KR101488058B1 - 안전성이 향상된 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 이차전지, 전지모듈 및 전지 팩에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 발포제를 포함하는 파우치를 1 이상 구비함으로써, 이차전지 등의 기타 이상 거동으로 인한, 전지 내부의 급격한 온도 상승을 막을 수 있어 안전성이 향상된 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지 등은 또한, 전도성 침상 물체가 이차전지 등의 내부로 관통되는 경우, 발포체의 팽창에 의하여 전도성 침상 물체와 전극조립체, 전해액 등과 접촉을 막음으로써 과도한 전류의 흐름을 저지하여 국부적인 에너지 집중에 따른 온도의 상승 및 이로 인한 발화 또는 폭발의 위험을 낮출 수 있다.

Description

안전성이 향상된 이차전지 {SECONDARY BATTERY HAVING IMPROVED SAFETY}
본 발명은 안전성이 향상된 이차전지에 대한 것으로, 보다 구체적으로는, 발포제를 포함하는 파우치(pouch)를 1 이상 구비한 이차전지에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC 등 적용분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목받고 있는 분야이고, 그 중에서도 충·방전이 가능한 리튬 이차전지의 개발은 관심의 초점이 되고 있다.
특히, 리튬 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
상기 전기 자동자(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 사용되는 중대형 전지 팩은 소정의 장치에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위하여 다수의 리튬 단위전지들을 직렬 방식으로 전기적 연결하여야 하며, 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
이러한 중대형 전지 팩에 포함되는 다수의 리튬 단위전지는 다른 전지에 비해서 고출력의 장점이 있는 반면, 안전성에 취약한 단점이 있으며, 상기 중대형 전지 팩에 다수의 리튬 단위전지를 포함하는 경우 그 안정성의 문제는 더욱 심각해진다.
따라서, 상기 리튬 단위전지의 안전성을 향상시키기 위해서 배터리 내부에 과충전, 과방전, 고온 방치 등의 이상 현상 발생시 배터리 본체가 부풀어 오르고, 강제로 전해액을 방출시키는 방법이 알려져 있다.
또한, 배터리를 연결한 전지 팩의 제어 PTC(Positive-Temperature Coefficient thermistor) 회로에서 상기와 같은 위험에 대해 전지를 보호하는 기능에 대한 발명이 알려져 있다.
하지만, 이와 같은 종래 기술들에도 불구하고 여전히 리튬 이차전지의 오작동의 문제가 남아 있고, 상기 PTC 회로의 경우, 이차전지의 이상 거동시 PTC 회로도 오작동할 확률이 더욱 커져, 단위전지 또는 중대형 전지 팩을 폭발, 발화 등 위험상황에서 충분한 보호할 능력을 기대하는 것이 어렵다.
또한, 종래 원통형 전지의 경우, CID(Current Interrupt Device)를 이용해서 전지의 이상 거동시 전지 내부의 압력이 높아져 전지가 팽창하는 힘을 이용해서 CID를 작동시키고 이로 인해 전류를 차단하는 장치가 있으나, 상기와 같은 고출력 및 대용량의 중대형 전지 팩에 안정성을 보장하기에는 모두 역부족이며, 상기 리튬 단위전지 또는 중대형 전지 팩의 위험상황에 대해 보다 빠르고 민감하게 작동할 안전장치 등의 필요성이 대두 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따른 이차전지는 발포제를 포함하는 파우치(pouch)를 1 이상 구비함으로써, 침상 물체가 이차전지를 관통하거나, 기타 이상 거동에 의하여 이차전지 내부 온도가 급격히 상승할 때, 보다 원천적으로 전지의 안전성을 향상시키고 위험상황에 빠르게 대응할 수 있다.
이러한 원리는 이차전지를 다수 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩까지 확장될 수 있다.
본 발명은 발포제를 포함하는 파우치(pouch)를 1 이상 구비한 이차전지를 제공한다.
상기 발포제를 포함하는 파우치는 전극 조립체의 넓은 표면; 또는 이차전지 외장재의 넓은 표면; 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 구비될 수 있다.
상기 발포제는 80~150℃의 온도에서 분해되어 다량의 가스를 방출하는 물질을 사용할 수 있으며, 구체적으로 탄산염(carbonate salt), 설포닐히드라지드(sulfonyl hydrazide) 화합물, 카바지드(carbazide)계 화합물 및 아조(azo) 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로 상기 발포제는 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 탄산리튬, 탄산암모늄, 벤젠설포닐히드라지드, 톨루엔설포닐히드라지드, 세미카바지드, 카바지드, 아조비스포름아미드, 아조비스이소부티로니트릴 및 디아조아미노벤젠으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발포제는 그 자체로 순수하게 파우치에 포함되거나, 고분자 수지와 혼합하여 발포제 함유 고분자 수지로 사용하거나, 용매와 혼합하여 발포제/용매 혼합용액으로 사용하거나, 발포제 함유 고분자 수지를 용매에 혼합하여 발포제 함유 고분자 수지/용매 혼합용액으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고분자 수지로는 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리이미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발포제가 고분자 수지에 함유되는 비율은, 발포제 함유 고분자 100중량% 기준 발포제의 비율이 10 내지 90 중량%인 것이 적당하다.
상기 발포제가 고분자 수지에 함유되어 파우치에 포함되는 형태는 파우치의 내측 면에 발포제 함유 고분자 수지가 코팅되는 형태, 발포제 함유 고분자 수지가 과립형으로 포함되는 형태, 발포제 함유 고분자 수지가 파우치 전체에 포함되는 형태 중 어느 한 형태로 포함하는 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발포제와 혼합되는 용매는 N-메틸 피롤리돈, 아세톤, 디메틸 아세트아마이드, 디메틸 포름알데하이드, 물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발포제가 용매와 혼합되는 비율는 발포제와 용매의 혼합 용액 100중량% 기준 발포제의 비율이 10 내지 90 중량%인 것이 적당하다.
상기 발포제를 포함할 파우치는 알루미늄의 심부, 상기 심부의 상부면 상에 형성된 변성 폴리프로필렌의 열융착층 및 상기 심부의 하부면 상에 형성된 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 절연막으로 이루어지는 파우치;
변성 폴리프로필렌의 열융착층으로 이루어지는 파우치;
알루미늄의 심부, 상기 심부의 상부면 상에 형성된 변성 폴리프로필렌의 열융착층으로 이루어지는 파우치; 및
변성 폴리프로필렌의 열융착층 및 상기 열융착층의 하부면 상에 형성된 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 절연막으로 이루어지는 파우치;
로부터 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 파우치를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지를 포함하는 전지모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 다수의 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하여 포함하는 전지모듈에 있어서, 그 전지모듈의 내부 및/또는 외부에 발포제를 포함하는 파우치(pouch)를 1 이상 구비한 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.
상기 단위전지는 앞서 설명한 발포제를 포함한 파우치를 1 이상 구비한 이차전지를 사용할 수 있다.
상기 발포제를 포함하는 파우치는 전지모듈 외장재의 넓은 표면에 구비되거나, 단위전지와 동일한 사이즈로 제작되어 어느 하나의 단위전지를 대신하여 삽입되거나, 직렬 또는 병렬 연결되는 다수의 단위전지 사이에 구비될 수 있으나, 발포제를 포함하는 파우치의 구비되는 위치는 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 더 나아가, 상기 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
상기 전지 팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이차전지는 발포제를 포함하는 파우치(pouch)를 1 이상 구비함으로써, 기타 이상 거동에 의한 전지 내부의 온도가 상승하는 경우, 파우치 내의 발포제가 기체를 발생시켜 파우치를 팽창시키며, 전체적으로 이차전지의 부피가 팽창되어 이차전지 내부의 온도 상승을 억제하고, 발포제가 기체를 발생시키는 과정에서 흡열반응이 일어나므로 온도 하강의 효과를 더욱 촉진시킨다.
또한, 상기 파우치에 포함되는 발포제를 고분자 수지와 함께 사용하여, 발포제 함유 고분자 수지로 파우치에 포함하면, 전도성 침상 물체 등이 이차전지 등을 관통할 경우, 발포제에 의하여 발생된 기체가 고분자 수지 사이를 채우면서 발포제 함유 고분자 수지가 팽창하며, 이러한 팽창된 발포제 함유 고분자 수지가 전도성 침상 물체의 주변을 감싸게 되고, 이로써 전도성 침상 물체와 전극 조립체 등이 접촉되지 아니하여, 과도한 전류의 흐름을 저지하고, 국부적인 에너지 집중에 따른 온도의 상승 및 발화 등을 억제함으로써 이차 전지의 안전성을 보다 원천적으로 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지가 전도성 침상 물체에 의하여 관통되는 경우 발포제의 거동에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포제를 포함하는 파우치를 이차전지 내부에 구비한 경우의 개략적인 단면도이다.
도 3는 본 발명의 다른 일 실시예로서 발포제를 포함하는 파우치를 이차전지 외장재의 넓은 표면에 구비한 경우의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포제를 포함하는 파우치를 전지모듈 외장재 넓은 표면에 구비한 경우의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예로서 단위전지를 대신하여 발포제를 포함하는 파우치가 삽입된 경우에 대한 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예로서 단위전지 사이에 발포제를 포함하는 파우치가 구비된 경우에 대한 개략적인 단면도이다.
도 7은 실시예 및 비교예에 따른 이차전지를 못에 의하여 관통시킨 후 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 및 비교예에 따른 이차전지를 못에 의하여 관통시킨 후 시간에 따른 전류 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 발포제를 포함하는 파우치(pouch)를 1 이상 구비하는 이차전지에 관한 것이다.
이와 같은 발포제는 전지의 이상거동에 의한 내부 온도 상승시 빠르게 가스를 배출하여 부풀어 오르는 작용으로써 전지 내부의 공간을 팽창시켜 전지 내부의 온도 상승을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발포제를 포함한 파우치가 구비된 이차전지는 전도성 침상 물체에 의하여 침입 혹은 관통되는 상황에서도 안정성을 향상시킨다.
구체적으로, 도 1은 전도성 침상 물체(40)가 이차전지(10)를 관통한 일례를 보인 것으로, 고분자 수지 등에 함유된 발포제가 기체를 빠르게 방출하여 발포제 함유 고분자 수지(30)는 짧은 시간 동안 팽창하게 되고 전도성 침상 물체(40)의 표면을 감싸므로 전도성 침상 물체(40)와 단위 전지(102) 또는 전해액 등이 접촉되는 것을 방지하여 과도한 전류의 흐름으로 인한 단락이나 발화, 폭발과 같은 문제 발생을 효과적으로 저지할 수 있다.
본 발명에 따른 발포제는 특정 온도 범위에서 순간적으로 분해되어 산소 이외의 가스를 다량 방출할 수 있는 것으로, 상기 발포제가 분해되어 다량의 가스를 방출하는 온도로는 소자의 정상 작동 온도보다 높고, 소자 내 산소가 발생하는 온도보다 낮은 온도 범위가 바람직하다. 일례로 전지 내 구비된 전해액의 분해 반응이 일어나는 온도와 양극 분해 반응에 의한 산소의 발생 시점 등을 고려하여 상기 온도는 약 80℃ 내지 150℃ 범위가 바람직하다.
본 발명에 사용되는 상기 발포제는 상기 온도 범위에서 반응하여 가스를 방출하는 것이라면 특별한 제한이 없이 사용될 수 있으며, 비제한적 예로,
탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 탄산리튬 또는 탄산암모늄 등의 탄산염(carbornate salt);
벤젠설포닐히드라지드 또는 톨루엔설포닐히드라지드 등의 설포닐히드라지드(sulfonyl hydrazide) 화합물;
세미카바지드 또는 카바지드 등의 카바지드(carbazide)계 화합물; 및
아조비스포름아미드, 아조비스이소부티로니트릴 또는 디아조아미노벤젠 등의 아조(azo) 화합물; 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 발포제는, 그 자체로 순수하게 사용하거나, 고분자 수지와 혼합하여 발포제 함유 고분자 수지로 사용하거나, 용매와 혼합하여 발포제/용매 혼합용액으로 사용하거나, 발포제 함유 고분자 수지를 용매 등에 혼합하여 발포제 함유 고분자 수지/용매 혼합용액으로 사용하는 등 다양한 방식으로 파우치에 포함하여 사용할 수 있다.
상기 고분자 수지는 특별한 제한이 없이 공지의 고분자 수지를 사용할 수 있다. 비제한적 예로, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌 (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌 (polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 폴리에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드 (polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란 (cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스 (cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔공중합체 (acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer), 폴리이미드(polyimide) 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.
상기 발포제 함유 고분자 수지에서 발포제가 고분자 수지에 함유되는 비율은, 발포제 함유 고분자 100중량% 기준 발포제의 비율이 10 내지 95 중량%인 것이 적당하며, 특히 50 내지 95 중량% 범위인 것이 고분자 내의 발포제 형상을 안정적으로 유지시킬 수 있어 바람직하다. 상기 발포제 함유 고분자 수지를 파우치에 포함하는 형태는 당 업계에서 발포제를 포함하는 형태에 따라 다양하게 포함할 수 있으며, 구체적인 예로 파우치의 내측면에 발포제 함유 고분자 수지가 코팅되는 형태, 발포제 함유 고분자 수지가 과립형으로 포함되는 형태, 발포제 함유 고분자 수지가 파우치 전체에 포함되는 형태 중 어느 한 형태로 포함되는 것 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발포제를 용매와 혼합하여 발포제/용매 혼합용액으로 사용함에 있어서, 사용되는 용매로는 당 업계에서 사용되는 통상적인 용매가 모두 사용 가능하며, 특히 용매 건조에 의해 발포제의 열 분해가 발생하지 않도록 상기 발포제의 열 분해온도보다 낮은 비등점을 갖는 용매가 바람직하다. 상기 용매의 비제한적인 예를 들면, N-메틸 피롤리돈, 아세톤, 디메틸아세트아마이드, 또는 디메틸포름알데하이드 등의 유기용매, 물 등의 무기 용매 또는 이들의 혼합물 등이 있다.
상기 발포제가 용매와 혼합되는 비율은 발포제/용매 혼합용액 100중량% 기준 발포제의 비율이 10 내지 90 중량%인 것이 적당하며, 특히 50 내지 95 중량% 범위인 것이 이차전지의 온도를 효과적으로 내릴 수 있어 바람직하다.
본 발명에 따른 이차전지에 구비되는 발포제는 파우치(pouch)에 포함되어, 이차전지에 구비됨으로써 전지의 정상 작동시에는 전극 활물질이나 전해액과의 부반응으로 인한 전지의 용량저하, 수명 단축과 같은 문제점을 유발하지 않는다.
상기 파우치(pouch)는 이차전지의 외장재로 사용되는 공지의 파우치(pouch)를 사용하는 것이 가능하며, 구체적으로 심부와 상기 심부의 상부면 상에 형성된 열융착층과 상기 심부의 하부면 상에 형성된 절연막 층으로 이루어질 수 있으며, 각 구성은 당 업계에 알려진 구성을 사용할 수 있다. 예로, 상기 심부는 알루미늄(Al), 상기 열융착층은 변성 폴리프로필렌, 상기 절연막층은 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 어느 하나로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 이차전지의 외장재로 사용되는 파우치와는 달리 본 발명의 발포제를 포함하기 위한 파우치는 수분이 통과하지 못하도록 하기 위한 심부나 전극 조립체와 심부 사이에 전기적 단락을 막기 위한 절연막층을 필수적으로 포함할 필요가 없다. 따라서, 상기 발포제를 포함하는 파우치(pouch)는 열융착층 만을 포함하고 있는 것을 사용하여도 무방하다.
따라서, 변성 폴리프로필렌의 열융착층으로 이루어지는 파우치;
알루미늄의 심부, 상기 심부의 상부면 상에 형성된 변성 폴리프로필렌의 열융착층으로 이루어지는 파우치; 및
변성 폴리프로필렌의 열융착층 및 상기 열융착층의 하부면 상에 형성된 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 절연막으로 이루어지는 파우치; 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 파우치를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발포제를 포함하는 파우치의 크기는 이를 구비하는 이차전지에 따라 달라진다. 보다 상세하게, 상기 발포제를 포함하는 파우치의 크기는 전극 조립체의 넓은 표면 또는 이차전지 외장재의 넓은 외측표면의 크기와 동일하게 제조하는 것이 바람직하며, 상기와 같이 넓은 면적을 갖는 발포제를 포함하는 파우치의 경우 전지의 이상 거동으로 인한 온도 상승시, 그 온도 상승을 억제하는 효과가 크며, 넓은 면적으로 외부충격으로부터 전지를 보호할 수 있는 효과가 커진다.
또한, 본 발명은 다수의 단위전지를 직렬 또는 병렬 연결하여 포함하는 전지모듈에 있어서, 그 전지모듈의 내부 및/또는 외부에 발포제를 포함하는 파우치(pouch)를 1 이상 구비한 전지 모듈을 제공한다.
즉, 본 발명에 의하여 제공되는 전지모듈은 ⅰ) 상기 전지모듈에 포함되는 단위전지는 발포제를 포함하는 파우치를 구비하지 아니하나, 전지모듈 단위에서 발포제를 포함하는 파우치를 구비한 전지모듈; ⅱ) 상기 전지모듈에 포함되는 단위전지는 발포제를 포함하는 파우치를 구비하나, 전지모듈 단위에서는 발포제를 포함하는 파우치를 구비하지 아니한 전지모듈; 또는 ⅲ) 상기 전지모듈에 포함되는 단위전지뿐만 아니라 전지모듈 단위에서도 발포제를 포함하는 파우치를 구비한 전지모듈 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 전지모듈에 1 이상의 발포제를 포함하는 파우치가 구비되는 위치 및 수량은 전지모듈의 용도 및 용량 등을 고려하여 바람직한 부피, 무게 등에 따라 조절할 수 있음은 물론이다.
구체적으로 앞서 설명한 단위전지 및 전지 모듈에서 발포제를 포함하는 파우치가 구비되는 위치를 도면을 참조하여 설명하나, 하기 예로 그 위치가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예로, 도 2를 참조하면 발포제를 포함하는 파우치(1)는 단위전지(102)의 넓은 표면에 놓이고, 상기 발포제를 포함하는 파우치(1)는 단위전지(102)와 함께 이차전지 외장재(101)로 포장될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로, 도 3을 참조하면 발포제를 포함하는 파우치(1)는 이차전지의 외장재(101) 표면에 구비될 수 있다. 상기 발포제를 포함하는 파우치(1)가 구비되는 이차전지 외장재(101) 표면은 특별히 한정하지 아니하나, 바람직하게는 도 3과 같이 이차전지 외장재(101)의 넓은 표면에 구비될 수 있고, 발포제를 포함하는 파우치(1)의 크기가 이차전지 외장재(101)의 넓은 표면과 동일한 크기일 경우, 외부의 충격으로부터 이차전지를 보호할 수 있는 효과가 크며, 이차전지의 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.
다수의 단위전지(102)를 포함하는 전지모듈(20)에서도 이차전지(10)에서와 마찬가지로 전지모듈(20)을 효과적으로 보호할 수 있는 위치에 발포제를 포함하는 파우치(1)를 구비한다.
본 발명의 일 실시예로, 도 4를 참조하면 전지모듈 외장재(201)의 넓은 표면에 발포제를 포함하는 파우치(1)를 구비할 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면 상기 전지모듈에 포함되는 단위전지와 동일한 크기로 제작된 발포제를 포함하는 파우치(1)를 단위전지를 대신하여 어느 하나 이상의 위치에 삽입한 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로 도 6을 참조하면 상기 전지모듈은 직렬 또는 병렬 연결되는 다수의 단위전지 사이에 발포제를 포함하는 파우치를 구비한 것일 것 수 있다.
본 발명은 더 나아가, 상기 전지모듈을 다수 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등의 전기차; 이-바이크(E-bike) 또는 이-스쿠터(E-scooter) 등의 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차 등의 중대형 디바이스 전원으로 사용 가능하다.
이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 . 발포제 그 자체를 포함하는 파우치를 구비한 이차전지
발포제로 벤젠설포닐히드라지드 분말 100g을 파우치에 투입하여 열융착하여 발포제를 포함하는 파우치를 제조하였다.
상기 발포제를 포함하는 파우치는 이차전지의 외장재의 넓은 표면과 동일한 면적으로 준비하였다. 상기 준비한 발포제를 포함하는 파우치를 이차전지 외장재의 넓은 표면에 접착제를 이용하여 부착하였다.
비교예 . 종래 이차전지의 제조
발포제를 포함하는 파우치를 구비하지 아니한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 이차전지를 준비하였다.
실험예 1. 못( Nail ) 관통시 온도측정 시험
실시예 및 비교예에 따른 이차전지를 만 충전시킨 후 직경 2.5mm의 못(nail)에 의하여 관통시켜 시간에 따른 온도 변화를 측정하였고, 시간에 따른 온도 변화를 도 7에 그래프로 나타내었으며, 실시예 및 비교예에 따른 이차전지를 못(nail)으로 관통 후 3~4초 후의 온도를 표 1에 나타내었다.
실험예 2. 못( Nail ) 관통시 방전 용량 측정 시험
실시예 및 비교예에 따른 이차전지를 만 충전시킨 후 직경 2.5mm의 못(nail)에 의하여 관통시켜 시간에 따른 전류를 측정하였고, 시간에 따른 온도 변화를 도 8에 그래프로 나타내었으며, 실시예 및 비교예에 따른 이차전지를 못(nail)으로 관통 후 125초 후의 전류를 표 1에 나타내었다.
실시예 비교예

3~4초 후 온도
25~27℃
200~241℃

125초 후 전류
0~5 A
60~70 A
상기 표에서도 알 수 있다시피 실시예에 따른 이차전지는 발포제를 포함하는 파우치를 구비하여 전도성 침상 물체에 의하여 관통되더라도 온도의 상승 작용이 더딘 것을 확인할 수 있었으며, 발포제를 포함하는 파우치를 구비하지 않은 비교예에 따른 이차전지의 경우 못에 의하여 관통 후, 순간적으로 200℃가 넘는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예에 따른 이차전지는 못에 의한 관통 후 전류가 급격히 떨어지며, 방전 용량이 낮아져 과도한 전류의 흐름으로 인한 발화, 폭발과 같은 위험이 적으나, 비교예에 따른 이차전지는 못에 의한 관통 후에도 50A 안팎의 전류가 흐르며 따라서, 과도한 전류의 흐름으로 인한 발화, 폭발 등의 위험이 존재함을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 실험으로 인하여 본 발명의 이차전지에 발포제를 포함하는 파우치를 구비하는 것이 이차전지의 안정성 향상 면에서 대단히 큰 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석 되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1. 발포제를 포함하는 파우치
10. 이차전지
101. 이차전지의 외장재
102. 단위전지
20. 전지모듈
201. 전지모듈 외장재
30. 팽창된 발포제 함유 고분자 수지
40. 전도성 침상 물체

Claims (20)

  1. 전극조립체 및 상기 전극조립체를 수용하는 외장재를 포함하는 이차전지로서,
    내부에 발포제를 포함하는 파우치(pouch)가 상기 이차전지의 내부 및 외부 중에서 선택되는 하나 이상에 1 이상 구비되고,
    상기 내부에 발포제를 포함하는 파우치는 전극 조립체의 넓은 표면; 또는 이차전지 외장재의 넓은 표면; 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 발포제는 80~150℃의 온도에서 분해되어 다량의 가스를 방출하는 물질인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발포제는 탄산염(carbonate salt), 설포닐히드라지드(sulfonyl hydrazide) 화합물, 카바지드(carbazide)계 화합물 및 아조(azo) 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 발포제는 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨, 탄산리튬, 탄산암모늄, 벤젠설포닐히드라지드, 톨루엔설포닐히드라지드, 세미카바지드, 카바지드, 아조비스포름아미드, 아조비스이소부티로니트릴 및 디아조아미노벤젠으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 발포제는 그 자체로 순수하게 사용하거나, 고분자 수지와 혼합하여 발포제 함유 고분자 수지로 사용하거나, 용매와 혼합하여 발포제/용매 혼합용액으로 사용하거나, 발포제 함유 고분자 수지를 용매에 혼합하여 발포제 함유 고분자 수지/용매 혼합용액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리이미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 발포제 함유 고분자 수지의 발포제 비율은, 발포제 함유 고분자 100중량% 기준 10 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 발포제 함유 고분자 수지가 파우치에 포함되는 형태는,
    파우치의 내측면에 발포제 함유 고분자 수지가 코팅되는 형태,
    발포제 함유 고분자 수지가 과립형으로 포함되는 형태, 및
    발포제 함유 고분자 수지가 파우치 전체에 포함되는 형태로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 형태로 포함되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 용매는 N-메틸 피롤리돈, 아세톤, 디메틸 아세트아마이드, 디메틸 포름알데하이드, 물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 발포제/용매 혼합 용액의 발포제 비율은 발포제/용매 혼합 용액 100중량% 기준 10 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 파우치는 알루미늄의 심부, 상기 심부의 상부면 상에 형성된 변성 폴리프로필렌의 열융착층 및 상기 심부의 하부면 상에 형성된 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 절연막으로 이루어지는 파우치;
    변성 폴리프로필렌의 열융착층으로 이루어지는 파우치;
    알루미늄의 심부, 상기 심부의 상부면 상에 형성된 변성 폴리프로필렌의 열융착층으로 이루어지는 파우치; 및
    변성 폴리프로필렌의 열융착층 및 상기 열융착층의 하부면 상에 형성된 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 절연막으로 이루어지는 파우치;
    로부터 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 파우치인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1항 및 제 3항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 이차전지를 포함하는 전지모듈.
  14. 직렬 또는 병렬 연결된 다수의 단위전지 및 상기 다수의 단위전지를 수용하는 외장재를 포함하는 전지모듈에 있어서, 상기 전지모듈의 내부 및 외부 중에서 선택되는 하나 이상에, 내부에 발포제를 포함하는 파우치를 1 이상 구비한 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 단위전지는 제1항 및 제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 발포제를 포함하는 파우치는 전지모듈 외장재의 넓은 표면에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 발포제를 포함하는 파우치는 단위전지와 동일한 사이즈로 제작되어 어느 하나의 단위전지를 대신하여 삽입되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 발포제를 포함하는 파우치는 직렬 또는 병렬 연결되는 다수의 단위전지 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 14항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 전지 팩은 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
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