KR19990084561A - 각형 이차전지의 캡 어셈블리 - Google Patents

Abstract

목적 : 전지의 비정상적인 작용으로 과전류가 흐르게 될 경우, 그에 의한 발열을 이용하여 규정 이상의 전류 흐름을 제한하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리에 관한 것으로서, 특히 전류제한기로 인해 전지의 유효 체적이 감소되고, 용량이 축소되는 문제점을 해소하고자 한다.

구성 : 양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 권취되어서 수납된 캔(4)의 상단부에 용접되고 그 캔과 접촉된 음극과 전기적으로 연결된 음극 플레이트(62)를 구비하여서, 그 음극 플레이트의 상부에 절연체(64)를 개재하여 양극 플레이트(66)가 설치되게 하고, 상기 음극 플레이트와 양극 플레이트의 중심을 관통하여 결합되는 리벳(68)과 상기 캔의 내부에 수납된 양극에서 인출된 탭(72)과의 사이에 전류제한기(74)가 설치되게 한다.

효과 : 상기한 전류제한기는 리벳의 저부에 거의 평행하게 설치되어서, 전지의 유효 체적이 감소됨이 없이 고용량의 전지를 실현한다. 또한, 과전류가 흐르고 열이 발생되면, 리벳과 탭의 사이에서 전류 흐름을 급격히 저하시켜, 전지의 안전성을 확보한다.

Description

각형 이차전지의 캡 어셈블리

본 발명은 전지의 비정상적인 작용으로 과전류가 흐르게 될 경우 작동되어서, 규정 이상의 전류를 통제하고 폭발을 방지하여, 안전성을 확보할 수 있도록 한 각형 이차전지의 캡 어셈블리에 관한 것이다.

이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 대표적인 것으로 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li) 및 리튬이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다.

여기서, 리튬이온전지는 양극활물질로 리튬-천이금속산화물이 사용되고, 음극활물질로 리튬금속, 리튬합금, 탄소 혹은 탄소복합체가 사용되어서, 양극과 음극간에 리튬 이온이 이동되어 기전력을 발생시키므로서, 충·방전이 이루어지도록 한다.

도 3은 종래 공지된 리튬이온전지의 전체 구조를 나타내고 있다. 리튬이온전지는 양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 권취된 전극 롤(2)이 상기 음극과 접속된 캔(4)의 내부에 수납되고, 그 캔(4)의 상부에 캡 어셈블리(6)가 설치되어서 용접에 의해 밀봉되는 구조로 이루어진다. 전극 롤(2)의 상면과 하면에는 캡 어셈블리(6) 및 캔(4)과의 접촉을 방지하기 위해 각각 절연판(8)이 설치된다.

캡 어셈블리(6)는 캔(4)의 상부에 용접되는 음극 플레이트(10)와 그 중심에 배치되는 양극 플레이트(12)를 포함하고, 음극 플레이트(10)와 양극 플레이트(12)의 사이에 절연판(14)이 설치되며, 음극 플레이트(10)와 양극 플레이트(12)의 중심을 관통하여 결합되는 리벳(16)이 전극 롤(2)의 양극과 탭(18)으로 연결되어서 전기적으로 접속된 구조로 이루어진다. 리벳(18)은 별도의 가스켓(20)을 개재하여 음극 플레이트(10)와 절연된다.

이와 같이 구성된 리튬이온전지는 음극 플레이트(10)에 형성된 전해액 주입구(22)를 통해 비수용액계 전해액이 주입된 후, 그 전해액 주입구(22)에 플러그를 삽입하고 용접하므로서 밀봉된다.

또한, 리튬이온전지는 내압의 이상 상승에 따른 폭발을 방지하기 위해, 캡 어셈블리(6)의 음극 플레이트(10)에 기계적인 방법이나 에칭 및 전기주형법(electrofoaming)으로 일정한 홈을 형성한 안전변(24)을 설치한다.

그러나 종래 기술에서 언급된 리튬이온전지는 도전성 물체에 의해 외부에서 쇼트될 경우, 과전류가 흐르게 되고 그로 인하여 열폭주(thermal runway)현상이 발생되어서 폭발의 위험성이 있다.

이러한 위험성을 해소하기 위한 것으로서, 도 4에 도시된 리튬이온전지는 캔(26)의 바닥면에 전류제한기(28)를 설치하여 폭발에 대한 안정성을 확보하고 있다. 전류제한기(28)는 도 5에 표시된 바와 같이, 도전체(28a)의 사이에 열에 의해 전류의 흐름을 차단하는 반도체(28b)가 설치된 구조로 이루어지며, 전지가 발열되면 그 열에 의해 통전성이 급격히 저하되어서 전지의 폭발을 방지한다.

그러나 상기한 전류제한기는 캡 어셈블리가 캔의 상부에 크림핑(crimping)되는 원통형 이차전지일 경우, 압착에 의한 방법으로 전지의 내부에 용이하게 설치될 수 있지만, 캡 어셈블리와 캔이 레이저 용접되는 각형 이차전지의 경우에는 도 4에 표시된 바와 같이, 전지의 외부에 설치될 수밖에 없다.

이때, 각형 이차전지는 단전지 상태에서 보면 셀과 별도로 다른 부품이 추가되어야 하기 때문에, 결과적으로 전지의 총 높이에 대하여 전류제한기에 해당되는 높이 만큼 유효 높이가 줄어드는 문제점이 있다.

이에 따라, 종래의 각형 이차전지는 과전류에 대한 안전성을 확보하는 대신 용량이 감소될 수밖에 없다. 또한, 전류제한기가 전지의 외부로 노출되어서 구조적으로 불안정하게 되는 문제점이 있다.

이와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 목적에서 안출된 것으로서, 본 발명은 전지 내부의 불용(不用) 공간을 이용하여 전류제한기가 설치되게 하므로서, 과전류에 대한 안전성을 확보하고, 동시에 유효(有效) 체적의 확대와 그에 따른 고용량화를 실현할 수 있도록 한다.

이를 위하여, 본 발명은 전류제한기가 일체로 어셈블리된 각형 이차전지의 캡 어셈블리를 제공한다.

보다 구체적으로, 상기한 캡 어셈블리는 양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 권취되어서 수납된 캔의 상단부에 용접되고 그 캔과 접촉된 음극과 전기적으로 연결된 음극 플레이트를 구비하여서, 그 음극 플레이트의 상부에 절연체를 개재하여 양극 플레이트가 설치되게 하고, 상기 음극 플레이트와 양극 플레이트의 중심을 관통하여 결합되는 리벳과 상기 캔의 내부에 수납된 양극에서 인출된 탭과의 사이에 전류제한기가 설치되게 한 기술적 구성으로 이루어진다.

따라서, 본 발명의 캡 어셈블리는 음극 플레이트가 음극과 접속된 캔과 전기적으로 연결되고, 양극 플레이트가 캔의 내부에 수납된 양극, 그 양극에서 인출된 탭, 그 탭과 접속된 전류제한기 및 그 전류제한기와 접속된 리벳을 통하여 전기적으로 연결된 구성으로 이루어진다.

이상에서 설명된 구성에 의거하여, 상기한 전류제한기는 전지 외부에서의 쇼트에 의해 과전류가 흐르고 열이 발생되면, 리벳과 탭과의 사이에서 전류 흐름을 급격히 저하시켜, 전지의 안전성을 확보하도록 작용된다.

이 경우에, 상기 전류제한기는 캡 어셈블리와 전극 롤 사이의 불용 공간에 설치되므로서, 전지의 총 높이가 동일한 경우에, 실제적으로 양극과 음극이 설치되는 유효 공간의 감소 없이 고용량의 전지를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관련된 각형 이차전지의 전체 구성을 보인 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 캡 어셈블리의 전류제한기를 보인 사시도.

도 3은 종래 공지된 각형 이차전지를 보인 단면도.

도 4는 종래 공지된 각형 이차전지의 다른 예를 보인 정면도.

도 5는 도 4의 전류제한기를 보인 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

4-캔 62-음극 플레이트

64-절연체 66-양극 플레이트

68-리벳 72-탭

74-전류제한기

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

참고로 본 발명을 설명함에 있어, 종래 기술에서 인용된 도면과 동일한 본 발명의 구성에 대해서는 설명의 명료성을 위해 동일한 부호를 사용하기로 한다.

도 1에 자세히 도시한 바와 같이, 본 발명의 각형 이차전지는 양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 권취된 전극 롤(2)이 수납되고 상기 음극과 접속된 외장 케이스로서 캔(4)을 구비하며, 그 캔(4)의 상부에 캡 어셈블리(60)가 설치되어서 밀봉된 구조로 이루어진다.

전극 롤(2)은 캔(4) 및 캡 어셈블리(60)와의 접촉을 방지하기 위해, 상면과 하면에 각각 절연판(8)을 갖추어서 캔(4)의 내부에 설치된다.

여기서, 본 발명에 관련된 캡 어셈블리(60)는 캔(4)의 상부에 레이저를 이용하여 펄스 용접되는 음극 플레이트(62)와, 그 음극 플레이트(62)의 중앙에 절연체(64)를 개재하여 설치되는 양극 플레이트(66)와, 상기 음극 플레이트(62)와 양극 플레이트(66)의 중심을 관통하여 결합되는 리벳(68)을 포함하여 구성된다.

리벳(68)은 가스켓(70)을 개재하여 음극 플레이트(62)와 절연된다. 또한, 리벳(68)은 양극 플레이트(62)와 캔(4)의 내부에 수납된 양극과의 전기적인 연결을 위해, 상기 양극에서 인출된 탭(72)과 연결되는 바, 특히 전지의 외부 쇼트에 의한 과전류의 흐름을 방지하기 위하여, 리벳(68)과 탭(72)과의 사이에 전류제한기(74)가 설치되게 한 구성으로 이루어진다.

전류제한기(74)는 도 2에 보여진 바와 같이, 일측 단부가 리벳(68)의 저면에 부착되는 제 1 도전체(74a)와, 그 도전체(74a)의 타측 단부의 상면에 부착되는 반도체(74b)와, 그 반도체(74b)의 상면에 일측 단부가 부착되는 제 2 도전체(74c)로 구성되어서, 리벳(68)의 저부와 거의 평행한 상태로 설치된다.

전류제한기(74)는 전해액과의 접촉 및 쇼트를 방지하기 위해, 반도체(74b)와 그 반도체(74b)의 상·하면에 부착된 제 1, 2 도전체(74a, 74c)의 일부가 쇼트방지막(74d)에 의해 몰딩된다. 쇼트방지막(74d)은 폴리머 혹은 글라스 재질과 같이 염에 대하여 내부식성을 갖는 재질로 형성된다.

한편, 전류제한기(74)와 캔(4) 내부에 수납된 양극을 연결하는 탭(72)은 구조상 음극과 접촉될 우려가 높기 때문에, 그 표면에 절연 테이프가 피복된 구조로 이루어진다.

이상에서 설명된 구성에 의거하여, 본 발명의 캡 어셈블리(60)는 음극 플레이트(62)가 캔(4)의 상단부에 용접되어서, 그 캔(4)의 내부에 수납됨과 동시에 접속된 음극과 전기적으로 연결된다. 또한, 양극 플레이트(66)가 캔(4)의 내부에 수납된 양극에서 인출되는 탭(72)과, 그 탭(72)에 연결된 전류제한기(74) 및 그 전류제한기에 연결된 리벳(68)을 통하여 상기 양극과 전기적으로 연결된다.

이와 같은 전기적인 연결 경로에서, 본 발명에 의한 전류제한기(74)는 전지 외부의 쇼트에 의해 과전류가 흐르고 열이 발생될 경우, 리벳(68)과 탭(72)의 사이에서 전류의 통전성이 급격히 저하되게 하므로서, 전류의 흐름을 차단한다.

한편, 본 발명의 전류제한기(74)는 음극 플레이트(62)와 양극 플레이트(66)를 묶는 리벳(68)의 저부에 거의 평행하게 설치되어서, 전지 내부의 불용 공간을 이용하므로서, 전지 총 높이가 증가되는 것을 방지할 수 있다.

이와 같은 이유에서, 본 발명의 전류제한기(74)는 캡 어셈블리(60)와 일체로 형성되어서 전지의 내부에 설치되고, 동시에 양극과 세퍼레이터 및 음극이 권취된 전극 롤(2)이 수납되는 유효 체적을 감소시키지 않으면서, 그 전극 롤(2)과 캡 어셈블리(60) 사이의 불용 공간을 활용할 수 있다.

따라서, 본 발명은 전류제한기(74)에 의해 과전류에 대한 안전성을 확보하면서, 동시에 전지의 총 높이가 동일한 경우 실제적으로 양극과 음극이 설치되는 유효 공간을 충분히 확보하여, 고용량의 전지를 실현하게 된다.

이상에서 설명된 구성 및 작용을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 각형 이차전지의 캡 어셈블리는 종래 기술의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 본 발명은 각형 전지의 특성상 외부에 설치되었던 전류제한기를 캡 어셈블리와 함께 일체로 형성하여 전지 내부의 불용 공간에 설치한다.

따라서, 본 발명에 의하면 전지의 총 높이의 증가나, 양극과 음극이 설치되는 유효 체적의 감소 없이, 외부 쇼트에 의한 과전류의 흐름을 실제적으로 차단하므로서, 전지의 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 상기와 같은 이유로 전지의 고용량화를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명은 전류제한기의 외부 노출을 차단하므로서, 구조적으로 보다 안정되는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 발명에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (13)

1. 양극과 세퍼레이터 및 음극이 함께 권취되어 수납되는 캔의 상측 단부에 용접되고, 상기 음극과 접속된 캔에 전기적으로 연결된 음극 플레이트와; 그 음극 플레이트의 상부에 절연체를 개재하여 설치된 양극 플레이트와; 상기 음극 플레이트와 양극 플레이트를 관통하여 결합되고, 상기 음극 플레이트에 대하여 절연된 리벳과; 그 리벳과 상기 캔의 내부에 수납된 양극에서 인출된 탭과의 사이에 연결된 전류제한기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 음극 플레이트는 가스켓을 개재하여 리벳과 절연된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전류제한기는 일측 단부가 리벳의 저면에 부착되는 제 1 도전체와, 그 도전체의 타측 단부의 상면에 부착되는 반도체와, 그 반도체의 상면에 일측 단부가 부착되는 제 2 도전체로 구성된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 반도체와 그 반도체의 상·하면에 부착된 도전체의 일부는 쇼트방지막에 의해 몰딩된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 쇼트방지막은 폴리머 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 쇼트방지막은 글라스 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 탭은 절연 테이프로 피복된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
8. 음극 플레이트가 캔의 상단부에 용접되어, 그 캔의 내부에 수납되고 동시에 접속된 음극과 전기적으로 연결되며; 상기 음극 플레이트와 절연된 양극 플레이트가 캔의 내부에 수납된 양극에서 인출된 탭과, 그 탭과 연결된 전류제한기 및 그 전류제한기에 연결된 리벳을 통하여, 상기 양극과 전기적으로 연결되어서; 외부 쇼트에 의해 전지에 과전류가 흐르고 열이 발생될 경우, 상기 전류제한기에 의해 리벳과 탭의 사이에서 전류 흐름이 차단되게 한 구성을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 전류제한기는 일측 단부가 리벳의 저면에 부착되는 제 1 도전체와, 그 도전체의 타측 단부의 상면에 부착되는 반도체와, 그 반도체의 상면에 일측 단부가 부착되는 제 2 도전체로 구성된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 반도체와 그 반도체의 상·하면에 부착된 도전체의 일부는 쇼트방지막에 의해 몰딩된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 쇼트방지막은 폴리머 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 쇼트방지막은 글라스 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.
13. 제 8 항에 있어서, 상기 탭은 절연 테이프로 피복된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지의 캡 어셈블리.