KR20050094664A - 캡 조립체와 이를 구비한 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내압 상승으로 인한 전지의 폭발을 방지하는 안전 장치를 고출력 성능을 목적으로 개선한 캡 조립체와 이를 구비한 이차 전지에 관한 것으로서,
상기 캡 조립체는, 전극 조립체가 내장된 케이스와 결합하는 캡 커버와; 캡 커버 내측에 위치하며 전극 조립체의 전극탭이 고정되고, 전극탭이 고정된 부위로부터 이격된 곳에 가변부가 형성되는 탭 플레이트와; 캡 커버와 탭 플레이트 사이에 위치하며 가변부를 향해 돌출되어 가변부에 고정되는 밴트를 갖는 밴트 플레이트를 포함하며, 가변부는 평면에서 보았을 때 밴트와 가변부의 고정점이 가변부의 중심점으로부터 편심된 형상으로 이루어진다.

Description

캡 조립체와 이를 구비한 이차 전지 {CAP ASSEMBLY AND SECONDARY BATTERY USING THE SAME}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내압 상승으로 인한 전지의 폭발을 방지하는 안전 장치를 고출력 성능을 목적으로 개선한 캡 조립체와 이를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리 충전과 방전이 가능한 전지로서, 대표적으로 니켈수소(Ni-MH) 전지와 리튬(Li) 전지 및 리튬이온(Li-ion) 전지 등이 있다. 특히 리튬 이차 전지는 작동 전압과 단위 중량당 에너지 밀도가 높아 휴대용 전자기기 분야에 더욱 적합하며, 최근 들어서는 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV)의 모터 구동원으로 적용이 활발하게 연구되고 있다.
상기 이차 전지는 충전조건 이상으로 과충전되거나 전극 조립체의 양극판과 음극판이 쇼트되는 경우 전지 내부에 가스가 발생하고, 이 가스에 의해 내부 압력이 높아져 폭발 및 발화의 위험을 안고 있다.
따라서 이차 전지는 과충전과 쇼트에 따른 문제점을 해결하기 위하여 내부에 안전 장치를 구비하고 있는데, 상기 안전 장치로는 셧-다운 세퍼레이터, 온도 상승시 전류를 차단하는 피티씨(PTC; positive temperature coefficient) 소자 및 압력 상승시 가스를 배출하여 압력을 낮추는 안전 벤트(safty vent) 등이 잘 알려져 있다.
도 6은 종래 기술에 의한 이차 전지의 부분 단면도이고, 도 7은 도 6에 도시한 밴트 플레이트의 평면도이다.
도면을 참고하면, 이차 전지는 격리판(1)을 사이로 양극판(3)과 음극판(5)이 권취된 전극 조립체(7)와, 전해액과 함께 전극 조립체(7)를 수용하는 케이스(9)와, 가스켓(11)을 매개로 케이스(9)의 개구부 상단에 위치하여 케이스(9)를 밀봉하는 캡 조립체(13)와, 안전 장치로서 캡 조립체(13) 내부에 위치하는 밴트 플레이트(15)를 포함한다.
상기 캡 조립체(13)는 그 위에서부터 아래로 캡 커버(17)와 밴트 플레이트(15)와 고리 모양의 절연체(19) 및 탭 플레이트(21)가 순서대로 위치한다. 탭 플레이트(21)는 양극탭(23)과 용접으로 고정되며, 가스 통과를 위한 다수의 홀들(21a)을 형성한다.
상기 밴트 플레이트(15)는 중앙에 오목한 형상의 밴트(15a)를 형성하여 이 밴트(15a) 중심에서 탭 플레이트(21)와 용접으로 고정된다. 그리고 밴트(15)의 둘레를 따라서는 기계적 방법 혹은 에칭법에 의해 일정한 깊이를 지니는 노치(15b)가 형성되는데, 이 노치(15b)에 의해 밴트(15a)가 밴트 플레이트(15)의 다른 부위에 비해 상대적으로 취약해져 변형을 일으킬 수 있다. 이 때, 밴트(15a)는 그 중심점이 탭 플레이트(21)와의 용접점(A)과 일치하는 원형 혹은 타원형 구조로 이루어진다.
이로서 전지 내부에 가스가 발생하여 내압이 높아지면, 도 8에 도시한 바와 같이 압력에 의해 밴트(15a)가 위로 상승하면서 탭 플레이트(21)와 분리되어 양극탭(23)에서 캡 커버(17)를 향한 전류 흐름이 차단되며, 내압이 심한 경우에는 노치(15b) 부분을 기준으로 밴트(15a)가 파열되면서 가스를 배출하게 된다.
이와 같이 종래의 이차 전지는 밴트(15a)가 용접점(A)을 기준으로 탭 플레이트(21)로부터 분리되면서 전류를 차단하는 구조로서, 밴트(15a)의 용이한 작동을 위해 밴트(15a)와 탭 플레이트(21)의 용접 강도를 그다지 크게 설정하지 않는 것이 일반적이다. 즉, 종래에는 탭 플레이트(21)와 밴트 플레이트(15) 사이에 전류 통로만이 형성될 수 있도록 최소한의 용접 강도로 두 부재를 고정시키고 있다.
이에 따라 종래의 이차 전지에 있어서는 밴트(15a)와 탭 플레이트(21) 사이의 충분하지 못한 용접 상태로 인해 이 부분에 대한 접촉 저항을 높이고 있다. 이러한 구조는 전극 조립체(7)의 전류를 캡 조립체(13)로 충분하게 유도하지 못하는 결과를 초래하여 해당 전지의 특성을 극대화하지 못할 수 있으며, 이는 특히 HEV의 모터 구동용과 같은 고출력 전지에 적합하지 않은 구조라 할 수 있다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전극 조립체에서 캡 조립체로 향하는 전류 흐름 상에서 발생할 수 있는 저항 인자들을 최소화하면서 밴트의 원활한 작용을 유도할 수 있는 캡 조립체 및 이를 구비한 이차 전지를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
전극 조립체가 내장된 케이스와 결합하는 캡 커버와, 캡 커버 내측에 위치하며 전극 조립체의 전극탭이 고정되고, 전극탭이 고정된 부위로부터 이격된 곳에 가변부가 형성되는 탭 플레이트와, 캡 커버와 탭 플레이트 사이에 위치하며 가변부를 향해 돌출되어 가변부에 고정되는 밴트를 갖는 밴트 플레이트를 포함하며, 가변부는 평면에서 보았을 때 밴트와 가변부의 고정점이 가변부의 중심점으로부터 편심된 형상으로 이루어지는 이차 전지의 캡 조립체를 제공한다.
상기 탭 플레이트는 가변부의 둘레를 따라 일정한 깊이를 지닌 노치를 형성하며, 가변부 외측에 적어도 1의 통기공을 형성한다.
상기 고정점을 관통하여 이 고정점과 가까운 측의 가변부 가장자리 부위와 고정점과 먼 측의 가변부 가장자리 부위를 양분하는 선을 가정할 때, 가변부는 고정점과 먼 측의 가장자리 부위 길이가 고정점과 가까운 측의 가장자리 부위 길이보다 큰 비대칭 형상으로 이루어진다. 이러한 가변부는 사다리꼴과 삼각형 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
격리판을 사이에 두고 위치하는 양,음극판을 포함하는 전극 조립체와; 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와; 케이스와 결합하는 캡 커버와, 캡 커버 내측에 위치하며 상기 양극판과 연결된 양극탭이 고정되고 양극탭이 고정된 부위로부터 이격된 곳에 가변부가 형성되는 탭 플레이트와, 캡 커버와 탭 플레이트 사이에 위치하며 가변부를 향해 돌출되어 가변부에 고정되는 밴트를 갖는 밴트 플레이트를 포함하는 캡 조립체를 포함하며, 가변부는 평면에서 보았을 때 밴트와 가변부의 고정점이 가변부의 중심점으로부터 편심된 형상으로 이루어지는 이차 전지를 제공한다.
상기 탭 플레이트는 가변부의 둘레를 따라 일정한 깊이를 지닌 노치를 형성하며, 가변부 외측에 적어도 1의 통기공을 형성한다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 부분 단면도이다.
도면을 참고하면, 이차 전지는 양극판(2)과 음극판(4)이 격리판(6)을 사이에 두고 위치하는 전극 조립체(8)와, 전해액과 함게 전극 조립체(8)를 수용하는 케이스(10)와, 가스켓(12)을 매개로 케이스(10)의 개구부 상단에 위치하여 케이스(10)를 밀봉하는 캡 조립체(14)와, 캡 조립체(14) 내부에 구비되며 내압 상승시 파단되어 전류 흐름을 차단하는 탭 플레이트(16)와 밴트 플레이트(18)를 포함한다.
상기 케이스(10)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속 재료로 형성되고, 그 형상은 전극 조립체(8)가 위치하는 내부 공간부를 가진 원통형 또는 육면체 또는 그 이외의 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 전극 조립체(8)는 양극판(2)과 음극판(4)이 격리판(6)을 사이에 두고 적층된 구성 또는 양극판(2)과 격리판(6) 및 음극판(4)이 적층된 상태에서 이들이 감겨 형성된 젤리롤(jelly-roll) 타입으로 이루어질 수 있다. 도면에서는 일례로 원통형 케이스(10)에 젤리롤 타입의 전극 조립체(8)가 위치하는 경우를 도시하였다.
상기와 같이 구성된 전극 조립체(8)에서, 음극판(4)에 활물질이 도포되지 않은 무지부(4a)가 케이스(10)와 접촉하여 케이스(10)가 음극 단자로 기능할 수 있고, 양극탭(20)이 양극판(2)과 캡 조립체(14) 사이에 설치되어 이들을 전기적으로 연결함으로써 캡 조립체(14)가 양극 단자로 기능할 수 있다.
본 실시예에서 캡 조립체(14)는 그 위에서부터 아래로 캡 커버(22), 밴트 플레이트(18), 절연체(24) 및 탭 플레이트(16)가 순서대로 위치한다. 탭 플레이트(16)는 그 상부면에서 밴트 플레이트(18)의 밴트(18a)와 용접을 통해 고정되고, 하부면에서 양극탭(20)과 고정된다. 탭 플레이트(16)는 또한 가스 통과를 위한 다수의 통기공(16b)을 구비한다.
여기서, 본 실시예에 의한 이차 전지는 양극탭(20)에서 탭 플레이트(16)와 밴트 플레이트(18)를 거쳐 캡 커버(22)로 향하는 전류 흐름 상에서 발생할 수 있는 저항 인자들을 최소화하도록 탭 플레이트(16)의 구조를 개선하여 전지의 출력 성능을 높인 구성을 제공한다.
도 2는 도 1에 도시한 탭 플레이트의 저면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 탭 플레이트(16)는 그 중앙에 가변부(16a)를 형성하고, 가변부(16a)가 밴트 플레이트(18)의 밴트(18a)와 용접을 통해 고정되는 구조를 이룬다. 가변부(16a)는 탭 플레이트(16)의 다른 부위에 비해 상대적으로 취약해져 쉽게 변형을 일으킬 수 있는 부분으로서, 이를 위해 가변부(16a)의 둘레를 따라 기계적 방법 혹은 에칭법으로 일정한 깊이를 지닌 노치(16c)를 형성한다. 상기 탭 플레이트(16)는 가변부(16a) 외측에 다수의 통기공(16b)을 형성하며, 가변부(16a) 외측에서 양극탭(20)과 용접을 통해 고정된다.
특히 본 실시예에서 탭 플레이트(16)는 밴트 플레이트(18)와 용접을 통해 고정될 때 용접 강도를 높여 밴트 플레이트(18)에 단단하게 고정된다. 이로써 탭 플레이트(16)는 밴트 플레이트(18)와의 고정점, 즉 용접점(A)에서의 접촉 저항을 낮추어 고전류 흐름을 용이하게 한다.
따라서 본 실시예의 이차 전지는 내압 상승시 탭 플레이트(16)와 밴트 플레이트(18)의 용접점(A)이 분리되지 않고, 전지 내부에서 발생한 가스가 밴트(18a)를 밀어올리는 힘에 의해 탭 플레이트(16)의 가변부(16a) 전체가 탭 플레이트(16)로부터 파단되어 전류를 차단시키는 구성으로 이루어진다.
이를 위하여 상기 가변부(16a)는 밴트(18a)와의 용접점(A)이 가변부(16a)의 형상 중심점과 일치하지 않고 편심된 형상으로 이루어져 내압 상승시 용접점(A)과 먼 부분의 가변부(16a) 가장자리 부위로부터 먼저 파단이 일어나도록 하고 있다.
이와 동시에 상기 용접점(A)을 관통하는 가상의 선을 가정하여 이 선이 용접점(A)과 가까운 측의 가변부(16a) 가장자리 부위와 먼 측의 가변부(16a) 가장자리 부위를 양분할 때, 가변부(16a)는 용접점(A)과 먼 측의 가장자리 부위 길이가 용접점(A)과 가까운 측의 가장자리 부위 길이보다 큰 비대칭 형상으로 이루어진다. 이로서 가변부(16a)는 탭 플레이트(16)와 접촉하는 가장자리 측단면의 면적을 확대시킴으로써 탭 플레이트(16)와 가변부(16a) 사이의 저항을 낮추도록 하고 있다.
도 2를 참고하면, 상기 가변부(16a)는 사다리꼴 모양으로서 밴트와의 용접점(A)이 가변부(16a)의 중심점과 일치하지 않고 편심되어 있으며, 용접점(A)을 관통하는 가상의 선(B선)이 용접점(A)과 가까운 측의 가변부(16a) 가장자리 부위(도면을 기준으로 B선 우측에 위치하는 가변부 가장자리 부위)와 용접점(A)과 먼 측의 가장자리 부위(도면을 기준으로 B선 좌측에 위치하는 가변부 가장자리 부위)를 양분할 때, 가변부(16a)는 용접점(A)과 먼 측의 가장자리 길이가 용접점(A)과 가까운 측의 가장자리 길이보다 큰 비대칭 형상으로 이루어진다.
도 3은 가변부의 다른 실시예를 설명하기 위해 도시한 탭 플레이트의 저면도이다.
도면을 참고하면, 탭 플레이트(16')의 가변부(16d)는 대략적인 삼각형 모양으로서 용접점(A)이 가변부(16d)의 중심점과 일치하지 않고 편심되어 있으며, 용접점(A)을 관통하는 가상의 선(B선)이 용접점(A)과 가까운 측의 가변부(16d) 가장자리 부위(도면을 기준으로 B선의 우측에 위치하는 가변부 가장자리 부위)와 용접점(A)과 먼 측의 가장자리 부위(도면을 기준으로 B선의 좌측에 위치하는 가변부 가장자리 부위)를 양분할 때, 가변부(16d)는 용접점(A)과 먼 측의 가장자리 길이가 용접점(A)과 가까운 측의 가장자리 길이보다 큰 비대칭 형상으로 이루어진다.
상기에서는 가변부(16a, 16d)가 사다리꼴 또는 삼각형인 경우를 설명하였으나, 가변부의 형상은 이에 한정되지 않고 전술한 형상 조건을 만족하는 형상이면 모두 무방하다.
도 4와 도 5는 내압 상승시 밴트 플레이트와 탭 플레이트의 작동 과정을 보여주는 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 4를 참고하면, 이차 전지가 충전조건 이상으로 과충전되거나 전극 조립체의 양극판과 음극판이 쇼트되어 전지 내부에 가스가 발생하고 내부 압력이 높아질 때, 상기 가스가 탭 플레이트(16)의 통기공(16b)을 통해 밴트 플레이트(18)의 밴트(18a)를 위로 밀어 올리게 된다.
이 때, 본 실시예의 이차 전지는 가변부(16a)와 밴트(18a)가 용접에 의해 공고하게 고정되어 있으므로 용접점(A)에서 분리가 일어나지 않고, 밴트(18a)가 위로 상승하는 변형이 일어남과 동시에 용접점(A)과 먼 측의 가변부(16a) 가장자리 부위가 탭 플레이트(16)로부터 분리되면서 파단이 일어나고, 이 파단에 의해 가변부(16a) 전체가 탭 플레이트(16)로부터 분리되어 전류 차단이 이루어진다.
그리고 도 5에 도시한 바와 같이 전류 차단이 일어난 후에도 전지 내압이 상승하는 경우에는 밴트(18a)가 밴트 플레이트(18)로부터 파단되어 가스 배출이 이루어짐으로써 전지의 폭발과 발화의 위험을 낮추게 된다.
이와 같이 본 실시예에서는 탭 플레이트(16)와 밴트 플레이트(18)를 고정시키는 용접점(A)에서의 접촉 저항을 낮추고, 가변부(16a)가 탭 플레이트(16)와 접촉하는 가장자리 측단면의 면적을 확대시킴으로써 가변부(16a)와 탭 플레이트(16) 사이의 저항을 낮추고 있다. 따라서 본 실시예의 이차 전지는 전극 조립체(8)에서 캡 조립체(14)로 향하는 전류 흐름 상에서 발생할 수 있는 저항 인자들을 최소화하여 고출력 성능을 구현할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이와 같이 본 실시예에 의한 이차 전지는 전술한 탭 플레이트 형상에 의해 탭 플레이트와 밴트 플레이트간 접촉 저항을 낮추고, 가변부와 탭 플레이트의 접촉 면적을 확대시킨다. 따라서 본 실시예의 이차 전지는 양극탭에서 탭 플레이트와 밴트 플레이트를 거쳐 캡 커버를 향하는 전류 흐름 상에서 발생할 수 있는 저항 인자들을 최소화하여 고전류 흐름을 용이하게 하고, 그 결과 전지의 출력 성능을 높이는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 탭 플레이트의 저면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에서 가변부의 다른 실시예를 설명하기 위해 도시한 탭 플레이트의 저면도이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지에서 내압 상승시 밴트 플레이트와 탭 플레이트의 작동 과정을 보여주는 부분 단면도이다.
도 6은 종래 기술에 의한 이차 전지의 부분 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시한 밴트 플레이트의 평면도이다.
도 8은 종래 기술에 의한 이차 전지에서 내압 상승시 밴트 플레이트의 작동 과정을 보여주는 부분 단면도이다.

Claims (12)

  1. 전극 조립체가 내장된 케이스와 결합하는 캡 커버와;
    상기 캡 커버 내측에 위치하며, 상기 전극 조립체의 전극탭이 고정되고, 전극탭이 고정된 부위로부터 이격된 곳에 가변부가 형성되는 탭 플레이트; 및
    상기 캡 커버와 탭 플레이트 사이에 위치하며, 상기 가변부를 향해 돌출되어 가변부에 고정되는 밴트를 갖는 밴트 플레이트
    를 포함하며,
    상기 가변부는 평면에서 보았을 때 상기 밴트와 가변부의 고정점이 가변부의 중심점으로부터 편심된 형상으로 이루어지는 이차 전지의 캡 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탭 플레이트는 상기 가변부의 둘레를 따라 일정한 깊이를 지닌 노치를 형성하는 이차 전지의 캡 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탭 플레이트는 상기 가변부 외측에 적어도 1의 통기공을 형성하는 이차 전지의 캡 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고정점을 관통하여 이 고정점과 가까운 측의 가변부 가장자리 부위와 고정점과 먼 측의 가변부 가장자리 부위를 양분하는 선을 가정할 때, 상기 가변부는 고정점과 먼 측의 가장자리 부위 길이가 고정점과 가까운 측의 가장자리 부위 길이보다 큰 비대칭 형상으로 이루어지는 이차 전지의 캡 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가변부는 사다리꼴과 삼각형 중 어느 하나의 형상으로 이루어지는 이차 전지의 캡 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가변부와 밴트가 용접으로 고정되는 이차 전지의 캡 조립체.
  7. 격리판을 사이에 두고 위치하는 양,음극판을 포함하는 전극 조립체와;
    상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스; 및
    상기 케이스와 결합하는 캡 커버와, 캡 커버 내측에 위치하며 상기 양극판과 연결된 양극탭이 고정되고 양극탭이 고정된 부위로부터 이격된 곳에 가변부가 형성되는 탭 플레이트와, 캡 커버와 탭 플레이트 사이에 위치하며 가변부를 향해 돌출되어 가변부에 고정되는 밴트를 갖는 밴트 플레이트를 포함하는 캡 조립체
    를 포함하며,
    상기 가변부는 평면에서 보았을 때 상기 밴트와 가변부의 고정점이 가변부의 중심점으로부터 편심된 형상으로 이루어지는 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탭 플레이트는 상기 가변부의 둘레를 따라 일정한 깊이를 지닌 노치를 형성하는 이차 전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 탭 플레이트는 상기 가변부 외측에 적어도 1의 통기공을 형성하는 이차 전지.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 고정점을 관통하여 이 고정점과 가까운 측의 가변부 가장자리 부위와 고정점과 먼 측의 가변부 가장자리 부위를 양분하는 선을 가정할 때, 상기 가변부는 고정점과 먼 측의 가장자리 부위 길이가 고정점과 가까운 측의 가장자리 부위 길이보다 큰 비대칭 형상으로 이루어지는 이차 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가변부는 사다리꼴과 삼각형 중 어느 하나의 형상으로 이루어지는 이차 전지.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 가변부와 밴트가 용접으로 고정되는 이차 전지.
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