KR102101430B1 - 배터리 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 본체와 케이스 본체로부터 연장되는 케이스 테라스를 포함하는 전지 케이스, 전지 케이스 밖으로 돌출되며, 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 전극 리드들 및 케이스 테라스 내부에 구비되며, 배터리 셀의 과충전을 차단하는 과충전 차단유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 셀{BATTERY CELL}
본 발명은 배터리 셀에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
종래 배터리 모듈이나 배터리 팩 단위에서는 과충전을 방지하기 위한 차단 회로 등이 존재하지만 배터리 셀 단위에서는 별도의 차단 회로 등의 안전장치가 마련되어 있지 않는다. 이에 따라, 배터리 셀 단위에서, 과충전으로 인한 배터리 셀의 폭발이나 화재 위험에 직접적으로 노출되는 문제가 있다.
아울러, 기기 이상으로 배터리 모듈이나 배터리 팩 등에 구비되는 차단 회로가 작동하지 않을 경우, 모듈이나 팩 내부에 마련되는 배터리 셀의 과충전으로 인한 폭발이나 화재 등이 발생될 위험이 큰 문제가 있다.
그러므로, 배터리 셀 단위에서, 배터리 셀의 과충전으로 인한 폭발이나 화재 등을 사전에 차단할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
따라서, 본 발명의 목적은 배터리 셀 단위에서 배터리 셀의 과충전으로 인한 폭발이나 화재 등을 사전에 차단할 수 있는 배터리 셀을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 셀로서, 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스 본체와 상기 케이스 본체로부터 연장되는 케이스 테라스를 포함하는 전지 케이스; 상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 전극 리드들; 및 상기 케이스 테라스 내부에 구비되며, 상기 배터리 셀의 과충전을 차단하는 과충전 차단유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀을 제공한다.
상기 과충전 차단유닛은, 상기 한 쌍의 전극 리드들 사이에 구비되며, 상기 한 쌍의 전극 리드들의 온도가 소정 온도 이상이거나 또는 상기 배터리 셀의 전압이 소정 전압 이상일 때 과충전 차단 가스를 상기 전지 케이스 내부로 내보내는 차단유닛 본체; 및 상기 차단유닛 본체의 적어도 일측에 구비되고, 상기 한 쌍의 전극 리드들 가까이에 배치되며, 상기 한 쌍의 전극 리드들의 온도 또는 상기 배터리 셀의 전압을 감지하는 적어도 하나의 감지 센서;를 포함할 수 있다.
상기 과충전 차단유닛은, 상기 차단유닛 본체 내에 구비되며, 아지드화나트륨이 채워지는 적어도 하나의 캡슐; 및 상기 적어도 하나의 감지 센서와 연결되며, 상기 소정 온도 또는 소정 전압 이상일 때 상기 적어도 하나의 캡슐을 터트리는 기폭 트리거;를 포함할 수 있다.
상기 과충전 차단 가스는, 질소 기체이며, 상기 차단유닛 본체에는, 상기 아지드화나트륨과 반응하여 상기 질소 기체를 생성할 수 있는 산화철이 채워질 수 있다.
상기 차단유닛 본체에는, 상기 케이스 본체 방향으로 돌출되며, 상기 케이스 본체 측으로 상기 질소 기체의 방출을 가이드 하는 적어도 하나의 가스 분출구;가 형성될 수 있다.
상기 과충전 차단유닛은, 상기 적어도 하나의 가스 분출구에 구비되며, 상기 질소 기체 방출 시 상기 적어도 하나의 가스 분출구를 개방시키는 적어도 하나의 커버 필름;을 포함할 수 있다.
상기 감지 센서는, 온도 센서 또는 전압 센서일 수 있다.
상기 배터리 셀은, 파우치형 이차 전지일 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 셀 단위에서 배터리 셀의 과충전으로 인한 폭발이나 화재 등을 사전에 차단할 수 있는 배터리 셀을 제공할 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 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 셀의 단면도이다.
도 3은 도 2의 배터리 셀의 과충전 차단유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 과충전 차단유닛의 단면도이다.
도 6 및 도 7은 도 3의 과충전 차단유닛의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 셀의 단면도이며, 도 3은 도 2의 배터리 셀의 과충전 차단유닛을 설명하기 위한 도면이며, 도 4 및 도 5는 도 3의 과충전 차단유닛의 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 배터리 셀(10)은 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구비될 수 있다. 이러한 상기 배터리 셀(10)은 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 복수 개로 구비되어 배터리 모듈이나 배터리 팩 등의 단위체로 구성될 수 있다.
상기 배터리 셀(10)은, 전극 조립체(100), 전지 케이스(200), 전극 리드(300) 및 과충전 차단유닛(500)을 포함할 수 있다.
상기 전극 조립체(100)는, 양극판, 음극판 및 세퍼레이터 등으로 구성될 수 있다. 상기 전극 조립체(100)에 대해서는 잘 알려져 있으므로, 이하, 자세한 설명을 생략한다.
상기 전지 케이스(200)는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있으며, 상기 전극 조립체(100)를 패키징할 수 있다. 이러한 상기 전지 케이스(200)는, 케이스 본체(210) 및 케이스 테라스(230)를 포함할 수 있다.
상기 케이스 본체(210)는 상기 전극 조립체(100)를 수용할 수 있다. 이를 위해, 상기 케이스 본체(210)에는 상기 전극 조립체(100)를 수용할 수 있는 수용 공간이 마련될 수 있다. 상기 케이스 테라스(230)는 상기 케이스 본체(210)로부터 연장되며, 상기 케이스 본체(210) 내부를 밀봉할 수 있게 실링될 수 있다.
상기 전극 리드(300)는 한 쌍으로 구비되며, 상기 한 쌍의 전극 리드들(300)은 각각 양극 리드 및 음극 리드로 이루어질 수 있다. 이러한 상기 한 쌍의 전극 리드들(300)은 상기 전극 조립체(100)와 전기적으로 연결되며, 상기 전지 케이스(200), 구체적으로, 상기 케이스 테라스(230) 밖으로 돌출될 수 있다.
상기 과충전 차단유닛(500)은 상기 케이스 테라스(210) 내부에 구비되며, 상기 배터리 셀(10)의 과충전을 차단할 수 있다. 이러한 상기 과충전 차단유닛(500)은 상기 케이스 테라스(210) 내부에 배치될 수 있게 상기 케이스 테라스(210)에 삽입되거나 또는 상기 케이스 테라스(210) 내부에 장착될 수 있다.
이하, 상기 과충전 차단유닛(500)에 대해 보다 자세히 살펴 본다.
상기 과충전 차단유닛(500)은, 차단유닛 본체(510), 감지 센서(530), 캡슐(550), 기폭 트리거(570) 및 커버 필름(590)을 포함할 수 있다.
상기 차단유닛 본체(510)는, 상기 케이스 테라스(210) 내측에서 상기 한 쌍의 전극 리드들(300) 사이에 구비될 수 있다. 이러한 상기 차단유닛 본체(510)는 상기 한 쌍의 전극 리드들(300)의 온도가 소정 온도 이상이거나 또는 상기 배터리 셀(10)의 전압이 소정 전압 이상일 때 과충전 차단 가스(N)를 상기 전지 케이스(200) 내부로 내보낼 수 있다. 여기서, 상기 과충전 차단 가스(N)는 질소 기체일 수 있으며, 이에 대해서는 하기 관련 설명에서 자세히 살펴 보겠다.
상기 차단유닛 본체(510) 내부에는 후술하는 캡슐(550)의 아지드화나트륨과 반응하는 산화철(B)이 채워질 수 있다. 아울러, 상기 차단유닛 본체(510)에는 상기 산화철(B) 이외에도 질산칼륨 및 이산화규소 등의 화합물이 더 채워질 수 있다. 이는 후술하는 아지드화나트륨의 나트륨과 반응하여 반응성이 낮은 안전한 물질로 합성되도록 하기 위함이다. 만약, 상기 나트륨이 외부의 물과 만날 경우, 수소 기체와 함께 많은 양의 열이 발생될 수 있어, 이로 인한, 2차 화재 등이 발생될 수 있기 때문이다.
상기 차단유닛 본체(510)에는 상기 케이스 본체(210) 방향으로 돌출되며, 상기 과충전 차단 가스(N), 즉, 상기 질소 기체(N)의 방출 시, 상기 케이스 본체(210) 측으로 상기 질소 기체(N)의 방출을 가이드 할 수 있는 적어도 하나의 가스 분출구(515)가 마련될 수 있다.
상기 가스 분출구(515)는 한 쌍으로 구비될 수 있으며, 상기 한 쌍의 가스 분출구들(515)는 각각, 상기 케이스 본체(210) 방향으로 돌출되어, 상기 질소 기체(N)의 방출 시, 상기 질소 기체(N)의 방출 방향을 상기 케이스 본체(210) 내측으로 보다 효과적으로 유도할 수 있다.
상기 감지 센서(530)는 상기 차단유닛 본체(510)의 적어도 일측, 구체적으로, 본 실시예의 경우, 한 쌍으로 구비되어 상기 차단유닛 본체(510)의 양측에 각각 구비될 수 있다. 각각의 감지 센서들(530)은, 상기 한 쌍의 전극 리드들(300) 가까이에 배치되며, 상기 한 쌍의 전극 리드들(300)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이러한 상기 한 쌍의 감지 센서들(530)은 상기 한 쌍의 전극 리드들(300)의 온도 또는 상기 배터리 셀(10)의 전압을 감지할 수 있다. 이를 위해, 상기 한 쌍의 감지 센서들(530)은 온도 센서 또는 전압 센서로 구비될 수 있다.
상기 캡슐(550)은 상기 차단유닛 본체(510) 내에 구비되며, 적어도 하나 이상으로 마련될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 캡슐(550)은 한 쌍으로 구비되며, 상기 한 쌍의 캡슐들(550) 내부에는 상기 산화철(B)가 반응하는 아지드화나트륨(A)이 채워질 수 있다. 상기 아지드화나트륨(A)은 상기 산화철(B)에 노출 시 빠른 반응속도로 반응하여 상기 과충전 차단 가스(N)로 작용하는 질소 기체(N)를 생성할 수 있다.
상기 기폭 트리거(570)는 상기 적어도 하나의 감지 센서(530)와 소정 온도 또는 소정 전압 이상일 때, 상기 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 상기 한 쌍의 캡슐들(550)을 터트릴 수 있다. 이를 위해, 상기 기폭 트리거(570)는 한 쌍으로 구비될 수 있으며, 각각, 상기 감지 센서(530) 및 상기 캡슐(550)에 연결될 수 있다.
상기 커버 필름(590)은 상기 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 상기 한 쌍의 가스 분출구들(515)에 각각 구비될 수 있다. 이러한 상기 한 쌍의 커버 필름들(590)은 상기 차단유닛 본체(510) 내부의 산화철(B)의 상기 차단유닛 본체(510) 외부로의 유출을 방지할 수 있다. 아울러, 상기 한 쌍의 커버 필름들(590)은 상기 차단유닛 본체(510) 내에서 상기 질소 기체(N) 생성 시, 상기 질소 기체(N)를 상기 가스 분출구들(515) 밖으로 내보낼 수 있게, 상기 차단유닛 본체(510) 내부 압력에 의해 찢어지거나 또는 상기 가스 분출구들(515)로부터 이탈되어 상기 한 쌍의 가스 분출구들(515)를 개방시킬 수 있다.
이하에서는, 이러한 본 실시예에 따른 상기 배터리 셀(10)의 상기 과충전 차단유닛(500)의 구체적인 동작에 대해 보다 더 자세히 살펴 본다.
도 6 및 도 7은 도 3의 과충전 차단유닛의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 배터리 셀(10)이 과충전될 경우, 상기 전극 리드(300)의 온도가 상승하거나 또는 상기 배터리 셀(10)의 전압이 상승할 수 있다.
이 경우, 상기 과충전 차단유닛(500)의 상기 기폭 트리거(570, 도 4 참조)는 상기 감지 센서(530)에서 감지된 상기 전극 리드(300)의 온도가 소정 온도 이상이거나 또는 상기 배터리 셀(10)의 전압이 소정 전압 이상일 때, 상기 캡슐(550, 도 4 참조)을 터트릴 수 있다.
상기 캡슐(550)이 터지면서, 상기 차단유닛 본체(510) 내에는, 상기 아지드화나트륨(A)과 상기 산화철(B)이 반응하면서 상기 과충전 차단 가스(N), 즉, 질소 기체(N)가 생성될 수 있다.
상기 질소 기체(N)는 우선적으로, 상기 차단유닛 본체(510) 내부 압력을 증가시키면서, 상기 가스 분출구(515)의 상기 커버 필름(590, 도 4 참조)을 찢거나 또는 상기 가스 분출구(515)로부터 이탈시킨 후 상기 가스 분출구(515)를 통해 상기 전지 케이스(200)의 상기 케이스 본체(210) 내부로 방출될 수 있다.
상기 케이스 본체(210) 내부로 방출된 상기 질소 기체(N)는 일차적으로 산소를 차단시켜 상기 배터리 셀(10)의 화재를 지연시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 이후, 상기 케이스 본체(210) 내부로 지속적으로 방출되는 상기 질소 기체(N)로 인해, 상기 전지 케이스(200)의 내부 압력은 지속적으로 상승하게 되어 상기 케이스 본체(210) 및 상기 케이스 테두리(230) 중 적어도 하나를 터트릴 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 상기 배터리 셀(10)은 상기 배터리 셀(10)의 과충전으로 인한 열 폭발 이전에 상기 질소 기체(N)의 방출에 따라 상기 전지 케이스(200)가 우선적으로 터지면서 상기 배터리 셀(10)의 열 폭발을 방지할 수 있다.
이처럼, 본 실시예에서는, 상기 배터리 셀(10) 단위에서 상기 배터리 셀(10)의 과충전으로 인한 폭발이나 화재 등을 사전에 차단할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
10: 배터리 셀
100: 전극 조립체
200: 전지 케이스
210: 케이스 본체
230: 케이스 테라스
300: 전극 리드
500: 과충전 차단유닛
510: 차단유닛 본체
515: 가스 분출구
530: 감지 센서
550: 캡슐
570: 기폭 트리거
590: 커버 필름

Claims (8)

  1. 배터리 셀에 있어서,
    전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스 본체와 상기 케이스 본체로부터 연장되는 케이스 테라스를 포함하는 전지 케이스;
    상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 전극 리드들; 및
    상기 케이스 테라스 내부에 구비되며, 상기 배터리 셀의 과충전을 차단하는 과충전 차단유닛;을 포함하며,
    상기 과충전 차단유닛은,
    상기 한 쌍의 전극 리드들 사이에 구비되며, 상기 한 쌍의 전극 리드들의 온도가 소정 온도 이상이거나 또는 상기 배터리 셀의 전압이 소정 전압 이상일 때 과충전 차단 가스를 상기 전지 케이스 내부로 내보내는 차단유닛 본체; 및
    상기 차단유닛 본체의 적어도 일측에 구비되고, 상기 한 쌍의 전극 리드들 가까이에 배치되며, 상기 한 쌍의 전극 리드들의 온도 또는 상기 배터리 셀의 전압을 감지하는 적어도 하나의 감지 센서;를 포함하며,
    상기 과충전 차단유닛은,
    상기 차단유닛 본체 내에 구비되며, 아지드화나트륨이 채워지는 적어도 하나의 캡슐; 및
    상기 적어도 하나의 감지 센서와 연결되며, 상기 소정 온도 또는 소정 전압 이상일 때 상기 적어도 하나의 캡슐을 터트리는 기폭 트리거;를 포함하며,
    상기 기폭 트리거는,
    상기 차단유닛 본체 내에 내장되고, 상기 적어도 하나의 감지 센서와 상기 적어도 하나의 캡슐 사이에서 상기 적어도 하나의 감지 센서와 상기 적어도 하나의 캡슐을 연결하며, 적어도 일면이 상기 적어도 하나의 캡슐과 면접촉되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 과충전 차단 가스는,
    질소 기체이며,
    상기 차단유닛 본체에는,
    상기 아지드화나트륨과 반응하여 상기 질소 기체를 생성할 수 있는 산화철이 채워지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 차단유닛 본체에는,
    상기 케이스 본체 방향으로 돌출되며, 상기 케이스 본체 측으로 상기 질소 기체의 방출을 가이드 하는 적어도 하나의 가스 분출구;가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 과충전 차단유닛은,
    상기 적어도 하나의 가스 분출구에 구비되며, 상기 질소 기체 방출 시 상기 적어도 하나의 가스 분출구를 개방시키는 적어도 하나의 커버 필름;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 감지 센서는,
    온도 센서 또는 전압 센서인 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀은,
    파우치형 이차 전지인 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
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