KR100615159B1 - 이차전지 - Google Patents

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Abstract

목적: 전류의 흐름을 차단하여 전지의 이상 작동이나 과충전으로 인한 내부 압력 상승을 막고 발열 및 폭발을 방지하는 안전수단을 갖는 이차전지를 제공함에 목적을 두고 있다.
구성: 상호 절연된 양극과 음극 및 전해액이 수납된 캔의 상측 개구에 적층 밀봉되는 것으로, 안전변을 갖춘 플레이트와 통기공이 형성된 캡 커버 및 상기 안전변을 갖춘 플레이트의 하부에 절연체를 개재하여 용접 결합되는 통기공을 갖는 디스크를 포함하며, 상기 안전변을 갖춘 플레이트로 60∼102 N/㎡의 인장강도와 15% 이하의 연신율을 갖는 알루미늄 혹은 알루미늄 합금을 사용한다.
효과: 안전변을 갖춘 플레이트의 재료로 소프트한 재질을 사용하므로, 외부 충격에 의한 용접점의 떨어짐 즉 제품 불량을 방지하고, 용접 압력을 강하게 하면서도 용접점의 분리 압력 편차를 최소로 형성하여, 전지의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.
안전변, 플레이트, 인장강도, 연신율, 알루미늄, 알루미늄 합금

Description

이차전지{Secondary battery}
도 1은 일반적인 이차전지의 구성을 도시한 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
8-캡 어셈블리 14-안전변을 갖춘 플레이트
16-절연체 18-디스크
18a-통기공
본 발명은 전지의 비정상적인 작용으로 내부 압력이 규정 이상으로 상승할 경우, 그 압력에 의해 파단되어서 전지의 내압을 감소시키고 안전성을 확보할 수 있도록 하는 안전수단을 구비한 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 외관상 원통형과 각형으로 구분되며, 양극 및 음극 물질에 따라 여러 가지로 분류되고 있다.
도 1은 종래 공지된 원통형(spirally-wound) 이차전지의 일 예로서, 양극 활 물질로 리튬금속 산화물을 사용하고 음극 활물질로 카본을 사용하며 전해액으로 유기 용매를 사용하는 리튬 이차전지를 보여주고 있다.
도면에서 리튬 이차전지는 양극과 음극의 사이에 세퍼레이터를 개재하고 함께 권취하여 전극군(2)을 형성하고, 그 전극군(2)을 캔(4)의 내부에 삽입하며, 그 캔(4)의 내부에 전해액을 주입하고, 상기 캔의 상측 개구에 절연 가스켓(6)을 개재하여 캡 어셈블리(8)를 설치한 후 캔(4)의 개구 끝단을 크림핑하여 밀봉하므로 실현되어진다.
캡 어셈블리(8)는 캡 커버(10)와 전류제한기(12) 및 안전변을 갖춘 플레이트(14)의 순서로 적층되고, 안전변을 갖춘 플레이트(14)의 하부에 절연체(16)를 개재하여 통기공(18a)이 있는 디스크(18)를 용접한 구성으로 되어 있으며, 상기 디스크(18)는 단자 탭(20)을 통하여 전극군(2)의 양극 혹은 음극과 연결되어진다. 아울러 전극군(2)의 다른 전극은 도시하지 않은 단자 탭 혹은 캔과의 직접 접촉에 의해 외부로 연결되어진다.
이렇게 구성된 리튬 이차전지는 이상 작동이나 과충전시 양극에서 전해액의 분해가 일어나고 음극에서 리튬 금속이 석출되어 쇼트될 수 있으며, 이때 내부의 압력이 규정된 압력 이상으로 상승되어 발열 및 폭발의 위험성을 수반하게 된다.
이러한 점을 고려한 안전수단으로서, 종래 리튬 이차전지에서는 전지의 내부 압력이 안전변을 갖춘 플레이트(14)의 아래 면에 작용되게 하여, 그 압력이 규정 이상으로 상승할 경우 안전변을 갖춘 플레이트(14)가 상방향으로 변형되면서 디스크(18)와 용접 결합 부분이 분리되어 떨어지도록 함으로써, 전류의 흐름을 차단하 고 더 이상의 반응을 억제하여 안정성을 확보하는 커런트 브레이커를 구성한다. 또한 전지의 내부 압력이 계속 상승할 경우에는 안전변을 갖춘 플레이트(14)의 취약부(혹은 안전변)(14a)가 파단되어 내부 가스를 외부로 방출한다.
그러나 지금까지 알려진 커런트 브레이커의 작용은 안전변을 갖춘 플레이트(14)와 디스크(18)의 용접 압력에 의해 결정되는바, 기술적으로 상기 용접 압력을 정확하게 맞추기 어려우며, 특히 안전변을 갖춘 플레이트가 인장강도 95~125 N/㎡ 및 연신율 2% 이하의 하드한 재질의 알루미늄을 사용하는 바, 이것은 자체 변형량이 적기 때문에 작동(분리) 압력의 편차가 커져 전지의 오 작동을 발생시키는 문제점이 있다. 여기서 작동 압력의 편차는 용접 부품의 재료에 따라 비례하는데, 재료의 강도가 크고 연신율이 작은 하드한 재질일 경우에는 편차가 더욱 커지게 된다.
또한 안전변을 갖춘 플레이트와 디스크의 용접점은 하드한 재질일수록 외부 충격에 의해 쉽게 떨어져 분리되므로 제품 불량을 초래할 수 있다.
앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명은 안전변을 갖춘 플레이트의 재료로 소프트한 재질을 사용하여, 외부 충격에 의한 용접점의 떨어짐 즉 제품 불량을 방지하고, 용접 압력을 강하게 하면서도 용접점의 분리 압력 편차를 최소로 하여 전지의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 한 안전수단을 갖는 이차전지를 제공함에 그 목적을 두고 있다.
이를 위하여 본 발명의 이차전지에서는 상호 절연된 양극과 음극 및 전해액이 수납된 캔의 상측 개구에 적층 밀봉되는 것으로, 안전변을 갖춘 플레이트와 통기공이 형성된 캡 커버 및 상기 안전변을 갖춘 플레이트의 하부에 절연체를 개재하여 용접 결합되는 통기공을 갖는 디스크를 포함하며, 상기 안전변을 갖춘 플레이트로 60∼102 N/㎡의 인장강도와 15% 이하의 연신율을 갖는 금속을 사용함을 특징으로 한다.
안전변을 갖춘 플레이트의 재료로는 알루미늄 혹은 알루미늄 합금을 사용할 수 있고, 더욱 캔과 같은 재질의 금속을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거하여 설명하기로 한다.
본 발명에서 이차전지의 구성은 도 1을 참조하여 설명한 종래 기술의 구성과 같다. 본 발명은 이차전지의 일 예로서 나선형 전극구조 및 원통형 구조를 갖는 것으로, 양극 활물질로 리튬금속 산화물을 사용하고 음극 활물질로 카본을 사용하며 전해액으로 유기 용매를 사용하는 리튬 및 리튬이온 이차전지에 대하여 설명하기로 한다. 다만 본 발명에서는 안전변을 갖춘 플레이트의 재료로 소프트한 재질을 사용하여 목적을 달성하고자 한다.
도 1과 같이 본 발명의 이차전지는 캔(4)의 상측 개구에 캡 어셈블리(8)를 배치하고 밀봉함에 있어, 상기 캡 어셈블리(8)의 구성으로 적어도 캡 커버(10)와 안전변을 갖춘 플레이트(14)를 적층하고, 커런트 브레이커를 구성하기 위해 안전변을 갖춘 플레이트의 하부에 절연체(16)를 개재하여 통기공(18a)이 형성된 디스크(18)를 용접 결합하여 이루어진다.
안전변을 갖춘 플레이트(14)는 60∼102 N/㎡의 인장강도와 15% 이하의 연신율을 갖는 금속을 사용하는바, 이것은 바람직하게 캔과 같은 재질을 갖는 알루미늄이나 알루미늄 합금을 사용하는 것이 좋으며, 초음파 용접에 의해 디스크(18)와 용접되어서 커런트 브레이커를 구성하게 된다.
이와 같이 구성된 커런트 브레이커는 종래 보다 소트프한 재질의 안전변을 갖춘 플레이트(14)를 사용하므로 자체 변형량이 커지는 대신, 디스크(18)와의 용접을 강하게 할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면 용접점의 파단(분리) 압력 편차를 줄일 수 있는데, 여기서 커런트 브레이커의 파단 압력 편차는 용접 부품의 재료에 따라 비례하며, 재료의 강도가 작고 연신율이 큰 소프트한 재질일 경우에는 편차가 작아지게 된다.
보다 구체적으로 종래 기술과 본 발명의 커런트 브레이커가 동일 압력에서 파단된다고 할 때, 본 발명의 안전변을 갖춘 플레이트의 재질이 소프트하므로 용접 압력을 강하게 할 수 있고, - 예를 들어 종래의 용접 압력을 8 ㎏f/㎠ 이라 할 때 본 발명의 용접 압력은 20 ㎏f/㎠ 이상으로 할 수 있다 - 그 결과 용접 압력에 대한 파단 압력의 영향을 줄일 수 있으므로 커런트 브레이커의 파단 압력 편차를 최소화할 수 있는 것이다.
본 발명의 이차전지와 종래 기술의 이차전지를 비교하여 커런트 브레이커의 파단 압력을 측정한 시험 결과가 표 1에 잘 나타나 있다.
(R=max-min)
구 분 파단 압력 테스트(평균/R범위) 비 고
1회 2회 3회 4회 5회
본 발명 9.2/3.3 8.8/3.8 9.1/4.6 9.0/4.3 9.0/2.9
종래 기술 10.6/4.4 11.0/3.5 10.7/5.8 10.0/5.0 10.5/4.7
표 1에 의거하여 본 발명에 의한 커런트 브레이커의 파단(작동) 압력의 편차가 축소됨을 알 수 있다.
또한 본 발명에 의한 커런트 브레이커는 소트프한 재질의 안전변을 갖춘 플레이트(14)를 사용하고 디스크(18)와의 용접을 강하게 하므로, 외부 충격에 의한 용접점의 떨어짐을 방지할 수 있다.
예를 들어 본 발명의 이차전지와 종래 기술의 이차전지를 비교하여 낙하 시험한 결과가 표 2에 잘 나타나 있다.(각 테스트는 16회 이상 실시한 것이며, 동일 전지에 대해 1m 철판 낙하, 1.6m 철판 낙하, 1.9m 콘트리트 낙하를 실시함.)
구 분 1.0m 철판 낙하 1.6m 철판 낙하 1.9m 콘트리트 낙하
본 발명 OK OK OK
종래 기술 OK NG(3/100) NG(17/100)
표 2와 같이 본 발명에 의한 이차전지는 현재 실시되고 있는 전지의 안전성 실험중에서 모든 낙하 테스트에서 양호함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 구성 및 작용을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 이차전지는 안전변을 갖춘 플레이트의 재료로 소프트한 재질을 사용하므로, 외부 충격에 의한 용접점의 떨어짐 즉 제품 불량을 방지하고, 용접 압력을 강하게 하면서도 용접점의 분리 압력 편차를 최소로 형성하여, 전지의 안전성 및 신뢰성을 확보하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

  1. 상호 절연된 양극과 음극 및 전해액이 수납된 캔과, 그 캔의 개구에 결합 밀봉되는 것으로 전지의 내압을 받아 작동하는 안전변을 갖춘 플레이트를 포함하며, 상기 안전변을 갖춘 플레이트를 60∼102N/㎡의 인장강도를 갖는 금속으로 형성하고, 안전변을 갖춘 플레이트에 절연체를 개재하여 통기공을 갖는 디스크를 용접 결합한 것을 포함하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 안전변을 갖춘 플레이트는 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 안전변을 갖춘 플레이트는 0.1∼0.3㎜의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 안전변을 갖춘 플레이트의 상부에 전류제한기와 통기공을 갖는 캡 커버를 설치한 것을 포함하는 이차전지.
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