KR200269123Y1 - 차단장치를 내장한 배터리 - Google Patents

Abstract

본 고안은 베어 셀(bare cell)의 과충전과 급격한 방전의 원인에 의하여 이상전류를 차단할 수 있는 배터리에 관한 것으로, 작동 온도가 특정 온도 이상으로 상승되어 베어 셀의 내부압력이 상승되면 폭발의 위험성을 갖고있는 베어 셀의 전원을 차단할 수 있도록한 차단장치를 내장한 배터리에 관한 것이다.

일반적으로 배터리(battery)는 내부에 들어 있는 화학물질(active material)의 화학 에너지(chemical energy)를 전기 화학적 산화-환원반응(electrochemical oxidation-reduction reaction0에 의해 전기에너지(electrical energy)로 변환하는 장치인 것으로 음극과 양극으로 구성되어지는 배터리에 있어서,

음극의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 기기를 경유하여 양극으로 이동하고 양극 물질과 환원반응을 일으킨다. 이때 ,PCM(Protection Circuit Module)과 같은 보호 회로가 사용되는데 전기적으로 움직이기 때문에 보호 회로가 파손될 경우 배터리가 과방전과 과충전 및 과전류가 흐르게 되는 문제점을 갖는다.

따라서, 본 고안은 양극에서의 산소 방출 및 누설에 의한 압력 상승을 감지하여 변위를 발생도록 함으로서 폭발의 위험성을 미연에 방지하여 충전식 배터리를 사용하는 기기를 보호할 수 있도록한 차단장치를 내장한 배터리에 관한 것이다.

Description

차단장치를 내장한 배터리 {Battery having abmormality current cut off device}

본 고안은 이상전류 차단장치를 갖는 배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베어 셀(bare cell)의 과충전, 급격한 방전 등의 원인에 의하여 작동 온도가 특정 작동온도 이상으로 상승을 하면 폭발 위험성을 갖는 가스가 발생하게 될 경우 배터리의 전원을 차단하여 배터리의 폭발 위험성을 해소할 수 있도록한 차단장치를 내장한 배터리에 관한 것이다.

일반적으로 "배터리(battery)"는 내부에 들어 있는 화학물질(active material)의 화학 에너지(chemical energy)를 전기 화학적 산화-환원반응(electrochemical oxidation-reduction reaction0에 의해 전기에너지(electrical energy)로 변환하는 장치로 정의될 수 있다.

이와 같이 정의된 전지는 보통 사용한 후 재충전이 불가능한 망간 배터리 등과 같은 1차 전지와 전압이 사용구간 이하로 떨어진 상태에서 재충전하여 사용이 가능한 리튬-이온(Li-ion) 전자로 나뉘어진다.

이 2차 전지의 원리를 간단하게 살펴보면 다음과 같다.

우선, 전지의 음극은 보통 전자를 내어주고 자신은 산화되는 물질이 사용되고 양극은 전자를 받아 자신은 환원되는 물질이 사용된다. 전지가 외부 기기, 예를 들면, 전등, 전자 기구)와 연결되어 작동할 때, 즉 전지의 방전 반응이 진행될 때 두 전극은 각각 전기 화학적으로 다른 상태로의 변화를 일으킨다.

보다 구체적으로, 음극의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 기기를 경유하여 양극으로 이동하고 양극 물질과 환원반응을 일으킨다.

이때 전기적 회로는 음극과 양극 방향으로의 네거티브 이온과 포지티브 이온의 물질 이동에 의해 전해질 내부에서 완성된다.

이때, 1차 전지는 이와 반대 반응이 일어날 수 없어 충전이 안돼는 전지이며 2차 전지는 충전이 진행되어 전지 본래의 화학적 상태로 돌아 갈 수 있는 전지이다.

이와 같은 2차 전지는 재사용이 가능하며 소형의 사이즈로 제작이 용이하며 무게 또한 경량으로서 매우 많은 장점을 갖는 반면, 과충전(overcharge)될 경우 양극에서 산소 가스가 발생하고 음극에서는 리튬 금속이 석출되며 전해액이 가스로 분해될 수 있으며, 이 같은 반응이 지속될 경우 폭발 또는 화재의 위험이 크다.

따라서, 2차 전지가 사용되는 대부분의 기기에서는 PCM(Protection Circuit Module)과 같은 보호 회로가 사용된다.

이 보호 회로는 전지의 충, 방전시 안전회로가 구동되도록 하여 과충전 보호, 과방전 보호, 과전류가 차단되도록 함으로써 전지의 폭발을 위험으로부터 보호하고 수명연장과 고성능화를 유지할 수 있도록 한다.

그러나, 이와 같은 보호 회로는 복잡하며 배터리의 가격을 크게 향상시키는 요인으로 작용하며, 보호 회로 역시 전기적으로 움직이기 때문에 보호 회로가 파손될 경우 배터리가 과방전, 과충전, 과전류가 흐르게 되는 문제점을 갖는다.

따라서, 본 고안은 이와 같은 종래 문제점을 감안한 것으로써, 본 고안의 목적은 배터리에 내장된 베어 셀의 물리적 상태, 예를 들면, 양극에서의 산소 방출 및 누설에 의한 압력 상승을 감지하여 배터리에 과방전과 과충전 및 과전류가 흐르는 것을 미연에 방지함에 있다.

도 1은 본 고안의 일실시예에 의한 배터리에 적용되는 이상전류 차단장치의 분해 사시도이다.

도 2는 본 고안의 일실시예에 의한 배터리에 적용되는 이상전류 차단장치의 작동체가 가압되지 않은 상태를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 고안의 일실시예에 의한 배터리에 적용되는 이상전류 차단장치의 작동체가 가압되어 브로큰된 상태를 도시한 단면도이다.

도 4는 본 고안의 일실시예에 따라 이상전류 차단장치가 적용된 배터리를 도시한 개념도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

200 : 이상전류 차단장치 205 : 작동몸체

207,208 : 돌출편 210 : 작동체

220 : 가압스위치 230 : 지지대

310 : 제 1 외부단자 320 : 제 2 외부단자

400 : 베어셀 500 : 배터리

이와 같은 본 고안의 목적을 구현하기 위한 배터리는 전지 작용이 발생되는 2 개의 전극이 형성된 베어 셀에서 발생한 압력에 의하여 가압되어 변위가 발생되는 작동체와 작동체의 변위가, 설정된 변위 이상일 때 파괴되는 가압스위치와 가압스위치 및 작동체를 지지하는 지지대를 포함하는 이상전류 차단장치를 형성하는 것을 포함한다.

이하, 본 고안의 일실시예에 의한 이상전류 차단장치를 갖는 배터리의 보다 구체적인 구성 및 구성에 따른 작용 및 효과를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1 내지 도 3에 걸쳐 전반적으로 나타내어지고 있는 이상전류 차단장치(200)는 "스위치"의 하나로 물질의 온도 변화에 따른 압력 변화 등에 의하여 변위를 발생시켜 전기 회로가 폐회로에서 개방회로가 되도록 한다.

이를 구현하기 위해서, 이상전류 차단장치(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 작동체(210)와 가압 스위치(220)와 지지대(230)로 이루어진다.

구체적으로 작동체(210)는 밑면이 개구되며 내부가 비어 있는 육면체 형상으로 외력에 의하여 변형이 발생되는 작동 몸체(205)의 상면으로부터 돌출 된 한 쌍의 돌출편(207,208)으로 구성된다.

이때, 돌출편(207,208)은 소정의 간격으로 이격되고 이격되는 부위는 함몰되어 요철의 형상을 이루며 한 쌍이 나란하게 형성된다.

이와 같은 구성을 갖는 작동체(210)는 외부에서 돌출편(207,208)으로 힘이 가해지면, 돌출편(207)과 돌출편(208)의 사이가 함몰되기에 적합한 구성을 갖는다.

이와 같은 구성을 갖는 작동체(210)의 내부에는 돌출편(207,208)의 하부를 지나가도록 가압스위치(220)가 위치한다.

상기 가압스위치(220)는 폭이 좁고 두께가 얇은 박막의 금속제로 절곡 구성되어 일체로 형성되며 다단으로 절곡 형성된 가압스위치(220)는 지지대(230) 중앙에 고정된다.

또한, 금속제의 가압스위치(220)는 전도성이 좋은 박막의 알루미늄으로 형성되는 것이 바람직하며 다른 일실시 예로서 도 4에서 도시된 바와 같이 가압스위치(220)와 폭이 동일하고 일정길이를 갖는 플레이트(224)와 그 양단으로 결합되고 외부와 접촉할 수 있는 금속제의 리드(226)(226a)를 절곡하여 형성될 수 있게 된다.

상기 비금속제 플레이트는 전도성이 좋고 인장력이 부족한 흑연으로 형성되는 것이 바람직할 것이다.

이상과 같이 구성되는 지지대(230)와 가압스위치(220) 및 작동체(210)는 자외선 경화 접착제(240)에 의하여 밀봉되어지는데, 그 내부의 기압이 1밀리바(mb)로 구성되어진다.

이와 같은 구성을 갖는 본 고안의 일실시예에 의한 이상전류 차단장치(200)는 매우 다양한 분야에서 사용이 가능하지만 본 고안에서는 일실시예로 휴대폰에 사용되는 전지의 이상 작동시 전원을 차단하는 곳에 적용된다.

먼저, 2차 배터리인 휴대용 배터리(500)를 예를 들면 휴대용 배터리(500)는 베어 셀(bare cell;400)과 이상전류 차단장치(200)과 양극 또는 음극 외부단자(310,320)를 구성한 케이스(350)로 형성된다.

베어 셀(400)은 일반적으로 직육면체 형상으로 금속캔으로 형성되고 그 내부의 기압이 약 4mb로 구성되어진다.

이때 베어 셀(400)의 내부에는 음극과 양극, 그리고 전해액 분리막과 전해액 등이 주입되어 양극 단자 및 음극 단자 사이에 도전체가 연결되었을 때 전자의 흐름이 발생될 수 있도록 한다.

이와 같이 베어 셀(400)의 양극 단자(410) 또는 음극 단자(420)에는 곧바로 양극 외부 단자(310), 음극 외부 단자(320)가 연결되지 않고 앞서 설명한 이상전류 차단장치(200)가 연결된다.

일실시예로 본 고안에서는 베어 셀(400)의 양극 단자(410)에 이상전류 차단장치(200)가 전기적으로 설치된다.

구체적으로, 이상전류 차단장치(200)의 가압스위치(220)는 베어 셀(400)의 양극 단자(410)에 전기적으로 연결되고, 이상전류 차단장치(200)는 외부의 양극단자(310)와 연결된다.

이때, 베어 셀(400)의 음극 단자(420)에는 외부 음극 단자(320)가 직접 연결된다.

이와 같이 구성된 베어 셀(400)과 이상전류 차단장치(200)와 외부 양극단자(310) 및 외부 음극단자(320)는 케이스(350)에 수납된 상태에서 밀봉되어 휴대용 배터리(500)가 제작된다.

상기 휴대용 배터리(500)는 재사용이 되기 위해서 충전 및 방전이 진행되어야 하는데, 이 과정에서 과충전과 급속한 방전의 원인으로 베어 셀의 화학작용에 의해 가스가 발생될 수 있고 이와 같은 원인에 의하여 발생한 가스가 폭발 또는 화재의 원인이 되었다.

그러나, 본 고안에 의한 이상전류 차단장치(200)에 의해서는 이와 같은 폭발과 화재의 원인을 미연에 방지할 수 있도록 한 것으로, 첨부된 도 3을 참조하면 베어 셀(400)의 내부에서 과충전 또는 급속한 방전이 진행되어 열이 발생되면 밀봉된 베어 셀(400)의 내부에서 압력 변화가 발생할 경우, 이상전류 차단장치(200)의 내부와 압력차이가 발생하게 된다.

이때, 베어 셀(400)의 내부압력이 4mb 이상으로 상승을 할 경우 이상전류 차단장치(200)의 돌출편(207,208)이 그 중앙을 중심으로 작동 몸체(205)쪽으로 서서히 함몰되고 이와 동시에 가압스위치(220)가 가압되기 시작하여 이상전류 차단장치(200)의 내부 임계값 1mb 이상 상승하면 가압스위치(220)에 브로큰을 발생시킨다.

이처럼 가압스위치(220)에 브로큰이 발생되면 더 이상 전류가 흐르지 못하고 개방회로가 됨으로서, 베어 셀(400)에서 발생된 전원이 외부로 출력되지 못하므로그 이상의 열을 발생하지 못하는 것이다.

이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면 배터리의 과충전 및 급속한 방전에 의하여 베어셀의 내부에서 발생한 임계값 이상의 압력과 온도 등의 변화에 따라 변위가 발생되는 이상전류 차단장치를 베어셀의 내부에 설치하여 외부 단자와 연결 함으로서, 열에의한 기기의 손상 및 폭발을 미연에 차단할 수 있도록하여 기기의 수명을 보장하고 인체의 피해를 방지하는 효과를 갖는다.

Claims (3)

1. 전지 작용이 발생되며 2 개의 전극이 형성되는 베어 셀에 있어서,

   1) 상기 베어 셀(400)에서 발생한 압력에 의해 변위가 발생되는 작동체(210)와;

   2) 상기 작동체(210)의 변위가 설정된 임계값 이상일 때 파괴되는 도전성 금속제와 비금속제중 어느 하나로 이루어지는 가압스위치(225)와;

   3) 상기 가압스위치(225)와 상기 작동체(210)를 지지하는 지지대(230)를 경화 접착제(240)로 밀봉되는 이상전류 차단장치(200)와;

   4) 상기 이상전류 차단장치(200)와 연결되는 제 1 외부 단자(310)와 상기 베어 셀(400)과 연결되는 제 2 외부단자(320)와; 상기 베어 셀(400)과 이상전류 차단장치가 밀봉되어 구성된 케이스(350)를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 차단장치가 내장된 배터리.
2. 제 1항에 있어서,

   금속제의 가압스위치(220)는 박막의 알류미늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 차단장치가 내장된 배터리.
3. 제 1항에 있어서,

   비금속제의 가압스위치(220)는 플레이트(224) 양끝단에 금속제의리드(226)

   (226a)로 형성되고 상기 플레이트(224)는 전도성이 양호하고 인장력이 부족한 흑연으로 형성하는 것을 특징으로 하는 차단장치가 내장된 배터리.