JP2022500839A - 危険感知電池セル - Google Patents

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Abstract

本発明による電池セルは電極組立体及び電解液がある電池ケースの収納部と、その外側に貯蔵空間が２個以上に区画されたガス貯蔵部と、センサー部材とを備える電池セルであって、前記２個以上に区画されたガス貯蔵部にガスが満たされれば、前記センサー部材によって信号を感知することを特徴とする。このように感知された信号が設定値を外れる場合、通知部材が危険を知らせて事故を予防することができるようにする。

Description

本出願は２０１９年０５月０３日付の韓国特許出願第２０１９−００５２３８８号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容はこの明細書の一部として含まれる。
本発明は危険防止電池セルに関するもので、詳しくは２個以上のガス貯蔵空間を有するガス貯蔵部と前記ガス貯蔵部の外面に設けられたセンサー部材とを含む電池セルに関するものである。
最近、枯渇する資源及び多様なエネルギー需要によってエネルギー貯蔵及び使用に対する関心が高まっている。これにより、高エネルギー化及び高密度化した電池の需要も増加している。しかし、このような電池は、電池の短絡による発火及び爆発の危険可能性を有している。特に、充放電過程で内部ガスが発生する場合、電池の誤作動によって電池が発熱及び爆発することがあり、電池ケースの破断が発生する場合、内部の有害ガス及び化学物質の流出の問題が発生することがある。
このような電池の安全性向上のために、ヒューズ、保護回路などの安全装置を備えており、最近には電池内部のガスを排出させる方案も考慮されているが、事故発生の前、電池内部の有害ガスを測定して危険発生時点を予測することができるように手伝う装置がないから、電池による発熱及び爆発の他に、電池機能の停止による事故を予防することができない問題点がある。
韓国公開特許第１０−２０１１−００７２７３３号公報（２０１１．０６．２９）（特許文献１）は、内部ガスを容易に放出することによって電池の厚さを減少させることができる二次電池を提供することを目的として、ガスが流入するガス通路及びガス室１３０を有しているが、電池室が区画されていなく、電池セル内部の状態を測定し、設定領域を外れればこれを知らせるセンサー部材を有していない点で違いがある。
韓国公開特許第１０−２０１７−００４０９１９号公報（２０１７．０４．１４）（特許文献２）は、電池セルの膨張を感知するためのプローブを含んでいる電池モジュールを提供することを目的とし、電池セルの局部的な体積膨張変化を感知して信号を送信するセンシングプローブを有しているが、電池セル自体に別途のガスを貯蔵するガス貯蔵部を有していないという点で違いがある。
韓国公開特許第１０−２０１５−００６１８３６号公報（２０１５．０６．０５）（特許文献３）は、ガスポケットというガス及び電解液が排出される通路が備えられているという点では類似しているが、前記特許文献３は、活性化過程による最初の充放電の際に発生したガスを排出するための脱ガス過程でガス及びパウチ内部の電解液を管理するための点で本発明とは違いがある。
韓国公開特許第１０−２０１７−００５０９２６号公報（２０１７．０５．１１）（特許文献４）は、ガス排出を誘導するガス排出部を及び前記ガス排出部で発生する変位を感知して電気的信号を発生させる感知部を備えている点では本発明と類似しているが、別途のガス貯蔵部を有していないという点で違いがある。
したがって、区画されたガス貯蔵部、及びガスが設定領域を外れればこれを感知し、使用者に事前に危険を予防するようにする構成は提示されたことがない。
韓国公開特許第１０−２０１１−００７２７３３号公報 韓国公開特許第１０−２０１７−００４０９１９号公報 韓国公開特許第１０−２０１５−００６１８３６号公報 韓国公開特許第１０−２０１７−００５０９２６号公報
本発明は前記のような問題を解決するためのものであり、本発明は電池セル自体の危険を予め感知することができる電池セルを提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明は、電極組立体を電解液とともに電池ケースの収納部内に収納している電池セルであって、前記収納部の外側には、前記電池セルの内部で発生するガスを貯蔵するガス貯蔵部が形成され、前記ガス貯蔵部は、ガス貯蔵部の空間を２個以上に区画することができる区画手段を備えることができる。
前記電池ケースには、電極組立体及び電解液を内蔵した状態で外周面が熱融着された第１密封部が形成されることができる。
前記収納部と前記ガス貯蔵部との間には第２密封部が形成されることができる。
前記電池セルの内部のガスが所定圧力以上に膨張すればガス貯蔵部にガスを誘導する第１一方向バルブが第２密封部に備えられることができる。
前記ガス貯蔵部の外面には、各区画手段による信号を感知するセンサー部材を備えられることができる。
前記センサー部材は、接触センサー、圧力センサー及び温度センサーのいずれか一つ以上であることができる。
前記ガス貯蔵部の第１区画がガスで満たされた場合、第１区画に装着された前記センサー部材が感知し、危険水位として設定された第Ｎ−１区画が満たされた場合、第Ｎ−１区画に装着された前記センサー部材が感知し、最後の区画が満たされた場合、ガスが排出されて電池の機能を停止させることができる。
前記センサー部材は通知部材と連結され、設定値を外れる場合に通知部材に信号を伝達することができる。
前記区画手段は、ガスによる膨張の際に電池セルの外壁より破損しやすい素材からなることができる。
前記区画手段は、ガスによる膨張の際に電池セルの外壁より変形しやすい素材からなることができる。
前記区画手段の変形によってガスが流入する部分ではない空間のうち一空間の容積が縮小する縮小部を含むことができる。
前記縮小部は、前記収納部の方向に物質を移動させることができる第２一方向バルブが第２密封部に備えられることができる。
ガス発生前の前記縮小部はガス流入の際に区画手段の変形によって体積が増加する拡張部より体積が大きいことができる。
本発明は前記電池セルを含む電池パックであることができる。
また、前記電池パックを電源として含むデバイスであることができる。
また、前記デバイスは、モバイル電子機器、電池に基づくモーターから動力を受けて動作する動力工具（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）、またはプラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）を含む電気車；電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）；又は電力貯蔵システムであることができる。
本発明は、前記のような構成の中で相反しない構成を一つ又は二つ以上選択して組み合わせることができる。
既存のパウチ型電池セルの平面図である。 本発明によるガス貯蔵部及び区画手段を含むパウチ型電池セルの平面図である。 本発明によるガス貯蔵部及び区画手段を含むパウチ型電池セルの側面図である。 本発明によるガス貯蔵部及び区画手段に注入部をさらに含むパウチ型電池セルの平面図である。 本発明によるガス貯蔵部及び区画手段に注入部をさらに含むパウチ型電池セルの側面図である。
以下、添付図面に基づいて本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例に対する動作原理を詳細に説明するに当たり、関連の公知機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。
また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を付ける。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むとは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
本発明を図面に基づいて詳細な実施例とともに説明する。
図１は既存のパウチ型電池セルの平面図、図２は本発明によるガス貯蔵部及び区画手段を含むパウチ型電池セルの平面図、図３は図２の電池セルの側面図である。また、図４は本発明によるガス貯蔵部及び区画手段に注入部をさらに含むパウチ型電池セルの平面図、図５は図４の電池セルの側面図である。
既存のパウチ型電池セルは、図１のように、電極組立体１１０を収納する収納部１００の周囲が密封された形態を有している。よって、既存の電池セルは、電極組立体１１０の作動時に発生するガスによって収納部の密封力が弱くなるか収納部が破裂される問題点が発生した。これを防止するために、ガスを貯蔵するためのガス貯蔵部を備える形態が考慮されたが、これはガスを収容することができるポケットの形態を有するものであり、ガス発生による電池セルの危険を予め通知する役割は果たすことができなかった。
これに対し、本発明によるパウチ型電池セルは、図２のように、電極組立体１１０が収納されている収納部１００の外側にガス貯蔵部２００を備えている。前記ガス貯蔵部２００は区画手段２１０を備えて、前記ガス貯蔵部２００を一定の区画に分けている。
前記収納部１００は前記電極組立体１１０及び電解液を内蔵した状態で外周縁が熱融着されている形態を有するように形成されている。前記収納部１００はラミネートシートの形状が変形されて形成される。前記収納部１００は、外観で見るとき、前記電極組立体１１０が着座されることができる空間が突出している形態として存在する。
前記ガス貯蔵部２００は、前記収納部１００と同様に、ラミネートシートの形状が変形されて一定の空間、つまり突出している空間を形成することもでき、密封部の形成の際に前記ガス貯蔵部２００に相当する部分を密封しない方法で形成することもできる。
ここで、前記ガス貯蔵部２００と収納部１００との間も密封されて区画されている。前記ガス貯蔵部２００と収納部１００との間の密封部は収納部１００とガス貯蔵部２００との間での物質移動を防止する役割をする。前記ガス貯蔵部２００と収納部１００との間の密封部には第１一方向バルブ５００を備えてガスのみ移動するようにすることができる。
本発明による電池セルは、前記ガス貯蔵部２００の形態によって信号伝逹方法が異なることができる。一例として、前記のように前記ガス貯蔵部２００が突出している空間からなっている場合、前記ガス貯蔵部２００内に存在する区画手段２１０の破損を認知して信号を伝達するか、圧力差又は電位差を伝達して信号を伝達することもできる。また、前記ガス貯蔵部２００が突出せずに単に密封されていない部分のみとして存在する場合、圧力差又は電位差を用いて信号を伝達することもできるが、前記ガス貯蔵部２００の膨張程度を把握して信号を伝達することもできる。本発明は前記例示に限定されず、前記ガス貯蔵部２００内のガスによる変化を感知することができる多様な方法を使うことができる。
前記ガス貯蔵部２００は、前記収納部１００の外側に位置するとともに前記収納部１００と連結されることができれば、電池セル内のどの部分に形成されても構わない。すなわち、前記収納部１００の側面、下面及び上面のいずれも可能である。しかし、前記収納部１００の上面は電極リードが突出するから、ガス収納のための空間形成が容易でないという点で好ましくない。また、前記ガス貯蔵部２００を自動電解液注入装置として使う場合、重力によって電解液が注入することができないようにするために、下部に前記ガス貯蔵部２００を配置することができる。
本発明による電池セルは電池の作用によってガスが発生する電池のいずれにも適用することができるので、電解液を使用する電池だけではなく、分離膜の代わりに個体電解質を使う全固体電池にも使うことができる。
前記ガス貯蔵部２００は、ガス貯蔵空間を２個以上に区画することができる区画手段２１０をさらに備えている。区画手段２１０の個数は前記ガス貯蔵部２００のガス貯蔵空間を区画することができれば制限されないが、区画のためには１個以上であることが好ましい。また、前記ガス貯蔵部２００のサイズ及び役割を考慮するとき、前記区画手段２１０の個数は７個以下が適当である。前記区画手段２１０が破壊されるか変形されれば、前記区画手段２１０と連結されているセンサー部材３００、３１０、３２０が前記区画手段２１０で発生した信号をそれぞれ感知し、感知された信号は通知部材４００に伝達して使用者にアラームを伝達する。
前記区画手段２１０はパウチに使用した素材と同じ素材を使うが、その素材の密封程度を異にするかパウチの素材より損傷しやすい素材を使うこともできる。また、区画手段２１０ごとにその素材を異にすることができ、区画手段２１０に一定の圧力が加わる場合、一部が移動してから回復することができる弾性力を有する構造を有することができる。これは、電池セルのサイズ及び形態、前記センサー部材３００、３１０、３２０の敏感度及び形態によって異なることができる。また、図４のように、その区画手段２１０が膨張するか変形することができる。
前記区画手段２１０のサイズは各区画手段２１０の役割によって異なることができる。前記ガス貯蔵部２００がガスのみ貯蔵する場合、第１区画手段２１１の位置は前記ガス貯蔵部２００の２／３地点であることができる。すなわち、ガスが流入する部分の空間がより大きく、前記第１区画手段２１１以後に備えられる区間がより少ない形態を有することができる。しかし、図４のように、電解液などの物質が電池ケース収納部１００に移動する電池セルの場合、第１区画手段２１０の位置はガス貯蔵部の１／５の地点であることができる。すなわち、ガスが流入する部分の空間が物質の位置する区間より少ないことができる。したがって、前記ガス貯蔵部２００の各区画手段２１０の位置はその役割によって異なることができる。
前記区画手段２１０の間の離隔距離は、区画手段２１０の役割によって互いに同一であることも異なることもできる。また、区画手段２１０が受ける圧力によって離隔距離が変わることができる。しかし、各離隔距離の和はガス貯蔵部２００のサイズの１／２を超えることはできない。
前記区画手段２１０は第１区画手段２１１で２００ｋｇｆ、第２区画手段２１２で３５０ｋｇｆ、第３区画手段２１３で５００ｋｇｆの圧力でそれぞれ破壊されるか区画手段が開くことにより、センサー部材３００に信号を伝達することができる。これは過充電による圧力変化によるものであり、第１区画手段２１１では異常充電又は過充電の際に発生する信号を知らせることができ、第２区画手段２１２では前記異常状態が持続しているかを知らせることができる。また、第３区画手段２１３ではセルの爆発及び火事発生の可能性を知らせることができ、第３区画手段２１３以後に圧力がもっと高くなれば、その信号を感知して電池の機能を停止させることができる。これは、区画手段２１０の個数によってその役割が追加されることができ、役割が変わることができるが、基本的にセルの異常有無を使用者に知らせる役割をする。また、前記圧力は、セルで異常が発生する場合、電池セルが受ける圧力によって変化することができる。
電池の機能停止は、電池に提供される電流を遮断する方法、電池の機能を妨げる物質を添加するか前記物質が流入することができるようにする方法などを考慮することができるが、電池の機能を遮断するいずれの方法も適用することができる。
前記センサー部材３００、３１０、３２０は前記区画手段２１０の変化を感知することができる方式であれば制限されない。一例として、前記センサー部材３００、３１０、３２０は、接触、圧力又は温度センサーであることができるが、これに限定されるものではない。前記センサー部材３００、３１０、３２０はそれぞれ異なる方式で前記区画手段２１０の変化を感知することもできるが、製造の便宜上、同じ方式で感知することが好ましい。
前記センサー部材３００、３１０、３２０は、信号を感知し、その信号が設定値以上の場合、通知部材４００に異常有無を伝達する。前記通知部材４００で発生するアラームは音アラームのような聴覚的形態だけではなく、点滅灯又はナビゲーションやディスプレイの表示のような視覚的形態でも現すことができる。前記通知部材４００はＢＭＳで信号を受けてアラームを提供する形態であることもでき、電池自体と連結された通知部材４００からアラームを提供する形態であることもできる。
前記センサー部材３００、３１０、３２０と前記通知部材４００の位置は、区画手段２１１、２１２、２１３で発生する変化を感知することができるとともにこれを伝達することができるものであれば制限されない。ただ、電池の密度を高めるために、図３のように収納部１００とガス貯蔵部２００との間の密封部によって形成される空間に位置するか、図５のように前記ガス貯蔵部２００上で変化する圧力を測定して伝達するために、ガス貯蔵部２００の変化によって膨張する部分に位置することができる。
一方向バルブ５００、５１０は、ガス又は所望の物質、例えば電解液を一定の方向にのみ移動させるために使われる。一方向バルブ５００、５１０は図２のように収納部１００で発生するガスをガス貯蔵部２００にのみ移動させることができるように構成されることができ、図４のようにガス貯蔵部２００にある物質、例えば電解液を収納部１００に移動させることができるように構成されることもできる。
図４に示すように、前記区画手段２１０は、電解液など、電池の使用によって消耗される物質、一例として電解液を電池に提供するために使うこともできる。前記区画手段２１０は第１一方向バルブ５００によって流入するガスによって膨張するか移動することになる。その後、前記区画手段２１０の膨張又は移動によって消耗される物質、一例として電解液のような物質が含まれた部分の圧力を増加させる。これにより、消耗物質が含まれた部分と連結される第２一方向バルブ５１０によって電池に消耗物質が移動するようになる。すなわち、前記区画手段２１０は、重力及び発生ガスによる圧力変化を用い、一般的な場合には重力のような力によって、前記電解液がガス貯蔵部２００に存在していて、ガスの発生によって第２一方向バルブ５１０を通して前記収納部１００に移動するようになる。この際、前記ガス貯蔵部２００は、第２一方向バルブ５１０が電解液の移動を一方向にのみ移動することがでれば、電解液の均一な分散のために側面又は上面に位置することができるが、ガスの発生前に電解液が移動することを防止するためには下面に位置することが好ましい。もちろん、ここで、ガス貯蔵部２００は下面及び両側面の全部に存在することもできる。
また、電池の区画手段２１０が消耗物質の含まれた部分の電池ケースの外面に隣接した端部に位置する区画手段などの所定部分に至れば、区画手段の移動をセンサー部材３００が感知する。センサー部材３００は前記信号を電池の危険信号又は停止状態を通知部材に伝達するか、前記信号感知の際、電池の機能を停止させることができる。
本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。
以上で説明したように、本発明による電池セルは、ガス貯蔵部内の区画されたガス貯蔵空間によって電池の機能が停止するか爆発などの事故が発生するに先立ち、電池の状態を知らせることができる。
既存の発明は電池内部のガスを排出させる構成を有するかガスによる電池ケースの膨張のみを知らせていたが、ガス貯蔵空間の区画によって、ガス発生の程度によって電池使用者に信号を与えることができるので、電池による事故に備えることができる。
１００ 収納部
１１０ 電極組立体
２００ ガス貯蔵部
２１０ 区画手段
２１１ 第１区画手段
２１２ 第２区画手段
２１３ 第３区画手段
３００、３１０、３２０ センサー部材
４００ 通知部材
５００ 第１一方向バルブ
５１０ 第２一方向バルブ

Claims (16)

  1. 電極組立体を電解液とともに電池ケースの収納部内に収納している電池セルであって、
    前記収納部の外側には、前記電池セルの内部で発生するガスを貯蔵するガス貯蔵部が形成され、
    前記ガス貯蔵部は、ガス貯蔵部の空間を２個以上に区画することができる区画手段を備える、電池セル。
  2. 前記電池ケースには、前記電極組立体及び前記電解液を内蔵した状態で外周面が熱融着された第１密封部が形成される、請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記収納部と前記ガス貯蔵部との間には第２密封部が形成される、請求項１または２に記載の電池セル。
  4. 前記電池セルの内部のガスが所定圧力以上に膨張すれば前記ガス貯蔵部にガスを誘導する第１一方向バルブが前記第２密封部に備えられる、請求項３に記載の電池セル。
  5. 前記ガス貯蔵部の外面には、各区画手段による信号を感知するセンサー部材を備えられる、請求項１〜４の何れか一項に記載の電池セル。
  6. 前記センサー部材は、接触センサー、圧力センサー及び温度センサーのいずれか一つ以上である、請求項５に記載の電池セル。
  7. 前記ガス貯蔵部の第１区画がガスで満たされた場合、前記第１区画に装着された前記センサー部材が感知し、
    危険水位として設定された第Ｎ−１区画が満たされた場合、第Ｎ−１区画に装着された前記センサー部材が感知し、
    最後の区画が満たされた場合、ガスが排出されて電池の機能が停止する、請求項５に記載の電池セル。
  8. 前記センサー部材は通知部材と連結され、設定値を外れる場合に前記通知部材に信号を伝達する、請求項５に記載の電池セル。
  9. 前記区画手段は、ガスによる膨張の際に前記電池セルの外壁より破損しやすい素材からなる、請求項１〜８の何れか一項に記載の電池セル。
  10. 前記区画手段は、ガスによる膨張の際に前記電池セルの外壁より変形しやすい素材からなる、請求項１〜９の何れか一項に記載の電池セル。
  11. 前記区画手段の変形によってガスが流入する部分ではない空間のうち一空間の容積が縮小する縮小部を含む、請求項１０に記載の電池セル。
  12. 前記縮小部は、前記収納部の方向に物質を移動させることができる第２一方向バルブが第２密封部に備えられる、請求項１１に記載の電池セル。
  13. ガス発生前の前記縮小部はガス流入の際に前記区画手段の変形によって体積が増加する拡張部より体積が大きい、請求項１１に記載の電池セル。
  14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電池セルを含む、電池パック。
  15. 請求項１４に記載の電池パックを電源として含む、デバイス。
  16. 前記デバイスは、モバイル電子機器、電池に基づくモーターから動力を受けて動作する動力工具（ｐｏｗｅｒ ｔｏｏｌ）；電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）、またはプラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ）を含む電気車；電気自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）、電気スクーター（Ｅ−ｓｃｏｏｔｅｒ）を含む電気二輪車；電気ゴルフカート（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｏｌｆ ｃａｒｔ）；又は電力貯蔵システムである、請求項１５に記載のデバイス。
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