KR100770116B1 - 원통형 리튬 이차 전지 - Google Patents

원통형 리튬 이차 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR100770116B1
KR100770116B1 KR1020060003250A KR20060003250A KR100770116B1 KR 100770116 B1 KR100770116 B1 KR 100770116B1 KR 1020060003250 A KR1020060003250 A KR 1020060003250A KR 20060003250 A KR20060003250 A KR 20060003250A KR 100770116 B1 KR100770116 B1 KR 100770116B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode plate
secondary battery
lithium secondary
electrode
cylindrical lithium
Prior art date
Application number
KR1020060003250A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20070075007A (ko
Inventor
장석균
우순기
형유업
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020060003250A priority Critical patent/KR100770116B1/ko
Publication of KR20070075007A publication Critical patent/KR20070075007A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100770116B1 publication Critical patent/KR100770116B1/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574Devices or arrangements for the interruption of current
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04Construction or manufacture in general
    • H01M10/0431Cells with wound or folded electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44Methods for charging or discharging
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/52Removing gases inside the secondary cell, e.g. by absorption
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/534Electrode connections inside a battery casing characterised by the material of the leads or tabs
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/578Devices or arrangements for the interruption of current in response to pressure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/581Devices or arrangements for the interruption of current in response to temperature
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00302Overcharge protection
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00Safety devices for primary or secondary batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/30Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 과충전시 전류 차단 시간을 앞당기고, 열적 안정성을 향상시켜 폭발 및 발화 현상을 방지할 수 있는 원통형 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 본 발명의 원통형 리튬 이차 전지는 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하여 와형으로 권취되며, 권취 중심에 소정의 공간이 형성된 전극 조립체와; 상기 전극 조립체의 중심 공간에 삽입되는 권심 부재와; 상기 전극 조립체를 수용하는 공간을 구비하는 케이스와; 적어도 전류 차단 소자를 구비하며, 상기 케이스의 상부와 결합되어 이를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하며, 상기 권심 부재는 상기 권심 부재의 몸체를 이루며, 관 형상으로 이루어지는 하우징과; 상기 하우징의 내부에 삽입된 안전 소자와; 상기 안전 소자를 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판과 전기적으로 연결시켜 주는 접속 리드를 구비하여 이루어진다.
원통형 리튬 이차 전지, 안전 소자, 가스 발생

Description

원통형 리튬 이차 전지{Cylindrical Li Secondary battery}
도 1은 종래의 권심 부재를 설명하기 위한 사시도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 사시도.
도 2b는 도 2a의 A-A 라인에 따른 단면도.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 권심 부재를 설명하기 위한 사시도.
도 3b는 도 3a의 B-B 라인에 따른 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순차 설명도.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지 권심 부재의 안전 소자의 작동을 설명하기 위한 도면.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
200; 원통형 리튬 이차 전지 300; 전극 조립체
310; 제 1 전극판 315; 제 1 전극 탭
320; 제 2 전극판 325; 제 2 전극 탭
330; 세퍼레이터 341, 345; 절연 플레이트
400; 원통형 케이스 410; 원통면
420; 하면 430; 크리핑부
440; 비딩부 500; 캡 조립체
510; 전류 차단 소자 511; 안전 밴트
515; 인쇄 회로 기판 520; 양성 온도 소자
530; 전극 캡 540; 가스켓
600; 권심 부재 610; 하우징
610A; 절개부 620; 안전 소자
621; 스위치부 621A; 바이메탈
621B; 접촉 단자 625; 가스 발생부
625A; 발열체 625B; 가스화 부재
630; 접속 리드
본 발명은 원통형 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과충전시 전류 차단 시간을 앞당기고, 열적 안정성을 향상시켜 폭발 및 발화 현상을 방지할 수 있는 원통형 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 상기 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 상기 원통형 리튬 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 대략 원통형으로 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 원통형 케이스와, 상기 원통형 케이스 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
또한, 상기 원통형 리튬 이차 전지는 통상 그 용량이 2000~2400mA 정도이기 때문에, 주로 대용량의 전력이 필요한 노트 피씨(note PC), 디지털 카메라, 캠코더 등에 장착되고 있다. 일례로 이러한 원통형 리튬 이차 전지는 다수개가 필요한 개수만큼 직병렬로 연결되고, 또한 보호회로가 장착된 채 소정 형태의 하드팩(hard pack)으로 조립되어 상기 전자기기에 전원용으로 결합되어 이용된다.
이러한 원통형 리튬 이차 전지는 하기와 같이 제조된다.
우선, 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 대략 원통형으로 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 상기 대략 원통형의 전극 조립체를 상기 원통형 케이스에 수용하여 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 상기 원통형 케이스에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 원통형 리튬 이차 전지를 완성한다.
상기한 바와 같은 원통형 리튬 이차 전지는 일반적으로 상기 전극 조립체의 중심부에 공간이 발생한다. 이러한 공간은 상기 전극 조립체의 풀림 및 변형을 발생시킬 수 있는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 상기 전극 조립체 중심부의 공 간에 도 1에 도시된 바와 같이, 일종의 플레이트(plate)를 말아서 형성되어 단면이 원형인 관 형상으로 이루어지며, 그 길이 방향을 따라 일부분이 절개된 권심 부재(100)를 삽입하는 방법이 도입되었다.
한편, 상기 원통형 리튬 이차 전지는 과충전시 폭발 현상을 방지하기 위해, 과충전에 의한 내부 압력 증가시 형태가 변형되는 안전 벤트, 상기 안전 벤트의 형태 변경에 의해 전류가 차단되는 회로 기판이 설치되고 있다. 통상 상기 안전 벤트 및 회로 기판은 총칭하여 전류 차단 소자(Current Interrupt Device, CID)라고도 하며, 이는 캡 조립체의 한 구성 요소이다.
이러한 원통형 리튬 이차 전지의 안전 벤트 및 회로기판의 작용을 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
예를 들어, 원통형 리튬 이차 전지가 과충전 상태가 되면, 상기 원통형 리튬 이차 전지의 내부 온도가 상승하고, 전극 조립체의 대략 상부 영역부터 전해액이 증발하여 저항이 증가하기 시작한다. 더욱이, 이때 전극 조립체의 대략 중심 영역부터 변형이 일어나 리튬이 석출되기 시작한다. 물론, 상기 전극 조립체의 상부 영역의 저항 증가에 따라 상기 원통형 리튬 이차 전지의 내부 온도도 급상승한다.
상기한 바와 같이, 상기 원통형 리튬 이차 전지의 내부 온도가 80℃ 내지 120℃까지 상승하면, 통상 과충전시 분해되어 가스를 발생하는 사이클로 헥실 벤젠(CHB) 및 바이 페닐(BP)(전해액 첨가제)등의 작용에 의해 내부 압력이 급격히 증가하게 된다. 이러한 내부 압력은 캡 조립체의 한 구성 요소인 상기 안전 벤트를 바깥 방향으로 밀어내고(즉, 바깥 방향으로 변형시키고), 이에 따라 그 위에 설치되어 있던 회로 기판이 파손됨으로써 전류를 차단하게 된다. 즉, 회로기판에 형성된 배선 패턴이 끊어짐으로써, 더 이상 전류가 흐르지 않게 된다. 물론, 전류가 차단되면 과충전 상태가 정지됨으로써, 전지의 폭발 및 발화 현상도 방지된다.
한편, 상기와 같은 과충전 현상에 의해 전지 내부 압력이 임계치 이상이 되면, 상기 안전 벤트 자체가 찢어지면서 내부 가스가 모두 외부로 방출되기도 한다.
그런데, 일반적으로 전지 내부에는 보이드 볼륨(void volume) 또는 데드 볼륨(dead volume)이라는 것이 존재한다. 즉, 전극 조립체와 캡 조립체 사이의 비어 있는 공간, 센터핀 내부의 비어 있는 공간을 모두 보이드 볼륨으로 볼 수 있다. 이러한 보이드 볼륨은 상술한 안전 벤트의 변형 또는 파열 시간을 지연시키는 한 원인으로 생각되고 있다. 다른 말로 하면, 상기 보이드 볼륨은 전류 차단 시간을 지연시켜 전지의 각종 안정성을 저해하는 것으로 생각되고 있다.
예를 들어, 전지의 종류에 따라 약간씩 차이가 있는 하지만, 전지 내부의 안전 벤트를 변형시키는 압력(또는 회로 기판을 파괴시키는 압력)은 대략 5~11Kgf/cm2이고, 보이드 볼륨이 대략 2ml이면, 상기 안전 벤트의 변형을 위해 대략 10~22ml의 가스가 필요하다. 그러나, 계산상 전해액 중에 포함된 0.7%의 CHB가 모두 분해된다고 해도 대략 4.116ml의 가스가 발생하고, 또한 0.3%의 BP가 모두 분해된다고 해도 대략 1.833ml의 가스가 발생한다. 더불어, 화성 공정에서 대략 1.5ml의 가스가 더 발생한다. 그러나, 이러한 3가지 가스를 모두 합쳐도 대략 7.449ml밖에 안되고, 이때 대략 3.75kgf/cm2의 힘을 상기 안전 벤트에 가하게 될 뿐이다. 즉, 과충전시 안전 벤트를 변형시키거나 또는 이로 인해 회로기판을 파괴시키는 압력은 대략 5~11Kgf/cm2이 필요하지만, 실제로 보이드 볼륨에 의해 대략 3.75kgf/cm2만 제공됨으로써, 안전 벤트가 동작하지 않거나 또는 안전 벤트의 동작 시간이 지연된다. 다른 말로 하면, 과충전시 전류 차단 시간이 지연된다. 따라서, 그 지연된 시간만큼 과충전이 더 진행되고, 또한 전지 온도도 더 증가함으로써, 전지의 폭발이나 발화가 일어날 확률이 매우 높아지는 문제가 있다. 물론, 전해액의 첨가제인 사이클로 헥실 벤젠(CHB)이나 바이 페닐(BP) 등의 함량을 증가시키면 과충전시 발생하는 가스량이 증가하기는 하지만, 이 경우에는 트레이드 오프(trade off) 관계에 있는 전지의 용량이나 품질이 저하되는 다른 여러 가지 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 과충전시 전류 차단 시간을 앞당기고, 열적 안정성을 향상시켜 폭발 및 발화 현상을 방지할 수 있는 원통형 리튬 이차 전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원통형 리튬 이차 전지는 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하여 와형으로 권취되며, 권취 중심에 소정의 공간이 형성된 전극 조립체와; 상기 전극 조립체의 중심 공간에 삽입되는 권심 부재와; 상기 전극 조립체를 수용 하는 공간을 구비하는 케이스와; 적어도 전류 차단 소자를 구비하며, 상기 케이스의 상부와 결합되어 이를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하며, 상기 권심 부재는 상기 권심 부재의 몸체를 이루며, 관 형상으로 이루어지는 하우징과; 상기 하우징의 내부에 삽입된 안전 소자와; 상기 안전 소자를 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판과 전기적으로 연결시켜 주는 접속 리드를 구비하여 이루어진다.
상기 안전 소자는 내부 온도 상승시 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판을 전기적으로 강제 쇼트시키는 스위치부와; 상기 스위치부와 전기적으로 연결되는 가스 발생부를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 스위치부는 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 바이메탈과; 내부 온도 상승시 상기 바이 메탈부와 접촉하며, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 중 다른 하나와 전기적으로 연결되는 접촉 단자를 구비하여 이루어질 수 있다.
상기 바이메탈의 작동 온도 범위는 80℃ 내지 120℃ 사이인 것이 바람직하다.
상기 가스 발생부는 상기 스위치와 전기적으로 연결되는 발열체와; 상기 발열체의 작동으로 온도 상승시 가스를 발생시키며, 상기 발열체를 감싸는 가스화 부재를 구비하는 것이 바람직하다.
발열체는 저항으로 이루어질 수 있다.
가스화 부재는 가스화하는 기화성 물질로 이루어질 수 있으며, 기화성 물질은 사이클로 헥실 벤젠(CHB) 및 바이 페닐(BP) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 가스화 부재는 난연제를 더 구비할 수도 있으며, 바람직하게는 상기 난연제는 수산화마그네슘 계열, 수산화알루미늄 계열 및 인산염 계열 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 접속 리드는 도전성이 우수한 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 접속 리드의 일단은 상기 안전 밴트에 접합되어 상기 제 1 전극판과 상기 안전 소자를 전기적으로 연결시켜 주며, 상기 접속 리드의 타단은 상기 제 2 전극판에 접합되어 상기 제 2 전극판과 안전 소자를 전기적으로 연결시켜 줄 수 있다.
상기 접속 리드의 일단은 상기 제 1 전극판에 접합되어 상기 제 1 전극판 및 안전 소자를 전기적으로 연결시켜 주며, 상기 접속 리드의 타단은 상기 제 2 전극판에 접합되어 상기 제 2 전극판 및 상기 안전 소자를 전기적으로 연결시켜 줄 수도 있다.
상기 하우징은 상부 및 하부의 직경이 중심부의 직경보다 작은 관 형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 하우징의 높이는 상기 전극 조립체 높이의 90% 내지 110%인 것이 바람직하다.
상기 전류 차단 소자는 내부 압력 증가시 형태가 반전되는 안전 벤트와; 상기 안전 벤트의 형태 반전에 의해 전류가 차단되는 회로 기판을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 원통형 리튬 이차 전지는 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하여 와형으로 권취 되며, 권취 중심에 소정의 공간이 형성된 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 수용하는 공간을 구비하는 케이스와; 내부 압력 증가시 형태가 반전되는 안전 밴트 및 상기 안전 밴트의 형태 반전에 의해 전류가 차단되는 회로 기판을 포함하며, 상기 케이스의 상부와 결합되어 이를 밀봉하는 캡 조립체와; 상기 전극 조립체의 중심 공간에 삽입되며, 내부 온도 상승 시 내부 압력을 증가시켜 상기 안전 밴트를 반전시킬 수 있는 안전 소자를 구비하는 권심 부재를 포함하여 이루어진다.
상기 권심 부재는 상기 권심 부재의 몸체를 이루며, 관 형상으로 이루어지는 하우징과; 상기 하우징 내부에 삽입된 안전 소자를 구비하며, 상기 안전 소자는 내부 온도 상승시 안전 소자의 회로를 온(on)시키는 스위치와; 상기 스위치와 전기적으로 연결되어 상기 안전 소자의 회로가 온(on)되는 경우, 가스를 발생시키는 가스 발생부를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 가스 발생부는 상기 안전 소자의 회로가 온(on)되어 유입되는 전류에 의하여 열을 발생시키는 발열체와; 상기 발열체의 발열로 인하여 기화되는 기화성 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 가스 발생부는 난연제를 더 포함할 수도 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도면의 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 A-A 라인에 따른 단면도이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리 튬 이차 전지(200)는 충ㆍ방전 시 전압차를 발생시키는 전극 조립체(300)와, 상기 전극 조립체(300)를 수납하는 원통형의 케이스(400)와, 상기 원통형 케이스(400) 상부에 조립되어 상기 전극 조립체(300)가 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체(500)와, 상기 전극 조립체(300)의 중앙부 공간에 위치하는 권심 부재(600)를 구비하는 구조로 이루어져 있다.
상기 전극 조립체(300)는 양극 활물질 및 음극 활물질 중 어느 하나, 예를 들면, 양극 활물질이 코팅된 제 1 전극판(310), 상기 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나, 예를 들면, 음극 활물질이 코팅된 제 2 전극판(320), 상기 제 1 전극판(310) 및 제 2 전극판(320) 사이에 위치하여 상기 제 1 전극판(310)과 제 2 전극판(320)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(330)로 이루어진다. 또한, 상기 제 1 전극판(310), 제 2 전극판(320) 및 세퍼레이터(330)는 와형(渦形)으로 권취되며, 권취 중심에는 소정의 공간이 형성되어 있으며, 상기 원통형 케이스(400)에 수납된다. 또한, 상기 제 1 전극판(310)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출된 제 1 전극 탭(315)이 접합되어 있다. 상기 제 2 전극판(320)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출된 제 2 전극 탭(325)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어 상기 전극 조립체(300)의 상ㆍ하부에는 각각 직접적인 캡 조립체(500) 또는 원통형 케이스(400)와의 접촉을 피하기 위해 상ㆍ하부 절연 플레이트(341, 345)가 더 부착되어 있다.
상기 원통형 케이스(400)는 상기 전극 조립체(300)가 결합될 수 있도록 소정 공간을 가지며 일정 직경을 갖는 원통면(410)이 형성되어 있고, 상기 원통면(410)의 하부에는 그 원통면(410)의 하부 공간을 막은 하면(420)이 형성되어 있으며, 상기 원통면(410)의 상부는 상기 전극 조립체(300)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 한편, 상기 원통형 케이스(400)의 하면(420) 중앙에 상기 전극 조립체(300)의 제 1 전극 탭(315) 및 제 2 전극 탭(325) 중 어느 하나, 예를 들면, 제 2 전극 탭(325)이 접합됨으로써, 상기 원통형 케이스(400) 자체는 제 2 전극판(320)과 동일한 전극, 예들 들면 음극 단자의 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 원통형 케이스(400)는 일반적으로 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다. 더불어 상기 원통형 케이스(400)는 상부에서 상기 캡 조립체(500)를 압박하도록 한쪽으로 휘어진 크림핑(crimping)부(430)가 형성되고, 하부에서 상부 방향으로 상기 캡 조립체(500)를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부(440)가 더 형성되어 있다.
상기 캡 조립체(500)는 전류 차단 소자(510), 상기 전류 차단 소자의 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 소정 온도 이상에서 회로가 끊어지는 양성 온도 소자(520)와, 상기 양성 온도 소자(520)의 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 실제의 전류를 외부로 인가하는 도전성 전극 캡(530)과, 상기 전류 차단 소자(510), 양성 온도 소자(520) 및 전극 캡(530)의 측부 둘레를 감싸는 형태를 하며 상기 원통형 케이스(400)로부터 상기 나열한 것들을 절연시키는 절연 가스켓(540)으로 이루어진다.
이때, 상기 전류 차단 소자(510)는 상기 제 1 전극 탭(315)이 용접된 동시 에, 과충전 또는 이상 발열시 형태가 반전되는 도전성 안전 벤트(511)와, 상기 안전 벤트(511) 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어, 상기 안전 벤트(511)의 반전 시 회로가 끊어지는 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit board, 515)을 구비하여 이루어진다.
또한, 상기 전극 캡(530)은 상기 전극 조립체(300)의 제 1 전극 탭(315) 및 제 2 전극 탭(325) 중 어느 하나, 예를 들면, 제 1 전극 탭(315)이 접합되어 제 1 전극판(310)과 동일한 전극, 예들 들면 양극 단자의 역할을 수행한다.
상기 권심 부재(600)는 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 내부 온도 상승시 내부 압력을 증가시켜 상기 안전 밴트(511)가 반전되도록 할 수 있는 안전 소자(620)를 구비한다. 이러한 권심 부재(600)는 상기 권심 부재(600)의 몸체를 이루며, 대략 관 형상으로 이루어지는 하우징(610)과, 상기 하우징(610)의 내부에 삽입된 안전 소자(620)와, 상기 안전 소자(620)를 상기 제 1 전극판(310) 및 제 2 전극판(320)과 전기적으로 연결시켜 주는 접속 리드(630)를 구비하는 구조로 이루어진다.
상기 권심 부재(600)의 하우징(610)은 관 형상으로 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 하우징(610)의 상부 및 하부는 소정 각도로 테이퍼져 상부 및 하부의 직경이 중심부의 직경보다 작은 관 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 하우징(610)은 상기 권취형 전극 조립체(300)의 중앙의 공간에 삽입되어, 상기 권취형 전극 조립체(300)가 이완되어 풀리는 것을 방지하며, 외압에 의한 상기 권취형 전극 조립체(300)의 변형을 방지하는 역할도 수행한다.
상기 안전 소자(620)는 상기 하우징(610)에 삽입되어 상기 원통형 리튬 이차 전지(200) 내부의 온도가 상승하는 경우, 상기 원통형 리튬 이차 전지(200) 내부의 압력을 상승시켜, 상기 캡 조립체(500)의 전류 차단 소자(510)의 안전 벤트(511)를 반전시켜 전류의 흐름을 차단하도록 하는 역할을 수행한다.
상기 접속 리드(630)는 도전성이 우수한 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 접속 리드(630)의 일단은 상기 안전 밴트(511)에 접합되어 상기 제 1 전극판(310)과 상기 안전 소자(620)를 전기적으로 연결시켜 주며, 상기 접속 리드(630)의 타단은 상기 제 2 전극판(620)에 접합되어 상기 제 2 전극판(320)과 안전 소자(620)를 전기적으로 연결시켜 줄 수 있다. 또는, 도면에 도시하지 않았으나, 상기 접속 리드(630)의 일단은 상기 제 1 전극판(310)에 직접 접합되어 상기 제 1 전극판(310) 및 안전 소자(620)를 전기적으로 연결시켜 주며, 상기 접속 리드(630)의 타단은 상기 제 2 전극판(320)에 접합되어 상기 제 2 전극판(320) 및 상기 안전 소자(620)를 전기적으로 연결시켜 줄 수도 있다.
한편, 도면상에는 도시되지 않았으나, 상기 원통형 케이스(400)에 상기 전극 조립체(300) 간에 리튬 이온의 이동이 가능하게 전해액이 주입된다. 상기 전해액은 충ㆍ방전시 전지 내부의 양극 및 음극에서 전기 화학적 반응에 의하여 생성되는 리튬 이온(Li Ion)의 이동 매체 역할을 하며, 이는 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상기 전해액 물질의 종류를 한정하는 것 은 아니다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 권심 부재를 설명하기 위한 사시도이며, 도 3b는 도 3a의 B-B 라인에 따른 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지(200)의 권심 부재(600)는 상기 권심 부재(600)의 몸체를 이루는 하우징(610)과, 상기 하우징(610)의 내부에 삽입된 안전 소자(620)와, 상기 안전 소자(620)를 전극 조립체(300)의 제 1 전극판(310) 및 제 2 전극판(320)과 전기적으로 연결시켜주는 접속 리드(630)를 구비한다.
상기 하우징(610)은 관 형상으로 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 하우징(610)의 상부 및 하부는 소정 각도로 테이퍼져 상부 및 하부의 직경이 중심부의 직경보다 작은 관 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한, 상기 하우징(610)은 일반적으로 소정의 금속재 또는 절연재로 이루어지는 판재를 관 형상으로 말아 형성되어, 상기 하우징(610)의 길이 방향으로 형성된 절개부(610A)를 구비할 수도 있다. 또한, 상기 하우징(610)은 상부 및 하부의 직경이 중심부의 직경보다 작은 관의 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 하우징(610)은 상기 전극 조립체(300)가 갖는 높이의 대략 90% 내지 110% 정도인 것이 바람직하다. 즉, 상기 하우징(610)의 높이가 상기 전극 조립체(300)의 90% 이하이며, 상기 전극 조립체(300)를 고정 및 지지하는 힘이 너무 약하게 되며, 또한, 110% 이상인 경우에는 상기 캡 조립체(500)의 구성 요소와 접촉할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 안전 소자(620)는 상기 하우징(610)의 내부에 삽입되어 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 내부 발열시 상기 캡 조립체(500)의 전류 차단 소자(510)의 안전 벤트(511)를 반전시켜 전류의 흐름을 차단하도록 한다.
이러한, 상기 안전 소자(620)는 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 내부 온도가 상승하는 경우, 상기 안전 소자(620)의 회로를 온(on)시킬 수 있는 스위치부(621)와, 상기 스위치부(621)와 전기적으로 연결되어 상기 스위치부(621)에 의하여 상기 안전 소자(620)의 회로가 온(on)되는 경우, 상기 전류 차단 소자(510)의 안전 밴트(511)를 반전시키기 위하여 가스를 발생시키는 가스 발생부(625)를 구비한다.
상기 스위치부(621)는 상기 접속 리드(630)의 일단을 통하여 상기 제 1 전극판(310) 및 제 2 전극판(320) 중 어느 하나, 예를 들면, 상기 제 1 전극판(310)과 전기적으로 연결되는 바이메탈(621A)과, 상기 접속 리드(630)의 타단을 통하여 상기 제 1 전극판(310) 및 제 2 전극판(320) 중 다른 하나, 예를 들면, 상기 제 2 전극판(320)과 전기적으로 연결되는 접촉 단자(621B)를 구비한다. 이러한 스위치부(621)는 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 내부 온도 상승 시, 상기 바이메탈(621A)이 상기 접촉 단자(621B) 방향으로 휘게 되어 상기 접촉 단자(621B)와 접촉하여, 상기 제 1 전극판(310) 및 제 2 전극판(320)을 전기적으로 강제 쇼트시킨다.
이때, 상기 바이메탈(621A)은 열팽창 계수가 서로 다른 두 개의 도전성 금속을 접합하여, 온도 변화에 따른 열팽창이 서로 달라 한 쪽 방향으로 휘어지는 성질을 이용하는 것으로, 상기 바이메탈(621A)의 작동 온도는 80℃ ~ 120℃ 사이에 있는 것이 바람직하다. 이는 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 내부 온도가 이런 범위 이상으로 증가하는 경우, 상기 전극 조립체(300)의 세퍼레이터(330)의 변형이 발생하기 시작하여 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 안정성이 악화되므로, 상기 바이메탈(621A)을 통하여 상기 스위치부(621)가 전기 회로에 있어서, 온(on) 상태가 되어 상기 안전 소자(620)가 작동하도록 하기 위함이다.
상기 가스 발생부(625)는 상기 스위치부(621)와 전기적으로 연결되는 발열체(625A)와, 상기 발열체(625A)를 감싸며, 상기 발열체(625A)의 작동으로 온도 상승시 가스를 발생시키는 가스화 부재(625B)로 이루어진다. 이러한 가스 발생부(625)는 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 내부 온도가 상승하여, 상기 스위치부(621)의 바이메탈(621A) 및 접촉 단자(621B)가 서로 맞닿게 되어 전류가 유입되면, 상기 발열체(625A)에서 발열하고 상기 가스화 부재(625B)가 상기 발열체(625A)의 발열에 의하여 소정의 가스를 생성하여, 상기 전류 차단 소자(510)의 안전 벤트(511)가 반전되도록 하여 상기 인쇄 회로 기판(515)을 파괴하여 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 전류 흐름을 차단하도록 한다.
이때, 상기 발열체(625A)는 소정의 저항으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 상기 발열체(625A)로 전류가 유입되는 경우, 상기 발열체(625A)가 열을 발생하도록 하기 위함이다.
또한, 상기 가스화 부재(625B)는 기화성 물질로 이루어질 수 있고, 가스화 부재(625B)는 사이클로 헥실 벤젠(CHB), 바이 페닐(BP) 또는 이들의 등가물 중 적어도 어느 하나일 수 있으나, 본 발명에서 상기 가스화 부재(625B)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 사이클로 헥실벤젠과 바이페닐은 전지 내부 전압이 약 4.5V 이 상에서 전압에 의하여 가스화 되는 물질이다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 캡슐에 의하여 싸여있던 사이클로 헥실 벤젠, 바이페닐은 발열체에 의하여 캡슐이 녹게 되면 전지 내부로 도입되어 상승한 전압에 의하여 가스화되어 CID(current interruption device)가 작동하게 된다. 원래 이들 이차 전지 내부에 이들 물질을 함유시키는 것은 장단점이 모두 있어서 가스화 물질을 전해액 내에 일정량 이상 사용하는 것이 어렵다. 그러나, 본 발명에서는 이상 발생 이전에는 이러한 가스화 물질이 전해액에 포함되어 있지 않기 때문에 전지의 수명 및 용량 사이의 트레이드 오프(trade off) 관계를 막을 수 있으며 이상 발생시에만 CID를 작동시키는 것이 가능하다. 전지의 빈 공간(void volume)을 계산하여 캡슐(capsule)에 넣어주는 가스화 물질의 양을 단순히 증가 또는 감소시킴으로서 전지설계를 간단하게 할 수 있는 장점이 있다. 여기에서 넣어주는 가스화 물질은 사이클로 헥실벤젠과 바이 페닐등을 언급하였지만 고전압에서 가스화 할 수 있는 물질을 제한 없이 사용할 수 있다. 또한 가스화 물질을 싸고 있는 캡슐을 터트린 다음 발열체는 더 이상 발생되는 열을 소모시킬 수 없으므로 분해되어 단락되게 되어 더 이상의 발열을 막을 수 있다. 또한, 상기 가스화 부재(625B)가 사이클로 헥실 벤젠(CHB)으로 이루어지는 경우에는 도면상에는 도시하지 않았으나, 상기 사이클로 헥실 벤젠(CHB)이 상기 전해액과 혼합되는 것을 방지하기 위한 소정의 가스화 부재 분리막 등을 더 구비할 수 잇다.
또한, 상기 가스화 부재(625B)는 상기 기화성 물질 이외에 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 발화를 방지하기 위하여 난연제를 더 구비할 수도 있다. 바람직하게는 상기 난연제는 수산화마그네슘 계열, 수산화알루미늄 계열, 인산염 계열 또 는 그 등가물 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있으나, 본 발명에서 상기 난연제의 재질을 한정하는 것은 아니다. 물론, 상기 난연제는 인체에 해가 없는 환경 친화적인 물질을 이용함이 좋다. 이러한 난연재는 상기 원통형 리튬 이차 전지(200) 내부의 온도가 더 이상 상승하는 것을 방지하기 위함이다.
상기 접속 리드(630)는 도전성 우수한 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 도면상에는 도시하지 않았으나, 상기 제 1 전극판(310), 제 2 전극판(320)과 접합되는 부분을 제외하고는 절연성 물질로 피복되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 도면상에는 도시하지 않았으나, 상기 권심 부재(600)의 하우징(610)이 금속재로 이루어지는 경우에는 상기 스위치부(621)는 상기 권심 부재(600)와 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순차 설명도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 제조 방법은 전극 조립체(300)의 형성 단계(S1), 전극 조립체(300)의 결합 단계(S2), 권심 부재(600)의 삽입 단계(S3), 전해액 주입 단계(S4) 및 캡 조립체(500)의 결합 단계(S5)를 포함한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는 상기 도 4과 함께 원통형 리튬 이차 전지의 제조 방법을 설명한다.
도 5a를 참조하면, 우선 상기 전극 조립체(300)의 형성 단계(S1)에서는 제 1 전극판(310), 세퍼레이터(330), 제 2 전극판(320)을 순차적으로 적층하고, 이것의 일단에는 권취축(800)을 결합한 후, 대략 와형(渦形)으로 권취하여 전극 조립체(300)를 형성한다. 물론 상기 권취 이전에, 상기 제 1 전극판(310)에는 제 1 전극 탭(315)이, 제 2 전극판(320)에는 제 2 전극 탭(325)이 부착된다.
도 5b를 참조하면, 상기 전극 조립체(300)의 결합 단계(S2)에서는 상기 대략 원통형의 전극 조립체(300)를 상기 원통형 케이스(400)에 결합한다. 물론, 상기 결합 후에는 상기 전극 조립체(300)로부터 상기 권취축(800)을 분리하며, 이때, 상기 전극 조립체(300)의 중심부에는 대략 원형의 공간이 형성된다. 물론, 상기 권취축(800)은 상기 전극 조립체(300)의 결합전에 미리 분리될 수 있으며, 본 발명에서 그 순서를 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 원통형 케이스(400)에는 미리 하부 절연판(341)(도면상에는 도시되지 않음)이 결합되어 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 권심 부재(600)의 삽입 단계(S3)에서는 상기 권취축(800)이 분리되어 상기 전극 조립체(300)의 중심부에 형성된 공간에, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 권심 부재(600)를 삽입한다.
또한, 상기 권심 부재(600)의 접속 리드(630)의 일단은 상기 전극 조립체(300)의 제 1 전극판(310) 및 제 2 전극판(320) 중 어느 하나, 예를 들면, 상기 제 2 전극판(320)과 전기적으로 연결된다. 보다 상세히 설명하면, 상기 접속 리드(630)의 일단이 상기 제 2 전극 탭(325)과 접합되어 상기 제 2 전극판(320)과 전기적으로 연결되는 것이다.
한편, 상기 권심 부재(600)의 삽입 전 상기 전극 조립체(300) 중 제 1 전극 탭(315) 및 제 2 전극 탭(325) 중 어느 하나, 예를 들면, 상기 제 2 전극 탭(325)은 원통형 케이스(400)의 하면(420)에 저항 용접 등의 방법으로 미리 부착ㆍ고정될 수 있다. 따라서, 상기 권심 부재(600)의 하우징(610)은 상기 제 2 전극 탭(325)의 상면에 접촉된 채로 위치하며, 상기 제 2 전극 탭(325)을 더욱 강하게 상기 원통형 케이스(400)에 결합시키는 역할도 한다. 한편, 상기한 바와 같이, 상기 권심 부재(600)의 하우징(610)은 상기 전극 조립체(300)가 갖는 높이의 대략 90% 내지 110% 정도인 것이 바람직하다. 즉, 상기 하우징(610)의 높이가 상기 전극 조립체(300)의 90% 이하이며, 상기 전극 조립체(300)를 고정 및 지지하는 힘이 너무 약하게 되며, 또한, 110% 이상인 경우에는 상기 캡 조립체(500)의 구성 요소와 접촉할 수 있어 바람직하지 않다.
그런 다음, 상기 전해액 주입 단계(S4)에서는 상기 전극 조립체(300)의 상단까지 전해액을 주입한다. 또한, 상기 전해액은 상기 전극 조립체(300)에서 상기 제 1 전극판(310)과 제 2 전극판(320) 사이에 충ㆍ방전 시 리튬 이온의 이동이 가능하도록 하는 역할을 수행한다.
도 5d를 참조하면, 상기 캡 조립체(500)의 결합 단계(S5)에서는 상기 원통형 케이스(400) 상부에 다수의 구성 요소로 이루어지는 캡 조립체(500)를 결합하여, 상술한 전극 조립체(300), 권심 부재(600) 및 전해액이 외부로 이탈 또는 누액되지 않도록 하여, 원통형 리튬 이차 전지(200)를 형성한다.
보다 상세히 설명하면, 상기 원통형 케이스(400)의 상부에 대략 링 형태인 절연 가스켓(540)을 결합하고, 이어서 그 내부에 순차적으로 전극 조립체(300) 중 제 1 전극 탭(315) 및 제 2 전극 탭(325) 중 어느 하나, 예를 들면 제 1 전극 탭(315)과 전기적으로 연결되는 상기 전류 차단 소자(510)의 도전성 안전 벤트(511) 및 인쇄 회로 기판(515)과, 상기 양성 온도 소자(520) 및 전극 캡(530)을 순차적으로 결합한다.
그런 다음, 상기 절연 가스켓(530)의 하단에 해당하는 원통형 케이스(400)를 비딩하여 안쪽 방향으로 함몰된 비딩부(440)를 형성하고, 그 상단을 크리핑하여 크리핑부(430)를 형성함으로써, 상기 캡 조립체(500)가 외부로 이탈되지 않도록 하여, 원통형 리튬 이차 전지(200)를 형성하는 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지 권심 부재의 안전 소자의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 원통형 리튬 이차 전지(200)의 과충전 또는 오작동으로 인하여 내부 온도가 상승하면, 상기 권심 부재(600)의 안전 소자(620)가 작동하여, 캡 조립체(500)의 전류 차단 소자(510)가 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 전류의 흐름을 차단한다.
보다 상세히 설명하면, 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 과충전 또는 오작동으로 인하여 내부 온도가 상승하여 80?? 내지 120??이상으로 상승하는 경우, 상기 안전 소자(620) 스위치부(621)의 바이메탈(621A)이 작동을 하여 상기 접촉단자(621B)와 접촉하게 된다.
상기 바이메탈(621A)과 상기 접촉 단자(621B)가 접촉하게 되면, 상기 안전 소자(620)의 회로가 온(on) 상태가 된 것이므로, 상기 가스 발생부(625)의 발열체(625A)로 전류가 유입되어 열이 발생한다.
상기 발열체(625A)에서 열이 발생하면, 상기 발열체(625A) 주변의 가스화 부재(625B)에서 가스가 발생하여 상기 안전 밴트(511)가 반전되도록 한다.
상기 안전 밴트(511)가 반전됨에 따라, 상기 인쇄 회로 기판(515)이 파괴되어 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)에서 외부로의 전류 흐름은 차단된다.
또한, 상기 접속 리드(630)의 일단이 상기 안전 밴트(511)와 접합되어 있는 경우에는 상기 안전 밴트(511)가 반전됨에 따라, 상기 접속 리드(630) 및 안전 밴트(630)와의 전기적 연결이 차단되어 상기 안전 소자(620)로 전류가 유입되는 것을 방지하여 더 이상 상기 발열체(625A)에서 열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도면상에는 도시하지 않았으나, 상기 접속 리드(630)의 일단이 상기 제 1 전극판(310)과 직접 접합되어 있는 경우에는 상기 안전 밴트(511)가 반전되더라도 상기 안전 소자(620)로 전류가 계속하여 유입될 수 있다. 이러한 경우에는 상기 안전 소자(620)의 발열체(625A)에 계속하여 전류가 흐르고 있음으로 인하여 온도가 더욱 상승할 수 있다. 이때, 상기 가스화 부재(625B)에 첨가되어 있는 난연재를 통하여, 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)가 발화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 시간이 지남에 따라 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)는 냉각되므로, 상기 바이메탈(621A)은 원래 상태로 복귀하여 상기 스위치부(621)는 오프(off) 상태가 된다.
따라서, 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 모든 전류 흐름이 차단된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지(200)는 권심 부재(600)에 가스를 발생시킬 수 있는 안전 소자(620)를 구비하도록 함으로써, 상기 원통형 리튬 이차 전지(200) 내부가 소정 온도 이상으로 상승하는 경우, 상기 안전 소자(620)에서 가스가 발생하여 보다 빠르게 상기 안전 밴트(511)가 반전되도록 하여, 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 전류 차단이 보다 빠르게 이루어진다. 따라서, 상기 원통형 리튬 이차 전지(200)의 안정성이 향상된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 과충전시 전류 차단 시간을 앞당기고, 열적 안정성을 향상시켜 폭발 및 발화 현상을 방지할 수 있는 원통형 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하여 와형으로 권취되며, 권취 중심에 소정의 공간이 형성된 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체의 중심 공간에 삽입되는 권심 부재와;
    상기 전극 조립체를 수용하는 공간을 구비하는 케이스와;
    적어도 전류 차단 소자를 구비하며, 상기 케이스의 상부와 결합되어 이를 밀봉하는 캡 조립체를 포함하며,
    상기 권심 부재는
    상기 권심 부재의 몸체를 이루며, 관 형상으로 이루어지는 하우징과;
    상기 하우징의 내부에 삽입되어 상기 제1 전극판 및 제2 전극판 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 바이메탈과, 전지의 내부온도 상승시 상기 바이메탈과 접촉하는 위치에 설치되어 상기 제1 전극판 및 제2 전극판 중 다른 하나와 전기적으로 연결되는 접촉단자를 구비하는 스위치부와;
    상기 하우징의 내부에서 상기 스위치부와 전기적으로 연결되는 발열체와, 상기 발열체를 감싸는 상태로 설치되어 상기 발열체의 작동에 의한 온도 상승시 가스를 발생시키는 가스화부재를 구비하는 가스발생부와;
    상기 스위치부와 가스발생부를 각각 상기 제1 전극판 또는 제2 전극판과 전기적으로 연결시켜 주는 접속리드를 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 바이메탈의 작동 온도 범위는 80℃ 내지 120℃인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 발열체는 저항으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 가스화 부재는 사이클로 헥실 벤젠(CHB) 및 바이 페닐(BP) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 가스화 부재는 난연제를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 난연제는 수산화마그네슘 계열, 수산화알루미늄 계열 및 인산염 계열 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 접속 리드는 도전성이 우수한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 접속 리드의 일단은 상기 안전 밴트에 접합되어 상기 제 1 전극판과 상기 안전 소자를 전기적으로 연결시켜 주며,
    상기 접속 리드의 타단은 상기 제 2 전극판에 접합되어 상기 제 2 전극판과 안전 소자를 전기적으로 연결시켜 주는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 접속 리드의 일단은 상기 제 1 전극판에 접합되어 상기 제 1 전극판 및 안전 소자를 전기적으로 연결시켜 주며,
    상기 접속 리드의 타단은 상기 제 2 전극판에 접합되어 상기 제 2 전극판 및 상기 안전 소자를 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징은 상부 및 하부의 직경이 중심부의 직경보다 작은 관 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징의 높이는 상기 전극 조립체 높이의 90% 내지 110%인 것을 특징 으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 전류 차단 소자는
    내부 압력 증가시 형태가 반전되는 안전 벤트와;
    상기 안전 벤트의 형태 반전에 의해 전류가 차단되는 회로 기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
  16. 제 1 전극판, 제2 전극판, 상기 제 1 전극판 및 제 2 전극판 사이에 개재된 세퍼레이터를 구비하여 와형으로 권취되며, 권취 중심에 소정의 공간이 형성된 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체를 수용하는 공간을 구비하는 케이스와;
    내부 압력 증가시 형태가 반전되는 안전 밴트 및 상기 안전 밴트의 형태 반전에 의해 전류가 차단되는 회로 기판을 포함하며, 상기 케이스의 상부와 결합되어 이를 밀봉하는 캡 조립체와;
    상기 전극 조립체의 중심 공간에 삽입되는 권심부재를 포함하며,
    상기 권심부재는
    관 형상으로 이루어져 몸체를 이루는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 삽입되어 전지 내부온도 상승시 내부 압력을 증가시켜 상기 안전 밴트를 반전시킬 수 있는 안전소자를 구비하고,
    상기 안전 소자는
    전지 내부온도 상승시 온(on) 상태로 전환되는 스위치와;
    상기 스위치와 전기적으로 연결되어 상기 스위치의 온(on) 전환시 유입되는 전류에 의하여 열을 발생시키는 발열체와;
    상기 발열체의 발열로 인하여 기화되는 기화성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 안전 소자는 난연제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차 전지.
KR1020060003250A 2006-01-11 2006-01-11 원통형 리튬 이차 전지 KR100770116B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060003250A KR100770116B1 (ko) 2006-01-11 2006-01-11 원통형 리튬 이차 전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060003250A KR100770116B1 (ko) 2006-01-11 2006-01-11 원통형 리튬 이차 전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070075007A KR20070075007A (ko) 2007-07-18
KR100770116B1 true KR100770116B1 (ko) 2007-10-24

Family

ID=38500221

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060003250A KR100770116B1 (ko) 2006-01-11 2006-01-11 원통형 리튬 이차 전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100770116B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11909073B2 (en) 2019-07-10 2024-02-20 Lg Energy Solution, Ltd. Battery module having overcharge prevention structure, battery pack comprising the same, and vehicle comprising the battery pack

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101335285B1 (ko) * 2011-05-31 2013-12-02 주식회사 엘지화학 신규한 구조의 캡 어셈블리 및 이를 포함하고 있는 원통형 전지
KR102564972B1 (ko) * 2016-04-06 2023-08-07 에스케이온 주식회사 이차 전지 및 이차 전지 적층체
KR102255534B1 (ko) * 2017-07-07 2021-05-25 주식회사 엘지에너지솔루션 이차전지
KR102294857B1 (ko) * 2017-07-13 2021-08-30 주식회사 엘지에너지솔루션 이차전지
KR102443898B1 (ko) * 2018-11-12 2022-09-15 주식회사 엘지에너지솔루션 과충전 방지가 가능한 구조를 갖는 배터리 팩 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060104333A (ko) * 2005-03-30 2006-10-09 삼성에스디아이 주식회사 기능성 센터 핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060104333A (ko) * 2005-03-30 2006-10-09 삼성에스디아이 주식회사 기능성 센터 핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11909073B2 (en) 2019-07-10 2024-02-20 Lg Energy Solution, Ltd. Battery module having overcharge prevention structure, battery pack comprising the same, and vehicle comprising the battery pack

Also Published As

Publication number Publication date
KR20070075007A (ko) 2007-07-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5475590B2 (ja) 二次電池
KR100477750B1 (ko) 리튬 이온 전지의 전극조립체 및 이를 이용한 리튬이온 전지
KR100578804B1 (ko) 캡 조립체 및 이를 구비한 이차 전지
EP2854201B1 (en) Rechargeable battery
JP2009535777A (ja) 過電流の印加の際に断線する自己切断部を備えた電極を有する二次電池
JP2009245650A (ja) 密閉型電池
KR100770116B1 (ko) 원통형 리튬 이차 전지
KR100696792B1 (ko) 원통형 리튬 이온 이차 전지
US20180219247A1 (en) Short Circuiting Structure For Lithium Secondary Battery Having Excellent Stability Against Overcharge And Pouch Type Lithium Secondary Battery Comprising The Same
KR100659835B1 (ko) 과충전 보호회로가 내장된 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온이차 전지
JP2007184248A (ja) 二次電池
KR101121205B1 (ko) 이차전지
KR100731413B1 (ko) 기능성 센터핀을 갖는 원통형 리튬 이온 이차 전지
KR100824896B1 (ko) 원통형 리튬 이차전지
KR100770110B1 (ko) 원통형 리튬 이차전지
KR100696784B1 (ko) 원통형 리튬 이차 전지 및 이의 제조 방법
KR100670453B1 (ko) 원통형 리튬 이차 전지
KR100686850B1 (ko) 원통형 리튬 이차 전지
KR100624935B1 (ko) 원통형 리튬 이차 전지
KR101106455B1 (ko) 원통형 리튬 이온 이차 전지
KR100624941B1 (ko) 원통형 리튬 이차 전지
JP2000208132A (ja) 非水電解液二次電池および電池用熱動継電器
KR100686811B1 (ko) 원통형 리튬 이차 전지
KR20040058917A (ko) 보호 수단을 가지는 리튬 이차 전지
KR20060037832A (ko) 이차 전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120921

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130924

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150925

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee