KR20150049609A - 안전성이 향상된 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하며, 주변보다 얇은 두께로 형성된 노치부를 구비하는 캔; 상기 캔의 상단 개구부를 커버하며, 전해액이 주입되는 전해액 주입구를 구비하는 탑 캡; 및 상기 전해액 주입구에 삽입되며, 상기 탑 캡과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 안전 마개를 포함한다.
본 발명에 따르면, 이차전지에 이상이 발생되어 내압이 증가하거나 이차전지의 과도한 형상 변형으로 인해 위험이 예상되는 경우 신속히 이차전지의 일부가 파단됨으로써 내부 압력이 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있으며, 이로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.

Description

안전성이 향상된 이차전지{Secondary battery with improved safety}

본 발명은 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 이차전지의 사용 과정에서 이상 현상 발생으로 인한 내부압력의 증가 또는 캔의 형상 변형이 일어나는 경우 용이하게 파단됨으로써 안전성을 확보할 수 있는 구조를 갖는 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것이다.

이차 전지는 충전과 방전을 거듭하며 반복하여 사용할 수 있으므로, 일회용인 건전지에 비해 경제적이며, 근래에는 작은 부피에 고용량을 구현할 수 있게 됨에 따라, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대용 전자기기의 구동 전원으로 널리 사용되고 있다.

이러한 이차 전지로는, 예를 들면, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 폴리머 이차 전지 등이 있다.

이들 중에서 리튬 이차 전지는 소형 및 대용량화가 가능하며, 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 널리 사용되고 있다.

리튬 이차 전지는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터로 이루어지는 전극 조립체 및 리튬 이온을 전달하는 전해액을 포함한다.

리튬 이온 이차 전지는 전해액이 누출되어 리튬 전이금속이 공기 중에 노출될 경우 전지가 폭발할 수 있고, 과충전시에도 화학반응으로 인해 내부 압력이 상승하여 폭발할 가능성이 있어 통상 보호회로를 구비하여 사용한다.

이에 비해 리튬 폴리머 이차 전지는 고분자 겔 형태의 전해질을 사용함으로써 배터리 모양을 다양하게 형성할 수 있고, 화학적 반응에 강하다는 장점이 있다.

리튬 이온 이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 외장재의 형태에 따라 캔형 및 파우치형으로 구분하며, 캔형은 원통형과 각형으로 구분할 수 있다.

리튬 이온 이차 전지가 캔형으로 이루어지는 경우, 외장재는 일반적으로 알루미늄 등의 금속으로 형성되며, 원통형 혹은 각기둥형이나 모서리에 곡면을 형성한 기둥형 등의 형상을 갖는다.

캔의 일측에는 개구부가 형성되어, 개구부를 통해 전극 조립체 및 전해액이 수용되며, 캔의 개구부를 탑 캡 조립체로 밀봉함으로써 이차 전지를 형성하게 된다.

이처럼 밀봉된 상태를 유지하는 리튬 이온 이차전지의 사용 과정에서 이상현상 발생으로 인한 전해액 부반응 등으로 인해 이차전지 내부의 압력이 상승하게 되는 경우, 발화/폭발 등의 사고상황을 미연에 방지하기 위해 가스를 외부로 원활하게 분출시킬 수 있는 구조가 요구된다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 고려하여 창안된 것으로서, 이차전지의 내부 압력이 증가되거나 이차전지에 충격이 가해져 이차전지의 형상 변형이 일어나는 경우에 있어서, 캔 및/또는 탑 캡의 신속한 파단을 유도하여 내부에 발생된 가스를 신속히 배출시킬 수 있는 이차전지 구조를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 위에서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하며, 주변보다 얇은 두께로 형성된 노치부를 구비하는 캔; 상기 캔의 상단 개구부를 커버하며, 전해액이 주입되는 전해액 주입구를 구비하는 탑 캡; 및 상기 전해액 주입구에 삽입되며, 상기 탑 캡과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 안전 마개를 포함한다.

상기 이차전지는, 상기 탑 캡을 관통하며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함할 수 있다.

상기 이차전지는, 상기 전극 단자와 상기 탑 캡 사이에 개재되는 절연 가스켓을 포함할 수 있다.

상기 노치부는, 상기 캔의 측면 중 넓은 면의 중심 영역에 구비될 수 있다.

상기 노치부는, 상기 캔의 측면 중 좁은 면의 중심 영역에 구비될 수 있다.

상기 노치부는, 상기 캔의 측면 중 넓은 면의 코너 영역에 구비될 수 있다.

상기 노치부는, 상기 캔의 측면 중 넓은 면의 상단에 위치하는 코너 영역에 구비될 수 있다.

상기 안전 마개는, 상기 전해액 주입구에 압입됨으로써 전해액 주입구를 밀폐시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 이차전지에 이상이 발생되어 내압이 증가하거나 이차전지의 과도한 형상 변형으로 인해 위험이 예상되는 경우 신속히 이차전지의 일부가 파단됨으로써 이차전지의 내부 압력이 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있으며, 이로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이차전지에 대한 정면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'을 따라 절단된 단면을 나타내는 단면도이다.
도 4 및 도 5는 노치부의 다양한 형성 위치를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 탑 캡을 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 탑 캡의 전해액 주입구에 안전 마개가 압입된 형태를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예 따른 이차전지의 전체적인 구성을 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 전극 조립체(10), 전극 조립체(10) 및 전해액(미도시)을 수용하는 캔(20), 및 캔(20)의 상단 개구부(20a)를 커버하는 탑 캡 조립체(30)를 포함할 수 있다.

상기 전극 조립체(10)는 제1 전극 판(11), 제2 전극 판(12), 그리고 전극 판(11,12) 사이에 개재되는 세퍼레이터(13)를 포함하며, 이러한 전극 판(11,12) 및 세퍼레이터(13)가 함께 권취됨으로써 형성된다.

상기 제1 전극 판(11)은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 제1 전극 집전체 및 이러한 제1 전극 집전체의 양 면에 코팅된 제1 전극 활물질 층을 포함한다.

또한, 상기 제1 전극 집전체의 양 말단에는 제1 전극 활물질 층이 형성되지 않는 제1 전극 무지부가 있으며, 제1 전극 무지부의 일측 단부에는 제1 전극 탭(14)이 연결된다. 여기서, 상기 제1 전극 판(11)은 양극으로서 작용하는 양극 판일 수 있다.

상기 제2 전극 판(12)은 전도성 금속 박판, 예를 들면 구리(Cu) 호일로 이루어진 제2 전극 집전체 및 이러한 제2 전극 집전체의 양 면에 코팅된 제2 전극 활물질 층을 포함한다.

또한, 상기 제2 전극 집전체의 양 말단에는 제2 전극 활물질 층이 형성되지 않는 제2 전극 무지부가 있으며, 제2 전극 무지부의 일측 단부에는 제2 전극 탭(15)이 연결된다. 여기서, 상기 제2 전극 판(12)은 음극으로서 작용하는 음극 판일 수 있다.

상기 세퍼레이터(13)는 제1 전극 판(11)과 제2 전극 판(12)의 쇼트(short)를 방지하는 것으로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)를 포함하는 군(group)에서 선택되는 어느 하나로 이루어져 있으나, 본 실시예에서 그 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 세퍼레이터(13)는 제 1 전극판(11) 및 제 2 전극판(12)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 제 1 전극판(11) 및 제 2 전극판(12) 간의 전기적인 단락을 방지하는데 유리하다.

상기 캔(20)은 대략 직육면체의 형상을 가진 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로 이루어지는 것으로서, 상단 개구부(20a)를 통해 전극 조립체(10)를 수용한다.

또한, 상기 캔(20)은 전극 조립체(10)에 구비된 한 쌍의 전극 탭(14,15) 중 어느 하나와 직접 또는 간접적으로 연결되어 그 자체로서 양극 또는 음극 단자의 역할을 수행할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 캔(20)의 측면 상에는 주변보다 더 얇은 두께를 갖는 노치부(21)가 형성된다. 이러한 노치부(21)의 형성은, 내부 압력의 상승이나 외부 충격에 따른 캔(20)의 형상 변형 시에 캔(20)의 일부가 신속히 파단될 수 있도록 하고, 이로써 캔(20) 내부의 압력 상승에 의해 이차전지가 발화나 폭발하는 상황을 방지하기 위한 것이다.

이러한 노치부(21)는, 도 2에 도시된 바와 같이 캔(20)의 측면 중 넓은 면의 중심 영역에 형성되거나, 도 4에 도시된 바와 같이 캔(20)의 측면 중 좁은 면의 중심 영역에 형성될 수 있다.

상기 캔(20)의 측면 중 중심 영역은, 캔(20)의 내부 압력의 상승이나 외부 충격이 가해지는 경우에 있어서 물리적인 변형량이 가장 큰 영역에 해당하므로, 이러한 영역에 노치부(21)가 형성되는 경우 노치부(21)의 신속한 파단에 따른 이차전지 사용상의 안전성 확보가 가능하게 된다.

또한, 상기 노치부(21)는 도 5에 도시된 바와 같이 캔(20)의 측면 중 넓은 면의 코너 영역에 형성될 수 있으며, 그 중에서도 특히 상단에 위치하는 코너 영역에 형성되는 것이 유리할 수 있다.

상기 캔(20)의 측면 중 넓은 면의 코너 영역은 다른 영역과 비교하여 이차전지 내부의 압력 상승 시에 응력이 크게 작용하는 지점에 해당하며, 특히 상단의 코너 영역은 응력이 최대로 작용하는 지점에 해당한다. 따라서, 이러한 영역에 노치부(21)가 형성되는 경우 노치부(21)의 신속한 파단에 따른 이차전지 사용상의 안전성 확보가 가능하게 된다.

한편, 상기 캔(20)의 측면이라 함은, 도 2에 도시된 이차전지를 기준으로 볼 때, 탑 캡 조립체(30, 도 1 참조)로 커버되는 상면과 그에 대향하는 하면을 제외한 나머지 면을 의미하는 것으로서 이하 동일하다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 탑 캡 조립체(30)는 탑 캡(31), 전극 단자(32), 절연 가스켓(33), 베이스 플레이트(34) 및 절연 플레이트(35)를 포함할 수 있다.

상기 탑 캡(31)은, 전해액을 주입할 수 있도록 탑 캡(31)을 관통하여 형성되는 전해액 주입구(31a)를 구비하며, 캔(20)의 상단 개구부(20a)를 커버한다.

상기 탑 캡(31)은 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 이 경우 한 쌍의 전극 탭(14,15) 중 어느 하나와 직접 또는 간접적으로 연결됨으로써 캔(20)과 동일한 극성을 가질 수 있다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 이차전지에 대한 전해액 주입 공정이 끝나고 나면, 전해액 주입구(31a)에는 안전 마개(36)가 압입되고, 이로써 전해액 주입구(31a)가 밀폐된다.

여기서, 상기 안전 마개(36)는 전해액 주입이 완료된 이후에 이차전지를 밀폐시키는 역할을 하는 동시에 이차전지 내부의 전해액 부반응 등으로 인한 내부 압력 증가 시에 가스의 분출을 위한 안전 벤트(safety vent)로서의 역할 또한 수행할 수 있다.

즉, 상기 안전 마개(36)는 탑 캡(31)의 두께(d1)와 비교하여 더 얇은 두께(d2)를 가짐으로써 내부 압력의 증가 시에 신속히 파단되거나, 전해액 주입구(31a)에서 빠져 나옴으로써 내부 가스가 신속히 분출될 수 있도록 한다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 전극 단자(32)는 탑 캡(31)을 관통하며, 전극 조립체(10)와 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 전극 단자(32)는 한 쌍의 전극 탭(14,15) 중 어느 하나와 직접 또는 간접적으로 연결됨으로써 캔(20) 및 탑 캡(31)과는 반대의 극성을 가질 수 있다.

상기 절연 가스켓(33)은 탑 캡(31)과 전극 단자(32) 사이에 개재되어 서로 다른 극성을 갖는 탑 캡(31)과 전극 단자(32) 사이에 단락이 발생되지 않도록 한다.

상기 베이스 플레이트(34)는 탑 캡(31)과 전극 조립체(10) 사이에서 전극 단자(32)와 연결되며, 한 쌍의 전극 탭(14,15) 중 어느 하나와 직접 연결될 수 있다. 즉, 상기 전극 단자(32)는 이러한 베이스 플레이트(34)를 통해 전극 조립체(10)의 전극 탭(14,15) 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 것이다.

또한, 상기 절연 플레이트(35)는 탑 캡(31)과 베이스 플레이트(34) 사이에 개재되어 베이스 플레이트(34)와 탑 캡(31) 사이의 단락을 방지한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는, 캔(20)에 형성된 노치부(21) 및 탑 캡(31)의 전해액 주입구에 삽입된 얇은 두께의 안전 마개(36)를 구비함으로써 캔(20)의 형태 변형 및/또는 내부 압력의 상승이 있는 경우 발생될 수 있는 발화나 폭발 등의 위험을 예방할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 전극 조립체 11: 제1 전극판
12: 제2 전극판 13: 세퍼레이터
14: 제1 전극 탭 15: 제2 전극 탭
20: 캔 20a: 캔의 상단 개구부
21: 노치부 30: 탑 캡 조립체
31: 탑 캡 31a: 전해액 주입구
32: 전극 단자 33: 절연 가스켓
34: 베이스 플레이트 35: 절연 플레이트
36: 안전 마개

Claims (8)

1. 전극 조립체;
   상기 전극 조립체를 수용하며, 주변보다 얇은 두께로 형성된 노치부를 구비하는 캔;
   상기 캔의 상단 개구부를 커버하며, 전해액이 주입되는 전해액 주입구를 구비하는 탑 캡; 및
   상기 전해액 주입구에 삽입되며, 상기 탑 캡과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 안전 마개를 포함하는 이차전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 탑 캡을 관통하며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제2항에 있어서,
   상기 전극 단자와 상기 탑 캡 사이에 개재되는 절연 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제1항에 있어서,
   상기 노치부는,
   상기 캔의 측면 중 넓은 면의 중심 영역에 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제1항에 있어서,
   상기 노치부는,
   상기 캔의 측면 중 좁은 면의 중심 영역에 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제1항에 있어서,
   상기 노치부는,
   상기 캔의 측면 중 넓은 면의 코너 영역에 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제6항에 있어서,
   상기 노치부는,
   상기 캔의 측면 중 넓은 면의 상단에 위치하는 코너 영역에 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제1항에 있어서,
   상기 안전 마개는,
   상기 전해액 주입구에 압입됨으로써 전해액 주입구를 밀폐시키는 것을 특징으로 하는 이차전지.

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