KR20110100398A - 전지용 안전배기구 및 상기 안전배기구를 구비한 전지 - Google Patents

전지용 안전배기구 및 상기 안전배기구를 구비한 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지의 비정상적 상황 발생시, 전지의 폭발이나 발화를 방지할 수 있는 전지용 안전배기구 및 상기 안전배기구를 구비한 전지에 관한 것으로서,
전지의 캡 조립체에 형성되는 안전배기구로서,
기공을 포함하는 다공성 물질을 포함하고, 상기 기공에는 고분자 물질이 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 전지용 안전배기구 및 상기 안전배기구를 구비한 전지에 관한 것이다.

Description

전지용 안전배기구 및 상기 안전배기구를 구비한 전지{SAFETY DEVICE OF CELL AND CELL HAVING THE SAME}
본 발명은 전지의 안전배기구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지의 과열로 인해 발생한 전지 내부의 누적된 기체가 외부로 배출될 수 있도록 함으로서, 전지의 발화 및 폭발을 방지할 수 있는 전지용 안전배기구와 상기 안전배기구를 구비한 전지에 관한 것이다.
일반적으로 전지는 전기 화학 반응의 원리를 이용하여 전기를 얻는 장치로서, 휴대가 용이하여 생활 전반에 널리 사용되고 있다. 이러한 전지는 케이스, 캡 조립체, 양극판, 음극판, 격리판 및 전해액 등으로 이루어져 있다. 상기 전해액은 부식성이 강하고 인체에 유해하기 때문에 누설되지 않도록 상기 구성물들을 케이스에 넣고, 개방부를 캡 조립체로 밀봉하게 된다.
한편, 상기와 같이 밀봉된 전지에 과충전, 과방전, 강제단락, 압착, 기계적 충격, 열적 충격, 충전이 불가능한 전지에 대한 충전 등 비정상적 상황이 발생하게 되면, 발열과 함께 내부 압력이 증가되고, 이 상태에서 내부 압력이 적절히 외부로 배출되지 않으면 발화 및 폭발할 수 있는 위험이 존재한다.
따라서, 통상적인 전지에는 내부 압력이 증가하여 일정 수준에 이르게 되면 내부 압력을 배기하여 발화 및 폭발을 방지하기 위한 안전 배기 수단이 마련되어 있다.
상기 안전 배기 수단으로 가장 널리 알려진 방법은 전지의 케이스 또는 캡 조립체의 일부 영역에 파단 패턴을 형성하여, 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면, 상기 파단 패턴이 파단됨으로서, 내부 압력이 신속하게 외부로 배기되도록 하는 것이다. 종래 전지의 캡 조립체에 형성된 상기 파단 패턴의 예들을 도 1에 나타내었다.
상기 파단 패턴(110)은 도 1에 나타난 바와 같이, 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 안전 배기 수단은 캡 조립체(100)의 표면상에 '＊'와 같은 형태(a), '│'와 같은 형태(b), '○'와 같은 형태(c), '∪' 와 같은 형태(d) 등과 같은 파단 패턴(110)을 형성한다.
상기 파단 패턴(110)은 비교적 두꺼운 금속 디스크에 프레스(press) 공법으로 오목하게 노치(notch)를 가공함으로서 형성된다. 상기 프레스 공법을 두꺼운 금속 디스크에 노치를 형성하므로, 노치 주위로 큰 응력이 발생되어 형성된 노치의 두께가 불균일하여 파단 압력이 불균일하게 나타난다. 더욱이, 프레스 공법은 금속 디스크를 고응력 상태로 가압하는 과정을 반복 수행함에 따라 그때마다 발생하는 반복 스트레스로 인하여 노치 금형이 파손되기 쉬울 뿐 아니라, 노치 금형의 마모율이 높아 시간이 지날수록 가공 공차가 커지게 되는 문제가 있다.
상기 프레스 공법을 이용한 노치 형성의 문제를 해결하기 위하여, 금속 디스크를 에칭(etching)하여 1차 가공한 다음, 에칭 영역을 프레스 공법으로 2차 가공하여 노치를 형성하는 방법이 제안되었다. 즉, 비교적 두꺼운 금속 디스크를 마련한 다음 노치를 형성할 영역을 에칭하여 얇게 만들고, 상기 에칭 영역을 노치 금형으로 프레싱하여 더 얇은 두께의 노치를 형성하게 된다. 이러한 방법은 비교적 얇은 두께의 에칭 영역을 프레싱하여 노치를 형성하므로 노치 주위 및 노치 금형에 가해지는 응력이 감소되는 장점이 있지만, 에칭시의 형상 공차와 프레싱시의 가공공차가 불균일하여 판단 압력 또한 불균일하게 나타난다. 또한, 프레스 공법과 마찬가지로 노치 금형이 마모되어 가공 공차가 커지게 된다.
이처럼, 종래 기술에 따른 전지는 안전 배기 구조를 형성하는 과정에서 발생하는 공정 편차로 인하여 안전 배기 구조의 파단 압력이 불균일하게 나타나기 때문에 비정상적 상황시 전지의 발화 및 폭발을 신뢰성 있게 방지하지 못하는 문제가 있다.
본 발명의 일측면은 전지 내부의 온도상승에 따라 과열이 되는 비정상적 상황이 발생하더라도 다공성 물질 내의 기공을 채우고 있는 고분자 물질이 용융되어 기공을 만들고, 누적된 내부 기체와 전해액이 함께 기공을 통하여 외부로 배출되어 전지의 발화 및 폭발을 미연에 방지할 수 있는 전지용 안전배기구와 그 제조방법 및 상기 안전배기구를 이용한 전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 전지의 캡 조립체에 형성되는 안전배기구로서,
기공을 포함하는 다공성 물질을 포함하고, 상기 기공에는 고분자 물질이 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 전지용 안전배기구를 제공한다.
또한, 본 발명은 케이스, 상기 케이스의 내부에 수용되는 전해액, 극판 조립체 및 캡 조립체를 포함하는 전지에 있어서,
상기 캡 조립체는 안전배기구를 포함하고, 상기 안전배기구는 기공을 포함하는 다공성 물질을 포함하고, 상기 기공에는 고분자 물질이 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.
본 발명 전지의 안전배기구는 기공이 고분자 물질로 채워진 다공성 물질로 이루어져, 전지의 비정상 작동시 발생되는 과열로 인해 고분자 물질이 녹으면서 기공을 열어 주어 전지 내부의 과도한 기체 등이 외부로 신속하게 배출되어 전지의 발화 및 폭발을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래의 파단 패턴 등의 기계적 공정에서 발생되는 공정 편차의 위험성을 근복적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 캡 조립체에 형성된 상기 파단 패턴의 단면도
도 2는 본 발명 안전배기구의 사시도
도 3은 본 발명 안전배기구의 배기과정을 나타낸 개념도
도 4는 전지의 캡 조립체에 본 발명의 안전배기구가 형성되는 과정을 나타낸 구성도
도 5는 본 발명에 따른 안전배기구가 조립된 전지의 캡 조립체의 단면도
도 6은 본 발명의 안전배기구가 설치된 전지의 단면도
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 설명하는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이하에 설명하는 도면은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 안전배기구의 다공성 물질에 대한 분해 사시도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 안전배기구는 기공(211)을 포함하는 다공성 물질(210)로 구성되며, 도 2를 참조하면, 상기 기공(211)에는 고분자 물질(220)이 충진되어 있다.
상기 기공을 포함하는 다공성 물질의 기공율은 5~60%인 것이 바람직하다. 상기 다공성 물질의 기공율 60%를 초과하면, 그 물질이 금속이나 탄소섬유인 경우에는 제조가 용이하지 않고, 세라믹의 경우에는 기계적 강도가 저하되는 문제가 있다. 또한, 기공율이 5% 미만에서는 고분자 물질의 충진이 용이하지 않으며, 이로 인해 안전배기구로서의 성능을 기대하기 어려운 문제가 있다. 보다 바람직하게는 기공율이 40~60%를 만족한다.
상기 다공성 물질은 전지 내부의 전해액과 반응하지 않는 물질이 바람직하다. 상기 다공성 물질로는 니켈 또는 스테인리스강으로 이루어진 다공성 스폰지 금속, 지오라이트계 다공성 세라믹, 다공성 탄소섬유 등이 적용된다.
상기 고분자 물질로는 폴리이미드, PTFE, 폴리에스터 또는 이들의 혼합물 등이 있고, 이외에도 프로필렌 카보네이트(PC)나 에틸렌 카보네이트(EC) 등이 적합하다. 이를 보다 상세하게 설명하면, 상기 고분자 물질은 전지의 전해액에 따라 그 적용 물질이 달라질 수 있다.
리튬-염화티오닐(Li-SOCl2)전지의 경우, 무기용매의 전해액이 사용되므로, 이에 대한 내화학성이 강한 폴리이미드, PTFE, PFA, 폴리에스터 또는 이들의 혼합물 등이 적합하다.
리튬이온이나 리튬-이산화망간(Li-MnO2)전지의 경우, 유기용매의 전해액이 사용되므로, 이에 대한 반응성이 없는 프로필렌 카보네이트(PC)나 에틸렌 카보네이트(EC) 등이 적합하다.
도 3은 전지가 과열될 경우의 배기과정을 나타내는 개념도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 전지의 비정상적 작동으로 과열되는 경우에 상기 고분자 물질이 용융되어, 기공이 열리어 전지 내부에 과도하게 누적된 기체 등이 외부로 배출된다. 그 결과, 상기 누적된 기체 등에 의해 발생할 수 있는 전지의 폭발 및 발화를 방지할 수 있다.
도 4는 상기 다공성 물질을 이용하여 전지의 캡 조립체에 본 발명의 안전배기구가 형성되는 과정을 나타낸 구성도이다. 도 4의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 본 발명에 따른 안전배기구가 전지 케이스의 개방된 상부에 설치되어 전지 케이스 내부를 밀폐시키는 역할을 하는 전지 캡 조립체(400)에 적용되는 경우, 먼저 상기 캡 조립체(400)의 일측에 안착홈(410) 및 관통공(420)을 형성한다.
상기 관통공(420)은 상기 안착홈(410)의 중심영역에 타공되어 상하로 관통되는 형상을 갖는다. 상기 다공성 물질(200)은 상기 관통공내에 삽입되어 고정되고, 이때, 상기 다공성 물질이 상기 캡 조립체(400)와 접촉되도록 하고, 이때 접합부재(500)를 이용하여 결합시킨다. 상기 다공성 물질은 그 외형이 상기 안착홈의 내부 형상과 대응되는 형상으로 구비되는 것이 바람직하다.
상기 다공성 물질은 예를 들어, 원형의 디스크 형태로 형성되어 상기 관통공에 삽입된 상태에서 상기 접합부재로 캡 조립체와 긴밀하게 연결되는 것이 바람직하다.
상기 접합부재는 캡 조립체의 모재와 다공성 물질보다 융점이 낮은 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
물론 상기 캡 조집체(400)의 형상은 도 4의 형상에 한정되지 않고, 상기 다공성 물질 및 접합부재와 함께 전지 케이스의 내부를 밀폐시킬 수 있다면 어떠한 형상이여도 무방하다.
도 5는 본 발명에 따른 안전배기구가 조립된 전지의 캡 조립체(400)를 나타낸 단면도이다. 도 5에서 알 수 있듯이 안전배기구의 다공성 물질(200)은 전극이 형성되어 있는 단자부(600)와 구분되어 캡 조립체(400)에 구비된다. 이때 상기 안전배기구는 적어도 하나 이상으로 구비되는 것이 바람직하며, 상기 다공성 물질은 접합부재와 함께 관통공을 차폐할 수 있다면 어떠한 형상으로 제조되어도 무방하다.
이하, 본 발명의 안전배기구를 이용한 전지에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 전지는 그 종류를 한정하는 것이 아니나, 대표적인 예로 리튬이온(Li-ion) 전지나 리튬-이산화망간(Li-MnO2)전지, 리튬-염화티오닐(Li-SOCl2)전지 등을 들 수 있다.
본 발명의 안전배기구가 설치된 전지의 일예를 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 전지는 원통형의 케이스(700)와 상기 케이스의 내부에 수용되는 전해액(710) 및 극판 조립체(720)와 상기 케이스(700)의 개방된 상면을 폐쇄하는 캡 조립체(400)를 포함한다.
상기 케이스는 원통형으로 형성되고, 이에 접합하도록 케이스(700)의 내부에는 양극판(721), 음극판(723) 및 격리판(725)을 원통형으로 귄취시킨 원통 형태의 극판 조립체(720)가 마련된다. 물론 상기 케이스(700)의 개방된 상면을 모두 커버하도록 상면과 대응되는 형상으로 형성한다. 또한, 상기 케이스(700)와는 별도로 캡 조립테를 제조하며, 개방된 케이스 상면에 접합시킨다.
100.....캡 조립체 110.....파단 패턴
210.....다공성 물질 211.....기공
220.....고분자 물질 400.....캡 조립체
410.....안착홈 420.....관통공
500.....접합부재 600.....단자부
700.....케이스 710.....전해액
720.....극판 조립체 721.....양극판
723.....음극판 725.....격리판

Claims (10)

  1. 전지의 캡 조립체에 형성되는 안전배기구로서,
    기공을 포함하는 다공성 물질을 포함하고, 상기 기공에는 고분자 물질이 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 전지용 안전배기구.
  2. 청구항 1에 있어서
    상기 캡 조립체에는 안착홈이 형성되고, 상기 안착홈의 내측면에 관통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 전지용 안전배기구.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 물질에 형성된 기공의 기공률은 5~60%인 것을 특징으로 하는 전지용 안전배기구.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공성 물질은 니켈 또는 스테인리스강으로 이루어진 스폰지 금속, 지오라이트계의 다공성 세라믹 및 다공성 탄소섬유 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지용 안전배기구.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지가 리튬-염화티오닐(Li-SOCl2)전지인 경우, 상기 고분자 물질은 폴리이미드, PTFE, PFA, 폴리에스터 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지용 안전배기구.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지가 리튬이온(Li-ion)이나 리튬-이산화망간(Li-MnO2)전지인 경우, 상기 고분자 물질은 프로필렌 카보네이트(PC) 및 에틸렌 카보네이트(EC) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지용 안전배기구.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 관통공에 형성된 다공성 물질은 접합부재에 의해 결합되어 있고,
    상기 접합부재는 상기 캡 조립체의 모재 및 다공성 물질보다 낮은 융점을 가지는 것을 특징으로 하는 전지용 안전배기구.
  8. 케이스, 상기 케이스의 내부에 수용되는 전해액, 극판 조립체 및 캡 조립체를 포함하는 전지에 있어서,
    상기 캡 조립체는 안전배기구를 포함하고, 상기 안전배기구는 청구항 1 내지 6의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 안전배기구는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 전지는 리튬이온(Li-ion)전지, 리튬-이산화망간(Li-MnO2)전지 및 리튬-염화티오닐(Li-SOCl2)전지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지.
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