KR100577489B1 - Ｐｔｃ 특성을 갖는 전극단자를 구비한 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PTC 특성을 갖는 전극단자를 구비한 이차전지에 관한 것으로서, 상기 셀의 양극과 음극으로부터 각각 연장되는 양극단자 및 음극단자를 포함하되, 상기 양극단자 혹은 음극단자의 통전경로 일측에 PTC 컴파운드층이 구비되어 이를 경유하여 통전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지가 개시된다.

본 발명에 의하면 전지몸체에 PTC 서미스터를 부착하는 공정이 생략되므로 생산성을 높일 수 있으며, 이차전지 팩의 크기가 감소되므로 동일 체적 대비 충전용량을 높일 수 있는 잇점이 있다.

리튬이온 이차전지, 셀, PTC, 파우치

Description

ＰＴＣ 특성을 갖는 전극단자를 구비한 이차전지{SECONDARY BATTERY INCLUDING ELECTRODE TERMINAL HAVING PTC-CHARACTERISTICS}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 리튬이온 이차전지의 구성을 도시하는 사시도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지의 개략적인 구성도.

도 3은 도 2의 양극단자에 대한 내부구성의 다른 예를 도시하는 단면도.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

100...셀 110...파우치

120...양극단자 120a,120c...금속부재

120b...PTC 컴파운드층 130...음극단자

본 발명은 PTC 특성이 구비된 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 과충전 혹은 과방전시 자동으로 회로의 접속을 차단하여 전지의 폭발을 방지하도록 PTC 특성을 갖는 소재를 구비하되 이차전지 팩의 부피증가를 막을 수 있는 이차전지에 관한 것이다.

충/방전이 가능한 이차전지 중 특히 리튬이온 이차전지는 양극 및 음극 전극과, 리튬이온(Lithium-ion)을 두 전극 간에 가역적으로 전달할 수 있는 물질로 구성이 되며, 리튬이온이 양극과 음극 사이를 교대로 드나드는 록킹체어 원리(Rocking chair principle)에 의해 동작되어 충전과 방전이 자유롭게 이루어진다. 이러한 리튬이온 이차전지는 에너지 밀도가 높고, 작동전압이 상대적으로 높을 뿐만 아니라 우수한 보존 및 수명특성을 보이는 등 많은 장점이 있어 보통 3C로 불리는 개인용 컴퓨터(Personal Computer), 캠코더(Camcorder) 및 휴대용 전화기(Cellular Phone)를 비롯하여 휴대용 CD 플레이어나 PDA 등 각종 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있다.

그러나, 일반적으로 리튬이온 이차전지는 상온에서 과충전이나 과방전 같은 이상상태 발생시 폭발이 일어날 위험이 있는 등 안전성이 낮은 단점이 있어 현재 출시되는 리튬이온 이차전지에는 대부분 셀에 대한 과충전이나 과방전을 감지하여 선택적으로 외부 회로와의 접속을 차단하는 보호회로 및 PTC 서미스터가 장착된다. 여기서, 서미스터(Thermistor)는 전도성 물질의 고유저항이 온도에 따라 변하는 현상을 이용하는 소자로서, 온도상승과 함께 저항치가 감소하는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 물질로 이루어진 서미스터와, 반대로 온도상승과 함께 저항치가 증가하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 물질로 이루어진 서미 스터로 구분될 수 있다. 특히 PTC 물질은 상온에서는 상대적으로 저항이 낮아 전류를 잘 통과시키지만 주위의 온도가 상승하거나 과전류로 인해 물질의 온도가 상승하게 되면 저항이 처음상태보다 약 1000 ~ 10000배 이상으로 증가하여 흐르던 전류를 차단하기 때문에 이를 이용한 서미스터를 회로기판 등에 실장할 경우 효과적으로 과전류를 억제할 수 있다.

도 1은 이러한 리튬이온 이차전지의 구성을 개략적으로 보여주는 도면으로서, 전지몸체(10)의 측면 일측에 PTC 서미스터(20)가 부착된 구조가 도시되어 있다. 그러나, 이러한 구조에 의하면, PTC 서미스터(20)가 부착되는 이차전지 측면의 면적과 상기 PTC 서미스터(20)의 두께의 곱에 해당하는 부피만큼 이차전지의 부피가 커지므로 휴대용 전자기기의 소형화 추세에 부응하지 못하는 취약점이 있다. 또한, 이러한 부착식 구성을 위해서는 전지몸체(10)의 측면에 PTC 서미스터(20)를 부착시킨 후 리드를 양단에 용접해서 연결해야 하는 복잡한 공정이 요구되는 단점이 있고, 충격 등에 의해 리드 연결상태가 끊어질 수 있는 우려도 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, PTC 특성을 갖는 소재를 이차전지의 전극단자와 일체로 구비하여 제조공정의 간소화와 함께 이차전지 팩의 크기를 감소시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이차전지는, 충/방전이 가능하도록 셀을 구비한 이차전지에 있어서, 상기 셀의 양극과 음극으로부터 각각 연장되는 양극단자 및 음극단자를 포함하되, 상기 양극단자 혹은 음극단자의 통전경로 일측에 PTC 컴파운드층이 구비되어 이를 경유하여 통전이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 양극단자 혹은 음극단자는, PTC 컴파운드층을 사이에 두고 대칭형성된 금속부재; 및 상기 금속부재를 따라 통전되는 것을 차단하도록 상기 금속부재의 일측에 개재된 절연물;을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 금속부재의 통전차단 지점에는 다수의 슬릿이 형성되고, 이 슬릿에 상기 절연물이 채워질 수 있다.

상기 금속부재는 구리, 니켈 또는 니켈이 도금된 구리로 이루어질 수 있다.

상기 PTC 컴파운드층은 결정성 고분자 수지 및 전도성 물질의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하다.

바람직하게 본 발명에는 실질적으로 셀을 둘러싸는 파우치가 더 포함되고, 상기 파우치의 일측에서 돌출되도록 상기 양극단자 및 음극단자가 구비될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명은 충/방전용 셀(100)의 양극(미도시) 및 음극(미도시)으로부터 연장되는 양극단자(120) 및 음극단자(130)를 포함하고, 상기 양극단자(120) 혹은 음극단자(130)의 통전경로 일측에는 PTC 특성을 갖는 소재가 구비된다. 여기서, 상기 셀(100)은 바람직하게 리튬이온 셀이 해당될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

바람직하게 본 발명에는 상기 셀(100)을 실질적으로 둘러싸는 외장재가 되는 파우치(110)가 더 구비될 수 있다.

양극단자(120) 및 음극단자(130)는 각각 셀(100)의 양극과 음극에 연결되며, 상기 파우치(110)에 의해 지지된 상태로 돌출형성된다.

상기 양 단자(120,130) 중 어느 일측, 바람직하게 양극단자(120)에는 부분확대단면도에 나타난 바와 같이 PTC 컴파운드층(120b)과, 상기 PTC 컴파운드층(120b)을 사이에 두고 양측에 대칭형성된 금속부재(120a,120c)가 구비되고, 각각의 금속부재(120a,120c)의 일측에는 통전의 차단을 위해 절연물(120d)이 개재된 구조를 갖는다. 여기서, 음극단자(130)가 이러한 구조로 형성되도록 본 발명이 변형될 수 있음은 물론이다.

상기 PTC 컴파운드층(120b)은 바람직하게 결정성 고분자 수지와, 예컨대 카 본블랙이나 메탈 파티클, 메탈 파우더와 같은 전도성 물질의 혼합물로 이루어질 수 있다. 여기서, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되지 않고 PTC 특성을 갖는 다양한 공지의 혼합물이 사용될 수 있음은 물론이다.

상기 금속부재(120a,120c)는 구리 또는 니켈로 형성될 수 있고, 대안으로 니켈이 도금된 구리로 형성될 수도 있다. 상기 금속부재(120a,120c)의 길이방향을 기준으로 일측에는 셀(100)측의 양극이 연결되고 타측에는 외부 충/방전회로가 연결되어 통전이 이루어진다. 여기서, 양극단자(120)의 통전경로는 상기 PTC 컴파운드층(120b)을 경유하여 형성되어야 하므로 상기 금속부재(120a,120c)의 길이방향을 따라 전류가 바이패스되는 것을 방지하도록 상기 금속부재(120a,120c)의 일측에는 통전차단용 절연물(120d)이 개재된다.

양극단자(120)의 기계적 안정성이나 PTC 컴파운드의 누출방지 등을 감안할 때 상기 양극단자(120)는 절연물(120d)에 의해 완전히 이분되지 않는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 양극단자(120)의 통전차단 지점에는 다수의 슬릿이 형성되고, 이 슬릿에 상기 절연물(120d)이 투입되는 것이 바람직하다.

양극단자(120)에 있어서 상기 슬릿 및 절연물(120d)이 형성되는 통전차단 지점은 도면에 도시된 것에 한정되지 않고 도 3에 도시된 바와 같이 양극단자(120)의 중간지점이 될 수도 있는 등 다양한 변형예가 있을 수 있다.

그러면, 상기와 같은 구성을 같는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지의 작용에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 의하면 셀(100)의 양극 및 음극에 각각 연결되는 양극단자(120)와 음극단자(130)가 파우치(110)의 일측에 돌출형성되고, 바람직하게 상기 양극단자(120)는 그 통전경로의 일측에 PTC 컴파운드층(120b)이 구비됨과 아울러 상기 PTC 컴파운드층(120b) 양측의 금속부재(120a,120c)에 절연물(120d)이 개재된 구성을 갖는다. 이러한 구성에 의하면, 셀(100)에 대한 충전이나 방전시 양극단자(120)의 절연물(120d) 일측의 금속부재 부분과, PTC 컴파운드층(120b)과, 상기 절연물(120d) 타측의 금속부재 부분을 순차적으로 경유하여 통전동작이 이루어진다.

셀(100)에 대한 충전이나 방전동작을 위해 상기 양극단자(120)와 음극단자(130)의 선단 부분은 외부 회로와 접속된다. 여기서, 과충전이나 과방전과 같은 이상상태가 발생하여 상기 PTC 컴파운드층(120b)을 경유하여 과전류가 흐를 경우에는, PTC 컴파운드층(120b)의 온도가 상승하게 되고, 이에 따라 저항률도 함께 상승하여 전류의 흐름을 일정레벨 이하로 제한함으로써 셀(100)을 안전하게 보호하게 된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 의하면 별도의 PTC 서미스터 장착공정 없이 이차전지의 양극단자에 일체로 PTC 특성을 이용한 안전수단이 구비되므로 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 의하면 PTC 서미스터의 장착을 위한 별도의 공간이 요구되지 않으므로 이차전지 팩의 크기를 종래에 비해 감소시켜 실질적으로 동일 체적 대비 충전용량을 높일 수 있다.

Claims (6)

1. 충/방전이 가능하도록 셀을 구비한 이차전지에 있어서,

   상기 셀의 양극과 음극으로부터 각각 연장되는 양극단자 및 음극단자를 포함하되,

   상기 양극단자 또는 음극단자는, 통전 방향을 따라 상기 양극 또는 음극으로부터 함께 연장된 제1 및 제2금속부재, 그리고 상기 제1금속부재와 제2금속부재 사이에 개재된 PTC 컴파운드층을 구비하고, 상기 제1 및 제2금속부재는 금속부재를 통한 전류 통전을 차단하도록 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2금속부재에 형성된 슬릿의 갯수는 2개 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2금속부재에 형성된 슬릿에 통전 차단용 절연물이 채워진 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 금속부재가 구리, 니켈 또는 니켈이 도금된 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 PTC 컴파운드층이 결정성 고분자 수지 및 전도성 물질의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1항에 있어서,

   실질적으로 셀을 둘러싸는 파우치를 더 포함하고,

   상기 파우치의 일측에서 돌출되도록 상기 양극단자 및 음극단자가 구비된 것을 특징으로 하는 이차전지.

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