KR101201743B1 - 이차 전지 - Google Patents

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KR101201743B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 내부 쇼트가 발생시, 발생되는 가스를 벤트 플레이트로 신속히 유도하여 안정성을 향상시키는 이차 전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 세퍼레이터의 양면에 전극을 구비하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 내장하는 케이스, 및 상기 전극 조립체에 연결되는 전극단자를 구비하여, 상기 케이스의 개구에 결합되는 캡 플레이트를 포함하며, 상기 캡 플레이트는, 상기 케이스의 연결 측에 라운드부를 형성한다.

Description

이차 전지 {RECHARGEABLE BATTERY}
본 기재는 캡 플레이트를 개선하여 내부 쇼트에 대한 안정성을 향상시키는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 일차전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지이다. 소용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 이차 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.
예를 들면, 이차 전지는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 케이스의 개구에 결합되는 캡 플레이트 및 캡 플레이트에 설치되어 전극 조립체에 연결되는 전극단자를 포함한다. 캡 플레이트는 전극단자를 설치하는 단자 구멍 및 벤트 구멍을 구비하며, 벤트 구멍에 캡 플레이트보다 얇은 판재로 이루어져 벤트 플레이트를 용접한다. 전극 조립체의 충전 및 방전 작용으로 이차 전지의 내부에서 발생되는 가스에 의하여 내압이 상승하면, 벤트 플레이트가 절개되어 가스를 배출한다.
이차 전지의 내부 쇼트 발생시, 즉 전극 조립체의 양극과 음극 쇼트시, 충전된 양극과 음극의 전위차가 급격히 좁아지면서 열이 발생되고 전해액이 분해된다. 전해액이 분해되면서 메탄, 수소 및 이산화탄소와 같은 가스가 대량으로 발생된다. 이 가스는, 정상적인 충전 및 방전 작용에 비하여, 이차 전지의 내부 압력을 급격히 상승시킨다.
그러나 통상적으로 캡 플레이트는 평면으로 형성되므로 내부 압력을 순간적으로 상승시킬 수 있는 가스를 벤트 플레이트로 신속히 유도하지 못한다. 따라서 내부 압력이 순간적으로 상승하여 벤트 플레이트가 절개되기 전에 이차 전지가 폭발할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 내부 쇼트가 발생시, 발생되는 가스를 벤트 플레이트로 신속히 유도하여 안정성을 향상시키는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 세퍼레이터의 양면에 전극을 구비하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 내장하는 케이스, 및 상기 전극 조립체에 연결되는 전극단자를 구비하여, 상기 케이스의 개구에 결합되는 캡 플레이트를 포함하며, 상기 캡 플레이트는, 상기 케이스의 연결 측에 라운드부를 형성한다.
상기 라운드부는, 상기 케이스의 내부를 향하여 오목하게 형성될 수 있다.
상기 라운드부는, 제1 곡률 반경을 가지고 상기 케이스의 내면에 접선으로 연결될 수 있다.
상기 캡 플레이트는, 상기 개구의 둘레를 따라 상기 라운드부를 형성하고, 상기 라운드부로 둘러싸여서 상기 라운드부의 제1 곡률 반경에 접선으로 연결되는 평면부를 가질 수 있다.
상기 캡 플레이트는, 내부 가스를 배출하는 벤트 구멍을 가지며, 상기 벤트 구멍은, 상기 평면부에 형성될 수 있다.
상기 전극단자는, 리드탭으로 상기 전극에 연결되고, 상기 캡 플레이트의 단자홀에 인슐레이터를 개재하여 설치되며, 상기 리드탭과 상기 캡 플레이트 사이에 절연부재가 설치되고, 상기 절연부재는 상기 평면부에 안착될 수 있다.
상기 절연부재의 측면과 상기 라운드부는 가스 통로를 형성할 수 있다.
상기 라운드부는, 상기 케이스에 연결되는 길이 방향 양단 사이에서 제2 곡률 반경으로 형성될 수 있다.
상기 캡 플레이트는, 중앙의 벤트 구멍 측에서 최소 두께를 형성하고, 상기 라운드부의 최외곽에서 최대 두께를 형성할 수 있다.
상기 라운드부는, 제1 곡률 반경을 가지고 상기 케이스의 내면에 접선으로 연결되는 제1 라운드부, 및 상기 제1 곡률 반경보다 큰 제2 곡률 반경으로 상기 제1 라운드부에 연결되는 제2 라운드부를 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트는, 상기 제1 라운드부에서 두께가 급격하게 감소하고, 상기 제2 라운드부에서 두께가 제1 라운드부보다 완만하게 감소할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 캡 플레이트에 라운드부를 형성하므로 내부 쇼트 발생시, 발생되는 가스를 라운드부를 통하여 벤트 플레이트로 신속히 유도하는 효과가 있다. 벤트 플레이트로 유도된 가스는 벤트 플레이트를 절개하고 벤트 구멍으로 배출된다. 따라서 이차 전지의 폭발이 방지되고 이차 전지의 내부 쇼트에 대하여 안정성(stability)이 향상된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 2의 라운드부의 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 자른 단면도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 이차 전지(100)는 충전 및 방전 작용하는 전극 조립체(10), 전극 조립체(10)와 전해액을 내장하는 케이스(20), 및 케이스(20)의 개구에 결합되는 캡 플레이트(30)를 포함한다.
전극 조립체(10)는 절연체인 세퍼레이터(13)의 양면에 전극, 즉 음극(11)과 양극(12)을 구비하고, 음극(11), 세퍼레이터(13) 및 양극(12)을 젤리롤 상태로 귄취하여 형성된다.
예를 들면, 전극 조립체는 세퍼레이터를 사이에 두고 단일 판으로 각각 이루어지는 음극과 양극을 적층하여 조립되거나, 음극, 세퍼레이터 및 양극을 지그재그 방식으로 접어서 적층하여 조립될 수 있다(미도시).
음, 양극(11, 12)은, 집전체에 활물질을 도포하여 형성되는 코팅부(11a, 12a), 및 코팅부(11a, 12a)의 각 일측에서 활물질이 도포되지 않은 집전체의 노출부로 형성되는 무지부(11b, 12b)를 포함한다. 예를 들면, 음극(11)의 집전체는 구리로 형성되고, 양극(12)의 집전체는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
음극(11)의 무지부(11b)는 권취되는 음극(11)을 따라 음극(11)의 한 쪽 단부에 형성된다. 양극(12)의 무지부(12b)는 권취되는 양극(12)을 따라 양극(12)의 한 쪽 단부에 형성된다. 즉 무지부들(11b, 12b)은 전극 조립체(10)의 양단에 각각 배치되어, 전기적인 연결을 가능하게 한다.
케이스(20)는 일측에 개구(21)를 형성하며, 개구(21)를 통하여 전극 조립체(10)의 삽입을 가능하게 하고, 전극 조립체(10)와 전해액의 수용 공간을 형성하는 직육면체 형상을 가질 수 있다.
캡 플레이트(30)는 케이스(20)의 개구(21)에 결합되어, 케이스(20)와 함께 밀폐된 수용 공간을 설정한다. 예를 들면, 케이스(20)와 캡 플레이트(30)는 알루미늄으로 형성되므로, 상호 결합 후 용접될 때, 우수한 용접성을 가진다.
캡 플레이트(30)는 전해액 주입구(31)와 벤트 구멍(32)을 가진다. 전해액 주입구(31)는 캡 플레이트(30)를 케이스(20)에 결합한 후, 케이스(20)의 내부로 전해액의 주입을 가능하게 한다. 전해액 주입 후, 전해액 주입구(31)는 밀봉 마개(33)로 밀봉된다.
벤트 구멍(32)은 충전과 방전 작용으로 발생되는 가스를 이차 전지(100)의 외부로 배출하여 이차 전지(100)의 폭발을 방지할 수 있도록 용접되는 벤트 플레이트(34)에 의하여 밀폐된다. 이차 전지(100)의 내부 압력이 설정치에 이르면, 벤트 플레이트(34)가 절개된다. 벤트 플레이트(34)에 형성되는 노치(34a)는 벤트 플레이트(34)의 절개를 유도한다. 벤트 플레이트(34)의 절개로 벤트 구멍(32)이 개방되어 이차 전지(100) 내부의 가스가 배출된다.
한편, 캡 플레이트(30)는 케이스(20)의 내부와 외부를 연결하도록 관통되는 단자홀(311, 312)을 가진다. 전극단자, 즉 음, 양극단자(41, 42)는 캡 플레이트(30)의 단자홀(311, 312)에 각각 설치되어, 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결된다. 즉 음극단자(41)는 전극 조립체(10)의 음극(11)에 전기적으로 연결되고, 양극단자(42)는 전극 조립체(10)의 양극(12)에 전기적으로 연결된다.
음, 양극단자(41, 42)는 캡 플레이트(30)의 단자홀(311, 312)에 설치된 상태에서, 케이스(20)의 내측에서는 플랜지(41a, 42a)로 음, 양극 리드탭(43, 44)에 연결되고, 케이스(20)의 외측에서는 터미널 플레이트(41b, 42b)에 연결된다. 터미널 플레이트(41b, 42b)는 버스바(미도시)로 연결되어 복수의 이차 전지들(100)을 직렬 또는 병렬 연결을 가능하게 한다.
또한, 일 실시예의 이차 전지(100)는 음, 양극단자(41, 42)과 캡 플레이트(30)의 단자홀(311, 312) 사이에서 전기적인 절연구조와 전해질의 실링 구조를 형성하기 위하여, 양자 사이에 개재되는 개스킷(45, 46)과 인슐레이터(47, 48)를 구비한다.
개스킷(45, 46)은 음, 양극단자(41, 42)와 단자홀(311, 312) 사이에 개재되고 플랜지(41a, 42a)와 캡 플레이트(30)의 내면 사이로 연장되어, 음, 양극단자(41, 42)와 캡 플레이트(30)를 전기적으로 절연시키고, 단자홀(311, 312)을 실링한다.
인슐레이터(47, 48)는 음, 양극단자(41, 42)와 단자홀(311, 312) 사이에 개재되고 터미널 플레이트(41b, 42b)와 캡 플레이트(30)의 외면 사이로 연장되어, 음, 양극단자(41, 42)와 캡 플레이트(30)를 전기적으로 절연시키고, 단자홀(311, 312)을 실링 작용한다.
음, 양극 리드탭(43, 44)은 도전성 부재로 형성되어 음, 양극단자(41, 42)를 전극 조립체(10)의 음, 양극(11, 12)의 무지부(11b, 12b)에 전기적으로 연결한다. 즉 음, 양극 리드탭(43, 44)을 음, 양극단자(41, 42)의 하단에 결합하여, 음, 양극 리드탭(43, 44) 하단을 코킹함으로써, 음, 양극 리드탭(43, 44)은 플랜지(41a, 42a)에 지지되면서 음, 양극단자(41, 42)의 하단에 도전 구조로 체결된다.
또한, 일 실시예의 이차 전지(100)는 음, 양극 리드탭(43, 44)과 캡 플레이트(30)을 전기적으로 절연시키는 절연부재(51, 52)를 더 포함한다. 즉 절연부재(51, 52)는 음, 양극 리드탭(43, 44)과 캡 플레이트(30) 사이에 설치된다.
예를 들면, 절연부재(51, 52)는 전극단자(41, 42)의 플랜지(41a, 42a)를 수용하여 캡 플레이트(30)의 내면에 결합되어 플랜지(41a 42a)와 캡 플레이트(30)를 전기적으로 절연하고, 플랜지(41a, 42a)에 연결되는 음, 양극 리드탭(43, 44)을 수용하여 음, 양극 리드탭(43, 44)과 캡 플레이트(30)를 전기적으로 절연한다.
또한, 일 실시예의 이차 전지(100)는 내부 쇼트에 대하여 폭발을 방지할 수 있도록 구성된다. 예를 들면, 캡 플레이트(30)는 케이스(20)의 연결 측에 라운드부(25)를 형성한다.
캡 플레이트(30)가 케이스(20)의 개구(21)에 연결되므로 라운드부(25)는 개구(21)에 인접하여 형성되어 내부에서 발생되는 가스를 벤트 구멍(32) 및 벤트 플레이트(34)로 신속히 유도함으로써, 케이스(20)나 캡 플레이트(30)의 특정 부분에 가스 집중 현상을 방지한다.
실질적으로, 캡 플레이트(30)와 케이스(20)가 결합되는 개구(21) 측에서 가스 집중 현상이 발생될 수 있다. 따라서 라운드부(25)는 캡 플레이트(30)의 길이 방향 양단(도 2 참조)과 캡 플레이트(30)의 폭 방향 양단에 형성되고(도 3 참조), 캡 플레이트(30)의 둘레를 따라 연결된다.
도 4를 참조하면, 라운드부(25)는 케이스(20)의 내부를 향하여 오목하게 형성된다. 케이스(20)의 내부 가스가 케이스(20)의 내벽을 타고 올라올 때, 라운드부(25)는 가스의 흐름 방향을 벤트 구멍(32) 및 벤트 플레이트(34)로 유도할 수 있다. 이때, 라운드부(25)는 제1 곡률 반경(R1)을 가지고 케이스(20)의 내면에 접선으로 연결된다. 따라서 케이스(20) 내부 가스는 케이스(20)의 내면에서 벤트 플레이트(34)를 향하여 자연스럽게 유도된다.
라운드부(25)가 개구(21)의 둘레에 대응하도록 캡 플레이트(30)의 내면에 둘레를 따라 형성되므로 캡 플레이트(30)는 라운드부(25)와 라운드부(25)로 둘러싸이는 평면부(26)를 가지게 된다. 즉 캡 플레이트(30)의 내면은 평면부(26)와 평면부(26)의 외곽을 둘러싸서 평면부(26)로부터 돌출되는 라운드부(25)를 가진다. 라운드부(25)는 제1 곡률 반경(R1)의 접선으로 평면부(26)에 연결되고, 벤트 구멍(32)은 평면부(26)에 형성된다.
절연부재(51, 52)는 평면부(26)에 안착되므로 평면부(26)의 외곽에 형성되는 라운드부(25)와 이에 마주하는 절연부재(51, 52)의 측면 사이로 가스가 흐를 수 있는 가스 통로(P)를 설정한다(도 3 참조). 가스 통로(P)는 평면부(26)를 통하여 벤트 구멍(32) 및 벤트 플레이트(34)으로 연결된다(도 2 참조). 따라서 케이스(20) 내부에서 발생되는 가스는 라운드부(25)에 의하여 가스 통로(P)를 통하여 벤트 구멍(32)으로 유도된다.
이차 전지(100)에서 내부 쇼트 발생시, 음극(11)과 양극(12)의 전위차가 급격히 좁아지고, 이로 인하여, 열이 발생되고 전해액이 분해된다. 전해액의 분해로 인하여, 순간적으로 발생되는 대량의 가스는 케이스(20)의 개구(21) 측에서 라운드부(25)에 의하여 벤트 구멍(32)으로 안내된다. 순간적으로 벤트 플레이트(34)에 가스가 집중되어 벤트 플레이트(34)가 절개됨으로써 캡 플레이트(30)와 케이스(20)가 결합되는 개구(21) 측에서 이차 전지(100)의 폭발이 방지될 수 있다.
이하에서 본 발명의 다른 실시예들에 대하여 설명하며, 제1 실시예 및 기설명된 실시예들과 비교하여, 동일한 구성에 대한 설명을 생략하고, 서로 다른 구성에 대하여 비교 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지(200)의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제2 실시예의 이차 전지(200)에서, 라운드부(225)는 전극 조립체(10)를 내장한 케이스(20)에 연결되는 길이 방향(도 5에서 좌우 방향)의 양단 사이에서, 케이스(20)의 수용 공간을 향하여 제2 곡률 반경(R2)으로 오목하게 형성된다. 따라서 캡 플레이트(230)는 중앙의 벤트 구멍(232) 및 벤트 플레이트(34) 측에서 최소 두께(T1)를 형성하고, 라운드부(225)의 최외곽에서 최대 두께(T2)를 형성한다.
즉 제1 실시예에서 라운드부(25)는 케이스(20)의 개구(21)에 대응하도록 캡 플레이트(30)의 내면 외곽에 구비된다. 이에 비하여, 즉 제2 실시예에서 라운드부(225)는 캡 플레이트(230)의 내면 전체에 걸쳐서 아치(arch) 구조로 형성된다. 따라서 캡 플레이트(230)의 전 영역에서 내부 가스를 벤트 구멍(232) 및 벤트 플레이트(34) 측으로 유도할 수 있다. 아치 구조는 캡 플레이트(230)의 기계적 강성을 증대시킨다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지(300)의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제3 실시예의 이차 전지(300)에서, 라운드부(325)는 전극 조립체를 내장한 케이스(20)의 내면에 제1 곡률 반경(R11)의 접선으로 연결되는 제1 라운드부(25a), 및 제1 곡률 반경(R11)보다 큰 제2 곡률 반경(R12)으로 제1 라운드부(25a)에 연결되는 제2 라운드부(25b)를 포함한다.
즉 제1 라운드부(25a)는 케이스(20)의 개구(21) 측에 형성되고, 제2 라운드부(25b)를 양측 제1 라운드부들(25a) 사이에 형성된다. 즉 캡 플레이트(330)는 제1 라운드부(25a)에서 두께가 급격하게 감소하고, 제2 라운드부(25b)에서 두께가 제1 라운드부(25a)보다 더 완만하게 감소한다.
제1 라운드부(25a)는 제1 실시예에서와 같이, 가스가 집중되는 개구(21) 측에서 내부 가스를 벤트 구멍(332) 및 벤트 플레이트(34) 측으로 신속히 유도하고, 제2 라운드부(25b)는 제1 라운드부(25a)의 유도에 이어서, 제2 실시예에서와 같이, 캡 플레이트(330)의 전 영역에서 내부 가스를 벤트 구멍(332) 및 벤트 플레이트(34) 측으로 유도할 수 있다.
이상을 통해 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.
10 : 전극 조립체 11 : 음극
11a, 12a : 코팅부 11b, 12b : 무지부
12 : 양극 13 : 세퍼레이터
20 : 케이스 21 : 개구
25, 225, 325 : 라운드부 25a, 25b : 제1, 제2 라운드부
26 : 평면부 30, 230, 330 : 캡 플레이트
311, 312 : 단자홀 32, 232, 332 : 벤트 구멍
33 : 밀봉 마개 34 : 벤트 플레이트
34a : 노치 31 : 전해액 주입구
41, 42 : 음, 양극단자 41a, 42a : 플랜지
41b, 42b : 터미널 플레이트 43, 44 : 양극 리드탭
45, 46 : 개스킷 47, 48 : 인슐레이터
51, 52 : 절연부재 100, 200, 300 : 이차 전지
R1, R11 : 제1 곡률 반경 R2, R12 : 제2 곡률 반경
T1 : 최소 두께 T2 : 최대 두께

Claims (11)

  1. 세퍼레이터의 양면에 전극을 구비하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 내장하는 케이스; 및
    상기 전극 조립체에 연결되는 전극단자를 구비하여, 상기 케이스의 개구에 결합되는 캡 플레이트
    를 포함하며,
    상기 캡 플레이트는,
    상기 케이스의 연결 측에 라운드부를 형성하는 이차 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 라운드부는,
    상기 케이스의 내부를 향하여 오목하게 형성되는 이차 전지.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 라운드부는,
    제1 곡률 반경을 가지고 상기 케이스의 내면에 접선으로 연결되는 이차 전지.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는,
    상기 개구의 둘레를 따라 상기 라운드부를 형성하고,
    상기 라운드부로 둘러싸여서 상기 라운드부의 제1 곡률 반경에 접선으로 연결되는 평면부를 가지는 이차 전지.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는,
    내부 가스를 배출하는 벤트 구멍을 가지며,
    상기 벤트 구멍은,
    상기 평면부에 형성되는 이차 전지.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 전극단자는,
    리드탭으로 상기 전극에 연결되고,
    상기 캡 플레이트의 단자홀에 인슐레이터를 개재하여 설치되며,
    상기 리드탭과 상기 캡 플레이트 사이에 절연부재가 설치되고,
    상기 절연부재는
    상기 평면부에 안착되는 이차 전지.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 절연부재의 측면과 상기 라운드부는 가스 통로를 형성하는 이차 전지.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 라운드부는,
    상기 케이스에 연결되는 길이 방향 양단 사이에서 제2 곡률 반경으로 형성되는 이차 전지.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는,
    중앙의 벤트 구멍 측에서 최소 두께를 형성하고,
    상기 라운드부의 최외곽에서 최대 두께를 형성하는 이차 전지.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 라운드부는,
    제1 곡률 반경을 가지고 상기 케이스의 내면에 접선으로 연결되는 제1 라운드부, 및
    상기 제1 곡률 반경보다 큰 제2 곡률 반경으로 상기 제1 라운드부에 연결되는 제2 라운드부
    를 포함하는 이차 전지.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는,
    상기 제1 라운드부에서 두께가 급격하게 감소되고,
    상기 제2 라운드부에서 두께가 상기 제1 라운드부보다 완만하게 감소하는 이차전지.
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