ＰＴＣ 소자의 전극리드를 포함하고 있는 이차전지 document_id A220623029197

본 발명은 PTC 소자의 전극리드를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액이 함침된 상태에서 전지케이스에 내장되어 있고, 상기 전극조립체의 양극 또는 음극은 PTC 소자로 이루어진 전극리드를 통해 입출력 단자에 전기적으로 연결되어 있는 이차전지에 관한 것이다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다. 그러나, 종래의 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다. 전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진되고, 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되며, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 악순환에 의해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상으로 상승하면 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화 또는 폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다. 따라서, 리튬 이차전지는 과전류 상태, 고온 상태 등의 비정상적인 작동 상태에 놓였을 때 이를 효과적으로 제어할 수 있는 다양한 안전소자들을 내장하고 있다. 그 중, PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자는, 전지셀의 전극조립체와 외부 입출력 단자의 사이에서 전기적으로 연결되어 있으면서, 정상적인 작동 상태의 온도에서는 낮은 저항을 유지하여 전류를 흘러 보내고 과전류 또는 고온 등의 비정상적인 상태에서는 온도 상승에 따라 저항이 급격히 높아져 단전 또는 미량의 전류만을 흘려 보냄으로써 과열 발생으로 인한 전지 내압의 상승을 억제하는 역할을 한다. 도 1에는 종래의 대표적인 원통형 리튬 이차전지의 구조가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 이차전지(10)는 원통형 캔(20), 캔(20)의 내부에 수용되는 전극조립체(30), 및 캔(20)의 상부에 결합되는 캡 어셈블리(40)로 구성되어 있다. 전극조립체(30)는 양극(31)과 음극(32) 사이에 분리막(33)을 개재한 상태로 젤리-롤형으로 감은 구조로 되어 있으며, 양극(31)에는 양극 리드(34)가 부착되어 캡 어셈블리(40)에 접속되어 있고, 음극(32)에는 음극 리드(도시하지 않음)가 부착되어 캔(20)의 하단에 접속되어 있다. 캡 어셈블리(40)는 양극 단자를 형성하는 상단 캡(41), 전지 내부의 온도 상승 시 전지저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(42), 전지 내부의 압력 상승시 전류를 차단하거나 가스를 배기하는 안전벤트(43), 특정 부분을 제외하고 안전벤트(43)를 캡 플레이트(45)로부터 전기적으로 분리시키는 절연부재(44), 양극(31)에 연결된 양극 단자(34)가 접속되어 있는 캡 플레이트(45)가 순차적으로 적층되어 있는 구조로 되어 있다. 이와 같이, PTC 소자(42)를 포함하는 안전소자들은 전극단자와 전기적 접속을 유지하면서 동시에 전지셀의 다른 부분과는 전기적 절연상태를 유지하여야 한다. 따라서, 이러한 접속 형태를 구성하기 위해서는 다수 개의 절연성 장착부재들이 요구되며, 전지의 조립공정을 복잡하게 만든다는 단점을 가지고 있다. 또한, 상기와 같은 구조에서는, 전지케이스 내부의 전극조립체와 전지케이스 상단의 캡 어셈블리에 장착된 PTC 소자가 상호 분리되어 탑재되어 있어서, 실제 전지의 온도를 정밀하게 감지하기가 어렵고, 이에 따른 PTC 소자의 전류 차단 반응속도가 떨어지면서 전지가 폭발하게 되는 위험성을 미리 방지하지 못하는 문제점이 있다. 이와 관련하여, 한국 특허출원공개 제2006-0027278호에는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되는 전극조립체를 수납한 파우치형 이차전지에서, 충방전을 제어하는 보호회로 기판과 전지케이스 내부에 수납된 전극조립체를 전기적으로 연결하는 접속 리드부와, 상부 도전막과 하부 도전막 사이에 양성 온도소자 재료층을 구비한 구조가 개시되어 있으며, 일본 특허출원공개 제2004-228044호에는 전지케이스에 부착되는 보호회로 기판의 하단에 온도보호소자를 설치하여, 온도보호소자가 전극리드와 직접 연결되는 구조가 개시되어 있다. 그러나 상기 기술들 역시 보호회로 기판과 전극조립체 사이에 별도의 온도보호소자(PTC 소자)를 설치해야 하기 때문에, 제조과정이 복잡하고, 과충전, 과방전 및 내부단락 등에 의한 전극조립체의 발열시 온도보호소자(PTC 소자)의 신속한 반응을 기대하기 어렵다는 문제점을 여전히 가지고 있다. 따라서, 전지셀 상단에 장착되는 부품수를 감소시켜 제조공정을 단순화할 뿐만 아니라 PTC 소자가 전지 내부의 발열 반응을 신속하게 감지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.