JP2019515448A - 円筒型二次電池モジュール - Google Patents
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Abstract
円筒型二次電池モジュールが開示される。本発明の一実施例による円筒型二次電池モジュールは、電極組立体と電解液が収容される電池ケース、及び電池ケースの正極端子に形成されたセルキャップを備える円筒型二次電池セル；複数の円筒型二次電池セルを相互連結し、中空が形成されたバスバー；並びにバスバーの中空でバスバーに結合されて円筒型二次電池に連結され、円筒型二次電池セルに異常現象が発生したとき、バスバーから分離されて複数の円筒型二次電池セル同士の電気的連結が切れるように構成される断切部；を含む。
Description
本発明は、円筒型二次電池モジュールに関し、より詳しくは、相互連結された複数の円筒型二次電池セルのうちいずれか１つに異常現象が発生したとき、該当二次電池セルの電気的連結を切ることができる円筒型二次電池モジュールに関する。
本出願は、２０１６年１２月５日出願の韓国特許出願第１０−２０１６−０１６４６０７号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加とともに、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に伸びている。従来は二次電池としてニッケルカドミウム電池または水素イオン電池が使用されたが、最近はニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果が殆ど起きず充電及び放電が自由であって、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いリチウム二次電池が多く使用されている。
このようなリチウム二次電池は、主に、リチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレータを介在して配置された二次電池セル、及び二次電池セルを電解液とともに密封収納する外装材、すなわち電池ケースを備える。
リチウム二次電池は、正極、負極、及びこれらの間に介在されるセパレータ、そして電解質からなり、正極活物質及び負極活物質として如何なるものを使用するかによってリチウムイオン電池（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ、ＬＩＢ）、リチウムポリマー電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ、ＰＬＩＢ）などに分けられる。通常、これらリチウム二次電池の電極は、アルミニウムまたは銅シート、メッシュ、フィルム、ホイルなどの集電体に正極活物質または負極活物質を塗布した後、乾燥させることで形成される。
一般に、二次電池はバッテリーを収容する外装材の形状によって円筒型、角形またはパウチ型に分けられる。
円筒型二次電池は、複数の二次電池セルを直列または並列で連結して、二次電池モジュールの形態で用いることができる。ところが、相互連結された複数の二次電池セルのうちいずれか１つに過圧または過熱などの異常現象が発生したとき、正常に作動している他の二次電池セルまでも不安定になる問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、相互連結された複数の円筒型二次電池セルのうちいずれか１つに過圧または過熱などの異常現象が発生したとき、該当二次電池セルの電気的連結を切ることができる円筒型二次電池モジュールを提供することを目的とする。
また、異常現象が発生した二次電池セルの電気的連結を切ることで、他の二次電池セルが継続して安定的に作動することができる円筒型二次電池モジュールを提供することを目的とする。
また、異常現象が発生したときに電気的連結を切るように設けられる第２部材を外部の振動または衝撃から保持することができる円筒型二次電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、電極組立体と電解液が収容される電池ケース、及び前記電池ケースの正極端子に結合されたセルキャップを備える円筒型二次電池セル；複数の円筒型二次電池セルを相互連結し、中空が形成されたバスバー；並びに前記バスバーの前記中空に配置されて、前記円筒型二次電池セルに結合され且つ前記バスバーに電気的に連結され、前記円筒型二次電池セルに異常現象が発生したとき、前記バスバーから分離されて前記複数の円筒型二次電池セル同士の電気的連結が切れるように構成される断切部を含む円筒型二次電池モジュールが提供される。
また、前記断切部は、前記円筒型二次電池セルの前記セルキャップに結合され得る。
そして、前記バスバーと前記円筒型二次電池セルとの間に絶縁部材が介在され得る。
また、前記断切部は、前記バスバーの中空に配置されて前記セルキャップに結合される第１部材；及び前記第１部材と前記バスバーとにそれぞれ電気的に連結される第２部材を含み得る。
そして、前記バスバーと前記円筒型二次電池セルとの間に絶縁部材が介在され得る。
また、前記断切部は、前記バスバーの中空に配置されて前記セルキャップに結合される第１部材；及び前記第１部材と前記バスバーとにそれぞれ電気的に連結される第２部材を含み得る。
そして、前記第２部材は、前記第１部材に連結される第１連結地点；前記バスバーに連結される第２連結地点；及び前記第１連結地点から丸み付けられて前記第２連結地点に連結されるラウンド部を含み得る。
また、前記第２部材は、所定範囲の圧力によって前記バスバーとの連結が切れるように予め設定された範囲の幅を有し得る。
そして、前記第２部材は、所定範囲の温度で前記バスバーとの連結が切れるように予め設定された範囲の幅を有し得る。
また、前記第２部材は、過熱時に切れるように銅またはアルミニウム材質からなり得る。
本発明の実施例によれば、相互連結された複数の二次電池セルのうちいずれか１つに過圧または過熱などの異常現象が発生したとき、二次電池セルに備えられた断切部によって該当二次電池セルの電気的連結を切ることができる。
また、異常現象が発生した二次電池セルの電気的連結を切ることで、他の二次電池セルが継続して安定的に作動することができる。
また、異常現象が発生したときに電気的連結を切るように設けられる第２部材を丸み付けて形成することで、外部の振動または衝撃から保持することができる。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例による円筒型二次電池モジュールについて詳しく説明する。
本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
図面における構成要素またはその構成要素を成している特定部分の大きさは、説明の便宜及び明確性のため、誇張または省略されたり若しくは概略的に示されることがあり得る。したがって、各構成要素の大きさは実際の大きさを専ら反映するものではない。また、関連公知機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合、その説明は省略する。
さらに、本明細書で使われる「結合」または「連結」との用語は、ある部材と他の部材とが直接結合される場合だけでなく、ある部材が他の部材を通じてさらに他の部材に間接的に結合される場合も含む。
図１は本発明の第１実施例による円筒型二次電池モジュールにおける円筒型二次電池セルの部分断面図であり、図２は本発明の第１実施例による円筒型二次電池モジュールの概略的な全体斜視図であり、図３は本発明の第１実施例による円筒型二次電池モジュールの平面図であり、図４は本発明の第１実施例による円筒型二次電池モジュールにおいてセルキャップ及び断切部が円筒型二次電池セルから分離された様子を示した斜視図である。
図１〜図４を参照すれば、本発明の第１実施例による円筒型二次電池モジュール１０は、円筒型二次電池セル１００、バスバー２００及び断切部３００を含む。
図１を参照すれば、円筒型二次電池セル１００は、電極組立体１１０、例えばゼリーロール形態の電極組立体１１０、電極組立体１１０とともに電解液が収容される円筒型の電池ケース１２０、及び電池ケース１２０の例えば上部の正極端子１２１に結合されたセルキャップ１３０を備える。
電極組立体１１０は、正極１１１と負極１１３との間にセパレータ１１２が介在された状態で積層されてゼリーロール形態に巻かれた構造であり得、正極１１１には正極リード（図示せず）が取り付けられて電池ケース１２０の例えば上部の正極端子１２１に接続され、負極１１３には負極リード（図示せず）が取り付けられて電池ケース１２０の例えば下部の負極端子に接続される。そして、電極組立体１１０の中心部には円筒型のセンターピン（図示せず）が挿入され得る。このようなセンターピン（図示せず）は、電極組立体１１０を固定及び支持し、充放電及び作動の際、内部反応によって発生するガスを放出する通路として機能することができる。
電池ケース１２０の内部、例えば、セルキャップ１３０の下部には、電池ケース１２０内部の圧力上昇によって破裂してガスを排出するための安全ベント（図示せず）、セルキャップ１３０と安全ベント（図示せず）との間に介在されたＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）形態の安全素子（図示せず）、及び上側が安全ベント（図示せず）に接触され下側が電極組立体１１０の正極リード（図示せず）に連結された電流遮断部材（図示せず）が備えられる。
このような円筒型二次電池セル１００は、正常な作動条件で、電極組立体１１０の正極１１１が正極リード（図示せず）、電流遮断部材（図示せず）、安全ベント（図示せず）及び安全素子（図示せず）を経由してセルキャップ１３０に連結されて通電される。しかし、円筒型二次電池セル１００の過充電、または、円筒型二次電池セル１００の充電及び放電過程で二次電池セルの内部にガスが発生する場合、内圧が増加し、この場合、安全ベント（図示せず）が破断または破裂しながら、電池ケース１２０内部のガスがセルキャップ１３０側に移動し得る。そして、ガスの圧力によって正極端子１２１に結合されたセルキャップ１３０が分離され得る。ここで、セルキャップ１３０は、電池ケース１２０の内部で発生したガスの圧力によって分離されるように設けられる。
一方、複数の円筒型二次電池セル１００は、多様な方式によって直列または並列で連結されて使用される。例えば、円筒型二次電池セル１００の正極端子１２１と負極端子のそれぞれにバスバー２００が連結されて、直列または並列で連結され得る。以下、説明の便宜上、複数の円筒型二次電池セル１００の正極端子１２１と負極端子のそれぞれがバスバー２００を通じて並列連結された場合に限定して説明するが、本実施例の権利範囲がこれに限定されることはない。
図２〜図４を参照すれば、バスバー２００は、複数の円筒型二次電池セル１００を相互連結し、中空２１０が形成されている。バスバー２００の中空２１０には断切部３００が配置されて、バスバー２００に連結される。詳しくは後述する。
バスバー２００は、図２に示されたように、プレート状に複数設けられても良く、１つのプレートによって複数の円筒型二次電池セル１００が連結されても良い。バスバー２００は、複数の円筒型二次電池セル１００を電気的に連結できるように導電性材質で製作される。バスバー２００の材質としては、アルミニウム、銅、またはニッケルでコーティングされた銅が挙げられる。
図２及び図４を参照すれば、バスバー２００と円筒型二次電池セル１００との間には絶縁部材４００が介在される。例えば、円筒型二次電池セル１００に過圧または過熱などの異常現象が発生した場合、正極端子１２１に結合されたセルキャップ１３０が分離され得るが、この場合、セルキャップ１３０に結合された断切部３００がバスバー２００から分離されて連結が切れる（図４を参照）。このとき、バスバー２００と円筒型二次電池セル１００との間に絶縁部材４００が介在されていなければ、過圧または過熱などの異常現象が発生した円筒型二次電池セル１００と正常に作動している他の円筒型二次電池セル１００とが継続して電気的に連結され得る。したがって、断切部３００がバスバー２００から分離された場合、異常現象が発生した円筒型二次電池セル１００と正常に作動している他の円筒型二次電池セル１００との電気的連結を遮断するため、バスバー２００と円筒型二次電池セル１００との間に絶縁部材４００を介在させることができる。ここで、絶縁部材４００は多様な電気的絶縁材質で製作できるが、これに限定されることはなく、構造的な形状の変更を通じて断切部３００のみがセルキャップ１３０に結合されて電気的に連結され、バスバー２００の他の部分は円筒型二次電池セル１００から離れて電気的に連結されないようにしても良い。
図１〜図４を参照すれば、断切部３００は、バスバー２００の中空２１０に配置される。そして、断切部３００は、バスバー２００と円筒型二次電池セル１００とを電気的に相互連結する。すなわち、断切部３００は、バスバー２００の中空２１０に配置されて、円筒型二次電池セル１００に結合され、且つ、バスバー２００に電気的に連結される。したがって、円筒型二次電池セル１００に、例えば過圧または過熱などの異常現象が発生したとき、断切部３００がバスバー２００から分離されれば、異常現象が発生した円筒型二次電池セル１００と正常に作動している他の円筒型二次電池セル１００との間の電気的連結が切れる。このとき、上述したように、バスバー２００と円筒型二次電池セル１００との間に絶縁部材４００が介在されるため、異常現象が発生した円筒型二次電池セル１００と他の正常の円筒型二次電池セル１００との電気的連結が完全に切れて、正常に作動している他の二次電池セルは継続して安定的に作動することができる。
断切部３００は、円筒型二次電池セル１００のセルキャップ１３０に結合される。上述したように、円筒型二次電池セル１００の内部にガスが発生して内圧が増加する場合、電池ケース１２０内部のガスがセルキャップ１３０側に移動し、ガスの圧力によってセルキャップ１３０が分離され、このとき、セルキャップ１３０に結合された断切部３００もガスの圧力によって一緒にバスバー２００から分離される（図４を参照）。そのため、断切部３００とバスバー２００とが連結される部分、例えば後述する断切部３００の第２部材３２０は所定圧力によって破断可能な幅を有する。すなわち、断切部３００とバスバー２００との連結部分が厚過ぎれば、電池ケース１２０内部のガス圧によって断切部３００が分離されないこともあり得るため、第２部材３２０は円筒型二次電池セル１００の内部に発生したガス圧によって断切部３００が分離可能な程度の幅を有する。ただし、円筒型二次電池セル１００全体の大きさ、電池ケース１２０に収容された電解液の程度など多様な条件によって円筒型二次電池セル１００の内部で発生するガスの圧力も変わり得るため、ガスの圧力範囲は実験的に予め設定でき、各圧力範囲に対応するように第２部材３２０の幅の範囲も実験によって予め設定可能である。
一方、断切部３００、例えば後述する断切部３００の第２部材３２０は、円筒型二次電池セル１００が予め設定された温度範囲を超えて過熱される場合、バスバー２００との連結が切れるように予め設定された範囲の幅を有する。すなわち、第２部材３２０の幅が狭ければ、単位面積が減少し、単位面積当りの抵抗が高くなって、過熱される場合、高い抵抗によって相対的により高い熱が発生しながら第２部材３２０の狭幅部分が高温によって切断されることになる。そのため、第２部材３２０は過熱時に切断されるように銅またはアルミニウム材質で製作することができる。そして、第２部材３２０の幅は、圧力範囲と同様に、実験的に設定できる。すなわち、過熱と設定された温度範囲に対応するように、第２部材３２０の幅の範囲も実験によって予め設定可能である。
断切部３００は、第１部材３１０、及び第２部材３２０を含むことができる。第１部材３１０は、バスバー２００の中空２１０に配置されてセルキャップ１３０に結合される。第１部材３１０は、セルキャップ１３０の形状に対応する形状で形成でき、例えばセルキャップ１３０の断面が円形であれば、第１部材３１０の断面も円形で形成することができる。ただし、セルキャップ１３０の形状と第１部材３１０の形状とを必ずしも同じくする必要はなく、第１部材３１０は多様な形状を有し得る。そして、第１部材３１０は、セルキャップ１３０に多様な方式、例えば溶接によって結合可能であり、この場合、第１部材３１０はセルキャップ１３０に通電可能に結合される。第１部材３１０は、図３及び図４に示されたように、バスバー２００のほぼ中心部に配置できるが、これに限定されることはない。第２部材３２０は、多様な方式または形状を通じて第１部材３１０とバスバー２００とにそれぞれ電気的に連結される。例えば、第２部材３２０は、第１連結地点３２１、第２連結地点３２２及びラウンド部３２３を含んで構成することができる。第１連結地点３２１は、第１部材３１０に連結される。すなわち、第１連結地点３２１は第１部材３１０の任意の壁面に結合できる。第２連結地点３２２は、バスバー２００に連結される。すなわち、第２連結地点３２２はバスバー２００の任意の壁面に結合できる。そして、ラウンド部３２３は、第１連結地点３２１から丸み付けられて第２連結地点３２２に連結できる。例えば、ラウンド部３２３は、第１連結地点３２１から第２連結地点３２２まで、コイルバネのように第１部材３１０の外縁に沿って丸く回る形状で構成できる。このように第２部材３２０は、コイルバネのように丸く巻回される構造を有し得、それによって外部の振動または衝撃から保持可能な効果を奏する。すなわち、第２部材３２０は、円筒型二次電池セル１００に過圧または過熱のような異常現象が発生したとき、バスバー２００から切れるように構成されるが、円筒型二次電池セル１００が正常に作動するときはバスバー２００に結合されて電気的連結を維持する必要がある。しかし、外部の振動または衝撃が第２部材３２０に伝達されれば、幅の狭い第２部材３２０が切断される。そのため、第２部材３２０をコイルバネのように弾性的性質を有するように丸く回る形状に形成することで、外部の振動または衝撃によっても切れずに連結を保持できるという効果を奏する。
以下、図面を参照して本発明の第１実施例による円筒型二次電池モジュール１０の作用及び効果について説明する。
円筒型二次電池モジュール１０は、複数の円筒型二次電池セル１００がバスバー２００を通じて電気的に連結される。このとき、複数の円筒型二次電池セル１００のうち少なくとも１つに過圧または過熱などの異常現象が発生すれば、正常に作動する他の円筒型二次電池セル１００に悪影響を及ぼし得るため、正常作動中の円筒型二次電池セル１００と異常現象が発生した円筒型二次電池セル１００との電気的連結を切る必要がある。
断切部３００は、第１部材３１０及び第２部材３２０を含むことができる。第１部材３１０は、バスバー２００に形成された中空２１０に配置されて、電池ケース１２０の正極端子１２１に結合されたセルキャップ１３０に結合され、第２部材３２０は、第１部材３１０の外縁に沿って円形に丸く回りながら第１部材３１０とバスバー２００とを電気的に連結する。そして、バスバー２００と円筒型二次電池セル１００との間には絶縁部材４００が介在されている。ここで、第２部材３２０は、過圧または過熱時に切れるように予め設定された範囲の幅を有し、さらに銅またはアルミニウム材質で製作することができる。円筒型二次電池セル１００のうち少なくとも１つに過圧または過熱などの異常現象が発生した場合、第２部材３２０はガス圧力または高温によってバスバー２００との連結部分が切断される。そして、バスバー２００と円筒型二次電池セル１００との間には絶縁部材４００が介在されているため、異常現象が発生した円筒型二次電池セル１００と正常作動中の円筒型二次電池セル１００との電気的連結が切れ、それによって全体的に円筒型二次電池モジュール１０のバッテリー安定性が維持できるという効果を奏する。
図５は本発明の第２実施例による円筒型二次電池モジュールの平面図であり、図６は本発明の第３実施例による円筒型二次電池モジュールの平面図である。
以下、図面を参照して本発明の第２実施例及び第３実施例による円筒型二次電池モジュール１０の作用及び効果について説明するが、本発明の第１実施例による円筒型二次電池モジュール１０で説明した内容と共通する部分は上述した説明で代替する。
本発明の第２実施例及び第３実施例の場合、第２部材３２０の形状が第１実施例と異なる。
図５の第２実施例は、第１部材３１０とバスバー２００とが直線状の１つの第２部材３２０によって連結される点で丸み付けられた第２部材３２０を含む第１実施例と異なり、図６の第３実施例は、第２実施例の直線状の第２部材３２０が２つ備えられて、互いに対向する位置で第１部材３１０とバスバー２００とを連結する点で第１実施例及び第２実施例と異なる。
すなわち、第１実施例では、上述したように、断切部３００が外部の振動または衝撃に対応できるように丸み付けられて形成される第２部材３２０を含むが、円筒型二次電池モジュール１０の設置場所によっては振動または衝撃の程度が強くない場合もある。このような環境で使用される円筒型二次電池モジュール１０の場合、第２実施例または第３実施例のように直線状の第２部材３２０を含む断切部３００を設けても良い。第２実施例及び第３実施例の直線状の第２部材３２０は、丸み付けられた第１実施例の第２部材３２０より加工が容易であり、少量の材料で製作可能であるためコストの面で有利である。したがって、外部の振動または衝撃などの程度に応じて第１実施例、第２実施例及び第３実施例から適切に選択することができる。ただし、断切部３００に含まれる直線状の第２部材３２０の個数は第２実施例または第３実施例に限定されず、図示されていないが、直線状の第２部材３２０の個数と配列は多様であり得る。
以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
本発明は、円筒型二次電池モジュールに関し、特に、二次電池に関連する産業で利用可能である。
１０ 円筒型二次電池モジュール
１００ 円筒型二次電池セル
１１０ 電極組立体
１１１ 正極
１１２ セパレータ
１１３ 負極
１２０ 電池ケース
１２１ 正極端子
１３０ セルキャップ
２００ バスバー
３００ 断切部
３１０ 第１部材
３２０ 第２部材
３２１ 第１連結地点
３２２ 第２連結地点
３２３ ラウンド部
１００ 円筒型二次電池セル
１１０ 電極組立体
１１１ 正極
１１２ セパレータ
１１３ 負極
１２０ 電池ケース
１２１ 正極端子
１３０ セルキャップ
２００ バスバー
３００ 断切部
３１０ 第１部材
３２０ 第２部材
３２１ 第１連結地点
３２２ 第２連結地点
３２３ ラウンド部
Claims (8)
- 電極組立体と電解液が収容される電池ケース、及び前記電池ケースの正極端子に結合されたセルキャップを備える円筒型二次電池セル、
複数の円筒型二次電池セルを相互連結し、中空が形成されたバスバー、及び
前記バスバーの前記中空に配置されて、前記円筒型二次電池セルに結合され且つ前記バスバーに電気的に連結され、前記円筒型二次電池セルに異常現象が発生したとき、前記バスバーから分離されて前記複数の円筒型二次電池セル同士の電気的連結が切れるように構成される断切部、
を含む円筒型二次電池モジュール。 - 前記断切部は、前記円筒型二次電池セルの前記セルキャップに結合されたことを特徴とする請求項１に記載の円筒型二次電池モジュール。
- 前記バスバーと前記円筒型二次電池セルとの間に絶縁部材が介在されたことを特徴とする請求項１に記載の円筒型二次電池モジュール。
- 前記断切部は、
前記バスバーの中空に配置されて前記セルキャップに結合される第１部材、及び
前記第１部材と前記バスバーとにそれぞれ電気的に連結される第２部材
を含むことを特徴とする請求項２に記載の円筒型二次電池モジュール。 - 前記第２部材は、
前記第１部材に連結される第１連結地点、
前記バスバーに連結される第２連結地点、及び
前記第１連結地点から丸み付けられて前記第２連結地点に連結されるラウンド部
を含むことを特徴とする請求項４に記載の円筒型二次電池モジュール。 - 前記第２部材は、所定範囲の圧力によって前記バスバーとの連結が切れるように予め設定された範囲の幅を有することを特徴とする請求項４に記載の円筒型二次電池モジュール。
- 前記第２部材は、所定範囲の温度で前記バスバーとの連結が切れるように予め設定された範囲の幅を有することを特徴とする請求項４に記載の円筒型二次電池モジュール。
- 前記第２部材は、過熱時に切れるように銅またはアルミニウム材質からなることを特徴とする請求項７に記載の円筒型二次電池モジュール。
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