KR102270122B1 - 이차전지용 개스킷 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 베이스 수지 및 방청제를 포함하며, 상기 베이스 수지는 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하고, 상기 방청제는 방청 물질 및 고분자 수지를 포함하며, 상기 베이스 수지와 상기 고분자 수지는 다르며, 상기 방청 물질은 하기 식 1-1 및 식 1-2의 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이차전지용 개스킷에 관한 것이다.
[식 1-1]
[식 1-2]
상기 R1은 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 R2는 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐렌기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐렌닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 A1 및 A2는 각각 독립적으로 카복실기, 아미노기, 니트로기, 하이드록시기, 및 플루오린기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
[식 1-1]
[식 1-2]
상기 R1은 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 R2는 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐렌기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐렌닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 A1 및 A2는 각각 독립적으로 카복실기, 아미노기, 니트로기, 하이드록시기, 및 플루오린기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
Description
본 발명은 이차전지용 개스킷 및 이를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전 이 가능한 전지를 의미하며, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등의 전원에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 약 3배의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 또한, 리튬 이차전지는 각형 전지, 원통형 전지, 파우치형 전지로 구분될 수 있다.
리튬이온 이차전지는 양극/분리막/음극이 순차적으로 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 구비한다. 특히, 상기 외장재는 개방단이 형성된 캔 및 캔의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체를 구비한다.
일반적으로 상기 캔과 캡 조립체 사이에는 개스킷이 개재되어 전지를 밀봉한다. 전지의 개스킷으로는 폴리프로필렌 등의 고분자 수지층을 사용하여 왔다. 그러나 고온, 고습 분위기에서 전지의 크림핑부(crimping), 예컨대 Fe가 노출되는 트리밍부(trimming)에 녹발생이 일어나는 문제가 있으며, 이에 대한 개선이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 고온, 고습 분위기에서 전지의 크림핑부에 녹이 발생하는 것을 최소화할 수 있으며, 밀봉 특성이 향상된 이차전지용 개스킷 및 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 베이스 수지 및 방청제를 포함하며, 상기 베이스 수지는 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하고, 상기 방청제는 방청 물질 및 고분자 수지를 포함하며, 상기 베이스 수지와 상기 고분자 수지는 다르며, 상기 방청 물질은 하기 식 1-1 및 식 1-2의 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이차전지용 개스킷이 제공된다.
[식 1-1]
[식 1-2]
상기 R1은 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 R2는 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐렌기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐렌닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 A1 및 A2는 각각 독립적으로 카복실기, 아미노기, 니트로기, 하이드록시기, 및 플루오린기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 양극 및 음극을 포함하는 전극 조립체; 상단 개구부를 포함하는 캔; 상기 캔의 상부 외주면에 형성되어 상기 상단 개구부의 일부가 내측으로 구부러져 형성되는 크림핑부에 의하여 상기 캔과 결합되는 캡 조립체; 및 상기 이차전지용 개스킷을 포함하며, 상기 이차전지용 개스킷은 상기 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 이차전지가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 개스킷은 특정 방청 물질을 포함하며, 상기 방청 물질은 기화되어 크림핑부, 특히 캔의 상단 개구부에서 Fe가 노출된 부분에 흡착되어 Fe가 수분 및 산소와 직접 접촉하는 것이 방지될 수 있다. 이에 따라, 고온, 고습 분위기에서 전지의 크림핑부에 녹이 발생하는 것을 최소화할 수 있다. 아울러, 본 발명은 베이스 수지로 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene Terephthalate; PBT)를 사용하여 개스킷의 내열성 및 밀봉 특성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 특정 방청 물질은 높은 사출 온도를 가지는 폴리부틸렌 테레프탈레이트와 함께 사출되는데, 이 때 상기 특정 방청 물질은 상기 높은 사출 온도에서도 구조가 붕괴되지 않아, 최종 제조된 개스킷에서 상기 방청 물질의 방청 특성이 유지될 수 있다.
또한, 상기 특정 방청 물질은 옴스트롱(Å) 수준으로 작은 크기로 분산되어 개스킷에 존재하므로, 기화할 시 개스킷에 발생하는 공극이 무시할 수 있는 수준으로 작게 형성된다. 따라서, 마이크로(㎛) 수준의 큰 크기로 분산되어 개스킷에 존재하는 종래의 방청 물질들을 사용하는 경우와 비교할 때, 본 발명의 개스킷은 밀봉 특성이 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 개스킷이 도입된 이차전지의 한쪽 면을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 이차전지용 개스킷이 도입된 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 개스킷이 도입된 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 이차전지용 개스킷이 도입된 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 개스킷이 도입된 이차전지를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 개스킷은 베이스 수지 및 방청제를 포함하며, 상기 베이스 수지는 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하고, 상기 방청제는 방청 물질 및 고분자 수지를 포함하며, 상기 베이스 수지와 상기 고분자 수지는 다르며, 상기 방청 물질은 하기 식 1-1 및 식 1-2의 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
[식 1-1]
[식 1-2]
상기 R1은 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 R2는 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐렌기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐렌닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 A1 및 A2는 각각 독립적으로 카복실기, 아미노기, 니트로기, 하이드록시기, 및 플루오린기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
상기 방청제는 기화성 방청제(VCI; Volatile Corrosion Inbibitor) 일 수 있다. 상기 방청제는 기화되어 크림핑부, 특히 캔의 상단 개구부에서 Fe가 노출된 트리밍부(trimming)에 흡착되어 Fe가 수분 및 산소와 직접 접촉하는 것이 방지할 수 있다.
상기 방청제는 상기 개스킷의 베이스 수지 내에서 분자 단위로 분산되어 존재할 수 있다.
상기 방청 물질은 하기 식 1-1 및 식 1-2의 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
[식 1-1]
[식 1-2]
상기 R1은 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 R2는 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐렌기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐렌닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 A1 및 A2는 각각 독립적으로 카복실기, 아미노기, 니트로기, 하이드록시기, 및 플루오린기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
상기 식 1-1 및 상기 식 1-2에 따른 화합물을 사용할 시, A1 및/또는 A2는 크림핑부, 특히 캔의 상단 개구부에서 Fe가 노출된 부분에 전기적 및/또는 화학적으로 흡착하며, R1 및/또는 R2는 소수성 층을 형성하여 Fe가 수분 및 산소와 직접적으로 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해, 고온, 고습 조건에서도 전지의 크림핑부에 녹이 발생하는 것을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명의 이차전지용 개스킷은 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 베이스 수지와 상기 방청제를 고온에서 사출하는 방식을 통해 제조된다. 상기 폴리부틸렌 테레프탈레이트의 사출 온도는 280℃ 수준의 고온이나, 본 발명에서 사용되는 상기 방청 물질은 상기 사출 온도에서도 구조가 붕괴되지 않는다. 따라서, 최종적으로 제조된 개스킷에서도 방청 물질에 의한 방청 효과가 유지될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 방청 물질은 하기 식 1-3 및 식 1-4 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
[식 1-3]
[식 1-4]
상기 식 1-3 및 상기 식 1-4에서,
상기 A1은 상기 식 1-1 및 식 1-2의 A1과 동일하며,
상기 p는 4 내지 10이고,
상기 q는 3 내지 6일 수 있다.
상기 식 1-3 및 식 1-4의 방청 물질은 상술한 방청 효과를 나타낼 수 있으며, 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 베이스 수지의 사출 온도에서 구조가 변형되지 않는다. 뿐만 아니라, 다음과 같은 이유로 개스킷의 밀봉 특성의 저하를 최소화할 수 있다.
종래, 방청 물질로 사용되는 NaNO2, NaNO3와 같은 물질들은 수지 내에서 마이크로(㎛) 수준의 큰 단위로 분산되어 존재하므로, 상기 물질들이 기화되면 개스킷을 구성하는 수지에 큰 공극이 발생하게 된다. 이에 따라, 상기 공극을 통해 외부의 수분 및 산소가 전지 내부로 침투할 수 있으므로, 개스킷이 가지는 밀봉 특성이 저하되어, 전지 성능이 저하될 수 있다. 반면, 상기 식 1-3 및 식 1-4의 방청 물질은 옴스트롱(Å) 수준으로 작은 크기로 분산되어 개스킷에 존재하므로, 기화할 시 개스킷에 발생하는 공극이 무시할 수 있는 수준으로 작게 형성된다. 따라서, 개스킷이 가지는 밀봉 특성의 저하가 최소화될 수 있다.
보다 더 구체적으로, 상기 방청 물질은 데칸산(decanoic acid), 라우르산(lauric acid) 및 미리스트산(myristic acid)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 방청 물질을 사용할 시, 상술한 방청 효과를 나타낼 수 있으며, 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 베이스 수지의 사출 온도에서 구조가 변형되지 않는다. 뿐만 아니라, 개스킷의 밀봉 특성의 저하를 최소화할 수 있다.
상기 고분자 수지는 상기 방청 물질과 혼합되어, 상기 방청 물질을 베이스 수지에 분산시키는 역할을 할 수 있다. 상기 베이스 수지 내에서의 상기 방청 물질의 원활한 분산을 위해, 상기 고분자 수지는 상기 베이스 수지와 다를 수 있다.
상기 고분자 수지는 폴리에틸렌(polyethylene; PE); 및 에틸렌(ethylene) 유래 단위, 프로필렌(propylene) 유래 단위, 부틸렌 테레프탈레이트(butylene terephthalate) 유래 단위, 에틸렌 테레프탈레이트(ethylene terephthalate) 유래 단위 및 아크릴산 메틸(methyl acrylate) 유래 단위로 이루어진 군에서 선택되는 2이상의 유래 단위를 포함하는 공중합체; 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 물질들을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 고분자 수지는 방청 물질과 혼합이 용이하며, 폴리부틸렌 테레프탈레이트와도 혼합이 용이한 점에서 바람직하다. 또한, 개스킷의 방청 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적으로 상기 고분자 수지는 제조 공정 및 베이스 수지와의 혼합을 고려할 때, 에틸렌 유래 단위와 아크릴산 메틸 유래 단위를 포함하는 공중합체일 수 있다.
상기 고분자 수지 및 상기 방청 물질의 중량비는 99:1 내지 80:20일 수 있으며, 구체적으로 99:1 내지 85:15, 보다 구체적으로 99:1 내지 90:10일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 방청 효과가 더욱 효과적일 수 있다.
상기 방청제는 펠렛 형태일 수 있다. 구체적으로 상기 방청제는 상기 고분자 수지와 상기 방청 물질을 혼합한 뒤, 펠렛화 공정을 거쳐서 형성되는 펠렛 형태일 수 있다. 이를 통해, 상기 방청제가 베이스 수지 내에서 원활하게 분산될 수 있다. 만일, 펠렛 형태가 아닌(즉, 고분자 수지가 없이) 상태에서 방청 물질만을 베이스 수지에 혼합할 시, 베이스 수지 내에서 상기 방청 물질이 원활하게 분산되지 못하므로 방청 기능이 급격하게 저하된다.
상기 베이스 수지는 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)를 포함할 수 있으며, 구체적으로 폴리부틸렌 테레프탈레이트일 수 있다. 상기 폴리부틸렌 테레프탈레이트는 내열성이 높으며, 산소와 수분 투과도가 낮기 때문에, 개스킷의 베이스 수지로 더욱 바람직하다. 구체적으로, 약 160℃로 낮은 녹는점을 가지는 폴리프로필렌을 베이스 수지로 사용하는 경우, 양극과 음극의 단락이 발생할 시 폴리프로필렌이 녹아버리므로, 전지의 안정성이 저하되는 문제가 발생한다. 반면, 폴리부틸렌 테레프탈레이트의 경우, 약 230℃ 수준의 높은 녹는점을 가지므로, 개스킷이 유지되어 전지의 안정성이 확보될 수 있다.
나아가, 상기 베이스 수지가 폴리부틸렌 테레프탈레이트인 경우, 상기 개스킷용 방청제에 포함된 방청 물질을 사용할 시, 다음과 같은 이점이 있다. 종래에 사용된 NaNO2, NaNO3와 같은 방청 물질의 경우, 폴리부틸렌 테레프탈레이트에 포함된 C=O 결합을 약하게 하여 폴리부틸렌 테레프탈레이트가 열화되므로, 개스킷의 물리적인 특성이 저하된다. 구체적으로, 상기 폴리부틸렌 테레프탈레이트의 연성이 저하되어, 외력에 의해 개스킷에 크랙(crack)이 발생하기 쉽다. 반면, 본 발명의 방청 물질은 폴리부틸렌 테레프탈레이트에 포함된 C=O 결합의 약화를 최소화할 수 있거나, 결합에 어떠한 영향을 미치지 않으므로, 개스킷의 물리적인 특성이 유지될 수 있다. 또한, 폴리부틸렌 테레프탈레이트는 280℃의 높은 사출 온도를 가지며, 폴리부틸렌 테레프탈레이트와 함께 사출되는 본 발명의 방청 물질은 상기 고온에서도 구조가 붕괴되지 않아, 최종 제조된 개스킷에서 상기 방청 물질의 방청 특성이 유지될 수 있다.
상기 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 상기 방청제의 중량비는 98:2 내지 85:15일 수 있으며, 구체적으로 98:2 내지 90:10일 수 있고, 보다 구체적으로 93:7 내지 90:10일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상술한 방청 효과가 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지는 양극 및 음극을 포함하는 전극 조립체; 상단 개구부를 포함하는 캔; 상기 캔의 상부 외주면에 형성되어 상기 상단 개구부의 일부가 내측으로 구부러져 형성되는 크림핑부에 의하여 상기 캔과 결합되는 캡 조립체; 이차전지용 개스킷을 포함하며, 상기 이차전지용 개스킷은 상기 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재될 수 있다. 여기서, 이차전지용 개스킷은 상술한 실시예의 이차전지용 개스킷과 동일하므로 설명을 생략한다.
상기 이차전지는 원통형, 각형 등의 형태일 수 있으며, 구체적으로 원통형일 수 있다. 상기 이차전지가 원통형인 경우, 상기 캔의 상단 개구부 역시 원형일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이차전지(100)는, 전극 조립체(10)를 전해액과 함께 수납하는 캔(20)과, 캔(20)의 개방단에 밀봉 결합되는 캡 조립체(30), 원통형 캔(20)과 캡 조립체(30) 사이에 개재되는 개스킷(40)을 포함한다. 상기 개스킷(40)은 상술한 실시예의 이차전지용 개스킷과 동일하다.
상기 캔(20)의 소재는, 특별히 제한되지 않으며, 스테인리스 스틸, 스틸, 알루미늄 또는 그 등가물 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 캔(20)은 도전성을 가져야 하기 때문에 금속 성분을 이용하게 되며, 이러한 금속 성분은 외부로부터의 수분 접촉에 따른 부식에 취약할 수 있다. 이러한 관점에서, 상기 캔(20)은 Fe로 이루어진 층과 상기 Fe로 이루어진 층을 부식으로부터 방지하는 Ni로 이루어진 층을 포함할 수 있다.
상기 캔(20)은 원통형, 각형 등일 수 있고, 구체적으로 원통형일 수 있다. 상기 캔(20)의 개방단은 트리밍부(21a)를 포함하며, 상기 트리밍부(21a)에서, 캔의 Fe 성분이 노출될 수 있다. 구체적으로, 최종 제품 상태에서, 트리밍부(21a)는 크림핑부(21)에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
상기 캡 조립체(30)는 상기 캔(20)의 개방단을 밀봉하는 탑 캡, 및 안전 벤트(36)를 포함할 수 있다. 상기 안전 벤트(36)의 일면은 상기 탑 캡의 측면, 상면 및 하면 모두에 접촉되고, 타면은 개스킷(40)의 내측면에 접촉되도록 절곡되어 배치될 수 있다. 상기 안전 벤트(36)는 상기 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 캡 조립체(30)를 구비한 전지는, 전동드릴 등과 같은 파워툴의 동력원으로 사용되는 경우에는 순간적으로 높은 출력을 제공할 수 있고 진동, 낙하 등과 같은 외부의 물리적 충격에 대해서도 안정적일 수 있다.
특히, 안전 벤트(36)가 절곡되어 탑 캡을 감싸는 형태인 상기 캡 조립체(30)는 안전 벤트(36)와 탑 캡의 접촉면이 한 곳 이상의 연결부를 형성할 수 있으며, 상기 연결부는 용접 등에 의하여 형성된다. 본 발명에 사용된 용어 "용접"은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 등의 문언적 의미에서의 용접뿐만 아니라, 납땜 등의 체결방법 등을 또한 포함하는 개념으로 사용되고 있다. 용접은 캡 조립체(30) 자체의 조립과정에서 행해질 수도 있고, 캡 조립체(30)를 캔(20)에 설치한 상태에서도 행해질 수 있다.
상기 안전 벤트(36)는 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 역할을 하며, 금속 재질인 것이 바람직하다. 안전 벤트(36)의 두께는 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 전지 내부의 소정의 고압 발생 시 파열되면서 가스 등을 배출할 수 있다면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 0.2 내지 0.6㎜일 수 있다.
상기 안전 벤트(36)와 접촉되는 상기 탑 캡 부위의 두께는, 외부로부터 인가되는 압력으로부터 캡 조립체(30)의 여러 구성 요소들을 보호할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 0.3 내지 0.5㎜일 수 있 다. 탑 캡 부위의 두께가 너무 얇으면 기계적 강성을 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 크기 및 중량 증가에 의해 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 개스킷(40)은 전체적으로 양단이 개방된 원통 형태, 각 형태를 이룰 수 있으며, 캔의 상단 개구부의 형태에 따라 달라질 수 있고, 구체적으로 원통 형태일 수 있다. 캔(20)의 내면을 향하는 일 측단은 캔(20)의 개방부 즉, 크림핑부(21)에 놓이도록 중심부를 향해 일정 각도로, 구체적으로는 직각으로 절곡된 구조가 바람직하다. 개스킷(40)의 다른 쪽 선단은 최초에는 직선으로 펴져 개스킷(40)의 축방향으로 향하고 있으며, 캔(20)과의 가압 공정시 중심부를 향해 일정 각도로 절곡되어 내주면과 외주면이 각각 캡 조립체(30)의 탑 캡과 캔(20)의 내측면에 밀착된 상태로 접히게 된다.
크림핑부(21)는 캡 조립체(30)를 캔의 개방단에 장착할 수 있도록 캔의 상단에 형성되어 있다. 보다 구체적으로, 크림핑부(21)는, 캔(20)의 상단부를 비딩 가공함으로써 내측으로 만입부를 형성하고, 개스킷(40)을 개방단에 탑재하고, 탑 캡, PTC 소자, 안전 벤트(36)의 외주면을 차례로 삽입한 다음, 캔의 상단부를 내측으로 절곡함으로써 형성된다. 결과적으로, 크림핑부(21)의 내측면에 위치하는 개스킷(40)을 감싸는 형태로 되고, 크림핑(crimping) 및 프레싱 공정을 수행함으로써 캡 조립체(30)를 장착한다.
상기 크림핑부(21)는 개스킷(40)이 개재된 상태에서 캡 조립체(30)가 캔(20)의 개방 상단에 안정적으로 장착할 수 있도록 단부가 내측으로 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 크림핑부(21)의 측벽은 전지의 측면과 동일하게 수직으로 형성되어 있다.
전극 조립체(10)는 양극 및 음극을 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 전극 조립체(10)는 서로 극성이 다르고 롤 형태의 넓은 판형을 가진 두 개의 전극판(11)과 이러한 전극판(11)을 상호 절연시키기 위해 전극판(11) 사이에 개재되거나 어느 하나의 전극판(11)의 좌측 또는 우측에 배치되는 분리막(12)을 포함할 수 있다. 이 때, 분리막(12)에 의해 서로 이격된 전극판(11)은 음극과 양극일 수 있다. 상기 전극 조립체(10)는 이른바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 권취된 구조가 바람직하다. 물론, 소정 규격의 양극판과 음극판이 분리막(12)을 사이에 두고 적층된 형태일 수도 있다.
상기 캔(20)의 내부 공간에는 전극 조립체(10)와 전해액(미도시)이 수용된다. 상기 전해액은 이차전지(100)의 충방전 시 전극판(11)의 전기 화학적 반응에 의해 생성되는 리튬이온을 이동시키기 위한 것이다. 이러한 전해액은 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기전해액 또는 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으나, 전해액의 종류는 문제되지 않는다.
한편, 캔(20)의 중앙에는 젤리롤 형태로 권취된 전극 조립체(10)가 풀리는 것을 방지하고 이차전지(100) 내부의 가스의 이동 통로의 역할을 수 행하는 센터핀(미도시)이 삽입될 수도 있다. 캔(20)의 상부 즉, 전극 조립체(10)의 상단 윗부분에는 외부에서 내측으로 가압 절곡 형성된 비딩부(24)가 마련되어 전극 조립체(10)의 상, 하 방향의 유동을 방지한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지(100)는 보조 개스킷(42)을 더 포함할 수 있다. 상기 보조 개스킷(42)은 전류차단소자(38)용 개스킷으로서 전류차단소자(38)의 외주면을 감싸도록 구성된다. 특히, 상기 보조 개스킷(42)은, 전류차단소자(38)의 외주면에서 상부와 측면부에 접촉되어, 전류차단소자(38)의 상부 및 측면부를 지지한다. 그리고 보조 개스킷(42)은 안전 벤트(36)의 돌출 부분과 전류차단소자(38)가 접촉되는 부분을 제외하고는 전류차단소자(38)와 안전 벤트(36)가 서로 전기적으로 절연되도록 하는 역할을 한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의한 전지(100)를 도 3에 나타내었다. 도 2에서 설명된 참조부호와 동일한 구성요소는 동일한 기능을 가진 동일 부재이다. 도 3을 참조하면, 상기 캡 조립체(30)는 상기 캔(20)의 개방단을 밀봉하고 상기 개스킷(40)의 돌출부에 접촉되도록 배치된 탑 캡, 상기 탑 캡에 접촉되도록 배치된 PTC 소자(positive temperature coefficient)(34), 및 일면은 상기 PTC 소자(34)에 접촉되고 타면의 일부가 상기 개스킷(40)에 접촉되도록 배치된 안전 벤트(36)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 PTC 소자(34)는 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 역할을 하고, 이러한 PTC 소자(34)의 두께 역시 소재 및 구조 등에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면 0.2㎜ 내지 0.4㎜일 수 있다. PTC 소자(34)의 두께가 0.4㎜보다 두꺼우면 내부 저항이 상승하고, 전지의 크기를 증가시 켜 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있다. 반대로, PTC 소자(34)의 두께가 0.2㎜보다 얇으면, 고온에서 소망하는 전류 차단 효과를 발휘하기 어렵고 약한 외부 충격에 의해서도 파괴될 수 있다. 따라서, PTC 소자(34)의 두께는 이러한 점들을 복합적으로 고려하여 상기 두께 범위 내에서 적절히 결정될 수 있다.
PTC 소자(34)와 접촉되는 탑 캡 부위의 두께는, 외부로부터 인가되는 압력으로부터 캡 조립체(30)의 여러 구성 요소들을 보호할 수 있는 범위라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들면, 0.3 내지 0.5㎜일 수 있다. 탑 캡 부위의 두께가 너무 얇으면 기계적 강성을 발휘하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 크기 및 중량 증가에 의해 동일 규격 대비 전지의 용량을 감소시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.
이렇게 탑 캡, PTC 소자(34), 및 안전 벤트를 구비한 캡 조립체(30)를 포함하는 이차전지는 일정한 출력을 안정적으로 제공하는 휴대전화, 노트북 등의 전원으로 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예로 제조된 리튬 이차전지 다수를 전기적으로 연결하여 포함하는 것인 전지팩을 제공할 수 있으며, 상기 전지팩은 파워 툴(Power Tool), 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차, 전기 트럭, 전기 상용차, 또는 전력 저장용 시스템으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 장치에서 중대형 디바이스 전원으로 이용되는 전지팩일 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이로만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 전지의 제조
(1) 개스킷의 제조
에틸렌 유래 단위와 아크릴산 메틸 유래 단위를 포함하는 공중합체와 라우르산을 95:5의 중량비로 100℃에서 혼합한 뒤, 펠렛화 공정을 거쳐 펠렛 형태의 방청제를 준비하였다. 상기 방청제 240g과 폴리부틸렌 테레프탈레이트 3,000g을 혼합한 뒤, 280℃의 온도에서 사출하여 개스킷을 제조하였다.
(2) 전지의 제조
캔은 Fe로 이루어진 내부층과 상기 내부층의 양면 상에 배치된 Ni층으로 이루어졌다. 상기 캔의 상단 개구부에 개스킷을 배치한 뒤, 캡 조립체를 상기 상기 개스킷 내주면과 맞닿게 위치시킨 후, 크림핑부를 형성하였다. 이를 통해, 상기 개스킷을 포함하는 전지를 제조하였다.
실시예 2: 전지의 제조
(1) 개스킷의 제조
에틸렌 유래 단위와 아크릴산 메틸 유래 단위를 포함하는 공중합체와 라우르산을 95:5의 중량비로 100℃에서 혼합한 뒤, 펠렛화 공정을 거쳐 펠렛 형태의 방청제를 준비하였다. 상기 방청제 150g과 폴리부틸렌 테레프탈레이트 3,000g을 혼합한 뒤, 280℃의 온도에서 사출하여 개스킷을 제조하였다.
(2) 전지의 제조
캔은 Fe로 이루어진 내부층과 상기 내부층의 양면 상에 배치된 Ni층으로 이루어졌다. 상기 캔의 상단 개구부에 개스킷을 배치한 뒤, 캡 조립체를 상기 상기 개스킷 내주면과 맞닿게 위치시킨 후, 크림핑부를 형성하였다. 이를 통해, 상기 개스킷을 포함하는 전지를 제조하였다.
실시예 3: 전지의 제조
(1) 개스킷의 제조
에틸렌 유래 단위와 아크릴산 메틸 유래 단위를 포함하는 공중합체와 데칸산을 95:5의 중량비로 100℃에서 혼합한 뒤, 펠렛화 공정을 거쳐 펠렛 형태의 방청제를 준비하였다. 상기 방청제 240g과 폴리부틸렌 테레프탈레이트 3,000g을 혼합한 뒤, 280℃의 온도에서 사출하여 개스킷을 제조하였다.
(2) 전지의 제조
캔은 Fe로 이루어진 내부층과 상기 내부층의 양면 상에 배치된 Ni층으로 이루어졌다. 상기 캔의 상단 개구부에 개스킷을 배치한 뒤, 캡 조립체를 상기 상기 개스킷 내주면과 맞닿게 위치시킨 후, 크림핑부를 형성하였다. 이를 통해, 상기 개스킷을 포함하는 전지를 제조하였다.
비교예 1: 전지의 제조
(1) 개스킷의 제조
폴리부틸렌 테레프탈레이트를 280℃에서 사출하여 개스킷을 제조하였다.
(2) 전지의 제조
캔은 Fe로 이루어진 내부층과 상기 내부층의 양면 상에 배치된 Ni층으로 이루어졌다. 상기 캔의 상단 개구부에 개스킷을 배치한 뒤, 캡 조립체를 상기 상기 개스킷 내주면과 맞닿게 위치시킨 후, 크림핑부를 형성하였다. 이를 통해, 상기 개스킷을 포함하는 전지를 제조하였다.
비교예 2: 전지의 제조
(1) 개스킷의 제조
폴리에틸렌과 NaNO2를 70:30의 중량비로 140℃에서 혼합한 뒤, 펠렛화 공정을 거쳐 펠렛 형태의 방청제를 준비하였다. 상기 방청제 240g과 폴리부틸렌 테레프탈레이트 3,000g을 혼합한 뒤, 280℃의 온도에서 사출하여 개스킷을 제조하였다.
(2) 전지의 제조
캔은 Fe로 이루어진 내부층과 상기 내부층의 양면 상에 배치된 Ni층으로 이루어졌다. 상기 캔의 상단 개구부에 개스킷을 배치한 뒤, 캡 조립체를 상기 상기 개스킷 내주면과 맞닿게 위치시킨 후, 크림핑부를 형성하였다. 이를 통해, 상기 개스킷을 포함하는 전지를 제조하였다.
비교예 3: 전지의 제조
(1) 개스킷의 제조
에틸렌 유래 단위와 아크릴산 메틸 유래 단위를 포함하는 공중합체와 라우르산을 95:5의 중량비로 100℃에서 혼합한 뒤, 펠렛화 공정을 거쳐 펠렛 형태의 방청제를 준비하였다. 상기 방청제 240g과 폴리테트라플루오로에틸렌(Poly-tetrafluoroethylene: PFA) 3,000g을 혼합한 뒤, 380℃의 온도에서 사출하여 개스킷을 제조하였다.
(2) 전지의 제조
캔은 Fe로 이루어진 내부층과 상기 내부층의 양면 상에 배치된 Ni층으로 이루어졌다. 상기 캔의 상단 개구부에 개스킷을 배치한 뒤, 캡 조립체를 상기 상기 개스킷 내주면과 맞닿게 위치시킨 후, 크림핑부를 형성하였다. 이를 통해, 상기 개스킷을 포함하는 전지를 제조하였다.
비교예 4: 전지의 제조
(1) 개스킷의 제조
라우르산 12g과 폴리부틸렌 테레프탈레이트 3,228g을 혼합한 뒤, 280℃의 온도에서 사출하여 개스킷을 제조하였다.
(2) 전지의 제조
캔은 Fe로 이루어진 내부층과 상기 내부층의 양면 상에 배치된 Ni층으로 이루어졌다. 상기 캔의 상단 개구부에 개스킷을 배치한 뒤, 캡 조립체를 상기 상기 개스킷 내주면과 맞닿게 위치시킨 후, 크림핑부를 형성하였다. 이를 통해, 상기 개스킷을 포함하는 전지를 제조하였다.
실험예 1: 방청 기능 평가
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 전지 각각을 65℃, 90%의 습도 환경에서 2주 보관한 뒤, 방청 기능을 평가하여 하기 표 1에 나타냈었다.
구체적으로, 캔의 상부 외주면의 트리밍부(trimming)의 영역을 기준으로 하여, 부식이 발생한 영역의 비율을 %로 나타내었다. 부식이 발생한 범위가 50% 초과 시 3점, 10% 초과 50% 이하일 시 2점, 10% 이하일 시 1점, 부식이 없을 시 0점을 부과하였다. 이렇게 30개의 전지에 대해 점수를 매긴 뒤, 점수들의 평균값을 10점 만점으로 환산하여(평균값×(10/3)) 도출된 최종 점수로 방청 기능을 평가하였다. 한편, 부식이 발생한 범위는 육안 및 현미경으로 확인하였다.
| 방청 기능 평가 점수 | |
| 실시예 1 | 0.4 |
| 실시예 2 | 1.1 |
| 실시예 3 | 0.5 |
| 비교예 1 | 9.7 |
| 비교예 2 | 1.9 |
| 비교예 3 | 10.0 |
| 비교예 4 | 4.9 |
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 개스킷용 방청제를 사용한 실시예 1 내지 3의 경우, 방청제를 사용하지 않은 비교예 1 및 NaNO2를 포함하는 기존의 방청제를 사용한 비교예 2에 비해 방청 기능이 월등히 높은 것을 알 수 있다.
한편, 베이스 수지로 폴리부틸렌 테레프탈레이트가 아닌 PFA를 사용한 비교예 3의 경우, 베이스 수지의 녹는점이 높으므로, 베이스 수지에 포함된 방청제가 대부분 열분해되므로, 방청 기능이 저하되는 것을 알 수 있다. 또한, 고분자 수지 없이 방청제로만 방청 물질을 구성하는 경우, 베이스 수지와 방청제의 비중 차이로 인해 방청 물질이 개스킷 내에서 균일하게 분산되지 못하므로, 방청 기능이 저하되는 것을 알 수 있다.
실험예 2: 밀봉 기능 평가
실시예 1 및 비교예 1 내지 4의 전지 각각을 SOC 100% 상태에서 72℃ 온도로 40일 보관하였다. 보관 전과 보관 후의 전지 무게를 평가하여, 하기 표 2에 나타내었다. 표 2의 중량 변화율은 하기 식을 계산되었다.
중량 변화율 = [(보관 전 전지 중량 - 보관 후 전지 중량)/보관 전 전지 중량]×100
| 보관 전 전지 중량(g) | 보관 후 전지 중량(g) | 중량 변화율(%) | |
| 실시예 1 | 48.03 | 48.02 | 0.0208 |
| 비교예 1 | 47.90 | 47.89 | 0.0209 |
| 비교예 2 | 47.97 | 47.27 | 1.4592 |
| 비교예 3 | 47.94 | 47.92 | 0.0417 |
| 비교예 4 | 47.99 | 47.98 | 0.0208 |
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1의 경우 방청 물질의 기화에도 불구하고, 개스킷 내 공극이 크지 않으므로, 방청 물질을 포함하지 않은 비교예 1과 같이 밀봉 기능이 효과적으로 유지될 수 있는 것을 확인할 수 있다.
한편, NaNO2를 방청 물질로 사용한 비교예 2의 경우, 개스킷 내에 크기가 큰 공극이 다수 존재하게 되어, 밀봉 기능이 크게 저하되는 것을 알 수 있다.
Claims (6)
- 베이스 수지 및 방청제를 포함하며,
상기 베이스 수지는 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하고,
상기 방청제는 방청 물질 및 고분자 수지를 포함하며,
상기 베이스 수지와 상기 고분자 수지는 다르며,
상기 방청 물질은 하기 식 1-1 및 식 1-2의 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이차전지용 개스킷:
[식 1-1]
[식 1-2]
상기 R1은 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 R2는 탄소수 8 내지 20의 선형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 분지형 알킬렌기, 탄소수 8 내지 20의 알케닐렌기, 탄소수 8 내지 20의 알카이닐렌닐, 및 탄소수 8 내지 18의 아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 A1 및 A2는 각각 독립적으로 카복실기, 아미노기, 니트로기, 하이드록시기, 및 플루오린기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.
- 청구항 1에 있어서,
상기 방청 물질은 하기 식 1-3 및 식 1-4 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이차전지용 개스킷;
[식 1-3]
[식 1-4]
상기 식 1-3 및 상기 식 1-4에서,
상기 p는 4 내지 10이고,
상기 q는 3 내지 6이다.
- 청구항 2에 있어서,
상기 방청 물질은 데칸산, 라우르산, 및 미리스트산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 이차전지용 개스킷.
- 청구항 1에 있어서,
상기 고분자 수지는 폴리에틸렌; 및 에틸렌 유래 단위, 프로필렌 유래 단위, 부틸렌 테레프탈레이트 유래 단위, 에틸렌 테레프탈레이트 유래 단위 및 아크릴산 메틸 유래 단위로 이루어진 군에서 선택되는 2이상의 유래 단위를 포함하는 공중합체; 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이차전지용 개스킷.
- 청구항 1에 있어서,
상기 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 상기 방청제의 중량비는 98:2 내지 85:15인 이차전지용 개스킷.
- 양극 및 음극을 포함하는 전극 조립체;
상단 개구부를 포함하는 캔;
상기 캔의 상부 외주면에 형성되어 상기 상단 개구부의 일부가 내측으로 구부러져 형성되는 크림핑부에 의하여 상기 캔과 결합되는 캡 조립체; 및
청구항 1 내지 5 중 어느 하나의 이차전지용 개스킷을 포함하며,
상기 이차전지용 개스킷은 상기 캔과 상기 캡 조립체 사이에 개재되는 이차전지.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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| GRNT | Written decision to grant |