KR20110022509A - 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지 - Google Patents

관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 향상된 관통 및 압괴 안전성을 갖는다. 이차 전지는 전극 조립체, 케이스, 제1전극 단자 및 제2전극 단자, 캡 플레이트, 및 단락 회로 부재를 포함한다. 전극 조립체는 제1전극, 세퍼레이터, 제2전극을 포함한다. 케이스는 전극 조립체를 수용한다. 제1전극 단자 및 제2전극 단자는 전극 조립체의 제1전극 및 제2전극에 각각 전기적으로 연결된다. 단락 회로 부재는 제1전극 및 제2전극의 일단으로부터 연장되고, 이차 전지가 관통 또는 압괴되었을 때 전극 조립체가 단락 회로를 이루도록 전극 조립체의 최외곽에 권취된다.

Description

관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY IMPROVED SAFETY OF PENETRATION AND COLLAPSE}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지는 노트북이나 셀룰러 폰과 같은 소형 전자 장치에 주로 사용되었다. 게다가, 다른 종류의 이차 전지에 비해 고출력, 고용량 및 경량 등의 특성을 가지기 때문에, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에도 사용되기 시작했다.
자동차에 사용되는 리튬이온 이차 전지는 가혹한 환경에서의 안전성 및 신뢰성을 만족해야 한다. 안전성 테스트 항목에는 여러 가지가 있는데, 그중에서 가장 가혹한 테스트로서는 관통, 압괴 및 과충전의 3가지가 있다.
관통과 압괴 테스트의 경우 자동차의 사고시 이차 전지에 발생되는 손상 현상을 예상하여 실시하는 것으로서, 매우 중요한 안전성 항목이다. 특히, 이차 전지의 못 관통 시험이나 압괴 시험과 같이 엄격한 조건의 테스트에 있어서, 관통 및 압괴후 전지의 온도가 과도하게 상승하여서는 안 된다.
본 발명은 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차 전지는 제1전극, 제2전극, 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 상기 케이스에 결합된 캡 플레이트; 및 상기 제1전극에 전기적으로 연결되고, 상기 전극 조립체에 권취된 단락 회로 부재를 포함한다.
상기 단락 회로 부재의 일단은 상기 단락 회로 부재 및 제1전극 사이의 경계에 중첩될 수 있다.
상기 단락 회로 부재는 7회까지 상기 전극 조립체에 권취될 수 있다.
상기 케이스의 내부에 다른 전극 조립체를 더 포함하고, 상기 단락 회로 부재는 상기 전극 조립체에 감긴 제1단락 회로 부재와, 상기 다른 전극 조립체에 감긴 제2단락 회로 부재를 포함할 수 있다.
상기 케이스의 내부에 제2전극 조립체를 더 포함하고, 상기 단락 회로 부재는 상기 모든 전극 조립체들에 일체로 감길 수 있다.
상기 세퍼레이터는 상기 단락 회로 부재의 양면에 위치될 수 있다.
상기 단락 회로 부재는 금속 포일을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 단락 회로 부재는 활물질을 갖는 금속 포일을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 단락 회로 부재는 구리 및 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 포일을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 단락 회로 부재는 상기 케이스와 다른 재질을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1전극은 상기 전극 조립체의 제1측부로 연장된 제1무지부를 포함하고, 상기 제2전극은 상기 전극 조립체의 제2측부로 연장된 제2무지부를 포함하며, 상기 단락 회로 부재의 영역은 상기 제1무지부 또는 제2무지부중 어느 하나에 용접될 수 있다.
제1전극 단자를 포함하고, 상기 단락 회로 부재, 상기 제1무지부, 및 상기 제1전극 단자는 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1전극은 금속 포일 및 활물질을 포함하고, 상기 제1전극의 영역은 제2전극보다 길고, 상기 제2전극을 초과하여 연장된 제1전극의 영역이 상기 단락 회로 부재를 이루고, 상기 단락 회로 부재는 상기 금속 포일과 상기 활물질의 영역을 포함할 수 있다.
상기 제1전극은 금속 포일을 포함하고, 상기 제1전극의 금속 포일은 단락 회로 부재를 이루도록 상기 제2전극을 초과하여 연장될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지는 전극 조립체로부터 추가적으로 연장된 단락 회로 부재를 더 가짐으로써, 이차 전지의 관통 또는 압괴시 상기 단락 회로 부재가 먼저 단락된다. 여기서, 상기 단락 회로 부재는 전기 저항이 비 교적 작으므로, 단락시 작은 량의 열을 발생시키며, 전지의 에너지를 신속하게 소모시킨다. 이에 따라, 이차 전지의 안전성 및 신뢰성이 향상된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 본 발명의 한 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 1b는 부분 단면도이고, 도 1c는 전극 조립체 및 전극 단자를 도시한 사시도이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지(100)는 전극 조립체(110), 케이스(120), 제1전극 단자(130), 제2전극 단자(140), 캡 플레이트(150) 및 단락 회로 부재(160)를 포함한다. 어떤 실시예에서는, 상기 케이스(120)를 캔으로 부르기도 한다.
상기 전극 조립체(110)는 제1전극, 세퍼레이터 및 제2전극으로 이루어진다. 또한, 상기 전극 조립체(110)는 대략 젤리 롤(Jelly Roll) 형태로 권취된 형태를 한다. 상기 제1전극은 양극판일 수 있고, 상기 제2전극은 음극판일 수 있다. 물론, 반대로 상기 제1전극은 음극판이고, 상기 제2전극은 양극판일 수 있다. 상기 제1전극은 제1금속 포일 및 제1활물질을 포함한다. 제1전극이 양극판일 경우, 상기 제1금속 포일은 알루미늄일 수 있고, 상기 제1활물질은 리튬계 산화물일 수 있다. 상기 제2전극 역시 제2금속 포일 및 제2활물질을 포함한다. 상기 제2전극이 음극판일 경우, 상기 제2금속 포일은 구리일 수 있고, 상기 제2화물질은 흑연일 수 있다. 물론, 여기서 상기 재질들로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 상기 세퍼레이터는 다공성의 PE(polyethylene), PP(polypropylene) 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 상기 세퍼레이터는 실질적으로 상기 제1전극의 양측면에 위치되거나, 또는 상기 제2전극의 양측면에 위치될 수 있다. 더불어, 상기 제1전극은 양극 활물질이 코팅되지 않은 제1무지부를 포함하고, 상기 제1무지부는 세퍼레이터의 일측을 초과하여 외부로 연장될 수 있다. 또한 상기 제2전극 역시 음극 활물질이 코팅되지 않은 제2무지부를 포함하고, 상기 제2무지부는 세퍼레이터의 타측을 초과하여 외부로 연장될 수 있다. 즉, 상기 제1무지부 및 제2무지부의 연장 또는 돌출 방향은 세퍼레이터를 중심으로 서로 반대이다. 이러한 구조는 아래에서 다시 상세하게 설명하기로 한다.
상기 케이스(120)는 두 개의 넓은 측면(121a,121b)과, 두 개의 좁은 측면(122a,122b)과, 하나의 바닥면(123)을 포함한다. 물론, 상기 케이스(120)는 상부가 개방되어 있다. 이러한 케이스(120)에는 상기 전극 조립체(110)가 전해액과 함께 수용된다. 여기서, 상기 전극 조립체(110)의 제1무지부 및 제2무지부는 각각 케이스(120)의 좁은 측면(122a,122b)을 향한다. 또한, 상기 케이스(120)는 알루미늄, 구리, 철, 서스(SUS), 세라믹, 폴리머 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 더불어, 상기 케이스(120)는 실질적으로 상기 제1전극 또는 제2전극중 어느 하나와 전기적으로 접속될 수도 있다. 즉, 상기 케이스(120)는 양극 또는 음극 중에서 선택된 어느 하나 의 극성을 가질 수 있다. 여기서, 상기 케이스(120)의 내면은 불필요한 전기적 쇼트를 방지하기 위해, 전기적 절연 물질로 코팅될 수 있다.
상기 제1전극 단자(130) 및 상기 제2전극 단자(140)는 각각 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 상기 제1전극 단자(130)는 상기 제1전극에 용접되고, 상기 제2전극 단자(140)는 상기 단락 회로 부재(160) 및 제2전극에 용접될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 제1전극 단자(130)는 전극 조립체(110)중 제1전극의 제1무지부에 용접될 수 있다. 또한, 상기 제2전극 단자(140)는 전극 조립체(110)중 제2전극의 제2무지부와 단락 회로 부재(160)에 함께 용접될 수 있다. 이러한 구조 역시 아래에서 다시 상세하게 설명하기로 한다.
도 1b에서 도면 부호 160a 및160b는 전극 조립체(110)중 제1전극의 제1무지부를 상호간 용접한 자국이고, 도면 부호 160c는 전극 조립체(110)중 제1전극의 제1무지부를 제1전극 단자(130)에 용접한 자국이다. 또한, 도 1b에서 도면 부호 160d 및 160e는 단락 회로 부재(160) 및 전극 조립체(110)중 제2전극의 제2무지부를 상호간 용접한 자국이고, 도면 부호 160f는 단락 회로 부재(160) 및 전극 조립체(110)중 제2전극의 제2무지부를 제2전극 단자(140)에 용접한 자국이다.
또한, 상기 제1전극 단자(130)는 용접부(131), 제1연장부(132), 제2연장부(133) 및 볼트 연장부(134)를 포함하며, 상기 용접부(131)가 상기 전극 조립체(110) 중에서 제1전극의 제1무지부 내측으로 삽입된다. 또한, 상기 제2전극 단자(140) 역시 용접부(141), 제1연장부(142), 제2연장부(143) 및 볼트 연장부(144)를 포함하며, 상기 용접부(141)가 상기 전극 조립체(110) 중에서 제2전극의 제2무 지부 내측으로 삽입된다. 더불어, 상기 제1전극 단자(130) 및 상기 제2전극 단자(140)의 각 볼트 연장부(134,144)는 캡 플레이트(150)를 관통하여 외측으로 돌출된다.
상기 캡 플레이트(150)는 상기 제1전극 단자(130) 및 상기 제2전극 단자(140)가 외부로 돌출되도록 하면서, 상기 케이스(120)를 덮는다. 물론, 상기 캡 플레이트(150)와 상기 케이스(120) 사이의 경계는 레이저로 용접될 수 있다. 더불어, 상기 제1전극 단자(130) 및 상기 제2전극 단자(140)중에서 각각의 볼트 연장부(134,144)는 상기 캡 플레이트(150)를 관통한다. 여기서, 상기 제1전극 단자(130)의 볼트 연장부(134)는 상기 캡 플레이트(150)에 직접 접촉되어 있음으로써, 상기 캡 플레이트(150) 및 케이스(120)는 상기 제1전극 단자(130)와 같은 극성을 갖는다. 일례로, 상기 제1전극 단자(130)가 양극이면, 상기 캡 플레이트(150) 및 케이스(120) 역시 양극이고, 상기 제1전극 단자(130)가 음극이면, 상기 캡 플레이트(150) 및 케이스(120) 역시 음극이다. 더불어, 상기 제2전극 단자(140) 중에서 볼트 연장부(144)의 외주연에 절연재(151a)가 형성되어 있다. 따라서, 상기 제2전극 단자(140)는 캡 플레이트(150)와 전기적으로 절연된다. 이하의 설명에서, 상기 제1전극 단자(130)는 양극 단자로 가정한다.
상기 제1전극 단자(130) 및 상기 제2전극 단자(140)중에서 볼트 연장부(134,144)에는 넛트(135,145)가 각각 결합되어 있다. 따라서, 상기 제1전극 단자(130) 및 상기 제2전극 단자(140)는 캡 플레이트(150)에 단단하게 고정된다. 더욱이, 상기 캡 플레이트(150)에는 전해액 마개(152)가 결합될 수 있고, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 안전벤트(153)도 형성될 수 있다. 실질적으로, 이러한 캡 플레이트(150)는 상기 케이스(120)와 동일 재질로 형성될 수 있다.
상기 단락 회로 부재(160)는 상기 전극 조립체(110) 중에서 제1전극 또는 제2전극으로부터 상대적으로 더 길게 연장되어, 상기 전극 조립체(110)의 최외곽에 권취되고, 이는 이차 전지(100)의 관통 또는 압괴시 상기 케이스(120)와 제일 먼저 단락된다. 물론, 이러한 단락 회로 부재(160)는 전극 조립체(110) 중에서 제1전극 또는 제2전극으로부터 상대적으로 더 길게 연장되어 형성된 것이기 때문에, 이차 전지가 외부에서 단락된 것과 같은 효과를 낸다.
이러한 단락 회로 부재(160)는 상기 전극 조립체(110)의 표면을 대략 1회 내지 7회 정도 권취된 형태를 한다. 상기 권취 횟수가 1회 미만이면, 단락 회로 부재(160)가 상기 전극 조립체(110) 전체를 감싸지 못함으로써, 관통 또는 압괴시 상기 케이스(120)와 강제 단락되지 않을 수 있다. 다른 말로, 관통 또는 압괴가 상기 단락 회로 부재(160)가 없는 영역에서 일어날 수 있다. 또한, 상기 권취 회수가 7회를 초과하면, 상기 단락 회로 부재(160)가 권취된 상기 전극 조립체(110)의 사이즈가 커져 케이스(120)에 삽입되지 않을 수 있다. 따라서, 그만큼 전극 조립체(110)의 사이즈를 작게 하여야 하므로, 이차 전지(100)의 용량이 저하될 수 있다.
상기 전극 조립체(110) 중에서 대략 중앙에는 세퍼레이터(113a)가 권취되어 있는데, 이러한 세퍼레이터(113a)의 일측을 통해서는 제1전극(111)이 돌출될 수 있고, 상기 세퍼레이터(113a)의 타측을 통해서는 상기 단락 회로 부재(160)가 돌출될 수 있다. 즉, 세퍼레이터(113a)의 전방으로는 제1전극(111)이 돌출되고, 세퍼레이터(113a)의 후방으로는 단락 회로 부재(160)가 돌출될 수 있다. 이러한 단락 회로 부재(160)와 전극 조립체(110)의 상호간 결합 관계는 아래에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 한 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지중에서 전극 조립체에 단락 회로 부재를 권취하는 방법을 도시한 설명도이고, 도 2b 및 도 2c는 도 2a의 2a 및 2b영역 확대도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 단락 회로 부재(160)는 전극 조립체(110)중 예를 들면 제2전극(112)으로부터 연장되어, 상기 전극 조립체(110)에 권취될 수 있다. 즉, 제2전극(112)과 단락 회로 부재(160)의 합친 길이가 제1전극(111)의 길이보다 상대적으로 길다. 이에 따라 상기 단락 회로 부재(160)는 전극 조립체(110)의 제조 공정중에 함께 제조 및 권취된다. 더불어, 상기 단락 회로 부재(160)의 권취 후에는, 상기 단락 회로 부재(160)가 전극 조립체(110)로부터 풀리지 않도록 실링 테이프(165)가 접착된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 단락 회로 부재(160)는 전극 조립체(110)중에서 제2전극(112)으로부터 연장된 제2금속 포일(162a) 및 제2활물질(162b)을 포함한다. 여기서, 상기 제2금속 포일(162a)은 구리 포일일 수 있고, 상기 제2활물질(162b)은 흑연일 수 있다. 더불어, 상기 단락 회로 부재(160)의 양측면에는 각각 세퍼레이 터(113a,113b)가 위치될 수 있다. 더불어, 도면에서는 상기 단락 회로 부재(160)가 대략 2회 권취된 것으로 도시되어 있으나, 이러한 권취 횟수로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
한편, 상기 단락 회로 부재(160)에 인접해서는 세퍼레이터(113a), 제1전극(111), 세퍼레이터(113b) 및 제2전극(112)의 순서로 위치되어 있다.
상기 제1전극(111)은 제1금속 포일(111a)(예를 들면, 알루미늄 포일)과 제1활물질(111b)(예를 들면, 리튬계 산화물)로 이루어질 수 있다. 또한 상기 제2전극(112)은 제2금속 포일(112a)(예를 들면, 구리 포일)과 제2활물질(112b)(예를 들면, 흑연)로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 단락 회로 부재(160)는 실질적으로 상기 제2전극(112)이 제1전극(111)에 비하여 더 길게 연장되어 이루어진 것이므로, 상기 단락 회로 부재(160)와 상기 제2전극(112)은 재질 및 모양이 동일하다. 그러나, 상기 단락 회로 부재(160)는 구리, 알루미늄 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.
한편, 도 2c에 도시된 바와 같이, 단락 회로 부재(260)는 전극 조립체(110)중에서 제2전극(112)으로부터 연장된 제2금속 포일로만 형성될 수도 있다. 즉, 상기 단락 회로 부재(260)는 제2활물질을 포함하지 않을 수도 있다. 물론, 상기 단락 회로 부재(260)의 재질은 구리 포일일 수 있다. 더불어, 상기 단락 회로 부재(260)의 양측면에는 각각 세퍼레이터(113a,113b)가 위치될 수 있다. 더불어, 도면에서는 상기 단락 회로 부재(260)가 대략 2회 권취된 것으로 도시되어 있으나, 이러한 권 취 횟수로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
이러한 구조에 의해 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지(100)는 관통이나 압괴시, 세퍼레이터(113a)가 찢어지면서 상기 단락 회로 부재(160 또는 260)와 케이스의 내면이 상호간 단락된다. 여기서, 예를 들면 상기 단락 회로 부재(160 또는 260)는 음극이고, 상기 케이스는 양극일 수 있다. 물론, 이러한 단락 회로 부재(160 또는 260)는 제2전극(112)으로부터 연장되어 형성된 것이므로, 결국 이차 전지가 외부에서 강제로 단락된 것과 같은 상태가 된다. 특히, 활물질이 없는 단락 회로 부재(260)는 전기 저항이 매우 작기 때문에, 열을 거의 발생시키지 않는다. 즉, 이차 전지(100)가 열을 거의 발생하지 않으면서, 이차 전지(100)의 전기 에너지가 신속하게 제거된다. 더불어, 활물질이 형성된 단락 회로 부재(160)의 경우에 있어서도, 관통이나 압괴시 상대적으로 적은 열을 발생시키면서, 이차 전지(100)의 에너지가 신속하게 제거된다.
예를 들면, 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지(100)는 관통 또는 압괴시 대략 50~100℃의 온도를 초과하지 않는다. 더불어, 상기 케이스 역시 낮은 저항을 갖는 금속으로 형성될 수 있으므로, 상대적으로 발열 현상이 작게 나타나고, 전극 조립체(110)의 전기 에너지도 신속하게 제거된다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지중에서 전극 조립체, 단락 회로 부재 및 전극 단자 사이의 용접 방법을 도시한 설명도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(110)와, 그것으로부터 일정 길이 더 연장되어 상기 전극 조립체(110)를 권취하는 단락 회로 부재(160)는 다수의 영역에서 상호간 용접될 수 있다. 이러한 용접은 통상의 저항 용접, 초음파 용접 및 레이저 용접중 선택된 어느 하나에 의해 수행되며, 여기서 그 용접 방법을 한정하는 것은 아니다. 도면중 화살표 170a,170b가 전극 조립체(110)와 단락 회로 부재(160) 사이의 용접 포인트를 도시한 것이다.
이어서, 전극 단자(140)가 전극 조립체(110)에 결합된다. 즉, 전극 단자(140)중 용접부(141)가 전극 조립체(110)에 결합된다. 좀더 구체적으로 설명하면, 캡 플레이트와 전기적으로 연결되지 않은 제2전극 단자(140)중 용접부(141)는 전극 조립체(110)의 제2전극의 제2무지부에 형성되는 틈에 결합된다. 물론, 이때 제1전극 단자중 용접부가 전극 조립체(110)중 제1전극의 제1무지부에 형성되는 틈에 결합된다. 도면에서는 제2전극 단자(140)만이 도시되어 있다.
이어서, 용접부(141), 전극 조립체(110)의 제2전극중 제2무지부 및 단락 회로 부재(160)가 상호간 용접된다. 즉, 전극 단자중에서 용접부(141)에 전극 조립체(110)중 제2전극의 제2무지부 및 단락 회로 부재(160)가 밀착된 후, 통상의 저항 용접, 초음파 용접 및 레이저 용접중 선택된 어느 하나에 의해 용접이 이루어진다. 그러나, 여기서 상기 용접 방법을 한정하는 것은 아니다. 도면중 도면 부호 170c는 전극 단자(140)의 용접부(141), 전극 조립체(110) 및 단락 회로 부재(160)에 수행되는 용접 포인트이다. 물론, 이때 용접부(131), 전극 조립체(110)의 제1전극중 제1무지부 역시 상호간 용접된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지중에서 단락 회로 부재와 전극 조립체의 펼쳐진 상태를 도시한 분해 사시도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 단락 회로 부재(160)는 전극 조립체(110) 중에서 제2전극(112)의 길이 방향 끝단으로부터 소정 길이 더 연장된 형태를 한다. 즉, 제1전극(111)의 길이에 비하여 상기 제2전극(112)의 길이가 훨씬 길게 형성된다. 물론, 상기 제2전극(112)으로부터 연장된 단락 회로 부재(160)의 상부에는 세퍼레이터(113a)가 위치되어 있으며, 이러한 세퍼레이터(113a)는 상기 제2전극(112) 및 단락 회로 부재(160)의 합친 길이와 같거나 더 길다.
또한, 상기 단락 회로 부재(160)는 상기 전극 조립체(110) 중에서 제2전극(112)이 그대로 연장된 것이기 때문에, 실질적으로 상기 제2전극(112)의 구조와 동일하다. 즉, 상기 단락 회로 부재(160)는 제2금속 포일(162a), 상기 제2금속 포일(162a)에 코팅된 제2활물질(162b) 및 상기 제2활물질(162b)이 코팅되지 않고 상기 제2금속 포일(162a)이 외부로 노출되어 형성된 제2무지부(162c)를 포함한다.
물론, 상기 제2전극(112) 역시 제2금속 포일(112a), 상기 제2금속 포일(112a)에 코팅된 제2활물질(112b) 및 상기 제2활물질(112b)이 코팅되지 않고 상기 제2금속 포일(112a)이 외부로 노출되어 형성된 제2무지부(112c)를 포함한다.
여기서, 상기 단락 회로 부재(160)의 제2무지부(162c) 및 상기 제2전극(112)의 제2무지부(112c)는 상기 세퍼레이터(113a)를 통해 외측으로 돌출된다. 즉, 상기 제2무지부(162c) 및 제2무지부(112c)는 세퍼레이터(113a)의 전방으로 돌출된다.
더불어, 상기 세퍼레이터(113a) 위에는 제1전극(111)이 위치되어 있다. 상기 제1전극(111)은 제1금속 포일(111a), 상기 제1금속 포일(111a)에 코팅된 제1활물질(111b) 및 상기 제1활물질(111b)이 코팅되지 않고 상기 제1금속 포일(111a)이 외부로 노출되어 형성된 제1무지부(111c)를 포함한다. 더욱이, 상기 제1전극(111) 위에는 또다른 세퍼레이터(113b)가 위치된다. 여기서, 상기 제2전극(111)의 제1무지부(111c)는 상기 세퍼레이터(113b)를 통해 외측으로 돌출된다. 즉 상기 제1무지부(111c)는 상기 세퍼레이터(113b)의 후방으로 돌출된다.
이와 같이 하여, 제1전극(111)의 제1무지부(111c)와, 제2전극(112)의 제2무지부(112c)는 서로 반대 방향으로 돌출된 형태를 한다. 더불어, 상기 단락 회로 부재(160)에 형성된 제2무지부(162c)는 상기 제2무지부(112c)와 같은 방향으로 돌출된 형태를 한다.
한편, 상기 제2전극(112), 세퍼레이터(113a), 제1전극(111) 및 세퍼레이터(113b)가 적층되고, 권취축(201)에 의해 대략 반시계 방향으로 권취된다. 그러면, 상기 제2전극(112)에 형성된 단락 회로 부재(160)가 상기 제1전극(111)의 길이보다 더 길게 형성되어 있음으로써, 결국 전극 조립체의 표면을 상기 단락 회로 부재(160)가 대략 1회 내지 7회 정도 더 권취하게 된다. 여기서, 상기 권취축(201)은 전극 조립체의 권취 완료후, 전극 조립체로부터 분리된다.
물론, 이에 따라 상기 제2전극(112)의 제2무지부(112c) 및 상기 단락 방지 부재(160)의 제2무지부(160c) 역시 전기적으로 접속 및 용접된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 단락 회로 부재(260)는 전극 조립체(110) 중에서 제2전극(112)의 길이 방향 끝단으로부터 소정 길이 더 연장된 형태를 하되, 제2활물질이 형성되지 않을 수 있다. 즉, 상기 단락 회로 부재(260)는 금속이 직접 외부로 노출된 형태를 한다. 물론, 활물질이 형성되지 않은 단락 회로 부재(260)의 상부에는 세퍼레이터(113a)가 위치되어 권취후 케이스의 내면과 단락 회로 부재(260)의 전기적 쇼트를 방지한다. 물론, 상기 단락 회로 부재(260)는 제2전극(112)의 구성 요소중 하나인 제2금속 포일과 같은 재질이다.
이와 같이 하여, 단락 회로 부재(260)는 저항이 비교적 작은 재질로 형성됨으로써, 관통 또는 압괴시 매우 적은 열을 발생시키며 이차 전지의 에너지를 소모한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지중에서 전극 조립체를 도시한 단면도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(210)는 한쌍(110)이 구비될 수 있다. 더불어, 각 전극 조립체(110)마다 단락 회로 부재(160)가 권취될 수 있다. 물론, 각각의 전극 조립체(110)는 모두 전극 단자(240)에 전기적으로 접속된다. 여기서, 상기 전극 단자(240)는 용접부(241), 제1연장부(242), 제2연장부(243) 및 볼트 연장부(244)로 이루어진다. 또한, 상기 용접부(241)는 각 전극 조립체(110)에 삽입된다. 이어서, 통상의 용접 방법에 의해 단락 회로 부재(160) 및 전극 조립체(110) 가 상기 용접부(241)에 용접된다. 이와 같이 하여, 이차 전지의 용량이 증가하는 동시에, 관통 또는 압괴시 전극 조립체의 신속한 강제 단락이 이루어진다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(310)는 한쌍(110)이 구비될 수 있다. 더불어, 한쌍의 전극 조립체(110)는 일체로 단락 회로 부재(360)가 권취될 수 있다. 즉, 하나의 단락 회로 부재(360)가 한쌍의 전극 조립체(110)를 완전히 감싼다. 이와 같이 하여, 이차 전지의 용량이 증가되는 동시에, 전극 조립체(310)의 신속한 강제 단락이 이루어진다. 더욱이, 전극 조립체(310)가 하나의 단락 회로 부재(360)에 의해 완전히 감싸여짐으로써, 전극 조립체(310)의 취급이 쉬워진다. 여기서, 하나의 전극 조립체는 단락 회로 부재가 구비되지 않은 것이고, 나머지 다른 하나의 전극 조립체는 단락 회로 부재가 구비된 것일 수 있다.
도 6a는 활물질을 갖는 단락 회로 부재의 경우 관통 및 압괴시 이차 전지의 전압-온도 특성을 도시한 그래프이고, 도 6b는 활물질을 갖지 않는 단락 회로 부재의 경우 이차 전지의 관통 및 압괴시 전압-온도 특성을 도시한 그래프이다.
여기서, X축은 이차 전지의 관통 또는 압괴시 경과 시간(min)을 나타낸 것이고, 좌측 Y축은 전압(V)을 나타낸 것이며, 우축 Y축은 온도(℃)를 나타낸 것이다. 또한, 시험 조건은 잔존 용량 90%이고, 80mm/sec의 속도를 갖는 3mm의 직경을 갖는 못으로 이차 전지를 관통시켰다.
도 8a에 도시된 바와 같이 활물질을 갖는 단락 회로 부재가 있는 이차 전지의 경우, 관통이 시작된 직 후, 전지 전압이 약간 하강하였다가 다시 상승한 후, 완만한 곡선을 그리며 0V 근처까지 하강하였다.
한편, 이차 전지의 온도는 상온에서 서서히 증가하였으나 100℃ 이상으로 증가하지는 않았다. 즉, 이차 전지의 온도는 대략 50~100℃의 범위를 유지하였다. 이와 같이 하여, 단락 회로 부재(활물질을 가짐)가 있는 이차 전지의 경우에는 관통 또는 압괴시 온도가 허용치 이상 증가하지 않음으로써, 이차 전지의 안전성 및 신뢰성이 우수하다.
도 8b에 도시된 바와 같이 활물질이 없는 단락 회로 부재가 있는 이차 전지의 경우, 관통이 시작된 직 후, 전지 전압이 거의 0V 근처까지 하강하였다.
또한, 이차 전지의 온도는 상온에서 서서히 증가하였으나 70℃ 이상으로 증가하지는 않았다. 즉, 이차 전지의 온도는 대략 50~70℃의 범위를 유지하였다. 이와 같이 하여, 단락 회로 부재(활물질이 없음)가 있는 이차 전지의 경우에는 관통 또는 압괴시 온도가 허용치 이상 증가하지 않음으로써, 이차 전지의 안전성 및 신뢰성이 우수하다.
더불어, 단락 회로 부재에 활물질(예를 들면, 흑연)이 있는 경우에는, 제2전극을 별도로 가공하지 않고 길이만 늘려 그대로 사용함으로써, 제조 공정이 용이한 잇점이 있다. 그러나, 이차 전지의 관통 또는 압괴시 온도가 대략 50~100℃까지 상승함을 확인할 수 있었다.
한편, 단락 회로 부재에 활물질(예를 들면, 흑연)이 없는 경우에는, 제2전극에 별도의 가공(활물질을 제거하거나, 또는 활물질이 코팅되지 않도록 별도의 공정 추가)을 하여야 함으로써, 제조 공정이 까다로운 점이 있다. 그러나, 이차 전지의 관통 또는 압괴시 온도가 50~70℃까지만 상승하여, 이차 전지의 안전성 및 신뢰성이 상대적으로 우수함을 확인할 수 있었다.
상기와 같이 활물질이 있는 단락 회로 부재의 경우 온도가 상대적으로 높게 상승하는 이유는, 저항이 비교적 높은 활물질(예를 들면, 흑연)을 통하여 전류가 흐르기 때문인 것으로 생각된다. 예를 들면, 음극 활물질로 이용된 흑연의 경우 저항이 대략 7~12 × 10-6Ω·m이다.
반면, 활물질이 전혀 없는 단락 회로 부재는 예를 들면 구리는 저항이 대략 1.72 × 10-8Ω·m이고, 알루미늄은 저항이 대략 2.75 × 10-8Ω·m로서, 상기 흑연에 비해 저항이 상당히 낮음을 알 수 있다. 따라서, 이러한 구리 재질 또는 알루미늄 재질의 단락 회로 부재가 단락되었을 경우, 대전류가 소모되면서도 열은 거의 발생하지 않게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명의 한 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명의 한 실시예는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 한 실시예의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 한 실시예의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1a는 본 발명의 한 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 1b는 부분 단면도이고, 도 1c는 전극 조립체 및 전극 단자를 도시한 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 한 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지중에서 전극 조립체에 형성된 단락 회로 부재를 권취하는 방법을 도시한 설명도이고, 도 2b 및 도 2c는 도 2a의 2a 및 2b영역 확대도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지중에서 전극 조립체, 단락 회로 부재 및 전극 단자 사이의 용접 방법을 도시한 설명도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 한 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지중에서 단락 회로 부재를 갖는 전극 조립체의 펼쳐진 상태를 도시한 분해 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지중에서 전극 조립체를 도시한 단면도이다.
도 6a는 활물질을 갖는 단락 회로 부재의 경우 관통 및 압괴시 전압-온도 특성을 도시한 그래프이고, 도 6b는 활물질을 갖지 않는 단락 회로 부재의 경우 관통 및 압괴시 전압-온도 특성을 도시한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100; 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지
110; 전극 조립체 111; 제1전극
111a; 제1금속 포일 111b; 제1활물질
111c; 제1무지부 112; 제2전극
112a; 제2금속 포일 112b; 제2활물질
112c; 제2무지부 113a,113b; 세퍼레이터
120; 케이스 121a,121b; 넓은 측면
122a, 122b; 좁은 측면 123; 바닥면
130; 제1전극 단자 131; 용접부
132; 제1연장부 133; 제2연장부
134; 볼트 연장부 135; 넛트
140; 제2전극 단자 141; 용접부
142; 제1연장부 143; 제2연장부
144; 볼트 연장부 150; 캡 플레이트
151a; 절연재 152; 전해액 마개
153; 안전벤트 160; 단락 회로 부재
162a; 제2금속 포일 162b; 제2활물질
162c; 제2무지부
160a,160b,160c, 160c,160d,160f; 용접 자국

Claims (14)

  1. 제1전극, 제2전극, 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;
    상기 케이스에 결합된 캡 플레이트; 및
    상기 제1전극에 전기적으로 연결되고, 상기 전극 조립체에 권취된 단락 회로 부재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단락 회로 부재의 일단은 상기 단락 회로 부재 및 제1전극 사이의 경계에 중첩됨을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단락 회로 부재는 7회까지 상기 전극 조립체에 권취됨을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스의 내부에 다른 전극 조립체를 더 포함하고, 상기 단락 회로 부재는 상기 전극 조립체에 감긴 제1단락 회로 부재와, 상기 다른 전극 조립체에 감 긴 제2단락 회로 부재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스의 내부에 제2전극 조립체를 더 포함하고, 상기 단락 회로 부재는 상기 모든 전극 조립체들에 일체로 감긴 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 단락 회로 부재의 양면에 위치된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단락 회로 부재는 금속 포일을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 단락 회로 부재는 활물질을 갖는 금속 포일을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 단락 회로 부재는 구리 및 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 포일을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 단락 회로 부재는 상기 케이스와 다른 재질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극은 상기 전극 조립체의 제1측부로 연장된 제1무지부를 포함하고,
    상기 제2전극은 상기 전극 조립체의 제2측부로 연장된 제2무지부를 포함하며,
    상기 단락 회로 부재의 영역은 상기 제1무지부 또는 제2무지부중 어느 하나에 용접됨을 특징으로 하는 이차 전지.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제1전극 단자를 포함하고, 상기 단락 회로 부재, 상기 제1무지부, 및 상기 제1전극 단자는 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극은 금속 포일 및 활물질을 포함하고, 상기 제1전극의 영역은 제 2전극보다 길고, 상기 제2전극을 초과하여 연장된 제1전극의 영역이 상기 단락 회로 부재를 이루고, 상기 단락 회로 부재는 상기 금속 포일과 상기 활물질의 영역을 포함함을 특징으로 하는 이차 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극은 금속 포일을 포함하고, 상기 제1전극의 금속 포일은 단락 회로 부재를 이루도록 상기 제2전극을 초과하여 연장된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
KR1020090129891A 2009-08-27 2009-12-23 관통 및 압괴 안전성이 향상된 이차 전지 KR101156313B1 (ko)

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