KR20130034285A - 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
이 발명의 전류차단소자(210)는 이차 전지 내부의 가스 압력이 일정 이상이 되면 전극탭으로부터 통전되는 전류를 차단하는 것으로서, 원형판(211)과, 원형판(211)의 중앙 둘레를 따라 상측으로 돌출되어 그 내부에 일정 크기의 수용공간을 갖는 돌출턱(213)과, 돌출턱(213)의 내측에 끼워져 돌출턱(213) 내의 수용공간을 덮는 접속부(212)와, 돌출턱(213)과 접속부(212) 간의 접촉라인을 따라 등간격으로 레이저 용접하여 형성한 다수개의 파단부(215), 및 가스 압력을 상부에 위치하는 안전벤트에 전달하기 위해 원형판(211)에 형성된 다수개의 통기공(214)으로 구성된다. 이 발명은 파단부위의 용접 접합 개수의 조절을 통해 필요 파단압의 편리한 조정과 균일한 파단압 분포를 제공함으로써, 과충전 또는 이상 발열 등에 대한 안정성을 향상시키는 장점이 있다.
Description
이 발명은 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파단부위의 용접 접합 개수의 조절을 통해 필요 파단압의 편리한 조정과 균일한 파단압 분포를 제공함으로써, 과충전 또는 이상 발열 등에 대한 안정성을 향상시킬 수 있는 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(Secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 하나의 셀로 이루어진 저용량 이차 전지의 경우, 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용된다. 복수개의 셀이 팩 형태로 연결된 대용량 이차 전지는 하이브리드 전기 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조될 수 있는데, 대표적인 형상으로 원통형, 각형을 들 수 있다. 그리고 이러한 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 직렬로 연결되어 대용량의 이차 전지 모듈을 구성할 수 있다.
이차 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 위치하는 전극군과 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스와, 케이스를 밀폐하는 캡 조립체를 포함한다.
이차 전지가 원통형으로 형성되는 경우, 전극군의 양극 및 음극에는 활물질이 도포되지 않은 무지부가 형성되고, 양극 무지부와 음극 무지부는 서로 다른 방향을 향하도록 배치된다.
음극 무지부에는 음극 집전판이 부착되고, 양극 무지부에는 양극 집전판이 부착된다. 음극 집전판은 케이스와 전기적으로 연결되고, 양극 집전판은 캡 조립체와 전기적으로 연결되어 외부로 전류를 유도하게 된다. 따라서 케이스는 음극 단자 역할을 하고, 캡 조립체에 설치된 캡 업이 양극 단자 역할을 한다.
이차 전지가 충전과 방전을 되풀이하는 동안, 이차 전지의 내부에 가스가 발생하여 내부 압력이 상승하며, 이차 전지 내부의 압력 상승을 방치하면 이차 전지가 폭발할 위험이 있다. 이를 방지하기 위해서 캡 업의 아래에는 소정 압력에서 파단될 수 있도록 노치가 형성된 안전벤트와, 소정 압력 이상이 되면 전극탭으로부터 통전되는 전류를 차단하는 전류차단소자가 설치된다.
도 1a는 종래기술에 따른 안전벤트와 전류차단소자 간의 결합관계를 도시한 단면도이고, 도 1b 및 도 1c는 도 1a에 도시된 안전벤트가 분리되어 파단되는 과정을 도시한 단면도이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명하면, 안전벤트(110)의 중앙에는 아래로 돌출된 볼록부(115)가 형성되며, 볼록부(115)의 하면에는 전류차단소자(120)가 용접으로 부착된다.
안전벤트(110)와 전류차단소자(120) 사이에는 캡 다운(130)이 설치되는데, 캡 다운(130)은 원판 형태로 이루어지며 중앙에는 볼록부(115)를 끼울 수 있도록 홀이 형성된다. 캡 다운(130)과 안전벤트(110) 사이에는 절연부재(140)가 설치되어 캡 다운(130)과 안전벤트(110)를 절연하는데, 절연부재(140)에도 안전벤트(110)의 볼록부(115)가 삽입되는 홀이 형성된다. 이에 따라, 안전벤트(110)의 볼록부(115)가 홀들을 통과하여 전류차단소자(120)와 용이하게 접합될 수 있다.
전류차단소자(120)는 볼록부(115)와 캡 다운(130)에 각각 용접된다. 전류차단소자(120)는 캡 다운(130)을 매개로 전극군과 전기적으로 연결되며, 캡 다운(130)은 전극탭(150)을 통해서 전극군과 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 안전벤트(110)로 용이하게 전류를 전달할 수 있게 된다.
한편, 전류차단소자(110)와 볼록부(115)는 초음파 용접으로 접합되어 전류차단소자(120)와 안전벤트(120)의 볼록부(115) 사이에 전류 차단부(160)가 형성된다. 또한, 전류차단소자(110)와 캡 다운(146)은 레이저 용접으로 접합되어 전류차단소자(110)와 캡 다운(130) 사이에 돌기 모양의 용접부(164, 166)가 형성된다.
따라서 충전과 방전을 반복하는 동안 스웰링(swelling) 현상이 발생하여 이차 전지의 내부 압력이 증가하면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 안전벤트(110)의 볼록부(115)가 압력으로 인해 전류차단소자(110)로부터 이탈한다. 볼록부(115)가 전류차단소자(110)에서 이탈하면 볼록부(115)와 전류차단소자(110) 사이에 위치하는 전류 차단부(160)가 분리되면서 안전벤트(110)와 전류차단소자(110) 사이의 전류가 차단된다. 이때, 볼록부(115)가 전류차단소자(110)에서 이탈하는 압력을 전류 차단압이라고 한다.
한편, 도 1c에 도시한 바와 같이, 전지의 내부 압력이 더욱 증가하면 안전벤트(110)에 형성된 노치(113)가 파단되어 전지 내부의 가스가 외부로 배출되는데, 노치(113)가 파단되는 압력을 벤트 파단압이라고 한다.
전류가 차단되는 전류 차단압과 안전벤트(110)의 노치(113)가 파단되는 벤트 파단압은 이차 전지의 신뢰성과 안전성 측면에서 매우 중요한 요소이다.
이와 같이 안전벤트(110)는 이차 전지의 내부 압력이 소정 범위 이상으로 높아진 경우 전류차단소자(120)에서 이탈되어 안전벤트(110)와 전류차단소자(120) 사이의 전류를 차단하고, 이후에 계속적으로 압력이 상승하는 경우 안전벤트(110)에 형성된 노치(113)가 파단되어 이차 전지 내부의 기체를 외부로 방출하여 폭발의 위험을 방지한다.
그런데, 도 1a와 같은 종래기술에 따른 안전벤트와 전류차단소자 간의 결합구조는 안전벤트(110)에 가해지는 압력으로 인해 안전벤트(110)의 볼록부(115)와 전류차단소자(110) 사이에 위치하는 전류 차단부(160)가 분리 파단되면서 안전벤트(110)와 전류차단소자(110) 사이의 전류가 차단되는 구조이다. 그런데, 초음파 용접으로 인해 형성된 전류 차단부(160)는 파단시에 그 압력이 일정하지 않아 파단압의 산포가 매우 크다는 단점이 있다. 또한, 전류 차단부(160)가 초음파 용접에 의해 형성되는 용접 강도로 파단압을 조정해야 하기 때문에, 그 파단압을 조정하기 매우 어려운 구조적 문제점을 가지고 있다. 즉, 전류 차단부(160)가 일정 면적을 갖도록 용접되기 때문에, 파단압의 강도조정이 매우 어려운 문제점이 있다.
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 파단부위의 용접 접합 개수의 조절을 통해 필요 파단압의 편리한 조정과 균일한 파단압 분포를 제공함으로써, 과충전 또는 이상 발열 등에 대한 안정성을 향상시키는 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 이 발명은 파단부위의 용접 접합 개수의 조절이라는 편리한 방식으로 구현함으로써, 제조비용을 절감할 수 있는 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따르면, 이차 전지 내부의 가스 압력이 일정 이상이 되면 전극탭으로부터 통전되는 전류를 차단하는 전류차단소자에 있어서, 판과, 상기 판의 중앙 둘레를 따라 상측으로 돌출되어 그 내부에 일정 크기의 수용공간을 갖는 돌출턱과, 상기 돌출턱의 내측에 끼워져 상기 돌출턱 내의 수용공간을 덮는 접속부와, 상기 돌출턱과 상기 접속부 간의 접촉라인을 따라 등간격으로 레이저 용접하여 형성한 다수개의 파단부, 및 상기 가스 압력을 상부에 위치하는 안전벤트에 전달하기 위해 상기 판에 형성된 다수개의 통기공을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 이차 전지는, 전극 조립체와; 상기 전극 조립체를 내부에 수용할 수 있도록 일단부가 개구된 외장캔; 및 일체로 조립되어 상기 외장캔의 개구부에 설치되고, 외측면은 그 둘레를 따라 상기 외장캔에 용접되어 상기 외장캔의 개구부를 밀폐토록 하고, 저면은 상기 전극 조립체에서 인출된 전극탭에 통전 가능하게 접합되어 상기 전극 조립체에서 발생되는 전류를 외부로 통전토록 하는 캡 조립체를 포함하며, 상기 캡 조립체는 이차 전지 내부의 가스 압력이 일정 이상이 되면 상기 전극탭으로부터 통전되는 전류를 차단하는 상기와 같이 구성된 전류차단소자를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 발명은 파단부위의 용접 접합 개수의 조절을 통해 필요 파단압의 편리한 조정과 균일한 파단압 분포를 제공함으로써, 과충전 또는 이상 발열 등에 대한 안정성을 향상시키는 장점이 있다.
또한, 이 발명은 파단부위의 용접 접합 개수의 조절이라는 편리한 방식으로 구현함으로써, 제조비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1a는 종래기술에 따른 안전벤트와 전류차단소자 간의 결합관계를 도시한 단면도이고,
도 1b 및 도 1c는 도 1a에 도시된 안전벤트가 분리되어 파단되는 과정을 도시한 단면도이고,
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 외관 사시도이고,
도 3은 도 2에 도시된 원통형 이차 전지의 분해 사시도이고,
도 4는 도 2에 도시된 원통형 이차 전지의 단면도이고,
도 5는 도 2에 도시된 원통형 이차 전지의 캡 조립체에 대한 분해 사시도이고,
도 6은 도 5에 도시된 캡 조립체에 대한 조립 단면도이고,
도 7a 내지 도 7c는 도 5에 도시된 전류차단소자의 평면도, 단면도 및 확대도이고,
도 8은 도 4에 도시된 원통형 이차전지에서 외장캔 내부의 가스가 누출되는 상태를 설명하는 단면도 및 부분 확대도이며,
도 9는 도 4에 도시된 원통형 이차전지에서 외장캔과 캡 조립체를 조립하기 전의 상태를 나타낸 단면도이다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a에 도시된 안전벤트가 분리되어 파단되는 과정을 도시한 단면도이고,
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 외관 사시도이고,
도 3은 도 2에 도시된 원통형 이차 전지의 분해 사시도이고,
도 4는 도 2에 도시된 원통형 이차 전지의 단면도이고,
도 5는 도 2에 도시된 원통형 이차 전지의 캡 조립체에 대한 분해 사시도이고,
도 6은 도 5에 도시된 캡 조립체에 대한 조립 단면도이고,
도 7a 내지 도 7c는 도 5에 도시된 전류차단소자의 평면도, 단면도 및 확대도이고,
도 8은 도 4에 도시된 원통형 이차전지에서 외장캔 내부의 가스가 누출되는 상태를 설명하는 단면도 및 부분 확대도이며,
도 9는 도 4에 도시된 원통형 이차전지에서 외장캔과 캡 조립체를 조립하기 전의 상태를 나타낸 단면도이다.
아래에서, 이 발명에 따른 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 외관 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 원통형 이차 전지의 분해 사시도이며, 도 4는 도 2에 도시된 원통형 이차 전지의 단면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 원통형 이차 전지는 전극 조립체(310)와, 전극 조립체를 내부에 수용할 수 있도록 일단부가 개구된 원통형 구조로 이루어지는 외장캔(300)과, 일체로 조립되어 외장캔(300)의 개구부에 결합되는 캡 조립체(200)로 이루어진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(310)는 양극집전체의 표면에 양극활물질층이 코팅된 양극판(311)과, 음극집전체의 표면에 음극활물질층이 코팅된 음극판(312)과, 양극판(311)과 음극판(312)사이에 위치하여 양극판(311)과 음극판(312)을 전기적으로 절연시키도록 젤리-롤 형상으로 권취된 구조의 세퍼레이터(313)로 이루어진다. 그리고 전극 조립체(310)의 상부 끝단에는 전극탭(320)이 상부로 돌출 형성되고, 전극탭(320)은 캡 조립체(200)의 하단에 통전 가능하게 용접된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 외장캔(300)은 전극 조립체(310)와 전해액이 수용될 수 있도록 내부에 소정의 공간이 형성되는 원통형 구조로 이루어지며, 이때 외장캔(300)의 하부는 밀폐된 구조로 이루어지지만, 외장캔(300)의 상부는 캡 조립체(200)가 결합될 수 있도록 개구된 구조로 이루어진다. 또한, 외장캔(300)의 상하부에는 전극 조립체(310)를 캡 조립체(200) 및 외장캔(300)과 접촉할 수 없도록 하기 위한 상부 절연판(330)과 하부 절연판(미도시)이 각각 설치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 캡 조립체(200)는 일체로 조립되어 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 외장캔 (300)의 상부 개구부에 삽입 설치되고, 외측면은 그 둘레를 따라 외장캔(300)의 개구부에 레이저 용접되어 외장캔(300)의 상부 개구부를 밀폐하게 된다. 이때, 캡 조립체(200)의 저면은 전극 조립체(310)에서 인출된 전극탭(320)에 통전 가능하게 접합되며, 이러한 캡 조립체(200)는 전극 조립체(310)에서 발생되는 전류를 외부 장치로 통전되도록 한다.
도 5는 도 2에 도시된 원통형 이차 전지의 캡 조립체에 대한 분해 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 캡 조립체에 대한 조립 단면도이며, 도 7a 내지 도 7c는 도 5에 도시된 전류차단소자의 평면도, 단면도 및 확대도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 이 실시예에 따른 캡 조립체(200)는 전류차단소자(210)와, 절연플레이트(220)와, 안전벤트(230)와, 캡업(cap up : 240)과, 가스켓(250)과, 외부 케이스(260)와, 에폭시층(270)으로 이루어진다.
전류차단소자(210)는 일체로 조립된 캡 조립체(200)의 하단에 위치하는 부품으로서, 전극 조립체(310)에서 상부로 인출되는 전극탭(320)에 통전 가능하게 접합되는 도전성 금속재질의 판재이고, 외장캔(300)의 내압이 소정 압력 이상이 되면 전극탭(320)으로부터 통전되는 전류를 차단하도록 한다.
도 5 및 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 전류차단소자(210)는 원형판(211)과, 원형판(211)의 중앙 둘레를 따라 상측으로 돌출되어 그 내부에 일정 크기의 수용공간을 갖는 돌출턱(213)과, 돌출턱(213)의 내측에 끼워져 돌출턱(213) 내의 수용공간을 덮는 접속부(212)와, 돌출턱(213)과 접속부(212) 간의 접촉라인을 따라 등간격으로 레이저 용접하여 형성한 다수개의 파단부(215)로 구성할 수 있다. 여기서, 원형판(211)과 돌출턱(213)은 일체로 제작되고, 접속부(212)는 원형판(211)과 동일 두께로 구성할 수 있다. 한편, 파단부(215)는 레이저를 점용접하여 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 파단부(215)는 외장캔(300)의 내압이 소정 압력(바람직하게는 10kg/cm2) 이상이 되었을 때, 끊어지게 되어 원형판(211)과 접속부(212)가 서로 분리되어 전극탭(320)으로부터 통전되는 전류가 차단되도록 한다. 한편, 전류차단소자(210)는 외장캔(300)의 내부에서 발생된 압력이 후술하는 안전벤트(230)에 전해질 수 있도록 다수개의 통기공(214)이 형성된다. 한편, 전류차단소자(210)는 접속부(212)를 후술하는 안전벤트(230)의 접속부(232)에 용접함으로써 안전벤트(230)에 접합된다.
절연플레이트(220)는 전류차단소자(210)의 상부에 배치되어 후술하는 안전벤트(230)와 전류차단소자(210) 사이를 절연시키는 기능을 수행하며, 후술하는 안전벤트(230)의 접속부(232)가 통과할 수 있도록 링 구조로 형성된다.
안전벤트(230)는 외장캔(300)의 내압이 소정 압력 이상이 되면 외장캔(300)의 내부에 차있는 가스를 외부로 배출토록 하여 폭발 위험을 방지하는 안전장치를 구성하는 부품으로서, 도전성 금속 재질로 이루어진다.
이러한 안전벤트(230)는 절연플레이트(220)의 상부에 배치되고, 저면 중심부에는 전류차단소자(210)에 통전가능하게 접합되는 접속부(232)가 하향으로 돌출형성되고, 접속부(232)의 둘레에는 소정 압력(바람직하게는 20kg/cm2) 이상에서 파단될 수 있는 노치부(231)가 동심원으로 형성되어 있고, 가장자리는 후술하는 가스켓(250)에 의해 지지될 수 있도록 외측으로 확장되는 구조로 이루어진다.
여기서, 접속부(232)는 이차 전지의 내압이 소정 압력(바람직하게는 10kg/cm2) 이상에서 상측으로 변형되게 되며, 접속부(232)가 상측으로 변형되게 되면, 접속부(232)에 용접된 전류차단소자(210)의 접속부(212)가 위쪽으로 들어 올려지면서 파단부(215)인 다수개의 레이저 용접부위가 파단되게 되어 전극탭(320)으로부터 안전벤트(230)로 전류가 통전되는 것을 차단하게 되며, 노치부(231)는 이차 전지의 내압이 소정 압력(바람직하게는 20kg/cm2) 이상에서 파단되게 되어 외장캔(300) 내부의 가스가 외부로 배출되게 된다.
따라서 안전벤트(230)는, 정상적인 상태에서는 전극 조립체(310)에서 발생된 전류가 전극탭(320), 전류차단소자(210) 및 안전벤트(230)를 거쳐서 캡업(240)을 통해 외부 장치로 흘러가게 된다. 그러나 이차 전지의 과충전 또는 이상 발열에 의해 이차 전지의 내부 압력이 비정상적으로 증가하는 경우에는, 접속부(232)의 변형 또는 접속부(232) 주위의 노치부(231)의 파단에 의해서 이차 전지의 안전성을 확보할 수가 있게 된다.
캡업(240)은 캡 조립체(200)의 상단에 위치하여 이차 전지에서 발생되는 전류를 외부로 통전시키는 부품으로서, 안전벤트(230)의 상면에 상응하는 크기로 형성되고, 안전벤트(230)의 상부에 대해 통전 가능하게 접합된다. 즉, 캡업(240)의 저면 가장자리가 안전벤트(230)의 상면 가장자리에 접촉한 상태에서 가스켓(250) 및 외부케이스(260)에 의해 압착되어 상호 통전 가능하게 접합된다. 미설명부호 241은 관통공이다.
가스켓(250)은 캡업(240)과 안전벤트(230)의 가장자리를 감싸서 캡업(240)과 안전벤트(230)를 외장캔(300)과 절연시키는 기능을 수행한다. 이러한 가스켓(250)은 안전벤트(230)와 캡업(240)이 내부에 수용될 수 있는 원통 구조로 형성되고, 가스켓(250)의 하부는 안전벤트(230)와 캡업(240)이 내부에 삽입될 수 있도록 개방된 구조로 이루어지며, 가스켓(250)의 상부에는 캡업(240)의 가장자리 상면에 접하는 소정 길이의 상부면이 내측으로 돌출 형성된다.
외부 케이스(260)는 캡 조립체(200)의 외측면을 형성하는 부품으로서, 가스켓(250)의 외곽부를 압착하여 지지하고, 외측면은 그 둘레를 따라 외장캔(300)에 용접되어진다. 이러한 외부 케이스(260)는 가스켓(250)이 내부에 수용될 수 있는 원통 구조로 형성되고, 외부 케이스(260)의 하부는 가스켓(250)과 안전벤트(230) 및 캡업(240)이 내부에 삽입될 수 있도록 개방된 구조로 이루어지며, 외부 케이스(260)의 상부에는 가스켓(250)의 상부면에 접하는 소정 길이의 상부면이 내측으로 돌출 형성된다.
그리고 외부 케이스(260)의 외측면에는 외장캔(300)의 상부 측면에 용접되는 캔 용접부(262)가 원주 방향으로 오목하게 형성되는데, 캔 용접부(262)는 외장캔(300)의 두께에 대응하는 깊이로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 캔 용접부(262)에 외장캔(300)의 상부를 삽입한 상태에서, 도 4에 도시된 바와 같이 캔 용접부(262)와 외장캔(300)의 끝단이 접촉하는 부분(A)을 따라 원주 방향으로 레이저 용접을 가하여 외부 케이스(260)를 외장캔(300)에 접합시키게 된다. 이때, 외부 케이스(260)와 외장캔(300)의 용접을 용이하게 하기 위해, 외부 케이스(260)는 외장캔(300)과 동일한 재질의 금속으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 에폭시층(270)은 외부 케이스(260)와 절연플레이트(220)의 사이에 형성되는 틈새 사이에 충전되어 외장캔(300)의 내부에 차있는 가스가 틈새를 통하여 외장캔(300)의 외부로 배출되는 것을 차단하기 위한 층이다.
도 8은 도 4에 도시된 원통형 이차전지에서 외장캔 내부의 가스가 누출되는 상태를 설명하는 단면도 및 부분 확대도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 외장캔(300)의 내부에 차있는 가스는 틈새가 밀봉되지 않을 경우 화살표 B에서 보는 바와 같이 외부 케이스(260)와 가스켓(250) 사이의 틈새나 또는 화살표 C에서 보는 바와 같이 가스켓(250)과 안전벤트(230) 및 캡업(240)의 외주 사이의 틈새를 통하여 서서히 지속적으로 배출되기 때문에, 상당한 시간이 경과하게 되면 외장캔(300) 내부의 전해 작용이 미약해지게 되므로 전지로서의 기능을 상실하게 될 우려가 있다. 따라서 틈새를 에폭시로 밀봉하게 되면, 위와 같은 문제점이 해소될 수 있고, 또한 외장 캔 내부의 압력이 비정상적으로 증가할 때 작동되게 되는 전류차단소자(210)나 안전벤트(230)의 작동도 확실하게 하도록 할 수가 있게 된다.
한편, 이 실시예에 따른 캡 조립체(200)는 소정 온도 이상에서 안전벤트(230)와 캡업(240) 사이를 절연시키는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(280)를 더 포함하여 구성하는 것이 바람직하다. PTC 소자(280)는 안전벤트(230)의 외경에 상응하는 크기의 링 구조로 형성되고, 안전벤트(230)와 캡업(240) 사이에 삽입된다. 즉, 가스켓(250)의 내부에 안전벤트(230), PTC 소자(280), 캡업(240) 순서로 적층된 후, 외부 케이스(260)가 압착될 때 다른 부품들과 함께 압착되어 고정된다.
이러한 PTC 소자(280)는 이 실시예에 따른 원통형 이차 전지의 또다른 안전장치를 구성하는 부품으로서, 정상적인 경우에는 안전벤트(230)와 캡업(240) 사이를 통전시키지만, 이차 전지의 온도가 비정상적으로 증가되면 전류의 흐름을 차단하는 성질을 가지게 된다. PTC 소자(280)는 수지와 탄소 분말로 형성되는 소자층과 소자층의 상면과 하면에 결합되는 도전판으로 형성되며, PTC 소자(280)의 온도가 증가되면 수지층의 수지가 팽창되면서 탄소 분말의 연결을 끊어 전류를 차단하게 된다. PTC 소자(280)로는 세라믹 소자가 사용될 수 있음은 물론이다.
상기와 같이 구성되는 캡 조립체(200)의 조립은 다음과 같다.
우선, 전류차단소자(210)의 상부에 절연 플레이트(240)를 배치시키고, 절연 플레이트(240)의 중앙에 형성한 구멍에 안전벤트(230)의 접속부(232)가 위치되도록 하고, 안전벤트(230)의 접속부와 전류차단소자(210)의 중앙 부분이 통전 가능하게 용접하여 전류차단소자(210)와 절연플레이트(240)와 안전벤트(230)를 일체로 조립한다.
다음에, 외부 케이스(260)의 상부면(도 5의 261)이 아래쪽을 향하도록 뒤집어서 위치시키고, 외부 케이스(260)의 내부에 원통구조의 가스켓(250)을 그 윗면(251)이 아래쪽을 향하도록 끼운 다음에 캡업(240)을 뒤집어서 캡업의 윗면(242)이 아래쪽을 향하도록 가스켓(250)의 내부에 끼우고, 다시 캡업(240)의 위에 PTC 소자를 위치시킨다. 이때, PTC 소자(280)는 경우에 따라 생략될 수도 있다.
다음에, 안전벤트(240)와 절연플레이트(220)와 전류차단소자(210)가 일체로 조립된 것에서 안전벤트(240)가 PTC 소자(280)의 위에 얹어지도록 적층시키게 되면, 외부 케이스(260)의 내부에는 가스켓(250)과, 캡업(240)과 PTC 소자(280)와, 안전벤트(240)와 절연플레이트(220)와 전류차단소자(210)가 아래에서부터 순서대로 적층시킨 상태가 된다. 이러한 상태에서 외부 케이스(260)와 가스켓(250)의 위쪽 부분을 함께 내측으로 압착시키게 되면, 캡 조립체(200)가 조립되게 된다.
이후, 외부 케이스(260)와 절연플레이트(220)의 사이에 형성되는 틈새 사이에 에폭시 수지를 충전시키면 도 6에 도시된 바와 같이 이 실시예에 따른 캡 조립체(200)가 최종적으로 완성되게 된다.
다음에는 상기와 같이 조립이 완성된 캡 조립체(200)를 외장캔(300)에 결합시키는 과정을 설명한다.
도 9는 도 4에 도시된 원통형 이차전지에서 외장캔과 캡 조립체를 조립하기 전의 상태를 나타낸 단면도이다.
우선, 상부가 개구된 원통형 구조의 외장캔(300) 내부에 전극 조립체(310)와 전해액을 주입한다. 이때, 전극 조립체(310)와 전해액 주입 전후로 하부 절연판과 상부 절연판(330)을 삽입한다. 상부 절연판(330) 및 하부 절연판은 전극 조립체(310) 및 전해액이 캡 조립체(200) 및 외장캔(300)의 바닥면에 직접 접촉하는 것을 방지하기 위해 삽입되는 부품이다. 하부 절연판은 중앙 통공이 없는 원판 형태로 설치되고, 상부 절연판(330)은 전극탭(320)이 통과되는 통공을 포함하는 원판 형태로 설치된다. 전극 조립체(310)의 상부 끝단에서 인출된 전극탭(320)은 상부 절연판(330)의 통공을 통해 외장캔(300)의 외부로 노출된다.
이후, 사전에 일체로 조립된 캡 조립체(200)의 저면, 즉 전류차단소자(210)의 저면에 전극탭(320)을 통전 가능하게 접합시킨다.
이러한 상태에서 캡 조립체(200)를 외장캔(300)의 내부에 삽입시키면, 전극탭(320)은 도 4에 도시된 바와 같이 절곡된다. 이처럼 캡 조립체(200)를 개구된 외장캔(300)의 상부에 삽입하면, 외장캔(300)의 상측 끝단이 캡 조립체(200)의 외측면, 즉 외부 케이스(260)의 외측면에 오목하게 형성되는 캔 용접부(282)에 삽입된다. 이러한 상태에서 캔 용접부(282)와 외장캔(300)의 끝단이 접촉하는 곳(A)을 원주 방향을 따라 레이저 용접을 가하면, 이 실시예에 따른 원통형 이차 전지가 완성된다. 이후에, 이차 전지의 외부에 외장재를 입히는 튜빙(tubing) 작업이 이루어지게 된다.
상기 실시예에서는 원통형 구조의 이차 전지에 대하여 설명하였으나, 원통형이 아닌 다른 형태의 이차 전지에도 사용될 수 있음은 물론이다.
이상에서 이 발명의 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
200 : 캡 조립체 210 : 전류차단소자
211 : 원형판 212 : 접속부
213 : 돌출턱 215 : 파단부
220 : 절연플레이트 230 : 안전벤트
232 : 접속부 240 : 캡업
250 : 가스켓 260 : 외부 케이스
262 : 캔 용접부 270 : 에폭시층
300 : 외장캔 310 : 전극 조립체
320 : 전극탭 330 : 상부 절연판
211 : 원형판 212 : 접속부
213 : 돌출턱 215 : 파단부
220 : 절연플레이트 230 : 안전벤트
232 : 접속부 240 : 캡업
250 : 가스켓 260 : 외부 케이스
262 : 캔 용접부 270 : 에폭시층
300 : 외장캔 310 : 전극 조립체
320 : 전극탭 330 : 상부 절연판
Claims (6)
- 이차 전지 내부의 가스 압력이 일정 이상이 되면 전극탭으로부터 통전되는 전류를 차단하는 전류차단소자에 있어서,
판과,
상기 판의 중앙 둘레를 따라 상측으로 돌출되어 그 내부에 일정 크기의 수용공간을 갖는 돌출턱과,
상기 돌출턱의 내측에 끼워져 상기 돌출턱 내의 수용공간을 덮는 접속부와,
상기 돌출턱과 상기 접속부 간의 접촉라인을 따라 등간격으로 레이저 용접하여 형성한 다수개의 파단부, 및
상기 가스 압력을 상부에 위치하는 안전벤트에 전달하기 위해 상기 판에 형성된 다수개의 통기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류차단소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 파단부는 점용접으로 형성된 것을 특징으로 하는 전류차단소자. - 전극 조립체와;
상기 전극 조립체를 내부에 수용할 수 있도록 일단부가 개구된 외장캔; 및
일체로 조립되어 상기 외장캔의 개구부에 설치되고, 외측면은 그 둘레를 따라 상기 외장캔에 용접되어 상기 외장캔의 개구부를 밀폐토록 하고, 저면은 상기 전극 조립체에서 인출된 전극탭에 통전 가능하게 접합되어 상기 전극 조립체에서 발생되는 전류를 외부로 통전토록 하는 캡 조립체를 포함하며,
상기 캡 조립체는 이차 전지 내부의 가스 압력이 일정 이상이 되면 상기 전극탭으로부터 통전되는 전류를 차단하는 전류차단소자를 구비하며,
상기 전류차단소자는, 판과, 상기 판의 중앙 둘레를 따라 상측으로 돌출되어 그 내부에 일정 크기의 수용공간을 갖는 돌출턱과, 상기 돌출턱의 내측에 끼워져 상기 돌출턱 내의 수용공간을 덮는 접속부와, 상기 돌출턱과 상기 접속부 간의 접촉라인을 따라 등간격으로 레이저 용접하여 형성한 다수개의 파단부, 및 상기 가스 압력을 상부에 위치하는 안전벤트에 전달하기 위해 상기 판에 형성된 다수개의 통기공을 포함하는 것을 특징으로 이차 전지. - 청구항 3에 있어서,
상기 파단부는 점용접으로 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
상기 캡 조립체는,
상기 전류차단소자의 상부에 배치되는 절연플레이트와;
상기 절연플레이트의 상부에 배치되고, 저면 중심부에는 상기 전류차단소자에 통전가능하게 접합되는 접속부가 하향으로 돌출형성되고, 상기 외장캔의 내압이 소정 압력 이상이 되면 상기 외장캔의 내부에 차있는 가스를 외부로 배출토록 하는 상기 안전벤트와;
상기 안전벤트와 통전되고, 외부와 전기 접속되는 캡업과;
상기 캡업과 상기 안전벤트의 가장자리를 감싸서 상기 캡업과 상기 안전벤트를 상기 외장캔과 절연시키는 가스켓과;
상기 가스켓의 외곽부를 압착하여 지지하고, 외측면은 그 둘레를 따라 상기 외장캔에 용접되어지는 외부케이스; 및
상기 외부 케이스와 상기 절연플레이트의 사이에 형성되는 틈새 사이에 충전되어 상기 외장캔의 내부에 차있는 가스가 상기 틈새를 통하여 상기 외장캔의 외부로 배출되는 것을 차단하기 위한 에폭시층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지. - 청구항 5에 있어서,
상기 캡 조립체는,
상기 안전벤트와 상기 캡업 사이에 삽입되어, 소정 온도 이상에서 상기 안전벤트와 상기 캡업 사이를 절연시키는 PTC 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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| KR1020110098211A KR20130034285A (ko) | 2011-09-28 | 2011-09-28 | 전류차단소자 및 이를 구비한 이차 전지 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2011
- 2011-09-28 KR KR1020110098211A patent/KR20130034285A/ko not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |