KR100860004B1 - 몰딩형 ｐｔｃ 소자 및 그것을 내장하고 있는 이차전지 - Google Patents

몰딩형 ｐｔｃ 소자 및 그것을 내장하고 있는 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 분리막 및 전해질로 구성된 발전요소와의 전기적 연결을 위한 제 1 금속 탭과 전극 단자의 전기적 연결을 위한 제 2 금속 탭이 상호 이격된 상태에서 PTC 특성을 나타내는 고분자 복합체에 의해 일체로 성형되어 있는 PTC 소자, 및 그것을 내장하고 있는 이차전지를 제공한다.
상기 PTC 소자는 PTC 고분자 복합체가 제 1 금속 탭과 제 2 금속 탭의 대면부를 감싸면서 그 사이와 외면에 일체로서 성형되어 있는 구조로 되어 있으므로, 높은 결합력과 함께 우수한 치수 정밀도를 나타내며, 전지의 조립 과정에서 외부의 물리적 힘에 대해 안정하고, PTC 결합부위가 고분자 복합체에 의해 감싸여 있으므로 화학적인 환경에 노출되더라도 안정하다는 장점을 가진다.

Description

몰딩형 ＰＴＣ 소자 및 그것을 내장하고 있는 이차전지 {Molding-typed PTC Device And Secondary Battery Having The Same}
도 1은 하나의 종래기술에 따른 PTC 소자의 모식도이다;
도 2는 또다른 종래기술에 따른 PTC 소자의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PTC 소자의 모식도이다;
도 4는 본 발명에 따른 PTC 소자를 적용한 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지의 분해 사시도이다;
도 5는 본 발명에 따른 PTC 소자를 적용한 하나의 실시예에 따른 각형 전지의 부분 조립 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300: PTC 소자
110, 210, 310: PTC 고분자 복합체
120, 220, 320: 제 1 금속 탭
130, 230, 330: 제 2 금속 탭
400: 파우치형 전지
500: 각형 전지
본 발명은 몰딩형 PTC 소자와 그것이 내장되어 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극, 음극, 분리막 및 전해질로 구성된 발전요소와의 전기적 연결을 위한 제 1 금속 탭과 전극 단자의 전기적 연결을 위한 제 2 금속 탭이 상호 이격된 상태에서 PTC 특성을 나타내는 고분자 복합체에 의해 일체로 성형되어 있는 PTC 소자, 및 그것을 내장하고 있는 이차전지를 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되는데, 과전류 상태, 고온 상태 등의 비정상적인 작동 상태에 놓였을 때 이를 효과적으로 제어할 수 있는 다양한 안전소자들을 내장하고 있다.
그 중, PTC (positive temperature coefficient) 소자는, 발전요소와 전극 단자의 사이에서 전기적으로 연결되어 있으면서, 정상적인 작동 상태의 온도에서는 낮은 저항을 유지하여 전류를 흘러 보내고 과전류 또는 고온 등의 비정상적인 상태에서는 온도 상승에 따라 저항이 급격히 높아져 단전 또는 미량의 전류만을 흘러 보냄으로써 과열 발생으로 인한 전지 내압의 상승을 억제하는 역할을 한다.
일반적으로 PTC 소자는 폴리올레핀계의 결정성 고분자 기재에 카본블랙, 금속 미립자 등이 분산되어 있는 PTC 특성을 나타내는 복합체에 전기적 연결을 위한 두 개의 금속 탭이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이러한 PTC 소자의 대표적인 구조가 한국 특허출원공개 제2004-16677호와 제2004-17095호에 개시되어 있다. 참고로, 도 1과 도 2에는 종래기술에 따른 PTC 소자들의 모식적 구조가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 PTC 소자(100)는 PTC 특성을 나타내는 장방형의 고분자 복합체(이하에서는, 때때로 "PTC 고분자 복합체"로 약칭하기도 함)(110)의 상단과 하단에 각각 금속 탭들(120, 130)이 부착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 또 다른 예로서, 도 2의 PTC 소자(200)는 PTC 고분자 복합체(210)와 금속 탭들(220, 230)의 결합 부위에 튜브(240)가 씌워져 있는 구조로 이루어져 있다.
PTC 소자는 전지의 대용량화 및 소형화로 인해 더욱 작아지고 있으며, 전지의 조립 과정에서 그것의 금속 탭들을 전지의 해당 구성요소들에 용접하여 전지 내에 설치하게 되는데, 도 1 및 2의 PTC 소자들(100, 200)은 그러한 조립과정에서 무리한 힘을 받아 형태 변형에 의한 손상을 받기 쉽고 화학적 환경에 노출되었을 때 직접적인 영향을 받기 쉬운 구조로 되어 있다. 즉, PTC 고분자 복합체(110, 210)와 금속 탭들(120, 130, 220, 230)의 결합 부위가 각각 한쪽 면으로 한정되어 있고, 더욱이 결합 부위가 외부로 노출되어 있다. 도 2의 PTC 소자(200)는 도 1의 PTC 소자(100)와 비교하여 상대적으로 상기와 같은 문제점은 적지만 튜브(240)의 장착 과정에서 소자의 정밀도 내지 치수 안정성이 손상될 수 있으며, 제조공정이 추가되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 도 1 및 도 2의 PTC 소자(100, 200)는 전지의 조립 과정에서, 예를 들어, 금속 탭들(120, 130, 220, 230)을 절곡하거나 기타 소자에 결합시키는 과정에서, PTC 고분자 복합체(110, 210)에 물리적 힘이 가해져 내부에 크랙이 발생하는 경우가 많은데, 이러한 크랙은 저항의 변화를 유발하여 PTC 소자 본래의 기능을 저해하는 요소로 작용하는 문제점도 가지고 있다.
한편, 휴대폰 등과 같은 외부기기에 장착되는 이차전지는, 그것의 최종 적용시의 외부 형태에 따라 두가지 유형으로 구별된다. 즉, 외부기기와 전기적으로 연결될 수 있는 단자("외부 단자")가 노출된 상태로 전지의 외면에 플라스틱 수지의 하우징이 일체로서 성형되어 있는 형태(일명, "하드팩 전지(hard pack battery)")와, 외부 단자가 노출된 상태로 전지의 외면에 플라스틱 수지의 하우징이 별도로 성형되어 있지 않은 형태(일명, "이너팩 전지(inner pack battery)")가 있다. 하드팩 전지는 그것이 외부기기에 장착된 상태에서 그것의 외면 일부가 노출되므로 적어도 노출되는 외면의 하우징은 일반적으로 외부기기의 하우징과 동일한 소재로 이루어져 있다. 따라서, 외부기기에 대한 전지의 장착이 매우 용이한 장점은 있지만, 외부기기의 형태 및 구조에 따라 그에 알맞도록 전지의 하우징이 제작되어야 하는 문제점을 가지고 있다. 반면에, 이너팩 전지는 외부기기에 장착된 상태에서 별도의 외장 케이스가 부착되므로, 하드팩 전지와 비교하여 장착이 번거로운 점은 있으나, 외부기기의 형태 및 구조에 관계없이 사용될 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서, 최근에는 외부기기의 형태 및 구조에 관계없이 사용될 수 있는 이너팩 전지로의 표준화 작업이 진행되고 있다.
종래의 하드팩 전지에 사용되는 PTC 소자는 도 1 또는 2의 PTC 소자(100, 200)와 같이 전체적인 두께가 작은 구조가 바람직하다. 특히, 양극과 음극 단자들 중 하나를 전지의 하단으로부터 인출하는 전지 구조에서는 전지의 전체적인 크기(높이)를 가능한 한 작게 하기 위하여 작은 두께의 PTC 소자가 요구된다. 반면에, PTC 소자 뿐만 아니라 보호회로 모듈 등 캡 어셈블리 관련 소자들을 모두 전지의 상단에 설장하는 이너팩 전지에서는, 설장 소자들의 효율적인 배치와 안정적인 장착을 위한 캡 어셈블리 구조에서, 그러한 구조에 알맞은 PTC 소자가 요구된다. 따라서, 도 1 및 2의 PTC 소자(100, 200)와 같이 전체적으로 판상의 구조로 한정되는 PTC 소자는 상기와 같은 캡 어셈블리의 다양한 구조 변화에 적용함에 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 간단한 제조공정으로 물리적 또는 화학적 외력으로부터 안정적으로 보호될 수 있고 또한 외형의 변형이 가능한 PTC 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 그러한 PTC 소자를 내장하고 있는 안전성이 우수한 이차전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 PTC 소자는,
(a) 양극, 음극, 분리막 및 전해질을 포함하고 있는 발전요소와 전기적으로 연결되는 제 1 금속 탭;
(b) 상기 제 1 금속 탭으로부터 이격된 상태로 전극 단자와 전기적으로 연결되는 제 2 금속 탭; 및
(c) 상기 제 1 금속 탭과 제 2 금속 탭의 대면 부위를 감싸면서 일체로 성형되어 있는 PTC 고분자 복합체;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기에서 "이격된 상태"란 제 1 금속 탭과 제 2 금속 탭이 일정한 거리만큼 서로 떨어져 있으며 그러한 이격 거리는 두 탭들 사이에 위치한 PTC 고분자 복합체가 소망하는 PTC 특성을 발휘한 수 있는 정도인 것을 의미한다. 여기서, PTC 특성이란, PTC 고분자 복합체가 온도의 상승에 따라 이른바 스위칭 온도인 특정 온도에서 전기저항이 급증하는 특성을 의미한다.
발전요소는 외부요소와의 전기적 연결을 위해 양극과 음극의 탭이 외부로 노출되어 있으며, 상기 제 1 금속 탭은 그러한 양극 탭 또는 음극 탭(통칭하여 "전극 탭"이라 함)에 전기적으로 연결된다. 여기서, "전기적 연결"은 제 1 금속 탭이 전극 탭에 직접적으로 연결되는 경우뿐만 아니라 다른 구성 요소를 경유하여 간접적으로 연결되는 경우를 모두 포함한다. 상기에서 연결 방식은 일반적으로 용접에 의해 달성되지만 그것만으로 한정되는 것은 아니다.
이차전지는 외부 장치에 대한 전원으로 사용되기 위하여 양극 단자 또는 음극 단자(통칭하여 "전극 단자"라 함)를 전지의 외면에 포함하게 되는데, 상기 제 2 금속 탭은 그러한 전극 단자에 전기적으로 연결된다. 여기서, 전기적 연결 은 앞서 설명한 바와 같이 직접적인 연결뿐만 아니라 간접적인 연결을 모두 포함하는 개념이다.
이와 같이, 전극 탭과의 전기적 연결을 위한 부위(제 1 금속 탭의 일부분)와 전극 단자와의 전기적 연결을 위한 부위(제 2 금속 탭의 일부분)를 제외하고, 제 1 금속 탭과 제 2 금속 탭은 중첩된 상태로 서로 대면하고 있다.
도 3에 예시적으로 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 PTC 소자(300)는 PTC 고분자 복합체(310)가 제 1 금속 탭(320)과 제 2 금속 탭(330)의 대면부를 감싸면서 그 사이와 외면에 일체로서 성형되어 있다. 따라서, PTC 고분자 복합체(310)는 각각의 금속 탭(320, 330)의 상하 양면과 접촉면을 이루므로 높은 결합력과 함께 우수한 치수 정밀도를 나타내므로, 외부의 물리적 힘에 대해 안정하다. 또한, PTC 고분자 복합체(310)와 금속 탭(320, 330)의 결합부위가 PTC 고분자 복합체(310)에 의해 감싸여 있으므로 화학적인 환경에 노출되더라도 안정하다.
도 3에서는 PTC 고분자 복합체(310)의 형상이 장방형 형상으로 표현되어 있지만, 그것의 주변에 배치되는 기타 소자들과 체결되기 용이한 외면 형상 또는 그러한 구조에 안정적으로 장착될 수 있는 외면 형상으로 제작될 수도 있다.
본 발명에서의 PTC 고분자 복합체는, 바람직하게는, 고분자 기재에 도전성 미립자가 분산되어 있는 구조로 이루어져 있다.
상기 고분자 기재는, 도전성 미립자가 분산되기 위한 3차원 매트릭스를 형성하는 성분으로서, 예를 들어, 폴리에틸렌; 폴리프로필렌; 에틸렌/프로필렌 공중합 체; 에틸렌-(메타)아크릴산 공중합체, 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-부틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체 등의 에틸렌계 공중합체; 폴리염화비닐, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리불화비닐, 폴리비닐리덴플루오라이드 등의 폴리비닐계의 고분자; 기타 폴리아미드, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 실리콘 수지, 폴리에스터, 개질 셀룰로우스, 폴리설폰 등의 기타 열가소성 고분자들이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 고분자 기재가 폴리올레핀계 결정성 중합체로 이루어져 있다.
상기 도전성 미립자는, PTC 고분자 복합체에 전기전도성을 제공하는 성분으로서, 예를 들어, 카본블랙, 아세틸렌블랙, 니켈, 구리, 금, 은 등의 금속, 이들 또는 기타 성분들의 합금 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 카본블랙을 사용할 수 있다. 도전성 미립자는 대략 10 내지 500 nm의 입경을 가진 것이 바람직하게 사용될 수 있지만, 그러한 범위만으로 한정되는 것은 아니며, 구상 이외에도 침상 등 다양한 형상의 것이 사용될 수도 있다. 도전성 미립자의 함량은 바람직하게는 복합체 전체 중량을 기준으로 5 내지 80 중량%의 범위에 있다.
본 발명에 따른 PTC 소자는 다양한 방법으로 제작될 수 있으며, 예를 들어, 고분자 기재를 용융한 상태에서 도전성 미립자를 첨가하여 분산시켜 복합체 용융물을 제조하고, 제 1 금속 탭과 제 2 금속 탭을 소정의 금형에 위치시킨 상태에서 상기 복합체 용융물을 주입하여 제조할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 PTC 소자를 내장하고 있는 이차전지를 제공한다. 본 발명에 따른 PTC 소자는 특히 각형 전지와 파우치형 전지에 적합하게 사용될 수 있 다. 본 발명의 PTC 소자는 앞서 설명한 바와 같은 이너팩 전지에 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
참고로, 도 4와 도 5에는 본 발명에 따른 PTC 소자를 파우치형 전지와 각형 전지에 설치할 때의 하나의 예시적인 구성들이 도시되어 있다. 그러나, 이들 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 목적에서 제공되는 것이며, 본 발명의 범주가 그것에 의해 제한되는 것은 아니다.
파우치형 전지의 분해 사시도가 도시되어 있는 도 4를 참조하면, 파우치형 전지(400)는, 양극, 음극 및 분리막의 전극군과 전해질이 밀봉된 상태로 내장되어 있는 전지 팩(402), 전지 팩(402)을 수용하는 케이스 본체(404), 및 케이스 본체(404)에 결합되어 전지 팩(402)을 밀봉하는 상부 덮개(406)로 구성되어 있다.
전지 팩(402)에는 양극 탭(410)과 음극 탭(412)이 노출되어 있고, 양극 탭(410)은 양극 리드(414)를 거쳐 보호회로 모듈(PCM: 420)에 접속되고, 음극 탭(412)은 본 발명에 따른 PTC 소자(300)에 연결되어 있는 음극 리드(416)를 거쳐 PCM(420)에 접속된다.
상부 덮개(406)가 스테인리스 스틸로 만들어진 경우, 그것이 PCM(420), 전극 리드(414, 416), PTC(300) 등과 접촉되면 전기 쇼트의 가능성이 있으므로, 그 사이에 절연부재(430)가 설치된다. 또한, 전지 팩(402)이 케이스 본체(404)와 상부 덮개(406) 안에 내장된 상태에서 안정적으로 고정될 수 있도록, 케이스 본체(404)와 전지 팩(402) 사이 및 상부 덮개(406)와 전지 팩(402) 사이에 양면 테이프(432)가 설치된다.
상부 덮개(406)의 측면 단부에는 다수의 결착구들(440)이 케이스 본체(404)의 방향으로 형성되어 있고, 케이스 본체(404)에는 결착구들(440)의 대응 위치에 결착홈들(442)이 형성되어 있다.
전극 탭(410, 412)과 전극 리드(414, 416)의 연결부 및 PCM(420)과 전극 리드(414, 416)의 연결부를 각각 용접하여, 전지 팩(402)을 케이스 본체(404)의 내부 공간에 안착시킨 상태에서, 상부 덮개(406)를 케이스 본체(404)에 위치시킨 후, 상부 덮개(406)의 결착구들(440)을 케이스 본체(404)의 대응 결착홈들(442)에 삽입함으로써, 조립을 행할 수 있다. 조립이 완료된 후 침수 라벨(450)을 케이스 본체(404)의 상단에 부착한다.
각형 전지의 일부 조립상태의 사시도가 도시되어 있는 도 5를 참조하면, 각형 전지(500)는 양극, 음극, 분리막 및 전해질로 이루어진 발전요소(도시하지 않음)가 각형의 캔(502)에 내장된 상태에서 상단에 캡 플레이트(504)가 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다. 발전요소 중 하나의 전극(예를 들어, 음극)은 그것의 탭이 상부로 돌출되어 캡 플레이트(504)에 설장된 PCM(506)에 전기적으로 연결되고, 나머지 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 탭이 하부로 돌출되어 캡(502)에 전기적으로 연결됨으로써 캔(502) 자체가 단자 역할을 하게 된다. 본 발명에 따른 PTC 소자(300)는 제 1 금속 탭(320)을 캔(502)에, 예를 들어, 스폿 용접하고 제 2 금속 탭(330)을 니켈 리드(508)에 스폿 용접함으로써 설치한다. 니켈 리드(508)는 캡(502)과 절연된 상태로 PCM(506)에 연결된다.
이상, 본 발명에 따른 몇몇 실시예들을 참조하여 발명의 내용을 상술하였지 만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 PTC 소자는 PTC 고분자 복합체가 제 1 금속 탭과 제 2 금속 탭의 대면부를 감싸면서 그 사이와 외면에 일체로서 성형되어 있는 구조로 되어 있으므로, 높은 결합력과 함께 우수한 치수 정밀도를 나타내며, 전지의 조립 과정에서 외부의 물리적 힘에 대해 안정하고, 결합부위가 PTC 고분자 복합체에 의해 감싸여 있으므로 화학적인 환경에 노출되더라도 안정하다는 장점을 가진다. 또한, PTC 소자의 구조적 특징으로 인해 제작이 매우 용이하고, 다양한 외면 형상으로 제작될 수 있으며, 정밀한 치수 안정성에 의해 그것을 내장한 이차전지는 우수한 안전성을 제공한다.

Claims (7)

  1. (a) 양극, 음극, 분리막 및 전해질을 포함하고 있는 발전요소와 전기적으로 연결되는 제 1 금속 탭;
    (b) 상기 제 1 금속 탭으로부터 이격된 상태로 전극 단자와 전기적으로 연결되는 제 2 금속 탭; 및
    (c) 상기 제 1 금속 탭과 제 2 금속 탭의 대면 부위를 감싸면서 일체로 성형되어 있는 PTC 고분자 복합체;
    로 구성되어 있는 PTC 소자를 내장하고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 금속 탭은 발전요소의 전극 탭에 직접적 또는 간접적으로 연결되어 있고, 상기 제 2 금속 탭은 전지의 전극 단자에 직접적 또는 간접적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 PCT 고분자 복합체는 폴리올레핀계 결정성 고분자 기재에 도전성 미립자로서의 카본블랙이 분산되어 있는 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 각형 전지 또는 파우치형 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 이너팩 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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