KR20070014824A - 리튬 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차 전지용 외장재의 내부 표면의 적어도 일부분에 발화 억제 수단을 구비하여 이차 전지 내부가 소정온도 이상 상승하는 것을 방지하여 열적 안정성이 향상된 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 본 발명의 리튬 이차 전지는 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 내부 공간을 구비하는 이차 전지용 외장재와; 상기 이차 전지용 외장재의 내부 표면의 적어도 일부분 상에 형성된 발화 억제 수단을 구비하여 이루어진다.
리튬 이차 전지, 발화 억제 수단, 발화 억제 물질
Description
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 사시도.
도 1b는 도 1a의 A-A 라인에 따른 단면도.
도 2a 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 각형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 사시도.
도 2b는 도 2a의 B-B 라인에 따른 단면도.
도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 분해 사시도.
도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 단면도.
(도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명)
100, 200, 300; 리튬 이차 전지
110, 210, 310; 전극 조립체
111, 211, 311; 제 1 전극판
112, 212, 312; 제 2 전극판
113, 213, 313; 세퍼레이터
214; 절연 테이프
130, 230; 캡 조립체
140, 240; 전해액
150, 250, 350; 발화 억제 수단
151, 251, 351; 발화 억제 물질층
152, 252, 352; 격리 피막
본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차 전지용 외장재의 내부 표면의 적어도 일부분에 발화 억제 수단을 구비하여 이차 전지 내부가 소정온도 이상 상승하는 것을 방지하여 열적 안정성이 향상된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.
최근에는 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 내장된 전지 팩은 휴대용 전기/전자장치를 일정기간동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전 지를 채용하고 있다. 이차전지에는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 전지 등의 리튬 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
통상적으로, 상기 리튬 이온 이차 전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 이차 전지용 외장재와, 상기 이차 전지용 외장재 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이온 이차 전지는 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극 탭이 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며, 음극 탭이 연결된 음극 전극판 및 세퍼 레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그런 다음, 상기 전극 조립체를 상기 리튬 이온 이차 전지용 외장재에 수용하여 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 상기 리튬 이온 이차 전지용 외장재에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 리튬 이온 이차 전지를 완성한다.
한편, 상기한 바와 같은 리튬 이차 전지는 충ㆍ방전 시에 전지 화학 반응에 의해 그 내부에서 열이 발생하게 된다. 특히, 급속한 방전 및 과충전 시에는 내부 발열량이 크게 되며, 내부의 온도가 급속하게 상승하게 되며, 이로 인한 내부 구조의 변형이 발생하게 되어 전지 내부의 쇼트(short)가 발생하게 된다. 상기 전지 내부의 쇼트는 리튬 이차 전지의 폭발 등 상당한 위험을 야기한다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 이차 전지용 외장재의 내부 표면의 적어도 일부분에 발화 억제 수단을 구비하여 이차 전지 내부가 소정온도 이상 상승하는 것을 방지하여 열적 안정성이 향상된 리튬 이차 전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리튬 이차 전지는 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 내부 공간을 구비하는 이차 전지용 외장재와; 상기 이차 전지용 외장재의 내부 표면의 적어도 일부분 상에 형성된 발화 억제 수단을 구비하여 이루어진다.
상기 발화 억제 수단은 상기 이차 전지용 외장재의 내부 표면의 적어도 일부분 상에 형성되며, 발화 억제 물질로 이루어지는 발화 억제 물질층과; 상기 발화 억제 물질층을 전해액과 격리시키는 격리 피막을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 발화 억제 물질층은 80℃ 이상의 일정 온도부터 전지 내부로 투입ㆍ확산되어 온도 상승을 억제하는 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 발화 억제 물질층은 NaCl로 이루어질 수 있다.
상기 격리 피막은 열가소성 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 격리 피막은 파라핀 계열 물질로 이루어질 수 있다.
상기 격리 피막은 80℃ 이상의 일정 온도부터 적어도 일부가 융해되어 상기 발화 억제 물질이 전지 내부로 투입될 수 있도록 하는 바람직하다.
상기 이차 전지용 외장재는 상부가 개구된 원통형의 금속재 케이스, 상부가 개구된 박스형 금속재 캔 및 파우치 외장재 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 이차 전지용 외장재가 원통형의 금속재 케이스 및 상부가 개구된 박스형의 금속재 캔 중 어느 하나인 경우, 상기 이차 전지용 외장재의 상부와 결합되어 이를 밀봉하는 캡 조립체를 더 구비하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도면의 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 사시도이며, 도 1b는 도 1a의 A-A 라인에 따른 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 원통형 리튬 이차 전지(100)는 충ㆍ방전 시 전압차를 발생시키는 전극 조립체(110)와, 상기 전극 조립체(110)를 수납하는 이차 전지용 외장재(120)와, 상기 이차 전지용 외장재(120)의 상부에 조립되어 상기 전극 조립체(110)가 이탈되지 않도록 하는 캡 조립체(130)와, 상기 이차 전지용 외장재(120)에 주입되어 상기 전극 조립체(110) 간에 리튬 이온의 이동이 가능하게 하는 전해액(140)과, 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 이상 발열로 인하여 내부 온도가 상승하는 것을 방지하는 발화 억제 수단(150)을 구비하는 구조로 이루어진다.
상기 전극 조립체(110)는 양극 활물질 및 음극 활물질 중 어느 하나, 예를 들면, 양극 활물질이 코팅된 제 1 전극판(111), 상기 양극 활물질 및 음극 활물질 중 다른 하나, 예를 들면, 음극 활물질이 코팅된 제 2 전극판(112), 상기 제 1 전극판(111) 및 제 2 전극판(112) 사이에 위치하여 상기 제 1 전극판(111)과 제 2 전극판(112)의 쇼트(short)를 방지하고 리튬 이온의 이동만 가능하게 하는 세퍼레이터(113)로 이루어진다. 또한, 상기 제 1 전극판(111), 제 2 전극판(112) 및 세퍼레이터(113)는 대략 원형으로 권취되어 상기 이차 전지용 외장재(120)에 수납된다. 또한, 상기 제 1 전극판(111)에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 상부로 일정 길이 돌출된 제 1 전극 탭(111a)이 접합되어 있다. 상기 제 2 전극판(112)에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 이루어지며, 하부로 일정 길이 돌출된 제 2 전극 탭(112a)이 접합되어 있으나, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어 상기 전극 조립체(110)의 상ㆍ하부에는 각각 직접적인 캡 조립 체(130) 또는 이차 전지용 외장재(120)와의 접촉을 피하기 위해 상ㆍ하부 절연 플레이트(141, 145)가 더 부착되어 있다.
또한, 상기 양극 활물질로는 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물이 사용되고 있으며, 그 예로 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2(0<x<1), LiMnO2 등의 복합 금속 산화물들이 사용되고 있다. 음극 활물질는 탄소(C) 계열 물질, Si, Sn, 틴 옥사이드, 틴 합금 복합체(composite tin alloys), 전이 금속 산화물, 리튬 금속 나이트라이드 또는 리튬 금속 산화물 등이 사용되고 있다. 또한, 일반적으로 상기 제 1 전극판(111) 및 제 2 전극판(112) 중 양극 전극판으로 사용되는 전극판, 예를 들면 제 1 전극판(111)은 알루미늄(Al) 재질, 음극 전극판으로 사용되는 전극판, 예를 들면, 제 2 전극판(112)은 구리(Cu) 재질을 사용하며, 상기 세퍼레이터(113)는 일반적으로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 본 발명에서 위의 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 제 1 전극 탭(111a) 및 제 2 전극 탭(112a)이 상기 전극 조립체(110)로부터 인출되는 경계부에는 상기 제 1 전극판(111) 및 제 2 전극판(112) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(도면상에는 미도시)로 각각 절연되어 있다.
상기 이차 전지용 외장재(120)는 상부가 개구된 대략 원통형의 금속재 케이스로 이루어진다. 이러한 이차 전지용 외장재(120)는 상기 전극 조립체(110)가 결합될 수 있도록 소정 공간을 가지며 일정 직경을 갖는 원통면(121)이 형성되어 있고, 상기 원통면(121)의 하부에는 그 원통면(121)의 하부 공간을 막은 하면(122)이 형성되어 있으며, 상기 원통면(121)의 상부는 상기 전극 조립체(110)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 한편, 상기 이차 전지용 외장재(120)의 하면(122) 중앙에 상기 전극 조립체(110)의 제 1 전극 탭(111a) 및 제 2 전극 탭(112a) 중 어느 하나, 예를 들면, 제 2 전극 탭(112a)이 접합됨으로써, 상기 이차 전지용 외장재(120) 자체는 제 2 전극판(112)과 동일한 전극, 예들 들면 음극 단자의 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 이차 전지용 외장재(120)는 일반적으로 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다. 더불어 상기 이차 전지용 외장재(120)는 상부에서 상기 캡 조립체(130)를 압박하도록 한쪽으로 휘어진 크리핑(crimping)부(123)가 형성되고, 하부에서 상부 방향으로 상기 캡 조립체(130)를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부(124)가 더 형성되어 있다.
상기 캡 조립체(130)는 상기 제 1 전극 탭(111a)이 용접된 동시에, 과충전 또는 이상 발열시 형태가 반전되는 도전성 안전 벤트(131)와, 상기 도전성 안전 벤트(131) 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어, 상기 안전 벤트(131)의 반전시 회로가 끊어지는 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit board, 132)과, 상기 인쇄 회로 기판(132) 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 소정 온도 이상에서 회로가 끊어지는 양성 온도 소자(133)와, 상기 양성 온도 소자(PTC, Positive Temperature Coefficient, 133)의 상부에 전기적 및 기계적으로 연결되어 실제의 전류를 외부로 인가하는 도전성 전극 캡(134)과, 상기 안전 벤트(131), 인쇄 회로 기판(132), 양성 온도 소자(133) 및 전극 캡(134)의 측부 둘레를 감싸는 형태를 하며 상기 이차 전지용 외장재(120)로부터 상기 나열한 것들을 절연시키는 절연 가스켓(135)으로 이루어진다. 이때, 상기 전극 캡(134)은 상기 전극 조립체(110)의 제 1 전극 탭(111a) 및 제 2 전극 탭(112a) 중 어느 하나, 예를 들면, 제 1 전극 탭(111a)이 접합되어 제 1 전극판(111)과 동일한 전극, 예들 들면 양극 단자의 역할을 수행한다.
상기 전해액(140)은 충ㆍ방전시 전지 내부의 양극 및 음극에서 전기 화학적 반응에 의하여 생성되는 리튬 이온(Li Ion)의 이동 매체 역할을 하며, 이는 리튬염과 고순도 유기 용매류의 혼합물인 비수질계 유기 전해액일 수 있다. 더불어, 상기 전해액(140)은 고분자 전해질을 이용한 폴리머일 수도 있으며, 여기서 상기 전해액 물질의 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 발화 억제 수단(150)은 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부 온도가 일정 온도 이상, 바람직하게는 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 이상(異狀)이 발생할 수 있는 약 80℃ 이상의 일정 온도로 상승하는 경우, 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부 온도가 더 이상 상승하는 것을 방지하여, 온도 상승에 따른 원통형 리튬 이차 전지(100)의 폭발 등의 위험성을 방지한다. 즉, 상기 발화 억제 수단(150)은 80℃ 이상의 일정 온도부터 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부 온도가 더 이상 상승하는 것을 방지하여, 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 발화(發火)를 억제한다.
또한, 상기 발화 억제 수단(150)은 상기 대략 원통형 캔으로 이루어지는 이차 전지용 외장재(120)의 내부 표면의 적어도 일부분에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 이때, 상기 발화 억제 수단(150)은 상기 전극 조립체(110)의 제 2 전극 탭(112a)이 상기 이차 전지용 외장재(120)에 부착되는 부분에는 형성되지 않는다.
이러한 발화 억제 수단(150)은 상기 이차 전지용 외장재(120) 내부 표면의 적어도 일부분에 형성되며 발화 억제 물질로 이루어지는 발화 억제 물질층(151)과, 상기 발화 억제 물질층(151)을 상기 전해액(140)과 격리시키는 격리 피막(被膜)(252)을 구비하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 발화 억제 물질층(151)은 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부 온도가 소정 온도, 예를 들면 80℃ 이상의 일정 온도부터 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부로 투입ㆍ확산되어 더 이상의 온도 상승을 방지할 수 있는 발화 억제 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 발화 억제 물질층(151)은 NaCl로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 격리 피막(152)은 상기 발화 억제 물질층(151)을 상기 전해액(140)으로부터 격리시켜주는 것으로, 소정 온도, 예를 들면, 80℃ 이상의 일정 온도부터 그 일부분 또는 전체가 용해되는 것이 바람직하다. 이는 상기 발화 억제 물질이 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부로 투입될 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 상기 격리 피막(152)은 파라핀과 같이 열을 받으면 융해되는 파라핀(paraffin) 계열 물질과 같은 열가소성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 원통형 리튬 이차 전지(100)의 작동은 하기와 같다.
우선, 양극 활물질로 LiCoO2를 사용하는 경우, 양극 전극판에서는
즉, 상기 양극 전극판에서 양극 활물질인 
가 충전시에 분해되어 양이온인 Li+ 이온과 전자(e-)가 발생하게 되며, 방전시에는 다시 Li+ 이온과 전자가 결합하여 양극 활물질인 
로 환원된다.
또한 음극 활물질로 흑연(C)을 사용하는 경우, 음극 전극판에서는
즉, 상기 음극 전극판에서 음극 활물질인 흑연이 Li+ 이온 및 전자와 결합하여 
를 형성하며, 방전시에는 다시 
가 분해되어 흑연 및 Li+ 이온 및 전자로 환원된다.
즉, 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 충??방전시의 전체 전지 화학 반응은
한편, 상기한 바와 같은 원통형 리튬 이차 전지(100)의 충ㆍ방전시 전지 화학 반응으로 인하여 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부에서 열이 발생할 수 있다. 이에 따라 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부 온도가 상승하게 된다.
특히, 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)가 과충전되는 경우, 양극에서는 리튬이 과잉 석출되고, 음극에서는 리튬이 과잉 삽입되어 양극 및 음극이 모두 열적 으로 불안정해져서 상기 전해액(140)의 유기용매가 분해되는 등 급격한 발열반응이 일어나고, 또한 열폭주 현상(thermal runaway)이 발생하여 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부 온도가 급격히 상승한다.
이에 따라, 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부 온도가 80℃ 이상의 일정 온도로 상승하면, 상기 발화 억제 수단(150)의 격리 피막(152)이 녹아 적어도 그 일부가 오픈(open)되며, 이에 따라 상기 발화 억제 물질층(151)의 발화 억제 물질이 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 내부로 투입되고 확산되어, 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 발열에 따른 내부 온도의 상승을 억제한다. 따라서, 내부 온도 상승에 따른 상기 원통형 리튬 이차 전지(100)의 폭발 등의 우려를 해소할 수 있다.
도 2a 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 각형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 B-B 라인에 따른 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 각형 리튬 이차 전지(200)는 충ㆍ방전 시 전압차를 발생시키는 전극 조립체(210)와, 상기 전극 조립체(210)를 수용하는 이차 전지용 외장재(220)와, 상기 이차 전지용 외장재(220)의 상부에 결합되는 캡 조립체(230)와, 상기 이차 전지용 외장재(220)에 주입되어 상기 전극 조립체(210) 간에 리튬 이온의 이동이 가능하게 하는 전해액(240)과, 상기 각형 리튬 이차 전지(200)의 이상 발열로 인하여 내부 온도가 상승하는 것을 방지하는 발화 억제 수단(250)을 구비하는 구조로 이루어진다.
상기 전극 조립체(210)는 제 1 전극 탭(211a)이 부착된 제 1 전극판(211)과, 제 2 전극 탭(212a)이 부착된 제 2 전극판(212)과, 상기 제 1 전극판(211) 및 제 2 전극판(212) 사이에 개재된 세퍼레이터(213)가 권취된 형태로 이루어져, 상기 이차 전지용 외장재(220)에 수용된다. 있다. 상기 제 1 전극 탭(211a) 및 제 2 전극 탭(212a)이 상기 전극 조립체(210)로부터 인출되는 경계부에는 상기 제 1 전극판(211) 및 제 2 전극판(212) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프(214)로 각각 절연되어 있다.
상기 이차 전지용 외장재(220)는 상부가 개구된 대략 박스(box)의 형상을 가진 금속재 캔으로 이루어져 있으며, 그 자체가 단자역할을 수행하는 것이 가능하다. 일반적으로 상기 이차 전지용 외장재(220)는 상기 제 1 전극 탭(211a)과 전기적으로 연결되어 상기 제 1 전극판(211)과 동일한 전극, 예를 양극 단자의 역할을 수행한다.
상기 캡 조립체(230)에는 상기 이차 전지용 외장재(220)의 개구부와 대응하는 크기와 형상을 구비하는 평판형 캡 플레이트(231)가 마련되어 있다. 상기 캡 플레이트(231)의 중앙부에는 단자 통공(231a)이 형성되어 있으며, 상기 캡 플레이트(231)의 일측에는 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입공(231b)이 형성되어 있으며, 상기 전해액 주입공(231b)은 보올(231c)과 결합되어 밀폐된다. 또한, 상기 캡 플레이트(231)의 타측에는 상기 각형 리튬 이차 전지(200)의 내부 압력이 상승하는 경우, 상기 각형 리튬 이차 전지(200)의 폭발을 방지하는 안전 밴트(231d)가 형성되어 있다.
상기 단자 통공(231a)에는 전극 단자(232), 예를 들면, 음극 단자가 삽입 가능하도록 위치하고 있다. 또한, 상기 전극 단자(232)의 외부면에는 상기 캡 플레이트(231)와의 전기적 절연을 위한 튜브 형상의 가스켓(233)이 설치되어 있다.
상기 캡 플레이트(231)의 하부에는 상기 캡 플레이트(231)의 하부면에 부착되며, 상기 단자 통공(231a)과 대응하는 통공을 구비하는 절연 플레이트(234)가 배치되어 있다. 상기 절연 플레이트(234) 아래면에는 상기 단자 통공(231a)과 대응하는 통공을 구비하는 단자 플레이트(235)가 설치되어 있다. 또한, 상기 전극 단자(232)의 저면부는 상기 절연 플레이트(234)를 개재한 상태에서 단자 플레이트(235)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 캡 플레이트(231)의 아랫면에는 상기 제 1 전극판(211)으로부터 인출된 제 1 전극 탭(211a)이 용접되어 있으며, 상기 전극 단자(232)의 하단부에는 상기 제 2 전극판(212)으로부터 인출된 제 2 전극 탭(212a)이 용접된다.
한편, 상기 전극 조립체(210)의 상면에는 상기 전극 조립체(210)와 캡 조립체(230)를 전기적으로 절연시켜 주며, 이와 동시에 상기 전극 조립체(210)의 상단부를 커버할 수 있는 절연 케이스(236)가 설치되어 있다. 상기 절연 케이스(236)는 상기 캡 플레이트(231)의 전해액 주입구(231b)와 대응하는 위치에 전해액 주입 통공을 구비하여, 전해액을 주입할 수 있도록 한다. 상기 절연 케이스(236)는 절연성을 가지는 고분자 수지로써, 바람직하게는 폴리프로필렌으로 이루어지나, 본 발명의 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 발화 억제 수단(250)은 상부가 개구된 대략 박스(box)의 형상을 가진 금속재 캔으로 이루어지는 상기 이차 전지용 외장재(220)의 내부 표면의 적어도 일부분에 형성된다. 또한, 상기 발화 억제 수단(250)은 상기 이차 전지용 외장재(220) 내부 표면의 적어도 일부분에 형성된 발화 억제 물질층(251)과, 상기 발화 억제 물질층(251)을 상기 전해액(240)과 격리시키는 격리 피막(被膜)(252)을 구비하는 것이 바람직하다.
이러한 발화 억제 수단(250)은 상기 각형 리튬 이차 전지(200)의 내부 온도가 일정 온도 이상, 바람직하게는 상기 각형 리튬 이차 전지(200)의 이상(異狀)이 발생할 수 있는 80℃ 이상의 일정 온도로 상승하는 경우, 상기 각형 리튬 이차 전지(200)의 내부 온도가 더 이상 상승하는 것을 방지하여, 온도 상승에 따른 상기 각형 리튬 이차 전지(200)의 폭발 등의 위험성을 방지한다. 즉, 상기 발화 억제 수단(250)은 상기 각형 리튬 이차 전지(200)의 발화(發火)를 억제한다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 분해 사시도이며, 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파우치형 리튬 이차 전지(300)는 충ㆍ방전 시 전압차를 발생시키는 전극 조립체(310)와, 상기 전극 조립체(310)를 수용하는 이차 전지용 외장재(320)와, 상기 파우치형 리튬 이차 전지(300)의 이상 발열로 인하여 내부 온도가 상승하는 것을 방지하는 발화 억제 수단(350)을 구비하는 구조로 이루어진다.
상기 전극 조립체(310)는 제 1 전극 탭(311a)이 부착된 제 1 전극판(311)과, 제 2 전극 탭(312a)이 부착된 제 2 전극판(312)과, 상기 제 1 전극판(311) 및 제 2 전극판(312) 사이에 개재된 세퍼레이터(313)가 권취된 형태로 이루어져, 상기 이차 전지용 외장재(320)에 수용된다.
한편, 도면 상에는 도시하지 않았으나, 상기 제 1 전극 탭(311a) 및 제 2 전극 탭(312a)이 상기 전극 조립체(310)로부터 인출되는 경계부는 상기 제 1 전극판(311) 및 제 2 전극판(312) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연 테이프를 이용하여 각각 절연할 수 있다.
상기 이차 전지용 외장재(320)는 일종의 파우치(pouch) 외장재로 이루어진다. 이러한 파우치 외장재로 이루어지는 상기 이차 전지용 외장재(320)는 그 재질이 알루미늄(Al)과 같은 금속재로 이루어진 심부(320a)와, 상기 심부의 상부면 상에 형성된 열융착층(320b)과, 상기 심부(320a)의 하부면 상에 형성된 절연막(320c)으로 이루어진다. 상기 열융착층(320b)은 폴리머 수지인 변성 폴리프로필렌, 예컨대 CPP(Casted Polypropylene)를 사용하여 접착층으로 작용하며, 상기 절연막(320c)은 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 수지재가 형성되어 있을 수 있으나, 여기서 상기 이차 전지용 외장재(320)의 구조 및 재질을 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 이차 전지용 외장재(320)는 상기 전극 조립체(310)가 수용되는 공간을 구비하는 하면(321)과, 상기 전극 조립체(310)가 수용되는 공간이 형성된 하면(321)을 커버하는 상면(322)으로 이루어진다. 또한, 상기 전극 조립체(310)를 수용하기 위한 공간은 프레스(press) 가공 등을 통하여 형성된다. 또한, 상기 이차 전지용 외장재(320)는 상기 하면(321)의 공간에 상기 전극 조립체(310)를 수용한 후, 상면(322)을 덮고 접합하여 밀봉된다.
상기 발화 억제 수단(350)은 상기 파우치 외장재로 이루어지는 상기 이차 전지용 외장재(320)의 내부 표면의 적어도 일부분에 형성된다. 또한, 상기 발화 억제 수단(350)은 상기 이차 전지용 외장재(320) 내부 표면의 적어도 일부분에 형성된 발화 억제 물질층(351)과, 상기 발화 억제 물질층(351)을 전해액과 격리시키는 격리 피막(被膜)(352)을 구비하는 것이 바람직하다.
이러한 발화 억제 수단(350)은 상기 파우치형 리튬 이차 전지(300)의 내부 온도가 일정 온도 이상, 바람직하게는 상기 파우치형 리튬 이차 전지(300)의 이상(異狀)이 발생할 수 있는 약 80℃ 이상의 일정 온도로 상승하는 경우, 상기 파우치형 리튬 이차 전지(300)의 내부 온도가 더 이상 상승하는 것을 방지하여, 온도 상승에 따른 상기 파우치형 리튬 이차 전지(300)의 폭발 등의 위험성을 방지한다. 즉, 상기 발화 억제 수단(350)은 상기 파우치형 리튬 이차 전지(300)의 발화(發火)를 억제한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지(100, 200, 300)는 발화 억제 수단(350)을 구비하여 내부 온도가 상승하더라도 전지의 이상 및 폭발을 방지할 수 있는 구조로 이루어진다. 보다 상세히 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차 전지(100, 200, 300)는 이차 전지용 외장재(120, 220, 320)의 내부 표면의 적어도 일부분에 형성되며, 격리 피막(152, 252, 352)을 통하여 상기 전해액과 격리되어 있는 발화 억제 물질층(151, 251, 351)을 구비하는 구조로 이루어지는 발화 억제 수단(150, 250, 350)을 구비하며, 전지 내부 온도가 소정 온도 이상으로 상승하는 경우, 상기 결리 피막(152, 252, 352)의 적어도 일부가 오픈되어 상기 발화 억제 물질이 전지 내부로 투입ㆍ확산되어 전지 내부 온도가 더 이상 상승하는 것을 억제한다. 따라서, 리튬 이차 전지(100, 200, 300)의 온도 안정성이 향상된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 이차 전지용 외장재의 내부 표면의 적어도 일부분에 발화 억제 수단을 구비하여 이차 전지 내부가 소정온도 이상 상승하는 것을 방지하여 열적 안정성이 향상된 리튬 이차 전지를 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (9)
- 제 1 전극판, 제 2 전극판, 상기 제 1 전극판과 제 2 전극판 사이에 위치하는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체와;상기 전극 조립체를 수용하기 위한 내부 공간을 구비하는 이차 전지용 외장재와;상기 이차 전지용 외장재의 내부 표면의 적어도 일부분 상에 형성된 발화 억제 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1항에 있어서,상기 발화 억제 수단은상기 이차 전지용 외장재의 내부 표면의 적어도 일부분 상에 형성되며, 발화 억제 물질로 이루어지는 발화 억제 물질층과;상기 발화 억제 물질층을 전해액과 격리시키는 격리 피막을 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 2항에 있어서,상기 발화 억제 물질층은 80℃ 이상의 일정 온도부터 전지 내부로 투입ㆍ확산되어 온도 상승을 억제하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 3항에 있어서,상기 발화 억제 물질층은 NaCl로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 2항에 있어서,상기 격리 피막은 열가소성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 5항에 있어서,상기 격리 피막은 파라핀 계열 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 2항에 있어서,상기 격리 피막은 80℃ 이상의 일정 온도부터 적어도 일부가 융해되어 상기 발화 억제 물질이 전지 내부로 투입될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 1항에 있어서,상기 이차 전지용 외장재는 상부가 개구된 원통형의 금속재 케이스, 상부가 개구된 박스형 금속재 캔 및 파우치 외장재 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
- 제 8항에 있어서,상기 이차 전지용 외장재가 원통형의 금속재 케이스 및 상부가 개구된 박스형의 금속재 캔 중 어느 하나인 경우, 상기 이차 전지용 외장재의 상부와 결합되어 이를 밀봉하는 캡 조립체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
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