KR102601641B1 - 이차 전지용 캡 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
이차 전지용 캡 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지가 개시된다. 개시된 이차 전지용 캡 조립체는, 캡 플레이트; 상기 캡 플레이트의 하부에 배치되고, 하방으로 돌출하는 벤트를 구비하며, 이차 전지의 내부 압력 상승시 형태가 변형되도록 구성되는 벤트 플레이트; 상기 벤트 플레이트의 하부에 배치되고, 상기 벤트와 연결되어 상기 벤트 플레이트와 함께 전류차단장치(CID)를 구성하는 서브 플레이트; 상기 벤트 플레이트와 상기 서브 플레이트 사이에 개재되고, 상기 서브 플레이트를 통하여 상기 벤트 플레이트에 전기적으로 연결되는 미들 플레이트; 및 상기 벤트 플레이트와 상기 미들 플레이트 사이에 개재되는 인슐레이터;를 포함하되, 상기 인슐레이터는 가교화된 고분자 재질을 포함한다. 본 발명에 따르면, 전지 단락 상황 등에서의 열 발생시에도 CID의 성능을 안정적으로 확보할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 전지 단락 상황 등에서의 열 발생시에도 CID의 성능을 안정적으로 확보할 수 있는 이차 전지용 캡 조립체에 관한 것이다.
이차 전지는 충전 및 방전이 가능하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지로서, 휴대전자기기, 전동공구, 정원공구, 전기자동차(Electric Vehicle, EV) 및 전력저장시스템 등의 에너지원으로 사용되고 있다.
이러한 적용분야에서는 일반적으로 원통형 이차 전지가 사용되며, 원통형 이차 전지의 경우 전지의 안전성을 확보하기 위해 내부에 CID(Current Interrupt Device, 전류차단장치)를 구비하고 있다.
CID는 이차 전지의 내부에 압력이 상승할 때 이로 인한 전지의 폭발을 막기 위한 보호소자이다. 내압 상승시, 전극 조립체에서 캡 조립체로의 전류의 흐름을 차단하여 전지가 더 이상 충전되지 않도록 하는 것이다.
다만, 이 역할을 해야 하는 CID 내에 있는 인슐레이터 부분이 전지 단락 상황 등에서 발생할 수 있는 열로 인해 녹게 되면 전류를 차단하지 못하고 통전이 되는 현상이 발생한다.
예를 들어, 양극판과 음극판 사이에 내부 단락이 발생하면 단락 전류에 수반하는 줄열(Joule heat)에 의해 이상 가열이 발생되고, 이때 발생한 열에 의해 CID 내 인슐레이터가 녹게 되면 전극 조립체에서 캡 조립체로의 전류의 흐름이 차단되지 못하여 전지가 과충전 되고, 결국 이차 전지는 발화되거나 폭발한다.
본 발명에서는 전지 단락 상황 등에서의 열 발생시에도 CID의 성능을 안정적으로 확보할 수 있는 이차 전지용 캡 조립체를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 캡 플레이트; 상기 캡 플레이트의 하부에 배치되고, 하방으로 돌출하는 벤트를 구비하며, 이차 전지의 내부 압력 상승시 형태가 변형되도록 구성되는 벤트 플레이트; 상기 벤트 플레이트의 하부에 배치되고, 상기 벤트와 연결되어 상기 벤트 플레이트와 함께 전류차단장치(CID)를 구성하는 서브 플레이트; 상기 벤트 플레이트와 상기 서브 플레이트 사이에 개재되고, 상기 서브 플레이트를 통하여 상기 벤트 플레이트에 전기적으로 연결되는 미들 플레이트; 및 상기 벤트 플레이트와 상기 미들 플레이트 사이에 개재되는 인슐레이터;를 포함하되, 상기 인슐레이터는 가교화된 고분자 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체가 제공된다.
상기 인슐레이터는 가교화된 폴리프로필렌(PP) 레진 재질을 포함할 수 있다.
상기 인슐레이터는 가교화된 폴리에틸렌(PE) 레진 재질을 포함할 수 있다.
상기 인슐레이터는 사출 후 수가교 공정을 통하여 가교화 처리될 수 있다 .
상기 인슐레이터는 중심이 개구된 원형 고리 형상을 갖고, 상기 인슐레이터의 원형 고리의 외측에는 그 둘레를 따라 상기 원형 고리가 놓여지는 평면에 세워지는 방향으로 연장되는 변형 방지 리브가 형성될 수 있다.
상기 변형 방지 리브의 두께는 하방으로 갈수록 얇아질 수 있다.
상기 변형 방지 리브는 그 내측면과 외측면 중 외측면이 테이퍼진 것일 수 있다.
상기 인슐레이터의 원형 고리의 내측에는 그 둘레를 따라 상기 원형 고리의 내측 일면에서 상기 인슐레이터의 중심 방향으로 돌출되는 다수의 돌기가 형성될 수 있다.
상기 벤트 플레이트는 하부 절곡부와 상부 절곡부로 이루어지는 S자형 절곡 구조를 갖고 상기 인슐레이터의 원형 고리의 내측에 억지끼움 방식으로 조립되며, 상기 벤트 플레이트의 상기 인슐레이터로의 조립 후 상기 다수의 돌기는 상기 하부 절곡부의 윗부분과 맞물려 상기 인슐레이터로부터 상기 벤트 플레이트의 이탈을 방지할 수 있다.
상기 미들 플레이트 및 상기 인슐레이터는 중심 영역에 형성된 관통구를 각각 포함하고, 상기 벤트는 상기 미들 플레이트의 관통구 및 상기 인슐레이터의 관통구를 통하여 상기 서브 플레이트의 중심 영역과 직접 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 이차 전지용 캡 조립체를 포함하는 이차 전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 전지 단락 상황 등에서의 열 발생시에도 CID의 성능을 안정적으로 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단면 사시도를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체의 분해 사시도를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐레이터를 위에서 바라본 사시도를 도시하는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐레이터를 아래에서 바라본 사시도를 각각 도시한다.
도 5는 도 3에서 A부분에 대한 확대도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체의 일부 단면도를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡 조립체의 일부 단면도를 도시하는 도면이다.
도 7a는 비교예에 대한 TMA 결과를 도시하는 도면이다.
도 7b는 발명예에 대한 TMA 결과를 도시하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 비교예와 발명예를 각각 이용해 제작된 캡 조립체에 대해 이차 전지로의 실 사용 조건을 가정한 절연 테스트 과정을 순서대로 도시하는 도면이다.
도 9a는 발명예를 이용하여 제작된 캡 조립체가 적용된 이차 전지에 대한 외부 단락 테스트 결과를 도시하는 도면이다.
도 9b는 비교예를 이용하여 제작된 캡 조립체가 적용된 이차 전지에 대한 외부 단락 테스트 결과를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체의 분해 사시도를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐레이터를 위에서 바라본 사시도를 도시하는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐레이터를 아래에서 바라본 사시도를 각각 도시한다.
도 5는 도 3에서 A부분에 대한 확대도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체의 일부 단면도를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캡 조립체의 일부 단면도를 도시하는 도면이다.
도 7a는 비교예에 대한 TMA 결과를 도시하는 도면이다.
도 7b는 발명예에 대한 TMA 결과를 도시하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 비교예와 발명예를 각각 이용해 제작된 캡 조립체에 대해 이차 전지로의 실 사용 조건을 가정한 절연 테스트 과정을 순서대로 도시하는 도면이다.
도 9a는 발명예를 이용하여 제작된 캡 조립체가 적용된 이차 전지에 대한 외부 단락 테스트 결과를 도시하는 도면이다.
도 9b는 비교예를 이용하여 제작된 캡 조립체가 적용된 이차 전지에 대한 외부 단락 테스트 결과를 도시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)의 단면 사시도를 도시하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전류를 발생시키는 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)를 내장하는 캔(120), 및 캔(120)과 결합되어 전극 조립체(110)에 전기적으로 연결되는 캡 조립체(130)를 포함한다.
전극 조립체(110)는 양극 및 음극 전극판(111, 113)과 세퍼레이터(112)를 포함하고, 세퍼레이터(112)는 양극 및 음극 전극판 사이에 개재된다. 양극 전극판(111), 세퍼레이터(112) 및 음극 전극판(113)은 차례로 적층된 후 젤리롤 형태로 권취될 수 있다. 전극 조립체(110)는 원통형으로 형성되고, 전극 조립체의 중심에는 센터 핀(114)이 배치되어 전극 조립체의 원통 형상을 유지시킬 수 있다.
양극판(111)과 음극판(113)은 각각 박판의 금속 호일로 집전체를 형성하고, 활물질이 도포된 코팅부(111a, 113a) 및 활물질이 도포되지 않은 무지부(111b, 113b)를 포함한다. 양극판의 무지부에는 양극 집전판(111c)이 연결되고, 음극판의 무지부에는 음극 집전판(113c)이 연결된다.
캔(120)은 일단이 개구되고 전극 조립체(110)를 수용하는 공간이 형성된 원통이다. 캔(120)의 바닥면에는 음극 집전판(112c)이 용접되어 상기 캔이 음극 단자로 기능할 수 있다. 캔(120)은 스테인리스 스틸, 알루미늄 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
캡 조립체(130)는 가스켓(140)을 개재하여 캔(120)의 개구에 결합되어 전극 조립체(110)와 전해액을 내장하는 캔(120)을 밀폐한다. 또한, 캡 조립체(130)는 전류차단장치(CID)를 구비하며 전극 조립체(110)에 전기적으로 연결된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체(130)의 분해 사시도를 도시하는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡 조립체(130)의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 캡 조립체(130)는 캡 플레이트(131), 벤트 플레이트(132), 인슐레이터(133), 미들 플레이트(134) 및 서브 플레이트(135)를 포함한다. 이때, 실질적으로, CID는 벤트 플레이트(132)와 서브 플레이트(135)에 의해 형성되고, 연결부(CP)는 벤트 플레이트(132)와 서브 플레이트(135)의 용접 부분에 의해 형성된다.
먼저, 캡 플레이트(131)는 양극 집전판(111c)에 연결되어 이차 전지(110)의 양극 단자로 기능하는 것으로서, 외부로 돌출되는 단자(131a)와 배기구(131b)를 포함한다.
캡 플레이트(131)의 하부에 배치되는 벤트 플레이트(132)는 캡 플레이트(131)의 가장자리를 둘러싸도록 설치되어 CID의 윗부분을 형성하고, CID의 아랫부분을 형성하는 서브 플레이트(135)와 연결부(CP)를 통하여 전기적으로 연결된다.
벤트 플레이트(132)는 이차 전지의 내부 압력 상승시 형태가 변형되도록 구성된다. 예를 들어, 과충전 등에 의해 전극 조립체(110)로부터 가스가 발생하여 이차 전지 내압이 증가하면, 벤트 플레이트(132)는 그 형상이 역전되면서 상방으로 변형되게 되고, 이는 이하 설명하는 바와 같이, 벤트 플레이트(132)가 서브 플레이트(135)로부터 분리되어 전류가 차단되는 것을 가능하게 한다.
보다 상세하게, 벤트 플레이트(132)는 기설정된 압력 조건에서 파손되어 이차 전지의 내부 가스를 외부로 방출하고, 서브 플레이트(134)와의 전기적 연결을 차단하도록 형성되는 벤트(132a)를 포함한다. CID 작동시, 벤트(132a)의 파손에 의해 벤트 플레이트(132)와 서브 플레이트(135)의 접점인 연결부(CP)가 분리될 수 있고, 이에 따라 전극 조립체(110)와 캡 플레이트(131)는 전기적으로 분리될 수 있는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 벤트(132a)는 벤트 플레이트(132)에서 캔(120)의 내부를 향해 돌출 형성된다. 또한, 벤트(132a) 주위에는 벤트(132a)의 파손을 안내하는 노치(132b)가 형성된다. 노치(132b)는 캔(120) 내에서 발생되는 가스에 의해 내압이 증가하는 경우 미리 파손되어 배기구(131b)를 통해 가스가 배출되도록 함으로써 이차 전지의 폭발을 방지한다.
벤트 플레이트(132)의 하부에 배치되는 서브 플레이트(135)는 인슐레이터(133)와 미들 플레이트(134)를 사이에 두고 벤트 플레이트(132)와 마주보도록 설치되어 벤트 플레이트의 벤트(132a)와 연결부(CP)를 통해 전기적으로 연결된다.
인슐레이터(133)의 하부에 미들 플레이트(134)가 배치되며, 인슐레이터(133)와 미들 플레이트(134) 각각에는 관통구(133a, 134a)가 형성되므로, 관통구(133a, 134a)를 통하여 캔(120)의 내부로 돌출되는 벤트(132a)는 서브 플레이트(135)에 연결될 수 있다.
이에 따라, 미들 플레이트(134)는 일측으로는 서브 플레이트(135) 및 벤트(132a)를 통하여 벤트 플레이트(132)에 전기적으로 연결되고, 다른 일측으로는 연결부재(136)를 통하여 양극 집전판(111c)에 연결된다. 결과적으로, 양극 집전판(111c)은 연결부재(136), 미들 플레이트(134), 서브 플레이트(135), 벤트(132a), 벤트 플레이트(132)를 통하여 캡 플레이트(131)에 전기적으로 연결된다.
이와 같이 형성되는 캡 조립체(130)는 캔(120)에 끼워진 후 클램핑 과정을 통하여 캔(120)에 고정되며, 이때, 캔의 개구 테두리에는 캔의 안쪽으로 굽혀진 클램핑부(121)와 캡 조립체(130)와 전극 조립체(110) 사이에 내측으로 볼록하게 형성된 비딩부(122)가 형성된다. 클램핑부(121)는 캡 조립체(130)를 압박하여 캡 캡 조립체와 캔간의 체결력을 향상시킨다. 비딩부(122)는 그 내경이 전극 조립체(130)의 내경보다 작게 형성되어 전극 조립체가 캔 내에서 움직이지 않도록 고정시킨다.
앞서 설명한 바와 같이, 캡 조립체(130)는 캡 플레이트(131), 벤트 플레이트(132), 인슐레이터(133), 미들 플레이트(134) 및 서브 플레이트(135)가 순차적으로 적층된다.
이때, 벤트 플레이트(132)와 서브 플레이트(135)는 그들 사이에 미들 플레이트(134)를 개재한 상태로 CID를 구성하게 되는 바, 미들 플레이트(134)의 가장자리와 벤트 플레이트(132)의 가장자리 사이에 개재되는 인슐레이터(133)의 역할은 CID의 제 기능 발휘를 위해 매우 중요하다.
인슐레이터가 전지 단락시 발생하는 열 등에 의해 용융되어 그 형상이 변형되면 CID가 작동한 뒤에도 재통전이 발생될 수 있기 때문이다.
즉, CID 작동시 벤트(132a)의 파손에 의해 벤트 플레이트(132)와 서브 플레이트(135)의 접점인 연결부(CP)가 분리되어 전극 조립체로부터 캡 플레이트로 이어지는 전류 흐름이 차단되게 되는데, 그 후 비정상적인 발열에 의해 인슐레이터가 녹게 되면 인슐레이터에 의해 상호간 절연되어 있던 벤트 플레이트의 가장자리와 미들 플레이트의 가장자리간 직접적인 전류 흐름 경로가 생성되게 되고, 이와 같이 생성된 전류 흐름 경로를 따라 전극 조립체로부터 캡 플레이트로 이어지는 전류 흐름이 다시 재개될 수 있는 것이다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐레이터(133)는 기존에 사용하던 재질과는 다른 내열성이 향상된 고분자 재질을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 인슐레이터(133)는 가교화된 PP(polypropylene, 폴리프로필렌) 레진 재질을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 인슐레이터(133)는 가교화된 PE(polyethylene, 폴리에틸렌) 레진 재질을 포함할 수 있다.
일례로, 가교 처리가 가능한 PP 레진을 이용하여 인슐레이터를 사출하고 수가교(水架橋) 공정을 진행함으로써 인슐레이터가 가교화된 PP 레진 조직을 포함하도록 할 수 있다. 동일한 방식으로, 가교 처리가 가능한 PE 레진을 이용하여 사출물을 제작하고 수가교 공정을 진행함으로써 가교화된 PE 레진 조직을 포함하는 인슐레이터를 제조할 수 있다.
가교 처리 가능한 PP 레진이나 PE 레진은 벤트 플레이트와 미들 플레이트간 전류 흐름 차단을 위한 절연물질로서 적합할 뿐만 아니라, 캡 조립체에서의 조립 및 기능을 위한 형상 구현이 용이하고 대량생산을 위한 사출 성형이 가능함과 동시에, 가교 처리를 할 수 있어 내열성 향상을 위한 후처리를 할 수 있는 장점을 갖는다.
상기 PP 레진이나 PE 레진 보다 더 내열성이 높은 재질도 존재할 수 있다. 그러나, 융점이 높아질수록 사출 성형이 어려워지므로, 캡 조립체에서의 형상 구현 측면, 대량생산 측면 등을 고려할 때, 본 발명의 일 실시예에 따라 PP 레진이나 PE 레진을 이용하여 인슐레이터를 사출하고 후처리로 수가교 공정을 진행하는 것이 가장 바람직하다.
상기와 같이 인슐레이터가 후처리 공정인 수가교 공정을 통해 가교화 처리된다는 점에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐레이터(133)는 수가교 공정에서의 변형(비틀림 등)을 방지하기 위한 변형 방지 리브(133b)를 포함할 수 있다.
보다 상세하게, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐레이터를 위에서 바라본 사시도를, 도 4b는 아래에서 바라본 사시도를 각각 도시한다. 그리고, 도 5는 도 3에서 A부분에 대한 확대도를 도시한다.
먼저, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 인슐레이터(133)는 중심이 개구된 원형 고리 형상을 갖는다. 인슐레이터의 개구는 관통구(133a)로서, 미들 플레이트(134)의 관통구(134a)와 함께 벤트(132a)가 캔의 내부로 돌출될 수 있게 하는 공간을 제공함은 앞서 설명한 바와 같다.
그리고, 도 4a 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 인슐레이터의 원형 고리의 외측에는 그 둘레를 따라 변형 방지 리브(133b)가 형성된다. 변형 방지 리브(133b)는 원형 고리가 놓여지는 평면에 세워지는 방향으로 연장 형성되는 보강 리브로서, 이에 의해 높은 온도에서 진행되는 수가교 공정에서 비틀림 강성이 확보될 수 있다.
계속하여, 도 4a 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 인슐레이터의 원형 고리의 내측에는 그 둘레를 따라 다수의 돌기(133c)가 형성된다. 다수의 돌기(133c)는 원형 고리의 내측 일면에서 관통구(133a) 쪽으로 돌출 형성되어 인슐레이터(133)의 원형 고리의 내측에 억지끼움 방식으로 조립되는 벤트 플레이트(132)의 이탈을 방지한다.
일례로, 도 5에 도시된 바와 같이, 벤트 플레이트(132)는 S자형 절곡 구조로서 하부 절곡부(132c)와 상부 절곡부(132d)를 가질 수 있는 바, 벤트 플레이트의 인슐레이터로의 조립 후 다수의 돌기(133c)는 하부 절곡부(132c)의 윗부분과 맞물려 인슐레이터로부터 벤트 플레이트의 이탈을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이, 변형 방지 리브(133b')의 두께는 하방으로 갈수록 얇아지는 구조를 가질 수 있다.
일례로, 변형 방지 리브(133b')의 내측면과 외측면 중 외측면이 테이퍼진 구조를 취함으로써 그 두께가 하방으로 갈수록 얇아지는 구조를 가질 수 있다. 즉, 변형 방지 리브의 외측면은, 원형 고리가 놓여지는 평면에 세워지는 방향을 기준으로 소정의 각도(α)로 테이퍼질 수 있다. 소정의 각도(α)는 5°일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 인슐레이터는 캡 조립체에서의 조립 및 기능을 위한 형상 구현이 용이하고 대량생산을 위한 사출 성형으로 제작되는 바, 인슐레이터의 리브의 외측면에 테이퍼 구조를 적용하는 것은 사출 금형으로부터 인슐레이터를 보다 용이하게 취출하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 작업자는 별도의 핀을 이용하여 리브의 상단 부분, 즉, 두께가 가장 두꺼운 부분을 아래에서 위로 들어올려줌으로써 사출 금형으로부터 인슐레이터를 용이하게 취출할 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐레이터의 발명예를 비교예와 함께 설명한다.
먼저, 발명예로서, PP 레진을 이용하여 인슐레이터 형상의 사출물을 제작하고, 제작된 사출물을 가교제와 함께 물에 넣고 끓이는 수가교 공정을 진행하였다.
PP 레진과 가교제로는 미쓰비시사의 XPM800HM과 PZ010을 사용하였다
수가교 공정의 온도가 70℃ 미만인 경우에는 가교에 문제가 발생할 수 있고, 90℃를 초과하는 경우에는 인슐레이터 형상에 문제가 발생할 수 있으므로, 80±10℃의 조건에서 진행하는 것이 바람직하다. 본 발명예에서는 80±5℃의 온도에서 진행하였다.
또한 수가교 공정의 지속시간이 3hr 미만인 경우에는 내열성에 문제가 발생할 수 있고, 4hr를 초과하는 경우에는 생산성 문제가 발생할 수 있으므로, 3hr 이상 4hr 이하의 조건으로 진행하는 것이 바람직하다. 본 발명예에서는 4hr 동안 진행하였다.
다음으로, 비교예로서, PBT(Polybutylen Terephthalate, 폴리부틸렌테레프탈레이트)를 이용하여 인슐레이터 형상의 사출물을 제작하였다.
이와 같이 준비된 발명예와 비교예에 대해 탐침형 프루브(probe)를 이용한 TMA(Thermo Mechanical Analysis, 열기계분석)를 수행하였다. 도 7a는 비교예에 대한 TMA 결과를, 도 7b는 발명예에 대한 TMA 결과를 각각 도시한다. 도 7a 및 도 7b에서 좌측 세로축은 프루브의 변위(㎛), 가로축은 온도(℃), 우측 세로축은 기울기(㎛/℃)를 각각 의미한다.
먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 기존의 PBT 재질을 이용하여 제작된 인슐레이터는 215℃에서 시편에 탐침의 100% 관통이 일어남을 확인할 수 있었다(도 7a에서 화살표로 표시한 관통 깊이(Penetration depth) 부분 참조). 이때, 215℃는 DSC(Differential Scanning Calorimetry, 시차주사열량계)에서 보여주는 PBT 재질 자체의 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)이다.
반면, 도 7b에 도시된 바와 같이, PP 레진을 이용하여 사출 후 수가교 공정을 통해 제작된 인슐레이터는 DSC에서 보여주는 PP 레진 자체의 Tg인 154℃에서 탐침의 1차 관통(약 50%)이 일어나나(도 7b에서 화살표로 표시한 관통 깊이(Penetration depth) 부분 참조), 그 이후 열분해가 진행되어 약 270℃에서 약 360℃에 걸친 구간에서 완전한 관통이 일어남을 확인할 수 있었다(도 7b에서 네모로 표시한 열분해(Decomposition) 부분 참조).
이러한 TMA 결과는, 비교예 대비 발명예가 캡 조립체에 적용되어 벤트 플레이트와 미들 플레이트 사이를 절연하는 인슐레이터의 재질로 보다 적합함을 보여준다. 이차 전지의 단락 테스트에서 발생하는 열에 의한 온도는 통상 50℃에서 크게는 250℃에 이를 수도 있다는 점에서, 발명예는 이차 전지가 단락 등에 의해 CID 작동에 따라 전류의 흐름이 차단된 후에도 인슐레이터가 녹는 일이 없어 전류 차단 상태를 안정적으로 유지할 수 있기 때문이다.
추가로, 상기와 같이 제조된 발명예와 비교예를 이용하여 캡 조립체를 각각 제작하고, 이차 전지로의 실 사용 조건을 가정한 절연 테스트를 수행하였다.
즉, 발명예와 비교예를 이용하여 각각 제작된 캡 조립체를 도 8에 도시된 바와 같이, 약 350℃의 히트 플레이트 상에서 1.5kg의 추로 1분 30초 가량 누른 후 내부저항(IR)을 측정하였다. 이때, 350℃의 히트 플레이트는 이차 전지의 이상 가열 조건과 유사한 것으로 볼 수 있고, 1.5kg의 추로 1분 30초 누르는 것은 이차 전지 내 가스 발생에 따른 내압 조건과 유사한 것으로 볼 수 있다.
테스트 결과, 비교예를 이용한 캡 조립체에서의 인슐레이터는 단락되나, 발명예를 이용한 캡 조립체에서 인슐레이터는 절연상태를 그대로 유지함을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는, 발명예를 이용한 캡 조립체는 이차 전지로의 실 사용 조건에서 CID 작동시 전극 조립체에서 캡 조립체로의 전류 흐름 차단 상태를 안정적으로 유지할 수 있음을 보여주고, 비교예를 이용한 캡 조립체의 경우에는 재통전을 유발할 수 있음을 보여준다.
또한, 상기와 같이 제조된 발명예와 비교예를 이용하여 캡 조립체를 각각 제작하고 이차 전지에 적용한 완제품 형태로 외부 단락 테스트를 수행하였다. 외부 단락 테스트는 이차 전지의 양극 및 음극 단자들을 25℃ 및 10mΩ조건으로 단락시키는 방식으로 수행되었다. 도 9a는 발명예에 대한 외부 단락 테스트 결과를, 도 9b는 비교예에 대한 외부 단락 테스트 결과를 각각 도시한다. 도 9a 및 도 9b에서 좌측 세로축은 전압(V), 가로축은 시간(sec), 우측 세로축은 온도(℃)를 각각 의미한다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 발명예를 이용하여 제작된 캡 조립체가 적용된 이차 전지는 상기 조건에서 외부 단락이 지속됨에 따라 17sec에서 이차 전지의 전압이 0V가 됨을 확인할 수 있다. 즉, 상기 외부 단락 조건하에서 17sec부터는 CID가 작동하고, 이후에도 전류차단 상태를 안정적으로 유지함을 확인할 수 있다. 이때, 이차 전지의 온도는 CID 작동에 의해 큰 변화 없이 완만하게 상승한다.
반면, 도 9b에 도시된 바와 같이, 비교예를 이용하여 제작된 캡 조립체가 적용된 이차 전지의 경우에는, 상기 조건에서 외부 단락이 지속됨에 따라 17sec에서 이차 전지의 전압이 0V가 되긴 하나, 1~2sec 후 다시 전압이 복원되어 대략 32sec까지는 일정 전압값을 가짐을 확인할 수 있다. 이는 비교예에 따른 인슐레이터가 전지 단락시 발생하는 열 등에 의해 용융되어 그 형상이 변형됨에 따라, CID가 작동한 뒤에도 수 초 내 재통전 현상이 발생함을 보여준다. 또한, 재통전이 발생함에 따라 이차 전지의 온도도 상대적으로 급격히 상승하여 100℃에 이른다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인슐레이터를 이용하여 제작된 캡 조립체가 적용된 이차 전지는 과충전 등에 의해 CID가 작동된 후 안정적으로 전류 차단 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 가교화된 PE 레진 재질을 포함하는 인슐레이터 제조 과정에서도 상기와 동일한 공정을 적용할 수 있었다. 이 경우, PP 레진 대신에 PE 레진을 사용하였다는 점을 제외하고는 상기와 동일하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지용 캡 조립체는 전지 단락 등과 같은 이상 가열시에도 인슐레이터가 용융되는 일이 없어 전극 조립체에서 캡 조립체로의 전류의 흐름을 차단하는 CID의 성능을 안정적으로 확보할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지용 캡 조립체는 인슐레이터를 제조함에 있어서 캡 조립체에서의 조립 및 기능을 위한 형상 구현이 용이하고 대량생산을 위한 사출 성형이 가능함과 동시에 내열성 향상을 위한 후처리 공정으로서 단 하나의 수가교 공정만을 추가함으로써 제조비용 절감의 효과가 크다.
또한, 본 발명에 따른 이차 전지용 캡 조립체는 인슐레이터를 제조함에 있어서 수가교 공정에서의 형상 변형의 우려가 없어 불량률을 현저히 낮출 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 이차 전지 110 : 전극 조립체
120 : 캔 130 : 캡 조립체
131 : 캡 플레이트 132 : 벤트 플레이트
133 : 인슐레이터 133a : 관통구
133b : 변형 방지 리브 133c: 다수의 돌기
134 : 미들 플레이트 135 : 서브 플레이트
136 : 연결부재
120 : 캔 130 : 캡 조립체
131 : 캡 플레이트 132 : 벤트 플레이트
133 : 인슐레이터 133a : 관통구
133b : 변형 방지 리브 133c: 다수의 돌기
134 : 미들 플레이트 135 : 서브 플레이트
136 : 연결부재
Claims (11)
- 캡 플레이트;
상기 캡 플레이트의 하부에 배치되고, 하방으로 돌출하는 벤트를 구비하며, 이차 전지의 내부 압력 상승시 형태가 변형되도록 구성되는 벤트 플레이트;
상기 벤트 플레이트의 하부에 배치되고, 상기 벤트와 연결되어 상기 벤트 플레이트와 함께 전류차단장치(CID)를 구성하는 서브 플레이트;
상기 벤트 플레이트와 상기 서브 플레이트 사이에 개재되고, 상기 서브 플레이트를 통하여 상기 벤트 플레이트에 전기적으로 연결되는 미들 플레이트; 및
상기 벤트 플레이트와 상기 미들 플레이트 사이에 개재되는 인슐레이터;를 포함하되,
상기 인슐레이터는 가교화된 고분자 재질을 포함하고,
상기 인슐레이터는 중심이 개구된 원형 고리 형상을 포함하고, 원형 고리의 외측에는 하방으로 연장되는 변형 방지 리브가 형성되며, 상기 변형 방지 리브는 상기 미들 플레이트의 단부를 전체적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체. - 제1항에 있어서,
상기 인슐레이터는 가교화된 폴리프로필렌(PP) 레진 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체. - 제1항에 있어서,
상기 인슐레이터는 가교화된 폴리에틸렌(PE) 레진 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체. - 제1항에 있어서,
상기 인슐레이터는 가교화된 폴리프로필렌(PP) 레진 재질 또는 가교화된 폴리에틸렌(PE) 레진 재질을 포함하고,
상기 인슐레이터는 사출 후 수가교 공정을 통하여 가교화 처리되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체. - 제4항에 있어서,
상기 인슐레이터의 원형 고리의 외측에는 그 둘레를 따라 상기 원형 고리가 놓여지는 평면에 세워지는 방향으로 연장되는 변형 방지 리브가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체. - 제5항에 있어서,
상기 변형 방지 리브의 두께는 하방으로 갈수록 얇아지는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체. - 제6항에 있어서,
상기 변형 방지 리브는 그 내측면과 외측면 중 외측면이 테이퍼진 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체. - 제5항에 있어서,
상기 인슐레이터의 원형 고리의 내측에는 그 둘레를 따라 상기 원형 고리의 내측 일면에서 상기 인슐레이터의 중심 방향으로 돌출되는 다수의 돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체. - 제8항에 있어서,
상기 벤트 플레이트는 하부 절곡부와 상부 절곡부로 이루어지는 S자형 절곡 구조를 갖고 상기 인슐레이터의 원형 고리의 내측에 억지끼움 방식으로 조립되며,
상기 벤트 플레이트의 상기 인슐레이터로의 조립 후 상기 다수의 돌기는 상기 하부 절곡부의 윗부분과 맞물려 상기 인슐레이터로부터 상기 벤트 플레이트의 이탈을 방지하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체. - 제5항에 있어서,
상기 미들 플레이트 및 상기 인슐레이터는 중심 영역에 형성된 관통구를 각각 포함하고,
상기 벤트는 상기 미들 플레이트의 관통구 및 상기 인슐레이터의 관통구를 통하여 상기 서브 플레이트의 중심 영역과 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 캡 조립체. - 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항의 이차 전지용 캡 조립체를 포함하는 이차 전지.
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