KR20110082975A

KR20110082975A - 이차전지

Info

Publication number: KR20110082975A
Application number: KR1020100002947A
Authority: KR
Inventors: 정영호; 김희석; 김영덕; 홍지준
Original assignee: 주식회사 루트제이드
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2011-07-20
Also published as: KR101121205B1

Abstract

본 발명에 따른 이차전지는, 전극조립체; 상기 전극조립체가 내부에 수용되는 외장케이스; 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되고, 상기 외장케이스의 외부로 노출되도록 상기 외장케이스에 마련되는 적어도 하나의 전극단자; 상기 전극단자에 관통 형성되는 벤트홀; 및 상기 전극단자에 마련되어 상기 외장케이스의 내부압력의 변화에 따라 상기 벤트홀을 개폐시키는 밸브수단을 포함한다. 본 발명에 의하면, 폭발 위험이 있는 경우 외장케이스의 내부에서 발생한 가스 및 압력을 외부로 배출하여 폭발,발화를 사전에 방지하고 가스 및 압력을 외부로 배출하더라도 계속해서 사용하는 것이 가능하여 이차전지의 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

이차전지{SECONDARY BATTERY}

본 발명은, 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이차전지의 폭발을 방지하기 위한 안전구조에 관한 것이다.

이차전지(Secondary Battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대용 전화기나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 셀이 다수개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

이러한 이차전지는 리튬이온 이차전지, 니켈-카드뮴 이차전지, 니켈-수소 이차전지, 리튬폴리머 이차전지 등을 포함하며, 최근 각광을 받고 있는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor) 또한 이차전지의 일종이라 볼 수 있다.

통상적으로, 이차전지는 양극판과 음극판이 분리막(격리판)을 사이에 두고 배치되는 전극조립체와, 전극조립체를 수용하기 위한 내부공간이 형성되는 금속재질의 외장케이스와, 전극조립체와 전기적으로 연결되도록 외장케이스에 마련되는 전극단자를 포함한다.

한편, 통상의 이차전지는 과충전되거나 고온에서 장시간 노출됨으로 인해 외장케이스의 내부압력이 지나치게 높아져서 발생하는 폭발을 방지하기 위해 안전벤트(Safety Vent)가 마련된다. 일반적으로 안전벤트는 외장케이스에 관통 형성되는 벤트홀과, 벤트홀을 덮도록 외장케이스에 결합되는 벤트 플레이트로 구성되는데, 폭발 위험이 있는 경우 외장케이스 내부의 고온/고압에 의해 벤트 플레이트가 파단(찢어짐)됨으로써, 외장케이스의 내부에서 발생하는 고온/고압의 가스를 외부로 배출시켜 이차전지의 폭발을 방지한다.

그런데, 위와 같은 안전벤트 구조를 갖는 통상의 이차전지는, 폭발 위험이 있는 경우 안전벤트가 파괴되어 외장케이스의 내부에서 발생한 가스 및 압력이 외부로 배출되면 다시 사용할 수 없어 결과적으로 이차전지의 수명을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 그리고, 이러한 문제점은 HEV(Hybrid Electric Vehicle)용과 같이 전지 셀이 다수개 연결된 전지 팩 단위의 고출력 대용량 이차전지의 경우에 더욱 심각하게 나타나고 있다.

본 발명의 목적은, 이차전지의 폭발을 안정적으로 방지하면서도 수명을 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 전극조립체; 상기 전극조립체가 내부에 수용되는 외장케이스; 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되고, 상기 외장케이스의 외부로 노출되도록 상기 외장케이스에 마련되는 적어도 하나의 전극단자; 상기 전극단자에 관통 형성되는 벤트홀; 및 상기 전극단자에 마련되어 상기 외장케이스의 내부압력의 변화에 따라 상기 벤트홀을 개폐시키는 밸브수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지에 의해 달성된다.

여기서, 상기 밸브수단은, 상기 내부압력이 설정압력 이하이면 상기 벤트홀을 폐쇄시키고, 상기 내부압력이 상기 설정압력을 초과하면 상기 벤트홀을 개방시킬 수 있다.

상기 설정압력은, 상기 이차전지의 폭발압력에 미리 정해진 안전계수를 곱하여 산출될 수 있다.

상기 전극단자에는, 상기 밸브수단이 삽입 장착되고 상기 벤트홀과 연결되는 밸브장착홈이 형성될 수 있다.

상기 밸브수단은, 흡기공과 배기공이 형성되는 밸브하우징; 상기 벤트홀을 폐쇄하도록 상기 흡기공을 막는 차단부재; 및 상기 벤트홀을 향하여 상기 차단부재에 탄성력을 인가하는 탄성부재를 포함할 수 있다.

상기 밸브수단의 닫힘과 열림 상태는, 상기 내부압력이 상기 차단부재를 밀어내는 힘과 상기 탄성부재가 상기 차단부재를 밀어내는 힘의 대소관계에 따라 결정될 수 있다.

상기 탄성부재는, 상기 설정압력에 대응하도록 선택될 수 있다.

상기 밸브수단과 상기 전극단자 사이에는 상기 밸브수단을 상기 전극단자에 고정시키기 위한 용접부가 형성될 수 있다.

상기 밸브수단은, 상기 전극단자의 상기 밸브장착홈에 억지끼워맞춤 방식으로 고정될 수 있다.

상기 밸브하우징의 외측면에는, 상기 밸브장착홈의 내측면에 형성된 홈부와 맞물리는 돌기부가 형성되며, 상기 밸브하우징의 외측면과 상기 밸브장착홈의 내측면 사이에는 패킹이 개재될 수 있다.

상기 적어도 하나의 전극단자는, 상기 전극조립체의 양극판과 전기적으로 연결되는 양극단자; 및 상기 전극조립체의 음극판과 전기적으로 연결되는 음극단자를 포함하고, 상기 벤트홀은, 상기 양극단자 및 상기 음극단자 중 적어도 하나에 관통 형성될 수 있다.

상기 외장케이스는, 베이스부와, 상기 베이스부에서 단차지게 형성되어 상기 전극단자가 설치되는 단자설치부를 갖는 몸체케이스; 및 상기 몸체케이스의 개방된 일측을 덮도록 상기 몸체케이스에 결합되는 덮개케이스를 포함하고, 상기 전극단자의 상면은, 상기 베이스부의 상면보다 낮은 높이로 형성될 수 있다.

상기 몸체케이스는, 상기 베이스부와 상기 단자설치부의 외측면에서 절곡 연장되어 상기 덮개케이스와 접합되는 플랜지부를 더 포함하고, 상기 플랜지부와 상기 덮개케이스 사이에는 용융 접합부재가 개재될 수 있다.

본 발명은, 벤트홀을 전극단자에 관통 형성하고 외장케이스의 내부압력의 변화에 따라 벤트홀을 개폐시키는 밸브수단을 전극단자에 마련함으로써, 폭발 위험이 있는 경우 안전벤트가 파괴되어 외장케이스의 내부에서 발생한 가스 및 압력이 외부로 배출되면 다시 사용할 수 없는 종래의 이차전지와 달리, 폭발 위험이 있는 경우 외장케이스의 내부에서 발생한 가스 및 압력을 외부로 배출하여 폭발,발화를 사전에 방지하고 가스 및 압력을 외부로 배출하더라도 계속해서 사용하는 것이 가능하여 이차전지의 수명을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 벤트홀을 전극단자에 관통 형성하고 외장케이스의 내부압력의 변화에 따라 벤트홀을 개폐시키는 밸브수단을 전극단자에 설치함으로써, 벤트홀을 외장케이스에 관통 형성하고 밸브수단을 외장케이스에 설치하는 것과 대비하여, 밸브수단을 설치함에 있어서 구조적인 강도 혹은 구조적인 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 1의 이차전지에서 전극단자에 형성된 벤트홀을 설명하기 위한 개략적인 단면도다.
도 5 및 도 6은 도 1의 이차전지에서 전극단자에 마련된 밸브수단을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지에서 전극단자에 형성된 벤트홀을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 8은 도 7의 이차전지에서 전극단자에 마련된 밸브수단을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 개략적인 단면도이며, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 개략적인 단면도이고, 도 4는 도 1의 이차전지에서 전극단자에 형성된 벤트홀을 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 5 및 도 6은 도 1의 이차전지에서 전극단자에 마련된 밸브수단을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 이차전지는 충전 및 방전 가능한 전극조립체(100)와, 전극조립체(100)와 전해액이 내부에 수용되는 외장케이스(200)와, 전극조립체(100)와 전기적으로 연결되고 외장케이스(200)의 외부로 노출되도록 외장케이스에 마련되는 한 쌍의 전극단자(300)와, 한 쌍의 전극단자(300) 중 어느 하나(320)에 관통 형성되는 벤트홀(320a, Vent Hole)과, 전극단자(320)에 마련되어 외장케이스(200)의 내부압력의 크기에 따라 벤트홀(320a)을 개폐시키는 밸브수단(500)을 포함한다.

여기서, 이차전지는 충전이 불가능하여 1회 사용 타입의 일차전지와 달리, 충전 및 방전이 가능하여 충전하여 반복해서 사용할 수 있는 전지를 말한다. 한편, 본 실시예는 리튬이온 이차전지를 개시하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 다양한 종류의 이차전지, 예컨대 니켈-카드뮴 이차전지, 니켈-수소 이차전지, 리튬폴리머 이차전지, 슈퍼 커패시터(Super Capacitor) 등에 적용될 수 있음은 물론이다.

전극조립체(100)는, 첨부된 도면에 도시되지 않았지만, 단위전극을 이루는 양극판/분리막/음극판이 순차적으로 배치되는 구조, 예컨대 다수의 단위전극이 적층되는 라미네이션 타입 또는 다수의 단위전극이 권취되는 젤리-롤 타입(Jelly-Roll Type)의 구조를 가질 수 있다. 본 실시예와 같은 리튬이온 이차전지에 있어서, 통상적으로 양극판은 알루미늄 박판의 양극 집전체의 적어도 일면에 리튬계 산화물을 주성분으로 하는 양극 활물질이 도포된 구조이고, 음극판은 구리 박판의 음극 집전체의 적어도 일면에 탄소재를 주성분으로 하는 음극 활물질이 도포된 구조이다. 여기서, 활물질이란 전지가 방전할 때 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생성하는 물질을 말한다. 분리막(Separator)은 양극판과 음극판을 분리하여 양극판과 음극판 사이를 전기적으로 절연시키기 위한 막으로 주로 다공성 고분자 필름이 사용된다. 또한, 전극조립체(100)는 양극판으로부터 인출되는 양극탭과 음극판으로부터 인출되는 음극탭을 포함하는데, 양극탭 및 음극탭은 각각 외장케이스(200)의 외부로 노출되도록 마련된 양극단자(310) 및 음극단자(320)에 전기적으로 연결된다.

본 실시예에서는 리튬이온 이차전지에 적용되는 전극조립체(100)의 통상적인 구성에 대하여 설명하였지만, 본 발명에서 전극조립체(100)의 구성은 전술한 구성에 한정되지 아니하고 다양하게 변경될 수 있으며, 특히 이차전지의 종류에 따라 달라질 수 있다.

외장케이스(200)는 전술한 전극조립체(100)와 전해액을 수용하기 위한 것으로, 전극조립체(100)와 전해액이 수용될 수 있도록 내부공간이 형성되고 하측이 개방된 형상을 갖는 몸체케이스(210)와, 몸체케이스(210)의 개방된 하측을 덮도록 몸체케이스(210)에 결합되어 몸체케이스(210)의 내부공간을 외부와 격리시키는 덮개케이스(220)를 포함한다. 몸체케이스(210)와 덮개케이스(220)를 포함한 외장케이스(200)는 통상적으로 스테인리스 스틸(Stainless Steel), 알루미늄, 알루미늄 합금 등의 금속재질로 제작된다. 여기서, 전해액 혹은 전해질은 이온 전도성이 있는 이온을 포함하는 매개물로서 이차전지의 종류에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 한편, 외장케이스(200)와 전극조립체(100) 사이에는 절연체(미도시)가 개재될 수 있는데, 이러한 절연체는 금속재질의 외장케이스(200)를 전극조립체(100)로부터 전기적으로 절연시키는 기능을 한다. 다만, 상기와 같은 구성을 갖는 절연체는 이차전지에서 생략될 수도 있다.

몸체케이스(210)는 베이스부(211)와, 베이스부(211)에서 하측 방향으로 단차지게 형성되어 후술할 한 쌍의 전극단자(300)가 설치되는 단자설치부(213)와, 베이스부(211)와 단자설치부(213)의 가장자리를 따라 플랜지 형상으로 마련되어 덮개케이스(220)와 접합되는 플랜지부(215)를 포함한다. 베이스부(211)는 몸체케이스(210)의 가장 큰 부분을 차지하며 실질적으로 전극조립체(100)가 수용되는 부분이다. 단자설치부(213)는 몸체케이스(210)의 외부 상측 방향으로 노출되는 한 쌍의 전극단자(300)의 높이를 감안하여 베이스부(211)보다 낮은 높이로 형성된다. 플랜지부(215)는 베이스부(211)와 단자설치부(213)의 외측면에서 실질적으로 직교 방향으로 절곡 연장되는 플랜지 형상으로, 덮개케이스(220)의 내측면 가장자리 부분과 접합된다. 이러한 몸체케이스(210)의 플랜지부(215)는 본 실시예와 같은 박형 외장케이스의 이차전지에서 외장케이스(200)의 얇은 벽 두께(통상, 0.1mm 내외)에 대하여 안정된 접합면을 확보하기 위한 것이다.

덮개케이스(220)는 전체적으로 플레이트 형상으로 몸체케이스(210)의 개방된 하측을 덮도록 구성된다. 한편, 덮개케이스(220)와 몸체케이스(210)는 플라즈마 용접(아크 용접), 레이저 용접 등에 의해 상호 접합될 수 있다. 이때, 모재인 외장케이스(200)의 변형을 방지하고 접합 강도를 향상시키기 위하여, 덮개케이스(220)와 몸체케이스(210)의 접합부, 즉 덮개케이스(220)의 내측면 가장자리 부분과 몸체케이스(210)의 플랜지부(215) 사이에는 용융 접합부재(230)가 개재될 수 있다. 용융 접합부재(230)는 모재인 외장케이스(200)의 용융점보다 낮으며 내부 열전달의 우려가 없으면서도 모재인 외장케이스(200)와의 접합성이 우수하여 충분한 접합 강도를 기대할 수 있는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, 용융 접합부재(230)는 주석-납(Sn-Pb)계 합금, 주석-구리(Sn-Cu)계 합금, 주석-은(Sn-Ag)계 합금 등에서 선택될 수 있다.

한편, 외장케이스(200)는 용융 접합부재(230)와의 접합성을 향상시키기 위해 전체 표면 또는 용융 접합부재(230)의 접합부의 표면이 니켈 또는 구리 등으로 도금되는 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 베이스부(211), 단자설치부(213) 및 플랜지부(215)로 구성되는 몸체케이스(210)와 전체적으로 플레이트 형상을 갖는 덮개케이스(220)를 포함하는 외장케이스(200)에 대하여 설명하였지만, 본 발명에서 외장케이스(200)의 구성은 본 실시예에 한정되지 아니하고 다양하게 변경될 수 있음은 물론이다.

도 1 내지 6을 참조하면, 한 쌍의 전극단자(300)는 몸체케이스(210)의 외부로 노출되도록 몸체케이스(210)에 마련된다. 구체적으로, 전극단자(300)는 몸체케이스(210)의 단자설치부(213)에 설치되는데, 단자설치부(213)의 상부벽을 관통하여 단자설치부(213)의 외부 상측 방향으로 노출되도록 마련된다. 이때, 전극단자(300)는 그 상면이 몸체케이스(210)의 베이스부(211)의 상면보다 낮은 높이로 형성되는 것이 바람직한데, 이는 에너지 용량을 늘리기 위해 다수개의 이차전지를 상하 방향으로 적층하여 이차전지 팩 혹은 이차전지 모듈을 제작하는 경우, 외장케이스(200)의 외부로 노출된 전극단자(300)가 이웃하는 다른 이차전지와 간섭하지 않도록 하여, 이차전지 팩을 보다 컴팩트하게 구성하기 위함이다.

본 실시예에서 전극단자(300)는 외장케이스(200)의 몸체케이스(210)에 마련되지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 전극단자(300)는 외장케이스(200)의 덮개케이스(220)에 마련될 수 있다.

한 쌍의 전극단자(300)는 도 1에서 좌측에 위치한 양극단자(310)와 우측에 위치한 음극단자(320)를 포함한다. 이때, 양극단자(310)는 외장케이스(200)의 내부에 수용된 전극조립체(100)의 양극탭과 전기적으로 연결되고, 음극단자(320)는 전극조립체의 음극탭과 전기적으로 연결된다. 전극단자(310,320)는 구리 등의 도전성 금속재질로 이루지며, 전체적으로 원통 형상을 갖는다. 전극단자(310,320)는 외장케이스(200)의 상부벽, 보다 구체적으로 몸체케이스(210)에서 단자설치부(213)의 상부벽을 관통하여 외장케이스(200)에 결합된다. 다만, 전극단자(310,320)의 형상 등은 본 실시예에 한정되지 아니하고 다양하게 변경될 수 있다. 한편, 도 1 및 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 전극단자(310,320)와 외장케이스(200) 사이에는 전극단자(310,320)와 도전성 금속재질의 외장케이스(200)를 절연시키기 위한 단자절연체(410,420)가 개재될 수 있다.

본 실시예에서 전극단자(300)는 양극단자(310)와 음극단자(320)의 한 쌍으로 마련되지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 양극단자(또는 음극단자)의 하나의 전극단자로 마련될 수 있다, 이 경우, 전극조립체(100)의 음극탭(또는 양극탭)은 도전성 금속재질의 외장케이스(200)와 전기적으로 연결되어 외장케이스(200)가 실질적으로 음극단자의 기능을 수행하게 된다.

도 4를 참조하면, 벤트홀(320a)은 과충전, 고온 노출 등에 의해 이차전지가 폭발하는 것을 방지하기 위한 수단으로, 한 쌍의 전극단자(300) 중 도 1에서 우측에 위치한 음극단자(320)에 관통 형성된다. 이와 다르게, 벤트홀(320a)은 도 1에서 좌측에 위치한 양극단자(310)에 관통 형성될 수 있으며, 더 나아가 양극단자(310)와 음극단자(320) 모두에 관통 형성되어 한 쌍으로 마련될 수 있다.

벤트홀(320a)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 외장케이스(200)의 내부와 인접하도록 음극단자(320)의 중간 부분에서 시작하여 음극단자(320)의 하부 내측면(321)을 따라 음극단자(320)의 하면까지 연장된다. 도 4의 벤트홀(320a)은 전체적으로 동일한 직경을 갖는 원형 단면 형상을 가지나, 본 발명에서 벤트홀(320a)의 형상 및 길이는 이에 한정되지 아니하고 다양한 형상 및 길이로 선택될 수 있다.

한편, 벤트홀(320a)이 관통 형성되는 음극단자(320)에는 후술할 밸브수단(500)이 삽입되어 장착되는 밸브장착홈(320b)이 형성된다. 밸브장착홈(320b)은 전체적으로 원통 형상으로 벤트홀(320a)의 상측에 형성된다. 밸브장착홈(320b)은 수직으로 형성되는 내측면(323) 및 수평으로 형성되는 하면(322)을 포함한다. 이때, 밸브장착홈(320b)의 하면(322)은 그 중앙 부분이 관통되어 밸브장착홈(320b)의 하측에 형성된 벤트홀(320a)과 연결되도록 구성된다.

본 발명에서 벤트홀(320a)을 전극단자(300)에 관통 형성한 것은, 후술할 밸브수단(500)를 설치함에 있어서 구조적인 강도 혹은 구조적인 안정성을 확보하기 위함이다. 다시 말해서, 본 발명에 따른 이차전지는 벤트홀(320a)을 전극단자(300)에 관통 형성하고 벤트홀(320a)을 개폐시키는 밸브수단(500)을 전극단자(300)에 설치함으로써, 벤트홀(320a)을 외장케이스(200)에 관통 형성하고 밸브수단(500)을 상대적으로 약한 구조적 강도/안정성을 갖는 외장케이스(200)에 설치하는 것과 대비하여, 밸브수단(500)을 설치함에 있어서 구조적인 강도 혹은 구조적인 안전성을 확보할 수 있다는 이점이 있다. 그리고, 이러한 본 발명의 이점은 외장케이스(200)의 벽 두께가 얇은 박형 고용량 이차전지에서 더욱 의미가 있는 것이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 밸브수단(500)은 전극단자(320)에 관통 형성된 벤트홀(320a)을 개폐시키는 수단으로, 흡기공(511), 작동공간(512) 및 배기공(513)이 내부에 형성되는 밸브하우징(510)과, 밸브하우징(510)의 작동공간(512)에 배치되어 벤트홀(320a)을 개폐시키는 작동기전(520,530)을 포함한다. 여기서, 작동기전(520,530)은 벤트홀(320a)을 차단 혹은 폐쇄하도록 밸브하우징(510)의 흡기공(511)을 막는 차단부재(520)와, 벤트홀(320a) 측 방향으로 차단부재(520)에 탄성력을 인가하는 탄성부재(530)를 포함한다. 본 실시예에서 차단부재(520)는 볼(Ball)로 마련되고, 탄성부재(530)는 압축코일스프링으로 마련된다. 한편, 밸브수단(500)의 닫힘 상태에서 기밀성을 향상시키기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이 차단부재(520)가 접촉하는 밸브하우징(510)의 내측면에는 시트링(540)이 마련될 수 있다. 이러한 밸브수단(500)의 닫힘과 열림 상태는, 외장케이스(200)의 내부압력이 차단부재(520)를 상측 방향으로 밀어내는 힘과 탄성부재(530)가 차단부재(520)를 하측 방향으로 밀어내는 힘의 대소관계에 따라 결정되는데, 이에 대한 자세한 사항은 후술하기로 한다.

밸브수단(500)은 벤트홀(320a)이 관통 형성된 전극단자(320)에 마련되는데, 구체적으로 전극단자(320)에 형성된 전술한 밸브장착홈(320b)에 삽입되어 장착된다. 밸브장착홈(320b)에 장착된 상태에서 밸브수단(500)의 흡기공(511)은 벤트홀(320a)과 연결되도록 배치된다. 한편, 밸브하우징(510)의 상면 가장자리와 전극단자(320)의 상면 사이에는 용접부(550)가 형성된다. 이때, 밸브하우징(510)과 전극단자(320)의 상면의 접합시키는 용접부(550)는 플라즈마 용접(아크 용접), 레이저 용접 등에 의해 형성될 수 있다. 그리고, 밸브하우징(510)의 상면은 전극단자(320)의 상면과 실질적으로 동일한 높이로 형성되는 것이 바람직한데, 이는 용접 편의성 및 용접 강도를 향상시키기 위함이다. 이러한 용접부(550)는 전극단자(320)에 대해 밸브하우징(510)을 고정시키는 기능과 함께, 밸브하우징(510)의 외측면과 전극단자(320)의 내측면 사이의 틈으로 전해액 등이 누액되는 것을 방지하는 기능을 수행한다. 다만, 밸브수단(500)은 본 실시예와 다르게 전극단자(320)의 밸브장착홈(320b)에 억지끼워맞춤 방식으로 고정될 수 있으며, 이러한 경우 전술한 용접부(550)는 생략될 수도 있다.

위와 같은 구성을 갖는 밸브수단(500)은 외장케이스(200)의 내부압력의 크기에 따라 전극단자(320)에 관통 형성된 벤트홀(320a)을 개폐시키는데, 이하 밸브수단(500)의 동작을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 이차전지가 정상적으로 작동하는 경우, 밸브수단(500)은 도 5에 도시된 바와 같이 전극단자(320)에 관통 형성된 벤트홀(320a)을 폐쇄시킨다. 구체적으로, 이차전지가 정상적으로 작동하는 경우에는 외장케이스(200)의 내부압력이 이차전지의 폭발 위험성이 전혀 없는 일정한 수준으로 유지되기 때문에, 외장케이스(200)의 내부압력이 밸브수단(500)의 탄성부재(530)에 의해 외장케이스(200)의 내측을 향하여 인가되는 탄성력을 극복하지 못하게 된다. 즉, 외장케이스(200)의 내부압력이 밸브수단(500)의 차단부재(520)를 외장케이스(200)의 외측 방향(상측 방향)으로 밀어내는 힘이 밸브수단(500)의 탄성부재(530)의 탄성력이 차단부재(520)를 외장케이스(200)의 내측 방향(하측 방향)으로 밀어내는 힘보다 작게 된다. 이에 따라, 이차전지의 정상 작동시에는 밸브수단(500)이 닫힘 상태로 유지되어 벤트홀(320a)이 차단되는 것이다.

다음으로, 이차전지가 비정상적으로 작동하는 경우, 예컨대 이차전지가 과충전되거나 고온에서 장시간 노출되어 외장케이스(200)의 내부에서 전해액의 분해 반응 및/또는 전극조립체(100)의 활물질의 분해 반응 등에 의하여 외장케이스(200)의 내부에서 고온/고압의 가스가 발생하는 경우, 밸브수단(500)은 도 6에 도시된 바와 같이 전극단자(320)에 관통 형성된 벤트홀(320a)을 개방시킨다. 구체적으로, 과충전, 내부 단락, 외부 단락, 고온 노출 등에 의해 외장케이스(200)의 내부에서 고온/고압의 가스가 발생하는 경우, 밀폐된 외장케이스(200)의 내부압력은 점차적으로 상승하게 되는데, 이때 외장케이스(200)의 내부압력이 설정압력을 초과하게 되면 밸브수단(500)의 탄성부재(530)에 의해 외장케이스(200)의 내측을 향하여 인가되는 탄성력을 극복하게 된다. 즉, 외장케이스(200)의 내부압력이 밸브수단(500)의 차단부재(520)를 외장케이스(200)의 외측 방향(상측 방향)으로 밀어내는 힘이 밸브수단(500)의 탄성부재(530)의 탄성력이 차단부재(520)를 외장케이스(200)의 내측 방향(하측 방향)으로 밀어내는 힘보다 크게 된다. 이에 따라, 밸브수단(500)은 전극단자(320)에 관통 형성된 벤트홀(320a)을 개방시켜 외장케이스(200)의 내부에서 발생하는 가스를 벤트홀(320a)을 통해 외장케이스(200)의 외부로 배출시킨다. 한편, 벤트홀(320a)을 통한 가스 배출로 인하여 외장케이스(200)의 내부압력이 설정압력 이하로 떨어지면 밸브수단(500)은 전술한 바와 같은 원리로 벤트홀(320a)을 폐쇄시킨다.

정리하면, 밸브수단(500)은 외장케이스(200)의 내부압력의 변화에 따라 전극단자(320)에 관통 형성된 벤트홀(320a)을 개폐시키는데, 외장케이스(200)의 내부압력이 설정압력 이하이면 벤트홀(320a)을 폐쇄시키고, 외장케이스(200)의 내부압력이 설정압력을 초과하면 벤트홀(320a)을 개방시킨다. 여기서, '설정압력'은 이차전지의 폭발을 초래할 것으로 예상되는 폭발압력에 소정의 안전계수(Safety Factor)를 곱하여 산출될 수 있는데, 종래의 안전벤트의 파단압력에 비해 낮게 설정되는 것이 바람직하다. 이렇게 설정압력이 정해지면, 밸브수단(500)의 탄성부재(530)는 설정압력에 대응하도록 선택된다. 즉, 밸브수단(500)에서 외장케이스(200)의 내부압력에 대항하는 탄성력을 제공하는 탄성부재(530)의 강성, 탄성계수, 압축길이 등은 설정압력에 따라 달라질 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지에서 전극단자에 형성된 벤트홀을 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 8은 도 7의 이차전지에서 전극단자에 마련된 밸브수단을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 이하, 도 7 및 도 8을 참조하며 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지를 전술한 실시예와 상이한 점을 중심으로 설명한다.

본 실시예에 따른 이차전지는, 전극단자(320)에 관통 형성된 벤트홀(320a)을 개폐시키는 밸브수단(500-1)을 제외하고, 전술한 실시예에 따른 이차전지의 구성과 실질적으로 동일하므로, 그 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였으며, 그에 대한 설명은 전술한 실시예를 준용하기로 한다.

본 실시예에 따른 이차전지에서, 밸브수단(500-1)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 밸브하우징(510)과, 밸브하우징(510)의 내부에 배치되어 벤트홀(320a)을 개폐시키는 작동기전(520,530)과, 밸브하우징(510)의 외측면에 돌출 형성되는 돌기부(515)와, 밸브하우징(510)의 외측면과 밸브장착홈(320b)의 내측면 사이에 개재되는 패킹(516,517)을 포함한다.

작동기전(520,530)은 벤트홀(320a)을 차단 혹은 폐쇄하도록 밸브하우징(510)의 흡기공(511)을 막는 차단부재(520)와, 벤트홀(320a) 측 방향으로 차단부재(520)에 탄성력을 인가하는 탄성부재(530)를 포함한다. 한편, 밸브수단(500)의 닫힘 상태에서 기밀성을 향상시키기 위해, 도 8에 도시된 바와 같이 차단부재(520)가 접촉하는 밸브하우징(510)의 내측면에는 시트링(540)이 마련될 수 있다.

밸브수단(500-1)은 전극단자(320)에 형성된 밸브장착홈(320b)에 삽입되어 장착되는데, 이때 밸브수단(500-1)의 돌기부(515)가 밸브장착홈(320b)의 내측면(323)에 형성된 홈부(325)에 맞물리게 됨으로써, 밸브수단(500-1)은 전극단자(320)에 고정될 수 있다. 본 실시예서 돌기부(515)는 밸브하우징(510)의 둘레를 따라 형성되는 환형돌기로 마련되고, 홈부(325)는 밸브장착홈(320b)의 내측면(323)의 둘레를 따라 형성되는 환형홈으로 마련된다.

밸브수단(500-1)의 패킹(516,517)은 밸브하우징(510)의 둘레를 에워싸도록 마련되어 밸브하우징(510)의 외측면과 밸브장착홈(320b)의 내측면 사이의 틈으로 전해액 등이 누액되는 것을 방지할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는, 벤트홀을 전극단자에 관통 형성하고 외장케이스의 내부압력의 변화에 따라 벤트홀을 개폐시키는 밸브수단을 전극단자에 마련함으로써, 폭발 위험이 있는 경우 안전벤트가 파괴되어 외장케이스의 내부에서 발생한 가스 및 압력이 외부로 배출되면 다시 사용할 수 없는 종래의 이차전지와 달리, 폭발 위험이 있는 경우 외장케이스의 내부에서 발생한 가스 및 압력을 외부로 배출하여 폭발,발화를 사전에 방지하면서도, 가스 및 압력을 외부로 배출하더라도 계속해서 사용하는 것이 가능하다. 이에 따라, 본 발명에 의한 이차전지의 수명은 종래보다 향상될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지는, 벤트홀을 전극단자에 관통 형성하고 외장케이스의 내부압력의 변화에 따라 벤트홀을 개폐시키는 밸브수단을 전극단자에 설치함으로써, 벤트홀을 외장케이스에 관통 형성하고 밸브수단을 외장케이스에 설치하는 것과 대비하여, 밸브수단을 설치함에 있어서 구조적인 강도 혹은 구조적인 안전성을 확보할 수 있다는 이점이 있다. 그리고, 이러한 본 발명의 이점은 외장케이스의 벽 두께가 얇은 박형 고용량 이차전지에서 더욱 의미가 있는 것이다.

본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 전극조립체
200(210,220) : 외장케이스(몸체케이스,덮개케이스)
300(310,320) : 전극단자(양극단자,음극단자)
320a : 벤트홀
320b : 장착홈
500 : 밸브수단

Claims

전극조립체;
상기 전극조립체가 내부에 수용되는 외장케이스;
상기 전극조립체와 전기적으로 연결되고, 상기 외장케이스의 외부로 노출되도록 상기 외장케이스에 마련되는 적어도 하나의 전극단자;
상기 전극단자에 관통 형성되는 벤트홀; 및
상기 전극단자에 마련되어 상기 외장케이스의 내부압력의 변화에 따라 상기 벤트홀을 개폐시키는 밸브수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 밸브수단은,
상기 내부압력이 설정압력 이하이면 상기 벤트홀을 폐쇄시키고, 상기 내부압력이 상기 설정압력을 초과하면 상기 벤트홀을 개방시키는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제2항에 있어서,
상기 설정압력은,
상기 이차전지의 폭발압력에 미리 정해진 안전계수를 곱하여 산출되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제2항에 있어서,
상기 전극단자에는,
상기 밸브수단이 삽입 장착되고 상기 벤트홀과 연결되는 밸브장착홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제4항에 있어서,
상기 밸브수단은,
흡기공과 배기공이 형성되는 밸브하우징;
상기 벤트홀을 폐쇄하도록 상기 흡기공을 막는 차단부재; 및
상기 벤트홀을 향하여 상기 차단부재에 탄성력을 인가하는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제5항에 있어서,
상기 밸브수단의 닫힘과 열림 상태는,
상기 내부압력이 상기 차단부재를 밀어내는 힘과 상기 탄성부재가 상기 차단부재를 밀어내는 힘의 대소관계에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제5항에 있어서,
상기 탄성부재는,
상기 설정압력에 대응하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제4항에 있어서,
상기 밸브수단과 상기 전극단자 사이에는 상기 밸브수단을 상기 전극단자에 고정시키기 위한 용접부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제4항에 있어서,
상기 밸브수단은,
상기 전극단자의 상기 밸브장착홈에 억지끼워맞춤 방식으로 고정되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제5항에 있어서,
상기 밸브하우징의 외측면에는, 상기 밸브장착홈의 내측면에 형성된 홈부와 맞물리는 돌기부가 형성되며,
상기 밸브하우징의 외측면과 상기 밸브장착홈의 내측면 사이에는 패킹이 개재되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전극단자는,
상기 전극조립체의 양극판과 전기적으로 연결되는 양극단자; 및
상기 전극조립체의 음극판과 전기적으로 연결되는 음극단자를 포함하고,
상기 벤트홀은,
상기 양극단자 및 상기 음극단자 중 적어도 하나에 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 외장케이스는,
베이스부와, 상기 베이스부에서 단차지게 형성되어 상기 전극단자가 설치되는 단자설치부를 갖는 몸체케이스; 및
상기 몸체케이스의 개방된 일측을 덮도록 상기 몸체케이스에 결합되는 덮개케이스를 포함하고,
상기 전극단자의 상면은,
상기 베이스부의 상면보다 낮은 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제12항에 있어서,
상기 몸체케이스는,
상기 베이스부와 상기 단자설치부의 외측면에서 절곡 연장되어 상기 덮개케이스와 접합되는 플랜지부를 더 포함하고,
상기 플랜지부와 상기 덮개케이스 사이에는 용융 접합부재가 개재되는 것을 특징으로 하는 이차전지.