KR100877811B1 - 양측 하단에 단차가 형성되어 있는 이차전지용 안전부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지용 전극조립체의 양면에 부착되는 한 쌍의 시트형 안전부재로서, 각각의 안전부재는 양극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트와 음극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트 및 상기 두 금속시트 사이에 개재되는 절연시트로 이루어져 있고, 양측 안전부재들 중 외측 금속시트는 하단에서 상호 연결되어 있으며, 그러한 하단 연결부는 금속시트보다 좁은 폭으로 이루어져 있고, 상기 외측 금속시트의 양측 하단 모서리는 독립된 구조의 내측 금속시트의 양측 하단 모서리보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 안전부재, 및 이러한 안전부재를 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지를 제공한다.

Description

양측 하단에 단차가 형성되어 있는 이차전지용 안전부재 {Safety Member for Secondary Battery Having Steps-formed End Portion at Bottom of Both Sides}

도 1은 종래의 파우치형 이차전지의 일반적인 구조에 대한 분해 사시도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 안전부재의 분해 사시도이다;

도 3은 도 2의 정면도이고, 도 4는 도 3의 부분 확대도이다;

도 5a는 도 4의 선 A에 따른 부분 단면도이고, 도 5b는 도 5a의 비교예에 따른 안전부재의 부분 단면도이다;

도 6는 도 2의 안전부재가 부착되어 있는 전극조립체의 사시도이다.

본 발명은 양측 하단에 단차가 형성되어 있는 이차전지용 안전부재 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차전지용 전극조립체의 양면에 부착되는 한 쌍의 시트형 안전부재로서, 각각의 안전부재는 양극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트와 음극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트 및 상기 두 금속시트 사이에 개재되는 절연시트로 이루어져 있고, 양측 안전부재들 중 외측 금속시트는 하단에서 상호 연결되어 있으며, 그러한 하단 연결부는 금속시트보다 좁은 폭으로 이루어져 있고, 상기 외측 금속시트의 양측 하단 모서리는 독립된 구조의 내측 금속시트의 양측 하단 모서리보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 안전부재, 및 이러한 안전부재를 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지를 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(100)는, 전극조립체(300), 전극조립체(300)로부터 연장되어 있는 전극 탭들(310, 320), 전극 탭들(310, 320)에 용접되어 있는 전극리드(410, 420), 및 상기 전극조립체를 수용하는 전지케이스(200)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

전극조립체(300)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극 탭들(310, 320)은 전극조립체(300)의 각 극판으로부터 연장되고, 전극리드(410, 420)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극 탭들(310, 320)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(200)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극리드(410, 420)의 상하면 일부에는 전지케이스(200)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(430)이 부착되어 있다.

케이스(200)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(300)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(300)의 경우, 다수의 음극 탭들(310)과 다수의 양극 탭들(320)이 전극리드(410, 420)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(200) 내부 상단은 전극조립체(300)로부터 이격되어 있다.

이와 같은 파우치형 이차전지(100)는 기계적 강성이 작은 전지케이스(200)에 전극조립체(300)가 내장되어 있으므로, 외부충격, 낙하 등에 의하여 쉽게 변형되고, 그러한 변형시 내부단락이 유발될 가능성이 매우 높다. 특히, 전지케이스(200)의 양측 하단 모서리는 취약하므로, 그러한 모서리에 강한 충격이 가해지거나 전지가 모서리 방향으로 낙하될 때, 내부 단락의 가능성은 더욱 높아진다.

한편, 전지의 낙하, 진동 등과 더불어 빈번하게 발생하는 침상체 관통시의 내부 단락에 의한 전류의 급격한 흐름 및 전지의 발화 또는 폭발을 방지하고, 보다 효율적인 방법으로 전지의 안전성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 첫 번째 목적은 전지의 낙하시 발생되는 내부 단락 및 침상체의 압박 또는 관통으로 인한 내부 단락을 방지함으로써, 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 안전부재를 제공하는 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 특히 전지의 모서리 부분으로의 낙하에 따른 전지의 안전성을 한층 더 향상시킬 수 있는 안전부재를 제공하는 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은 불가피하게 단락이 이루어졌을 경우에도 열의 발생을 최소화하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 안전부재를 제공하는 것이다.

본 발명의 네 전째 목적은 이러한 안전부재를 포함하는 것으로 구성된 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 안전부재는 이차전지용 전극조립체의 양면에 부착되는 한 쌍의 시트형 안전부재로서, 각각의 안전부재는 양극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 A)와 음극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 B) 및 상기 두 금속시트 사이에 개재되는 절연시트로 이루어져 있고, 양측 안전부재들 중 외측 금속시트(시트 A 또는 B)는 하단에서 상호 연결되어 있으며, 그러한 하단 연결부는 금속시트보다 좁은 폭으로 이루어져 있고, 상기 외측 금속시트(시트 A 또는 시트 B)의 양측 하단 모서리는 독립된 구조의 내측 금속시트(시트 B 또는 시트 A)의 양측 하단 모서리보다 상대적으로 큰 것으로 구성되어 있다.

이차전지는 우수한 성능에도 불구하고 안전성 측면에서 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 외부로부터 침상체 등의 물체가 전지를 압박하거나 그것을 관통하게 되면, 양극과 음극이 접촉되면서 단락이 유발되고, 이러한 단락시 전극 활물질들의 반응에 의해 온도가 급격히 상승하게 된다. 특히, 전기전도성이 낮은 리튬 전이금속 산화물 등의 양극 활물질은 단락시 많은 열을 발생시키므로 발화 내지 폭발에까지 이를 수 있다.

반면에, 상기 안전부재가 전극조립체의 양면에 부가되어 있으면, 상기와 같은 침상체에 의한 전극조립체의 압박 또는 관통시 안전부재의 금속시트들이 우선적으로 접촉되어 단락을 유발하여 통전을 이루게 된다. 그러나, 안전부재의 금속시트에는 전극 활물질이 도포되어 있지 않으므로, 단락에 의한 발열량이 상대적으로 매우 낮으므로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

이러한 우선적 단락이 가능할 수 있도록, 앞서 설명한 바와 같이, 안전부재는 전극 활물질이 도포되어 있지 않은 두 개의 금속시트들이 절연 시트가 개재된 상태로 각각 전지의 양극단자와 음극단자에 연결되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 안전부재는, 두 금속시트가 각각 양극과 음극에 연결되어 있는 상태로 전극조립체의 양면을 감쌈으로써, 침상체의 관통시 일차적으로 미세 단락을 유발하여 전지의 발화 및 폭발을 예방할 수 있다.

더욱이, 안전부재가 전극조립체의 하단면을 감싸면서 상단의 전극단자에 연결되어 있으므로, 외부 충격시 전극조립체의 극판들이 이동함으로써 유발되는 내부저항의 증가를 억제하여 전지의 성능 및 수명 특성의 악화를 방지할 수 있고, 전지의 조립과정에서 전극조립체의 취급을 용이하게 하여 전지의 제조공정의 생산성을 더욱 향상시킨다.

또한, 빈번하게 발생하는 전지의 모서리 부위로의 낙하에 의한 내부 단락을 방지할 수 있는 등 일반적인 외부충격에 대해 전지의 안전성을 담보할 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 안전부재의 두 금속시트는 전극조립체의 양극 및 음극을 구성하는 집전체와 동일한 소재일 수 있는 바, 예를 들어, 상기 시트 A는 활물질이 도포되어 있지 않은 알루미늄 호일이고, 상기 시트 B는 활물질이 도포되어 있지 않은 구리 호일일 수 있다. 알루미늄에 비해 구리의 연성이 상대적으로 높으므로, 상기 구조의 안전부재에서 구리 시트 B는 하단부가 상호 연결되어 있는 일체형의 구조이고, 알루미늄 시트 A는 연결되어 있지 않은 분리형의 구조인 것이 바람직하다.

안전부재에서 두 금속시트들이 모두 연결된 구조도 고려할 수는 있으나, 이 경우 전극조립체의 외면을 감싸기 위한 절곡이 용이하지 않고, 절곡시 두 금속시트들의 절곡면에서 변형 크기의 차이로 인해 금속시트들이 절연 시트로부터 분리될 수 있으므로 바람직하지 않다.

본 발명에서, 상기 안전부재는 전지가 모서리 방향으로 낙하될 때, 전지의 형상 변화(변형)로 인한 단락을 방지하기 위하여, 양측 하단 모서리가 둥근 형상의 라운딩 구조로 이루어진 금속시트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기의 바람직한 예에서처럼 시트 B의 하단부가 상호 연결되어 있는 경우, 하단 연결부를 기준으로 상호 대면하는 위치의 하단 모서리들은 둥근 라운딩 구조로 이루어져 있으며, 그에 대응하는 위치에서 시트 A의 하단 모서리들 또한 둥근 라운딩 구조로 이루어져 있다.

상기의 예에서, 시트 B의 양측 하단 모서리는 시트 A의 양측 하단 모서리보다 작은 반경의 라운딩 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 시트 B의 양측 하단 모서리는 상대적으로 작은 반경의 라운딩 구조를 이루고, 시트 A의 양측 하단 모서리는 상대적으로 큰 반경으로 완만한 라운딩 구조를 이룬다. 따라서, 이러한 구조의 안전부재는 시트 A가 위치하는 방향에서 정면으로 보았을 때, 안전부재의 양측 하단 모서리에서 시트 B의 모서리가 시트 B의 모서리 보다 소정의 길이만큼 연장되어 있는 형상을 나타낸다.

그러한 시트 B의 양측 하단 모서리는 시트 A에 대해 1 mm 내지 6 mm 정도 큰 것이 바람직하다. 상기 크기 차이가 너무 작은 경우에는 모서리 부위로의 전지 낙하 또는 외부 충격의 인가시 해당 부위에서 단락이 유발될 가능성이 높아지며, 반대로 너무 큰 경우에는 침상체에 의한 관통 또는 압박시 해당 부위에서의 우선적인 단락이 유도하지 못하여 안전성 확보가 어려울 수 있으므로, 바람직하지 않다.

상기의 구조와는 반대로, 시트 A의 양측 하단 모서리가 시트 B의 양측 하단 모서리보다 크게 연장되어 있을 경우, 외부충격에 의한 변형시 시트 B의 양측 하단 모서리가 절곡되어 절연시트를 관통한 후 시트 A에 접촉될 가능성이 매우 높으므로, 바람직하지 않다.

본 발명의 안전부재에서 상기 하단 연결부의 폭은, 예를 들어, 금속시트의 폭을 기준으로 10 내지 95%이다. 하단 연결부는 전극조립체에 부착되는 과정에서 절곡이 이루어지는 부위이므로, 상기 폭이 너무 작은 경우에는 절곡 과정 또는 외부 충격시 파손될 가능성이 높으며, 반대로 폭이 너무 클 경우에는 모서리 부위로의 전지 낙하 또는 외부 충격 인가시 안전부재의 단락 가능성이 높아지므로, 바람직하지 않다. 특히 바람직한 폭의 범위는 60 내지 90%이다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 안전부재의 하단 연결부에는 전극조립체와 접하는 면에 소정의 크기의 절연시트가 추가로 부착될 수 있다. 이하, 본 명세서에서는 시트 A와 시트 B 사이에 개재되는 절연시트를 '제 1 절연시트'로, 하단 연결부에 부착되는 상기 절연시트를 '제 2 절연시트'로 구분하기도 한다.

상기 제 2 절연시트는 안전부재를 전극조립체의 외면에 부착할 때, 상기 안전부재의 절곡 부위에서 안전부재의 내부 금속시트와 전극조립체의 최외각 전극간의 단락을 방지하는 역할을 하므로, 상기 소정의 크기는 분리형 금속시트 각각의 하단부 일부를 감쌀 수 있는 정도의 크기일 수 있다.

상기 제 1 절연시트 및 제 2 절연시트의 소재는 동일할 수도 있지만 서로 다를 수도 있으며, 절연성의 물질이라면 특별히 제한되지 않는다. 그 중에서도 전극조립체의 분리막보다 작은 열수축성을 가진 비다공성 소재로, 예를 들어, 제 1 절연시트는 폴리프로필렌 등으로 이루어질 수 있고, 제 2 절연시트는 폴리에틸렌테레 프탈레이트(PET) 등으로 이루어질 수 있다. 이러한 비다공성 소재의 절연시트들은 전지의 충방전 또는 작동시 발생하는 열에 의하여 수축되는 것을 방지할 수 있다.

경우에 따라서는, 상기 절연시트 및 금속시트는 접착층에 의하여 상호 결합되어 있는 구조일 수 있으며, 그러한 접착층으로는 전지의 전해액에 대해 내성인 물질로 이루어진 것이라면 특별히 제한되지 않고 다양할 수 있는 바, 예를 들어, 전극조립체의 전극 활물질에 포함되어 있는 결착제 중에서 하나로 이루어질 수 있다.

본 발명은 또한, 상기의 안전부재가 전극조립체를 감싼 상태로 전지케이스에 밀봉되어 있는 리튬 이차전지를 제공한다.

상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 스택형 구조와 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 상기 스택형 구조의 전극조립체는 당업계에 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서 그에 대한 설명은 생략한다. 상기 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

본 발명에서 상기 안전부재의 금속시트들은, 전극조립체의 전극 탭들이 연결되어 있는 전극 리드에 각각 접속되어 있는 것이 바람직하다. 이때, 상기 전극 탭들은 다양한 방식으로 전극 리드에 연결될 수 있으며, 바람직하게는 용접에 의해 더욱 안정적으로 연결될 수 있다.

상기 안전부재의 금속시트들은 전극조립체의 외면을 감싼 상태에서 전극조립체의 전극 탭들이 연결되어 있는 전극리드에 각각 접속되어 있다. 이때, 전극 탭들은 다양한 방식으로 전극리드에 연결될 수 있으며, 바람직하게는 용접에 의해 더욱 안정적으로 연결될 수 있으며, 금속시트 또한 그로부터 돌출된 탭을 상기 전극 탭 또는 전극리드에 용접에 의해 연결할 수 있다.

본 발명에 따른 전지는 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.

상기 안전부재는 하단부가 연결된 일체형의 금속시트가 외측을 형성하도록 전극조립체를 감싸고 있는 것이 바람직하다. 즉, 안전부재는 전극조립체에 접하는 방향을 기준으로, 제 2 절연시트/분리형 금속시트/제 1 절연시트/일체형 금속시트의 순으로 이루어져 있다.

본 발명에서, 상기 금속시트의 상단부와 하단부는 상기 안전부재가 전극조립체에 부착되었을 때, 상기 전극조립체의 전극 탭들이 돌출되어 있는 상단을 기준으로 하여, 상기 전극조립체의 상단과 하단에 대응하는 부위를 각각 의미한다.

본 발명에 따른 전지는 특히 고출력 대용량의 전지모듈을 구성하는 단위전지로 바람직하게 사용될 수 있다. 고출력 대용량의 전지모듈은 대용량의 제공을 크게 상대적으로 큰 크기의 고용량 전지가 단위전지로 사용되며, 다수의 단위전지들로 구성되므로 안전성 확보가 더욱 요구된다.

그러나, 이러한 고용량 전지에서는 상기 안전부재의 단락시 상대적으로 많은 전류가 흐를 수 있으므로, 저항을 감소시키기 위하여 안전부재를 이루는 금속 시트의 두께를 증가시킬 필요가 있다. 반면에, 안전부재의 두께 증가는 궁극적으로 전지의 두께 증가를 초래하므로, 적절한 수준으로 제한하는 것이 바람직하다. 본 출원의 발명자들이 행한 실험에 다르면, 알루미늄 시트의 두께를 고정한 상태에서, 상대적으로 전기전도율이 높은 구리 시트의 두께를 증가시킬 경우, 전체적으로 전지의 두께 증가를 최소화하면서, 그에 따른 저항 감소의 효과를 극대화할 수 있는 것으로 확인되었다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지가 고출력 대용량 전지모듈의 단위전지로 사용될 때, 안전부재의 구리 시트는 바람직하게는 알루미늄 시트에 대해 상대적으로 두꺼운 두께로 구성할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 안전부재의 분해 사시도가 도시되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 안전부재의 금속시트에서 돌출 탭이 형성되어 있는 단부를 상단부로 표현한다.

도 2를 참조하면, 안전부재(500)는 구리 시트(510)와 알루미늄 시트(520) 및 두 종류의 절연시트(530, 540)로 구성되어 있다. 구리 시트(510)는 하단 연결부(511)에 의해 일체형의 구조로 이루어져 있으며, 알루미늄 시트(520)는 분리형의 구조로 이루어져 있다. 구리 시트(510) 및 알루미늄 시트(520)는 각각 양측 하단부의 모서리(512, 522)가 둥근 형태의 라운딩 구조로 이루어져 있다. 모서리(512, 522)의 라운딩 구조는 도 2의 안전부재의 정면도 및 일부 확대도가 도시되어 있는 도 3 및 4에서 용이하게 확인할 수 있다.

이들 도면을 참조하면, 구리 시트(510)의 모서리(512)는 알루미늄 시트(520)의 모서리(522)보다 상대적으로 크게 구성되어 있다. 따라서, 도 3에서와 같이, 알루미늄 시트(520)가 위치하는 방향에서 바라보았을 때, 구리 시트(510)의 모서리(512) 일부가 노출되어 있다.

이러한 구조에 따른 효과는, 구리 시트의 모서리가 더 크게 돌출되어 있는 도 4의 안전부재(본 발명의 하나의 실시예에 따른 안전부재)에서 선 A에 대응하는 부분 단면도로 도시되어 있는 도 5a의 구조와, 반대로 알루미늄 시트가 더 크게 돌출되어 있는 안전부재(비교예의 안전부재)에서 부분 단면도로 도시되어 있는 도 5b의 구조를 비교하면, 더욱 용이하게 이해할 수 있다.

우선, 도 5a를 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 안전부재(500)는 제 1 절연부재(530) > 구리 시트(510) > 알루미늄 시트(520)의 크기 순으로 이루어져 있으며, 알루미늄 시트(520)가 접하도록 전극조립체(300)에 부착된다. 이러한 안전부재(500)는 화살표 방향으로 외력이 가해졌을 경우, 구리 시트(510)는 그것의 모서리 단부(512)가 전극조립체(300) 방향으로 휘어짐으로써 충격을 일부 흡수할 수 있고, 그에 따라 전극조립체(300)까지의 절곡 시점까지 단락이 지연된다. 동시에, 구리 시트(510)가 휘어져 B 부위에서 알루미늄 시트(520)와 접하게 되면서 단 락이 유발될 가능성을 낮춘다.

반면에, 도 5b의 안전부재(600)는 제 1 절연부재(630) > 알루미늄 시트(620) > 구리 시트(610)의 크기 순으로 이루어져 있으며, 알루미늄 시트(620)가 접하도록 전극조립체(300)에 부착된다. 이러한 안전부재(600)는 화살표 방향으로 외력이 가해졌을 경우, 구리 시트(610)의 모서리 단부(612)가 제 1 절연부재(630)를 관통하여 B 부위에서 알루미늄 시트(620)와 접하게 되면서 단락이 유발된다. 따라서, 모서리 부분으로의 외부 충격에 의해 안전부재(600)가 쉽게 단락되는 경향이 있다.

한편, 안전부재(500, 600)와 접하는 전극조립체(300)의 최외각 전극은 음극으로 이루어져 있으며, 전극조립체(300)와 안전부재(500, 600) 사이에는 별도의 분리막(도시하지 않음)이 개재되어 있다. 따라서, 도 5b 구조의 안전부재(600)에서는 전단응력에 의해 안전부재(600) 자체가 C 방향으로 밀릴 경우, 알루미늄 시트(620)의 모서리 단부(622)와 전극조립체(300)의 단부(301)가 쉽게 접하면서 단락이 유발될 수 있다. 반면에, 도 5a 구조의 안전부재(500)에서는 두 단부(301, 522)의 이격 거리가 크므로, 안전부재(500) 자체가 C 방향으로 밀리더라도, 알루미늄 시트(520)의 단부(522)와 전극조립체(300)의 단부(301)가 쉽게 접하지 않는다.

또한, 도 5a의 안전부재(500)에서는 구리 시트(510)의 두께(t)를 상대적으로 크게 구성함으로써, 저항을 감소시켜 단락에 의한 열의 발생을 최소화하였다. 이러한 구조의 안전부재(500)는 고용량의 전지에서 특히 바람직하게 적용될 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 안전부재(500)에서 두 종류의 절연시트는 구리 시 트(510)와 알루미늄 시트(520) 사이에 개재되는 제 1 절연시트(530)와 알루미늄 시트(520) 각각의 하단을 덮는 제 2 절연시트(540)이다.

제 1 절연시트(530)는 구리 시트(510)와 알루미늄 시트(520)의 접촉을 방지하기 위하여 이들 보다 큰 크기로 이루어져 있다. 제 2 절연시트(540)는 안전부재(500)가 전극조립체(도시하지 않음)에 접하면서 발생될 수 있는 단락을 방지하기 위하여, 전극조립체의 하단 일부를 감싸는 크기로 이루어져 있다. 이러한 절연시트(530, 540)의 구조 또한, 도 3 및 4에서 확인할 수 있다.

구리 시트(510)와 알루미늄 시트(520)에는 각각의 상단에서 탭들(513, 514, 523, 524)이 돌출되어 있으며, 이러한 돌출 탭들(513, 514, 523, 524)은 전극조립체(도시하지 않음)의 전극 탭들과 연결된다. 안전부재가 전극조립체에 부착되어 있는 구조를 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

안전부재(500)는 전극조립체(300)의 양면과 하측면을 감쌀 수 있는 형상으로, 구리 시트(510)의 연결부(511)에서 절곡되어 전극조립체(300)의 외면에 부착된다. 전극조립체(300)의 상측면에는 다수의 음극 탭들(310) 및 양극 탭들(320)이 돌출되어 있으며, 그러한 음극 탭들(310) 및 양극 탭들(310)은 각각 구리 시트(510)의 돌출 탭들(513, 514) 및 알루미늄 시트(520)의 돌출 탭들(523, 524)과 연결된다. 이때, 구리 시트(510)의 돌출 탭들(513, 514)은 음극 탭들(310)의 상단면 및 하단면에 접속되고, 알루미늄 시트(520)의 돌출 탭(520)들은 양극 탭들(320)의 상단면 및 하단면에 각각 접속된다.

안전부재(500)의 절곡부인 구리시트(510)의 연결부(511)가 전극조립체(300) 의 하측면에 위치함으로써, 연결부(511)에 위치하는 제 2 절연시트(540)로 안전부재(500)의 부착시 단락이 빈번하게 발생하는 전극조립체(300)의 하측면을 감쌀 수 있다. 또한, 상대적으로 좁은 폭(w)으로 구성된 구리 시트(510)의 연결부(511), 및 구리 시트(510)와 알루미늄 시트(520)의 라운딩 구조의 하단부 모서리(512, 522)에 의하여 전극조립체(300)의 하측면 모서리는 제 1 절연시트(530)로만 덮여있다. 이때, 구리 시트의 연결부(511)는 안전부재(500)를 전극조립체(도시하지 않음)에 부착할 때 절곡되는 부위로서, 다른 부위에 비하여 좁은 폭(w)을 가진다. 이러한 구조는 도 3에서도 용이하게 확인할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

두께가 30 ㎛ 인 알루미늄 시트와 두께가 35 ㎛인 구리 시트를 사용하여, 도 2에서와 같은 안전부재를 제조한 후, 도 5에서와 같이 전극조립체의 외면을 감싸도록 상기 안전부재를 부착하고 파우치형 전지케이스에 장착한 다음, 전해액을 주입하고 전지케이스를 밀봉하는 것으로 전지를 완성하였다.

[비교예 1]

안전부재를 전극조립체의 외면에 부착하지 않았다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.

[비교예 2]

양측 하단 모서리에서 구리 시트를 알루미늄 시트보다 상대적으로 작게 구성하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.

[비교예 3]

두께가 30 또는 50 ㎛ 알루미늄 시트와 두께가 30 또는 50 ㎛인 구리 시트를 사용하여 안전부재를 제조하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.

[비교예 4]

두께가 50 또는 100 ㎛인 알루미늄 시트와 두께가 35 또는 50 ㎛인 구리 시트를 사용하여 안전부재를 제조하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1과 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 전지들을 대상으로, 모서리 방향으로의 전지 낙하 실험과 침상체의 관통 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 본 실험에서는 각각 20 개의 전지들에 대해 반복적으로 수행하였 고, 모서리 방향의 낙하 실험은 6면 4모서리 10 회(cycle) 및 모서리 DROP 20 회로서 수행하였으며, 침상체 관통 실험은 DIA 2 mm 및 속도 1 m/분의 조건으로 수행하였다.

<표 1>

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들은 모서리 낙하 실험에서 20 개 전지 모두에서 단락이 유발되지 않았다. 즉, 전극조립체를 감싸고 있는 안전부재에서 구리 시트의 양측 하단 모서리가 알루미늄 시트의 그것보다 크게 구성되어 낙하시 단락이 유발되지 않았다. 또한, 침상 관통시에는 안전부재의 두 금속시트들이 우선적으로 단락을 유발하여 전지의 온도 상승을 억제함으로써 20 개 전지 모두에서 발화가 일어나지 않았다.

반면에, 비교예 1의 전지는 다수의 전지에서 단락 및 발화가 확인되었다. 비교예 2의 전지는 안전부재로 인해 침상 관통시 발화가 유발되지 않았으나, 모서리 낙하시 안전부재의 해당 부위 금속시트들이 접촉되면서 단락이 확인되었다. 다만, 비교예 2의 전지에서 단락은 비교예 1의 전지에서 유발된 단락과는 달리 발열량이 상대적으로 작았다.

[실험예 2]

상기 실시예 1과 비교예 3 및 4의 방법으로 각각 제조된 전지들에 대해 안전부재에서만 단락이 유발되도록 2 mm의 DIA 침상체를 이용하여 관통 실험을 실시하였고, 이때 안전부재의 저항 및 발열량을 측정하여 표 2에 나내었다.

<표 2>

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지에서는 비교예 3 및 4에 비하여 저항이 크게 감소되었고, 그로 인하여 단락시 발생되는 열의 양도 감소되었다. 즉, 비교예 3 및 4를 통해, 금속시트의 두께를 증가시킬 경우 안전부재의 단락에 의한 발열량이 감소되는 것을 확인하였고, 실시예 1 및 비교예 4를 통해, 금속시트 중에서도 구리 시트의 두께를 증가시킬 경우 안전부재의 단락에 의한 발열량이 더욱 크게 감소되는 것을 확인하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 안전부재는 전지의 낙하시 발생되는 내부 단락 및 침상체의 압박 또는 관통으로 인한 내부 단락을 방지할 수 있고, 특히, 전지의 모서리 부분으로의 낙하에 따른 안전성을 한층 더 향상시킬 수 있으며, 불가피하게 단락이 이루어졌을 경우에도 열의 발생을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

1. 이차전지용 전극조립체의 양면에 부착되는 한 쌍의 시트형 안전부재로서, 각각의 안전부재는 양극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 A)와 음극단자에 전기적으로 연결되는 금속시트(시트 B) 및 상기 두 금속시트 사이에 개재되는 절연시트로 이루어져 있고, 양측 안전부재들 중 외측 금속시트(시트 A 또는 B)는 하단에서 상호 연결되어 있으며, 그러한 하단 연결부는 금속시트보다 좁은 폭으로 이루어져 있고, 상기 외측 금속시트(시트 A 또는 시트 B)의 양측 하단 모서리는 독립된 구조의 내측 금속시트(시트 B 또는 시트 A)의 양측 하단 모서리보다 상대적으로 크며, 상기 시트 A는 활물질이 도포되어 있지 않은 알루미늄 호일이고, 상기 시트 B는 활물질이 도포되어 있지 않은 구리 호일이며, 상기 시트 B(구리 호일)는 시트 A(알루미늄 호일) 보다 상대적으로 두께가 두꺼운 것을 특징으로 하는 안전부재.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 시트 B는 그것의 하단부가 상호 연결되어 있는 외측 금속시트인 것을 특징으로 하는 안전부재.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속시트들의 양측 하단 모서리는 둥근 형상의 라운딩 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 안전부재.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 시트 B의 양측 하단 모서리는 시트 A의 양측 하단 모서리보다 작은 반경의 라운딩 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 안전부재.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 하단 연결부의 폭은 금속시트의 폭을 기준으로 60 내지 90%인 것을 특징으로 하는 안전부재.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 시트 A의 양측 하단 모서리는 시트 B에 대해 1 mm 내지 6 mm 정도 큰 것을 특징으로 하는 안전부재.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연시트(제 1 절연시트)는 전극조립체의 분리막보다 작은 열수축성을 가진 비다공성 소재로 이루어져 있고, 상기 안전부재의 하단 연결부에는 전극조립체와 접하는 면에서 안전부재의 길이방향으로 소정 크기의 제 2 절연시트가 부착되는 것을 특징으로 하는 안전부재.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 절연시트는 폴리프로필렌으로 이루어져 있고, 상기 제 2 절연시트는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 이루어진 것을 특징으로 하는 안전부재.
10. 제 1 항에 따른 안전부재가 전극조립체를 감싼 상태로 전지케이스에 밀봉되어 있는 리튬 이차전지.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 전극조립체는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체이고, 상기 안전부재의 금속시트는 전극조립체의 전극 탭들이 연결되어 있는 전극리드에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
13. 제 10 항에 있어서, 상기 안전부재는 하단부가 연결된 금속시트(시트 B)가 외측을 형성하도록 전극조립체를 감싸고 있고 상기 시트 B는 활물질이 도포되어 있지 않은 구리 호일인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 전지는 고출력 대용량 전지모듈의 단위전지로 사용되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.

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