KR20030033594A - 각형 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 각형 이차전지는, 양극판과, 음극판 및, 세퍼레이터를 감아서 형성된 극판 조립체와; 극판 조립체를 그 내부에 수용하는 각형 케이스와; 각형 케이스를 밀폐하는 금속재의 캡 플레이트와; 캡 플레이트에 형성된 구멍에 삽입되는 절연재의 가스켓과; 가스켓에 형성된 중공에 삽입되는 전극 단자와; 극판 조립체의 양극판과 음극판 중 하나와 전기적 연결이 된 전극 탭; 및 그 일단부는 케이스 내로 삽입된 전극 단자의 하부면과 접촉하고, 타단부는 전극 탭과 결합하는 바이메탈;을 구비한다.

Description

각형 이차전지{Rectangular type secondary battery}

본 발명은 각형 이차전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전지의 이상동작으로 전지 내부의 온도가 규정 온도 이상으로 상승될 경우에 작동되어서, 전류의 흐름을 차단함으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있는 안전장치가 구비된 각형 이차전지에 관한 것이다.

통상적으로 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 대표적으로는 니켈-수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬-이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다. 이차전지는 극판 조립체를 수용하고 있는 케이스의 외관에 따라서 원통형 전지와 각형 전지로 구분할 수 있다. 각형 전지는 직육면체의 케이스 내에 극판 조립체가 수용된 것이다.

이차전지는 전지의 이상 작동을 하게 되면, 온도가 상승하게 되고, 일정 온도 이상에서는 전지의 안전성에 심각한 영향을 미치므로, 기존의 전지 시스템에서는 전지의 이상동작을 미리 방지해 주는 보호회로를 장착하여 사용시의 위험 요인을 제거하였다. 그러나, 리튬 이차전지 관련기술이 발달하면서 전지 가격에 큰 영향을 미치는 보호회로를 대체할 수 있는 방법이 고안되고 있다.

그 일예로서 도 1에 안전변이 구비된 각형 이차전지가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 각형 이차전지는, 직육면체의 공간을 가지는 케이스(15)와, 케이스(15)의 내부에 수용된 극판 조립체(16)와, 극판 조립체(16)의 일측에 형성되어 극판 조립체를 이루는 양극판과 음극판 중 하나와 전기적 연결이 된 전극 탭(17)을 구비한다.

상기 케이스(15)와 조립되는 캡 조립체는 케이스(15)의 상단을 밀폐하는 캡 플레이트(11)와, 상기 캡 플레이트(11)에 형성된 구멍(11a)에 삽입되는 가스켓(12)과, 상기 가스켓(12)에 형성된 중공에 삽입되고 상기 전극 탭(17)과 전기적으로 연결되는 전극 단자(13)와, 상기 전극 탭(17)과 캡 플레이트(11)를 전기적으로 절연시키는 절연체(14)를 구비하여 구성된다.

한편, 상기 캡 플레이트(11)의 타측에는 안전변(18)이 설치되어 있다. 상기 안전변(18)은 박막으로 이루어져, 전지의 비정상 작동으로 인하여 전지내에 가스가 발생하여 내압이 상승하는 경우 파단되어 개방됨으로써, 전지의 폭발을 방지하게 된다.

이외에 전지의 안전장치와 관련된 기술로서, 일본특개평11-329405호에 개시된 "비수 전해액 2차전지"가 있다.

개시된 비수 전해액 2차전지는 내부의 단자판과 전기적 및 기계적으로 접합된 다이어프램을 구비함으로써, 전지의 내압이 상승하게 되면 다이어프램의 변형이 이루어져 단자판과의 접합부가 파단되면서, 전류를 차단시키게 된다.

다른 관련기술로서, 일본특개평10-275545호에 개시된 "밀폐형 2차전지에 설치하고 사용한 온도퓨즈"가 있다.

개시된 온도퓨즈는, 2개의 가동 접촉편들을 구비하고, 상기 가동 접촉편들 사이에 열팽창성 절연물을 개재하며, 가동 접촉편들의 각 일단부들을 상호 접합함으로써 형성한 접점 부재를 절연판에 형성된 설치공 내에 삽입시키고, 가동 접촉편들의 상호 접합되지 않은 각 타단부들이 절연판의 양면에 설치된 전극들과 각각 접촉될 수 있도록 설치된 구조를 가진다. 따라서, 전지 내의 온도가 상승하게 되면, 열팽창성 절연물이 팽창하게 되고, 이에 따라 상호 접착된 가동 접촉편들에서의 접합부가 파단되면서 전류의 흐름을 차단하게 된다.

그런데, 상기와 같이 전지의 내압 상승에 의하여 박막의 안전변이 파열되거나, 단자판과 접합된 다이어프램이 변형되어 단자판으로부터 파단 분리되거나, 전지의 온도 상승에 의해 열팽창성 절연물이 팽창하여 가동 접촉편이 파단 분리됨으로써, 전류를 차단하는 안전장치들은 1회의 동작 후, 전지의 이상요인이 제거된 후에도 전지를 재사용할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 전지의 안전성 시험, 예를 들어 전지의 낙하시험에서, 충격에 의하여 박막 또는 다이어프램이 파열되거나, 온도퓨즈의 접합부가 손상되는 것과 같은 문제점이 발생될 수도 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명에 따른 각형 이차전지는 전극 탭과 전극 단자사이에 바이메탈을 설치함으로써, 전지의 이상동작시 상기 바이메탈이 작동하여 전류의 흐름을 차단할 수 있는 각형 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 각형 이차전지를 개략적으로 도시한 분해 사시도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 각형 이차전지를 개략적으로 도시한 분해 사시도.

도 3은 도 2의 결합된 상태를 도시한 일부 단면도.

도 4는 도 3에 있어서, 바이메탈이 작동한 상태를 도시한 일부 단면도.

〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉

21..캡 플레이트22..가스켓

23..전극 단자24..케이스

25..극판 조립체27,28,29..절연체

30..바이메탈31..리벳

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 각형 이차전지는, 양극판과, 음극판 및, 세퍼레이터를 감아서 형성된 극판 조립체와; 상기 극판 조립체를 그 내부에 수용하는 각형 케이스와; 상기 각형 케이스를 밀폐하는 금속재의 캡 플레이트와; 상기 캡 플레이트에 형성된 구멍에 삽입되는 절연재의 가스켓과; 상기 가스켓에 형성된 중공에 삽입되는 전극 단자와; 상기 극판 조립체의 양극판과 음극판 중 하나와 전기적 연결이 된 전극 탭; 및 그 일단부는 케이스 내로 삽입된 상기 전극 단자의 하부면과 접촉하고, 타단부는 상기 전극 탭과 결합하는 바이메탈;을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

상기 바이메탈은 두 종류의 금속들이 상하로 적층되어 이루어지며, 상층에 위치된 금속의 열팽창률이 하층에 위치된 금속의 열팽창률보다 큰 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 각형 이차전지를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 2의 결합된 상태를 도시한 일부 단면도이다. 그리고, 도 4는 도 3에 있어서, 바이메탈이 작동한 상태를 도시한 일부 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 각형 이차전지에 있어서, 케이스(24)는 각형으로 대략 직육면체의 형상을 가진다. 상기 케이스(24)의 내부 공간에는 극판 조립체(25)가 수용되어 있다.

상기 극판 조립체(25)는 전극 활물질이 도포된 양극판과 음극판을 세퍼레이터로 상호 격리시키고, 상기 양극판, 음극판 및, 세퍼레이터를 젤리 롤(jelly roll)의 형태로 감아서 형성한 것이다. 상기 극판 조립체(25)의 일측에는 양극판과 음극판 중 하나와 전기적 연결이 된 전극 탭(26)이 형성되어 있다.

상기 케이스(24)는 캡 조립체와 조립되는데, 캡 조립체는 케이스(24)를 밀폐시키기 위해서 케이스(24)의 상단부와 결합하는 캡 플레이트(21)를 구비한다. 상기 캡 플레이트(21)는 금속재로 이루어져 있으며, 그 중앙부에는 관통공이 형성되어 있다. 상기 관통공에는 절연재로 이루어진 가스켓(22)이 삽입되어 고정된다. 또한, 상기 가스켓(22)의 중앙부에도 중공이 형성되어 있는데, 상기 중공을 통하여 전극단자(23)가 삽입된다. 따라서, 전극 단자(23)는 케이스(24) 내로 삽입이 이루어진다.

상기 캡 플레이트(21)의 일측에는 전해액 주입구(21a)가 형성되어 있는데, 전해액 주입구(21a)는 캡 플레이트(21)가 케이스(24)와 조립된 이후에 전해액을 주입하기 위한 것이다. 전해액의 주입이 끝난 후에는 전해액 주입구(21a)는 도시되지 아니한 플러그에 의해 밀봉된다.

상기 케이스(24) 내로 삽입된 전극 단자(23)와 상기 극판 조립체(25)의 일측에 형성된 전극 탭(26) 사이에는 바이메탈(30)이 설치된다.

즉, 상기 바이메탈(30)에 있어서, 일단부는 자유단으로서 전극 단자(23)의 하부면과 접촉하고, 타단부는 고정단으로서 극판 조립체(25)로부터 돌출된 전극 탭(26)의 상단부와 결합하여 고정된다.

상기 바이메탈(30)과 전극 탭(26)이 결합되는 부위는 각각 관통공이 형성되고, 특히, 상기 전극 탭(26)의 결합되는 부위는 절곡된 절곡부를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 관통공들을 통하여 리벳(31)으로 바이메탈(30)과 전극 탭(26)을 결합시키는 것이 바람직하다. 상기와 같이 리벳(31)을 이용하는 경우, 결합된 후 결합상태를 안정적으로 유지할 수 있어 내구성 측면에서 우수하며, 결합 방식도 간단하다는 장점이 있다.

그러나, 이에 한정되지 않고 바이메탈(30)과 전극 탭(26) 사이의 결합 방식은 바이메탈(30)의 작동시 전극 탭(26)에 바이메탈(30)을 안정적으로 지지하여 고정할 수 있는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능할 것이다.

한편, 상기 캡 플레이트(21)와 극판 조립체(25) 사이에는 전기적으로 절연시키기 위하여 판상 부재의 절연재로 이루어진 복수개의 절연체들이 구비될 수 있다.

상기 극판 조립체(25)의 상부에 설치되는 제1절연체(27)는 바이메탈(30)과 극판 조립체(25) 사이의 절연을 시키게 된다.

상기 바이메탈(30)의 상부면과 접촉되게 설치되는 제2절연체(28)는 바이메탈(30)과 전극 탭(26)이 리벳(31)에 의하여 결합될 때 같이 결합됨으로써, 바이메탈(30)을 지지하는 역할을 한다.

상기 캡 플레이트(21)의 하부에 위치되는 제3절연체(29)는 캡 플레이트(21)와 리벳(31)의 캡 플레이트(21) 측으로 향하는 일단부 사이를 절연하기 위하여 이들 사이에 개재되는 것으로서, 하부면에는 상기 리벳(31)의 일단부가 삽입될 수 있도록 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제3절연체(29)의 중앙부에는 단차지게 홈이 형성되어 가스켓(22)의 일부가 삽입될 수 있도록 하여 상기 가스켓(22)을 고정시킬 수도 있다. 상기 절연체들(27,28,29)은 이에 한정되지 않고, 여러 가지 변형이 가능하며 일부 절연체는 필요에 따라 생략도 가능하다.

한편, 상기 바이메탈(30)은 두 종류의 금속이 상하로 적층됨으로써, 상층 금속(30a) 및 하층 금속(30b)으로 이루어진 이층구조를 가진다. 상층 금속(30a)의 열팽창률은 하층 금속(30b)의 열팽창률보다 크다. 상기 바이메탈(30)의 종류 및 형태는 상술한 것에 한정되지 않으며, 100℃ 근방에서 작동할 수 있는 것이 바람직하다.

상기의 구성을 가진 바이메탈(30)에 있어서, 전지의 이상동작으로 전지 내의온도가 상승하게 되면, 상층 금속(30a)의 열팽창률이 하층 금속(30b)의 열팽창률보다 크므로 상층 금속(30a)의 변형량이 하층 금속(30b)의 변형량보다 크게 된다. 그 결과 도 4에 도시된 바와 같이, 바이메탈(30)은 하측으로 굽어지게 된다.

즉, 전극 단자(23)의 하부면과 접촉하고 있는 바이메탈(30)의 자유단이 하측으로 굽어지게 되어 전극 단자(23)의 하부면으로부터 분리가 이루어지게 된다. 상기 바이메탈(30)의 고정단은 전극 탭(26)과 전기적 및 기계적으로 연결이 되어 있으므로, 전극 단자(23)와 전극 탭(26) 사이의 전기적 연결이 끊어지게 되어 전류의 흐름이 차단된다.

한편, 전지의 이상요인이 제거되고 나면, 바이메탈(30)은 원래의 상태로 복귀됨으로써, 전극 단자(23)와 전극 탭(26)을 전기적으로 연결시키게 된다. 상기와 같이 바이메탈(30)은 전지의 안전장치로서, 전지의 이상동작시 안전성을 확보하는 동시에, 전지의 이상요인이 제거된 후에도 전지를 다시 사용할 수 있게 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 각형 이차전지는 전지의 이상동작시 전류를 차단함으로써, 전지의 이상동작을 미연에 방지할 수 있다. 또한 안전장치로서 바이메탈을 사용함으로써, 바이메탈은 반복사용이 가능하므로, 전지 또한 재사용할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 바이메탈을 이용한 안전장치는 각형 이차전지뿐만 아니라, 원통형 이차전지에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 양극판과, 음극판 및, 세퍼레이터를 감아서 형성된 극판 조립체와;

   상기 극판 조립체를 그 내부에 수용하는 각형 케이스와;

   상기 각형 케이스를 밀폐하는 금속재의 캡 플레이트와;

   상기 캡 플레이트에 형성된 구멍에 삽입되는 절연재의 가스켓과;

   상기 가스켓에 형성된 중공에 삽입되는 전극 단자와;

   상기 극판 조립체의 양극판과 음극판 중 하나와 전기적 연결이 된 전극 탭; 및

   그 일단부는 케이스 내로 삽입된 상기 전극 단자의 하부면과 접촉하고, 타단부는 상기 전극 탭과 결합하는 바이메탈;을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 바이메탈은 두 종류의 금속들이 상하로 적층되어 이루어지며, 상층에 위치된 금속의 열팽창률이 하층에 위치된 금속의 열팽창률보다 큰 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 전극 탭과 바이메탈은 리벳에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.