KR20180102305A - 바이메탈로 이루어진 전류 차단 부재를 포함하는 캡 어셈블리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전극조립체가 내장된 원통형 전지케이스의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리로서, 전극조립체의 양극 리드 또는 음극 리드에 전기적으로 연결되어 있으며, 중앙 부위가 상향 돌출된 중앙 돌출부를 포함하고 있는 접속 플레이트; 상기 접속 플레이트 상에서, 접속 플레이트의 중앙 돌출부에 접촉되어 있는 중앙 접속부를 포함하고 있으며, 소정의 온도 범위에서, 상기 중앙 접속부가 상부 방향으로 파열됨으로써, 상기 접속 플레이트와의 전기적 접속을 차단하는 전류 차단 부재(Current Interruptive Device; CID); 상기 접속 플레이트의 중앙 돌출부 및 전류 차단 부재의 중앙 접속부를 제외한 나머지 부위를 절연하도록, 접속 플레이트와 전류 차단 부재 사이의 나머지 부위 중에서, 적어도 일 부위에 개재되는 절연 부재; 상기 전류 차단 부재 상에 위치하며, 전지셀의 양극 단자 또는 음극 단자를 형성하도록, 적어도 일 부위가 상기 전류 차단 부재에 접촉되어 있는 전극 단자부; 및 상기 접속 플레이트, 전류 차단 부재, 절연 부재 및 전극 단자부의 외주변을 동시에 감싸는 구조로 이루어진 가스켓;을 포함하고 있고, 상기 전류 차단 부재는 열팽창 계수가 상이한 이종의 금속을 포함하는 바이메탈로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리를 제공한다.
Description
본 발명은 바이메탈로 이루어진 전류 차단 부재를 포함하는 캡 어셈블리에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
도 1에는 종래의 원통형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 원통형 전지셀(100)은 권취형 구조의 전극조립체(120)를 원통형의 셀 케이스(130)에 수납하고, 셀 케이스(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 셀 케이스(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 캡 어셈블리(140)를 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 분리막(123)을 차례로 적층하고 둥근 형태로 권취하여 제조된다.
전극조립체(120)의 중앙 부위에 형성된 관통형의 권심부(150)에는 원통형의 센터 핀(160)이 삽입되어 있다. 센터 핀(160)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(160)은 전극조립체(120)를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
한편, 리튬 이차전지는 안전성이 낮다는 단점을 가지고 있다. 예를 들어, 전지가 대략 4.5V 이상으로 과충전되는 경우에는 양극 활물질의 분해반응이 일어나고, 음극에서 리튬 금속의 수지상(dendrite) 성장과, 전해액의 분해반응 등이 일어난다. 이러한 과정에서 열이 수반되어 상기와 같은 분해반응과 다수의 부반응들이 급속히 진행되며, 급기야는 전지의 발화 및 폭발이 유발되기도 한다.
따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 일반적인 원통형 이차전지에는 전지의 비정상적인 작동시 전류를 차단하고 내압을 해소하기 위한 전류차단부재(Current Interruptive Device; CID)와 안전벤트(vent)가 전극조립체와 상단 캡 사이의 공간에 장착되어 있다.
도 2에는 도 1의 원통형 전지셀의 캡 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 탑 캡(10)은 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고 배기구가 천공되어 있으며, 하부에 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 전류차단부재(20), 정상적인 상태에서는 하향 돌출된 형상으로 되어 있고 전지 내부의 압력 상승시 돌출되면서 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트(30), 및 상단 일측 부위가 안전벤트(30)에 결합되어 있고 하단 일측이 전극조립체(40)의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트(50)가 순차적으로 위치되어 있다.
따라서, 정상적인 작동조건에서 전극조립체(40)의 양극은 리드(42), 접속 플레이트(50), 안전벤트(30) 및 전류차단부재(20)를 경유하여 탑 캡(10)에 연결되어 통전을 이룬다.
그러나, 과충전 등과 같은 원인에 의해 전극조립체(40) 쪽으로부터 가스가 발생하여 내압이 증가하면, 안전벤트(30)는 그것의 형상이 역전되면서 상향 돌출되게 되고, 이때, 안전벤트(30)가 접속 플레이트(50)로부터 분리되어 전류가 차단되게 된다. 따라서, 과충전이 더 이상 진행되지 않도록 하여 안전성을 확보한다. 그럼에도 불구하고, 계속적으로 내압이 증가하면, 안전벤트(30)가 파열되고 가압 가스는 그러한 파열 부위를 경유하여 탑 캡(10)의 배기구를 통해 배기됨으로써, 전지의 폭발을 방지하게 된다.
그러나, 이러한 작동 과정은 전극조립체 부위에서의 가스 발생량 또는 가스 배출량에 절대적으로 의존하는 바, 가스 발생량 또는 배출량이 충분치 못하거나 짧은 시간내에 소정량의 수준으로 증가하지 못하면 단전이 늦어지게 되고, 전극조립체의 계속적인 통전으로 인해 열폭주 현상이 일어날 수 있다. 열폭주 현상은 전지가 계속적인 통전 상태에 놓여 있을 때 발생하거나 또는 더욱 가속화됨으로써, 전지가 발화 또는 폭발할 위험이 매우 커지므로 안전성에 심각한 문제가 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전류 차단 부재가 열팽창 계수가 상이한 이종의 금속을 포함하는 바이메탈로 이루어짐으로써, 소정의 온도 범위에서, 상부 방향으로 파열되어, 상기 접속 플레이트와의 전기적 접속을 차단하도록 구성됨으로써, 전지 내부에서 가스가 발생하기에 앞서 상승하는 온도의 변화만으로 전지셀 내의 전기적 접속을 차단할 수 있으므로, 상기 전지셀 내의 안전벤트를 파열시킬 정도의 충분한 가스가 발생하지 않더라도, 전지셀의 작동을 중단시켜, 열폭주와 같은 안전성 저하의 문제점을 예방할 수 있고, 상기 파열된 전류 차단 부재의 중앙 접속부를 통해, 이후에 발생하는 가스가 전지셀 외부로 용이하게 배출됨으로써, 추가적인 폭발의 위험을 방지할 수 있으며, 상기 내부의 가스로 인한 압력이 임계점 이상일 경우 파열되는 별도의 벤팅부재를 포함할 필요가 없으므로, 원통형 전지셀의 캡 어셈블리를 보다 간소화된 구조로 제조할 수 있는 동시에, 상기 캡 어셈블리의 제조에 소요되는 비용을 절약할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캡 어셈블리는,
전극조립체가 내장된 원통형 전지케이스의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리로서,
전극조립체의 양극 리드 또는 음극 리드에 전기적으로 연결되어 있으며, 중앙 부위가 상향 돌출된 중앙 돌출부를 포함하고 있는 접속 플레이트;
상기 접속 플레이트 상에서, 접속 플레이트의 중앙 돌출부에 접촉되어 있는 중앙 접속부를 포함하고 있으며, 소정의 온도 범위에서, 상기 중앙 접속부가 상부 방향으로 파열됨으로써, 상기 접속 플레이트와의 전기적 접속을 차단하는 전류 차단 부재(Current Interruptive Device; CID);
상기 접속 플레이트의 중앙 돌출부 및 전류 차단 부재의 중앙 접속부를 제외한 나머지 부위를 절연하도록, 접속 플레이트와 전류 차단 부재 사이의 나머지 부위 중에서, 적어도 일 부위에 개재되는 절연 부재;
상기 전류 차단 부재 상에 위치하며, 전지셀의 양극 단자 또는 음극 단자를 형성하도록, 적어도 일 부위가 상기 전류 차단 부재에 접촉되어 있는 전극 단자부; 및
상기 접속 플레이트, 전류 차단 부재, 절연 부재 및 전극 단자부의 외주변을 동시에 감싸는 구조로 이루어진 가스켓;
을 포함하고 있고,
상기 전류 차단 부재는 열팽창 계수가 상이한 이종의 금속을 포함하는 바이메탈로 이루어진 구조일 수 있다.
따라서, 전지 내부에서 가스가 발생하기에 앞서 상승하는 온도의 변화만으로 전지셀 내의 전기적 접속을 차단할 수 있으므로, 상기 전지셀 내의 안전벤트를 파열시킬 정도의 충분한 가스가 발생하지 않더라도, 전지셀의 작동을 중단시켜, 열폭주와 같은 안전성 저하의 문제점을 예방할 수 있고, 상기 파열된 전류 차단 부재의 중앙 접속부를 통해, 이후에 발생하는 가스가 전지셀 외부로 용이하게 배출됨으로써, 추가적인 폭발의 위험을 방지할 수 있으며, 상기 내부의 가스로 인한 압력이 임계점 이상일 경우 파열되는 별도의 벤팅부재를 포함할 필요가 없으므로, 원통형 전지셀의 캡 어셈블리를 보다 간소화된 구조로 제조할 수 있는 동시에, 상기 캡 어셈블리의 제조에 소요되는 비용을 절약할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전류 차단 부재는,
중앙 접속부에 대응되는 부위의 상면이 내측으로 만입된 판상형 구조로 이루어져 있는 제 1 금속부; 및
상기 제 1 금속부의 중앙 접속부에 대응되는 만입부에 위치해 있으며, 상기 제 1 금속부에 비해 열팽창 계수가 상대적으로 작은 금속으로 이루어진 제 2 금속부;
를 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 하부에 위치하는 제 1 금속부는 상부에 위치하는 제 2 금속부에 비해 상대적으로 열팽창 계수가 큰 금속으로 이루어져 있어, 동일한 온도에서 보다 큰 변형을 일으키며, 이에 따라, 제 1 금속부로부터 상부에 위치한 제 2 금속부 방향으로 중앙 접속부가 보다 용이하게 파열될 수 있다.
이러한 경우에, 상기 제 2 금속부의 평면상 면적은 전류 차단 부재의 전체 면적에 대해, 10% 내지 90%의 크기일 수 있다.
또한, 상기 제 2 금속부의 수직 단면상 두께는 전류 차단 부재의 전체 두께에 대해, 10% 내지 50%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 제 2 금속부의 평면상 면적 또는 수직 단면상 두께가 상기 범위를 벗어나 지나치게 작을 경우에는, 상기 제 2 금속부의 평면상 면적이 지나치게 작아, 전류 차단 부재를 바이메탈 금속으로 구성함으로써 발휘하고자 하는 효과를 충분히 발휘하지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 제 2 금속부의 평면상 면적 또는 수직 단면상 두께가 상기 범위를 벗어나 지나치게 클 경우에는, 상기 열팽창 계수가 상대적으로 작은 금속으로 이루어진 제 2 금속부의 평면상 면적이 지나치게 커져, 소망하는 온도 범위에서 제 1 금속부의 열팽창이 발생하더라도, 상기 제 1 금속부와 함께 중앙 접속부를 형성하는 제 2 금속부를 용이하게 파열시킬 수 없으므로, 소망하는 효과를 발휘할 수 없어, 오히려 안전성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 전류 차단 부재는 중앙 접속부에 형성된 노칭부를 포함하는 구조일 수 있으며, 보다 상세하게는, 상기 노칭부는 중앙 접속부의 상면으로부터 하면 방향으로 오목하게 형성될 수 있다.
따라서, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부는 전지셀의 온도가 상승하는 경우, 소망하는 방향으로 보다 용이하게 파열될 수 있으며, 상기 노칭부는 전류 차단 부재의 나머지 부위에 비해 얇은 두께로 형성되어 있으므로, 전지셀의 온도 상승 시에, 전류 차단 부재의 열팽창이 발생하지 않더라도, 전지셀 내부에서 가스가 발생함에 따라 증가하는 내부의 압력으로 인해, 상기 노칭부가 보다 용이하게 파열되어, 전류 차단 부재의 중앙 접속부와 접속 플레이트의 중앙 돌출부를 분리시킴으로써, 전지셀의 전류를 차단해, 열폭주와 같은 안전성 저하의 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.
이때, 상기 노칭부는 평면상 복수의 직선들이 중앙 접속부의 중심 부위에서, 하나의 교차점을 형성하는 방사형 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 전류 차단 부재의 열팽창으로 인해 중앙 접속부에 인가되는 응력은 상기 노칭부의 중앙 접속부의 중심 부위에 형성된 교차점을 중심으로, 모든 부위에 균일하게 전달될 수 있으며, 이로 인해 상기 전류 차단 부재의 보다 적은 열팽창에도 불구하고, 상기 노칭부는 중앙 접속부의 중심 부위에 형성된 교차점으로부터 방사형으로 연장된 외측 방향으로 균일하게 파열됨으로써, 상기 중앙 접속부가 접속 플레이트의 중앙 돌출부와 모든 부위에서 분리됨으로써, 우수한 전류 차단 성능을 발휘하므로, 보다 높은 안전성을 발휘할 수 있다.
여기서, 상기 노칭부를 구성하는 복수의 직선들은 평면상 전류 차단 부재의 제 1 금속부와 제 2 금속부에 걸쳐 연장된 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부는 전지셀의 온도가 상승하는 경우, 방사형으로 연장된 노칭부를 따라 보다 용이하게 최대한 파열됨으로써, 접속 플레이트의 중앙 돌출부로부터 보다 확실하게 분리되어 전류 접속을 차단할 수 있다.
또한, 상기 노칭부를 구성하는 복수의 직선들 중에서, 하나의 직선은 이에 인접한 직선과 이루는 각도가 모두 동일한 구조일 수 있다.
따라서, 상기 전류 차단 부재의 열팽창으로 인해 중앙 접속부에 인가되는 응력은 상기 노칭부의 중앙 접속부의 중심 부위에 형성된 교차점을 중심으로, 모든 부위에 균일하게 전달됨으로써, 전지셀의 온도가 상승하는 경우, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부의 모든 부위가 동일한 응력에 의해, 동일한 형상 및 방향으로 파열되며, 이에 따라, 접속 플레이트의 중앙 돌출부로부터 모두 동일하게 분리되어 전류 접속을 차단할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부가 파열되는 온도는, 상기 캡 어셈블리를 포함하는 전지셀의 정상 작동 온도 범위를 초과하는 범위로서, 보다 상세하게는 섭씨 75도 이상일 수 있다.
만일, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부가 파열되는 온도가 섭씨 75도 미만일 경우에는, 상기 캡 어셈블리를 포함하는 전지셀이 정상 작동하고 있음에도 불구하고, 전류 차단 부재의 중앙 접속부가 파열됨으로써, 상기 전지셀을 포함하는 디바이스의 작동을 중단시킬 수 있으며, 이로 인해, 제품에 대한 신뢰성을 저하시킬 수 있다.
또한, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부와 접촉되는 접속 플레이트의 중앙 돌출부의 평면상 면적은, 접속 플레이트의 전체 면적에 대해 10% 내지 30%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부와 접촉되는 접속 플레이트의 중앙 돌출부의 평면상 면적이 상기 범위를 벗어나, 지나치게 작은 경우에는, 전지셀의 정상적인 작동 상태에도 불구하고, 외부로부터 인가되는 충격 내지 진동과 같은 물리적 자극에 의해 상기 접속 플레이트의 중앙 돌출부와 전류 차단 부재의 중앙 접속부 사이의 접촉이 분리됨으로써, 전지셀의 전류를 차단할 수 있다.
이와 반대로, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부와 접촉되는 접속 플레이트의 중앙 돌출부의 평면상 면적이 상기 범위를 벗어나, 지나치게 클 경우에는, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부가 파열되더라도, 중앙 접속부의 노칭부 교차점으로부터 이격된 부위에서, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부가 접속 플레이트의 중앙 돌출부로부터 완전히 분리될 수 없어, 전지셀의 온도가 상승함에도 불구하고, 상기 전지셀의 전류를 차단할 수 없으며, 이로 인해, 안전성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
한편, 상기 접속 플레이트의 중앙 돌출부의 외주변 부위에는, 전지케이스 내부의 가스가 외부로 배출되도록 천공된 제 1 벤팅부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 전지케이스 내부에서 발생한 가스는 접속 플레이트의 제 1 벤팅부를 통해, 상기 접속 플레이트와 전류 차단 부재 사이의 공간으로 용이하게 배출될 수 있으며, 파열된 전류 차단 부재의 중앙 접속부를 통해 외부로 배출될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 절연 부재는, 접속 플레이트의 중앙 돌출부와 제 1 벤팅부, 및 전류 차단 부재의 중앙 접속부를 제외한 나머지 외주변 부위를 절연하도록, 중앙 부위가 천공된 링(ring) 형상으로 이루어진 구조일 수 있다.
따라서, 상기 절연 부재는 접속 플레이트의 중앙 돌출부와 전류 차단 부재의 중앙 접속부의 접촉을 방해하지 않는 동시에, 상기 접속 플레이트의 제 1 벤팅부를 통해 배출되는 가스의 흐름을 방해하지 않을 수 있으며, 상기 부위를 제외한 접속 플레이트와 전류 차단 부재를 제외한 나머지 외주변 부위를 절연시킴으로써, 전류 차단 부재의 중앙 접속부가 파열되는 경우에, 상기 전류 차단 부재와 중앙 접속부의 접속이 완전히 차단될 수 있다.
또한, 상기 전극 단자부는,
외주변 부위가 전류 차단 부재의 외주변 부위와 접촉된 상태에서, 중앙 부위가 전류 차단 부재의 중앙 접속부로부터 이격되도록 상향 돌출된 구조로 이루어져 있고,
상기 상향 돌출된 중앙 부위와 외주변 사이의 경사부에는 접속 플레이트의 제 1 벤팅부를 통해 배출된 가스가 외부로 배출되도록 천공된 제 2 벤팅부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 전극 단자부는 전류 차단 부재의 중앙 접속부가 파열될 수 있는 충분한 공간을 제공하는 동시에, 상기 파열된 전류 차단 부재의 중앙 접속부를 통해 배출된 가스가 제 2 벤팅부를 통해 배출됨으로써, 전지셀 내부 압력의 증가로 인해 발생할 수 있는 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.
한편, 상기 가스켓은,
접속 플레이트의 외주변 하면 부위를 지지하도록 연장된 제 1 연장부; 및
상기 제 1 연장부로부터 전지케이스 방향으로 하향 절곡되어 연장된 제 2 연장부;
를 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 가스켓은 제 1 연장부 상에 접속 플레이트, 절연 부재, 전류 차단 부재 및 전극 단자부를 안정적으로 지지하는 동시에, 상기 접속 플레이트의 하부에 위치한 비딩부 부위까지 연장된 제 2 연장부를 통해, 캡 어셈블리와 전지케이스 사이의 밀봉성을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 구성 내지 구조를 제외한 캡 어셈블리의 나머지 구조는 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 캡 어셈블리는, 전류 차단 부재가 열팽창 계수가 상이한 이종의 금속을 포함하는 바이메탈로 이루어짐으로써, 소정의 온도 범위에서, 상부 방향으로 파열되어, 상기 접속 플레이트와의 전기적 접속을 차단하도록 구성됨으로써, 전지 내부에서 가스가 발생하기에 앞서 상승하는 온도의 변화만으로 전지셀 내의 전기적 접속을 차단할 수 있으므로, 상기 전지셀 내의 안전벤트를 파열시킬 정도의 충분한 가스가 발생하지 않더라도, 전지셀의 작동을 중단시켜, 열폭주와 같은 안전성 저하의 문제점을 예방할 수 있고, 상기 파열된 전류 차단 부재의 중앙 접속부를 통해, 이후에 발생하는 가스가 전지셀 외부로 용이하게 배출됨으로써, 추가적인 폭발의 위험을 방지할 수 있으며, 상기 내부의 가스로 인한 압력이 임계점 이상일 경우 파열되는 별도의 벤팅부재를 포함할 필요가 없으므로, 원통형 전지셀의 캡 어셈블리를 보다 간소화된 구조로 제조할 수 있는 동시에, 상기 캡 어셈블리의 제조에 소요되는 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 원통형 전지셀의 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 2는 도 1의 원통형 전지셀의 캡 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 4는 도 3의 캡 어셈블리의 전류 차단 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1의 원통형 전지셀의 캡 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 4는 도 3의 캡 어셈블리의 전류 차단 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캡 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 캡 어셈블리(300)는 전극조립체(302)가 내장된 원통형 전지케이스(301)의 개방 상단에 장착되며, 접속 플레이트(310), 전류 차단 부재(320), 절연 부재(330), 음극 단자부(340) 및 가스켓(350)을 포함하고 있다.
접속 플레이트(310)는 음극 리드(303)에 의해, 전지케이스(301) 내의 전극조립체(302)와 전기적으로 연결되어 있으며, 중앙 부위가 상향 돌출된 중앙 돌출부(311)를 포함하고 있다.
중앙 돌출부(311)의 외주변에는 전지케이스(301) 내부의 가스가 외부로 배출되도록 천공된 제 1 벤팅부(312)가 형성되어 있다.
전류 차단 부재(320)는 접속 플레이트(310) 상에 위치하며, 하면 부위에서, 접속 플레이트(310)의 중앙 돌출부(311)에 접촉되어 있는 중앙 접속부(321)를 포함하고 있다.
절연 부재(330)는 접속 플레이트(310)와 전류 차단 부재(320) 사이에 위치하며, 접속 플레이트(310)의 중앙 돌출부(311)와 제 1 벤팅부(312), 및 전류 차단 부재(320)의 중앙 접속부(321)를 제외한 나머지 외주변 부위를 절연하도록, 중앙 부위가 천공된 링 형상으로 이루어져 있다.
음극 단자부(340)는 전류 차단 부재(320) 상에 위치하며, 외주변 부위(342)가 전류 차단 부재(320)의 외주변 부위와 접촉되어 있다.
따라서, 전극조립체(302)로부터 음극 리드(303)를 통해 전기적으로 연결된 접속 플레이트(310)는 중앙 돌출부(311)가 전류 차단 부재(320)의 중앙 접속부(321)에 접속됨으로써 상호간에 전기적으로 연결되며, 음극 단자부(340)의 외주변 부위(342)는 전류 차단 부재(320)의 외주변 부위와 접촉됨으로써, 음극 단자를 형성한다.
음극 단자부(340)는 중앙 부위(341)가 전류 차단 부재(320)의 중앙 접속부(321)로부터 이격되도록 상향 돌출된 구조로 이루어져 있다.
따라서, 전류 차단 부재(320)의 중앙 접속부(321)가 상부 방향으로 파열되는 경우, 음극 단자부(340)의 상항 돌출된 중앙 부위(341)를 통해, 중앙 접속부(321)가 상부 방향으로 파열되는 공간을 제공하는 동시에, 외부 디바이스와의 전기적 연결을 위한 음극 단자를 외부로 노출된 상태로 형성할 수 있다.
또한, 이러한 구조를 통해, 전류 차단 부재(320)의 중앙 접속부(321)는 하면에 접촉된 접속 플레이트(310)의 중앙 돌출부(311)가 아닌, 상부 방향으로 파열됨으로써, 파열된 중앙 접속부(321)를 통해 내부의 가스를 보다 용이하게 배출할 수 있다.
음극 단자부(340)의 상향 돌출된 중앙 부위(341)와 외주변 부위(342) 사이의 경사부에는 접속 플레이트(310)의 제 1 벤팅부(312)를 통해 배출된 가스가 외부로 배출되도록 천공된 제 2 벤팅부(343)가 형성되어 있다.
따라서, 전지케이스(301) 내부에서 발생한 가스는 보다 용이하게 외부로 배출됨으로써, 내부 압력이 증가함에 따라 발생할 수 있는 문제점을 효과적으로 예방할 수 있다.
가스켓(350)은 접속 플레이트(310), 전류 차단 부재(320), 절연 부재(330) 및 음극 단자부(340)의 외주변을 동시에 감싸는 구조로 이루어져 있으며, 접속 플레이트(310)의 외주변 하면 부위를 지지하도록 연장된 제 1 연장부(351) 및 제 1 연장부(351)로부터 전지케이스(301) 방향으로 하향 절곡되어 연장된 제 2 연장부(352)를 포함하고 있다.
따라서, 캡 어셈블리(300)가 전지케이스(301)의 개방부에 안착되는 경우, 가스켓(350)에 의해 비딩부(304) 상에 안정적으로 결합되는 동시에, 전지케이스(301)를 보다 안정적으로 밀봉시킬 수 있다.
도 4에는 도 3의 캡 어셈블리의 전류 차단 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전류 차단 부재(320)는 열팽창 계수가 상이한 이종의 금속을 포함하는 바이메탈로 이루어져 있다.
전류 차단 부재(320)는 중앙 접속부(321)에 대응되는 부위의 상면이 내측으로 만입된 판상형 구조로 이루어져 있는 제 1 금속부(322) 및 제 1 금속부(322)의 중앙 접속부(321)에 대응되는 만입부(322a)에 위치해 있으며, 제 1 금속부(322)에 비해 열팽창 계수가 상대적으로 작은 금속으로 이루어진 제 2 금속부(323)를 포함하고 있다.
제 2 금속부(323)의 평면상 면적은 전류 차단 부재(320)의 전체 면적에 대해, 약 40%의 크기로 이루어져 있으며, 제 2 금속부(323)의 수직 단면상 두께(T1)는 전류 차단 부재(320)의 전체 두께(T2)에 대해, 약 20%의 크기로 이루어져 있다.
전류 차단 부재(320)의 중앙 접속부(321)에는 평면상 4개의 직선이 중앙 접속부(321)의 중심 부위에서, 하나의 교차점(324)을 형성하는 방사형 구조로 이루어진 노칭부(325)가 형성되어 있다.
노칭부(325)를 구성하는 4개의 직선은 평면상 전류 차단 부재(320)의 제 1 금속부(322)와 제 2 금속부(323)에 걸쳐 연장된 구조로 이루어져 있으며, 상호간에 이루는 각도(R1)가 45도로서, 모두 동일하다.
이상 본 발명의 실시예 및 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (14)
- 전극조립체가 내장된 원통형 전지케이스의 개방 상단에 장착되는 캡 어셈블리로서,
전극조립체의 양극 리드 또는 음극 리드에 전기적으로 연결되어 있으며, 중앙 부위가 상향 돌출된 중앙 돌출부를 포함하고 있는 접속 플레이트;
상기 접속 플레이트 상에서, 접속 플레이트의 중앙 돌출부에 접촉되어 있는 중앙 접속부를 포함하고 있으며, 소정의 온도 범위에서, 상기 중앙 접속부가 상부 방향으로 파열됨으로써, 상기 접속 플레이트와의 전기적 접속을 차단하는 전류 차단 부재(Current Interruptive Device; CID);
상기 접속 플레이트의 중앙 돌출부 및 전류 차단 부재의 중앙 접속부를 제외한 나머지 부위를 절연하도록, 접속 플레이트와 전류 차단 부재 사이의 나머지 부위 중에서, 적어도 일 부위에 개재되는 절연 부재;
상기 전류 차단 부재 상에 위치하며, 전지셀의 양극 단자 또는 음극 단자를 형성하도록, 적어도 일 부위가 상기 전류 차단 부재에 접촉되어 있는 전극 단자부; 및
상기 접속 플레이트, 전류 차단 부재, 절연 부재 및 전극 단자부의 외주변을 동시에 감싸는 구조로 이루어진 가스켓;
을 포함하고 있고,
상기 전류 차단 부재는 열팽창 계수가 상이한 이종의 금속을 포함하는 바이메탈로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리. - 제 1 항에 있어서, 상기 전류 차단 부재는,
중앙 접속부에 대응되는 부위의 상면이 내측으로 만입된 판상형 구조로 이루어져 있는 제 1 금속부; 및
상기 제 1 금속부의 중앙 접속부에 대응되는 만입부에 위치해 있으며, 상기 제 1 금속부에 비해 열팽창 계수가 상대적으로 작은 금속으로 이루어진 제 2 금속부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리. - 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 금속부의 평면상 면적은 전류 차단 부재의 전체 면적에 대해, 10% 내지 90%의 크기인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 금속부의 수직 단면상 두께는 전류 차단 부재의 전체 두께에 대해, 10% 내지 50%의 크기인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류 차단 부재는 중앙 접속부에 형성된 노칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 5 항에 있어서, 상기 노칭부는 평면상 복수의 직선들이 중앙 접속부의 중심 부위에서, 하나의 교차점을 형성하는 방사형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 6 항에 있어서, 상기 노칭부를 구성하는 복수의 직선들은 평면상 전류 차단 부재의 제 1 금속부와 제 2 금속부에 걸쳐 연장된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 6 항에 있어서, 상기 노칭부를 구성하는 복수의 직선들 중에서, 하나의 직선은 이에 인접한 직선과 이루는 각도가 모두 동일한 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부가 파열되는 온도는 섭씨 75도 이상인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류 차단 부재의 중앙 접속부와 접촉되는 접속 플레이트의 중앙 돌출부의 평면상 면적은, 접속 플레이트의 전체 면적에 대해 10% 내지 30%의 크기인 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 접속 플레이트의 중앙 돌출부의 외주변 부위에는, 전지케이스 내부의 가스가 외부로 배출되도록 천공된 제 1 벤팅부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연 부재는, 접속 플레이트의 중앙 돌출부와 제 1 벤팅부, 및 전류 차단 부재의 중앙 접속부를 제외한 나머지 외주변 부위를 절연하도록, 중앙 부위가 천공된 링(ring) 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극 단자부는,
외주변 부위가 전류 차단 부재의 외주변 부위와 접촉된 상태에서, 중앙 부위가 전류 차단 부재의 중앙 접속부로부터 이격되도록 상향 돌출된 구조로 이루어져 있고,
상기 상향 돌출된 중앙 부위와 외주변 사이의 경사부에는 접속 플레이트의 제 1 벤팅부를 통해 배출된 가스가 외부로 배출되도록 천공된 제 2 벤팅부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리. - 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓은,
접속 플레이트의 외주변 하면 부위를 지지하도록 연장된 제 1 연장부; 및
상기 제 1 연장부로부터 전지케이스 방향으로 하향 절곡되어 연장된 제 2 연장부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 어셈블리.
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2017
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| KR20150097042A (ko) * | 2014-02-17 | 2015-08-26 | 주식회사 엘지화학 | 캡 어셈블리 및 이를 포함하는 원형전지 |
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