KR101147170B1 - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 기재에 따른 이차 전지는, 양극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하고, 전지 케이스에 내장된 전극군과, 상기 전지 케이스에 연결되며, 변형되어 상기 양극과 음극을 전기적으로 연결하도록 구성된 단락부재를 포함한 캡 플레이트와, 상기 전극군의 양극과 음극 중 하나에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 퓨즈부를 포함하는 집전부를 포함한다.

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 과충전 상태를 해소하여 폭발을 방지할 수 있는 안전 장치를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 고출력의 이차 전지로 구성된다.
또한, 하나의 고출력 이차 전지는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지로 이루어지며, 이차 전지는 원통형과 각형 등으로 이루어질 수 있다.
이차 전지 내부에서 과도한 열이 발생하거나 전해액이 분해되어 내부 압력이 상승하면 전지가 폭발하거나 발화할 위험이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 과충전 시 이차 전지를 단락시키도록 구성되어 폭발을 방지하는 안전 장치를 구비한 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 양극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하고, 전지 케이스에 내장된 전극군과, 상기 전지 케이스에 연결되며, 변형되어 상기 양극과 음극을 전기적으로 연결하도록 구성된 단락부재를 포함한 캡 플레이트와, 상기 전극군의 양극과 음극 중 하나에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 퓨즈부를 포함하는 집전부를 포함한다.
상기 캡 플레이트는 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 단자를 포함하고, 상기 단락부재는 변형된 후 상기 적어도 하나의 단자의 외측부에 전기적으로 접촉할 수 있다.
상기 퓨즈부는 상기 집전부의 다른 부분보다 더 얇게 형성될 수 있으며, 상기 퓨즈부는 상기 집전부의 두 부분을 연결하며 일체로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 퓨즈부는 적어도 하나의 개구(opening)를 포함할 수 있다. 상기 퓨즈부의 적어도 하나의 개구는 상기 집전부의 단자 접합부와 전극군 접합부 사이에 위치하면서, 상기 집전부에서 단자 홀과 동일한 평면에 형성되거나, 상기 집전부에서 단자 홀의 평면과 실질적으로 수직한 평면에 위치할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 퓨즈부는 제1 소재를 포함하고, 상기 집전부의 수직부는 제2 소재를 포함하며, 상기 제1 소재와 제2 소재는 서로 다르게 형성될 수 있다. 상기 제1 소재는 상기 제2 소재보다 더 낮은 녹는 점을 갖는다.
상기 퓨즈부는 상기 캡 플레이트에서 단자와 직접 접촉한다.
상기 캡 플레이트와 집전부 사이에 절연 부재를 포함하고, 상기 절연 부재는 상기 퓨즈부의 적어도 일부와 중첩될 수 있다.
상긱 퓨즈부는 써멀 퓨즈(thermal fuse)를 포함할 수 있다.
상기 퓨즈부와 단락부재는, 상기 단락부재가 변형될 때, 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
상기 단락부재는 상기 전지 케이스의 내부를 향해 돌출된 볼록한 형상을 가지고, 상기 단락부재의 볼록한 형상은 변형되어 상기 전지 케이스의 외측을 향해 돌출되면서 상기 전극군의 양극과 음극을 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
상기 단락부재는 변형될 때 파단되도록 구성된 노치를 포함할 수 있으며, 상기 캡 플레이트는 상기 단락부재가 내부에 위치하는 개구를 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트 상에 단락 탭을 더 포함하고, 상기 단락 탭은 상기 캡 플레이트에서 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 캡 플레이트는 개구를 더 포함하고, 상기 단락 탭은 상기 개구와 상기 단락부재와 중첩되도록 형성될 수 있다.
상기 단락 탭과 상기 단락부재는, 상기 단락부재가 변형될 때, 서로 접촉할 수 있다.
상기 퓨즈부는 상기 단락부재와 상기 단락 탭의 접촉에 반응하여 파열되도록 구성된다.
상기 단락부재는 중간 부재를 포함하고, 상기 중간 부재는 상기 단락부재가 변형될 때, 상기 단락 탭에 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차 전지의 내부 압력 상승 시에 단락을 유발하여 이차 전지가 폭발하거나 발화하는 것을 방지하고, 단락 시에 발생하는 과도한 전류의 흐름으로 단자와 전극군 사이의 전기적인 연결을 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 음극 리드 탭을 도시한 사시도이다.
도 4a는 단락부재만 설치된 이차 전지의 과충전 시 전압 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전압 및 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 10은 도 9에 나타난 리드 탭을 확대하여 도시한 확대 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제7 실시예에 따른 이차 전지의 리드 탭을 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에 있어서, 설명의 명확화를 위해 층 또는 영역의 치수는 과장되게 도시될 수 있다. 하나의 층 또는 요소가 다른 층 또는 기재의 "위"에 있다고 하는 것은 직접적으로 위에 있거나, 그 사이에 또 다른 층을 개재하여 있는 것으로 이해될 것이다. 그리고, 하나의 층이 다른 층의 "아래"에 있다고 하는 것은 직접적으로 아래에 있거나, 그 사이에 하나 이상의 또 다른 층을 개재하여 있는 것으로 이해될 것이다. 나아가, 하나의 층이 두 개의 층들 "사이"에 있다고 하는 것은 그 하나의 층이 두 개의 층들 사이의 유일한 층이거나, 그 사이에 하나 이상의 또 다른 층이 개재하여 있는 것으로 이해될 것이다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(110)는 양극(11)과 음극(12) 사이에 절연체인 세퍼레이터(13)를 개재하여 귄취된 전극군(10)과, 전극군(10)이 내장되는 케이스(15)와, 케이스(15)의 개구에 결합된 캡 어셈블리(20)를 포함한다.
본 제1 실시예에 따른 이차 전지(110)는 리튬 이온 이차 전지로서 각형인 것을 예로서 설명한다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 리튬 폴리머 전지 또는 원통형 전지 등 다양한 형태의 전지에 적용될 수 있다.
양극(11) 및 음극(12)은 박판의 금속 호일로 형성된 집전체에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 영역인 무지부(11a, 12a)를 포함한다. 양극 무지부(11a)는 양극(11)의 길이 방향을 따라 양극(11)의 한 쪽 측단에 형성되고, 음극 무지부(12a)는 음극(12)의 길이 방향을 따라 음극(12)의 다른 쪽 측단에 형성된다.
양극(11) 및 음극(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 사이에 개재한 후 권취된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기한 전극군(10)은 복수 개의 시트(sheet)로 이루어진 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 구조로 이루어질 수도 있다.
케이스(15)는 대략 직육면체로 이루어지며, 일면에는 개방된 개구가 형성된다. 캡 어셈블리(20)는 케이스(15)의 개구를 덮는 캡 플레이트(28)와 캡 플레이트(28)의 외측으로 돌출되며, 음극(12)과 전기적으로 연결된 제1 단자(21)와 양극(11)과 전기적으로 연결된 제2 단자(22)를 포함한다.
캡 플레이트(28)는 얇은 판으로 이루어지며, 케이스(15)의 개구에 결합된다. 캡 플레이트(28)에는 전해액 주입구(29)에 설치된 밀봉 마개(27)와 벤트 홀(24)에 설치되며 설정된 압력에서 개방될 수 있도록 노치(25a)가 형성된 벤트 플레이트(25)가 설치된다.
제1 단자(21) 및 제2 단자(22)는 캡 플레이트(28)를 관통하여 설치되며 하부에 캡 플레이트(28)의 아래에 지지된 플랜지(21a, 22a)가 형성되고, 캡 플레이트(28)의 외측으로 돌출된 상부 기둥의 외주면은 나사가공된다. 또한, 단자들(21, 22)에는 상부에서 지지하는 너트(35)가 체결된다.
제1 단자(21)와 캡 플레이트(28) 사이에는 개스킷(36)이 설치되며, 제2 단자(22)와 캡 플레이트(28) 사이에도 개스킷(39)이 설치되어 단자들(21, 22)과 캡 플레이트(28) 사이를 밀봉한다.
제1 단자(21)는 음극 리드 탭(31)을 매개로 음극(12)과 전기적으로 연결되며, 제2 단자(22)도 양극 리드 탭(32)을 매개로 양극(11)과 전기적으로 연결된다. 음극 리드 탭(31)과 양극 리드 탭(32)은 다른 부분보다 단면적이 더 작은 퓨즈부(31a, 32a)를 갖는다. 상기 리드 탭(31, 32)은 집전부를 구성한다.
본 실시예에서는 음극 리드 탭(31)과 양극 리드 탭(32) 모두에 퓨즈부(31a, 32a)가 형성된 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 음극 리드 탭(31) 또는 양극 리드 탭(32) 중 어느 하나에 퓨즈부(31a, 32a)가 형성되면 된다. 또한, 제1 단자가 양극과 연결되고, 제2 단자가 음극과 연결될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 음극 리드 탭을 도시한 사시도이다. 도 3을 참조하여 양극 리드 탭과 음극 리드 탭에 대하여 보다 자세히 살펴본다. 음극 리드 탭(31)과 양극 리드 탭(32)은 동일한 구조로 이루어지므로 양극 리드 탭(32)에 대한 설명으로 음극 리드 탭(31)에 대한 설명을 대체한다.
양극 리드 탭(32)은 제2 단자(22)의 아래에서 제2 단자(22)가 끼워지는 단자 홀(32d)이 형성된 단자 접합부(32b)와 단자 접합부(32b)의 아래에 형성되며, 양극 무지부(11a)에 용접으로 부착되는 전극군 접합부(32c), 및 단자 접합부(32b)와 전극군 접합부(32c) 사이에 배치되며 다른 부분보다 단면적이 작게 형성된 퓨즈부(32a)를 포함한다. 전극군 접합부(32c)는 퓨즈부(32a)를 지나서 직각으로, 즉 L 형상으로 절곡된다. 상기 퓨즈부(32a)는 서멀 퓨즈(thermal fuse)를 포함할 수 있다.
한편, 단자(21, 22)의 하단과 리드 탭(31, 32)의 상단은 캡 플레이트(28)의 아래에 배치된 하부 절연부재(34)에 삽입 배치되며, 퓨즈부(31a, 32a)의 상단을 하부 절연부재(34)가 덮고 있다. 이 때, 퓨즈부(31a, 32a)는 전극군(10)보다 더 위에 위치한다.본 실시예와 같이 퓨즈부(31a, 32a)를 전극군(10)보다 위에 위치시키면 퓨즈부(31a, 32a)와 전해액이 접촉하지 않는다. 따라서 퓨즈부(31a, 32a)에서 발생된 열로 인하여 전해액이 발화하는 것을 안정적으로 방지할 수 있다.
이러한 구조로 음극 리드 탭(31)은 제1 단자(21)와 음극(12)을 전기적으로 연결하고 양극 리드 탭(32)은 제2 단자(22)와 양극(11)을 전기적으로 연결한다.
한편, 제1 단자(21)에는 제1 단자(21)와 전기적으로 연결된 제1 단락 탭(41)이 캡 플레이트(28) 상에 설치된다. 제1 단락 탭(41)과 캡 플레이트(28) 사이에는 제1 단락 탭(41)과 캡 플레이트(28)를 전기적으로 절연하는 절연부재(37)가 설치된다.
제2 단자(22)에는 제2 단자(22)와 캡 플레이트(28)를 전기적으로 연결하는 연결판(38)이 설치된다. 연결판(38)에는 단자가 끼워지는 바, 연결판(38)은 연결판(38) 위에 설치된 너트(35)를 통해서 캡 플레이트(28)에 밀착된다.
캡 어셈블리(20)는 양극(11)과 음극(12)을 단락시키는 단락부재(43)를 포함하는 바, 단락부재(43)는 이차 전지(110)의 내부 압력이 상승할 때, 변형되어 제1 단락 탭(41)과 제2 단락 탭을 단락시킨다.
한편, 음극과 전기적으로 연결된 캡 플레이트(28)가 제2 단락 탭으로서의 역할을 한다.
캡 플레이트(28)에는 단락 홀(23)이 형성되며, 단락부재(43)는 단락 홀(23)에서 절연부재(37)와 캡 플레이트(28) 사이에 배치된다. 단락부재(43)는 아래로 볼록하게 호형으로 만곡된 부분과 캡 플레이트에 고정된 테두리 부분을 구비하는 반전 플레이트로 이루어질 수 있다.
이 때 퓨즈부(31a, 32a)는 단락부재(43)와 양극(11) 또는 음극(12) 사이에서 직렬로 연결되어 있다.
제1 단락 탭(41)은 단락 홀(23)을 덮도록 이어져 형성되어 있으며, 이에 따라 케이스(15)의 내부 압력 상승으로 단락부재(43)가 위로 돌출되도록 변형되면 제1 단락 탭(41)과 캡 플레이트(28)가 단락부재(43)를 매개로 전기적으로 연결되어 단락을 유발한다.
단락이 유발되면 순간적으로 큰 전류가 흐르게 되는 바, 큰 전류로 인하여 음극 리드 탭(31) 또는 양극 리드 탭(32)에 형성된 퓨즈부(31a, 32a)가 용융되거나 파열되고 단자(21, 22)와 전극군(10) 사이에서 전류는 차단된다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 단락을 유발하여 순간적으로 큰 전류가 흐르도록 하고, 이 때 발생하는 전류를 이용하여 퓨즈부(31a, 32a)를 용융시켜서 전류를 차단한다. 설정된 조건에서 단락 및 퓨즈부의 작동을 유발하면 이차 전지가 위험한 상황에 이르기 이전에 작동을 정지시킬 수 있으며 이에 따라 안전성이 향상된다.
퓨즈부(31a, 32a)가 설치되지 아니하면 단락이 유발된 후에 발생하는 큰 전류로 인하여 단락부재(43)가 용융되고 이에 따라 단락 상태가 유지되지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 단락 상태가 유지되지 못하면 내부 온도 및 압력이 상승한 이차 전지가 충전과 방전을 되풀이 하여 폭발하거나 발화할 위험이 있다.
도 4a는 퓨즈부 없이 단락부재만 설치된 이차 전지의 과충전 시 전압 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전압 및 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 4.0V의 출력 전압을 갖는 각형 이차 전지의 과충전 시 전압을 나타내었다. 도 4a의 이차 전지는 충전율이 150%일 때, 단락부재가 변형되도록 설계되었으며, 도 4b의 이차 전지는 충전율이 170%과 180% 사이일 때 단락부재가 변형되도록 설계되었다.
도 4a에서는 단락이 발생된 이후에 단락부재가 용융되어 다시 전압이 상승하는 것을 알 수 있으나, 도 4b에서는 단락된 후에 퓨즈부가 용융되어 전압이 더 이상 상승하지 않는 것을 알 수 있다.
또한, 일반적인 퓨즈와 달리, 내부 단락 시에 작동하는 퓨즈부를 설계하면 퓨즈부가 작동하는 열적 조건을 충분히 크게 할 수 있으므로 저항 및 열의 문제를 해결할 수 있다. 즉, 내부 단락 시에는 정상 운전 시에 비하여 수백배 더 큰 전류가 흐르는 바, 이러한 전류에서 작동하는 퓨즈부를 설치하면 정상 운전 시에 퓨즈에서 발생하는 저항 및 열은 매우 작게 된다.
또한, 종래와 같이 용접 부위가 떨어지면서 전류가 차단되는 경우에는 용접 부위의 탈락 시에 아크가 발생하여 발화의 위험이 있었다. 그러나 높은 전류에서 퓨즈부가 용융되어 전류가 차단되면 아크의 발생을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 이차 전지(120)는 제2 단자가 제거되고 음극 리드 탭이 변형된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이차 전지(120)는 케이스(15)와 케이스(15)를 밀폐하는 캡 어셈블리(40)를 포함한다.
캡 어셈블리(40)는 외측으로 돌출된 제1 단자(21)와 케이스(15)의 개구에 결합된 캡 플레이트(42), 및 제1 단자(21)와 전기적으로 연결되며 캡 플레이트(42) 상에 설치된 제1 단락 탭(41)을 포함한다.
제1 단자(21)는 캡 플레이트(28)를 관통하여 외측으로 돌출되며, 퓨즈부(31a)를 갖는 음극 리드 탭(31)을 매개로 음극(12)과 전기적으로 연결된다.
캡 플레이트(58)에 형성된 단락 홀(23)에는 케이스 내부의 압력이 상승할 때 변형되어 캡 플레이트(42)와 제1 단락 탭(41)의 단락을 유도하는 단락부재(43)가 삽입 설치된다.
한편, 양극(11)에는 양극(11)과 캡 플레이트(42)를 전기적으로 연결하는 양극 리드 탭(33)이 설치된다. 양극 리드 탭(33)은 하단이 양극 무지부(11a)에 용접으로 부착되고 상단이 캡 플레이트(42)에 용접으로 부착된다.
본 실시예에 따르면 양극 리드 탭(33)이 캡 플레이트(42)에 직접 부착되므로 양극(11)과 캡 플레이트(42) 사이의 접촉 저항을 최소화할 수 있다. 또한, 양극 리드 탭(33)의 상부에는 다른 부분보다 단면적이 더 작은 퓨즈부(33a)가 형성되며 퓨즈부(33a)는 단락부재(43)의 변형으로 단락이 발생할 때 용융된다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(130)는 제1 단락 탭(41)과 단락부재(47) 사이에 설치된 중간부재(45)를 포함한다.
본 실시예에 따른 이차 전지(130)는 중간부재(45)가 추가 설치된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 이차 전지(130)는 케이스(15)와 케이스(15)를 밀폐하는 캡 어셈블리(48)를 포함한다.
본 실시예에 따른 캡 어셈블리(48)는 제1 단자(21)와 제2 단자(22), 케이스(15)의 개구에 결합된 캡 플레이트(28), 및 제1 단자(21)와 전기적으로 연결되며 캡 플레이트(28) 위에 설치된 제1 단락 탭(41)을 포함한다.
제1 단자(21)는 퓨즈부(31a)를 갖는 음극 리드 탭(31)을 통해서 음극(12)과 전기적으로 연결되고, 제2 단자(22)는 퓨즈부(32a)를 갖는 양극 리드 탭(32)을 통해서 양극(11)과 전기적으로 연결된다.
캡 플레이트(28)는 연결판(38)을 통해서 제2 단자(22)와 전기적으로 연결된다.
단락부재(47)는 캡 플레이트(28)의 하면에 배치되며, 내부 압력의 상승 시에 반전 변형될 수 있도록 아래로 볼록한 반전 플레이트로 이루어진다.
중간부재(45)는 제1 단락 탭(41)과 단락부재(47) 사이에 배치되며, 대략 원통 형상으로 이루어진다. 중간부재(45)는 단락부재(47)에 용접으로 접합되는 바, 단락부재(47)가 충분히 변형될 수 있을 정도로 중간부재(45)의 하단 둘레를 따라 단락부재(47)에 용접된다. 또한 중간부재(45)의 상면은 제1 단락 탭(41)과 충분한 면적으로 접촉할 수 있도록 제1 단락 탭(41)에 평행하게 배치된다.
중간부재(45)는 단락부재(47)가 설정된 압력에서 반전 변형될 수 있도록 무게와 형상이 조절된다.
이에 따라 단락부재(47)가 위로 볼록하도록 변형되면 중간부재(45)가 상승하여 제1 단락 탭(41)과 접촉하며, 이에 따라 캡 플레이트(28)는 단락부재(47)와 중간부재(45)를 매개로 제1 단락 탭(41)에 전기적으로 연결된다.
단락부재(47)가 제1 단락 탭(41)과 직접 접촉하면 퓨즈가 용융되기 전에 단락부재(47)가 과전류로 용융(melting)되어 단락이 중단될 수 있다. 이는 단락부재(47)가 제1 단락 탭(41)과 충분히 접촉하지 못하고 부분적으로 접촉하기 때문이다.
그러나 본 실시예에 따르면 중간부재(45)가 제1 단락 탭(41)과 충분한 면적으로 접촉할 수 있고, 중간부재(45)가 단락부재(47)에 용접되어 있으므로 퓨즈부(31a, 32a)가 용융 또는 파열될 때까지 단락이 중단되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 제4 실시예에 따른 이차 전지(140)는 캡 어셈블리(50)의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 이차 전지(140)는 케이스(15)와 케이스(15)를 밀폐하는 캡 어셈블리(50)를 포함한다.
본 실시예에 따른 캡 어셈블리(50)는 제1 단자(21)와 제2 단자(22), 케이스(15)의 개구에 결합된 캡 플레이트(58), 및 제1 단자(21)와 전기적으로 연결되며 캡 플레이트(58) 위에 설치된 제1 단락 탭(51)을 포함한다.
제1 단자(21)는 퓨즈부(31a)를 갖는 음극 리드 탭(31)을 통해서 음극(12)과 전기적으로 연결되고, 제2 단자(22)는 퓨즈부(32a)를 갖는 양극 리드 탭(32)을 통해서 양극(11)과 전기적으로 연결된다.
캡 플레이트(58)는 연결판(38)을 통해서 제2 단자(22)와 전기적으로 연결된다.
제1 단락 탭(51)에는 배기 홀(51a)이 형성되며, 배기 홀(51a)은 캡 플레이트(58)에 형성된 단락 홀(53)의 상부에 위치한다. 또한 단락 홀(53)에는 변형되어 캡 플레이트와 제1 단락 탭의 단락을 유도하는 단락부재(52)가 삽입 설치된다. 단락부재(52)는 표면에 노치(52a)가 형성된 반전 플레이트로 이루어진다.
케이스(15) 내부의 압력이 상승하면 단락부재(52)가 위로 변형되면서 제1 단락 탭(51)과 접하여 단락을 유도한다. 단락이 발생하면, 과도한 전류가 흘러서 퓨즈부(31a, 32a) 중 어느 하나가 용융되어 단자(21, 22)로 전류가 흐르는 것을 막는다. 또한, 퓨즈부(31a, 32a)가 작동한 이후에도 케이스(15)의 내부 압력이 지속적으로 증가하면 단락부재(52)에 형성된 노치(52a)가 찢어지면서 배기 홀을 통해서 케이스(15) 내부의 가스가 외부로 배출된다.
본 실시예와 같이 단락부재(52)에 노치(52a)를 형성하면 별도로 노치를 형성할 필요가 없는 장점이 있으며, 제1 단락 탭(51)의 배기 홀(51a)을 통해서 내부 가스를 쉽게 배출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 본 제5 실시예에 따른 이차 전지(150)는 캡 어셈블리(60)의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 이차 전지(150)는 케이스(15)와 케이스(15)를 밀폐하는 캡 어셈블리(60)를 포함한다.
본 실시예에 따른 캡 어셈블리(60)는 제1 단자(21)와 제2 단자(22), 케이스(15)의 개구에 결합된 캡 플레이트(28), 및 제1 단자(21)와 전기적으로 연결되며 캡 플레이트(28) 상에 설치된 제1 단락 탭(41)을 포함한다.
캡 플레이트(28)는 연결판(38)을 통해서 제2 단자(22)와 전기적으로 연결된다.
제1 단락 탭(41)의 아래에는 단락 홀(23)이 형성되며 단락 홀(23)에는 변형되어 캡 플레이트(28)와 제1 단락 탭(41)의 단락을 유도하는 단락부재(52)가 설치된다. 단락부재(43)는 반전 플레이트로 이루어진다.
제1 단자(21)는 음극 리드 탭(61)을 통해서 음극(12)과 전기적으로 연결되고, 제2 단자(22)는 양극 리드 탭(62)을 통해서 양극(11)과 전기적으로 연결된다. 또한, 제1 단자(21)와 음극 리드 탭(61) 사이에는 음극 리드 탭(61)보다 녹는 점이 낮은 소재로 이루어진 음극 퓨즈부(65)가 설치되고, 제2 단자(22)와 양극 리드 탭(62) 사이에는 양극 리드 탭(62)보다 녹는 점이 낮은 소재로 이루어진 양극 퓨즈부(67)가 설치된다.
음극 퓨즈부(65)는 제1 단자(21) 및 음극 리드 탭(61)에 용접으로 고정되고, 양극 퓨즈부(67)는 제2 단자(22) 및 양극 리드 탭(62)에 용접으로 고정된다.
이와 같이 본 실시예에서는 퓨즈부(65, 67)와 리드 탭(61, 62)이 별개의 부재로 이루어지며 퓨즈부(65, 67)와 리드 탭(61, 62)을 서로 상이한 소재로 형성할 수 있다. 이에 따라 퓨즈부(65, 67)가 리드 탭(61, 62)에 비하여 녹는 점이 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 리드 탭(61)은 구리로 이루어지고, 리드 탭(62)는 알루미늄으로 이루어질 수 있으며, 퓨즈부(65, 67)는 납 등으로 이루어질 수 있다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이고, 도 10은 도 9에 나타난 리드 탭을 확대하여 도시한 확대 사시도이다.
도 9 및 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(160)는 리드 탭의 퓨즈 구조를 제외하고는 도 1 내지 3을 참조로 설명한 이차 전지(110)와 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 차이점에 대해서만 설명한다.
도 9와 10에 나타낸 바와 같이, 이차 전지(160)는 각각 제1 퓨즈부(31a')와 제2 퓨즈부(32a')를 갖는 음극 리드 탭(31')과 양극 리드 탭(32')을 포함한다. 상기 각각의 제1 퓨즈부(31a')와 제2 퓨즈부(32a')는 적어도 하나의 개구(opening)를 구비할 수 있다.
상기 제1 퓨즈부(31a')와 제2 퓨즈부(32a')는 상기 음극 및 양극 리드 탭(31', 32')에 모두 형성될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제1 퓨즈부(31a')와 제2 퓨즈부(32a')는 상기 음극 및 양극 리드 탭(31', 32') 중 어느 하나에만 형성될 수도 있다.
상기 양극 리드 탭(32')은 단자 접합부(32b), 전극군 접합부(32c), 및 퓨즈부(32a')를 포함한다. 상기 단자 접합부(32b)는 양극 단자(22) 아래에 형성된 단자 홀(32d)을 포함할 수 있으며, 상기 단자 홀(32d)을 통해 상기 양극 단자(22)가 삽입된다. 전극군 접합부(32c)는 상기 단자 접합부(32b) 아래에 형성되며, 양극 무지부(11a)에 용접될 수 있다. 상기 음극 리드 탭(31')은 상기 양극 리드 탭(32')과 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다.
퓨즈부(32a')는 단자 접합부(32b)와 전극군 접합부(32c) 사이에 위치할 수 있으며, 적어도 하나의 개구(32a'-1)를 구비하고 있다. 예를 들어, 퓨즈부(32a')는 단자 접합부(32b)와 전극군 접합부(32c)를 연결하는 연결부재(32a'-2)를 포함하여, 상기 개구(32a'-1)는 z축을 따라 상기 연결부재(32a'-2)들 사이에 위치하고, x축을 따라 상기 단자 접합부(32b)와 상기 전극군 접합부(32c) 사이에 위치한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 개구(32a'-1)는 xz-평면, 즉 단자 홀(32d)과 동일 평면에 있으며, 전극군 접합부(32c)는 상기 퓨즈부(32a')를 지난 후 수직하게 절곡될 수 있다. 선택적으로, 도 11에 도시된 본 발명의 제7 실시예에 따른 이차 전지의 리드 탭과 같이, 양극 리드 탭(32")은 상기 단자 홀(32d)의 평면에 실질적으로 수직한 평면, 즉 zy-평면에 개구를 갖는 퓨즈부(32a")를 포함할 수 있다. 상기 양극 리드 탭(32")의 다른 특징들은 상기 도 10을 참조하여 설명된 양극 리드 탭(32')의 특징과 실질적으로 같다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
10: 전극군 11: 양극
12: 음극 110: 이차 전지
12: 음극 13: 세퍼레이터
15: 케이스 20: 캡 어셈블리
21: 제1 단자 22: 제2 단자
23: 단락 홀 28: 캡 플레이트
31: 음극 리드 탭 32: 양극 리드 탭
31a, 32a: 퓨즈부 38: 연결판
43: 단락부재 45: 중간부재

Claims (22)

  1. 양극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하고, 전지 케이스에 내장된 전극군;
    상기 전지 케이스에 연결되며, 변형되어 상기 양극과 음극을 전기적으로 연결하도록 구성된 단락부재를 포함한 캡 플레이트;
    상기 전극군의 양극과 음극 중 하나에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 퓨즈부를 포함하는 집전부;
    를 포함하며,
    상기 단락부재는 상기 전지 케이스의 내부를 향해 돌출된 볼록한 형상을 가지고, 상기 단락부재의 볼록한 형상은 변형되어 상기 전지 케이스의 외측을 향해 돌출되면서 상기 전극군의 양극과 음극을 전기적으로 연결하도록 구성되는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 상기 전극군에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 단자를 포함하고,
    상기 단락부재는 변형된 후 상기 적어도 하나의 단자의 외측부에 전기적으로 접촉하는 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 집전부의 다른 부분보다 더 얇게 형성되는 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 집전부의 두 부분을 연결하며 일체로 형성되는 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 적어도 하나의 개구(opening)를 포함하는 이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 퓨즈부의 적어도 하나의 개구는 상기 집전부의 단자 접합부와 전극군 접합부 사이에 위치하는 이차 전지.
  7. 양극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하고, 전지 케이스에 내장된 전극군;
    상기 전지 케이스에 연결되며, 변형되어 상기 양극과 음극을 전기적으로 연결하도록 구성된 단락부재를 포함한 캡 플레이트;
    상기 전극군의 양극과 음극 중 하나에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 퓨즈부를 포함하는 집전부;
    를 포함하며,
    상기 퓨즈부는 상기 집전부의 두 부분을 연결하며 일체로 형성되고, 상기 퓨즈부는 적어도 하나의 개구(opening)를 포함하며,
    상기 퓨즈부의 적어도 하나의 개구는 상기 집전부에서 단자 홀과 동일한 평면에 형성되는 이차 전지.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 퓨즈부의 적어도 하나의 개구는 상기 집전부에서 단자 홀의 평면과 수직한 평면에 위치하는 이차 전지.
  9. 양극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하고, 전지 케이스에 내장된 전극군;
    상기 전지 케이스에 연결되며, 변형되어 상기 양극과 음극을 전기적으로 연결하도록 구성된 단락부재를 포함한 캡 플레이트;
    상기 전극군의 양극과 음극 중 하나에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 퓨즈부를 포함하는 집전부;
    를 포함하며,
    상기 퓨즈부는 제1 소재를 포함하고,
    상기 집전부의 수직부는 제2 소재를 포함하며,
    상기 제1 소재와 제2 소재는 서로 다른 이차 전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 소재는 상기 제2 소재보다 더 낮은 녹는 점을 갖는 이차 전지.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 캡 플레이트에서 단자와 직접 접촉하는 이차 전지.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트와 집전부 사이에 절연 부재를 포함하고,
    상기 절연 부재는 상기 퓨즈부의 적어도 일부와 중첩되는 이차 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 써멀 퓨즈(thermal fuse)인 이차 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈부와 단락부재는, 상기 단락부재가 변형될 때, 전기적으로 직렬 연결되는 이차 전지.
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 단락부재는 변형될 때 파단되도록 구성된 노치를 포함하는 이차 전지.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 상기 단락부재가 내부에 위치하는 개구를 포함하는 이차 전지.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트 상에 단락 탭을 더 포함하고,
    상기 단락 탭은 상기 캡 플레이트에서 단자에 전기적으로 연결되는 이차 전지.
  19. 양극과 음극 및 세퍼레이터를 포함하고, 전지 케이스에 내장된 전극군;
    상기 전지 케이스에 연결되며, 변형되어 상기 양극과 음극을 전기적으로 연결하도록 구성된 단락부재를 포함한 캡 플레이트;
    상기 전극군의 양극과 음극 중 하나에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 퓨즈부를 포함하는 집전부;
    를 포함하며,
    상기 캡 플레이트 상에 단락 탭을 더 포함하고, 상기 단락 탭은 상기 캡 플레이트에서 단자에 전기적으로 연결되며,
    상기 캡 플레이트는 개구를 더 포함하고, 상기 단락 탭은 상기 개구 및 상기 단락부재와 중첩되는 이차 전지.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 단락 탭과 상기 단락부재는, 상기 단락부재가 변형될 때, 서로 접촉하는 이차 전지.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 단락부재와 상기 단락 탭의 접촉에 반응하여 파열되도록 구성된 이차 전지.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 단락부재는 중간 부재를 포함하고,
    상기 중간 부재는 상기 단락부재가 변형될 때, 상기 단락 탭에 접촉하는 이차 전지.
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