KR100886570B1 - 형상기억합금과 탄성부재를 이용한 가스배출 구조를포함하고 있는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극/분리막/음극의 전극조립체가 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 전지케이스의 적어도 일부에는 전지의 내부와 연통되는 개구가 형성되어 있고, 전지의 정상적인 작동 온도에서 개구를 폐쇄하고 비정상적인 고온에서 개구를 개방하는 형상기억합금의 안전 개폐부에 의해 상기 개구가 가역적으로 폐쇄 및 개방되며 폐쇄된 상태에서 상기 개구에 접하는 안전 개폐부의 해당 부위는 탄력적인 부재(탄성부재)로 밀폐되어 있는 이차전지를 제공하는 바, 이러한 이차전지는 전지의 비정상적인 작동으로 셀의 온도가 상승할 때 상기 안전 개폐부가 열림으로써, 온도 상승시 유발되는 내압 증가를 해소하는 것으로 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

형상기억합금과 탄성부재를 이용한 가스배출 구조를 포함하고 있는 이차전지 {Secondary Battery Having Gas Exhaust Part of Shape Memory Alloy and Elastic Member}

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 형상기억합금 본체와 탄성부재로 구성된 안전 개폐부가 장착되어 있는 각형 이차전지의 분해 사시도이다;

도 2 및 도 3은 온도의 변화에 따라 도 1의 안전 개폐부가 전지케이스 개구를 폐쇄하고 개방하는 과정의 확대도들이다;

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 안전 개폐부가 장착되어 있는 파우치형 이차전지의 단면도이다;

도 5는 도 4의 A 부위에서 한 쌍의 형상기억합금 본체와 탄성부재들로 구성된 안전 개폐부가 장착되어 있는 상단 실링부의 측면 확대도이다;

도 6은 소정의 온도 이상에서 도 5의 안전 개폐부가 벌어진 상태의 모식도이다.

본 발명은 형상기억합금과 탄성부재를 이용한 가스배출구를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극조립체가 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 전지케이스의 적어도 일부에는 전지의 내부와 연통되는 개구가 형성되어 있고, 전지의 정상적인 작동 온도에서 개구를 폐쇄하고 비정상적인 고온에서 개구를 개방하는 형상기억합금의 안전 개폐부에 의해 상기 개구가 가역적으로 폐쇄 및 개방되며 폐쇄된 상태에서 상기 개구에 접하는 안전 개폐부의 해당 부위는 탄력적인 부재(탄성부재)로 밀폐되어 있는 이차전지를 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이러한 리튬 이차전지는 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다. 리튬이온 전지는 양극/분리막/음극을 리튬 전해액 용액에 함침시킨 구조의 전지이고, 리튬 폴리머 전지는 전해질로서 고체 전해질을 사용하여 분리막의 역할을 병행하는 구조의 전지이다. 리튬이온 폴리머 전지는 리튬이온 전지와 리튬 폴리머 전지의 중간 단계의 전지로서 양극 및 음극을 분리막에 결합시키고 그러한 부위에 리튬 전해액이 함침되도록 하는 구조의 전지이다.

이러한 리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되기도 한다. 원통형 전지와 각형 전지는 금속의 캔에 전극조립체를 장착한 구조의 전지이며, 파우치형 전지는 예를 들어 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 장착한 구조의 전지이다.

일반적으로 리튬 이차전지에 사용되는 재료들(예를 들어 양, 음극 활물질, 바인더, 전해액, 집전체 등)은 전지가 작동하는 전압(2.5 ~ 4.3 V)에서 전기화학적으로 안정하다. 그러나, 전지가 상기 작동전압 이상의 전압으로 상승하게 되면 구성 재료들이 각각의 분해 전압에서 분해되면서 가스를 발생시킨다. 이렇게 발생되는 가스는 리튬 이차전지 내의 압력을 증가시키고, 그 결과, 전압이 계속 상승하게 되며, 이때 미세하게 단락된 부분이 있거나 음극의 표면에 전착된 리튬 금속이 분리막을 뚫고 양극과 접촉되는 경우에는 대량의 전류가 흐르면서 열과 가스의 발생을 촉진시킨다. 그러한 열과 가스는 전지의 취약한 부분을 통해 외부로 방출되며, 결국에는 전지가 발화하거나 폭발하게 된다.

따라서, 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 특히, 발생되는 가스에 대한 안전성을 확보하기 위하여, 일반적으로 전지의 내압이 상승할 경우, 이차전지에 설치된 벤트가 열리면서 전지 내부의 가압 가스를 전지 외부로 방출하는 방법을 사용한다. 하지만, 상기의 방법은 일단 벤트가 작동되면 전지는 더 이상 사용이 불가능하게 되며, 또한 벤트의 작동 개시 시기는 온도 또는 전지 내부 압력에 의존적이지만 가스의 방출시기를 정확하게 판단할 수 없다는 단점을 가지고 있다.

상기 단점을 보완하기 위하여, 한국 등록특허 제 0591421호에는 리튬이온 이 차전지에서 전지 캔의 전극 단자부에 안전장치로서 형상기억합금을 사용한 안전벤트를 설치하여 전지 내부의 온도가 비정상적으로 상승할 때, 안전벤트가 축소되어 내부의 가스를 배출하고 정상온도로 환원시에는 안전벤트가 다시 팽창하여 가스배출구를 막는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 기술에서의 형상합금을 사용한 안전벤트 구조는 원통형 캡 플레이트와 형상합금 소재로 만들어진 안전벤트가 각각 금속 소재로 이루어져 있어서, 금속들 상호간의 낮은 밀착력으로 인해 가스배출구를 완전하게 밀폐시키기 어렵다. 따라서, 전지의 정상적인 작동 조건 상태에서도 가스배출구를 통해 전해액의 누액 현상이 발생할 수 있고, 수분의 침투를 방지할 수 없다는 문제점을 가지고 있다.

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

본 출원의 발명자는 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 온도에 따른 변형의 신뢰성이 높은 형상기억합금과, 개구에 접하는 형상기억합금의 일측에 높은 밀착력을 제공하는 탄성부재를 결합한 구조의 벤트를 이차전지의 개구에 장착하는 경우, 전지의 정상적인 작동 조건하에서는 상기 개구를 효과적으로 폐쇄하여 전지의 작동에 영향을 미치지 않으며, 전지의 비정상적인 작동으로 온도가 올라갈 때 상기 안전 개폐부와 개구 사이가 벌어짐으로써 온도 상승시 유발되는 내압 증가를 해소하여 전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명에 따른 이차전지는 양극/분리막/음극의 전극조립체가 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 전지케이스의 적어도 일부에는 전지의 내부와 연통되는 개구가 형성되어 있고, 전지의 정상적인 작동 온도에서 개구를 폐쇄하고 비정상적인 고온에서 개구를 개방하는 형상기억합금의 안전 개폐부에 의해 상기 개구가 가역적으로 폐쇄 및 개방되며 폐쇄된 상태에서 상기 개구에 접하는 안전 개폐부의 해당 부위는 높은 밀착력의 부재(탄성부재)로 밀폐되어 있는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 비정상적인 작동으로 전지의 온도가 상승할 때 상기 형상기억합금의 안전 개폐부가 변형되면서 전지케이스의 개구와의 사이에 존재하는 공간을 통해 전지 내부의 가압 가스가 배출되어 전지의 안전성을 향상시킬 수 있으며, 정상적인 온도 조건이나 그러한 온도로의 환원시 안전 개폐부의 탄성부재가 전지케이스의 개구를 효과적으로 폐쇄하게 된다.

본 발명에서 상기 "형상기억합금"은 전이 온도 이하에서 변형하여도 전이 온도 이상이 되면 변형 이전의 모양으로 되돌아가는 성질을 가진 금속합금으로서 대표적인 예로서 티탄-니켈 합금을 들 수 있으며, 상기 "탄성부재"는 물체에 외력을 가하면 상기 힘을 감소시키는 방식으로 부피와 형태가 변형되고 외력을 제거하면 본래의 모양으로 되돌아가려고 하는 성질을 가진 소재로서, 대표적으로 고무를 들 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 안전 개폐부는 일측 단부(a)가 전지에 고정되어 있고 타측 단부(b)가 전지케이스의 개구를 향하는 구조의 형상기억합금 본체와, 상기 본체의 단부(b)에 부착되어 있는 탄성부재로 구성될 수 있다.

상기 탄성부재는 안전 개폐부가 전지케이스의 개구를 밀폐시 형상기억합금에 의한 상기 개구의 밀폐를 용이하게 해주는 역할을 수행하며, 높은 폐쇄력을 제공할 수 있도록, 바람직하게는 전지케이스 개구의 내측면에 밀착되는 형상으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 이차전지는 전지케이스의 형태별 분류에 따른 원통형 전지, 각형 전지 또는 파우치형 전지에 각각 적용될 수 있다.

전지케이스의 형태에 따라, 안전 개폐부는 전지케이스의 내부 또는 외부에 고정되는 방식으로 장착된다. 상기 안전 개폐부의 위치가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 하나의 바람직한 예에서, 안전 개폐부는 전지케이스의 내부면이나 외부면에 형성되어 있는 개구부를 개폐할 수 있도록 상기 전지케이스의 내면이나 외면에 장착될 수 있다. 다만, 안전 개폐부의 주요부가 금속으로 이루어져 있으므로 전지의 전기적 연결에 영향을 미치지 않도록, 전지의 두 전극단자들과 접촉되지 않게 장착하는 것이 필요하다.

하나의 바람직한 예로서, 상기 이차전지는 각형 전지이고 상기 개구는 각형 캔의 개방 상단에 탑재되는 탑 캡에 천공되어 있으며, 상기 안전 개폐부는 탑 캡의 상단면에 설치되는 구조일 수 있다. 즉, 각형 전지의 경우, 전지케이스의 일부에 형성되는 가스배출구로서의 개구가 각형 캔의 개방 상단에 탑재된 탑 캡에 천공되고, 형상기억합금 본체와 탄성부재로 이루어진 안전 개폐부가 상기 가스배출구를 밀봉한 상태로 탑 캡 상에 설치되어 있다가, 전지의 이상 작동으로 인한 고온 발생시 형상기억합금 본체의 변형에 의해 탄성부재로부터 개방된 가스배출구를 통해 외부로 배출되는 것이 가능하게 된다.

경우에 따라서는, 상기 안전 개폐부가 각형 전지에서 전해액 주입구를 밀폐하는 부재로 사용될 수도 있다. 각형 전지는 상단이 개방된 각형 케이스에 전극조립체를 장착한 후 탑 캡을 개방 상단에 결합시킨 뒤, 탑 캡에 천공되어 있는 전해액 주입구를 통해 전해액을 주입하고 밀봉하여 제조되는 바, 상기 안전 개폐부를 전해액 주입구 상에 장착하면 별도의 밀봉 부재(보통은 금속 볼을 사용함)를 사용하지 않고도 소정의 효과를 달성할 수 있다. 이 경우, 전해액 주입구가 전지케이스의 상기 개구에 해당한다.

또 다른 바람직한 예로서, 상기 이차전지는 파우치형 전지이고, 상기 개구는 전지케이스의 외주면 실링부에 형성되어 있으며, 상기 안전 개폐부는 실링부 내부에 밀봉된 상태로 설치될 수 있다. 이 경우, 전지케이스의 개구는 밀봉된 상태의 일부 실링부에 해당하며, 안전 개폐부가 작동할 때 상기 실링부가 벌어지면서 개구가 만들어진다.

파우치형 전지에 사용될 수 있는 바람직한 구조의 안전 개폐부는, 서로 대면하고 있는 두 개의 판상형 형상기억합금 본체들과, 대면하는 상기 판상 본체들의 내면에 부착되어 있는 탄성부재들로 이루어져 있고, 상기 판상 본체들의 양단부가 접합되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

따라서, 전지의 온도가 상승할 때 상기 판상형 형상기억합금 본체들이 서로 대칭적으로 팽창하면서 벌어져서 그 공간을 통해 전지 내부의 가압 가스가 배출되어 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

상기 파우치형 전지의 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 바람직하게는 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있다. 상기 "실링부"는 전지케이스를 열융착하여 밀봉함에 있어서, 밀봉할 수 있도록 전지케이스 외주면을 따라 소정의 너비를 가지고 전지케이스의 상부 시트와 하부 시트가 접하여 있는 부위 중, 열융착되는 부위를 의미한다.

상기 안전 개폐부는 전지케이스의 이러한 실링부 중, 예를 들어, 상단 실링부에 장착될 수 있으며, 이 경우, 바람직하게는 상단 실링부의 전극단자들 사이에 장착될 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 특히 안전성이 문제가 되는 고출력 대용량의 중대형 전지팩에 단위전지로서 바람직하게 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로 사용하는 중대형 전지팩에 관한 것이다. 중대형 전지팩의 구조 및 그것의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 형상기억합금 본체와 탄성부재로 구성된 안전 개폐부가 장착되어 있는 각형 이차전지의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2 및 도 3에는 온도의 변화에 따라 안전 개폐부가 전지케이스 개구를 폐쇄하고 개방하는 과정의 확대도들이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 각형 전지(100)는 젤리-롤형 전극조립체(110)가 각형의 금속 캔(120)에 수납되어 있고, 캔(120)의 개방 상단에 돌출형 전극단자(예를 들어, 음극단자: 132)가 형성되어 있는 탑 캡(130)이 결합되는 구조로 이루어져 있다. 즉, 전극조립체(110)의 음극은 음극 탭(112)을 통해 탑 캡(130) 상의 음극단자(132)의 하단에 전기적으로 연결되며, 그러한 음극단자(132)는 절연부재(134)에 의해 탑 캡(130)으로부터 절연되어 있다. 반면에, 전극조립체(110)의 또 다른 전극(예를 들어, 양극)은 그것의 양극 탭(114)이 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 도전성 소재로 되어 있는 탑 캡(130)에 전기적으로 연결되어 그 자체로서 양극단자를 형성한다.

또한, 전극 탭들(112, 114)을 제외하고 전극조립체(110)와 탑 캡(130)의 전기적 절연 상태를 보장하기 위하여, 캔(120)과 전극조립체(110) 사이에 시트형 절연부재(140)가 삽입되며, 탑 캡(130)이 탑재된 상태에서, 탑 캡(130)과 캔(120)의 접촉면을 따라서 용접으로 이들을 결합한다. 전해액은 전해액 주입구(136)를 통해 캔(120) 내부로 주입된다.

탑 캡(130)의 일측 상단에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 안전 개폐부(200)가 설치되어 있다.

안전 개폐부(200)는 상온 등과 같이 전지의 정상적인 작동 온도 범위에서 안정성을 나타내는 특정한 형상으로 절곡되어 있는 형상기억합금 본체(210)와 그것의 일측에 부착되어 있는 탄성부재(220)로 이루어져 있다. 본체(210)는 탄성부재(220)의 대향 측에서 탑 캡(130) 상에 용접에 의해 결합되어 있고, 탄성부재(210)는 탑 캡(130)에 천공되어 있는 개구(138)를 패쇄하고 있다.

탄성부재(220)는 그것의 일부가 개구(138)의 내부로 삽입된 상태로 장착되어 있어서, 개구(138)에 대한 밀폐력이 우수하다. 또한, 그러한 삽입 상태에서 탄성부재(220)는 소재의 특성상 부분적으로 가압되므로 높은 밀착력을 나타낸다.

전지의 비정상적인 작동 상태에서 온도가 상승하면, 형상기억합금 본체(210)는 그러한 온도에서 안정적인 형상으로 변형되며, 도 3에서와 같이, 탄성부재(220)에 의한 개구(138)의 폐쇄 상태가 해소되면 가압 가스가 외부로 배출된다. 온도가 다시 하강하면, 도 2에서와 같이, 형상기억합금 본체(210)가 본래의 형상으로 환원되면서 개구(138)를 다시 폐쇄하게 된다.

도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 안전 개폐부가 장착되어 있는 파우치형 이차전지의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 파우치형 이차전지(300)는 수지층과 금속층의 시트형 전지케이스(320) 내부에 전극조립체(310)가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다. 전극조립체(310)를 내장한 상태에서 밀봉을 위해 전지케이스(320)를 열융착시키면, 양측면과 상단에 각각 실링부(322, 324)가 형성되며, 측면 실링부(324)는 수직으로 상향 절곡하여 본체 쪽에 밀착시킨다. 안전 개폐부(400)는 그 중 상단 실링 부(322) 상에 장착되어 있다.

구체적으로, 안전 개폐부(400)는 전극조립체(310)로부터 돌출된 양극 리드(311) 및 음극 리드(312) 사이에서 전극 리드들(313, 314)과 접촉되지 않는 상태로 장착되어 있으며, 그것의 상단과 하단이 모두 상단 실링부(322) 내부에 위치하도록 실링부(322)의 폭보다 작은 상하 길이를 가진다. 따라서, 안전 개폐부(440)는 전지의 전기적 연결에 영향을 미치지 않으면서, 그것의 내부에서 발생되는 가압 가스를 전지 외부로 배출할 수 있도록 상단 실링부(322)를 완전히 벌리는 역할을 한다.

전극 리드들(313, 314)은 전지케이스(320)와의 접촉부위에서 밀봉성을 높이고 쇼트를 방지하기 위하여, 절연시트(330)가 개재된 상태에서 전지케이스(320)에 밀착되어 있다. 따라서, 안전 개폐부(400)를 전지케이스의 시트들 사이에 위치시킨 상태에서 시트에 열과 압력을 가하여 열융착을 행하면, 상단 실링부(322) 중 시트들이 서로 직접 접하는 부위는 상호 열융착부(빗금친 부위)를 형성하고, 나머지 부위는 절연시트(330)와 안전 개폐부(400) 상에 열융착되어 전지의 밀봉을 이루게 된다.

도 5에는 한 쌍의 형상기억합금 본체와 탄성부재들로 구성된 안전 개폐부가 장착되어 있는 상단 실링부의 측면 확대도가 도시되어 있고, 도 6에는 소정의 온도 이상에서 상기 두 형상기억합금과 결합되어 있는 탄성부재들의 접촉면이 벌어진 상태의 모식도가 도시되어 있다.

우선 도 5를 참조하면, 안전 개폐부(400)는 상단 실링부(322)의 상부 시 트(320a)와 하부 시트(320b) 사이에 개재되어 있으며, 판상 구조로 이루어진 한 쌍의 형상기억합금 본체(410, 412)와 그것의 내측면에 부착된 탄성부재들(420, 422)로 구성되어 있다.

구체적으로, 안전 개폐부(400)는 형상기억합금 본체들(410, 412)과 탄성부재들(420, 422)이 서로 대면하고, 본체들(410, 412)이 각각 상부 시트(320a) 및 하부 시트(320b)와 대면하며, 양단부가 접합되어 있는 구조로 이루어져 있다.

본체들(410, 412)의 양 단부 접합부(430)는 상부 시트(320a) 및 하부 시트(320b)와의 접촉면에 이격홈이 발생하지 않도록 바깥쪽을 향해 그것의 상하면이 경사면 구조로 되어 있다.

이와 같은 안전부재(400)의 두 형상기억합금 본체들(410, 412)은 소정의 온도 이상에서 도 6에서와 같이 변형되면서, 그것들(410, 412)의 내면에 부착된 탄성부재들(420, 422)의 접촉면(420a, 422a)이 벌어지면서 전지 내부에서 발생되는 가스를 외부로 배출한다.

이상 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 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 이차전지는 전지의 비정상적인 작동으로 셀의 온도가 상승할 때 상기 안전 개폐부의 수축으로 인한 가스배출구가 열림으 로써, 온도 상승시 유발되는 내압 증가를 해소함으로써 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있고 또한 안전 개폐부의 가역성 때문에 이차전지의 재사용이 가능하여 경제적이다.

Claims (12)

1. 양극/분리막/음극의 전극조립체가 전지케이스에 밀봉되어 있는 이차전지로서, 상기 전지는 파우치형 전지이고, 상기 전지케이스 상단 실링부의 전극단자들 사이에는 전지의 내부와 연통되는 개구가 형성되어 있으며, 전지의 정상적인 작동 온도에서 개구를 폐쇄하고 비정상적인 고온에서 개구를 개방하는 형상기억합금의 안전 개폐부에 의해 상기 개구가 가역적으로 폐쇄 및 개방되고, 폐쇄된 상태에서 상기 안전 개폐부는 탄력적인 부재(탄성부재)로 밀폐되어 있으며, 상기 실링부 내부에 밀봉된 상태로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서, 상기 안전 개폐부는, 서로 대면하고 있는 두 개의 판상형 형상기억합금 본체들과, 대면하는 상기 판상 본체들의 내면에 부착되어 있는 탄성부재들로 이루어져 있고, 상기 판상 본체들의 양단부가 접합되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제 1 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩.

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