KR20110058381A - 이차 전지 및 그를 이용한 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 전극 조립체가 수용되며 상기 전극 조립체에 연결된 한 쌍의 전극단자의 자유단을 외부로 노출시키는 파우치 케이스와, 상기 파우치 케이스에 설치되어 상기 파우치 케이스의 팽창 시 상기 파우치 케이스에 벤트가 형성하는 벤트생성유닛을 포함하는 이차전지 및 그를 이용한 전지팩을 제공한다.

Description

이차 전지 및 그를 이용한 전지 팩{SECONDARY BATTERY AND BATTERY PACK USING THE SAME}
본 발명은 이자전지 및 그를 이용한 전지 팩에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 가능한 전지를 말하는 것으로서, 핸드폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
여러 종류의 이차 전지 중에서, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 높고 단위 중량당 에너지 밀도가 높아 널리 사용되고 있는 추세이다. 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 캔형, 파우치형을 들 수 있다.
리튬 이차 전지는 크게는 양극판과 음극판 및 세퍼레이터를 구비하는 전극조립체와, 상기 전극조립체와 상호 작용하는 전해액을 포함한다. 이러한 전극조립체와 전해액의 상호 작용에 의해, 위의 충전 및 방전이 이루어지게 된다.
이러한 이차전지는 과충전 및 과방전이나 내부 단락 및 기타 과열 조건으로 인해 전지 내부 온도가 상승하거나, 전지 내부의 가스압이 과도하게 높아질 수 있 다. 이는 이차전지가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상을 유발하며, 이차전지가 정상 상태에서 벗어나도록 할 수 있다.
본 발명의 일 목적은 종래와 다른 방식으로 스웰링 현상에 대처할 수 있는 이차전지 및 그를 이용한 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 스웰링 발생 시에 그를 해소하기 위한 벤트가 형성되도록 하는 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 측면에 관련된 이차전지는 내부에 전극 조립체가 수용되며 상기 전극 조립체에 연결된 한 쌍의 전극단자의 자유단을 외부로 노출시키는 파우치 케이스와, 상기 파우치 케이스에 설치되어 상기 파우치 케이스의 팽창 시 상기 파우치 케이스에 벤트가 형성하는 벤트생성유닛을 포함한다.
또한, 상기 벤트생성유닛은 상기 파우치 케이스의 일 측면을 지향하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 일 측면에는 상기 전극 단자의 일부를 감싸면서 상기 파우치 케이스의 일 부분에서 연장된 테라스가 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 벤트생성유닛은 상기 테라스에 장착될 수 있다.
또한, 상기 벤트생성유닛은, 상기 테라스의 단부 영역을 클램핑하도록 배치 되는 지지부와, 상기 지지부에서 연장하며 자유단이 상기 일 측면을 지향하는 핀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 핀에는 상기 자유단에서 연장하며 외부와 연통되는 유동 채널이 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극 단자에는 상기 전극 조립체의 전압 강하를 감지하는 감지 소자가 장착될 수 있다.
또한, 상기 감지 소자가 전기적으로 연결되어 상기 전압 강하에 관한 정보를 입력받는 회로기판이 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 이차 전지는 전극 조립체와, 파우치 케이스와, 전극 단자와, 벤트생성유닛과, 감지 소자를 포함한다. 상기 전극 조립체는 양극판과 음극판 그리고 상기 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비한다. 상기 파우치 케이스의 내부 공간에는 상기 전극 조립체가 내장되며 전해액이 주입된다. 상기 전극 단자는 상기 양극판 및 음극판에 각각 연결되며 자유단이 상기 파우치 케이스 외부로 노출되도록 배치되는 한 쌍으로 구성된다. 상기 밴트생서유닛은 상기 파우치 케이스의 외면 중 일 부분을 지향한 채로 상기 일 부분에 이격되도록 상기 파우치 케이스에 장착되어 상기 파우치 케이스의 팽창 시 상기 일 부분이 찔려서 벤트가 형성되게 한다. 상기 감지 소자는 상기 전극 단자에 연결되어 상기 벤트의 형성에 따른 상기 전극 조립체의 전압의 변화를 감지한다.
상기 전극 단자의 일부를 감싸면서 상기 파우치 케이스의 일 부분에서 연장된 테라스가 형성되고, 상기 벤트생성유닛은 상기 테라스에 장착될 수 있다.
상기 벤트생성유닛은, 상기 테라스의 단부 영역을 클램핑하도록 배치되는 지지부와, 상기 지지부에서 연장하며 자유단이 상기 일 측면을 지향하는 핀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 핀에는 상기 자유단에서 연장하며 외부와 연통되는 유동 채널이 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전지팩은 위와 같은 이차전지를 복수 개 구비한다. 나아가, 상기 복수의 이차전지들의 전극 단자들을 전기적으로 연결하는 연결부와, 상기 연결부와 전기적으로 연결되며 상기 전극 조립체의 충/방전을 제어하는 회로가 구현된 회로기판을 더 포함한다.
또한, 상기 이차전지의 전극 단자에는 상기 전극 조립체의 전압 강하를 감지하는 감지 소자가 장착될 수 있다.
또한, 상기 감지 소자는 상기 회로기판과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 감지소자로부터 입력된 값에 대응하는 출력을 발생시키는 디스플레이 또는 발광 소자가 구비될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 이차전지 및 그를 이용하는 전지팩은 스웰링 발생 시에 벤트생성유닛에 의해 파우치 케이스가 찔려지면서 벤트가 생성되게 한다. 이로 인하여, 이차전지의 과열, 과압 상태가 해소되며, 내부로 수분이 유입됨에 따라 이차전지가 정상 작동하지 않게 하여 큰 사고를 방지할 수 있게 한다.
나아가, 스웰링에 의해 정상 작동하지 않는 이차 전지를 전압의 변화를 감지하여 선별할 수 있게 되므로, 해당 전지를 정확하게 신속하게 파악하여 교체할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지 및 그를 이용한 전지팩에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩의 조립 사시도이다.
본 도면을 참조하면, 상기 전지팩은 복수의 이차전지(110)가 적층되어 구성된다. 이차전지(110)의 개수의 증가에 대응하여, 전지팩의 충/방전 용량은 증가하게 된다. 이러한 전지팩은 단일 이차전지(110)만으로 전력 공급이 충분한 소형 기기보다는 큰 용량을 요하는 중, 대형 기기에 사용될 수 있을 것이다.
상기 전지팩의 인접한 이차전지(110)의 전극단자(111)들 중 동일한 극성을 가지는 것들은 연결부(120)에 의해 서로 통전 된다. 연결부(120)는 인접한 이차전지(110)들 사이에 배치되는 연결판(121)들과, 최외곽 연결판(121)에 연결되는 연결봉(122)을 포함할 수 있다. 연결부(120)는 도전성의 금속 소재로서, 예를 들어 전기 전도성이 다른 금속들에 비해 높은 구리 등으로 형성될 수 있다.
복수의 이차전지(110)들의 충전 및 방전을 제어하기 위한 회로가 내장된 회로기판(130)은 하나만 구비될 수 있다. 회로기판(130)은 연결봉(122)을 통하여 이차전지(110)들과 전기적으로 연결된다. 하나의 회로기판(130)에 의해 복수의 이차전지(110)들이 제어됨에 따라, 각 이차전지(110) 별로 회로를 구성하는 경우보다 간단한 구조를 형성할 수 있게 된다.
각 이차전지(110)에는 벤트생성유닛(140)이 설치될 수 있다. 이에 대해서는 도 2 등을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
다시 도 1을 참조하면, 회로기판(130)은 각 전극단자(111)에 삽입되거나 결합된 감지 소자(150)와 연결된다. 감지 소자(150)는, 예를 들어 전선으로서, 각 이차전지(110)에서의 전압의 변화를 회로기판(130)이 감지할 수 있게 한다.
도 2는 도 1의 전지팩을 이루는 복수의 이차전지(110) 중 하나를 보인 사시도이다.
본 도면을 참조하면, 상기 이차전지(110)는 파우치 케이스(110')와, 전극단자(111)와, 벤트생성유닛(140)을 포함할 수 있다.
파우치 케이스(110') 내에는 전극조립체(미도시)가 내장되며, 전극조립체에 연결된 전극단자(111)는 파우치 케이스(110') 외부로 연장한다.
상기 전극조립체는 양극집전체의 표면에 양극 활물질층이 코팅된 양극판과, 음극집전체의 표면에 음극 활물질층이 코팅된 음극판과, 상기 양극판 및 음극판 사이에 위치하여 상기 양극판과 음극판을 절연시키는 세퍼레이터가 순차로 적층 된 것으로, 젤리롤(jelly role)의 형상으로 권취 되어 파우치 케이스(110')의 내부에 수납된다.
상기 양극판의 양극집전체는 충전시 양극 활물질층으로부터 전자를 모아서 외부회로로 이동시킬 수 있도록 도전성 있는 금속재질로 형성된다. 상기 양극 활물질층은 양극 활물질과 도전재 및 바인더를 혼합하여 제조되며, 상기 양극집전체 상 에 소정의 두께로 코팅되어 형성된다.
상기 음극판의 음극집전체는 방전시 음극 활물질층으로부터 전자를 모아서 외부회로로 이동시킬 수 있도록 도전성 있는 금속재질로 형성된다. 상기 음극 활물질층은 음극 활물질과 도전재 및 바인더를 혼합하여 제조되며, 상기 음극집전체 상에 소정의 두께로 코팅되어 형성된다.
전극단자(111)는 파우치 케이스(110')의 내부에서 외부로 연장하도록 형성된다. 전극단자(111)는 제 1 전극단자(111a) 및 제 2 전극단자(111b)를 포함할 수 있다. 제 1 전극단자(111a)는 양극판 또는 음극판과 전기적으로 연결되어 전기적으로 음극 또는 양극일 수 있다. 제 2 전극단자(111b)는 양극판 또는 음극판과 전기적으로 연결되어 제 1 전극단자(111a)와 전기적으로 반대의 극성일 수 있다.
전극단자(111)를 감싸도록, 파우치 케이스(110')의 측면(113)의 두께 방향의 양단부 중 일 단부에 치우친 채로 테라스(112)가 돌출하게 형성될 수 있다. 이 테라스(112)는 파우치 케이스(110')를 이루는 두 개의 케이스 부분들이 서로 융착되어 형성될 수 있다.
벤트생성유닛(140)은 파우치 케이스(110')가 스웰링에 의해 부풀어 오를 때, 파우치 케이스(110')에 벤트(vent)가 생성되도록 하기 위한 것이다.
벤트생성유닛(140)은 파우치 케이스(110')에 설치된다. 구체적으로, 벤트생성유닛(140)은 파우치 케이스(110')의 일 측면(113)을 지향하도록 테라스(112)에 설치될 수 있다. 이는, 이차전지(110)들이 서로 적층 되므로, 스웰링 시 상대적으로 외부로 부풀게되는 위 측면(113)에 대응해 벤트생성유닛(140)이 설치되는 것이 효과적이기 때문이다. 나아가, 벤트생성유닛(140)은 전극단자(111a, 111b)들 사이에 배치될 수 있다.
앞선 도면에서는 전지팩을 이루는 복수의 이차전지(110)들에 대하여 하나의 회로기판(130)을 연결하는 구성을 설명하였으나, 이차전지(110) 하나만이 사용될 경우에는 그에 상응하는 보다 작은 크기의 회로기판을 연결할 수 있음은 당업자라면 충분히 이해할 것이다. 이 경우, 도 1에서 설명한 감지 소자(150)는 전극단자(111)에 연결된 채로 위 회로기판에 연결될 수 있을 것이다.
도 3은 도 2의 라인(Ⅲ-Ⅲ)을 따라 취한 벤트생성유닛(140)과 관련한 단면도이다.
본 도면을 참조하면, 벤트생성유닛(140)은 파우치 케이스(110')의 테라스(112)의 자유단을 클램핑하도록 결합되는 지지부(141)와, 상기 지지부(141)에서 연장하는 핀(142)을 포함한다. 지지부(141)는 핀(142)이 파우치 케이스(110')에 대해 일 위치에 유지되도록 하고, 핀(142)은 파우치 케이스(110')의 스웰링 시에 파우치 케이스(110')가 찔리면서 파우치 케이스(110')에 벤트가 생성되게 한다.
핀(142)에는 유동 채널(143)이 형성될 수 있다. 유동 채널(143)은 핀(142)의 내부에 중공부의 형태로서 형성된다. 구체적으로, 유동 채널(143)은 핀(142)의 자유단에서 연장하며 외부와 연통 되도록 형성된다.
도 4는 스웰링 발생 시에 도 2의 이차전지(110)의 벤트생성유닛(140)의 작용을 설명하기 위한 개념도이다.
본 도면을 참조하면, 이차전지(110)들이 서로 적층되는 구조이므로, 스웰링 발생 시에는 측면(113)이 가장 많이 부풀어 오르게 된다. 측면(113)이 일정 수준 이상으로 부풀어서 그들 지향하고 있던 핀(142)과 간섭하게 되면, 측면(113)은 핀(142)에 의해 찔려지게 된다. 그 결과로, 측면(113)에는 벤트(115)가 생성되어 파우치 케이스(110') 내부의 가스가 그를 통해 외부로 배출된다.
핀(142)이 파우치 케이스(110')를 찌를 때, 파우치 케이스(110') 내부의 가스 등의 유체는 파우치 케이스(110')와 핀(142) 사이의 공간뿐만 아니라, 유동 채널(143)을 통해서도 유동하므로 보다 신속하게 외부로 배출될 수 있게 된다.
도 5는 도 4의 이차전지(110)의 가스 배출이 완료된 상태를 보인 개념도이다.
본 도면을 참조하여, 가스가 일정 수준 이상 배출된 파우치 케이스(110')는 다시 수축한 상태로 되돌아 갈 것이다. 그러나, 이러한 복귀는 스웰링이 발생하기 전의 최초 상태로까지 진행되는 것은 아닐 수 있다.
이러한 복귀로 인하여, 파우치 케이스(110')의 측면(113)은 다시 벤트생성유닛(140)의 핀(142)으로부터 떨어진 위치에 놓이게 된다. 또한, 벤트(115)는 더 이상 핀(142)에 의해 가려지지 않은 채로 유체의 유동 통로를 제공하게 된다.
이때, 외부의 공기가 파우치 케이스(110')의 내부로 벤트(115)를 통해 유입될 수 있다. 파우치 케이스(110') 내부에는 수분이 극히 미량, 예를 들어 1ppm 정도만 함유되게 구성된다. 따라서, 외부 공기의 유입은 기존의 수분량을 크게 뛰어 넘는 다량의 수분이 파우치 케이스(110') 내부로 유입되는 결과를 초래한다.
이에 대해서는 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 스웰링과 관련한 이차전 지(110)의 교체를 위한 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
본 도면(및 도 1 내지 도 5)을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이, 이차전지(110)의 충/방전 등의 경우에 이상 작동에 의해 스웰링(210)이 발생하면, 파우치 케이스(110')가 벤트생성유닛(140)과 연관되어 벤트(115)가 형성된다.
벤트(115)의 생성으로 파우치 케이스(110') 내부의 과압 등이 해소되나, 그와 함께 수분을 함유한 외부 공기가 파우치 케이스(110') 내로 유입된다. 이러한 외부의 수분은 전해액 등과 반응하여 이차전지(110)의 출력 전압이 떨어지게 한다.
이러한 출력 전압의 변화는 감지 소자(150)를 통하여 감지된다. 회로기판(130)은 출력 전압의 변화를 입력받음에 따라, 복수의 이차전지(110)들 중에 어떤 것에 스웰링이 발생해서 해당 이차전지가 정상 작동하지 않는지를 판별할 수 있게 된다. 이러한 판별 결과는 회로기판(130)에 연결된 디스플레이를 통해 작업자가 인식할 수 있도록 출력될 수 있다. 상기 디스플레이와 달리, 발광 수단을 이용하여 위의 판별 결과에 대응하는 점등이 이루어지게 할 수도 있다.
본 발명에 따른 이차전지 및 전지 팩은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩의 조립 사시도.
도 2는 도 1의 전지팩을 이루는 복수의 이차전지 중 하나를 보인 사시도.
도 3은 도 2의 라인(Ⅲ-Ⅲ)을 따라 취한 벤트생성유닛과 관련한 단면도.
도 4는 스웰링 발생 시에 도 2의 이차전지의 벤트생성유닛의 작용을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 도 4의 이차전지의 가스 배출이 진행된 상태를 보인 개념도.
도 6은 스웰링과 관련한 이차전지의 교체를 위한 과정을 설명하기 위한 개념도.

Claims (15)

  1. 내부에 전극 조립체가 수용되며, 상기 전극 조립체에 연결된 한 쌍의 전극단자의 자유단을 외부로 노출시키는 파우치 케이스; 및
    상기 파우치 케이스에 설치되어, 상기 파우치 케이스의 팽창 시 상기 파우치 케이스에 벤트가 형성되게 하는 벤트생성유닛을 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벤트생성유닛은 상기 파우치 케이스의 일 측면을 지향하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 일 측면에는 상기 전극 단자의 일부를 감싸면서 상기 파우치 케이스의 일 부분에서 연장된 테라스가 형성되고,
    상기 벤트생성유닛은 상기 테라스에 장착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 벤트생성유닛은,
    상기 테라스의 단부 영역을 클램핑하도록 배치되는 지지부; 및
    상기 지지부에서 연장하며, 자유단이 상기 일 측면을 지향하는 핀을 포함하 는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 핀에는 상기 자유단에서 연장하며 외부와 연통되는 유동 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 단자에는 상기 전극 조립체의 전압 강하를 감지하는 감지 소자가 장착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 감지 소자가 전기적으로 연결되어, 상기 전압 강하에 관한 정보를 입력받는 회로기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 양극판과 음극판, 그리고 상기 극판들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 구비하는 전극 조립체;
    내부 공간에는 상기 전극 조립체가 내장되며 전해액이 주입된 파우치 케이스;
    상기 양극판 및 음극판에 각각 연결되며, 자유단이 상기 파우치 케이스 외부로 노출되도록 배치되는 한 쌍의 전극 단자;
    상기 파우치 케이스의 외면 중 일 부분을 지향한 채로 상기 일 부분에 이격되도록 상기 파우치 케이스에 장착되어, 상기 파우치 케이스의 팽창 시 상기 일 부분이 찔려서 벤트가 형성되게 하는 벤트생성유닛; 및
    상기 전극 단자에 연결되어, 상기 벤트의 형성에 따른 상기 전극 조립체의 전압의 변화를 감지하는 감지 소자를 포함하는 이차전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전극 단자의 일부를 감싸면서 상기 파우치 케이스의 일 부분에서 연장된 테라스가 형성되고,
    상기 벤트생성유닛은 상기 테라스에 장착되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 벤트생성유닛은,
    상기 테라스의 단부 영역을 클램핑하도록 배치되는 지지부; 및
    상기 지지부에서 연장하며, 자유단이 상기 일 측면을 지향하는 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 핀에는 상기 자유단에서 연장하며 외부와 연통되는 유동 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 이차전지를 복수 개 구비하며,
    상기 복수의 이차전지들의 전극 단자들을 전기적으로 연결하는 연결부; 및
    상기 연결부와 전기적으로 연결되며, 상기 전극 조립체의 충/방전을 제어하는 회로가 구현된 회로기판을 포함하는 전지팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 이차전지의 전극 단자에는 상기 전극 조립체의 전압 강하를 감지하는 감지 소자가 장착되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 감지 소자는 상기 회로기판과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 감지소자로부터 입력된 값에 대응하는 출력을 발생시키는 디스플레이 또는 발광 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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