JP2013101899A - 電池セル及びそれを含む電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、電池セル及びそれを含む電池モジュールに関する。
【解決手段】ケースの密封部の一定領域に封止部材の形成厚さが厚く形成される排気部を形成することにより、前記排気部の接着力が前記排気部が形成されていない密封部の接着力より相対的に弱くなるため、過充電または内部短絡などの過熱条件で電池内で高圧が発生してケースが膨らむ場合、前記排気部の接着が解除されて前記パウチ型二次電池の内部物質が排出され、安全性を確保することができる長所がある。
【選択図】図２
【解決手段】ケースの密封部の一定領域に封止部材の形成厚さが厚く形成される排気部を形成することにより、前記排気部の接着力が前記排気部が形成されていない密封部の接着力より相対的に弱くなるため、過充電または内部短絡などの過熱条件で電池内で高圧が発生してケースが膨らむ場合、前記排気部の接着が解除されて前記パウチ型二次電池の内部物質が排出され、安全性を確保することができる長所がある。
【選択図】図２
Description
本発明は、安全性が向上した電池セル及びそれを含む電池モジュールに関する。
エネルギーと環境に対する関心が高まるにつれて二次電池の需要が急激に増加しており、そのうち高いエネルギー密度及び放電電圧を有するリチウム二次電池に対する研究開発が活発に行われている。
特に、リチウム二次電池は、携帯電話、ノート型パソコン、デジタルカメラ、及び電気自動車の電源に多く用いられている。
ところが、前記リチウム二次電池は、優れた電気的特性を有する反面、安全性が低いという欠点がある。
より詳細には、前記リチウム二次電池は、過充電、過放電、高温露出、電気的短絡などの異常な作動状態で分解反応が継続して誘発される場合、熱とガスが発生し、これにより高温高圧条件での分解反応がさらに促進されると、発火または爆発をもたらす可能性もある。
特に、このような問題について、複数個の電池セルが備えられた中大型の電池パックの場合、さらに深刻な大型事故を誘発する恐れがある。
前記中大型の電池パックは、一定空間を有するフレームの内部に複数個の電池セルまたは単位モジュールが備えられており、前記複数個の電池セルまたは単位モジュールの膨脹により、ケース内部に急激な圧力上昇をもたらす可能性がある。
このような問題点を解決するために、二次電池モジュールにはヒューズ、バイメタル及びＢＭＳ（Battery Management System）が備えられるが、この構成だけでは、十分な安全性を確保することができない。
特に、定常状態では、前記ＢＭＳが電気的エラー（過放電、過充電、過電流）を検知して、全体モジュールを制御することにより安全性を確保することができるが、異常状態で前記ＢＭＳが作動しないと、全体制御が困難になり、複数個の電池セルが膨脹して発火または爆発の危険性が高くなる。
さらに、パウチ型電池セルは、電解質溶液が全部一体化されたセルの内部に注入されているため、各セルが過充電されると電圧が上昇し、過熱によってセル内部の電解質溶液が分解されて可燃性ガスがセル内部で発生して、前記パウチ内部の圧力が高くなることによりパウチ自体が膨らむ膨潤（swelling）現象が発生する。
また、正極と負極との間の分離膜が溶融し、正極と負極が短絡されて発火するため、電池の安全性を確保することができないという問題点を有している。
実際、このようなリチウム二次電池の安全性の問題のため、完成された電池を市中に流通させる前に、過充電及び強制放電などの安全性試験のみならず、高温保存（high temperature storage）試験、熱衝撃（thermal shock）試験、熱暴露（thermal exposure）試験などの多様な熱的安全性試験を行っている。このような熱的安全性試験は、電池を多様な温度条件で数十分〜数十時間放置するものであるが、この際、電池の爆発、発火があってはならず、極限の場合に電池の密封が解除されて爆発及び発火が発生することを防止しなければならない。
上述したように、パウチ型二次電池において、過電流によって過量のガスが発生して電池内部の圧力が高くなる問題点を解消するための技術が従来に開示されている。
韓国特許登録第０５６０１５８号（「リチウム二次電池」、以下、特許文献１という）には、電池の包装材の外側表面に部分的に接着剤層が形成されるようにすることで、電池の内部圧力が閾値以上に上昇して包装材が膨脹すると、包装材が瞬間的に破裂して電池が爆発することを防止する防爆安全機構として機能する構造が開示されている。
特許文献１は、セルの急な爆発を防止するという点では、上述したような問題点をある程度解消することができるが、結局排気がなされる時点は、セルが膨脹する中に接着剤層が形成されていない部分の包装材が裂ける時点であるため、セル爆発の強度を減らすことはできるが、爆発自体が起こるという点は変わらないため、問題を完全に解決できるとはいえない。
従って、リチウム二次電池の膨潤現象が発生する時、爆発または発火されることを防止するための多様な技術開発が必要な実情である。
本発明は、上記のような問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、ケースの密封部の一定領域に封止部材の形成厚さが厚く形成される排気部を形成することにより、前記排気部の接着力が前記排気部が形成されていない密封部の接着力より相対的に弱くなるため、過充電または内部短絡などの過熱条件で電池内で高圧が発生してケースが膨らむ場合、前記排気部の接着が解除されて前記パウチ型二次電池の内部物質が排出され、安全性を確保することができる電池セルを提供することにある。
特に、本発明の別の目的は、ケースを密封するための封止部材の形成厚さを変更する簡単な構成で、接着力が弱い排気部領域を形成することにより、追加構成または追加工程がなく、生産性の低下を防止することができる電池セルを提供することにある。
また、本発明のさらなる別の目的は、膨潤（swelling）現象が発生すると、排気部によってケースの密封が解除されて内部の電解質溶液及びガスが排出されることにより、ガスの発生、過熱などによる火事、爆発などの危険性を予め防止して、安全性を高めることができる電池セルを提供することにある。
本発明による電池セルは、第１電極部、第２電極部及び分離膜を含む電池部と、前記第１電極部及び第２電極部からそれぞれ延長される第１電極タップ及び第２電極タップと、前記第１電極タップ及び第２電極タップが外側に突出され、前記第１電極部、第２電極部及び分離膜を内部に含んで密封されるパウチ形態であって、封止部材が塗布される密封部及び前記密封部の一定領域に他の領域に比べ封止部材が厚く塗布されて形成される排気部を含むケースと、を含む。
この際、前記電池セルは、前記密封部と排気部を形成する封止部材の塗布領域が熱融着によって接合されていてよい。
また、前記排気部は、前記排気部の接着力が排気部が形成されていない密封部の接着力に比べ弱く形成されることができる。
一方、本発明の電池モジュールは、上述の電池セルが多数個積層されていてよい。
本発明の電池セルは、ケースの密封部の一定領域に封止部材の形成厚さが厚く形成される排気部を形成することにより、前記排気部の接着力が前記排気部が形成されていない密封部の接着力より相対的に弱くなるため、過充電または内部短絡などの過熱条件で電池内で高圧が発生してケースが膨らむ場合、前記排気部の接着が解除されて前記パウチ型二次電池の内部物質が排出され、安全性を確保することができる長所がある。
特に、本発明の電池セルは、ケースを密封するための封止部材の形成厚さを変更する簡単な構成で、接着力が弱い排気部領域を形成することにより、追加構成または追加工程がなく、生産性の低下を防止することができる長所がある。
また、本発明の電池セルは、膨潤（swelling）現象が発生すると、排気部によってケースの密封が解除されて内部の電解質溶液およびガスが排出されることにより、ガスの発生、過熱などによる火事、爆発などの危険性を予め防止して、安全性を高めることができる長所がある。
以下、上記のような構成を有する本発明の電池セル１００及びそれを含む電池モジュールについて、添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明の電池セル１００は、電池部１２０と、第１電極タップ１３０と、第２電極タップ１４０と、ケース１１０と、を含んで形成される。
電池部１２０は、ケース１１０の内部に備えられる構成であり、第１電極部１２１及び第２電極部１２２を含んで形成される。
第１電極部１２１と第２電極部１２２との間には分離膜１２３が備えられており、第１電極部１２１、分離膜１２３、第２電極部１２２は、ケース１１０の内部に電解質溶液とともに備えられる。
第１電極タップ１３０及び第２電極タップ１４０は、電源連結のためにケース１１０の外側に突出される構成であり、それぞれ第１電極部１２１及び第２電極部１２２から延長形成される。
一般的に、第１電極タップ１３０及び第２電極タップ１４０は、第１電極部１２１及び第２電極部１２２に溶接される。
ケース１１０は電池セル１００を形成する基本本体であり、パウチ形態に密封される。
即ち、ケース１１０には、封止部材Ａが塗布されて接着されることにより、パウチ形態に密封される密封部１１１が形成される。
密封部１１１は、第１電極タップ１３０及び第２電極タップ１４０がケース１１０の外側に突出し、第１電極部１２１、第２電極部１２２及び分離膜１２３を含む電池部１２０が外部に接触されないように、密封状態を維持する。
この際、ケース１１０は、封止部材Ａの塗布による接着だけでなく、封止部材Ａの塗布領域の熱融着による接合によっても密封状態を維持することができる。
ケース１１０は排気部（exhaust part）１１２を含んで形成されるが、前記排気部１１２は、密封部１１１の一定領域に他の領域に比べ封止部材Ａが厚く塗布されて形成される領域である。
図３に、排気部１１２が形成されていない密封部１１１を形成する封止部材Ａの形成厚さを図面符号Ａ１で示し、排気部１１２を形成する封止部材Ａの形成厚さを図面符号Ａ２で示した。
図３を参照してさらに説明すると、本発明の実施例による電池セル１００は、排気部１１２の封止部材の形成厚さＡ２が密封部１１１の封止部材の形成厚さＡ１より厚く形成されるため、排気部１１２の接着力が密封部１１１の接着力より弱く形成される。
即ち、排気部１１２は、他の密封部１１１の領域に比べ封止部材Ａが厚く塗布されるため接着力が弱い部分であり、これにより、本発明の電池及び電池モジュールは、過充電または内部短絡などの過熱条件で電池内で高圧が発生する場合、排気部１１２領域の密封が解除されてケース１１０内部の電解液またはガスが外部に排出されることにより、爆発及び発火を予め防止することができる長所がある。
図１及び図２には、電池セル１００の両側面のうち前側に排気部１１２が形成された例を示し、図４には、電池セル１００の上側に排気部１１２が形成された例を示した。
また、図５及び図６に図示した電池セル１００は、図１及び図２と同様に電池セル１００の両側面のうち前側に排気部１１２が形成されているが、封止部材Ａの塗布領域が異なる例を示している。
より詳細には、図５及び図６に図示した電池セル１００は、ケース１１０の内部から外側方向に密封部１１１−排気部１１２−密封部１１１が形成された例を示したものであり、前記排気部１１２を形成する一定領域の封止部材Ａの厚さが厚く形成された例を示した。
また、図面には図示していないが、本発明の電池セル１００は、ケース１１０の内部から外側方向に密封部１１１−排気部１１２が形成されたり、排気部１１２−密封部１１１が形成されることもできる。
図面に図示した例は本発明の実施例にすぎず、排気部１１２の形成位置、サイズ及びパウチの折り曲げられた形態などは、より多様に形成されることができる。
電池セル１００の密封部１１１及び排気部１１２を形成するための方法としては、第１の方法として、封止部材Ａを１回塗布する際に封止部材Ａの塗布厚さを調節する方法を用いることができ、第２の方法として、ケース１１０に密封部１１１を形成するための封止部材Ａを１次塗布した後、排気部１１２の形成領域に封止部材Ａを２次塗布する方法を用いることができる。
第２の方法で密封部１１１及び排気部１１２を形成する場合、１次塗布に用いられる封止部材Ａと、２次塗布に用いられる封止部材Ａは、同一材質を用いてもよく、互いに異なる材質を用いてもよい。
１次塗布に用いられる封止部材Ａと２次塗布に用いられる封止部材Ａが互いに異なる材質である場合、２次塗布に用いられる封止部材Ａは、ケース１１０間の接着力をさらに弱くすることができる材質が含まれることが好ましい。
上述したように、本発明の実施例による電池セル１００は、ケース１１０を密封するために塗布される封止部材Ａの形成厚さを変更する簡単な構成で、接着力が弱い排気部１１２領域を形成することにより、追加構成または追加工程がなく、生産性の低下を防止することができ、安全性をより向上させることができる長所がある。
一方、本発明の電池モジュールは、上述した電池セル１００を多数個含んで形成され、それぞれの電池セル１００が膨潤する場合、排気部１１２によって電解質溶液及びガスが排出されることができるため、中大型の電池モジュールとして安全に用いることができる。
特に、本発明の電池セル１００及びそれを含む電池モジュールは、ガスの発生、過熱などによる火事、爆発などの危険性を予め防止して、安全性を高めることができる長所がある。
本発明の実施例による電池モジュール（不図示）は、上述の実施例に限定されず、適用範囲が多様であることは勿論、請求範囲で請求する本発明の旨を外れることなく、本発明が属する分野において通常の知識を有する者であれば、誰でも多様な変形実施が可能であるということは勿論である。
１００ 電池セル
１１０ ケース
１１１ 密封部
１１２ 排気部
１２０ 電池部
１２１ 第１電極部
１２２ 第２電極部
１２３ 分離膜
１３０ 第１電極タップ
１４０ 第２電極タップ
Ａ 封止部材
Ａ１ 密封部の封止部材の形成厚さ（排気部が形成されていない領域）
Ａ２ 排気部の封止部材の形成厚さ
１１０ ケース
１１１ 密封部
１１２ 排気部
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１２１ 第１電極部
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１３０ 第１電極タップ
１４０ 第２電極タップ
Ａ 封止部材
Ａ１ 密封部の封止部材の形成厚さ（排気部が形成されていない領域）
Ａ２ 排気部の封止部材の形成厚さ
Claims (4)
- 第１電極部、第２電極部及び分離膜を含む電池部と、
前記第１電極部及び第２電極部からそれぞれ延長される第１電極タップ及び第２電極タップと、
前記第１電極タップ及び第２電極タップが外側に突出され、前記第１電極部、第２電極部及び分離膜を内部に含んで密封されるパウチ形態であって、封止部材が塗布される密封部及び前記密封部の一定領域に他の領域に比べ封止部材が厚く塗布されて形成される排気部を含むケースと、を含む電池セル。 - 前記電池セルは、前記密封部と前記排気部を形成する前記封止部材の塗布領域が熱融着によって接合されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
- 前記排気部は、前記排気部の接着力が前記排気部が形成されていない前記密封部の接着力に比べ弱く形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電池セル。
- 請求項１〜３の何れか一項に記載の電池セルが多数個積層される電池モジュール。
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