KR20120093253A - 전기화학 전지 - Google Patents
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Abstract
전기화학 전지(1)는 특히 기밀 및/또는 액밀 방식으로 외피(2)에 의해 밀봉되는 전극 스택(13);과 특히 소정의 파손점 형태의 적어도 하나의 압력 방출 장치(4)를 포함하고, 상기 압력 방출 장치(4)는 외피(2)의 틈(6)을 폐쇄하는 파열판(5)을 포함한다.
Description
본 발명은 전기화학 전지 및 이러한 전기화학 전지를 적어도 하나 이상 구비하는 배터리 배치구조에 관한 것이다.
독일 특허 DE 10 2007 063 193 A1에는 하우징 프레임에 파열 영역이 제공되어 있는 평면 구조의 리튬 이온 전지가 공지되어 있다. 상기 전지의 개구부에는 초과 압력에 대한 안전 장치가 설치되어 있다. 상기 초과 압력 안전 장치는 임계 초과 압력 상황에서 파열되어 가스를 방출할 수 있는 안전막을 포함하고 있다.
본 발명의 목적은 개량된 전기화학 전지를 제공하는 데 있다. 상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부를 갖는 전기화학 전지에 의해 해결된다. 본 발명의 유리한 실시형태들은 종속항에 나타나 있다.
본 발명에 따르면 특히 기밀 및/또는 액밀 방식으로 외피에 의해 밀봉되는 전극 스택과 특히 소정의 파손점 형태의 적어도 하나의 압력 방출 장치를 포함하되, 상기 적어도 하나의 압력 방출 장치는 외피의 틈을 폐쇄하는 파열판(rupture diaphragm)을 포함하는 전기화학 전지가 제공된다.
본 발명의 범위에서 외피는 전극 스택 또는 전극 스택들을 외부로부터 분리하는 적어도 부분적인 경계를 의미하는 것으로 이해된다. 상기 외피는 주변 환경과 물질 교환이 일어날 수 없도록 가스 및 액체 불투과성인 것이 바람직하다. 상기 외피 내부에 전극 스택이 배치되어 있다. 상기 외피는 적어도 하나의 외피 부재, 특히 여러 개의 외피 부재를 포함한다. 예를 들면 성형 부재로 제조되는 외피 부재를 사용할 수 있다. 2개의 성형 부재가 사용될 수 있다. 프레임 또는 프레임 부재가 외피 부재를 구성할 수도 있다. 적어도 하나, 특히 2개의 집전체가 상기 외피로부터 연장되어 전극 스택을 접속하기 위해 사용된다. 이때 바깥쪽으로 연장되어 있는 상기 집전체는 전기화학 전지의 양극 단자 접속부와 음극 단자 접속부를 구성하는 것이 바람직하다. 다수 개의 집전체, 특히 4개의 집전체가 외피로부터 연장되어 있을 수도 있다. 상기 전기화학 전지가 서로 직렬로 접속되어 있는 2개의 전극 스택을 포함하는 경우에는 서로 다른 전극 스택의 2개의 전극이 서로 연결된다.
본 발명에서 전극 스택이라 함은 전기화학 전지 또는 갈바니 전지의 구성 조립체로서 화학에너지를 저장하고 전기에너지를 전달하는 역할을 하는 장치부를 의미하는 것으로 이해된다. 이를 위해 전극 스택은 여러 개의 판형 부재, 적어도 2개의 전극(음극과 양극)과 전해질을 적어도 부분적으로 수용하는 분리막을 포함한다. 적어도 하나의 음극, 분리막과 적어도 하나의 양극이 서로 겹쳐 위치되거나 적층되어 있되, 상기 분리막이 음극과 양극 사이에 적어도 부분적으로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 상기 전극 스택의 내부에서 음극, 분리막과 양극의 배치순서는 임의로 여러 번 반복될 수 있다. 상기 판형 부재는 전극 코일을 형성하기 위하여 감기는 것이 바람직하다. 이하에서는 "전극 스택"이라는 용어는 전극 코일 대신에 사용될 수도 있다. 전기에너지를 전달하기 전에 저장된 화학에너지는 전기에너지로 전환된다. 충전 중에 상기 전극 스택 또는 갈바니 전지에 공급되는 전기에너지는 화학에너지로 전환되어 저장된다. 상기 전극 스택은 다수의 전극 쌍과 분리막을 포함하는 것이 바람직하다. 몇 개의 전극이 특히 전기적으로 서로 연결되는 것이 특히 바람직하다.
본 발명에서 프레임이라 함은 주변 환경의 영향, 특히 외부 또는 내부로부터 가해지는 힘으로부터 전지를 기계적으로 적절하게 안정화시키고 전지 제조시 전지의 패키징과 견고하게 연결될 수 있는 모든 구조적 장치부로 이해되어야 한다. 용어의 선택으로부터 알 수 있는 바와 같이 프레임은 실질적으로 갈바니 전지에 기계적 안정성을 부여하는 기능을 가진 실질적으로 프레임 형태의 구조체인 것이 바람직하다. 상기 프레임은 외피의 일부를 구성할 수 있다.
소정의 조건, 특히 과부하, 단락 또는 과열 조건에서 과도한 압력이 전기화학 전지에서 생성될 수 있다. 극단적인 경우에 이러한 과도한 압력은 외피의 파열 및/또는 화재로 나타날 수 있다. 이 경우에 인접한 전기화학 전지에도 간접적인 피를 줄 수 있다. 압력 방출 장치를 제공함으로써 상술한 조건에서 일어나는 결과를 완화시키는데 기여할 수 있다. 이때 압력 방출 장치는 특히 소정의 압력이 나타날 때, 즉 파열 압력이 나타날 때 특히 전기화학 전지의 내부 챔버로부터 물질을 외부 유출시킬 수 있는 장치이다. 압력 방출 장치는 소정의 온도, 즉 파열 온도에 도달하거나 초과할 때 전기화학 전지로부터 물질을 외부 유출시킬 수도 있다. 압력과 무관하게 파열 온도가 나타나는 경우에도 압력 방출 장치는 압력 방출 과정을 개시할 수 있다.
특히 압력 방출 과정은 특히 압력 방출 장치가 개방되어 전지의 전기화학 내부의 물질이 외부 유출될 수 있을 때 일어난다. 이와 관련하여 상기 압력 방출 장치는 소정의 파열점 형태로 구성된다. 이때 소정의 파열점은 특히 압력 방출 과정의 경우에 압력 방출 장치의 일부가 파괴되도록 구성되어 있다.
본 발명에 따르면 상기 압력 방출 장치는 외피의 틈을 폐쇄시키는 파열판을 포함한다. 이때 상기 파열판은 압력 방출 과정이 진행 중이지 않은 경우에는 외피의 틈을 폐쇄하고 있다. 압력 방출 과정이 일어나는 경우에 상기 파열판에 의한 틈의 폐쇄가 해제되어 파열판은 물질이 틈을 통과하는 것을 적어도 완전히 막을 수 없게 된다. 이하, 상기 파열판의 정확한 구성과 이에 따른 파열판의 틈 폐쇄성을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
상기 파열판은 합성수지, 특히 폴리머로 제조될 수 있다. 상기 파열판의 기하구조적인 외연 및/또는 기계적 특성은 파열 압력 또는 파열 온도에 도달하였을 때 기계적 강도를 잃게 되어 더 이상 외피를 폐쇄시킬 수 없도록 구성될 수 있다. 상기 파열판은 PE, PP, PTFE, CTFE, FEP, HFP 등의 합성수지 또는 불소화 폴리머일 수 있다.
상기 파열판은 호일로 제조하는 것이 바람직하다. 상기 호일은 파열 압력에 이르거나 초과할 때 적어도 부분적으로 파괴, 특히 찢어진다. 상기 호일은 파열 온도에 이르거나 초과할 때 용융될 수도 있다.
상기 파열판과 외피는 바람직하게는 실질적으로 동일한 재료로 제조된다. 이때 상기 외피를 먼저 완전히 폐쇄된 상태로 제조한 다음, 특히 절단 또는 천공에 의해 파열판을 외피로부터 분리할 수 있다. 이어서, 상기 파열판을 다시 외피에 견고하게 부착시킬 수 있다. 이로 인해 상기 압력 방출 장치와 함께 외피의 제조비용이 감소할 수 있다.
상기 파열판은 다수 개의 층, 특히 확산감소층을 포함하는 것이 바람직하다. 확산감소층은 바람직하게는 불소화 폴리머, 실리콘 또는 파라핀을 기재로 할 수 있다. 상기 파열판의 층은 금속, 특히 알루미늄으로 제조될 수도 있다. 상기 파열판의 층은 파열판의 또 다른 층 위에 진공 증착(vapour deposition)될 수 있는데, 특히 알루미늄층이 합성수지층 위에 진공 증착될 수 있다. 탄화수소를 기재로 하는 합성수지는 특히 물과 수증기의 확산을 촉진한다. 상기 확산감소층은 파열판을 통해 물과 수증기가 확산되는 것을 방지한다. 경우에 따라 상기 확산감소층은 금속층으로 이루어질 수 있다. 이러한 구성은 일반적으로 외피 부재에 대해서도 적용된다. 상기 2개의 층 중 하나의 층에는 파열판의 파열특성에 대해서 무시할 정도의 기계적 영향만을 줄 수 있는 범위에서 구멍이 형성될 수 있다.
상기 외피, 즉 특히 외피 부재 및/또는 파열판의 금속층은 폴리머 필름으로 코팅될 수 있다. 이러한 코팅에 의해 상기 금속층의 부식 가능성을 예방할 수 있다. 특히 상기 금속층이 전기화학 전지의 내부 챔버에 대면하는 경우에는 상기 전극 스택과 그 안에 포함된 물질의 부식을 예방할 수 있다. 상기 금속층을 소정의 산화법, 특히 양극산화법으로 처리하여 조밀한 산화층을 형성할 수 있다. 이로 인해 추가 내식성을 제공할 수 있다. 또한 금속층을 특히 부식방지 효과가 있는 전처리법으로 처리할 수도 있다. 특히 이들 전처리 과정은 특히 플라즈마법, 스퍼터링 또는 전기분해처리에 의해 산화금속층, 아질산 금속층 또는 기타 보호층을 도포하는 것을 포함한다.
바람직하게는 상기 압력 방출 장치는 파열온도에 도달할 때 압력 방출 과정을 개시한다. 상기 파열판의 층은 융점이 파열 온도 미만인 재료로 제조될 수 있다. 이렇게 함으로써 파열 온도에 도달하기 전에 융점이 파열 온도 미만인 층은 용융되고 특히 기계적 특성을 잃을 수 있다. 그 결과, 상기 층의 기계적 특성은 파열 온도에 도달하면 무시할 정도이므로 다른 층에 대해서만 파열점의 정확한 조정이 설정될 수 있다. 이때 파열점이란 압력 방출 장치에 의해 압력 방출 과정이 개시되는 작동 상태를 의미한다. 상기 파열점은 특히 파열 온도 및/또는 파열 압력에 의해 설정된다.
상기 파열판은 융점이 바람직하게는 95℃ 초과, 특히 약 100℃인 폴리머층과 융점이 85℃ 미만, 특히 약 80℃인 파라핀층으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 틈은 원형의 형태를 가질 수 있다. 상기 원형의 형태는 특히 천공에 의해 단순하게 제조될 수 있다. 이와 다르게 상기 틈은 각형의 형태를 가질 수 있다. 특히 상기 틈이 외피의 좁은 면에 형성되는 경우에는 길게 연장된 형상, 즉 제1 단면방향으로 연장부를 갖는데, 상기 연장부는 제1 단면방향에 수직인 제2 연장방향으로의 연장부에 비해 수 배만큼 더 긴, 특히 적어도 2배 더 긴 것이 유리하다.
상기 파열판은 틈보다 더 크게 구성하는 것이 바람직하다. 이로 인해 상기 파열판은 틈을 덮고 특히 외피 위의 단턱에 안착할 수 있다. 이렇게 함으로써 더욱 개선된 밀봉 효과가 달성될 수 있다.
상기 파열판은 외피에 밀봉 또는 접착되는 것이 바람직하다. 그 결과 상기 파열판은 접합에 의해 외피와 연결될 수 있다. 이때 상기 밀봉 또는 접착 형태에 의해 파열 온도 또는 파열 압력이 설정될 수 있다. 상기 밀봉 또는 접착 형태의 크기가 증가하면 파열 압력 또는 파열 온도가 증가할 수 있다. 반대로, 상기 밀봉 또는 접착 형태의 크기가 감소하는 경우에는 파열 압력 또는 파열 온도는 감소할 수 있다.
또 다른 실시형태에서 상기 파열판은 틈 안에 나사 결합된다. 이를 위해 상기 틈은 그 안에 마련되어 있는 나사산(thread)을 갖는 것이 바람직하다. 이와 다르게 상기 나사산은 파열판을 돌려 끼울 때 마련될 수 있다. 이를 위해 상기 파열판은 특히 자체 내 새겨진 나사산을 가질 수 있다. 상기 파열판에는 회전력을 파열판에 전달할 수 있는 수단이 제공되는 것이 바람직하다. 이를 위해 바람직하게는 알려져 있는 나사 헤드 형태를 이용할 수 있다. 이들 형태는 특히 육각형 또는 육각 렌치 형태일 수 있다.
상기 파열판은 유지 부재에 의해 틈에 견고하게 고정될 수도 있다. 특히 상기 유지 부재는 별도의 형태로 구성될 수 있다. 상기 유지 부재는 접합식(material locking manner) 및/또는 끼움 맞춤식 및/또는 누름 잠금식으로 외피의 일부에 체결될 수 있다. 상기 유지 부재는 접합식 및/또는 끼움 맞춤식 및/또는 누름 잠금식으로 틈에 파열판을 견고하게 고정할 수 있다. 이와 다르게 상기 유지 부재는 틈에 있는 나사산에 나사 결합될 수 있다. 이때 파열 호일이 유지 부재와 틈에 있는 단턱 사이에 배치될 수 있다. 상기 유지 부재의 단턱 방향 나사 결합에 의해 파열 호일은 유지 부재와 단턱 사이에 끼워져 견고하게 고정된다. 단턱이 필수적으로 제공되지 않는 실시형태에서 상기 유지 부재는 틈 내부에서 나사산에 나사 결합될 수 있다. 이때 상기 호일은 틈에 있는 나사산에 위치되고 유지 부재와 틈의 나사산 사이에 유지 부재가 나사 결합될 때 나사 결합된다.
상기 파열판의 바닥면은 틈의 단면에 비해 더 큰 것이 바람직하다.
파열판과 외피 사이에 별도의 밀봉 수단이 제공되어 있는 것이 바람직하다. 상기 밀봉 수단은 특히 폴리머 밀봉재일 수 있다. 상기 밀봉 수단은 바람직하게는 디스크 또는 링 형태로 구성될 수 있다.
상기 전기화학 전지는 외피의 일부, 특히 파열판을 손상시킬 수 있는 절단부, 특히 못 또는 날을 갖는 것이 바람직하다. 특히 상기 절단부는 외피의 일부에 구멍을 형성할 수 있다. 상기 외피의 손상에 의해 특히 압력 방출 장치의 영역에서 외피의 기계적 안정성이 감소할 수 있어 파열 압력 또는 파열 압력에 영향을 줄 수 있다. 상기 절단부에 의해 외피의 일부에 구멍이 형성될 때 구멍이 형성된 외피의 위치에서 전기화학 전지의 내부 챔버로부터 물질이 외부 유출될 수 있기 때문에 압력 방출 과정이 개시된다. 상기 절단부는 바깥으로부터 틈에 접촉될 수 있다. 이때 상기 절단부는 틈 안으로 튀어나올 수 있다. 상기 절단부는 바깥으로부터 틈에 접촉하는 판 또는 디스크에 체결될 수 있다. 상기 판 또는 디스크는 기체 및/또는 액체가 투과할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 절단부는 파열판 외부에서 파열판 방향으로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 외부 배치라 함은 특히 상기 절단부는 전기화학 전지의 내부 챔버에 대향하는 외피 또는 파열판의 일면에 배치되는 것을 의미한다. 달리 말해서 상기 파열판은 특히 전기화학 전지의 내부 챔버와 절단부 사이에 배치된다. 상기 절단부와 파열판 사이의 거리에 의해 파열 압력이 조절될 수 있다.
상기 전기화학 전지는 압력 방출 과정을 판단할 수 있는 센서부를 포함하는 것이 유리하다. 이러한 형태의 센서부에 의해 압력 방출 과정 도중 및/또는 이후에 특히 전기화학 전지가 더 이상 규정대로 기능하지 않는 상태에 있다는 것을 중앙 제어부에 알릴 수 있다. 이 경우, 상기 전기화학 전지는 즉시 다른 기능, 특히 충전 또는 방전 과정으로부터 해제될 수 있다. 이러한 센서부는 온도 센서 및/또는 압력 센서로서 구성될 수 있다. 그 결과, 특히 초기에 상승하는 압력 또는 온도가 압력 또는 온도 센서에 의해 검출되기 때문에 필요한 압력 방출 과정을 판단할 수 있다. 이를 위해 압력 또는 온도 변화의 구배를 활용할 수도 있다. 상기 전기화학 전지의 내부 챔버의 압력 또는 온도가 파열 압력 또는 파열 온도에 이르거나 초과한 후에 떨어지는 경우는 압력 방출 과정이 진행 중임을 암시하는 것일 수 있다. 이러한 판단은 압력 또는 온도 하나만을 관찰함으로써 수행될 수 있다. 또한 압력과 온도를 모두 관찰함으로써 판단할 수도 있다.
상기 적어도 하나의 압력 방출 장치는 전기화학 전지의 집전체에 대향하는 영역에 배치되어 있는 것이 유리하다.
마찬가지로 상기 적어도 하나의 압력 방출 장치도 전기화학 전지가 설치된 상태에서 전기화학 전지의 하부 및/또는 측면 영역에 배치되는 것이 유리하다.
직전에 언급한 본 발명의 2개의 유리한 실시형태에 따르면 상기 전기화학 전지의 적어도 하나의 집전체는 외피로부터 외피의 제1영역으로 연장되어 있고 상기 적어도 하나의 압력 방출 장치는 제1영역에 대향하는 외피의 제2영역에 배치되고/또는 상기 적어도 하나의 압력 방출 장치는 전기화학 전지가 설치된 상태에서 외피의 하부 영역에 배치될 수 있다. 환언하면 상기 적어도 하나의 압력 방출 장치는 집전체로부터 최대한 멀리 떨어져 있고/또는 전지의 하부 영역에 위치된다.
특히 자동차 산업분야에서 리튬 이온 전지와 관련하여 문제점은 배터리 관리 시스템 및/또는 다른 전자 부품이 전지의 집전체 영역 가까이에 있는 배터리 하우징에 수용되고 배터리는 대개 차량의 탑승칸 또는 탑승객 좌석 아래에 장착된다는 점이다. 또한 전지는 통상적으로 배터리 하우징 내에 설치되고 배터리는 집전체가 전지 외피로부터 전지의 상부 영역으로 돌출되도록 자동차 내에 장착된다는 점도 고려해야 한다.
상술한 전기화학 전지의 유리한 실시형태와 관련하여 전지 내 압력이 상승할 때 적어도 하나의 압력 방출 장치를 통한 압력 방출과 물질 유출은 집전체와 배터리 관리 시스템의 영역에서 뿐 아니라 탑승칸 방향으로도 일어나지 않는다는 장점이 있다. 이러한 방법으로 전기화학 전지 내 임계 압력 상태가 나타나는 경우에도 배터리의 작동 신뢰성과 탑승객의 안전성이 모두 향상될 수 있다.
본 발명은 또한 상술한 형태의 전기화학 전지를 적어도 하나, 특히 다수 포함하는 배터리 배치구조에 관한 것이다.
본 발명의 다른 이점, 특징 및 이용가능성은 도면과 관련하여 후술하는 기재내용으로부터 분명해진다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 전기화학 전지의 개략도이고;
도 2는 도 1에 따른 전기화학 전지의 외피의 부분도이고;
도 3은 전기화학 전지(1)의 외피의 또 다른 실시형태를 보여주는 부분도이고;
도 4는 전기화학 전지(1)의 외피의 또 다른 실시형태를 보여주는 부분도이고;
도 5는 틈의 다양한 단면 형태를 보여주는 도면이고;
도 6은 압력과 온도 그래프 곡선을 보여주는 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학 전지의 개략도이고;
도 2는 도 1에 따른 전기화학 전지의 외피의 부분도이고;
도 3은 전기화학 전지(1)의 외피의 또 다른 실시형태를 보여주는 부분도이고;
도 4는 전기화학 전지(1)의 외피의 또 다른 실시형태를 보여주는 부분도이고;
도 5는 틈의 다양한 단면 형태를 보여주는 도면이고;
도 6은 압력과 온도 그래프 곡선을 보여주는 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학 전지(1)를 도시하고 있다. 정상 작동 상태에서 외피(2)는 주변 환경으로부터 가스와 액체가 투과하지 못하도록 전기화학 전지(1)의 내부 챔버(14)를 둘러싸고 있다. 전극 스택(13)은 전기화학 전지(1)의 내부 챔버(14) 안에 배치되어 있다. 다수 개의 전기화학 전지가 배터리 (배치구조)에 배치될 수 있다.
도 2는 외피(2)의 부분도이다. 도 2로부터 외피(2)가 여러 부분으로 이루어져 있다는 것을 알 수 있다. 또한 외피(2)는 적어도 하나의 외피 부재(3)를 포함하고 있다. 외피 부재(3)는 성형 부재로서 구성되어 있다. 본 실시형태에서 외피(2)는 이러한 성형 부재(3)를 2개 포함하고 있다. 또한 상기 외피 부재는 서로 다른 형태를 가질 수도 있다. 특히 경우에 따라 프레임이 외피 부재(3)를 구성할 수 있다. 이 경우에 2개의 성형 부재(3)가 외피(2)의 대부분을 차지한다.
외피 부재(3)는 파열판(5)에 의해 폐쇄되는 틈(6)을 갖고 있다. 파열판(5)과 외피 부재(3)는 함께 외피(2)를 구성한다.
틈(6)은 파열판(5)과 함께 압력 방출 장치(4)의 실질적인 구성성분이다. 이때 파열판(5)은 외피 부재(3)에 접착된다. 이와 다르게 파열판(5)은 외피 부재(3)에 밀봉될 수 있다.
틈(6)은 계단형으로 구성되고 외부 절단부(15)와 내부 절단부(16)를 갖는다. 외부 절단부(15)는 내부 절단부(16)보다 직경이 작다. 파열판(5)이 안착하는 단턱(17)은 틈(6) 내부에 형성되어 있다. 파열판(5)은 안쪽으로부터 단턱(17)에 접촉 해 있다. 파열판(5)은 단턱(17)에 접착되어 있다. 파열판(5)은 단층 구조의 합성수지 호일로부터 제조된다. 전기화학 전지(1)의 내부 챔버(14)의 내압(P)이 상승하면 파선으로 표시되어 있는 바와 같이 파열판(5)은 바깥쪽으로 휘어진다. 파열 압력에 이르게 되면 파열판(5)은 휘어지고 찢어질 때까지 팽창된다. 이로 인해 외피(2)는 밀봉이 풀려 전기화학 전지(1)의 내부 챔버(14)로부터 물질이 외부 유출될 수 있다. 그 결과 내압(P)은 감소할 수 있다. 이와 동시에 내부 챔버(14) 내 온도(T)가 낮아질 수도 있다.
도 3은 도 2에 따른 외피와 매우 유사한 전기화학 전지(1)의 외피의 또 다른 실시형태를 보여주는 부분도이다. 이와 관련하여 도 2와의 차이점만을 후술하기로 한다. 파열판(5)은 다층 구조의 파열 호일로서 구성된다. 이 경우 파열판(5)은 제1층(7)과 제2층(8)을 갖는다. 제1층(7)은 폴리머로 제조된다. 제2층(8)은 알루미늄으로 제조된다. 알루미늄층(8)은 폴리머층보다 수증기에 대해 개선된 불투과성을 갖고 이에 따라 확산을 감소하도록 구성된 것이다. 알루미늄층(8)은 또한 더 큰 내인열성을 갖는다. 또한 성형 부재인 외피 부재(3)는 알루미늄으로 제조되는 외부층과 폴리머로 제조되는 내부층을 갖는 다층 재료로 구성되기도 한다. 파열판(5)의 상기 2개의 층과 성형 부재(3)의 2개의 층은 서로 치환이 가능하다.
상기 알루미늄으로 제조되는 층은 불소화 폴리머, 실리콘 또는 파라핀을 기재로 하는 층으로 대체될 수도 있다.
또 다른 실시형태에서 파열판(5)의 내층을 구성하는 제2층(8)은 파라핀계 재료로 제조될 수 있다. 상기 파라핀계 재료는 약 80℃에서 용융한다. 파열 온도는 100℃로 설정된다. 파열 온도에 이르기 전에 상기 제2층은 이미 용융되기 때문에 기계적 강도는 없다. 상기 실시형태는 압력 방출 장치(4)의 치수를 조정할 때 제1층(7)만을 고려할 수 있다는 장점이 있다. 이때 제2층(8)은 특히 파열 온도와 관련한 압력 방출 장치(4)의 파열 특성을 변화시키지 않는다.
파열판(5)은 단턱(17) 위에 위치되어 있다. 파열판(5)은 단턱(17)에 직접 접착되거나 또는 다른 접합 방식으로 연결되지 않는다. 상기 단턱에는 안쪽으로부터 파열판(5)에 접촉되는 환상형의 유지 부재(9)가 제공되어 있다. 유지 부재(9)는 틈(6)에, 특히 틈(6)의 제2절단부(16)에 견고하게 고정되어 있다. 유지 부재(9)를 틈(6)에 견고하게 결합하기 위해서 유지 부재(9)가 억지 끼움 맞춤식으로 외피 부재(3)에 삽입될 수 있다. 이와 다르게 유지 부재(9)가 틈(6)에 접합식, 특히 접착식으로 고정될 수 있다. 이와 다르게 유지 부재(9)는 틈(6)의 내부 나사산에 나사 결합되는 외부 나사산을 가질 수 있다. 상기 파열판은 특히 파열 호일로서 구성될 수 있고 틈(6)의 내부 나사산과 유지 부재(9)의 외부 나사산 사이에 나사 결합될 수 있다.
도 4는 도 3에 따른 외피와 매우 유사한 전기화학 전지(1)의 외피의 또 다른 실시형태를 보여주는 부분도이다. 이와 관련하여 도 3과의 차이점만을 후술하기로 하고 도 4에서는 도 1에 따른 단층 구조의 파열 호일을 이용할 수도 있다. 정상 작동시 밀봉 효과를 개선하는 별도의 밀봉판(10)이 파열판(5)과 단턱(17) 사이에 제공되어 있다.
상술한 특징에 추가로 또한 무관하게, 내면 중앙 배치된 못(11)을 갖는 판(18)이 바깥쪽으로부터 접촉되어 있다. 못(11)은 파열판(5)을 향해 있다. 도 1에 이미 기재한 바와 같이 압력이 증가하는 경우 파열판(5)은 못(11) 방향으로 팽창된다. 파열 압력(PB)에 도달하면 파열판(5)은 못(11)과 접촉하게 되고 내압으로 인해 못에 의해 손상됨으로써 외피(2)는 밀봉성을 상실하게 된다. 내부 챔버(14)로부터 물질이 외부로 유출될 수 있도록 상기 못을 지지하고 있는 판(18)은 외피(2)와 밀봉 결합되지 않는다. 판(18)은 물질이 통과할 수 있는 구멍을 가질 수 있다.
도 5는 틈(6)이 가질 수 있는 다양한 단면 형태를 보여주고 있다. 도 5a)는 타원형태를 보여주고 있다. 도 5b)는 원형 형태를 보여주고 있다. 도 5c)는 둥근 모서리를 가진 정방형 형태를 보여주고 있다. 도 5d)는 내각이 서로 모두 동일한 정다각형, 이 경우 육각형을 보여주고 있다. 다만 상기 정다각형의 2개의 대향 변은 다른 변들에 비해 더 길게 구성되어 있다. 도 5e)는 정팔각형의 형태를 보여주고 있다. 도 5f)의 단면은 도 5c)에서 나타낸 바와 유사하다. 다만 긴 변 대 짧은 변의 길이 비가 도 5c)의 단면에 비해 더 크다.
도 6a)는 전기화학 전지(1)의 내부 챔버(14)의 압력 그래프 곡선을 보여주고 있다. t < tB에서는 압력 방출 장치(4)는 폐쇄되어 압력 방출 과정이 진행되지 않는다. 내부 챔버(14)로부터 어떠한 물질도 외피(2)를 외부로 빠져나갈 수 없다. 시간(t)이 증가함에 따라 내부 챔버(14) 내 압력(P)이 상승한다. 파열시점(tB)에서 압력(P)은 파열 압력(PB)에 도달한다. 이 시점에서 상기 압력 방출 장치가 개방되고 물질은 내부 챔버(14)로부터 외부 유출될 수 있다. 그 결과, 내부 챔버(14) 내 압력(P)은 감소할 수 있어 추후 시점 t > tB에서 압력(P)이 더 하강한다.
도 6b)는 전기화학 전지(1)의 내부 챔버(14) 내 온도 그래프 곡선을 보여주고 있다. t < tB에서는 압력 방출 장치가 폐쇄되어 있다. 시간(t)이 증가함에 따라 내부 챔버(14) 내 온도(T)가 상승한다. 파열시점(tB)에서 온도(T)는 파열 온도(TB)에 도달한다. 이 시점에서 상기 압력 방출 장치가 개방되고 물질은 내부 챔버(14)로부터 외부 유출될 수 있다. 그 결과, 내부 챔버(14) 내 압력은 감소할 수 있어 상기 내부 챔버에서 온도가 낮아질 수도 있다.
전기화학 전지의 내부 챔버에 배치되어 있는 센서(12)에 의한 압력 그래프 곡선의 결과 및/또는 온도 그래프 곡선의 결과로부터 압력 방출 과정을 알 수 있다. 결과에 따라 센서부(12)와 연결되어 있는 중앙 제어부는 전기화학 전지를 추가 충전 또는 방전 과정으로부터 전환한다.
도면에는 명확하게 도시되어 있지 않지만, 상기 적어도 하나의 압력 방출 장치(4)는 바람직하게는 전기화학 전지의 집전체에 대향하는 전지(1)의 외피(2)의 하부 또는 측면 영역에 제공되어 적어도 하나의 압력 방출 장치(4)가 집전체로부터 최대한 멀리 떨어져 있고/또는 전기화학 전지(1)의 하부 및/또는 측면 영역에 배치된다.
이 방법으로, 전지(1)의 내부 챔버(14) 내 압력 또는 온도가 상승할 때 압력 방출 과정에서 적어도 하나의 압력 방출 장치(4)를 통한 압력 방출과 물질 유출은 집전체와 배터리 관리 시스템의 영역에서 뿐 아니라 예를 들면 차량의 탑승칸 방향으로도 일어나지 않을 수 있다. 따라서 전기화학 전지(1)의 내부 챔버(14) 내 임계 압력 또는 온도상태가 나타나는 경우에도 배터리의 작동 신뢰성과 탑승객의 안전성이 모두 향상할 수 있다.
Claims (17)
- 특히 기밀 및/또는 액밀 방식으로 외피(2)에 의해 밀봉되는 전극 스택(13);과 특히 소정의 파손점 형태의 적어도 하나의 압력 방출 장치(4)를 포함하는 전기화학 전지(1)로서,
상기 적어도 하나의 압력 방출 장치(4)는 상기 외피(2)의 틈(6)을 폐쇄하는 파열판(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항에 있어서,
상기 파열판(5)은 합성수지, 특히 폴리머로 제조되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 파열판(5)은 호일로 제조되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파열판(5)과 상기 외피(2)는 실질적으로 동일한 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파열판(5)이 복수의 층(7, 8), 특히 확산감소층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압력 방출 장치(4)는, 파열 온도(TB)에 도달하면 압력 방출 과정이 개시되고,
상기 파열판(5)의 적어도 하나의 층은 상기 파열 온도(TB) 미만의 융점(Ts)을 갖는 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파열판(5)이 파라핀으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파열판(5)은, 금속, 특히 알루미늄으로 구성되는 적어도 하나의 층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 층은 진공 증착(vapour deposition)에 의하여 상기 파열판에 증착되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외피(2)의 상기 틈(6)은 원형 또는 각형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파열판(5)은, 밀봉 또는 접착에 의하여 상기 틈(6)에 부착되거나, 상기틈(6)에 나사 결합되고/또는 유지 부재(9)에 의하여 상기 틈(6)에 견고하게 고정되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파열판(5)은, 상기 외피(2)의 상기 틈(6)보다 더 큰 바닥면을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
디스크 또는 링 형태의 별도의 밀봉 수단(10), 특히 폴리머 밀봉재가 상기 파열판(5)과 상기 외피(2) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외피(2)의 일부를 손상시킬 수 있는, 특히 상기 외피(2)의 일부에 구멍을 형성할 수 있는 적어도 하나의 절단부(11), 특히 못 또는 날을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
필수 압력 방출 과정을 측정할 수 있는 센서부(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 압력 방출 장치(4)는, 상기 전기화학 전지(1)의 집전체에 대향하는 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 압력 방출 장치(4)는, 상기 전기화학 전지(1)가 설치되면 상기 전기화학 전지(1)의 하부 및/또는 측면 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 전지. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 배터리 배치구조.
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