KR20160104381A - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

이차 전지가 개시된다. 이차 전지는, 제1 전극과 제2 전극을 구비하는 전극 조립체와, 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자와, 전극 조립체를 수납하는 케이스와, 케이스의 개구에 설치되어 케이스를 밀폐하도록 설치되며 케이스의 내부 압력이 배출되는 벤트홀과 벤트홀을 밀폐하는 벤트 플레이트가 설치되는 캡 플레이트와, 일단은 전극 조립체에 전기적으로 연결되며 타단은 케이스의 내부에서 벤트홀 방향으로 연장되는 단락부재를 포함한다. 여기서 단락부재는, 내부 압력의 배출시에 변형되어 벤트홀의 외부로 인출될 수 잇다.

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 벤트홀의 개방시 단락되는 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 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.
대표적인 이차 전지에는 니켈 카드뮴(Ni Cd)전지와 니켈 수소(Ni MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li ion) 이차 전지 등이 있다. 특히, 리튬 이온 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈 카드뮴 전지나, 니켈 수소 전지보다 작동 전압이 약 3배나 높다. 또한, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다.
이러한 이차 전지는 내부 압력의 이상 발생시에 폭발 등이 발생되는 것을 방지하기 위해, 전류차단소자(CID, Current interrupt Device) 등이 설치된다.
그러나 전술한 전류차단소자 등의 안전장치를 부품 가격이 비싸고, 구조가 복잡하여 오작동이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 내부 압력의 이상 발생에 의해 벤트홀이 개방되는 경우 캡 플레이트와 접촉하여 단락되는 단락부재가 설치된 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 전극과 제2 전극을 구비하는 전극 조립체와, 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자와, 전극 조립체를 수납하는 케이스와, 케이스의 개구에 설치되어 케이스를 밀폐하도록 설치되며 케이스의 내부 압력이 배출되는 벤트홀과 벤트홀을 밀폐하는 벤트 플레이트가 설치되는 캡 플레이트와, 일단은 전극 조립체에 전기적으로 연결되며 타단은 케이스의 내부에서 벤트홀 방향으로 연장되는 단락부재를 포함한다.
단락부재는, 내부 압력의 배출시에 변형되어 벤트홀의 외부로 인출될 수 잇다.
단락부재는, 내부 압력의 배출시에 상기 벤트홀을 통과하여 캡 플레이트의 표면에 접촉되는 가요성 재질일 수 있다.
단락부재는, 벤트홀의 개방시 케이스의 외표면에 전기적으로 접촉되는 전도성 재질일 수 있다.
단락부재는 플레이트 형상으로 케이스의 내부에 형성될 수 있다.
단락부재는, 벤트홀의 개방된 폭보다 작은 크기의 폭을 가질수 있다.
단락부재는, 벤트홀에 접촉하는 부분의 두께가 전극 조립체에 연결되는 부분 보다 작은 두께로 형성될 수 있다.
단락부재는, 벤트홀에 접촉하는 부분에 오목부가 형성될 수 있다.
단락부재와 대면하는 캡 플레이트의 내부 표면에 부착되는 절연시트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차 전지의 내부 압력이 비정상적으로 상승되면, 단락부재가 벤트홀을 통과하여 내부 압력과 함께 캡 플레이트의 외부로 인출된다. 여기서 단락부재는 일부분이 캡 플레이트의 표면에 전기적으로 접촉되어 단락되어 이차 전지의 폭발 등의 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
도 3은 도 2의 이차 전지의 내부에 단락부재가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 4는 도 1의 이차 전지의 벤트홀의 하부에서 단락부재가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 요부 사시도이다.
도 5는 이차 전지의 내부에 설치된 단락부재가 벤트홀 방향으로 일부 변형된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 단락부재가 변형되어 벤트홀을 통과하여 캡 플레이트의 외측으로 인출된 상태를 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 7은 단락부재가 벤트홀을 통과한 상태에서 캡 플레이트의 표면에 전기적으로 접촉된 상태를 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 8은 도 7의 단락부재가 캡 플레이트에 접촉된 상태를 개략적으로 도시한 요부 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 요부 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 요부 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 이차 전지의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 잘라서 본 단면도이고, 도 3은 도 2의 이차 전지의 내부에 단락부재가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되는 전극 단자(21, 22)와, 전극 조립체(10)를 수납하는 케이스(15)와, 케이스(15)의 개구에 설치되며 케이스(15)의 내부 압력이 배출되는 벤트홀(24)이 형성된 캡 플레이트(20)와, 일단은 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결되며 타단은 케이스(15)의 내부에서 벤트홀(24) 방향으로 연장되는 단락부재(30)를 포함한다.
예를 들면, 전극 조립체(10)는 절연체인 세퍼레이터(13)의 양면에 제1 전극(이하, "음극"이라 한다)(11)과 제2 전극(이하, "양극"이라 한다)(12)을 배치하고, 음극(11), 세퍼레이터(13) 및 양극(12)을 젤리롤 상태로 귄취하여 형성된다.
음극(11) 및 양극(12)은, 각각 금속판의 집전체에 활물질을 도포한 코팅부(11a, 12a), 및 활물질을 도포하지 않아서 노출된 집전체로 형성되는 무지부(11b, 12b)를 포함한다.
음극(11)의 무지부(11b)는 권취되는 음극(11)을 따라 음극(11)의 한 쪽 단부에 형성된다. 양극(12)의 무지부(12b)는 권취되는 양극(12)을 따라 양극(12)의 한 쪽 단부에 형성된다. 따라서 무지부들(11b, 12b)은 전극 조립체(10)의 양단에 각각 배치된다.
예를 들면, 케이스(15)는 내부에 전극 조립체(10)와 전해액을 수용하는 공간을 설정하도록 대략 직육면체로 이루어지며, 외부와 내부 공간을 연결하는 개구를 직육면체의 일면에 형성한다. 개구는 전극 조립체(10)를 케이스(15)의 내부로 삽입할 수 있게 한다.
캡 플레이트(20)는 케이스(15)의 개구에 설치됨으로써 케이스(15)를 밀폐한다. 예를 들면, 케이스(15)와 캡 플레이트(20)는 알루미늄으로 형성되어 서로 용접될 수 있다.
또한, 캡 플레이트(20)는 전해액 주입구(29)와 벤트 홀(24) 및 단자홀(H1, H2)을 구비한다. 전해액 주입구(29)는 케이스(15)에 캡 플레이트(20)를 결합한 후, 케이스(15)의 내부로 전해액을 주입할 수 있게 한다. 전해액 주입 후, 전해액 주입구(29)는 밀봉 마개(27)로 밀봉된다.
벤트 홀(24)은 이차 전지(100)의 내부 압력을 배출할 수 있도록 벤트 플레이트(25)로 밀폐된다. 이차 전지(100)의 내부 압력이 설정 압력에 이르면, 벤트 플레이트(25)가 절개되어 벤트 홀(24)을 개방한다. 벤트 플레이트(25)는 절개를 유도하는 노치홈(25a)을 가질 수 있다.
전극 단자(21, 22)는 음극 단자(21) 및 양극 단자(22)로 구성되는 것으로서, 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2)에 설치되고 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결된다.
즉, 음극 단자(21)는 전극 조립체(10)의 음극(11)에 전기적으로 연결되고, 양극 단자(22)는 전극 조립체(10)의 양극(12)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 전극 조립체(10)는 음극 단자(21) 및 양극 단자(22)를 통하여 케이스(15)의 외부로 인출될 수 있다.
한편, 케이스(15)의 내부에는 단락부재(30)가 설치된다. 단락부재(30)는 케이스(15)의 내부 압력이 비정상 압력일 경우에 단락되어, 이차 전지(100)의 손상을 방지하기 위한 것이다. 이에 대해서는 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 도 1의 이차 전지의 벤트홀의 하부에서 단락부재가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 요부 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 단락부재(30)는 일단은 케이스(15)의 내부에서 전극 조립체(10)에 전기적으로 연결된다. 그리고 단락부재(30)의 타단은 케이스(15)의 내부에서 벤트홀(24) 방향으로 긴 길이를 갖도록 연장될 수 있다.
즉, 단락부재(30)는 케이스(15)의 내부에서 캡 플레이트(20)의 내벽면과 이격된 위치에서 벤트홀(24)을 가로지르는 긴 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
단락부재(30)는 케이스(15)의 내부에서 캡 플레이트(20)의 내벽면과 대면하는 부분이 편평면을 갖는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 단락부재(30)가 플레이트 형상으로 형성되는 것은, 이차 전지(100)의 내부 압력이 비정상으로 높아진 상태에서 단락부재(30)의 표면이 벤트홀(24)을 통과하여 캡 플레이트(20)의 표면에 접촉 단락됨으로써, 이차 전지(100)에 폭발 등의 손상이 방지되도록 하기 위한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 단락부재(30)의 폭(A)은 벤트홀(24)의 폭(B) 보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 이는 단락부재(30)가 벤트홀(24)을 통해 캡 플레이트(20)의 외측으로 인출되는 과정에서 벤트홀(24)에 간섭되지 않고 안정적으로 인출되도록 하기 위한 것이다.
한편, 이차 전지(100)는 내부 압력이 설정 압력을 초과하면, 내부 압력에 의해 벤트 플레이트(25)가 절개되어 벤트홀(24)이 개방된다. 여기서, 단락부재(30)는 이차 전지(100) 내부의 비정상 압력이 벤트홀(24)을 통해 배출되는 과정에서 벤트홀(24) 방향으로 함께 변형된다.
도 5는 이차 전지의 내부에 설치된 단락부재가 벤트홀 방향으로 일부 변형된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 단락부재(30)는 이차 전지(100)의 내부 압력이 벤트홀(24)을 통해 배출되는 과정에서 일부분이 벤트홀(24) 방향으로 굴곡되면서 변형될 수 있다. 이를 위해 단락부재(30)는 내부 압력의 작용에 의해 형상의 변형이 용이한 가요성 재질로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 단락부재(30)는 구리 또는 알루미늄 재질의 금속 시트 형상으로 형성되는 것이 가능하다.
도 6은 도 5의 단락부재가 변형되어 벤트홀의 외부로 인출된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 단락부재(30)는 이차 전지(100)의 내부 압력이 증가되어 벤트홀(24)이 개방되면, 내부 압력의 배출 작용에 의해 벤트홀(24) 방향으로 형상이 변형된다.
도 7은 도 6의 단락부재가 더욱 변형되어 캡 플레이트의 표면에 접촉된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 8은 도 7의 단락부재가 캡 플레이트에 접촉된 상태를 개략적으로 도시한 요부 사시도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 단락부재(30)는 내부 압력이 벤트홀(24)을 통해 더욱 배출되면, 벤트홀(24)을 통해 외부로 인출된 상태에서 일부분이 캡 플레이트(20)의 표면에 전기적으로 접촉될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 이차 전지(100)는 내부 압력이 비정상적으로 상승되면, 상승된 내부 압력은 벤트홀(24)을 통과하여 배출된다. 이때, 단락부재(30)는 벤트홀(24)을 통과하여 내부 압력과 함께 캡 플레이트(20)의 외부로 인출되어, 일부분이 캡 플레이트(20)의 표면에 전기적으로 접촉되어 단락될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)의 과도한 압력 상승이 발생되면 단락부재(30)의 단락 작용이 발생되어, 폭발 등의 손상이 발생되는 것을 방지하는 것이 가능하다.
한편, 전극 단자(21, 22)는 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2)에 설치되어 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결되는 리벳 터미널(21a, 22a)을 포함할 수 있다.
리벳 터미널(21a)은 일단은 케이스(15)의 내부에서 전극 조립체(10)에 용접 등에 의해 전기적으로 연결된다. 그리고, 리벳 터미널(21a)의 타단은 단자홀(H1, H2)의 외부로 돌출될 수 있다.
음, 양극 개스킷(36, 37)은 음, 양극 단자(21, 22)의 리벳 터미널(21a, 22a)과 캡 플레이트(20)의 단자홀(H1, H2) 내면 사이에 각각 설치되어, 음, 양극 단자(21, 22)의 리벳 터미널(21a, 22a)과 캡 플레이트(20) 사이를 실링하고 전기적으로 절연한다.
음, 양극 집전 탭(51, 52)은 음, 양극 단자(21, 22)를 전극 조립체(10)의 음, 양극(11, 12)에 각각 전기적으로 연결한다. 즉 음, 양극 집전 탭(51, 52)을 리벳 터미널(21a, 22a)의 하단에 결합하여 하단을 코킹(caulking)함으로써, 음, 양극 집전 탭(51, 52)은 플랜지(21b, 22b)에 지지되면서 리벳 터미널(21a, 22a)의 하단에 연결된다.
하부 절연부재(53, 54)는 음, 양극 집전 탭(51, 52)과 캡 플레이트(20) 사이에 각각 설치되어, 음, 양극 집전 탭(51, 52)과 캡 플레이트(20)를 전기적으로 절연시킨다. 또한 하부 절연부재(53, 54)는 일측으로 캡 플레이트(20)에 결합되고, 다른 일측으로 음, 양극 집전 탭(51, 52)과 리벳 터미널(21a, 22a) 및 플랜지(21b, 22b)를 감싸므로 이들의 연결 구조를 안정시킨다.
음극 단자(21) 및 양극 단자(22) 측의 상부 절연부재(31, 32)는 음, 양극 단자(21, 22)와 캡 플레이트(20)의 사이를 전기적으로 절연시킨다.
이러한 상부 절연부재(31, 32)는 음, 양극 단자(21, 22)와 캡 플레이트(20) 사이에 개재되고 리벳 터미널(21a, 22a)을 관통시킨다. 따라서 상부 절연부재(31)를 리벳 터미널(21a)의 상단에 결합하여 상단을 코킹함으로써, 상부 절연부재(31, 32)는 리벳 터미널(21a, 22a)의 상단에 결합될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 요부 단면도이다. 도 1 내지 도 8과 동일 참조 번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지(200)는, 케이스(15)의 내부에서 캡 플레이트(20)의 표면에 절연시트(110)가 부착된다.
절연시트(110)는 케이스(15)의 내부에서 단락부재(30)가 비정상 접촉되어 단락이 발생되는 것을 방지하도록 캡 플레이트(20)의 표면에 부착될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)에 외력이 가해지거나 과도하게 흔들리는 경우에도 단락부재(30)가 캡 플레이트(20)가 비정상으로 접촉되지 않도록 하여, 이차 전지(200)의 안정성을 향상시키는 것이 가능하다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 요부 단면도이다. 도 1 내지 도 9와 동일 참조 번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지(300)는, 단락부재(230)에서 벤트홀(24)의 개구된 가장자리와 접촉하는 제1 부분(231)의 두께가 전극 조립체(10)에 연결되는 제2 부분(233)의 두께 보다 작은 두께로 형성된다.
단락부재(230)의 제1 부분(231)은 끝단으로부터 전극 조립체(10)에 연결되는 부분으로, 전체 길이의 절반 이상의 길이 부분으로 형성될 수 있다. 여기서, 단락부재(230)의 제1 부분(231)의 두께는 제2 부분(233)의 두께의 1/2 이하로 형성되는 것이 가능하다.
따라서, 단락부재(230)가 벤트홀(24)의 외부로 인출되는 과정에서, 제2 부분(233)의 형상 변형이 보다 용이하게 이루어지는 바, 단락부재(230)가 벤트홀(24)의 외부로 안정적으로 인출될 수 있다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 요부 단면도이다. 도 1 내지 도 10과 동일 참조 번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지(400)는, 단락부재(330)에서 캡 플레이트(20)에 대면하는 표면에 오목부(331)가 형성된다.
오목부(331)는 단락부재(30)의 표면에 형성되어, 단락부재(30)가 벤트홀(24)의 외부로 인출되는 형상 변형을 보다 용이하도록 할 수 있다. 따라서, 단락부재(30)는 이차 전지(100)의 내부 압력의 비정상 상태에서. 벤트홀(24)의 외부로 안정적으로 인출되어 캡 플레이트(20)의 표면에 접촉되어 단락되는 것이 가능하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10...전극 조립체 11...음극
11...음극 11b..무지부
12...양극 12b..무지부
15...케이스 20...캡 플레이트
21...음극 단자 21a, 22a..리벳 터미널
22...양극 단자 24...벤트홀
25...벤트 플레이트 27...밀봉 마개
29...전해액 주입구 30...단락부재
51...음극 집전 탭 52...양극 집전 탭
53, 54..하부 절연부재 110..절연시트
331..오목부

Claims (8)

  1. 제1 전극과 제2 전극을 구비하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자;
    상기 전극 조립체를 수납하는 케이스;
    상기 케이스의 개구에 설치되어 상기 케이스를 밀폐하도록 설치되며 상기 케이스의 내부 압력이 배출되는 벤트홀과 상기 벤트홀을 밀폐하는 벤트 플레이트가 설치되는 캡 플레이트; 및
    일단은 상기 전극 조립체에 전기적으로 연결되며, 타단은 상기 케이스의 내부에서 상기 벤트홀 방향으로 연장되는 단락부재;
    를 포함하고,
    상기 단락부재는, 상기 내부 압력의 배출시에 변형되어 상기 벤트홀의 외부로 인출되는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락부재는, 상기 내부 압력의 배출시에 상기 벤트홀을 통과하여 상기 캡 플레이트의 표면에 접촉되는 가요성 재질인 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단락부재는, 상기 벤트홀의 개방시 상기 케이스의 외표면에 전기적으로 접촉되는 전도성 재질인 이차 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단락부재는 플레이트 형상으로 상기 케이스의 내부에 형성되는 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단락부재는, 상기 벤트홀의 개방된 폭보다 작은 크기의 폭을 갖는 이차 전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단락부재는, 상기 벤트홀에 접촉하는 부분의 두께가 상기 전극 조립체에 연결되는 부분 보다 작은 두께로 형성되는 이차 전지.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 단락부재는, 상기 벤트홀에 접촉하는 부분에 오목부가 형성되는 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단락부재와 대면하는 상기 캡 플레이트의 내부 표면에 부착되는 절연시트를 더 포함하는 이차 전지.
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