KR102347801B1 - 온도측정 소자를 포함한 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바람직한 실시예는 온도측정 소자를 포함한 이차 전지에 관한 것으로, 접합부를 구비한 극판과 세퍼레이터를 교대로 스택상태로 적층하고 있는 전극 조립체와; 이 전극 조립체를 수용하는 공간부를 제공하는 외장재; 전극 조립체의 접합부에 전기적으로 연결되어 외장재 외부로 노출되는 전극 탭; 및 극판의 내부 영역을 가로질러 배치된 가늘고 긴 와이어 형상의 온도측정 소자;를 포함한다.

Description

온도측정 소자를 포함한 이차 전지 {Secondary battery having temperature measuring device}

본 발명은 온도측정 소자를 포함한 이차 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 이차 전지(secondary battery)는 양극판과 및 음극판을 포함하고 화학 반응을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 전지이다. 이차 전지는 일차 전지와 달리 반복적 충방전이 가능한 전지로서, 즉 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 또는 카메라와 같은 경량 휴대 기기에서부터 전기 자동차, 복합 자동차에 이르기까지 널리 사용되고 있다.

이러한 이차 전지는 예컨대 에너지 저장장치(ESS) 또는 전기 자동차 등의 적용시스템의 운전시 에너지 흐름(전기적인 충전 및/또는 방전)에 따라 열이 발생하게 될 수밖에는 없다. 과도한 열이 지속적이거나 빈번하게 이차 전지에서 발생하게 될 경우에 이차 전지의 열화를 초래하여 이차 전지의 사용수명에 영향을 미치게 될 것이다.

이에, 종래에는 이차 전지의 과열을 방지하기 하기 위해 이차 전지의 온도를 측정하여 만약 온도가 과도하게 상승하게 되면 이차 전지의 충전 및/또는 방전을 중단하도록 설계되어 있다.

당해 분야의 숙련자들에게 널리 알려져 있듯이, 이차 전지의 온도측정 수단은 통상적으로 이차 전지의 표면, 구체적으로 파우치 외장재의 표면 온도를 측정하는 것이다. 그 외에, 특허문헌 1에 개시된 이차 전지용 온도 측정 패드는 전극 리등에 부착하고 있다.

실질적으로, 이차 전지의 충전 및/또는 방전시 전기에너지의 흐름에 따른 발열은 이차 전지의 내부에서 이루어지고 있고 그 내부에서도 영역별로 온도 편차가 심하게 발생하고 있다. 하지만, 전술된 온도측정 수단 또는 온도 측정 패드는 발열 원과 상당한 거리 차를 두고 있어 신속하고 정확한 온도측정을 기대할 수 없는 게 현실이다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0047643호

본 발명은 이차 전지 내에 전극 조립체의 각 극판에 온도측정 소자를 배치하여 이차 전지 내부에서 발생하는 온도를 신속하면서 정확하게 측정하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도측정 소자를 포함한 이차 전지는 접합부를 구비한 극판과 세퍼레이터를 교대로 스택상태로 적층하고 있는 전극 조립체와; 이 전극 조립체를 수용하는 공간부를 제공하는 외장재; 전극 조립체의 접합부에 전기적으로 연결되어 외장재 외부로 노출되는 전극 탭; 및 극판의 내부 영역을 가로질러 배치된 가늘고 긴 와이어 형상의 온도측정 소자;를 포함한다.

여기서, 온도측정 소자는 극판의 극판 상편과 극판 하편 사이에 개재되고, 다양한 방식으로 극판 상편과 극판 하편을 전기연통가능하게 결합할 수 있다.

온도측정 소자는 접합부의 길이방향과 직교되는 방향으로 신장하여 전극 탭과의 접촉을 최소화시킨다.

온도측정 소자의 양 단부는 외장재의 좌측면 및/또는 우측면에서 외부로 인출된다.

온도측정 소자는 극판의 온도를 감지할 뿐만 아니라 소정의 온도 이상에서 융단 되는 특징으로 가진다.

전극 조립체는 온도측정 소자를 포함한 다수의 극판을 스택상태로 적층할 수 있다. 다수의 극판에 온도측정 소자를 배치하여 이차 전지의 여러 내부 영역 온도를 측정할 수 있다.

다수의 온도측정 소자는 스택상태로 적층된 다수의 극판에서 사선방향으로 배치될 수도 있다.

다수의 온도측정 소자의 양 단부는 외장재의 측면 길이방향을 따라 평행하게 인출될 수 있다.

본 발명에서 극판은 양극판과 음극판을 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더억 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 전극 조립체의 극판에 온도측정 소자를 배치하여 이차 전지의 신뢰할 수 있는 내부 온도 측정을 보장할 수 있도록 제공된다.

특히, 본 발명은 온도측정 소자를 극판의 폭 방향으로 가로질러 배치되는 한편, 적층된 하나 이상의 각 극판에 개별적으로 배치되어 이차 전지의 내부 영역별로 온도측정을 가능하게 한다.

본 발명의 온도측정 소자는 전술된 바와 같이 극판의 폭 방향으로 가로질러 배치되어 급격한 과전류 유입시 과열발생 극판만을 파단시켜 이차 전지의 사용수명을 연장할 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A 선으로 절취한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지 내부에 적층될 극판을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 이차 전지의 분해 사시도이다.
도 7은 도 5의 B-B 선으로 절취한 단면도이다.

이제, 본 발명에 따른 온도측정 소자를 포함한 이차 전지는 첨부 도면을 참조로하여 상세히 설명될 것이다.

본 발명의 장점, 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함깨 후술되는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불명료하게 할 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 도면들이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지(1)는 전극 조립체(10)와 이 전극 조립체(10)를 수용하는 공간부를 제공하는 외장재(20)를 포함하고 있다.

전극 조립체(10)는 극판(100:110,120)과 세퍼레이터(200)를 교대로 배치하고 있다. 구체적으로, 극판(100)은 양극 활물질이 코팅된 양극판(110)과 음극 활물질로 코팅된 음극판(120)로 구성되는데, 전극 조립체(10)는 양극 접합부(111)를 구비한 양극판(110)과, 세퍼레이터(200), 및 음극 접합부(121)를 구비한 음극판(120)을 순차적으로 배치할 수 있다. 도시된 바와 같이 다수의 양극판(110)과 다수의 세퍼레이터(200) 및 다수의 음극판(120)을 적층하는 구조로 이루어진다. 이에 국한되지 않고, 전극 조립체는 양극판과 세퍼레이터 및 음극판을 일방향으로 와인딩(권취)할 수도 있다.

선택가능하기로, 양극판(110)과 음극판(120)은 각각 알루미늄 포일과 구리 포일로 이루어질 수 있으며 통해 상호 절연된다.

전극 조립체(10)는 양극판(110)에 연결된 양극 전극 탭(112)과 음극판(120)에 연결된 음극 전극 탭(122)을 구비하는데, 전극 탭(112,122)은 전극 조립체(10)의 각 극판에 활물질이 도포되지 않은 무지부에 전기연통가능하게 결합하여야 한다. 전극 탭(112,122)은 각 극판(110,120)으로부터 연장된 다수의 양극 접합부(111)와 음극 접합부(121)를 예컨대 용접 방식을 통해 각각 전기적으로 연결한다. 도시된 바와 같이, 전극 탭(112,122)의 일 단부는 외장재(20) 외부로 노출되게 배치된다.

전극 탭(112,122)은 상하면 일부에 외장재(20)와의 밀봉도를 높이는 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위한 실란트(140)를 부착한다.

양극 접합부(111)는 양극판(110)에서 돌출형성된 다수의 양극 무지부를 중첩되게 모아 양극 전극 탭(112)을 통해 고정결합될 수 있다. 이와 대응되게, 음극 접합부(121)도 음극판(120)에서 돌출형성된 다수의 음극 무지부를 중첩되게 모아 음극 전극 탭(122)을 통해 고정결합될 수 있다. 필요에 따라, 전극 탭(112,122)은 양극 접합부(111) 또는 음극 접합부(121)에 따라 재질을 달리할 수도 있다.

특별하기로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지(1)는 온도측정 소자(150)를 포함한 극판(100)을 구비한다. 여기서, 극판(100)은 양극판(110) 및/또는 음극판(120) 내부 영역의 폭 방향으로 온도측정 소자를 배치하고 있다.

도 4를 참조하면, 극판(100)은 극판 상편(100a)과, 극판 하편(100b), 및 일 방향으로 나란하게 배치된 극판 상편(100a)과 극판 하편(100b) 사이에 개재된 온도측정 소자(150)를 포함한다.

극판 상편(100a)과 극판 하편(100b)의 단부는 온도측정 소자(150)와 다양한 방식, 예컨대 레이저 용접, 초음파 용접 등을 통해 접합될 수 있다. 바람직하기로, 극판 상편(100a)의 단부와 온도측정 소자(150)의 접합계면 사이 그리고 극판 하편(100b)의 단부와 온도측정 소자(150)의 접합계면에는 단차를 형성하지 않고 편평한 상태로 접합될 수 있도록 한다. 이는 스택상태로 적층된 다수의 극판을 편평하게 배열하여 전반적으로 이차 전지의 박막화를 추구할 수 있을 뿐만 아니라 이차 전지 외부를 평탄하게 하여 조립의 편이성을 제공하게 될 것이다.

도시된 바와 같이, 온도측정 소자(150)는 극판(100)의 내부 영역을 폭 방향으로 가로질러 배치되도록 하는데, 바람직하기에는 극판(100:110,120)에 포함된 접합부(111,121)의 길이방향과 직교 되는 방향으로 신장하도록 한다.

온도측정 소자(150)의 일 단부는 도 1에 도시된 바와 같이 이차 전지(1)의 외장재(20) 우측으로 인출되어 온도판별 회로부의 입력단자에 전기연통될 수 있다. 이와 대응되게, 온도측정 소자(150)의 타 단부는 도 1에 도시된 바와 같이 이차 전지(1)의 외장재(20) 좌측으로 인출되어 온도판별 회로부의 그라운드 단자에 접지될 수 있을 것이다. 온도측정 소자(150)는 도시되었듯이 각 극판(100:110,120)에 접합 되어 이차 전지, 즉 전극의 온도를 온도판별 회로부로 전달하여 실시간으로 모니터할 수 있다.

이차 전지(1)의 각 극판(100:110,120)에 과전류가 흐르게 되면 저항 발열에 의해 이차 전지(1)의 내부 온도가 급상승하게 되는데, 저항 발열이 온도측정 소자(150)에 전도되어 온도측정 소자(150)의 온도가 상승하게 된다. 온도측정 소자(150)의 온도가 융단 온도 이상으로 상승하게 되면 온도측정 소자(150)를 녹아 끊어지게 할 수 있다. 결국, 극판(100)의 극판 상편(100a)과 극판 하편(100b)을 분리 단선시켜 과전류의 유입을 차단할 수 있고, 상하로 인접하게 적층되어 있는 다른 극판의 손상을 최소화시킬 수 있다.

바람직하기로, 온도측정 소자(150)의 외주면은 외장재(20)와의 밀봉도를 높이는 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위한 실란트(160)를 부착한다.

도 1 내지 도 4에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차 전지(1)는 온도측정 소자(150)를 포함한 극판(100)을 최상단에 배치하여 도해하고 있지만, 이에 국한되지 않고 다른 위치(높이)에 적층된 극판에 온도측정 소자를 배치할 수도 있다. 또한, 온도측정 소자(150)는 전극 탭(112,122)에 인접하게 도해되어 있지만, 이 또한, 극판의 내부 영역 중 어느 한 곳에 배치될 수 있음을 미리 밝혀둔다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지를 개략적으로 도시한 도면들이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(1)는 도 1 내지 도 4에 도시된 이차 전지의 다른 변형예로서, 온도측정 소자를 포함한 극판의 배열을 제외하고는 매우 유사한 구조로 이루어져 있기 때문에, 본 발명의 명료한 이해를 돕기 위해서 유사하거나 동일한 구성 부재에 대한 설명은 여기서 배제할 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(1)는 공간부를 제공하는 외장재(20) 내부에 양극판(110)과 세퍼레이터(200) 및 음극판(120)을 순차적으로 적층하고 있다.

각각의 양극판(110)은 극판의 내부 영역에 가늘고 긴 와이어 형상의 온도측정 소자(150)를 구비한다. 각각의 음극판(120)도 극판의 내부 영역에 가늘고 긴 와이어 형상의 온도측정 소자(150)를 구비한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지(1)는 하나 이상의 온도측정 소자(150)의 배열과 인출방식에 있어도 1 내지 도 4에 도시된 이차 전지와 달리하고 있다. 즉, 온도측정 소자(150)의 양 단부가 외장재(20)의 외부로 인출되도록 한다. 특히, 각각의 극판(100:110,120)에 구비된 온도측정 소자(150)를 이차 전지(1)의 내부 전반에 걸쳐 골고루 분산배치하도록 한다. 전술된 바와 같이, 다수의 온도측정 소자(150)가 내부 영역별로 분산배치됨으로써 각 영역별로 온도를 측정하고 과열상태의 극판(100:110,120)을 융단시킬 수 있을 것이다.

도시된 바와 같이, 온도측정 소자(150)는 극판(100:110,120)의 상단과 하단 사이에 임의의 위치에서 폭 방향으로 가로질러 배치될 수 있다. 즉 온도측정 소자(150)는 스택상태로 적층된 다수의 극판에서 사선(斜線)방향으로 배치되도록 한다. 도 5에 보이듯이, 온도측정 소자(150)의 양 단부가 외장재(20)의 측면 길이방향을 따라 평행하게 외부로 인출시켜 온도측정 소자(150)의 양 단부와 외장재(20)의 신뢰할 수 있는 밀봉상태를 보장할 수 있을 뿐만 아니라 외장재(20)의 접합 가장자리의 두께를 최소화시킬 수 있다. 각각의 극판(100:110,120) 상에 배치된 온도측정 소자(150)는 수직방향으로 포개지지 않도록 전술되었듯이 사선방향으로 배치되어 극판의 길이방향 또는 외장재의 측면 길이방향을 따라 높이를 달리하여 배치될 것이다. 외장재는 도시되었듯이 상부 시트(참조부호 없음)와 하부 시트(참조부호 없음)를 통해 대면상태로 포개어진 가장자리 부분을 긴밀하게 밀봉하도록 한다.

온도측정 소자(150)의 양 단부는 밀봉상태의 상부 시트와 하부 시트 사이를 관통하여 외부로 노출되는데, 사선방향으로 배열된 다수의 온도측정 소자의 양 단부가 상부 시트와 하부 시트의 밀봉부 위치와 동일 수준(동일 높이)을 유지할 수 있게 온도측정 소자의 양 단부에 인접한 부분을 절곡시킬 수 있다.

다시 말하자면, 다수의 온도측정 소자(150)는 스택상태로 적층된 다수의 극판에서 수직선 방향으로 배열되지 않도록 한다. 이는 온도측정 소자(150)의 양 단부가 외장재(20) 외부로 인출될 때 포개어지는 현상을 방지할 수 있다.

이상 본 발명의 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 온도측정 소자를 포함한 이차 전지는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1 ----- 이차 전지,
10 ----- 전극 조립체,
20 ----- 외장재,
100, 110, 120 ----- 극판,
111, 121 ----- 접합부,
112, 122 ---- 전극 탭,
140, 160 ----- 실란트,
150 ----- 온도측정 소자,
200 ----- 세퍼레이터.

Claims (9)

1. 접합부를 구비한 극판과 세퍼레이터를 교대로 스택상태로 적층하고 있는 전극 조립체와;
   상기 전극 조립체를 수용하는 공간부를 제공하는 외장재;
   상기 전극 조립체의 접합부에 전기적으로 연결되어 상기 외장재 외부로 노출되는 전극 탭; 및
   극판 상편과 극판 하편을 포함하는 상기 극판의 내부 영역을 가로질러 배치되되, 상기 극판 상편과 상기 극판 하편 사이에 개재되어 상호 전기연통가능하게 이음 접합하는 가늘고 긴 와이어 형상의 온도측정 소자;를 포함하는 온도측정 소자를 포함한 이차 전지.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 온도측정 소자는 상기 접합부의 길이방향과 직교되는 방향으로 신장되는 온도측정 소자를 포함한 이차 전지.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 온도측정 소자의 양 단부는 상기 외장재 외부로 인출되어 있는 온도측정 소자를 포함한 이차 전지.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 온도측정 소자는 소정의 온도 이상에서 융단되는 온도측정 소자를 포함한 이차 전지.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극 조립체는 상기 온도측정 소자를 포함한 상기 다수의 극판을 스택상태로 적층하고 있는 온도측정 소자를 포함한 이차 전지.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 다수의 온도측정 소자는 상기 스택상태로 적층된 상기 다수의 극판에서 사선방향으로 배치되는 온도측정 소자를 포함한 이차 전지.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 다수의 온도측정 소자의 양 단부는 상기 외장재의 측면 길이방향을 따라 평행하게 인출되는 온도측정 소자를 포함한 이차 전지.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 극판은 양극판과 음극판을 포함하는 온도측정 소자를 포함한 이차 전지.

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