KR100881403B1 - 2차전지의 안전변 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2차전지의 안전변 어셈블리에 관한 것으로, 본 발명은, 내부에 캐소드와 애노드가 세퍼레이터를 개재시켜 권회(券回)된 권회전극체가 구성된 전지캔과, 상기 전지캔의 상부를 폐쇄하는 전도성 재질의 전지 뚜껑과, 전지캔 내부 압력이 소정 압력에 도달했을 때 변형되면서 상기 전지뚜껑과 캐소드와의 전기적 연결을 해제하는 안전변 어셈블리를 포함하여 구성된 2차전지에 있어서, 상기 안전변 어셈블리는, 일측이 상기 전지 뚜껑과 전기적으로 연결되며, 원주방향을 따라 소정 깊이로 변형유도홈이 형성되어 하측으로부터 전달되는 전지의 내압에 의해 변형하도록 된 벤트플레이트와; 상기 벤트플레이트와의 사이에 공간이 형성되도록 벤트플레이트의 하측에 결합되는 하부캡과; 상기 하부캡과 벤트플레이트 사이에 개재되는 링 형태의 절연체와; 상기 하부캡의 중앙에 부착되며, 상기 캐소드와 전기적으로 연결됨과 더불어 상기 벤트플레이트의 중앙부와 접합되어 전기적으로 연결되는 접속디스크를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 2차전지의 안전변 어셈블리를 제공한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 안전변 어셈블리의 벤트플레이트에 다른 부분보다 두께가 얇은 변형유도홈이 형성되므로, 벤트플레이트 전체의 두께를 줄이지 않고도 벤트플레이트가 변형될 수 있는 차단압을 줄일 수 있으며, 차단압의 편차로 줄일 수 있다.

2차전지, 리튬이온전지, 안전변, 안전변 어셈블리, 차단압, 벤트플레이트, 변형유도홈

Description

2차전지의 안전변 어셈블리{safety-vent assembly for Battery}

도 1은 본 발명에 따른 2차전지의 전체 구조를 나타낸 단면도

도 2는 본 발명에 따른 안전변 어셈블리의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도

도 3은 도 2의 안전변 어셈블리의 요부 단면도

도 4는 도 2의 안전변 어셈블리가 차단압에 의해 변형된 상태를 나타낸 단면도

도 5는 도 2의 안전변 어셈블리가 파단압에 의해 파열된 상태를 나타낸 단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

30 : 안전변 어셈블리 31 : 벤트플레이트

31a : 접속돌기 31b : 파단홈

31c : 변형유도홈 32 : 하부캡

32a : 관통공 32b : 통기공

33 : 절연체 34 : 접속디스크

본 발명은 2차전지의 안전변 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2차전지의 비정상적인 작용으로 내부 압력이 규정 이상으로 상승할 경우, 내부 압력에 의해 변형되면서 전기적 흐름을 차단하여 반응을 억제하거나, 내부 압력의 계속적인 상승에 의해 파열되어 내부 가스를 배출시킴으로써 전지의 내압을 감소시키고, 안전을 확보할 수 있도록 하는 2차전지의 안전변 어셈블리에 관한 것이다.

최근들어, 전자 기술의 진보에 따라 카메라 일체형 VTR(비디오 테이프 레코더), 휴대전화, 랩탑 컴퓨터 등의 소형 휴대용 전자 기기가 많이 보급되어 있으며, 이들의 소형화 및 경량화가 도모되고 있다. 따라서, 여기에 사용하는 휴대용 전원 으로서 소형이면서 경량이고 고에너지 밀도를 갖는 전지, 특히 2차전지의 개발이 진행되고 있다. 이러한 2차전지로서는, 예를 들면, 흑연층 사이에서 리튬 이온의 인터칼레이션(intercalation) 반응을 이용한 흑연 재료, 또는 미세 구멍 중에 리튬 이온의 도프·탈도프작용을 응용한 탄소 재료를 애노드 재료로서 사용한 것이 개발되어 실용화되어 있다.

이러한 리튬 이온 전지와 같은 2차 전지는 과충전이나 이상 동작이 발생하게 되면, 양극과 음극의 전위차가 급격하게 좁혀지면서 열 발생과 더불어 전해질이 분해를 하게 되고, 이에 따라 메탄가스나, 수소가스 등의 많은 양의 가스가 발생되고 내부 압력이 높아져 폭발할 가능성이 있다.

따라서, 2차전지에는 이상동작이나 과충전에 의해 내압이 규정 압력 이상으로 상승하는 것을 방지하여 폭발의 위험을 제거하는 안전변 어셈블리가 구성된다.

이러한 안전변 어셈블리는, 내압이 소정의 규정 압력(차단압) 이상에 도달하 게 되면 벤트플레이트(vent plate)가 자동으로 변형되면서 전류의 흐름을 차단하여 더 이상의 반응을 억제하여 안전성을 확보하고, 전지의 내부 압력이 계속 상승하여 차단압보다 더욱 높은 규정 압력(파단압)에 도달할 경우 상기 벤트플레이트가 파단되면서 내부 가스가 외부로 배출되도록 하여 내압을 해소한다.

그러나, 일반적인 2차전지에 구성되는 종래의 안전변 어셈블리는 내압에 의해 변형되는 벤트플레이트가 성형성 등을 고려하여 소정의 두께 이상으로 제작되어야 한다. 따라서, 벤트플레이트의 두께가 너무 두꺼울 경우에는 규정 차단압 범위에서 변형이 발생하지 않아 전류의 차단이 일어나지 않게 되고, 이에 따라 품질 규정을 만족시키지 못하고, 안전성을 저해하는 문제가 있었다.

또한, 성형성 문제로 인하여 벤트플레이트의 두께를 소정 두께 이상으로 유지해야 하기 때문에 차단압을 낮추는데에도 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 내압에 의해 차단이 발생하는 벤트플레이트의 두께를 소정 두께 이상으로 유지하면서도 규정 차단압 범위에서 변형이 이루어져 차단이 확실하게 일어나고, 차단압을 원하는 임의의 값으로 낮출 수 있도록 하여 안전성을 향상시킨 2차전지의 안전변 어셈블리를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 캐소드와 애노드가 세퍼레이터를 개재시켜 권회(券回)된 권회전극체가 구성된 전지캔과, 상기 전지캔의 상부를 폐쇄하는 전도성 재질의 전지 뚜껑과, 상기 전지캔 내부 압력이 소정 압력에 도달했을 때 변형되면서 상기 캐소드와의 전기적 연결을 해제하는 안전변 어셈블리를 포함하여 구성된 2차전지에 있어서, 상기 안전변 어셈블리는, 일측이 상기 전지 뚜껑과 전기적으로 연결되며, 하측으로부터 전달되는 전지 내압에 의해 변형하도록 원주방향을 따라 소정 깊이로 변형유도홈이 형성되어 있으며, 중앙부에 접속돌기가 하방으로 돌출형성된 벤트플레이트와; 상기 벤트플레이트와의 사이에 공간이 형성되도록 벤트플레이트의 하측에 결합되며, 중앙에 상기 접속돌기가 관통할 수 있는 관통공이 형성되어 있으며, 상기 관통공의 외측에 상기 전지 내압을 상기 벤트플레이트로 전달하기 위한 복수개의 통기공이 형성된 하부캡과; 상기 하부캡과 벤트플레이트 사이에 개재되는 링 형태의 절연체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 2차전지의 안전변 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 2차전지의 안전변 어셈블리는, 하부캡의 관통공 하면에 부착되며, 캐소드와 전기적으로 연결됨과 더불어 벤트플레이트의 접속돌기와 접합되어 전기적으로 연결되는 접속디스크를 더 포함하여 구성된다.
또한, 상기 벤트플레이트에는 상기 중앙부에서 반경방향 외측으로 복수개의 파단홈이 형성되며, 상기 벤트플레이트는 상기 전기 뚜껑과 전기적으로 연결되는 외측면이 내측보다 상측으로 단차지게 형성되며, 상기 변형유도홈은 벤트플레이트의 단차진 부분 내측 가장자리에 형성된다.
또한, 상기 변형유도홈은 상기 벤트플레이트의 원주방향을 따라 링형태로 일체로 형성되거나 상기 벤트플레이트의 원주방향을 따라 복수개가 일정 간격으로 분할 형성될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 안전변 어셈블리의 벤트플레이트에 다른 부분보다 두께가 얇은 변형유도홈이 형성되므로, 벤트플레이트 전체의 두께를 줄이지 않고도 벤트플레이트가 변형될 수 있는 차단압을 줄일 수 있으며, 차단압의 편차도 줄일 수 있다.
또한, 벤트플레이트의 변형에 의해 전기의 흐름이 차단되었음에도 불구하고 전지의 내압이 계속적으로 상승하여 규정된 파단압에 도달할 경우, 벤트플레이트의 파단홈이 파열하여 전지의 내부 가스를 방출시킴으로써 전지 내압을 감소시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 2차전지의 안전변 어셈블리의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 안전변 어셈블리가 적용된 2차전지의 구성을 나타낸 것으로, 원통형의 전지 캔(11) 내부에 띠 형상의 캐소드(21)와 애노드(22)가 세퍼레이터(23)를 개재시켜 권회(券回)된 권회전극체(20)가 구성된다.

상기 전지 캔(11)은, 예를 들면, 니켈이 도금된 철로 구성되어 있으며, 일단부가 폐쇄되고 타단부가 개방되어 있다. 상기 전지 캔(11)의 내부에는 권회 전극체(20)를 끼우도록 원주면에 대하여 수직으로 한 쌍의 절연판(12, 13)이 각각 배치된다.

전지 캔(11)의 개방 단부에는 전지 뚜껑(14)과, 상기 전지 뚜껑(14)의 내측에 설치된 안전변 어셈블리(30) 및 열감 저항소자(Positive Temperature Coefficient; PTC 소자)(16)가 가스켓(17)을 통해 밀착됨으로써 부착되어 있으며, 전지캔(11)의 내부는 밀폐되어 있다. 상기 전지 뚜껑(14)은 전지 캔(11)과 동일한 재료로 구성된다.

상기 안전변 어셈블리(30)는 상기 열감 저항소자(16)를 통해 전지 뚜껑(14)과 전기적으로 접속되어 있고, 내부 단락 또는 외부에서의 가열 등에 의해 전지의 내압이 일정 이상이 된 경우에 벤트플레이트(31)가 변형되어 전지 뚜껑(14)과 권회 전극체(20)의 전기적 접속을 차단하도록 되어 있다. 상기 안전변 어셈블리(30)의 세부 구성과 작동에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 아래에 더욱 상세히 설명할 것이다.

상기 열감 저항소자(16)는, 온도가 상승하면 저항치의 증대에 의해 전류를 제한하며, 대전류에 의한 이상 발열을 방지하는 기능을 한다. 가스켓(17)은, 예를 들면, 절연재료로 구성되어 있으며, 표면에는 아스팔트가 도포되어 있다.

상기 권회 전극체(20)는 센터 핀(24)을 중심으로 권회되어 있다. 권회 전극체(20)의 캐소드(21)에는 알루미늄 등으로 이루어진 캐소드 리드(25)가 접속되어 있고, 애노드(22)에는 니켈 등으로 이루어지는 애노드 리드(26)가 접속되어 있다. 캐소드 리드(25)는 안전변 어셈블리(30)와 용접됨으로써 전지 뚜껑(14)과 전기적으로 접속되어 있고, 애노드리드(26)는 전지 캔(11)에 용접되어 전기적으로 접속되어 있다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 안전변 어셈블리(30)는, 그 외주면이 상기 열감 저항소자(16)(도 1참조)와 접속되며 전지의 내압에 의해 변형되는 원판형의 벤트플레이트(31)와, 상기 벤트플레이트(31)와의 사이에 공간이 형성되도록 벤트플레이트(31)의 하측에 결합되는 하부캡(32)과, 상기 하부캡(32)과 벤트플레이트(31) 사이에 개재되는 링 형태의 절연체(33)와, 상기 하부캡(32)의 중앙에 부착되며 상기 캐소드 리드(25)(도 1참조)와 용접에 의해 접합되는 작은 원판형의 접속디스크(34)로 구성된다. 상기 벤트플레이트(31)와 하부캡(32)과 접속디스크(34)는 예를 들어 알루미늄과 같은 전도성 재질로 이루어진다.

상기 벤트플레이트(31)는 내측부가 아래쪽으로 단차지게 형성되며, 그 중앙부에 상기 접속디스크(34)의 상면에 용접되어 접합되는 접속돌기(31a)가 아래쪽으로 볼록하게 형성된다.

상기 벤트플레이트(31)의 내측부에는 중앙에서 반경방향 외측으로 복수개(이 실시예에서 90도 간격으로 4개)의 파단홈(31b)들이 형성되며, 내측부의 외측, 즉 단턱이 형성된 부분에 원주방향을 따라 변형유도홈(31c)이 소정 깊이로 형성된다. 여기서, 상기 변형유도홈(31c)은 원주방향을 따라 일체로 형성됨이 바람직하지만, 이와 다르게 원주방향을 따라 복수개가 일정한간격으로 분할 형성될 수도 있을 것 이다. 상기 변형유도홈(31c)은 벤트플레이트(31)를 성형하는 과정에서 펀치 등으로 찍어서 만들 수 있다.

상기 변형유도홈(31c)은 벤트플레이트(31)의 전체 두께보다 얇게 형성되기 때문에 벤트플레이트(31)에 압력이 가해지게 되면, 이 변형유도홈(31c)에서 응력 집중이 일어나게 되고, 이에 따라 작은 압력에 의해서도 상기 변형유도홈(31c)에 의해 벤트플레이트(31)의 변형이 유발된다. 따라서, 벤트플레이트(31)의 전체 두께를 줄이지 않고도 벤트플레이트(31)의 변형을 쉽게 유발할 수 있고, 이에 따라 차단압과 파단압을 원하는 값을 줄일 수 있다.

또한, 상기 하부캡(32)은 그 외측부분이 단차지게 형성되며, 이 단차진 부분에는 상기 절연체(33)의 외주면에 형합되는 복수개의 결합편(32c)이 절개되어 형성된다. 그리고, 하부캡(32)의 중앙에는 상기 벤트플레이트(31)의 접속돌기(31a)가 접속디스크(34)와 접합될 수 있도록 관통공(32a)이 형성되며, 이 관통공(32a)의 외측에 전지의 내압이 벤트플레이트(31)로 전달될 수 있도록 하기 위한 복수개(이 실시예에서 3개)의 통기공(32b)이 형성된다.

상기와 같이 구성된 안전변 어셈블리(30)는 다음과 같이 작동한다.

전지 내부에서 과충전 또는 이상 동작에 의해 전지의 내부 압력이 높아지게 되면, 이 내압은 하부캡(32)의 통기공(32b)을 통해 벤트플레이트(31)로 전달되어 벤트플레이트(31)를 상측으로 가압한다.

전지의 내압이 규정된 차단압에 도달하게 되면, 도 4에 도시된 것과 같이 벤트플레이트(31) 중앙의 접속돌기(31a)가 접속디스크(34)와 분리되면서 벤트플레이 트(31)가 상측으로 변형되고, 이에 따라 접속디스크(34)와 벤트플레이트(31) 간의 전기적 접속이 해제되어 전기의 흐름이 차단되고, 반응이 억제된다.

이 때, 전술한 것과 같이 상기 벤트플레이트(31)의 단차진 부분에 얇은 변형유도홈(31c)이 형성되어 있으므로, 벤트플레이트(31)에 압력이 가해졌을 때 기존보다 작은 압력에서도 벤트플레이트(31)의 변형이 유도된다. 따라서, 차단압을 기존보다 낮은 압력으로 유도할 수 있다.

상기 벤트플레이트(31)의 변형에 의해 전기의 흐름이 차단되었음에도 불구하고, 전지의 내압이 계속적으로 상승하여 규정된 파단압에 도달하게 되면, 도 5에 도시된 것과 같이 벤트플레이트(31)의 얇은 파단홈(31b)들을 중심으로 균열이 발생하여 벤트플레이트(31)가 여러 갈래로 파열되고, 이에 따라 전지의 내부 가스가 방출되어 내압이 감소하게 된다.

한편, 전술한 안전변 어셈블리(30)의 실시예에서는 상기 벤트플레이트(31)의 변형유도홈(31c)이 벤트플레이트의 상부면에 하측으로 소정 깊이로 형성된 것을 예시하였지만, 이와 다르게 변형유도홈이 벤트플레이트(31)의 하부면에 상측으로 소정 깊이로 형성될 수도 있으며, 상부면과 하부면 모두에 소정 깊이로 형성될 수도 있을 것이다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 안전변 어셈블리의 벤트플레이트에 다른 부분보다 두께가 얇은 변형유도홈이 형성되므로, 벤트플레이트 전체의 두께를 줄이지 않고도 벤트플레이트가 변형될 수 있는 차단압을 줄일 수 있으며, 차단압의 편차로 줄일 수 있다.
또한, 벤트플레이트의 변형에 의해 전기의 흐름이 차단되었음에도 불구하고 전지의 내압이 계속적으로 상승하여 규정된 파단압에 도달할 경우, 벤트플레이트의 파단홈이 파열하여 전지의 내부 가스를 방출시킴으로써 전지 내압을 감소시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 전지 내압이 차단압에 도달할 경우 전기 흐름이 차단되며, 그럼에도 불구하고 전지 내압이 계속 상승하여 파단압에 도달할 경우 전지 내부 가스를 방출하여 전지 내압을 감소시키는 이중 안전 장치가 마련된다.

따라서, 안전변 어셈블리의 품질 기준을 용이하게 만족시킬 수 있으며, 안전성을 향상시킬 수 있으므로 제품의 신뢰도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (6)

1. 내부에 캐소드와 애노드가 세퍼레이터를 개재시켜 권회(券回)된 권회전극체가 구성된 전지캔과, 상기 전지캔의 상부를 폐쇄하는 전도성 재질의 전지 뚜껑과, 상기 전지캔 내부 압력이 소정 압력에 도달했을 때 변형되면서 상기 캐소드와의 전기적 연결을 해제하는 안전변 어셈블리를 포함하여 구성된 2차전지에 있어서,

   상기 안전변 어셈블리는,

   일측이 상기 전지 뚜껑과 전기적으로 연결되며, 하측으로부터 전달되는 전지 내압에 의해 변형하도록 원주방향을 따라 소정 깊이로 변형유도홈이 형성되어 있으며, 중앙부에 접속돌기가 하방으로 돌출형성된 벤트플레이트와;

   상기 벤트플레이트와의 사이에 공간이 형성되도록 벤트플레이트의 하측에 결합되며, 중앙에 상기 접속돌기가 관통할 수 있는 관통공이 형성되어 있으며, 상기 관통공의 외측에 상기 전지 내압을 상기 벤트플레이트로 전달하기 위한 복수개의 통기공이 형성된 하부캡과;

   상기 하부캡과 벤트플레이트 사이에 개재되는 링 형태의 절연체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 2차전지의 안전변 어셈블리.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 하부캡의 상기 관통공 하면에 부착되며, 상기 캐소드와 전기적으로 연결됨과 더불어 상기 벤트플레이트의 상기 접속돌기와 접합되어 전기적으로 연결되는 접속디스크를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 2차전지의 안전변 어셈블리.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 벤트플레이트에는 상기 중앙부에서 반경방향 외측으로 복수개의 파단홈이 형성된 것을 특징으로 하는 2차전지의 안전변 어셈블리.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 벤트플레이트는 상기 전기 뚜껑과 전기적으로 연결되는 외측면이 내측보다 상측으로 단차지게 형성되며, 상기 변형유도홈은 벤트플레이트의 단차진 부분 내측 가장자리에 형성된 것을 특징으로 하는 2차전지의 안전변 어셈블리.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 변형유도홈은 상기 벤트플레이트의 원주방향을 따라 링형태로 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 2차전지의 안전변 어셈블리.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 변형유도홈은 상기 벤트플레이트의 원주방향을 따라 복수개가 일정 간격으로 분할 형성된 것을 특징으로 하는 2차전지의 안전변 어셈블리.

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