KR20110009108A - 비가역적 퓨즈를 갖는 전기화학적 셀 - Google Patents

Abstract

하나 이상의 리튬-삽입 전극 및 밀봉 방식으로 폐쇄되는 얇은 유연성 하우징을 갖는 재충전식 전기화학적 셀(1)이 기술되며, 위 하우징은 접착층 또는 밀봉층(4)에 의해 서로 연결되는 두 개의 필름을 포함하며, 여기서 상기 셀(1)은 하나 이상의 전류 출력 전도체(2)를 가지고, 상기 출력 전도체(2)에 비가역적 트리핑 온도 퓨즈(3)가 통합되며, 상기 퓨즈는 하우징 내에 배열되거나 접착층 또는 밀봉층(4)에 내장된다.

Description

비가역적 퓨즈를 갖는 전기화학적 셀{ELECTROCHEMICAL CELL WITH AN IRREVERSIBLE FUSE}

본 발명은 하나 이상의 리튬-삽입 전극 및 얇고 유연한 하우징을 갖는 재충전식 전기화학적 셀에 관한 것이며, 위 하우징은 밀봉 방식으로 폐쇄되어 단락 회로 또는 과충전에 의해 야기되는 손상을 보호한다.

이러한 전기화학적 셀의 높은 에너지 밀도와 경량으로 인하여, 재충전식 리튬-이온 셀, 특히 리튬-폴리머 셀은 휴대용 MP3 플레이어, PDA, 다이어리, 노트북, 또는 전화기와 같은 휴대용 애플리케이션에서 에너지원으로서 사용되는 것이 선호된다.

일반적으로, 리튬-이온 셀 또는 리튬-폴리머 셀은 가연 성분(예를 들어, 유기 탄산염(organic carbonate)에 기초한 전해질)을 가진다. 이러한 셀의 높은 에너지 밀도와 관련하여, 위 사실은 사용자에 대한 잠재적인 위험을 나타낸다. 따라서 사용자에 대한 위험을 배제하기 위하여 또는 위험을 가능한 한 최소로 유지하기 위하여 특별한 안전 대책이 취해져야 한다.

특히, 리튬-이온 셀 또는 리튬-폴리머 셀은 외부 단락 회로 또는 과충전에 의해 야기되는 서지 전류에 의해 손상을 입을 수 있으며, 심지어 불이 붙거나 폭발할 수도 있다. 통계적 관점에서, 특히 과충전이 가장 빈번한 셀 결함의 요인 중 하나이다.

리튬-이온 셀, 특히 리튬-폴리머 셀은 특히, 흑연-함유 애노드 및 리튬 코발트 산화물에 기초한 캐소드를 종종 가진다. 충전 과정 동안, 리튬 이온들이 리튬 코발트 산화물로부터 이주하여 애노드의 흑연층 사이에 삽입된다. 이러한 셀이 특히 4.2V 이상의 전압까지 과충전된 경우, 애노드의 흑연층 사이에 삽입될 수 있는 양보다 많은 리튬 이온들이 이주한다. 결과적으로, 매우 반응성이 큰 금속성 리튬이 애노드의 표면에 증착된다. 충전 과정이 추가로 계속되는 경우, 이에 상응하여 전압이 특히 4.2V 이상의 상당한 레벨까지 추가로 증가되고, 이로 인해 단위 셀(pouch cell)의 맹렬한 가스화가 일어난다. 더욱이, 리튬의 점진적 이주의 결과로 리튬 코발트 산화물 구조가 더욱더 불안정해져서, 결국에는 리튬 코발트 산화물이 붕괴되어 산화제를 방출한다. 위와 같은 과정으로 인하여 셀이 심하게 가열되고, 이는 폭발과 같은 연소의 결과를 초래할 수 있다.

이러한 문제를 피하기 위하여, 리튬-이온 셀, 특히 리튬-폴리머 셀에 종종 안전 전자 기기가 제공되며, 이러한 전자 기기는 충전 및 방전 과정을 모니터링하고, 부정확한 조작(handling)으로부터 셀을 보호하며, 특히 외부 단락 회로로부터 셀을 보호한다. 그러나, 전자 퓨즈는 비교적 고비용이고, 예를 들어 태양 복사 경우의 고온과 같은 극한 조건에서 고장날 수 있다는 결점을 가진다. 따라서, 셀들이 안전 전자 기기 없이도 외부 단락 회로 또는 과충전을 견딜 수 있도록 개선될 필요가 있다.

본 발명은 위와 같은 요구 조건을 따르는 청구항 1의 특징들을 갖는 전기화학적 셀을 제공한다. 본 발명에 따른 전기화학적 셀의 바람직한 실시예들이 종속 청구항 2 내지 7에서 구체화된다. 모든 청구항의 용어는 본 명세서의 내용을 참조하여 포함되었다.

본 발명에 따른 재충전식 전기화학적 셀이 하나 이상의 리튬-삽입 전극을 가진다. 따라서 본 발명에 따른 전기화학적 셀은 리튬-이온 셀, 특히 리튬-폴리머 셀인 것이 선호된다.

본 발명에 따른 전기화학적 셀은 접착층 또는 밀봉층에 의한 밀봉 방식으로 서로 연결된 두 개의 필름을 포함하는 하우징을 가지며, 이러한 하우징은 본질적으로 외부로부터 하우징 내부로 어떠한 습기도 들어갈 수 없도록, 그리고 하우징 내에 보유될 수 있는 액체 전해질이 새어나올 수 없도록 밀봉된다.

하우징 필름은 특히 폴리아미드/알루미늄/폴리프로필렌 순서를 갖는 알루미늄 복합 필름인 것이 선호된다. 일반적으로 하우징 필름은 160μm의 최대 두께를 가지며, 이로써 매우 얇고 유연한 하우징이 될 수 있다.

본 발명에 따른 전기화학적 셀은 하나 이상의 비가역적 트리핑(tripping) 온도 퓨즈(thermal fuse)가 통합된 하나 이상의 전류 출력 전도체를 가진다는 점에서 특히 구별된다. 전기 퓨즈와 대조적으로, 본 발명에 따른 전기화학적 셀에 사용되는 퓨즈는, 퓨즈를 통과해 흐르는 전류에 의해 트립되지 않고 사실상 오로지 퓨즈의 온도에 의해서만 트리핑이 야기된다.

본 발명에 따른 셀이 과충전된 경우, 비가역적 트리핑 온도 퓨즈가 과충전 동안 생성된 열에 반응하고, 마찬가지로 비가역적으로 회로를 개방한다. 이로써 추가적인 과충전이 더 이상 가능하지 않고, 이미 손상을 입은 셀은 다시 과충전될 수 없으며, 이는 가역적 퓨즈 요소와 대조적이다. 이는, 비가역적 트리핑 온도 퓨즈와 대조적으로, 냉각된 이후 또다시 충전되는 셀의 가역적 트리핑 퓨즈의 경우에, 그리고 처음에 언급된 폭발과 같은 연소가 일어나는 복수의 스위칭-오프(switching-off) 사이클 이후의 포인트에 도달하는 경우에 위험이 존재하기 때문이다.

이러한 경우, 하나 이상의 퓨즈가 하우징 내에 배열되는 것이 선호되나, 대안적으로 또는 추가적으로 접착층 또는 밀봉층에 내장될 수도 있다.

퓨즈가 하우징 내에 배열되는 경우, 상기 퓨즈는 유기 전해질에 저항성이 있는 플라스틱 코팅을 갖도록 제공되는 것이 바람직하다. 예로서, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에폭시 수지, 또는 폴리우레탄에 기초한 접착 테이프 또는 접착 필름이 코팅제로서 사용될 수 있다.

퓨즈가 접착층 또는 밀봉층에 내장되는 경우, 일반적으로 위와 같은 보호 코팅이 요구되지 않는다. 이러한 경우, "내장"이라는 용어는, 온도 퓨즈가 하우징 필름에 의해 충분히 완전하게 둘러싸여서 하우징에 포함되어 있을 수 있는 임의의 전해질 또는 하우징 외부를 둘러싼 영역 중 어떠한 것과도 직접 접촉하지 않을 수 있다는 것을 의미하도록 의도된다. 더욱이, 접착층 또는 밀봉층 내의 온도 퓨즈의 배열로 인하여, 활성 물질을 위해 사용될 수 있는 어떠한 공간도 하우징 내에서 허비되지 않는다는 이점을 가진다.

바람직한 실시예에서, 온도 퓨즈는 90℃와 100℃ 사이의 정격(rated) 트리핑 온도를 가진다. 온도 퓨즈가 50℃와 60℃ 사이의 고정(holding) 온도를 갖도록 하는 것도 바람직할 수 있다. 이번 예시에서 위와 같은 값들은 2A의 정격 전류에서 각각 결정되었다.

정격 트리핑 온도는 온도 퓨즈가 자신의 전도성을 변화시켜 회로를 개방하는 온도이다. 고정 온도는 퓨즈 트리핑 없이, 즉 전도성 변화 및 회로 개방 없이 지정 시간 동안(이번 경우에서는 100 시간 동안) 온도 퓨즈를 통과해 정격 전류가 흐르는 최대 온도이다.

온도 퓨즈가 150℃의 최대 온도 한계치 갖도록 하는 것이 더욱더 바람직하다. 이번 경우에서, 최대 온도 한계치는, 트리핑 이후 온도 퓨즈가 자신의 기계적 및 전기적 특성을 보유하는 온도를 의미하고, 위 온도 이상에서 전류가 또다시 흐를 수 있다.

본 발명에 따른 전기화학적 셀의 내부 저항이 20mohm과 100mohm 사이의 범위에 있는 것이 바람직하다.

온도 퓨즈는 합금에 기초한, 특히 Roses 금속 및/또는 d'Arcets 금속에 기초한 퓨즈 링크인 것이 특히 바람직하다.

알려진 바와 같이, Roses 금속은 비스무트, 납 및 주석으로 구성된 합금이다. 이러한 합금의 녹는점은 약 98℃이고, 따라서 물의 끓는점보다 낮다. 구체적으로, Roses 금속은 50%의 비스무트, 25 내지 28%의 납, 그리고 22 내지 25%의 주석으로 구성되고, 약 9.32 g/cm³의 밀도를 가진다. 위와 비슷한 상황이, 마찬가지로 미스무트, 주석 및 납으로 구성된 합금인 d'Arcets 금속에도 적용되나, d'Arcets 금속은 다소 낮은 약 93.75℃의 녹는점을 가진다.

본 발명에 따른 전기화학적 셀의 하우징 필름은 특히 위에서 이미 언급된 알루미늄 복합 필름과 같은 금속/플라스틱 복합 필름이다. 이러한 복합 필름은, 하우징 내부를 마주하는 옆면이 전기 절연체(가령, 절연성 플라스틱 필름 또는 절연성 접착 테이프)로 코팅된 금속층을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 금속은 구리, 알루미늄, 또는 위 금속들의 합금인 것이 바람직하다. 추가적 층(특히, 예를 들어 폴리에스터로 구성된 얇은 플라스틱 층)이 금속층의 외부에 배열될 수 있다.

하우징 내부를 마주하는 금속층 옆면 상의 절연층이 20μm와 70μm 사이의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이는, 이러한 범위가, 본 발명에 따른 전기화학적 요소의 온도 퓨즈가 특히 빠르게 반응하는 것을 보장한다는 점이 발견되었기 때문이다. 이는, 과충전 또는 단락 회로의 경우에, 본 발명에 따른 전기화학적 셀의 전극에서부터 시작하여, 그 중에서도 본 발명에 따른 전기화학적 셀의 하우징 필름을 통해 열이 전파되기 때문이다. 그러나, 절연층이 지나치게 두꺼운 경우, 열은 비교적 느리게 온도 퓨즈를 통과할 수 있다.

절연층은 폴리올레핀 층, 예를 들어 위에서 언급된 알루미늄 복합 필름의 경우에서와 같이 폴리프로필렌으로 구성된 층인 것이 바람직하다.

이미 언급된 바와 같이, 두 개의 하우징 필름은, 접착 본딩에 의해 또는 해당업계에서 일상적인 그 밖의 다른 수단, 예를 들어 용접 및/또는 핫 실링(hot sealing)에 의해 서로 연결될 수 있다. 적당한 수단들이 해당업계 종사자에게 잘 알려져 있다.

본 발명에 따른 전기화학적 셀은 스택(stack)처럼 배열된 두 개의 전극을 갖는 하나 이상의 개개의 전기화학적 요소를 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로 이들 전극 사이에 분리기가 항상 배열되어, 하나 이상의 개개의 전기화학적 요소가 일반적으로 음극/분리기/양극의 순서를 포함하도록 한다.

하나 이상의 양극은 예를 들어 활성 물질로서 리튬 코발트 산화물을 가질 수 있다. 예로서, 하나 이상의 음극을 위한 활성 물질로서 흑연이 사용될 수 있다. 일반적으로, 분리기는 다공성 플라스틱, 예를 들어 폴리올레핀으로 구성되는 것이 바람직하다.

더욱이, 본 발명에 따른 전기화학적 셀은, 물론, 전해질, 예를 들어 이미 처음에 언급된 탄산염에 기초한 유기 전해질을 가질 수 있다.

지금까지 설명한 본 발명의 이점 및 추가적인 이점이 아래의 예시에 관한설명 및 종속항과 관련된 도면으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 개개의 특징들이 그 자체로서 또는 서로 결합하여 구현될 수 있다. 기술된 실시예들은 오직 예시적 목적 및 본 발명에 대한 더 나은 이해를 위해 의도되었을 뿐 제한적으로 이해되어서는 안된다.

도 1은 통합된 온도 퓨즈를 갖는 본 발명에 따른 셀의 기본 설계를 도식적으로 보여준다.
도 2는 과충전된 때 본 발명에 따른 셀의 행동을 보여준다.
도 3은 비가역적 온도 퓨즈가 없는 비교 셀의 행동을 보여준다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 비가역적 트리핑(tripping) 온도 퓨즈 요소(3)가 셀(1)의 출력 전도체들(2) 중 하나에 통합되어 있으며(가령, 용접되어 있음), 상기 출력 전도체(2)는 예를 들어 니켈, 구리, 또는 알루미늄으로 구성된다. 퓨즈 요소(3)는 셀의 밀봉층(4)에 배열되도록 위치된다. 하우징이 폐쇄된 경우, 퓨즈 요소(3)는 하우징 필름에 의해 실질적으로 완전히 싸인다.

도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 셀의 과부하 테스트 동안, 온도가 최대 약 38분까지 점진적으로 올라갔다. 이러한 과정 동안, 전류와 전압은 실질적으로 일정하게 유지되었다. 38분에서, 전압이 5.5V에서 12V까지 갑자기 뛰어올랐고, 반면 전류는 0으로 떨어졌다. 몇 분 내에, 온도가 100℃ 이상까지 올랐다가 실내 온도까지 천천히 떨어졌다.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 비교 셀의 전류, 전압 및 온도가 최대 38분까지 유사하게 행동했다. 이것뿐만 아니라 그 후 전류가 0으로 떨어졌고, 반면 전압은 12V까지 올랐다. 몇 분 후, 온도가 기하급수적으로 올라 셀이 타버렸다.

Claims (7)

1. 재충전식 전기화학적 셀에 있어서,
   상기 전기화학적 셀(1)은 하나 이상의 리튬-삽입 전극 및 밀봉 방식으로 폐쇄되는 얇은 유연성 하우징을 가지고, 상기 하우징은 접착층 또는 밀봉층(4)에 의해 서로 연결되는 두 개의 필름을 포함하며, 여기서, 상기 전기화학적 셀(1)은 하나 이상의 전류 출력 전도체(2)를 가지고, 상기 전류 출력 전도체(2)에 비가역적 트리핑(tripping) 온도 퓨즈(3)가 통합되며, 상기 온도 퓨즈(3)는 하우징 내에 배열되거나, 접착층 또는 밀봉층(4)에 내장되거나, 하우징 내에 배열되고 그리고 접착층 또는 밀봉층(4)에 내장되는 것을 특징으로 하는 재충전식 전기화학적 셀.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 온도 퓨즈(3)는 90℃와 100℃ 사이의 정격(rated) 트리핑 온도를 가지거나, 50℃와 60℃ 사이의 고정(holding) 온도를 가지거나, 90℃와 100℃ 사이의 정격(rated) 트리핑 온도 및 50℃와 60℃ 사이의 고정(holding) 온도를 가지는 것(각각의 경우에서 온도는 2A의 정격 전류에서 측정됨)을 특징으로 하는 재충전식 전기화학적 셀.
3. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 온도 퓨즈(3)는 합금에 기초한, 특히 Roses 금속과 d'Arcets 금속 중 하나 이상에 기초한 퓨즈 링크인 것을 특징으로 하는 재충전식 전기화학적 셀.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   하우징 필름이 금속 복합 필름 또는 플라스틱 복합 필름인 것을 특징으로 하는 재충전식 전기화학적 셀.
5. 청구항 5에 있어서,
   상기 금속 복합 필름 또는 플라스틱 복합 필름은 하우징 내부를 마주하는 옆면이 전기 절연체로 코팅된 금속층을 갖는 것을 특징으로 하는 재충전식 전기화학적 셀.
6. 청구항 5에 있어서,
   절연층이 20μm와 70μm 사이의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 재충전식 전기화학적 셀.
7. 청구항 5 또는 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   절연층이 폴리올레핀 층인 것을 특징으로 하는 재충전식 전기화학적 셀.

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