KR100922351B1 - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이차 전지는 아크를 안정적으로 차단할 수 있도록 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군과 상기 전극군이 삽입되는 개구가 형성된 케이스와 상기 케이스의 개구에 결합되며, 상기 전극군과 전기적으로 연결된 캡 조립체, 및 상기 캡 조립체 내에 설치되며, 이동 가능하도록 설치된 차단판과 상기 차단판과 연결되어 상기 차단판을 이송시키는 구동부를 포함하는 아크차단장치를 포함할 수 있다.
이차 전지, 아크, 아크차단장치, 구동부, 형상기억합금

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캡 조립체의 구조를 개선한 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 하나의 셀로 이루어진 저용량 이차 전지의 경우, 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용된다. 복수개의 셀이 팩 형태로 연결된 대용량 이차 전지는 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있다.
그리고 이러한 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 직렬로 연결되어 대용량의 이차 전지 모듈을 구성하게 된다.
이차 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 위치하는 전극군과 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스, 케이스를 밀폐하는 캡 조립 체를 포함한다.
이차 전지가 원통형으로 형성되는 경우, 전극군의 양극 및 음극에는 활물질이 도포되지 않은 무지부가 형성되고, 양극 무지부와 음극 무지부는 서로 다른 방향을 향하도록 배치된다.
음극 무지부에는 음극 집전판이 부착되고, 양극 무지부에는 양극 집전판이 부착되며, 양극 집전판 및 음극 집전판은 케이스 또는 캡 조립체와 전기적으로 연결되어 외부로 전류를 유도하게 된다. 이때, 음극 집전판은 케이스와 전기적으로 연결되고 양극 집전판은 캡 조립체와 전기적으로 연결될 수 있으며, 이와 반대로 연결될 수도 있다.
음극 집전판이 케이스와 전기적으로 연결되는 경우, 케이스는 음극 단자 역할을 하게 된다. 또한, 양극 집전판이 캡 조립체와 전기적으로 연결된 경우에는 캡 조립체에 설치된 캡 플레이트가 양극 단자 역할을 하게 된다.
캡 조립체에는 이차 전지 내부에서 이상 반응이 발생할 때, 전기적인 흐름을 차단하는 벤트 플레이트가 설치된다. 벤트 플레이트는 이차 전지 내부의 압력이 상승하면 외측으로 절곡되는데, 이때, 용접된 부분이 탈락되면서 전류를 차단한다.
이차 전지 내부의 이상 반응으로 높은 전압이 발생하고, 높은 전압 하에서 벤트 플레이트가 탈락되면 이 부분에서 아크가 발생하는 문제가 있다. 이때 발생한 아크는 이차 전지 내부의 많은 열을 발생시켜서 이차 전지 내부의 온도를 상승시킬 뿐만 아니라 심한 경우에는 이차 전지를 폭발하도록 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 아크를 차단할 수 있는 이차 전지를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군과 상기 전극군이 삽입되는 개구가 형성된 케이스와 상기 케이스의 개구에 결합되며, 상기 전극군과 전기적으로 연결된 캡 조립체, 및 상기 캡 조립체 내에 설치되며, 이동 가능하도록 설치된 차단판과 상기 차단판과 연결되어 상기 차단판을 이송시키는 구동부를 포함하는 아크차단장치를 포함할 수 있다.
상기 구동부는 온도의 상승에 따라 형상이 변하는 물질로 이루어질 수 있으며, 특히 형상기억합금 또는 바이메탈로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 구동부는 탄성체로 이루어질 수 있으며, 특히 압축 스프링으로 이루어질 수 있다.
상기 캡 조립체는 상기 전극군과 전기적으로 연결된 서브 플레이트와 상기 서브 플레이트를 향하여 돌출되어 상기 서브 플레이트에 접합된 용접돌기를 갖는 벤트 플레이트를 포함하고, 상기 아크차단장치는 상기 벤트 플레이트와 상기 서브 플레이트 사이에 설치될 수 있다.
상기 캡 조립체는 서브 플레이트의 위에 설치되어 전극군과 전기적으로 연결 된 미들 플레이트와 미들 플레이트와 벤트 플레이트 사이에 설치된 캡 절연부재를 포함하고, 상기 아크차단장치는 상기 캡 절연부재와 접하도록 설치되며 일단에 구동부가 고정된 지지부를 포함할 수 있다.
상기 캡 조립체는 상기 전극군과 전기적으로 연결된 서브 플레이트와 상기 서브 플레이트를 향하여 돌출되어 상기 서브 플레이트에 접합된 용접돌기를 갖는 벤트 플레이트를 포함하고, 상기 차단판은 상기 용접돌기에 접하도록 설치될 수 있다. 상기 차단판은 상기 용접돌기와 접하는 면이 곡면으로 이루어져 상기 용접돌기의 외주면에 밀착되도록 설치될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 캡 조립체에서 아크가 발생하면 아크차단장치가 자동으로 작동하여 아크를 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 용접돌기와 접하는 차단판의 면이 곡면으로 이루어져 용접돌기와 전체적으로 접하므로 용접돌기에 작용하는 응력이 분산될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 절개 사시도이다.
상기한 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(100)는 양극(112)과 음극(113)이 세퍼레이터(114)를 사이에 두고 위치하는 전극군(110)과, 전해액과 함께 전극군(110)을 수용할 수 있도록 일측 선단에 개구부가 형성된 케이스(120)를 포함한다. 그리고 케이스(120)의 개구부에는 케이스(120)를 밀봉하는 캡 조립체(140)가 개스킷(144)을 매개로 설치된다.
본 실시예에 따른 전극군(110)은 양극(112)과 세퍼레이터(114) 및 음극(113)이 적층된 후, 와류상으로 감겨진 원통형 타입으로 이루어지나, 전극군(110)의 구조가 반드시 이것으로 한정되는 것은 아니고 다른 구조로도 이루어질 수 있다.
그리고 양극(112)의 상단에는 양극 활물질이 도포되지 않은 양극 무지부(112a)가 형성되어 양극 집전판(138)과 전기적으로 연결된다. 또한, 음극(113)의 하단에는 음극 활물질이 도포되지 않은 음극 무지부(113a)가 형성되어 음극 집전판(132)과 전기적으로 연결된다.
본 실시예에서는 양극 집전판(138)이 상부에 설치되고 음극 집전판(132)이 하부에 설치된 구조를 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 양극 집전판이 하부에 설치되고 음극 집전판이 상부에 설치될 수도 있다.
양극 집전판(138)의 상부에는 양극 집전판(138)과 케이스(120)를 절연시키는 하부 절연부재(135)가 설치되는데, 하부 절연부재(135)는 비딩부(123)의 아래에서 양극 집전판(138)의 둘레를 감싸도록 설치된다.
케이스(120)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 이루어진다. 케이스(120)의 형상은 전극군(110)이 위치하는 내부 공간을 가진 원통형으로 이루어진다. 캡 조립체(140)는 케이스(120)에 끼워진 후, 클램핑과정을 통해서 케이스(120)에 고정하는데, 이 때, 케이스(120)에는 비딩부(123)와 클램핑부(125)가 형성된다.
캡 조립체(140)는 돌출된 외부 단자(143b)와 배기구(143a)가 형성된 캡 플레이트(143)와, 캡 플레이트(143)의 아래에 설치되며 설정된 압력 조건에서 파손되어 가스를 방출하는 벤트 플레이트(160)를 포함한다. 벤트 플레이트(160)는 설정된 압력 조건에서 전극군(110)과 캡 플레이트(143)의 전기적 연결을 차단하는 역할을 한다.
캡 플레이트(143)와 벤트 플레이트(160) 사이에는 양성온도소자(positive temperature coefficient element)(141)가 설치되는 바, 양성온도소자(141)는 일정 온도를 넘으면 전기저항이 거의 무한대까지 커지는 장치로서, 이차 전지(100)가 정해진 값 이상의 온도가 되었을 때, 충전 및 방전 전류의 흐름을 차단시키는 역할을 한다.
벤트 플레이트(160)는 양극 집전판(138)을 향하여 돌출된 단차부(165, 도 3에 도시)와 단차부(165)의 중심에서 전극군(110)을 향하여 돌출된 용접돌기(166)를 포함한다. 용접돌기의 하면에는 서브 플레이트(147)가 부착된다.
서브 플레이트(147)의 위에는 리드부(132)를 통해서 양극 집전판(138)과 전기적으로 연결되는 미들 플레이트(145)가 용접돌기를 끼움하여 서브 플레이트(147)에 고정 설치된다. 미들 플레이트(145)와 벤트 플레이트(160) 사이에는 미들 플레이트(145)와 벤트 플레이트(160)를 절연 시키는 캡 절연부재(146)가 설치된다.
캡 절연부재(146)는 용접돌기(166)를 끼움하여 벤트 플레이트(160)의 하면에 접하도록 설치되며, 외주에는 전극군을 향하여 뻗은 리브(rib)가 형성된다. 캡 절연부재(146)과 미들 플레이트(145) 사이에는 아크를 차단하는 아크차단 장치(150)가 설치된다. 아크차단장치(150)는 캡 절연부재의 리브에 지지되도록 설치된다.
도 2는 본 발명이 제1 실시예에 따른 아크차단장치를 도시한 사시도이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 아크차단장치(150)는 캡 절연부재 (146)의 리브와 접하도록 설치된 지지부(151)와 지지부(151)의 일측 단부에 고정된 구동부(153) 및 구동부(153)에 연결 설치된 차단판(156)을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서는 지지부(151)가 캡 절연부재(146)에 고정된 것으로 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 지지부(151)는 개스킷(144) 등에 고정될 수도 있다.
구동부(153)는 형상 기억 합금으로 이루어지는데, 구동부(153)는 열탄성 마르텐사이트 합금, 비열탄성 마르텐사이트 합금, Au-Cd 합금 등으로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 구동부(153)가 복수 개의 와이어들로 이루어진 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 판 형상 또는 봉 형상 등 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
구동부(153)를 이루어는 와이어들은 상온에서는 굴곡된 상태로 존재하며, 온도가 상승하면 곧게 펴지도록 설정된다.
차단판(156)은 사각판형상의 절연물질로 이루어진다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 차단판은 원판 등 다양한 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 차단판(156)은 아크를 안정적으로 차단할 수 있도록 용접돌기(166)의 바닥면보다 더 넓은 상면을 갖는다.
도 3a 내지 도 3c는 아크차단장치의 작동 과정을 설명하기 위한 캡 조립체의 부분 단면도이다. 도 3a을 참조하여 설명하면, 아크차단장치(150)는 미들 플레이트(145) 상에 설치되며, 차단판(156)은 용접돌기(166)와 인접하도록 배치된다.
이차 전지의 내압이 상승하면, 도 3b에 도시된 바와 같이 벤트 플레이트(160)의 용접돌기(166)가 서브 플레이트(147)에서 이격되어 위로 상승한다. 이 과정에서 서브 플레이트(147)와 용접돌기(166) 사이에는 아크가 발생한다. 아크가 발생하면, 순간적으로 주변의 온도가 빠르게 상승한다.
주변의 온도가 상승하면, 도 3c에 도시된 바와 같이 구동부(153)가 변형하면서, 차단판(156)을 용접돌기(166)와 서브 플레이트(147) 사이로 이송한다. 차단판(156)이 용접돌기(166)와 서브 플레이트(147) 사이를 가로막으면 아크가 사라지고 더 이상 방전하지 않게 된다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 아크의 발생과 동시에 온도의 상승으로 구동부가 자동으로 작동하므로 아크를 효율적으로 차단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 아크차단장치를 도시한 사시도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 다른 아크차단장치(170)는 지지부(171)와 지지부(171)에 일단이 고정된 구동부(173), 및 구동부(173)의 타단에 설치된 차단판(176)으로 이루어지고, 구동부(173)는 압축스프링으로 이루어진다. 차단판(176)은 용접돌기(166)에 접하도록 설치되는데, 이에 따라 차단판(176)은 용접돌기(166)를 누르게 된다. 본 실시예에서는 구동부(176)가 압축스프링으로 이루어 진 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 구동부(176)는 차단판을 이송할 수 있는 탄성체로 이루어질 수 있다.
용접돌기(166)에 작용하는 응력을 분산시키기 위하여 차단판(176)에서 용접돌기(166)와 맞닿는 면은 용접돌기(166)에 밀착되도록 만곡된 곡면으로 이루어진다.
이에 따라 용접돌기(166)가 서브 플레이트(147)에서 이탈하여 위쪽으로 상승하면, 구동부(173)를 이루는 압축스프링이 차단판(176)을 용접돌기(166)와 서브 플레이트(147) 사이로 이송하여 용접돌기(166)와 서브 플레이트(147) 사이에 아크가 발생되는 것을 안정적으로 차단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시에에 따른 아크차단장치를 도시한 사시도이다. 도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 아크차단장치(180)는 지지부(181)와 지지부(181)에 일단이 고정된 구동부(183), 및 구동부(183)의 타단에 고정 설치된 차단판(186)으로 이루어진다.
본 실시예에 따른 구동부(183)는 바이메탈로 이루어진다. 바이메탈은 잘 알려진 바와 같이 열팽창 계수가 서로 다른 물질의 결합으로 이루어지며, 온도가 오르거나 내리면 한쪽으로 휘게 된다.
차단판(186)은 원형의 판으로 이루어지며 지지부(181)를 기준으로 용접돌기(166)의 옆쪽에 설치된다. 아크가 발생하여 주변 온도가 상승하면 구동부(183)가 휘어지면서 차단판(186)이 용접돌기(166)와 서브 플레이트(147) 사이로 이동한다. 이와 같이 본 실시예에 따르면 아크의 발생으로 온도가 상승하면 차단판(186) 이 자동으로 이동되므로 용이하게 아크를 차단할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 아크차단장치를 도시한 사시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 아크차단장치가 작동하는 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4은 본 발명의 제2 실시예에 따른 아크차단장치를 도시한 사시도이다.
도 5은 본 발명의 제3 실시예에 따른 아크차단장치를 도시한 사시도이다.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
100: 이차 전지 110: 전극군
145: 미들 플레이트 146: 캡 절연부재
147: 서브 플레이트 150, 170, 180: 아크차단 장치
151, 171, 181: 지지부 153, 173, 183: 구동부
156, 176, 186: 차단판 160: 벤트 플레이트

Claims (11)

  1. 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군;
    상기 전극군이 삽입되는 개구가 형성된 케이스;
    상기 케이스의 개구에 결합되며, 상기 전극군과 전기적으로 연결된 캡 조립체; 및
    상기 캡 조립체 내에 설치되며, 이동 가능하도록 설치된 차단판과 상기 차단판과 연결되어 상기 차단판을 이송시키는 구동부를 구비하는 아크차단장치;
    를 포함하며,
    상기 차단판은 절연물질로 이루어진 이차 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 구동부는 온도의 상승에 따라 형상이 변화는 물질로 이루어진 이차 전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 구동부는 형상기억합금을 포함하는 이차 전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 구동부는 바이메탈을 포함하는 이차 전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 구동부는 탄성체로 이루어진 이차 전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 구동부는 압축스프링으로 이루어진 이차 전지.
  7. 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극군;
    상기 전극군이 삽입되는 개구가 형성된 케이스;
    상기 케이스의 개구에 결합되며, 상기 전극군과 전기적으로 연결된 캡 조립체; 및
    상기 캡 조립체 내에 설치되며, 이동 가능하도록 설치된 차단판과 상기 차단판과 연결되어 상기 차단판을 이송시키는 구동부를 구비하는 아크차단장치;
    를 포함하며,
    상기 캡 조립체는 상기 전극군과 전기적으로 연결된 서브 플레이트와 상기 서브 플레이트를 향하여 돌출되어 상기 서브 플레이트에 접합된 용접돌기를 갖는 벤트 플레이트를 포함하고,
    상기 아크차단장치는 상기 벤트 플레이트와 상기 서브 플레이트 사이에 설치된 이차 전지.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 서브 플레이트의 위에 설치되어 전극군과 전기적으로 연결된 미들 플레이트와 미들 플레이트와 벤트 플레이트 사이에 설치된 캡 절연부재를 포함하고,
    상기 아크차단장치는 상기 캡 절연부재와 접하도록 설치되며 일단에 구동부가 고정된 지지부를 포함하는 이차 전지.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 상기 전극군과 전기적으로 연결된 서브 플레이트와 상기 서브 플레이트를 향하여 돌출되어 상기 서브 플레이트에 접합된 용접돌기를 갖는 벤트 플레이트를 포함하고,
    상기 차단판은 상기 용접돌기에 접하도록 설치된 이차 전지
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 차단판은 상기 용접돌기와 접하는 면이 곡면으로 이루어져 상기 용접돌기의 외주면에 밀착되는 이차 전지.
  11. 삭제
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