JP7536390B2 - 熱的安全性が向上したパウチ型電池セル - Google Patents
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Description
本出願は２０２１年１１月３０日付け韓国特許出願第２０２１－０１６８８４７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。
本発明は熱的安全性が向上したパウチ型電池セルに関するものであり、具体的には、パウチ型電池セルの内部温度が異常に上昇するとき、外部短絡を誘導して発火などを抑制することができる熱的安全性が向上したパウチ型電池セルに関するものである。
モバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するのに伴い、充放電の可能な二次電池は多様なモバイル機器のエネルギー源として使われている。二次電池は、化石燃料を使う既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの代案として提示されている電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのエネルギー源としても注目されている。
このような二次電池は、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などが知られており、電池ケースの形状によっては、電極組立体が円筒形または角形の金属缶に内蔵されている円筒型電池及び角型電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類される。
一方、単一の単位電池セルの作動電圧は約２．５Ｖ～４．５Ｖであり、よってこれよりも高い出力電圧が要求される場合、複数の電池セルを直列に連結して電池モジュールまたは電池パックを構成するか、所要充放電容量に応じて多数の電池セルを並列に連結して電池モジュールまたは電池パックを構成することもある。
しかしながら、多数の電池セルが連結される場合、過負荷などの問題が発生し得る。例えば、過負荷によって電池モジュールまたは電池パックの内部温度が上昇することにより、電池の異常状態を増幅させるなどの問題が発生しており、このような問題を解決するために、放熱シートやヒートシンクを備えて電池の温度を所定の範囲に維持している。
しかしながら、放熱シートやヒートシンクのような冷却部材を備えていても、電池セルの温度が短時間に急激に上昇するときには、安全性を保障することができないので、これに対する対応方案が要求される。
前記のような問題点を解決するための本発明は、充放電や内外部の衝撃などによって電池セルの温度が急激に上昇しても発火の可能性を抑制して２次被害を防止することができる熱的安全性が向上したパウチ型電池セルを提供することを目的とする。
前記のような目的を達成するために、本発明によるパウチ型電池セルは、一側または両側に一対の電極タブ（１１０）を備えた電極組立体（１００）と、前記電極組立体（１００）を収納するセルケース（２００）と、一側は前記電極タブ（１１０）と連結され、他側は前記セルケース（２００）の外部に突出する一対の電極リード（３００）と、前記セルケース（２００）と電極リード（３００）との間に位置するリードフィルム（４００）と、温度ヒューズ部（５００）とを含み、前記温度ヒューズ部（５００）は、所定の温度以上に上昇すると作動してショートの発生を誘導することを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記セルケース（２００）は、外部樹脂層、金属層、及び内部樹脂層から構成されたラミネート構造を有し、前記温度ヒューズ部（５００）は、所定の温度以上に上昇すると連結される温度ヒューズ（５１０）、前記温度ヒューズ（５１０）の一側から所定の長さに延びている第１ケーブル（５２０）、及び前記温度ヒューズ（５１０）の他側から所定の長さに延びている第２ケーブル（５３０）を含む２個の温度ヒューズ部から構成され、一つの温度ヒューズ部（５００）は正極タブとセルケース（２００）の金属層とを連結し、他の温度ヒューズ部（５００）は負極タブとセルケース（２００）の金属層とを連結することを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記温度ヒューズ（５１０）は、セルケース（２００）の内部に位置することを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記温度ヒューズ（５１０）は、電極タブ（１１０）の付近に位置することを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記温度ヒューズ（５１０）は、コーティング層（５４０）によって取り囲まれる形態を有することを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記コーティング層（５４０）は、シリコーン素材からなることを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記温度ヒューズ（５１０）は、セルケース（２００）の外部に位置することを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記温度ヒューズ（５１０）は、セルケース（２００）の外側面に密着した状態で位置することを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記温度ヒューズ（５１０）は、接着部材（５５０）によって、セルケース（２００）のポケット部の外側面に固定されることを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記接着部材（５５０）は、熱伝導性素材からなることを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記セルケース（２００）は、上部ケース（２１０）、前記上部ケース（２１０）の下に位置する下部ケース（２２０）、及び前記上部ケース（２１０）及び下部ケース（２２０）の縁部のシーリング部（２３０）を含み、前記シーリング部（２３０）は３面または４面であることを特徴とする。
以上で説明したように、本発明による熱的安全性が向上したパウチ型電池セルによれば、所定の温度以上でのみ作動して正極と負極との間のショートの発生を誘導することができる温度ヒューズ部を備えているので、火災などの２次災害を防止することができるという利点がある。
また、本発明による熱的安全性が向上したパウチ型電池セルによれば、温度ヒューズ部はセルケースの内部またはセルケースのテラス部に備えることができるので、電池セルの体積増加を抑制することができるという利点がある。
さらに、本発明による熱的安全性が向上したパウチ型電池セルによれば、別途のセンシング装備なしにパウチ型電池セルで発生する熱によってショートを誘導することができるので、高温発生に対して速かに対応することができるという利点がある。
以下、添付図面を参照して、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。ただし、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あたり、関連した公知の機能また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使用している。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なく、その中間に他の素子を間に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。
以下、本発明による熱的安全性が向上したパウチ型電池セルについて添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の好適な第１実施例によるパウチ型電池セルの斜視図であり、図２は図１のパウチ型電池セルにおいて上部ケースが分離された状態の分解斜視図であり、図３は図１のＡ－Ａ’線に沿って切断した形状を示す断面図である。
図１～図３に示すように、本発明によるパウチ型電池セルは、電極組立体１００、セルケース２００、電極リード３００、リードフィルム４００、及び温度ヒューズ部５００を含む。
まず、電極組立体１００は、長いシート状の正極及び負極の間に分離膜が介在されてから巻き取られる構造を有するゼリーロール型セル組立体、長方形の正極及び負極が分離膜を間に介在した状態で積層される構造の単位セルから構成されるスタック型セル組立体、単位セルが長い分離フィルムによって巻き取られるスタック－フォルディング型セル組立体、または単位セルが分離膜を間に介在した状態で積層されて互いに付着されるラミネーション－スタック型セル組立体などからなることができるが、これらに限定されない。
また、電極組立体１００は一側または両側に一対の電極タブ１１０を備えることができる。電極タブ１１０は電極リード３００の一側と連結されることで、電極組立体１００で発生する電気エネルギーが電極リード３００に流れることができるようにする。
電極組立体１００を取り囲むためのセルケース２００は、上部ケース２１０、下部ケース２２０、シーリング部２３０、及びテラス部２４０を含む。
上部ケース２１０は電極組立体１００の上部を取り囲むようにポケット部が形成されており、外部から順に第１外部樹脂層２１１、第１金属層２１２、及び第１内部樹脂層２１３のラミネートシートの構造を有している。
ここで、第１外部樹脂層２１１としては、電極組立体１００を保護するとともに耐熱性及び耐化学性を確保することができるように、引張強度、透湿防止性及び空気透過防止性に優れた耐熱性ポリマーを使うことができ、一例としてナイロンまたはポリエチレンテレフタレートを使うことができるが、これに限定されない。
第１外部樹脂層２１１と接している第１金属層２１２は、外部から水分や各種のガスが電池の内部に浸透することを防止するバリア層に相当し、このような金属層の好ましい材料としては、軽いながらも成形性に優れたアルミニウム薄膜を使うことができる。
第１内部樹脂層２１３は第１金属層２１２の他側面に備えられ、電極組立体１００と直接的に接触するので、絶縁性及び耐電解液性を有しなければならない。このような第１内部樹脂層２１３の材料としては、耐化学性に優れながらもシーリング性が良いポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンアクリル酸、ポリブチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂、及びポリイミド樹脂から選択されることができるが、これに限定されず、引張強度、剛性、表面硬度、耐衝撃強度などの機械的物性及び耐化学性に優れたポリプロピレンが一番好ましい。
上部ケース２１０の下に位置する下部ケース２２０は、電極組立体１００の下部を取り囲むようにポケット部が形成されており、外側から内側に向かって、第２外部樹脂層２２１、第２金属層２２２、及び第２内部樹脂層２２３のラミネートシートの構造を有する。
このような第２外部樹脂層２２１、第２金属層２２２、及び第２内部樹脂層２２３は前述した上部ケース２１０の第１外部樹脂層２１１、第１金属層２１２、及び第１内部樹脂層２１３と機能及び素材が同一であるので、重複説明は省略する。
ここで、図１及び図２では上部ケース２１０及び下部ケース２２０のそれぞれに電極組立体１００を収納するポケット部が形成されたものとして示しているが、上部ケース及び下部ケースのいずれか一方にのみポケット部を備え、他方は平板状であってもかまわない。
また、図面では上部ケースと下部ケースとが完全に分離された状態として示しているが、これは一例示に過ぎなく、上部ケース及び下部ケースの長辺または短辺の一側縁部が互いに連結されている一体型であってもよい。
前述した上部ケース２１０及び下部ケース２２０のポケット部に電極組立体１００が収納された後は、これらの上部ケース２１０と下部ケース２２０とが接する縁部に沿ってシーリング部２３０が形成される。
すなわち、上部ケース２１０と下部ケース２２０とが接する縁部の第１内部樹脂層２１３と第２内部樹脂層２２３とが熱融着することで、内部に収納された電極組立体１００は外部の空気や水分に対して遮断される。
上部ケース２１０と下部ケース２２０とがシーリングされた後は、電極リード３００が貫通する側面を除いた残りのシーリング部２３０がポケット部の側面に向かって折り曲げられることができる。ここで、電極リード３００が突出した部分に位置するシーリング部２３０はテラス部２４０とも言う。
一方、電極リード３００は平板状のものであり、正極リードと負極リードとからなり、電極組立体１００の電極タブ１１０がそれぞれ電気的に連結された後、ケースの外部に露出される。
そして、リードフィルム４００はセルケース２００と電極リード３００との間に介在されることによって絶縁性及びシーリング性を高めるためのものであり、セルケース２００のテラス部２４０に位置する電極リード３００の上面及び下面にそれぞれ配置される。
図４は本発明の好適な第１実施例による温度ヒューズ部を示す平面図である。図４を参照しながら温度ヒューズ部５００について説明する。
本発明の温度ヒューズ部５００は、通常では何の機能も果たさないが、電池セルが一定の温度以上に上昇すると温度ヒューズが連結されることで、正極と負極との間のショートが発生して外部短絡の状態を誘導し、これにより発火可能性を抑制するためのものである。
具体的には、温度ヒューズ部５００は一対、すなわち２個の温度ヒューズ部から構成され、各温度ヒューズ部５００は、温度ヒューズ５１０、第１ケーブル５２０、第２ケーブル５３０、及びコーティング層５４０を含む。
一側には第１ケーブル５２０が連結され、他側には第２ケーブル５３０が連結されている温度ヒューズ５１０は、正常温度では接点が互いに離れているが、一定の温度以上になると接点が接続して通電する一種の保護用スイッチである。このような温度ヒューズは公知の技術に相当するので詳細な説明は省略する。
前記のような温度ヒューズ５１０はセルケース２００の内部、より詳細にはテラス部２４０に向かう電極タブの付近に位置することができる。
ここで、一対の温度ヒューズ部５００のうちの一つの温度ヒューズ部は正極タブ及びセルケース２００の金属層と連結され、他の温度ヒューズ部５００は負極タブ及びセルケース２００の金属層と連結される。
例えば、いずれか一つの温度ヒューズ部５００を基準とするとき、温度ヒューズ５１０の一側から所定の長さに延びている第１ケーブル５２０は正極タブと連結される一方で、第２ケーブル５３０はセルケースの金属層と連結される。そして、残りの温度ヒューズ部５００において、第１ケーブル５２０は負極タブと連結され、第２ケーブル５３０はセルケースの金属層と連結される。
したがって、セルケース２００の内部温度が一定の温度以下のときには温度ヒューズ５１０の接点が離隔しているが、充放電過程または外部衝撃などによって一定の温度以上に上昇すると接点が付くようになり、結果として、正極タブ、金属層、及び負極タブが互いに電気的に連結されることで、正極と負極との間のショートが発生する。
もちろん、一つの温度ヒューズ部を使って正極タブと負極タブとを直ちに連結することも可能であるが、望まない状況でショートが発生することがあるので、一対の温度ヒューズ部を採用することが好ましい。すなわち、急速充電または出力の際、いずれか一方の電極タブで一時的に温度が上昇することがあるが、このような場合は正常作動に相当するので、ショートが発生してはいけないからである。
一方、温度ヒューズ５１０が作動する温度は１３０℃以上であり得るが、内部ショートによる発火温度が２００℃以上であることを鑑みると、これに限定されない。
そして、温度ヒューズ部５００の各第１ケーブル５２０は、電極タブと電極リードとの溶接の際、一緒に溶接して固定することが好ましい。
コーティング層５４０は温度ヒューズ５１０を取り囲んでおり、セルケース２００の内部に位置する電解液によって温度ヒューズ５１０が誤作動することを防止するためのものである。ここで、耐電解液性物質であれば特に限定されないが、コーティング層５４０の素材はシリコーンであり得る。
図５は本発明の好適な第１実施例による温度ヒューズ部の一側のケーブルをセルケースに連結する方法を説明するための概念図である。
図５を参照して説明すると、本発明による温度ヒューズ５１０から延びている第２ケーブル５３０は上部ケース２１０及び下部ケース２２０の金属層と連結される。
前述したように、上部ケース２１０及び下部ケース２２０は、外部樹脂層、金属層、及び内部樹脂層の順からなるラミネート構造を有し、シーリング工程の際、上部ケース２１０の第１内部樹脂層２１３と下部ケース２２０の第２内部樹脂層２２３とが溶融することによって単一層を形成するようになる。
第２ケーブル５３０の絶縁性物質で被覆されている金属材質のワイヤを上部ケース２１０と下部ケース２２０との間に介在させた後、所定の温度及び圧力の下でシーリング工程を実施する。すると、第２ケーブル５３０のワイヤは第１金属層２１２と第２金属層２２２との間に密着した状態で位置することができる。
ここで、第２ケーブル５３０のワイヤが外部に露出されないように、被覆層の一部がシーリング部２３０の内部に挿入された状態であってもかまわない。
もちろん、第２ケーブル５３０のワイヤと金属層とを電気的に連結することができれば、前述した方法に限定されない。
図６は本発明の好適な第２実施例によるパウチ型電池セルの斜視図であり、図７は図６のパウチ型電池セルにおいて上部ケースが分離された状態の分解斜視図であり、図８は図６のＡ－Ａ’線に沿って切断した形状を示す断面図である。
図６～図８を参照して説明すると、本発明の好適な第２実施例によるパウチ型電池セルは、温度ヒューズ部５００が取り付けられる位置を除いた残りは図１～図５で説明した本発明の好適な第１実施例によるパウチ型電池セルと同様であるので、以下では異なる構成のみについて説明する。
本発明の好適な第２実施例による温度ヒューズ部５００はセルケース２００の外部に位置することが好ましく、セルケース２００の外側面に密着した状態で位置することがより好ましく、相対的に温度が高い電極タブまたは電極リードが位置するテラス部２４０に位置することが一番好ましい。
ここで、温度ヒューズ部５００をセルケース２００の外側面に固定する方法は特に限定されないが、セルケース２００の内部の熱を速かに伝達し、さらに耐熱性を有する接着部材５５０、例えば硬化性グリース（Ｇｒｅａｓｅ）またはエポキシ（Ｅｐｏｘｙ）系接着性グルー（Ｇｌｕｅ）のうちのいずれか１種以上であり得るが、前述した機能を果たすことができる物質であれば特に限定されない。
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をなすことが可能であろう。
１００ 電極組立体
１１０ 電極タブ
２００ セルケース
２１０ 上部ケース
２１１ 第１外部樹脂層
２１２ 第１金属層
２１３ 第１内部樹脂層
２２０ 下部ケース
２２１ 第２外部樹脂層
２２２ 第２金属層
２２３ 第２内部樹脂層
２３０ シーリング部
２４０ テラス部
３００ 電極リード
４００ リードフィルム
５００ 温度ヒューズ部
５１０ 温度ヒューズ
５２０ 第１ケーブル
５３０ 第２ケーブル
５４０ コーティング層
５５０ 接着部材
１１０ 電極タブ
２００ セルケース
２１０ 上部ケース
２１１ 第１外部樹脂層
２１２ 第１金属層
２１３ 第１内部樹脂層
２２０ 下部ケース
２２１ 第２外部樹脂層
２２２ 第２金属層
２２３ 第２内部樹脂層
２３０ シーリング部
２４０ テラス部
３００ 電極リード
４００ リードフィルム
５００ 温度ヒューズ部
５１０ 温度ヒューズ
５２０ 第１ケーブル
５３０ 第２ケーブル
５４０ コーティング層
５５０ 接着部材
Claims (11)
- 一側または両側に一対の電極タブを備えた電極組立体と、
前記電極組立体を収納するセルケースと、
一側は前記電極タブと連結され、他側は前記セルケースの外部に突出する一対の電極リードと、
前記セルケースと電極リードとの間に位置するリードフィルムと、
２個の温度ヒューズ部と、を含み、
一つの温度ヒューズ部は正極タブとセルケースの金属層とを連結し、他の温度ヒューズ部は負極タブとセルケースの金属層とを連結し、
前記温度ヒューズ部は、所定の温度以上に上昇すると作動してショートの発生を誘導する、パウチ型電池セル。 - 前記セルケースは、外部樹脂層、金属層、及び内部樹脂層から構成されたラミネート構造を有し、
前記温度ヒューズ部は、所定の温度以上に上昇すると連結される温度ヒューズ、前記温度ヒューズの一側から所定の長さに延びている第１ケーブル、及び前記温度ヒューズの他側から所定の長さに延びている第２ケーブルを含む、請求項１に記載のパウチ型電池セル。 - 前記温度ヒューズは、セルケースの内部に位置する、請求項２に記載のパウチ型電池セル。
- 前記温度ヒューズは、電極タブの付近に位置する、請求項３に記載のパウチ型電池セル。
- 前記温度ヒューズは、コーティング層によって取り囲まれた形態を有する、請求項３または４に記載のパウチ型電池セル。
- 前記コーティング層は、シリコーン素材からなる、請求項５に記載のパウチ型電池セル。
- 前記温度ヒューズは、セルケースの外部に位置する、請求項２に記載のパウチ型電池セル。
- 前記温度ヒューズは、セルケースの外側面に密着した状態で位置する、請求項７に記載のパウチ型電池セル。
- 前記温度ヒューズは、接着部材によって、セルケースのポケット部の外側面に固定される、請求項８に記載のパウチ型電池セル。
- 前記接着部材は、熱伝導性素材からなる、請求項９に記載のパウチ型電池セル。
- 前記セルケースは、上部ケース、前記上部ケースの下に位置する下部ケース、及び前記上部ケース及び下部ケースの縁部のシーリング部を含み、
前記シーリング部は、３面または４面である、請求項１に記載のパウチ型電池セル。
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