KR20110017820A - 이차 전지 - Google Patents

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Abstract

본 기재에 따른 이차 전지는, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 상기 케이스와 체결되면서, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 탭과, 노치를 가지는 가변 플레이트와, 캡 플레이트를 포함하는 캡 어셈블리를 포함한다.

Description

이차 전지{RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 과충전 상태를 해소하여 폭발을 방지할 수 있는 안전 장치를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 대용량 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 대용량 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 이차 전지를 직렬로 연결하여 고출력의 이차 전지로 구성된다.
또한, 하나의 고출력 이차 전지는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지로 이루어지며, 이차 전지는 원통형과 각형 등으로 이루어질 수 있다.
각형 이차 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터(separator)를 사이에 두고 위치하는 전극군과 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스, 케이스를 밀폐하며 단자가 삽입되는 단자 홀이 형성된 캡 플레이트, 전극군과 전기적으로 연결되며, 단자 홀에 삽입되어 케이스의 외측으로 돌출되는 단자를 포함한다.
이차 전지 내부에서 과도한 열이 발생하거나 전해액이 분해되어 내부 압력이 상승하면 전지가 폭발하거나 발화할 위험이 있다. 특히 각형 전지는 원통형 전지에 비하여 단자 구조의 특수성 때문에 전류를 차단하거나 방전하는 구조를 구비하는 것이 쉽지 아니한 실정이다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 안전성이 향상된 이차 전지를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 상기 케이스와 체결되면서, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 탭과, 노치를 가지는 가변 플레이트와, 캡 플레이트를 포함하는 캡 어셈블리를 포함한다.
상기 가변 플레이트는, 변형될 때, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기적인 경로를 형성하도록 구성된다.
상기 가변 플레이트는, 상기 케이스 내부에서의 압력 증가에 반응하여 변형되어 상기 제1 탭과 전기적으로 연결되도록 구성되고, 상기 제1 전극과 제2 전극을 서로 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 가변 플레이트는 상기 캡 플레이트와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 가변 플레이트는 상기 캡 플레이트에 용접될 수 있다.
상기 캡 어셈블리는 상기 제1 탭과 상기 캡 플레이트 사이에 절연부재를 더 포함하여 상기 제1 탭과 상기 캡 플레이트를 전기적으로 절연시킬 수 있다.
상기 캡 어셈블리는, 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되고 상기 캡 플레이트에 장착되는 제1 단자를 더 포함하고, 상기 제1 탭은 상기 제1 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 탭은 상기 제1 단자가 상기 케이스의 내부로부터 외부로 돌출되도록 개구를 가질 수 있다.
상기 제1 탭은 상기 제1 단자의 확대부 또는 상기 제1 단자에 체결되는 너트에 의해 상기 캡 플레이트에 고정될 수 있다.
상기 캡 플레이트는 상기 가변 플레이트에 의해 덮여지는 단락 홀을 가질 수 있다.
상기 캡 어셈블리는 상기 제1 탭과 상기 캡 플레이트 사이에 절연부재를 더 포함하여 상기 제1 탭과 상기 캡 플레이트를 전기적으로 절연시키고, 상기 절연부재는 상기 가변 플레이트의 상방 변형을 수용하는 개구를 포함할 수 있다.
상기 제1 탭은 상기 단락 개구에 적어도 부분적으로 삽입되는 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 캡 플레이와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 캡 어셈블리는 제2 단자를 더 포함하고, 상기 제2 전극은 상기 제2 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 가변 플레이트는 만곡되어 상기 케이스의 내부를 향해 돌출되도록 형성될 수 있다.
상기 가변 플레이트는 상기 케이스 내부의 압력 증가에 반응하여 상기 노치에서 파단되어 개방되도록 구성될 수 있다.
상기 제1 탭은 벤트 홀을 가질 수 있다.
상기 벤트 홀의 직경은 상기 케이스의 내부로부터 외부로 갈수록 감소하게 형성될 수 있다.
상기 제1 탭과 상기 가변 플레이트 사이에 중간 부재를 더 포함하고, 상기 중간 부재는 상기 가변 플레이트에 부착될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 단자, 제2 단자 및 제2 탭을 더 포함하고, 상기 제1 탭은 상기 제1 단자에 연결되고, 상기 제2 탭은 상기 제2 단자에 연결되며, 상기 가변 플레이트는 상기 케이스 내부의 압력 증가에 반응하여 변형되어 상기 제1 탭과 상기 제2 탭과 전기적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
상기 캡 플레이트는 단락 개구를 갖고, 상기 제1 탭의 제1 단부는 상기 제1 단자에 연결되고, 상기 제1 탭의 제2 단부는 상기 단락 개구 내에 위치하며, 상기 제2 탭의 제1 단부는 상기 제2 단자와 연결되고, 상기 제2 탭의 제2 단부는 상기 단락 개구 내에 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 상기 케이스와 체결되면서, 캡 플레이트와, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 탭과, 변형되고 파단되어 상기 케이스로부터 가스가 배출되도록 구성되는 가변 플레이트를 포함하는 캡 어셈블리를 포함한다.
상기 캡 플레이트는, 상기 가변 플레이트가 파단될 때, 가스가 상기 케이스로부터 배출되도록 구성되는 벤트 홀을 갖는다.
상기 가변 플레이트는 제1 부분와 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분보다 더 얇게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 상기 케이스와 체결되면서, 캡 플레이트와, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되고 개구를 갖는 제1 탭과, 파단될 때 상기 개구를 통해 가스가 배출되도록 배치되는 가변 플레이트를 포함하는 캡 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 이차 전지의 내부 압력 상승 시에 단락을 유발하여 이차 전지가 폭발하거나 발화하는 것을 방지하고, 압력의 더욱 상승할 때 가변 플레이트의 노치가 찢어지면서 개방되어 이차 전지의 폭발을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 플레이트가 변형되어 제1 탭과 접촉한 상태를 도시한 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 플레이트의 노치가 파단된 상태를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가변 플레이트가 변형되어 제1 탭과 접촉한 상태를 도시한 단면도이고, 도 6b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가변 플레이트의 노치가 파단된 상태를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 평면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 기재에서 "가변 플레이트"라 함은 압력의 상승에 따라 변형이 발생하는 모든 종류의 플레이트를 포함하는 개념이며, 특별히 그 형상을 한정하지는 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(110)는 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 절연체인 세퍼레이터(13)를 개재하여 귄취된 전극군(10)과, 전극군(10)이 내장되는 케이스(15)와, 케이스(15)의 개구에 결합된 캡 어셈블리(20)를 포함한다.
본 제1 실시예에 따른 이차 전지(110)는 리튬 이온 이차 전지로서 각형(prismatic type)인 것을 예로서 설명한다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 리튬 폴리머 전지 또는 원통형 전지 등 다양한 형태의 전지에 적용될 수 있다.
제1 전극(11) 및 제2 전극(12)은 박판의 금속 호일로 형성된 집전체에 활물질이 도포된 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 영역인 무지부(11a, 12a)를 포함한다. 본 실시예에서는 제1 전극(11)이 양극이 되고, 제2 전극(12)이 음극이 된다. 다만 이는 예시적인 것이 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서 제1 전극(11)이 음극이 되고, 제2 전극(12)이 양극이 될 수도 있다.
제1 전극 무지부(11a)는 제1 전극(11)의 길이 방향을 따라 제1 전극(11)의 한 쪽 측단에 형성되고, 제2 전극 무지부(12a)는 제2 전극(12)의 길이 방향을 따라 제2 전극(12)의 다른 쪽 측단에 형성된다. 그리고 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 사이에 개재한 후 권취된다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기한 전극군(10)은 복수 개의 시트(sheet)로 이루어진 제1 전극(11)과 제2 전극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 교대로 적층된 구조로 이루어질 수도 있다.
케이스(15)는 대략 직육면체 상자 형상으로 이루어지며, 일면에는 개방된 개구가 형성된다. 캡 어셈블리(20)는 케이스(15)의 개구를 덮는 캡 플레이트(28)와 캡 플레이트(28)의 외측으로 돌출되며, 제1 전극(11)과 전기적으로 연결된 제1 단자(21)와 제2 전극(12)과 전기적으로 연결된 제2 단자(22), 및 제1 단자(21)와 전기적으로 연결된 제1 탭(41), 및 제2 단자(22)와 전기적으로 연결되며 변형에 따라 제1 탭(41)과 접촉하는 가변 플레이트(43)를 포함한다.
캡 플레이트(28)는 얇은 판으로 이루어지며, 케이스(15)의 개구에 결합된다. 캡 플레이트(28)에는 전해액 주입구(29)에 설치된 밀봉 마개(27)가 설치된다.
제1 단자(21) 및 제2 단자(22)는 캡 플레이트(28)를 관통하여 설치되며 하부에 캡 플레이트(28)의 아래에 지지된 플랜지(21a, 22a)가 형성되고, 캡 플레이트(28)의 외측으로 돌출된 상부 기둥의 외주면은 나사가공된다. 또한, 단자들(21, 22)에는 상부에서 지지하는 너트(35)가 체결된다.
제1 단자(21)와 캡 플레이트(28) 사이에는 개스킷(36)이 설치되며, 제2 단자(22)와 캡 플레이트(28) 사이에도 개스킷(39)이 설치되어 단자들(21, 22)과 캡 플레이트(28) 사이를 밀봉한다.
제1 단자(21)는 제1 리드 탭(31)을 매개로 제1 전극(11)과 전기적으로 연결되며, 제2 단자(22)는 제2 리드 탭(32)을 매개로 제2 전극(12)과 전기적으로 연결된다.
한편, 캡 플레이트(28)의 아래에는 하부 절연부재(34)가 배치되는 바, 단자(21, 22)의 하단과 리드 탭(31, 32)의 상단은 하부 절연부재(34)에 삽입 배치된다.
이러한 구조로 제1 리드 탭(31)은 제1 단자(21)와 제1 전극(11)을 전기적으로 연결하고 제2 리드 탭(32)은 제2 단자(22)와 제2 전극(12)을 전기적으로 연결한다.
캡 플레이트(28)에는 단락 홀(23)이 형성되고, 이 단락 홀(23)에 가변 플레이트(43)가 삽입 설치된다.
제1 탭(41)은 대략 판 형상으로 이루어지며, 캡 플레이트(28)의 위에 배치된다. 제1 탭(41)의 홀에 제1 단자(21)가 끼워지며, 제1 탭(41)의 상부에 설치되며 제1 단자(21)에 결합된 너트(35)에 의하여 제1 단자(21)에 고정된다. 이에 따라 제1 탭(41)은 너트(35)를 통해서 제1 단자(21)와 전기적으로 연결된다.
제2 단자(22)와 너트(35) 사이에는 도전성의 연결 탭(38)이 설치되는 바, 연결 탭(38)은 제2 단자(22)와 캡 플레이트(28)를 전기적으로 연결하는 역할을 하다. 연결 탭(38)의 홀에 제2 단자(22)가 끼워지는 바, 연결 탭(38)은 위에 설치된 너트(35)를 통해서 캡 플레이트(28)에 밀착된다.
제1 탭(41)과 캡 플레이트(28) 사이에는 절연을 위한 상부 절연부재(37)가 설치된다. 상부 절연부재(37)는 일부가 제1 단자(21)를 감싸고, 가장자리는 제1 탭(41)의 측단을 감싸도록 형성된다. 이에 제1 탭(41)이 상부 절연부재(37)를 통해서 안정적으로 지지되며, 가변 플레이트(43)의 변형 등으로 가압력을 받을 때에도 변형되는 것을 최소화할 수 있다. 따라서 제1 탭(41)과 가변 플레이트(43)가 안정적인 접촉 상태를 유지할 수 있다.
가변 플레이트(43)(일례로, 반전 플레이트)는 단락 홀(23)에 삽입 설치는 바, 가변 플레이트(43)는 표면에 형성된 노치(43a)와, 캡 플레이트(28)에 용접으로 부착되며 평평한 링 형상으로 이루어진 테두리부(43b)와 테두리부(43b)의 내측에 형성되며, 전극군(10)을 향하여 호형으로 만곡 돌출된 변형부(43c)를 갖는다. 이에 따라 가변 플레이트(43)는 캡 플레이트(28)를 통해서 제2 단자(22)와 전기적으로 연결된다. 노치(43a)는 케이스(15) 내부의 압력이 설정된 기준 압력을 초과하여 과도하게 상승할 때, 찢어져서 가스를 외부로 배출하는 역할을 한다. 상기 노치(43a)는 얇은 부분으로 형성될 수 있는데, 상기 가변 플레이트(43)의 다른 부분보다 더 얇게 형성될 수 있다.
제1 탭(41)에는 단락 홀(23)의 상부에 대응되는 부분에 원형의 통기공(41a)이 형성된다. 또한, 상부 절연부재(37)에도 제1 홀(23)의 상부에 대응되는 부분에 홀이 형성된다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 이차 전지(110)의 내부 압력이 과도하게 상승하면, 아래로 돌출된 변형부(43c)가 위로 반전되며, 변형부(43c)가 제1 탭(41)과 접촉함에 따라 제1 전극(11)과 제2 전극(12)이 단락된다.
가변 플레이트(43)는 제1 탭(41)과 통기공(41a)의 내측 둘레를 따라 이어져 접촉되는 바, 이에 따라 가변 플레이트(43)와 제1 탭(41)의 접촉 면적이 넓어서 안정적인 접촉 상태를 유지할 수 있다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이 단락된 후에 케이스(15) 내부의 압력이 더욱 상승하면, 가변 플레이트(43)의 노치(43a)가 찢어지면서 개방되어 내부의 가스가 외부로 배출된다. 가스는 제1 탭(41)의 통기공(41a)을 지나서 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이 본 제1 실시예에 따르면 온도가 상승하거나 전해액이 분해되어 이차 전지(110)의 내부 압력이 과도하게 상승할 경우, 변형부(43c)가 단락을 야기하여 이차 전지(110)가 폭발하거나 발화하는 것을 방지할 수 있다. 가변 플레이트(43)가 변형을 일으키는 압력은 두께와 형상의 설계를 통해서 용이하게 조절할 수 있으므로, 단락을 유발하는 압력을 정확하게 설정할 수 있다.
특히 가변 플레이트(43)와 제1 탭(41)이 접촉하는 공간은 전해액 위치하는 공간과 분리된 공간이므로 단락 시 발생하는 불꽃이나 열에 의하여 전해액이 발화하는 것을 안정적으로 방지할 수 있다. 단락이 발생하면 순간적으로 큰 전류가 흐르므로 단락 부분이 케이스(15) 내에 위치하면 전지 내부의 온도가 크게 상승할 수 있다. 그러나 본 실시예와 같이 제1 탭(41)이 외부에 위치하면 열이 제1 탭(41)을 통해서 외부로 방출 될 수 있으므로 내부에 열이 과도하게 축적되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 용수철이나 스프링 등의 부재는 평상 시에도 지속적으로 가압력이 적용되므로 오랜 시간 설치해두면 탄성이 감소하거나 사라지는 문제가 있다. 이차 전지(110)의 수명과 관련하여 안전성을 확보하기 위해서는 이차 전지가 사용되는 시간 동안에도 탄성을 잃지 않고 설정된 압력에서 작동하는 것은 매우 중요하다. 그러나 용수철이나 스프링 등의 부재는 이차 전지(110)를 사용하는 동안 탄성이 변하여 설정된 압력에서 작동하지 못하는 문제가 발생하므로 안전성이 낮은 문제가 있다. 그러나 본 실시예와 같이 가변 플레이트(43)를 적용하면, 상기 가변 플레이트(43)는 정상 동작 상태에서는 설정된 기준 압력 이하에서 변형되지 않고 작동할 수 있으므로, 오랜 시간이 경과하더라도 설정된 압력에서 작동할 수 있다.
또한, 케이스(15)의 내부 압력이 더욱 상승하면, 노치(43a)가 찢어지므로 이차 전지(110)가 폭발하는 것을 방지할 수 있으며, 가변 플레이트(43)가 벤트의 역할을 하여 별도의 벤트 부재를 설치할 필요가 없다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 이차 전지(120)는 제2 단자가 제거된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이차 전지(120)는 케이스(15)와 케이스(15)를 밀폐하는 캡 어셈블리(40)를 포함한다.
캡 어셈블리(40)는 외측으로 돌출된 제1 단자(21)와 케이스(15)의 개구에 결합된 캡 플레이트(42), 및 제1 단자(21)와 전기적으로 연결되며 캡 플레이트(42) 상에 설치된 제1 탭(41)을 포함한다.
제1 단자(21)는 캡 플레이트(42)를 관통하여 외측으로 돌출되며, 제1 리드 탭(31)을 매개로 제1 전극(11)과 전기적으로 연결된다.
한편, 제2 전극(12)에는 제2 전극(12)과 캡 플레이트(42)를 전기적으로 연결하는 제2 리드 탭(33)이 설치된다. 제2 리드 탭(33)은 하단이 제2 전극 무지부(12a)에 용접으로 부착되고 상단이 캡 플레이트(42)에 용접으로 부착된다.
캡 플레이트(42)에 형성된 단락 홀(23)에는 케이스(15) 내부의 압력이 상승할 때 변형되어 캡 플레이트(42)와 제1 탭(41)의 단락을 유도하며 노치(43a)가 형성된 가변 플레이트(43)가 삽입 설치된다.
단락 홀(23)의 위에는 통기공(41a)이 형성되고 제1 단자(21)와 전기적으로 연결된 제1 탭(41)이 설치된다. 이에 따라 가변 플레이트(43)가 변형되어 제1 탭(41)과 접촉하면 제1 전극(11)과 제2 전극(12)을 전기적으로 연결하여 단락을 유발할 수 있다.
본 실시예에 따르면 제2 리드 탭(33)이 캡 플레이트(42)에 직접 부착되므로 제2 전극(12)과 캡 플레이트(42) 사이의 접촉 저항을 최소화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 이차 전지(130)는 제1 탭의 구조를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 동일한 부분에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이차 전지(130)는 케이스(15)와 케이스(15)를 밀폐하는 캡 어셈블리(50)를 포함한다.
캡 어셈블리(50)는 외측으로 돌출된 제1 단자(21)와 케이스(15)의 개구에 결합된 캡 플레이트(58), 및 제1 단자(21)와 전기적으로 연결되며 캡 플레이트(58) 상에 설치된 제1 탭(51)을 포함한다.
제1 단자(21) 및 제2 단자(22)는 캡 플레이트(58)를 관통하여 외측으로 돌출된다.
캡 플레이트(58)에 형성된 단락 홀(53)에는 케이스(15) 내부의 압력이 상승할 때 변형되어 캡 플레이트(58)와 제1 탭(51)의 단락을 유도하며 노치(52a)가 형성된 가변 플레이트(52)가 삽입 설치된다.
제1 탭(51)은 단락 홀(53)의 상부와 대응되는 부분에 형성된 통기공(51a)을 갖는다. 이 때, 통기공(51a)의 내측면(51b)은 종단면이 호형으로 만곡되게 형성되어 위쪽으로 갈수록 통기공(51a)의 내경이 좁아진다. 즉, 상기 벤트 홀(51a)의 직경은 상기 케이스의 내측으로부터 외측으로 갈수록 감소한다.
도 6a에 도시된 바와 같이 이차 전지(130)의 내부 압력이 상승하면 가변 플레이트(52)가 위쪽으로 반전 변형되어 가변 플레이트(52)와 제1 탭(51)이 전기적으로 접촉한다. 이 때, 제1 탭(51)은 통기공(51a)의 내측면(51b)을 통해서 가변 플레이트(52)와 접촉하는 데, 통기공(51a)의 내측면(51b)이 호형으로 만곡되어 있으므로, 만곡된 가변 플레이트(52)와 제1 탭(51)이 더욱 넓은 면적으로 접촉할 수 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이 케이스(15) 내부 압력이 더욱 상승하면 가변 플레이트(52)의 노치(52a)가 찢어지면서 내부의 가스를 외부로 배출 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 이차 전지(140)는 중간부재(45)가 추가 설치된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이차 전지와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 이차 전지(140)는 케이스(15)와 케이스(15)를 밀폐하는 캡 어셈블리(48)를 포함한다.
캡 어셈블리(48)는 캡 플레이트(28)와 제1 단자(21), 제2 단자(22), 캡 플레이트(28) 위에 설치된 제1 탭(41), 캡 플레이트(28)의 단락 홀(23) 아래에 배치된 가변 플레이트(47), 및 제1 탭(41)과 가변 플레이트(47) 사이에 설치된 중간부재(45)를 포함한다.
제1 탭(41)은 제1 단자(21)와 전기적으로 연결되고, 캡 플레이트(28)는 제2 단자(22)와 전기적으로 연결된다. 또한, 가변 플레이트(47)는 단락 홀(23)의 아래에서 캡 플레이트(28)에 용접되어 캡 플레이트(28)와 전기적으로 연결된다.
중간부재(45)는 가변 플레이트(47)보다 더 큰 두께를 가지며, 제1 탭(41)과 가변 플레이트(47) 사이에 배치된다. 또한 중간부재(45)는 대략 내부 공간을 갖는 원통형 관 형상으로 이루어진다. 중간부재(45)는 가변 플레이트(47)에 용접으로 접합되는 바, 가변 플레이트(47)가 충분히 변형될 수 있을 정도로 중간부재(45)의 하단 둘레를 따라 가변 플레이트(47)에 용접된다. 또한 중간부재(45)의 상면은 제1 탭(41)과 충분한 면적으로 접촉할 수 있도록 제1 탭(41)에 평행하게 배치된다.
중간부재(45)는 가변 플레이트(47)가 설정된 압력에서 반전 변형될 수 있도록 무게와 형상이 조절된다.
이에 따라 가변 플레이트(47)가 위로 볼록하도록 변형되면 중간부재(45)가 상승하여 제1 탭(41)과 접촉하며, 이에 따라 캡 플레이트(28)는 가변 플레이트(47)와 중간부재(45)를 매개로 제1 탭(41)에 전기적으로 연결된다.
가변 플레이트(47)에는 노치(47a)가 형성되고, 중간부재(45)의 중앙에는 중공부(45a)가 형성된다. 케이스(15) 내부 압력이 더욱 상승하면 노치(47a)가 찢어지면서 개방되고, 내부의 가스는 중공부(45a)와 통기공(41a)을 통해서 외부로 배출된다.
가변 플레이트(47)가 제1 탭(41)과 직접 접촉하면 가변 플레이트(47)가 과전류로 용융(melting)되어 단락이 중단될 수 있다. 이는 가변 플레이트(47)가 제1 탭(41)과 충분히 접촉하지 못하고 부분적으로 접촉하기 때문이다.
그러나 본 실시예에 따르면 중간부재(45)가 제1 탭(41)과 충분한 면적으로 접촉할 수 있고, 중간부재(45)가 가변 플레이트(47)에 용접되어 있으므로 단락이 중단되는 것을 방지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이고, 도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 평면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하여 설명하면, 본 제5 실시예에 따른 이차 전지(150)는 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 세퍼레이터(13)가 개재된 전극군(10), 전극군(10)이 삽입되는 케이스(75)와 케이스(75)를 밀폐하는 캡 어셈블리(60)를 포함한다. 캡 어셈블리(60)는 케이스(75)의 개구에 결합된 캡 플레이트(76)와 제1 전극(11)과 전기적으로 연결된 제1 단자(71)와 제2 전극(12)과 전기적으로 연결된 제2 단자(73)를 포함한다.
캡 플레이트(76)는 얇은 판으로 이루어지며, 중앙에 개방된 단락 홀(76a)을 갖는다.
그리고 제1 단자(71)에는 제1 단자(71)와 전기적으로 연결되고 단락 홀(76a)에 삽입되는 돌기(61a)가 형성된 제1 탭(61)이 설치된다. 제2 단자(73)에는 제2 단자(73)와 전기적으로 연결되고, 단락 홀(76a)에 삽입되는 돌기(62a)가 형성된 제2 탭(62)이 설치된다.
제1 단자(71)와 제2 단자(73)는 리벳 형상으로 이루어진다.
제1 단자(71)는 제1 리드 탭(71a)을 매개로 제1 전극 무지부(11a)와 전기적으로 연결되고, 제2 단자(73)는 제2 리드 탭(73a)을 매개로 제2 전극 무지부(12a)와 전기적으로 연결된다. 단자들(71, 73)과 캡 플레이트(76) 사이에는 밀봉 및 절연을 위한 개스킷(74)이 설치된다.
제1 탭(61) 및 제2 탭(62)은 절연부재(78)를 매개로 캡 플레이트(76) 상에서 단락 홀(76a)에 삽입 설치되어 캡 플레이트(76)와 전기적으로 절연되며, 이에 따라 캡 플레이트(76) 및 케이스(75)는 전기적으로 극성을 갖지 않는다.
제1 단자(71)와 제2 단자(73)는 캡 플레이트(76)의 길이 방향 양쪽 가장자리에 위치하며, 제1 탭(61)의 한쪽 단부는 제1 단자(21)를 끼움하고 다른 쪽 단부에는 돌기(61a)가 형성되어 단락 홀(76a)에 삽입된다. 제2 탭(62)의 한쪽 단부는 제2 단자(73)를 끼움하고 다른 쪽 단부는 돌기(62a)가 형성되어 단락 홀(76a)에 삽입된다.
단락 홀(76a)에서 제1 탭(61) 및 제2 탭(62)은 간격을 두고 이격 배치되며, 돌기들(61a, 62a)의 단부는 대략 호형으로 이루어진다. 단락 홀(76a)의 하부에는 가변 플레이트(63)가 설치되는 바, 가변 플레이트(63)에는 노치(63a)가 형성된다.
이차 전지(150)의 내부 압력이 상승하면 가변 플레이트(63)가 위로 상승하도록 변형되어 제1 탭(61)과 제2 탭(62)을 전기적으로 연결되며, 단락된 상태에서 이차 전지(150)의 내부 압력이 더욱 증가하면 노치(63a)가 파단되어 내부의 가스를 외부로 배출한다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 상기 제1 및 제2 탭들(61, 62)을 전기적으로 연결함으로써 이차 전지(150)의 내압이 과도하여 상승하여 전지가 폭발하는 것을 방지할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 탭들(61, 62)이 모두 케이스(75)의 외측에 위치하여 단락 전류로 인하여 이차 전지(150) 내부에서 열이 과도하게 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 캡 플레이트(76)를 통해서 전류가 흐르지 아니하므로 캡 플레이트(76)가 과열되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제1 탭(61)과 제2 탭(62)이 모두 외부에 위치하므로 제1 탭(61)과 제2 탭(62)을 통해서 열이 외부로 용이하게 방출될 수 있으며, 단락 부분이 전해액이 위치하는 부분과 떨어져 있어서 전해액이 발화하는 것을 방지할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
110: 이차 전지 10: 전극군
11: 제1 전극 12: 제2 전극
13: 세퍼레이터 15: 케이스
20: 캡 어셈블리 21: 제1 단자
22: 제2 단자 23: 단락 홀
26: 절연부재 28: 캡 플레이트
34: 하부 절연부재 35: 너트
37: 상부 절연부재 38: 연결 탭
41: 제1 탭 41a: 통기공
43: 가변 플레이트 43a: 노치
43b: 테두리부 43c: 변형부
45: 중간부재

Claims (25)

  1. 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 케이스와 체결되면서, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 탭과, 노치를 가지는 가변 플레이트와, 캡 플레이트를 포함하는 캡 어셈블리;
    를 포함하는 이차 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 플레이트는, 변형될 때, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기적인 경로를 형성하도록 구성되는 이차 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 플레이트는, 상기 케이스 내부에서의 압력 증가에 반응하여 변형되어 상기 제1 탭과 전기적으로 연결되도록 구성되고, 상기 제1 전극과 제2 전극을 서로 전기적으로 연결하는 이차 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 플레이트는 상기 캡 플레이트와 전기적으로 연결되는 이차 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가변 플레이트는 상기 캡 플레이트에 용접되는 이차 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는 상기 제1 탭과 상기 캡 플레이트 사이에 절연부재를 더 포함하여 상기 제1 탭과 상기 캡 플레이트를 전기적으로 절연시키는 이차 전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는, 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되고 상기 캡 플레이트에 장착되는 제1 단자를 더 포함하고, 상기 제1 탭은 상기 제1 단자에 전기적으로 연결되는 이차 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 탭은 상기 제1 단자가 상기 케이스의 내부로부터 외부로 돌출되도록 개구를 갖는 이차 전지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 탭은 상기 제1 단자의 확대부 또는 상기 제1 단자에 체결되는 너트에 의해 상기 캡 플레이트에 고정되는 이차 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 상기 가변 플레이트에 의해 덮여지는 단락 홀을 갖는 이차 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는 상기 제1 탭과 상기 캡 플레이트 사이에 절연부재를 더 포함하여 상기 제1 탭과 상기 캡 플레이트를 전기적으로 절연시키고, 상기 절연부재는 상기 가변 플레이트의 상방 변형을 수용하는 개구를 포함하는 이차 전지.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 탭은 상기 단락 개구에 적어도 부분적으로 삽입되는 돌출부를 포함하는 이차 전지.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 캡 플레이와 전기적으로 연결되는 이차 전지.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡 어셈블리는 제2 단자를 더 포함하고, 상기 제2 전극은 상기 제2 단자와 전기적으로 연결되는 이차 전지.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 플레이트는 만곡되어 상기 케이스의 내부를 향해 돌출되는 이차 전지.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 플레이트는 상기 케이스 내부의 압력 증가에 반응하여 상기 노치에서 파단되어 개방되도록 구성되는 이차 전지.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 탭은 벤트 홀을 갖는 이차 전지.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 벤트 홀의 직경은 상기 케이스의 내부로부터 외부로 갈수록 감소하는 이차 전지.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 탭과 상기 가변 플레이트 사이에 중간 부재를 더 포함하고, 상기 중간 부재는 상기 가변 플레이트에 부착되는 이차 전지.
  20. 제 1 항에 있어서,
    제1 단자, 제2 단자 및 제2 탭을 더 포함하고,
    상기 제1 탭은 상기 제1 단자에 연결되고,
    상기 제2 탭은 상기 제2 단자에 연결되며,
    상기 가변 플레이트는 상기 케이스 내부의 압력 증가에 반응하여 변형되어 상기 제1 탭과 상기 제2 탭과 전기적으로 접촉하도록 구성되는 이차 전지.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는 단락 개구를 갖고,
    상기 제1 탭의 제1 단부는 상기 제1 단자에 연결되고,
    상기 제1 탭의 제2 단부는 상기 단락 개구 내에 위치하며,
    상기 제2 탭의 제1 단부는 상기 제2 단자와 연결되고,
    상기 제2 탭의 제2 단부는 상기 단락 개구 내에 위치하는 이차 전지.
  22. 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 케이스와 체결되면서, 캡 플레이트와, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 탭과, 변형되고 파단되어 상기 케이스로부터 가스가 배출되도록 구성되는 가변 플레이트를 포함하는 캡 어셈블리;
    를 포함하는 이차 전지.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 캡 플레이트는, 상기 가변 플레이트가 파단될 때, 가스가 상기 케이스로부터 배출되도록 구성되는 벤트 홀을 갖는 이차 전지.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 가변 플레이트는 제1 부분와 제2 부분을 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분보다 더 얇게 형성되는 이차 전지.
  25. 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스; 및
    상기 케이스와 체결되면서, 캡 플레이트와, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되고 개구를 갖는 제1 탭과, 파단될 때 상기 개구를 통해 가스가 배출되도록 배치되는 가변 플레이트를 포함하는 캡 어셈블리;
    를 포함하는 이차 전지.
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