KR100763265B1 - 안전소자 및 그 안전소자가 구비된 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안전소자 및 그 안전소자가 구비된 이차전지에 관한 것으로, 일측에 부도체막을 포함하는 금속박으로 이루어진 안전소자가 전지의 양극단자와 음극단자중 하나를 구성하는 전지캔의 외부에 구비되고, 그 안전소자의 금속박의 일부분은 상기 전지캔과 반대극인 전극단자에 고정된 것을 특징으로 한다. 그에 따라, 본 발명은 못이나 드릴팁과 같은 뾰족한 물체의 관통, 니퍼 등과 같은 공구에 의한 압착, 외부로부터의 물리적 충격, 고온에의 노출 등의 상황에서도 전지의 안전성이 충분히 확보될 수 있게 한다.

안전소자, 이차전지

Description

안전소자 및 그 안전소자가 구비된 이차전지{SAFETY ELEMENT AND SECONDARY BATTERY WITH THE SAME}

도 1은 종래 기술에 따른 원통형 전지를 보여주는 개략 부분 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지를 보여주는 개략 부분 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지에 못이 부분적으로 침입된 상태를 보여주는 개략 부분 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지를 4.2V까지 충전시킨 후 지름 2㎜의 못으로 완전관통시켰을 때 시간의 변화에 따른 전지의 전압 및 온도변화를 나타내는 그래프.

도 5는 종래 기술에 따른 원통형 전지를 4.2V까지 충전시킨 후 지름 2㎜의 못으로 완전관통시켰을 때 시간의 변화에 따른 전지의 전압 및 온도변화를 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지를 4.2V까지 충전시킨 후 지름 2㎜의 못으로 전지캔의 외부로부터 8㎜관통시켰을 때 시간의 변화에 따른 전지의 전압 및 온도변화를 나타내는 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지를 4.2V까지 충전시킨 후 지름 2㎜의 못으로 전지캔의 외부로부터 4㎜관통시켰을 때 시간의 변화에 따른 전지의 전압 및 온도변화를 나타내는 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 안전소자 2a: 부도체막

2: 금속박

본 발명은 안전소자 및 그 안전소자가 구비된 이차전지에 관한 것으로, 특히 일측에 부도체막을 포함하는 금속박으로 이루어진 안전소자 및 그 안전소자를 전지의 양극단자와 음극단자중 하나를 구성하는 원통형 전지나 각형 전지의 전지캔의 외부에 구비하여 외부로부터의 물리적 충격, 고온에의 노출, 또는 못과 같은 뾰족한 물체의 침입에 의해 전지가 발화되거나 폭파되는 것을 사전에 방지할 수 있도록 하는 안전소자 및 그 안전소자가 구비된 이차전지에 관한 것이다.

일반적으로, 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대형화가 가능하며, 대표적으로 니켈수소(Ni-MH)전지, 리튬전지, 리튬이온전지, 리튬폴리머전지 등이 있다. 또한, 이들 이차전지는 외관상 원통형, 각형, 파우치형 전지 등으로 구분된다.

상기 각 전지의 케이스 내에는 양극 활물질이 도포된 기재와, 음극 활물질이 도포된 기재와, 이들 기재 사이에 배치되어 상호 고정되는 분리막으로 구성된 젤리롤(Jelly-Roll) 형태의 전극조립체가 수용되어 있으며, 특히 상기 각형 전지와 파 우치형 전지용 전극조립체는 해당 전지캔의 형태를 감안하여 평평한 형태로 프레스 가공된 후 그 해당 전지캔 안에 수용되도록 되어 있다.

한편, 원통형 전지나 파우치형 전지 내에는 못이나 드릴팁과 같은 뾰족한 물체가 해당 케이스를 통해 전극조립체의 활물질이 도포된 양극과 음극으로 침입되거나 또는 니퍼 등과 같은 공구에 의해 전지 케이스가 눌려져, 양극과 음극이 단락되어 순간적으로 많은 전류가 흘러 발열이 일어나고 심한 경우 발화하거나 폭발되게 되는 것을 방지할 수 있도록 안전소자가 적용되고 있다.

한 예로, 일본특허공개 제2000-48852호에는 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형 전지의 전지캔 내에 젤리롤 형태로 수용된 전극조립체의 최외곽에 활물질이 도포되지 않은 무지부 양극과 음극을 더 연장시켜 형성한 안전소자에 관한 기술이 개시되어 있다.

여기에서, 상기 전지캔과 이 전지캔에 인접한 무지부 양극 또는 음극은 분리막에 의해 상호 절연되어 있고, 상기 전지캔은 파우치형 전지와는 달리 전지의 양극단자와 음극단자중 하나를 이룬다.

그러나, 전술한 원통형 전지는 못이나 드릴팁과 같은 뾰족한 물체가 적어도 전지캔을 관통한 후 전지 내부의 활물질이 도포되지 않은 무지부 양극과 음극을 관통해서야 비로소 단락이 발생되는 구조이었기 때문에 뾰족한 물체가 전지캔을 관통할 동안에는 전지캔 내의 충전전류가 외부로 신속히 배출될 수 없게 되는 문제점이 있었다.

게다가, 무지부 양극 및 음극과 활물질이 도포된 양극 및 음극이 인접하게 배치되어 있는 데다 그들의 두께도 전지캔에 비해 상대적으로 얇아 못이 조금이라도 더 안으로 침입해 활물질이 도포된 양극과 음극을 관통하기라도 하면 순간적으로 전지캔의 내부에 고온의 열이 발생되어 전지가 발화하거나 폭발되어 버리는 문제점이 있었다.

다른 한편, 일본특허등록 제3200340호에는 원통형 전지에서와 마찬가지로 파우치형 전지의 케이스 내에 젤리롤 형태로 수용된 전극조립체의 최외곽 또는 최내곽에 활물질이 도포되지 않은 무지부 양극과 음극을 더 연장시켜 형성한 안전소자에 관한 기술이 개시되어 있다.

그러나, 전술한 파우치형 전지는 무지부 양극 및 음극과 활물질이 도포된 양극 및 음극이 인접하게 배치되어 있는 데다 전극조립체를 수용하는 외장 케이스의 두께도 원통형 전지나 각형 전지의 전지캔에 비해 얇아 못이 전지의 케이스 안으로 침입함과 동시에 내부에 고온의 열이 발생되어 전지가 발화하거나 폭발되어 버릴 우려가 매우 높았다.

이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 못이나 드릴팁과 같은 뾰족한 물체의 관통, 니퍼 등과 같은 공구에 의한 압착, 외부로부터의 물리적 충격, 고온에의 노출 등의 특수한 상황에서도 전지의 안전성이 충분히 확보될 수 있도록 하는 안전소자 및 그 안전소자가 구비된 이차전지를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 안전소자는 전지의 양극단자와 음극단자중 하나를 구성하는 전지캔의 외부에 구비되는 것으로서 일측에 부도체막을 포함하는 금속박으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지는 일측에 부도체막을 포함하는 금속박으로 이루어진 안전소자가 전지의 양극단자와 음극단자중 하나를 구성하는 전지캔의 외부에 구비되고, 그 안전소자의 금속박의 일부분은 상기 전지캔과 반대극인 전극단자에 고정된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도 2와 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지를 보여주는 개략 부분 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지에 못이 부분적으로 침입된 상태를 보여주는 개략 부분 단면도이다.

본 발명에 따른 안전소자(1)는 도 2에 도시된 바와 같이, 전지의 양극단자와 음극단자중 하나를 구성하는 전지캔의 외부에 구비되는 것으로서 일측에 부도체막(2a)을 포함하는 금속박(2)으로 이루어져 있다.

여기에서, 상기 부도체막(2a)은 폴리올레핀 계의 수지인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이들의 공중합체 등으로 제조될 수 있으며, 상기 금속박(2)은 전기 전도성을 가진 모든 금속, 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있고, 그 중에서도 전기 전도성과 열 전도성이 우수한 Al, Cu, Ni, Sn, Stainless Steel로 이루어진 군의 적어도 하나로부터 선택되어 제작되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지는 일측에 부도체막(2a)을 포함하는 금속박(2)으로 이루어진 안전소자(1)가 전지의 양극단자와 음극단자중 하나를 구성하는 전지캔의 외부에 구비되고, 그 안전소자(1)의 금속박(2)의 일부분은 상기 전지캔과 반대극인 전극단자에 고정된 구조로 이루어져 있다.

여기에서, 상기 안전소자(1)는 일정두께의 긴 스트립(Strip) 형태로 이루어지는 것이 바람직하며, 이 안전소자는 못이나 드릴팁이 전지를 관통했을 때 내부 충전전류가 전지캔 외부의 금속박(2)으로 충분히 흐르게 하여 전지 내부에서 발열이 생기지 않도록 양극단자와 음극단자를 제외한 나머지부분을 모두 감싸도록 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속박(2)의 외측에는 외부와의 전기적 접촉이 발생되지 않도록 고분자수지층(도시되지 않음)이 형성될 수 있으며, 이 고분자수지층은 전지캔의 외부보호 및 소정 인쇄를 가능하게 하는 PET(Poly Ethylene Terephthalate) 또는 나일론 계열로 이루어지는 것이 바람직하다.

다른 한편, 전술한 바와 같은 안전소자가 구비된 이차전지는 외장 전지캔이 음극단자와 양극단자중 하나를 구성하는 것이면 그것이 원통형 전지, 각형 전지, 또는 그 밖의 어느 형태이든 모두 적용 가능하다.

전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지의 작용을 설명하면 다음과 같다.

못이나 드릴팁이 전지를 관통하지 않은 정상적인 상황의 경우, 전지캔의 외부에 둘러싸여져 음극단자와 양극단자중 하나에 접속된 안전소자(1)의 금속박(2)과 그 안전소자가 연결된 전극단자 간에는 동일한 전압이 걸리게 되며, 그 결과 전지 의 양극단자와 음극단자에 소정 전자기기(도시되지 않음)의 해당단자나 그 밖의 전도성 물체가 접촉되지 않는 한 안전소자(1)와 대응 전극단자간에는 전류의 흐름이 발생되지 않는다(도 2 참조).

한편, 못이나 드릴팁이 전지를 관통하는 특수한 상황의 경우, 전지캔의 외부에 둘러싸인 안전소자(1)의 금속박(2)이 양극단자와 음극단자중 하나에 접속된 상태에서 못이나 드릴팁이 안전소자를 지나 전지캔에 접촉될 때 그 안전소자(1)측 전극단자와 나머지 전극단자 간에는 단락이 발생되게 되며, 그 결과 전지캔 내의 충전전류가 순간적으로 전지캔의 외측 안전소자(1)의 금속박(2)으로 흘러 전지 내부에는 발열이 발생하지 않거나 발열이 작게 발생하게 된다(도 3 참조).

본 발명에 따른 이차전지는 안전소자(1)가 전지캔의 외부에 구비되어 있어 못이나 드릴팁이 그 안전소자(1)의 금속박(2)을 관통한 후 전지캔과 접촉될 때 단락이 일어나고, 종래기술의 전지는 안전소자의 역할을 하는 무지부 양극/음극이 전지캔의 내부에 분리막을 사이로 하여 구비되어 있어 못이나 드릴팁이 전지캔과 분리막을 관통하는 동안에는 단락이 일어나지 않다가 이후 상기 무지부 양극/음극을 관통할 때에야 비로소 단락이 일어나게 된다.
게다가, 상기 전지캔의 두께가 통상 200㎛∼1000㎛로 분리막의 두께 10㎛∼20㎛ 보다 크기 때문에 동일한 크기의 힘으로 못이나 드릴팁이 전지의 내부로 침입된다고 가정했을 때 못이나 드릴팁의 침입시간이 분리막에서 보다 전지캔에서 더 길어지게 되므로 그 길어진 침입시간만큼 전지캔 내의 충전전류를 전지캔 외부의 안전소자(1)쪽으로 흘려보낼 수 있게 된다.
그에 따라, 본 발명에 따른 이차전지는 못이나 드릴팁이 전지캔을 지나 분리막, 양극 및 음극으로 침입되더라도 전지의 내부에는 발열이 거의 발생되지 않게 되며, 그 결과 발화 또는 폭발 위험성이 근본적으로 제거될 수 있게 된다.

다음의 실시예는 본 발명에 따른 안전소자가 구비된 이차전지의 안전성을 더욱 상세하게 설명해 주는 것으로, 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

〔실시예〕

실시예 1

지름 65㎜, 높이 18㎜인 금속으로 이루어진 전지캔에 양극재로 LiCoO₂, 음극재로 탄소재, 분리막으로 폴리머(Polymer), 전해액으로 유기 용매계(EC: EMC)로 만들어진 전해액을 사용하여 2200mAh의 용량을 가지는 전지를 구성한 후, 외장 전지캔을 음극단자로 하여 그 전지캔의 외부에 부도체막을 포함하는 알루미늄재질의 금속박을 전기 절연되는 상태로 접착시켜 그 금속박의 일부분과 나머지 양극단자를 접속시켜 고정하였다(도 2 참조).

그런 다음, 전술한 바와 같이 구성된 전지를 4.2V까지 충전시킨 후 지름 2㎜의 못으로 1000㎜/min의 속도로 전지를 완전히 관통시키면서 전지의 전압과 발열온도를 측정하였다(도 3 및 도 4의 그래프 참조).

비교예 1

지름 65㎜, 높이 18㎜인 금속으로 이루어진 전지캔에 양극재로 LiCoO₂, 음극재로 탄소재, 분리막으로 폴리머, 전해액으로 유기 용매계(EC: EMC)로 만들어진 전해액을 사용하여 2200mAh의 용량을 가지는 전지를 구성한 후, 외장 전지캔의 내부에 구비된 젤리롤 형태의 전극조립체의 최외곽에 활물질이 도포되지 않은 알루미늄 무지부 양극 한 바퀴, 구리 무지부 음극 한바퀴, 그 사이에 분리막을 한 바퀴 더 감아주었다(도 1 참조).

그런 다음, 전술한 바와 같이 구성된 전지를 4.2V까지 충전시킨 후 지름 2㎜의 못으로 1000㎜/min의 속도로 전지를 완전히 관통시키면서 전지의 전압과 발열온도를 측정하였으며, 이때 전지는 발화 및 폭발하였다(도 5의 그래프 참조).

실시예 2

실시예 1과 동일한 조건의 전지를 구성한 후, 지름 2㎜의 못으로 1000㎜/min의 속도로 전지 외장캔의 안전소자로부터 전지의 내측으로 8㎜관통시키면서 전지의 전압과 발열온도를 측정하였다(도 6의 그래프 참조).

실시예 3

실시예 1과 동일한 조건의 전지를 구성한 후, 지름 2㎜의 못으로 1000㎜/min의 속도로 전지 외장캔의 안전소자로부터 전지의 내측으로 4㎜관통시키면서 전지의 전압과 발열온도를 측정하였다(도 7의 그래프 참조).

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 안전소자 및 그 안전소자가 구비된 이차전지는 못이나 드릴팁과 같은 뾰족한 물체의 관통, 니퍼 등과 같은 공구에 의한 압착, 외부로부터의 물리적 충격, 고온에의 노출 등의 상황에서도 전지의 안전성이 충분히 확보될 수 있게 한다.

Claims (4)

1. 전지의 양극단자와 음극단자중 하나를 구성하는 전지캔의 외부에 구비되는 것으로서 일측에 부도체막을 포함하는 금속박으로 이루어진 것을 특징으로 하는 안전소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속박은 Al, Cu, Ni, Sn, Stainless Steel로 이루어진 군의 적어도 하나로부터 선택되어 제작된 것인 안전소자.
3. 일측에 부도체막을 포함하는 금속박으로 이루어진 안전소자가 전지의 양극단자와 음극단자중 하나를 구성하는 전지캔의 외부에 구비되고, 그 안전소자의 금속박의 일부분은 상기 전지캔과 반대극인 전극단자에 고정된 것을 특징으로 하는 안전소자가 구비된 이차전지.
4. 제3항에 있어서, 상기 금속박의 외측에는 외부와의 전기적 접촉이 발생되지 않도록 고분자수지층이 형성된 것인 안전소자가 구비된 이차전지.

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