KR101310482B1 - 안전성이 향상된 신규 구조의 전기소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 신규 구조의 전기소자에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 첨예한(sharp) 침상 물체에 의한 전기 소자의 관통 등으로 인해 발생될 수 있는 발열, 발화 또는 폭발과 같은 문제를 해결하기 위하여 고안된 신규 구조의 전기소자에 관한 발명이다.

Description

안전성이 향상된 신규 구조의 전기소자 {Novel structural electric device having improved safety}
본 발명은 안전성이 향상된 신규 구조의 전기소자에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 첨예한(sharp) 침상 물체에 의한 전기 소자의 관통 등으로 인해 발생될 수 있는 발열, 발화 또는 폭발과 같은 문제를 해결하기 위하여 고안된 신규 구조의 전기소자에 관한 발명이다.
이차전지는 포장형태 및 제조방법에 따라 원통형, 각형, 파우치 형으로 구분되어 개발 및 생산되어 왔다.
이차전지의 첨예한 침상 물체에 대한 관통 문제 또는 이차전지의 침상 관통에 관한 시험을 실시하는 중 발생되는 문제는 이차전지의 포장형태 및 제조방법에 따라 대책이 다를 수 있다. 그러나 대부분 확실한 방법을 제시하지 못하고 있다. 이는 보다 근본적으로 전지를 구성하는 전극 간의 단락 현상을 방지할 수 있는 해결 방안이 없기 때문이다.
이를 극복하고자 제안된 대표적인 방법으로, 분리막에 세라믹 물질을 코팅하여 이차전지의 침상 관통에 대한 안전성을 개선하는 방법이 있지만, 이차전지의 크기가 커지고 에너지 밀도가 높아짐에 따라 새로운 접근 방법이 요구되고 있으며, 상기와 같은 방법으로는 근본적인 안전성 확보가 어렵다.
한편, 이차전지가 상기와 같은 비이상적 상황에서 금속 등에 의해 관통되거나 또는 이차전지의 관통 시험 등의 안전성 시험 중 폭발하는 상황은 흔히 볼 수 있다. 이와 같은 상황에서 이차전지 폭발 원인을 추정해 보면 다음과 같다.
관통하는 물질이 전기 전도도가 좋은 물질이라면 이 물질을 통해 이차전지 내의 양극 및 음극 간 전기적 쇼트(short)가 발생하고, 이로 인해 내부적으로 전류 흐름이 발생 되며, 따라서 이차전지의 열화현상이 쉽게 일어나고 나아가 발화 또는 폭발 현상이 일어날 가능성이 높기 때문일 것이다.
이와 같이 비이상적으로 이차전지가 침상 물체에 의하여 관통되는 경우 이차전지가 폭발하는 등의 위험을 미연에 방지하기 위하여, 이와 같은 위험을 근본적으로 차단하고 이차전지의 안전성을 향상시키기 위한 연구가 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같이 첨예한 침상 물체에 의한 전기소자의 관통 문제가 발생하는 경우 전기소자의 안전성을 보다 근본적으로 향상시키기 위하여 고안된 것이다.
본 발명은 전기소자의 외부단락을 유도하기 위한 외부단락 유도키트를 제공한다. 따라서 전기소자가 첨예한 침상 물체에 의하여 관통될 상황에서, 상기 외부단락 유도키트가 우선적으로 침상 물체에 의한 공격을 받아 전기소자를 보호한다.
또한, 상기 외부단락 유도키트가 강제 외부단락을 유도하여 전기소자의 전압 및 에너지를 낮추어, 만일 침상 물체가 전기소자 내로 진입하더라도 내부적으로 흐르는 전류의 양이 제한되도록 함으로써, 전기소자의 침상 관통으로 인한 전기소자의 폭발 등의 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.
본 발명은 2 이상의 도전성 부재;
일측은 상기 도전성 부재와 연결되며, 타측은 전기소자의 전극 또는 전극 사이의 전기이동통로인 연결부와 연결되기 위한 2 이상의 연결체; 및
상기 2 이상의 도전성 부재 사이에 개재되는 절연층;
을 포함하는 전기소자의 외부단락 유도키트를 제공한다.
상기 외부단락 유도키트를 적용할 수 있는 전기소자의 예로는 이차전지, 다수의 단위전지를 포함하는 전지모듈 및 다수의 전지모듈을 포함하는 전지 팩으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 단위전지와 1 이상의 외부단락 유도키트가 연결된 이차전지를 제공한다. .
상기 외부단락 유도키트는 제 1 도전성 부재;
상기 제 1 도전성 부재와 단위전지의 양극을 연결하는 제 1 연결체;
제 2 도전성 부재;
상기 제 2 도전성 부재와 단위전지의 음극을 연결하는 제 2 연결체;
상기 제 1 도전성 부재 및 제 2 도전성 부재 사이에 개재된 절연층;을 포함할 수 있다.
상기 외부단락 유도키트는 외장재를 더 포함할 수 있다.
상기 외부단락 유도키트에서, 제 1 도전성 부재와 상기 제 2 도전성 부재는 각각 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 몰리브데늄(Mo), 바나듐(V), 아연(Zn), 코발트(Co), 칼슘(Ca), 리튬(Li), 주석(Sn), 카트뮴(Cd), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 철(Fe) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 외부단락 유도키트에서, 제 1 연결체 및 제 2 연결체는 각각 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 몰리브데늄(Mo), 바나듐(V), 아연(Zn), 코발트(Co), 칼슘(Ca), 리튬(Li), 주석(Sn), 카트뮴(Cd), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 철(Fe) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 외부단락 유도키트에서, 절연층은 공기층; 절연특성을 갖는 물질층; 및 절연특성을 갖는 물질층과 공기층이 함께 공존하는 공기/절연특성을 갖는 물질의 복합층;으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 공기층은 외부단락 유도키트의 외장재 내측면에 서로 이격된 홈을 형성하여 상기 홈에 도전성 부재를 끼워 고정함으로써, 도전성 부재 사이에 존재하는 공기층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 절연특성을 갖는 물질층 및 상기 공기/절연특성을 갖는 물질의 복합층에 사용되는 절연특성을 갖는 물질은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌-2,6-나프탈렌디카르복실레이트(PEN) 및 폴리카보네이트 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 외부단락 유도키트는 단위전지 외장재 외부의 표면 중 넓이가 가장 넓은 표면 방향에 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 외부단락 유도키트와 단위전지 외장재 사이에 필요에 따라 절연부를 더 포함할 수 있다.
상기 절연부는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌-2,6-나프탈렌디카르복실레이트(PEN) 및 폴리카보네이트 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 다수의 단위전지의 전극 또는 다수의 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 연결부와 1 이상의 전지모듈용 외부단락 유도키트가 연결된 전지모듈을 제공한다.
상기 전지모듈용 외부단락 유도키트는 제 1 도전성 부재;
상기 제 1 도전성 부재와 상기 다수의 단위전지 중 어느 하나의 양극을 연결하는 제 1 연결체;
제 2 도전성 부재;
상기 제 2 도전성 부재와 상기 다수의 단위전지 중 어느 하나의 음극을 연결하는 제 2 연결체;
제 3 도전성 부재;
상기 제 3 도전성 부재와 상기 다수의 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 연결부를 연결하는 제 3 연결체; 및
상기 도전성 부재들 사이의 개재된 절연층;을 포함할 수 있다.
상기 제 3 도전성 부재 및 제 3 연결체는 상기 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 연결부의 개수만큼 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전지모듈용 외부단락 유도키트는 전지모듈 외장재 외부 표면에 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 더 나아가 상기 전지모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
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; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전기소자의 외부단락 유도키트는, 전기소자가 침상 물체에 의하여 관통되는 경우, 전기소자가 발화되고 더 나아가 폭발하는 현상 등을 근본적으로 방지하여 전기소자의 안전성을 향상시킨다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 일 실시예로, 하나의 외부단락 유도키트가 연결된 단위전지의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 외부단락 유도키트가 연결된 단위전지 중 외부단락 유도키트가 침상 물체에 의하여 관통되는 모습을 개략적으로 표현한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 외부단락 유도키트가 연결된 단위전지가 침상 물체에 의하여 외부단락 유도키트뿐만 아니라 단위전지 내부까지 관통되는 모습을 개략적으로 표현한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 이차전지의 다른 일 실시예로, 두 개의 외부단락 유도키트가 연결된 단위전지의 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지모듈의 개략적인 도면이다.
본 발명은 전기소자가 침상 물체에 의하여 관통될 경우 발생하는 전기소자의 발화 더 나아가 폭발 등의 문제를 해결하기 위한 것으로 전기소자의 외부단락 유도키트를 제공한다.
본 발명에 따른 전기소자의 외부단락 유도키트는 2 이상의 도전성 부재, 2 이상의 연결체 및 절연층을 포함한다.
상기 2 이상의 도전성 부재는 침상 물체로부터 공격을 받아 단락(short)을 일으키며, 전기소자의 전극 등과 전기적으로 연결된다.
상기 2 이상의 연결체는 2 이상의 도전성 부재와 전기소자를 전기적으로 연결시키는 역할을 한다.
상기 연결체는 2 이상의 도전성 부재와 전기소자를 연결하기 위하여, 일측은 상기 도전성 부재와 연결되며, 타측은 전기소자의 전극 또는 전극 간의 전기이동통로인 연결부와 연결된다.
상기 절연층은 2 이상의 도전성 부재 사이에 개재되며, 전기소자가 정상적으로 작동할 시에는 2 이상의 도전성 부재가 단락(short)을 일으키는 것을 방지하는 역할을 한다.
이와 같은 구성을 통하여 전기소자가 못(nail) 등에 의하여 관통될 상황에서, 상기 외부단락 유도키트가 우선적으로 침상 물체에 의하여 관통되어 전기소자를 보호하게 된다.
즉, 상기 외부단락 유도키트가 침상 물체에 의하여 관통되어 2 이상의 도전성 부재가 접촉되고 이로써 2 이상의 도전성 부재 사이에 단락(short)이 발생한다. 이 경우 상기 2 이상의 도전성 부재 및 상기 침상 물체에 전류 패스(path)가 형성되며, 이렇게 형성된 전류에 의하여 1 차적으로 전기소자의 전압 및 에너지가 낮아져 전기소자가 안정한 상태에 도달할 수 있도록 한다.
따라서, 만일 침상 물체가 외부단락 유도키트뿐만 아니라 전기소자 내부까지 관통하는 경우라도, 외부단락 유도키트에 단락으로 인하여 이미 전기소자는 안정화된 상태이므로 전기소자의 발화, 나아가 전기소자의 폭발과 같은 현상이 방지할 수 있다.
상기 전기소자의 비제한적 예로는 이차전지, 다수의 단위전지를 포함하는 전지모듈 및 다수의 전지모듈을 포함하는 전지 팩 등을 들 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여 상기 이차전지, 전지모듈 및 전지 팩으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 전기소자에 외부단락 유도키트가 적용된 예를 설명하도록 한다.
상기 열거한 전기소자는 일 실시예로서 본 발명에 따른 외부단락 유도키트가 이에만 적용되는 것은 아니며, 또한 상기 도면들은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 사상이 상기 도면에 기재된 내용에 한정되는 것도 아니다.
본 발명에 따른 이차전지는 양극, 음극 및 분리막을 각각 1 이상 포함하는 단위전지와 1 이상의 외부단락 유도키트가 연결되어 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 외부단락 유도키트는,
제 1 도전성 부재;
상기 제 1 도전성 부재와 상기 단위전지의 양극을 연결하는 제 1 연결체;
제 2 도전성 부재;
상기 제 2 도전성 부재와 상기 단위전지의 음극을 연결하는 제 2 연결체;
상기 제 1 도전성 부재 및 제 2 도전성 부재 사이에 개재된 절연층;을 포함할 수 있다.
상기 외부단락 유도키트는 단위전지가 포함하는 전극의 개수 및 단위전지의 형태 등에 따라 제 1 도전성 부재 및 제 2 도전성 부재의 개수를 조절할 수 있음은 물론이며, 상기 제 1 및 제 2 도전성 부재의 개수에 따라 제 1 및 제 2 연결체와 절연층의 개수도 조절될 수 있다.
바람직하게는 상기 제 1 도전성 부재 및 제 1 연결체는 단위전지가 포함하는 양극의 개수만큼 포함하며, 제 2 도전성 부재 및 제 2 연결체는 단위전지가 포함하는 음극의 개수만큼 포함할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 도전성 부재를 단위전지의 전극의 개수보다 많이 포함할 경우 이차전지의 부피가 커져 이차전지의 부피당 용량이 작아지는 문제가 있고, 상기 제 1 및 제 2 도전성 부재를 단위전지의 전극의 개수보다 적게 포함할 경우 외부단락 유도키트와 연결되지 아니한 단위전지의 전극끼리 내부단락이 일어날 우려가 있어 이차전지의 안정성을 충분히 보장하기 어려운 문제가 있다.
본 발명에 따른 외부단락 유도키트는 제 1 및 제 2 도전성 부재를 보호하기 위하여 외장재로 포장될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제 1 및 제 2 도전성 부재로는, 전기 도전성이 우수하다면 특별히 제한하지 않을 것이나, 바람직하게는 전기 전도도가 높을 뿐만 아니라 열에 의한 변형이 크지 않으며, 산화에 대한 내성이 강한 금속 및 비금속이 이용될 수 있다.
또한 상기 제 1 도전성 부재 및 제 2 도전성 부재는 상기 조건의 금속 및 비금속이라면, 양극과 연결되는 제 1 도전성 부재와 음극과 연결되는 제 2 도전성 부재가 반드시 동일하지 않아도 좋으며, 각각 다른 재료로 이루어질 수도 있다.
상기 제 1 도전성 부재 및 제 2 도전성 부재로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 몰리브데늄(Mo), 바나듐(V), 아연(Zn), 코발트(Co), 칼슘(Ca), 리튬(Li), 주석(Sn), 카트뮴(Cd), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 철(Fe) 및 이들의 합금 등으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 제 1 및 제 2 도전성 부재들(100, 200)의 두께 또는 크기 또한 크게 제한되지 않으나, 이차전지의 침상 관통에 대해 1차적 단락을 유도하기 위함이므로 되도록 그 두께는 단위전지의 집전체와 동일 또는 유사한 두께로 제작됨이 적당하며, 단위전지의 크기와 동일 또는 유사한 크기로 제작되어 단위전지를 보호할 수 있도록 함이 바람직하다.
상기 제 1 및 제 2 연결체는 상기 도전성 부재들과 마찬가지로 전기 도전성이 우수하다면 특별히 제한하지 않을 것이나, 바람직하게는 전기 전도도가 높을 뿐만 아니라 열에 의한 변형이 크지 않으며, 산화에 대한 내성이 강한 금속 및 비금속이 이용될 수 있다.
역시 상기 제 1 연결체 및 제 2 연결체도 상기 조건의 금속 및 비금속이라면, 양극과 연결되는 제 1 연결체와 음극과 연결되는 제 2 연결체가 반드시 동일하지 않아도 좋으며, 각각 다른 재료로 이루어질 수도 있다.
상기 제 1 연결체 및 제 2 연결체는 상기 도전성 부재들에 사용한 재료를 사용하는 것이 가능하나, 이에 한정되지는 않는다.
한편 제 1 및 제 2 도전성 부재들(100, 200) 사이에 개재되는 절연층은 이차전지가 정상적으로 작동 중일 때는 제 1 및 제 2 도전성 부재 사이에 전기가 통하지 않도록 하는 모든 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 절연층은 공기층; 절연특성을 갖는 물질층; 및 절연특성을 갖는 물질층과 공기층이 함께 공존하는 공기/절연특성을 갖는 물질의 복합층;으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 층일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 공기층은 제 1 및 제 2 도전성 부재가 서로 일정거리를 두고 떨어져 있어 전기가 통하지 않도록 할 때, 제 1 및 제 2 도전성 부재 사이에 존재하는 공기층을 의미하는 것이다.
상기 공기층은 다양한 방법으로 나타날 수 있으나, 일례로 외부단락 유도키트의 외장재 내측면에 서로 이격된 홈을 형성하여 상기 홈에 도전성 부재를 끼워 고정함으로써, 도전성 부재 사이에 공기층이 존재하도록 할 수 있다.
상기 절연특성을 갖는 물질층; 및 상기 공기/절연특성을 갖는 물질의 복합층;은 제 1 도전성 부재 및 제 2 도전성 부재에 절연특성을 갖는 물질을 개재하여 상기 도전성 부재 사이에 전기가 통하지 않도록 한다.
상기 절연특성을 갖는 물질층은 제 1 도전성 부재 및 제 2 도전성 부재의 면적과 동일한 범위로 제작되어 개재되는 것을 의미한다.
상기 공기/절연특성을 갖는 물질의 복합층은 절연특성을 갖는 물질층이 제 1 도전성 부재 및 제 2 도전성 부재의 면적보다 작은 범위로 제작되어, 절연특성을 갖는 물질층과 공기층이 공존하게 된다.
즉, 상기 공기/절연특성을 갖는 물질의 복합층에서 절연특성을 갖는 물질층은 제 1 도전성 부재와 제 2 도전성 부재가 서로 일정거리를 두고 떨어져 있어 전기가 통하지 않도록 하기 위하여 도전성 부재들 사이에 두는 스페이서(spacer)와 같은 역할을 한다.
상기 절연특성을 갖는 물질층 및 상기 공기/절연특성을 갖는 물질의 복합층에 사용되는 절연특성을 갖는 물질은 전기적 절연성이 우수하고 난연성을 갖는 물질이라면 제한 없이 사용가능하며, 바람직한 것으로, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌-2,6-나프탈렌디카르복실레이트(PEN) 및 폴리카보네이트 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
특히, 본 발명에 이용되는 상기 절연특성을 갖는 물질은 열을 받는 경우, 수축(shrinkage)하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리에틸렌-2,6-나프탈렌디카르복실레이트(PEN)를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 이차전지에서 외부단락 유도키트의 위치는 단위전지의 표면 중 어디라도 위치할 수 있으며 이를 한정하지 않으나, 단위전지를 가장 효율적으로 보호하기 위하여 단위전지 외장재 외부의 넓은 표면에 위치하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 외부단락 유도키트는 크기를 달리하여, 단위전지의 외부 6 면에 최대한으로 배치될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 외부단락 유도키트(1)가 연결된 단위전지(2)를 개략적으로 나타낸 것이며, 침상 물체(500)에 대한 단위전지(2) 보호를 위하여 외부단락 유도키트(1)를 단위전지(2)의 넓은 표면상에 위치한 형태를 나타낸 것이다.
도 1에는 외부단락 유도키트(1)가 단위전지(2)보다 다소 두껍게 표현되기는 하였으나, 본 도면들은 본 발명을 설명하기 위하여 다소 과장되어 표현된 것임을 다시 한 번 강조한다.
도 1과 같이 외부단락 유도키트(1)가 단위전지(2)의 넓은 표면상이 위치하는 경우 도면에는 나타내지는 않았으나, 외부단락 유도키트(1)와 단위전지(2) 사이에 절연부를 별도로 둘 수 있다.
상기 절연부는 외부단락 유도키트(1)의 제 1 도전성 부재(100)와 단위전지(2)의 전극 사이에 단락을 방지하기 위한 것으로 필요에 따라 포함이 가능하며, 그 재료는 상기 절연층에 사용한 절연특성을 갖는 물질을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1에 나타낸 이차전지가 전도성 침상 물체(500)에 의하여 외부단락 유도키트(1)만이 관통되는 경우를 도 2에 나타내었고, 도 1에 나타낸 이차전지가 전도성 침상 물체(500)에 의하여 외부단락 유도키트(1)뿐만 아니라 단위전지(2)까지 관통하는 경우를 도 3에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 외부단락 유도키트(1)가 침상 물체(500)에 의하여 관통되어 제 1 도전성 부재(100) 및 제 2 도전성 부재(200)가 접촉되고 이로써 상기 도전성 부재들 사이에 단락(short)이 발생한다. 이 경우 상기 제 1 도전성 부재(100), 제 2 도전성 부재(200) 및 상기 침상 물체(500)에 전류 패스(path)(600)가 형성되며, 이렇게 형성된 전류에 의하여 1차적으로 단위전지(2)의 전압 및 에너지가 낮아져 이차전지(3)가 안정한 상태에 도달할 수 있도록 한다.
도 3을 참조하면, 만일 침상 물체(500)가 외부단락 유도키트(1)뿐만 아니라 단위전지(2) 내부까지 관통하는 경우라도, 외부단락 유도키트(1)에 단락으로 인하여 이미 단위전지(2)는 안정화된 상태이므로 이차전지(3)의 발화, 나아가 이차전지(3)의 폭발과 같은 현상이 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 외부단락 유도키트(1)가 연결된 단위전지(2)를 개략적으로 나타낸 것이며, 침상 물체(500)에 대한 단위전지(2) 보호를 강화하기 위하여 외부단락 유도키트(1)를 단위전지(2)의 넓은 2 표면상에 위치한 형태를 나타낸 것이다.
상기 도 1 및 도 4를 통하여 본 발명의 외부단락 유도키트가 어떠한 구조로 단위전지와 연결되는지 설명하였으나, 상기 외부단락 유도키트는 도 1 및 도 4에 나타낸 구조 외에 다양한 형태로 단위전위와 연결될 수 있다.
본 발명은 더 나아가, 다수의 단위전지의 전극 또는 다수의 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 연결부와 1 이상의 전지모듈용 외부단락 유도키트가 연결된 전지모듈을 제공한다.
상기 전지모듈용 외부단락 유도키트는 제 1 도전성 부재;
상기 제 1 도전성 부재와 상기 다수의 단위전지 중 어느 하나의 양극을 연결하는 제 1 연결체;
제 2 도전성 부재;
상기 제 2 도전성 부재와 상기 다수의 단위전지 중 어느 하나의 음극을 연결하는 제 2 연결체;
제 3 도전성 부재;
상기 제 3 도전성 부재와 상기 다수의 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 연결부를 연결하는 제 3 연결체; 및
상기 도전성 부재들 사이의 개재된 절연층;을 포함한다.
본 발명에 따른 전지모듈용 외부단락 유도키트에 포함되는 도전성 부재들은 전지모듈의 용도 및 용량에 따라 조절될 수 있음은 물론이나, 바람직하게는, 전지모듈에 포함되는 다수의 단위전지 중 양 말단에 위치하는 단위전지의 전극과 다수의 단위전지 중 양 말단을 제외한 단위전지를 연결하는 연결부가 모두 도전성 부재들과 연결되는 것이 외부단락 유도키트를 사용하는 하여 전기소자의 안전성을 향상시킨다는 본 발명의 목적과 부합한다.
따라서, 상기 다수의 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 연결부와 연결되는 제 3 도전성 부재 및 제 3 연결체는 상기 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 연결부의 개수만큼 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전지모듈용 외부단락 유도키트는 단위전지에 연결된 외부단락 유도키트와 같이 다수의 단위전지를 포함하는 전지모듈의 표면 중 어디라도 위치할 수 있으며 이를 한정하지 않으나, 전지모듈을 가장 효율적으로 보호하기 위하여 전지모듈 외장재 외부의 넓은 표면에 위치하는 것이 바람직하다.
도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 단위전지의 전극(양극단자 10, 음극단자 11) 또는 연결부(16)가 전지모듈용 외부단락 유도키트와 연결된 형태를 나타내었다.
도 5와 같이 본 발명에 따른 전지모듈은 다수의 단위전지(2) 중 최외각에 위치한 단위전지;와 전지모듈용 외부단락 유도키트에서 단위전지가 위치하는 반대편의 최외각에 위치한 제 1 도전성 부재(100);가 연결될 수 있다.
그 후 그 다음의 최외각의 위치한 단위전지;와 전지모듈용 외부단락 유도키트에서 단위전지가 위치하는 반대편의 그 다음의 최외각에 위치한 제 3 도전성 부재(300);가 연결되며, 순차적으로 다수의 단위전지의 전극(양극단자 10, 음극단자 11) 또는 연결부(16)가 도전성 부재들(100, 200, 300)과 연결되는 구조일 수 있다.
상기와 같은 구조일 경우 전지모듈이 전도성 침상 물체(500)에 의하여 공격을 받더라도 순차적인 외부단락을 유도하여 전지모듈을 더 안정한 상태로 유도할 있어 바람직하나, 본 발명에 따른 전지모듈의 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 5에서는 제 1 및 제 2 연결체가 각각 단위전지의 양극단자(10)와 음극단자(11)에 연결되도록 나타내었으나, 전극단자와 연결되는 버스바(17)와 연결되어도 본 발명에 부합하며, 전기가 통하는 곳이라면 그 위치를 한정하지 않는다.
본 발명은 상기 전지모듈을 포함하는 전지 팩을 제공할 수 있다.
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; 이-바이크(E-bike) 또는 이-스쿠터(E-scooter) 등의 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차 등의 중대형 디바이스 전원으로 사용 가능하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하나 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 . 외부단락 유도키트가 연결된 단위전지
본 발명의 외부단락 유도키트를 제조하기 위하여, 제 1 도전성 부재로 알루미늄 박막, 절연층으로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 제 2 도전성 부재로 구리 박막을 적층하고, 80℃의 온도와 100,000 N/m2 압력을 가하여 제 1 도전성 부재/절연층/제 2 도전성 부재 조립체를 완성하였다.
이를 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 단위전지와 제 1 연결체 및 제 2 연결체를 이용하여 연결하여 본 발명에 따른 이차전지를 제조하였다.
비교예 . 종래 단위전지
외부단락 유도키트를 연결하지 않은 단위전지를 사용하였다.
실험예 .
상기 제작된 실시예 및 비교예의 전지를 4.2V 전압 하에 완전히 충전하고 직경 2.5mm 못(nail)을 이용하여 상기 전지의 중앙을 관통시킨 후 발화 여부를 관찰하였다. 이때 못 관통속도는 5m/min로 하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

 안전성평가조건 최대온도 단락여부 발화여부

실시예
4.2V 완충
50℃
단락없음
발화없음

비교예
4.2V 완충
500℃이상
단락발생
발화
실시예 1에 따른 외부단락 유도키트를 연결한 단위전지의 중앙을 직경 2.5mm 못(nail)을 5m/min의 속도로 공격하였다. 그 결과 외부단락 유도키트는 완전히 관통되었으며, 단위전지도 일부 관통되었다. 하지만 외부단락 유도키트가 1차적으로 단락되어, 단위전지의 전압 및 에너지를 낮추어 그 후 직경 2.5mm 못(nail)에 의하여 단위전지가 일부 관통되더라도 단위전지의 발화가 관찰되지 않았다.
반면 비교예 1에 따른 외부단락 유도키트가 연결되지 않은 단위전지의 경우 직경 2.5mm 못(nail)이 5m/min의 속도로 공격하여 단위전지를 완전히 관통하였으며, 단위전지의 발화가 관찰되었다.
따라서, 본 발명에 따른 외부단락 유도키트는 단위전지의 안전성을 근본적으로 향상시킬 수 있으며, 이와 같은 결과는 다수의 단위전지를 포함하는 전지모듈 및 전지 팩과 같은 전기소자에 대하여도 마찬가지이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석 되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1. 외부단락 유도키트 2. 단위전지
3. 이차전지 4. 전지모듈
10. 양극단자 11. 음극단자
12. 양극 13. 음극
14. 분리막 15. 이차전지 외장재
16. 연결부 17. 버스 바
100. 제 1 도전성 부재 101. 제 1 연결체
200. 제 2 도전성 부재 201. 제 2 연결체
300. 제 3 도전성 부재 301 제 3 연결체
400. 절연층
500. 전도성 침상물체
600. 전류 패스(path)

Claims (17)

  1. 전기소자의 외장재 외부에 구비되어, 상기 전기소자를 보호하는 외부단락 유도키트에 있어서,
    2 이상의 도전성 부재;
    일측은 상기 도전성 부재와 연결되며, 타측은 상기 전기소자의 전극 또는 전극 사이의 전기이동통로인 연결부와 연결되기 위한 2 이상의 연결체;
    상기 2 이상의 도전성 부재 사이에 개재되는 절연층; 및
    상기 도전성 부재 및 절연층을 포장하는 외장재를 포함하고,
    상기 연결체는 상기 전기소자의 전극 또는 연결부를, 상기 절연층에 의하여 분리되어 있는 각각의 도전성 부재에 하나씩 연결하는 것을 특징으로 하는 전기소자의 외부단락 유도키트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전기소자는 이차전지, 다수의 단위전지를 포함하는 전지모듈 및 다수의 전지모듈을 포함하는 전지 팩으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기소자의 외부단락 유도키트.
  3. 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 단위전지와 상기 단위전지의 외장재 외부에 구비되어 상기 단위전지를 보호하는 1 이상의 외부단락 유도키트가 연결된 이차전지이며,
    상기 외부단락 유도키트는 제 1 도전성 부재;
    상기 제 1 도전성 부재와 단위전지의 양극을 연결하는 제 1 연결체;
    제 2 도전성 부재;
    상기 제 2 도전성 부재와 단위전지의 음극을 연결하는 제 2 연결체;
    상기 제 1 도전성 부재 및 제 2 도전성 부재 사이에 개재된 절연층; 및
    상기 제 1 도전성 부재, 제 2 도전성 부재 및 절연층을 포장하는 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 도전성 부재와 상기 제 2 도전성 부재는 각각 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 몰리브데늄(Mo), 바나듐(V), 아연(Zn), 코발트(Co), 칼슘(Ca), 리튬(Li), 주석(Sn), 카트뮴(Cd), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 철(Fe) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 연결체 및 제 2 연결체는 각각 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 스테인리스스틸(STS), 몰리브데늄(Mo), 바나듐(V), 아연(Zn), 코발트(Co), 칼슘(Ca), 리튬(Li), 주석(Sn), 카트뮴(Cd), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 철(Fe) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 절연층은 공기층; 절연특성을 갖는 물질층; 및 절연특성을 갖는 물질층과 공기층이 함께 공존하는 공기/절연특성을 갖는 물질의 복합층;으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 층인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 공기층은 외부단락 유도키트의 외장재 내측면에 서로 이격된 홈을 형성하여 상기 홈에 도전성 부재를 끼워 고정함으로써, 도전성 부재 사이에 존재하는 공기층인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 절연특성을 갖는 물질층 및 상기 공기/절연특성을 갖는 물질의 복합층에 사용되는 절연특성을 갖는 물질은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌-2,6-나프탈렌디카르복실레이트(PEN) 및 폴리카보네이트 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 외부단락 유도키트는 단위전지 외장재 외부의 표면 중 넓이가 가장 넓은 표면 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 외부단락 유도키트와 단위전지 외장재 사이에 절연부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 절연부는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌-2,6-나프탈렌디카르복실레이트(PEN) 및 폴리카보네이트 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 다수의 단위전지의 전극 또는 상기 다수의 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 연결부와 1 이상의 전지모듈용 외부단락 유도키트가 연결된 전지모듈이며,
    상기 전지모듈용 외부단락 유도키트는 제 1 도전성 부재;
    상기 제 1 도전성 부재와 상기 다수의 단위전지 중 어느 하나의 양극을 연결하는 제 1 연결체;
    제 2 도전성 부재;
    상기 제 2 도전성 부재와 상기 다수의 단위전지 중 어느 하나의 음극을 연결하는 제 2 연결체;
    제 3 도전성 부재;
    상기 제 3 도전성 부재와 상기 다수의 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 연결부를 연결하는 제 3 연결체;
    상기 도전성 부재들 사이의 개재된 절연층; 및
    상기 제 1 도전성 부재, 제 2 도전성 부재, 제 3 도전성 부재 및 절연층을 포장하는 외장재를 포함하고,
    상기 전지모듈용 외부단락 유도키트가 상기 전지모듈의 외장재 외부 표면에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제 3 도전성 부재 및 제 3 연결체는 상기 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 연결부의 개수만큼 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 삭제
  16. 제 13항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  17. 제 16항에 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; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
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