KR100768186B1

KR100768186B1 - 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지

Info

Publication number: KR100768186B1
Application number: KR1020010075279A
Authority: KR
Inventors: 김준호
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: KR20030044510A

Abstract

스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지를 개시한다. 본 발명은 양극판, 세퍼레이터, 음극판으로 권회된 전지부;와, 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;과, 캔의 상부에 결합되는 캡 어셈블리;와, 캔의 외표면에 설치되며, 전지부중 어느 하나의 전극과 전기적으로 연결되고, 스웰링시 공히 변형되어서 전류의 흐름을 차단하는 안전장치;를 포함하는 것으로서, 전지의 과충전으로 인하여 내부의 압력이 상승하게 되면, 캔의 스웰링 현상이 발생하게 된다. 스웰링 현상이 발생하게 되면, 복수개의 전류차단부는 이와 연결된 하나의 극판과 전기적으로 접속되어 있는 전극 리드와의 접합된 부분으로부터 파단이 발생하게 된다. 이에 따라, 전류의 흐름을 차단하게 된다. 따라서, 전지의 최종적인 파괴를 초기에 방지할 수 있다.

Description

스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지{Secondary battery mounting safety device using swelling phenomenon}

도 1은 종래의 이차전지를 도시한 측면도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 분리사시도,

도 3은 도 2의 이차전지가 결합된 이후의 상태를 도시한 분리사시도,

도 4는 본 발명의 안전장치가 작동되는 상태를 도시한 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

20...전지 21...전지부

22...캔 23...캡 어셈블리

24...상부 절연판 25...캡 플레이트

26...음극 단자 27...가스켓

30...안전 장치 31...제1 전류차단부

32...제2 전류차단부 33...전극 리드

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 이상으로 스 웰링시 이를 이용하여 전류의 흐름을 차단시킬 수 있도록 구조가 개선된 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-메탈 하이드라이드(Ni-MH) 전지, 리튬(Li)이차전지등으로 분류할 수 있다. 이중에서, 리튬이차전지는 다른 이차전지에 비하여 작동 전압과 단위중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고, 이러한 리튬이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와, 고분자전해질 전지로 분류할 수 있다. 일반적으로는, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다.

그런데, 리튬이차전지는 안전성에 있어서 여러가지 문제점에 노출되어 있다.

즉, 리튬이차전지는 음극에 카본계 소재, 양극에 리튬계 산화물, 전해액에 유기용매전해질을 사용하게 된다. 전지가 과충전될 경우에는 양극에서 전해액의 분해가 발생하게 되고, 음극에서 리튬금속이 석출된다. 이에 따라, 전지의 특성이 열화되고, 극판의 발열이나 발화로 인하여 가스가 발생된다. 또한, 과전압에 의한 전해액의 분해로 발생되는 가스등에 의하여 전지 내부의 압력이 급격히 증가하게 되어서, 캔이 부풀어 오르는 이른바 스웰링(swelling) 현상이 발생하게 된다. 이러한 위험성을 제거하기 위하여, 전지는 여러가지 형태의 안전장치를 장착하고 있다.

도 1은 일본특허공개번호 특개평 제10-214612호에 개시된 이차전지(10)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 전지(10)는 전지부(11)가 외장케이스(12)에 삽입되어 있다. 전지(10)의 일편 전극 단자를 겸한 캔(13)의 최대 면적을 가지는 측면부(13a) 중앙 부근에 대향한 외장케이스(12)의 내부에는 캔(13)이 내압 상승에 의하여 팽창할 때 캔(13)과 접촉하고 전류를 유도하는 것이 가능한 접촉자(14)가 설치되어 있다. 상기 접촉자(14)로부터 인출한 리드선(15)은 상기 외장케이스(12)내에서 퓨즈(16)를 경유하고 전지(10)의 다른 방향의 전극 단자(17)에 접속하고, 캔(13)의 팽창시에 퓨즈(16)를 이용하여 전지부(11)의 전극 단자(13)(17) 사이를 단락시키고, 그 전류로 퓨즈(16)를 차단시키게 된다.

이러한 구조를 가지는 전지(10)는 공정수가 많아지고, 전지의 설계가 복잡해짐에 따라서 공정상의 불량율이 높아지게 지게 되고, 캔(13)의 내부에 접촉자(14)를 설치하는 작업이 어렵다고 할 수 있다. 또한, 스웰링 현상이 발생하게 되면, 캔(13)은 탄성변형 영역에서 소성변형 영역으로 넘어가게 됨에 따라 영구변형이 발생하게 되어 전지(10)의 재활용이 불가능하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전지의 과충전시 스웰링 정도에 따라 전류의 흐름을 완전히 차단하여서 전지의 파손을 방지할 수 있도록 구조가 개선된 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지는,

양극판, 세퍼레이터, 음극판으로 권회된 전지부;

상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;

상기 캔의 상부에 결합되는 캡 어셈블리; 및

상기 캔의 외표면에 설치되며, 상기 전지부중 어느 하나의 전극과 전기적으로 연결되고, 스웰링시 공히 변형되어서 전류의 흐름을 차단하는 안전장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안전장치는,

상기 캔의 외표면에 고정되는 금속박판으로 된 복수개의 전류차단부이고,

상기 전류차단부 사이에는 상기 전지부중 어느 하나의 전극과 전기적으로 통전가능한 전극 리드가 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 전류차단부는 상기 캔의 일측에 제1 전류차단부가 배치되고, 캔의 타측에 제2 전류차단부가 배치되며,

상기 제1 및 제2 전류차단부의 대향되는 변의 모서리점인 경계부에 상기 전극 리드의 양 단부가 각각 연결되어 접점을 이루는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 전류차단부와 전극 리드가 접점을 이루는 부분은 에칭 가공에 의하여 두께 조절을 한 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 전류차단부는 캔과 전기적으로 접속되도록 적어도 한 점이상에서 용접고정된 것을 특징으로 한다.

게다가, 전류가 차단 및 흐르는 경로는 전지부의 어느 하나의 극판과, 상기 극판으로부터 인출된 전극 탭과, 상기 전극 탭과 전기적으로 연결되는 캔과, 상기 캔의 외면에 고정되는 복수개의 전류차단부와, 상기 전류차단부 사이에 이와 전기적으로 접속되며 스웰링시 접점을 이루는 부분으로부터 선택적으로 파손이 발생하여 전류의 흐름이 차단가능한 전극 리드로 폐회로를 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안전장치가장착된 이차전지를 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지(20)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 전지(20)는 전지부(21)와, 상기 전지부(21)를 수용하는 캔(22)과, 상기 캔(22)과 결합되는 캡 어셈블리(23)를 포함한다.

상기 전지부(21)는 양극판과, 음극판과, 양극 및 음극판 사이에 개재되어 이들을 전기적으로 상호 절연시키는 세퍼레이터를 구비한다. 상기 양극 및 음극판은 양극 및 음극 집전체와, 상기 집전체의 적어도 일면에 코팅되는 양극 및 음극 활물질층으로 이루어져 있다. 또한, 상기 전지부(21)는 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 배치된 상태에서 상기 캔(22)에 수용가능하도록 권회되어 있다.

상기 전지부(21)는 양극 및 음극판의 일 가장자리로부터 양극 탭(21a)과, 음극 탭(21b)이 인출되어 있다. 상기 전지부(21) 상부에는 상기 음극 탭(21b)이 인출되는 통로를 제공하는 통공(24a)이 형성된 상부 절연판(24)이 설치되어 있다.

상기 상부 절연판(24)의 상부에는 상기 캔(22)과 결합되는 캡 어셈블리(23)이 배치되어 있다. 상기 캡 어셈블리(23)에는 캔(22)의 상단부면을 따라서 접촉하여 용접되는 캡 플레이트(25)가 마련되어 있다.

상기 캡 플레이트(25)에는 통공(25a)을 통하여 음극 단자(26)가 삽입되어 있 다. 상기 음극 단자(26)는 그 외주면에 가스켓(27)이 설치되어 있다. 상기 가스켓(27)은 상기 캡 플레이트(25)와 음극 단자(26)와의 전기적인 절연과, 상기 캔(22)의 내부로부터 전해액이 누수되는 것을 방지하기 위하여 고분자 수지와 같은 절연물질로 이루어져 있다. 상기 음극 단자(26)는 가스켓(27)을 매개로 하여 상기 캡 플레이트(25)의 통공(25a)을 통하여 견고하게 고정되어 있다. 상기 캡 플레이트(25)의 하부에는 절연판(28)이 더 설치될 수도 있을 것이다.

한편, 상기 캡 플레이트(25)의 일측에는 전해액이 주입되는 전해액 주입공(25b)이 형성되어 있다. 상기 전해액 주입공(25b)은 추후 전해액이 주입된 후에 볼(29)로서 밀봉하게 된다.

여기서, 상기 단자(26)는 상기 전지부(21)로부터 인출된 탭중 어느 하나와 전기적으로 연결되어 있다. 본 실시예에서는 상기 단자(26)는 음극 단자이고, 이것은 음극 탭(21b)과 통전가능하다. 양극 탭(21a)은 캔(22)에 용접되어 있다. 대안으로는, 극판을 달리하여 접속시키는 것도 가능하다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 캔(22)의 외표면에는 전지(20) 내부의 과충전등으로 인하여 캔(22)의 스웰링 현상이 발생시 전류의 흐름을 신속하게 차단시킬 두 있는 안전장치(30)가 설치되어 있다.

상기 안전장치(30)는 금속재의 박판으로 된 복수개의 전류차단부(31)(32)를 포함하고, 상기 전류차단부(31)(32)는 전극 리드(33)와 전기적으로 연결되어 있다

보다 상세하게는 도 3에 도시된 바와 같다.

여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조번호는 동일한 기능을 하는 동 일한 부재를 가리킨다.

도면을 참조하면, 상기 전지(20)는 캔(22)이 마련되고, 상기 캔(22)의 상단부에는 캡 플레이트(25)가 결합되어 있다.

상기 캔(22)의 외표면, 바람직하게는 스웰링 현상이 발생시 캔(22)이 다른 부분보다 상대적으로 많이 부풀어오르는 부분인 캔(22)의 단변부를 따라서 안전장치(30)가 설치되어 있다. 상기 캔(22)의 일측에는 제1 전류차단부(31)가 설치되어 있다. 상기 캔(22)의 타측에는 상기 제1 전류차단부(31)로부터 전지(20)의 단변부 방향으로 소정 간격 이격된 위치에 제2 전류차단부(32)가 설치되어 있다. 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)는 동축선상에 위치하는 것이 스웰링시 변위되는 량이 유사하게 되어서 바람직하다고 할 수 있다.

상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)는 서로 대향되는 변(31a)(32a)중 일점에 해당되는 제1 및 제2 경계부(31b)(32b)로부터 이들을 상호 전기적으로 연결시킴과 동시에 한 전극 단자의 역할을 공히 수행할 수 있도록 전극 리드(33)가 연결되어 있다. 상기 전극 리드(33)는 캔(22)의 스웰링시 전류의 흐름을 신속하게 차단시킬 수 있도록 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)와 연결되는 영역을 최소화하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)에는 대향되는 변(31a)(32a)과, 이로부터 인접하는 변(31c)(31c)이 만나는 모서리점인 제1 및 제2 경계부(31b)(32b) 사이에는 이들과 일체로 전극 리드(33)가 형성되어 있다.

상기 제1 및 제2 경계부(31b)(32b)와, 상기 전극 리드(33)가 연결되는 접점 은 전지(20)의 스웰링시 연결이 용이하게 끊어지도록 다른 부분보다 상대적으로 두께가 얇도록 형성되어 있다. 이를 위하여, 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)와, 전극 리드(33)는 성형 가공을 통하여 일정한 형상으로 제조한 다음에, 접점 부분에대하여 에칭 가공을 시행하여 그 두께를 박막화시킬 수 있다. 대안으로는, 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)와 전극 리드(33)는 하나의 금속판으로부터 패턴화하고, 에칭과정을 통하여 접점 부분이 최소화된 구조를 가지도록 형성시킬 수 있을 것이다.

이때, 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)는 다각형이나, 타원형이나, 바형등 다양한 형태로 제조할 수 있다. 본 실시예에서는 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)가 사각형을 이루고, 서로 대향되는 변(31a)(32a)은 제1 및 제2 경계부(31b)(32b)로 응력이 집중될 수 있도록 상호 대칭적으로 경사지게 형성되어 있다.

그리고, 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)는 상기 캔(22)의 외표면에 스팟 용접등에 의하여 그 위치가 고정됨과 동시에 상기 캔(22)과 전기적으로 연결가능하다. 이에 따라, 상기 전극 리드(33)는 도 2의 전지부(21)의 양극판과, 양극판으로부터 인출되는 양극 탭(21a)과, 상기 양극 탭(21)이 접속되는 캔(22)과, 상기 캔(22)에 용접되는 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)를 통하여 폐회로를 형성하게 된다. 또한, 상기 전극 리드(33)는 상기 캔(22)의 외표면에서 접착테이프(34)에 의하여 그 위치가 고정되어 있다.

상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)를 포함한 안전 장치(30)는 전지(20)의 스웰링시 상기 전극 리드(33)와의 전기적 연결을 끊어버리기 위해서는 취성파괴가 우수한 금속재로 제조되는 것이 바람직하다. 이러한 취성이 높은 금속재는 탄성력이 상대적으로 낮기 때문에 열폭주(thermal runaway)에 따른 전지(20)의 최종파괴를 초기에 방지할 수 있다.

한편, 상기 전지(20)는 음극 단자(26)와, 양극 리드(33)가 양극 및 음극 리드 연결편(35a)(35b)에 의하여 보호회로기판(36)가 연결되어 있을 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 안전 장치(30)가 작동하는 상태를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 캔(22)의 외표면에는 안전 장치(30)가 설치되어 있다.

상기 안전 장치(30)는 캔(22)의 일측에 설치된 제1 전류차단부(31)와, 타측에 설치된 제2 전류차단부(32)를 포함한다. 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)는 캔(22)의 외면에 용접등에 의하여 고정되어 있다.

그리고, 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32) 사이에는 전극 리드(33)가 설치되어 있으며, 상기 전극 리드(33)는 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)와의 접점 부분에서 제1 및 제2 경계부(31b)(32b)에 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 접점 부분은 에칭 가공등에 의하여 다른 부위보다 상대적으로 두께가 얇게 형성되어 있다.

이러한 구조를 가지는 전지(20)는 과충전 상태가 발생하게 되면, 전지부의 극판의 발열, 발화로 인한 가스가 발생하게 된다. 또한, 과전압에 의하여 전해액의 분해가 일어나게 되어서 가스가 발생하게 된다. 이로 인하여 전지(20) 내부의 압력은 급격히 증가하게 된다. 이로 인하여 상기 캔(22)이 부풀어 오르는 이른바 스웰 링 현상이 발생하게 된다.

상기 캔(22)이 스웰링되면, 캔(22)은 단변부 방향(화살표 방향)으로 압력을 더욱 받게 되어서 점선으로 표시된 바와 같이 부풀어 오르게 된다. 상기 캔(22)이 부풀게 되면, 상기 캔(22)의 외면에 용접고정된 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)도 공히 변형이 발생하게 된다. 이때, 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)는 그 사이에 전극 리드(33)와 전기적으로 연결되어 있다. 상기 전극 리드(33)는 전술한 바와 같이 전지부의 극판중 하나의 극판과 전류가 통전가능하다.

상기 전극 리드(33)는 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)와의 접점에서 다른 부분보다 두께가 얇도록 에칭가공되어 있다. 캔(22)이 부풀어오르게 되면, 제1 및 제2 경계부(31b)(32b)에서 파단이 일어나게 된다. 이에 따라, 상기 전극 리드(33)는 점선으로 표시된 바와 같이 상기 제1 및 제2 전류차단부(31)(32)로부터 끊어지게 되어서 전류의 흐름이 차단된다. 따라서, 한 극판으로부터의 전류의 흐름이 완전하게 차단되어서 전지(20)의 최종파괴를 미연에 방지할 수 있게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명의 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 전지의 과충전으로 인하여 내부의 압력이 상승하게 되면, 캔의 스웰링 현상이 발생하게 된다. 스웰링 현상이 발생하게 되면, 복수개의 전류차단부는 이와 연결된 하나의 극판과 전기적으로 접속되어 있는 전극 리드와의 접합된 부분으로부터 파단이 발생하게 된다. 이에 따라, 전류의 흐름을 차단하게 된다. 따라서, 전지 의 최종적인 파괴를 초기에 방지할 수 있다.

둘째, 안전장치가 전지의 내부가 아니라 외부에 설치되어 있게 되므로, 전지를 제조하는 공정이 단순해지고, 전류가 흐르는 폐회로를 설계하기가 용이하다.

셋째, 스웰링 현상에 의하여 전지가 팽창시, 전류차단부가 이 팽창량에 의하여 공히 파단되므로, 캔의 변형을 방지하게 되어서 이를 재활용할 수가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

양극판, 세퍼레이터, 음극판으로 권회된 전지부;

상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;

상기 캔의 상부에 결합되는 캡 어셈블리; 및

상기 캔의 외표면에 설치되며, 상기 전지부중 어느 하나의 전극과 전기적으로 연결되고, 스웰링시 공히 변형되어서 전류의 흐름을 차단하는 안전장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지.
제1항에 있어서,

상기 안전장치는,

상기 캔의 외표면에 고정되는 금속박판으로 된 복수개의 전류차단부이고,

상기 전류차단부 사이에는 상기 전지부중 어느 하나의 전극과 전기적으로 통전가능한 전극 리드가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지.
제2항에 있어서,

상기 전류차단부는 상기 캔의 일측에 제1 전류차단부가 배치되고, 캔의 타측에 제2 전류차단부가 배치되며,

상기 제1 및 제2 전류차단부의 대향되는 변의 모서리점인 경계부에 상기 전극 리드의 양 단부가 각각 연결되어 접점을 이루는 것을 특징으로 하는 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지.
제3항에 있어서,

상기 전류차단부와 전극 리드가 접점을 이루는 부분은 스웰링시 파단이 우선적으로 발생하도록 다른 부분보다 두께가 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지.
제4항에 있어서,

상기 전류차단부와 전극 리드가 접점을 이루는 부분은 에칭 가공에 의하여 두께 조절을 한 것을 특징으로 하는 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지.
제2항에 있어서,

상기 전류차단부는 캔이 내압에 의하여 부풀어오르는 방향으로 공히 변형이 발생가능하도록 상기 캔의 단변부를 따라서 동축선상에 각각 배치된 것을 특징으로 하는 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지
제2항에 있어서,

상기 전류차단부는 캔과 전기적으로 접속되도록 적어도 한 점이상에서 용접고정된 것을 특징으로 하는 하는 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지
제2항에 있어서,

전류의 차단 및 흐르는 경로는 전지부의 어느 하나의 극판과, 상기 극판으로부터 인출된 전극 탭과, 상기 전극 탭과 전기적으로 연결되는 캔과, 상기 캔의 외면에 고정되는 복수개의 전류차단부와, 상기 전류차단부 사이에 이와 전기적으로 접속되며 스웰링시 접점을 이루는 부분으로부터 선택적으로 파손이 발생하여 전류의 흐름이 차단가능한 전극 리드로 폐회로를 구성한 것을 특징으로 하는 스웰링 현상을 이용한 안전장치가 장착된 이차전지.