KR102454791B1 - 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지 - Google Patents

양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 이차 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 양극 단자와 멤브레인이 캡 플레이트에 일체로 형성됨으로써, 간단한 구조로 과충전 모드에서 충전 전류를 차단할 수 있고, 또한 집전판과 연결되는 멤브레인의 일 영역에 퓨즈가 형성됨으로써, 간단한 구조로 외부 단락 모드에서 단락 전류를 차단할 수 있는 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 개구부를 갖는 케이스; 상기 케이스의 개구부에 수용된 전극 조립체; 및 상기 케이스의 개구부에 결합된 캡 플레이트를 포함하고, 상기 캡 플레이트는 상기 캡 플레이트와 일체로 형성된 단자부와, 상기 단자부와 일체로 형성되고 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 멤브레인을 포함하는 이차 전지를 개시한다.

Description

양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지{Secondary battery having positive electrode terminal and membrane-integrated cap plate}
본 발명의 다양한 실시예는 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 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.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 제공한다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예는 양극 단자와 멤브레인이 캡 플레이트에 일체로 형성됨으로써, 간단한 구조로 과충전 모드에서 충전 전류를 차단할 수 있는 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 제공한다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예는 집전판과 연결되는 멤브레인의 일 영역에 퓨즈가 형성됨으로써, 간단한 구조로 외부 단락 모드에서 단락 전류를 차단할 수 있는 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지는 개구부를 갖는 케이스; 상기 케이스의 개구부에 수용된 전극 조립체; 및 상기 케이스의 개구부에 결합된 캡 플레이트를 포함하고, 상기 캡 플레이트는 상기 캡 플레이트와 일체로 형성된 단자부와, 상기 단자부와 일체로 형성되고 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결된 멤브레인을 포함함을 특징으로 한다.
상기 단자부는 상기 캡 플레이트로부터 상부 방향으로 연장된 지지 영역; 및 상기 지지 영역으로부터 수평 방향으로 연장된 단자 영역을 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 단자 영역으로부터 하부 방향으로 오목하게 형성될 수 있다. 상기 멤브레인의 두께는 상기 단자 영역의 두께보다 얇을 수 있다. 상기 멤브레인은 집전판을 통하여 상기 전극 조립체에 연결될 수 있다. 상기 캡 플레이트와 상기 집전판 사이에는 하부 절연판이 개재될 수 있다. 상기 단자부와 멤브레인에 의해 단자 캐비티가 정의되고, 상기 집전판과 상기 하부 절연판에는 각각 이차 전지의 과충전 시 발생하는 가스가 상기 단자 캐비티로 전달됨으로써 상기 멤브레인이 반전되어 충전 전류 경로를 차단하도록 관통홀이 형성될 수 있다. 상기 멤브레인의 하단에는 퓨즈가 형성되고, 상기 퓨즈가 상기 집전판에 연결될 수 있다. 상기 이차 전지의 외부 단락 시 단락 전류에 의해 상기 퓨즈가 용융되어 단락 전류 경로가 차단될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 제공한다.
즉, 본 발명의 다양한 실시예는 양극 단자와 멤브레인이 캡 플레이트에 일체로 형성됨으로써, 간단한 구조로 과충전 모드에서 충전 전류를 차단할 수 있는 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 제공한다. 다르게 설명하면, 본 발명의 다양한 실시예는 이차 전지의 과충전 시 활물질 및 전해액 등의 분해에 의해 가스가 발생하여 내부 압력이 높아지는데, 이러한 가스 압력에 의해 집전판과 연결된 멤브레인이 반전됨으로써, 충전 전류가 차단되도록 한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 집전판과 연결되는 멤브레인의 일 영역에 퓨즈가 형성됨으로써, 간단한 구조로 외부 단락 모드에서 단락 전류를 차단할 수 있는 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 제공한다. 다르게 설명하면, 본 발명의 다양한 실시예는 이차 전지가 도전체로 관통되거나, 압괴되거나, 또는 외부에서 양극 단자와 음극 단자의 사이에 단락이 발생하였을 경우 단락 전류(과전류)가 흐르게 되는데, 멤브레인과 집전판을 연결하는 퓨즈가 용융되어 제거됨으로써, 단락 전류(과전류)가 차단되도록 한다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 도시한 분해 사시도 및 도 1의 I-I'선을 따라 절취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지의 주요부 확대 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지에서 과충전 모드 시의 동작 전 및 동작 후 상태를 도시한 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지에서 외부 단락 모드 시의 동작 전 및 동작 후 상태를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 도시한 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 도시한 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다양한 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. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
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, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"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, "하부"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
또한, 본 명세서에서 언급되는 "양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트"란 직사각 평판 형태의 캡 플레이트가 다수의 단조 공정을 통해 일체로 양극 단자와 멤브레인을 갖는다는 의미이다. 도면에서, 양극 단자, 멤브레인 및 캡 플레이트는 본 발명의 이해를 위해 두께나 폭 등이 과장되게 도시되어 있으며, 또한 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 몇몇 부분은 도시되지 않았다. 예를 들어, 음극 단자에 단락 플레이트가 구비되거나, 또는 집전판에 퓨즈 등이 구비될 수 있으나, 이는 본 발명의 요지가 아니므로 도시되지 않았다. 또한, 본 명세서에서 음극 단자는 경우에 따라 제1단자로, 양극 단자는 경우에 따라 제2단자 또는 단자부로 지칭될 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트(151)를 갖는 이차 전지(100)를 도시한 사시도이다. 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트(151)를 갖는 이차 전지(100)를 도시한 분해 사시도 및 도 1의 I-I'선을 따라 절취한 단면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 제1단자(120), 제2단자(130), 케이스(140) 및 캡 조립체(150)를 포함한다.
전극 조립체(110)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 제1전극판(111), 세퍼레이터(113), 제2전극판(112)의 적층체가 권취되거나 겹쳐서 형성된다. 여기서, 제1전극판(111)은 음극 역할을 할 수 있으며, 제2전극판(112)은 양극 역할을 할 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
제1전극판(111)은 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금과 같은 금속 포일로 형성된 제1전극 집전체(111a)에 흑연 또는 탄소 등의 제1전극 활물질(111b)이 도포되어 형성되며, 제1전극 활물질(111b)이 도포되지 않는 영역인 제1전극 무지부를 포함한다. 또한, 제1전극판(111)은 제1전극 무지부로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 제1멀티탭(111c)을 포함하며, 이러한 제1멀티탭(111c)은 제1전극판(111)과, 제1전극판 외부 간의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 제1전극판(111)의 재질이 한정되지 않는다. 더불어 멀티탭은 다수의 탭을 포함하는 개념이나, 이로서 본 발명이 한정되지 않고, 하나의 탭을 포함하는 개념일 수도 있다.
제2전극판(112)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 포일로 형성된 제2전극 집전체(112a)에 전이금속산화물 등의 제2전극 활물질(112b)이 도포되어 형성되며, 제2전극 활물질(112b)이 도포되지 않은 영역인 제2전극 무지부를 포함한다. 또한, 제2전극판(112)은 제2전극 무지부로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장된 제2멀티탭(112c)을 포함하며, 이러한 제2멀티탭(112c)은 제2전극판(112)과, 제2전극판 외부 간의 전류 흐름의 통로가 된다. 여기서, 제1,2멀티탭(111c,112c)은 상호간 대략 평행한 상태를 유지한다. 한편, 본 발명에서 상기 제2전극판(112)의 재질이 한정되지 않는다.
상기와 같은 제1전극판(111) 및 제2전극판(112)은 극성을 달리하여 배치될 수 있다.
여기서, 전극 조립체(110)가 갖는 권취 축은 제1단자(120) 및 제2단자(130)가 갖는 단자 축에 대략 평행 또는 대략 수평하게 형성된다. 여기서, 권취 축 및 단자 축은 도 2a 및 도 2b에서 상하 방향으로 형성된 축을 의미하며, 권취 축 및 단자 축이 대략 평행 또는 수평하다는 것은 권취 축 및 단자 축을 길게 늘여도 서로 만나지 않거나, 또는 아주 길게 늘일 경우 서로 만날 수 있음을 의미한다.
세퍼레이터(113)는 제1전극판(111)과 제2전극판(112) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 한편, 본 발명에서 상기 세퍼레이터(113)의 재질이 한정되지 않는다.
상기와 같은 전극 조립체(110)의 상부 좌,우측에는 제1전극판(111)과 제2전극판(112) 각각에 전기적으로 연결되는 제1단자(120) 및 제2단자(130)가 위치된다.
이러한 전극 조립체(110)는 실질적으로 전해액과 함께 케이스(140)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.
제1단자(120)는 금속으로 형성되며, 제1전극판(111)과 전기적으로 연결된다. 제1단자(120)는 제1집전판(121), 제1단자 기둥(122) 및 제1단자 플레이트(123)를 포함한다. 여기서, 제1단자 기둥(122)은 제1집전판(121)과 제1단자 플레이트(123)의 사이에 전기적/기계적으로 연결된다.
제1집전판(121)은 전극 조립체(110)의 상부 일측(예를 들면, 좌측)으로부터 돌출된 제1멀티탭(111c)과 접촉된다. 실질적으로, 제1집전판(121)은 제1멀티탭(111c)에 용접된다. 또한, 제1집전판(121)은 일측에 홀이 형성되며, 홀에 제1단자 기둥(122)이 끼워져 리벳팅 또는 용접된다. 이러한 제1집전판(121)은 예를 들면 구리 또는 구리 합금으로 제조된다. 그러나, 이러한 재질로 제1집전판(121)이 한정되지 않는다.
제1단자 기둥(122)은 후술되는 캡 플레이트(151)를 관통하여 상부로 일정 길이 돌출 및 연장되며, 캡 플레이트(151)의 하부에서 제1집전판(121)과 전기적으로 연결된다. 또한, 제1단자 기둥(122)은 캡 플레이트(151)의 상부로 일정 길이 돌출 및 연장된다. 여기서, 제1단자 기둥(122)은 캡 플레이트(151)와 전기적으로 절연된다.
제1단자 기둥(122)은 캡 플레이트(151)를 관통하며, 예를 들면, 구리, 구리 합금, 니켈, 니켈 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다.
제1단자 플레이트(123)는 홀을 가지며, 이러한 홀에 제1단자 기둥(122)이 결합되고 용접된다. 여기서, 제1단자 플레이트(123)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다. 또한, 예를 들면, 레이저 빔이 상부로 노출된 제1단자 기둥(122)과 제1단자 플레이트(123)의 경계 영역에 제공됨으로써, 상기 경계 영역이 상호간 용융된 후 냉각되어 용접된다. 이러한 용접 영역은 부호 124로 표시되어 있다.
상술한 바와 같이, 제1단자 플레이트(123)가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성됨으로써, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성된 버스바(도시되지 않음)가 용이하게 용접될 수 있다.
제2단자(130) 역시 금속으로 형성되며, 제2전극판(112)과 전기적으로 연결된다. 실질적으로 제2단자(130)는 캡 플레이트(151)와 일체로 형성되며, 이에 따라 캡 플레이트(151)와 동일 재질을 갖는다. 이러한 제2단자(130)는 제2집전판(131), 지지 영역(132), 단자 영역(133) 및 멤브레인(134)을 포함할 수 있다. 여기서, 지지 영역(132), 단자 영역(133) 및 멤브레인(134)은 캡 플레이트(151)의 형성 시 단조 공정에 의해 형성될 수 있다.
제2집전판(131)은 전극 조립체(110)의 상부 일측(예를 들면, 우측)으로부터 돌출된 제2멀티탭(112c)과 접촉된다. 실질적으로, 제2집전판(131)은 제2멀티탭(112c)에 용접된다. 상기 제2집전판(131)에 홀이 형성될 수 있으며 이러한 홀에 단자 영역(133)의 하부로 오목하게 형성된 멤브레인(134)이 접속된다. 즉, 멤브레인(134)의 하단에 돌기가 형성되는데, 이러한 돌기가 제2집전판(131)의 홀에 결합될 수 있다. 돌기는 제2집전판(131)에 결합된 후, 리벳팅되거나 용접될 수 있다. 이러한 제2집전판(131)은 예를 들면 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다. 그러나, 이러한 재질로 제2집전판(131)이 한정되지 않는다.
지지 영역(132)은 캡 플레이트(151)로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장되며, 지지 영역(132)의 상단에 단자 영역(133)이 형성된다. 단자 영역(133)의 높이또는 두께는 제1단자 플레이트(123)의 높이 또는 두께와 동일할 수 있으며, 또한 단자 영역(133)의 외형은 제1단자 플레이트(123)의 외형과 유사하다. 더불어, 단자 영역(133) 역시 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되므로, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 버스바(도시되지 않음)가 용이하게 용접될 수 있다. 여기서, 단자 영역(133)은 캡 플레이트(151)와 일체로 형성되므로, 이하에서 설명될 캡 플레이트(151) 및 케이스(140)는 제2단자(130)와 같은 극성(예를 들면, 양극)을 가질 수 있다. 물론, 이에 따라 제2단자(130)는 양극 단자의 역할을 할 수 있다.
케이스(140)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성되며, 전극 조립체(110)가 삽입 및 안착될 수 있는 개구부가 형성된 대략 육면체 형상으로 이루어진다. 도 2b에서는, 케이스(140)와 캡 조립체(150)가 결합된 상태로 도시되고 있으므로 개구부가 도시되지 않았지만, 캡 조립체(150)의 둘레 부분이 실질적으로 개방된 부분이다. 한편, 케이스(140)의 내면은 절연 처리되어, 전극 조립체(110), 제1단자(120), 제2단자(130) 및 캡 조립체(150)와 절연될 수 있다.
캡 조립체(150)는 케이스(140)에 결합된다. 캡 조립체(150)는 구체적으로 캡 플레이트(151), 시일 가스켓(152), 마개(153), 안전벤트(154), 상부 절연부재(155) 및 하부 절연부재(156)를 포함한다.
캡 플레이트(151)는 케이스(140)의 개구를 밀봉하며, 케이스(140)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 캡 플레이트(151)는 레이저 용접 방식으로 케이스(140)에 결합될 수 있다. 여기서, 캡 플레이트(151)는 상술한 바와 같이 제2단자(130)와 동일한 극성을 가질 수 있으므로, 캡 플레이트(151) 및 케이스(140)는 동일한 극성을 가질 수 있다. 또한, 제2단자(130) 및 멤브레인(134)은 캡 플레이트(151)와 일체로 형성되므로, 제2단자(130) 및 멤브레인(134)을 캡 플레이트(151)의 한 구성 요소로 볼 수도 있다.
시일 가스켓(152)은 절연성 재질로 제1단자 기둥(122)과 캡 플레이트(151) 사이에 개재된다. 이러한 시일 가스켓(152)은 외부의 수분이 이차 전지(100)의 내부에 침투하지 못하도록 하거나, 이차 전지(100)의 내부에 수용된 전해액이 외부로 유출되지 못하도록 한다.
마개(153)는 캡 플레이트(151)의 전해액 주입구(151a)를 밀봉하며, 안전벤트(154)는 캡 플레이트(151)의 벤트홀에 설치되며, 설정된 압력에서 개방될 수 있도록 노치(154a)가 형성된다.
상부 절연부재(155)는 제1단자 기둥(122)과 캡 플레이트(151) 사이에 개재되고, 또한 제1단자 플레이트(123)와 캡 플레이트(151)의 사이에 개재된다. 더욱이, 상부 절연부재(155)는 시일 가스켓(152)에도 밀착될 수 있다. 이러한 상부 절연부재(155)는 제1단자 기둥(122)과 제1단자 플레이트(123)를 캡 플레이트(151)로부터 절연시킨다.
하부 절연부재(156)는 제1집전판(121)과 캡 플레이트(151) 사이에 형성되어, 불필요한 단락의 발생을 방지한다. 즉, 하부 절연부재(156)는 제1집전판(121)과 캡 플레이트(151) 사이의 단락을 방지한다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트(151)를 갖는 이차 전지의 주요부 확대 단면도이다. 이하의 설명에서 단자부는 제2단자 또는 양극 단자를 의미한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 캡 플레이트(151)는 캡 플레이트(151)와 일체로 형성된 단자부(130)와, 단자부(130)와 일체로 형성된 멤브레인(134)을 포함한다. 여기서, 멤브레인(134)은 집전판(131)을 통해 전극 조립체에 전기적으로 연결된다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 단자부(130)는 캡 플레이트(151)로부터 대략 상부 방향으로 일정 길이 연장된 지지 영역(132)과, 지지 영역(132)으로부터 대략 수평 방향으로 연장된 단자 영역(133)을 포함한다. 즉, 지지 영역(132)은 캡 플레이트(151)의 길이 방향에 대하여 대략 수직 방향으로 절곡되어 연장되고, 단자 영역(133)은 캡 플레이트(151)이 길이 방향에 대하여 대략 수평 방향으로 절곡 및 연장된다.
더불어, 멤브레인(134)은 단자 영역(133)으로부터 하부 방향으로 대략 오목하게 형성된다. 즉, 멤브레인(134)은 단자영역(133)의 중심으로부터 하부 방향으로 일정 깊이 움푹 파인 형태를 한다. 이러한 멤브레인(134)의 두께는 단자 영역(133)의 두께보다 얇다. 또한, 멤브레인(134)의 두께는 대체로 하단으로 갈수록 얇아질 수 있다. 또한, 멤브레인(134)은 상술한 바와 같이 집전판(131)을 통하여 전극 조립체에 연결되는데, 집전판(131)과 캡 플레이트(151)의 사이에는 하부 절연판(156)이 개재된다. 따라서, 집전판(131)은 캡 플레이트(151)에 직접 전기적으로 접속되지 않고, 멤브레인(134)을 통하여 캡 플레이트(151)에 간접적으로 전기적으로 접속된다.
한편, 멤브레인(134)의 최하단에는 돌기(135)가 형성되며, 이러한 돌기(135)가 집전판(131)에 구비된 홀에 결합된 후 리벳팅 및/또는 용접됨으로써, 돌기(135)가 집전판(131)에 전기적으로 연결된다. 즉, 멤브레인(134)은 돌기(135)를 통하여 집전판(131)에 전기적으로 연결된다.
더불어, 상술한 단자부(130)(지지 영역(132) 및 단자 영역(133))와 멤브레인(134)에 의해 소정 체적의 단자 캐비티(138)가 정의될 수 있다. 여기서, 단자 캐비티(138)와 대응되는 하부 절연판(156)에도 적어도 하나의 관통홀(156a)이 형성되고, 또한 집전판(131)에도 적어도 하나의 관통홀(131a)이 형성됨으로써, 결국 단자 캐비티(138)와 케이스의 내부 공간이 상호간 연결된다. 따라서, 케이스의 내부 압력이 미리 설정된 기준 압력보다 높아질 경우, 그 내부 압력이 단자 캐비티(138)에 전달되어 상술한 멤브레인(134)이 반전될 수 있다.
또한, 옵션으로서, 멤브레인(134)과 돌기(135) 사이에 또는 멤브레인(134)과 집전판(131)의 사이에 폭이 상대적으로 작은 퓨즈(136)가 더 형성될 수도 있다. 이러한 퓨즈(136)는 멤브레인(134) 및/또는 돌기(135)의 단면적보다 상대적으로 더 작은 단면적을 갖도록 설계됨으로써, 과전류가 퓨즈(136)를 통해 흐르게 되면 퓨즈(136)가 용융되어 제거될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지에서 과충전 모드 시의 동작 전 및 동작 후 상태를 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지가 과충전 모드에 진입하게 되면, 전해액이나 활물질의 분해 현상에 의해 다량의 가스가 발생하게 되고, 이러한 가스에 의해 내부 압력이 급격하게 증가한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 케이스 내에 가스가 발생하면, 이러한 가스는 집전판(131)의 관통홀(131a) 및 하부 절연판(156)의 관통홀(156a)을 통해 단자 캐비티(138)에 전달된다.
이때, 가스 압력이 미리 정해진 기준 압력보다 크게 되면, 멤브레인(134)은 반전되면서 집전판(131)으로부터 전기적으로 분리된다. 즉, 멤브레인(134), 퓨즈(136) 및/또는 돌기(135)가 집전판(131)으로부터 분리되면서, 집전판(131)과 멤브레인(134) 사이의 전류 경로가 차단된다. 따라서, 이차 전지에 충전 전류가 더 이상 공급되지 않아, 이차 전지의 과충전이 방지된다.
비록, 도 4b에서는 멤브레인(134)이 완전히 반전된 것으로 도시되어 있으나, 이러한 도면으로 본 발명이 한정되지 않으며, 과충전 모드에서 멤브레인(134)은 집전판(131)으로부터 약간 분리된 상태를 가질 수도 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지에서 외부 단락 모드 시의 동작 전 및 동작 후 상태를 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지가 외부 단락 모드에 진입하게 되면, 단락 전류가 집전판(131)을 통해 멤브레인(134) 및 단자부(130)로 흐르게 된다. 즉, 이차 전지가 도전체에 의해 관통되거나, 또는 중량물에 의해 압괴되거나, 또는 외부의 양극 단자 및 음극 단자가 직접 쇼트되면, 과전류가 집전판(131), 멤브레인(134) 및 단자부(130)를 통해서 흐르게 된다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 단락 전류는 기준 전류 레벨보다 높은 전류 레벨(과전류)을 갖기 때문에, 멤브레인(134)과 집전판(131) 및/또는 멤브레인(134)과 돌기(135) 사이에 형성된 퓨즈(136)가 용융되어 제거된다. 이에 따라, 집전판(131)과 멤브레인(134) 사이의 단락 전류(과전류)가 차단됨으로써, 이차 전지가 위험한 상태로 되지 않게 된다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트(151)를 갖는 이차 전지를 도시한 부분 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 퓨즈(136)의 둘레를 둘러싸는 수지부(137)를 더 포함할 수 있다. 이러한 수지부(137)는 퓨즈(136)의 둘레를 감싸고 있을 뿐, 멤브레인(134)의 하면과 집전판(131) 또는 돌기(135)의 상면에 접착되지는 않는다. 따라서, 수지부(137)에 의해 멤브레인(134)의 반전 동작이 방해되지 않는다.
그러나, 퓨즈(136)의 동작 시 함께 발생할 수 있는 아크가 상술한 수지부(137)에 의해 억제됨으로써, 아크에 의한 이차 전지의 화재나 폭발 위험을 방지하게 된다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트(151)를 갖는 이차 전지를 도시한 부분 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지는 단자부(130)의 두께, 특히, 단자 영역(133)의 두께(T)가 캡 플레이트(151)의 두께(t)보다 두꺼울 수 있다. 예를 들면 한정하는 것은 아니지만, 단자 영역(133)의 두께(T)는 캡 플레이트(151)의 두께(t)에 비해 1.5배 내지 3배 두꺼울 수 있다.
일반적으로, 레이저 빔에 의해 버스바(미도시)가 단자부(130)의 단자 영역(133)에 용접될 수 있다. 이때, 레이저 빔에 의해 버스바와 단자부(130)에 일체의 용융 영역이 형성되는데, 이러한 용융 영역의 깊이가 단자 영역(133)의 두께보다 깊게 되면, 단자 영역(133)에 관통홀이 형성되고, 이러한 관통홀에 의해 용접 불량이 발생한다. 그러나, 본 발명의 실시예에서와 같이, 양극 단자 중 단자 영역(133)의 두께가 캡 플레이트(151)의 두께보다 두꺼움으로써, 레이저 용접 시 단자 영역(133)에 형성되는 용용 영역의 깊이가 단자 영역(133)의 두께보다 작고, 따라서 용접 불량없이 버스바가 단자부(130)의 단자 영역(133)에 용접될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이차 전지를 이용한 배터리 모듈(100)의 일례를 도시한 사시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 다수의 이차 전지(100)가 일렬로 배치되고, 이와 같이 일렬로 배치된 이차 전지(100)에는 다수의 버스바(220)가 결합됨으로써, 하나의 배터리 모듈(1000)이 완성될 수 있다. 예를 들면, 어느 한 이차 전지(100)의 제1단자(음극 단자)(120)와, 이와 인접한 다른 이차 전지(100)의 제2단자(양극 단자)(130)가 버스바(220)로 용접됨으로써, 다수의 이차 전지(100)가 직렬로 연결된 배터리 모듈(1000)이 제공될 수 있다. 여기서, 버스바(220)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있으며, 이때 제1단자(120)의 제1단자 플레이트(124), 제2단자(130)의 단자 영역(133) 역시 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어짐으로써, 버스바(220)는 제1단자(120) 및 제2단자(130)에 용이하게 용접될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 양극 단자 및 멤브레인 일체형 캡 플레이트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있다. 즉, 양극 단자 및 멤브레인 일체형 캡 플레이트는 Al 순도 99.0% 또는 그 이상의 순 알루미늄인 1XXX 시리즈, Al-Cu계 합금인 2XXX 시리즈, Al-Mn계 합금인 3XXX 시리즈, Al-Si계 합금인 4XXX 시리즈, Al-Mg계 합금인 5XXX 시리즈, Al-Mg-Si계 합금인 6XXX 시리즈, Al-Zn-(Mg,Cu)계 합금인 7XXX 시리즈 중에서 하나로 형성될 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 양극 단자 및 멤브레인 일체형 캡 플레이트는 순 알루미늄으로서 내식성이 우수하고, 전기 및 열의 도전성이 뛰어나며, 용접 및 성형 가공이 쉬운 1XXX 시리즈, 또는 Mn을 주 첨가 성분으로 한 냉각 가공에 의해 각종 성질을 갖는 비열 처리 합금으로서, 순 알루미늄에 비해 강도가 높고, 용접성, 내식성 및 성형 가공성이 우수한 3XXX 시리즈로 형성될 수 있다.
특히, 상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 양극 단자 및 멤브레인 일체형 캡 플레이트는 지지 영역, 단자 영역 및/또는 멤브레인을 다양한 단조 공정을 통해 형성해야 하므로, 상술한 1XXX 시리즈 또는 3XXX 시리즈가 가장 적절하다.
본 발명의 실시예에 따른 양극 단자 및 멤브레인 일체형 캡 플레이트는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, Aluminium: 99.5% min, Copper: 0.05% max, Iron: 0.4% max, Magnesium: 0.05% max, Manganese: 0.05% max, Silicon: 0.25% max, Titanium: 0.03% max, Vanadium: 0.05% max, Zinc: 0.05% max로 이루어진 알루미늄 1050 시리즈로 형성될 수 있다. 물론, 이밖에도 알루미늄 1060 시리즈, 1100 시리즈 또는 1199 시리즈가 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 양극 단자 및 멤브레인 일체형 캡 플레이트는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, Aluminium: 96.8 to 99%, Copper: 0.05 to 0.20%, Iron: 0.70% max, Manganese: 1.0 to 1.5%, Silicon: 0.6% max, Zinc: 0.1% max, Residuals: 0.15% max로 이루어진 알루미늄 3003 시리즈로 형성될 수 있다. 물론, 이밖에도 알루미늄 3004 시리즈 또는 3102 시리즈가 가능하다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 양극 단자와 멤브레인 일체형 캡 플레이트를 갖는 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 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; 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지
110; 전극 조립체 120; 제1단자(음극 단자)
130; 제2단자(양극 단자) 134; 멤브레인
140; 케이스 150; 캡 조립체

Claims (8)

  1. 개구부를 갖는 케이스;
    상기 케이스의 개구부에 수용된 전극 조립체; 및
    상기 케이스의 개구부에 결합된 캡 플레이트를 포함하고,
    상기 캡 플레이트는 상기 캡 플레이트와 일체로 형성된 단자부와, 상기 단자부와 일체로 형성되고 상기 전극 조립체 및 상기 캡 플레이트에 전기적으로 연결된 멤브레인을 포함하되,
    상기 단자부는 상기 캡 플레이트로부터 상부 방향으로 연장된 지지 영역; 및 상기 지지 영역으로부터 수평 방향으로 연장된 단자 영역을 포함하고, 상기 멤브레인은 상기 단자 영역으로부터 하부 방향으로 오목하게 형성됨을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인의 두께는 상기 단자 영역의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 집전판을 통하여 상기 전극 조립체에 연결된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트와 상기 집전판 사이에는 하부 절연판이 개재된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단자부와 멤브레인에 의해 단자 캐비티가 정의되고,
    상기 집전판과 상기 하부 절연판에는 각각 이차 전지의 과충전 시 발생하는 가스가 상기 단자 캐비티로 전달됨으로써 상기 멤브레인이 반전되어 충전 전류 경로를 차단하도록 관통홀이 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 멤브레인의 하단에는 퓨즈가 형성되고, 상기 퓨즈가 상기 집전판에 연결된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 이차 전지의 외부 단락 시 단락 전류에 의해 상기 퓨즈가 용융되어 단락 전류 경로가 차단됨을 특징으로 하는 이차 전지.
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