KR20070027352A - 리튬 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 제1 전극판과, 제2 전극판과, 상기 전극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터와, 상기 제1 전극판 및 제2 전극판에 각각 결합되는 제1 전극탭 및 제2 전극탭을 포함하는 전극 조립체를 포함하며, 상기 제1 전극탭 및 제2 전극탭 중 적어도 하나의 전극탭 중간에 이차보호소자가 결합되어 있는 리튬 이차 전지를 제공한다.

Description

리튬 이차 전지 {Lithium Rechargeable Battery}

도 1은 종래의 이차전지의 베어셀을 나타내는 부분단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전극탭이 결합된 전극판의 단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체의 사시도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PTC 소자의 단면도.

본 발명은 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬 이차 전지의 전극조립체가 이차보호소자를 포함함으로써 이차보호소자의 작동의 신뢰성을 높여 안전성이 향상된 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선 기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동 전원으로 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 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 제1 전극판, 제2 전극판 및 세퍼레이터로 이루어진 전극조립체를 수용하는 금속제의 캔에 수납하고, 이 캔 내부에 전해액을 주입하여 밀봉하여 베어셀이 형성된다. 이렇게 형성된 베어셀은 통상 상부에 캔과 절연된 전극 단자를 구비하여, 이 전극 단자가 전지의 어느 한 극을 이루게 하고, 타극은 전지 캔 자체가 되도록 한다.

상기와 같이 밀봉된 베어셀의 상부에는 PTC와 같은 이차보호소자 및 보호회로모듈(PCM: Protecting Circuit Module) 등의 안전장치가 연결되어 전지 팩에 수납되거나 수지로 몰딩되어 이차전지를 형성하게 된다. 이때, 이들 이차전지의 안전장치들은 양극과 음극에 각각 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과충방전 등으로 전지의 전압이 급상승할 때에 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지한다.

도 1은 종래의 이차전지의 베어셀을 나타내는 부분 단면도이다.

이차전지의 베어셀(10)은 캔(20)과 전극조립체(22)와 캡조립체(30)를 포함하여 구성된다. 또한 이차전지의 구성에 따라서는 상부에 이차보호소자(40)를 포함한다.

상기 캔(20)은, 도 1을 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 제1 전극판(23), 세퍼레이터(24), 제2 전극판(25)으로 이루어진 전극조립체(22)와 전해액의 용기가 되 고, 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 전극조립체(22)는 제1 전극판(23)과 제2 전극판(24)사이에 세퍼레이터(25)가 게재되면서 권취되어 형성된다. 상기 제1 전극판(23)은 제1 전극탭(26)을 통하여 캡플레이트(31)에 전기적으로 연결되며, 제2 전극판(25)은 제2 전극탭(27)을 통하여 캡플레이트(31)의 전극단자(32)에 전기적으로 연결된다. 따라서 캔(20)은 전극단자(32)와 전기적으로 절연되어 제1 전극단자로서 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.

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 전극단자(32)가 통과할 수 있도록 단자통공이 형성된다. 캡플레이트(31)의 중앙부를 관통하는 전극단자(32) 외측에는 전극단자(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 이차보호소자(40)는 캡플레이트(31)의 상면에 안착되어 전극단자(32)와 보호회로기판(도면에 표시하지 않음) 사이에 연결되며, 이차보호소자(40)로는 정온도계수(Positive Temperature Coefficient: 이하 'PTC'라 함) 소자 또는 써멀퓨즈가 사용된다.

그러나 상기와 같이 구성된 종래 이차전지에 있어서는, 이차보호소자가 캔의 온도변화를 빠르게 감지하여 전류를 차단해야 하는데 캡플레이트의 상부에 장착되어 캔의 내부와 거리가 멀게 되므로 이차보호소자의 온도민감성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 전지 내부에서 단락이나 과충전 등에 의해 전지 온도가 비정상적으로 급격히 상승하는 경우 전지 외부에 설치된 안전 기구만으로는 신속하게 이러한 발열을 억제하기가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 이차보호소자를 전극조립체에 포함시켜 전지 내부의 이상 발열 시 이차보호소자의 작동 신뢰성을 높여 안전성을 향상시킨 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1 전극판과, 제2 전극판과, 상기 전극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터와, 상기 제1 전극판 및 제2 전극판에 각각 결합되는 제1 전극탭 및 제2 전극탭을 포함하는 전극 조립체를 포함하며, 상기 제1 전극탭 및 제2 전극탭 중 적어도 하나의 전극탭 중간에 이차보호소자가 결합되어 있는 리튬 이차 전지를 제공한다.

본 발명에서 상기 이차보호소자는 PTC 소자로 이루어질 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전극탭이 결합된 전극판의 단면도를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전극탭(110)은 그 중간에 이차보호소자(120)가 결합되어 있다. 상기 이차보호소자(120)로서는 주위 온도가 증가함에 따라 저항이 증가하여 전류의 흐름을 조정하는 PTC 소자가 사용될 수 있다. 다만 여기서 이차보호소자의 종류를 한정하는 것은 아니다.

상기 PTC 소자(120)는 PTC 소자층(122)과 상기 PTC 소자층(122)의 상부와 하부에 각각 결합되는 제1 리드 플레이트(123)와 제2 리드 플레이트(124)를 포함하여 이루어진다. 상기 PTC 소자층(122)은 전도성 충전재(filler)와 고분자의 복합체로 형성된다. 상기 전도성 충전재/고분자 복합체의 온도를 증가시키면 고분자 용융온도 부근에서 급격한 열팽창변화에 따른 고분자 복합재료에 존재하는 충전재 입자 사이의 간격이 증가하게 되어 전자의 흐름이 방해를 받아 전기저항이 급격히 증가하게 된다. 상기 전도성 충전재로는 카본블랙이 사용될 수 있으며, 상기 고분자로는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌-비닐아세테이트(EVA)가 사용될 수 있으나 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.

PTC 현상은 고분자 수지의 용융점 부근에서 일어나므로, 고분자 기질을 적절히 선택하여 PTC 소자의 작동 온도를 조절할 수 있다. 리튬 이차 전지에 사용되는 PTC 소자의 유효 작동 온도는 90 내지 150℃의 범위 내인 것이 바람직하다. 여기서 "PTC 소자의 유효 작동 온도"라 함은 PTC 소자가 PTC 특성을 나타내는 온도, 즉 과대전류발생 시 줄(Joule)열 발생에 따라 저항이 급격히 증가하여 전류를 찬단시키는 퓨즈의 기능을 할 수 있는 온도를 의미한다. 리튬 이차 전지의 사용 온도 범위는 통상 방전의 경우 -20 내지 60℃이고, 충전은 0 내지 45℃에서 이루어진다. 그러나, 과충전이나 내부 단락 등에 의해 전지의 내부 온도가 급격히 상승할 수 있으며, 이때 상기 PTC 소자가 작동하도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 전극탭(110)은 상기 PTC 소자(120)를 매개로 하여 결합되는 두 부분(110a, 110b)으로 이루어진다. 상기 전극탭(110)의 제1 부분(110a)은 상기 PTC 소자(120)의 제1 리드 플레이트(123)에 결합되고, 상기 전극탭(110)의 제2 부분(110b)은 상기 PTC 소자(120)의 제2 리드 플레이트(124)에 결합된다. 상기 전극탭(110)의 제1 부분(110a)은 전극판(100)에 연결되고, 상기 전극탭(110)의 제2 부분(110b), 제1 리드 플레이트(123) 및 제2 리드 플레이트(124)는 상기 전극판(100)과 직접 연결되지 않는다. 이를 위해 상기 전극탭(110)의 제2 부분(110b), 제1 리드 플레이트(123) 및 제2 리드 플레이트(124) 중 적어도 하나와 전극판(100) 사이에 절연재(130)가 개재된다. 이와 같이 전극판(100)에 연결되는 전극탭(100)의 제1 부분(110a)을 제외한 나머지 전극탭의 제2 부분(110b), 제1 리드 플레이트(123) 및 제2 리드 플레이트(124)와 전극판(100) 간에 직접적인 연결이 없어야만, 전류가 전극판(100)에서 전극탭(100)의 제1 부분(100a)으로 흘러가 PTC 소자(120)를 경유하여 전극탭(100)의 제2 부분(100b)으로 순차적으로 흐르게 된다. 따라서 전지 내부의 이상 발열시 PTC 소자(120)에 의해 전극판 내 전류 흐름이 차단될 수 있다.

이와 같이 전극탭(110)의 중간에 PTC 소자(120)가 결합되어 있으면 전지 내부의 온도 변화가 보다 빠르게 PTC 소자(120)에 의해 감지될 수 있으며, PTC 소자(120)가 보다 빠르게 리튬 이차 전지의 온도 변화에 대응하여 전류의 흐름을 차단하게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극조립체의 사시도를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 전극조립체(200)는 제1 전극판(210)과, 제2 전극판(250) 및 세퍼레이터(240)를 포함한다. 상기 제1 전극판(210)과 제2 전극판(250)은 상기 세퍼레이터(240)를 개재하여 적층된 후 젤리-롤(jelly-roll) 형태로 권취될 수 있다. 상기 제1 전극판(210)의 적어도 일면에는 제1 전극 활물질층(213)이 형성되어 있으며, 상기 전극 활물질이 도포되지는 않은 제1 전극판(210)의 무지부(uncoated area)에 제1 전극탭(215)이 연결되어 있다. 상기 제2 전극판(250)의 적어도 일면에는 제2 전극 활물질층(253)이 형성되어 있으며, 상기 전극 활물질이 도포되지 않은 제2 전극판(250)의 무지부에 제2 전극탭(255)이 연결되어 있다.

상기 제1 전극탭(215) 및 상기 제2 전극탭(255)은 점용접(spot welding), 레이저용접, 초음파용접과 같은 용접이나, 도전성 접착제에 의하여 각각 상기 제1 전극판(210) 및 제2 전극판(250)에 통전 가능하도록 연결되어 있다. 상기 도전성 접착제로는 접착력이 우수한 에폭시수지, 아크릴수지, 변성 우레탄수지 등의 합성수지와 합성고무에 도전성이 우수한 은, 니켈 등의 금속가루와 카본을 균일하게 혼합 분산시킨 도전성 페이스트가 사용될 수 있다. 상기 제1 전극탭(215) 및 상기 제2 전극탭(255)은 니켈 또는 니켈 합금과 같은 금속재로 이루어지지만, 여기에 한정되 는 것은 아니다.

상기 제1 전극판(210) 및 제2 전극판(250)은 각각 음극판 및 양극판으로 형성될 수 있으며, 반대로 형성될 수도 있다. 음극판으로는 스테인레스강, 니켈, 구리, 티탄 또는 이들의 합금, 구리 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 통상 구리 또는 구리 합금이 사용된다. 양극판으로는 스테인레스강, 니켈, 알루미늄, 티탄 또는 이들의 합금, 알루미늄 또는 스테인레스강의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은을 표면 처리시킨 것 등을 사용할 수 있고, 이들 중 통상 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용된다. 상기 제1 전극판(210) 및 제2 전극판(250) 형태로는 호일, 필름, 시트, 펀칭된 것, 다공질체, 발포체 등을 들 수 있다.

전극 활물질층(213, 253)은 리튬 이온을 가역적으로 삽입 및 탈리할 수 있는 전극 활물질, 바인더, 도전제 등을 용매에 분산시켜 전극 활물질 슬러리를 제조하고 이를 전극판(210, 250)의 적어도 일면에 도포한 후, 건조 및 압연하여 형성한다.

상기 세퍼레이터(240)는 상기 제1 전극판(210) 및 제2 전극판(250) 사이의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동통로를 제공하는 것으로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀계 고분자막 또는 이들의 다중막, 미세다공성 필름, 직포 및 부직포 등을 사용할 수 있다.

상기 제1 전극탭(215)의 중간에 이차보호소자로서 PTC 소자(220)가 결합되어 있다. 상기 PTC 소자(220)는 PTC 소자층(222)과 상기 PTC 소자층(222)의 상부와 하 부에 각각 결합되는 제1 리드 플레이트(223)와 제2 리드 플레이트(224)를 포함하여 이루어진다. 상기 제1 리드 플레이트(223)와 상기 제2 리드 플레이트(224)는 금속재로 이루어진다. 바람직하게는 상기 제1 전극탭(215)과 상기 리드 플레이트들(223, 224)을 동일한 금속재로 형성하면, 용접이 용이하게 된다. 상기 제1 리드 플레이트(223)는 상기 제1 전극탭(215)의 제1 부분(215a)에 연결되고, 상기 제2 리드 플레이트(224)는 상기 제1 전극탭(215)의 제2 부분(215b)에 연결된다. 상기 제1 전극탭(215)의 제1 부분(215a)은 상기 제1 전극판(210)에 연결된다. 상기 제1 전극탭(215)의 제2 부분(215b)과 상기 제1 전극판(210) 사이 및 상기 PTC 소자(220)의 제2 리드 플레이트(224)와 상기 제1 전극판(210) 사이는 절연재(230)에 의해 전기적으로 절연된다. 전지 내부의 온도가 소정 온도 이상으로 급격히 상승하면, 상기 PTC 소자(220)가 전지의 이상 발열을 감지하고 극판의 전류 흐름을 차단하여 이차 전지를 보호하게 된다.

상기 실시예에서는 PTC 소자(220)가 제1 전극탭(215)의 중간에만 결합되어 있지만, 제2 전극탭(255)의 중간에 결합할 수도 있으며, 또한 제1 전극탭(215) 및 제2 전극탭(255) 모두에 설치될 수도 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PTC 소자의 단면도를 나타낸다.

도 4를 참조하면, PTC 소자(320)는 PTC 소자층(322)과, 상기 PTC 소자층(322)의 상하면에 각각 결합된 제1 리드 플레이트(323)와 제2 리드 플레이트(32), 및 수지 몰드(325)를 포함하여 이루어진다. 상기 PTC 소자층(322)은 상기 수지 몰드(325) 안에 위치하고, 상기 제1 리드 플레이트(323)와 제2 리드 플레이트(324)가 상기 수지 몰드(325)로부터 바깥으로 돌출되어 있다. 상기 수지 몰드(325)는 내전해액성을 가지는 수지로 형성된다. 상기 PTC 소자층(322)은 카본블랙과 같은 전도성 충전재와 고분자 수지와의 혼합물로 이루어지는데, 상기 PTC 소자(320)가 전극탭의 중간에 결합되어 리튬 이차 전지의 케이스 안에 수납되는 경우, 상기 PTC 소자층(322)을 이루는 고분자 수지의 종류에 따라 전해액과 반응하는 경우가 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 상기 PTC 소자층(322)이 상기 수지 몰드(325)로 둘러싸여져 전해액과의 접촉이 차단된다.

본 발명은 전극조립체가 이차보호소자를 포함함으로써 이차보호소자가 리튬 이차 전지의 이상 발열시 보다 신속하게 전류를 차단함으로써 리튬 이차 전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 제1 전극판과, 제2 전극판과, 상기 전극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터와, 상기 제1 전극판 및 제2 전극판에 각각 결합되는 제1 전극탭 및 제2 전극탭을 포함하는 전극조립체를 포함하며,

   상기 제1 전극탭 및 제2 전극탭 중 적어도 하나의 전극탭 중간에 이차보호소자가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 이차보호소자는 PTC 소자인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 PTC 소자는 PTC 소자층과 상기 PTC 소자층의 상하부에 각각 결합된 제1 리드 플레이트와 제2 리드 플레이트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
4. 제 3 항에 있어서, PTC 소자가 결합된 전극탭은 PTC 소자를 매개로 하여 결합되는 두 부분으로 이루어지고, 상기 전극탭의 제1 부분은 상기 제1 리드 플레이트와 결합하고, 상기 전극탭의 제2 부분은 상기 제2 리드 플레이트와 결합하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
5. 제 4 항에 있어서, PTC 소자가 결합된 전극탭의 두 부분 중 제1 부분이 전극판에 연결되며, 상기 전극탭의 제2 부분, 제1 리드 플레이트 및 제2 리드 플레이트는 상기 전극판과 직접 연결되지 않는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 전극탭의 제2 부분, 제1 리드 플레이트 및 제2 리드 플레이트 중 적어도 하나와 상기 전극판과의 사이에 절연재가 개재되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 PTC 소자층은 수지 몰드 안에 위치하고, 상기 제1 리드 플레이트와 제2 리드 플레이트는 상기 수지 몰드로부터 바깥으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
8. 제 3 항에 있어서, 상기 PTC 소자층은 전도성 충전재와 고분자의 복합재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 전도성 충전재는 카본블랙인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 고분자는 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-비닐아세테이트 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.
11. 제 2 항에 있어서, 상기 PTC 소자의 유효 작동 온도는 90 내지 150℃ 범위 내인 것을 특징으로 하는 리튬 이차 전지.

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