KR20160053735A - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀 내부 및 셀 외부에 퓨즈를 구비함으로써, 단락 발생으로 인한 셀 내부의 비정상 파괴를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지에 관한 것이다.
일례로, 제1 전극판, 제2 전극판, 및 상기 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및 상기 제1 전극판 및 제2 전극판에 전기적으로 연결되고, 상기 케이스의 외측으로 돌출되는 제1 전극단자 및 제2 전극단자;를 구비하고, 상기 제1 전극 단자 및 제2 전극 단자 중 어느 하나에 퓨즈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지가 개시된다.

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.
이러한 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 양, 음극판 사이에 절연체인 세퍼레이터(separator)를 개재하여 형성된 전극 조립체와 전해액을 케이스에 내장 설치하고, 케이스에 전극 단자가 형성된 캡 조립체를 설치하여 구성된다.
한편, 이차 전지는 과도한 열이 발생하거나 전해액이 분해되면 내부 압력이 상승하여 발화되거나 폭발할 수 있다. 이에 따라, 안전성을 향상시킬 수 있는 구조의 이차 전지가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 셀 내부 및 셀 외부에 퓨즈를 구비함으로써, 단락 발생으로 인한 셀 내부의 비정상 파괴를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극판, 제2 전극판, 및 상기 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및 상기 제1 전극판 및 제2 전극판에 전기적으로 연결되고, 상기 케이스의 외측으로 돌출되는 제1 전극단자 및 제2 전극단자;를 구비하고, 상기 제1 전극 단자 및 제2 전극 단자 중 어느 하나에 퓨즈부가 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 단자는 상기 케이스의 외측에 위치된 제1 단자 플레이트에 결합되는 제1 상측 몸체부; 상기 케이스의 내측에 위치된 제1 전극판에 연결되는 제1 하측 몸체부; 및 상기 제1 상측 몸체부와 제1 하측 몸체부 사이에 형성되는 제1 퓨즈부를 포함할 수 있다.
상기 제1 퓨즈부는 상기 제1 상측 몸체부 및 제1 하측 몸체부 보다 큰 전기 저항을 가질 수 있다.
상기 제1 퓨즈부는 상기 제1 상측 몸체부 또는 제1 하측 몸체부, 또는 상기 제1 상측 몸체부 및 제1 하측 몸체부 중 어느 하나보다 작은 단면적을 가질 수 있다.
상기 제1 퓨즈부는 상기 제1 상측 몸체부 또는 제1 하측 몸체부, 또는 상기 제1 상측 몸체부 및 제1 하측 몸체부 중 어느 하나보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 전극단자는 상기 케이스의 외측으로 돌출되는 전극몸체부; 및 상기 전극몸체부의 일단으로부터 상기 케이스의 내측방향으로 연장 형성되는 제1 퓨즈부를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극 단자는 상기 케이스의 외측에 위치된 제2 단자 플레이트에 결합되는 제2 상측 몸체부; 상기 케이스의 내측에 위치된 제2 전극판에 연결되는 제2 하측 몸체부; 및 상기 제2 상측 몸체부와 제2 하측 몸체부 사이에 형성되는 제2 퓨즈부를 포함할 수 있다.
상기 제2 퓨즈부는 상기 제2 상측 몸체부 및 제2 하측 몸체부 보다 큰 전기 저항을 가질 수 있다.
상기 제2 퓨즈부는 상기 제2 상측 몸체부 또는 제2 하측 몸체부, 또는 상기 제2 상측 몸체부 및 제2 하측 몸체부 중 어느 하나보다 작은 단면적을 가질 수 있다.
상기 제2 퓨즈부는 상기 제2 상측 몸체부 또는 제2 하측 몸체부, 또는 상기 제2 상측 몸체부 및 제2 하측 몸체부 중 어느 하나보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
상기 전극 조립체의 양측에는 상기 제1 전극판 및 제2 전극판과 상기 제1 전극단자 및 제2 전극단자를 전기적으로 연결하는 제1 집전판 및 제2 집전판을 더 구비하되, 상기 제1 집전판에는 제3 퓨즈부가 형성될 수 있다.
상기 제1 집전판은 상기 제1 전극 단자와 결합되는 연결부; 및 상기 연결부로부터 연장되고 상기 제1 전극판과 결합되는 연장부를 포함할 수 있다.
상기 제3 퓨즈부는 상기 제1 전극 단자와 이격되도록 상기 연결부에 형성될 수 있다.
상기 제1 퓨즈부는 상기 제3 퓨즈부보다 전기 저항이 크도록 형성될 수 있다.
상기 케이스를 밀봉하며 단락홀을 가지는 캡 플레이트를 포함하는 캡 조립체를 더 포함하고, 상기 캡 조립체는 상기 단락홀에 형성되는 반전 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 반전 플레이트는 아래로 볼록한 라운드부; 및 상기 캡 플레이트에 고정되는 테두리부를 포함할 수 있다.
상기 반전 플레이트는 상기 이차 전지의 내부 압력이 설정 압력보다 커지면 반전되어 상기 제2 단자플레이트에 접촉될 수 있다.
상기 반전 플레이트는 상기 제2 전극판과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 셀 내부의 집전판과 셀 외부의 전극 단자에 각각 퓨즈를 구비함으로써, 단락 발생시 셀 외부의 퓨즈를 먼저 동작시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 단락 발생으로 인하여 셀 내부에서 발생되는 불꽃을 셀 외부에서 발생하도록 할 수 있고, 셀 내부에 발생되는 비정상 파괴를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 절취한 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 A영역을 도시한 확대 단면도이다.
도 4는 도 2의 제1 집전판을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에서 도 2의 A영역에 대응되는 A'영역을 도시한 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도 및 단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 절취한 이차 전지를 도시한 단면도이며, 도 3은 도 2의 A영역을 도시한 확대 단면도이고, 도 4는 도 2의 제1 집전판을 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 전극 조립체(10), 제1 집전판(20), 제2 집전판(30), 케이스(40) 및 캡 조립체(50)를 포함한다.
상기 전극 조립체(10)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 제1 전극판(11), 세퍼레이터(13), 제2 전극판(12)의 적층체를 권취하거나 겹쳐서 형성한다. 여기서, 제1 전극판(11)은 양극으로서 작용할 수 있으며, 제2 전극판(12)은 음극으로서 작용할 수 있다.
상기 제1 전극판(11)은 알루미늄과 같은 금속 포일로 형성된 제1 전극 집전체에 전이금속산화물 등의 제1 전극 활물질을 도포함으로써 형성되며, 제1 활물질이 도포되지 않는 영역인 제1 전극 무지부(11a)를 포함한다. 상기 제1 전극 무지부(11a)는 제1 전극판(11)과, 제1 전극판(11) 외부 간의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제1 전극판(11)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 제2 전극판(12)은 니켈 또는 구리와 같은 금속 포일로 형성된 제2 전극 집전체에 흑연 또는 탄소 등의 제2 전극 활물질을 도포함으로써 형성되며, 제2 활물질이 도포되지 않는 영역인 제2 전극 무지부(12a)를 포함한다. 상기 제2 전극 무지부(12a)는 제2 전극판(12)과, 제2 전극판(12) 외부 간의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제2 전극판(12)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기와 같은 제1 전극판(11) 및 제2 전극판(12)은 극성을 달리하여 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 전극판(11)은 음극으로서 작용할 수 있으며, 제2 전극판(12)은 양극으로서 작용할 수 있다.
상기 세퍼레이터(13)는 제1 전극판(11)과 제2 전극판(12) 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리 에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 한편, 본 발명에서 상기 세퍼레이터(13)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기와 같은 전극 조립체(10)의 양측 단부에는 제1 전극판(11)과 제2 전극판(12) 각각과 전기적으로 연결되기 위한 제1 집전판(20)과 제2 집전판(30)이 결합된다.
상기 제1 집전판(20)은 알루미늄 등의 도전성 재질로 형성되며, 전극 조립체(10)의 일측 단부로 돌출된 제1 전극 무지부(11a)와 접촉됨으로써, 제1 전극판(11)과 전기적으로 연결된다. 상기 제1 집전판(20)은, 도 2 및 도 5를 참조하면, 제1 연결부(21), 제1 연장부(23), 제1 단자홀(24), 퓨즈홀(25) 및 퓨즈 돌기(26)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 연결부(21)는 전극 조립체(10)의 상부와 캡 조립체(50)의 하부 사이에 설치되며, 플레이트 형태로 형성된다. 여기서, 상기 제1 연결부(21)는 제1 단자홀(24)이 형성되는 영역을 제공하는 제1 단자 영역(St)과, 퓨즈홀(25)이 형성되는 영역을 제공하는 퓨즈 영역(Sf)으로 구분될 수 있다.
상기 제1 연장부(23)는 제1 연결부(21)에 대하여 절곡되고 제1 연결부(21)의 단부로부터 연장되며, 제1 전극 무지부(11a)와 실질적으로 접촉하는 플레이트 형태로 형성된다. 여기서, 상기 제1 연결부(21)와 제1 연장부(23)가 만나는 모서리부를 'C' 라고 하기로 하며, 제1 연결부(21)와 제1 연장부(23)는 모서리부(C)를 중심으로 수직을 이룰 수 있다.
상기 제1 단자홀(24)은 제1 연결부(21)의 일측, 즉 제1 단자 영역(St)에 형성되며, 제1 연결부(21) 중 캡 조립체(50)의 제1 전극 단자(52)가 끼워져 결합되는 공간을 제공한다. 여기서, 상기 제1 단자 영역(St)은 제1 연결부(21) 중 모서리(C)와 멀리 이격되게 위치한다.
상기 퓨즈홀(25)과 퓨즈 돌기(26)는 전해액과 접촉하지 않도록 전극 조립체(10)의 상부 영역, 즉 제1 연결부(21)의 퓨즈 영역(Sf)에 형성된다. 이는 상기 퓨즈홀(25)과 퓨즈 돌기(26)가 형성된 퓨즈 영역(Sf)에서 발생하는 열에 의해 전해액이 발화될 수 있기 때문이다. 여기서, 상기 퓨즈 영역(Sf)은 퓨즈홀(25)과 퓨즈 돌기(26)가 제1 단자홀(24)에 결합되는 제1 전극 단자(52)와 중첩하지 않도록 제1 연결부(21) 중 모서리부(C)와 인접한 영역에 위치한다.
또한, 상기 퓨즈홀(25)은 제1 연결부(21)를 관통하는 홀 대신 제1 연결부(21)에서 다른 부분 보다 작은 두께를 가지는 홈으로 형성될 수 있다. 이러한 퓨즈홀(25)은, 이차 전지(100)에 단락이 발생하여 큰 전류가 흐르는 경우 발생한 열에 의해 퓨즈홀(25)이 형성된 영역을 용융되게 하여 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈 기능을 한다. 여기서, 상기 단락은 이차 전지(100)의 과충전 등으로 인해 열이 발생하고 전해액이 분해되어 내부 압력이 설정 압력보다 크게 되는 경우, 반전 플레이트(60)와 제2 단자 플레이트(56)를 접촉시킴으로써 유발될 수 있다. 이에 따라, 상기 퓨즈홀(25)은 과충전시 유발된 단락을 이용해 퓨즈홀(25)이 형성된 영역을 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 퓨즈 돌기(26)는 퓨즈 영역(Sf)의 단부에서 전극 조립체(10) 방향으로 퓨즈 영역(Sf)의 표면에 대해 비스듬히 절곡되고 연장됨으로써 형성된다. 상기 퓨즈 돌기(26)는 퓨즈홀(25)의 좌우 방향에 적어도 하나 형성될 수 있다. 이러한 퓨즈 돌기(26)는 퓨즈홀(25) 근처에서 절곡된 형태로 형성되어 퓨즈홀(25)이 형성된 영역의 강도를 보강하는 강도 보강 기능을 한다. 이에 따라, 상기 퓨즈 돌기(26)는 퓨즈홀(25)이 형성된 영역이 외부 충격에 의해 저항력이 낮아 이차 전지(100)의 단락이 발생하지 않는 경우에서 외부 충격에 의해 휘어지거나 파손되는 것을 방지할 수 있다. 이하에서는, 상기 퓨즈홀(25)과 퓨즈 돌기(26)가 형성된 퓨즈 영역(Sf)을 제2 퓨즈부(27)라 명명하기로 한다.
상기 제2 집전판(30)은 니켈 또는 구리 등의 도전성 재질로 형성되며, 전극 조립체(10)의 타측 단부로 돌출된 제2 전극 무지부(12a)와 접촉됨으로써, 제2 전극판(12)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 집전판(30)은 제2 연결부(31), 제2 연장부(33), 제2 단자홀(34)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제2 집전판(30)의 구성은 도 4에 도시된 제1 집전판(20)의 구성 중 퓨즈홀(25) 및 퓨즈 돌기(26)와 대응되는 퓨즈홀 및 퓨즈 돌기를 가지지 않을 수 있다. 이는 본 발명의 실시예에서, 제1 집전판(20)이 퓨즈 기능을 하는 퓨즈홀(25)을 가지기 때문이다. 또한, 예를 들어 알루미늄 재질로 형성되는 제1 집전판(20)이 니켈 또는 구리 재질로 형성되는 제2 집전판(30) 보다 용융점이 낮아 퓨즈 기능을 실현시키기 더 용이하기 때문이다. 한편, 상기 제1 집전판(20)에 퓨즈홀(25)과 퓨즈 돌기(26)를 형성시키지 않고, 제2 집전판(30)에 퓨즈홀(미도시)과 퓨즈 돌기(미도시)만 형성시키는 것도 가능하다.
상기 케이스(40)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 형성되며, 전극 조립체(10), 제1 집전판(20) 및 제2 집전판(30)이 삽입 안착될 수 있는 개구부가 형성된 대략 육면체 형상으로 이루어진다. 도 2에서는, 케이스(40)와 캡 조립체(50)가 결합된 상태로 도시되고 있으므로 개구부가 도시되지 않았지만, 캡 조립체(50)의 둘레 부분이 실질적으로 개방된 부분이다. 한편, 케이스(40)의 내면은 절연처리되어, 전극 조립체(10), 제1 집전판(20), 제2 집전판(30) 및 캡 조립체(50)와 절연된다. 여기서, 상기 케이스(40)는 하나의 극성, 예를 들어 양극으로서 작용할 수 있다.
상기 캡 조립체(50)는 케이스(40)에 결합된다. 상기 캡 조립체(50)는 구체적으로 캡 플레이트(51), 제1 전극 단자(52), 제2 전극 단자(53), 가스켓(54), 제1 단자 플레이트(55) 및 제2 단자 플레이트(56)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 캡 조립체(50)는 마개(57), 벤트 플레이트(58), 상부 절연부재(59a), 연결판(59b), 반전 플레이트(60) 및 하부 절연부재(61)를 더 포함할 수 있다.
상기 캡 플레이트(51)는 케이스(40)의 개구를 밀봉하며, 케이스(40)와 동일한 재질로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 캡 플레이트(51)는 케이스(40)와 동일한 극성을 가질 수 있다.
상기 제1 전극 단자(52)는 캡 플레이트(51)의 일측을 관통하여 제1 집전판(20)과 전기적으로 연결된다.
상기 제1 전극 단자(52)는 기둥형으로 형성될 수 있으며, 캡 플레이트(51)의 상부로 노출된 제1 상측 몸체부(52a)와, 캡 플레이트(51)의 하부에 위치하는 제1 하측 몸체부(52b) 및 제1 퓨즈부(52c)를 포함한다.
상기 제1 상측 몸체부(52a)는 케이스(40)의 외측에 위치된 제1 단자 플레이트(55)에 리벳팅 결합되어 제1 전극 단자(52)가 캡 플레이트(51)로부터 빠지지 않도록 돌기부(52a1)가 형성된다.
상기 제1 하측 몸체부(52b)는 케이스(40)의 내측에 위치된 제1 전극판(11)에 연결되고, 제1 전극 단자(52)가 캡 플레이트(51)로부터 빠지지 않도록 플랜지가 형성된다. 또한, 상기 제1 하측 몸체부(52b) 중 플랜지 하부에 위치하는 일부 기둥은 제1 집전판(20)의 제1 단자홀(24)에 끼워진다. 여기서, 상기 제1 전극 단자(52)는 캡 플레이트(51)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 퓨즈부(52c)는 제1 상측 몸체부(52a)와 제1 하측 몸체부(52b)의 사이에 형성된다. 상기 제1 퓨즈부(52c)는 제1 상측 몸체부(52a) 또는 제1 하측 몸체부(52b), 또는 제1 상측 몸체부(52a) 및 제1 하측 몸체부(52b) 중 어느 하나보다 전기 저항이 크도록 두께가 상대적으로 얇게 형성된다. 또한, 상기 제1 퓨즈부(52c)는 제1 상측 몸체부(52a) 또는 제1 하측 몸체부(52b), 또는 제1 상측 몸체부(52a) 및 제1 하측 몸체부(52b) 중 어느 하나보다 전기 저항이 크도록 단면적이 상대적으로 작게 형성된다. 이러한 제1 퓨즈부(52c)의 두께 또는 단면적은 이차 전지(100)의 단락시 요구되는 퓨즈 용량에 따라 달라질 수 있다. 한편, 상기 제1 퓨즈부(52c)는 제1 상측 몸체부(52a) 및 제1 하측 몸체부(52b), 또는 제1 상측 몸체부(52a) 및 제1 하측 몸체부(52b) 중 어느 하나 보다 전기 저항이 크도록 홈이나 홀을 형성할 수도 있다. 이러한 제1 퓨즈부(52c)는 제1 집전판(20)에 형성된 제2 퓨즈부(27)보다 전기 저항이 크도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 퓨즈부(52c)는 제2 퓨즈부(27)보다 전기 저항이 크도록 두께를 얇게 형성하거나, 상대적으로 더 큰 홀 또는 홈을 형성하여 제2 퓨즈부(27)보다 더 작은 퓨즈 용량을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제1 퓨즈부(52c)는, 이차 전지(100)에 단락이 발생하여 큰 전류가 흐르는 경우 발생한 열에 의해 용융되게 하여 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈 기능을 한다. 여기서, 상기 단락은 외부의 이차 전지와의 연결 상태에서 발생되는 고전압 단선이나, 이차 전지(100) 내부의 과충전 등으로 인해 열이 발생하고 전해액이 분해되어 내부 압력이 설정 압력보다 크게 되는 경우, 반전 플레이트(60)와 제2 단자 플레이트(56)를 접촉시킴으로써 유발될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 퓨즈부(52c)는 단락을 이용해 이차 전지(100), 즉 셀 내부에 형성된 제2 퓨즈부(27)보다 더 빨리 용융되어 제1 전극 단자(52)를 분리시키면서 셀 외부에서 불꽃(arching)을 발생시킴으로써, 셀 내부의 제2 퓨즈부(27)가 용융시 발생되는 불꽃으로 인하여 비정상적인 폭발의 위험을 방지할 수 있다.
인서트 몰딩 파트 M은 제1 퓨즈부(52c)를 감싸거나 덮으며, 가스켓(54) 및 전기적 절연 또는 도전성 연결판(59b)에 접촉할 수 있으로써, 인서트 몰딩 파트 M이 외부 충격에 대항하여 제1 퓨즈부(52c)의 강도를 보강할 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)가 원하지 않는 외부 충격에 노출되었을 때, 제1 퓨즈부(52c)가 쉽게 끊어지지 않는다. 인서트 몰딩 파트 M은 수지, 플라스틱, 또는 그 등가물일 수 있으며, 여기서 그 재료들이 한정되지 않는다. 더욱이, 인서트 몰딩 파트 M의 강도는 가스켓(54) 및/또는 전기적 절연 또는 도전성 연결판(59b)의 강도와 같거나 또는 높을 수 있다. 또한, 인서트 몰딩 파트 M은 이하에서 기술되는 모든 실시예에 적용될 수 있다.
상기 제2 전극 단자(53)는 캡 플레이트(51)의 타측을 관통하여 제2 집전판(30)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 전극 단자(53)는 제1 전극 단자(52)와 동일한 형상을 가지므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다. 다만, 상기 제2 전극 단자(53)는 제1 퓨즈부(52c)없이 기둥형으로 형성되고, 캡 플레이트(51)와 절연된다.
상기 가스켓(54)은 절연성 재질로 제1 전극 단자(52) 및 제2 전극 단자(53) 각각과 캡 플레이트(51) 사이에 형성되어 제1 전극 단자(52) 및 제2 전극 단자(53) 각각과 캡 플레이트(51) 사이를 밀봉시킨다. 이러한 가스켓(54)은 외부의 수분이 이차 전지(100)의 내부에 침투하지 못하도록 하거나, 이차 전지(100)의 내부에 수용된 전해액이 외부로 유출되지 못하도록 한다.
상기 제1 단자 플레이트(55)는 제1 전극 단자(52)의 상부 기둥과 리벳팅 결합되어 제1 전극 단자(52)를 캡 플레이트(51)에 고정시킨다.
상기 제2 단자 플레이트(56)는 제2 전극 단자(53)의 상부 기둥과 리벳팅 결합되어 제2 전극 단자(53)를 캡 플레이트(51)에 고정시킨다. 상기 제2 단자 플레이트(56)는 캡 플레이트(51)로부터 이격된 외측, 즉 상부 절연부재(59a) 위에서 제2 전극 단자(53)가 끼워지도록 형성되며, 단락홀(51c)을 덮도록 연장된다. 상기 제2 단자 플레이트(56)는 제2 전극 단자(53)와 전기적으로 연결된다. 이러한 제2 단자 플레이트(56)는 외부의 이차 전지와의 연결 상태에서 발생되는 고전압 단선이나, 이차 전지(100) 내부의 과충전 등으로 인해 열이 발생하고 전해액이 분해되어 내부 압력이 설정 압력보다 크게 될 경우 위로 볼록하게 돌출되는 반전 플레이트(60)와 접촉하여 단락을 유발시킨다. 상기 단락이 유발되면 큰 전류가 흐르게 되고 열이 발생하며, 이때 제1 퓨즈부(52c) 또는 제2 퓨즈부(27)는 퓨즈 기능을 하도록 함으로써, 이차 전지(100)의 안전성을 향상시킨다.
상기 마개(57)는 캡 플레이트(51)의 전해액 주입구(51a)를 밀봉하며, 벤트 플레이트(58)는 캡 플레이트(51)의 벤트홀(51b)에 설치되며 설정된 압력에서 개방될 수 있도록 형성된 노치(58a)를 포함한다.
상기 상부 절연부재(59a)는 제2 전극 단자(53)와 캡 플레이트(51) 사이에 끼워지도록 형성되며, 캡 플레이트(51)와 가스켓(54)에 밀착된다. 이러한 상부 절연부재(59a)는 제2 전극 단자(53)와 캡 플레이트(51)를 절연시킨다.
상기 연결판(59b)은 제1 전극 단자(52)와 캡 플레이트(51) 사이에 끼워지도록 형성되며, 너트(55)를 통해서 캡 플레이트(51)와 가스켓(54)에 밀착된다. 이러한 연결판(59b)은 제1 전극 단자(52)와 캡 플레이트(51)를 전기적으로 연결한다.
상기 반전 플레이트(60)는 캡 플레이트(51)의 단락홀(51c)에서 상부 절연부재(59a)와 캡 플레이트(51) 사이에 배치된다. 상기 반전 플레이트(60)는 아래로 볼록한 라운드부와, 캡 플레이트(51)에 고정된 테두리부를 포함한다. 상기 반전 플레이트(60)는 외부의 이차 전지와의 연결 상태에서 발생되는 고전압 단선이나, 이차 전지(100) 내부의 과충전 등으로 인해 열이 발생하고 전해액이 분해되어 내부 압력이 설정 압력보다 크게 될 경우 반전되어 위로 볼록하게 돌출될 수 있다. 여기서, 상기 반전 플레이트(60)는 캡 플레이트(51)와 동일한 극성을 가진다.
상기 하부 절연부재(61)는 제1 집전판(20) 및 제2 집전판(30) 각각과 캡 플레이트(51) 사이에 형성되어, 불필요한 단락의 발생을 방지한다.
상기와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 제1 퓨즈부(52c) 를 갖는 제1 전극 단자(52)와 제2 퓨즈부(27)를 갖는 제1 집전판(20)을 구비함으로써, 단락 발생시에는 셀 내부의 제2 퓨즈부(27)보다 셀 외부의 제1 전극 단자(52)에 구비된 제1 퓨즈부(52c)를 먼저 동작시켜 단락 발생시 제1 전극 단자(52)를 분리시키면서 셀 내부에서 발생되는 불꽃을 셀 외부에서 발생하도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(100)는 단락 발생시 셀 내부에서 발생되는 비정상적인 파괴를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
다음은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에 대해 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지에서 도 2의 A영역에 대응되는 A'영역을 도시한 확대 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(200)는 도 2에 도시된 이차 전지(100)와 비교하여 제1 전극 단자(52)에 형성된 제1 퓨즈부(52c) 의 길이만 달라질 뿐 동일한 구성을 가지며 동일한 역할을 한다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(200)에서 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고, 제1 전극 단자(252)에 형성된 제1 퓨즈부(252b)에 대하여 중점적으로 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 전극 단자(252)는 퓨즈 기능을 수행하는 제1 퓨즈부(252b)를 구비한다. 보다 구체적으로는, 상기 제1 전극 단자(252)는 전극 몸체부(252a) 및 제1 퓨즈부(252b)를 포함한다. 상기 전극 몸체부(252a)는 캡 플레이트(51)의 외측으로 돌출되어 제1 단자 플레이트(255)에 결합된다. 상기 전극 몸체부(252a)는 제1 단자 플레이트(255)에 리벳팅 결합되나, 본 발명에서는 이를 한정하는 것은 아니다. 상기 전극 몸체부(252a)는 상부 양측부에 제1 단자 플레이트(255)에 리벳팅 결합시 제1 전극 단자(252)가 캡 플레이트(51)로부터 빠지지 않도록 돌기부(252a1)가 형성된다. 상기 제1 퓨즈부(252b)는 전극 몸체부(252a)의 일단(즉, 하단)으로부터 케이스(40)의 내측방향으로 연장 형성된다. 여기서, 상기 제1 퓨즈부(252b)는 전극 몸체부(252a)보다 전기 저항이 크도록 두께가 얇게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 퓨즈부(252b)는 전극 몸체부(252a)보다 전기 저항이 크도록 단면적이 작게 형성될 수 있다. 상기 제1 퓨즈부(252b)의 두께 또는 단면적은 이차 전지(200)의 단락시 요구되는 퓨즈 용량에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 제1 퓨즈부(252b)는 제1 집전판(20)에 형성된 제2 퓨즈부(27)보다 전기 저항이 크도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 퓨즈부(252b)는 제2 퓨즈부(27)보다 전기 저항이 크도록 두께를 얇게 형성하거나, 상대적으로 더 큰 홀 또는 홈을 형성하여 제2 퓨즈부(27)보다 더 작은 퓨즈 용량을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제1 퓨즈부(252b)는, 이차 전지(200)에 단락이 발생하여 큰 전류가 흐르는 경우 발생한 열에 의해 용융되게 하여 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈 기능을 한다. 여기서, 상기 단락은 외부의 이차 전지와의 연결 상태에서 발생되는 고전압 단선이나, 이차 전지(100) 내부의 과충전 등으로 인해 열이 발생하고 전해액이 분해되어 내부 압력이 설정 압력보다 크게 되는 경우, 반전 플레이트(60)와 제2 단자 플레이트(56)를 접촉시킴으로써 유발될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 퓨즈부(252b)는 단락을 이용해 이차 전지(100), 즉 셀 내부에 형성된 제2 퓨즈부(27)보다 더 빨리 용융되어 전류를 차단함으로써, 셀 내부의 제2 퓨즈부(27)에서 용융시 발생되는 불꽃을 방지하고, 이로 인한 비정상적인 폭발의 위험을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지(300)는 도 2에 도시된 이차 전지(100)와 비교하여 제1 전극 단자(52)에 형성된 제1 퓨즈부(52c)가 제2 전극 단자(53)에 형성되고, 제1 집전판(20)에 제2 퓨즈부(27)가 형성되지 않는 것만 달라질 뿐 동일한 구성을 가지며 동일한 역할을 한다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(300)에서 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고, 제2 전극 단자(53)에 형성된 제1 퓨즈부(53c) 에 대하여 중점적으로 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(300)는 전극 조립체(10), 제1 집전판(20), 제2 집전판(30), 케이스(40) 및 캡 조립체(50)를 포함한다.
상기 캡 조립체(50)는 케이스(40) 외측으로 돌출되어 제1 단자 플레이트(55) 및 제2 단자 플레이트(56)에 결합된 제1 전극 단자(52) 및 제2 전극 단자(53)를 포함한다.
상기 제2 전극 단자(53)는 캡 플레이트(51)의 타측을 관통하여 제2 집전판(30)과 전기적으로 연결된다.
상기 제2 전극 단자(53)는 기둥형으로 형성될 수 있으며, 캡 플레이트(51)의 상부로 노출된 제2 상측 몸체부(53a)와, 캡 플레이트(51)의 하부에 위치하는 제2 하측 몸체부(53b) 및 제1 퓨즈부(53c)를 포함한다.
상기 제2 상측 몸체부(53a)는 케이스(40)의 외측에 위치된 제2 단자 플레이트(56)에 리벳팅 결합되어 제2 전극 단자(53)가 캡 플레이트(51)로부터 빠지지 않도록 돌기부(53a1)가 형성된다.
상기 제2 하측 몸체부(53b)는 케이스(40)의 내측에 위치된 제2 전극판(12)에 연결되고, 제2 전극 단자(53)가 캡 플레이트(51)로부터 빠지지 않도록 플랜지가 형성된다. 또한, 상기 제2 하측 몸체부(53b) 중 플랜지 하부에 위치하는 일부 기둥은 제2 집전판(30)의 제2 단자홀(34)에 끼워진다. 여기서, 상기 제2 전극 단자(53)는 캡 플레이트(51)와 절연된다.
*상기 제1 퓨즈부(53c)는 제2 상측 몸체부(53a)와 제2 하측 몸체부(53b)의 사이에 형성된다. 상기 제1 퓨즈부(53c)는 제2 상측 몸체부(53a) 및 제2 하측 몸체부(53b), 또는 제2 상측 몸체부(53a) 및 제2 하측 몸체부(53b) 중 어느 하나보다 전기 저항이 크도록 두께가 상대적으로 얇게 형성된다. 또한, 상기 제1 퓨즈부(53c)는 제2 상측 몸체부(53a) 및 제2 하측 몸체부(53b), 또는 제2 상측 몸체부(53a) 및 제2 하측 몸체부(53b) 중 어느 하나보다 전기 저항이 크도록 단면적이 상대적으로 작게 형성된다. 이러한 제1 퓨즈부(53c)의 두께 또는 단면적은 이차 전지(100)의 단락시 요구되는 퓨즈 용량에 따라 달라질 수 있다. 한편, 상기 제1 퓨즈부(53c)는 제2 상측 몸체부(53a) 및 제2 하측 몸체부(53b), 또는 제2 상측 몸체부(53a) 및 제2 하측 몸체부(53b) 중 어느 하나 보다 전기 저항이 크도록 홈이나 홀을 형성할 수도 있다. 또한, 상기 제1 퓨즈부(53c)는 제2 상측 몸체부(53a) 및 제2 하측 몸체부(53b)보다 전기 저항이 큰 다른 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 퓨즈부(53c)는 제2 상측 몸체부(53a) 및 제2 하측 몸체부(53b)를 구성하는 구리보다 전기 저항이 큰 물질로 구성된 클래드 메탈로 형성될 수 있다.
상기 제1 퓨즈부(53c)는, 이차 전지(100)에 단락이 발생하여 큰 전류가 흐르는 경우 발생한 열에 의해 용융되게 하여 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈 기능을 한다. 여기서, 상기 단락은 외부의 이차 전지와의 연결 상태에서 발생되는 고전압 단선이나, 이차 전지(100) 내부의 과충전 등으로 인해 열이 발생하고 전해액이 분해되어 내부 압력이 설정 압력보다 크게 되는 경우, 반전 플레이트(60)와 제2 단자 플레이트(56)를 접촉시킴으로써 유발될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 퓨즈부(53c)는 단락을 이용해 이차 전지(300), 즉 제2 전극 단자(53)를 분리시키면서 셀 외부에서 불꽃(arching)을 발생시킴으로써, 셀 내부의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도 및 단면도이다.
여기서, 도 7a 내지 도 7b에 도시된 이차 전지(300)는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 등에 적용된 것이다. 따라서, 기본적인 구조는 상술한 구조와 동일 또는 유사하므로, 이하에서는 그 차이점만을 설명하기로 한다.
도 7a 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)의 제1 전극판(11) 및 제2 전극판(12)에 각각 연결된 제1 전극탭(17) 및 제2 전극탭(19)은 캡 플레이트(51)와 전극 조립체(10)의 사이에 위치되며, 제1 전극 리드(17a) 및 제2 전극 리드(19a)를 통하여 각각 제1 전극 단자(352) 및 제2 전극 단자(253)와 전기적으로 연결되어 있다.
상기 제1 전극 단자(352)는 캡 플레이트(51)의 상부로 노출된 제1 상측 몸체부(352a)와, 캡 플레이트(51)의 하부에 위치하는 제1 하측 몸체부(352b) 및 제1 퓨즈부(352c)를 포함한다. 상기 제1 퓨즈부(352c)는 제1 상측 몸체부(352a) 또는 제1 하측 몸체부(352b), 또는 제1 상측 몸체부(352a) 및 제1 하측 몸체부(352b) 중 어느 하나보다 전기 저항이 크도록 두께가 상대적으로 얇게 형성된다. 또한, 상기 제1 퓨즈부(352c)는 제1 상측 몸체부(352a) 또는 제1 하측 몸체부(352b), 또는 제1 상측 몸체부(352a) 및 제1 하측 몸체부(352b) 중 어느 하나보다 전기 저항이 크도록 단면적이 상대적으로 작게 형성된다. 상기 제1 퓨즈부(352c)는, 이차 전지(300)에 단락이 발생하여 큰 전류가 흐르는 경우 발생한 열에 의해 용융되게 하여 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈 기능을 한다. 이에 따라, 상기 제1 퓨즈부(352c)는 단락을 이용해 신속하게 용융되어 제1 전극 단자(352)를 분리시키면서 셀 외부에서 불꽃(arching)을 발생시킴으로써, 셀 내부의 비정상적인 폭발의 위험을 방지할 수 있다.
상기 제2 전극 단자(353)는 제1 전극 단자(352)와 동일한 형상을 가지므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다. 다만, 상기 제2 전극 단자(353)는 제1 전극 단자(352)의 제1 퓨즈부(352c)가 형성되지 않을 수 있다.
한편, 이러한 전기 자동차용 이차 전지(300)는 이차 전지의 관통이나 압괴 시 캡 플레이트(51) 및 케이스(40)가 극성을 갖지 않아야 안전하기 때문에, 제1 전극 단자(352) 및 제2 전극 단자(353)는 캡 플레이트(51)로부터 절연될 수 있다. 이를 위해, 제1 전극 단자(352) 및 제2 전극 단자(353)는 가스켓(54)에 의해 캡 플레이트(51)로부터 전기적으로 절연될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
10: 전극 조립체 17: 제1 전극탭
17a: 제1 전극 리드 19: 제2 전극탭
19a: 제2 전극 리드 20: 제1 집전판
25: 퓨즈홀 26: 퓨즈 돌기
27: 제2 퓨즈부 30: 제2 집전판
40: 케이스 50: 캡 조립체
51: 캡 플레이트 52, 252, 352: 제1 전극 단자
52a, 352a: 제1 상측 몸체부 52b, 352b: 제1 하측 몸체부
52c, 53c, 252b, 352c: 제1 퓨즈부 53, 353: 제2 전극 단자
53a: 제2 상측 몸체부 53b: 제1 하측 몸체부
54: 가스켓 55, 255: 제1 단자 플레이트
56: 제2 단자 플레이트 57: 마개
58: 벤트 플레이트 59a: 상부 절연부재
59b: 연결판 60: 반전 플레이트
61: 하부 절연부재 100, 200, 300: 이차 전지
252a: 전극몸체부

Claims (20)

  1. 제1 전극판, 제2 전극판, 및 상기 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 제1 전극판 및 제2 전극판에 전기적으로 연결되고, 상기 케이스의 외측으로 돌출되는 제1 전극단자 및 제2 전극단자;를 구비하고,
    상기 제1 전극 단자 및 제2 전극 단자 중 어느 하나에 퓨즈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 단자는
    상기 케이스의 외측에 위치된 제1 단자 플레이트에 결합되는 제1 상측 몸체부;
    상기 케이스의 내측에 위치된 제1 전극판에 연결되는 제1 하측 몸체부; 및
    상기 제1 상측 몸체부와 제1 하측 몸체부 사이에 형성되는 제1 퓨즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 퓨즈부는 상기 제1 상측 몸체부 및 제1 하측 몸체부 보다 큰 전기 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 퓨즈부는 상기 제1 상측 몸체부 또는 제1 하측 몸체부, 또는 상기 제1 상측 몸체부 및 제1 하측 몸체부 중 어느 하나보다 작은 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 퓨즈부는 상기 제1 상측 몸체부 또는 제1 하측 몸체부, 또는 상기 제1 상측 몸체부 및 제1 하측 몸체부 중 어느 하나보다 얇은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극단자는 상기 케이스의 외측으로 돌출되는 전극몸체부; 및
    상기 전극몸체부의 일단으로부터 상기 케이스의 내측방향으로 연장 형성되는 제1 퓨즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극 단자는
    상기 케이스의 외측에 위치된 제2 단자 플레이트에 결합되는 제2 상측 몸체부;
    상기 케이스의 내측에 위치된 제2 전극판에 연결되는 제2 하측 몸체부; 및
    상기 제2 상측 몸체부와 제2 하측 몸체부 사이에 형성되는 제2 퓨즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 퓨즈부는 상기 제2 상측 몸체부 또는 제2 하측 몸체부 보다 큰 전기 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 퓨즈부는 상기 제2 상측 몸체부 또는 제2 하측 몸체부, 또는 상기 제2 상측 몸체부 및 제2 하측 몸체부 중 어느 하나보다 작은 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 퓨즈부는 상기 제2 상측 몸체부 또는 제2 하측 몸체부, 또는 상기 제2 상측 몸체부 및 제2 하측 몸체부 중 어느 하나보다 얇은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전극 조립체의 양측에는 상기 제1 전극판 및 제2 전극판과 상기 제1 전극단자 및 제2 전극단자를 전기적으로 연결하는 제1 집전판 및 제2 집전판을 더 구비하되, 상기 제1 집전판에는 제3 퓨즈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 집전판은
    상기 제1 전극 단자와 결합되는 연결부; 및
    상기 연결부로부터 연장되고 상기 제1 전극판과 결합되는 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 퓨즈부는 상기 제1 전극 단자와 이격되도록 상기 연결부에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 퓨즈부는 상기 제3 퓨즈부보다 전기 저항이 크도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 케이스를 밀봉하며 단락홀을 가지는 캡 플레이트를 포함하는 캡 조립체를 더 포함하고,
    상기 캡 조립체는 상기 단락홀에 형성되는 반전 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 퓨즈부는 상기 제1 전극 단자의 길이방향으로의 높이가 상기 캡 플레이트의 두께보다 같거나 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 반전 플레이트는
    아래로 볼록한 라운드부; 및
    상기 캡 플레이트에 고정되는 테두리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 반전 플레이트는 상기 이차 전지의 내부 압력이 설정 압력보다 커지면 반전되어 상기 제2 단자플레이트에 접촉되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 반전 플레이트는 상기 제2 전극판과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이차 전지.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 퓨즈부는 인서트 몰딩 파트에 의해 감싸여진 것을 특징으로 하는 이차 전지.
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