JP2020513656A - 安全性が向上したバッテリーセル - Google Patents

Abstract

本発明の一実施例によるバッテリーセルは、電極組立体と、前記電極組立体に接続する電極リードと、前記電極組立体を収容し、前記電極リードが外部に引き出された状態で封止されるパウチケースと、前記パウチケース内に配置され、基準温度以上で消火粉末を噴出する消火ユニットと、を含む。

Description

本発明は、安全性が向上したバッテリーセルに関し、より詳しくは、内部に消火薬剤を含む消火装置を挿入して火事及び爆発に対する安全性が向上したバッテリーセルに関する。

本出願は、２０１７年４月２５日出願の韓国特許出願第１０−２０１７−００５２９０４号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。

最近、ビデオカメラ、携帯電話、ノートブックＰＣなどの携帯用電気製品の使用が活性化するにつれ、それらの駆動電源として主に使用される二次電池の重要性が高まりつつある。

通常充電が不可能な一次電池とは違い、充電及び放電が可能な二次電池は、デジタルカメラ、携帯電話、ラップトップコンピューター、パワーツール、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車、大容量電力貯蔵装置など、先端分野の技術開発への研究が活発に進行しつつある。

特に、リチウム二次電池は、既存の鉛蓄電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池及びニッケル−亜鉛電池などの他の二次電池に比べ、単位重量当たりエネルギー密度が高くて急速充電が可能であるため、使用が急増しつつある。

リチウム二次電池は、作動電圧が３．６Ｖ以上であって、携帯用電子器機の電源として使用されるか、または複数個を直列または並列に接続して高出力の電気自動車、ハイブリッド自動車、パワーツール、電気自転車、電力貯蔵装置、ＵＰＳなどに用いられる。

リチウム二次電池は、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−メタルハイドライド電池に比べて作動電圧が３倍も高く、単位重量当たりエネルギー密度の特性にも優れるため、使用が急増する趨勢にある。

リチウム二次電池は、電解質の種類によって液体電解質を使用するリチウムイオン電池と、高分子固体電解質を使用するリチウムイオンポリマー電池に分け得る。そして、リチウムイオンポリマー電池は、高分子固体電解質の種類によって、電解液が一切含有されていない完全固体型リチウムイオンポリマー電池と、電解液を含んでいるゲル状高分子電解質を使用するリチウムイオンポリマー電池に分け得る。

液体電解質を使用するリチウムイオン電池の場合、大体、円筒や角形の金属缶を容器として溶接密封した形態で使用される。このような金属缶を容器として使用する缶型二次電池は、形態が固定されるため、これを電源として使用する電気製品のデザインを制約するという短所があり、体積を減らすことが困難である。そこで、電極組立体及び電解質を、フィルムで作ったパウチに入れて封止して使用するパウチ型二次電池が開発されて使用されている。

ところが、リチウム二次電池は、過熱する場合、爆発の危険性があり安全性を確保することが重要な課題の一つである。リチウム二次電池の過熱は、さまざまな原因で発生するが、そのうち一つがリチウム二次電池に限界以上の過電流が流れる場合が挙げられる。過電流が流れれば、リチウム二次電池がジュール熱によって発熱するため、電池の内部温度が急速に上昇する。また、温度の急速な上昇は、電解液の分解反応をもたらし熱爆走現象（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）を起こすことで、結局は電池の爆発に繋がる。過電流は、尖った金属物体がリチウム二次電池を貫通するか、正極と負極との間に挟まれた分離膜の収縮によって正極と負極との絶縁が破壊されるか、外部に接続した充電回路や負荷の異常によって突入電流（ｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ）が電池に印加されるなどの場合に発生する。

したがって、リチウム二次電池は、過電流の発生のような異常状況から電池を保護するために保護回路と結合して使用され、前記保護回路には、過電流が発生したときに充電または放電電流が流れる線路を非可逆的に断線するヒューズ素子が含まれることが通常である。

図１は、リチウム二次電池を含むバッテリーパックと結合する保護回路の構成のうちヒューズ素子の配置構造と動作のメカニズムを説明するための回路図である。

図示したように、保護回路は、過電流の発生時にバッタリーパックを保護するために、ヒューズ素子１、過電流センシングのためのセンス抵抗２、過電流の発生をモニターして過電流の発生時にヒューズ素子１を動作させるマイクロコントローラー３及び前記ヒューズ素子１への動作電流の流入をスイチングするスイッチ４を含む。

ヒューズ素子１は、バッテリーパックの最外側端子に接続した主線路に設けられる。主線路は、充電電流または放電電流が流れる配線を言う。図面には、ヒューズ素子１が高電位線路（Ｐａｃｋ＋）に設けられるように示している。

ヒューズ素子１は、３端子素子部品であって、二つの端子は充電または放電電流が流れる主線路に、一つの端子はスイッチ４と接続する。そして、内部には、主線路と直列接続して特定の温度で溶断するヒューズ１ａと、前記ヒューズ１ａに熱を印加する抵抗１ｂと、が含まれている。

前記マイクロコントローラー３は、センス抵抗２の両端の電圧を周期的に検出して過電流の発生有無をモニターし、過電流が発生したと判断されれば、スイッチ４をターンオンする。そうすれば、主線路に流れる電流がヒューズ素子１側へバイパスされて抵抗１ｂに印加される。これによって、抵抗１ｂで発生したジュール熱がヒューズ１ａに伝導されてヒューズ１ａの温度を上昇させ、ヒューズ１ａの温度が溶断温度まで上昇すれば、ヒューズ１ａが破断することで主線路が非可逆的に断線される。主線路が断線されれば、過電流がこれ以上流れなくなり、過電流から惹起される問題を解消することができる。

ところが、上述のような従来技術は、さまざまな問題点を抱いている。即ち、マイクロコントローラー３で故障が発生すれば、過電流が発生した状況においてもスイッチ４がターンオンされない。このような場合、ヒューズ素子１の抵抗１ｂへ電流が流入しないため、ヒューズ素子１が動作しないという問題がある。また、保護回路内に、ヒューズ素子１の配置のための空間が別に必要となり、ヒューズ素子１の動作制御のためのプログラムアルゴリズムがマイクロコントローラー３に必ず積載されなければならない。したがって、保護回路の空間効率性が低下し、マイクロコントローラー３の負荷を増加させるという短所がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーセルが有するエネルギー密度を低下させることなく発火／爆発などの発生を防止することで二次電池の使用上の安全性を大幅向上させるように構成されたバッテリーセルを提供することを目的とする。

但し、本発明が解決しようとする課題はこれに限定されず、ここに言及されていないさらに他の技術的課題は、以下に記載された発明の説明からより明確に理解されるだろう。

上記の課題を達成するため、本発明の一実施例よるバッテリーセルは、電極組立体と、前記電極組立体に接続する電極リードと、前記電極組立体を収容し、前記電極リードが外部に引き出された状態で封止されるパウチケースと、前記パウチケース内に配置され、基準温度以上で消火粉末を噴出する消火ユニットと、を含む。

前記電極リードは、前記電極組立体に備えられた電極タブと接合し得る。

前記消火ユニットは、消火薬剤と、前記消火薬剤を収容し、前記基準温度以上で溶けて開封される合成樹脂からなる粉末容器と、を含み得る。

前記消火ユニットは、前記電極タブと電極リードとが接合する接合部に対応する領域に配置され得る。

前記消火ユニットは、熱伝導性接着剤によって前記接合部に付着され得る。

前記消火ユニットは、前記パウチケースの内側面上に付着され得る。

前記消火ユニットは、前記バッテリーセルの幅方向に沿って延びた形態を有し、前記電極タブと電極リードとが接合する接合部に付着され、前記電極タブ及び電極リードの表面に沿って折り曲げられた形態を有し得る。

本発明の一面によれば、バッテリーセルが有するエネルギー密度を低下させることなくバッテリーセルの発火／爆発などの発生可能性を大幅減少させることで二次電池の使用上の安全性を確保することができる。

特に、本発明の一面によれば、バッテリーセル内部の発火自体を防止し、既に発火した場合にも、これを迅速に鎮火することできるだけでなく、バッテリーセルによって外部へ供給される電流を根本的に遮断することができる。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。

バッテリーモジュールと結合する保護回路の構成のうちヒューズ素子の配置構造と動作メカニズムを説明するための回路図である。 本発明の一実施例によるバッテリーセルの内部構造を示す断面図である。 本発明の一実施例によるバッテリーセルの内部構造を示す断面図である。 本発明の一実施例によるバッテリーセルの内部構造を示す断面図である。 本発明の他の実施例によるバッテリーセルの内部構造を示す図であって、電極タブ、電極リード及び消火ユニットの結合形態を示す図である。 本発明のまた他の実施例によるバッテリーセルの内部構造を示す断面図である。 本発明のまた他の実施例によるバッテリーセルの内部構造を示す断面図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

先ず、図２〜図４を参照し、本発明の一実施例によるバッテリーセルを説明する。

図２〜図４は、本発明の一実施例によるバッテリーセルの内部構造を示す断面図である。

先ず、図２及び図３を参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリーセルは、電極組立体１、電極リード２、シーラント３、パウチケース４及び消火ユニット５を含むように具現される。

前記電極組立体１は、交互的に繰り返して積層された正極板１ａと負極板１ｂとの間にセパレーター１ｃを挟んだ形態を有し、両側の最外郭には、絶縁のためにセパレーター１ｃが各々位置することが望ましい。

前記正極板１ａは、正極集電体及び少なくともその一面上にコーティングされる正極活物質層からなり、一側端部には、正極活物質層がコーティングされない正極非コーティング領域が形成され、このような正極非コーティング領域は、電極リード２と接続する電極タブＴとして機能する。

同様に、前記負極板１ｂは、負極集電体及び少なくともその一面上にコーティングされる負極活物質層からなり、一側端部には、負極活物質層がコーティングされていない非コーティング領域が形成され、このような非コーティング領域は、電極リード２と接続する電極タブＴとして機能する。

一方、前記正極板１ａ及び負極板１ｃは、積層時、相違する極性を有する電極タブＴ、即ち、正極タブと負極タブとが相互同じ方向に向けるように配置されてよく、相互反対方向に向けるように配置されてもよい。

前記正極タブと負極タブとが相互反対方向に向けるように配置される場合は、一対の電極リード２も相互反対方向に位置する形態のバッテリーセルが製造され、正極タブと負極タブとが相互同じ方向に向けるように配置される場合は、一対の電極リード２も相互同じ方向に位置する形態のバッテリーセルが製造される。

また、前記セパレーター１ｃは、正極板１ａと負極板１ｂとの間には挟まれ、相違する極性を有する電極板同士が直接接触することを防止し、正極板１ａと負極板１ｂとの間で電解質を媒介体としてイオンの移動が可能となるよう、多孔性材質からなり得る。

前記電極リード２は、正極タブに接続する正極リード及び負極タブに接続する負極リードに分けられ、上述のように、正極タブと負極タブとが相互同じ方向に向けるように配置された場合は、一対の電極リード２も同じ方向に引き出され、正極タブと負極タブとが相違する方向に向けるように配置された場合は、一対の電極リード２も相異なる方向に引き出される。

一方、複数の電極タブＴは、全てが電極リード２の上面または下面のいずれか１箇所のみに結合してもよいが、図示したように、電極リード２を中心にして、上部に位置する電極タブＴ１は電極リード２の上面に付着され、下部に位置する電極タブＴ２は電極リード２の下面に付着されてもよい。

このように、電極タブＴを二つのグループに分けて電極リード２の他の位置に付着する場合、電極タブＴの撓みを最小化することができ、電極タブＴを介して電極リード２側へ伝達される電流の流れを分散させることができ、局部的に発熱量が余りに大きくなることを防止するのみながらず、電極タブＴと電極リード２との接触面積を極大化し、接触面における抵抗を最小化することができる。

前記電極リード２には、ニッケルがコーティングされたアルミニウム材質を用いることが通常であるが、このような材質上の問題から、電極リード２は、パウチケース４の封止時、パウチケース４の内側面とよく接着しない特性がある。

そこで、前記パウチケース４のシーリング領域において電極リード２が引き出される領域は、封止性が弱くなり得ることから、封止性の向上のためにパウチケース４の内側面との接着性が良い樹脂材料からなるシーラント３を電極リード２の周りに付着し得る。

前記パウチケース４は、電極組立体１の上部をカバーする上部ケース及び下部をカバーする下部ケースで構成され得、上部ケース及び下部ケースの各々は、第１樹脂層／金属層／第２樹脂層から構成される多層のパウチフィルムからなり得る。

この場合、パウチフィルムの最内側面をなす第１樹脂層は、上／下部ケースが当接した状態で熱を加えたとき、相互容易に溶着できるよう熱溶着性を有する樹脂からなり得る。

前記パウチケース４は、電極組立体１１を収容する収容部４ａと、収容部の周り方向に延びて電極リード２が外部へ引き出された状態で熱溶着され、パウチケース４を封止する封止部４ｂとの、二つの領域に分けられ得る。

上述のように、このような封止部４ｂのうち電極リード２が通す領域は、封止性が弱くなる恐れがあるため、該当領域にはシーラント３が適用される。

即ち、前記シーラント３は、電極リード２の周りに付着された状態で上部パウチケース及び下部パウチケース各々の内側面の間に介される。

前記消火ユニット５は、パウチケース内に配置され、基準温度以上で消火粉末を噴出することでバッテリーセル内部の発火を防止及び／またはバッテリーセル内部で発生した発火を終了させる機能を果たす。

前記消火ユニット５は、このような機能を行うために、バッテリーセルの正常な使用温度では密閉した状態を維持し、基準温度以上で溶けて開封される樹脂からなる収容容器と、その中に収容された消火薬剤と、を含む。

消火粉末には、通常的な火事鎮圧に用いられる種類の消火薬剤であれば、その性状が、粉末であるか、液状であるか、または気体であるかに係わらず使用可能であり、具体的な成分も制限なく多様な消火薬剤を用い得る。消火の原理についても、窒息消火、冷却消火またはこれら二つの原理を共に用いた消火を適用することができる。

バッテリーセル内部の温度が基準温度以上となり、収容容器が溶けて破断すれば、強い圧力で内部の消火薬剤が噴出してバッテリーセルの内部に全体的に広がり、これによってバッテリーセル内部の発火を遮断することができるのである。一定の温度以上で、消火薬剤が、破断した収容容器の外部へ強い圧力で噴出されるようにするために、収容容器内には、消火薬剤に加え気体を高い圧力で充填し得る。この場合、温度の上昇によって体積がさらに膨張した気体が収容容器の内壁に高い圧力を加えるようになり、温度が収容容器の融点に達すれば、溶けて弱くなった収容容器が破断しながら、収容容器内に充填されていた気体とともに消火薬剤が噴出される。

一方、前記消火ユニット５は、消火薬剤の消火作用によって既に発生した火事を鎮圧するか、発火を予防することも可能であるが、内部の消火薬剤が噴出するときの圧力を用いて電極タブＴと電極リード２との接続を切ることによって、電極リード２を介した電流の流れ自体を遮断することで、相次ぐ事故を源泉遮断することもできる。

このような機能を行うために、本発明に適用される消火ユニット５は、電極タブＴと電極リード２との接合部に対応する領域に配置され得る。

この場合、上述のように、消火薬剤の噴出圧力を用いて電極タブＴと電極リード２との接続を切ることで、短絡電流の流れを完全に遮断することができるだけでなく、配置位置上の利点によってバッテリーセルの温度上昇による消火薬剤の噴出がより迅速に起こる。

即ち、前記電極タブＴと電極リード２との接合部は、バッテリーセル内で最も発熱量が多い位置の一つであるが、消火ユニット５がこのように発熱量の大きい領域に配置されることで温度上昇に速く反応して、発火を防止または鎮圧できるのである。

前記消火ユニット５の収容容器は、電極タブＴと電極リード２との接合部に対応する領域で、残りの領域よりも薄い厚さを有し得る。このように、前記消火ユニット５の収容容器が部分的に薄い厚さを有する場合、バッテリーセル内部の温度上昇によって薄い厚さの部分が先に破断し、その部分から消火薬剤が集中的に噴出することで電極タブＴと電極リード２との接続を迅速に切るようになる。

また、前記消火ユニット５は、熱伝導性の向上のために、熱伝導性接着剤によって、電極タブＴと電極リード２との接合部に付着され得る。ここで用いられる熱伝導性接着剤としては、当該技術分野において通常使用される熱伝導性接着剤を用いることができ、一例で、エポキシ接着剤を用い得る。

一方、前記消火ユニット５は、図２及び図３に示したように電極リード２のある一面のみに付着してもよいが、図４に示したように、両面に共に付着してもよい。

即ち、前述のように、電極タブＴが二つのグループに分けられ、一部の電極タブＴ１は電極リード２の上面に付着され、残りの電極タブＴ２は電極リード３の下面に付着された場合、消火ユニット５を用いて電極タブＴと電極リード２との接続を完全に切るためには、電極リード２の上面及び下面に共に消火ユニット５が付着されることが有利となり得る。

次は、図５を参照して、本発明の他の実施例によるバッテリーセルを説明する。図５は、本発明の他の実施例によるバッテリーセルの内部構造を示す図であって、電極タブ、電極リード及び消火ユニットの結合形態を示す図である。

本発明の他の実施例によるバッテリーセルは、前述の実施例で説明したバッテリーセルと比較して、消火ユニット５が部分的に折り曲げられた形態を有するという点で相違するだけで、その外の構成要素は全て同一である。したがって、本実施例の説明に際し、相違する部分のみを重点的に説明し、前述の実施例と重複する説明は、省略する。

図５を参照すれば、本発明に適用される消火ユニット５は、電極タブＴと電極リード２とが接合する接合部に付着され、電極タブＴ及び電極リード２の表面に沿って折り曲げられた形態を有する。このような実施形態においても、前記消火ユニット５の付着には、熱伝導性接着剤が用いられ得る。

このように、消火ユニット５が電極タブＴと電極リード２の表面に沿って折り曲げられた形態を有する場合、接合面積を広げることで消火ユニット５をさらに堅固に付着することができる。

勿論、この場合においても、前述の実施例と同様に、消火ユニット５の収容容器は、電極タブＴと電極リード２との接合部に対応する領域で、残りの領域よりも薄い厚さを有し得る。このように、前記消火ユニット５の収容容器が部分的に薄い厚さを有する場合、バッテリーセル内部の温度上昇によって薄い厚さを有する部分が先に破断し、その部分から消火薬剤が集中的に噴出することで、電極タブＴと電極リード２との接続を迅速に切るようになる。

次は、図６及び図７を参照し、本発明のさらに他の実施例によるバッテリーセルを説明する。図６及び図７は、本発明のさらに他の実施例によるバッテリーセルの内部構造を示す断面図である。

本発明のさらに他の実施例によるバッテリーセルは、前述の実施例のバッテリーセルに比べ、消火ユニット５の付着位置のみが相違するだけで、その外の構成要素は全て同一である。したがって、本実施例の説明に際し、前述の実施例と比較して相違する部分のみを重点的に説明し、前述の実施例と重複する説明は、省略する。

先ず、図６を参照すれば、本発明のさらに他の実施例によるバッテリーセルは、消火ユニット５が電極タブＴと電極リード２との接合部に対応する領域に配置され、パウチケース４の内側面に付着された形態を有する。

前述のように、前記消火ユニット５は、収容容器が樹脂からなるため、接着力面では、電極リード２や電極タブＴに付着されるよりも、パウチケース４の内側面に付着される方が有利となり得る。

即ち、前述のように、前記パウチケース４の内側面は、熱溶着性を有する樹脂層からなるため、樹脂からなる消火ユニット５の収容容器を、このようなパウチケース４の内側面に付着することが、金属材質の電極リード２や電極タブＴに付着するよりも付着力面でさらに有利となる。

一方、このように消火ユニット５がパウチケース４の内側面上に付着される場合においても、消火ユニット５は、電極リード２の上面及び下面上に共に備えられ得る。これは、電極タブＴが電極リード２の上面と下面とに分けられて付着された場合において、電極リード２と電極タブＴとの接続を完全に切るためである。

勿論、この場合においても、前述の実施例と同様に、消火ユニット５の収容容器は、電極タブＴと電極リード２との接合部に対応する領域で、残りの領域よりも薄い厚さを有し得る。このように、前記消火ユニット５の収容容器が部分的に薄い厚さを有する場合、バッテリーセル内部の温度上昇によって薄い厚さを有する部分が先に破断し、その部分から消火薬剤が集中的に噴出することで、電極タブＴと電極リード２との接続を迅速に切ることができる。

以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

１ 電極組立体
１ａ 正極板
１ｂ 負極板
１ｃ セパレーター
２ 電極リード
３ シーラント
４ パウチケース
４ａ 収容部
４ｂ 封止部
５ 消火ユニット
１１ 電極組立体

消火薬剤には、通常的な火事鎮圧に用いられる種類の消火薬剤であれば、その性状が、粉末であるか、液状であるか、または気体であるかに係わらず使用可能であり、具体的な成分も制限なく多様な消火薬剤を用い得る。消火の原理についても、窒息消火、冷却消火またはこれら二つの原理を共に用いた消火を適用することができる。

Claims (7)

1. 電極組立体と、
   前記電極組立体に接続する電極リードと、
   前記電極組立体を収容し、前記電極リードが外部に引き出された状態で封止されるパウチケースと、
   前記パウチケース内に配置され、基準温度以上で消火粉末を噴出する消火ユニットと、を含むことを特徴とするバッテリーセル。
2. 前記電極リードが、前記電極組立体に備えられた電極タブと接合することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーセル。
3. 前記消火ユニットが、
   消火薬剤と、
   前記消火薬剤を収容し、前記基準温度以上で溶けて開封される合成樹脂からなる粉末容器と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーセル。
4. 前記消火ユニットが、前記電極タブと電極リードとが接合する接合部に対応する領域に配置されることを特徴とする請求項２に記載のバッテリーセル。
5. 前記消火ユニットが、熱伝導性接着剤によって前記接合部に付着されることを特徴とする請求項４に記載のバッテリーセル。
6. 前記消火ユニットが、前記パウチケースの内側面上に付着されることを特徴とする請求項４に記載のバッテリーセル。
7. 前記消火ユニットが、
   前記バッテリーセルの幅方向に沿って延びた形態を有し、
   前記電極タブと電極リードとが接合する接合部に付着され、前記電極タブ及び電極リードの表面に沿って折り曲げられた形態を有することを特徴とする請求項２に記載のバッテリーセル。