KR101145716B1 - 상변환 물질을 이용한 과충전 보호소자와 이를 적용한 이차전지 - Google Patents

상변환 물질을 이용한 과충전 보호소자와 이를 적용한 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 이차전지의 양극과 음극 사이의 회로 상에 병렬 연결되며 과충전시 통전되어 이차전지의 과충전을 억제하는 보호소자로서, 이차전지의 양극에 접속되며 하기 제 2 저항에 인가되는 전압을 분배하는 작용을 하는 제 1 저항, 상기 제 1 저항에 접속되어 있으며 온도 상승시 상변환(phase transformation)에 의해 저항값이 저하되는 제 2 저항, 및 상기 제 2 저항과 이차전지의 음극에 접속되어 있으며 인가되는 전압의 상승시 가열되어 상기 제 2 저항의 온도를 상승시키는 작용을 하는 제 3 저항을 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 보호소자를 제공한다.

Description

상변환 물질을 이용한 과충전 보호소자와 이를 적용한 이차전지 {Protection Device against Overcharge Containing Phase Change Material and Secondary Battery Employed with the Same}
본 발명은 이차전지용 보호소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이차전지의 양극과 음극 사이의 회로 상에 병렬 연결되며 과충전시 통전되어 이차전지의 과충전을 억제하는 보호소자로서, 이차전지의 양극에 접속되며 하기 제 2 저항에 인가되는 전압을 분배하는 작용을 하는 제 1 저항, 상기 제 1 저항에 접속되어 있으며 온도 상승시 상변환(phase transformation)에 의해 저항값이 저하되는 제 2 저항, 및 상기 제 2 저항과 이차전지의 음극에 접속되어 있으며 인가되는 전압의 상승시 가열되어 상기 제 2 저항의 온도를 상승시키는 작용을 하는 제 3 저항을 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 보호소자를 제공한다.
최근 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급증하고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기 존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다. 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 그것의 외형에 따라 크게 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 분류되며, 전해액의 종류에 따라 리튬이온 전지와 리튬이온 폴리머 전지로 분류되기도 한다. 모바일 기기의 소형화에 대한 최근의 경향으로 인해, 특히 두께가 얇은 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 증가하고 있다.
그러나, 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 즉, 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다.
전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진된다. 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 악순환에 의해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화/폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.
따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 안전소자를 장착하여 사용하는 방법과, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 있다. 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압의 변화를 이용하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등이 전자에 해당하고, 전지 내부의 온도나 전압의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것이 후자에 속한다.
그러나, 지금까지 알려져 있는 기술들은 각각의 문제점들을 가지고 있다. 예를 들어, 셀 바깥쪽에 장착하는 종래의 안전소자들은 전지의 이상 발생으로 인해 가연성 가스가 이미 셀 내부에 충만한 상태에서는 안전성을 제공하지 못하며, CID 소자의 경우 원통형 전지에만 적용할 수 있다는 단점이 있다. 또한, 내부 단락, 침상 관통, 국부적 손상 등과 같이 빠른 응답시간이 요구되는 경우에는 제대로 보호역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다.
셀 내부의 물질을 이용하는 방법의 하나로 전해액이나 전극에 안전성을 향상시키는 첨가제를 부가하는 방법이 있다. 화학적 안전장치는 추가공정 및 공간을 필요로 하지 않으며 모든 종류의 전지에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 물질의 첨가로 인해 전지의 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 물질 로는 전극에 부동막을 형성하는 물질, 온도 상승시 부피 팽창이 일어나면서 전극의 저항을 증가시키는 물질 등이 보고되어 있다. 그러나, 이들 각각은 부동막 형성시 부산물이 발생하여 전지의 성능을 저하시키거나, 전지 내부에서 차지하는 부피가 커서 전지의 용량 감소를 가져오는 문제점을 안고 있으며, 확실한 안전성 보장이 이루어지지 않으므로 단독 수단으로는 사용되지 않고 있다.
이와 관련하여, 한국 특허출원공개 제2006-0050510호에는 정전압 소자가 이차전지의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬로 연결되어 있으며, 상기 정전압 소자는 파괴(breakdown) 전압이 이차전지의 폭발 발화전압보다 낮고 이차전지의 만충전 전압에서 누설전류값이 "전류X시간" 단위로 표시되는 이차전지의 용량값의 0.05% 미만인 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 정전압 소자를 이용한 기술은 전지셀의 온도 상승에 대응하지 못하므로 안전성 확보에 한계가 있다.
따라서, 이러한 종래기술의 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 이차전지용 보호소자에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 온도 상승시 상변환에 의해 저항값이 저하되는 상변환 물질을 포함하는 보호소자를 개발하게 되었고, 이러한 보호소자를 이차전지의 양극과 음극 사이의 회로 상에 병렬 연결할 경우, 과충전시 상기 상변환 물질이 가열되면서 저항값이 저하되어 통전이 이루어짐으로써, 과충전으로 인한 안전성의 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 전지셀의 온도 변화에도 반응하여 안전성 문제를 보다 효과적으로 해결할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 보호소자는, 이차전지의 양극과 음극 사이의 회로 상에 병렬 연결되며 과충전시 통전되어 이차전지의 과충전을 억제하는 보호소자로서,
이차전지의 양극에 접속되며, 하기 제 2 저항에 인가되는 전압을 분배하는 작용을 하는 제 1 저항;
상기 제 1 저항에 접속되어 있으며, 온도 상승시 상변환(phase transformation)에 의해 저항값이 저하되는 제 2 저항; 및
상기 제 2 저항과 이차전지의 음극에 접속되어 있으며, 인가되는 전압의 상승시 가열되어 상기 제 2 저항의 온도를 상승시키는 작용을 하는 제 3 저항;
을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 보호소자는, 제 1 저항에 의해 제 2 저항에 적정한 전압이 인가되도록 설정된 상태에서, 과충전시 전압의 상승에 따라 제 3 저항이 가 열되면서 제 2 저항의 상변환을 유도하고, 이러한 상변환에 의해 제 2 저항의 저항값이 저하되면, 충전을 위해 외부로부터 유입되는 전류는 전지셀의 양극과 음극 사이로 직접 통전되어, 과충전이 더 이상 진행되는 것을 방지할 수 있다.
상기 과충전시 전압은 이차전지의 종류에 따라 각각 다를 수 있으므로 사용하는 이차전지의 종류에 따라 과충전 전압을 설정할 수 있으며, 예를 들어, 리튬 이차전지의 경우, 과충전시 전압은 4.5 V 이상일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제 1 저항은 과충전 상태에서 제 2 저항의 상변환 물질이 제 3 저항의 열에 의해 저항값이 저하될 수 있도록 제 2 저항에 인가되는 전압을 분배하는 작용을 주로 한다. 즉, 제 1 저항, 제 2 저항 및 제 3 저항은 직렬 접속 관계에 있으므로, 이들 저항들의 저항값에 따라 제 2 저항에 인가되는 전압이 결정될 수 있다. 특히, 제 2 저항에 대한 인가 전압의 분배를 주로 제 1 저항에 의해 결정되도록 설정할 수 있다.
이러한 점을 종합적으로 고려할 때, 하나의 바람직한 예에서, 제 1 저항은 과충전의 전압에서 제 2 저항에 0 내지 20 V의 전압이 인가되도록 하는 저항값을 가질 수 있다.
제 2 저항에 포함되어 있는 상변환 물질은 온도 상승에 의해 저항값이 저하되는 물질이라면 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는, 온도 상승시 무정형 상태에서 결정형 상태로 상변환되는 물질일 수 있다. 이러한 상변환 물질의 대표적인 예로는 칼코게나이드계 상변환 물질을 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다.
칼코게나이드계 상변환 물질은 최소한 하나의 16족(칼코겐) 원소와 하나 이상의 양전성 원소로 구성된 화합물이다. 이러한 칼코게나이드계 상변환 물질은 열을 가함에 따라 결정형과 무정형 상태로 빠르게 변화하는 특성이 있다. 구체적으로, 결정질 상태에서는 광학적 반사도가 높고 전기 저항이 낮은 반면에, 비정질(무정형) 상태에서는 반사도가 낮고 전기 저항이 높다. 가장 대표적인 칼코게나이드계 상변환 물질로는 Ge2Sb2Te5를 들 수 있다. 따라서, 칼코게나이드계 상변환 물질은 소정의 온도에서 무정형 상태로부터 결정형 상태로 상변환을 하며, 이때 저항값이 약 100배 정도 감소하게 된다.
제 3 저항은 과충전 상태에서 자체 발열되어 제 2 저항의 온도를 상승시키는 작용을 주로 한다.
이상과 같이, 제 1 저항, 제 2 저항 및 제 3 저항의 특정한 구성에 의해 과충전 상태에서 보호소자가 통전이 가능한 상태로 전환되어 과충전이 더 이상 진행되는 것을 방지할 수 있으며, 앞서 설명한 내용을 바탕으로, 적용되는 이차전지의 특성을 고려하여 상기 저항들의 저항값이 적절히 결정될 수 있다.
본 발명은 또한 이러한 보호소자가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 그것의 양극과 음극 사이의 회로 상에 상기 보호소자가 병렬 연결된 상태에서 다양한 방식으로 장착될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 보호소자는 그것의 일측 외면이 전지셀의 외 면에 밀착된 상태로 이차전지에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
상기 장착 구조는, 제 2 저항의 상변환 물질이 전지셀의 온도 상승에 의해서도 상변환이 가능할 수 있게 하거나, 적어도, 과충전 상태에서 제 3 저항의 발열시 더 많은 열이 제 2 저항의 상변환 물질에 전달될 수 있게 해 준다. 즉, 과충전 상태에서는 일반적으로 전지셀에서 열이 발생하므로, 제 3 저항에서 발생한 열은 상기 전지셀 보다는 제 2 저항쪽으로 더 많은 양이 전도되어, 제 2 저항의 상변환 물질이 열에 더욱 민감하도록 작용하게 된다.
바람직하게는, 상기 보호소자가 전지셀의 외면에 밀착되는 일측 외면에 높은 열전도성의 부재가 부가된 상태로 전지셀의 외면에 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 전지셀로부터 발생한 열의 제 2 저항으로의 전도도를 높일 수 있다.
상기 높은 열전도성의 부재는 보호소자의 형태에 따라 제 3 저항이 음극에 접속되는 부위의 외면에 부가될 수도 있고, 제 2 저항에 접하는 부위의 외면에 부가될 수도 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 높은 열전도성의 부재는 금속 소재로 이루어질 수 있으며, 이러한 금속 소재의 대표적인 예로는 알루미늄을 들 수 있다.
본 발명의 이차전지에서 상기 보호소자는 전지셀의 양극 단자와 음극 단자 사이에 직접 병렬로 접속될 수도 있고, 또는 다른 소자들을 경유하여 접속될 수도 있다.
보호소자가 전지셀의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬로 접속되어 있으므로, 과충전 상태 및/또는 전지셀의 과열 상태에서 제 2 저항의 저항값이 낮아져 통 전됨으로써 전류가 바이패스되어 전지셀을 보호한다.
경우에 따라서는, 상기 보호소자가 FET 또는 IGBT의 Gate에 접속되어 있는 구조일 수도 있다.
이 경우, 상기 보호소자는 그 자체가 과충전 방지의 주 역할을 하는 것이 아니라 FET나 IGBT의 Gate쪽 인가 전압을 조절하는 보조적인 역할을 하여 과충전을 방지할 수 있다. 즉, 특정 전압 이상에서 Gate 쪽 저항 값이 감소함에 따라 Vgs 전압이 상승하게 되고, Ids의 전류 path 형성에 따라 과충전을 방지한다.
본 발명에 따른 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 과충전 안전성에 취약한 리튬 이차전지일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 보호소자(100)의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 그것의 회로도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 보호소자(100)는 양극(101), 음극(102), 양극(101)과 제 2 저항(120)에 접속되는 제 1 저항(110), 제 1 저항(110)과 제 3 저항(130)에 접속되는 제 2 저항(120), 제 2 저항(120)과 음극(102)에 접속되는 제 3 저항(130), 및 외장 케이스(140)로 이루어져 있다.
제 1 저항(110)은 제 2 저항(120)에 인가되는 전압을 분배하고, 제 3 저항(130)은 과충전 상태에서 가열되어 열을 제 2 저항(120)에 전달하는 작용을 주로 한다.
제 2 저항(120)은 온도 상승시 상변환에 의해 저항값이 저하되는 상변환 물질을 포함하고 있다. 이와 관련하여, 도 3에는 과충전 상태에서 제 2 저항(120)의 상변환 물질이 상변환되는 과정이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 과충전 상태에서 제 3 저항이 가열되면, 무정형 상태(121)에 있던 제 2 저항(120)은 제 3 저항(130)에 접한 부위부터 결정형 상태(122)로 상변환 된다. 결정형 상태(122)가 되면 저항이 감소하게 되므로, 결정형 상태(122)가 제 1 저항(110)과 맞닿아 있는 부위까지 진행되면, 보호소자(100)가 통전된다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 보호소자의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4의 보호소자(100a)는 그것의 일측 외면에 높은 열전도성 부재(150)가 부가되어 있다는 점에서 도 1의 보호소자(100)와 차이가 있다. 열전도성 부재(150)는 그것에 접해 있는 전지셀(도시하지 않음)의 외면으로부터 제 2 저항(120)의 열전도를 촉진하므로, 과충전 상태에 의한 발열 이외에 전지셀의 온도 변화도 감지하게 되므로 더욱 효과적이다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 보호소자가 장착된 이차전지의 정면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 보호소자(100)는 이차전지(200)의 양극 단자(201)와 음극 단자(202) 사이의 회로 상에 병렬 연결되어 있다. 도면에서는, 보호소자(100)의 양극(101)과 음극(102)이 각각 이차전지(200)의 양극 단자(201)와 음극 단자(202)에 연결되어 있는 구조로 도시되어 있지만, 양극(101)과 음극(102) 없이 직접 이차전지(200)의 양극 단자(201)와 음극 단자(202)에 연결되어 있는 구조도 가능함은 물론이다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 보호소자(100)가 그 일측 외면에 높은 열전도성 부재(150)가 부가된 상태로 이차전지(200)에 장착되어 있는 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 열전도성 부재(150)은 이차전지 또는 전지셀(200)로부터 발생한 열이 보호소자(100) 쪽으로 더욱 효과적으로 전도될 수 있도록 도와 준다.
도 7에는 도 6의 변형예로서 보호소자(100)가 수평형태로 적층된 상태로 그것의 일측 외면에 열전도성 부재(150)가 부가되어 있는 이차전지(200)가 모식적으로 도시되어 있다.
이러한 장착 구조는 이차전지(200)로부터 보호소자(100)의 제 2 저항으로의 열전도율을 더욱 높일 수 있는 장점이 있다.
도 8에는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 보호소자가 FET 또는 IGBT의 Gate에 접속되어 있는 것의 회로도가 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 이러한 구조는 FET나 IGBT의 Gate 인가 전압을 조절하여 과충전을 방지할 수 있는 바, 특정 전압 이상에서 Gate 쪽 저항 값이 감소함에 따 라 Vgs 전압이 상승하게 되고, Ids의 전류 path 형성에 따라 과충전을 방지한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 보호소자는 온도 상승시 저항이 저하되는 상변환 물질을 포함함으로써, 과충전시 특정 전압 이상에서 상변환에 의해 저항값이 감소하여 통전됨으로써 과충전을 방지할 수 있고, 바람직하게는 전지셀로부터의 고열에 의해서도 작용하여 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 보호소자의 사시도와 그것의 회로도이다;
도 3은 도 1의 보호소자에서 과충전시 상변환이 일어나는 과정을 모식적으로 도시한 수직 단면도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 보호소자의 사시도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 보호소자가 장착된 이차전지의 모식적 정면도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 일측 외면에 열전도성 부재가 부가된 상태로 보호소자가 장착된 이차전지의 모식적 정면도이다;
도 7은 도 6의 구조의 변형예의 모식적 정면도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 보호소자가 FET 또는 IGBT의 Gate에 접속되어 있는 구조의 회로도이다.

Claims (12)

  1. 이차전지의 양극과 음극 사이의 회로 상에 병렬 연결되며, 과충전시 통전되어 이차전지의 과충전을 억제하는 보호소자로서,
    이차전지의 양극에 접속되며, 하기 제 2 저항에 인가되는 전압을 분배하는 작용을 하는 제 1 저항;
    상기 제 1 저항에 접속되어 있으며, 온도 상승시 상변환(phase transformation)에 의해 저항값이 저하되는 제 2 저항; 및
    상기 제 2 저항과 이차전지의 음극에 접속되어 있으며, 인가되는 전압의 상승시 가열되어 상기 제 2 저항의 온도를 상승시키는 작용을 하는 제 3 저항;
    을 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 보호소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 과충전의 전압은 4.5 V 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지용 보호소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 저항은 과충전의 전압에서 제 2 저항에 0 내지 20 V의 전압이 인가되도록 하는 저항값을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 보호소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 저항에는 온도 상승시 무정형 상태에서 결정 상태로 상변환되는 물질이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지용 보호소자.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 물질은 칼코게나이드계 상변환 물질인 것을 특징으로 하는 이차전지용 보호소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 따른 보호소자가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 보호소자는 그것의 일측 외면이 전지셀의 외면에 밀착된 상태로 이차전지에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 보호소자는 제 3 저항이 음극에 접속되는 부위의 외면에 높은 열전도성의 부재가 부가된 상태로 전지셀의 외면에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 부재는 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 보호소자는 전지셀의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬로 직접 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 보호소자는 FET 또는 IGBT의 Gate에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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