KR20160120575A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20160120575A
KR20160120575A KR1020150049809A KR20150049809A KR20160120575A KR 20160120575 A KR20160120575 A KR 20160120575A KR 1020150049809 A KR1020150049809 A KR 1020150049809A KR 20150049809 A KR20150049809 A KR 20150049809A KR 20160120575 A KR20160120575 A KR 20160120575A
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electrode
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electrode assembly
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cap plate
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KR1020150049809A
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한민열
김재경
윤해권
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

이차 전지가 개시된다. 이차 전지는, 세터레이터를 사이에 두고 제1 전극과 제2 전극을 구비하는 전극 조립체와, 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자와, 전극 조립체를 수납하는 케이스와, 케이스의 개구에 설치되어 케이스를 밀폐하며, 벤트홀이 형성된 캡 플레이트를 포함하고, 전극 조립체에는 벤트홀 방향으로 파단홈이 형성된다.

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 전극 조립체의 파열 방향을 유도하는 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 압력이 설정 압력을 초과하는 경우, 전극 조립체의 팽창이 발생되어 비정상적인 폭발 등이 발생되어 손상이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 전극 조립체의 팽창이 발생되는 경우 파열되는 방향을 설정된 방향으로 유도하여 폭발 등이 발생되는 것을 방지하는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예는, 세터레이터를 사이에 두고 제1 전극과 제2 전극을 구비하는 전극 조립체와, 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자와, 전극 조립체를 수납하는 케이스와, 케이스의 개구에 설치되어 케이스를 밀폐하며, 벤트홀이 형성된 캡 플레이트를 포함하고, 전극 조립체에는 벤트홀 방향으로 파단홈이 형성된다.
파단홈은 전극 조립체에서 캡 플레이트의 내부 표면에 대면하는 측면에 형성될 수 있다.
파단홈은 세터레이터와 제1 전극과 제2 전극 중의 적어도 하나 이상에 형성될 수 있다.
파단홈은 세터레이터와 제1 전극과 제2 전극 중의 적어도 2개 이상에 형성될 수 있다.
파단홈은, 세퍼레이터에 형성되는 제1 홈과, 제1 전극에 형성되는 제2 홈과, 제2 전극에 형성되는 제3 홈을 포함할 수 있다.
제1 홈과 제2 홈 및 제3 홈은 전극 조립체의 높이 방향으로 연직선 상에 형성될 수 있다.
제1 홈은 전극 조립체의 최외각에 형성되고, 제3 홈은 상기 전극 조립체의 내부에 형성될 수 있다.
제1 홈의 폭은 제3 홈의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
제1 홈은 적어도 2개 이상의 열로 상기 전극 조립체의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다.
파단홈은 실선 형상으로 상기 전극 조립체에 형성될 수 있다.
파단홈은 점선 형상으로 상기 전극 조립체에 형성될 수 있다.
파단홈은, 세터레이터와 제1 전극 및 제2 전극의 두께의 10% 이하의 깊이로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이차 전지의 이상 발생시 설정된 방향으로 전극 조립체가 안정적으로 파열되는 것이 가능하여, 이차 전지의 폭발 등이 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 전극 조립체에 파단홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 전극 조립체가 펼쳐진 상태에서 세퍼레이터와 제1 전극과 제2 전극에 파단홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 조립체에 파단홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전극 조립체가 펼쳐진 상태에서 파단홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
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 단면도이며, 도 3은 전극 조립체에 파단홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지(100)는, 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 제1 전극(11)과 제2 전극(12)을 구비하며 파단홈(14)이 형성된 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 설치되어 케이스(15)를 밀폐하며 벤트홀(24)이 형성된 캡 플레이트(20)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.
한편, 전극 조립체(10)에는 파단홈(14)이 형성된다.
도 4는 도 3의 전극 조립체가 펼쳐진 상태에서 세퍼레이터와 제1 전극과 제2 전극에 파단홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 파단홈(14)은 이차 전지(100)의 내부에서 전극 조립체(10)의 길이 방향을 따라 형성된다.
이와 같이, 파단홈(14)이 전극 조립체(10)에 형성되는 것은, 전극 조립체(10)의 이상 발열 등이 발생되어 가스가 분출되는 경우, 전극 조립체(10)의 파열 방향을 유도하기 위한 것이다. 이에 대해서는 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.
파단홈(14)은 전극 조립체(10)에서 캡 플레이트(20)의 내부 표면에 대면하는 측면에 형성될 수 있다. 이러한 파단홈(14)은, 제1 전극(11)과 세퍼레이터(13)와 제2 전극(12)의 적어도 하나 이상에 형성될 수 있다.
즉, 파단홈(14)은 전극 조립체(10)가 일정 부피 이상으로 팽창시에 파열되는 방향을 유도하는 것으로서, 본 실시예에서는 제1 전극(11)과 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)에 각각 형성되는 것을 예시적으로 설명한다. 물론, 파단홈(14)은, 제1 전극(11)과 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)의 어느 하나 또는 선택된 2개에 각각 형성되는 것도 가능하다.
본 실시예에서, 세퍼레이터(13)는 전극 조립체(10)에 권취된 상태에서 캡 플레이트(20)의 내벽면에 대면하는 부분에 배치될 수 있다. 아울러, 세퍼레이터(13)의 하부에는 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 각각 배치된 상태로 권취될 수 있다.
여기서, 파단홈(14)은 세퍼레이터(13)에 형성되는 제1 홈(13c)과, 제1 전극(11)에 형성되는 제2 홈(11c) 및 제2 전극(12)에 형성되는 제3 홈(12c)을 포함할 수 있다.
제1 홈(13c)은 전극 조립체(10)에서 캡 플레이트(20)와 대면하는 위치에서, 전극 조립체(10)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다. 제1 홈(13c)은 전극 조립체(10)의 최외각 부분에서 내부로 형성되며, 전극 조립체(10)의 길이 방향을 따라 실선 형상으로 형성될 수 있다.
제2 홈(11c)은 전극 조립체(10)에서 세퍼레이터(13)와 접하는 제1 전극(11)에 형성될 수 있다. 제2 홈(11c)은 제1 홈(13c)의 길이와 동일한 길이로 제1 전극(11)에 형성될 수 있다. 본 실시예에서 제2 홈(11c)은 전극 조립체(10)의 내부에서 제1 홈(13c)과 연직 선상 위치에서 제2 전극(12)에 형성될 수 있다.
제3 홈(12c)은 전극 조립체(10)에서 세퍼레이터(13)에 접하는 제2 전극(12)에 형성될 수 있다. 제3 홈(12c)은 제1 홈(13c)의 길이와 동일한 길이로 제2 전극(12)에 형성될 수 있다. 본 실시예에서 제3 홈(12c)은 전극 조립체(10)의 내부에서 제1 홈(13c) 및 제2 홈(11c)에 연직 선상 위치에서 제2 전극(12)에 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 파단홈(14)은 전극 조립체(10)에서 제1 홈(13c)과 제2 홈(11c) 및 제3 홈(12c)이 순차적으로 형성되는 것으로, 이차 전지(100)의 내부 압력의 상승에 따라 팽창되는 경우 순차적으로 파열되어, 이차 전지(100)의 내부에서 파열되는 방향을 유도하는 것이 가능하다.
파단홈(14)은 이차 전지(100)의 이상 발생시 원활하게 파열되도록 제1 홈(13c)은 상대적으로 최대 폭을 갖도록 형성되는 것도 가능하다.
즉, 제1 홈(13c)과 제2 홈(11c) 및 제3 홈(12c)의 폭은, 제1 홈(13c)이 최대 크기의 폭으로 전극 조립체(10)의 길이 방향을 따라 형성되며, 제3 홈(12c)이 최소 크기의 폭으로 전극 조립체(10)에 형성될 수 있다. 따라서, 전극 조립체(10)의 팽창 과정에서 전극 조립체(10)의 최외각에 형성된 제1 홈(13c) 부분의 파열이 원활하게 이루어짐으로써, 이차 전지(100)의 이상 발생시 설정된 방향(벤트홀 방향)으로 전극 조립체(10)가 안정적으로 파열되는 것이 가능하다.
한편, 파단홈(14)은 전극 조립체(10)의 제1 전극(11)과, 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)의 각각의 두께의 10% 이하의 깊이로 형성될 수 있다. 이는 파단홈(14)에 의해 전극 조립체(10)의 내구성을 저하시키지 않도록 하기 위한 것이다.
한편, 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.
전극 단자(21, 22)를 보다 구체적으로 설명하면, 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) 측의 상부 절연부재(31)는 음극 단자(21)와 캡 플레이트(20)의 사이를 전기적으로 절연시킨다.
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 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 조립체에 파단홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 1 내지 도 4와 동일 참조 번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지는, 전극 조립체(10)에서 캡 플레이트(20)의 내벽면과 대응하는 부분에 형성된 제1 홈(113c)은, 적어도 2개 이상의 열로 전극 조립체(10)의 길이 방향을 따라 형성된다.
따라서, 이차 전지의 이상 발생시에 전극 조립체(10)가 팽창되는 경우, 전극 조립체(10)의 최외각에서 제1 홈(113c)의 파열 작용이 원활하게 이루어지는 것이 가능하다. 이에 따라, 이차 전지의 이상 발생시에 전극 조립체(10)가 벤트 홀(24) 방향으로 원활하게 파열되도록 하여, 파열 방향을 원활하게 유도하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전극 조립체가 펼쳐진 상태에서 파단홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 1 내지 도 5와 동일 참조 번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지는, 파단홈(214)을 형성하는 제1 홈(213c)과 제2 홈(211c) 및 제3 홈(212c)이 전극 조립체(10)에 점선 타입으로 홈으로 형성될 수 있다. 따라서, 파단홈(214)에 의해 전극 조립체의 내구성을 저하시키지 않아 내구성의 향상이 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
11c, 211c..제2 홈 12...양극
12b..무지부 12c, 212c..제3 홈
13c, 213c..제1 홈 14, 214...파단홈
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 51...음극 집전 탭
52...양극 집전 탭 53, 54..하부 절연부재

Claims (12)

  1. 세터레이터를 사이에 두고 제1 전극과 제2 전극을 구비하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자;
    상기 전극 조립체를 수납하는 케이스; 및
    상기 케이스의 개구에 설치되어 상기 케이스를 밀폐하며, 벤트홀이 형성된 캡 플레이트;
    를 포함하고,
    상기 전극 조립체에는 상기 벤트홀 방향으로 파단홈이 형성된 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파단홈은 상기 전극 조립체에서 상기 캡 플레이트의 내부 표면에 대면하는 측면에 형성되는 이차 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파단홈은 상기 세터레이터와 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중의 적어도 하나 이상에 형성되는 이차 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 파단홈은 상기 세터레이터와 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중의 적어도 2개 이상에 형성되는 이차 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 파단홈은,
    상기 세퍼레이터에 형성되는 제1 홈;
    상기 제1 전극에 형성되는 제2 홈; 및
    상기 제2 전극에 형성되는 제3 홈;
    을 포함하는 이차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 홈과 상기 제2 홈 및 상기 제3 홈은 상기 전극 조립체의 높이 방향으로 연직선 상에 형성되는 이차 전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 홈은 상기 전극 조립체의 최외각에 형성되고, 상기 제3 홈은 상기 전극 조립체의 내부에 형성되는 이차 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 홈의 폭은 상기 제3 홈의 폭보다 크게 형성되는 이차 전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 홈은 적어도 2개 이상의 열로 상기 전극 조립체의 길이 방향을 따라 형성되는 이차 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 파단홈은 실선 형상으로 상기 전극 조립체에 형성되는 이차 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 파단홈은 점선 형상으로 상기 전극 조립체에 형성되는 이차 전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 파단홈은, 상기 세터레이터와, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 두께의 10% 이하의 깊이로 형성되는 이차 전지.
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