KR20110065373A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20110065373A
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Abstract

본 기재의 이차 전지는, 케이스와, 상기 케이스 내에 수용되며, 제1 평탄면과 제2 평탄면, 및 상기 제1 평탄면과 제2 평탄면을 연결하는 연결부를 포함하는 전극 조립체와, 상기 케이스와 상기 전극 조립체 사이에 위치하며, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2 평탄면들 중 하나에 인접하여 중첩되는 평판부를 갖는 지지판을 포함한다.

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안전 장치의 구조를 개선한 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원 또는 대용량 전력 저장 장치로 사용되고 있다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 대용량의 전지 모듈로 구성된다. 이러한 이차 전지는 원통형과 각형 등으로 이루어질 수 있다.
각형 이차 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와 전극 조립체가 내장되는 공간을 구비하는 케이스, 케이스를 밀폐하는 캡 플레이트, 전극 조립체와 전기적으로 연결되며, 상기 캡 플레이트를 관통하여 케이스의 외측으로 돌출되는 단자를 포함한다.
이차 전지의 외부에서 못이나 송곳 등의 도전성 이물질이 내부로 진입한 경우, 이차 전지 내부에서 단락이 발생할 수 있다. 이와 같이 단락이 발생하면 이차 전지 내부의 온도가 급격하게 상승하여 이차 전지가 발화하거나 폭발할 위험이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 안전성이 향상된 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 케이스와, 상기 케이스 내에 수용되며, 제1 평탄면과 제2 평탄면, 및 상기 제1 평탄면과 제2 평탄면을 연결하는 연결부를 포함하는 전극 조립체와, 상기 케이스와 상기 전극 조립체 사이에 위치하며, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2 평탄면들 중 하나에 인접하여 중첩되는 평판부를 갖는 지지판을 포함한다.
상기 지지판과 상기 전극 조립체 사이에 절연 필름을 더 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 제1 전극은 활물질이 도포된 코팅부와 상기 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하며, 상기 지지판은 상기 무지부에서 상기 제1 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 지지판은 상기 제1 전극에 용접될 수 있다.
상기 지지판은 상기 제1 전극의 경사부에 대응되는 경사면과, 상기 제1 전극의 무지부에 대응되는 부착부를 포함한다. 상기 지지판과 상기 제1 전극은 동일한 소재로 이루어질 수 있다.
또는, 상기 제1 전극과 상기 지지판은 서로 동일한 소재로 이루어지고, 상기 제2 전극과 상기 케이스는 서로 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 상기 케이스는 상기 제2 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 지지판은 금속을 포함한다. 상기 금속은 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.
상기 이차 전지는, 상기 단자와 리드부재를 더 포함하고, 상기 리드부재는 상기 전극 조립체를 상기 단자에 전기적으로 연결한다.
상기 지지판을 제1 지지판이라 할 때, 상기 이차 전지는, 상기 케이스와 상기 전극 조립체의 사이에 제2 지지판을 더 포함하며, 상기 제2 지지판은, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 평탄면 및 제2 평탄면 중 하나에 중첩되는 평판부를 가질 수 있다.
상기 지지판은 상기 전극 조립체의 상기 연결부를 덮지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부에서 도체 이물질이 침입하였을 때, 내부 단락으로 인한 발화 및 폭발을 방지하여 이차 전지의 안전성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 조립체와 금속 지지판을 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 부재들이 결합된 상태에 잘라 본 횡 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 조립체에 금속 지지판이 부착된 상태에서 잘라 본 횡단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 이차 전지(100)는 양극(11)과 음극(12) 사이에 세퍼레이터(13)를 개재하여 귄취된 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10)가 내장되는 케이스(34)와, 케이스(34)의 개구에 결합된 캡 어셈블리(20)를 포함한다.
본 제1 실시예에 따른 이차 전지(100)는 리튬 이온 이차 전지로서 각형인 것을 예로서 설명한다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 리튬 폴리머 전지 등 다양한 전지에 적용될 수 있다.
양극(11) 및 음극(12)은 박판의 금속 호일로 형성된 집전체에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 영역인 무지부(11a, 12a)를 포함한다.
양극 무지부(11a)는 양극(11)의 길이 방향을 따라 양극(11)의 한 쪽 측단에 형성되고, 음극 무지부(12a)는 음극(12)의 길이 방향을 따라 음극(12)의 다른 쪽 측단에 형성된다. 그리고 양극(11) 및 음극(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 사이에 개재한 후 권취된다. 또한, 전극 조립체(10)의 외면에는 전극 조립체(10)의 형태를 지지하는 마감 테이프가 설치될 수 있다. 전극조립체(10)는 권취 후 압착되어 대략 평판형으로 이루어지며, 도 3에 나타난 바와 같이, 두 개의 평탄면(10a)과 이들을 연결하는 연결부(10b)를 가진다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기한 전극 조립체(10)는 복수 개의 시트(sheet)로 이루어진 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 구조로 이루어질 수도 있다.
케이스(34)는 대략 직육면체로 이루어지며, 일면에는 개방된 개구가 형성된다. 캡 어셈블리(20)는 케이스(34)의 개구를 덮는 캡 플레이트(30)와 캡 플레이트(30)의 외측으로 돌출되며, 양극(11)과 전기적으로 연결된 양극 단자(21)와 캡 플레이트의 외측으로 돌출되며 음극과 전기적으로 연결된 음극 단자(22), 및 설정된 내부 압력에 따라 파단될 수 있도록 노치(39a)가 형성된 벤트부재(39)를 포함할 수 있다.
캡 플레이트(30)는 얇은 판으로 이루어지며, 일측에 전해액의 주입을 위한 전해액 주입구(27)가 형성되고 전해액 주입구(27)에는 밀봉 마개(38)가 설치될 수 있다.
캡 플레이트(30)와 단자(21, 22) 사이에는 개스킷(25)이 설치되어 캡 플레이트(30)와 단자(21, 22)를 절연시킨다. 본 기재에서 단자(21, 22)라 함은 양극 단자(21)와 음극 단자(22)를 포함한다. 개스킷(25)은 단자 홀에 끼워져 설치되며, 두 개의 조각으로 이루어져 단자 홀의 상부와 하부에 각각 밀착 배치된다. 상기 단자들(21, 22) 중 하나, 예를 들어 양극 단자(21)는 캡 플레이트(30)에 전기적으로 연결되어 상기 전극들(11, 12) 중 하나, 예를 들어 양극(11)은 상기 케이스(34)에 전기적으로 연결될 수 있다.
단자(21, 22)는 원기둥형상으로 이루어지는 데, 단자(21, 22)에는 단자들(21, 22)을 상부에서 지지하는 너트(29)가 설치되고, 단자(21, 22)의 외주에는 너트(29)가 체결될 수 있도록 나사산이 형성된다. 너트(29)와 개스킷(25) 사이에는 체결력을 완충하는 와셔(24)가 설치된다. 한편 단자(21, 22)의 하단에는 하부에서 단자를 지지하는 단자 플랜지(21a, 22a)가 형성된다.
단자 플랜지(21a, 22a)와 캡 플레이트(30) 사이에는 절연을 위한 하부 절연부재(26)가 설치되고 하부 절연부재(26)에는 단자(21, 22)가 삽입된다. 단자 플랜지(21a, 22a)에는 양극(11) 또는 음극(12)과 전기적으로 연결된 리드부재(32)가 용접으로 부착되고, 단자 플랜지(21a, 22a) 및 리드부재(32)는 하부 절연부재(26)의 하면에 형성된 홈에 끼워진다.
또한, 지지판은 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되며, 상기 지지판은 금속 지지판(40)으로 이루어질 수 있다. 전극 조립체(10)의 외면에는 음극 무지부(12a)에 용접으로 부착되며 전극 조립체(10)을 지지하는 금속 지지판(40)이 설치된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 조립체와 금속 지지판을 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 부재들이 결합된 상태에 잘라 본 횡 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 금속 지지판(40)은 전극 조립체(10)의 평탄면에 대향하는 평판부(41)와 평판부(41)의 일 측단에 형성되며 전극 조립체를 향하여 굴곡된 굴곡 경사부(42)와 굴곡 경사부(42)의 측단에 형성되며 음극 무지부(12a)와 전기적으로 연결된 부착부(43)를 포함한다. 상기 금속 지지판(40)은 전극조립체(10)의 연결부(10b)를 덮지 않도록 구성된다.
금속 지지판(40)은 부착부(43)에서 음극 무지부(12a)와 용접으로 접합되며, 음극 무지부(12a)에 용이하게 용접될 수 있도록 음극 무지부(12a)와 동일한 소재로 이루어진다. 본 실시예에 따른 금속 지지판(40)은 구리 또는 구리 합금으로 이루어진다. 그리고 상기 양극(11)은 상기 케이스(34)와 동일한 소재로 이루어질 수 있다.
평판부(41)와 전극 조립체 사이에는 절연 필름(45)이 설치된다. 절연 필름(45)은 전극 조립체(10)와 평판부(41)가 전기적으로 연결되는 것을 방지하며, 절연 필름(45)은 평판부(41)에 부착되어 있다. 절연 필름(45)은 전해액과 반응하지 않는 폴리머 재질로 이루어진다.
전극 조립체(10)의 무지부(11a, 12a)는 다른 부분(코팅부)보다 두께가 얇아서 활물질이 도포되지 않은 무지부(11a, 12a)와 활물질이 도포된 코팅부가 만나는 지점에서 경사지게 형성되며, 무지부(11a, 12a)에 축적된 전류를 낮은 저항으로 효율적으로 인출하기 위해서 무지부(11a, 12a)의 각층들이 하나로 용접된다.
금속 지지판(40)에서 굴곡 경사부(42)는 경사지게 형성된 음극 무지부(12a)와 접하여 음극 무지부(12a)를 지지하며, 부착부(43)는 굴곡 경사부(42)로 인해 전극 조립체(10)에 인접하게 되어 음극 무지부(12a)에 용이하게 용접으로 고정될 수 있다. 부착부(43)는 음극 무지부(12a)와 나란하게 배치된 상태에서 음극 무지부(12a)에 용접으로 고정된다. 이에 따라 부착부(43)는 음극 무지부(12a)가 외부의 충격이나 진동으로 흔들리는 것을 방지한다.
음극 무지부(12a)에는 리드부재(32)가 용접으로 접합되는 바, 음극 무지부(12a)가 외부의 충격이나 진동으로 흔들리게 되면 음극 무지부(12a)와 리드부재(32) 사이의 접촉이 불량해지는 문제가 발생한다. 그러나 본 실시예와 같이 부착부(43)가 음극 무지부(12a)를 지지하면 외부의 충격이나 진동 등으로 음극 무지부(12a)와 리드부재(32) 사이의 접촉이 불량해지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 이차 전지(100)의 외부에서 못이나 송곳 등의 도전성을 갖는 이물질이 침입하였을 경우에는 금속 지지판(40)과 양극(11)이 단락되어 축적된 전류를 방전한다. 비교예로 금속 지지판을 양극 무지부에 부착하고 양극 무지부와 음극이 단락되는 경우를 실험한 결과 양극과 전기적으로 연결된 금속 지지판과 음극이 접촉한 부분에 급격한 열이 발생하여 전극 조립체가 발화하는 문제가 있었다. 또한, 다른 비교예로 금속 지지판을 설치하지 아니한 경우에도 외부의 못, 송곳 등이 침입한 때에는 양극과 음극이 단락되어 많은 열이 발생하고 이에 따라 전국군(10)이 발화하는 문제가 발생하였다.
그러나 본 실시예와 같이 음극(12)에 금속 지지판(40)을 연결 설치한 후, 못으로 이차 전지(100)를 찔러서 못이 전극 조립체(10) 내부로 침입하여 금속 지지판(40)과 양극(11)이 단락된 경우에는 발화 없이 전극 조립체(10) 내부에 축적된 전류를 안전하게 방전할 수 있었다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 외부에서 이물질이 침입하여 단락의 위험이 있을 때, 전류를 방전하여 발화의 위험을 제거함으로써 이차 전지(100)의 안전성이 향상된다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 조립체에 금속 지지판이 부착된 상태에서 잘라 본 횡단면도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체(10)와 전극 조립체(10)의 일 면에 설치된 제1 금속 지지판(60)과 전극 조립체(10)의 다른 면에 설치된 제2 금속 지지판(70)을 포함한다.
본 실시예에 따른 전극 조립체(10)는 상기한 제1 실시예에 따른 전극 조립체와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1 금속 지지판(60)은 전극 조립체(10)의 한 평탄면에 대향하는 평판부(61)와 평판부(61)의 일측단에 연결되며 전극 조립체(10)를 향하여 굽어진 굴곡 경사부(62)와 굴곡 경사부(62)의 측단에서 돌출된 부착부(63)를 포함한다. 평판부(61)는 대략 사각판 형상으로 이루어지며, 평판부(61)와 전극 조립체(10) 사이에는 절연 필름(65)이 설치된다. 절연 필름(65)은 폴리머 재질로 이루어지며 평판부(61)에 부착된다.
또한, 제2 금속 지지판(70)은 전극 조립체(10)의 다른 면에 대향하는 평판부(71)와 평판부(71)의 일측단에 연결되며 전극 조립체(10)를 향하여 굽어진 굴곡 경사부(72)와 굴곡 경사부(72)의 측단에서 돌출된 부착부(73)를 포함한다. 평판부(71)는 대략 사각판 형상으로 이루어지며, 평판부(71)와 전극 조립체(10) 사이에는 절연 필름(75)이 설치된다. 절연 필름(75)은 폴리머 재질로 이루어지며 평판부(71)에 부착된다.
제1 금속 지지판(60)의 부착부(63)와 제2 금속 지지판(70)의 부착부(73)는 음극 무지부(12a)에 용접으로 부착되어 음극(12)과 전기적으로 연결된다.
제1 금속 지지판(60) 및 제2 금속 지지판(70)은 음극 집전체와 동일한 소재로 이루어지며 구리 또는 구리 합금으로 이루어질 수 있다.
본 실시예와 같이 전극 조립체(10)의 양면에 금속 지지판(60, 70)이 각각 설치되면 이차 전지의 양쪽 면에서 송곳 등이 침입하더라도 안전하게 발화 없이 전극 조립체(10) 내부의 전류를 방전할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
100: 이차 전지 10: 전극 조립체
10a: 평탄면 10b: 연결부
11: 양극 12: 음극
11a: 양극 무지부 12a: 음극 무지부
13: 세퍼레이터 20: 캡 어셈블리
21: 양극 단자 22: 음극 단자
21a, 22a: 단자 플랜지 24: 와셔
25: 개스킷 26: 절연부재
27: 전해액 주입구 29: 너트
30: 캡 플레이트 32: 리드부재
34: 케이스 38: 밀봉 마개
39: 벤트부재 39a: 노치
40: 금속 지지판 41, 61, 71: 평판부
42, 62, 72: 굴곡 경사부 43, 63, 73: 부착부
45, 65, 75: 절연 필름 60: 제1 금속 지지판
70: 제2 금속 지지판

Claims (13)

  1. 케이스;
    상기 케이스 내에 수용되며, 제1 평탄면과 제2 평탄면, 및 상기 제1 평탄면과 제2 평탄면을 연결하는 연결부를 포함하는 전극 조립체;
    상기 케이스와 상기 전극 조립체 사이에 위치하며, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2 평탄면들 중 하나에 인접하여 중첩되는 평판부를 갖는 지지판
    을 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에서,
    상기 지지판과 상기 전극 조립체 사이에 절연 필름을 더 포함하는 이차 전지.
  3. 제 1 항에서,
    상기 전극 조립체는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 제1 전극은 활물질이 도포된 코팅부와 상기 활물질이 도포되지 않은 무지부를 포함하며,
    상기 지지판은 상기 무지부에서 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되는 이차 전지.
  4. 제 3 항에서,
    상기 지지판은 상기 제1 전극에 용접되는 이차 전지.
  5. 제 3 항에서,
    상기 지지판은 상기 제1 전극의 경사부에 대응되는 경사면과, 상기 제1 전극의 무지부에 대응되는 부착부를 포함하는 이차 전지.
  6. 제 3 항에서,
    상기 지지판과 상기 제1 전극은 동일한 소재로 이루어지는 이차 전지.
  7. 제 3 항에서,
    상기 제1 전극과 상기 지지판은 서로 동일한 소재로 이루어지고, 상기 제2 전극과 상기 케이스는 서로 동일한 소재로 이루어지는 이차 전지.
  8. 제 3 항에서,
    상기 케이스는 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 이차 전지.
  9. 제 1 항에서,
    상기 지지판은 금속을 포함하는 이차 전지.
  10. 제 9 항에서,
    상기 금속은 구리 또는 구리 합금을 포함하는 이차 전지.
  11. 제 1 항에서,
    상기 단자와 리드부재를 더 포함하고,
    상기 리드부재는 상기 전극 조립체를 상기 단자에 전기적으로 연결하는 이차 전지.
  12. 제 1 항에서,
    상기 지지판은 제1 지지판이고,
    상기 케이스와 상기 전극 조립체의 사이에 제2 지지판을 더 포함하며,
    상기 제2 지지판은, 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 평탄면 및 제2 평탄면 중 하나에 중첩되는 평판부를 갖는 이차 전지.
  13. 제 1 항에서,
    상기 지지판은 상기 전극 조립체의 상기 연결부를 덮지 않는 이차 전지.
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