JP2024519125A - 角型二次電池 - Google Patents

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Abstract

開示される発明は、角型二次電池に関するものであって、一つの例において、ケースと、上記ケース内に収容される少なくとも１つ以上の電池セルと、上記電池セルに接触する少なくとも１つ以上の吸熱パウチと、を含み、上記吸熱パウチは、上記電池セルで発生する熱を吸収して気化する液体を含浸した吸収材と、上記液体を含浸した吸収材を密封収容するパウチと、を含む。

Description

本発明は、熱暴走の発生時に周辺の他の二次電池が連続的に過熱される熱伝播現象を抑制し得る角型二次電池に関するものである。
本出願は、２０２２年４月１８日付の韓国特許出願第１０－２０２２－００４７７１１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すべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
二次電池は、一次電池とは異なって再充電が可能であり、また、小型および大容量化の可能性により近年多く研究開発されている。モバイル機器に対する技術開発と需要が増加し、また、環境保護の時代的要求に合わせて浮上する電気自動車とエネルギー貯蔵システムなどにより、エネルギー源としての二次電池の需要はさらに急激に増加している。
二次電池は、電池ケースの形状に応じて、コイン型電池、円筒型電池、角型電池およびパウチ型電池に分類される。二次電池において電池ケースの内部に装着される電極組立体は、電極および分離膜の積層構造からなる充放電が可能な発電素子である。
二次電池は、長期間連続的な使用が要求されるため、充放電過程中に発生する熱を効果的に制御する必要がある。二次電池の冷却が円滑に行われない場合には、温度上昇が電流の増加を引き起こし、電流の増加が再び温度上昇の原因となる正帰還の連鎖反応が起こり、結局、熱暴走（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｕｎａｗａｙ）の破局状態に至ることになる。
また、二次電池がモジュールやパックの形態として集団をなしている場合には、いずれか１つの二次電池に発生した熱暴走により周辺の他の二次電池が連続的に過熱される熱伝播（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）現象が起こることになる。さらに、過熱した二次電池から放出される可燃性ガスと加熱電極などの点火源により火災発生の危険が高いため、このような発火危険を抑制する必要がある。
韓国登録特許第１０－１２７０７９６号（２０１３年６月５日公告）
本発明の目的は、二次電池で発生した熱暴走による熱伝播現象を効果的に抑制および防止し得る二次電池を提供することにある。
ただし、本発明が解決しようとする技術的課題は上述した課題に限定されず、言及されない別の課題は、下記に記載された発明の説明から通常の技術者に明確に理解され得るであろう。
本発明は角型二次電池に関するものであって、一つの例において、ケースと、上記ケース内に収容される少なくとも１つ以上の電池セルと、上記電池セルに接触する少なくとも１つ以上の吸熱パウチと、を含み、ここで上記吸熱パウチは、上記電池セルで発生する熱を吸収して気化する液体を含浸した吸収材と、上記液体を含浸した吸収材を密封収容するパウチと、を含む。
本発明の一実施形態において、上記電池セルは複数個で備えられ、上記吸熱パウチは、電池セルの間に配置され得る。
そして、上記吸熱パウチは、上記吸収材に含浸された液体が気化して内圧が増加すると優先的に破断する脆弱部が備えられる。
本発明の一実施形態において、上記電池セルは、パウチ型電池セルであり得る。
また、上記電池セルの対向する両端部では電極リードがそれぞれ突出し、上記吸熱パウチの脆弱部は、上記電極リードに対応して両端部に配置され得る。
例えば、上記吸熱パウチの脆弱部は、上記電極リードに対応する位置に配置され得る。
本発明の一実施形態において、上記吸収材は、高吸収性マトリックスであり得る。
一つの例において、上記高吸収性マトリックスは、高吸収性ポリマー（ＳＡＰ）または高吸収性繊維（ＳＡＦ）を含み得る。
そして、上記液体は添加剤が混合された水であり、上記添加剤は、水の表面張力を低下させる物質であるか、または消火薬剤であり得る。
本発明の他の実施形態によると、上記ケースにはベンティング部が備えられ、上記ベンティング部は、上記電極リードに対応して上記ケースの両端部に配置される。
そして、上記ベンティング部と上記吸熱パウチとの間に複数の貫通ホールが形成されたバッフルが配置され得る。
そして、上記バッフルは、上記ベンティング部に向かって凸状の曲面をなすことが好ましいと言える。
上記のような構成を有する本発明の角型二次電池によれば、普段急速充電のような温度上昇が多い環境で速やかに熱を吸収および分散することにより熱暴走の発生を抑制し、高い温度上昇なしに性能および寿命を維持し得る。
また、本発明は、二次電池に熱暴走現象が発生した場合に、吸熱パウチ内の吸収材に含浸された液体が熱を吸収して気化し、気化したガスが一定の圧力以上に上昇すると吸熱パウチを破断して噴出することにより、過熱した電池セルから放出される可燃性ガスと加熱電極などの点火源を冷却して火炎を抑制することで、火災の危険を大幅に低減し得る。
ただし、本発明によって得ることができる技術的効果は上述した効果に限定されず、言及されない別の効果は、下記に記載された発明の説明から通常の技術者に明確に理解され得るであろう。
本明細書に添付される下記の図面は、本発明の好ましい実施形態を例示するものであり、後述される発明の詳細な説明と共に本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施形態に係る角型二次電池を図示した図面である。 図１の角型二次電池の細部構成を図示した分解斜視図である。 図１の「Ａ－Ａ」切断線に沿った断面図である。 吸熱パウチから噴出する気体が電池セルから放出される点火源を冷却する状態を図示した図面である。 本発明の他の実施形態に係る角型二次電池を図示した図面である。 本発明の他の実施形態において電池セルから放出される点火源を冷却する状態を図示した図面である。
本発明は、多様な変更を加えることができ、様々な実施形態を有し得るので、特定の実施形態を以下に詳細に説明する。
しかしながら、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物または代替物を含むものとして理解されるべきである。
本発明において、「含む」や「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものとして理解されるべきである。
また、本発明において、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あると記載された場合、これは他の部分の「真上に」ある場合のみならず、その中間に別の部分がある場合も含む。逆に、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「下に」あると記載された場合、それは他の部分の「真下に」ある場合のみならず、その中間に別の部分がある場合も含む。また、本出願において「上に」配置されるということは、上部のみならず下部に配置される場合も含むものであり得る。
本発明は角型二次電池に関するものであって、一つの例において、金属材質のケースと、上記ケース内に収容される少なくとも１つ以上の電池セルと、上記電池セルに接触する少なくとも１つ以上の吸熱パウチと、を含む。
ここで、上記吸熱パウチは、上記電池セルで発生する熱を吸収して気化する液体を含浸した吸収材と、上記液体を含浸した吸収材を密封収容するパウチと、を含む。
そして、上記吸熱パウチは、上記吸収材に含浸された液体が気化して内圧が増加すると優先的に破断する脆弱部が備えられる。
これにより、本発明は、電池セルに接触する吸熱パウチの吸熱作用により、普段急速充電のような温度上昇が多い環境で速やかに熱を吸収および分散することにより熱暴走の発生を抑制し、高い温度上昇なしに性能および寿命を維持し得る。
また、本発明は、二次電池に熱暴走現象が発生した場合に、吸熱パウチ内の吸収材に含浸された液体が熱を吸収して気化し、気化したガスが一定の圧力以上に上昇すると吸熱パウチを破断して噴出することにより過熱した電池セルから放出される可燃性ガスと加熱電極などの点火源を冷却して火炎を抑制することで、火災の危険を大幅に低減し得る。
以下、添付の図面を参照して本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る角型二次電池１０を図示した図面であり、図２は、図１の角型二次電池１０の細部構成を図示した分解斜視図である。
図面から分かるように、本発明は角型二次電池１０に関するものであって、金属材質のケース１００と、ケース１００内に収容される少なくとも１つ以上の電池セル２００と、電池セル２００に接触する少なくとも１つ以上の吸熱パウチ３００とを含む。
ケース１００は、角型二次電池１０の本体をなすフレームであって、角型二次電池１０がバッテリーモジュールやバッテリーパックをなす場合に、隣接する他の角型二次電池１０に対する一次的な断熱作用を担うことができる。図示された実施形態において、ケース１００は、英語のアルファベットの小文字「ｎ」形状のメインケース１１０と、メインケース１１０の下方開口部を塞ぐ下部プレート１２０と、両側面を仕上げするサイドキャップ１３０とを含み、サイドキャップ１３０の一部に形成された切開部を介して電極端子１４０が露出している。電極端子１４０は、電池セル２００の電極リード２１０と電気的に連結されている。
電池セル２００に接触する吸熱パウチ３００は、一次的には、電池セル２００で発生する熱を吸収して過熱を防止する役割を果たす。また、吸熱パウチ３００は、電池セル２００が過熱する熱暴走現象が発生したときには火炎発生を抑制する消火機能も併せ持っている。
このために、本発明に備えられる吸熱パウチ３００は、電池セル２００で発生する熱を吸収して気化する液体を含浸した吸収材３１０と、液体を含浸した吸収材３１０を密封収容するパウチ３２０とを含む。
本発明の第１実施形態において、吸収材３１０は、高吸収性マトリックス、例えば、高吸収性ポリマー（ＳＡＰ：Ｓｕｐｅｒ Ａｂｓｏｒｂｅｎｔ Ｐｏｌｙｍｅｒ）または高吸収性繊維（ＳＡＦ：Ｓｕｐｅｒ Ａｂｓｏｒｂｅｎｔ Ｆｉｂｅｒ）を含む吸収材３１０であり得る。高吸収性マトリックスは、多孔質または繊維質で毛細管現象を発現することにより多量の液体を吸収することが可能であり、高吸収性繊維は、高吸収性樹脂を加工して不織布のような繊維の形態に製造し得る。
本発明において、高吸収性樹脂およびそれにより製造される高吸収性繊維の具体的な種類は特に限定されず、流体、特に水に対する吸収能力に優れたものであれば限定なく使用し得る。本発明では、高吸収性樹脂の例として、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸塩グラフト重合体、デンプン、架橋されたカルボキシメチル化セルロース、アクリル酸共重合体、加水分解されたデンプン－アクリルニトリルグラフト共重合体、デンプン－アクリル酸グラフト共重合体、鹸化ビニルアセテート－アクリル酸エステル共重合体、加水分解されたアクリロニトリル共重合体、加水分解されたアクリルアミド共重合体、エチレン－無水マレイン酸共重合体、イソブチレン－無水マレイン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルリン酸、ポリビニル硫酸、スルホン化ポリスチレン、ポリビニルアミン、ポリジアルキルアミノアルキル（メタ）アクリルアミド、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリアリルグアニジン、ポリジメチルジアリルアンモニウムヒドロキシド、四級化ポリスチレン誘導体、グアニジン－変性ポリスチレン、四級化ポリ（メタ）アクリルアミド、ポリビニルグアニジンおよびこれらの混合物からなる群から選択される１つ以上が挙げられ、好ましくは架橋化されたポリアクリル酸塩、架橋化されたポリアクリル酸および架橋化されたアクリル酸共重合体からなる群から選択される１つ以上が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本発明において、高吸収性樹脂として使用されるアクリル酸共重合体の種類は特に限定されないが、好ましくはアクリル酸単量体とマレイン酸、イタコン酸、アクリルアミド、２－アクリルアミド－２－メチルプロパンスルホン酸、２－（メタ）アクリロイルエタンスルホン酸、２－ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、およびスチレンスルホン酸からなる群から選択される１つ以上の共単量体を含む共重合体であり得る。
本発明において高吸収性樹脂は、水に対する吸収量が１０ｇ／ｇ～５００ｇ／ｇ、好ましくは５０ｇ／ｇ～２００ｇ／ｇであり得るが、これに限定されるものではない。すなわち、高吸収性樹脂１ｇあたり水１０ｇ～５００ｇ、好ましくは５０ｇ～２００ｇを吸収し得る。
本発明では、高吸収性樹脂の水に対する吸収量が多いほど冷却効果の持続時間を向上させることができるが、５００ｇ／ｇを超えると高吸収性樹脂の流動性が増加し、形態を維持しにくいので、効果的な冷却を発揮することができず、１０ｇ／ｇ未満であると冷却効果の持続時間が短すぎて非効率的であり得る。
一方、吸収材３１０に多量に含浸されている液体は、電極セル２００で発生する熱を吸収し、その温度が沸点を超えると気化する。液体から気体への相変化による体積増加により、吸収材３１０を密封するパウチ３２０には内圧が作用することになる。
ここで、吸熱パウチ３００には、吸収材３１０に含浸された液体が気化して内圧が増加すると優先的に破断する脆弱部３２２が備えられる。吸熱パウチ３００を構成する包装材に該当するパウチ３２０は、柔軟なラミネートシートを用いて製造され得る。
ラミネートシートは、アルミニウム薄膜層と、アルミニウム薄膜層の内側に形成された内部樹脂層と、アルミニウム薄膜層の外側に形成された外部樹脂層とを含む３層以上の構造であり得る。例えば、内部樹脂層は、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ：ｃａｓｔｅｄ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）またはポリプロピレン（ＰＰ）であり得、外部樹脂層は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはナイロンであり得る。
吸熱パウチ３００の脆弱部３２２は、パウチ３２０の密封強度を局部的に下げることによって液体の気化に伴う内圧増加により優先的に破断する。パウチ３２０は、吸収材３１０を包むラミネートシートの縁を熱融着することによって密封処理され得るが、脆弱部３２２は、熱融着強度を周辺よりも低くする方式で形成され得る。例えば、脆弱部３２２は、周辺よりも厚さを薄くするか、ノッチを形成して強度を下げるか、または耐久性を維持するアルミニウム薄膜層を局部的に除去することによって形成され得る。
このように吸熱パウチ３００に脆弱部３２２が備えられることにより、図４に図示されるように、電極セル２００に熱暴走現象が発生して過熱した場合に、吸熱パウチ３００内の吸収材３１０に含浸された液体が熱を吸収して気化し、気化したガスの内圧が一定の圧力以上に上昇すると、吸熱パウチ３００の脆弱部３２２が破断して気体を噴出する。吸熱パウチ３００から噴出された気体は、過熱した電極セル２００から放出される可燃性ガスと加熱電極などの点火源を冷却して火炎を抑制することで、火災の危険を大幅に低減し得る。
本発明の一実施形態において、吸収材３１０に含浸された液体は水であり得る。水は、容易に入手し得る液体の中で比熱と潜熱が最も大きい物質に該当する。したがって、吸収材３１０に含まれる水は、気化する前から始まり気体に相変化する過程中に吸収する熱量が多いため、本発明の吸熱パウチ３００に適用するのに適している。
また、吸収材３１０に含浸された水は、消火機能を強化し得る添加剤が混合され得る。例えば、水に混合された添加剤は、水の表面張力を低下させる物質であるか、または消火薬剤であり得る。水の表面張力を低下させる物質としては、湿潤剤や界面活性剤が例として挙げられ、水の表面張力が低くなると水の浸透効果が上昇することにより、加熱電極や発火粒子などの点火源に対する消火効果が強化される。
消火薬剤は、それ自体が消火機能を発揮する薬剤を通称するものであって、現在商用化している各種粉末消火薬剤や液体消火液剤などが適用され得る。例えば、商品名Ｆ－５００ ＥＡ（製造社、ハザードコントロールテクノロジーズ社（ＨＡＺＡＲＤ ＣＯＮＴＲＯＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ，ＩＮＣ．））の消火薬剤が水に添加され得る。
本発明の第１実施形態において、ケース１００内に複数個の電極セル２００が収納されると、吸熱パウチ３００は電極セル２００の間に配置され得る。例えば、図２～図４のように電極セル２００が２つ備えられると、吸熱パウチ３００は２つの電極セル２００の間に挿入配置され得る。複数個の電極セル２００の間に挿入された吸熱パウチ３００は、電極セル２００間での熱伝播を抑制するのに効果的である。
そして、本発明の第１実施形態において、電池セル２００はパウチ型電池セル２００であり得る。パウチ型電池セル２００は、電極組立体の収納が可能なパウチ状のラミネートシートに電極組立体と電解液が内蔵された構造をなし、電極組立体が外部に露出せず電解液の漏れがないように上下に重ねられたラミネートシートに熱と圧力を加えて密封処理する熱融着を行うことになる。ここで、パウチ型電池セル２００に使用されるラミネートシートは、上述した吸熱パウチ３００のラミネートシートと類似した多層構造をなし得る。
パウチ型電池セル２００の対向する両端部には電極リード２１０がそれぞれ突出し得る。すなわち、パウチ型電池セル２００は両方向電極構造をなし得、電極リード２１０はパウチケースの熱融着枠を通過して外部に突出している。
このようなパウチ型電池セル２００は、熱融着構造上、電極リード２１０が通過する領域の密封強度が相対的に弱く、電極リード２１０は過熱しやすい部品であるため、パウチ型電池セル２００で熱暴走が発生すると、電極リード２１０領域で高温の可燃性ガスと加熱電極などの噴出が始まりやすい。
したがって、本発明の第１実施形態では、吸熱パウチ３００の脆弱部３２２が電極リード２１０の両方向配置に対応して両端部に配置され得る。すなわち、パウチ型電池セル２００の電極リード２１０と吸熱パウチ３００の脆弱部３２２を同じ方向に配置することにより、図４に図示されるように、吸熱パウチ３００の冷却および消火機能が効果的に発揮されるようにし得る。
設計上、許されるならば、吸熱パウチ３００の脆弱部３２２を電極リード２１０に対応する地点に最大限に近づけて位置させることにより、電極リード２１０の領域から排出される高温ガスなどを即刻的に冷却することが好ましいと言える。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る角型二次電池１０を図示した図面であり、図６は、本発明の第２実施形態において電池セル２００から放出される点火源を冷却する状態を図示した図面である。
図示された第２実施形態は、パウチ型電池セル２００の対向する両端部には電極リード２１０がそれぞれ突出していることは、上述した第１実施形態と同じであり、それと併せてケース１００に備えられたベンティング部１５０が、パウチ型電池セル２００の電極リード２１０に対応してケース１００の両端部に配置されている。
ベンティング部１５０は、ケース１００内部のパウチ型電池セル２００から放出される高温ガスなどの点火源と、それを冷却および消火する吸熱パウチ３００の気体を外部に排出することにより、ケース１００の構造崩壊を防ぐ一種の安全バルブに該当する構成である。ベンティング部１５０は、ケース１００の一部の領域の厚さを薄くするか、またはノッチを形成して構造的に脆弱にした構造であり得、または別途のベンティング装置を付着するなどの多様な方式で具現し得る。
本発明の第２実施形態においては、ベンティング部１５０と吸熱パウチ３００との間に複数の貫通ホール４１０が形成されたバッフル４００が配置されている。このようなバッフル４００の構造は、図５の「Ｂ－Ｂ」切断線に沿った図６の断面図を参照し得る。
バッフル４００は、パウチ型電池セル２００から放出される高温ガスと、それを冷却および消火する吸熱パウチ３００の気体がベンティング部１５０から排出される前に好適に停滞するようにその流れを制御する構成である。バッフル４００に形成された貫通ホール４１０を介してケース１００のベンティング部１５０に抜けている間に気体の流れに停滞が発生するほど、吸熱パウチ３００の気体は十分な時間、高温ガスなどの点火源を冷却し得るようになる。
さらに、バッフル４００は、その断面形状において、図６に図示されるように、ベンティング部１５０に向かって凸状の曲面をなし得る。これにより、バッフル４００に当たった高温の可燃性ガスと吸熱パウチ３００の気体は曲面に沿って旋回流をなしながら相互間の混合が促進され、バッフル４００によって促進された混合は点火源の排出を遅らせながら、より効果的な冷却が行われるようにする。
以上、図面と実施形態などにより本発明をより詳細に説明した。しかしながら、本明細書に記載された図面または実施形態などに記載された構成は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替し得る多様な均等物と変形例があり得ることを理解すべきである。
１０：角型二次電池
１００：ケース
１１０：メインケース
１２０：下部プレート
１３０：サイドキャップ
１４０：電極端子
１５０：ベンティング部
２００：電池セル（パウチ型）
２１０：電極リード
３００：吸熱パウチ
３１０：吸収材
３２０：パウチ
３２２：脆弱部
４００：バッフル
４１０：貫通ホール

Claims (12)

  1. ケースと、
    前記ケース内に収容される少なくとも１つ以上の電池セルと、
    前記電池セルに接触する少なくとも１つ以上の吸熱パウチと、
    を含み、
    前記吸熱パウチは、
    前記電池セルで発生する熱を吸収して気化する液体を含浸した吸収材と、
    前記液体を含浸した吸収材を密封収容するパウチと、
    を含む、角型二次電池。
  2. 前記電池セルは複数個で備えられ、
    前記吸熱パウチは、前記電池セルの間に配置される、請求項１に記載の角型二次電池。
  3. 前記吸熱パウチは、前記吸収材に含浸された液体が気化して内圧が増加すると優先的に破断する脆弱部が備えられる、請求項１に記載の角型二次電池。
  4. 前記電池セルは、パウチ型電池セルである、請求項３に記載の角型二次電池。
  5. 前記電池セルの対向する両端部には電極リードがそれぞれ突出し、
    前記吸熱パウチの脆弱部は、前記電極リードに対応して両端部に配置されている、請求項４に記載の角型二次電池。
  6. 前記吸熱パウチの脆弱部は、前記電極リードに対応する位置に配置されている、請求項５に記載の角型二次電池。
  7. 前記吸収材は、高吸収性マトリックスである、請求項１に記載の角型二次電池。
  8. 前記高吸収性マトリックスは、高吸収性ポリマーまたは高吸収性繊維を含む、請求項７に記載の角型二次電池。
  9. 前記液体は添加剤が混合された水であり、
    前記添加剤は、水の表面張力を低下させる物質であるか、または消火薬剤である、請求項８に記載の角型二次電池。
  10. 前記ケースにはベンティング部が備えられ、
    前記ベンティング部は、前記電極リードに対応して前記ケースの両端部に配置されている、請求項５に記載の角型二次電池。
  11. 前記ベンティング部と前記吸熱パウチとの間に複数の貫通ホールが形成されたバッフルが配置されている、請求項１０に記載の角型二次電池。
  12. 前記バッフルは、前記ベンティング部に向かって凸状の曲面をなす、請求項１１に記載の角型二次電池。
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