KR20120058676A - 안전성이 향상된 리튬 이차전지 및 전지팩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 안전성이 향상된 리튬 이차전지 및 전지팩에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 리튬 이차전지 또는 전지팩의 이상거동으로 인한 과충전 등의 위험시 리튬 이차전지 또는 전지팩 내부의 압력을 상승시켜 내부 온도의 상승을 억제하거나 침상 물체가 리튬 이차전지 또는 전지팩 내부로 관통되는 경우, 침상 물체와 전극조립체 등의 접촉을 막음으로써 리튬 이차 전지 또는 전지팩 내부의 온도 상승 및 이로 인한 발화 또는 폭발의 위험을 낮춘 리튬 이차전지 및 전지팩에 대한 것이다. 본 발명은 리튬 이차 전지의 내부에 발포제를 위치시켜, 이상 거동에 의한 전지 또는 전지팩 내부의 온도가 상승하는 경우, 발포제를 팽창시켜 전지 또는 전지팩 내부의 온도 상승을 억제하거나 전도성 침상 물체 등의 관통시 팽창된 발포제가 전도성 침상 물체의 주변을 감싸도록 하여 과도한 전류의 흐름을 저지하여 국부적인 에너지 집중에 따른 온도의 상승 및 발화 등을 억제함으로써 리튬 이차 전지 또는 전지팩의 안전성을 보다 원천적으로 향상시키는 효과가 있다.
Description
본 발명은 안전성이 향상된 리튬 이차전지 및 전지팩에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 리튬 이차전지 또는 전지팩의 이상거동으로 인한 과충전 등의 위험시 리튬 이차전지 또는 전지팩 내부의 압력을 상승시켜 내부 온도의 상승을 억제하거나 침상 물체가 리튬 이차전지 또는 전지팩 내부로 관통되는 경우, 침상 물체와 전극조립체 등의 접촉을 막음으로써 리튬 이차 전지 또는 전지팩 내부의 온도 상승 및 이로 인한 발화 또는 폭발의 위험을 낮춘 리튬 이차전지 및 전지팩에 대한 것이다.
리튬 이온 이차전지는 다른 전지에 비해서 고출력의 장점이 있는 반면, 안전성에 취약한 단점이 있다. 안전성을 향상시키기 위해서 배터리 내부에 과충전, 과방전, 고온 방치 등의 이상 현상 발생시 배터리 본체가 부풀어 오르고, 강제로 전해액을 방출시키는 방법이 있다. 또한 배터리를 연결한 전지팩의 제어 PTC 회로에서 상기와 같은 위험에 대해 전지를 보호하는 기능 등에 대한 발명이 알려져 있다.
하지만, 이와 같은 종래 기술들에도 불구하고 여전히 리튬 이차전지의 오작동의 문제가 남아 있고, 상기 PTC 회로의 경우, 회로에 문제가 발생하면 오작동이 발생할 확률이 더욱 커진다. 또한 종래 원통형 전지의 경우, CID를 이용해서 전지의 이상 거동시 전지 내부의 압력이 높아져 전지가 팽창하는 힘을 이용해서 CID를 작동시키고 이로 인해 전류를 차단하는 장치가 있으나, 상기와 같은 이차전지의 위험상황에 대해 보다 빠르고 민감하게 안전장치 등이 작동하게 할 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 침상 물체가 리튬 이차 전지 또는 전지팩을 관통하거나, 기타 이상 거동에 의하여 리튬 이차 전지 또는 전지팩 내부의 온도의 상승 현상이 발생할 때, 보다 원천적으로 전지의 안전성을 향상시키고 위험상황에 빠르게 대응할 수 있는 리튬 이차 전지 및 전지팩을 제공하기 위함이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 리튬 이차전지 또는 전지팩의 내부에 발포제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발포제는 파우치로 포장되어 있어, 전해액 또는 전극활물질 등과 반응하지 않도록 한다.
상기 발포제는 리튬 이차전지의 전극조립체 표면에 함께 개재되어 리튬 이차 전지 외장재에 함께 삽입되어 실링 되는 것일 수 있다.
이때, 상기 발포제는 파우치에 포장되어 리튬 이차전지에 함께 실링됨으로써 발포제와 전해액 사이의 반응은 차단될 수 있다.
또한 상기 발포제를 전극조립체를 포함하는 단위셀의 외장재 외부 표면에 개재할 수 있다. 이때 상기 발포제는 파우치에 포장된 것일 수 있다.
이와 같이 발포재가 외장재 외부 표면에 개재된 단위전지를 다수 포함하는 전지팩을 제조할 수 있다. 상기 단위셀 내부에는 2 이상의 전극조립체가 포함된 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 다수의 단위셀 및 상기 단위셀과 동일한 사이즈의 발포제를 포함하는 파우치가 연결된 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 단위셀과 동일한 사이즈를 갖는 발포제를 포함하는 파우치가 직렬 또는 병렬 연결된 단위셀들의 최외곽에 위치된 전지팩일 수 있다.
상기 전지팩은 단위셀들 사이에 발포제를 포함하는 파우치가 위치한 전지팩일 수 있다.
상기 전지팩에 포함되는 발포제를 포함하는 파우치는 2 이상 포함되는 전지팩일 수 있다.
본 발명은 리튬 이차 전지의 내부에 발포제를 위치시켜, 이상 거동에 의한 전지 또는 전지팩 내부의 온도가 상승하는 경우, 발포제를 팽창시켜 전지 또는 전지팩 내부의 온도 상승을 억제하거나 전도성 침상 물체 등의 관통시 팽창된 발포제가 전도성 침상 물체의 주변을 감싸도록 하여 과도한 전류의 흐름을 저지하여 국부적인 에너지 집중에 따른 온도의 상승 및 발화 등을 억제함으로써 리튬 이차 전지 또는 전지팩의 안전성을 보다 원천적으로 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서 발포제 파우치를 이차전지 내부에 개재한 경우의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예로서 발포제 파우치를 이차전지 외부에 개재한 경우의 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4는 단위전지를 포함하는 전지팩 내에 발포제 파우치를 포함하는 경우에 대한 개략적인 단면도이다.
도 5는 침상 물체가 리튬 이차전지 내부로 관통되는 경우, 발포제의 거동에 대해 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예로서 발포제 파우치를 이차전지 외부에 개재한 경우의 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4는 단위전지를 포함하는 전지팩 내에 발포제 파우치를 포함하는 경우에 대한 개략적인 단면도이다.
도 5는 침상 물체가 리튬 이차전지 내부로 관통되는 경우, 발포제의 거동에 대해 개략적으로 나타낸 단면도이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 리튬이차전지 또는 전지팩의 내부에 발포제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발포제는 저온 발포제로, 약 80℃ 내지 150℃에서 반응하여 가스를 방출하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 발포제는 전지의 이상거동에 의한 내부 온도 상승이나, 과충전 등에 의한 내부 온도의 상승시 빠르게 가스를 배출하여 부풀어 오르는 작용으로써 전지 내부의 공간을 팽창시키거나 전지팩 내부 공간을 팽창시킴으로써 전지 또는 전지 팩 내부의 온도 상승을 억제할 수 있다.
또한 본 발명에 포함되는 발포제는 바람직하게는 파우치에 포장되어 전지 또는 전지팩에 개재됨으로써 전지의 정상작동시 전극활물질이나 전해액에 포함되어 이들과 반응함으로써 부반응에 의한 전지의 용량저하, 수명 단축과 같은 문제점을 유발하지 않는다.
또한 본 발명에 발포제는 전도성 침상 물체가 전지 또는 전지팩 내부로 침입, 관통되는 경우, 침상 물체의 표면을 감싸는 것으로서 전도성 물체와 전극조립체 또는 전해액 등이 접촉되는 것을 방지하여 과도한 전류의 흐름으로인한 단락이나 발화 폭발과 같은 문제의 발생을 효과적으로 저지할 수 있다. 도 5에는 이와 같은 발포제의 거동에 대해 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 전도성 침상 물체가 전지 또는 전지팩 내부로 관통될 때, 파우치 내부에 포장되어 있던 발포제가 침상물체 주위로 빠르게 흘러, 전도성 침상물체와 전극 등이 접촉되는 것을 차단하여 단락에 의한 고온, 발화 현상을 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 발포제는 바람직하게는 파우치 등과 같은 포장재에 포장되어 전지 또는 전지팩 내부에 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 발포제는 도 1과 같이 전극조립체 표면에 개재되어 리튬 이차 전지 외장재로 포장될 수 있다.
상기 개재 방법은 특별히 한정하지 않으며 접착제 등을 사용하여 개재할 수 있다.
본 발명에 따른 발포제는 또한 도 2와 같이 리튬 이차전지의 외장재 표면에 개재될 수도 있다. 외장재 표면에 개재되는 위치는 특별히 한정하지 아니하나, 바람직하게는 전지의 위험 상황시 발포제가 팽창하여 빠르게 대응할 수 있도록 외장재의 가장 넓은 면적에 개재될 수 있으며, 발포제가 포함된 포장재의 크기 또한 특별히 한정하지는 아니하나 상기와 같은 목적 및 효과의 발현을 위하여 상기 외장재의 가장 넓은 면적과 동일한 사이즈로 제조되어 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은 또한 상기와 같이 외장재 표면에 발포제를 함유하는 파우치가 개재된 리튬 이차 전지를 다수 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은 또한 도 3과 같이 다수의 리튬 이차 전지를 직렬 또는 병렬 연결하여 포함하는 것으로, 상기 전지팩에 포함되는 리튬 이차 전지와 동일한 사이즈로 제작된 발포제를 포함하는 파우치를 리튬 이차 전지의 어느 하나의 위치를 대신하여 삽입한 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은 또한, 도 4와 같이, 직렬 또는 병렬 연결되는 다수의 리튬 이차 전지 사이에 발포제를 포함하는 파우치를 개재한 것일 수 있다.
이와 같이 전지 또는 전지팩 내부에 포함된 발포제는 전지의 이상거동에 의해 온도가 약 80℃ 내지 150℃ 바람직하게는 80℃ 내지 120℃ 정도 되면 가스를 배출하여 팽창됨으로써 전지 또는 전지팩을 팽창시키고 이로 인하여 전지 또는 전지팩 내부 온도의 급격한 상승을 방지하는 역할을 한다.
또한 전기전도성 침상 물체가 전지 또는 전지팩을 관통하는 경우, 상기 발포제가 포함된 파우치가 관통됨과 동시에 발포제가 상기 침상 물체를 따라 흘러들어가 침상물체의 표면을 감싸도록 함으로써 상기 전기전도성의 침상물체와 전극간의 단락 현상으로 인한 전지의 위험을 억제한다. 이를 위해 상기 발포제는 절연성 물질인 것으로 점도가 되도록 낮아야 한다.
도 5는 이와 같이 침상 물체가 전지 또는 전지팩 내부로 관통되는 경우, 발포제의 거동에 대한 개략적인 도면을 나타낸 것이다.
상기 전지팩에 포함되는 발포제를 포함하는 파우치는 2 이상 포함되는 전지팩일 수 있다.
본 발명은 리튬 이차 전지의 내부에 발포제를 위치시켜, 이상 거동에 의한 전지 또는 전지팩 내부의 온도가 상승하는 경우, 발포제를 팽창시켜 전지 또는 전지팩 내부의 온도 상승을 억제하거나 전도성 침상 물체 등의 관통시 팽창된 발포제가 전도성 침상 물체의 주변을 감싸도록 하여 과도한 전류의 흐름을 저지하여 국부적인 에너지 집중에 따른 온도의 상승 및 발화 등을 억제함으로써 리튬 이차 전지 및 전지팩의 안전성을 향상시킨다.
Claims (20)
- 발포제를 포함하는 파우치(pouch)를 1 이상 구비한 이차전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 발포제를 포함하는 파우치는,
전극 조립체의 넓은 표면; 또는 이차전지 외장재의 넓은 표면; 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 발포제는 80~150℃의 온도에서 분해되어 다량의 가스를 방출하는 물질인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 발포제는 탄산염(carbonate salt), 설포닐히드라지드(sulfonylhydrazide) 화합물, 카바지드(carbazide)계 화합물 및 아조(azo) 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 발포제는 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 탄산리튬, 탄산암모늄, 벤젠설포닐히드라지드, 톨루엔설포닐히드라지드, 세미카바지드, 카바지드, 아조비스포름아미드, 아조비스이소부티로니트릴 및 디아조아미노벤젠으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 발포제는 그 자체로 순수하게 사용하거나, 고분자 수지와 혼합하여 발포제 함유 고분자 수지로 사용하거나, 용매와 혼합하여 발포제/용매 혼합용액으로 사용하거나, 발포제 함유 고분자 수지를 용매에 혼합하여 발포제 함유 고분자 수지/용매 혼합용액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 6항에 있어서,
상기 고분자 수지는 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리이미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 6항에 있어서,
상기 발포제 함유 고분자 수지의 발포제 비율은, 발포제 함유 고분자 100중량% 기준 10 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 6항에 있어서,
상기 발포제 함유 고분자 수지가 파우치에 포함되는 형태는,
파우치의 내측면에 발포제 함유 고분자 수지가 코팅되는 형태,
발포제 함유 고분자 수지가 과립형으로 포함되는 형태
발포제 함유 고분자 수지가 파우치 전체에 포함되는 형태 중 어느 한 형태로 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 6항에 있어서,
상기 용매는 N-메틸 피롤리돈, 아세톤, 디메틸 아세트아마이드, 디메틸 포름알데하이드, 물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 6항에 있어서,
상기 발포제/용매 혼합 용액의 발포제 비율는 발포제/용매 혼합 용액 100중량% 기준 10 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 파우치는 알루미늄의 심부, 상기 심부의 상부면 상에 형성된 변성 폴리프로필렌의 열융착층 및 상기 심부의 하부면 상에 형성된 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 절연막으로 이루어지는 파우치;
변성 폴리프로필렌의 열융착층으로 이루어지는 파우치;
알루미늄의 심부, 상기 심부의 상부면 상에 형성된 변성 폴리프로필렌의 열융착층으로 이루어지는 파우치; 및
변성 폴리프로필렌의 열융착층 및 상기 열융착층의 하부면 상에 형성된 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 절연막으로 이루어지는 파우치;
로부터 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 파우치인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 이차전지를 포함하는 전지모듈.
- 다수의 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하여 포함하는 전지모듈에 있어서, 그 전지모듈의 내부 및/또는 외부에 발포제를 포함하는 파우치(pouch)를 1 이상 구비한 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 14항에 있어서,
상기 단위전지는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 14항에 있어서,
상기 발포제를 포함하는 파우치는 전지모듈 외장재의 넓은 표면에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 14항에 있어서,
상기 발포제를 포함하는 파우치는 단위전지와 동일한 사이즈로 제작되어 어느 하나의 단위전지를 대신하여 삽입되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 14항에 있어서,
상기 발포제를 포함하는 파우치는 직렬 또는 병렬 연결되는 다수의 단위전지 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 14항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
- 제 19항에 있어서,
상기 전지 팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
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