KR101907214B1 - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차 전지의 단자에 인가되는 전압의 변화에 의한 단락을 유도하여 과충전을 방지할 수 있고, 제품의 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
일례로, 제1 극성을 가지는 단자에 연결된 단락부재; 및 제2 극성을 가지는 변형가능한 도전성 부재;를 포함하고, 상기 변형가능한 도전성 부재는 상기 단락부재와 절연되고, 인가되는 전압이 소정전압을 초과하는 때 상기 단락부재에 접촉되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 이차 전지가 개시된다.

Description

이차 전지{Rechargeable battery}
본 발명의 일 실시예는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(Rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 배터리 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 배터리 셀이 수십 개 연결된 대용량 전지의 경우 전기 스쿠터, 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형 및 각형을 들 수 있으며, 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 형성된 전극 조립체와 전해액을 함께 케이스에 수용하고, 케이스에 캡 플레이트를 설치하여 구성된다. 물론, 상기 전극 조립체에는 양극 단자 및 음극 단자가 연결되며, 이는 상기 캡 플레이트를 통하여 외부로 노출 및 돌출된다.
본 발명의 일 실시예는 이차 전지의 단자에 인가되는 전압의 변화에 의한 단락을 유도하여 과충전을 방지할 수 있고, 제품의 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 제1 극성을 가지는 단자에 연결된 단락부재; 및 제2 극성을 가지는 변형가능한 도전성 부재;를 포함하고, 상기 변형가능한 도전성 부재는 상기 단락부재와 절연되고, 인가되는 전압이 소정전압을 초과하는 때 상기 단락부재에 접촉되도록 설계된다.
상기 변형가능한 도전성 부재는 이차전지 내부의 압력이 소정압력을 초과하는 때 상기 단락부재에 접촉되도록 설계된다.
상기 이차 전지는 제1 극성을 가지는 케이스; 상기 케이스 내부에 수용되는 전극 조립체; 및 상기 케이스 내부에 형성된 개구부를 더 포함하고, 상기 변형가능한 도전성 부재는 상기 개구부 내에 있다.
상기 단락부재는 상기 개구부의 상부로 연장된다.
상기 변형가능한 도전성 부재는 상기 케이스에 전기적으로 연결되고, 상기 변형가능한 도전성 부재는 상기 단자에서의 전압이 소정전압을 초과하는 때 상기 단락부재에 접촉되도록 설계된다.
상기 변형 가능한 도전성 부재는 상기 개구부에 설치되는 도전성 반전부; 및 상기 도전성 반전부에 접촉되는 압전소자;를 포함하고, 상기 압전소자는 전압공급라인으로부터 상기 변형가능한 도전성 부재에 공급되는 전압을 수신한다.
상기 이차 전지는 상기 도전성 반전부와 접촉되는 압전소자의 변형을 집중시키도록 설계된 제한부를 더 포함할 수 있다.
상기 이차 전지는 상기 케이스의 내부 표면에 인접하고, 상기 개구부의 하부에 형성된 지지부재를 더 포함하고, 상기 압전소자는 상기 지지부재에 의하여 지지된다.
상기 지지부재는 상기 케이스의 내표면으로부터 연장되고, 상기 개구부의 양측에 형성된 제1 및 제2 수직부재; 및 상기 제1 및 제2 수직부재를 연결하고, 상기 압전소자를 지지하는 수평부재를 포함할 수 있다.
상기 압전소자는 상기 제1 및 제2 수직부재중 어느 하나와 접촉된다.
상기 압전소자는 상기 제1 및 제2 수직부재 모두에 접촉된다.
상기 지지부재는 상기 케이스와 통하는 압력 주입홀을 포함하고, 상기 도전성 반전부는 상기 케이스 내부의 압력이 소정압력을 초과할 때 상기 단락부재와 접촉되도록 설계된다.
상기 도전성 반전부는 상기 개구부를 밀봉하고, 상기 케이스 내부의 압력이 소정압력을 초과하는 때 상기 단락부재와 접촉하도록 설계된다.
상기 이차 전지는 상기 제2 전극 단자에 공급되는 전압을 검출하기 위하여 설계된 검출부를 더 포함하고, 상기 전압공급라인은 상기 검출부 및 상기 압전소자에 연결된다.
상기 검출부는 상기 제2 전극단자에 공급되는 전압에 비례하는 감지된 전압을 출력하는 감지부; 및 상기 감지된 전압을 기준전압과 비교하고, 상기 감지된 전압이 상기 기준전압을 초과할 때 소정의 전압을 상기 전압 공급라인으로 출력하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 감지부는 전압분배기를 포함하고, 상기 감지된 전압은 상기 제2 전극단자에 공급된 전압의 일부분이다.
상기 감지부는 상기 제2 전극 단자에 공급된 전압을 측정하고, 이에 대응되는 레벨로 상기 감지된 전압을 출력하는 전압감지센서를 포함할 수 있다.
상기 전압 공급라인은 상기 제2 전극단자를 상기 압전소자에 직접적으로 연결한다.
상기 도전성 반전부는 상기 압전소자에 공급되는 전압이 소정전압 이하일 때 상기 단락부재로부터 하부로 연장되는 중앙반전부를 포함할 수 있다.
상기 중앙반전부는 상기 압전소자에 공급되는 전압이 소정전압이하 일 때 상기 전극조립체 방향으로 안으로 볼록하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 단자의 전압이 과충전 전압에 도달할 경우, 압전소자의 형태가 변형되도록 한다. 이와 같이 압전소자의 형태가 변형되면, 제1 단락 부재와 제2 단락부재가 상호간 단락되고, 이에 따라 이차 전지의 과충전이 방지되며 안전성이 향상된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 케이스의 내부 압력이 상승하기 전에 특정 전압에서 압전소자의 형태가 변형됨으로써, 외부 단락이 유도되고, 이에 따라 디지털 방식으로 과충전이 방지된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 절취한 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 A 부분의 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재를 도시한 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재를 도시한 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재를 도시한 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재를 도시한 확대 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재를 도시한 확대 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 감지부를 나타내는 회로도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 절취한 이차 전지를 도시한 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 A 부분의 확대 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 제1 집전판(120), 제2 집전판(130), 케이스(140), 캡 조립체(150) 및 단락 부재(160)를 포함한다.
상기 전극 조립체(110)는 얇은 판형 혹은 박형으로 형성된 제1 전극판(111), 제2 전극판(112), 상기 제1 전극판(111)과 제2 전극판(112)의 사이에 위치한 세퍼레이터(113) 를 함께 권취하여 롤형으로 형성하거나, 겹쳐서 스택형으로 형성한다. 여기서, 상기 제1 전극판(111)은 양극일 수 있으며, 이 경우 상기 제2 전극판(112)은 음극일 수 있고, 또는 그 반대의 경우일 수 있다.
상기 제1 전극판(111)은 알루미늄과 같은 금속 포일로 형성된 제1 전극 집전체에 전이금속산화물 등의 제1 전극 활물질을 도포함으로써 형성되며, 상기 제1 활물질이 도포되지 않는 영역인 제1 전극 무지부(111a)를 포함한다. 상기 제1 전극 무지부(111a)는 상기 제1 전극판(111)과 외부 사이의 전류가 흐르는 통로를 제공한다. 다만, 본 발명에서 상기 제1 전극판(111)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 제2 전극판(112)은 니켈 또는 구리와 같은 금속 포일로 형성된 제2 전극 집전체에 흑연 또는 탄소 등의 제2 전극 활물질을 도포함으로써 형성되며, 제2 활물질이 도포되지 않는 영역인 제2 전극 무지부(112a)를 포함한다. 상기 제2 전극 무지부(112a)는 제2 전극판(112)과, 제2 전극판 외부 간의 전류 흐름의 통로가 된다. 다만, 본 발명에서 상기 제2 전극판(112)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 세퍼레이터(113)는 제1 전극판(111)과 제2 전극판(112) 사이에 위치되어 전기적 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 한다. 상기 세퍼레이터(113)는 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌 또는, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 다만, 본 발명에서 상기 세퍼레이터(13)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 제1 집전판(120)은 알루미늄 등의 도전성 재질로 형성되며, 상기 전극 조립체(110)의 일측 단부로 돌출된 상기 제1 전극 무지부(111a)와 접촉됨으로써, 상기 제1 전극판(111)과 전기적으로 연결된다.
상기 제1 집전판(120)은 결합부(121), 절곡부(122)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 결합부(121)는 플레이트 형상으로 구비되어, 상기 제1 전극 무지부(111a)와 접한다. 상기 결합부(121)는 상기 제1 전극 무지부(111a)와 전기적으로 연결되어, 상기 제1 전극 무지부(111a)가 외부와 연결되는 전기적 경로를 제공한다.
상기 절곡부(122)는 상기 결합부(121)로부터 대략 90°로 절곡된 플레이트 형상으로 이루어지며, 상기 전극 조립체(110)의 상부와 캡 조립체(150)의 사이에 설치된다. 상기 절곡부(122)는 내부에 단자홀(122a)을 구비한다. 상기 단자홀(122a)은 절곡부(122)의 일측에 형성되며, 절곡부(21) 중 상기 캡 조립체(150)의 제1 전극 단자(152)가 끼워져 결합되는 공간을 제공한다.
상기 제2 집전판(130)은 니켈 등의 도전성 재질로 형성되며, 전극 조립체(110)의 타측 단부로 돌출된 제2 전극 무지부(112a)와 접촉됨으로써, 제2 전극판(112)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 집전판(130)은 결합부(131), 절곡부(132)를 포함한다. 또한, 상기 절곡부(132)에는 상기 제2 전극 단자(153)가 결합되기 위한 단자홀(132a)이 형성된다.
상기 제2 집전판(130)의 결합부(131), 절곡부(132) 및 단자홀(132a)은 상기 제1 집전판(120)의 결합(121), 절곡부(123) 및 단자홀(122a)과 동일한 형상으로 이루어지며 동일한 역할을 하므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
상기 케이스(140)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성되며, 상기 전극 조립체(10), 제1 집전판(120) 및 제2 집전판(130)이 삽입 안착될 수 있는 개구부가 형성된 대략 육면체 형상으로 이루어진다. 도 2에서는 상기 케이스(140)와 캡 조립체(150)가 결합된 상태로 도시되고 있으므로 개구부가 도시되지 않았지만, 상기 캡 조립체(150)의 상부 둘레 부분이 실질적으로 개방된 부분이다. 한편, 상기 케이스(140)의 내면은 절연 처리되어, 상기 전극 조립체(110), 제1 집전판(120), 제2 집전판(130) 및 캡 조립체(150)와 절연된다. 또한, 상기 케이스(140)는 하나의 극성, 예를 들어 양극으로서 작용할 수 있다.
상기 캡 조립체(150)는 상기 케이스(140)에 결합된다. 상기 캡 조립체(150)는 구체적으로 캡 플레이트(151), 제1 전극 단자(152), 제2 전극 단자(153), 가스켓(154), 고정부(155)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 캡 조립체(150)는 마개(156), 벤트 플레이트(157), 연결판(158), 절연 부재(159)를 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트(151)는 상기 케이스(140)의 개구를 밀봉하며, 케이스(140)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 상기 캡 플레이트(151)는 전해액 주입구(151a), 벤트홀(151b) 및 단락홀(151c, 도 3 참조)을 가질 수 있다.
상기 제1 전극 단자(152)는 상기 캡 플레이트(151)의 일측을 관통하여 상기 제1 집전판(120)과 전기적으로 연결된다. 상기 제1 전극 단자(152)는 기둥형으로 형성될 수 있으며, 상기 캡 플레이트(151)의 상부로 노출된 상부 기둥의 외주연에는 나사산이 형성된다. 상기 캡 플레이트(151)의 하부에 위치하는 하부 기둥에는 상기 제1 전극 단자(152)가 캡 플레이트(151)로부터 빠지지 않도록 플랜지(152a)가 형성되며, 상기 제1 전극 단자(152) 중에서 상기 플랜지(152a)의 하부에 위치하는 일부는 상기 제1 집전판(120)의 단자홀(122a)에 끼워진다. 여기서, 상기 제1 전극 단자(152)는 상기 연결판(158)을 통하여 상기 캡 플레이트(151)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제2 전극 단자(153)는 상기 캡 플레이트(151)의 타측을 관통하여 상기 제2 집전판(130)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 전극 단자(153)는 상기 제1 전극 단자(152)와 동일한 형상을 가지므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다. 다만, 상기 제2 전극 단자(153)는 캡 플레이트(151)와 절연된다. 또한, 상기 제2 전극 단자(153)는 그 내부 전압을 감지하는 감지부(170)를 포함한다. 이러한 감지부(170)는 상기 제2 집전판(130)과 상기 캡 플레이트(151)의 사이에 형성된 하부 절연부재(159b)의 일측에 상기 제2 전극 단자(153)의 플랜지(153a)에 연결되도록 형성되어 상기 제2 전극 단자(153)에 인가된 전압을 감지하여 그에 따른 전압을 후술하는 압전소자(164a)에 전달한다. 그러나, 본 발명에서는 상기 감지부(170)가 형성되는 전극 단자를 한정하는 것은 아니다.
상기 감지부(170)는 센서부(171)와 제어부(172)를 포함한다. 상기 센서부(171)는 상기 제2 전극 단자(153)에 인가된 전압을 소정 크기의 전압으로 분압하여 출력한다. 이러한 센서부(171)는 상기 제2 전극 단자(153)에 인가되는 전압을 분압하기 위한 분압회로(도 9 참조)일 수 있다. 그러나, 상기 센서부(171)는 상기 제2 전극 단자(153)에 인가되는 전압을 측정하여 소정 크기의 전압레벨로 출력하는 전압감지센서일 수도 있다. 이와 같이, 상기 센서부(171)는 분압된 전압을 상기 제어부(172)로 인가하게 된다. 상기 제어부(172)는 상기 센서부(171)로부터 인가된 전압을 미리 설정된 기준전압과 비교하여 상기 전압이 상기 기준전압보다 크게 되는 경우에 소정의 전압을상기 압전소자(164a)에 전달하여 이를 변형시키게 된다. 여기서, 상기 소정의 전압은 상기 압전소자(164a)를 변형시키기 위하여 필요한 구동전압일 것이다. 또한, 상기 제어부(172)는 상기와 같은 기능이 구현될 수 있도록 트랜지스터로 구현된 제어회로(도 9 참조) 또는 이를 포함하는 IC칩(Integrated Circuit chip)일 수 있다. 또한, 상기 제어부(172)와 상기 압전소자(164a)는 전압인가라인(165)을 통하여 전기적으로 연결되어 있다. 한편, 상기 제어부(172)는 상기 센서부(171)와 같이 상기 제1 전극 단자(152) 및 제2 전극 단자(153)로부터 그 구동전원을 인가받을 수 있다.
또한, 상기 제어부(172) 및 전압인가라인(165)은 그 외표면이 하부의 전해액과 접촉되어 반응하지 않도록 각각의 외표면 상에 보호층(172a, 165a)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 보호층(172a, 165a)은 내열성과 강도가 높고, 전기절연성을 가지며, 전해액에 반응하지 않는 폴리아미드(polyamide), 폴리페닐렌설파이드(Poly phenylene sulfide resin), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 중 선택된 어느 하나로 형성된다. 여기서, 본 발명에서는 상기 보호층(172a, 165a)의 재질을 한정하지는 않는다.
상기 가스켓(154)은 절연성 재질로 상기 제1 전극 단자(152) 및 제2 전극 단자(153) 각각과 캡 플레이트(151)의 사이에 형성된다. 상기 가스켓(154)은 상기 제1 전극 단자(152) 및 제2 전극 단자(153) 각각과 캡 플레이트(151) 사이의 공간을 밀봉시킨다. 상기 가스켓(154)은 외부의 수분이 이차 전지(100)의 내부에 침투하지 못하도록 하거나, 이차 전지(100)의 내부에 수용된 전해액이 외부로 유출되지 못하도록 한다.
상기 고정부(155)는 제1 전극 단자(152) 및 제2 전극 단자(153) 각각에 형성된 나사산을 따라 체결되어 제1 전극 단자(152) 및 제2 전극 단자(153) 각각을 캡 플레이트(151)에 고정시킨다.
상기 마개(156)는 상기 캡 플레이트(151)의 전해액 주입구(151a)를 밀봉한다. 또한, 상기 벤트 플레이트(157)는 상기 캡 플레이트(151)의 벤트홀(151b)에 설치되며 설정된 압력에서 개방될 수 있도록 형성된 노치(157a)를 포함한다.
상기 연결판(158)은 상기 제1 전극 단자(152)와 캡 플레이트(151)의 사이에 상기 제1 전극 단자(152)가 끼워지도록 형성되며, 상기 고정부(155)를 통해서 상기 캡 플레이트(151)와 가스켓(154)에 밀착된다. 상기 연결판(158)은 상기 제1 전극 단자(152)와 캡 플레이트(151)를 전기적으로 연결한다.
상기 절연 부재(159)는 상부 절연 부재(159a) 및 하부 절연 부재(159b)를 포함한다. 상기 상부 절연부재(159a)는 상기 제2 전극 단자(153)와 캡 플레이트(151)의 사이에 상기 제2 전극 단자(153)가 끼워지도록 형성되며, 상기 캡 플레이트(151)와 가스켓(154)에 밀착된다. 상기 상부 절연부재(159a)는 상기 제2 전극 단자(153)와 캡 플레이트(151)를 절연시킨다. 상기 하부 절연부재(159b)는 제1 집전판(120)과 제2 집전판(130) 각각과 상기 캡 플레이트(151)의 사이에 형성되어, 단락이 발생되는 것을 방지한다.
상기 단락 부재(160)는 상기 캡 조립체(151)의 상부 및 하부에 설치된다. 이러한 단락 부재(160)는 제1 단락 부재(161), 제2 단락 부재(162) 및 지지 부재(163)를 포함한다.
상기 제1 단락 부재(161)는 상기 캡 플레이트(151)와 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 제1 단락 부재(161)는 상기 감지부(170)로부터 상기 압전소자(164a)에 전압이 인가되는 경우 위로 볼록한 형상으로 반전되어 상기 제2 단락 부재(162)와 연결될 수 있다. 여기서, 상기 제1 단락 부재(161)는 알루미늄 재질로 형성될 수 있으나, 본 발명에서는 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 제1 단락 부재(161)는 아래로 볼록하게 형성된 반전부(161a)와 상기 단락홀(151c)의 가장자리에 고정된 테두리부(161b)를 포함하는 반전 플레이트로 이루어진다.
상기 반전부(161a)는 상기 케이스(140)의 내부를 향해 볼록한(convex) 형상을 가지도록 형성된다. 구체적으로는, 상기 반전부(161a)는 지지 부재(163)의 내부를 향하여 볼록한 형상을 가지도록 형성된다. 상기 반전부(161a)는 상기 캡 플레이트(151)의 단락홀(151c)을 감싸는 형상으로 구비되어, 상기 단락홀(151c)을 밀폐한다. 상기 반전부(161a)는 일정 정도의 탄성을 구비하여, 상기 감지부(170)로부터 상기 압전소자(164a)에 전압이 인가되는 경우 또는 상기 케이스(140)의 내부의 압력이 상승하는 경우 반전된다. 상기 반전부(161a)는 정상 상태시에 상기 캡 플레이트(151)와 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제2 단락 부재(162)와는 전기적으로 절연된 상태를 유지한다. 그러나, 상기 반전부(161a)가 반전된 경우, 상기 반전부(161a)의 상부 영역이 상기 제2 단락 부재(162)와 접하게 되어 상기 캡 플레이트(151)와 제2 단락 부재(162)를 상호간에 전기적으로 연결시킨다. 그리고, 상기 캡 플레이트(151)는 양극인 상기 제1 전극 단자(152)에 연결되어 있고, 상기 제2 단락 부재(162)는 음극인 상기 제2 전극 단자(153)에 연결되어 있으므로, 상기 반전부(161a)가 반전되면, 상기 제1 전극 단자(152)와 제2 전극 단자(153)가 전기적으로 단락된 상태가 된다. 따라서, 이차 전지(100)의 에너지가 소모되고 이에 따라 이차 전지(100)의 과충전이 방지되며, 안전성이 향상된다.
상기 테두리부(161b)는 상기 캡 플레이트(151)와 맞닿은 측면 경계에 용접부(161c)를 구비한다. 상기 용접부(161c)는 펄스 용접(pulse weld)을 이용하여 형성될 수 있으며, 펄스 용접보다 강도가 높은 연속 용접(Continuous Weld)을 이용하여 형성될 수도 있다. 상기 용접부(161c)를 형성하는 용접 공정은 상기 캡 플레이트(151)와 테두리부(161b)가 측면 경계의 상부로부터 수행된다.
한편, 상기 테두리부(161b)는 상기 캡 플레이트(151)와 맞닿는 하면에 노치(161d)를 구비한다. 상기 노치(161d)는 상기 테두리부(161b)의 하면이 상기 캡 플레이트(151)와 접하는 면적을 줄인다. 따라서, 상기 테두리부(161b)는 상기 반전부(161a)의 반전 동작시에 상기 반전부(161a)에 유동성을 제공할 수 있다.
상기 제2 단락 부재(162)는 상기 캡 플레이트(151)로부터 이격된 외측에서 제2 전극 단자(153)가 끼워지도록 형성되며, 단락홀(151c)의 상부를 덮도록 연장된다. 상기 제2 단락 부재(162)는 상기 제2 전극 단자(153)와 전기적으로 연결된다. 여기서, 상기 제2 단락 부재(162)는 평평한 상면과 하면을 가지며 구리 재질로 형성될 수 있으나, 이러한 재질을 본 발명에서 한정하는 것은 아니다.
상기 지지 부재(163)는 절연성 재질로 상기 제1 단락 부재(161)를 감싸도록 설치되어, 그 내부에 압전부(164)를 가진다. 이러한 지지 부재(163)는 상기 단락홀(151c)의 양측에서의 상기 캡 플레이트(151)의 하면으로부터 상기 케이스(140)의 내부 방향으로 형성된 제1 수직부재(163c)와 제2 수직부재(163e), 이를 연결하는 수평부재(163d)를 포함한다. 상기 지지 부재(163)는 상기 제1 수직부재(163c), 제2 수직부재(163e) 및 수평부재(163d)로 이루어진 공간 내부에, 상기 반전부(161a)와 압전부(164)가 위치하게 된다.
상기 압전부(164)는 압전소자(piezoelectric element)(164a)와 그 양측에서 상기 압전소자(164a)를 지지하는 제1 지지부(164b) 및 제2 지지부(164c)를 포함한다. 상기 압전소자(164a)는 전기신호에 반응하여 변형되는 물질로 형성된다. 따라서, 이러한 제1 지지부(164b) 및 제2 지지부(164c)는 상기 압전소자(164a)의 좌측(제1영역) 및 우측(제2영역)을 지지하여 상기 압전소자(164a)가 수직방향으로만 변형되도록 할 수 있다.
도시되어 있지는 않지만, 상기 압전소자(164a)의 상하부면에는 상부 금속전극 및 하부 금속전극이 형성되어 있다. 여기서, 상기 상부 금속전극은 상기 제1 단락부재(161)에 연결되고, 상기 하부 금속전극은 상기 전압인가라인(165)에 연결되어 있다. 이러한 상기 상부 금속전극은 상기 제1 단락부재(161)와 동일한 극성(예를 들면, 양극)을 가지고, 상기 하부 금속전극은 상기 전압인가라인(165)에 연결되는 상기 제2 전극단자(153)와 동일한 극성(예를 들면, 음극)을 가질 수 있다.
또한, 상기 수평부재(163d)에는 라인관통홀(163a)과 압력유입홀(163b)이 형성되어 있다. 상기 라인관통홀(163a)은 상기 감지부(170)와 상기 압전소자(164a)를 전기적으로 연결시키는 전압인가라인(165)이 관통되도록 형성되어 있다 여기서, 상기 압전소자(164a)는 상기 수평부재(163d)의 상면에 설치되어, 상부 표면이 상기 반전부(161a)의 볼록한 지점과 접촉되도록 형성된다. 즉, 상기 압전소자(164a)는 일단이 상기 반전부(161a)에 접촉되고, 타단이 상기 라인관통홀(163a)을 관통한 전압인가라인(165)을 통하여 상기 감지부(170)의 제어부(172)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 압력 유입홀(163b)은 상기 케이스(140) 내부의 압력이 유입되도록 형성되어 있다. 이러한 압력 유입홀(163b)은 상기 케이스(140) 내부의 압력이 상승하게 되면, 그 상승된 압력이 미리 설정된 기준압력보다 큰 경우에 상기 반전부(161a)를 반전시키게 된다. 따라서, 본 발명에서는 이차 전지의 단자에 과전압이 인가되는 경우에 상기 케이스(140)의 내부에서 반응이 일어나기 전이라도 상기 압전소자(164a)에 의하여 상기 반전부(161a)를 반전시켜 상기 제1 전극 단자(152)와 제2 전극 단자(153)를 단락시킬 수 있고, 나아가 상기 케이스(140)의 내부에서 반응이 일어난 후에 상기 압전소자(164a)가 미작동시에도 상기 케이스(140)의 내부의 압력이 미리 설정된 기준압력보다 큰 경우에 반전될 수 있게 된다.
상기 지지 부재(163)는, 상기 감지부(170)의 센서부(171)에 인가된 전극 단자(153)의 전압이 기준전압보다 크게 되는 경우에, 상기 센서부(171)에 연결된 제어부(172)로부터 상기 전압을 인가받게 되고, 이를 그 내부의 압전소자(164a)에 전달하여 상기 압전소자(164a)를 변형시키게 된다. 이렇게 변형된 압전소자(164a)로 인하여, 상기 반전부(161a)가 반전된 경우, 상기 반전부(161a)의 상부 영역이 상기 제2 단락 부재(162)와 접하게 되어 상기 캡 플레이트(151)와 제2 단락 부재(162)를 상호간에 전기적으로 연결시킨다. 그리고, 상기 반전부(161a)가 반전되면, 상기 제1 전극 단자(152)와 제2 전극 단자(153)가 전기적으로 단락된 상태가 된다. 따라서, 상기 제1 전극 단자(152) 및 제2 전극 단자(153)를 통해 충전되는 동작이 정지될 뿐만 아니라 충전 전압이 소모된다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)가 보호될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 단자에 인가된 전압을 압전소자(164a)에 전달하여 그 압전소자(164a)를 변형시켜 외부 단락을 유도함으로써, 과충전을 방지할 수 있고, 제품의 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.
이하에서는, 상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재(즉, 도 1의 A영역)의 다양한 변형 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 따라서, 앞선 실시예와 동일한 구성 및 동작을 가지는 전극 조립체, 제1 집전판, 제2 집전판, 케이스, 캡 조립체 등에 대한 설명은 중복을 피하기 위하여 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재를 도시한 확대 단면도이다. 앞선 실시예와 동일한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 제2 전극 단자(153)와 지지 부재(163)가 직접 전압인가라인(165')을 통하여 전기적으로 연결되어 있다. 즉, 상기 제2 전극 단자(153)와 지지 부재(163)가 상기 제2 전극 단자(153)에 인가된 전압이 직접적으로 상기 지지 부재(163)로 전달되도록 전압인가라인(165')에 의하여 연결되어 있다. 따라서, 상기 제2 전극 단자(153)로부터 인가된 전압이 상기 지지 부재(163)의 라인 관통홀(163a)을 관통하는 전압인가라인(165)을 통하여 압전소자(164a)에 인가되어 상기 압전소자(164a)가 변형되게 된다. 한편, 상기 압전소자(164a)는 특정 전압이상의 전압이 인가되는 경우에 변형되도록 설계될 수 있다. 따라서, 상기 제2 전극 단자(153)로부터 전달된 전압이 상기 특정 전압 이상일 경우에 상기 압전소자(164a)가 변형되게 된다. 물론, 상기 압전소자(164a)의 좌측(제1 영역) 및 우측(제2 영역) 면에는 상기 압전소자(164a)를 지지하여 수직방향으로만 변형되도록 하는 제1 지지부(164b) 및 제2 지지부(164c)가 형성되어 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 제2 전극 단자(153)에 인가된 전압이 직접적으로 압전소자(164a)에 전달되도록 하여 반전부(161a)를 반전시킨다. 달리 말하자면, 도면 2 및 3의 검출부(170)가 생략될 수 있다. 그렇게 되면, 상기 캡 플레이트(151)와 제2 단락 부재(162)는 상호간에 전기적으로 연결되어 외부단락을 유도할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재를 도시한 확대 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 도 3의 압전부(164)의 배치를 변형한 압전부(264)를 포함한다. 상기 압전부(264)에서는, 압전소자(264a)의 좌측단(제1 영역)이 지지 부재(163)의 제1 수직부재(163c)에 고정되고, 제1 지지부(264b)가 압전소자(264a)의 상부영역을 지지하여 제1 수직부재(163c)를 보호하며, 제2 지지부(264c)가 압전소자(264a)의 우측단을 지지하게 한다. 상기 제1 지지부(264b)는 압전소자(364a)가 반전부(161a)에 접촉하는 주변 영역에서 압전소자(264a)의 수직이동을 제한하고, 제2 지지부(264c)와 제1 수직부재(163c)는 압전소자(264a)의 측방향의 이동을 제한한다. 실질적으로, 반전부(261a)와 접촉하는 압전소자(264a)의 영역만이 수직으로 변형된다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 반전부(161a)와 접촉되는 압전소자(264a)의 영역이 상부 방향으로 변형되어 반전부(161a)를 반전시킴으로써, 캡 플레이트(151)와 제2 단락 부재(162)를 상호간에 전기적으로 연결시킬 수 있고, 나아가 외부단락을 유도할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재를 도시한 확대 단면도이다. 도 5의 실시예와 동일한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 도 5의 감지부(270)를 설치하는 것에 대응하여, 제2 전극 단자(153)와 압전소자(264a)가 직접 전압인가라인(165')을 통하여 전기적으로 연결되도록 구성하여, 상기 제2 전극 단자(153)로부터 인가된 전압이 상기 지지 부재(163)의 라인 관통홀(163a)을 관통하는 전압인가라인(165')을 통하여 압전소자(264a)에 인가되어 상기 압전소자(264a)가 변형되게 된다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 제2 전극 단자(153)에 인가된 전압이 직접적으로 압전소자(264a)에 전달되도록 하여, 반전부(161a)와 접촉되는 압전소자(264a)의 영역을 상부 방향으로 변형시켜 반전부(161a)를 반전시킴으로써, 캡 플레이트(151)와 제2 단락 부재(162)를 상호간에 전기적으로 연결시킬 수 있고, 나아가 외부단락을 유도할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재를 도시한 확대 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 도 3의 압전부(164)의 배치를 변형하여, 압전소자(364a)의 양측단을 지지 부재(363)의 제1 수직부재(363c) 및 제2 수직부재(363e)에 고정시킴과 동시에, 압력 주입홀(163b)이 압전소자(364a)를 통하여 연장된다. 게다가, 압전소자(364a)의 양측 상단을 제1 지지부(364b) 및 제2 지지부(364c), 즉 압전소자(364a)가 압전부(161a)에 접촉하는 주변 영역에 의하여 지지하게 한다. 따라서, 반전부(361a)와 접촉되는 상기 압전소자(364a)의 중앙영역에만 변형이 발생되도록 한다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 제2 전극 단자(153)에 인가된 전압을 감지하는 감지부(170)를 통하여 그 전압을 압전소자(364a)에 전달되게 하고, 반전부(161a)와 접촉되는 압전소자(364a)의 중앙영역을 상부 방향으로 변형시켜 반전부(161a)를 반전시킴으로써, 캡 플레이트(151)와 제2 단락 부재(162)를 상호간에 전기적으로 연결시킬 수 있고, 나아가 외부단락을 유도할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 단락 부재를 도시한 확대 단면도이다. 도 7의 실시예와 동일한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 도 7의 감지부(170)를 설치하는 것에 대응하여, 제2 전극 단자(153)와 지지 부재(163)가 직접 전압인가라인(165')을 통하여 전기적으로 연결되도록 구성하여, 상기 제2 전극 단자(153)로부터 인가된 전압이 상기 지지 부재(163)의 라인 관통홀(163a)을 관통하는 전압인가라인(165')을 통하여 압전소자(364a)에 인가되어 상기 압전소자(364a)가 변형되게 된다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 제2 전극 단자(153)에 인가된 전압이 직접적으로 압전소자(364a)에 전달되도록 하여, 반전부(161a)와 접촉되는 압전소자(364a)의 중앙영역을 상부 방향으로 변형시켜 반전부(161a)를 반전시킴으로써, 캡 플레이트(151)와 제2 단락 부재(162)를 상호간에 전기적으로 연결시킬 수 있고, 나아가 외부단락을 유도할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 감지부를 나타내는 회로도이다. 한편, 도 9는 도 3, 도 5 및 도 7의 감지부를 구성하는 센서부 및 제어부의 일 예를 나타내는 것으로서, 상기 도 3, 도 5 및 도 7과 동일한 구성 요소에 대한 설명은 중복을 피하기 위하여 생략하기로 한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 감지부(170)에서는, 셈서부(171)가 분압회로이고, 제어부(172)가 제어회로이다.
상기 분압회로(171)는 그 일측이 캡 플레이트(도 2의 151 참조)에 연결되고, 그 타측이 제2 전극단자(도 2의 153 참조)에 연결(즉, 접지)되어 있다. 이러한 분압회로(171)는 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)과 제3 저항(R3)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)는 서로 직렬연결되어 있고, 상기 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)사이의 접점과 상기 제어회로(172) 사이에 상기 제3 저항(R3)이 연결되어 있다. 여기서, 상기 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)은 상기 제2 전극단자에 인가되는 전압(VDD)을 소정 크기의 전압으로 분압하고, 상기 제3 저항(R3)은 상기 분압된 전압의 크기를 조절하여 상기 제어회로(172)로 인가한다.
상기 제어회로(172)는 트랜지스터(TR)와 제4 저항(R4)을 포함한다. 여기서, 상기 제4 저항(R4)은 그 일측이 압전소자(164a)에 연결되고, 그 타측이 상기 트랜지스터(TR)의 컬렉터 단자에 연결되어 있다. 상기 트랜지스터(TR)는 그 베이스 단자가 상기 분압회로(171)의 제3 저항(R3)에 연결되고, 에미터 단자가 제2 전극단자에 연결(즉, 접지)되어 있다. 이때, 상기 제어회로(172)의 트랜지스터(TR)는 예를 들면, NPN형 트랜지스터로서, 상기 제3 저항(R3)에서의 전압이 상승하는 경우 스위칭 동작(즉, 온)하여 소정 전압을 상기 압전소자(164a)에 인가한다. 즉, 상기 트랜지스터(TR)는 베이스 단자에서의 전압이 기설정 전압, 예컨데 0.6V 이상으로 검출되면, 온되어 소정 전압을 압전소자(164a)에 인가하게 된다. 이때, 상기 트랜지스터(TR)는 기설정 전압이하의 전압이 인가될 때에는 오프되도록 하고, 기설정 전압 이상의 전압이 인가될 때에는 온되도록 한다. 물론, 상기 소정 전압은 상기 압전소자(164a)를 변형시키기 위하여 필요한 구동전압일 것이다. 한편, 상기 압전소자(164a)는 양측에 서로 마주보도록 형성된 서로 다른 극성의 금속전극(164a1, 164a2)을 포함하고, 그 중 하나의 금속전극(164a1)은 캡 플레이트(즉, VDD)에 연결되며, 나머지 하나의 금속전극(164a2)은 상기 제4 저항(R4)의 일측에 연결되어 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 센서부(171)에 의하여 상기 이차전지의 전극단자로부터 인가되는 전압을 분압한 후, 상기 분압된 전압을 상기 제어부(172)의 트랜지스터(TR)의 베이스 전극으로 입력하여 그 전압이 기설정 전압보다 클 경우에 상기 트랜지스터(TR)를 스위칭하여 소정 전압을 상기 압전소자(164a)에 공급하게 함으로써, 상기 압전소자(164a)를 변형시킬 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기일 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 이차 전지 110; 전극 조립체
120; 제1 집전판 130; 제2 집전판
140; 케이스 150; 캡 조립체
160; 단락 부재 161; 제1 단락 부재
162: 제2 단락 부재 163: 지지 부재
164: 압전부 165: 전압인가라인
170: 감지부 171: 센서부
172: 제어부

Claims (20)

  1. 제1 극성을 가지는 단자에 연결된 단락부재; 및
    제2 극성을 가지는 변형가능한 도전성 부재;를 포함하고,
    상기 변형가능한 도전성 부재는 상기 단락부재와 절연되고, 인가되는 전압이 소정전압을 초과하는 때 상기 단락부재쪽으로 이동하여 상기 단락부재에 접촉되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변형가능한 도전성 부재는 이차전지 내부의 압력이 소정압력을 초과하는 때 상기 단락부재에 접촉되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 극성을 가지는 케이스;
    상기 케이스 내부에 수용되는 전극 조립체; 및
    상기 케이스 내부에 형성된 개구부를 더 포함하고,
    상기 변형가능한 도전성 부재는 상기 개구부 내에 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단락부재는 상기 개구부의 상부로 연장되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 변형가능한 도전성 부재는 상기 케이스에 전기적으로 연결되고, 상기 변형가능한 도전성 부재는 상기 단자에서의 전압이 소정전압을 초과하는 때 상기 단락부재에 접촉되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 변형 가능한 도전성 부재는
    상기 개구부에 설치되는 도전성 반전부; 및
    상기 도전성 반전부에 접촉되는 압전소자;를 포함하고,
    상기 압전소자는 전압공급라인으로부터 상기 변형가능한 도전성 부재에 공급되는 전압을 수신하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 도전성 반전부와 접촉되는 압전소자의 변형을 집중시키도록 설계된 제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 케이스의 내부 표면에 인접하고, 상기 개구부의 하부에 형성된 지지부재를 더 포함하고,
    상기 압전소자는 상기 지지부재에 의하여 지지되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지지부재는
    상기 케이스의 내표면으로부터 연장되고, 상기 개구부의 양측에 형성된 제1 및 제2 수직부재; 및
    상기 제1 및 제2 수직부재를 연결하고, 상기 압전소자를 지지하는 수평부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압전소자는 상기 제1 및 제2 수직부재중 어느 하나와 접촉되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 압전소자는 상기 제1 및 제2 수직부재 모두에 접촉되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 지지부재는 상기 케이스와 통하는 압력 주입홀을 포함하고, 상기 도전성 반전부는 상기 케이스 내부의 압력이 소정압력을 초과할 때 상기 단락부재와 접촉되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 도전성 반전부는 상기 개구부를 밀봉하고, 상기 케이스 내부의 압력이 소정압력을 초과하는 때 상기 단락부재와 접촉하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제6항에 있어서,
    제2 전극 단자에 공급되는 전압을 검출하기 위하여 설계된 검출부를 더 포함하고,
    상기 전압공급라인은 상기 검출부 및 상기 압전소자에 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 검출부는
    상기 제2 전극단자에 공급되는 전압에 비례하는 감지된 전압을 출력하는 감지부; 및
    상기 감지된 전압을 기준전압과 비교하고, 상기 감지된 전압이 상기 기준전압을 초과할 때 소정의 전압을 상기 전압 공급라인으로 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 감지부는 전압분배기를 포함하고, 상기 감지된 전압은 상기 제2 전극단자에 공급된 전압의 일부분인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 제2 전극 단자에 공급된 전압을 측정하고, 이에 대응되는 레벨로 상기 감지된 전압을 출력하는 전압감지센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  18. 제6항에 있어서,
    상기 전압 공급라인은 제2 전극단자를 상기 압전소자에 직접적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  19. 제6항에 있어서,
    상기 도전성 반전부는 상기 압전소자에 공급되는 전압이 소정전압 이하일 때 상기 단락부재로부터 하부로 연장되는 중앙반전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 중앙반전부는 상기 압전소자에 공급되는 전압이 소정전압이하 일 때 상기 전극조립체 방향으로 안으로 볼록하게 되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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