KR100986298B1 - Battery having battery module, thermal switch and heating source - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발열체를 전지케이스 내부에 삽입하여 발열체로부터 열을 발생시켜 전지 자체의 온도를 상승시킴으로 저온에서 문제점으로 대두되는 박막전지 내부의 저항을 감소시킴으로서 상온과 동일한 전지성능을 갖는 전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a battery system having the same battery performance as the room temperature by inserting a heating element in the battery case to generate heat from the heating element to increase the temperature of the battery itself to reduce the resistance of the thin film battery that is a problem at low temperatures For the purpose of

본 발명은 내부 공간을 형성하는 전지 케이스, 전지 케이스의 내부에 위치하며, 전지를 포함하는 전지모듈 및 전지 케이스의 내부에 위치하며, 외부의 충격에 의해 열을 발생하여 전지 시스템의 온도를 상승시키는 발열체 구조물;을 포함하는 전지를 제공한다.The present invention is located inside the battery case, the battery case to form an internal space, the battery module including the battery and the inside of the battery case, to generate heat by an external impact to increase the temperature of the battery system It provides a battery comprising a; heating element structure.

본 발명이 제공하는 전지시스템은 박막전지를 사용하여 평상시 비활성화 상태를 유지하며, 발열체의 발열에 의해 전지를 활성화시키는 것과 함께 전지 모듈의 온도를 상승시켜 저온에서의 전지 특성을 향상시킬 수 있다. The battery system provided by the present invention maintains a normally inactivated state by using a thin film battery, and activates the battery by heat generation of the heating element, and increases the temperature of the battery module to improve battery characteristics at low temperatures.

열 스위치, 박막전지, 비축전지, 활성화시간, 발열, 라이징 타임 Thermal switch, thin film battery, reserve battery, activation time, heat generation, rising time

Description

발열체, 열 스위치 및 전지 모듈을 구비하는 전지{BATTERY HAVING BATTERY MODULE, THERMAL SWITCH AND HEATING SOURCE}BATTERY HAVING BATTERY MODULE, THERMAL SWITCH AND HEATING SOURCE}

본 발명은 발열체, 열 스위치와 전지모듈을 구비하는 전지에 관한 것이다. 더 구체적으로는 외부로부터 충격에 의해 기폭하는 화약과 이로부터 에너지를 받아 발화하는 열원(heating source)에서 발생하는 열에 의해 낮은 융점을 갖는 금속 시트를 녹인 후 상부의 전해질 및 활물질 등이 고체상 형태로 구현된 전지를 사용하여 제작된 전지모듈의 전류 집전체와 연결됨으로써, 평상시에는 전지가 비활성화 상태를 유지하다가 사용시 매우 짧은 라이징 타임(rising time) 후, 저온을 포함한 넓은 온도범위 내에서 상온과 동일한 전지성능을 나타내는 것에 관한 것이다. 이러한 전지시스템은 전지가 지니고 있는 단점 중의 하나인 저온에서 고 출력시 내부 저항 증가로 인해 전압이 급격히 감소하는 현상을 방지하는데 이용될 수 있다. The present invention relates to a battery having a heating element, a thermal switch and a battery module. More specifically, a metal sheet having a low melting point is melted by a gunpowder detonated by an impact from the outside and a heat source generated by ignition by receiving energy therefrom, and then an electrolyte and an active material of the upper part are implemented in a solid form. By connecting to the current collector of the battery module fabricated using the old battery, the battery maintains the inactive state in normal use, but after a very short rise time in use, the battery performance equal to room temperature within a wide temperature range including low temperature It is about indicating. Such a battery system can be used to prevent a sudden drop in voltage due to an increase in internal resistance at high temperatures, which is one of the disadvantages of the battery.

종래에 제안된 바 있는 몇 가지 유형의 비축전지의 형태는 평상시 유리 앰플에 전해질 용액이 담겨있고, 상기 유리 앰플의 외측에 금속 전극이 외장되어 있는 구조로서, 외부충격에 의해 유리 앰플을 파괴하여 전해질과 각 금속 전극이 접촉하 여 전기를 생성시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 형태의 전지는 장기간 보존이 가능하다는 장점이 있으나, 유리 앰플을 파괴하여 전해질 용액을 양 전극 간 접촉시키지 않으면 사전에 전지의 특성을 알 수 없는 단점을 가진다. 또한, 유리 앰플이 파괴되어 전해질 용액이 양 전극 간에 접촉하여 전류를 유발하는 시간이 수백 msec로 상대적으로 길다는 단점을 가진다. 또한 전지의 크기가 작아질 경우, 유리앰플 안에 전해질 용액을 장착해야하는 구조는 제조 공정상의 복잡성 때문에 대량 양산이 용이하지 않다. 아울러 액체 전해액으로 사용되는 전해질은 매우 독성이 강하기 때문에 누액 시 환경이나 안전 문제를 유발할 수 있다.Several types of storage batteries have been proposed in the related art, in which an electrolyte solution is usually contained in a glass ampoule, and a metal electrode is externally disposed on the outside of the glass ampoule, and the glass ampoule is destroyed by an external impact. And each metal electrode is in contact with each other to generate electricity. This type of battery has the advantage of being able to be stored for a long time, but it is disadvantageous that the characteristics of the battery cannot be known in advance unless the glass ampoule is broken to contact the electrolyte solution between the two electrodes. In addition, the glass ampoule is broken so that the electrolyte solution is brought into contact with both electrodes to induce a current, which is a relatively long time of several hundred msec. In addition, when the size of the battery becomes small, the structure in which the electrolyte solution must be mounted in the glass ampoule is not easy to mass produce due to the complexity of the manufacturing process. In addition, since the electrolyte used as a liquid electrolyte is very toxic, leakage may cause environmental or safety problems.

상기에 기술한 문제점을 해결하기 위해서는 유리 앰플 형태가 아닌 전지 자체가 모두 고체상으로 이루어진 박막전지를 사용하는 것이 바람직하다. 현재까지 공지된 전지시스템은 모두 액체 전해질을 사용하는 것이 대부분이며, 최근 고분자 전해질을 사용하는 것도 개발되고 있으나, 이 역시 일정량의 액체 전해질을 함침하여야 한다. 그러나, 이러한 전지를 사용할 경우 자가방전 현상으로 인해 전지의 용량은 시간이 경과함에 따라 감소하며, 전지 내부저항은 점차 증가하게 됨으로써 순간적으로 고출력을 요구하는 전자소자로의 전원공급이 원활하지 못하게 된다. 현존하는 활성화 전지 시스템중 자가방전 측면에서 가장 유리한 형태는 박막전지로서 자가방전율은 년 2%미만으로 알려져 있다. 박막전지는 금속, 세라믹, 유리등 다양한 형태의 기판상에 물리적기상증착법(PVD) 혹은 화학적기상증착법(CVD) 등에 의해, 전류 집전체, 양극, 전해질, 음극 및 보호막을 순차적으로 증착하는 것으로 고체 전해질을 사용하기 때문에 전지의 비 사용중 보존수명이 매우 우수하고, 마스크 패턴에 따라 원하는 형태로의 제작이 자유롭다는 장점을 지니고 있다. 현재 사용되는 고체전해질은 그 두께가 2㎛ 이내로 매우 얇아서 상온 혹은 고온에서 사용하는데는 문제가 없지만, 저온으로 갈수록 고체전해질 자체의 이온전도도가 매우 낮아 고출력을 요구하는 경우 전지 내부저항 증가로 인해 급격한 전압강화를 초래하게 된다. 이러한 현상을 극복하기 위해서는 많은 수의 전지를 병렬로 연결하여 전지 내부저항을 크게 감소시켜야 하는 것이다. 그러나, 공간적인 제약이 있는 경우 많은 수의 전지를 연결하는 것은 기술적, 경제적으로 많은 어려움이 있어 이를 극복할 수 있는 적절한 방법의 도입이 필요하다고 볼 수 있다.In order to solve the problems described above, it is preferable to use a thin film battery in which all of the batteries themselves are not solid glass ampoules. Most known battery systems use a liquid electrolyte, and recently, a polymer electrolyte has been developed. However, this also impregnates a certain amount of liquid electrolyte. However, when the battery is used, the capacity of the battery decreases over time due to the self-discharge phenomenon, and the internal resistance of the battery gradually increases, so that the power supply to the electronic device requiring high output is not smoothly. The most advantageous form of self-discharge among existing activated battery systems is a thin film battery, which has a self-discharge rate of less than 2% per year. A thin film battery is a solid electrolyte that is sequentially deposited current collectors, anodes, electrolytes, cathodes and protective films by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) on various substrates such as metals, ceramics and glass. Because of the use of the battery has a merit of having a very good shelf life during non-use of the battery, the production of the desired shape according to the mask pattern is free. Currently used solid electrolyte is very thin, within 2㎛ thickness, so there is no problem to use at room temperature or high temperature, but as the low temperature, the solid electrolyte itself has very low ion conductivity, so when the high output is required, the sudden voltage is increased Will result in reinforcement. To overcome this phenomenon, a large number of batteries should be connected in parallel to greatly reduce the internal resistance of the battery. However, when there are space limitations, connecting a large number of batteries is technically and economically difficult, and thus, it may be considered that an appropriate method for overcoming this is required.

본 발명은 발열체를 전지케이스 내부에 삽입하여 발열체로부터 열을 발생시켜 전지 자체의 온도를 상승시킴으로 저온에서 문제점으로 대두되는 박막전지 내부의 저항을 감소시킴으로서 상온과 동일한 전지성능을 갖는 전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 기존 앰플형 전지에서와 같이 전지를 사용하지 않는 동안에 전지가 비활성 상태를 유지하기 위해서는 전지 내부에 별도의 스위치가 요구되며, 이러한 스위치는 평상시 녹는점이 상대적으로 낮고 전도성이 우수한 금속 시트 상에 홀이 형성된 절연필름 혹은 절연체로 구성되게 하여 발열체로부터 열이 발생하는 순간 고온에 의해 스위치 구조물 내의 금속 시트가 녹아 전지모듈 하단부와 연결되는 형태가 바람직하다.The present invention provides a battery system having the same battery performance as the room temperature by inserting a heating element in the battery case to generate heat from the heating element to increase the temperature of the battery itself to reduce the resistance of the thin film battery that is a problem at low temperatures For the purpose of In addition, a separate switch is required inside the battery to maintain the battery inactivity while the battery is not in use, as in the conventional ampoule type battery, which normally has a low melting point and a hole on a metal sheet having excellent conductivity. It is preferable that the metal sheet in the switch structure is melted by the high temperature at the moment when heat is generated from the heating element by being formed of the formed insulating film or the insulator and is connected to the lower end of the battery module.

따라서 본 발명은 기존에 문제점을 가지는 기존 유리앰플형 형태의 전지의 문제점을 감안하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 외부 충격에 의해 발열체가 발열하여 열 스위치를 작동시킬 뿐 아니라 전지모듈 내부의 온도를 상승시켜 상온과 동일한 전지성능을 발휘하는 전지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. Therefore, the present invention has been derived in view of the problems of the conventional glass ampoule type battery having a conventional problem, the object of the present invention is that the heating element generates heat by an external impact to operate the thermal switch as well as the temperature inside the battery module It is an object of the present invention to provide a battery system that exhibits the same battery performance as room temperature by raising.

본 발명은 내부 공간을 형성하는 전지 케이스, 전지 케이스의 내부에 위치하며, 전지를 포함하는 전지모듈 및 전지 케이스의 내부에 위치하며, 외부의 충격에 의해 열을 발생하여 전지 시스템의 온도를 상승시키는 발열체 구조물;을 포함하는 전지를 제공한다.The present invention is located inside the battery case, the battery case to form an internal space, the battery module including the battery and the inside of the battery case, to generate heat by an external impact to increase the temperature of the battery system It provides a battery comprising a; heating element structure.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 발열체 구조물은, 충격에 의해 활성화되는 화약 및 화약의 기폭 에너지에 의해 활성화되어 발열하는 열원을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In addition, as another aspect of the present invention, the heating element provides a battery, characterized in that it comprises a gunpowder activated by impact and a heat source activated by the detonation energy of the gunpowder to generate heat.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 열원은, Zr, B, Ti, Fe 중에서 선택된 금속분말과 KNO3, KClO4, Pb3O4, BaCrO4, SrO2 중에서 선택된 분말을 혼합하여 압착 형성된 펠렛인 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In another aspect of the present invention, the heat source is a pellet formed by mixing a metal powder selected from Zr, B, Ti, Fe and a powder selected from KNO 3 , KClO 4 , Pb 3 O 4 , BaCrO 4 , and SrO 2 to be pressed. It provides a battery characterized in that.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 발열체 구조물은, 화약 및 열원이 내장되는 금속 재질의 몰드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In addition, as another aspect of the present invention, the heating element structure, provides a battery characterized in that it further comprises a mold of a metal material in which the gunpowder and the heat source is embedded.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 금속 재질의 몰드는 상부에 홀이 형성되어, 상부로의 열전달이 용이하게 형성된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In another aspect of the present invention, a metal mold is provided with a hole formed in the upper portion, it provides a battery characterized in that the heat transfer to the upper portion is easily formed.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 발열체 구조물은, 연질의 금속으로 이루어진 발열체 구조물 케이스를 더 포함하며, 금속 재질의 몰드가 발열체 구조물 케이스 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다. 발열체 구조물 케이스는 충격에 의해 기폭하는 화약과 이로부터 발열하는 히트펠렛등과 같은 열원을 담는 기능과 함께 하부로부터 충격활성화 화약에 충격을 효과적으로 전달하는 역할을 한다. In another aspect of the present invention, the heating element structure further includes a heating element structure case made of a soft metal, and provides a battery, characterized in that the metal mold is located in the heating element structure case. The heating element case serves to effectively transmit the impact from the lower part to the impact-activated gunpowder together with the function of containing a heat source such as explosives expelled by the impact and heat pellets generated therefrom.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 발열체 구조물 케이스는, 상부에 홀이 형성되어, 상부로의 열전달이 용이하게 형성된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다. In addition, as another aspect of the present invention, the heat generator structure case, a hole is formed in the upper portion, provides a battery characterized in that the heat transfer to the upper portion is easily formed.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지모듈과 발열체 구조물의 사이에 위치하며, 발열체 구조물의 발열 시에 전지를 활성화시키는 열 스위치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a battery further comprising a thermal switch positioned between the battery module and the heating element structure and activating a battery when the heating element structure generates heat.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 열 스위치는, 가열되면 용융되는 금속 시트 및 금속 시트와 전지 모듈을 절연하는 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In addition, as another aspect of the present invention, the thermal switch provides a battery comprising a metal sheet which is melted when heated, and an insulating film insulating the metal sheet and the battery module.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 금속 시트는, 인듐, 주석, 납 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In another aspect of the present invention, a metal sheet provides a battery comprising any one of indium, tin, lead, and alloys thereof.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 모듈은, 전지의 하부에 전지를 지지하는 전류집전체를 포함하며, 전류집전체는, 금속 시트를 이루는 물질이 증착된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In still another aspect of the present invention, a battery module includes a current collector for supporting a battery in a lower portion of the battery, and the current collector provides a battery in which a material forming a metal sheet is deposited.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 절연막은 열원에서 발생하는 열에 대하여 내열성을 가지며, 금속 시트가 용융되어 전지 모듈에 접착할 수 있도록 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다. In another aspect of the present invention, the insulating film has a heat resistance to heat generated from the heat source, and provides a battery characterized in that the hole is formed so that the metal sheet can be melted and adhered to the battery module.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 발열체 구조물은, 상부에 열 스위치로의 열전달을 용이하게 하는 홀이 형성되어 있고, 열 스위치는, 금속 시트의 용융물이 발열체 구조물의 홀로 유입되는 것을 방지하는 금속 메쉬를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In another aspect of the present invention, the heating element structure has a hole formed thereon to facilitate heat transfer to the thermal switch, and the thermal switch is a metal mesh which prevents the melt of the metal sheet from flowing into the hole of the heating element structure. It provides a battery comprising a further.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 열 스위치는, 가열되면 용융되는 금속 시트, 금속 시트와 전지 모듈을 절연하는 절연막 및 발열체 구조물로부터 금속 시트로 열 전달률을 높이며, 용융된 금속 시트가 발열체 구조물 내로 누출되는 것을 방지하는 금속 메쉬를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In addition, as another aspect of the present invention, the heat switch increases the heat transfer rate from the metal sheet to be melted when heated, the insulating film and the heating element structure to insulate the metal sheet and the battery module, the molten metal sheet leaks into the heating element structure It provides a battery comprising a metal mesh to prevent it.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 모듈은 박막전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In another aspect of the present invention, a battery module provides a battery comprising a thin film battery.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 모듈은 박막전지를 병렬 연결 및 직렬 연결 중 적어도 어느 하나에 의해 서로 연결된 복수 개의 박막전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다. In another aspect of the present invention, the battery module provides a battery comprising a plurality of thin film cells connected to each other by at least one of a parallel connection and a series connection of the thin film battery.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 박막전지는, 기판 상에 전류집전체, 양극, 고체전해질 및 음극이 순차적으로 증착된 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In another aspect of the present invention, a thin film battery provides a battery characterized in that a current collector, a positive electrode, a solid electrolyte, and a negative electrode are sequentially deposited on a substrate.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 기판은, 니켈, 스테인리스스틸, 구리, 티타늄, 지르코늄, 알루미나, 실리콘 웨이퍼, 지르코니아, 마이카, 소다라임, 쿼츠, 보로실리케이트 유리 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다. In another aspect of the present invention, the substrate is a battery comprising any one of nickel, stainless steel, copper, titanium, zirconium, alumina, silicon wafer, zirconia, mica, soda lime, quartz, and borosilicate glass. to provide.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 모듈은 전지의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한 곳에 위치하는 전류집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다. In still another aspect of the present invention, a battery module provides a battery comprising a current collector positioned at at least one of the upper and lower portions of the battery.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 모듈은, 측면에 전지 케이스와의 절연을 위한 절연막 코팅 및 절연 필름 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In still another aspect of the present invention, a battery module provides a battery comprising at least one of an insulating film coating and an insulating film for insulating the battery case.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 케이스는, 전지를 밀봉하는 전지 덮개;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In still another aspect of the present invention, a battery case further includes a battery cover for sealing a battery.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 덮개는 금속으로 이루어지며, 전지 모듈은 전지의 상부에 전류집전체를 더 포함하며, 전지 덮개와 전류 집전체 사이에 절연 필름;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In another aspect of the present invention, the battery cover is made of a metal, the battery module further comprises a current collector on the top of the battery, the insulating film between the battery cover and the current collector; further comprises It provides a battery.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 덮개를 관통하며, 전류집전체로부터 외부로 연결을 제공하는 연결 단자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다. In another aspect, the present invention provides a battery further comprising a connection terminal penetrating the battery cover and providing a connection from the current collector to the outside.

또한 본 발명의 다른 일 양태로서, 연결 단자와 전지 덮개 사이에 유리-금속 밀봉(glass-to-metal sealing)이 제공되는 것을 특징으로 하는 전지를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a battery, wherein a glass-to-metal sealing is provided between the connection terminal and the battery cover.

본 발명이 제공하는 전지시스템은 기존 앰플형 전지의 문제점으로 지적되어 왔던 긴 라이징 타임(rising time), 제조공정상의 어려움, 전해질 누액과 같은 환경 문제 등을 극복할 수 있다.The battery system provided by the present invention can overcome long rising time, manufacturing process difficulties, environmental problems such as electrolyte leakage, etc., which has been pointed out as a problem of the conventional ampoule type battery.

또한 본 발명이 제공하는 전지시스템은 박막전지를 사용하여 평상시 비활성화 상태를 유지하며, 발열체의 발열에 의해 전지를 활성화시키는 것과 함께 전지 모듈의 온도를 상승시켜 저온에서의 전지 특성을 향상시킬 수 있다. In addition, the battery system provided by the present invention maintains a normally inactivated state by using a thin film battery, and activates the battery by heat generation of the heating element, and increases the temperature of the battery module to improve battery characteristics at low temperatures.

또한 본 발명이 제공하는 함과 동시에 사용중 활성화되어 전지가 작동하는 것으로 하단부에 발열체를 장입하여 발열체에 의한 온도상승으로 전지모듈 자체의 온도를 상승시키게 함으로서 저온에서도 상온과 동일한 전지특성을 나타내는 효과가 있다. In addition, the present invention provides the same battery characteristics as the room temperature even at low temperature by providing a heating element at the bottom to activate the battery to operate at the same time and to increase the temperature of the battery module itself by the temperature rise by the heating element. .

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지를 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 전지 시스템(100)은 전지 케이스(110) 내에, 발열체 구조물(120), 열 스위치(130) 및 전지모듈(140)이 하부로부터 순차로 적층되어 있다. 1 is a view showing a battery according to an embodiment of the present invention. In the battery system 100 according to the present invention, the heating element structure 120, the heat switch 130, and the battery module 140 are sequentially stacked from the bottom in the battery case 110.

전지 케이스(110)는 니켈, 스테인리스 스틸 구리 및 이들의 합금 등과 같이 금속 재질로 이루어지며, 상부가 개방된 원통형 또는 박스형으로 형성된다. 전지 케이스(110)의 내부에 발열체 구조물(120)이 제일 하부에 장입된다. 발열체 구조물(120)은 외부 충격에 의해 기폭하는 화약(122) 및 화약의 기폭 에너지를 받아 발화하는 열원(heating source: 124)을 포함한다. 이때, 열원(124)은 10㎛ 이하의 미세한 Zr, B, Ti, Fe 등의 금속 분말을 6시간 이상 진공건조 한 후, KNO3, KClO4, Pb3O4, BaCrO4, SrO2 등과 균일하게 혼합된다. 혼합된 페이스트는 프레스로 압착하여 펠렛 형태로 제작되어 열원(124)으로 이용된다. 바람직하게는 발열체 구조물(120)은 화약(122) 및 열원(124)을 고정하는 금속 재질의 몰드(126)를 더 포함한다. 몰드(126)는 일반적으로 SUS를 이용하여 제작된다. 몰드(126)의 하부 중앙에 외부의 충격에 의해 기폭되는 화약(122)이 배치되고, 몰드(126)의 외주에 펠렛 형태로 제 작된 복수 개의 열원(124)이 배치된다. 화약(122)이 기폭되면 그 에너지에 의해 열원(124)이 활성화되어 발화하고, 순간적으로 전지 시스템(100)의 온도를 상승시켜 준다. 또한 화약(122) 및 열원(124)이 고정된 몰드(126)는 금속 재질의 발열체 구조물 케이스(128) 내에 장입된다. 발열체 구조물 케이스(128)에 의해 화약(122)이 몰드(126)로부터 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 외부의 충격을 화약(122)으로 용이하게 전달하기 위해 발열체 구조물 케이스(128)는 알루미늄과 같이 비교적 큰 연성을 가지는 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하다. The battery case 110 is made of a metal material such as nickel, stainless steel copper, and an alloy thereof, and is formed in a cylindrical or box shape having an open top. The heating element structure 120 is charged at the bottom of the battery case 110. The heating element structure 120 includes a gunpowder 122 detonated by an external impact and a heating source 124 fired by receiving the detonation energy of the gunpowder. At this time, the heat source 124 is vacuum-dried for more than 6 hours in a fine metal powder of Zr, B, Ti, Fe, such as 10㎛ or less, and then uniform KNO 3 , KClO 4 , Pb 3 O 4 , BaCrO 4 , SrO 2 Are mixed. The mixed paste is pressed into a press to form a pellet and used as a heat source 124. Preferably, the heating element structure 120 further includes a metal mold 126 that fixes the gunpowder 122 and the heat source 124. The mold 126 is generally manufactured using SUS. The gunpowder 122 detonated by an external impact is disposed in the lower center of the mold 126, and a plurality of heat sources 124 manufactured in a pellet form are disposed on the outer circumference of the mold 126. When the gunpowder 122 is detonated, the heat source 124 is activated and ignited by the energy, and instantly increases the temperature of the battery system 100. In addition, the mold 126 to which the gunpowder 122 and the heat source 124 are fixed is charged in the heating element structure case 128 made of metal. The gunpowder 122 may be prevented from being separated from the mold 126 by the heating element structure case 128. In order to easily transfer the external impact to the gunpowder 122, the heating element structure case 128 is preferably formed of a metal material having a relatively large ductility, such as aluminum.

발열체 구조물(120)의 상부에는 열 스위치(130)가 장입된다. 열 스위치(130)는 제일 하부에 위치하는, 즉 발열체 구조물(120)의 바로 위에 놓이는 금속 메쉬(136), 금속 메쉬(136)의 상부에 위치하는 금속 시트(132) 및 금속 시트와 전지모듈(140)을 절연시켜주는 절연막(134)을 포함한다. 전지 시스템(100)이 비축되는 상태에서, 열 스위치(130)는 전지 모듈(140)이 발열체 구조물(120)의 몰드(126) 또는 발열체 구조물 케이스(128)를 통해서 전지 케이스(110)와 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 때문에 전지를 비활성화 상태로 비축할 수 있게 한다. 그러나 외부의 충격에 의해 발열체 구조물(120)에서 열을 발생하면 금속 시트(132)가 용융되어 전지 모듈(140)과 전지 케이스(110)를 전기적으로 연결하여 전지 시스템(110)을 활성화시킨다. The thermal switch 130 is charged in the upper portion of the heating element structure 120. The thermal switch 130 is positioned at the bottom thereof, that is, the metal mesh 136 disposed directly on the heating element structure 120, the metal sheet 132 disposed on the metal mesh 136, and the metal sheet and the battery module ( And an insulating film 134 that insulates 140. In the state in which the battery system 100 is stored, the thermal switch 130 is electrically connected to the battery case 110 by the battery module 140 through the mold 126 of the heating element structure 120 or the heating element structure case 128. This prevents the connection, which allows the battery to be stored in an inactive state. However, when heat is generated in the heating element structure 120 by an external impact, the metal sheet 132 is melted to electrically connect the battery module 140 and the battery case 110 to activate the battery system 110.

열 스위치(130)의 상부에는 전지 모듈(140)이 장입된다. 전지 모듈(140)은 니켈, 스테인리스스틸, 구리, 티타늄, 지르코늄, 알루미나, 실리콘웨이퍼, 지르코니아, 마이카, 소다라임, 쿼츠, 보로실리케이트 유리와 같은 다양한 종류의 기판 상에 전류집전체, 양극, 고체전해질 및 음극이 순차로 적층된 박막전지(미도시)를 구비한다. 전지 모듈(140)은 단위 박막전지를 복수 개 구비할 수 있으며, 박막 전지를 병렬로 연결하여 전지의 축전 용량을 증가시키거나, 박막 전지를 직렬로 연결하여 전지의 전압을 증가시킬 수 있다. 또한 전지 모듈(140)은 복수 개의 박막 전지의 상부 또는 하부에 금속 재질의 전류집전체(144, 146)을 포함하여, 박막 전지를 지지하고 박막 전지를 외부 충격으로부터 보호하며 양극 단자 및 음극 단자를 박막 전지와 연결시켜주는 역할을 한다. 또한 전지 모듈(140)의 측면에 금속 재질의 전지 케이스(110)과 접촉하여 전지가 단락(shortage)되는 것을 방지하기 위해, 절연층(148)을 포함한다. 절연층(148)은 전지 모듈(140)의 측면에 형성된 절연 코팅 또는 전지 모듈(140)의 측면에 부착되는 절연 필름이 될 수 있다. The battery module 140 is charged above the thermal switch 130. The battery module 140 includes a current collector, a positive electrode, and a solid electrolyte on various kinds of substrates such as nickel, stainless steel, copper, titanium, zirconium, alumina, silicon wafer, zirconia, mica, soda lime, quartz, and borosilicate glass. And a thin film battery (not shown) in which negative electrodes are sequentially stacked. The battery module 140 may include a plurality of unit thin film batteries, and may connect the thin film batteries in parallel to increase the storage capacity of the battery or connect the thin film cells in series to increase the voltage of the battery. In addition, the battery module 140 includes current collectors 144 and 146 made of metal on the top or bottom of the plurality of thin film batteries to support the thin film batteries, to protect the thin film batteries from external impact, and to protect the positive and negative terminals. It connects with thin film battery. In addition, the battery module 140 includes an insulating layer 148 in order to prevent the battery from shorting by contacting the battery case 110 made of a metal material. The insulating layer 148 may be an insulating coating formed on the side of the battery module 140 or an insulating film attached to the side of the battery module 140.

전지 모듈(140)의 상부, 즉 상부 전류 집전체(144)에는 연결 단자(150)가 형성된다. 연결 단자(150)는 전지 케이스(110)와 함께 전지 시스템(100)의 (+)극, (-)극의 전극 단자 역할을 하며, 전지 시스템(100)이 다른 장치와 연결되어 전원을 공급하게 한다. The connection terminal 150 is formed on the upper portion of the battery module 140, that is, the upper current collector 144. The connection terminal 150 serves as an electrode terminal of the positive and negative electrodes of the battery system 100 together with the battery case 110, and the battery system 100 is connected to another device to supply power. do.

또한 전지 케이스(110) 내에 발열체 구조물(120), 열 스위치(130), 전지 모듈(140) 및 연결 단자(150)가 장입된 이후, 전지 시스템(100)을 밀봉하기 위해 상부에 전지 덮개(160)가 설치된다. 전지 덮개(160)는 전지 시스템(100)을 밀봉하여 전지 시스템(100)을 장기간 보존 가능하게 해 준다. 일반적으로 전지 덮개(160)는 금속으로 형성되어, 금속 재질의 전지 케이스(110)와 용접되도록 하여 장기보존성을 증가시킬 수 있다. 이때, 전지 덮개(160)와 상부 전류 집전체(144)가 접촉하여 전지 시스템(100)이 단락되는 것을 방지하기 위해, 상부 전류 집전체(144)의 상부에는 연결 단자(150)가 접촉하는 곳을 제외하고 절연층(149)이 형성된다. 또한 연결 단자(150)와 전지 덮개(160)가 접촉하여 전지 시스템(100)이 단락되는 것을 방지하는 동시에 밀봉성을 높이기 위해, 연결 단자(150)와 전지 덮개(160) 사이에는 유리-금속 밀봉(glass-to-metal sealing: 180)이 행해진다. In addition, after the heating element structure 120, the thermal switch 130, the battery module 140, and the connection terminal 150 are charged in the battery case 110, the battery cover 160 is disposed on the upper portion to seal the battery system 100. ) Is installed. The battery cover 160 seals the battery system 100 to enable the battery system 100 to be stored for a long time. In general, the battery cover 160 may be formed of a metal, so that the battery cover 160 may be welded to the metal battery case 110 to increase long-term storage. In this case, in order to prevent the battery cover 160 from contacting the upper current collector 144 so that the battery system 100 is short-circuited, the connection terminal 150 is in contact with the upper portion of the upper current collector 144. Except for the insulating layer 149 is formed. In addition, a glass-metal seal is provided between the connection terminal 150 and the battery cover 160 in order to prevent the battery system 100 from being shorted by contact between the connection terminal 150 and the battery cover 160 and to improve sealing performance. (glass-to-metal sealing: 180) is performed.

도 2는 발열체 구조물 및 열 스위치의 분해사시도이다. 알루미늄 재질의 발열체 구조물 케이스(128) 내에 SUS 재질의 몰드(126)가 삽입된다. 몰드(126)의 하부 중앙에는 화약(122: 도 1에 도시)이 설치되며, 몰드(126)의 외주를 따라 펠렛 형태로 제작된 열원(124)이 배치된다. 일 예로, Zr 분말과 BaCrO4를 각각 82wt%, 19wt%로 균일하게 혼합하고, 프레스로 압착하여 펠렛으로 열원(124)을 제작한 경우, 발열 시 순간적으로 300℃ 이상의 고온으로 200cal/g 이상의 열량을 방출하였다. 열원(124)의 상부는 열 스위치(130)로의 열전달을 용이하게 하기 위해 개방되어 있다. 즉 몰드(126)의 상부에 홀(126g)이 형성되어 열 스위치(130)로의 열전달을 용이하게 한다. 또한 발열체 구조물 케이스(128)에도 상부에 홀이 형성되거나, 상부가 개방된 형태로 제작되어 열 스위치(130)로의 열전달을 용이하게 한다. 발열체 구조물(120)의 상부에, 금속 메쉬(136)가 위치한다. 금속 메쉬(136)는 구리와 같이 열 전달률이 높은 금속으로 제작되어, 발열체 구조물(120)로부터 금속 시트(132)로 열을 빠르게 고루 전달하는 역할을 한다. 동시에, 금속 메쉬(126)의 급속한 용융으로 인해 형성되는 금속 용융물이 발열체 구조물(120)로 빠져나가는 것 을 방지하는 역할도 한다. 금속 시트(132)는 인듐, 주석, 납 및 이들의 합금과 같은 재질로 형성된다. 금속 시트(132)가 급속하게 용융되면, 용융물이 미세한 구슬 형태로 바뀌는데, 금속 메쉬(136)는 이러한 용융된 금속 구슬이 발열체 구조물(120)로 빠져나가는 것을 방지하여, 용융물이 전지 모듈(140)에 접촉할 수 있게 한다. 금속 시트(132)의 상부에는 수십 내지 수백 ㎛ 두께의 절연막(134)이 형성되어, 금속 시트(132)가 발열체 구조물(120)로부터 열을 전달받아 용융하기 전에는 전지 모듈(140)과 접촉하는 것을 방지한다. 이때, 절연막(134)은 발열체 구조물(120)의 발열에 의해 용융된 금속 시트(132)가 전지 모듈(140)과 접촉할 수 있도록 용융된 금속 시트(132)가 통과할 수 있는 홀(134h)이 적어도 하나 형성된다. 한편, 전지 모듈(140)의 하부 전류 집전체(146)의 하부에는 용융된 금속 시트(132)가 용이하게 부착될 수 있도록 금속 시트(132)를 이루는 재질과 동일한 재질로 수-수십㎛ 두께의 증착면(146')을 형성한다. 금속 시트(132)가 용융될 때, 동종의 재료에 부착이 용이한 성질을 이용한 것으로 전지 시스템(100)을 좀 더 신뢰성있게 활성화시킬 수 있다. 2 is an exploded perspective view of the heating element structure and the thermal switch. The mold 126 made of SUS is inserted into the heating element structure case 128 made of aluminum. Gunpowder 122 (shown in FIG. 1) is installed at the lower center of the mold 126, and a heat source 124 manufactured in a pellet form is disposed along the outer circumference of the mold 126. For example, when Zr powder and BaCrO 4 are uniformly mixed at 82 wt% and 19 wt%, respectively, and the heat source 124 is made of pellets by pressing with a press, the calorific value is 200 cal / g or more at a high temperature of 300 ° C. or higher instantaneously during heating. Was released. The top of the heat source 124 is open to facilitate heat transfer to the heat switch 130. That is, a hole 126g is formed in the upper portion of the mold 126 to facilitate heat transfer to the thermal switch 130. In addition, a hole is formed in the upper portion of the heating element structure case 128, or the upper portion is manufactured in an open form to facilitate heat transfer to the thermal switch 130. On top of the heating element structure 120, a metal mesh 136 is positioned. The metal mesh 136 is made of a metal having a high heat transfer rate such as copper, and serves to quickly and evenly transfer heat from the heating element structure 120 to the metal sheet 132. At the same time, the metal melt formed due to the rapid melting of the metal mesh 126 also serves to prevent the escape of the heating element structure 120. The metal sheet 132 is formed of a material such as indium, tin, lead, and alloys thereof. When the metal sheet 132 is rapidly melted, the melt is changed into fine beads, and the metal mesh 136 prevents the molten metal beads from escaping into the heating element structure 120, such that the melt is in the battery module 140. Make contact with An insulating film 134 having a thickness of several tens to several hundreds of micrometers is formed on the metal sheet 132 so that the metal sheet 132 contacts the battery module 140 before the metal sheet 132 receives heat from the heating element structure 120 and melts. prevent. In this case, the insulating layer 134 may have a hole 134h through which the molten metal sheet 132 may pass so that the molten metal sheet 132 may contact the battery module 140 by the heat generation of the heating element structure 120. At least one is formed. Meanwhile, the bottom of the lower current collector 146 of the battery module 140 is made of the same material as that of the metal sheet 132 so that the molten metal sheet 132 can be easily attached. A deposition surface 146 'is formed. When the metal sheet 132 is melted, the battery system 100 may be activated more reliably by using properties that are easy to attach to the same material.

도 3은 외부의 충격에 의해 열 스위치가 작동하여 전지 시스템이 활성화되는 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다. 전지케이스(110) 내부에 하부로부터 발열체 구조물(120), 열 스위치(130) 및 전지모듈(140)이 순차로 적층되어 있다. 전지케이스(110) 하부에 인가된 외부 충격에 의해 먼저, 발열체 구조물(120)의 화약(122)이 기폭된다. 화약(122)의 기폭 에너지에 의해 열원(124)이 발화된다. 열원(124)의 발화는 전지케이스(110) 내의 온도를 순간적으로 200℃ 이상으로 상승시키며, 이러한 고열에 의해 비교적 녹는점이 낮은 전도성 금속 재질(예를 들어, 인듐, 주석, 납 및 이들의 합금)로 이루어진 금속 시트(132)가 용융된다. 용융된 금속 시트(132)는 절연막(134)에 형성된 홀(134h)을 통해 전지모듈(140)의 하부 전류 집전체(146)에 부착된다. 따라서, 전지 모듈(140)의 하부 전류 집전체(146)는 금속 시트(132)를 통해, 전도성 금속 재질로 이루어진 발열체 구조물(120)의 발열체 구조물 케이스(128) 또는 금속 몰드(126)와 전기적으로 연결된다. 또한, 발열체 구조물 케이스(128) 또는 금속 몰드(126)는 전도성 금속 재질의 전지케이스(110)와 전기적으로 연결되므로, 열 스위치(130)에 의해 전지 시스템(100)이 활성화되면 전지케이스(110)는 (+) 전극 단자 또는 (-) 전극 단자 역할을 하게 된다. 예를 들어, 발열체 구조물 케이스(128)가 금속 몰드(126)를 감싸도록 형성되면 발열체 구조물 케이스(128)와 전지케이스(110)가 전기적으로 연결되며, 발열체 구조물 케이스(128)가 형성되지 않으면, 금속 몰드(126)와 전지케이스(110)가 전기적으로 연결된다. 3 is a diagram schematically showing a state in which a thermal switch is activated by an external impact to activate a battery system. The heat generator structure 120, the heat switch 130, and the battery module 140 are sequentially stacked from the bottom inside the battery case 110. First, the gunpowder 122 of the heating element structure 120 is detonated by an external impact applied to the lower part of the battery case 110. The heat source 124 is ignited by the detonation energy of the gunpowder 122. The ignition of the heat source 124 instantly raises the temperature in the battery case 110 to 200 ° C. or more, and the conductive metal material (eg, indium, tin, lead, and alloys thereof) having a relatively low melting point due to such high heat The metal sheet 132 made of molten metal is melted. The molten metal sheet 132 is attached to the lower current collector 146 of the battery module 140 through the hole 134h formed in the insulating film 134. Accordingly, the lower current collector 146 of the battery module 140 is electrically connected to the heating element structure case 128 or the metal mold 126 of the heating element structure 120 made of a conductive metal material through the metal sheet 132. Connected. In addition, since the heating element structure case 128 or the metal mold 126 is electrically connected to the battery case 110 of a conductive metal material, the battery case 110 is activated when the battery system 100 is activated by the thermal switch 130. Will serve as a positive electrode terminal or a negative electrode terminal. For example, when the heating element structure case 128 is formed to surround the metal mold 126, the heating element structure case 128 and the battery case 110 are electrically connected, and if the heating element structure case 128 is not formed, The metal mold 126 and the battery case 110 are electrically connected to each other.

한편 열원(124)의 발화는 전지 모듈(140)의 온도 역시 상승시키게 되는데, 특히 박막 전지를 이용한 전지 모듈(140)에서 이러한 온도의 상승은 전지 모듈(140)의 내부 저항을 크게 감소시켜 주는 역할을 한다. 따라서, 저온 또는 극저온의 환경하에서도 상온과 동일한 전지 시스템(100)의 성능을 구현할 수 있다. On the other hand, the ignition of the heat source 124 also raises the temperature of the battery module 140. In particular, in the battery module 140 using a thin film, the increase in temperature greatly reduces the internal resistance of the battery module 140. Do it. Therefore, even in a low temperature or cryogenic environment, the performance of the battery system 100 equal to room temperature may be realized.

도 4는 도 1의 전지모듈을 구성하는 박막전지의 단위셀을 도시한 단면도이다. 박막전지(142)는 금속, 세라믹, 유리, 마이카 필름 등과 같은 기판(142a) 위에 양극 전류집전체(142b), 양극 활물질(142c) 및 비정질 유리계 고체 세라믹 전해질(142d), 음극 전류집전체(142e)를 스퍼터링법에 의해 증착한 후, 진공열증착법에 의해 리튬음극(142f)을 증착함으로서 단위셀을 구성하는 것을 나타낸다. 이때, 기판이 금속인 경우에는 기판 하부와 측면에 별도의 절연코팅을 하여야 전지연결시 단락(shortage)를 방지할 수 있다. 이러한 전지모듈(140: 도 1에 도시)은 박막전지(142)의 단위셀을 복수 개 적층하여, 직렬 또는 병렬 연결하여 단위셀보다 전압 또는 용량을 증가시켜 이용할 수 있다. 4 is a cross-sectional view illustrating a unit cell of a thin film battery constituting the battery module of FIG. 1. The thin film battery 142 includes a positive electrode current collector 142b, a positive electrode active material 142c, an amorphous glass-based solid ceramic electrolyte 142d, and a negative electrode current collector on a substrate 142a such as metal, ceramic, glass, mica film, or the like. After depositing 142e by sputtering, the unit cell is constituted by depositing lithium cathode 142f by vacuum thermal evaporation. In this case, when the substrate is made of metal, separate insulation coating should be applied to the lower side and the side of the substrate to prevent shortage during battery connection. The battery module 140 (shown in FIG. 1) may be used by stacking a plurality of unit cells of the thin film battery 142 and connecting or connecting them in series or in parallel to increase the voltage or capacity of the unit cells.

도 5는 활성화된 전지시스템의 정전류 방전시의 방전곡선을 나타낸 것이다. 도 4에 기술한 박막전지(142: 도 4에 도시) 단위 셀 5개를 이용하여 제작된 전지모듈(140: 도 1에 도시)을 제작하여 4.3V까지 충전시킨 후, 이를 전지케이스(110: 도 1에 도시)에 장입하였다. 그 다음, 외부에서 충격을 인가하여 발열체 구조물(120: 도 1에 도시)을 발열시켜 전지 시스템(100)을 활성화시키고 방전상태를 살펴보았다. 약 35㎂의 정전류를 인가하여 3.0V까지 방전하였을때, 약 35㎂h의 방전용량을 나타내었다. 이는 단위셀 한 개의 방전용량이 약 7㎂h임을 감안할 때 5개의 단위셀이 병렬상태로 잘 연결되어 있음을 알 수 있으며, 양극 활물질로 사용된 리튬코발트산화물의 전형적인 방전곡선, 즉 4.15V와 4.05V부근에서의 육방정/단사정(hexagonal/monoclinic) 간의 1차 상전위와 3.9V부근에서의 능면체(rhombohedral) 상간의 2차 상전이 현상을 잘 나타내고 있음을 알 수 있다.5 shows a discharge curve during constant current discharge of an activated battery system. After manufacturing the battery module 140 (shown in FIG. 1) manufactured using five thin film cells (142 (shown in FIG. 4) unit cell described in FIG. 4, charged to 4.3V, the battery case 110: Charged in Fig. 1). Then, by applying an impact from the outside to heat the heating element structure 120 (shown in Figure 1) to activate the battery system 100 and looked at the discharge state. When discharged to 3.0V by applying a constant current of about 35 mA, the discharge capacity was about 35 mA. Considering that the discharge capacity of one unit cell is about 7 mAh, it can be seen that the five unit cells are well connected in parallel. Typical discharge curves of lithium cobalt oxide used as a cathode active material, that is, 4.15V and 4.05 It can be seen that the first phase transition between hexagonal / monoclinic near V and the second phase transition between rhombohedral phase near 3.9V is well represented.

도 1에서 상세기술한 전지시스템을 사용하여 실제 전자소자를 상온, 고온, 저온과 같이 넓은 온도 범위하에서 정상적으로 작동시키는 현상을 확인하기 위하여 도 6과 같이 캐패시터(500)를 전지와 연결하여 외부로부터 충격을 가해 캐패시터(500) 충전전압을 측정하였다. 박막 전지모듈(140: 도 1에 도시), 발열체 구조 물(120) 및 열 스위치(130)를 갖는 전지시스템(100)은 양극, 음극이 외부 도선에 의해 150㎌의 정전용량을 갖는 캐패시터(500)에 연결되어 있고, 이때 캐패시터(500)의 전압은 별도의 컴퓨터(600)를 통해 10msec단위로 측정하였다. 전지시스템(100)이 캐패시터(500)에 연결되어 있는 초기에는 전지시스템(100) 내부의 박막 전지모듈(140: 도 1에 도시)이 열 스위치 (130)에 의해 회로가 끊어져 있으므로 캐패시터(500) 전압은 0V를 나타내게 된다. 전지의 활성화를 위해 전지시스템(100) 내부에 장입된 충격활성화 화약(122: 도 1에 도시)을 기폭시키기 위해 외부 핀(300)을 전지시스템(100) 상부에 위치시키고 일정한 중량을 갖는 매스(mass: 400)를 상부에서 하부로 중력에 의해 낙하시킴으로써 전지 시스템(100)을 활성화시켜 캐패시터(500)를 충전시키게 된다. 상온, 고온, 온도 등 넓은 온도범위에서의 실험을 위해 전지활성화 시험장치는 일정한 온도가 유지되는 항온항습기(700) 내에 설치하였다. Using the battery system described in detail in Figure 1 in order to check the phenomenon of operating the actual electronic device normally in a wide temperature range, such as room temperature, high temperature, low temperature, by connecting the capacitor 500 with the battery as shown in FIG. Was added to measure the capacitor 500 charging voltage. The battery system 100 having the thin film battery module 140 (shown in FIG. 1), the heating element structure 120, and the thermal switch 130 has a capacitor 500 having a positive electrode and a negative electrode having a capacitance of 150 kV by an external conductor. ), And the voltage of the capacitor 500 was measured in units of 10 msec through a separate computer 600. In the initial stage when the battery system 100 is connected to the capacitor 500, the circuit 500 is disconnected from the thin film battery module 140 (shown in FIG. 1) inside the battery system 100 by the thermal switch 130. The voltage will represent 0V. An external pin 300 is placed above the battery system 100 to detonate the impact activating powder 122 (shown in FIG. 1) charged inside the battery system 100 for the activation of the battery, Mass 400 is dropped from top to bottom by gravity to activate the battery system 100 to charge the capacitor 500. In order to experiment in a wide temperature range, such as room temperature, high temperature, temperature, the battery activation test apparatus was installed in the constant temperature and humidity chamber 700 to maintain a constant temperature.

도 7은 상온,고온,저온에서 각각 활성된 전지를 사용하여 캐패시터를 충전할 시의 캐패시터 충전전압을 측정한 결과를 도시한 것이다. 도 6에 기술한 전지활성화 시험장치를 이용하여 실제 전지 시스템(100)이 활성화될 때 전지 시스템(100)에 연결된 캐패시터(500)를 충전시킨 결과를 나타내었다. 실제 발열체가 가동하여 열스위치를 작동시키는 시간을 고려하지 않고, 스위치가 정상적으로 작동되었을때, 상온에서 10msec라는 매우 짧은 시간 내에 3.6V까지 캐패시터(500)가 충전되고 있음을 알 수 있으며, 전지의 OCV(Open-circuit voltage)인 4V까지 40msec이내에 충전이 완료됨을 보여주고 있다. 이로부터 충격활성화 화약(122: 도 1에 도시)에 의 해 열원(124: 도 1에 도시)이 발열 후 금속 시트(132: 도 2에 도시)를 녹여 회로를 연결시키는 활성화 시간은 거의 무시할 수 있는 수준임을 알 수 있다. 충격활성화 화약(122: 도 1에 도시)에 의해 열원(124: 도 1에 도시)이 발열 후 금속 시트(132: 도 2에 도시)를 녹여 회로를 연결시키는 활성화 시간은 본 실험과 동시에 측정하지는 않았지만, 별도의 실험결과 상온에서 30-40msec로 매우 짧은 수치를 나타내었으며, 영하 30도의 저온에서도 최대 100msec를 넘지 않았으므로, 스위치가 작동하기 위한 rising time을 고려하더라도 상온에서는 최대 80msec이내에 캐패시터를 충전시킴을 알 수 있다. 이와 같은 수치는 기존 앰플형태의 전지에 비해 활성화 시간을 크게 감소시킨 결과에 해당함을 알 수 있다. 43oC의 고온에서는 발열시 약간의 온도증가가 전지모듈(140)에 인가되어 캐패시터(500: 도 6에 도시) 충전전압은 10msec경과후 3.8V이고, 30msec이내에 충전이 완료된다. 영하 30도의 저온에서는 상온 혹은 고온의 경우에 비해 10msec 후의 캐패시터 충전전압이 3.4V로 약간 낮으나, 4V충전시간은 저온임에도 불구하고 50msec내에 완료됨을 보여주고 있다. 별도의 실험에서 얻은 저온에서의 스위치 작동시간을 고려하더라도 최대 150msec내에 캐패시터 충전을 완료시키게 된다.FIG. 7 illustrates a result of measuring a capacitor charging voltage when charging a capacitor using a battery activated at room temperature, high temperature, and low temperature, respectively. The result of charging the capacitor 500 connected to the battery system 100 when the actual battery system 100 is activated using the battery activation test apparatus described in FIG. It is understood that the capacitor 500 is charged up to 3.6V in a very short time of 10msec at room temperature when the switch is normally operated without considering the time for the actual heating element to operate the thermal switch. It shows that charging is completed within 40msec up to 4V (Open-circuit voltage). From this, the activation time by which the heat source 124 (shown in FIG. 1) melts the metal sheet 132 (shown in FIG. 2) after the heating by the impact activating powder 122 (shown in FIG. 1) is almost negligible. It can be seen that the level. The activation time for connecting the circuit by melting the metal sheet 132 (shown in FIG. 2) after the heat source 124 (shown in FIG. 1) by the impact-activated gunpowder 122 (shown in FIG. 1) is not measured simultaneously with this experiment. However, a separate experiment showed a very short value of 30-40msec at room temperature, and did not exceed 100msec maximum even at a low temperature of minus 30 degrees. It can be seen. This value corresponds to the result of greatly reducing the activation time compared to the conventional ampoule type battery. At a high temperature of 43 ° C., a slight increase in temperature during heating is applied to the battery module 140 so that the capacitor 500 (shown in FIG. 6) has a charging voltage of 3.8V after 10 msec and is fully charged within 30 msec. At a low temperature of minus 30 degrees, the capacitor charging voltage after 10msec is slightly lower than 3.4V at room temperature or high temperature, but the 4V charging time is completed within 50msec despite the low temperature. Even considering the switch operating time at low temperatures obtained in a separate experiment, the capacitor charging is completed within a maximum of 150msec.

도 1은 발열체, 열 스위치와 전지모듈이 함께 장착된 전지시스템을 나타낸 것이다. 1 illustrates a battery system in which a heating element, a thermal switch, and a battery module are mounted together.

도 2는 발열체 구조물 및 열 스위치의 분해사시도이다.2 is an exploded perspective view of the heating element structure and the thermal switch.

도 3은 외부의 충격에 의해 열 스위치가 작동하여 전지 시스템이 활성화되는 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다.3 is a diagram schematically showing a state in which a thermal switch is activated by an external impact to activate a battery system.

도 4는 도 1의 전지모듈(140)을 구성하는 박막전지의 단위셀을 도시한 단면도이다. 4 is a cross-sectional view illustrating a unit cell of a thin film battery constituting the battery module 140 of FIG. 1.

도 5는 발열체가 작동한 전지시스템의 정전류 방전시의 방전곡선을 나타낸 것이다.5 shows a discharge curve during constant current discharge of a battery system in which a heating element is operated.

도 6은 전지활성화 시험장치와 활성된 전지를 캐패시터에 연결하여 충전하는 장치에 관한 것이다.6 relates to a device for charging a battery activation tester and an activated battery connected to a capacitor.

도 7은 상온,고온,저온에서 각각 활성된 전지를 사용하여 캐패시터를 충전할 시의 캐패시터 충전전압을 측정한 결과이다. 7 is a result of measuring the capacitor charging voltage when charging the capacitor using a battery activated at room temperature, high temperature, low temperature, respectively.

Claims (24)

전도성 재질의 전지 케이스;A battery case made of a conductive material; 전지 케이스의 내부에 위치하는 전지모듈; A battery module located inside the battery case; 전지 케이스의 내부에 위치하며, 외부의 충격에 의해 열을 발생시키는 발열체 구조물; 및Located in the battery case, the heating element structure for generating heat by an external impact; And 전지 케이스와 전지 모듈을 절연하며, 발열체 구조물의 발열에 의해 용융되어 전지 케이스와 전지 모듈을 전기적으로 연결하는 열 스위치;를 포함하는 전지.And a thermal switch insulated from the battery case and the battery module and electrically melted by heat generation of the heating element structure to electrically connect the battery case and the battery module. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 발열체 구조물은, 충격에 의해 활성화되는 화약 및 화약의 기폭 에너지에 의해 활성화되어 발열하는 열원을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.The heating element structure is a battery, characterized in that it comprises a gunpowder activated by the impact and a heat source activated by the detonation energy of the gunpowder to generate heat. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 열원은, Zr, B, Ti, Fe 중에서 선택된 금속분말과 KNO3, KClO4, Pb3O4, BaCrO4, SrO2 중에서 선택된 분말을 혼합하여 압착 형성된 펠렛인 것을 특징으로 하는 전지.The heat source is a battery, characterized in that the pellet formed by mixing the metal powder selected from Zr, B, Ti, Fe and powder selected from KNO 3 , KClO 4 , Pb 3 O 4 , BaCrO 4 , SrO 2 and pressed. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 발열체 구조물은, 화약 및 열원이 내장되는 금속 재질의 몰드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.The heating element structure, the battery further comprises a; a metal mold in which the gunpowder and the heat source is embedded. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 금속 재질의 몰드는 상부에 홀이 형성되어, 상부로의 열전달이 용이하게 형성된 것을 특징으로 하는 전지.The metal mold is a battery, characterized in that the hole is formed in the upper portion, the heat transfer to the upper portion is easily formed. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 발열체 구조물은, 연질의 금속으로 이루어진 발열체 구조물 케이스를 더 포함하며, 금속 재질의 몰드가 발열체 구조물 케이스 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지. The heating element structure further includes a heating element structure case made of a soft metal, wherein the metal mold is located in the heating element structure case. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 발열체 구조물 케이스는, 상부에 홀이 형성되어, 상부로의 열전달이 용이하게 형성된 것을 특징으로 하는 전지.The heating element case is a battery, characterized in that the hole is formed in the upper portion, the heat transfer to the upper portion is easily formed. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 열 스위치는 전지모듈과 발열체 구조물의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지.The thermal switch is a battery, characterized in that located between the battery module and the heating element structure. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 열 스위치는, 가열되면 용융되는 금속 시트 및 금속 시트와 전지 모듈을 절연하는 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.The thermal switch includes a metal sheet which is melted when heated, and an insulating film which insulates the metal sheet and the battery module. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 금속 시트는, 인듐, 주석, 납 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지.The metal sheet is made of any one of indium, tin, lead and alloys thereof. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 전지 모듈은, 전지의 하부에 전지를 지지하는 전류집전체를 포함하며,The battery module includes a current collector for supporting the battery in the lower portion of the battery, 전류집전체는, 금속 시트를 이루는 물질이 증착된 것을 특징으로 하는 전지.The current collector is a battery characterized in that the material constituting the metal sheet is deposited. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 절연막은 열원에서 발생하는 열에 대하여 내열성을 가지며, 금속 시트가 용융되어 전지 모듈에 접착할 수 있도록 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 전지. The insulating film has heat resistance to heat generated from a heat source, and the battery is characterized in that the hole is formed so that the metal sheet can be melted and bonded to the battery module. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 발열체 구조물은, 상부에 열 스위치로의 열전달을 용이하게 하는 홀이 형성되어 있고, The heating element structure has a hole formed at the top to facilitate heat transfer to the heat switch, 열 스위치는, 금속 시트의 용융물이 발열체 구조물의 홀로 유입되는 것을 방지하는 금속 메쉬를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.The thermal switch further comprises a metal mesh to prevent the melt of the metal sheet from entering the hole of the heating element structure. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 열 스위치는, 가열되면 용융되는 금속 시트, 금속 시트와 전지 모듈을 절연하는 절연막 및 발열체 구조물로부터 금속 시트로 열 전달률을 높이며, 용융된 금속 시트가 발열체 구조물 내로 누출되는 것을 방지하는 금속 메쉬를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.The thermal switch includes a metal sheet that melts when heated, an insulating film that insulates the metal sheet and the battery module, and a metal mesh that increases the heat transfer rate from the heating element structure to the metal sheet and prevents the molten metal sheet from leaking into the heating element structure. Battery characterized in that. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 전지 모듈은 박막전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.The battery module comprises a thin film battery. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 전지 모듈은 박막전지를 병렬 연결 및 직렬 연결 중 적어도 어느 하나에 의해 서로 연결된 복수 개의 박막전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지. The battery module includes a plurality of thin film cells connected to each other by at least one of a parallel connection and a series connection of the thin film battery. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 박막전지는, 기판 상에 전류집전체, 양극, 고체전해질 및 음극이 순차적으로 증착된 것을 특징으로 하는 전지.The thin film battery is characterized in that the current collector, the positive electrode, the solid electrolyte and the negative electrode are sequentially deposited on the substrate. 제17항에 있어서,The method of claim 17, 기판은, 니켈, 스테인리스스틸, 구리, 티타늄, 지르코늄, 알루미나, 실리콘 웨이퍼, 지르코니아, 마이카, 소다라임, 쿼츠, 보로실리케이트 유리 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지. The substrate is made of any one of nickel, stainless steel, copper, titanium, zirconium, alumina, silicon wafer, zirconia, mica, soda lime, quartz, and borosilicate glass. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 전지 모듈은 전지의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한 곳에 위치하는 전류집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지. The battery module comprises a current collector located at least one of the top and bottom of the battery. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 전지 모듈은, 측면에 전지 케이스와의 절연을 위한 절연막 코팅 및 절연 필름 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.The battery module, characterized in that any one of the insulating film coating and insulating film for insulation with the battery case on the side. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 전지 케이스는, 전지를 밀봉하는 전지 덮개;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.The battery case further comprises a battery cover for sealing the battery. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 전지 덮개는 금속으로 이루어지며,The battery cover is made of metal, 전지 모듈은 전지의 상부에 전류집전체를 더 포함하며,The battery module further includes a current collector on the top of the battery, 전지 덮개와 전류 집전체 사이에 절연 필름;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전지.And a insulating film between the battery cover and the current collector. 제22항에 있어서,The method of claim 22, 전지 덮개를 관통하며, 전류집전체로부터 외부로 연결을 제공하는 연결 단자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.And a connection terminal penetrating the battery cover and providing a connection from the current collector to the outside. 제23항에 있어서,24. The method of claim 23, 연결 단자와 전지 덮개 사이에 유리-금속 밀봉(glass-to-metal sealing)이 제공되는 것을 특징으로 하는 전지.A cell, characterized in that a glass-to-metal sealing is provided between the connecting terminal and the cell cover.
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