KR100310695B1 - 이차전지의 안전장치 - Google Patents

Abstract

목적: 본 발명은 전지의 비정상적인 작용에 의한 내압 상승시 작동되어서 폭발에 대한 안전성을 확보하는 이차전지의 안전장치를 제안한다.

구성: 캔 및 캡 플레이트로 된 외장 케이스의 어느 한쪽에 관통 구멍을 형성하고, 그 구멍에 별도의 파단 플레이트를 부착하여 밀봉하되, 상기 파단 플레이트를 케이스의 내면에 부착한다. 상기 구멍의 내측으로는 그 중심쪽으로 돌출된 돌기를 형성하여 파단 압력을 조절한다. 상기 파단 플레이트는 폴리에틸렌코아크리릭 에시드를 포함하는 접착제를 이용하여 부착한다.

효과: 편평한 파단 플레이트를 캡 플레이트의 내부에 접착하므로 작업성을 향상시킬 수 있고, 편평한 파단 플레이트의 두께를 균일하게 형성하고 구멍에 형성된 돌기를 이용하여 파단 압력을 조절하므로, 전지의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

Description

이차전지의 안전장치{Safety apparatus used in Secondary battery}

본 발명은 전지의 비정상적인 작용으로 내부 압력이 규정 압력 이상으로 상승할 경우 전지의 내압을 감소시키고 폭발을 방지하여 안전성을 확보할 수 있도록한 이차전지의 안전장치에 관한 것이다.

이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 대표적으로는 니켈수소(Ni-MH)전지, 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있으며, 외관상으로는 원통형과 각형 전지로 구분되고 있다.

도 3은 종래 공지된 각형 전지의 일 예를 보여주고 있다. 도면에서와 같이 각형 이차전지는 정극과 부극의 사이에 세퍼레이터를 개재하여 함께 권취하므로 전극군(2)을 형성하고, 그 전극군(2)을 캔(4)의 내부에 삽입하며, 그 캔(4)의 상측 개구에 캡 어셈블리(6)를 설치하고, 상기 캔(4)의 내부에 전해액을 주입한 후 밀봉하여 이루어진다.

캡 어셈블리(6)는 캔(4)의 개구에 용접 결합되는 캡 플레이트(8)를 포함하며, 그 캡 플레이트(8)에 관통 구멍을 형성하고 가스켓(10)과 절연판(12)을 개재하여 절연된 전극 리벳(14)을 체결한 것이며, 절연판(12)의 하부에 전극 리벳(14)과 접속된 전극 연결판(16)을 더 설치하여 연결할 수 있다.

캡 플레이트(8)에는 주입구(18)를 형성하여 전해액 주입 후 플러그를 이용하여 밀봉하고, 전지 내압 상승 및 폭발에 대한 안전대책으로 안전수단(20)을 구비한다. 또 전극 연결판(16)은 상기 전극군(2) 중에서 정극에서 인출된 전극 탭(22)과 연결하고, 전극군(2)의 부극은 도시 생략한 전극 탭을 이용하여 혹은 캔(4)과 직접 접속함에 의해 외부로 연결되어진다.

이와 같이 구성된 종래의 이차전지에서 안전수단(20)은 미국 특허 US 3,815,534 및 US 4,803,136호에 소개되고 도 4 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 기계적인 방법이나 에칭법 및 전기주형법을 이용하여 일정 깊이의 홈을 갖는 취약부(혹은 노치)(20a)를 형성한 안전변(22b)을 형성하고, 이것을 캡 플레이트(8)의 구멍(8a)을 밀폐하도록 용접하여, 전지 내부의 압력이 규정 이상으로 상승할 경우 파단되도록 하고 있다.

또 상기한 안전수단(20)은 도 6과 같이 캡 플레이트(8)에 구멍(8a)과 턱(8b)을 형성하고 여기에 박판(20c)을 부착하여 구성할 수 있으며, 도 7과 같이 캡 플레이트(8)에 일정 깊이의 홈(20d)을 형성하여 구성할 수 있다.

그러나 지금까지 알려진 이차전지의 안전수단(20)은 기계적인 방법이나 에칭법 및 전기주형법으로 홈(혹은 노치)을 형성할 때, 그 형태가 불균일하게 형성되므로 전지의 내압에 의한 파단시 작동 산포가 불균일하고 안전성 및 신뢰성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.

예를 들어 기계적인 방법이나 에칭법 및 전기주형법으로 홈(20a)(20d)을 형성한 구조는 그 홈의 깊이를 정확하게 형성하기 어렵고, 그 형상에 차이가 있어 내압에 따른 파단시 압력 오차가 발생하고, 작동이 불량하게 된다.

또 구멍(8a)과 턱(8b)을 형성하고 박막(20c)을 부착하는 구조는 제조 공정이 복잡하고 어려운 문제점이 있다.

앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 전지의 내부 규정 압력에서 정확하게 작동하여 안전성을 확보할 수 있도록 하고, 용이하게 실현할 수 있도록 한 이차전지의 안전장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

이를 위하여 본 발명에서는 캔 및 캡 플레이트로 된 외장 케이스의 어느 한쪽에 관통 구멍을 형성하고, 그 구멍에 별도의 파단 플레이트를 부착하여 밀봉하되, 상기 파단 플레이트를 케이스의 내면에 부착한 이차전지의 안전장치를 제안한다.

여기서 상기 구멍의 내측으로는 그 중심쪽으로 돌출된 돌기를 형성하여 파단 압력을 조절할 수 있게 하고, 상기 파단 플레이트는 폴리에틸렌코아크리릭 에시드(polyethylenecoacrylic acid) 혹은 그것을 포함하는 접착제를 이용하여 쉽게 부착할 수 있도록 한다. 폴리에틸렌코아크리릭 에시드를 포함하는 접착제는 아이소프로필 알콜이나 암모니아 용매 혹은 2가지 용매를 함께 사용할 수 있으며, 이때 폴리에틸렌코아크리릭 에시드는 20∼90중량%를 포함한다.

또한 캡 플레이트와 파단 플레이트는 Al, Fe, Cu, Sn, Ni 중에서 하나의 재질을 사용하여 제조한다.

이와 같은 구성에 따라 본 발명의 안전장치는 편평한 파단 플레이트를 캡 플레이트의 내부에 용이하게 접착하므로 작업성을 향상시킬 수 있고, 편평한 파단 플레이트를 사용하여 두께를 균일하게 형성하기 용이하고 구멍에 형성된 돌기를 이용하여 파단 압력을 용이하게 조절하므로, 전지가 규정 압력에서 정확하게 파단되도록 하여 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 이차전지를 분리 도시한 사시도.

도 2는 본 발명에 의한 이차전지를 도시한 일부 단면도.

도 3은 종래 공지된 이차전지를 도시한 단면도.

도 4 내지 도 7은 종래 공지된 이차전지의 안전장치를 보인 일부 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

4-캔 60-캡 어셈블리

80-캡 플레이트 82-구멍

84-돌기 200-안전수단

202-파단 플레이트 204-접착제

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어 종래 기술에서 설명한 구성과 동일한 부분에 대하여는 동일 부호를 부여하고 있다.

도 1은 본 발명의 안전장치와 케이스의 결합 구성을 보여주고 있으며, 도 2는 본 발명에 의한 이차전지의 내부 구성을 보여주고 있다.

도면에서와 같이 본 발명은 전지의 내압 상승 및 이상 작동시 파단되어서 폭발을 방지하는 것으로 케이스의 일측에 안전수단(200)을 구성함에 있어, 상기 케이스의 구멍을 밀폐하는 수단으로 평판상의 파단 플레이트를 상기 케이스의 내부에 접착하므로, 종래와 달리 파단 플레이트의 두께를 균일하게 유지하는 것으로 파단 압력을 정확하게 설정할 수 있도록 한다.

이를 위하여 본 발명에서는 캔(4) 및 캡 플레이트(80)로 구성된 외장 케이스의 어느 한쪽, 예를 들어 캡 플레이트(80)에 관통 구멍(82)을 형성하고, 그 구멍(82)을 밀폐하기 위해 캡 플레이트(80)의 내부에서 별도의 파단 플레이트(202)를 접착하되, 파단 플레이트(202)의 작동을 보다 정확하고 용이하게 유지하기 위해 상기 구멍(82)의 중심쪽으로 돌출 형성된 돌기(84)를 구비하여 이루어진다. 돌기(84)는 앞쪽을 날카롭고 첨예하게 형성하여 블레이드 역할을 하므로 파단 플레이트(202)를 가장 먼저 파단한다.

또한 본 발명에서는 파단 플레이트(202)을 보다 용이하게 부착하기 위해 종래와 달리 용접에 의하지 않고 접착제(204)를 사용한다. 접착제(204)는 폴리에틸렌코아크리릭 에시드(polyethylenecoacrylic acid) 혹은 폴리에틸렌코아크리릭 에시드와 아이소프로필 알콜 및/또는 암모니아 용매를 혼합한 것이며, 전지 내부에 전극과 함께 수납되는 것으로서 EC(에틸렌 카보네이트), PC(프로필렌 카보네이트), EMC(에틸 메틸 카보네이트), DEC(디에틸렌 카보네이트), MEC와 같은 전해액과 반응하지 않는 물질이어야 한다.

이에 따라 상기한 파단 플레이트(202)는 접착제(204)를 바른 후 캡 플레이트(80)의 내부 면에 부착되어지며, 60∼70℃ 분위기의 오븐에서 6시간 동안 보관하므로 경화 및 고정되어진다.

한편 캡 플레이트(80)는 전지의 경량화 추세에 맞추어 Al, Cu, Sn, Ni 중에서 하나의 재질을 사용하거나 혹은 Fe을 사용하여 제조하고, 그에 맞추어 파단 플레이트(202)의 재질을 Al, Fe, Cu, Sn, Ni 중에서 하나로 사용한다.

이와 같이 실현되는 본 발명의 안전수단(200)은 케이스 즉 캡 플레이트(80)뿐 아니라 캔(4)의 임의의 장소에도 관통 구멍을 형성한 후 파단 플레이트(202)를 접착함으로써 실현할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 캡 플레이트(80)는 절연판(12)를 개재하여 정극 연결판(16)을 배치하고, 그 중심과 상부에 가스켓(10)을 개재하여 절연된 전극 리벳(14)을 체결하므로 캡 어셈블리(60)를 구성할 수 있다.

또 상기 캔(4)의 내부에 정극, 부극 및 세퍼레이터를 롤 상으로 권취한 전극군(2)을 수납하고, 그 상측 개구에 캡 어셈블리(60)을 용접하고 전해액 주입 후 밀봉함으로써 본 발명의 이차전지를 실현할 수 있다.

물론 상기 전극군(2) 중에서 부극은 도시 생략한 단자 탭을 이용하여 혹은캔(4)과 직접 접속되고, 또한 정극은 단자 탭(22)을 통하여 전극 연결판(16)에 접속된 후 전극 리벳(14)을 통하여 외부로 연결되어진다.

이와 같이 조립된 본 발명의 이차전지에 대하여 안전성 테스트를 실시하여 표 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

파단 플레이트 두께	전지 내압 (kg/㎠)	실링특성	벤트 작동	비고
15㎛	10.1	OK	○	90℃ 분위기일 때 11.8kg/㎠에서 벤트 작동
	10.5	OK	○
	12.1	OK	○

표 1에서와 같이 본 발명의 안전장치는 일정한 압력까지 밀폐성을 확보하고 균일한 압력에서 벤트 작동(파단)됨을 알 수 있으며, 또 90℃의 분위기에서도 정상적인 밀폐성과 벤트 특성을 얻을 수 있었다.

이상에서 설명한 구성 및 작용을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 이차전지의 안전장치는 편평한 파단 플레이트를 사용하여 두께를 균일하게 형성하고 구멍에 형성된 돌기를 이용하여 파단 압력을 조절하므로, 작동 산포를 줄일 수 있는 것이며, 그 결과 전지의 안전성 및 신뢰성을 확보하는 효과를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면 접착제를 이용하여 캡 플레이트의 내부에 편평한 파단 플레이트를 용이하게 접착하므로 작업성 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 상호 절연된 정극과 부극 및 액체 전해질을 수납하는 것으로 캔과 캡 플레이트로 된 케이스와; 그 케이스를 관통하여 형성된 구멍과; 상기 케이스의 내부에 부착되어 상기 구멍을 밀폐하는 파단 플레이트를 포함하며; 상기 구멍에는 그 구멍의 중심쪽으로 돌출된 돌기를 형성한 것을 특징으로 하는 이차전지의 안전장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스를 Al, Fe, Cu, Sn, Ni 중에서 하나의 재질로 형성한 이차전지의 안전장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 파단 플레이트를 Al, Fe, Cu, Sn, Ni 중에서 하나의 재질로 형성한 이차전지의 안전장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 파단 플레이트가 폴리에틸렌코아크리릭 에시드 혹은 폴리에틸렌코아크리릭 에시드를 포함하는 접착제를 이용하여 부착된 것을 특징으로 하는 이차전지의 안전장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스는 캔의 개구에 용접 결합되는 캡 플레이트를 포함하고, 상기 캡 플레이트에는 관통 구멍을 형성하되 그 구멍의 내측에 절연수단을 개재하여 전극 리벳을 결합 밀봉하며, 상기 전극 리벳을 상기 캔의 내부에수납된 정극 혹은 부극 중에서 어느 하나에 연결한 것을 특징으로 하는 이차전지의 안전장치.
6. 상호 절연된 정극과 부극 및 액체 전해질을 수납하는 것으로 캔과 캡 플레이트로 된 케이스와; 그 케이스를 관통하여 형성된 구멍과; 상기 케이스의 내부에 부착되어 상기 구멍을 밀폐하는 파단 플레이트를 포함하며; 상기 파단 플레이트는 폴리에틸렌코아크리릭 에시드 혹은 폴리에틸렌코아크리릭 에시드를 포함하는 접착제를 이용하여 부착한 것을 특징으로 하는 이차전지의 안전장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 케이스를 Al, Fe, Cu, Sn, Ni 중에서 하나의 재질로 형성한 이차전지의 안전장치.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 파단 플레이트를 Al, Fe, Cu, Sn, Ni 중에서 하나의 재질로 형성한 이차전지의 안전장치.