KR102348076B1 - 이차 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는, 전극 탭을 갖는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 배터리 케이스, 및 상기 배터리 케이스에 결합되어 온도 조건에 따라 유로를 개방 및 차단하는 가스 배출부를 포함한다. 또한 가스 배출부는, 내부에 상기 유로를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 내부 공간에 이동 가능하게 결합되는 스토퍼, 및 온도 조건에 따라 상기 스토퍼를 이동시키는 탄성부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있다.
이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 진행중이며, 최근 들어 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)의 배터리 셀로 제조되어 다수개를 연결하여 모듈 형태로 구성하여 사용하고 있다.
파우치형 배터리 셀은 파우치 내부로 수분이나 공기가 유입되는 것을 막기 위해 제작 종료 단계에서 외부와의 통로가 철저히 차단된다. 이는 배터리 셀의 장기적 수명 측면에서 매우 유용한 방법이지만 배터리 셀의 열화에 의해 발생하는 가스(gas)의 배출을 막는 요인이 되고 있다.
이에 본 발명은 배터리 셀의 열화에 의해 발생하는 가스를 효과적으로 배출할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 이차 전지는, 전극 탭을 갖는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 배터리 케이스, 및 상기 배터리 케이스에 결합되어 온도 조건에 따라 유로를 개방 및 차단하는 가스 배출부를 포함한다.
본 실시예에 있어서, 상기 배터리 케이스는 상부 케이스와 하부 케이스로 구분되고, 상기 전극 조립체가 수용되는 수용 공간과 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스의 가장자리가 상호 접합되어 형성되는 실링부를 포함하며, 상기 가스 배출부는 상기 실링부에 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 가스 배출부의 상기 유로는, 일단이 상기 수용 공간 내에 배치되고 타단은 상기 배터리 케이스의 외부에 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 가스 배출부는, 내부에 상기 유로를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 내부 공간에 이동 가능하게 결합되는 스토퍼, 및 온도 조건에 따라 상기 스토퍼를 이동시키는 탄성부를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 유로는, 상기 배터리 케이스의 내부로 연결되는 제1 유로 및 상기 제1 유로와 상기 배터리 케이스의 외부를 상호 연결하는 제2 유로를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 하우징은, 상기 제2 유로의 입구를 막는 형태로 배치되며 내부에 관통 구멍을 구비하는 커버를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 스토퍼는, 상기 제2 유로 내에서 이동하며 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 연결을 개방 또는 차단하는 가압부 및 막대 형태로 형성되어 일단이 상기 가압부에 체결되고 타단은 상기 관통 구멍을 관통하도록 배치되는 샤프트를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 유로는 상기 제1 유로보다 큰 단면적으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 링 형상으로 형성되어 상기 유로 내에 배치되고 상기 스토퍼와 접촉하며 상기 유로를 차단하는 밀폐 부재를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 탄성부는, 상기 스토퍼에 탄성력을 제공하며 형상기억합금으로 이루어져 온도 조건에 따라 탄성 계수가 변하는 제1 탄성 부재 및 상기 스토퍼에 탄성력을 제공하며 일정한 탄성 계수를 갖는 제2 탄성 부재를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 탄성 부재는 상기 스토퍼와 상기 제1 유로 사이에 배치되고, 상기 제2 탄성 부재는 상기 스토퍼와 상기 커버 사이에 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 탄성 부재와 상기 제2 탄성 부재는 모두 상기 스토퍼와 상기 커버 사이에 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 탄성 부재는 상기 제2 탄성 부재 내부에 배치될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 배터리 셀을 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 셀의 분해 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 가스 배출부의 분해 사시도.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 가스 배출부의 단면도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 배출부를 개략적으로 도시한 단면도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 배출부를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 셀의 분해 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 가스 배출부의 분해 사시도.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 가스 배출부의 단면도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 배출부를 개략적으로 도시한 단면도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 배출부를 개략적으로 도시한 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자나 구성요소가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파우치형 배터리 셀을 개략적으로 도시한 사시도이고 도 2는 도 1에 도시된 배터리 셀의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 셀(100)은 전극 조립체(130)와 이를 수용하는 배터리 케이스(110), 그리고 배터리 케이스(110)에 결합되는 가스 배출부(170)를 포함한다.
본 실시예에 따른 배터리 셀(100)은 충방전이 가능한 이차 전지로, 리튬 이차전지 또는 니켈-수소 이차전지 등을 포함할 수 있다. 니켈-수소 이차전지는 양극에 니켈, 음극에 수소흡장합금, 전해질로 알카리 수용액을 사용한 이차전지로서 단위부피당 용량이 크므로 전기자동차(EV)나 하이브리드자동차(HEV) 등의 에너지원으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 저장용도 등 다양한 분야에 사용될 수 있다.
배터리 셀(100)은 파우치형(pouched type) 구조를 가질 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리 셀(100)은 각형 구조를 가질 수도 있다. 본 실시예에서는 배터리 셀(100)이 파우치형 구조로 구성되는 경우를 예로 하여 설명한다.
배터리 케이스(110)는, 예를 들어, 알루미늄으로 이루어지는 금속층에 그 표면을 절연처리하여 사용될 수 있다. 절연처리는 폴리머수지인 변성 폴리프로필렌, 예를 들어, CPP(Casted Polypropylene)가 열융착층을 이루며 도포되어 있고, 그 외측면에 나일론이나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 수지재가 형성될 수 있다.
배터리 케이스(110)는 내측에 수용 공간(113)이 마련된다. 배터리 케이스(110)의 내측 수용 공간(113)에는 전극 조립체(130)가 수용된다. 그리고 배터리 케이스(110)의 외측으로는 전극 탭(120)이 돌출 배치된다.
전극 조립체(130)는 배터리 케이스(110)의 내측 수용공간(13)에 전해액과 함께 수납되며, 상부 케이스(32)를 덮은 후, 하부 케이스(31)와 상부 케이스(32)가 맞닿는 가장자리를 접합함으로써 수용공간을 밀봉한다. 가장자리의 접합 방법으로는 열융착 방식이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 접합된 가장자리 부위를 실링부(115)라 칭한다.
전극 탭(120)은 양극 탭(120a)과 음극 탭(120b)을 포함한다. 양극 탭(120a)과 음극 탭(120b)은 배터리 케이스(110)의 일측면으로 돌출되며, 상호 이격되는 구조로 배치될 수 있다. 양극 탭 및 음극 탭(120a, 120b)은 전극 조립체(130)와 연결된다.
양극 탭 및 음극 탭(120a, 120b)은 얇은 판상의 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 양극 탭(120a)은 알루미늄(Al) 소재로 이루어지고, 음극 탭(120b)은 구리(Cu) 소재로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서 양극 탭 및 음극 탭(120a, 120b)은 동일한 방향을 향하도록 배치된다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 양극 탭(120a)과 음극 탭(120b)은 서로 반대 방향으로 배치하는 등 필요에 따라 다양한 변형이 가능하다.
또한 본 실시예에 따른 배터리 셀(100)은 적어도 하나의 가스 배출부(170)를 포함한다.
가스 배출부(170)는 배터리 케이스(110)의 실링부(115)에 배치되며, 배터리 케이스(110)의 내부 수용 공간(113)과 배터리 케이스(110)의 외부를 연결하는 통로를 제공한다. 또한 온도 조건에 따라 가스가 배출되는 유로를 개방 및 차단한다.
도 3은 도 2에 도시된 가스 배출부의 분해 사시도이고 도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 가스 배출부의 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 배출부(170)는 하우징(177), 스토퍼(174), 및 탄성부(175)를 포함한다.
하우징(177)은 내부에 유로(179)를 구비하는 관형의 몸체와, 몸체에서 날개 형상으로 확장되는 확장부(178)를 포함한다.
확장부(178)는 얇은 판의 형태로 형성되며 하우징(177)의 몸체에서 외부로 돌출되는 형태로 배치된다. 본 실시예에서는 2개의 확장부(178)가 반대 방향을 향해 배치된다. 또한 각 확장부(178)는 외측으로 갈수록 두께가 얇아지는 형태로 형성된다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 다양한 변형이 가능하다.
하우징(177) 내부에 형성되는 유로(179)는 원통 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 유로(179)는 배터리 케이스(110) 내부에서 발생된 가스가 배출되는 통로로 이용되며, 이에 따라 유로(179)의 일단은 배터리 케이스(110)의 수용 공간(113) 내에 배치되고 유로(179)의 타단은 배터리 케이스(110)의 외부에 배치된다.
본 실시예에 따른 유로(179)는 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)로 구분될 수 있다.
제1 유로(179a)는 몸체의 일단 측에 배치되며 배터리 케이스(110) 내부의 수용 공간으로 연결된다. 그리고 제2 유로(179b)는 몸체의 타단 측에 배치되며 제1 유로(179a)와 배터리 케이스(110)의 외부를 상호 연결한다.
여기서 몸체의 일단은 가스 배출부(170)가 배터리 셀에 결합될 때, 전극 조립체와 인접하게 배치되는 단부를 의미하며, 몸체의 타단은 배터리 케이스(110)의 외부에 배치되는 단부를 의미한다.
본 실시예에서 제1 유로(179a)는 제2 유로(179b)보다 좁은 통로로 형성된다. 따라서 제1 유로(179a)의 단면적은 제2 유로(179b)의 단면적보다 작게 형성된다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 반대로 구성하거나 동일한 단면적으로 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)의 경계에는 돌기 형태의 턱이 형성될 수 있다.
또한 하우징(177)은 몸체의 타단에 결합되는 커버(173)를 포함한다. 커버(173)는 제2 유로(179b)의 입구를 막는 형태로 몸체의 타단에 결합된다.
커버(173)의 중심에는 관통 구멍(173a)이 배치된다. 관통 구멍(173a)은 후술되는 스토퍼(174)의 샤프트(174c)가 삽입 배치되는 곳이다. 또한 관통 구멍(173a)은 배터리 셀(100) 내부의 가스가 외부로 배출되는 통로로 기능한다.
따라서 샤프트(174c)가 삽입된 상태에서도 가스가 원활하게 배출될 수 있도록, 관통 구멍(173a)의 내경은 샤프트(174c)의 직경보다 크게 형성된다.
유로(179)의 내에는 스토퍼(174)와 탄성부(175)가 삽입 배치된다.
스토퍼(174)는 제2 유로(179b) 내에 배치되며, 제2 유로(179b)의 길이 방향을 따라 이동 가능하도록 배치된다.
스토퍼(174)는 샤프트(174c)와 샤프트(174c)의 일단에 배치되는 가압부(174a)를 포함한다.
가압부(174a)는 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)가 만나는 지점에 배치되고, 제2 유로(179b) 내에서 이동하며 제1 유로(179a)와 상기 제2 유로(179b)의 연결을 개방 또는 차단한다.
가압부(174a)는 제2 유로(179b)의 단면적보다 작고 제1 유로(179a)의 단면적보다는 큰 단면적으로 형성된다.
본 실시예에서 가압부(174a)는 반구(半球) 형상으로 형성된다. 따라서 가압부(174a)가 제1 유로(179a)를 완전히 막도록 배치되는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 가압부(174a)의 뾰족한 끝단 일부는 밀폐 부재(176)의 내부로 삽입되며, 이에 밀폐 부재(176)와 함께 제1 유로(179a) 내에 배치된다.
또한 가압부(174a)의 단면적이 넓은 일측에 플랜지(174b)가 형성될 수 있다. 플랜지(174b)는 후술되는 제1 탄성 부재(175a)를 원활하게 지지하기 위해 구비된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 플랜지(174b)는 필요에 따라 생략될 수 있다.
또한 제1 유로(179a)를 용이하게 막을 수만 있다면 가압부(174a)는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
샤프트(174c)는 막대 형태로 형성되어 일단이 가압부(174a)에 체결된다. 그리고 샤프트(174c)의 타단은 커버(173)의 관통 구멍(173a)을 관통하여 하우징(177)의 외부에 배치된다.
샤프트(174c)가 관통 구멍(173a) 내에 배치됨에 따라, 샤프트(174c)는 관통 구멍(173a)에 삽입된 상태에서만 이동이 가능하며, 이에 가압부(174a)도 제2 유로(179b) 내에서 제2 유로(179b)의 길이 방향으로만 이동 가능하게 된다.
한편, 가압부(174a)가 제1 유로(179a)를 견고하게 밀폐할 수 있도록, 가압부(174a)와 하우징(177) 사이에는 밀폐 부재(176)가 구비될 수 있다.
밀폐 부재(176)는 고무나 실리콘과 같이 탄성을 갖는 재질로 형성될 수 있으며, 제1 유로(179a)의 형상을 따라 링(ring)의 형태로 형성될 수 있다.
밀폐 부재(176)는 제1 유로(179a) 내에 배치되며, 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)가 만나는 부분에 고정 결합된다. 밀폐 부재(176)는 접착제와 같은 접착 부재를 통해 하우징(177)의 몸체 내에 고정 접합될 수 있다.
이에 따라 가압부(174a)가 제1 유로(179a)측으로 최대한 이동하게 되면, 도 6에 도시된 바와 같이 가압부(174a)는 밀폐 부재(176)와 접촉하며 밀폐 부재(176)를 가압하게 된다. 이에 밀폐 부재(176)는 탄성 변형되고 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)는 가압부(174a)와 밀폐 부재(176)에 의해 견고하게 차단된다.
한편 밀폐 부재(176)의 배치 구조는 상기한 구성으로 한정되지 않으며, 필요에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다. 예를 들어 밀폐 부재(176)는 제1 유로(179a)가 아닌 제2 유로(179b)에 배치될 수 있다. 이 경우, 밀폐 부재(176)는 제2 유로(179b)와 제1 유로(179a)가 만나는 지점에 형성된 단턱에 밀착 배치될 수 있다.
탄성부(175)는 온도 조건에 따라 스토퍼(174)를 이동시킨다. 본 실시예에서 탄성부(175)는 제2 유로(179b) 내에 배치되며, 제1 탄성 부재(175a)와 제2 탄성 부재(175b)를 포함한다.
제1 탄성 부재(175a)는 가압부(174a)와 밀폐 부재(176) 사이에 배치된다. 제1 탄성 부재(175a)는 코일 스프링 형상으로 형성되며, 일단이 제2 유로(179b)와 제1 유로(179a)가 만나는 지점에 형성된 단턱에 지지되고, 타단은 가압부(174a) 또는 플랜지(174b)에 지지된다. 따라서 제1 탄성 부재(175a)의 외경은 가압부(174a)의 최대 직경보다 작은 크기로 형성된다.
가압부(174a)는 일부가 제1 탄성 부재(175a)의 내부 공간에 배치된다. 따라서 제1 탄성 부재(175a)가 압축되는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 가압부(174a)는 제1 탄성 부재(175a)의 내부 공간을 관통하여 제1 탄성 부재(175a)의 외부로 돌출되어 밀폐 부재(176)와 접촉한다.
이에 더하여, 제1 탄성 부재(175a)는 형상기억합금으로 구성되며, 임계 온도(역변태 온도, 예컨대 68℃) 이상에서 본래의 형태(모상, 母相)로 변형된다. 본 실시예에서 제1 탄성 부재(175a)는 도 5에 도시된 신장된 형태가 본래의 형태이며, 도 4에 도시된 압축된 형태가 상기한 임계 온도보다 낮은 저온에서의 변태 형태이다.
즉, 본 실시예에 따른 제1 탄성 부재(175a)는 변태 온도에서 압축된 형태를 유지하고, 역변태 온도 이상에서는 신장된 형태를 유지한다.
따라서 본 실시예에 따른 배터리 셀은 정상적으로 동작될 때 도 4에 도시된 바와 같이 제1 탄성 부재(175a)가 압축된 형태를 유지한다. 이 경우 가압부(174a)는 밀폐 부재(176)를 가압하고 있으므로 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)는 서로 차단된 상태가 유지된다.
그리고 이상 발생으로 인해 주변의 온도가 상승하여 역변태 온도 이상이 되면 제1 탄성 부재(175a)는 신장된 형태로 변형되며, 이로 인해 가압부(174a)는 도 5에 도시된 바와 같이 밀폐 부재(176)와 이격되고, 이에 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)는 서로 연결된다.
이를 위해, 제1 탄성 부재(175a)는 본래 형태(모상)에서 제1 탄성 부재(175a)보다 높은 탄성 계수를 갖는다. 그리고 변태 온도 범위에서는 제1 탄성 부재(175a)보다 낮은 탄성 계수를 갖는다.
한편, 상기한 임계 온도(역변태 온도)는 유로(179)가 개방되는 조건이므로 적절하게 규정할 필요가 있다.
68℃는 전해액의 분해반응이 시작되어 파우치형 배터리 셀(100)의 내부에 가스가 발생하기 시작하는 온도이다. 따라서, 68℃보다 낮은 온도에서 제1 탄성 부재(175a)가 변형되면 배터리 셀이 정상 작동하는 상태에서도 가스 배출구의 유로(179)가 개방될 수 있다.
반대로 배터리 셀의 온도가 180℃를 초과하게 되면 파우치형 배터리 셀(100)에서 발화, 폭발 등의 문제가 발생한다. 따라서 제1 탄성 부재(175a)의 임계 온도가 180℃ 보다도 높으면 가스 배출구의 유로(179)를 개방하더라도 효과를 보기 어렵다.
따라서 본 실시예에 있어서, 제1 탄성 부재(175a)의 변형이 시작되는 임계 온도는 68℃~180℃의 범위 내에서 규정될 수 있다.
제2 탄성 부재(175b)는 코일 스프링 형상으로 형성되며, 일정한 탄성 계수를 갖는다. 제2 탄성 부재(175b)는 가압부(174a)와 커버(173) 사이에 배치되어 가압부(174a)로 탄성력을 제공한다.
제2 탄성 부재(175b)의 일단은 커버(173)를 지지한다. 따라서 제2 탄성 부재(175b)는 내경은 커버(173)의 관통 구멍(173a)의 내경보다 크게 형성된다. 또한 제2 탄성 부재(175b)의 타단은 가압부(174a)를 지지한다. 따라서 제2 탄성 부재(175b)의 외경은 가압부(174a)의 최대 직경보다 작은 크기로 형성된다.
커버(173)는 하우징(177)에 고정 결합되어 있으므로, 제2 탄성 부재(175b)는 탄성력을 통해 가압부(174a)를 제1 유로(179a) 측으로 가압한다.
따라서 스토퍼(174)는 제2 탄성 부재(175b)에서 가해지는 탄성력에 의해 제1 유로(179a)측으로 이동하여 밀폐 부재(176)와 접촉하며 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)의 연결을 차단한다.
제2 탄성 부재(175b)의 내부 공간에는 스토퍼(174)의 샤프트(174c)가 배치된다. 따라서 제2 탄성 부재(175b)는 내경은 샤프트(174c)의 외경보다 큰 내경을 갖도록 구성된다.
본 실시예에서 가스 배출부(170)는 양극 탭(120a)과 음극 탭(120b) 사이에 배치된다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 가스 배출부(170)는 필요에 따라 다른 위치에 배치될 수 있다.
이어서, 가스 배출부(170)의 동작을 설명한다.
배터리 셀(100) 또는 다수의 배터리 셀들을 연결한 배터리 모듈이 정상적으로 동작될 때 배터리 셀의 주변 온도는 역변태 온도(예컨대, 68℃)이하로 유지된다. 따라서 제1 탄성 부재(175a)는 도 4에 도시된 바와 같이 압축된 형태가 유지되며, 이에 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)는 가압부(174a)에 의해 서로 차단된 상태가 유지된다.
그리고 배터리 셀이나 배터리 모듈에서 이상이 발생하여 배터리 셀의 주변의 온도가 역변태 온도 이상으로 상승하게 되면, 제1 탄성 부재(175a)는 본래의 형태로 변형하게 된다. 본래의 형태로 신장된 제1 탄성 부재(175a)는 제2 탄성 부재(175b)보다 탄성 계수가 커지게 된다.
따라서 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 탄성 부재(175a)는 신장되고, 제2 탄성 부재(175b)는 압축되며, 이 과정에서 가압부(174a)는 커버(173) 측으로 이동하여 밀폐 부재(176)와 이격되고 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)는 서로 연결된다.
제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)가 연결됨에 따라, 배터리 케이스(110) 내부에서 발생된 가스(G)는 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b), 및 관통 구멍(173a)을 거쳐 배터리 셀(100)의 외부로 배출된다.
한편, 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)가 연결된 상태에서 배터리 셀의 주변 온도가 역변태 온도 보다 낮은 온도로 다시 하강하게 되면, 형상기억합금인 제1 탄성 부재(175a)는 제2 탄성 부재(175b)보다 탄성 계수가 작아지게 된다.
이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 탄성 부재(175a)는 수축되고 제2 탄성 부재(175b)는 신장되며, 이 과정에서 가압부(174a)는 제1 유로(179a) 측으로 이동하여 밀폐 부재(176)와 접촉하고, 이에 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)는 다시 차단된다.
한편, 본 발명의 구성은 상기한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
예를 들어, 제2 탄성 부재(175b)를 형상기억합금으로 구성하고, 제1 탄성 부재(175a)는 일반 금속으로 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 제2 탄성 부재(175b)는 도 5에 도시된 수축된 형태가 본래의 형태(모상)이며, 도 4에 도시된 신장된 형태가 상기한 임계 온도보다 낮은 저온에서의 변태 형태이다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 배터리 셀은 탄성부(175)가 2개의 탄성 부재(175a, 175b)를 포함한다. 따라서 스토퍼(174)에 작용되는 탄성력을 조절할 수 있다.
탄성부(175)가 1개의 탄성 부재(예컨대, 제1 탄성 부재)만으로 구성되는 경우, 배터리 셀의 주변 온도가 임계 온도 미만으로 하강하더라도 스토퍼(174)가 원위치로 복귀할 수 없다.
그러나 본 실시예와 같이 2개의 탄성 부재(175a, 175b)를 포함하는 경우, 온도가 복귀함에 따라 스토퍼(174)도 신속하게 원위치로 복귀하므로, 배터리 셀의 기밀을 다시 유지할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 배출부를 개략적으로 도시한 단면도로, 도 6은 유로(179)가 막힌 상태를 도시하고 있으며, 도 7은 유로가 개방된 상태를 도시하고 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 셀은 제1 탄성 부재(175a), 제2 탄성 부재(175b)가 모두 가압부(174a)와 커버(173) 사이에 배치된다. 이때, 결합이 용이하도록 제1 탄성부(175)와 제2 탄성부(175)는 직경이 다른 크기로 형성된다. 예를 들어 제1 탄성 부재(175a)는 제2 탄성 부재(175b)보다 작은 직경으로 형성되어 제2 탄성 부재(175b)의 내부에 배치될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 제2 탄성 부재(175b)를 제1 탄성 부재(175a)보다 작은 직경으로 형성하는 등 다양한 변형이 가능하다.
제1 탄성 부재(175a)와 제2 탄성 부재(175b) 중 적어도 하나는 형상기억합금으로 구성된다. 본 실시예에서는 제1 탄성 부재(175a)를 형상기억합금으로 구성하나 이에 한정되는 것은 아니다.
형상기억합금으로 구성되는 제1 탄성 부재(175a)는 양단이 가압부(174a)와 커버(173)에 고정 체결된다. 예를 들어 제1 탄성 부재(175a)의 양단은 접착제를 매개로 가압부(174a)와 커버(173)에 각각 접합되거나 끼움 결합 등의 방식으로 가압부(174a)와 커버(173)에 각각 고정 결합될 수 있다. 또한 필요에 따라 나사 등의 별도의 고정 부재를 통해 고정 결합될 수도 있다.
이에 따라, 제1 탄성 부재(175a)가 수축하는 경우, 제1 탄성 부재(175a)에 체결된 가압부(174a)는 제1 탄성 부재(175a) 단부의 움직임을 따라 커버(173) 측으로 이동하게 된다.
본 실시예에서 제1 탄성 부재(175a)는 도 7에 도시된 수축된 형태가 본래의 형태(모상)이며, 도 6에 도시된 신장된 형태가 상기한 임계 온도보다 낮은 저온에서의 변태 형태이다.
따라서, 본 실시예에 따른 배터리 셀은 정상적으로 동작될 때 도 6에 도시된 바와 같이 제1 탄성 부재(175a)와 제2 탄성 부재(175b)가 모두 신장된 형태를 유지한다. 이 상태에서 제2 탄성 부재(175b)의 탄성 계수가 제1 탄성 부재(175a)의 탄성 계수보다 크며, 이에 가압부(174a)는 제2 탄성 부재(175b)의 탄성력에 의해 밀폐 부재(176)를 가압하며 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)의 연결을 차단한다.
그리고 배터리 셀이나 배터리 모듈에서 이상이 발생하여 배터리 셀의 주변의 온도가 역변태 온도 이상으로 상승하게 되면, 제1 탄성 부재(175a)는 본래의 형태로 변형하게 된다. 본래의 형태로 수축된 제1 탄성 부재(175a)는 제2 탄성 부재(175b)보다 탄성 계수가 커지게 된다.
따라서 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 탄성 부재(175a)가 압축됨에 따라 제2 탄성 부재(175b)도 함께 압축되며, 이 과정에서 가압부(174a)는 커버(173) 측으로 이동하여 밀폐 부재(176)와 이격되고 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)는 서로 연결된다.
제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)가 연결됨에 따라, 배터리 케이스(110) 내부에서 발생된 가스(G)는 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b), 및 관통 구멍(173a)을 거쳐 배터리 셀의 외부로 배출된다.
한편, 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)가 연결된 상태에서 배터리 셀의 주변 온도가 역변태 온도 보다 낮은 온도로 다시 하강하게 되면, 형상기억합금인 제1 탄성 부재(175a)는 제2 탄성 부재(175b)보다 탄성 계수가 작아지게 된다.
이에 따라 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 탄성 부재(175a)는 신장되고 제2 탄성 부재(175b)도 제1 탄성 부재(175a)의 탄성력에 의해 함께 신장된다. 이 과정에서 가압부(174a)는 제1 유로(179a) 측으로 이동하여 밀폐 부재(176)와 접촉하고, 이에 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)는 다시 차단된다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 배터리 셀은 제1 탄성 부재(175a)만으로도 동작이 가능하다. 그러나 주변 온도가 역변태 온도 보다 낮은 온도로 하강하더라도 형상기억합금이 다시 신장되기까지는 시간이 다소 소요되며, 이 과정에서 배터리 케이스(110) 내에 주입된 전해액이 배터리 셀의 외부로 누출될 가능성이 높다.
그러나 본 실시예에 따른 배터리 셀은 제2 탄성 부재(175b)를 이용하여 스토퍼(174)를 최대한 빨리 복귀시키므로, 상기한 문제로 전해액이 누출되는 것을 최소화할 수 있다.
이처럼 본 발명에 따른 배터리 셀은 탄성부(175)가 2개의 탄성 부재(175a, 175b)를 포함하므로, 상황에 따라 스토퍼(174)를 신속하게 이동시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 배출부를 개략적으로 도시한 단면도로, 도 6과 대응하는 단면을 도시하고 있다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 배출부는 밀폐 부재(도 7의 176)가 생략되고, 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)가 만나는 지점에 형성된 단턱에 가압부(174a)가 직접 접촉하며 제1 유로(179a)와 제2 유로(179b)의 연결을 차단한다.
이 경우, 가압부(174a)의 표면은 고무나 실리콘과 같이 탄성을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
또한 본 실시예에서 스토퍼(174)는 플랜지(도 7의 174b)가 생략되고 가압부(174a)와 샤프트(174c)만으로 구성된다. 이처럼 본 실시예에 따른 스토퍼(174)는 필요에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100: 배터리 셀
110: 배터리 케이스
120: 전극 탭
120a: 양극 탭
120b: 음극 탭
130: 전극 조립체
170: 가스 배출부
174: 스토퍼
175: 탄성부
177: 하우징
110: 배터리 케이스
120: 전극 탭
120a: 양극 탭
120b: 음극 탭
130: 전극 조립체
170: 가스 배출부
174: 스토퍼
175: 탄성부
177: 하우징
Claims (13)
- 전극 탭을 갖는 전극 조립체;
상기 전극 조립체를 수용하는 배터리 케이스; 및
상기 배터리 케이스에 결합되어 온도 조건에 따라 유로를 개방 및 차단하는 가스 배출부;
를 포함하고,
상기 가스 배출부는,
내부에 상기 유로를 구비하는 하우징;
상기 하우징의 내부 공간에 이동 가능하게 결합되는 스토퍼; 및
온도 조건에 따라 상기 스토퍼를 이동시키는 탄성부;
를 포함하며,
상기 하우징은 상기 유로를 막는 형태로 배치되며 내부에 관통 구멍을 구비하는 커버를 더 포함하고,
상기 스토퍼는,
상기 유로 내에서 이동하며 상기 유로를 개방 또는 차단하는 가압부; 및
막대 형태로 형성되어 일단이 상기 가압부에 체결되고 타단은 상기 관통 구멍을 관통하도록 배치되는 샤프트;
를 포함하는 이차 전지.
- 제1항에 있어서,
상기 배터리 케이스는 상부 케이스와 하부 케이스로 구분되고, 상기 전극 조립체가 수용되는 수용 공간과 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스의 가장자리가 상호 접합되어 형성되는 실링부를 포함하며,
상기 가스 배출부는 상기 실링부에 배치되는 하는 이차 전지.
- 제2항에 있어서, 상기 가스 배출부의 상기 유로는,
일단이 상기 수용 공간 내에 배치되고 타단은 상기 배터리 케이스의 외부에 배치되는 이차 전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 유로는,
상기 배터리 케이스의 내부로 연결되는 제1 유로; 및
상기 제1 유로와 상기 배터리 케이스의 외부를 상호 연결하는 제2 유로;
를 포함하는 이차 전지.
- 삭제
- 제5항에 있어서, 상기 가압부는,
상기 제2 유로 내에서 이동하며 상기 제1 유로와 상기 제2 유로의 연결을 개방 또는 차단하는 이차 전지.
- 제5항에 있어서,
상기 제2 유로는 상기 제1 유로보다 큰 단면적으로 형성되는 이차 전지.
- 제1항에 있어서,
링 형상으로 형성되어 상기 유로 내에 배치되고, 상기 스토퍼와 접촉하며 상기 유로를 차단하는 밀폐 부재를 더 포함하는 이차 전지.
- 제1항에 있어서, 상기 탄성부는,
상기 스토퍼에 탄성력을 제공하며, 형상기억합금으로 이루어져 온도 조건에 따라 탄성 계수가 변하는 제1 탄성 부재; 및
상기 스토퍼에 탄성력을 제공하며 일정한 탄성 계수를 갖는 제2 탄성 부재;
를 포함하는 이차 전지.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 탄성 부재는 상기 스토퍼와 상기 제1 유로 사이에 배치되고, 상기 제2 탄성 부재는 상기 스토퍼와 상기 커버 사이에 배치되는 이차 전지.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 탄성 부재와 상기 제2 탄성 부재는 모두 상기 스토퍼와 상기 커버 사이에 배치되는 이차 전지.
- 제12항에 있어서,
상기 제1 탄성 부재는 상기 제2 탄성 부재 내부에 배치되는 이차 전지.
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