KR100284031B1 - 리튬이온 전지의 안전캡 - Google Patents

Abstract

본 발명은 애노드 탭과 캐소드 탭을 가지는 전원발생부가 원통형 케이스에 내장되는 리튬이온 전지의 원통형 케이스 상부에 개스킷을 통해 절연 가능하게 설치되어 그 내부를 밀폐하는 배터리 캡에 있어서, 상하부가 연통하도록 중공 또는 관통구를 가진 형태로서, 상 하면에 도전기판이 각각 구비되고 하면 일측에는 온도퓨즈가 돌출 설치되어, 온도퓨즈의 일단에 하부 도전기판이 연결되고 상부 도전기판은 하방으로 연장 형성되어 온도퓨즈의 타단에 연결됨으로써, 온도퓨즈의 작동하에서 상 하부 도전기판이 통전되는 안전판과; 이 안전판 하부에 밀착되어 도전기판 및 온도퓨즈에 접해지고, 그 하면에는 전원발생부의 캐소드 탭이 접지되는 접지판과; 안전판의 상부에 밀착되어 원통형 케이스의 상부를 밀폐하며 일측에는 노치부를 형성한 안전밸브와; 안전밸브의 상부에 위치되며, 개스유출구를 가지는 양극단자;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서, 전지 내부의 온도 및 압력상승에 따른 전지의 폭발 위험에 대해, 온도퓨즈의 전기적단락을 이용하여 반응이 더 이상 진행되지 않도록 신속하게 중단시킴과 동시에 안전밸브의 파손에 의해 전지 내부의 개스를 방출시키는 이중적 안전장치를 제공함으로써, 전지의 사용안전성을 크게 향상시키는 효과가 있다.

Description

리튬이온 전지의 안전캡

본 발명은 리튬이온 이차전지(Lithium ion secondary battery)에 관한 것으로, 특히 원통형 리튬이온 전지에 있어서 전지 내부를 밀폐하는 캡에 전지 내부의 압력과 온도가 상승하여 일정 시점에 도달하게 될 때 자동적으로 단락됨으로써 전지의 폭발을 방지하는 안전장치(Safety device)의 기능이 포함되게 한 리튬이온 전지의 안전캡에 관한 것이다.

리튬이온 전지는 이동전화, 노트북 컴퓨터, 캠코더(Camcorder) 등 휴대용 전자제품의 전원공급장치에 주로 이용되는 차세대 전지로서, 망간이나 수은전지에 비해 수명이 현저하게 긴 장점을 지니고 있다. 이러한 리튬이온 전지는 쇼트(Short) 및 충격변형, 또는, 과충전에 의해 전지 내부의 온도와 압력이 증가하게 되는데, 그와 같은 상태가 계속되면 전지는 폭발할 위험이 있게 된다. 따라서, 전지 내부가 일정한 압력에 도달되면 자동적으로 단락되게 하거나, 파손되어 전지 내부의 개스(Gas)가 배출되게 함으로써 전지의 폭발을 방지할 수 있게 하는 안전장치(Safety device)를 구비하는 것이 일반적이다.

도 1은 종래 원통형 리튬이온 전지의 캡에 설치되는 안전장치를 나타낸 것으로서, 원통형으로 된 전지케이스(1)의 상부를 밀폐하는 캡의 구조를 보면, 전원발생부(도시되지 않음)의 캐소드 탭(2)에 접지되는 접지판(5)은 지지판(4)의 하부에 고정되어 있고, 가변접지부(7)에 의한 CID(Current interrupt device)기능을 가지는 안전밸브(6)가 개스킷(3)을 사이에 두고 지지판(4)의 상측에 위치되어 있다. 가변접지부(7)는 평상시 안전밸브(6)의 중앙부분으로부터 하방으로 돌출되어 접지판(5)에 접지되어 있으며, 그 주변을 따라 노치(8)가 형성되어 있다.

안전밸브(6)의 상측에는 리튬이온 전지에서 외부 접속단자를 이루는 양극단자(10)가 위치되어 있고, 안전밸브(6)와 양극단자(10)의 사이에는 PTC소자(Positive temperature coefficient: 9)가 끼워져 접속되고 있다. PTC소자(9)는 도전성을 갖는 산화물 반도체의 일종으로서, 정상 작동온도에서는 전기적으로 도전 가능한 상태에 놓여있다가 일정온도 이상으로 과열되면 분자의 배열변화에 의해 저항이 급격히 증가하여 부도체로서 전기가 흐르지 않게 되는 특성을 가진다. 이러한 PTC소자(9)는 그 특성상 정온상태에서만 동작하므로 과열시 자동적으로 전원을 차단하게 되며, 일정온도 이하로 되면 저항이 감소하여 다시 도전 가능한 상태가 된다.

전원발생부의 애노드 탭(Anode tap)은 원통형 케이스(1)의 내주면에 접해짐으로써 케이스(1) 전체가 음극단자를 이루게 된다. 이에 따라, 이들 양극단자(10)와 안전밸브(6), 지지판(4) 등은 원통형 케이스(1)의 상부 내측에 끼워지는 개스킷(3)을 통해 둘러싸여져 원통형 케이스(1)와 절연되어 있다.

이와 같은 구조에 따라, 전지 내부에서 압력이 상승하면 일차적으로 안전밸브(6)의 가변접지부(7)가 변형되면서 전기적으로 단락되어 더 이상의 반응이 진행되지 않게 하고, 이후 압력이 계속적으로 상승할 경우 이차적으로 가변접지부(7) 주변에 형성된 노치(8)가 파손되면서 전지 내부의 개스가 외부로 방출되게하여 압력이 감소되게 함으로써 전지의 폭발을 방지하게 된다.

그런데, 이러한 종래의 안전장치는 온도변화에 따라 안전밸브(6)와 양극단자(10)를 절연되게 하는 PTC소자(9)가 캡의 상부에 위치하여 열전달이 지연됨으로써 전지 내부의 온도변화에 대한 신속한 응답이 곤란할 뿐만 아니라, 압력변화에 대응하여 동작하는 안전밸브(6)의 경우 전지 내부의 압력변화에 대해 정밀하게 대응되기 어렵고 작동 편차가 커서 신뢰도가 낮으므로 안전성이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 전지 내부의 온도 및 압력 요인의 변화에 따라 작동하는 것으로서 작동 편차가 적고 신뢰성이 뛰어나며, 신속한 응답에 의해 전지의 폭발 위험을 효율적으로 방지할 수 있는 리튬이온 전지의 안전캡을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 애노드 탭과 캐소드 탭을 가지는 전원발생부가 원통형 케이스에 내장되는 리튬이온 전지의 원통형 케이스 상부에 개스킷을 통해 절연 가능하게 설치되어 그 내부를 밀폐하는 배터리 캡에 있어서, 상하부가 연통하도록 중공 또는 관통구를 가진 형태로서, 상 하면에 도전기판이 각각 구비되고 하면 일측에는 온도퓨즈가 돌출 설치되어, 온도퓨즈의 일단에 하부 도전기판이 연결되고 상부 도전기판은 하방으로 연장 형성되어 온도퓨즈의 타단에 연결됨으로써, 온도퓨즈의 작동하에서 상 하부 도전기판이 통전되는 안전판과; 이 안전판 하부에 밀착되어 도전기판 및 온도퓨즈에 접해지고, 그 하면에는 전원발생부의 캐소드 탭이 접지되는 접지판과; 안전판의 상부에 밀착되어 원통형 케이스의 상부를 밀폐하며 일측에는 노치부를 형성한 안전밸브와; 안전밸브의 상부에 위치되며, 개스유출구를 가지는 양극단자;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 전술한 여러가지 이유에 의해 전지 내부의 온도와 압력이 증가하게 되면, 일차적으로 캡의 하부를 이루는 접지판이 가열되면서 이에 접해져 있는 온도퓨즈가 일정온도 이상으로 과열되면 전기적단락을 발생시켜 더 이상의 반응을 중단시키게 된다. 이후 압력이 계속적으로 증가하게 되면, 이차적으로 안전밸브의 노치부분이 파괴되면서 전지 내부의 개스가 외부로 방출되게하여 전지내의 압력이 감소되게 함으로써 전지의 폭발을 방지하게 된다.

도 1은 종래 원통형 리튬이온 전지의 캡에 설치된 안전장치를 나타내는 단면 사시도,

도 2는 종래의 원통형 리튬이온 전지에서 접지부가 단락된 상태를 나타내는 단면 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 원통형 리튬이온 전지의 안전캡 구조를 나타내는 단면 사시도,

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 안전판을 나타내는 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 안전밸브를 나타내는 사시도,

도 6는 본 발명에 따른 원통형 리튬이온 전지에서의 안전밸브가 파손된 상태를 나타내는 단면 사시도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100 ; 원통형 케이스(Case) 110 ; 개스킷(Gasket)

120 ; 캐소드 탭(Cathode tap) 200 ; 캡(Cap)

210 ; 접지판 220 ; 안전판

221, 222 ; 상/하 도전기판 224 ; 온도퓨즈(Thermal fuse)

230 ; 안전밸브(Safety vent valve) 231 ; 노치(Notch)

240 ; 양극단자 241 ; 개스유출구

이와 같은 본 발명의 특징적인 구성 및 이에 따른 작용효과는 후술하는 첨부된 도면을 참조한 실시예의 상세한 설명을 통해 더욱 명확해 질 것이다.

도 3은 원통형 리튬이온 전지의 케이스(100) 상부에 설치된 안전캡(200)의 구조를 나타낸 것으로, 리튬이온 전지의 원통형 케이스(100) 상부는 둘레를 따라 내측으로 돌출된 클림핑(Crimping)구조로 형성되어 내주면을 따라 돌출된 부분의 상측에 배터리 캡(200)이 설치되고, 캡(200)과 케이스(100) 내주면과의 사이에는 개스킷(110)이 끼워져 케이스(100)와 캡(200)을 절연하는 동시에 기밀을 유지시킨다. 케이스(100) 선단은 내측으로 플랜징(Flanging) 가공되어 설치된 캡(200)의 가장자리부분이 지지되게 한다.

본 발명에 따른 안전캡(200)은 케이스(100)에 내장된 전원발생부(도시되지 않음)의 캐소드 탭(120)이 접지되는 접지판(210)과, 전지 내부의 온도변화에 따라 전기적단락을 일으켜 반응이 진행되지 않게 하는 안전판(220)과, 전지 내부의 압력상승에 의해 파손되어 전지의 폭발이 방지되게 하는 안전밸브(230)와, 외부 접속단자를 이루는 양극단자(240)로 이루어진다.

도 4a 및 도 4b에서는 본 발명에 따른 특징적인 요소로서 전지 내부에서 압력과 더불어 온도가 변화하게 될 때, 온도상승에 따라 전기적단락을 일으키도록 구성된 안전판(220)을 나타낸 것이다.

이것은, 절연재로써 상부와 하부가 연통하도록 중공 또는 관통구를 가진 원판형태의 안전판(220)을 형성하고, 안전판(220)의 상면과 하면에는 도전기판(221, 222)을 각각 구비한다. 안전판(220)의 하면 일측에는 돌출부(223)가 형성되고, 이 돌출부(223)의 외주면을 따라 온도퓨즈(224)가 돌출 설치되어 그 일단에 하부 도전기판(222)이 연결되고, 상부 도전기판(221)은 일측이 하방으로 연장 형성되어 온도퓨즈(224)의 타단에 연결된다.

이 온도퓨즈(224)는 일정한 온도에서 작동하도록 된 것으로서 편차없이 정확히 동작하게 되고, 지정온도를 벗어나는 경우 전기적단락을 발생시킴으로써 상 하부 도전기판(221, 222)은 온도퓨즈(224)의 작동범위하에서만 도전 가능한 상태에 놓이게 된다.

도 3에서 캡(200)의 하부를 이루는 접지판(210)은 도전 가능한 재질로 이루어지며, 안전판(220) 하면에 밀착되어 하부 도전기판(222) 및 온도퓨즈(224)에 접해지고, 그 하면에는 전원발생부의 캐소드 탭(120)이 용접 지지된다. 이때, 접지판(210)의 형태는 안전판(220)과 동일하게 중공 또는 관통구를 형성하는 방법에 의해 전지 내부와 연통되게 한다.

안전판(220)의 상부에는 도전 가능한 재질로 이루어지는 안전밸브(230)가 원판형의 가장자리부분이 안전판(220)의 상부 도전기판(221)에 밀착되고, 그 중앙부분은 안전판(220)으로부터 이격된 형태로써 설치되어 원통형 케이스(100)의 상부를 밀폐하며, 도 5에 도시된 바와 같이, 안전밸브(230)의 일측 중앙에는 노치(231)가 형성되어 전지 내부의 압력상승에 의해 파손될 수 있게 되어있다. 안전밸브(220)의 상부에는 외부 접속단자로서 개스유출구(241)를 가지는 양극단자(240)가 위치된다.

한편, 도시되진 않았으나 전원발생부의 애노드 탭은 종래와 같이 원통형 케이스(100)의 내주면에 접해짐으로써, 케이스(100)가 음극단자를 이루게되고 양극단자(240)는 개스킷(110)을 통해 원통형 케이스(100)와 절연된다.

따라서, 쇼트 및 충격변형, 또는, 과충전에 의해 전지 내부의 온도와 압력이 증가하게 되면, 먼저 온도요인에 의해 작동하는 것으로서, 접지판(210)이 가열되면서 그에 접해져 있는 온도퓨즈(224)에 열을 전달하게 되고, 가열된 온도가 온도퓨즈(224)의 작동범위를 초과하여 과열되는 경우 온도퓨즈(224)가 단락됨으로써 더 이상의 반응이 진행되지 않게 한다.

전지내 압력이 계속적으로 상승할 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 안전판(220) 상측에 위치된 안전밸브(230)의 노치(231)가 파괴되면서 전지 내부의 개스가 외부로 방출되게하여 압력이 감소되게 함으로써 전지의 폭발을 방지하게 된다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 안전캡은 전지 내부의 온도 및 압력상승에 따른 전지의 폭발 위험에 대해, 온도퓨즈의 전기적단락을 이용하여 반응이 더 이상 진행되지 않도록 신속하게 중단시키는 방법과 안전밸브의 파손에 의해 전지 내부의 개스를 방출시키는 이중적 안전장치를 제공함으로써, 전지의 폭발 위험을 효율적으로 방지하여 사용안전성을 크게 향상시키는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 애노드 탭과 캐소드 탭을 가지는 전원발생부가 원통형 케이스에 내장되는 리튬이온 전지의 원통형 케이스 상부에 개스킷을 통해 절연 가능하게 설치되어 그 내부를 밀폐하는 배터리 캡에 있어서,

   상하부가 연통하도록 중공 또는 관통구를 가진 형태로서, 상 하면에 도전기판이 각각 구비되고 하면 일측에는 온도퓨즈가 돌출 설치되어, 상기 온도퓨즈의 일단에 상기 하부 도전기판이 연결되고 상기 상부 도전기판은 하방으로 연장 형성되어 상기 온도퓨즈의 타단에 연결됨으로써, 상기 온도퓨즈의 작동하에서 상 하부 도전기판이 통전되는 안전판과;

   상기 안전판 하부에 밀착되어 도전기판 및 온도퓨즈에 접해지고, 그 하면에는 상기 전원발생부의 캐소드 탭이 접지되는 접지판과;

   상기 안전판의 상부에 밀착되어 상기 원통형 케이스의 상부를 밀폐하며 일측에는 노치부를 형성한 안전밸브와;

   상기 안전밸브의 상부에 위치되며, 개스유출구를 가지는 양극단자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬이온 전지의 안전캡.