KR100667944B1 - 이차 전지와 이에 사용되는 안전밸브 설치 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차 전지의 안전밸브 구조를 개선하여 간단히 설치할 수 있고 균일한 작동 성능을 얻을 수 있도록, 세퍼레이터와 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 연결되는 단자가 결합되는 캡 조립체, 상기 케이스 일측에 형성되는 가스 배출 구멍, 상기 구멍에 설치되고 전지의 설정된 압력조건에서 개방되는 폴리머 재질의 안전막을 포함하는 안전밸브를 포함하는 이차 전지를 제공한다.

안전막, 구멍, 캡 플레이트, 단차가공부, 폴리머

Description

이차 전지와 이에 사용되는 안전밸브 설치 방법{SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MOUNTING SAFETY VALVE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 개략적인 단면도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지로 도 1에서 A부분을 상세하게 도시한 단면도,

도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지의 안전막 설치 상태를 도시한 개략적인 단면도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 안전막 설치과정을 도시한 개략적인 순서도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설치가 용이하도록 된 이차 전지와 이에 사용되는 안전밸브 설치 방법에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로써, 최근들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저 용량 전지의 경우 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원의 경우에는 상기 전지 셀을 수십 개 직렬 또는 병렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 띠 상의 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 이를 와류 상으로 감아 전극군(또는, 젤리롤)을 형성하거나, 양극판과 음극판 및 세퍼레이터를 복수개로 적층하여 전극군을 형성한 후 이를 케이스에 내장 설치하고, 상기 케이스에 외부 단자가 형성된 캡 조립체를 설치하여 전지를 구성한다.

이러한 이차 전지의 캡 조립체는 전극군의 극판과 전기적으로 연결되는 외부단자와 케이스를 밀폐시키는 가스켓 이외에 설정된 압력 조건에서 파손되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 안전장치로 밴트가 설치된다.

그런데, 상기와 같이 이차 전지는 충방전시 과대한 전류를 검출하고 전류를 차단하는 등의 보호회로가 마련되어 있으나, 전지 사용 중 상기 보호 회로가 정상적으로 동작하지 않거나 전지의 예기치 못한 이상 반응이 일어나는 경우에는 전지 내부의 화학 반응에 따라 기체가 발생하게 되어 전지 내부에서 압력이 상승하게 되고 심한 경우 전지가 폭발, 연소되는 사태가 발생할 가능성이 있다.

이에 종래에도 일본공개공보 2000-223102호나 일본공개특허 1999-219692 또는 일본공개특허 1999-25935호와 같이 케이스에 설치되는 캡 플레이트에 일정 압력 조건에서 파손되는 압력개방밸브를 설치하여 전지의 이상 작동에 따른 폭발을 방지할 수 있는 기술이 개시되어 있다.

그러나 상기한 종래의 기술은 압력개방밸브가 캡 플레이트 제조과정 중에 형성됨으로써 제작이 용이하지 않고 균일한 성능을 기대하기 힘든 문제점이 있다.

상기한 종래기술에 따른 압력개방밸브는 캡 플레이트와 동일한 재질로써 캡 플레이트 제조와 동시에 형성되므로 일체의 구조를 이루게 되며, 예컨대 프로그레시브 금형 들을 이용하여 피가압물을 수회에 걸쳐 가압함으로써 알루미늄 재질 등으로 이루어진 캡 플레이트와 캡 플레이트와 일체로 이루어진 압력개방밸브가 만들어지게 된다.

그러나 상기한 종래의 구조는 캡 플레이트 제조와 더불어 박막의 압력개방밸브를 동시에 제조해야 하므로 제조 과정이 어려우며, 제조된 밸브 또한 두께 등이 균일하지 못하여 밸브가 개방되는 압력조건이 상이하고 이에 따라 전지의 균일한 성능을 기대하기 힘들게 된다.

이러한 문제점은 특히 HEV(hybrid Electric Vehicle)용 이차 전지의 경우 더욱 심각해지는 데, HEV용 이차 전지의 경우 고출력 대용량을 위해 전지의 크기가 소형 전지에 비해 커지게 되고 이에 따라 캡 플레이트 자체의 두께도 두꺼워지게 된다. 이와같이 크고 두꺼운 캡 플레이트에 밸브를 일체로 형성해야 하므로 그 제조과정이 더욱 어려워지며, 요구되는 HEV용의 전지 특성을 얻을 수 없게 된다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적 은 이차 전지의 안전밸브 구조를 개선하여 간단히 설치할 수 있고 균일한 작동 성능을 얻을 수 있도록 된 이차 전지와 이에 사용되는 안전밸브 설치방법을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이차 전지는 안전밸브가 폴리머 재질로 이루어져 케이스에 설치되는 구조로 되어 있다.

이를 위해 본 발명의 이차 전지는 세퍼레이터와 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하며 상기 전극군과 연결되는 단자가 결합되는 캡 조립체, 상기 케이스 일측에 형성되는 가스 배출 구멍, 상기 구멍에 설치되고 전지의 설정된 압력조건에서 개방되는 폴리머 재질의 안전막를 포함한다.

이에 따라 케이스와는 별도로 안전 밸브가 구비되어, 상기 케이스 일측에 가공된 구멍에 별도로 구비된 안전막을 안착시켜 부착설치함에 따라 안전막의 용이한 설치와 더불어 안전막의 균일한 작용을 얻게 된다.

여기서 상기 안전막은 케이스를 밀폐하면서 상기 전극군과 전기적으로 연결되는 단자가 구비된 캡 조립체 일측에 설치됨이 바람직하다.

또한, 상기 안전막은 구멍 외주부에 가열 부착될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 구멍이 내측으로 단차가공되어 상기 구멍의 단차가공부에 안전막이 끼워져 고정될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 구멍의 단차가공부에 상기 안전막을 고정하기 위해 상 기 구멍에 끼워지는 체결부재를 포함할 수 있다.

상기 체결부재는 중앙에 상기 구멍과 연통되는 홀이 형성되고 상기 구멍의 단차가공부에 억지끼움식으로 고정되거나, 상기 단차가공부의 외주부와 용접으로 고정될 수 있다.

여기서 상기 구멍은 그 단면 형상이 원형이나 사각형 또는 다각형태로 이루어질 수 있으며 바람직하게는 원형으로 이루어진다.

또한, 상기 구멍에 끼워지는 안전밸브와 체결부재 또한 상기 구멍과 동일한 단면구조를 이룬다.

또한, 상기 구멍의 단차가공부는 상기 케이스 또는 캡 조립체의 내측면 또는 외측면에 형성될 수 있으며 바람직하게는 내측면에 형성된다.

또한, 본 발명은 상기 폴리머 재질의 안전막이 금속 접착력과 내열성이 우수하고 수분 침투가 어려운 PP, PE, PFA로 이루어짐이 바람직하다.

한편, 본 발명의 이차 전지에 있어서, 안전막을 설치하기 위한 방법에 대해 살펴보면,

먼저 이차 전지를 이루는 케이스 또는 캡 플레이트 일측에 단차 가공되어 단차가공부를 갖는 구멍을 형성하는 단계와,

상기 구멍의 단차가공부에 안전막 위치시키고 그 외측으로 체결부재를 상기 구멍에 끼워 밀착시키는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 개략적인 단면도이다.

상기한 도면을 참조하여 이차 전지에 대해 살펴보면, 상기 이차 전지는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극군(10)과, 상기 전극군(10)이 내장되는 공간부를 구비하는 케이스(14), 상기 케이스(14)의 개구부에 설치되어 케이스를 밀폐하는 캡 조립체(30), 상기 양,음극판과 탭(15)을 매개로 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체(30) 외측으로 돌출되는 양,음극단자(31,32), 상기 캡 조립체(30)에 설치되어 전지 내부에서 발생된 가스를 외부로 배출시키기 위한 안전밸브(20)를 포함한다.

상기 케이스(14)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(10)이 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.

본 실시예에서 상기 전극군(10)은 각각의 활물질이 집전체에 코팅되어 구성된 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층된 상태에서 이들이 와류상으로 감겨 형성된 젤리롤 타입으로 이루어지며, 양극판의 무지부(11a)와 음극판의 무지부(12a)가 전극군(10)의 양단에 대향 배치되어, 케이스(14)를 수직으로 세워 캡 조립체(30)가 상,하방향으로 놓여졌을 때를 기준으로 케이스(14)의 양 측면에 전극군(10)의 무지부(11a,12a)가 위치할 수 있도록 내장설치되며, 전극군(10)의 양단의 무지부(11a,12a)에 각각 설치되는 탭(15)(또는 집전판)을 매개로 캡 조립체의 양,음극단자(31,32)가 전기적으로 연결된다.

그리고 좀더 구체적으로, 상기 캡 조립체(30)는 가스켓을 매개로 상기 케이 스(14) 상단에 기밀을 유지한 상태로 결합되는 캡 플레이트(33)와, 이 캡 플레이트(33) 양쪽에 설치되고 각각 탭(15)을 매개로 전극군의 무지부(11a,12a)와 전기적으로 연결되는 양,음극단자(31,32)를 포함하며, 상기 캡 플레이트(33)의 중앙에 상기 안전밸브(20)가 설치된 구조로 되어 있다.

본 실시예에 따르면 상기 안전밸브(20)는 캡 조립체(30)와는 별도로 마련된 후 상기 캡 조립체(30)의 캡 플레이트(33)에 조립 설치된다.

상기 안전밸브(20)는 상기 캡 플레이트(33)에 단차 가공되어 케이스 내부를 향하는 단차가공부(21)를 갖는 구멍(22)과, 상기 구멍(22)의 단차가공부(21)에 놓여지고 실질적으로 가스를 차단/배출시키는 안전막(23), 상기 구멍(22)의 단차가공부(21)에 끼워져 안전막(23)의 기밀을 유지시킨 상태로 안전막(23)를 상기 캡 플레이트에 고정시키는 체결부재(24)를 포함한다.

이에 따라 캡 플레이트(33)의 구조나 크기에 관계없이 별도로 마련된 안전막(23)를 용이하게 캡 플레이트에 장착할 수 있게 되는 것이다.

여기서 본 실시예에 따르면 상기 안전막(23)은 폴리머 재질로 이루어진다.

바람직하게는 상기 안전막(23)은 얇은 두께의 막으로 금속 접착력이 우수하고 내열성이 우수하며 수분 침투가 어려운 재질로 이루어지며 예컨대 PP, PE, PFA로 이루어진다.

여기서 상기 구멍(22)과 단차져 형성된 단차가공부(21)는 원형으로 형성시킴이 바람직하며, 이에 대응하여 상기 안전막(23)과 상기 체결부재(24) 또한 원형 단면구조로 형성된다.

그리고 상기 안전막(23)의 두께에 대해서는 설정된 압력 범위 내에서 상기 안전막(23)이 찢어져 개방될 수 있는 정도면 특별히 한정되지 않는다.

또한, 상기 단차가공부(21)에 끼워지는 안전막(23)과 체결부재(24)의 크기에 대해서는 살펴보면, 상기 안전막(23)은 도 2에 도시된 바와 같이 구멍(22)의 단차 가공부(21)의 내주면과 상기 체결부재(24)의 외주면 사이에 끼워지게 되므로 상기 단차가공부(21)의 내경에 상기 단차가공된 부분의 깊이를 더한 크기의 직경을 가지고 형성됨이 바람직하며, 상기 체결부재(22)는 상기 안전막(23)과 함께 상기 단차가공부(21)에 끼워지게 되므로 상 체결부재(24)의 직경은 상기 구멍(22)에 형성된 단차가공부(21)의 내경보다는 작게 하여 상기 안전막(23)을 사이에 두고 상기 단차가공부(21)의 내주면에 억지끼워질 수 있는 정도의 크기로 이루어진다.

여기서 상기 안전막(23)을 이루는 상기 구멍(22)과 안전막(23) 및 체결부재(24)의 구조와 두께 등 크기에 대해서는 특별히 한정되지 않으며 전지의 특성과 이에 따른 전지의 내압 조건에 따라 다양하게 변형될 수 있다.

또한, 상기 안전막(23)와 체결부재(24)는 캡 플레이트(33)와 동일한 재질로 이루어진다.

또한, 상기 안전막(23)는 두께가 얇은 막 구조물로, 전면 일측에는 전지의 압력 상승시 안전막(23)이 용이하게 찢어질 수 있도록 홈부(도시되지 않음)가 더욱 형성될 수 있다.

또한, 상기 체결부재(24)는 링 형태로 중앙은 상기 캡 플레이트(33)에 형성된 구멍(22)과 대응되는 홀(26)이 형성된 구조로, 언급한 바와 같이 상기 단차가공 부(21)의 내주면에 안전막(23)을 사이에 두고 억지끼움식으로 결합될 수 있으며, 더욱 확실한 체결을 위해 상기 구멍(22)의 단차가공부(21)에 끼워진 상태에서 상기 캡 플레이트(33)와 용접되어 고정될 수 있다.

한편, 도 3은 본 이차 전지의 또다른 실시예로 캡 플레이트에 별도로 구비된 안전막이 캡 플레이트에 바로 부착설치된 구조를 예시하고 있다.

상기한 도면에 의하면, 본 이차 전지의 안전밸브(20)는 캡 플레이트(33) 상에 구멍(22)을 형성하고, 상기 구멍(22)의 외측에 캡 플레이트와는 별도로 구비된 폴리머 재질의 안전막(23)을 위치시키고 상기 캡 플레이트(33)에 상기 안전막(23)을 가열 부착시키는 구조로 되어 있다.

상기 안전막(23)은 자체적으로 금속과의 접착력이 우수하기 때문에 상기와 같이 금속 재질로 이루어진 캡 플레이트(33)에 직접 열과 압력으로 부착됨으로써 캡 플레이트(33)에 강력하게 고정될 수 있는 것이다.

여기서 상기 안전막(23)의 크기는 상기 구멍(22)을 덮을 수 있는 정도의 충분한 크기로 형성시킨다.

여기서 상기 구멍(22)은 원형으로 형성시킴이 바람직하며, 상기 구멍(22) 외측에 놓여지는 안전막(23) 또한 원형으로 이루어지도록 한다.

한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 안전밸브 설치과정을 도시한 개략적인 순서도로, 이하 설명에서는 안전막이 체결부재에 의해 캡 조립체 상에 고정되는 것을 예로서 설명한다. 상기 도면을 참조하여 이차 전지에 안전막을 설치하기 위한 과정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 캡 플레이트(33)의 전면에 직경이 상이하도록 하여 구멍(22)을 단차 가공한다. 이에 따라 캡 플레이트에는 이단으로 단차져 단차가공부(21)를 갖는 구멍(22)이 형성된다.

상기와 같이 캡 플레이트에 구멍(22)이 형성되면 캡 플레이트(33)와는 별도로 준비되고 전지의 내압 상승시 실질적으로 찢어져 가스를 방출하는 폴리머 재질의 안전막(23)를 상기 구멍(22)의 단차가공부(21) 외측에 위치시킨다.

따라서 상기 안전막(23)는 구멍(22)의 단차가공부(21)를 덮은 상태가 된다.

그리고 상기 안전막(23)의 외측에서 체결부재(24)를 상기 단차가공부(21)로 끼워넣게 되면 안전막(23) 위로 체결부재(24)가 밀착되면서 안전막(23)를 체결부재(24)와 캡 플레이트의 단차가공부(21) 사이에 기밀을 유지한 상태로 결합시키게 된다.

상기한 과정을 통해 캡 조립체와는 별도로 마련된 안전막(23)를 캡 플레이트에 용이하게 장착할 수 있게 되는 것이다.

이상과 같은 본 발명의 이차 전지와 전지 모듈은, 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로서 캡 플레이트의 두께가 두꺼운 경우에 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 캡 조립체와는 별도로 안전막을 구비하여 추후 결합시킴으로써 캡 조립체의 크기에 관계없이 안전밸브의 용이한 설치가 가능하게 된다.

또한, 폴리머 재질의 안전막을 별도로 제작하여 안전밸브로 사용함으로써 제작이 용이하고 안전밸브의 작동이 균일하여 전지의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

Claims (12)

1. 삭제
2. 세퍼레이터와 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군;

   상기 전극군이 내장되고 상단이 개방된 케이스;

   상기 케이스 상단에 결합되는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트에 설치되고 상기 전극군과 연결되는 단자를 구비하는 캡 조립체;

   상기 케이스 내부를 향하는 상기 캡 플레이트의 일면에 형성되는 단차가공부;

   상기 단차가공부에 설치되고, 상기 단차가공부의 상부 쪽으로 상기 캡 플레이트를 관통하는 구멍을 차단하며, 기설정된 압력조건에서 개방되는 안전막을 포함하는 안전밸브; 및

   상기 단차가공부에 끼워져 상기 안전막을 상기 캡 플레이트에 고정시키는 체결부재를

   포함하는 이차 전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 안전막은 상기 단차가공부의 측면으로 절곡되어 형성되는 이차 전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 안전막은 상기 단차가공부에 끼워지는 체결부재를 매개로 상기 단차가공부의 전면(全面)과 접촉되는 이차 전지.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 안전막은 PP, PE, PFA에서 선택되는 이차 전지.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 체결부재는 중앙에 상기 구멍과 연통될 수 있는 홀이 형성되고, 상기 단차가공부에 억지끼움식으로 결합되는 이차 전지.
7. 제 2 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 체결부재는 상기 단차가공부에 용접되는 이차 전지.
8. 제 2 항에 있어서, 상기 이차 전지는 모터 구동용인 이차 전지.
9. 세퍼레이터와 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군;

   상기 전극군이 내장되고 상단이 개방된 케이스;

   상기 케이스 상단에 결합되고 구멍이 관통된 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트에 설치되고 상기 전극군과 연결되는 단자를 구비하는 캡 조립체; 및

   상기 케이스 내부를 향하는 상기 캡 플레이트의 일면에 설치되고, 상기 구멍을 차단하며, 기설정된 압력조건에서 개방되는 폴리머 재질의 안전막을 포함하는 안전밸브

   를 포함하는 이차 전지.
10. 삭제
11. 이차 전지의 케이스 내부를 향하는 캡 플레이트 일면에 단차가공부를 형성하는 단계;

    상기 단차가공부의 상부 쪽에 형성된 구멍을 차단하기 위한 안전막을 상기 단차가공부에 배치시키는 단계; 및

    상기 안전막 외측으로 체결부재를 위치시키고 상기 체결부재를 상기 단차가공부로 밀어넣는 단계를 포함하는 이차 전지의 안전밸브 설치 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 체결부재를 상기 단차가공부로 밀어넣는 단계는 상기 안전막이 상기 단차가공부의 측면으로 절곡되어 고정되도록 하는 단계인 이차 전지의 안전밸브 설치 방법.

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