KR20080039090A - 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온도의 변화에 따라 통전과 절연이 가역적인 PTC를 전지 내부에 위치시킴으로써 PTC의 반응 속도를 향상시켜 전지의 안정성을 증대시킨 이차전지에 관한 것이다.
본 발명의 이차전지는 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 캔의 개방된 상부와 결합하며 상기 전극조립체의 두 전극과 각각 전기 접속되는 캡조립체를 포함하고, 상기 캡조립체는 상기 캔의 상부에 결합하는 도전성 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 형성된 단자통공을 통하여 설치되는 도전성 전극단자와, 상기 전극단자의 외면에 위치하여 상기 캡플레이트와 상기 전극단자 사이를 절연하는 가스켓을 포함하며, 상기 전극단자에 온도에 따라 통전(通電)과 절연이 가역적인 PTC가 내재되어 있는 것을 특징으로 한다.
따라서, PTC가 전지 내부에 위치하므로 전지 내부의 온도 변화에 민감하게 반응하여 PTC의 반응 속도가 향상됨으로써 전지의 안정성이 증대될 수 있다.
Description
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타낸 분리 사시도,
도 2 는 도 1 에 나타낸 이차전지의 캡조립체의 부분 확대 단면도,
도 3 은 도 2 에 나타낸 캡조립체에 사용된 전극단자의 확대 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 이차전지 11: 캔
12: 전극조립체 100: 캡조립체
110: 캡플레이트 120: 가스켓
130: 전극단자 132: 머리부
134: 핀부 135: 제 1 핀부
136: PTC 137: 제 2 핀부
140: 절연플레이트 150: 단자플레이트
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온도의 변화에 따라 통전과 절연이 가역적인 PTC를 전지 내부에 위치시킴으로써 PTC의 반응 속도를 향 상시켜 전지의 안정성을 증대시킨 이차전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자기기 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동전압이 3.6V로서, 전자장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위중량당 에너지밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 리튬 이차전지는 여러가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
이 중 각형 이차전지는 전극조립체와, 이 전극조립체를 수용하는 캔과, 이 캔에 결합하는 캡조립체를 포함하여 이루어진다.
전극조립체는 양극과 음극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 세퍼레이터가 권취되어 있으며, 양극 및 음극으로부터 양극 및 음극탭이 각각 인출되어 있다.
캔은 각형 이차전지에서 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다.
캡조립체는 캔의 상부에 결합되는 캡플레이트와, 단자통공을 통하여 설치되고 그 외면에 캡플레이트와의 절연을 위한 가스켓이 위치하는 전극단자와, 캡플레이트 아래에 설치되는 절연플레이트와, 절연플레이트 아래에 설치되어 전극단자와 통전되는 단자플레이트를 포함하여 이루어진다.
전극조립체의 음극은 음극탭과 단자플레이트를 통해 전극단자와 전기적으로 연결되고, 양극은 양극탭을 통해 캡플레이트나 캔에 전기적으로 연결된다. 물론, 극성이 바뀌어 형성될 수도 있다.
한편, 캔 외부에는 PTC(Positive Temperature Coefficient), 서멀 퓨즈(thermal fuse) 및 보호회로모듈과 같은 안전장치가 설치된다. 이 안전장치들은 전지의 고온 상승이나 과도한 충·방전 등으로 인하여 전지의 전압이 급격하게 상승하는 경우 전류의 흐름을 차단해 전지의 파열을 방지하는 역할을 한다.
이 중 PTC는 도전성 입자를 결정성 고분자에 분산시켜 제조되며, 설정된 온도 이하에서는 전류의 흐름을 연결해 주는 가교의 역할을 하지만, 설정된 온도 이상이 되면 도전성 입자들 사이의 간격이 멀어지면서 저항이 급격하게 증가되어 전류의 흐름이 차단되거나 낮은 양의 전류가 흐르게 되며, 이에 따라 전지의 파열을 방지하는 안전장치로서의 역할을 수행한다.
그런데, 종래에는 이러한 PTC가 캔 외부에 위치하여 캔 내부의 온도 상승에 민감하게 반응하지 못하는 문제가 있었다. 즉, 전지 내부의 온도가 어떤 임계값 이상이 되면 PTC가 작동하여 전류의 흐름을 차단함으로써 전지의 파열을 방지하여야 하나, PTC가 캔 외부에 위치한 결과 다양한 부품들을 매개로 하여 온도가 전달되므로 중간의 다양한 부품들의 재질의 불균일성 같은 예기치 못한 변수들로 인하여 PTC가 원하는 온도에서 작동하지 못하는 문제가 있다.
또한, 캔 외부에 PTC가 위치함으로써 핫 멜팅 수지를 이용한 몰딩시 고온의 수지와 폴리머 재질의 PTC 표면이 맞닿음으로써 PTC 자체에 변성이 일어나거나, 혹 은 PTC 표면에 맞닿은 고온의 수지가 냉각되면서 PTC를 붙잡는 수축응력이 작용함으로써 PTC가 원하는 온도에서 작동하지 못하는 문제가 있다.
또한, 캔 외부에 PTC를 위치시키기 위한 별도의 공간이 필요하므로 캔 외부의 공간 활용성이 떨어지고, 경우에 따라서는 팩 전지 전체의 총고를 늘려 전지용량을 떨어뜨리거나 전지의 소형화를 방해하는 요소로 작용하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 온도의 변화에 따라 통전과 절연이 가역적인 PTC를 전극 단자에 위치시킴으로써 PTC의 반응 속도를 향상시켜 전지의 안정성을 증대시키는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는,
전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 캔의 개방된 상부와 결합하며 상기 전극조립체의 두 전극과 각각 전기 접속되는 캡조립체를 포함하고, 상기 캡조립체는 상기 캔의 상부에 결합하는 도전성 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 형성된 단자통공을 통하여 설치되는 도전성 전극단자와, 상기 전극단자의 외면에 위치하여 상기 캡플레이트와 상기 전극단자 사이를 절연하는 가스켓을 포함하며, 상기 전극단자에 온도에 따라 통전(通電)과 절연이 가역적인 PTC가 내재되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 캡조립체는 상기 캡플레이트 아래에 설치되고 상기 전극단자의 하단부와 결합하는 단자플레이트와, 상기 캡플레이트와 상기 단자플레이트 사이에 위치하여 이 둘을 절연시키는 절연플레이트를 더 구비할 수도 있다.
이때, 상기 전극단자는 상기 캡플레이트에 형성된 단자통공의 크기보다 큰 머리부와, 상기 단자통공을 관통하는 핀부를 포함하여 이루어지며, 상기 핀부에 상기 PTC가 내재될 수도 있다.
그리고, 상기 핀부는 상기 머리부와 일체로 형성된 제 1 핀부와, 상기 단자플레이트에 결합하는 제 2 핀부와, 상기 제 1 핀부와 상기 제 2 핀부 사이에 위치하는 상기 PTC를 포함하여 이루어질 수도 있다.
이때, 상기 제 1 핀부는 상기 단자플레이트와 접촉하지 않는 것이 바람직하다.
한편, 상기 PTC는 티탄산바륨을 함유할 수도 있다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이차전지에 관한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 나타내는 분리 사시도이다.
도면을 참조하면, 이차전지는 전극조립체(12)와, 이 전극조립체(12)를 수용하는 캔(11)과, 이 캔(11)과 결합되는 캡조립체(100)를 포함한다.
전극조립체(12)는 전기를 생성하는 전지부와, 이 전지부의 서로 다른 두 전극에 각각 결합된 전극탭을 구비한다. 전지부는 통상 전기용량을 높이기 위해 양극(13) 및 음극(15)을 넓은 판형으로 형성한 뒤, 이들을 상호 절연시키는 세퍼레이터(14)를 양극(13)과 음극(15) 사이에 개재하여 적층하고, 와형으로 권취하여 이른 바 '젤리롤(Jelly Roll)' 형태로 만든다. 음극(15) 및 양극(13)은 각각 구리 및 알루미늄 포일로 이루어진 집전체 각각에 음극 활물질인 탄소와 양극 활물질인 코발트산 리튬 등을 코팅시켜 형성할 수 있다. 세퍼레이터(14)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 공중합체(co-polymer)로 이루어져 있다. 세퍼레이터(14)는 양극(13) 및 음극(15)보다 폭을 넓게 하여 형성하는 것이 극판 간의 단락을 방지하는 데 유리하다. 전지부의 두 전극(13, 15)에는 각각 양극탭 및 음극탭(16, 17)이 결합되어 상방으로 인출되어 있다. 상기 양극탭 및 음극탭(16, 17)에는 상기 전지부의 외부로 인출되는 경계부에 극판(13, 15) 간의 단락을 방지하기 위하여 절연테이프(18)가 감겨져 있다.
캔(11)은 도시된 바와 같은 각형 이차전지에서 대략 직육면체의 형상을 가진 금속재질의 용기이며, 딥 드로잉(deep drawing) 등의 가공방법으로 형성한다. 따라서, 캔 자체가 단자역할을 수행하는 것도 가능하다. 캔을 이루는 재질로는 경량의 전도성 금속인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다. 캔(11)은 전극조립체(12)와 전해액의 용기가 되고, 전극조립체(12)가 투입되도록 개방된 상부는 캡조립체(100)에 의해 봉해진다.
캡조립체(100)는 캡플레이트(110)와, 가스켓(120)과, 전극단자(130)와, 절연플레이트(140)와, 단자플레이트(150)를 포함하여 이루어진다. 캡플레이트(110)에는 단자통공(111)이 형성되어 있는데, 전극단자(130)가 그 외면에 캡플레이트(110)와의 절연을 위하여 가스켓(120)을 위치시킨 채 단자통공(111)을 관통하여 설치된다. 캡플레이트(110)의 아랫면에는 절연플레이트(140)가 설치되어 있고, 이 절연플레이 트(140)의 아랫면에는 단자플레이트(150)가 설치되어 있다. 이 단자플레이트(150)에는 전극단자(130)의 하단부가 결합되어 있다.
전지부의 음극(15)은 음극탭(17)과 단자플레이트(150)를 통하여 전극단자(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 전극조립체(12)의 양극(13)의 경우에는 양극탭(16)을 통하여 캡플레이트(110)와 전기적으로 연결되어 있다. 한편, 극성을 달리하여 전지를 설계할 수도 있을 것이다.
단자플레이트(150)의 아래에는 단자플레이트(150)와 전극조립체(12) 간의 절연을 위해 절연케이스(190)가 설치되어 있다.
캡플레이트(110)의 일 측에는 벤트(116)가 형성되는데, 이 벤트(116)는 과충전 등으로 인하여 전지의 내부압력이 증가할 때 우선적으로 파단되어 내부가스를 방출시킴으로써 전지의 안전성을 확보하는 역할을 한다. 캡플레이트(110)의 타 측에는 캔(11)의 내부에 전해액을 주입하기 위한 전해액주입공(112)이 형성되어 있으며, 전해액 주입 후 상기 전해액주입공(112)을 밀폐시키는 밀봉부(160)가 형성된다.
도 2 를 참조하면, 캡조립체(100)는, 상술한 바와 같이, 캔의 개방된 상부에 결합되는 캡플레이트(110)와, 캡플레이트(110)에 형성된 단자통공을 통하여 설치되는 전극단자(130)와, 전극단자(130)의 외면에 위치하여 캡플레이트(110)와 전극단자(130) 사이를 절연하는 가스켓(120)과, 캡플레이트(110)의 아래에 설치되어 전극단자(130)의 하단부와 결합하는 단자플레이트(150)와, 캡플레이트(110)와 단자플레이트(150) 사이에 위치하여 이 둘을 절연시키는 절연플레이트(140)를 구비한다. 전 극단자(130)에는 온도에 따라 통전(通電)과 절연이 가역적인 PTC(136)가 내재되어 있다. 한편, 음극탭(17)이 단자플레이트(150)에 접합되어 있다.
여기서, PTC(136)는 도전성 입자를 결정성 고분자에 분산시킨 폴리머 PTC일 수 있고, 이때 도전성 입자로는 니켈 파우더 같은 금속 입자 또는 탄소 입자가 사용될 수 있고, 결정성 고분자로는 폴리올레핀계 수지 등의 합성수지가 사용될 수 있다.
또는, PTC(136)는 티탄산바륨을 함유할 수도 있다. 이 티탄산바륨은 탄산바륨과 산화티탄(IV)를 혼합한 후 하소하여 얻을 수 있다.
이러한 PTC(136)는 설정된 온도 이하에서는 도전성 입자들이 뭉쳐 있어 제 2 핀부(137)와 제 1 핀부(135) 사이의 전류의 흐름을 연결해 주는 가교의 역할을 한다. 그러나, 전지 사용중에 과전류나 과전압이 흐르거나 소비전력이 높아져 이에 따른 열이 발생함으로써 설정된 온도 이상이 되면, 결정성 고분자의 팽창으로 인해 도전성 입자들이 떨어지면서 저항이 급격하게 증가되어 전류의 흐름이 차단되거나 낮은 양의 전류가 흐르게 되며, 이에 따라 전지의 파열을 방지하는 안전장치로서의 역할을 수행하는 가역적인 도전체이다. 그리고, 다시 설정된 온도 이하로 냉각되면, 결정성 고분자가 수축하여 도전성 입자 사이의 연결을 복원하여 전류의 흐름이 재개되도록 작동한다.
좀 더 구체적으로 전극단자(130)의 형상을 살펴보기 위해 도 3 을 참조하면, 전극단자(130)는 캡플레이트(110)에 형성된 단자통공의 크기보다 큰 머리부(132)와, 상기 단자통공을 관통하는 핀부(134)를 포함하여 이루어지며, 이 핀부(134)에 PTC(136)가 내재되어 있다.
또한, 핀부(134)를 보다 자세히 살펴보면, 핀부(134)는, 머리부(132)와 일체로 형성된 제 1 핀부(135)와, 상기 단자플레이트에 결합하는 제 2 핀부(137)와, 제 1 핀부(135)와 제 2 핀부(137) 사이에 위치하는 PTC(136)를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 도 2 및 도 3 을 참조하면, 전극단자의 제 1 핀부(135)는 상기 단자플레이트(150)와 접촉하지 않을 필요가 있다. 본 실시예에서 전류의 흐름을 살펴보면, 전극조립체에서 발생한 전류는 음극탭(17)을 통해 단자플레이트(150)를 거쳐 전극단자의 제 2 핀부(137), PTC(136), 제 1 핀부(135), 머리부(132) 순으로 흘러간다. 그런데, 제 1 핀부(135)가 단자플레이트(150)와 접촉하게 되면, 전류가 제 2 핀부(137)와 PTC(136)를 거치지 않고도, 단자플레이트(150)에서 직접 제 1 핀부(135)로 흐를 수 있어, 전극단자(130)에 PTC(136)를 사용함으로써 전지의 안정성을 꾀하고자 하는 효과가 떨어질 수 있기 때문이다.
도 3 을 참조하면, PTC(136)는 납작한 층상이며, PTC(136)의 상면에는 제 1 핀부(135)의 하면이 결합되고, PTC(136)의 하면에는 제 2 핀부(137)의 상면이 결합되어 있다. 즉, PTC(136)는 전극단자(130) 내에서 전류의 이동방향에 가로질러 위치하여 있다.
결국, PTC가 전지 외부가 아닌 전지 내부에 위치함으로써, 전지 내부의 온도 변화에 민감하게 반응할 수 있게 된다. 이에 따라, 설정된 온도 이하에서는 전류의 흐름이 원활하지만, 설정된 온도 이상이 되면 저항이 급격하게 증가되어 전류의 흐 름이 차단되거나 낮은 양의 전류가 흐르게 된다.
본 발명의 내용은 이상의 실시예들에서 전극의 극성을 바꾸어 설계한 경우에도 동일하게 적용된다.
본 발명에 의하면, PTC가 전지 내부에 위치하므로 전지 내부의 온도 변화에 민감하게 반응하여 PTC의 반응 속도가 향상됨으로써 전지의 안정성이 증대될 수 있다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.
Claims (10)
- 전극조립체와, 상기 전극조립체를 수용하는 캔과, 상기 캔의 개방된 상부와 결합하며 상기 전극조립체의 두 전극과 각각 전기 접속되는 캡조립체를 포함하는 이차전지에 있어서,상기 캡조립체는, 상기 캔의 상부에 결합하는 도전성 캡플레이트와, 상기 캡플레이트에 형성된 단자통공을 통하여 설치되는 도전성 전극단자와, 상기 전극단자의 외면에 위치하여 상기 캡플레이트와 상기 전극단자 사이를 절연하는 가스켓을 포함하며,상기 전극단자에 온도에 따라 통전(通電)과 절연이 가역적인 PTC가 내재되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 캡조립체는, 상기 캡플레이트 아래에 설치되고 상기 전극단자의 하단부와 결합하는 단자플레이트와, 상기 캡플레이트와 상기 단자플레이트 사이에 위치하여 이 둘을 절연시키는 절연플레이트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 2 항에 있어서,상기 전극단자는, 상기 캡플레이트에 형성된 단자통공의 크기보다 큰 머리부와, 상기 단자통공을 관통하는 핀부를 포함하여 이루어지며, 상기 핀부에 상기 PTC 가 내재된 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 3 항에 있어서,상기 핀부는, 상기 머리부와 일체로 형성된 제 1 핀부와, 상기 단자플레이트에 결합하는 제 2 핀부와, 상기 제 1 핀부와 상기 제 2 핀부 사이에 위치하는 상기 PTC를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 1 핀부는 상기 단자플레이트와 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 4 항에 있어서,상기 PTC는 납작한 층상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,상기 PTC는 상기 전극단자 내에서 전류의 이동방향에 가로질러 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 PTC는 도전성 입자를 결정성 고분자에 분산시킨 폴리머 PTC인 것을 특 징으로 하는 이차전지.
- 제 8 항에 있어서,상기 도전성 입자는 금속 입자 또는 탄소 입자인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 PTC는 티탄산바륨을 함유하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
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| KR101297260B1 (ko) * | 2012-09-10 | 2013-08-16 | 삼성에스디아이 주식회사 | 캡 조립체 및 이를 구비한 배터리 팩 |
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2006
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Cited By (4)
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