KR20110036381A - 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지의 고온 상승이나, 과충방전 등으로 전지의 전압이 급상승할 때에 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지하도록 한 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지를 제공한다.
전류차단, 충,방전, 전지

Description

전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지 {Current interrupting device and Sedcondary battery using the same}
본 발명은 온도 변화을 감지하여 전류를 차단하는 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.
일반적으로 비디오 카메라, 휴대형 전화, 휴대형 컴퓨터 등과 같은 휴대형 무선 기기의 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 이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 작동 전압이 높고 단위 중량 당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 양극판, 음극판 및, 세퍼레이터로 이루어진 발전 요소, 즉, 전극조립체를 금속제의 캔에 수납하고, 이 캔 내부에 전해액을 주입하여 밀봉하여 형성된다. 이렇게 캔에 밀봉된 이차전지는 통상 상부에 캔과 절연된 전극 단자를 구비하여, 이 전극 단자가 전지의 어느 한 극을 이루게 하고, 타극은 전지 캔 자체가 되도록 한다.
이차전지는 전지의 충,방전을 제어하는 보호회로모듈(PCM: Protecting Circuit Module)이나, PTC와 같은 이차보호소자 등의 전지 안전장치가 연결되어 전지 팩에 수납된다. 이러한 전지 안전장치들은 양극과 음극에 각각 연결되어 전지의 고온 상승이나, 과충방전 등으로 전지의 전압이 급상승할 때에 전류를 차단해 전지의 파열 등 위험을 방지한다.
본 발명의 목적은 과충전 및 단락 등에 대한 안정성을 향상시킨 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 제조 비용을 절감하도록 한 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제품의 생산을 위한 최적의 양산 조건에 적합하도록 한 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명에 의한 전류차단소자는 제 1 단자 및 제 2 단자와, 상기 제 1 단자 및 제 2 단자를 접속하는 퓨즈와, 상기 퓨즈의 외관을 둘러싸서 밀봉하는 퓨즈 바디와, 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자는 상기 퓨즈가 접속되는 부위가 다른 부위 보다 얇은 두께의 박육부를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 단자 및 제 2 단자는 니켈, 구리, 철 중의 적어도 하나 또는 선택되는 둘 이상이 합금으로 형성된 것이 바람직하다.
상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 재질은 64％의 철과 36％의 니켈인 것이 바람직하다.
상기 퓨즈는 융점은 98℃±3℃ 이상인 것이 바람직하다.
상기 퓨즈 바디는 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 커버와, 제 1,2 단자의 하면에 부착되는 베이스를 포함하여 상기 제1,2단자는 상기 커버와 베이스의 내 부에서 밀봉되어 상기 퓨즈와 접속되는 것이 바람직하다.
상기 퓨즈 바디는 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 커버와, 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 베이스를 포함하며, 상기 제 1, 2단자는 일부가 상기 베이스를 관통하여 상기 퓨즈와 접속되는 것이 바람직하다.
상기 퓨즈 바디는 수지재질로서, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프터레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리프틸렌테레프터레이트, 폴리페닐렌옥시드, 폴리에틸렌설파이드, 폴리설폰 중에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 퓨즈 바디는 필름형태로 제조되는 것이 바람직하다.
상기 박육부의 두께는 상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께의 1/2 ~ 3/4 범위인 것이 바람직하다.
상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께는 0.4 mm이고, 상기 박육부의 두께는 0.2~0.3 mm 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하기는 상기 박육부의 두께는 0.25 mm인 것이 바람직하다.
상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께는 0.3 mm이고, 상기 박육부의 두께는 0.15~0.25 mm 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하기는 상기 박육부의 두께는 0.2 mm인 것이 바람직하다.
상기 박육부는 상기 퓨즈 바디가 상기 제1,2단자에 부착되는 넓이만큼 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이차 전지는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 수용되는 전극 조립체와, 상기 캔의 상단 개구부에 결합되어 밀봉되어 외부와 전기적인 연결매체가 되는 캡 조립체를 포함하고, 상기 캡 조립체는 상기 전극 조립체의 과충전 및 과방전으로 인한 온도상승시 전류를 차단하는 전류차단소자로서, 써멀 퓨즈를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 써멀 퓨즈는 상기 캔 내부에 설치되어 상기 전극 조립체와 상기 캡 조립체에 전기적으로 연결된 것이 바람직하다.
상기 캡 조립체는 상기 캔의 상부에 결합되는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트에 가스켓을 매개로 하여 삽입되는 음극단자와, 상기 캡 플레이트의 하면에 설치되는 절연 플레이트와, 상기 절연 플레이트의 하면에 설치되어 상기 음극단자와 통전되는 단자 플레이트를 포함하며, 상기 단자 플레이트는 상기 써멀 퓨즈를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 절연 플레이트의 일측에는 스토퍼가 형성되고, 이에 대응되어 상기 단자 플레이트의 일측에는 스토퍼홈이 형성된 것이 바람직하다.
상기 써멀 퓨즈는 제 1 단자 및 제 2 단자와, 상기 제 1 단자 및 제 2 단자를 접속하는 퓨즈와, 상기 퓨즈의 외관을 둘러싸서 밀봉하는 퓨즈 바디와, 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자는 상기 퓨즈가 접속되는 부위가 다른 부위 보다 얇은 두께의 박육부를 구비한다.
상기 제 1 단자 및 제 2 단자는 니켈, 구리, 철 중의 적어도 하나 또는 선택되는 둘 이상이 합금으로 형성된 것이 바람직하다.
상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 재질은 64％의 철과 36％의 니켈인 것이 바 람직하다.
상기 퓨즈는 융점은 94℃±3℃ 이상인 것이 바람직하다.
상기 퓨즈 바디는 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 커버와, 제 1,2 단자의 하면에 부착되는 베이스를 포함하여 상기 제1,2단자는 상기 커버와 베이스의 내부에서 밀봉되어 상기 퓨즈와 접속되는 것이 바람직하다.
상기 퓨즈 바디는 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 커버와, 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 베이스를 포함하며, 상기 제 1, 2단자는 일부가 상기 베이스를 관통하여 상기 퓨즈와 접속되는 것이 바람직하다.
상기 퓨즈 바디는 수지재질로서, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프터레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리프틸렌테레프터레이트, 폴리페닐렌옥시드, 폴리에틸렌설파이드, 폴리설폰 중에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 박육부의 두께는 상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께의 1/2 ~ 3/4 범위인 것이 바람직하다.
상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께는 0.4 mm이고, 상기 박육부의 두께는 0.2~0.3 mm 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하기는 상기 박육부의 두께는 0.25 mm인 것이 바람직하다.
상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께는 0.3 mm이고, 상기 박육부의 두께는 0.15~0.25 mm 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하기는 상기 박육부의 두께는 0.2 mm인 것이 바람직하다.
상기 박육부는 상기 퓨즈 바디가 상기 제1,2단자에 부착되는 넓이만큼 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전류차단소자 및 이차 전지는 전지의 과충전, 고온 단락에 대한 안전성을 확보하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 전류차단소자 및 이차 전지는 제조 비용을 절감하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 전류차단소자 및 이차 전지는 제품의 생산을 위한 최적의 양산 조건에 적합하다는 효과가 있다.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전류차단소자는 온도 변화에 의해 전류를 차단하는 이차보호소자이다. 이러한 이차보호소자로서 써멀 퓨즈(10)를 사용한다. 상기 써멀 퓨즈(10)는 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)와, 상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)를 접속하는 퓨즈(13)와, 상기 퓨즈(13)의 외관을 둘러싸서 밀봉하는 퓨즈 바디(14)(15)를 포함하고, 상기 제 1 단자(11) 및 상기 제 2 단자(12)는 상기 퓨즈(13)가 접속되는 부위가 다른 부위 보다 얇은 두께의 박육부(11b)(12b)를 포함한다.
상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)는 니켈, 구리, 철 등을 사용하거나, 이들 중에서 적어도 2개 선택되는 금속의 합금으로 형성된다. 바람직하기는 상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)의 재질은 64％의 철과 36％의 니켈 재질의 열팽창계수가 매우 작은 철 합금인 인바(invar)로서 형성된다.
상기 제 1 단자(11)는 본체(11a)와, 본체(11a)의 일단부에 본체(11a)보다 두께를 얇게 형성한 박육부(11b)를 포함한다. 상기 박육부(11a)는 상기 퓨즈(13)가 접속되는 부위에 해당된다.
그리고 상기 박육부(11b)는 상기 퓨즈 바디(14)(15)의 일단부가 부착되는 부위에 해당된다. 상기 제 2 단자(12)에도 본체(12a)와, 본체(12a)의 일단부에 일체로 박육부(12b)가 형성된다. 그리고 상기 박육부(12b)도 상기 퓨즈(13)가 접속되고, 상기 퓨즈 바디(14)(15)의 타단부가 부착된다.
제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)에 형성된 박육부(11b)(12b)의 상,하면에는 퓨즈 바디(14)(15)가 열융착 등에 의한 방식으로 부착된다. 따라서 두께가 얇은 박육부(11b)(12b)에 퓨즈 바디(14)(15)가 더 잘 부착된다. 열융착은 융착물을 대상물의 양쪽에서 가열하기 때문에 대상물(제1단자 또는 제2단자)의 두께가 두꺼운면 융착 결과가 좋지 않다. 상기 박육부(11b)(12b)는 두께가 얇기 때문에 퓨즈 바디(14)(15)가 양호하게 부착되어 밀폐 강도(밀폐력)이 향상된다.
상기 박육부(11b)(12b)의 두께는 상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)의 두께의 1/2 ~3/4 범위로 형성된다.
일예로, 써멀 퓨즈(10)의 상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)의 두께는 0.4mm 이면, 상기 박육부(11b)(12b)의 두께는 0.2~0.3mm 범위에서 형성되는 것이 바람직하다. 제 1,2 단자(11)(12)의 두께가 0.4mm 인 상태에서 퓨즈 바디(14)(15)가 제 1,2 단자(11)(12)에 부착되면, 퓨즈 바디(14)(15)의 부착 강도가 떨어진다. 따라서 퓨즈 바디(14)(15)가 퓨즈(13)를 밀봉하고 있는 밀폐 상태의 불량이 발생될 수 있다. 따라서 제 1,2 단자(11)(12)에서 퓨즈 바디(14)(15)가 부착되는 부위는 얇게 형성하여야 한다. 상기 제 1,2 단자(11)(12)의 두께가 0.4mm 인 경우에 상기 박육부(11b)(12b)의 두께는 0.25mm 인 것이 가장 바람직하다.
다른 예로, 써멀 퓨즈(10)의 상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)의 두께는 0.3mm 이면, 상기 박육부(11b)(12b)의 두께는 0.15~0.25mm 범위에서 형성되는 것이 바람직하다. 상기 제 1,2 단자(11)(12)의 두께가 0.3mm 인 경우에 상기 박육부(11b)(12b)의 두께는 0.2mm 인 것이 가장 바람직하다.
이러한 상기 써멀 퓨즈의 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)에 대하여 두께가 0.3mm 및 0.4mm인 경우인 써멀 퓨즈에 대하여 각각 성능 시험한 결과는 다음과 같다.
써멀 퓨즈의 성능 테스트는 밀폐 테스트와 가압 테스트로 실시되었다.
먼저 밀폐 테스트는 고온으로 온도를 상승시켜 내압을 증대시켜 밀폐상태를 평가한다. 아래의 표1에서 보는 바와 같이, 135℃에서 단자의 두께가 0.3mm, 0.4mm는 모두 밀폐상태를 양호하게 유지한다. 140℃가 초과되면 단자의 두께가 0.3mm는 밀폐상태가 유지되나 0.4mm의 경우에는 밀폐상태를 유지하지 못하게 된다.
표1. 135℃ 및 140℃에서 10분간 노출된 상태의 실링 상태표

노출온도/ 단자두께
0.3mm
0.4mm

135℃
OK
OK

140℃
OK
실링력 저하
또한, 가압 테스트는 단자에 135℃의 온도조건에서 하중을 가하면서 밀폐상태를 평가하면 다음과 같다.
아래의 표2에서 보는 바와 같이, 단자의 두께가 0.3mm인 경우에 0.2kgf 이상 0.5kgf의 경우에 단자가 휘어지는 현상이 발생되더라도 밀폐상태를 유지하게 된다. 그러나, 단자의 두께가 0.4mm인 경우에는 0.2kgf 이상인 경우에 단자가 휘어지지는 않으나 밀폐상태를 유지하지 못하는 불량이 발생되었다.
표2. 1분 동안 단자에 가해지는 가압력에 대한 실링 상태표 ( 135℃에서 10분간 노출)

가압력/ 단자두께
0.3mm
0.4mm

0.10 kgf
OK
OK

0.20 kgf
OK(단자만 구부러짐)
실링력 저하(단자 구부러짐 없음)

0.30 kgf
OK(단자만 구부러짐)
실링력 저하(단자 구부러짐 없음)
상기 제 1,2 단자(11)(12)에서 상기 박육부(11b)(12b)는 상기 퓨즈 바디(14)(15)가 상기 제 1,2 단자(11)(12)에 부착되는 길이만큼 형성된다.
한편, 상기 제 1 단자(11)에는 홀(16)이 형성되고, 상기 제 2 단자(12)에는 일측이 개방된 스토퍼홈(17)이 형성된다. 이는 후술하는 본 발명의 이차 전지에서 보다 구체적으로 설명한다.
상기 퓨즈(13)는 일반적으로 주석 또는 납을 사용하여 제조하고 있으나, 재질을 한정하지 않는다. 최근에는 Sn,Bi,In,Zn 합금 또는 Sn,In,Zn 합금과 같이 환경오염을 발생시키지 않는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 퓨즈(13)에는 일반적으로 플럭스(미도시)가 도포된다. 상기 퓨즈(13)의 융점은 98℃±3℃ 이상인 것이 바람직하다. 본 발명이 적용되는 전지의 고율 방전시 전지의 내부 온도는 90℃ 이상이다. 따라서 상기 퓨즈(13)는 작동온도가 98℃±3℃ 이상인 경우가 바람직하다. . 또한, 퓨즈(13)의 작동온도의 상한값은 본 발명이 적용되는 이차 전지의 경우에 폭발이나 발화를 방지하는 온도값을 갖는다.
상기 퓨즈 바디(14)(15)는 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 커버(14)와, 제 1,2 단자의 하면에 부착되는 베이스(15)를 포함한다.
상기 제 1 단자(11)의 일단부의 상면과 상기 제 2 단자(12)의 일단부의 상면에 커버(14)가 부착된다. 그리고 상기 제 1 단자(11)의 일단부의 상면과 상기 제 2 단자(12)의 일단부의 하면에 베이스(15)가 부착된다. 상기 커버(14)와 베이스(15)가 부착되는 방식은 열융착을 실시하거나, 또는 초음파 융착 또는 레이저 조사에 의한 접합 방식을 사용할 수 있다.
따라서 상기 제1,2 단자(11)(12)의 일단부는 상기 커버(14)와 베이스(15)의 내부에 밀봉된 상태로 상기 퓨즈(13)에 의해 접속된다.
상기 커버(14)와 베이스(15)는 수지 재질로 형성한다. 바람직하기는 폴리에 틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프터레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리프틸렌테레프터레이트, 폴리페닐렌옥시드, 폴리에틸렌설파이드, 폴리설폰 중 선택되는 하나 또는 그 이상의 혼합물질을 사용한다.
이러한 커버(14)와 베이스(15)에 사용되는 수지는 필름 형태로 제조되는 것이 바람직하다. 또한 커버(14)와 베이스(15)는 동종 재질로 형성할 수 있으나, 이종 재질로 형성하더라도 무방하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 써멀 퓨즈(10)는 도 3에 도시한 바와 같이, 주위의 온도가 설정되어 있는 작동 온도 이상으로 상승되면 퓨즈(13)가 용단된다. 따라서 제 1 단자(11)와 제 2 단자(12)의 전기적인 연결이 끊어지므로, 과전류에 의한 발화 또는 폭발 등이 방지된다.
본 발명에 따른 써멀 퓨즈의 다른 실시예를 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 퓨즈(20)는 제 1 단자(21) 및 제 2 단자(22)와, 상기 제 1 단자(21) 및 제 2 단자(22)를 접속하는 퓨즈(23)와, 상기 퓨즈(23)의 외관을 둘러싸서 밀봉하는 퓨즈 바디(24)(25)를 포함하고, 상기 제 1 단자(21) 및 상기 제 2 단자(22)는 상기 퓨즈(23)가 접속되는 부위가 다른 부위 보다 얇은 두께의 박육부(21b)(22b)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 퓨즈(20)에는 제 1,2 단자(21)(22) 및 퓨드(23)의 일반적인 구성은 일 실시예와 동일하다. 따라서 상세한 설명은 생략한다.
상기 제 1 단자(21) 및 제 2 단자(22)는 각각 본체(21a)(22a)와, 상기 본 체(21a)(22b)의 일단부에 형성된 박육부(21b)(22b)와, 상기 박육부(21b)(22b)에 일측으로 돌출되는 절곡부(21c)(22c)를 포함한다.
상기 퓨즈 바디(24)(25)는 상기 제 1,2 단자(21)(22)의 상면에 커버(24)가 부착되는 구성은 동일하다. 다만, 본 발명의 다른 실시예는 상기 커버(24)와 함께 상기 베이스(25)가 제 1,2 단자(11)(12)의 상면에 부착된다. 이때, 제 1,2 단자(21)(22)의 절곡부(21c)(22c)는 상기 베이스(25)를 관통하는 상태로 설치된다. 그리고 베이스(25)를 관통한 상기 절곡부(21c)와 절곡부(22c)는 상기 퓨즈(23)에 의해 접속된다. 따라서 상기 제 1,2 단자(21)(22)는 퓨즈(23)에 의해 접속된 상태가 된다. 그리고 상기 퓨즈(23)는 상기 커버(24)와 베이스(25)에 의해 밀봉된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 퓨즈(20)의 동작은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 써멀 퓨즈(10)의 동작과 동일하므로 생략한다.
다음에는 본 발명에 따른 이차 전지의 일 실시예를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 일단이 개구된 캔(111)과, 상기 캔(111)의 내부에 수용되는 전극조립체(112)와, 상기 캔(111)의 상단 개구부에 결합되어 밀봉하는 캡 조립체(120)와, 상기 전극 조립체(112)와 캡 조립체(120) 사이에 전기적으로 연결되는 이차보호소자로서 써멀 퓨즈(10)를 구비한다. 이러한 써멀 퓨즈(10)는 상기 캔(111) 내부에 설치된다.
상기 캔(111)은 그 내부가 공간부를 갖는 금속재로 된 각형의 케이스이며, 상기 전극조립체(120)는 양극판(113)과, 세퍼레이터(114)와, 음극판(115)이 적층되거나, 또는 젤리-롤형(jelly-roll type)으로 권취된다. 본 발명의 실시예에서는 젤 리-롤형으로 권취된 전극 조립체를 사용하고 있으나, 적층형(Stack type) 전극 조립체를 사용하더라도 무방하다.
상기 양극판(113) 및 음극판(115)으로부터 양극리드(116) 및 음극리드(117)가 각각 인출되어 있다.
상기 캡 조립체(120)는 상기 캔(111)의 상부에 결합되는 캡 플레이트(121)와, 상기 캡 플레이트(121)에 가스켓(122)을 매개로 하여 삽입되는 음극단자(123)와, 상기 캡 플레이트(121)의 하면에 설치되는 절연 플레이트(124)와, 상기 절연 플레이트(124)의 하면에 설치되어 상기 음극단자(123)와 통전되는 단자 플레이트를 포함하고 있다. 또한, 상기 캡 플레이트(121)에는 캔(111) 내부로 전해액이 주입되는 통로를 제공하는 전해액주입공(125)이 형성되어 있고, 상기 전해액주입공(125)은 캔(111)의 내부로 전해액을 주입한 후에 볼(126)로 밀봉된다. 상기 양극리드(116)는 상기 캡 플레이트(121)의 하면에 직접 연결되어 있으며, 상기 음극리드(117)는 상기 단자 플레이트를 통하여 음극단자(123)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 캔(111)의 내부에는 상기 전극 조립체(112)의 상부에 상기 전극 조립체(112)를 캡 조립체(120)와 절연시키기 위한 절연 케이스(127)가 더 설치될 수 있다.
본 발명은 상기 단자 플레이트를 써멀 퓨즈(10)를 사용한다. 따라서 상기 써멀 퓨즈(10)는 캔(111)의 내부에 내장된다. 그리고 음극리드(117)와 전기적으로 연결된다.
상기 캡 플레이트(121)는 하면에 스토퍼(121a)가 형성된다. 그리고 상기 캡 플레이트(121)의 하면에 설치되는 상기 절연 플레이트(124)는 양단부에 상기 스토퍼(121a)가 끼워져 고정되는 스토퍼홈(124a)이 형성된다. 따라서 상기 캡 플레이트(121)에 대하여 상기 절연 플레이트(124)는 회전되지 않는다.
상기 절연 플레이트(124)는 하면 일측에 스토퍼(124b)가 형성된다. 또한, 상기 절연 플레이트(124)의 하면에 설치되는 써멀 퓨즈(10)는 일측에 스토퍼홈(17)이 형성된다. 상기 스토퍼(124b)에 상기 스토퍼홈(17)이 끼워져 써멀 퓨즈(10)의 일측이 절연 플레이트(124)에 고정된다. 따라서 절연 플레이트(124)에 대하여 상기 써멀 퓨즈(10)가 회전되지 않는다. 상기 음극단자(123)는 캡 플레이트(121), 절연 플레이트(124)와 써멀 퓨즈(10)의 각각의 단자홀들를 관통한 후에 스피닝(spinning) 작업에 의해 고정된다. 스피닝 작업시 상기 캡 플레이트(121)에 대하여 절연 플레이트(124)가 회전되지 않는다. 그리고 상기 절연 플레이트(124)에 대하여 써멀 퓨즈(10)가 회전되지 않는다.
상기 써멀 퓨즈(10)의 구성은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
상기 써멀 퓨즈(10)는 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)와, 상기 제 1 단자 및 제 2 단자를 접속하는 퓨즈(13)와, 상기 퓨즈(13)의 외관을 둘러싸서 밀봉하는 퓨즈 바디(14)(15)를 포함하고, 상기 제 1 단자(11) 및 상기 제 2 단자(12)는 상기 퓨즈(13)가 접속되는 부위가 다른 부위 보다 얇은 두께의 박육부(11b)(12b)를 포함한다.
상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)는 니켈, 구리, 철 등을 사용하거나, 이들 중에서 선택되는 합금으로 형성된다. 바람직하기는 상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)의 재질은 64％의 철과 36％의 니켈 재질의 열팽창계수가 매우 작은 철 합금인 인바(invar)로서 형성된다.
상기 제 1 단자(11)는 본체(11a)와, 상기 본체(11a)의 일단부에 형성된 박육부(11b)를 포함한다. 상기 박육부(11b)는 상기 본체(11a)에 대하여 두께를 얇게 형성한다. 상기 박육부(11b)는 상기 퓨즈(13)가 접속되는 부위에 해당된다. 상기 박육부(11b)는 상기 퓨즈 바디(14)(15)가 부착되는 부위에 해당된다. 이처럼 제 1 단자(11)는 박육부(11b)에 퓨즈 바디(14)(15)가 열융착에 의해 부착시 밀폐력이 향상된다. 상기 제 2 단자(12)는 본체(12a)와, 상기 본체(12a)의 일단부에 두께가 얇게 형성된 박육부(12b)를 포함한다. 따라서 제1,2 단자(11)(12)의 박육부(11b)(12b)에 퓨즈 바디(14)(15)가 부착된다. 그리고, 제1,2 단자(11)(12)를 접속하는 퓨즈(13)는 상기 퓨즈 바디(14)(15)에 의해 밀봉된다.
상기 박육부(11b)(12b)의 두께는 상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)의 두께의 1/2 ~3/4 범위로 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 써멀 퓨즈(10)는 상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)의 두께는 0.4 mm이다. 이차전지의 캔 내부에서 단자 플레이트의 강도를 유지하기 위한 최소 두께가 0.4mm 이다. 따라서 단자 플레이트의 역할을 하는 써멀 퓨즈(10)는 상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)의 두께가 0.4mm 으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 박육부(11a)(12a)의 두께는 0.2~0.3mm의 범위로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 퓨즈 바디(14)(15)가 부착되는 부위의 두께가 0.4mm 이면 퓨즈 바디(14)(15)의 열융착시 접합 강도가 떨어져 밀폐력이 저하된다. 따라서 퓨즈 바디(14)(15)가 부착되는 박육부(11b)(12b)의 두께가 얇게 형성되어야 한다. 실험적으로 상기 제 1,2 단자가 0.4mm인 경우에 상기 박육부(11b)(12b)의 두께는 0.25mm 인 것이 가장 바람직하다.
다른 예로, 써멀 퓨즈(10)의 상기 제 1 단자(11) 및 제 2 단자(12)의 두께가 0.3mm 이면, 상기 박육부(11b)(12b)의 두께는 0.15~0.25mm 범위에서 형성되는 것이 바람직하다. 실험적으로 상기 제 1,2 단자(11)(12)의 두께가 0.3mm 인 경우에 상기 박육부(11b)(12b)의 두께는 0.2mm 인 것이 가장 바람직하다.
이와 같은 상기 제 1,2 단자(11)(12)에서 상기 박육부(11b)(12b)는 상기 퓨즈 바디(14)(15)가 상기 제 1,2 단자(11)(12)에 부착되는 길이 만큼 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 단자(11)에는 단자홀(16)이 형성되고, 상기 제 2 단자(12)에는 일측이 개방된 스토퍼홈(17)이 형성된다. 상기 단자홀(16)을 통해 상기 음극단자(123)가 관통되어 고정된다. 상기 스토퍼홈(17)을 통해 상기 절연 플레이트(124)의 스토퍼(124b)가 고정된다.
상기 퓨즈(13)는 재질을 한정하지 않으나, Sn,Bi,In,Zn 합금 또는 Sn,In,Zn 합금과 같이 환경오염을 발생시키지 않는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 퓨즈(13)에는 플럭스(미도시)가 도포된다. 상기 퓨즈(13)의 융점은 94℃±3℃ 이상인 것이 바람직하다. 본 발명이 적용되는 전지의 고율 방전시 전지의 내부 온도는 90℃ 이상이다. 이에 대하여 상기 퓨즈(13)는 작동온도가 94℃±3℃ 이상이어야 고율 방전에 대하여 전류가 차단되지 않는다. 또한, 퓨즈(13)의 작동온도의 상한값은 이차 전지의 경우에 폭발이나 발화를 방지하는 평균적인 온도값으로 설정한다.
상기 퓨즈 바디(14)(15)는 상기 제 1,2 단자(11)(12)의 상면에 부착되는 커버(14)와, 제 1,2 단자(11)(12)의 하면에 부착되는 베이스(15)를 포함한다. 상기 제 1 단자(11)의 일단부의 상면과 상기 제 2 단자(12)의 일단부의 상면에 커버(4)가 부착된다. 그리고 상기 제 1 단자(11)의 일단부의 상면과 상기 제 2 단자(12)의 일단부의 하면에 베이스(15)가 부착된다. 상기 커버(14)와 베이스(15)가 부착되는 방식은 열융착을 실시하거나, 또는 초음파 융착 또는 레이저 조사에 의한 접합 방식을 사용할 수 있다. 따라서 상기 제1,2 단자(11)(12)의 일단부는 상기 커버(14)와 베이스(15)의 내부에서 밀폐된 상태로 상기 퓨즈(13)와 접속된다.
상기 커버(14)와 베이스(15)는 수지 재질로 형성한다. 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프터레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리프틸렌테레프터레이트, 폴리페닐렌옥시드, 폴리에틸렌설파이드, 폴리설폰 중에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
이러한 커버(14)와 베이스(15)에 사용되는 수지는 필름형태로 제조되는 것이 바람직하다. 또한 커버(14)와 베이스(15)는 동종 재질로 형성할 수 있으나, 이종 재질로 형성하더라도 무방하다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 이차 전지는 과충,방전에 의한 온도의 과상승을 감지하는 이차보호소자로서 써멀 퓨즈(10)가 사용된다. 그리고 써멀 퓨 즈(10)는 전지의 내부인 캔(111)의 내부에 설치된다.
상기 써멀 퓨즈(10)는 캡 플레이트(121)의 하면에 설치되어 단자 플레이트의 역할을 하게 된다. 따라서 상기 써멀 퓨즈(10)는 캔(111) 내부에 설치되고, 전극 조립체(112)와 인접설치된다. 그리고 음극리드(117)에 전기적으로 연결된다. 따라서 전지 내부의 온도 과상승되는 상태를 민감하게 감지하여 전류를 차단하게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 써멀 퓨즈의 일 실시예의 평면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 써멀 퓨즈의 동작 상태도.
도 4는 본 발명에 의한 써멀 퓨즈의 다른 실시예의 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 이차 전지의 일 실시예의 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 이차 전지의 일 실시예의 분해사시도.
도 7은 본 발명에 의한 이차 전지의 일 실시예의 캡 조립체를 뒤집어놓은 상태의 사시도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10,20 ; 써멀 퓨즈
11,12,21,22 ; 제 1,2 단자
13,23 ; 퓨즈
14,15,24,25 ; 퓨즈 바디
16 ; 단자홀
17 ; 스토퍼홈
100 ; 이차 전지
121 ; 캡 플레이트
124 ; 절연 플레이트

Claims (30)

  1. 제 1 단자 및 제 2 단자와,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자를 접속하는 퓨즈와,
    상기 퓨즈의 외관을 둘러싸서 밀봉하는 퓨즈 바디와,
    상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자는 상기 퓨즈가 접속되는 부위가 다른 부위 보다 얇은 두께의 박육부를 구비한 것을 특징으로 하는 전류차단소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자는 본체와, 상기 본체에 대하여 상대적으로 두께가 얇은 박육부를 포함하는 전류차단소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자는 본체와, 상기 본체에 대하여 상대적으로 두께가 얇은 박육부와, 상기 박육부에 일부가 돌출된 절곡부를 포함하는 전류차단소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자는 니켈, 구리, 철 중의 적어도 하나로 형성되거나, 또는 이들 중에서 선택되는 둘 이상이 합금으로 형성된 전류차단소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 재질은 64％의 철과 36％의 니켈인 전류차단소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈는 융점은 94℃±3℃ 이상인 전류차단소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈 바디는 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 커버와, 제 1,2 단자의 하면에 부착되는 베이스를 포함하여 상기 제1,2단자는 상기 커버와 베이스의 내부에서 밀봉되어 상기 퓨즈와 접속되는 전류차단소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈 바디는 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 커버와, 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 베이스를 포함하며, 상기 제 1, 2단자는 일부가 상기 베이스를 관통하여 상기 퓨즈와 접속되는 전류차단소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈 바디는 수지재질로서, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프 터레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리프틸렌테레프터레이트, 폴리페닐렌옥시드, 폴리에틸렌설파이드, 폴리설폰 중에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 혼합물을 포함하는 전류차단소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 퓨즈 바디는 필름 형태인 전류차단소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 박육부의 두께는 상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께의 1/2 ~ 3/4 범위인 전류차단소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께는 0.4 mm이고, 상기 박육부의 두께는 0.25 mm 인 전류차단소자.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께는 0.3 mm이고, 상기 박육부의 두께는 0.25 mm 인 전류차단소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 박육부는 상기 퓨즈 바디가 상기 제1,2단자에 부착되는 넓이만큼 형성된 전류차단소자.
  15. 케이스와;
    상기 케이스의 내부에 수용되는 전극 조립체와;
    상기 캔의 상단 개구부에 결합되어 밀봉되어 외부와 전기적인 연결매체가 되는 캡 조립체를 포함하고;
    상기 캡 조립체는 상기 전극 조립체의 과충전 및 과방전으로 인한 온도상승시 전류를 차단하는 써멀 퓨즈를 구비한 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 써멀 퓨즈는 상기 캔 내부에 설치되어 상기 전극 조립체와 상기 캡 조립체에 전기적으로 연결된 이차 전지.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 캡 조립체는 상기 캔의 상부에 결합되는 캡 플레이트와, 상기 캡 플레이트에 가스켓을 매개로 하여 삽입되는 음극단자와, 상기 캡 플레이트의 하면에 설치되는 절연 플레이트와, 상기 절연 플레이트의 하면에 설치되어 상기 음극단자와 통전되는 단자 플레이트를 포함하며,
    상기 단자 플레이트는 상기 써멀 퓨즈인 이차 전지.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 절연 플레이트의 일측에는 스토퍼가 형성되고, 이에 대응되어 상기 단자 플레이트의 일측에는 스토퍼홈이 형성된 이차 전지.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 써멀 퓨즈는 제 1 단자 및 제 2 단자와, 상기 제 1 단자 및 제 2 단자를 접속하는 퓨즈와, 상기 퓨즈의 외관을 둘러싸서 밀봉하는 퓨즈 바디와, 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자는 상기 퓨즈가 접속되는 부위가 다른 부위 보다 얇은 두께의 박육부를 구비한 이차 전지.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자는 니켈, 구리, 철 중의 적어도 하나 또는 선택되는 둘 이상이 합금으로 형성된 이차 전지.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 재질은 64％의 철과 36％의 니켈인 이차 전지.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 퓨즈는 융점은 98℃±3℃ 이상인 이차 전지.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 퓨즈 바디는 상기 제 1,2 단자의 상면에 부착되는 커버와, 제 1,2 단자의 하면에 부착되는 베이스를 포함하여 상기 제1,2단자는 상기 커버와 베이스의 내부에서 밀봉되어 상기 퓨즈와 접속되는 이차 전지.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 퓨즈 바디는 수지재질로서, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프터레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리프틸렌테레프터레이트, 폴리페닐렌옥시드, 폴리에틸렌설파이드, 폴리설폰 중에서 선택되는 하나 또는 하나 이상의 혼합물을 포함하는 이차 전지.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 박육부의 두께는 상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께의 1/2 ~ 3/4 범위인 써멀 퓨즈.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께는 0.4 mm이고, 상기 박육부의 두께는 0.2~0.3 mm 인 써멀 퓨즈.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 박육부의 두께는 0.25 mm인 써멀 퓨즈.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 단자 및 제 2 단자의 두께는 0.3 mm이고, 상기 박육부의 두께는 0.15~0.25mm 인 써멀 퓨즈.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 박육부의 두께는 0.2 mm인 써멀 퓨즈.
  30. 제 19 항에 있어서,
    상기 박육부는 상기 퓨즈 바디가 상기 제1,2단자에 부착되는 넓이만큼 형성된 이차 전지.
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