KR102446570B1 - 위험감지 전지 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전지 셀은 전극조립체와 전해액이 있는 전지케이스의 수납부;와 그 외측에 저장공간이 2개 이상으로 구획된 가스저장부; 및 선세부재가 구비되어 있는 전지 셀로서, 상기 2개 이상으로 구획된 가스저장부에 가스가 차면 상기 센서부재에 의해 신호가 감지되는 것을 특징으로 한다.
이렇게 감지된 신호는 추가되는 알림 부재에 의해 설정 값을 벗어날 경우 위험을 알려 사고를 예방할 수 있도록 한다.

Description

위험감지 전지 셀{Danger sensing battery cell}
본원 발명은 위험방지 전지 셀에 관한 것으로, 상세하게는 2개 이상의 가스 저장공간을 가지는 가스저장부와 상기 가스저장부 외면에 구비된 센서부재를 포함하는 전지 셀에 대한 것이다.
최근 고갈되는 자원 및 다양한 에너지 수요로 인하여 에너지 저장 및 사용에 관한 관심이 증가하고 있다. 이로 인하여 고에너지, 고밀도화 된 전지의 수요 또한 증가하고 있다. 하지만 이러한 전지는 전지의 단락으로 인한 발화 및 폭발의 위험 가능성을 내재하고 있다. 특히 충방전과정에서 내부 가스가 발생하는 경우, 전지의 오작동으로 인하여 전지가 발열 및 폭발할 수 있고 전지케이스의 파단이 발생하는 경우 내부의 유해가스 및 화학물질의 유출의 문제가 발생할 수 있다.
이러한 전지의 안전성 향상을 위하여 퓨즈, 보호회로 등의 안전장치를 구비하고 있고, 최근에는 전지 내부의 가스를 배출시키는 방안도 고려되고 있지만, 사고의 발생 전 전지 내부의 유해가스를 측정해 위험발생 시점을 예측할 수 있도록 도와주는 장치가 없어 전지로 인한 발열 및 폭발 외 전지 기능의 정지에 따른 사고를 예방할 수 없는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2011-0072733호(2011.06.29.)(선행문헌1)에는 내부가스를 용이하게 방출함으로써 전지 두께를 감소시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 하여 가스가 인입되는 가스통로 및 가스방(130)을 가지고 있지만, 이러한 전지방이 구획되어 있지 않고 전지 셀 내부의 상태를 측정하여 설정된 영역을 벗어나면 이를 알려주는 센서부재를 가지지 않는 점에서 차이가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2017-0040919호(2017.04.14.)(선행문헌2)에서는 전지 셀의 팽창을 감지하기 위한 프로브를 포함하고 있는 전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 하여 전지 셀의 국부적인 부피 팽창 변화를 감지하여 신호를 송신하는 센싱 프로브를 가지고 있지만, 전지 셀 자체에 별도의 가스를 저장하는 가스저장부를 가지고 있지 않다는 점에서 차이가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0061836호(2015.06.05.)(선행문헌3)에서는 가스 포켓이라는 가스 및 전해액이 배출되는 통로가 구비되어 있다는 점에서는 유사하나, 상기 선행문헌3은 활성화 과정을 통한 최초의 충방전시 발생한 가스를 배출하기 위한 디개싱 공정 과정에서 가스 및 파우치 내부의 전해액을 관리하기 위한 점에서 본원발명과 차이가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2017-0050926호(2017.05.11.)(선행문헌4)에서는 가스배출을 유도하는 가스 배출부를 및 상기 가스 배출부에서 발생하는 변위를 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 감지부를 구비한 점에서는 본원발명과 유사하나, 별도의 가스저장부를 가지고 있지 않다는 점에서 차이가 있다.
따라서 구획된 가스저장부 및 가스가 설정된 영역을 벗어나면 이를 감지해 사용자에게 사전에 위험을 예방하도록 하는 구성은 제시된 바가 없다.
한국 공개특허공보 제10-2011-0072733호(2011.06.29.) 한국 공개특허공보 제10-2017-0040919호(2017.04.14.) 한국 공개특허공보 제10-2015-0061836호(2015.06.05.) 한국 공개특허공보 제10-2017-0050926호(2017.05.11.)
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전지 셀 자체의 위험을 미리 감지할 수 있는 전지 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명은 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 수납부 내에 수납되어 있는 전지 셀에 있어서, 상기 수납부의 외측에는 상기 전지 셀 내부에서 발생한 가스를 저장하는 가스저장부가 형성되고, 상기 가스저장부에는 가스저장부의 공간을 2개 이상으로 구획할 수 있는 구획수단이 더 구비될 수 있다.
상기 전지케이스에는 전극조립체 및 전해액을 내장한 상태에서 외주면을 열융착한 제1실링부가 형성될 수 있다.
상기 수납부와 상기 가스저장부 사이에는 제2실링부가 형성될 수 있다.
상기 전지 셀 내부의 가스가 소정 압력이상으로 팽창하면 가스저장부로 가스를 유도하는 제1 일방향 밸브가 제2실링부에 구비할 수 있다.
상기 가스저장부 외면에는 각 구획수단에 따른 신호를 감지하는 센서부재가 구비될 수 있다.
상기 센서부재는 접촉 센서, 압력 센서 및 온도 센서 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 센서부재는 접촉 센서, 압력 센서 및 온도 센서 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 가스 저장부의 제1구획이 가스 등에 의해 찬 경우 제1구역에 장착된 상기 센서부재에 의해 감지되고, 위험수위로 설정된 제(N-1)구획이 찬 경우 제(N-1)구역에 장착된 상기 센서부재에 의해 감지되고, 마지막 구획이 팽창한 경우 가스배출이 되어 전지의 기능을 정지시킬 수 있다.
상기 센서부재는 알림부재와 연결되어 있으며, 설정 값을 벗어날 경우 알림부재에 신호를 전달할 수 있다.
상기 구획수단은 가스로 인한 팽창 시 전지 셀의 외벽보다 파손되기 쉬운 소재로 이루어질 수 있다.
상기 구획수단은 가스로 인한 팽창시 전지 셀의 외벽보다 변형되기 쉬운 소재로 이루어질 수 있다.
상기 구획수단의 변형에 따라 가스가 유입되는 부분이 아닌 공간 중 한 공간의 부피가 줄어드는 축소부를 포함할 수 있다.
상기 축소부는 상기 수납부 방향으로 물질을 이동시킬 수 있는 일방향 밸브가 제2실링부에 구비될 수 있다.
가스 발생 전 상기 축소부가 가스유입시 구획수단의 변형에 따라 부피가 커지는 확장부보다 부피가 클 수 있다.
본원 발명은 상기 전지셀을 포함하는 전지팩일 수 있다.
또한 상기 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스일 수 있다.
또한 상기 디바이스는 모바일 전자기기, 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 전지 셀은 가스저장부내의 구획된 가스 저장공간에 의해 전지의 기능이 정지하거나 폭발 등의 사고가 발생하기 전 전지의 상태를 알려줄 수 있다.
기존의 발명은 전지 내부의 가스를 배출시키는 구성을 가지거나 가스에 의한 전지케이스의 팽창만을 알려주었지만, 가스 저장공간의 구획으로 인하여 가스발생의 정도에 따라 전지 사용자에게 신호를 줄 수 있어 전지에 의한 사고에 대비를 할 수 있도록 하고 있다.
도 1은 기존의 파우치 형태의 전지셀의 평면도이다.
도 2는 본원발명에 따른 가스저장부 및 구획수단을 포함하는 파우치 형태의 전지 셀의 평면도이다.
도 3은 본원발명에 따른 가스저장부 및 구획수단을 포함하는 파우치 형태의 전지 셀의 측면도이다.
도 4는 본원발명에 따른 가스저장부 및 구획수단에 주입부를 더 포함하는 파우치 형태의 전지 셀의 평면도이다.
도5는 본원발명에 따른 가스저장부 및 구획수단에 주입부를 더 포함하는 파우치 형태의 전지 셀의 측면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
이전의 파우치는 도1과 같이 전극조립체를 수납하는 수납부만이 존재하였고, 만약 가스저장부를 별도로 둔다고 하더라도 가스를 저장하기 위해 가스저장부에 별도의 구획이 없는 형태였다. 이에 반해 본원발명은 도 2와 같이 전극조립체(110)가 전해액과 함께 전지케이스 수납부(100)에 수납되어 있고, 그 외측에 전지셀에서 발생한 가스를 저장하는 가스저장부(200) 및 가스저장부를 구획하는 구획수단이 형성되어 있다. 상기 가스저장부는 전지케이스 수납부(110)의 외측이면 그 위치는 상관없고, 전지케이스의 측면, 하면 모두 가능하다. 하지만, 도4와 같은 전해액 주입시에는, 중력 및 발생하는 가스에 따른 압력 변화를 이용하므로 하부에 있는 것이 바람직할 수 있다.
청구항에서는 전해액이 있는 전지로 한정하였으나, 전지의 작용에 의해 가스가 발생할 수 있으면 전해액이 없어도 상관없다.
상기 가스저장부는 별도의 홈 형태로 형성되어 있을 수 있고, 별도의 홈형태가 없을 수도 있다. 별도의 홈 형태가 있을 경우, 신호를 전달할 때, 격벽의 파손 등을 인지하여 신호를 전달하는 방법, 압력차나 전위차를 이용하여 신호를 전달하는 방법 등을 고려해 볼 수 있고, 별도의 홈이 없는 경우, 홈의 팽창 정도를 파악하여 신호를 전달할 수도 있을 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수납부는 전극조립체 및 전해액을 내장한 상태에서 외주변이 열융착되어 있고, 상기 가스저장부와 수납부(100) 사이 또한 제2 실링부로 나뉘어져 있다. 상기 가스저장부와 수납부 사이의 제2 실링부는 수납부와 가스저장부 사이의 물질이동을 방지하는 역할을 한다.
상기 가스저장부는 가스 저장공간을 2개 이상으로 구획할 수 있는 구획수단(210, 211, 212)이 더 구비되어 있다. 구획수단의 개수는 2개 이상이면, 한정되지 않지만 그 역할을 고려하여 보았을 때, 7개 이하가 적당하다. 상기 구획수단이 파괴되거나 변형되면, 센서부재(300)가 상기 구획수단에서 발생한 신호를 감지하고, 감지된 신호는 알림부재(400)에 전달되어 사용자에게 알람을 전달한다.
상기 구획수단(210, 211, 212)은 파우치에 사용한 소재와 동일한 소재를 사용하되, 그 소재의 밀봉정도를 달리할 수도 있고, 파우치의 소재보다 손상되기 쉬운 소재를 사용할 수도 있다. 구획수단마다 그 소재를 달리할 수 있고, 구획수단이 일정한 압력이 가해질 경우 일부분이 이동 후 회복될 수 있는 구조일 수도 있다. 또한 도4와 같이 그 구획수단이 팽창되거나, 변형될 수 있다.
상기 구획수단(210, 211, 212)의 각 크기는 구획수단의 역할에 따라 달라질 수 있다. 상기 가스저장부(200)가 가스만을 저장하는 경우, 첫번째 구획수단(210)의 위치는 상기 가스저장부의 2/3지점, 즉 가스가 유입되는 부분의 공간이 더 크고, 이후 구획수단이 구비되어 있는 구간이 더 작은 형태가 될 수 있다. 하지만, 하기에서 언급할 도4와 같은 전해액 등의 물질이 전지케이스 수납부(100)로 이동될 경우, 첫번째 구획수단의 위치는 가스저장부의 1/5의 구간, 즉 가스가 유입되는 부분의 공간이 물질이 위치하는 구간보다 적을 수도 있다. 따라서 상기 가스저장부의 각 구획수단의 위치는 그 역할에 따라 다를 수 있다.
상기 구획수단 간의 이격 거리는 구획수단의 역할에 따라 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 이는 구획수단이 받는 압력에 따라 이격 거리의 위치가 변화할 수 있다. 하지만 각 이격 거리의 합은 가스저장부의 크기의 1/2을 넘을 수는 없다.
상기 구획수단은 첫번째 구획수단(210)에서 200kgf, 두번째 구획수단(211)에서 350kgf, 세번째 구획수단(212)에서 500kgf의 압력에서 각각 파괴되거나 구획수단이 열려 센서부재(300)에 신호를 전달한다. 이는 과충전에 따른 압력의 변화 실험에 따른 것으로, 첫번째 구획수단(210)에서는 이상충전 또는 과충전시 발생하는 신호를 알려줄 수 있고, 두번째 구획수단(211)에서는 상기 이상상태가 지속여부를 알려줄 수 있다. 또한 세번째 구획수단(212)에서는 셀의 폭발 및 화재 발생 가능성을 알려줄 수 있고 세번째 구획수단(212) 이후 더 압력이 높아지면, 그 신호를 감지해 전지의 기능을 정지시킬 수 있다. 이는 구획수단의 개수에 따라 그 역할이 추가될 수 있고, 역할이 달라질 수 있지만 기본적으로 셀의 이상여부를 사용자에게 알려주는 역할을 한다. 또한 상기 압력은 셀에 이상이 발생할 경우, 전지셀이 받는 압력에 따라 변화할 수 있다.
상기 전지의 기능 정지는 전지에 제공되는 전류가 차단되는 방법이나, 전지의 기능을 방해하는 물질을 첨가하거나, 상기 물질이 유입될 수 있도록 하는 방식 등을 생각해 볼 수 있으나, 전지의 기능을 차단하는 모든 방법이 적용될 수 있다.
상기 센서부재(300, 310, 320)는 접촉, 압력, 온도 센서일 수 있고, 상기 구획수단의 변화를 감지할 수 있는 방식이면, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 센서부재는 각각 다른 방식으로 감지할 수도 있고, 같은 방식으로 감지할 수도 있다. 상기 센서부재에서 신호를 감지하여 설정 값 이상일 경우, 알림부재에 그 신호를 전달할 수 있다.
상기 알림부재(400)에서 발생하는 알람은 소리알람, 점멸등, 또는 네비게이션이나 디스플레이에 시각적 형태로 나타날 수도 있다. 상기 알람부재는 BMS에서 신호를 받아 알림을 제공하는 형태일 수도 있고, 전지 자체와 연결된 알림부재에서 알림을 제공하는 형태일 수도 있다.
상기 센서부재와 상기 알림부재의 위치는 구획수단에서 발생한 변화를 감지할 수 있고 이를 전달하기 위해서라면 제한되지 않는다. 다만, 전지의 부피를 늘리지 않는 범위에서 한정하여 생각하여 볼 때, 도 3과 같이 수납부와 가스저장부 사이의 제2실링부 사이의 공간에 위치할 수 있다. 또한 도 5와 같이 상기 가스저장부 위에서 변화하는 압력을 측정하여 이를 전달하기 위해 가스 저장부의 부피에 의해 팽창하는 부분에 위치할 수 있다.
상기 일방향 밸브(500)는 가스나 물질을 일정한 방향으로만 이동시키기 위해 사용된다. 일방향 밸브는(500) 도 2와 같이 수납부(110)에서 발생한 가스를 가스저장부(200)로만 이동시킬 수 있도록 구비될 수 있고, 도 4와 같이 가스저장부(200)에 있는 물질을 수납부(110)로 이동시키기 위해 구비될 수도 있다.
도4에서 볼 수 있듯 상기 구획수단은 전해액 등 전지의 사용에 따라 소모되는 물질을 전지에 제공되기 위해 사용될 수도 있다. 상기 구획수단은 가스에 의해 팽창되거나, 이동되어 소모 물질이 포함된 부분의 압력을 증가시킨다. 이로 인해 소모 물질이 포함된 부분과 연결되어 있는 일방향 밸브(500)에 의해 전지로 소모 물질이 이동하게 된다. 또한 전지의 구획수단이 소모 물질이 포함된 부분의 전지케이스 외면과 인접한 끝부분에 위치한 구획수단 등 일정 부분에 다다르게 되면 구획수단의 이동이 센서부재(300)에 의해 감지된다. 센서부재(300)는 상기 신호를 전지의 위험신호 또는 정지여부를 알림부재에 전달하거나, 상기 신호 감지시, 전지의 기능을 정지시킬 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100 : 수납부
110 : 전극조립체
200 : 가스저장부
210 , 211, 212: 구획수단
300, 310, 320 : 센서부재
400 : 알림부재
500 : 제1 일방향 밸브
510 : 제2 일방향 밸브

Claims (16)

  1. 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 수납부 내에 수납되어 있는 전지 셀에 있어서,
    상기 수납부의 외측에는 상기 전지 셀 내부에서 발생한 가스를 저장하는 가스저장부가 형성되고,
    상기 가스저장부에는 가스저장부의 공간을 2개 이상으로 구획할 수 있는 구획수단이 더 구비되며,
    상기 가스저장부 외면에는 각 구획수단에 따른 신호를 감지하는 센서부재가 구비되고,
    상기 센서부재는 알림부재와 연결되어 있으며,
    설정 값을 벗어날 경우 알림부재에 신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지케이스에는 전극조립체 및 전해액을 내장한 상태에서 외주면을 열융착한 제1실링부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수납부와 상기 가스저장부 사이에는 제2실링부가 형성된 것을 특징으로 하는 전지 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전지 셀 내부의 가스가 소정 압력이상으로 팽창하면 가스저장부로 가스를 유도하는 제1 일방향 밸브가 제2실링부에 구비된 것을 특징으로 하는 전지 셀.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서부재는 접촉 센서, 압력 센서 및 온도 센서 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 저장부의 제1구획이 가스 등에 의해 찬 경우 제1구역에 장착된 상기 센서부재에 의해 감지되고,
    위험수위로 설정된 제(N-1)구획이 찬 경우 제(N-1)구역에 장착된 상기 센서부재에 의해 감지되고,
    마지막 구획이 찬 경우 가스배출이 되어 전지의 기능을 정지시키는 것을 특징으로 하는 전지 셀.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 구획수단은 가스로 인한 팽창 시 전지 셀의 외벽보다 파손되기 쉬운 소재로 이루어진 전지 셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 구획수단은 가스로 인한 팽창시 전지 셀의 외벽보다 변형되기 쉬운 소재로 이루어진 전지 셀.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구획수단의 변형에 따라 가스가 유입되는 부분이 아닌 공간 중 한 공간의 부피가 줄어드는 축소부를 포함하는 전지 셀.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 축소부는 상기 수납부 방향으로 물질을 이동시킬 수 있는 제2 일방향 밸브가 제2실링부에 구비된 것을 포함하는 전지 셀.
  13. 제10항에 있어서,
    가스 발생 전 축소부가 가스유입시 구획수단의 변형에 따라 부피가 커지는 확장부보다 부피가 큰 것을 포함하는 전지 셀.
  14. 제1항 내지 제4항, 제6항, 제7항, 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 전지 셀을 포함하는 전지팩
  15. 제 14항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 디바이스는 모바일 전자기기 또는 전지 기반 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike) 또는 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 또는 전력저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 디바이스
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