KR101348218B1 - 열수축 부재를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 전극 탭을 경유하여 전지케이스의 전극 단자에 접속하고 있는 이차전지로서, 전극조립체의 전극 탭이 중앙 중공부를 관통하여 위치해 있고 일측 단부에 커터가 장착되어 있는 프레임 부재; 상기 프레임 부재가 장착되어 있는 지지 부재; 및 상기 커터에 대향하는 위치에서 프레임 부재에 일측 단부가 연결되어 있고, 상기 단부에 대향하는 타측 단부가 지지 부재 내면에 고정되어 있으며, 소정의 온도 이상에서 열수축되는 열수축 부재를 포함하고 있어서 상기 소정의 온도 이상으로 상승할 때, 열수축 부재가 수축되어 프레임 부재를 잡아 당기는 과정에서 커터에 의해 전극 탭을 절단하여 전기적 단전을 유도하는 것을 특징으로 하는 이차 전지를 제공한다.

Description

열수축 부재를 포함하는 이차전지 {Secondary Battery Including Heat Shrinking Member}
본 발명은 전극조립체가 전극 탭을 경유하여 전지케이스의 전극 단자에 접속하고 있는 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극조립체의 전극 탭이 중앙 중공부를 관통하여 위치해 있고 일측 단부에 커터가 장착되어 있는 프레임 부재; 상기 프레임 부재가 장착되어 있는 지지 부재; 및 상기 커터에 대향하는 위치에서 프레임 부재에 일측 단부가 연결되어 있고, 상기 단부에 대향하는 타측 단부가 지지 부재 내면에 고정되어 있으며, 소정 온도 이상에서 열수축되는 열수축 부재;를 포함하고 있어서, 상기 소정 온도 이상으로 상승할 때, 열수축 부재가 수축되어 프레임 부재를 잡아당기는 과정에서 커터에 의해 전극 탭을 절단하여 전기적 단전을 유도하여 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 전해액의 구성에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다. 리튬이온 전지는 양극/분리막/음극을 리튬 전해액 용액에 함침시킨 구조의 전지이고, 리튬 폴리머 전지는 전해질로서 고체 전해질을 사용하여 분리막의 역할을 병행하는 구조의 전지이다. 리튬이온 폴리머 전지는 리튬이온 전지와 리튬 폴리머 전지의 중간 단계의 전지로서 양극 및 음극을 분리막에 결합시키고 그러한 부위에 리튬 전해액을 함침시킨 구조의 전지이다.
이러한 리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되기도 한다. 원통형 전지와 각형 전지는 금속의 캔에 전극조립체를 장착한 구조의 전지이며, 파우치형 전지는 예를 들어 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 장착한 구조의 전지이다.
이러한 전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 내부 단락, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 또는 외부 충격에 의한 변형 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발될 수 있는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 전지의 폭발이 초래될 수 있다.
따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 예를 들어, 일본 특허출원공개 제2005-285429호에는 음극 활물질 미형성 영역을 갖는 음극 집전체에 전단응력을 가할 수 있는 수단으로 열수축성 수지를 이용하여, 과충전 상태에서 음극 활물질 미형성 영역 중 양극 활물질과 대향하는 영역은 알루미늄-리튬 합금이 형성되면 취약하게 되므로, 이 부위를 절단함으로써 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 비수 전해질을 구비한 이차전지를 개시하고 있다.
그러나, 상기 기술은 Al-Li 합금이 형성되기까지 과열상태가 지속되게 되고, 전지 외부로부터 유입되는 전류를 차단하기 위해서는 충분한 합금 형성 영역이 형성되어 집전체가 절단된 후에야 가능하므로, 신뢰성이 있는 작동을 담보하지 못하는 문제점을 가지고 있다.
한편, 또 다른 선행기술로서 한국 특허출원공개 제2006-0054635호에는 안전벤트와 전류차단수단을 구비하는 캡 조립체를 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 소정 형상의 열수축 필름으로 형성되며 일측이 외곽링과 절연링 사이에 고정되고, 바이메탈이 안전벤트에 접촉되도록 소정 형상의 절개부를 구비하며, 온도상승시 바이메탈과 안전 벨트를 절연시키는 수축필름을 더 포함하는 것으로 구성된 전류차단 수단을 개시하고 있다.
그러나, 상기 기술은 열수축 필름에 의해 바이메탈과 안전 벤트를 절연시키므로, 이들 중 어느 하나라도 제 기능을 못하게 되면 동작되지 않게 되며, 바이메탈과 안전벤트를 반드시 포함하므로 제조 공정 및 비용의 면에서도 효율적이지 못하다는 단점을 가지고 있다.
따라서, 전지가 소정의 온도 이상으로 상승할 경우, 신속하고 민감하게 작동하여 전류를 단전시킬 수 있는 수단에 대한 요청이 절실한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험들을 계속한 끝에, 커터가 장착되어 있는 프레임 부재 및 열수축 부재를 포함하는 이차전지를 개발하기에 이르렀고, 이러한 이차전지는 전지의 온도가 소정 온도 이상 상승할 때, 열수축 튜브가 수축되어 상기 프레임 부재를 잡아당기는 과정에서 커터에 의해 전극 탭을 절단하여 전기적 단전을 유도함으로써, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 전극조립체가 전극 탭을 경유하여 전지케이스의 전극 단자에 접속하고 있는 이차전지로서,
전극조립체의 전극 탭이 중앙 중공부를 관통하여 위치해 있고, 일측 단부에 커터가 장착되어 있는 프레임 부재; 상기 프레임 부재가 장착되어 있는 지지 부재; 및 상기 커터에 대향하는 위치에서 프레임 부재에 일측 단부가 연결되어 있고 상기 단부에 대향하는 타측 단부가 지지 부재 내면에 고정되어 있으며 소정의 온도 이상에서 열수축되는 열수축 부재;
를 포함하고 있어서,
상기 소정의 온도 이상으로 상승할 때, 열수축 부재가 수축되어 프레임 부재를 잡아당기는 과정에서 커터에 의해 전극 탭을 절단하여 전기적 단전을 유도하는 것으로 구성되어 있다.
즉, 전지 또는 전지팩이 비정상적인 환경에 노출되어, 전지의 외부 온도 또는 전지 내부의 발열에 의해 전지의 온도가 특정 온도 이상으로 상승하게 되면, 열수축 튜브의 수축에 의해 발생하는 수축력으로 커터가 장착된 프레임 부재가 이동하게 되므로, 커터에 의해 전극 탭이 절단되어 전지의 안전성을 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 전지에 이상이 발생하였을 때, 높은 신뢰성으로 신속하고 민감하게 동작할 수 있다.
상기 프레임 부재는, 예를 들어, 수평 단면 상으로 지지 부재 내면 형상에 대응하는 외면 형상을 가질 수 있다. 하나의 바람직한 예로, 상기 지지 부재는 수평 단면 상으로 사각형 형상의 내면을 가지고 있고, 상기 프레임 부재는 그에 대응하여 사각형 형상의 외면을 가질 수 있다.
상기 지지 부재의 내부 측면에는 체결 홈이 형성되어 있고, 상기 프레임 부재의 대응 외부 측면에는 체결 돌기가 형성되어 있어, 상기 지지 부재와 프레임 부재는 체결구조에 의한 조립방식으로 결합될 수 있다. 따라서, 열수축 튜브의 수축 시, 상기 프레임 부재의 체결돌기는 지지 부재 내부의 체결 홈을 따라 이동하므로 전극 탭을 효과적으로 절단할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지의 열수축 부재는 주위 환경의 온도 변화에 따라 기계적으로 작동하도록 소정의 온도 이상에서 수축되는 특성을 갖는 것이라면 다양한 구조가 가능하며, 예를 들어, 수평 단면상으로 원형, 타원형, 사각형, 삼각형 등을 예로 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 열수축 부재는 열수축 튜브로서 수평 단면상으로 원형 또는 타원형의 중공 구조일 수 있으며, 이러한 열수축 튜브의 일측 단부에 프레임 부재가 연결되어 있고, 상기 단부에 대향하는 타측 단부가 지지 부재 내면에 고정되어 있는 구조일 수 있다.
상기 열수축 튜브의 소재는, 소정의 온도 이상에서 수축되는 특성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌 프로필렌 고무, 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 스티렌 부타디엔 고무, 니트릴 부타디엔 고무, 테플론 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 그 중에서도, 특히, 폴리염화비닐 소재가 바람직하다.
상기 열수축 부재의 열수축이 개시되는 온도는 전지의 구성에 따라 달라질 수 있으며, 적어도 70 내지 120℃에서 열수축이 개시되는 것으로 구성될 수 있다. 일반적으로 리튬 이차전지는 정상적인 상태에서는 70℃ 이하에서 작동하게 되므로, 상기 열수축 부재는 리튬 이차전지가 이상 작동이 시작되는 온도인 70℃ 이상에서 작동되는 것이 바람직하고, 반대로, 리튬 이차전지의 내부온도가 120℃ 이상이 되면 리튬 이차전지는 폭발할 수 있으므로, 열수축 부재가 120℃에서도 수축하지 않으면 안전성을 담보할 수 없다.
한편, 열수축 부재는 상기 온도 범위에서 전극 탭을 절단할 수 있는 수축률이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 열에 의해 처음 길이를 기준으로 50% 이상 수축될 수 있으며, 바람직하게는 50% 내지 80%로 수축되어, 프레임 부재를 잡아당기는 과정에서 프레임 부재 내부의 커터에 의해 전극 탭을 절단할 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 이차전지는, 두 쌍의 프레임 부재 및 열수축 부재를 포함하고 있고, 제 1 프레임 부재 및 제 1 열수축 부재는 제 2 프레임 부재 및 제 2 열수축 부재에 대해 열수축 방향이 서로 반대 방향을 형성하도록 장착되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 전지의 과열시 제 1 열수축 부재와 제 2 열수축 부재가 서로 반대 방향으로 수축하면서 각각 제 1 프레임 부재와 제 2 프레임 부재를 잡아당기는 과정에서 제 1 프레임 부재와 제 2 프레임 부재 내부의 커터에 의해 전극 탭을 더욱 용이하게 절단하여 전기적 단전 상태로 변환시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 안전성이 문제가 되는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 이차전지는 전극조립체가 전극 탭을 경유하여 전지케이스의 전극 단자에 접속하는 구조라면, 그것의 형태가 특별히 제한되는 것은 아닌 바, 예를 들어, 전극조립체는 젤리-롤형, 스택형, 스택/폴딩형 등으로 제작될 수 있으며, 전지의 형태는 원통형 캔, 각형 캔 또는 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스 등에 내장되어 있는 형태로 제조될 수 있다. 이는 당업계에 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 이에 대한 자세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 특히 과열로 인한 안전성 문제가 심각할 수 있는 고출력 대용량의 전지 또는 전지팩용 단위전지로서 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 전지팩은 특히, 우수한 고온 저장 특성이 요구되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 차량용 동력원으로서 바람직하게 사용될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 프레임 부재 및 열수축 부재를 포함하는 이차전지는 전지의 이상 작동에 의한 과열 발생시, 열수축 튜브가 수축하면서 프레임 부재를 잡아당기는 과정에서, 프레임 부재에 장착된 커터에 의한 전극 탭의 절단으로 전기적 단전을 유도함으로써, 궁극적으로 전지의 안전성을 담보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 커터가 장착되어 있는 프레임 부재 및 열수축 튜브의 장착과정을 나타낸 모식도이다;
도 2a 및 2b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 커터가 장착되어 있는 프레임 부재 및 열수축 부재를 포함한 이차전지의 일부 모식도이다;
도 3a 및 3b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 열수축 부재의 수축에 의해 프레임 부재를 잡아당기는 과정에서 전극 탭의 절단 과정을 보여주는 일부 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 체결 홈이 형성된 지지 부재와 그와 대응하는 체결 돌기가 형성된 프레임 부재의 체결 구조를 보여주는 모식도이다.
이하, 본 발명을 일부 도면들에 의거하여 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 지지 부재(500), 커터가 장착되어 있는 프레임 부재(200, 201) 및 열수축 튜브(400, 401)의 장착과정을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 지지 부재(500)의 내부 측면에는 체결 홈이 형성되어 있고, 제 1 프레임 부재(200)와 제 2 프레임 부재(201)의 대응 외부 측면에는 체결 돌기가 형성되어 있다.
또한, 제 1 프레임 부재(200)의 일측 단부에는 커터(300)가 장착되어 있으며, 타측 단부에는 제 1 열수축 부재(400)가 연결되어 있고, 제 2 프레임 부재(201)의 일측 단부에는 커터(301)가 장착되어 있으며, 타측 단부에는 제 2 열수축 부재(401)가 연결되어 있다.
제 1 프레임 부재(200) 및 제 2 프레임 부재(201)와 지지 부재(500)는 체결구조에 의한 조립 방식으로 결합되고 전극조립체(100)의 전극 탭(101)이 상기 한 쌍의 프레임 부재(200, 201)의 중앙 중공부를 관통하여 위치하고 있으며, 상기 지지 부재(500)는 전지케이스(102) 내면에 장착된다.
소정의 온도 이상에서 제 1 프레임 부재(200) 및 제 2 프레임 부재(201)가 서로 반대 방향으로 이동하면서 전극 탭(101)을 절단할 수 있도록, 제 1 열수축 부재(400)는 제 2 열수축 부재(401)에 대해 열수축 방향이 서로 반대 방향을 형성하도록 지지 부재(500)의 내면에 장착되어 있다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 한 쌍의 프레임 부재(200, 201) 및 각각 이와 연결되어 있는 한 쌍의 열수축 부재(400, 401)와 이를 장착한 지지 부재(500), 상기 지지 부재(500)을 포함하는 이차전지의 모식도들인 바, 전지의 온도가 정상 상태일 때, 열수축 부재(400, 401)가 수축하기 전의 형태를 나타내고 있다.
이들 도면을 참조하면, 전극조립체(100)의 전극 탭(101)이 제 1 프레임 부재(200) 및 제 2 프레임 부재(201)의 중앙 중공부를 관통하도록 위치하며, 제 1 프레임 부재(200)와 일측 단부가 연결되어 있는 1 열수축 부재(400)와 제 2 프레임 부재(201)와 일측 단부가 연결되어 있는 제 2 열수축 부재(401)는 열수축 방향이 서로 반대 방향을 형성하도록 지지 부재(500) 내면의 서로 대향하는 위치에 체결구조에 의한 조립 방식으로 결합하는 것으로 구성되어 있고, 상기 지지 부재(500)는 전지케이스(102) 내부의 소정의 공간에 위치한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 한 쌍의 열수축 부재(400, 401)의 수축에 의해 한 상의 프레임 부재(200, 201)를 잡아당기는 과정에서 전극 탭(101)의 절단 과정을 보여주는 모식도들인바, 전지의 온도가 상승하여 전지가 비정상 상태일 때 한 쌍의 열수축 부재(400, 401)가 수축한 후의 형태를 나타내고 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지의 이상 작동 과정에 의해 전지의 온도가 상승함에 따라, 제 1 열수축 부재(400)와 제 2 열수축 부재(401)는 수축하므로 그것의 길이가 감소하게 된다. 상기에서 설명한 바와 같이, 한 쌍의 열수축 부재(400, 401)의 일측 단부는 커터에 대향하는 위치의 프레임 부재에 연결되어 있지만, 타측 단부는 지지 부재(500) 내면에 서로 대향하는 위치에 고정되어 있다.
결과적으로, 제 1 열수축 부재(400)와 제 2 열수축 부재(401)의 수축 과정에서 제 1 프레임 부재(200)와 제 2 프레임 부재(201)가 서로 반대 방향으로 이동하게 되므로, 이 과정에서 서로 반대 방향으로 이동하는 커터(301, 302)에 의해 전극 탭(101)이 절단된다.
도 4는 열수축 부재(400, 401)의 수축 시, 지지 부재(500) 내부에 장착된 프레임 부재(200, 201)의 이동 모습을 보여주는 모식도이다.
상기에서 설명한 바와 같이, 지지 부재(500)의 내부 측면에는 체결 홈이 형성되어 있고, 제 1 프레임 부재(200)와 제 2 프레임 부재(201)의 대응 외부 측면에는 체결 돌기가 형성되어 있어, 지지 부재(500) 및 프레임 부재(200, 201)은 체결구조에 의한 조립 방식으로 결합되어 있다. 따라서, 열수축 부재(400, 401)의 수축 시 프레임(500) 내부의 체결 홈을 따라 프레임 부재(200, 201) 외부의 체결 돌기가 이동하므로 전극 탭(101)이 효과적으로 절단될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (14)

  1. 전극조립체가 전극 탭을 경유하여 전지케이스의 전극 단자에 접속하고 있는 이차전지로서,
    전극조립체의 전극 탭이 중앙 중공부를 관통하여 위치해 있고 일측 단부에 커터가 장착되어 있는 프레임 부재;
    상기 프레임 부재가 장착되어 있는 지지 부재; 및
    상기 커터에 대향하는 위치에서 프레임 부재에 일측 단부가 연결되어 있고, 상기 단부에 대향하는 타측 단부가 지지 부재 내면에 고정되어 있으며, 소정 온도 이상에서 열수축되는 열수축 부재;
    를 포함하고 있어서,
    상기 소정 온도 이상으로 상승할 때, 열수축 부재가 수축되어 프레임 부재를 잡아당기는 과정에서 커터에 의해 전극 탭을 절단하여 전기적 단전을 유도하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재는 수평 단면 상으로 지지 부재 내면 형상에 대응하는 형상의 외면 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 지지 부재는 수평 단면 상으로 사각형 형상의 내면을 가지고, 상기 프레임 부재는 그에 대응하여 사각형 형상의 외면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 부재의 내부 측면에 체결 홈이 형성되어 있고, 상기 프레임 부재의 대응 외부 측면에 체결 돌기가 형성되어 있어, 상기 지지 부재와 프레임 부재는 체결구조에 의한 조립방식으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 열수축 부재는 열수축 튜브인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 열수축 튜브는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌 프로필렌 고무, 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 스티렌 부타디엔 고무, 니트릴 부타디엔 고무, 및 테플론으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 열수축 튜브는 폴리염화비닐 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 열수축 부재는 70 내지 120℃에서 열수축이 개시되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 1 항에 있어서 상기 열수축 부재는 열에 의해 처음 길이를 기준으로 50% 이상 수축되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 두 쌍의 프레임 부재 및 열수축 부재를 포함하고 있고, 제 1 프레임 부재 및 제 1 열수축 부재는 제 2 프레임 부재 및 제 2 열수축 부재에 대해 열수축 방향이 서로 반대 방향을 형성하도록 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 따른 이차전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전지팩은 단위전지로서 둘 또는 그 이상의 파우치형 전지셀들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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