KR101312796B1 - 쌍극형 2차 전지, 전지 팩 및 이를 탑재한 차량 - Google Patents
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Abstract
전력 발생 유닛(40)과 한 쌍의 단자판(101, 102)을 구비하는 쌍극형 2차 전지가 제공된다. 상기 전력 발생 유닛(40)은 상호 적층되는 다수의 쌍극형 전극(21)을 구비하며, 이들 쌍극형 전극(21) 사이에는 전해질 층(25)이 개재되어 쌍극형 전극(21)을 분리시킨다. 쌍극형 전극(21)의 각각은, 그 제1 측면에 양극 활성물질 층(23)이 형성되고 그 제2 측면에 음극 활성물질 층(24)이 형성되는 집전체(22)를 구비한다. 제1 단자판(101)은 전력 발생 유닛(40)의 제1 적층 방향 단부에 연결된다. 제2 단자판(102)은 전력 발생 유닛(40)의 제2 적층 방향 단부에 연결된다. 단자판(101, 102) 중 적어도 하나는 전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생할 때 전류 발생을 억제하는 전류 억제 장치(52A, 52B)를 구비한다.
Description
(관련 출원에 대한 상호 참조)
본 출원은 2008년 10월 20일자로 출원된 일본 특허출원 제2008-270088호 및 2009년 7월 6일자로 출원된 일본 특허출원 제2009-160098호를 우선권으로 주장한다. 일본 특허출원 제2008-270088호 및 제2009-160098호는 본 명세서에 원용된다.
본 발명은 일반적으로 쌍극형 2차 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 쌍극형 2차 전지에서의 내부 단락에 기인하는 쌍극형 2차 전지의 단자판에서의 국소적인 전류 집중을 억제 또는 차단하는 쌍극형 2차 전지에 관한 것이다.
근년에, 환경 보호를 위해 대기에 배출되는 이산화탄소 배출량의 저감이 강요되고 있다. 자동차 업계가 이산화탄소 배출 저감 수단으로서 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차에 점차 관심을 기울이고 있음에 따라, 이러한 차량의 원동력이 되는 전동기용 전원으로서 쌍극형 2차 전지가 주목을 끌고 있다. 전원은 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차를 실용화하는데 있어서 핵심이다.
쌍극형 2차 전지가 과충전 되거나 외부로부터 기계적인 충격(충돌)이 가해지는 경우, 쌍극형 2차 전지의 내부에서는 보통 단락이 발생한다. 현재 사용되고 있는 쌍극형 2차 전지는 에너지 밀도가 크기 때문에, 쌍극형 2차 전지의 내부에 발생하는 내부 단락은 그 내부 단락이 발생한 부분에서 국소적인 발열을 초래한다. 쌍극형 2차 전지는 양극 활성물질 층, 집전체, 음극 활성물질 층, 및 전해질 층이 조밀하게 적층된 상태로 형성되어 있기 때문에, 국소적으로 발생한 열이 쉽게 빠져나갈 수 없으며, 내부 단락이 발생한 부분에 열이 남아있기 쉽다.
리튬-이온 2차 전지에서의 내부 단락에 의해 초래되는 온도 상승 문제를 해결하기 위해, 양극 집전체 상에 매우 얇은 알루미늄 막을 사용하는 기술이 있다. 이 기술에서는, 양극 집전체에 단락 전류가 흐르는 경우, 알루미늄 박막이 이 전류에 의해 발열하고, 열을 발산함으로써, 단락이 발생한 부위의 절연을 회복시키고 전지의 온도 상승을 방지하고 있다(일본 특허 공개 공보 제2003-243038호).
이상을 감안할 때, 개선된 쌍극형 2차 전지에 대한 요구가 존재한다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명은 이 요구뿐 아니라 당업자에게 자명해질 다른 요구를 해결한다.
일본 특허 공개 공보 제2003-243038호에 제시된 기술은 쌍극형 2차 전지에 맞지 않는 것으로 밝혀졌다. 쌍극형 2차 전지는 그 사이에 전해질 층이 개재된 상태로 상호 적재되는(적층되는) 다수의 쌍극형 전극을 구비하며, 쌍극형 전극의 각각은 한쪽 면에 양극 활성물질 층이 형성되고 다른쪽 면에 음극 활성물질 층이 형성된 단일의 집전체를 구비한다. 따라서, 그 사이에 전해질 층이 개재된 양극 활성물질 층과 음극 활성물질 층의 조합에 의해 단일 셀 전지가 형성되며, 이러한 단일 전지가 복수 직렬로 적층되어 전력 발생 유닛을 이루게 된다. 복수의 단일 전지(즉, 전력 발생 유닛)로부터의 전력을 외부로 취출하기 위한 리드로 작용하는 단자판이 복수의 단일 전지의 적층 방향의 양 종단에 배치된다.
이러한 종류의 쌍극형 2차 전지에서 전력 발생 유닛의 종단에 있는 단자판(즉, 집전판)에 도달하는 단락이 발생하면, 전지 내부의 집전체가 단락 전류를 분산시켜도 집중된 전류는 멈추지 않고 단자판을 통해서 계속 흐른다. 따라서, 전지 전체의 온도가 계속 상승할 가능성이 있다. 그러므로, 일본 특허 공개 공보 제2003-243038호에 제시된 단층 전지에 관한 기존의 기술을 쌍극형 2차 전지에 적용할 경우, 내부 단락에 의한 단락 전류가 발생할 때 전지 전체의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 없다.
상기 공지된 기술의 상태를 고려하여, 본 발명의 목적은, 쌍극형 2차 전지에서의 내부 단락에 의해 초래되는 단자판에서의 전류 집중 발생을 방지할 수 있는 쌍극형 2차 전지를 제공하는 것이다. 본 발명은 쌍극형 2차 전지의 신뢰성을 향상시키기 위한 기술로서 사용될 수 있다.
일 태양에 따르면, 기본적으로 전력 발생 유닛과 한 쌍의 단자판을 포함하는 쌍극형 2차 전지가 제공된다. 상기 전력 발생 유닛은 상호 적층되는 다수의 쌍극형 전극을 구비하며 이들 쌍극형 전극 사이에는 전해질 층이 개재되어 쌍극형 전극을 분리시킨다. 쌍극형 전극의 각각은, 그 제1 측면에 양극 활성물질 층이 형성되고 그 제2 측면에 음극 활성물질 층이 형성되는 집전체를 구비한다. 제1 단자판은 전력 발생 유닛의 제1 적층 방향 단부에 연결된다. 제2 단자판은 전력 발생 유닛의 제2 적층 방향 단부에 연결된다. 단자판 중 적어도 하나는 전력 발생 유닛에 내부 단락이 발생할 때 전류 발생을 억제하는 전류 억제 장치를 구비한다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징, 태양 및 장점은 첨부도면을 참조한 후술하는 바람직한 실시예에 관한 상세한 설명으로부터 당업자에게 자명해질 것이다.
이제 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 다수의 쌍극형 2차 전지를 포함하는, 특히 차량용 전지 팩에서 유용한 쌍극형 2차 전지의 사시도이다.
도 2는 제1 내지 제3 실시예에 따른, 도 1에 도시된 쌍극형 2차 전지의 2-2선상에서 취한 단면도이다.
도 3a는 제1 실시예에 따른, 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 3b는 제1 실시예에 따른, 도 2에 도시된 전력 발생 유닛에 제공되는 절연 부재의 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 4는 제1 실시예에 따른, 쌍극형 2차 전지용 절연 부재가 구비된 집전체의 제작 과정의 일 예를 나타내는 흐름도이다.
도 5a는 제1 실시예의 변형예에 따른, 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 5b는 제1 실시예의 변형예에 따른, 도 2에 도시된 전력 발생 유닛에 제공되는 절연 부재의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 6a는 제1 실시예의 변형예에 따른, 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 6b는 제1 실시예의 변형예에 따른, 도 2에 도시된 전력 발생 유닛에 제공되는 절연 부재의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 7a는 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도로서, 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 세 개로 구획한(partitioned) 영역의 일부에 설치되어 있는 상태의 개략도이다.
도 7b는 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 사각형으로 세 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 다른 배치 상태의 개략도이다.
도 7c는 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 셀 형태로 아홉 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 다른 배치 상태의 개략도이다.
도 8a는 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도로서, 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 세 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 상태의 개략도이다.
도 8b는 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 사각형으로 세 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 다른 배치 상태의 개략도이다.
도 8c는 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 셀 형태로 아홉 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 다른 배치 상태의 개략도이다.
도 9는 제3 실시예에 따른 전력 발생 유닛의 제어 시스템의 블록선도이다.
도 10은 제3 실시예에 따른, 도 9에 도시된 제어 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 11a는 쌍극형 2차 전지를 복수 접속시켜 구성된 전지 팩의 평면도이다.
도 11b는 도 11a에 도시된 전지 팩의 정면도이다.
도 11c는 도 11a 및 도 11b에 도시된 전지 팩의 우측면도이다.
도 12는 도 11a 내지 도 11c에 도시된 전지 팩을 형성하는 복수의 쌍극형 2차 전지가 탑재된 차량의 도시도이다.
도 13은 제4 실시예 및 제5 실시예에 따른, 도 1에 도시된 쌍극형 2차 전지의 13-13선상에서 취한 쌍극형 2차 전지의 단면도이다.
도 14는 제4 실시예 및 제5 실시예에 따른 쌍극형 전극의 단면도이다.
도 15는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판을 설명하는 확대된 부분 평면도이다.
도 16a는 제4 실시예에 따른 다른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 확대된 부분 평면도이다.
도 16b는 제4 실시예에 따른 다른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 횡단면도이다.
도 17a는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제1 변형예의 확대된 부분 평면도이다.
도 17b는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제1 변형예의 횡단면도이다.
도 17c는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조의 스트립형 재료의 단면도이다.
도 18a는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제2 변형예의 확대된 부분 평면도이다.
도 18b는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제2 변형예의 횡단면도이다.
도 19는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제3 변형예의 횡단면도이다.
도 20a는 제4 실시예에 따른 비직조(non-woven) 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제4 변형예의 확대된 부분 평면도이다.
도 20b는 제4 실시예에 따른 비직조 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제4 변형예의 횡단면도이다.
도 21은 제5 실시예에 따른 도전성 수지로 만들어진 단자판을 설명하는 단면도이다.
도 22는 제5 실시예에 따른 도전성 수지로 만들어진 단자판이 내부 단락을 방지하기 위해 작용하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 23은 제5 실시예의 변형예에 따른 단자판의 표면을 나타내는 확대된 부분 평면도이다.
도 1은 다수의 쌍극형 2차 전지를 포함하는, 특히 차량용 전지 팩에서 유용한 쌍극형 2차 전지의 사시도이다.
도 2는 제1 내지 제3 실시예에 따른, 도 1에 도시된 쌍극형 2차 전지의 2-2선상에서 취한 단면도이다.
도 3a는 제1 실시예에 따른, 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 3b는 제1 실시예에 따른, 도 2에 도시된 전력 발생 유닛에 제공되는 절연 부재의 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 4는 제1 실시예에 따른, 쌍극형 2차 전지용 절연 부재가 구비된 집전체의 제작 과정의 일 예를 나타내는 흐름도이다.
도 5a는 제1 실시예의 변형예에 따른, 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 5b는 제1 실시예의 변형예에 따른, 도 2에 도시된 전력 발생 유닛에 제공되는 절연 부재의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 6a는 제1 실시예의 변형예에 따른, 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 6b는 제1 실시예의 변형예에 따른, 도 2에 도시된 전력 발생 유닛에 제공되는 절연 부재의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 7a는 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도로서, 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 세 개로 구획한(partitioned) 영역의 일부에 설치되어 있는 상태의 개략도이다.
도 7b는 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 사각형으로 세 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 다른 배치 상태의 개략도이다.
도 7c는 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 셀 형태로 아홉 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 다른 배치 상태의 개략도이다.
도 8a는 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도로서, 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 세 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 상태의 개략도이다.
도 8b는 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 사각형으로 세 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 다른 배치 상태의 개략도이다.
도 8c는 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판의 각각을 셀 형태로 아홉 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 다른 배치 상태의 개략도이다.
도 9는 제3 실시예에 따른 전력 발생 유닛의 제어 시스템의 블록선도이다.
도 10은 제3 실시예에 따른, 도 9에 도시된 제어 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 11a는 쌍극형 2차 전지를 복수 접속시켜 구성된 전지 팩의 평면도이다.
도 11b는 도 11a에 도시된 전지 팩의 정면도이다.
도 11c는 도 11a 및 도 11b에 도시된 전지 팩의 우측면도이다.
도 12는 도 11a 내지 도 11c에 도시된 전지 팩을 형성하는 복수의 쌍극형 2차 전지가 탑재된 차량의 도시도이다.
도 13은 제4 실시예 및 제5 실시예에 따른, 도 1에 도시된 쌍극형 2차 전지의 13-13선상에서 취한 쌍극형 2차 전지의 단면도이다.
도 14는 제4 실시예 및 제5 실시예에 따른 쌍극형 전극의 단면도이다.
도 15는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판을 설명하는 확대된 부분 평면도이다.
도 16a는 제4 실시예에 따른 다른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 확대된 부분 평면도이다.
도 16b는 제4 실시예에 따른 다른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 횡단면도이다.
도 17a는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제1 변형예의 확대된 부분 평면도이다.
도 17b는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제1 변형예의 횡단면도이다.
도 17c는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조의 스트립형 재료의 단면도이다.
도 18a는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제2 변형예의 확대된 부분 평면도이다.
도 18b는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제2 변형예의 횡단면도이다.
도 19는 제4 실시예에 따른 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제3 변형예의 횡단면도이다.
도 20a는 제4 실시예에 따른 비직조(non-woven) 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제4 변형예의 확대된 부분 평면도이다.
도 20b는 제4 실시예에 따른 비직조 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제4 변형예의 횡단면도이다.
도 21은 제5 실시예에 따른 도전성 수지로 만들어진 단자판을 설명하는 단면도이다.
도 22는 제5 실시예에 따른 도전성 수지로 만들어진 단자판이 내부 단락을 방지하기 위해 작용하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 23은 제5 실시예의 변형예에 따른 단자판의 표면을 나타내는 확대된 부분 평면도이다.
이제, 선택된 실시예를 도면을 참조하여 설명할 것이다. 도면에 있어서 동일한 기능을 갖는 요소에는 동일한 부호를 병기하고, 중복되는 설명을 생략한다. 이하의 실시예에 관한 기재가 단지 설명을 위한 것이지 청구범위 및 그 균등물에 의해 한정되는 본 발명을 제한하려는 것이 아님은 당업자에게 자명할 것이다. 부품의 치수 및 비율은 강조 또는 간략화를 위해 제공되는 것일 뿐이다. 실제 치수 및 비율은 본 명세서에 제시된 것과 다를 수 있다. 본 발명은 예를 들어 리튬 이온 전지, 리튬 이온 2차 전지, 니켈 염화물 전지, 고체 폴리머 연료 전지 또는 고체 산화물 연료 전지와 같은 쌍극형 2차 전지 구조를 갖는 임의의 전지에 적용될 수 있다. 이하의 실시예에서, 쌍극형 2차 전지는 쌍극형 리튬 이온 2차 전지(이하, 간단히 "쌍극형 2차 전지"로 지칭됨)이다. 후술하듯이, 설명되는 실시예의 쌍극형 2차 전지 구조는 단자판에서 발생하는 전류 집중을 억제 또는 차단하도록 구성되는 단자판을 갖는다. 따라서, 단자판에 도달하는 내부 단락이 발생할 경우, 단자판에 발생하는 국소적인 전류 집중이 억제 또는 방지될 수 있다. 따라서, 내부 단락에 기인하는 전지의 온도 상승을 방지할 수 있다.
(제1 실시예)
도 1은 제1 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지의 외관도이다. 도 2는 도 1에 도시된 쌍극형 2차 전지의 2-2선상에서 취한 단면도이다. 도 1에 도시하듯이, 쌍극형 2차 전지(100)는 대체로 편평한 형상을 갖는다. 쌍극형 2차 전지(100)는 양극 단자판(101), 음극 단자판(102) 및 외장재(103)를 갖는다. 양극 단자판(101)은 외장재(103)의 제1 측으로부터 연장된다. 음극 단자판(102)은 외장재(103)의 제1 측과 대향하는 외장재(103)의 제2 측으로부터 연장된다. 쌍극형 2차 전지(100)는 또한 도 2에 도시된 구성의 전력 발생 유닛(40)을 갖는다. 외장재(103)는 전력 발생 유닛(40)을 수납하도록 구성 및 배치된다. 외장재(103)는 전력 발생 유닛(40)을 거의 진공 상태로 밀봉하여 외부 공기의 진입을 방지하기 위해 그 주위가 열융착된다.
도 3a는 도 2에 도시된 양극 단자판 및 음극 단자판에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다. 도 3b는 도 2에 도시된 전력 발생 유닛(40)에 제공되는 절연 부재의 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 개략도이다.
도 2에 도시하듯이, 전력 발생 유닛(40)은 복수의 쌍극형 전극(21)의 사이에 전해질 층(25)이 교호적으로 개재된 상태로 상호 적층되는 복수의 쌍극형 전극(21)을 구비한다. 쌍극형 전극(21)의 각각은 집전체(22), 집전체(22)의 한쪽 면에 형성되는 양극 활성물질 층(23), 및 집전체(22)의 다른쪽 면에 형성되는 음극 활성물질 층(24)을 구비한다. 두 개의 집전체(22) 사이에 샌드위치되는 양극 활성물질 층(23), 전해질 층(25) 및 음극 활성물질 층(24)의 각 조합에 의해 단일 전지(26)가 형성된다. 단일 전지(26)의 주위 부분에는 각각 단일 전지(26)의 양극 활성물질 층(23), 전해질 층(25) 및 음극 활성물질 층(24)과 외부 공기의 접촉을 차단하는 환형 밀봉부(30)가 형성된다. 도 2에 도시된 전력 발생 유닛(40)은 여섯 개의 단일 전지(26)를 갖고 있지만, 단일 전지(26)의 개수는 요구되는 전압 및 용량에 따라 임의로 선택될 수 있다.
도 2에 도시하듯이, 전력 발생 유닛(40)의 적층 방향의 한쪽 단부에 있는 최외층은 집전체(22) 중 하나[즉, 집전체(22a)]에 의해 형성된다. 집전체(22a)는 그 내측에 양극 활성물질 층(23)을 갖는다. 전력 발생 유닛(40)의 적층 방향의 다른쪽 단부에 있는 최외층은 집전체(22) 중 하나[즉, 집전체(22b)]에 의해 형성된다. 집전체(22b)는 그 내측에 음극 활성물질 층(24)을 갖는다. 이 실시예에서, 전력 발생 유닛(40)의 적층 방향 양단에 배치되는 집전체(22a, 22b)는 그 한쪽에만 양극 활성물질 층(23) 또는 음극 활성물질 층(24)을 갖는다. 그러나, 한쪽에는 양극 활성물질 층(23)을 갖고 다른쪽에는 음극 활성물질 층(24)을 갖는 쌍극형 전극(21)[전력 발생 유닛(40)에 사용되는 쌍극형 전극(21)의 나머지와 동일]을 전력 발생 유닛(40)의 적층 방향 양단의 최외층으로서 사용하는 것도 가능하다.
전력 발생 유닛(40)으로부터 전류를 취출하기 위해 집전체(22a)에는 양극 단자판(101)이 전기 접속되고 집전체(22b)에는 음극 단자판(102)이 전기 접속된다. 집전체(22a)는 전기적 및 기계적으로 견고한 접속이 얻어지도록 특정 개소에서 용접 또는 다른 접합 방법을 사용하여 양극 단자판(101)에 부착된다. 마찬가지로, 집전체(22b)는 전기적 및 기계적으로 견고한 접속이 얻어지도록 특정 개소에서 용접 또는 다른 접합 방법을 사용하여 음극 단자판(102)에 부착된다. 특정 개소는 집전체(22a)와 양극 단자판(101)의 접속의 중심 위치인 것이 허용된다. 마찬가지로, 특정 개소는 집전체(22b)와 음극 단자판(102)의 접속의 중심 위치인 것이 허용된다. 특정 개소는 또한 중심 위치로부터 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)이 외측으로 연장되는 방향을 향해서 오프셋되는 것도 허용된다. 집전체(22a)가 양극 단자판(101)에 접합되는 위치 및 집전체(22b)가 음극 단자판(102)에 접합되는 위치를 본 명세서에서는 "전류 취출 위치"로 지칭한다.
도 3a에 도시하듯이, 적층 방향을 따라서 볼 때 양극 단자판(101)과 집전체(22a)가 중첩되는 양극 단자판(101)의 부분, 및 적층 방향을 따라서 볼 때 음극 단자판(102)과 집전체(22b)가 중첩되는 음극 단자판(102)의 부분에는 각각, 단자판(101, 102)을 세 개의 영역(A, B, C)으로 구획하는 두 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 제공된다. 세 개의 영역(A, B, C)은 그 사이의 경계에서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)를 통해서 상호 전기 접속(선접속)된다.
전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생할 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 상이한 영역(A, B, C) 사이의 집전체(22a, 22b) 각각을 따라서 단자판(101, 102)의 평면 방향으로 흐르는 전류의 크기를 제한하거나 및/또는 상이한 영역(A, B, C) 사이의 집전체(22a, 22b) 각각을 따라서 단자판(101, 102)의 평면 방향으로 흐르는 전류의 크기를 차단(중단)하도록 작용한다. 예를 들어, A영역에 내부 단락이 발생하고 전류가 집전체의 평면에서 B영역으로부터 A영역을 향해서 흐를 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A)는 전류의 크기를 제한하거나 전류를 차단하도록 작용한다.
본 실시예에서는, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 양극 단자판(101)과 음극 단자판(102)의 양자에 제공된다. 그러나, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)를 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)의 어느 한쪽에만 제공하는 것도 허용된다.
도 3b에 도시하듯이, 쌍극형 전극(21) 각각의 집전체(22)에는 집전체(22)를 집전체(22)의 평면 방향을 따라서 세 개의 영역(A, B, C)으로 구획하는 두 개의 절연 부재(62A, 62B)(절연 수단)가 제공된다. 절연 부재(62A, 62B)는 구획된 영역(A, B, C) 사이의 집전체(22)에 흐르는 전류를 차단하도록 구성된다. 따라서, 절연 부재(62A, 62B)의 작용에 의해, 단일 전지(26)는, 각각 세 개의 영역(A, B, C)을 포함하는 단일 전지(26) 여섯 개를 병렬 접속한 것과 등가로 된다.
양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)의 위치와 쌍극형 전극(21)의 집전체(22)에 제공되는 절연 부재(62A, 62B)의 위치는 전력 발생 유닛(40)의 적층 방향으로 거의 동일한 위치에 있다(정렬된다). 정류 소자 또는 퓨즈(52A)와 절연 부재(62A)를 동일한 위치에 배치(정렬)하고 정류 소자 또는 퓨즈(52B)와 절연 부재(62B)를 동일한 위치에 배치(정렬)함으로써, 내부 단락이 발생한 영역을 정상적으로 기능하고 있는 다른 영역으로부터 격리시킬 수 있다. 그 결과, 국소적인 전류가 계속 흐르는 상황을 회피할 수 있고 국소적인 발열을 억제할 수 있다.
내부 단락이 발생할 확률이 쌍극형 2차 전지(100)의 형상이나 배치와 관련이 없는 경우에는, 세 개의 영역(A, B, C)의 면적을 동일하게 하는 것이 바람직하다. 한편, 예를 들어, 내부 단락이 발생할 확률이 쌍극형 2차 전지의 에지 부분에서 크면, B영역의 면적을 A영역 및 C영역의 면적보다 크게 설정한다. 내부 단락 확률이 높은 영역의 면적을 감소시킴으로써, 내부 단락이 발생할 때 흐르는 전류의 크기를 감소시킬 수 있으며 전류에 의한 발열량을 감소시킬 수 있다.
본 실시예에서는 쌍극형 전극(21)을 구성하는 집전체(22) 전부에 절연 부재(62A, 62B)가 제공되고 있지만, 절연 부재(62A, 62B)를 집전체(22) 전부에 제공하지 않는 것도 허용된다. 예를 들어, 절연 부재(62A, 62B)는 적층 방향으로 하나 걸러씩의 집전체(22)에 제공될 수 있다.
이제 본 실시예에 따른 전력 발생 유닛(40)의 각 구성요소에 대해 설명할 것이다. 양극 활성물질 층(23)은 양극 활성물질을 포함하는 양극이다. 양극은 또한, 양극에 충분히 침투하게 되는 도전성 개선제, 결착제(binder) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 화학적 가교(bridging) 또는 물리적 가교를 이용한 겔 전해질이 양극에 충분히 침투하도록 사용될 수 있다.
양극 활성물질은 용액-형태의 리튬 이온 전지에 사용되는 전이 금속과 리튬의 복합 산화물일 수 있다. 보다 구체적으로, LiCoO2 등의 리튬 코발트계 복합 산화물, LiNiO2 등의 리튬 니켈계 복합 산화물, LiMn2O4 등의 리튬 망간계 복합 산화물 또는 LiFeO2 등의 리튬 철계 복합 산화물이 사용될 수 있다. 또한, 황산 화합물, 리튬 인산의 복합 화합물(예를 들면, LiFePO4), 전이 금속의 산화물 또는 황화물(예를 들면, V2O5, MnO2, TiS2, MoS2, MoO3)과 같은 재료 또는 PbO2, AgO, NiOOH와 같은 화합물이 사용될 수 있다.
제조 관점에서, 양극 활성물질의 입자 직경(입자 크기)은 양극 재료를 페이스트화하여 스프레이 코팅에 의해 막형성할 수 있는 것이어야 한다. 또한, 양극의 전기 저항을 감소시키기 위해서, 입자 크기는 전해질이 고체가 아닌 용액-형태의 리튬 이온 전지에 통상 사용되는 입자 크기보다 작아야 한다. 보다 구체적으로, 양극 활성물질의 평균 입자 직경은 0.1 내지 10㎛여야 한다.
폴리머 겔 전해질은 일반적으로, 리튬 이온 전지에 통상 사용되는 전해액을 포함하는 이온 전도성을 갖는 고체 폴리머 전해질이지만, 이온 전도성을 갖지 않는 폴리머의 골격 중에 전해액을 매립시킴으로써 얻어질 수도 있다.
폴리머 겔 전해질에 포함되는 전해액(전해질염 및 가소제)은 리튬 이온 전지에 통상 사용되는 전해액이어야 한다. 예를 들어, 전해액은 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6, LiTaF6, LiAlCl4, Li2B10Cl10과 같은 무기산 음이온염 및 LiCF3SO3, Li(CF3SO2)2N, Li(C2F5SO2)2N과 같은 유기산 음이온염 중에서 선택되는 적어도 하나의 리튬염(전해질염)을 함유할 수 있다. 전해액은 또한, 프로필렌 카보네이트 및 에틸렌 카보네이트와 같은 환상 카보네이트류; 디메틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트와 같은 체인 카보네이트류; 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,4-디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄과 같은 에테르류; γ-부티롤락톤과 같은 락톤류; 아세토니트릴과 같은 니트릴류; 프로피온산 메틸과 같은 에스테르류; 디메틸포름아미드와 같은 아미드류; 아세트산 메틸; 및 포름산 메틸 중에서 선택되는 적어도 하나의 유기 용매 또는 둘 이상의 유기 용매의 혼합물을 포함하는 비양자성 용매 또는 기타 유기 용매(가소제)를 사용할 수 있다. 그러나, 전해액이 이들 전해질염 및 유기 용매에 한정되는 것은 아니다.
이온 전도성을 갖는 폴리머의 예로는 폴리에틸렌 산화물(PEO), 폴리프로필렌 산화물(PPO), 및 PEO와 PPO의 공중합체가 포함된다. 폴리머 겔 전해질로서 사용될 수 있는 리튬 이온 전도성을 갖지 않는 폴리머의 예로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리염화비닐(PVC), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)가 포함된다. 그러나, 사용될 폴리머가 이것에 한정되는 것은 아니다. PAN과 PMMA는 보다 정확하게는 (어떤 것에도 병치되지 않는) 이온 전도성이 거의 없는 폴리머로 분류될 수 있으며, 따라서 이온 전도성을 갖지 않는 폴리머로서 분류될 수도 있다. 그러나, 본 실시예에서 PAN과 PMMA는 폴리머 겔 전해질에 사용될 수 있고 리튬 이온 전도성을 갖지 않는 폴리머로서 예시된 것이다. 상기 리튬염의 예로는 LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6, LiTaF6, LiAlCl4, Li2B10Cl10과 같은 무기산 음이온염, Li(CF3SO2)2N 및 Li(C2F5SO2)2N과 같은 유기산 음이온염, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 그러나, 사용될 전도성 개선제가 이것에 한정되는 것은 아니다. 도전성 개선제의 예로는, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 및 흑연이 포함된다. 그러나, 사용될 도전성 개선제가 이것에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서, 전해액, 리튬염 및 폴리머는 혼합되어 프리-겔(pre-gel) 용액을 형성하고, 이 프리-겔 용액은 양극에 함침된다. 양극에 있어서, 양극 활성물질, 도전성 개선제, 결착제의 혼합 비율은 전지의 사용 목적(예를 들어, 출력과 에너지 중에서 무엇을 더 중시하는지)과 이온 전도성을 고려하여 결정해야 한다. 예를 들어, 양극 내의 전해질, 특히 고체 폴리머 전해질의 비율이 너무 적으면, 활성물질 층 내에서 이온 전도 저항 및 이온 확산 저항이 증가하고 전지 성능이 저하될 것이다. 반면에, 양극 내의 전해질, 특히 고체 폴리머 전해질의 비율이 너무 높으면, 전지의 에너지 밀도가 저하될 것이다. 따라서, 이러한 요인을 고려하여, 전지의 목적에 부합하는 고체 폴리머 전해질의 양을 결정해야 한다.
양극의 두께는 특별히 한정하지는 않지만, 혼합 비율과 마찬가지로, 전지의 사용 목적(예를 들어, 출력과 에너지 중에서 무엇을 더 중시하는지)과 이온 전도성을 고려하여 결정해야 한다. 양극 활성물질 층의 통상적인 두께는 10 내지 500㎛이다.
음극은 음극 활성물질을 포함한다. 음극은 또한 도전성 개선제, 결착제 등을 포함할 수 있다. 음극 활성물질로서 사용되는 물질의 형태 이외에, 음극은 기본적으로 양극과 동일하며 동일한 내용의 설명은 생략한다.
음극 활성물질로서는 용액-형태의 리튬 이온 전지에 사용되는 음극 활성물질이 사용될 수 있다. 바람직한 예로는 금속 산화물, 리튬-금속 복합 산화물 및 카본이 포함된다. 보다 바람직한 예로는 카본, 전이 금속 산화물 및 리튬-전이 금속 복합 산화물이 포함된다. 한층 더 바람직한 예로는 티탄 산화물, 리튬-티탄 복합 산화물 및 카본이 포함된다. 이들 물질 중 하나를 사용하거나 또는 둘 이상을 조합하여 사용하는 것도 허용된다.
본 실시예에서는, 양극 활성물질 층의 양극 활성물질로서 리튬-전이 금속 복합 산화물을 사용하고 음극 활성물질 층의 음극 활성물질로서 카본 또는 리튬-전이 금속 산화물을 사용함으로써, 용량 및 출력 특성이 우수한 전지를 얻을 수 있다.
전해질 층(25)은 이온 전도성을 갖는 폴리머로 구성되는 층이다. 그 재료는 이온 전도성을 나타내는 것이면 특별하게 한정되지 않는다. 본 실시예에서, 전해질 층(25)의 전해질은, 기재(base material)로 사용되는 분리기에 프리-겔 용액을 함침시킨 후 화학적 가교 또는 물리적 가교에 의해 폴리머 겔 전해질이 형성될 수 있게 함으로써 만들어지는 폴리머 겔 전해질이다. 따라서, 이러한 폴리머 겔 전해질은, 리튬-이온 전지에 통상 사용되는 전해액을 포함하는 이온 전도성을 갖는 전고체(all-solid) 폴리머 전해질[예를 들면, 폴리에틸렌 산화물(PEO)]이다. 또한, 폴리머는 리튬 이온 전도성을 갖지 않는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 다른 폴리머일 수도 있으며, 폴리머 겔 전해질은 리튬-이온 전지에 통상 사용되는 전해액을 폴리머의 분자 골격 중에 매립시킴으로써 얻어질 수도 있다. 양극에 포함되는 전해질의 일 예로서 제시된 것과 동일한 폴리머 겔 전해질도 음극에 사용될 수 있으며, 여기에서 그 설명은 생략한다. 폴리머 겔 전해질에는 폴리머와 전해질의 광범위한 비율이 사용될 수 있다. 100% 폴리머가 전고체 폴리머 전해질이고 100% 전해액이 액체 전해질이라고 가정하면, 그 사이의 비율로 얻어지는 물질은 모두 폴리머 겔 전해질이다. "폴리머 전해질"이라는 용어는 폴리머 겔 전해질과 전고체 폴리머 전해질 양자를 모두 포함한다. 이온 전도성을 갖는 세라믹 등의 무기 고체 전해질도 전고체 전해질이다.
전술했듯이, 폴리머 겔 전해질은 전지를 구성하는 폴리머 전해질로서 사용될 뿐 아니라 양극 또는 음극에 사용될 수도 있다. 전지를 구성하기 위해 사용되는 폴리머 전해질은 양극 및 음극에 사용되는 폴리머 전해질과 상이할 수도 있고 같을 수도 있다. 쌍극형 2차 전지(100)의 상이한 층에 상이한 폴리머 전해질이 사용될 수도 있다. 폴리머 겔 전해질, 고체 폴리머 전해질, 무기 고체 전해질을 총괄하여 "고체 전해질"로 지칭한다. 전지를 구성하는 전해질의 두께는 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 컴팩트한 쌍극형 2차 전지를 얻기 위해서는, 전해질로서의 기능을 확보할 수 있는 범위 내에서 전해질이 최대한 얇은 것이 바람직하다. 고체 폴리머 전해질 층의 통상적인 두께는 10 내지 100㎛이다. 그러나, 전해질의 형상은 제조 방법의 특징을 살려서 변경될 수 있는 바, 예를 들면 전해질은 전극(양극 또는 음극)의 상면과 측면의 외주부 상에 막으로서 쉽게 증착될 수 있으며, 전해질의 기능 및 성능을 보장하기 위해 모든 부위에서 거의 일정한 두께로 할 필요는 없다.
쌍극형 2차 전지(100)의 전해질 층에 고체 전해질을 사용함으로써, 액체 누설이 방지될 수 있고, 쌍극형 2차 전지 특유의 문제인 액간 접촉(liquid junction)을 방지할 수 있으며, 신뢰성 높은 쌍극형 2차 전지를 얻을 수 있다. 또한, 액체 누설이 없기 때문에 밀봉부(30)의 구성이 간단해질 수 있다. 따라서, 쌍극형 2차 전지가 보다 용이하게 제조될 수 있으며, 쌍극형 2차 전지의 신뢰성이 증가될 수 있다.
고체 전해질의 예로는 폴리에틸렌 산화물(PEO), 폴리프로필렌 산화물(PPO), 및 그 공중합체와 같은 공지의 고체 폴리머 전해질이 포함된다. 고체 폴리머 전해질 층에는 이온 전도성을 확보하기 위해서 지지염(supporting salt)(리튬염)이 포함된다. 지지염으로서는 LiBF4, LiPF6, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 그러나, 사용될 지지염이 이것에 한정되는 것은 아니다. 화합물 LiBF4, LiPF6, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2는 PEO 및 PPO와 같은 폴리알킬렌 산화물계 폴리머 중에서 쉽게 용해된다. 또한, 가교 구조의 형성은 우수한 기계적 강도를 제공한다.
밀봉부(30)는 단일 전지(26)의 외주부에 제공된다. 밀봉부(30)는 전력 발생 유닛(40)이 외부 공기와 접촉하지 못하게 하는 작용을 하며, 따라서 전해질의 이온 전도성이 저하되지 않는다. 전해질로서는 액체 전해질 또는 반고체의 겔상 전해질뿐 아니라 고체상 전해질이 사용된다. 밀봉부(30)는 활성물질이 공기 또는 공기 중에 포함된 수분과 반응하는 것을 방지한다. 밀봉부(30)는 또한, 액체 또는 반고체의 겔상 전해질을 사용할 때 발생할 수 있는 액체 누설 및 액체 접촉을 방지한다. 시일 전구체로서는, 가압 변형됨으로써 집전체(22)에 밀착하게 되는 고무계 수지 또는 가열 압착됨으로써 집전체(22)에 밀착하게 되는 열융착 가능한 수지(예를 들면, 올레핀)를 사용하는 것이 적합하다. 사용될 수 있는 고무계 수지에 대해 특별한 제한은 없지만, 실리콘계 고무, 불소계 고무, 올레핀계 고무 및 니트릴계 고무를 포함하는 그룹에서 선택되는 고무계 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 고무계 수지는 우수한 밀봉성, 내알칼리성, 내약품성, 내구성, 내후성, 및 내열성을 가지며, 이러한 우수한 성능 또는 품질의 저하없이 장기간 사용될 수 있다.
사용될 수 있는 열융착 가능한 수지에 대해서는, 전력 발생 유닛(40)에서 밀봉부(30)로서 사용될 수 있고 전력 발생 유닛(40)의 모든 사용 조건에서 우수한 밀봉 효과를 나타내는 것이라면 특별한 제한이 없다. 열융착 가능한 수지는 실리콘, 에폭시, 우레탄, 폴리부타디엔, 올레핀계 수지(예를 들면, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌), 및 파라핀 왁스를 포함하는 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다. 이들 열융착 가능한 수지는 우수한 밀봉성, 내알칼리성, 내약품성, 내구성, 내후성, 및 내열성을 가지며, 이러한 우수한 성능 또는 품질의 저하없이 장기간 사용될 수 있다.
도 3a에 도시하듯이, 양극 단자판(101)의 영역(A, B, C)을 형성하는데 사용되는 재료는 집전체(22a)를 형성하는데 사용되는 재료와 동일하다. 또한, 음극 단자판(102)의 영역(A, B, C)을 형성하는데 사용되는 재료는 집전체(22b)를 형성하는데 사용되는 재료와 동일하다. 본 실시예에서, 단자판 및 집전체에 사용될 수 있는 재료에 대한 특별한 제한은 없으며, 주지된 기존의 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 및 스테인레스 스틸(SUS)이 바람직하게 사용될 수 있다. 도 3a에 도시하듯이, 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)에는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)를 집전체(22a) 또는 집전체(22b)의 중간 위치에 선형으로 형성해야 한다. 따라서, 정류 소자를 형성하는 경우에, 정류 소자의 재료로서는 N형 또는 P형 반도체 형성에 사용될 수 있는 실리콘-베이스 재료가 사용된다. 퓨즈를 형성하는 경우에, 퓨즈의 재료로서는 낮은 융점을 갖는, 즉 적절한 용융 온도를 갖는 금속이 사용된다.
양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)은 상기 재료를 잉크젯 방식으로 기재 상에 증착함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, 영역(A, B, C)에 집전체를 형성하는 재료, 및 정류 소자(52A, 52B)를 형성하는 N형 또는 P형 반도체 재료는 각각 선형으로 개별 증착될 수 있다. 따라서, 선형 형상의 퓨즈(52A, 52B)를 형성할 때, 퓨즈(52A, 52B)를 구성하는 재료가 선형으로 증착된다. 따라서, 단자판으로서 기능하는 A영역, 정류 소자 또는 퓨즈로서 기능하는 선형 영역, 단자판으로서 기능하는 B영역, 정류 소자 또는 퓨즈로서 기능하는 다른 선형 영역, 및 단자판으로서 기능하는 C영역이 각각 전술한 바와 같이 형성될 수 있다.
양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)을 단순한 단자판으로서 형성하는 경우(정류 소자 또는 퓨즈를 선형으로 형성하지 않는 경우), 단자판은 알루미늄 포일, 스테인레스(SUS) 포일, 니켈과 알루미늄 피복재(cladding), 구리와 알루미늄 피복재, 또는 이들 금속의 조합으로 이루어진 도금재(plating)와 같은 바람직한 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 또한, 금속면 상에 알루미늄막을 증착시킴으로써 단자판을 제조하는 것도 가능하다. 또한, 경우에 따라서는, 두 개 이상의 금속 포일을 증착하여 만들어진 단자판을 사용할 수 있다. 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)의 두께에 대한 특별한 제한은 없지만, 그 두께는 일반적으로 1 내지 100㎛이다.
집전체(22)는 기재의 절연체로서 산화 알루미늄을 사용하고 전도체로서 아세틸렌 블랙과 폴리에틸렌으로 만들어진 복합 수지를 사용함으로써 제조될 수 있다. 이제 집전체(22) 제조 방법의 일 예를 도 4를 참조하여 설명할 것이다. 그러나, 집전체(22)의 제조에 사용되는 재료 및 제조 방법은 본 명세서에 제시된 것에 한정되지 않는다.
본 실시예에서, 다공성 절연 재료는 양극 산화법을 사용하여 알루미늄 재료의 금속 산화물을 형성함으로써 제조된다. 도 4에 도시하듯이, 기재로서 알루미늄 판재가 사용된다. 기재의 알루미늄 판재는 JISA 1050로부터 제조된다(단계 S101).
다음으로, 알루미늄 판재를 옥살산을 4wt% 함유하는 전해액에 침지시킨다. 알루미늄 판재가 양극으로 작용하고 전해액에 침지된 스테인레스 스틸(SUS304) 피스가 음극으로 작용하도록 전원을 연결한다. 전류 조절 장치로서 갈바노스탯(galvanostat)을 사용하여, 50 A/㎡의 전류 밀도를 갖는 일정한 직류 전류에서 양극 산화에 의해 알루미늄 판재를 산화시켜 산화 알루미늄을 얻어낸다(단계 S102).
단계 S102에서 얻어진 산화 알루미늄을 이후 80℃의 물에 침지시키고, 수화시켜 산화 알루미늄 수화물을 얻는다. 다공성 재료의 밀도는, 히터를 구비한 물탱크를 사용하여 산화 알루미늄이 물탱크 내의 80℃ 물과 접촉하는 시간을 조절함으로써 제어된다. 절연 재료의 밀도를 증가시키기 위해서는 물과의 접촉 시간을 길게 하고 절연 재료의 밀도를 감소시키기 위해서는 물과의 접촉 시간을 짧게 한다(단계 S103).
단계 S103에서 얻어진 산화 알루미늄 수화물을 이후 전기로에 집어넣고 500℃의 공기 분위기에서 1시간 동안 소성 처리한다. 소성 처리는 산화 알루미늄 수화물을 탈수시켜 결정화(crystallized) 산화 알루미늄으로 만드는 작용을 한다(단계 S104).
이후 단계 S105에서는, 단계 S104에서 얻어진 결정화 산화 알루미늄(다공성 절연체)에, 아세틸렌 블랙과 폴리에틸렌으로 구성된 복합 수지의 압출 시트를 결착시킨다. 복합 수지(즉, 도전성 복합 수지 재료)의 압출 시트와 결정화 산화 알루미늄은 170℃에서 가열 압착(hot press)된다. 그 결과, 결정화 산화 알루미늄에 도전성 복합 수지 재료가 함침되어 전기 제어 장치를 형성한다(단계 S105). 따라서, 절연 부재(62A, 62B)를 갖는 집전체가 얻어진다.
본 실시예에 사용되는 양극 산화법에 의하면, 금속 산화물이 전해액과 접촉하는 시간을 제어하고 전류 밀도를 제어함으로써 임의의 소정 밀도를 갖는 절연성 금속 산화물을 형성할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 도전성 수지 복합 재료로서 아세틸렌 블랙-폴리에틸렌 복합 재료가 사용되었지만, 재료의 도전성은 아세틸렌 블랙과 폴리에틸렌의 혼합 비율을 제어함으로써 제어될 수 있다.
본 실시예에서는 절연성 금속 산화물의 금속 재료로서 알루미늄이 사용되지만, 양극 산화법을 사용하여 산화될 수 있는 다른 금속이 사용될 수도 있다. 전해액으로서 옥살산이 사용되었지만, 인산, 황산 또는 양극 산화에 통상 사용되는 다른 전해액을 사용하는 것도 허용된다.
또한, 압출, 프레스 성형 또는 절삭에 의해 메쉬 상에 형성된 수지, 세라믹 또는 기타 절연 재료를 사용하여 이 절연 재료에 상기와 같이 도전성 재료를 함침시키는 것도 가능하다.
이제, 전력 발생 유닛(40)의 동작에 대해 설명한다. 이상과 같이 구성된 본 실시예의 전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생하는 경우에, 다음과 같은 원리에 의해, 전류가 국소적으로 계속 흐르지 못하게 하여 국소적인 발열을 방지한다. 이제, 국소적인 전류가 지속되는 것을 방지하는 기구에 대해 설명한다. 본 실시예에서, 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)은 전류 취출 위치(51)에 접속되고 집전체(22a) 또는 집전체(22b)는 전류 취출 위치(61)에서 B영역에 접속되는 것으로 가정한다.
예를 들어, 도 3a 및 도 3b에 도시된 A영역에 위치하는 단일 전지에서 내부 단락이 발생할 경우, A영역에서의 전위는 B영역 및 C영역에서의 전위와 다를 것이며, A영역과 B영역 사이에 전위차가 생긴다. 이 전위차는 B영역의 전위가 높은 전위로 되고 A영역의 전위가 낮은 전위로 된다. 전위차의 발생과 동시에, 내부 단락이 발생한 부분에서 국소적으로 전류가 흐르고 열이 발생하여 국소적인 온도 상승을 초래한다.
양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)이 집전체(22a) 또는 집전체(22b)와 접촉하는 장소에서, 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)의 A영역과 B영역 사이에 정류 소자(52A)가 설치되면, 정류 소자(52A)는 전류가 B영역으로부터 A영역으로 흐르는 것을 저지하는 작용을 할 것이다. 그 결과, 국소적인 전류가 계속 흐르는 상황이 회피되고 국소적인 발열이 억제된다.
한편, A영역과 B영역 사이에 퓨즈(52A)가 설치되면, 국소적인 온도 상승에 의해 퓨즈(52A)가 융용 절단되어 A영역과 B영역 사이의 전기 접속을 차단할 것이다. 요컨대, 퓨즈(52A)는 전류가 B영역으로부터 A영역으로 흐르는 것을 완전히 차단(중단)하는 작용을 할 것이다. 그 결과, 국소적인 전류가 계속 흐르는 상황이 회피되고 국소적인 발열이 억제된다.
전류 제한 장치로서 정류 소자(또는 전환 소자)를 사용하는 경우에는, 전류 취출 위치[51(61)]가 B영역에 제공되므로, 양극 단자판(101)에서는 통상 전류가 B영역으로부터 A영역으로 흐르고 전류가 C영역으로부터 B영역으로 흐르도록 정류 소자의 극성을 설정한다. 이런 식으로, 정류 소자는 전류가 전류 출력 방향으로만 흐르도록 설정될 수 있다. 따라서, 전류가 내부 단락 중에 발생하듯이 비정상적인 방향(즉, 출력 방향과 반대되는 방향)으로 흐르기 시작할 때, 그 전류가 방지될 수 있다.
본 실시예에서는 전류 제한 장치로서 다이오드 등의 정류 소자가 사용되지만, 온도가 상승할 때 그 전기 저항이 급격하게 증가하는 PTC 소자를 사용하는 것도 허용된다.
제1 실시예의 전력 발생 유닛(40)에는, 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)을 평면 방향을 따라서 여러 영역으로 구획하도록 배치되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 제공된다. 그 결과, 전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생할 때, 집전체(22)의 영역들 사이에서 평면 방향으로 흐르는 전류를 제한 또는 차단할 수 있다. 또한, 집전체(22)에는 집전체(22)를 평면 방향을 따라서 여러 영역으로 구획하는 절연 부재(62A, 62B)가 제공된다. 따라서, 전력 발생 유닛(40)은 A, B, C의 세 영역으로 분할된 쌍극형 2차 전지가 병렬 접속된 전지와 등가로 될 수 있다. 따라서, 단일 전지(26)의 집전체(22) 내에서, 영역들 사이에서 집전체(22)의 평면 방향으로 흐르는 전류가 차단될 수 있다. 또한, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)와 절연 부재(62A, 62B)는 전력 발생 유닛(40)을 적층 방향으로 바라볼 때 동일한 위치에 배치(정렬)된다. 그 결과, 전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생할 때, 국소 전류의 발생이 매우 효과적으로 저지될 수 있다.
요컨대, 제1 실시예와 같이, 전력 발생 유닛(40)이 구획된 세 개의 영역 중 하나에서 내부 단락이 발생할 때 그 내부 단락이 발생한 영역을 정상적으로 동작하고 있는 영역으로부터 격리시키므로, 국소적인 전류가 차단될 수 있고 발열이 최소한으로 억제될 수 있다. 따라서, 전지는 정상적으로 동작하고 있는 영역만을 사용함으로써 계속 사용될 수 있다.
또한, 제1 실시예는 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 제공되고 단일 전지(26)를 형성하는 집전체(22)에 절연 부재(62A, 62B)가 제공되어 내부 단락에 의해 초래되는 발열을 방지하는 예를 제시한다. 그러나, 본 발명은, 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)에 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)를 마련하는 것만으로도, 내부 단락에 의해 초래되는 발열을 어느 정도 방지할 수 있다.
이제 제1 실시예의 제1 변형예에 대해 설명한다. 도 5a는 도 2에 도시된 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 도면이다. 이 배치 상태는 제1 실시예와 다른 것이다. 도 5b는 도 2에 도시된 단일 전지(26)의 집전체(22)에 제공되는 절연 부재(62A, 62B)의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 도면이다. 이 배치 상태는 제1 실시예와 다른 것이다. 전력 발생 유닛(40)의 기본 구성 및 전력 발생 유닛(40)의 구성요소의 구성 특징은 제1 실시예에서와 동일하며 그 설명은 여기에서 생략한다. 제1 실시예에 대한 유일한 차이점은, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)의 배치 상태와 전력 발생 유닛(40)에 제공되는 절연 부재(62A, 62B)의 배치 상태가 제1 변형예에서 다르다는 점이다.
제1 변형예에서는, 도 5a에 도시하듯이, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)의 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)과 동심적으로 배치되고 이들과 유사하게 비례형성되는, 상이한 크기의 사각형 형상을 갖도록 구성된다. 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 사각형 단자판의 각각을 세 개의 영역(A, B, C)으로 구획한다.
세 개의 영역(A, B, C)은 그 사이의 경계에서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)에 의해 상호 전기 접속(선접속)된다. 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 제1 실시예에서와 동일한 방식으로 동작하므로, 여기서 그 설명은 생략한다. 본 실시예에서, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 양극 단자판(101)과 음극 단자판(102) 양자에 제공된다. 그러나, 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)의 어느 한 쪽에만 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)를 제공하는 것도 허용된다.
도 5b에 도시하듯이, 전력 발생 유닛(40)을 구성하는 단일 전지(26)의 각각은 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)의 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)와 적층 방향으로 대응하는(정렬되는) 위치에 배치되는 절연 부재(62A, 62B)를 갖는다. 따라서, 절연 부재(62A, 62B)의 형상은 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)와 같이 사각형이다.
절연 부재(62A, 62B)는 구획된 영역 사이에서 집전체(22)에 흐르는 전류를 차단하도록 구성된다. 따라서, 양극 단자판(101)과 음극 단자판(102) 사이에 배치되는 단일 전지(26)는, 절연 부재(62A, 62B)의 작용에 의해, 세 개의 영역(A, B, C)으로 구성되는 단일 전지(26)를 여섯 개 병렬 접속한 것과 등가가 된다.
정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)와 절연 부재(62A, 62B)는 전력 발생 유닛(40)의 적층 방향으로 동일한 위치에 배치되며, 따라서 내부 단락이 발생한 영역을 정상적으로 기능하고 있는 다른 영역으로부터 격리시킬 수 있다. 그 결과, 국소적인 전류가 계속 흐르는 상황이 회피될 수 있고, 국소적인 발열을 억제할 수 있다.
제1 변형예에서는, 제1 실시예와 마찬가지로, 내부 단락이 발생할 확률이 쌍극형 2차 전지(100)의 형상이나 배치에 관련성이 없는 경우에 세 영역(A, B, C)의 면적을 동일하게 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 내부 단락이 발생할 확률이 쌍극형 2차 전지(100)의 외주로부터 중심을 향할수록 높아지면, 이들 영역의 면적은 A영역에서 C영역으로 갈수록 감소하는(A＞B＞C) 것이 바람직하다. 반대로, 내부 단락이 발생할 확률이 쌍극형 2차 전지(100)의 중심으로부터 외주를 향할수록 높아지면, 이들 영역의 면적은 A영역에서 C영역으로 갈수록 증가하는(A＜B＜C) 것이 바람직하다.
제1 실시예와 같이 제1 변형예도 전력 발생 유닛(40)을 구성하는 모든 집전체(22)에 절연 부재(62A, 62B)가 제공되는 경우를 예시하지만, 절연 부재(62A, 62B)를 모든 집전체(22)에 제공하지 않는 것도 허용된다. 예를 들어, 적층 방향으로 하나 걸러씩의 집전체(22)에 절연 부재(62A, 62B)를 제공하는 것도 허용된다.
이제 제1 실시예의 제2 변형예를 설명한다. 도 6a는 도 2에 도시된 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 도면이다. 이 배치 상태는 제1 실시예와 다른 것이다. 도 6b는 도 2에 도시된 전력 발생 유닛(40)에 제공되는 절연 부재(62A, 62B)의 다른 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 도면이다. 이 배치 상태는 제1 실시예와 다른 것이다. 전력 발생 유닛(40)의 기본 구성 및 전력 발생 유닛(40)의 구성요소의 구성 특징은 제1 실시예에서와 동일하며 그 설명은 여기에서 생략한다. 제1 실시예 및 제1 변형예에 대한 유일한 차이점은, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)의 배치 상태와 전력 발생 유닛(40)에 제공되는 절연 부재(62A, 62B)의 배치 상태가 제2 변형예에서 다르다는 점이다.
제2 변형예에서는, 도 6a에 도시하듯이, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)의 각각이 아홉 개의 영역(A, B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8)으로 구획되도록 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B, 52C, 52D)가 열십자 배치로 제공된다. 아홉 개의 영역(A, B1 내지 B8)은 그 사이의 경계에서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B, 52C, 52D)에 의해 상호 전기 접속(선접속)된다. 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B, 52C, 52D)는 제1 실시예에서와 동일한 방식으로 동작하므로, 여기서 그 설명은 생략한다. 제2 변형예에서도, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B, 52C, 52D)는 양극 단자판(101)과 음극 단자판(102) 양자에 제공된다. 그러나, 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)의 어느 한 쪽에만 정류 소자 또는 퓨즈를 제공하는 것도 허용된다.
도 6b에 도시하듯이, 전력 발생 유닛(40)의 쌍극형 전극(21)의 각각은 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)의 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B, 52C, 52D)와 적층 방향으로 대응하는 위치에 배치되는 절연 부재(62A, 62B, 62C, 62D)를 갖는다.
절연 부재(62A, 62B, 62C, 62D)는 구획된 영역 사이에서 집전체(22)에 흐르는 전류를 차단하도록 구성된다. 따라서, 양극 단자판(101)과 음극 단자판(102) 사이에 배치되는 단일 전지(26)는, 절연 부재(62A, 62B, 62C, 62D)의 작용에 의해, 아홉 개의 영역(A, B1 내지 B8)으로 구성되는 단일 전지(26)를 아홉 개 병렬 접속한 것과 등가가 된다.
정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B, 52C, 52D)와 절연 부재(62A, 62B, 62C, 62D)는 전력 발생 유닛(40)의 적층 방향으로 동일한 위치에 배치(정렬)되며, 따라서 내부 단락이 발생한 영역을 정상적으로 기능하고 있는 다른 영역으로부터 격리시킬 수 있다. 그 결과, 국소적인 전류가 계속 흐르는 상황이 회피될 수 있고, 국소적인 발열을 억제할 수 있다.
제2 변형예에서는, 제1 실시예와 마찬가지로, 내부 단락이 발생할 확률이 쌍극형 2차 전지(100)의 형상이나 배치에 관련성이 없는 경우에 영역(A, B1 내지 B8)의 면적을 동일하게 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 내부 단락이 발생할 확률이 쌍극형 2차 전지(100)의 외주로부터 중심을 향할수록 높아지면, 이들 영역의 면적은 A영역에서 외부 영역(B1 내지 B8)역으로 갈수록 감소하는(A＞B1 내지 B8) 것이 바람직하다. 예를 들어, 내부 단락이 발생할 확률이 쌍극형 2차 전지(100)의 중심으로부터 외주를 향할수록 높아지면, 이들 영역의 면적은 A영역에서 외부 영역(B1 내지 B8)으로 갈수록 증가하는(A＜B1 내지 B8) 것이 바람직하다.
제1 실시예와 같이 제2 변형예도 전력 발생 유닛(40)을 구성하는 모든 집전체(22)에 절연 부재(62A, 62B, 62C, 62D)가 제공되는 경우를 예시하지만, 절연 부재(62A, 62B, 62C, 62D)를 모든 집전체(22)에 제공하지 않는 것도 허용된다. 예를 들어, 적층 방향으로 하나 걸러씩의 집전체(22)에 절연 부재(62A, 62B, 62C, 62D)를 제공하는 것도 허용된다.
제1 실시예의 제1 및 제2 변형예에서 얻어지는 효과는 제1 실시예에서 얻어지는 효과와 동일하다.
이상 설명한 실시예 및 그 변형예에 따라 구성된 쌍극형 2차 전지(100)에 의하면 다수의 쌍극형 2차 전지(100)를 직렬 및/또는 병렬로 전기 접속함으로써 고용량, 고출력을 갖는 전지 팩이 얻어질 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 전지 팩의 일 예를 설명하기 위한 도면이다. 이 전지 팩을 만들기 위해서는, 우선, 다수의 쌍극형 2차 전지(100)를 직렬 및/또는 병렬로 접속함으로써 전지 팩 모듈(250)(도 11 참조)이 형성된다. 이러한 전지 팩 모듈(250)을 다수 직렬 및/또는 병렬로 접속하여 전지 팩(300)을 형성한다. 전지 팩 모듈(250)의 각각이 하나의 전지 팩을 구성하지만, 여기에서는 전지 팩(300)과 구별하기 위해 "전지 팩 모듈"이라는 용어를 사용한다.
전지 팩 모듈(250)의 각각은, 상호 적층되고 모듈 케이스 내에 수납되는 다수의 쌍극형 2차 전지(100)를 포함한다. 이들 쌍극형 2차 전지(100)는 병렬 접속된다. 양극측 버스바(busbar)와 음극측 버스바는 접속 구멍 내에서 도전 바를 거쳐서 쌍극형 2차 전지(100)의 각각에 접속된다. 도 11a는 전지 팩(300)의 평면도이다. 도 11b는 전지 팩(300)의 정면도이다. 도 11c는 전지 팩(300)의 측면도이다. 전지 팩 모듈(250)은 버스바 등으로 전기 접속되며, 접속 지그(310)를 사용하여 상호 적층된다. 전지 팩 모듈(250)의 각각을 제조하기 위해 접속되는 쌍극형 2차 전지(100)의 개수 및 전지 팩(300) 제조를 위해 상호 적층되는 전지 팩 모듈(250)의 개수는 전지 팩이 탑재되는 차량(전기 자동차)의 전지 용량 및 출력에 기초하여 결정된다.
쌍극형 2차 전지(100)를 직렬, 병렬 또는 직병렬 조합으로 접속하여 전지 팩(300)이 구성되므로, 전지 팩(300)의 용량 및 출력을 자유롭게 조정할 수 있다. 또한, 쌍극형 2차 전지(100)에 사용되는 전력 발생 유닛(40)은, 전력 발생 유닛(40) 내에서 전류가 적층 방향으로 흐르고 쌍극형 2차 전지(100)의 각각이 전력 발생 유닛(40)의 이점을 살린 구조를 갖도록 구성된다. 전지 팩 모듈(250)의 각각을 구성하는 쌍극형 2차 전지(100)는 그 내부 단락이 발생할 때 집전체의 평면 방향으로 흐르는 전류를 제한 또는 차단하도록 구성되어 있으므로, 쌍극형 2차 전지(100)는 긴 수명을 가지며 높은 신뢰성을 갖는다. 따라서, 전지 팩(300)도 긴 수명을 가지며 높은 신뢰성을 갖는다. 또한, 일부 전지 팩 모듈(250)이 고장나도, 전지 팩(300)은 고장난 전지 팩 모듈(250)만 교환함으로써 수리될 수 있다.
도 12를 참조하면, 이상과 같은 쌍극형 2차 전지(100), 전지 팩 모듈(250) 또는 전지 팩(300)을 차량(400)에 탑재되어 전원으로 사용될 수 있다.
도 12는 전술한 전지 팩(300)을 탑재한 차량(400)을 도시한다. 전지 팩(300)은 차량(400)의 바퀴 중 적어도 하나를 구동시키기 위한 차량 전원이다. 즉, 전지 팩(300)은 차바퀴 구동원을 구성한다. 도 12에 도시하듯이, 전지 팩(300)은 차량(400)의 차체 중앙 부분의 좌석 아래에 배치되도록 탑재된다. 전지 팩(300)은 차량에 큰 객실 공간과 트렁크가 제공될 수 있도록 좌석 아래에 탑재된다. 그러나, 전지 팩(300)의 탑재 장소는 좌석 아래로 한정되지 않는다. 전지 팩(300)을 차량 후방의 트렁크 룸 아래에 탑재하거나 차량 전방의 엔진 룸에 탑재하는 것도 허용된다.
차량(400)에는 쌍극형 2차 전지에 내부 단락이 발생할 때 집전체의 평면 방향으로 흐르는 전류를 제한 또는 차단하는 쌍극형 2차 전지(100)가 탑재되거나, 또는 차량(400)에는 이러한 쌍극형 2차 전지를 복수 구비하는 전지 팩이 탑재된다. 그 결과, 차량(400)의 안전성 및 신뢰성이 증가될 수 있다.
탑재는 전지 팩(300)을 차량(400)에 탑재하는 것에 제한되지 않는다. 용도에 따라서는, 도 11에 도시된 전지 팩 모듈(250) 또는 도 1에 도시된 쌍극형 2차 전지(100)만 탑재하는 것도 허용된다. 전지 팩(300), 전지 팩 모듈(250) 및 쌍극형 2차 전지(100)를 조합하여 탑재하는 것도 허용된다. 전지 팩(300) 또는 전지 팩 모듈(250)을 탑재할 수 있는 차량으로는 하이브리드 차, 전기 자동차, 연료-전지차가 바람직하게만, 전지 팩(300) 또는 전지 팩 모듈(250)은 이러한 자동차에 제한되는 것은 아니다. 본 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지(100) 및/또는 전지 팩(300)은 무정전 전원 장치 등의 내장 전원으로서 사용될 수도 있다.
(제2 실시예)
제1 실시예에서, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)을 선형으로 구획하는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)의 각각은 구획된 영역 사이의 경계 전체에 걸치도록 구성된다. 제2 실시예에서, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 단자판의 각각을 구획한 영역의 일부에 제공되며, 나머지 경계 부분은 절연 부재로 절연된다.
도 7a는 도 2에 도시된 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)의 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 도면으로서, 정류 소자 또는 퓨즈가 단자판(101, 102)의 각각을 세 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 상태의 도시도이다. 도 7b는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 단자판(101, 102)의 각각을 사각형으로 세 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 배치 상태의 도시도이다. 도 7c는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 단자판(101, 102)의 각각을 셀 형태로 아홉 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 배치 상태의 도시도이다. 전력 발생 유닛(40)의 기본 구성 및 전력 발생 유닛(40)의 구성요소의 구성 특징은 제1 실시예에서와 동일하며 그 설명은 여기에서 생략한다.
이 제2 실시예 및 그 변형예에 관하여, 쌍극형 전극(21)에 제공되는 절연 부재(62A, 62B)는, 절연 부재(62A, 62B)가 형상 및 위치에 있어서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)와 동일하다는 점에서 제1 실시예, 제1 실시예의 제1 변형예, 및 제1 실시예의 제2 변형예에서와 완전히 동일하므로 설명하지 않는다. 따라서, 쌍극형 전극(21)에 제공되는 절연 부재(62A, 62B)의 형상 및 위치는 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)의 형상 및 위치와 매치되도록 조절된다.
본 실시예에서는, 양극 단자판(101)이 집전체(22a)에 접속되고 음극 단자판(102)이 집전체(22b)에 접속되는 위치인 전류 취출 위치가 전력 발생 유닛(40)의 중앙 부분에 제공된다.
도 7a에 도시된 예에서, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에는, 이러한 단자판의 각각이 구획된 세 개의 영역(A, B, C) 사이의 경계 부분을 따라서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 배치된다. 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 제공되지 않는 경계 부분(도면에서 점선으로 도시됨)을 따라서 절연부가 제공된다. 따라서, 세 개의 영역(A, B, C)은 그 사이의 경계에서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)를 통해서 상호 전기적으로 접속(점접속)된다. A영역으로부터 B영역으로 흐르는 전류는 A영역과 B영역 사이의 경계선 상의 한 지점에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A)를 통해서 흐른다. C영역으로부터 B영역으로 흐르는 전류는 C영역과 B영역 사이의 경계선 상의 한 지점에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52B)를 통해서 흐른다.
전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생할 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 상이한 영역 사이에서 집전체(22)에 흐르는 전류의 크기를 제한하거나 상이한 영역 사이에서 집전체(22)에 흐르는 전류를 차단(중단)하도록 작용한다. 예를 들어, A영역에서 내부 단락이 발생하고 집전체에서 전류가 B영역으로부터 A영역을 향해서 흐를 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A)는 전류의 크기를 제한하거나 차단하도록 작용한다.
도 7b에 도시된 예에서, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에는, 이러한 단자판의 각각이 구획된 세 개의 영역(A, B, C)의 일부에 네 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52A)와 네 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52B)가 배치된다. 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 제공되지 않는 경계 부분(도면에서 점선으로 도시됨)을 따라서 절연부가 제공된다. 따라서, 세 개의 영역(A, B, C)은 그 사이의 경계에서 네 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52A) 및 네 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52B)를 통해서 상호 전기적으로 접속(점접속)된다. B영역으로부터 A영역으로 흐르는 전류는 A영역과 B영역 사이의 경계선 상의 네 지점에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A)를 통해서 흐른다. 한편, C영역으로부터 B영역으로 흐르는 전류는 C영역과 B영역 사이의 경계선 상의 한 지점에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52B)를 통해서 흐른다.
전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생할 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 상이한 영역 사이에서 집전체(22)에 흐르는 전류의 크기를 제한하거나 상이한 영역 사이에서 집전체(22)에 흐르는 전류를 차단(중단)하도록 작용한다. 예를 들어, B영역에서 내부 단락이 발생하고 집전체(22)에서 전류가 A영역과 C영역으로부터 B영역을 향해서 흐를 때, 네 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52A)는 전류의 크기를 제한하거나 차단하도록 작용한다.
도 7c에 도시된 예에서, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에는, 이러한 단자판의 각각이 구획된 아홉 개 영역 사이의 경계 부분에 모두 열두 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 배치된다. 각각의 경계에는 하나의 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 배치된다. 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 제공되지 않는 경계 부분(도면에서 점선으로 도시됨)을 따라서 절연부가 제공된다. 따라서, 아홉 개의 영역(A, B1 내지 B8)은 그 사이의 경계에서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)를 통해서 상호 전기적으로 접속(점접속)되며, 각각의 경계에는 하나의 정류 소자 또는 퓨즈가 제공된다. B1 내지 B8영역 중 어느 하나로부터 A영역으로 흐르는 전류는 A영역과 B1 내지 B8영역의 각각 사이의 경계선 상의 열두 개 지점에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B) 중 하나를 통해서 흐른다.
전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생할 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 상이한 영역 사이에서 집전체에 흐르는 전류의 크기를 제한하거나 상이한 영역 사이에서 집전체(22)에 흐르는 전류를 차단(중단)하도록 작용한다. 예를 들어, B1영역에서 내부 단락이 발생하고 집전체(22)에서 전류가 B1영역 이외의 영역으로부터 B1영역을 향해서 흐를 때, 두 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52B)는 전류의 크기를 제한하거나 차단하도록 작용한다.
본 실시예에서, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 양극 단자판(101)과 음극 단자판(102) 양자에 제공된다. 그러나, 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)의 어느 한 쪽에만 정류 소자 또는 퓨즈를 제공하는 것도 허용된다.
(제2 실시예의 변형예)
제2 실시예는 전류 취출 위치(51, 61)가 전력 발생 유닛(40)의 중앙 부분에 제공되는 예를 제시하고 있지만, 이 변형예에서 전류 취출 위치(51, 61)는 전력 발생 유닛(40)의 에지 부분에 제공된다.
도 8a는 도 2에 도시된 전력 발생 유닛(40)에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)와 전류 취출 위치의 배치 상태를 적층 방향을 따라서 바라본 도면으로서, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 단자판(101, 102)의 각각을 세 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 상태의 도시도이다. 도 8b는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 단자판(101, 102)의 각각을 사각형으로 세 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 배치 상태의 도시도이다. 도 8c는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 단자판(101, 102)의 각각을 셀 형태로 아홉 개로 구획한 영역의 일부에 설치되어 있는 배치 상태의 도시도이다. 전력 발생 유닛(40)의 기본 구성 및 전력 발생 유닛(40)의 구성요소의 구성 특징은 제1 실시예에서와 동일하며 그 설명은 여기에서 생략한다.
이 제2 실시예의 변형예에 관하여, 쌍극형 전극(21)에 제공되는 절연 부재(62A, 62B)는, 절연 부재(62A, 62B)가 형상 및 위치에 있어서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)와 동일하다는 점에서 제1 실시예, 제1 실시예의 제1 변형예, 및 제1 실시예의 제2 변형예에서와 완전히 동일하므로 설명하지 않는다. 따라서, 쌍극형 전극(21)에 제공되는 절연 부재(62A, 62B)의 형상 및 위치는 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 형상 및 위치와 매치되도록 조절된다.
본 실시예에서는, 전류 취출 위치가 전력 발생 유닛(40)의 에지 부분에 제공된다. 도 8a에 도시된 예에서, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에는, 이러한 단자판의 각각이 구획된 세 개의 영역(A, B, C)의 일부에 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 배치된다. A영역과 B영역 사이의 경계[전류 취출 위치(51)로부터 먼]에는 두 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52A)가 제공되고, B영역과 C영역 사이의 경계[전류 취출 위치(51)에 가까운]에는 하나의 정류 소자 또는 퓨즈(52B)가 제공된다. 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 제공되지 않는 경계 부분(도면에서 점선으로 도시됨)을 따라서 절연부가 제공된다. 따라서, 세 개의 영역(A, B, C)은 그 사이의 경계에서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)를 통해서 상호 전기적으로 접속(점접속)된다. A영역으로부터 B영역으로 흐르는 전류는 A영역과 B영역 사이의 경계선 상의 두 지점에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A)를 통해서 흐른다. B영역으로부터 C영역으로 흐르는 전류는 B영역과 C영역 사이의 경계선 상의 한 지점에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52B)를 통해서 흐른다.
집전체의 평면 방향을 따르는 전기 저항이 전류 취출 위치(51)에서 먼 위치에서 크기 때문에, 전류 취출 위치(51)로부터 멀리 위치하는 경계에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 개수는 전류 취출 위치(51)에 가깝게 위치하는 경계에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 개수보다 많다. 따라서, 전류 취출 위치(51)로부터 멀리 위치하는 경계에는 전류가 더 쉽게 흐를 수 있도록 더 많은 정류 소자 또는 퓨즈가 제공된다.
전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생할 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 상이한 영역 사이에서 집전체의 평면 방향으로 흐르는 전류의 크기를 제한하거나 상이한 영역 사이에서 집전체의 평면 방향으로 흐르는 전류를 차단하도록 작용한다. 예를 들어, A영역에서 내부 단락이 발생하고 집전체에서 전류가 B영역으로부터 A영역을 향해서 흐를 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A)는 전류의 크기를 제한하거나 차단하도록 작용한다.
도 8b에 도시된 예에서, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에는, 이들 전극을 형성하는 단자판(101, 102)의 각각이 구획된 세 개의 영역(A, B, C)의 일부에 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 배치된다. 전류 취출 위치(51)에서 멀리 위치하는 경계에는 더 많은 개수의 정류 소자 또는 퓨즈가 제공된다. A영역과 B영역 사이의 경계를 따라서도, 전류 취출 위치(51)로부터 멀리 위치하는 경계에는 세 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52A)가 제공되고 전류 취출 위치(51)에 가깝게 위치하는 경계에는 하나의 정류 소자 또는 퓨즈(52A)가 제공된다. 마찬가지로, B영역과 C영역 사이의 경계를 따라서, 전류 취출 위치(51)로부터 멀리 위치하는 경계에는 세 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52B)가 제공되고 전류 취출 위치(51)에 가깝게 위치하는 경계에는 하나의 정류 소자 또는 퓨즈(52B)가 제공된다. 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 제공되지 않는 경계 부분(도면에서 점선으로 도시됨)을 따라서 절연부가 제공된다. 따라서, 세 개의 영역(A, B, C)은 그 사이의 경계에서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)를 통해서 상호 전기적으로 접속(점접속)된다. A영역으로부터 B영역으로 흐르는 전류는 A영역과 B영역 사이의 경계선 상의 네 지점에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A)를 통해서 흐른다. 마찬가지로, B영역으로부터 C영역으로 흐르는 전류는 B영역과 C영역 사이의 경계선 상의 네 지점에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52B)를 통해서 흐른다.
집전체의 평면 방향을 따르는 전기 저항이 전류 취출 위치(51)에서 먼 위치에서 크기 때문에, 전류 취출 위치(51)로부터 멀리 위치하는 경계에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 개수는 전류 취출 위치(51)에 가깝게 위치하는 경계에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 개수보다 많다. 따라서, 전류 취출 위치(51)로부터 멀리 위치하는 경계에는 전류가 더 쉽게 흐를 수 있도록 더 많은 정류 소자 또는 퓨즈가 제공된다.
전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생할 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 상이한 영역 사이에서 집전체에 흐르는 전류의 크기를 제한하거나 상이한 영역 사이에서 집전체에 흐르는 전류를 차단하도록 작용한다. 예를 들어, C영역에서 내부 단락이 발생하고 집전체(22)에서 전류가 B영역으로부터 C영역을 향해서 흐를 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A)는 전류의 크기를 제한하거나 차단하도록 작용한다.
도 8c에 도시된 예에서, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에는, 단자판의 각각이 구획된 아홉 개 영역 사이의 경계 부분에 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 배치된다. 전류 취출 위치(51)에서 멀리 위치하는 경계에는 더 많은 개수의 정류 소자 또는 퓨즈가 제공된다. 도 8c에 도시된 예에서, 단자판의 각각에는 모두 열일곱 개의 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 제공된다. 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)가 제공되지 않는 경계 부분(도면에서 점선으로 도시됨)을 따라서 절연부가 제공된다. 따라서, 아홉 개의 영역(A, B1 내지 B8)은 그 사이의 경계에서 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)를 통해서 상호 전기적으로 접속(점접속)된다. 전류 취출 위치(51)가 위치하는 B7영역으로 흐르는 전류는 A영역과 B1 내지 B5, B6, B8영역 사이의 경계선 상의 열일곱 개 지점에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B) 중 하나를 통해서 흐른다.
집전체(22)의 평면 방향을 따르는 전기 저항이 전류 취출 위치(51)에서 먼 위치에서 크기 때문에, 전류 취출 위치(51)로부터 멀리 위치하는 경계에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈의 개수는 전류 취출 위치(51)에 가깝게 위치하는 경계에 제공되는 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)의 개수보다 많다. 따라서, 전류 취출 위치(51)로부터 멀리 위치하는 경계에는 전류가 더 쉽게 흐를 수 있도록 더 많은 정류 소자 또는 퓨즈가 제공된다.
전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생할 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 상이한 영역 사이에서 집전체에 흐르는 전류의 크기를 제한하거나 상이한 영역 사이에서 집전체(22)에 흐르는 전류를 차단하도록 작용한다. 예를 들어, B1영역에서 내부 단락이 발생하고 집전체(22)에서 전류가 다른 영역으로부터 B1영역을 향해서 흐를 때, 정류 소자 또는 퓨즈(52A)는 전류의 크기를 제한하거나 차단하도록 작용한다.
이 변형예에서, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 양극 단자판(101)과 음극 단자판(102) 양자에 제공된다. 그러나, 양극 단자판(101) 또는 음극 단자판(102)의 어느 한 쪽에만 정류 소자 또는 퓨즈를 제공하는 것도 허용된다.
제1 실시예와 마찬가지로, 제2 실시예 또는 그 변형예에 따른 쌍극형 2차 전지도 전지 팩의 제조에 사용될 수 있다. 또한, 쌍극형 2차 전지 또는 전지 팩은 차량에 탑재될 수 있다. 추가로, 이러한 전지 팩 또는 차량은 제2 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지를 사용하므로, 내부 단락에 의해 초래되는 발열이 억제 또는 방지될 수 있고 따라서 전지에 기인한 열적 손상을 방지할 수 있다.
(제3 실시예)
제1 및 제2 실시예에서, 정류 소자 또는 퓨즈(52A, 52B)는 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)이 구획된 영역 사이의 경계 부분에 제공된다. 영역 사이의 전위차 또는 경계 부분에서의 열은 독립적으로 감지되고, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 흐르는 전류는 제한 또는 차단된다.
도 9는 전력 발생 유닛(40)의 제어 시스템의 블록선도이다. 도 10은 도 9에 도시된 ECU 등의 제어 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다. 전력 발생 유닛 제어 시스템은 전력 발생 유닛(40), 상기 전력 발생 유닛(40)에 제공되는 가변 저항기 또는 ON/OFF 회로를 포함하는 하나 이상의 전류 제어 장치(70), 전류 검출 장치(80), 전압 검출 장치(85), 및 외부 제어 장치(90)(예를 들면, ECU)를 구비한다. 전류 검출 장치(80)는 전류 제어 장치(70) 내의 전류를 검출한다. 전압 검출 장치(85)는 전류 제어 장치(70)에서의 전압을 검출한다. 본 실시예에서는, 차량에 탑재된 전자 제어 유닛(ECU)이 외부 제어 장치(90)로서 작용하는 것으로 가정되지만, 전력 발생 유닛(40)을 제어하기 위한 외부 제어 장치(90)로서 전용 제어 장치를 제공하는 것도 허용된다.
제3 실시예에서는, 전력 발생 유닛(40) 내에 전류 제어 장치(70)가 설치된다. 전류 제어 장치(70)는 제1 실시예 및 제2 실시예에서 설명했듯이 양극 단자판(101)과 음극 단자판(102)을 구획하는 경계 부분에 제공된다. 즉, 전류 제어 장치(70)는 양극 단자판(101)과 음극 단자판(102)이 구획되는 영역 사이의 경계 부분에 제공된다. 전류 검출 장치(80)는 경계 부분에서 흐르는 전류를 검출하는 전류계로서 기능한다. 전압 검출 장치(85)는 경계 부분에 인가되는 전압을 검출하는 전압계로서 기능한다. 외부 제어 장치(90)(ECU)는 전류 검출 장치(80)와 전압 검출 장치(85)로부터 얻어진 검출 결과에 기초하여 전류 제어 장치(70)를 작동시키도록 구성된다. 전력 발생 유닛(40) 내에서 발생하는 단락은 전류 검출 장치(80)에 의해 검출된 전류와 전압 검출 장치(85)에 의해 검출된 전압 사이의 관계에 기초하여 감지된다. 이런 식으로 단락이 감지되면, 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 흐르는 전류가 제한 또는 차단된다. 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)에 흐르는 전류는 외부 ECU 등의 외부 제어 장치(90)로부터 전류 제어 장치(70)로 부여된 지령에 의해 제한 또는 차단된다.
본 실시예에서, 전류 제어 장치(70)가 가변 저항기(전류 제한 장치)인 경우에, 가변 저항기(전류 제한 장치)의 저항값은 외부 제어 장치(90)에 의해 제어된다. 대안적으로, 본 실시예에서, 전류 제어 장치(70)가 ON/OFF 회로(전류 차단 장치)인 경우에, ON/OFF 회로의 온/오프 상태는 외부 제어 장치(90)에 의해 제어된다.
본 실시예에 사용되는 가변 저항기는 각각, 외부 제어 장치(90)에 의해 저항값이 제어되는 문자 그대로의 저항기일 수 있거나, 가변 저항기와 유사하게 작용할 수 있는 사이리스터(thyrister), 트랜지스터 등의 반도체 소자일 수 있다. 본 실시예에 예시되는 ON/OFF 회로는 각각, 기계적인 접점을 갖는 초소형 릴레이일 수 있거나, 스위치와 유사하게 기능할 수 있는 사이리스터, 트랜지스터 등의 반도체 소자일 수 있다. 본 실시예의 가변 저항기 또는 ON/OFF 회로가 제1 및 제2 실시예에 기재된 정류 소자 또는 퓨즈와 같은 방식(위치 및 배치)으로 단자판(101, 102)에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명해야 한다.
이제, 전술한 전력 발생 유닛 제어 시스템이 동작하는 방식을 도 9에 도시된 흐름도에 기초하여 설명한다.
전류 검출 장치(80)는 전류 제어 장치(70)(예를 들면, 가변 저항기 또는 ON/OFF 회로)에 흐르는 전류의 크기를 감시하도록 작용한다. 전압 검출 장치(85)는 전류 제어 장치(70)에 인가되는 전압의 크기를 감시하도록 작용한다. 예를 들어, 본 실시예가 도 3a에 도시된 제1 실시예에 적용되면, 전류 검출 장치(80)는 A영역으로부터 B영역으로 정류 소자 또는 퓨즈(52A)에 대응하는 전류 제어 장치(70)(예를 들면, 제1 가변 저항기 또는 제1 ON/OFF 회로)에 흐르는 전류의 크기, 및 C영역으로부터 B영역으로 정류 소자 또는 퓨즈(52B)에 대응하는 전류 제어 장치(70)(예를 들면, 제2 가변 저항기 또는 제2 ON/OFF 회로)에 흐르는 전류의 크기를 검출한다. 전압 검출 장치(85)는 A영역과 B영역 사이의 전위차(전압) 및 C영역과 B영역 사이의 전위차(전압)를 검출한다(S10). 제어 장치(90)(예를 들면, ECU)는 전류 제어 장치(70)에서 검출되는 전류의 크기가 설정치보다 큰지와 전류 제어 장치(70)를 가로질러 검출된 전압의 크기가 설정치보다 큰지를 판정한다(S20).
전류 제어 장치(70)에 흐르는 전류의 크기 및 전류 제어 장치(70)에 인가되는 전압의 크기가 설정치보다 크지 않으면(S20의 결과가 "아니오"이면), 제어 장치(90)(예를 들면, ECU)는 전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생하고 있지 않다고 판정하고, 단계 S10으로 돌아가서, 전류 제어 장치(70)에 흐르는 전류의 크기, 및 전류 제어 장치(70)에 인가되는 전압의 크기를 감시한다.
한편, 전류 제어 장치(70)에 흐르는 전류의 크기 및 전류 제어 장치(70)에 인가되는 전압의 크기가 설정치보다 크면(S20의 결과가 "예"이면), 제어 장치(90)(예를 들면, ECU)는 전력 발생 유닛(40)에 내부 단락이 발생했다고 판정하고, 전류 제어 장치(70)는 가변 저항기의 저항값을 증가시켜 경계 부분을 넘어서 흐르는 전류의 크기를 감소시키거나 ON/OFF 회로를 OFF시켜 경계 부분을 넘어서 흐르는 전류를 차단함으로써 내부 단락이 발생한 영역을 격리시키도록 작용한다(S30).
이와 같이, 제어 장치(90)(예를 들면, ECU), 즉 외부 제어 장치는 쌍극형 2차 전지에 내부 단락이 발생할 때 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)의 구획된 부분 사이에서 평면 방향으로 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 외부 제어 장치는 또한, 쌍극형 2차 전지에 내부 단락이 발생할 때 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)의 구획된 부분 사이에서 평면 방향으로 흐르는 전류를 차단할 수 있다.
제1 실시예 및 제2 실시예와 마찬가지로, 제3 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지도 전지 팩의 제조에 사용될 수 있다. 또한, 이 쌍극형 2차 전지 또는 전지 팩을 차량에 탑재할 수도 있다. 추가로, 이러한 전지 팩 또는 차량은 내부 단락에 의해 초래되는 발열을 억제 또는 방지하도록 구성된 쌍극형 2차 전지를 사용하고 있으므로, 전지에 기인한 열적 손상을 방지할 수 있다.
(제4 실시예)
도 13은 제4 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지의 내부 구조를 도시하는 개략도(단면도)이다. 제1 내지 제3 실시예와 마찬가지로, 제4 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지는 기본적으로 쌍극형 전극으로 구성된다. 보다 구체적으로, 도 13에 도시하듯이, 제4 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지(10)는, 한쪽 면에 양극 활성물질 층(23)을 갖고 다른쪽 면에 음극 활성물질 층(24)을 갖는 집전체(22)를 각각 구비하는 쌍극형 전극(21)을 사용하는 전력 발생 유닛(40)을 갖는다. 인접하는 쌍극형 전극(21)의 양극 활성물질 층(23)과 음극 활성물질 층(24)은 그 사이에 전해질 층(25)을 개재시켜 상호 마주하도록 배치된다.
전력 발생 유닛(40)의 적층 방향 일단부의 최외층은 그 한쪽 면에 양극 활성물질 층(23)만을 갖는 집전체(22a)이다. 전력 발생 유닛(40)의 적층 방향 타단부의 최외층은 그 한쪽 면에 음극 활성물질 층(24)만을 갖는 집전체(22b)이다. 전력 발생 유닛(40)으로부터 전류를 취출하기 위해 적층 방향 일단부에는 양극 단자판(101)이 접속되고 적층 방향 타단부에는 음극 단자판(102)이 접속된다. 즉, 양극 단자판(101)은 집전체(22a)에 접속되고 음극 단자판(102)은 집전체(22b)에 접속된다. 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)의 단부는 외장재(103)로부터 연장되어 쌍극형 2차 전지의 탭(전지 단자)(101a, 102b)으로서 작용한다.
쌍극형 2차 전지(10)의 외관은 도 1에 도시된 쌍극형 전지(100)의 외관과 유사하므로, 별도의 도면은 제공되지 않는다.
제4 실시예는 집전체(22, 22a, 22b), 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)의 구성에 있어서 제1 내지 3 실시예와 다르다. 그러나, 쌍극형 2차 전지에서의 그 기능은 기본적으로 제1 내지 제3 실시예에서와 동일하므로 이들 부재에 대해 동일한 도면부호를 병기하였다. 제1 내지 제3 실시예에서와 동일한 다른 부재와 특징부에 대해 설명하지는 않는다.
이제, 제4 실시예에 따른 집전체(22, 22a, 22b)에 대해 설명한다[이하의 설명은 집전체(22)를 참조하지만, 최외층으로 작용하는 집전체(22a, 22b)도 동일하다]. 제4 실시예에 따른 집전체(22)는 도전성 수지를 채택하는 집전체이다. 도전성 수지를 채택하는 집전체(22)의 일 예는, 도전성을 갖는 수지층을 포함하는 집전체(22)이다. 수지층이 도전성을 가질 수 있는 형태의 구체적인 예로는, 수지층이 수지 및 도전재(도전성 충전재)를 포함하게 하는 형태와, 그 자체가 도전성인 폴리머 재료(도전성 폴리머 분자)로 수지층을 만드는 형태가 포함된다. 수지와 도전재를 선택할 수 있으므로 수지층이 수지 및 도전재를 포함하는 형태가 보다 바람직하다.
이제, 수지층이 그 분자 구조 자체가 도전성인 도전성 폴리머 재료로 형성되는 경우를 설명한다. 이 경우, 집전체(22) 전체가 도전성 폴리머 수지 재료로 형성된다. 도전성 폴리머는 도전성을 가지며, 전하 이동 매체로서 사용되고 이온에 관해서 전도성을 갖지 않는 재료 중에서 선택된다. 이러한 도전성 폴리머 분자는 공액 폴리엔에 의해 형성된 에너지대(energy band)로 인해 도전성을 나타내는 것으로 생각된다. 대표적인 예로는 전해 콘덴서에서 실용화가 진행되고 있는 폴리엔계 도전성 폴리머가 있다. 보다 구체적으로, 바람직한 예로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리디오펜, 폴리아세틸렌, 폴리파라페닐렌, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리옥사디아졸, 및 그 혼합물이 포함된다. 이 중에서도, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리디오펜, 폴리아세틸렌이 전자 전도성 및 전지 내에서 안정적으로 사용될 수 있는 능력의 관점에서 특히 바람직하다.
이제, 수지층이 비전도성 수지에 도전재를 포함하여 이루어지는 바람직한 형태를 상세하게 설명한다. 이 경우, 수지층은 집전체(22)의 전부 또는 일부에 제공되며, 수지층은 전체 수지층이 도전성을 갖도록 수지에 도전재를 포함하여 이루어진다. 도전재(도전성 충전재)는 도전성을 갖는 재료 중에서 선택된다. 도전성을 달성하지만 수지층 내의 이온 투과를 억제하는 관점에서, 전하 이동 매체로서 사용될 수 있지만 이온에 관해서 전도성을 갖지 않는 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
도전재의 구체적인 예로는 알루미늄 재료, 스테인레스 스틸(SUS) 재료, 흑연이나 카본 블랙과 같은 탄소 재료, 은 재료, 금 재료, 구리 재료, 티탄 재료 등이 포함되지만, 사용될 수 있는 도전성 재료가 이것에 한정되는 것은 아니다. 이러한 도전재는 하나만 단독으로 사용될 수도 있고, 둘 이상 함께 사용될 수도 있다. 또한, 이들 재료의 합금이 사용될 수도 있다. 은, 금, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 탄소 재료가 바람직하며, 그 중에서도 탄소 재료가 특히 바람직하다. 또한, 이러한 도전재는, 입자상 세라믹 재료나 수지 재료를 도전성 재료(즉, 상기 도전재 중 하나)로 코팅하거나 도금한 것일 수도 있다. 도전재는 입자 형상(형태)일 수 있지만, 입자 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도전재는 탄소 나노 튜브와 같은 충전재형 도전성 수지 조성물일 수도 있다.
카본 블랙 및 흑연 이외의 탄소 재료의 예로는 탄소 섬유 및 c/c 복합재(흑연과 탄소 섬유의 혼합물)가 포함된다. 카본 블랙, 흑연 등의 탄소 입자는 매우 넓은 전위창을 가지며, 양극 전위 및 음극 전위에 대해 넓은 범위에서 안정적이고, 도전성도 우수하다. 탄소 입자는 또한 매우 경량이며, 전지의 질량을 최소로 유지할 수 있다. 탄소 입자는 보통 전극의 도전성 개선제로서 사용되므로, 도전성 충전재로 사용되는 탄소 입자가 전극의 도전성 개선제로 사용되는 탄소 입자와 접촉할 때 접촉 저항이 적다. 또한, 탄소 입자가 도전성 입자로서 사용될 때는, 탄소의 표면에 소수성 처리를 적용함으로써, 전해질과의 친화성을 저하시킬 수 있고, 전해질이 집전체의 빈 공동(공극)에 쉽게 침투하지 못하는 상태가 얻어질 수 있다.
도전재의 평균 입자 크기에 대한 특별한 제한은 없지만, 입자 크기는 0.01 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 본 명세서에서, "입자 크기"란 도전재 입자의 윤곽 상의 두 지점 사이의 최대 거리(L)를 의미한다. "평균 입자 크기"의 값은 주사형 전자현미경(SEM)이나 투과형 전자현미경(TEM)을 사용하여 수 내지 수십 시야 내에서 관찰되는 입자의 입자 크기의 평균을 찾아냄으로써 산출된다. 후술하는 활성물질 입자 등의 입자 크기 및 평균 입자 크기도 마찬가지로 정의될 수 있다.
수지층이 도전재를 포함한 수지로 형성하는 경우, 수지는, 도전성을 갖지 않고 도전재를 결착하도록 작용하는 폴리머 재료를 포함할 수도 있다. 수지층의 구성 재료로서 폴리머 재료를 사용함으로써, 도전재의 결착성이 향상될 수 있고 쌍극형 2차 전지의 신뢰성이 증가될 수 있다. 폴리머 재료는 발생될 양극 전위 및 음극 전위를 견딜 수 있는 재료 중에서 선택된다.
비도전성 폴리머 수지 재료의 바람직한 예로는, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르 니트릴(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸 아크릴레이트(PMA), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 에폭시 수지 또는 이들의 혼합물이 포함된다. 이들 재료는 매우 넓은 전위창을 가지며, 양극 전위 및 음극 전위에 대해 안정적이다. 이들 재료는 또한 경량이므로, 쌍극형 2차 전지의 고출력 밀도화가 달성될 수 있게 한다.
수지층에 포함되는 도전재의 비율에 대한 특별한 제한은 없지만, 도전재의 질량은 폴리머 재료(비도전성 수지) 및 도전재의 질량 합계의 1 내지 30%인 것이 바람직하다. 충분한 양의 도전재를 사용함으로써, 수지층에는 충분한 도전성이 확보될 수 있다.
수지층은 도전재 및 수지 외에 다른 첨가제를 포함할 수 있지만, 도전재 및 수지로 구성되는 것이 바람직하다. 수지층은 주지된 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 스프레이법 또는 코팅법을 사용하여 수지층을 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 한 가지 방법은, 폴리머 재료를 포함한 슬러리를 조제하고, 이 슬러리를 도포하여 경화시키는 것이다. 슬러리 조제에 사용되는 폴리머 재료의 구체적인 형태는 앞서 설명되었으므로 여기에서는 설명을 생략한다. 상기 슬러리에 포함될 수 있는 다른 성분으로는 도전재가 있다. 도전성 입자의 구체적인 예에 대해서는 앞서 설명되었으므로 여기에서는 설명을 생략한다. 다른 방법은, 폴리머 재료, 도전성 입자, 및 기타 첨가제를 주지된 방법으로 혼합하고 그 혼합물을 필름 상에 성형하는 것이다. 또 다른 방법은, 일본 특허 공개 공보 제2006-190649호에 기재되어 있듯이 잉크젯 방식을 사용하여 수지층을 제작하는 것이다.
집전체(22)의 두께에 대한 특별한 제한은 없지만, 쌍극형 2차 전지의 출력 밀도를 높인다는 관점에서 얇을수록 바람직하다. 쌍극형 2차 전지에서 양극과 음극 사이에 존재하는 수지 집전체는, 적층 방향으로 평면 방향의 전기 저항이 증가할 수 있기 때문에 얇게 할 수 있다. 보다 구체적으로, 각 집전체의 두께는 예를 들어 10 내지 300㎛이며, 바람직하게는 20 내지 60㎛이고, 보다 바람직하게는 20 내지 50㎛이다. 집전체 두께가 이들 범위에 있으면, 적어도 막두께 방향으로 충분한 전자 전도성이 확보될 수 있으며, 경량화에 의한 쌍극형 2차 전지의 출력 밀도가 증가될 수 있다.
도전성 수지를 사용함으로써 만들어진 집전체(22)의 독특한 특징은, 막두께 방향(단일 전지의 적층 방향)으로 저항이 낮고 평면 방향으로는 저항이 높다는 것이다. 쌍극형 2차 전지의 집전체에 요구되는 특성은, 막두께 방향(적층 방향)으로 충분한 전자 전도성을 갖는다는 점이다. 막두께 방향 저항과 평면 방향 저항의 차이는 내부 단락이 발생할 때 전류 집중을 억제 또는 방지하는 효과가 있다. 보다 구체적으로, 집전체(22)의 평면 방향으로의 저항값이 높으면, 내부 단락이 발생한 경우에 전류가 집전체(22)의 평면 방향으로 그 단락 부위로 흐르는 것이 억제 또는 방지되게 된다. 따라서, 수지 집전체를 사용하는 것만으로, 내부 단락에 의해 초래되는 전류 흐름이 억제 또는 방지되고 내부 단락에 의해 초래되는 온도 상승도 억제 또는 방지될 수 있다.
막두께 방향으로의 체적 저항율이 102 Ω-cm 이하이면 그 두께 방향(막두께 방향)으로 충분한 전자 전도성을 갖는 집전체가 얻어질 수 있다. 바람직하게, 막두께 방향으로의 체적 저항율은 102 내지 10-5 Ω-cm이다.
한편, 평면 방향으로의 저항을 나타내는 표면 저항율은, 평면 방향으로 충분한 전자 전도성을 확보할 필요가 없기 때문에 전류가 흐를 수 없게 하기에 충분한 값일 수 있다. 도전성 수지의 표면 저항율의 관점에서, 표면 저항이 예를 들어 1016 내지 1010 Ω／cm2 정도면 내부 단락 중에 전류 집중이 효과적으로 회피될 수 있다. 표면 저항은 이 범위보다 높거나 낮을 수도 있다.
또한, 도전재를 배합함으로써 도전성이 부여된 수지층을 갖는 집전체에서는 두께 방향 저항과 평면 방향의 저항 사이에 차이가 있게 할 수도 있다. 예를 들어, 막두께 방향으로 연통하도록 배치된 다수의 중공 공동을 갖고 이 공동 안에 도전재가 충전되는 수지막 구조를 사용하여 제조된 수지층을 고려할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 14에 도시하듯이, 이러한 수지층은, 막두께 방향으로 연통하도록 배치된 다수의 중공 공동을 갖는 유기 구조체(1), 및 상기 유기 구조체(1)의 공동에 충전되는 도전재(2)를 갖는다. 다공성 유기 구조체(1)의 공동 부분에 충전된 도전재(2)는 금속 분말 등의 도전재(2a), 및 도전재(2a) 입자를 상호 결착하고 도전재(2a)를 유기 구조체(1)에 결착하기 위한 결착 폴리머(결착제)(2b)로 구성된다. 도전재(2)는 도전재(2a)의 입자들이 막두께 방향으로 상호 접촉하도록 고밀도로 충전된다(도 14의 부분 확대도 참조).
도전재(2a)의 입자가 공동으로부터 넘쳐나지 않을 만큼 충분히 높은 밀도로 패킹될 수 있으면, 결착 폴리머(결착제)(2b)가 필요하지 않다. 마찬가지로, 도전재(2a) 자체가 결착성을 갖는 경우(예를 들면, 자성을 갖는 경우)에는 공동 내에서 결착될 수 있으므로, 결착 폴리머(결착제)(2b)가 필요하지 않다.
다공성 유기 구조체(1)를 사용하여 집전체(22)를 형성하는 경우, 유기 구조체(1)의 다공율(porosity)(공극 함량)(즉, 도전재가 도입되는 비율)은 10 내지 90%가 바람직하고, 30 내지 90%가 보다 바람직하다. 다공율이 낮으면, 즉 10% 미만이면, (도전성의 주체가 되는) 도전재의 양이 적어서, 막두께 방향으로 충분한 도전성을 확보하기가 어려울 것이다. 한편, 다공율이 90%를 초과하면, 평면 방향으로 상호 연통하는 공동(공극) 수가 많아지고, 공동에 충전된 도전재에 의해 결과적으로 평면 방향으로의 전류 흐름이 쉬워질 것이다. 전류가 평면 방향으로 쉽게 흐르는 상황은, 막두께 방향과 평면 방향으로 저항을 다르게 한다는 취지에 맞지 않으므로 바람직하지 않다.
전술한 구조를 사용함으로써, 막두께 방향으로는 높은 도전성을 갖고 평면 방향으로는 도전성을 거의 갖지 않는(평면 방향으로 공동 사이의 연통이 거의 없기 때문에) 집전체(22)를 제조할 수 있다. 그 결과, 내부 단락이 발생할 때, 임의의 주어진 집전체에서 전류가 평면 방향으로 흐르는 것을 방지할 수 있으며, 내부 단락에 의해 초래되는 전류 집중을 억제 또는 방지할 수 있다.
막두께 방향과 평면 방향으로 저항 차이를 얻기 위한 다른 방법도 있다. 예를 들면, 수지 내에 혼합되는 도전재의 입자를 막두께 방향으로는 크고 평면 방향으로는 작도록 구성하여, 도전재 입자가 평면 방향으로는 상호 덜 접촉하게 하고 막두께 방향으로만 도전성이 높게 할 수 있다. 따라서, 평면 방향과 막두께 방향으로 저항 차이를 얻기 위해 사용되는 방법에 대한 제한은 없다.
이제, 제4 실시예에 따른 단자판에 대해 설명한다. 제4 실시예에서, 단자판은 메쉬형 구조를 갖는다. 보다 구체적으로, 메쉬형 구조는 예를 들어, 도 15에 도시된 복수의 선재(strand material)를 엮어짬으로써 얻어지는 편물 구조일 수 있다. 도 16a 및 도 16b는 복수의 선재가 직조된 직물 구조를 도시한다. 도 17a 내지 도 18c는 섬유의 단면 형상이 타원형인 직물 구조(메쉬형 구조)의 변형예를 도시한다. 도 18a 및 도 18b는 직물 구조(메쉬형 구조)에 절연성 열수지를 함침시킨 구조를 도시한다. 도 19는 절연성 수지를 함침시킨 직물 구조(메쉬형 구조)에 추가로 금속 박막을 제공한 구조를 도시한다.
제4 실시예에서, 단자판의 메쉬형 구조는 전류 집중을 억제 또는 차단하는 작용을 한다. 이제 전술한 메쉬형 구조에 대해 보다 자세하게 설명한다.
도 15는 단자판에 사용되는 메쉬형 구조의 일 예를 도시한다. 메쉬를 형성하는데 사용되는 선재는 도전성 섬유(510)[단선(single strand)을 포함하며 이하 동일]이며, 편물 구조를 갖는 단자판(501)을 형성하도록 편직된다. 도 16은 다른 예이며, 여기에서는 섬유(510)(선재)를 단순하게 종횡으로 직조하여 직물 구조의 단자판(502)이 얻어진다. 도 16a는 평면도이며, 도 16b는 단면도이다.
제4 실시예를 설명하기 위해 "단자판(501)" 및 "단자판(502)"이라는 용어가 사용되지만, 이들 용어는 도 13에 도시된 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)을 지칭한다. 이하의 설명에서 언급되는 단자판(503, 504, 505, 506)도 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102) 양자에 대응한다.
편물 구조의 단자판(501)과 직물 구조의 단자판(502)에서, 전류는 주로 개별 섬유(510)를 통해서 흐른다. 섬유끼리 접촉하는 부분을 통해서도 전류가 일부 흐르지만, 이러한 전류는 접촉 저항의 효과에 의해 개별 섬유를 통해서 흐르는 전류보다 적다.
편물 구조의 단자판(501) 또는 직물 구조의 단자판(502)이 전지 내부의 집전체(22)[단자판과 접촉하도록 배치된 최외층 집전체(22a, 22b)는 제외]와 접촉하면 내부 단락이 발생한다. 내부 단락이 발생한 부위에서는 전류 집중이 발생할 것이고, 이 부분은 전류에 의해 초래되는 발열을 겪을 것이다. 발열은 섬유 부분을 용융 절단시킬 것이며, 절단된 부분에서는 전류가 더 이상 흐르지 않을 것이다. 그 결과, 내부 단락에 의해 초래되는 쌍극형 2차 전지의 발열이 방지될 수 있다.
선재로 작용하는 도전 섬유는 알루미늄 또는 구리 단선이거나 도전성 수지의 단선 또는 섬유일 수 있다. 소정 온도에서 용융 절단되는 것이면 어떤 종류의 선재든 허용된다. 선재가 절단되는 소정 온도(이하 "절단 온도"로 지칭함)에 대해 후술한다.
편물 구조 단자판(501) 및 직물 구조 단자판(502)은 탄성체로서 기능하며, 따라서 금속 포일과는 다르다. 편물 구조 단자판(501)은 그 편물 구조로 인해 특히 높은 탄성력을 갖게 될 수 있다. 따라서, 충방전에 의한 전극의 팽창 및 수축과 온도 사이클로 인한 부품의 팽창 및 수축을 흡수할 수 있으며, 이러한 변형 및 사용에 대한 내구성이 향상된다. 편물 구조가 사용될 때, 개별 섬유의 길이 방향은 전지로부터 전류가 취출되는 방향(출력 방향)이다. 즉, 섬유는 도 13에 도시된 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)의 탭(101a, 102b)의 방향으로 배향된다. 섬유를 이러한 방향으로 배향시킴으로써, 단자판(101)은 전류가 출력 방향으로 쉽게 흐르게 될 수 있다.
편물 구조 또는 직물 구조는 도전성 섬유 또는 금속 단선을 사용하여 통상의 편물 또는 직물을 제조하는 공정에 의해 얻어질 수 있다.
이제 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제1 변형예를 설명한다. 도 17a 내지 도 17b는 편물 구조 또는 직물 구조를 구성하는 섬유(520)(선재)의 단면을 타원형으로 한 편물 구조 또는 직물 구조(메쉬형 구조)의 변형예를 도시한다. 도 17a는 섬유(520)의 단선의 평면도이다. 도 17b는 섬유(520)의 단선의 단면도이다. 도 17c는 섬유(520)의 단선의 단면도이다.
도 17에 도시하듯이, 타원형 단면 형상을 갖는 섬유(520)(선재)를 사용하는 경우에, 섬유(520)는 그 편평 방향(즉, 타원형 단면의 긴 방향)이 단자판(503)의 평면 방향이 되도록 배치된다. 이와 같이 함으로써, 단자판이 전력 발생 유닛(40)의 최외측 집전체(22a, 22b)와 접촉하는 면적을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 최외측 집전체(22a, 22b)에 대한 접촉 저항을 감소시킬 수 있고, 전력 발생 유닛(40)으로부터의 전력이 보다 효율적으로 집전되어 탭(101a, 102a)으로 흐를 수 있다. 내부 단락이 발생할 때 전류 집중을 억제 또는 방지하는 효과는 도 15 및 도 16에 도시된 구조의 경우와 동일하다.
이제, 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제2 변형예를 설명한다. 도 18은 편물 또는 직물 구조(메쉬형 구조)를 갖는 단자판(504)에 절연성 수지를 함침시킨 제4 실시예의 다른 변형예를 도시한다. 도 18a는 평면도이고, 도 18b는 단면도이다.
이 구조는 도 15 내지 도 17에 도시된 편물 구조 또는 직물 구조에 절연성 수지(530)를 함침시킴으로써 얻어진다. 도 18은 이 변형예를 설명하기 위해 도 16에 도시된 구조를 도시하지만, 도 15 내지 도 17에 도시된 편물 구조 또는 직물 구조도 허용될 수 있다.
편물 또는 직물 구조에 절연성 수지(530)를 함침시킴으로써, 편물 또는 직물 구조를 구성하는 개별 섬유는 상호 절연될 수 있다. 그 결과, 전류는 개별 섬유 내에서만 흐르고 접촉 부분을 가로질러서는 흐르지 않는다. 따라서, 내부 단락에 의해 전류 집중이 발생한 부분에서 섬유는 온도 상승에 의해 절단되고, 전류는 전류 집중이 발생한 부분으로부터 다른 섬유로 흐르는 것이 방지될 수 있다.
이제, 수지 함침된 구조를 갖는 단자판(504)의 제조 방법의 일 예를 설명한다.
메쉬형 구조에 함침될 수 있는 절연성 수지의 예로는, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르 니트릴(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메틸 아크릴레이트(PMA), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 에폭시 수지, 또는 그 혼합물이 포함된다. 이들 수지는 매우 넓은 전위창을 가지며, 양극 전위 및 음극 전위 양자에 관하여 안정적이다. 이들 재료는 또한 경량이므로, 출력 밀도가 높은 쌍극형 2차 전지를 얻을 수 있다.
전술한 폴리머 수지 중 임의의 것을 직물 구조물에 함침시킬 때는, 용매에 용해된 폴리머 재료 중에 직물 구조물을 침지하여 폴리머 재료가 직물 구조물의 내부까지 미칠 수 있게 한다. 이후 직물 구조물을 건조시켜 용매를 제거함으로써 수지 함침된 직물 구조물이 얻어진다. 다음으로, 수지 함침된 직물 구조물의 도전성 섬유(또는 금속)의 표면을 노출시키는 바, 이는 수지 함침된 직물 구조물의 표면을 연마하여 수지 부분을 절단하고 도전성 섬유(또는 금속)를 노출시킴으로써 이루어진다. 도전성 섬유(또는 금속)를 노출시키는 표면은 전력 발생 유닛(40)의 최외측 집전체(22a 또는 22b)가 접촉하는 측이다.
이제, 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제3 변형예를 설명한다. 도 19에는 제4 실시예의 다른 변형예가 도시되어 있다. 이 변형예에서는, 절연성 수지를 함침시킨 직물 구조(도 18에 도시된 구조)를 갖는 단자판(505)의 표면에 도전성 박막(540)이 제공된다. 상기 표면은 전력 발생 유닛(40)의 최외측 집전체(22a 또는 22b)가 접촉하는 측이다. 도 19는 단자판(505)의 단면도이다. 그 평면도는 도 18에 도시된 수지-함침된 구조의 것과 동일하므로 도시 생략한다.
도전성 박막(540)은, 절연성 수지를 함침시킨 직물 구조물의 표면에 예를 들어 증착이나 스퍼터링에 의해 도포된 금속막이다. 직물 구조물의 표면에 금속을 증착이나 스퍼터링에 의해 제공함으로써, 금속은 직물 구조물의 모든 섬유의 표면에 확실하게 결착될 수 있다. 또한, 증착된 금속은 단자 판(505)과 전력 발생 유닛(40)의 최외측 집전체(22a 또는 22b) 사이의 접촉 면적을 증가시킨다. 따라서, 직물 구조 단자판(505)과 전력 발생 유닛(40) 사이의 접촉 저항이 감소될 수 있다.
도전성 박막(540)은 알루미늄, 구리 또는 도전성이 높은 다른 금속으로 만들어지는 것이 바람직하다. 막두께는 1㎛ 이하인 것이 바람직하고, 대략 200nm 정도면 충분하다. 막두께가 1㎛를 넘는 것은 이 경우 온도 상승에 의해 섬유가 절단되지 않을 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 두께 하한치는 증착이나 스퍼터링에 의해 형성할 수 있는 최소 두께로 할 수 있다. 도전성 박막(540)의 기능은 최외측 집전체(22a, 22b)와의 접촉 면적을 증가시키는 것이며, 이 기능은 막두께가 매우 얇아도 충분히 작용할 수 있다. 즉, 도전성 박막(540) 자체가 전류 이동을 위한 단자판으로서 기능할 필요는 없다.
도전성 박막(540)은 증착이나 스퍼터링 이외의 방법으로 형성될 수도 있다.
충분히 얇은 막에 의하면, 내부 단락에 의해 전류 집중이 발생할 때, 전류 집중이 발생한 부분에서는 그 온도 상승에 의해 섬유가 절단된다. 통상적인 상태에서, 전력은 전력 발생 유닛(40)으로부터 효율적으로 집전되어 탭(101a, 102a)으로 이동할 수 있다.
이제 절단 온도에 대해 설명한다. 절단 온도는 쌍극형 2차 전지가 사용되는 온도에 따라서 다르다. 예를 들어, 자동차 용도의 리튬 이온 전지가 60℃에서 사용될 때, 섬유는 65 내지 150℃에서 절단되는 것이 바람직하다. 절단 온도가 65℃ 미만으로 설정되면, 섬유가 통상 사용 온도에서 절단되어 전지가 그 의도된 기능을 발휘하지 못할 가능성이 있다. 반대로, 절단 온도가 150℃보다 높으면, 국소적인 온도 상승에 머물지 않고 전지 전체의 온도가 증가할 가능성이 있다. 따라서, 절단 온도는 쌍극형 2차 전지에 사용되는 재료 및 쌍극형 2차 전지의 용도에 기초하여 적절히 설정되어야 하며, 본 명세서에서 절단 온도에 대한 특별한 제한은 없을 것이다.
편물 구조 또는 직물 구조를 갖는 단자판을 제작하는데 사용되는 섬유는 예를 들어, 도전성 수지로 구성된 섬유 또는 금속 단선일 수 있다.
도전성 수지로 구성된 섬유는, 섬유 형상으로 가공된 도전성 폴리머 또는 도전재가 함유된 수지(일괄해서 "도전성 수지"로 지칭함)로 제조될 수 있다. 허용될 수 있는 폴리머 및 도전재는 도전성 수지 집전체에 관하여 전술한 것과 동일하다.
이러한 도전성 수지를 섬유에 사용하는 경우에는, 섬유가 절단 온도에서 절단되는 것에 추가하여, 통상 상태에서 전력 발생 유닛(40)으로부터 집전된 전류가 탭을 향해 흐를 수 있도록 충분한 도전성을 확보할 필요가 있다. 여기에서 "통상 상태(normal condition)"란 내부 단락에 의해 초래되는 전류 집중이 발생하지 않는 상태를 의미한다. 따라서, 각각의 개별 섬유의 체적 저항율은 102 Ω-cm으로 설정되며, 바람직하게는 102 내지 10-5 Ω-cm이다. 체적 저항율이 이 범위 내에 있으면, 직물 섬유는 전력 발생 유닛(40)으로부터 집전된 전류를 탭을 향해서 효율적으로 이동시킬 수 있다.
섬유는 얇은 금속 선재로 만들어질 수도 있다. 사용되는 금속은 예를 들어, 알루미늄, 구리 또는 스테인레스 스틸일 수 있다. 20℃에서 알루미늄의 체적 저항율은 2.8×10-6Ω-cm이고, 구리의 체적 저항율은 1.7×10-6Ω-cm이며, 스테인레스 스틸(SUS410)의 체적 저항율은 62.2×10-6Ω-cm이다. 다른 금속 재료도 사용될 수 있다. 통상 상태에서 보다 많은 전류가 흐를 수 있도록 금속 단선을 굵게 만들 수 있으며, 상기 단선이 절단 온도에서 즉시 절단되게 하는 합금이 사용될 수 있다.
이러한 도전성 섬유나 금속 단선은 전술한 절단 온도를 얻기 위해 적절한 두께로 만들어진다.
이제 메쉬형 구조를 갖는 단자판의 제4 변형예를 설명한다. 이상에서 편물 구조 또는 직물 구조를 형성함으로써 메쉬형 구조물을 얻는 일 예에 기초하여 제4 실시예를 설명했지만, 제4 실시예에 따른 단자판은 편물 또는 직물 구조에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 20에 도시하듯이, 한 장의 금속판을 다이 펀칭함으로써 펀칭된 메쉬(506)(금속 메쉬형 구조)를 만들 수도 있다. 이러한 경우에, 메쉬를 구성하는 메쉬 선은 절단 온도에서 절단되는 폭으로 형성된다. 그 결과, 내부 단락에 의해 초래되는 전류 집중이 발생할 때, 전류 집중이 발생한 부분에서의 메쉬 선은 그 부분에서의 온도 상승으로 인해 절단되며, 쌍극형 2차 전지의 온도 상승이 억제 또는 방지될 수 있다.
(제4 실시예의 작업예)
제4 실시예에 따른 구조의 쌍극형 2차 전지의 샘플을 시험 제작하여 그 사이클 시험 특성을 평가하였다.
이제 쌍극형 2차 전지 샘플의 구조를 설명한다.
이하의 재료를 소정 비율로 혼합하여 양극 재료를 제작하였다.
ㆍ양극 활성물질로서 LiMn2O4(85wt%)를 사용하였다.
ㆍ도전성 개선제로서 아세틸렌 블랙(5wt%)을 사용하였다.
ㆍ결착제로서 PVDF(10wt%)를 사용하였다.
ㆍ양극 재료의 슬러리의 점도를 도포에 적합한 점도로 조정하기 위한 용매로서 NMP를 사용하였다.
ㆍ수지 집전체의 한 면에 상기의 슬러리를 도포하고 건조시켜 양극 전극을 제작하였다.
이하의 재료를 소정 비율로 혼합하여 음극 재료를 제작하였다.
ㆍ양극 활성물질로서 하드 카본(85wt%)을 사용하였다.
ㆍ도전성 개선제로서 아세틸렌 블랙(5wt%)을 사용하였다.
ㆍ결착제로서 PVDF(10wt%)를 사용하였다.
ㆍ음극 재료의 슬러리의 점도를 도포에 적합한 점도로 조정하기 위한 용매로서 NMP를 사용하였다.
ㆍ수지 집전체의 한 면에 상기의 슬러리를 도포하고 건조시켜, 한쪽 면에 양극을 갖고 다른쪽 면에 음극을 갖는 집전체, 즉 쌍극형 전극을 완성하였다.
전술한 방법 외에, 양극 및 음극은 미리 도포된 금속 포일을 포함하는 전극을 수지 집전체에 전사함으로써 제작될 수 있다.
폴리에틸렌, 폴리이미드 등의 수지 재료를 기재로 사용하고, 기재를 도전재로서의 아세틸렌 블랙(탄소 재료)과 혼합하며, 혼합물을 압출하여 박막화함으로써 집전체를 제작하였다.
이하의 재료를 소정 비율로 혼합하여 전해질 재료를 제작하였다.
ㆍ전해액을 얻기 위해 PC와 EC를 1:1의 비율로 혼합하고 리튬염으로서 1 M LiPF6(90wt%)을 첨가하였다.
전술한 바와 같이 제작된 쌍극형 전극, 밀봉재 및 분리기를 상호 적층하고, 주변 부분의 세 변을 상하로부터 가압(압력 및 열)하여 층들을 융착 밀봉하여 전력 발생 유닛을 얻었다. 가압 조건은 0.2 MPa, 200℃, 5초로 하였다.
밀봉재는 폴리에틸렌계 열가소성 수지를 사용했지만, 폴리프로필렌 또는 에폭시계 수지도 사용될 수 있다.
가압되지 않은 나머지 변으로부터 액상 전해질을 주입하고, 이 나머지 한 변을 가압하여 밀봉하였다.
쌍극형 2차 전지 요소의 투영면 전체를 커버할 수 있는 단자판을 후술하는 실시예에 따라 제작하였다. 이 단자판은 전력 발생 유닛을 샌드위치하도록 배치되며, 단자판과 전력 발생 유닛은 외장재인 알루미늄 적층체로 덮이고 진공 밀봉된다. 쌍극형 2차 전지 유닛 전체를 대기압에서 양면에서 가압하여 단자판과 전력 발생 유닛 사이의 접촉을 증가시킴으로써 겔 전해질 쌍극형 2차 전지 샘플 제작을 완성하였다.
이제 평가 방법을 설명한다.
(제1 작업예)
이 작업예에서는, 도 16에 도시된 직물 구조를 갖는 단자판(502)을 쌍극형 2차 전지 샘플의 단자판으로 사용하였다. 100㎛의 직경을 갖는 알루미늄 단선을 100℃의 절단 온도를 목표로 간격이 100㎛가 되도록 직조하여 직물 구조를 만들었다.
단자판(502)이 구비된 쌍극형 2차 전지 샘플에 초회 충전을 실시하여 초기 전압을 확인하였다. 다음으로, 외장재의 표면으로부터 전지에 국소 전압을 가하여 내부 집전체와 단자판을 접촉시켜 내부 단락을 유도하였다.
이후 50℃에서 충전/방전 사이클 시험을 실시하였다. 50사이클이 지나서도 초기 전압이 유지되었는 바, 즉 사이클 특성이 양호하게 나타났다. 또한 충전/방전 사이클 시험 중에 외장재의 표면 온도를 모니터한 결과, 시험 도중의 환경 온도인 50℃를 넘지 않았다.
(제2 작업예)
이 작업예에서는, 도 17에 도시된 직물 구조를 갖는 단자판(503)을 쌍극형 2차 전지 샘플의 단자판으로 사용하였다. 50㎛의 짧은 직경과 200㎛의 긴 직경을 갖는 단면 형상의 알루미늄 단선으로 직물 구조를 만들었다. 이 단선을 100℃의 절단 온도를 목표로 간격이 100㎛가 되도록 직조하여 직물 구조를 만들었다.
단자판(503)이 구비된 쌍극형 2차 전지 샘플에 초회 충전을 실시하여 초기 전압을 확인하였다. 다음으로, 외장재의 표면으로부터 전지에 국소 전압을 가하여 내부 집전체와 단자판을 접촉시켜 내부 단락을 유도하였다.
이후 50℃에서 충전/방전 사이클 시험을 실시하였다. 50사이클이 지나서도 초기 전압이 유지되었는 바, 즉 사이클 특성이 양호하게 나타났다. 또한 충전/방전 사이클 시험 중에 외장재의 표면 온도를 모니터한 결과, 시험 도중의 환경 온도인 50℃를 넘지 않았다.
(제3 작업예)
이 작업예에서는, 도 18에 도시된 절연 수지가 함침된 직물 구조를 갖는 단자판(504)을 쌍극형 2차 전지 샘플의 단자판으로 사용하였다. 100㎛의 직경을 갖는 알루미늄 단선을 100℃의 절단 온도를 목표로 간격이 100㎛가 되도록 직조하여 직물 구조를 만들었다. 함침된 수지로는 폴리에틸렌계 열가소성 수지를 사용하였다. 수지를 직물 구조물에 함침시킨 후, 전력 발생 유닛과 접촉하는 면에서 알루미늄선을 노출시켰다.
단자판(504)이 구비된 쌍극형 2차 전지 샘플에 초회 충전을 실시하여 초기 전압을 확인하였다. 다음으로, 외장재의 표면으로부터 전지에 국소 전압을 가하여 내부 집전체와 단자판을 접촉시켜 내부 단락을 유도하였다.
이후 50℃에서 충전/방전 사이클 시험을 실시하였다. 50사이클이 지나서도 초기 전압이 유지되었는 바, 즉 사이클 특성이 양호하게 나타났다. 또한 충전/방전 사이클 시험 중에 외장재의 표면 온도를 모니터한 결과, 시험 도중의 환경 온도인 50℃를 넘지 않았다.
(제4 작업예)
이 작업예에서는, 절연 수지가 함침되고 구리 박막이 제공된, 도 19에 도시된 직물 구조를 갖는 단자판(505)을 쌍극형 2차 전지 샘플의 단자판으로 사용하였다. 100㎛의 직경을 갖는 알루미늄 단선을 100℃의 절단 온도를 목표로 간격이 100㎛가 되도록 직조하여 직물 구조를 만들었다. 함침된 수지로는 폴리에틸렌계 열가소성 수지를 사용하였다. 수지를 직물 구조물에 함침시킨 후, 전력 발생 유닛과 접촉하는 면에서 알루미늄선을 노출시켰다. 알루미늄이 노출된 면에 구리 박막을 200nm의 두께로 증착하였다.
단자판(505)이 구비된 쌍극형 2차 전지 샘플에 초회 충전을 실시하여 초기 전압을 확인하였다. 다음으로, 외장재의 표면으로부터 전지에 국소 전압을 가하여 내부 집전체와 단자판을 접촉시켜 내부 단락을 유도하였다.
이후 50℃에서 충전/방전 사이클 시험을 실시하였다. 50사이클이 지나서도 초기 전압이 유지되었는 바, 즉 사이클 특성이 양호하게 나타났다. 또한 충전/방전 사이클 시험 중에 외장재의 표면 온도를 모니터한 결과, 시험 도중의 환경 온도인 50℃를 넘지 않았다.
(제1 비교예)
비교예로서 단자판 각각에 한 장의 알루미늄 포일을 사용하여 쌍극형 2차 전지 샘플을 제작하였다. 알루미늄 포일 단자판이 구비된 쌍극형 2차 전지 샘플에 초회 충전을 실시하여 초기 전압을 확인하였다. 다음으로, 외장재의 표면으로부터 전지에 국소 전압을 가하여 내부 집전체와 단자판을 접촉시켜 내부 단락을 유도하였다.
이후 전지 샘플을 충전하기 위한 시도가 50℃에서 이루어졌을 때 전지 전압이 상승하지 않을 것이다. 따라서, 충전과 방전을 반복할 수 없었다.
상기 작업예들로부터 얻어진 결과는, 내부 단락이 발생할 때도, 제4 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지의 온도가 상승하지 않고 전지를 반복해서 충전 및 방전할 수 있음을 나타낸다.
이제, 제4 실시예에 의한 효과를 설명한다.
제4 실시예에서, 단자판은 메쉬형 구조를 가지며, 메쉬를 구성하는 각각의 개별 선재는 내부 단락이 발생할 때의 발열에 의해 절단되도록 구성된다. 따라서, 내부 단락이 발생해도, 쌍극형 2차 전지 전체의 온도가 상승하지 않는다. 불필요한 전류 집중이 차단되므로, 보다 균일한 전류 분포와 보다 균일한 온도 분포가 유지될 수 있고, 전지의 내용 수명이 향상될 수 있다. 내부 단락의 원인으로는 예를 들어, 쌍극형 2차 전지 전체에 힘이 가해지는 것과, 도전성 이물질이 외장재를 통해서 전지 내에 혼입되는 것(예를 들면, 못이 전지를 뚫고 들어감)이 포함된다.
메쉬형 구조를 얻기 위해 편물 구조 또는 직물 구조를 사용함으로써, 우수한 유연성을 갖는 단자판을 얻을 수 있고, 이 단자판은 충방전시에 전지 내부를 압박하지 않으면서 쌍극형 2차 전지 전체의 팽창 및 수축을 수용할 수 있다.
타원형 단면을 갖는 선재를 사용하여 메쉬형 구조를 형성함으로써, 단자판과 전력 발생 유닛 사이에 큰 접촉 면적을 달성할 수 있으며, 단자판이 전력 발생 유닛으로부터 전류를 보다 효율적으로 인출할 수 있다.
메쉬형 구조 내부에 절연성 수지를 함침시킴으로써, 메쉬의 선재 사이에서 전기 도통이 방지될 수 있다. 따라서, 내부 단락이 발생할 때, 전류가 다른 선재를 통해서 흐르는 것을 방지할 수 있다.
단자판의 메쉬형 구조 내부에 절연성 수지가 함침될 때, 단자판은 그 표면(전력 발생 유닛과 접촉될 측)에 도전성 박막을 제공함으로써 전력 발생 유닛로부터의 전류를 더 효율적으로 인출할 수 있다.
금속으로 만들어진 메쉬형 구조의 단자판은 다이 펀칭에 의해 제작될 수도 있다. 다이 펀칭된 금속 메쉬가 용이하게 제조될 수 있다.
제4 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지도, 제1 내지 제3 실시예와 마찬가지로, 전지 팩을 만드는데 사용될 수 있다. 또한, 이 쌍극형 2차 전지 또는 전지 팩은 차량에 탑재될 수 있다. 추가로, 이러한 전지 팩 또는 차량은 내부 단락에 의해 초래되는 발열을 억제 또는 방지하도록 구성된 쌍극형 2차 전지를 사용하므로, 전지에 기인한 열적 손상을 방지할 수 있다.
(제5 실시예)
제5 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지는, 단자판의 구성 특징을 제외하고 제4 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지와 기본적으로 동일하다. 단자 판 이외의 부재는 제4 실시예에서와 동일하므로 그 설명은 이하에서 생략된다. 도 21은 제5 실시예에 따른 단자판(601)의 개략 단면도이다. 단자판(601)은 도 13에 도시된 양극 단자판(101) 및 음극 단자판(102)으로 사용되도록 구성된다.
이 단자판(601)은 도전재(도전성 충전재)(610)가 혼합된 수지로 만들어진 도전성 수지층(605)을 구비한다. 단자판(601)은 전류 집중을 억제 또는 차단하도록 기능한다.
수지에 혼합되는 도전재(610)의 비율을 조정함으로써, 전류는 평면 방향으로 보다 쉽게 흐를 수 있으며, 단자판의 인장 강도가 집전체의 인장 강도보다 낮아진다.
도 22는 단자판(601)이 전류 집중을 방지하는 방법을 설명하는 도면이다. 도 22에 도시하듯이, 단자판(601)의 인장 강도가 작기 때문에, 단자판(601)은 내부 단락을 초래할 수 있는 힘이 가해질 때 파괴된다. 이 파괴는 전류 이동 요소로서 작용하는 도전재(610)를 수지의 일부와 함께 비산시킨다. 도 22는 수지와 도전재의 비산된 피스(620)를 도시한다. 파괴된 부분에서는 전류가 흐를 수 없기 때문에, 내부 단락에 의한 전류 집중 발생이 방지될 수 있다. 또한, 단자판(601)의 인장 강도가 집전체보다 낮기 때문에, 내부 단락에 의해 발생된 힘이 단자판(601)에 도달할 때, 단자판(601)이 확실하게 파괴되어 도전성 수지의 전류 이동 요소인 도전재(610)의 비산을 초래할 수 있다.
단독 상태에서의 단자판(601)의 인장 강도는, 예를 들어 10 N/㎟보다 크지 않은 것이 바람직하다. 따라서, 10 N/㎟을 초과하는 힘이 단자판(601)에 가해지면, 단자판(601)이 파괴되어 도전재(610)(전류 전달 요소)가 비산될 것이다. 그 결과, 내부 단락을 초래할 수 있는 힘이 단자판(601)에 가해질 때, 단자판(601) 내의 도전재를 확실히 비산시킬 수 있다. 내부 단락을 방지하는 관점에서 인장 강도의 하한치에 대한 특별한 제한은 없다. 단자판(601)으로서의 형태를 유지할 수 있는 한 인장 강도가 얼마나 작은지는 문제되지 않는다. 쌍극형 2차 전지 전체가 외장재로 덮이기 때문에, 단자판이 상당히 낮은 인장 강도를 가질 수 있고, 그렇더라도 쌍극형 2차 전지의 단자판으로서 충분히 기능할 수 있다. 즉, 외장재를 파괴하기에 충분히 큰 힘이 단자판에 작용하는 즉시 단자판이 파괴되도록 단자판의 인장 강도가 충분히 낮은 것이 바람직하다.
이러한 인장 강도를 얻기 위해서, 단자판(601)을 구성하는 도전성 수지에 사용되는 도전재의 비율은 단자판(601)의 전체 중량에 대해 3 내지 90wt%가 바람직하고, 10 내지 90wt%가 보다 바람직하다. 도전재의 양이 3wt%보다 작으면, 충분한 도전성을 얻을 수 없다. 반대로, 도전재의 양이 90wt%를 초과하면, 도전재를 지지하기에 수지 재료가 충분치 못할 것이며, 단자판(601)으로서의 형태를 유지할 수 없을 가능성이 있다.
쌍극형 2차 전지의 형태에 따라, 전지 구조의 밀봉을 보장하는 관점에서 10 내지 50wt%가 바람직할 수 있다. 쌍극형 2차 전지의 한 형태는 최외층으로서 집전체를 사용하지 않고, 단자판(601)이 양극 활성물질 층 또는 음극 활성물질 층에 직접 접속된다. 이러한 경우에, 도전재의 비율이 50wt%를 초과하면, 도전재 피스 사이의 갭에 수지가 들어가지 않아서 갭이 열린 상태로 남아있을 가능성이 있다. 따라서, 단자판의 밀봉성이 낮아질 것이고, 단자판이 직접 접속되는 양극 활성물질 층 또는 음극 활성물질 층으로부터 전해액이 누설될 수 있다.
또한, 이러한 단자판의 체적 저항율은 1 Ω-cm 이하인 것이 바람직하고, 0.001 Ω-cm 이하인 것이 보다 바람직하다. 단자판의 두께는 0.1mm 이상인 것이 바람직하고, 1mm 이상인 것이 보다 바람직하다. 단자판이 필요한 기능을 하도록, 즉 전류가 평면 방향으로 쉽게 흐를 수 있도록 하기 위해서는 이러한 체적 저항율이 바람직하다.
단자판(601) 제조에 사용되는 도전성 수지는, 수지에 도전재를 직접 삽입한 것이거나 수지에 도전재를 결착제와 함께 삽입한 것이다. 수지 및 도전재의 재료와 형상은 기본적으로 제4 실시예에서 설명되어 있다. 재료 및 형상에 대한 설명은 중복 설명을 피하기 위해 여기에서 생략된다(그러나, 빈 공동에 도전재가 충전되는 도 14에 도시된 구조는 본 실시예에서의 도전성 수지에 대한 가능성으로서 포함되지 않는다).
단자판(601)은 예를 들어 압출 또는 압연에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 수지와 도전재를 용융 혼합한 후, 단자판(601)은 인플레이션 압출, T-다이 압출 또는 캘린더 압연과 같은 압출 또는 압연 방법에 의해 형성될 수 있다. 단자판은 연신 가공을 수반하지 않는 가공법을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 단자판이 연신되지 않으면, 사용된 수지 성분이 형성 과정 중에 압박되지 않을 것이며 그 결정성이 낮게 유지될 수 있다. 따라서, 취성이 높은 단자판(601)을 제공할 수 있다.
이제, 제5 실시예의 변형예를 설명한다. 도 23은 제5 실시예의 변형예를 설명하기 위한 단자판 표면의 평면도이다. 이 단자판(602)의 앞면과 뒷면에는 많은 스크래치(620)가 제공된다. 스크래치(620) 외에, 단자판(602)은 제5 실시예의 단자판(601)과 동일하다.
스크래치(620)는 단자판(602)의 형성 이후에 단자판(602)의 표면에 형성되는 무수한 털같은 스크래치를 포함한다. 스크래치(620)는 양쪽 표면 대신에 한쪽 표면에만 형성될 수도 있다. 스크래치(620)를 제공함으로써, 단자판(602)에 강한 힘이 가해질 때 단자판(602)이 보다 쉽게 파괴될 수 있으며, 따라서 전류 집중 방지 효과가 높아진다. 도면에서는 스크래치(620)가 불규칙적으로 배치된 것으로 도시되어 있지만, 스크래치(620)의 배치나 개수에 대한 제한은 없다. 스크래치(620)는 도시한 바와 같이 수직으로, 수평으로 및 사선으로 불규칙하게 배치될 수 있거나, 예를 들면 등간격을 갖는 규칙적인 패턴으로 수직하게, 수평하게, 및/또는 사선으로 배치될 수 있다. 스크래치(620)는 수직하게만, 수평하게만 또는 사선으로만 배치될 수도 있다. 힘이 가해졌을 때 단자판(602)이 쉽게 파괴된다면 어떠한 배치도 허용될 수 있다.
(제5 실시예의 작업예)
이제, 단자판의 구조를 설명한다. 그 밖에, 쌍극형 2차 전지 샘플은 제4 실시예의 작업예에 대해 전술한 것과 동일하게 제작되었다.
(제5 작업예)
이제, 단자판의 제작 방식을 설명한다.
폴리에스테르 펠릿(pellet)과 카본 블랙을 혼합하고, 용융시켜, 혼련(blend)한다. 혼련된 재료는 이후 조립기(granulating machine)를 사용하여 펠릿으로 제작된다. 제작된 펠릿을 평면형 핫 프레스 장치를 사용하여 가압함으로써 도전성 필름을 얻었다. 이 필름을 단자판으로 (절단함으로써) 성형하고, 이 단자판을 사용하여 쌍극형 2차 전지 샘플을 만들었다.
(제2 비교예)
단자판을 알루미늄 포일로 만든 것을 제외하고 제5 작업예에서와 동일한 쌍극형 2차 전지 샘플을 만들었다.
(평가)
제작된 전지 샘플을 충전한 후, 직경 20mm의 원형 봉을 사용하여 전지의 중심부에 힘을 가하여 내부 단락을 발생시켰다. 이후 전지 샘플의 전압을 측정하였다. 제5 작업예에서는 전압 저하가 거의 관측되지 않았다. 반면에, 제2 비교예에서는 커다란 전압 저하가 관측되었다. 또한, 제5 작업예에서는 온도 상승이 나타나지 않은 반면에, 제2 비교예에서는 온도 상승이 나타났다. 얻어진 결과로부터, 제5 실시예의 구조에 의하면, 전지에 큰 힘이 가해질 때도 내부 단락이 발생하지 않고 쌍극형 2차 전지 전체의 온도가 상승하지 않는다. 요컨대, 이러한 힘이 가해진 후에도 쌍극형 2차 전지로서의 성능이 계속 발휘될 수 있다.
이제, 제5 실시예에 의한 효과를 설명한다. 제5 실시예에서는, 단자판이 집전체보다 낮은 인장 강도를 갖게 했으므로, 내부 단락을 초래할 수 있는 힘이 단자판에 가해질 때 단자판의 도전성 요소가 비산한다. 따라서, 비산이 발생한 부분에서는 전류가 흐를 수 없으며, 내부 단락에 의한 전류 집중이 방지된다. 내부 단락의 원인으로는 예를 들어, 쌍극형 2차 전지 전체에 힘이 가해지는 것과, 도전성 이물질이 외장재를 통해서 전지 내에 혼입되는 것(예를 들면, 못이 전지를 뚫고 들어감)이 포함된다. 쌍극형 2차 전지 전체에 힘이 가해질 때는, 힘이 가해진 단자판 부분에서 도전성 요소가 비산한다. 전지에 이물이 혼입될 때는, 혼입 시에 발생하는 힘에 의해 단자판의 도전성 요소가 비산한다.
단자판의 인장 강도를 10 N/㎟ 이하로 함으로써, 내부 단락을 초래할 수 있는 힘이 외부로부터 가해질 때, 단자판이 국소적으로 확실하게 파괴될 수 있으며 내부 단락에 기인하는 전류 집중을 방지할 수 있다.
단자판이 수지와 도전재를 혼합하여 제작되므로, 소망 인장 강도를 얻을 수 있으며, 단자판으로서의 충분한 기능을 얻기 위한 도전성을 확보할 수 있다.
단자판이 연신을 수반하지 않는 공정으로 제작되므로, 취성이 높은 단자판을 얻을 수 있다.
단자판에 사용되는 전체 중량에 대한 도전재의 질량비는 3 내지 90wt%가 바람직하다. 따라서, 단자판은 내부 단락을 초래할 수 있는 힘이 전지에 가해질 때 도전재가 쉽게 비산하도록 또한 단자판으로서 충분한 도전성을 갖도록 구성될 수 있다.
단자판의 적어도 한쪽 면에 스크래치를 제공함으로써, 그 취성을 향상시킬 수 있고, 따라서 내부 단락을 초래할 수 있는 힘이 가해질 때 도전재가 보다 쉽게 비산할 수 있다.
제5 실시예에 따른 쌍극형 2차 전지도 제1 내지 제4 실시예와 마찬가지로 전지 팩의 제조에 사용될 수 있다. 또한, 쌍극형 2차 전지 또는 전지 팩은 차량에 탑재될 수 있다. 추가로, 이러한 전지 팩 또는 차량은 내부 단락에 의해 초래되는 발열을 억제 또는 방지하도록 구성된 쌍극형 2차 전지를 사용하므로, 전지에 기인한 열적 손상을 방지할 수 있다.
이상, 선택된 실시예들 만으로 본 발명을 설명했지만, 청구범위에서 한정되는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음은 본 명세서를 숙독한 당업자에게 자명할 것이다. 예를 들어, 집전체는 제1 실시예에서와 같이 여러 영역으로 구획되어 인접한 영역 사이에 절연 장치가 구비될 수 있으며, 단자판은 제4 실시예 또는 제5 실시예와 같이 만들어질 수 있다. 반대로, 집전체는 제4 실시예에서와 같이 평면 방향으로 전류가 흐르기 힘든 수지 집전체로 만들어질 수 있으며, 단자판은 제1 내지 제3 실시예 중 어느 하나와 같이 만들어질 수 있다. 내부 단락에 기인한 전류 집중을 억제 또는 차단하고 쌍극형 2차 전지에서 온도 상승이 발생하는 것을 방지하기 위해 기타 다양한 조합이 사용될 수 있다. 또한, 모든 실시예들에서, 집전체가 최외각층으로 사용되지 않고 단자 판이 양극 활성물질 층 또는 음극 활성물질 층에 직접 연결되도록 쌍극형 이차 전지의 형태가 변경될 수 있다.
또한, 특정 실시예에 모든 장점이 동시에 존재할 필요는 없다. 종래 기술과 구별되는 단독으로 또는 다른 특징과 조합되는 모든 특징도, 그러한 특징에 의해 구체화되는 구조적 및/또는 기능적 개념을 포함하는, 본 출원인에 의한 추가 발명의 별도 기재로서 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예에 대한 상기 설명은 예시적으로 제시된 것일 뿐이며, 청구범위 및 그 균등물에 의해 한정되는 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.
Claims (23)
- 쌍극형 2차 전지이며,
적층 방향으로 상호 적층되는 다수의 쌍극형 전극을 구비하는 전력 발생 유닛으로서, 쌍극형 전극 사이에는 전해질 층이 개재되어 쌍극형 전극을 분리시키고, 쌍극형 전극의 각각은 집전체를 구비하고, 집전체의 제1 측면에 양극 활성물질 층이 형성되고 집전체의 제2 측면에 음극 활성물질 층이 형성되어 있는 전력 발생 유닛, 및
상기 전력 발생 유닛의 제1 적층 방향 단부에 연결되는 제1 단자판과 상기 전력 발생 유닛의 제2 적층 방향 단부에 연결되는 제2 단자판을 갖는 한 쌍의 단자판을 포함하며,
상기 제1 단자판과 제2 단자판 중 적어도 하나는 전력 발생 유닛에 내부 단락이 발생할 때 전류 발생을 억제하는 전류 억제 장치를 구비하고,
상기 전류 억제 장치는 적어도 하나의 단자판을 그 평면 방향으로 구획함으로써 전류를 억제하는 전류 제한 장치와 전류를 차단하는 전류 차단 장치 중 하나로 선택적으로 형성되며, 상기 적어도 하나의 단자판의 평면 방향은 전력 발생 유닛의 적층 방향에 대해 수직으로 배향되는, 쌍극형 2차 전지. - 삭제
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 집전체는 이 집전체를 그 평면 방향으로 구획하는 절연 장치를 구비하며, 상기 적어도 하나의 집전체의 평면 방향은 전력 발생 유닛의 적층 방향에 대해 수직으로 배향되는, 쌍극형 2차 전지.
- 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 단자판의 전류 억제 장치는 전력 발생 유닛의 적층 방향을 따라서 볼 때 상기 적어도 하나의 집전체의 절연 장치의 위치와 정렬되는 위치에 제공되는, 쌍극형 2차 전지.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 전류 억제 장치는 전류 제한 장치로서 작용하는 가변 저항기를 포함하며, 상기 가변 저항기의 저항값은 외부 제어 장치에 의해 제어되는, 쌍극형 2차 전지.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 전류 억제 장치는 전류 제한 장치로서 작용하는 정류 소자를 포함하는, 쌍극형 2차 전지.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 전류 억제 장치는 전류 차단 장치로서 작용하는 온/오프 회로를 포함하며, 상기 온/오프 회로의 온/오프 상태는 외부 제어 장치에 의해 제어되는, 쌍극형 2차 전지.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 전류 억제 장치는 전류 차단 장치로서 작용하는 퓨즈를 포함하는, 쌍극형 2차 전지.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 단자판은 전류 억제 장치로서 작용하는 메쉬형 구조를 갖는, 쌍극형 2차 전지.
- 제9항에 있어서, 상기 메쉬형 구조는 편물 구조로 편직되거나 직물 구조로 직조되는 복수의 선재를 포함하는, 쌍극형 2차 전지.
- 제10항에 있어서, 상기 선재는 타원형 단면을 갖는, 쌍극형 2차 전지.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 편물 구조 또는 직물 구조 내에 절연성 수지가 함침되는, 쌍극형 2차 전지.
- 제12항에 있어서, 적어도 하나의 단자판은 전력 발생 유닛과 접촉하는 측에 배치되는 금속 포일을 갖는, 쌍극형 2차 전지.
- 제9항에 있어서, 상기 메쉬형 구조는 비직조 금속 메쉬 구조인, 쌍극형 2차 전지.
- 제1항에 있어서, 적어도 하나의 단자판은 전류 억제 장치를 형성하기 위해 적어도 하나의 집전체보다 작은 인장 강도를 갖는, 쌍극형 2차 전지.
- 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 단자판의 인장 강도는 10 N/㎟ 이하인, 쌍극형 2차 전지.
- 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 단자판은 수지와 도전재로 만들어지는, 쌍극형 2차 전지.
- 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 단자판은 압출 가공 또는 압연 가공을 사용하여 연신 가공 없이 형성되는, 쌍극형 2차 전지.
- 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 단자판은 이 단자판의 전체 중량에 대해 3 내지 90wt%의 도전재를 함유하는, 쌍극형 2차 전지.
- 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 단자판은 그 적어도 일면에 스크래치를 갖는, 쌍극형 2차 전지.
- 제1항, 제3항, 제4항, 제9항, 제10항, 제11항, 제14항, 제15항 또는 제16항 중 어느 한 항에 따른 쌍극형 2차 전지가 복수로 직렬 및/또는 병렬로 접속되어 이루어지는 전지 팩.
- 제1항, 제3항, 제4항, 제9항, 제10항, 제11항, 제14항, 제15항 또는 제16항 중 어느 한 항에 따른 쌍극형 2차 전지를 포함하는 전원을 포함하는 차량.
- 쌍극형 2차 전지이며,
전력을 발생하기 위한 전력 발생 수단, 및
상기 전력 발생 유닛에 대한 접속을 제공하기 위한 단자 수단을 포함하고,
상기 단자 수단은 상기 전력 발생 수단에 내부 단락이 발생할 때 전류 발생을 억제하기 위한 전류 억제 수단을 구비하고,
상기 전류 억제 장치는 적어도 하나의 단자판을 그 평면 방향으로 구획함으로써 전류를 억제하는 전류 제한 장치와 전류를 차단하는 전류 차단 장치 중 하나로 선택적으로 형성되며, 상기 적어도 하나의 단자판의 평면 방향은 전력 발생 유닛의 적층 방향에 대해 수직으로 배향되는, 쌍극형 2차 전지.
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|---|---|---|---|---|
| FR2961637B1 (fr) * | 2010-06-16 | 2012-07-27 | Commissariat Energie Atomique | Collecteur de courant avec moyens d'etancheite integres, batterie bipolaire comprenant un tel collecteur |
| CN103026534B (zh) * | 2010-07-26 | 2015-09-16 | 日产自动车株式会社 | 双极型电池 |
| JP5516240B2 (ja) * | 2010-08-30 | 2014-06-11 | 日産自動車株式会社 | 双極型二次電池 |
| KR101380116B1 (ko) | 2011-09-27 | 2014-04-03 | 주식회사 엘지화학 | 우수한 제조 공정성과 안전성의 이차전지 |
| CN102340033A (zh) * | 2011-09-29 | 2012-02-01 | 北京神州远望科技有限公司 | 大容量锂离子电池模块 |
| US10615393B2 (en) | 2011-10-24 | 2020-04-07 | Advanced Battery Concepts, LLC | Bipolar battery assembly |
| US10141598B2 (en) | 2011-10-24 | 2018-11-27 | Advanced Battery Concepts, LLC | Reinforced bipolar battery assembly |
| US9685677B2 (en) * | 2011-10-24 | 2017-06-20 | Advanced Battery Concepts, LLC | Bipolar battery assembly |
| US10446822B2 (en) | 2011-10-24 | 2019-10-15 | Advanced Battery Concepts, LLC | Bipolar battery assembly |
| US9461295B2 (en) * | 2012-05-04 | 2016-10-04 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Rechargeable battery including terminal portion having auxiliary plate for reducing current flow along short circuit current path |
| KR20140066050A (ko) * | 2012-11-22 | 2014-05-30 | 주식회사 엘지화학 | 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 |
| KR101702985B1 (ko) * | 2013-04-17 | 2017-02-06 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이차 전지 |
| CN103280597B (zh) * | 2013-05-31 | 2017-09-29 | 宁德新能源科技有限公司 | 锂离子电池 |
| US9837651B2 (en) * | 2013-06-27 | 2017-12-05 | Ying-Tsun Lin | Electric core for thin film battery |
| KR101482206B1 (ko) * | 2013-07-02 | 2015-01-14 | (주) 테크로스 | 전기분해 챔버의 전극판 |
| KR101412003B1 (ko) * | 2013-12-10 | 2014-06-26 | 주식회사 비츠로셀 | 직조 타입의 리튬 전지용 집전체 |
| KR101684396B1 (ko) * | 2014-05-15 | 2016-12-08 | 주식회사 엘지화학 | 유연성 집전체를 포함하는 전지셀 |
| US10680449B2 (en) | 2015-02-10 | 2020-06-09 | Kaneka Corporation | Power storage device |
| KR102307909B1 (ko) * | 2015-05-08 | 2021-10-01 | 삼성에스디아이 주식회사 | 리튬 전지 |
| DE102015210671A1 (de) * | 2015-06-11 | 2016-12-15 | Robert Bosch Gmbh | Batteriezelle mit einem innerhalb eines zweiten Terminals angeordneten ersten Terminal |
| JP6636607B2 (ja) | 2015-07-07 | 2020-01-29 | アップル インコーポレイテッドＡｐｐｌｅ Ｉｎｃ． | 双極型バッテリ設計 |
| JP6652813B2 (ja) * | 2015-10-30 | 2020-02-26 | 三洋化成工業株式会社 | 積層型電池モジュール |
| JP6714342B2 (ja) * | 2015-10-30 | 2020-06-24 | 三洋化成工業株式会社 | 電池モジュール |
| JP6870914B2 (ja) * | 2016-03-15 | 2021-05-12 | 株式会社東芝 | 非水電解質電池、電池パック及び車両 |
| JP6460063B2 (ja) * | 2016-06-30 | 2019-01-30 | トヨタ自動車株式会社 | 電池 |
| CN117638425A (zh) | 2016-09-22 | 2024-03-01 | 苹果公司 | 用于叠堆电池设计的集电器 |
| DE102016219484A1 (de) * | 2016-10-07 | 2018-04-12 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Maschenwerk und Vorrichtung zur Objekterkennung in einem Magnetfeld, Verfahren zur Herstellung des Maschenwerks und induktive Ladeeinheit |
| US10656215B2 (en) | 2016-11-07 | 2020-05-19 | Nissan Motor Co., Ltd. | Short circuit detection device |
| WO2018087970A1 (ja) * | 2016-11-08 | 2018-05-17 | 株式会社村田製作所 | 固体電池、固体電池の製造方法、電池パック、車両、蓄電システム、電動工具及び電子機器 |
| CN106505163B (zh) * | 2016-11-30 | 2019-04-12 | 东莞塔菲尔新能源科技有限公司 | 一种动力电池顶盖片与极柱的装配结构 |
| KR102519885B1 (ko) * | 2016-12-19 | 2023-04-10 | 에스케이온 주식회사 | 배터리 안전 장치 |
| US10665849B2 (en) * | 2017-03-20 | 2020-05-26 | The Boeing Company | Battery cell design for preventing internal short circuits from occurring and propagating |
| WO2018195372A1 (en) | 2017-04-21 | 2018-10-25 | Cougeller Research Llc | Battery cell with electrolyte diffusion material |
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| US11862801B1 (en) | 2017-09-14 | 2024-01-02 | Apple Inc. | Metallized current collector for stacked battery |
| US11335977B1 (en) | 2017-09-21 | 2022-05-17 | Apple Inc. | Inter-cell connection materials |
| US11043703B1 (en) | 2017-09-28 | 2021-06-22 | Apple Inc. | Stacked battery components and configurations |
| JP6939685B2 (ja) * | 2018-04-12 | 2021-09-22 | トヨタ自動車株式会社 | 積層電池 |
| GB2574023A (en) * | 2018-05-23 | 2019-11-27 | Robert Murray Smith | Method of construction of an elongated bipolar plate battery |
| JP6930497B2 (ja) * | 2018-06-08 | 2021-09-01 | トヨタ自動車株式会社 | 積層電池 |
| GB2575787B (en) * | 2018-07-20 | 2021-12-01 | Dyson Technology Ltd | Stack for an energy storage device |
| GB2575792B (en) * | 2018-07-20 | 2021-11-03 | Dyson Technology Ltd | Stack for an energy storage device |
| KR20210080541A (ko) | 2018-11-15 | 2021-06-30 | 어드밴스드 배터리 컨셉츠, 엘엘씨 | 배터리 조립체의 전력 및 에너지 밀도의 밸런싱에 유용한 활물질 |
| KR20200071932A (ko) * | 2018-12-11 | 2020-06-22 | 현대자동차주식회사 | 리튬 이차전지 |
| CN109742443A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-10 | 桑德集团有限公司 | 一种固态电解质膜和全固态电池 |
| JP7319060B2 (ja) * | 2019-02-27 | 2023-08-01 | 現代自動車株式会社 | 全固体電池 |
| KR20220004698A (ko) | 2019-05-24 | 2022-01-11 | 어드밴스드 배터리 컨셉츠, 엘엘씨 | 통합된 에지 밀봉부를 갖는 배터리 조립체 및 밀봉부 형성 방법 |
| US11664521B2 (en) * | 2020-02-18 | 2023-05-30 | Bloom Energy Corporation | Fuel cell system with electrical control of fuel utilization and method of operating thereof |
| US11677120B2 (en) | 2020-09-08 | 2023-06-13 | Apple Inc. | Battery configurations having through-pack fasteners |
| US11600891B1 (en) | 2020-09-08 | 2023-03-07 | Apple Inc. | Battery configurations having balanced current collectors |
| US11923494B2 (en) | 2020-09-08 | 2024-03-05 | Apple Inc. | Battery configurations having through-pack fasteners |
| US11588155B1 (en) | 2020-09-08 | 2023-02-21 | Apple Inc. | Battery configurations for cell balancing |
| CN113437301A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-09-24 | 浙江南都电源动力股份有限公司 | 一种复合极片及固态锂离子电池组及电池生产工艺 |
| CN114597420B (zh) * | 2022-03-04 | 2024-01-12 | 蔚来动力科技(合肥)有限公司 | 锂离子电池、双极性集流体及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06231749A (ja) * | 1993-02-08 | 1994-08-19 | Japan Storage Battery Co Ltd | 蓄電素子 |
| JP2005174691A (ja) * | 2003-12-10 | 2005-06-30 | Nissan Motor Co Ltd | バイポーラ電池 |
| JP2009016235A (ja) | 2007-07-06 | 2009-01-22 | Toyota Motor Corp | 蓄電装置 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003243038A (ja) | 2002-02-19 | 2003-08-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 正極板およびこれを用いたリチウム二次電池 |
| JP2004355953A (ja) * | 2003-05-29 | 2004-12-16 | Nissan Motor Co Ltd | バイポーラ二次電池およびバイポーラ二次電池容量調整システム |
| JP4658467B2 (ja) * | 2003-11-12 | 2011-03-23 | 三菱重工業株式会社 | リチウム二次電池用電極およびリチウム二次電池 |
| JP5186881B2 (ja) * | 2006-11-30 | 2013-04-24 | 日産自動車株式会社 | バイポーラ電池 |
| JP2007266000A (ja) * | 2007-06-01 | 2007-10-11 | Mitsubishi Electric Corp | 電池および携帯情報端末 |
-
2009
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06231749A (ja) * | 1993-02-08 | 1994-08-19 | Japan Storage Battery Co Ltd | 蓄電素子 |
| JP2005174691A (ja) * | 2003-12-10 | 2005-06-30 | Nissan Motor Co Ltd | バイポーラ電池 |
| JP2009016235A (ja) | 2007-07-06 | 2009-01-22 | Toyota Motor Corp | 蓄電装置 |
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