KR100822184B1 - 이차 전지용 온도 퓨즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저가이면서, 제작이 용이하고, 적당한 용융온도를 구비하여 직사광에 노출된 자동차 등 국부적 고온부에서도 사용이 가능한 온도퓨즈를 제공하기 위한 것으로, 주석(Sn) 75 내지 96 중량%, 아연(Zn) 4 내지 16 중량%, 납(Pb) 0 내지 6 중량% 및 잔부 불가피하게 함유되는 불순물을 포함하는 조성의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하며, 상기와 같은 합금에 적어도 한 종류 이상의 금속 원소가 더 포함하여 이루어지되, 그 금속 원소의 전체 양은 합금의 전체 조성의 40 중량%를 넘지 않도록 한 것이며, 이들 금속 원소는 바람직하게는 칼륨(K), 나트륨(Na), 인듐(In), 비스무스(Bi)로 이루어진 그룹 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지용 온도퓨즈에 관한 것이다.

전지, 퓨즈, 보호, 안전

Description

이차 전지용 온도 퓨즈{Thermal fuse for secondary cell}

도 1은 본 발명의 온도퓨즈를 권취형 극판에 장착한 실시예를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 온도퓨즈를 적층형 극판에 장착한 실시예를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 온도퓨즈를 전지 외부에 장착한 실시예를 나타낸 도면.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10: 극판 조립체 12: 전극판

14: 전극 탭 20: 온도퓨즈

22: 연장 탭 24: 보호막

26: 단열층

본 발명은 이차 전지용 온도 퓨즈에 관한 것으로, 특히 저가이면서 파우치형 전지에의 적용이 용이한 온도 퓨즈용 합금에 관한 것이다.

근래, 전자기기 등의 소형화, 경량화 및 무선화가 급속하게 진행됨에 따라 이러한 전자 기기들의 구동원인 2차 전지에 대해서도 소형, 경량 및 고 에너지 밀도 등의 요구가 증대되고 있다. 이러한 요구조건과 맞물려 리튬 이차 전지가 종래 의 전지에 비해 단위 중량당 에너지 밀도가 3배 정도 높고 급속 충전이 가능하여 많은 연구 개발이 진행되고 있다.

이러한 이차 전지는 과전류, 과전압, 외부단락 등에 의하여 전지 내부의 온도가 급격히 상승하게 되고, 70 내지 80℃까지 상승하는 온도로 말미암아 이를 사용하는 전자제품에 악영향을 미치게 된다. 이를 방지하기 위한 것으로 온도 상승시 전류를 차단하는 PTC(Pressure Temperature Circuit) 소자가 마련되거나, 온도 퓨즈를 사용하여 온도 상승을 방지하고 있다.

그 중 온도 퓨즈를 사용하여 2차 전지의 안전성을 높이기 위한 많은 연구가 진행되고 있는 데, 일본특허 특개평10-247488호에 개시되어 있는 바와 같은 권심 내부에 단단한 합성수지 튜브를 삽입하고, 그 내부에 온도 퓨즈를 장착하는 기술이개시되고 있다. 그러나, 이러한 기술은 귄취부에 퓨즈를 장착할 공간이 없는 전지에는 적용할 수 없는 구조적 한계가 있다. 또한 일본특허 특개평10-233233호에 개시되어 있는 바와 같은 원통형 전지의 봉개구 내부에 온도퓨즈가 장착되어 있는 기술이 등장하고 있으나, 이또한 그 제조가 복잡하여 실제로 적용하기에는 한계가 있는 문제가 있다. 일본특허 특개평10-275546호에 개시되어 있는 기술은 절연판에 미세구멍을 내고 저융점 합금과 플럭스를 수용한 후 양 극단에 다시 저융점 합금을 접촉시킴으로써 온도퓨즈를 구성한 기술이 등장하고 있으며, 특개평11-67190호에 개시되어 있는 기술은 퓨즈를 외부환경으로부터 보호하기 위해 수지 필름이 피복되어 있으며, 보강편을 옆으로 받쳐서 퓨즈의 인장강도를 높인 기술도 등장하고 있다.

그러나 이러한 종래 기술에 있어 가장 공통적으로 제기되고 있는 문제는 이들 퓨즈들은 모두 융점이 70~80℃인 저융점합금을 사용하고 있다는 것이다. 이러한 온도퓨즈용으로 사용되고 있는 저융점합금에는 Pb-Sn-Bi합금이나, Pb-Sn-In합금이 있는데, 이들은 그 제조 원가가 매우 비싸며, 특히 근래에 파우치(Pouch)형 전지에 사용되고 있는 고온 에이징(Aging)기술은 95℃를 전후로 약 4시간 정도의 시효처리를 행하기 때문에 상기와 같은 저융점합금을 사용하면, 제조과정에서 녹아버리는 문제가 있게 되어 제조공정상 취급이 매우 곤란한 문제가 있게 되었다. 또한 직사광에 노출되어 있는 자동차 내부 등 고온의 장소에서 전지를 사용할 경우 정상적인 전지의 작동으로도 저융점 합금의 용융온도인 70~80℃에 쉽게 도달하게 되므로 전지의 신뢰성에 영향을 미치게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 저가이면서, 제작이 용이하고, 적당한 용융온도를 구비하여 직사광에 노출된 자동차 등 국부적 고온부에서도 사용이 가능한 온도퓨즈용 합금을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 주석(Sn), 아연(Zn)과, 납(Pb)을 주성분으로 하고, 잔부 불가피하게 함유되는 불순물을 포함하는 조성의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지용 온도퓨즈를 제공한다. 이 때, 상기 주석(Sn)은 78 중량% 초과, 96 중량% 미만이 되도록 하고, 상기 아연(Zn)은 4 중량% 초과, 16 중량% 미만이 되도록 하며, 상기 납(Pb)은 0 중량% 초과, 6 중량% 미만이 되도록 하되, 상기 합금의 전체 조성의 합이 100중량%가 되도록 할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기와 같은 합금에 적어도 한 종류 이상의 금속 원소가 더 포함하여 이루어지되, 그 금속 원소의 전체 양은 상기 합금의 전체 조성의 40 중량%(0중량%를 포함하지 않는다)를 넘지 않도록 하며, 이 때, 상기 금속 원소를 포함한 상기 합금의 전체 조성의 합이 100중량%가 되도록 할 수 있다. 이들 금속 원소는 바람직하게는 칼륨(K), 나트륨(Na), 인듐(In), 비스무스(Bi)로 이루어진 그룹 중 어느 하나로 이루어진 것으로 한다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, 위와 같은 합금으로 이루어진 온도퓨즈를 전지의 내부 또는 외부에 설치하되, 양극판 또는 음극판 중 적어도 어느 하나의 탭에 부착하여 온도퓨즈가 단락하면 이를 장착한 극판의 탭이 단락하도록 한 것이며, 온도퓨즈를 전지의 내부에 설치할 경우에는 그 외면에 절연성 박막의 보호막을 피복하여 전해액 및 극판과의 직접적인 접촉을 피하도록 하는 것이 바람직하며, 온도퓨즈를 전지의 외부에 설치할 경우에는 그 외면에 단열층을 더 형성하여 외부와의 온도접촉을 피하도록 하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명에 대해 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면 본 발명의 2차 전지용 온도퓨즈는 Sn-Zn-Pb의 삼원계 합금을 기본 조성으로 여기에 필요에 따라 1종류 이상의 금속원소를 추가한 Sn-Zn-Pb-M의 삼원계 이상의 합금을 이용한 것이다. 여기서 M은 금속원소를 칭하는 기호이다.

이와 같은 구성의 본 발명의 온도퓨즈용 합금은 기존의 저융점 합금에 비해 그 용융점을 높인 것인 데, 삼원 합금으로는 주석(Sn)이 87 ±3αwt%, 아연(Zn)이 10 ±2αwt%, 납(Pb)이 3 ±αwt%의 조성으로 하는 것이 바람직하다. 이때, α는 0≤α<3 의 조건이 되도록 한다. 이와 같은 삼원계 조성의 합금은 용융점이 다소 높아질 수 있는 데, 이를 낮추도록 하기 위하여 적어도 한 종류 이상의 금속원소를 추가로 첨가한다. 이때 추가로 첨가하는 금속원소는 그 전체 양이 합금의 전체 조성의 40wt%(0중량%를 포함하지 않는다)를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하고, 10 wt%정도를 첨가하는 것이 더욱 바람직하다. 이렇게 금속원소(M)를 첨가할 경우에는 합금의 용융온도가 저하되어 적정 수준의 온도범위로 이루어 지게 된다. 곧, 융점이 120℃ 전후로 낮아지게 되는 것이다. 이렇게 첨가하는 금속원소는 특정 금속원소를 사용할 필요는 없으나, 칼륨(K), 나트륨(Na), 인듐(In), 비스무스(Bi) 중 적어도 한 원소를 첨가하는 것이 바람직하다.

이와 같은 온도퓨즈용 합금의 제조방법에는 별다른 제한은 없으나. 비활성 분위기 하에서 합금을 제조하는 것이 바람직하다.

이렇게 제조된 합금으로 온도퓨즈를 제조하는 데, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 온도퓨즈는 그 형상에 무관할 수 있으나, 얇은 박판으로 형성하는 것이 바람직하다. 박판으로 이루어진 온도퓨즈를 전지의 내부나 외부에 설치한다. 이때, 전지의 내부에 설치할 경우에는 전지 내부 전해액과의 반응이나, 극판과의 직접적인 접촉을 피하기 위하여 박판의 폴리에틸렌 필름 등의 보호막으로 피복하는 것이 바람직하다. 또한 온도퓨즈를 전지의 외부에 설치할 경우에는 전지 내부의 발열이 충분히 전달되고, 외부의 온도변화에 퓨즈의 동작이 좌우되지 않도록 단열층을 더 형성하는 것이 바람직하다. 단열층은 일반적인 단열재를 사용하여도 무방하나, 폴리우레탄 테이프 등으로 노출부위를 감싸 주도록 하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 온도퓨즈를 설치한 2차 전지에 대해 설명한다.

도 1은 권취형 극판을 사용하는 전지에 있어 극판에 본 발명의 온도퓨즈를 설치한 실시예를 나타내는 그림이다.

그림과 같이 상부의 일측에 탭(14)이 형성되어 있는 음극판과 양극판으로 이루어진 전극판(12)을 말도록 형성되어 있는 권취형 전지에 있어, 본 발명의 온도퓨즈(20)는 음극판 또는 양극판 중 적어도 하나의 탭(14)에 설치한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 한 전극판(12)에만 온도퓨즈를 설치하였다. 곧, 대향하는 탭(14)의 방향이 반대 방향으로 향하도록 전극판(12)을 제조하고, 탭이 하부로 향한 전극판에 온도퓨즈를 설치한다. 곧, 하부로 향한 전극 탭(14)을 위로 접어 올린 다음 연장 탭(22)이 미리 붙여진 온도퓨즈(20)를 접어올린 탭(14)에 용접한다. 그 위로 보호막(24)을 융착하여 권취한다.

도 2는 본 발명의 온도퓨즈를 적층형 극판을 사용하는 전지의 내부에 부착한 일 실시예를 나타낸 그림이다.

그림과 같이 본 발명의 온도퓨즈를 설치하는 방법은 전극판(12)의 탭(14) 중 온도퓨즈(20)를 설치할 탭(14)을 아래로 접은 다음, 이 탭(14)의 끝단에 온도퓨즈(20)를 부착한다. 이 온도퓨즈(20)에는 미리 연장 탭(22)이 부착되어 있도록 한다. 다음, 이 온도퓨즈(20) 및 접촉부에 보호막(24)을 덧붙이고, 연장 탭(22)을 위로 접어 올려 탭의 역할을 할 수 있도록 한다.

이러한 적층형 전지에 있어서, 온도퓨즈의 설치 방법은 이밖에도 다양하게 나타낼 수 있는 데, 도 1의 권취형 전지에서와 같이 극판 중 어느 하나의 탭을 나 머지 극판의 탭과 반대방향으로 제작하고, 그 탭을 상부로 접어 올려 여기에 연장 탭이 부착된 온도퓨즈와 보호막을 순차로 형성할 수도 있으며, 탭을 접지 않고, 탭 상단에 연장 탭이 부착된 온도퓨즈와 보호막을 순차로 형성할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 온도퓨즈를 전극 조립체(10)의 외부에 설치한 경우를 나타낸 것이다.

이는 온도퓨즈(20)를 설치할 탭을 다른 탭보다는 짧게 형성하며, 이 탭(14)에 연장 탭(22)이 부착된 온도퓨즈(20)를 부착하고, 그 외면으로 단열층(26)을 형성하는 것이다. 단열층(26)은 전지 탭(14)과 온도퓨즈(20) 및 연장 탭(22)의 일부가 덮여지도록 설치한다. 단열층(26)은 폴리우레탄계의 접착형 수지가 바람직한 데, 이를 사용함으로 온도퓨즈의 인장강도를 보강하는 역할도 겸할 수 있다.

이와 같은 온도퓨즈(20)의 설치는 상기 설명한 바와 같이 탭을 하부로 접어, 연장 탭이 부착된 온도퓨즈와 단열층을 순차로 형성하고, 연장 탭을 상부로 다시 접도록 하여 설치할 수도 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 2차 전지용 온도퓨즈를 저가로 제공할 수 있으며, 너무 낮지 않은 온도 영역에서 작동하는 퓨즈를 제공함으로써, 2차 전지의 활용범위를 보다 넓힐 수 있다.

본 발명에 의한 2차 전지용 온도퓨즈에 의하면, 전지 내부에 퓨즈가 장착된 상태로 고온 에이징 등의 공정을 진행할 수 있어, 별도의 공정이 필요없이 손쉽게 전지를 제조할 수 있어, 제조 원가를 크게 절감할 수 있다.

또한 본 발명의 2차 전지용 온도퓨즈는 박형으로 사용이 가능함으로써, 전지의 경량화에 크게 기여할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 사상적 범위내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

1. 주석(Sn), 아연(Zn)과, 납(Pb)을 주성분으로 하고, 잔부 불가피하게 함유되는 불순물을 포함하는 조성의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지용 온도퓨즈.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 주석(Sn)은 78 중량% 초과, 96 중량% 미만이 되도록 하고, 상기 아연(Zn)은 4 중량% 초과, 16 중량% 미만이 되도록 하며, 상기 납(Pb)은 0 중량% 초과, 6 중량% 미만이 되도록 하되, 상기 합금의 전체 조성의 합이 100중량%가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 온도퓨즈.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 합금에 적어도 한 종류 이상의 금속 원소가 더 포함하여 이루어지되, 상기 금속 원소의 전체 양은 상기 합금의 전체 조성의 40 중량%(0중량%를 포함하지 않는다)를 넘지 않도록 하며, 상기 금속 원소를 포함한 상기 합금의 전체 조성의 합이 100중량%가 되도록 한 것을 특징으로 하는 이차 전지용 온도퓨즈.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 금속 원소는 칼륨(K), 나트륨(Na), 인듐(In), 비스무스(Bi)로 이루어진 그룹 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지용 온도퓨즈.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 온도퓨즈는 전지의 내부에 설치하되, 양극판 또는 음극판 중 적어도 어느 하나의 탭에 부착하여 상기 온도퓨즈가 단락하면 이를 장착한 극판의 탭이 단락하도록 한 것을 특징으로 하는 이차 전지용 온도퓨즈.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 온도퓨즈는 그 외면에 절연성 보호막이 피복되어 전해액 또는 극판과의 직접적인 접촉을 피하도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지용 온도퓨즈.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 온도퓨즈는 전지의 외부에 설치하되, 양극판 또는 음극판 중 적어도 어느 하나의 탭에 부착하여 상기 온도퓨즈가 단락하면 이를 장착한 극판의 탭이 단락하도록 한 것을 특징으로 하는 이차 전지용 온도퓨즈.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 온도퓨즈는 그 외면에 단열층이 더 형성되어 외부와의 온도접촉을 피하도록 한 것을 특징으로 하는 이차 전지용 온도퓨즈.

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