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KR20110048774A - 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지 - Google Patents

캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지 Download PDF

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KR20110048774A
KR20110048774A KR1020090105487A KR20090105487A KR20110048774A KR 20110048774 A KR20110048774 A KR 20110048774A KR 1020090105487 A KR1020090105487 A KR 1020090105487A KR 20090105487 A KR20090105487 A KR 20090105487A KR 20110048774 A KR20110048774 A KR 20110048774A
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KR
South Korea
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cap
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ptc
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safety vent
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KR1020090105487A
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이장호
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명에 관한 캡 조립체는, 전기 전도성 금속 소재의 캡업과, 캡업의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 안전 벤트와, 정온도 계수(PTC; positive temperature coefficient) 특성을 갖는 전도성 폴리머 조성물을 포함하며, 캡업과 안전 벤트의 사이에 배치되는, PTC 저항층을 구비한다.

Description

캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지{Cap assembly and second battery using the same}
본 발명은 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 저항이 최소화되며 구성 요소들이 일체화된 이차 전지용 캡 조립체와, 이러한 캡 조립체를 구비하여 조립이 용이한 이차 전지에 관한 것이다.
리튬 이차 전지는 소형 및 대용량화가 가능하고, 작동 전압이 높으며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높아 여러 가지 분야의 전기/전자기기에 이용되고 있다. 리튬 이차 전지는 전극 조립체를 수용하는 외장재의 형태에 따라 캔형과 파우치형으로 구분되며, 캔형은 각형과 원통형으로 구분된다.
원통형 이차전지는 외관을 형성하는 캔과, 캔에 내장되는 전극 조립체와, 캔의 상단 개구부에 결합하는 캡 조립체로 이루어진다. 캡 조립체는 캡업과 안전벤트와 같은 여러 가지 구성 요소들을 갖는다. 캡 조립체를 캔에 결합할 때에는 구성 요소들을 차례로 캔의 상단 개구부에 결합한다. 그러나 이러한 종래의 결합 방식에 의하면 조립 작업이 복잡하므로 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
캡 조립체의 여러 가지 구성 요소들을 일체로 제조함으로써 캔의 상단 개 구부에 캡 조립체를 결합하는 작업을 편리하게 하기 위한 시도가 있다. 이러한 시도들은 용접에 의해 여러 가지 구성 요소들을 서로 결합시킨다.
캡 조립체에는 일반적으로 PCT(positive coefficient temperature; 정온도 계수) 소자가 구비되는데, 열에 의해 특성이 변하는 PCT 소자의 특성으로 인해 PCT 소자와 다른 구성 요소들을 용접하여 캡 조립체를 일체화하는 작업이 어려운 문제점이 있었다. PCT 소자의 용접성을 향상시키기 위해 PCT 소자의 금속 전극층을 두껍게 형성하는 것을 고려할 수 있지만, 이 경우 저항이 증가하는 문제점이 있다.
또한 일체로 제조된 캡 조립체를 구성하는 여러 가지 구성 요소들의 사이에 존재하는 접촉 저항으로 인해 이차전지의 전체적인 저항이 증가하여 이차전지의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 내부 저항이 최소화된 이차 전지의 캡 조립체 및 이를 구비한 이차 전지를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 일체화된 이차 전지의 캡 조립체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제조가 용이한 이차 전지를 제공하는 데 있다.
본 발명은 PTC 저항층의 양측면에 별도의 전극층을 배치하는 대신, PTC 저항층의 적어도 일측면에 캡 조립체의 구성 부품을 부착하여 PTC 저항층을 위한 전극층의 기능을 수행하게 한 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지를 제공한다.
본 발명에 관한 캡 조립체는, 전기 전도성 금속 소재의 캡업과, 캡업의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 안전 벤트와, 정온도 계수(PTC; positive temperature coefficient) 특성을 갖는 전도성 폴리머 조성물을 포함하며, 캡업과 안전 벤트의 사이에 배치되는, PTC 저항층을 구비한다.
본 발명에 있어서, PTC 저항층의 일 측면은 캡업의 하부 면에 부착될 수 있고, 타측 면은 안전 벤트의 상부 면에 부착될 수 있다.
본 발명에 있어서, 캡 조립체는 PTC 저항층과 안전 벤트의 사이에 배치되는 전기 전도성 소재의 금속층을 더 구비할 수 있고, PTC 저항층의 일 측면은 캡업의 하부 면에 부착될 수 있고, 타측 면은 금속층의 상부 면에 부착될 수 있다.
본 발명에 있어서, 캡 조립체는 PTC 저항층과 안전 벤트의 사이에 개재되는 전류 차단 회로기판을 더 구비할 수 있고, PTC 저항층의 일 측면은 캡업의 하부 면에 부착될 수 있으며, 타측 면은 전류 차단 회로기판의 상부 면의 단자에 부착될 수 있다.
본 발명에 있어서, 캡 조립체는 PTC 저항층의 하부에 차례로 배치되는 전기 전도성 소재의 금속층과 전류 차단 회로기판을 더 구비할 수 있고, PTC 저항층의 일 측면은 캡업의 하부 면에 부착될 수 있으며, 타측 면은 금속층의 상부 면에 부착될 수 있고, 금속층의 하부 면은 전류 차단 회로기판의 상부 면의 단자에 부착될 수 있다.
본 발명에 있어서, 캡 조립체는 안전 벤트의 하부에 배치되는 절연재와, 절연재의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 캡다운을 더 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 캡 조립체는 캡다운의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 서브 플레이트를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 캡 조립체는 캡업과 안전 벤트와 PTC 저항층의 원주면을 둘러싸며 캔과 이차전지용 캡 조립체의 사이를 절연시키는 가스켓을 더 구비할 수 있다.
본 발명에 관한 이차 전지는, 일측에 개구부가 형성된 캔과, 캔에 수용되는 전극 조립체와, 전기 전도성 금속 소재의 캡업과, 캡업의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 안전 벤트와 정온도 계수(PTC; positive temperature coefficient) 특성을 갖는 전도성 폴리머 조성물을 포함하며 캡업과 안전 벤트의 사이에 배치되는 PTC 저항층을 구비하며 개구부에 결합하여 캔을 밀봉하는 캡 조립체를 구비한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지는, PTC 저항층의 양측 표면에 별도의 금속 전극층들이 배치되지 않고 캡 조립체의 구성 부품들이 PTC 저항층에 일체로 부착되어 전극층들의 기능을 하므로 내부 저항이 최소화될 수 있다.
또한 캡 조립체의 캡업과 안전 벤트의 사이에 PTC 저항층이 일체로 부착되기 때문에 캡 조립체가 용이하게 일체화될 수 있다.
또한 캡업 내에 PTC 저항층이 일체로 부착되거나, 캡업과 안전 벤트의 사이에 PTC 저항층이 일체로 부착되거나, 캡업과 전류 차단 회로기판의 사이에 PTC 저항층이 일체로 결합되면, 일체로 결합된 부품들이 하나의 부품으로 취급될 수 있으므로 캡 조립체의 조립이 간편해진다.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 본 발명에 관한 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지의 구성과 작용을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 구성 요소들의 결합 관계를 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 구성 요소들이 결합되어 완성된 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 사시도이며, 도 3은 도 1의 이차 전지의 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 나타난 실시예에 관한 캡 조립체를 구비하는 이차 전지는, 캔(10)과, 캔(10)에 수용되는 전극 조립체(20)와, 캔(10)을 밀봉하는 캡 조립체(30)를 구비한다.
캔(10)은 원통 형상으로 제조되어 일측 단부가 개방된 개구부(11)를 구비한다. 캔(10)은 내측에 전극 조립체(20)를 수용할 수 있는 원통형 공간을 형성하는 측벽과 하측 개구부를 막는 하부면으로 이루어진다. 캔(10)은 철, 스테인레스 스틸, 알루미늄 합금 등의 소재를 사용하여 딥 드로잉 방법으로 가공될 수 있다.
전극 조립체(20)는 양극판(21)과 음극판(22)의 사이에 세퍼레이터(23)를 개재하여 적층한 후, 젤리롤 형태로 권취하여 형성된다. 전극 조립체(20)의 양극판(21)에는 양극탭(24)이 부착되고, 음극판(22)에는 음극탭(25)이 부착된다. 권취된 전극 조립체(20)의 중심부에는 통로(27)가 형성되고, 이 통로(27)에는 센터핀(40)이 삽입되어 전극 조립체(20)의 변형을 방지하는 기능을 한다.
양극판(21)은 양극 집전체와 양극 활물질층을 구비한다. 양극 활물질층은 리튬을 포함하는 층상 화합물과, 결합력을 향상시키는 바인더와, 전도성을 향상시키는 전도재를 포함할 수 있다. 양극 집전체에는 일반적으로 알루미늄이 사용되며 양극 활물질층에서 발생하는 전하의 이동 통로로 기능함과 아울러 양극 활물질층을 지지한다.
음극판(22)은 음극 집전체와 음극 활물질층을 구비한다. 음극 활물질층은 탄소를 함유하는데, 일반적으로 하드 카본 또는 흑연과, 활물질 입자 사이의 결합력을 향상시키는 바인더를 포함할 수 있다. 음극 집전체에는 일반적으로 구리가 사 용되며, 음극 활물질층에 발생하는 전하의 이동 통로로 기능함과 아울러 음극 활물질을 지지한다.
세퍼레이터(23)는 양극판(21)과 음극판(22)의 사이에 개재되어 양극판(21)과 음극판(22)을 절연하고, 양극판(21)과 음극판(22)의 전하들은 통과시킨다. 일반적으로 세퍼레이터(23)의 재질은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)을 사용하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
전극 조립체(20)는 캔(10)의 개구부(11)를 통해 캔(10)에 삽입된다. 전극 조립체(20)를 삽입하기 전에 캔(10)의 하부면에 하부 절연판(50)이 삽입된다. 하부 절연판(50)은 전극 조립체(20)와 캔(10)을 절연시킨다. 하부 절연판(50)은 음극탭(25)을 통과시키는 구멍을 구비한다. 음극탭(25)은 하부 절연판(50)의 구멍을 관통하여 캔(10)과 전기적으로 연결될 수 있다.
캡 조립체(30)는 캔(10)의 개구부(11)에 대응하는 크기의 원통체 형상을 가져, 캔(10)의 개구부(11)에 결합된다. 캡 조립체(30)는 캔(10)의 개구부(11)의 내측 및 하측을 향하여 압력을 가해 캔(10)을 봉합하는 클램핑 공정에 의해 캔(10)에 결합될 수 있다.
캔(10)에 전극 조립체(20)가 삽입된 이후에, 전극 조립체(20)의 상부에는 상부 절연판(60)이 설치된다. 상부 절연판(60)의 통공(61)을 통해 양극탭(24)이 상측으로 인출된다.
캔(10)에 전극 조립체(20)와 상부 절연판(60)이 삽입되면, 상부 절연판(60)의 높이에 맞추어 캔(10)의 측벽을 내측으로 구부려 비드(17)를 형성한다. 비드(17)는 외부 충격이 가해져도 전극 조립체(20)가 캔(10)의 내부에서 상하로 유동하지 못하게 한다.
전극 조립체(20)의 위로 전해액이 주입되면, 캔(10)의 개구부(11)에 캡 조립체(30)가 결합됨으로써 캔(10)이 밀봉된다. 캡 조립체(30)는 여러 가지 부품들이 차례로 캔(10)에 결합되는 방식으로 설치될 수 있다. 또는 캡 조립체(30)는 여러 가지 부품들을 한꺼번에 조립하여 하나의 조립체를 완성한 이후에 캔(10)에 결합될 수 있다.
도 4는 도 3의 이차 전지에 구비된 캡 조립체의 구성 요소들의 결합 관계를 나타낸 분해 사시도이다.
캡 조립체(30)는 전극 단자의 역할을 하는 캡업(31)과, 캡업(31)의 하부에 배치되는 안전 벤트(32)와, 캡업(31)과 안전 벤트(32)의 사이에 배치되는 PTC 저항층(33)을 구비한다.
캡업(31)은 스테인레스 스틸과 같은 전기 전도성 금속 소재를 사용하여 중앙이 상측으로 돌출된 원판 형상으로 제조된다. 캡업(31)은 가스를 배출하기 위한 통공들(31a)을 구비할 수 있다.
안전 벤트(32)는 전기 전도성 금속 소재를 사용하여 원판 형상으로 제조되어 캡업(31)의 하부에 배치된다. 안전 벤트(32)는 전극 조립체(20)와 캡업(31)을 전기적으로 연결한다. 안전 벤트(32)는 하측으로 돌출되는 돌출부(32a)를 구비한다. 안전 벤트(32)는 캔(10)의 내부 압력이 상승할 때에 상부를 향하여 팽창한 후에 파단된다. 이와 같은 작용으로 인해 캔(10)의 내부의 가스가 외부로 배출되므 로, 이차 전지의 폭발을 방지할 수 있다.
캡업(31)과 안전 벤트(32)의 사이에는 정온도 계수(PTC; positive temperature coefficient) 특성을 갖는 전도성 소재를 포함하는 PTC 저항층(33)이 배치된다.
종래의 이차 전지의 캡 조립체에 구비되는 PCT 소자는 PCT 저항층과, PCT 저항층의 양측 면에 형성되는 금속 전극층들을 구비한다. 이와 같이 3개 이상의 층상 구조를 갖는 PCT 소자가 캡업과 벤트의 사이에 배치됨으로 인해, 이차 전지의 전체적인 저항이 증가한다. 또한 캡 조립체를 조립할 때에는 PCT 소자라는 별도의 구성 요소를 취급하여야 하므로 조립 공정이 복잡하였다.
그러나 본 실시예의 캡 조립체(30)에는 PTC 저항층(33)의 양측 표면에 별도의 금속 전극층들이 배치되지 않고, PTC 저항층(33)의 일측면은 캡업(31)의 하부 면에 부착되고 타측면은 안전 벤트(32)에 부착된다. PTC 저항층(33)과 직접 접하는 캡업(31)과 안전 벤트(32)가 PTC 저항층(33)에 전기를 전달하는 금속 전극층의 기능을 수행하므로, 캡업(31)과 안전 벤트(32)와 PTC 저항층(33)의 조립체는 하나의 PTC 소자로 기능할 수 있다. 따라서 PTC 소자를 설치하던 종래의 이차 전지용 캡 조립체에 비해 일체로 삽입되는 PTC 저항층(33)을 구비하는 본 실시예의 캡 조립체(30)는 저항이 크게 감소한다.
PTC 저항층(33)은 캡업(31)과 안전 벤트(32)의 사이에 과전류가 일정 시간 흐르거나, 캡업(31)과 안전 벤트(32)의 사이의 온도가 임계값 이상으로 상승할 때에 캡업(31)과 안전 벤트(32)의 사이의 전류를 차단하여 이차 전지의 과열 및 폭발 을 방지한다.
PTC 저항층(33)은 전도성 폴리머 조성물을 포함할 수 있다. 전도성 폴리머 조성물은 폴리머 소재와, 그 가운데에 분산된 입자상의 전도성 필라멘트를 포함한다. 폴리머 소재로는 결정성 유기 폴리머 소재가 포함될 수 있는데, 구체적으로 폴리에틸렌이나 에틸렌 공중합체와 같은 폴리오레핀과, 폴리 불화비닐리덴과 같은 불화 폴리머가 사용될 수 있다. 입자상의 전도성 필라멘트에는 카본 블랙이나 그래파이트(graphite)나 금속이나 금속 산화물 전도성 소재로 코팅된 유리 소재 등이 사용될 수 있다.
PTC 저항층(33)을 캡업(31)과 안전 벤트(32)에 부착시키는 방법으로는 여러 가지 공정이 사용될 수 있다. 예를 들어, PTC 저항층(33)의 원소재인 전도성 폴리머 조성물을 용융할 때에 캡업(31)과 안전 벤트(32)를 부착하여 압착하는 방법으로 PTC 저항층(33)과 캡업(31)과 안전 벤트(32)가 일체로 형성될 수 있다.
또는 먼저 전도성 폴리머 조성물을 압출 성형하고 절단하여 환형의 원판 형상으로 PTC 저항층(33)을 제조하고, PTC 저항층(33)의 일측면에 캡업(31)을 부착하고 타측면에는 안전 벤트(32)를 부착할 수 있다. 캡업(31)이나 안전 벤트(32)에 PTC 저항층(33)을 부착할 때에는 예를 들어 전도성 접착제를 이용할 수 있다.
이와 같이 캡업(31)과 안전 벤트(32)와 PTC 저항층(33)이 서로 부착되면 도 4에 도시된 것과 같이 일체로 결합된 하나의 부품으로 취급될 수 있으므로, 캡 조립체(30)의 조립 공정이 간편해질 수 있다.
캡 조립체(30)는 안전 벤트(32)의 하부에 배치되는 절연재(34)와, 절연 재(34)의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 캡다운(35)을 더 구비할 수 있다. 캡다운(35)의 중심에는 통공이 형성되므로 안전 벤트(32)의 돌출부(32a)가 하측으로 노출될 수 있다. 캡다운(35)과 안전 벤트(32)는 절연재(34)에 의해 서로 전기적으로 절연된다.
캡 조립체(30)는 또한 캡다운(35)의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 서브 플레이트(36)를 더 구비할 수 있다. 서브 플레이트(36)는 안전 벤트(32)의 돌출부(32a)에 연결된다.
전극 조립체(20)의 상측으로 인출된 양극탭(24)은 캡다운(35)의 하부면에 연결되거나 서브 플레이트(36)에 연결될 수 있다.
캡 조립체(30)는 캡업(31)과 안전 벤트(32)와 PTC 저항층(33)과 캡다운(35)의 원주면을 둘러싸는 가스켓(39)을 더 구비할 수 있다. 가스켓(39)은 환형으로 제조되며, 내측면은 캡업(31) 등의 원주면에 대응하도록 절곡된다. 가스켓(39)은 PET(polyethylene terephthalate)나 PE(polyethylene)과 같은 수질 재질로 이루어져 캡 조립체(30)와 캔(10)을 절연시키고 캔(10)을 밀봉하는 기능을 수행한다.
캡 조립체(30)는 각 부품들을 결합하여 일체로 형성된 하나의 조립체 형태로 제작한 후 이를 가스켓(39)으로 감싸거나, 각각의 부품들을 가스켓(39)에 차례로 적층하여 조립하는 방식으로 제조될 수 있다.
캡 조립체(30)를 캔(10)의 개구부(11)에 결합된 후에 캔(10)의 개구부(11)의 벽체를 내측 및 하측으로 압력을 가해 캔(10)을 봉합하는 클램핑 작업이 실행된 다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 단면도이고, 도 6은 도 5의 이차 전지에 구비된 캡 조립체의 구성 요소들의 결합 관계를 나타낸 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6에 나타난 실시예에 관한 캡 조립체를 구비하는 이차 전지는, 캔(10)과, 캔(10)에 수용되는 전극 조립체(20)와, 캔(10)을 밀봉하는 캡 조립체(30)를 구비한다.
도 5 및 도 6에 나타난 실시예에 관한 캡 조립체 및 이를 구비한 이차 전지는 도 1 내지 도 4에 나타난 실시예의 구성과 전체적으로 유사하지만, 캡 조립체(30)의 구성이 변형되었다. 도 5 및 도 6에서는 상술한 실시예와 같은 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호들을 지정하였다.
캡 조립체(30)는 전극 단자의 역할을 하는 캡업(31)과, 캡업(31)의 하부에 배치되는 안전 벤트(32)와, 캡업(31)과 안전 벤트(32)의 사이에 배치되는 PTC 저항층(33)과, PTC 저항층(33)과 안전 벤트(32)의 사이에 배치되는 전기 전도성 소재의 금속층(38)을 구비한다.
PTC 저항층(33)의 일측면은 캡업(31)의 하부 면에 부착되고, 타측면은 금속층(38)의 상부 면에 부착된다. PTC 저항층(33)과 금속층(38)을 구비하는 캡업(31)은 하나의 부품으로 취급될 수 있다. 이로 인해 캡 조립체를 조립하기 위해 PTC 소자를 캡업과 안전 벤트의 사이에 결합시키기 위해 필요한 조립 공정을 단순화할 수 있다. 또한 PTC 저항층(33)이 금속층(38)과 캡업(31)에 부착된 상태를 유 지하므로 캡 조립체(30)의 전체적인 저항이 감소한다.
PTC 저항층(33)을 캡업(31)과 금속층(38)에 부착시키는 방법으로는 여러 가지 공정이 사용될 수 있다. 예를 들어, PTC 저항층(33)의 원소재인 전도성 폴리머 조성물을 용융할 때에 캡업(31)과 금속층(38)을 부착하여 압착하는 방법으로 PTC 저항층(33)과 캡업(31)과 금속층(38)이 일체로 형성될 수 있다.
또는 다른 방법으로서, 전도성 폴리머 조성물을 압출 성형하고 절단하여 환형의 원판 형상으로 PTC 저항층(33)을 제조하고, 전도성 금속박을 절단하여 PTC 저항층(33)에 대응하는 환형의 원판 형상의 금속층(38)을 제조한다. 그리고 PTC 저항층(33)의 일측면에 캡업(31)을 부착하고 타측면에는 금속층(38)를 부착한다. 캡업(31)이나 금속층(38)에 PTC 저항층(33)을 부착할 때에는 예를 들어 전도성 접착제를 이용할 수 있다.
PTC 저항층(33)과 금속층(38)이 일체로 형성된 캡업(31)의 하부에 안전 벤트(32)와 절연재(34)와 캡다운(35)과 서브 플레이트(36)를 배치하고, 이들 부품들의 원주면을 가스켓(39)으로 둘러싸면 캡 조립체(30)가 완성된다. 캡 조립체(30)를 조립할 때에는 먼저 각 부품들을 결합하여 일체로 형성된 하나의 조립체 형태로 제작한 후 이를 가스켓(39)으로 감싸거나, 각각의 부품들을 가스켓(39)에 차례로 적층하여 조립하는 방식으로 제조될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 단면도이다.
도 7에 나타난 실시예에 관한 캡 조립체를 구비하는 이차 전지는, 캔(110) 과, 캔(110)에 수용되는 전극 조립체(120)와, 캔(110)을 밀봉하는 캡 조립체(130)를 구비한다. 도 7에 나타난 실시예에서는 캡 조립체(130)의 구성이 상술한 실시예들로부터 변형되었으며, 캔(110)과 전극 조립체(120)의 구성에 관한 구체적인 기술 설명은 도 1 내지 도 4에 나타난 실시예에서와 동일하므로 본 실시예에서는 생략한다.
전극 조립체(120)는 양극판(121)과 음극판(122)의 사이에 세퍼레이터(123)를 개재하여 적층한 후, 젤리롤 형태로 권취하여 형성된다. 전극 조립체(120)의 양극판(121)에는 양극탭(124)이 부착되고, 음극판(122)에는 음극탭(125)이 부착된다. 권취된 전극 조립체(120)의 중심부에는 센터핀(140)이 삽입되어 전극 조립체(120)의 변형을 방지하는 기능을 한다.
전극 조립체(120)의 하부 면은 하부 절연판(150)에 의해 캔(110)에 대하여 절연된다. 전극 조립체(120)의 상부 면에는 상부 절연판(160)이 배치된다. 캔(10)은 상부 절연판(160)의 높이에 맞추어 캔(110)의 측벽을 내측으로 구부려 형성되는 비드(117)를 구비한다.
캡 조립체(130)는 전극 단자의 역할을 하는 캡업(131)과, 캡업(131)의 하부에 배치되는 PTC 저항층(133)과, PTC 저항층(133)의 하부에 배치되는 전류 차단 회로기판(137)과, 전류 차단 회로기판(137)의 하부에 배치되는 안전 벤트(132)를 구비한다.
전류 차단 회로기판(137)은 상부 면에 형성되는 상부 회로 패턴(137a)과 하부 면에 형성되는 하부 회로 패턴(137b)을 구비한다. 상부 회로 패턴(137a)과 하 부 회로 패턴(137b)은 중앙에 형성된 비아홀(137c)을 통해 전기적으로 연결된다.
안전 벤트(132)는 하측을 향하여 만곡되는 만곡면(132a)을 구비한다. 안전 벤트(132)의 가장자리는 전류 차단 회로기판(137)의 하부 면의 하부 회로 패턴(137b)에 밀착하여 결합된다.
안전 벤트(132)에는 양극탭(124)이 전기적으로 연결된다. 안전 벤트(132)는 캔(110)의 내부 압력이 임계값 이상으로 상승하면 만곡면(132a)이 상승하여 전류 차단 회로기판(137)을 파괴하여 전기적 연결을 차단시킨다. 즉 안전 벤트(132)와 전류 차단 회로기판(137)은 전기적으로 단전되어 전류의 흐름이 차단된다. 안전 벤트(132)의 중앙은 파단됨으로써 캔(110)의 내부에서 발생한 가스를 배출한다.
본 실시예의 캡 조립체(130)에는 PTC 저항층(133)의 양측 표면에 별도의 금속 전극층들이 배치되지 않고, PTC 저항층(133)의 일측면은 캡업(131)의 하부 면에 부착되고 타측면은 전류 차단 회로기판(137)의 상부 면의 상부 회로 패턴(137a)에 부착된다.
PTC 저항층(133)과 직접 접하는 캡업(131)과 상부 회로 패턴(137a)이 PTC 저항층(133)에 전기를 전달하는 금속 전극층의 기능을 수행하므로, 캡업(131)과 안전 벤트(132)와 전류 차단 회로기판(137)의 조립체는 하나의 PTC 소자로 기능할 수 있다. 따라서 PTC 소자를 설치하던 종래의 이차 전지용 캡 조립체에 비해 일체로 삽입되는 PTC 저항층(133)을 구비하는 본 실시예의 캡 조립체(130)는 저항이 크게 감소한다.
PTC 저항층(133)을 캡업(131)과 전류 차단 회로기판(137)에 부착시킬 때에 는, 예를 들어, PTC 저항층(133)의 원소재인 전도성 폴리머 조성물을 용융할 때에 캡업(131)과 전류 차단 회로기판(137)을 부착하여 압착할 수 있다.
또는 먼저 전도성 폴리머 조성물을 압출 성형하고 절단하여 환형의 원판 형상으로 PTC 저항층(133)을 제조하고, PTC 저항층(133)의 일측면에 캡업(131)을 부착하고 타측면에는 전류 차단 회로기판(137)을 부착할 수 있다. 캡업(131)이나 전류 차단 회로기판(137)에 PTC 저항층(133)을 부착할 때에는 예를 들어 전도성 접착제를 이용할 수 있다.
이와 같이 캡업(131)과 안전 벤트(132)와 전류 차단 회로기판(137)이 서로 부착되면 일체로 결합된 하나의 부품으로 취급될 수 있으므로, 캡 조립체(130)의 조립 공정이 간편해질 수 있다. 캡 조립체(130)는 캡업(131)과 PTC 저항층(133)과 전류 차단 회로기판(137)과 안전 벤트(132)의 원주면을 둘러싸는 가스켓(139)을 더 구비할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 단면도이다.
도 8에 나타난 실시예에 관한 캡 조립체 및 이를 구비하는 이차 전지는 도 7에 나타난 실시예에 나타난 구성과 전체적으로 유사하며, 캡 조립체(130)의 구성이 변형되었다.
캡 조립체(130)는 전극 단자의 역할을 하는 캡업(131)과, 캡업(131)의 하부에 배치되는 PTC 저항층(133)과, PTC 저항층(133)의 하부에 배치되는 전류 차단 회로기판(137)과, PTC 저항층(133)과 전류 차단 회로기판(137)의 사이에 배치되는 금속층(138)과, 전류 차단 회로기판(137)의 하부에 배치되는 안전 벤트(132)를 구비한다.
PTC 저항층(133)의 일측면은 캡업(131)의 하부 면에 부착되고, 타측면은 금속층(138)의 상부 면에 부착된다. PTC 저항층(133)과 금속층(138)을 구비하는 캡업(131)은 하나의 부품으로 취급될 수 있다. 이로 인해 캡 조립체를 조립하기 위해 PTC 소자를 캡업과 안전 벤트의 사이에 결합시키기 위해 필요한 조립 공정을 단순화할 수 있다. 또한 PTC 저항층(133)이 금속층(138)과 캡업(131)에 부착된 상태를 유지하므로 캡 조립체(130)의 전체적인 저항이 감소한다.
PTC 저항층(133)을 캡업(131)과 금속층(138)에 부착시킬 때에는 PTC 저항층(133)의 원소재인 전도성 폴리머 조성물을 용융하여, 캡업(131)과 금속층(138)을 부착하여 압착하거나, 환형의 원판 형상으로 미리 제조한 PTC 저항층(33)을 전도성 접착제를 이용하여 캡업(131)과 금속층(138)에 부착할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 구성 요소들의 결합 관계를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 구성 요소들이 결합되어 완성된 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 사시도이다.
도 3은 도 1의 이차 전지의 단면도이다.
도 4는 도 3의 이차 전지에 구비된 캡 조립체의 구성 요소들의 결합 관계를 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 단면도이다.
도 6은 도 5의 이차 전지에 구비된 캡 조립체의 구성 요소들의 결합 관계를 나타낸 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 캡 조립체를 구비한 이차 전지의 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11: 개구부 20, 120: 전극 조립체
27: 통로 21, 121: 양극판
31a: 통공들 22, 122: 음극판
32a: 돌출부 23, 123: 세퍼레이터
34: 절연재 24, 124: 양극탭
35: 캡다운 25, 125: 음극탭
36: 서브 플레이트 30, 130: 캡 조립체
61: 통공 31, 131: 캡업
10, 110: 캔 32, 132: 안전 벤트
132a: 만곡면 33, 133: PTC 저항층
17, 117: 비드 38, 138: 금속층
137c: 비아홀 39, 139: 가스켓
137a: 상부 회로 패턴 40, 140: 센터핀
137: 전류 차단 회로기판 50, 150: 하부 절연판
137b: 하부 회로 패턴 60, 160: 상부 절연판

Claims (15)

  1. 전기 전도성 금속 소재의 캡업;
    상기 캡업의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 안전 벤트; 및
    정온도 계수(PTC; positive temperature coefficient) 특성을 갖는 전도성 폴리머 조성물을 포함하며, 상기 캡업과 상기 안전 벤트의 사이에 배치되는, PTC 저항층;을 구비하는, 이차전지용 캡 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PTC 저항층의 일 측면은 상기 캡업의 하부 면에 부착되고, 타측 면은 상기 안전 벤트의 상부 면에 부착되는, 이차전지용 캡 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PTC 저항층과 상기 안전 벤트의 사이에 배치되는 전기 전도성 소재의 금속층을 더 구비하고,
    상기 PTC 저항층의 일 측면은 상기 캡업의 하부 면에 부착되고, 타측 면은 상기 금속층의 상부 면에 부착되는, 이차전지용 캡 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 PTC 저항층과 상기 안전 벤트의 사이에 개재되는 전류 차단 회로기판 을 더 구비하고,
    상기 PTC 저항층의 일 측면은 상기 캡업의 하부 면에 부착되고, 타측 면은 상기 전류 차단 회로기판의 상부 면의 단자에 부착되는, 이차전지용 캡 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 PTC 저항층의 하부에 차례로 배치되는 전기 전도성 소재의 금속층과 전류 차단 회로기판을 더 구비하고,
    상기 PTC 저항층의 일 측면은 상기 캡업의 하부 면에 부착되고, 타측 면은 상기 금속층의 상부 면에 부착되며, 상기 금속층의 하부 면은 상기 전류 차단 회로기판의 상부 면의 단자에 부착되는, 이차전지용 캡 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 안전 벤트의 하부에 배치되는 절연재와,
    상기 절연재의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 캡다운을 더 구비하는, 이차전지용 캡 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캡다운의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 서브 플레이트를 더 구비하는, 이차전지용 캡 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캡업과 상기 안전 벤트와 상기 PTC 저항층의 원주면을 둘러싸며, 상기 캔과 상기 이차전지용 캡 조립체의 사이를 절연시키는 가스켓을 더 구비하는, 이차전지용 캡 조립체.
  9. 일측에 개구부가 형성된 캔;
    상기 캔에 수용되는 전극 조립체; 및
    전기 전도성 금속 소재의 캡업과, 상기 캡업의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 안전 벤트와, 정온도 계수(PTC; positive temperature coefficient) 특성을 갖는 전도성 폴리머 조성물을 포함하며 상기 캡업과 상기 안전 벤트의 사이에 배치되는 PTC 저항층을 구비하며, 상기 개구부에 결합하여 상기 캔을 밀봉하는 캡 조립체;를 구비하는, 이차 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 PTC 저항층의 일 측면은 상기 캡업의 하부 면에 부착되고, 타측 면은 상기 안전 벤트의 상부 면에 부착되는, 이차 전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 PTC 저항층과 상기 안전 벤트의 사이에 배치되는 전기 전도성 소재의 금속층을 더 구비하고,
    상기 PTC 저항층의 일 측면은 상기 캡업의 하부 면에 부착되고, 타측 면은 상기 금속층의 상부 면에 부착되는, 이차 전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 PTC 저항층과 상기 안전 벤트의 사이에 개재되는 전류 차단 회로기판을 더 구비하고,
    상기 PTC 저항층의 일 측면은 상기 캡업의 하부 면에 부착되고, 타측 면은 상기 전류 차단 회로기판의 상부 면의 단자에 부착되는, 이차 전지.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 PTC 저항층의 하부에 차례로 배치되는 전기 전도성 소재의 금속층과 전류 차단 회로기판을 더 구비하고,
    상기 PTC 저항층의 일 측면은 상기 캡업의 하부 면에 부착되고, 타측 면은 상기 금속층의 상부 면에 부착되며, 상기 금속층의 하부 면은 상기 전류 차단 회로기판의 상부 면의 단자에 부착되는, 이차 전지.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 상기 캔의 상기 개구부의 상측을 향해 인출되는 제1 전극 탭이 연결되는 제1 전극판;
    상기 캔의 하측을 향해 인출되는 제2 전극 탭이 연결되는 제2 전극판; 및
    상기 제1 전극판 및 상기 제2 전극판의 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는, 이차 전지.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 안전 벤트의 하부에 배치되는 절연재와,
    상기 절연재의 하부에 배치되는 전기 전도성 금속 소재의 캡다운과,
    상기 캡다운의 하부에 배치되며 상기 제1 전극 탭과 연결되는 전기 전도성 금속 소재의 서브 플레이트를 더 구비하는, 이차 전지.
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