KR100655636B1 - 자동 절단부의 양극 리드를 포함하고 있는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지의 양극과 음극 및 분리막을 포함하는 발전요소와 캡 어셈블리 사이의 양극 리드에서 그것의 전체 평균 수평 단면적 대비 10 ~ 90%의 수평 단면적을 가진 자동 절단부를 적어도 일부에 포함하고 있어서 전지의 비작동 상태에서의 과전류 발생시 자동으로 절단됨으로써, 안전성이 향상된 이차전지를 제공한다.

Description

자동 절단부의 양극 리드를 포함하고 있는 이차전지 {Secondary Battery Having Cathode Lead with Self Cutting Part}

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 단면 모식도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 자동 절단부를 포함하고 있는 양극 리드의 사시도 및 수평 단면도이다;

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동 절단부를 포함하고 있는 양극 리드의 사시도 및 수평 단면도이다;

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 자동 절단부를 포함하고 있는 양극 리드의 사시도 및 수평 단면도이다.

본 발명은 자동 절단부가 형성되어 있는 양극 리드를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차전지의 양극과 음극 및 분리막을 포함하 는 발전요소와 캡 어셈블리 사이의 양극 리드에서 그것의 전체 평균 수평 단면적 대비 10 ~ 90%의 수평 단면적을 가진 자동 절단부를 적어도 일부에 포함하고 있어서 전지의 비작동 상태에서의 과전류 발생시 자동으로 절단됨으로써, 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것이다.

이차전지는 전해물질에 양극과 음극을 삽입하고, 이 양극과 음극을 연결했을 때 전해물질과 전극 사이에서 발생되는 전기화학적 반응을 이용한 전지로서, 기존의 일차전지와는 달리 전기전자제품에서 소모된 에너지를 충전기에 의해 재충전하여 반복 사용할 수 있는 충전과 방전이 가능한 전지이므로, 와이드리스 전기전자제품과 더불어 급속한 신장을 보이고 있다.

이러한 이차전지는 양극이나 음극 또는 전해액을 어떤 물질로 사용하느냐에 따라 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 나뉘며, 형태적으로는 원통형, 패키지형, 및 각형으로 구분된다.

일반적으로 리튬 이차전지에 사용되는 재료들(예를 들어 양, 음극 활물질, 바인더, 전해액, 집전체 등)은 전지가 작동하는 전압(2.5V ~ 4.3V)에서 전기화학적으로 안정하다. 그러나, 전지가 이 작동전압 이상의 전압으로 상승하게 되면 구성 재료들이 각각의 분해 전압에서 가스를 발생시키면서 분해된다. 이렇게 발생되는 가스는 리튬 이차전지 내의 압력을 증가시키고, 그 결과, 전압이 계속 상승하게 되며, 이때 미세하게 단락된 부분이 있거나 음극의 표면에 전착된 리튬 금속이 세퍼레이트를 뚫고 양극과 만나게 되는 경우에는 이 부분으로 대량의 전류가 흐르며 열과 가스의 발생을 촉진시킨다. 그러한 열과 가스는 전지의 취약한 부분을 통해 외 부로 방출되며, 결국에는 전지가 발화하거나 폭발하게 된다.

따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 소자를 장착하여 사용하는 방법과 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 있다. 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, 전압의 변화를 이용하는 보호회로, 그리고 전지 내압의 변화를 이용하는 안전변(Safety Vent) 등이 전자에 해당하고, 셀 내부의 온도나 전압의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 포함시키는 것이 후자에 속한다.

셀 내부에 포함되는 물질로는, 분리막 자체의 셧다운 기능을 이용하는 방법, 전해액에 첨가물을 부가하는 방법, 전극 구성물질, 전극 또는 분리막 위에 코팅된 코팅물들을 이용하는 방법 등이 있다. 이러한 물질들은 셀 내부의 온도나 전압의 변화에 민감하게 반응하도록 설계되어진다.

셀 바깥쪽에 장착하는 소자들은, 온도, 전압 또는 전지 내압을 이용하기 때문에 확실한 차단을 가져올 수 있는 반면에, 가격이 비싼 단점을 가지고 있다.

셀 내부에 물질을 포함시킴으로써 안전성을 향상시키는 방법들은 셀 내부에 포함하므로 설치가 간단하지만, 확실한 안전성 보장이 이루어지지 않으므로 단독 수단으로는 사용되지 않고 있다.

한국 특허출원공개 제2000-0051638호에는, 파우치의 표면에 부착되는 적어도 1 개 이상의 압력센서 및 상기 압력센서와 양극 및 음극에 연결되는 보호회로가 부가되어 파우치의 팽창시 설정된 압력치 이상으로 되었을 때, 보호회로가 작동되어 양극과 음극 사이에 통전되던 전류를 차단하는 구성이 개시되어 있다. 그러나 이러한 구성은 별도의 보호회로를 필요로 하고 구조가 복잡하다는 단점을 가지고 있다.

또한, 한국 특허출원공개 제2001-26730호에는, 양극 단자인 알루미늄 단자를 연장하여 파우치에 고정한 상태에서 전지를 감싸고 중간 부분에 노치부를 형성하여 내압이 일정한 수준에 이르면 파우치가 부풀어 오르면서 상기 노치부가 끊어지도록 하여 전류를 차단하는 구성이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 구성은 파우치에 고정하기 위해 테이프를 붙이기 위한 별도의 공정이 요구되고, 노치부의 절단을 위한 응답속도에 대한 신뢰성이 떨어지며, 조립 과정에서 노치부가 절단될 가능성이 있는 등의 문제점을 가지고 있다.

더욱이, 상기와 같이 물리적 변형에 의해 안전성을 추구하는 구성들은 전지의 내압이 상당한 수준에 도달하였을 때 비로소 전류가 차단되기 때문에, 전지의 안전성이 이미 임계 수준을 넘어선 폭발 직전의 단계에서 작동되므로, 안전성 확보에 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 이차전지의 발전요소와 캡 어셈블리 사이의 양극 리드에서 그것의 적어 도 일부에 리드 전체의 평균 수평 단면적 보다 작은 단면적을 가진 부위를 포함시킬 경우에는, 전지의 비작동 상태에서의 과전류 발생시 물리적 변형에 의하지 않고도 자동으로 절단되게 함으로써, 전지의 안전성을 크게 개선할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 양극과 음극 및 분리막을 포함하는 발전요소와 캡 어셈블리 사이의 양극 리드에서, 상기 리드 전체의 평균 수평 단면적 대비 10 ~ 90%의 수평 단면적을 가진 자동 절단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이차전지는 양극 리드에 상기한 자동 절단부를 포함함으로써, 전지의 비작동 상태에서의 과전류 발생시 자동으로 절단되어 전류의 흐름을 차단하는 기능을 하는 바, 최소한의 구성으로 전지의 안전성을 확보할 수 있고, 더욱이 전지의 물리적 형태 변화에 의하지 않고 전류의 변화에 응답하여 작동되므로 빠른 응답속도를 가지는 등의 효과를 나타낸다.

상기 자동 절단부의 저항은 전지의 정상적인 작동 상태에서는 크게 문제시되지 않는 정도이지만, 비정상적인 작동 상태, 예를 들어, 수십 A의 과전류가 흐르는 외부 단락(external short)시의 과전류 시 상대적으로 큰 발열을 초래하고, 결과적으로 과전류 발생시 자동적으로 절단되어 전지의 통전을 방지하므로, 전지의 안전소자로 작동한다. 이러한 원리를 상술하면 다음과 같다.

일반적으로 저항 및 전류와 발열량과의 관계는 하기의 식 1로 표시된다.

W = I² x R (1)

상기 식에서, W 는 발열량을 나타내고, I 는 전류를 나타내며, R 은 저항을 나타낸다.

또한, 저항은 하기의 식 2에서와 같이 단면적에 반비례한다.

R ∝ 1/A (2)

상기 식에서, R 은 저항을 나타내고, A 는 단면적을 나타낸다.

과전류시 양극 리드의 발열량은 상기 식 1에서와 같이 급격히 증가하는데, 그러한 증가는 단면적이 작은 부위에서 배가된다. 따라서, 양극 리드 중 자동 절단부는 큰 발열량과 함께 작은 단면적으로 인한 작은 열용량으로 인해 손쉽게 절단될 수 있다.

자동 절단부의 수평 단면적은, 앞서 설명한 바와 같이, 양극 리드의 전체 수평 단면적 대비 10 ~ 90%로서, 수평 단면적이 너무 작으면 높은 저항으로 인해 정상적인 작동상태에서의 출력 손실이 크게 되어 비효율적이고, 반대로 수평 단면적이 너무 크면, 과전류 발생시 자동으로 절단되기 어려우므로 소망하는 효과를 달성하기 어렵다. 더욱 바람직한 수평 단면적의 크기는 30 ~ 80 %이다.

자동 절단부의 길이는 양극 리드의 저항 및 과전류 시 자동 절단을 위한 발열량과 관련이 있는 바, 자동 절단부의 수평 단면적이 작은 경우에는 크게 제작하고, 반대로 수평 단면이 큰 경우에는 작게 제작하여, 정상적인 작동상태의 출력 손실 방지와 비정상적인 작동상태에서의 적정한 절단을 위한 발열량 조건을 고려하여 적절한 범위에서 설정할 수 있다.

자동 절단부의 형상은 상기와 같은 조건을 만족하는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 양극 리드의 폭을 좁힌 구조, 양극 리드의 두께를 줄인 구조, 양극 리드의 중앙을 천공한 구조 등이 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 이들의 둘 또는 그 이상의 조합으로 구성될 수도 있다.

양극 리드의 폭을 좁힌 구조는 양극 리드의 한쪽 또는 양쪽 측면에 다양한 형상의 만입부를 형성하여 제작될 수 있다. 상기 만입부의 형상은 라운드형(round type), 노치형(notch type), 스퀘어형(square type) 등을 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다. 양극 리드의 중앙을 천공한 구조는 중앙에 다양한 형상의 관통구를 형성하여 제작될 수 있다. 상기 관통구의 형상은 원형, 타원형, 사각형, 삼각형 등을 예로 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다. 자동 절단부의 형성은 그것의 형상에 따라 다양한 방법이 가능하며, 예를 들어, 단조, 압연, 펀칭 등의 방법을 사용할 수 있다.

양극 리드에서 자동 절단부의 수는 특별히 제한되는 것은 아니고, 필요로 따라 둘 또는 그 이상으로 형성할 수도 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 발전요소와 캡 어셈블리 사이에 양극 리드가 포함되는 구조라면 특별히 제한이 없으며, 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등에서 모두 가능하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주 가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에서는 본 발명이 적용될 수 있는 이차전지의 한 종류로서, 일반적인 원통형 이차전지의 구조에 대한 모식도가 개시되어 있다. 원통형 이차전지(100)는 원통형 캔(200), 캔(200)의 내부에 수용되는 발전요소(300), 및 캔(200)의 상부에 결합되는 캡 어셈블리(400)로 구성되어 있다.

발전요소(300)는 양극(310)과 음극(320) 사이에 분리막(330)을 개재한 상태로 젤리-롤형으로 감은 구조로 되어 있으며, 상기 양극(310)에는 양극 리드(500)가 부착되어 캡 어셈블리(400)에 접속되어 있고, 상기 음극(320)에는 음극리드(도시하지 않음)가 부착되어 캔(200)의 하단에 접속되어 있다.

상기 캡 어셈블리(400)는 양극 단자를 형성하는 상단 캡(410), 전지 내부의 온도 상승 시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element; 420), 전지 내부의 압력 상승 시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 안전벤트(430), 특정 부분을 제외하고 안전벤트(430)를 캡 플레이트(450)로부터 전기적으로 분리시키는 절연부재(440), 양극(310)에 연결된 양극 리드(500)가 접속되어 있는 캡 플레이트(450)가 순차적으로 적층되어 있는 구조로 되어 있다.

본 발명에서는 이러한 양극 리드(500)에 특정한 구조의 자동 절단부를 형성하고 있는 것이다.

도 2 내지 도 4에는 본 발명의 실시예들에 따른 이차전지용 양극 리드(500)의 모식도들이 개시되어 있다.

우선, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 양극 리드(500)는 그것의 중간 부위에 상대적으로 얇은 두께의 자동 절단부(510)를 포함하고 있다. 자동 절단부(510)의 두께(t)는 양극 리드(500)의 평균 두께(T) 보다 작다. 앞서의 설명과 같이 저항값(R)은 단면적에 반비례함을 고려할 때, 자동 절단부(510)의 저항값은 양극 리드(500)의 다른 부위에 비해 상대적으로 높다. 따라서, 과전류가 발생하여 전지가 비정상적인 작동상태에 놓였을 때, 자동 절단부(510)의 발열량은 극히 커져서 쉽게 절단될 수 있다.

다음으로 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 양극 리드(501)는 중앙에 관통구(521)가 형성되어 있는 자동 절단부(511)를 포함하고 있다. 관통구(521)로 인해 자동 절단부(511)의 단면적은 양극 리드(501)의 평균 단면적에 비해 작다. 관통구(521)가 타원형의 형상을 가지고 있으므로, 특히 S 부위는 더욱 작은 단면적에 의해 과전류 시 절단될 가능성이 매우 높다. 관통구(521)는 도 3에서의 타원형 이외에, 원형, 직사각형, 정사각형, 마름모형, 삼각형, 기타 다각형 등의 규칙적인 형상이나, 불규칙적인 형상으로 구성될 수 있다.

다음으로 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 양극 리드(502)는 그것의 한쪽 측면에 만입부(532)가 형성되어 있는 자동 절단부(512)를 포함하고 있다. 만입부(532)로 인해 자동 절단부(512)의 단면적은 양극 리드(502)의 평균 단면적에 비해 작다. 특히, 폭이 좁은 S 부위는 작은 단면적에 의해 과전류 시 절단될 가능성이 매우 높다. 만입부(532)는 양극 리드(502)의 양쪽 측면에 모두 형성될 수도 있다. 또한, 만입부(532)의 형상은 도 4에서의 노치형 이외에, 라운드형, 스퀘어형 등도 가능하다.

경우에 따라서는, 도 2 내지 도 4에 개시되어 있는 각각의 구조가 복합된 구조도 가능하다. 예를 들어, 도 2의 자동 절단부(510)에는 도 3의 관통구(521) 및/또는 도 4의 만입부(532)가 형성될 수도 있다.

본 발명의 이러한 구성은, 이차전지의 안전장치에 관한 선행기술들에서 보게 되는 장치와는 달리, 별도의 보호회로를 필요로 하지 않고, 전지의 형상을 그대로 유지하며, 제작이 용이한 장점을 가진다.

또한, 종래의 이차전지의 구성요소로서 셀의 바깥쪽에 장착하는 소자(PTC 소자, 보호회로, 안전변 등)의 전부 또는 일부를 생략할 수도 있다. 경우에 따라서는, 종래의 이차전지에 대한 안전성을 더욱 향상시키기 위하여, 그러한 종래의 전지에 상기 자동 절단부를 부가할 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 구조를 가진 양극 리드를 제작하였다.

우선, 도 2의 양극 리드의 경우, 길이 57 mm/ 두께 0.3 mm의 양극 리드에서 자동 절단부는 길이 10 mm/ 두께 0.2 mm로 제작하였다. 도 3의 양극 리드의 경우, 길이 57 mm/ 두께 0.3 mm의 양극 리드에서 자동 절단부는 높이 1 mm/ 너비 1 mm의 관통구를 천공하여 제작하였다. 도 4의 양극 리드의 경우, 길이 57 mm/ 두께 0.3 mm의 양극 리드에서 자동 절단부는 길이 10 mm/ 너비 1 mm의 노치를 형성하여 제작하였다.

리튬코발트옥사이드계로 구성된 양극과 그라파이트 계로 구성된 음극 사이에 폴리에틸렌의 다공성 분리막을 개재한 형태의 젤리-롤형 발전소자를 원통형 캔에 삽입한 후 캔의 윗면을 비딩하여 고정시키고, 그러한 비딩부에 전류차단부재가 부착되어 있는 상기 안전벤트와, PTC 소자 및 상단 캡이 삽입되어 있는 가스켓을 끼워넣고 캔의 상단을 안쪽으로 프레싱하여 가스켓을 크림핑함으로써 전지를 제조하였다.

[비교예 1]

양극 리드에 자동 절단부를 형성하지 않았다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.

[실험예 1]

실시예 1을 통해 제작된 리튬 이온 이차전지를 4.2 V까지 만충전한 후 (CC/CV, 4.2 V, end current = 50 mA) 외부단락(external short) 테스트를 실시하여 테스트 후 전지의 전압을 측정하였다. 그 결과, 대부분의 전지에서 전압이 0 V 로 확인되어 상기 발명의 효과를 확인할 수 있었다.

[실험예 2]

비교예 1을 통해 제작된 리튬 이온 이차전지를 4.2 V까지 만충전한 후 (CC/CV , 4.2 V, end current = 50 mA) 외부단락(external short) 테스트를 실시하여 테스트 후 전지의 전압을 측정하였다. 그 결과, 대부분의 전지에서 전압이 0 V가 아닌 것으로 확인되었다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 비작동 상태에서의 과전류 발생시 자동으로 절단됨으로써 안전성이 더욱 향상된다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (4)

1. 양극과 음극 및 분리막을 포함하는 발전요소와 캡 어셈블리 사이의 양극 리드에서, 상기 리드 전체의 평균 수평 단면적 대비 10 ~ 90%의 수평 단면적을 가진 자동 절단부를 포함하는 것으로 구성되어 있는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 자동 절단부의 단면적은 리드 전체의 평균 수평 단면적의 30 내지 80%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 자동 절단부의 형상은, 양극 리드의 폭을 좁힌 구조, 양극 리드의 두께를 줄인 구조, 및 양극 리드의 중앙을 천공한 구조로 이루어진 군에서 선택된 하나의 구조 또는 둘 또는 그 이상의 조합 구조로 되어있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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