KR100378020B1 - 폴리올레핀계 수지제 안전판을 이용한 리튬 이온 전지 - Google Patents

Abstract

비수성(非水性) 전해액을 사용하는 리튬 이온 전지의 경우 과충전과 같은 오용으로 인해 폭발의 위험성이 상존한다. 그와 같은 경우에 대비하여 본 발명에서는 리튬 이온 전지의 캡 부위에 폴리올레핀계 수지 안전판을 설치하여 안전판 제작에 드는 부품 단가를 줄였으며, 전지 내부의 압력이 상승할 경우 안전판이 팽창하여 소정의 임계 압력에서 폴리올레핀 수지 안전판이 파쇄되어 내부 압력을 방출하게 하여 리튬 이온 전지의 안전성을 향상시켰다. 또한, 캡 부위의 두께를 감소시켜 전지 캔의 비딩 높이를 좀 더 위쪽으로 상승 가능하게 하여 극판의 폭을 늘려 전지 용량을 증가시켰다.

Description

폴리올레핀계 수지제 안전판을 이용한 리튬 이온 전지{Li-ION BATTERY USING SAFETY VENT OF POLYOLEFIN RESIN}

본 발명은 폴리올레핀계 합성 수지제 안전판을 구비한 리튬 이온 전지에 관한 것이다. 본 발명은 특히 종래 전지에서 안전판이 차지하던 공간을 대폭 축소함과 동시에 구조를 단순화하고 하부 안전판에 사용하는 재질에 폴리올레핀계 수지를 채용함으로써, 부품 축소에 따른 공정 단축 및 제조 원가 절감을 이룰 수 있다.

휴대용 전자 기기의 소형화 경량화 추세에 따라 리튬 이온 전지의 사용 또한 급격히 증가되고 있다. 그러나, 리튬 이온 전지에서의 리튬 금속의 덴드라이트 경향 및 비수성 전해액을 사용하기 때문에 폭발의 위험성이 항상 존재하고 있고, 그에 따라 전지 내부 및 외부에 적용하는 많은 안전 기구가 고안되고 있다. 이러한 안전 기구 중에서 안전판은 전지가 이상 작동할 경우 전류를 차단한거나 전지 내부의 압력을 외부로 유출시켜 전지가 폭발하는 것을 막는 기구로서 전지 상부에 위치한다.

그러나, 전지의 안전한 사용을 위해 이러한 안전판의 채용이 불가피하지만, 전지 상부에 사용되는 안전판 부품들의 두께 및 재질로 인한 제약 때문에 쉽게 전극의 폭을 늘리거나 전지 제조 비용을 낮추기가 힘들다.

본 발명의 목적은 종래 전지에서 안전판이 차지하는 공간을 대폭 축소함과 동시에 구조를 단순화하고, 상하부 안전판에 사용하는 재질에 폴리올레핀계 수지를 채용함으로써, 상기한 전지 설계상의 난점을 극복하고 안전판의 기능을 유지하는 효율적인 전지 안전판의 구조를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 리튬 이온 전지 안전판의 단면도.

도 2a 및 2b는 안전판에 사용된 폴리올레핀계 수지의 평면도 및 단면도.

도 3a 및 3b는 폴리올레핀계 수지 안전판 지지 상, 하부 알루미늄판의 평명도 및 단면도.

도 4a 및 4b는 1차 알루미늄 호일의 평면도 및 단면도.

도 5는 1차 알루미늄 호일이 단락된 단면도.

도 6은 2차 폴리올레핀계 수지 안전판이 파쇄된 상태의 단면도.

도 7은 알루미늄 호일 및 폴리올레핀 수지 안전판의 파쇄 압력을 나타낸 도면.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 : 상부 캡

2 : 가스 방출을 위한 구멍

3 : 정온도 계수(PTC) 요소

4 : 1차 알루미늄 호일

5 : 2차 폴리올레핀계 수지 안전판

6 : 안전판 지지 하부 알루미늄 판

7 : 안전판 지지 상부 알루미늄 판

8 : 개스킷

9 : 정극 단자

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명의 범위가 도면에 의하여 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 안전판의 단면도이다. 먼저, 내부 하측에 걸림환턱이 형성되고, 이 걸림환턱 하부가 개방된 개스킷(8)의 걸림환턱 상부에는 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이 중앙에 구멍이 형성된 원판 형상의 안전판지지 하부 알루미늄 판(6)이 장착 결합되며, 이 안전판지지 하부 알루미늄 판(6)의 하부 일측에는 정극 단자(9)가 연결된다. 여기서, 알루미늄 판(6)의 하부 일측과 정극 단자(9)는 초음파 또는 레이저 용접으로 연결된다.

안전판지지 하부 알루미늄 판(6)의 상부면에는 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 원주면 일측이 `ㄷ' 자 모양으로 절개된 원판 형상의 2차 폴리올레핀계 수지 안전판(5)이 장착 결합된다.

그리고, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 판상인 1차 알루미늄 호일(4)은 2차 폴리올레핀계 수지 안전판(5)의 절개부에 겹쳐지게 장착 결합된다. 1차 알루미늄 호일(4) 상부에는 원판 형상의 안전판지지 상부 알루미늄 판(7)이 장착 결합되고, 안전판지지 상부 알루미늄 판(7)의 상부면에는 고전류 방지용인 정온도 계수(PTC: positive temperature coefficient) 요소(3)가 장착 결합된다. 원주면에 가스 방출을 위한 구멍(2)을 가지는 상부 캡(1)은 정온도 계수 요소(3)의 상부면에 하부가 장착 결합된다.

상기와 같이 조립된 안전판은 비딩(beading)되어 캔(can)의 상부에 넣고, 크림핑(crimping)하여 강한 접촉에 의한 전류의 통로를 만들어 주어 불필요한 상부 용접 공정을 제거하였다.

이와 같이 구성된 안전판의 작용은 전지 이상 반응으로 인한 전지의 내압이 상승하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 2차 폴리올레핀계 수지 안전판(5)이 위쪽으로 상승 팽창되며, 이때 2차 폴리올레핀계 수지 안전판(5) 상면에 장착 결합된 일정 폭을 갖는 1차 알루미늄 호일(4)이 단락되어 전류가 차단된다. 일반적인 경우에는 전류 차단에 의하여 더 이상의 전지 내부 압력 상승이 없으므로 본 발명의 안전판은 전지 내부 물질의 유출없이 전지의 작동을 정지시킨다. 그러나, 전류 차단에도 불구하고 전지 내부 압력이 계속 증가할 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이 2차 폴리올레핀계 수지 안전판(5)이 일정 길이까지 늘어나며 일정 압력에 도달하면 파쇄되어 전지 내의 가스를 상부 캡(1)의 가스 방출을 위한 구멍(2)을 통하여 외부로 방출시켜 전지가 폭발하는 것을 방지한다.

실시예 1

폴리올레핀계 수지 안전판 제작 방법 및 실험 방법은 다음과 같다.

첫째, 0.1 mm 두께의 폴리올레핀계 수지 중에서 15 kgf/㎠ ± 2 kgf/㎠에서 파쇄되는 수지를 선정하였다.

둘째로, 원하는 압력에서 일정하게 폴리올레핀계 수지가 파쇄될 수 있는 안전판을 지지하는 알루미늄판의 중앙 구멍의 크기를 선정하였다.

셋째로, 일정 압력 하에서 단락되는 단락 알루미늄 호일의 두께 및 폭 사이즈를 결정하였다.

이와 같이 선정된 부품들을 사용하여 파쇄압력 시험을 한 결과 도 7에 도시된 바와 같다.

본 발명은 종래 전지에서 안전판이 차지하던 공간을 대폭 축소함과 동시에 구조를 단순화하고, 상하부 안전판에 사용하는 재질에 폴리올레핀계 수지를 채용함으로써, 부품 축소에 따른 공정 단축 및 제조 원가 절감을 이룰 수 있다. 그리고, 1차, 2차의 2중 시스템으로 안전판을 만든 결과 전지의 안전판 작동에 따른 전지 내부 물질 유출로 인한 전자기기의 훼손과 인체에 대한 직접적인 접촉을 막을 수 있다.

Claims (3)

1. 리튬 이온 전지의 안전판에 있어서,

   a) 내부 하측에 걸림환턱이 형성되고 이 걸림환턱 하부가 개방된 개스킷;

   b) 상기 개스킷의 걸림환턱 상부면에 장착 결합되고, 중앙에 구멍이 형성된 원판 형상의 안전판을 지지하는 하부 알루미늄 판;

   c) 상기 안전판을 지지하는 하부 알루미늄 판의 상부면에 장착 결합되고, 원주면 일측이 `ㄷ' 자 모양으로 절개된, 파쇄 압력이 15 kgf/㎠ ± 2 kgf/㎠인 원판 형상의 2차 폴리올레핀계 수지 안전판;

   d) 상기 2차 폴리올레핀계 수지 안전판의 절개부에 겹쳐지게 장착 결합되고, 파쇄 압력이 7∼10 kgf/㎠인, 판상의 1차 알루미늄 호일;

   e) 상기 1차 알루미늄 호일 상부에 장착 결합되고, 중앙에 구멍이 형성된 원판 형상의 안전판지지 상부 알루미늄 판;

   f) 상기 안전판을 지지하는 상부 알루미늄 판의 상부면에 장착 결합되는 정온도 계수 요소;

   g) 상기 정온도 계수 요소의 상부면에 하부가 장착 결합되고, 원주면에는 가스 방출을 위한 구멍을 갖춘 상부 캡; 및

   h) 상기 안전판을 지지하는 하부 알루미늄 판 하부 일측에 연결되는 정극 단자

   를 포함하는 리튬 이온 전지의 폴리올레핀계 수지 안전판.
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