KR100659840B1 - 원통형 이차전지 - Google Patents

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KR100659840B1
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Abstract

전류차단수단의 설계를 변경한 원통형 이차전지가 개시된다.
본 발명의 이차전지는 원통형 이차전지의 캡조립체에 사용되는 전류차단수단에서 바(bar) 형상의 크로스바를 폭이 넓은 판 형상의 크로스판으로 변형함으로써 비아홀의 직경을 증가시킬 수 있고, 또한 상부도전박막과 하부도전박막의 면적이 확대되며, 이에 따라 전류의 통전면적이 확대되어 자체고유저항을 낮출 수 있으므로 전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 발열량을 최소화시킬 수 있으므로 전지의 내부온도를 낮춰 전지의 폭발 및 발화를 방지함으로써 전지의 안정성을 향상시킨 원통형 이차전지에 관한 것이다.
원통형 이차전지, 전류차단수단, 크로스판

Description

원통형 이차전지 {CYLINDER TYPE SECONDARY BATTERY}
도 1 은 종래의 전류차단수단을 나타내는 평면도,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 단면도,
도 3 은 도 2 의 원통형 이차전지의 캡조립체를 나타내는 분해 사시도,
도 4 는 전지의 내부압력이 증가함에 따라 안전벤트의 형상이 변형되는 과정을 나타내는 단면도,
도 5a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류차단수단의 평면도,
도 5b 는 도 5a 에 나타낸 전류차단수단의 파단부에 파단홀이 형성되어 있는 전류차단수단의 평면도,
도 5c 는 비아홀이 파단부에 형성되어 있는 전류차단수단의 평면도,
도 5d 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류차단수단의 평면도,
도 5e 는 도 5b 의 전류차단수단의 A-A 단면도,
도 6 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류차단수단의 평면도,
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 - 원통형 이차전지 200 - 전극조립체
300 - 원통형 캔 400 - 캡조립체
410 - 안전벤트 411 - 제 1 돌출부
412 - 제 2 돌출부 420 - 전류차단수단
422 - 절연인쇄기판 424 - 외곽링
426a - 크로스바 426b - 크로스판
428 - 파단홀 430 - 비아홀
434 - 파단부 436 - 측단홈
440 - 상부도전박막 450 - 하부도전박막
460 - 도전층 480 - 이차보호소자
490 - 캡업
본 발명은 원통형 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 원통형 이차전지의 캡조립체에 사용되는 전류차단수단에서 바(bar) 형상의 크로스바를 폭이 넓은 판 형상의 크로스판으로 변형함으로써 비아홀의 직경을 증가시킬 수 있고, 또한 상부도전박막과 하부도전박막의 면적이 확대되며, 이에 따라 전류의 통전면적이 확대되어 자체고유저항을 낮출 수 있으므로 전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 발열량을 최소화시킬 수 있으므로 전지의 내부온도를 낮춰 전지의 폭발 및 발화를 방지함으로써 전지의 안정성을 향상시킨 원통형 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 외관의 형상에 따라 원통형 이차전지와 각형 이차전지로 구분된 다. 원통형 이차전지는 과충전이나 이상 작동에 의해 전지의 내부압력이 규정 이상으로 상승되고 폭발의 위험성이 있을 때, 캡조립체에서 이차전지 내부의 전류를 차단하여 더 이상 반응이 일어나지 않게 함으로써 원통형 이차전지의 안전성을 향상시키고 있다.
이러한 원통형 이차전지의 캡조립체 구조는 한국 특허 제10-0357950호에 개시되어 있다. 개시된 바에 따르면 원통형 이차전지는 외관을 형성하는 원통형 캔과 캔의 상단 개구부에 절연가스켓을 개재하여 결합 밀봉되는 캡조립체로 구성된다. 상기 원통형 캔은 내부에 양극판, 음극판, 상기 양극판과 음극판의 사이에 삽입된 세퍼레이터가 젤리롤 형태로 권취된 전극조립체와 전해액을 수용한다.
상기 캡조립체는 안전벤트와 전류차단수단과 이차보호소자 및 캡업을 포함하여 형성된다. 상기 안전벤트는 판상으로 하부로 돌출되어 있는 돌출부가 형성되어 상기 캡조립체의 하부에 위치하며, 이차전지의 내부에서 발생한 압력에 의하여 돌출부가 상부 방향으로 변형하게 된다. 상기 안전벤트의 하면 소정위치에는 전극조립체의 양극판 및 음극판 중에서 한 전극판, 예를 들어 양극판에서 인출한 양극탭이 용접되어 상기 안전벤트와 전극조립체의 양극판이 전기적으로 연결된다. 여기서 양극판 및 음극판 중 나머지 전극판, 예를 들어 음극은 도시하지 않은 탭 혹은 직접 접촉방식에 의해 캔과 전기적으로 연결된다.
상기 전류차단수단(Current Interrupt Device; CID)은 상기 안전벤트의 상부에 설치되며, 상기 안전벤트로 흐르는 전류를 통전시켜 상기 이차보호소자로 흐르게 한다. 그러나, 이차전지가 비정상적으로 작동되어 이차전지의 내부압력이 규정 이상으로 상승되는 경우에 상기 안전벤트의 돌출부가 상향으로 변형되면서 전류차단수단이 돌출부에 의하여 파괴되면서 전류의 흐름이 끊어진다.
도 1 은 종래의 전류차단수단을 나타내는 평면도이다.
도면을 참조하면, 종래의 전류차단수단(420)은 원형의 외곽링(424)과 상기 외곽링(424)의 중앙을 가로지르는 크로스바(426a)를 포함하는 형상으로 형성되며, 상기 크로스바(426a)의 중앙에 비아홀(430)을 구비하는 절연인쇄기판(422)과 상기 절연인쇄기판(422)의 상부와 하부에 각각 도전박막을 포함하여 형성된다. 상기 도전박막 중 상부도전박막(440)의 일측은 상기 절연인쇄기판(422)의 외곽링에 연결되지만, 타측은 외곽링(424)에 연결되지 않도록 형성된다. 반대로 상기 하부도전박막(미도시)의 일측은 외곽링(424)에 연결되지 않으며, 타측이 외곽링(424)에 연결된다. 상기 비아홀(430)의 내부에는 구리와 같은 도전금속으로 도전층(460)이 형성되어 상기 상부와 하부의 도전박막을 전기적으로 연결하게 된다.
상기 크로스바(426a)는, 상기 비아홀(430)이 형성된 부분의 양측면에 홈이 파여져 있어 용이하게 파단될 수 있다. 상기 크로스바(426a)의 비아홀(430)은 상기 안전벤트의 돌출부의 위치에 대응하도록 설치되어, 상기 안전벤트의 돌출부가 상부로 돌출될 때 그 힘에 의하여 비아홀(430)을 중심으로 상기 전류차단수단(420)의 크로스바(426a)가 파괴되면서 비아홀(430) 내부의 도전층(460)과 상부도전박막(440) 또는 하부도전박막(미도시)과의 전기적 연결이 끊어지게 된다. 따라서 상기 전류차단수단(420)은 안전벤트와 이차보호소자 사이에 전류가 흐르는 것을 차단하게 된다.
그런데, 종래의 전류차단수단(420)의 크로스바(426a)는 다음과 같은 문제점이 있다.
상술한 바와 같이, 전류차단수단(420) 내에서의 전류의 흐름은, 하부도전박막(미도시)에서 내부에 도전층(460)이 형성된 비아홀(430)을 거쳐 상부도전박막(440)으로 간다. 전류차단수단(420)의 자체고유저항의 관점에서 볼 때, 비아홀(430)의 직경이 클수록, 즉 비아홀(430) 내부의 도전층(460)의 표면적이 넓을수록 통전면적이 넓어지므로 전류차단수단(420)의 자체고유저항은 감소하게 된다.
그러나, 종래의 전류차단수단(420)의 크로스바(426a)는 바(bar) 형상을 취하고 있어 크로스바(426a) 내에 형성되는 비아홀(430)의 직경을 늘리는 데는 한계가 있을 수 밖에 없다. 이에 따라, 전류의 흐름에 따른 전류차단수단(420)의 저항이 커서 전지의 에너지 효율이 낮고, 또한 저항에 따른 발열량이 많아 전지의 내부온도가 높아지므로, 결국 전지의 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 원통형 이차전지의 캡조립체에 사용되는 전류차단수단에서 바(bar) 형상의 크로스바를 폭이 넓은 판 형상의 크로스판으로 변형함으로써 비아홀의 직경을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 전류의 통전면적이 확대되어 자체고유저항이 낮아지므로 전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 발열량을 최소화시킬 수 있으므로 전지의 내부온도를 낮춰 전지의 폭발 및 발화를 방지함으로써 전지의 안정성을 향상시키는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 개구부를 마감하며, 하부로 돌출되어 있다가 전지의 내부압력에 의하여 상부로 변형되는 돌출부를 갖는 안전벤트와 상기 안전벤트의 상부에 안착되는 전류차단수단을 구비하는 캡조립체;를 포함하는 원통형 이차전지로서,
상기 전류차단수단은, 외곽링과, 상기 외곽링과 일체로 형성되며 비아홀 및 파단부가 구비된 크로스판을 포함하는 절연인쇄기판; 상기 크로스판의 상면 일측단으로부터 상기 비아홀을 포함하는 영역과, 상기 일측단으로부터 상기 외곽링 상면의 소정영역에 형성되는 상부도전박막; 상기 크로스판의 하면 타측단으로부터 상기 비아홀을 포함하는 영역과, 상기 타측단으로부터 상기 외곽링 하면의 소정영역에 형성되는 하부도전박막; 및 상기 비아홀 내면에 형성되어 상기 상부도전박막과 하부도전박막을 전기적으로 연결하는 도전층;을 포함하며,
상기 크로스판에서 파단부의 파단압력이 그 밖의 부분의 파단압력보다 낮고, 상기 크로스판의 측단 중 적어도 하나와 상기 파단부 사이의 적어도 일부 구간에 있어서, 상기 크로스판의 폭이 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 크로스판에서 파단부의 폭은 그 밖의 부분의 폭보다 작다.
이때, 상기 크로스판의 파단부에 파단홀이 더 포함되어 있을 수도 있고, 이 경우에도 상기 크로스판에서 파단홀의 직경을 제외한 파단부의 폭이 그 밖의 부분 의 폭보다 작다.
또한, 상기 안전벤트의 돌출부는, 전지의 내부압력에 의하여 하부에서 상부로 1차 변형되어 상기 크로스판의 중앙부와 각 측단 사이의 부분과 접촉하는 제 1 돌출부와, 2차 변형되어 상기 크로스판의 중앙부와 접촉하는 제 2 돌출부를 포함하고 있을 수도 있다.
또한, 상기 크로스판은, 상기 안전벤트의 제 2 돌출부와 접촉하는 부분에 상기 파단부가 형성되어 있고, 상기 양측단 중 적어도 하나에서 상기 파단부로 갈수록 폭이 넓어지는 형상으로 이루어질 수도 있다.
또는, 상기 크로스판은, 상기 중앙부와 상기 양측단 중 하나와의 사이에 있는 부분 중 상기 안전벤트의 제 1 돌출부와 접촉하는 부분에 상기 파단부가 형성되어 있을 수도 있다.
또한, 상기 크로스판의 비아홀은, 상기 파단부에 형성되어 있을 수도 있고, 바람직하게는 상기 파단부와 상기 양측단 중 적어도 하나 사이에 1 이상 형성되어 있는 것이 좋다.
또한, 상기 상부도전박막은 상기 외곽링의 상면 전체영역과, 상기 크로스판의 상면 일측단으로부터 상기 비아홀을 포함하며 상기 크로스판의 상면 타측단으로부터 이격된 영역에 형성되어 있을 수도 있다.
또한, 상기 하부도전박막은 상기 외곽링의 하면 전체영역과, 상기 크로스판의 하면 타측단으로부터 상기 비아홀을 포함하며 상기 크로스판의 하면 일측단으로부터 이격된 영역에 형성되어 있을 수도 있다.
또한, 상기 외곽링은 상기 안전벤트의 돌출부를 제외한 영역에 상응하는 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 크로스판은 상기 외곽링과 결합하는 양측단의 적어도 일측면에 형성되는 측단홈을 더 포함할 수도 있다.
이때, 상기 측단홈은, 상기 측단홈이 형성되는 상기 크로스판 부분의 폭이 상기 파단부의 폭보다 크게 되는 깊이로 형성되어야 한다.
또한, 상기 도전층은 구리금속 또는 구리합금으로 형성될 수도 있다.
이때, 상기 도전층은 적어도 5㎛로 형성되어야 한다.
이하, 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지의 단면도이고, 도 3 은 도 2 의 원통형 이차전지의 캡조립체를 나타내는 분해 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 이차전지(100)는, 전극조립체(200)와, 상기 전극조립체(200)와 전해액을 수용하는 원통형 캔(300)과, 상기 원통형 캔(300) 상부에 조립되어 상기 원통형 캔(300)을 밀봉하며 상기 전극조립체(200)에서 발생되는 전류를 외부장치로 흐르게 하는 캡조립체(400)를 포함하여 형성된다.
상기 전극조립체(200)는 양극집전체의 표면에 양극활물질층이 코팅된 양극판(210)과, 음극집전체의 표면에 음극활물질층이 코팅된 음극판(220)과, 상기 양극판(210) 및 음극판(220) 사이에 위치하여 상기 양극판(210)과 음극판(220)을 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터(230)가 젤리롤 형상으로 권취되어 형성된다. 상기 양극판(210)은, 도전성이 우수한 금속박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이 루어진 양극집전체와, 그 양면에 코팅된 양극활물질층을 포함하고 있다. 상기 양극판(210)의 양 말단에는 양극활물질층이 형성되지 않은 양극집전체 영역, 즉, 양극무지부가 형성된다. 상기 양극무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되며, 전극조립체(200)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극탭(215)이 접합되어 있다. 또한, 상기 음극판(220)은 전도성 금속박판, 예를 들면 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극집전체와, 그 양면에 코팅된 음극활물질층을 포함하고 있다. 상기 음극판(220)의 양 말단은 음극활물질층이 형성되지 않은 음극집전체 영역, 즉 음극무지부가 형성된다. 상기 음극무지부의 일단에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 형성되며, 전극조립체(200)의 하부로 일정 길이 돌출된 음극탭(225)이 접합되어 있다. 더불어 상기 전극조립체(200)의 상·하부에는 각각 캡조립체(400) 또는 원통형 캔(300)과의 접촉을 방지하기 위한 절연플레이트(241, 245)가 더 포함되어 형성될 수 있다.
상기 원통형 캔(300)은 상기 원통형 전극조립체(200)가 수용될 수 있는 소정 공간이 형성되도록 일정 직경을 갖는 원통형 측면판(310)과 상기 원통형 측면판(310)의 하부를 밀폐하는 하면판(320)이 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성되며, 상기 원통형 측면판(310)의 상부는 상기 전극조립체(200)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 상기 원통형 캔(300)의 하면판(320) 중앙에 상기 전극조립체(200)의 음극탭(225)이 접합됨으로써, 상기 원통형 캔(300) 자체는 음극 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 원통형 캔(300)은 일반적으로 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다. 더불어 상기 원통형 캔(300)은 상부의 개구 에 결합되는 상기 캡조립체(400)의 상부를 압박하도록 상단에서 내부로 휘어진 클리핑(clipping)부(330)가 형성된다. 또한, 상기 원통형 캔(300)은 상기 크리핑부(330)로부터 하방으로 상기 캡조립체의 두께에 대응되는 거리만큼 이격된 위치에 상기 캡조립체(400)의 하부를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부(340)가 더 형성되어 있다.
상기 캡조립체(400)는, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 안전벤트(410)와 전류차단수단(420)과 이차보호소자(480)와 캡업(490)을 포함하여 형성된다.
도 4 는 전지의 내부압력이 증가함에 따라 안전벤트의 형상이 변형되는 과정을 나타내는 단면도이다. 상기 안전벤트(410)는 원판 형상의 도전성 금속재질로, 제 1 돌출부(411) 및 하방으로 돌출된 제 2 돌출부(412)를 포함하여 형성되며, 상기 캡조립체(400)의 하부에 위치하게 된다. 상기 안전벤트(410)는 바람직하게는 알루미늄 금속 또는 니켈 금속으로 형성된다. 상기 안전벤트(410)의 하부에는 상기 양극탭(215)이 전기적으로 결합되며, 바람직하게는 상기 제 2 돌출부(412)에 용접되어 결합된다. 상기 안전벤트(410)의 제 2 돌출부(412)는 정상적인 상태에서는 하부 방향으로 돌출되어 있다가, 이차전지의 과충·방전 또는 이상 발열에 의하여 이차전지 내부의 압력이 증가됨에 따라, 도 4 에 나타낸 바와 같이, 먼저 상기 제 1 돌출부(411)의 외주측은 고정되고 내주측은 상부 방향으로 돌출되면서(즉, 제 1 돌출부의 단면이 경사지게 돌출되면서) 이와 연결된 제 2 돌출부(412)도 제 1 돌출부(411)의 내주측 이동거리와 같은 거리만큼 함께 올라가고, 그 후 내부압력이 더 증가되면 제 2 돌출부(412)가 상부 방향으로 반전되도록 형성된다.
상기 전류차단수단(420)은 절연인쇄기판(422)과 상부도전박막(440)과 하부도전박막(450) 및 도전층(460)을 포함하여 형성되고, 상기 절연인쇄기판(422)은 일반적으로 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)에 사용되는 절연재질로 형성되며 외곽링(424)과 크로스판(426b)를 포함하여 형성되는데, 이에 대해서는 후술한다.
상기 이차보호소자(480)는 상기 안전벤트(410)의 외경에 상응하는 외경과 소정 폭을 갖는 링 형상으로 형성되어, 상기 전류차단수단(420)의 상부에 안착되어 결합되며, 원통형 이차전지의 온도가 증가되면 전류의 흐름을 차단하게 된다. 상기 이차보호소자(480)는 바람직하게는 Positive Temperature Coefficient(PTC)소자를 사용한다. 상기 PTC 소자는 수지와 탄소분말로 형성되는 소자층과 상기 소자층의 상면과 하면에 결합되는 도전판으로 형성되며 상기 PTC 소자의 온도가 증가되면 상기 수지층의 수지가 팽창되면서 탄소분말의 연결을 끊어 전류를 차단하게 된다. 상기 PTC 소자로는 세라믹 소자가 사용될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 이차보호소자(480)는 필요에 따라서는 캡조립체(400)를 구성할 때 생략될 수 있다.
상기 캡업(490)은 상기 캡조립체(400)의 상부 안착되어 결합되며, 리튬이차전지에서 발생되는 전류를 외부로 통전하게 된다.
보다 상세하게는 다음과 같다.
도 5a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류차단수단의 평면도이고, 도 5b 는 도 5a 에 나타낸 전류차단수단의 파단부에 파단홀이 형성되어 있는 전류차단수단의 평면도이며, 도 5c 는 비아홀이 파단부에 형성되어 있는 전류차단수단의 평면도이 고, 도 5d 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류차단수단의 평면도이며, 도 5e 는 도 5b 의 전류차단수단의 A-A 단면도이다. 이하, 상기 도면들과 도 2 내지 도 4 를 참고한다.
상기 전류차단수단(420)은, 외곽링(424)과, 상기 외곽링(424)과 일체로 형성되며 비아홀(430) 및 파단부(434)가 구비된 크로스판(426b)을 포함하는 절연인쇄기판(422); 상기 크로스판(426b)의 상면 일측단으로부터 상기 비아홀(430)을 포함하는 영역과, 상기 일측단으로부터 상기 외곽링(424) 상면의 소정영역에 형성되는 상부도전박막(440); 상기 크로스판(426b)의 하면 타측단으로부터 상기 비아홀(430)을 포함하는 영역과, 상기 타측단으로부터 상기 외곽링(424) 하면의 소정영역에 형성되는 하부도전박막(450); 및 상기 비아홀(430) 내면에 형성되어 상기 상부도전박막(440)과 하부도전박막(450)을 전기적으로 연결하는 도전층(460);을 포함하며,
상기 크로스판(426b)에서 파단부(434)의 파단압력이 그 밖의 부분의 파단압력보다 낮고, 상기 크로스판(426b)의 측단 중 적어도 하나와 상기 파단부(434) 사이의 적어도 일부 구간에 있어서, 상기 크로스판(426b)의 폭이 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 상기 외곽링(424)과 크로스판(426b)은 일체로 형성되어 같은 재질이므로, 상기 크로스판(426b)에서 파단부(434)의 폭이 그 밖의 부분의 폭보다 작아야 상기 파단부(434)에서 파단압력이 가장 낮게 되어 파단될 수 있다.
이때, 상기 크로스판(426b)의 파단부(434)에 파단홀(428)이 더 포함되어 있을 수도 있는데, 이 경우에도 같은 이유로 상기 크로스판(426b)에서 파단홀(428)의 직경을 제외한 파단부(434)의 폭이 그 밖의 부분의 폭보다 작아야 한다.
상기 파단홀(428)은 상기 안전벤트(410)의 제 1 또는 제 2 돌출부(411, 412)에 대응되는 위치인 상기 크로스판(426b)의 파단부(434)에 형성되어, 상기 크로스판(426b)이 파단부(434)에서 파단될 수 있도록 도와준다. 즉, 상기 안전벤트(410)의 돌출부(411, 412)가 이차전지의 내부압력에 의하여 상향으로 변형되면서 상기 크로스판(426b)의 파단부(434)에 압력을 가하게 되면 상기 크로스판(426b)의 파단부(434)가 파단되어 상기 크로스판(426b)의 좌·우측이 서로 분리되도록 도와준다.
한편, 상기 안전벤트(410)의 제 1 돌출부(411)는, 이차전지의 과충·방전 또는 이상 발열시 전지의 내부압력에 의하여 제 1 돌출부(411)의 외주측은 고정되고 내주측은 상부 방향으로 돌출되면서(즉, 제 1 돌출부의 단면이 경사지게 돌출되면서) 1차 변형되어 상기 크로스판(426b)의 중앙부와 각 측단 사이의 부분과 접촉한다. 또한, 제 2 돌출부(412)는, 상기 안전벤트(410)의 1차 변형시 제 1 돌출부(411)의 내주측 이동거리와 같은 거리만큼 함께 올라가고, 그 후 내부압력이 더 증가되면 제 2 돌출부(412)가 상부 방향으로 반전되는 2차 변형으로 인해 상기 크로스판(426b)의 중앙부와 접촉하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 전류차단수단(420)은 상기 크로스판(426b)의 측단 중 적어도 하나와 상기 파단부(434) 사이의 적어도 일부 구간에 있어서, 상기 크로스판(426b)의 폭이 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 크로스판(426b)은, 상기 안전벤트(410)의 제 2 돌출부(412)와 접촉하는 부분에 상기 파단부(434)가 형성되어 있고, 상기 양측단 중 적어도 하나에서 상기 파단부(434)로 갈수록 폭이 넓어지는 형상으로 이루어질 수도 있다. 도 5a 내지 도 5d 에서의 크로스판(426b)은, 각 측단에서 파단부(434)로 갈수록 모두 폭이 넓어지는 형상으로 되어 있다.
따라서, 도 5a 에서 나타낸 바와 같이, 상기 크로스판(426b)의 비아홀(430)을 상기 파단부(434)와 상기 양측단 중 적어도 하나 사이에 1 이상 형성하는 경우, 비아홀(430)의 직경을 증가시킬 수 있고, 또한 상기 상부도전박막(440)과 하부도전박막(450)의 면적이 확대되며, 이에 따라 전류의 통전면적이 확대되어 자체고유저항이 낮아지므로 전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 발열량을 최소화시킬 수 있으므로 전지의 내부온도를 낮춰 전지의 폭발 및 발화를 방지함으로써 전지의 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.
상기한 이점은, 상기 크로스판(426b)의 파단부(434)에 파단홀(428)을 더 포함하고 있는 경우(도 5b 참조)에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
이와 함께, 종래의 바(bar) 형상의 크로스바(도1의 426a 참조)를 채택한 경우보다 넓은 판 형상의 크로스판(426b)을 채택한 본원발명의 경우가, 상기 안전벤트(410)의 돌출부(411, 412)와 접촉하는 면적이 넓어져 같은 내부압력에서 더 많은 힘을 받게 되고, 따라서 더 낮은 압력에서 파단될 수 있다. 즉, 종래의 전류차단수단의 경우보다 더 낮은 압력에서 전류차단수단이 작동할 수 있게 된다.
따라서, 종래의 크로스바를 채택한 전류차단수단의 파단압력에 이르기 위해, 본 발명에 따른 전류차단수단(420)의 크로스판(426b)의 파단부(434)의 폭을 넓히거나, 종전보다 파단압력이 강한 재질을 사용할 수 있게 되어, 상기 크로스판(426b) 의 비아홀(430)을 상기 파단부(434)에 형성하는 경우(도 5c 참조), 마찬가지로 종전에 비해 비아홀(430)의 직경을 증가시킬 수 있고, 또한 상기 상부도전박막(440)과 하부도전박막(450)의 면적이 확대되며, 이에 따라 전류의 통전면적이 확대되어 자체고유저항이 낮아지므로 전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 발열량을 최소화시킬 수 있으므로 전지의 내부온도를 낮춰 전지의 폭발 및 발화를 방지함으로써 전지의 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.
이때에는, 상기 크로스판(426b)의 비아홀(430)이 상기 파단홀(428)의 역할도 동시에 수행하게 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로서, 도 5d 에서는 파단부(434)와 각 측단 사이에 하나씩 모두 두 개의 비아홀(430)이 형성되어 있어, 전류의 통전면적을 더욱 확대시킬 수 있으므로, 전지의 에너지 효율 및 전지의 안정성이 더욱 향상될 것임을 쉽게 예측할 수 있다.
도 6 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류차단수단의 평면도이다.
본 전류차단수단(420)은 상기 크로스판(426b)의 측단 중 적어도 하나와 상기 파단부(434) 사이의 적어도 일부 구간에 있어서, 상기 크로스판(426b)의 폭이 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 크로스판(426b)은 상기 중앙부와 상기 양측단 중 하나와의 사이에 있는 부분 중 상기 안전벤트의 제 1 돌출부와 접촉하는 부분에 상기 파단부(434)가 형성되어 있다.
상기 예에서도 도 5a 내지 도 5d 의 전류차단수단을 구비한 전지에서와 마찬가지 이점을 가질 수 있음은 물론이다.
한편, 도 5e 는 도 5b 의 전류차단수단의 A-A 단면도이다. 상기 상부도전박막(440)은 소정 두께의 도전성 금속으로 형성되며, 바람직하게는 구리금속 또는 구리합금으로 형성된다. 다만, 여기서 상기 상부도전박막(440)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 상부도전박막(440)은 상기 크로스판(426b)의 상면 일측단으로부터 상기 비아홀(430)을 포함하는 영역과, 상기 크로스판(426b)의 상면 일측단으로부터 상기 외곽링(424) 상면의 소정영역에 형성된다. 또한, 파단홀(428)이 더 형성된 경우, 상기 상부도전박막(440)은 상기 크로스판(426b)의 상면에서 상기 비아홀(430)과 파단홀(428)을 포함하며, 상기 크로스판(426b)의 타측단으로부터 이격되는 영역을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 상부도전박막(440)은 상기 비아홀(430)의 내측에 형성되는 상기 도전층(460)의 상부와 전기적으로 결합된다. 따라서, 상기 도전층(460)을 흐르는 전류는 상기 상부도전박막(440)을 통하여 흐르게 된다.
상기 상부도전박막(440)은 바람직하게는 상기 외곽링(424)의 상면에 전체적으로 형성되어, 상기 전류차단수단(420)의 상면에 안착되는 이차보호소자(480) 또는 캡업(490)과의 전기적 접촉이 원활하게 할 수 있게 된다. 즉, 상기 상부도전박막(440)은 상기 크로스판(426b) 상면의 비아홀(430)을 포함하는 영역 및 이와 연결되는 상기 외곽링(424) 상면의 일부 영역에만 형성될 수도 있으나, 이러한 경우에는 상기 외곽링(424) 상면의 일부에 형성된 도전박막만이 상기 이차보호소자(480) 또는 캡업(490)과 전기적 접촉을 하게 되므로 전류의 흐름이 원활하지 못하게 되거나 전기저항이 증가되는 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 상기 전류차단수단(420) 과 이차보호소자(480) 또는 캡업(490)의 전기적 접촉을 증가시키기 위해서 상기 상부도전박막(440)을 보다 넓은 면적으로 형성하는 것이 바람직하게 된다.
또한, 상기 하부도전박막(450)은 상기 상부도전박막(440)과 마찬가지로 소정 두께의 도전성 금속으로 형성되며, 상기 크로스판(426b)의 하면 타측단으로부터 상기 비아홀(430)을 포함하는 영역과, 상기 크로스판(426b)의 하면 타측단으로부터 상기 외곽링(424) 하면의 소정영역에 형성된다. 또한, 상기 하부도전박막(450)은 상기 비아홀(430)의 내측에 형성되는 상기 도전층(460)의 하부와 전기적으로 결합된다. 따라서, 상기 하부도전박막(450)을 흐르는 전류는 상기 도전층(460)을 통과하여 상기 상부도전박막(440)으로 흐르게 된다.
상기 하부도전박막(450)은 바람직하게는 상기 외곽링(424)의 하면에 전체적으로 형성되어, 상기 전류차단수단(420)의 하면에 결합되는 상기 안전벤트(410)와의 전기적 접촉이 원활하게 할 수 있게 된다. 즉, 상기 하부도전박막(450)은 상기 크로스판(426b)의 비아홀(430)을 포함하는 영역 및 이와 연결되는 상기 외곽링(424) 하부의 일부 영역에만 형성될 수 있으나, 이러한 경우에는 상기 외곽링(424) 하부의 일부에 형성된 도전박막만이 상기 안전벤트(410)와 전기적 접촉을 하게 되므로 전류의 흐름이 원활하지 못하게 되거나 전기저항이 증가되는 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 상기 전류차단수단(420)과 안전벤트(410)의 전기적 접촉을 증가시키기 위해서 상기 하부도전박막(450)을 보다 넓은 면적으로 형성하는 것이 바람직하게 된다.
또한, 상기 외곽링(424)은 상기 안전벤트(410)의 돌출부를 제외한 영역에 상 응하는 크기로 형성되는 것이 바람직하며, 소정 폭을 갖는 링 형상으로 형성된다. 상기 외곽링(424)은 바람직하게는 상기 외곽링(424)의 상부에 안착되며 링 형상으로 형성되는 상기 이차보호소자(480)의 폭에 대응되는 폭을 갖도록 형성된다.
또한, 상기 크로스판(426b)은 상기 외곽링(424)과 결합하는 양측단의 적어도 일측면에 형성되는 측단홈(436)을 더 포함할 수도 있다. 상기 측단홈(436)은 바람직하게는 상기 크로스판(426b)의 양측단의 양측면에 형성된다. 상기 크로스판(426b)의 파단부(434)의 하면에 상기 안전벤트(410)의 변형압력이 가해지면 상기 크로스판(426b)의 파단부(434)가 상승되면서 파단된다. 이때, 상기 외곽링(424)과 일체로 결합되어 있는 상기 크로스판(426b)의 양측단에 취약부가 형성됨으로써 상기 크로스판(426b)이 보다 용이하게 상승되어 파단될 수 있다.
다만, 상기 크로스판(426b)의 파단부(434)가 아닌 상기 측단홈(436)에서 파단되는 경우에는 전류 흐름을 차단하는 것이 어려우므로 상기 측단홈(436)은 상기 파단부(434)보다 강도가 높게 형성되어야 한다. 따라서, 상기 측단홈(436)은, 상기 측단홈(436)이 형성되는 상기 크로스판(426b) 부분의 폭이 상기 파단부(434)의 폭보다 크게 되는 깊이로 형성되어야 한다. 이때, 상기 파단부(434)에 파단홀(428)이 더 형성된 경우, 상기 측단홈(436)이 형성된 측단의 크로스판(426b)의 폭이 상기 파단홀(428)의 직경을 제외한 파단부(434)의 폭보다 커야 한다.
또한, 상기 비아홀(430)의 내면에는 도전성 금속으로 도전층(460)이 형성되며, 바람직하게는 구리금속 또는 구리합금으로 형성된다. 상기 비아홀(430)은, 바람직하게는 두께의 조절이 용이하고 공정이 간단한 도금공정에 의하여 형성된다. 상기 도전층(460)은 적어도 5㎛의 두께로 형성된다. 상기 도전층(460)의 두께가 5㎛보다 작게 되면 도전층(460)의 형성이 불완전하게 되어 전류의 흐름이 원활하지 않게 되며, 전기저항이 증가되는 문제가 발생된다.
상기 실시예에서는 원통형 이차전지에 대하여 설명하였으나, 원통형 이차전지가 아닌 다른 종류의 이차전지에도 사용될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명에 따른 원통형 이차전지에 의하면, 원통형 이차전지의 캡조립체에 사용되는 전류차단수단에서 바(bar) 형상의 크로스바를 폭이 넓은 판 형상의 크로스판으로 변형함으로써 비아홀의 직경을 증가시킬 수 있고, 또한 상기 상부도전박막과 하부도전박막의 면적이 확대되며, 이에 따라 전류의 통전면적이 확대되어 자체고유저항이 낮아지므로 전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 발열량을 최소화시킬 수 있으므로 전지의 내부온도를 낮춰 전지의 폭발 및 발화를 방지함으로써 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 적층되어 권취된 전극조립체; 상기 전극조립체가 수용되는 캔; 및 상기 캔의 개구부를 마감하며, 하부로 돌출되어 있다가 전지의 내부압력에 의하여 상부로 변형되는 돌출부를 갖는 안전벤트와 상기 안전벤트의 상부에 안착되는 전류차단수단을 구비하는 캡조립체;를 포함하는 원통형 이차전지에 있어서,
    상기 전류차단수단은,
    외곽링과, 상기 외곽링과 일체로 형성되며 비아홀 및 파단부가 구비된 크로스판을 포함하는 절연인쇄기판;
    상기 크로스판의 상면 일측단으로부터 상기 비아홀을 포함하는 영역과, 상기 일측단으로부터 상기 외곽링 상면의 소정영역에 형성되는 상부도전박막;
    상기 크로스판의 하면 타측단으로부터 상기 비아홀을 포함하는 영역과, 상기 타측단으로부터 상기 외곽링 하면의 소정영역에 형성되는 하부도전박막; 및
    상기 비아홀 내면에 형성되어 상기 상부도전박막과 하부도전박막을 전기적으로 연결하는 도전층;을 포함하며,
    상기 크로스판에서 파단부의 파단압력이 그 밖의 부분의 파단압력보다 낮고, 상기 크로스판의 측단 중 적어도 하나와 상기 파단부 사이의 적어도 일부 구간에 있어서, 상기 크로스판의 폭이 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 크로스판에서 파단부의 폭이 그 밖의 부분의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 크로스판의 파단부에 파단홀이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 크로스판에서 파단홀의 직경을 제외한 파단부의 폭이 그 밖의 부분의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 안전벤트의 돌출부는, 전지의 내부압력에 의하여 하부에서 상부로 1차 변형되어 상기 크로스판의 중앙부와 각 측단 사이의 부분과 접촉하는 제 1 돌출부와, 2차 변형되어 상기 크로스판의 중앙부와 접촉하는 제 2 돌출부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 크로스판은, 상기 안전벤트의 제 2 돌출부와 접촉하는 부분에 상기 파단부가 형성되어 있고, 상기 양측단 중 적어도 하나에서 상기 파단부로 갈수록 폭이 넓어지는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 크로스판은, 상기 중앙부와 상기 양측단 중 하나와의 사이에 있는 부분 중 상기 안전벤트의 제 1 돌출부와 접촉하는 부분에 상기 파단부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 크로스판의 비아홀이 상기 파단부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 크로스판의 비아홀이 상기 파단홀인 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  10. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 크로스판의 비아홀이 상기 파단부와 상기 양측단 중 적어도 하나 사이에 1 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  11. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 상부도전박막은 상기 외곽링의 상면 전체영역과, 상기 크로스판의 상면 일측단으로부터 상기 비아홀을 포함하며 상기 크로스판의 상면 타측단으로부터 이격된 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  12. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 하부도전박막은 상기 외곽링의 하면 전체영역과, 상기 크로스판의 하면 타측단으로부터 상기 비아홀을 포함하며 상기 크로스판의 하면 일측단으로부터 이격된 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  13. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 외곽링은 상기 안전벤트의 돌출부를 제외한 영역에 상응하는 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  14. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 크로스판은 상기 외곽링과 결합하는 양측단의 적어도 일측면에 형성되는 측단홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 측단홈은, 상기 측단홈이 형성되는 상기 크로스판 부분의 폭이 상기 파단부의 폭보다 크게 되는 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전층은 구리금속 또는 구리합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 도전층은 적어도 5㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 이차전지.
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