KR20150018344A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20150018344A
KR20150018344A KR1020130158736A KR20130158736A KR20150018344A KR 20150018344 A KR20150018344 A KR 20150018344A KR 1020130158736 A KR1020130158736 A KR 1020130158736A KR 20130158736 A KR20130158736 A KR 20130158736A KR 20150018344 A KR20150018344 A KR 20150018344A
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권민형
서용철
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 고전류 단락뿐만 아니라, 저전류 단락일 경우에도 하나의 저전류 퓨즈 영역에 의해 전류 차단이 가능하여 안전성을 향상시킬 수 있고, 두 개의 퓨즈 영역이 용융될 때에 비해서 아크 발생에 의한 폭발 위험도 감소시킬 수 있으며, 저전류 퓨즈 영역이 집전판의 측부에 구비되어 저전류 퓨즈 영역이 용융되어 끊어지면 전극 조립체의 하중에 의해서, 전극 조립체가 케이스의 하부로 낙하되어, 퓨즈 동작시 전류 차단이 용이하게 하는데 있다.

Description

이차 전지{Rechargeable battery}
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(Rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대폰 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 전지 팩이 수십 개 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형 및 각형을 들 수 있으며, 양극판 및 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 형성된 전극 조립체와, 전해액을 함께 케이스에 수용하고, 케이스에 캡 플레이트를 설치하여 구성된다. 물론, 상기 전극 조립체에는 양극 단자 및 음극 단자가 연결되며, 이는 상기 캡 플레이트를 통하여 외부로 노출 또는 돌출된다.
한편, 이차 전지는 외부 단락, 과충전 및 이차전지의 관통에 의한 손상등이 발생할 경우 발화하거나 폭발할 수 있다. 이에 따라, 안전성을 향상시킬 수 있는 구조의 이차 전지가 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고전류 단락뿐만 아니라, 저전류 단락일 경우에도 하나의 저전류 퓨즈 영역에 의해 전류 차단이 가능하여 안전성을 향상시킬 수 있으며, 두 개의 퓨즈 영역이 용융될 때에 비해서 아크 발생에 의한 폭발 위험도 감소시킬 수 있는 이차 전지를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 저전류 퓨즈 영역이 집전판의 측부에 구비되어 저전류 퓨즈 영역이 용융되어 끊어지면 전극 조립체의 하중에 의해서, 전극 조립체가 케이스의 하부로 낙하되어, 퓨즈 동작시 전류 차단이 용이할 수 있는 이차 전지를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 이차 전지는 전극조립체와, 단자 및, 상기 전극조립체 및 상기 단자(130)와 전기적으로 접속되는 집전체를 포함하며, 상기 집전체는 제1전류에 동작하는 제1퓨즈와 제2전류에 동작하는 제2퓨즈를 가지며, 제1전류는 제2전류와 다를 수 있다.
상기 집전체는 상기 단자에 접속된 단자 접속부와, 상기 전극 조립체에 접속된 전극 접속부 및, 상기 단자 접속부와 상기 전극 접속부 사이를 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
상기 제1퓨즈는 상기 집전체의 상기 단자 접속부에 있을 수 있다.
상기 제2퓨즈는 상기 집전체의 상기 연결부에 있을 수 있다.
상기 제1퓨즈는 상기 단자 접속부를 관통하는 퓨즈홀을 포함하며, 상기 퓨즈홀은 상기 집전체의 상기 단자 접속부의 단면적을 줄일 수 있다.
상기 집전체는 “L”이 반전된 형상으로, 상기 단자 접속부는 상기 전극 접속부와 상기 연결부로부터 수직일 수 있다.
상기 제2퓨즈는 퓨즈 절개부들을 가지며, 상기 퓨즈 절개부들는 상기 연결부의 다른 영역에 비해 상기 집전체의 연결부의 단면적을 줄일 수 있다.
상기 퓨즈 절개부들은 상기 연결부의 일측에 제1퓨즈 절개부 및, 상기 연결부의 일측의 반대측인 상기 연결부의 타측에 제2퓨즈 절개부를 가질 수 있다.
상기 제1퓨즈 절개부는 상기 제2퓨즈 절개부의 형상 및 크기와 대략 같은 형상 및 크기를 가질 수 있다.
상기 제1퓨즈 절개부는 상기 제2퓨즈 절개부의 형상 및 크기와 다른 형상 및 크기를 가질 수 있다.
상기 제1퓨즈 절개부는 상기 제2퓨즈 절개부의 영역에 비해서 더 큰 영역을 가질 수 있다.
상기 퓨즈 절개부들은 상기 연결부의 외부 양측 각각으로부터 내부로 연장된 홈일 수 있다.
상기 제2퓨즈는 상기 퓨즈 절개부들 사이에, 상기 전극조립체 방향으로 돌출된 퓨즈 돌출부를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 제2퓨즈는 상기 집전판에서 상기 퓨즈 돌기가 형성된 반대면에 퓨즈 리세스를 더 포함할 수 있다.
상기 제2퓨즈가 용융시, 상기 단자로부터 상기 전극조립체를 분리하고, 상기 단자로부터 상기 전극 조립체를 떨어뜨릴 수 있다.
다른 터미널 및, 다른 제1퓨즈를 갖은 다른 집전체를 더 포함할 수 있다.
상기 제2퓨즈는 상기 전극조립체와 상기 제1퓨즈 사이에 전기적으로 접속될 수 있다.
상기 제2 퓨즈는 상기 제1퓨즈에 비해서 더 큰 단면적을 가질 수 있다.
상기 제2퓨즈는 상기 제1퓨즈가 용융될 수 있는 전류에 비해 더 낮은 전류에 응답하여 용융될 수 있다.
상기 제1퓨즈에 의해 상기 집전판에 남아있는 영역의 폭이, 상기 제2퓨즈에 의해 상기 집전판에 남아있는 영역의 폭 보다 작을 수 있다.
본 발명에 의한 이차 전지는 고전류 단락뿐만 아니라, 저전류 단락일 경우에도 하나의 저전류 퓨즈 영역에 의해 전류 차단이 가능하여 안전성을 향상시킬 수 있으며, 두 개의 퓨즈 영역이 용융될 때에 비해서 아크 발생에 의한 폭발 위험도 감소시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의한 이차 전지는 저전류 퓨즈 영역이 집전판의 측부에 구비되어 저전류 퓨즈 영역이 용융되어 끊어지면 전극 조립체의 하중에 의해서, 전극 조립체가 케이스의 하부로 낙하되어, 퓨즈 동작시 전류 차단이 용이 할 수 있게 된다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이며, 도 1b는 도 1a의 1b-1b선을 따라 취한 단면도이다.
도 2a는 도 1a의 제1집전판을 확대 도시한 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 제1집전판의 저전류 퓨즈 영역을 확대 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1a의 제1집전판의 또 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1a의 제2집전판을 확대 도시한 사시도이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1a를 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이가 도시되어 있으며, 도 1b를 참조하면 도 1a의 1b-1b선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.
도 1a 및 도 1b에서 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(100)는 전극 조립체(110), 제1집전판(120), 제1단자부(130), 제2집전판(140), 제2단자부(150), 케이스(160) 및 캡 조립체(170)를 포함한다. 이와 같은 본원의 이차전지(100)는 복수개가 서로 직렬 연결되어 고전압을 출력하는 대용량 배터리 팩을 구성할 수 있다.
상기 전극 조립체(110)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 제1전극(111), 세퍼레이터(113), 제2전극(112)의 적층체를 권취하거나 겹쳐서 형성한다. 여기서, 제1전극(111)은 양극으로서 동작할 수 있으며, 제2전극(112)은 음극으로서 동작할 수 있다.
상기 제1전극(111)은 알루미늄과 같은 금속 포일로 형성된 제1전극 집전체에 전이금속산화물 등의 제1전극 활물질을 도포함으로써 형성되며, 제1활물질이 도포되지 않은 영역인 제1전극 무지부(111a)를 포함한다. 상기 제1전극 무지부(111a)는 제1전극(111)과, 제1전극 외부 간의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제1전극(111)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 제2전극(112)은 구리 또는 니켈과 같은 금속 포일로 형성된 제2전극 집전체에 흑연 또는 탄소 등의 제2전극 활물질을 도포함으로써 형성되며, 제2활물질이 도포되지 않는 영역인 제2전극 무지부(112a)를 포함한다. 상기 제2전극 무지부(112a)는 제2전극(112)과, 제2전극 외부 간의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제2전극(112)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 세퍼레이터(113)는 제1전극(111)과 제2전극(112) 사이에 개재되어 전기적 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리프로필렌이나, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 한편, 본 발명에서 상기 세퍼레이터(113)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기와 같은 전극 조립체(110)의 양측 단부에는 제1전극(111)과 제2전극(112) 각각에 전기적으로 연결되는 제1집전판(120) 및 제2집전판(140)이 결합된다. 바람직하게는 전극 조립체(110)의 양측 단부인 제1전극 무지부(111a)와 제2전극 무지부(112a) 각각에 제1집전판(120) 및 제2집전판(140)이 결합된다.
이러한 전극 조립체(110)는 실질적으로 전해액과 함께 상기 케이스(160)에 수납된다. 상기 전해액은 EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate)와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
상기 제1집전판(120)은 도 2a에 도시되어 있으며, 상기 제1집전판(120)의 저전류 퓨즈 영역(LFA)은 도 2b에 도시되어 있다.
이하에서 상기 제1집전판(120)의 구성은 도 1a, 도 1b, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명하고자 한다.
상기 제1집전판(120)은 제1전극(111)과 접속된 제1단자 접속부(122), 제1단자부(130)와 접속된 제1단자 접속부(121) 및 상기 제1단자 접속부(122)와 제1단자 접속부(121) 사이를 연결하는 제1연결부(123)를 포함한다. 이러한 상기 제1집전판(120)은 일체형으로 이루어진다. 상기 제1집전판(120)은 제1단자 접속부(121)와 제1연결부(123) 사이에 절곡된 제1모서리부(C1)를 구비하며, 대략 '┒' 형태로 이루어질 수 있다. 상기 제1집전판(120)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금등의 도전성 재질로 제조될 수 있다.
상기 제1단자 접속부(122)는 전극 조립체(110)의 일측 단부로 돌출된 제1전극 무지부(111a)와 접촉됨으로써, 제1전극(111)과 전기적으로 연결된다. 상기 제1단자 접속부(122)는 상기 제1전극 무지부(111a)에 용접되며, 수직 방향으로 세워진 형태를 한다. 상기 제1단자 접속부(122)는 케이스(160)내에 수용되는 전극 조립체(110)의 개수와 대응되는 개수로 이루어질 수 있다. 그리고 각 제1단자 접속부(122)는 전극 조립체(110)의 제1전극 무지부(111a)에 각각 용접될 수 있다. 상기 제1단자 접속부(122)의 개수는 도 2a에서 2개로 도시하였으나, 본 발명에서 이를 한정 하는 것은 아니다.
상기 제1단자 접속부(121)는 상기 제1단자부(130)에 용접되며, 대략 수평 방향으로 누워 있는 플레이트 형태로, 후술되는 캡 조립체(170)의 캡 플레이트(171)와 전극 조립체(110) 사이에 설치된다. 상기 제1단자 접속부(121)에는 상면과 하면 사이를 관통하는 제1체결홀(121a)과, 제1내측 퓨즈 홀(121b)이 형성된다. 상기 제1 내측 퓨즈홀(121b)은 상기 제1집전체(120)의 상기 제1단자 접속부(121)의 단면적을 줄일 수 있다.
상기 제1체결홀(121a)에는 상기 단자부(130)의 제1체결 단자(131)가 끼워져 결합된다. 즉 상기 제1체결홀(121a)은 제1체결 단자(131)가 수용되도록, 제1체결 단자(131)와 대응되는 크기로 형성될 수 있다. 상기 제1체결홀(121a)은 제1단자 접속부(121)의 일측, 즉 제1단자 영역(TA1)에 형성된다. 상기 제1단자 영역(TA1)은 제1단자 접속부(121)중, 제1모서리부(C1)와 멀리 이격되게 위치한다.
상기 제1내측 퓨즈 홀(121b)은 제1체결홀(121a)이 형성된 제1단자 접속부(121)의 일측의 반대측인 제1고전류 퓨즈 영역(HFA1, 제1퓨즈)에 형성된다. 상기 제1고전류 퓨즈 영역(HFA1)은 제1단자 접속부(121)중, 제1단자 영역(TA1)과 중첩되지 않도록 제1모서리부(C1)와 인접한 영역에 위치한다. 상기 제1내측 퓨즈 홀(121b)은 제1단자 접속부(121) 중 제1내측 퓨즈 홀(121b)이 형성된 영역이 제1단자 접속부(121)의 다른 영역 보다 적은 단면적을 갖도록 한다. 따라서 제1내측 퓨즈 홀(121b)이 형성된 제1고전류 퓨즈 영역(HFA1)은 제1단자 접속부(121)에서 저항값이 상대적으로 높게 형성된다. 상기 제1내측 퓨즈 홀(121b)은 상기 제1모서리부(C1)와 평행한, 제1단자 접속부(121)의 폭방향으로 긴 사각 형상일 수 있다. 상기 제1내측 퓨즈 홀(121b)이 형성된 제1고전류 퓨즈 영역(HFA1)의 양측 폭(121W)은 각각 1.6 내지 2.4mm 중 어느 하나의 폭을 가질 수 있다. 이러한 제1내측 퓨즈 홀(121b)은, 이차 전지(100)에 고전류 단락이 발생하여 3000A 이상의 고전류가 흐르는 경우 발생한 순간적인 고열에 의해 제1내측 퓨즈 홀(121b)이 형성된 제1고전류 퓨즈 영역(HFA1)의 양측 폭(121W)이 용융 되게 하여 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈 기능을 한다. 여기서, 상기 고전류 단락은 이차 전지(100)의 과충전 등으로 인해 열이 발생하고 전해액이 분해되어 내부 압력이 설정 압력보다 크게 되는 경우 제1단락 플레이트(178)와 제2단자부(150)를 접촉시킴으로써 유발될 수 있다. 또한 상기 고전류 단락은 이차 전지(100)의 제1단자부(130)와 제2단자부(150)가 저저항의 외부 전도성 물질에 의해서 접촉되어, 이차 전지(100) 내에 3000A 이상의 순간적인 고전류에 의해 유발될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1내측 퓨즈 홀(121b)은 과충전 및 외부 단락에 의해 순간적인 고전류가 이차전지(100)내에 흐를 경우, 제1내측 퓨즈 홀(121b)이 형성된 영역을 순간적으로 용융시켜 전류의 흐름을 미리 차단함으로써, 발화 및 폭발의 위험과 같은 위험한 상황까지 이르기 전에 이차 전지(100)의 충전 또는 방전 동작을 정지시킬 수 있다.
상기 제1연결부(123)는 일측이 제1단자 접속부(122)와 연결되고, 타측이 제1단자 접속부(121)와 연결된다. 상기 제1연결부(123)는 제1단자 접속부(122)의 상단에서 연장되며, 수직 방향으로 세워진 플레이트 형태를 가진다. 상기 제1연결부(123)는 케이스(160)의 측면과 전극 조립체(110) 사이에 개재된다. 상기 제1연결부(123)와 제1단자 접속부(121)가 만나는 모서리인 제1모서리부(C1)를 중심으로, 제1단자 접속부(121)와 제1연결부(123)는 수직을 이룰 수 있다.
상기 제1연결부(123)는 일측단의 상면과 하면 사이를 관통하는 제1외측 퓨즈홀(123a, 제1퓨즈절개부)과, 상기 제1외측 퓨즈홀(123a)의 위치에 대응하여 제1연결부(123)의 타측단의 상면과 하면 사이를 관통하는 제2외측 퓨즈홀(123b, 제2퓨즈절개부)이 형성된 저전류 퓨즈 영역(LFA, 제2퓨즈)을 구비한다. 상기 제1연결부(123)의 일측단과 타측단은 제1모서리부(C1)와 수직인 제1연결부(123)의 양측단이다. 즉, 제1연결부(123)의 일측단과 타측단은 제1단자 접속부(122) 및 제1단자 접속부(121)와 연결된 제1연결부(123)의 일측과 타측 사이를 연결하는 양측단이다. 상기 제1외측 퓨즈홀(123a)과 상기 제2외측 퓨즈홀(123b)은 상기 연결부의 다른 영역에 비해서, 상기 집전체(120)의 단면적을 줄일 수 있다.
상기 제1외측 퓨즈홀(123a) 및 제2외측 퓨즈홀(123b)은 제1연결부(123)의 다른 영역 보다, 단면적의 넓이가 상대적으로 작게 하는 역할을 한다. 상기 제1외측 퓨즈홀(123a)과 제2외측 퓨즈홀(123b)은 서로 대응되는 위치에 대응되는 형상으로 형성됨을 도 2a 및 도 2b에 도시하였으나, 도 3에 도시된 바와 같이 제1외측 퓨즈홀(123a')과 제2외측 퓨즈홀(123b')이 서로 대응되는 위치에 형성되고 크기가 서로 상이하게 형성하는 것도 가능하다. 이때 제1집전판(120')은 제1외측 퓨즈홀(123a')과 제2외측 퓨즈홀(123b') 사이의 거리인 저전류 퓨즈 영역(LFA)의 폭(123W)이 하기의 값(6.2mm 내지 7.2mm 사이 중 어느 하나의 폭)을 유지한다면 제1외측 퓨즈홀(123a')과 제2외측 퓨즈홀(123b')의 크기는 상이하게 형성하여도 무방하다.
상기 제1외측 퓨즈홀(123a)과 제2외측 퓨즈홀(123b) 사이의 거리인 저전류 퓨즈 영역(LFA)의 폭(123W)은 6.2mm 내지 7.2mm 사이 중 어느 하나의 폭을 가질 수 있다. 상기 저전류 퓨즈 영역(LFA)은 그폭이 제1고전류 퓨즈 영역(HFA1)에 비해 더 크기 때문에, 더 낮은 저항을 갖는다. 그러나 상기 제1고전류 퓨즈 영역(HFA1)은 후술한 캡 플레이트(171)와 인접하여, 지속적인 저전류가 인가될 경우 캡 플레이트(171)를 통해 열이 분산되어 용융되지 않고 순간적인 고전류에 의해 용융되고, 저전류 퓨즈 영역(LFA)은 별도의 열 분산이 이루어지지 않으므로 지속적인 저전류가 인가될 경우 용융될 수 있다. 상기 저전류 퓨즈 영역(LFA)은 제1고전류 퓨즈(HFA1)와 상기 전극 조립체(110) 사이를 연결할 수 있다. 상기 저전류 퓨즈 영역(LFA)의 상기 제1외측 퓨즈홀(123a)과 제2외측 퓨즈홀(123b)의 크기의 합은 상기 제1고전류 퓨즈(HFA)의 제1 내측퓨즈 홀(121b)의 크기보다 작을 수 있다. 즉, 상기 저전류 퓨즈 영역(LFA)의 단면적이 제1고전류 퓨즈(HFA)의 단면적에 비해서 더 클 수 있다.
상기 제1외측 퓨즈홀(123a) 및 제2외측 퓨즈홀(123b)은 이차 전지(100)에 저전류 단락이 발생하여 2000A이하의 저전류가 일정시간 이상 흐르게 되면, 발생한 열에 의해 제1외측 퓨즈홀(123a)과 제2외측 퓨즈홀(123b) 사이의 저전류 퓨즈 영역(LFA)의 폭이 용융 되어 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈 기능을 한다. 여기서, 상기 저전류 단락은 이차 전지(100)의 제1단자부(130)와 제2단자부(150)가 고저항의 외부 전도성 물질에 의해서 접촉되어, 이차 전지(100) 내에 2000A 이하의 저전류가 일정시간 이상 유지될 경우 발생된 열에 의해 유발될 수 있다. 이와 같이 저전류 단락에 의해 저전류 퓨즈 영역(LFA)이 용융되어 끊어지면, 제1집전판(120)의 제1단자 접속부(122)에 용접된 전극 조립체(110)의 하중에 의해서, 전극 조립체(110) 및 제1단자 접속부(122)는 케이스(160)의 하부로 낙하되어, 전류의 흐름을 보다 확실히 차단할 수 있다. 또한 저전류 퓨즈 영역(LFA)은 수직방향으로 배치된 제1연결부(123)에 구비되어, 제1고전류 퓨즈 영역(HFA1)이 용융될 때에 비해 아크로 인한 발화 증기 및 인화 확률이 낮다.
상기 저전류 퓨즈 영역(LFA)은 상기 제1외측 퓨즈홀(123a)과 제2외측 퓨즈홀(123b) 사이에, 상기 제1외측 퓨즈홀(123a) 및 제2외측 퓨즈홀(123b)과 이격하여 퓨즈 돌기(123c)가 더 형성될 수 있다. 상기 퓨즈 돌기(123c)는 저전류 퓨즈 영역(LFA)에서 제1외측 퓨즈홀(123a)과 제2외측 퓨즈홀(123b)로부터 이격된 위치에 압력을 가함으로써, 돌출되도록 형성된다. 상기 퓨즈 돌기(123c)는 케이스(160)에서 전극 조립체(110) 방향으로 돌출된다. 상기 퓨즈 돌기(123c)는 저전류 퓨즈 영역(LFA)이 단순히 판상으로 형성되었을 때 보다, 강도를 보강할 수 있으며, 구조적 안전성을 향상시키는 역할을 한다. 상기 집전판에서 상기 퓨즈 돌기(123c)가 형성된 반대면에는 상기 전극 조립체(110) 방향으로 오목한 퓨즈 리세스(123d)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1단자부(130)는 주로 금속 또는 그 등가물로 형성되며, 제1집전판(120)과 전기적으로 접속된다. 상기 제1단자부(130)는 제1집전판(120)의 제1체결홀(121a)에 수용되는 제1체결 단자(131)와, 상기 제1체결 단자(131)에 결합된 제1전극 단자(132)를 포함한다.
상기 제1체결 단자(131)는 후술되는 캡 플레이트(171)을 관통하여 상부로 일정 길이 연장 및 돌출되며, 상기 캡 플레이트(171)의 하부에서 제1집전판(120)과 전기적으로 연결된다. 상기 제1체결 단자(131)는 캡 플레이트(171)의 상부로 일정 길이 연장 및 돌출된 동시에, 캡 플레이트(171)의 하부에는 제1체결 단자(131)가 상기 캡 플레이트(171)로부터 빠지지 않도록 측부 방향으로 연장된 플랜지(131a)가 형성될 수 있다. 상기 제1체결 단자(131)중 플랜지(131a)의 하부에 형성된 영역은 상기 제1집전판(120)의 제1체결홀(121a)에 끼워지고 리벳 또는 용접될 수 있다. 또한, 상기 제1체결 단자(131)중 상기 플랜지(131a)의 상부에 형성된 영역은 캡 플레이트(171)를 관통하여 상부로 일정 길이 연장 및 돌출되며, 상기 연장 및 돌출된 영역에는 제1전극 단자(132)가 고정될 수 있다.
상기 제1전극단자(132)는 상면과 하면을 관통하는 제1단자홀(132a)을 구비하는 판형상을 갖는다. 상기 제1전극단자(132)의 제1단자홀(132a)은 제1체결 단자(131)가 수용되도록, 제1체결 단자(131)의 수평방향 크기 및 형상과 대응되도록 형성될 수 있다. 상기 제1전극 단자(132)는 상기 제1단자홀(132a)에 캡 플레이트(171)의 상부로 돌출된 제1체결 단자(131)가 끼워지고 리벳 또는 용접될 수 있다.
상기 제1단자부(130)는 캡 플레이트(171)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 상기 제1단자부(130)는 예를 들면 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 제조될 수 있다. 그러나 이러한 재질로 상기 제1단자부(130)의 재질이 한정되는 것은 아니다.
상기 제2집전판(140)은 도 4에 도시되어 있다. 이하에서 상기 제2집전판(140)의 구성은 도 1a, 도 1b 및 도 4를 참조하여 설명하고자 한다.
상기 제2집전판(140)은 제2전극(112)과 접속된 제2전극 접속부(142), 제2단자부(150)와 접속된 제2단자 접속부(141) 및 상기 제2전극 접속부(142)와 제2단자 접속부(141) 사이를 연결하는 제2연결부(143)를 포함한다. 이러한 상기 제2집전판(140)은 일체형으로 이루어진다. 상기 제2집전판(140)은 제2단자 접속부(141)와 제2연결부(143) 사이에 절곡된 제2모서리부(C1)를 구비하며, 대략 '┒' 형태로 이루어질 수 있다. 상기 제2집전판(140)은 로 구리, 구리 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나의 도전성 재질로 제조될 수 있다.
상기 제2전극 접속부(142)는 전극 조립체(110)의 일측 단부로 돌출된 제2전극 무지부(112a)와 접촉됨으로써, 제2전극(112)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2전극 접속부(142)는 상기 제2전극 무지부(112a)에 용접되며, 수직 방향으로 세워진 형태를 한다. 상기 제2전극 접속부(142)는 케이스(160)내에 수용되는 전극 조립체(110)의 개수와 대응되는 개수로 이루어질 수 있다. 그리고 각 제2전극 접속부(142)는 각 전극 조립체(110)의 제2전극 무지부(112a)에 각각 용접될 수 있다. 상기 제2전극 접속부(142)의 개수는 도 2a에서 2개로 도시하였으나, 본 발명에서 이를 한정 하는 것은 아니다.
상기 제2단자 접속부(141)는 상기 제2단자부(150)에 용접되며, 대략 수평 방향으로 누워 있는 플레이트 형태로, 후술되는 캡 조립체(170)의 캡 플레이트(171)와 전극 조립체(110) 사이에 설치된다. 상기 제2단자 접속부(141)에는 상면과 하면 사이를 관통하는 제2체결홀(141a)과, 제2내측 퓨즈 홀(141b)이 형성된다.
상기 제2체결홀(141a)에는 상기 단자부(150)의 제2체결 단자(151)가 끼워져 결합된다. 즉 상기 제2체결홀(141a)은 제2체결 단자(151)가 수용되도록, 제2체결 단자(151)와 대응되는 크기로 형성될 수 있다. 상기 제2체결홀(141a)은 제2단자 접속부(141)의 일측, 즉 제2단자 영역(TA2)에 형성된다. 상기 제2단자 영역(TA2)은 제2단자 접속부(141)중, 제2모서리부(C1)와 멀리 이격되게 위치한다.
상기 제2내측 퓨즈 홀(141b)은 제2체결홀(141a)이 형성된 제2단자 접속부(141)의 일측의 반대측인 제2고전류 퓨즈 영역(HFA2)에 형성된다. 상기 제2고전류 퓨즈 영역(HFA2)은 제2단자 접속부(141)중, 제2단자 영역(TA2)과 중첩되지 않도록 제2모서리부(C2)와 인접한 영역에 위치한다. 상기 제2내측 퓨즈 홀(141b)은 제2단자 접속부(141) 중 제2내측 퓨즈 홀(141b)이 형성된 영역이 제2단자 접속부(141)의 다른 영역 보다 적은 단면적을 갖도록 한다. 따라서 제2내측 퓨즈 홀(141b)이 형성된 제2고전류 퓨즈 영역(HFA2)은 제2단자 접속부(141)에서 저항값이 상대적으로 높게 형성된다. 상기 제2내측 퓨즈 홀(141b)은 상기 제2모서리부(C2)와 평행한, 제2단자 접속부(141)의 폭방향으로 긴 사각 형상일 수 있다. 상기 제2내측 퓨즈 홀(141b)이 형성된 제2고전류 퓨즈 영역(HFA2)의 양측 폭(141W)은 각각 1.6 내지 2.4mm 중 어느 하나의 폭을 가질 수 있다. 이러한 제2내측 퓨즈 홀(141b)은, 이차 전지(100)에 고전류 단락이 발생하여 3000A 이상의 고전류가 흐르는 경우 발생한 순간적인 고열에 의해 제2내측 퓨즈 홀(141b)이 형성된 제2고전류 퓨즈 영역(HFA2)의 양측 폭(141W)이 용융 되게 하여 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈 기능을 한다. 여기서, 상기 고전류 단락은 이차 전지(100)의 과충전 등으로 인해 열이 발생하고 전해액이 분해되어 내부 압력이 설정 압력보다 크게 되는 경우 제2단락 플레이트(178)와 제2단자부(150)를 접촉시킴으로써 유발될 수 있다. 또한 상기 고전류 단락은 이차 전지(100)의 제1단자부(130)와 제2단자부(150)가 저저항의 외부 전도성 물질에 의해서 접촉되어, 이차 전지(100) 내에 3000A 이상의 순간적인 고전류에 의해 유발될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2내측 퓨즈 홀(141b)은 과충전 및 외부 단락에 의해 순간적인 고전류가 이차전지(100)내에 흐를 경우, 제2내측 퓨즈 홀(141b)이 형성된 영역을 순간적으로 용융시켜 전류의 흐름을 미리 차단함으로써, 발화 및 폭발의 위험과 같은 위험한 상황까지 이르기 전에 이차 전지(100)의 충전 또는 방전 동작을 정지시킬 수 있다.
상기 제2연결부(143)는 일측이 제2전극 접속부(142)와 연결되고, 타측이 제2단자 접속부(141)와 연결된다. 상기 제2연결부(143)는 제2전극 접속부(142)의 상단에서 연장되며, 수직 방향으로 세워진 플레이트 형태를 가진다. 상기 제2연결부(143)는 케이스(160)의 측면과 극 조립체(110) 사이에 개재된다. 상기 제2연결부(143)와 제2단자 접속부(141)가 만나는 모서리인 제2모서리부(C2)를 중심으로, 제2단자 접속부(141)와 제2연결부(143)는 수직을 이룰 수 있다.
상기 제2단자부(150)는 주로 금속 또는 그 등가물로 형성되며, 제2집전판(140)과 전기적으로 접속된다. 상기 제2단자부(150)는 제2집전판(140)의 제2체결홀(141a)에 수용되는 제2체결 단자(151)와, 상기 제2체결 단자(151)에 결합된 제2전극 단자(152)를 포함한다.
상기 제2체결 단자(151)는 후술되는 캡 플레이트(171)를 관통하여 상부로 일정 길이 연장 및 돌출되며, 상기 캡 플레이트(171)의 하부에서 제2집전판(140)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2체결 단자(151)중 플랜지(151a)의 하부에 형성된 영역은 상기 제2집전판(140)의 제2체결홀(141a)에 끼워지고 리벳 또는 용접될 수 있다. 또한, 상기 제2체결 단자(151)중 상기 플랜지(151a)의 상부에 형성된 영역은 캡 플레이트(171)를 관통하여 상부로 일정 길이 연장 및 돌출되며, 상기 연장 및 돌출된 영역에는 제2전극 단자(152)가 고정될 수 있다. 이러한 제2단자부(150)는 실질적으로 상기 제1단자부(130)와 동일한 구조를 갖는다.
상기 케이스(160)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성되며, 전극 조립체(110), 제1집전판(120) 및 제2집전판(140)이 삽입 안착될 수 있는 개구부가 형성된 대략 육면체 형상으로 이루어진다. 도 1a 및 도 1b 에서는 상기 케이스(160)와 캡 조립체(170)가 결합된 상태로 도시되고 있으므로 개구부가 도시되지 않았지만, 캡 조립체(170)의 둘레 부분이 실질적으로 개방된 부분이다. 한편, 케이스(160)의 내면은 절연 처리되어, 전극 조립체(110), 제1집전판(120), 제2집전판(140) 및 캡 조립체(170)와 절연된다.
상기 캡 조립체(170)는 상기 케이스(160)에 결합된다. 상기 캡 조립체(170)는 구체적으로 캡 플레이트(171), 시일 가스켓(172), 마개(173), 안전벤트(174), 상부 절연부재(175), 하부 절연부재(176) 및 단락 플레이트(177)를 포함한다.
상기 캡 플레이트(171)는 상기 케이스(160)의 개구를 밀봉하며, 상기 케이스(160)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 캡 플레이트(171)는 레이저 용접 방식으로 상기 케이스(160)에 결합될 수 있다. 상기 캡 플레이트(171)는 상기 제1단자부(130)에 전기적으로 접속되어, 상기 캡 플레이트(171)는 상기 제1단자부(130)와 같은 극성을 가질 수 있다. 물론, 이에 따라 상기 캡 플레이트(171) 및 케이스(160)는 동일한 극성을 가질 수 있다.
상기 시일 가스켓(172)은 절연성 재질로 제1체결 단자(131) 및 제2체결 단자(151) 각각과 캡 플레이트(171)의 사이에 형성되어, 제1체결 단자(131) 및 제2체결 단자(151)의 각각과 캡 플레이트(171)의 사이를 밀봉시킨다. 이러한 시일 가스켓(172)은 외부의 수분이 이차 전지(100)의 내부에 침투하지 못하도록 하거나, 이차 전지(100)의 내부에 수용된 전해액이 외부로 유출되지 못하도록 한다.
상기 마개(173)는 상기 캡 플레이트(171)의 전해액 주입구(171a)를 밀봉하며, 상기 안전벤트(174)는 캡 플레이트(171)의 벤트홀(171b)에 설치되고, 설정된 압력에서 개방될 수 있도록 노치(174a)가 형성될 수 있다.
상기 상부 절연부재(175)는 제2전극 단자(152)와 캡 플레이트(171)의 사이에 배치되어, 상기 제2전극 단자(152)와 캡 플레이트(171) 사이를 전기적 절연 시킨다. 또한, 상기 상부 절연부재(175)는 상기 캡 플레이트(171)와 밀착된다. 더욱이, 상기 상부 절연부재(175)는 시일 가스켓(172)에도 밀착될 수 있다. 이러한 상부 절연부재(175)는 제2단자부(150)와 캡 플레이트(171)를 사이를 절연시킨다.
또한 상부 절연 부재(175)는 제1전극 단자(132)와 캡 플레이트(171)의 사이에도 배치될 수 있으나, 제1전극 단자(132)의 일부분은 캡 플레이트(171)와 접촉되어 전기적으로 연결된다.
상기 하부 절연부재(176)는 제1집전판(120) 및 제2집전판(140)의 각각과 캡 플레이트(171)의 사이에 형성되어, 불필요한 전기적 쇼트의 발생을 방지한다. 즉, 상기 하부 절연부재(176)는 제1집전판(120)과 캡 플레이트(171) 사이의 쇼트, 그리고 상기 제2집전판(140)과 캡 플레이트(171) 사이의 쇼트를 방지한다. 더불어, 이러한 하부 절연부재(176)는 제1전극 단자(132)와 제2전극 단자(152)의 각각과 캡 플레이트(171)의 사이에도 형성됨으로써, 제1전극 단자(132)와 제2전극 단자(152)의 각각과 상기 캡 플레이트(171) 사이의 불필요한 쇼트도 방지한다.
상기 단락 플레이트(177)는 캡 플레이트(171)의 단락홀(171c)에서 상부 절연부재(175)와 캡 플레이트(171) 사이에 배치된다. 상기 단락 플레이트(177)는 아래로 볼록한 라운드부와, 캡 플레이트(171)에 고정된 테두리부를 포함하는 반전 플레이트로 이루어질 수 있다. 상기 단락 플레이트(177)는 이차 전지(100)에 과충전이 발생하여 내부 압력이 설정 압력보다 크게 될 경우 반전되어 위로 볼록하게 돌출될 수 있다. 이러한 단락 플레이트(177)는 위로 볼록하게 돌출되면, 상부의 제2전극 단자(152)와 접촉하여 단락을 유발시킬 수 있다. 상기 단락이 유발되면 큰 전류가 흐르게 되고 열이 발생하며, 이때 제1집전판(120)의 제1내측 퓨즈 홀(121b)이 구비된 제1고전류 퓨즈 영역(HFA1) 및, 제2집전판(140)의 제2내측 퓨즈 홀(141b)이 구비된 제2고전류 퓨즈 영역(HFA2)이 용융되면서 퓨즈 기능을 한다.
이와 같은 이차 전지(100)는 고전류 단락이 발생되면, 제1집전판(120) 및 제2집전판(140)에 구비된 고전류 퓨즈 영역(HFA1, HFA2)이 고전류에 의한 순간적인 고열에 의해 용융되어 퓨즈 기능을 하고, 저전류 단락이 발생되면 제1집전판(120)에 구비된 저전류 퓨즈 영역(LFA)이 일정 시간 이상의 저전류가 지속적으로 인가될 경우 용융되어 퓨즈 기능을 한다. 즉, 이차 전지(100)는 고전류 단락뿐만 아니라, 저전류 단락일 경우에도 하나의 저전류 퓨즈 영역(LFA)에 의해 전류 차단이 가능하여 안전성을 향상시킬 수 있으며, 두 개의 퓨즈 영역이 용융될 때에 비해서 아크 발생에 의한 폭발 위험도 감소시킬 수 있다. 또한 이차 전지(100)는 저전류 퓨즈 영역(LFA)이 제1집전판(120)의 측부에 배치되어, 저전류 퓨즈 영역(LFA)이 용융되어 끊어질 경우 전극 조립체(110)의 하중에 의해서, 전극 조립체(110) 및 제1단자 접속부(122)가 케이스(160)의 하부로 낙하되므로, 퓨즈 동작시 전류 차단이 용이할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 이차전지 110; 전극 조립체
120; 제1집전판 130; 제1단자부
140; 제2집전판 150; 제2단자부
160; 케이스 170; 캡 조립체

Claims (20)

  1. 전극조립체;
    단자; 및
    상기 전극조립체 및 상기 단자(130)와 전기적으로 접속되는 집전체를 포함하며,
    상기 집전체는 제1전류에 동작하는 제1퓨즈와 제2전류에 동작하는 제2퓨즈를 가지며, 제1전류는 제2전류와 다른 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 집전체는
    상기 단자에 접속된 단자 접속부;
    상기 전극 조립체에 접속된 전극 접속부; 및
    상기 단자 접속부와 상기 전극 접속부 사이를 연결하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1퓨즈는 상기 집전체의 상기 단자 접속부에 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제2퓨즈는 상기 집전체의 상기 연결부에 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제1퓨즈는 상기 단자 접속부를 관통하는 퓨즈홀을 포함하며,
    상기 퓨즈홀은 상기 집전체의 상기 단자 접속부의 단면적을 줄이는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 집전체는 “L”이 반전된 형상으로, 상기 단자 접속부는 상기 전극 접속부와 상기 연결부로부터 수직인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제2퓨즈는 퓨즈 절개부들을 가지며, 상기 퓨즈 절개부들는 상기 연결부의 다른 영역에 비해 상기 집전체의 연결부의 단면적을 줄이는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 퓨즈 절개부들은
    상기 연결부의 일측에 제1퓨즈 절개부; 및
    상기 연결부의 일측의 반대측인 상기 연결부의 타측에 제2퓨즈 절개부를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1퓨즈 절개부는 상기 제2퓨즈 절개부의 형상 및 크기와 대략 같은 형상 및 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제1퓨즈 절개부는 상기 제2퓨즈 절개부의 형상 및 크기와 다른 형상 및 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제1퓨즈 절개부는
    상기 제2퓨즈 절개부의 영역에 비해서 더 큰 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 퓨즈 절개부들은 상기 연결부의 외부 양측 각각으로부터 내부로 연장된 홈인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 제2퓨즈는 상기 퓨즈 절개부들 사이에, 상기 전극조립체 방향으로 돌출된 퓨즈 돌출부를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2퓨즈는 상기 집전판에서 상기 퓨즈 돌기가 형성된 반대면에 퓨즈 리세스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 제2퓨즈가 용융시,
    상기 단자로부터 상기 전극조립체를 분리하고,
    상기 단자로부터 상기 전극 조립체를 떨어뜨리는 것을 특징으로 하는 이자전지.
  16. 제 1항에 있어서,
    다른 터미널; 및
    다른 제1퓨즈를 갖은 다른 집전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 제2퓨즈는 상기 전극조립체와 상기 제1퓨즈 사이에 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 퓨즈는 상기 제1퓨즈에 비해서 더 큰 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 제2퓨즈는 상기 제1퓨즈가 용융될 수 있는 전류에 비해 더 낮은 전류에 응답하여 용융될 수 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  20. 제 1항에 있어서
    상기 제1퓨즈에 의해 상기 집전판에 남아있는 영역의 폭이, 상기 제2퓨즈에 의해 상기 집전판에 남아있는 영역의 폭 보다 작은 것을 특징으로 하는 이차전지.
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