CN115803837A - 二次电池用保护元件及包括其的电池包 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种二次电池用保护元件，其通过在可熔体中内设相互隔开且与可熔体两个侧部的可熔体电极相邻配置的两个助焊剂芯，无需在可熔体的表面涂敷助焊剂，可以排除用于均匀涂敷助焊剂的生产工艺，从而大幅降低生产成本，当可熔体熔融时，内置在可熔体内的第一助焊剂芯和第二助焊剂芯分别将可熔体熔融物吸引到两个侧部的可熔体电极侧，来提高可熔体熔断性能，在可熔体熔断之后能够可靠地断开电流路径。
Description
技术领域
本发明涉及二次电池用保护元件及包括其的电池包，更详细地，涉及可以在可熔体熔断之后可靠地断开电流路径，同时可降低二次电池用保护元件的生产工艺及生产成本，并可防止电池爆炸等二次事故的二次电池用保护元件及包括其的电池包。
背景技术
通常，二次电池(Secondary Battery)作为可充电的蓄电装置，用于智能手机等便携式终端、电动汽车、储能系统(ESS，Energy Storage System)等各种工业领域。主要使用的二次电池是使用锂钴氧化物作为一侧电极和使用石墨作为另一侧电极的锂离子电池。与镍镉或镍氢电池等相比，锂离子电池具有能量密度高、体积小、稳定性好的优点。但是，由于存在随着充放电次数的增加，存储容量减少、寿命缩短的问题，因此，近来正在开发纳米碳管(CNT)等其他替代电极。
以锂离子电池为代表的二次电池可能会因过充电或过放电而发热，因而使用保护电路。然而，尽管使用这种保护电路，但近来，二次电池的电池包起火的事故频发。例如，锂离子电池包中使用的场效应晶体管(FET，Field Effect Transistor)等的开关短路而产生过电流或施加浪涌电压并产生过电压等，从而产生高热量，这种异常过热引发电池包起火或爆炸事故。
为了防止这种情况发生，在二次电池的电池包内部，与保护电路并联使用被过电流和过电压熔断的保护元件。现有的保护元件以如下方式执行针对过电流的保护工作，即，当在两电极之间施加过电流时，可熔体熔融并断开两个电极之间的电流路径。并且，为了相对于过电压进行工作，使用发热体，当发热体被过电压加热时，可熔体熔融并断开电流路径。
为了提高保护元件的熔断性能，正在进行很多尝试，典型的方法是在可熔体的表面涂敷助焊剂(flux)。助焊剂的作用是，当可熔体被加热而熔融时，一起熔融的同时将可熔体熔融物吸引到电极侧来辅助可靠的熔断工作。
然而，由于现有的保护元件存在需要在可熔体上均匀地涂敷助焊剂的问题，因此如韩国公开专利第10-2011-0089166号“保护元件”及韩国公开专利第10-2014-0139040号“保护元件”所公开，需要在盖部件的内表面设置用于支撑助焊剂的结构。这种结构的增设成为阻碍保护元件的轻薄短小化且增加生产成本的因素。并且，由于实际上不可能完全均匀地涂敷助焊剂，因而存在如下的问题，即，阻碍可熔体的发热分布均匀性，使保护元件的熔断时间变长，且由于无法进行可靠的熔断工作，导致在隔开的两个电极之间产生细微的通电现象。当可熔体熔断之后产生电流路径时，电池以高温发热，导致发生电池爆炸等二次事故的可能性增加。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种二次电池用保护元件及电池包，上述二次电池用保护元件通过在可熔体中内设相互隔开且与可熔体两个侧部的可熔体电极相邻配置的两个助焊剂芯，无需在可熔体的表面涂敷助焊剂，可以排除用于均匀涂敷助焊剂的生产工艺，从而大幅降低生产成本，当可熔体熔融时，内置在可熔体内的第一助焊剂芯和第二助焊剂芯分别将可熔体熔融物吸引到两个侧部的可熔体电极侧，来提高可熔体熔断性能，在熔体熔断之后能够可靠地断开电流路径，上述电池包可通过上述二次电池用保护元件防止发生电池爆炸等二次事故。
并且，本发明的另一目的在于，通过在可熔体内的第一助焊剂芯与第二助焊剂芯之间进一步内设第三助焊剂芯，可以使中间的第三助焊剂芯比可熔体先被熔融，从而可以引导可熔体熔融物朝向第一助焊剂芯及第二助焊剂芯，并进一步提高可熔体的熔断性能。
本发明一实施例的二次电池用保护元件，包括：绝缘基板；第一发热体连接电极及第二发热体连接电极，分别配置于上述绝缘基板的一侧端部和另一侧端部；发热体，层叠在上述第一发热体连接电极及上述第二发热体连接电极的上部以连接上述第一发热体连接电极和上述第二发热体连接电极；绝缘部件，配置于上述发热体；第一可熔体电极及第二可熔体电极，在上述绝缘基板的两个侧部相互隔开配置；可熔体，用于连接上述第一可熔体电极和上述第二可熔体电极，以被上述绝缘部件绝缘的状态配置于上述发热体的上部，在熔断电流以上被熔融或通过上述发热体加热而被熔融；第一助焊剂芯，以与上述第一可熔体电极相邻的方式内置在上述可熔体内，用于将上述可熔体所熔融的可熔体熔融物吸引到上述第一可熔体电极侧；以及第二助焊剂芯，以与上述第二可熔体电极相邻且与上述第一助焊剂芯隔开规定距离的方式内置在上述可熔体内，用于将上述可熔体熔融物吸引到上述第二可熔体电极侧。
在本发明的一实施方式中，还包括第三助焊剂芯，内置在上述可熔体内，配置于上述第一助焊剂芯与上述第二助焊剂芯之间。
在本发明的一实施方式中，在上述可熔体中，上述第一助焊剂芯、上述第二助焊剂芯及上述第三助焊剂芯分别沿着长度方向被压延并在内置状态下冲裁制成。
在本发明的一实施方式中，上述第一助焊剂芯及上述第二助焊剂芯在相同的第一活化温度下活化，上述第三助焊剂芯在低于上述第一活化温度的第二活化温度下活化。
在本发明的一实施方式中，沿着上述绝缘基板的周围形成有端子延伸部，上述端子延伸部分别从上述第一发热体连接电极、上述第二发热体连接电极、上述第一可熔体电极及上述第二可熔体电极延伸且向垂直壁面的内侧凹陷而成，用于将上述可熔体熔融物引导到下部，在上述端子延伸部的内壁面印刷有导电材料，从而降低每个电极的绝缘电阻。
根据本发明实施例的电池组包括上述二次电池用保护元件；以及至少一个电池单体，其中在正极端子与负极端子之间电路连接有上述二次电池用保护元件。
本发明的二次电池用保护元件及包括其的电池包具有如下的效果，即，通过在可熔体中内设相互隔开且分别与可熔体两个侧部的第一可熔体电极和第二可熔体电极相邻配置的第一助焊剂芯及第二助焊剂芯，无需在可熔体的表面涂敷助焊剂，可以排除用于均匀涂敷助焊剂的生产工艺，从而大幅降低生产成本，当可熔体熔融时，内置在可熔体内的第一助焊剂芯和第二助焊剂芯分别将可熔体熔融物引导到第一可熔体电极及第二可熔体电极，使得可熔体熔融物向两个电极分开流通，从而可以提高可熔体熔断性能，同时在可熔体熔断之后能够可靠地断开电流路径，最终可以防止使用二次电池的电池发生爆炸事故。
并且，本发明具有如下的效果，即，通过在可熔体内的第一助焊剂芯与第二助焊剂芯之间进一步内设第三助焊剂芯，可以使中间的第三助焊剂芯比可熔体先被熔融，从而可以引导可熔体熔融物朝向第一助焊剂芯及第二助焊剂芯，并进一步提高可熔体的熔断性能。
附图说明
图1为本发明的二次电池用保护元件的分解立体图。
图2为示出结合可熔体之前的封装件组装状态的立体图。
图3为示出可熔体与图2结合的封装件状态的立体图。
图4为用于例示内设本发明的助焊剂芯的可熔体的图。
图5为用于例示本发明中过电流的熔断工作的等效电路图。
图6为用于例示本发明中过电压的熔断工作的等效电路图。
图7至图9为用于例示在相同的环境下，分别在没有助焊剂的结构、在可熔体涂敷助焊剂的结构、根据本发明内设三芯助焊剂芯的可熔体结构中的熔断实验结果的图。
具体实施方式
本发明的追加目的、特征及优点可以从以下的详细说明及附图变得更加明确。
在详细说明本发明之前，本发明可以谋求多种变更，并可具有多种实施例，以下说明并在图中所示的例示并非将本发明限定在特定的实施形态，而是包括本发明的思想及记述范围内的所有变更、等同技术方案或代替技术方案。
当提及到一个结构要素与其他结构要素“连接”或“联接”时，可以与其他结构要素直接连接或联接，也可以在中间存在其他结构要素。相反，当一个结构要素与其他结构要素“直接连接”或“直接联接”时，应理解为中间不存在其他结构要素。
在本说明书中所使用的术语仅用于说明特定实施例，而并非用于限定本发明。除非文脉上并非表示，否则单数的表达包括复数的表达。在本说明书中，“包括”或“具有”等术语用于指定说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或这些组合的存在，而并非预先排除一个或一个以上的其他特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或这些组合的存在或附加可能性。
并且，在说明书中记载的“部”、“单元”、“模块”等术语为处理至少一个功能或动作的单位，这可通过硬件、软件或硬件及软件的结合体现。
并且，在参照附图进行说明的过程中，与附图标记无关，对相同的结构要素赋予相同的附图标记，并省略对此的详细说明。在说明本发明的过程中，在判断为对相关的公知技术的具体说明使本发明的主旨不清楚的情况下，将省略对其的详细说明。
图1为本发明的二次电池用保护元件的分解立体图，图2为示出结合可熔体之前的封装件组装状态的立体图，图3为示出可熔体与图2结合的封装件状态的立体图，图4为用于例示内设本发明的助焊剂芯的可熔体的图。
图1至图4例示了本发明的二次电池用保护元件内部结构，图3的成品组装状态可以容纳在未示出的外壳内并以封装件形式提供。如参照图5及图6所述，封装件可具有三个外部端子(根据情况也可以具有两个或四个外部端子)，两个外部端子可以为在封装件内部与可熔体连接的端子，两个外部端子中的一个和剩余外部端子可以为在封装件内部与发热体连接的端子。并且，外壳可包括绝缘材质的上部盖。
以下，参照图1至图4，详细说明封装件的内部结构。
首先，参照图1的分解立体图，本发明的二次电池用保护元件包括绝缘基板100、第一绝缘部件110、第一可熔体电极122、第二可熔体电极124、第一发热体连接电极126、第二发热体连接电极128、发热体130、第二绝缘部件140、发热体中间电极150及可熔体160。如图1的分解立体图所示，每个结构依次层叠。
绝缘基板100是由电绝缘的材质构成的基板，例如陶瓷基板。如图所示，在绝缘基板100的上表面配置有第一可熔体电极122、第二可熔体电极124、第一发热体连接电极126及第二发热体连接电极128，在绝缘基板100的中央层叠有第一绝缘部件110。绝缘基板100可具有印刷有每个电极的层叠印刷电路板(PCB，Printed Circuit Board)的形式。
第一可熔体电极122和第二可熔体电极124在绝缘基板100的两个侧部相互隔开配置。在附图中，向第一可熔体电极122和第二可熔体电极124的外部突出的部分是用于连接外部端子的部分。可熔体160作为连接第一可熔体电极122和第二可熔体电极124的导体，由在熔断电流以上被熔融或者通过后述的发热体加热而被熔融的物质形成。
第一发热体连接电极126和第二发热体连接电极128分别配置于绝缘基板100的一侧端部和另一侧端部。发热体130层叠以连接第一发热体连接电极126和第二发热体连接电极128。第一绝缘部件110位于发热体130的下部以保持绝缘基板100的上表面与发热体130之间的绝缘状态。发热体130由在第一发热体连接电极126与第二发热体连接电极128之间施加过电压时通过电阻发热的物质形成。
第二绝缘部件140层叠在发热体130的上部，由具有高热传导率的绝缘性物质形成，使得发热体130不直接与可熔体160电连接，但发热体130所产生的热量可以很好地传递到可熔体160。
延伸到发热体中间电极150的一侧的发热体中间电极延伸部152与第二发热体连接电极128连接。如下文中参照图5及图6的电路图所述，发热体中间电极150为沿着可熔体160的中央长度方向连接的电极，是用于使第二发热体连接电极128和可熔体160形成电路的电极。
参照图4的(a)部分，可熔体160的内部可内置有第一助焊剂芯162a和第二助焊剂芯162b。第一助焊剂芯162a和第二助焊剂芯162b在可熔体160内相互隔开配置。第一助焊剂芯162a与第一可熔体电极122相邻配置，当可熔体160被熔融时，起到将可熔体熔融物吸引到第一可熔体电极122侧的作用。第二助焊剂芯162b与第二可熔体电极124相邻配置，当可熔体160被熔融时，起到将可熔体熔融物吸引到第二可熔体电极124侧的作用。
参照图4的(b)部分，可熔体160内部可以内置有三个助焊剂芯162a、162b、162c。第一助焊剂芯162a及第二助焊剂芯162b的配置位置及作用如参照图4的(a)部分所述。而且，第三助焊剂芯162c配置在第一助焊剂芯162a与第二助焊剂芯162b之间。当可熔体160被熔融并由两侧的可熔体电极吸引而聚集时，第三助焊剂芯162c促进可熔体160的分裂现象。
优选地，如图4的(a)部分所示，在第一助焊剂芯162a及第二助焊剂芯162b分别沿着长度方向被压延并内置的状态下，或者，如图4的(b)部分所示，在第三助焊剂芯162c进一步沿着长度方向被压延并内置的状态下，可熔体160通过冲裁制成。
每个助焊剂芯162a、162b、162c均促进可熔体160的熔融，并吸引到电极侧来使其聚集，与可熔体160相比，在低温下活化。优选地，第一助焊剂芯162a及第二助焊剂芯162b在相同的第一活化温度下活化，第三助焊剂芯162c在低于第一活化温度的第二活化温度下活化。
因此，在可熔体160被熔融的过程中，第三助焊剂芯162c先被熔融的同时可熔体160中央部位开始熔断。而且，第一助焊剂芯162a及第二助焊剂芯162b将可熔体熔融物分别吸引到第一可熔体电极122及第二可熔体电极124侧来使其聚集。由此，如下文中参照图7至图9所述，可大幅提高可熔体160的熔断特性，即使在可熔体160被熔断之后，也可以从根本上阻断由残留物形成电流路径。
参照图1至3，沿着绝缘基板100的周围形成有端子延伸部102，上述端子延伸部102分别从第一可熔体电极122、第二可熔体电极124、第一发热体连接电极126及第二发热体连接电极128延伸且向垂直壁面的内侧凹陷而成。在端子延伸部102的内壁面印刷有导电材料，从而通过加宽各电极的表面积来降低绝缘电阻，并提供便于连接二次电池用保护元件的外部端子的结构。并且，端子延伸部102通过向绝缘基板100的垂直壁面内侧凹陷而成来形成规定空间，从而可引导可熔体熔融物流入该空间，并且即使在可熔体熔融物被固化后，固化物质也可以充分被隔开而避免形成电流路径。
图5为用于例示本发明中过电流的熔断工作的等效电路图，图6为用于例示本发明中过电压的熔断工作的等效电路图，参照图5及图6，对本发明的二次电池用保护元件通过过电流及过电压熔断的工作特性进行说明。
参照图5及图6，在电池单体310的正极端子与电池包的正极输出端之间串联有两个串联开关场效应晶体管322、324，其中设置有用于保护过电流的一次保护芯片(IC)320。在电池单体310的正极端子与负极端子之间设置有一个并联开关场效应晶体管332和用于保护过电压的二次保护芯片330。电池单体310可包括锂离子电池单体或可以充放电的其他二次电池。在电池单体310的正极端子充放电路径和用于保护过电压的电路线的并联开关场效应晶体管332之间连接有应用了本发明的二次电池用保护元件的保护元件封装件200。
如图5所示，当在电池单体310的充放电路径中的串联线路中流动过电流时，例如，当在上述第一可熔体电极122与第二可熔体电极124之间施加过电流时，可熔体160被过电流熔断。在图5的电流中例示出可熔体160构成两个熔断器，这是以中间电极150为中心，将两侧的可熔体160作为等效电路来示出的。在等效电路中，在电池单体310的正极端子和电池包的正极端子中流过更多电流的一侧(通常是电池包的正极端子侧)首先被熔断并断开电流路径。
如图6所示，在向电池单体310的两端施加过电压时，即，当在保护元件封装件200中的上述中间电极150与第一可熔体电极(或者第二可熔体电极)之间施加过电压时，发热体130发热。可熔体160被发热体130的热量熔融并熔断。如图6所示，在等效电路中，可熔体160完全熔断，在图7至图9中对其熔断状态进行实验并例示。
图7至图9为用于例示在相同的环境下，分别在没有助焊剂的结构、在可熔体涂敷助焊剂的结构、根据本发明内设三芯助焊剂芯的可熔体结构中的熔断实验结果的图。
首先，如图7所示，在没有助焊剂的结构中，可熔体无法均匀地熔融，并且熔断不良现象频繁发生。熔断后，可在相当大的区域形成电流路径，在两侧的可熔体残留物中测得约500mΩ的绝缘电阻。
图8为如背景技术所述的在可熔体上表面涂敷有助焊剂的结构进行熔断特性实验的结果。尽管可熔体被助焊剂吸引并聚集在两侧的可熔体电极上，但在许多情况下观察到熔断后会产生电流路径。在两侧的可熔体残留物中测得的绝缘电阻平均为5kΩ。这是在产生过电流时可以导致保护元件通电或产生电弧等的值，是有可导致电池包爆炸危险性的值。
图9为在本发明的实施例中如图4的(b)部分所示内设三芯助焊剂芯的可熔体结构(在可熔体上表面未涂敷助焊剂)中进行熔断特性实验的结果。参照图9，可以确认可熔体几乎完全聚集到两侧的可熔体电极上。在两侧的可熔体残留物中测得的绝缘电阻在所有实验结果中均为无穷大。即，根据本发明，在内设二芯或三芯的助焊剂芯的情况下，与现有技术相比，熔断特性大幅提高，并且即使在熔断之后也可确认到不会产生任何电流路径，例如测得绝缘电阻无穷大。
在本说明书中说明的实施例和附图仅为例示性说明本发明中所包括的技术思想的一部分。因此，在本说明书中公开的实施例并非用于限定本发明的技术思想，而是用于说明本发明，因此，本发明的技术思想的范围并不局限于这种实施例。本发明所属技术领域的普通技术人员可以在本发明的说明书及附图中所包括的技术思想的范围内类推的变形例和具体实施例均包括在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种二次电池用保护元件，其特征在于，包括：
绝缘基板；
第一发热体连接电极及第二发热体连接电极，分别配置于上述绝缘基板的一侧端部和另一侧端部；
发热体，层叠在上述第一发热体连接电极及上述第二发热体连接电极的上部以连接上述第一发热体连接电极和上述第二发热体连接电极；
绝缘部件，配置于上述发热体；
第一可熔体电极及第二可熔体电极，在上述绝缘基板的两个侧部相互隔开配置；
可熔体，用于连接上述第一可熔体电极和上述第二可熔体电极，以被上述绝缘部件绝缘的状态配置于上述发热体的上部，在熔断电流以上被熔融或通过上述发热体加热而被熔融；
第一助焊剂芯，以与上述第一可熔体电极相邻的方式内置在上述可熔体内，用于将上述可熔体所熔融的可熔体熔融物吸引到上述第一可熔体电极侧；以及
第二助焊剂芯，以与上述第二可熔体电极相邻且与上述第一助焊剂芯隔开规定距离的方式内置在上述可熔体内，用于将上述可熔体熔融物吸引到上述第二可熔体电极侧。
2.根据权利要求1所述的二次电池用保护元件，其特征在于，还包括第三助焊剂芯，内置在上述可熔体内，配置于上述第一助焊剂芯与上述第二助焊剂芯之间。
3.根据权利要求2所述的二次电池用保护元件，其特征在于，在上述可熔体中，上述第一助焊剂芯、上述第二助焊剂芯及上述第三助焊剂芯分别沿着长度方向被压延并在内置状态下冲裁制成。
4.根据权利要求3所述的二次电池用保护元件，其特征在于，上述第一助焊剂芯及上述第二助焊剂芯在相同的第一活化温度下活化，上述第三助焊剂芯在低于上述第一活化温度的第二活化温度下活化。
5.根据权利要求3所述的二次电池用保护元件，其特征在于，
沿着上述绝缘基板的周围形成有端子延伸部，上述端子延伸部分别从上述第一发热体连接电极、上述第二发热体连接电极、上述第一可熔体电极及上述第二可熔体电极延伸且向垂直壁面的内侧凹陷而成，用于将上述可熔体熔融物引导到下部，在上述端子延伸部的内壁面印刷有导电材料，从而降低每个电极的绝缘电阻。
6.一种电池包，其特征在于，包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的二次电池用保护元件；以及
至少一个电池单体，其中在正极端子与负极端子之间电路连接有上述二次电池用保护元件。
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