KR200320469Y1 - 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지 - Google Patents

Abstract

본 고안의 목적은, 전지 내부압력 상승시 일차적으로 전류의 흐름을 차단시키고 추가적인 압력 상승시 이차적으로 가스를 외부에 배출시켜 전지의 폭발을 방지할 수 있도록 된 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지를 제공함에 있다. 또한 본 고안은 구조를 단순화시켜 부품 제작이 용이하고 조립공정을 단축시킬 수 있도록 된 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지를 제공함에 또다른 목적이 있다.

이에 본 고안은 캡어셈블리 내부에 가스 방출용 안전밸브와 전류차단수단을 구비하여 전류차단과 가스 방출이 순차적으로 이루어질 수 있도록 함에 그 특징이 있는 것으로, 캔의 상부에 설치되는 개스킷 내부에 상부캡과 캔 내부압력을 저하시키기 위한 안전밸브가 밀착 설치되고, 이 개스킷 하부에는 상기 안전밸브와 연동작동되는 전류차단수단이 설치된 구조의 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지를 제공한다.

Description

전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지{LITHIUM ION BATTERY WITH CURRENT INTERRUPT DEVICE}

본 고안은 이차전지에 관한 것으로, 특히 전지 내부 압력 상승시 전류의 흐름을 차단시키고 가스를 외부로 배출시킬 수 있도록 된 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지에 관한 것이다.

최근에 들어, 고성능 노트북 컴퓨터와 무선 전화기의 보급이 확대됨에 따라 높은 에너지 밀도를 갖는 고성능 이차전지의 수요가 폭발적으로 증대되고 있으며, 이러한 이차전지로 탄소질 음극과, 리튬 금속 산화물 양극 그리고 폴리올레핀 분리막으로 구성된 리튬이온 전지가 전세계적으로 널리 생산, 이용되고 있는 실정이다.

그러나 상기 리튬이온 전지는 전지의 작동 전위가 높기 때문에 고에너지가 순간적으로 흐를 수 있고, 음극표면에서 리튬금속의 덴드라이트(dendrite)상이 형성되어 전지의 안전성이 떨어지는 결점을 가지고 있다.

또한 상기 전지에 사용되는 양극 물질들은 과충전시 화학적인 활성이 크게 증대되기 때문에, 전해질과 급격히 반응하여 다량의 가스를 발생함으로서 전지 내압을 급격히 상승시켜, 심한 경우 전지가 폭발될 가능성도 제시되어 있다.

따라서 전지의 안전성에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 각 전지 제조사들은 전지의 내압상승시 가스를 적절히 배출시킬 수 있도록 된 고유의 안전밸브를 전지에 설치하게 되었다.

이러한 안전밸브는 극판군이 삽입되어 있는 캔으로 음극단자를 이루기 때문에 통상 상기 캔의 상측 개구부에 결합되는 양극단자인 캡어셈블리에 설치되게 된다.

따라서 캡어셈블리는 전지의 내부 압력이 규정치 이하를 유지할 때, 전지의내부가 밀폐되도록 하는 밀봉 작용만을 하게 되지만, 전지의 내부 압력이 규정치 이상으로 올라가게 되면, 안전밸브에 의해 가스가 캔 외부로 배출되도록 함으로써, 전지의 내압이 규정치 이하로 떨어지도록 조절하게 된다.

그러나 상기와 같이 안전밸브가 구비된 종래의 캡 어셈블리는 그 기능에 비하여 구조가 복잡하고 또한 전지에 있어서 차지하는 부피가 커서 전지의 최적설계에 부담이 되는 문제점이 있다.

이에 본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전지 내부압력 상승시 일차적으로 전류의 흐름을 차단시키고 추가적인 압력 상승시 이차적으로 가스를 외부에 배출시켜 전지의 폭발을 방지할 수 있도록 된 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지를 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 고안은 구조를 단순화시켜 부품 제작이 용이하고 조립공정을 단축시킬 수 있도록 된 캡 어셈블리를 제공함에 또다른 목적이 있다.

도 1은 본 고안에 따른 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지를 도시한 단면도,

도 2는 본 고안의 캡 어셈블리에 장착되는 안전밸브만을 도시한 사시도,

도 3은 본 고안의 캡 어셈블리에 장착되는 금속 차단판을 도시한 사시도,

도 4는 본 고안의 작용 상태도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 상부캡 12 : 구멍

20 : 상부개스킷 30 : 정온도계수판

40 : 금속판 42,44 : 노치

46 : 홈 50 : 금속 차단판

52 : 구멍 54 : 돌출부

60 : 하부 개스킷

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 고안은, 캡어셈블리 내부에 가스 방출용 안전밸브와 전류차단수단을 구비하여 전류차단과 가스 방출이 순차적으로 이루어져 안전성을 증대시키고 전류차단 후 재통전의 가능성을 배제할 수 있도록 함에 그 특징이 있다.

이하 본 고안의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안에 따른 캡 어셈블리가 설치된 이차전지를 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이 상기 전지는 캔(70) 내부에 극판군(도시되지 않음)을 삽입하고 이에 전해액을 주입하며, 상기 캔(70)의 개구부로는 이 캔(70)의 내부가 밀폐되도록 캡 어셈블리를 장착하여 구성되고 있다.

여기서 본 고안인 상기 캡 어셈블리는, 캔(70)의 상부 비딩부위에 안착되는 기밀유지용 개스킷(20) 내부에 상부캡(10)과 캔(70) 내부압력을 저하시키기 위한 안전밸브가 밀착 설치되고, 이 개스킷(20) 하부에는 상기 안전밸브와 연동작동되는 전류차단수단이 설치된 구조로 되어 있다.

여기서 상기 상부캡(10)은 중앙부가 상방으로 돌출형성되고, 돌출부위 주변을 따라 캔(70) 내부의 가스가 배출되는 구멍(12)이 다수개 형성된 구조로 되어 있다.

상기 안전밸브는 도 2에 도시된 바와 같이, 전류가 통하는 박막의 금속판(40)으로서, 금속판(40)의 중앙부를 함몰시켜 홈(46)을 형성시키고, 이 홈(46)의 상,하절곡부위에는 각각 깊이를 달리하는 노치(42,44)를 형성시키되, 상기 노치(42,44) 중 상부에 형성되는 노치(42)는 폐곡선을 이루도록 하고, 하부에 형성되는 노치(44)는 일측이 개방된 개곡선으로 이루어진 구조로 되어 있다.

상기 상부캡(10)과 압력제어수단인 금속판(40)은 캔(70) 상단에 밀폐 설치되는 상부개스킷(20) 내부에 서로 밀착되어 설치된다. 여기서 도면 부호 (30)은 이상전극반응으로 인한 과전류 발생시 이를 방지하기 위해 상부캡(10)과 금속판(40) 사이에 설치되는 정온도계수판이다.

상기와 같은 구조로 되어, 캔(70) 내부압력이 일정압 이상 상승하게 되면 상기 금속판(40)의 노치(44)부분이 압력을 견디지 못하고 파단되면서 캔(70) 내부 가스가 상부캡(10)의 구멍을 통해 빠져나가게 된다.

바람직하기로는 상기 금속판(40)을 외경 16mm에 대해 두께 0.3mm 정도로 형성시키고, 금속판(40)에 형성되는 홈(46)은 상부지름과 하부지름이 각각 10mm와 4mm 정도의 크기를 이루도록 하며, 상기 홈(46)의 상부와 하부에 형성되는 노치(42,44)는 각각 0.10mm와 0.05mm 정도가 되도록 한다.

또한 금속판(40)의 재질은 알루미늄 계열의 재질로 이루어지도록 한다.

이에 따라 캔(70) 내부압력 상승에 따라 일차적으로 금속판(40)의 홈(46)이 상승하고, 이차적으로 하부절곡부위에 형성된 노치(44)가 파단된다. 이때 각 해당압력은 6-8kgf/㎠과 13-15kgf/㎠이다.

한편, 상기 전류차단수단은 전류가 통하는 박막의 금속 차단판(50)으로 상부개스킷(20)에 설치된 금속판(40)의 하부에 위치하는 하부개스킷(60)에 설치된다.

바람직하게는, 상기 금속 차단판(50)의 재질 또한 금속판(40)과 동일한 재질로 이루어지도록 하고, 상기 하부개스킷(60)은 금속 차단판(50)과 상기 금속판(40)이 통전되는 것을 막을 수 있도록 폴리프로필렌계열의 재질로 이루어지도록 한다.

도 3은 상기 전류차단수단인 금속 차단판의 일례를 잘 예시하고 있다.

상기 도면에 의하면, 금속 차단판(50)은 측면에 가스가 배출되는 구멍(52)이 다수개 형성되고, 중앙부는 위쪽으로 돌출시켜 돌출부(54)를 이루도록 하여 이 돌출부(54)가 금속 차단판(50)으로부터 용이하게 분리가능하도록 하며, 상기 돌출부(54)는 상기 안전밸브의 홈(46) 밑면과 용접부착된 구조로 되어 있다.

본 고안의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 차단판(50)은 외경 11mm에 대해 두께가 0.4-0.5mm인 알루미늄재질로 하고, 상기 구멍은 직경 2mm로 가운데를 중심으로 6개를 형성시키는 한편, 중앙부에 형성되는 돌출부(54)는 직경이 2.4mm, 돌출높이가 0.38mm정도가 되도록 프레스가공하여 돌출부(54)와 금속 차단판(50)의 경계면 두께가 0.02mm 정도가 되도록 한다.

따라서 상기 압연과정에서 돌출부(54)와 금속 차단판(50)의 경계면에 크랙이 발생되어, 돌출부(54)가 외부 압력에 의해 쉽게 분리될 수 있게 된다.

여기서 상기 안전밸브의 홈(46) 밑면과 금속 차단판(50)의 돌출부(54)와의 부착은, 레이저용접, 초음파용접, 저항용접 등의 방법을 사용한다.

이와같은 각 부품의 제조공정은 먼저 전류차단장치의 금속 차단판(50)을 하부개스킷(60) 내부에 삽입하고, 이 금속 차단판(50)의 중앙에 돌출된 돌출부(54)와 안전밸브의 홈(46)을 용접부착시키며, 이 안전밸브를 상부개스킷(20)에 삽입하고, 다음공정으로 정온도계수판(30)과 상부캡(10)을 적층시켜 조립한 후, 캔(70)의 상단에 상기 상부개스킷(20)을 프레스가공하여 설치한다.

이하 본 고안의 작용에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.

전지의 과충전 등으로 발생된 가스에 의해 전지내부 압력이 상승하게 되면, 상기 가스는 전류차단장치인 금속 차단판(50)에 형성된 구멍(52)을 통해 빠져나가 안전밸브인 금속판(40)에 압력을 가하게 된다.

상기 가스의 압력이 기준치 이상이 되면, 상기 금속판(40)을 가압하는 가스의 압력에 의해 금속판(40)에 형성되어 있는 홈(46)이 상방향으로 들어올려지게 된다.

이때 상기 홈(46) 밑면에 용접부착되어 있는 금속 차단판(50)의 돌출부(54)가 금속 차단판(50)에서 분리되면서 홈(46)과 함께 들어올려지게 되어 금속 차단판(50)과 단절되게 된다.

이와같이 금속판(40)의 홈(46)이 위로 들어올려질 수 있는 것은 금속판(40)에 형성된 노치(42,44) 때문으로, 가스 압력에 의해 상기 홈(46)의 상,하부절곡부위에 형성되어 있는 노치(42,44)부분이 유연하게 휘어지면서 하향 절곡되어 있던 홈(46)을 위로 들어올리게 되는 것이다.

따라서 최초 금속 차단판(50)과 금속판(40), 상부캡(10)으로 연결되어 통전되던 전류가 금속판(40)에 부착된 돌출부(54)가 금속 차단판(50)으로부터 이탈되어 떨어지면서 전류가 차단되게 되는 것이다.

일차적으로 전류를 차단시킨 후에도 추가 가스발생이 있는 경우에는 증가된 가스압력에 의해 상기 안전밸브인 금속판(40)이 지속적으로 힘을 받게 되고, 상기 가스압이 일정압력 이상이 되면, 금속판(40)의 노치(44)가 파단되면서 전지 내부의 가스를 외부로 배출시키게 된다.

즉, 도4에 도시된 바와 같이 상기 금속판(40)에 형성되어 있는 노치(42,44) 중 하부절곡부위에 형성된 노치(44)가 전지 내부의 가스압력을 견디지 못하고 파단되면서 금속판(40)의 홈(46)이 금속판(40)으로부터 절개되어 들어올려지게 되고,그 파단 틈새를 통해 새어나온 가스는 상부캡(10)에 형성된 구멍을 통해 외부로 배출되게 되어 전지 내부압력을 낮춰주게 되는 것이다.

여기서 상기 노치(44)는 개곡선으로 되어 일부분에는 노치(44)가 형성되어 있는 않으므로, 노치(44)가 형성되어 있지 않은 부분은 파단되지 않고 노치(44)가 형성된 부분만 파단되게 되어, 상기 홈(46)은 금속판(40)으로부터 완전히 떨어지지 않고 붙어 있는 상태가 된다.

따라서 금속판(40)으로부터 이탈된 파편에 의한 재통전의 가능성을 배제시킬 수 있게 된다.

본 고안에 의한 전류차단장치가 구비된 리튬이온 전지에 의하면, 전류차단과 가스 배출이 순차적으로 이루어지도록 하여 전지폭발 등의 위험을 확실하게 방지할 수 있고, 따라서 전지의 안전성을 크게 높일 수 있다.

또한 사용되는 부품을 단순화시키고 조립공정을 최소화하여 부품가격을 낮추고 생산성을 높일 수 있게 된다.

Claims (12)

1. 캔 상부에 설치되는 기밀유지용 개스킷과, 이 개스킷에 적층되는 상부캡과, 정온도계수판을 포함하는 캡 어셈블리가 설치된 리튬이온 전지에 있어서,

   상기 리튬이온 전지는 상기 캡 어셈블리 내부에 설정된 내부압력 변화에 따라 순차적으로 물리적 변형을 일으켜 전지 내부의 전류차단과 가스배출이 순차적으로 이루어지는 안전장치를 갖추고 있고,

   상기 안전장치는 캔 내부의 고압 가스에 의해 일차로 일측이 위쪽으로 상승변형되고, 이차로 일측이 파단되어 가스를 외부로 배출시키기 위한 안전밸브와, 상기 안전밸브 상승시 일부가 이탈되면서 안전밸브와의 접촉이 차단되는 전류차단수단을 포함하며,

   상기 안전밸브는 도전체로 그 중앙부에 홈이 형성되고, 이 홈의 상절곡부위 및 하절곡부위에는 노치가 형성되어 있으며, 이러한 노치 중 상절곡부위에 형성되는 노치는 폐곡선을 이루도록 하고, 하절곡부위에 형성되는 노치는 일측이 개방된 개곡선을 이루도록 한 것이고,

   상기 전류차단수단은 상기 안전밸브 하부에 위치하는 하부개스킷에 설치되어 그 전류차단수단의 가장자리가 상기 안전밸브와 이격되게 배치되어 있는 것인 리튬이온 전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 안전밸브의 일차변형과 이차변형시의 각 해당압력은6-8kgf/㎠과 13-15kgf/㎠인 리튬이온 전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 하절곡부위에 형성되는 노치는 깊이를 상대적으로 깊게 형성시킨 리튬이온 전지.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 안전밸브가 박막의 금속판으로 알루미늄계열의 재질로 된 리튬이온 전지.
5. 제4항에 있어서, 상기 금속판이 외경 16mm에 대해 두께 0.3mm로 형성되고, 금속판에 형성되는 홈은 상부지름과 하부지름이 각각 10mm와 4mm인 리튬이온 전지.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 홈의 상부와 하부에 형성되는 노치는 그 깊이가 각각 0.10mm와 0.05mm인 리튬이온 전지.
7. 제1항에 있어서, 상기 전류차단수단은 상기 안전밸브 하부에 위치하는 하부개스킷에 설치되는 도전체로, 표면에 가스가 배출되는 구멍이 다수개 형성되고, 중앙부는 위쪽으로 돌출시켜 용이하게 탈락하도록 된 돌출부를 형성시키는 한편, 상기 돌출부는 상기 안전밸브의 홈 밑면과 부착연결된 리튬이온 전지.
8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 전류차단수단이 박막의 금속 차단판으로알루미늄계열의 재질로 된 리튬이온 전지.
9. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 하부개스킷이 폴리프로필렌계열의 재질로 된 리튬이온 전지.
10. 제8항에 있어서, 상기 금속 차단판은 외경 11mm에 대해 두께가 0.4-0.5mm인 알루미늄재질로 하고, 상기 구멍은 직경 2mm로 가운데를 중심으로 6개를 형성시키는 한편, 중앙부에 형성되는 돌출부는 직경이 2.4mm, 돌출높이가 0.38mm인 리튬이온 전지.
11. 제10항에 있어서, 상기 돌출부는 프레스가공하여 돌출부와 금속 차단판의 경계면 두께가 0.02mm로 제작된 리튬이온 전지.
12. 제7항에 있어서, 상기 안전밸브의 홈 밑면과 금속 차단판의 돌출부가 레이저용접, 초음파용접, 저항용접 등으로 용접부착된 리튬이온 전지.