KR100319106B1 - 밀폐전지 - Google Patents

Abstract

목적 : 과충전이나 기타 원인에 의해 전지가 안전 온도 이상으로 승온되더라도 안전성을 확보할 수 있도록 한 밀폐전지를 제공한다.

구성 : 금속으로 된 베이스 플레이트(2)에 리튬금속산화물로 된 활물질(6)을 도포 형성한 정극과, 금속으로 된 베이스 플레이트(4)에 카본 및 카본계 활물질(8)을 도포 형성한 부극과, 상기 정극과 부극의 사이에 다공성 세퍼레이터(10)를 개재하여 함께 권취한 전극군을 포함하고, 상기 정극과 부극의 권취 시작 및 끝단에는 활물질이 도포되지 않은 베이스 플레이트를 배치하되, 상호 대향되는 정극과 부극의 베이스 플레이트 길이를 전극군 원주의 절반 이상으로 형성한다.

효과 : 과충전이나 기타 원인에 의해 안전 온도 이상으로 승온되어 정극과 부극이 쇼트될 때, 금속으로 된 베이스 플레이트를 쇼트시켜 저항값을 제로 혹은 제로에 가깝게 만들어, 발열량을 최소화하고 정극 및 부극 활물질의 열분해 반응을 방지하므로 안전성을 실현할 수 있다.

Description

밀폐전지{Sealed battery}

본 발명은 과충전이나 기타 원인에 의해 전지가 안전 온도 이상으로 승온될 때 작동하여, 추가적인 전기화학 반응을 억제하므로 안전성을 확보할 수 있도록 한밀폐전지에 관한 것이다.

밀폐전지는 재충전이 가능한 것으로, 외관상 원통형과 각형으로 구분되고 양극 및 음극 물질에 따라 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬(Li) 전지, 리튬이온(Li-ion) 전지 등으로 구분된다.

이러한 밀폐전지는 정극과 부극의 사이에 세퍼레이터를 개재하여 함께 권취하고, 이렇게 권취된 전극군을 케이스 내부에 수납하며, 전해액을 주입한 후 밀봉함으로써 실현되어진다. 상기 정극 및 부극 중에서 한 전극은 케이스를 관통하여 인출되는 단자에 연결되고, 나머지 전극은 케이스에 연결되어서 전기적인 회로를 구성한다.

이와 같이 구성된 밀폐전지에서 정극 및 부극과 같은 전극(電極)은 종류에 따라 다소 차이가 있지만, 통상적으로 금속으로 된 베이스 플레이트에 활물질을 도포하고 이를 건조, 롤 프레스 및 절단하여 형성한다. 이렇게 형성된 정극 및 부극은 사이에 다공성 세퍼레이터를 개재하여 절연되고 전해액과 함께 케이스 내부로 수납되는 것이며, 양 전극의 활물질간에 이온이 탈·삽입 및 이동되는 전기화학 반응에 의해 충·방전하게 된다.

반복적으로 충·방전되는 밀폐전지는 전기적인 오용(과충전)이나 기타 위험 요소에 의해 내압 상승 및 발열을 수반하게 되며, 그 상태가 지속될 경우 파괴 및 폭발하여 사용자에게 치명적인 손해를 입히게 되므로, 그에 대한 안전 대책이 필수적으로 요구된다.

예를 들어 종래의 밀폐전지에서는 내압이 안전 압력 이상으로 상승될 경우그 압력에 감응하여 전기적인 회로 구성을 차단하거나, 안전변을 파단시켜 내압 및 전해액을 제거하므로 반응을 억제하는 수단이 개시되어 있다. 또한 내부 발열에 감응하여 전기적인 회로 구성을 차단하는 안전수단이 개시되어 있다.

보다 구체적으로 종래 안전수단의 일 예로서 정극과 부극 사이에 설치되는 다공성 세퍼레이터가 있다. 다공성 세퍼레이터는 케이스 내부 온도가 안전 온도 이상으로 상승될 경우, 그 온도에 감응하여 기공을 폐쇄하고 양 전극간의 이온 이동을 차단하므로, 전기화학 반응을 억제하여 안전성을 실현한다.(셧 다운 현상: shut down)

도 1은 종래 공지된 다공성 세퍼레이터의 셧 다운 특성을 보여준다.

이때 밀폐전지는 정전류 과충전을 실시한 것이다. 도면에서와 같이 밀폐전지는 충전 심도가 깊어짐에 따라 온도(T)가 상승되고, 그 온도 상승은 전해액 분해를 동반한 발열 반응에 의해 계속되지만, 세퍼레이터의 셧 다운(SD) 현상에 의해 전기화학 반응이 종료되어 피크 온도를 정점으로 하강되어 안전성을 유지하게 된다.

그러나 종래의 밀폐전지는 세퍼레이터의 불균일이나 기타 내부 쇼트 원인에 의해 전지 내부의 온도가 케이스의 온도 방출 속도를 넘어 지나치게 상승하게 되면, 세퍼레이터의 셧 다운 현상이 일어나기 전에 그 자체가 녹아 정극과 부극을 절연시키는 기능을 상실하게 되고, 상기 정극과 부극이 쇼트될 경우에는 도 2와 같이 부극 활물질과 전해액의 분해, 양극 활물질 분해 등과 같은 연쇄 반응(멜트 다운;melt down)이 진행되며, 그 후 열폭주 현상(thermal run away)까지 도달하여결국 안전성을 상실하고 폭발하게 되는 문제점이 있다.

이러한 멜트 다운 현상은 특히 정극 활물질과 부극 활물질이 쇼트될 경우, 그 쇼트 부분의 저항값에 의해 급격하게 발열량이 증가하여 열폭주 현상까지 도달하게 되는 바, 이 현상은 특히 도 3에 도시한 실험의 결과와 같이 쇼트 부분의 저항값이 10∼100mOHm 근방에서 급격하게 발생하고, 쇼트 저항이 아주 크거나 작은 경우에는 오히려 발열량이 작아지게 된다. 보다 구체적으로 정극 활물질과 부극 활물질이 쇼트될 경우 그 저항값은 10∼100mOHm에 도달하며, 이때 전지는 멜트 다운과 열 폭주 현상을 초래하게 된다.

앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명은 과충전이나 기타 원인에 의해 전지가 급격하게 승온되고 멜트 다운 온도를 넘어 쇼트될 때, 그 쇼트 부분의 저항값을 제로(zero) 혹은 제로에 가깝게 만들어, 전지 내부 발열량을 낮추고 추가적인 전기화학 반응을 억제하며 안전성을 확보할 수 있도록 함에 그 목적을 두고 있다.

이에 따라 본 발명에서는 정극과 부극이 쇼트될 때 그 정극과 부극의 금속으로된 베이스 플레이트를 직접 쇼트되게 함으로써, 쇼트 부분의 저항값을 제로 혹은 제로에 가깝게 만들고 발열량을 낮추어 안전성을 실현할 수 있도록 한 밀폐전지를 제안한다.

보다 구체적으로 상기한 밀폐전지는 금속으로 된 베이스 플레이트에 리튬금속산화물로 된 활물질을 도포 형성한 정극과, 금속으로 된 베이스 플레이트에 카본 및 카본계 활물질을 도포 형성한 부극과, 상기 정극과 부극의 사이에 다공성 세퍼레이터를 개재하여 함께 권취한 전극군을 포함하고, 상기 정극과 부극의 권취 시작 및 끝단에는 활물질이 도포되지 않은 베이스 플레이트를 배치하되, 상호 대향되는 정극과 부극의 베이스 플레이트 길이를 전극군 원주의 절반 이상으로 형성한다.

여기서 베이스 플레이트는 알루미늄 혹은 구리를 사용하고, 세퍼레이터는 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 중에서 하나를 사용할 수 있다.

도 1은 종래 공지된 밀폐전지의 과충전 상태를 보인 도면.

도 2는 종래 공지된 밀폐전지의 멜트 다운 상태를 보인 도면.

도 3은 일반적인 밀폐전지의 쇼트 저항 및 발열량 관계를 보인 도면.

도 4는 본 발명에 의한 밀폐전지의 전극군의 권취 상태도.

도 5는 본 발명에 의한 밀폐전지의 쇼트 상태를 보인 구성도.

도 6은 본 발명의 밀폐전지를 적용한 과충전 상태를 보인 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2,4-베이스 플레이트 6,8-활물질

10-세퍼레이터

이하, 본 발명을 실현하기 위한 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에 관련된 밀폐전지의 전극을 보여주고 있다. 참고로 본 발명에서는 밀폐전지의 일 예로서 리튬 이온의 이동에 따라 충, 방전이 이루어지는 이차전지에 대하여 설명하고 있으며, 각형 및 원통형 구조를 모두 포함할 수 있지만 각형 구조에 대하여 설명하기로 한다.

도면에서와 같이 밀폐전지의 전극은 금속 재료로 된 베이스 플레이트(2)(4)에 전극 활물질(6)(8)을 도포하고, 이것을 건조, 롤 프레스한 후 압축하여 전극판을 제조하고 전지 규격에 맞추어 절단하여 형성한다.

상기 전극은 베이스 플레이트(2)(4)의 종류와 활물질에 따라 정극 및 부극으로 나누어지는바, 정극은 베이스 플레이트(2)로 알루미늄(Al)을 사용하고활물질(6)로 리튬-천이금속산화물을 사용하며, 부극은 베이스 플레이트(4)로 구리(Cu)를 사용하고 활물질(8)로 탄소 혹은 탄소복합체를 사용하여 제조한다.

이렇게 제조된 정극과 부극은 그 사이에 다공성 세퍼레이터(10)를 개재하여 함께 권취하므로 전극군을 형성하고 이후 전해액과 함께 케이스 내부에 수납 및 밀봉되어지는바, 여기서 상기 정극과 부극은 전지 내부의 발열이 급격하게 이루어져 멜트 다운 온도를 넘어 쇼트될 때, 쇼트되는 부분의 저항값을 제로 혹은 제로에 가깝게 만들기 위해 정극과 부극에서 금속으로 된 베이스 플레이트(2)(4)가 상호 쇼트되게 함을 특징으로 한다.

이를 위하여 본 발명에서는 전극군을 형성하게 되는 정극 및 부극의 권취 시작부 및 끝단부에 활물질이 도포되지 않은 베이스 플레이트(2)(4)를 상호 대향 배치하되, 그 정극과 부극의 베이스 플레이트(2)(4) 길이를 전극군 원주의 절반 이상이 되게 형성하며, 아울러 그 베이스 플레이트(2)(4)가 전극군의 직선부에 위치되도록 한다.

이에 따라 본 발명의 정극과 부극은 세퍼레이터의 불균일이나 기타 내부 쇼트 원인에 의해 전지 내부의 온도가 케이스의 온도 방출 속도를 넘어 지나치게 상승되고, 그 원인으로 세퍼레이터(10)가 셧 다운되기 전에 멜트 다운 온도까지 상승하여 그 자체가 녹거나 수축되어 절연 기능을 상실할 때, 예를 들어 도 5와 같이 세퍼레이터(10)가 수축되거나 녹아 구멍이 뚫려 쇼트되거나 혹은 외부로부터의 관통체(12)에 의해 쇼트될 때, 정극과 부극의 베이스 플레이트(2)(4)가 상호 쇼트되므로 그 부분의 저항값을 제로 혹은 제로에 가깝게 만든다.

또한 본 발명에 의한 정극과 부극의 베이스 플레이트(2)(4)는 도면에서와 같이 전극군 원주의 절반 이상의 길이로 형성하고, 상기 전극군의 직선부에 위치되도록 함으로써, 상기 관통체(12)의 관통 위치에 상관없이 쇼트 저항값을 제조 혹은 제로에 가깝게 만들 수 있다.

그 결과 본 발명은 쇼트 부분의 저항값을 1mOHm 이하로 형성할 수 있으며, 도 3의 실험 결과에서와 같이 발열량을 1W 이하로 유지하게 된다.

따라서 본 발명에 의한 밀폐전지는 도 6에 도시한 바와 같이 정전류 과충전시 충전 심도가 깊어짐에 따라 온도(T)가 상승되고, 그 온도 상승은 전해액 분해를 동반한 발열 반응에 의해 계속되지만, 세퍼레이터의 셧 다운(SD) 현상에 의해 전기화학 반응이 종료되어 피크 온도를 정점으로 하강되어 안전성을 유지하게 된다. 그러나 세퍼레이터의 불균일이나 기타 내부 쇼트 원인에 의해 전지의 온도가 케이스의 온도 방출 속도를 넘어 지나치게 상승하고 전압(V)이 12V까지 급상승하게 되면, 본 발명의 정극 및 부극의 세퍼레이터(2)(4)가 쇼트되므로 전압(V)이 제로의 상태로 되며, 이것은 발열량을 줄이게 되므로 전지의 온도를 피크 온도를 정점으로 하강시켜 열 폭주 및 그에 의한 폭발을 방지하게 된다.

이상에서 설명한 구성 및 작용을 통하여 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 밀폐전지는 과충전이나 기타 원인에 의해 안전 온도 이상으로 승온되더라도, 쇼트 부분의 저항값을 제로 혹은 제로에 가깝게 만들어 발열량을 최소화시키고, 정극과 부극활물질의 열분해 반응을 억제하므로, 추가적인 전기화학 반응을 억제할 수 있으며, 그 결과 열 폭주 및 폭발을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 금속으로 된 베이스 플레이트에 리튬금속산화물로 된 활물질을 도포 형성한 정극과, 금속으로 된 베이스 플레이트에 카본 및 카본계 활물질을 도포 형성한 부극과, 상기 정극과 부극의 사이에 다공성 세퍼레이터를 개재하여 함께 권취한 전극군을 포함하고, 상기 정극과 부극의 권취 끝단에는 활물질이 도포되지 않은 베이스 플레이트를 배치하되 상호 대향되는 정극과 부극의 베이스 플레이트 길이를 전극군 원주의 절반 이상으로 형성하며, 상기 전극군과 함께 전해액을 수납하여 밀봉된 케이스를 포함하는 밀폐전지.
2. 제 1 항에 있어서, 정극과 부극의 권취 시작부에는 활물질이 도포되지 않은 베이스 플레이트를 배치하되, 상호 대향되는 정극과 부극의 베이스 플레이트 길이를 전극군 원주의 절반 이상으로 형성한 것임을 특징으로 하는 밀폐전지.
3. 제 1 항에 있어서, 베이스 플레이트는 알루미늄 혹은 구리 중에서 하나의 재질로 된 것임을 특징으로 하는 밀폐전지.
4. 제 1 항에 있어서, 세퍼레이터는 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 중에서 하나의 재질로 된 것임을 특징으로 하는 밀폐전지.