KR20170060937A - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극, 세퍼레이터 및 제2 전극을 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 제1 전극의 제1 전극 무지부와 일단이 연결되어 있는 제1 연결부, 상기 제1 연결부의 타단과 연결된 전달부, 전달부와 일단이 연결되어 있는 제2 연결부를 포함하는 온도 보호 소자를 포함하고, 제1 전극 무지부와 상기 제1 연결부의 일단이 연결된 제1 부분은 케이스의 내부에 위치한다.

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 특히 온도 보호 기능을 가지는 이차 전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발에 따라 에너지원으로써 이차 전지의 수요가 증가되고 있다. 이차 전지(rechargeable battery)는 일차 전지와 달리 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지이다.

이러한 이차 전지는 필요에 따라서 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 복수의 전지를 연결해서 사용되기도 한다.

또한, 이차 전지는 과충전, 과방전, 과전류 및 쇼트로부터 보호되도록 보호 회로를 포함할 수 있다.

보호 회로는 과전류에 의하여 이차 전지의 온도가 상승할 때 전류 흐름을 차단하여 충전 및 방전 작용을 정지시킴으로써 더 이상의 온도 상승을 방지하는 온도 보호 기능을 가진다.

그러나 상황에 따라서 전지 모듈에 포함되는 이차 전지들의 온도 상승 속도가 다르고, 온도 보호 회로의 위치에 따라서 이차 전지가 손상될 때까지 온도 보호 기능이 동작하지 않을 수 있다.

따라서 본 발명은 이차 전지의 온도 변화를 정확하고 신속하게 파악하여, 온도 보호 기능을 가동함으로써 과열로 인해서 이차 전지가 손상되는 것을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극, 세퍼레이터 및 제2 전극을 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 제1 전극의 제1 전극 무지부와 일단이 연결되어 있는 제1 연결부, 상기 제1 연결부의 타단과 연결된 전달부, 전달부와 일단이 연결되어 있는 제2 연결부를 포함하는 온도 보호 소자를 포함하고, 제1 전극 무지부와 상기 제1 연결부의 일단이 연결된 제1 부분은 케이스의 경계선 내에 위치한다.

상기 케이스는 전극 조립체가 수용되는 수용부, 수용부를 둘러싸며 융착된 테두리부를 가지는 파우치일 수 있다.

상기 제1 부분은 제1 고정 부재로 감싸져 있을 수 있다.

상기 제1 부분은 테두리부와 중첩할 수 있다.

상기 제1 부분은 상기 수용부에 위치할 수 있다.

상기 제2 연결부와 일단이 연결된 제1 리드 단자, 제2 전극의 제2 전극 무지부와 일단이 연결된 제2 리드 단자를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 연결부와 제1 리드 단자가 연결된 제2 부분은 제2 고정 부재로 감싸져 있고, 제2 고정 부재는 테두리부에 위치할 수 있다.

상기 제2 전극 무지부와 상기 제2 리드 단자가 연결된 제3 부분은 제3 고정 부재로 감싸져 있고, 제3 고정 부재는 상기 테두리부에 위치할 수 있다.

상기 온도 보호 소자는 상기 전극 조립체의 온도가 기 설정된 값을 초과할 때, 제1 연결부와 상기 제2 연결부 사이를 단선 시킬 수 있다.

상기 온도 보호 소자는 양성 온도 계수 저항체일 수 있다.

본 발명에서와 같이 온도 보호 소자를 포함하는 이차 전지를 형성하면, 이차 전지가 이상 반응으로 인한 과열 발생시 신속하게 전류 흐름을 차단하여 이차 전지가 폭발하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에서와 같이 온도 보호 소자의 연결부를 파우치 내부에 위치시킴으로써, 이차 전지 내부의 온도 변화를 정확하고 신속하게 파악할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지의 일부분의 평면도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 일부분의 평면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 이차 전지의 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지는 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)를 수용하는 케이스를 포함한다. 케이스는 각형 또는 파우치형일 수 있으며, 이하에서는 파우치(120)형을 예로 들어 설명한다.

전극 조립체(110)는 제1 전극(11), 제2 전극(12), 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터(13)를 포함한다. 세퍼레이터는 절연을 위한 것으로, 제1 전극(11), 세퍼레이터(13), 제2 전극(12), 세퍼레이터(13) 순으로 적층될 수도 있다.

전극 조립체(110)는 제1 전극(11), 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)이 적층된 상태로 권회축을 중심으로 권취된 젤리롤(jelly roll) 형태일 수 있다. 필요에 따라서 전극 조립체는 권취된 후 납작하게 가압될 수 있으며, 횡단면이 대략 타원형일 수 있다.

또한, 전극 조립체(110)는 시트(sheet) 형태의 제1 전극(11), 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)이 반복적으로 적층된 형태(도시하지 않음)로, 횡단면이 대략 직사각형 일 수 있다.

제1 전극(11) 및 제2 전극(12)은 각각 띠 형상의 금속 포일(foil)로 형성되는 박판에 활물질이 도포된 제1 전극판(11a) 및 제2 전극판(12a)과 활물질이 도포되지 않은 제1 전극 무지부(11b) 및 제2 전극 무지부(12b)를 포함한다. 제1 전극 무지부(11b) 및 제2 전극 무지부(12b)는 각각 제1 전극판(11a) 및 제2 전극판(12a)의 일변을 따라서 일정 간격마다 형성될 수 있으며, 권회축(XL)을 중심으로 감아져 복수의 제1 전극 무지부(11b)들이 중첩하거나, 제2 전극 무지부(12b)들이 중첩될 수 있다. 복수의 제1 전극 무지부(11b)들은 서로 초음파 용접 등으로 용접될 수 있고, 복수의 제2 전극 무지부(12b)들은 서로 초음파 용접 등으로 용접될 수 있다. 제1 전극 무지부(11b)와 제2 전극 무지부(12b)는 일정간격 이격되어 단락되지 않도록 배치된다.

예를 들어, 제1 전극(11)은 이차 전지의 양극일 수 있으며, 제1 전극판(11a)은 알루미늄과 같은 금속 포일 위에 전이 금속 산화물등의 활물질이 도포될 수 있다. 그리고 제2 전극(12)는 이차 전지의 음극일 수 있으며, 제2 전극판(12a)은 구리 또는 니켈과 같은 금속 포일 위에 흑연 또는 탄소 등의 활물질이 도포될 수 있다.

세퍼레이터(13)는 다공성 소재로 이루어지며, 폴리 올레핀, 폴리에틸렌, 폴리 프로필렌 등으로 이루어질 수 있다.

전극 조립체(110)는 전해질과 함께 파우치에 삽입된 후 밀봉될 수 있다. 전해액은 EC, PC, DEC, EMC, EMC와 같은 유기 용매에 LiPF₆, LiBF₄와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.

파우치(120)는 다층 시트 구조로 이루어지는 하부 시트(201)와 상부 시트(202)를 포함한다. 예를 들면, 파우치의 상부 시트(202) 및 하부 시트(201)는 각각 내면을 형성하며 절연 및 열융착 작용하는 폴리머 시트(21), 외면을 형성하여 보호 작용하는 PET(polyethyleneterephthalate) 시트, 나일론 시트 또는 PET-나일론 복합 시트(25), 기계적 강도를 제공하는 금속 시트(23)를 포함한다. 금속 시트는 예를 들어 알루미늄 시트일 수 있으며, 접착 시트와 나일론 시트 사이에 위치한다.

파우치(120)는 전극 조립체(110)가 수용된 후, 전극 조립체(110) 주위에 위치하는 상부 시트와 하부 시트의 테두리부를 서로 열융착하여 밀봉(sealing)시킨다.

제1 전극 무지부(11b)와 제2 전극 무지부(12b)는 각각 제1 리드 단자(42) 및 제2 리드 단자(44)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 제1 전극 무지부(11b) 또는 제2 전극 무지부(12b)는 온도 보호 소자(300)를 통해서 제1 리드 단자(42) 또는 제2 리드 단자(44)와 연결될 수 있다. 이하에서는 제1 전극 무지부(11b)에 온도 보호 소자(300)가 연결된 것을 예로 들어 설명한다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지의 일부분의 평면도이고, 도 4는 도 3의 IV-IV선을 따라 잘라 도시한 단면도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 일부분의 평면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 온도 보호 소자(300)는 베이스(33c)와 커버(33e)의 체결에 의해 형성될 수 있으며, 제1 연결부(31), 전달부(33) 및 제2 연결부(32)를 포함한다.

온도 보호 소자(300)는 설정된 온도에서 저항이 무한대로 증대되는 양성 온도 계수(positive temperature coefficient, 이하 PTC) 소자(33a)를 포함한다. 양성 온도 계수 소자(33a)는 전달부(33) 내에서 제1 연결부(31)와 접촉하고, 바이 메탈 디스크(33b)는 전달부(33) 내에서 PTC소자(33a)의 상부면과 접촉한다. 제2 연결부(32)는 접촉점(33f)에서 제1 연결부(31)와 접촉하며, 제2 연결부(32)는 바이메탈 디스크(33b)와도 접촉한다. 제1 연결부(31)는 전달부(33)의 내부로 연장되며, 하면을 향하여 부분적으로 노출된다.

따라서, 제1 연결부(31)와 제2 연결부(32)는 서로 접촉하며 전기적으로 연결된다. 이때, 제1 연결부(31)는 제1 전극 무지부(11b)와 연결되고, 제2 연결부(32)는 제1 리드 단자(42, 도 1참조)와 연결될 수 있다. 제1 연결부(31)와 제1 전극 무지부(11b)가 직접 연결되므로, 제1 전극 무지부(11b)를 통해 제1 연결부(31)에 직접 열이 전달된다. 이처럼, 제1 연결부(31)에 열이 전달되면, PTC소자(33a)는 가열되어 바이 메탈 디스크(33b)를 반전시킨다. 반전된 바이메탈 디스크(33b)가 제2 연결부(32)를 전달부(33)의 상부면, 즉, 커버 플레이트(33d)를 향해 밀어주며, 제1 연결부(31)와 제2 연결부(32)가 서로 분리되어 결과적으로 전기적인 단선(cut off)된다.

한편, 제1 연결부(31)와 제1 전극 무지부(11b)가 연결된 제1 부분(CA)은 파우치(120)의 경계선 내에 위치할 수 있다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 리드 단자(42)는 제1 전극 무지부(11b)와 전기적으로 연결되고, 제2 리드 단자(44)는 제2 전극 무지부(12b)와 전기적으로 연결될 수 있다.

이때, 제1 전극 무지부(11b)와 제1 리드 단자(42)는 이들 사이에 위치하는 온도 보호 소자(300)를 통해서 전기적으로 연결된다. 따라서 제1 전극 무지부(11b)는 온도 보호 소자의 제1 연결부(31, 도 4 참조)와 연결되고, 제1 리드 단자(42)는 온도 보호 소자의 제2 연결부(32, 도 4 참조)와 연결될 수 있다.

제1 리드 단자(42)와 제2 리드 단자(44)는 도전형 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 제1 리드 단자(42)는 니켈(Ni) 또는 니켈(Ni)/구리(Cu)을 포함하고, 제2 리드 단자(44)는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.

고정 부재(80)는 제1 연결부(31)와 제1 전극 무지부(11b)가 결합된 제1 부분(CA)과 제2 연결부(32)와 제1 리드 단자(42)가 결합된 제2 부분(CB)을 감싸도록 형성될 수 있다. 또한, 고정 부재(80)는 제2 리드 단자(44)와 제2 전극 무지부(12b)가 결합된 제3 부분을 감싸도록 형성될 수 있다. 이때, 고정 부재(80)는 테이프 형태로 제1 부분, 제2 부분 및 제3 부분을 감쌀 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 상부막과 하부막 사이에 결합된 부분을 위치시키고 열융착으로 고정시킬 수 있다.

도 1 내지 도 4에서, 고정 부재(80)는 제1 부분과 제2 부분을 함께 감싸는 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 부분 및 제2 부분을 각각 감싸도록 형성되거나, 제1 부분 또는 제2 부분 중 어느 하나에만 형성(도시하지 않음)될 수 있다.

한편, 제1 부분(CA)은 파우치(120)의 경계선 내에 위치할 수 있다. 즉, 도 1 내지 도 4에서와 같이 제1 부분(CA) 및 제2 부분(CB)이 모두 파우치(120)의 경계선 내에 위치하며, 고정 부재(80)는 파우치(120)의 테두리부(LA)와 중첩할 수 있다. 따라서, 제1 부분 및 제2 부분도 테두리부(LA)와 중첩할 수 있다.

또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 고정 부재(80a, 80b)는 제1 부분(CA) 및 제2 부분(CB)에 각각 형성되고, 제2 부분(CB)을 감싸는 고정 부재(80b)는 파우치(120)의 테두리부(LA)와 중첩할 수 있다. 따라서, 제1 부분(CA)은 파우치(120)의 경계선 내에 위치한다.

도 5에서는 제2 부분(CB)만 테두리부(LA)에 위치하는 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 도 4에서와 같이 제1 부분(CA) 및 제2 부분(CB)가 함께 테두리부(LA)와 중첩할 수 있다.

또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 고정 부재(80a, 80b)는 제1 부분(CA) 및 제2 부분(CB)에 각각 형성된다. 그리고 제1 부분(CA)를 감싸는 고정 부재(80a)는 파우치(120)의 테두리부(LA)와 중첩하도록 위치하여 제1 부분(CA)은 파우치(120)의 경계선 내에 위치한다.

이상의 실시예들에서와 같이, 제1 부분(CA)을 파우치의 경계선 내에 위치시키면, 파우치 내부에 위치하는 제1 전극 무지부(11b)로부터 전달되는 열을 최단거리로 전달 받아 발생되는 열의 변동 없이 온도 보호 소자로 전달할 수 있다. 또한, 파우치 내에 위치함으로써, 외부 환경으로 인한 영향을 최소화함으로써 열의 변동없이 온도 보호 소자로 전달할 수 있다.

이처럼, 파우치 내부에서 발생되는 열의 변화를 최소화함으로써 온도 보호 소자로 파우치 내부와 동일한 열을 전달할 수 있어, 신속하게 온도 보호 소자를 작동시킬 수 있다.

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.

11: 제1 전극 11a: 제1 전극판
11b: 제1 전극 무지부 12: 제2 전극
120: 파우치 12a: 제2 전극판
12b: 제2 전극 무지부 13: 세퍼레이터
21: 폴리머시트 23: 금속 시트
25; 나일론 복합 시트 31: 제1 연결부
32: 제2 연결부 33: 전달부
33a: PTC 소자 33b: 메탈 디스크
33c: 베이스 33d: 커버 플레이트
33e: 커버 33f: 접촉점
42: 제1 리드 단자 44: 제2 리드 단자
80, 80a, 80b: 고정 부재 110: 전극 조립체
201: 하부 시트 202: 상부시트
300: 온도 보호 소자

Claims (10)

1. 제1 전극, 세퍼레이터 및 제2 전극을 포함하는 전극 조립체,
   상기 전극 조립체를 수용하는 케이스,
   상기 제1 전극의 제1 전극 무지부와 일단이 연결되어 있는 제1 연결부, 상기 제1 연결부의 타단과 연결된 전달부, 상기 전달부와 일단이 연결되어 있는 제2 연결부를 포함하는 온도 보호 소자
   를 포함하고,
   상기 제1 전극 무지부와 상기 제1 연결부의 일단이 연결된 제1 부분은 상기 케이스의 경계선 내에 위치하는 이차 전지.
2. 제1항에서,
   상기 케이스는 상기 전극 조립체가 수용되는 수용부, 상기 수용부를 둘러싸며 융착된 테두리부를 가지는 파우치인 이차 전지.
3. 제2항에서,
   상기 제1 부분은 제1 고정 부재로 감싸져 있는 이차 전지.
4. 제3항에서,
   상기 제1 부분은 상기 테두리부와 중첩하는 이차 전지.
5. 제3항에서,
   상기 제1 부분은 상기 수용부에 위치하는 이차 전지.
6. 제2항에서,
   상기 제2 연결부와 일단이 연결된 제1 리드 단자,
   상기 제2 전극의 제2 전극 무지부와 일단이 연결된 제2 리드 단자
   를 더 포함하는 이차 전지.
7. 제6항에서,
   상기 제1 연결부와 상기 제1 리드 단자가 연결된 제2 부분은 제2 고정 부재로 감싸져 있고,
   상기 제2 고정 부재는 상기 테두리부에 위치하는 이차 전지.
8. 제6항에서,
   상기 제2 전극 무지부와 상기 제2 리드 단자가 연결된 제3 부분은 제3 고정 부재로 감싸져 있고,
   상기 제3 고정 부재는 상기 테두리부에 위치하는 이차 전지.
9. 제1항에서,
   상기 온도 보호 소자는 상기 전극 조립체의 온도가 기 설정된 값을 초과할 때, 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부 사이를 단선 시키는 이차 전지.
10. 제9항에서,
    상기 온도 보호 소자는 양성 온도 계수 저항체인 이차 전지.

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