KR101264553B1 - 안전성이 향상된 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩에 대한 것이다.
보다 구체적으로는, 외장재 내부 및/또는 외부에 방탄소재를 개재함으로써, 전도성 침상 물체가 이차 전지 등의 내부로 관통시 발생할 수 있는 과열 또는 발화, 기화전해액의 외부 분출, 전도성 침상 물체와 전극의 전기적 접촉 등을 방지하여 이차 전지, 전지 모듈 및 전지 팩의 안전성을 향상시킨다.

Description

안전성이 향상된 이차전지{Secondary battery having improved safety}
본 발명은 안전성이 향상된 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩에 관한 것이다.
최근 충·방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목 받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다. 중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있으며, 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지 셀로서 주로 사용되고 있다.
특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지 셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
또한, 중대형 전지 모듈을 구성하는 전지 셀들은 충·방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으며, 그 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고 사이클 수명이 길며 자기 방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 특히, 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 전원으로서 중대형 전지 팩에 사용되는 이차전지는 다수의 고에너지 전지 셀들이 밀집되어 있고, 발화점이 낮은 유기 전해액을 포함하고 있는 특성상 안전성 확보가 매우 중요하다.
본 발명은 방탄소재를 포함하는 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩의 안정성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 방탄소재를 1이상 구비하는 이차전지를 제공한다.
상기 방탄소재는 1.0 ~ 6.0 Gpa의 인장강도를 가지며, 150℃이상에서 열 분해되는 고강도 고내열성 방탄소재라면 당 업계에서 사용하는 것을 제한 없이 사용하는 것이 가능하며, 비제한적 예로, 아라미드 파이버(Aramid fiber), 글라스 파이버(Glass fiber), UHMWPE 파이버(Ultra-high-molecular-weight polyethylene fiber) 및 PBO 파이버(Polybenzoxazole fiber)등을 들 수 있다.
상기 방탄소재는 이차전지의 전극 조립체의 내부, 전지외장재의 내측면 및 전지외장재의 최 외측면 등 이차전지의 어느 위치에라도 구비될 수 있다.
또한, 본 발명은 다수의 이차전지를 직렬 또는 병렬 연결하여 포함하는 전지 모듈에 있어서, 상기 방탄소재를 1 이상 구비하는 전지 모듈을 제공한다.
상기 방탄소재는 상기 설명한 바와 동일한 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 ⅰ) 상기 전지 모듈에 포함되는 이차 전지는 방탄소재를 포함되지 아니하나, 전지 모듈 단위에서 방탄소재가 개재된 전기 모듈, ⅱ) 상기 전지 모듈에 포함되는 이차 전지는 방탄소재를 포함하나, 전지 모듈 단위에서는 방탄소재가 개재되지 아니한 전지 모듈 및 ⅲ) 상기 전지 모듈에 포함되는 이차 전지뿐만 아니라 전지 모듈 단위에서도 방탄 소재가 개재된 전지 모듈 등 다양한 형태로 나타날 수 있다.
상기 전지 모듈 단위에서 방탄소재가 개재되는 위치는 전지 모듈의 내부, 전지 모듈 외장재의 내측면 및 전지 모듈 외장재의 최 외측면 등 전지 모듈의 어느 곳이라도 가능하며, 한 곳 이상의 위치에 개재하는 것이 가능함은 물론이다.
본 발명은 더 나아가 다수의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩에 있어서, 상기 설명한 바와 같은 방탄소재 1 이상 구비하여 안정성이 향상된 전지 팩을 제공한다.
본 발명에 따른 전지 팩은 ⅰ) 상기 전지 팩에 포함되는 전지 모듈은 방탄소재를 포함하지 아니하나, 전지 팩 단위에서 방탄 소재가 개재된 전기 팩, ⅱ) 상기 전지 팩에 포함되는 전지 모듈은 방탄 소재를 포함하나, 전지 팩 단위에서는 방탄 소재가 개재되지 아니한 전지 팩 및 ⅲ) 상기 전지 팩에 포함되는 전지 모듈뿐만 아니라 전지 팩 단위에서도 방탄 소재가 개재된 전지 팩 등 다양한 형태로 나타날 수 있다.
상기 전지 팩 단위에서 방탄소재가 개재되는 위치는 전지 팩의 내부, 전지 팩 외장재의 내측면 및 전지 팩 외장재의 최 외측면 등 전지 팩의 어느 곳이라도 가능하며, 한 곳 이상의 위치에 개재하는 것이 가능함은 물론이다.
상기 전지 팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등의 전기차; E-bike 또는 E-scooter 등의 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차 등의 전원으로 사용할 수 있다.
본 발명은 방탄소재를 포함하는 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩에 관한 것으로, 전도성 침상 물체가 이차전지 등의 내부로 관통시 발생할 수 있는 과열 또는 발화, 기화 전해액의 외부 분출, 전도성 침상 물체와 전극의 전기적 접촉 등을 방지하여 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩의 안전성을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 전도성 침상 물체가 관통하는 경우 거동에 대한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 전도성 침상 물체가 관통하는 경우 거동에 대한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩에 전도성 침상 물체가 관통하는 경우 거동에 대한 개략적인 도면이다.
본 발명에 따른 이차전지는 방탄소재를 1이상 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 방탄소재는 특히 1.0 ~ 6.0 Gpa 범위의 인장강도 및 150℃이상에서 열 분해되는 방탄소재인 것이 바람직하다.
상기 방탄소재는 외부의 충격으로부터 이차전지를 방어하는 역할을 하며, 전도성의 침상 물체에 의하여 이차전지가 공격을 받더라도 방탄소재에 의하여 이차전지 내부의 전극 조립체 등의 손상될 위험을 미연에 방지한다.
도 1을 참조하면, 설사 상기 방탄소재(4)가 전도성의 침상 물체(5)에 의하여 뚫리더라도, 상기 방탄소재(4)가 전도성 침상 물체(5)를 감싸면서 함께 전지(1) 내부로 들어가기 때문에 전극 조립체(2)와 방탄소재(4)가 접촉되어 발열, 발화 및 단락과 같은 현상을 방지하며, 전도성 침상 물체(5)와 동반 관통한 방탄소재(4)는 스파크 발생을 억제하고, 국부적인 지역 단락으로 인한 온도 상승시 기화된 전해액의 과도한 분출을 막아 발화의 위험을 감소시킨다.
그러나 상기 방탄소재의 인장강도가 1.0 Gpa미만이면 상기 방탄소재가 전도성 침상 물체에 의하여 파열되어 전도성 침상 물체와 전극 조립체가 접촉되어 발열, 발화 및 단락과 같은 현상이 발생할 우려가 있어 바람직하지 않으며, 상기 방탄소재의 인장강도가 6.0 Gpa초과인 경우에는 방탄소재의 유연성이 떨어져 전도성 침상 물체의 표면을 감싸는 것이 어려워 전극 조립체와의 접촉을 충분히 방지하지 못하는 문제가 있어 바람직하지 않다.
또한, 상기 분해온도가 150℃미만인 경우에는 전지의 오작동 또는 외부충격으로 인하여 급격한 온도 상승시 상기 방탄소재가 열 분해되어 전지의 보호물질로서 작용할 수 없을 뿐만 아니라 상기 방탄소재로 인하여 오히려 전지의 부 반응을 초래할 수 있어 바람직하지 않다.
상기와 목적 및 효과와 부합하기 위하여는 방탄소재의 인장강도가 2.0 ~ 6.0 Gpa의 범위인 것이 바람직하고, 3.0 ~ 6.0 Gpa의 범위인 것이 더욱 바람직하며, 방탄소재의 분해 온도는 200℃이상이 바람직하며, 350℃이상의 분해 온도를 갖는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 이차전지에 구비되는 방탄소재는 고분자 수지보다 우수한 인장강도, 내열성 및 절연성을 가지므로 전도성 침상 물체에 의하여 발생하는 발열, 발화 및 단락과 같은 위험을 방지하는 효과가 뛰어나다.
상기 방탄소재는 1.0 ~ 6.0 Gpa의 인장강도 및 150℃이상의 열 분해 온도를 갖는 방탄소재라면 당 업계에서 사용하는 것을 제한 없이 사용할 수 있다.
비제한적 예로, 아라미드 파이버(Aramid fiber), 글라스 파이버(Glass fiber), UHMWPE 파이버(Ultra-high-molecular-weight polyethylene fiber) 및 PBO 파이버(Polybenzoxazole fiber) 등을 들 수 있으며, 보다 상세하게, 상기 아라미드 파이버로는 Kevlar, Twaron, Heracron 및 Technora 등이 적당하며, 상기 UHMWPE 파이버는 Dyneema, Spectra 등이 적당하며, PBO 파이버는 Zylon 등이 적당하다.
이하, 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 이차전지(1)는 상기 전지외장재(3) 내부 및/또는 외부에 상기 살펴본 방탄소재(4)를 구비한 것을 특징으로 하며, 그 위치는 특별히 한정하지는 않으나 예를 들어, 전극 조립체(2)의 표면, 전지외장재(3)의 내측면 및 전지외장재의 최 외측면 중 선택된 한 곳 이상에 개재하는 것이 가능하다.
그 중 전지외장재(3)의 최 외측면에 방탄소재(4)를 개재하는 것이 외부충격으로부터 전지외장재(3)를 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 전도성 물체(5) 등에 의하여 이차전지가 관통되더라도 전도성 침상 물체(5)와 전극 조립체(2)와의 절연효과를 가져오므로 바람직하다.
보다 상세하게 방탄소재(4)를 이차전지(1)에 개재하는 방법을 설명하자면, 상기 방탄소재(4)로 전극 조립체(2)의 4면을 전부 또는 일부를 둘러싸는 형태 또는 전극 조립체(2)의 가장 넓은 표면 전부 또는 일부에 놓이는 형태로 개재될 수 있다.
또한 상기 방탄소재(4)가 전지외장재(3) 외부에 개재되는 경우는, 전지외장재(3) 외부 전체를 둘러싸는 형태 또는 그 일부분만 둘러싸는 형태로 개재될 수 있으며, 바람직하게는 넓은 표면에 개재(도 1 참조)되는 것이 전지의 보호하고자 하는 본 발명의 목적과 부합한다.
상기 이차 전지(1) 내에 포함되는 방탄소재(4) 수량은 이차 전지의 용도 및 용량 등을 고려하여 방탄소재의 부피, 무게 등에 따라 조절할 수 있다.
본 발명은 더 나아가, 다수의 이차전지(1)를 직렬 또는 병렬 연결하여 포함하는 전지 모듈(10)에 있어서, 상기 설명한 바와 같은 방탄소재(4) 1 이상 구비하여 안정성이 향상된 전지 모듈(10)을 제공한다.
본 발명에 따른 전지 모듈(10)은 ⅰ) 상기 전지 모듈에 포함되는 이차 전지(1)는 방탄소재(4)를 포함되지 아니하나, 전지 모듈 단위에서 방탄소재가 개재된 전기 모듈, ⅱ) 상기 전지 모듈에 포함되는 이차 전지는 방탄소재를 포함하나, 전지 모듈 단위에서는 방탄소재가 개재되지 아니한 전지 모듈 및 ⅲ) 상기 전지 모듈에 포함되는 이차 전지뿐만 아니라 전지 모듈 단위에서도 방탄 소재가 개재된 전지 모듈 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 전지 모듈(10) 단위에서 방탄소재(4)가 개재되는 위치는 전지 모듈의 내부, 전지 모듈 외장재(11)의 내측면 및 전지 모듈 외장재(11)의 최 외측면 등 전지 모듈(10)의 어느 곳이라도 가능하며, 한 곳 이상의 위치에 개재하는 것이 가능함은 물론이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방탄소재를 개재한 전지 모듈(10)을 도 2에 도시하였다. 도 2은 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 것으로 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되지 아니하며, 전지 모듈(10)에 포함되는 방탄소재(4) 및 이차 전지(1)는 전지 모듈(10)의 용도 및 용량 등을 고려하여 조절할 수 있음을 물론이다.
본 발명은 더 나아가 다수의 전지 모듈(10)을 포함하는 전지 팩(20)에 있어서, 상기 설명한 바와 같은 방탄소재(4) 1 이상 구비하여 안정성이 향상된 전지 팩을 제공한다.
본 발명에 따른 전지 팩(20)은 ⅰ) 상기 전지 팩(20)에 포함되는 전지 모듈(10)은 방탄소재(4)를 포함하지 아니하나, 전지 팩 단위에서 방탄 소재가 개재된 전기 팩, ⅱ) 상기 전지 팩에 포함되는 전지 모듈은 방탄 소재를 포함하나, 전지 팩 단위에서는 방탄 소재가 개재되지 아니한 전지 팩 및 ⅲ) 상기 전지 팩에 포함되는 전지 모듈뿐만 아니라 전지 팩 단위에서도 방탄 소재가 개재된 전지 팩 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 전지 팩(20) 단위에서 방탄소재(4)가 개재되는 위치는 전지 팩(20)의 내부, 전지 팩 외장재(21)의 내측면 및 전지 팩 외장재(21)의 최 외측면 등 전지 팩(20)의 어느 곳이라도 가능하며, 한 곳 이상의 위치에 개재하는 것이 가능함은 물론이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방탄소재를 개재한 전지 팩(20)을 도 3에 도시하였다. 도 3은 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 것으로 본 발명의 범위가 이에 의하여 한정되지 아니하며, 전지 팩에 포함되는 방탄소재(4), 이차 전지(1) 및 전지 모듈(10)은 전지 팩(20)의 용도 및 용량 등을 고려하여 조절할 수 있음을 물론이다.
본 발명에 따른 방탄소재를 1 이상 구비하는 전지 팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등의 전기차; E-bike 또는 E-scooter 등의 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차 등의 전원으로 사용될 수 있다.
이하, 하기의 합성예 및 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 합성예 및 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
본 발명의 방탄소재로 상품명 Heracron HT640 (제조사: 코오롱인더스트리)을 사용하였다. 상기 Heracron HT640은 인장강도는 2.0 Gpa이며, 열 분해 온도는 550℃이다.
상기 Heracron HT640은 두께 20mm, 이차전지의 파우치 최 외측 넓은 표면과 동일한 면적으로 준비하였다. 상기 준비한 Heracron HT640을 이차전지 파우치의 최 외측 넓은 표면에 접착제를 이용하여 개재하였다.
실시예 2
Heracron HT640을 두께 50mm, 전지 모듈(이차전지 8개 포함)의 외장재 최 외측 넓은 표면과 동일한 면적으로 준비하였다. 상기 준비한 Heracron HT640을 전지 모듈의 외장재 최 외측 넓은 표면에 접착제를 이용하여 개재하였다.
실시예 3
Heracron HT640을 두께 100mm, 전지 팩(이차전지 48개 포함)의 외장재 최 외측 넓은 표면과 동일한 면적으로 준비하였다. 상기 준비한 Heracron HT640을 전지 팩 외장재 최 외측 넓은 표면에 접착제를 이용하여 개재하였다.
비교예 1
실시예 1의 방탄소재가 개재되지 않은 이차전지.
비교예 2
실시예 2의 방탄소재가 개재되지 않은 전지 모듈.
비교예 3
실시예 3의 방탄소재가 개재되지 않은 전지 팩.
실험예 . 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩의 안정성 평가
상기 제작된 실시예 및 비교예의 전지, 전지 모듈 및 전지 팩을 4.2V 전압하에 완전히 충전하고 직경 2.5~20mm 못(nail)을 이용하여 전지, 전지 모듈 및 전지 팩의 중앙 및 측면을 관통시킨 후 발화 여부를 관찰하였다. 이때 못 관통속도는 12m/min으로 실시하여 상기 실시예 및 비교예의 전지, 전지 모듈 및 전지 팩의 안정성 평가를 하였다.
안전성평가조건 최대온도 단락여부 발화여부
실시예 1
(면관통)		 전지 4.2V 완충 Cell (5.3Ah)
2.5mm 못, 12m/min		 50℃ 단락지연 발화없음
비교예 1
(면관통)		 전지 4.2V 완충 Cell (5.3Ah)
2.5mm 못, 12m/min		 500℃이상 단락발생 발화
실시예 2
(면관통)		 모듈 4.2V 완충 Cell (5.3Ah) * 8 Cell
2.5mm 못, 12m/min		 190℃ 단락지연 발화없음
비교예 2
(면관통)		 모듈 4.2V 완충 Cell (5.3Ah) * 8 Cell
2.5mm 못, 12m/min		 500℃이상 단락발생 발화
실시예 3
(측면관통)		 팩 4.2V 완충 Cell (20Ah) * 48 Cell
2.5mm 못, 12m/min		 80℃ 단락지연 발화없음
비교예 3
(측면관통)		 팩 4.2V 완충 Cell (20Ah) * 48 Cell
2.5mm 못, 12m/min		 500℃이상 단락발생 발화
1: 이차전지
2: 전극 조립체
3: 전지외장재
4: 방탄소재
5: 전도성 침상 물체
10: 전지 모듈
11. 전지 모듈 외장재
20. 전지 팩
21: 전지 팩 외장재

Claims (12)

  1. 방탄소재를 1 이상 구비하며, 상기 방탄소재는 전극 조립체의 표면, 전지외장재의 내측면 및 전지외장재의 최외측면 중 적어도 어느 한 면에 구비되는 이차전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방탄소재는 1.0 ~ 6.0 Gpa의 인장강도를 가지며, 150℃이상에서 열 분해되는 고강도 고내열성 방탄소재인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 방탄소재는 아라미드 파이버(Aramid fiber), 글라스 파이버(Glass fiber), UHMWPE 파이버(Ultra-high-molecular-weight polyethylene fiber) 및 PBO 파이버(Polybenzoxazole fiber)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 삭제
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 이차전지를 포함하는 전지 모듈.
  6. 다수의 이차전지를 직렬 또는 병렬 연결하여 포함하는 전지 모듈에 있어서, 상기 전지 모듈의 내부, 전지 모듈 외장재의 내측면 및 전지 모듈 외장재의 최 외측면 중 적어도 어느 한 곳에 방탄소재를 1 이상 구비하는 전지 모듈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 방탄소재는 1.0 ~ 6.0 Gpa의 인장강도를 가지며, 150℃이상에서 열 분해되는 고강도 고내열성 방탄소재인 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 방탄소재는 아라미드 파이버(Aramid fiber), 글라스 파이버(Glass fiber), UHMWPE 파이버(Ultra-high-molecular-weight polyethylene fiber) 및 PBO 파이버(Polybenzoxazole fiber)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 이차전지는 방탄소재를 1 이상 구비하는 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  10. 다수의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩에 있어서,
    상기 전지 팩의 내부, 전지 팩 외장재의 내측면 및 전지 팩 외장재의 최 외측면 중 적어도 어느 한 곳에 방탄소재를 1 이상 구비하는 전지 팩.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 전지 모듈은 방탄소재를 1 이상 구비하는 전지 모듈인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 전지 팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; E-bike; E-scooter; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
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