KR102051926B1 - 열 변색 염료가 포함된 테이프를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전극조립체로부터 연장된 전극단자가 전지케이스의 일측에 돌출되어 있는 전지셀을 포함하고 있고; 상기 전극단자에 전기적으로 연결된 보호회로 모듈(PCM)이 전지셀의 외면 상에 장착되어 있으며; 상기 전극단자에 인접한 전지케이스의 외면에는, 설정 온도 이상에서 색상이 변화되는 열 변색 염료(thermochormic dye)를 포함하는 열 변색 테이프가 부착되어 있고; 상기 PCM은 열 변색 테이프의 색상 변화를 감지하는 컬러 센서를 포함하고 있어서, 설정 온도 이상에서 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 차단시키도록 작동하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

열 변색 염료가 포함된 테이프를 포함하는 전지팩 {Battery Pack Comprising Tape Containing Thermochromic Dye}
본 발명은 열 변색 염료가 포함된 테이프를 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, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있어, 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.
이중, 파우치형 전지는 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하기 때문에 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조를 나타낸 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지(10)는, 다수의 전극 탭들(21, 22)이 돌출되어 있는 스택형 전극조립체(20), 전극 탭들(21, 22)에 각각 연결되어 있는 두 개의 전극리드(30, 31), 및 전극리드(30, 31)의 일부가 외부로 노출되도록 스택형 전극조립체(20)를 수납 및 밀봉하는 구조의 전지케이스(40)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
전지케이스(40)는 스택형 전극조립체(20)가 안착될 수 있는 오목한 형상의 수납부(41)를 포함하는 하부 케이스(42)와 그러한 하부 케이스(42)의 덮개로서 스택형 전극조립체(20)를 밀봉하는 상부 케이스(43)로 이루어져 있다. 상부 케이스(43)와 하부 케이스(42)는 스택형 전극조립체(20)를 내장한 상태에서 열융착되어 전지케이스 외주면을 따라 실링부(도시되지 않음)를 형성한다.
한편, 이러한 파우치형 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
더욱이, 일반적으로 리튬 이차전지가 정상적으로 방전되는 경우에는 내부 온도가 섭씨 40도 전후로 상승하게 되나, 리튬 이차전지의 이상 작동시에는 섭씨 100도까지 상승할 수 있고, 특히, 리튬 이차전지의 충방전 과정에서 내부 온도가 더욱 크게 상승될 수 있다. 또한, 이러한 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다.
따라서, 종래 기술의 파우치형 이차전지에서는 과충전, 과방전, 과전류 등을 방지하기 위해 보호회로 모듈을 이용하였다. 또한, 이차전지의 온도검출성능을 높이기 위해 별도로 양성 온도 계수(Positive Temperature Coefficient)를 포함한 저항체 소자가 전지케이스에 설치되는 기술이 사용되었다.
여기서, 저항체 소자는 이차전지의 온도가 설정 값에 이르면 전극리드와 보호회로 모듈 간의 전기적 연결을 차단하고, 이차전지의 온도가 설정 값 이하로 떨어지면, 양극리드와 보호회로 모듈 간의 전기적 연결을 복원하는 기능을 수행한다.
그러나, 종래 기술의 저항체 소자는 전지의 방전 전류 범위 밖의 과전류가 방전될 경우, 저항체 소자의 자체 발열로 인해 실제적인 전지셀의 몸체의 온도가 설정된 온도를 넘어서는 경우가 아닌 저항체 소자 자체 발열에 의해 전기적 연결이 차단되어 작동되는 경우가 발생되었고, 그에 따라, 저항체 소자에 의한 과충전, 과방전, 과전류 등을 방지할 수 있는 성능을 적절히 발휘하지 못하는 문제가 있었다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결하고, 전지셀 내부의 온도변화를 효과적으로 감지할 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, 전지셀의 전극단자에 인접한 전지케이스의 외면에는, 설정 온도 이상에서 색상이 변화되는 열 변색 염료(thermochormic dye)를 포함하는 열 변색 테이프가 부착되어 있고, 상기 PCM이 열 변색 테이프의 색상 변화를 감지하는 컬러 센서를 이용하여 설정 온도 이상에서 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 차단시키도록 작동할 경우, 전지셀의 고온 발생을 정확하게 감지할 수 있어, 과충전, 과방전, 과전류 등으로 인한 전지의 수명 단축 내지는 발화 또는 폭발 등을 방지할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 전지팩은,
전극조립체로부터 연장된 전극단자가 전지케이스의 일측에 돌출되어 있는 전지셀을 포함하고 있고;
상기 전극단자에 전기적으로 연결된 보호회로 모듈(PCM)이 전지셀의 외면 상에 장착되어 있으며;
상기 전극단자에 인접한 전지케이스의 외면에는, 설정 온도 이상에서 색상이 변화되는 열 변색 염료(thermochormic dye)를 포함하는 열 변색 테이프가 부착되어 있고;
상기 PCM은 열 변색 테이프의 색상 변화를 감지하는 컬러 센서를 포함하고 있어서, 설정 온도 이상에서 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 차단시키도록 작동하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀의 전극단자에 인접한 전지케이스의 외면에는, 설정 온도 이상에서 색상이 변화되는 열 변색 염료(thermochormic dye)를 포함하는 열 변색 테이프가 부착되어 있고, 상기 PCM이 열 변색 테이프의 색상 변화를 감지하는 컬러 센서를 이용하여 설정 온도 이상에서 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 차단시키도록 작동함으로써, 전지셀의 고온 발생을 정확하게 감지할 수 있어, 과충전, 과방전, 과전류 등으로 인한 전지의 수명 단축 내지는 발화 또는 폭발 등을 방지할 수 있는 효과를 발휘한다.
즉, 본 발명의 열 변색 테이프는 전지셀의 외면에 직접적으로 맞닿아 있어, 전지셀의 온도를 가장 정확하고 빠르게 감지할 수 있고, 또한, 종래 기술의 저항체 소자가 자체 발열로 인해 실제적인 전지셀의 몸체 온도가 아닌 저항체 소자 자체 발열에 의해 외부 장치와의 전기적 연결을 차단시키는 오작동을 유발하였는 바, 본 발명의 전지팩은 종래기술의 저항체 소자에 비해 더욱 정확한 전지셀의 온도 감지를 통해 신뢰성 높은 전력 차단능을 발휘할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 판상형의 파우치형 전지셀이고, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 밀봉된 상태에서 열융착 밀봉에 의해 전지케이스의 외주변에 밀봉 잉여부가 형성되어 있을 수 있으며, 구체적으로, 상기 전극조립체는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조로 이루어져 있고, 전해액과 함께 상기 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 전지케이스에서 전극단자가 위치하는 일측 밀봉 잉여부 상에 보호회로 모듈(PCM)이 장착되어 있는 구조일 수 있고, 상세하게는, 상기 PCM은 보호회로 인쇄 기판(PCB), 상기 전지셀의 전극단자와 PCB 사이에 전기적으로 연결되어 있거나 상기 PCB 상에 탑재된 안전소자, 및 상기 PCB의 보호회로에 전기적으로 연결되어 있는 외부 입출력 단자를 포함하고 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 열 변색 테이프는 전극단자가 위치하는 밀봉 잉여부의 상면과 상기 밀봉 잉여부에 인접하고 있는 전지케이스의 전극조립체 수납부의 일 측벽에 부착되어 있는 구조로 형성되어 있을 수 있다. 또한, 상기 열 변색 테이프의 부착 면적은 밀봉 잉여부 상면 및 전극조립체 수납부의 일 측벽의 전체 면적의 30% 내지 100%일 수 있다. 이때, 상기 열 변색 테이프의 부착 면적이 밀봉 잉여부 상면 및 전극조립체 수납부의 일 측벽의 전체 면적의 100% 미만일 경우, 상기 열 변색 테이프는 밀봉 잉여부의 너비 방향(W)을 기준으로 중앙 부위에 부착되어 있을 수 있다. 상기 전지셀의 충방전 등에 의한 열축적은 전지셀의 외주 부분보다 중앙에 집중될 수 있는 바, 상기 열 변색 테이프를 밀봉 잉여부의 중앙 부위에 부착함으로써, 전지셀의 온도를 보다 정밀하게 감지할 수 있는 이점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 열 변색 테이프는 전기 절연성의 기재 필름에 열 변색 염료가 내장되어 있거나 기재 필름의 표면에 열 변색 염료가 도포되어 있는 구조로 이루어질 수 있고, 이러한 기재 필름으로는 예를 들면, 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 구성일 수 있다. 따라서, 본 발명의 열 변색 테이프는 기존의 파우치형 전지셀의 전극단자가 형성된 밀봉 잉여부에 부착되었던 절연 테이프의 기능을 수행함과 동시에 전지셀의 특정 온도 이상으로 상승되는 것을 감지할 수 있는 바, 기존 구성에서 부재가 추가되지 않아, 전지의 내부 공간활용도가 높고 제조 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 열 변색 염료는 가역적 또는 비가역적으로 변색되는 염료일 수 있고, 가역적으로 변색되는 염료를 이용할 경우 전지셀의 비정상적인 작동으로 인해 고열이 발생되어 전지셀의 온도가 설정 온도 보다 높아질 시, 열 변색 염료의 색상이 변화되고, 상기 PCM이 컬러 센서가 변화된 색상을 감지함에 따라 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 차단함으로써, 전지셀의 온도가 상승되는 것을 저지하고, 이후, 전지셀의 온도가 설정 온도 보다 낮아질 경우, 열 변색 염료가 변화전의 색상으로 변화되고 PCM의 컬러 센서가 변화된 색상을 감지함에 따라 차단된 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 다시 연결하도록 작동할 수 있어, 전지셀의 온도를 적정 범위로 조절할 수 있다.
또한, 비가역적으로 변색되는 염료를 이용할 경우, 전지셀의 충방전시에 오작동으로 인해 전지셀이 과열된 이력을 확인할 수가 있어, 특정 오작동 발생 이후에 전지셀의 불량 유무를 확인할 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, 상기 열 변색 염료는, 예를 들면, Ag2Hg14, Ca2Hg14, COSiF6, CdCO3, CoCl2·2(CH2)6N4 및 NiBr2·(CH2)6N4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 열 변색 염료가 변색되는 온도는 섭씨50도 내지 섭씨 100도의 범위에서 설정될 수 있고, 상세하게는, 상기 열 변색 염료가 변색되는 온도는 섭씨 60도 내지 섭씨 80도일 수 있으며, 더욱 상세하게는 섭씨 70도일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 안전소자는 예를 들면, PTC소자, 퓨즈(fuse) 및 TCO(Thermal Cutoff, Cutout)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 컬러 센서는 열 변색 테이프의 색상 변화를 보다 정밀하게 감지하기 위해 발광 소자를 더 포함하고 있을 수 있고, 상기 발광 소자는 LED 소자일 수 있다.
또한, 상기 컬러 센서는 전지셀에 부착된 열 변색 테이프로부터 이격되어 대면할 수 있도록 PCB의 일측면에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
한편, 본 발명의 전지셀은 이차전지일 수 있고, 상기 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 상기 전지셀은 양극, 분리막, 음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 전지셀로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 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 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM'yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M' = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 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 중량% 내지 20 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 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 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, 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 마이크로미터 내지 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 마이크로미터 내지 300 마이크로미터이다. 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.
본 발명은, 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 모바일 디바이스를 제공한다. 구체적으로, 상기 모바일 디바이스는 예를 들어, 휴대폰, 웨어러블 전자기기, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태플릿 PC 또는 스마트 패드, 또는넷북일 수 있다.
이러한 모바일 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀의 전극단자에 인접한 전지케이스의 외면에는, 설정 온도 이상에서 색상이 변화되는 열 변색 염료(thermochormic dye)를 포함하는 열 변색 테이프가 부착되어 있고, 상기 PCM이 열 변색 테이프의 색상 변화를 감지하는 컬러 센서를 이용하여 설정 온도 이상에서 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 차단시키도록 작동함으로써, 전지셀의 고온 발생을 정확하게 감지할 수 있어, 과충전, 과방전, 과전류 등으로 인한 전지의 수명 단축 내지는 발화 또는 폭발 등을 방지할 수 있는 효과를 발휘한다.
도 1은 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조를 나타낸 분해 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 판상형 전지셀의 모식적인 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 일부 구성들을 나타낸 모식적인 사시도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 보호회로 모듈(PCM)의 모식적인 정면도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식적인 사시도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지팩의 일부 구성들을 나타낸 모식적인 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 판상형 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 2와 도 5를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지팩(500)은, 전극조립체(도시하지 않음)로부터 연장된 전극단자들(130, 131)이 전지케이스(115)의 일측에 돌출되어 있는 전지셀(110)을 포함하고 있다.
여기서 전지셀(110)은 판상형의 파우치형 전지셀이고, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스(115)의 수납부(114)에 전극조립체(도시하지 않음)가 전해액과 함께 밀봉된 상태에서 열융착 밀봉에 의해 전지케이스(115)의 외주변에 밀봉 잉여부(112)가 형성되어 있다.
이러한 전극단자들(130, 131)에 인접한 전지케이스(115)의 외면에는, 설정 온도 이상에서 색상이 변화되는 열 변색 염료(thermochormic dye)를 포함하는 열 변색 테이프(300)가 부착되어 있다.
즉, 열 변색 테이프(300)는 전극단자들(130, 131)이 위치하는 밀봉 잉여부(112)의 상면(적색 점선)과 이러한 밀봉 잉여부(112)에 인접하고 있는 전지케이스(115)의 전극조립체 수납부(114)의 일 측벽(117)에 부착되어 있는 구조로 형성되어 있다. 또한, 열 변색 테이프(300)의 부착 면적은 밀봉 잉여부 상면(적색 점선) 및 전극조립체 수납부(114)의 일 측벽(117)의 전체 면적의 30% 내지 100%이다.
또한, 열 변색 테이프(300)는 전기 절연성의 기재 필름에 열 변색 염료가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 이러한 기재 필름으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)가 사용되었다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 일부 구성들을 나타낸 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 보호회로 모듈(PCM)의 정면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(110)의 전극단자들(130, 131)에 전기적으로 연결되어 있는 보호회로 모듈(PCM)(200)이 전지케이스(115)에서 전극단자가 위치하는 일측 밀봉 잉여부 상에 위치되어 있다.
이때, 보호회로 모듈(200)은 열 변색 테이프(300)의 색상 변화를 감지하기 위한 컬러 센서(210)를 포함하고 있고, 이러한 컬러 센서(210)는 전지셀에 부착된 열 변색 테이프(300)로부터 이격되어 대면할 수 있도록 보호회로 인쇄 기판(220)의 일측면에 장착되어 있는 구조이다.
따라서, 본 발명의 따른 보호회로 모듈(200)은 전지셀(100)의 외면 온도가 설정 온도 이상이 될 경우, 이러한 컬러 센서(210)가 전지셀 외면에 부착되어 있는 열 변색 테이프(300)의 색상변화를 인지하여 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 차단시키도록 작동한다.
다시 도 4을 참조하면, 보호회로 모듈(200)은 보호회로 인쇄 기판(PCB)(220), 전지셀(110)의 전극단자들(130, 131)와 보호회로 인쇄 기판(220) 사이에 전기적으로 연결되어 있거나 보호회로 인쇄 기판(220) 상에 탑재된 안전소자(도시하지 않음), 및 보호회로 인쇄 기판(220)의 보호회로에 전기적으로 연결되어 있는 외부 입출력 단자(400)를 포함하고 있다.
또한, 컬러 센서(210)는 열 변색 테이프의 색상 변화를 보다 정밀하게 감지하기 위해 발광 소자(212)를 더 포함하고 있고, 여기서는 발광 소자(212)로 LED 소자가 사용되었다.
또한, 열 변색 염료는 가역적으로 변색되는 염료를 사용하였고, 이러한 가역적으로 변색되는 염료를 포함하는 열 변색 테이프(300)는 전지셀의 비정상적인 작동으로 인해 고열이 발생되어 전지셀의 온도가 설정 온도 보다 높아질 경우, 열 변색 염료의 색상이 기존의 노란색에서 적색으로 변화되고, 보호회로 모듈(200)의 컬러 센서(210)가 변화된 색상을 감지함에 따라 전극단자들(130, 131)과 외부 디바이스(도시하지 않음) 간의 전기적 연결을 차단함으로써, 전지셀의 온도가 상승되는 것을 저지하고, 이후, 전지셀의 온도가 설정 온도 보다 낮아질 경우, 열 변색 염료가 변화전의 색상인 노란색으로 변화되고 보호회로 모듈의 컬러 센서(210)가 변화된 색상을 감지함에 따라 차단된 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 다시 복구하도록 작동한다.
이때, 열 변색 염료가 변색되는 온도는 섭씨 70도로 설정되어 있다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지팩의 일부 구성들을 나타낸 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(110)의 열 변색 테이프(301)는 밀봉 잉여부(112)의 너비 방향(W)을 기준으로 중앙 부위에 부착되어 있고, 열 변색 테이프(301)의 부착 면적은 밀봉 잉여부 상면(적색 점선) 및 전극조립체 수납부(114)의 일 측벽(117)의 전체 면적의 50% 정도이다.
앞서 도면을 참조하여 설명하였듯이, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀의 전극단자에 인접한 전지케이스의 외면에 설정 온도 이상에서 색상이 변화되는 열 변색 염료(thermochormic dye)를 포함하는 열 변색 테이프가 부착되어 있고, 보호회로 모듈이 열 변색 테이프의 색상 변화를 감지하는 컬러 센서를 이용하여 설정 온도 이상에서 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 차단시키도록 작동함으로써, 전지셀의 고온 발생을 정확하게 감지할 수 있는 바, 과충전, 과방전, 과전류 등으로 인한 전지의 수명 단축 내지는 발화 또는 폭발 등을 방지할 수 있는 효과를 발휘한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 전극조립체로부터 연장된 전극단자가 전지케이스의 일측에 돌출되어 있는 전지셀을 포함하고 있고;
    상기 전극단자에 전기적으로 연결된 보호회로 모듈(PCM)이 전지셀의 외면 상에 장착되어 있으며;
    상기 전극단자에 인접한 전지케이스의 외면에는, 설정 온도 이상에서 색상이 변화되는 열 변색 염료(thermochormic dye)를 포함하는 열 변색 테이프가 부착되어 있고;
    상기 PCM은 열 변색 테이프에 대면하도록 배치되어 상기 열 변색 테이프의 색상 변화를 감지하는 컬러 센서를 포함하고,
    상기 컬러 센서는 전지셀에 부착된 열 변색 테이프로부터 이격되어 대면할 수 있도록 PCB의 일측면에 장착되며,
    상기 컬러 센서는 가장자리에 배치되어 열 변색 테이프를 조명하기 위한 발광 소자를 포함하고,
    상기 PCM은 상기 컬러 센서에 의하여 감지된 열 변색 테이프의 색상 변화에 따라 설정 온도 이상에서 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 차단시키거나, 설정 온도 미만에서 전극단자와 외부 디바이스 간의 전기적 연결을 복구시키도록 작동하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 판상형의 파우치형 전지셀이고, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 밀봉된 상태에서 열융착 밀봉에 의해 전지케이스의 외주변에 밀봉 잉여부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지케이스에서 전극단자가 위치하는 일측 밀봉 잉여부 상에 보호회로 모듈(PCM)이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 PCM은 보호회로 인쇄 기판(PCB), 상기 전지셀의 전극단자와 PCB 사이에 전기적으로 연결되어 있거나 상기 PCB 상에 탑재된 안전소자, 및 상기 PCB의 보호회로에 전기적으로 연결되어 있는 외부 입출력 단자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 열 변색 테이프는 전극단자가 위치하는 밀봉 잉여부의 상면과 상기 밀봉 잉여부에 인접하고 있는 전지케이스의 전극조립체 수납부의 일 측벽에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 열 변색 테이프의 부착 면적은 밀봉 잉여부 상면 및 전극조립체 수납부의 일 측벽의 전체 면적의 30% 내지 100%인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 열 변색 테이프는 밀봉 잉여부의 너비 방향(W)을 기준으로 중앙 부위에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 열 변색 테이프는 전기 절연성의 기재 필름에 열 변색 염료가 내장되어 있거나 기재 필름의 표면에 열 변색 염료가 도포되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전기 절연성의 기재 필름은 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 열 변색 염료는 가역적 또는 비가역적으로 변색되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 열 변색 염료는 Ag2Hg14, Ca2Hg14, COSiF6, CdCO3, CoCl2·2(CH2)6N4 및 NiBr2·(CH2)6N4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 열 변색 염료가 변색되는 온도는 섭씨 50도 내지 섭씨 100도의 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 4 항에 있어서, 상기 안전소자는 PTC소자, 퓨즈(fuse) 및 TCO(Thermal Cutoff, Cutout)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항 내지 제 13 항 및 제 16 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 모바일 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 모바일 디바이스는 휴대폰, 웨어러블 전자기기, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태플릿 PC 또는 스마트 패드인 것을 특징으로 하는 모바일 디바이스.
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