KR20050110504A

KR20050110504A - 이차전지

Info

Publication number: KR20050110504A
Application number: KR1020040035685A
Authority: KR
Inventors: 홍의선; 곽윤태
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-11-23
Also published as: KR100591430B1

Abstract

본 발명은 이차전지의 양극 및 음극단자와 보호회로 특히 이차보호소자 사이의 전기적 연결구조를 개선한 이차전지에 관한 것이다.

본 발명에 따른 이차전지에 의하면, 이러한 경우에 전지내부에 이차보호소자를 형성함으로써 전지 내부의 온도 변화에 더 민감하게 작동할 수 있게된다. 따라서 전지의 과충전 또는 과방전에 의하여 전지내부의 온도가 일정온도 이상으로 과열되면 이차보호소자 특히 온도 퓨즈가 끊어져 전지내부의 전류 흐름을 차단하여 이차전지의 과충전 또는 과방전 상태를 중지시키고 전지의 이상으로 인한 이차전지 내부의 과도한 압력상승에 의한 폭발 등을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

이차전지 {Secondary Battery}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차전지의 양극 및 음극단자와 보호회로 특히 이차보호소자 사이의 전기적 연결구조를 개선한 이차전지에 관한 것이다.

일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선 기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는, 예를 들면, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량 당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 양극판, 음극판 및, 세퍼레이터로 이루어진 발전 요소, 즉, 전극조립체를 금속제의 캔에 수납하고, 이 캔 내부에 전해액을 주입하여 밀봉하여 형성된다. 이렇게 캔에 밀봉된 이차전지는 통상 상부에 캔과 절연된 전극 단자를 구비하여, 이 전극 단자가 전지의 어느 한 극을 이루게 하고, 타극은 전지 캔 자체가 되도록 한다.

한편, 상기와 같이 밀봉된 이차전지에는 PTC와 같은 이차보호소자 및 보호회로모듈(PCM: Protecting Circuit Module) 등의 전지 안전장치가 연결되어 전지 팩에 수납되며, 이 때, 이들 전지 안전장치들은 양극과 음극에 각각 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과충방전 등으로 전지의 전압이 급상승할 때에 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지한다.

도 1에는 종래 이차전지의 개략적 도면을 나타낸다.

도면을 참조하면, 종래 이차전지는, 전극조립체(미도시)를 수용하는 캔(20)이 구비된 베어셀(10)과, 상기 베어셀(10)의 과충방전을 방지하는 보호회로(60)와, 상기 베어셀(10)과 보호회로(60)를 내장하는 케이스(80)와, 외부 구동기기(미도시)와 전기적으로 접속하기 위하여 상기 케이스(80) 외부로 그 일부가 노출된 팩단자(90)를 구비한다.

상기 베어셀(10)의 상부에 형성된 음극단자(32)와 양극단자인 캔(20)의 외부 바닥(20a)은 보호회로(60)와 전기적으로 직렬 연결되어 있으며, 상기 보호회로(60)는 팩단자(90)와 전기적으로 직렬 연결되어 있다. 한편, 도시된 바와 같이, 캔(20)의 외부 바닥(20a)과 보호회로(60) 사이에는 안전소자인 PTC 소자(40)가 제공될 수 있다. 이러한 PTC 소자(40)는 온도가 상승할 때 저항이 증가되어 전지 내를 흐르는 전류를 차단하는 역할을 한다.

도 2는 종래의 이차전지의 캡조립체를 나타내는 부분 단면도이다.

캔(20)은, 도 2를 참조하여 설명하면, 대략 직육면체에서 위쪽이 개방된 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다. 캔(20)을 이루는 재질로는 경량의 전도성 금속이면서 부식에 대처가 용이한 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다. 캔(20)은 양극(23), 세퍼레이터(24), 음극(25)으로 이루어진 전극조립체(22)와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체(22)가 캔(20)의 개방된 상단, 즉, 상단개구부를 통해 캔에 삽입된 뒤 캔(20)의 상단개구부는 캡조립체(30)에 의해 봉해진다.

상기 캡조립체(30)는 캔(20)의 상단개구부에 대응되는 크기와 형상을 가지는 평판형의 캡플레이트(31)가 구비된다.

상기 캡플레이트(31)는 캔(20)과의 결합을 위한 용접성 향상을 위해 캔(20)과 동일한 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 캡플레이트(31)의 중앙부에는 전극 단자(32)가 통과할 수 있도록 단자통공이 형성된다. 캡플레이트(31)의 중앙부를 관통하는 음극 단자(32) 외측에는 음극 단자(32)와 캡플레이트(31)와의 전기적 절연을 위해 튜브 형상의 가스켓(33)이 설치된다. 캡플레이트(31)의 단자통공 근방에는 캡플레이트(31) 하면에 절연판(34)이 배치되어 있다. 절연판(34)의 아랫면에는 터미널플레이트(35)가 설치되어 있다.

상기 전극조립체(22)는 양극(23)과 음극(24)사이에 세퍼레이터(25)가 게재되면서 권취되어 형성된다. 상기 양극(23)은 양극탭(26)을 통하여 캡플레이트(31)에 전기적으로 연결되며, 음극(25)은 음극탭(27)을 통하여 캡플레이트(31)의 음극단자(32)에 전기적으로 연결된다. 따라서 캔(20)은 음극단자(32)와 전기적으로 절연되어 양극단자의 역할을 하게 된다. 캡조립체(30)가 캔(20) 상단과 용접된 뒤에는 캡플레이트(31)의 전해액주입구(36)를 통해 전해액이 투입된다. 전해액주입구(36)는 볼이 압입되어 이루어진 마개(37)로 밀봉된다.

그러나 상기와 같이 구성된 종래 이차전지에 있어서는, PCT와 같은 이차보호소자가 캔의 외부에서 연결되므로 이차보호소자의 온도민감성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한 이차전지의 고용량화 추세에 따르면 이차보호소자가 캔의 외부에 연결되면 이차전지의 크기가 증가되어 크기대비 용량이 감소되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서 창출된 것으로서, 이차전지의 안정성을 확보하기 위하여 이차전지의 양극 및 음극단자와 보호회로 특히 이차보호소자 사이의 전기적 연결구조를 개선한 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 양극탭과 음극탭을 포함하는 전극조립체와, 상기 전극조립체가 수용되는 캔과, 일측에 전극단자가 절연되어 형성되며, 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡플레이트 및 상기 캡플레이트의 하면에서 상기 음극탭 또는 양극탭의 하나에 연결되는 이차보호소자를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서 상기 이차보호소자는 상기 음극탭 또는 양극탭과 상기 전극단자 사이에 연결되어 형성될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 이차보호소자는 상기 음극탭 또는 양극탭과 상기 캡플레이트 하면 사이에 연결되어 형성될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 이차보호소자는 온도퓨즈로 형성될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 온도퓨즈는 상기 터미널플레이트와 일체로 형성될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 온도퓨즈는 주석합금으로 형성될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 온도퓨즈는 표면에 폴리에틸렌 또는 폴리우레탄계 수지 필름이 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 온도 퓨즈와 캡플레이트의 하면 사이에 단열판이 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 단열판은 폴리우레탄계 접착형 수지로 형성될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 캡조립체를 나타낸 부분단면도를 나타낸다. 도 4는 도 3에 도시된 캡플레이트의 밑면도를 나타낸다. 도 5는 이차보호소자와 캡플레이트 사이에 형성되는 단열판을 포함하는 부분 단면도를 나타낸다. 도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예의 부분단면도를 나타낸다. 도 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 부분단면도를 나타낸다. 도 8은 도 7의 밑면도를 나타낸다.

상기 이차전지의 베어셀(100)은 캔(200)과, 도 3과 도 4를 참조하면, 상기 캔(200)의 내부에 수용되는 전극조립체(210)와, 상기 캔(200)의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체(300)를 포함하여 형성된다.

상기 캔(200)은 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재로 형성될 수 있으며, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 상기 캔(200)의 상단은 개구되어 상단개구부가 형성되며, 이 상단개구부를 통해 전극조립체(210)가 수용된다.

상기 전극조립체(210)는 양극판(213)과, 음극판(215) 및 세퍼레이터(214)를 포함한다. 상기 양극판(213)과 음극판(215)은 세퍼레이터(214)를 개재하여 적층된 후 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 권취될 수 있다. 상기 양극판(213)에는 양극탭(216)이 용접되어 있으며, 이 양극탭(216)의 단부는 상기 전극조립체(210)의 상방으로 돌출하여 있다. 상기 음극판(215)에도 음극탭(217)이 용접되어 있으며, 이 음극탭(217)의 단부도 상기 전극조립체(210)의 상방으로 돌출하여 있다.

상기 캡조립체(300)는 캡플레이트(310)와 전극단자(320)와 이차보호소자(330) 를 포함하여 형성된다.

상기 캡플레이트(310)는 상기 캔(200)의 상단개구부와 상응하는 크기와 형상을 가지는 금속판으로 형성된다. 캡플레이트(310)의 일측에는 소정 크기의 단자통공(312)이 형성되어 있다. 상기 단자통공(312)에는 전극단자, 예를 들면 음극단자(320)가 삽입된다. 캡플레이트(310)의 타측에는 전해액이 주입되는 전해액주입공(314)이 형성된다. 캡플레이트(310) 하면의 중앙에는 상기 전극조립체(210)의 음극탭(217)이 용접되며, 캡플레이트(310)의 타측에는 전극조립체(210)의 양극탭(216)이 용접된다.

상기 음극단자(320)는 상기 단자통공(312)에 삽입되며 음극단자(320)와 캡플레이트(310)의 절연을 위하여 튜브형의 가스켓(322)이 설치되어 있다. 또한 상기 캡플레이트(310)의 하면에는 상기 음극단자(320)의 저면부와 전기적으로 연결되는 터미널플레이트(326)가 형성되며 터미널플레이트(326) 및 음극단자(320)와 캡플레이트(310)의 전기적 절연을 위하여 절연판(324)이 설치된다. 상기 절연판(324)은 PP 테이프와 같은 절연테이프가 사용될 수 있다. 한편 상기 전극단자(320)는 형성위치에 따라서는 양극단자로 형성되어 양극탭(216)이 연결될 수 있음은 물론이다.

상기 이차보호소자(330)는 상기 캡플레이트(310)의 하면에서 터미널플레이트(326)를 통하여 음극단자(320)와 전기적으로 연결된다. 또한 상기 캡플레이트(310)의 하면 중앙에 용접되어 있는 음극탭(217)에 연결탭(328)에 의하여 전기적으로 연결된다. 상기 연결탭(327, 328)은 이차보호소자(330)와 일체도 형성된 탭이 사용될 수 있다.

상기 이차보호소자(330)로는 온도 퓨즈(thermal fuse), PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자 또는 바이메탈 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 이차보호소자(330)로는 저가이면서 온도민감성이 우수한 온도퓨즈를 사용한다.

상기 온도 퓨즈(330)는 주석을 주성분으로 하는 주석합금으로 형성되며, 온도 민감성을 증가시키기 위하여 박막으로 형성된다. 온도 퓨즈(330)는 캡플레이트(310)의 하면에서 캡플레이트(310)와 전기적으로 절연되면서 장착되어 전지내부의 온도가 증가되어 일정온도가 되면 온도 퓨즈(330)가 녹으면서 끊어져 전류의 흐름을 차단하게 된다. 온도퓨즈(330)는 전지의 일반적인 사용온도 및 제조 공정을 고려하여 90 ∼ 100℃ 사이에서 작동되도록 성분을 조정하여 설계하는 것이 바람직하다. 즉 작동 온도가 90도 이하가 되면 이차전지의 제조공정 중 에이징 공정에서 녹아버리는 문제가 발생하게 된다. 또한 작동온도가 100도가 넘으면 이차전지의 과열에 대한 폭발 등의 위험성을 효과적으로 방지할 수 없게 된다.

상기 온도퓨즈(330)로는 주석(Sn) 70 내지 90%, 아연(Zn) 5 내지 10%, 납(Pb) 1내지 4% 및 기타금속이 잔량으로 포함된 주석합금이 사용된다. 또한 상기 온도퓨즈(330)로는 주석 22%, 납 28%, 비스무트 50%가 포함된 합금이 사용될 수 있다.

상기 온도 퓨즈(330)는 박막으로 캡플레이트(310)의 하면에 장착되므로 전해액과의 반응에 의하여 손상을 입는 것을 방지하기 위해서 폴리에틸렌 또는 폴리우레탄 필름으로 보호막을 형성하는 것이 바람직하다.

또한 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 온도퓨즈(330)와 상기 캡플레이트(310)의 하면 사이에는 별도의 폴리우레탄계 접착형 수지를 사용하여 단열판(329)을 형성시킬 수 있다. 상기 단열판(329)은 바람직하게는 캡플레이트(310)의 절연판(324)과 이차보호소자(330) 사이에 형성된다. 이러한 폴리우레탄계 접착형 수지로 형성되는 단열판(329)은 박막으로 형성되는 온도 퓨즈(330)의 인장강도를 보강하는 역할을 하는 한편 전지 외부의 온도가 온도퓨즈에 전달되어 온도 퓨즈(330)가 오작동되는 것을 방지할 수 있게 된다. 물론 온도퓨즈(330)가 고정되는 절연판(324)을 PP 테이프 대신에 폴리우레탄 수지로만 형성하여 절연판과 단열판의 기능을 수행하게 할 수 있음은 물론이다.

한편 위에서는 이차보호소자(330)를 연결함에 있어서 캡플레이트(310)의 전극단자(320)를 음극단자로 형성하고, 음극단자(320)와 음극탭(217) 사이에 이차보호소자(330)가 연결되는 것으로 형성하였으나, 캡플레이트(310)의 전극단자(320)를 양극단자로 형성하고 양극단자와 양극탭(216)사이에 이차보호회로를 연결할 수 있음은 물론이다.

도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예를 나타낸다.

상기 캡플레이트(310)의 전극단자(320)는, 도 5를 참조하여 보면, 음극단자로 사용하되 양극탭(216)과 캡플레이트(310) 사이에 이차보호소자(330a)를 형성하는 것도 가능하다. 즉 양극탭(216)과 캡플레이트(310) 사이에는 절연판(324a)이 형성되며, 양극탭(216)은 이차보호소자(330a)에 별도의 연결탭(327a)에 의하여 연결된다. 이차보호소자(330a)는 연결탭(328a)에 의하여 캡플레이트(310)에 연결된다. 따라서 양극탭(216)의 전류는 캡플레이트(310)로 직접 흐르지 않고 이차보호소자(330)를 통하여 흐르게 된다.

또한 상기 캡플레이트(310)의 전극단자(320)는 양극단자로 사용하고, 음극탭(217)과 캡플레이트(310) 사이에 이차보호소자를 형성하는 것도 가능하다.

도 7과 도 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타낸다.

상기 온도퓨즈(330)는, 도 7과 도 8을 참조하면, 터미널플레이트(326)의 역할을 동시에 할 수 있도록 온도퓨즈(330)와 터미널플레이트(330)가 일체로 형성된다. 즉, 음극단자와 음극탭을 연결하는 터미널플레이트(326)를 대신하여 온도퓨즈(330)를 사용하여 음극단자(320)와 음극탭(217)을 연결하게 되므로 별도의 터미널플레이트가 필요 없게 된다. 따라서 캡조립체의 구조가 간단하게 형성될 수 있다. 한편 전극단자가 음극단자가 아닌 양극단자로 사용되는 경우에도 동일하게 된다.

다음은 본 발명에 따른 이차전지의 작용에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 이차전지는 충전시 또는 방전시 이상으로 인하여 과충전되거나 과방전되는 경우에는 전지 내부의 온도가 상승하게 된다. 이러한 경우에 전지내부의 온도가 일정온도 이상으로 과열되면 음극탭(217)과 음극단자(320) 또는 양극탭(216)과 캡플레이트(310) 사이에 형성되어 있은 이차보호소자(330) 특히 온도 퓨즈가 끊어져 전지내부의 전류 흐름이 차단된다. 이로서 이차전지의 과충전 또는 과방전 상태는 정지되며 전지의 이상으로 인한 이차전지 내부의 과도한 압력상승에 의한 폭발 등을 방지할 수 있게된다. 따라서 이차전지의 오작동으로 인한 위험을 방지하여 이차전지의 안전성을 확보할 수 있게된다.

도 7의 실시예에서는 이차전지내의 온도가 상승하게 되면 터미널플레이트로 형성된 온도퓨즈(330)가 녹아 끊어져 전류의 흐름을 차단하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따른 이차전지에 의하면, 이러한 경우에 전지내부에 이차보호소자를 형성함으로써 전지 내부의 온도 변화에 더 민감하게 작동할 수 있게된다. 따라서 전지의 과충전 또는 과방전에 의하여 전지내부의 온도가 일정온도 이상으로 과열되면 이차보호소자(330) 특히 온도 퓨즈가 끊어져 전지내부의 전류 흐름을 차단하여 이차전지의 과충전 또는 과방전 상태를 중지시키고 전지의 이상으로 인한 이차전지 내부의 과도한 압력상승에 의한 폭발 등을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 이차보호소자가 캔의 내부에 설치되므로 이차전지를 보다 소형화 할 수 있으며 따라서 이차전지를 크기대비 고용량으로 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한 터미널플레이트를 이차보호소자로 형성하는 경우에는 부품수와 제조공정의 단축이 가능하여 제조 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 이차전지의 개략적 도면.

도 2는 종래의 이차전지의 캡조립체를 나타내는 부분 단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 캡조립체를 나타낸 부분단면도.

도 4는 도 3에 도시된 캡플레이트의 밑면도.

도 5는 이차보호소자와 캡플레이트 사이에 형성되는 단열판을 포함하는 부분 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예의 부분단면도.

도 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 부분단면도.

도 8은 도 7의 밑면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10, 100 - 베어셀 20, 200 - 캔

216 - 양극탭 217 - 음극탭

30, 300 - 캡조립체 310 - 캡플레이트

320 - 전극단자 324, 324a - 절연판

326 - 터미널플레이트 329 - 단열판

330, 330a - 이차보호소자

Claims

양극탭과 음극탭을 구비하는 전극조립체;

상기 전극조립체가 수용되는 캔;

일측에 전극단자가 절연되어 형성되며, 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡플레이트;

상기 캡플레이트의 하면에서 상기 음극탭 또는 양극탭의 하나에 연결되는 이차보호소자를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1항에 있어서,

상기 이차보호소자는 상기 전극단자의 하면에 절연되어 형성된 터미널플레이트와 상기 음극탭 또는 양극탭과 상기 전극단자 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 1항에 있어서,

상기 이차보호소자는 상기 음극탭 또는 양극탭과 상기 캡플레이트 하면 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 2항 또는 제 3항에 있어서,

상기 이차보호소자는 온도퓨즈인 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 4항에 있어서,

상기 온도퓨즈는 상기 터미널플레이트와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 4항에 있어서,

상기 온도퓨즈는 주석합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 4항에 있어서,

상기 온도퓨즈는 표면에 폴리에틸렌 또는 폴리우레탄계 수지 필름이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 4항에 있어서,

상기 온도 퓨즈와 상기 캡플레이트의 하면 사이에는 단열판이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제 8항에 있어서,

상기 단열판은 폴리우레탄계 접착형 수지인 것을 특징으로 하는 이차전지.