KR20110076860A - 향상된 안전성의 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온에서 전극단자 사이를 통전시키는 접속부재를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 케이스에 내장되어 있고 상기 전극조립체의 양극단자 및 음극단자가 소정의 외부회로에 연결될 수 있도록 케이스의 외면에 형성되어 있는 이차전지로서, 정상적인 작동 상태에서는 단전되어 있고 비정상적인 작동 상태의 고온에서는 통전되는 접속부재가 상기 전극단자들에 전기적으로 연결되어 있는 구조의 이차전지를 제공하는 바, 이러한 이차전지는 전지의 온도가 상승하였을 때 전극단자들 간의 통전에 의해 충전 전기를 방전시켜 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

향상된 안전성의 이차전지 {Secondary Battery of Improved Safety}
본 발명은 고온에서 전극단자 사이를 통전시키는 접속부재를 포함하고 있는 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액에 함침된 상태로 케이스에 내장되어 있고 상기 전극조립체의 양극단자 및 음극단자가 소정의 외부회로에 연결될 수 있도록 케이스의 외면에 형성되어 있는 이차전지로서, 정상적인 작동 상태에서는 단전되어 있고 비정상적인 작동 상태의 고온에서는 통전되는 접속부재가 상기 전극단자들에 전기적으로 연결되어 있는 구조의 이차전지를 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 전해액의 구성 내지 형태에 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 전해액이 함침되도록 하는 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 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 전지의 온도가 상승하게 되면, 전기화학적으로 불안정해진 전해액 등이 분해되면서 전지의 외형이 변형되거나 내부 단락 등이 일어날 수 있으며, 심한 경우 전지의 발화 내지 폭발이 초래될 수 있다. 특히, 고출력 대용량의 이차전지에 대한 수요가 높아짐에 따라 이차전지의 에너지 밀도가 높아지고 방전 전압이 커지는 추세에 비추어 이러한 안전성의 문제는 더욱 중요시 되고 있다.
따라서, 이러한 안전성의 문제를 해결하기 위해 전지의 이상 발생시 통전되는 회로상에 저항을 설치하여 충전 에너지를 소모시키는 기술에 대한 다양한 시도들이 행해진 바 있다.
예를 들어, 한국 특허출원공개 제1998-013736호에는, 전지팩 내부의 온도가 상승하면 양극단자에 연결된 바이메탈 스위치가 작동하여 저항부를 경유하여 전류를 통전시켜 주는 기술 내용이 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술은 전지의 충전 에너지를 소모하기 위해 별도의 저항부를 장착하여야 하고, 이상 고온시 저항부에 전류가 흐르는 과정에서 발열이 초래되어 전지의 온도를 더욱 상승시키는 요인으로 작용할 수 있다.
한국 특허출원공개 제1996-027032호에는, 원통형 전지의 상단 캡 내부에 바이메탈로 구성된 박판부재를 삽입하여 전지의 온도가 상승하면 전류를 흐름을 차단하여 더 이상의 과충전을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이미 과충전 상태에 이른 전지 내부의 에너지를 외부로 배출시키지 못하므로 전기화학적으로 불안정한 상태가 유지된다는 문제점이 있다.
또한, 한국 특허출원공개 제2006-083104호에는, 특정 온도 이상에서 급격한 전하 방전을 일으키는 전하방전물질층을 양극과 음극단자 사이에 형성하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 상기 선행기술은 전지의 안전성을 위협할 정도의 온도 상승이 아님에도 전기화학적 반응에 의해 상기 전하방전물질층에서 전하 방전이 일부 일어날 수 있다. 이러한 전하 방전은 전지의 성능을 저하시키고 전지의 용량 감소를 초래할 수 있다.
따라서, 상기의 문제점들을 보완하면서 전지의 고온 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 절실한 상황이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지의 비정상적인 작동으로 인해 온도가 상승할 때, 소정의 접속부재를 이용하여 전극단자들 사이를 통전시켜 충전 전기를 방전시킴으로써, 전지의 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액이 함침된 상태로 케이스에 내장되어 있고 상기 전극조립체의 양극단자 및 음극단자가 소정의 외부회로에 연결될 수 있도록 케이스의 외면에 형성되어 있는 이차전지로서, 정상적인 작동 상태에서는 단전되어 있고 비정상적인 작동 상태의 고온에서는 통전되는 접속부재가 상기 전극단자들에 전기적으로 연결되어 있는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지는 비정상적인 작동으로 전지의 온도가 상승할 때 상기 접속부재를 이용해 전극단자들 사이를 전기적으로 연결하여 바이패스(bypass)에 의해 내부의 충전 전기를 방전함으로써 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 접속부재는 양극단자 및/또는 음극단자에 연결되는 도전부와 상기 전극단자와 도전부 사이에 개재되어 있고 온도 상승시 용융되는 절연부로 구성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 접속부재는 전지의 정상적인 작동 온도에서는 전극단자와 도전부 사이가 절연부에 의해 전기적으로 절연되어 있으나, 전지의 온도가 일정 수준을 넘어서게 되면, 상기 절연부가 용융되면서 전극단자와 도전부가 전기적으로 연결되면서 전극단자들 간의 통전이 일어나게 된다.
예를 들어, 과충전 상태에서 전지의 온도가 상승하게 되면, 절연부가 용융되면서 양극단자와 음극단자 사이가 도전부에 의해 통전된다. 과충전 상태에서 양극단자와 음극단자 사이의 전위차에 의해 가역적으로 전류가 방전되는 방향으로 흐르게 되고, 이러한 방전 전류량이 충전 전류량 보다 커지면서 전지 내부의 전기 에너지를 소모하게 된다.
경우에 따라서는, 상기 도전부는 양극단자에 연결되어 있는 제 1 도전부와 음극단자에 연결되어 있는 제 2 도전부로 구성되며, 상기 절연부는 상기 도전부들 사이에 개재되어 있는 구조일 수 있다. 상기 도전부는 각각 일측의 전극단자에 연결되어 있는 두 개의 절편으로 이루어져 있고, 전극단자에 연결되어 있지 않은 일측 단부들은 절연부를 개재한 상태에서 탄력적으로 겹쳐져 있다. 따라서, 전지의 온도가 상승하게 되면, 제 1 도전부와 제 2 도전부 사이에 개재되어 있는 절연부가 용융되고, 각 도전부들은 탄성에 의해 서로 접촉하게 된다.
상기 절연부는 전기 절연성의 소재로 일정 온도 이상에서 용융되는 소재이면 특별히 제한되는 것을 아니며, 바람직하게는 파라핀 재질일 수 있다. 상기 파라핀 재질의 절연부는 전기적으로 부도체이고, 고온에서 용융되는 성질이 있으며, 전극단자와 도전체 사이에 개재되거나 두 개의 도전체 절편 사이에 개재되어 상온에서 양극단자와 음극단자 사이를 전기적으로 절연하게 된다.
또 다른 바람직한 예로서, 상기 접속부재는 양극단자 및/또는 음극단자에 연결되는 도전부와 상기 전극단자와 도전부 사이에 개재되어 있고 온도 상승시 가변적으로 휘어지는 절연부로 구성되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 접속부재는 전지의 정상적인 작동 온도에서는 전극단자와 도전부 사이가 절연부에 의해 전기적으로 절연되어 있으나, 전지의 온도가 일정 수준을 넘어서게 되면 상기 절연부가 일측 방향으로 휘어지면서 전극단자와 도전부가 전기적으로 연결되어 전극단자들 간의 통전이 일어나게 된다.
특히, 상기 절연부는 바이메탈 구조인 것이 바람직하다. 상기 바이메탈 구조의 절연부는 절연재로 코팅되어 있거나 절연테이프로 감겨 있으며, 양극단자와 음극단자 상에 각각 장착되어 있는 상기 바이메탈 부재들 상에 전도성이 우수한 금속 재질의 도전부를 탑재한다. 전지의 온도가 상승하면 상기 바이메탈 부재는 일측으로 휘어지게 되고 상기 전극단자와 도전부는 전기적으로 접촉하게 된다.
기타 바람직한 예로서, 상기 접속부재는 일측 전극단자에 연결되어 있는 도전부로 구성되어 있고, 상기 도전부는 비정상적인 작동 상태의 고온에서 팽창되면서 타측 전극단자에 접촉되는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 접속부재에서, 전지의 정상적인 작동 온도에서 일측 전극단자에 연결되어 있는 상기 도전부는 타측 전극단자와는 접촉되어 있지 않는 상태이다. 그러나, 전지의 온도가 상승하게 되면, 상기 도전부가 팽창하면서 타측 전극단자와 접촉하게 되고 양 전극단자들 사이에 방전 전류가 흐르게 된다.
일반적으로 전지가 고온에 노출되면 내부의 가스 발생 등으로 인해 전지가 부풀게 되면서 전극단자 간의 간격이 점차 좁혀지게 된다. 따라서, 고온에서 전극단자 간의 통전을 보다 용이하게 하기 위해 상기 도전부는 열팽창성 구조로 이루어진 것이 바람직하다. 상기 도전부는 일측의 전극단자, 예를 들어 양극단자에 연결되어 있고, 전지의 온도가 상승하게 되면 음극단자 방향으로 팽창되면서 전기적 접속을 이루게 된다.
또한, 상기 도전부는 온도의 상승에 따라 열팽창이 일어나는 도전성의 소재이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 열팽창률이 높은 도전성의 금속 재질일 수 있으며, 특히, 아연 또는 알루미늄 재질인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전지는 반복적인 충방전이 가능한 이차전지에 대하여 형태와 종류에 관계없이 다양한 범주에서 적용 가능하며, 바람직하게는 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 이차전지는 전지셀이 팩 케이스에 장착되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 접속부재는 전지케이스의 외면에 부착된 상태에서 팩 케이스로 감싸여 있는 구조일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩을 제공한다.
다수의 단위전지들이 콤팩트하게 밀집되어 있는 중대형 전지팩은, 일부 단위전지에 이상이 발생하는 경우, 다른 단위전지로의 파급 효과가 매우 크므로, 안전성 문제가 더욱 심하게 대두된다. 따라서, 상기와 같이 안전성이 확보된 이차전지를 단위전지로서 사용하면, 그러한 안전성 문제를 근본적으로 해결할 수 있게 된다.
중대형 전지팩의 구성 및 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 비정상적인 작동으로 셀의 온도가 상승할 때 상기 접속부재에 의해 전극단자들 사이를 직접 통전시켜 충전 에너지를 소모하는 것으로 전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1과 2는 각각 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 접속부재를 장착한 이차전지에 대한 정면도와 부분 확대도이다;
도 3과 4는 각각 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 접속부재를 장착한 이차전지에 대한 정면도와 부분 확대도이다;
도 5와 6은 각각 본 발명의 세 번째 실시예에 따른 접속부재를 장착한 이차전지에 대한 정면도와 부분 확대도이다;
도 7과 8은 각각 본 발명의 네 번째 실시예에 따른 접속부재를 장착한 이차전지에 대한 정면도와 부분 확대도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 접속부재를 장착한 이차전지가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 이차전지(500)는 수지층과 금속층의 시트형 전지케이스 내부에 전극조립체를 내장한 상태로 밀봉되어 있으며, 상기 전극조립체의 양극단자(510) 및 음극단자(520)가 외부회로에 연결될 수 있도록 케이스의 외면에 돌출되어 있다. 또한, 양극단자(510)와 음극단자(520) 사이에는 접속부재(100)가 연결되어 있다. 접속부재(100)에 대하여는 이하 도 2에서 상세히 살펴보도록 한다.
도 2에는 도 1의 접속부재와 전극단자와의 결합구조에 대한 부분 단면도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 양극단자(510)와 음극단자(520)의 상단에는 도전성의 금속 소재의 도전부(110)가 형성되어 있고, 도전부(110)는 파라핀 재질의 절연부(121, 122)에 의해 전극단자들(510, 520)에 가결합되어 있다. 절연부(121, 122)는 전지의 정상적인 작동 온도에서는 고체상태로 양극단자(510)와 음극단자(520) 사이를 전기적인 절연상태로 유지시키고 있으나, 전지의 온도가 일정 범위를 넘어서게 되면 용융되면서 도전부(110)가 전극단자들(510, 520)과 접촉하게 된다. 도전부(110)가 전극단자들(510, 520)과 접촉하게 되면, 양극단자(510)에서 도전부(110)를 경유하여 바이패스에 의해 음극단자(520) 쪽으로 방전 전류가 흐르게 되면서 전지(500) 내부의 전기 에너지를 소모하게 된다.
도 3과 4에는 각각 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 접속부재를 장착한 이차전지에 대한 정면도와 부분 확대도가 도시되어 있다.
이들 도면을 함께 참조하면, 이차전지(500)의 양극단자(510)와 음극단자(520) 사이는 접속부재(200)에 의해 연결되어 있다. 상기 접속부재(200)는 양극단자(510)에 연결되어 있는 제 1 도전부(210), 음극단자(520)에 연결되어 있는 제 2 도전부(220), 및 이들 도전부들(210, 220) 사이에 개재되어 있는 절연부(230)로 구성되어 있다.
도전부들(210, 220)은 탄력적으로 휘어져 있으며, 제 1 도전부(210)와 제 2 도전부(220) 사이는 파라핀 재질의 절연부(230)가 개재되어 전기적으로 절연되어 있다. 절연부(230)는 전지(500)의 온도가 상승함에 따라 용융되고, 도전부들(210, 220)은 탄성에 의해 상호 접촉하게 되면서 바이패스에 의해 양극단자(510)와 음극단자(520) 사이를 전기적으로 연결하게 된다.
도 5와 6에는 본 발명의 세 번째 실시예에 따른 접속부재를 장착한 이차전지에 대한 정면도와 부분 확대도가 도시되어 있다.
이들 도면을 함께 참조하면, 양극단자(510)와 음극단자(520)의 상단에는 도전성의 금속 소재의 도전부(310)가 형성되어 있고, 도전부(310)는 고온에서 가변적으로 휘어지는 바이메탈 구조의 절연부(321, 322)에 의해 전극단자들(510, 520)과 연결되어 있다. 절연부(321, 322)는 양극단자(510) 및 음극단자(520) 상에 각각 형성되어 있고, 외주부가 절연물질로 코팅되어 있으므로, 정상적인 작동 온도에서는 상기 도전부(310)와 전극단자들(510, 520) 사이를 전기적으로 절연하게 된다. 그러나, 전지(500)의 온도가 비정상적으로 상승하면 바이메탈 구조의 절연부(321, 322)는 일측으로 휘어지게 되고, 도전부(310)와 전극단자들(510, 520) 사이는 바이패스에 의해 전기적으로 접속되도록 구성되어 있다.
도 7과 8에는 본 발명의 네 번째 실시예에 따른 접속부재를 장착한 이차전지에 대한 정면도와 부분 확대도가 도시되어 있다.
이들 도면을 함께 참조하면, 이차전지(500)의 양극단자(510)와 음극단자(520) 사이는 접속부재(400)에 의해 연결되어 있다. 접속부재(400)는 양극단자(510)에 연결되어 있는 도전부(410)와 도전부(410)를 양극단자(510)에 고정시키는 고정부(420)로 구성되어 있다. 도전부(410)는 열팽창률이 높은 도전성의 알루미늄 재질이며, 고정부(420)에 의해 온도 상승시 음극단자(520) 방향으로만 열팽창을 하게 된다. 전지(500)의 정상적인 작동 온도에서는 도전부(410)가 음극단자(520)와 접촉되지 않지만, 온도가 상승하게 되면 도전부(410)가 팽창하여 음극단자(520)와 접촉되면서 바이패스에 의해 양 전극단자(510, 520) 사이에 방전 전류가 흐르게 된다.
이상 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액이 함침된 상태로 케이스에 내장되어 있고 상기 전극조립체의 양극단자 및 음극단자가 소정의 외부회로에 연결될 수 있도록 케이스의 외면에 형성되어 있는 이차전지로서, 정상적인 작동 상태에서는 단전되어 있고 비정상적인 작동 상태의 고온에서는 통전되는 접속부재가 상기 전극단자들에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 접속부재는 양극단자 및/또는 음극단자에 연결되는 도전부와, 상기 전극단자와 도전부 사이에 개재되어 있고 온도 상승시 용융되는 절연부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 도전부는 양극단자에 연결되어 있는 제 1 도전부와 음극단자에 연결되어 있는 제 2 도전부로 구성되며, 상기 절연부는 도전부들 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절연부는 파라핀 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액이 함침된 상태로 케이스에 내장되어 있고 상기 전극조립체의 양극단자 및 음극단자가 소정의 외부회로에 연결될 수 있도록 케이스의 외면에 형성되어 있는 이차전지로서, 정상적인 작동 상태에서는 단전되어 있고 비정상적인 작동 상태의 고온에서는 통전되는 접속부재가 상기 전극단자들에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 접속부재는 양극단자 및/또는 음극단자에 연결되는 도전부와, 상기 전극단자와 도전부 사이에 개재되어 있고 온도 상승시 가변적으로 휘어지는 절연부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 절연부는 바이메탈 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 도전부는 전도성이 우수한 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 도전부는 열팽창성의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 도전부는 열팽창성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 열팽창성 소재는 아연 또는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 이차전지는 전지셀이 팩 케이스에 장착되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 접속부재는 전지케이스의 외면에 부착된 상태에서 팩 케이스로 감싸여 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항 또는 제 4 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩.
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