KR20150120261A - 전류 분산 부재를 갖는 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지는, 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극 어셈블리와, 상기 전극 어셈블리를 수용하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되며 단자가 설치된 캡 어셈블리와, 상기 단자와 상기 제1 전극을 전기적으로 연결하며 주변보다 용융점이 낮은 퓨즈부와 상기 전극 어셈블리에 고정된 전극 부착부가 형성된 제1 집전부재, 및 상기 제1 집전부재와 상기 케이스를 전기적으로 연결하는 전류분산부재를 포함한다.

Description

전류 분산 부재를 갖는 이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY HAVING CURRENT DISPERSION MEMBER}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전류 분산 부재를 갖는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지로 구성된다.
또한, 하나의 대용량 이차 전지는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지로 이루어지며, 이차 전지는 원통형과 각형 등으로 이루어질 수 있다.
이차 전지 내부에서 단락이 발생하거나 외부의 이물질에 의하여 단락이 발생하면 이차 전지에 과전류하고 흐른다. 과전류가 지속적으로 흐르면 이차 전지 내부에서 과도한 열이 발생하여 이차 전지가 폭발하거나 발화할 수 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 외부 단락 시에 단락 전류를 분산할 수 있는 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 이차 전지는, 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극 어셈블리와, 상기 전극 어셈블리를 수용하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되며 단자가 설치된 캡 어셈블리와, 상기 단자와 상기 제1 전극을 전기적으로 연결하며 주변보다 용융점이 낮은 퓨즈부와 상기 전극 어셈블리에 고정된 전극 부착부가 형성된 제1 집전부재, 및 상기 제1 집전부재에 고정되어 상기 제1 집전부재와 상기 케이스를 전기적으로 연결하는 전류분산부재를 포함한다.
여기서 상기 캡 어셈블리는 상기 케이스에 접합된 캡 플레이트와 상기 단자와 상기 캡 플레이트를 전기적으로 연결하는 연결부재를 포함할 수 있으며, 상기 연결부재에는 합성수지로 이루어진 저항층이 코팅될 수 있다.
또한, 상기 전극 어셈블리와 상기 케이스 사이에는 상기 제2 전극과 전기적으로 연결된 안전부재가 설치될 수 있으며, 상기 안전 부재는 상기 전극 어셈블리에서 케이스를 향하는 평편면과 마주하는 측판과 상기 측판에서 돌출되어 전극 어셈블리와 전기적으로 연결된 고정 탭을 포함하고, 상기 측판에서 상기 전극 어셈블리를 향하는 면에는 절연 필름이 부착될 수 있다.
또한, 상기 전류 분산 부재는 상기 퓨즈부와 상기 전극 어셈블리를 연결하는 경로에서 상기 제1 집전부재에 고정될 수 있으며, 상기 전류분산부재는 제1 집전부재에 고정되는 집전 고정부와 상기 케이스에 고정된 케이스 고정부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 집전부재는 상기 단자에 접합된 단자 접합부와 상기 단자 접합부에서 절곡되어 상기 단자 접합부와 상기 전극 접합부를 연결하는 측판을 포함할 수 있으며, 상기 퓨즈부는 상기 단자 접합부에 형성될 수 있다.
또한, 상기 집전 고정부는 상기 측판에 고정될 수 있으며, 상기 집전 고정부는 상기 전극 접합부에 고정될 수 있다.
또한, 상기 케이스 고정부는 상기 케이스의 바닥에 고정될 수 있으며, 상기 케이스 고정부는 상기 케이스의 바닥에서 상기 캡 어셈블리를 향하여 세워진 측면에 고정될 수 있다.
상기 전류 분산 부재는 이격 배치된 2개의 집전 고정부를 갖고, 상기 집전 고정부 사이에 형성된 지지 홈에 상기 측판의 하부가 삽입될 수 있으며, 상기 퓨즈부는 폴리머로 이루어진 열전도성 부재에 의하여 감싸질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전류 분산 부재가 설치되어 단락 시에 발생하는 과전류를 분산시킬 수 있다. 이에 따라 퓨즈부에서 과도한 열이 발생하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 전류 분산 부재에서 발열을 유도하므로 전극 어셈블리가 과열되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 어셈블리들과 집전부재를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전류 분산 부재를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지의 전기적인 연결 관계를 도시한 구성도이다.
도 6a는 비교예 1에 따른 집전부재의 온도 분포를 나타낸 도면이고, 도 6b는 비교예 2에 따른 집전부재의 온도 분포를 나타낸 도면이며, 도 6c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 집전부재의 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전류 분산 부재의 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 8은 시간의 경과에 따라 집전부재들에서 발생한 줄열을 나타낸 그래프이다.
도 9는 이차 전지 부품의 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 부분 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전류 분산 부재를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 부분 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전류 분산 부재를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 이차 전지(101)는 양극(제1 전극)(11)과 음극(제2 전극)(12) 사이에 세퍼레이터(13)를 개재하여 귄취된 전극 어셈블리(10)와, 전극 어셈블리(10)가 내장되는 케이스(26)와, 케이스(26)의 개구에 결합된 캡 어셈블리(30)를 포함한다.
본 일 실시예에 따른 이차 전지(101)는 리튬 이온 이차 전지로서 각형인 것을 예로서 설명한다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 리튬 폴리머 전지 또는 원통형 전지 등 다양한 형태의 전지에 적용될 수 있다.
양극(11) 및 음극(12)은 박판의 금속 호일로 형성된 집전체에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 영역인 무지부(11a, 12a)를 포함한다. 양극 무지부(11a)는 양극(11)의 길이 방향을 따라 양극(11)의 한 쪽 측단에 형성되고, 음극 무지부(12a)는 음극(12)의 길이 방향을 따라 음극(12)의 다른 쪽 측단에 형성된다. 그리고 양극(11) 및 음극(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 사이에 개재한 후 권취된다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기한 전극 어셈블리(10)는 복수 개의 시트(sheet)로 이루어진 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 적층된 구조로 이루어질 수도 있다. 케이스(26) 내에는 복수 개의 전극 어셈블리(10)가 설치되는데, 전극 어셈블리(10)는 2배수로 배치될 수 있다.
케이스(26)는 대략 직육면체로 이루어지며, 일면에는 개방된 개구가 형성된다. 케이스(26)는 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속으로 이루어질 수 있다.
캡 어셈블리(30)는 케이스(26)의 개구를 덮는 캡 플레이트(31)와 캡 플레이트(31)의 외측으로 돌출되며, 양극(11)과 전기적으로 연결된 제1 단자(21)와 캡 플레이트(31)의 외측으로 돌출되며 음극(12)과 전기적으로 연결된 제2 단자(22)를 포함한다.
캡 플레이트(31)는 일방향으로 이어진 길쭉한 판 형태로 이루어지며, 케이스(26)의 개구에 결합된다. 캡 플레이트(31)에는 전해액 주입구(32)에 설치된 밀봉 마개(38)와 벤트 홀(34)에 설치되며 설정된 압력에서 개방될 수 있도록 노치(39a)가 형성된 벤트 플레이트(39)가 설치된다. 제1 단자(21) 및 제2 단자(22)는 캡 플레이트(31) 상부로 돌출되도록 설치된다.
제1 단자(21)는 제1 집전부재(41)를 매개로 양극(11)과 전기적으로 연결되며, 제2 단자(22)는 제2 집전부재(42)를 매개로 음극(12)과 전기적으로 연결된다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 단자(21)가 음극과 전기적으로 연결되고, 제2 단자(22)가 양극과 전기적으로 연결될 수도 있다.
제1 단자(21)는 직사각형의 판 형상으로 이루어진다. 제1 단자(21)는 제1 집전부재(41)에 접합된 연결 단자(25)를 매개로 양극(11)과 전기적으로 연결된다. 제1 단자(21)에 결합된 연결 단자(25)와 제2 단자(22)에 결합된 연결 단자(25)는 동일한 구조로 이루어진다.
제1 단자(21)와 캡 플레이트(31) 사이에는 밀봉을 위한 실링 가스켓(59)이 단자가 관통되는 홀에 삽입 설치되고, 캡 플레이트(31)의 아래에는 제1 집전부재(41)를 지지하는 하부 절연부재(43)가 설치된다.
제1 단자(21)의 하부에는 제1 단자(21)와 캡 플레이트(31)를 전기적으로 연결하는 연결부재(58)가 설치된다. 이에 따라 캡 플레이트(31)와 케이스(26)는 양극으로 대전된다. 전류는 양극(11)에서 제1 집전부재(41), 연결 단자(25), 제1 단자(21), 및 캡 플레이트(31)를 거쳐서 케이스(26)로 이동할 수 있다. 연결부재(58)의 표면에는 저항층(57)이 코팅되는데, 저항층(57)은 테프론 등의 합성수지로 이루어질 수 있다. 저항층(57)이 형성되면 단락 전류가 흐를 때, 연결부재(58)와 캡 플레이트(31) 사이의 저항이 증가한다. 이에 따라 연결부재(58)와 직렬로 연결된 제1 집전부재(41)에 인가되는 전압이 낮아지므로 제1 집전부재(41)의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.
제2 단자(22)는 직사각형의 판 형상으로 이루어진다. 제2 단자(22)는 제2 집전부재(42)에 접합된 연결 단자(25)를 매개로 음극(12)과 전기적으로 연결된다. 연결 단자(25)는 캡 플레이트(31) 및 제2 단자(22)를 관통하여 상단이 제2 단자(22)에 고정된다.
제2 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에는 밀봉을 위한 실링 가스켓(55)이 단자가 관통되는 홀에 삽입 설치되고, 캡 플레이트(31)의 아래에는 제2 단자(22) 및 제2 집전부재(42)를 캡 플레이트(31)에서 절연하는 하부 절연부재(45)가 설치된다.
한편, 제2 단자(22)의 하부에는 단락 홀(37)을 향하여 돌출된 단락 돌기가 형성된다. 제2 단자(22)는 단락 홀(37)을 덮도록 일방향으로 길게 연장되어 형성된다. 제2 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에는 절연을 위한 상부 절연부재(54)가 설치된다.
캡 어셈블리(30)는 양극(11)과 음극(12)을 단락시키는 단락부재(56)를 포함하는 바, 단락부재(56)는 캡 플레이트(31)와 전기적으로 연결되며, 이차 전지(101)의 내부 압력이 상승할 때 변형되어 제2 단자(22)와 연결된다.
캡 플레이트(31)에는 단락 홀(37)이 형성되며, 단락부재(56)는 단락 홀(37)에서 상부 절연부재(54)와 캡 플레이트(31) 사이에 배치된다. 단락부재(56)는 아래로 볼록하게 호형으로 굴곡된 만곡부와 만곡부의 외측에 형성되며 캡 플레이트(31)에 고정된 테두리부를 포함한다.
이차 전지(101)의 내부에서 이상반응으로 가스가 발생하면 이차 전지(101)의 내부 압력이 상승한다. 이차 전지(101)의 내부 압력이 기 설정된 압력보다 높아지면 만곡부가 상부로 볼록하도록 변형되며, 이때, 단락 돌기와 단락부재(56)가 맞닿아 단락을 유발한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 어셈블리들과 집전부재를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전류 분산 부재를 도시한 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 제1 집전부재(41)는 연결 단자(25)에 접합된 단자 접합부(41a)와 단자 접합부(41a)에서 케이스(26)의 바닥을 향하여 절곡된 측판(41c), 및 측판(41c)에서 케이스(26)의 바닥을 향하여 이어진 전극 접합부(41b)를 포함한다.
단자 접합부(41a)는 사각판 형상으로 이루어지며, 연결 단자(25)의 하부에 용접으로 고정된다. 단자 접합부(41a)에는 결합 홀(41d)이 형성되며 이 결합 홀(41d)에 연결 단자(25)의 하부에 형성된 돌기가 끼움된 상태에서 연결 단자(25)와 단자 접합부(41a)가 용접된다.
측판(41c)은 단자 접합부(41a)의 일측 단부에서 절곡되며 케이스의 측면과 평행하게 배치된다. 제1 집전부재(41)는 2개의 전극 접합부(41b)를 갖는데, 전극 접합부(41b)는 측판(41c)에서 절곡되어 양극 무지부(11a)와 평행하게 배치된 상태에서 양극 무지부(11a)에 접합된다. 전극 접합부들(41b)은 각각 서로 다른 전극 어셈블리(10)의 양극 무지부(11a)에 용접으로 접합된다.
단자 접합부(41a)에는 퓨즈 홀(41e)이 형성되며 퓨즈 홀(41e)의 양쪽 측단에는 주변보다 단면적이 작은 퓨즈부(41f)가 형성된다. 퓨즈부(41f)는 주변보다 용융점이 낮게 형성되는데, 단락 등의 원인으로 과전류가 흐를 때 주변 보다 먼저 용융되어 전류를 차단한다. 퓨즈부(41f)에는 주변 영역으로 열을 확산시키는 열전도성 부재(46)가 설치되는데, 열전도성 부재(46)는 열전도성이 우수하고 내열성이 큰 폴리머로 이루어질 수 있다. 특히 열전도성 부재(46)는 폴리이미드(PI)로 이루어질 수 있으며, 이 때, 열전도성 부재(46)는 퓨즈부(41f)와 퓨즈부(41f)의 인접 영역을 감싸도록 코팅으로 형성될 수 있다.
제2 집전부재(42)는 연결 단자(25)에 접합된 단자 접합부(41a)와 단자 접합부(42a)에서 케이스(26)의 바닥을 향하여 절곡된 측판(42c), 및 측판(42c)에서 케이스(26)의 바닥을 향하여 이어진 전극 접합부(42b)를 포함한다.
단자 접합부(42a)는 사각판 형상으로 이루어지며, 연결 단자(25)의 하부에 용접으로 고정된다. 단자 접합부(42a)에는 결합 홀(42d)이 형성되며 이 결합 홀(42d)에 연결 단자(25)의 하부에 형성된 돌기가 끼움된 상태에서 연결 단자(25)와 단자 접합부(42a)가 용접된다.
측판(42c)은 단자 접합부(42a)의 일측 단부에서 절곡되며 케이스(26)의 측면과 평행하게 배치된다. 제2 집전부재(42)는 2개의 전극 접합부(42b)를 갖는데, 전극 접합부(42b)는 측판(42c)에서 절곡되어 음극 무지부(12a)와 평행하게 배치된 상태에서 음극 무지부(12a)에 접합된다. 전극 접합부들(42b)은 각각 서로 다른 전극 어셈블리(10)의 음극 무지부(12a)에 용접으로 접합된다.
한편, 제1 집전부재(41)에는 케이스(26)와 제1 집전부재(41)를 전기적으로 연결하는 전류 분산 부재(60)가 고정 설치된다. 도 4에 도시된 바와 같이 전류 분산 부재(60)는 이격 배치된 집전 고정부(61)와 집전 고정부(61)에서 케이스(26)의 바닥을 향하여 아래로 이어진 연결부(63), 및 연결부(63)에서 절곡되어 케이스(26)의 바닥에 고정된 케이스 고정부(64)를 포함한다.
집전 고정부(61)는 판상으로 이루어지며, 집전 고정부(61) 사이에 지지 홈(62)이 형성된다. 지지 홈(62)에는 제1 집전부재(41)의 측판(41c)의 하단가 삽입되며 집전 고정부(61)는 측판(41c)에 용접으로 접합된다.
전류 분산 부재(60)는 퓨즈부(41f)와 전극 어셈블리(10)를 연결하는 경로에서 제1 집전부재(41)에 고정되는데, 이에 따라 퓨즈부(41f)는 전류 분산 부재(60)와 제1 집전부재(41)가 접합된 부분 보다 상기 제1 단자(21)에 더 가깝게 배치된다. 여기서 측판(41c)이 전류 분산 부재(60)와 제1 집전부재(41)가 접합된 부분이 된다. 즉, 퓨즈부(41f)는 제1 단자(21)와 전류 분산 부재(60)와 제1 집전부재(41)가 접합된 부분 사이에 배치된다.
연결부(63)는 막대 형상으로 이루어져 집전 고정부(61)와 케이스 고정부(64)를 전기적으로 연결한다. 케이스 고정부(64)는 연결부(63)에서 절곡되어 케이스(26)의 바닥과 평행하게 배치된 상태에서 케이스(26)의 바닥에 용접으로 접합된다.
전류는 양극(11)에서 제1 집전부재, 전류 분산 부재(60)를 거쳐서 케이스로 이동한다. 전류는 2개의 경로로 케이스에 전달되는데, 본 실시예에 따른 이차 전지(101)에는 제1 집전부재(41)에서 연결 단자(25), 제1 단자(21), 및 캡 플레이트(31)를 거쳐서 케이스(26)로 이동하는 제1 경로와 제1 집전부재(41)에서 전류 분산 부재(60)를 거쳐서 케이스(26)로 이동하는 제2 경로가 형성된다.
제1 집전부재(41)에서 제1 단자를 거쳐서 케이스(26)까지 연결된 경로의 저항을 제1 저항이라고 하고, 제1 집전부재(41)에서 전류 분산 부재(60)를 거쳐서 케이스(26)까지 연결된 경로의 저항을 제2 저항이라 할 때, 제1 저항과 제2 저항은 동일하거나 작은 차이를 갖도록 이루어질 수 있다.
전류 분산 부재(60)를 경유하는 경로와 제1 단자(21)를 경유하는 경로를 통해서 모두 전류가 이동하기 위해서는 양쪽 경로의 저항이 동일하거나 유사해야 한다. 만일 일측 부분의 저항이 다른 부분의 저항보다 많이 크면 저항이 작은 경로로만 전류가 이동하고 저항이 큰 경로로는 전류가 이동하지 아니하여 전류를 분산시키지 못하는 문제가 발생한다.
그러나 2개의 경로의 저항을 정확하게 일치시키는 것은 매우 어렵다. 이에 저항의 차이가 기 설정된 범위 내에 있도록 설계할 수 있다. 저항의 차이가 기 설정된 범위 내에 있으면, 일측 저항이 작더라도 전류가 이동하면서 온도가 상승되는 등의 원인으로 일측 경로의 저항이 증가하여 양쪽 경로의 저항이 동일하게 되므로 양쪽 경로를 통해서 전류를 이동시킬 수 있다. 여기서 저항의 차이는 단락전류의 크기와 집전부재의 고유저항에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 제2 경로의 저항은 전류 분산 부재(60)의 두께와 길이를 변화시킴으로써 조절될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 이차 전지(101)는 전극 어셈블리들(10)의 외면에 배치된 안전부재를 더 포함하는데, 안전부재는 적층 배열된 전극 어셈블리들(10)의 일측 외측에 배치된 제1 안전부재(71)와 전극 어셈블리들(10)의 타측 외측에 배치된 제2 안전부재(72)을 포함한다.
제1 안전부재(71)는 케이스(26)의 일측 전면과 전극 어셈블리(10) 사이에 배치되고, 제2 안전부재(72)는 케이스(26)의 타측 전면과 전극 어셈블리(10) 사이에 배치된다.
제1 안전부재(71)는 전극 어셈블리(10)의 외면에 맞닿도록 설치된다. 제1 안전부재(71)는 전극 어셈블리(10)에서 케이스를 향하는 평편면과 마주하는 측판(71a)과 측판(71a)에서 돌출되어 전극 접합부(42b)에 부착되는 고정 탭(71c)을 포함한다. 본 기재에서 평편면이라 함은 전극 어셈블리(10)의 외주면 중에서 상단과 하단의 굴곡된 부분을 제외한 평편한 면을 의미한다.
측판(71a)과 고정 탭(71c)은 구리, 스테인리스 스틸 등의 도전성을 갖는 금속판으로 이루어진다. 측판(71a)에서 전극 어셈블리(10)와 마주하는 면에는 절연 필름(71b)이 부착된다. 절연 필름(71b)은 폴리머 재질로 이루어지며, 측판(71a)과 제1 전극 어셈블리(10)가 직접 접촉하는 것을 방지한다.
제2 안전부재(72)는 전극 어셈블리들(10)을 사이에 두고 제1 안전부재(71)와 마주하도록 배치된다. 제2 안전부재(72)는 전극 어셈블리(10)에서 케이스(26)와 마주하는 평편면과 대향하도록 설치된다. 제2 안전부재(72)는 전극 어셈블리(10)에서 바깥을 향하는 평편면에 부착된 측판(72a)과 측판(72a)에 돌출되어 전극 접합부(42b)에 부착되는 고정 탭(72c)을 포함한다.
측판(72a)과 고정 탭(72c)은 구리, 스테인리스 스틸 등의 도전성을 갖는 금속판으로 이루어진다. 측판(72a)에서 전극 어셈블리(10)와 마주하는 면에는 절연 필름(72b)이 부착된다. 절연 필름(72b)은 폴리머 재질로 이루어지며, 측판(72a)과 제1 전극 어셈블리(10)가 직접 접촉하는 것을 방지한다.
제1 안전부재(71)와 제2 안전부재(72)는 음극으로 대전되며, 도 5에 도시된 바와 같이 외부에서 도전성 이물질()이 침입할 때, 제1 안전부재(71) 또는 제2 안전부재(72)와 케이스(26)가 도전성 이물질(75)에 의하여 전기적으로 연결된다.
이 때, 전극 어셈블리(10)에 충전된 전류는 케이스(26)로 이동하는데, 전류는 제1 집전부재(41)에서 제1 단자(21)를 거쳐서 케이스(26)로 이동할 수 있으며, 제1 집전부재(41)에서 전류 분산 부재(60)를 거쳐서 케이스(26)로 이동할 수 있다.
전류 분산 부재(60)가 없으면 도전성 이물질(75)이 침입할 때, 퓨즈부(41f)가 과열 용융되며, 전류가 더 이상 제1 집전부재(41)를 통해서 흐르지 못한다. 이에 따라 전극 어셈블리(10) 내부에서 단락 전류가 흐르므로 전극 어셈블리(10) 내부에서 지나치게 많은 열이 발생하는 문제가 있다.
퓨즈부(41f)에 과도한 열이 발생하는 것을 방지하기 위해서 연결부재(58)에 저항층(57)을 코팅하면, 퓨즈부에서 발생하는 열을 감소시킬 수 있다. 그러나 저항층(57)만을 코팅한 경우에는 퓨즈부(41f)에서의 에너지 소모량이 너무 적어서 상대적으로 전극 어셈블리(10)에서 많은 열이 발생하는 문제가 있다.
그러나 본 실시예와 같이 전류 분산 부재(60)에 의하여 전류가 분산되면 퓨즈부(41f)가 단락전류가 모두 방전될 때까지 견딜 수 있을 뿐만 아니라 퓨즈부(41f)와 전류 분산 부재(60)에서 열이 발생되므로 전극 어셈블리(10)에서 많은 열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 6a는 비교예 1에 따른 집전부재의 온도 분포를 나타낸 도면이고, 도 6b는 비교예 2에 따른 집전부재의 온도 분포를 나타낸 도면이며, 도 6c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 집전부재의 온도 분포를 나타낸 도면이다. 또한 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전류 분산부재의 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하여 설명하면, 비교예 1은 연결부재에 저항층이 형성되지 않고 전류 분산 부재가 설치되지 않은 이차 전지를 대상으로 실험하였으며, 비교예 2는 연결부재에 저항층이 형성되고 전류 분산 부재가 설치되지 않은 이차 전지를 대상으로 실험하였다. 또한, 제1 실시예는 연결부재에 저항층이 설치되고, 전류 분산 부재가 설치된 이차 전지이다.
도 6a에 도시된 바와 같이 비교예 1의 이차 전지의 집전부재에는 알루미늄의 녹는점(650℃)보다 높은 700℃ 부분이 나타난 것을 알 수 있으며, 비교예 2의 이차 전지의 집전부재의 최고 온도는 50℃인 것을 알 수 있다. 한편, 본 실시예에 따른 이차 전지의 집전부재의 최고 온도는 130℃인 것을 알 수 있다. 비교예 1의 경우 집전부재의 온도가 알루미늄의 용융온도보다 높게 상승한 것을 알 수 있으며, 비교예 2의 경우 집전부재의 온도가 매우 낮은 것을 알 수 있다. 또한 본 실시예의 집전부재의 경우 비교예 보다는 온도가 낮고, 비교예 2 보다는 온도가 낮은 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면 도 7에 도시된 바와 같이 전류 분산 부재(60)로 많은 양의 전류가 흐름으로 인하여 전류 분산 부재(60)의 온도가 500℃까지 상승한 것을 알 수 있다. 그러나 전류 분산 부재(60)의 온도는 알루미늄의 용융점보다는 낮게 유지되었다. 본 제1 실시예와 같이 전류 분산 부재(60)에서의 발열량을 높이면 동일한 전류에서 전극 어셈블리(10)에 인가되는 전압이 낮아지므로 전극 어셈블리(10)에서 발생하는 열의 양을 감소시킬 수 있다.
도 8은 시간의 경과에 따라 전극 어셈블리(10)의 외부에서 발생한 줄열을 나타낸 그래프이고, 도 9는 이차 전지 부품의 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 제1 실시예의 경우 비교예 2 보다 집전부재(41)의 외부에서 많은 줄열이 발생함을 알 수 있다. 비교예 1의 경우 본 제1 실시예보다 전극 어셈블리(10)의 외부에서 많은 줄열이 발생하였으나, 도 6a에 도시된 바와 같이 집전부재(41)의 온도가 알루미늄의 녹는점(650℃)보다 높다.
또한 도 9에 도시된 바와 같이 본 제1 실시예의 경우, 집전부재(41)와 전류 분산 부재(60)로 열이 분산되므로 부품들의 온도가 용융점 이하로 유지되면서 안정적으로 열이 방출됨을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 부분 단면도이고, 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전류 분산 부재를 도시한 사시도이다.
도 10 및 도 11을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(102)는 전류 분산 부재(80)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1 집전부재(41)에는 케이스(26)와 제1 집전부재(41)를 전기적으로 연결하는 전류 분산 부재(80)가 고정 설치된다. 전류 분산 부재(80)는 이격 배치된 집전 고정부(81)와 집전 고정부(81)에서 케이스(26)의 바닥을 향하여 아래로 이어진 연결부(83), 연결부(83)에서 경사지게 절곡된 경사부(85), 및 케이스(26)의 측면에 고정된 케이스 고정부(84)를 포함한다.
집전 고정부(81)는 판상으로 이루어지며, 전류 분산 부재(80)는 이격 배치된 2개의 집전 고정부(81)를 갖고 집전 고정부(81)들 사이에는 지지 홈(82)이 형성된다. 지지 홈(82)에는 제1 집전부재(41)의 측판(41c)의 하단가 삽입되며 집전 고정부(81)는 측판(41c)에 용접으로 접합된다. 연결부(83)는 막대 형상으로 이루어지며 케이스(26)의 높이 방향으로 이어져 형성된다. 경사부(85)는 연결부(83)에서 케이스(26)의 측면을 향하여 연결부(83)의 길이 방향에 대하여 경사지게 절곡 형성된다. 여기서 케이스(26)의 측면이라 함은 케이스(26)의 바닥에서 캡 어셈블리(30)를 향하여 세워지며 전극 어셈블리(10)의 측방향 단부와 마주하는 면을 의미한다. 케이스 고정부(84)는 경사부(85)에서 절곡되어 케이스(26)의 측면과 평행하게 배치된 상태에서 케이스(26)의 측면 하단에 용접으로 접합된다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 부분 단면도이고, 도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전류 분산 부재를 도시한 사시도이다.
도 12 및 도 13을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(103)는 전류 분산 부재(80)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1 집전부재(41)에는 케이스(26)와 제1 집전부재(41)를 전기적으로 연결하는 전류 분산 부재(90)가 고정 설치된다. 전류 분산 부재(90)는 이격 배치된 집전 고정부(91)와 집전 고정부(91)에서 케이스(26)의 바닥을 향하여 아래로 이어진 연결부(93), 연결부(93)에서 절곡되어 케이스(26)의 바닥에 고정된 케이스 고정부(94)를 포함한다.
집전 고정부(91)는 판상으로 이루어지며, 2개의 집전 고정부(91)가 서로 마주하도록 이격 배치된다. 집전 고정부(91) 사이에는 지지 홈(92)이 형성되며, 지지 홈(92)에 전극 어셈블리들(10)의 측방향 단부가 삽입된다. 집전 고정부(91)는 제1 집전부재(41)에 고정되는데, 집전 고정부(91)는 제1 집전부재(41)의 전극 접합부(41b)에 용접으로 고정된다.
퓨즈부(41f)는 전류 분산 부재(90)와 제1 집전부재(41)가 접합된 부분 보다 상기 제1 단자(21)에 더 가깝게 배치된다. 여기서 전극 접합부(41b)가 전류 분산 부재(90)와 제1 집전부재(41)가 접합된 부분이 된다.
연결부(93)는 막대 형상으로 이루어지며 케이스(26)의 높이 방향으로 이어져 형성된다. 케이스 고정부(94)는 연결부(93)에서 절곡되어 케이스(26)의 바닥과 평행하게 배치된 상태에서 케이스(26)의 바닥에 용접으로 접합된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
101, 102, 103: 이차 전지 10: 전극 어셈블리
11: 양극 11a: 양극 무지부
12: 음극 12a: 음극 무지부
13: 세퍼레이터 21: 제1 단자
22: 제2 단자 25: 연결 단자
26: 케이스 30: 캡 어셈블리
31: 캡 플레이트 32: 전해액 주입구
34: 벤트 홀 37: 단락 홀
38: 밀봉 마개 39: 벤트 플레이트
41: 제1 집전부재 42: 제2 집전부재
41a, 42a: 단자 접합부 41b, 42b: 전극 접합부
41c, 42c: 측판 41d, 42d: 결합 홀
41e: 퓨즈 홀 41f: 퓨즈부
42: 제2 집전부재 43: 하부 절연부재
45: 하부 절연부재 54: 상부 절연부재
55: 실링 가스켓 56: 단락부재
58: 연결부재 59: 실링 가스켓
60, 80, 90: 전류 분산 부재 61, 81, 91: 집전 고정부
62, 82, 92: 지지 홈 63, 83, 93: 연결부
64, 84, 94: 케이스 고정부 71: 제1 안전부재
71a, 72a: 측판 71b, 72b: 절연 필름
71c, 72c: 고정 탭 72: 제2 안전부재
85: 경사부

Claims (15)

  1. 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극 어셈블리;
    상기 전극 어셈블리를 수용하는 케이스;
    상기 케이스에 결합되며 단자가 설치된 캡 어셈블리;
    상기 단자와 상기 제1 전극을 전기적으로 연결하며 주변보다 용융점이 낮은 퓨즈부와 상기 전극 어셈블리에 고정된 전극 부착부가 형성된 제1 집전부재; 및
    상기 제1 집전부재에 고정되어 상기 제1 집전부재와 상기 케이스를 전기적으로 연결하는 전류분산부재;를 포함하는 이차 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는 상기 케이스에 접합된 캡 플레이트와 상기 단자와 상기 캡 플레이트를 전기적으로 연결하는 연결부재를 포함하는 이차 전지.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 연결부재에는 합성수지로 이루어진 저항층이 코팅된 이차 전지.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 전극 어셈블리와 상기 케이스 사이에는 상기 제2 전극과 전기적으로 연결된 안전부재가 설치된 이차 전지.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 안전 부재는 상기 전극 어셈블리에서 케이스를 향하는 평편면과 마주하는 측판과 상기 측판에서 돌출되어 전극 어셈블리와 전기적으로 연결된 고정 탭을 포함하고, 상기 측판에서 상기 전극 어셈블리를 향하는 면에는 절연 필름이 부착된 이차 전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전류 분산 부재는 상기 퓨즈부와 상기 전극 어셈블리를 연결하는 경로에서 상기 제1 집전부재에 고정된 이차 전지.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 전류분산부재는 제1 집전부재에 고정되는 집전 고정부와 상기 케이스에 고정된 케이스 고정부를 포함하는 이차 전지.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 집전부재는 상기 단자에 접합된 단자 접합부와 상기 단자 접합부에서 절곡되어 상기 단자 접합부와 상기 전극 접합부를 연결하는 측판을 포함하는 이차 전지.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 상기 단자 접합부에 형성된 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 집전 고정부는 상기 측판에 고정된 이차 전지.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 집전 고정부는 상기 전극 접합부에 고정된 이차 전지.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 케이스 고정부는 상기 케이스의 바닥에 고정된 이차 전지.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 케이스 고정부는 상기 케이스의 바닥에서 상기 캡 어셈블리를 향하여 세워진 측면에 고정된 이차 전지.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 전류 분산 부재는 이격 배치된 2개의 집전 고정부를 갖고, 상기 집전 고정부 사이에 형성된 지지 홈에 상기 측판의 하부가 삽입된 이차 전지.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 열전도성 부재에 의하여 감싸진 이차 전지.
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