KR20230039264A - 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극, 제2 전극 및 분리막이 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하고 상부가 개방된 전지 캔; 상기 전지 캔의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체; 상기 전극 조립체와 상기 전지 캔의 바닥부 사이에 위치하는 스페이서; 및 상기 스페이서와 상기 전지 캔의 상기 바닥부 사이에 위치하는 스프링부를 포함한다. 상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체가 상기 전극 조립체의 하부 방향으로 연장되어 노출되는 제1 전극 연장부를 포함하고, 상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 집전체가 상기 전극 조립체의 상부 방향으로 연장되어 노출되는 제2 전극 연장부를 포함한다. 상기 제1 전극 연장부는 상기 스페이서와 접촉되며, 상기 제2 전극 연장부는 상기 캡 조립체와 접촉된다. 상기 스프링부는, 상기 스페이서를 향해 돌출되고 상기 스페이서와 접촉되는 돌출부를 포함한다.
Description
본 발명은 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 안전성이 향상된 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이차 전지에는 예를 들어 니켈 카드뮴전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이들 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 원통형 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지, 전극 조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 각형 전지 및 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다. 그 중 원통형 전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안정하다는 장점을 가진다.
전지 케이스에 내장되는 상기 전극 조립체는 음극, 분리막, 양극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 젤리롤형, 스택형 및 스택/폴딩형으로 분류된다. 젤리롤형은 활물질이 도포된 긴 시트형의 음극과 양극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 형태이고, 스택형은 소정 크기의 다수의 음극과 양극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 형태이며, 스택/폴딩형은 젤리롤형과 스택형의 복합 구조이다. 그 중 젤리롤형 전극 조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있다.
고용량, 저저항, 급속 충전(fast-charge)가 가능한 원통형 전지의 수요가 증대되고 있지만, 급속 충전(fast-charge) 시 발열로 인한 성능 저하 및 안전성 문제가 대두되고 있다. 이에 따라 발열에 대한 이차 전지의 안전성을 확보할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 과전류에 대한 안전성을 확보할 수 있는 이차 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극, 제2 전극 및 분리막이 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수납하고 상부가 개방된 전지 캔; 상기 전지 캔의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체; 상기 전극 조립체와 상기 전지 캔의 바닥부 사이에 위치하는 스페이서; 및 상기 스페이서와 상기 전지 캔의 상기 바닥부 사이에 위치하는 스프링부를 포함한다. 상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체가 상기 전극 조립체의 하부 방향으로 연장되어 노출되는 제1 전극 연장부를 포함하고, 상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 집전체가 상기 전극 조립체의 상부 방향으로 연장되어 노출되는 제2 전극 연장부를 포함한다. 상기 제1 전극 연장부는 상기 스페이서와 접촉되며, 상기 제2 전극 연장부는 상기 캡 조립체와 접촉된다. 상기 스프링부는, 상기 스페이서를 향해 돌출되고 상기 스페이서와 접촉되는 돌출부를 포함한다.
상기 돌출부는, 과전류가 흐를 때 용융되는 금속 소재를 포함할 수 있다.
과전류가 흘러 상기 돌출부가 용융되면, 상기 제1 전극 연장부와 상기 스페이서 간의 접촉 또는 상기 제2 전극 연장부와 상기 캡 조립체 간의 접촉 중 적어도 하나가 해제될 수 있다.
상기 스프링부는 웨이브 스프링일 수 있다.
상기 스프링부는, 원주 방향을 따라, 번갈아 위치하는 상향 굴곡부들 및 하향 굴곡부들을 포함할 수 있다.
상기 돌출부는 상기 상향 굴곡부에 위치할 수 있다.
상기 제1 전극은, 상기 제1 전극 집전체에 제1 전극 활물질이 도포되어 형성된 제1 전극 활물질부를 포함할 수 있고, 상기 제1 전극 연장부는 상기 제1 전극 활물질부가 형성된 영역보다 하부 방향으로 연장될 수 있다. 상기 제2 전극은, 상기 제2 전극 집전체에 제2 전극 활물질이 도포되어 형성된 제2 전극 활물질부를 포함할 수 있고, 상기 제2 전극 연장부는 상기 제2 전극 활물질부가 형성된 영역보다 상부 방향으로 연장될 수 있다.
상기 스페이서 중 상기 제1 전극 연장부와 대면하는 상면은 볼록하게 돌출된 형태일 수 있고, 상기 스페이서 중 상기 스프링부와 대면하는 하면은 평평한 형태일 수 있다.
상기 스페이서는 금속 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 돌출부를 포함하는 스프링부를 내부에 배치함으로써, 구조적 안정성과 함께 과전류에 대한 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 절단선 C-C’을 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링부를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 7은 도 1의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 8은, 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면에 대해 과전류 상황에서의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 9는 도 1의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면에 대해 과전류 상황에서의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 이차 전지에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 절단선 C-C’을 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링부를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 7은 도 1의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 8은, 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면에 대해 과전류 상황에서의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
도 9는 도 1의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면에 대해 과전류 상황에서의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
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.
또한, 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. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
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, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 이차 전지에 대한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따르 이차 전지(100)는, 젤리롤 형태의 전극 조립체(200); 전극 조립체(200)를 수납하고 상부가 개방된 전지 캔(300); 전지 캔(300)의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체(400); 전극 조립체(200)와 전지 캔(300)의 바닥부 사이에 위치하는 스페이서(500); 및 스페이서(500)와 전지 캔(300)의 바닥부 사이에 위치하는 스프링부(600)를 포함한다.
우선, 도 3 및 도 4를 참고하여, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200)에 대해 자세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 조립체를 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 3의 절단선 C-C’을 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200)는, 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)을 포함한다. 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 분리막(230)이 함께 권취되어 젤리롤 형태의 전극 조립체(200)가 형성된다. 분리막(230)은, 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 사이에 위치한다. 아울러, 젤리롤 형태로 권취되었을 때, 제1 전극(210)과 제2 전극(220)이 서로 접하는 것을 방지하기 위해 외측에 분리막(230)이 추가 배치되는 것이 바람직하다.
제1 전극(210)은, 제1 전극 집전체(211) 및 제1 전극 집전체(211)가 전극 조립체(200)의 하부 방향(d1)으로 연장되어 노출되는 제1 전극 연장부(211E)를 포함한다. 구체적으로, 제1 전극(210)은 제1 전극 집전체(211) 상에 제1 전극 활물질이 도포되어 형성된 제1 전극 활물질부(212)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이 제1 전극 집전체(211)의 양면 모두에 상기 제1 전극 활물질이 도포되어 제1 전극 활물질부(212)가 형성될 수 있다. 제1 전극 집전체(211) 중에서 전극 조립체(200)의 하부 방향(d1)으로 연장된 부분의 표면에 상기 제1 전극 활물질이 도포되지 않아, 제1 전극 연장부(211E)가 형성될 수 있다. 제1 전극 연장부(211E)는 제1 전극 활물질부(212)가 형성된 영역보다 하부 방향(d1)으로 연장될 수 있고, 권취되는 제1 전극(210)의 일 단부를 따라 이어질 수 있다. 또한, 제1 전극 연장부(211E)는 하부 방향(d1)으로 분리막(230)보다 연장될 수 있다. 이에 따라, 젤리롤 형태의 전극 조립체(200)의 하부 방향(d1)의 일 단부에는 제1 전극 연장부(211E)가 노출될 수 있다.
제2 전극(220)은, 제2 전극 집전체(221) 및 제2 전극 집전체(221)가 전극 조립체(200)의 상부 방향(d2)으로 연장되어 노출되는 제2 전극 연장부(221E)를 포함한다. 구체적으로, 제2 전극(220)은 제2 전극 집전체(221) 상에 제2 전극 활물질이 도포되어 형성된 제2 전극 활물질부(222)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 제2 전극 집전체(221)의 양면 모두에 상기 제2 전극 활물질이 도포되어 제2 전극 활물질부(222)가 형성될 수 있다. 제2 전극 집전체(221) 중에서 전극 조립체(200)의 상부 방향(d2)으로 연장된 부분의 표면에 상기 제2 전극 활물질이 도포되지 않아, 제2 전극 연장부(221E)가 형성될 수 있다. 제2 전극 연장부(221E)는 제2 전극 활물질부(222)가 형성된 영역보다 상부 방향(d2)으로 연장될 수 있고, 권취되는 제2 전극(220)의 일 단부를 따라 이어질 수 있다. 또한 제2 전극 연장부(221E)는 상부 방향(d2)으로 분리막(230)보다 연장된다. 이에 따라, 젤리롤 형태의 전극 조립체(200)의 상부 방향(d2)의 일 단부에는 제2 전극 연장부(221E)가 노출될 수 있다.
이 때, 하부 방향(d1)은 전극 조립체(200)를 기준으로 전지 캔(300)의 바닥부(310, 도 6 참고)가 위치한 방향일 수 있고, 상부 방향(d2)는 전극 조립체(200)를 기준으로 캡 조립체(400)가 위치한 방향일 수 있다. 또한, 제1 전극(210)은 음극일 수 있고, 제2 전극(220)은 양극일 수 있다.
본 실시예에 따른 전극 조립체(200)는, 별도의 전극탭을 부착하는 형태가 아니라, 저항 감소를 위해 제1 전극 집전체(211)가 연장되어 형성된 제1 전극 연장부(211E)와 제2 전극 집전체(221)가 연장되어 형성된 제2 전극 연장부(221E)를 전극탭을 대신한 전류 경로로 활용하는 형태이다. 즉, 본 실시예에 따른 전극 조립체(200)는 탭리스(tab-less)의 전극 조립체일 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참고하면, 전지 캔(300)은 전해액과 전극 조립체(200)를 수납하는 구조물로써, 금속 소재를 포함할 수 있고, 원통형 케이스일 수 있다.
이하에서는, 도 5 및 도 6을 참고하여, 본 실시예에 따른 스페이서와 스프링부에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링부를 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 2, 도 5 및 도 6을 함께 참고하면, 상술한 바 대로, 스페이서(500)는 전극 조립체(200)와 전지 캔(300)의 바닥부(310) 사이에 위치하고, 스프링부(600)는 스페이서(500)와 전지 캔(300)의 바닥부(310) 사이에 위치한다. 즉, 전극 조립체(200)의 아래에 스페이서(500), 스프링부(600) 및 전지 캔(300)의 바닥부(310)가 차례로 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 전극 연장부(211E)는 스페이서(500)와 접촉된다. 구체적으로 제1 전극 연장부(211E)가 스페이서(500)의 상면(510)에 접촉하고, 스프링부(600)가 스페이서(500)의 하면(520)에 접촉할 수 있다. 또한, 스프링부(600)는 전지 캔(300)의 바닥부(310)에 접촉할 수 있다.
제1 전극 연장부(211E)는 전극탭을 대신하여, 전극 조립체(200)의 전기적 연결을 안내할 수 있다. 구체적으로, 전극 조립체(200)가 제1 전극 연장부(211E), 스페이서(500) 및 스프링부(600)를 통해 전지 캔(300)의 바닥부(310)와 통전될 수 있고, 바닥부(310)는 이차 전지(100)의 전극 단자로써 기능할 수 있다. 제1 전극(210)이 음극인 경우 바닥부(310)는 음극 단자로써 기능할 수 있다. 이러한 작동 원리를 위해 스페이서(500)와 스프링부(600)는 모두 전기 전도성이 우수한 금속 소재를 포함할 수 있다.
이 때, 스프링부(600)는, 상, 하 방향에 대해 탄성력을 갖는 부재이며, 도 5에 도시된 바와 같이 웨이브 스프링일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 스프링부(600)는, 원주 방향을 따라, 번갈아 위치하는 상향 굴곡부(610)들 및 하향 굴곡부(620)들을 포함할 수 있다. 상향 굴곡부(610)는 스페이서(500)를 향하도록 휘어진 부분이고, 하향 굴곡부(620)는 전지 캔(300)의 바닥부(310)를 향하도록 휘어진 부분이다. 후술하겠으나, 상향 굴곡부(610)에 형성된 돌출부(600P)가 스페이서(500)의 하면(520)에 접촉할 수 있고, 하향 굴곡부(620)들은 전지 캔(300)의 바닥부(310)에 접촉할 수 있다.
스프링부(600)의 탄성력에 의해 전극 조립체(200)가 스페이서(500)와 후술하는 캡 조립체(400) 사이에서 강하게 고정되고, 서로 간의 접촉을 유지할 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(200)가 이차 전지(100) 내부에서 유동하는 것을 방지하여 구조적 안정성을 높일 수 있고, 동시에 전기적 연결도 안정적으로 확보할 수 있다.
이하에서는 도 2 및 도 7을 참고하여, 본 실시예에 따른 캡 조립체와 제2 전극 연장부(221E)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 7은 도 1의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 2 및 도 7을 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 제2 전극 연장부(221E)는 캡 조립체(400)와 접촉된다. 구체적으로 본 실시예에 따른 캡 조립체(400)는 탑 캡(410), 안전 벤트(420) 및 CID(Current Interrupt Device) 필터(430)를 포함할 수 있다. 탑 캡(410)과 안전 벤트(420)는 상호 밀착된 구조를 형성할 수 있다. 안전 벤트(420)는 CID 필터(430) 상에 위치하며, CID 필터(430)에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 안전 벤트(420)의 중심부와 CID 필터(430)의 중심부가 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극 연장부(221E)는 CID 필터(430)의 하면에 접촉할 수 있다.
안전 벤트(420)는 전류가 통하는 박막 구조물로써, 그 중심부가 하부 방향, 즉, CID 필터(430)가 위치한 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. CID 필터(430)는 전류가 통하는 판재 부재로써, 가스의 배출을 위한 다수의 관통구들이 형성될 수 있다.
탑 캡(410), 안전 벤트(420), CID 필터(430) 및 제2 전극 연장부(221E)가 차례로 연결될 수 있다. 제2 전극 연장부(221E)가 전극탭을 대신하여 전극 조립체(200)의 전기적 연결을 안내할 수 있다. 탑 캡(410), 안전 벤트(420), CID 필터(430) 및 제2 전극 연장부(221E)가 서로 통전되고, 탑 캡(410)이 전극 조립체(200)의 전기적 연결을 안내하는 전극 단자로써 기능할 수 있다. 제2 전극(220)이 양극인 경우, 캡 조립체(400)의 탑 캡(410)은 양극 단자로써 기능할 수 있다.
한편, 이차 전지(100)의 내압이 상승할 경우, 안전 벤트(420)의 형상이 역전되고, CID 필터(430) 중 안전 벤트(420)와 연결된 부분과 연결되지 않은 부분이 서로 분리되면서 전류가 차단된다.
한편, 전지 캔(300)과 캡 조립체(400) 사이에는 가스켓(700)이 위치할 수 있다. 구체적으로, 전지 캔(300)의 상부 일단과 캡 조립체(400) 사이에 가스켓(700)을 두고 전지 캔(300)의 상부 일단을 구부려, 크림핑(crimping) 결합을 실시할 수 있다. 이러한 크림핑 결합 방식으로, 캡 조립체(400)를 전지 캔(300)의 개방된 상부에 결합할 수 있다. 가스켓(700)은 전지 캔(300)과 캡 조립체(400) 사이에 밀봉성을 높임과 동시에, 전지 캔(300)과 캡 조립체(400) 사이의 전기적 연결을 차단할 수 있다.
또한, CID 필터(430)의 외주에는 CID 가스켓(800)이 배치되어, CID 필터(430)를 고정함과 동시에 CID 가스켓(800)의 외주 부분과 안전 벤트(420)의 외주 부분 간의 접촉을 차단할 수 있다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 스프링부(600)가 갖는 전류 차단 기능에 대해 자세히 설명하도록 한다.
먼저 도 2 및 도 5를 다시 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링부(600)는, 스페이서(500)를 향해 돌출되고 스페이서(500)와 접촉되는 돌출부(600P)를 포함한다. 보다 구체적으로, 스프링부(600)는, 상향 굴곡부(610)들과 하향 굴곡부(620)들을 포함하는 웨이브 스프링일 수 있고, 돌출부(600P)는 복수로 구성되며, 돌출부(600P)들 각각은 상향 굴곡부(610)에 위치할 수 있다. 스프링부(600)는 돌출부(600P)를 통해 스페이서(500)와 접촉하여, 전류 경로를 형성할 수 있다.
이 때, 본 실시예에 따른 돌출부(600P)는 과전류가 흐를 때 용융되는 금속 소재를 포함할 수 있다. 즉, 돌출부(600P)는 일종의 퓨즈(fuse)로 기능할 수 있다. 구체적으로, 돌출부(600P)는 제1 전류 이상이 흐르거나 제1 온도 이상의 열이 가해지면 용융되는 소재로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1 온도는 이차 전지(100)에 쇼트 현상이 발생되어 과전류가 흐르는 등의 이상 현상이 발생되었을 때의 온도일 수 있다. 보다 구체적으로, 전극 조립체(200)에 제1 전류 이상의 전류가 흐를 때 발생하는 저항열의 온도일 수 있다. 상기 제1 전류는 10C(씨레이트, C-rate)일 수 있다. 즉, 둘출부(600P)는 10C 이상의 전류가 흐름에 따라 용융되는 것으로 설계될 수 있다. 본 발명에서 과전류는 상기 제1 전류 이상의 전류를 의미할 수 있다. 또한, 상기 제1 온도는 섭씨 100도 이상의 온도일 수 있다. 즉, 돌출부(600P)는 섭씨 100도 이상의 온도의 열이 전달됨에 따라 용융될 수 있다.
이에 따라, 돌출부(600P)에서 10C(씨레이트) 이상의 전류가 흐르는 경우 및/또는 섭씨 100도 이상의 온도의 열이 전달되는 경우, 돌출부(600P)가 용융될 수 있다. 도 8 및 도 9는 과전류가 흘러 돌출부(600P)가 용융되었을 때의 이차 전지 모습을 도시한 것이다. 도 8은, 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면에 대해 과전류 상황에서의 모습을 나타낸 부분 단면도이고, 도 9는 도 1의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면에 대해 과전류 상황에서의 모습을 나타낸 부분 단면도이다.
과전류가 흘러 돌출부(600P)가 용융될 경우, 제1 전극 연장부(211E)와 스페이서(500) 간의 접촉 또는 제2 전극 연장부(221E)와 캡 조립체(400) 간의 접촉 중 적어도 하나가 해제될 수 있다. 즉, 제1 전극 연장부(211E)와 스페이서(500) 간의 접촉과 제2 전극 연장부(221E)와 캡 조립체(400) 간의 접촉 중 어느 하나가 해제되거나, 제1 전극 연장부(211E)와 스페이서(500) 간의 접촉과 제2 전극 연장부(221E)와 캡 조립체(400) 간의 접촉 모두가 해제될 수 있다.
도 8에는 제1 전극 연장부(211E)와 스페이서(500) 간의 접촉이 해제된 모습이 나타나 있고, 도 9에는 제2 전극 연장부(221E)와 캡 조립체(400) 간의 접촉이 해제된 모습이 나타나 있다.
위와 같이, 과전류가 흐르는 비정상적인 작동 상태가 발생하여도, 퓨즈로 기능하는 돌출부(600P)가 이차 전지 내부의 전류 흐름을 차단할 수 있어, 발열에 대한 안전성을 확보하고, 폭발이나 발화로 이어지는 것을 방지할 수 있다.
돌출부(600P)는 아연(Zn), 주석(Sn), 납(Pb)을 주체로 하거나, 혹은 이들을 주성분으로 하는 합금으로 형성될 수 있다. 돌출부(600P)는 아연, 주석, 납으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 소재를 포함할 수 있다. 일례로, 돌출부(600P)는 Pb-Sn(납-주석) 합금을 포함할 수 있다. 이와 달리, 돌출부(600P)는 구리(Cu) 또는 은(Ag) 계통의 소재를 포함할 수 있다. 다만, 돌출부(600P)는 상술한 물질로 한정되어 이루어지는 것이 아니며, 통상적인 퓨즈(fuse)에 포함되는 구성 물질도 포함할 수 있다.
돌출부(600P)가 Pb-Sn(납-주석) 합금을 포함하는 경우, 돌출부(600P)는 30중량% 내지 45중량%의 납(Pb) 및 55중량% 내지 70중량%의 주석(Sn)을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 돌출부(600P)는 33중량% 내지 43중량%의 납(Pb) 및 57중량% 내지 67중량%의 주석(Sn)을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 일례로, 돌출부(600P)는 35중량% 내지 40중량%의 납(Pb) 및 60중량% 내지 65중량%의 주석(Sn)을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다.
이에 따라, 돌출부(600P)는 상술한 범위의 비율로 Pb-Sn(납-주석) 합금을 포함하여, 쇼트 현상의 발생으로 인한 발열 온도에 따라 고체에서 액체로 상변화가 진행될 수 있다. 돌출부(600P)의 상변화에 따라 상술한 것처럼 전류 흐름이 차단될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 돌출부(600P)는 스페이서(500)를 향해 돌출된다면, 그 형태에 특별한 제한은 없다. 다만, 스페이서(500)와의 안정적인 접촉을 위해 도 5에 도시된 바와 같이 직육면체 형태의 돌출부(600P)일 수 있다.
또한, 돌출부(600P)를 형성하는 방법에 특별한 제한은 없다. 일례로 돌출부(600P)는 스프링부(600)의 다른 부분과 일체로 형성된 형태일 수 있다. 즉, 돌출부(600P)를 포함한 스프링부(600) 전체가, Pb-Sn(납-주석) 합금과 같이 과전류에 용융되는 금속 소재로 이루어질 수 있고, 돌출부(600P)는 다른 스프링부(600)와 일체로 성형된 형태일 수 있다. 다른 예시로써, Pb-Sn(납-주석) 합금과 같이 과전류에 용융되는 금속 소재를 포함한 돌출부(600P)가 다른 금속 소재를 포함하는 스프링부(600)에 용접 등의 방법으로 접합된 형태일 수 있다.
한편, 도 6을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 스페이서(500) 중 제1 전극 연장부(211E)와 대면하는 상면(510)은 볼록하게 돌출된 형태일 수 있고, 스페이서(500) 중 스프링부(600)와 대면하는 하면(520)은 평평한 형태일 수 있다. 제1 전극 연장부(211E)가 전극 조립체(200)의 외곽부분에서 중심부분으로 갈수록 돌출되는 부분이 감소하는 형태, 즉 오목한 형태를 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 권취된 제1 전극 연장부(211E)가 형성하는 젤리롤 전극 조립체(200)의 하면은 중앙 부분이 외곽 부분보다 안쪽으로 들어간 오목한 형태일 수 있다. 스페이서(500)는 이러한 제1 전극 연장부(211E)와의 접촉성을 높이기 위해 상면이 볼록하게 돌출된 형태를 가질 수 있다. 즉, 오목한 형태의 제1 전극 연장부(211E) 부분과 이와 대응하도록 돌출된 스페이서(500)를 통해 스페이서(500)와 제1 전극 연장부(211E) 간의 접촉이 안정적으로 유지될 수 있다. 한편, 스페이서(500)의 하면(520)은 스프링부(600)의 돌출부(600P)들과 접촉할 수 있도록 평평한 형태를 가질 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 이차 전지가 다수로 모여 전지 모듈을 구성할 수 있다. 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 이차 전지, 상기 전지 모듈 또는 상기 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 이차 전지
200: 전극 조립체
300: 전지 캔
400: 캡 조립체
500: 스페이서
600: 스프링부
600P: 돌출부
200: 전극 조립체
300: 전지 캔
400: 캡 조립체
500: 스페이서
600: 스프링부
600P: 돌출부
Claims (10)
- 제1 전극, 제2 전극 및 분리막이 권취된 젤리롤 형태의 전극 조립체;
상기 전극 조립체를 수납하고 상부가 개방된 전지 캔;
상기 전지 캔의 개방된 상부에 결합되는 캡 조립체;
상기 전극 조립체와 상기 전지 캔의 바닥부 사이에 위치하는 스페이서; 및
상기 스페이서와 상기 전지 캔의 상기 바닥부 사이에 위치하는 스프링부를 포함하고,
상기 제1 전극은, 제1 전극 집전체 및 상기 제1 전극 집전체가 상기 전극 조립체의 하부 방향으로 연장되어 노출되는 제1 전극 연장부를 포함하며,
상기 제2 전극은, 제2 전극 집전체 및 상기 제2 전극 집전체가 상기 전극 조립체의 상부 방향으로 연장되어 노출되는 제2 전극 연장부를 포함하고,
상기 제1 전극 연장부는 상기 스페이서와 접촉되며, 상기 제2 전극 연장부는 상기 캡 조립체와 접촉되고,
상기 스프링부는, 상기 스페이서를 향해 돌출되고 상기 스페이서와 접촉되는 돌출부를 포함하는 이차 전지. - 제1항에서,
상기 돌출부는, 과전류가 흐를 때 용융되는 금속 소재를 포함하는 이차 전지. - 제2항에서,
과전류가 흘러 상기 돌출부가 용융되면, 상기 제1 전극 연장부와 상기 스페이서 간의 접촉 또는 상기 제2 전극 연장부와 상기 캡 조립체 간의 접촉 중 적어도 하나가 해제되는 이차 전지. - 제1항에서,
상기 스프링부는 웨이브 스프링인 이차 전지. - 제4항에서,
상기 스프링부는, 원주 방향을 따라, 번갈아 위치하는 상향 굴곡부들 및 하향 굴곡부들을 포함하는 이차 전지. - 제5항에서,
상기 돌출부는 상기 상향 굴곡부에 위치하는 이차 전지. - 제1항에서,
상기 제1 전극은, 상기 제1 전극 집전체에 제1 전극 활물질이 도포되어 형성된 제1 전극 활물질부를 포함하고, 상기 제1 전극 연장부는 상기 제1 전극 활물질부가 형성된 영역보다 하부 방향으로 연장되며,
상기 제2 전극은, 상기 제2 전극 집전체에 제2 전극 활물질이 도포되어 형성된 제2 전극 활물질부를 포함하고, 상기 제2 전극 연장부는 상기 제2 전극 활물질부가 형성된 영역보다 상부 방향으로 연장되는 이차 전지. - 제1항에서,
상기 스페이서 중 상기 제1 전극 연장부와 대면하는 상면은 볼록하게 돌출된 형태이고,
상기 스페이서 중 상기 스프링부와 대면하는 하면은 평평한 형태인 이차 전지. - 제1항에서,
상기 스페이서는 금속 소재를 포함하는 이차 전지. - 제1항에 따른 이차 전지를 포함하는 전지 모듈.
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