JP4550078B2 - 熱収縮チューブを用いた安全スイッチ及びこれを含む二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、所定温度以上で収縮される特性を有するチューブ（“熱収縮チューブ”）を含む安全スイッチに関するもので、詳しくは、前記熱収縮チューブによって電流の通電を制御するための可変が行われるとともに、前記熱収縮チューブの一側部位が固定され、他側部位が、熱による可変時の長さ変化によって電流の通電または断電を誘発するように電線接続部に連結されており、非正常な作動によって電池内の温度が増加して過熱される場合、前記熱収縮チューブの収縮によって安全スイッチが作動し、外部で充電される電流を断電させることで、それ以上の充電を防止して電池の安全性を大いに向上できる安全スイッチに関するものである。

最近、モバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するにつれて、エネルギー源としての二次電池の需要が急激に増加しており、それにしたがって、多様な要求に符合する電池に対する研究が大いに行われている。

前記リチウム二次電池は、電解液の構成によってリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池及びリチウムポリマー電池などに分類される。リチウムイオン電池は、正極／分離膜／負極をリチウム電解液溶液に含浸させた構造の電池であり、リチウムポリマー電池は、電解質として固体電解質を用いて分離膜の役割をもする構造の電池である。リチウムイオンポリマー電池は、リチウムイオン電池及びリチウムポリマー電池の中間段階の電池であり、正極及び負極を分離膜に結合させた後、その部位にリチウム電解液を含浸させた構造の電池である。

また、前記リチウム二次電池は、電池ケースの形状によって、円筒形電池、角形電池及びパウチ形電池に分類される。円筒形電池及び角形電池は、金属缶に電極組立体を装着した構造の電池であり、パウチ形電池は、例えば、アルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースに電極組立体を装着した構造の電池である。

上記のような電池に対する主要研究課題の一つは、安全性を向上させることである。例えば、リチウム二次電池においては、内部短絡、許容電流及び許容電圧を超えた過充電状態、高温への露出、落下または外部衝撃による変形などの電池の非正常な作動状態によって電池内部に高温及び高圧が誘発されることで、電池の爆発が起きる恐れがある。

したがって、安全性の確保は、リチウム二次電池の開発において必ず考慮すべき事項である。このような安全性の確保を考慮した発明として、例えば、特許文献１には、負極活物質未形成領域を備える負極集電体にせん断応力を与えうる手段として熱収縮性樹脂を用いており、負極活物質未形成領域のうち正極活物質と対向する領域は、過充電状態でアルミニウム―リチウム合金が形成されると脆弱になるので、この部位を切断して電流を遮断することを特徴とする非水電解質を備えた二次電池が開示されている。しかしながら、この技術は、Ａｌ―Ｌｉ合金の形成時までに過熱状態が持続されるので、電池の外部から流入される電流の遮断は、充分な合金形成領域が形成され、集電体が切断された後で可能になるので、信頼性のある作動を担保できないという問題点があった。

また、特許文献２には、円筒形二次電池において、熱収縮性材料からなる絶縁層が軸芯と正極または負極集電リングとの間に介在されており、電池異常時、軸芯と集電リングとの接触によって電極電流が流れることで、電極内に流れる電流を遮断する技術が開示されている。しかしながら、この技術の絶縁層は、電池外部に***材を装着するのに限界がある円筒形電池に用いられたときに意味がある。

一方、特許文献３には、安全ベント及び電流遮断手段を備えたキャップ組立体を含むリチウム二次電池において、所定形状の熱収縮フィルムからなり、一側が外郭リングと絶縁リングとの間に固定され、バイメタルが安全ベントに接触するように所定形状の切開部を備えており、温度上昇時にバイメタルと安全ベルトとを絶縁させる収縮フィルムをさらに含む電流遮断手段が開示されている。しかしながら、この技術は、熱収縮フィルムによってバイメタルと安全ベントとを絶縁させるので、これらのうち何れか一つの機能を発揮できないと動作不可能となり、バイメタル及び安全ベントを必ず含むので、製造工程及び費用の面においても非効率的であるという問題点があった。

したがって、電池に異常が発生した場合、迅速かつ敏感に作動して外部で充電される電流を断電できる手段が切実に要請されている。
日本特許出願公開第２００５―２８５４２９号公報 日本特許出願公開第２００３―２４３０３６号公報 韓国特許出願公開第２００６―００５４６３５号公報

本発明は、上記のような従来の問題点及び技術的課題を解決することを目的とする。

本出願の発明者たちは、深度ある研究及び多様な実験を繰り返した結果、熱収縮チューブを作動素子として用いる安全スイッチを開発するに至った。すなわち、電池の温度が所定温度以上に上昇したとき、熱収縮チューブが収縮しながら信頼性ある動作を行い、外部の充電電流を遮断するか、電池セルに蓄積された内部エネルギーを強制的に消耗させることで、電池の安全性を大いに向上できることを発見し、本発明の安全スイッチを完成するに至った。

したがって、本発明に係る安全スイッチは、所定温度以上で収縮される特性を有するチューブ（“熱収縮チューブ”）を含み、前記熱収縮チューブによって電流の通電を制御するための可変が行われるとともに、前記熱収縮チューブの一側部位が固定され、他側部位が、熱による可変時の長さ変化によって電流の通電または断電を誘発するように電線接続部に連結されることを特徴とする。

すなわち、電池または電池パックが非正常な環境に露出され、電池の外部温度または電池内部の発熱によって温度が特定温度以上に上昇すると、熱収縮チューブの収縮によってスイッチが作動するので、このようなスイッチ作動時の断電または通電によって、外部からの充電電流を遮断するか、電池セルに蓄積された内部エネルギーを消耗させることで、電池の安全性を確保できる。したがって、安全スイッチは、電池に異常が発生したとき、迅速かつ敏感に信頼性のある動作を行える。また、安全スイッチが回路によって構成されないので、回路に異常が発生したときも作動可能になり、電池の作動と関連した回路を変更する必要がない。

前記安全スイッチの熱収縮チューブは、周囲環境の温度変化によって機械的に作動するように所定温度以上で収縮される特性を有するものであれば、多様な構造が可能であり、水平断面が円状、楕円状、四角形状、三角形状のものが例として挙げられるが、これらに限定されるものではない。

一つの好ましい例として、前記熱収縮チューブは、水平断面が楕円状または四角形状の中空構造をなしており、前記断面が楕円状または四角形状の中空構造の一側内面には固定軸としての支持部材が位置し、他側内面には電線接続部に連結される可変部材が位置するように構成される。

したがって、電池または電池パックの過熱時、熱収縮チューブが収縮しながら電線接続部を断電または通電状態に変換させる。その反面、多様な理由で電池セルの温度が正常に低くなる場合、熱収縮チューブが元どおりに膨脹しながら電線接続部を通電または断電状態に還元させる。

前記熱収縮チューブの素材は、所定温度以上で収縮される特性を有するものであれば特別に制限されないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、エチレンプロピレンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム、テフロン（登録商標）などを用いるか、これらの一つまたは二つ以上を組み合わせたものを用いる。これらのうち、ポリ塩化ビニル素材が特に好ましい。

前記熱収縮チューブにおける熱収縮開始温度は、電池の構成によって異なっているが、少なくとも６０乃至１２０℃であることが好ましい。一般に、リチウム二次電池は、正常状態では６０℃以下で作動するので、前記熱収縮チューブは、リチウム二次電池の異常作動が開始される温度である６０℃以上で作動されることが好ましい。その反対に、リチウム二次電池の内部温度が１２０℃以上になると、リチウム二次電池が爆発しうるので、熱収縮チューブが１２０℃でも収縮しない場合、安全性を担保することができない。

本発明は、前記安全スイッチが過熱するときの安全性を担保する部材（“***材”）として、電池セルの外側に装着された二次電池を提供する。

本発明に係る二次電池は、多様な形態で製造されるもので、例えば、電極組立体は、ジェリーロール型、スタック型などに製作される。そして、電池の形態は、円筒形缶、角形缶、または、金属層及び樹脂層を含むラミネートシートの電池ケースなどに内蔵された形態で製造される。これは、当業界で広く公示されたものであり、本明細書では、これに対する詳細な説明を省略する。

例えば、前記安全スイッチは、電池セルの外部入出力端子としての正極端子及び／または負極端子に連結された構造である。したがって、安全スイッチの電線接続部が電極端子に直接連結されることで、電池の異常発生時に迅速かつ敏感に安全スイッチが作動し、電池セルの電流を通電または断電させることができる。

一つの好ましい例として、前記電線接続部は、電池セルの正常な作動条件下では通電状態（ＯＮ）に設定され、過熱条件下では、安全スイッチのうち熱収縮チューブの収縮可変によって断電状態（ＯＦＦ）に変換されて電流を遮断することで、電池セルの充電条件が制御されるように構成できる。このような構成の安全スイッチは、充電スイッチともいう。

すなわち、通電状態（ＯＮ）に予め設定された電線接続部は、電池セルの過熱時、熱収縮チューブが収縮しながら電極端子に対する連結が切れると、断電状態（ＯＦＦ）に変換される。その反面、多様な理由で電池セルの温度が正常に低下する場合、熱収縮チューブの膨脹によって電極端子に対する連結が元どおりになって通電状態（ＯＮ）に戻る。

他の好ましい例として、前記電線接続部は、電池セルの正常な作動条件下では断電状態（ＯＦＦ）に設定され、過熱条件では、安全スイッチのうち熱収縮チューブの収縮可変によって通電状態（ＯＮ）に変換されることで、電池セルの放電条件が制御されるように構成できる。このような構成の安全スイッチは、放電スイッチともいう。

前記放電スイッチにおける電線接続部の構成は、上述した充電スイッチの電線接続部とは構造及び作動原理において互いに反対であるが、電池セルの通電によって安全性を担保するという側面では同一である。

このような放電スイッチと関連した電池の構成例としては、前記電線接続部が電池セルの正極端子及び負極端子を直列方式で連結し、電線接続部と電極端子との間に少なくとも一つの抵抗部材が連結された構造を挙げられる。

したがって、非正常な作動状態で電池が臨界値以上に過熱されると、放電スイッチが通電され、これによって前記抵抗部材も通電されることで、電池セル内部の電気エネルギーを前記抵抗部材で消耗するようになる。

前記抵抗部材は、電線接続部の通電時、発熱によって電池セルの充電エネルギーを消耗することで、蓄積された内部エネルギーを低下するように構成される。この場合、電池セルに蓄積された過量の内部電気エネルギーは、通電を通して消尽されるべきであり、抵抗部材から抵抗によって相当の熱が発生する。したがって、強制放電時に通電される電流による熱を効果的に発散させるべきであり、抵抗部材は、発熱による影響を最小化できる電池セル外部の該当部位に位置させることが好ましい。

場合によっては、抵抗部材の抵抗値を調節して強制放電の程度を調節できる。前記抵抗部材の抵抗値は、抵抗部材を連結するための導線及び安全スイッチ抵抗の総和より大きくかつ、過度に高くない所定範囲で決定される。すなわち、抵抗値が過度に小さい場合、瞬間的な放電によって発火に繋がる激しい発熱が発生しうる。その反面、抵抗値が過度に大きい場合、放電速度が遅くなって安全性向上に役立たないので好ましくない。

一つの好ましい例として、前記抵抗値は、電池全体の容量を短くは１０秒、長くは１０時間内に放電するよう、電池の容量及び電圧によって設定される。したがって、抵抗値は、電池の電圧や電池の容量によって、その使用範囲が異なっている。

例えば、４Ｖ／２Ａｈの電池に本発明の安全装置を装着するためには、７２０Ａ乃至０.２Ａの電流で放電するように設定することができ、このとき、抵抗部材、安全スイッチ及び導線を含む総抵抗値は、５ＭΩ〜２０Ωの範囲であればよく、１分〜２時間内に放電するように構成することが一層好ましい。この場合、１２０Ａ乃至１Ａの電流が流れ、総抵抗値は、３３ＭΩ乃至４Ωの範囲に設定することが好ましい。また、上述したように、安全スイッチ及び導線の抵抗値は、抵抗部材の抵抗値よりも半分以下に設定する必要がある。

また、本発明は、前記安全スイッチを含む電池パックを提供する。したがって、本発明に係る安全スイッチは、一つの電池セルがパックケースに内蔵された形態の小型電池パックと、単位電池としての二つまたはそれ以上の電池セルが高密集度で積層されてパックケースに内蔵された中大型電池パックの全てに使用可能である。

特に、本発明に係るリチウム二次電池は、過熱による安全性問題が深刻に発生しうる高出力大容量の電池または電池パック用単位電池として好ましく用いられ、特に、前記電池パックは、優れた高温保存特性が要求される電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの車両用動力源として好ましく用いられる。

本発明に係る安全スイッチ及びこれを備えた二次電池は、電池の異常作動による過熱発生時、熱収縮チューブが収縮しながら電池のスイッチを動作させるので、電池セルを充電する外部からの電流を断電させることで、それ以上の充電を防止するとともに、内部エネルギーを抵抗部材によって消耗させることで、電池の安全性を担保することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明の範疇は、これら実施形態によって限定されるものではない。

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る安全スイッチの作動原理を示した模式図である。すなわち、図１Ａは、電池が正常状態であるとき、安全スイッチの作動前の形態を示しており、図１Ｂは、電池が非正常状態であるとき、安全スイッチの作動後の形態を示している。以下、説明の便宜上、図１Ａ及び図１Ｂの安全スイッチは、充電スイッチという。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、安全スイッチ２００は、熱収縮チューブ２１２の一側部位が支持軸２１１によって固定され、他側部位が電線接続部２１０に連結されるように構成されている。熱収縮チューブ２１２は、温度の上昇とともにその長さが減少するので、図１Ａに示した電池セルの正常な作動条件下では、電線接続部２１０が通電状態（ＯＮ）に設定され、図１Ｂに示した過熱条件下では、熱収縮チューブ２１２の収縮可変によって断電状態（ＯＦＦ）に変換される。

図２Ａ及び図２Ｂは、図１Ａの充電スイッチの作動原理を示した模式図である。すなわち、図２Ａは、電池が正常状態であるとき、充電スイッチの作動前の形態を示しており、図２Ｂは、電池が非正常状態であるとき、充電スイッチの作動後の形態を示している。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、充電スイッチ２００は、二つの接続端子２１３，２１４が上下に接触しており、熱収縮チューブ２１２の一側端部が支持軸２１１によって支持され、他側端部が電線接続部２１０によって上部接続端子２１３に連結された構造となっている。上部接続端子２１３は、外部ディバイスまたは外部入出力端子に連結されており、下部接続端子２１４は、電池セル（図示せず）の電極端子に連結されている。したがって、電池セルの電流は、上部接続端子２１３と下部接続端子２１４とが相互接続されたときのみに通電されるので、前記接続部位が分離される場合は、電池セル（図示せず）の充電が行われる。

その結果、電池の異常高温時、充電スイッチ２００の熱収縮チューブ２１２が高温によって収縮しながら、図２Ｂに示すように、上部接続端子２１３が持ち上げられることで、上下に接触した二つの接続端子２１３，２１４が離隔されて断電状態となる。

その反対に、電池の温度が下降しながら、上記と反対の過程で通電状態に還元される。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の他の実施形態に係る安全スイッチの作動原理を示した模式図である。すなわち、図３Ａは、電池が正常状態であるとき、安全スイッチの作動前の形態を示しており、図３Ｂは、電池が非正常状態であるとき、安全スイッチの作動後の形態を示している。以下、説明の便宜上、図３Ａ及び図３Ｂの安全スイッチは、放電スイッチという。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、放電スイッチ３００は、熱収縮チューブ３１２の一側部位が支持軸３１１によって固定され、他側部位が電線接続部３１０に連結される。すなわち、電池の正常な作動条件下では、電線接続部３１０が断電状態（ＯＦＦ）に設定され、過熱条件下では、放電スイッチのうち熱収縮チューブ３１２の収縮可変によって通電状態（ＯＮ）に変換される。

図４Ａ及び図４Ｂは、図３Ａの放電スイッチの作動原理を示した模式図である。すなわち、図４Ａは、電池が正常状態であるとき、放電スイッチの作動前の形態を示しており、図４Ｂは、電池が非正常状態であるとき、放電スイッチの作動後の形態を示している。

図４Ａ及び図４Ｂに示した放電スイッチ３００は、電池の正常な作動条件で二つの接続端子３１３，３１４が離隔状態で近接して断電状態に予め設定され、非正常な作動条件で各接続端子３１３，３１４が接続されるという点で、図２Ａ及び図２Ｂの作動過程と異なっている。したがって、電池セルに蓄電された電気エネルギーは、上部接続端子３１３と下部接続端子３１４とが相互接続されたときのみに通電されて消耗される。

図５Ａ及び図５Ｂは、図４Ａの放電スイッチを電池に装着した形態の模式図である。すなわち、図５Ａは、一つの電池セルに放電スイッチを設置した構造を示しており、図５Ｂは、高出力大容量のために多数の電池セルを積層した中大型電池パックに放電スイッチを設置した構造を示している。

まず、図５Ａに示すように、放電スイッチ３００の両側端部は、電池セル１００の正極１１０及び負極１２０に直列方式で連結され、それらの間に抵抗部材２２０が連結される。

図５Ｂに示すように、単位電池としての多数の電池セル１０１，１０２，１０３，１０４が順次積層された状態で、放電スイッチ３００は、各電池セル１０１，１０２，１０３，１０４の外部に設置されており、一側端部が第１電池セル１０１の負極端子１２１に連結され、他側端部が第４電池セル１０４の正極端子１１４に連結される。そして、抵抗部材２２０は、これらの間に連結される。したがって、各電池セル１０１，１０２，１０３，１０４のうち何れか一つまたは一部が過熱されたとき、放電スイッチ３００が通電されながら抵抗部材２２０を通して電池パック全体の電気エネルギーが消耗される。

以上では添付の図面を参照して本発明の具体的な実施形態について説明してきたが、本発明の属する分野で通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様に応用及び変形可能である。

本発明の一実施形態に係る安全スイッチ（充電スイッチ）の作動原理を示した模式図である。 本発明の一実施形態に係る安全スイッチ（充電スイッチ）の作動原理を示した模式図である。 図１Ａの充電スイッチの具体的な作動原理を示した模式図である。 図１Ａの充電スイッチの具体的な作動原理を示した模式図である。 本発明の他の実施形態に係る安全スイッチ（放電スイッチ）の作動原理を示した模式図である。 本発明の他の実施形態に係る安全スイッチ（放電スイッチ）の作動原理を示した模式図である。 図３Ａの放電スイッチの具体的な作動原理を示した模式図である。 図３Ａの放電スイッチの具体的な作動原理を示した模式図である。 図４Ａの放電スイッチが装着された小型電池パック及び中大型電池パックの模式図である。 図４Ａの放電スイッチが装着された小型電池パック及び中大型電池パックの模式図である。

符号の説明

１００ 電池セル
１１０ 正極
１２０ 負極
２２０ 抵抗部材
３００ 放電スイッチ
３１０ 電線接続部

Claims (10)

1. 二次電池であって、
   前記二次電池が過熱した際に、前記二次電池の安全性を担保するための***材として、電池セルの外側に装着されてなり、所定温度以上の温度を呈した際に収縮可能な熱収縮チューブを包含する安全スイッチと、
   放電条件を制御するための、少なくとも一つの抵抗部材とを備えてなり、
   前記熱収縮チューブの長さによって電流の通電を制御するための可変が行われ、前記熱収縮チューブの一側部位が固定され、及び前記熱収縮チューブの他側部位が電線接続部に連結され、前記熱収縮チューブが熱により可変する際に、前記熱収縮チューブの長さ可変により電流の通電または断電を誘発するものであり、
   前記安全スイッチが、電池セルの外部入出力端子としての正極端子及び／または負極端子に連結されており、及び前記連結部位の電線接続部が、安全スイッチの作動によって電池セルの電流を通電または断電させることを可能とするものであり、
   前記電線接続部が、電池セルの正常な作動条件下では断電状態（ＯＦＦ）に設定され、過熱条件下では、安全スイッチのうち熱収縮チューブの収縮可変によって通電状態（ＯＮ）に変換されることで、電池セルの放電条件が制御されるものであり、並びに、
   前記電線接続部が、電池セルの正極端子と負極端子とを直列方式で連結し、及び前記抵抗部材が前記電線接続部と前記対応電極端子との間に、連結されてなるものである、二次電池。
2. 前記熱収縮チューブが、水平断面が楕円状または四角形状の中空構造をなし、前記断面が楕円状または四角形状の中空構造の一側内面には固定軸としての支持部材が位置し、他側内面には電線接続部に連結される可変部材が位置するものである、請求項１に記載の安全スイッチ。
3. 前記熱収縮チューブが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、エチレンプロピレンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルブタジエンゴム及びテフロンからなる群から選択される一つまたは二つ以上の素材からなる、請求項１に記載の安全スイッチ。
4. 前記熱収縮チューブが、ポリ塩化ビニル素材からなる、請求項１に記載の安全スイッチ。
5. 前記熱収縮チューブが、少なくとも６０℃〜１２０℃で熱収縮が開始される、請求項１に記載の安全スイッチ。
6. 前記電線接続部での通電時に、前記抵抗部材が発熱によって前記電池セルの充電エネルギーを消耗する、請求項１に記載の二次電池。
7. 前記抵抗部材が、電池セルの全体容量を１０秒〜１０時間内に放電できる抵抗値を有するものである、請求項６に記載の二次電池。
8. 請求項１に記載された前記安全スイッチを備えてなる、電池パック。
9. 前記電池パックが、単位電池としての二つまたはそれ以上の電池セルを備えてなる、請求項８に記載の電池パック。
10. 前記電池パックが、電気自動車またはハイブリッド電気自動車の電源として用いられる、請求項９に記載の電池パック。

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