KR20070076171A - 원통형 리튬 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원통형 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이메탈 구조에 의해 전류차단수단(CID)를 작동시켜 보다 정확한 시기에 전류를 끊음과 동시에 전류차단수단의 상부에는 안전밴트를 구비하여 전지 내부의 가스를 방출시킴으로써 전지의 발화, 폭발을 방지할 수 있는 안전성이 향상된 원통형 리튬 이차전지에 관한 것이다.
원통형 리튬 이차전지, 바이메탈, 전류차단수단, 안전밴트, 안전성
Description
도 1은 일반적인 리튬 이차전지의 수직 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 수직 단면도
도 3은 도 2 중 캡조립체의 분리 사시도
도 4a는 도 3 중 바이메탈부의 평면도
도 4b는 도 4a의 A-A 단면도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지의 수직 단면도
도 6은 도 5 중 캡조립체의 분리 사시도
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
200, 300 - 리튬 이차전지 205, 305 - 전극조립체
240, 340 - 캔 261, 361 - 바이메탈부
261a - 제 1금속층 261b - 제 2금속층
262, 362 - 외곽링 264, 364 - 제 1바
266, 366 - 제 2바 272, 372 - 전류차단수단
273, 373 - 안전밴트 275, 375 - 캡업
280, 380 - 캡조립체
본 발명은 원통형 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이메탈 구조에 의해 전류차단수단(CID)를 작동시켜 보다 정확한 시기에 전류를 끊음과 동시에 전류차단수단의 상부에는 안전밴트를 구비하여 전지 내부의 가스를 방출시킴으로써 전지의 발화, 폭발을 방지할 수 있는 안전성이 향상된 원통형 리튬 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선기기의 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 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 원통형 리튬 이차전지의 수직 단면도를 나타낸다.
원통형 리튬 이차전지(100)는, 도 1을 참조하면, 전극조립체(105)와, 상기 전극조립체(105)와 전해액을 수용하는 원통형 캔(140)과, 상기 원통형 캔(140) 상부에 조립되어 상기 원통형 캔(140)을 밀봉하며 상기 전극조립체(105)에서 발생되는 전류를 외부 장치로 흐르게 하는 캡조립체(160)를 포함하여 형성된다.
상기 전극조립체(105)는 양극집전체의 표면에 양극활물질층이 코팅된 양극판 (110)과 음극집전체의 표면에 음극활물질층이 코팅된 음극판(120)과 상기 양극판(110) 및 음극판(120) 사이에 위치하여 상기 양극판(110)과 음극판(120)을 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터(130)가 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다. 상기 양극판(110)은, 도면에는 상세히 도시되지 않았지만, 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면, 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극집전체와, 그 양면에 코팅된 양극활물질층을 포함하고 있다. 상기 양극판(110)의 양 말단에는 양극활물질층이 형성되지 않은 양극집전체 영역, 즉, 양극무지부가 형성된다. 상기 양극무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되며, 전극조립체(105)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극 탭(115)이 접합되어 있다. 또한, 상기 음극판(125)은 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극집전체와, 그 양면에 코팅된 음극활물질층을 포함하고 있다. 상기 음극판(125)의 양 말단은 음극활물질층이 형성되지 않은 음극집전체 영역, 즉 음극무지부가 형성된다. 상기 음극무지부의 일단에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 형성되며, 전극조립체(105)의 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(125)이 접합되어 있다. 더불어 상기 전극조립체(105)의 상부 및 하부에는 각각 캡조립체(160) 또는 원통형 캔(140)과의 접촉을 방지하기 위한 절연 플레이트(132, 134)가 더 포함되어 형성될 수 있다.
상기 원통형 캔(140)은 상기 원통형 전극조립체(105)가 수용될 수 있는 소정 공간이 형성되도록 일정 직경을 갖는 원통형 측면판(141)과 상기 원통형 측면판(141)의 하부를 밀폐하는 하면판(142)을 포함하여 형성되며, 상기 원통형 측면판(141)의 상부는 상기 전극조립체(105)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 상 기 원통형 캔(140)의 하면판(142) 중앙에 상기 전극조립체(105)의 음극 탭(125)이 접합됨으로써, 상기 원통형 캔(140) 자체는 음극 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 원통형 캔(140)은 일반적으로 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다. 더불어 상기 원통형 캔(140)은 상부의 개구에 결합되는 상기 캡조립체(160)의 상부를 압박하도록 상단에서 내부로 휘어진 크리핑(clipping)부(143)가 형성된다. 또한, 상기 원통형 캔(140)은 상기 크리핑부(143)로부터 하방으로 상기 캡조립체의 두께에 대응되는 거리만큼 이격된 위치에 상기 캡조립체(160)의 하부를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부(144)가 더 형성되어 있다.
상기 캡조립체(180)는 안전밴트(161), 전류차단수단(172)과 이차보호소자 (173)및 캡업(174)을 포함하여 형성된다. 상기 안전밴트(161)는 판상으로 중앙에 하부로 돌출되는 돌출부가 형성되어 상기 캡조립체(180)의 하부에 위치하며, 이차전지의 내부에서 발생한 압력에 의하여 돌출부가 상부 방향으로 변형하게 된다. 상기 안전밴트(161)의 하면 소정위치에는 전극조립체(105)의 양극판(110) 및 음극판(120) 중에서 한 전극판 예를 들어, 양극판(110)에서 인출한 양극탭(115)이 용접되어 상기 안전밴트(161)와 전극조립체(105)의 양극판(110)이 전기적으로 연결된다. 여기서 양극판(110) 및 음극판(120) 중 나머지 전극판, 예를 들어 음극은 도시하지 않은 탭 혹은 직접 접촉 방식에 의해 캔(140)과 전기적으로 연결된다. 상기 안전 밴트(161)는 캔(140) 내부의 압력 상승시 변형되거나 파열되어 상기 전류차단수단(172)을 파손시키는 역할을 한다.
통상적으로 원통형 리튬 이차전지에서 전류차단수단(CID;Current Interrupt Device)은 안전밴트의 변형, 파손에 의해 작동된다. 즉, 전지의 내부 압력의 증가로 인해 안전밴트의 돌출부가 캡조립체 방향, 즉 전지의 상부방향으로 변형, 파손되면 안전밴트의 상부에 위치한 전류차단수단이 파손된다. 전류차단수단이 파손되면 전류차단수단에 형성된 도전성 패턴이 끊어져서 전류가 차단됨으로써 전지의 발화, 폭발을 방지하게 된다. 이렇게 전지 내부의 압력을 이용하여 전류차단수단이 작동되는 방식은 전지 내부 압력의 산포가 커서 정확한 시기에 작동되기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 이러한 방식은 전해액에 포함된 가스화물질 및 양극활물질의 합성 후 남아있는 탄산리튬(LiCO3)의 양에 따라 작동시기가 달라진다는 문제점이 있다. 한편, 전지 내부에 발생한 가스는 전류가 차단된 후에도 잔존하여 전지의 폭발, 발화를 야기할 수 있으므로, 외부로 배출시킬 필요성이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 바이메탈 구조에 의해 전류차단수단(CID)를 작동시켜 보다 정확한 시기에 전류를 끊음과 동시에 전류차단수단의 상부에는 안전밴트를 구비하여 전지 내부의 가스를 방출시킴으로써 전지의 발화, 폭발을 방지할 수 있는 안전성이 향상된 원통형 리튬 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 일 측면의 원통형 리튬 이차전지는 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 전류차단수단 (CID)과 안전밴트를 구비하며 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체 및 상기 캔과 상기 캡조립체를 절연시키는 개스킷을 포함하여 이루어지는 원통형 리튬 이차전지에 있어서, 상기 전류차단수단의 하부에는 바이메탈부가 위치하며, 상기 전류차단수단의 상부에는 상기 안전밴트가 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바이메탈부는 외곽을 지지하는 외곽링과, 상기 외곽링에 일측이 연결되며 서로 소정거리 이격된 제 1바와 제 2바를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전류차단수단은 표면에 도전성 패턴이 형성된 크로스바(cross bar)를 포함하여 형성되며, 상기 제 1바와 상기 제 2바는 상기 크로스바와 동일 수직면상에 위치하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전극조립체는 제 1전극탭과 제 2전극탭을 구비하며, 상기 제 1전극탭은 상기 바이메탈부와 상기 개스킷 사이에 고정될 수 있다. 이 때, 상기 제 1전극탭은 양극탭이며, 상기 제 2전극탭은 음극탭일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 원통형 리튬 이차전지는 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 전류차단수단(CID)과 안전밴트를 구비하며 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체를 포함하여 이루어지는 원통형 리튬 이차전지에 있어서, 상기 전류차단수단의 상부에는 바이메탈부가 위치하며, 상기 바이메탈부의 상부에는 상기 안전밴트가 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바이메탈부는 외곽을 지지하는 외곽링과, 상기 외곽링에 일측이 연결되며 서로 소정거리 이격된 제 1바와 제 2바를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전류차단수단은 표면에 도전성 패턴이 형성된 크로스바(cross bar)를 포함하여 형성되며, 상기 제 1바와 상기 제 2바는 상기 크로스바와 동일 수직면상에 위치하도록 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 수직 단면도를 나타낸다. 도 3은 도 2 중 캡조립체의 분리 사시도를 나타낸다. 도 4a는 도 3 중 바이메탈부의 평면도를 나타내며, 도 4b는 도 4a의 A-A 단면도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는, 도 2를 참조하면, 전극조립체(205)와 캔(240)과 캡조립체(280)를 포함하여 형성된다. 이 때, 상기 캡조립체(205)는 바이메탈부(261)와 안전밴트(273)을 포함하여 형성된다. 또한, 상기 리튬 이차전지(200)는 원통형으로 형성된다.
상기 전극조립체(205)는 양극판(210), 음극판(220), 세퍼레이터(230)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 전극조립체(205)는 양극탭(215), 음극탭(225)을 포함하여 형성된다.
상기 양극판(210)은 양극집전체, 양극활물질층 및 양극무지부를 구비한다. 상기 양극집전체는 양극활물질층으로부터 전자를 모아서 외부회로로 이동시킬 수 있도록 도전성있는 금속재질로 형성된다. 상기 양극활물질층은 양극활물질과 도전재 및 바인더를 혼합하여 제조되며, 상기 양극집전체 상에 소정의 두께로 코팅되어 형성된다. 상기 양극무지부는 양극집전체 중 양극활물질층이 형성되지 않은 부분이다. 상기 양극무지부의 일측에는 상기 양극탭(215)이 용접된다.
상기 음극판(220)은 음극집전체, 음극활물질층 및 음극무지부를 구비한다. 상기 음극집전체는 음극활물질층으로부터 전자를 모아서 외부회로로 이동시킬 수 있도록 도전성있는 금속재질로 형성된다. 상기 음극활물질층은 음극활물질과 도전재 및 바인더를 혼합하여 제조되며, 상기 음극집전체 상에 소정의 두께로 코팅되어 형성된다. 상기 음극무지부는 음극집전체 중 음극활물질층이 형성되지 않은 부분으로, 상기 음극무지부의 일측에는 상기 음극탭(225)이 용접된다.
상기 양극탭(215)과 음극탭(225)은 각각 양극무지부와 음극무지부에 용접되어 전극조립체(205)와 전지의 다른 부분을 전기적으로 연결하는 역할을 하게 된다. 상기 양극탭(215)과 음극탭(225)은 저항용접에 의해 용접되며, 용접부위에는 쇼트와 발열을 방지하기 위해 라미네이션 테이프가 부착될 수 있다. 여기서, 상기 양극탭(215)과 음극탭(225)의 용접 방식을 한정하는 것은 아니다.
상기 세퍼레이터(230)는 상기 양극판(210)과 음극판(220) 사이에 개재되며 상기 전극조립체(205)의 외주면을 둘러 싸도록 연장되어 형성될 수도 있다. 상기 세퍼레이터(230)는 상기 양극판(210)과 음극판(220)의 단락을 방지하며, 리튬 이온을 통과시킬 수 있도록 다공막 고분자물질로 형성된다.
상기 캔(240)은 측면판(241), 하면판(242)을 포함하여 원통형으로 형성된다. 또한, 상기 측면판(241)은 대략 서로 동심원을 이루는 외주면과 내주면을 구비하며, 상기 하면판(242)은 대략 서로 평행한 전면과 후면을 구비한다. 상기 캔(240) 의 상단은 개구되어 상단개구부를 이루고 있으며, 상기 상단개구부를 통해 전극조립체(205)가 삽입되고, 전해액이 주입된다. 상기 캔(240)의 하면판(242)과 상기 전극조립체(205) 사이에는 캔(240)과 전극조립체(205)의 절연을 위해 하절연판(232)이 삽입될 수 있다. 상기 캔(240)의 상부는 전극조립체(205)의 삽입 후 상기 전극조립체(205)가 캔(240) 내부에서 유동하는 것을 방지하고, 캡조립체(280)의 안착을 위해 비딩부(244)가 형성되며, 캡조립체(280)의 삽입 후 전지의 밀폐를 위해 크리핑부(243)가 형성된다. 상기 전극조립체(205)의 상단과 캡조립체(280) 사이에는 전극조립체(205)와 캡조립체(280) 사이의 절연을 위해 상절연판(234)이 삽입될 수 있다. 상기 캔(240)은 가볍고 연성이 우수한 알루미늄 또는 그 합금 재질로 형성되며, 여기서 상기 캔(240)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 캔(240)은 바람직하게는 딥드로잉(deep drawing) 방식으로 제조되며, 여기서 상기 캔(240)의 제조 방법을 한정하는 것은 아니다.
상기 캡조립체(280)는, 도 3을 참조하면, 바이메탈부(261)와 전류차단수단(272)과 안전밴트(273)및 캡업(274)을 포함하여 형성된다. 또한, 도시되지 않았으나 상기 캡조립체(280)는 이차보호소자를 더 포함하여 형성될 수도 있다.
상기 바이메탈부(261)는 상기 캡조립체(280)의 최하부에 위치하며, 상부에 전류차단수단(272)과 서로 접하도록 형성된다. 상기 바이메탈부(261)는, 도 4a를 참조하면, 외곽링(262)과 제 1바(264) 및 제 2바(266)를 포함하여 형성된다. 한편, 상기 바이메탈부(261)는 외곽링(262) 없이 제 1바(264) 및 제 2바(266) 만으로 이루어질 수도 있음은 물론이다. 또한, 상기 바이메탈부(261)는 제 1바(264) 및 제 2 바(266) 이외에도 추가적으로 바가 형성될 수도 있다. 또한, 상기 바이메탈부(261)는, 도 4b를 참조하면, 하면을 이루는 제 1금속층(261a)과 상면을 이루는 제 2금속층(261b)을 포함하여 형성된다. 이 때, 상기 제 1금속층(261a)과 제 2금속층(261b)은 서로 열팽창률이 다르도록 형성된다. 본 실시예에서는 상기 바이메탈부(261)가 상부로 휘어져야 하므로, 상기 제 1금속층(261a)의 열팽창률이 제 2금속층(261b)의 열팽창률보다 크도록 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 바이메탈부(261) 전체가 제 1금속층(261a)과 제 2금속층(261b)으로 이루어질 수 있으며, 또한 도시되지 않았으나 상기 제 1바(264) 및 제 2바(266)만 열팽창률이 서로 다른 금속층이 접합되어 이루어질 수도 있다. 상기 제 1바(264) 및 제 2바(266)만 열팽창률이 서로 다른 금속판이 접합되어 이루어진 경우, 상기 외곽링(262)은 단일의 금속재질로 이루어질 수 있다. 상기 바이메탈부(261)는 캡조립체(280)의 원활한 조립과 일정 규격을 위해 상기 전류차단수단(272)과 대략 동일한 크기로 형성되는 것이 바람직하며, 다만 여기서 상기 바이메탈부(261)의 크기를 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 바이메탈부(261)의 하면에는 양극탭(115)이 용접될 수도 있으나, 도 2와 같이 바이메탈부(261)의 하면과 개스킷(250) 사이에 양극탭(115)이 끼도록 하여 형성되는 것이 바람직하다. 상기 양극탭(115)이 바이메탈부(261)의 제 1바(264) 또는 제 2바(266)의 하면에 용접되는 경우, 온도 상승시 상기 제 1바(264) 또는 제 2바(266)의 변형에 장애가 될 수 있기 때문이다. 다만, 여기서 상기 양극탭(115)의 접합방식을 한정하는 것은 아니다.
상기 외곽링(262)은 상기 바이메탈부(261)의 외곽에 형성되어 제 1바(264) 및 제 2바(266)를 지지하게 된다. 상기 외곽링(262)은 평면 형상이 서로 다른 지름을 가지는 동심원 형상으로 형성되며, 전체적으로 납작한 링 형상으로 형성된다. 상기 외곽링(262)의 평면 형상에서 동심원간의 거리, 즉 상기 외곽링(262)의 폭은 상기 전류차단수단(272)의 폭과 대략 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 여기서 상기 외곽링(262)의 폭을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 외곽링(262)의 외경은 전류차단수단(272)의 외경과 대략 동일하도록 형성되는 것이 바람직하며, 다만 여기서 상기 외곽링(262)의 외경을 한정하는 것은 아니다. 상기 외곽링(262)의 내측면에는 제 1바(264)와 제 2바(266)가 형성된다. 이 때, 상기 제 1바(264)와 제 2바(266)는 동일 직선상에 위치하도록 서로 마주보게 형성되는 것이 바람직하다. 상기 외곽링(262)은 제 1금속층(261a)과 제 2금속층(261b)으로 이루어질 수 있으며, 단일의 금속재질로 형성될 수도 있음은 상기에서 언급한 바와 같다.
상기 제 1바(264)와 제 2바(266)는 상기 외곽링(262)의 내측면에 연결되며, 상기 외곽링(262)의 상, 하면과 동일 평면을 이루도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 1바(264)와 제 2바(266)는 상기 외곽링(262)과 동일한 두께로 형성될 수 있으며, 다만 여기서 상기 제 1바(264)와 제 2바(266)의 두께를 한정하는 것은 아니다. 상기 제 1바(264)와 제 2바(266)는 서로 소정거리 떨어져서 마주보도록 형성된다. 상기 제 1바(264)와 제 2바(266)는 공히 제 1금속층(261a)과 제 2금속층(261b)이 상하면을 이루도록 서로 접합되어 이루어진다. 상기에서 언급한 바와 같이 상기 제 1금속층(261a)이 제 2금속층(261b)보다 열팽창률이 크도록 형성되므로, 전지 내부의 온도가 소정 온도가 되면 하면을 이루는 제 1금속층(261a)이 상면을 이루는 제 2금속층(261b)보다 많이 팽창하므로, 제 1바(264)와 제 2바(266)는 상부 방향으로 휘어진다. 그 결과, 상기 전류차단수단(272)의 대략 중앙부가 파단되면서 표면에 형성된 도전성 패턴이 끊어져서 전류의 흐름이 차단되게 된다.
상기 전류차단수단(272)은 바이메탈부(261)의 상부에 형성된다. 상기 전류차단수단(272)은 바이메탈부(261)와 대략 동일한 외경을 갖는 외곽링과 크로스바(272a)를 포함하여 형성된다. 상기 크로스바(272a)는 상기 외곽링의 내부를 가로지르도록 형성되며, 표면에는 금속박막에 의해 도전성 패턴이 형성되어 있다. 상기 크로스바(272a)의 대략 중앙에는 하부 도전성 패턴과 상부 도전성 패턴을 서로 전기적으로 연결하는 비아홀(도시되지 않음)이 형성된다. 상기 전류차단수단(272)의 크로스바(272a)는 상기 바이메탈부(261)의 제 1바(264) 및 제 2바(266)와 상하로 서로 겹치도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제 1바(264)와 제 2바(266)는 크로스바(272a)와 동일 수직면상에 위치하도록 형성되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 크로스바(272a)는 제 1바(264) 및 제 2바(266)의 변형에 의해 중앙 부분이 파단되기 때문이다. 상기 전류차단수단(272)의 도전성 패턴이 끊어짐으로 해서 전지에는 전류가 흐르지 않게 되고, 그 결과 전지의 발화, 폭발이 방지된다.
상기 안전밴트(273)는 상기 전류차단수단(272)의 상부에 위치한다. 상기 안전밴트(273)는 도 3에서와 같이 전체적으로 원판 형상으로 형성된다. 이 때, 상기 안전밴트(273)는 중앙부(273a)가 다른 부분에 비해 얇게 형성된다. 상기 중앙부(273a)는 평면 형상이 대략 원형상으로 형성되는 것이 바람직하나, 이외에도 다각형상, 다수개의 스폿 형상 등으로 형성될 수도 있음은 물론이다. 여기서 상기 중앙 부(273a)의 평면 형상을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 중앙부(273a)와 다른 부분의 연결부위의 수직단면 형상은 도 2와 같이 사선 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 다만 여기서 상기 연결부위의 형상을 한정하는 것도 아니다. 상기 안전밴트(273)는 전지 내부의 압력이 소정 압력을 초과하게 될 경우 타측에 비해 얇게 형성된 중앙부(273a)가 파손되어 내부 가스가 외부로 방출될 수 있도록 한다. 그 결과, 전지 내부의 가스 압력에 의한 폭발을 방지할 수 있다. 상기 안전밴트(273)는 상기 바이메탈부(261)에 의해 작동하는 전류차단수단(272)과 함께 이중의 안전장치로서의 역할을 수행하게 된다. 즉, 전지 내부의 온도가 상승하여 바이메탈부(261)가 변형되고 이에 따라 전류차단수단(272)이 작동하여 전류를 끊게 되며, 가스 발생에 의한 전지 내부 압력은 안전밴트(273)에 의해서 낮출 수 있게 된다.
상기 전류차단수단(272)의 상부에는 외부에 양극 전압 또는 음극 전압을 제공하는 도전성 캡업(275)이 더 위치되어 있다. 또한, 상기 캡조립체(280)는 개스킷(250)이 더 구비되어 양극 역할을 하는 캡조립체(280)와 음극 역할을 하는 캔(240)을 서로 절연시키게 된다. 상기 개스킷(250)과 바이메탈부(261) 사이에는 양극탭(215)이 삽입되어, 캡조립체(274)와 양극탭(215)이 서로 전기적으로 연결됨은 상기에서 언급한 바와 같다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지의 수직 단면도를 나타낸다. 도 6은 도 5 중 캡조립체의 분리 사시도를 나타낸다. 도 5의 실시예는 전류 차단수단(372)의 상부에 바이메탈부(361)가 형성된다는 점 이외에는 상기 도 2의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지(300)는, 도 5를 참조하면, 전극조립체(305)와 캔(340) 및 캡조립체(380)를 포함하여 형성된다. 이 때, 상기 캡조립체(380)는 전류차단수단(372)과 바이메탈부(361)와 안전밴트(373)를 구비하여 형성된다. 상기 전극조립체(305)는 양극판(310)과 음극판(320)과 세퍼레이터(330)와 양극탭(315)과 음극탭(325)과 하부절연판(332) 및 상부절연판(334)을 포함하여 형성된다. 이 때, 상기 양극탭(315)는 도 2의 실시예와 마찬가지로 개스킷(350)과 전류차단수단(372) 사이에 삽입되도록 형성될 수도 있으나, 도 5와 같이 상기 전류차단수단(372)의 하면에 용접될 수도 있음은 물론이다. 또한, 상기 캔(340)은 측면판(341)과 하면판(342)과 크리핑부(343) 및 비딩부(344)를 포함하여 형성된다.
상기 캡조립체(380)는, 도 6을 참조하면, 전류차단수단(372)과 바이메탈부(361)와 안전밴트(373) 및 캡업(374)이 순차적으로 형성된다. 또한, 도시되지 않았으나 상기 캡조립체(380)는 이차보호소자를 더 구비하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 캡조립체(380)는 개스킷(350)에 의해 캔(340)과 서로 절연된다.
상기 전류차단수단(372)은 캡조립체(380)의 최하부에 형성된다. 상기 전류차단수단(372)은 바이메탈부(361)의 변형에 의해 전극조립체(305) 방향, 즉 하부 방향으로 파단된다. 상기 전류차단수단(372)은 전극조립체(305)의 상부와의 사이에 소정의 공간이 형성되어 있으므로, 이러한 공간을 활용하여 전류차단수단(372)이 하부방향으로 파단되도록 한다.
상기 바이메탈부(361)는 상기 전류차단수단(372)의 상면과 서로 접하도록 형성된다. 상기 바이메탈부(361)는 제 1금속층과 제 2금속층이 도 4b와 반대가 되도록 배열되어 형성된다. 즉, 상기 바이메탈부(361)는 열팽창률이 상대적으로 작은 제 2금속층이 하면에 형성되며, 열팽창률이 상대적으로 큰 제 1금속층이 상면에 형성된다. 따라서, 상기 바이메탈부(361)는 전지 내부의 온도가 소정의 값으로 상승하면 상면의 제 1금속층이 보다 많이 팽창하여 제 1바(364) 및 제 2바(366)가 하부 방향으로 휘어진다. 따라서, 상기 바이메탈부(361)의 하부에 형성된 전류차단수단(372)의 크로스바(372a)가 하부 방향으로 파단되어 전류가 차단된다. 상기 바이메탈부(361)의 상부에는 중앙부(373a)를 구비하는 안전밴트(373)가 위치하게 된다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 작용에 대하여 설명한다. 이하의 설명에서는 도 2의 실시예에 따른 바이메탈부가 적용된 경우에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는 바이메탈부(261)와 전류차단수단(272) 및 안전밴트(273)를 구비하는 캡조립체(280)를 포함하여 형성된다.
상기 바이메탈부(261)는 외곽링(262)과 제 1바(264) 및 제 2바(266)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 바이메탈부(261)는 하면을 이루는 제 1금속층(261a)과 상면을 이루는 제 2금속층(261b)을 포함하여 형성된다.
전지 내부의 온도가 상승하여 소정의 온도에 이르게 되면 상기 제 1금속층(261a)이 제 2금속층(261b)에 비해 많이 팽창하게 된다. 상기 제 1금속층(261a)과 제 2금속층(261b)은 서로 접합되어 있으므로, 제 1금속층(261a)이 제 2금속층(261a)과의 접합면을 따라서 슬라이드 되지 못하게 된다. 그 결과, 제 1바(264)와 제 2바(266)의 하면을 이루는 제 1금속층(261a)이 크게 팽창하여 상기 제 1바(264)와 제 2바(266)는 상부 방향으로 활 모양으로 휘어지게 된다. 특히, 상기 제 1바(264)와 제 2바(266)의 단부는 가장 높은 위치에 있게 되고 이들이 전류차단수단(272)의 중앙부를 서서히 밀어올리게 된다. 그 결과, 어느 임계상황에 이르면 상기 전류차단수단(272)은 상부 방향으로 파단되고, 전류차단수단(272)에 형성된 도전성 패턴이 끊어지게 되어 전류는 더 이상 흐를 수 없게 된다. 따라서, 전지 내부의 온도 상승은 중단되며, 전지의 폭발, 발화도 방지된다.
한편, 전지 내부의 온도가 상승함에 따라 가스가 발생하게 되고 가스에 의한 내부 압력이 소정의 임계치에 이르게 되면 전지가 폭발 위험에 직면하게 된다. 상기 전류차단수단(272)이 작동하여 더 이상 전류가 흐르지 않게 되더라도 전지 내부에 발생한 가스는 계속하여 소정의 압력을 가하게 되며, 이 경우 안전밴트(273)의 중앙부(273a)가 파손되어 전지 내부의 가스가 외부로 방출된다. 그 결과, 전지의 내압 상승에 따른 폭발이 방지될 수 있다.
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 있 게 된다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지에 의하면, 바이메탈에 의해 전류차단수단을 작동시키므로 별도의 안전밴트가 필요없으며, 전지의 내부 온도에 의해 전류차단수단이 작동되므로 보다 정확한 시점에 전류차단수단이 작동하여 전류를 차단시켜 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 리튬 이차전지에 의하면 전류가 차단되기 전후에 전지 내부 가스에 의한 압력 상승이 안전밴트에 의해 방지되므로 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (8)
- 전극조립체와,상기 전극조립체를 수용하는 캔과,전류차단수단(CID)과 안전밴트를 구비하며 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체 및상기 캔과 상기 캡조립체를 절연시키는 개스킷을 포함하여 이루어지는 원통형 리튬 이차전지에 있어서,상기 전류차단수단의 하부에는 바이메탈부가 위치하며, 상기 전류차단수단의 상부에는 상기 안전밴트가 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 바이메탈부는외곽을 지지하는 외곽링과,상기 외곽링에 일측이 연결되며 서로 소정거리 이격된 제 1바와 제 2바를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
- 제 2항에 있어서,상기 전류차단수단은 표면에 도전성 패턴이 형성된 크로스바(cross bar)를 포함하여 형성되며, 상기 제 1바와 상기 제 2바는 상기 크로스바와 동일 수직면상 에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
- 제 1항에 있어서,상기 전극조립체는 제 1전극탭과 제 2전극탭을 구비하며, 상기 제 1전극탭은 상기 바이메탈부와 상기 개스킷 사이에 고정되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
- 제 4항에 있어서,상기 제 1전극탭은 양극탭이며, 상기 제 2전극탭은 음극탭인 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
- 전극조립체와,상기 전극조립체를 수용하는 캔과,전류차단수단(CID)과 안전밴트를 구비하며 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체를 포함하여 이루어지는 원통형 리튬 이차전지에 있어서,상기 전류차단수단의 상부에는 바이메탈부가 위치하며, 상기 바이메탈부의 상부에는 상기 안전밴트가 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
- 제 6항에 있어서, 상기 바이메탈부는외곽을 지지하는 외곽링과,상기 외곽링에 일측이 연결되며 서로 소정거리 이격된 제 1바와 제 2바를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
- 제 6항에 있어서,상기 전류차단수단은 표면에 도전성 패턴이 형성된 크로스바(cross bar)를 포함하여 형성되며, 상기 제 1바와 상기 제 2바는 상기 크로스바와 동일 수직면상에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원통형 리튬 이차전지.
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