KR100867068B1 - 비수전해질 2차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비수전해질 2차전지에 관한 것으로, 극판군(14)을 수용한 전지캔(1)의 개구단을 봉입판(3)으로 봉입하고, 봉입판(3) 상을 절연판(11)으로 폐쇄하며, 봉입판(3)에 형성한 오목부 내에 극판군(14)을 구성하는 양극판으로부터 인출된 양극리드(12)로부터 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)를 직렬로 하여 양극단자(+)에 접속한다. 양·음극 사이가 외부단락된 경우에는 PTC 소자(9)의 온도상승에 따르는 저항값의 급증에 의해 과다전류를 규제하고, 이에 규제되지 않은 온도상승이 발생했을 때에는 온도퓨즈(8)의 용단에 의해 회로를 차단하는 2중의 안전기능이 설치된다.
Figure R1020037017086
비수전해질 2차전지, 전지캔, 봉입판, 절연판, PTC 소자, 온도퓨즈

Description

비수전해질 2차전지{NON-AQUEOUS ELECTROLYTIC SECONDARY BATTERY}
본 발명은, 비수전해질 2차전지에 관한 것으로, 특히 고온상태에 노출된 경우에 열폭주(thermal runaway)가 가속되지 않도록 방지하는 기능을 전지 자체에 설정한 것을 특징으로 하는 것이다.
비수전해질 2차전지의 일례인 리튬이온 2차전지는 에너지 밀도가 높고, 전해액으로서 가연성의 유기용매를 이용하기 때문에, 수용액계의 전지에 비하여 안전성이 중요하게 된다. 따라서, 어떠한 원인에 의해 이상이 생겼을 때에도 인체나 기기에 손상을 주지 않도록 안전성을 확보할 필요가 있다. 예를 들어, 전지의 양극단자와 음극단자의 사이에 금속조각 등이 접촉하여 외부단락이 발생한 경우, 에너지 밀도가 높은 전지에서는 과도한 단락전류가 흐르게 되어, 내부저항에 의해 주울열(Joule heating)이 발생하게 됨으로써 전지의 온도가 상승하게 된다. 전지가 고온이 되면 양극·음극 활성물질과 전해액의 반응이나 전해액의 기화, 분해 등이 발생하여 전지 내부의 가스압력이 급상승하게 됨으로써 전지가 파열되거나 발화될 우려가 있다.
전지가 이상상태로 되는 원인은, 그 외부단락뿐만 아니라, 전기적, 기계적, 열적 등 여러가지의 요인을 생각할 수 있다. 리튬이온 2차전지를 비롯한 비수전해 질 2차전지에서는, 전지가 이상상태로 되는 것을 방지하는 것과 함께 이상상태로 된 경우에도 위험한 상태가 되지 않도록 하는 기능이 설정되어 있다.
전지 자체의 기능으로서, 극판의 활성물질이나 전해액이 과잉반응을 쉽게 일으키지 않도록 연구되어, 양극판과 음극판의 사이를 차단하는 격리판에는 폴리올레핀계 미세 다공막의 경우, 전지가 이상고온이 되면 연화되어 미세공이 폐색됨으로써 리튬이온의 유출이 방지되기 때문에, 이상반응을 억제하는 셧다운(shutdown)기능이 구비되어 있다.
원통형의 리튬이온 2차전지에서는, 도 17에 나타내는 바와 같이, 전지캔(61)의 개구부를, 개스킷(63)을 개재하여 봉입하는 봉입부(62)가 양극 또는 음극의 외부접속단자에 형성되고, 전지캔(61)이 봉입부(62)와 대극(對極)하는 외부접속단자를 구성한다. 봉입부(62)는 돌출부가 형성된 단자판(68)과 링형상의 PTC(Positive Temperature Coefficient:정저항 온도 계수) 소자(67)와 방폭밸브(explosition protection valve)를 구성하는 하측 금속박판(65)과 상측 금속박판(66)을 절연부재(69)를 개재하여 결속판(64)으로 일체화한 안전구조를 설치하여 구성되어 있다. 이 봉입부(62)는 전지캔(61)의 개구단을 내측으로 구부리는 크림핑가공에 의해 개스킷(63)을 압축하고, 개스킷(63)에 의해 봉입부(62)를 전지캔(61)으로부터 절연하는 것과 함께 전지캔(61)을 밀폐한다.
상기 링형상의 PTC 소자(67)는, 단락전류 등의 과다전류가 흘렀을 때에 자체 발열하는 것에 따르는 저항값의 급증에 의해 과다전류를 규제하여 외부단락으로부터 전지를 보호하는 기능이 설정되어 있다. 또한, 상기 하측 금속박판(65)과, 팽출부(膨出部)가 형성된 상측 금속박판(66)은 각각의 중심점(C)에서 용접되어 있고, 온도상승에 따라 내압이 이상상승한 경우의 외측으로의 가압에 의해 상측 금속박판(66)의 팽출부가 반전하여, 중심점(C)의 용접이 분리되어 전류회로가 차단된다. 또한, 내압상승이 있을 때, 상측 금속박판(66)은 박형화된 파단(破斷)이 용이한 용이파단부(66a)로부터 파단하여 내압을 외부로 배출한다. 이 구성에서는 전류규제, 전류차단, 내압배출의 작용이 이 단계를 따라 실행되도록 되어 있다.
또한, 리튬이온 2차전지는, PTC 소자나 온도퓨즈와 함께 팩케이스 내에 수용된 전지팩(일본 특허공개 평6-349480호 공보에 개시) 또는 과충전이나 과방전 등으로부터 전지를 보호하는 전지보호회로를 구성한 회로기판과 함께 팩케이스 내에 수용된 전지팩의 형태로 구성되는 것이 일반적이다. 전지 단독으로 기기에 장착되는 경우에도 접속회로에 상기 PTC 소자나 전지보호회로가 설치된다.
전지가 위험한 상태로 되는 것은 전지의 온도가 이상 상승하는 것이 최대의 요인으로서, 상기 전지팩을 구성하는 경우에도 온도퓨즈를 전지캔에 접촉시켜 배치하거나, 전지온도를 서미스터 등에 의해 검출함으로써, 이상 전지온도가 검출된 경우에 입출력회로를 차단하는 제어가 이루어진다. 그러나, 전지온도의 검지는 전지의 외부로부터 행해지기 때문에, 이상온도의 검출에 지연이 발생하거나, 검출 정밀도가 낮아지는 문제점이 있다. 전지 내부에서 온도를 검출하여 이상고온에 대응하는 것이 가장 바람직한 구성이다. 이를 실현하기 위해, 일본 특허공개 평9-153355호 공보에는, 전지캔의 개구부를 온도퓨즈를 내장한 봉입체로 밀폐한 밀폐형 전지 가 개시되어 있다.
휴대전화기나 PDA(휴대정보단말) 등의 소형 경량화, 고기능화의 진전은 그 전원인 전지의 소형 경량화, 또한 고용량화에 의한 요인이 크다. 이와 같은 휴대기기의 전지전원으로서 리튬이온 2차전지가 주류를 이루고 있으며, 소형 경량화, 고용량화를 실현한다. 특히, 휴대기기의 소형 경량화에 대응하는 리튬이온 2차전지는, 기기에 장착한 경우의 공간이용효율이 높은 편평한 각형전지가 많이 이용된다.
그러나, 각형전지와 같이 소형화 또는 박형화된 전지에는, 상술한 바와 같은 PTC 소자나 전류차단기구를 구비한 배출밸브를 설치하는 공간을 확보하는 것이 어렵기 때문에, 전지팩의 형태로 구성하고, 전지의 외부에 전지보호회로나 PTC 소자를 설치하여 전지가 위험한 상태로 되는 것을 방지한다. 상술한 바와 같이, 전지가 위험한 상태로 되는 온도상태를 전지의 외부로부터 검출해도, 검출의 지연이나 검출 정밀도에 문제점이 있어, 소형 박형화된 전지 내의 온도에 대응하여 동작하는 전지안전기능을 설정하는 것이 요구되고 있다.
이러한 점에서, 상술한 전지의 내부에 온도퓨즈를 설치한 구성은, 온도퓨즈가 전지 내의 온도에서 동작이 이루어지기 때문에, 단락에 의해 전지가 고온이 되어 파열이나 발화되기 전에 단락전류회로를 차단하는 데에 효과적이다. 그러나, 온도퓨즈의 용단(溶斷)온도를 낮게 설정하면, 안전성은 높아지지만 온도퓨즈가 용단되면 전지는 사용할 수 없게 된다. 따라서, 온도퓨즈의 용단온도는 위험한 상태에 이르기 직전의 온도로 설정되지만, 그 상태에 이르기까지의 온도에서 전지는 손상된다.
본 발명이 목적으로 하는 것은, 전지의 안전기능이 복수의 온도조건에서 작동하도록 하여 전지 자체에서 안전성을 확보하고, 소형 박형화된 전지에도 적용 가능하게 한 비수전해질 2차전지를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본원발명에 관한 비수전해질 2차전지는, 바닥이 있는 통형상으로 형성된 전지캔 내에 발전요소를 수용하고, 전지캔의 개구단을 캔 내측으로 향하여 오목부를 형성한 봉입판에 의해 봉입하며, 봉입판 상을 절연판으로 폐쇄하고, 양극단자 및 음극단자를 상기 절연판으로부터 외부노출시키며, 이 양극단자 또는 음극단자와 상기 발전요소를 구성하는 극판의 양극 또는 음극의 사이를 연결하는 양극 접속라인 또는 음극 접속라인 중 어느 일측 또는 양측과 직렬로 소정의 동작온도에서 전류를 규제하는 복귀식 전류규제소자와, 소정의 동작온도에서 전류를 차단하는 비복귀식 전류차단소자가 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
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상기 비수전해질 2차전지는 전지캔의 개구단이 오목부를 형성한 봉입판에 의해 봉입되고 봉입판 상을 절연판으로 폐쇄하여 구성된다. 이 구성에 의해, 복귀식 전류규제소자와 비복귀식 전류차단소자를 전지 내에 배치하는 것이 가능하게 되고, 2중의 안전기능에 의해 접속기기의 고장이나 외부단락 등에 의해 전지가 위험한 상태로 되는 것을 전지 자체에서 방지할 수 있다. 또한, 종래는 리드접속을 위해 데드스페이스(dead-space)로 된 공간에 복귀식 전류규제소자와 비복귀식 전류차단소자를 수용할 수 있으므로, 이들을 수용하기 위해 부피효율이 저하되는 경우가 없다. 또한, 오목부 내에 복귀식 전류규제소자와 비복귀식 전류차단소자를 수용하면, 진동이나 충격에 의한 결함의 발생을 방지할 수 있다.
통상, 전지팩이 분해되고, 전지만이 별도로 분리되어 사용된 경우에는 안전성을 유지하는 것을 보증할 수 없지만, 상기 제 1 및 제 2 발명에 관한 비수전해질 2차전지는 전지 단독으로 안전기능을 구비함으로써, 안전성이 향상되어 위험한 상태로 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본원발명에 관한 비수전해질 2차전지는, 바닥이 있는 통형상으로 형성된 전지캔 내에 발전요소를 수용하고, 전지캔의 개구단을 캔 내측으로 향하여 오목부를 형성한 봉입판에 의해 봉입하며, 상기 발전요소를 구성하는 극판군으로부터 인출된 양극리드 및 음극리드를 각각 양극단자 및 음극단자에 접속하는 양극 접속라인 또는 음극 접속라인 중 어느 일측 또는 양측에 소정의 동작온도에서 전류를 규제하는 복귀식 전류규제소자와, 소정의 동작온도에서 전류를 차단하는 비복귀식 전류차단소자가 접속되고, 이 복귀식 전류규제소자 및 비복귀식 전류차단소자가 상기 봉입판의 오목부 내에 배치되며, 봉입판 상에 배치된 양극 접속라인 및 음극 접속라인으로 이어지는 구성요소의 도체면이 봉입판 상을 폐쇄하는 절연판에 형성된 개구부에서 상기 양극단자 및 음극단자로서 외부노출되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의하면, 전지캔의 개구단을 봉입하는 봉입판에 전지캔 내측으로 향한 오목부가 형성되어 있으므로, 오목부 내에 전지의 안전기능을 갖는 복귀식 전류규제소자나 비복귀식 전류차단소자 등의 전지의 구성요소를 배치할 수 있다. 전지캔 내의 극판군과 봉입판의 사이의 데드스페이스로 되어 있는 공간에 오목부가 위치하므로, 전지의 부피를 증가시키지 않고 안전기능을 구비한 전지로 구성할 수 있다. 또한, 봉입판 상에 배치된 구성요소의 도체면을 양극단자 또는 음극단자로서 외부노출시킬 수 있으며, 단자를 형성하기 위한 부재를 설치하지 않고, 부품개수를 감소시켜 비용절감을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1∼제 5 실시예에 관한 각형의 리튬이온 2차전지의 구성을 나타내는 외관사시도.
도 2는 제 1 실시예에서의 리튬이온 2차전지의 구성을 나타내는 부분단면도.
도 3은 도 2의 전지의 구성에서의 회로도.
도 4는 제 2 실시예에서의 리튬이온 2차전지의 구성을 나타내는 부분단면도.
도 5는 도 4의 전지의 구성에서의 회로도.
도 6은 제 3 실시예에서의 리튬이온 2차전지의 구성을 나타내는 부분단면도.
도 7은 제 4 실시예에서의 리튬이온 2차전지의 구성을 나타내는 부분단면도.
도 8은 제 5 실시예에서의 리튬이온 2차전지의 구성을 나타내는 부분단면도.
도 9는 도 8의 전지의 구성에서의 회로도.
도 10은 스크라이브(scribe)에 의한 이상내압 배출수단의 구성을 나타내는 부분단면도.
도 11은 클래드(clad)구조에 의한 이상내압 배출수단의 구성을 나타내는 부분단면도.
도 12는 제 6 실시예에서의 각형의 리튬이온 2차전지의 구성을 나타내는 외관사시도.
도 13은 도 12의 전지의 내부구성을 나타내는 부분단면도.
도 14의 (a)는 도 13에서의 A-A선 화살표시 단면도, (b)는 도 13에서의 B-B선 화살표시 단면도, (c)는 도 13에서의 C-C선 화살표시 단면도.
도 15는 도 12의 전지의 구성에서의 회로도.
도 16의 (a)∼(c)는 봉입판의 프레스가공에 의한 형성을 나타내는 단면도.
도 17은 종래기술에 관한 안전구조의 예를 나타내는 부분단면도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 설명하여, 본 발명의 이해를 돕는다. 또, 이하에 나타내는 실시예는 본 발명을 구체화한 일례로서, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 실시예는, 비수전해질 2차전지의 일례인 리튬이온 2차전지에 대하여 나타내는 것으로, 도 1에 나타내는 바와 같이, 편평한 각형전지로서 형성된 것이다.
도 1은 본 실시예에 관한 리튬이온 2차전지의 외관을 나타내는 것으로, 니켈도금강판에 의해 바닥이 있는 통형상으로 형성된 전지캔(1) 내에 발전요소가 수용되고, 전지캔(1)의 개구부는 후술하는 봉입판(3)에 의해 봉입되며, 봉입판(3) 상에 설치된 양극단자(+) 및 음극단자(-)는 봉입판(3) 상을 폐쇄한 절연판(11)에 형성된 개구부로부터 외부에 노출되도록 구성되어 있다.
도 2는 상기 리튬이온 2차전지를 구성하기 위한 제 1 실시예의 구성을 나타내는 부분단면도로서, 전지 상부의 내부구조를 나타낸다. 전지캔(1) 내에는 양극판과 음극판을, 격리판을 개재하여 감은 극판군(14)이 수용되고, 프레임(2)에 의해 수용위치로부터 이동하지 않도록 위치고정되어 있다. 전지캔(1)의 개구단에는 캔 내측으로 향하여 오목부를 형성한 봉입판(3)이 끼워 맞춰지고, 그 주위가 전지캔(1)에 레이저 용접됨으로써 전지캔(1)의 개구단이 봉입되어 있다. 봉입판(3)의 양측에 형성된 개구부의 한쪽의 개구부에는 상부 개스킷(7)과 하부 개스킷(5)에 의해 봉입판(3)과 절연하는 것과 함께 봉입성을 유지하고, 워셔(4)를 부착하여 리벳(6)이 고정되어 있다. 다른쪽의 개구부는 전지캔(1) 내에 전해액을 주입하기 위한 것으로, 전해액 주입 후는 마개(10)가 삽입되고, 마개(10)를 봉입판(3)에 용접함으로써 폐쇄된다.
상기 극판군(14)을 구성하는 양극판으로부터 인출된 양극리드(12)는 상기 워셔(4)에 용접 접속되고, 음극판으로부터 인출된 음극리드(13)는 봉입판(3)의 저면에 용접 접속되어 있다. 봉입판(3)의 오목부 내에는, 절연부재(15)로 음극전위에 있는 봉입판(3)과 절연하여 온도퓨즈(비복귀식 전류차단소자)(8)와, 절연부재(16)로 봉입판(3)과 절연하여 PTC 소자(복귀식 전류규제소자)(9)가 배치되어 있고, 온도퓨즈(8)의 한쪽의 리드(8a)는 상기 리벳(6)에 접속되며, 다른쪽의 리드(8b)는 PTC 소자(9)의 하부극판(9a)에 접속되어 있다. 상기 절연부재(15, 16)의 재질은 PP(폴리프로필렌)나 PPS(폴리페닐렌설파이드)가 바람직하고, 여기서는 그것을 수지성형한 것을 이용한다.
봉입판(3)의 상부는 도시하는 바와 같이, 양극 개구부(11a) 및 음극 개구부(11b)를 설치한 절연판(11)에 의해 폐쇄된다. 상기 양극 개구부(11a)로부터는 PTC 소자(9)의 상부극판(9b)이 외부노출되어 양극단자(+)용으로 제공되고, 음극개구부(11b)로부터는 상기 마개(10)가 외부노출되어 음극단자(-)용으로 제공된다.
상기와 같이, 극판군(14)을 구성하는 양극판은 양극리드(12), 워셔(4), 리벳(6), 온도퓨즈(8), PTC 소자(9)를 통하여 양극단자(+)에 접속되고, 음극판은 음극리드(13), 봉입판(3), 마개(10)를 통하여 음극단자(-)에 접속되어 있다. 즉, 도 3에 회로도로서 나타내는 바와 같이, 극판군(14)의 양극판과 양극단자(+)의 사이에는 온도퓨즈(8)와 PTC 소자(9)가 직렬로 접속되고, 그것들을 내장한 리튬이온 2차전지로 구성된다.
상기 PTC 소자(9)는 유기폴리머 재료에 도전성 카본을 분산시킨 PTC 도전성 폴리머를 평판형상으로 형성하고, 그 상하면에 상부극판(9b), 하부극판(9a)을 부착하여 구성되며, 상부극판(9b), 하부극판(9a) 사이의 저항값은 평상시는 0.1Ω이하의 저저항값이지만, 소정의 동작온도(트립온도)가 되면 저항값이 1O4∼106Ω으로도 급증하는 것이다. 또한, 온도퓨즈(8)는 소정의 동작온도에서 용융하는 저융점 합금의 양단에 각각 리드(8a, 8b)를 부착한 것으로, 소정의 동작온도에 의해 용융되었을 때 리드(8a, 8b) 사이의 도통이 차단되는 것이다.
상기 구성에서, 온도퓨즈(8)는 그 동작온도가 100∼130℃로 설정되고, PTC 소자(9)는 그 동작온도, 즉 트립상태가 되는 온도가 80∼100℃로 설정된다. PTC 소자(9)의 트립상태가 되는 온도를 80℃, 온도퓨즈(8)의 동작온도를 100℃로 설정한 경우, 이 리튬이온 2차전지가 장착된 기기의 고장이나, 금속물이 양극단자(+)와 음극단자(-)의 사이에 접촉한 외부단락이 발생했을 때, 과다한 단락전류에 의해 PTC 소자(9)는 온도상승하고, 그 온도가 트립상태가 되는 온도 80℃에 도달하면, 저항값이 급증하므로 단락전류는 한번에 제한되어, 단락에 의해 전지가 위험한 상태로 되기 전에 저지할 수 있다. 단락상태가 해제되면, 과다한 단락전류가 없어지므로, PTC 소자(9)의 온도는 저하되어 트립상태로부터 벗어나고, 저항값도 낮아지므로 다 시 정상적인 전지사용이 가능하게 된다.
또한, 이 리튬이온 2차전지가 장착된 기기의 고장 등의 원인에 의해 고전압이 인가되거나, 역충전이 이루어진 경우에 PTC 소자(9)가 절연파괴되고, 그에 의한 전류규제가 작용하지 않았을 때에는, 전지온도의 급격한 상승에 의해 100℃의 온도상태에 도달하면, 온도퓨즈(8)가 용단되어 PTC 소자(9)가 동작할 수 없는 상태에서의 위험상태로의 이행이 저지된다. 이와 같은 2중의 안전기능에 의해 에너지 밀도가 높은 리튬이온 2차전지를 안전하게 사용할 수 있다.
또한, 한여름의 폭염 하에 주차한 차의 차내에 전지 또는 그것이 장착된 기기가 방치되어 있는 경우에, 전지온도가 80℃를 넘는 경우가 있다. 이 때, PTC 소자(9)는 트립상태가 되어 저항값이 증대하기 때문에, 전지의 사용은 불가능하게 되고, 전지가 이상온도로 된 상태에서 사용되는 것을 방지할 수 있다. 전지가 통상의 온도환경 하로 돌아간다면, PTC 소자(9)는 트립상태로부터 복귀하므로, 다시 정상적인 전지사용이 가능하다. 전지가 100℃를 넘는 고온환경 하에 노출된 경우에는 전해액이나 극판활성물질이 열에 의해 변질되고, 정상적인 충방전 반응을 얻지 못할 우려가 있다. 이와 같은 상태로 된 경우는, 온도퓨즈(8)가 용단되어 전지의 사용을 불가능하게 함으로써 위험상태로의 이행을 미연에 저지할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제 2 실시예에 관한 리튬이온 2차전지에 대하여 설명한다. 도 4는 제 2 실시예의 구성을 나타내는 것으로, 제 1 실시예와 동일한 작용을 하는 구성요소에는 동일한 부호를 부여한다. 본 실시예의 구성은 온도퓨즈(8)와 PTC 소자(9)를 도 5의 회로도에 나타내는 바와 같이, 음극판과 음극단자(-)의 사이 에 배치한다.
도 4에서, 전지캔(1) 내에 수용된 극판군(14)의 양극판으로부터 인출된 양극리드(12)는 봉입판(3)에 상부 개스킷(7) 및 하부 개스킷(5)에 의해 절연되고, 봉입성을 유지하여 부착된 리벳(6)에 의해 고정된 워셔(4)에 용접 접속되어 있다. 따라서, 극판군(14)의 양극판은 양극리드(12), 워셔(4), 리벳(6)에 도통하므로, 리벳(6)의 상부 평탄면은 양극단자(+)용으로 제공되어, 절연판(11)에 형성된 양극개구부(11a)로부터 외부접속할 수 있다.
한편, 극판군(14)의 음극판으로부터 인출된 음극리드(13)는 봉입판(3)의 저면에 용접 접속되어 있다. 봉입판(3)에 형성된 전해액 주입용의 개구부를 폐쇄하고, 봉입판(3)에 용접된 마개(10)에는 봉입판(3)의 오목부 내에 배치된 온도퓨즈(8)의 한쪽의 리드(8a)가 접속되며, 온도퓨즈(8)의 다른쪽의 리드(8b)는 PTC 소자(9)의 하부극판(9a)에 접속되어 있다. PTC 소자(9)는 그 상부극판(9b)이 절연판(11)에 형성된 음극개구부(11b) 아래에 위치하도록 배치되어 있다. 따라서, 극판군(14)의 음극판은 음극리드(13), 봉입판(3), 마개(10), 온도퓨즈(8), PTC 소자(9)에 도통하므로, PTC 소자(9)의 상부극판은 음극단자(-)용으로 제공되어, 절연판(11)에 형성된 음극개구부(11b)로부터 외부접속할 수 있다.
상기 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)는 절연필름(27)에 의해 봉입판(3)으로부터 절연되고, 온도퓨즈(8)와 PTC 소자(9)의 직렬접속회로가 구성되도록 한다. 절연필름(27)은 PP, PPS에 의해 형성할 수 있고, 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)는 얇은 절연필름(27)을 개재하여 봉입판(3)에 접하므로, 전지온도가 신속하게 전달되고, 정 밀도 높은 온도제어가 가능하다.
이 제 2 실시예의 구성에서는, 음극측에 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)가 배치되어 있으므로, 음극전위에 있는 봉입판(3)과는 동일한 전위이기 때문에, 그 절연은 간단한 구성이어도 되고, 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)에 실리콘수지를 도포하여 상기 절연필름(27)으로 바꿀 수도 있다. 실리콘수지는 열전도성이 우수하므로, 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)를 봉입판(3)과 일체화한 상태가 상기 절연필름(27)을 개재한 것 이상으로 얻어져, 온도제어를 보다 신속하고 보다 정밀도 높게 실행시킬 수 있다.
상기 제 2 실시예의 구성에서, 온도퓨즈(8)와 PTC 소자(9)는 도 5에 나타내는 바와 같이, 음극판과 음극단자(-)의 사이에 직렬로 접속되므로, 제 1 실시예의 구성에 의한 경우와 마찬가지로, 전지의 입출력회로와 직렬로 온도퓨즈(8)와 PTC 소자(9)가 접속되어, 동일한 작용이 이루어진다.
다음에, 본 발명의 제 3 실시예에 관한 리튬이온 2차전지에 대하여 설명한다. 도 6은 제 3 실시예의 구성을 나타내는 것으로, 제 1 및 제 2 실시예와 동일한 작용을 하는 각 구성요소에는 동일한 부호를 부여한다. 본 구성의 특징은, 온도퓨즈(8)를 봉입판(3)의 전지캔(1)의 내측에 배치하고, 전지온도의 상승을 보다 신속하게 검출하여 신속하게 동작할 수 있도록 하는 것에 있다.
도 6에서, 극판군(14)을 수용한 전지캔(1)의 개구단은 전체에 오목부를 형성한 봉입판(3)의 주위와 레이저 용접됨으로써 봉입되고, 봉입판(3)의 상부는 양극개구부(11a) 및 음극개구부(11b)를 설치한 절연판(11)에 의해 폐쇄되어 있다. 상기 극판군(14)을 구성하는 양극판으로부터 인출된 양극리드(12)는 봉입판(3)의 개구부와 상부 개스킷(7) 및 하부 개스킷(5)에 의해 절연되고, 봉입성을 유지하여 고정된 리벳(6)의 하면에 용접 접속되어 있다. 또, 상부 개스킷(7) 상에 리벳(6)의 헤드부분의 공간을 매립하는 스페이서(7a)가 배치되어 있다. 리벳(6)의 상단은 절연판(11)에 설치된 양극개구부(11a)의 아래에 위치하여 양극단자(+)용으로 제공된다.
한편, 극판군(14)을 구성하는 음극판으로부터 인출된 음극리드(13)는 봉입판(3)의 전지캔(1)의 내측에 배치된 온도퓨즈(8)의 한쪽의 리드(8a)에 용접 접속되어 있다. 온도퓨즈(8)의 다른쪽의 리드(8b)는 봉입판(3)의 오목부 저면에 접속되어 있다. 봉입판(3)의 상면 측에는 PTC 소자(9)의 하부극판(9a)이 접속되고, PTC 소자(9)의 상부극판(9b)은 절연판(11)에 설치된 음극개구부(11b)의 아래에 위치하여 음극단자(-)용으로 제공된다. 즉, 음극판은 음극리드(13), 온도퓨즈(8), 봉입판(3), PTC 소자(9)를 통하여 음극단자(-)에 접속된 상태가 된다.
본 구성은 회로 상에서는 제 2 실시예의 구성과 마찬가지로, 음극회로에 온도퓨즈(8)와 PTC 소자(9)를 직렬로 배치한 것이지만, 온도퓨즈(8)가 봉입판(3)의 전지캔(1) 내측에 배치되어 전지 온도상승의 원인인 발전요소에 보다 근접한 구성으로 되어 있어, 온도의 검출에 의한 동작속도나 검출 정밀도가 우수한 것이 된다.
이 구성과 같이, 온도퓨즈(8)를 봉입판(3)의 전지캔(1) 내측에 배치하면, 온도퓨즈(8)는 전지캔(1) 내에 주입된 전해액에 접촉하게 된다. 그래서, 온도퓨즈(8)는 전해액 중에서도 화학적으로 안정된 절연수지로 피복된다. 또한, 전지캔(1) 내 에 온도퓨즈(8)를 배치할 때는 음극회로에 직렬로 접속하는 것이 바람직하고, 전해액과의 전위차가 작은 음극측에 접속함으로써, 전해액에 의해 부식열화하는 것이 억제된다.
다음에, 본 발명의 제 4 실시예에 관한 리튬이온 2차전지에 대하여 설명한다. 도 7은 제 4 실시예의 구성을 나타내는 것으로, 제 1, 제 2 및 제 3 실시예와 동일한 작용을 하는 각 구성요소에는 동일한 부호를 부여한다. 본 구성의 특징은, 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)를 봉입판(3)의 전지캔(1) 내측에 배치하고, 전지온도의 상승을 보다 신속하게 검출하여 신속하게 동작할 수 있도록 하는 것에 있다.
도 7에서, 극판군(14)을 수용한 전지캔(1)의 개구단은 오목부를 형성한 봉입판(3)의 주위와 레이저 용접됨으로써 봉입되고, 봉입판(3)의 상부는 양극개구부(11a) 및 음극개구부(11b)를 설치한 절연판(11)에 의해 폐쇄되어 있다. 상기 극판군(14)을 구성하는 양극판으로부터 인출된 양극리드(12)는 봉입판(3)의 개구부와 상부 개스킷(7) 및 하부 개스킷(5)에 의해 절연되고, 봉입성을 유지하여 고정된 리벳(6)의 하면에 용접 접속되어 있다. 또, 상부 개스킷(7) 상에 리벳(6)의 머리부분의 공간을 매립하는 스페이서(7a)가 배치되어 있다. 리벳(6)의 상단은 절연판(11)에 설치된 양극개구부(11a)의 아래에 위치하여 양극단자(+)용으로 제공된다.
한편, 극판군(14)을 구성하는 음극판으로부터 인출된 음극리드(13)는 봉입판(3)의 전지캔(1) 내측에 배치된 PTC 소자(9)의 하부극판(9a)에 용접 접속되고, PTC 소자(9)의 상부극판(9b)은 온도퓨즈(8)의 한쪽의 리드(8a)에 용접 접속되 며, 온도퓨즈(8)의 다른쪽의 리드(8b)는 봉입판(3)의 오목부 저면에 접속되어 있다. 봉입판(3)에 형성된 전해액 주입용의 개구부를 폐쇄하는 마개(10)는 절연판(11)에 설치된 음극개구부(11b)의 아래에 위치하여 음극단자(-)용으로 제공된다. 즉, 음극판은 음극리드(13), PTC 소자(9), 온도퓨즈(8), 봉입판(3), 마개(10)를 통하여 음극단자(-)에 접속된 상태가 된다.
본 구성은, 회로 상에서는 도 5에 나타낸 바와 같이, 제 2 실시예의 구성과 마찬가지로, 음극회로에 온도퓨즈(8)와 PTC 소자(9)를 직렬로 배치한 것이지만, 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)가 봉입판(3)의 전지캔(1) 내측에 배치되어 전지 온도상승의 원인인 발전요소에 보다 근접한 구성으로 되어 있어, 온도의 검출에 의한 동작속도나 검출 정밀도가 우수한 것이 된다.
이 구성과 같이, 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)를 봉입판(3)의 전지캔(1) 내측에 배치하면, 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)는 전지캔(1) 내에 주입된 전해액에 접촉하게 된다. 그래서, 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)는 전해액 중에서도 화학적으로 안정된 절연수지로 피복된다. 또한, 봉입판(3)의 전지캔(1) 내측에 배치되고, 전해액에 접촉하는 온도퓨즈(8)는 상술한 구성과 같이 음극회로에 직렬로 접속하는 것이 바람직하며, 전해액과의 전위차가 작은 음극측에 접속하면, 전해액에 의해 부식열화하는 것이 억제된다.
다음에, 본 발명의 제 5 실시예에 관한 리튬이온 2차전지에 대하여 설명한다. 도 8은 제 5 실시예의 구성을 나타내는 것으로, 제 1∼제 4 실시예와 동일한 작용을 하는 각 구성요소에는 동일한 부호를 부여한다. 본 실시예의 구성은 도 9의 회로도에 나타내는 바와 같이, PTC 소자(9)를 양극판과 양극단자(+)의 사이에 배치하고, 온도퓨즈(8)를 음극판과 음극단자(-)의 사이에 배치하는 것과 함께, 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)로의 열전도성을 향상시킨다.
도 8에서, 전지캔(1) 내에 수용된 극판군(14)의 양극판으로부터 인출된 양극리드(12)는, 전체면에 오목부가 형성된 봉입판(3)에 상부 개스킷(7) 및 하부 개스킷(5)에 의해 절연되고, 봉입성을 유지하여 부착된 리벳(6)에 의해 고정된 워셔(4)에 용접 접속되어 있다. 리벳(6)의 상면에는 봉입판(3)에 절연필름(27)을 개재하여 배치된 PTC 소자(9)의 하부극판(9a)이 접속되고, PTC 소자(9)의 상부극판(9b)은 절연판(11)에 형성된 양극개구부(11a)의 아래에 위치한다. 따라서, 극판군(14)의 양극판은 양극리드(12), 워셔(4), 리벳(6), PTC 소자(9)에 도통하므로, PTC 소자(9)의 상부극판(9b)은 양극단자(+)용으로 제공되고, 절연판(11)에 형성된 양극개구부(11a)로부터 외부접속할 수 있다. PTC 소자(9)는 얇은 절연필름(27)을 개재하여 봉입판(3)에 접하므로, 전지온도의 열전도가 양호하고, 온도에 대한 대응속도 및 정밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 극판군(14)의 음극판으로부터 인출된 음극리드(13)는 봉입판(3)의 오목부 저면에 용접 접속되어 있다. 봉입판(3)의 오목부 상면에는 온도퓨즈(8)가 직접 배치되고, 그 한쪽의 리드(8a)는 봉입판(3)에 접속되며, 다른쪽의 리드(8b)는 전해액 주입용의 개구부를 폐쇄하는 마개(10)를 덮어 배치된 절연대(28) 상에 배치됨으로써, 리드(8b)는 절연판(11)에 형성된 음극개구부(11b)의 아래에 위치하도록 배치되어 있다. 따라서, 극판군(14)의 음극판은 음극리드(13), 봉입판(3), 온도퓨 즈(8)에 도통하여, 온도퓨즈(8)의 다른쪽의 리드(8b)는 음극단자(-)용으로 제공되고, 절연판(11)에 형성된 음극개구부(11b)로부터 외부접속할 수 있다. 이 구성에서, 온도퓨즈(8)는 봉입판(3)에 직접적으로 접하므로, 전지온도의 온도퓨즈(8)로의 열전도가 신속하고, 전지온도가 이상상승하였을 때, 설정된 동작온도로 신속하게 용단하여 전류차단을 실행시킬 수 있다.
상기 제 5 실시예의 구성에서는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 극판군(14)의 양극과 양극단자(+)의 사이에 PTC 소자(9)를 직렬로 배치하고, 극판군(14)의 음극과 음극단자(-)의 사이에 온도퓨즈(8)를 직렬로 배치함으로써, 온도퓨즈(8)를 봉입판(3)에 직접 부착할 수 있고, 온도퓨즈(8)로의 열전도성의 향상을 도모할 수 있다.
또, 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)의 배치위치는, 양극측 또는 음극측이거나, 제 5 실시예와 같이 양극측과 음극측으로 나누어도, 전지의 입출력회로에 직렬로 접속되므로 기능상의 차이는 없다.
이상 설명한 각 실시예에 나타내는 바와 같이, 종래는 양극리드(12) 및 음극리드(13)의 접속을 위해 데드스페이스로 되어 있는 공간에 오목부를 형성한 봉입판(3)을 배치하고, 그 오목부에 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)를 배치함으로써, 데드스페이스가 효율적으로 활용되어 부피효율의 저하를 초래하지 않고, 전지의 크기를 증가시키지 않으며 2중의 안전기능을 구비할 수 있다. 또한, 오목부 내에 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)가 배치되고, 봉입판(3)에 온도퓨즈(8) 및 PTC 소자(9)가 일체로 부착되므로, 진동이나 충격에 대한 결함의 발생도 억제할 수 있다.
또한, 상기 각 실시예에서, PTC 소자(9)가 적용된 복귀식 전류규제소자는 소정의 동작온도 이상으로 되었을 때 변형하여 접점을 개방하고, 온도가 저하하면 원래의 상태로 복귀하여 접점을 폐쇄하는 바이메탈에 의해 구성할 수도 있다. 또한, 온도퓨즈(8)가 적용된 비복귀식 전류차단소자는 소정의 동작온도 이상으로 되었을 때 기억된 형상으로 되돌아가 접점을 개방하고, 전류회로를 차단하는 형상기억합금을 구비한 스위치구조에 의해 구성할 수도 있다.
또한, 각 실시예에 설명한 PTC 소자(9)와 온도퓨즈(8)에 의한 2중의 안전기능에 덧붙여, 전지캔(1) 내의 압력이 이상상승하였을 때 이상내압을 외부로 배출하는 이상내압 배출구조를 설치하여, 3중으로 안전기능을 구성할 수 있다. 상기 이상내압 배출구조는 전지캔(1)의 일부를 스크라이브 또는 각인에 의해 박형화하여 내압으로 박형화된 부분을 파단시키는 구성, 내압에 의해 동작하는 밸브 본체를 이용한 구성, 클래드판의 박판부분을 내압으로 파단하는 구성을 적용할 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 소형 박형화된 본 실시예의 리튬이온 2차전지에서, 이상내압 배출구조는 공간 점유율이 적은 구성이 바람직하고, 도 10 및 도 11에 예를 나타내는 구성이 적합하다.
도 10은 전지캔(1)의 몸통부분에 스크라이브(24)를 형성하여, 전지캔(1)의 재료두께를 스크라이브(24)에 의해 부분적으로 박형화한 이상내압 배출구조의 예를 나타내는 것이다. 스크라이브(24)는 전지캔(1)의 재료두께를 60∼90%까지 감소시키도록 홈형상으로 형성한다. 온도상승에 따르는 가스의 발생에 의해 내압이 이상상승하여, 내압이 스크라이브(24)에 의한 전지캔(1)의 파단강도를 초과하였을 때, 전지캔(1)은 스크라이브(24)로부터 파단되므로, 이상내압은 외부로 배출되어 파열 등의 위험한 상태로 되는 것을 방지할 수 있다. 이 스크라이브(24)는 상기와 같이 몸통부분뿐만 아니라 전지 사이의 저면에 형성할 수도 있다. 또한, 부분적으로 박형화하는 파단이 용이한 용이파단부의 형성은 각인을 적용할 수도 있다. 각인은 전지캔(1)의 판면을 임의형상으로 타격을 가하여 판두께를 80∼90%로 감소시키므로, 스크라이브(24)와 동일한 효과가 얻어진다.
도 11은 봉입판(3)을 스테인리스 스틸판(21)에 알루미늄판(22)을 접합한 클래드판으로 형성하고, 스테인리스 스틸판(21)의 소정위치에 배기홀(20)을 설치하여, 이 배기홀(20)을 얇은 알루미늄판(22)으로 폐색시킨 이상내압 배출구조의 예를 나타내는 것이다. 온도상승에 따르는 가스의 발생에 의해 내압이 이상상승하고, 내압이 알루미늄판(22)의 파단강도를 초과하였을 때, 배출홀(20)을 폐색한 알루미늄판(22)이 파단되므로, 이상내압은 외부로 배출되어 파열 등의 위험한 상태로 되는 것을 방지할 수 있다. 배기홀(20) 내의 알루미늄판(22)은 도시하는 바와 같이, 홀 내로 팽출하는 구형면으로 형성함으로써, 압력이 구형면에 집중되기 때문에 안정된 파단동작이 얻어진다. 이 이상내압 배출구조는 봉입판(3) 상에 배치되는 구성요소에 의해 폐색되지 않는 위치에 형성된다.
상기 예에 나타내는 바와 같은 이상내압 배출구조는, 온도퓨즈(8)가 용단되어도 전지온도가 100℃ 이상인 경우에, 가스발생에 의한 내압의 상승에 의해 배출동작이 일어나도록 구성된다. 따라서, 복귀식 전류규제소자 및 비복귀식 전류차단소자의 동작이 정상으로 기능하지 않는 상태에 있더라도, 최종의 안전기능으로서 동작한다. 이 이상내압 배출구조를 설치함으로써 PTC 소자(9), 온도퓨즈(8)에 추가하여 3중의 안전기능을 구비한 리튬이온 2차전지를 구성할 수 있고, 또한 격리판의 셧다운에 의한 안전기능이 약 150℃에서 기능함으로써, 고에너지 밀도의 전지를 안전하게 사용할 수 있다.
이상 설명한 각 실시예는, 니켈도금강을 이용한 전지캔(1)을 편평한 각형으로 형성한 경우에 대하여 설명하였지만, 알루미늄합금이나 스테인리스강을 이용할 수도 있고, 이들을 원통형으로 형성한 전지에 적용할 수도 있다.
다음에, 본 발명의 제 6 실시예에 관한 리튬이온 2차전지에 대하여 설명한다. 도 12는 제 6 실시예에 관한 리튬이온 2차전지의 외관을 나타내는 것으로, 니켈도금강에 의해 단면형상이 타원형인 바닥이 있는 통형상으로 형성된 전지캔 내에 발전요소가 수용되고, 전지캔의 개구부는 후술하는 봉입판(103)에 의해 봉입되며, 봉입판(103) 상에 설치된 양극단자(+) 및 음극단자(-)를 구성하는 부위가 봉입판(103)의 상부를 폐쇄하는 절연판(111)에 형성된 개구부에서 외부로 노출되도록 구성되어 있다. 절연판(111)의 테두리부를 포함하는 전지캔의 측면둘레는 외장필름(128)에 의해 피복되어, 제조자명, 제품번호, 소비자에 대한 경고 등의 표시에 도움이 된다.
도 13 및 도 14의 (a)∼(c)는, 상기 리튬이온 2차전지의 내부구성을 나타내는 부분단면도이고, 도 14의 (a), (b), (c)는 각각 도 13에 나타내는 A-A선, B-B선, C-C선 위치에서의 화살표시 단면으로, 전지 상부의 내부구조를 나타낸다. 전지캔(1O1) 내에는 양극판과 음극판을 격리판를 개재하여 감은 극판군(114)이 수용되 고, 프레임(102)에 의해 수용위치로부터 이동하지 않도록 위치 고정되어 있다. 전지캔(101)의 개구단에는 캔 내측으로 향하여 오목부를 형성한 봉입판(103)이 끼워 맞춰지고, 그 주위가 전지캔(101)에 레이저 용접됨으로써 전지캔(101)의 개구단이 봉입되어 있다. 봉입판(103)의 양측에 형성된 개구부의 한쪽의 개구부에는 상부 개스킷(107)과 하부 개스킷(105)에 의해 봉입판(103)과 절연되는 것과 함께 봉입성을 유지하며, 워셔(104) 및 후술하는 PTC 소자(109)의 하부극판(109a)을 부착하여 리벳(106)이 고정되어 있다. 다른쪽의 개구부는 봉입판(103)이 전지캔(101) 상에 부착된 후에, 전지캔(101) 내에 전해액을 주입하기 위한 것으로, 주입한 후에는 도시하는 바와 같이 마개(110)가 삽입되어, 마개(110)를 봉입판(103)에 용접함으로써 폐쇄된다. 봉입판(103) 상에 배치된 각 구성요소는 수지재료(116)에 의해 충전됨으로써, 절연체로 피복고정되어, 전지에 진동이나 충격이 가해졌을 때에도 각 구성요소가 보호되고, 절연성이 향상되는 동시에 열전도성이 양호해진다.
상기 극판군(114)을 구성하는 양극판으로부터 인출된 양극리드(112)는, 상기 리벳(106)의 연장부(106a)에 용접 접속되고, 음극판으로부터 인출된 음극리드(113)는 봉입판(103)의 저면에 용접 접속된다. 봉입판(103)의 오목부 내에는 상부 개스킷(107)에 의해 봉입판(103)과 절연된 PTC 소자(복귀식 전류규제소자)(109)와, 수지몰딩된 온도퓨즈(비복귀식 전류차단소자)(108)가 배치되어 있다. 온도퓨즈(108)는 소정의 동작온도가 되었을 때 용단되는 저융점합금을 수지몰딩하여 저융점합금의 보호와 열전도성의 안정화를 도모한 것으로, 저융점합금의 한쪽 끝은 수지몰드의 상면에 배치된 단자판(108a)에 접속되고, 저융점합금의 다른쪽 끝은 수지몰드 밖에 리드판(108b)으로서 인출되어 있다. 이 리드판(108b)은 상기 PTC 소자(109)의 상부전극(109b)에 납땜에 의해 접합되어 있다.
봉입판(103)의 상부는 도시하는 바와 같이, 양극개구부(111a) 및 음극개구부(111b)를 설치한 절연판(111)에 의해 폐쇄된다. 상기 양극개구부(111a)로부터는 온도퓨즈(108)의 단자판(108a)이 외부노출되어 양극단자(+)용으로 제공되고, 음극개구부(111b)로부터는 상기 마개(110)의 상면이 외부에 노출되어 음극단자(-)용으로 제공된다. 이 단자구성에 의해, 양극단자(+) 및 음극단자(-)를 형성하기 위한 부재를 이용하지 않고 외부 접속단자의 형성이 이루어진다.
상기와 같이, 극판군(114)을 구성하는 양극판은 양극리드(112), 리벳(106), PTC 소자(109), 온도퓨즈(108)를 통하여 양극단자(+)에 접속되고, 음극판은 음극리드(113), 봉입판(103), 마개(110)를 통하여 음극단자(-)에 접속된다. 즉, 도 15에 회로도로서 나타내는 바와 같이, 극판군(114)의 양극판과 양극단자(+)의 사이에는 온도퓨즈(108)와 PTC 소자(109)가 직렬로 접속된 리튬이온 2차전지로 구성된다.
상기 구성에서, 온도퓨즈(108)는 그 동작온도가 100∼130℃로 설정되고, PTC 소자(109)의 동작온도, 즉 트립상태가 되는 온도가 80∼100℃로 설정된다. PTC 소자(109)의 트립상태가 되는 온도를 80℃, 온도퓨즈(108)의 동작온도를 100℃로 설정한 경우, 이 리튬이온 2차전지가 장착된 기기의 고장이나, 금속물이 양극단자(+)와 음극단자(-)의 사이에 접촉한 외부단락이 발생했을 때, 과다한 단락전류에 의해 PTC 소자(109)는 온도상승하고, 그 온도가 트립상태가 되는 온도 80℃에 도달하면, 저항값이 급증하므로 단락전류가 한번에 제한되어, 단락에 의해 전지가 위험한 상 태에 이르기 전에 저지할 수 있다. 단락상태가 해제되면, 과다한 단락전류가 없어지므로, PTC 소자(109)의 온도가 저하되어 트립상태로부터 벗어나고, 저항값도 내려가므로 다시 정상적인 전지사용이 가능하게 된다.
또한, 이 리튬이온 2차전지가 장착된 기기의 고장 등의 원인에 의해 고전압이 인가되거나 역충전이 이루어진 경우에, PTC 소자(109)가 절연파괴되고, 그에 의한 전류규제가 작용하지 않았을 때에는 전지온도의 급격한 상승에 의해 100℃의 온도상태에 이르면 온도퓨즈(108)가 용단되어, PTC 소자(109)가 동작할 수 없는 상태에서의 위험상태로의 이행이 저지된다. 이와 같은 2중의 안전기능에 의해 에너지 밀도가 높은 리튬이온 2차전지를 안전하게 사용할 수 있다.
상기 온도퓨즈(108)와 PTC 소자(109)는, 봉입판(103) 상에 부착되기 이전에 일체화된 1개의 복합부품으로서 구성되고, PTC 소자(109)의 하부전극(109a)에 형성된 홀에 리벳(106)의 축부분를 끼워 넣으며, 리벳(106)을 상부 개스킷(107) 및 하부 개스킷(105)을 개재하여 봉입판(103)에 체결함으로써, 전기적 접속과 함께 봉입판(103)의 상부에 부착된다.
상기 구성의 전지제조는, 다음에 나타내는 순서로 실시할 수 있다. 우선, 봉입판(103)의 오목부 내에 상부 개스킷(107)을 배치하고, 그 위에 온도퓨즈(108)와 PTC 소자(109)를 일체화한 복합부품을 설치하며, 봉입판(103)의 저면측에 하부 개스킷(105)을 배치하여, 리벳(106)에 의해 하부 개스킷(105), 상부 개스킷(107), PTC 소자(109)의 하부극판(109a), 워셔(104)를 체결하면, 봉입판(103)에 안전기능 및 외부접속단자를 구비한 추가의 복합부품이 형성된다. 또한, 봉입판(103)의 오목부 내의 온도퓨즈(108)나 PTC 소자(109)가 수용된 부위는 오목부의 측벽 및 돌출부(133)에 의해 둘러싸여 있으므로, 거기에 배치된 구성요소를 감싸도록 실리콘수지나 에폭시수지 등의 수지재료(116)가 충전된다. 수지충전은 측벽 및 돌출부(133)로 둘러싸인 부분 내에서 행해지므로, 음극단자(-)가 되는 마개(110)에 수지가 부착되지 않도록 충전할 수 있다. 이 수지충전에 의해 봉입판(1O3)의 오목부 내에 배치된 각 구성요소가 절연체로 피복고정되고, 전지에 진동이나 충격이 가해졌을 때에도 각 구성요소가 보호되며, 절연성이 향상되는 동시에 열전도성이 양호해져, PTC 소자(109)나 온도퓨즈(108)에 대한 열전도성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 복합부품으로 구성된 봉입판(103)과 극판군(114)을 수용한 전지캔(101)의 사이에서 양극리드(112) 및 음극리드(113)의 접속을 행한다. 양극리드(112) 및 음극리드(113)는 극판군(114)으로부터 프레임(102)에 설치된 홀에서 외부로 인출되고, 전지캔(101)보다도 외부에 설치된 봉입판(103)과의 접속작업을 용이하게 할 수 있도록 길게 인출되어 있다. 이 리드접속이 이루어진 후, 전지캔(101)의 개구단에 봉입판(103)을 삽입하면, 양극리드(112) 및 음극리드(113)는 도 14의 (a), (b)에 나타내는 바와 같이, 프레임(102) 상에서 접혀지게 된다. 전지캔(101)의 개구단에 삽입된 봉입판(103)의 둘레와 전지캔(101)의 내부둘레의 사이는 레이저 용접되어, 봉입판(103)이 전지캔(101)에 고정된다.
다음에, 봉입판(103)의 개구부에서 전지캔(101) 내에 전해액이 주입된 후, 개구부에 마개(110)를 삽입시켜 개구부를 폐쇄하는 것과 함께 레이저 용접에 의해 봉입판(103)에 고정시킨다. 그 후, 봉입판(103)의 상부를 폐쇄하도록 절연판(111) 이 봉입판(103) 및 전지캔(101)에 접합되면, 절연판(111)에 형성된 양극개구부(111a)로부터 온도퓨즈(108)의 단자판(108a)이 외부로 노출되고, 음극개구부(111b)로부터 마개(110)의 상면이 외부로 노출되어 양극단자(+) 및 음극단자(-)가 형성된다. 상기 절연판(111)의 주위에는, 도 13, 도 14의 (a)∼(c)에 나타내는 바와 같이, 판두께를 얇게 한 단차가 형성되어 있고, 점선으로 나타내는 바와 같이, 열수축성의 필름 또는 튜브의 외장필름(128)으로 절연판(111)의 주위를 포함하여 전지캔(101)을 피복할 수 있도록 구성되어, 도 12에 나타내는 바와 같은 외관으로 형성된다. 이 외장필름(128)은 PET 등의 수지필름에 의해 형성할 수 있다. 또한, 절연판(111)의 단차 상에 외장필름(128)을 덮음으로써, 절연판(111)의 상면은 단차에 외장필름(128)이 놓여 면이 하나로 되는 상태가 되어, 외관의 향상과 절연성의 향상을 도모할 수 있다.
도 12 및 도 13에 나타내는 바와 같이, 양극단자(+) 및 음극단자(-)가 전지의 상면의 한쪽으로 치우친 위치에 형성되어 있으므로, 기기의 전지수용 공간에 대하여 역장착되는 것을 방지할 수 있다. 이 전지에서 기기와의 접속은, 양극단자(+) 및 음극단자(-)에 기기측에 설치된 프로브가 가압접속됨으로써 이루어지고, 전지의 형상은 좌우대칭으로 되어 있어 역장착될 우려는 많지만, 이 치우친 위치에 단자가 형성됨으로써, 역장착은 확실히 방지할 수 있다.
종래의 각형의 전지에서는, 발전요소를 수용한 전지캔의 개구부는 평평한 봉입판으로 봉입되고, 봉입판과 극판군 사이의 공간은 극판군으로부터 인출된 리드의 접속공간용으로 제공되는 정도의 공간이었지만, 상술한 바와 같은 제 6 실시예의 구성과 같이, 오목부를 형성한 봉입판(103)에 의해 전지캔(101)의 개구부가 폐쇄됨으로써, 봉입판(103)의 오목부에 전지의 안전기구를 설치하여 공간이 유효하게 활용되고, 안전기능을 구비한 각형 리튬 2차전지가 구성된다.
상기 봉입판(103)은 프레스가공에 의해 소정의 판재료를 드로잉가공하여 오목부를 형성한 후, 전지캔(1O1)의 내직경 치수에 대응하는 형상으로 외형 아이어닝가공함으로써 형성된다. 이 외형 아이어닝가공을 행하는 프레스금형을 변경, 즉 아이어닝형상 치수를 변경함으로써, 전지용량에 따라 전지의 단측면의 폭이 다른 전지에도 용이하게 대응시킬 수 있다. 각형의 리튬이온 2차전지의 경우, 전지의 단측면의 폭을 크게 하면, 감는 양·음극판의 길이를 증가시킬 수 있고, 극판군(114)의 반응면적을 증가시킬 수 있으므로, 동일한 형상이면서 전지의 단측면의 폭이 다르고, 전지용량이 다른 복수 품종의 전지가 구성된다. 이 때, 각 품종마다의 전지를 제조하는 데에 준비되는 봉입판(103)을 제작하기 위해, 각 품종마다의 봉입판(103)을 제작하는 금형을 복수로 준비하지 않고, 외형 아이어닝의 금형을 변경하는 것만으로 복수의 종류에 대응시킬 수 있다.
도 16의 (a)∼(c)는, 전지의 단측면의 폭이 다른 2종류의 전지를 제조하기 위한 봉입판(103)의 외형 치수변경의 예를 나타내는 것으로, 도 16의 (a)에 나타내는 바와 같이, 공통의 드로잉가공 금형에 의해 판재료(126)를 드로잉가공하여 오목부(129)를 형성하면, 오목부(129)의 주위에 플렌지부분이 형성된다. 그 후, 제 6 실시예에 나타낸 전지와 같이 단측면의 폭(W1)이 좁은 경우에는, 오목부(129)의 상승부 외측의 근접위치에서 플렌지부분을 펀칭하는 외형 아이어닝가공이 이루어져 형성된 봉입판(103)은 도 16의 (b)에 나타내는 바와 같이, 단측면의 폭(W1)이 좁은 전지캔(101)의 개구부에 끼워 맞추는 상태가 된다. 한편, 단측면의 폭을 W2로 증가시킨 전지의 경우에는 외형 아이어닝금형의 가공위치를 크게 하면, 도 16의 (c)에 나타내는 바와 같이, 단측면의 폭을 W2로 증가시킨 전지캔(101a)에 대응하는 봉입판(3a)으로 형성할 수 있다.
이상 설명한 제 6 실시예에서, PTC 소자(109)가 적용된 복귀식 전류규제소자는 소정의 동작온도 이상이 되었을 때 변형하여 접점을 개방하고, 온도가 저하하면 원래의 상태로 복귀하여 접점을 폐쇄하는 바이메탈에 의해 구성할 수도 있다. 또한, 온도퓨즈(108)가 적용된 비복귀식 전류차단소자는 소정의 동작온도 이상이 되었을 때 기억된 형상으로 되돌아가 접점을 개방하고, 전류회로를 차단하는 형상기억합금을 구비한 스위치구조에 의해 구성할 수도 있다.
또한, 양극 접속라인에 온도퓨즈(108) 및 PTC 소자(109)를 배치하고 있지만, 음극 접속라인에 배치할 수도 있다. 또한, 온도퓨즈(108)와 PTC 소자(109)를 양극 접속라인과 음극 접속라인으로 나누어 설치할 수도 있다. 요컨대, 전지의 입출력 라인 상에 배치되어 있으면, 그 효과는 동일하게 발휘된다.
또한, 제 6 실시예에서 설명한 PTC 소자(109)와 온도퓨즈(108)에 의한 2중의 안전기능에 추가하여, 전지캔(101) 내의 압력이 이상상승하였을 때, 이상내압을 외부로 배출하는 이상내압 배출구조를 설치하여, 3중의 안전기능을 구성할 수 있다. 상기 이상내압 배출구조는 상술한 내압에 의해 동작하는 밸브본체를 이용한 구성, 클래드판의 박판부분을 내압으로 파단하는 구성, 전지캔(1)의 일부를 스크라이브 또는 각인에 의해 박형화하여 내압으로 박형화된 부분을 파단시키는 구성을 적용할 수 있다. 소형 박형화된 제 6 실시예의 리튬이온 2차전지에서, 이상내압 배출구조는 공간 점유율이 적은 구성이 바람직하고, 도 10 및 도 11에 예를 나타내는 구성이 적합하다.
또한, 제 6 실시예는 니켈도금강을 이용한 전지캔(101)을 편평한 각형으로 형성한 예에 대하여 설명하였지만, 알루미늄 합금이나 스테인리스강을 이용할 수도 있고, 그들을 원통형으로 형성한 전지에 제품구성을 적용할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 전지 자체에 PTC 소자 등의 복귀식 전류규제소자에 의한 안전기능에 의해 외부단락 등에 의한 전지온도의 상승을 방지하고, 이를 초과하는 온도상승에는 온도퓨즈 등의 비복귀식 전류차단소자에 의한 안전기능에 의해 보호할 수 있으므로, 전지 자체에 2중의 안전기능을 설치한 비수전해질 2차전지를 제공하는 것에 적합하고, 또한 이상내압 배출수단을 아울러 설치함으로써, 전지 자체에 3중의 안전기능을 설치한 비수전해질 2차전지를 제공하는 것에 적합하다.

Claims (33)

  1. 삭제
  2. 바닥이 있는 통형상으로 형성된 전지캔(1, 101) 내에 발전요소를 수용하고, 전지캔(1, 101)의 개구단을 캔 내측으로 향하여 오목부를 형성한 봉입판(3, 103)에 의해 봉입하며, 봉입판(3, 103) 상을 절연판(11, 111)으로 폐쇄하고, 양극단자(+) 및 음극단자(-)를 상기 절연판(11, 111)으로부터 외부노출시켜, 이 양극단자(+) 또는 음극단자(-)와 상기 발전요소를 구성하는 극판의 양극 또는 음극의 사이를 연결하는 양극 접속라인 또는 음극 접속라인 중 어느 일측 또는 양측과 직렬로 소정의 동작온도에서 전류를 규제하는 복귀식 전류규제소자와, 이 복귀식 전류규제소자의 동작온도 이상인 소정의 동작온도에서 전류를 차단하는 비복귀식 전류차단소자가 배치되고, 복귀식 전류규제소자의 전극이 한쪽의 단자를 겸하는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    복귀식 전류규제소자의 동작온도는 80∼100℃이고, 비복귀식 전류차단소자의 동작온도는 100∼130℃인 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  4. 제 2항에 있어서,
    복귀식 전류규제소자는 소정의 동작온도 이상으로 온도상승하였을 때, 저항값이 급증하는 PTC 소자(9)인 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  5. 제 2항에 있어서,
    복귀식 전류규제소자는 소정의 동작온도 이상으로 온도상승하였을 때, 변형에 의해 회로를 개방하는 바이메탈인 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  6. 제 2항에 있어서,
    비복귀식 전류차단소자는 소정의 동작온도 이상으로 온도상승하였을 때, 용융하여 회로를 개방하는 온도퓨즈(8)인 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  7. 제 2항에 있어서,
    비복귀식 전류차단소자는 소정의 동작온도 이상으로 온도상승하였을 때, 기억하는 형상으로 되돌아감으로써 회로를 개방하는 형상기억합금을 구비한 스위치기구인 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  8. 제 2항에 있어서,
    복귀식 전류규제소자 및 비복귀식 전류차단소자가 봉입판(3)의 오목부 내에 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  9. 제 2항에 있어서,
    복귀식 전류규제소자 및 비복귀식 전류차단소자 중 어느 한쪽이 봉입판(3)의 오목부 내에 배치되고, 다른쪽이 전지캔(1) 내에 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  10. 제 2항에 있어서,
    복귀식 전류규제소자 및 비복귀식 전류차단소자가 전지캔(1) 내에 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  11. 제 9항에 있어서,
    전지캔(1) 내에 배치된 복귀식 전류규제소자 또는 비복귀식 전류차단소자 중 어느 일측 또는 양측은 음극과 음극단자(-)의 사이에 접속되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  12. 제 9항에 있어서,
    전지캔(1) 내에 배치된 복귀식 전류규제소자 또는 비복귀식 전류차단소자는 내전해액성의 절연수지에 의해 피복되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  13. 제 2항에 있어서,
    복귀식 전류규제소자 또는 비복귀식 전류차단소자 중 어느 일측 또는 양측이 봉입판(3)과 일체가 되도록 부착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  14. 제 2항에 있어서,
    전지캔(1) 내의 압력이 이상상승하였을 때, 그것을 외부로 배출하는 이상내압 배출수단이 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  15. 제 14항에 있어서,
    이상내압 배출수단은 100℃를 넘는 온도상승이 발생하고, 또한 비복귀 전류차단소자가 기능한 경우에 작동하는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  16. 제 2항에 있어서,
    상기 양극단자(+) 및 상기 음극단자(-)의 도체면이 봉입판(103) 상을 폐쇄하는 절연판에 형성된 개구부로부터 상기 양극단자(+) 및 음극단자(-)로서 외부노출되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제 16항에 있어서,
    복귀식 전류규제소자와 비복귀식 전류차단소자가 직렬접속되는 것과 함께, 일체로 접합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  23. 제 16항에 있어서,
    봉입판(103)에 형성된 개구부에 개스킷(105)을 개재하여 삽입하고, 체결에 의해 봉입판(103)에 고정되는 리벳(106)에 의해 전지캔(101)의 내부와 봉입판(103)의 상부 사이가 전기적으로 접속되며, 이 리벳(106)의 전지캔(101) 내측에 양극리드(112) 또는 음극리드(113)가 접합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  24. 제 23항에 있어서,
    리벳(106)의 전지캔(101) 내측에 리드접합용의 연장부(106a)가 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  25. 제 23항에 있어서,
    복귀식 전류규제소자 또는 비복귀식 전류차단소자의 단자가 리벳(106)의 체결에 의해 리벳(106)에 전기적으로 접속되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  26. 제 16항에 있어서,
    봉입판(103)의 오목부 상에 배치된 소정의 구성요소가 수지피복되어 봉입판(103)에 고착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  27. 제 26항에 있어서,
    수지피복하는 구성요소를 수용하는 부위를 둘러싸는 볼록형상벽이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  28. 제 16항에 있어서,
    양극단자(+) 및 음극단자(-)를 구성하는 요소가 봉입판(103) 상의 치우친 위치에 배치되고, 절연판(111)의 한쪽으로 치우친 위치에 형성된 개구부로부터 외부노출되는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  29. 제 16항에 있어서,
    절연판(111)의 둘레부에 판두께를 감소시킨 단차부가 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  30. 제 16항에 있어서,
    전지캔(101) 내의 압력이 이상상승하였을 때, 그것을 외부로 배출하는 이상내압 배출수단이 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  31. 제 30항에 있어서,
    이상내압 배출수단은 100℃ 이상의 온도상승에 의한 가스발생에 따르는 이상내압에 의해 작동하는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  32. 제 16항에 있어서,
    봉입판(103)은 판재료에 공통의 금형에 의해 오목부가 드로잉가공된 후, 전지캔(101)의 내직경 치수에 대응하는 금형에 의해 오목부의 주변을 외형 아이어닝가공하여 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
  33. 제 32항에 있어서,
    오목부의 상승부에서 외측으로 0.01mm 이상의 플렌지부를 형성하여 외형 아이어닝가공이 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 비수전해질 2차전지.
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