JP7199576B2 - 過充電防止可能な構造を有するバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック、及び該バッテリーパックを含む自動車 - Google Patents
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Description
本発明は、過充電防止可能な構造を有するバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック、及び該バッテリーパックを含む自動車に関し、より具体的には、両端に印加される電位差に応じて変形してバッテリーモジュールを構成する一部のバッテリーセルに短絡を発生させて過電圧発生を防止する電流遮断部材を備えるバッテリーモジュール、それを含むバッテリーパック、及び該バッテリーパックを含む自動車に関する。
本出願は、２０１９年７月１０日付け出願の韓国特許出願第１０－２０１９－００８３３５７号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
現在、二次電池に使われるヒューズ装置には、ＰＴＣサーミスタ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）、サーマルカットオフ（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｕｔ－ｏｕｔ；ＴＣＯ）、サーマルヒューズ（ｔｈｅｒｍａｌ ｆｕｓｅ）などがある。しかし、サーマルヒューズは使い捨てであるという短所があり、ＰＴＣやＴＣＯは反復的な使用は可能であるものの、動作を繰り返すほど自体抵抗が増加して回路上の全体的な抵抗を高めるという短所がある。
また、上述した素子はいずれも過電流による発熱によって作動するものである。すなわち、上述した素子は、過充電などによって回路の電流経路上に過電流が発生し、それによって温度が上昇して初めて電流の流れを遮断するように動作する素子に該当する。
したがって、上述した素子の場合、発熱によって安全がすでに脅かされた後に動作して過電流を遮断するものであって、温度を上昇させる原因が発生したとき直ちに過電流を遮断することはできない。
また、上述した素子の場合、単に温度に応じて動作するため、自動車に用いられるバッテリーパックのように高出力を出す二次電池には使用し難い。すなわち、自動車用バッテリーパックの場合、高いＣ－レートを必要とし、それによって発熱量も多くなるが、ＰＴＣサーミスタ、サーマルカットオフ、サーマルヒューズのような素子は、このような高温環境ではあまりにも早く作動してしまうという問題がある。
したがって、再使用が可能であり、高い電流が流れる環境でも利用でき、さらに、温度が上昇する前に温度上昇の原因になり得るイベントが発生すれば、強制的に短絡を起こして電流を消耗することで、過充電による過電圧の発生を予め遮断できる装置が適用された二次電池が求められている。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、過電流による発熱によって二次電池の温度が上昇する前に、可逆的に予め短絡を起こして電流を消耗させることで、過電圧の発生を前もって遮断することを目的とする。
本発明が解決しようとする技術的課題は上記の課題に制限されず、その他の課題は下記の発明の説明から当業者に明確に理解できるであろう。
上記の課題を達成するため、本発明の一態様によるバッテリーモジュールは、正極リード及び負極リードを備え、互いに直列で接続される第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルと、長手方向の一側は第１バッテリーセルの負極リードと第２バッテリーセルの正極リードとの間に接触した状態で介在され、長手方向の他側は第１バッテリーセルの正極リードと第２バッテリーセルの負極リードとの間に位置する短絡誘導部材とを含み、第１バッテリーセルの負極リードと第２バッテリーセルの正極リードとの電位差が基準値以上になったとき、短絡誘導部材の長手方向の他側端部が第２バッテリーセルの負極リードに向かって曲げ変形を起こして第２バッテリーセルの負極リードと接触する。
短絡誘導部材は、ＥＡＰ層と、ＥＡＰ層の一面上に形成される第１金属層と、ＥＡＰ層の他面上に形成される第２金属層とを含み得る。
第１金属層は第１バッテリーセルの負極リードと電気的に接続され、第２金属層は第２バッテリーセルの正極リードと電気的に接続され得る。
第２金属層は、短絡誘導部材が曲げ変形を起こしたとき、第２バッテリーセルの負極リードと接触して第２バッテリーセルに短絡を発生させ得る。
ＥＡＰ層は、ナフィオン（登録商標）、ポリピロール、ポリアニリン及びポリチオフェンから選択された少なくとも一つの高分子電解質を含み得る。
第１金属層及び第２金属層は、白金、金、銀及び銅を含む群から選択されたいずれか一つの金属を含み得る。
バッテリーモジュールは、第１バッテリーセルの正極リードと第２バッテリーセルの負極リードとの間を電気的に接続するコネクティングラインをさらに含み得る。
バッテリーモジュールは、１金属層と第１バッテリーセルの負極リードとの間及び第２金属層と第２バッテリーセルの正極リードとの間に介在されるＰＴＣ素子をさらに含み得る。
上記の課題を達成するため、本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、上述した本発明の一態様によるバッテリーモジュールを含む。また、上記の課題を達成するため、本発明のさらに他の一態様による自動車は、上述した本発明の一態様によるバッテリーパックを含む。
本発明の一態様によれば、過電流による発熱によって二次電池の温度が上昇する前に、可逆的に予め短絡を起こして電流を消耗させることで、過電圧の発生を前もって遮断でき、それによって二次電池の使用上の安全を確保することができる。
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形態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ものであるため、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。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。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形態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形態に過ぎず、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。
以下、図１～図４を参照して、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１００を説明する。
まず、図１を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１００は、複数のバッテリーセル１０及び少なくとも一つの短絡誘導部材２０を含み、コネクティングラインＬをさらに含む形態でも具現され得る。
図１及び図２を参照すると、バッテリーセル１０は、電極組立体（図示せず）、正極リード１１、負極リード１２、セルケース１３及びシーリングテープ１４を含む。
図示されていないが、電極組立体は、交互に繰り返して積層された正極板と負極板との間にセパレータを介在させた形態を有し、両側の最外郭には絶縁のためにセパレータがそれぞれ位置することが望ましい。
負極板は、負極集電体及びその一面または両面上にコーティングされる負極活物質層からなり、一端部には負極活物質がコーティングされていない負極無地部領域が形成されるが、このような負極無地部領域は負極タブとして機能する。
正極板は、正極集電体及びその一面または両面上にコーティングされる正極活物質層からなり、一端部には正極活物質がコーティングされていない正極無地部領域が形成されるが、このような正極無地部領域は正極タブとして機能する。
また、セパレータは、負極板と正極板との間に介在されて異なる極性の電極板同士が直接接触することを防止するが、負極板と正極板との間で電解質を媒介にしてイオンが移動できるように多孔性材質からなり得る。
正極リード１１は、溶接などの接合方式によって正極タブと接続されてセルケース１３の外側に引き出される。負極リード１２は、溶接などの接合方式によって負極タブと接続されてセルケース１３の外側に引き出されるが、正極リード１１と同じ方向に引き出される。すなわち、本発明に適用されるバッテリーセル１０は、一方向引出し型バッテリーセルに該当する。
セルケース１３は、電極組立体（図示せず）を収容する収容部１３ａ、及び収容部１３ａの外周方向に延びて、電極リード１１、１２が外部に引き出された状態で熱融着されてセルケース１３を密封するシーリング部１３ｂの二つの領域を含む。
図示されていないが、セルケース１３は、樹脂層／金属層／樹脂層が順次に積層された多層のパウチフィルムからなる上部ケース及び下部ケースのそれぞれの外縁部分が当接して熱融着されることで密封される。
シーリングテープ１４は、正極リード１１及び負極リード１２の周囲にそれぞれ貼り付けられてセルケース１３のシーリング部１３ｂと電極リード１１、１２との間に介在される。シーリングテープ１４は、セルケース１３のシーリング部１３ｂのうち電極リード１１、１２が引き出される領域で、セルケース１３の内側面と電極リード１１、１２との間の低い接着力によってセルケース１３の密封性が低下することを防止するために適用される部品である。
このようなバッテリーセル１０は、少なくとも二つ以上備えられ、それぞれのバッテリーセル１０は、相互に直列で接続される。図面（図１）には四つのバッテリーセル１０が直列で接続された場合を例示的に図示しているが、本発明がこれに限定されることはない。すなわち、二つのバッテリーセル１０が直列で接続された場合、三つのバッテリーセル１０が直列で接続された場合、または五つ以上のバッテリーセル１０が直列で接続された場合も本発明の範囲に属する。
以下、本発明を説明するにあたって、図１に示された四つのバッテリーセル１０を左側から順次に第１バッテリーセル１０Ａ、第２バッテリーセル１０Ｂ、第３バッテリーセル１０Ｃ及び第４バッテリーセル１０Ｄと区分して称することにする。
図１を参照すると、短絡誘導部材２０は、第１バッテリーセル１０Ａの負極リード１２と第２バッテリーセル１０Ｂの正極リード１１との間、第２バッテリーセル１０Ｂの負極リード１２と第３バッテリーセル１０Ｃの正極リード１１との間、及び第３バッテリーセル１０Ｃの負極リード１２と第４バッテリーセル１０Ｄの正極リード１１との間にそれぞれ介在される。この場合、コネクティングラインＬは、第１バッテリーセル１０Ａの正極リード１１と第２バッテリーセル１０Ｂの負極リード１２との間を連結し、第２バッテリーセル１０Ｂの正極リード１１と第３バッテリーセル１０Ｃの負極リード１２との間を連結し、第３バッテリーセル１０Ｃの正極リード１１と第４バッテリーセル１０Ｄの負極リード１２との間を連結する。
以下、第１バッテリーセル１０Ａの負極リード１２と第２バッテリーセル１０Ｂの正極リード１１との間に介在された短絡誘導部材２０を挙げて短絡誘導部材２０について説明する。
短絡誘導部材２０は、互いに隣接したバッテリーセル１０Ａ、１０Ｂの対向する電極リード１１と電極リード１２とを互いに物理的に連結し、過充電によって第１バッテリーセル１０Ａの負極リード１２と第２バッテリーセル１０Ｂの正極リード１１との間の電位差が基準値以上になると、その形態が変形される。
短絡誘導部材２０は、このような変形によって第２バッテリーセル１０Ｂの負極リード１２と接触するようになり、これによって第２バッテリーセル１０Ｂの正極リード１１と負極リード１２とが直接的に接続されて短絡が発生する。このように短絡が発生すれば、第２バッテリーセル１０Ｂの電圧が急激に落ちて過充電による過電圧の危険を回避することができる。
図３及び図４を参照すると、このような電位差による変形を通じて短絡を誘導するための短絡誘導部材２０の構造及びその作動原理が示されている。
まず、図３を参照すると、短絡誘導部材２０は、ＥＡＰ（Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）層２１、ＥＡＰ層２１の一面上に形成される第１金属層２２、及びＥＡＰ層２１の他面上に形成される第２金属層２３を含む形態で具現される。
ＥＡＰ層２１、すなわち電気活性ポリマー層は、イオン伝達特性に優れた高分子電解質からなる層に該当し、例えばナフィオン（登録商標、Ｎａｆｉｏｎ）、ポリピロール、ポリアニリン及びポリチオフェンのうち選択された少なくとも一つの高分子電解質を含み得る。
第１金属層２２及び第２金属層２３は、ＥＡＰ層２１の両面上にそれぞれ形成され、電気伝導性に優れた金属からなり得る。これら金属層２２、２３は、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）のうち選択された少なくとも一つの金属を含み得る。
短絡誘導部材２０は、ＥＡＰ層２１の両面に形成された金属層２２、２３を通じて基準値以上の電圧が印加されれば、変形を起こす。図１及び図４を一緒に参照すると、第１バッテリーセル１０Ａと第２バッテリーセル１０Ｂとの間に配置された短絡誘導部材２０は、第１バッテリーセル１０Ａの負極リード１２から離れる方向に曲げ変形を起こすことで、第２金属層２３を第２バッテリーセル１０Ｂの正極リード１１及び負極リード１２の両方と接触させる。
すなわち、短絡誘導部材２０の長手方向の一側端部で、第１金属層２２は第１バッテリーセル１０Ａの負極リード１２と接触し、第２金属層２３は第２バッテリーセル１０Ｂの正極リード１１と接触しているが、曲げ変形によって短絡誘導部材２０の長手方向の他側端部で第２金属層２３が第２バッテリーセル１０Ｂの負極リード１２と接触することで、第２バッテリーセル１０Ｂに短絡が発生するようになる。
このような短絡誘導部材２０の曲げ変形の原理は以下のようである。例えば、第１金属層２２が第１バッテリーセル１０Ａの負極リード１２と接続され、第２金属層２３が第２バッテリーセル１０Ｂの正極リード１１と接続される場合、高分子電解質の内部に存在する移動性陽イオン（ｃａｔｉｏｎ）が水に水化した状態で負に荷電された第１金属層２２の方向に移動する。この場合、第１金属層２２と第２金属層２３との間のイオン濃度の不均衡によって浸透圧が生じて負に荷電された第１電極層２２側の水分子の量が増加し、それによって短絡誘導部材２０に第２金属層２３方向への曲げ変形が発生するようになる。
短絡誘導部材２０の曲げ変形を誘導可能な電位差は、短絡誘導部材２０に用いられるＥＡＰ層２１を構成する高分子電解質の種類によって変わり得る。すなわち、本明細書で言及する電位差の基準値は、適用される高分子電解質の種類によって変わり得るものであり、これによって短絡誘導部材２０が適用されるバッテリーセル１０及びバッテリーモジュール１００の安全電圧範囲に応じて適切な高分子電解質を選択することで、バッテリーモジュール１００の過充電などのイベントが発生したとき、迅速な短絡誘導を通じて過電圧による危険発生を前もって遮断することができる。
次いで、図５を参照して、本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュール１００について説明する。
本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュール１００は、上述した本発明の一実施形態によるバッテリーモジュール１００と比べてＰＴＣ素子３０がさらに適用された点で異なるだけで、その他の構成要素は実質的に同一である。
したがって、本発明の他の実施形態によるバッテリーモジュール１００は、追加的に適用される構成要素であるＰＴＣ素子３０について主に説明し、その他の重複する事項については詳しい説明を省略する。
ＰＴＣ素子３０は、温度の上昇とともに抵抗値が大きくなり、温度が基準温度以上になれば無限大の抵抗値を示すことで、事実上電流を完全に遮断する機能をする。ＰＴＣ素子３０は、第１バッテリーセル１０Ａの負極リード１２と第１電極層２２との間、及び第２バッテリーセル１０Ｂの正極リード１１と第２電極層２３との間に介在される。また、ＰＴＣ素子３０は、第２バッテリーセル１０Ｂの負極リード１２と第１電極層２２との間、及び第３バッテリーセル１０Ｃの正極リード１１と第２電極層２３との間に介在される。同様に、ＰＴＣ素子３０は、第３バッテリーセル１０Ｃの負極リード１２と第１電極層２２との間、及び第４バッテリーセル１０Ｄの正極リード１１と第２電極層２３との間に介在される。
また、ＰＴＣ素子３０は、短絡誘導部材２０の第１金属層２２及び第２金属層２３上に全体的にコーティングされてもよい。
ＰＴＣ素子３０は、バッテリーモジュール１００内に発生した過電圧によって短絡誘導部材２０が作動して短絡が発生する場合、基準温度以上で短絡電流を遮断することで過熱による発火／爆発などの危険を予め防止することができる。
一方、図６を参照すると、本発明の一実施形態によるバッテリーパック２００は、本発明によるバッテリーモジュール１００を少なくとも一つ以上含む形態で具現され得る。また、図７を参照すると、本発明の一実施形態による自動車は、このような本発明の一実施形態によるバッテリーパック２００を含む形態で具現され得る。
以上のように、本発明を限定された実施形態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。
１０ バッテリーセル
１１ 正極リード
１２ 負極リード
１３ セルケース
１３ａ 収容部
１３ｂ シーリング部
１４ シーリングテープ
２０ 短絡誘導部材
２１ ＥＡＰ層
２２ 第１金属層
２３ 第２金属層
３０ ＰＴＣ素子
１００ バッテリーモジュール
２００ バッテリーパック
１１ 正極リード
１２ 負極リード
１３ セルケース
１３ａ 収容部
１３ｂ シーリング部
１４ シーリングテープ
２０ 短絡誘導部材
２１ ＥＡＰ層
２２ 第１金属層
２３ 第２金属層
３０ ＰＴＣ素子
１００ バッテリーモジュール
２００ バッテリーパック
Claims (10)
- 正極リード及び負極リードを備え、互いに直列で接続される第１バッテリーセル及び第２バッテリーセルと、
長手方向の一側は前記第１バッテリーセルの負極リードと前記第２バッテリーセルの正極リードとの間に接触した状態で介在され、長手方向の他側は前記第１バッテリーセルの正極リードと前記第２バッテリーセルの負極リードとの間に位置する短絡誘導部材と
を含み、
前記第１バッテリーセルの負極リードと前記第２バッテリーセルの正極リードとの電位差が基準値以上になったとき、前記短絡誘導部材の長手方向の他側端部が前記第２バッテリーセルの負極リードに向かって曲げ変形を起こして前記第２バッテリーセルの負極リードと接触する、バッテリーモジュール。 - 前記短絡誘導部材は、
ＥＡＰ層と、
前記ＥＡＰ層の一面上に形成される第１金属層と、
前記ＥＡＰ層の他面上に形成される第２金属層と
を含む、請求項１に記載のバッテリーモジュール。 - 前記第１金属層は前記第１バッテリーセルの負極リードと電気的に接続され、前記第２金属層は前記第２バッテリーセルの正極リードと電気的に接続される、請求項２に記載のバッテリーモジュール。
- 前記第２金属層は、前記短絡誘導部材が曲げ変形を起こしたとき、前記第２バッテリーセルの負極リードと接触して第２バッテリーセルに短絡を発生させる、請求項２又は３に記載のバッテリーモジュール。
- 前記ＥＡＰ層は、ナフィオン（登録商標）、ポリピロール、ポリアニリン及びポリチオフェンから選択された少なくとも一つの高分子電解質を含む、請求項２から４のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 前記第１金属層及び第２金属層は、白金、金、銀及び銅を含む群から選択されたいずれか一つの金属を含む、請求項２から５のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 前記バッテリーモジュールは、前記第１バッテリーセルの正極リードと前記第２バッテリーセルの負極リードとの間を電気的に接続するコネクティングラインをさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 前記バッテリーモジュールは、前記第１金属層と前記第１バッテリーセルの負極リードとの間、及び前記第２金属層と前記第２バッテリーセルの正極リードとの間に介在されるＰＴＣ素子をさらに含む、請求項２から６のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール。
- 請求項１から８のうちいずれか一項に記載のバッテリーモジュールを含むバッテリーパック。
- 請求項９に記載のバッテリーパックを含む自動車。
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