KR102425797B1 - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 과제는 캡 플레이트에 직접 퓨즈부가 형성되어, 별도의 집전 플레이트나 집전탭에 한정적인 형태의 퓨즈기 형성될 필요가 없는 이차 전지를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 케이스; 케이스의 내측에 수용된 전극 조립체; 및 케이스에 결합되어 전극 조립체를 보호하는 캡 플레이트를 포함하고, 캡 플레이트는 전극 조립체와 캡 플레이트를 전기적으로 연결하는 퓨즈부를 더 포함하는 이차 전지를 개시한다.

Description

이차 전지{RECHARGEABLE SECONDARY BATTERY}
본 발명의 일 실시예는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지는 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장할 수 있는 우수한 에너지 밀도를 제공하는 전력 저장 시스템이다. 재충전이 불가능한 일차 전지에 비해 이차 전지는 재충전이 가능하여 스마트폰, 셀룰러폰, 노트북, 타블렛 PC 등 IT 기기에 많이 사용되고 있다. 최근에는 환경 오염 방지를 위해 전기 자동차에 대한 관심이 높아졌고, 이에 따라 전기 자동차에 고용량의 이차 전지가 채택되고 있다. 이러한 이차 전지는 고밀도, 고출력, 안정성 등의 특성이 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 캡 플레이트에 직접 퓨즈부가 형성됨으로써, 별도의 집전 플레이트나 집전탭에 한정적인 형태의 퓨즈부가 형성될 필요가 없는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 캡 플레이트에 직접 퓨즈부가 형성됨으로써, 퓨즈부의 두께, 폭 및 길이에 대한 컨트롤이 용이한 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 캡 플레이트에 직접 퓨즈부가 형성됨으로써, 다수의 소면적 퓨즈부가 용이하게 형성될 수 있는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 케이스; 상기 케이스의 내측에 수용된 전극 조립체; 및 상기 케이스에 결합되어 상기 전극 조립체를 보호하는 캡 플레이트를 포함하고, 상기 캡 플레이트는 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결된 퓨즈부를 더 포함한다.
상기 퓨즈부는 상기 캡 플레이트로부터 상기 전극 조립체를 향하여 돌출될 수 있다.
본 발명은 상기 캡 플레이트와 상기 전극 조립체의 사이에 개재된 절연 플레이트를 더 포함할 수 있고, 상기 퓨즈부는 상기 절연 플레이트를 관통하여 상기 전극 조립체에 연결될 수 있다. 본 발명은 상기 절연 플레이트와 상기 전극 조립체 사이에 개재된 도전 플레이트를 더 포함할 수 있고, 상기 퓨즈부는 상기 도전 플레이트를 관통하여 상기 전극 조립체에 연결될 수 있다. 상기 전극 조립체는 상기 도전 플레이트를 향하여 연장된 도전탭을 더 포함하고, 상기 도전탭은 상기 도전 플레이트에 연결될 수 있다.
상기 퓨즈부는 상기 캡 플레이트로부터 연장되고 속이 꽉찬 솔리드(solid) 형태 또는 속이 비어 있는 할로우(hollow) 형태일 수 있다.
상기 퓨즈부는 상기 캡 플레이트의 폭 방향 또는 길이 방향을 따라 형성될 수 있다.
상기 퓨즈부는 상기 캡 플레이트의 폭 방향 및 길이 방향을 따라 형성될 수 있다.
상기 캡 플레이트는 상기 퓨즈부가 형성된 면의 반대면에 위치된 단자 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트는 상기 단자 플레이트를 구속하는 단자 고정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 캡 플레이트에 직접 퓨즈부가 형성됨으로써, 별도의 집전 플레이트나 집전탭에 한정적인 형태의 퓨즈부가 형성될 필요가 없는 이차 전지를 제공한다. 즉, 캡 플레이트의 하부에 전극 조립체를 향하여 연장 및 돌출된 퓨즈부가 직접 형성되고, 또한 이러한 퓨즈부가 전극 조립체에 연결됨으로써, 기존과 같이 집전 플레이트나 집전탭에 한정적이고 제한적인 형태의 퓨즈부가 형성될 필요가 없고, 따라서 자유로운 형태의 퓨즈부가 형성될 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 캡 플레이트에 직접 퓨즈부가 형성됨으로써, 퓨즈부의 두께, 폭 및 길이에 대한 컨트롤이 용이한 이차 전지를 제공한다. 즉, 캡플레이트에 직접 퓨즈부가 형성됨으로써, 이차 전지의 용량이나 특성에 알맞게 퓨즈부의 두께, 폭 및 길이가 조절될 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 캡 플레이트에 직접 퓨즈부가 형성됨으로써, 다수의 소면적 퓨즈부가 용이하게 형성될 수 있는 이차 전지를 제공한다. 즉, 캡 플레이트로부터 전극 조립체를 향하여 연장된 다수의 소면적 퓨즈부가 형성됨으로써, 퓨즈부가 전극 조립체를 강건하게 고정할 뿐만 아니라, 퓨즈부의 동작이 확실하게 수행된다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도, 단면도 및 분해 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 중 퓨즈부 및 그 주변 구조를 도시한 부분 분해 사시도 및 측단면도이고, 도 2c는 퓨즈부의 동작 상태를 도시한 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 퓨즈부 및 그 주변 구조를 도시한 부분 분해 사시도 및 측단면도이고, 도 4c는 퓨즈부의 동작 상태를 도시한 측단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 퓨즈부를 도시한 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 단자 고정부를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지를 이용한 배터리 모듈의 일례를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
또한, 본 명세서에서 언급되는 "집전탭"이란 용어는 "양극탭" 및/또는 "음극탭"을 포함하는 개념이다. 양극탭은 양극판의 양극 집전판(current collector)으로부터 직접 외측 방향으로 연장되어 형성되고, 또한 음극탭은 음극판의 음극 집전판(current collector)으로부터 직접 외측 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 또한, 양극탭은 양극판의 양극 집전판에 별도로 용접되어 외측 방향으로 일정 길이 연장되어 형성되고, 음극탭은 음극판의 음극 집전판에 별도로 용접되어 외측 방향으로 일정 길이 연장되어 형성될 수 있다. 이와 같이 "집전탭"이란 용어는 복합적인 의미가 있으므로, 어느 하나의 의미로 축소 해석해서는 안 된다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)의 사시도, 단면도 및 분해 사시도가 도시되어 있다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100) 중 퓨즈부(137) 및 그 주변 구조의 부분 분해 사시도 및 측단면도가 도시되어 있고, 도 2c를 참조하면, 퓨즈부(137)의 동작 후 상태에 대한 측단면도가 도시되어 있다.
도 1a, 1b, 1c, 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 케이스(110), 전극 조립체(120), 캡 플레이트(130), 제1단자(140) 및 제2단자(150)를 포함한다.
케이스(110)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성되며, 전극 조립체(120)가 삽입 및 안착될 수 있는 개구부가 형성된 대략 속이 비어 있는 육면체 형태이다. 도 1b에서는, 케이스(110)와 캡 플레이트(130)가 상호간 결합된 상태로 도시되고 있으므로, 개구부가 도시되지 않았지만, 케이스(110)의 상부 부분이 실질적으로 개방된 부분이다. 한편, 케이스(110)의 내면은 절연 처리되어, 전극 조립체(120)와 절연될 수 있다. 여기서, 케이스(110)는 경우에 따라 캔으로 지칭되기도 한다.
전극 조립체(120)는 얇은 판형 또는 막형으로 형성된 제1전극판(121), 분리막(122), 제2전극판(123)의 적층체가 권취되거나 겹쳐서 형성된다. 여기서, 제1전극판(121)은 양극 역할을 할 수 있으며, 제2전극판(123)은 음극 역할을 할 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
제1전극판(121)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 포일 또는 메시로 형성된 제1집전판(121a)과, 제1집전판(121a)에 전이금속산화물 등의 제1전기적 활물질이 코팅되어 형성된 제1코팅부(121b)와, 제1전기적 활물질이 코팅되지 않은 영역인 제1비코팅부(121c)(제1무지부)와, 제1비코팅부(121c)로부터 외측 방향(상부 방향)으로 연장되어 제1단자(140)에 전기적으로 연결된 제1집전탭(121d)을 포함한다. 여기서, 제1집전탭(121d)은 제1전극판(121)과 제1단자(140) 사이의 전류 통로가 된다.
제2전극판(123)은 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금과 같은 금속 포일 또는 메시로 형성된 제2집전판(123a)과, 제2집전판(123a)에 흑연 또는 탄소 등의 제2전기적 활물질이 코팅되어 형성된 제2코팅부(123b)와, 제2전기적 활물질이 코팅되지 않는 영역인 제2비코팅부(123c)(제2무지부)와, 제2비코팅부(123c)로부터 외측 방향(상부 방향)으로 연장되어 제2단자(150)에 전기적으로 연결된 제2집전탭(123d)을 포함한다. 여기서, 제2집전탭(123d)은 제2전극판(123)과 제2단자(150) 사이의 전류 통로가 된다.
분리막(122)은 제1전극판(121)과 제2전극판(123) 사이에 위치되어 상호간 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 발명에서 상기 분리막(122)의 재질이 한정되지 않는다.
한편, 이러한 전극 조립체(120)가 갖는 권취축은 제1,2단자(140,150)가 갖는 단자축에 대략 평행 또는 대략 수평하게 형성된다. 여기서, 권취축 및 단자축은 도 1b 및 도 1c에서 상,하 방향으로 형성된 축을 의미하며, 권취축 및 단자축이 대략 평행 또는 수평하다는 것은 권취축 및 단자축을 길게 늘여도 서로 만나지 않거나, 또는 아주 길게 늘일 경우 서로 만날 수 있음을 의미한다.
또한, 상술한 바와 같이 전극 조립체(120)와 제1단자(140) 사이에는 제1집전탭(121d)이 개재되고, 전극 조립체(120)와 제2단자(150)의 사이에는 제2집전탭(123d)이 개재된다. 즉, 제1집전탭(121d)은 전극 조립체(120)의 상단으로부터 제1단자(140)를 향하여 연장되어 접속 또는 용접된다. 또한, 제2집전탭(123d)은 전극 조립체(120)의 상단으로부터 제2단자(150)를 향하여 연장되어 접속 또는 용접된다.
실질적으로, 제1집전탭(121d)은 상술한 바와 같이 제1전극판(121) 중 제1활물질이 코팅되지 않은 제1비코팅부(121c) 자체이거나, 또는 제1비코팅부(121c)에 접속된 별도 부재일 수 있다. 여기서, 별도 부재의 재질은 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 하나일 수 있다.
또한, 제2집전탭(123d)은 제2전극판(123) 중 제2활물질이 코팅되지 않은 제2비코팅부(123c) 자체이거나, 또는 제2비코팅부(123c)에 접속된 별도의 부재일 수 있다. 여기서, 별도 부재의 재질은 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 하나일 수 있다.
이와 같이, 전극 조립체(120)가 갖는 권취축과 제1,2단자(140,150)가 갖는 단자축이 상호간 대략 평행 또는 수평하게 형성됨으로써, 전해액 주액 방향과 권취축 방향 역시 평행 또는 수평하게 형성되어, 전해액 주입 시 전극 조립체(120)의 전해액 함침성이 우수할 뿐만 아니라, 과충전 시 내부 가스가 안전벤트(136)로 신속하게 이동하여 안전벤트(136)를 빠르게 동작시킨다.
또한, 전극 조립체(120)가 갖는 제1,2집전탭(121d,123d)(비코팅부 자체 또는 별도 부재)이 제1,2단자(140,150)에 각각 직접 전기적으로 접속되어 전기적 경로가 짧아짐으로써, 이차 전지(100)의 내부 저항이 감소할 뿐만 아니라 부품 개수도 감소한다.
이러한 전극 조립체(120)는 실질적으로 전해액과 함께 케이스(110)에 수납된다. 상기 전해액은 EC, PC, DEC, EMC, DMC와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
캡 플레이트(130)는 길이(장변(131)의 길이)와 폭(단변(132)의 폭)을 갖는 대략 직사각 형태로서, 케이스(110)에 결합된다. 즉, 캡 플레이트(130)는 케이스(110)의 개구를 밀봉하며, 케이스(110)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 캡 플레이트(130)는 레이저 및/또는 초음파 용접 방식으로 케이스(110)에 결합될 수 있다. 여기서, 캡 플레이트(130)는 경우에 따라 캡 조립체로 불리기도 한다.
캡 플레이트(130)는 전해액 주입구(133)를 막는 마개(134) 및 벤트홀(135)을 막는 안전벤트(136)를 포함한다. 더욱이, 안전벤트(136)는 설정된 압력에서 쉽게 개방될 수 있도록 노치(136a)를 더 포함한다.
또한, 캡 플레이트(130)는 전극 조립체(120)의 제1집전탭(121d)에 전기적으로 연결되는 퓨즈부(137) 및 제1단자(140)를 구속하는 단자 고정부(138)를 더 포함한다. 즉, 캡 플레이트(130)는 캡 플레이트(130)의 하부 방향으로 일정 길이 연장 및 돌출된 적어도 하나의 퓨즈부(137)(도면에는 2개가 도시됨)와, 캡 플레이트(130)의 상부 방향으로 일정 길이 연장 및 돌출된 적어도 하나의 단자 고정부(138)(도면에는 2개가 도시됨)를 포함한다.
여기서, 퓨즈부(137)는 캡 플레이트(130)의 폭 방향(y-y 방향)으로 대향되는 양측에 각각 형성되고, 또한 단자 고정부(138)는 캡 플레이트(130)의 길이 방향(x-x 방향)으로 대향되는 양측에 각각 형성된다. 이러한 캡 플레이트(130)의 퓨즈부(137) 및 단자 고정부(138)에 대해서는 아래에서 다시 상세하게 설명한다.
제1단자(140)는 캡 플레이트(130)의 상면에 위치된 제1단자 플레이트(141), 캡 플레이트(130)의 하면에 위치된 제1절연 플레이트(142), 제1절연 플레이트(142)의 하면에 위치된 제1집전 플레이트(143)를 포함한다.
제1단자 플레이트(141)는 속이 꽉찬 대략 육면체 형태를 하며 단자 고정부(138)를 통하여 캡 플레이트(130)의 상면에 고정된다. 이를 위해, 단자 고정부(138)는, 예를 들면, 캡 플레이트(130)의 길이 방향(x-x 방향)을 따라 제1단자 플레이트(141)의 양측에 각각 형성되어 제1단자 플레이트(141)의 좌,우 측면을 구속한다. 더불어, 단자 고정부(138)는 제1단자 플레이트(141)에 레이저 또는 초음파 용접됨으로써, 단자 고정부(138)와 제1단자 플레이트(141)가 상호간 고정된다.
제1절연 플레이트(142)는 대략 육면체 형태를 하며, 캡 플레이트(130)의 하면으로부터 하부 방향을 통해 연장 및/또는 돌출된 퓨즈부(137)에 결합되어 있다. 이를 위해, 제1절연 플레이트(142)에는 퓨즈 관통홀(142a)이 형성되어 있다. 즉, 캡 플레이트(130)의 폭 방향(y-y 방향)을 따라 퓨즈부(137)가 형성되어 있는 데, 이와 대응되는 위치의 제1절연 플레이트(142)에 퓨즈 관통홀(142a)이 형성되고, 이러한 퓨즈 관통홀(142a)에 퓨즈부(137)가 결합되어 있다. 여기서, 퓨즈 관통홀(142a) 대신 퓨즈 관통 절개홈이 형성될 수도 있다.
제1집전 플레이트(143)는 대략 육면체 형태를 하며, 퓨즈부(137)에 결합되어 있다. 이를 위해, 제1집전 플레이트(143)에는 캡 플레이트(130)의 폭 방향(y-y 방향)을 따라 퓨즈 관통홀(143a)이 형성되어 있다. 퓨즈부(137)는 제1집전 플레이트(143)의 퓨즈 관통홀(143a)에 결합된 채 용접, 코킹 또는 리벳 등의 방식으로 고정된다. 여기서, 퓨즈 관통홀(143a) 대신 퓨즈 관통 절개홈이 형성될 수도 있다.
더불어, 제1집전 플레이트(143)에는 전극 조립체(120)로부터 연장된 제1집전탭(121d)이 연결된다. 즉, 제1집전탭(121d)이 제1집전 플레이트(143)에 레이저 또는 초음파 용접된다. 여기서, 제1집전 플레이트(143) 및 제1집전탭(121d)은 모두 알루미늄 또는 알루미늄 합금이므로, 상호간 전기적/기계적 접속이 용이하다.
이와 같이 하여, 전극 조립체(120)의 제1집전탭(121d), 캡 플레이트(130)(케이스(110) 포함) 및 제1단자(140)는 동일한 극성을 갖게 된다. 즉, 전극 조립체(120)의 제1집전탭(121d), 제1단자(140)의 제1집전 플레이트(143), 캡 플레이트(130)의 퓨즈부(137), 캡 플레이트(130) 및 제1단자(140)의 제1단자 플레이트(141)가 전기적으로 상호간 연결되어 있음으로써, 이들은 모두 동일한 극성을 갖게 된다.
여기서, 상술한 바와 같이 캡 플레이트(130) 및 퓨즈부(137) 뿐만 아니라 제1집전 플레이트(143) 및 제1단자 플레이트(141) 역시 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다.
이와 같이 하여, 이차 전지(100)의 외부 단락 시 단락 전류는 전극 조립체(120)로부터 제1집전탭(121d), 제1단자(140)의 제1집전 플레이트(143), 캡 플레이트(130)의 퓨즈부(137), 캡 플레이트(130) 및 제1단자(140)의 제1단자 플레이트(141)를 통해 흐르게 되는데, 이때 퓨즈부(137)의 단면적이 상대적으로 가장 작게 형성되어 있음으로써, 단락 전류에 의해 캡 플레이트(130)에 형성된 퓨즈부(137)가 용융되어 끊어지게 되고, 이에 따라 이차 전지(100)의 안전성이 확보된다. 더욱이, 퓨즈부(137)는 대부분 제1절연 플레이트(142)의 퓨즈 관통홀(142a)에 결합되어 외부로 노출되지 않음으로써, 퓨즈부(137)의 용융/절단 시 불꽃이나 아크 등이 제1절연 플레이트(142)의 외부로 영향을 끼치지 않게 된다. 따라서, 퓨즈부(137)의 용융/절단 시에도 이차 전지(100)의 내부 공간은 안정적인 상태를 유지하게 된다.
또한, 이차 전지(100)의 과충전 시 과충전 전류는 제1단자(140)의 제1단자 플레이트(141), 캡 플레이트(130), 캡 플레이트(130)의 퓨즈부(137), 제1집전 플레이트(143) 및 제1집전탭(121d)을 통해 전극 조립체(120)에 공급되고, 이에 따라 캡 플레이트(130)에 형성된 퓨즈부(137)가 용융되어 끊어짐으로써, 이차 전지(100)의 안전성이 확보된다.
다시 설명하면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)의 정상적인 충전 및 방전 시에는 퓨즈부(137)를 통해 전류가 흐르지만, 도 2c에 도시된 바와 같이 이차 전지(100)의 비정상적인 충전 및 방전(외부 단락) 시에는 퓨즈부(137)가 용융/절단됨으로써, 전류가 차단되고, 이에 따라 이차 전지(100)의 안전성이 확보된다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 캡 플레이트(130)에 직접 퓨즈부(137)가 형성됨으로써, 별도의 집전 플레이트나 집전탭에 한정적이고 제한적인 형태의 퓨즈부가 형성될 필요가 없는 이차 전지(100)가 제공된다. 즉, 캡 플레이트(130)의 하면에 전극 조립체(120)를 향하여 연장된 퓨즈부(137)가 직접 형성되고, 또한 이러한 퓨즈부(137)가 전극 조립체(120)에 연결됨으로써, 기존과 같이 집전 플레이트나 집전탭 등에 한정적이고 제한적인 형태의 퓨즈부(137)를 형성할 필요가 없고, 자유로운 형태의 퓨즈부(137)를 형성할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 퓨즈부(137)의 두께, 폭 및 길이에 대한 컨트롤이 용이한 이차 전지(100)가 제공된다. 즉, 캡 플레이트(130)에 직접 퓨즈부(137)가 형성됨으로써, 이차 전지(100)의 용량이나 특성에 알맞게 퓨즈부(137)의 두께, 폭 및 길이가 용이하게 조절될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 캡 플레이트(130)에 직접 퓨즈부(137)가 형성됨으로써, 다수의 소면적 퓨즈부(137)가 용이하게 형성될 수 있다. 즉, 캡 플레이트(130)로부터 전극 조립체(120)를 향하여 단조나 주조 등의 방식으로 다수의 소면적 퓨즈부(137)가 용이하게 형성될 수 있고, 이에 따라 퓨즈부(137)가 전극 조립체(120)를 강건하게 고정할 뿐만 아니라, 퓨즈부(137)의 동작도 확실하게 수행된다.
제2단자(150)는 캡 플레이트(130)의 상면에 위치된 제2단자 플레이트(151), 캡 플레이트(130)의 하면에 위치된 제2절연 플레이트(152), 제2절연 플레이트(152)의 하면에 위치된 제2집전 플레이트(153) 및 제2집전 플레이트(153)로부터 캡 플레이트(130)를 관통하여 제2단자 플레이트(151)에 고정된 집전 기둥(154)을 포함한다. 또한, 제2단자(150)는 제2단자 플레이트(151) 및 집전 기둥(154)과, 캡 플레이트(130) 사이에 개재된 상부 절연 플레이트(155)를 포함한다. 더욱이, 제2단자(150)는 제2집전 플레이트(153) 및 집전 기둥(154)과, 캡 플레이트(130) 사이에 개재된 시일 가스켓(156)을 포함한다.
실질적으로, 제2집전 플레이트(153)와 제2집전 기둥(154)은 일체로 형성되며, 제2집전 플레이트(153)에 제2집전탭(123d)이 연결된다. 이러한 제2집전 플레이트(153)와 제2집전 기둥(154)은 구리 또는 구리 합금으로 이루어지며, 따라서, 제2집전 플레이트(153)에는 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어진 제2집전탭(123d)이 용이하게 전기적/기계적으로 접속된다.
제2단자 플레이트(151) 역시 캡 플레이트(130) 위에 위치되며, 홀(151a)을 갖는다. 또한, 이러한 홀(151a)에 집전 기둥(154)이 결합되고 용접된다. 예를 들면, 레이저 빔이 상부로 노출된 집전 기둥(154)과 제2단자 플레이트(151)의 경계 영역에 제공됨으로써, 상기 경계 영역이 상호간 용융된 후 냉각되어 용접될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(200)의 단면도가 도시되어 있다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(200) 중 퓨즈부(237) 및 그 주변 구조에 대한 부분 분해 사시도 및 측단면도가 도시되어 있고, 도 4c를 참조하면, 퓨즈부(237)의 동작 후 상태에 대한 측단면도가 도시되어 있다.
도 3, 4a, 4b 및 4c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(200) 역시 케이스(110), 전극 조립체(120), 캡 플레이트(230), 제1단자(240) 및 제2단자(150)를 포함한다.
캡 플레이트(230)는 전극 조립체(220)의 제1집전탭(121d)에 전기적으로 연결되는 퓨즈부(237) 및 제1단자(240)를 구속하는 단자 고정부(238)를 포함한다. 즉, 캡 플레이트(230)는 캡 플레이트(230)의 하부 방향으로 일정 길이 연장 및 돌출된 적어도 하나의 퓨즈부(237)와, 캡 플레이트(230)의 상부 방향으로 일정 길이 연장 및 돌출된 적어도 하나의 단자 고정부(238)를 포함한다.
여기서, 퓨즈부(237)는 캡 플레이트(230)의 길이 방향(x-x 방향)으로 대향되는 양측에 각각 형성되고, 또한, 단자 고정부(238)는 캡 플레이트(230)의 폭 방향(y-y 방향)으로 대향되는 양측에 각각 형성된다. 이러한 캡 플레이트(230)의 퓨즈부(237) 및 단자 고정부(238)에 대해서는 아래에서 다시 상세하게 설명한다.
제1단자(240)는 캡 플레이트(230)의 상면에 위치된 제1단자 플레이트(241), 캡 플레이트(230)의 하면에 위치된 제1절연 플레이트(242), 제1절연 플레이트(242)의 하면에 위치된 제1집전 플레이트(243)를 포함한다.
제1단자 플레이트(241)는 속이 꽉찬 대략 육면체 형태를 하며 단자 고정부(238)를 통하여 캡 플레이트(230)의 상면에 고정된다. 이를 위해, 단자 고정부(238)는, 예를 들면, 캡 플레이트(230)의 폭 방향(y-y 방향)을 따라 제1단자 플레이트(241)의 양측에 각각 형성되어 제1단자 플레이트(241)의 전,후 측면을 구속한다. 더불어, 단자 고정부(238)는 제1단자 플레이트(241)에 레이저 또는 초음파 용접됨으로써, 단자 고정부(238)와 제1단자 플레이트(241)가 상호간 고정된다.
제1절연 플레이트(242)는 대략 육면체 형태를 하며, 캡 플레이트(230)의 하면으로부터 하부 방향을 통해 연장 및/또는 돌출된 퓨즈부(237)에 결합되어 있다. 이를 위해, 제1절연 플레이트(242)에는 퓨즈 관통홀(242a)이 형성되어 있다. 즉, 캡 플레이트(230)의 길이 방향을 따라 퓨즈부(237)가 형성되어 있는 데, 이와 대응되는 위치의 제1절연 플레이트(242)에 퓨즈 관통홀(242a)이 형성되고, 이러한 퓨즈 관통홀(242a)에 퓨즈부(237)가 결합되어 있다. 여기서, 퓨즈 관통홀(242a) 대신 퓨즈 관통 절개홈이 형성될 수도 있다.
제1집전 플레이트(243)는 대략 육면체 형태를 하며, 퓨즈부(237)에 결합되어 있다. 이를 위해, 제1집전 플레이트(243)에는 캡 플레이트(230)의 길이 방향(x-x 방향)을 따라 퓨즈 관통홀(243a)이 형성되어 있다. 퓨즈부(237)는 제1집전 플레이트(243)의 퓨즈 관통홀(243a)에 결합된 채 용접, 코킹 또는 리벳 등의 방식으로 고정된다. 여기서 ,퓨즈 관통홀(243a) 대신 퓨즈 관통 절개홈이 형성될 수도 있다.
더불어, 제1집전 플레이트(243)에는 전극 조립체(220)로부터 연장된 제1집전탭(121d)이 연결된다. 즉, 제1집전탭(121d)이 제1집전 플레이트(243)에 레이저 또는 초음파 용접된다.
이와 같이 하여, 전극 조립체(120)의 제1집전탭(121d), 캡 플레이트(230)(케이스(210) 포함) 및 제1단자(240)는 동일한 극성을 갖게 된다. 즉, 전극 조립체(120)의 제1집전탭(121d), 제1단자(240)의 제1집전 플레이트(243), 캡 플레이트(230)의 퓨즈부(237), 캡 플레이트(230) 및 제1단자(240)의 제1단자 플레이트(241)가 전기적으로 상호간 연결되어 있음으로써, 이들은 모두 동일한 극성을 갖게 된다.
특히, 이차 전지(200)의 외부 단락 시 단락 전류는 전극 조립체(120)로부터 제1집전탭(121d), 제1단자(240)의 제1집전 플레이트(243), 캡 플레이트(230)의 퓨즈부(237), 캡 플레이트(230) 및 제1단자(240)의 제1단자 플레이트(241)를 통해 흐르게 되는데, 이때 퓨즈부(237)의 단면적이 상대적으로 가장 작게 형성되어 있음으로써, 단락 전류에 의해 캡 플레이트(230)에 형성된 퓨즈부(237)가 용융되어 끊어지게 되고, 이에 따라 이차 전지(200)의 안전성이 확보된다. 더욱이, 퓨즈부(237)는 대부분 제1절연 플레이트(242)의 퓨즈 관통홀(242a)에 결합되어 외부로 노출되지 않음으로써, 퓨즈부(237)의 용융/절단 시 불꽃이나 아크 등이 제1절연 플레이트(242)의 외부로 영향을 끼치지 않게 된다. 따라서, 퓨즈부(237)의 용융/절단 시에도 이차 전지(200)의 내부 공간은 안정적인 상태를 유지하게 된다.
또한, 이차 전지(200)의 과충전 시 과충전 전류는 제1단자(240)의 제1단자 플레이트(241), 캡 플레이트(230), 캡 플레이트(230)의 퓨즈부(237), 제1집전 플레이트(243) 및 제1집전탭(121d)을 통해 전극 조립체(120)에 공급되고, 이에 따라 캡 플레이트(230)에 형성된 퓨즈부(237)가 용융되어 끊어짐으로써, 이차 전지(200)의 안전성이 확보된다.
다시 설명하면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 이차 전지(200)의 정상적인 충전 및 방전 시에는 퓨즈부(237)를 통해 전류가 흐르지만, 도 4c에 도시된 바와 같이 이차 전지(200)의 비정상적인 충전 및 방전(단락) 시에는 퓨즈부(237)가 용융/절단됨으로써, 전류가 차단되고, 이에 따라 이차 전지(200)의 안전성이 확보된다.
한편, 비록 도면에 도시되어 있지는 않지만, 퓨즈부(137,237)는 캡 플레이트의 길이 방향 및 폭 방향을 따라 각각 형성될 수 있고, 또한 단자 고정부(138,238) 역시 캡 플레이트의 길이 방향 및 폭 방향을 따라 각각 형성될 수 있다. 물론, 이에 따라 제1절연 플레이트 및 제1집전 플레이트에 형성된 퓨즈 관통홀(142a,242a,143a, 243a) 역시 퓨즈부(127,237)와 대응되는 위치에 각각 형성될 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 퓨즈부의 단면도가 도시되어 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 퓨즈부(137)는 캡 플레이트(130)로부터 하부 방향으로 연장 및 돌출되고, 속이 꽉찬 솔리드(solid) 형태이거나, 또는 도 5b에 도시된 바와 같이 퓨즈부(337)는 캡 플레이트(330)로부터 하부 방향으로 연장 및 돌출되고, 속이 비어 있는 할로우(hollow) 형태일 수 있다.
속이 꽉찬 솔리드 형태의 퓨즈부(137)는 캡 플레이트(130)의 주조, 단조 및 그 등가 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 속이 비어 있는 할로우 형태의 퓨즈부(337)는 캡 플레이트(330)의 단조 및 그 등가 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 중 단자 고정부의 단면도가 도시되어 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 단자 고정부(138)는 캡 플레이트(130)로부터 상부 방향으로 연장 및 돌출되고, 속이 꽉찬 솔리드(solid) 형태이거나, 또는 도 6b에 도시된 바와 같이 단자 고정부(438)는 캡 플레이트(430)로부터 상부 방향으로 연장 및 돌출되고, 속이 비어 있는 할로우(hollow) 형태일 수 있다.
속이 꽉찬 솔리드 형태의 단자 고정부(138)는 캡 플레이트(130)의 주조, 단조 및 그 등가 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 속이 비어 있는 할로우 형태의 단자 고정부(438)는 캡 플레이트(430)의 단조 및 그 등가 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지를 이용한 배터리 모듈의 일례에 대한 사시도가 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 다수의 이차 전지(100)가 일렬로 배치되고, 이와 같이 일렬로 배치된 이차 전지(100)에는 다수의 버스바(510)가 결합됨으로써, 하나의 배터리 모듈(1000)이 완성될 수 있다. 예를 들면, 어느 한 이차 전지(100)의 제1단자(140)와, 이와 인접한 다른 이차 전지(100)의 제2단자(150)가 버스바(510)로 용접됨으로써, 다수의 이차 전지(100)가 직렬로 연결된 배터리 모듈(1000)이 제공될 수 있다. 여기서, 버스바(510)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있으며, 이때 제1단자(140)의 제1단자 플레이트(141), 제2단자(150)의 제2단자 플레이트(151) 역시 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어짐으로써, 버스바(510)는 제1단자(140) 및 제2단자(150)에 용이하게 용접될 수 있다.
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.
100,200: 이차 전지 110; 케이스
120; 전극 조립체 121; 제1전극판
121a; 제1집전판 121b; 제1코팅부
121c; 제1비코팅부 121d; 제1집전탭
122; 분리막 123; 제2전극판
123a; 제2집전판 123b; 제2코팅부
123c; 제2비코팅부 123d; 제2집전탭
130; 캡 플레이트 131; 장변
132; 단변 133; 주입구
134; 마개 135; 벤트홀
136; 안전벤트 136a; 노치
137; 퓨즈부 138; 단자 고정부
140; 제1단자 141; 제1단자 플레이트
142; 제1절연 플레이트 142a; 퓨즈 관통홀
143; 제1집전 플레이트 143a; 퓨즈 관통홀
150; 제2단자 151; 제2단자 플레이트
152; 제2절연 플레이트 152a; 퓨즈 관통홀
153; 제2집전 플레이트 153a; 퓨즈 관통홀
154; 집전 기둥 155; 상부 절연 플레이트
156; 시일 가스켓

Claims (10)

  1. 케이스;
    상기 케이스의 내측에 수용된 전극 조립체; 및
    상기 케이스에 결합되어 상기 전극 조립체를 보호하는 캡 플레이트를 포함하고,
    상기 캡 플레이트는 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결된 퓨즈부를 더 포함하고,
    상기 캡 플레이트와 상기 전극 조립체의 사이에 개재된 절연 플레이트를 더 포함하고, 상기 퓨즈부는 상기 절연 플레이트를 관통하여 상기 전극 조립체에 연결된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 캡 플레이트로부터 상기 전극 조립체를 향하여 돌출된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연 플레이트와 상기 전극 조립체 사이에 개재된 도전 플레이트를 더 포함하고,
    상기 퓨즈부는 상기 도전 플레이트를 관통하여 상기 전극 조립체에 연결된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 도전 플레이트를 향하여 연장된 도전탭을 더 포함하고,
    상기 도전탭은 상기 도전 플레이트에 연결된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 캡 플레이트로부터 연장되고 속이 꽉찬 솔리드(solid) 형태 또는 속이 비어 있는 할로우(hollow) 형태인 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 캡 플레이트의 폭 방향 또는 길이 방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 캡 플레이트의 폭 방향 및 길이 방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 상기 퓨즈부가 형성된 면의 반대면에 위치된 단자 플레이트를 더 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 상기 단자 플레이트를 구속하는 단자 고정부를 더 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
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