KR100542683B1 - 캔측면 안전변세트를 갖는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캔측면에 안전변세트를 구비한 이차전지에 관한 것으로, 음극판, 양극판, 및 세퍼레이터를 포함하여 전력을 충방전하는 전극조립체; 전극조립체의 전력을 외부로 접속연결하는 캡어셈블리; 및 상부에 캡어셈블리와 결합되어 내부에 소정의 공간을 형성하여 전해액 및 전극조립체를 내장하고, 소정의 내부 압력에 의하여 파단되어 개방되는 다수의 안전변세트를 측면에 형성한 캔을 포함하여 구성된다.

Description

캔측면 안전변세트를 갖는 이차전지{A Can Shape with Many Sets of Safety Vents in Rechargeable Batteries}

도1은 종래의 원통형 이차전지의 외형을 보여주는 사시도, 그리고

도2는 본 발명에 따른 원통형 캔의 측면안전변을 갖는 이차전지의 사시도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

11: 캔 12: 캡

13: 캡안전변세트 14: 전해액주입구

15: 양극단자 21: 측면안전변세트

본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 상세하게는 연소 안전성 평가에서 평가특성을 향상시킨 캔 형상에 관한 것이다.

이차전지는 사용재료 등에 따라 니켈수소(Ni-MH)전지, 리튬(Li)전지, 리튬이온(Li-ion)전지, 폴리머리튬(PLI)전지 등으로 구분되고, 외관형태에 따라 원통형 전지와 각형 전지 등으로 구분된다.

도1은 종래의 원통형 이차전지의 외형을 보여주는 사시도이다. 도1에 도시된 바와같이, 이차전지는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터로 구성되는 젤리롤 형태의 전극조립체를 알루미늄이나 알루미늄합금의 캔(11)에 수납하고, 캔(11) 내부에 전해액을 주입하여 밀봉함으로써 형성된다. 캔(11)과 절연되는 양극탭이 전극조립체의 상부에 구비되고, 전극조립체의 하부에는 음극탭이 구비된다. 전극조립체 상하부에는 양극탭과 음극탭에 연결되는 극주(pole)가 설치된다. 극주 상부에는 세라믹와셔와 세라믹패치를 절연체로 하여 캔(11)의 내주면 가장자리를 따라서 외주면이 용접되는 캡(12)이 설치된다. 그리고, 캡(12)에는 전해액을 주입하기 위한 전해액주입구(14)와 전지 내부에서 발생되는 가스를 배출하는 캡안전변세트(safety vent: 13)가 구비된다. 그 밖에, 캡(12)에는 PTC(Positive Temperature Coefficient)소자, 서멀휴즈(Thermal Fuse), 보호회로기판(PCM: Protecing Circuit Module) 등의 안전장치가 구비된다.

도1의 캡안전변세트(13)는 안전벤트가 안전변에 의해 밀봉되는 구성으로서, 캔의 상부에 돌출되거나 함몰된 형태이다. 캡안전변세트는 기계적인 방법이나 에칭 또는 전기적 주형법에 의하여 캔 바닥면이나 캡 조립체에 일정한 깊이의 홈으로 형성될 수 있으며, 안전변은 용접 등의 방법으로 결합되거나 안전벤트와 일체로 형성되는 얇은 영역일 수 있다. 안전벤트 및 안전변은 가스 발생으로 스웰링이 심할 경우 안전변이 파열되어 내부의 가스를 외부로 배출하는 역할을 한다. 이러한 가스의 발생은 코발트산리튬(LiCoO₂)과 같은 양극활물질의 형성을 위해 사용되는 탄산 리튬(Li₂CO₃) 때문이다. 과승으로 첨가된 탄산리튬은 미반응 상태로 양극활물질인 코발트산리튬(LiCoO₂)중에 잔류하고 있다가, 이상 충전에 의해 전지 전압이 높아져 발열하면 탄산리튬(Li₂CO₃)이 분해되어 탄산가스가 발생된다. 탄산가스의 발생에 의해 통상 캔이 과도하게 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생하며, 이 스웰링 현상이 심하면 안전변이 파열되어 내부 가스를 외부로 내보내게 된다. 이러한 스웰링 현상은 탄산리튬을 적게 넣으면 해결되지만, 이렇게 되면 양극활물질에 산화코발트(CoO₂)가 잔존하여 양극을 부식시키고 충전시 전해액 속으로 용출되며, 이것이 음극으로의 코발트 석출 현상을 일으켜 내부쇼트를 일으키는 더 큰 위험을 유발하게 됨으로써, 탄산리튬을 과승으로 넣을 수밖에 없다.

그런데, 이렇게 필연적으로 설치되는 안전벤트 및 안전변의 위치를 보면, 캔의 바닥면이나 캡조립체의 일측에 구비되어 있다. 그 결과, 스웰링 현상이 발생하여 안전변이 파열되면 내부 가스는 이차전지의 상하부의 일측 또는 양방향으로만 분출되며, 만약 이차전지의 사용자가 이차전지의 상부 또는 하부방향에 위치할 경우 사용자 등은 상당한 상해를 입는 경우가 있다.

본 발명은 안전벤트 및 안전변의 설치위치에 따른 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이차전지의 내부의 동작이상으로 이차전지의 파열이나 폭발이 발생하더라도, 사용자 등에 상해를 입히는 정도를 현저히 감소시킴으로써 사용상의 안전성을 제고시키는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 이차전지의 캔 측면에 일정한 깊이로 함몰된 요홈 형태의 안전벤트 및 안전변 세트를 다수 제공한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 원통형 캔의 측면안전변을 갖는 이차전지의 사시도이다. 도2에 도시된 바와같이, 이차전지의 외형은 캔(11), 캡(12), 캡안전변세트(13), 전해액주입구(14), 양극단자(15), 그리고 다수의 측면안전변세트(23)로 구성된다.

캔(11)은 원통형 또는 각형 등의 다양한 형태로 구성되며, 원통형의 경우에는 전극조립체를 내장할 수 있는 원통형 공간을 형성하는 원통형 측면이 형성되고, 원통형 측면의 하부에는 그 원통형 측면의 하부 공간을 막는 하면이 형성되어 있으며, 그리고 원통형 측면의 상부는 개방되어 있다. 원통형 캔의 하면 중앙에는 전극조립체 중의 음극전극판에 형성된 음극리드가 저항 용접될 수 있도록 원통형 측면 및 하면의 두께에 비해 상대적으로 두꺼운 돌기부가 형성되어 있다. 원통형 캔(11)의 재질은 보통 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 합금 등이다. 원통형 캔(11)은 상부에서 캡(12)을 압박하는 안쪽 방향의 크리핑이 형성되고, 하부에서 상부 방향으로 캡(12)을 압박하는 안쪽 방향의 비딩부가 형성된다. 그리고, 캔(11)의 하부에는 안전벤트 및 안전변이 설치될 수 있다.

캡(12)은 과충전 또는 이상 발열시 형태가 반전되는 도전성안전벤트, 도전성안전벤트 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 도전성안전벤트의 반전시 회로가 끊어지는 보호회로기판, 보호회로기판 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 소정 온도 이상에서 회로가 끊어지는 PTC소자, PTC소자의 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 실제의 전류를 외부로 인가하는 도전성양극단자(15), 그리고, 도전성안전벤트, 보호회로기판, PTC소자 및 양극단자(15)의 측부 둘레를 감싸면서 이들 소자들을 캔(11)으로부터 절연시키는 절연가스켓 등으로 구성된다. 그리고, 캡(12)에는 가스 발생에 대비하는 안전벤트 및 안전변이 구비되어 있다.

측면안전변세트(21)는 캔(11)의 측면 표면에 일정한 깊이로 형성되는 오목부로 형성된다. 오목부는 압연 등의 기계적인 방법이나 부분에칭 등의 방법에 의하여 소정 깊이로 형성될 수 있고, 또는 전지 내부와 외부를 관통하는 벤트를 형성하고 이 벤트에 폴리에틸렌 필름으로 코팅된 알루미늄호일을 삽입하고 알루니늄호일의 가장자리와 캔을 열융착 등의 방법으로 결합하여 형성시킬 수 있다. 안전변세트는 원형, 타원형, 사각형 등의 다양한 형태가 가능하다. 안전변세트의 형성위치는 내부의 가스가 규정압 이상으로 증가하여 측면안전변세트가 파다될 때 내부 가스가 전지의 전방향으로 분출될 수 있도록 배치된다. 이를 위해서는 측면안전변세트는 캔 표면의 전체에 균형있게 분포되어야 한다. 예를들어, 전지의 길이방향을 따라 반경방향에 대응되게 2줄, 4줄 등의 방법으로 배치시킬 수 있다.

이상에서는 측면안전변세트의 형상을 오목한 형태로 한정하여 설명하였으나, 이는 전지의 외관이나 관리상의 편의를 고려한 것이다. 따라서, 측면안전변세트를 볼록 형태의 돌기부로 형성하여도 무방하다.

이러한 측면안전변세트를 갖는 전지에서 내부의 가스발생으로 내압이 상승하 게 되면, 캡어셈블리나 캔의 하부에 형성된 안전변에 의하여 내부 가스가 분출됨과 동시에, 캔 표면에 형성된 다수의 측면안전변세트에 의해서도 다량의 내부 가스가 외부로 분출되므로 내부 가스가 전지의 전표면으로 분산된다.

이러한 구조 및 작용을 갖는 전지구조에 의하면, 이차전지의 내부동작 이상으로 파열이나 폭발이 발생하더라도 내부가스가 전지의 전표면으로 고르게 분산분출됨으로 일방향에서 측정되는 가스폭발력은 현저히 감소된다. 그 결과, 내부가스에 의한 전지폭발의 경우에도 사용자 등이 입을 수 있는 상해의 정도는 현저히 감소되므로, 전지의 안전성 특성이 크게 향상된다.

Claims (4)

1. 음극판, 양극판, 그리고 상기 음극판 및 양극판 사이에 삽입되는 세퍼레이터를 포함하여 전력을 충방전하는 전극조립체;

   상기 전극조립체의 전력을 외부로 접속연결하는 캡어셈블리; 및

   상부에 상기 캡어셈블리와 결합되어 내부에 소정의 공간을 형성하여 전해액 및 상기 전극조립체를 내장하며, 소정의 내부 압력에 의하여 파단되어 개방되는 다수의 안전변세트를 측면에 형성한 캔을 포함하는 것을 특징으로 하는 캔측면 안전변세트를 갖는 이차전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 캔측면 안전변세트는

   압연에 의하여 내부로 함몰된 오목부인 것을 특징으로 하는 캔측면 안전변세트를 갖는 이차전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 캔측면 안전변세트는

   캔 측면을 관통하는 관통공의 외주연을 따라 열융착된 박막인 것을 특징으로 하는 캔측면 안전변세트를 갖는 이차전지.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 캔측면 안전변세트는

   캔측면 전체에 고르게 분포되는 것을 특징으로 하는 캔측면 안전변세트를 갖 는 이차전지.

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