KR101455769B1 - 전극 리드 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전극 리드는, 이차전지의 양극 리드 또는 음극 리드 중 적어도 어느 하나의 부품으로 적용되는 것으로서, 간극을 사이에 두고 이격되고 대향하는 단부의 표면을 제외한 나머지 표면에 코팅 층이 형성된 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트; 및 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 융점이 낮은 물질로 이루어지고 상기 단부가 노출되지 않도록 상기 간극에 매립되는 금속 브릿지를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전극 리드를 통해 과전류가 흐를 경우 금속 플레이트 중 금속 브릿지가 형성된 부분이 신속하게 파단됨으로써 이차전지의 온도에 실질적으로 영향을 미치지 않고 이차전지에 흐르는 과전류가 비가역적으로 차단된다.

Description

전극 리드 및 이를 포함하는 이차전지{Electrode lead and Secondary battery comprising it}
본 발명은 이차전지 기술에 관한 것으로서, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 전극 리드 및 상기 전극 리드를 사용하여 제조된 이차전지에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다.
리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
그런데, 리튬 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 리튬 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 리튬 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 리튬 이차전지가 주울열에 의해 발열을 하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal running)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뾰족한 금속 물체가 리튬 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 전지에 인가되는 등의 경우에 발생된다.
따라서 리튬 이차전지는 과전류의 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 보호회로와 결합되어 사용되며, 상기 보호회로에는 과전류가 발생되었을 때 충전 또는 방전전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함되는 것이 일반적이다.
도 1은 리튬 이차전지를 포함하는 배터리 모듈과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 배터리 모듈을 보호하기 위해 퓨즈 소자(1), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(2), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(1)를 동작시키는 마이크로 컨트롤러(3) 및 상기 퓨즈 소자(1)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(4)를 포함한다.
퓨즈 소자(10)는 배터리 모듈의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(1)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.
퓨즈 소자(1)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(4)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(1a) 및 상기 퓨즈(1a)에 열을 인가하는 저항(1b)이 포함되어 있다.
상기 마이크로 컨트롤러(3)는 센스 저항(2) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(4)를 턴 온 시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(1) 측으로 바이패스되어 저항(1b)에 인가된다. 이에 따라, 저항(1b)에서 발생된 주울열이 퓨즈(1a)에 전도되어 퓨즈(1a)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(1a)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(1a)가 융단 됨으로써 주 선로가 비가역적으로 단선된다. 주 선로가 단선되면 과전류가 더 이상 흐르지 않게 되므로 과전류로부터 비롯되는 문제를 해소할 수 있다.
그런데, 위와 같은 종래 기술은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 즉, 마이크로 컨트롤러(3)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(4)가 턴 온 되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(1)의 저항(1b)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(1)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(1)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(1)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로 컨트롤러(3)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로 컨트롤러(3)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 보호회로의 능동적인 과전류 차단 기능과는 별도로 이차전지 자체에서 수동 방식의 과전류 차단 기능을 구현하는 것을 가능하게 하는 전극 리드를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 전극 리드를 사용하여 제조된 이차전지를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전극 리드는, 이차전지의 양극 리드 또는 음극 리드 중 적어도 어느 하나의 부품으로 적용되는 것으로서, 간극을 사이에 두고 이격되고 대향하는 단부의 표면을 제외한 나머지 표면에 코팅 층이 형성된 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트; 및 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 융점이 낮은 물질로 이루어지고 상기 단부가 노출되지 않도록 상기 간극에 매립되는 금속 브릿지를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 단부의 표면은, 상기 간극의 내측에 위치하는 제1 표면을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 단부의 표면은, 상기 제1 표면으로부터 연장된 면으로서 상기 간극의 외측에 위치하는 제2 표면을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는, 동일 평면 상에 나란하게 위치할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는, 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 코팅 층은 니켈(Ni)로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 금속 브릿지는 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 합금으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 주석의 함량은 80 내지 98wt% 이며, 상기 구리의 함량은 2 내지 20wt% 일 수 있으며, 상기 금속 브릿지는 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 은(Ag) 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 추가 금속의 함량은 0.01 내지 10wt% 일 수 있다.
바람직하게, 상기 금속 브릿지는 150 내지 300℃의 용융점을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 간극은 25 내지 45㎛ 일 수 있다.
선택적으로, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 구리로 이루어지며, 상기 전극 리드는 음극 리드일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 각각의 대향하는 면은 서로 반대 방향으로 테이퍼진 경사면 형태를 가질 수 있다.
대안적으로, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 각각의 대향하는 면은 금속 브릿지를 향하는 방향으로 볼록하게 돌출된 형태를 가질 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 전극 리드를 사용하여 제작된 이차전지에 의해서도 달성 가능하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극 탭 및 음극 탭을 구비하는 전극 조립체; 및 상기 양극 탭 및 음극 탭과 각각 결합하는 양극 리드 및 음극 리드를 포함하는 것으로서, 상기 양극 리드 및 음극 리드 중 적어도 어느 하나로서 본 발명에 따른 상기 전극 리드가 적용된다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 구리로 이루어지며, 상기 코팅 층은 니켈로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전극 리드는 음극 리드일 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 이차전지는 상기 양극 리드 및 음극 리드가 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 이차전지는 상기 전극 리드에 부착되는 절연 테이프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 이차전지는 상기 케이스 내에 충진되는 전해질을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 부품은, 이차전지 모듈의 버스 바, 복수의 이차전지 모듈 사이를 연결하는 커넥팅 바 및 복수의 이차전지 팩 사이를 연결하는 커넥팅 바 중 적어도 어느 하나에 적용되는 것으로서, 간극을 사이에 두고 이격되고 대향하는 단부의 표면을 제외한 나머지 표면에 코팅 층이 형성된 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트; 및 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 융점이 낮은 물질로 이루어지고 상기 단부가 노출되지 않도록 상기 간극에 매립되는 금속 브릿지를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전극 리드를 통해 과전류가 흐를 경우 금속 플레이트 중 금속 브릿지가 형성된 부분이 파단됨으로써 이차전지에 흐르는 과전류가 비가역적으로 차단된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 금속 플레이트에서 금속 브릿지가 차지하는 영역이 작으므로 금속 브릿지의 존재로 인한 저항 증가가 무시할 만한 수준으로 제한되며 부품의 전체적인 사이즈와 형상의 실질적 변화가 수반되지 않는다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 금속 브릿지가 갖는 우수한 기계적 성질 및 금속 플레이트와 금속 브릿지 사이의 넓은 접촉 면적으로 인해 인장 강도가 향상된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 금속 플레이트가 금속 브릿지와 직접 접촉됨으로써 전기전도도의 손실을 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라, 금속 플레이트와 금속 브릿지 사이의 결합력을 증대시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 배터리 모듈과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전극 리드를 나타내는 부분 단면도이다.
도 3 및 도 4는 도 2에 나타난 전극 리드의 변형된 형태를 나타내는 부분 단면도이다.
도 5는 도 2에 나타난 전극 리드를 사용하여 제조된 본 발명에 따른 이차전지를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전극 리드가 적용된 이차전지에 대한 외부 단락 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 전극 리드가 적용된 이차전지에 대한 출력 특성 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 전극 리드가 적용된 이차전지에 대한 저항 특성 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 인장 강도 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전극 리드(10)의 구성을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 전극 리드를 나타내는 부분 단면도이고, 도 3 및 도 4는 도 2에 나타난 전극 리드의 변형된 형태를 나타내는 부분 단면도이다.
먼저 도 2를 참조하면, 상기 전극 리드(10)는 제1 금속 플레이트(11), 제2 금속 플레이트(12), 코팅 층(13) 및 금속 브릿지(14)를 포함한다.
상기 제1 금속 플레이트(11) 및 제2 금속 플레이트(12)는 얇은 판상의 금속으로서 간극을 사이에 두고 동일 평면 상에 나란하게 위치한다. 상기 금속 플레이트(11,12)는 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 재질로 이루어지는 것이 일반적이나 이로써 본 발명의 금속 플레이트(11,12)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기 재질의 종류는 전극 리드(10)가 이차전지의 양극 리드 또는 음극 리드 중 어떤 부품으로 적용되는가에 따라 달라질 수 있다. 즉, 상기 전극 리드(10)는 양극 리드로서 사용되는 경우에는 알루미늄 재질로, 음극 리드로서 사용되는 경우에는 구리 재질로 이루어질 수 있다.
상기 간극의 폭(d)은 금속 브릿지(14)를 통한 전류 경로의 증감과 직접적으로 관련이 있는 것으로서 폭(d)의 증가는 전극 리드(10) 자체의 저항 증가의 요인이 될 수 있다. 따라서, 상기 간극의 폭(d)은 되도록 작게 형성되는 것이 바람직하다. 반면, 상기 간극의 폭(d)이 지나치게 작은 경우에는 금속 브릿지(14)가 용융되더라도 제1 금속 플레이트(11)와 제2 금속 플레이트(12) 사이의 전류 흐름이 차단되지 않을 우려가 있다. 이러한 점을 고려하여 상기 금속 플레이트(11,12) 사이의 간극의 폭(d)은 대략 1 내지 100㎛, 바람직하게는 대략 25 내지 45㎛ 범위로 형성된다.
상기 코팅 층(13)은 금속 플레이트(11,12) 각각의 표면에 형성되어 금속 플레이트(11,12) 표면이 외부로 노출되지 않도록 보호하는 것으로서, 일 예로 니켈(Ni) 재질로 이루어질 수 있다. 상기 코팅 층(13)은 전극 리드(10)가 이차전지에 적용될 때 금속 플레이트(11,12)가 전해질과 직접 접촉하는 것을 방지하고 금속 플레이트(11,12) 표면의 산화를 방지하며 전극 리드(10)의 인장 강도를 향상시킨다. 특히, 상기 코팅 층(13)은 전극 리드(10)가 구리로 이루어진 경우 전극 리드(10)와 전극 리드(10)에 부착되는 절연 테이프 사이의 접착을 용이하게 한다. 상기 절연 테이프에 대해서는 도 5를 참조하여 상세히 후술하기로 한다. 상기 코팅 층(13)의 재질은 상기와 같은 기능을 충족할 수 있는 것이라면 어떠한 물질이라도 선택 가능하다.
상기 코팅 층(13)은 금속 플레이트(11,12)의 표면 중 대향하는 단부의 표면을 제외한 나머지 영역에 형성된다. 여기서, 상기 대향하는 단부의 표면이란 간극의 내측에 위치하는 제1 표면(S1)만을 의미하는 것일 수도 있고, 제1 표면(S1) 뿐만 아니라 제1 표면(S1)으로부터 연장된 면으로서 간극의 외측에 위치하는 제2 표면(S2) 모두를 의미하는 것일 수도 있다.
특히, 상기 대향하는 단부의 표면이 제1 표면(S1) 및 제2 표면(S2)을 모두 포함하는 의미인 경우, 금속 브릿지(14)는 코팅 층(13)이 형성되지 않은 영역을 통해 금속 플레이트(11,12)와 직접 접합됨으로써 전기전도도 및 접합성의 향상을 가져온다.
뿐만 아니라, 이 경우, 상기 금속 브릿지(14)와 코팅 층(13)이 상호 겹쳐지지 않도록 형성됨으로써 금속 플레이트(11,12) 접합부가 브리틀(brittle)해지는 현상을 방지할 수 있다.
즉, 상기 금속 브릿지(14)와 코팅 층(13)이 상호 겹쳐지도록 형성되는 경우에는 코팅 층(13)을 이루는 니켈(Ni) 입자가 금속 브릿지(14)를 이루는 주석(Sn) 입자 사이로 침투함으로써 금속 브릿지(14)가 브리틀(brittle)해지게 되는데, 본 발명에 따른 전극리드(10)는 이러한 현상을 방지할 수 있는 구조를 갖는 것이다.
상기 금속 브릿지(14)는 금속 플레이트(11,12) 사이의 간극에 매립되어 제1 금속 플레이트(11)와 제2 금속 플레이트(12) 사이의 전기적 통로 역할을 한다. 상기 금속 브릿지(14)는 금속 플레이트(11,12)의 표면 중 적어도 코팅 층(13)의 외부로 노출된 영역에 부착됨으로써 금속 플레이트(11,12)가 외부로 노출되지 않도록 한다.
상기 금속 브릿지(14)는 솔더링 공정을 통해 간극 사이에 매립된 구조를 형성할 수 있다. 즉, 상기 금속 플레이트(11,12)의 일측 면 중 간극과 인접한 영역에 금속 브릿지(14)를 형성할 수 있는 솔더 합금 물질로 솔더링 공정을 시행한다. 그러면, 솔더 합금 물질이 용융되면서 모세관 현상에 의해 간극 내로 유입되고 그 결과로 금속 브릿지(14) 구조가 간극 사이에 형성된다. 그 다음, 상기 금속 플레이트(11,12)의 타측 면에 대해서도 동일한 공정을 시행 함으로써 금속 브릿지(14)가 금속 플레이트(11,12) 각각의 대향하는 단부와 접합되도록 한다.
상기 금속 브릿지(14)는 금속 플레이트(11,12)의 융점 보다 낮은 대략 150 내지 300℃의 융점을 가지며, 주석(Sn) 및 구리(Cu)를 주성분으로 포함하되 환경 및 인체에 유해한 납(Pb)을 함유하지 않는 무연 합금으로 이루어진다.
상기 금속 브릿지(14)의 융점 범위는 차단하고자 하는 과전류 레벨을 고려하여 설정한 것이다. 상기 금속 브릿지(14)의 융점이 150℃ 보다 낮으면 전극 리드(10)에 정상적인 전류가 흐르는 경우에도 금속 브릿지(14)가 용융될 수 있다. 일 예로, 상기 전극 리드(10)가 전기 자동차용 이차전지에 사용될 경우, 융점이 150℃ 보다 낮으면 급속 충방전 전류에 의해 금속 브릿지(14)가 용융될 수 있다. 또한, 상기 전극 리드(10)의 융점이 300℃ 보다 높으면 과전류의 차단이 효과적으로 이루어지지 않으므로 금속 브릿지(14)가 적용된 전극 리드(10)를 사용하는 효과가 사실상 없게 된다는 문제점이 있다.
상기 금속 브릿지(10)의 구성 성분 중 주석은 금속 브릿지(14)의 융점과 인장강도 특성에 영향을 미친다. 상기 금속 브릿지(14)가 대략 150 내지 300℃ 범위의 융점을 가지면서도 양호한 인장강도 특성을 갖도록 주석의 함량은 대략 80wt% 이상, 바람직하게는 대략 85 내지 98wt%의 범위에서 조절된다. 상기 구리는 전극 리드(10)의 전기 전도도를 향상시키는 기능을 하며, 이러한 기능을 감안하여 구리의 함량은 대략 2 내지 20wt% 의 범위에서 조절되며, 바람직하게는 대략 4 내지 15wt% 의 범위에서 조절된다. 여기서, 상기 wt% 는 금속 브릿지(14)를 구성하는 물질 전체의 중량을 기준으로 한 단위로서 이하 동일하다.
상술한 바와 같이 주석과 구리의 함량이 적절한 범위를 갖도록 조절함으로써 금속 브릿지(14)의 인장강도를 양호하게 할 수 있을 뿐만 아니라 금속 브릿지(14)에 의한 전극 리드(10)의 저항 증가를 수% 이내로 낮게 억제할 수 있다.
상기 금속 브릿지(14)는 보다 향상된 물성을 갖기 위해 주석과 구리 이외에 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn) 등과 같이 전기 전도도가 좋은 금속을 추가 합금 성분으로 더 포함할 수 있다. 상기 추가 합금 성분의 함량은 물질의 전체 중량 대비 대략 0.01 내지 10wt% 인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 리드(10)는 금속 플레이트(11,12)의 표면, 특히 금속 브릿지(14)가 형성된 영역의 표면이 외부로 노출되지 않으면서도 금속 플레이트(11,12) 각각의 대향하는 단부에는 코팅 층(13)이 형성되지 않는 구조를 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 전극 리드(10)는 금속 플레이트(11,12)가 전해액과 접촉하여 부반응을 일으키는 것을 방지하고 금속 플레이트(11,12)의 연결 부위에서 전기 저항을 낮게 유지하면서도 높은 인장 강도를 유지한다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 상기 금속 플레이트(11,12)의 대향하는 단부는 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이에 따라 금속 브릿지(14) 역시 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 3에 나타난 구조는 도 2에 나타난 구조와 비교할 때, 금속 플레이트(11,12) 각각의 제1 표면(S1)이 서로 반대 방향으로 테이퍼 진 경사면의 형태를 갖는다는 점이 다르다. 도 4에 나타난 구조는 도 2에 나타난 구조와 비교할 때, 금속 플레이트(11,12) 각각의 제1 표면(S1)이 금속 브릿지(14) 방향으로 대략 볼록하게 돌출된 형태를 갖는다는 점이 다르다.
도 3 및 도 4에 나타난 구조는 도 2에 나타난 구조와 비교하여 금속 브릿지(14)와 금속 플레이트(11,12) 사이의 접촉 면적이 더 넓어짐으로써 금속 플레이트(11,12)와 금속 브릿지(14) 사이의 결합력이 강화되는 효과 뿐만 아니라, 접촉 저항의 감소 효과 역시 갖는다.
본 발명에서는 도 2 내지 도 4에 도시된 구조를 예로 들어 상기 금속 플레이트(11,12)의 대향하는 단부의 형상을 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 단부의 형상은 제1 표면(S1)이 서로 동일한 방향으로 테이퍼진 경사면 형태인 경우, 금속 플레이트(11,12)의 내측 방향으로 오목한 형태인 경우 또는 산과 골이 반복되는 형상인 경우 등과 같이 다양한 형상을 가질 수 있음은 자명한 것이다.
다음은, 도 5를 참조하여 상술한 전극 리드를 사용하여 제조된 본 발명에 따른 이차전지(20)를 설명하기로 한다.
도 5는 도 2에 나타난 전극 리드를 사용하여 제조된 본 발명에 따른 이차전지를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지(20)는 양극 리드(21), 음극 리드(22), 전극 조립체(23), 케이스(24) 및 절연 테이프(25)를 포함한다.
상기 양극 리드(21) 및 음극 리드(22)는 본 발명에 따른 전극 리드(10)와 실질적으로 동일한 구조를 가진다. 즉, 상기 양극 리드(21) 및 음극 리드(22)는 2개의 금속 플레이트가 금속 브릿지에 의해 연결된 구조를 가진다.
한편, 도면에서 도시된 것과는 달리, 본 발명에 따른 전극 리드(10) 구조는 양극 리드(21)와 음극 리드(22) 중 어느 하나에만 적용되는 경우도 가능하다. 본 발명에 따른 전극 리드(10) 구조가 양극 리드(21) 또는 음극 리드(22) 중 어느 하나에만 적용되는 경우라면 음극 리드(22)에 적용되는 것이 더 효과적이다. 이는 일반적으로 이차전지(20)의 음극에서의 발열량이 양극에서의 발열량보다 크기 때문이다.
상기 전극 조립체(23)는 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 구조를 갖는 적어도 하나의 단위 셀을 포함하고, 인접하는 단위 셀 사이에는 단위 셀 상호간의 전기적 연결을 차단하는 절연막이 개재된다. 상기 양극은 양극 집전체의 적어도 일 면에 양극 활물질이 코팅된 구조를 가지며, 상기 음극은 음극 집전체의 적어도 일 면에 음극 활물질이 코팅된 구조를 갖는다.
상기 전극 조립체(23)는 각각의 양극 및 음극으로부터 연장된 다수의 양극 탭(23a) 및 음극 탭(23b)을 구비한다. 다수의 양극 탭(23a) 및 음극 탭(23b)은 1차 용접을 통해 하나로 결집된 후 2차 용접을 통해 각각 양극 리드(21) 및 음극 리드(22)에 접합된다.
한편, 도면에 도시된 것과는 달리 양극 탭(23a) 및 음극 탭(23b)은 전극 조립체(23)로부터 동일한 방향으로 연장될 수 있으며, 이에 따라 양극 리드(21) 및 음극 리드(22) 역시 동일한 방향으로 연장되는 경우도 가능함은 자명한 것이다.
상기 케이스(24)는 전극 조립체(23)의 외면과 대향하는 내측면에 열 접착층이 형성된 알루미늄 파우치 필름으로 이루어진다. 상기 케이스(24)는 전극 조립체(23)를 수용한 채로 가장 자리를 따라 열융착 됨으로써 밀봉된다. 상기 밀봉된 케이스(24) 내에는 이차전지(20)의 종류에 따라 액체, 고체 또는 겔형 등의 전해질이 충진된다.
상기 절연 테이프(25)는 전극 리드(21,22)에 부착되는 것으로서 전극 리드(21,22)와 케이스(24) 사이에 개재된다. 상기 절연 테이프(25)는 전극 리드(21,22)와 케이스(24)의 금속 층 사이에서 단락이 발생하는 것을 방지할 뿐만 아니라 전극 리드(21,22)와 케이스(24) 사이의 접합력을 향상시킨다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 이차전지(20)는 양극 리드(21) 및/또는 음극 리드(22)로서 본 발명에 따른 파단 구조를 갖는 전극 리드(10)를 채용함으로써 이차전지로서의 성능을 유지하면서도 단락에 의한 과전류를 효과적으로 차단한다.
상기 전극 리드(10) 및 이차전지(20)의 우수한 성능은 실험 예에 따라 도출된 도 6 내지 도 9에 도시된 그래프에 나타난다.
도 6 내지 도 8은 각각 본 발명에 따른 전극 리드가 음극 리드로서 적용된 이차전지에 대한 외부 단락 실험 결과, 출력 특성 실험 결과 및 저항 특성 실험 결과를 나타내는 그래프이고, 도 9는 본 발명에 따른 전극 리드에 대한 인장 강도 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
실시 예에 따른 이차전지(20)에 적용된 음극 리드(22)로는 도 2에 도시된 전극 리드(10)가 사용되었다. 구체적으로, 상기 전극 리드(10)는 니켈 코팅 층(13)이 형성된 0.3mm 두께의 구리 플레이트(11,12) 및 89wt% 의 주석과 10wt% 의 구리와 1wt% 의 니켈을 함유하는 금속 브릿지(14)가 적용된 것으로서, 간극의 폭(d)은 35㎛, 금속 브릿지의 최대 폭(W1)은 6㎛, 코팅 층(13)의 끝단 사이의 거리(W2)는 4.5㎛ 인 것이 사용되었다.
반면, 비교 예에 따른 이차전지에 적용된 음극 리드는 금속 브릿지(14)가 없고 구리 플레이트의 표면 전체에 니켈 코팅 층이 형성되었다는 점을 제외하고는 실시 예에 따른 이차전지에 적용된 전극 리드(10)와 동일한 것이 사용되었다.
도 6에 나타난 외부 단락 실험 결과를 참조하면, 상기 이차전지(20)는 외부 단락에 의한 과전류(1170A)가 흘렀을 때 이차전지(20)의 온도가 실질적으로 상승하지 않은 상태에서 전극 리드(10)가 수초 내에 확실하게 파단 됨으로써 이차전지(20)가 과열되는 현상이 발생되지 않았다. 아울러, 도 7 및 도 8에 나타난 출력 및 저항 특성에 대한 실험 결과를 참조하면, 실시예에 따른 이차전지(20)의 SOC(state of charge)에 따른 출력 및 저항 값은 비교예에 다른 이차전지와 비교하여 통상적인 셀의 오차범위에 불과한 2% 이내의 차이를 보였다. 이러한 결과는 상기 금속 플레이트(11,12)의 표면이 외부로 노출되지 않으면서도, 금속 플레이트(11,12) 각각의 대향하는 단부에는 코팅 층(13)이 형성되지 않는 구조에 기인한 것이다.
도 9에 나타난 인장 강도 실험 결과를 참조하면, 상기 전극 리드(10)는 가해진 인장력이 커짐에 따라 점점 늘어나다가 대략 120(lbf)의 인장력이 가해진 시점에 파단 되었다. 이러한 수치는 일반적인 음극 리드보다 큰 수치에 해당하는 것으로서, 금속 브릿지(14)를 이루는 주석-구리 합금의 우수한 기계적 성질 및 구리 플레이트(11,12)와 금속 브릿지(14) 사이의 넓은 접촉 면적에 기인한 것이다.
한편, 도면으로 도시하지는 않았지만, 본 발명에 따른 전극 리드(10)의 구조는 전극 리드(10) 이외에도 이차전지의 전기적 연결을 위한 다양한 부품에 적용될 수 있다. 즉, 상기 전극 리드(10)의 구조는 이차전지 모듈의 배터리 셀과 외부 단자 사이를 연결하는 버스 바에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 복수의 이차전지 모듈 사이 또는 복수의 이차전지 팩 사이를 전기적으로 연결하는 커넥팅 바에도 적용될 수 있음은 자명한 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 전극 리드 11: 제1 금속 플레이트
12: 제2 금속 플레이트 S1: 제1 접촉 면
S2: 제2 접촉 면 13: 코팅 층
14: 금속 브릿지 20: 이차전지
21: 양극 리드 22: 음극 리드
23: 전극 조립체 23a: 양극 탭
23b: 음극 탭 24: 케이스
25: 절연 테이프

Claims (22)

  1. 이차전지의 양극 리드 또는 음극 리드 중 적어도 어느 하나의 부품으로 적용되는 전극 리드로서,
    간극을 사이에 두고 이격되고 대향하는 단부의 표면을 제외한 나머지 표면에 코팅 층이 형성된 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트; 및
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 융점이 낮은 물질로 이루어지고 상기 단부가 노출되지 않도록 상기 간극에 매립되는 금속 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단부의 표면은,
    상기 간극의 내측에 위치하는 제1 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단부의 표면은,
    상기 제1 표면으로부터 연장된 면으로서 상기 간극의 외측에 위치하는 제2 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는,
    동일 평면 상에 나란하게 위치하는 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는,
    알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 코팅 층은 니켈(Ni)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 브릿지는 주석(Sn)과 구리(Cu)를 함유하는 무연 합금인 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 주석의 함량은 80 내지 98wt% 이며,
    상기 구리의 함량은 2 내지 20wt% 인 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속 브릿지는 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 은(Ag) 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 추가 금속의 함량은 0.01 내지 10wt% 인 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 금속 브릿지는 150 내지 300℃의 용융점을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 간극은 25 내지 45㎛ 인 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 구리로 이루어지며,
    상기 전극 리드는 상기 음극 리드인 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 각각의 대향하는 면은 서로 반대 방향으로 테이퍼진 경사면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트 각각의 대향하는 면은 금속 브릿지를 향하는 방향으로 볼록하게 돌출된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전극 리드.
  16. 양극 탭 및 음극 탭을 구비하는 전극 조립체; 및
    상기 양극 탭 및 음극 탭과 각각 결합하는 양극 리드 및 음극 리드를 포함하는 이차전지에 있어서,
    상기 양극 리드 및 음극 리드 중 적어도 어느 하나로서 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 전극 리드가 적용되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 구리로 이루어지며,
    상기 코팅 층은 니켈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 전극 리드는 상기 음극 리드인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 양극 리드 및 음극 리드가 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 전극 리드에 부착되는 절연 테이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 케이스 내에 충진되는 전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  22. 이차전지 모듈의 버스 바, 복수의 이차전지 모듈 사이를 연결하는 커넥팅 바 및 복수의 이차전지 팩 사이를 연결하는 커넥팅 바 중 적어도 어느 하나에 적용되는 이차전지용 부품으로서,
    간극을 사이에 두고 이격되고 대향하는 단부의 표면을 제외한 나머지 표면에 코팅 층이 형성된 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트; 및
    상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 융점이 낮은 물질로 이루어지고 상기 단부가 노출되지 않도록 상기 간극에 매립되는 금속 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
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