KR20220092100A - 이차전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20220092100A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함한다. 상기 캡 조립체는, 노치부가 형성된 안전 벤트를 포함하고, 상기 노치부가 형성하는 틈이 닫혀있다.

Description

이차전지 및 이의 제조 방법{SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 이차전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 내진동성이 향상된 이차전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 한다. 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤형 전극 조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체 등을 들 수 있다. 최근에는 상기 젤리롤형 전극 조립체 및 스택형 전극 조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위 셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극 조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형의 케이스에 내장된 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 케이스에 내장된 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.
한편, 이차전지는 사용 용도에 적합한 성능을 만족시키는 동시에 안전성을 갖추어야 시장에서 적합하게 활용 가능하다. 이차전지를 설계할 때는 이러한 성능과 안전성 측면을 동시에 고려하여 설계 인자를 결정하게 된다. 설계 및 제작이 완료된 전지는 수명, 고율 특성, 고온/저온 특성 등의 성능 평가와 함께 과충전, 과방전, 충격(impact), 네일 테스트(Nail Test), 핫박스(hot box) 등의 안전성 평가를 진행하게 된다.
다양한 형태의 이차전지 중 원통형 이차전지는, 과충전 등의 비정상적인 상태에서 이차전지 내부에 가스가 급격히 발생하여 내압이 일정 수준 이상이 되면, 전극 단자와 전극탭 간의 전류를 차단하여 추가적인 반응이 일어나지 않도록 방지하는 전류 차단 부재(Current Interrupt Device, CID)를 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지의 상부에 대한 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 1을 참고하면, 전극 조립체(20)가 원통형 케이스(30)에 수납되고, 원통형 케이스(30)의 개방된 상부에 캡 조립체(40)가 장착되어 원통형 이차전지(10)가 제조될 수 있다.
전극 조립체(20)는 제1 전극(21), 제2 전극(22) 및 분리막(23)이 권취된 젤리롤형 전극 조립체일 수 있다.
캡 조립체(40)는 상단 캡(41), 내부 압력 강하용 안전 벤트(42) 및 전류 차단 부재(43, Current Interrupt Device, CID)를 포함할 수 있다. 상단 캡(41)과 안전 벤트(42)는 상호 밀착된 구조를 형성할 수 있고, 안전 벤트(42)는 전류 차단 부재(43)의 중심부와 연결될 수 있다. 전류 차단 부재(43)의 하단부에 제1 전극(21)으로부터 돌출된 제1 전극탭(21t)이 연결될 수 있다. 여기서 제1 전극(21)은 양극일 수 있고, 제1 전극탭(21t)은 양극탭일 수 있다.
위와 같이, 상단 캡(41)은, 안전 벤트(42), 전류 차단 부재(43) 및 제1 전극탭(21t)들과 직, 간접적으로 연결되어 전극 조립체(20)와 전기적으로 연결될 수 있고, 전극 단자로써 기능할 수 있다.
한편, 캡 조립체(40)와 원통형 케이스(30) 간의 밀봉을 위한 가스켓(70) 및 전류 차단 부재(43)의 가장자리를 감싸는 CID 가스켓(80)이 배치될 수 있다.
도 2는 도 1의 원통형 이차전지가 내압이 상승했을 때의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 2를 참고하면, 원통형 이차전지(10)가 고온에 노출되거나 비정상적인 작동 상태에 놓여 내부 압력이 상승하면, 안전 벤트(42)의 형상이 역전되고, 전류 차단 부재(43)가 분리되어 전류를 차단한다. 구체적으로, 전류 차단 부재(43)가 안전 벤트(42)와 연결된 부분(43a) 및 제1 전극탭(21t)과 연결된 부분(43b)으로 나누어져, 전극 단자로 기능하는 상단 캡(41)과 제1 전극탭(21t) 간의 전류 흐름이 차단된다. 또한 내부 압력이 크게 상승된 경우, 안전 벤트(42)의 노치부분이 끊어지면서 안전 벤트(42)가 열리고, 내부 가스가 배출된다.
종래의 원통형 이차전지(10)와 같이 상단 캡(41)을 구비한 경우, 구조적 강성은 뛰어나지만, 안전 벤트(42)가 열리면서 내부 가스가 배출될 때 상단 캡(41)에 의해 공간적인 부분이 열위하여 안전 벤트(42)가 완전히 열리지 못해 가스 배출이 제한된다는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 내부 가스 배출 경로를 효과적으로 마련하면서도, 내진동성과 구조적 강성을 갖춘 이차전지 및 이를 포함하는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스; 및 상기 전지 케이스의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함한다. 상기 캡 조립체는, 노치부가 형성된 안전 벤트를 포함하고, 상기 노치부가 형성하는 틈이 닫혀있다.
상기 안전 벤트가 상단에서 외부로 노출될 수 있다.
상기 안전 벤트는 원판형 플레이트일 수 있고, 상기 노치부는, 만입된 홈이 원형을 따라 이어지는 형태일 수 있다.
상기 전지 케이스의 상부 일단이 구부러져 상기 캡 조립체를 감싸며 크림핑부를 형성할 수 있다.
상기 전지 케이스의 상기 크림핑부가 상기 안전 벤트를 감쌀 수 있다.
상기 안전 벤트는, 상기 안전 벤트의 외주 부분에서 구부러진 컬링부를 포함할 수 있고, 상기 크림핑부가 상기 컬링부를 감싸며 크림핑 결합이 형성할 수 있다.
상기 안전 벤트에, 상향하는 방향으로 휘어진 굴곡부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 안전 벤트를 제조하는 단계; 상기 안전 벤트를 포함하는 캡 조립체를 제조하는 단계; 전극 조립체를 상부가 개방된 전지 케이스에 수납하는 단계; 및 상기 전지 케이스의 개방된 상부에 상기 캡 조립체를 결합하는 단계를 포함한다. 상기 안전 벤트를 제조하는 단계는, 상기 금속 판재의 일면에 노치부를 형성하는 단계; 및 상기 노치부가 형성하는 틈을 닫는 단계를 포함한다.
상기 안전 벤트가 상단에서 외부로 노출될 수 있다.
상기 안전 벤트는 원판형 플레이트일 수 있고, 상기 노치부는, 만입된 홈이 원형을 따라 이어지는 형태일 수 있다.
상기 캡 조립체를 결합하는 단계는, 상기 전지 케이스의 상부 일단을 구부려 상기 캡 조립체를 감싸는 크림핑부를 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 안전 벤트를 제조하는 단계는 상기 금속 판재에 형성된 플랜지부를 구부려 컬링부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 크림핑부를 형성하는 단계에서, 상기 크림핑부가 상기 컬링부를 감쌀 수 있다.
상기 노치부가 형성하는 틈을 닫는 단계에서, 상기 틈을 사이에 둔 양 부분에 단조 공정을 실시할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상단 캡을 제거하고 안전 벤트를 외부로 노출시켜 안전 벤트에 대한 공간적 제약을 없앰으로써, 내부 압력 상승 시 안전 벤트가 완전히 열릴 수 있어 가스 배출에 효과적일 수 있다.
또한, 안전 벤트의 노치부를 닫힌 구조로 마련함으로써, 상기 안전 벤트에 리드를 부착할 때 노치부의 내진동성 및 구조적 강성을 높일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 원통형 이차전지의 상부에 대한 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 원통형 이차전지가 내압이 상승했을 때의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 이차전지에 포함된 안전 벤트에 대한 단면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 상부에 대한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따른 이차전지의 상부에 대한 단면도이다.
도 7a 내지 7c은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 비교예에 따른 이차전지의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 크림핑부를 형성하는 모습을 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 대한 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 이차전지에 포함된 안전 벤트에 대한 단면 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 상부에 대한 단면도이다. 특히, 도 5는 도 3의 이차전지의 각 부품들을 조립한 후 xz 평면을 따라 자른 단면의 상부를 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 전극 조립체(200); 전극 조립체(200)가 수납되고 상부가 개방된 전지 케이스(300); 및 전지 케이스(300)의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체(400)를 포함한다.
우선, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200)는, 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)을 포함할 수 있다. 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)이 함께 권취되어 젤리롤형 전극 조립체(200)가 형성될 수 있다. 분리막(230)은 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 사이에 개재될 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 제1 전극(210)은, 제1 전극 집전체 상에 전극 활물질을 도포하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 제1 전극 집전체 중 전극 활물질이 도포되지 않아 상기 제1 전극 집전체가 노출되는 부분에 제1 전극탭(213)이 용접 등의 방법으로 부착될 수 있다.
제2 전극(220)은 제2 전극 집전체 상에 전극 활물질이 도포하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 제2 전극 집전체 중 전극 활물질이 도포되지 않아 상기 제2 전극 집전체가 노출되는 부분에 제2 전극탭(223)이 용접 등의 방법으로 부착될 수 있다.
이 때, 제1 전극(210)은 양극일 수 있고, 제2 전극(220)은 음극일 수 있다. 이에 따라, 제1 전극탭(213)은 양극탭일 수 있고, 제2 전극탭(223)은 음극탭일 수 있다. 한편, 권취된 전극 조립체(200)에 대해서, 제1 전극탭(213)과 제2 전극탭(223)은 서로 반대 방향으로 돌출될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극탭(213)은 캡 조립체(400)가 위치한 방향(z축 방향)으로 돌출될 수 있고, 제2 전극탭(223)은 전지 케이스(300)의 바닥부가 위치한 방향(-z축 방향)으로 돌출될 수 있다.
한편, 전지 케이스(300)는 전해액이 함침된 전극 조립체(200)를 수납하는 구조물로써, 금속 소재를 포함할 수 있고, 원통형 케이스일 수 있다.
본 실시예에 따른 캡 조립체(400)는, 노치부(410N, Notch part)가 형성된 안전 벤트(410, Safety vent)를 포함한다. 보다 구체적으로, 캡 조립체(400)는 안전 벤트(410) 및 안전 벤트(410) 아래에 위치한 전류 차단 부재(420, Current Interrupt Device, CID)를 포함할 수 있다.
본 실시예예 따른 캡 조립체(400)는, 종래의 원통형 이차전지(10, 도 1 참고)와 달리, 상단 캡이 제거된 구조로써, 안전 벤트(410)가 상단에서 외부로 노출될 수 있다.
이러한 안전 벤트(410)는 전류 차단 부재(420) 상에 위치하며, 전류 차단 부재(420)에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 안전 벤트(410)의 중심부와 후술할 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)이 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다. 전류 차단 부재(420)의 하단부에는 제1 전극(210)으로부터 돌출된 제1 전극탭(213)이 연결될 수 있다.
안전 벤트(410)는 전류가 통하는 박막 구조물로써, 원판형 플레이트일 수 있고, 안전 벤트(410)에 형성된 노치부(410N)는 만입된 홈(groove)이 원형을 따라 이어지는 형태일 수 있다. 안전 벤트(410), 전류 차단 부재(420) 및 제1 전극탭(213)들이 차례로 연결되어, 안전 벤트(410)가 전극 조립체(200)의 전기적 연결을 안내하는 전극 단자로써 기능할 수 있다.
본 실시예에 따른 전류 차단 부재(420)는 전류가 통하는 판재 부재로써, 가스의 배출을 위한 관통구(420H)들이 형성될 수 있다. 또한, 전류 차단 부재(420)는, 안전 벤트(410)와 연결된 제1 부분(421) 및 제1 전극탭(213)과 연결된 제2 부분(422)을 포함할 수 있으며, 제1 부분(421)은 전류 차단 부재(420)의 중심 부분에 위치하고, 제2 부분(422)은 전류 차단 부재(420)의 외주 부분에 위치할 수 있다.
이차전지(100)의 내압이 상승할 경우, 안전 벤트(410)의 형상이 역전될 수 있다. 안전 벤트(410)의 형상 역전에 따라, 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)이 함께 상승되어, 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)과 제2 부분(422)이 서로 분리될 수 있다. 내압 상승에 따른 이러한 분리를 유도하기 위해 제1 부분(421)과 제2 부분(422) 사이는 다소 약한 강도를 갖도록 설계될 수 있다. 제1 부분(421)과 제2 부분(422)의 분리에 의해, 전극 단자로 기능하는 안전 벤트(410)와 제1 전극탭(213) 사이의 전류가 차단된다.
또한, 내압 상승 시, 안전 벤트(410)의 노치부(410N)가 끊어지거나 찢어지면서 안전 벤트(410)가 열리게 되고, 내부 가스가 배출된다. 종래의 원통형 이차전지(10, 도 1 참고)의 경우, 상단 캡(41)이 안전 벤트(42) 상에 위치해 있기 때문에 공간적인 부분이 열위하여 안전 벤트(42)가 완전히 열리지 못할 수 있다. 이에 가스가 효과적으로 배출되지 못 한다. 또한 상단 캡(41) 자체가 가스 배출에 방해가 될 수 있다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 이차전지(100)는 상단 캡 없이 안전 벤트(410)가 상단에서 외부로 노출되어 있기 때문에 내압 상승 시 안전 벤트(410)의 형상 역전이나 분리가 자유롭게 이루어질 수 있다. 따라서 종래의 원통형 이차전지(10)와 비교하여 가스 배출에 더 효과적이다.
이하에서는, 도 5 및 도 6을 참고하여, 본 실시예에 따른 안전 벤트(410)가 본 발명의 비교예에 따른 안전 벤트(41’)에 비해 갖는 장점에 대해 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따른 이차전지의 상부에 대한 단면도이다. 도 6을 참고하면, 본 비교예에 따른 이차전지(10’)는 캡 조립체(40’)를 포함하고, 캡 조립체(40’)는 안전 벤트(41’) 및 전류 차단 부재(42’)를 포함한다. 이때 안전 벤트(41’)에 가스 배출을 위한 노치부(41N)가 형성될 수 있고, 노치부(41N)는 그 틈이 벌어진 채 열려있는 구조를 형성할 수 있다.
상단 캡이 제거되고 안전 벤트(41’)가 상단에서 외부로 노출되어 전극 단자로써 기능하는 경우, 안전 벤트(41’)에 전극 리드 등이 접합될 수 있다. 이때 진동을 이용하여 안전 벤트(41’)에 전극 리드를 부착할 수 있는데, 진동을 이용한 방식의 경우, 열려있는 노치부(41N)로 인해 내진동성이 저하되어 전극 리드 부착 공정에 제한이 있을 수 있다. 다시 말해, 노치부(41N)가 인가되는 진동을 견디지 못해 끊어지거나 찢어지는 문제가 발생할 수 있다. 이를 개선하기 위해 노치부(41N)의 깊이를 얕게 설정한다면, 도리어 내압 상승 시 노치부(41N)가 끊어지지 않아, 안전 벤트(410)가 제대로 작동하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
열려있는 상기 비교예에서의 노치부(41N)와 달리, 도 4 및 도 5를 참고하면 본 실시예에 따른 노치부(410N)가 형성하는 틈은 닫혀있다. 도 4 및 도 5에서는 홈 구조임을 설명하기 위해 노치부(410N)의 틈이 다소 벌어지게 표현하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 본 실시예에 따른 노치부(410N)는 틈을 사이에 둔 양 부분이 서로 닿도록 닫힌 구조를 형성할 수 있다. 이와 같이 노치부(410N)가 닫힌 구조를 형성하기 때문에 내진동성 및 구조적 강성이 향상된다. 따라서, 전극 리드를 부착하기 위해 안전 벤트(410)에 진동이 인가되어도, 안전 벤트(410)의 손상 없이 전극 리드가 부착될 수 있다. 동시에 노치부(410N)에서의 만입된 홈 구조의 깊이는 그대로 유지하기 때문에 내압 상승 시 노치부(410N)가 끊어져 안전 벤트(410)의 분리가 정상적으로 이루어질 수 있다. 즉, 내압 상승 시 가스 배출이 원활히 이루어질 수 있다.
한편, 도 5를 다시 참고하면, 본 실시예예 따른 전지 케이스(300)는 크림핑부(300C) 및 비딩부(300B)를 포함할 수 있다. 비딩부(300B)는 원통형의 전지 케이스(300) 중 일부가 전극 조립체(200)의 중심 방향으로 만입된 부분을 지칭하는 것으로, 캡 조립체(400)의 안정적인 결합 및 전극 조립체(200)의 유동 방지를 위한 것이다. 크림핑부(300C)는 비딩부(300B)의 상부에 위치하여, 캡 조립체(400)를 감싸는 부분을 지칭하는 것으로, 캡 조립체(400)의 안정적인 결합을 위한 것이다. 전지 케이스(300)의 상부 일단이 구부러져 캡 조립체(400)를 감싸며 크림핑부(300C)를 형성할 수 있다.
밀봉용 가스켓(700)은 크림핑부(300C)와 비딩부(300B)의 내면에 장착되어 캡 조립체(400)와 전지 케이스(300) 간의 밀봉력을 증대시킬 수 있다. 즉, 전지 케이스(300)와 캡 조립체(400) 사이에 가스켓(700)을 위치시키고, 전지 케이스(300)의 상부 일단을 구부려 크림핑(Crimping) 결합을 형성하여 크림핑부(300C)를 형성할 수 있다. 이를 통해 캡 조립체(400)의 장착 및 이차전지(100)의 밀봉이 이루어질 수 있다. 이러한 가스켓(700)은 크림핑부(300C)와 안전 벤트(410) 사이에 위치할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 안전 벤트(410)에는 굴곡부(410B)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 안전 벤트(410)의 일 부분이 상향하는 방향으로 휘어져 굴곡부(410B)가 형성될 수 있다. 이러한 굴곡부(410B)가 형성되어, 크림핑 결합 시 안전 벤트(410)로 전달되는 변형을 줄일 수 있다. 또한, 상술한 바 대로, 비정상적인 작동 상태에서 안전 벤트(410)의 형상 역전에 따라, 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)이 함께 상승되어, 전류 차단 부재(420)의 제1 부분(421)과 제2 부분(422)이 서로 분리된다. 이로써 전류의 흐름이 차단되는데, 효과적인 전류 차단을 위해 안전 벤트(410)와 전류 차단 부재(420) 사이에 어느 정도의 간격이 형성되는 것이 바람직하다. 이에, 캡 조립체(400) 자체의 높이는 최소화하면서 안전 벤트(410)와 전류 차단 부재(420) 간의 간격을 늘리기 위해 상향하는 방향으로 휘어진 굴곡부(410B)를 형성할 수 있다.
한편, 크림핑 결합의 경우, 강한 물리적 압착이 캡 조립체(400)에 인가될 수 있고, 이에 따라 캡 조립체(400)가 손상되는 문제가 있을 수 있다. 특히, 본 실시예에서와 같이, 상단 캡 없이 안전 벤트(410)가 노출되는 구조에서 안전 벤트(410)가 손상될 우려가 있다. 그렇다고 안전 벤트(410)의 강성 보완을 위해 안전 벤트(410)의 두께를 기존보다 두껍게 형성한다면, 내압 상승 시 안전 벤트(410)의 형상 역전이나 분리 등이 제대로 구현되지 않을 가능성이 높다.
본 실시예에 따른 캡 조립체에서는, 단순히 안전 벤트(410)의 두께를 두껍게 하는 것이 아닌, 안전 벤트(410) 중 크림핑부(300C)와 대응하는 부분에 컬링부(410C, Curling part)를 마련할 수 있다. 구체적으로, 안전 벤트(410)는 안전 벤트(410)의 외주 부분에서 구부러진 컬링부(410C)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 도 3 및 도 4에는 컬링부(410C)가 형성되기 이전에 플랜지부(410F, Flange part)의 모습을 나타내었고, 도 5에서는 플랜지부(410F)가 구부러져 컬링부(410C)를 형성한 모습을 나타내었다.
전지 케이스(300)의 크림핑부(300C)가 가스켓(700)을 사이에 두고 안전 벤트(410)를 감쌀 수 있는데, 그 중에서도 안전 벤트(410)의 컬링부(410C)를 감싸며 크림핑 결합이 형성될 수 있다. 이에 노치부(410N)가 마련된 안전 벤트(410)의 중심부분은 1겹으로 이루어지나, 크림핑부(300C)가 감싸는 안전 벤트(410)의 외주 부분은 2겹으로 이루어질 수 있다. 즉, 컬링부(410C)를 마련함으로써, 크림핑 결합 시 발생할 수 있는 안전 벤트(410)의 손상을 방지함과 동시에 내압 상승시 안전 벤트(410)의 형상 역전이나 분리 등에 방해가 되지 않고자 하였다.
이하에서는, 도 7a 내지 7c 및 도 8a 내지 8c 등을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법에 대해 자세히 설명하도록 한다. 다만 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분은 설명의 반복을 피하기 위해 생략하도록 한다.
도 7a 내지 7c은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3, 도 5 및 도 7a 내지 7c를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법은, 안전 벤트(410)를 제조하는 단계; 안전 벤트(410)를 포함하는 캡 조립체(400)를 제조하는 단계; 전극 조립체(200)를 상부가 개방된 전지 케이스(300)에 수납하는 단계; 및 전지 케이스(300)의 개방된 상부에 캡 조립체(400)를 결합하는 단계를 포함한다. 상기 안전 벤트(410)를 제조하는 단계는, 금속 판재에 노치부(410N)를 형성하는 단계; 및 노치부(410N)가 형성하는 틈을 닫는 단계를 포함한다.
구체적으로, 상기 금속 판재는 안전 벤트(410)를 형성하기 위한 부재로써, 원판형 플레이트일 수 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 금속 판재의 외주 부분이 상향하도록 구부려 플랜지부(410F)를 형성할 수 있다. 다음 도 7b에 도시된 바와 같이 금속 판재의 일면에 노치부(410N)를 형성할 수 있다. 안전 벤트(410)에 형성된 노치부(410N)는 만입된 홈(groove)이 원형을 따라 이어지는 형태일 수 있다. 한편, 도 7b에는 금속 판재의 하면에 노치부(410N)를 형성하는 것으로 도시하였으나, 플랜지부(410F)가 상향하는 방향, 즉 금속 판재의 상면에 노치부(410N)가 형성될 수도 있다.
다음 도 7c에 도시된 바와 같이, 상기 금속 판재를 상향하는 방향으로 구부려 굴곡부(410B)를 형성하고, 노치부(410N)가 형성하는 틈을 닫는 단계가 이어질 수 있다. 즉, 굴곡부(410B)의 형성과 함께 노치부(410N)가 형성하는 틈이 서로 맞닿도록 닫힌 구조를 형성할 수 있다.
노치부(410N)의 틈을 닫는 단계에 대해 보다 자세히 설명하면, 단조 공정이 이루어질 수 있다. 즉, 상기 노치부(410N)의 틈을 닫는 단계에서, 상기 틈을 사이에 둔 양 부분(P1, P2)에 단조 공정을 실시할 수 있다. 단조 공정은 노치부(410N) 인근 영역의 두께를 얇게 하는 것으로, 틈을 사이에 둔 양 부분(P1, P2)의 두께를 얇게 하면, 자연스럽게 해당 부분이 양 옆으로 밀려나면서, 노치부(410N)가 형성하는 틈을 닫을 수 있다.
한편, 도 8a 내지 8c는 본 발명의 비교예에 따른 이차전지의 제조 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
먼저 도 8a를 참고하면, 금속 판재의 외주 부분이 상향하도록 구부려 플랜지부(41F)를 형성할 수 있다. 다음 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 금속 판재를 구부려 굴곡부(41B)를 만드는 공정이 이어질 수 있다. 다음 도 8c에 도시된 바와 같이 금속 판재의 일면에 노치부(41N)를 형성할 수 있다. 본 비교예에서는 금속 판재에 굴곡부(41B) 및 노치부(41N)를 형성하나 노치부(41N)의 틈을 닫는 단조 공정을 이루어지지 않는다. 반면, 본 실시예에서는, 노치부(410N)를 형성한 이후에 금속 판재에 굴곡부(410B)를 형성할 때 단조 공정을 추가로 실시할 수 있다. 굴곡부(410B)를 형성하는 공정에 단조 공정을 추가시킴으로써, 굴곡부(410B)를 형성하고, 노치부(410N)가 형성하는 틈을 닫을 수 있다. 즉, 도 6에서와 같이 열린 구조의 노치부(41N)는 본 비교예에 따른 이차전지의 제조 방법에 의해 제조될 수 있고, 도 5에서와 같이 닫힌 구조의 노치부(410N)는 본 실시예에 따른 이차전지의 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
이후, 상기 안전 벤트(410)를 제조하는 단계에서, 플랜지부(410F, 도4, 도 7a 참조)를 구부려 컬링부(410C, 도 5 참조)를 형성할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 크림핑부를 형성하는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 9를 참고하면, 상기 공정으로 제조된 안전 벤트(410)와 전류 차단 부재(420)를 서로 접합시켜 캡 조립체(400)를 제조할 수 있다. 전지 케이스(300)에 전극 조립체(200)와 전해액을 수납한 다음 전지 케이스(300)의 개방된 상부에 캡 조립체(400)를 결합할 수 있다. 상술한 바 대로, 본 실시예예 따른 캡 조립체(400)는, 상단 캡이 제거된 구조로써, 안전 벤트(410)가 상단에서 외부로 노출될 수 있다
구체적으로, 전지 케이스(300)의 상부 일단(300U)을 구부려 크림핑(Crimping) 결합을 형성하여 캡 조립체(400)를 감싸는 크림핑부(300C, 도 5 참고)를 형성할 수 있다. 캡 조립체(400)와 전지 케이스(300) 사이에 밀봉을 위한 가스켓(700)을 위치시킬 수 있다.
이러한 제조 방법을 통해, 닫힌 구조의 노치부(410N) 및 외주부분에 위치한 컬링부(410C)를 포함하는 안전 벤트(410)를 구비한 이차전지(100)를 제조할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 이차전지가 복수로 모여 전지 모듈을 형성할 수 있다. 상기 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
상기 이차전지, 상기 전지 모듈 또는 상기 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 이차전지
400: 캡 조립체
410: 안전벤트
410N: 노치부
410C: 컬링부

Claims (12)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체가 수납되고, 상부가 개방된 전지 케이스; 및
    상기 전지 케이스의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함하고,
    상기 캡 조립체는, 노치부가 형성된 안전 벤트를 포함하고,
    상기 노치부가 형성하는 틈이 닫혀있는 이차전지.
  2. 제1항에서,
    상기 안전 벤트가 상단에서 외부로 노출되는 이차전지.
  3. 제1항에서,
    상기 안전 벤트는 원판형 플레이트이고,
    상기 노치부는, 만입된 홈이 원형을 따라 이어지는 형태인 이차전지.
  4. 제1항에서,
    상기 전지 케이스의 상부 일단이 구부러져 상기 캡 조립체를 감싸며 크림핑부를 형성하는 이차전지.
  5. 제4항에서,
    상기 전지 케이스의 상기 크림핑부가 상기 안전 벤트를 감싸는 이차전지.
  6. 제5항에서,
    상기 안전 벤트는, 상기 안전 벤트의 외주 부분에서 구부러진 컬링부를 포함하고,
    상기 크림핑부가 상기 컬링부를 감싸며 크림핑 결합이 형성되는 이차전지.
  7. 제1항에서,
    상기 안전 벤트에, 상향하는 방향으로 휘어진 굴곡부가 형성된 이차전지.
  8. 안전 벤트를 제조하는 단계;
    상기 안전 벤트를 포함하는 캡 조립체를 제조하는 단계;
    전극 조립체를 상부가 개방된 전지 케이스에 수납하는 단계; 및
    상기 전지 케이스의 개방된 상부에 상기 캡 조립체를 결합하는 단계를 포함하고,
    상기 안전 벤트를 제조하는 단계는,
    금속 판재의 일면에 노치부를 형성하는 단계; 및
    상기 노치부가 형성하는 틈을 닫는 단계를 포함하는 이차전지의 제조 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 안전 벤트가 상단에서 외부로 노출되는 이차전지의 제조 방법.
  10. 제8항에서,
    상기 안전 벤트는 원판형 플레이트이고,
    상기 노치부는, 만입된 홈이 원형을 따라 이어지는 형태인 이차전지의 제조 방법.
  11. 제8항에서,
    상기 캡 조립체를 결합하는 단계는, 상기 전지 케이스의 상부 일단을 구부려 상기 캡 조립체를 감싸는 크림핑부를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 안전 벤트를 제조하는 단계는 상기 금속 판재에 형성된 플랜지부를 구부려 컬링부를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 크림핑부를 형성하는 단계에서, 상기 크림핑부가 상기 컬링부를 감싸는 이차전지의 제조 방법.
  12. 제8항에서,
    상기 노치부가 형성하는 틈을 닫는 단계에서, 상기 틈을 사이에 둔 양 부분에 단조 공정을 실시하는 이차전지의 제조 방법.
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