KR101863701B1 - 표면 실장 소자형 안전 소자를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외주변으로 돌출된 제 1 전극 단자 및 제 2 전극 단자를 포함하고 있는 전지셀; 상기 전지셀에 전기적으로 접속되는 보호회로 기판(Protection Circuit Board); 일측 면이 보호회로 기판에 접촉된 상태로 탑재되어 있고, 상기 일측 면의 대향면인 타측 면에 전지셀의 제 1 전극 단자가 접촉되어 있는 안전 소자; 및 상기 보호회로 기판과 전지셀의 제 2 전극 단자를 연결하는 접속부재;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

표면 실장 소자형 안전 소자를 포함하는 전지팩 {Battery Pack Comprising Safety Element of Surface Mount Device Type}
본 발명은 표면 실장 소자형 안전 소자를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
또한, 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
특히, 최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 낮은 제조비, 작은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있고 또한 그것의 사용량이 점차적으로 증가하고 있다.
또한, 전지의 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
그러나, 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 리튬 이차전지에는 과충전, 과전류 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 안전 소자로서 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자, 보호회로 모듈(Protection Circuit Module: PCM) 등이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.
도 1에는 종래의 전지팩에 안전 소자로서 적용되는 PTC 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 전지팩을 구성하는 전지셀의 전극 단자에 접속되는 PTC 소자로서, 대표적으로, 스트랩(strap)형 PTC 소자와 칩(chip)형 PTC 소자가 있다.
스트랩형 PTC 소자(110)는 보호회로 기판(111)의 일면에 장착되어 있고, 서로 대향하는 양측의 외주변에 금속 플레이트로 이루어진 접속부재들(113, 114)이 각각 연결되어 있다.
일측의 접속부재(113)는 전지셀의 양극 단자(112)에 접속되어 있으며, 타측의 접속부재(114)는 보호회로 기판(111)의 양극 단자 접속부(115)에 접속되어 있다.
이 때, 상기 스트랩형 PTC 소자(110)는 전지셀의 양극 단자(112)와 접속부재(113)에 의해 연결되어 있으므로, 전지셀이 과충전 등의 요인에 의해, 온도가 상승하는 경우, 상기 전지셀의 온도를 용이하게 감지할 수 있는 반면에, 상기 접속부재들(113, 114)은 양극 단자(112), 양극 단자 접속부(115) 및 PTC 소자(110)와 용접 또는 솔더링에 의해 접속되므로, 제조 공정이 증가하고, 이에 따라, 전지팩의 제조에 소요되는 시간 및 비용이 증가하는 문제점이 있다.
칩형 PTC 소자(120)는 전지셀의 양극 단자(122)에 인접한 부위에서, 보호회로 기판(121)의 일면에 장착되어 있다.
이 때, 상기 칩형 PTC 소자(120)는 전지셀의 양극 단자(122)와 전기적으로 연결되는 별도의 접속부재를 포함하고 있지 않으므로, 전지팩의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있으나, 스트랩형 PTC 소자(110)에 비해, 전지셀의 온도를 용이하게 감지할 수 없으므로, 전지셀의 과충전에 의한 열화 및 폭발을 예방하는데 취약할 수 밖에 없다.
또한, 상기 스트랩형 PTC 소자(110)는 접속부재들(113, 114)로 인해, 보호회로 기판(121) 상에서 지나치게 넓은 공간이 소요되며, 상기 칩형 PTC 소자(120)는 그 자체의 높이 내지 크기로 인해, 전지팩 내에서 지나치게 큰 사공간을 형성하므로, 전체적으로 전지팩의 크기가 증가하게 되거나, 동일한 크기의 전지팩 대비 용량이 줄어들 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 안전 소자를 표면 실장 기술(Surface mount Technology; SMT)에 의해 일측 면이 보호회로 기판(Protection Circuit Board) 상에 탑재되는 표면 실장 소자(Surface Mount Device; SMD)형 안전 소자로 구성함으로써, 전지팩의 제조 공정을 간소화할 수 있고, 이에 따라, 전지팩의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있으며, 상기 안전 소자가 전지셀의 전극 단자와 대면하여 접촉함으로써, 전지셀의 온도 변화를 보다 민감하게 감지할 수 있으므로, 전지셀의 과충전에 의한 열화 및 폭발을 예방해, 안전성을 향상시킬 수 있으며, 안전 소자의 탑재 공간을 최소화해, 전지팩의 크기를 소형화하거나, 동일한 크기의 전지팩 대비로 용량을 최대화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
외주변으로 돌출된 제 1 전극 단자 및 제 2 전극 단자를 포함하고 있는 전지셀;
상기 전지셀에 전기적으로 접속되는 보호회로 기판(Protection Circuit Board);
일측 면이 보호회로 기판에 접촉된 상태로 탑재되어 있고, 상기 일측 면의 대향면인 타측 면에 전지셀의 제 1 전극 단자가 접촉되어 있는 안전 소자; 및
상기 보호회로 기판과 전지셀의 제 2 전극 단자를 연결하는 접속부재;
를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 안전 소자가 전지셀의 제 1 전극 단자와 대면하여 접촉하므로, 상기 제 1 전극 단자를 통해 전지셀의 온도 변화를 보다 용이하고 민감하게 감지할 수 있으며, 이에 따라, 상기 전지셀을 포함하는 전지팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 안전 소자는 표면 실장 기술(Surface mount Technology; SMT)에 의해 일측 면이 보호회로 기판 상에 탑재되는 표면 실장 소자(Surface Mount Device; SMD)형 안전 소자일 수 있으며, 더욱 구체적으로, 상기 안전 소자는 SMD형 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자일 수 있다.
일반적으로, PTC 소자는 온도에 따라 저항이 변화함으로써, 전류를 통전 또는 차단해 과전류 및 과열을 방지할 수 있도록 구성되어 있다.
이에 따라, 상기 본원의 SMD형 PTC 소자는, 전지셀의 이상 작동 우려가 있는, 섭씨 70도 이상의 온도에서 저항이 증가하여 전류를 차단하도록 구성되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 SMD형 PTC 소자는,
장방형 형상의 PTC부;
상기 PTC부의 제 1 면에 접합되어 있는 제 1 도전부; 및
상기 제 1 면의 대향면인 PTC부의 제 2 면에 적어도 일부가 접합되어 있는 제 2 도전부;
를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 PTC부의 제 1 면 및 제 2 면은 각각 보호회로기판의 일면 및 전지셀의 제 1 전극 단자에 접속되는 부위로서, 상기 제 1 도전부는 PTC부의 제 1 면과 보호회로 기판의 일면 사이에 위치해 접속되고, 제 2 도전부는 PTC부의 제 2 면과 전지셀의 제 1 전극 단자 사이에 위치해 접속되는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 SMD형 PTC 소자는 별도의 접속부재 없이, 상기 PTC부의 제 1 면과 제 2 면에 각각 접합되어 있는 제 1 도전부 및 제 2 도전부가 각각 보호회로 기판의 일면 및 전지셀의 제 1 전극 단자에 연결되므로, 상기 별도의 접속부재에 대한 용접 등에 소요되는 공정을 생략하거나 최소화할 수 있으며, 이에 따라, 전지팩의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 제 2 도전부는,
상기 PTC부의 제 2 면에 접합되는 접합부위; 및
상기 PTC부에 접합되지 않은 상태로 접합부위로부터 연장되어 있는 접속 연장부위;
를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
다시 말해, 상기 제 2 도전부는 PTC부의 제 2 면에 적어도 일부가 접합되어 있으며, 이에 따라, 상기 PTC부의 제 2 면에 접합되는 접합부위 및 상기 PTC부에 접합되지 않은 상태로, 상기 접합부위로부터 연장되어 있는 접속 연장부위를 포함하고 있다.
이 때, 상기 제 1 도전부는 PTC부의 제 1 면과 동일한 길이를 가지며, 상기 제 2 도전부는 PTC부의 제 2 면의 길이의 120% 내지 300%의 길이를 가지는 구조일 수 있다.
즉, 상기 제 1 도전부는 PTC부의 제 1 면과 동일한 길이로서, 상기 제 1 면의 전체에 걸쳐 접합되어 있으며, 제 2 도전부는 PTC부의 제 2 면에 비해 상대적으로 긴 길이로서, 접합부위가 제 2 면에 접합된 상태에서, 접속 연장부위가 PTC부에 접합되지 않은 상태로 접합부위로부터 일측 방향으로 연장 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
만일, 상기 제 1 도전부와 PTC부의 제 1 면에 대해, 상대적으로 작은 길이로 이루어질 경우, 상기 PTC부의 제 1 면과 보호회로 기판의 일면 사이에 안정적인 결합력을 제공할 수 없으며, 상대적으로 긴 길이로 이루어질 경우에는, 제 1 도전부가 보호회로 기판의 일면 상에서, PTC부의 외부로 돌출되어 소정의 공간을 점유하는 반면, 상기 돌출된 제 1 도전부의 부위에 추가적인 구성요소를 탑재할 수 없으므로, 불필요한 사공간을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 2 도전부는 접합 부위 및 접속 연장부위가 전지셀의 제 1 전극 단자를 감싸는 형태로 접속되는 바, 상기 제 2 도전부가 PTC부의 제 2 면의 길이의 120% 미만의 길이를 가질 경우, 충분한 길이로 전지셀의 제 1 전극 단자를 감쌀 수 없어, 상기 제 1 전극 단자와의 안정적인 결합을 달성할 수 없고, 300%를 초과하는 길이를 가질 경우에는, 제 1 전극 단자를 감싼 후 남는 나머지 부위가 발생할 수 있으며, 상기 나머지 부위가 전지팩 내에서 불필요한 공간을 차지할 수 있어, 바람직하지 않다.
여기서, 상기 길이의 용어는 대면하는 제 1 전극 단자의 폭에 수직인 양 측변 사이의 거리를 의미하며, 상기 제 1 전극 단자의 폭은 전지셀에 인접한 제 1 전극 단자의 양 측변 사이의 거리를 의미한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 도전부는 SMT에 의해 보호회로 기판 상에 결합되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 제 2 도전부의 접속 연장부위는 접합부위에 대해 평행하게 180도로 절곡되어 있고, 접속 연장부위와 접합부위 사이에 전지셀의 제 1 전극 단자가 위치하는 구조일 수 있으며, 이에 따라, 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 제 2 도전부의 접합부위는 전지셀의 제 1 전극 단자와 PTC부의 제 2 면 사이에 위치한 상태에서, 상기 제 2 도전부의 접합부위와 접속 연장부위가 전지셀의 제 1 전극 단자를 감싸는 구조로 접속될 수 있다.
이러한 경우에, 상기 접속 연장부위, 제 1 전극 단자 및 접합부위는 상기 구조에 따라, 안정적인 결합력을 발휘할 수 있는 결합 방법이라면, 그 방법이 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 용접 또는 솔더링에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있으며, 더욱 상세하게는, 상기 접속 연장부위, 제 1 전극 단자 및 접합부위는 저항 용접에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.
한편, 상기 제 1 도전부와 제 2 도전부는 금속 플레이트 및/또는 금속 박막으로 이루어진 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 도전부와 제 2 도전부는 금속 플레이트로 이루어질 수 있으며, 이러한 경우에, 상기 제 1 도전부는 하나의 평평한 금속 플레이트로서, PTC부의 제 1 면에 접합되어 있는 구조일 수 있고, 상기 제 2 도전부는 접합부위와 접속 연장부위가 절곡된 구조의 금속 플레이트로 이루어질 수 있다.
경우에 따라서, 상기 제 1 도전부는 금속 박막으로 이루어져, 상기 PTC부의 제 1 면 상에 열융착 또는 기계적 압착에 의해 접합되어 있는 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 구조에 따라, PTC 소자의 전체적인 크기를 보다 콤팩트하게 구성할 수 있다.
또한, 상기 보호회로 기판과 전지셀의 제 2 전극 단자를 연결하는 접속부재 역시, 금속 플레이트로 이루어질 수 있다.
이러한 경우에, 상기 접속부재는 하나의 금속 플레이트가 절곡 변형되어, 전지셀의 제 2 전극 단자를 감싸는 구조로 접속될 수 있다.
이 때, 상기 제 1 도전부, 제 2 도전부 및 접속부재를 구성하는 금속 플레이트 및/또는 금속 박막은 안정적인 결합력과 전도성을 발휘하는 소재라면, 그 소재가 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 니켈일 수 있다.
한편, 상기 접속부재는 용접 또는 솔더링에 의해 보호회로 기판에 접속되어 있는 구조일 수 있으나, 상기 접속부재가 보호회로 기판에 접속되어 안정적인 결합력을 발휘할 수 있는 방법이라면, 그 접속 방법이 크게 제한되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 전극 단자 및 제 2 전극 단자는 각각 양극 단자 및 음극 단자일 수 있다.
또한, 상기 전지셀은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 수납되어 밀봉된 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 경우에, 상기 전지케이스는 제 1 전극 단자 및 제 2 전극 단자가 외주변으로 돌출되어, 각각 안전 소자 및 접속부재와 연결되도록 형성할 수 있는 구조라면, 그 종류가 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다.
또한, 상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 130 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.
상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.
이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 디바이스들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 안전 소자를 표면 실장 기술(Surface mount Technology; SMT)에 의해 일측 면이 보호회로 기판(Protection Circuit Board) 상에 탑재되는 표면 실장 소자(Surface Mount Device; SMD)형 안전 소자로 구성함으로써, 전지팩의 제조 공정을 간소화할 수 있고, 이에 따라, 전지팩의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있으며, 상기 안전 소자가 전지셀의 전극 단자와 대면하여 접촉함으로써, 전지셀의 온도 변화를 보다 민감하게 감지할 수 있으므로, 전지셀의 과충전에 의한 열화 및 폭발을 예방해, 안전성을 향상시킬 수 있으며, 안전 소자의 탑재 공간을 최소화해, 전지팩의 크기를 소형화하거나, 동일한 크기의 전지팩 대비로 용량을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전지팩에 안전 소자로서 적용되는 PTC 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에 적용되는 SMD형 PTC 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 2의 SMD형 PTC 소자가 양극 단자에 연결된 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩에 적용되는 SMD형 PTC 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에 적용되는 SMD형 PTC 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, SMD형 PTC 소자(200)는 제 1 도전부(230), PTC부(220), 및 제 2 도전부(210)를 포함하고 있다.
PTC부(220)는 장방형 구조로서, 전체적으로 육면체 형상으로 이루어져 있다.
제 1 도전부(230)는 PTC부(220)의 하면인 제 1 면에 접합되어 있고, PTC부(220)와 동일한 길이(L1)로 이루어져 있다.
제 2 도전부(210)는 PTC부(220)의 상면인 제 2 면에 접합되어 있는 접합부위(211) 및 PTC부(220)의 제 2 면에 접합되지 않은 상태로 접합부위(211)로부터 연장되어 있는 접속 연장부위(212)를 포함하고 있다.
제 2 도전부(210)는 단면상 “L”자 형상을 이루도록 절곡된 하나의 금속 플레이트로 이루어져 있고, 상기 절곡에 의해, 접합부위(211) 및 접속 연장부위(212)를 구분한다.
제 2 도전부(210)의 전체 길이인 접합부위(211)의 길이(L1)와 접속 연장부위(212)의 길이(L2)의 합은 PTC부(220)의 길이에 대해, 약 210%로 이루어져 있다.
도 3에는 도 2의 SMD형 PTC 소자가 전지셀의 양극 단자에 연결된 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, SMD형 PTC 소자(200)의 제 1 도전부(230)는 SMT에 의해 보호회로 기판(320) 상에 결합되며, 이에 따라, SMD형 PTC 소자(200)는 보호회로 기판(320)의 일면에 안정적으로 탑재 및 고정될 수 있다.
제 2 도전부(210)는 양극 단자(310)의 측변 방향에서, 접속 연장부위(212)가 접합부위(211)에 대해 평행하게 180도로 절곡되어 있고, 접속 연장부위(212)와 접합부위(211) 사이에 전지셀의 양극 단자(310)가 위치해 있다.
따라서, 제 2 도전부(210)는 접합부위(211) 및 접속 연장부위(212)가 전지셀의 양극 단자(310)를 감싸는 구조로 이루어져, 상기 양극 단자(310)에 접속되며, 접속 연장부위(212), 양극 단자(310) 및 접합부위(211)는 저항 용접에 의해 결합된다.
따라서, 금속 플레이트로 이루어진 접속부재와 전극 단자가 단순히 대면한 상태에서 접속되는 종래의 전지팩에 비해, 보다 안정적인 결합 구조를 형성함으로써, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, PTC부(220)는 제 2 도전부(210)에 의해, 양극 단자(310)와 대면하여 접속되므로, 전지셀의 온도 변화를 보다 용이하게 민감하게 감지할 수 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩에 적용되는 SMD형 PTC 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, SMD형 PTC 소자(400)는 제 2 도전부(410)는 양극 단자(401)의 돌출 방향에서, 접속 연장부위(412)가 접합부위(411)에 대해 평행하게 180도로 절곡되어 있고, 접속 연장부위(412)와 접합부위(411) 사이에 전지셀의 양극 단자(401)가 위치해 있다.
상기 구조를 제외한 나머지 구조는 도 3의 PTC 소자와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 외주변으로 돌출된 제 1 전극 단자 및 제 2 전극 단자를 포함하고 있는 전지셀;
    상기 전지셀에 전기적으로 접속되는 보호회로 기판(Protection Circuit Board);
    일측 면이 상기 보호회로 기판에 접촉된 상태로 탑재되는 제 1 도전부;
    상기 제1 도전부와 제1면이 접합되는 장방형 형상의 PTC(Positive Temperature Coefficient)부;
    상기 PTC부의 제 1 면의 대향면인 PTC부의 제 2 면에 적어도 일부가 접합되며 상기 전지셀의 제1 전극 단자가 접촉되는 'L'자 형태의 절곡 가능한 재질로 형성된 제 2 도전부; 및
    상기 보호회로 기판과 전지셀의 제 2 전극 단자를 연결하는 접속부재; 를 포함하여 구성되고
    상기 제 2 도전부는,
    'L'자 형태의 하면을 형성하며 상기 PTC부의 제 2 면에 접합되는 접합부위; 및
    'L'자 형태의 측면을 형성하며 상기 PTC부에 접합되지 않은 상태로 접합부위로부터 연장되는 접속 연장부위; 를 포함하여 구성되고,
    상기 제2 도전부의 접속 연장부위는,
    상기 접합부위 상부면에 상기 전지셀의 제 1 전극 단자가 배치되면 제1 전극 단자 상부를 덮도록 절곡되어 접합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PTC부는 표면 실장 기술(Surface mount Technology; SMT)에 의해 일측 면이 보호회로 기판 상에 탑재되는 표면 실장 소자(Surface Mount Device; SMD)형 안전 소자인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 PTC부는 섭씨 70도 이상의 온도에서 저항이 증가하여 전류를 차단하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전부는 PTC부의 제 1 면과 동일한 길이를 가지며, 상기 제 2 도전부는 PTC부의 제 2 면의 길이의 120% 내지 300%의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전부는 SMT에 의해 보호회로 기판 상에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 접속 연장부위, 제 1 전극 단자 및 접합부위는 용접 또는 솔더링에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 접속 연장부위, 제 1 전극 단자 및 접합부위는 저항 용접에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전부와 제 2 도전부는 금속 플레이트 및/또는 금속 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 금속 플레이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 용접 또는 솔더링에 의해 보호회로 기판에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 단자 및 제 2 전극 단자는 각각 양극 단자 및 음극 단자인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 수납되어 밀봉된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 1 항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 파워 툴, 웨어러블 전자기기, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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