KR20070097855A - 센터핀 및 이를 이용한 리튬 이차전지 - Google Patents

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KR20070097855A KR1020060028659A KR20060028659A KR20070097855A KR 20070097855 A KR20070097855 A KR 20070097855A KR 1020060028659 A KR1020060028659 A KR 1020060028659A KR 20060028659 A KR20060028659 A KR 20060028659A KR 20070097855 A KR20070097855 A KR 20070097855A
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Abstract

본 발명은 센터핀 및 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분말 소화재를 압축하여 정형성을 갖는 고체로 제조하고 이를 센터핀의 내부에 삽입한 후 센터핀의 상단과 하단을 폐색함으로써, 초기에는 센터핀이 폐색되어 있어 전지 내부의 데드 볼륨(dead volume)을 줄이고 소화재가 어떤 기체도 발생치 않다가, 고온에서 센터핀의 상단과 하단이 개방되고 특정한 임계온도 이상에서는 고체 상태의 소화재가 액화되어 센터핀 외부로 흘러나옴으로써 전지의 발화를 방지할 수 있는 센터핀 및 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것이다.
리튬 이차전지, 센터핀, 소화재

Description

센터핀 및 이를 이용한 리튬 이차전지{Center pin and Lithium rechargeable battery using the same}
도 1은 일반적인 원통형 리튬 이차전지의 분리 사시도
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 수직 단면도
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센터핀의 사시도
도 2c는 도 2b의 A-A 단면도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센터핀의 수직 단면도
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센터핀의 사시도
도 4b는 도 4a의 B-B 단면도
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
200 - 리튬 이차전지 210 - 캔
212 - 전극조립체 220 - 캡조립체
260, 360, 460 - 센터핀 261, 361, 461 - 몸체
262, 362, 462 - 폐색 부재 270, 370, 470 - 소화재
본 발명은 센터핀 및 이를 이용한 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분말 소화재를 압축하여 정형성을 갖는 고체로 제조하고 이를 센터핀의 내부에 삽입한 후 센터핀의 상단과 하단을 폐색함으로써, 초기에는 센터핀이 폐색되어 있어 전지 내부의 데드 볼륨(dead volume)을 줄이고 소화재가 어떤 기체도 발생치 않다가, 고온에서 센터핀의 상단과 하단이 개방되고 특정한 임계온도 이상에서는 고체 상태의 소화재가 액화되어 센터핀 외부로 흘러나옴으로써 전지의 발화를 방지할 수 있는 센터핀 및 이를 이용한 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 분리 사시도를 나타낸다. 이하에서는, 편의상 원통형 리튬 이차전지를 예로 들어 설명하기로 한다.
원통형 리튬 이차전지(100)는, 도 1을 참조하면, 전극조립체(112)와, 상기 전극조립체(112)와 전해액을 수용하는 원통형 캔(110)과, 상기 원통형 캔(110) 상부에 조립되어 상기 원통형 캔(110)을 밀봉하며 상기 전극조립체(112)에서 발생되는 전류를 외부 장치로 흐르게 하는 캡조립체(120)를 포함하여 형성된다. 또한, 상 기 전극조립체(112)의 권심부에는 대략 원통 형태의 센터핀(160)이 삽입된다.
상기 전극조립체(112)는 양극집전체의 표면에 양극활물질층이 코팅된 양극판(113)과 음극집전체의 표면에 음극활물질층이 코팅된 음극판(115)과 상기 양극판(113) 및 음극판(115) 사이에 위치하여 상기 양극판(113)과 음극판(115)을 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터(114)가 젤리-롤 형상으로 권취되어 형성된다. 상기 양극판(113)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(113)의 양 말단에는 양극활물질층이 형성되지 않은 양극집전체 영역, 즉, 양극무지부가 형성된다. 상기 양극무지부의 일단에는 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 형성되며, 전극조립체(112)의 상부로 일정 길이 돌출되는 양극 탭(116)이 접합되어 있다. 또한, 상기 음극판(115)은 전도성 금속 박판, 예를 들면, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 호일로 이루어진 음극집전체와, 그 양면에 코팅된 음극활물질층을 포함하고 있다. 상기 음극판(115)의 양 말단은 음극활물질층이 형성되지 않은 음극집전체 영역, 즉 음극무지부가 형성된다. 상기 음극무지부의 일단에는 일반적으로 니켈(Ni) 재질로 형성되며, 전극조립체(112)의 하부로 일정 길이 돌출된 음극 탭(117)이 접합되어 있다. 더불어 상기 전극조립체(112)의 상부 및 하부에는 각각 캡조립체(120) 또는 원통형 캔(110)과의 접촉을 방지하기 위한 절연 플레이트(156, 157)가 더 포함되어 형성될 수 있다.
상기 원통형 캔(110)은 상기 원통형 전극조립체(112)가 수용될 수 있는 소정 공간이 형성되도록 일정 직경을 갖는 원통형 측면판(110a)과 상기 원통형 측면판의 하부를 밀폐하는 하면판(110b)을 포함하여 형성되며, 상기 원통형 측면판(110a)의 상부는 상기 전극조립체(112)를 삽입하기 위하여 개구(開口)되어 있다. 상기 원통형 캔(110)의 하면판(110b) 중앙에 상기 전극조립체(112)의 음극 탭(117)이 접합됨으로써, 상기 원통형 캔(110) 자체는 음극 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 원통형 캔(110)은 일반적으로 니켈(Ni), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성된다. 더불어 상기 원통형 캔(110)은 상부의 개구에 결합되는 상기 캡조립체(120)의 상부를 압박하도록 상단에서 내부로 휘어진 크림핑(crimping)부가 형성된다. 또한, 상기 원통형 캔(110)은 상기 크림핑부로부터 하방으로 상기 캡조립체(120)의 두께에 대응되는 거리만큼 이격된 위치에 상기 캡조립체(120)의 하부를 압박하도록 안쪽으로 움푹 파인 비딩(beading)부가 더 형성되어 있다.
상기 캡조립체(120)는 안전밴트(121)와 전류차단수단(122)과 이차보호소자 (123)및 캡업(124)을 포함하여 형성된다. 상기 안전밴트(121)는 판상으로 중앙에 하부로 돌출되는 돌출부가 형성되어 상기 캡조립체(120)의 하부에 위치하며, 이차전지의 내부에서 발생한 압력에 의하여 돌출부가 상부 방향으로 변형하게 된다. 상기 안전밴트(121)의 하면 소정위치에는 전극조립체(112)의 양극판(113) 및 음극판(115) 중에서 한 전극판 예를 들어, 양극판(113)에서 인출한 양극탭(116)이 용접되어 상기 안전밴트(121)와 전극조립체(112)의 양극판(113)이 전기적으로 연결된다. 여기서 양극판(113) 및 음극판(115) 중 나머지 전극판, 예를 들어 음극은 도시하지 않은 탭 혹은 직접 접촉 방식에 의해 캔(110)과 전기적으로 연결된다. 상기 안전 밴트(121)는 캔(110) 내부의 압력 상승시 변형되거나 파열되어 상기 전류차단 수단(122)을 파손시키는 역할을 한다. 또한, 상기 안전 밴트(121)의 상부에는 상기 안전 밴트(121)의 변형시 파손되어 전류가 차단되는 전류차단수단(122)이 더 위치되어 있고, 상기 전류차단수단(122)의 상부에는 과전류시 전류가 차단되는 이차보호소자(123)가 위치되어 있다. 더불어, 상기 이차보호소자(123)의 상부에는 외부에 양극 전압 또는 음극 전압을 제공하는 도전성 캡업(124)이 더 위치되어 있다.
상기 센터핀(160)은 전극조립체(112)의 변형 또는 유동을 방지하기 위해 삽입된다. 상기 센터핀(160)은 통상적으로 스테인레스 스틸과 같은 금속 재질로 형성된다. 또한, 상기 센터핀(160)은 캔(110) 내부에서 발생한 가스를 캡조립체(120) 방향으로 전달하는 통로 역할도 하게 된다.
한편, 전지 내부에는 빈 공간인 보이드 볼륨(void volume) 혹은 데드 볼륨(dead volume)이 존재하게 된다. 데드 볼륨은 캡 조립체와 전극조립체 사이 및 센터핀의 내부에 존재하게 된다. 이러한 데드 볼륨은 전지가 과충전 등에 의해 전압이 상승하거나 전지 내부의 온도가 고온이 될 때 발생하는 가스가 신속하게 안전밴트를 변형시키는 것을 방해하게 된다는 문제점이 있다. 또한, 전지 내부의 온도가 더욱 상승하여 발화점에 이르게 되면 전지가 발화, 폭발하여 매우 위험한 상황이 될 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 분말 소화재를 압축하여 정형성을 갖는 고체로 제조하고 이를 센터핀의 내부에 삽입한 후 센터핀의 상단과 하단을 폐색함으로써, 초기에는 센터핀이 폐색되어 있어 전지 내부 의 데드 볼륨(dead volume)을 줄이고 소화재가 어떤 기체도 발생치 않다가, 고온에서 센터핀의 상단과 하단이 개방되고 특정한 임계온도 이상에서는 고체 상태의 소화재가 액화되어 센터핀 외부로 흘러나옴으로써 전지의 발화를 방지할 수 있는 센터핀과 이를 이용한 리튬 이차전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 센터핀은 몸체와, 상기 몸체의 내부에 삽입되며 일정한 외형을 갖는 고체 상태의 소화재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 소화재는 분말 소화재를 가압하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 소화재는 분말 소화재에 바인더(binder)를 혼합해서 압축하여 형성될 수도 있다. 또한, 상기 소화재는 구 형상 또는 원통 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 소화재는 120 내지 300℃에서 액화되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 몸체는 스틸, 스테인레스 스틸, 구리 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 몸체의 상단과 하단은 폐색부재로 폐색될 수 있으며, 상기 폐색부재는 고분자 수지로 형성될 수 있다. 또한, 상기 소화재는 탄산수소나트륨(NaHCO3), 제일인산암모늄(NH4H2PO4), 수산화나트륨(NaOH) 중 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 리튬 이차전지는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 캔, 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체, 상기 전극조립체의 권심부분에 삽 입되는 센터핀을 포함하여 이루어지는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 센터핀은 몸체와, 상기 몸체의 내부에 삽입되며 일정한 외형을 갖는 고체 상태의 소화재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 소화재는 분말 소화재를 가압하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 소화재는 구 형상 또는 원통 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 소화재는 120 내지 300℃에서 액화될 수 있다.
또한, 상기 몸체는 스틸, 스테인레스 스틸, 구리 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 몸체의 상단과 하단은 폐색부재로 폐색될 수 있다. 또한, 상기 폐색부재는 고분자 수지로 형성될 수 있다. 또한, 상기 소화재는 탄산수소나트륨(NaHCO3), 제일인산암모늄(NH4H2PO4), 수산화나트륨(NaOH) 중 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 수직 단면도를 나타내며, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 센터핀의 사시도를 나타내며, 도 2c는 도 2b의 A-A 단면도를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 리튬 이차전지(200)는, 도 2a를 참조하면, 전극조 립체(212)와 캔(210)과 캡조립체(220) 및 센터핀(260)을 포함하여 형성된다. 상기 리튬 이차전지(200)는 원통형으로 형성된다.
상기 전극조립체(212)는 양극판(213), 음극판(215), 세퍼레이터(214)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 전극조립체(212)는 양극탭(216), 음극탭(217)을 포함하여 형성된다.
상기 양극판(213)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(216)이 용접된다.
상기 음극판(215)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(217)이 용접된다.
상기 양극탭(216)과 음극탭(217)은 각각 양극무지부와 음극무지부에 용접되어 전극조립체(212)와 전지의 다른 부분을 전기적으로 연결하는 역할을 하게 된다. 상기 양극탭(216)과 음극탭(217)은 저항용접에 의해 용접되며, 용접부위에는 쇼트 와 발열을 방지하기 위해 라미네이션 테이프가 부착될 수 있다. 여기서, 상기 양극탭(216)과 음극탭(217)의 용접 방식을 한정하는 것은 아니다.
상기 세퍼레이터(214)는 상기 양극판(213)과 음극판(215) 사이에 개재되며 상기 전극조립체(212)의 외주면을 둘러 싸도록 연장되어 형성될 수도 있다. 상기 세퍼레이터(214)는 상기 양극판(213)과 음극판(215)의 단락을 방지하며, 리튬 이온을 통과시킬 수 있도록 다공막 고분자물질로 형성된다.
상기 캔(210)은 측면판(210a), 하면판(210b)을 포함하여 원통형으로 형성된다. 또한, 상기 측면판(210a)은 대략 서로 동심원을 이루는 외주면과 내주면을 구비하며, 상기 하면판(210b)은 대략 서로 평행한 전면과 후면을 구비한다. 상기 캔(210)의 상단은 개구되어 상단개구부를 이루고 있으며, 상기 상단개구부를 통해 전극조립체(212)가 삽입되고, 전해액이 주입된다. 상기 캔(210)의 하면판(210b)과 상기 전극조립체(212) 사이에는 캔(210)과 전극조립체(212)의 절연을 위해 하절연판(257)이 삽입될 수 있다. 상기 캔(230)의 상부는 전극조립체(212)의 삽입 후 상기 전극조립체(212)가 캔(230) 내부에서 유동하는 것을 방지하고, 캡조립체(220)의 안착을 위해 비딩부가 형성되며, 캡조립체(220)의 삽입 후 전지의 밀폐를 위해 크리핑부가 형성된다. 상기 전극조립체(212)의 상단과 캡조립체(220) 사이에는 전극조립체(212)와 캡조립체(220) 사이의 절연을 위해 상절연판(256)이 삽입될 수 있다. 상기 캔(210)은 가볍고 연성이 우수한 알루미늄 또는 그 합금 재질로 형성되며, 여기서 상기 캔(210)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 캔(210)은 바람직하게는 딥드로잉(deep drawing) 방식으로 제조되며, 여기서 상기 캔(210)의 제조 방법을 한정하는 것은 아니다.
상기 캡조립체(220)는 전지 내부에 발생된 가스의 압력에 의해 변형되는 안전밴트(221), 상기 안전밴트(221)의 변형에 의해 파손되어 전류가 차단되는 전류차단수단(222), 온도 상승에 따라 전기전도율이 급감하는 이차보호소자(223) 및 전지의 상부를 커버하며, 양극단자 역할을 하는 캡업(224)을 포함한다. 상기 캡조립체(220)는 가스켓(255)이 더 구비되어 양극 역할을 하는 캡조립체(220)와 음극 역할을 하는 캔(210)을 서로 절연시키게 된다.
상기 센터핀(260)은, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 몸체(261)와 소화재(270)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 센터핀(260)은 폐색부재(262)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 센터핀(260)은 권취된 전극조립체(212)의 권심 부분에 삽입되며, 전체적으로 대략 내부가 비어있는 원통형상을 이루게 된다. 이 때, 상기 센터핀(260)은 대략 전극조립체(212)의 높이에 대응되도록 형성된다. 또한, 상기 센터핀(260)은 전극조립체(212)를 권취한 후에 캔(210) 내부에 상기 전극조립체(212)를 삽입한 후 전극조립체(212)의 권심 부분에 삽입될 수 있다. 또한, 상기 센터핀(260)은 권취된 전극조립체(212)의 권심 부분에 삽입된 후 전극조립체(212)와 함께 캔(210) 내부에 삽입될 수도 있음은 물론이다.
상기 몸체(261)는 센터핀(260)의 골격을 이루는 부분으로, 상하 방향으로 관통되어 있는 소정 길이의 대략 원통형상으로 형성된다. 상기 몸체(261)는 전극조립체(212)의 변형을 방지할 수 있을 정도의 충분한 강도가 요구되므로, 스틸(steel), 스테인레스 스틸(stainless steel), 구리(Cu) 등으로 형성되는 것이 바람직하다. 스테인레스 스틸은 내식용 강으로서, 철-크롬계의 페라이트계 스테인레스 스틸과, 철-니켈-크롬계의 오스테나이트계 스테인레스 스틸로 나뉜다. 페라이트계 스테인레스 스틸은 상온에서 철의 결정계인 체심입방결정(BCC) 속에 크롬(Cr)을 녹여 넣어서, 산화될 때 철과 크롬의 양쪽 산화막을 표면에 만들어서 내부를 보호하며, 강자성(强磁性)을 띤다. 오스테나이트계 스테인레스 스틸은 900~1400℃에서 철의 결정계인 면심입방결정(FCC)에 다량의 니켈(Ni), 크롬(Cr)을 첨가하고 상온에서 안정되게 한 것으로 상자성(常磁性)을 띤다. 이 때, 상기 몸체(261)는 대략 전극조립체(212)의 높이에 상응하는 높이로 형성되며, 전극조립체(212)의 권심 부분에 삽입될 수 있을 정도의 외경으로 형성된다.
상기 폐색 부재(262)는 상기 몸체(261)의 상단 및 하단을 막는 뚜껑 형상으로 형성된다. 이 때, 상기 폐색 부재(262)는 상기 몸체(261)에 끼워서 고정될 수 있도록 몸체(261)와 결합하는 부분에 ㄱ자 형상의 홈이 형성되어 있다. 즉, 상기 폐색 부재(262)는 직경이 다른 원기둥이 2단계로 형성되어 단차를 이루게 된다. 이 때, 상기 폐색 부재(262) 중 직경이 작은 쪽의 원기둥은 상기 몸체(261)의 내경에 상응하는 규격으로 형성된다. 또한, 상기 폐색 부재(262)는 소정의 온도에서 용융될 수 있을 정도의 두께를 최대값으로 하고, 상기 몸체(261)의 상단과 하단을 밀폐할 수 있을 정도의 두께를 최소값으로 하여 형성된다. 상기 폐색 부재(262)는 센터핀(260) 내부에 존재하는 데드 볼륨을 제거하기 위하여 형성된다. 따라서, 전지의 내부온도가 비교적 저온인 경우에는 상기 폐색 부재(262)가 센터핀(260)의 상단과 하단을 밀폐하여, 전지 내부에서 발생한 가스가 신속하게 안전밴트(221)를 변형시 킬 수 있도록 한다. 한편, 전지의 내부온도가 비교적 고온이 되면 폭발 또는 발화를 방지해야 하므로, 소정의 온도에서 용융되거나 파열되는 재질이어야 한다. 따라서, 상기 폐색 부재(262)는 소정의 온도에서 용융되는 고분자 수지, 특히 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 폴리에틸렌(PE)은 밀도가 작고, 분자배열이 충분하지 않아 연성이 좋으며 가공하기 쉽다. 또한, 상기 폴리에틸렌은 CH2만으로 구성되기 때문에 전기절연성이 우수하며, 구조식에서 나타나듯 탄소(C) 사슬을 중심으로 대칭성이어서 고주파 절연재료로도 우수하다. 녹는점은 종류에 따라 조금씩 차이가 있으나, 대략 107~112℃이다. 폴리프로필렌(PP)은 이소택틱(isotactic) 구조를 가지며, 메틸기가 같은 방향으로 정연하게 배열되어 있다. 녹는점은 165℃ 정도이다. 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 테레프탈산과 에틸렌글리콜을 중축합하여 얻는 포화 폴리에스테르로, 내열성이 우수하다.
또한, 상기 폐색 부재(262)는 소화재(270)가 몸체(261) 내부의 대부분을 차지하도록 설계되는 경우, 형성되지 않을 수도 있다. 즉, 상기 폐색 부재(262)는 소화재(270)의 용융 온도와 같거나 보다 낮은 용융 온도를 가지므로, 소화재(270)의 높이를 몸체(261) 내부의 대부분을 차지하도록 형성함으로써 소화재(270)가 폐색 부재의 역할을 겸하도록 이루어질 수도 있다.
상기 폐색 부재(262)는 전지의 내부 온도가 대략 80~200℃가 되면 용융되거나 파열됨으로써, 상기 센터핀(260)을 이루는 몸체(261)의 상단 및 하단이 개방된다. 즉, 상기 몸체(261)의 상단과 하단이 관통된 형태가 된다. 이렇게 되면, 상기 몸체(261) 내부에 삽입되어 있던 소화재(270)가 용융되고, 용융된 소화재가 센터핀(260) 외부로 흘러 나와 전지의 발화를 방지하게 된다. 따라서, 상기 센터핀(260)은 과충전 초기에는 상단과 하단이 폐색됨으로써 보이드 볼륨을 대폭 줄이고, 이로 인해 안전밴트(221)가 신속히 동작하도록 한다. 그러나 전지의 내부 온도가 고온에 이르면 전지가 폭발 및 발화 위험에 그대로 노출되기 때문에, 이 때에는 상기 폐색된 센터핀(260)은 의미가 없으며 오히려 굴뚝으로서 작용하는 것이 더 좋다. 즉, 전해액에 포함된 사이클로헥실벤젠(CHB), 바이페닐(BP) 등이 분해되어 형성된 가스가 상기 센터핀(260)의 몸체(261)를 따라서 전지의 상부로 향하도록 함이 전지의 폭발 방지 측면에서 더 좋다.
상기 소화재(270)는 분말 소화재를 압축하여 대략 원통 형상으로 형성된다. 이 때, 상기 소화재(270)는 몸체(261)의 내경에 상응하는 규격으로 형성되어 도 2c와 같이 몸체(261)의 소정 높이에 위치하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 소화재(270)는 상기 몸체(261)의 내경보다 작은 규격으로 형성되어 몸체(261)의 하단, 즉 하부 폐색부재 상에 위치할 수도 있음은 물론이다. 상기 소화재(270)는 전지 내부의 온도가 고온이 되어 발화 위험이 있을 때, 전지의 발화를 저지할 수 있을 정도의 부피로 형성되며, 상기 몸체(261) 내부의 대부분을 차지하는 부피로 형성될 수도 있음은 상기에서 언급한 바와 같다. 또한, 상기 소화재(270)는 탄산수소나트륨(NaHCO3), 제일인산암모늄(NH4H2PO4), 수산화나트륨(NaOH) 중 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 탄산수소나트륨은 무색의 결정성 분말로, 가열하면 이산화탄 소(CO2)와 물(H2O)을 발생하고, 탄산나트륨 무수물(Na2CO3)로 변한다. 제일인산암모늄은 열분해할 때의 흡열작용으로 연소물을 냉각시키고, 조해성(潮解性)인 인산계 화합물이 발생되어 가연물을 덮는 작용을 한다. 수산화나트륨은 열분해하여 이산화탄소와 물을 만들기 때문에 산소를 차단시킨다. 이것은 가루로 사용하므로 분말소화제로 사용된다. 상기 소화재(270)는 상기 분말 소화재들을 압축하여 대략 원통 형상의 고체로 형성되며, 대략 120 내지 300℃에서 액화되도록 형성된다. 이 때, 상기 소화재(270)가 압축될 때 경우에 따라서는 강한 압력만으로 정형성을 갖는 고체로 용이하게 압축되지 않을 수도 있다. 이 경우에는 상기 소화재(270)는 분말 소화재에 바인더(binder)를 혼합하여 압축할 수 있다. 상기 바인더는 분말들을 서로 엉겨붙도록 하여, 정형상의 고체로 용이하게 압축할 수 있도록 한다. 상기 바인더로는 고분자 물질이 사용될 수 있다. 상기 소화재(270)는 특정한 온도까지는 어떤 기체도 발생하지 않고 정형상의 고체 상태로 존재하고 있다가, 특정한 온도에 이르러 폐색 부재(262)의 용융과 동시에, 또는 상기 폐색 부재(262)가 용융한 후에 액상의 소화재로 용융되어 전지 내부의 발화를 억제하게 된다. 또한, 상기 소화재(270)는 소화 반응이 흡열 반응에 해당하므로, 소화 과정에서 주변의 열을 흡수하여 전지 내부의 온도를 떨어뜨리는 역할도 하게 된다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센터핀의 수직 단면도를 나타낸다. 도 3의 실시예에 따른 센터핀은 소화재가 구 형상으로 형성된다는 점을 제외하면 상기 도 2c의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지는 전극조립체, 캔, 캡조립체 및 센터핀(360)을 포함하여 형성된다. 상기 전극조립체, 캔 및 캡조립체는 상기 도 2a의 실시예에서 충분히 설명하였으므로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 센터핀(360)은, 도 3을 참조하면, 몸체(361)와 폐색 부재(362) 및 소화재(370)를 포함하여 형성된다. 상기 몸체(361)는 상단과 하단이 관통된 대략 원통 형상으로 이루어진다. 이 때, 상기 몸체(361)는 스틸, 스테인레스 스틸, 구리와 같은 일정 강도를 갖는 금속 재질로 형성되며, 다만 여기서 상기 몸체(361)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 폐색 부재(362)는 상기 몸체(361)의 상단과 하단을 막는 뚜껑 형상으로 형성되며, 소정의 온도에서 파열 또는 용융될 수 있는 고분자 수지, 특히 폴리에틸렌 등으로 형성된다. 상기 소화재(370)는 몸체(361)의 내부에 위치하며, 분말 소화재에 압력을 가하여 구 형상으로 제조된다. 이 때, 상기 소화재(370)는 몸체(361)의 내경에 상응하는 규격으로 형성될 수 있으며, 상기 몸체(361)의 내경보다 작게 형성될 수도 있음은 물론이다. 또한, 상기 소화재(370)는 도 3과 같이 2개가 삽입될 수 있으며, 전지의 설계 사항에 따라 더 많은 개수 혹은 적은 개수가 삽입될 수도 있음은 물론이다. 여기서, 상기 소화재(370)의 개수를 한정하는 것은 아니다. 상기 소화재(370)는 경우에 따라 분말 소화재에 고분자 물질의 바인더를 혼합하여 압축할 수도 있으며, 상기 분말 소화재는 탄산수소나트 륨(NaHCO3), 제일인산암모늄(NH4H2PO4), 수산화나트륨(NaOH) 중 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 소화재(370)는 대략 120 내지 300℃에서 액화되도록 형성된다. 또한, 상기 소화재(370)는 구 형상으로 제조되므로 센터핀(360) 내부로 삽입이 용이할 뿐 아니라, 전지의 설계 사항에 따라 개수로써 소화재(370)의 양을 조절할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지에 대하여 설명한다. 도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센터핀의 사시도를 나타내며, 도 4b는 도 4a의 B-B 단면도를 나타낸다. 상기 도 4b에 따른 실시예는 몸체의 상단과 하단에 테퍼(taper)가 형성되어 있다는 점 이외에는 상기 도 2c의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다. 또한, 상기 도 4b에 따른 실시예는 도 2c와 같이 원통형상의 소화재가 삽입될 수 있고 도 3과 같이 구 형상의 소화재가 삽입될 수도 있다. 즉, 상기 도 4b의 실시예는 도 2c의 실시예 또는 도 3의 실시예가 선택적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬 이차전지는 전극조립체, 캔, 캡조립체 및 센터핀(460)을 포함하여 형성된다. 상기 전극조립체, 캔 및 캡조립체는 상기 도 2a의 실시예에서 충분히 설명하였으므로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.
상기 센터핀(460)은, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 몸체(461)와 소화재(470)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 센터핀(460)은 폐색 부재(462)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(461)는 상단과 하단이 관통되어 있으며, 중앙 부분은 대략 원통 형상으로 형성되고 상단과 하단에는 테퍼(461a)가 형성된다. 상기 테퍼(461a)는 몸체(461)의 중앙 부분에서 상단과 하단으로 갈수록 외경 및 내경이 감소하도록 형성된다. 상기 테퍼(461a)는 외부 충격에 의해 센터핀(460)이 변형될 경우에 센터핀(460)의 중앙부보다 상단과 하단이 상대적으로 쉽게 변형될 수 있으므로, 그 변형이 최소화되도록 상단과 하단에 각각 중앙부보다 직경이 작아지는 형태로 형성된다. 이 때, 상기 테퍼(461a)는 일정한 기울기를 갖도록 선형으로 감소할 수 있으며, 또한 중앙부에서 단부로 갈수록 감소의 폭이 점점 커지도록 곡선형으로 형성될 수도 있다. 여기서, 상기 테퍼(461a)의 형상을 한정하는 것은 아니다. 상기 폐색 부재(462)는 몸체(461)의 상단과 하단을 막는 뚜껑 형상으로 형성되며, 소정의 온도에서 파열 또는 용융될 수 있는 고분자 수지로 형성된다. 상기 소화재(370)는 분말 소화재에 압력을 가하여 원통 형상 혹은 구 형상으로 제조된다. 상기 소화재(370)가 원통 형상으로 형성되는 경우, 상기 폐색 부재(462)가 형성되지 않을 수도 있음은 상기에서 언급한 바와 같다. 상기 소화재(370)는 경우에 따라 분말 소화재에 고분자 물질의 바인더를 혼합하여 압축할 수도 있으며, 대략 120 내지 300℃에서 액화되도록 형성된다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 센터핀이 적용된 리튬 이차전지의 작용에 대하여 설명한다. 이하의 설명에서는 도 2c의 실시예에 따른 센터핀이 적용된 경우에 대하여 설명한다.
상기 센터핀(260)은, 도 2c를 참조하면, 몸체(261), 폐색 부재(262) 및 소화재(270)를 포함하여 형성된다. 과충전 등에 의해 전지의 전압이 상승하거나, 전지 내부의 온도가 어느 한도 이상으로 상승하는 경우 전지 내부에는 가스가 발생하게 된다. 이러한 가스는 전지 내부를 가득 채우게 되고, 가스가 포화되면 전지 내부에 압력을 가하게 된다. 특히, 안전밴트(221)는 타측에 비해 매우 얇게 형성되어 있으므로 전지 내부의 압력에 대해 민감하다. 따라서, 상기 안전밴트(221)는 일정 압력 이상이 가해지면 변형, 파괴되어 바로 위에 위치한 전류차단수단(222)를 파손시키게 된다. 이 때, 상기 센터핀(260)은 상단과 하단이 폐색 부재(262)로 밀폐되어 있으므로, 적은 가스압에 의해서도 안전밴트(221)가 신속하게 작동하게 되어 더 이상의 전압 상승 또는 온도 상승을 저지하게 된다. 한편, 상기 안전밴트(221)가 제대로 작동하지 않거나, 안전밴트(221)의 작동 후에도 계속하여 전지 내부의 온도가 상승하는 경우, 전지는 발화 또는 폭발의 위험에 직면하게 된다. 이 때, 상기 센터핀(260)은 폐색 부재(262)가 용융하여 센터핀(260)의 상단과 하단을 개방하여 전지 내부에 차 있는 가스들을 상부로 배출시켜 폭발을 방지하게 된다. 또한, 상기 센터핀(260) 내부에 있는 소화재(270)가 용융하여 센터핀(260) 외부로 흘러나옴으로써, 전지의 발화를 방지하게 된다. 한편, 상기 소화재(270)는 폐색 부재(262)의 용융 후 소화재(270)가 용융할 때까지 정형상의 고체 상태로 유지되어, 어떠한 가스도 발생하지 않고 또한 용융되지도 않으므로, 폐색 부재(262)에 어떠한 힘도 가하지 않게 되어 조기에 상기 폐색 부재(262)가 변형 또는 파손되는 것을 방지하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되 지 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 있게 된다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지에 의하면, 분말 소화재를 압축하여 정형성을 갖는 고체로 제조하고 이를 센터핀의 내부에 삽입한 후 센터핀의 상단과 하단을 폐색함으로써, 초기에는 센터핀이 폐색되어 있어 전지 내부의 데드 볼륨(dead volume)을 줄이고 소화재가 어떤 기체도 발생치 않다가, 고온에서 센터핀의 상단과 하단이 개방되고 특정한 임계온도 이상에서는 고체 상태의 소화재가 액화되어 센터핀 외부로 흘러나옴으로써 전지의 발화를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (18)

  1. 몸체와, 상기 몸체의 내부에 삽입되며 일정한 외형을 갖는 고체 상태의 소화재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 센터핀.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 소화재는 분말 소화재를 압축하여 형성되는 것을 특징으로 하는 센터핀.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 소화재는 분말 소화재에 바인더(binder)를 혼합해서 압축하여 형성되는 것을 특징으로 하는 센터핀.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 소화재는 구 형상 또는 원통 형상인 것을 특징으로 하는 센터핀.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 소화재는 120 내지 300℃에서 액화되는 것을 특징으로 하는 센터핀.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체는 스틸, 스테인레스 스틸, 구리 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 센터핀.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 몸체의 상단과 하단은 폐색부재로 폐색되는 것을 특징으로 하는 센터핀.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 폐색부재는 고분자 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 센터핀.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 소화재는 탄산수소나트륨(NaHCO3), 제일인산암모늄(NH4H2PO4), 수산화나트륨(NaOH) 중 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 센터핀.
  10. 전극조립체, 상기 전극조립체를 수용하는 캔, 상기 캔의 상단개구부를 밀봉하는 캡조립체, 상기 전극조립체의 권심부분에 삽입되는 센터핀을 포함하여 이루어지는 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 센터핀은 몸체와, 상기 몸체의 내부에 삽입되며 일정한 외형을 갖는 고체 상태의 소화재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 소화재는 분말 소화재를 압축하여 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 소화재는 분말 소화재에 바인더(binder)를 혼합해서 압축하여 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  13. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 소화재는 구 형상 또는 원통 형상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  14. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 소화재는 120 내지 300℃에서 액화되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 몸체는 스틸, 스테인레스 스틸, 구리 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  16. 제 10항에 있어서,
    상기 몸체의 상단과 하단은 폐색부재로 폐색되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 폐색부재는 고분자 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
  18. 제 10항에 있어서,
    상기 소화재는 탄산수소나트륨(NaHCO3), 제일인산암모늄(NH4H2PO4), 수산화나트륨(NaOH) 중 어느 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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