KR100551050B1 - 형상기억합금에 의한 이차 전지의 캡 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형상기억 합금을 전지의 내부 회로 차단용 액츄에이터로 이용함에 있어서, 형상회복을 반복하여도 피로가 누적되지 않는 구조로 개선시킨 형상기억합금에 의한 이차 전지의 캡 조립체를 제공하는 것으로, 이것은 캔의 개구부에 결합되어 상기 내부 공간을 밀폐시키는 캡 플레이트에 관통 설치되는 전극핀과, 이 전극핀의 하측 기둥 주위로 배치되는 탭 플레이트와, 상기 기둥과 탭 플레이트 사이로 개재되는 형상기억 합금편으로 이루어지고, 상기 형상기억 합금편은 임계점 이상에서 형상회복되어 상기 기둥과 탭 플레이트 사이의 전기적 접속을 차단시키게 되어 있다.

이차전지, 캡 어셈블리, 형상기억 합금

Description

형상기억합금에 의한 이차 전지의 캡 조립체{CAP ASSEMBLY OF SECONDARY BATTERY WITH SHAPE MEMORY ALLOY}

도 1은 본 발명 캡 조립체의 일 실시 예에 관련된 구성을 나타내는 부분 확대 측단면도.

도 2는 도 1의 주요부 형상기억 액츄에이터의 평면도.

도 3은 본 발명 캡 조립체의 다른 실시 예에 관련된 구성을 도시하는 측단면도.

도 4는 도 3에 도시한 실시 예의 주요 구성부를 분리상태로 도시하는 사시도.

도 5는 본 발명 캡 조립체의 또 다른 실시 예에 관련된 구성을 도시하는 측단면도.

도 6은 도 5에 도시한 주요부의 외관을 도시하는 부분 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 전극군 4 : 캡 플레이트

6 : 전극핀 8 : 기둥

10 : 가스킷 12 : 캡 플레이트

12a, 12b : 부재 14 : 절연체

16 : 탭 18 : 형상기억 합금편

본 발명은 이차 전지의 과충전 시에 발생하는 전지 내부의 이상 반응에 의한 온도 상승을 감지하여 내부 회로를 차단할 수 있게 되어 있는 이차 전지의 캡 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지 내부 온도가 임계점 이상으로 상승하면 즉시로 내부회로를 차단하게 되어 있는 형상기억합금에 의한 이차 전지의 캡 조립체에 관한 것이다.

이차 전지는 활물질이 도포된 양극판과 음극판 사이로 세퍼레이터를 개재시킨 채로 소정 형상의 캔 내부에 롤상으로 감아 수용하고, 캔의 내부는 젤리상의 전해물질로 충만시켜서 양극판과 음극판 사이의 화학작용으로 전기를 일으키는 구조를 갖춘 전지로서, 충전을 통해 재사용이 가능한 이점이 있어서 휴대용 전자기기의 전원으로 널리 활용되고 있는 전지이다.

상술한 이차 전지는 통상적으로 캔의 상면이 절연판으로 덮이고, 그 중심에는 내부에 수용된 양극판으로부터 도출되는 양극이 외부로 돌출하고 있게 설치되고, 음극판은 캔에 접지되어 다시 말하면 외부로 노출되는 캔의 밑면이 음극으로 된다.

이와 같은 구성으로 된 이차 전지는, 예기치 않게 충전기의 고장이 발생하여 충전 시 과전압이 인가되거나, 또는 과방전이 발생하는 경우, 캔의 내부에 충만된 전해물질은 과격한 화학작용의 결과로 발열 현상을 일으키게 되며, 이 때의 내부 온도는 80℃ 이상으로 높아지게 되며, 이를 방치하여 두면 캔의 내부 체적이 급격히 증대되어 폭발하는 불상사를 초래하게 된다.

실용화된 이차 전지는 상술한 문제를 해소하기 위하여, 비정상 상태인 때 전지 내부에서의 이상 반응을 억제시키는 첨가제를 전해물질에 혼입하는 화학적 해결방식, 또는 PTC, 서멀 퓨즈, 바이메탈 접점 등에 의한 기계적 안전장치를 구비하고 있으며, 후자의 기계적 안전장치가 간편하게 설치할 수 있고, 외부 환경 변화에도 변화가 없어 신뢰성이 높다는 이유로 널리 사용되고 있다.

이차 전지에 부가되는 기계적 안전장치는 일반적으로, 캔의 내부에서 외부로 노출되는 양극의 밑부분에 설치된다.

일 예를 들면, 일본국 공개특허 평성 10-74500호는 캔 내측 상부에 격벽을 배치하고, 내부에서의 체적 변화로 야기되는 압력 상승을 격벽에 설치된 밸브공을 통해 배출시켜 해소하고, 또 한편으로 내부의 온도가 급격히 상승하는 경우에는 도옴 형태를 갖춘 형상기억 합금판이 변형을 일으켜 회로를 차단하게 되어 있다.

형상기억 합금판은 바이메탈, 서멀 퓨즈에 비해 임계점에서 확실하게 동작하는 이점을 가진다. 그러나 제조하기가 상당히 어렵고 코스트가 비싸다.

즉, 형상기억 합금은 어떤 형상의 시료를 임계온도 보다 고온에서 급냉하여 마르텐사이트 상을 형성시켜 놓고, 이것을 처음 형상과는 다르게 변형해 놓으면, 변형된 형태가 임계 온도 이상으로 가열될 때, 역변태가 발생하여 처음 형상으로 회복하는 기능을 가지고 있는 금속이므로, 상기 임계 온도를 전지 내부의 이상 발 생시의 온도에 맞추어 놓으면, 내부 회로의 차단이 확실하게 행해진다.

형상기억 합금의 종류는 TiNi계, 구리계 합금이 알려져 있고, 형상회복 특성이 가장 뛰어난 합금은 TiNi계 합금이다. 이것은 형상회복이 나타나는 온도가, 특히 TiCr 합금의 경우는 93℃ 까지 강하하고, 기계적 강도와 가공성도 양호한 편이므로, 이차 전지의 내부 회로 차단을 위한 액츄에이터로 적합하게 이용될 수 있으나 제조하기가 까다로운 단점이 있다.

구리계 합금은 용해방법이 간단하고 소성 가공성 및 절삭 가공성이 뛰어나며, 전도성이 우수한 특징을 가지고 있는 반면에, 강도가 낮고 내성이 TiNi계에 비해 좋지 않은 성질을 가지고 있으나, Cu 13.5 ~ 14% Al 4% Ni 5% 합금에 0.96%의 Ti와 2%의 Mn을 첨가하면, 결정립이 미세해지고 재료의 열간/냉간 가공성이 우수하게 된다.

이러한 특성을 가지는 형상기억 합금의 형상회복 특성은, 변형 시에 발생하는 비틀림의 양을 일정하게 제한해야만 형상회복의 신뢰성을 가지게 된다. 그러므로 형상을 과도하게 변형되는 형태로 설정하면, 뒤틀림 양이 많아져서 작동 중에 피로가 누적되어 사용 수명이 짧아지게 된다.

상술한 바와 같이 형상기억 합금은 많은 이점을 가지고 있는 것이지만, 그 사용에는 제약이 따르고 있다. 그런데 상기 일본국 공개특허 평성 10-74500호에 개시된 형상기억판은 변형되는 부위가 도옴형으로 형성되어 있고, 그 형상회복은 180도로 전환된 형태로 변형되게 한 것이므로, 현재까지 알려져 있는 형상기억 합금의 특성에 비추어 볼 때, 사실상 실현하기 어려운 것임을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 본 발명의 목적은 형상기억 합금을 전지의 내부 회로 차단용 액츄에이터로 이용함에 있어서, 형상회복을 반복하여도 피로가 누적되지 않는 구조로 개선시킨 형상기억합금에 의한 이차 전지의 캡 조립체를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 캡 조립체를 갖는 이차 전지를 제공함에 있다.

이에 본 발명에 따른 이차 전지용 캡 어셈블리는, 내부 공간을 가지는 캔의 개구부에 상기 내부 공간을 밀폐시키도록 상기 캔에 결합되고, 상기 캔 내부에 수용되는 전극군에 전기적으로 연결되며, 이의 구성은 상기 개구부에 결합되어 상기 내부 공간을 밀폐시키는 캡 플레이트에 관통 설치되는 전극핀과, 이 전극핀의 하측 기둥 주위로 배치되는 탭 플레이트 및 상기 기둥과 탭 플레이트 사이에 개재되어, 임계점 이상에서 형상회복되어 상기 기둥과 탭 플레이트 사이의 전기적 접속을 차단시키는 형상기억 합금편을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 각형 이차 전지는,

내부 공간을 가지는 각형의 캔과, 상기 내부 공간에 수용되는 전극군 및 상기 캔의 개구부에 상기 내부 공간을 밀폐시키도록 상기 캔에 결합되고, 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 캡 어셈블리를 포함하고,

상기 캡 어셈블리는, 상기 개구부에 결합되어 상기 내부 공간을 밀폐시키는 캡 플레이트와 이 캡 플레이트에 관통 설치되는 전극핀과 이 전극핀의 하측 기둥 주위로 배치되는 탭 플레이트 및 상기 기둥과 탭 플레이트 사이에 개재되어, 임계점 이상에서 형상회복되어 상기 기둥과 탭 플레이트 사이의 전기적 접속을 차단시키는 형상기억 합금편을 포함한다.

본 발명에서, 상기 탭플레이트는 단일체로, 또는 2 분할체로 구비될 수 있다.

상기 탭 플레이트가 2 분할체인 경우에, 상기 형상기억 합금편은 벨로우즈형에서 원통형으로 형상회복되는 형태로 되어서 2 분할된 탭 플레이트의 사이로 개재된다.

단일의 탭 플레이트인 경우에, 형상기억 합금편은 상기 전극핀의 기둥이 관통되는 탭 플레이트의 통공 내주면으로 설치되는 적어도 1쌍의 접촉단이 된다.

또한, 상기 접촉단은 통공의 내주면에서 방사방향으로 다수 연장된 형태로 형성될 수도 있다.

다른 예로서, 상기 접촉단은 전극핀의 하측면과 맞닿는 구조로 배치될 수 있으며, 이 경우에 상기 전극핀의 하측면은 반구형으로 형성되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 따라 바람직한 실시 예로서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 캡 조립체의 일 실시 예에 관련된 구성을 나타내는 부분 확대도로서, 양극판과 음극판 사이로 세퍼레이터를 개재시킨 채 롤상으로 감아 적당한 형상의 캔(예: 각형)에 수용되는 전극군(2)의 상방은 캔을 밀봉하는 캡 플레이트(4)에 의해 피복된다.

상기 캡 플레이트(4)에는 전극핀(6)의 머리부가 외부로 노출되도록 설치되고, 그 하측의 기둥(8)은 내측으로 연장 위치하게 되어 있으며, 상기 캡 플레이트(4)와 전극핀(6) 사이는 기밀성과 절연성 유지를 위한 가스킷(10)이 개재된다.

상기 캡 플레이트(4)는 캔의 개구부를 밀봉하게 될 때에, 용접 등의 수단을 통해 일체로 접합됨과 동시에 상기 전극군(2)의 음극판과 전기적으로 접속된다.

그리고 전극핀(6)의 기둥(8)에는 탭 플레이트(12)가 그 축에 직교하는 방향으로 배치되어서 항상 전기적으로 접촉하고 있게 된다.

상기 탭 플레이트(12)는 20㎛ 정도의 두께를 가지는 도체이며, 이것은 절연판(14)에 둘러싸인 채로 상기 캡 플레이트(4)의 밑면에 부착된다. 이에 따라 상기 캡 플레이트(4)와 탭 플레이트(12) 사이는 절연상으로 되고, 단지 전극군(2)에 포함된 양극판으로부터 도출되는 탭(16)과 전기적으로 접속됨에 따라, 상기 전극핀(6)은 양극으로 작용하게 된다.

상술한 탭 플레이트(12)는 본 발명에서, 도 2의 도시와 같이, 실질적으로 2 분할된 2개의 부재(12a)(12b)가 일측단에서 브리지(12c)에 의해 접철구조로 연결되고, 상기 부재(12a)(12b)의 대향면은 기둥(8)이 외주면에 부합되도록 만곡된 원호상 접촉면(12d)으로 형성되어 있으며, 또한 상기 브리지(12c)의 반대측 단부 사이에는 형상기억 합금편(18)이 개재됨과 아울러 상기 기둥(8)을 사이에 둔 반대측에는 양 부재(12a)(12b)를 가깝게 위치시켜, 상기 원호상 접촉면(12d)이 상기 기둥(8)의 외주면에 압접되도록 작용하는 인장 스프링(12e)이 가설된 구성으로 되어 있다.

한편, 상기 형상기억 합금편(18)은 이 실시 예에서 상온에서는 벨로우즈 형상을 취하여 짧은 길이로 되고, 임계점 이상의 온도에서는 원통형상으로 회복되어 길이가 늘어나는 구성을 가지고 있다.

상기와 같은 구성에 의하면, 전지 내부가 정상 상태인 때는 기둥(8)과 탭 플레이트(12) 사이가 전기적인 접속을 유지하게 되지만, 이상 발생시에 전지의 내부 온도가 상승하여 임계점에 이르면, 상기 형상기억 합금편(18)이 벨로우즈 형상에서 원통형상으로 회복됨에 따라, 도면의 1점 쇄선으로 도시한 바와 같이, 양 부재(12a)(12b) 사이의 간격이 벌어지게 됨으로써 상기 기둥(8)의 외주면에 압접되어 있던 양 원호상 접촉면(12d)이 떨어지게 되어 내부 회로의 차단 작용을 행하게 된다.

본 발명에서 형상기억 합금편(18)은 상기 실시 예로 한정되는 것은 아니며, 다른 예로 도 3의 도시와 같이 탭 플레이트(12)와 단일체를 이루는 구성으로도 실시 가능하다.

도 3에서 탭 플레이트(12)는 기둥(8)과 접하는 부분에, 그 축방향에 대하여 대략 비스듬한 방향을 이루도록 절곡된 형상기억 합금편(18)이 일체로 부가되어 있으며, 이 형상기억 합금편(18)은 임계점 이상에서 도면의 1점 쇄선으로 도시한 바와 같이, 형상회복되어 전지적 접촉을 해제시키게 작용한다.

상기와 같이 탭 플레이트(12)와 일체로 구성되는 형상기억 합금편(18)은, 더 바람직하게는, 도 4에 도시한 바와 같이, 기둥(8)이 관통할 수 있도록 뚫려진 통공의 내주면에서 방사상으로 배열되는 구성으로 하여, 전기적 접촉 상태와 회로 차단 상태가 명확하게 구분될 수 있도록 하는 것이 좋다.

도 5는 본 발명 캡 조립체의 또 다른 실시 예에 관련된 구성을 도시한다.

이 실시 예에서는 전극핀(6)의 밑면이 반구면(20)을 형성하고 있고, 탭 플레이트(12)는 상기 반구면(20)에 대하여 탄성적으로 면 접촉되는 복수의 형상기억 합금편(18)을 구비한 구성 외에는 상술한 실시 예와 동일하게 되어 있다.

따라서, 이 실시 예에서도 전지의 내부 회로 차단 작용은, 상기 형상기억 합금편(18)이 도면의 1점 쇄선으로 나타낸 바와 같이 형상회복되는 것에 의해 나타난다.

더 구체적으로, 상기 복수의 형상기억 합금편(18)은 도 6으로 나타낸 바와 같이 반구형에 부합되는 형태로 배열될 수 있고, 이 경우에 상기 형상기억 합금편(18)의 변형 방향은 반구면(20)의 반경 방향에 따르는 것이 되어, 가벼운 변형으로도 전지 내부 회로의 접속과 차단 작용은 확실하게 나타난다.

이렇게 작은 형상회복 량을 가지는 형상기억 합금편(18)은 그 제조도 간단하게 되는 이점이 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 형태로 변형 실시하는 것이 가능함은 물론이다.

또한, 상술한 본 발명의 실시 예에서 형상기억 합금편(18)의 제시된 형상은 TiNi계는 물론 구리계 합금으로도 제조 가능하다.

이와 같이 본 발명은 이차전지의 이상 상태 발생 시에, 형상기억 합금을 이용하여 내부 회로를 차단시킴에 있어서, 작동을 수 없이 반복하여도 작동부위에 피로가 누적되지 않도록 형상 회복 변형량이 작은 형태로 형성되어 있음에 따라, 상기 형상기억 합금이 가지는 제반 특성을 적절하게 이용하면서 작동의 신뢰성도 보장할 수 있는 장점을 가진다.

그러므로 이차 전지, 특히 각형 이차 전지에 현실적인 적용이 가능한 것이다.

Claims (12)

1. 내부 공간을 가지는 캔의 개구부에 상기 내부 공간을 밀폐시키도록 상기 캔에 결합되고, 상기 캔 내부에 수용되는 전극군에 전기적으로 연결되는 이차 전지용 캡 어셈블리에 있어서,

   상기 개구부에 결합되어 상기 내부 공간을 밀폐시키는 캡 플레이트에 관통 설치되는 전극핀과;

   이 전극핀의 하측 기둥 주위로 배치되는 탭 플레이트; 및

   상기 기둥과 탭 플레이트 사이에 개재되어, 임계점 이상에서 형상회복되어 상기 기둥과 탭 플레이트 사이의 전기적 접속을 차단시키는 형상기억 합금편을 포함하고,

   상기 탭 플레이트는 2 분할체로 형성되며, 상호 대향 배치되는 부재의 일측단에 인장 스프링이 가설되고 반대측 단에는 형상기억 합금편이 개재되어서, 임계점 이상에서 형상회복되면서 상기 양 부재 사이가 벌어지게 하여 전지의 내부 회로를 차단하는 이차 전지용 캡 조립체.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 탭 플레이트는 단일체로 이루어지고, 상기 전극핀의 기둥이 관통되는 통공 내주면에 형상기억 합금편을 구비하여 상기 전극핀과의 전기적 통로가 되는 접촉단으로 설치한 구성을 갖는 이차 전지용 캡 조립체.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 접촉단은 통공의 내주면에서 방사방향으로 다수 연장된 형태로 형성되는 이차 전지용 캡 조립체.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극핀의 하단이 반구면으로 형성되고, 상기 탭 플레이트의 형상기억 합금편은 반구면에 부합되는 형태로 복수 배치된 구성을 갖는 이차 전지용 캡 조립체.
7. 내부 공간을 가지는 각형의 캔과;

   상기 내부 공간에 수용되는 전극군; 및

   상기 캔의 개구부에 상기 내부 공간을 밀폐시키도록 상기 캔에 결합되고, 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 캡 어셈블리를 포함하고,

   상기 캡 어셈블리는,

   상기 개구부에 결합되어 상기 내부 공간을 밀폐시키는 캡 플레이트와;

   이 캡 플레이트에 관통 설치되는 전극핀과;

   상기 전극핀의 하측 기둥 주위로 배치되는 탭 플레이트; 및

   상기 기둥과 탭 플레이트 사이에 개재되어, 임계점 이상에서 형상회복되어 상기 기둥과 탭 플레이트 사이의 전기적 접속을 차단시키는 형상기억 합금편을 포함하고,

   상기 탭 플레이트는 2 분할체로 형성되며, 상호 대향 배치되는 부재의 일측단에 인장 스프링이 가설되고 반대측 단에는 형상기억 합금편이 개재되어서, 임계점 이상에서 형상회복되면서 상기 양 부재 사이가 벌어지게 하여 전지의 내부 회로를 차단하는 각형 이차 전지.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 탭 플레이트는 단일체로 이루어지며, 상기 전극핀의 기둥이 관통되는 통공 내주면에 형상기억 합금편을 구비하여 상기 전극핀과의 전기적 통로가 되는 접촉단으로 설치한 구성을 갖는 각형 이차 전지.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 접촉단은 통공의 내주면에서 방사방향으로 다수 연장된 형태로 형성되는 각형 이차 전지.
12. 제 7 항에 있어서,

    상기 전극핀의 하단이 반구면으로 형성되고, 상기 탭 플레이트의 형상기억 합금편은 반구면에 부합되는 형태로 복수 배치된 구성을 갖는 각형 이차 전지.

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