JP6812056B2 - 熱膨張性テープを含む安全性の改善したバッテリーセル及びその製造方法 - Google Patents

熱膨張性テープを含む安全性の改善したバッテリーセル及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は熱膨張性テープを含む安全性の改善したバッテリーセル及びその製造方法に関するもので、より詳しくは、本発明は複数の電池セルを含む電池パックにおいて、充電及び放電過程で発生する熱及びこれによって発生した内部ガスを熱膨張テープを適用して電池セルの外部に効果的に排出することを特徴とする熱膨張性テープを含む安全性の改善したバッテリーセル及びその製造方法に関するものである。
一般に、二次電池の種類には、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池及びリチウムイオンポリマー電池などがある。このような二次電池はデジタルカメラ、Ｐ−ＤＶＤ、ＭＰ３Ｐ、携帯電話、ＰＤＡ、携帯ゲーム機（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｇａｍｅ Ｄｅｖｉｃｅ）、動力工具（Ｐｏｗｅｒ Ｔｏｏｌ）及びＥｂｉｋｅなどの小型製品だけではなく、電気自動車やハイブリッド自動車のような高出力を要求する大型製品と余剰発電電力や新材生エネルギーを貯蔵する電力貯蔵装置とバックアップ用電力貯蔵装置にも適用されて使われている。
一方、電気自動車やハイブリッド電気自動車又は電力貯蔵装置に使われる大容量バッテリーは直列及び／又は並列で連結された多数の単位セル集合体を含む。多数の単位セルが連結されたバッテリーは、バッテリーパックの形態で充放電を繰り返すことになるため、各単位セル及びバッテリーパックの状態を制御しなければならない問題が発生することになる。
このようなリチウム二次電池の形状によって、円筒型（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｔｙｐｅ）、角型（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ ｔｙｐｅ）及びパウチ型（ｐｏｕｃｈｅｄ ｔｙｐｅ）などに分類される。特に、パウチ型二次電池は柔軟性を有するケースから製作されるので、その形状が比較的自由である。また、製造工程が比較的易しくて製造コストが低いので、二次電池業界で広く使われている。
しかし、このようなパウチ型二次電池は、出力又は容量特性を向上させるために、有機溶媒及び可塑剤などが添加されて製造される。そして、パウチ型二次電池は、充放電過程で過充電の発生又は故障による内部ショート発生などによって瞬く間にセル内部の温度が上昇し、これによる発火性ガスの発生によってパウチが膨れ上がる膨出（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）現象が発生することがある。このような膨出現象を防止するためには、パウチケース内部のガスを適切に移動又は放出させなければならない。特に、既存の電池パックの構成要素にガス排出のための構成要素を付け加えずにこのような問題点を達成するための研究が進んでいる。
韓国特許公開第２０１６−００９５４３９号公報（２０１６．０８．１１）には、一定の間隔で水平及び垂直方向にそれぞれ配列され、電極端子と安全ベントをそれぞれ備え、前記電極端子と前記安全ベントが一側方向に整列された多数の二次電池を含む二次電池ユニット、前記二次電池ユニットの外部をバンド状に包んで前記二次電池ユニットを所定の圧力で圧迫するための圧迫プレート、及び前記電極端子と前記安全ベントをカバーし、前記安全ベントとそれぞれ連結され、前記安全ベントからそれぞれ排出されるガスが第１位置に移動するように誘導するダクトが形成され、前記第１位置で前記ダクトと連結されるように結合されたベントホール部材を含む絶縁カバーを含むことを特徴とするバッテリーモジュールが開示されている。
日本国特開第２０１１−０７１０９７号公報（２０１１．０４．０７）には、セル端子が設けられた上面、前記上面に対向する底面、及び、前記上面と前記底面とを繋ぐ側面を各々有する複数の電池セルと、各々の前記セル端子が一直線上に並び且つ同一平面上に位置するように配列された複数の前記電池セルを各々支持する第１凹部を有し前記電池セルの各々の前記上面と接着されるとともに前記電池セルの各々の前記セル端子を露出する開口が形成された第１支持枠と、複数の前記電池セルを各々支持する第２凹部を有し前記電池セルの各々の前記底面と接着される第２支持枠と、及び、複数の前記電池セルの各々の前記側面を支持する筒状部を有する第３支持枠と、前記第１支持枠の開口から露出した前記電池セルの各々の前記セル端子を電気的に接続するバスバーと、複数の前記電池セルを支持した前記支持枠の前記第２支持枠と対向する底部、及び、前記底部から立ち上がり前記第３支持枠を囲むとともに前記第１支持枠に締結される側壁を有する外ケースとを備えたことを特徴とする二次電池装置が開示されている。
日本国特許登録第５９９３２０９号公報（２０１６．０８．２６）には、複数の単電池で構成される組電池が筐体内部に収容され、筐体には冷却風を該筐体に導入するための吸気口と冷却風を排出するための排気口が設けられ、冷却風によって組電池を冷却する電池冷却構造であって、単電池はリチウムイオン二次電池又はニッケル水素二次電池であり、吸気口又は排気口には、火災発生時の熱により膨張して吸気口又は排気口を閉塞する耐火閉塞部材３が配置されており、耐火閉塞部材は、膨張開始温度が２７０℃以下の膨張材料を含む熱膨張性耐火樹脂材料によって構成されており、さらに、吸気口又は排気口にはダクト部材が接続されるとともに、耐火閉塞部材は吸気口又は排気口の周面に沿うように配置される筒状の部分を有し、耐火閉塞部材の前記筒状の部分が、吸気口又は排気口とダクト部材との間に介装された電池構造が開示されている。
韓国特許公開第２０１３−０１１７６３７号公報（２０１３．１０．２８）には、電極タブを備える電極組立体、前記電極タブに付着され、少なくとも一つのリードホールを備える電極リード、前記電極リードが外部に引き出されるように前記電極組立体を収容するパウチケース、及び前記リードホールと対応する領域に形成されるベンティングパターン部を備えるものであって、前記電極リード及び前記パウチケースの内側面の間に介在されるシーリングテープ１３を含む二次電池が開示されている。
しかし、別途のガス排出装備なしに電池セルとバッテリーパックの内部温度及びガス排出を制御することで、効果的にバッテリーパックの安全性を高め、充電及び放電特性を改善することができる熱膨張性テープを含む安全性の改善したバッテリーセル及びその製造方法の技術は提示されたことがない。
韓国特許公開第２０１６−００９５４３９号公報 日本国特開第２０１１−０７１０９７号公報 日本特許登録第５９９３２０９号公報 韓国特許公開第２０１３−０１１７６３７号公報
本発明は前記のような従来の問題点を解決するためのものであり、本発明の主目的はパウチ型二次電池の内部で発生したガスを排出することができる装置を提供することに特徴がある熱膨張性テープを含む安全性の改善したベトリセル及びその製造方法を提供することである。
また、リチウム二次電池パックを製造する工程において追加的な構成要素なしに電池セルの内部ガスを排出する製造方法を提供することに他の目的がある。
また、パウチ型リチウム二次電池の充電及び放電特性による電池パックの温度制御及び内部発生ガスの排出に物理化学的安全性を有する電池セル固定ユニットを提供することを目的とする。
本発明は前記のような従来の問題点を解決するために案出されたものであり、パウチによって電極組立体及び電解液が密閉され、前記パウチの一側の外部に陽極タブ及び陰極タブが引き出されるように形成されるパウチ型電池セルを形成する第１段階と、前記第１段階で形成された複数の前記パウチ型電池セルをスタッキング（Ｓｔａｋｉｎｇ）する第２段階と、前記第２段階の複数のパウチ型電池セルを固定ユニットで固定して単位モジュールを形成する第３段階と、前記第３段階で形成された複数の単位モジュールをモジュールケースに配列する第４段階とを含み、前記固定ユニットは、前記パウチ型電池セルの温度上昇時、電池セル内部のガスを排出する機能を有することを特徴とするリチウム二次電池パックの製造方法を提供する。
また、前記固定ユニットは熱膨張特性を有してもよい。
また、前記固定ユニットは熱膨張性高分子であってもよい。
また、前記固定ユニットは、テープ型、バンド型、チューブ型及びボックス型のいずれか一つ又は二つ以上の形態が適用されることができる。
また、前記第３段階での単位モジュールの一面には保護回路又はＰＴＣ回路が形成されることができる。
また、前記熱膨張性高分子は、ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＰＶＣ、アクリル及びブチル樹脂からなる群から選択される１種からなることができる。
また、前記固定ユニットの内部ガス排出機能は前記電池セルの温度が８０℃以上であるときに機能することができる。
また、前記固定ユニットは熱膨張性高分子及び膨張黒鉛の複合構造からなることができる。
また、前記固定ユニットの膨張圧力は０．２Ｎ／ｍｍ２〜１．５Ｎ／ｍｍ２であってもよい。
また、前記リチウム二次電池パックの製造方法によって製造された二次電池を含むことを特徴とするデバイスであってもよい。
また、前記デバイスは、電子機器、電気自動車、ハイブリッド自動車及び電力貯蔵装置からなる群から選択されることを特徴とするデバイスあってもよい。
また、本発明の前記のような従来の問題点を解決するために案出されたものであり、パウチによって電極組立体及び電解液が密閉され、前記パウチの一側の外部に陽極タブ及び陰極タブが引き出されるように形成されるパウチ型電池セルと、複数の前記パウチ型電池セルをスタッキングした後に固定ユニットで固定した単位モジュールと、前記単位モジュールが複数配列されたモジュールケースとを含み、前記固定ユニットは、前記パウチ型電池セルの温度上昇時、電池セル内部のガスを排出する機能を有することを特徴とするリチウム二次電池パックであってもよい。
また、前記固定ユニットは熱膨張特性を有してもよい。
また、前記固定ユニットは一つ以上のバンド状の熱膨張性黒鉛を含むテープであってもよい。
例示的な既存のパウチ型電極組立体を示した図である。 例示的な既存のパウチ型電池セルを示した図である。 例示的なパウチ型電池セルのガス発生による体積膨張を示した図である。 本発明の一実施例による固定ユニットに形成された膨張黒鉛の図である。 本発明の一実施例によるバンド状の固定ユニットに形成された膨張黒鉛の図である。 本発明の一実施例による膨張黒鉛が形成された固定ユニットを含む両方向電極タブ形態の電極組立体の図である。
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の動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の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ことができ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使う。明細書全般において、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いうのは、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。
図面を参照して、本発明を詳細な実施例に基づいて説明する。
本発明は、パウチによって電極組立体及び電解液が密閉され、前記パウチの一側の外部に陽極タブ及び陰極タブが引き出されるように形成されるパウチ型電池セルを形成する第１段階と、前記第１段階で形成された複数の前記パウチ型電池セルをスタッキング（Ｓｔａｋｉｎｇ）する第２段階と、前記第２段階の複数のパウチ型電池セルを固定ユニットで固定して単位モジュールを形成する第３段階と、前記第３段階で形成された複数の単位モジュールをモジュールケースに配列する第４段階とを含み、前記固定ユニットは、前記パウチ型電池セルの温度上昇時、電池セル内部のガスを排出する機能を有することを特徴とするリチウム二次電池パックの製造方法を提供する。
本発明の熱膨張特性を有する固定ユニットを含むパウチ型二次電池は、パウチによって電極体が密閉され、前記パウチの上側外部に陽極タブ及び陰極タブが引き出されるように形成され、並んで積層される一対のパウチ型セル、及び前記パウチ型セルのパウチが密閉されるように結合されるセルケースを含み、並んで積層配列される多数のパウチ型セルモジュールを含んでなる。
前記パウチ型セルモジュールは、前記パウチ型セルの電極体が前記パウチによって密閉されるように、前記パウチが前記電極体の外面を包む形態に形成される。そして、前記電極体の一側に延設される前記陽極タブ及び陰極タブが前記パウチの外部に引き出されるように形成される。すなわち、前記パウチ型セルは、前記電極体の一側に陽極タブ及び陰極タブが延設され、前記パウチが前記陽極タブ及び陰極タブを除いた前記電極体のみを密閉するように包む形態に形成される。そして、このように形成される前記パウチ型セルは一対からなって並んで積層され、前記パウチ型セルは、パウチが密閉されるように結合されるセルケースが外側面に結合される。
すなわち、前記パウチ型セルの陽極タブ及び陰極タブを除いた、前記パウチで包まれている部分がさらに前記セルケースによって包まれることで、前記セルケースによって密閉される。ここで、前記セルケースは、内部に一定の空間を確保するように、前記パウチに密着しないように形成されることが好ましい。
前記パウチ型セルモジュールは、一側に前記陽極タブ及び陰極タブが前記セルケースの外部に引き出されるように形成され、前記電極体は前記パウチによって密閉され、前記パウチの外側にセルケースの結合によってさらに密閉されて二重に密閉される構造を成す。
ここで、前記パウチ型セルの電極体は、陽極、陰極、電解質及び前記陽極と陰極を分離する隔離板からなるもので、電気が充電及び放電される部分であり、前記陽極タブ及び陰極タブは放電時に前記電極体から発生するか充電時に外部から流入する電流を伝達する部分である。
前記のように形成されるパウチ型セルモジュールは多数が並んで積層されるように構成され、前記セルケースの外部に引き出される陽極タブ又は陰極タブは一つのパウチ型セルモジュールの一対の陽極タブが結合され、陰極タブは互いに隣り合うパウチ型セルモジュールの陰極タブと結合されて直列又は並列で連結されることができる。
ここで、前記陽極タブ及び陰極タブはコネクター又は連結板などを介して結合されるかレーザー又は超音波溶接によって結合されることができる。このように、前記多数のパウチ型セルモジュールが構成され、それぞれのパウチ型セルモジュールのセルケースの一側に前記ガス排出口が形成されることができる。
また、前記固定ユニットは熱膨張特性を有してもよい。
また、前記固定ユニットは熱膨張特性を有する有機及び／又は無機系物質であってもよい。
また、前記固定ユニットは熱膨張特性を有する膨張黒鉛であってもよい。
また、前記固定ユニットは熱膨張性高分子からなるものであってもよい。
前記熱膨張性高分子は、ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＰＶＣ、アクリル及びブチル樹脂のいずれか一つ又は二つ以上の高分子であってもよい。
前記考慮される熱膨張性高分子の物性データは表１の通りである。
Figure 0006812056
また、前記固定ユニットは、テープ型、バンド型、チューブ型及びボックス型のいずれか一つ又は二つ以上の形態が適用されることができる。
前記テープ型、バンド型、チューブ型及びボックス型のいずれか一つ又は二つ以上の形態を有する固定ユニットは前記第３段階でスタッキングされた電池セルと接することができる。
前記スタッキングされた電池セルと接する固定ユニットの表面には熱可塑性粘接着剤が形成されることができる。
前記熱可塑性点接着剤は、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＶＣ（塩化ビニル）、ｎｙｌｏｎ（ポリアミド）及びＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）からなる群から選択されるいずれか１種であってもよい。
また、前記第３段階での単位モジュールの一面には保護回路又はＰＴＣ回路が形成されることができる。
また、前記熱膨張性高分子は、ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＰＶＣ、アクリル及びブチル樹脂からなる群から選択されるいずれか１種からなることができる。
また、前記固定ユニットの内部ガス排出機能は前記電池セルの温度が８０℃以上であるときに機能することができる。好ましくは、前記電池セルの温度が１５０以上であるときに機能することができる。
また、前記固定ユニットは熱膨張性高分子及び膨張黒鉛の複合構造からなることができる。
また、前記固定ユニットの膨張圧力は０．２Ｎ／ｍｍ２〜１．５Ｎ／ｍｍ２であってもよい。
前記高分子に対する金属の重量比を外れると、電池セルを固定する機能を失うか又はガスを容易に排出することができない。
また、前記いずれか一方法によるリチウム二次電池パックの製造方法が適用された電子機器であってもよい。
また、前記いずれか一方法によるリチウム二次電池パックの製造方法が適用された電気自動車であってもよい。
また、前記いずれか一方法によるリチウム二次電池パックの製造方法が適用されたハイブリッド自動車であってもよい。
また、前記いずれか一方法によるリチウム二次電池パックの製造方法が適用された電力貯蔵装置であってもよい。
また、本発明は前記のような従来の問題点を解決するために案出されたもので、パウチによって電極組立体及び電解液が密閉され、前記パウチの一側の外部に陽極タブ及び陰極タブが引き出されるように形成されるパウチ型電池セルと、複数の前記パウチ型電池セルをスタッキングした後に固定ユニットで固定した単位モジュールと、前記単位モジュールが複数配列されたモジュールケースとを含み、前記固定ユニットは、前記パウチ型電池セルの温度上昇時、電池セル内部のガスを排出する機能を有することを特徴とするリチウム二次電池パックであってもよい。
また、前記固定ユニットは熱膨張特性を有してもよい。
また、前記固定ユニットは一つ以上のバンド状の熱膨張性高分子から構成されたテープであってもよい。
前記熱膨張性高分子は、ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＰＶＣ、アクリル及びブチル樹脂のいずれか一つ又は二つ以上の高分子であってもよい。
前記固定ユニットは熱膨張性金属であってもよい。
図４は本発明の一実施例による固定ユニットに形成された膨張黒鉛の図である。
図５は本発明の一実施例によるバンド状の固定ユニットに形成された膨張黒鉛の図である。
本発明の一実施例による固定ユニットに形成される膨張黒鉛は多様な形態に形成されることができる。図４では、前記固定ユニットの全体に均一に分布される形態、特定の部位に帯状に形成される形態、特定の部位に斜線状に形成される形態を提示したが、前記固定ユニットの二次電池の異常状態で二次電池の内部で発生したガスを排出させる効果を示す限り、前記形成形態に制限されないことは自明である。
本発明の一実施例によるバンド状の固定ユニットに形成される膨張黒鉛は多様な形態に形成されることができる。図５では、前記固定ユニットの全体に均一に分布される形態、特定の部位に帯状に形成される形態、特定の部位に斜線状に形成される形態を提示したが、前記固定ユニットの二次電池の異常状態で電流が流れることを防ぐ効果を示す限り、前記形成形態に制限されないことは自明である。
図６は本発明の一実施例による膨張黒鉛が形成された固定ユニットを含む両方向電極タブ形態の電極組立体の図である。前記固定ユニットが形成される電極組立体は単方向電極タブ形態にも形成されることができることは自明である。
以上で本発明を記載された実施例に基づいて詳細に説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば前述した技術的思想を逸脱しない範疇内でさまざまな置換、付加及び変形が可能であることは言うまでもなく、このような変形実施形態も以下に添付する特許請求範囲によって決定される本発明の保護範囲に属するものと理解されなければならないであろう。
本発明による熱膨張性テープを含む安全性の改善したバッテリーセル及びその製造方法によれば、パウチ型二次電池の内部で発生したガスを排出させることにより、パウチ型二次電池パックの安全性を向上させることができる効果がある。
また、本発明は、二次電池の内部で発生したガスの圧力を用いるので、別途の装置及び外部動力源なしに作動が可能である効果がある。
また、本発明は、熱膨張性固定ユニットの構成によって反復的なガス排出の効果がある。
また、本発明は並んで積層配列される多数のパウチ型セルモジュールの固定ユニットを含んでなり、前記パウチ型セルの内部ショート又は過充電の際に発火性ガスが発生して前記パウチの一部が裂けて排出される多量の発火性ガスを速やかに排出するようにし、前記パウチ型セルモジュールの温度及び電圧を安定化することで、複数のパウチ型電池セルから構成されたバッテリーモジュールの発火又は爆発の可能性を減らすことができる効果がある。

Claims (11)

  1. パウチによって電極組立体及び電解液が密閉され、前記パウチの一側の外部に陽極タブ及び陰極タブが引き出されるように形成されるパウチ型電池セルを形成する第１段階と、
    前記第１段階で形成された複数の前記パウチ型電池セルをスタッキング（Ｓｔａｋｉｎｇ）する第２段階と、
    前記第２段階の複数のパウチ型電池セルを固定ユニットで固定して単位モジュールを形成する第３段階と、
    前記第３段階で形成された複数の単位モジュールをモジュールケースに配列する第４段階と、を含み、
    前記固定ユニットは、熱膨張性黒鉛又は熱膨張性金属を含むことを特徴とする、リチウム二次電池パックの製造方法。
  2. 前記固定ユニットは熱膨張性高分子を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池パックの製造方法。
  3. 前記固定ユニットは、テープ型、バンド型、チューブ型及びボックス型のいずれか一つ又は二つ以上の形態が適用されたことを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池パックの製造方法。
  4. 前記第３段階での単位モジュールの一面には保護回路又はＰＴＣ回路が形成されることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池パックの製造方法。
  5. 前記熱膨張性高分子は、ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＰＶＣ、アクリル及びブチル樹脂からなる群から選択される１種からなることを特徴とする、請求項２に記載のリチウム二次電池パックの製造方法。
  6. 前記固定ユニットの内部ガス排出機能は前記パウチ型電池セルの温度が８０℃以上であるときに機能することを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池パックの製造方法。
  7. 前記固定ユニットの膨張圧力は０．２Ｎ／ｍｍ２〜１．５Ｎ／ｍｍ２であることを特徴とする、請求項１に記載のリチウム二次電池パックの製造方法。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のリチウム二次電池パックの製造方法によって製造された二次電池を含むことを特徴とする、デバイス。
  9. 前記デバイスは、電子機器、電気自動車、ハイブリッド自動車及び電力貯蔵装置からなる群から選択されることを特徴とする、請求項８に記載のデバイス。
  10. パウチによって電極組立体及び電解液が密閉され、前記パウチの一側の外部に陽極タブ及び陰極タブが引き出されるように形成されるパウチ型電池セルと、
    複数の前記パウチ型電池セルをスタッキングした後に固定ユニットで固定した単位モジュールと、
    前記単位モジュールが複数配列されたモジュールケースとを含み、
    前記固定ユニットは、熱膨張性黒鉛又は熱膨張性金属を含むことを特徴とする、リチウム二次電池パック。
  11. 前記固定ユニットは一つ以上のバンド状のテープであることを特徴とする、請求項１０に記載のリチウム二次電池パック。
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