KR101136274B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 케이스의 내부 온도가 상승하더라도 그 안정성을 확보할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것이 그 기술적 과제이다. 이를 위해, 본 발명의 이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스와, 그리고 케이스의 내면에 부착되며 케이스의 내부 온도가 설정 온도 이상이면 케이스를 타공하는 안전 유닛을 포함한다.

Description

이차 전지{SECONDARY BATTERY}

본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충?방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이온 이차 전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량 당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.

이러한 리튬 이온 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 리튬 이온 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적 형상으로는 원통형과, 각형과, 그리고 파우치형을 들 수 있다.

여기서, 파우치형 이차 전지는 전극 조립체와, 그리고 전극 조립체가 수용되는 파우치형 케이스를 포함한다.

본 발명의 기술적 과제는 케이스의 내부 온도가 상승하더라도 그 안정성을 확보할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및 상기 케이스의 내면에 부착되며 상기 케이스의 내부 온도가 설정 온도 이상이면 상기 케이스를 타공하는 안전 유닛을 포함한다.

또한, 상기 안전 유닛은 온도 변형 재질로 이루어져 상기 설정 온도 이상이면 변형되는 변형부; 상기 변형부에 구비되며 상기 변형부의 변형시 상기 케이스를 가격하여 상기 케이스에 구멍을 형성시키는 끝이 뾰족한 타격부; 및 상기 변형부를 고정시키기 위해 상기 케이스의 내면에 구비되고 상기 타격부를 내장시키는 지지 커버를 포함할 수 있다.

또한, 상기 안전 유닛은 상기 변형부가 변형될 때 상기 타격부를 안내하는 안내부를 더 포함할 수 있다.

일 예로서, 상기 온도 변형 재질은 상기 설정 온도 이상이면 일측으로 휘어지는 온도 변형 소자일 수 있고, 그리고 상기 온도 변형 소자는 바이메탈 또는 형상 기억 합금 중 어느 하나일 수 있다.

다른 예로써, 상기 온도 변형 재질은 상기 설정 온도 이상이면 수축되는 열 변형 폴리머일 수 있다.

또한, 상기 지지 커버는 상기 설정 온도에도 그 형태가 유지될 수 있는 내열성 수지로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 지지 커버 중 상기 케이스의 내면에 부착되는 부분은 케이스의 내면과 동일한 재질로 이루어질 수 있다.

일 예로서, 상기 지지 커버와 상기 케이스의 내면은 열융착으로 부착될 수 있다.

다른 예로서, 상기 지지 커버와 상기 케이스의 내면은 실리콘 접착제로 부착될 수 있다.

또한, 상기 케이스는 파우치형 전지에 사용되는 파우치형 케이스이고, 상기 전극 조립체는 전극 탭을 포함하고, 그리고 상기 안전 유닛은 상기 파우치형 케이스의 내면 중 상기 전극 탭 주변에 구비될 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 케이스를 타공할 수 있는 안전 유닛이 구비됨에 따라, 케이스의 내부 압력과 무관하게 케이스의 내부 온도만이 상승될지라도 그 안정성을 확보할 수 있다. 특히, 케이스의 내부 압력이 상승하면 내부 온도가 상승하지만 내부 온도가 상승한다고 반드시 내부 압력이 상승하는 것은 아니므로, 내부 온도를 기준하는 것이 내부 압력을 기준으로 하는 것 보다 그 안정성을 더욱 확보할 수 있다. 다시 말해, 케이스의 내부 온도는 케이스의 내부 압력의 증가로도 상승할 수 있지만 내부 압력과 무관하게 상승할 수도 있기 때문에 케이스의 내부 온도를 기준으로 하는 것이 사각지대인 케이스의 내부 온도만이 증가될 경우를 대비할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 내부 압력에 의해 실링부가 벌어지는 기술이 아니고 내부 온도에 의해 케이스에 구멍을 뚫는 기술이므로 실링부 근처의 도체와 전극 탭과의 접촉으로 인한 쇼트(short)를 미연에 막을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 실링부에 큰 하중을 가하는 고 용량의 저장용 전지일지라도 케이스의 내부 온도가 설정 온도 이상이 되면 지체 없이 바로 타공되므로 그 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 실링부의 두께 및 폭에 무관하게 케이스 자체를 타공하게 되므로 그 조절이 정밀할 수 있다. 즉, 설정 온도 이상이면 바로 케이스를 타공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 안전 유닛이 전극 탭 근처에 부착된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 A영역 확대도이다.
도 3은 도 2를 III-III 선으로 잘라서 본 단면도이다.
도 4는 도 2의 안전 유닛이 동작된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 안전 유닛을 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5의 안전 유닛이 동작된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 안전 유닛을 나타낸 단면도이다.
도 8은 도7의 안전 유닛이 동작된 상태를 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지에서 안전 유닛이 전극 탭 근처에 부착된 상태를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)를 수용하는 케이스(100)와, 그리고 안전 유닛(200)을 포함한다.

전극 조립체(10)는 충전 또는 방전을 하기 위한 주요 구성으로서, 제1 전극판과 제2 전극판이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 적층되며, 각 전극판의 일측에는 이로부터 연장되는 전극 탭(20)이 구비된다.

케이스(100)는 전극 조립체(10)를 수용하는 것으로서, 원통형과, 각형과, 그리고 파우치형 케이스 중 어느 하나일 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에서는 파우치형 케이스(100)를 중심으로 설명한다.

파우치형 케이스(100)는 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120)를 포함한다. 특히, 파우치형 케이스(100)는 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120) 사이에 상술한 전극 조립체(10)를 실장시키고, 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120)의 주변부를 실링하여 형성할 수 있다. 이때, 전극 조립체(10)를 외부와 전기적으로 연결시키기 위해 전극 조립체(10)의 각 전극판에 접속된 전극 탭(20)이 실링부를 통해 케이스(100) 외부로 드러나게 된다.

안전 유닛(200)은 케이스(100)의 내면에 부착되며 케이스(100)의 내부 온도가 설정 온도 이상이면 케이스(100)를 타공하여 케이스(100)에 구멍(도 4의 도면부호 101 참조)을 뚫는 것이다. 따라서, 이렇게 형성된 구멍(101)으로 인해 설정 온도 이상에서 전지가 폭발하는 것을 미연에 막을 수 있다. 특히, 이러한 안전 유닛(200)은 파우치형 케이스(100)의 내면 중 전극 탭(20) 주변에 구비될 수 있다. 그 이유는 전극 탭(20) 주변에는 파우치형 케이스(100)의 구조상, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 조립체(10)가 위치할 수 없는 빈 공간(ES)이 존재하므로 이 빈 공간(ES)을 활용하기 위함이다. 궁극적으로, 케이스(100)의 크기를 크게 하는 등 기존의 케이스를 설계 변경하지 않고도 안전 유닛(200)의 장착이 가능하게 된다.

이하, 도 2 내지 4를 참조하여, 상술한 안전 유닛(200)을 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 도 1의 A영역 확대도이고, 도 3은 도 2를 III-III 라인으로부터 잘라서 본 단면도이며, 그리고 도 4는 도 2의 안전 유닛이 동작된 상태를 나타낸 단면도이다.

안전 유닛(200)은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 변형부(210)와, 타격부(220)와, 그리고 지지 커버(230)를 포함할 수 있다.

변형부(210)는 온도 변형 재질로 이루어져 설정 온도(대략 150℃) 이상이면 변형되는 것으로서, 일 예로서, 변형부(210)는 설정 온도 이상이면 일측으로 휘어지는 온도 변형 소자일 수 있고, 그리고 이러한 온도 변형 소자는 열팽창 계수가 다른 두 종류의 얇은 금속판을 포개어 붙여 한 장으로 만든 막대 형태의 바이메탈일 수 있다.

타격부(220)는 변형부(210)에 고정되는 것으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 설정 온도 이상이 되어 변형부(210)가 휘어지게 되면, 케이스(100)를 가격하여 케이스(100)에 구멍(101)을 뚫는다. 특히, 구멍(101)을 뚫을 수 있도록 타격부(220)의 끝은 뾰족하게 형성될 수 있다.

지지 커버(230)는 타격부(220) 및 변형부(210)가 케이스(100)의 내면에서 설정 간격(G) 떨어져 유지되도록 하기 위해 케이스(100)의 내면에 고정되고, 변형부(210)가 지지 커버(230)의 내면에 고정되며, 그리고 타격부(220)는 변형부(210)에 고정되어 지지 커버(230)의 내부에 위치된다. 특히, 설정 온도 이상에서도 타격부(220)가 케이스(100)의 내면으로부터 설정 간격(G) 유지되도록 하기 위해서는, 지지 커버(230)는 설정 온도에도 그 형태가 유지될 수 있는 내열성 수지로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 이러한 내열성 수지로는 CPP(cast polypropylene), PET(Polyethylene terephralate) 등이 사용될 수 있다.

또한, 지지 커버(230) 중 케이스(100)의 내면에 부착되는 부분은 케이스(100)의 내면과 동일한 재질(일예로, CPP로 이루어질 수 있다. 일 예로써, 이렇게 동일한 수지 재질로 이루어짐에 따라, 지지 커버(230)와 케이스(100)의 내면은 열융착(heat bonding)(열과 압력을 가하여 붙이는 방식)으로 부착될 수 있다. 일반적으로 열융착은 접착제에 의한 접착보다 그 접착력이 상당히 크므로, 지지 커버(230)는 케이스(100)와 일체화되는 효과를 가질 수 있다. 궁극적으로, 지지 커버(230)가 케이스(100)에 일체화되는 효과가 있으므로 보다 정확하게 타격부(220)와 케이스(100)의 내면 사이의 간격을 설정 간격(G)으로 유지할 수 있다.

다른 예로서, 지지 커버(230)와 케이스(100)의 내면은 실리콘 접착제로도 부착될 수 있다. 상술한 열융착에 비해 그 접착력이 크지는 않지만 접착 공정을 단순화할 수 있을 것이다. 따라서, 필요에 따라, 상술한 접착 방식 중 어느 하나를 선택하면 될 것이다. 참고로, 도면 부호 P는 열융착 지점 또는 실리콘 접착제를 가리킨다.

또한, 상술한 안전 유닛(200)은 변형부(210)가 휘어질 때 타격부(220)가 수직 하강할 수 있도록 타격부(220)를 안내하는 안내부(240)를 더 포함할 수 있다. 이러한 안내부는 타격부의 수직 하강을 돕기 때문에 케이스(100)의 목표 지점에 정확히 타공할 수 있게 된다.

한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 안전 유닛을 나타낸 단면도이고, 그리고 도 6은 도 5의 안전 유닛이 동작된 상태를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 안전 유닛(1200)의 변형부(1210)를 제외하고는 상술한 본 발명의 일 실시예의 안전 유닛(200)과 동일 하므로 이하 변형부(1210)에 대해서만 언급한다.

변형부(1210)는 설정 온도 이상 이면 원래의 형상으로 되돌아 가는 형상 기억 합금으로 이루어 지고, 변형부(1210)의 일단은 지지 커버(230)의 내면에 고정된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 설정 온도 이상이 되어 변형부(1210)가 원래의 형상으로 휘어지게 되면, 케이스(100)를 가격하여 케이스(100)에 구멍(101)을 뚫는다.

다른 한편, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지의 안전 유닛을 나타낸 단면도이고, 그리고 도 8은 도7의 안전 유닛이 동작된 상태를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 안전 유닛(2200)의 변형부(2210) 및 안내부(2240)를 제외하고는 상술한 본 발명의 일 실시예의 안전 유닛(200)과 동일 하므로 이하 변형부(2210) 및 안내부(2240)에 대해서만 언급한다.

변형부(2210)는 설정 온도 이상이면 수축하는 열 변형 폴리머로 이루어지고, 변형부(2210)의 양단은 각각 지지 커버(230)의 내면 양측에 고정된다. 또한, 변형부(2210)의 중심에 타격부(220)가 위치된다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 설정 온도 이상이 되어 변형부(2210)가 수축되면, 케이스(100)를 가격하여 케이스(100)에 구멍(101)을 뚫는다. 또한, 열 변형 폴리머의 성질상 변형부(2210)가 정확히 타격부(220)를 수직 하강시킬 가능성이 그리 높지 않으므로, 즉 타격부(220)가 한 측으로 쏠리 가능성이 크므로, 안내부(2240)는 변형부(2210)가 수축될 때 타격부(220)가 한 측으로 쏠리지 않도록 타격부(220)를 감싸는 형상을 할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 케이스(100)를 타공할 수 있는 안전 유닛(200)이 구비됨에 따라, 케이스(100)의 내부 온도만이 상승될지라도 그 안정성을 확보할 수 있다. 특히, 케이스(100)의 내부 압력이 상승하면 내부 온도가 상승하지만 내부 온도가 상승한다고 반드시 내부 압력이 상승하는 것은 아니므로, 내부 온도를 기준하는 것이 내부 압력을 기준으로 하는 것 보다 그 안정성을 더욱 확보할 수 있다. 다시 말해, 케이스(100)의 내부 온도는 케이스(100)의 내부 압력의 증가로도 상승할 수 있지만 내부 압력과 무관하게 상승할 수도 있기 때문에 케이스(100)의 내부 온도를 기준으로 하는 것이 사각지대인 케이스(100)의 내부 온도만이 증가될 경우를 대비할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 내부 압력에 의해 실링부(101)가 벌어지는 기술이 아니고 내부 온도에 의해 케이스(100)에 구멍을 뚫는 기술이므로 실링부(101) 근처의 도체(미도시)와 전극 탭(20)과의 접촉으로 인한 쇼트(short)를 미연에 막을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 실링부(101)에 큰 하중을 가하는 고 용량의 저장용 전지일지라도 케이스(100)의 내부 온도가 설정 온도 이상이 되면 지체 없이 바로 타공되므로 그 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 실링부(101)의 두께 및 폭에 무관하게 케이스(100) 자체를 타공하게 되므로 그 조절이 정밀할 수 있다. 즉, 설정 온도 이상이면 바로 케이스(100)를 타공할 수 있다.

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.

10: 전극 조립체 20: 전극 탭
100: 케이스 200: 안전 유닛
210: 변형부 220: 타격부
230: 지지 커버

Claims (10)

1. 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
   상기 케이스의 내면에 부착되며 상기 케이스의 내부 온도가 설정 온도 이상이면 상기 케이스를 타공하는 안전 유닛을 포함하고,
   상기 안전 유닛은
   온도 변형 재질로 이루어져 상기 설정 온도 이상이면 변형되는 변형부;
   상기 변형부에 구비되며 상기 변형부의 변형시 상기 케이스를 가격하여 상기 케이스에 구멍을 형성시키는 끝이 뾰족한 타격부; 및
   상기 변형부를 고정시키기 위해 상기 케이스의 내면에 구비되고 상기 타격부를 내장시키는 지지 커버를 포함하는 이차 전지.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 안전 유닛은
   상기 변형부가 변형될 때 상기 타격부를 안내하는 안내부를 더 포함하는 이차 전지.
4. 제1항에 있어서,
   상기 온도 변형 재질은 상기 설정 온도 이상이면 일측으로 휘어지는 온도 변형 소자이고, 그리고
   상기 온도 변형 소자는 바이메탈 또는 형상 기억 합금 중 어느 하나인 온도 변형 소자인 이차 전지.
5. 제1항에 있어서,
   상기 온도 변형 재질은 상기 설정 온도 이상이면 수축되는 열 변형 폴리머인 이차 전지.
6. 제1항에 있어서,
   상기 지지 커버는 상기 설정 온도에도 그 형태가 유지될 수 있는 내열성 수지로 이루어지는 이차 전지.
7. 제6항에 있어서,
   상기 지지 커버 중 상기 케이스의 내면에 부착되는 부분은 케이스의 내면과 동일한 재질로 이루어지는 이차 전지.
8. 제7항에 있어서,
   상기 지지 커버와 상기 케이스의 내면은 열융착으로 부착되는 이차 전지.
9. 제7항에 있어서,
   상기 지지 커버와 상기 케이스의 내면은 실리콘 접착제로 부착되는 이차 전지.
10. 제1항 또는 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이스는 파우치형 전지에 사용되는 파우치형 케이스이고,
    상기 전극 조립체는 전극 탭을 포함하고, 그리고
    상기 안전 유닛은 상기 파우치형 케이스의 내면 중 상기 전극 탭 주변에 구비되는 이차 전지.

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