KR102308268B1 - 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬 이온 전지 가열 분야에 속하며, 구체적으로는 전지 내부에 코어가 설치되고, 코어 상단에 제1 코어 탭 및 제2 코어 탭이 설치되며, 제1 코어 탭 및 제2 코어 탭은 각각 코어와 서로 연결되고, 코어 내부에 열발생 장치가 설치되며, 열발생 장치는 제1층 가열 시트를 포함하고, 제1층 가열 시트는 코어 외부로 연장되는 제1층 가열 시트 제1 탭 및 제1층 가열 시트 제2 탭과 각각 연결되며, 제어 스위치는 제1 제어 스위치 및 제2 제어 스위치로 구성되고; 외부 장치 및 제2 제어 스위치는 제1 분기 회로를 구성하며, 제1 코어 탭, 코어 및 제2 코어 탭은 제2 분기 회로를 구성하고, 제1층 가열 시트 제1 탭, 제1층 가열 시트, 제1층 가열 시트 제2 탭 및 제1 제어 스위치는 제3 분기 회로를 구성는 것을 특징으로 하는 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지에 관한 것이다. 본 발명은 충전이 빠르고, 안전성이 높으며, 저온에서의 전지 작동 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지
본 발명은 리튬 이온 전지 가열 분야에 속하며, 구체적으로는 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지에 관한 것이다.
리튬 이온 전지는 액상, 반고상 및 고상 리튬 이온 전지를 포함한다. 대부분의 리튬 이온 전지는 저온 환경에서의 SEI막, 표면 전하 전달 저항 및 전극에서의 리튬 이온 확산 불량 등 원인으로 인해 대전류 충방전 능력이 약하므로, 배율 및 출력 성능이 제한을 받는다.
따라서, 보조 수단을 사용하여 전지의 저온 성능을 향상시키는 것은 중요한 연구 방향이 되었고, 이미 교류 전류 가열법, 펠티에 가열법, 가열판 가열법, 유체 가열법 및 가열 재킷 가열법 등이 제안되었으나, 중국 특허(리튬 이온 전지 자가열 장치 및 방법, CN104282965A)와 같이 이러한 가열 방식은 별도로 전원을 배치하여 전열선에 전기를 공급해야 하고, 가열 시간은 약 10 min이며, 온도 상승 속도가 매우 느리다. 이 밖에, 이러한 가열 방법의 에너지 소모는 평균 약 20%로 비교적 크므로 이 역시 리튬 이온 전지의 보급 사용을 제한한다.
아울러, 리튬 이온 전지의 내부 온도를 동적으로 감지하는 것도 사용상 중요한 난제인 바, 이는 리튬 이온 전지의 안전 제어에 관계되는 중요한 파라미터이다. 기존의 연구는 상대적으로 성숙되었지만, 감지 장치의 비용이 비싸므로 이는 대규모 사용에 불리하다.
따라서, 정상적인 작동 상태에서, 리튬 이온 전지 코어 내부의 온도를 실시간으로 감지하고; 저온 작동이 필요할 경우(예를 들어, 충전 또는 방전), 매우 짧은 시간(< 5min) 내에, 전지의 온도가 제어 가능한 수단에 의해 빠르게 상승하여 정상적인 전기 성능을 나타냄으로써, 리튬 이온 전지 내부의 작동 온도를 동적으로 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라 저온에서의 작동 성능을 향상시키고, 리튬 이온 전지의 사용 환경 온도 구간을 확장하며, 리튬 이온 전지의 보급 응용을 추진할 수 있는 온도 감지 및 조절 능력을 동시에 구비한 고성능 리튬 이온 전지를 개발할 필요가 있다.
상기 기술적 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 충전이 빠르고, 안전성이 높으며, 저온에서의 전지 작동 성능을 향상시킬 수 있는 내부 가열 장치가 구비된 이온 전지를 제공한다.
본 발명의 기술적 해결수단은 하기와 같다.
전지 내부에 코어(1)가 설치되고, 코어(1) 상단에 제1 코어 탭(11) 및 제2 코어 탭(12)이 설치되며, 제1 코어 탭(11) 및 제2 코어 탭(12)은 각각 코어(1)와 서로 연결되고, 코어(1) 내부에 열발생 장치(2)가 설치되며, 열발생 장치(2)는 제1층 가열 시트(2-1)를 포함하고, 제1층 가열 시트(2-1)는 코어 외부로 연장되는 제1층 가열 시트 제1 탭(21) 및 제1층 가열 시트 제2 탭(22)과 각각 연결되며, 제어 스위치(5)는 제1 제어 스위치(51) 및 제2 제어 스위치(52)로 구성되고; 외부 장치 및 제2 제어 스위치(52)는 제1 분기 회로를 구성하며, 제1 코어 탭(11), 코어(1) 및 제2 코어 탭(12)은 제2 분기 회로를 구성하고, 제1층 가열 시트 제1 탭(21), 제1층 가열 시트(2-1), 제1층 가열 시트 제2 탭(22) 및 제1 제어 스위치(51)는 제3 분기 회로를 구성하며; 제2 분기 회로는 제1 분기 회로 및 제3 분기 회로와 각각 직렬 연결되거나, 제2 분기 회로는 제3 분기 회로와 병렬 연결된 후 제1 분기 회로와 직렬 연결될 수 있는 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지를 제공한다.
나아가, 제1 온도 수집기(3)는 코어 내부에 설치되고, 제2 온도 수집기(4)는 전지 표면에 설치되며, 제어 스위치(5)는 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)의 신호를 수신할 수 있다.
나아가, 제2 분기 회로가 제1 분기 회로 및 제3 분기 회로와 각각 직렬 연결이 가능한 경우, 외부 장치는 부하(6)이다.
나아가, 제2 분기 회로가 제3 분기 회로와 병렬 연결된 후 제1 분기 회로와 직렬 연결될 경우, 외부 장치는 충전 장치(7)이다.
나아가, 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)는 각각 제1 제어 스위치(51)의 개폐를 제어할 수 있고, 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)는 각각 제2 제어 스위치(52)의 개폐를 제어할 수 있다.
나아가, 코어는 권선형 또는 적층형이다.
나아가, 전지는 사각형 또는 원기둥형 전지이다.
나아가, 전지는 액상, 반고상 또는 고상 리튬 이온 전지이다.
나아가, 열발생 장치(2)는 제2층 가열 시트(2-2)를 포함하고, 제2층 가열 시트(2-2)는 코어 외부로 연장되는 제2층 가열 시트 제1 탭(23) 및 제2층 가열 시트 제2 탭(24)과 각각 연결되며, 제2층 가열 시트 제1 탭(23), 제2층 가열 시트(2-2), 제2층 가열 시트 제2 탭(24) 및 제3 제어 스위치는 제4 분기 회로를 구성하고, 제4 분기 회로가 제3 분기 회로와 직렬 연결되거나 병렬 연결되어 공통 분기 회로를 형성할 수 있으며; 제2 분기 회로는 제1 분기 회로 및 공통 분기 회로와 각각 직렬 연결되거나, 제2 분기 회로는 공통 분기 회로와 병렬 연결된 후 제1 분기 회로와 직렬 연결될 수 있다.
나아가, 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)는 각각 제3 제어 스위치(52)의 개폐를 제어할 수 있다.
나아가, 열발생 장치는 줄열을 발생할 수 있는 금속 또는 무기 비금속 재질로 제조된다.
나아가, 제1 온도 수집기(3)는 열전대 또는 서미스터이고, 제2 온도 수집기(4)는 열전대 또는 서미스터이다.
본 발명의 유리한 효과는 하기와 같다.
(1) 열발생 장치의 열 보상을 통해 리튬 이온 전지의 온도 적용성, 특히 저온 환경 적응성을 향상시킬 수 있고, 리튬 이온 전지의 충방전 성능을 이용하여 더 넓은 온도 범위 내에서 상대적으로 높은 수준으로 발휘되며, 본원 발명은 리튬 이온 전지 온도가 -30 ℃에서 30 ℃로 증가된 후 선행 기술의 -30 ℃ 리튬 이온 전지에 비해, 1C 배율의 방전 용량이 약 배로 증가된다.
(2) 온도 수집기 및 열발생 장치를 통해, 리튬 이온 전지 작동 과정에서 코어 내부 온도를 동적으로 감지할 수 있고, 안전 온도(예를 들어, 55 ℃)보다 높을 경우, 리튬 이온 전지의 작동 상태를 실시간으로 조정하여 안전성을 확보하며, 기설정된 온도(예를 들어, 30 ℃)보다 낮을 경우, 가열 프로그램을 실시간으로 가동하여 양호한 작동 상태를 확보하고, 즉, 적합한 온도 범위 내에서, 리튬 이온 전지의 전기 용량 및 충전 속도를 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 리튬 이온 전지의 구조 모식도이다.
도 2는 부하를 갖는 리튬 이온 전지의 연결 모식도이다.
도 3은 리튬 이온 전지의 열발생 장치가 단일 층 조립체인 정면 모식도이다.
도 4는 도 3의 A-A에 따른 단면 모식도이다.
도 5는 리튬 이온 전지의 열발생 장치가 이중 층 조립체인 정면 모식도이다.
도 6은 리튬 이온 전지의 열발생 장치가 이중 층 조립체인 평면 모식도이다.
도 7은 도 5의 B-B에 따른 단면 모식도이다.
도 8은 리튬 이온 전지의 열발생 장치가 단일 층 조립체인 부하를 갖는 전기회로 연결 모식도이다.
도 9는 리튬 이온 전지의 열발생 장치가 단일 층 조립체인 충전 장치를 구비한 전기회로 연결 모식도이다.
도 1 내지 도 9를 결부하여 본 발명을 추가로 설명한다.
실시예1
도 1 내지 도 4, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지로서, 전지 내부에 코어(1)가 설치되고, 코어(1) 상단에 제1 코어 탭(11) 및 제2 코어 탭(12)이 설치되며, 제1 코어 탭(11) 및 제2 코어 탭(12)은 각각 코어(1)와 서로 연결되고, 코어(1) 내부에 열발생 장치(2)가 설치되며, 열발생 장치(2)는 제1층 가열 시트(2-1)를 포함하고, 제1층 가열 시트(2-1)는 코어 외부로 연장되는 제1층 가열 시트 제1 탭(21) 및 제1층 가열 시트 제2 탭(22)과 각각 연결되며, 제1 온도 수집기(3)는 코어 내부에 설치되고, 제2 온도 수집기(4)는 전지 표면에 설치되며, 제어 스위치(5)는 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)의 신호를 수신할 수 있고, 제어 스위치(5)는 제1 제어 스위치(51) 및 제2 제어 스위치(52)로 구성되며; 외부 장치 및 제2 제어 스위치(52)는 제1 분기 회로를 구성하며, 제1 코어 탭(11), 코어(1) 및 제2 코어 탭(12)은 제2 분기 회로를 구성하고, 제1층 가열 시트 제1 탭(21), 제1층 가열 시트(2-1), 제1층 가열 시트 제2 탭(22) 및 제1 제어 스위치(51)는 제3 분기 회로를 구성한다. 열발생 장치는 줄열을 발생할 수 있는 금속 또는 무기 비금속 재질로 제조된다. 제1 온도 수집기(3)는 열전대 또는 서미스터이고, 제2 온도 수집기(4)는 열전대 또는 서미스터이다. 코어는 권선형 또는 적층형이고, 전지는 사각형 또는 원기둥형 전지이며, 전지는 액상, 반고상 또는 고상 리튬 이온 전지이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 열발생 장치가 단일 층 구조 조립체일 경우, 열발생 장치(2)는 리튬 이온 전지 두께 방향의 1/2에 해당되는 위치에 안착된다.
리튬 이온 전지가 부하에 정상적으로 전기를 공급하거나 가열 장치에 전기를 공급하여 승온시켜야 할 경우, 제2 분기 회로는 제1 분기 회로 및 제3 분기 회로와 각각 직렬 연결될 수 있고, 외부 장치는 부하(6)이다. 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)는 각각 제1 제어 스위치(51)의 개폐를 제어할 수 있고, 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)는 제2 제어 스위치(52)의 개폐를 제어할 수 있다. 작동 과정은 하기와 같다. 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기로 온도 값을 감지하되, 여기서, 코어의 온도 감지 점은 기설정된 온도(즉, T1 = 30 ℃)이며, 경보 점은 안전 온도(즉, T2 = 55 ℃)이다. 코어가 부하에 대한 작업을 수행하기 전, 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기를 통해 코어 온도 값을 감지하고, 수집 온도가 기설정된 온도보다 낮으면, 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기는 신호를 발생하고, 신호를 제1 제어 스위치에 송신하여, 제1 제어 스위치를 온시키며, 제1층 가열 시트가 열을 발생하여, 코어 온도를 상승시키고; 코어 온도가 기설정된 온도 이상일 경우, 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기는 신호를 발생하며, 신호를 제1 제어 스위치에 송신하여, 제1 제어 스위치를 오프시키고, 제2 제어 스위치를 온시키며, 가열을 중지하고, 부하에 전기를 공급하며; 부하에 전기를 공급하는 과정에서, 코어 온도가 안전 온도보다 높으면, 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기는 신호를 발생하며, 신호를 제2 제어 스위치에 송신하여, 제2 제어 스위치를 오프시키고, 부하로의 전기 공급을 중지한다. 상기 조절을 통해, 리튬 이온 전지의 사용 성능 및 안전 성능을 향상시킨다.
실시예 2
충전 장치에 의해 리튬 이온 전지 및 열발생 장치에 전기를 공급하고, 이 경우, 제2 분기 회로는 제3 분기 회로와 병렬 연결된 후 제1 분기 회로와 직렬 연결되며, 외부 장치는 충전 장치(7)이다. 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)는 각각 제1 제어 스위치(51)의 개폐를 제어할 수 있고, 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)는 각각 제2 제어 스위치(52)의 개폐를 제어할 수 있는 것을 제외한 나머지는 실시예 1과 동일하며 작동 과정은 하기와 같다. 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기로 온도 값을 감지하되, 여기서, 코어의 온도 감지 점은 기설정된 온도(즉, T1 = 30 ℃)이며, 경보 점은 안전 온도(즉, T2 = 55 ℃)이다. 충전 장치가 리튬 이온 전지 코어에 대해 충전하려고 할 경우, 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기는 코어의 온도를 수집하고, 수집 온도가 기설정된 온도보다 낮으면, 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기는 신호를 발생하며, 신호를 제1 제어 스위치 및 제2 제어 스위치에 송신하여, 제1 제어 스위치 및 제2 제어 스위치를 온시키고, 제1 가열 시트는 코어를 가열하며; 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기에 의해 코어 온도가 기설정된 온도 이상인 것으로 감지될 경우, 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기는 신호를 발생하고, 신호를 제1 제어 스위치(51)에 송신하여, 제1 제어 스위치를 오프시키며, 제1 가열 시트는 가열을 중지하고; 충전 장치가 코어에 충전하는 과정에서, 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기에 의해 코어 온도가 안전 온도보다 높은 것으로 감지될 경우, 제1 온도 수집기 및 제2 온도 수집기는 신호를 발생하며, 신호를 제2 제어 스위치에 송신하여, 제2 제어 스위치를 오프시키고, 충전 장치는 코어로의 전기 공급을 중지한다.
실시예 3
열발생 장치(2)는 제2층 가열 시트(2-2)를 포함하고, 제2층 가열 시트(2-2)는 코어 외부로 연장되는 제2층 가열 시트 제1 탭(23) 및 제2층 가열 시트 제2 탭(24)과 각각 연결되며, 제2층 가열 시트 제1 탭(23), 제2층 가열 시트(2-2), 제2층 가열 시트 제2 탭(24) 및 제3 제어 스위치는 제4 분기 회로를 구성하고, 제4 분기 회로가 제3 분기 회로와 직렬 연결되거나 병렬 연결되어 공통 분기 회로를 형성할 수 있으며; 제2 분기 회로는 제1 분기 회로 및 공통 분기 회로와 각각 직렬 연결되거나, 제2 분기 회로는 공통 분기 회로와 병렬 연결된 후 제1 분기 회로와 직렬 연결될 수 있다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 열발생 장치가 이중 층 구조의 조립체일 경우, 열발생 장치(2)는 리튬 이온 전지 두께 방향의 1/4에 해당되는 위치에 안착된다.
상기 설명은 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명을 제한하려는 것이 아니며,비록 상기 실시예를 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명하였지만, 당업자는 여전히 상기 각 실시예에 기재된 기술적 해결수단을 수정하거나 그 중 일부 기술 특징을 균등한 것으로 교체할 수 있다. 본 발명의 사상 및 원칙 내에서 이루어진 임의의 수정, 균등한 교체, 개선 등은 모두 본 발명의 보호 범위에 포함되어야 한다.
1: 코어
11: 제1 코어 탭
12: 제2 코어 탭
2: 열발생 장치
2-1: 제1층 가열 시트
2-2: 제2층 가열 시트
21: 제1층 가열 시트 제1 탭
22: 제1층 가열 시트 제2 탭
23: 제2층 가열 시트 제1 탭
24: 제2층 가열 시트 제2 탭
3: 제1 온도 수집기
4: 제2 온도 수집기
5: 제어 스위치
51: 제1 제어 스위치
52: 제2 제어 스위치
6: 부하
7: 충전 장치

Claims (9)

  1. 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지로서,
    전지 내부에 코어(1)가 설치되고, 코어(1) 상단에 제1 코어 탭(11) 및 제2 코어 탭(12)이 설치되며, 제1 코어 탭(11) 및 제2 코어 탭(12)은 각각 코어(1)와 서로 연결되고, 코어(1) 내부에 열발생 장치(2)가 설치되며, 열발생 장치(2)는 제1층 가열 시트(2-1)를 포함하고, 제1층 가열 시트(2-1)는 코어 외부로 연장되는 제1층 가열 시트 제1 탭(21) 및 제1층 가열 시트 제2 탭(22)과 각각 연결되며, 제어 스위치(5)는 제1 제어 스위치(51) 및 제2 제어 스위치(52)로 구성되고;
    외부 장치 및 제2 제어 스위치(52)는 제1 분기 회로를 구성하며, 제1 코어 탭(11), 코어(1) 및 제2 코어 탭(12)은 제2 분기 회로를 구성하고, 제1층 가열 시트 제1 탭(21), 제1층 가열 시트(2-1), 제1층 가열 시트 제2 탭(22) 및 제1 제어 스위치(51)는 제3 분기 회로를 구성하며;
    제2 분기 회로는 제1 분기 회로 및 제3 분기 회로와 각각 직렬 연결되거나, 제2 분기 회로는 제3 분기 회로와 병렬 연결된 후 제1 분기 회로와 직렬 연결될 수 있고,
    제1 온도 수집기(3)는 코어 내부에 설치되고, 제2 온도 수집기(4)는 전지 표면에 설치되며, 제어 스위치(5)는 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)의 신호를 수신할 수 있으며,
    제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)는 각각 제1 제어 스위치(51)의 개폐를 제어할 수 있고, 제1 온도 수집기(3) 및 제2 온도 수집기(4)는 각각 제2 제어 스위치(52)의 개폐를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    제2 분기 회로가 제1 분기 회로 및 제3 분기 회로와 각각 직렬 연결이 가능한 경우, 외부 장치는 부하(6)인 것을 특징으로 하는 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    제2 분기 회로가 제3 분기 회로와 병렬 연결된 후 제1 분기 회로와 직렬 연결될 경우, 외부 장치는 충전 장치(7)인 것을 특징으로 하는 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    코어는 권선형 또는 적층형인 것을 특징으로 하는 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    전지는 사각형 또는 원기둥형 전지인 것을 특징으로 하는 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    전지는 액상, 반고상 또는 고상 리튬 이온 전지인 것을 특징으로 하는 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    열발생 장치(2)는 제2층 가열 시트(2-2)를 포함하고, 제2층 가열 시트(2-2)는 코어 외부로 연장되는 제2층 가열 시트 제1 탭(23) 및 제2층 가열 시트 제2 탭(24)과 각각 연결되며, 제2층 가열 시트 제1 탭(23), 제2층 가열 시트(2-2), 제2층 가열 시트 제2 탭(24) 및 제3 제어 스위치는 제4 분기 회로를 구성하고, 제4 분기 회로가 제3 분기 회로와 직렬 연결되거나 병렬 연결되어 공통 분기 회로를 형성할 수 있으며;
    제2 분기 회로는 제1 분기 회로 및 공통 분기 회로와 각각 직렬 연결되거나, 제2 분기 회로는 공통 분기 회로와 병렬 연결된 후 제1 분기 회로와 직렬 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 내부 가열 장치가 구비된 리튬 이온 전지.
  8. 삭제
  9. 삭제
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