KR20100125951A - 안전밴트 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지의 안전밴트 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 전지 내부의 비정상적인 압력 상승시 효율적으로 전류의 흐름을 차단시키고 가스를 외부로 배출시켜 안정화를 도모할 수 있는 안전밴트 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다. 본 발명은 플레이트에 노치가 형성되어 있어 차단압력하에서 전지의 전류 흐름을 차단하고, 파열압력하에서 노치가 파열되어 전지 내부의 가스를 외부로 방출시키는 안전밴트에 있어서, 상기 노치는 플레이트의 중심으로부터 나선형으로 형성된 것임 특징으로 한다. 본 발명에 따른 안전밴트 및 이를 포함하는 리튬 이차전지는 전지 내부의 압력 상승시 가압된 가스를 전지 외부로 방출하고 전류를 차단하여 전지의 안정성을 추구할 수 있는 효과가 있고, 구조가 간단하여 탑캡과 안전밴트 사이의 공간활용도가 높아지는 효과가 있다.

안전밴트, 탑캡, 캡 어셈블리, 나선형 노치, 전지

Description

안전밴트 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{SAFETY-VENT, AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}

본 발명은 전지의 안전밴트 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지 내부의 비정상적인 압력 상승시 효율적으로 전류의 흐름을 차단시키고 가스를 외부로 배출시켜 안정화를 도모할 수 있는 안전밴트 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 상용화되어 널리 사용되고 있다.

그러나, 리튬 이차전지는 전지의 작동 전위가 높기 때문에 고에너지가 순간적으로 흐를 수 있고, 음극표면에서 리튬 금속의 덴드라이트(dendrite) 상이 형성되어 전지의 안전성이 떨어지는 결점을 가지고 있다. 또한, 전지에 사용되는 양극 물질들은 과충전시 화학적인 활성이 크게 증대되기 때문에, 전해질과 급격히 반응하여 다량의 가스를 발생시킴으로써 전지 내압을 급격히 상승시켜, 심한 경우 전지 자체가 폭발될 가능성도 존재한다. 따라서, 전지의 안전성에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 다양한 안전소자들이 개발되어 전지에 설치되어 사용되고 있다.

이러한 안전소자들의 대표적인 것이 전지의 안전밴트(safety-vent)이다. 안전밴트는 주로 캔의 상단 개구부에 결합되는 캡 어셈블리에 설치되며, 전지의 내부 압력이 일정한 수준 이하로 유지될 때에는 전지의 내부가 밀폐되도록 하는 밀봉 작용만을 하지만, 전지의 내부 압력이 일정한 수준 이상으로 올라가면 가스가 캔 외부로 배출되도록 함으로써, 전지의 내압이 안정성이 문제가 되는 임계치 이상으로 상승하는 것을 방지하는 작용을 한다.

이러한 안전소자의 대표적인 예가 미국특허 제5,853,912호에 개시되어 있다.

상기한 미국특허 등의 종래기술의 구조를 가진 안전소자는 그 기능에 비해 일반적으로 구조가 복잡하고, 전지에서 차지하는 부피가 커서 전지의 최적설계에 부담이 되는 문제점을 가지고 있다.

이에 본 발명은 구조가 간단하여, 탑갭과 안전밴트 사이의 높은 공간활용도를 부여할 수 있는 안전밴트 및 이를 구비하는 전지를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

플레이트에 노치가 형성되어 있어 차단압력하에서 전지의 전류 흐름을 차단하고, 파열압력하에서 노치 형성부분이 파열되어 전지 내부의 가스를 외부로 방출시키는 안전밴트에 있어서, 상기 노치는 플레이트의 중심으로부터 나선형으로 형성된 것임 특징으로 하는 안전밴트를 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 노치는 중심으로 갈수록 깊게 파여있는 것임을 특징으로 하는 안전밴트를 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 노치가 형성된 부분의 플레이트 두께는, 노치가 없는 부분의 플레이트 두께 대비 0.1 ~ 0.5 두께 범위를 가진 것임을 특징으로 하는 안전밴트를 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 플레이트는 0.15 ~ 0.3 mm 두께의 알루미늄 금속평판인 것임을 특징으로 하는 안전밴트를 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 노치가 형성된 부분의 플레이트는 0.04 ~ 0.07 mm 두께 범위를 가진 것임을 특징으로 하는 안전밴트를 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 차단압력은 5 ~ 15 Kgf/㎠ 인 것임을 특징으로 하는 안전밴트를 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 파열압력은 17 ~ 25 Kgf/㎠ 인 것임을 특징으로 하는 안전밴트를 제공한다.

또한,

양극, 음극 및 분리막을 구비하는 발전소자;

상기 발전소자를 둘러쌓는 캔; 및

하나 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑캡 및 안전밴트를 구비하고, 상기 캔의 상단 개구부에 위치하는 캡어셈블리를 포함하는 전지에 있어서,

상기 안전밴트는 상기 본 발명의 안전밴트인 것임을 특징으로 하는 전지를 제공한다.

또한 본 발명의 전지에 있어서, 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC소자(positive temperature coefficient element)가 상기 탑캡과 상기 안전밴트 사이에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.

본 발명에 따른 안전밴트 및 이를 포함하는 리튬 이차전지는 전지 내부의 압력 상승시 가압된 가스를 전지 외부로 방출하고 전류를 차단하여 전지의 안정성을 추구할 수 있는 효과가 있다. 또한, 구조가 간단하여 탑캡과 안전밴트 사이의 공간활용도가 높아지는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은,

플레이트에 노치가 형성되어 있어 차단압력하에서 전지의 전류 흐름을 차단하고, 파열압력하에서 노치 형성부분이 파열되어 전지 내부의 가스를 외부로 방출시키는 안전밴트에 있어서, 상기 노치는 플레이트의 중심으로부터 나선형으로 형성된 것임 특징으로 한다.

상기 노치(notch)는 플레이트 등에 형성된 절개 홈을 말하며, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려진 용어이다.

상기 노치가 형성된 부분의 플레이트 두께(a)는, 노치가 없는 부분의 플레이트 두께(b) 대비 0.1 ~ 0.5 두께 범위를 가진 것이 바람직하다(도 3b 참조). 상기 범위에서 노치가 형성된 플레이트 부분이, 차단압력 또는 파열압력하에서 원하는 작용을 하여 전지의 안전성을 도모할 수 있다.

안전밴트에 사용되는 상기 플레이트는 0.15 ~ 0.3 mm 두께의 알루미늄 금속평판인 것이 바람직하다. 알루미늄 금속판은 전기 전도도가 좋고, 중량이 가볍기 때문에 안전밴트 제작에 바람직한 재료이다.

안전밴트에 사용되는 플레이트가 상기와 같이 알루미늄 금속판일 경우, 노치가 형성된 부분의 플레이트는 0.04 ~ 0.07 mm 두께 범위를 가진 것이 적당하다.

특히, 본 발명의 안전밴트는 금속평판형으로서 밴트가 차지하는 공간이 크지 않아 전지의 공간활용도를 매우 높일 수 있는 효과가 있다.

상기 차단압력 또는 파열압력은 전지의 용도 및 크기에 따라 사용목적에 맞게 당업자가 임의로 설정할 수 있지만, 통상적으로 원통형 전지에서 상기 차단압력은 5 ~ 15 kgf/㎠ , 상기 파열압력은 17 ~ 25 Kgf/㎠ 인 것이 적당하다.

또한 본 발명은,

양극, 음극 및 분리막을 구비하는 발전소자;

상기 발전소자를 둘러쌓는 캔; 및

양극 단자의 역할을 하고 하나 또는 그 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑캡 및 본 발명의 상기 안전밴트를 구비하고, 상기 캔의 상단 개구부에 위치하는 캡어셈블리를 포함하는 전지에 관한 것이다.

본 발명의 전지에 있어서, 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC소자(Positive Temperature Coefficient element)가 상기 탑캡과 상기 안전밴트 사이에 추가로 구비될 수도 있다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 더 상술하지만, 본 발명의 범위를 이에 의해 한정하기 위한 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬 이차전지의 부분 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지(100)는 캔(200)의 내부에 발전소자(300)를 삽입하고 여기에 전해액을 주입하며, 캔(200)의 상단 개구부에 캡 어셈블리(400)를 장착함으로써 제조된다.

캡 어셈블리(400)는 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 설장되는 기밀유지용 가스켓(500) 내부에 탑캡(410)과 과전류를 차단하기 위한 PTC소자(420) 및 내부 압력 저하를 위한 안전밴트(430)가 밀착되어 설치된다. 탑캡(410)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행한다. 안전밴트(430)는 그것의 하단이 전류차단부재(440) 및 양극리드(310)를 통해 발전소자(300)의 양극에 연결되어 있다.

도 2에서 보는 바와 같이, 상기 안전밴트(430)는 도전성의 얇은 판재로서, 그것의 중심으로부터 나선형으로 노치(434)가 형성되어 있다. 상기 나선형 노치는 중심으로 갈수록 깊게 파여 있는 것이 바람직하다(즉, 중심으로 갈수록 절개 홈이 깊이 파이므로 절개 홈의 깊이만큼 그 부분의 플레이트 두께는 얇아지게 형성되는 것이 바람직하다). 이렇게되면, 중심쪽의 노치는 외각쪽 노치보다 절개 홈이 더 깊게 형성되어 있어서, 압력이 작용할 때 가운데 부분이 외각쪽보다 더 쉽게 상방향으로 돌출될 수 있다.

가압가스가 안전밴트(430)을 압박할 할 때, 압력이 차단압력에 달할 경우 노치가 형성된 플레이트가 상방향으로 들어 올려지게 되고, 중심부(432)에 고정되어 있는 돌출부(442)가 떨어져 나옴으로써 전지의 전류 흐름이 차단되게 된다. 차단압력은 전지의 용도 및 크기에 따라 당업자가 임의로 설정할 수 있지만, 통상적으로 사용되는 원통형 전지의 경우 5 ~ 15 kgf/㎠ 정도인 것이 적당하고, 더 바람직하게는 10 ~ 12 kgf/㎠인 것이다.

가압가스가 상기 차단압력을 넘어 파열압력에 달할 경우 노치는 파열되어 밀봉된 플레이트는 개방되어지고, 이로서 전지 내부의 가압가스가 탑캡쪽으로 배출될 수 있게 된다. 탑캡은 하나 이상의 분출구를 가지고 있으므로, 가압가스는 이를 통해 배출되어 전지의 폭발을 막을 수 있다.

상기 파열압력은 전지의 용도 및 크기에 따라 당업자가 임의로 설정할 수 있지만, 통상적으로 사용되는 원통형 전지의 경우 17 ~ 25kgf/㎠ 정도인 것이 적당하고, 더 바람직하게는 19 ~ 21 kgf/㎠인 것이다.

전지의 전류를 차단하는 전류차단부재(440)는 안전밴트(430)의 하방에 설치 되어 있다.

전류차단부재(440)는 도전성 판재로서 보조가스켓(510)에 설치되어 있다. 바람직하게는, 전류차단부재(440)의 재질은 안전밴트(430)와 동일한 재질로 이루어져 있고, 상기 보조가스켓(510)은 전류차단부재(440)와 안전밴트(430)가 통전되는 것을 막을 수 있도록 폴리프로필렌계열의 재질로 이루어져 있다.

도 3a에는 본 발명에 따른 전류차단부재(440)의 일례를 도시되어 있는 바, 이를 참조하면, 전류차단부재(440)에는 측면을 따라 가스가 배출되는 관통구들(441)이 다수 형성되어 있고, 중앙에는 상향 돌출된 돌출부(442)가 형성되어 있으며, 돌출부(442)를 중심으로 동심원 상으로 관통홀(443)과, 관통홀(443)을 연결하는 브릿지(444)가 대칭적으로 형성되어 있다. 돌출부(442)는 안전밴트(430)의 중심부(432) 하단에 용접되어 있다. 도 3b에서 보는 바와 같이, 브릿지(444)에는 노치(445)가 형성되어 있어서, 전지 내부에 가압가스가 차서 차단압력 이상이 될 때, 중심부(432)가 들어 올려지면서 중심부(432)에 용접되어 있는 돌출부(442)는 노치(445)가 절취되면서 전류차단부재(440)의 본체로부터 분리되게 된다.

전류차단부재(440)에 형성되어 있는 관통홀(443)의 수는 통상적으로 3 ~ 5 개 정도이고 이들이 방사상으로 대칭 구조를 이루며 관통홀(443)을 연결하는 브릿지(444)에 노치(445)가 형성되어 있다.

하나의 예로서, 전류차단부재(440)는 외경 8 ~ 11 ㎜에 대해 두께가 0.4 ~ 0.5 ㎜인 알루미늄 재질로 되어 있고, 관통구(441)는 직경 1.0 ~ 1.5 ㎜로 가운데를 중심으로 6 개가 형성되어 있으며, 돌출부(442)는 직경 1.4 ~ 1.6 ㎜ 및 돌출높 이 0.15 ~ 0.3 ㎜로 형성되어 있고, 관통홀(443)은 폭 0.4 ~ 0.7 ㎜ 및 원주길이 1.5 ~ 3.5 ㎜로서 그것의 중앙 반경(돌출부의 중심으로부터 이격되어 있는 거리)은 1.0 ~ 2 ㎜이며, 브릿지(444)의 노치(445)는 약 40 ~ 100 ㎛ 깊이의 절개 홈으로 구성되어 있다.

도 4a 내지 4c에는 상기 구조의 작동원리가 도시되어 있다.

도 4a을 참조하면, 전지의 비정상적인 작동에 의해 발생된 가스에 의해 전지내부 압력이 상승하게 되면, 상기 가압 가스는 전류차단부재(440)에 형성되어 있는 관통구(441)와 관통홀(443)을 통해 빠져나가 안전밴트(430)에 압력을 가하게 된다.

가스의 압력이 차단압력 이상이 되면, 안전밴트(430)를 가압하는 가스의 압력에 의해 안전밴트(430)의 중심부(432)는 상방향으로 들어 올려지게 된다. 이때, 중심부(432) 밑면에 용접부착되어 있는 전류차단부재(440)의 돌출부(442)는 그것의 노치(445)가 절취되면서 도 4b에서와 같이 전류차단부재(440)에서 분리되어 중심부(432)와 함께 들어올려지게 되어 통전이 단절되게 된다.

이와 같이, 안전밴트(430)의 중심부(432)가 위로 들어올려질 수 있는 것은 안전밴트(430)에 형성되어 있는 노치 때문으로, 가스 압력에 의해 노치 부분이 유연하게 휘어지면서 중심부(432)로부터 플레이트를 위로 들어올리게 되는 것이다. 따라서, 최초 전류차단부재(440)와 안전밴트(430)와 PTC 소자(420) 및 탑캡(410)으로 연결되어 통전되던 전류가 안전밴트(430)에 부착된 돌출부(442)가 전류차단부재(440)로부터 이탈되어 떨어지면서 전류가 차단되게 되는 것이다.

일차적으로 전류를 차단시킨 후에도 추가 가스발생이 있는 경우에는 증가된 가스압력에 의해 안전밴트(430)가 지속적으로 힘을 받게 되고, 상기 가스압이 파열압력 이상이 되면, 도 4c에서와 같이, 안전밴트(430)의 노치(434)가 파단되면서 전지 내부의 가스를 외부로 배출시키게 된다. 즉, 안전밴트(430)에 형성되어 있는 노치(434)가 전지 내부의 가스압력을 견디지 못하고 파단되면서 안전밴트(430)의 중심부(432)가 안전밴트(430)로부터 절취되어 들어올려지게 되고, 그 파단 틈새를 통해 새어나온 가스는 탑캡(410)에 형성된 구멍(412)을 통해 외부로 배출되게 되어 전지 내부압력을 낮춰주게 되는 것이다. 이때, 노치(434)는 나선형의 개곡선으로 되어 일부분에는 노치가 형성되어 있지 않으므로, 노치가 형성되어 있지 않은 부분은 파단되지 않고 노치가 형성된 부분만 파단되게 되어, 중심부(432)는 안전밴트(430)로부터 완전히 떨어지지 않고 붙어 있는 상태가 된다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 리튬 이차전지의 구조를 보여주는 단면 모식도이다.

도 2는 본 발명의 안전밴트의 사시도이다.

도 3a는 도 1의 전지에 사용되는 전류차단부재의 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 중심을 지나 절단된 측면을 나타내는 단면도이다.

도 4a 내지 도 4c는 도 1의 전지 내부에서 가압 가스가 발생하였을 때의 작동 과정을 보여주는 단면 모식도들이다.

* 도면 부호의 간단한 설명 *

100 : 전지

200 : 캔 210 : 비딩부

300 : 발전소자 310 : 양극리드

400 : 어셈블리 410 : 탑캡

412 : 구멍 420 : PTC 소자

430 : 안전밴트 432 : 중심부

434 : 노치 440 : 전류차단부재

441 : 관통구 442 : 돌출부

443 : 관통홀 444 : 브릿지

445 : 노치

500 : 가스켓 510 : 보조가스켓

Claims (9)

1. 플레이트에 노치가 형성되어 있어 차단압력하에서 전지의 전류 흐름을 차단하고, 파열압력하에서 노치 형성부분이 파열되어 전지 내부의 가스를 외부로 방출시키는 안전밴트에 있어서, 상기 노치는 플레이트의 중심으로부터 나선형으로 형성된 것임 특징으로 하는 안전밴트.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 노치는 중심으로 갈수록 깊게 파여있는 것임을 특징으로 하는 안전밴트.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 노치가 형성된 부분의 플레이트 두께는, 노치가 없는 부분의 플레이트 두께 대비 0.1 ~ 0.5 두께 범위를 가진 것임을 특징으로 하는 안전밴트.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트는 0.15 ~ 0.3 mm 두께의 알루미늄 금속평판인 것임을 특징으로 하는 안전밴트.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 노치가 형성된 부분의 플레이트는 0.04 ~ 0.07 mm 두께 범위를 가진 것임을 특징으로 하는 안전밴트.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 차단압력은 5 ~ 15 Kgf/㎠ 인 것임을 특징으로 하는 안전밴트.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 파열압력은 17 ~ 25 Kgf/㎠ 인 것임을 특징으로 하는 안전밴트.
8. 양극, 음극 및 분리막을 구비하는 발전소자;

   상기 발전소자를 둘러쌓는 캔; 및

   하나 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑캡 및 안전밴트를 구비하고, 상기 캔의 상단 개구부에 위치하는 캡어셈블리를 포함하는 전지에 있어서,

   상기 안전밴트는 제 1 항 내지 제 7 항 어느 한 청구항의 것임을 특징으로 하는 전지.
9. 제 8 항에 있어서, 전지 내부의 온도 상승시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC소자(positive temperature coefficient element)가 상기 탑캡과 상기 안전밴트 사이에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전지.

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