KR102386323B1

KR102386323B1 - 벤팅 장치 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR102386323B1
Application number: KR1020180050754A
Authority: KR
Inventors: 최용수; 김명환; 김상훈; 김나윤; 유형균
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2022-04-14
Also published as: KR20190126618A

Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 벤팅 장치는 이차 전지의 파우치의 실링부에 삽입되는 벤팅 장치에 있어서, 상기 실링부의 양 면 사이에 삽입되어 상기 실링부와 함께 실링되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 형성되고, 폴리머로 제조되며, 상기 파우치의 내부 및 외부를 연통하는 통로가 관통 형성되는 시트; 및 상기 파우치의 내부 압력에 따라 상기 통로를 개폐하며, 금속으로 제조되고, 일측부의 내면에 표면처리층이 형성된 판 스프링을 포함하되, 상기 표면처리층이 형성된 상기 일측부의 내면은, 상기 통로의 출구측에서, 상기 시트와 융착된다.

Description

벤팅 장치 및 그의 제조 방법{The Apparatus For Venting And The Method For Manufacturing Thereof}

본 발명은 벤팅 장치 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 파우치의 실링부에 적어도 하나 삽입되어, 파우치의 내부 압력이 증가하면 내부의 가스를 외부로 배출하여 압력을 조절할 수 있는 벤팅 장치 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품뿐만 아니라, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품과 잉여 발전 전력이나 신재생 에너지를 저장하는 전력 저장 장치와 백업용 전력 저장 장치에도 적용되어 사용되고 있다.

이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스의 재질에 따라, 파우치 형(Pouch Type) 및 캔 형(Can Type) 등으로 분류된다. 파우치 형(Pouch Type)은 연성의 폴리머 재질로 제조된 파우치에 전극 조립체를 수용한다. 그리고, 캔 형(Can Type)은 금속 또는 플라스틱 등의 재질로 제조된 케이스에 전극 조립체를 수용한다.

한편, 이차 전지는 외부 충격에 의한 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의해 기체가 발생할 수 있다. 또는 고온에서 보관하거나 저장하는 경우, 높은 온도가 전해질 및 전극 활물질의 전기화학적 반응을 빠르게 촉진하여 기체가 발생할 수 있다.

이 때, 상기 발생한 기체는 이차 전지의 내부 압력을 상승시켜 부품간의 결합력 약화, 이차 전지의 케이스 파손, 보호회로의 조기 작동, 전극의 변형, 내부 단락, 폭발 등의 문제를 발생시킨다. 이를 방지하기 위해, 캔 형(Can Type)의 이차 전지의 경우에는, CID 필터 및 안전 벤트와 같은 보호 부재가 마련되었다. 따라서, 케이스의 내부의 압력이 증가하면 전기적 연결을 물리적으로 차단하였다. 그러나, 종래의 파우치 형(Pouch Type)의 이차 전지의 경우에는, 이러한 보호 부재가 충분히 마련되지 않았다.

한국공개공보 제2003-0032540호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이차 전지의 파우치의 실링부에 적어도 하나 삽입되어, 파우치의 내부 압력이 증가하면 내부의 가스를 외부로 배출하여 압력을 조절할 수 있는 벤팅 장치 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

또한, 상기 판 스프링은, 상기 일측부가 외측으로 볼록한 캡 형상을 가지고, 내부에 시트가 삽입되는 삽입 공간이 형성될 수 있다.

또한, 상기 판 스프링의 상기 일측부는, 상기 캡 형상의 천장일 수 있다.

또한, 상기 판 스프링은, 타측 단부가 상기 삽입 공간에 삽입된 상기 시트를 향해 절곡될 수 있다.

또한, 상기 판 스프링의 상기 일측부는, 중심에 형성된 중심부 및 상기 중심부로부터 외측 방향으로 연장 형성된 주변부를 포함하며, 상기 판 스프링은, 상기 주변부에 가스 배기 홀이 타공될 수 있다.

또한, 상기 폴리머는, 산처리된 폴리올레핀계 폴리머를 포함할 수 있다.

또한, 상기 금속은, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다.

또한, 상기 표면처리층은, 크롬, 지르코늄 및 티타늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 하우징은, 서로 모양 또는 크기가 상이한 상부 하우징 및 하부 하우징을 포함할 수 있다.

또한, 상기 하부 하우징은, 두께가 상기 상부 하우징의 두께보다 작을 수 있다.

또한, 상기 상부 하우징은, 원형 실린더 형상을 가지고, 상기 하부 하우징은, 타원형 실린더 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 시트 및 상기 판 스프링은, 상기 상부 하우징의 내부에 형성되며, 상기 판 스프링의 상기 일면의 외측은, 상기 상부 하우징의 개방단을 향할 수 있다.

또한, 상기 시트는, 상기 통로의 출구측 면의 외주 모서리가 챔퍼링 또는 필렛팅될 수 있다.

또한, 상기 판 스프링 및 상기 시트의 사이에 볼을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 시트는, 상기 통로의 출구측 면의 내주 모서리가 챔퍼링 또는 필렛팅될 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 벤팅 장치 제조 방법은 이차 전지의 파우치의 실링부에 삽입되는 벤팅 장치를 제조하는 방법에 있어서, 금속 판재의 적어도 일면에 표면처리층을 형성하는 단계; 상기 금속 판재를 성형하여, 상기 표면처리층이 형성된 상기 일면이 내측을 향하는 판 스프링을 제조하는 단계; 폴리머로 제조된 시트에 관통 형성된 통로의 출구측에서, 상기 판 스프링의 상기 일면과 상기 시트를 융착하는 단계; 및 상기 융착된 상기 판 스프링 및 상기 시트를, 상기 실링부의 양 면 사이에 삽입되어 상기 실링부와 함께 실링되는 하우징의 내부에 삽입하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 표면처리층을 형성하는 단계는, 상기 금속 판재를 탈지하는 단계; 1차 수세하는 단계; 에칭하는 단계; 2차 수세하는 단계를 하는 단계; 표면처리하는 단계; 3차 수세하는 단계; 및 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 표면처리하는 단계는, 크로메이트 처리, 지르코니아 처리 및 티타늄 처리 중 적어도 하나를 하는 단계일 수 있다.

또한, 상기 판 스프링을 제조하는 단계에 있어서, 상기 시트와 융착되는 일측부가 외측으로 볼록한 캡 형상으로, 상기 금속 판재를 성형할 수 있다.

또한, 상기 판 스프링을 제조하는 단계에 있어서, 상기 금속 판재를 펀치로 연신하는 드로잉 공정으로 성형할 수 있다.

또한, 상기 금속 판재는, 상기 표면처리층이 형성된 상기 일면이 상기 펀치를 향하여 안착될 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

이차 전지의 파우치의 실링부에 벤팅 장치가 적어도 하나 삽입되어, 파우치의 내부 압력이 증가하면 내부의 가스를 외부로 배출하여 압력을 조절할 수 있다.

또한, 판 스프링의 상기 표면처리층이 형성된 일측부의 내면과, 시트가 융착되어, 1차 개방 압력을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치가 포함된 이차 전지의 조립도이다.
도 2는 제조가 완료된 도 1의 이차 전지의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재의 일면에 표면처리층이 형성된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링에 시트가 삽입된 모습을 나타낸 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링의 타측 단부를, 시트측을 향해 절곡한 모습을 나타낸 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 하우징에 판 스프링 및 시트가 삽입되어 제조가 완료된 벤팅 장치의 모습을 나타낸 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치가 작동하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 벤팅 장치의 모습을 나타낸 개략도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 벤팅 장치가 작동하는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 15는 제조예, 비교예 1 및 비교예 2의 벤팅 장치를 각각 포함하는 이차 전지들의 시간에 따른 내부 압력 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치가 포함된 이차 전지(1)의 조립도이고, 도 2는 제조가 완료된 도 1의 이차 전지(1)의 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)를 제조하기 위해, 먼저 전극 활물질과 바인더 및 가소제를 혼합한 슬러리를 양극 집전체 및 음극 집전체에 도포하여 양극과 음극을 제조하고, 이를 분리막(Separator)의 양 측에 적층함으로써 소정 형상의 전극 조립체(10)를 형성한다. 그리고 전지 케이스(13)에 전극 조립체(10)를 수납하고 전해액 주입 후 실링한다.

전극 조립체(Electrode Assembly, 10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 탭(Electrode Tab, 11)을 포함한다. 전극 탭(11)은 전극 조립체(10)의 양극 및 음극과 각각 연결되고, 전극 조립체(10)의 외부로 돌출되어, 전극 조립체(10)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로가 된다. 전극 조립체(10)의 전극 집전체는 슬러리가 도포된 부분과 슬러리가 도포되지 않은 말단 부분, 즉 무지부로 구성된다. 그리고 전극 탭(11)은 무지부를 재단하여 형성되거나 무지부에 별도의 도전부재를 초음파 용접 등으로 연결하여 형성될 수도 있다. 이러한 전극 탭(11)은 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있다.

전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에는 전극 리드(Electrode Lead, 12)가 스팟(Spot) 용접 등으로 연결된다. 그리고, 전극 리드(12)의 일부는 절연부(14)로 주위가 포위된다. 절연부(14)는 전지 케이스(13)의 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 열 융착되는 실링부(134)에 한정되어 위치하여, 전극 리드(12)를 전지 케이스(13)에 접착시킨다. 그리고, 전극 조립체(10)로부터 생성되는 전기가 전극 리드(12)를 통해 전지 케이스(13)로 흐르는 것을 방지하며, 전지 케이스(13)의 실링을 유지한다. 따라서, 이러한 절연부(14)는 전기가 잘 통하지 않는 비전도성을 가진 부도체로 제조된다. 일반적으로 절연부(14)로는, 전극 리드(12)에 부착하기 용이하고, 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되지 않고 전극 리드(12)를 절연할 수 있다면 다양한 부재를 사용할 수 있다.

전극 리드(12)는 양극 탭(111) 및 음극 탭(112)의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다. 양극 리드(121) 및 음극 리드(122)는 서로 그 재질이 다를 수 있다. 즉, 양극 리드(121)는 양극 집전체와 동일한 알루미늄(Al) 재질이며, 음극 리드(122)는 음극 집전체와 동일한 구리(Cu) 재질 또는 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질일 수 있다. 그리고 전지 케이스(13)의 외부로 돌출된 전극 리드(12)의 일부분은 단자부가 되어, 외부 단자와 전기적으로 연결된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 형 이차 전지(1)에서 전지 케이스(13)는 연성의 재질로 제조된 파우치이다. 이하, 전지 케이스(13)는 파우치인 것으로 설명한다. 그리고 전지 케이스(13)는 전극 리드(12)의 일부, 즉 단자부가 노출되도록 전극 조립체(10)를 수용하고 실링된다. 이러한 전지 케이스(13)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 포함한다. 하부 파우치(132)에는 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 수용 공간(1331)이 마련된 컵부(133)가 형성되고, 상부 파우치(131)는 상기 전극 조립체(10)가 전지 케이스(13)의 외부로 이탈되지 않도록 상기 수용 공간(1331)을 상부에서 커버한다. 이 때, 도 1에 도시된 바와 같이 상부 파우치(131)에도 수용 공간(1331)이 마련된 컵부(133)가 형성되어, 전극 조립체(10)를 상부에서 수용할 수도 있다. 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)는 도 1에 도시된 바와 같이 일측이 서로 연결되어 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 서로 분리되어 별도로 제조되는 등 다양하게 제조될 수 있다.

전지 케이스(13)의 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)가 서로 맞닿은 후, 테두리에 형성된 실링부(134)가 실링된다. 이 때 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 벤팅 장치(15)는 상기 실링부(134)의 양 면의 사이에 삽입되어 함께 실링됨으로써, 실링부(134) 내에 고정된다. 그리고 벤팅 장치(15)는 전지 케이스(13)의 내부 및 외부를 서로 연통하는 통로를 포함하여, 전지 케이스(13)의 내부 압력이 증가하면 내부의 가스를 외부로 배출하여 압력을 조절한다. 벤팅 장치(15)에 대한 자세한 내용은 후술한다.

전극 조립체(10)의 전극 탭(11)에 전극 리드(12)가 연결되고, 전극 리드(12)의 일부분에 절연부(14)가 형성되면, 하부 파우치(132)에 마련된 수용 공간(1331)에 전극 조립체(10)가 수용되고, 상부 파우치(131)가 상기 수용 공간(1331)을 상부에서 커버한다. 그리고, 내부에 전해액을 주입하고 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)의 테두리에 형성된 실링부(134)가 실링되면, 도 2에 도시된 바와 같이 이차 전지(1)가 제조된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 케이스(13)의 단면도이다.

전지 케이스(13)는 파우치 필름(135)을 드로잉(Drawing) 성형하여 제조된다. 즉, 파우치 필름(135)을 연신시켜 컵부(133)를 형성함으로써 제조된다. 이러한 파우치 필름(135)은 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 배리어층(Gas Barrier Layer, 1351), 표면 보호층(Surface Protection Layer, 1352) 및 실란트층(Sealant Layer, 1353)을 포함한다.

가스 배리어층(1351)은 전지 케이스(13)의 기계적 강도를 확보하고, 이차 전지(1) 외부의 가스 또는 수분 등의 출입을 차단하며, 전해액의 누수를 방지한다. 일반적으로 가스 배리어층(1351)은 금속을 포함하며 주로 알루미늄 박막(Al Foil)이 사용된다. 알루미늄은 소정 수준 이상의 기계적 강도를 확보할 수 있으면서도 무게가 가볍고 전극 조립체(10)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 확보할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 다양한 재질이 가스 배리어층(1351)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 이 때 상기 가스 배리어층(1351)을 철이 함유된 재질로 제조할 경우에는 기계적 강도가 향상되고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 향상되므로, 각각의 특성을 고려하여 사용될 수 있을 것이다.

표면 보호층(1352)은 폴리머로 제조되고, 최외층에 위치하여 외부와의 마찰 및 충돌로부터 이차 전지(1)를 보호하면서, 전극 조립체(10)를 외부로부터 전기적으로 절연시킨다. 여기서 최외층이란, 상기 가스 배리어층(1351)을 기준으로 전극 조립체(10)가 위치하는 방향의 반대 방향으로, 외부를 향하는 방향을 말한다. 이러한 표면 보호층(1352)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 특히, 주로 내마모성 및 내열성을 가지는 나일론(Nylon) 수지 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리머가 사용된다. 그리고 표면 보호층(1352)은 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 가지거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수도 있다.

실란트층(1353)은 폴리머로 제조되고, 최내층에 위치하여 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉한다. 파우치 형 전지 케이스(13)는 상기와 같은 적층 구조의 파우치 필름(135)을, 펀치 등을 이용하여 드로잉(Drawing) 성형하면, 일부가 연신되어 주머니 형태의 수용 공간(1333)을 포함하는 컵부(133)를 형성하면서 제조된다. 그리고, 이러한 수용 공간(1333)에 전극 조립체(10)가 내부에 수용되면 전해액을 주입한다. 그 후에 상부 파우치(131)와 하부 파우치(132)를 서로 접촉시키고, 실링부(134)에 열 압착을 하면 실란트층(1353)끼리 접착됨으로써 전지 케이스(13)가 실링된다. 이 때, 실란트층(1353)은 전극 조립체(10)와 직접적으로 접촉하므로 절연성을 가져야 하며, 전해액과도 접촉하므로 내식성을 가져야 한다. 또한, 내부를 완전히 밀폐하여 내부 및 외부간의 물질 이동을 차단해야 하므로, 높은 실링성을 가져야 한다. 즉, 실란트층(1353)끼리 접착된 실링부(134)는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로 이러한 실란트층(1353)에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론, 및 유리섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 특히, 주로 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 기계적 물성과 내식성 등의 화학적 물성이 뛰어나, 실란트층(1353)을 제조하는데 주로 사용된다. 나아가, 무연신 폴리프로필렌(Cated Polypropylene) 또는 폴리프로필렌-부틸렌-에틸렌 삼원 공중합체로 구성될 수도 있다. 또한, 실란트층(1353)은, 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조를 갖거나, 2개 이상의 물질이 각각 층을 이루어 형성된 복합막 구조를 가질 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치(15)의 사시도이다.

상기 기술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1)는 적어도 하나의 벤팅 장치(15)를 더 포함한다. 벤팅 장치(15)는 이차 전지(1)의 파우치의 실링부(134)에 적어도 하나 삽입되어, 파우치의 내부 압력이 증가하면 내부의 가스를 외부로 배출하여 압력을 조절한다. 이를 위해 벤팅 장치(15)는 이차 전지(1)의 파우치의 실링부(134)에 삽입되는 벤팅 장치(15)에 있어서, 상기 실링부(134)의 양 면 사이에 삽입되어 상기 실링부(134)와 함께 실링되는 하우징(151); 상기 하우징(151)의 내부에 형성되고, 폴리머로 제조되며, 상기 파우치의 내부 및 외부를 연통하는 통로(154)가 관통 형성되는 시트(152); 및 상기 파우치의 내부 압력에 따라 상기 통로(154)를 개폐하며, 금속으로 제조되고, 일측부(1530)의 내면에 표면처리층(21)이 형성된 판 스프링(153)을 포함하되, 상기 표면처리층(21)이 형성된 상기 일측부(1530)의 내면은, 상기 통로(154)의 출구(1541)측에서, 상기 시트(152)와 융착된다.

하우징(151)은 상기 실링부(134)의 양 면 사이에 삽입되어 실링부(134)와 함께 실링된다. 하우징(151)이 상기 실링부(134)의 양 면에 삽입되면, 실링부(134)의 최내층인 실란트층(1353)과 하우징(151)이 접촉한다. 그리고, 열과 압력이 가해지면, 실링부(134)의 실란트층(1353)이 실링되면서, 하우징(151)이 함께 융착되어 실링될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(151)은 상부 하우징(1511)과 하부 하우징(1512)을 포함하며, 상부 하우징(1511)과 하부 하우징(1512) 사이에 단차가 형성될 수 있다. 이러한 단차는, 상부 하우징(1511)과 하부 하우징(1512)이 서로 모양 또는 크기가 상이함으로써, 형성될 수 있다. 예를 들면, 상부 하우징(1511)은 횡단면이 원인 원형 실린더 형상을 가지고, 하부 하우징(1512)은 횡단면이 타원인 타원형 실린더 형상을 가질 수 있다. 또는, 하부 하우징(1512)의 두께가 상부 하우징(1511)의 두께보다 작을 수 있다. 따라서, 하부 하우징(1512)은 실링부(134)의 양 면 사이에 삽입되어 함께 실링되므로 실링부(134)의 내측면과 융착되고, 상부 하우징(1511)은 파우치의 외측으로 돌출될 수 있다. 이 때, 하부 하우징(1512)의 두께가 과도하게 크다면, 실링부(134)도 크게 변형되어야 하므로, 실링부(134)의 실링이 파괴될 가능성이 높다. 따라서, 하부 하우징(1512)은 두께가 상기 실링부(134)의 두께보다 작을 수 있으며, 특히 횡단면의 장축이 6 mm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상부 하우징(1511)이 과도하게 크다면, 파우치의 외측으로 돌출된 상부 하우징(1511)이, 주변의 다른 이차 전지(1)를 간섭할 수 있다. 그럼으로써, 이차 전지(1)의 패키지 또는 모듈을 조립하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 따라서, 상부 하우징(1511)은 두께도 상기 실링부(134)의 두께보다 작을 수 있으며, 특히 횡단면의 직경이 8 mm 이하인 것이 바람직하다. 다만 이에 제한되지 않고, 하우징(151)은 상부 하우징(1511) 및 하부 하우징(1512)으로 구분되지 않고 하나의 실린더 형상을 가지는 등 다양한 형상을 가질 수 있다.

시트(152)는 상기 하우징(151)의 내부에 형성되고, 폴리머로 제조된다. 그리고, 시트(152)에는 상기 파우치의 내부 및 외부를 연통하는 통로(154)가, 중심을 관통하여 형성된다. 시트(152)에 대한 자세한 내용에 대한 설명은 후술한다.

판 스프링(153)은 금속으로 제조되어 파우치의 내부 압력에 따라, 상기 시트(152)에 형성된 통로(154)를 개폐한다. 특히, 파우치의 내부 압력이 특정 압력보다 작은 경우에, 판 스프링(153)은 시트(152)와 접촉하여 통로(154)의 출구(1541)를 폐쇄한다. 그리고, 파우치의 내부 압력이 점차 증가함으로써 특정 압력을 초과하면, 판 스프링(153)은 상기 시트(152)와 이격되면서 통로(154)의 출구(1541)를 개방한다.

종래에는 코일 스프링을 사용하여 통로를 개폐하였다. 그런데, 이차 전지(1)의 실링부(134)에 삽입되기 위해서는 벤팅 장치(15)가 소형화 되어야 한다. 그러나, 종래와 같이 코일 스프링을 사용한다면, 벤팅 장치의 구조가 복잡하고, 소형화되는데 한계가 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 판 스프링(153)을 사용함으로써, 구조를 단순화 하여 이차 전지(1)의 실링부(134)에 삽입할 수 있을 정도로 소형화 될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치(15)를 제조하는 방법의 흐름도이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 시트(152)는 폴리머로 제조되고, 판 스프링(153)은 금속으로 제조된다. 그리고 판 스프링(153)의 일측부(1530)의 내면에는 표면처리층(21)이 형성된다. 따라서, 판 스프링(153)의 상기 표면처리층(21)이 형성된 일측부(1530)의 내면과, 시트(152)가 융착되어, 1차 개방 압력을 증가시킬 수 있다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치(15)를 제조하는 방법은 금속 판재(2)의 적어도 일면에 표면처리층(21)을 형성하는 단계; 상기 금속 판재(2)를 성형하여, 상기 표면처리층(21)이 형성된 상기 일면이 내측을 향하는 판 스프링(153)을 제조하는 단계; 폴리머로 제조된 시트(152)에 관통 형성된 통로(154)의 출구(1541)측에서, 상기 판 스프링(153)의 상기 일면과 상기 시트(152)를 융착하는 단계; 및 상기 융착된 상기 판 스프링(153) 및 상기 시트(152)를, 상기 실링부(134)의 양 면 사이에 삽입되어 상기 실링부(134)와 함께 실링되는 하우징(151)의 내부에 삽입하는 단계를 포함한다.

이하, 도 5의 흐름도에 도시된 각 단계를 도 6 내지 도 11을 참고하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재(2)의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재(2)의 일면에 표면처리층(21)이 형성된 모습을 나타낸 단면도이다.

금속 판재(2)는 도 6에 도시된 바와 같이, 넓고 얇은 판형의 형상을 가지고, 금속으로 제조되며, 특히 알루미늄(Al) 또는 스테인레스 스틸(STS)을 포함할 수 있다. 이러한 금속 판재(2)의 적어도 일면에 표면처리층(21)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 이러한 표면처리층(21)을 형성하기 위해, 상기 금속 판재(2)를 탈지하는 단계; 1차 수세하는 단계; 에칭하는 단계; 2차 수세하는 단계를 하는 단계; 표면처리하는 단계; 3차 수세하는 단계; 및 건조하는 단계를 포함한다.

표면처리층(21)을 형성하기 위해, 먼저 금속 판재(2)를 탈지(S501)한다. 상기 금속 판재(2)를 제조하기 위해 다양한 금속 가공 공정이 수행될 수 있으며, 이 때 금속 판재(2)와 금속 가공 장치 사이의 마찰을 경감시키기 위해, 금속 판재(2)의 외면에 윤활유가 도포된다. 따라서, 금속 판재(2)의 제조가 완성되면 금속 판재(2)의 외면에 상기 윤활유 또는 먼지 기타 불순물이 존재할 수 있다. 탈지 공정은 이러한 윤활유 또는 먼지 기타 불순물을 제거하여, 금속 판재(2)의 표면처리를 더욱 효율적으로 수행하도록 한다.

탈지 공정 후 물로 1차 수세(S502)하여, 탈지에 사용된 용액을 세척한다. 여기서 수세란 물로 세정 및 세척하는 공정이다. 이 때, 수세를 수행하면서 물에 용해된 또 다른 불순물이 부착되는 것을 방지하기 위해, 상기 물은 불순물이 용해되지 않은 증류수인 것이 바람직하다.

금속이 공기 중에 방치되면, 어느 정도 산화되어 산화 물질이 생성될 수 있다. 특히, 만약 금속 판재(2)가 알루미늄으로 제조된다면, 금속 판재(2)의 외면에는 산화알루미늄의 피막이 형성될 수도 있다. 따라서, 에칭(S503)을 수행하여 상기 금속 판재(2)의 외면에 생성된 산화 물질을 제거한다.

에칭 공정 후 물로 2차 수세(S504)하여, 에칭에 사용된 용액을 세척한다. 그리고 금속 판재(2)의 적어도 일면에 표면처리(S505)를 한다. 표면처리는 알루미늄과 같은 금속의 표면에 화학처리를 하여, 금속의 내식성 또는 내마모성을 향상시키는 등 금속의 물성을 변화시키는 공정이다. 이러한 표면처리로는 아노다이징, 화성피막처리, 전기도금 등이 있다.

상기 표면처리는 크롬을 이용한 크로메이트(Chromate) 처리일 수 있다. 크로메이트 처리란 화성피막처리의 일종으로서, 금속의 표면에 크롬 성분을 포함하는 불용성의 크로메이트(크롬산염) 피막이 얇게 형성되는 것이다. 이를 위해 상기 금속 판재(2)를 크롬 이온이 포함된 수용액에 침지한다. 그러면, 크롬 이온이 산화반응을 하여 금속 판재(2)의 적어도 일면에 불용성의 크롬 산화물이 생성됨으로써 크로메이트 피막이 형성된다. 즉, 표면처리층(21)은 크롬을 포함하는 크로메이트 피막일 수 있다. 여기서 크롬 이온은 6가 이온 또는 3가 이온 등 제한되지 않고 다양한 종류의 이온일 수 있다. 그리고 크롬 이온이 포함된 수용액으로는, 무수크롬산, 질산크롬, 황산크롬, 초산크롬 및 염화크롬 등 제한되지 않고 다양한 물질이 사용될 수 있다.

한편, 상기 표면처리는 크롬이 아닌 물질을 이용한 비크로메이트(Non-Chromate) 처리일 수도 있다. 여기서 크롬이 아닌 물질로는, 예를 들어 지르코늄일 수 있다. 만약 지르코늄을 이용하는 지르코니아 처리를 한다면, 상기 금속 판재(2)를 지르코늄 이온이 포함된 수용액에 침지한다. 그러면, 지르코늄 이온이 산화반응을 하여 금속 판재(2)의 적어도 일면에 지르코늄 산화물이 생성됨으로써 지르코니아 피막이 형성된다. 비크로메이트 처리는 이에 제한되지 않고, 티타늄을 이용한 티타늄 처리 등을 포함할 수도 있다. 즉, 표면처리층(21)은 지르코늄을 포함하는 지르코니아 피막, 또는 티타늄을 포함하는 티타늄 피막일 수도 있다.

표면처리(S505) 공정 후 3차 수세(S506)하여 표면처리에 사용된 용액을 세척한다. 그리고 상기 금속 판재(2)를 건조(S507)함으로써, 도 7에 도시된 바와 같이, 금속 판재(2)의 적어도 일면에는 표면처리층(21)이 형성되고, 표면처리가 되지 않은 부분은 미처리층(22)으로 남는다. 이와 같이 금속 판재(2)의 적어도 일면에 표면처리층(21)이 형성됨으로써, 내식성을 확보하면서 표면에 폴리머 소재의 물질이 잘 융착될 수 있는 융착성도 확보할 수 있다. 따라서, 추후에 금속 판재(2)를 이용하여 판 스프링(153)을 제조하면, 상기 판 스프링(153)이 폴리머로 제조된 시트(152)와 용이하게 융착될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링(153)의 개략도이다.

상기 표면처리층(21)이 형성된 금속 판재(2)를 성형하여 판 스프링(153)을 제조한다(S508). 이러한 판 스프링(153)을 제조하기 위해, 상기 금속 판재(2)를 펀치로 연신하는 드로잉(Drawing) 공정으로 성형할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 판재(2)를 다이에 안착시키고, 스트리퍼가 금속 판재(2)를 고정시킨 후, 펀치로 연신함으로써 드로잉 성형을 수행할 수 있다. 이와 같이 제조된 판 스프링(153)은, 도 8에 도시된 바와 같이 시트(152)와 융착되는 일측부(1530)가 외측으로 볼록한 캡(Cap) 형상을 가지고, 내부에 시트(152)가 삽입되는 삽입 공간(1534)이 형성된다. 판 스프링(153)의 일측부(1530)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 캡 형상에서 천장을 의미할 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고, 판 스프링(153)의 일측부(1530)는 다양한 부분을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 판재(2)를 성형하기 전에, 먼저 표면처리층(21)을 형성한다. 금속 판재(2)를 성형하여 판 스프링(153)을 제조한 후에는, 표면처리층(21)을 형성하기 위해 내측 일면만을 수용액에 침지하는 것이 용이하지 않기 때문이다.

한편, 시트(152)는 폴리머로 제조되며, 판 스프링(153)에 형성된 표면처리층(21)은 폴리머와 융착되기 용이하다. 따라서, 시트(152)가 삽입 공간(1534)에 삽입되면 표면처리층(21)과 시트(152)와 융착되어야 하므로, 판 스프링(153)에서 상기 표면처리층(21)이 형성된 상기 일면이 내측을 향하는 것이 바람직하다. 이와 같이 제조하기 위해서는, 금속 판재(2)를 드로잉 성형할 때, 표면처리층(21)이 형성된 상기 일면이 펀치를 향하도록 금속 판재(2)를 안착시키는 것이 바람직하다. 이와 같이 제조된 판 스프링(153)은, 표면처리층(21)이 내면에 형성되므로, 삽입 공간(1534)이 표면처리층(21)으로 포위될 수 있다.

한편, 판 스프링(153)은 파우치의 내부 압력에 따라, 상기 시트(152)에 형성된 통로(154)를 개폐한다. 이를 위해, 판 스프링(153)의 일측부(1530)에는, 가스 배기 홀(1533)이 타공되는 것이 바람직하다. 이 때, 판 스프링(153)의 일측부(1530)는 중심에 형성된 중심부(1531) 및 상기 중심부(1531)로부터 외측 방향으로 연장 형성된 주변부(1532)를 포함한다. 그리고 일측부(1530) 중에서, 중심부(1531)는 시트(152)에 형성된 통로(154)를 폐쇄하므로, 상기 중심부(1531)에는 가스 배기 홀(1533)이 타공되지 않아야 한다. 따라서, 상기 가스 배기 홀(1533)은 판 스프링(153)의 일측부(1530) 중에서, 주변부(1532)에 타공되는 것이 바람직하다. 이러한 가스 배기 홀(1533)은, 형성되는 모양 및 면적에 따라 벤팅 장치(15)의 1차 이후의 개방 압력이 상이할 수 있다. 따라서, 가스 배기홀(1533)의 모양 및 면적으로 조절함으로써, 벤팅 장치(15)의 1차 이후의 개방 압력을 조절할 수 있다. 여기서 개방 압력이란, 벤팅 장치(15)가 개방될 때의 파우치 내부의 특정 압력을 말한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링(153)에 시트(152)가 삽입된 모습을 나타낸 개략도이다.

판 스프링(153)이 제조되면, 도 9에 도시된 바와 같이 시트(152)를 삽입 공간(1534)에 삽입한다. 시트(152)가 삽입 공간(1534)에 삽입될 때 상기 통로(154)의 출구(1541)측이 판 스프링(153)의 상기 일측부(1530)를 향하는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 파우치의 내부 압력이 특정 압력보다 작은 경우에는, 시트(152)에 형성된 통로(154)의 출구(1541) 측에서, 상기 시트(152)와 접촉하여 상기 통로(154)를 폐쇄할 수 있다.

이러한 시트(152)는 폴리머로 제조되며, 폴리올레핀계 폴리머인 것이 바람직하다. 특히 판 스프링(153)과의 접착력을 향상시키기 위해, 산처리된 폴리올레핀계 폴리머를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 노멀 폴리프로필렌에 산처리된 폴리프로필렌을 혼합할 수도 있고, 산처리된 폴리에틸렌을 혼합할 수도 있으며, 단순히 산처리된 폴리프로필렌만으로 제조될 수도 있다. 여기서 산처리된 폴리프로필렌은 MAH PP(말레익 안하이드라이드 폴리프로필렌)일 수 있다.

시트(152)가 판 스프링(153)의 삽입 공간(1534)에 삽입되면, 판 스프링(153)에 열 및 압력을 인가하여, 판 스프링(153)의 일측부(1530)의 내면과 시트(152)를 융착시킨다(S509). 특히, 판 스프링(153)의 일측부(1530) 중에서 중심부(1531)가 시트(152)에 형성된 통로(154)를 개폐한다. 따라서, 판 스프링(153)의 일측부(1530) 중에서 중심부(1531)가, 통로(154)의 출구(1541)측에서 상기 시트(152)와 융착되는 것이 바람직하다. 다만, 이에 제한되지 않고, 판 스프링(153)의 내주면에도 표면처리층(21)이 형성된다면, 시트(152)의 외주면과 판 스프링(153)의 내주면도 융착될 수도 있다. 그럼으로써, 통로(154)가 개방되더라도, 판 스프링(153)이 시트(152)에 더욱 견고하게 고정될 수 있다.

한편 판 스프링(153)의 일측부(1530) 중에서, 주변부(1532)에 가스 배기 홀(1533)이 형성될 수 있다. 따라서, 파우치 내부의 가스가 판 스프링(153)의 일측부(1530)를 외측으로 밀어내면 통로(154)가 개방되고, 상기 가스는 통로(154)의 출구(1541)로 유출된다. 이 때, 유출된 상기 가스는 가스 배기 홀(1533)을 통해 외부로 배출되어야 한다. 따라서, 시트(152)는 상기 통로(154)의 출구(1541)측 면의 외주 모서리가 챔퍼링(Chamfering) 또는 필렛팅(Filleting)될 수 있다. 그럼으로써, 상기 가스를 가스 배기 홀(1533)로 유도할 수 있으며, 또한 판 스프링(153)의 일측부(1530)가 외측으로 밀리면서 판 스프링(153)의 일측부(1530)의 주변부(1532)가 내측으로 이동할 수 있는 공간이 마련된다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 판 스프링(153)의 타측 단부(1535)를, 시트(152)측을 향해 절곡한 모습을 나타낸 개략도이다.

판 스프링(153)이 시트(152)에 견고하게 고정되는 것이 바람직하다. 따라서, 파우치 내부의 가스가 판 스프링(153)의 일측부(1530)를 외측으로 밀어내면, 상기 판 스프링(153)은 상기 일측부(1530)만이 변형되어 이동하고, 판 스프링(153)이 상기 시트(152)에 대하여 슬라이딩 운동하지 않는 것이 바람직하다. 만약, 판 스프링(153)이 슬라이딩 운동을 한다면, 판 스프링(153)이 벤팅 장치(15)를 이탈할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시트(152)가 삽입 공간(1534)에 삽입되고 판 스프링(153)과 시트(152)를 융착시킨 후, 판 스프링(153)의 타측 단부(1535)를, 도 10에 도시된 바와 같이 시트(152)를 향해 절곡시킨다. 그럼으로써, 파우치 내부의 가스가 판 스프링(153)의 일측부(1530)를 외측으로 밀어내더라도, 시트(152)와 탈착(분리)되는 것을 방지하여 판 스프링(153)이 벤팅 장치(15)를 이탈하지 않고 고정될 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 하우징(151)에 판 스프링(153) 및 시트(152)가 삽입되어 제조가 완료된 벤팅 장치(15)의 모습을 나타낸 개략도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치(15)가 작동하는 모습을 나타낸 개략도이다.

시트(152)가 삽입된 판 스프링(153)을, 도 11에 도시된 바와 같이 하우징(151)에 삽입한다(S510). 그럼으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치(15)의 제조가 완료된다. 이 때, 상기 하우징(151)이 상부 하우징(1511) 및 하부 하우징(1512)을 포함한다면, 판 스프링(153) 및 시트(152)는 상부 하우징(1511)의 내부에 포함되는 것이 바람직하다. 그리고 도 11에 도시된 바와 같이, 판 스프링(153)의 일측부(1530)는 상부 하우징(1511)의 개방단(1513)을 향하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 일측부(1530)에 형성된 가스 배기 홀(1533)을 통해, 가스가 외부로 배출될 수 있다. 또한, 상기 기술한 바와 같이 판 스프링(153)은 전체적으로 슬라이딩 운동하는 것이 아니라, 고정된 상태에서 일측부(1530)만이 변형된다. 따라서, 판 스프링(153)의 외주면과 하우징(151)의 내주면 사이에 마찰력이 크게 작용하기 위해, 판 스프링(153)이 하우징(151)에 삽입될 때 판 스프링(153)과 하우징(151) 사이의 간극이 최소화되는 것이 바람직하다. 다만, 이에 제한되지 않고, 상기 마찰력을 더욱 상승시키기 위해, 판 스프링(153)의 외주면 또는 하우징(151)의 내주면의 표면조도를 증가시켜 마찰계수를 증가시킬 수 있다. 나아가 판 스프링(153)과 하우징(151) 사이에 별도의 접착제가 도포될 수도 있는 등 다양한 방법으로 판 스프링(153)을 하우징(151)에 고정시킬 수 있다.

이와 같이 제조된 벤팅 장치(15)는, 파우치의 실링부(134)에 삽입되어 함께 실링된다. 그리고 파우치의 내부에 가스가 발생하여 압력이 증가하면, 상기 가스를 외부로 배출시킨다. 즉 상기 기술한 바와 같이, 파우치의 내부 압력이 특정 압력보다 작은 경우에는, 판 스프링(153)이 시트(152)에 형성된 통로(154)의 출구(1541) 측에서, 상기 시트(152)와 접촉하여 출구(1541)를 폐쇄한다. 그리고, 파우치 내부에 가스가 발생하여 파우치의 내부 압력이 점차 증가함으로써 특정 압력을 초과하면, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 가스가 판 스프링(153)의 일측부(1530)를 외측으로 밀어내어 판 스프링(153)은 상기 시트(152)와 이격되면서 통로(154)의 출구(1541)를 개방한다. 이 때, 판 스프링(153)이 전체적으로 슬라이딩 운동하는 것이 아니라, 상기 판 스프링(153)의 일측부(1530)만이 변형된다. 특히, 상기 일측부(1530)의 중심부(1531)는 외측으로 밀려나고, 일측부(1530)의 주변부(1532)는 내측으로 이동할 수 있다. 따라서, 파우치 내부의 가스가 상기 통로(154)를 통해 외부로 배출될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 판 스프링(153)과 시트(152)가 융착됨으로써, 1차 개방 압력을 증가시킬 수 있다. 여기서 1차 개방 압력이란, 이차 전지(1)가 사용된 이후 벤팅 장치(15)의 통로(154)가 최초로 개방될 때의 파우치 내부의 특정 압력을 말한다. 그런데, 상기 통로(154)가 최초로 개방되면서, 서로 융착되었던 시트(152)와 판 스프링(153)이 서로 탈착(분리)된다.

한편, 판 스프링(153)은 금속으로 제조되어 탄성을 가진다. 따라서, 파우치 내부의 가스가 충분히 외부로 배출되어 파우치의 내부 압력이 다시 감소한다. 그러면, 판 스프링(153)을 밀어내는 가스의 압력이 감소하면서, 판 스프링(153)은 탄성에 의해 원래의 위치로 복귀한다. 그리고, 판 스프링(153)은 다시 통로(154)의 출구(1541) 측에서, 상기 시트(152)와 접촉하면서 통로(154)의 출구(1541)를 폐쇄한다.

이 때, 시트(152)와 판 스프링(153)은 이미 서로 탈착되었으므로, 판 스프링(153)이 원래의 위치로 복귀하여 시트(152)와 다시 접촉하더라도 융착력이 없거나, 이전보다 저하된다. 따라서, 개방 압력이 상대적으로 높은 벤팅 장치(15)를 사용하는 경우보다, 이차 전지(1)의 내부 압력을 저하시켜 전극 조립체(10)의 변형 또는 파손을 방지할 수 있다. 그리고, 개방 압력이 상대적으로 낮은 벤팅 장치(15)를 사용하는 경우보다, 벤팅 장치(15)가 개방되는 시간이 지연되므로, 외부의 수분이 유입되거나 내부의 전해액이 유출되는 양을 감소시킬 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 벤팅 장치(15a)의 모습을 나타낸 개략도이고, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 벤팅 장치(15a)가 작동하는 모습을 나타낸 개략도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 시트(152)와 판 스프링(153) 사이에 다른 구성이 존재하지 않는다. 따라서, 시트(152)와 판 스프링(153)이 직접 융착한다. 그러나, 파우치 내부 압력이 증가하면서, 시트(152)와 판 스프링(153) 사이의 접착력이 주변보다 약한 일부분에서, 간극이 발생하여 밀봉성이 파괴될 수도 있다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 벤팅 장치(15a)는 도 13에 도시된 바와 같이, 시트(152a)와 판 스프링(153a) 사이에 볼(155)을 포함할 수도 있다. 이 때, 볼(155)은 구형의 형상을 가지며, 시트(152a)에 형성된 통로(154)의 출구(1541)측에 배치된다. 그리고, 판 스프링(153a)의 일측부(1530)의 중심부(1531)로부터 시트(152a)측을 향해 탄성력을 인가받아, 상기 통로(154)를 폐쇄한다. 이 때, 볼(155)은 시트(152a)와 밀착하여, 시트(152a)와 판 스프링(153a) 사이의 일부분이 주변보다 접착력이 약하더라도, 밀봉성이 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 볼(155)은 금속으로 제조될 수도 있으나, 시트(152a)와의 밀착성을 향상시키기 위해 폴리머로 제조될 수도 있다. 상기 시트(152a)는 통로(154)의 출구(1541)측 면의 외주 모서리뿐만 아니라, 상기 통로(154)의 출구(1541)측 면의 내주 모서리도 챔퍼링(Chamfering) 또는 필렛팅(Filleting)될 수 있다. 그럼으로써 도 13에 도시된 바와 같이, 시트(152a)의 챔퍼링 또는 필렛팅된 내주면에, 상기 볼(155)이 용이하게 밀착할 수 있다.

파우치 내부에 가스가 발생하여 파우치의 내부 압력이 점차 증가함으로써 특정 압력을 초과하면, 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 가스가 볼(155)을 외측으로 밀어내고, 상기 볼(155)이 밀려남에 따라 판 스프링(153a)의 일측부(1530)도 외측으로 밀려난다. 그리고 판 스프링(153a)은 상기 시트(152a)와 이격되면서 볼(155)이 시트(152a)로부터 이탈하여 통로(154)의 출구(1541)를 개방하고, 파우치 내부의 가스가 상기 통로(154)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이 때, 서로 융착되었던 시트(152a)와 판 스프링(153a)이 서로 탈착된다.

파우치 내부의 가스가 충분히 외부로 배출되어 파우치의 내부 압력이 다시 감소한다. 그러면, 판 스프링(153a)을 밀어내는 가스의 압력이 감소하면서, 판 스프링(153a)은 탄성에 의해 원래의 위치로 복귀하고, 볼(155)을 다시 내측으로 밀어낸다. 그리고, 판 스프링(153a)은 다시 통로(154)의 출구(1541) 측에서, 상기 시트(152a)와 접촉하고, 볼(155)이 상기 시트(152a)와 밀착하면서 통로(154)의 출구(1541)를 폐쇄한다. 이 때, 시트(152a)와 판 스프링(153a)은 이미 서로 탈착되었으므로, 판 스프링(153a)이 다시 원래의 위치로 복귀하여 시트(152a)와 접촉하더라도 융착력이 없거나, 이전보다 저하된다.

본 발명의 벤팅 장치(15)는 이차 전지(1)의 파우치의 실링부(14)에 적어도 하나 삽입되어, 파우치의 내부 압력이 증가하면 내부의 가스를 외부로 배출하여 압력을 조절할 수 있다. 또한, 판 스프링(153)의 상기 표면처리층(21)이 형성된 일측부(1530)의 내면과, 시트(152)가 융착되어, 1차 개방 압력을 증가시킬 수 있다.

제조예

상기 기술한 S501 단계 내지 S510 단계의 방법으로 벤팅 장치를 제조하였다. 즉, 금속 판재의 적어도 일면에 표면처리층을 형성하는 단계; 상기 금속 판재를 성형하여, 상기 표면처리층이 형성된 상기 일면이 내측을 향하는 판 스프링을 제조하는 단계; 폴리머로 제조된 시트에 관통 형성된 통로의 출구측에서, 상기 판 스프링의 상기 일면과 상기 시트를 융착하는 단계; 및 상기 융착된 상기 판 스프링 및 상기 시트를, 상기 실링부의 양 면 사이에 삽입되어 상기 실링부와 함께 실링되는 하우징의 내부에 삽입하는 단계의 방법으로 벤팅 장치를 제조하였다.

비교예 1

탄성 계수가 매우 높은 금속 판재를 사용한 점, 금속 판재에 표면처리층을 형성하지 않고 성형하여 판 스프링을 제조한다는 점 및 판 스프링의 일면과 시트를 융착하지 않고 단순히 접촉시킨다는 점을 제외하고는, 제조예과 동일한 방법으로 벤팅 장치를 제조하였다.

비교예 2

금속 판재에 표면처리층을 형성하지 않고 성형하여 판 스프링을 제조한다는 점 및 판 스프링의 일면과 시트를 융착하지 않고 단순히 접촉시킨다는 점을 제외하고는, 제조예과 동일한 방법으로 벤팅 장치를 제조하였다.

도 15는 제조예, 비교예 1 및 비교예 2의 벤팅 장치를 각각 포함하는 이차 전지들의 시간에 따른 내부 압력 변화를 나타낸 그래프이다.

상기 기술한 바와 같이, 이차 전지(1)를 고온의 상태에서 보관하거나 저장하는 경우, 높은 온도가 전해질 및 전극 활물질의 전기화학적 반응을 빠르게 촉진하여, 내부에서 기체가 발생할 수 있다.

서로 상이한 세 종류의 제조예, 비교예 1 및 비교예 2의 벤팅 장치를 각각 포함한 이차 전지들을 고온의 상태에서 보관하였다. 도 15에 도시된 그래프는, 이러한 이차 전지들의 내부에 기체가 시간에 따라 일정하게 발생하여, 변화되는 파우치의 내부 압력을 도시한 그래프이다. 제1 선도(L1)는 제조예의 벤팅 장치가 포함된 이차 전지의 파우치 내부 압력을 도시한 선도이고, 제2 선도(L2)는 비교예 1의 벤팅 장치, 제3 선도(L3)는 비교예 2의 벤팅 장치가 포함된 이차 전지의 파우치 내부 압력을 도시한 선도이다. 즉, 제2 및 제3 선도(L2, L3)가 나타내는 이차 전지의 벤팅 장치는, 시트와 판 스프링을 융착하지 않았다.

도 15에서, 제1 내지 제3 선도(L1, L2, L3)는, 모두 초기 압력(P0)에서 시작하여, 동일한 기울기로 압력이 증가한다. 따라서, 제2 시간(t2)까지는 모두 겹쳐진다. 그리고, 제1 선도(L1) 및 제2 선도(L2)는 제1 시간(t1)까지도 동일한 기울기로 압력이 증가하므로, 제2 시간(t2)부터 제1 시간(t1)까지도 겹쳐진다. 또한, 제1 선도(L1) 및 제2 선도(L2)는 제3 시간(t3) 이후로는 개방 압력이 제2 압력(P2)으로 일정하므로, 제3 시간(t3)부터 겹쳐진다.

비교예 2의 벤팅 장치에 사용된 판 스프링은 제조예의 벤팅 장치에 사용된 판 스프링과 동일 재질로 제조되었다.

제조예의 벤팅 장치가 포함된 이차 전지는, 도 15의 제1 선도(L1)에 도시된 바와 같이, 1차 개방 압력이 증가하여 제1 압력(P1)이 된다. 즉 제조예에 따르면, 파우치 내부에서 기체가 점점 증가하여 제1 시간(t1)에 제1 압력(P1)이 되고, 벤팅 장치가 작동하여 통로를 개방한다. 이 때, 서로 융착되었던 시트와 판 스프링이 서로 탈착된다.

그리고 기체를 외부로 배출하여 파우치 내부 압력이 감소하면, 다시 벤팅 장치의 통로가 폐쇄된다. 그런데 이미 시트와 판 스프링이 서로 탈착되었으므로, 판 스프링이 원래의 위치로 복귀하여 시트와 접촉하더라도 서로 다시 융착되지 않는다. 따라서, 2차 이후의 개방 압력은 제1 압력(P1)보다 낮은 제2 압력(P2)이 되어, 파우치 내부 압력이 제2 압력(P2)에 도달하면 통로가 개방되고, 제2 압력(P2)보다 다시 낮아지면 통로가 폐쇄되는 동작이 반복된다. 즉, 2차 개방 이후의 파우치 내부 압력은 제2 압력(P2)을 초과하지 않고 압력의 반복적으로 증감하므로, 도 15의 제1 선도(L1)에서 웨이브 선도가 도시된다.

반면에, 비교예 1의 벤팅 장치가 포함된 이차 전지는, 판 스프링이 제조예의 벤팅 장치에 사용된 판 스프링보다 탄성 계수가 더 높은 금속 판재로 제조되었다. 따라서, 도 15의 제2 선도(L2)에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 벤팅 장치는 개방 압력이 상대적으로 높은 제1 압력(P1)으로 일정하다. 즉, 파우치 내부에서 기체가 점점 증가하여 제1 시간(t1)에 제1 압력(P1)이 되고, 그 때 벤팅 장치가 작동하여 통로를 개방한다. 그러나, 벤팅 장치의 통로가 최초로 개방된 이후에도 개방 압력이 제1 압력(P1)으로 일정하므로, 이차 전지 파우치의 내부 압력이 항상 높은 상태로 유지된다. 따라서, 이러한 높은 압력이 계속적으로 유지됨에 따라 전극 조립체의 변형 또는 파손될 가능성이 높고, 부품간의 결합력이 약화될 수도 있는 등 이차 전지의 수명이 단축될 수 있다.

비교예 2의 벤팅 장치가 포함된 이차 전지는, 판 스프링이 제조예의 벤팅 장치에 사용된 판 스프링과 동일 재질로 제조되었다. 따라서, 도 15의 제3 선도(L3)에 도시된 바와 같이, 비교예 2의 벤팅 장치는 개방 압력이 상기 제1 압력(P1)보다 상대적으로 낮은 제2 압력(P2)으로 일정하다. 즉, 파우치 내부에서 기체가 점점 증가하여 제2 시간(t2)에 제2 압력(P2)이 되고, 그 때 벤팅 장치가 작동하여 통로를 개방한다. 그런데 벤팅 장치의 통로가 개방되면 내부 가스가 배출되더라도, 외부의 수분이 유입될 수 있다. 가스가 배출되는 압력이 변하면서, 순간적으로 압력이 낮아지는 경우가 발생하기 때문이다. 그러나, 비교예 2의 벤팅 장치의 통로가 최초로 개방되는 시간이 제2 시간(t2)으로, 제1 시간(t1)에 비해 상대적으로 이르다. 따라서, 외부로부터 수분이 유입되는 양이 증가하여, 내부 전극을 부식시키거나 전해액과 혼합되어 출력량을 저하시킬 수 있다. 또한, 내부로부터 외부로 유출되는 전해액의 양이 증가할 수도 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 벤팅 장치(15)를 포함하는 이차 전지(1)는, 전극 조립체(10)의 변형 또는 파손을 방지하여 이차 전지(1)의 수명을 연장시키면서, 동시에 외부의 수분이 유입되거나 내부의 전해액이 유출되는 양을 감소시킬 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 이차 전지 2: 금속 판재
10: 전극 조립체 11: 전극 탭
12: 전극 리드 13: 전지 케이스
14: 절연부 15: 벤팅 장치
21: 표면처리층 22: 미처리층
111: 양극 탭 112: 음극 탭
121: 양극 리드 122: 음극 리드
131: 상부 파우치 132: 하부 파우치
133: 컵부 134: 실링부
135: 파우치 필름 151: 하우징
152: 시트 153: 판 스프링
154: 통로 1331: 수용 공간
1351: 가스 배리어층 1352: 표면 보호층
1353: 실란트층 1511: 상부 하우징
1512: 하부 하우징 1531: 중심부
1532: 주변부 1533: 가스 배기 홀

Claims

이차 전지의 파우치의 실링부에 삽입되는 벤팅 장치에 있어서,
상기 실링부의 양 면 사이에 삽입되어 상기 실링부와 함께 실링되는 하우징;
상기 하우징의 내부에 형성되고, 폴리머로 제조되며, 상기 파우치의 내부 및 외부를 연통하는 통로가 관통 형성되는 시트; 및
상기 파우치의 내부 압력에 따라 상기 통로를 개폐하며, 금속으로 제조되고, 일측부의 내면에 표면처리층이 형성된 판 스프링을 포함하되,
상기 표면처리층이 형성된 상기 일측부의 내면은,
상기 통로의 출구측에서, 상기 시트와 융착되는, 벤팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 판 스프링은,
상기 일측부가 외측으로 볼록한 캡 형상을 가지고, 내부에 시트가 삽입되는 삽입 공간이 형성되는, 벤팅 장치.
제2항에 있어서,
상기 판 스프링의 상기 일측부는,
상기 캡 형상의 천장을 형성하는, 벤팅 장치.
제2항에 있어서,
상기 판 스프링은,
타측 단부가 상기 삽입 공간에 삽입된 상기 시트를 향해 절곡되는, 벤팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 판 스프링의 상기 일측부는,
중심에 형성된 중심부 및 상기 중심부로부터 외측 방향으로 연장 형성된 주변부를 포함하며,
상기 판 스프링은,
상기 주변부에 가스 배기 홀이 타공되는, 벤팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 폴리머는,
산처리된 폴리올레핀계 폴리머를 포함하는, 벤팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 금속은,
알루미늄 또는 스테인리스 스틸을 포함하는, 벤팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 표면처리층은,
크롬, 지르코늄 및 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는, 벤팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 하우징은,
서로 모양 또는 크기가 상이한 상부 하우징 및 하부 하우징을 포함하는, 벤팅 장치.
제9항에 있어서,
상기 하부 하우징은,
두께가 상기 상부 하우징의 두께보다 작은, 벤팅 장치.
제9항에 있어서,
상기 상부 하우징은,
원형 실린더 형상을 가지고,
상기 하부 하우징은,
타원형 실린더 형상을 가지는, 벤팅 장치.
제9항에 있어서,
상기 시트 및 상기 판 스프링은,
상기 상부 하우징의 내부에 형성되며,
상기 판 스프링의 상기 일면의 외측은,
상기 상부 하우징의 개방단을 향하는, 벤팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 시트는,
상기 통로의 출구측 면의 외주 모서리가 챔퍼링 또는 필렛팅되는, 벤팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 판 스프링 및 상기 시트의 사이에 볼을 더 포함하는 벤팅 장치.
제14항에 있어서,
상기 시트는,
상기 통로의 출구측 면의 내주 모서리가 챔퍼링 또는 필렛팅되는, 벤팅 장치.
이차 전지의 파우치의 실링부에 삽입되는 벤팅 장치를 제조하는 방법에 있어서,
금속 판재의 적어도 일면에 표면처리층을 형성하는 단계;
상기 금속 판재를 성형하여, 상기 표면처리층이 형성된 상기 일면이 내측을 향하는 판 스프링을 제조하는 단계;
폴리머로 제조된 시트에 관통 형성된 통로의 출구측에서, 상기 판 스프링의 상기 일면과 상기 시트를 융착하는 단계; 및
상기 융착된 상기 판 스프링 및 상기 시트를, 상기 실링부의 양 면 사이에 삽입되어 상기 실링부와 함께 실링되는 하우징의 내부에 삽입하는 단계를 포함하는 벤팅 장치 제조 방법.
제16항에 있어서,
상기 표면처리층을 형성하는 단계는,
상기 금속 판재를 탈지하는 단계;
1차 수세하는 단계;
에칭하는 단계;
2차 수세하는 단계를 하는 단계;
표면처리하는 단계;
3차 수세하는 단계; 및
건조하는 단계를 더 포함하는, 벤팅 장치 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 표면처리하는 단계는,
크로메이트 처리, 지르코니아 처리 및 티타늄 처리 중 적어도 하나를 하는 단계인, 벤팅 장치 제조 방법.
제18항에 있어서,
상기 판 스프링을 제조하는 단계에 있어서,
상기 시트와 융착되는 일측부가 외측으로 볼록한 캡 형상으로, 상기 금속 판재를 성형하는, 벤팅 장치 제조 방법.
제19항에 있어서,
상기 판 스프링을 제조하는 단계에 있어서,
상기 금속 판재를 펀치로 연신하는 드로잉 공정으로 성형하는, 벤팅 장치 제조 방법.
제20항에 있어서,
상기 금속 판재는,
상기 표면처리층이 형성된 상기 일면이 상기 펀치를 향하여 안착되는, 벤팅 장치 제조 방법.