KR100472511B1 - 보호회로가 없는 리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

보호회로가 없는 리튬이차전지를 개시한다. 본 발명은 양극판과, 음극판과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터를 가지는 전지부;와, 이를 수용하는 공간을 제공하는 캔;과, 캔에 결합되며, 그 외면에 캔과의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극 단자를 가지는 캡 플레이트;와, 캔의 내부에 주입되며, 전지가 과충전되면 가스를 발생시키는 첨가제가 혼합된 전해액;과, 캔 또는 캡 플레이트중 어느 한 곳에 형성되며, 가스를 외부로 배출하는 통로를 제공하는 안전 장치;를 포함하는 것으로서, 리튬이차전지 내부에 주입되는 전해액에 첨가제를 중합하여서, 미세 단락을 유도함과 동시에 전해액의 분해로 인하여 발생되는 가연성 기체를 안전 장치를 통하여 전지의 외부로 배출함으로 인하여 별도의 보호 회로 없이도 전지의 안전성을 확보할 수가 있다. 이처럼, 보호 회로가 장착되지 않음에 따라 전지의 내부저항을 줄이게 되어서 전지의 성능이 충분히 발휘된다.

Description

보호회로가 없는 리튬이차전지{Lithium secondary battery without protection circuit module}

본 발명은 리튬이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 보호 회로를 장착하지 않으면서, 전지의 안전성을 향상시키도록 전지의 구조가 개선된 보호회로가 없는 리튬이차전지에 관한 것이다.

통상적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 칭하는 것으로서, 셀루라폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더등의 첨단 전자기기분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬이차전지는 작동전압이 3.7V로서, 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬이차전지는 주로 양극활물질로 리튬계 산화물, 음극활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류하며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬이온전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬폴리머전지라고 한다. 이러한 리튬이차전지는 여러가지 형상으로 제조하게 되는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과 파우치형을 들 수 있다.

이러한 리튬이차전지는 작동시 작동전압이 높고, 가혹조건하에서 분해된 전해액이 가연성 기체를 만들어 냄으로써, 과충전등의 오작동시 파열, 폭발등의 안전성에 치명적인 결과를 초래한다.

이를 방지하기 위하여, 종래의 리튬이차전지는 전지의 이상이 발생할 경우에 작동을 강제적으로 멈추게 하는 보호 회로(protection circuit module)를 부착하였다.

보호 회로는 전지의 전압을 감지하여 미리 설정된 전압이상이나, 전압이하의 전압이 검출될 때 전류를 차단하여 충전 또는 방전을 금지하여 주고, 과전류 발생시 전류의 흐름을 차단시켜 준다. 이에 따라, 리튬이차전지를 폭발의 위험으로부터 보호하고, 전지의 수명연장과 고성능화를 유지할 수 있도록 하여 준다.

이러한 보호 회로는 과충전, 과방전을 검출하는 컨트롤 IC와, 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)와, 전류 퓨즈를 포함한다. 전지의 전압이 4.25 V 이상이 검출되면 충전을 정지시키고, 전지의 전압이 2.75V 이하가 검출되면 방전을 정지시키고, 각 전지의 전류가 3C 이상을 검출되면 방전을 정지시키게 된다.

그런데, 전지의 오작동을 방지하기 위하여 장착되는 보호 회로는 그 자체가 저항을 가지고 있으므로, 이를 장착한 리튬이차전지는 내부저항이 증가하게 된다. 이렇게 내부저항이 증가하게 되면, 전지의 성능이 충분히 발휘되지 못한다.

또한, 보호 회로의 장착으로 인하여 휴대용 전자기기의 제조원가가 상승하게 된다.

더욱이, 최근에는 휴대용 전자기기는 경박단소화를 추구하는데, 소형화된 전자기기에서 보호회로가 일정한 공간을 차지하게 되므로, 설계에 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전해액에 별도의 첨가제를 주입하여서 전해액의 분해로 인하여 발생하는 가연성 기체를 신속하게 전지 외부로 배출하여서 전지의 안전성을 확보한 보호회로가 없는 리튬이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 보호회로가 없는 리튬이차전지는,

양극판과, 음극판과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터를 가지는 전지부;

상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;

상기 캔에 결합되며, 그 외면에 상기 캔과의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극 단자를 가지는 캡 플레이트;

상기 캔의 내부에 주입되며, 전지가 과충전되면 가스를 발생시키는 첨가제가 혼합된 전해액; 및

상기 캔 또는 캡 플레이트중 어느 한 곳에 형성되며, 상기 가스를 외부로 배출하는 통로를 제공하는 안전 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전해액은 카보네이트계 유기 용매를 혼합한 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 첨가제는 플로로벤젠과, 오르토-벤질-비페닐을 혼합한 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 첨가제는 3-클로로-아니졸인 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 첨가제는 비닐 설폰인 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 첨가제는 전지가 4.3V 이상의 과충전 영역에서 분해가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안전 장치는 상기 캔 또는 캡 플레이트에 형성된 소정 크기의 통공을 커버하는 박막의 금속재인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 보호회로가 없는 리튬이차전지는,

양극판과, 음극판과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터를 가지는 전지부;

상기 전지부가 수용가능한 공간부를 제공하고, 폴리머층과 금속 박막의 복합재로 된 케이스;

상기 케이스의 내부에 개재되며, 전지가 과충전되면 가스를 발생시키는 첨가제가 혼합된 전해액; 및

상기 케이스를 열융착시 밀폐되는 면에 형성되며, 상기 가스를 외부로 배출하는 통로를 제공하는 안전 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 첨가제는 벤젠 유도체나, 설폰 유도체나, 오르토-벤질-비페닐이나, 3-클로로-아니졸중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 보호회로가 없는 리튬이차전지의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 통상적이 각형 리튬이차전지(10)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 리튬이차전지(10)는 캔(11)과, 상기 캔(11)의 내부에 수용되는 전지부(12)와, 상기 캔(11)의 상부에 결합되는 캡 조립체(100)를 포함한다.

상기 캔(21)은 그 내부에 중공이 형성된 각형의 금속재로서, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 상기 캔(11)의 바닥면에는 이차 전지(10)의 이상유무로 내압상승시 다른 부위보다 먼저 파단되는 안전 장치(19)가 설치되어 있다. 상기 안전 장치(19)는 상기 캔(11) 바닥면에 형성된 통공(11a)을 커버하도록 상기 캔(11)의 두께보다 얇은 호일이다.

상기 캔(11)의 내부에 수용되는 전지부(12)는 양극판(13)과, 음극판(15)과, 세퍼레이터(14)를 포함하고 있다. 상기 양극 및 음극판(13)(15)과, 세퍼레이터(14)는 각각 한장의 스트립으로 이루어져 있으며, 양극판(13), 세퍼레이터(14), 음극판(15), 세퍼레이터(14) 순으로 배치되어서 젤리-롤 형으로 와인딩되어 있다. 상기 세퍼레이터(14)는 상기 양극 및 음극판(13)(15)의 절연을 위하여 복수개 배치되어 있다.

상기 양극판(13)은 박판의 알루미늄 호일로 된 양극 집전체와, 그 양면에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질층이 코팅되어 있다. 상기 양극판(13)으로부터는 양극 집전체의 전극 무지부(electrode uncoated area)인 양극 활물질층이 코팅되지 않은 영역에 양극 리드(16)가 용접되어 있다. 상기 양극 리드(16)의 일부는 상기 전지부(12)의 상방으로 인출되어 있다.

상기 음극판(15)은 박판의 구리 호일로 된 음극 집전체와, 그 양면에 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질층이 코팅되어 있다. 상기 음극판(15)으로부터도 음극 집전체의 전극 무지부에 음극 리드(17)가 용접되어 있다.

이때, 상기 양극 및 음극 리드(16)(17)는 극성을 달리하여 배치될 수도 있으며, 양극 및 음극 리드(16)(17)가 전지부(12)로부터 인출되는 부분에는 극판(13)(15) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(18)가 감싸져 있다.

상기 세퍼레이터(14)는 폴리 에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 이들의 복합 필름으로 이루어져 있다. 상기 세퍼레이터(14)는 상기 양극판(13)과, 음극판(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판(13)(15)의 단락을 방지하는데 유리하다고 할 것이다.

상기 캔(11)의 상부에 설치되는 캡 조립체(100)에는 캡 플레이트(110)가 마련되어 있다. 상기 캡 플레이트(110)는 상기 캔(11)의 입구와 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 금속재이다. 상기 캡 플레이트(110)의 중앙에는 소정 크기의 단자 통공(112)이 형성되어 있다. 상기 캡 플레이트(110)의 일측에는 전해액 주입공(111)이 형성되어 있다. 상기 전해액 주입공(111)에는 볼(160)이 밀폐가능하게 결합되어 있다.

상기 단자 통공(112)에는 하나의 전극 단자, 예컨대 음극 단자(130)가 삽입가능하도록 위치하고 있다. 상기 음극 단자(130)의 외면에는 이와 캡 플레이트(110)와의 절연을 위하여 튜브 형태의 가스켓(120)이 설치되어 있다. 상기 캡 플레이트(110)의 아랫면에는 절연 플레이트(140)가 설치되어 있다. 상기 절연 플레이트(140)의 아랫면에는 단자 플레이트(150)가 설치되어 있다.

상기 음극 단자(130)는 가스켓(120)이 외주면을 감싼 상태에서 상기 단자 통공(112)을 통하여 삽입되어 있다. 상기 음극 단자(130)의 단부는 캔(11)의 내부로 진입하여서 상기 절연 플레이트(140)와, 단자 플레이트(150)가 개재된 상태에서 상기 캡 플레이트(110)에 대하여 그 위치가 고정된다. 상기 음극 단자(130)의 단부는 단자 플레이트(150)와 전기적으로 연결되어 있다.

한편, 상기 전지부(12)의 상부에는 상기 전지부(12)와 캡 조립체(100)의 전기적 절연을 위함과 동시에, 전해액 주입공(111)을 통하여 주입되는 전해액의 유동 경로를 제공하는 절연 케이스(160)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(160)는 절연성을 가지는 소재인 고분자 수지이며, 폴리 프로필렌으로 제조된 것이 바람직하다.

상기 캔(11)의 내부에 주입되는 전해액은 리튬 이온의 이동을 원할하기 위하여 리튬 염을 함유한 유기 액체로서, 리튬 염(lithium salt)과, 전해액 용매(solvent)로 이루어져있다. 리튬 염으로는 LiPF6를 사용한다. 용매로는 환상형이나, 쇄상형 카보네이트와 다른 유기 용매를 적당량 혼합한 것으로서, EC(ethylene carbonate):EMC(ethyl-methyl carbonate):DEC(diethyl carbonate):PC (propylene carbonate) 계열의 혼합 액체를 사용할 수 있다. 이외에도, DMC(dimethyl carbonate)나, GBL(gamma butyl lactone) 등이 있다.

도 2는 도 1의 리튬이차전지(10)에 다른 안전 장치를 형성한 경우이다.

여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조번호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리키며, 본 실시예의 특징부만 설명하기로 한다.

도면을 참조하면, 리튬이차전지(20)에는 양극판(13), 세퍼레이터(14), 음극판(15) 순으로 배치된 전지부(12)가 수용된 캔(11)의 상부에는 캡 조립체(100)가 결합되어 있다.

상기 캡 조립체(100)의 캡 플레이트(110)에는 전지(20) 내압이 증가시 이를 해소하기 위하여 안전 장치(29)가 설치되어 있다.

상기 안전 장치(29)는 도 1의 실시예와는 달리 상기 캡 플레이트(110)를 가공시 특정 부분을 얇게 압연하여 다른 부분보다 우선적으로 파단이 발생하도록 형성되어 있다.

도 3은 도 1의 리튬이차전지(30)에 또 다른 안전 장치를 착용한 경우이다.

여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조번호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리키며, 본 실시예의 특징부만 설명하기로 한다.

도면을 참조하면, 리튬이차전지(30)는 양극판(13), 세퍼레이터(14), 음극판(15) 순으로 배치된 전지부(12)가 마련되고, 상기 전지부(13)가 수용되는 캔(11)의 상부에는 캡 조립체(100)가 결합되어 있다.

상기 캡 조립체(100)의 캡 플레이트(110)에는 전지(30)의 이상으로 분해된 가연성 물질이 외부로 신속하게 배출될 수 있도록 안전 장치(39)가 설치되어 있다.

이를 위하여, 상기 캡 플레이트(110)에는 소정 크기의 안전공(113)이 형성되어 있다. 상기 안전공(113)에는 탄성 중합체(39a)가 인입되어 있다. 상기 탄성 주합체(39a)의 상부에는 스프링(39c)이 외주면에 감싸진 핀(39b)이 삽입되어 있다.

전지(30)의 내압이 상승될 경우에는 상기 탄성 중합체(39a)에 압력이 집중되어서 상기 핀(396)을 상방으로 밀치게 된다. 이에 따라, 전지 내부의 가연성 기체들이 이 경로를 통하여 외부로 배출가능하다.

도 4는 통상적인 파우치형의 리튬이차전지(40)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 리튬이차전지(40)는 전지부(41)와, 상기 전지부(41)가 수용되는 케이스(400)를 포함한다.

상기 전지부(41)는 양극판(42)과, 음극판(44)과, 상기 양극 및 음극판(42)(44) 사이에 개재되어 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(43)를 구비하며, 양극판(42), 세퍼레이터(43), 음극판(44) 순으로 배치된 상태에서 젤리-롤 형으로 와인딩되어 완성된다.

상기 전지부(41)는 케이스(400)에 마련된 공간부(430)에 수용가능하다. 상기 케이스(400)는 상부 케이스(410)와, 상기 상부 케이스(410)와 적어도 일면이 접합되며, 공간부(430)가 마련된 하부 케이스(420)를 포함한다.

상기 케이스(400)는 내장층(401)과, 중간층(402)과, 외장층(403)으로 된 다중층으로 이루어지고, 내장 및 외장층(401)(403)은 고분자 수지이며, 중간층(402)은 박막의 금속 호일로 된 것이 바람직하다. 이에 따라, 전술한 캔과는 달리 자유자재로 구부릴 수가 있다.

상기 상부 및 하부 케이스(410)(420)에는 상기 전지부(41)가 수용되는 공간부(430)의 가장자리를 따라서 밀폐면(440)이 형성되어 있다. 상기 밀폐면(440)은 상기 전지부(41)가 상기 공간부(430)에 수용된 다음에 열융착에 의하여 밀폐되는 부분이다.

상기 밀폐면(440)중에는 적어도 어느 한 부분(441)은 다른 부분보다 저온도, 저압력에서 열융착하여서, 전지(40)의 이상유무시 우선적으로 파열이 발생될 수 있도록 안전 장치로서 역할을 하고 있다. 대안으로는, 상부 및 하부 케이스(410)(420)의 상부면 또는 바닥면중 스웰링 현상시 가장 많이 부풀어 오르는 중앙부에 소정의 통공을 형성하고, 별도로 마련된 테이프 부재를 부착하여서 다른 부분보다 먼저 파손시킬 수 있을 것이다.

상기 밀폐면(440)에는 상기 양극 및 음극판(42)(44)으로부터 인출된 양극 및 음극 리드(45)(46)의 일부가 접촉하게 되고, 열융착시 접촉되는 부분에서의 밀폐성을 강화시키기 위하여 상기 양극 및 음극 리드(45)(46)에는 보호 테이프(47)가 부착되어 있다. 그리고, 상기 양극 및 음극 리드(45)(46)는 상기 밀폐면(440)이 밀폐된 다음에 상기 케이스(400)의 외부로 노출되어 있다.

이처럼, 금속재로 된 각형이나, 고분자 수지와 금속 호일의 복합재로 된 파우치형의 케이스 내부에는 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 와인딩된 전지부가 실장되고, 리튬 염과 전해액 용매를 함유한 전해액이 적정량 주입되어 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 각형이나 파우치형의 리튬이차전지에 사용되는 전해액에 4.3V 이상에서 과충전시 다량의 기체를 발생시키는 첨가제를 첨가한 데에 있다.

이하에서, 본 발명을 하기 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예에만 한정된 것은 아니다.

(실시예 1)

도 1에 도시된 바와 같은 각형전지를 구성하기 위하여, 리튬계 산화물인 LiCoO₂과, 도전재(상품명 Super-P)와, 바인더(상품명 solef 6020)을 96:2:2의 중량비로 N-메틸-2-피롤리돈에 용해하여 양극 활물질용 슬러리를 제조하였다. 제조된 양극 활물질용 슬러리는 닥터 블레이드를 이용하여 알루미늄 호일의 양 면에 도포하고, 이를 건조하여 양극판을 제조하였다.

음극판은 음극 활물질(상품명 PHS)와, 바인더(상품명 KF1100)을 95:5 중량비로 혼합된 슬러리를 구리 호일의 양 면에 도포하고, 이를 건조하여 제조하였다.

상기 양극판과 음극판 사이에는 다공성의 세퍼레이터를 배치하고, 이들을 젤리-롤 형으로 와인딩하여 전지부를 완성하였다. 이 전지부는 각형 캔내에 장착된 다음에 전해액인 1.15M LiPF₆ EC:EMC:DEC:PC(30:50:10:10 중량비)을 혼합하여 주입하였다.

이때, 상기 전해액에는 벤젠 유도체, 예컨대 플로로벤젠(flurobenzene)과, 오르토-벤질-비페닐(ortho-benzil-biphenyl)을 전체 전해액의 약 10 부피 퍼센트와, 2 중량 퍼센트 정도로 각각 첨가하였다.

또한, 전지부가 수용된 캔의 바닥면에는 통공을 형성하고, 금속 호일을 부착하여 안전 장치로서 역할을 수행하게 하였다. 이러한 안전 장치는 파단압이 5 내지 16 kg 되도록 조정하였다.

(실시예 2)

전해액에 첨가제를 첨가시, 3-클로로-아니졸(3-chloro-anisole)을 전체 전해액의 약 2 중량 퍼센트 정도로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 각형 리튬이차전지를 완성하였다.

(실시예 3)

전해액에 첨가제를 첨가시, 설폰 유도체, 이를테면 비닐 설폰(vinyl sulfone)을 전체 전해액의 약 0.5 중량 퍼센트 정도로 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 각형 리튬이차전지를 완성하였다.

(실시예 4)

안전 장치를 금속 호일로 제조하지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이 캡 플레이트의 특정 부위를 얇게 하여 다른 부분보다 우선적으로 파단이 발생하도록 형성한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 각형 리튬이차전지를 완성하였다. 이때, 파단압은 5 내지 16 kg 되도록 조정하였다.

(실시예 5)

안전 장치를 금속 호일로 제조하지 않고, 도 3에 도시된 바와 같이 캡 플레이트에 안전공을 형성시키고, 여기에 탄성 중합체를 인입하고, 그 상부에 스프링이 외주면에 감싸진 핀을 삽입한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 각형 리튬이차전지를 완성하였다.

(실시예 6)

전지부가 수용되는 외장재가 금속재로 된 캔을 사용하지 않고, 도 4에 도시된 바와 같이 파우치형의 케이스를 사용하였다. 상기 케이스는 제1 고분자 수지로 된 내장층과, 금속 호일로 된 중간층과, 제2 고분자 수지로 된 외장층의 복합재로 이루어져 있으며, 케이스의 밀폐면중에는 적어도 어느 한 부분에 다른 부분보다 저온도, 저압력에서 열융착하여서, 전지의 이상유무시 우선적으로 파열이 발생될 수 있도록 안전 장치로서 역할을 하고 있다. 이때, 파단압은 5 내지 6 kg 으로 조정하였다. 상술한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 파우치형 리튬이차전지를 완성하였다.

(비교예 1)

전해액을 주입시, 첨가제로 플로로벤젠과, 오르토-벤질-비페닐을 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 각형 리튬이차전지를 완성하였다.

(비교예 2)

케이스의 밀폐면에 다른 부분보다 우선적으로 파열이 발생할 수 있도록 안전 장치를 형성하는 것과, 전해액에 첨가제를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법에 따라 실시하여 파우치형 리튬이차전지를 완성하였다.

상기 실시예 1 내지 6과, 비교예 1 또는 2에 따라 제조된 각형 또는 파우치형 리튬이차전지에 있어서, 보호 소자(protection element), 예컨대 피티씨이 소자(positive temperature coefficient element)를 장착한 경우와, 피티씨이 소자를 장착하지 않은 경우에 대하여 과충전 테스트를 실시하였다.

즉, 1C, 2C, 3C, 6C, 10A의 전류를 흘러주어서, 12V의 과충전 테스트를 실시하였다. 이때, nC는 방전율을 의미하는 것으로서, 1/n 시간동안 전지의 용량만큼의 전류를 보내어 충전 및 방전을 수행한다는 것을 의미한다. 여기서는 1C가 900mA/hr에 해당된다. 한편, 상기 보호 소자는 종래의 보호 회로처럼 회로적으로 설계된 IC, FET, 피티씨이 소자가 기판상에 장착된 모듈형이 아니라, 기판없이 PTC만 장착한 경우이다. 대안으로는 서멀 퓨즈(thermal fuse)와 같은 다른 보호 소자를 사용할 수도 있다.

이러한 테스트 결과는 표 1에 도시된 바와 같다.

12V과충전	보호 소자가 장착되지 않은 경우					보호 소자가 장착된 경우
	1C	2C	3C	6C	10A	1C	2C	3C	6C	10A
비교예1	화재	폭발	폭발	폭발	폭발	안전	안전	안전	화재	폭발
비교예2	연기	화재	화재	폭발	폭발	안전	안전	안전	연기	화재
실시예1	안전	안전	안전	연기	연기	안전	안전	안전	안전	연기
실시예2	안전	안전	안전	안전	연기	안전	안전	안전	안전	안전
실시예3	안전	안전	안전	안전	연기	안전	안전	안전	안전	안전
실시예4	안전	안전	안전	안전	연기	안전	안전	안전	안전	안전
실시예5	안전	안전	안전	안전	안전	안전	안전	안전	안전	안전
실시예6	안전	안전	안전	안전	연기	안전	안전	안전	안전	안전

표 1을 참조하면, 보호 소자가 장착되지 않은 경우, 실시예 1 내지 실시예 6의 각형 리튬이차전지나 파우치형 리튬이차전지는 비교예 1 또는 비교예 2의 각형 또는 파우치형 리튬이차전지보다 전해액에 상술한 바 있는 벤젠 유도체와 같은 첨가제등을 첨가시 안전성이 증가하는 것을 알 수 있다.

또한, 보호 소자가 장착된 경우에도, 실시예 1 내지 실시예 6에 따른 리튬이차전지는 비교예 1 또는 비교예 2의 리튬이차전지보다 안전성이 증가함을 확인할 수가 있다.

이처럼, 각형이나 파우치형의 리튬이차전지의 전해액에 첨가제로 플로로벤젠이나, 오르토-벤질-비페닐이나, 3-클로로-아니졸이나, 비닐 설폰을 혼합하였을 경우에는 전지가 4.3V 이상에서 과충전시에 다량의 기체를 발생시키고, 이 기체의 압력을 이용하여 리튬이차전지에 형성된 안전 장치를 파손 또는 개방시켜서 전해액의 분해로 인하여 발생한 가연성 기체를 신속하게 전지 외부로 배출시키게 됨으로써 전지의 안전성을 확보하게 된다.

특히, 오르토-벤질-비페닐이나, 3-클로로-아니졸은 5V 이상에서 중합되면서 기체를 발생함과 동시에 도전성 폴리머를 형성하고, 이것이 양극판과 음극판 사이에서 브리지(bridge)를 형성하여 미세 단락을 유도함에 따라 전지의 안전성을 향상시킨다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명의 보호회로가 없는 리튬이차전지는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 리튬이차전지 내부에 주입되는 전해액에 첨가제를 중합하여서, 미세 단락을 유도함과 동시에 전해액의 분해로 인하여 발생되는 가연성 기체를 안전 장치를 통하여 전지의 외부로 배출함으로 인하여 별도의 보호 회로 없이도 전지의 안전성을 확보할 수가 있다. 이처럼, 보호 회로가 장착되지 않음에 따라 전지의 내부저항을 줄이게 되어서 전지의 성능이 충분히 발휘된다.

둘째, 보호 회로가 장착되지 않음에 따라 휴대용 전자기기의 제조원가를 대폭 줄일 수 있다.

셋째, 보호 회로가 전지에서 차지하는 공간을 없앨 수 있게 되어서, 더욱 경박단소화된 휴대용 전자기기의 설계 자유도를 확보할 수가 있다.

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 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 통상적인 예에 따른 각형 리튬이차전지를 도시한 분리사시도,

도 2는 도 1의 각형 리튬이차전지의 변형된 예를 도시한 단면도,

도 3은 도 1의 각형 리튬이차전지의 변형된 다른 예를 도시한 단면도,

도 4는 통상적인 예에 따른 파우치형 리튬이차전지를 도시한 분리사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10...각형 리튬이차전지 11...캔

12...전지부 13...양극판

14...세퍼레이터 15...음극판

16...양극 리드 17...음극 리드

100...캡 조립체 110...캡 플레이트

130...음극 단자 140...절연 플레이트

150...단자 플레이트 160...절연 케이스

Claims (23)

1. 양극판과, 음극판과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터를 가지는 전지부;

   상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 캔;

   상기 캔에 결합되며, 그 외면에 상기 캔과의 절연을 위하여 가스켓이 개재된 전극 단자를 가지는 캡 플레이트;

   상기 캔의 내부에 주입되며, 전지가 4.3V 이상의 과충전 영역에서 분해되어서 가스를 발생시키는 첨가제가 혼합된 전해액; 및

   상기 캔 또는 캡 플레이트중 어느 한 곳에 형성되며, 가스를 외부로 배출하는 통로를 제공하는 안전 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전해액은 카보네이트계 유기 용매를 혼합한 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 첨가제는 전체 전해액에 대하여 10 부피 퍼센트 이내의 플로로벤젠과, 전체 전해액에 대하여 2 중량 퍼센트 이내의 오르토-벤질-비페닐을 혼합한 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제2항에 있어서,

   상기 첨가제는 전체 전해액에 대하여 2 중량 퍼센트 이내의 3-클로로-아니졸인 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
7. 삭제
8. 제2항에 있어서,

   상기 첨가제는 전체 전해액에 대하여 0.5 중량 퍼센트 이내의 비닐 설폰인 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,

    상기 안전 장치는 그 파단압이 5 내지 16 kg 이고, 상기 캔 또는 캡 플레이트에 형성된 소정 크기의 통공을 커버하는 박막의 금속재인 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
12. 제1항에 있어서,

    상기 안전 장치는 그 파단압이 5 내지 16 kg 이고, 상기 캔 또는 캡 플레이트의 소정 부위에 전지 내압 상승시 다른 부분보다 우선적으로 파단되도록 다른 부분보다 얇게 두께를 형성한 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
13. 삭제
14. 제1항에 있어서,

    상기 안전 장치는 상기 캔 또는 캡 플레이트에 형성된 통공을 차단하는 탄성 중합체와, 그 상부에 개재되는 스프링이 외주면에 감싸진 핀인 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
15. 제1항에 있어서,

    상기 캔에는 피티씨이나, 서멀 퓨즈중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 보호 소자가 더 부착된 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
16. 삭제
17. 제1항에 있어서

    상기 캔은 금속재인 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
18. 양극판과, 음극판과, 그 사이에 개재되는 세퍼레이터를 가지는 전지부;

    상기 전지부가 수용가능한 공간부를 제공하고, 폴리머층과 금속 박막의 복합재로 된 케이스;

    상기 케이스의 내부에 개재되며, 전지가 4.3V 이상의 과충전 영역에서 분해되어서 가스를 발생시키는 첨가제가 혼합된 전해액; 및

    상기 케이스를 열융착시 밀폐되는 면에 형성되며, 상기 가스를 외부로 배출하는 통로를 제공하는 안전 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
19. 제18항에 있어서,

    상기 전해액은 카보네이트계 유기 용매를 혼합한 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
20. 제19항에 있어서,

    상기 첨가제는 벤젠 유도체나, 설폰 유도체나, 오르토-벤질-비페닐이나, 3-클로로-아니졸중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
21. 제18항에 있어서,

    상기 안전 장치는 그 파단압이 5 내지 16 kg이며, 전지의 내압상승시 우선적으로 파열될 수 있도록 상기 케이스의 밀폐면 중에서 적어도 어느 한 부분에 다른 부분보다 저온도, 저압력으로 열융착된 면인 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.
22. 삭제
23. 제18항에 있어서,

    상기 케이스에는 피티씨이나, 서멀 퓨즈중 선택된 어느 하나의 보호 소자가 더 부착된 것을 특징으로 하는 보호회로가 없는 리튬이차전지.