KR100875111B1 - 안전장치를 구비한 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지 내부의 압력 상승 시 효과적으로 전류를 차단할 수 있고, 동시에 전지 캔의 밀폐효과를 높여 전지 안전성에 신뢰감을 주기 위한 것으로, 이를 위하여, 상단에 개구부를 가지고, 발전수단을 수납하는 캔과, 상기 개구부의 내측면에 접합되고, 상기 발전수단의 어느 한 전극이 연결되는 단자부를 가지되, 상기 단자부와는 전기적으로 절연된 가변 플레이트와, 상기 가변 플레이트의 상부에 배치되고, 상기 가변 플레이트가 허용치 이상으로 상승된 내부 압력에 의해 변형됨에 따라 파괴되는 파단부를 갖는 절연 플레이트와, 상기 절연 플레이트의 상부에 배치되고, 상기 가변 플레이트의 단자부와 서로 전기적으로 연통된 터미널 캡과, 절연성 소재로 구비되어 상기 개구부의 내측면과 적어도 상기 절연 플레이트 및 터미널 캡과의 사이에 배치된 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지를 제공한다.

Description

안전장치를 구비한 이차전지{Secondary battery with safety device}

도 1은 종래 이차 전지의 구조를 나타내는 부분 단면도.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 이차 전지를 도시한 부분 단면도.

도 3은 도 2의 A 부분에 대한 부분 확대 단면도.

도 4는 도 2의 이차전지의 캡 어셈블리를 도시한 분해 사시도.

도 5 및 도 6은 도 2의 이차전지의 작용을 나타내는 단면도.

도 7 및 도 8은 각각 본 발명의 이차전지 중 절연 플레이트의 서로 다른 실시예들을 나타내는 분해 사시도.

도 9 및 도 10은 각각 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 부분 및 그 캡 어셈블리의 분해 사시도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

20: 캔 201: 개구부

21: 발전수단 211: 제 1 전극 탭

30: 캡 어셈블리 31: 가변 플레이트

312: 안전변 32: 단자부

33: 절연막 34: 가스켓

35: 절연 플레이트 35a: 파단부

36: 전류 제한기 37: 터미널 캡

본 발명은 전지의 비정상적인 작동에 따라 내부압이 상승했을 때 전류를 차단할 수 있는 안전장치를 구비한 밀폐형 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 그 밀봉구조가 더욱 개선된 안전변을 구비한 이차 전지에 관한 것이다.

이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 대표적으로 니켈수소(Ni-MH)전지, 리튬(Li)전지, 리튬이온(Li-ion)전지, 폴리머리튬(PLI)전지가 사용되고 있다. 또한 이러한 이차 전지는 외관상 원통형 전지와 각형 전지, 전극 젤리 롤을 파우치에 수납하는 파우치형 전지로 구분된다.

이들 이차 전지는 기재에 활물질을 도포하고 이를 건조, 롤 프레스 및 절단하여 형성시킨 양극 및 음극과 그 사이에 세퍼레이터를 삽입하여 권취시킨 젤리 롤형 전극 조립체, 즉, 발전요소를 사용한다. 곧, 원통형 전지는 상기 발전요소를 원통형 캔에 수납하고 전해액을 주입 후, 밀봉하는 것이고, 각형 전지는 상기 발전요소를 압박하여 평평하게 한 다음 각형 캔에 수납하는 것이다.

상기와 같은 이차전지 중 원통형 이차전지에는 과충전이나 이상 작동에 의해 전지의 내부 압력이 허용치 이상으로 상승될 경우 그 내부 압력에 의해 소정 형상의 플레이트가 파단되어 전류의 흐름을 차단하는 전류 차단 장치가 구비된다.

그 일 예로, 미국 특허 제 5,418,082호에는 전류차단수단을 갖는 밀폐전지가 개시되어 있는 데, 상기 밀폐전지에는 캔의 개구부에 내압을 받아 변형하는 안전밸브가 가스켓을 개재하여 밀봉 결합되어 있다. 이 안전밸브에는 하향 돌기가 구비되고, 상기 하향 돌기는 발전요소의 전극 탭이 용접된 금속 박판과 용접 결합되어 있다. 따라서, 전지 내부에서 압력이 상승하여 상기 안전 밸브의 하향 돌기가 상향 변형되면 안전밸브의 돌기와 금속 박판의 용접 결합이 분리되어 전류를 차단하는 것이다.

상기와 같은 전류차단수단을 구비한 밀폐전지에 있어서, 전류의 차단 여부는 안전밸브의 돌기와 금속 박판의 용접 품질에 영향을 많이 받게 되나, 실제 용접시 작용하는 많은 변수들로 인해 용접 조건을 정확히 맞추기 어려워 전류차단수단의 신뢰성을 보장하기 어렵게 된다. 또한, 안전밸브의 돌기와 금속 박판의 용접부가 시간의 경과에 따라 전해액과 반응하여 산화되거나 강도가 약해져 외부 충격에 쉽게 분리되는 등 작동 압력의 오차가 발생하며, 전지 안전성의 신뢰도에 치명적인 영향을 미치게 된다.

이러한 종래 원통형 전지에 있어서의 전류차단수단의 단점을 개선하기 위한 것으로서, 대한민국 공개특허공보 제2001-81549호 및 제2001-81550호에는 보다 신뢰성있는 전류차단수단이 구비된 밀폐전지가 개시되어 있으며, 이를 도 1에 도시하였다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 밀폐전지는 양극, 음극 및 세퍼레이터로 구비된 발전수단(11)이 수납되는 캔(10)과, 상기 캔(10)의 개구부에 가스켓(12)을 개 재하여 결합 밀봉되고 전지 내압에 의해 상향 변형되는 가변 플레이트(13)와, 상기 가변 플레이트(13)의 상부에 배치되는 전류차단수단(14)과, 상기 전류차단수단(14)의 상부에 배치되는 PTC 소자(15)와, 상기 PTC 소자(15)의 상부에 배치되는 터미널 캡(16)으로 구비된다.

상기 전류차단수단(14)은 가변 플레이트(13)의 변형 중심 상부를 가로지르도록 설치된 트래버스(17a)를 포함하는 절연인쇄기판(17)과, 상기 절연인쇄기판(17)의 상부 및 하부에 각각 형성된 상부 및 하부 도전박막(18)(19)과, 상기 상부 및 하부 도전박막(18)(19)을 서로 연통시켜주는 연통 수단(14a)과, 상기 절연인쇄기판(17)의 트래버스(17a)에 구비된 파단부(14b)로 구비되고, 상기 상부 도전박막(18)은 일측 단부만이 터미널 캡(16)과 연통되도록 사기 트래버스(17a)보다 짧게 형성되고, 상기 하부 도전박막(19)은 상기 상부 도전박막(18)에 반비례하는 길이비로 그 단부가 상부 도전박막(18)과 일부 겹치도록 형성된다.

상기와 같은 전류차단수단(14)에서는 전지 내압이 허용치 이상으로 상승하면 가변 플레이트(13)가 상향 변형되고, 이에 따라 트래버스(17a)에 형성된 파단부(14b)가 파단되면서 전류가 차단되는 것으로, 전류의 차단 여부가 가변 플레이트의 기계적 변형에 따른 파단부의 파단에 기인하므로, 전류 차단에 보다 신뢰성을 줄 수 있는 장점을 갖는다.

그러나, 상기와 같은 전류차단수단을 구비한 밀폐전지에 있어서도, 전지의 안전성 평가 시험 중 낙하, 충격 및 진동 등 기계적 안전성을 평가하는 시험에서는 전해액의 누액이 일어날 염려가 있다. 이는 도 1에서 볼 수 있듯이, 가변 플레이트(13)를 비롯해 전류차단수단(14), PTC소자(15) 및 터미널 캡(16)까지 캔(10)의 개구부를 밀봉하는 요소들이 캔(10)의 개구부 내벽과의 사이에 가스켓(12)을 개재한 체로 클램핑(clamping)결합되어 있기 때문이다. 즉, 상기와 같은 구성에서는 캔(10)의 개구부를 밀봉하는 요소들 중 어떠한 것도 캔(10)과는 접합되어 있지 않고, 가스켓(12) 또한 캔(10)의 상단부에 의해 기계적으로 물려 있는 구조이므로 그 밀봉 구조의 어디에도 용접과 같은 접합구조는 존재하지 않는 것이다. 따라서, 이러한 밀봉 구조에서는 낙하시험이나 충격시험 등 캔을 기구적으로 변형시킬 수 있는 시험에서는 전해액이 누액될 소지가 있게 된다.

더욱이 상기와 같은 밀봉 구조에서는 캔(10)에 수납된 발전 수단(11), 즉, 젤리 롤 형의 전극 조립체가 상기와 같은 기계적 안전성 시험 도중 급발작하는 현상이 발생될 수도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전지 내부의 압력 상승 시 효과적으로 전류를 차단할 수 있고, 동시에 전지 캔의 밀폐효과를 높일 수 있는 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 과충전이나 이상 작동에 의해 전지 내압이 상승했을 때에 전지가 파열 및 발화되는 것을 막아 전지의 안전성을 확보함과 동시에, 기계적 충격에 대한 안전성도 확보할 수 있으며, 이들 안전성에 신뢰감을 줄 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상단에 개구부를 가지고, 발전수단을 수납하는 캔과, 상기 개구부의 내측면에 접합되고, 상기 발전수단의 어느 한 전극이 연결되는 단자부를 가지되, 상기 단자부와는 전기적으로 절연된 가변 플레이트와, 상기 가변 플레이트의 상부에 배치되고, 상기 가변 플레이트가 허용치 이상으로 상승된 내부 압력에 의해 변형됨에 따라 파괴되는 파단부를 갖는 절연 플레이트와, 상기 절연 플레이트의 상부에 배치되고, 상기 가변 플레이트의 단자부와 서로 전기적으로 연통된 터미널 캡과, 절연성 소재로 구비되어 상기 개구부의 내측면과 적어도 상기 절연 플레이트 및 터미널 캡과의 사이에 배치된 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 단자부는 상기 가변 플레이트를 관통하는 단자 핀과, 상기 단자 핀과 상기 가변 플레이트의 사이에 배치되는 절연 부재를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 절연 플레이트의 상면 및 하면에는 각각 상부 및 하부 도전박막이 형성되고, 상기 절연 플레이트에는 상기 상부 및 하부 도전박막을 통전시키는 통전부가 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 절연 플레이트는 그 상면과 하면으로 도전박막이 배치되도록 적어도 하나의 인쇄회로기판으로 구비되고, 상기 인쇄회로기판에는 상기 도전박막들을 통전시키는 통전부가 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 가변 플레이트와 상기 절연 플레이트의 하부 도전박막의 사이에는 절연막이 더 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 통전부는 상기 절연 플레이트를 관통하는 관통공과, 상기 관통공의 내부에 형성된 도전부로 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 절연 플레이트에는 적어도 하나의 비아 홀이 관통 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 파단부는 상기 비아 홀로 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 파단부의 폭은 상기 절연 플레이트의 상기 파단부를 제외한 다른 부분의 폭보다 얇게 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 가변 플레이트는 전지 내압에 의해 파단되는 안전변을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 절연 플레이트와 상기 터미널 캡의 사이에는 전지가 안전 온도 이상으로 승온되면 전류 흐름을 억제 및 차단하는 전류 제한기가 더 구비될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 것이며, 특히, 캡 어셈블리의 구조에 대하여 보다 상세히 나타낸 것이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이차 전지는 상단에 개구부(201)를 갖는 원통형의 캔(20)과, 상기 캔(20)의 내부에 수납되는 발전수단(21)과, 상기 캔(20)의 개구부(201)를 밀봉하는 캡 어셈블리(30)로 구비된 다.

상기 캔(20)의 내부에 수납되는 발전수단(21)은 양극판 및 음극판이 세퍼레이터를 개재하여 권취된 전극 조립체와, 전해액으로 구비된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 이차 전지는 리튬 이차전지일 수 있으며, 이 때, 상기 양극판은 스트립 형상의 알루미늄 박판으로 된 양극 집전체를 구비하며, 이 양극 집전체의 적어도 일면에는 양극 활물질을 포함한 양극합제가 코팅되는 데, 상기 양극합제는 리튬계 산화물의 양극 활물질에, 바인더, 가소제, 도전재 등이 함유된 혼합물로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 음극판은 스트립 형상의 구리 박판으로 된 음극 집전체를 구비하며, 상기 음극 집전체의 적어도 일면에는 음극합제가 코팅되는 데, 상기 음극 합제는 탄소재의 음극 활물질에, 바인더, 가소제, 도전재 등이 함유된 혼합물로 이루어질 수 있다. 이러한 양극판의 일측과 음극판의 일측 사이 및 양극판의 타측에는 각각 세퍼레이터가 설치되고, 이 적층체가 권취되어 전극 조립체를 형성한다. 상기 세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이를 상호 절연하는 한편, 극판들간에 활물질 이온이 교환될 수 있게 한다. 상기 세퍼레이터는 전극 조립체가 수축 및 팽창되더라도 극판들 사이를 완전히 절연할 수 있도록 충분한 길이로 이루어지는 것이 바람직하며, 폴리 에틸렌 수지막으로 구비될 수 있다. 그리고, 전해액은 리튬염에 유기용매가 혼합된 액을 사용한다.

상기와 같이 형성된 전극 조립체로부터는 양극 및 음극 전극 탭이 인출되는 데, 양극 전극 탭은 알루미늄으로 구비되고, 음극 전극 탭은 니켈로 구비될 수 있다.

도 2에서 볼 수 있는 바와 같은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 발전수단(21)의 전극 조립체로부터 제 1 전극 탭(211)이 상부로 인출되는 데, 이 제 1 전극 탭(211)은 양극 탭일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 이 제 1 전극 탭(211)이 음극 탭일 수도 있다.

이처럼 상기 제 1 전극 탭(211)이 캔(20)의 개구부(201)측으로 인출되는 데 반해, 제 2 전극 탭(미도시)은 캔(20)의 바닥부로 인출되어 캔(20)의 내벽에 용접시켜 캔(20) 자체를 제 2 전극 탭과 동일한 극성을 갖도록 한다.

상기와 같은 발전 수단(21)이 수납되는 캔(20)은 알루미늄으로 구비될 수 있으며, 개구부(201)와 발전 수단(21)과의 사이에 비딩부(202)를 구비하여 발전 수단(21)의 전극 조립체가 캔(20) 내부에서 유동하지 않도록 한다.

한편, 상기 캔(20)의 개구부(201)를 밀봉하는 캡 어셈블리(30)는 상기 개구부(201)의 내측면에 접합되고, 상기 발전 수단(21)의 제 1 전극 탭(211)이 연결되는 단자부(32)를 갖는 가변 플레이트(31)와, 상기 가변 플레이트(31)의 상부에 배치되는 절연 플레이트(35)와, 상기 절연 플레이트(35)의 상부에 배치되는 터미널 캡(37)과, 상기 개구부(201)의 내측면과 적어도 상기 절연 플레이트(35) 및 터미널 캡(37)과의 사이에 배치된 가스켓(34)을 포함한다.

상기 가변 플레이트(31)는 도 4에서 볼 수 있듯이, 원판상으로 형성되어 전지의 내부에서 발생한 압력에 의하여 그 압력이 작용하는 방향, 즉, 외측 방향(도면의 외쪽 방향)으로 변형한다. 이 가변 플레이트(31)는 조립 단계에서 전지의 내측 방향(도면의 아래쪽 방향)으로 변형될 수 있는 데, 본 발명에서는 이를 방지하 기 위해 보강 비이드(311)를 형성하였다.

상기와 같은 가변 플레이트(31)는 그 가장자리가 개구부(201)의 내측면에 접합된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 가변 플레이트(31)는 금속제로 구비되어 그 가장자리부가 개구부(201)의 내측면, 더욱 상세하게는 비딩부(202)의 상부에 용접되도록 접합시킬 수 있다. 이렇게 가변 플레이트(31)를 캔(20)의 개구부(201)에 접합시킴으로 인해 전해액의 누액은 상기 가변 플레이트(31)에 의해 차단되게 된다. 물론 상기 가변 플레이트(31)는 절연성 소재로 구비될 수도 있다.

상기 가변 플레이트(31)에 구비된 단자부(32)는 가변 플레이트(31)에 전기적으로 절연되도록 설치되는 것으로, 이 단자부(32)에는 제 1 전극 탭(211)이 용접된다.

상기 단자부(32)는 도 3 및 도 4에서 볼 수 있듯이, 가변 플레이트(31)를 관통하는 단자 핀(321)과, 상기 단자 핀(321)과 가변 플레이트(31)와의 사이에 배치되는 절연 부재(322)로 구비된다. 상기 절연 부재(322)는 상기 단자 핀(321)과 함께 가변 플레이트(31)의 관통공(313)에 삽입되는 튜브상의 제 1 절연 부재(322a)와, 상기 단자 핀(321)의 하부와 가변 플레이트(31)간을 절연시키는 판상의 제 2 절연 부재(322b)로 구비된다. 상기 제 2 절연 부재(322b)의 하부에는 단자 플레이트(323)가 더 개재될 수 있으며, 상기 단자 핀(321)은 그 하부에서 스피닝 결합되어 고정될 수 있다. 이러한 단자부(32)의 구조는 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 가변 플레이트(31)와 절연되도록 설치될 수 있는 것이면 어떠한 구조라도 적용가능하다.

이렇게 가변 플레이트(31)가 접합된 개구부(201)에는 상기 가변 플레이트(31)의 상부로 개구부(201)의 내측면과의 사이에 가스켓(34)을 개재하여 절연 플레이트(35)와, 터미널 캡(37)이 설치된다. 상기 터미널 캡(37)은 통기공(371)을 갖도록 구비될 수 있고, 상기 가변 플레이트(31)에 설치된 단자부(32)와 전기적으로 연통될 수 있다.

상기 터미널 캡(37)과 절연 플레이트(35)의 사이에는 전류 제한기(36)가 설치될 수 있는 데, 상기 전류 제한기(36)는 전지가 안전 온도 이상으로 승온될 때에 급격하게 저항을 발생시켜 전류 흐름을 통제 및 차단하는 것으로, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, PTC 소자를 사용할 수 있다.

가변 플레이트(31)의 상부에 설치되는 절연 플레이트(35)는 가변 플레이트(31)와 터미널 캡(37)의 사이에 설치되어 평상시에는 상기 가변 플레이트(31)에 설치된 단자부(32)와 터미널 캡(37)을 통전시켜 주고, 전지의 비정상적인 작동으로 전지 내압이 허용치 이상으로 상승될 때에는 상기 가변 플레이트(31)의 변형에 의해 그 파단부(35a)가 파단되어 전류 흐름을 차단하는 전류 차단 수단으로 작동한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상기 절연 플레이트(35)는 도 2 및 도 4에서 볼 수 있듯이, 중공의 플레이트 본체(351)와, 그 상부 및 하부로 결합되는 상부 및 하부 도전박막(353)(355)으로 구비된다. 상기 플레이트 본체(351)는 열 경화성 수지재인 페놀수지, 우레아수지, 멜라민수지, 푸란수지, 에폭시수지, 알킬드 수지, 폴리아미드, 폴리우레탄 등으로 형성될 수 있다. 이 밖에 상기 절연 플레이트(35)는 통상적인 인쇄회로기판(PCB)을 그 인쇄면이 상하 양방향을 향하도록 결합시켜 사용하거나, 양면이 도전 인쇄된 인쇄회로기판을 사용할 수 있는 데, 이에 대해서는 후술한다.

상기 플레이트 본체(351)에는 그 중공부를 가로지르도록 제 1 브릿지(352)가 형성되는 데, 상기 제 1 브릿지(352)는 상기 가변 플레이트(31)의 변형 중심부를 가로지르도록 형성된다. 이 제 1 브릿지(352)에는 가변 플레이트(31)의 변형 압력에 의해 파단되는 제 1 파단 홈(352c)이 형성되는 데, 이 제 1 파단 홈(352c)은 제 1 브릿지(352) 중 그 너비가 타부에 비해 좁게 구비된 부분으로, 도 4에서 볼 수 있듯이, 제 1 브릿지(352)가 연장되기 시작하는 시작부에도 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면, 상기 플레이트 본체(351)는 이처럼 중공의 원판형으로 형성되지 않고, 가변 플레이트(31)의 변형 중심부를 가로지르는 상기 제 1 브릿지(352)만으로 구비될 수 있다. 상기와 같이,제 1 파단 홈(352c)이 형성된 부분에는 제 1 홀(352a)이 천공될 수 있는 데, 이 제 1 홀(352a)은 제 1 파단 홈(352c)의 파단을 도와주는 역할을 하게 된다. 그리고, 상기 제 1 홀(352a) 중 중앙에 위치한 것으로는 후술하는 바와 같이, 통전부(35b)가 구비될 수 있다.

상기 플레이트 본체(351)의 상부 및 하부로는 각각 상부 도전박막(353) 및 하부 도전박막(355)이 결합되는 데, 이들은 상기 플레이트 본체(351)에 도전성 박막이 인쇄되어 형성될 수 있으며, 별도의 도전박막을 접합시켜 형성될 수도 있다. 이들 상부 도전박막(353) 및 하부 도전박막(355)에도 그 중공부를 가로지르도록 제 2 및 제 3 브릿지(354)(356)가 형성된다. 상기 제 2 및 제 3 브릿지(354)(356)는 상기 제 1 브릿지(352)의 상부 및 하부에 각각 결합된다. 또한, 이들 제 2 및 제 3 브릿지(354)(356)에도 가변 플레이트(31)의 변형 압력에 의해 파단되는 제 2 및 제 3 파단 홈(354c)(356c)이 각각 형성되는 데, 이 제 2 및 제 3 파단 홈(354c)(356c)은 제 2 및 제 3 브릿지(354)(356) 중 그 너비가 타부에 비해 좁게 구비된 부분으로, 도 4에서 볼 수 있듯이, 제 2 및 제 3 브릿지(354)(356)가 연장되기 시작하는 시작부에도 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르면, 상기 상부 도전박막(353) 및 하부 도전박막(355)도 상기 제 2 및 제 3 브릿지(354)(356)만으로 구비될 수 있다. 상기와 같이, 제 2 및 제 3 파단 홈(354c)(356c)이 형성된 부분에는 제 2 및 제 3 홀(354a)(356a)이 천공될 수 있는 데, 이 제 2 및 제 3 홀(354a)(356a)은 제 2 및 제 3 파단 홈(354c)(356c)의 파단을 도와주는 역할을 하게 된다. 그리고, 상기 제 2 및 제 3 홀(354a)(356a) 중 중앙에 위치한 것으로는 후술하는 바와 같이, 통전부(35b)가 구비될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 절연 플레이트(35)에 구비되는 파단부(35a)는 상기 제 1 내지 제 3 파단 홈들(352c)(354c)(356c)의 결합에 의해 구비되며, 상기 제 1 내지 제 3 홀(352a)(354a)(356a)도 이 파단부(35a)의 파단을 도와주게 된다.

상기 상부 도전박막(353) 및 하부 도전박막(355)에 의해 터미널 캡(37)과 단자부(32)가 통전되는 데, 상기 상부 도전박막(353)과 하부 도전박막(355)은 제 1 내지 제 3 홀(352a)(354a)(356a)에 구비된 통전부(35b)에 의해 상호 통전될 수 있 다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 통전부(35b)는 상기 제 1 내지 제 3 홀(352a)(354a)(356a) 중 중앙에 위치한 홀에 전도성 막대를 상기 홀에 삽입할 수도 있고, 그 홀의 내벽을 전도성 물질로 인쇄함으로써 얻어질 수 있다.

한편, 상기 상부 도전박막(353)의 제 2 브릿지(354)는 파단부(35a)의 파단 시 전기적인 연결을 끊기 위해 그 전체 길이를 상기 제 1 브릿지(352)의 길이보다 짧게 형성할 수 있다. 또, 하부 도전박막(355)의 제 3 브릿지(356)도 상기 제 2 브릿지(354)에 대응하여 상기 제 1 브릿지(352)의 길이보다 짧게 형성할 수 있다. 상기 제 2 브릿지(354)와 제 3 브릿지(356)는 서로 엇갈리도록 배치되어 그 일부가 서로 겹치도록 한다. 이 겹치는 영역에 통전부(35b)를 배치한다.

상기 절연 플레이트(35)는 도 5와 같이 전지의 내압 상승에 의해 가변 플레이트(31)가 상향 돌출되고, 그 압력에 의해 파단부(35a)가 끊어져 전류 흐름을 차단할 때, 상부 도전박막(353)이 터미널 캡(37)에 접촉되어 전류를 통하는 것을 방지하기 위해, 터미널 캡(37)과 접속되는 일부 영역, 예컨대, 상부 도전박막(353)의 링 부위의 일부 영역을 제외한 나머지 영역에 절연성 소재로 보호막(353a)이 도포될 수 있다. 이 보호막(353a)은 절연 잉크를 사용하여 형성할 수 있다.

상기와 같은 절연 플레이트(35)는 도 7에서 볼 수 있듯이, 상기 제 2 브릿지(354) 및 제 3 브릿지(356)가 각각 상부 도전박막(353) 및 하부 도전박막(355)으로부터 분리된 구조로 이에 결합되도록 구비될 수 있으며, 도 8에서 볼 수 있듯이, 제 1 내지 제 3 브릿지(352)(354)(356)를 그 폭이 얇게 구비되도록 하고, 상기 파단부(35a)를 상기 제 1 내지 제 3 브릿지(352)(354)(356)들의 제 1 내지 제 3 홀(352a)(354a)(356a) 중 중앙부에 위치한 홀로 구비되도록 할 수도 있다.

한편, 상기 절연 플레이트는 도 9 및 도 10에서 볼 수 있듯이, 단일의 인쇄회로기판(PCB)로 구비될 수 있다. 즉, 양면이 도전성 소재로 인쇄된 인쇄회로기판을 이용하여 중공의 원판형으로 상기 중공부를 가로질러 브릿지(357)가 형성되도록 절연 플레이트(35)를 성형한다. 상기 브릿지(357)는 가변 플레이트(31)의 변형 중심부를 가로지르도록 형성된다. 이 때, 상기 절연 플레이트(35)의 상면은 상부 도전박막(353)이 되고, 하면은 하부 도전 박막(355)이 된다. 상기와 같은 절연 플레이트(35)는 반드시 도 10에 도시된 형상일 필요는 없으며, 브릿지(357)의 형상만으로 구비될 수 있다.

상기 브릿지(357)에는 적어도 하나의 홀(357a)이 형성되고, 홀(357a)이 형성된 부분에는 브릿지(357)의 폭이 타부보다 좁게 형성된 파단 홈(357c)이 형성된다. 상기 홀(357a) 중 브릿지(357)의 중앙부에 형성된 홀에는 그 홀의 내부에 도전 처리가 되도록 하여 상부 도전 박막(353)과 하부 도전 박막(355)이 서로 통전되도록 하는 통전부(35b)를 형성한다. 그리고, 이 통전부(35b)가 구비된 부분의 파단 홈(357c)은 가변 플레이트(31)의 변형에 의해 파단되는 파단부(35a)를 이루게 된다.

이러한 구조에 있어서도, 절연 플레이트(35)의 상부면에는 터미널 캡(37)과 통전되는 부분을 제외하고는 보호막(353a)이 도포되도록 하여 상기 브릿지(357)의 파단 시 터미널 캡(37)으로 전류가 흐르는 일이 없도록 할 수 있다.

한편, 상기 하부 도전박막(355)은 가변 플레이트(31)에 설치된 단자부(32)와 통전되는 것으로, 도 2 및 도 3에서 볼 수 있듯이, 단자 핀(321)이 제 3 브릿지(356)에 닿아 서로 통전될 수 있도록 할 수 있다. 이 때, 상기 하부 도전박막(355)은 상기 가변 플레이트(31)와는 절연되도록 해야 하는 데, 이는 상기 가변 플레이트(31)가 캔(20)의 개구부(201)의 내벽에 용접되어 있어 캔과 동일한 극성을 띠기 때문이다. 따라서, 상기 하부 도전박막(355)과 가변 플레이트(31)의 절연을 위해 하부 도전박막(355)과 가변 플레이트(31)의 사이에는 절연막(33)이 더 구비된다. 이 절연막(33)은 상기 단자 핀(321)은 노출되도록 형성되는 것으로, 절연 잉크를 이용해 가변 플레이트(31)의 상부에 도포 또는 코팅시켜 형성할 수 있다. 물론 상기 절연막(33)은 상기 가변 플레이트(31)가 절연성 소재로 구비될 경우에는 장착할 필요가 없다.

이와 같이 구성된 캡 어셈블리(30)는 캔(20)의 개구부(201)의 내측, 즉, 비딩부(202)의 상부로 절연막(33)이 형성된 가변 플레이트(31)를 접합시킨 후, 그 위로 절연성 소재로 구비된 가스켓(34)을 개재하여 절연 플레이트(35), 전류 제한기(36) 및 터미널 캡(37)을 순차로 적층시켜 상기 개구부(201)를 가스켓(34)과 함께 클램핑함으로써 조립된다.

이렇게 조립된 이차전지는 전지의 밀폐성을 더욱 향상시킴과 동시에 이상 작동에 따른 내압 상승시에도 전류를 차단할 수 있어 전지의 안전성이 향상될 수 있다.

한편, 상기와 같은 이차전지는 상기 절연 플레이트(35)가 파단되어 전류가 차단된 후에도 내압 상승이 계속될 수 있기 때문에 제 2의 안전 수단으로서 내부 가스를 배출시켜 폭발을 방지하는 방폭장치를 제공한다.

즉, 도 2 내지 도 4에서 볼 수 있는 실시예를 비롯해, 도 7 내지 도 10에 나타난 실시예들의 경우, 가변 플레이트(31)에 홈 형상으로 구비된 안전변(312)을 형성하여 이 안전변(312)에 의해 가변 플레이트(31)에 구멍이 형성되어 내부 가스 및 전해액이 외부로 배출될 수 있도록 한다. 상기 안전변(312)은 기계적인 방법이나 에칭 및 전기 주형법으로 일정 깊이의 홈을 형성하므로 실현할 수 있다.

다음으로, 상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 이차 전지의 작용을 도 5 및 도 6을 참조로 설명한다. 이하, 설명될 본 발명의 이차 전지의 작용은 도 2 내지 도 4에 도시된 이차 전지를 참고로 한 것으로, 도 7 내지 도 10에 도시된 본 발명의 다른 실시예들의 경우도 그 작용은 동일하므로 설명은 생략한다.

먼저, 도 2 내지 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 이차전지는 상기 가변 플레이트(31)에 의해 일차로 밀봉되고, 가스켓(34)을 개재한 클램핑 구조에 의해 이차로 밀봉되어 전지의 밀폐압이 향상될 수 있으며, 기계적 충격에 대해서도 전해액이 누액되지 않게 된다. 따라서, 전지의 안전성 평가 항목 중 낙하 시험, 충격 시험 및 진동 시험 등 기계적 안전성 평가 시험에서도 전해액이 누액되거나, 시험 도중 전극 조립체가 급발작하는 일을 줄일 수 있게 된다.

또한, 상기 이차전지는 전지의 오용, 쇼트 및 기타 악조건에 의해 전지 내압이 상승할 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 가변 플레이트(31)가 외측으로 변형되고, 그 변형 압력에 의해 절연 플레이트(35)의 파단부(35a)가 파단되어 전류의 흐 름이 차단된다.

이렇게 전류가 차단된 후에도 전지의 내압이 계속 상승할 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이, 가변 플레이트(31)의 안전변(312)이 파단되어 가변 플레이트(31)에는 구멍이 형성되고, 이 구멍을 통해 가스 및 전해액이 배출되어 터미널 캡(37)의 배출공(371)을 통해 외부로 배출된다. 이렇게 가스 및 전해액을 외부로 배출시킴에 따라 전지의 폭발을 미연에 방지할 수 있게 된다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 가변 플레이트가 캔의 개구부에 접합되어 전지의 밀폐압을 더욱 향상시키고, 전해액의 누액을 방지할 수 있다.

둘째, 기계적 안전성 시험 중 전극 조립체의 급발작을 방지할 수 있다.

셋째, 전지의 오용, 쇼트 및 기타 악조건에 의해 전지 내압이 상승할 경우에 전류의 흐름을 차단하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

넷째, 전지의 내압이 상승하여 폭발 위험이 있을 경우 가스 및 전해액을 배출시켜 안전성에 신뢰성을 줄 수 있다.

다섯째, 전지의 밀폐성을 향상시켜 불량률을 줄일 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 (11)

1. 상단에 개구부를 가지고, 발전수단을 수납하는 캔;

   상기 개구부의 내측면에 접합되고, 상기 발전수단의 어느 한 전극이 연결되는 단자부를 가지되, 상기 단자부와는 전기적으로 절연된 가변 플레이트;

   상기 가변 플레이트의 상부에 배치되고, 상기 가변 플레이트가 허용치 이상으로 상승된 내부 압력에 의해 변형됨에 따라 파괴되는 파단부를 갖는 절연 플레이트;

   상기 절연 플레이트의 상부에 배치되고, 상기 가변 플레이트의 단자부와 서로 전기적으로 연통된 터미널 캡; 및

   절연성 소재로 구비되어 상기 개구부의 내측면과 적어도 상기 절연 플레이트 및 터미널 캡과의 사이에 배치된 가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 단자부는 상기 가변 플레이트를 관통하는 단자 핀과, 상기 단자 핀과 상기 가변 플레이트의 사이에 배치되는 절연 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 절연 플레이트의 상면 및 하면에는 각각 상부 및 하부 도전박막이 형성되고, 상기 절연 플레이트에는 상기 상부 및 하부 도전박막을 통전시키는 통전부가 구비된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 절연 플레이트는 그 상면과 하면으로 도전박막이 배치되도록 적어도 하나의 인쇄회로기판으로 구비되고, 상기 인쇄회로기판에는 상기 도전박막들을 통전시키는 통전부가 구비된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 가변 플레이트와 상기 절연 플레이트의 하부 도전박막의 사이에는 절연막이 더 구비된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 통전부는 상기 절연 플레이트를 관통하는 관통공과, 상기 관통공의 내부에 형성된 도전부로 구비된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 절연 플레이트에는 적어도 하나의 비아 홀이 관통 형성된 것을 특징으 로 하는 이차 전지.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 파단부는 상기 비아 홀로 구비된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 파단부의 폭은 상기 절연 플레이트의 상기 파단부를 제외한 다른 부분의 폭보다 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 가변 플레이트는 전지 내압에 의해 파단되는 안전변을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 절연 플레이트와 상기 터미널 캡의 사이에는 전지가 안전 온도 이상으로 승온되면 전류 흐름을 억제 및 차단하는 전류 제한기가 더 구비된 것을 특징으로 하는 이차 전지.

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