KR100346379B1 - Sealed battery - Google Patents
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Abstract
목적 : 과충전이나 기타 원인에 의해 전지가 안전 온도 이상으로 승온될 때 열 폭주 및 폭발을 방지토록 하는 밀폐전지를 제공한다.PURPOSE: To provide a sealed battery that prevents thermal runaway and explosion when the battery is heated above the safe temperature due to overcharge or other causes.
구성 : 정극, 부극, 상기 정극과 부극을 절연하는 세퍼레이터 및 전해액을 포함하는 발전요소와; 상기 발전요소를 수납하며 상기 정극 및 부극 중에서 한 전극과 연결된 각형 캔(2) 및 각형 캔의 개구에 용접되는 캡 플레이트(4)와; 상기 각형 캔과 연결되지 않은 나머지 한 전극이 연결되고, 상기 캡 플레이트를 관통하여 외부로 인출되며 절연체(10a)(10b)에 의해 절연된 인출단자(12)와; 상기 인출단자에서 돌출되어 캡 플레이트쪽을 향하고, 상기 절연체 두께의 반 이하의 크기로 형성된 돌기(16)를 포함하여 이루어진다.Configuration: a power generation element including a positive electrode, a negative electrode, a separator for insulating the positive electrode and the negative electrode and an electrolyte solution; A cap can (4) for receiving the power generating element and being welded to an opening of the rectangular can (2) connected to one of the positive electrode and the negative electrode; A lead terminal 12 connected to the other electrode not connected to the rectangular can, drawn out through the cap plate, and insulated by the insulators 10a and 10b; And a protrusion 16 protruding from the lead terminal toward the cap plate and formed to a size less than half the thickness of the insulator.
효과 : 과충전이나 기타 원인에 의해 전지가 안전 온도 이상으로 승온되면, 절연체의 수축에 의해 돌기와 캡 플레이트가 쇼트되고, 외부 충전장치로부터 공급된 전기가 정극 및 부극으로 공급되지 않고 차단되어 바이패스되므로, 추가적인 전기화학 반을을 방지할 수 있고 안전성을 실현할 수 있다.Effect: When the battery rises above the safe temperature due to overcharging or other causes, the protrusion and the cap plate are shorted by the shrinkage of the insulator, and the electricity supplied from the external charging device is bypassed without being supplied to the positive and negative electrodes, It is possible to prevent additional electrochemical groups and to realize safety.
Description
본 발명은 과충전이나 기타 원인에 의해 전지가 안전 온도 이상으로 승온될 때 작동하여, 전지의 추가적인 전기화학 반응을 억제하므로 안전성을 확보할 수 있도록 한 밀폐전지에 관한 것이다.The present invention relates to an enclosed battery that operates when the battery is raised above a safe temperature due to overcharging or other causes, thereby suppressing further electrochemical reactions of the battery to ensure safety.
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.Sealed batteries are rechargeable and are divided into cylindrical and rectangular in appearance and are classified into nickel-hydrogen (Ni-MH) batteries, lithium (Li) batteries, and lithium-ion (Li-ion) batteries according to positive and negative electrode materials.
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 케이스에 연결되고, 나머지 한 전극은 절연체나 가스켓을 개재하여 상기 케이스에 결합 및 밀봉된 전기연결수단을 이용하여 외부로 연결되므로 전기적인 회로를 구성한다.Such a sealed battery is realized by winding together a separator between a positive electrode and a negative electrode, accommodating such a wound electrode group in a case, injecting electrolyte, and sealing. One electrode of the positive electrode and the negative electrode is connected to the case, and the other electrode is connected to the outside using an electrical connection means coupled to and sealed to the case through an insulator or a gasket to constitute an electrical circuit.
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 반복적으로 충·방전하게 된다.In a sealed battery configured as described above, electrodes such as a positive electrode and a negative electrode are somewhat different depending on the type, but are usually formed by coating an active material on a metal base plate and drying, roll pressing and cutting the same. The positive electrode and the negative electrode thus formed are insulated through a porous separator and stored in the case together with the electrolyte, and are repeatedly charged and discharged by an electrochemical reaction in which ions are removed, inserted, and moved between the active materials of both electrodes. .
충·방전되는 밀폐전지는 전기적인 오용 즉 과충전이나 기타 위험 요소에 의해 내압 상승 및 발열을 수반하게 되는바, 그 상태가 지속될 경우에는 파괴 및 폭발하여 사용자에게 치명적인 손상을 입히게 되므로 그에 대한 안전 대책이 필수적으로 요구된다.Encapsulated batteries that are charged or discharged are accompanied by an increase in internal pressure and heat generation due to electrical misuse, that is, overcharging or other risk factors. If the condition persists, the battery is destroyed and exploded, causing catastrophic damage to the user. It is required.
예를 들어 미국 특허 US 3,815,534, US 4,803,136 및 US 4,842,965 호에는 전지의 내압 상승에 의해 작동하는 안전수단이 소개되어 있다. 이러한 안전수단은 밀폐전지의 내압이 안전 압력 이상으로 상승될 경우 그 압력에 감응하여 전기적인 회로 구성을 차단하거나, 안전변을 파단시켜 내압 및 전해액을 제거하므로 추가적인 전기화학 반응을 억제하여 안전성을 실현한다. 그러나 상기 수단은 유해 전해액을 누출시켜 인체나 전기제품에 치명적으로 작용하는 문제점이 있으며, 또한 발열에 대한 안전대책이 미흡하다.For example, US Pat. Nos. 3,815,534, US 4,803,136 and US Pat. No. 4,842,965 introduce safety measures that operate by increasing the internal pressure of the cell. Such safety measures prevent safety by suppressing additional electrochemical reactions by blocking the electric circuit configuration in response to the pressure when the internal pressure of the sealed battery rises above the safety pressure or by removing the internal pressure and the electrolyte by breaking the safety valve. . However, the above means has a problem in that harmful electrolyte leaks to the human body or an electrical product, and the safety measures against heat generation are insufficient.
또한 종래에는 내부 발열에 감응하여 전기적인 회로 구성을 차단하는 안전수단이 개시되어 있다. 이러한 안전수단의 일 예로서 정극과 부극 사이에 설치되는 다공성 세퍼레이터가 있는데, 이것은 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)In addition, conventionally disclosed safety means for interrupting the electrical circuit configuration in response to the internal heat. An example of such a safety means is a porous separator installed between the positive electrode and the negative electrode. When the temperature inside the case rises above the safety temperature, it closes the pores in response to the temperature and blocks ion movement between both electrodes. Safety is achieved by suppressing electrochemical reaction (shut down phenomenon)
도 1은 종래 공지된 다공성 세퍼레이터의 셧 다운 특성을 보여준다.1 shows a shutdown characteristic of a conventionally known porous separator.
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 하강되므로 안전성을 유지한다.At this time, the sealed battery is a constant current overcharge. As shown in the figure, the temperature of the sealed battery increases as the depth of charge increases, and the temperature rise continues due to the exothermic reaction accompanied by the decomposition of the electrolyte, but the electrochemical reaction occurs due to the shutdown of the separator (SD). This is completed and the peak temperature is lowered to the peak, thereby maintaining safety.
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 화학적 연쇄분해반응(멜트 다운;melt down)을 초래하며, 그 후 열폭주 현상(thermal run away)까지 도달하여 결국 안전성을 상실하고 폭발하게 되는 문제점이 있다.However, in a conventional sealed battery, if the temperature inside the battery is excessively increased beyond the temperature release rate of the case due to unevenness of the separator or other internal short-circuit, the separator itself melts and insulates the positive electrode and the negative electrode before shutdown occurs. When the positive electrode and the negative electrode are shorted, a chemical chain decomposition reaction (melt down) such as decomposition of the negative electrode active material and the electrolyte and decomposition of the positive electrode active material occurs as shown in FIG. There is a problem that reaches the runaway (thermal run away) to eventually lose safety and explode.
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 작아져 안전하게 된다. 보다 구체적으로 정극 활물질과 부극 활물질이 쇼트될 경우 그 저항값은 10∼100mOHm에 도달하며, 이때 전지는 멜트 다운과 열 폭주 현상에 의해 안전성을 상실하고 폭발하게 된다.This melt down phenomenon, especially when the positive electrode active material and the negative electrode active material is short, the heat generation is rapidly increased by the resistance value of the short portion to reach the thermal runaway phenomenon, this phenomenon is particularly shown in the experiment shown in FIG. As a result, when the resistance value of the short portion occurs rapidly in the vicinity of 10 to 100 mOHm, and the short resistance is very large or small, the calorific value is rather small to be safe. More specifically, when the positive electrode active material and the negative electrode active material are shorted, the resistance reaches 10 to 100 mOHm, and the battery loses safety and explodes by melt down and thermal runaway.
앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명은 전지의 발열에 대한 안전대책을 제공하는 것이며, 특히 과충전이나 기타 원인에 의해 전지가 안전 온도를 넘어 급격하게 승온될 때, 저항값이 제로(zero) 혹은 제로에 가까운 부분을 쇼트시킴으로써, 전지 내부에서의 발열량을 낮추고 추가적인 전기화학 반응을 억제함에 그 목적을 두고 있다.In order to solve the problems of the prior art described above, the present invention is to provide a safety measure against the heat generation of the battery, in particular, when the battery is rapidly raised beyond the safe temperature due to overcharge or other causes, the resistance value is zero By shorting zero or near zero, the aim is to lower the calorific value inside the battery and to suppress further electrochemical reactions.
이에 따라 본 발명에서는 정극, 부극, 상기 정극과 부극을 절연하는 세퍼레이터 및 전해액을 포함하는 발전요소와; 상기 발전요소를 수납하며 상기 정극 및 부극 중에서 한 전극과 연결된 케이스와; 상기 케이스와 연결되지 않은 나머지 한 전극이 연결되고, 상기 케이스를 통과하여 외부로 인출되며 절연체에 의해 상기 케이스와 절연된 전기연결수단과; 상기 케이스 내부가 안전 온도 이상으로 승온되면 상기 정극과 상기 부극 사이가 도통되게 하는 열감응 쇼트수단을 포함하는 밀폐전지를 제안한다.Accordingly, the present invention includes a power generation element including a positive electrode, a negative electrode, a separator for insulating the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte solution; A case accommodating the power generation element and connected to one of the positive electrode and the negative electrode; Electrical connection means connected to the other electrode which is not connected to the case, drawn out through the case, and insulated from the case by an insulator; It is proposed a sealed battery including a heat-sensitive short means for conducting between the positive electrode and the negative electrode when the inside of the case is raised above a safe temperature.
여기서 열감응 쇼트수단은 전기연결수단으로부터 돌출되어 케이스쪽을 향하고, 전기연결수단과 케이스 사이에 설치된 절연체 두께의 반 이하의 크기로 돌기를 형성하여 이루어진다. 또 열감응 쇼트수단은 사이에 다공성 세퍼레이터가 설치된 정극 및 부극 중에서 한 전극의 베이스 플레이트에서 나머지 전극의 베이스 플레이트쪽으로 돌기를 형성하여 이루어진다.Here, the heat-sensitive short means protrudes from the electrical connection means toward the case, and is formed by forming a protrusion having a size of less than half the thickness of the insulator provided between the electrical connection means and the case. The heat-sensitive shorting means is formed by forming a projection from the base plate of one electrode to the base plate of the other electrode among the positive electrode and the negative electrode provided with the porous separator therebetween.
상기한 전기연결수단은 케이스를 관통하여 형성된 구멍에 절연체를 개재하여 결합되는 인출단자를 포함한다. 또한 상기 전기연결수단은 케이스의 개구에 가스켓을 개재하여 밀봉되고 케이스 내압에 의해 작동하는 가변 플레이트와, 그 가변플레이트의 아래쪽에 서포트 절연체를 개재하여 설치되며 통기공을 갖는 고정 플레이트를 포함하고, 상기 고정 플레이트는 탭 단자를 이용하여 발전요소의 나머지 한 전극과 연결된 구성을 포함한다.The electrical connection means includes a lead terminal coupled through an insulator in a hole formed through the case. The electrical connection means may include a variable plate sealed through a gasket in the opening of the case and operated by internal pressure of the case, and a fixing plate installed through a support insulator below the variable plate and having a vent therein. The fixed plate includes a configuration connected to the other electrode of the power generation element by using a tab terminal.
도 1은 종래 공지된 밀폐전지의 과충전 상태를 보인 도면.1 is a view showing an overcharge state of a conventionally known sealed battery.
도 2는 종래 공지된 밀폐전지의 멜트 다운 상태를 보인 도면.Figure 2 is a view showing a melt down state of a conventionally known sealed battery.
도 3은 일반적인 밀폐전지의 쇼트 저항 및 발열량 관계를 보인 도면.3 is a view showing a short resistance and a heat generation relationship of a typical sealed battery.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예 1에 의한 밀폐전지를 보인 단면도.4 and 5 are cross-sectional view showing a sealed battery according to a first embodiment of the present invention.
도 6은 실시예 1의 작용을 설명하는 전기 회로도.6 is an electric circuit diagram for explaining the operation of the first embodiment.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 의한 밀페전지를 보인 단면도.7 is a sectional view showing a sealed battery according to a second embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시예 3에 의한 밀폐전지의 전극을 보인 단면도.8 is a cross-sectional view showing an electrode of a sealed battery according to a third embodiment of the present invention.
도 9는 실시예 3에 의한 과충전 상태를 보인 도면.9 is a view showing an overcharge state according to the third embodiment;
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
2-각형 캔 4-캡 플레이트2-square can 4-cap plate
6-케이스 8,24-전극군6-case 8,24-electrode group
10a,10b-절연체 10c,74a-구멍10a, 10b-insulator 10c, 74a-hole
12-인출단자 16,40,76-돌기12-drawer 16,40,76-turn
22-원통형 캔 26-가스켓22-cylindrical cans 26-gaskets
28-가변 플레이트 32-고정 플레이트28-variable plate 32-fixed plate
62,64-베이스 플레이트 70-정극62,64-base plate 70-positive
72-부극 74-세퍼레이터72-Negative 74-Separator
이하, 본 발명을 실현하기 위한 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiment for implementing this invention is demonstrated in detail based on an accompanying drawing.
실시예 1Example 1
도 4는 본 발명의 실시예 1에 관련된 밀폐전지를 보여주고 있다. 참고로 본 발명에서는 밀폐전지의 일 예로서 리튬 이온의 이동에 따라 충, 방전이 이루어지는 이차전지에 대하여 설명한다.4 shows a sealed battery according to Example 1 of the present invention. For reference, the present invention describes a secondary battery in which charging and discharging are performed according to the movement of lithium ions as an example of a sealed battery.
도면에서와 같이 본 발명의 밀폐전지는 각형 캔(2)과 캡 플레이트(4)를 상호 용접 결합하여 외장 케이스(6)를 구성하고, 그 케이스의 내부에는 정극, 부극 및 그 정극과 부극의 사이에 절연된 세퍼레이터를 롤 상으로 권취한 후 압착한 전극군(8)과 함께 전해액을 포함하는 발전요소를 수납하여 이루어진다.As shown in the drawing, the sealed battery of the present invention constitutes an outer case 6 by welding a rectangular can 2 and a cap plate 4 to each other, and inside the case, a positive electrode, a negative electrode, and a space between the positive electrode and the negative electrode. After winding the separator insulated onto the roll, the power generation element including the electrolyte solution is accommodated together with the electrode group 8 that is pressed.
상기 발전요소 중에서 부극(혹은 정극)은 케이스(6)에 연결되고, 나머지 한 전극은 절연체(10a)(10b)를 개재하여 캡 플레이트(4)에 결합 밀봉된 전기연결수단에 연결되어서 전기적인 회로를 구성한다. 전기연결수단은 캡 플레이트(4)의 관통 구멍에 리벳팅되는 것으로 인출단자(12)로 구성되며, 이것은 탭 단자(12)를 이용하여 발전요소 중에서 케이스(6)에 연결되지 않은 나머지 전극과 연결된다.Among the power generation elements, a negative electrode (or a positive electrode) is connected to the case 6, and the other electrode is connected to an electrically connected means sealed to the cap plate 4 via the insulators 10a and 10b to be electrically connected. Configure The electrical connecting means is composed of a lead terminal 12, which is riveted to the through hole of the cap plate 4, which is connected to the other electrode of the power generation element not connected to the case 6 using the tab terminal 12. do.
이렇게 구성된 밀폐전지에서 본 발명은 전기의 오용 즉 과충전이나 기타 원인으로 인해 상기 케이스(6) 내부가 안전 온도 이상으로 급격하게 승온될 때, 그 발열 상태를 감지하여 상기 정극과 부극의 전기적인 연결 회로 중에서 저항값이 제로 혹은 제로에 가까운 부분을 쇼트시켜 추가적인 전기화학 반응을 억제하는 열감응 쇼트수단을 제안한다.In the sealed battery configured as described above, the present invention senses the heating state when the inside of the case 6 is rapidly raised above a safe temperature due to misuse of electricity, ie, overcharge or other causes, and thus, electrically connects the positive and negative electrodes. A thermosensitive short means for shortening a portion having a resistance value of zero or near zero to suppress an additional electrochemical reaction is proposed.
본 실시예에서 열감응 쇼트수단은 전기연결수단인 인출단자(12)로부터 캡 플레이트(4)쪽을 향하여 돌출 형성된 돌기(16)이다. 돌기(16)는 인출단자(12)와 캡 플레이트(4) 사이에 설치된 절연체(10a) 두께의 반 이하의 크기로 형성되며, 상기 절연체(10a)를 뚫고 들어가거나 도 5와 같이 절연체(10a)에 형성된 구멍(10c)으로 삽입되도록 설치할 수 있다.In this embodiment, the heat-sensitive short means is a protrusion 16 protruding toward the cap plate 4 from the lead terminal 12, which is an electrical connection means. The protrusion 16 is formed to a size less than half the thickness of the insulator 10a provided between the lead terminal 12 and the cap plate 4, and penetrates the insulator 10a or the insulator 10a as shown in FIG. It can be installed to be inserted into the hole (10c) formed in.
예를 들어 상기 절연체(10a)의 재질로는 80∼120℃ 온도에서 수축하는 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌를 사용하는 것이 좋으며, 이때 돌기(16)의 크기는 절연체(10a) 두께의 20% 이하로 형성하는 것이 바람직하다.For example, as the material of the insulator 10a, it is preferable to use polypropylene and polyethylene that shrink at a temperature of 80 to 120 ° C. In this case, the size of the protrusion 16 is formed to be 20% or less of the thickness of the insulator 10a. desirable.
이렇게 형성된 돌기(16)는 전지의 정전류 과충전시 케이스 내부의 발열이 급격하게 이루어져 멜트 다운 온도를 넘어설 때, 상기 절연체(10a)가 수축됨에 의해 캡 플레이트(4)와 접촉 및 쇼트되어진다. 이때 돌기(16)와 캡 플레이트(4)는 금속 재질로 되어 있어 저항값이 제로 혹은 제로에 가깝게 되며, 그 결과 전지의 충전 회로는 도 6과 같이 구성되어진다.The protrusion 16 thus formed is in contact with and shorted with the cap plate 4 by contracting the insulator 10a when the heat generation inside the case suddenly exceeds the melt-down temperature during the constant current overcharging of the battery. At this time, the protrusion 16 and the cap plate 4 are made of a metal material, and thus the resistance value becomes zero or close to zero. As a result, the battery charging circuit is configured as shown in FIG.
즉, 내부 발열에 의해 쇼트된 캡 플레이트(4)와 인출단자(12)의 사이에는 새로운 회로 라인이 구성되며, 그 라인은 정극과 부극 사이의 저항값에 비해 제로 혹은 제로에 가까울 정도로 작기 때문에, 외부로부터 공급되는 전류는 모두 캡 플레이트(4)와 인출단자(12)를 통해 바이패스된다. 따라서 케이스 내부의 발전요소로 유입되는 전류는 차단되며, 그 결과 정극과 부극은 추가적인 전기화학 반응이 중지되고 발열이 멈추게 되며 안전 상태를 유지하게 된다.That is, a new circuit line is formed between the cap plate 4 and the lead terminal 12 shorted by internal heat generation, and since the line is small enough to be close to zero or zero compared to the resistance value between the positive electrode and the negative electrode, All of the current supplied from the outside is bypassed through the cap plate 4 and the lead terminal 12. Therefore, the current flowing into the power generation element inside the case is cut off, and as a result, the positive electrode and the negative electrode stop additional electrochemical reactions, stop heating, and maintain a safe state.
실시예 2Example 2
도 7는 본 발명의 실시예 2에 관련된 밀폐전지이다. 본 실시예의 밀폐전지는 리튬 이온의 이동에 따라 충, 방전이 이루어지는 것이며, 원통형 구조를 갖는다.7 is a sealed battery according to Embodiment 2 of the present invention. The sealed battery of this embodiment is charged and discharged as the lithium ions move, and has a cylindrical structure.
도시한 바와 같이 본 발명의 밀폐전지는 외장 케이스로 원통형 캔(22)을 사용하고, 그 원통형 캔(22)의 내부에는 정극, 부극 및 그 정극과 부극의 사이에 절연된 세퍼레이터를 롤 상으로 권취한 전극군(24)과 함께 전해액을 포함하는 발전요소를 수납하며, 상기 원통형 캔(22)의 개구에 전기연결수단을 밀봉한 구조로 이루어진다.As shown, the sealed battery of the present invention uses a cylindrical can 22 as an outer case, and inside the cylindrical can 22 a positive electrode, a negative electrode and a separator insulated between the positive electrode and the negative electrode are wound on a roll. A power generation element including an electrolyte is accommodated together with one electrode group 24, and the electrical connection means is sealed in the opening of the cylindrical can 22.
상기 전기연결수단은 원통형 캔(22)의 비이드(22a)에 절연체로서 가스켓(26)을 개재하여 밀봉되고 전지 내압에 의해 작동하는 가변 플레이트(28)와, 그 가변 플레이트(28)의 아래쪽에 서포트 절연체(30)를 개재하여 설치되고 통기공(32a)을 갖는 고정 플레이트(32)로 구성된다.The electrical connecting means is a variable plate 28 sealed via a gasket 26 as an insulator to the bead 22a of the cylindrical can 22 and operated by battery internal pressure, and below the variable plate 28. It is comprised by the fixing plate 32 provided through the support insulator 30, and having the ventilation hole 32a.
고정 플레이트(32)는 탭 단자(34)를 이용하여 발전요소 중에서 정극(혹은 부극)과 연결되고, 나머지 한 전극은 도시 생략한 탭 단자 혹은 직접 접촉 방식에 의해 원통형 캔(22)과 연결되어 전기적인 회로를 구성한다.The fixing plate 32 is connected to the positive electrode (or negative electrode) of the power generation element by using the tab terminal 34, and the other electrode is connected to the cylindrical can 22 by a tab terminal or a direct contact method (not shown) to be electrically connected. Construct a circuit.
한편 상기한 가변 플레이트(28)의 상부에는 전류제한기(36)(PTC)와 캡 커버(38)를 적층할 수 있으며, 캡 커버(38)는 통기공(38a)을 구비하여 이루어진다.Meanwhile, the current limiter 36 (PTC) and the cap cover 38 may be stacked on the upper portion of the variable plate 28, and the cap cover 38 includes an air vent 38a.
이렇게 구성된 밀폐전지에서 본 발명은 전기의 오용 즉 과충전이나 기타 원인으로 인해 전지 내부가 안전 온도 이상으로 급격하게 승온될 때, 열감응 쇼트수단을 이용하여 그 발열 상태를 감지하고 상기 정극과 부극의 전기적인 연결 회로 중에서 저항값이 제로 혹은 제로에 가까운 부분을 쇼트시켜 추가적인 전기화학 반응을 억제한다.In the sealed battery configured as described above, when the inside of the battery is rapidly heated above a safe temperature due to misuse of electricity, ie, overcharging or other causes, the heat-sensitive short means senses the heat generated and the electricity of the positive electrode and the negative electrode In short, the resistance of the connection circuit is shorted to zero or near zero to suppress further electrochemical reactions.
본 실시예에서 열감응 쇼트수단은 전기연결수단인 가변 플레이트(28)로부터 원통형 캔(22)쪽을 향하여 돌출 형성된 돌기(40)이다. 돌기(40)는 가변 플레이트(28)와 원통형 캔(22)의 사이에 설치된 절연체인 가스켓(26) 두께의 반 이하의 크기로 형성되며, 상기 절연체를 뚫고 들어가거나 그 절연체에 구멍을 형성한 후 삽입 설치할 수 있다.In the present embodiment, the heat-sensitive short means is a protrusion 40 protruding toward the cylindrical can 22 from the variable plate 28, which is an electrical connection means. The protrusion 40 is formed to a size less than half the thickness of the gasket 26, which is an insulator installed between the variable plate 28 and the cylindrical can 22, and then penetrates the insulator or forms a hole in the insulator. Insert can be installed.
절연체인 가스켓(26)은 80∼120℃ 온도에서 수축하는 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌을 사용하는 것이 좋으며, 이때 돌기(40)의 크기는 절연체 두께의 30% 이하로 형성하는 것이 바람직하다.As the insulator, the gasket 26 may be made of polypropylene and polyethylene which shrink at a temperature of 80 to 120 ° C., and the size of the protrusion 40 may be 30% or less of the thickness of the insulator.
이렇게 구성된 본 실시예의 밀폐전지에서 가변 플레이트(28)의 돌기(40)는 전지의 정전류 과충전시 발열이 급격하게 이루어져 내부가 멜트 다운 온도를 넘어설 때, 상기 절연체가 수축됨에 의해 원통형 캔(22)과 쇼트된다. 이때 돌기(40)와 원통형 캔(22)은 금속 재질로 되어 있어 저항값이 제로 혹은 제로에 가깝게 되며,그 결과 전지의 충전 회로는 실시예 1에서 설명한 바와 같이 새로운 전기 라인을 구성하게 된다. 그 전기 라인은 정극과 부극 사이의 저항값에 비해 제로 혹은 제로에 가까울 정도로 작으며, 그 결과 외부로부터 공급되는 전류는 모두 가변 플레이트(28)의 돌기(40)와 원통형 캔(22)으로 형성된 전기 라인을 통해 바이패스된다. 따라서 케이스 내부의 발전요소로 유입되는 전류는 차단되고, 정극과 부극은 추가적인 전기화학 반응이 중지되며 발열이 멈추고 안전 상태로 된다.The protrusion 40 of the variable plate 28 in the sealed battery of the present embodiment configured as described above has a cylindrical can 22 due to shrinkage of the insulator when the inside of the variable plate 28 suddenly generates heat when the battery overcurrents the melt down temperature. And short. At this time, the protrusion 40 and the cylindrical can 22 are made of a metal material so that the resistance value becomes zero or close to zero. As a result, the charging circuit of the battery forms a new electric line as described in the first embodiment. The electric line is small enough to be close to zero or close to zero in relation to the resistance value between the positive electrode and the negative electrode, so that the current supplied from the outside is formed by the projection 40 of the variable plate 28 and the cylindrical can 22. Bypass through the line. Therefore, the current flowing into the power generation element inside the case is cut off, the positive electrode and the negative electrode stop the further electrochemical reaction, the heat generation stops and is in a safe state.
실시예 3Example 3
도 8은 본 발명의 실시예 3을 설명하는 것으로 밀폐전지를 구성하는 전극을 보여주고 있다. 본 실시예의 밀폐전지는 실시예 1과 같이 리튬 이온의 이동에 따라 충, 방전이 이루어지며 각형 구조를 갖는다.FIG. 8 illustrates the third embodiment of the present invention and shows electrodes forming a sealed battery. The sealed battery of this embodiment is charged and discharged in accordance with the movement of lithium ions as in Example 1, and has a rectangular structure.
본 실시예에서 발전요소를 구성하는 전극은 금속 재료로 된 베이스 플레이트(62)(64)에 전극 활물질(66)(68)을 도포하고, 이것을 건조, 롤 프레스한 후 압축하여 전극판을 제조하고 전지 규격에 맞추어 절단하여 형성한다.In the present embodiment, the electrode constituting the power generating element is coated with electrode active materials 66 and 68 on the base plates 62 and 64 made of a metal material, and dried, rolled, and then compressed to produce an electrode plate. It is formed by cutting according to the battery standard.
상기 전극은 베이스 플레이트(62)(64)의 종류와 활물질에 따라 정극 및 부극으로 나누어지는바, 정극(70)의 경우에는 베이스 플레이트(62)로 알루미늄(Al)을 사용하고 활물질(66)로 리튬-천이금속산화물을 사용하며, 부극(72)은 베이스 플레이트(64)로 구리(Cu)를 사용하고 활물질(68)로 탄소 혹은 탄소복합체를 사용하여 이루어진다. 정극(70)과 부극(72)은 사이에 다공성 세퍼레이터(74)를 개재하여 함께 권취하므로 전극군을 형성하고 이후 전해액과 함께 케이스 내부에 수납 및 밀봉되어 발전요소를 구성한다.The electrode is divided into a positive electrode and a negative electrode according to the types and active materials of the base plates 62 and 64. In the case of the positive electrode 70, aluminum (Al) is used as the base plate 62 and the active material 66 is used. A lithium-transition metal oxide is used, and the negative electrode 72 is made of copper (Cu) as the base plate 64 and carbon or a carbon composite material as the active material 68. Since the positive electrode 70 and the negative electrode 72 are wound together with a porous separator 74 interposed therebetween to form an electrode group, and then housed and sealed together with the electrolyte to form a power generation element.
이렇게 구성된 발전요소를 포함하는 밀폐전지에서 본 발명은 전기의 오용 즉 과충전이나 기타 원인으로 전지 내부의 온도가 급격하게 승온될 때, 그 발열 상태를 감지하고 상기 정극과 부극의 전기적인 연결 회로 중에서 저항값이 제로 혹은 제로에 가까운 부분을 쇼트시켜 추가적인 전기화학 반응을 억제토록 하는 열감응 쇼트수단을 제안한다.In the sealed battery including the power generation element configured as described above, the present invention senses the heat state when the temperature inside the battery is rapidly increased due to the misuse of electricity, ie, overcharge or other causes, and the resistance among the electrical connection circuits between the positive electrode and the negative electrode. A thermosensitive shorting means is proposed that shortens the value of zero or near zero to suppress further electrochemical reactions.
열감응 쇼트수단은 전극군을 형성하는 정극(70) 및 부극(72)의 권취 시작부 및 끝단부에서 활물질이 도포되지 않은 베이스 플레이트(62)(64)를 상호 대향 배치하되, 양 전극 중에서 한쪽 전극의 베이스 플레이트(62)(64)에서 반대쪽 전극을 향하여 돌출 형성된 돌기(76)로 구성한다. 돌기(76)는 정극과 부극 사이에 설치되는 다공성 세퍼레이터(74) 두께의 반 이하의 크기로 형성되며, 그 세퍼레이터(74)를 뚫고 들어가거나 세퍼레이터(74)에 형성된 구멍(74a)으로 삽입 설치된다.The thermosensitive shorting means mutually arranges the base plates 62 and 64 which are not coated with the active material at the winding start and end portions of the positive electrode 70 and the negative electrode 72 which form the electrode group, and one of the two electrodes is disposed opposite to each other. The protrusions 76 are formed to protrude from the base plates 62 and 64 of the electrode toward the opposite electrode. The protrusion 76 is formed to a size less than half the thickness of the porous separator 74 provided between the positive electrode and the negative electrode, and is installed through the separator 74 or inserted into the hole 74a formed in the separator 74. .
다공성 세퍼레이터(74)는 80∼120℃ 온도에서 수축하는 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌을 사용하는 것이 좋으며, 이때 돌기(76)의 크기는 세퍼레이터 두께의 20% 이하로 형성하는 것이 바람직하다.The porous separator 74 is preferably made of polypropylene and polyethylene shrinkage at a temperature of 80 ~ 120 ℃, the size of the projection 76 is preferably formed to 20% or less of the thickness of the separator.
이렇게 구성된 본 실시예의 밀폐전지에서 베이스 플레이트(62)(64)에서 돌출된 돌기(76)는 과충전, 세퍼레이터의 불균일 및 기타 원인에 의해 전지 내부의 온도가 급격하게 승온되고, 그 원인으로 세퍼레이터(10)가 셧 다운되기 전에 멜트 다운 온도까지 상승하여 그 자체가 녹거나 수축되면 반대쪽 전극의 베이스 플레이트에 쇼트되어진다.In the sealed battery of this embodiment configured as described above, the protrusions 76 protruding from the base plates 62 and 64 rapidly increase the temperature inside the battery due to overcharge, non-uniformity of the separator, and other causes. ) Rises to the meltdown temperature before it shuts down, and when it melts or shrinks itself, it shorts to the base plate of the opposite electrode.
그 결과 본 실시예의 정극과 부극은 금속 재질로 된 베이스 플레이트(62)(64)가 직접 접촉되어, 쇼트 부분의 저항값이 1mOHm 이하로 형성되며, 이것은 도 3의 실험 결과에서와 같이 1W 이하의 발열량을 유지하는 효과를 얻을 수 있다.As a result, in the positive electrode and the negative electrode of the present embodiment, the base plates 62 and 64 made of metal are in direct contact with each other, and the resistance of the short portion is formed to be 1 mOHm or less, which is 1 W or less as in the experimental result of FIG. The effect of maintaining the calorific value can be obtained.
이와 같은 열감응 쇼트수단의 작용을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 밀폐전지는 도 9에 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 현상에 의해 전기화학 반응이 종료되어 피크 온도를 정점으로 하강되어 안전성을 유지하게 된다. 그러나 앞서 설명한 과충전, 세퍼레이터의 불균일 및 기타 원인에 의해 전지의 온도가 케이스의 온도 방출 속도를 넘어 지나치게 상승하고 전압(V)이 12V까지 급상승하게 되면, 본 실시예의 작용에 의해 정극 및 부극 중에서 한 전극의 베이스 플레이트에 형성된 돌기(76)가 나머지 전극의 베이스 플레이트게 쇼트되고, 그 결과 전압(V)이 제로의 상태로 되므로 발열량이 줄고 전지의 온도가 피크 온도를 정점으로 하강되어서 열 폭주 및 폭발을 방지하게 되는 것이다.Referring to the action of the thermally sensitive short means in more detail as follows. First, as shown in FIG. 9, the temperature of the sealed battery increases as the depth of charge increases during the constant current overcharging, and the temperature rise is continued by the exothermic reaction accompanied by the decomposition of the electrolyte. As a result, the electrochemical reaction is terminated and the peak temperature is lowered to the peak to maintain safety. However, if the temperature of the battery rises too much beyond the temperature release rate of the case and the voltage V rises to 12V due to the overcharge, the nonuniformity of the separator, and other causes described above, one of the positive and negative electrodes The projections 76 formed on the base plate of the circuit are shorted to the base plate of the remaining electrodes, and as a result, the voltage V becomes zero, so that the amount of heat is reduced and the temperature of the battery is lowered from the peak temperature to the peak of thermal runaway and explosion. Will be prevented.
이상에서 설명한 실시예를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 과충전이나 기타 원인에 의해 밀폐전지가 안전 온도 이상으로 발열할 때, 그 온도에 감응하여 저항값이 제로 혹은 제로에 가까운 부분을 쇼트시켜, 외부 충전장치로부터 공급되는 전류를 바이패스시킴으로써 전지의 추가적인 전기화학 반응을 억제하는 것이며, 그 결과 열 폭주 및 폭발을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.As can be seen through the embodiments described above, when the sealed battery generates heat above the safe temperature due to overcharging or other causes, the resistance value is shorted to zero or close to zero in response to the temperature. By bypassing the current supplied from the external charging device, it is possible to suppress further electrochemical reaction of the battery, and as a result, an effect of preventing thermal runaway and explosion can be obtained.
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