathode, and is a jelly-roll type in which a separator is interposed between a long sheet-shaped cathode and anode coated with an active material, and a stack type in which a plurality of cathodes and anodes of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween.
  • the jelly-roll type electrode assembly has advantages of being easy to manufacture and having a high energy density per weight.
  • a cylindrical secondary battery is manufactured by accommodating a jelly-roll type electrode assembly in a cylindrical case, injecting an electrolyte solution into the cylindrical case, and then combining a cap having an electrode terminal at an open top of the case.
  • pouch-type secondary batteries, prismatic secondary batteries, etc. remove gas in advance by adding an activation gas discharge process during the gas production step.
  • an activation gas discharge process cannot be used in a cylindrical secondary battery due to structural characteristics of maintaining an airtight seal after injection of an electrolyte.
  • Cylindrical secondary batteries in which activation gas is not separately discharged in the manufacturing stage through an activation gas discharge process may easily increase internal pressure during actual use, which may cause a serious accident such as battery explosion.
  • an object of the present invention is to provide a secondary battery capable of easily removing an activation gas generated inside a battery can in which an electrode assembly is accommodated in the process of activating or using the secondary battery.
  • the electrode assembly a cap assembly including an upper cap plate forming a positive terminal and disposed above the battery can; and a gasket surrounding an edge of the cap assembly and interposed between the battery can and the cap assembly. and a porous member disposed between the cap assembly and the gasket to discharge gas generated in the battery can to the outside.
  • the cap assembly may further include a safety vent coupled to a lower portion of the upper cap plate and protruding downward, and the safety vent may protrude upward and burst when pressure inside the battery can rises above a set pressure.
  • the cap assembly may further include a current blocking element having at least a portion of an upper portion electrically connected to the upper cap plate and a lower portion electrically connected to the electrode assembly, and the current blocking device may block electrical connection with at least one of the upper cap plate and the electrode assembly when the pressure inside the battery can rises above a set pressure.
  • the porous member may be coupled to at least one of an inner circumferential surface of the gasket facing the cap assembly and an outer circumferential surface of the cap assembly facing the gasket.
  • porous member may be additionally interposed on the outer circumferential surface of the gasket facing the battery can.
  • the porous member may be a porous film surrounding the rim of the gasket or cap assembly.
  • the porous member may be a porous coating layer coated on the rim of the gasket or cap assembly.
  • the porous member may be a porous ring extending along the circumference of the gasket and cap assembly.
  • each of the porous film, the porous coating layer, and the porous ring may have a thickness of 0.1 mm to 1.0 mm.
  • the porous member may have a pore size of 0.05 ⁇ m to 5.0 ⁇ m, and an air permeability at 1 kPa of 0.05 cm 3 /cm 2 *s to 10 cm 3 /cm 2 *s.
  • the gasket includes a side support portion facing the side of the cap assembly and a horizontal bent portion extending from upper and lower ends of the side support portion and bent toward the cap assembly to contact upper and lower surfaces of the cap assembly, and at least one porous ring may be disposed between the horizontal bend portion of the gasket and the upper surface of the cap assembly, and between the horizontal bend portion and the lower surface of the cap assembly, respectively.
  • a gas discharge passage communicating with the porous ring may be formed between an inner circumferential surface of the gasket and an outer circumferential surface of the upper cap assembly facing the outer circumferential surface of the upper cap assembly.
  • a venting groove may be formed extending entirely or partially along an inner circumferential surface of the gasket, and the gas discharge passage may be formed between the venting groove and the outer circumferential surface of the upper cap assembly.
  • venting groove extending over the portion may be formed at a predetermined interval along the inner circumferential surface of the gasket.
  • concave portions may be formed along an outer circumferential surface of the cap assembly at a predetermined interval, and the gas discharge passage may be formed between the concave portion and the inner circumferential surface of the gasket.
  • the present invention it is possible to prevent a phenomenon in which the pressure inside the secondary battery increases due to the gas generated in the secondary battery and the outer shape of the battery can is deformed.
  • an accident such as explosion of a secondary battery due to an increase in internal pressure of the secondary battery can be effectively prevented.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view and partial cross-sectional view of a secondary battery of the present invention.
  • FIG. 2 shows a battery can included in the secondary battery of the present invention and a modified example thereof.
  • FIG 3 is a perspective view and a partial cross-sectional view of a cap assembly included in a secondary battery according to the first embodiment of the present invention and a gasket coupled thereto.
  • FIG. 4 is a perspective view and a partial cross-sectional view of a cap assembly included in a secondary battery according to a second embodiment of the present invention and a gasket coupled thereto.
  • FIG. 5 is a perspective view and a partial cross-sectional view of a cap assembly included in a secondary battery according to a third embodiment of the present invention and a gasket coupled thereto.
  • FIG. 6 is a perspective view and a partial cross-sectional view of a porous ring included in a secondary battery according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view and a partial cross-sectional view of a cap assembly included in a secondary battery according to a fourth embodiment of the present invention and a gasket coupled thereto.
  • FIG. 8 is a perspective view and a cross-sectional view of a gasket included in a secondary battery according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view and a partially enlarged view of a secondary battery according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view and a cross-sectional view of a gasket included in a secondary battery according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view and a partially enlarged view of a secondary battery according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of a cap assembly of a secondary battery according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view and a partially enlarged view of a secondary battery according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view and partial cross-sectional view of a secondary battery of the present invention.
  • a secondary battery includes an electrode assembly 200, a battery can 300, a cap assembly 100, and a gasket 120.
  • the electrode assembly 200 is accommodated in the battery can 300 with a positive electrode plate and a negative electrode plate disposed with a separator interposed therebetween.
  • the electrode assembly 200 is also called a jelly-roll because it is wound and arranged in a jelly roll shape.
  • the electrode plates of the electrode assembly 200 are formed as a structure in which an active material slurry is applied to a current collector, and the slurry may be typically formed by stirring an active material, a conductive material, a binder, a plasticizer, etc. in a solvent. In the direction in which the electrode plates are wound, it is preferable that a non-coated portion on which slurry is not applied is present at the beginning and end of the current collector.
  • the positive lead is attached to the upper end of the electrode assembly 200 and electrically connected to the upper cap plate 110
  • the negative lead is attached to the lower end of the electrode assembly 200 and electrically connected to the bottom of the battery can 300.
  • an insulating plate 400 may be disposed on top of the electrode assembly 200 , and the insulating plate 400 serves to insulate between the electrode assembly 200 and the upper cap plate 110 .
  • the battery can 300 is made of a lightweight conductive metal material such as aluminum, stainless steel, or an alloy thereof, and may have a cylindrical structure having an open top portion and a sealed bottom portion opposite thereto.
  • the electrolyte solution is accommodated together with the electrode assembly 200 in the inner space of the battery can 300 .
  • a beading portion 310 for mounting the cap assembly 100 may be formed on an upper portion of the battery can 300 .
  • the beading part 310 is recessed inward between the cap assembly 100 and the electrode assembly 200, and more specifically, the lower end of the cap assembly 100 is seated and fixed on the upper part of the recessed inner surface of the beading part 310, and the upper end of the electrode assembly 200 may be located under the recessed inner surface of the beading part 310.
  • FIG. 2 shows a battery can 300 included in the secondary battery of the present invention and a modified example thereof.
  • a beading portion 310 recessed inwardly on the top of the battery can 300 extends along the circumference of the battery can 300.
  • the battery can 300 of the present invention is not limited thereto, and the beading portion 310 may not be formed in the battery can 300 of the present invention, as shown in FIG. 2(b).
  • a protrusion (not shown) may be formed on the inner surface of the battery can 300 protruding with a certain length so that the cap assembly 100 can be seated thereon.
  • the battery can 300 on which the beading portion 310 is formed will be described as a base.
  • the upper end of the battery can 300 is bent toward the cap assembly 100 to form a crimping portion 320.
  • the crimping part 320 serves to press and fix the upper surface of the cap assembly 100 to prevent the upper cap assembly 100 from escaping to the outside and at the same time serves to completely seal the secondary battery from the outside.
  • the crimping part 320 is formed by pressing the uppermost end of the battery can 300 to cover the upper surface of the gasket 120 surrounding the rim of the upper cap plate 110 .
  • the cap assembly 100 of the present invention is inserted into the battery can 300 and placed on top of the battery can 300 .
  • the cap assembly 100 includes an upper cap plate 110 disposed thereon to form a positive terminal. More specifically, the upper cap plate 110 is disposed in a form protruding upward from the top of the cap assembly 100 and forms a positive terminal. Accordingly, the upper cap plate 110 electrically connects the secondary battery to the outside.
  • the upper cap plate 110 may be formed of a metal material such as stainless steel or aluminum in consideration of strength and conductivity.
  • the upper cap plate 110 has a protruding central portion, and a side surface of the protruding portion has an inclined surface along an edge of the protruding portion.
  • An edge portion of the upper cap plate 110 may be designed to be level with the bottom of the battery can 300, but is not limited thereto.
  • the diameter of the upper cap plate 110 is preferably equal to or slightly smaller than the inner diameter of the battery can 300 so that it can be inserted into the battery can 300 .
  • a gas hole 111 through which gas can be discharged may be formed in the upper cap plate 110 .
  • the gas hole 111 may be formed, for example, on a side surface of a protruding portion of the upper cap plate 110, that is, on an inclined surface.
  • a safety vent 140 blocking an inner space communicating with the gas hole 111 from the electrode assembly 200 may be further provided inside the cap assembly 100 .
  • the safety vent 140 is coupled to the lower portion of the upper cap plate 110 and has a shape protruding downward.
  • the safety vent 140 protrudes upward and ruptures, thereby discharging gas to the outside.
  • Gas generated inside the secondary battery cannot be discharged through the gas hole 111 due to the safety vent 140 in a normal state.
  • the safety vent 140 ruptures to discharge the gas filled therein to the outside, and the explosion of the secondary battery can be prevented.
  • the safety vent 140 is configured to burst when the gas pressure inside the secondary battery increases to a certain level.
  • the cap assembly 100 of the present invention may further include a current blocking element 150 .
  • the current blocking element 150 is a component of the cap assembly 100 in which at least a portion of an upper portion is connected to a lower portion of the safety vent 140 . More specifically, the current blocking element 150 is disposed between the safety vent 140 and the electrode assembly 200 .
  • the current blocking element 150 may block electrical connection with at least one of the upper cap plate 110 and the electrode assembly 200 when the pressure inside the battery can 300 rises above a set pressure. Specifically, in a normal state, the lower protruding part of the safety vent 140 comes into contact with the current blocking element 150, but when internal pressure (gas pressure) increases due to gas generation and the shape of the safety vent 140 is reversed, electrical connection between the current blocking element 150 and the safety vent 140 may be cut off. Also, a lower portion of the current blocking element 150 may be connected to the electrode assembly 200 through an electrode lead 210 . Therefore, in a normal state, the current blocking element 150 allows conduction between the electrode assembly 200 and the safety vent 140 . The current blocking element 150 may be deformed or damaged along with the safety vent 140 due to an increase in internal pressure of the secondary battery, and as a result, electrical connection with the electrode assembly 200 may be cut off.
  • the cap assembly 100 of the present invention may further include a safety element (not shown) provided under the upper cap plate 110 .
  • the safety element is interposed between the upper cap plate 110 and the safety vent 140, and electrically connects the upper cap plate 110 and the safety vent 140.
  • the safety element is to block the flow of current inside the battery due to overheating of the battery, and may be formed of, for example, a PTC element (Positive Temperature Coefficient Element).
  • the gasket 120 surrounds the edge of the cap assembly 100 and is interposed between the battery can 300 and the cap assembly 100.
  • the gasket 120 may be made of a material having electrical insulation, impact resistance, elasticity, and durability, such as polyolefin or polypropylene.
  • the gasket 120 insulates the cap assembly 100 from being electrically connected to the battery can 300 .
  • the gasket 120 prevents the electrolyte stored in the battery can 300 from leaking through a minute gap between the cap assembly 100 and the battery can 300 .
  • the gasket 120 may be largely divided into a side support portion 120a and a horizontal bent portion 120b.
  • the gasket 120 includes a side support portion 120a facing the side of the cap assembly 100 and a horizontal bent portion 120b extending from upper and lower ends of the side support portion 120a and bent toward the cap assembly 100 to contact the upper and lower surfaces of the cap assembly 100.
  • the side support portion 120a of the gasket 120 supports and surrounds the side surface of the cap assembly 100, and the horizontal bent portions 120b extending from the upper and lower ends of the side support portion 120a press the upper and lower surfaces of the rim of the cap assembly 100, respectively, to completely adhere to the cap assembly 100.
  • the porous member 130 is disposed between the gasket 120 and the upper cap plate 110 to discharge gas generated in the battery can 300 to the outside.
  • the porous member 130 includes a porous material to selectively discharge the gas generated inside the secondary battery to the outside.
  • the material of the porous member 130 includes pores, and is made of a material capable of selectively passing only gas while obstructing the flow of liquid through the pores.
  • the porous member 130 may be made of a porous polytetrafluoroethylene (PTFE) material.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the size of the pores of the porous member 130 is designed to be sufficiently small so as to pass only gas such as gas and not pass the electrolyte inside the secondary battery to the outside.
  • the size of the pores is 0.05 to 5.0 ⁇ m
  • the air permeability at 1 kPa is 0.05 to 10 cm 3 / cm 2 *s.
  • the porous member 130 may be independently manufactured in a film shape or a circular ring shape. Alternatively, it may be manufactured by being coated on the surface of another member. More specifically, the porous member 130 of the present invention may be in the form of at least one of a porous film, a porous coating layer, and a porous ring 130a. At this time, the thickness of the porous film, the porous coating layer and the porous ring 130a is preferably 0.1 mm to 1.0 mm, more preferably 0.3 mm to 0.8 mm, respectively.
  • the thickness of the porous member 130 having various shapes is less than 0.1 mm, a large amount of gas cannot be smoothly moved, and when it exceeds 1.0 mm, the sealing force of the liquid electrolyte inside the secondary battery may decrease, and structural stability of the secondary battery may also decrease.
  • the secondary battery of the present invention may have various embodiments depending on the shape, structure, and attachment position of the porous member 130, the gasket 120, and the cap assembly 100.
  • FIG. 3 relates to secondary battery-related configurations according to the first embodiment
  • FIG. 4 relates to secondary battery-related configurations according to the second embodiment
  • FIG. 5 relates to secondary battery-related configurations according to the third embodiment
  • FIGS. 6 and 7 relate to secondary battery-related configurations according to the fourth embodiment
  • FIGS. 8 and 9 relate to secondary battery-related configurations according to the fifth embodiment
  • FIGS. 12 and 13 relate to secondary battery-related configurations according to the seventh embodiment.
  • the porous member 130 included in the secondary battery according to the first embodiment is attached to the surface of the cap assembly 100 and the gasket 120 so as to be interposed between the cap assembly 100 and the gasket 120. It may be a porous film in the form of a film.
  • the porous member 130 is interposed between the gasket 120 and the cap assembly 100 . More specifically, the porous member 130 may be coupled to at least one of an inner circumferential surface of the gasket 120 facing the cap assembly 100 and an outer circumferential surface of the cap assembly 100 facing the gasket 120.
  • the porous member 130 may be attached to and coupled to the inner circumferential surface of the gasket 120 to extend along the circumferential direction of the gasket 120 .
  • the gasket 120 is combined with the rim of the cap assembly 100 in a state where the porous member 130 is attached to the inner circumferential surface.
  • FIG 3 is a perspective view and a partial cross-sectional view of a cap assembly 100 included in a secondary battery according to the first embodiment of the present invention and a gasket 120 coupled thereto.
  • the porous member 130 is interposed between the cap assembly 100 and the gasket 120 . At this time, the cap assembly 100 and the gasket 120 are spaced apart from each other by a predetermined distance by the porous member 130 .
  • the porous member 130 is disposed in contact with the entire inner circumferential surface of the side support portion 120a and the horizontal bent portion 120b of the gasket 120 .
  • the porous member 130 may protrude a predetermined length from the end of the horizontally bent portion 120b of the gasket 120 as shown.
  • the porous member 130 serves as a path for gas to move between the cap assembly 100 and the gasket 120 . That is, the gas generated from time to time in the battery can 300 moves through the porous member 130 interposed between the cap assembly 100 and the gasket 120 and passes through the upper cap plate 110 of the cap assembly 100 and the gasket 120 and is discharged to the outside.
  • the porous member 130 included in the secondary battery according to the second embodiment is additionally formed on the outer circumferential surface of the gasket 120 .
  • the porous member 130 is interposed between the cap assembly 100 and the gasket 120 and between the battery can 300 and the gasket 120, as in the first embodiment.
  • the surface of the cap assembly 100 and the gasket 120 may be attached to the surface of the porous film.
  • the porous member 130 is formed on the outer circumferential surface of the gasket 120 facing the battery can 300 and extends along the circumferential direction of the gasket 120 .
  • FIG. 4 is a perspective view and a partial cross-sectional view of a cap assembly 100 included in a secondary battery according to a second embodiment of the present invention and a gasket 120 coupled thereto.
  • the porous member 130 is attached to the inner and outer circumferential surfaces of the gasket 120, respectively.
  • gas emission efficiency can be further increased. That is, the gas generated from time to time in the battery can 300 moves through the porous member 130 interposed between the cap assembly 100 and the gasket 120 and the porous member 130 interposed between the battery can 300 and the gasket 120, and escapes between the cap assembly 100 and the gasket 120 and between the battery can 300 and the gasket 120, respectively, and is discharged to the outside. It becomes.
  • the porous member 130 included in the secondary battery according to the third embodiment is coated on the gasket 120 or the edge of the cap assembly 100 .
  • the porous member 130 may be coated on the entire surface of the gasket 120 instead of being made of a film and attached to the cap assembly 100 and the gasket 120 in a separate process.
  • FIG 5 is a perspective view and a partial cross-sectional view of a cap assembly 100 included in a secondary battery according to a third embodiment of the present invention and a gasket 120 coupled thereto.
  • the porous member 130 covers the entire surface of the gasket 120 .
  • manufacturing efficiency can be increased.
  • gas generated inside the secondary battery can move through two paths as in the second embodiment, and since the porous member 130 is formed in a wider area than in the second embodiment, gas discharge efficiency can be improved.
  • the porous member 130 of the present invention may be a ring-shaped porous ring 130a extending along the circumference of the gasket 120 and the cap assembly 100 .
  • FIG. 6 is a perspective and partial cross-sectional view of a porous ring 130a of the present invention.
  • the porous ring 130a may have a circular cross section, but may also have a polygonal shape such as a triangle and a quadrangle.
  • the ring-shaped porous member 130 as described above does not need to be manufactured with the shape and structure of the cap assembly 100 or the gasket 120 in mind as in the first and second embodiments, and the process of coating the porous member 130 on the surface of the gasket 120 can also be omitted as in the third embodiment. Therefore, the manufacturing efficiency of the secondary battery can be improved.
  • a plurality of porous rings 130a having various diameters can be installed on the cap assembly 100, it is advantageous in that it is easy to control the gas discharge performance.
  • At least one porous ring 130a may be disposed between the horizontally bent portion 120b of the gasket 120 and the upper surface of the cap assembly 100 and between the horizontally bent portion 120b and the lower surface of the cap assembly 100, respectively.
  • two or more porous rings 130a may be disposed on the upper and lower surfaces of the cap assembly 100, respectively.
  • FIG. 7 is a perspective view and a partial cross-sectional view of a cap assembly 100 included in a secondary battery according to a fourth embodiment of the present invention and a gasket 120 coupled thereto.
  • the porous ring 130a may be interposed between the cap assembly 100 and the gasket 120 at upper and lower portions of the cap assembly 100 .
  • the porous ring 130a may be interposed between the side surface of the cap assembly 100 and the side support portion 120a of the gasket 120.
  • a gas discharge passage communicating with the porous ring 130a is formed between the inner circumferential surface of the gasket 120 and the outer circumferential surface of the cap assembly 100 facing the outer circumferential surface of the cap assembly 100 .
  • the gasket 120 and the cap assembly 100 are maintained at a predetermined interval as the porous ring 130a is interposed therebetween, and the above interval forms a gas discharge passage through which gas can move. Since the gas discharge passage selectively moves gas by the porous ring 130a, the electrolyte inside the secondary battery is not discharged to the outside through the gas discharge passage.
  • the cap assembly 100 may be designed to be spaced apart from the gasket 120 by a predetermined distance.
  • the diameter of the cap assembly 100 may be smaller than the inner circumferential diameter of the gasket 120 .
  • the gasket 120 may have a venting groove (a) extending along the inner circumferential surface, or may have a venting groove (a) extending along a portion of the inner circumferential surface.
  • FIG 8 is a perspective view and a cross-sectional view of a gasket 120 included in a secondary battery according to a fifth embodiment of the present invention.
  • venting groove (a) is formed to extend along the circumferential direction of the gasket 120 from the inner circumferential surface of the gasket 120 .
  • the venting groove (a) is formed to widen the gap between the side surface of the cap assembly 100 and the side support portion 120a of the gasket 120 so that the gas can move more smoothly.
  • venting groove (a) is preferably formed on the side support portion (120a) of the gasket (120).
  • FIG. 9 is a cross-sectional view and a partially enlarged view of a secondary battery according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the size of the venting groove (a) be larger than the thickness of the cap assembly 100 so that gas can flow.
  • the gasket 120 may be spaced at a predetermined interval along the inner circumferential surface to form a venting groove (a).
  • FIG 10 is a perspective view and a cross-sectional view of a gasket 120 included in a secondary battery according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the venting grooves (a) are formed along the inner circumferential surface of the gasket 120 at regular intervals.
  • the space between the venting grooves (a) and the venting grooves (a) of the inner circumferential surface of the gasket 120 closely adheres to and supports the side surface of the cap assembly 100 inserted inwardly, and the space where the venting groove (a) is formed is spaced apart from the side surface of the cap assembly 100 by a predetermined distance to form a gas discharge passage.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view and a partially enlarged view of a secondary battery according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the secondary battery according to the sixth embodiment moves gas through the venting groove (a) similarly to the fifth embodiment. Since the space of the venting groove (a) of the gasket 120 included in the secondary battery according to the sixth embodiment is relatively smaller than the venting groove (a) included in the gasket 120 of the secondary battery according to the fifth embodiment, the gas discharge efficiency may be somewhat lowered, but the side fixing effect of the cap assembly 100 by the gasket 120 is more excellent.
  • the size of the venting groove (a) be larger than the thickness of the cap assembly 100 so that the gas can move like the fifth embodiment.
  • the cap assembly 100 may include concave portions b spaced apart from each other at regular intervals along the outer circumferential surface. This feature is the same even when a plurality of components are included in the cap assembly 100 .
  • the concave portion b is formed in both the upper cap plate 110 and the safety vent 140.
  • the concave portion b formed in the upper cap plate 110 and the concave portion b formed in the safety vent 140 coincide with each other.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of a cap assembly 100 of a secondary battery according to a seventh embodiment of the present invention.
  • concave portions (b) spaced apart at regular intervals are formed on the edges of the upper cap plate 110 and the safety vent 140 bonded to the lower portion of the upper cap plate 110, respectively.
  • the safety vent 140 is coupled to the lower portion of the upper cap plate 110 by adjusting the position of the concave portion b of the upper cap plate 110 to match the position of the concave portion b of the upper cap plate 110 .
  • FIG. 13 is a cross-sectional view and a partially enlarged view of a secondary battery according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the concave portion b of the side surface of the cap assembly 100 and the space between the concave portion b are in close contact with the side support portion 120a of the gasket 120, and the space in which the concave portion b is formed becomes a gas discharge passage through which gas moves.
  • the concave portion (b) includes a gas discharge passage between the inner circumferential surfaces of the gasket 120, and similar to the sixth embodiment, gas is discharged to the outside through the gas discharge passage formed at a predetermined interval along the circumferential direction of the cap assembly 100 or the gasket 120.
  • the venting groove 121 is formed on the inner circumferential surface of the gasket 120 to form a gas discharge passage, there is no need to limit the size or shape of the concave portion (b). It has the advantage of high manufacturing convenience of the secondary battery.

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Abstract

활성화 가스 벤팅이 가능한 다공성 부재를 구비한 원통형 이차전지에 관한 것으로, 이차전지를 활성화시키거나 사용하는 과정에서 전지 캔 내부에서 발생하는 활성화 가스를 제거하는 것이 목적이다. 상세하게는 캡 조립체와 가스켓 사이에 다공성 부재를 추가하여 다공성 부재를 통해 전지 캔 내부에서 발생하는 가스를 외부로 배출하는 이차전지를 제안한다.

Description

이차전지
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스의 벤팅이 가능한 다공성 부재를 구비한 이차전지에 관한 것이다.
본 출원은 2022.01.19일자 대한민국 특허 출원 제10-2022-0007919호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
또한, 전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤 타입과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택 타입으로 분류된다. 그 중 젤리-롤 타입의 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가진다.
원통형 이차전지는 젤리-롤 타입의 전극 조립체를 원통형 케이스에 수납하고, 원통형 케이스 내에 전해액을 주입한 후, 케이스의 개방 상단에 전극 단자가 형성된 캡을 결합하여 제작한다.
한편, 이차전지를 활성화시키는 과정에서 다량의 가스가 생성될 수 있는데, 상기 발생된 다량의 가스들로 인해 이차전지의 성능이 악화되고 안전성에 문제가 생길 수 있다.
일반적으로 파우치형 이차전지 및 각형 이차전지 등은 상기와 같은 가스를 제조 단계 중에 활성화 가스 배출 공정을 추가하여 미리 가스를 제거한다. 하지만 그에 반해 원통형 이차전지는, 전해액 주액 후 밀폐를 유지하여야 하는 구조적 특징 때문에 활성화 가스 배출 공정을 사용할 수 없다는 문제가 있다.
활성화 가스 배출 공정을 통해 제조 단계에서 활성화 가스를 별도로 배출하지 못한 원통형 이차전지는 실사용 중에 내압이 쉽게 증가할 수 있고, 이는 전지의 폭발이라는 큰 사고의 원인이 될 수도 있다.
따라서, 상기 원통형 전지의 내압 증가 문제를 해결할 수 있는 새로운 구조의 원통형 이차전지에 대한 개발의 필요성이 요구되고 있다.
[선행기술문헌]
한국공개특허 제10-2012-0052586호
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이차전지를 활성화시키거나 사용하는 과정에서 전극 조립체가 수납된 전지 캔 내부에서 발생하는 활성화 가스 등을 용이하게 제거할 수 있는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면, 전극 조립체; 양극 단자를 형성하는 상부 캡 플레이트를 포함하고 상기 전지 캔의 상부에 배치되는 캡 조립체; 및 상기 캡 조립체의 테두리를 감싸며 상기 전지 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓; 을 포함하고, 상기 캡 조립체와 가스켓 사이에 배치되어 상기 전지 캔 내에서 발생하는 가스를 외부로 배출하는 다공성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
또한, 상기 캡 조립체는 상기 상부 캡 플레이트의 하부에 결합되고, 하방으로 돌출된 형상을 갖는 안전 벤트를 더 포함하고, 상기 안전 벤트는 전지 캔 내부의 압력이 설정된 압력 이상으로 상승 시, 상방으로 돌출되어 파열할 수 있다.
또한, 상기 캡 조립체는 상부의 적어도 일부분이 상부 캡 플레이트와 전기적으로 연결되고, 하부가 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전류 차단 소자를 더 포함하고, 상기 전류 차단 소자는 전지 캔 내부의 압력이 설정된 압력 이상으로 상승 시, 상기 상부 캡 플레이트 및 전극 조립체 중 적어도 어느 하나와의 전기적 연결을 차단할 수 있다.
구체적으로, 상기 다공성 부재는, 상기 캡 조립체와 대면하는 가스켓의 내주면 및 상기 가스켓과 대면하는 상기 캡 조립체의 외주면 중 적어도 어느 하나에 결합될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 전지 캔과 대면하는 가스켓의 외주면 상에 상기 다공성 부재가 추가적으로 개재될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 다공성 부재는 상기 가스켓 또는 캡 조립체의 테두리를 감싸는 다공성 필름일 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 상기 다공성 부재는 상기 가스켓 또는 캡 조립체의 테두리에 코팅되는 다공성 코팅층일 수 있다.
또 다른 실시예에 의하면, 상기 다공성 부재는 상기 가스켓 및 캡 조립체의 둘레를 따라 연장 형성되는 다공성 링일 수 있다.
구체적으로, 상기 다공성 필름, 다공성 코팅층 및 다공성 링의 두께는 각각 0.1 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 일 수 있다.
또한, 상기 다공성 부재는 기공의 크기가 0.05 ㎛ 내지 5.0 ㎛ 이고, 1kPa에서의 통기도가 0.05 ㎤/㎠*s 내지 10 ㎤/㎠*s 일 수 있다.
한편, 상기 가스켓은 상기 캡 조립체의 측부에 대향하는 측면 지지부 및 상기 측면 지지부의 상하측 단부로부터 연장되어 상기 캡 조립체를 향해 절곡되어 캡 조립체의 상부면 및 하부면과 접촉하는 수평 절곡부를 포함하고, 상기 다공성 링은 상기 가스켓의 수평 절곡부 및 캡 조립체의 상부면 사이와 수평 절곡부 및 캡 조립체의 하부면 사이에 각각 적어도 하나 이상 배치될 수 있다.
다른 한편, 상기 가스켓의 내주면과 이에 대향하는 상기 상부 캡 조립체의 외주면 사이에 상기 다공성 링과 연통되는 가스배출통로가 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 가스켓의 내주면을 따라 전체적으로 또는 일부에 걸쳐 상기 가스켓 내주면 상에 벤팅 홈이 연장 형성되고, 상기 벤팅 홈과 상기 상부 캡 조립체의 외주면 사이에 상기 가스배출통로가 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 일부에 걸쳐 연장 형성되는 벤팅 홈은 상기 가스켓의 내주면을 따라 일정 간격 이격되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 캡 조립체의 외주면을 따라 일정 간격 이격되어 오목부가 형성되고, 상기 오목부와 상기 가스켓 내주면 사이에 상기 가스배출통로가 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 이차전지 내에서 발생한 가스로 인해 이차전지 내부의 압력이 증가하고, 전지 캔의 외형이 변형되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 이차전지 내부 압력 증가로 인한, 이차전지의 폭발 등의 사고를 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 이차전지의 분해사시도 및 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 이차전지에 포함되는 전지 캔 및 이의 변형예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 캡 조립체와 그에 결합되는 가스켓의 사시도 및 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 캡 조립체와 그에 결합되는 가스켓의 사시도 및 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 캡 조립체와 그에 결합되는 가스켓의 사시도 및 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 다공성 링의 사시도 및 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 캡 조립체와 그에 결합되는 가스켓의 사시도 및 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시형태에 따른 이차전지에 포함되는 가스켓의 사시도 및 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시형태에 따른 이차전지의 단면도 및 부분 확대도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시형태에 따른 이차전지에 포함되는 가스켓의 사시도 및 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시형태에 따른 이차전지의 단면도 및 부분 확대도이다.
도 12는 본 발명의 제7 실시형태에 따른 이차전지의 캡 조립체 분해 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제7 실시형태에 따른 이차전지의 단면도 및 부분 확대도이다.
이하, 첨부한 도면과 여러 실시예에 의하여 본 발명의 세부 구성을 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 또한 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니며 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 이차전지의 분해사시도 및 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지는, 전극 조립체(200), 전지 캔(300), 캡 조립체(100) 및 가스켓(120)을 포함한다.
상기 전극 조립체(200)는, 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치되어 전지 캔(300)에 수납된다. 이때, 전극 조립체(200)는 젤리 롤 형태로 권취되어 배치되므로 젤리-롤이라고도 불린다. 전극 조립체(200)의 전극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 상기 슬러리는 통상적으로 활물질, 전도성 물질, 바인더 및 가소제 등이 용매에 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 전극판들이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재하는 것이 바람직한데, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극리드(210)이 부착될 수 있다. 일반적으로 양극 리드는 전극 조립체(200)의 상단에 부착되어 상부 캡 플레이트(110)에 전기적으로 연결되고, 음극 리드는 전극 조립체(200)의 하단에 부착되어 전지 캔(300)의 바닥에 전기적으로 연결된다.
한편, 전극 조립체(200)의 상단에는 절연판(400)이 배치될 수 있으며, 상기 절연판(400)은 전극 조립체(200)와 상부 캡 플레이트(110) 사이를 절연시키는 역할을 한다.
상기 전지 캔(300)은, 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 구성되며, 상단이 개방된 개방부와 그와 대향되는 밀폐된 바닥부를 가진 원통형 구조를 가질 수 있다. 이러한 전지 캔(300)의 내부 공간에는 상기 전극 조립체(200)와 함께 전해액이 수납된다.
상기 전지 캔(300)의 상부에는 캡 조립체(100)를 장착하기 위한 비딩부(310)가 형성될 수 있다. 상기 비딩부(310)는 캡 조립체(100)와 전극 조립체(200) 사이에서 내부로 만입된 형태이며, 보다 구체적으로 상기 비딩부(310)의 만입된 내측면 상부에는 캡 조립체(100)의 하단부가 안착되어 고정되고, 상기 비딩부(310)의 만입된 내측면 하부에는 전극 조립체(200)의 상단부가 위치할 수 있다.
도 2는 본 발명의 이차전지에 포함되는 전지 캔(300) 및 이의 변형예를 나타낸 것이다.
상기 도 2(a)를 보면 전지 캔(300)의 상부에 내측으로 만입된 비딩부(310)가 전지 캔(300)의 둘레를 따라 연장 형성되어 있다. 다만, 본 발명의 전지 캔(300)이 이에 의해 한정되는 것은 아니며, 도 2(b)와 같이 본 발명의 전지 캔(300)에는 비딩부(310)가 형성되지 않을 수도 있다. 이 경우, 전지 캔(300)의 내측면에는 캡 조립체(100)가 안착 가능하도록 일정 길이로 튀어나온 돌출부(미도시)가 형성될 수 있다.
본 발명에서는 이해의 편의를 위해 상기 비딩부(310)가 형성된 전지 캔(300)을 베이스로 하여 설명한다.
캡 조립체(100)가 전지 캔(300)의 내부로 삽입되어 안착된 후, 상기 전지 캔(300)의 상단부가 상기 캡 조립체(100)를 향해 절곡되어 클림핑부(320)를 형성한다.
상기 클림핑부(320)는 상기 상부 캡 조립체(100)가 외부로 빠져나가지 못하도록 상기 캡 조립체(100)의 상부면을 눌러서 고정하는 역할을 하는 동시에 이차전지를 외부로부터 완전히 밀봉시키는 역할을 한다. 구체적으로 상기 클림핑부(320)는 상기 전지 캔(300)의 최상단부가 상부 캡 플레이트(110)의 테두리부를 감싸는 가스켓(120)의 상면을 덮어서 누름으로써 형성된다.
본 발명의 캡 조립체(100)는 전지 캔(300)의 내부에 삽입되어 상기 전지 캔(300)의 상부에 배치된다.
상기 캡 조립체(100)는 상부에 배치되어 양극 단자를 형성하는 상부 캡 플레이트(110)를 포함한다. 보다 구체적으로 상기 상부 캡 플레이트(110)는 캡 조립체(100)의 최상부에서 상부 방향으로 돌출된 형태로 배치되고, 양극 단자를 형성한다. 따라서, 상기 상부 캡 플레이트(110)는 이차전지가 외부와 전기적으로 접속되도록 한다.
상기 상부 캡 플레이트(110)는 강도와 전도성을 고려하여 스테인리스 스틸이나 알루미늄과 같은 금속 재질로 형성될 수 있다.
상기 상부 캡 플레이트(110)는 도시된 바와 같이 중앙부가 돌출된 형상을 가지며, 상기 돌출 부위의 측면은 상기 돌출 부위의 가장자리를 따라 경사면이 형성된다.
상기 상부 캡 플레이트(110)의 테두리부는 전지 캔(300)의 바닥과 수평을 유지하도록 디자인될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 상부 캡 플레이트(110)의 지름은 전지 캔(300)에 삽입될 수 있도록 바람직하게 상기 전지 캔(300) 내측 지름과 같거나, 약간 작을 수 있다.
상기 상부 캡 플레이트(110)에는 가스가 배출될 수 있는 가스 구멍(111)이 형성될 수 있다. 상기 가스 구멍(111)은 예컨대, 상부 캡 플레이트(110)의 돌출된 부위의 측면 즉, 경사면에 형성될 수 있다. 구체적으로, 캡 조립체(100)의 내부에는 상기 가스 구멍(111)과 연통된 내부 공간을 전극 조립체(200)와 차단시키는 안전 벤트(140)가 더 구비될 수 있다.
상기 안전 벤트(140)는 상기 상부 캡 플레이트(110)의 하부에 결합되고, 하방으로 돌출된 형상을 갖는다.
상기 안전 벤트(140)는 이차전지 내부의 압력이 설정된 압력 이상으로 상승 시, 상방으로 돌출되어 파열함으로써 가스를 외부로 배출시키는 역할을 한다.
이차전지 내부에서 발생한 가스는 통상의 상태에서 상기 안전 벤트(140)로 인해 상기 가스 구멍(111)으로 배출될 수 없다. 다만, 전극 조립체(200)에 이상 현상이 발생하고 과량의 가스가 생성되어 가스압이 일정 수치를 초과할 경우, 안전 벤트(140)는 파열하여 내부에 가득찬 가스를 외부로 배출시키고, 이차전지의 폭발을 방지할 수 있다.
상기 안전 벤트(140)는 앞서 설명한 것처럼 이차전지 내부의 가스압이 일정 수준으로 증가하는 경우 파열되도록 구성되는데, 예컨대, 12 kgf/cm2 내지 25 kgf/cm2 일 때 파열될 수 있다.
본 발명의 캡 조립체(100)는 전류 차단 소자(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 전류 차단 소자(150)는 상부의 적어도 일부분이 안전 벤트(140)의 하단에 연결되는 캡 조립체(100)의 구성 요소이다. 보다 구체적으로 상기 전류 차단 소자(150)는 상기 안전 벤트(140)와 전극 조립체(200) 사이에 배치된다.
상기 전류 차단 소자(150)는 전지 캔(300) 내부의 압력이 설정된 압력 이상으로 상승 시, 상기 상부 캡 플레이트(110) 및 전극 조립체(200) 중 적어도 어느 하나와의 전기적 연결을 차단할 수 있다. 구체적으로, 정상적인 상태에서는 안전 벤트(140)의 하부 돌출 부분이 전류 차단 소자(150)와 접촉되다가, 가스 발생으로 내압(가스압)이 증가하여 안전 벤트(140)의 형상이 역전되면, 전류 차단 소자(150)와 안전 벤트(140) 사이의 전기적 접속이 차단될 수 있다. 또한, 상기 전류 차단 소자(150)의 하부는 전극리드(210)에 의하여 상기 전극 조립체(200)와 연결될 수 있다. 따라서, 정상적인 상태에서 전류 차단 소자(150)는 전극 조립체(200)와 안전 벤트(140) 사이에 통전이 이루어지도록 한다. 상기 전류 차단 소자(150)는 이차전지 내부 압력 증가에 의해 안전 벤트(140)와 함께 외형이 변형되거나 파손될 수 있고, 이로 인해 전극 조립체(200)와 전기적 접속이 차단될 수 있다.
본 발명의 캡 조립체(100)는 상기 상부 캡 플레이트(110)의 하부에 구비되는 안전 소자(미도시)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 안전 소자는 상부 캡 플레이트(110) 및 안전 벤트(140) 사이에 개재되고, 상기 상부 캡 플레이트(110)와 상기 안전 벤트(140)를 전기적으로 연결시킨다. 상기 안전 소자는 전지의 과열에 의해 전지 내부의 전류의 흐름을 차단하기 위한 것으로서, 예컨대, PTC 소자(Positive Temperature Coefficient element)로 형성될 수 있다.
상기 가스켓(120)은 도 1(a)에 도시된 바와 같이 상기 캡 조립체(100)의 테두리를 감싸며 상기 전지 캔(300)과 캡 조립체(100) 사이에 개재 된다.
상기 가스켓(120)은 전기 절연성과 내충격성, 탄력성 및 내구성을 가진 소재, 예컨대, 폴리올레핀 또는 폴리프로필렌으로 제조될 수 있다.
상기 가스켓(120)은 상기 캡 조립체(100)가 전지 캔(300)과 전기적으로 연결되지 않도록 절연시킨다. 또한, 상기 가스켓(120)은 전지 캔(300) 내부에 수납된 전해액이 캡 조립체(100)와 전지 캔(300) 사이의 미세한 틈을 통해 누수되는 것을 방지한다.
상기 가스켓(120)은 크게 측면 지지부(120a) 및 수평 절곡부(120b) 부위로 구분될 수 있다. 구체적으로, 상기 가스켓(120)은 캡 조립체(100)의 측부에 대향하는 측면 지지부(120a) 및 상기 측면 지지부(120a)의 상하측 단부로부터 연장되어 상기 캡 조립체(100)를 향해 절곡되어 캡 조립체(100)의 상부면 및 하부면과 접촉하는 수평 절곡부(120b)를 포함한다. 가스켓(120)의 측면 지지부(120a)는 캡 조립체(100)의 측면을 지지하며 감싸고, 상기 측면 지지부(120a)의 상하측 단부로부터 연장된 수평 절곡부(120b)는 각각 캡 조립체(100)의 테두리 상부면 및 하부면을 눌러 상기 캡 조립체(100)에 완전히 밀착된다.
상기 다공성 부재(130)는 상기 가스켓(120)과 상부 캡 플레이트(110) 사이에 배치되어 상기 전지 캔(300) 내에서 발생하는 가스를 외부로 배출한다.
상기 다공성 부재(130)는 이차전지 내부에서 발생한 가스를 선택적으로 외부 배출 가능하도록 다공성 재료를 포함한다.
상기 다공성 부재(130)의 소재는 기공을 포함하고, 상기 기공을 통한 액체의 흐름은 방해하면서 기체만 선택적으로 통과시킬 수 있는 소재를 통해 만들어진다. 예컨대, 상기 다공성 부재(130)는 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE) 재료로 만들 수 있다. 다만, 상기 다공성 부재(130)는 가스와 같은 기체만 통과시키고, 이차전지 내부의 전해액을 외부로 통과시키지 않도록 기공의 크기가 충분히 작게 설계되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 기공은 크기가 0.05 내지 5.0 ㎛ 이고, 1kPa에서의 통기도가 0.05 내지 10 ㎤/ ㎠*s 이다.
상기 다공성 부재(130)는 필름 형태 및 원형의 링 형태 등으로 독립적으로 제작될 수 있다. 또는 다른 부재의 표면에 코팅되어 제작될 수도 있다. 보다 구체적으로 본 발명의 다공성 부재(130)는 다공성 필름, 다공성 코팅층 및 다공성 링(130a) 중 적어도 어느 하나의 형태일 수 있다. 이때, 상기 다공성 필름, 다공성 코팅층 및 다공성 링(130a)의 두께는 각각 0.1 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게 0.3 ㎜ 내지 0.8 ㎜ 이다. 상기 다양한 형태를 갖는 다공성 부재(130)의 두께가 0.1 ㎜ 미만이되면, 다량의 가스가 원활히 이동할 수 없게 되고, 1.0 ㎜ 초과하면, 이차전지 내부에서 액체 상태를 갖는 전해액의 밀폐력이 저하될 수 있고, 또한 이차전지의 구조적 안정성이 저하될 수 있다.
본 발명의 이차전지는 상기 다공성 부재(130), 가스켓(120) 및 캡 조립체(100)의 형상, 구조 및 부착 위치에 따라 다양한 실시형태를 가질 수 있다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 이차전지 관련 구성에 관한 것이고, 도 4는 제2 실시형태에 따른 이차전지 관련 구성에 관한 것이고, 도 5는 제3 실시형태에 따른 이차전지 관련 구성에 관한 것이고, 도 6 내지 도 7은 제4 실시형태에 따른 이차전지 관련 구성에 관한 것이고, 도 8 내지 도 9는 제5 실시형태에 따른 이차전지 관련 구성에 관한 것이고, 도 10 내지 도 11은 제6 실시형태에 따른 이차전지 관련 구성에 관한 것이고, 도 12 내지 도 13은 제7 실시형태에 따른 이차전지 관련 구성에 관한 것이다.
(제1 실시형태)
제1 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 다공성 부재(130)는 캡 조립체(100) 및 가스켓(120) 사이에 개재되도록 상기 캡 조립체(100)의 표면 및 가스켓(120)의 표면에 부착 가능한 필름형의 다공성 필름일 수 있다.
상기 다공성 부재(130)는 가스켓(120) 및 캡 조립체(100) 사이에 개재 된다. 보다 구체적으로 상기 다공성 부재(130)는 캡 조립체(100)와 대면하는 가스켓(120)의 내주면 및 상기 가스켓(120)과 대면하는 캡 조립체(100)의 외주면 중 적어도 어느 하나에 결합될 수 있다.
상기 다공성 부재(130)는 상기 가스켓(120)의 내주면에 부착 및 결합되어, 상기 가스켓(120)의 원주방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 가스켓(120)은 내주면에 다공성 부재(130)를 부착한 상태로 캡 조립체(100)의 테두리와 결합된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 캡 조립체(100)와 그에 결합되는 가스켓(120)의 사시도 및 부분 단면도이다.
도시된 바에 의하면, 상기 다공성 부재(130)가 캡 조립체(100)와 가스켓(120) 사이에 개재되어 있다. 이때 상기 캡 조립체(100)와 가스켓(120)은 다공성 부재(130)에 의해 소정 간격 이격되어 위치한다.
상기 다공성 부재(130)는 상기 가스켓(120)의 측면 지지부(120a) 및 수평 절곡부(120b)의 내주면 전체에 맞닿아 배치된다. 이때, 상기 다공성 부재(130)는 도시된 바와 같이 가스켓(120)의 수평 절곡부(120b)의 단부로부터 소정 길이 돌출되어 형성될 수 있다.
상기 다공성 부재(130)는 상기 캡 조립체(100) 및 가스켓(120) 사이로 가스를 이동시키는 경로가 된다. 즉, 전지 캔(300)에서 수시로 발생하는 가스는 캡 조립체(100) 및 가스켓(120) 사이에 개재된 다공성 부재(130)를 통해 이동하고 캡 조립체(100)의 상부 캡 플레이트(110)와 가스켓(120) 사이로 빠져나와 외부로 배출된다.
(제2 실시형태)
제2 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 다공성 부재(130)는, 가스켓(120)의 외주면 상에 추가적으로 형성된다. 이 경우, 상기 다공성 부재(130)는 제1 실시형태와 마찬가지로 캡 조립체(100) 및 가스켓(120) 사이와 전지 캔(300) 및 가스켓(120) 사이에 개재되도록 상기 캡 조립체(100)의 표면 및 가스켓(120)의 표면에 부착 가능한 필름형의 다공성 필름일 수 있다.
구체적으로 상기 다공성 부재(130)는 전지 캔(300)과 대면하는 가스켓(120)의 외주면 상에 형성되어 상기 가스켓(120)의 원주방향을 따라 연장 형성된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 캡 조립체(100)와 그에 결합되는 가스켓(120)의 사시도 및 부분 단면도이다.
도시된 바에 의하면, 가스켓(120)의 내주면 및 외주면에 각각 다공성 부재(130)가 부착되어 형성된다. 이 경우, 이차전지 내부에서 발생한 가스는 두 개의 경로를 통해 이동 가능하기 때문에 가스의 배출 효율이 더 높아질 수 있다. 즉, 전지 캔(300)에서 수시로 발생하는 가스는, 캡 조립체(100) 및 가스켓(120) 사이에 개재된 다공성 부재(130)와 전지 캔(300) 및 가스켓(120) 사이에 개재된 다공성 부재(130)를 통해 이동하고 캡 조립체(100) 및 가스켓(120) 사이와 전지 캔(300) 및 가스켓(120) 사이로 각각 빠져나와 외부로 배출된다.
(제3 실시형태)
제3 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 다공성 부재(130)는, 가스켓(120) 또는 캡 조립체(100)의 테두리에 코팅 된다. 예컨대, 상기 다공성 부재(130)는 별도의 과정으로 필름으로 제작되어 캡 조립체(100) 및 가스켓(120) 등에 부착되는 것이 아니라, 가스켓(120)의 전체 표면에 코팅되어 구비될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 캡 조립체(100)와 그에 결합되는 가스켓(120)의 사시도 및 부분 단면도이다.
도시된 바에 의하면, 상기 다공성 부재(130)가 가스켓(120)의 전체 표면을 두르고 있다. 이 경우, 다공성 부재(130)를 별도로 제작하고 캡 조립체(100) 및 가스켓(120) 등에 부착하는 공정을 생략 가능하기 때문에 제조의 효율성이 높아질 수 있다. 또한 이차전지 내부에서 발생한 가스는 상기 제2 실시형태처럼 두 개의 경로를 통해 이동 가능하고 상기 제2 실시형태보다 더 넓은 부위에 다공성 부재(130)가 형성되기 때문에 가스의 배출 효율이 더 좋아질 수 있다.
(제4 실시형태)
본 발명의 다공성 부재(130)는 가스켓(120) 및 캡 조립체(100)의 둘레를 따라 연장 형성되는 링 형태의 다공성 링(130a)이 될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다공성 링(130a)의 사시도 및 부분 단면도이다.
상기 다공성 링(130a)은 도시된 바와 같이 단면의 형상이 원형일 수 있으나, 삼각형 및 사각형 등의 다각형일 수 도 있다.
상기와 같은 링 형태의 다공성 부재(130)는 제1 실시형태 및 제2 실시형태처럼 캡 조립체(100) 또는 가스켓(120)의 형상 및 구조를 염두하여 제작할 필요가 없고, 제3 실시형태처럼 다공성 부재(130)를 가스켓(120) 표면에 코팅시키는 공정 또한 생략할 수 있다. 때문에 이차전지의 제조 효율이 보다 좋아질 수 있다. 또한 다양한 지름을 갖는 다공성 링(130a)을 복수개로 캡 조립체(100) 상에 설치 가능하기 때문에 가스 배출 성능을 조절하는 것이 용이하다는 장점이 있다.
상기 다공성 링(130a)은 상기 가스켓(120)의 수평 절곡부(120b) 및 캡 조립체(100)의 상부면 사이와 수평 절곡부(120b) 및 캡 조립체(100)의 하부면 사이에 각각 적어도 하나 이상 배치될 수 있다. 예컨대, 상기 다공성 링(130a)은 상기 캡 조립체(100)의 상부면 및 하부면 상에 각각 두 개이상 배치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 캡 조립체(100)와 그에 결합되는 가스켓(120)의 사시도 및 부분 단면도이다.
상기 다공성 링(130a)은 도시된 바와 같이 캡 조립체(100)의 상부 및 하부에서, 상기 캡 조립체(100) 및 가스켓(120) 사이에 개재되어 구비될 수 있다. 도시하지 않았으나, 상기 다공성 링(130a)은 캡 조립체(100)의 측면 및 가스켓(120)의 측면 지지부(120a) 사이에 개재되어 위치할 수 있다.
상기 가스켓(120)의 내주면과 이에 대향하는 상기 캡 조립체(100)의 외주면 사이에 상기 다공성 링(130a)과 연통되는 가스배출통로가 형성된다. 구체적으로, 상기 가스켓(120) 및 캡 조립체(100)는 상기 다공성 링(130a)이 사이에 개재됨에 따라 소정 간격 이격된 상태를 유지하며, 상기와 같은 간격은 가스가 이동 가능한 가스배출통로를 형성한다. 상기 가스배출통로는 상기 다공성 링(130a)에 의해 선택적으로 가스를 이동시키기 때문에 상기 가스배출통로를 통해 이차전지 내부의 전해액 등이 외부로 배출되지는 않는다.
한편, 상기 다공성 링(130a)이 캡 조립체(100)의 측면 및 가스켓(120)의 측면 지지부(120a) 사이에 개재되지 않을 경우, 상기 캡 조립체(100)의 측면과 가스켓(120)의 측면 지지부(120a)가 밀착되어 상기의 가스배출통로가 막히는 문제가 생길 수 있다. 따라서, 이 경우, 상기 캡 조립체(100)는 가스켓(120)으로부터 측방으로 소정 간격 이격되도록 설계될 수 있다. 예컨대, 상기 캡 조립체(100)의 지름이 상기 가스켓(120)의 내주면 지름보다 작을 수 있다.
(제5 실시형태)
본 발명의 이차전지가 다공성 링(130a)을 포함하는 경우, 가스켓(120)은 내주면을 따라 상기 내주면 상에 벤팅 홈(a)이 연장 형성될 수 있고, 또는 일부에 걸쳐 벤팅 홈(a)이 연장 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제5 실시형태에 따른 이차전지에 포함되는 가스켓(120)의 사시도 및 단면도이다.
도시된 바에 의하면, 상기 벤팅 홈(a)은 상기 가스켓(120)의 내주면에서 상기 가스켓(120)의 원주방향을 따라 연장되어 형성된다.
상기 벤팅 홈(a)은 캡 조립체(100)의 측면과 가스켓(120)의 측면 지지부(120a) 사이 간격이 보다 넓어지게 함으로써 가스의 이동이 보다 원활하게 하기 위한 목적에서 형성된다.
상기 벤팅 홈(a)은 바람직하게 상기 가스켓(120)의 측면 지지부(120a) 상에 형성된다.
도 9는 본 발명의 제5 실시형태에 따른 이차전지의 단면도 및 부분 확대도이다.
캡 조립체(100)의 측면과 가스켓(120)의 측면 지지부(120a)가 어느 정도 밀착되더라도 도시된 것처럼 벤팅 홈(a)에 의해 어느 정도 가스 이동 간격이 생긴다. 즉, 상기 벤팅 홈(a)과 상기 캡 조립체(100)의 외주면 사이는 가스배출통로가 형성된다.
다만, 가스의 이동이 가능하도록, 상기 벤팅 홈(a)의 크기는 캡 조립체(100)의 두께보다 큰 것이 바람직하다.
(제6 실시형태)
본 발명의 이차전지가 다공성 링(130a)을 포함하는 경우, 가스켓(120)은 내주면을 따라 일정 간격 이격되어 벤팅 홈(a)이 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제6 실시형태에 따른 이차전지에 포함되는 가스켓(120)의 사시도 및 단면도이다.
도시된 바에 의하면, 벤팅 홈(a)이 가스켓(120)의 내주면을 따라 일정 간격을 두고 이격되어 형성된다. 이 경우, 상기 가스켓(120)의 내주면 중 벤팅 홈(a)과 벤팅 홈(a) 사이의 공간은 내측으로 삽입되는 캡 조립체(100)의 측면에 밀착하여 지지하게 되고, 상기 벤팅 홈(a)이 형성된 공간은 상기 캡 조립체(100)의 측면으로부터 소정 간격 이격되어 가스배출통로를 형성할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제6 실시형태에 따른 이차전지의 단면도 및 부분 확대도이다.
도시된 바에 의하면, 제6 실시형태에 따른 이차전지는 상기 제5 실시형태와 유사하게 상기 벤팅 홈(a)을 통해 가스를 이동시킨다. 제6 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 가스켓(120)의 벤팅 홈(a) 공간은 상기 제5 실시형태의 이차전지의 가스켓(120)에 포함된 벤팅 홈(a)에 비해 비교적 적기 때문에 가스 배출 효율이 다소 떨어질 수 있으나, 가스켓(120)에 의한 캡 조립체(100)의 측면 고정 효과가 더 뛰어나다.
다만, 제5 실시형태와 마찬가지로 가스의 이동이 가능하도록, 상기 벤팅 홈(a)의 크기는 캡 조립체(100)의 두께보다 큰 것이 바람직하다.
(제7 실시형태)
본 발명의 이차전지가 다공성 링(130a)을 포함하는 경우, 캡 조립체(100)는 외주면을 따라 일정 간격 이격되어 형성된 오목부(b)를 포함할 수 있다. 이와 같은 특징은 상기 캡 조립체(100)에 다수의 구성이 포함될 경우에도 마찬가지이다. 예컨대, 상기 캡 조립체(100)가 상부 캡 플레이트(110) 및 안전 벤트(140) 등을 포함할 경우, 상기 오목부(b)는 상기 상부 캡 플레이트(110) 및 안전 벤트(140) 모두에 형성된다. 이 경우, 상기 상부 캡 플레이트(110) 및 안전 벤트(140)는 상기 상부 캡 플레이트(110)에 형성된 오목부(b)와 상기 안전 벤트(140)에 형성된 오목부(b)의 위치는 서로 일치한다.
도 12는 본 발명의 제7 실시형태에 따른 이차전지의 캡 조립체(100) 분해 사시도이다.
도시된 바에 의하면, 상부 캡 플레이트(110) 및 상기 상부 캡 플레이트(110)의 하부에서 접합되는 안전 벤트(140)의 테두리에 각각 일정 간격으로 이격된 오목부(b)가 형성되어 있다.
상기 안전 벤트(140)는, 오목부(b)가 상기 상부 캡 플레이트(110)의 오목부(b) 위치가 일치되도록 위치를 조절하여 상기 상부 캡 플레이트(110)의 하부에 결합된다.
도 13은 본 발명의 제7 실시형태에 따른 이차전지의 단면도 및 부분 확대도이다.
도시된 바에 의하면, 캡 조립체(100)의 측면 중 오목부(b)와 오목부(b) 사이의 공간은 가스켓(120)의 측면 지지부(120a)에 밀착되고, 상기 오목부(b)가 형성된 공간은 가스가 이동하는 가스배출통로가 된다.
제7 실시형태에 따른 이차전지에 포함된 캡 조립체(100)는 상기 오목부(b)가 상기 가스켓(120) 내주면 사이에 가스배출통로를 포함하고, 상기 제6 실시형태와 유사하게 캡 조립체(100) 또는 가스켓(120)의 원주방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 형성된 가스배출통로를 통해 가스를 외부로 배출한다.
제7 실시형태의 경우, 가스켓(120)의 내주면에 벤팅 홈(121)을 형성하여 가스배출통로를 형성한 제5 실시형태 및 제6 실시형태와 달리 오목부(b)의 크기나 형상 등에 제한을 두지 않아도 된다는 점에서 이차전지의 제조 편의성이 높다는 장점을 갖는다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
[부호의 설명]
100: 캡 조립체
110: 상부 캡 플레이트
111: 가스 구멍
120: 가스켓
120a: 측면 지지부
120b: 수평 절곡부
130: 다공성 부재
130a: 다공성 링
140: 안전 벤트
150: 전류 차단 소자
200: 전극 조립체
210: 전극리드
300: 전지 캔
310: 비딩부
320: 클림핑부
400: 절연판
a: 벤팅 홈
b: 오목부
G: 가스 이동 경로

Claims (15)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수용되는 전지 캔;
    양극 단자를 형성하는 상부 캡 플레이트를 포함하고 상기 전지 캔의 상부에 배치되는 캡 조립체; 및
    상기 캡 조립체의 테두리를 감싸며 상기 전지 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 가스켓; 을 포함하고,
    상기 캡 조립체와 가스켓 사이에 배치되어 상기 전지 캔 내에서 발생하는 가스를 외부로 배출하는 다공성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 상기 상부 캡 플레이트의 하부에 결합되고, 하방으로 돌출된 형상을 갖는 안전 벤트를 더 포함하고,
    상기 안전 벤트는 전지 캔 내부의 압력이 설정된 압력 이상으로 상승 시, 상방으로 변위되어 파열하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캡 조립체는, 상부의 적어도 일부분이 상부 캡 플레이트와 전기적으로 연결되고, 하부가 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전류 차단 소자를 더 포함하고,
    상기 전류 차단 소자는 전지 캔 내부의 압력이 설정된 압력 이상으로 상승 시, 상기 상부 캡 플레이트 및 전극 조립체 중 적어도 어느 하나와의 전기적 연결을 차단하는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 부재는, 상기 캡 조립체와 대면하는 가스켓의 내주면 및 상기 가스켓과 대면하는 상기 캡 조립체의 외주면 중 적어도 어느 하나에 결합되는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전지 캔과 대면하는 가스켓의 외주면 상에 상기 다공성 부재가 추가적으로 개재되는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 상기 가스켓 또는 캡 조립체의 테두리를 감싸는 다공성 필름인 이차전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 상기 가스켓 또는 캡 조립체의 테두리에 코팅되는 다공성 코팅층인 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 상기 가스켓 및 캡 조립체의 둘레를 따라 연장 형성되는 다공성 링인 이차전지.
  9. 제6항 내지 제8항에 있어서,
    상기 다공성 필름, 다공성 코팅층 및 다공성 링의 두께는 각각 0.1 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 인 이차전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 기공의 크기가 0.05 ㎛ 내지 5.0 ㎛ 이고, 1kPa에서의 통기도가 0.05 ㎤/㎠*s 내지 10 ㎤/㎠*s 인 이차전지.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 가스켓은 상기 캡 조립체의 측부에 대향하는 측면 지지부 및 상기 측면 지지부의 상하측 단부로부터 연장되어 상기 캡 조립체를 향해 절곡되어 캡 조립체의 상부면 및 하부면과 접촉하는 수평 절곡부를 포함하고,
    상기 다공성 링은 상기 가스켓의 수평 절곡부 및 캡 조립체의 상부면 사이와 수평 절곡부 및 캡 조립체의 하부면 사이에 각각 적어도 하나 이상 배치되는 이차전지.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 가스켓의 내주면과 이에 대향하는 상기 상부 캡 조립체의 외주면 사이에 상기 다공성 링과 연통되는 가스배출통로가 형성되는 이차전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가스켓의 내주면을 따라 전체적으로 또는 일부에 걸쳐 상기 가스켓 내주면 상에 벤팅 홈이 연장 형성되고,
    상기 벤팅 홈과 상기 상부 캡 조립체의 외주면 사이에 상기 가스배출통로가 형성되는 이차전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 일부에 걸쳐 연장 형성되는 벤팅 홈은 상기 가스켓의 내주면을 따라 일정 간격 이격되어 형성되는 이차전지.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 캡 조립체의 외주면을 따라 일정 간격 이격되어 오목부가 형성되고,
    상기 오목부와 상기 가스켓 내주면 사이에 상기 가스배출통로가 형성되는 이차전지.
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