KR102198047B1 - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 수명 기간 내에 전해액을 보충하여 장수명을 구현하는 이차 전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 전류를 충전 및 방전하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되어 상기 캡 플레이트를 통하여 외부로 인출되는 전극단자, 상기 캡 플레이트의 전해액 주입구에 설치되어 상기 전해액 주입구를 개폐하는 제1밸브 조립체, 상기 캡 플레이트에 형성되어 가스를 추가로 제거하는 가스 제거구, 및 상기 가스 제거구에 설치되어 상기 가스 제거구를 개폐하는 제2밸브 조립체를 포함한다.

Description

이차 전지 {RECHARGEABLE BATTERY}
본 기재는 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캡 플레이트에 전해액 주입구를 구비하는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 일차 전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지이다. 소용량화 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용된다. 대용량화 및 고밀도화 이차 전지는 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 모터 구동용 전원이나 에너지 저장용으로 사용된다.
자동차 및 에너지 저장용 이차 전지는 장수명(long lifespan) 특성을 요구 받고 있으나, 장수명 조건을 만족하지 못하고 있다. 즉 이차 전지의 사용 기간 중에 셀 열화(cell deterioration)가 발생되고, 이에 따라 셀 특성이 저하되기 때문이다.
셀 열화는 전해액의 분해 반응을 동반한다. 전해액의 분해 반응에 대응하려면 일반 환경 조건에서 전해액을 쉽게 보충할 수 있어야 한다. 전해액의 보충은 셀 열화를 지연시킬 수 있다. 즉 이차 전지의 장수명이 구현될 수 있다.
이차 전지가 대용량화 및 고밀도화되면서 셀 안전성이 저하되고 있다. Ni계 양극 소재(High-Ni 계 양극 소재)의 경우, 화성 공정 이후 발생되는 가스 양이 많아지게 된다. 그러나 캡 플레이트는 가스 제거(degassing) 공정을 1회만 진행할 수 있도록 구성되어 있으므로 신뢰성 및 안전성 측면에서 많은 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 일 실시예는 수명 기간 내에 전해액을 보충하여 장수명을 구현하는 이차 전지를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 일 실시예는 화성 공정 및 그 이후에 발생되는 가스를 추가적으로 제거하여(degassing) 신뢰성 및 안전성을 구현하는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 전류를 충전 및 방전하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되어 상기 캡 플레이트를 통하여 외부로 인출되는 전극단자, 상기 캡 플레이트의 전해액 주입구에 설치되어 상기 전해액 주입구를 개폐하는 제1밸브 조립체, 상기 캡 플레이트에 형성되어 가스를 추가로 제거하는 가스 제거구, 및 상기 가스 제거구에 설치되어 상기 가스 제거구를 개폐하는 제2밸브 조립체를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 상기 캡 플레이트 또는 상기 케이스의 벤트 홀에 설치되는 벤트 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 제1밸브 조립체는 상기 전해액 주입구의 외주에서 상기 캡 플레이트의 외면에 형성되는 제1고정 돌기, 상기 제1고정 돌기에 결합되고 개폐 홀을 구비하는 제1캡 부재, 상기 제1고정 돌기의 내측에서 상기 캡 플레이트의 외면에 배치되는 제1탄성부재, 및 상기 제1탄성부재와 상기 제1캡 부재 사이에 배치되어 상기 개폐 홀을 개폐하는 제1개폐 부재를 포함할 수 있다.
상기 제1캡 부재는 내면에 암나사를 형성하여, 상기 제1고정 돌기의 외면에 형성되는 수나사에 나사 결합될 수 있다.
상기 제2밸브 조립체는 상기 가스 제거구에서 상기 캡 플레이트의 외측에 고정되고 상기 가스 제거구에 연결되는 유입구와 유출구를 가지는 하우징, 및 상기 하우징에 제2탄성부재를 개재하여 내장되어 상기 유입구를 개폐하는 제2개폐 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 상기 가스 제거구의 외주에서 상기 캡 플레이트의 내면에 배치되어, 가스 배출시, 전해액의 배출을 필터링하는 멤브레인을 더 포함한다.
상기 캡 플레이트는 상기 가스 제거구의 외주에서 내면에 형성되는 제2고정 돌기를 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 제2고정 돌기에 배치되어 상기 제2고정 돌기에 결합되는 제2캡 부재로 고정될 수 있다.
상기 제2캡 부재는 상기 제2고정 돌기의 내주에 대응하는 연통 홀을 구비하고, 상기 연통 홀은 상기 멤브레인을 상기 캡 플레이트의 내부에 노출시킬 수 있다.
상기 멤브레인은 PTFE(polytetrafluoroethylene) 또는 유리섬유를 PTFE로 코팅하여 형성될 수 있다.
상기 하우징은 상기 유입구의 일측에 오목 형상으로 형성되는 안착홈을 구비하고, 상기 제2개폐 부재는 상기 안착홈에 대응하도록 볼록 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제2밸브 조립체는 상기 제2개폐 부재의 반대측에서 상기 제2탄성부재를 지지하여 상기 하우징에 나사 결합되는 조절부재를 더 포함할 수 있다.
상기 하우징은 상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 실린더로 형성되고, 상기 제2개폐 부재는 상기 하우징에 대응하여 승강하는 피스톤으로 형성되며, 상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 연결 통로를 구비할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는 전해액 주입구를 제1밸브 조립체로 개폐하고, 캡 플레이트에 추가로 형성되는 가스 제거구를 제2밸브 조립체로 개폐할 수 있게 하므로 수명 기간 내에 전해액을 보충하여 셀 열화 지연 및 장수명을 구현할 수 있다.
제1, 제2밸브 조립체는 화성 공정 및 그 이후에 발생되는 가스를 추가적으로 제거할(degassing) 수 있게 하므로 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있다. 이때, 가스 제거구에 구비되는 멤브레인은 가스만을 배출하고 전해액의 배출을 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 다른 단면도이다.
도 3은 도 2의 캡 플레이트에서 전해액 주입구 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 4는 전해액 보충시, 도 3의 전해액 주입구가 제1밸브 조립체에 의하여 개방된 작동 상태도이다.
도 5는 도 2의 캡 플레이트에서 가스 제거구를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 6은 가스 배출시, 도 5의 가스 제거구가 제2밸브 조립체에 의하여 개방된 작동 상태도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지의 캡 플레이트에서 가스 제거구를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지의 캡 플레이트에서 가스 제거구를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 9는 가스 배출시, 도 8의 가스 제거구가 개방된 작동 상태도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 다른 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1실시예의 이차 전지는 전류를 충전 및 방전하는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)를 수용하는 케이스(15), 케이스(15)의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트(20), 및 캡 플레이트(20)에 설치되는 전극단자(음, 양극 단자)(21, 22)를 포함한다. 이차 전지는 음극 단자(21) 측에 외부 단락부(40)를 더 구비할 수 있다.
일례를 들면, 전극 조립체(10)는 절연체인 세퍼레이터(13)의 양면에 제1전극(이하, "음극"이라 한다)(11)과 제2전극(이하, "양극"이라 한다)(12)을 배치하고, 음극(11), 세퍼레이터(13) 및 양극(12)을 젤리롤 상태로 귄취하여 형성될 수 있다.
음극(11) 및 양극(12)은 각각 금속판의 집전체에 활물질을 도포한 코팅부(11a, 12a), 및 활물질을 도포하지 않아서 노출된 집전체로 형성되는 무지부(11b, 12b)를 포함한다.
음극(11)의 무지부(11b)는 권취되는 음극(11)을 따라 음극(11)의 한 쪽 단부에 형성된다. 양극(12)의 무지부(12b)는 권취되는 양극(12)을 따라 양극(12)의 한 쪽 단부에 형성된다.
이와 같이, 무지부들(11b, 12b)은 전극 조립체(10)의 양단에 각각 배치될 수 있다. 또한 도시하지 않았으나, 무지부들은 캡 플레이트를 향하는 전극 조립체의 단부에 나란하게 배치될 수도 있다.
일례를 들면, 케이스(15)는 내부에 전극 조립체(10)와 전해액을 수용하는 공간을 설정하도록 대략 직육면체로 이루어지며, 외부와 내부 공간을 연결하는 개구를 직육면체의 일면에 형성한다. 개구는 전극 조립체(10)를 케이스(15)의 내부로 삽입할 수 있게 한다.
캡 플레이트(20)는 케이스(15)의 개구에 설치되어 케이스(15)의 개구를 밀폐한다. 예를 들면, 케이스(15)와 캡 플레이트(20)는 알루미늄으로 형성되어 서로 용접될 수 있다.
또한, 캡 플레이트(20)는 단자홀(H1, H2), 전해액 주입구(29), 벤트 홀(24), 및 가스 제거구(73)을 더 구비한다. 전해액 주입구(29)에는 제1밸브 조립체(71)가 구비되어 전해액 주입구(29)를 개폐하므로 수명 기간 내에 전해액을 보충할 수 있다.
가스 제거구(73)에는 제2밸브 조립체(72)가 구비되어 가스 제거구(73)를 개폐하므로 제1밸브 조립체(71)의 작동으로 전해액 보충시, 가스를 추가로 제거할 수 있다.
음, 양극 단자(21, 22)는 전극 조립체(10)에 전기적 및 기계적으로 연결되어 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2)에 설치된다. 즉 음, 양극 단자(21, 22)는 전극 조립체(10)의 음, 양극(11, 12)에 각각 전기적으로 연결된다. 따라서 전극 조립체(10)는 음, 양극 단자(21, 22)를 통하여 케이스(15)의 외부로 인출된다.
음, 양극 단자(21, 22)는 캡 플레이트(20)의 내측에서 서로 동일한 구조를 형성하므로 동일 구조에 대하여 함께 설명하고, 캡 플레이트(20)의 외측에서 서로 다른 구조를 형성하므로 다른 구조에 대하여 각각 별도로 설명한다.
음, 양극 단자(21, 22)는 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2)에 각각 설치되는 리벳 터미널(21a, 22a), 캡 플레이트(20)의 내측에서 리벳 터미널(21a, 22a)에 일체로 넓게 형성되는 플랜지(21b, 22b), 및 캡 플레이트(20)의 외측에 배치되어 리벳 터미널(21a, 22a)에 리벳팅 또는 용접으로 연결되는 플레이트 터미널(21c, 22c)을 포함한다.
음, 양극 개스킷(36, 37)은 음, 양극 단자(21, 22)의 리벳 터미널(21a, 22a)과 단자홀(H1, H2)의 내면 사이에 각각 설치되어, 음, 양극 단자(21, 22)의 리벳 터미널(21a, 22a)과 캡 플레이트(20) 사이를 실링하고 전기적으로 절연한다.
음, 양극 개스킷(36, 37)은 플랜지(21b, 22b)와 캡 플레이트(20)의 내면 사이에 더 연장 설치되어, 플랜지(21b, 22b)와 캡 플레이트(20) 사이를 더 실링하고 전기적으로 절연한다. 즉 음, 양극 개스킷(36, 37)은 캡 플레이트(20)에 음, 양극 단자(21, 22)를 설치함으로써 단자홀(H1, H2)을 통하여 전해액이 새는 것(leak)을 방지한다.
일례를 들면, 음, 양극 리드 탭(51, 52)은 음, 양극 단자(21, 22)를 전극 조립체(10)의 음, 양극(11, 12)에 각각 전기적 및 기계적으로 연결한다. 즉 음, 양극 리드 탭(51, 52)을 리벳 터미널(21a, 22a)의 하단에 결합하여 하단을 코킹(caulking)함으로써, 음, 양극 리드 탭(51, 52)은 플랜지(21b, 22b)에 지지되면서 리벳 터미널(21a, 22a)의 하단에 연결된다.
음, 양극 절연부재(61, 62)는 음, 양극 리드 탭(51, 52)과 캡 플레이트(20) 사이에 각각 설치되어, 음, 양극 리드 탭(51, 52)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 절연시킨다.
또한 음, 양극 절연부재(61, 62)는 일측으로 캡 플레이트(20)에 결합되고 다른 일측으로 음, 양극 리드 탭(51, 52)과 리벳 터미널(21a, 22a) 및 플랜지(21b, 22b)를 감싸므로 이들의 연결 구조를 안정시킨다.
한편, 음극 단자(21)의 플레이트 터미널(21c)과 관련하여 외부 단락부(40)에 대하여 설명하고, 양극 단자(22)의 플레이트 터미널(22c)과 관련하여 탑 플레이트(46)에 대하여 설명한다.
음극 단자(21) 측의 외부 단락부(40)는 과충전 시 발생될 수 있는 내부 압력에 따라 이격 또는 단락되는 단락 탭(41)과 단락부재(43)를 포함한다. 단락 탭(41)은 음극 단자(21)의 리벳 터미널(21a)에 전기적으로 연결되고 절연부재(31)를 개재하여 캡 플레이트(20)의 외측에 배치된다.
절연부재(31)는 단락 탭(41)과 캡 플레이트(20) 사이에 설치되어, 단락 탭(41)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 절연시킨다. 즉 캡 플레이트(20)는 음극 단자(21)와 전기적으로 절연된 상태를 유지한다.
단락 탭(41)과 플레이트 터미널(21c)을 리벳 터미널(21a)의 상단에 결합하여 상단을 코킹함으로써, 단락 탭(41)과 플레이트 터미널(21c)은 리벳 터미널(21a)의 상단에 결합된다. 따라서 단락 탭(41)과 플레이트 터미널(21c)은 절연부재(31)를 개재한 상태로 캡 플레이트(20)에 고정된다.
단락부재(43)는 캡 플레이트(20)에 형성되는 단락 홀(42)에 설치되어 단락 홀(42)을 밀폐하므로 이차 전지의 내압을 받는다. 단락 탭(41)은 음극 단자(21)에 연결되어 단락부재(43)의 외측을 따라 신장된다. 따라서 단락 탭(41)과 단락부재(43)는 단락 홀(42)에 대응하고, 서로 마주하여 이격 상태(실선 상태)를 유지하고, 이차 전지의 내압 상승시 단락부재(43)의 반전에 의하여 단락 상태(가상선 상태)를 형성할 수 있다.
양극 단자(22) 측의 탑 플레이트(46)는 양극 단자(22)의 플레이트 터미널(22c)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 연결한다. 예를 들면, 탑 플레이트(46)는 플레이트 터미널(22c)과 캡 플레이트(20) 사이에 개재되고, 리벳 터미널(22a)을 관통시킨다.
따라서 탑 플레이트(46)와 플레이트 터미널(22c)을 리벳 터미널(22a)의 상단에 결합하여 상단을 코킹함으로써, 탑 플레이트(46)와 플레이트 터미널(22c)은 리벳 터미널(22a)의 상단에 결합된다. 플레이트 터미널(22c)은 탑 플레이트(46)를 개재한 상태로 캡 플레이트(20)의 외측에 설치된다.
한편, 양극 개스킷(37)은 리벳 터미널(22a)과 탑 플레이트(46) 사이로 더 연장되어 설치된다. 즉 양극 개스킷(37)은 리벳 터미널(22a)과 탑 플레이트(46)가 전기적으로 직접 연결되는 것을 방지한다.
따라서 리벳 터미널(22a)은 플레이트 터미널(22c)을 경유하여 탑 플레이트(46)에 전기적으로 연결된다. 즉 캡 플레이트(20)는 양극 단자(22)에 연결되어 양극으로 대전된다.
이로 인하여, 음극으로 대전되는 단락 탭(41)과 양극으로 대전되는 단락부재(43)는 과충전시 발생되는 내압 상승으로 외부 단락을 형성하여, 전극 조립체(10)에 충전된 전류를 외부에서 안전하게 방전시킬 수 있다.
벤트 플레이트(25)는 캡 플레이트(20)(또는 케이스(미도시))의 벤트 홀(24)에 설치되어, 셀이벤트 시, 절개되어 이차 전지의 내부에서 외부로 가스를 배출시킨다. 예를 들면, 벤트 플레이트(25)는 캡 플레이트(20)와 일체를 형성하는 박막 플레이트일 수 있다.
벤트 플레이트(25)는 벤트 홀(24)을 밀폐하여 이차 전지의 내부 압력을 배출할 수 있도록 설치된다. 즉 내부 압력이 설정 압력에 이르면, 벤트 플레이트(25)가 절개되어 벤트 홀(24)을 개방한다. 벤트 플레이트(25)는 절개를 유도하는 노치(25a)를 가진다.
도 3은 도 2의 캡 플레이트에서 전해액 주입구 부분을 확대하여 도시한 단면도이고, 도 4는 전해액 보충시, 제1밸브 조립체에 의하여 도 3의 전해액 주입구가 개방된 작동 상태도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 전해액 주입구(29)는 케이스(15)에 캡 플레이트(20)를 결합한 후, 케이스(15)의 내부로 전해액을 주입할 수 있게 한다. 제1밸브 조립체(71)는 전해액 주입구(29)에 구비되어, 이차 전지의 조립 공정시 전해액 주입 및 수명 기간 중에 전해액 보충시, 전해액 주입구(29)를 개방할 수 있도록 형성된다.
예를 들면, 제1밸브 조립체(71)는 캡 플레이트(20)의 외면에 형성되는 제1고정 돌기(711), 개폐 홀(712)을 구비한 제1캡 부재(713), 제1탄성부재(714) 및 제1개폐 부재(715)를 포함한다.
전해액 주입구(29)는 제1밸브 조립체(71)의 구조에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 제1실시예에서 제1개폐 부재(715)가 중간에서 개폐 홀(712)을 개폐하므로 전해액 주입구(29)는 상하 방향(z축 방향)에서 개폐 홀(712)과 어긋난 위치에 형성된다.
제1고정 돌기(711)는 전해액 주입구(29)의 외주(xy 평면 기준)에서 캡 플레이트(20)의 외면에 돌출 형성된다. 제1고정 돌기(711)는 제1밸브 조립체(71)를 캡 플레이트(20)에 설치할 수 있게 한다.
제1캡 부재(713)는 개폐 홀(712)을 구비하여, 제1고정 돌기(711)에 결합된다. 개폐 홀(712)은 이차 전지의 조립 공정시 및 수명 기간 중에 전해액 보충시, 전해액의 주입 및 보충을 가능하게 한다. 구체적인 예를 들면, 제1캡 부재(713)는 내면에 암나사를 형성하여, 제1고정 돌기(711)의 외면에 형성되는 수나사에 나사 결합된다.
제1탄성부재(714)는 제1고정 돌기(711)의 내측(xy 평면 기준)에서 캡 플레이트(20)의 외면에 배치된다. 제1개폐 부재(715)는 제1탄성부재(714)와 제1캡 부재(713) 사이에 배치되어 개폐 홀(712)을 탄성적으로 개폐한다.
예를 들면, 제1탄성부재(714)의 탄성력이 개폐 홀(712)을 개방하려는 힘보다 더 크게 되면(도 3 참조), 제1개폐 부재(715)는 개폐 홀(712)을 폐쇄한다. 따라서 내부의 전해액은 제1밸브 조립체(71)에 의하여 개폐 홀(712)에서 차단된다.
반대로, 외부에서 개폐 홀(712)의 내부로 작용하는 전해액 주입력이 제1탄성부재(714)의 탄성력보다 크게 되면(도 4 참조), 제1개폐 부재(715)는 개폐 홀(712)을 개방한다. 따라서 전해액은 전해액 주입구(29)를 통하여 내부로 주입 또는 보충된다.
도 5는 도 2의 캡 플레이트에서 가스 제거구를 확대하여 도시한 단면도이고, 도 6은 가스 배출시, 도 5의 가스 제거구가 제2밸브 조립체에 의하여 개방된 작동 상태도이다.
도 1, 도 2, 도 5 및 도 6을 참조하면, 가스 제거구(73)는 케이스(15)에 캡 플레이트(20)를 결합한 후, 케이스(15)의 내부에서 발생된 가스를 제거할 수 있게 한다. 즉 제2밸브 조립체(72)는 가스 제거구(73)에 구비되어, 이차 전지의 수명 기간 중에 전해액 보충시, 가스 제거구(73)를 개방할 수 있도록 형성된다.
예를 들면, 제2밸브 조립체(72)는 캡 플레이트(20)의 외측에 고정되고, 가스 제거구(73)에 연결되는 유입구(721)와 유출구(722)를 가지는 하우징(723), 제2탄성부재(724), 및 제2개폐 부재(725)를 포함한다.
하우징(723)은 가스 제거구(73)에서 하우징(723)의 가스 제거구(73)에 기밀 구조로 결합된다. 이때, 하우징(723)에 구비되는 유입구(721)는 가스 제거구(73)에 연결되고, 유출구(722)는 캡 플레이트(20)의 외부에 연결된다. 제2탄성부재(724)는 하우징(723)에 내장되어 제2개폐 부재(725)에 탄성력을 가하여, 제2개폐 부재(725)로 유입구(721)를 폐쇄시킨다.
또한, 하우징(723)은 유입구(721)의 일측에 오목 형상(예, 오목 곡면)으로 형성되는 안착홈(726)을 구비한다. 제2개폐 부재(725)는 안착홈(726)에 대응하도록 볼록 형상(예, 볼록 곡면(727))으로 형성된다. 안착홈(726)과 볼록 곡면(727)은 넓은 면적을 형성하여, 유입구(721)의 기밀성을 높일 수 있다.
예를 들면, 제2탄성부재(724)의 탄성력이 유입구(721)를 개방하려는 힘보다 더 크게 되면(도 5 참조), 제2개폐 부재(725)는 유입구(721)을 폐쇄한다. 따라서 내부의 가스는 제2밸브 조립체(72)에 의하여 유입구(721)에서 차단된다.
반대로, 전해액 주입 및 전해액 보충으로 내부에서 제2개폐 부재(725)에 작용하는 내압이 제2탄성부재(724)의 탄성력보다 크게 되면(도 6 참조), 제2개폐 부재(725)는 유입구(721)를 개방한다. 따라서 가스는 가스 제거구(73), 유입구(721) 및 유출구(722)를 통하여 외부로 배출된다.
한편, 가스 제거구(73)에는 멤브레인(74)이 더 구비된다. 멤브레인(74)은 가스 제거구(73)의 외주(xy 평면)에서 캡 플레이트(20)의 내면에 배치되어, 가스 제거구(73)로 가스 배출시, 전해액의 배출을 필터링한다.
멤브레인(74)의 설치를 위하여, 캡 플레이트(20)는 가스 제거구(73)의 외주에서 내면에 형성되는 제2고정 돌기(741)를 포함한다. 멤브레인(74)은 제2고정 돌기(741)에 배치되어 제2고정 돌기(741)에 결합되는 제2캡 부재(742)로 고정된다.
제2캡 부재(742)는 제2고정 돌기(741)의 내주에 대응하는 연통 홀(743)을 구비하고, 연통 홀(743)은 멤브레인(74)을 캡 플레이트(20)의 내부에 노출시킨다.
일례로써, 멤브레인(74)은 PTFE(polytetrafluoroethylene) 또는 유리섬유를 PTFE로 코팅하여 형성되므로 전해액에 용해되지 않는다. 즉 멤브레인(74)은 전해액을 지속적으로 차단하고 가스만 배출시킬 수 있게 된다.
제2밸브 조립체(72)는 프리차징(precharging) 이후, 가스 제거(degassing) 공정을 진행하고 폐쇄된다. 이차 전지 조립 후, 화성 공정(충방전 및 에이징) 완료 후, 만충전 상태에서 고온 화성 공정을 진행하면 추가적인 가스가 발생한다.
이때 발생되는 가스는 멤브레인(74) 및 제2밸브 조립체(72)를 통하여 배출된다. 최적 조건까지 가스만을 발생시키고 난 후, 멤브레인(74) 및 제2밸브 조립체(72)를 통하여 가스 제거(degassing) 공정을 재 진행한 후, 제2밸브 조립체(72)가 폐쇄된다.
따라서 이차 전지의 신뢰성과 안전성이 향상되며, 전극 조립체(10)의 변형이 발생되지 않는다. 또한 캡 플레이트(20)는 장수명 특성을 만족시키기 위하여, 수명 중, 일반 사용환경 조건에서도 전해액을 손쉽게 보충할 수 있다. 즉 셀 열화가 방지될 수 있다.
한편, 가스 제거(degassing) 공정 시, 제2밸브 조립체(72)가 개방되는 경우, 벤트 플레이트(25)는 차단 상태를 유지한다. 실질적으로, 셀 이벤트시, 벤트 플레이트(25)가 작동되기 전에 제2밸브 조립체(72)가 작동되어 내부 압력을 배출하게 된다.
그러나 제2밸브 조립체(72)의 설치로 인하여 셀 이벤트 시, 제2밸브 조립체(72)로 내부 압력을 안전하게 배출하지 못할 경우가 발생될 수 있다. 즉 제2밸브 조립체(72)의 고장 상태에서 셀 이벤트 시, 벤트 플레이트(25)는 작동되어 내부 압력을 안전하게 배출할 수 있다.
이하에서 본 발명의 다른 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예와 다른 실시예들을 비교하여, 서로 동일한 구성을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 이차 전지의 캡 플레이트에서 가스 제거구를 확대하여 도시한 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제2실시예의 이차 전지에서, 제2밸브 조립체(76)는 제2개폐 부재(725)의 반대측에서 제2탄성부재(724)를 지지하여 하우징(763)에 나사 결합되는 조절부재(77)를 더 포함한다.
조절부재(77)는 하우징(763)에 나사 결합되어 하우징(763)의 내부로 돌출되는 길이에 따라 제2탄성부재(724)의 탄성력을 설정할 수 있다. 즉 조절부재(77)는 내부 압력에 의하여 제2개폐 부재(725)가 개폐되는 제2탄성부재(724)의 탄성력을 설정할 수 있다.
예를 들면, 조절부재(77)는 화성 공정 시와 완제품 시, 제2탄성부재(724)의 탄성력을 다르게 설정할 수 있다. 즉 화성 공정 시에는 제2탄성부재(724)의 탄성력을 낮추어 가스의 배출을 용이하게 하고, 완제품 시, 벤트 플레이트(25)의 절개 압력보다 제2탄성부재(724)의 탄성력을 더 높게 설정하여, 벤트 플레이트(25)의 안정적인 작동을 구현할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 이차 전지의 캡 플레이트에서 가스 제거구를 확대하여 도시한 단면도이고, 도 9는 가스 배출시, 도 8의 가스 제거구가 개방된 작동 상태도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 제3실시예의 이차 전지에서, 제2밸브 조립체(78)의 하우징(783)은 유입구(721)와 유출구(722)를 연결하는 실린더로 형성된다.
제2개폐 부재(785)는 실린더에 승강하는 피스톤으로 형성되며, 유입구(721)와 유출구(722)를 연결하는 연결 통로(P)를 구비한다. 제2개폐 부재(785)는 하우징(783)에 내장되어 제2개폐 부재(785)에 탄성력을 가하여, 제2개폐 부재(785)로 유입구(721)와 유출구(722)의 연결을 단속한다. 즉 제2개폐 부재(785)가 하우징(783) 상에서 위치에 따라 연결 통로(P)는 유입구(721)와 유출구(722)를 연결하거나 차단할 수 있다.
예를 들면, 제2탄성부재(784)의 탄성력이 유입구(721)를 통하여 제2개폐 부재(785)에 작용하는 내부 압력보다 크게 되면(도 8 참조), 제2개폐 부재(785)는 유입구(721)와 유출구(722)를 차단한다. 따라서 내부의 가스는 제2밸브 조립체(78)에 의하여 유입구(721)에서 차단된다.
반대로, 전해액 주입 및 전해액 보충으로 내부에서 제2개폐 부재(785)에 작용하는 내압이 제2탄성부재(784)의 탄성력보다 크게 되면(도 9 참조), 제2개폐 부재(785)는 유입구(721)와 유출구(722)를 서로 연결한다. 따라서 가스는 가스 제거구(73), 유입구(721) 및 유출구(722)를 통하여 외부로 배출된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 전극 조립체 11: 제1전극(음극)
11a, 12a: 코팅부 11b, 12b: 무지부
12: 제2전극(양극) 13: 세퍼레이터
15: 케이스 20: 캡 플레이트
21, 22: 전극단자(음, 양극 단자) 21a, 22a: 리벳 터미널
21b, 22b: 플랜지 21c, 22c: 플레이트 터미널
24: 벤트 홀 25: 벤트 플레이트
25a: 노치 29: 전해액 주입구
36, 37: 음, 양극 개스킷 40: 외부 단락부
41: 단락 탭 43: 단락부재
42: 단락 홀 46: 탑 플레이트
51, 52: 음, 양극 리드 탭 61, 62: 음, 양극 절연부재
71: 제1밸브 조립체 72, 76, 78: 제2밸브 조립체
73: 가스 제거구 74: 멤브레인
711: 제1고정 돌기 712: 개폐 홀
713: 제1캡 부재 714: 제1탄성부재
715: 제1개폐 부재 721: 유입구
722: 유출구 723, 763, 783: 하우징
724: 제2탄성부재 725, 785: 제2개폐 부재
726: 안착홈 727: 볼록 곡면
741: 제2고정 돌기 742: 제2캡 부재
743: 연통 홀 777: 조절부재
H1, H2: 단자홀 P: 연결 통로

Claims (12)

  1. 전류를 충전 및 방전하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;
    상기 케이스의 개구를 밀폐하는 캡 플레이트;
    상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되어 상기 캡 플레이트를 통하여 외부로 인출되는 전극단자;
    상기 캡 플레이트 또는 상기 케이스의 벤트 홀에 설치되는 벤트 플레이트;
    상기 캡 플레이트의 전해액 주입구에 설치되어 상기 전해액 주입구를 개폐하는 제1밸브 조립체;
    상기 캡 플레이트에 형성되어 가스를 추가로 제거하는 가스 제거구; 및
    상기 가스 제거구에 설치되어 상기 가스 제거구를 개폐하는 제2밸브 조립체
    를 포함하며,
    상기 제1밸브 조립체는
    상기 전해액 주입구의 외주에서 상기 캡 플레이트의 외면에 형성되는 제1고정 돌기,
    상기 제1고정 돌기에 결합되고 개폐 홀을 구비하는 제1캡 부재,
    상기 제1고정 돌기의 내측에서 상기 캡 플레이트의 외면에 배치되는 제1탄성부재, 및
    상기 제1탄성부재와 상기 제1캡 부재 사이에 배치되어 상기 개폐 홀을 개폐하는 제1개폐 부재
    를 포함하는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1캡 부재는
    내면에 암나사를 형성하여, 상기 제1고정 돌기의 외면에 형성되는 수나사에 나사 결합되는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2밸브 조립체는
    상기 가스 제거구에서 상기 캡 플레이트의 외측에 고정되고 상기 가스 제거구에 연결되는 유입구와 유출구를 가지는 하우징, 및
    상기 하우징에 제2탄성부재를 개재하여 내장되어 상기 유입구를 개폐하는 제2개폐 부재
    를 포함하는 이차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 제거구의 외주에서 상기 캡 플레이트의 내면에 배치되어, 가스 배출시, 전해액의 배출을 필터링하는 멤브레인을 더 포함하는 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는
    상기 가스 제거구의 외주에서 내면에 형성되는 제2고정 돌기를 포함하고,
    상기 멤브레인은
    상기 제2고정 돌기에 배치되어 상기 제2고정 돌기에 결합되는 제2캡 부재로 고정되는 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2캡 부재는
    상기 제2고정 돌기의 내주에 대응하는 연통 홀을 구비하고,
    상기 연통 홀은
    상기 멤브레인을 상기 캡 플레이트의 내부에 노출시키는 이차 전지.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 멤브레인은
    PTFE(polytetrafluoroethylene) 또는 유리섬유를 PTFE로 코팅하여 형성되는 이차 전지.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 유입구의 일측에 오목 형상으로 형성되는 안착홈을 구비하고,
    상기 제2개폐 부재는
    상기 안착홈에 대응하도록 볼록 형상으로 형성되는 이차 전지.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제2밸브 조립체는
    상기 제2개폐 부재의 반대측에서 상기 제2탄성부재를 지지하여 상기 하우징에 나사 결합되는 조절부재
    를 더 포함하는 이차 전지.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 실린더로 형성되고,
    상기 제2개폐 부재는
    상기 하우징에 대응하여 승강하는 피스톤으로 형성되며,
    상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 연결 통로를 구비하는 이차 전지.
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