KR100274897B1 - 이차전지의 안전장치 - Google Patents

Abstract

목적 : 전지의 비정상적인 작동으로 내부 압력이 규정 압력 이상으로 상승할 경우, 전류의 흐름을 차단하고 가스 압력을 방출하여 폭발을 방지하므로 전지 안전성을 확보할 수 있도록 한 이차전지의 안전장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

구성 : 전극부(2)와 액체 전해질을 함께 캔(4)의 내부로 수납하고, 그 캔의 개구에 가스켓(6)을 개재하여 아래로부터 안전밸브를 갖춘 플레이트(14), 절연체(160) 및 캡 커버(10)를 순서대로 적층하여 밀봉한 구성을 포함하고; 상기 안전밸브를 갖춘 플레이트와 캡 커버의 사이에 전류차단기(180)를 연결하되, 그 전류차단기의 일단을 안전밸브를 갖춘 플레이트와 절연체의 사이로 삽입하고 또한 그 전류차단기의 타단을 절연체와 캡 커버의 사이로 삽입하며, 양단의 사이에 절연물(182)을 설치하여 안전밸브를 갖춘 플레이트의 가변부(14b)의 상승시 그 가변부와 접촉되도록 하므로, 전지의 내부 압력이 규정 압력 이상으로 상승할 경우 전류차단기가 전단되도록 한다.

효과 : 안전밸브를 갖춘 플레이트의 가변부의 변위차와 전류차단기의 전단 강도에 의해 안전장치의 작동 압력을 정확하게 설정할 수 있고, 궁극적으로 전지의 이상 작동이나 폭발에 대한 안정성을 확보할 수 있다.

Description

이차전지의 안전장치

본 발명은 전지의 비정상적인 작동으로 내부 압력이 규정 압력 이상으로 상승될 경우 작동되어서, 전류의 흐름을 차단하고 내부 가스 압력을 방출하여 폭발을 방지하므로 전지의 안전성을 확보할 수 있도록 하는 이차전지의 안전장치에 관한 것이다.

이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것이며, 대표적인 것으로 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 사용되고 있다.

이러한 이차전지로서 잘 알려진 리튬이온전지는 정극 활물질로 리튬-천이금속산화물이 사용되고, 부극 활물질로 탄소 혹은 탄소복합체가 사용되며, 그 사이에 유기 용매에 리튬염을 녹인 액체 전해질이 주입되어서, 상기 정극과 부극간에 리튬 이온이 이동되고 기전력이 발생되게 함으로써 충·방전이 이루어지도록 한다.

도 5는 종래 공지된 나선형(spirally-wound) 전극부를 갖는 리튬이온전지를 나타내고 있다. 정극과 세퍼레이터 및 부극이 함께 권취된 전극부(2)는 액체 전해질과 함께 상기 부극과 접속된 캔(4)의 내부로 수납되고, 그 캔(4)의 상부에는 가스켓(6)을 개재하여 절연되고 상기 정극과 접속되는 캡 어셈블리(8)가 설치된다.

캡 어셈블리(8)는 위로부터 캡 커버(10)와 전류 제한기(12) 및 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)의 순서로 적층되고, 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)의 하부에는 절연체(16)를 개재하여 전류차단기(18)를 부착한 것이며, 캔(4)의 상부를 크림핑(Crimping) 및 기타 방법에 의해 어셈블리 및 밀봉된다. 전류차단기(18)는 정극과의 접속을 위해 조립 전에 정극 탭(20)과 용접된다.

이렇게 구성된 리튬이온전지는 전지의 이상 작동이나 과부하시 정극에서 액체 전해질의 분해가 일어나고 부극에서 리튬 금속이 석출되어 쇼트될 수 있으며, 이때 내부의 압력이 규정된 압력 이상으로 상승되어 발열 및 폭발의 위험을 수반하게 된다.

이런 까닭에 종래에는 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)에 기계적인 방법이나 에칭법으로 일정한 깊이의 홈(14a)을 형성하거나 상대적으로 취약하게 변형 제작하여, 전지 내부의 압력이 규정 이상으로 상승될 경우 먼저 전류차단기(18)와의 용접 결합이 떨어지게 하고 또한 홈(14a) 및 취약부가 파단되게 함으로써, 전류의 흐름을 차단하고 내압을 감소시켜 폭발을 방지하고 있다.

그러나 지금까지의 안전장치는 작동이 불량한 문제점이 있다. 예를 들어 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)와 전류차단기(18)는 상호 용접에 의해 결합되어서 그 용접력에 의해 작동 압력이 결정되는 바, 기술적으로 상기 작동 압력을 정확하게 맞추기 어렵고, 특히 오 작동시 전지가 폭발하게 되는 위험까지 따르는 문제점이 있다.

앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 안전밸브를 갖춘 플레이트 및 전류차단기의 작동 압력을 보다 정확하게 설정할 수 있도록 하여, 궁극적으로 전지의 이상 작동이나 폭발에 대한 안정성을 확보할 수 있도록 한 이차전지의 안전장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

이를 위하여 본 발명에서는 정극, 부극 및 세퍼레이터가 함께 권취된 전극부를 액체 전해질과 함께 캔의 내부로 수납하고, 그 캔의 개구에 아래로부터 안전밸브를 갖춘 플레이트, 절연체 및 캡 커버를 순서대로 적층하여 캡 어셈블리를 구성한 다음 이것을 밀봉한 구성으로 이루어지는 것이며, 상기 안전밸브를 갖춘 플레이트와 캡 커버의 사이에 전류차단기를 연결하되, 그 전류차단기의 일단을 안전밸브를 갖춘 플레이트와 절연체의 사이로 삽입하고 또한 그 전류차단기의 타단을 절연체와 캡 커버의 사이로 삽입한 것이며, 양단의 사이에 절연물을 설치하여 안전밸브를 갖춘 플레이트의 가변부의 상승시 그 가변부와 접촉되도록 하므로, 전지의 내부 압력이 규정 압력 이상으로 상승할 경우 전류차단기가 전단되도록 한 구성으로 이루어진다.

여기서 전류차단기는 저면에 절연물을 부착하고 양단의 사이에 노치를 형성하거나, 또한 양단의 사이에 구멍을 형성하여 상기 절연물이 관통 결합되게 하므로, 그 전단 강도를 조정할 수 있다.

따라서 본 발명에 의한 이차전지의 안전장치는 안전밸브를 갖춘 플레이트의 가변부의 변위차와 전류차단기의 전단 강도에 의해 작동 압력을 정확하게 설정할 수 있으며, 궁극적으로 전지의 이상 작동이나 폭발에 대한 안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 이차전지를 보인 일부 단면도.

도 2는 본 발명의 의한 안전장치를 확대 도시한 분리 사시도.

도 3은 본 발명에 의한 안전장치의 작동 상태도.

도 4는 본 발명의 다른 예를 보인 이차전지의 일부 단면도.

도 5는 종래 공지된 이차전지를 보인 일부 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

8-캡 어셈블리 10-캡 커버

12-전류제한기 14-안전밸브를 갖춘 플레이트

160-절연체 180-전류차단기

182-절연물 184-노치

이하, 본 발명을 실현하기 위한 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2에서 자세하게 도시한 바와 같이, 본 발명은 이차전지의 일 예로서 나선형 구조를 갖는 리튬이온전지에 대하여 설명하고 있으며, 종래 기술의 도면에서 인용한 부분과 동일한 구성에 대하여는 설명의 명료성을 위해 동일 부호를 사용하기로 한다.

도면에서와 같이 본 발명의 이차전지는 정극, 부극 및 세퍼레이터가 함께 권취된 전극부(2)를 액체 전해질과 함께 캔(4)의 내부로 수납하고, 그 캔(4)의 개구에 아래쪽으로부터 안전밸브를 갖춘 플레이트(14), 절연체(160) 및 캡 커버(10)를 순서대로 적층하여 캡 어셈블리(8)를 구성하고 있으며, 캔(4)의 개구를 크림핑 및 기타 방법에 의해 밀봉함으로써 어셈블리되고 있다.

캡 어셈블리(8)는 절연체(160)와 구멍(10a)이 형성된 캡 커버(10)의 사이에 전류제한기(12)를 더 설치하여 구성할 수 있다.

이렇게 구성된 캡 어셈블리(8)에 있어서 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)는 탭(20)을 이용하여 전극부(2)의 정극과 연결되고, 이어서 정극 단자인 캡 커버(10)로 연결되어야 하는 바, 이를 위하여 본 발명에서는 양 부품의 사이에 전류차단기(180)를 연결하고 있다.

보다 구체적으로 전류차단기(180)는 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)와 절연체(160)의 사이로 일측 단부가 삽입되어서 면 접촉 혹은 용접되고, 또한 타측 단부가 절연체(160)와 전류제한기(12) 혹은 캡 커버(10)의 사이로 삽입되어서 면 접촉 혹은 용접되는 구조로 연결된다.

이렇게 연결된 전류차단기(180)는 양단의 사이에 절연물(182)을 설치하여서 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)의 가변부(14b)의 상승시 그 가변부와 접촉되도록 하므로, 전지의 내부 압력이 규정 압력 이상으로 상승할 경우 전단되어 전류를 차단한다. 즉, 전류차단기(180)는 도 3과 같이 전지 내압의 상승시 그 압력에 의해 위쪽으로 변형되는 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)의 가변부(14b)에 의해 밀려 올려져 변형되면서 규정 압력 이상에서 전단되어, 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)와 전류제한기(12) 혹은 캡 커버(10)의 사이로 흐르는 전류를 차단하게 된다.

이때 전류차단기(180)의 전단 강도는 절연물(182)을 관통 결합하기 위하여 형성한 구멍의 직경에 의하여, 또한 도 3과 같이 절연물(182)을 저면에 부착한 상태에서 양단의 사이에 형성하는 노치(184)에 의하여 결정될 수 있으며, 이것은 작동 압력에 따라 크거나 작게 조정할 수 있다.

또 본 발명의 안전장치는 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)의 가변부(14b)의 변위를 조정하는 방법에 의해 그 작동 압력을 설정할 수 있는데, 이 경우에 가변부(14b)의 변위는 홈(14a) 및 안전밸브를 갖춘 플레이트(14) 재질의 두께에 의해 결정될 수 있다.

이와 같은 구성에 따라 본 발명의 안전장치는 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)의 가변부(14b)의 변위차와 전류차단기(180)의 전단 강도를 설계치에 맞도록 조정함에 의해 작동 압력을 정확하게 설정할 수 있다.

따라서 본 발명에 의한 이차전지는 비정상적인 작동으로 내부 압력이 규정 압력 이상으로 상승될 경우, 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)의 가변부(14b)가 상승되고 그에 의해 전류차단기(180)가 전단되는 작용에 의해 1차적으로 전류를 차단할 수 있으며, 이후 안전밸브를 갖춘 플레이트(14)의 홈(14a)이 파단됨에 의해 2차적으로 전지의 내부 압력을 감소시킬 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 구성 및 작용을 통하여 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 이차전지의 안전장치는 안전밸브를 갖춘 플레이트와 캡 커버의 사이에 연결되는 전류차단기를 개선하여 종래 기술의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉 본 발명은 안전밸브를 갖춘 플레이트의 변위와 그 변위에 의해 전단되는 전류차단기의 상호 작용을 이용하여 안전장치의 작동 압력 및 시기를 정확하게 설정할 수 있다.

따라서 본 발명에 의한 이차전지는 전지의 내부 압력이 규정 압력 이상으로 상승할 경우 정확하게 작동되어서, 궁극적으로 전지의 비정상적인 작동 및 폭발에 대하여 안전성을 확보할 수 있다.

Claims (4)

1. 전극부 및 액체 전해질이 수납된 캔의 상측 개구에 가스켓을 개재하여 밀봉 설치되는 것으로, 아래쪽에서부터 안전밸브를 갖춘 플레이트, 절연체 및 구멍이 형성된 캡 커버의 순서로 적층하고; 상기 안전밸브를 갖춘 플레이트와 캡 커버를 전기적으로 연결하는 전류차단기를 설치하되, 그 전류차단기의 일단을 안전밸브를 갖춘 플레이트와 절연체의 사이로 삽입하고 또한 그 전류차단기의 타단을 절연체와 캡 커버의 사이로 삽입하며, 양단의 사이에 절연물을 설치하여 안전밸브를 갖춘 플레이트의 가변부의 상승시 그 가변부와 접촉되도록 한 것을 특징으로 하는 이차전지의 안전장치.
2. 제 1 항에 있어서, 절연물은 전류차단기의 양단 사이의 중간을 관통하여 결합된 것임을 특징으로 하는 이차전지의 안전장치.
3. 제 1 항에 있어서, 전류차단기는 저면에 절연물을 부착하고, 양단의 사이에 노치를 형성한 것을 특징으로 하는 이차전지의 안전장치.
4. 제 1, 제 2 또는 제 3 항에 있어서, 캡 커버와 절연체의 사이에 전류제한기를 설치하고, 그 전류제한기의 저면에 전류차단기가 면 접촉되도록 한 것을 특징으로 하는 이차전지의 안전장치.