KR101130097B1 - 안전장치를 구비한 전기 에너지 저장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기화학적 에너지 저장기능을 제공하는 베어셀이 내장된 본체 하우징; 상기 본체 하우징의 외부로 인출된 양극 터미널 및 음극 터미널; 상기 양극 터미널 및 음극 터미널 중 선택된 적어도 어느 하나에 형성되어 대기와 상기 본체 하우징을 연통시키는 통공; 및 상기 통공 내에 설치되고, 상기 본체 하우징의 내부압력이 허용치 이상으로 상승하는 압력변화에 연동하여 상기 통공을 선택적으로 개방시키는 안전변;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치를 개시한다.

Description

안전장치를 구비한 전기 에너지 저장장치{ELECTRIC ENERGY STORAGE DEVICE HAVING SAFETY DEVICE}
본 발명은 전기화학적 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 본체 하우징의 내부압력을 일정 압력 이하로 유지할 수 있는 안전장치를 구비한 전기 에너지 저장장치에 관한 것이다.
일반적으로 각종 전지(Battery)나 캐패시터(Capacitor)와 같은 전기에너지 저장장치는 상온에서 과충전이나 과방전, 과전압과 같은 이상 동작시 전해질과 전극의 계면에서 부반응이 진행되어 그에 따른 부산물로서 기체가 발생하게 된다. 이와 같이 기체가 발생하여 내부에 축적되면 전기에너지 저장장치의 하우징 내부압력이 지속적으로 증가하게 되고 결국에는 하우징이 부풀어 오르거나 하우징 중 취약한 부분에서 급격하게 기체가 배출되면서 폭발이 발생하게 된다.
상기 문제점을 해결하기 위해 종래에는 하우징의 일부분에 노치(Notch) 구조를 형성하거나, 특정 압력 이상에서 하우징의 내부압력을 낮출 수 있는 안전 부재를 장착하는 방식이 널리 사용되었다. 예를 들어, 대한민국 특허출원 제2001-81817호(차단장치를 내장한 배터리)에는, 배터리의 내부 온도가 상승할 때 발생하는 압력차를 감지하여 회로를 차단하도록 하는 기술이 게재되어 있다. 이 발명은 배터리의 내부압력이 상승하는 이상현상 발생시 작동체의 변위에 의해 가압스위치가 파괴되도록 구성된다.
그러나, 상기 종래기술은 가압스위치가 일단 파괴되면 재사용이 불가능한 취약점이 있고, 지지대 상에서 가압스위치가 작동체의 임계 변위에 상응하여 파단되는 특성을 가져야 하므로 그 구조나 재질의 선택에 제약이 많은 단점이 있다.
한편, 특정 압력 이상에서 파괴되어 에너지 저장장치를 개방상태로 유지함으로써 하우징의 내부압력을 낮출 수 있는 안전 구조물도 제안된 바 있으나, 안전 구조물의 파괴에 의해 에너지 저장장치가 비가역적으로 개방상태로 방치될 경우에는 전해질의 고갈현상이 발생하고 불순물이 하우징 내부로 유입되어 전기에너지 저장장치의 성능을 현저히 저하시키는 문제를 유발하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전극 터미널을 통하여 본체 하우징 내부와 대기(Atmosphere)를 선택적으로 연통시켜 하우징의 내부압력을 허용치 압력 이하로 유지하고 불순물의 유입을 차단할 수 있는 안전장치를 구비한 전기에너지 저장장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 본체 하우징 내부와 전극 터미널 간에 밴트(Vent) 기구를 형성하면서도 본체 하우징과 전극 터미널을 견고히 체결할 수 있는 구조를 가진 전기에너지 저장장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전기화학적 에너지 저장기능을 제공하는 베어셀이 내장된 본체 하우징; 상기 본체 하우징의 외부로 인출된 양극 터미널 및 음극 터미널; 상기 양극 터미널 및 음극 터미널 중 선택된 적어도 어느 하나에 형성되어 대기와 상기 본체 하우징을 연통시키는 통공; 및 상기 통공 내에 설치되고, 상기 본체 하우징의 내부압력이 허용치 이상으로 상승하는 압력변화에 연동하여 상기 통공을 선택적으로 개방시키는 안전변;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치를 제공한다.
본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는 상기 통공에 삽입되어 상기 통공이 형성된 터미널을 상기 본체 하우징에 체결하고 그 중심에는 중공이 형성된 중공 볼트;를 더 포함하고, 상기 안전변은 상기 중공을 선택적으로 개폐하도록 상기 중공 볼트의 헤드부에 장착되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는 상기 통공 내부에서 끼워져서 상기 안전변을 지지하는 지지부재;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치는 상기 안전변과 지지부재 사이에 개재된 실링부재;를 더 포함할 수 있다.
상기 본체 하우징은 원통 형태로 이루어지고, 상기 양극 터미널과 음극 터미널은 상기 본체 하우징 양단의 중심에 각각 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면 전극 터미널의 내부에 가역적으로 자동 복귀가 가능한 안전변(Safety valve)을 구비할 수 있으므로 전기에너지 저장장치의 비정상적인 내부압력 상승을 억제하는 동시에 불순물이 본체 하우징 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
본 발명에 의하면 통공이 형성된 전극 터미널이 중공 볼트에 의해 견고히 본체 하우징에 체결되면서도 중공 볼트를 통해 기체상 부반응물을 본체 하우징 외부로 배출하는 것이 가능하다.
또한, 전극 터미널의 통공을 전해액 주입구로 활용하는 것이 가능하므로 전기에너지 저장장치의 조립공정을 간소화 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 전극 터미널의 통공이 원통형 본체 하우징의 양단 중심에 위치하도록 구성됨으로써 전기에너지 저장장치에서 기체상의 부반응물이 외부로 배출되는 과정에서 발생하는 전해액의 유출을 최소화할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은 리튬 이차전지는 물론, 전기이중층 캐패시터(EDLC; Electric Double Layer Capacitor), 하이브리드 캐패시터(Hybrid Capacitor) 등과 같은 전기에너지 저장 제품에 적용 가능하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기에너지 저장장치의 구성을 도시한 부분 확대 단면도,
도 2는 도 1에서 안전변의 주요 내부 구성을 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치의 내부압력 변화를 종래기술과 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기에너지 저장장치의 주요 구성이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기에너지 저장장치는 베어셀(Bare Cell)(미도시)이 내장된 본체 하우징(100)과, 본체 하우징(100)의 외부로 인출되고 내부에는 통공(112)이 형성된 양극 터미널(110) 및 음극 터미널(120)과, 통공(112) 내에 하방으로 수직하게 삽입된 중공 볼트(115)와, 통공(112) 내에서 중공 볼트(115)의 헤드부(Head Portion)에 설치되어 본체 하우징(100)의 내부 압력변화에 의해 통공(112)을 선택적으로 개방시키는 안전변(113)을 포함한다.
베어셀은 전기화학적 에너지 저장기능을 제공하는 소자이다. 베어셀로는 예컨대, 통상의 리튬 전지셀이나, 전기이중층 캐패시터와 같은 울트라 캐패시터나, 하이브리드 캐패시터 등이 채용 가능하다. 바람직하게 베어셀은 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되고 전해액(전해질)이 함침되는 구조로 제공된다.
양극 터미널(110) 및 음극 터미널(120) 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 원통형 하우징(111)에 형성된 통공(112)은 대기와 본체 하우징(100)을 연통시키는 것이 가능하도록 양극 터미널(110) 및/또는 음극 터미널(120)의 길이방향으로 길게 연장된다.
중공 볼트(115)는 그 중심에 축방향으로 중공(116)이 형성된 구조의 볼트로서, 원통형 하우징(111)의 통공(112) 내에 삽입되어 원통형 하우징(111)을 본체 하우징(100)에 체결한다.
원통형 하우징(111)의 통공(112)과 중공 볼트(115)의 중공(116)은 상호 연통 가능하며 동축을 이루도록 정렬된다. 이러한 구성에 따르면 원통형 하우징(111)의 통공(112)을 전해액 주입구로 활용하는 것이 가능하므로 전기에너지 저장장치의 조립공정을 간소화 할 수 있다.
안전변(113)은 중공 볼트(115)의 헤드부에 마련된 요입홈에 장착되고, 본체 하우징(100)의 내부압력이 허용치 이상으로 상승하는 압력변화에 연동하여 그 내부 유로가 닫힘 상태로부터 개방 상태로 전환된다. 안전변(113)의 내부 유로가 개방되면 중공 볼트(115)의 중공(116)과 원통형 하우징(111)의 통공(112)이 연통됨으로써 본체 하우징(100) 내부의 기체상 부반응물이 대기중으로 배출된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 안전변(113)은 일측에 기체 유입공(113b)이 형성되고 타측에는 기체 배출공(113e)이 형성된 하우징(113a)과, 하우징(113a) 내부에 슬라이딩 가능하게 설치된 가동부재(113c)와, 가동부재(113c)에 대하여 탄성 복원력을 제공하는 용수철 형태의 탄성체(113d)를 포함한다. 상기와 같은 구성에 따르면, 본체 하우징(100)의 내부압력 상승시 기체 유입공(113b)을 통해 기체상 부반응물이 유입되면서 가동부재(113c)가 상방으로 이동하고, 기체상 부반응물의 압력이 허용치 이상으로 상승하여 가동부재(113c)가 기체 배출공(113e)을 개방함에 따라 기체상 부반응물이 기체 배출공(113e)을 통해 빠져나간 후 원통형 하우징(111)의 통공(112)을 경유하여 외부로 배출된다. 이러한 과정을 통해 본체 하우징(100)의 압력이 안전한 상태로 떨어진 이후에는 탄성체(113d)의 탄성력에 의해 가동부재(113c)가 원래의 위치로 자동 복귀된다.
지지부재(114)는 원통형 하우징(111)의 통공(112) 내부에서 안전변(113)을 지지하도록 장착되어 안전변(113)을 고정시킨다. 비록 도면에는 도시되지 않았으나, 지지부재(114)와 안전변(113) 사이에는 상기 안전변(113)의 기체 배출공(113e)을 통해 배출되는 기체상 부반응물을 원통형 하우징(111)의 통공(112) 쪽으로 유동시키기 위한 소정의 통로가 형성된다.
통공(112)을 개방시키기 위한 압력, 즉 개방압력은 안전변(113) 내에 장착된 탄성체(113d)의 탄성력에 의해 정의된다. 따라서, 안전변(113) 내부의 탄성체(113d)의 탄성력을 조절함으로써 다양한 개방압력을 갖는 다양한 제품을 구현할 수 있다.
비록 도면에는 미도시되었으나 안전변(113)과 지지부재(114) 사이에는 전해액의 누수를 방지하기 위한, 예컨대 O-링 형태의 실링부재가 개재될 수 있다.
본체 하우징(100)은 원통 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우 베어셀은 권취된 형태로 본체 하우징(100)에 내장된다. 원통 형태의 본체 하우징(100)은 각형 하우징과는 달리 사용시 방향성이 존재하지 않으므로 전기에너지 저장장치의 조립 작업성이 상대적으로 좋은 장점이 있다. 또한, 양극 터미널(110)과 음극 터미널(120)을 본체 하우징(100) 양단의 중심에 각각 위치시킴으로써 열의 발산, 냉각 효율을 높이는 것도 가능하다.
전기에너지 저장장치는 과충전이나 과방전, 과전압과 같은 이상 동작에 의해 전해액과 베어셀 간의 전극 계면에서 부반응이 진행되어 그에 따른 부반응물로서 기체가 발생하여 본체 하우징(100)의 내부압력이 상승하는 현상이 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명에 의하면 본체 하우징(100)의 내부압력이 허용치, 즉 개방압력 이상으로 상승할 경우 그 압력변화에 연동하여 안전변(113)의 내부 유로가 가역적으로 개방되고, 이에 따라 중공 볼트(115)의 중공(116)이 원통형 하우징(111)의 통공(112)과 연통되면서 본체 하우징(100)의 내부압력이 떨어져서 안전한 수준을 유지하게 된다.
도 3의 점선 그래프는 자동으로 원상태로 복귀되는 안전변(113)에 의해 본체 하우징(100)의 내부압력이 개방압력(PO ) 이내에서 주기적으로 변동되는 압력변화를 나타낸다. 한편, 도 3의 일점 쇄선 그래프는 안전변(113)에 대한 지지부재(114)의 지지압력이 개방압력(PO )보다 작은 경우로서, 이 경우 전해액의 누수가 발생할 수 있다. 도 3의 실선 그래프는 안전변(113)이 존재하지 않는 경우로서, 본체 하우징(100)의 내부압력이 지속적으로 증가하는 압력변화를 나타낸다. 특히, 도 3의 실선 그래프의 경우 종국에는 본체 하우징(100) 및 그 내부의 베어셀에 물리적 변형이 발생하여 순간적인 폭발을 유발하게 된다. 실제로, 안전변(113)의 미적용시 베어셀의 경우에는 70℃, 2000 시간의 고온 부하시 5mm 이상의 변형이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기에너지 저장장치는 양극 터미널(110) 및/또는 음극 터미널(120)에 내장된 안전변(113)에 의해 본체 하우징(100)의 내부압력을 일정 압력 이하로 안전하게 유지할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
100: 본체 하우징 110: 양극 터미널
111: 원통형 하우징 112: 통공
113: 안전변 114: 지지부재
115: 중공 볼트 116: 중공
120: 음극 터미널

Claims (6)

  1. 전기화학적 에너지 저장기능을 제공하는 베어셀이 내장된 본체 하우징;
    상기 본체 하우징의 외부로 인출된 양극 터미널 및 음극 터미널;
    상기 양극 터미널 및 음극 터미널 중 선택된 적어도 어느 하나에 형성되어 대기와 상기 본체 하우징을 연통시키는 통공;
    상기 통공에 삽입되어 상기 통공이 형성된 터미널을 상기 본체 하우징에 체결하고 그 중심에는 중공이 형성되며, 헤드부에는 요입홈이 형성된 중공 볼트;
    상기 중공 볼트의 요입홈에 장착되고, 상기 본체 하우징의 내부압력이 허용치 이상으로 상승하는 압력변화에 연동하여 상기 통공을 선택적으로 개방시키는 안전변; 및
    상기 통공 내부에 끼워져서 상기 안전변을 지지하여 고정시키는 지지부재;를 포함하는 전기에너지 저장장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안전변과 지지부재 사이에 개재된 실링부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 본체 하우징은 원통 형태로 이루어지고,
    상기 양극 터미널과 음극 터미널이 상기 본체 하우징 양단의 중심에 각각 구비된 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 안전변은,
    일측에 기체 유입공이 형성되고 타측에는 기체 배출공이 형성된 하우징과, 상기 하우징 내부에 슬라이딩 가능하게 설치되어 상기 본체 하우징의 내부압력이 허용치 이상으로 상승했을 때 상기 기체 배출공을 개방하는 가동부재와, 상기 가동부재에 대하여 탄성 복원력을 제공하는 탄성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치.
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