WO2021206418A1 - 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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WO2021206418A1
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blocking member
cid
current blocking
safety vent
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박정언
김찬배
김도균
노세원
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery and a device including the same, and more particularly, to a secondary battery having improved safety against high-temperature and high-pressure environments, and a device including the same.
  • the electrode assembly embedded in the battery case is a charging/discharging power generator having a stacked structure of a positive electrode, a separator, and a negative electrode, and is classified into a jelly roll type, a stack type, and a stack/folding type.
  • the jelly roll type is a form in which a separator is interposed between a long sheet-type positive electrode and a negative electrode coated with an active material
  • the stack type is a form in which a plurality of positive and negative electrodes of a predetermined size are sequentially stacked with a separator interposed therebetween
  • stack /Folding type is a composite structure of jelly-roll type and stack type.
  • the jelly-roll type electrode assembly is easy to manufacture and has advantages of high energy density per weight.
  • a cylindrical battery in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical metal can, a prismatic battery in which the electrode assembly is embedded in a prismatic metal can, and the electrode assembly are embedded in a pouch-type case of an aluminum laminate sheet. It is classified as a pouch-type battery with Among them, the cylindrical battery has an advantage in that it has a relatively large capacity and is structurally stable.
  • the secondary battery includes, for example, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery, and a lithium secondary battery.
  • lithium secondary batteries are widely used in the field of high-tech electronic devices because of their advantages of free charge/discharge, a very low self-discharge rate, high operating voltage, and high energy density per unit weight as they do not have a memory effect compared to nickel-based secondary batteries. have.
  • FIGS. 1 and 2 a conventional cylindrical secondary battery having a safety vent will be described along with FIGS. 1 and 2 .
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view of an upper portion of a conventional cylindrical secondary battery.
  • a jelly roll-type electrode assembly 50 is accommodated in a cylindrical case 20 , and a cap assembly 30 is mounted on an open upper portion of the cylindrical case 20 to manufacture a cylindrical secondary battery 10 .
  • the cap assembly 30 may include a top cap 31 and a safety vent 32 for internal pressure drop, and the top cap 31 and the safety vent 32 for internal pressure drop may form a structure in close contact with each other. .
  • the safety vent 32 may be electrically connected to the electrode assembly 50 through a current interrupt device (CID) 60 .
  • the CID gasket 70 may surround the edge of the current blocking member 60 .
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view illustrating a state when the internal pressure of the cylindrical secondary battery of FIG. 1 is increased.
  • the shape of the safety vent 32 is reversed, and the current blocking member 60 is separated into two parts. cut off the current
  • the CID gasket 70 is positioned between the safety vent 32 and the current blocking member 60, and serves to prevent the safety vent 32 and the separated current blocking member 60 from being energized with each other.
  • the CID gasket 70 may be melted in an environment of high temperature and high pressure. Specifically, as shown in FIG. 2 , some CID gaskets 70 are melted, and the current blocking member 60 raised by internal pressure and the safety vent 32 come into contact with each other, and this causes the current to It cannot be blocked and reconnection may occur. Since the current cannot be cut off, the temperature may continue to rise, which may eventually lead to ignition and explosion of the cylindrical secondary battery 10 .
  • Embodiments of the present invention are proposed to solve the above problems of the previously proposed methods, and have an object of providing a secondary battery with improved safety even in high temperature and high pressure environments and a device including the same.
  • a secondary battery includes a current interrupt device (CID); a safety vent disposed on the current blocking member and electrically connected to the current blocking member; and a CID gasket surrounding an edge of the current blocking member, wherein the CID gasket includes a reinforcing material, wherein the reinforcing material includes at least one of glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, cellulose, ceramic particles, and a filler.
  • CID current interrupt device
  • a safety vent disposed on the current blocking member and electrically connected to the current blocking member
  • a CID gasket surrounding an edge of the current blocking member, wherein the CID gasket includes a reinforcing material, wherein the reinforcing material includes at least one of glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, cellulose, ceramic particles, and a filler.
  • the CID gasket may include a first portion surrounding an edge of the current blocking member and a second portion positioned on the first portion and extending in a central direction of the current blocking member.
  • the second portion may extend between the safety vent and the current blocking member.
  • the CID gasket includes a polymer resin, and the polymer resin includes polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), and perfluoroalkoxyalkane. (perfluoroalkoxy alkane, PFA) may be included.
  • PP polypropylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • PBT polybutylene terephthalate
  • PFA perfluoroalkoxy alkane
  • the CID gasket may include a polymer resin, and the polymer resin may include polybutylene terephthalate (PBT).
  • PBT polybutylene terephthalate
  • the current blocking member may include an outer periphery and a blocking portion surrounded by the outer periphery, and the blocking portion may be separated from the outer periphery when an internal pressure of the secondary battery increases.
  • the safety vent may be electrically connected to the blocking unit.
  • the secondary battery may further include an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and the outer periphery may be electrically connected to the positive electrode through a positive electrode tab.
  • the secondary battery may further include an upper cap positioned on the safety vent and electrically connected to the safety vent.
  • the secondary battery may further include a cylindrical case.
  • the CID gasket according to the embodiments of the present invention includes a reinforcing material, heat resistance and thermal deformation temperature increase, and even if melting occurs even in a high-temperature and high-pressure environment, insulating properties can be maintained. Accordingly, it is possible to manufacture a secondary battery with improved safety.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view of an upper portion of a conventional cylindrical secondary battery.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view illustrating a state when the internal pressure of the cylindrical secondary battery of FIG. 1 is increased.
  • FIG 3 is a partial cross-sectional view of an upper portion of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view illustrating a state when the internal pressure of the secondary battery of FIG. 3 is increased.
  • 5 to 8 are graphs showing the results of the external short-circuit evaluation performed for Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, respectively.
  • 9 to 12 are graphs showing the results of external short-circuit evaluation performed for Example 3, Example 4, Comparative Example 3, and Comparative Example 4, respectively.
  • 13 to 16 are photographs sequentially showing a CT image, a top cap, and a sealing gasket after the current blocking member is separated for Example 3, Example 4, Comparative Example 3, and Comparative Example 4, respectively.
  • 17 and 18 are graphs showing the results of external short-circuit evaluation performed for Examples 5 and 6, respectively.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where there is another part in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to gravity no.
  • planar view it means when the target part is viewed from above, and "in cross-section” means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG 3 is a partial cross-sectional view of an upper portion of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 500 is inserted into the cylindrical case 200 , an electrolyte is injected therein, and a cap is placed on the open upper part of the cylindrical case. It may be manufactured by mounting the assembly 300 .
  • the electrode assembly 500 has a structure in the form of a jelly roll wound with a separator 530 interposed between the positive electrode 510 and the negative electrode 520 , and a center pin (not shown) may be inserted into the center thereof.
  • the center pin is generally made of a metal material to impart a predetermined strength, and has a hollow cylindrical structure obtained by bending a plate material in a round shape.
  • the center pin may act as a passage for fixing and supporting the electrode assembly 500 and for discharging gas generated by an internal reaction during charging, discharging, and operation.
  • the cap assembly 300 includes a top cap 310 and a safety vent 320 , and the top cap 310 is located on the safety vent 320 , and forms a structure in close contact with the safety vent 320 . can be electrically connected.
  • the upper cap 310 has a structure in which the center protrudes upward, and is electrically connected to the positive electrode 510 of the electrode assembly 500 to function as a positive electrode terminal for connection with an external circuit. Specifically, the upper cap 310 may be indirectly connected to the positive electrode 510 through the safety vent 320 , the current blocking member 600 , and the positive electrode tab 511 .
  • the cylindrical case 200 may include a beading part 210 and a crimping part 220 .
  • the beading part 210 refers to a portion in which a part of the cylindrical case 200 is recessed in the center direction of the electrode assembly 500 , and is used for stable coupling of the cap assembly 300 and preventing flow of the electrode assembly 500 . will be.
  • the crimping part 220 is located above the beading part 210 and refers to a part surrounding the cap assembly 300 , and is for stable coupling of the cap assembly 300 .
  • the sealing gasket 400 is mounted on the inner surfaces of the crimping part 220 and the beading part 210 to increase the sealing force between the cap assembly 300 and the cylindrical case 200 . That is, the crimping part 220 is formed by placing the sealing gasket 400 between the cylindrical case 200 and the cap assembly 300 and bending the end of the cylindrical case 200 . Through this, the cap assembly 300 may be mounted and the secondary battery 100 may be sealed.
  • the negative electrode tab connected to the negative electrode 520 of the electrode assembly 500 may be bonded to the cylindrical case 200 . Accordingly, the cylindrical case 200 may function as a negative terminal for connection with an external circuit.
  • a current blocking member 600 (Current Interrupt Device, CID) and the CID gasket 700 are positioned.
  • CID Current Interrupt Device
  • the secondary battery 100 includes a current blocking member 600 , a safety vent 320 positioned on the current blocking member 600 and electrically connected to the current blocking member 600 , and a current blocking member 600 .
  • a CID gasket 700 surrounding the edge.
  • the CID gasket 700 may include a reinforcing material, and the reinforcing material may include at least one of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, cellulose, ceramic particles, and fillers.
  • the safety vent 320 is a thin film structure through which an electric current passes, and two grooves 321 and 322 having different depths are formed therein.
  • the current blocking member 600 is a member of a conductive plate material, and may include an outer peripheral portion 610 and a blocking portion 620 surrounded by the outer peripheral portion 610 . Also, although not specifically illustrated, a plurality of through holes for discharging gas may be formed. Meanwhile, for separation between the outer peripheral portion 610 and the blocking portion 620 to be described later, the boundary between the outer peripheral portion 610 and the blocking portion 620 may be designed to have relatively weak strength.
  • the CID gasket 700 includes a first portion 710 surrounding the edge of the current blocking member 600 and a second portion ( 720) may be included. More specifically, the second portion 720 may extend between the safety vent 320 and the current blocking member 600 .
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view illustrating a state when the internal pressure of the secondary battery of FIG. 3 is increased. Specifically, when the internal pressure of the secondary battery 100 increases, the safety vent 320 and the current blocking member 600 block the current.
  • the outer peripheral portion 610 is electrically connected to the positive electrode 510 of the electrode assembly 500 through the positive electrode tab 511
  • the blocking portion 620 is the safety vent 320 . It may be electrically connected to the lower surface. There is no particular limitation on this electrical connection method, and it may be connected by welding. In a normal operating situation of the secondary battery 100 , the positive electrode tab 511 , the current blocking member 600 , the safety vent 320 , and the top cap 310 are electrically connected so that the secondary battery 100 is connected to an external circuit. do.
  • the shape of the safety vent 320 is reversed. Accordingly, as shown in FIG. 4 , the blocking part 620 is separated from the outer peripheral part 610 , and the electrical connection between the external circuit and the electrode assembly 500 is blocked. Through this, even if the secondary battery 100 is exposed to high temperature or the internal pressure rises due to internal heat generation, it is possible to prevent explosion or ignition.
  • the second portion 720 of the CID gasket 700 extends between the safety vent 320 and the outer peripheral portion 610 to prevent the safety vent 320 from contacting the outer peripheral portion 610 . . That is, after the outer peripheral part 610 and the blocking part 620 are separated, the safety vent 320 prevents the outer peripheral part 610 from contacting, reconnection, that is, it can block the flow of current again.
  • the CID gasket is melted or deformed to prevent contact between the safety vent 320 and the outer peripheral portion 610 in some cases.
  • the CID gasket 700 may include a reinforcing material to increase heat resistance and thermal deformation temperature. Accordingly, even in a high-temperature and high-pressure environment, the safety vent 320 and the outer peripheral portion 610 are blocked from contacting, so that insulation can be maintained.
  • the reinforcing material according to this embodiment may include at least one of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, cellulose, ceramic particles, and fillers, and in particular, preferably include glass fibers.
  • the CID gasket 700 includes a polymer resin and may be manufactured by injection molding.
  • These polymer resins include at least one of polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT) and perfluoroalkoxy alkane (PFA). can do.
  • polypropylene PP
  • PET polyethylene terephthalate
  • PBT polybutylene terephthalate
  • PFA perfluoroalkoxy alkane
  • PBT polybutylene terephthalate
  • PPS polyphenylene sulfide
  • a material such as polybutylene terephthalate (PBT) or polypropylene (PP) is an elastomer with good elasticity, and when such material is included, injection property is improved, so it is easy to mold the CID gasket 700 .
  • a polymer resin such as polypropylene (PP) or polybutylene terephthalate (PBT)
  • PBT polypropylene
  • the CID gasket 700 includes a polymer resin such as polypropylene (PP) and polybutylene terephthalate (PBT) to secure formability and ductility, and at the same time, a reinforcing material such as glass fiber. Insulation properties can be maintained even in high-temperature and high-pressure environments, including
  • the mass of the reinforcing material relative to the mass of the CID gasket 700 may be 15% or more and 50% or less, and more preferably 25% or more and 40% or less.
  • the CID gasket 700 may include polybutylene terephthalate (hereinafter referred to as PBT) and glass fiber, compared to the total mass of the CID gasket including the PBT and the glass fiber.
  • the mass of the glass fiber may be 15% or more and 50% or less.
  • the mass of the reinforcing material relative to the mass of the CID gasket 700 is less than 15%, the heat resistance and thermal deformation temperature of the CID gasket 700 cannot be increased as much as desired. As a result, after separation of the current blocking member 600 , the safety vent 320 and the outer peripheral portion 610 may not be blocked from contacting so that reconnection may occur. Meanwhile, a plurality of secondary batteries 100 may be gathered to form a battery pack. In this case, it may be preferable that the mass of the reinforcing material is 25% or more relative to the mass of the CID gasket 700 .
  • the CID gasket 700 When the mass of the reinforcing material relative to the mass of the CID gasket 700 in the battery pack unit is less than 25%, the CID gasket 700 may be melted without being able to withstand the heat and pressure inside the battery pack. Reconnection may occur, which may lead to thermal runaway or explosion of the battery pack.
  • the CID gasket 700 can be manufactured by injection molding after adding the reinforcement to a polymer resin such as PBT. can
  • PBT+GF (30%) PBT Heat-deflection temperature at 0.45MPa 220 150 Heat-deflection temperature at 1.8MPa 200 60 Upper working temperature (°C) 120-200 120 Melting point (°C) (Melting temperature) 225 223
  • Table 1 is a table comparing the thermal characteristics of a CID gasket containing PBT and glass fiber (GF) and a gasket containing only PBT as an experimental group and a comparative group of the present invention.
  • the mass of glass fiber to the mass of the CID gasket is 30%.
  • Examples 1 and 2 were prepared by applying a CID gasket containing PBT and glass fiber to an 18650 cylindrical battery, and Comparative Examples 1 and 2 were prepared by applying a CID gasket containing only PBT to an 18650 cylindrical battery.
  • the mass of the glass fiber relative to the mass of the CID gasket was 30%.
  • Examples 3 and 4 were prepared by applying a CID gasket containing PBT and glass fiber to a 21700 cylindrical battery, and Comparative Examples 3 and 4 were prepared by applying a CID gasket containing only PBT to a 21700 cylindrical battery.
  • the mass of the glass fiber relative to the mass of the CID gasket was 30%.
  • FIG. 13 to 16 are photographs sequentially showing a CT image, a top cap, and a sealing gasket after the current blocking member is separated for Example 3, Example 4, Comparative Example 3, and Comparative Example 4, respectively.
  • the CT image shows the upper part where the cap assembly is located in the cylindrical cell.
  • Examples 5 and 6 were prepared by varying the content of glass fibers included in the CID gasket for the 18650 cylindrical battery. In addition, after forming a battery pack by configuring 5 (series) * 2 (parallel) 18650 cylindrical batteries, an external short circuit evaluation was performed.
  • Example 5 the mass of glass fibers relative to the mass of the CID gasket was prepared to be 30%, and in the case of Example 6, the mass of glass fibers to the mass of the CID gasket was prepared to be 20%.
  • Example 5 the current blocking member was disconnected at 50.6 seconds (sec), and thereafter, reconnection did not occur.
  • Example 6 the current blocking member was disconnected at 49.4 seconds (sec), but reconnection occurred after that, which eventually led to an explosion.
  • the CID gasket cannot withstand heat and pressure inside the battery pack and the CID gasket is melted and reconnection is difficult. may occur, which may lead to thermal runaway or explosion of the battery pack.
  • One or more secondary batteries according to the present embodiment described above may be applied to various devices. Specifically, it may be applied to transportation means such as electric bicycles, electric vehicles, hybrids, etc., but is not limited thereto and may be applied to various devices that can use secondary batteries.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 전류 차단 부재(Current Interrupt Device, CID); 상기 전류 차단 부재 상에 위치하며, 상기 전류 차단 부재에 전기적으로 연결된 안전 벤트; 및 상기 전류 차단 부재의 가장자리를 감싸는 CID 가스켓을 포함하고, 상기 CID 가스켓은 강화재를 포함하며, 상기 강화재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 셀룰로오스, 세라믹 입자 및 필러 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

이차전지 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 4월 6일자 한국 특허 출원 제10-2020-0041436호 및 2021년 4월 5일자 한국 특허 출원 제10-2021-0044214호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원들의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고온 및 고압 환경에 대한 안전성이 향상된 이차전지 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 양극, 분리막, 음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 젤리롤형, 스택형 및 스택/폴딩형으로 분류된다. 젤리롤형은 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 형태이고, 스택형은 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 형태이며, 스택/폴딩형은 젤리-롤형과 스택형의 복합 구조이다. 그 중 젤리-롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
한편, 이차 전지에는 예를 들어 니켈 카드뮴전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
하지만, 리튬 이차 전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부 단락, 침상 관통, 국부적 손상 등에 의해 짧은 시간 내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 폭발이 일어날 위험성이 있다. 다시 말해, 전지의 압력이나 온도가 상승하면 활물질의 분해 반응과 다수의 부반응들이 진행되며, 이에 따라 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 종국에는 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있으며, 상승된 전지의 내압에 의해 리튬 이차 전지가 폭발하게 된다.
따라서, 리튬 이차 전지가 고온, 고압의 등의 비정상적인 작동 상태에 놓였을 때 이를 효과적으로 제어하기 위해 다양한 방안을 논의하고 있다. 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 소자를 장착하는 방법과 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 있는데, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전 벤트(safety vent)는 전자에 해당한다.
이하, 도 1 및 도 2와 함께, 안전 벤트를 구비한 종래의 원통형 이차 전지에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 원통형 이차 전지의 상부에 대한 부분 단면도이다.
도 1을 참고하면, 젤리롤형 전극 조립체(50)가 원통형 케이스(20)에 수납되고, 원통형 케이스(20)의 개방된 상부에 캡 조립체(30)가 장착되어 원통형 이차 전지(10)가 제조될 수 있다.
캡 조립체(30)는 상단 캡(31) 및 내부 압력 강하용 안전 벤트(32)를 포함하고, 상단 캡(31)과 내부 압력 강하용 안전 벤트(32)는 상호 밀착된 구조를 형성할 수 있다.
안전 벤트(32)는 전류 차단 부재(60, Current Interrupt Device, CID)를 통해 전극 조립체(50)와 전기적으로 연결될 수 있다. 전류 차단 부재(60)의 가장자리를 CID 가스켓(70)이 감쌀 수 있다.
도 2는 도 1의 원통형 이차 전지가 내압이 상승했을 때의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 2를 참고하면, 원통형 이차 전지(10)가 고온에 노출되거나 내부 발열로 인해 내부 압력이 상승하면, 안전 벤트(32)의 형상이 역전되면서, 전류 차단 부재(60)가 2부분으로 분리되어 전류를 차단한다. 이때, CID 가스켓(70)이, 안전 벤트(32)와 전류 차단 부재(60) 사이에 위치하여, 안전 벤트(32)와 분리된 전류 차단 부재(60)가 서로 통전되지 않도록 하는 역할을 담당할 수 있다.
그러나, 고온 및 고압의 환경에서 CID 가스켓(70)이 용융되는 경우가 발생할 수 있다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 CID 가스켓(70)이 용융되어, 내압에 의해 상승된 전류 차단 부재(60)와 안전 벤트(32)가 접촉되는 경우가 발생하고, 이로 인해 전류가 차단되지 못하고 재연결(reconnection)이 발생할 수 있다. 전류를 차단하지 못하기 때문에 온도는 계속하여 상승될 수 있고, 결국 원통형 이차 전지(10)의 발화 및 폭발로 이어질 수 있다.
따라서, 고온 및 고압의 환경에서 용융이 발생하더라도, 절연 특성을 유지할 수 있도록, 열변형 온도가 높은 CID 가스켓에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 실시예들은, 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 고온 및 고압의 환경에서도 안전성이 향상된 이차 전지 및 이를 포함하는 디바이스의 제공을 그 목적으로 한다.
다만, 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 이차 전지는, 전류 차단 부재(Current Interrupt Device, CID); 상기 전류 차단 부재 상에 위치하며, 상기 전류 차단 부재에 전기적으로 연결된 안전 벤트; 및 상기 전류 차단 부재의 가장자리를 감싸는 CID 가스켓을 포함하고, 상기 CID 가스켓은 강화재를 포함하며, 상기 강화재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 셀룰로오스, 세라믹 입자 및 필러 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 CID 가스켓은, 상기 전류 차단 부재의 가장자리를 감싸는 제1 부분 및 상기 제1 부분 상에 위치하여 상기 전류 차단 부재의 중심 방향으로 연장된 제2 부분을 포함할 수 있다.
상기 제2 부분은, 상기 안전 벤트와 상기 전류 차단 부재 사이로 연장될 수 있다.
상기 CID 가스켓은 고분자 수지를 포함하고, 상기 고분자 수지는, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT) 및 퍼플루오로알콕시알칸(perfluoroalkoxy alkane, PFA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 CID 가스켓은 고분자 수지를 포함하고, 상기 고분자 수지는, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)를 포함할 수 있다.
상기 전류 차단 부재는 외주부 및 상기 외주부에 의해 둘러싸인 차단부를 포함하고, 상기 이차 전지의 내압 상승 시 상기 차단부가 상기 외주부와 분리될 수 있다.
상기 안전 벤트는 상기 차단부와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 이차 전지는, 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 더 포함하고, 상기 외주부는 양극 탭을 통해 상기 양극과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 이차 전지는, 상기 안전 벤트 상에 위치하며 상기 안전 벤트에 전기적으로 연결된 상단 캡을 더 포함할 수 있다.
상기 이차 전지는, 원통형 케이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 CID 가스켓은 강화재를 포함함으로써, 내열성 및 열변형 온도가 상승하여, 고온 및 고압의 환경에서도 용융이 발생하더라도, 절연 특성을 유지할 수 있다. 이에 따라, 안전성이 향상된 이차 전지의 제조가 가능하다.
도 1은 종래의 원통형 이차 전지의 상부에 대한 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 원통형 이차 전지가 내압이 상승했을 때의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 상부에 대한 부분 단면도이다.
도 4는 도 3의 이차 전지가 내압이 상승했을 때의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 5 내지 도 8은 각각 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 대해 실시한 외부 단락 평가의 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 9 내지 도 12는 각각 실시예 3, 실시예 4, 비교예 3 및 비교예 4에 대해 실시한 외부 단락 평가의 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 13 내지 도 16은 각각 실시예 3, 실시예 4, 비교예 3 및 비교예 4에 대해 전류 차단 부재가 분리된 이후의 CT 이미지, 상단 캡 및 밀봉 가스켓을 차례로 나타낸 사진들이다.
도 17 및 도 18은 각각 실시예 5 및 실시예 6에 대해 실시한 외부 단락 평가의 결과를 나타낸 그래프들이다.
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 이차 전지의 상부에 대한 부분 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(500)를 원통형 케이스(200)에 삽입하고, 여기에 전해액을 주입하며, 원통형 케이스의 개방된 상부에 캡 조립체(300)를 장착하여 제조될 수 있다.
전극 조립체(500)는 양극(510) 및 음극(520) 사이에 분리막(530)을 개재하고 권취한 젤리롤 형태의 구조로, 그 중심부에 센터 핀(미도시)이 삽입될 수 있다. 센터 핀은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀은 전극 조립체(500)를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용할 수 있다.
캡 조립체(300)는 상단 캡(310)과 안전 벤트(320)를 포함하고, 이러한 상단 캡(310)은 안전 벤트(320) 상에 위치하며, 안전 벤트(320)와 상호 밀착된 구조를 형성하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상단 캡(310)은 중앙이 상향 돌출되는 구조이고, 전극 조립체(500)의 양극(510)과 전기적으로 연결되어, 외부 회로와의 접속을 위한 양극 단자로써 기능할 수 있다. 구체적으로, 상단 캡(310)은, 안전 벤트(320), 전류 차단 부재(600) 및 양극 탭(511)을 통해 양극(510)과 간접적으로 연결될 수 있다.
원통형 케이스(200)는 비딩부(210) 및 클림핑부(220)를 포함할 수 있다.
비딩부(210)는 원통형 케이스(200) 중 일부가 전극 조립체(500)의 중심 방향으로 만입된 부분을 지칭하는 것으로, 캡 조립체(300)의 안정적인 결합 및 전극 조립체(500)의 유동 방지를 위한 것이다.
클림핑부(220)는 비딩부(210)의 상부에 위치하여, 캡 조립체(300)를 감싸는 부분을 지칭하는 것으로, 캡 조립체(300)의 안정적인 결합을 위한 것이다. 밀봉 가스켓(400)은 클림핑부(220)와 비딩부(210)의 내면에 장착되어 캡 조립체(300)와 원통형 케이스(200) 간의 밀봉력을 증대시킨다. 즉, 원통형 케이스(200)와 캡 조립체(300) 사이에 밀봉 가스켓(400)을 위치시키고, 원통형 케이스(200)의 단부를 구부림으로써 클림핑부(220)를 형성한다. 이를 통해 캡 조립체(300)의 장착 및 이차 전지(100)의 밀봉이 이루어질 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 전극 조립체(500)의 음극(520)에 연결된 음극 탭은 원통형 케이스(200)에 접합될 수 있다. 이로써, 원통형 케이스(200)가 외부 회로와의 접속을 위한 음극 단자로써 기능할 수 있다.
한편, 안전 벤트(320)의 아래에는 전류 차단 부재(600, Current Interrupt Device, CID) 및 CID 가스켓(700)이 위치한다. 이하, 이에 대해 자세히 설명하도록 한다.
본 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 전류 차단 부재(600), 전류 차단 부재(600) 상에 위치하며 전류 차단 부재(600)에 전기적으로 연결된 안전 벤트(320) 및 전류 차단 부재(600)의 가장자리를 감싸는 CID 가스켓(700)을 포함한다. CID 가스켓(700)은 강화재를 포함하고, 상기 강화재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 셀룰로오스, 세라믹 입자 및 필러 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
안전 벤트(320)는 전류가 통하는 박막 구조물로서, 각각 깊이를 달리하는 2 개의 홈부들(321, 322)이 형성되어 있다.
전류 차단 부재(600)는 도전성 판재의 부재로써, 외주부(610) 및 외주부(610)에 의해 둘러싸인 차단부(620)를 포함할 수 있다. 또한, 구체적으로 도시하지 않았으나 가스의 배출을 위한 다수의 관통구들이 형성될 수 있다. 한편, 후술하는 외주부(610)와 차단부(620) 간의 분리를 위해 외주부(610)와 차단부(620) 사이의 경계는 상대적으로 약한 강도를 갖도록 설계될 수 있다.
CID 가스켓(700)은, 전류 차단 부재(600)의 가장자리를 감싸는 제1 부분(710) 및 제1 부분(710) 상에 위치하여 전류 차단 부재(600)의 중심 방향으로 연장된 제2 부분(720)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 부분(720)은 안전 벤트(320)와 전류 차단 부재(600) 사이로 연장될 수 있다.
도 4는 도 3의 이차 전지가 내압이 상승했을 때의 모습을 나타낸 부분 단면도이다. 구체적으로, 이차 전지(100)의 내압이 상승했을 때, 안전 벤트(320) 및 전류 차단 부재(600)가 전류를 차단하는 모습을 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 외주부(610)는 양극 탭(511)을 통해 전극 조립체(500)의 양극(510)과 전기적으로 연결되어 있으며, 차단부(620)는 안전 벤트(320)의 하면과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 전기적 연결 방법에 특별한 제한은 없으며, 용접에 의해 연결될 수 있다. 이차 전지(100)의 정상적인 작동 상황에서는, 양극 탭(511), 전류 차단 부재(600), 안전 벤트(320) 및 상단 캡(310)이 전기적으로 연결되어 이차 전지(100)가 외부 회로와 접속된다.
그러나, 이차 전지(100) 내부에서의 압력 상승으로 인해 가압 가스가 안전 벤트(320)에 가해지면, 안전 벤트(320)의 형상이 역전된다. 이에 따라, 도 4에서와 같이 차단부(620)가 외주부(610)와 분리되고, 외부 회로와 전극 조립체(500) 간의 전기적 연결이 차단된다. 이를 통해, 이차 전지(100)가 고온에 노출되거나 내부 발열로 인해 내부 압력이 상승하더라도 폭발이나 발화로 이어지는 것을 방지할 수 있다.
이때, CID 가스켓(700)의 제2 부분(720)은, 안전 벤트(320)와 외주부(610) 사이로 연장로 연장되어, 안전 벤트(320)가 외주부(610)와 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 외주부(610)와 차단부(620)가 분리된 이후 안전 벤트(320)가 외주부(610)가 접촉하는 것을 막아, 재연결(reconnection) 즉, 재차 전류가 흐르는 것을 차단할 수 있다.
앞서 설명한 바 대로, 종래는 CID 가스켓이 용융 또는 변형되어 안전 벤트(320)와 외주부(610)의 접촉을 차단하지 못하는 경우가 있었다.
이와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 CID 가스켓(700)은 강화재를 포함하여, 내열성과 열변형 온도를 높일 수 있다. 이에 고온 및 고압의 환경에서도 안전 벤트(320)와 외주부(610)의 접촉을 차단하여, 절연을 유지할 수 있다. 이러한 본 실시예에 따른 강화재는 유리섬유(glass fiber), 탄소섬유, 아라미드 섬유, 셀룰로오스, 세라믹 입자 및 필러 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 특히, 유리섬유를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, CID 가스켓(700)은 고분자 수지를 포함하고, 사출성형으로 제조될 수 있다. 이러한 고분자 수지는 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT) 및 퍼플루오로알콕시알칸(perfluoroalkoxy alkane, PFA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그 중에서도 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)를 포함할 수 있다. 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS)와 같은 슈퍼엔지니어링 플라스틱 소재는 강한 강성을 갖기 때문에 해당 소재를 포함할 경우 성형성이 좋지 못하며, 해당 소재에 강화재가 첨가될 경우 성형성에 더욱 악영향을 미칠 수 있다. 반면, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)나 폴리프로필렌(PP) 등의 소재는 탄성이 좋은 엘라스토머이며, 이러한 소재를 포함하면 사출성이 개선되기 때문에 CID 가스켓(700)을 성형하기 용이하다. 다시 말해, 본 실시예에서와 같이, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT) 등의 고분자 수지가 포함되는 경우 CID 가스켓(700)의 성형성과 연성을 확보할 수 있어 사출 성형이 용이해지고 전류 차단 부재(600)와의 접촉성이 증대될 수 있다.
한편, 안전 벤트(320)가 작동하는 상황은 활물질의 분해 반응과 다수의 부반응들로 인해 이차 전지(100) 내부의 온도 및 압력이 급격히 상승하는 경우가 많고, CID 가스켓(700)은 이러한 고온, 고압의 가스에 직접적으로 노출되는 부품이다. CID 가스켓(700)은 밀봉 가스켓(400)과 같은 밀봉성을 크게 요하지 않는 대신 내열성을 갖추는 것이 무엇보다 중요하다. 본 실시예에 따른 CID 가스켓(700)은, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT) 등의 고분자 수지를 포함하여 성형성과 연성을 확보하는 동시에 유리섬유 등의 강화재를 포함하여 고온, 고압의 환경에서도 절연특성을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, CID 가스켓(700)의 질량 대비 상기 강화재의 질량이 15% 이상 50%이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 25% 이상 40%이하일 수 있다. 일례로, CID 가스켓(700)은, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(이하, PBT라 함)와 유리섬유(glass fiber)를 포함할 수 있고, 상기 PBT와 상기 유리섬유를 포함하는 CID 가스켓의 전체 질량 대비 상기 유리섬유의 질량이 15% 이상 50%이하일 수 있다.
CID 가스켓(700)의 질량 대비 상기 강화재의 질량이 15% 미만인 경우, CID 가스켓(700)의 내열성과 열변형 온도를 목적하는 만큼 높일 수 없다. 결국, 전류 차단 부재(600)의 분리 이후, 안전 벤트(320)와 외주부(610)의 접촉을 차단하지 못해 재연결(reconnection)이 발생할 수 있다. 한편, 이차 전지(100)가 복수로 모여 전지팩을 형성할 수 있는데, 이때 CID 가스켓(700)의 질량 대비 상기 강화재의 질량이 25% 이상인 것이 바람직할 수 있다. 전지팩 단위에서 CID 가스켓(700)의 질량 대비 상기 강화재의 질량이 25% 미만일 경우, 전지팩 내부에서의 열과 압력에 견디지 못하고 CID 가스켓(700)이 용융될 수 있다. 재연결(reconnection)이 발생할 수 있고, 이것이 전지팩의 열폭주나 폭발로 이어질 수 있다.
한편, CID 가스켓(700)의 질량 대비 상기 강화재의 질량이 50%를 초과하는 경우, CID 가스켓(700)의 성형성을 저해할 수 있다. PBT 등의 고분자 수지에 상기 강화재를 첨가한 후 사출 성형하여 CID 가스켓(700)을 제조할 수 있는데, 강화재의 질량이 50%를 초과할 경우, 필요 이상의 강성을 갖게 되어 사출 성형이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명에 따른 CID 가스켓에 대하여 설명한다.
평가예 1: 열 변형 온도 측정
열 특성 PBT+GF(30%) PBT
0.45MPa에서의 열변형 온도(℃) (Heat-deflection temperature at 0.45MPa) 220 150
1.8MPa에서의 열변형 온도(℃) (Heat-deflection temperature at 1.8MPa) 200 60
최고 작동 온도(℃)(Upper working temperature) 120~200 120
용융점(℃) (Melting temperature) 225 223
표 1은, 본 발명의 실험군과 비교군으로써, PBT와 유리섬유(glass fiber, GF)가 포함된 CID 가스켓과 PBT만 포함된 가스켓의 열 특성을 비교한 표이다. PBT와 유리섬유가 포함된 CID 가스켓의 경우, CID 가스켓의 질량 대비 유리섬유의 질량이 30%이다.
표 1을 참고하면, 양 소재의 용융점을 유사하나, 유리섬유를 첨가한 경우가 열변형 온도가 크게 증가한 것을 확인할 수 있다. 특히, 1.8MPa에서 측정된 열변형 온도의 경우, 양 소재의 값이 큰 차이를 보인다. 이를 통해, 유리섬유의 첨가로 인해 CID 가스켓의 내열성이 향상됨을 확인할 수 있다.
평가예 2: 외부 단락 평가
실시예 1, 2와 비교예 1, 2를 마련한 후 외부 단락 평가를 실시하였다.
구체적으로, 18650 원통형 전지에 PBT와 유리섬유를 포함한 CID 가스켓을 적용하여 실시예 1과 2를 마련하였고, 18650 원통형 전지에 PBT만 포함한 CID 가스켓을 적용하여 비교예 1과 2를 마련하였다. 실시예 1과 2 모두 CID 가스켓의 질량 대비 유리섬유의 질량은 30%이다.
외부 단락 평가의 경우, 원통형 전지의 양, 음극 단자에 외부 도선을 일정한 저항 값으로 연결한 후 상기 원통형 전지의 거동을 확인하는 것으로 진행하였다.
평가예 2에서는, 실시예 1, 2와 비교예 1, 2의 원통형 전지에 대해 25mΩ의 외부 저항을 인가하여 각 원통형 전지의 거동을 확인하였다. 구체적으로, 원통형 전지의 전류값, 전압값 및 CID 가스켓의 온도를 시간에 따라 측정하여 도 5 내지 도 8과 하기 표 2에 나타냈다. 도 5 내지 도 8은 각각 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 대해 실시한 외부 단락 평가의 결과를 나타낸 그래프들이다. 표 2는 상기 그래프들의 결과를 정리한 것이다.
추가로, 외부 단락 평가에서의 전류 차단 부재(CID)의 분리 이후 재연결(reconnection)이 발생하였는지 여부를 측정하였다.
CID 분리
시간(sec)		 Max. temp(℃) CID 분리 후 저항(mΩ) 비고
실시예 1 35.3 109 ∞ 재연결 없음
실시예 2 37.1 109 ∞ 재연결 없음
비교예 1 40.6 120 ∞ 재연결 없음
비교예 2 40.6 117 ∞ 재연결 없음
도 5 내지 도 8과 상기 표 2를 함께 참고하면, 그래프 상에서 원통형 전지의 전류값과 전압값이 급격히 감소하여 0에 가까워지는 시점이, 내압 상승에 따라 전류 차단 부재(CID)가 분리되어 전류 및 전압이 차단되는 시점이다. 실시예 1과 2의 경우, 30초(sec)대 중반에서 전류 차단 부재가 분리된 반면, 비교예 1과 2의 경우, 40초(sec)를 넘어 전류 차단 부재가 분리된 것을 확인할 수 있다. 또한, 원통형 전지의 최대온도(Max. temp)는 비교예 1, 2의 경우가 높게 측정되었다.
상기에 대한 원인을 검토해보면, 외부 단락 평가가 진행되는 동안 원통형 전지 내부의 온도와 압력이 상승되고, 이에 따라 전류 차단 부재가 분리 및 개방되어야 하는데, 비교예 1, 2의 경우 CID 가스켓이 지지대로써의 역할을 수행하지 못 하고 열 변형되었기 때문에 전류 차단 부재의 분리 시점이 늦어지고, 원통형 전지의 최대온도가 높아진 것으로 파악된다. 반면, 실시예 1, 2의 경우, 유리섬유의 첨가에 따라 CID 가스켓의 내열성이 향상되어, 지지대로써의 역할을 원활히 수행하였음을 알 수 있다.
한편, 실시예 1, 2와 비교예 1, 2 모두 전류 차단 부재(CID)의 분리 이후 재연결(reconnection)이 발생하지 않았다.
평가예 3: 외부 단락 평가
실시예 3, 4와 비교예 3, 4를 마련한 후 외부 단락 평가를 실시하였다.
구체적으로, 21700 원통형 전지에 PBT와 유리섬유를 포함한 CID 가스켓을 적용하여 실시예 3과 4를 마련하였고, 21700 원통형 전지에 PBT만 포함한 CID 가스켓을 적용하여 비교예 3과 4를 마련하였다. 실시예 3과 4 모두 CID 가스켓의 질량 대비 유리섬유의 질량은 30%이다.
평가예 3에서는, 실시예 3, 4와 비교예 3, 4의 원통형 전지에 대해 20mΩ의 외부 저항을 인가하여 각 원통형 전지의 거동을 확인하였다. 또한, 외부 단락 평가에서의 전류 차단 부재(CID)의 분리 이후 재연결(reconnection)이 발생하였는지 여부를 측정하였다. 실험의 결과는 도 9 내지 도 12와 하기 표 3에 나타냈다. 도 9 내지 도 12는 각각 실시예 3, 실시예 4, 비교예 3 및 비교예 4에 대해 실시한 외부 단락 평가의 결과를 나타낸 그래프들이다. 표 3은 상기 그래프들의 결과를 정리한 것이다.
CID 분리
시간(sec)		 Max. temp(℃) CID 분리 후 저항(mΩ) 비고
실시예 3 40.1 101 ∞ 재연결 없음
실시예 4 38.2 99 ∞ 재연결 없음
비교예 3 38.2 94.1 7.5 재연결 발생
비교예 4 42.2 88.7 4.9 재연결 발생
도 9, 도 10 및 상기 표 3을 참고하면, 실시예 3과 4의 경우, 40초(sec) 전후로 전류 차단 부재가 분리되었고, 도 11, 도 12 및 상기 표 3을 참고하면, 비교예 3과 4의 경우도 40초(sec) 전후로 전류 차단 부재가 분리되었다. 실시예 3, 4와 비교예 3, 4는 내압 상승으로 인해 전류 차단 부재가 분리된 시점이 유사하다. 또한, 원통형 전지의 최대온도(Max. temp)도 실시예 3, 4와 비교예 3, 4가 서로 유사하게 측정되었다.
그러나, 비교예 3, 4의 경우, 전류 차단 부재(CID)의 분리 이후 전류 흐름을 측정해본 결과, 각각 7.5mΩ과 4.9mΩ의 저항이 측정되었다. 이는 전류 차단 부재(CID)의 분리 이후 안전 벤트와 전류 차단 부재 간의 전기적 연결이 완전히 차단되지 못하고, 재연결(reconnection)이 발생한 것을 의미한다. 반면, 실시예 3, 4의 경우 재연결이 발생하지 않았다.
도 13 내지 도 16은 각각 실시예 3, 실시예 4, 비교예 3 및 비교예 4에 대해 전류 차단 부재가 분리된 이후의 CT 이미지, 상단 캡 및 밀봉 가스켓을 차례로 나타낸 사진들이다. CT 이미지의 경우 원통형 전지에서 캡 조립체가 위치한 상단 부분을 나타내었다.
도 13, 도 14 및 표 3을 참고하면, 상술한 바 대로, 실시예 3과 4의 경우는 재연결(reconnection)이 발생하지 않았고, CID 가스켓이나 밀봉 가스켓의 용융이 발생하지 않았다.
반면, 도 15 및 표 3을 참고하면, 비교예 3의 경우, 재연결(reconnection)이 발생하였을 뿐만 아니라 CID 가스켓과 밀봉 가스켓이 모두 용융되었다. 다음, 도 16 및 표 3을 참고하면, 비교예 4의 경우, 재연결(reconnection)이 발생하였을 뿐만 아니라 밀봉 가스켓이 용융되었다.
상기 실험 결과를 종합하면, 유리섬유를 첨가한 실시예 3, 4의 경우, 내열성이 향상되고 열변형이 일어나지 않아, 안전 벤트와 전류 차단 부재 간의 재연결을 효과적으로 차단하였다. 반면, 유리섬유를 첨가하지 않은 비교예 3, 4의 경우 온도 상승에 따른 CID 가스켓의 열변형이나 용융으로 인해 안전 벤트와 전류 차단 부재 간의 재연결을 차단하지 못하였다.
평가예 4: 외부 단락 평가
실시예 5와 6을 마련한 후 외부 단락 평가를 실시하였다.
구체적으로, 18650 원통형 전지에 대해 CID 가스켓에 포함되는 유리섬유의 함량을 달리하여 실시예 5과 6을 마련하였다. 또한, 18650 원통형 전지를 5개(직렬)*2개(병렬)로 구성하여 전지팩을 형성한 후 외부 단락 평가를 진행하였다.
실시예 5의 경우, CID 가스켓의 질량 대비 유리섬유의 질량은 30%로 제조하였고, 실시예 6의 경우, CID 가스켓의 질량 대비 유리섬유의 질량은 20%로 제조하였다.
평가예 4에서는, 실시예 5, 6의 원통형 전지를 각각 복수로 포함하는 전지팩들에 대해 80mΩ의 외부 저항을 인가하여 각 전지팩의 거동을 확인하였다. 또한, 외부 단락 평가에서의 전류 차단 부재(CID)의 분리 이후 재연결(reconnection)이 발생하였는지 여부를 평가하였다. 실험의 결과는 도 17, 도 18과 하기 표 4에 나타냈다. 도 17 및 도 18은 각각 실시예 5 및 실시예 6에 대해 실시한 외부 단락 평가의 결과를 나타낸 그래프들이다. 표 4는 상기 그래프들의 결과를 정리한 것이다.
전압(V) / 저항(mΩ) CID 분리
시간(sec)		 피크 전류(A)
(Peak current)		 Max. temp(℃)
CID 분리 전 CID 분리 후
실시예 5 20.87 / 41.1 0 / ∞ 50.6 159.2 120.1
실시예 6 20.87 / 41.0 Explosion 49.4 159.0 -
도 17, 도 18 및 표 4를 참고하면, 실시예 5의 경우, 50.6초(sec)에 전류 차단 부재가 분리되었고, 그 이후에 재연결(reconnection)이 발생하지 않았다. 반면, 실시예 6의 경우, 49.4초(sec)에 전류 차단 부재가 분리되었으나, 그 이후에 재연결(reconnection)이 발생하였고, 결국 폭발(Explosion)로 이어졌다.
즉, 전지팩 단위에서 CID 가스켓의 질량 대비 상기 유리섬유의 질량이 25% 미만으로, 상기 강화재가 적게 포함될 경우, 전지팩 내부에서의 열과 압력에 견디지 못하고 CID 가스켓이 용융되어 재연결(reconnection)이 발생할 수 있으며, 이것이 전지팩의 열폭주나 폭발로 이어질 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 하나 또는 그 이상의 이차 전지는 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 이차 전지를 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.
부호의 설명
100: 이차 전지
200: 원통형 케이스
300: 캡 조립체
310: 상단 캡
320: 안전 벤트
400: 밀봉용 가스켓
500: 전극 조립체
600: 전류 차단 부재
700: CID 가스켓

Claims (11)

  1. 전류 차단 부재(Current Interrupt Device, CID);
    상기 전류 차단 부재 상에 위치하며, 상기 전류 차단 부재에 전기적으로 연결된 안전 벤트; 및
    상기 전류 차단 부재의 가장자리를 감싸는 CID 가스켓을 포함하고,
    상기 CID 가스켓은 강화재를 포함하며,
    상기 강화재는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 셀룰로오스, 세라믹 입자 및 필러 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 CID 가스켓은, 상기 전류 차단 부재의 가장자리를 감싸는 제1 부분 및 상기 제1 부분 상에 위치하여 상기 전류 차단 부재의 중심 방향으로 연장된 제2 부분을 포함하는 이차 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 제2 부분은, 상기 안전 벤트와 상기 전류 차단 부재 사이로 연장되는 이차 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 CID 가스켓은 고분자 수지를 포함하고,
    상기 고분자 수지는, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT) 및 퍼플루오로알콕시알칸(perfluoroalkoxy alkane, PFA) 중 적어도 하나를 포함하는 이차 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 CID 가스켓은 고분자 수지를 포함하고,
    상기 고분자 수지는, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)를 포함하는 이차 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 전류 차단 부재는 외주부 및 상기 외주부에 의해 둘러싸인 차단부를 포함하고, 상기 이차 전지의 내압 상승 시 상기 차단부가 상기 외주부와 분리되는 이차 전지.
  7. 제6항에서,
    상기 안전 벤트는 상기 차단부와 전기적으로 연결되는 이차 전지.
  8. 제6항에서,
    양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 더 포함하고,
    상기 외주부는 양극 탭을 통해 상기 양극과 전기적으로 연결되는 이차 전지.
  9. 제1항에서,
    상기 안전 벤트 상에 위치하며 상기 안전 벤트에 전기적으로 연결된 상단 캡을 더 포함하는 이차 전지.
  10. 제1항에서,
    원통형 케이스를 더 포함하는 이차 전지.
  11. 제1항에 따른 이차 전지를 포함하는 디바이스.
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