KR20070087381A - 고출력 전지용 단락 안전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지용 단락 안전 장치에 관한 것으로서, 특히 고출력 전지에 적용되는 탭에 PTC(Positive Temperature Coefficient) 기능을 통합시킨 고출력 전지용 단락 안전 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 케이스와 상기 케이스안에 내장되어 있으며 제1 극판, 세퍼레이터, 제2 극판 순으로 배치된 전지부를 포함하는 고출력 전지에 있어서, 상기 제1 극판의 네개의 변들중에서 어느 하나의 변에 제1 극탭웰딩부를 통해서 접속되어 있는 제1 극탭; 및 상기 제2 극판의 네개의 변들중에서 어느 하나의 변에 제2 극탭웰딩부를 통해서 접속되어 있는 제2 극탭을 포함하며, 상기 제1 극탭은 상기 제1 극탭과 제2 극탭이 단락될 때 일정 부위가 파열되어 상기 제1 극판과 제2 극판의 단락을 방지하는 것을 특징으로 하는 단락 안전 장치가 제공된다.
고출력 전지, 리튬 이온 전지, 안전탭, PTC

Description

고출력 전지용 단락 안전 장치{Safety apparatus using high power battery}
도 1은 종래 기술에 따른 중합체 PTC의 일예시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단락 안전 장치가 적용된 리튬 이차 전지의 구조도.
도 3은 도 2의 I-I 선에 따른 절단면도.
도 4는 도 2의 양극탭의 사시도.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 단락 안전 장치가 적용된 리튬 이차 전지의 단락 상태를 보여주는 예시도이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 단락 안전 장치가 적용된 리튬 이차 전지의 단락으로 인한 안전탭의 파열을 보여주는 예시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210 : 리튬 이차 전지 211 : 전지부
212 : 케이스 213 : 양극탭
213a : 양극탭 웰딩부 214 : 음극탭
214a : 음극탭 웰딩부 216 : 도전판
217 : 파열 부위
본 발명은 전지용 단락 안전 장치에 관한 것으로서, 특히 고출력 전지에 적용되는 탭에 PTC(Positive Temperature Coefficient) 기능을 통합시킨 고출력 전지용 단락 안전 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행중이다. 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차 전지는 다양한 형태로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있다. 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치형 (pouched type)으로 제조되어서, 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한 리튬 폴리머 전지는 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다고 할 것이다.
이와 같은 리튬 이차 전지는 고출력을 얻기 위해 셀(cell) 저항을 최대한 낮추게 되는데, 그 결과 단락(short circit)이 발생하는 경우에는 낮은 셀 저항으로 인해 전류 흐름량이 크게 늘어나게 되고 전지의 온도가 상승하여 폭발하게 된다.
이처럼 단락 상황에서 폭발을 방지하기 위해서 중합체 PTC(Positive Temperature Coefficient) 장치를 전지에 결합시켜 단락 상황에서 중합체 PTC가 작동하여 급격한 전류 상승시 폭발을 방지하도록 할 수 있다.
여기에서, 중합체 PTC라 함은 열팽창함으로써 도전성을 변화시키는 도전성 중합체의 플러스의 저항 온도 특성, 즉 PTC(Positive Temperature Coefficient)를 이용하여 통전을 단속하는 소자이다.
중합체 PTC의 일예를 도1을 이용하여 설명한다. 도1은 종래의 중합체 PTC의 사시도이다. 도면에 있어서 부호 101은 도전성 중합체, 102, 103은 도전성 중합체(101)에 접합된 전극, 104, 105는 도전성 중합체 사이에서 전극(102, 103)을 피복하는 비도전성인 수지막이다.
도전성 중합체(101)는 평면으로부터 보면 직사각형으로 두께가 균일한 판형이고, 예를 들어 폴리에틸렌과 카본 블랙을 혼련한 후에 방사선에 의해 가교하여 구성된 고분자 수지체이다.
도전성 중합체(101)의 내부는, 상온에서는 카본 블랙의 입자가 연결되어 존 재하기 때문에 전류가 흐르는 다수의 도전 패스가 형성되어 양호한 도전성을 발휘한다.
그러나, 주변의 환경 온도의 상승이나 도전 패스를 흐르는 전류의 초과 등에 의해 도전성 중합체(101)가 열팽창하면, 카본 블랙의 입자간의 거리가 넓어져 도전 패스가 절단되어 도전성을 급격하게 저하시킨다(저항치를 증대시킴).
전극(102, 103)은 판형의 도전성 중합체(101)의 양끝에 각각 설치되어 있다. 전극(102)은 도전성 중합체(101)의 한 쪽 측면(101a)에 따라서 설치된 동으로 된 전극 부재(102a)와, 전극 부재(102a)에 연결되어 도전성 중합체(101)의 일단부에 설치된 기초부(102b)와, 도전성 중합체(101)와 전극 부재(102a)간에 개재하는 니켈박(102c)으로 구성되어 있다.
전극(103)도 전극(102)과 동일 구조이고, 도전성 중합체(101)의 다른 쪽 측면(101b)에 따라서 설치된 동으로 된 전극 부재(103a)와, 전극 부재(103a)에 연결되어 도전성 중합체(101)의 타단부에 설치된 기초부(103b)와, 도전성 중합체(101)와 전극 부재(103a)간에 개재하는 니켈박(103c)으로 구성되어 있다.
전극 부재(102a)는 도전성 중합체(101)와 동일 폭이고, 선단부는 직사각형으로 형성되어 상대방의 전극(103)[후술하는 전극 부재(103d)]간에 평행한 간극을 설치하여 형성되어 있다. 기초부(102b)는 전극 부재(102a)와 다른 쪽 측면(101b)에 일부 남겨진 동으로 된 전극 부재(102d)를 땜납의 피복층(102e)에서 일체화하여 형성되어 있다.
전극 부재(103a)는 도전성 중합체(101)와 동일 폭이고, 선단부는 직사각형으 로 형성되어 상대방의 전극(102)[상술한 전극 부재(102d)]간에 평행한 간극을 설치하여 형성되어 있다.
기초부(103b)는 전극 부재(103a)와 한 쪽 측면(101a)에 일부 남겨진 동으로 된 전극 부재(103d)를 땜납의 피복층(103e)에서 일체화하여 형성되어 있다.
수지막(104)은 도전성 중합체(101)의 측면(101a)을 기초부(102b)나 전극 부재(1021d)를 제외하고 전극 부재(102a)를 피복하도록 형성되어 있다. 수지막(105)도 도전성 중합체(101)의 측면(101b)을 기초부(103b)나 전극 부재(103d)를 제외하고 전극 부재(103a)를 피복하도록 형성되어 있다.
상기한 바와 같이 구성된 중합체 PTC는 도전성 중합체(101)의 PTC 특성을 이용하여, 주변의 환경 온도가 소정의 온도(도전성 중합체가 열팽창하는 온도)보다 낮으면 전류를 흐르게 하고, 환경 온도가 소정의 온도 이상이 되면 도전성 중합체(101)가 열팽창하여 통전을 끊는 바와 같이, 도전성 중합체(101)가 놓여지는 환경 온도를 트리거로 하는 스위치로서 기능시키는 것이 가능하다.
또, 상기한 중합체 PTC는 전극(102, 103)간에 과전류가 생겼을 때에는 도전성 중합체(101)가 줄열에 의한 자기발열에 의해 열팽창하여 통전을 끊고, 전류의 초과가 해제되면 통전 가능한 상태로 복귀하도록 전극(102, 103)간에 통전되는 전류의 크기를 트리거로 하는 스위치로서 기능시키는 것도 가능하다.
상기한 중합체 PTC에 있어서는, 도전성 중합체(101)의 한 쪽 측면에 전극 부재(102a)가 겹쳐 배치되어 있으므로, 도전성 중합체(101)의 길이 방향의 측 모서리로부터 전극 부재(102a)나 니켈박(102c)의 측 모서리가 노출되어 있다.
마찬가지로, 도전성 중합체(101)의 다른 쪽 측면에 전극 부재(103a)가 겹쳐 배치되어 있으므로, 도전성 중합체(101)의 길이 방향의 측 모서리로부터도 전극 부재(103a)나 니켈박(103c)의 측 모서리가 노출되어 있다.
한편, 상기에서 설명한 중합체 PTC는 용량이 작고 출력이 작은 소형 전지용으로 개발되어 적용되고 있어 100A이상의 전류를 발생시키는 고출력의 리튬 이차 전지에 사용하기 위해서는 용량이 큰 것이 개발되어야 하는데 용량이 커지면 크기가 커지기 때문에 실용화되기 어렵다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고출력 전지에 적용되는 탭에 PTC(Positive Temperature Coefficient) 기능을 통합시켜 추가적인 PTC 공간이나 연결작업 없이 저렴한 비용으로 콤팩트하게 PTC 기능을 구현할 수 있도록 하여 단락이 발생한 경우에 폭발을 방지할 수 있도록 한 고출력 전지용 단락 안전 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 케이스와 상기 케이스안에 내장되어 있으며 제1 극판, 세퍼레이터, 제2 극판 순으로 배치된 전지부를 포함하는 고출력 전지에 있어서, 상기 제1 극판의 네개의 변들중에서 어느 하나의 변에 제1 극탭웰딩부를 통하여 접속되어 있는 제1 극탭; 및 상기 제2 극판의 네개의 변들중 에서 어느 하나의 변에 제2 극탭웰딩부를 통하여 접속되어 있는 제2 극탭을 포함하며, 상기 제1 극탭은 상기 제1 극탭과 제2 극탭이 단락될 때 일정 부위가 파열되어 상기 제1 극판과 제2 극판의 단락을 방지하는 것을 특징으로 한다.
이제, 도 2 이하의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 고출력 전지용 단락 안전 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 단락 안전 장치가 사용된 파우치형 리튬 이차 전지의 사시도이다.
도 2 을 참조하면, 본 발명에 따른 단락 안전 장치가 사용된 파우치형 리튬 이차 전지(210)는 전지부(211)와, 상기 전지부(211)가 수용되는 공간(212a)을 제공하는 케이스(212)를 포함하고 있다.
상기 전지부(211)는 양극판, 세퍼레이터, 음극판 순으로 배치되어서 일방향으로 와인딩되거나, 다수장의 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 적층된 형상이다. 상기 전지부(211)의 각 극판은 양극 및 음극탭(213,214)과 전기적으로 양극 및 음극탭 웰딩부(welding part)(213a, 214a)를 통하여 연결되어 있다.
상기 양극 및 음극 탭(213,214)은 케이스(212)의 밀폐면(212b)의 외부에 돌출되어 있다. 돌출된 양극탭(213)의 일단부는 양극탭 웰딩부(213a)에 부착되어 있다. 그리고, 양극탭 웰딩부(213a)는 양극탭(213)과 양극판의 접속을 제공하는 것으로 일측은 양극탭(213)에 그리고 타측은 양극판에 접속되어 있다. 또한 돌출된 음극탭(214)의 일단부는 음극탭 웰딩부(214a)에 부착되어 있다. 그리고, 음극탭 웰딩 부(214a)는 음극탭(214)과 음극판의 접속을 제공하는 것으로 일측은 음극탭(214)에 그리고 타측은 음극판에 접속되어 있다.
상기 양극 및 음극탭(213,214) 그리고 양극 및 음극탭 웰딩부(213a, 214a)의 외면에는 이와 밀폐면(212b)과 접촉하는 부분에서 상기 케이스(212)와 전극탭(213,214) 그리고 양극 및 음극탭 웰딩부(213a, 214b)과의 전기적 단락을 방지하기 위하여 각각의 밀폐 테이프(215)가 감겨져 있다.
또한, 상기 양극탭(213)은 도 5a에 도시된 바와 같이 양극탭(213)과 음극탭(214)이 도전봉(216) 등에 의해 단락되는 경우에 도 5b에 도시된 바와 같이 일정 부위(217)가 파열되어 떨어져 나가도록 하는 안전탭으로 설계되어 있다. 이러한 안전탭으로 인하여 내부 전지부(211)는 급격한 전류 상승으로 인해 폭발되지 않도록 보호된다. 그리고, 이와 같은 안전탭으로 설계된 양극탭(213)과 음극탭(214)은 단락 안전 장치를 형성한다.
한편, 상기 케이스(212)는 후막의 금소재로 성형한 원통형이나 각형으로 된 캔 구조와는 달리, 중간층이 금속 호일이고, 금속 호일의 양면에 부착되는 내외피층이 절연성 필름으로 이루어진 파우치형 케이스이다. 파우치형 케이스는 성형성이 우수하여 자유자재로 구부림이 가능하다. 상기 케이스(212)에는 상술한 바와 같이 전지부(211)가 수용가능한 공간부(212a)가 형성되어 있으며, 상기 공간부(212a)의 가장자리를 따라서 열융착되는 면에 제공하는 밀폐면(212b)이 형성되어 있다.
도3는 도2의 I-I 선을 따라 절개하여 확대 도시한 것이다.
도면을 참조하면, 상기 케이스(212)는 금속 호일, 이를테면 알루미늄 호일로 된 중간층(212c)과, 상기 중간층(212c)의 내면 및 외면에 부착되어서 상기 중간층(212c)을 보호하는 절연성 필름으로 된 내피층(212d)과 외피층(212e)으로 이루어진 복합 필름이다.
상기 케이스(212)내에 형성된 공간(212a)에는 양극판(211a), 세퍼레이터(211c), 음극판(211b) 순으로 배치된 전지부(211)가 수용되어 있으며, 상기 양극 및 음극판(211a,211b)으로부터는 도2에서처럼 양극탭(213)과, 음극탭(214)이 인출되어 있다.
도면에서 돌출된 양극탭(213)의 일단부는 양극탭 웰딩부(213a)에 부착되어 있다. 그리고, 양극탭 웰딩부(213a)는 양극탭(213)과 양극판(211a)의 접속을 제공하는 것으로 일측은 양극탭(213)에 그리고 타측은 양극판(211a)에 접속되어 있다.
상기 양극탭(213) 그리고 양극탭 웰딩부(213a)의 외면에는 이와 밀폐면(212b)과 접촉하는 부분에서 상기 케이스(212)와 전극탭(213) 그리고 양극탭 웰딩부(213a)과의 전기적 단락을 방지하기 위하여 각각의 밀폐 테이프(215)가 감겨져 있다.
상기와 같은 구조를 가지는 파우치형 리튬 이차 전지(210)는 양극판(211a)과 음극판(211b)에 양극 및 음극탭(213,214)을 양극 및 음극탭 웰딩부(213a, 214a)를이용하여 전기적으로 연결한 다음 양극판(211a,211c,211b) 순으로 배치한 상태에서 일방향으로 와인딩하여 전지부(211)를 완성하게 된다.
한편, 이와 같은 파우치형 리튬 이차 전지의 양극탭(213)과 양극탭 웰딩부 (213a)의 사시도가 도 4에 도시되어 있는데, 평면으로부터 보면 직사각형으로 두께가 균일한 판형이고, 알루미늄 및 합금 등의 재료가 사용가능하다.
이러한, 양극탭(213)은 두께가 0.1mm~0.4mm이고 바람직하게 0.2mm가 좋으며, 케이스(212)에 나란한 변의 길이(폭)는 20mm~200mm이고, 케이스에 수직한 변의 길이는 18mm~50mm이다.
또한, 양극탭(213)은 단면적이 2~80mm2가 바람직하며, 저항은 2.36*10-4 Ω~1.64*10-5Ω이다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 양극탭(213)을 안전탭으로 하는 장치에 대하여 개시하고 있지만 음극탭을 안전탭으로 할수도 있다.
그리고, 양극탭 웰딩부(213a)는 그 면적이 40~800mm2가 바람직하다.
한편, 본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화 될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀 두고자 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 고출력 리튬 이차 전지의 탭에 PTC 기능을 통합시켜 단락 상황에서 전지의 폭발을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고출력 리튬 이차 전지의 탭에 PTC 기능을 통합시 켜 구현하여 추가적인 PTC 공간이나 연결작업 없이 저렴한 비용으로 콤팩트하게 PTC 기능을 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 케이스와 상기 케이스안에 내장되어 있으며 제1 극판, 세퍼레이터, 제2 극판 순으로 배치된 전지부를 포함하는 고출력 전지에 있어서,
    상기 제1 극판의 네개의 변들중에서 어느 하나의 변에 제1 극탭 웰딩부를 통하여 접속되어 있고 상기 케이스에서 돌출되어 있는 제1 극탭; 및
    상기 제2 극판의 네개의 변들중에서 어느 하나의 변에 제2 극탭 웰딩부를 통하여 접속되어 있고 상기 케이스에서 돌출되어 있는 제2 극탭을 포함하며, 상기 제1 극탭은 상기 제1 극탭과 제2 극탭이 단락될 때 일정 부위가 파열되어 상기 제1 극판과 제2 극판의 단락을 방지하는 것을 특징으로 하는 단락 안전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 극탭은, 저항이 2.36*10-4 Ω~1.64*10-5Ω인 것을 특징으로 하는 단락 안전 장치.
  3. 제1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 극탭은 양극탭인 것을 특징으로 하는 단락 안전 장치.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제1 극탭은 음극탭인 것을 특징으로 하는 단락 안전 장치.
  5. 제 1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제1 극탭의 재질은 알루미늄 및 합금인 것을 특징으로 하는 단락 안전 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 극탭은 판형인 것을 특징으로 하는 단락 안전 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 극탭은, 두께가 0.1mm~0.4mm인 것을 특징으로 하는 단락 안전 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 극탭은 상기 케이스에 나란한 변의 길이(폭)는 20mm~200mm이고, 케이스에 수직한 변의 길이는 18mm~50mm인 것을 특징으로 하는 단락 안전 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 극탭은 단면적이 2~80mm2인 것을 특징으로 하는 단락 안전 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 극탭웰딩부는 면적이 40~800mm2인 것을 특징으로 하는 단락 안전장치.
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