KR100399343B1 - Lithium ion battery with current interrupt device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 특히 전지 내부 압력 상승시 전류의 흐름을 차단시키고 가스를 외부로 배출시킬 수 있도록 된 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a secondary battery, and more particularly, to a lithium ion battery equipped with a current blocking device that blocks current flow and discharges gas to the outside when the pressure inside the battery increases.
최근에 들어, 고성능 노트북 컴퓨터와 무선 전화기의 보급이 확대됨에 따라 높은 에너지 밀도를 갖는 고성능 이차전지의 수요가 폭발적으로 증대되고 있으며, 이러한 이차전지로 탄소질 음극과, 리튬 금속 산화물 양극 그리고 폴리올레핀 분리막으로 구성된 리튬이온 전지가 전세계적으로 널리 생산, 이용되고 있는 실정이다.Recently, the demand for high-performance secondary batteries with high energy density has exploded with the expansion of high-performance notebook computers and cordless phones. Such secondary batteries include carbonaceous anodes, lithium metal oxide anodes, and polyolefin separators. Configured lithium ion battery is a situation that is widely produced and used around the world.
그러나 상기 리튬이온 전지는 전지의 작동 전위가 높기 때문에 고에너지가 순간적으로 흐를 수 있고, 음극표면에서 리튬금속의 덴드라이트(dendrite)상이 형성되어 전지의 안전성이 떨어지는 결점을 가지고 있다.However, since the lithium ion battery has a high operating potential of the battery, high energy may flow instantaneously, and a dendrite phase of lithium metal is formed on the negative electrode surface, thereby degrading the safety of the battery.
또한 상기 전지에 사용되는 양극 물질들은 과충전시 화학적인 활성이 크게 증대되기 때문에, 전해질과 급격히 반응하여 다량의 가스를 발생함으로서 전지 내압을 급격히 상승시켜, 심한 경우 전지가 폭발될 가능성도 제시되어 있다.In addition, since the positive electrode materials used in the battery greatly increase the chemical activity during overcharging, it is suggested that the battery may explode in severe cases by rapidly increasing the internal pressure of the battery by rapidly reacting with the electrolyte and generating a large amount of gas.
따라서 전지의 안전성에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 각 전지 제조사들은 전지의 내압상승시 가스를 적절히 배출시킬 수 있도록 된 고유의 안전밸브를 전지에 설치하게 되었다.Therefore, a lot of research on the safety of the battery is in progress, each battery manufacturer has installed a unique safety valve in the battery to be able to properly discharge the gas when the internal pressure rise of the battery.
이러한 안전밸브는 극판군이 삽입되어 있는 캔으로 음극단자를 이루기 때문에 통상 상기 캔의 상측 개구부에 결합되는 양극단자인 캡어셈블리에 설치되게 된다.Since the safety valve forms a negative electrode terminal with a can into which the pole plate group is inserted, the safety valve is usually installed in a cap assembly, which is a positive terminal coupled to an upper opening of the can.
따라서 캡어셈블리는 전지의 내부 압력이 규정치 이하를 유지할 때, 전지의내부가 밀폐되도록 하는 밀봉 작용만을 하게 되지만, 전지의 내부 압력이 규정치 이상으로 올라가게 되면, 안전밸브에 의해 가스가 캔 외부로 배출되도록 함으로써, 전지의 내압이 규정치 이하로 떨어지도록 조절하게 된다.Therefore, the cap assembly only serves to seal the inside of the battery when the internal pressure of the battery is lower than the specified value. However, when the internal pressure of the battery rises above the specified value, the gas is discharged to the outside of the can by the safety valve. By doing so, the internal pressure of the battery is adjusted to fall below a prescribed value.
그러나 상기와 같이 안전밸브가 구비된 종래의 캡 어셈블리는 그 기능에 비하여 구조가 복잡하고 또한 전지에 있어서 차지하는 부피가 커서 전지의 최적설계에 부담이 되는 문제점이 있다.However, the conventional cap assembly provided with a safety valve as described above has a problem in that the structure is complicated and its volume occupies a large amount in the battery, which burdens the optimum design of the battery.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전지 내부압력 상승시 일차적으로 전류의 흐름을 차단시키고 추가적인 압력 상승시 이차적으로 가스를 외부에 배출시켜 전지의 폭발을 방지할 수 있도록 된 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, it is possible to prevent the explosion of the battery by first blocking the flow of current when the internal pressure of the battery rises and the secondary discharge of gas to the outside when the additional pressure rises. It is an object of the present invention to provide a lithium ion battery equipped with a current interrupt device.
또한 본 발명은 구조를 단순화시켜 부품 제작이 용이하고 조립공정을 단축시킬 수 있도록 된 캡 어셈블리를 제공함에 또다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a cap assembly that can simplify the structure and shorten the assembly process.
도 1은 본 발명에 따른 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지를 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view showing a lithium ion battery equipped with a current blocking device according to the present invention;
도 2는 본 발명의 캡 어셈블리에 장착되는 안전밸브만을 도시한 사시도,Figure 2 is a perspective view showing only the safety valve mounted to the cap assembly of the present invention,
도 3은 본 발명의 캡 어셈블리에 장착되는 금속 차단판을 도시한 사시도,3 is a perspective view showing a metal blocking plate mounted to the cap assembly of the present invention,
도 4는 본 발명의 작용 상태도이다.4 is an operational state diagram of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 상부캡 12 : 구멍10: upper cap 12: hole
20 : 상부개스킷 30 : 정온도계수판20: upper gasket 30: positive temperature coefficient plate
40 : 금속판 42,44 : 노치40: metal plate 42, 44: notch
46 : 홈 50 : 금속 차단판46: groove 50: metal block
52 : 구멍 54 : 돌출부52: hole 54: protrusion
60 : 하부 개스킷60: lower gasket
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 캡어셈블리 내부에 가스 방출용 안전밸브와 전류차단수단을 구비하여 전류차단과 가스 방출이 순차적으로 이루어져 안전성을 증대시키고 전류차단 후 재통전의 가능성을 배제할 수 있도록 함에 그 특징이 있다.In order to achieve the above object, the present invention includes a gas discharge safety valve and a current blocking means inside the cap assembly, so that the current blocking and the gas discharge are sequentially performed to increase safety and eliminate the possibility of re-energization after the current blocking. It is characterized by the ability to do so.
이하 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 캡 어셈블리가 설치된 이차전지를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a secondary battery in which a cap assembly according to the present invention is installed.
도시된 바와 같이 상기 전지는 캔(70) 내부에 극판군(도시되지 않음)을 삽입하고 이에 전해액을 주입하며, 상기 캔(70)의 개구부로는 이 캔(70)의 내부가 밀폐되도록 캡 어셈블리를 장착하여 구성되고 있다.As shown, the battery inserts a group of electrode plates (not shown) into the can 70 and injects an electrolyte therein, and the cap assembly includes an opening of the can 70 to seal the inside of the can 70. It is configured by mounting.
여기서 본 발명인 상기 캡 어셈블리는, 캔(70)의 상부 비딩부위에 안착되는 기밀유지용 개스킷(20) 내부에 상부캡(10)과 캔(70) 내부압력을 저하시키기 위한 안전밸브가 밀착 설치되고, 이 개스킷(20) 하부에는 상기 안전밸브와 연동작동되는 전류차단수단이 설치된 구조로 되어 있다.Wherein the cap assembly of the present invention, the safety valve for lowering the internal pressure of the upper cap 10 and the can 70 is in close contact with the airtight gasket 20 seated on the upper beading portion of the can 70 The lower part of the gasket 20 has a structure in which a current blocking means interlocked with the safety valve is installed.
여기서 상기 상부캡(10)은 중앙부가 상방으로 돌출형성되고, 돌출부위 주변을 따라 캔(70) 내부의 가스가 배출되는 구멍(12)이 다수개 형성된 구조로 되어 있다.The upper cap 10 has a structure in which a central portion protrudes upward and a plurality of holes 12 through which gas in the can 70 is discharged along the periphery of the protruding portion.
상기 안전밸브는 도 2에 도시된 바와 같이, 전류가 통하는 박막의 금속판(40)으로서, 금속판(40)의 중앙부를 함몰시켜 홈(46)을 형성시키고, 이 홈(46)의 상,하절곡부위에는 각각 깊이를 달리하는 노치(42,44)를 형성시키되, 상기 노치(42,44) 중 상부에 형성되는 노치(42)는 폐곡선을 이루도록 하고, 하부에 형성되는 노치(44)는 일측이 개방된 개곡선으로 이루어진 구조로 되어 있다.As shown in FIG. 2, the safety valve is a thin metal plate 40 through which a current flows, and recesses a central portion of the metal plate 40 to form a groove 46, and the groove 46 is bent up and down. The notches 42 and 44 having different depths are formed in the portions, but the notches 42 formed at the upper side of the notches 42 and 44 form a closed curve, and the notches 44 formed at the lower side thereof are formed at one side thereof. It has a structure of open open curve.
상기 상부캡(10)과 압력제어수단인 금속판(40)은 캔(70) 상단에 밀폐 설치되는 상부개스킷(20) 내부에 서로 밀착되어 설치된다. 여기서 도면 부호 (30)은 이상전극반응으로 인한 과전류 발생시 이를 방지하기 위해 상부캡(10)과 금속판(40) 사이에 설치되는 정온도계수판이다.The upper cap 10 and the metal plate 40 which is a pressure control means are installed in close contact with each other inside the upper gasket 20 which is sealed at the top of the can 70. Here, the reference numeral 30 is a positive temperature coefficient plate installed between the upper cap 10 and the metal plate 40 to prevent the occurrence of overcurrent due to the abnormal electrode reaction.
상기와 같은 구조로 되어, 캔(70) 내부압력이 일정압 이상 상승하게 되면 상기 금속판(40)의 노치(44)부분이 압력을 견디지 못하고 파단되면서 캔(70) 내부 가스가 상부캡(10)의 구멍을 통해 빠져나가게 된다.When the internal pressure of the can 70 rises by a predetermined pressure or more, the notch 44 of the metal plate 40 does not withstand the pressure and breaks, so that the gas inside the can 70 is capped. It exits through the hole of.
바람직하기로는 상기 금속판(40)을 외경 16mm에 대해 두께 0.3mm 정도로 형성시키고, 금속판(40)에 형성되는 홈(46)은 상부지름과 하부지름이 각각 10mm와 4mm 정도의 크기를 이루도록 하며, 상기 홈(46)의 상부와 하부에 형성되는 노치(42,44)는 각각 0.10mm와 0.05mm 정도가 되도록 한다.Preferably, the metal plate 40 is formed to have a thickness of about 0.3 mm with respect to an outer diameter of 16 mm, and the grooves 46 formed in the metal plate 40 have upper and lower diameters of about 10 mm and 4 mm, respectively. The notches 42 and 44 formed on the upper and lower portions of the groove 46 are about 0.10 mm and about 0.05 mm, respectively.
또한 금속판(40)의 재질은 알루미늄 계열의 재질로 이루어지도록 한다.In addition, the material of the metal plate 40 is to be made of an aluminum-based material.
이에 따라 캔(70) 내부압력 상승에 따라 일차적으로 금속판(40)의 홈(46)이 상승하고, 이차적으로 하부절곡부위에 형성된 노치(44)가 파단된다. 이때 각 해당압력은 6-8kgf/㎠과 13-15kgf/㎠이다.Accordingly, as the internal pressure of the can 70 increases, the groove 46 of the metal plate 40 first rises, and the notch 44 formed on the lower bent portion breaks. At this time, the corresponding pressure is 6-8kgf / ㎠ and 13-15kgf / ㎠.
한편, 상기 전류차단수단은 전류가 통하는 박막의 금속 차단판(50)으로 상부개스킷(20)에 설치된 금속판(40)의 하부에 위치하는 하부개스킷(60)에 설치된다.On the other hand, the current blocking means is installed in the lower gasket 60 which is located below the metal plate 40 installed in the upper gasket 20 as the metal blocking plate 50 of the thin film passing current.
바람직하게는, 상기 금속 차단판(50)의 재질 또한 금속판(40)과 동일한 재질로 이루어지도록 하고, 상기 하부개스킷(60)은 금속 차단판(50)과 상기 금속판(40)이 통전되는 것을 막을 수 있도록 폴리프로필렌계열의 재질로 이루어지도록 한다.Preferably, the material of the metal blocking plate 50 is also made of the same material as the metal plate 40, and the lower gasket 60 prevents the metal blocking plate 50 and the metal plate 40 from being energized. It should be made of polypropylene material.
도 3은 상기 전류차단수단인 금속 차단판의 일례를 잘 예시하고 있다.3 illustrates an example of the metal blocking plate serving as the current blocking means.
상기 도면에 의하면, 금속 차단판(50)은 측면에 가스가 배출되는 구멍(52)이 다수개 형성되고, 중앙부는 위쪽으로 돌출시켜 돌출부(54)를 이루도록 하여 이 돌출부(54)가 금속 차단판(50)으로부터 용이하게 분리가능하도록 하며, 상기 돌출부(54)는 상기 안전밸브의 홈(46) 밑면과 용접부착된 구조로 되어 있다.According to the drawings, the metal blocking plate 50 has a plurality of holes 52 through which the gas is discharged, and the central portion protrudes upward to form the protrusion 54 so that the protrusion 54 is the metal blocking plate. The protrusion 54 is welded to the bottom of the groove 46 of the safety valve.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 차단판(50)은 외경 11mm에 대해 두께가 0.4-0.5mm인 알루미늄재질로 하고, 상기 구멍은 직경 2mm로 가운데를 중심으로 6개를 형성시키는 한편, 중앙부에 형성되는 돌출부(54)는 직경이 2.4mm, 돌출높이가 0.38mm정도가 되도록 프레스가공하여 돌출부(54)와 금속 차단판(50)의 경계면 두께가 0.02mm 정도가 되도록 한다.According to an embodiment of the present invention, the metal blocking plate 50 is made of aluminum material having a thickness of 0.4-0.5 mm with respect to an outer diameter of 11 mm, and the holes are formed with six holes centered on the center with a diameter of 2 mm. The protrusion 54 formed at the center portion is press-processed so that the diameter is 2.4 mm and the height of the protrusion is about 0.38 mm so that the thickness of the interface between the protrusion 54 and the metal blocking plate 50 is about 0.02 mm.
따라서 상기 압연과정에서 돌출부(54)와 금속 차단판(50)의 경계면에 크랙이 발생되어, 돌출부(54)가 외부 압력에 의해 쉽게 분리될 수 있게 된다.Therefore, a crack is generated in the interface between the protrusion 54 and the metal blocking plate 50 in the rolling process, so that the protrusion 54 can be easily separated by external pressure.
여기서 상기 안전밸브의 홈(46) 밑면과 금속 차단판(50)의 돌출부(54)와의 부착은, 레이저용접, 초음파용접, 저항용접 등의 방법을 사용한다.Here, the bottom surface of the groove 46 of the safety valve and the protrusion 54 of the metal blocking plate 50 use laser welding, ultrasonic welding, resistance welding, or the like.
이와같은 각 부품의 제조공정은 먼저 전류차단장치의 금속 차단판(50)을 하부개스킷(60) 내부에 삽입하고, 이 금속 차단판(50)의 중앙에 돌출된 돌출부(54)와 안전밸브의 홈(46)을 용접부착시키며, 이 안전밸브를 상부개스킷(20)에 삽입하고, 다음공정으로 정온도계수판(30)과 상부캡(10)을 적층시켜 조립한 후, 캔(70)의 상단에 상기 상부개스킷(20)을 프레스가공하여 설치한다.In the manufacturing process of each of these components, the metal blocking plate 50 of the current interruption device is first inserted into the lower gasket 60, and the protrusion 54 and the safety valve protruding in the center of the metal blocking plate 50 are formed. The groove 46 is welded and attached, and the safety valve is inserted into the upper gasket 20, and the positive temperature coefficient plate 30 and the upper cap 10 are stacked and assembled in the following process, and then the upper end of the can 70 is assembled. The upper gasket 20 is installed by pressing.
이하 본 발명의 작용에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the present invention will be described with reference to FIG. 4.
전지의 과충전 등으로 발생된 가스에 의해 전지내부 압력이 상승하게 되면, 상기 가스는 전류차단장치인 금속 차단판(50)에 형성된 구멍(52)을 통해 빠져나가 안전밸브인 금속판(40)에 압력을 가하게 된다.When the internal pressure of the battery rises due to the gas generated due to overcharging of the battery, the gas escapes through the hole 52 formed in the metal blocking plate 50, which is a current blocking device, to press the metal plate 40, which is a safety valve. Will be added.
상기 가스의 압력이 기준치 이상이 되면, 상기 금속판(40)을 가압하는 가스의 압력에 의해 금속판(40)에 형성되어 있는 홈(46)이 상방향으로 들어올려지게 된다.When the pressure of the gas is greater than or equal to the reference value, the groove 46 formed in the metal plate 40 is lifted upward by the pressure of the gas that presses the metal plate 40.
이때 상기 홈(46) 밑면에 용접부착되어 있는 금속 차단판(50)의 돌출부(54)가 금속 차단판(50)에서 분리되면서 홈(46)과 함께 들어올려지게 되어 금속 차단판(50)과 단절되게 된다.At this time, the protrusion 54 of the metal blocking plate 50 welded to the bottom of the groove 46 is lifted off along the groove 46 while being separated from the metal blocking plate 50 and the metal blocking plate 50. You will be disconnected.
이와같이 금속판(40)의 홈(46)이 위로 들어올려질 수 있는 것은 금속판(40)에 형성된 노치(42,44) 때문으로, 가스 압력에 의해 상기 홈(46)의 상,하부절곡부위에 형성되어 있는 노치(42,44)부분이 유연하게 휘어지면서 하향 절곡되어 있던 홈(46)을 위로 들어올리게 되는 것이다.The groove 46 of the metal plate 40 can be lifted up because of the notches 42 and 44 formed in the metal plate 40 and formed at the upper and lower bent portions of the groove 46 by gas pressure. The notches 42 and 44 are flexed and bent upward to lift the grooves 46 that are bent downward.
따라서 최초 금속 차단판(50)과 금속판(40), 상부캡(10)으로 연결되어 통전되던 전류가 금속판(40)에 부착된 돌출부(54)가 금속 차단판(50)으로부터 이탈되어 떨어지면서 전류가 차단되게 되는 것이다.Therefore, the current, which is connected to the first metal blocking plate 50, the metal plate 40, and the upper cap 10 and is energized, is separated from the metal blocking plate 50 by the protrusion 54 attached to the metal plate 40. Will be blocked.
일차적으로 전류를 차단시킨 후에도 추가 가스발생이 있는 경우에는 증가된 가스압력에 의해 상기 안전밸브인 금속판(40)이 지속적으로 힘을 받게 되고, 상기 가스압이 일정압력 이상이 되면, 금속판(40)의 노치(44)가 파단되면서 전지 내부의 가스를 외부로 배출시키게 된다.In the case where additional gas is generated even after the current is first cut off, the metal plate 40, which is the safety valve, is continuously applied by the increased gas pressure. When the gas pressure is higher than a predetermined pressure, the metal plate 40 As the notch 44 breaks, gas inside the battery is discharged to the outside.
즉, 도4에 도시된 바와 같이 상기 금속판(40)에 형성되어 있는 노치(42,44) 중 하부절곡부위에 형성된 노치(44)가 전지 내부의 가스압력을 견디지 못하고 파단되면서 금속판(40)의 홈(46)이 금속판(40)으로부터 절개되어 들어올려지게 되고,그 파단 틈새를 통해 새어나온 가스는 상부캡(10)에 형성된 구멍을 통해 외부로 배출되게 되어 전지 내부압력을 낮춰주게 되는 것이다.That is, as shown in FIG. 4, the notch 44 formed at the lower bent portion of the notches 42 and 44 formed in the metal plate 40 does not endure the gas pressure in the battery and breaks. The groove 46 is cut off from the metal plate 40 and lifted up, and the gas leaked out through the break gap is discharged to the outside through a hole formed in the upper cap 10 to lower the internal pressure of the battery.
여기서 상기 노치(44)는 개곡선으로 되어 일부분에는 노치(44)가 형성되어 있는 않으므로, 노치(44)가 형성되어 있지 않은 부분은 파단되지 않고 노치(44)가 형성된 부분만 파단되게 되어, 상기 홈(46)은 금속판(40)으로부터 완전히 떨어지지 않고 붙어 있는 상태가 된다.Here, the notch 44 is an open curve, and a part of which the notch 44 is not formed is not broken, so that only the part where the notch 44 is formed is broken without breaking. The groove 46 is in a state of being stuck without being completely separated from the metal plate 40.
따라서 금속판(40)으로부터 이탈된 파편에 의한 재통전의 가능성을 배제시킬 수 있게 된다.Therefore, it is possible to exclude the possibility of re-energization due to the fragments separated from the metal plate 40.
본 발명에 의한 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지에 의하면, 전류차단과 가스 배출이 순차적으로 이루어지도록 하여 전지폭발 등의 위험을 확실하게 방지할 수 있고, 따라서 전지의 안전성을 크게 높일 수 있다.According to the lithium ion battery provided with the current interruption device according to the present invention, the current interruption and the gas discharge can be sequentially performed to reliably prevent the risk of battery explosion and the like, thereby greatly increasing the safety of the battery.
또한 사용되는 부품을 단순화시키고 조립공정을 최소화하여 부품가격을 낮추고 생산성을 높일 수 있게 된다.It also simplifies the parts used and minimizes the assembly process, resulting in lower part costs and higher productivity.
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