KR20070056492A - 바이메탈 기반 안전부재를 포함하고 있는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이메탈 기반의 안전부재를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수지층과 금속층을 포함하는 시트형 전지케이스 내부에 양극/분리막/음극의 전극조립체를 내장한 상태에서 밀봉한 이차전지에 있어서, 두 개의 바이메탈로 이루어져 있고, 각각의 바이메탈들은 열팽창율이 상대적으로 작은 금속들이 서로 대면하도록 접촉되어 있으며, 상기 바이메탈들의 양단부가 접합되어 있는 구조의 안전부재가 전지케이스 외주면의 실링부에 장착되어 있는 이차전지를 제공하는 바, 이러한 이차전지는 전지의 비정상적인 작동으로 셀의 온도가 상승할 때 상기 안전부재가 벌어짐으로써, 온도 상승시 유발되는 내압 증가를 해소하는 것으로 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

바이메탈 기반 안전부재를 포함하고 있는 이차전지 {Secondary Battery Containing Safety Member of Bimetal Base}

도 1은 한 쌍의 바이메탈로 구성된 안전부재가 장착되어 있는 이차전지의 모식도이다;

도 2a는 도 1에서 안전부재가 장착되어 있는 상단 실링부의 측면 확대도이다;

도 2b는 도 2a의 한 쌍의 바이메탈 접촉면이 소정의 온도 이상에서 벌어진 상태의 모식도이다.

<도면의 주요부호에 대한 설명>

100: 이차전지 11: 실링부

30: 안전부재 31, 32: 바이메탈

본 발명은 바이메탈 기반의 안전부재를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수지층과 금속층을 포함하는 시트형 전지케이스 내부에 양극/분리막/음극의 전극조립체를 내장한 상태에서 밀봉한 이차전지에 있어서, 두 개의 바이메탈로 이루어져 있고, 각각의 바이메탈들은 열팽창율이 상대적으로 작은 금속들이 서로 대면하도록 접촉되어 있으며, 상기 바이메탈들의 양단부가 접합되어 있는 구조의 안전부재가 전지케이스 외주면의 실링부에 장착되어 있는 이차전지를 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이러한 리튬 이차전지는 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다. 리튬이온 전지는 양극/분리막/음극을 리튬 전해액 용액에 함침시킨 구조의 전지이고, 리튬 폴리머 전지는 전해질로서 고체 전해질을 사용하여 분리막의 역할을 병행하는 구조의 전지이다. 리튬이온 폴리머 전지는 리튬이온 전지와 리튬 폴리머 전지의 중간 단계의 전지로서 양극 및 음극을 분리막에 결합시키고 그러한 분위에 리튬 전해액이 함침되도록 하는 구조의 전지이다.

이러한 리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되기 도한다. 원통형 전지와 각형 전지는 금속의 캔에 전 극조립체를 장착한 구조의 전지이며, 파우치형 전지는 예를 들어 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 장착한 구조의 전지이다.

일반적으로 리튬 이차전지에 사용되는 재료들(예를 들어 양, 음극 활물질, 바인더, 전해액, 집전체 등)은 전지가 작동하는 전압(2.5V ~ 4.3V)에서 전기화학적으로 안정하다. 그러나, 전지가 이 작동전압 이상의 전압으로 상승하게 되면 구성 재료들이 각각의 분해 전압에서 분해되면서 가스를 발생시킨다. 이렇게 발생되는 가스는 리튬 이차전지 내의 압력을 증가시키고, 그 결과, 전압이 계속 상승하게 되며, 이때 미세하게 단락된 부분이 있거나 음극의 표면에 전착된 리튬 금속이 세퍼레이트를 뚫고 양극과 만나게 되는 경우에는 이 부분으로 대량의 전류가 흐르며 열과 가스의 발생을 촉진시킨다. 그러한 열과 가스는 전지의 취약한 부분을 통해 외부로 방출되며, 결국에는 전지가 발화하거나 폭발하게 된다.

따라서, 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 특히, 발생되는 가스에 대한 안전성을 확보하기 위하여, 일반적으로 전지의 외장재 사이에 특정온도 이상에서 녹는 폴리머 소재를 삽입하여 전지 내압이 상승할 경우, 상기 폴리머 소재의 안전장치가 녹아 내부의 가스를 전지 외부로 방출하는 방법을 사용한다. 하지만, 상기의 방법은 폴리머가 녹는점에서 액상으로 변하여 전지의 외장재 사이에 끼어 있어 가스의 방출시기를 정확하게 판단할 수 없다는 문제점을 가지고 있으며, 외장재 사이를 열압착하여 제조하는 과정에서 폴리머 안전장치의 두께를 조절하기 쉽지 않다는 단점을 가지고 있다.

안전장치의 일환으로서 한국 특허출원공개 제2003-33594호, 한국 특허출원공 개 제2005-74197호 등에는 각형 전지에서 탑 캡 구조물에 안전장치로서 바이메탈을 설치하여 전지의 이상 발생시 전류를 차단하게 하거나 보호회로에서 작동을 제어하도록 구성되어 있는 기술이 개시되어 있다. 또한, 일본특허등록 제371936호에는 바이메탈을 포함하는 일종의 과전류 방지 소자를 원통형 또는 각형 전지에 장착하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이들 선행기술에서의 바이메탈은 주로 전지의 온도 변화에 따라 전류의 차단 내지 제어를 목적으로 사용되고 있으며, 원통형 또는 각형 전지에서의 사용으로 한정되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 한 쌍의 바이메탈들이 서로 대면하도록 구성되어 있는 안전부재를 파우치형 전지의 실링부에 장착하였을 경우, 전지의 비정상적인 작동으로 셀의 온도가 올라갈 때 상기 안전부재가 벌어짐으로써, 온도 상승시 유발되는 내압 증가를 해소하는 것으로 전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 한 쌍의 바이메탈로 구성된 안전부재가 장착되어 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 시트형 전지케이스 내부에 양극/분리막/음극의 전극조립체를 내장한 상태에서 밀봉한 이차전지로서, 두 개의 바이메탈로 이루어져 있고, 각각의 바이메탈들은 열팽창율이 상대적으로 작은 금속들이 서로 대면하도록 접촉되어 있으며, 상기 바이메탈들의 양단부가 접합되어 있는 구조의 안전부재가 전지케이스 외주면의 실링부에 장착되어 있는 것으로 구성되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지는 비정상적인 작동으로 전지의 온도가 상승할 때 상기 안전부재의 두 바이메탈이 서로 대칭적으로 팽창하면서 벌어져서 그 공간을 통해 전지 내부의 가압 가스가 배출되어 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.

상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 바람직하게는 파우치형의 알루미늄 라미네이트 시트일 수 있다. 이러한 구조의 전지케이스는 일반적으로 파우치형 전지의 제조에 사용되며, 상부 시트와 하부 시트의 적어도 한쪽에 형성되어 있는 만입부에 전극조립체를 내장한 상태에서 두 시트를 열융착시키면 외주면에 실링부가 형성되면서 밀봉되어 전지가 제조될 수 있다.

따라서, 본 발명에서 상기 "실링부"는 전지케이스를 열융착하여 밀봉함에 있어서, 밀봉할 수 있도록 전지케이스 외주면을 따라 소정의 너비를 가지고 전지케이스의 상부 시트와 하부 시트가 접하여 있는 부위 중, 열융착되는 부위를 의미한다.

상기 안전부재는 동일한 소재의 두 바이메탈들로 구성되어 있으며, 상기 두 바이메탈들은 각각 열팽창율이 서로 다른 금속으로 구성되어 있다.

안전부재는 상기 두 바이메탈들에서 열팽창율이 상대적으로 작은 금속들이 서로 대면하고 있고 열팽창율이 상대적으로 큰 금속들이 전지케이스의 상부 시트와 하부 시트와 각각 대면하고 있어서, 열팽창의 차이가 발생하는 온도에 도달하였을 때, 상기 두 바이메탈들이 상대적으로 큰 열팽창율을 가진 금속 쪽으로 휘어지면서 접촉면이 벌어진다. 상기 안전부재에서 열팽창의 차이가 발생하여 접촉면이 벌어지는 온도는 전지의 구성에 따라 달라질 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서 90 내지 130℃일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 안전부재의 바이메탈은 열팽창율이 작은 금속으로 니켈/철의 합금을 사용하고, 열팽창율이 큰 금속으로 구리/아연의 합금, 니켈/망간/철의 합금, 니켈/몰리브덴/철의 합금, 및 망간/니켈/구리의 합금에서 선택되는 하나의 합금을 사용할 수 있다.

안전부재를 구성하는 두 바이메탈의 소재는 서로 다른 수도 있고 같을 수 있다. 바람직하게는 상호 동일하게 팽창될 수 있도록 동일한 소재로 이루어져 있다.

상기 바이메탈들은 상기 전지케이스의 상부 시트와 하부 시트 사이에 개재하여 열융착 시 영향을 미치지 않고 상기 전지케이스 시트를 함께 휠 수 있을 정도의 강성을 가질 수 있도록, 전체 두께가 0.1 내지 1인 것이 바람직하다.

상기 바이메탈의 양단부 접합부는 전지케이스와의 접촉면에 이격홈이 발생하지 않도록 바깥쪽을 향해 그것의 상하면이 테이퍼된 구조(경사면 구조)로 되어 있는 것으로, 상기 접합부의 일단부가 각각 모서리를 형성하여 두께를 가지지 않는 것이 바람직하다.

상기 안전부재는 이러한 열융착 과정에서 두 시트 사이에 개재되어 실링부 상에 장착되게 된다. 즉, 상기 안전부재는 전지케이스의 실링부의 상부 시트와 하부 시트 사이에 위치하게 되고, 그 중에서도 상단 실링부에서 전극단자들 사이에 장착되는 것이 바람직하다.

실링부에 대한 안전부재의 장착 형태는 다양할 수 있으며, 바람직하게는 안전부재가 장착된 상태에서 실링부의 밀봉성을 높이기 위하여, 안전부재의 상단 및 하단이 모두 실링부의 내면에 위치할 수 있도록, 안전부재의 상하 길이는 실링부의 폭보다 작은 것이 바람직하다. 이러한 구조에서, 안전부재는 그것의 상단이 상기 실링부의 상단 안쪽에 위치하고 하단이 실링부의 하단 안쪽에 위치하여 전지의 내부 및 외부로 노출되지 않으며, 상기 안전부재가 내부의 가스를 배출할 수 있도록 벌어질 때, 상기 안전부재가 장착되어 있는 실링부의 상부 시트와 하부 시트가 상기 안전부재에 의해 완전하게 벌어질 수 있다.

상기 안전부재의 바람직한 위치는 특별히 제한되는 것은 아니며, 하나의 바람직한 예에서, 안전부재는 전극단자들이 돌출되어 있는 실링부 상에 장착되고, 더욱 바람직하게는 그러한 실링부에서 전극단자들 사이에 장착될 수 있다. 다만, 안전부재가 전지의 전기적 연결에 영향을 미치지 않도록, 상기 두 전극단자들과 접촉되지 않게 장착하는 것이 필요하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 한 쌍의 바이메탈로 구성된 안전부재가 장착되어 있는 이차전지가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 이차전지(100)는 수지층과 금속층의 시트형 전지케이스 내부에 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 밀봉하는 것으로 구성되어 있다. 밀봉을 위해 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 전지케이스를 열융착시키면, 양측면과 상단에 각각 실링부(10, 11)가 형성되며, 그 중 측면 실링부(10)는 수직으로 상향 절곡하여 본체 쪽에 밀착시킨다. 안전부재(30)는 그 중 상단 실링부(11) 상에 장착되어 있다.

구체적으로, 안전부재(30)는 전극조립체(20)로부터 돌출된 양극 리드(21) 및 음극 리드(22) 사이에서 전극 리드들(21, 22)과 접촉되지 않는 상태로 장착되어 있으며, 그것의 상단과 하단이 모두 상기 상단 실링부(11) 내부에 위치하도록 실링부(11)의 폭보다 작은 상하 길이를 가진다. 따라서, 안전부재(11)는 전지의 전기적 연결에 영향을 미치지 않으며, 그것의 내부에서 발생되는 가압 가스를 전지 외부로 배출할 수 있도록 상단 실링부(11)를 완전히 벌리는 역할을 한다.

전극 리드들(21, 22)은 전지케이스와의 접촉부위에서 밀봉성을 높이고 쇼트를 방지하기 위하여, 절연시트(40)가 개재된 상태에서 전지케이스에 밀착되어 있다. 따라서, 안전부재(30)를 전지케이스의 시트들 사이에 위치시킨 상태에서 시트에 열과 압력을 가하여 열융착을 행하면, 상단 실링부(11) 중 시트들이 서로 직접 접하는 부위는 상호 열융착부(12: 빗금친 부위)를 형성하고, 나머지 부위는 절연시트(40)와 안전부재(30) 상에 열융착되어 전지의 밀봉을 이루게 된다.

도 2a에는 한 쌍의 바이메탈들로 구성된 안전부재가 장착되어 있는 상단 실링부의 측면 확대도가 도시되어 있고, 도 2b에는 소정의 온도 이상에서 상기 두 바이메탈들의 접촉면이 벌어진 상태의 모식도가 도시되어 있다.

우선 도 2a를 참조하면, 안전부재(30)는 상단 실링부(11)의 상부 시트(11a)와 하부 시트(11b) 사이에 개재되어 있으며, 한 쌍의 바이메탈들(31, 32)로 구성되어 있다.

바이메탈들(31, 32)은 열팽창율이 상대적으로 적은 금속층들(31b, 32b)이 서로 대면하고 열팽창율이 상대적으로 큰 금속층들(31a, 32a)이 각각 상부 시트(11a) 및 하부 시트(11b)와 대면하며, 양단부가 접합되어 있는 구조로 이루어져 있다.

바이메탈들(31, 32)의 양단부 접합부(33)는 상부 시트(11a) 및 하부 시트(11b)와의 접촉면에 이격홈이 발생하지 않도록 바깥쪽을 향해 그것의 상하면이 경사면 구조로 되어 있다.

이와 같은 안전부재(30)의 두 바이메탈들(31, 32)은 소정의 온도 이상에서 도 2b와 같이 그것들(31, 32)의 접촉면(31c, 32c)이 벌어지면서 전지 내부에서 발생되는 가스를 외부로 배출한다.

두 바이메탈들(31, 32)은 상기 바이메탈들(31, 32)을 구성하는 각각의 금속층들(31a, 31b; 32a, 32b)의 열팽창이 서로 달라지기 시작한 온도에서 열팽창율이 상대적으로 큰 금속층(31a, 32a)방향으로 각각 휘어진다.

이상 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응 용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 비정상적인 작동으로 셀의 온도가 상승할 때 상기 안전부재가 벌어짐으로써, 온도 상승시 유발되는 내압 증가를 해소하는 것으로 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 수지층과 금속층을 포함하는 시트형 전지케이스 내부에 양극/분리막/음극의 전극조립체를 내장한 상태에서 밀봉한 이차전지로서, 두 개의 바이메탈로 이루어져 있고, 각각의 바이메탈들은 열팽창율이 상대적으로 작은 금속들이 서로 대면하도록 접촉되어 있으며, 상기 바이메탈들의 양단부가 접합되어 있는 구조의 안전부재가 전지케이스 외주면의 실링부에 장착되어 있는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층의 파우치형 라미네이트 시트로서, 상기 안전부재를 상부 시트와 하부 시트 사이에 개재한 상태에서 열융착시켜 밀봉하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 안전부재는 전지케이스의 상단 실링부에 장착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 안전부재는 상단 실링부의 전극단자들 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 안전부재는 그것의 상단 및 하단이 실링부의 내면에 위치하도록 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 안전부재는 동일한 소재의 두 바이메탈들로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 안전부재는 90 내지 130℃의 온도에서 열팽창의 차이가 발생하여 상기 접촉면이 벌어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 1 항에 있어서, 안전부재의 바이메탈에서, 상기 열팽창율이 작은 금속은 니켈/철의 합금으로 이루어져 있고, 상기 열팽창율이 큰 금속은 구리/아연의 합금, 니켈/망간/철의 합금, 니켈/몰리브덴/철의 합금, 및 망간/니켈//리의 합금에서 선택되는 금속으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 바이메탈들의 총 두께는 0.1 내지 1인 것을 특징으로 하는 이차전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 바이메탈의 양단부 접합부는 전지케이스와의 접촉면에 이격홈이 발생하지 않도록 바깥쪽을 향해 그것의 상하면이 테이퍼된 구조(경사면 구조)로 되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.

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