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WO2023080519A1 - 원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법 - Google Patents

원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법 Download PDF

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Publication number
WO2023080519A1
WO2023080519A1 PCT/KR2022/016357 KR2022016357W WO2023080519A1 WO 2023080519 A1 WO2023080519 A1 WO 2023080519A1 KR 2022016357 W KR2022016357 W KR 2022016357W WO 2023080519 A1 WO2023080519 A1 WO 2023080519A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hole
cap
secondary battery
electrode
plate
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/016357
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
고성귀
서근호
김대규
Original Assignee
삼성에스디아이(주)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이(주) filed Critical 삼성에스디아이(주)
Priority to EP22890254.0A priority Critical patent/EP4429007A1/en
Priority to CN202280073464.8A priority patent/CN118202513A/zh
Publication of WO2023080519A1 publication Critical patent/WO2023080519A1/ko

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Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a cylindrical secondary battery capable of removing internal gas and a method for manufacturing the secondary battery.
  • a secondary battery includes an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a cell including an electrolyte solution impregnated in the electrode assembly.
  • the secondary battery may be formed in various external shapes, such as a cylindrical shape, a prismatic shape, and a pouch shape, depending on its use.
  • the cylindrical secondary battery has a structure in which an electrode assembly and an electrolyte are accommodated in a cylindrical can and one end of the can is sealed with a cap assembly.
  • gas may be generated inside the secondary battery due to repetition of charging and discharging and internal chemical factors. There is a problem in that the cap assembly and the can are deformed due to the generation of gas.
  • An embodiment of the present invention provides a cylindrical secondary battery capable of removing internal gas and a method for manufacturing the secondary battery.
  • a cylindrical secondary battery includes a cylindrical can; an electrode assembly in which a first electrode plate, a second electrode plate, and a separator are wound, and accommodated in the can; and a cap assembly insulated from the can, electrically connected to the electrode assembly, and having a through-hole formed therethrough to communicate with the inside of the can.
  • the cap assembly includes a vent plate coupled to one side of the can, a cap down plate disposed between the bent plate and the electrode assembly and electrically connected to the electrode assembly, and disposed between the bent plate and the can to form the vent
  • a gasket may be included to insulate the plate and the can from each other.
  • the hole may include a degassing hole formed through a center of the bent plate and a through hole formed through a center of the cap down plate.
  • the bent plate may include a notch formed to be spaced apart from the degassing hole.
  • the thickness of the area where the notch is formed is smaller than the thickness of the area where the degassing hole is formed.
  • the diameter of the cap down plate is smaller than the diameter of the bent plate, and an upper surface of an edge is welded in close contact with a lower surface of an edge of the bent plate.
  • the cap assembly may further include a cap stopper that is detachably inserted into the degassing hole and the through hole after being assembled to the can to close the degassing hole and the through hole.
  • the cap assembly may further include a rivet inserted into the degassing hole and the through hole to close the degassing hole and the through hole after the cap stopper is removed when gas is generated inside the can.
  • the present invention comprises the steps of accommodating the electrode assembly in a can and electrically connecting it to the can; electrically connecting a cap assembly to the electrode assembly; assembling the cap assembly to the can; closing the hole by inserting a cap stopper into the hole penetrating the cap assembly; and removing the cap stopper to discharge the gas when gas is generated, and then closing the hole by coupling a rivet to a hole penetrating the cap assembly.
  • a degassing function is applied to remove gas generated before product shipment, deformation of the can and cap assembly can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a plan view of the cap assembly according to Fig. 1;
  • FIG. 3 is a plan view of the rear surface of the cap assembly according to FIG. 1 .
  • Figure 4 is a sectional view of the cap assembly according to Figure 1;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a temporarily closed state of the cap assembly according to FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a riveted state of the cap assembly according to FIG. 4 .
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a cap assembly of a cylindrical secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • first and second are used to describe various members, components, regions, layers and/or portions, but these members, components, regions, layers and/or portions are limited by these terms. It is self-evident that These terms are only used to distinguish one element, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described in detail below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cylindrical secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a plan view of the cap assembly according to Fig. 1;
  • FIG. 3 is a plan view of the rear surface of the cap assembly according to FIG. 1 .
  • Figure 4 is a sectional view of the cap assembly according to Figure 1;
  • a cylindrical secondary battery 10 includes a cylindrical can 100, an electrode assembly 200 inserted into the can 100, and an electrode assembly 200 ), a first electrode collector plate 300 and a second electrode collector plate 400 electrically connected to each other, and a cap assembly 500 coupled to one end of the can 100 .
  • the can 100 may include a circular bottom portion 110 and a side portion 130 extending upward from the bottom portion 110 .
  • the side portion 130 has a cylindrical shape, and an upper end is open to form an opening.
  • the bottom portion 110 and the side portion 130 may be integrally formed or may be separately formed and combined.
  • the electrode assembly 200 is accommodated in the can 100 together with the electrolyte through the opening, and the cap assembly 500 is coupled to the opening to seal the can 100 .
  • the can 100 may be formed of steel, steel alloy, nickel-plated steel, nickel-plated steel alloy, aluminum, aluminum alloy, or an equivalent thereof, but is not limited thereto.
  • a beading portion 132 may be formed adjacent to an upper end of the side portion 130 and concave inward, and a crimping portion 134 in which an end portion of the side portion 130 is bent may be formed above the beading portion 132 .
  • the beading part 132 supports the lower part of the cap assembly 500 and the crimping part 134 supports the upper part of the cap assembly 500 .
  • the electrode assembly 200 may include a first electrode plate, a second electrode plate, and a separator.
  • the first electrode plate may be a positive electrode plate having a positive electrode active material layer (eg, a transition metal oxide (LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, etc.)) formed on both surfaces.
  • a portion of the first electrode plate may have a second electrode uncoated portion in which the positive electrode active material layer is not formed.
  • the first electrode uncoated portion may be disposed toward the opening of the can 100 .
  • the second electrode plate may be a negative electrode plate having negative active material layers (eg, graphite, carbon, etc.) formed on both sides.
  • a portion of the second electrode plate may be formed on a first electrode uncoated portion in which the negative electrode active material layer is not formed.
  • the second electrode uncoated portion may be disposed toward the bottom portion 110 of the can 100 .
  • the separator is interposed between the first electrode plate and the second electrode plate to prevent a short circuit and allow only the movement of lithium ions.
  • the first electrode plate may be an aluminum (Al) foil
  • the second electrode plate may be a copper (Cu) or nickel (Ni) foil
  • the separator may be polyethylene (PE) or polypropylene (PP).
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • the above materials are not limited.
  • the first electrode plate, the second electrode plate, and the separator may be wound in a substantially cylindrical shape and accommodated in the can 100 .
  • the first electrode uncoated portion may be electrically connected to the first electrode current collecting plate 300 and the second electrode uncoated portion may be electrically connected to the second electrode current collecting plate 400 .
  • the first electrode collector plate 300 may be welded to the first electrode uncoated portion of the positive electrode plate and electrically connected to the cap assembly 500 through the first electrode lead 310 . Accordingly, the first electrode plate and the cap assembly 500 may be electrically connected.
  • the first electrode current collector 300 may have a substantially disk shape.
  • a substrate tab may be formed on the first electrode plate, and the first electrode current collector plate 300 may be directly welded to the substrate tab of the first electrode plate.
  • the second electrode collector plate 400 may be welded to the second electrode uncoated portion of the negative electrode plate and to the bottom portion 110 of the can 100 . Accordingly, the second electrode plate and the can 100 may be electrically connected.
  • the second electrode current collector 400 may have a substantially disk shape.
  • a substrate tab may be formed on the second electrode plate, and the second electrode current collector plate 400 may be welded to the bottom portion 110 of the can 100 .
  • the cap assembly 500 may include a vent plate 510, a cap down plate 520, and a gasket 530.
  • the bent plate 510 has a substantially disc shape, and is connected to the first support part 512 through which the degassing hole 512a is formed, and the first support part 512 and has a notch 514a.
  • ) may include a vent portion 514 formed thereon, and a second support portion 516 connected to the vent portion 514 and coupled to the side portion 130 of the can 100 .
  • the first support portion 512 is a portion having a predetermined thickness, and a degassing hole 512a is formed therethrough.
  • the lower surface of the first support part 512 is in contact with the upper surface of the cap down plate 520 .
  • the thickness of the first support part 512 may gradually decrease toward the outside.
  • the vent part 514 is integrally formed outside the first support part 512 .
  • the degassing hole 512a communicates with the inside of the can 100 through the cap down plate 520 . When gas is generated inside the secondary battery 10, the gas may be discharged to the outside through the degassing hole 512a.
  • the lower surface of the first support part 512 may protrude downward than the lower surface of the second support part 516 .
  • the vent part 514 is formed between the first support part 512 and the second support part 516 and has a relatively thin thickness compared to the first support part 512 and the second support part 516 .
  • a notch 514a is formed in a circular shape on the vent part 514, and is broken when gas pressure exceeds a certain level when gas is generated to become a gas discharge passage.
  • the notch 514a may be formed on a side close to the second support part 516 .
  • the second support part 516 is an edge portion of the bent plate 510 and is connected to the outside of the bent part 514 and integrally formed with the bent part 514 .
  • the height of the upper surface of the second support part 516 may be lower than the height of the edge of the vent part 514 .
  • a gasket 530 is coupled to the outside of the second support portion 516 and is fixed by the crimping portion 134 of the can 100 with the gasket 530 interposed therebetween.
  • a part of the cap down plate 520 adheres to the lower surface of the second support part 516 .
  • the cap down plate 520 is disposed under the bent plate 510 and is electrically connected to the bent plate 510 and the first electrode current collector 300 .
  • 1 shows that the cap down plate 520 is electrically connected to the first electrode collector plate 300 and the first electrode lead 310, the cap down plate 520 is not connected to the first electrode collector plate 300. ) and may be directly connected by welding.
  • the cap down plate 520 has a substantially disc shape and may have a smaller diameter than the bent plate 510 .
  • a through hole 522 communicating with the aforementioned degassing hole 512a is formed through the center of the cap down plate 520 .
  • the upper surface of the edge of the cap down plate 520 is in close contact with the lower surface of the second support part 516 of the bent plate 510 .
  • This part is defined as a third support part 526 .
  • Other portions based on the third support portion 526 may have a lower top surface height than the third support portion 526 . That is, the upper surface of the cap down plate 520 excluding the third support part 526 may be concave toward the first electrode current collector 300 .
  • a plurality of slots 524 serving as a flow path when gas is generated may be formed between an outer region of the through hole 522 and the third support portion 526 .
  • the upper surface of the cap down plate 520 is in close contact with the lower surface of the first support part 512
  • the upper surface of the third support part 526 is in close contact with the lower surface of the second support part 516 .
  • a welding portion may be formed by welding a portion where the second support portion 516 and the third support portion 526 are in close contact. Since the second support part 516 and the third support part 526 are welded to each other, when gas is generated inside the secondary battery 10, the notch 514a is broken and even if the first support part 512 is removed, the bent plate 510 Since the coupling between the electrode assembly 200 and the cap down plate 520 is maintained, electrical connection between the electrode assembly 200 and the cap assembly 500 is maintained.
  • the gasket 530 has a substantially ring shape and may have a predetermined width.
  • the gasket 530 may be formed to cover part or all of the second support part 516 .
  • the cap assembly 500 is insulated from the can 100 by the gasket 530 and electrically connected to the first electrode current collector 300 . Accordingly, when the first electrode current collector 300 is a negative electrode current collector, the cap assembly 500 may function as a negative electrode.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a temporarily closed state of the cap assembly according to FIG. 4 .
  • 6 is a cross-sectional view illustrating a riveted state of the cap assembly according to FIG. 4 .
  • the electrode assembly 200 After welding the first electrode collector plate 300 and the second electrode collector plate 400 to the electrode assembly 200, respectively, the electrode assembly 200 is placed in a can so that the first electrode collector plate 300 faces upward. 100) and inject the electrolyte. After welding the bent plate 510 and the cap down plate 520 and combining the gasket 530 to form the cap assembly 500, the cap assembly 500 is placed on the beading part 132 of the side part 130. settle down After that, the crimping portion 134 is formed to assemble the cap assembly 500 to the can 100 .
  • the secondary battery 10 is sealed by inserting the cap 240 into the degassing hole 512a.
  • the cap 240 is a removable part and can be press-fitted into the degassing hole 512a made of resin or the like.
  • the internal gas may be discharged through the degassing hole 512a by removing the cap stopper 240 .
  • a rivet 550 may be inserted into the degassing hole 512a to close the degassing hole 512a.
  • the rivet 550 may be a blind rivet.
  • cap assembly may also be applied to a cap structure having a CID function (detailed descriptions of the same structure and features as those of the above-described embodiment will be omitted).
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a cap assembly of a cylindrical secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • the cap assembly 500' may include a bent plate 510' and a cap down plate 520', and an insulating member 530' disposed between them.
  • the structure of the cap stopper and the rivet 550' may be applied in the same manner as in the above-described embodiment.
  • bent plate 510' may be the same as that of the above-described embodiment (only reference numbers are shown differently for distinction).
  • a through hole 522' may be formed in the center of the cap down plate 520', and a plurality of slots 524' spaced apart from the through hole 522' may be formed therethrough.
  • a predetermined area of the outer edge of the portion where the through hole 522' and the slot 524' are formed is defined as the third support portion 526'.
  • Upper and lower surfaces of the third support portion 526' may be disposed at a relatively lower side than other portions. That is, the area of the cap down plate 520' except for the third support part 526' has a convex shape toward the top.
  • the upper surface of the convex portion is in close contact with the lower surface of the first support part 512' of the bent plate 510', and the third support part 526 is attached to the insulating member 530'. Accordingly, the cap down plate 520' is electrically connected to the bent plate 510' only in the region of the first support part 512'.
  • the through hole 522' may be formed in a shape having a stepped cross section.
  • the diameter of the through hole 522' in the direction of the electrode assembly may be larger than the diameter of the through hole 522' in the direction of the degassing hole 512a'. If the region in the direction of the degassing hole 512a' is defined as the upper part of the through hole 522' and the region in the direction of the electrode assembly is defined as the lower part of the through hole 522', the cap down plate adjacent to the upper part of the through hole 522' A CID notch 532b' may be formed on the plate surface of 520'.
  • the CID notch 532b' is a portion that is broken by a certain level or higher gas pressure when gas is generated, and has the same function as the notch 514a' of the bent plate 510'.
  • the rivet 550' is coupled, the rivet 550' is inserted into the top of the degassing hole 512a' and the through hole 522', and the bent plate 510' and the cap down plate 520' are connected to each other. do.
  • the notch 514a' is broken, when the first support part 512' is lifted upward by the gas pressure, the upper region of the through hole 522' connected by the rivet 550' is lifted upward together.
  • the cap down plate 520' functions as a current interrupt device (CID).

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Abstract

본 발명의 실시 예는 원통형 이차전지에 관한 것으로, 원통형 이차전지는 원통형의 캔; 제1 전극판 및 제2 전극판, 세퍼레이터가 권취되며, 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 캔과는 절연되고 상기 전극 조립체와는 전기적으로 연결되며, 상기 캔 내부와 연통되도록 홀이 관통 형성된 캡 어셈블리를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 디게싱(degassing) 기능이 적용되어 제품 출하 전 발생한 가스 제거가 가능하므로 캔 및 캡 어셈블리의 변형을 감소시킬 수 있다. 또한, 내부 가스 발생에 따른 전극 조립체의 스웰링 발생을 방지하여 이차전지의 성능 저하를 줄일 수 있다.

Description

원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법
본 발명의 실시 예는 내부의 가스를 제거할 수 있는 원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법에 관한 것이다.
이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비한 전극조립체 및 상기 전극조립체에 함침되어 있는 전해액을 구비한 셀을 포함한다.
이차전지는 용도에 따라 원통형, 각형, 파우치형 등 외관의 형태가 다양하게 형성될 수 있다. 이 중 원통형 이차전지는 원통형 캔 내부에 전극조립체와 전해액이 수용되고, 캔의 일단을 캡 어셈블리로 밀봉하는 구조이다. 일반적으로 이차전지는 충전 및 방전의 반복과 내부 화학적 요소로 인해 이차전지 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 가스의 발생으로 캡 어셈블리 및 캔의 변형이 발생하는 문제가 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시 예는 내부의 가스를 제거할 수 있는 원통형 이차전지 및 이차전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 원통형 이차전지는 원통형의 캔; 제1 전극판 및 제2 전극판, 세퍼레이터가 권취되며, 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 캔과는 절연되고 상기 전극 조립체와는 전기적으로 연결되며, 상기 캔 내부와 연통되도록 홀이 관통 형성된 캡 어셈블리를 포함할 수 있다.
상기 캡 어셈블리는, 상기 캔의 일측에 결합되는 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트와 상기 전극 조립체 사이에 배치되어 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 캡 다운 플레이트, 상기 벤트 플레이트와 상기 캔 사이에 배치되어 상기 벤트 플레이트와 상기 캔을 상호 절연하는 가스켓을 포함할 수 있다.
상기 홀은 상기 벤트 플레이트의 중앙에 관통 형성된 디게싱 홀과, 상기 캡 다운 플레이트의 중앙에 관통 형성된 관통홀을 포함할 수 있다.
상기 벤트 플레이트는 상기 디게싱 홀과 이격되어 형성된 노치를 포함할 수 있다.
상기 벤트 플레이트는 상기 노치가 형성된 영역의 두께는 상기 디게싱 홀이 형성된 영역의 두께보다 얇은 것을 특징으로 한다.
상기 캡 다운 플레이트의 직경은 상기 벤트 플레이트의 직경보다 작고, 가장자리의 상면이 상기 벤트 플레이트의 가장자리 하면 일부와 밀착되어 용접되는 것을 특징으로 한다.
상기 캡 어셈블리는 상기 캔에 조립된 후 상기 디게싱 홀 및 상기 관통홀에 탈착 가능하게 삽입되어 상기 디게싱 홀 및 상기 관통홀을 폐쇄하는 캡 마개를 더 포함할 수 있다.
상기 캡 어셈블리는 상기 캔 내부에서 가스 발생 시 상기 캡 마개의 제거 후 상기 디게싱 홀 및 상기 관통홀에 삽입되어 상기 디게싱 홀 및 상기 관통홀을 폐쇄하는 리벳을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 전극 조립체를 캔에 수용하여 상기 캔과 전기적으로 연결하는 단계; 캡 어셈블리를 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결하는 단계; 상기 캡 어셈블리를 상기 캔에 조립하는 단계; 상기 캡 어셈블리를 관통하는 홀에 캡 마개를 삽입해 상기 홀을 폐쇄하는 단계; 및 가스 발생 시 상기 캡 마개를 제거해 가스 배출 후 상기 캡 어셈블리를 관통하는 홀에 리벳을 결합해 상기 홀을 폐쇄하는 단계를 포함하는 원통형 이차전지의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 디게싱(degassing) 기능이 적용되어 제품 출하 전 발생한 가스 제거가 가능하므로 캔 및 캡 어셈블리의 변형을 감소시킬 수 있다. 또한, 내부 가스 발생에 따른 전극 조립체의 스웰링 발생을 방지하여 이차전지의 성능 저하를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 캡 어셈블리의 평면도이다.
도 3은 도 1에 따른 캡 어셈블리의 배면을 도시한 평면도이다.
도 4는 도 1에 따른 캡 어셈블리의 단면도이다.
도 5는 도 4에 따른 캡 어셈블리의 임시 밀폐 상태를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 4에 따른 캡 어셈블리의 리벳 결합 상태를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 단면도이다.
본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예 따른 원통형 이차전지에 대해 상세히 설명하기로 한다(편의상 도 1을 기준으로 위쪽을 상부, 아래쪽을 하부로 정의하고 설명한다).
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원통형 이차전지를 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1에 따른 캡 어셈블리의 평면도이다. 도 3은 도 1에 따른 캡 어셈블리의 배면을 도시한 평면도이다. 도 4는 도 1에 따른 캡 어셈블리의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원통형 이차전지(10)는 원통형의 캔(100)과, 캔(100) 내부에 삽입되는 전극 조립체(200)와, 전극 조립체(200)와 전기적으로 연결되는 제1 전극 집전판(300) 및 제2 전극 집전판(400)과, 캔(100)의 일단에 결합되는 캡 어셈블리(500)를 포함할 수 있다.
캔(100)은 원형의 바닥부(110)와, 바닥부(110)로부터 상부 방향으로 연장된 측부(130)를 포함할 수 있다. 측부(130)는 원통형으로, 상단이 개방되어 개구부를 형성한다. 바닥부(110)와 측부(130)는 일체로 형성될 수도 있고, 별도로 형성되어 결합될 수도 있다. 이차전지(10)의 제조 공정에서 개구부를 통해 전극 조립체(200)가 전해액과 함께 캔(100)에 수용되고, 개구부에 캡 어셈블리(500)가 결합되어 캔(100)을 밀봉한다. 캔(100)은 스틸, 스틸 합금, 니켈 도금된 스틸, 니켈 도금된 스틸 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 이의 등가물로 형성될 수 있으나, 여기에 한정되지 않는다. 측부(130)의 상단에 인접하여 내측으로 오목하게 비딩부(132)가 형성되고, 비딩부(132)의 상부에 측부(130)의 단부가 벤딩된 크림핑부(134)가 형성될 수 있다. 비딩부(132)는 캡 어셈블리(500)의 하부를 지지하고 크림핑부(134)는 캡 어셈블리(500)의 상부를 지지한다.
전극 조립체(200)는 제1 전극판 및 제2 전극판, 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 예시적으로, 제1 전극판은 양면에 양극 활물질층(예를 들면, 전이금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 등))이 형성된 양극판일 수 있다. 제1 전극판의 일부에는 양극 활물질층이 형성되지 않은 제2 전극 무지부가 형성될 수 있다. 제1 전극 무지부는 캔(100)의 개구부를 향하도록 배치될 수 있다. 또한 예시적으로, 제2 전극판은 양면에 음극 활물질층(예를 들어, 흑연, 탄소 등)이 형성된 음극판일 수 있다. 제2 전극판의 일부에는 음극 활물질층이 형성되지 않은 제1 전극 무지부가 형성될 수 있다. 제2 전극 무지부는 캔(100)의 바닥부(110)를 향하도록 배치될 수 있다. 세퍼레이터는 제1 전극판과 제2 전극판의 사이에 개재되어 쇼트를 방지하고, 리튬 이온의 이동만 가능하게 한다. 예시적으로, 제1 전극판은 알루미늄(Al) 포일, 제2 전극판은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 포일일 수 있고, 세퍼레이터는 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 제1 전극판과 제2 전극판 및 세퍼레이터는 대략 원기둥 형태로 권취되어 캔(100) 내부에 수용될 수 있다. 이때, 제1 전극 무지부는 제1 전극 집전판(300)과, 제2 전극 무지부는 제2 전극 집전판(400)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전극 집전판(300)은 양극판의 제1 전극 무지부와 용접되고, 제1 전극 리드(310)에 의해 캡 어셈블리(500)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극판과 캡 어셈블리(500)가 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극 집전판(300)은 대략 원판 형상일 수 있다. 또는, 도면에 도시하지는 않았으나 제1 전극판에 기재탭이 형성되고, 제1 전극 집전판(300)이 제1 전극판의 기재탭과 직접 용접될 수도 있다.
제2 전극 집전판(400)은 음극판의 제2 전극 무지부와 용접되고 캔(100)의 바닥부(110)와 용접될 수 있다. 이에 따라, 제2 전극판과 캔(100)이 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극 집전판(400)은 대략 원판 형상일 수 있다. 또는, 도면에 도시하지는 않았으나 제2 전극판에 기재탭이 형성되고, 제2 전극 집전판(400)이 캔(100)의 바닥부(110)와 용접될 수도 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 캡 어셈블리(500)는 벤트 플레이트(510) 및 캡 다운 플레이트(520), 가스켓(530)을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 벤트 플레이트(510)는 대략 원판 형상으로, 디게싱 홀(512a)이 관통 형성된 제1 지지부(512), 제1 지지부(512)와 연결되고 노치(514a)가 형성된 벤트부(514), 벤트부(514)와 연결되고 캔(100)의 측부(130)와 결합되는 제2 지지부(516)를 포함할 수 있다.
제1 지지부(512)는 소정의 두께를 갖는 부분으로, 중앙에 디게싱 홀(512a)이 관통 형성된다. 제1 지지부(512)의 하면은 캡 다운 플레이트(520)의 상면과 접촉된다. 제1 지지부(512)는 외측으로 갈수록 두께가 점차 감소될 수 있다. 제1 지지부(512)의 외측에 벤트부(514)가 일체로 형성된다. 디게싱 홀(512a)은 캡 다운 플레이트(520)를 거쳐 캔(100) 내부와 연통된다. 이차전지(10) 내부에 가스 발생 시 디게싱 홀(512a)을 통해 가스가 외부로 배출될 수 있다. 제1 지지부(512)의 하면은 제2 지지부(516)의 하면보다 하부를 향해 돌출될 수 있다.
벤트부(514)는 제1 지지부(512)와 제2 지지부(516)의 사이에 형성되며, 제1 지지부(512) 및 제2 지지부(516)에 비해 상대적으로 얇은 두께를 갖는다. 벤트부(514) 상에는 원형으로 노치(514a)가 형성되며, 가스 발생 시 가스압이 일정 이상이 되면 파단되어 가스 배출 통로가 된다. 노치(514a)는 제2 지지부(516)에 가까운 쪽에 형성될 수 있다.
제2 지지부(516)는 벤트 플레이트(510)의 가장자리 부분으로, 벤트부(514)의 외측에 연결되고 벤트부(514)와 일체로 형성된다. 제2 지지부(516)의 상면 높이는 벤트부(514)의 가장자리 높이보다 낮을 수 있다. 제2 지지부(516)의 외측에는 가스켓(530)이 결합되고, 가스켓(530)을 사이에 두고 캔(100)의 크림핑부(134)에 의해 고정된다. 또한, 제2 지지부(516)의 하면에는 캡 다운 플레이트(520)의 일부가 밀착된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 캡 다운 플레이트(520)는 벤트 플레이트(510)의 하부에 배치되며, 벤트 플레이트(510) 및 제1 전극 집전판(300)과 전기적으로 연결된다. 도 1에 캡 다운 플레이트(520)가 제1 전극 집전판(300)과 제1 전극 리드(310)에 의해 전기적으로 연결되는 것으로 도시하였으나, 캡 다운 플레이트(520)가 제1 전극 집전판(300)과 용접되어 직결될 수도 있다. 캡 다운 플레이트(520)는 대략 원판 형상으로, 벤트 플레이트(510)보다 작은 직경을 가질 수 있다. 캡 다운 플레이트(520)의 중앙에 전술한 디게싱 홀(512a)과 연통되는 관통홀(522)이 관통 형성된다. 캡 다운 플레이트(520)는 가장자리의 상면이 벤트 플레이트(510)의 제2 지지부(516) 하면에 밀착된다. 이 부분을 제3 지지부(526)로 정의한다. 제3 지지부(526)를 기준으로 다른 부분은 제3 지지부(526)보다 상면의 높이가 낮을 수 있다. 즉, 제3 지지부(526)를 제외한 캡 다운 플레이트(520)의 상면은 제1 전극 집전판(300)을 향해 오목하게 형성될 수 있다. 관통홀(522)의 외측 영역과 제3 지지부(526)의 사이에는 가스 발생 시 유로가 되는 복수의 슬롯(524)이 관통 형성될 수 있다.
캡 다운 플레이트(520)의 상면은 제1 지지부(512)의 하면과 밀착되고, 제3 지지부(526)의 상면은 제2 지지부(516)의 하면과 밀착된다. 제2 지지부(516)와 제3 지지부(526)가 밀착된 부분을 용접하여 용접부가 형성될 수 있다. 제2 지지부(516)와 제3 지지부(526)가 서로 용접되므로, 이차전지(10) 내부에 가스 발생 시 노치(514a)가 파단되어 제1 지지부(512) 부분이 제거되더라도 벤트 플레이트(510)와 캡 다운 플레이트(520)의 결합이 유지되므로 전극 조립체(200)와 캡 어셈블리(500)의 전기적 연결이 유지된다.
도 1을 참조하면, 가스켓(530)은 대략 링 형상이며, 소정의 폭으로 형성될 수 있다. 가스켓(530)은 제2 지지부(516)의 일부 또는 전부를 감싸도록 형성될 수 있다. 가스켓(530)에 의해 캡 어셈블리(500)는 캔(100)과는 절연되고 제1 전극 집전판(300)과는 전기적으로 연결된다. 따라서 제1 전극 집전판(300)이 음극 집전판인 경우, 캡 어셈블리(500)는 음극 역할을 할 수 있다.
이하에서는 전술한 구조를 갖는 이차전지의 제조 방법에 대해 간단히 설명하기로 한다.
도 5는 도 4에 따른 캡 어셈블리의 임시 밀폐 상태를 도시한 단면도이다. 도 6은 도 4에 따른 캡 어셈블리의 리벳 결합 상태를 도시한 단면도이다.
전극 조립체(200)에 제1 전극 집전판(300) 및 제2 전극 집전판(400)을 각각 용접한 후, 제1 전극 집전판(300)이 상부를 향햐도록 전극 조립체(200)를 캔(100)에 삽입하고 전해액을 주입한다. 벤트 플레이트(510)와 캡 다운 플레이트(520)를 용접하고 가스켓(530)을 결합해 캡 어셈블리(500)를 형성한 후, 측부(130)의 비딩부(132) 상에 캡 어셈블리(500)를 안착시킨다. 그 후 크림핑부(134)를 형성하여 캡 어셈블리(500)를 캔(100)에 조립하게 된다.
이 상태에서 도 5와 같이, 캡 마개(240)를 디게싱 홀(512a)에 삽입해 이차전지(10)를 밀폐하게 된다. 캡 마개(240)는 제거 가능한 부품이며, 수지 등으로 만들어져 디게싱 홀(512a)에 압입될 수 있다.
이차전지(10)의 출시 전 내부에 가스 발생 시 캡 마개(240)를 제거해 디게싱 홀(512a)을 통해 내부 가스를 배출시킬 수 있다. 가스 배출이 완료되면 도 7과 같이 리벳(550)을 디게싱 홀(512a)에 삽입해 디게싱 홀(512a)을 폐쇄할 수 있다. 예시적으로, 리벳(550)은 블라인드 리벳일 수 있다.
한편, 전술한 캡 어셈블리의 구조는 CID 기능을 갖는 캡 구조에도 적용될 수 있다(전술한 실시 예와 동일한 구조 및 특징에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 함).
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원통형 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 캡 어셈블리(500')는 벤트 플레이트(510') 및 캡 다운 플레이트(520')와, 이들의 사이에 배치되는 절연부재(530')를 포함할 수 있다. 제조 공정에서 캡 마개 및 리벳(550') 구조는 전술한 실시 예와 동일하게 적용될 수 있다.
벤트 플레이트(510')의 구조는 전술한 실시 예와 동일할 수 있다(구분을 위해 참조 번호만 다르게 도시함).
캡 다운 플레이트(520')는 중앙에 관통홀(522')이 형성되고, 관통홀(522')과 이격되어 복수의 슬롯(524')이 관통 형성될 수 있다. 관통홀(522') 및 슬롯(524')이 형성된 부분의 외측 가장자리의 소정 영역을 제3 지지부(526')로 정의한다. 제3 지지부(526')의 상면 및 하면은 다른 부분에 비해 상대적으로 하측에 배치될 수 있다. 즉, 캡 다운 플레이트(520')는 제3 지지부(526')를 제외한 영역이 상부를 향해 볼록한 형태를 갖는다. 볼록한 부분의 상면은 벤트 플레이트(510')의 제1 지지부(512') 하면과 밀착되고, 제3 지지부(526)는 절연부재(530')와 일착된다. 따라서 캡 다운 플레이트(520')는 제1 지지부(512') 영역에서만 벤트 플레이트(510')와 전기적으로 연결된다.
관통홀(522')은 단면이 단차를 갖는 형태로 형성될 수 있다. 이때, 관통홀(522')의 디게싱 홀(512a') 방향의 직경보다 전극 조립체 방향의 직경이 더 크게 형성될 수 있다. 디게싱 홀(512a') 방향 영역을 관통홀(522')의 상부, 전극 조립체 방향의 영역을 관통홀(522')의 하부로 정의하면, 관통홀(522')의 상부와 인접한 캡 다운 플레이트(520')의 판면에 CID 노치(532b')가 형성될 수 있다. CID 노치(532b')는 가스 발생 시 일정 이상의 가스압에 의해 파단되는 부분으로, 벤트 플레이트(510')의 노치(514a')와 동일한 기능을 한다. 리벳(550') 결합 시 디게싱 홀(512a') 및 관통홀(522')의 상부에 리벳(550')이 삽입되고, 벤트 플레이트(510')와 캡 다운 플레이트(520')가 서로 연결된다. 노치(514a')가 파단될 때 가스압에 의해 제1 지지부(512')가 상부 방향으로 들리게 되면, 리벳(550')으로 연결된 관통홀(522')의 상부 영역이 함께 상부를 향해 들리게 된다. 이에 따라, CID 노치(532b')가 파단되면서 제1 지지부(512') 및 CID 노치(532b') 주변 영역이 함께 제거된다. 따라서 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 부분이 없어지므로 캡 어셈블리(500')와의 사이에 전류가 차단된다. 즉, 캡 다운 플레이트(520')가 CID(Current Interrupt Device) 기능을 하는 것이다.
전술한 바와 같이, 캡 어셈블리에 디게싱(degassing) 기능이 적용되어 제품 출하 전 발생한 가스 제거가 가능하므로 캔 및 캡 어셈블리의 변형을 감소시킬 수 있다. 또한, 내부 가스 발생에 따른 전극 조립체의 스웰링 발생을 방지하여 이차전지의 성능 저하를 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 원통형의 캔;
    제1 전극판 및 제2 전극판, 세퍼레이터가 권취되며, 상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및
    상기 캔과는 절연되고 상기 전극 조립체와는 전기적으로 연결되며, 상기 캔 내부와 연통되도록 홀이 관통 형성된 캡 어셈블리를 포함하는 원통형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는,
    상기 캔의 일측에 결합되는 벤트 플레이트, 상기 벤트 플레이트와 상기 전극 조립체 사이에 배치되어 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 캡 다운 플레이트, 상기 벤트 플레이트와 상기 캔 사이에 배치되어 상기 벤트 플레이트와 상기 캔을 상호 절연하는 가스켓을 포함하는, 원통형 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 홀은 상기 벤트 플레이트의 중앙에 관통 형성된 디게싱 홀과, 상기 캡 다운 플레이트의 중앙에 관통 형성된 관통홀을 포함하는, 원통형 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 벤트 플레이트는 상기 디게싱 홀과 이격되어 형성된 노치를 포함하는, 원통형 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 벤트 플레이트는 상기 노치가 형성된 영역의 두께는 상기 디게싱 홀이 형성된 영역의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는, 원통형 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 캡 다운 플레이트의 직경은 상기 벤트 플레이트의 직경보다 작고, 가장자리의 상면이 상기 벤트 플레이트의 가장자리 하면 일부와 밀착되어 용접되는 것을 특징으로 하는, 원통형 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는 상기 캔에 조립된 후 상기 디게싱 홀 및 상기 관통홀에 탈착 가능하게 삽입되어 상기 디게싱 홀 및 상기 관통홀을 폐쇄하는 캡 마개를 더 포함하는, 원통형 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는 상기 캔 내부에서 가스 발생 시 상기 캡 마개의 제거 후 상기 디게싱 홀 및 상기 관통홀에 삽입되어 상기 디게싱 홀 및 상기 관통홀을 폐쇄하는 리벳을 더 포함하는, 원통형 이차전지.
  9. 전극 조립체를 캔에 수용하여 상기 캔과 전기적으로 연결하는 단계;
    캡 어셈블리를 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결하는 단계;
    상기 캡 어셈블리를 상기 캔에 조립하는 단계;
    상기 캡 어셈블리를 관통하는 홀에 캡 마개를 삽입해 상기 홀을 폐쇄하는 단계; 및
    가스 발생 시 상기 캡 마개를 제거해 가스 배출 후 상기 캡 어셈블리를 관통하는 홀에 리벳을 결합해 상기 홀을 폐쇄하는 단계를 포함하는, 원통형 이차전지의 제조방법.
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