KR20130058345A - 파단홈을 가지는 자동 전류차단 리튬 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비한 전극 조립체; 상기 양극판 및 음극판의 일단으로부터 각각 연장되는 양극탭 및 음극탭; 상기 전극 조립체가 수납되고, 상단으로 상기 양극탭 및 음극탭이 돌출되도록 밀봉되어 이루어지는 전지 케이스; 를 포함하여 이루어지며, 상기 양극탭 또는 음극탭 중 적어도 하나의 전극탭은 외부 압력에 의해 파열이 시작되는 하나 이상의 파단홈을 형성하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지는 전지가 이상반응을 일으켜 팽창하는 경우 발생되는 응력을 이용하여 탭을 파단시키켜 과충전, 폭발 또는 발화를 사전에 차단하여 안전한 운용을 도모하는 효과가 존재한다.

Description

파단홈을 가지는 자동 전류차단 리튬 이차 전지 {Lithium ion battery with breakage groove }
본 발명은 파단홈을 가지는 자동 전류차단 리튬 이차 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬 이차 전지의 전극탭을 자동으로 파단하여 전류를 차단하는 전지에 대한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도, 방전 전압, 안전성이 우수한 리튬 코발트 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
리튬이차전지는 다양한 형태로 제조가 가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬이온전지에 주로 사용되는 원통형 및 각형을 들 수 있다. 최근들어, 각광받는 리튬폴리머전지는 유연성을 지닌 소재로 제조되어 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한, 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다고 할 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로도 주목받고 있다.
자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 시스템이 사용된다. 그러한 중대형 전지 시스템에 단위전지로서 많이 사용되는 파우치형 리튬이온 폴리머 이차전지는 소형 디바이스에 사용되는 동일 계열의 전지에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지고 있다.
이러한 이차 전지는 탄소질의 음극과 리튬금속 산화물의 양극, 폴리올레핀계 분리막, 및 전해질로 구성되어 있다. 그러나 상기 리튬이온 전지는 전지의 작동 전위가 높기 때문에 고에너지가 순간적으로 흐를 수 있고, 양극 물질들은 과충전 또는 단락에 의하여 화학적인 활성이 크게 증대되기 때문에 전해질과 급격히 반응하여 다량의 가스를 발생시키고, 그 결과 전지 내부의 압력이나 온도가 급격히 상승되어 전지가 폭발하는 경우에 주변 장치가 파손되거나 인체에 손상을 입힐 수 있다.
따라서 이와 같이 전지의 이상 반응 발생시 이차 전지와 외부간의 전류 흐름을 차단시켜 전지의 흐름을 방지할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 고려하여, 리튬 이차 전지가 이상 반응이 일어나는 경우 전극탭을 자동으로 파단하고, 전류의 흐름을 차단시켜 전지 내부에서 발생되는 화학적 반응을 중지시켜서 가스 발생을 억제하는 리튬 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 다른 목적은 전극탭에 파단홈을 생성하는 과정을 포함하는 리튬 이차 전지의 생산방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차전지는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비한 전극 조립체; 상기 양극판 및 음극판의 일단으로부터 각각 연장되는 양극탭 및 음극탭; 상기 전극 조립체가 수납되고, 상단으로 상기 양극탭 및 음극탭이 돌출되도록 밀봉되어 이루어지는 전지 케이스; 를 포함하여 이루어지며, 상기 양극탭 또는 음극탭 중 적어도 하나의 전극탭은 외부 압력에 의해 파열이 시작되는 하나 이상의 파단홈을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차전지에 있어서, 상기 파단홈은 노칭형 파단홈인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차 전지에 있어서, 상기 파단홈은 일정한 길이의 균열이 있는 파단홈인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차전지에 있어서, 상기 파단홈은 상기 양극탭 또는 음극탭의 좌우측 모서리에 대칭적으로 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차전지에 있어서, 상기 파단홈은 상기 양극탭 또는 음극탭의 좌우측 모서리에 대각선 방향으로 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차전지에 있어서, 전극탭 일측에 형성된 파단홈으로부터 타측의 파단홈 방향으로 직선의 홈을 형성하는 파단유도부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차전지 생산방법은 양극판, 음극판 및 세퍼레이터의 적층구조를 가진 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하고, 조립체의 양극판 및 음극판에 각각 연결된 양극탭과 음극탭을 케이스 외부로 돌출시키는 단계; 상기 전극 조립체가 수납된 전지 케이스의 상단부 및 일측면부를 밀봉하고 전해액을 주입한 후, 나머지 측면부를 밀봉하여 리튬 2차 전지를 제조하는 단계; 및 상기 양극탭 또는 음극탭 중 하나 이상의 전극탭에 파단홈을 형성시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차전지 생산방법에 있어서 상기 파단홈은 노칭홈 또는 일정한 균열홈을 형성시키는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차전지 생산방법에 있어서 상기 양극탭 또는 음극탭 중 하나 이상의 전극탭에 일측의 파단홈으로부터 타측의 파단홈 방향으로 파단유도부를 형성시키는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 전지가 이상반응을 일으켜 팽창하는 경우 발생되는 응력을 이용하여 탭을 파단시키켜 과충전, 폭발 또는 발화를 사전에 차단하여 안전한 운용을 도모하는 효과가 존재한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파단홈을 가지는 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 세부 구성의 도시도.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파단홈을 가지는 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 사시도.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극탭의 파단 예상도.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파단홈을 가지는 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 이상반응시 팽창 예상도.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극탭의 파단 예상도.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극탭의 파단 예상도.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극탭의 파단 예상도.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차 전지 생산방법의 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정 하려는 것이 아니며 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파단홈을 가지는 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 세부 구성의 도시도, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파단홈을 가지는 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차 전지는 전지케이스(100), 전극조립체(200), 양극탭(300)(이하, ‘전극탭’이라고도 한다.), 음극탭(400)(이하, ‘전극탭’이라고도 한다.), 파단홈(500)을 포함하여 구성된다.
전지케이스는(100) 전극조립체(200)를 수납하고, 전극탭(300, 400)을 수용하여 이차 전지를 구성할 수 있다.
전극조립체(200)는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 포함하여 구성될 수 있다. 양극판은 양극 활물질이 코팅된 전극판, 음극판은 음극 활물질이 코팅된 전극판을 의미한다.
양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 위치하여 리튬 이온의 이동만 가능하도록 하며, 쇼트를 방지하게 된다.
양극판은 일반적으로 알루미늄(Al) 재질로 이루어지고, 음극판은 동(Cu) 재질로 이루어지나 본 발명에서는 반드시 상기의 재질로 한정되지 않으며, 당업자의 수준에 변경하여 적용할 수 있는 범위를 포함한다.
양극탭(300)은 양극판으로부터 접합 연장되어 전지케이스(100)의 외부로 돌출될 수 있다.
음극탭(400)은 음극판으로부터 접합 연장되어 전지케이스(100)의 외부로 돌출될 수 있다.
파단홈(500)은 전지 케이스(100) 외부로 노출되는 전극탭(300, 400)의 모서리에 각각 형성될 수 있다.
파단홈(500)에 대한 상세한 설명은 파단예상도를 통하여 후술한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극탭의 파단 예상도, 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파단홈을 가지는 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 이상반응시 팽창 예상도이다.
도3을 참고하면, 파단홈(500)은 양극탭(300) 또는 음극탭(400) 중 하나 또는 양쪽의 모서리 부분에 형성될 수 있다.
도4를 참고하면, 리튬 이차 전지는 과충전 또는 단락에 의하여 화학적인 활성이 크게 증대되며, 전해질이 급격히 반응하기 시작하면 다량의 가스를 발생된다.
그 결과 도4에서처럼 전지 내부의 압력이나 온도가 급격히 상승되어 케이스의 중간부분이 점점 부풀어 오르게 되고 화살표 방향과 같이 응력이 발생된다.
리튬 이차 전지는 일반적으로 하나의 전지를 사용하는 것이 아니라, 여러개의 전지를 별도로 구비하는 케이스 내부에 나란히 배열하여 원하는 전력의 출력을 갖추어 사용한다.
따라서 하나의 리튬 이차 전지모듈 중 하나의 전지가 이상반응을 일으켜 폭발하는 경우 주변 장치 및 전지가 파손되거나 화재로 발생하게 되고 심하게는 인체에 손상을 입힐 수 있다.
다수의 리튬 이차 전지가 배열되어 있는 상태에서 도4의 경우처럼 가스로 인한 응력이 발생하는 경우 전극탭에 형성된 파단홈(500)으로부터 전극탭의 파단이 시작되어 도3에서 점선 화살표 방향으로 표시한 것처럼 전극탭이 쉽게 제거될 수 있게 된다.
바람직하게는, 파단홈(500)을 다수의 모서리가 존재하는 노칭형 파단홈으로 형성할 수 있다.
파단홈(500)은 케이스 외부로 노출된 전극탭(300, 400)의 양측 모서리에 대칭적으로 형성될 수 있다.
리튬 이차 전지 외부와 전기적으로 연결되는 전극탭이 제거됨에 따라, 전류의 흐름이 차단되고 과충전, 폭발 또는 발화를 방지할 수 있게 된다.
파단홈(500)은 반드시 전극탭의 모서리 양쪽에 형성될 필요는 없으며, 한쪽에만 형성되어 있는 경우에도 외부의 응력에 의하여 파단이 가능하다.
도5를 참고하면, 다른 일 실시예에 따른 전극탭의 파단 예상도를 확인할 수 있다.
파단홈(510)을 전극탭의 왼쪽 및 오른쪽 모서리에 대각선방향으로 대칭되도록 배치하여 점선 화살표 방향으로 전극탭이 제거되는 것을 유도할 수 있다.
도6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극탭의 파단 예상도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극탭은 파단홈(500)과 파단유도부(600)를 포함하여 구성된다.
도6을 참고하면, 파단유도부(600)는 파단홈과 파단홈 사이에 직선의 홈으로 형성될 수 있다.
전극탭은 일반적으로 금속재질로 되어 있으므로, 홈이 형성된 부분이 그렇지 않은 부분보다 먼저 절단이 이뤄지게 된다.
따라서 일측의 파단홈에서부터 파단이 시작되면, 홈으로 형성된 파단유도부(600)가 홈이 형성되어 있지 않은 부분보다 먼저 절단이 시작되며 파단유도부(600)를 따라서 절단이 이루어져 타측의 파단홈(500)이 형성된 곳에서 파단이 종료되어 전극탭의 제거가 일어나게 된다.
도7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전극탭의 파단 예상도이다.
도7을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 파단홈(520)은 일정한 길이의 균열이 있는 형태로 형성될 수 있다.
외부로 부터의 응력이 전극탭으로 전달되면 파단은 일정한 길이의 균열이 나타나 있는 부위부터 파단이 시작되어 점선 화살표 방향으로 진행되고, 결국 전극탭이 제거된다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 전류차단 리튬 이차 전지 생산방법의 흐름도이다.
S100 단계는 양극탭 또는 음극탭 중 하나 이상의 전극탭에 파단홈을 형성시키는 단계이다.
바람직하게는, 파단홈의 형태를 노칭홈 또는 일정한 균일이 있는 균열홈을 형성시킬 수 있다.
S200 단계는 양극탭 또는 음극탭 중 하나 이상의 전극탭에 일측의 파단홈으로부터 타측의 파단홈 방향으로 파단유도부를 형성시키는 단계이다.
파단유도부는 일정한 깊이의 홈으로 직선형태로 전극탭에 형성시킬 수 있다.
S300 단계는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터의 적층구조를 가진 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하는 단계이다.
S400 단계는 조립체의 양극판 및 음극판에 각각 양극탭과 음극탭을 연결하는 단계이다.
S500 단계는 양극탭 및 음극탭을 케이스 외부로 돌출시키는 단계이다.
S600 단계는 전극 조립체가 수납된 전지 케이스의 상단부 및 일측면부를 밀봉하고 전해액을 주입한 후, 나머지 측면부를 밀봉하여 리튬 이차 전지를 제조하는 단계이다.
한편, 당업자의 수준에서 S100 단계의 파단홈을 형성시키는 단계 및 S200 단계의 파단유도부를 형성하는 단계는 S600 단계에서 양극탭과 음극탭을 전극 조립체와 케이스에 수납하고 이차 전지 조립과정을 진행한 이후에 전급탭에 적용하는 것도 본 발명의 실시범위 내에 속한다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 전지케이스
200 : 전극조립체
300 : 양극탭
400 : 음극탭
500, 510, 520 : 파단홈
600 : 파단유도부

Claims (10)

  1. 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비한 전극 조립체;
    상기 양극판 및 음극판의 일단으로부터 각각 연장되는 양극탭 및 음극탭;
    상기 전극 조립체가 수납되고, 상단으로 상기 양극탭 및 음극탭이 돌출되도록 밀봉되어 이루어지는 전지 케이스; 를 포함하여 이루어지며,
    상기 양극탭 또는 음극탭 중 적어도 하나의 전극탭은 외부 압력에 의해 파열이 시작되는 하나 이상의 파단홈을 형성하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파단홈은 노칭형 파단홈인 것을 특징으로 하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파단홈은 일정한 길이의 균열이 있는 파단홈인 것을 특징으로 하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파단홈은 다수가 구비되고, 상기 양극탭 또는 음극탭의 좌우측 모서리에 대칭적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파단홈은 다수가 구비되고, 상기 양극탭 또는 음극탭의 좌우측 모서리에 대각선 방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    전극탭 일측에 형성된 파단홈으로부터 타측의 파단홈 방향으로 직선의 홈을 형성하는 파단유도부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지.
  7. 양극탭 또는 음극탭 중 하나 이상의 전극탭에 파단홈을 형성시키는 단계;
    양극판, 음극판 및 세퍼레이터의 적층구조를 가진 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하고, 조립체의 양극판 및 음극판에 상기 파단홈이 형성된 양극탭과 음극탭을 연결하여 케이스 외부로 돌출시키는 단계; 및
    상기 전극 조립체가 수납된 전지 케이스의 상단부 및 일측면부를 밀봉하고 전해액을 주입한 후, 나머지 측면부를 밀봉하여 리튬 이차 전지를 제조하는 단계; 를 포함하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 제조방법.
  8. 양극판, 음극판 및 세퍼레이터의 적층구조를 가진 전극 조립체를 전지 케이스에 수납하고, 조립체의 양극판 및 음극판에 각각 연결된 양극탭과 음극탭을 케이스 외부로 돌출시키는 단계;
    상기 전극 조립체가 수납된 전지 케이스의 상단부 및 일측면부를 밀봉하고 전해액을 주입한 후, 나머지 측면부를 밀봉하여 리튬 이차 전지를 제조하는 단계; 및
    상기 양극탭 또는 음극탭 중 하나 이상의 전극탭에 파단홈을 형성시키는 단계; 를 포함하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 제조방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 파단홈은 노칭홈 또는 일정한 균열홈을 형성시키는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 제조방법.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 양극탭 또는 음극탭 중 하나 이상의 전극탭에 파단홈을 형성시키는 단계는,
    상기 양극탭 또는 음극탭 중 하나 이상의 전극탭에 일측의 파단홈으로부터 타측의 파단홈 방향으로 파단유도부를 형성시키는 단계; 를 더 포함하는 자동 전류차단 리튬 이차 전지의 제조방법.
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