KR100948001B1 - 안전성이 강화된 클림핑 형상의 리튬이온 이차전지 - Google Patents

안전성이 강화된 클림핑 형상의 리튬이온 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리를 장착하기 위한 클림핑 부위가 캔의 상단부에 형성되어 있는 전지로서, 상기 클림핑 부위는 내면측에 위치하는 가스켓을 감쌀 수 있도록 그것의 상단부가 완만하게 절곡되어 있고, 절곡 전단은 상기 가스켓을 압박하도록 내측으로 연장된 상태에서 연속적으로 2 회에 걸쳐 절곡되어 있으며, 캔의 외주면을 기준으로 제 1 절곡부위의 곡률반경(R1)은 제 2 절곡부위의 곡률반경(R2) 보다 작은 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 원통형 전지는, 원통형 캔에서 클림핑 부위의 상단부를 소정의 조건으로 2 회 연속 절곡함으로써, 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격과 내압의 증가시 밀봉 부위가 벌어지는 것을 억제하여 전해액의 누출을 방지할 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있고, 작은 곡률반경으로 절곡시 캔에 형성되는 주름과 같은 변형을 최소화할 수 있다.

Description

안전성이 강화된 클림핑 형상의 리튬이온 이차전지 {Lithium Ion Battery of Crimping Shape of Increased Safety}
도 1은 종래의 원통형 이차전지의 대표적인 상부 구조를 보여주는 단면 모식도이다;
도 2는 한국 특허출원 제2006-22950호에 기재되어 있는 원통형 이차전지의 단면 모식도이다;
도 3은 도 2의 클림핑 부위의 수직단면 확대도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지에서 클림핑 부위의 수직단면 확대도이다.
본 발명은 안전성이 강화된 클림핑 형상의 원통형 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리를 장착하기 위한 클림핑 부위가 캔의 상단부에 형성되어 있는 전지로서, 상기 클림핑 부위는 내면측에 위치하는 가스켓을 감쌀 수 있도록 그것의 상단부가 소정의 굴곡 반경으로 연속적으로 2 회에 걸쳐 절곡되어 있어서, 진동, 충격 등과 같은 외력이 작용하거나 내압이 증가하더라도 밀봉 부위의 해제를 억제하여 전해액의 누출을 방지할 수 있으므로 안전성이 크게 향상되고, 작은 곡률반경으로의 절곡시 캔의 주름 발생과 같은 변형을 최소화할 수 있는 원통형 이차전지에 관한 것이다.
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 파워 툴의 동력원으로 사용되는 경우, 순간적으로 높은 출력을 제공하면서 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격에 대해서도 안정적일 수 있는 이차전지가 요구된다.
도 1에는 종래의 원통형 이차전지의 구조가 수직 단면도로서 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 원통형 이차전지(10)는 원통형 캔(20), 캔(20)의 내부에 수용되는 젤리-롤형의 전극조립체(30), 캔(20)의 상부에 결합되는 캡 어셈블리(40), 및 캡 어셈블리(40)를 장착하기 위한 클림핑 부위(50)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 분리시키는 절연부재(44), 양극(31)에 연결된 양극 탭(34)이 접속되어 있는 캡 플레이트(45)가 순차적으로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.
클림핑 부위(50)는 캡 어셈블리(40)를 캔(20)의 개방 상단에 장착할 수 있도록 캔(20)의 상단에 형성되어 있다. 보다 구체적으로, 클림핑 부위(50)는, 캔(20)의 상단부를 비딩 가공함으로써 내측으로 만입부(21)를 형성하고, 가스켓(60)에 캡 플레이트(45), 절연부재(44), 안전벤트(43) 및 상단 캡(41)의 외주면을 차례로 삽입한 다음, 상단부를 절곡함으로써 형성된다. 결과적으로, 클림핑 부위(50)의 내측면에 위치하는 가스켓(60)을 감싸는 형태로 되고, 클림핑(crimping) 및 프레싱 공정을 수행함으로써 캡 어셈블리(40)를 장착한다.
그러나, 이러한 구조의 원통형 이차전지는 외부 충격에 대해 밀봉성이 떨어지고, 전기적 접속부위들의 저항이 가변적이며, 안전성이 낮아, 소망하는 수준의 전지 성능을 발휘하기 어려운 것으로 확인되었다.
따라서, 본 출원의 발명자들은 한국 특허출원 제2006-22950호에서 도 2에서 와 같은 진일보한 구조의 이차전지를 제시한 바 있다.
도 2를 참조하면, 원통형 이차전지(100)는 캔(200)의 내부에 전극조립체(110)를 삽입하고, 여기에 전해액을 주입하며, 캔(200)의 개방 상단에 캡 어셈블리(300)를 장착함으로써 제조된다. 이러한 전반적인 제조과정은 종래의 원통형 이차전지에서와 동일하다. 반면에, 구체적인 구조에서 있어서는 종래의 원통형 이차전지와 다르다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
캡 어셈블리(300)는 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 장착되는 기밀유지용 가스켓(400) 내부에 상단 캡(310)과 내부 압력 강하용 안전벤트(320)가 밀착되어 있는 구조의 클림핑 부위(500)에 의해 캔(200)의 개방 상단에 장착되어 있다. 상단 캡(310)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(312)가 다수 개 형성되어 있다.
안전벤트(320)는 전류가 통하는 박막 구조물로서, 그것의 중앙부는 함몰되어 만입형 중앙부(322)를 형성하고 있고, 중앙부(322)의 상절곡 및 하절곡 부위에는 각각 깊이를 달리하는 2 개의 노치들(324, 326)이 형성되어 있다. 안전벤트(320)의 하방에는, 전지 내부의 가스를 방출함과 동시에 전류를 차단하는 전류차단 부재(600)가 설치되어 있다.
안전벤트(320)의 단부(328)는 상단 캡(310)의 외주면(314)을 감싸고 있으며, 상단 캡(310)의 하단면에는 환형 돌기(316)가 형성되어 있다.
이러한 구조의 원통형 이차전지(100)는 밀봉성과 전기적 접속부위들의 가변 적인 저항 문제를 전반적으로 해결하고 있다. 그러나, 본 출원의 발명자들이 실험적으로 확인한 바로는, 도 2의 구조 뿐만 아니라 도 1의 구조에서 클림핑 부위는, 외부로부터 충격이 연속적으로 인가되었을 때, 쉽게 변형되면서, 상단 캡 및 안전벤트와 가스켓 사이의 접촉면이 벌어져 전지의 밀봉성이 떨어지는 것으로 확인되었다.
도 3에는 도 2의 원통형 이차전지에서 클림핑 부위의 부분 확대도가 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 클림핑 부위를 형성하는 캔의 단면만이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 클림핑 부위(500)는 가스켓(도 2: 400)이 개재된 상태에서 캡 어셈블리(도 2: 300)가 캔(도 2: 200)의 개방 상단에 안정적으로 장착될 수 있도록 단부가 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 클림핑 부위(500)의 절곡 전단(510)은, 가스켓(도 2: 400)을 압박하여 높은 밀봉성을 제공할 수 있도록, 소정의 각도로 기울어지면서 내측으로 연장되어 있다. 대부분의 원통형 이차전지에서, 상기 절곡 부위는 곡률반경(R 값)이 대략 1.3 mm 이상으로 형성되어 있다.
그러나, 이러한 구조는 측면(수평 화살표)으로부터 잦은 외력을 받게 될 때, 클림핑 부위(500)가 점선 형상으로 변형되므로, 가스켓의 밀봉 상태가 부분적으로 해제되어 안전벤트와 상단 캡의 접촉면이 순간적으로 이격되고, 이러한 이격 틈을 따라 전지 내부의 전해액이 누출됨으로써, 전지의 안전성을 크게 저하시키는 것으로 확인되었다. 또한, 전지의 내압 증가시에도 내부로부터 가해지는 압력에 의해 상기와 같은 변형이 유발되어 역시 전해액이 누출되는 것으로 확인되었다.
이와 같이, 외부 충격, 내압 증가에 의한 클림핑 부위의 변형을 억제하기 위하여 클림핑을 위한 절곡시의 곡률반경을 작게 하는 방안도 고려할 수는 있으나, 이 경우, 캔에 주름이 발생하는 등의 변형이 유발되는 문제점이 있는 것으로 확인되었다.
또한, 원통형 전지에서 가스켓에 대한 가압력을 크게 높이기 위하여, 클림핑 부위의 절곡 전단이 가스켓을 대략 수직으로 가압하도록 절곡하는 구조도 고려될 수 있으며, 그러한 예가 미국 특허등록 제5,150,602호와 제4,656,736호의 도면들에 일부 개시되어 있다. 그러나, 클림핑 부위의 절곡 전단이 가스켓을 수직으로 가압하는 경우, 가스켓의 탄성 소재의 피로 현상이 매우 커지게 되고, 외부 충격, 내압 증가에 의해 크랙이 발생하면서 밀봉성이 급격히 떨어지게 된다.
한편, 원통형 이차전지에서 캔의 외면은, 전극단자 부위를 제외한 캔의 외면을 외부로부터 절연시키고 스크래취 등에 의한 손상을 방지하기 위하여, 일반적으로 절연성 튜브에 의해 감싸여 있다.
이러한 절연성 튜브의 소재로서 폴리염화비닐(PVC) 등이 주로 사용되어 왔으나, PVC 튜브는 내열성이 약하고, 고온 처리시 2차 수축을 일으키며, 폐기시 유해물질을 생성하므로 환경오염 등의 문제를 유발하는 등 많은 문제점이 있었다. 따라서, 현재는 PVC가 아닌 다른 고분자 수지의 튜브가 주로 사용되고 있다.
그러나, 본 출원의 발명자들이 행한 실험에 따르면, 이러한 튜브는 내충격성이 약하여 파워 툴용 전원 등의 이차전지에서, 앞서 설명한 바와 같은, 외력에 의해 소망하는 수준의 충격 흡수성을 발휘하지 못하는 것으로 확인되었다. 따라서, 클림핑 구조 뿐만 아니라 절연성 튜브의 개선에 의해 더욱 우수한 특성의 원통형 이차전지에 대한 개발의 필요성이 높은 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 원통형 전지에서 외부의 잔충격, 피로반복, 내압증가, 하중 등에 의해 발생될 수 있는 전해질의 누액 현상을 클림핑의 형상 변경을 통해 방지할 수 있음을 새로이 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리를 장착하기 위한 클림핑 부위가 캔의 상단부에 형성되어 있는 전지로서, 상기 클림핑 부위는 내면측에 위치하는 가스켓을 감쌀 수 있도록 그것의 상단부가 완만하게 절곡되어 있고, 절곡 전단은 상기 가스켓을 압박하도록 내측으로 연장된 상태에서 연속적으로 2 회에 걸쳐 절곡되어 있으며, 캔의 외주면을 기준으로 제 1 절곡 부위의 곡률반경(R1)이 제 2 절곡 부위의 곡률반경(R2) 보다 작은 것으로 구성되어 있다.
일반적으로, 원통형 이차전지가 작업 환경의 특성상 진동, 낙하 등의 내부 또는 외부의 물리적 충격을 받는 경우가 많은 파워 툴용 전원 등에 사용되는 경우, 파워 툴의 진동이 그대로 전원장치로 전달되고, 이러한 물리적 충격은 앞서 설명한 바와 같이 클림핑 부위의 변형을 유발함으로써, 상단 캡 및 안전벤트와 가스켓 사이의 접촉면에서 밀봉성이 떨어지는 경향이 있다.
따라서, 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 가스켓을 감싸는 클림핑 부위의 각도를 수평면을 기준으로 크게 절곡하는 구조가 필요할 수 있지만, 외력의 인가 또는 내압 상승시, 클림핑 부위가 가스켓의 탄성력에 의해 도 3의 수직 화살표 방향과 같이 상부로 쉽게 벌어지면서 전해액이 캔의 외부로 누출될 수 있다. 따라서, 우수한 절곡 유지력을 제공하기 위하여, 절곡 부위의 곡률반경을 작게 한 구조도 고려할 수는 있지만, 이 경우 캔에 주름이 발생하는 등의 문제점이 발생한다.
반면에, 본 발명에 따르면, 상기 클림핑 부위는 그것의 상단부가 연속적으로 2 회에 걸쳐 완만하게 절곡되고 캔의 외주면을 기준으로 제 1 절곡 부위의 곡률반경(R1)이 제 2 절곡 부위의 곡률반경(R2) 보다 작도록 형성되어 있어서, 우수한 절곡 유지력에 의해 가스켓과 클림핑 부위의 실링 효과, 즉 밀봉성을 크게 향상시킬 수 있고, 작은 곡률반경으로 인한 캔의 주름 발생을 방지할 수 있다.
제 1 절곡 부위의 곡률반경(R1)이 제 2 절곡 부위의 곡률반경(R2) 보다 작도록 형성된다는 것은 제 2 절곡 부위가 제 1 절곡 부위보다 완만하게 굴곡되어 있음을 의미하며, 이러한 절곡 부위들의 곡률반경을 상기에서와 같은 조건으로 설정한 구조는, 종래에는 예기치 못한 현저한 효과를 발휘하는 바, 그러한 결과는 추후 설명하는 실시예와 비교예를 통해 확인할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, R1 값은 0.4 내지 1.5 mm이고 R2 값은 3 내지 4 mm일 수 있다. R1 값이 너무 크거나 또는 R2 값이 너무 작은 경우에는, R1 값과 R2 값과의 차이가 지나치게 작아져서 외력 인가시 또는 내압 증가시 소망하는 정도의 절곡 유지력을 제공하기 어렵다. 반면에, R1 값이 너무 작은 경우에는, 상기와 같은 외력 또는 내압에 대해 우수한 절곡 유지력을 발휘할 수는 있지만, 상단으로부터의 외력 인가시 절곡 부위에 응력이 집중되어 해당 부위에 크랙이 발생하고, 경우에 따라서는 절곡 과정에서 캔에 주름이 초래될 수 있다. 또한, R2 값이 너무 큰 경우에는 절곡 단부가 가스켓을 효과적으로 압박하지 못하여 소망하는 밀봉성을 발휘하기 어렵다.
상기 곡률반경의 더욱 바람직한 범위는 R1 값이 0.5 내지 1.4 mm이고, R2 값이 3.5 내지 3.8 mm이다.
상기 가스켓은 안전벤트를 상단 캡으로부터 전기적으로 분리시키고 전지 내부를 밀봉하는 역할을 하는 바, 이러한 가스켓을 감싸는 상기 클림핑 부위에 변형이 일어날 경우, 전지 내부의 밀봉력이 크게 저하되고 누액이 발생할 염려가 있으므로, 클림핑 부위의 변형을 방지하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 상기 클림핑 부위의 절곡 전단은 가스켓의 심한 변형을 방지하면서 가스켓을 충분히 압박할 수 있도록, 내측으로 연장되어 있고 또한 클림핑 부위의 측면을 기준으로 소정의 각도로 기울어져 있다.
클림핑 부위의 내측으로의 연장 길이는 캔의 기계적 강도, 가스켓의 탄성력과 내구성 등을 고려하여 적절히 결정할 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 클림핑 부위의 측면으로부터 1 내지 3 mm의 길이로 연장되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 가스켓과 클림핑 부위의 밀착력을 유지하고 소정의 압력을 가하여 상기 가스켓을 압박할 수 있도록, 상기 절곡 전단은 클림핑 부위의 측면을 기준으로 40 내지 80 도, 바람직하게는 60 내지 75 도의 각도로 기울어져 있는 구조일 수 있다. 예를 들어, 소정의 곡률반경으로 1 회 절곡되어 있는 구조는, 가스켓의 탄성력으로 인해, 클림핑 부위의 측면을 기준으로 경사각을 80 도 이하로 낮추기 어려우나, 본 발명에서와 같이 특정한 곡률반경 조건으로 2 회 연속하여 절곡되어 있는 구조는 경사각을 80 도 이하로 유지할 수 있어서, 클림핑 부위가 가스켓을 누르는 힘이 더욱 강해져 전해액 누출을 방지하는 데 보다 효과적이다.
상기 내측으로의 연장 길이가 너무 짧거나 절곡 전단의 각도가 너무 큰 경우에는, 클림핑 부위의 변형에 의해 가스켓을 충분히 압박할 수 없으므로 누액 현상이 일어날 가능성이 있다. 반대로, 내측으로의 연장 길이가 너무 길거나 절곡 전단의 각도가 너무 작은 경우에는, 상기 절곡 단부가 가스켓을 심하게 압박하여 가스켓을 손상시킬 가능성이 있으므로 바람직하지 않다.
상기 절곡 공정은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 비연속적으로 진행될 수 있다. 즉, 절곡 전단을 클림핑 부위의 측면을 기준으로, 상단 캡의 중심축 방 향에 대해 대략 수직이 되도록 R1의 곡률 반경으로 1차 절곡하고, 절곡된 단부가 가스켓의 상단에 밀착되도록 상단 캡의 중심축을 기준으로 40 내지 80 도의 각도에서 R2의 곡률 반경으로 2차 절곡하도록 압축하는 과정에 의해 비연속적으로 진행될 수 있다. 이때, 1차 절곡 과정과 2차 절곡 과정의 시간 차는 절곡시 응력이 집중되는 절곡 부위로부터 응력이 그것의 주변 부위로 분산될 수 있는 정도의 경시적 시간 차를 의미한다. 이러한 비연속적 절곡에 의해 절곡 부위의 파단 가능성을 크게 줄일 수 있다.
상기 원통형 캔의 두께는 바람직하게는 0.15 내지 0.35 mm이다. 상기 원통형 캔의 두께가 너무 얇은 경우, 기계적 강도의 저하가 불가피하게 나타나고, 음극 리드를 원통형 캔의 하면에 용접하는 과정에서 용접 불량이 발생할 수 있으므로, 용접시 원통형 캔의 하면이 파열되거나 심하게 손상될 염려가 있다. 반대로, 캔의 두께가 너무 두꺼운 경우에는, 전지의 전체 중량이 증가하고, 상대적으로 전극조립체의 면적이 줄어 들어 전지의 용량 감소가 초래되며, 캔의 개방 상단 부위에 비딩 및 클림핑을 행하기가 용이하지 않게 된다.
상기 원통형 캔의 소재는, 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는, 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 원통형 캔의 외면은 전극 단자부를 제외하고 절연성 필름으로 감싸여 있으며, 상기 절연성 필름은 높은 충격 흡수성의 고분자 수지로 이루어진 것일 수 있다.
상기 절연성 필름은, 예를 들어, 튜브의 형태로 이루어져 있어서, 상기 튜브의 내부에 전지를 삽입하고, 소정의 열을 가하였을 때 열수축되면서 전지의 외면에 밀착된다. 따라서, 절연성 필름은 열수축성과 전기적 절연성을 가지며 내충격성이 우수한 필름 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 인장강도와 연신율이 우수한 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 수지가 바람직하게 사용될 수 있으며, 그 중에서도 일반 PET 수지보다 유연성이 우수한 연질 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 수지가 특히 바람직하다.
상기 연질 PET 수지는 전기적으로 절연성일 뿐만 아니라, 높은 열수축성과, 전지의 외면에 대한 밀착력이 우수하며, 특히, 매우 유연하므로 잔충격을 흡수하는 데 탁월한 효과를 가진다. 더욱이, 연질 PET 수지는 기계적인 힘에 의하여 파단이 일어나는 경우에도 취화되어 파괴되지 않고, 연성에 의해 늘어나므로, 절연 필름에 균열이 발생하거나 벗겨짐으로써 발생할 수 있는 외부 단락을 방지할 수 있어서, 전지의 안전성 측면에서도 바람직하다.
본 발명에 따른 전지는 바람직하게는 잦은 진동과 충격에 노출되는 디바이스의 전원으로 사용될 수 있는 바, 상기 디바이스는 바람직하게는 전동 드릴과 같이 사용 과정에서 매우 큰 진동이 유발되는 파워 툴일 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지에서 캡 어셈블리를 장착 하기 위한 클림핑 부위의 확대도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 4의 클림핑 구조는 절곡 부위의 곡률반경과 절곡 전단의 연장 형태 및 각도를 보여주고 있다.
도 4를 참조하면, 클림핑 부위(501)는 도 3의 곡률반경(R)과는 달리, 곡률반경(R1)의 제 1 절곡 부위와 곡률반경(R2)의 제 2 절곡 부위가 순차적으로 형성되어 있다. 제 1 절곡 부위의 곡률반경(R1)은 제 2 절곡 부위의 곡률반경(R2)보다 작으며, 도 3의 곡률반경(R)에 비해 훨씬 작으므로, 절곡 전단(511)은 도 3의 절곡 전단(510)과 비교하여, 동일한 내측 연장 길이의 조건에서, 가스켓(도시하지 않음)에 대한 압박력이 크며, 높은 밀봉성을 나타낸다.
더욱이, 작은 곡률반경(R1)의 절곡 부위는 측면 방향으로부터의 외력에 대해 변형이 적으므로, 가스켓과의 밀착력이 크게 감소되지 않는다.
절곡 전단(511)은 클림핑 부위(501)의 측면으로부터 소정의 각도(α)로 절곡되면서 내측으로 연장되어 있고, 곡률반경(R2)의 제 2 절곡 부위가 형성되어 있어서 경사각(α)을 80 도 이하로 낮출 수 있다. 이로 인해, 가스켓을 누르는 힘을 더욱 강하게 하여 전해액 누출을 방지할 수 있다.
반면에, 제 1 절곡 부위만으로 클림핑 부위를 형성하는 경우에는, 앞서 설명한 바와 같이, 절곡 유지력이 우수하지 못하고 가스켓의 탄성력으로 인해 경사각(α)을 80 도 이하로 낮추기 어렵다.
또한, 캔(200)의 외면은 높은 충격 흡수성의 연질 PET 수지로 이루어진 절연성 필름(700)에 의해 감싸여 있다. 절연성 필름(700)은 열수축되면서 캔(200)의 외면에 밀착되므로, 대략 캔(200)의 외면 형상에 따른 밀착 형태를 나타낸다.
화살표 방향에서와 같이, 측면 방향으로 외력이 인가되었을 때, 절연성 필름(700)이 일차적으로 충격을 흡수하는 역할을 한다. 또한, 특정한 곡률반경(R1, R2)으로 연속 2회 절곡된 구조로 이루어진 클림핑 부위(500)는 외력에 대해 높은 저항성을 나타내어 형태 변형을 억제하는 역할을 한다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
Ni을 도금한 SPCE(냉간압연강판)을 사용하여 상단 캡 및 원통형 캔을 제작하고, 원통형 캔에 전극조립체를 장착한 다음, 전극조립체의 상단부에 대응하는 부위의 원통형 캔에 비딩 공정을 행하여 클림핑 부위를 형성하고, 클림핑 부위의 내측면에 가스켓을 삽입한 후 캡 어셈블리를 장착하였다. 그런 다음, 클림핑 부위에서 캡 어셈블리와의 이격부를 캔의 측면에 대해 65 도의 각도 프로파일로 절곡하여 제 1 절곡 부위의 곡률반경(R1)이 0.6 mm, 제 2 절곡 부위의 곡률반경(R2)이 3.65 mm가 되도록 한 다음, 클림핑 및 가압 공정을 행하여 18650 규격(직경 18 mm, 길이 65 mm)의 원통형 이전전지를 제작하였다. 클림핑 부위의 절곡 전단은 그것의 측면으로부터 내측으로 약 2.4 mm의 길이로 연장되어 있었다.
[실시예 2]
클림핑 부위에서 제 1 절곡 부위의 곡률반경(R1)이 1.3 mm, 제 2 절곡 부위의 곡률반경(R2)이 3.65 mm가 되도록 하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.
[비교예 1]
도 3과 같이, 클림핑 부위에서 제 1 절곡 부위의 곡률반경(R1)이 0.6 mm, 제 2 절곡 부위의 곡률반경(R2)이 0 mm (Straight)가 되도록 하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.
[비교예 2]
도 3과 같이, 클림핑 부위에서 제 1 절곡 부위의 곡률반경(R1)이 1.3 mm, 제 2 절곡 부위의 곡률반경(R2)이 0 mm (Straight)가 되도록 하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 원통형 이차전지를 제작하였다.
[실시예 3]
실시예 1에 따른 방법으로 제조된 원통형 이전전지를, 전극 단자부를 제외하 고, 일반 PET 튜브에 삽입한 후 열을 가하여 수축시키는 방식으로 원통형 이전전지를 제작하였다.
[실시예 4]
실시예 1에 따른 방법으로 제조된 원통형 이전전지를, 전극 단자부를 제외하고, 연질 PET 튜브에 삽입한 후 열을 가하여 수축시키는 방식으로 원통형 이전전지를 제작하였다.
[비교예 3]
비교예 1에 따른 방법으로 제조된 원통형 이전전지를, 전극 단자부를 제외하고, 일반 PET 튜브에 삽입한 후 열을 가하여 수축시키는 방식으로 원통형 이전전지를 제작하였다.
[비교예 4]
비교예 2에 따른 방법으로 제조된 원통형 이전전지를, 전극 단자부를 제외하고, 일반 PET 튜브에 삽입한 후 열을 가하여 수축시키는 방식으로 원통형 이전전지를 제작하였다.
[비교예 5]
비교예 2에 따른 방법으로 제조된 원통형 이전전지를, 전극 단자부를 제외하 고, 연질 PET 튜브에 삽입한 후 열을 가하여 수축시키는 방식으로 원통형 이전전지를 제작하였다.
[실험예 1]
실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2에서 제조된 각각 30 개의 전지들을 도립시킨 상태에서, 안전벤트가 작동할 때까지 압력을 가하면서 전류차단 부재가 단락되기 전에 전해액이 누출되는 지를 확인하였다. 그 결과가 하기 표 1에 개시되어 있다.
<표 1>
Figure 112006091326360-pat00001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 2의 전지들에서는 어떠한 경우에도 전해액의 누출(leakage)이 발생하지 않은 반면에, 전류차단 부재의 단락 전후하여 비교예 1 및 비교예 2의 전지들은 각각 2 개 및 5 개에서 전해액의 누출이 발생하였다. 따라서, 절곡 전단이 연속적으로 2회 절곡되어 있는 본 발명에 따른 전지들은 단락 이후에도 우수한 밀봉성을 나타냄을 알 수 있다.
[실험예 2]
실시예 3 및 4와 비교예 3 내지 6에서 각각 제조된 30 개의 전지들을 각각 4 A 및 4.2 V로 만충전하고, 8 각형의 드럼에 넣어 66 rpm의 속도로 30 분 간격으로 150 분간 회전시킨 뒤, 임피던스와 전해액의 누출(leakage) 발생 여부를 확인하였다. 그 결과가 하기 표 2에 개시되어 있다. 드럼 테스트 전과 비교하여 드럼 테스트 후의 임피던스 증가율이 10% 이하이고 전해액의 누출(leakage)이 발생하지 않으면 우수한 기계적 밀봉성을 유지하고 있다고 판단할 수 있다.
<표 2>
Figure 112006091326360-pat00002
실험 결과, 본 발명에 따른 실시예 3 및 4의 전지들은 150 분간의 드럼 테스트 이후에도 대부분이 10% 이하의 임피던스 증가율을 보이고, 전해액의 누출은 발생하지 않았으며, 300 분간의 드럼 테스트 이후에도 전해액의 누출이 거의 발생하지 않았으므로, 외력의 인가시에도 안정적인 상태를 유지할 수 있음을 알 수 있다.
특히, 실시예 4의 전지들은 300 분간의 드럼 테스트 이후에도 모든 전지들에서 전해액 누출이 발생하지 않았는 바, 곡률반경 R1 및 R2 값이 동일한 경우에는 연질 PET 튜브를 사용하여 원통형 캔의 외면을 감싸는 것이, 드럼 테스트와 같은 동적 상태에서 전해액의 누출을 방지하는 데 더욱 효과적임을 알 수 있다.
반면에, 비교예 3 내지 5의 전지들은 300 분간의 드럼테스트 시간 동안 전해액의 누출이 발생하였다.
따라서, 본 발명에 따른 절곡 전단이 연속적으로 2 회 절곡되어 있고 부가적으로 원통형 캔의 외면을 PET 튜브로 감싸고 있는 실시예 3 및 4의 전지들은 동적인 드럼 테스트에서 비교예 3 내지 5의 전지들에 비해 월등하게 우수한 기계적 밀봉성을 나타냄을 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 원통형 전지는, 작은 곡률반경의 절곡 구조를 형성할 때 캔의 외면에 발생하는 주름과 같은 클림핑 부위의 변형을 최소화하면서, 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격시 접속부위에서 접촉저항의 증가를 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 잦은 진동과 충격에 노출되는 디바이스에서 전해액의 누출을 방지할 수 있으므로 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 더욱이, 원통형 캔의 외면이 충격 흡수성이 우수한 절연성 필름으로 감싸여 있는 경우, 외부 충격을 부분적으로 흡수함으로써, 전지의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 캔의 개방 상단에 캡 어셈블리를 장착하기 위한 클림핑 부위가 캔의 상단부에 형성되어 있는 전지로서, 상기 클림핑 부위는 내면측에 위치하는 가스켓을 감쌀 수 있도록 그것의 상단부가 완만하게 절곡되어 있고, 절곡 전단은 상기 가스켓을 압박하도록 내측으로 연장된 상태에서 연속적으로 2 회에 걸쳐 절곡되어 있으며, 캔의 외주면을 기준으로 제 1 절곡 부위의 곡률반경(R1)은 제 2 절곡 부위의 곡률반경(R2) 보다 작고, 상기 원통형 캔의 외면은 전극 단자부를 제외하고, 절연성 필름으로 감싸여 있으며, 상기 절연성 필름은 충격 흡수성의 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 R1 값은 0.4 내지 1.5 mm이고 R2 값은 3 내지4 mm인 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 원통형 캔은 0.15 내지 0.35 mm 두께의 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나의 소재로 이루어진 것을 특징 으로 하는 원통형 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 절곡 전단은 클림핑 부위의 측면을 기준으로 40 내지 80 도의 각도로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 절곡 전단은 클림핑 부위의 측면으로부터 1 내지 3 mm의 길이로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 원통형 캔은 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 어느 하나의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 잦은 진동과 충격에 노출되는 디바이스의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 원통형 전지.
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