KR20000014670A - 이차전지의 전류 차단장치 - Google Patents

Abstract

목적 : 전류의 흐름을 차단하여 전지의 이상 작동이나 과충전으로 인한 내부의 열폭주 및 압력 상승을 막고 발열 및 폭발을 방지하는 이차전지의 전류 차단장치에 관한 것으로, 특히 정확한 작동 온도의 설정과 그것에 의한 전지의 안정성 확보를 달성하고자 한다.

구성 : 전극부(2)와 액체 전해질이 수납된 캔(4)의 상측 개구 안쪽에 절연 가스켓(14)을 설치하고, 그 절연 가스켓의 안쪽 상부에 내압 상승에 의해 변형되는 안전밸브(60)와 캡 커버(16)를 적층하여 밀봉되도록 한 것이며, 상기 전극부와 안전밸브의 사이에 중앙과 그 주변에 통공(84)을 갖는 절연 디스크(80)를 설치하고, 그 절연 디스크의 상, 하부에 각각 위치된 박판 집전부(87)를 전극부의 정극에서 인출된 탭(10)과 전기적으로 연결하되, 절연 디스크를 가로지르며 몰딩(88) 된 서멀 퓨즈(86)를 이용하여 전기적으로 연결되게 한 구성으로 이루어진다.

효과 : 상기한 서멀 퓨즈의 용단에 의해 전류의 흐름을 차단하는 것으로, 그 단면적 및 두께를 이용하여 용이하고 정확한 작동 온도를 설정하고, 종래 전류차단기 보다도 진동이나 약한 충격에 의한 오 동작을 방지하므로 발열 및 폭발에 대한 전지의 안정성을 확보할 수 있다.

Description

이차전지의 전류 차단장치

본 발명은 전지의 과충전이나 내, 외부의 단락으로 인해 내부 온도가 규정 이상으로 상승될 경우 작동되어서 전류의 흐름을 차단하므로, 발열 및 폭발을 방지하고 전지의 안전성을 확보할 수 있도록 한 이차전지의 전류 차단장치에 관한 것이다.

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

이차전지에서 리튬이온전지는 정극 활물질로 리튬-천이금속산화물을 사용하고, 부극 활물질로는 탄소 혹은 탄소복합체를 사용하고 있으며, 여기에 유기 용매에 리튬염을 녹인 액체 전해질을 주입하여, 상기한 정극과 부극간에 리튬 이온이 이동되어 기전력을 발생시킴으로써 충·방전이 이루어지도록 한다.

이러한 리튬이온전지는 전지의 이상 작동이나 과충전시 양극에서 액체 전해질의 분해가 일어나고 음극에서 리튬 금속이 석출되어 쇼트될 수 있으며 또한 외부 쇼트로 인하여, 내부 압력 및 온도가 규정 이상으로 상승될 수 있으며 폭발하는 위험성을 수반하게 된다.

이러한 점을 고려한 것으로 종래에는 전지 내부의 압력 및 온도의 상승시 전류의 흐름을 차단할 수 있도록 한 안전수단이 개발되어 있는데, 그 중의 한 예가 대한민국 공개특허 제 94-6300호에 개시되어 있다.

여기에 개시된 밀폐형 전지는 도 3에 보여진 바와 같이, 정극과 세퍼레이터 및 부극이 함께 권취된 전극부(2)와 액체 전해질이 함께 수납된 캔(4)을 포함하고, 그 캔(4)의 상측 개구에 전지 내압의 상승에 의해 변형되는 금속 판재로 된 안전밸브(6)를 설치한 것이며, 그 안전밸브(6)는 중앙부에 전극부(2)쪽으로 돌출된 철부(6a)를 갖추고, 안전밸브(6)와 전극부(2)의 사이에 상기 철부(6a)가 삽입되도록 중앙 관통공(8a)과 가스 관통공(8b)을 가진 디스크(8)를 고정하며, 이 디스크(8)의 하부에 전극부(2)의 정극 리드판(10)과 전기적으로 접속된 금속 박판(12)을 설치하되 상기 중앙 관통공(8a)을 막도록 장착하고, 안전밸브(6)의 철부(6a)가 중앙 관통공(8a)을 통하여 금속 박판(12)에 용접되도록 한 구성으로 되어 있다.

여기서 안전밸브(6)는 가스켓(14)을 개재하여 캔(4)의 상측 개구와 절연되고, 그 상부에는 캡 커버(16)가 적층 및 밀봉된 구조로 이루어진다.

또 미합중국 특허 5,567,539호에 개시된 이차전지는 전지의 내부 압력 상승시 전극의 반대 방향으로 변형하는 안전밸브와 배기구를 갖는 터미널 캡을 포함하고, 상기 폭발 방지용 밸브와 터미널 캡의 사이에 난-리버스(non-reverse) 스위치를 설치하여서 전지의 온도 및 내부 압력 상승시 전기적인 연결이 차단되도록 하고 있다.

그러나 지금까지의 전류 차단장치는 안전밸브(6)와 금속 박판(12) 혹은 난-리버스 스위치의 용접 강도에 의해 작동 압력이 결정되는 바, 이것은 전지 내압과의 상관 관계에서 작동 압력을 정확하게 맞추어 주어야 하는 기술적으로 어려운 문제점이 있다. 또 진동이나 외부의 약한 충격과 같은 정상 사용조건에서도 안전밸브(6)의 변형으로 인해 전류 차단장치가 작동하게 되는 문제점이 있다.

특히 작동 압력과 용접 강도의 밸런스가 맞지 않을 경우에는 오 작동으로 인하여 전지가 폭발되는 위험성까지 수반하게 된다.

앞서 설명된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 전류 차단기능의 정확한 작동으로 발열 및 폭발로부터 전지의 안전성을 확보할 수 있도록 하고, 아울러 정상 사용조건에서의 오 동작을 방지할 수 있도록 한 이차전지의 전류 차단장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

이에 따라 본 발명은 전극부와 액체 전해질이 수납된 캔의 상측 개구 안쪽에 절연 가스켓을 설치하고, 그 절연 가스켓의 안쪽 상부에 내압 상승에 의해 변형되는 안전밸브와 캡 커버를 적층하여 밀봉되도록 한 것이며, 상기 전극부와 안전밸브의 사이에 주변 통공을 갖는 절연 디스크를 설치하고, 그 절연 디스크의 상, 하부에 각각 위치된 박판 집전부를 전극부에서 인출된 탭과 전기적으로 연결하되, 절연 디스크를 가로지르며 몰딩(88) 된 서멀 퓨즈(thermal fuse)를 이용하여 전기적으로 연결되게 한 구성으로 이루어진다.

여기서 상기한 안전밸브와 캡 커버의 사이에는 전류 제한기를 설치할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 이차전지를 보인 일부 단면도.

도 2는 본 발명의 요부인 전류 차단장치를 분해 도시한 사시도.

도 3은 종래 공지된 이차전지를 보인 일부 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2-전극부 4-캔

10-탭 14-절연 가스켓

16-캡 커버 20-캡 어셈블리

22-전류 제한기 60-안전밸브

80-절연 디스크 80a-플랜지부

84-통공 86-서멀 퓨즈

87-집전부 88-몰딩

이하, 본 발명을 실현하기 위한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다. 여기서 종래 기술에서 인용된 도면과 동일한 구성에 대하여는 설명의 명료성을 위해 동일한 부호를 사용하기로 한다.

도 1에서와 같이 본 발명에 관련된 이차전지는 정극, 부극 및 세퍼레이터가 권취된 전극부(2)와 함께 액체 전해질이 수납되는 캔(4)과, 그 캔(4)의 개구에 가스켓(14)을 개재하여 전기적으로 절연된 상태로 설치 및 밀봉되는 캡 어셈블리(20)로 구성되고 있다.

캡 어셈블리(20)는 캔(4)의 상측 개구 안쪽에 꼭맞게 끼워지는 절연 가스켓(14)을 개재하여, 그 절연 가스켓(14)의 안쪽 상부에 내압 상승에 의해 변형되는 안전밸브(60)을 설치하고, 그 상부에 과전류가 흐르고 열이 발생되면 전류의 통전성을 급격히 저하시키는 전류 제한기(22)와 캡 커버(16)를 적층한 구조로 되어 있다.

이렇게 구성되는 캡 어셈블리(20)는 전극부(2)의 한쪽인 정극에서 인출된 탭(10)과 전기적으로 연결되는 바, 이것은 안전밸브(60)와 전극부(2)의 사이에 주변 통공(84)을 갖춘 절연 디스크(80)을 설치하고, 그 절연 디스크(80)의 상, 하부에 박판 집전부(87)를 설치하며, 전극부(2)의 정극에서 인출된 탭(10)을 하부의 박판 집전부(87)에 용접하고, 절연 디스크(80)의 상, 하부에 각각 위치된 박판 집전부(87)의 사이에 절연 디스크(80)를 가로지르며 몰딩(88) 된 서멀 퓨즈(86)를 전기적으로 연결한 구성으로 이루어진다.

서멀 퓨즈(86)는 하부의 박판 집전부(87)를 제거한 상태에서 전극부(2)의 정극에서 인출된 탭(10)과 직접 연결될 수 있으며, 안전밸브(60)와 박판 집전부(87) 또는 탭(10)과 견고하게 용접되므로 내부의 이상 발열시 그 중간 부분이 용단되므로 전류를 차단하게 된다. 서멀 퓨즈(86)는 섬유상 또는 판상으로 제작될 수 있으며, 그 단면적 및 두께에 따라 전지의 폭발 위험 수위인 100±5도를 전, 후하여 용단되도록 하고, 안전밸브(60)의 진동이나 약한 충격 및 변형으로 인하여 끊어짐을 방지하기 위해 소정의 여유를 갖도록 길게 형성한다.

절연 디스크(80) 및 몰딩(88)은 서멀 퓨즈(86)를 통하여 연결된 안전밸브(60)와 박판 집전부(87) 또는 탭(10)을 절연시키기 위해, 비도전성 수지를 사용하여 형성되는 것이며, 수지로는 열경화성 수지, 에폭시 수지, 디아릴프탈레이트 수지, 폴리에스테르 수지, 규소 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지 등이 사용될 수 있다. 절연 디스크(80)는 도 2에서와 같이 안전밸브(60)와 절연 가스켓(14)의 사이로 삽입되는 플랜지부(80a)을 갖추어 캡 어셈블리(20)의 조립시 함께 설치 및 고정된다.

한편, 절연 가스켓(14)을 이용하여 상기 캡 어셈블리(20)와 절연된 캔(4)은 전극부(2)의 다른 한쪽인 부극과 전기적으로 접속되어 있다.

이렇게 구성된 본 발명의 전류 차단장치는 전지의 과충전 및 내, 외부 쇼트와 같은 이상 동작시 안전밸브(60)의 작동에 앞서 이루어진다. 구체적으로 전지는 일반적인 충, 방전시 그 반응열에 의하여 내부 온도가 50도 내외로 유지된다. 그러나 과충전이나 그로 인한 내, 외부의 쇼트시 열폭주 현상에 의하여 내부의 온도가 100±5도까지 상승하게 되며, 그 이상에서 폭발하게 된다. 이에 따라 본 발명의 목적물인 전류 차단장치 즉, 서멀 퓨즈(86)는 전지의 내부 온도가 100±5도가 되면 그 열에 의하여 용단되므로 전류의 흐름을 차단하는 것이며, 그 작용으로 열폭주 현상 및 폭발을 예방할 수 있다.

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

즉, 본 발명은 안전밸브와 박판 집전부 또는 탭을 견고하게 용접하고 그 사이에 서멀 퓨즈를 연결하여, 그 서멀 퓨즈의 단면적 및 두께와 내부의 발열 온도에 의거하여 용단되도록 함으로써, 전류 차단장치의 정확한 작동을 달성할 수 있는 것이며, 오 동작을 방지할 수 있다.

또 본 발명에 의하면 안전밸브와 박판 집전부 또는 탭을 서멀 퓨즈로 연결하므로, 전지의 정상 사용 상태에서의 진동이나 약한 충격으로 인한 안전밸브의 변형시에도 오 작동을 방지할 수 있다.

따라서 본 발명에 의한 이차전지는 제품의 신뢰성이 향상되고, 궁극적으로 발열 및 폭발에 대한 안정성을 확보할 수 있는 것이다.

Claims (6)

1. 전극부와 액체 전해질이 수납된 캔의 상측 개구 안쪽에 설치되는 절연 가스켓과, 그 절연 가스켓의 안쪽 상부에 삽입되고 전지의 내압 상승에 의해 변형되는 안전밸브와, 그 안전밸브의 상부에 적층 및 밀봉되는 캡 커버와, 상기 전극부와 안전밸브의 사이에 설치되고 중앙과 그 주변에 통공을 갖는 절연 디스크와, 그 절연 디스크의 몰딩을 가로질러 그 상, 하부에 각각 위치된 안전밸브와 전극부의 한쪽 전극에서 인출된 탭을 전기적으로 연결하는 퓨즈를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 이차전지의 전류 차단장치.
2. 제 1 항에 있어서, 안전밸브와 캡 커버의 사이에 전류 제한기가 설치된 것임을 특징으로 하는 이차전지의 전류 차단장치.
3. 제 1 항에 있어서, 절연 디스크의 상, 하부에는 박판 집전부가 설치된 것임을 특징으로 하는 이차전지의 전류 차단장치.
4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 절연 디스크 및 몰딩은 수지로 된 것임을 특징으로 하는 이차전지의 전류 차단장치.
5. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 서멀 퓨즈는 전지의 내부 온도가 100±5도 이상에서 용단되는 것임을 특징으로 하는 이차전지의 전류 차단장치.
6. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 전극부의 한쪽 전극은 정극인 것을 특징으로 하는 이차전지의 전류 차단장치.