KR101608694B1 - 2차 전지용 과충전 방지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2차 전지용 과충전 방지 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 2차 전지에서 과충전 시 가스 발생으로 인해 전지가 팽윤되는 현상을 이용하여, 전지 사이에 발생되는 수평 방향의 힘에 의해 파손됨으로써 물리적으로 전기를 단락시키는 구조물이 구비되는 2차 전지용 과충전 방지 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 2차 전지용 과충전 방지 장치는, 각각 음극(1), 양극(2) 및 전해질(3)을 포함하여 이루어지며 서로 소정 거리 이격되어 배치되는 다수 개의 셀(10)을 포함하여 이루어지는 2차 전지의 과충전을 방지하는 과충전 방지 장치(100)에 있어서, 상기 2차 전지는, 복수 개의 셀(10)과, 전기적 도체로 형성되며 상기 셀(10)들의 일측에 각각 구비되어 상기 셀(10)들을 서로 전기적으로 연결하는 셀 연결부(20)를 포함하여 이루어지는 단위 전지 팩(200); 상기 단위 전지 팩(200) 내에 구비되되 상기 셀(10)들의 사이에 배치되며, 전기적 도체로 형성되어 상기 셀(10)들을 서로 전기적으로 연결하는 셀 횡단 연결부(30); 를 포함하여 이루어지고, 상기 과충전 방지 장치(100)는, 기계적 작동 메커니즘으로 구동되며, 상기 셀(10)들 사이 위치에 배치되어 상기 셀 횡단 연결부(30)와 연결 구비되며, 과충전 시 상기 셀(10)의 부피 변화에 의해 발생되는 힘에 의하여 상기 셀 횡단 연결부(30)를 파손시켜 전기적으로 단락시키는 것을 특징으로 한다.
2차 전지, 과충전 방지, 기계적, 단락

Description

2차 전지용 과충전 방지 장치 {A Safeguard Apparatus Preventing Overcharge for A Secondary Battery}
본 발명은 2차 전지용 과충전 방지 장치에 관한 것이다.
전지는 크게 1차 전지와 2차 전지로 구분될 수 있는데, 1차 전지란 비가역적인 반응을 이용하여 전기를 생산하므로 한 번 사용된 후에는 재사용이 불가능한 전지로서 일반적으로 많이 사용하는 건전지, 수은 전지, 볼타 전지 등이 이에 속하며, 2차 전지는 이와는 달리 가역적인 반응을 이용하므로 사용 후 충전하여 재사용이 가능한 전지로서 납 축전지, 리튬 이온 전지, 니카드(Ni-Cd) 전지 등이 이에 속한다. 이 중 니카드 전지는 일반적으로 양극에 니켈(Ni) 산화물, 음극에 카드뮴(Cd) 화합물, 전해액에 수산화칼륨 수용액을 주재료로 하여 만들어지며, 충전이 가능하고 가볍다는 장점 때문에 초기에 노트북 컴퓨터의 충전지로서 사용되었다. 그러나 니카드 전지의 경우 완전 방전이 되지 않은 상태에서 충전을 하면 충전 시작 지점을 완전히 전기가 소모된 지점으로 잘못 인식하는, 이른바 메모리 효과(memory effect)라는 단점을 가지고 있었다. 이러한 단점을 극복하기 위해 개발된 것이 리튬 이온 전지로, 리튬 이온 전지는 일반적으로 양극에 리튬(Li) 산화물, 음극에 탄소를 주재료로 하여 만들어진다. 리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery, LIB)는 전압 및 에너지 밀도가 높은 전기를 발생시킬 수 있어 배터리의 소형화 및 경량화를 가능하게 하고, 종래의 니카드 전지에서 문제시되었던 메모리 효과가 일어나지 않는다는 큰 장점을 가지고 있어, 현재 노트북, PDA, 휴대전화 등 각종 포터블 기기의 충전식 배터리로서 널리 활용되고 있는 실정이다.
상술한 바와 같이 리튬 이온 전지는 그 장점으로 인하여 활용 범위가 매우 넓은데, 따라서 리튬 이온 전지를 보다 개선하기 위한 노력이 많이 이루어져 왔다. 일반적으로 리튬 이온 전지라고 하면 액체 전해질을 사용하는 것을 가리키는데, 이보다 안정성을 높이기 위하여 만들어진 것이 리튬 이온 폴리머 전지(Lithium Ion Polymer Battery)로서, 리튬 이온 폴리머 전지에서는 젤 타입의 폴리머가 양극과 음극의 분리막을 구성하는 동시에 전해질의 역할까지 하게 된다. 즉 리튬 이온 폴리머 전지에서는 전도도가 우수한 고체 전해질을 사용함으로써, 종래에 액체 전해질을 사용하는 경우 누액, 폭발 등과 같은 위험이 발생할 가능성을 원천적으로 배제하였다는 것이 큰 장점이다. 이외에도 리튬 금속 폴리머 전지(Lithium Metal Polymer Battery)가 있는데, 이 경우 음극에 탄소 대신 리튬 금속을 사용한다. 하기의 표 1에서 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 리튬 금속 폴리머 전지의 특성을 간단하게 정리하였다.
리튬 이온 전지 리튬 이온 폴리머 전지 리튬 금속 폴리머 전지
음극 탄소 탄소 리튬
전해질 액체 전해질 고분자 전해질 고분자 전해질
양극 금속 산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4) 금속 산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4) 금속 산화물, 유기설퍼, 전도성 고분자
평균전압 3.7V 3.7V 2.0∼3.6V
에너지밀도 높음 높음 매우 높음
사이클특성 매우 좋음 좋음 나쁨
저온특성 좋음 보통 나쁨
안정성 나쁨 보통 좋음
셀 디자인의 자유도 나쁨 좋음 좋음
상기 표 1에 보인 바와 같이, 리튬 이온 폴리머 전지는 모든 특성에 있어서 전반적으로 좋은 특성을 보이고 있는 것을 알 수 있으며, 현재 리튬 이온 폴리머 전지가 가장 널리 사용되고 있다.
그런데, 리튬 이온 전지의 특성을 개선한 리튬 이온 폴리머 전지에서도 안정성 면에 있어서 완전히 해결하지 못한 문제가 있다. 리튬 이온 폴리머 전지에서, 과충전 상황이나 전지의 온도가 비정상적으로 일정 수준 이상 상승할 경우, 전지의 내부에서 가스가 발생하게 된다. 이렇게 발생한 가스로 인하여 셀이 팽윤되는 현상이 발생하는데, 이 현상이 지속된다면, 전지 파우치의 봉지 부위가 열려 가스가 배출되거나 더 나아가 화재 또는 폭발을 유발하게 되는 위험한 상황이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 다방면으로 여러 가지 연구가 꾸준히 이루어져 왔는데, 이러한 연구들은 크게 화학적으로 과충전을 방지하는 방법과 전기적으 로 과충전을 방지하는 방법의 두 가지로 나뉘며, 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 현재 사용되고 있는 전해질 대신 비수계 전해질, 과충전 시 분해되는 화합물 등과 같은 조성물을 전해질로서 사용하여 화학적으로 과충전을 방지하는 기술이, 한국특허등록 제0472506호("과 충전 방지를 위한 중합성 방향족 첨가제를 포함하는 비수계 전해액을 포함하는 리튬 2차 전지"), 한국특허등록 제0628629호("2차 전지용 비수 전해액 및 이를 포함한 2차 전지"), 한국특허공개 제2006-0121173호("비수 전해액 및 리튬 2차 전지") 등에 개시되어 있다.
둘째로, 과열, 과전류, 과전압이 발생되면 전기 흐름을 차단하는 회로를 구성하거나 (과열로 인해) 퓨즈가 끊어지도록 하여 전기적으로 과충전을 방지하는 기술이 다양하게 개시되어 있다. 한국특허공개 제2007-0010755호("이차전지 안정화 장치")에서는 충전 전압이 소정 전압 이상이 되면 전원을 단락시켜 충전을 중단시키는 장치가, 한국특허등록 제0729106호("과 충전 방지용 안전 소자 및 그 안전 소자가 결합된 이차전지")에서는 소정의 전압 이상에서 열을 발생하는 전압 감지 발열 소자 및 온도 감응 소자를 구비하되, 상기 온도 감응 소자는 상기 발열 소자에서 발생되는 열을 감지하여 전류를 가역적으로 ON/OFF 시키도록 하는 장치가 개시되어 있다. 또한, 일본특허공개 제1993-326027호("2차 전지의 충전 제어 방법")에서는 전지 일측에 비틀림 게이지를 부착하고, 충전에 수반하여 발생되는 전지의 내압 증가에 의하여 응력이 변화하는 것을 감지하여, 응력 변화가 일정 수준이 되면 충전이 완료되었다고 판단하고 충전을 중단하도록 하는 장치가 개시되어 있다. 더 불어, 일본특허공개 제1993-234614호("원통형 전지")에는 자동 복귀형 온도 스위치 또는 온도 퓨즈가 전지에 직렬로 접속되고 제너 다이오드가 전지에 병렬로 접속되어 과충전 특성을 개선하는 기술이, 일본특허등록 제3778805호("2차 전지")에는 전지 내에서 일어나는 화학 반응에서 소정의 전위 이상으로 가스를 발생한 첨가물을 전극에 미리 첨가하고, 전지 일측에 가스 압력에 의하여 개구되는 개구부를 형성하여, 과충전 등에 의해 전지에 이상이 일어났을 때 가스가 원래 발생되어야 하는 양보다 더 많이 발생되도록 하여 내압을 크게 증가시킴으로써 상기 개구부가 개방되어 가스 및 열을 외부로 배출시킬 수 있도록 하는 장치를 개시하고 있다. 또한, 일본특허등록 제3622243호("2차 전지의 충방전 보호 장치"), 일본특허등록 제3526766호("과충전 보호 회로의 기능 검사 방법 및 기능 검사 회로"), 일본특허공개 제2007-028898호("충방전 보호 회로"), 일본특허공개 제2004-088878호("집합 전지 보호 회로") 등과 같이, 과전류, 과전압 등을 감지하는 회로를 구성하여 전지에 구비하도록 하는 기술도 다양하게 개시되어 있다.
이와 같은 종래의 기술들을 살펴보았을 때, 먼저 화학적인 과충전 방지 방법의 경우, 현재 사용되고 있는 전해질과 비교하여 성능이 떨어진다는 단점이 있어 좀더 개발이 필요한 실정이다. 또한, 전기적인 과충전 방지 방법의 경우, 일본특허 제3622243호, 제3526766호, 제2007-028898호, 제2004-088878호 등과 같은 기술의 경우 독립적인 회로를 구성하여 전지에 부착하여야 하기 때문에 구성을 위한 전자 부품의 증가로 인하여 제작이 난해해지고 제작 비용이 증가하며, 또한 회로의 설계가 복잡하여 설계 비용이 상승하는 등의 문제점이 있다. 또한, 과열, 과전류, 과전 압 등을 이용하여 전기를 차단하도록 하는 장치들 역시 상술한 바와 같은 독립적인 회로를 구성하여 전지에 구비하는 방법과 비교하여서는 보다 적은 부품을 사용하기는 하지만 궁극적으로는 부가 회로를 전지에 더 구비한다는 점에서 상술한 바와 같은 문제점을 완전히 피할 수 없었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 2차 전지에서 과충전 시 가스 발생으로 인해 전지가 팽윤되는 현상을 이용하여, 전지 사이에 발생되는 수평 방향의 힘에 의해 파손됨으로써 물리적으로 전기를 단락시키는 구조물이 구비되는 2차 전지용 과충전 방지 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 2차 전지용 과충전 방지 장치는, 각각 음극(1), 양극(2) 및 전해질(3)을 포함하여 이루어지며 서로 소정 거리 이격되어 배치되는 다수 개의 셀(10)을 포함하여 이루어지는 2차 전지의 과충전을 방지하는 과충전 방지 장치(100)에 있어서, 상기 2차 전지는, 복수 개의 셀(10)과, 전기적 도체로 형성되며 상기 셀(10)들의 일측에 각각 구비되어 상기 셀(10)들을 서로 전기적으로 연결하는 셀 연결부(20)를 포함하여 이루어지는 단위 전지 팩(200); 상기 단위 전지 팩(200) 내에 구비되되 상기 셀(10)들의 사이에 배치되며, 전기적 도체로 형성되어 상기 셀(10)들을 서로 전기적으로 연결하는 셀 횡단 연결부(30); 를 포함하여 이루어지고, 상기 과충전 방지 장치(100)는, 기계적 작동 메커니즘으로 구동되며, 상기 셀(10)들 사이에 개재되어, 상기 셀(10)들 사이에 개재 배치된 상기 셀 횡단 연결부(30) 일부를 내부에 수용하며, 과충전 시 상기 셀(10)의 부피 변화에 의해 발생되는 힘에 의하여 상기 셀(10)들이 나열된 방향을 따라 압축되도록 이루어져, 상기 과충전 방지 장치(100)가 압축됨에 의해 상기 셀 횡단 연결부(30)가 절단됨으로써 전기적 단락이 이루어지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 과충전 방지 장치(100)는 상기 셀 횡단 연결부(30)와 연결되며, 전기적 도체 재질로 이루어진 판 형태로 형성되는 탭 플레이트(110); 상기 탭 플레이트(110)의 양측면에 밀착 구비되어 상기 탭 플레이트(110)의 위치를 고정하는 한 쌍의 하우징(120); 상기 하우징(120)의 외측에 구비되며, 커팅부(131)가 상기 탭 플레이트(110) 쪽으로 돌출 형성되고, 과충전 시 상기 셀(10)의 부피가 증가하면 상기 탭 플레이트(110) 쪽으로 이동 가능하도록 외측면이 상기 셀(10)과 밀착 배치되는 탭 커터(130); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 과충전 방지 장치(100)는 상기 하우징(120)의 외측에 구비되며, 외측면이 상기 셀(10)과 밀착 배치되는 홀더(140); 를 더 포함하여 이루어지며, 상기 하우징(120) 중 일측의 외측에는 상기 탭 커터(130)가 구비되고, 상기 하우징(120) 중 타측의 외측에는 상기 홀더(140)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탭 플레이트(110)는 상기 탭 커터(130)의 상기 커팅부(131) 위치에 상응하는 위치(S)에 노치 혹은 슬릿이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 과충전 방지 장치(100)는 상기 단위 전지 팩(200)에 상기 과충전 방지 장치(100)가 고정 구비되도록 지지하는 서포팅부(150); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 2차 전지가 과충전될 때 효과적으로 전기를 차단함으로써 과충전 시 발생되는 가스 발생, 과열 등으로 인한 화재, 폭발 등의 위험성을 완전히 제거할 수 있는 큰 효과가 있다. 특히, 본 발명은 과충전 시 전지 내에서 발생되는 가스에 의해 전지가 팽윤되는 현상을 이용하는 간단한 기계적 구조물의 파손에 의하여 단락이 일어나도록 되어 있기 때문에, 과충전 시 확실하게 전기를 단락시킬 수 있어 신뢰도가 매우 높다는 효과가 있다. 뿐만 아니라 본 발명에서 사용되는 기계적 구조물은 단지 전지가 팽윤됨에 의해 발생되는 수평 방향의 힘을 그대로 이용하여 전지들 간의 전기적( 및 물리적) 연결을 끊을 수 있는 구조로 이루어지기만 하면 되기 때문에, 그 구조가 간단하여 설계가 간편하고 제작이 용이하다는 장점이 있고, 물론 이에 따라 제작 비용의 증가가 별로 크지 않게 되는 장점 또한 있다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 2차 전지용 과충전 방지 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 2차 전지 중 하나인 일반적인 리튬 이온 전지의 구조를 개념적으로 도시한 것이다. 리튬 이온 전지와 리튬 이온 폴리머 전지는 전해질의 성상(액체/고체)만 다를 뿐 그 구조는 동일하다. 또한, 전지에 따라 전해질이나 극의 재질이 도 1에 기재된 재질과는 조금씩 다를 수도 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 리튬 이온 전지는 일반적으로 탄소로 이루어지는 음극(1) 및 일반적으로 리튬 화합물로 이루어지는 양극(2), 두 극(1, 2) 사이에 위치하는 전해질(3), 그리고 음극(1) 및 양극(2)을 연결하는 전선(4)을 포함하여 구성된다. 전해질(3) 내의 리튬 이온은 충전(charge) 시에는 음극(1) 쪽으로, 방전(discharge) 시에는 양극(2) 쪽으로 이동하며, 각 극에서 잉여의 전자를 방출하거나 또는 흡수하면서 화학 반응을 일으키게 된다. 이러한 과정에서 상기 전선(4)에 전자가 흐르게 되며, 이에 따라 전기 에너지가 발생하게 된다.
여기에서 리튬 이온 전지를 사용하여 설명하였으나, 다른 2차 전지의 경우도 전극 또는 전해질로 사용되는 물질이 달라질 뿐 기본 원리 및 구조는 이와 동일하다. 즉, 일반적으로 2차 전지는 상술한 바와 같이 음극(1), 양극(2), 전해질(3) 및 전선(4)을 포함하여 이루어지는 것이다.
이 때, 2차 전지는 음극(1), 양극(2), 전해질(3) 및 전선(4)이 각각 단일 개 구비되어 형성될 수도 있지만, 보다 일반적으로는 단일 개의 음극(1), 양극(2), 전해질(3) 및 전선(4)으로 이루어지는 셀(10)이 다수 개 연결되어 이루어진다. 즉, 2차 전지 팩의 내부에는 상기 설명한 바와 같은 셀(10)이 다수 개 들어 있게 된다. 물론 각 셀(10)은 전기적으로 서로 연결되어 있게 된다.
도 2는 본 발명의 2차 전지용 과충전 방지 장치의 기본 개념을 간략히 도시한 것이다. 본 발명의 2차 전지용 과충전 방지 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같은 2차 전지, 즉 각각 음극(1), 양극(2) 및 전해질(3)을 포함하여 이루어지며 서로 소정 거리 이격되어 배치되는 다수 개의 셀(10)을 포함하여 이루어지는 2차 전지의 과충전을 방지하기 위한 장치이다. 상기 2차 전지의 구조를 보다 상세히 설명하자면, 상기 2차 전지는, 복수 개의 셀(10)과, 전기적 도체로 형성되며 상기 셀(10)들의 일측에 각각 구비되어 상기 셀(10)들을 서로 전기적으로 연결하는 셀 연결부(20)를 포함하여 이루어지는 단위 전지 팩(200); 상기 단위 전지 팩(200) 내에 구비되되 상기 셀(10)들의 사이에 배치되며, 전기적 도체로 형성되어 상기 셀(10)들을 서로 전기적으로 연결하는 셀 횡단 연결부(30); 를 포함하여 이루어진다.
이 때, 본 발명의 과충전 방지 장치(100)는, 기계적 작동 메커니즘으로 구동되며, 상기 셀(10)들 사이 위치에 배치되어 상기 셀 횡단 연결부(30)와 연결 구비되며, 과충전 시 상기 셀(10)의 부피 변화에 의해 발생되는 힘에 의하여 상기 셀 횡단 연결부(30)를 파손시켜 전기적으로 단락시키도록 이루어진다. 도시되어 있는 바와 같이, 상기 셀 연결부(20)는 상기 셀(10)들의 외측에 구비되는 반면, 상기 셀 횡단 연결부(30)는 상기 셀(10)들의 사이를 가로지르는 형태로 구비된다. 즉 상기 셀 연결부(20)와 상기 셀 횡단 연결부(30)는 모두 상기 셀(10)들을 전기적으로 연결한다는 점에서는 동일한 기능을 가지고 있으나, 그 구비되는 형태에 따라 구분되고 있는 것이다. 이 때, 본 발명의 과충전 방지 장치(100)는 상기 셀 횡단 연결부(30)에 연결됨으로써 과충전 시 단락을 발생시키게 된다.
보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상술한 바와 같이, 상기 셀(10)이 과충전되거나 전지의 온도가 과하게 높아질 경우 전지의 내부에서 가스가 발생하며, 이에 따라 상기 셀(10)의 부피가 팽창하게 된다. 상기 셀(10)들은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 일측 방향으로 나란하게 배열된 형태로 배치되어 하나의 단위 전지 팩(200)을 이루게 되며, 따라서 상기 셀(10) 각각이 팽창할 경우 결과적으로 상기 셀(10)들 사이의 간격이 좁아지게 된다. 본 발명의 과충전 방지 장치(100)는 바로 이러한 현상, 즉 기계적 작동 메커니즘에 의하여 구동되게 된다. 상기 과충전 방지 장치(100)는 상기 셀(10)들을 물리적 및 전기적으로 서로 연결하는 상기 셀 횡단 연결부(30)에 연결 구비되는 바, 상기 과충전 방지 장치(100) 내부에서의 물리적 연결이 끊어지면(도 2에서 P 부분) 상기 단위 전지 팩(200) 간의 전기적 연결도 끊어지게 됨은 자명하다. 상기 과충전 방지 장치(100)는 바로 여기에 주안점을 두어, 상기 단위 전지 팩(200)이 팽창하여 상기 셀(10)들 사이의 간격이 좁아짐에 따라, 상기 과충전 방지 장치(100)의 외측 부재가 밀려들어와서 상기 셀 횡단 연결부(30)와 연결된 상기 과충전 방지 장치(100)의 내측 부재가 물리적으로 끊어지도록 함으로써, 궁극적으로는 상기 셀(10)들 간의 전기적 단락을 유발하도록 하는 원리로 이루어진다.
이와 같은 원리로 이루어지는 본 발명의 과충전 방지 장치(100)의 구체적인 실시예를 도 3을 통해 보다 상세히 설명한다. 물론 이하에 설명하는 실시예에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니며, 상술한 바와 같은 원리 즉 상기 단위 전지 팩(200)의 부피 변화에 따라 기계적 작동 메커니즘에 의하여 구동되어 상기 단위 전지 팩(200) 간의 전기적 연결을 끊도록 하는 원리를 사용하는 장치이기만 하면 어떤 형태로 이루어져도 무방하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 과충전 방지 장치(100)는 탭 플레이트(110)와, 상기 탭 플레이트(110)의 외측에 구비되는 한 쌍의 하우징(120)과, 상기 하우징(120)의 외측에 구비되는 탭 커터(130)를 포함하여 이루어진다. 각 부에 대하여 보다 상세히 설명하자면, 먼저 상기 탭 플레이트(110)는 전기적 도체 재질로 이루어진 판 형태로 형성되며, 상기 셀 횡단 연결부(30)와 물리적 및 전기적으로 연결된다. 상기 한 쌍의 하우징(120)은 상기 탭 플레이트(110)의 양측면에 밀착 구비되어 상기 탭 플레이트(110)의 위치를 고정하게 된다. 마지막으로 상기 탭 커터(130)는, 상기 하우징(120)의 외측에 구비되며, 커팅부(131)가 상기 탭 플레이트(110) 쪽으로 돌출 형성되고, 과충전 시 상기 셀(10)의 부피가 증가하면 상기 탭 플레이트(110) 쪽으로 이동 가능하도록 외측면이 상기 셀(10)과 밀착 배치된다.
이 때, 상기 과충전 방지 장치(100)는 상기 하우징(120)의 외측에 구비되며, 외측면이 상기 셀(10)과 밀착 배치되는 홀더(140); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 상기 과충전 방지 장치(100)가 상기 홀더(140)를 포함하지 않을 경우에는, 한 쌍의 상기 하우징(120)의 외측에는 (도 2에 도시되어 있는 바와 같이) 상기 탭 커터(130) 한 쌍이 각각 구비되게 되며, 상기 과충전 방지 장치(100)가 상기 홀더(140)를 포함할 경우에는 상기 하우징(120) 중 일측의 외측에는 상기 탭 커터(130)가 구비되고, 상기 하우징(120) 중 타측의 외측에는 상기 홀더(140)가 구비되게 된다.
도 4는 상기 과충전 방지 장치(100)의 작동예를 도시하고 있다. 도 4(A)에 도시된 바와 같이 상기 과충전 방지 장치(100)는 상기 탭 플레이트(110)를 중심으 로, 외측 양쪽 방향으로 각각 상기 하우징(120) - 상기 탭 커터(130)(또는 상기 홀더(140)가 배치된 형태로 이루어져, 상기 셀(10)들 사이에 배치된다. 즉 상기 탭 커터(130) 또는 상기 홀더(140)는 상기 단위 전지 팩(200) 내의 상기 셀(10)들과 밀접한 위치에 배치되게 된다. 상기 단위 전지 팩(200)이 정상적으로 작동하는 상태(즉 상기 단위 전지 팩(200)이 팽창하지 않은 상태)에서는, 상기 탭 커터(130) 또는 상기 홀더(140)가 상기 단위 전지 팩(200) 내의 상기 셀(10)과 반드시 밀착되어야 하는 것은 아니며, 물론 안정적인 배치를 위하여 상기 탭 커터(130) 또는 상기 홀더(140)를 상기 단위 전지 팩(200) 내의 상기 셀(10)에 밀착되게 배치하거나 또는 고정 구비시킬 수도 있다. 첨언하자면, 도 4에서는 상기 과충전 방지 장치(100)가 상기 탭 커터(130) 및 상기 홀더(140)를 모두 포함하고 있는 경우를 도시하고 있으며 이하에서도 이를 기준으로 설명하고 있으나, 상기 홀더(140)가 포함되지 않는 경우에도 본 발명의 과충전 방지 장치(100)는 이하의 설명과 동일한 원리에 의해 작동하되, 다만 도 4의 상기 홀더(140) 위치에 또 하나의 탭 커터(130)가 배치되는 것으로 이해하면 된다.
이 때, 상기 단위 전지 팩(200)이 팽창하게 되면, 상기 단위 전지 팩(200) 내의 상기 셀(10)에 밀려서 상기 탭 커터(130) 및 상기 홀더(140)가 도 4(B)에 도시되어 있는 바와 같이 상기 탭 플레이트(110) 쪽으로 밀리게 된다. 이 때, 상기 탭 커터(130)에는 상기 탭 플레이트(110) 쪽으로 상기 커팅부(131)가 돌출 형성되어 있으므로, 상기 탭 커터(130)가 상기 탭 플레이트 쪽으로 밀려들어옴에 따라 상기 커팅부(131)가 상기 탭 플레이트(110)에 점점 다가가 밀착하게 되고, 최종적으 로는 상기 커팅부(131)가 상기 탭 플레이트(110)보다 더 나아간 위치까지 진행됨으로써, 상기 탭 플레이트(110)가 상기 커팅부(131)에 의하여 절단되게 된다.
상기 탭 플레이트(110)는 상술한 바와 같이 상기 단위 전지 팩(200) 내의 상기 셀(10)들을 가로질러 구비되어 상기 셀(10)들 간의 전기적 연결을 형성하는 상기 셀 횡단 연결부(30)와 연결되어 있다. 따라서 상기 탭 플레이트(110)가 절단되게 되면, 상기 단위 전지 팩(200) 내의 상기 셀(10)들 간의 전기적 연결이 끊어지게 되며, 따라서 상기 단위 전지 팩(200)에 전기가 흐르지 않아 더 이상의 충전이 이루어지지 않게 되어 과충전으로 인한 상기 단위 전지 팩(200)의 손상을 방지할 수 있게 되는 것이다. 이와 같이 본 발명의 과충전 방지 장치(100)는, 과충전 시 상기 단위 전지 팩(200)이 팽창하는 현상을 이용하여, 매우 단순한 기계적 구조물을 사용하여 전기적 단락이 이루어지도록 하고 있다. 즉 본 발명의 과충전 방지 장치(100)는 별도의 전원 등을 전혀 필요로 하지 않아 에너지 효율 면에 있어 우수할 뿐만 아니라, 그 구조 자체가 매우 단순하여 설계, 제작 및 조립의 난이도가 매우 낮아 생산 비용을 크게 절약할 수 있는 큰 장점이 있다.
도 3 및 도 4에서는 상기 과충전 방지 장치(100)가 상기 탭 플레이트(110)의 일측에는 상기 탭 커터(130)가, 타측에는 상기 홀더(140)가 배치되어 있는 형태인 것으로 도시되어 있으나, 물론 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 과충전 방지 장치(100)가 상기 탭 플레이트(110)의 양측에 각각 상기 탭 커터(130)가 배치되어 있는 형태로 이루어져도 무방하다. 두 경우 모두, 과충전 시 상기 단위 전지 팩(200)의 팽창에 의하여 밀려들어옴으로써 상기 탭 플레이트(110)가 최종적으로 절단됨으로써 전기적 단락을 유발한다는 원리는 동일하다. 상기 홀더(140)는 상기 탭 커터(130)와 거의 동일한 형태이되 단지 상기 커팅부(131)가 삭제되어 있는 형태로 형성되면 되며, 상기 탭 커터(130)는 상기 홀더(140)의 유무에 따라 상기 커팅부(131)의 돌출된 정도만 조절되어 설계되면 된다. 즉, 상기 과충전 방지 장치(100)가 상기 탭 플레이트(110)의 일측에는 상기 탭 커터(130)가, 타측에는 상기 홀더(140)가 배치되어 있는 형태로 형성될 경우에는, 상기 커팅부(131)가 하나이기 때문에 상기 커팅부(131)가 좀더 많이 돌출된 형태로 이루어질 수 있다. 또한 상기 과충전 방지 장치(100)가 상기 탭 플레이트(110)의 양측에 각각 상기 탭 커터(130)가 배치되어 있는 형태로 이루어질 경우에는, 상기 커팅부(131)가 상기 탭 플레이트(110)의 양쪽에서 밀려들어오기 때문에, 상기 과충전 방지 장치(100)에 상기 홀더(140)가 포함된 경우보다 상기 커팅부(131)가 좀더 짧게 이루어져 상기 탭 플레이트(110) 위치에서 서로 만나게 형성될 수 있다. 또는, 상기 탭 플레이트(110)의 절단이 보다 확실하게 이루어지도록, 상기 탭 플레이트(110)의 양측에 모두 상기 탭 커터(130)가 배치되되, 상기 커팅부(131)가 서로 만나지 않는 위치에 각각 형성됨으로써, 즉 상기 탭 플레이트(110)가 두 군데에서 절단되도록 형성되어도 무방하다.
상기 탭 플레이트(110)에는, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 탭 커터(130)의 상기 커팅부(131) 위치에 상응하는 위치(S)에 노치 혹은 슬릿이 형성될 수 있다. 상기 탭 플레이트(110)에 노치 혹은 슬릿이 형성되면, 상기 커팅부(131) 의 전진에 의한 상기 탭 플레이트(110)의 절단이 보다 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
또한, 상기 과충전 방지 장치(100)는 상기 단위 전지 팩(200)에 상기 과충전 방지 장치(100)가 고정 구비되도록 지지하는 서포팅부(150); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 도 5는 상기 서포팅부(150)가 상기 단위 전지 팩(200)의 외측 하우징에 고정 구비되는 설치예를 도시하고 있으며, 도 3 및 도 4에는 상기 서포팅부(150)가 상기 탭 플레이트(110)에 연결 구비되는 구조가 도시되어 있다. 상기 서포팅부(150)에 의하면 상기 과충전 방지 장치(100)가 상기 단위 전지 팩(200)들 사이에 보다 안정적으로 구비될 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
도 1은 일반적인 리튬 이온 전지의 구조도.
도 2는 본 발명의 과충전 방지 장치의 원리.
도 3은 본 발명의 과충전 방지 장치의 실시예.
도 4는 본 발명의 과충전 방지 장치의 작동예.
도 5는 본 발명의 과충전 방지 장치의 설치예.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1: 음극 2: 양극
3: 전해질 4: 전선
200: 단위 전지 팩 10: 셀
20: 셀 연결부 30: 셀 횡단 연결부
100: (본 발명의) 과충전 방지 장치
110: 탭 플레이트 120: 하우징
130: 탭 커터 131: 커팅부
140: 홀더 150: 서포팅부

Claims (5)

  1. 각각 음극(1), 양극(2) 및 전해질(3)을 포함하여 이루어지며 서로 소정 거리 이격되어 배치되는 다수 개의 셀(10)을 포함하여 이루어지는 2차 전지의 과충전을 방지하는 과충전 방지 장치(100)에 있어서,
    상기 2차 전지는, 복수 개의 셀(10)과, 전기적 도체로 형성되며 상기 셀(10)들의 일측에 각각 구비되어 상기 셀(10)들을 서로 전기적으로 연결하는 셀 연결부(20)를 포함하여 이루어지는 단위 전지 팩(200); 상기 단위 전지 팩(200) 내에 구비되되 상기 셀(10)들의 사이에 배치되며, 전기적 도체로 형성되어 상기 셀(10)들을 서로 전기적으로 연결하는 셀 횡단 연결부(30); 를 포함하여 이루어지고,
    상기 과충전 방지 장치(100)는, 기계적 작동 메커니즘으로 구동되며, 상기 셀(10)들 사이에 개재되어, 상기 셀(10)들 사이에 개재 배치된 상기 셀 횡단 연결부(30) 일부를 내부에 수용하며, 과충전 시 상기 셀(10)의 부피 변화에 의해 발생되는 힘에 의하여 상기 셀(10)들이 나열된 방향을 따라 압축되도록 이루어져,
    상기 과충전 방지 장치(100)가 압축됨에 의해 상기 셀 횡단 연결부(30)가 절단됨으로써 전기적 단락이 이루어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 과충전 방지 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 과충전 방지 장치(100)는
    상기 셀 횡단 연결부(30)와 연결되며, 전기적 도체 재질로 이루어진 판 형태로 형성되는 탭 플레이트(110);
    상기 탭 플레이트(110)의 양측면에 밀착 구비되어 상기 탭 플레이트(110)의 위치를 고정하는 한 쌍의 하우징(120);
    상기 하우징(120)의 외측에 구비되며, 커팅부(131)가 상기 탭 플레이트(110) 쪽으로 돌출 형성되고, 과충전 시 상기 셀(10)의 부피가 증가하면 상기 탭 플레이트(110) 쪽으로 이동 가능하도록 외측면이 상기 셀(10)과 밀착 배치되는 탭 커터(130);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 과충전 방지 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 과충전 방지 장치(100)는
    상기 하우징(120)의 외측에 구비되며, 외측면이 상기 셀(10)과 밀착 배치되는 홀더(140);
    를 더 포함하여 이루어지며,
    상기 하우징(120) 중 일측의 외측에는 상기 탭 커터(130)가 구비되고, 상기 하우징(120) 중 타측의 외측에는 상기 홀더(140)가 구비되는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 과충전 방지 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 탭 플레이트(110)는
    상기 탭 커터(130)의 상기 커팅부(131) 위치에 상응하는 위치(S)에 노치 혹 은 슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 과충전 방지 장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 과충전 방지 장치(100)는
    상기 단위 전지 팩(200)에 상기 과충전 방지 장치(100)가 고정 구비되도록 지지하는 서포팅부(150);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 과충전 방지 장치.
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