KR100420148B1

KR100420148B1 - 보호 소자와 이를 장착한 이차 전지

Info

Publication number: KR100420148B1
Application number: KR10-2001-0064651A
Authority: KR
Inventors: 김영훈
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2004-03-02
Also published as: KR20030033212A

Abstract

보호 소자와 이를 장착한 이차 전지를 개시한다. 본 발명은 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 권회된 전지부;와, 전지부가 수용되는 캔;과, 캔의 상부에 결합되는 캡 플레이트;와, 캔의 내부에 설치되며, 전지부로부터 인출된 어느 하나의 전극 탭과, 캡 플레이트로 인출된 전극 단자를 상호 통전시키고, 과충전시 전류의 흐름을 차단하는 것으로서, 서멀 퓨즈와, 서멀 퓨즈의 일단부와 용접되며 전극 탭과 전기적으로 연결되는 탭 리드와, 서멀 퓨즈의 타단부와 용접되며 전극 단자와 전기적으로 연결되는 단자 리드와, 서멀 퓨즈와 탭 및 단자 리드가 용접된 부위를 감싸는 고분자 수지로 된 보호막층과, 보호막층과, 상기 서멀 퓨즈와 복수개의 리드가 접촉하는 면을 따라서 접촉하는 면의 틈새를 밀폐시키도록 자외선 경화제로 경화된 밀봉재가 형성된 보호 소자;를 포함하며, 서멀 퓨즈와 이의 양 단부에 각각 용접되는 리드사이의 틈새를 밀봉재로 완전하게 밀폐시키게 됨으로써, 전지의 과충전으로 인하여 발열이나 발화시 서멀 퓨즈가 이를 정확하게 감지하여 전류의 흐름을 완전하게 차단시킴으로써 전지의 안전성을 신뢰할 수 있게 된다.

Description

보호 소자와 이를 장착한 이차 전지{Protector and secondary battery mounting the such}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 과충전시 전류의 흐름을 차단시키는 보호 소자의 구조가 개선된 이차 전지에 관한 것이다.

리튬이차전지는 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드(Ni-MH) 전지에 비하여 작동 전압과, 단위중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있다. 리튬이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체전해질 전지와, 고분자전해질 전지로 분류할 수 있다. 일반적으로는, 액체전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다.

이러한 리튬이차전지는 과충전시 내부 단락이나 열폭주등으로 인하여 발열이나 발화되어 폭팔하거나 화재의 위험성이 존재하게 되어서 보호 소자가 필수적으로 필요하다.

도 1은 보호 소자를 가지는 종래의 리튬이차전지를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 이차 전지(10)는 양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 권회된 전지부(미도시)가 수용되는 캔(11)과, 상기 캔(11)과 결합되는 캡 플레이트(12)와, 상기 캡 플레이트(12)로부터 인출된 전극 단자(13)와 연결되는 보호 소자(14)와, 상기 보호 소자(14)와 전기적으로 접속되는 보호회로기판(15)을 포함한다.

상기 캡 플레이트(15)에는 절연체(16)에 몰딩된 전극 단자(13)가 돌출되어 있으며, 일측에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입공이 형성되어 있으며, 이 전해액 주입공은 볼(17)에 의하여 밀봉되어 있다.

상기 보호 소자(14)는 퓨즈(18)와, 상기 퓨즈(18)와 각각 용접된 단자 리드(19)와, 기판 단자(100)를 포함한다. 상기 전극 단자(13)는 상기 단자리드(19)와 레이저 용접에 의하여 용접되어 있다. 또한, 상기 보호회로기판(15)은 기판 리드(100)와 전기적으로 연결되어 있다.

이러한 구조를 가지는 종래의 이차 전지(10)는 과충전에 의하여 전지 내부의 온도가 상승하게 되면, 상기 전극 단자(13)와 단자 리드(19)를 통하여 전기적으로 연결된 비교적 저융점의 소재로 된 퓨즈(18)가 녹아서 끊어지게 되어 전류의 흐름을 차단하게 되어서 폭팔등의 위험성을 미연에 방지하게 된다.

최근에는, 상기 보호 소자(14)를 전지(10)의 내부에 장착하는 구조가 개발되고 있다. 상기 보호 소자(14)가 캔(11)의 내부에 장착될 경우에는 다음과 같은 문제점을 가질 수가 있다.

보호 소자(14)가 캔(11)의 내부에 주입된 전해액에 노출되어서, 상기 퓨즈(18)의 물성이 변화하므로, 퓨즈(18)의 작동 범위가 변화게 된다. 이에 따라, 상기 퓨즈(18)는 소망하는 적정 온도에서 작동하지 않게 되어서 전지(10)의 안전성을 신뢰할 수가 없게 된다.

이를 방지하기 위하여, 상기 퓨즈(18)와 이와 용접되는 복수개의 리드(19)(100)에 고분자 수지로 된 박판을 초음파 융착하여 전해액이 스며들지 않도록 하고 있다. 그러나, 상기 퓨즈(18)와 리드(19)(100)가 접촉하는 면에는 미세한 간극이 발생하게 되어서 전해액이 침투하여서 상기 퓨즈(18)의 물성을 변화시켜 보호 소자로서 그 기능을 상실하게 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전지의 내부에 설치된 보호 소자에 전해액이 스며들지 않도록 하여 전지의 안정성을 향상시킨 보호 소자와 이를 장착한 이차 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 이차 전지를 도시한 분리 사시도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 분리 사시도,

도 3은 도 2의 보호 소자를 도시한 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10,20...이차 전지 11,22...캔

12,25...캡 플레이트 13,26...전극 단자

14,30...보호 소자 21...전지부

23...캡 어셈블리 24...절연판

31...서멀 퓨즈 32...탭 리드

33...단자 리드 34...보호막층

35...밀봉재

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 보호 소자는,

서멀 퓨즈;

상기 서멀 퓨즈의 일단부에 용접된 제1 리드;

상기 서멀 퓨즈의 타단부에 용접된 제2 리드;

상기 서멀 퓨즈와 제1,2 리드가 결합된 부위를 감싸는 고분자 수지로 된 보호막층; 및

상기 보호막층과, 서멀 퓨즈 및 제1,2 리드가 접촉하는 면을 따라서 코팅되어 접촉하는 면의 틈새를 밀폐시키는 밀봉재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 밀봉재는 광경화에 의하여 경화되는 자외선 경화제인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 보호 소자를 장착한 이차 전지는,

양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 권회된 전지부;

상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하며, 전해액이 주입된 캔;

상기 캔의 상부에 결합되는 캡 플레이트; 및

상기 캔의 내부에 설치되며, 상기 전지부로부터 인출된 어느 하나의 전극 탭과, 상기 캡 플레이트로 인출된 전극 단자를 상호 통전시키고, 과충전시 전류의 흐름을 차단하는 것으로서,

서멀 퓨즈와, 상기 서멀 퓨즈의 일단부와 용접되며 상기 전극 탭과 전기적으로 연결되는 탭 리드와, 상기 서멀 퓨즈의 타단부와 용접되며 상기 전극 단자와 전기적으로 연결되는 단자 리드와, 상기 서멀 퓨즈와 탭 및 단자 리드가 용접된 부위를 감싸는 고분자 수지로 된 보호막층을 구비하는 보호 소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 보호 소자에는 상기 보호막층과, 상기 서멀 퓨즈와 복수개의 리드가 접촉하는 면을 따라서 접촉하는 면의 틈새를 밀폐시키도록 자외선 경화제로 경화된 밀봉재가 더 형성된 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보호 소자와 이를 장착한 이차 전지를 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지(20)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 이차 전지(20)는 전지부(21)와, 상기 전지부(21)를 수용하는 캔(22)과, 상기 캔(22)과 결합되는 캡 어셈블리(23)와, 상기 캔(22) 내부에 설치되는 보호 소자(30)를 포함한다.

상기 전지부(21)는 젤리-롤(jelly-roll) 타입으로 감겨져 있으며, 양극판과 음극판과, 그 사이에 개재되어 이들을 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터를 포함한다. 상기 양극 및 음극판은 집전체와, 적어도 그 일면에 코팅되는 양극 및 음극 활물질층으로 이루어져 있다.

상기 전지부(21)로부터는 양극 탭(21a)과, 음극 탭(21b)이 각각 인출되어 있다. 상기 전지부(21)의 상부에는 상기 음극 탭(21b)이 인출되는 통공(24a)이 형성된 절연판(24)이 설치되어 있다.

상기 절연판(24) 상에는 캡 어셉블리(23)가 설치되어 있다.

상기 캡 어셈블리(23)에는 캔(22)과 접촉하여 용접되는 캡 플레이트(25)가 마련되어 있다. 상기 캡 플레이트(25)에는 통공(25a)을 통하여 상기 음극 탭(21b)가 전기적으로 연결되는 음극 단자(26)가 설치되어 있다. 상기 단자(26)의 외주면에는 절연체로 된 가스켓(27)이 설치되어 있다. 상기 가스켓(27)으로 인하여 상기 음극 단자(26)는 캡 플레이트(25)에 대하여 절연이 가능하다.

그리고, 상기 캡 플레이트(25)의 일측에는 전해액 주입공(25b)이 형성되어 있다. 상기 전해액 주입공(25b)은 추후 전지 조립공정에서 전해액을 주입한 후에 볼(28)에 의하여 밀봉된다.

한편, 상기 양극 및 음극 탭(21a)(21b)은 상반되게 배치될 수 있으며, 탭(21a)(21b) 모두가 캡 플레이트(25)측으로 돌출될 수 있으며, 상기 양극 탭(21a)은 캔(22) 또는 캡 플레이트(25)중 어느 한 곳에 전기적으로 연결되어 있는등 설계에 따라서 다양한 실시예가 가능하다고 할 것이다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 캡 플레이트(25)의 하부에는 상기 음극 탭(21b)과 음극 단자(26)를 전기적으로 연결시킴과 동시에 전지(20)의 과충전시 전류의 흐름을 차단하고자 보호 소자(30)가 설치된데에 있다.

상기 보호 소자(30)는 퓨즈(31)와, 상기 퓨즈(31)의 양 단부로 인출된 복수개의 리드(32)(33)와, 용접부위를 보호하는 보호막(34)과, 상기 보호막(34)의 가장자리를 따라 코팅된 밀봉재(35)를 포함한다.

보다 상세하게는 도 3에 도시된 바와 같다.

도면을 참조하면, 상기 보호 소자(30)는 저융점을 가진 소재, 예컨대 납을 주성분으로 하는 합금으로 된 서멀 퓨즈(thermal fuse,31)를 포함한다. 상기 서멀 퓨즈(31)는 전지(20)의 내부 온도가 상승시, 공히 상승하여 녹아서 끊어지게 되는 특성을 가지고 있다.

상기 서멀 퓨즈(31)의 일단부는 탭 리드(32)와 용접되어 있다. 상기 탭 리드(32)는 전지부(21)로부터 인출된 음극 탭(21b)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 서멀 퓨즈(31)의 타단부는 단자 리드(33)와 용접되어 있다. 상기 단자 리드(33)는 캡 플레이트(25) 외부로 돌출한 음극 단자(26)와 전기적으로 연결되어 있다. 이에 따라, 상기 음극 탭(21b)은 탭 리드(32)와, 서멀 퓨즈(31)와, 단자 리드(33)를 통하여 상기 음극 단자(26)와 도통하고 있다.

상기 서멀 퓨즈(31)와 탭 및 단자 리드(32)(33)가 용접되는 영역을 포함하여 그 윗부분에는 고분자 수지로 된 보호막(34)이 형성되어 있다. 상기 보호막(34)은 적정 두께를 가지는 것으로서, 상기 서멀 퓨즈(31)와 리드(32)(33)와의 결합 부위를 밀폐시키게 된다. 상기 보호막(34)으로는 PET(polyethyleneterephthalate)와 같은 전해액과 화학 반응이 발생하지 않는게 바람직하다고 할 수 있다. 그리고, 상기 보호막(34)은 상기 서멀 퓨즈(31)측에 초음파 융착에 의하여 접착이 되어 있다.

상기 보호막(34)과 탭 및 단자 리드(32)(33)가 접촉되어 있는 면에는 밀봉재(35)가 코팅되어 있다. 즉, 상기 보호막(34)과 탭 리드(32)와 융착된 부분과, 보호막(34)과 단자 리드(33)와 융착된 부분과, 서멀 퓨즈(31)와 상기 탭 및 단자 리드(32)(33)와 용접된 부분등에는 상기 보호막(34)간에 미세한 간극이 발생할 수 있다.

이 틈새를 통하여 전해액이 스며들게 되면, 상기 서멀 퓨즈(31)는 물성이 변화게 되어서 용융되는 온도의 산포가 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여, 상기 보호막(34)과, 리드(32)(33) 및 서멀 퓨즈(31)와 접촉하는 면에는 그 틈새에 밀봉재(35)를 코팅하게 된다. 상기 밀봉재(35)는 전해액과 화학반응이 발생하지 않은 소재로서, 본 실시예에서는 자외선 경화제를 적용하고자 한다.

상기 자외선 경화제를 도포하면, 상기 밀봉재(35)는 상기 보호막(34)과, 리드(32)(33) 및 서멀 퓨즈(31)의 접촉하는 면에서 발생가능한 틈새를 통하여 스며들게 된다. 이후로, 광경화시키면, 상기 밀봉재(35)는 경화되면서 틈새를 완전하게 밀폐시키게 된다. 이에 따라, 전해액이 서멀 퓨즈(31)로 침투하는 것을 원천적으로 봉쇄하게 된다.

상기와 같은 방식으로 제조된 보호 소자(30)는 전지(20)의 내부에 설치되어 과충전등의 이상이 발생하게 되어 전지 내부 온도가 상승하게 되면, 상기 서멀 퓨즈(31)로 열이 전달된다. 상기 서멀 퓨즈(31)가 승온되면, 특정한 온도에서 용융되어 끊어지게 된다. 이에 따라, 상기 음극 탭(21b)으로부터 음극 단자(26)까지 전류의 통로를 강압적으로 차단하는 것이 가능하다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명의 보호 소자와 이를 장착한 이차 전지는 서멀 퓨즈와 이의 양 단부에 각각 용접되는 리드사이의 틈새를 밀봉재로 완전하게 밀폐시키게 됨으로써, 전지의 과충전으로 인하여 발열이나 발화시 서멀 퓨즈가 이를 정확하게 감지하여 전류의 흐름을 완전하게 차단시킴으로써 전지의 안전성을 신뢰할 수 있게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

서멀 퓨즈;

상기 서멀 퓨즈의 일단부에 용접된 제1 리드;

상기 서멀 퓨즈의 타단부에 용접된 제2 리드;

상기 서멀 퓨즈와 제1,2 리드가 결합된 부위를 감싸는 고분자 수지로 된 보호막층; 및

상기 보호막층과, 서멀 퓨즈 및 제1,2 리드가 접촉하는 면을 따라서 코팅되어 접촉하는 면의 틈새를 밀폐시키며, 광경화에 의하여 경화되는 자외선 경화제로 된 밀봉재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 소자.
삭제
양극판, 세퍼레이터, 음극판순으로 권회된 전지부;

상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하며, 전해액이 주입된 캔;

상기 캔의 상부에 결합되는 캡 플레이트; 및

상기 캔의 내부에 설치되며, 상기 전지부로부터 인출된 어느 하나의 전극 탭과, 상기 캡 플레이트로 인출된 전극 단자를 상호 통전시키고, 과충전시 전류의 흐름을 차단하는 것으로서,

서멀 퓨즈와, 상기 서멀 퓨즈의 일단부와 용접되며 상기 전극 탭과 전기적으로 연결되는 탭 리드와, 상기 서멀 퓨즈의 타단부와 용접되며 상기 전극 단자와 전기적으로 연결되는 단자 리드와, 상기 서멀 퓨즈와 탭 및 단자 리드가 용접된 부위를 감싸는 고분자 수지로 된 보호막층과, 상기 보호막층과 서멀 퓨즈와 복수개의 리드가 접촉하는 면을 따라서 접촉하는 면의 틈새를 밀폐시키도록 자외선 경화제로 경화된 밀봉재를 구비하는 보호 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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