KR102351242B1 - 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성을 향상시킬 수 있는 이차전지에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전극과 분리막이 교대로 적층된 전극조립체, 상기 전극조립체와 전해액을 수용하는 케이스, 상기 전극조립체의 전극으로부터 연장되는 리드부 및 상기 리드부의 폭방향으로 상기 리드부를 가로지르게 형성되고, 소정의 전압 이상에서 끊어지는 전류차단부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이차전지{SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 안전성을 향상시킬 수 있는 이차전지에 관한 것이다.
리튬 이차 전지는 지속적으로 에너지 밀도가 향상되고 있으며, 웨어러블(wearable)용과 같이 다양한 어플리캐이션(application)에 활용이 되고 있다.
이러한 상황에서 전지 성능 이외에 안전성에 대한 중요도가 부각되고 있으며, 안전성을 향상시키고자 많은 연구가 이루어지고 있다.
또한, 최근 사용자들은 단시간에 급속 충전이 이루어지기를 요구하고 있으며, 이로 인해 시중에는 다양한 급속 충전기 및 비인가 충전기가 판매되고 있다.
이러한 상황에서 비인가된 충전기로 인한 전지 정격 전압 이상의 전압이 인가될 수 있고, 이로 인한 전지의 과충전 현상 및 발화와 같은 안전성에 영향을 미칠 수 있는 상황에 처할 가능성이 높아지고 있는 현실이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2005-0013226호에는 종래의 스택형 전극 조립체를 포함하고 있는 안전성이 향상된 이차전지가 개시되어 있다.
종래에는 이차전지가 낙하, 외부 충격, 관통 등에 의해 내부 단락이 발생할 경우 전지내의 전자 흐름을 빠르게 분산하여 열 발생이 집중되는 것을 방지하는 기술이 공지되어 있다.
하지만, 전지의 과충전 상황에서 전해액 분해 및 발열이 발생할 수 있어 과충전 상황에서 전해액 분해 및 발열을 방지할 수 있는 기술의 개발이 필요하였다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 과충전 상황이 발생 시 소정의 전압에서 리드를 단선시켜 전류의 흐름을 차단할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 전극과 분리막이 교대로 적층된 전극조립체, 상기 전극조립체와 전해액을 수용하는 케이스, 상기 전극조립체의 전극으로부터 연장되는 리드부 및 상기 리드부의 폭방향으로 상기 리드부를 가로지르게 형성되고, 소정의 전압 이상에서 끊어지는 전류차단부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류차단부재는 상기 전해액과 접촉하고, 상기 소정의 전압에서 상기 전해액과 산화 또는 환원 반응할 수 있다.
상기 전류차단부재는 상기 소정의 전압에서 산화 또는 환원되는 제1 층부와, 상기 제1 층부와 산화 또는 환원되는 전압 수치가 다르고, 상기 전해액에 노출되지 않도록 상기 제1 층부의 내부에 적층되는 제2 층부를 포함할 수 있다.
상기 이차전지는 니켈코발트망간산화물(NCM) 이차전지이고, 상기 소정의 전압은 4.4V일 수 있다.
상기 전류차단부재(31)는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나 이상의 소재일 수 있다.
상기 제1 층부는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나 이상의 소재이고, 상기 제2 층부는 구리(Cu), 은(Ag) 중 어느 하나 이상의 소재일 수 있다.
상기 리드부는 상기 전류차단부재를 경계로, 외측으로 연장되는 외측 리드부와 내측에 형성되어 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되는 내측 리드부를 포함할 수 있다.
상기 외측 리드부와 상기 내측 리드부는 상기 전류차단부재에 의해 연결될 수 있다.
상기 전류차단부재는 상기 리드부의 폭방향으로 복수 개가 서로 이격되어 배열될 수 있다.
상기 전류차단부재는 상기 케이스의 내측에 형성될 수 있다.
상기 이차전지는 리튬인산철(LFP) 이차전지이고, 상기 소정의 전압은 3.8V일 수 있다.
상기 전류차단부재(31)는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 이차전지는 리튬티탄산화물(LTO) 이차전지이고, 상기 소정의 전압은 2.8V일 수 있다.
상기 전류차단부재(31)는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 은(Ag) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 과충전 상황에서 전해액 분해 및 발열을 차단하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 중대형 이차전지에서 리드 단선시 아크(arc) 방전을 방지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 정상적인 환경에서는 전지의 내압이 상승해도 리드가 단선되지 않는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 전류차단부재의 단선 속도를 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 내부 주요부가 보이도록 도 1에서 A-A선을 따라 절단하여 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 리드부를 측면에서 도시한 측면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 리드부를 측면에서 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 내부 주요부가 보이도록 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 내부 주요부가 보이도록 도 1에서 A-A선을 따라 절단하여 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 리드부를 측면에서 도시한 측면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 전극과 분리막이 교대로 적층된 전극조립체(10), 상기 전극조립체(10)와 전해액을 수용하는 케이스(20), 상기 전극조립체(10)의 전극으로부터 연장되는 리드부(30) 및 상기 리드부(30)의 폭방향(W)으로 상기 리드부(30)를 가로지르게 형성되고, 소정의 전압 이상에서 끊어지는 전류차단부재(31)를 포함할 수 있다.
전극조립체(10)는, 예를 들어, 양극 활물질이 도포되어 양극성을 갖는 양극과 음극 활물질이 도포되어 음극성을 갖는 음극을 포함하는 전극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 복수 회 적층하고, 양극과 분리막 및 음극을 적층한 적층체를 젤리 롤 형태로 권취하여 제작할 수 있다.
리드부(30)는 전극조립체(10)의 전극과 전기적으로 연결되어 케이스(20)의 외부까지 연장될 수 있다.
리드부(30)는 리드부(30)의 폭방향(W)으로 리드부(30)를 가로지르게 형성된 전류차단부재(31)를 경계로 케이스(20)의 외측으로 연장되는 외측 리드부(30a)와 케이스(20)의 내측에 형성되어 전극조립체(10)와 전기적으로 연결되는 내측 리드부(30b)를 포함할 수 있다.
즉, 리드부(30)의 외측 리드부(30a)와 내측 리드부(30b)는 리드부(30)를 리드부(30)의 폭방향(W)으로 가로지르게 형성된 전류차단부재(31)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
따라서, 전류차단부재(31)가 소정의 전압 이상에서 끊어지면 외측 리드부(30a)와 내측 리드부(30b)는 서로 전기적으로 단선 될 수 있다.
전류차단부재(31)는 케이스(20)의 내측에 위치하게 형성되어 케이스(20) 내부에 수용된 전해액과 접촉될 수 있다.
전류차단부재(31)는 니켈(ni) 등의 소재로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 소정의 전압 이상에서 전해액과의 산화 또는 환원 반응에 의해 부식되어 끊어질 수 있는 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo) 등 중 어느 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
니켈코발트망간산화물(NCM) 이차전지의 경우는 정상적인 충전시 2.5V ~ 4.3V의 전압을 형성하고, 4.4V 이상의 전압을 형성할 때 과충전 상태가 될 수 있다.
따라서 소정의 전압은 이차전지가 과충전 상태가 될 수 있는 4.4V 일 수 있다.
즉, 전류차단부재(31)는 소정의 전압인 4.4V 이상에서 단선되어 이차전지 내부의 전해액 분해 및 발열의 발생을 미리 차단하여 이차전지의 안전성을 확보할 수 있다.
전류차단부재(31)가 4.4V 이상에서 단선됨에 따라 이차전지가 4.4V 이상에서 전극의 선단이 접촉저항에 의해 과열되고 전극이 증발하여 금속의 증기가 발생하여 방전되는 아크(arc)방전을 방지하는 효과가 있다.
전류차단부재(31)가 4.4V 이상에서 단선되기 위해서, 전류차단부재(31)의 소재는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
리튬인산철(LFP) 이차전지의 경우는 정상적인 충전시 2.5V ~ 3.7V의 전압을 형성하고, 3.8V 이상의 전압을 형성할 때 과충전 상태가 될 수 있다.
따라서 소정의 전압은 이차전지가 과충전 상태가 될 수 있는 3.8V 일 수 있다.
전류차단부재(31)가 3.8V 이상에서 단선되기 위해서, 전류차단부재(31)의 소재는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 중 어느 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
리튬티탄산화물(LTO) 이차전지의 경우는 정상적인 충전시 1.5V ~ 2.7V의 전압을 형성하고, 2.8V 이상의 전압을 형성할 때 과충전 상태가 될 수 있다.
따라서 소정의 전압은 이차전지가 과충전 상태가 될 수 있는 2.8V 일 수 있다.
전류차단부재(31)가 2.8V 이상에서 단선되기 위해서, 전류차단부재(31)의 소재는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 은(Ag) 중 어느 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 리드부를 측면에서 도시한 측면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 전류차단부재(31')가 제1 층부(31a) 및 제1 층부(31a)의 내측에 적층되며 제1 층부(31a)와 다른 소재로 형성된 제2 층부(31b)를 포함할 수 있다.
제1 층부(31a)는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 등 중 어느 하나 이상의 소재로 형성될 수 있고, 4.4V 이상에서 전해액과 산화 또는 환원 반응에 의해 부식되어 단선 될 수 있다.
제2 층부(31b)는 구리(Cu), 은(Ag) 등 중 어느 하나 이상의 소재로 형성될 수 있고, 3.7V에서 전해액과 산화 또는 환원 반응에 의해 부식되어 단선 될 수 있다.
이러한 제2 층부(31b)는 제1 층부(31a)의 부식 이후에 전해액과 접촉하여 산화 또는 환원에 의해 부식될 수 있다.
즉, 서로 다른 전압에서 부식되는 제1 층부(31a)와 제2 층부(31b)로 전류차단부재(31')를 형성하면, 제2 층부(31b)를 감싸게 형성된 제1 층부(31a)가 4.4V 이상에서부터 부식을 한 후 제2 층부(31b)가 전해액과 접촉하여 빠르게 부식될 수 있다.
이와 같이 제1 층부(31a)로만 형성된 일 실시예의 전류차단부재(31)보다 제1 층부(31a)를 얇게 형성할 수 있고 제2 층부(31b)를 제1 층부(31a)보다 부식이 빠른 소재로 형성할 수 있어 전체적인 리드 단선 속도를 빠르게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류차단부재(31')는 제1 층부(31a)와 제2 층부(31b)로 한정되지 않고 경우에 따라 제1 층부(31a)의 내부에 제3 층부, 제4 층부 또는 그 이상을 적층하게 형성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 내부 주요부가 보이도록 도시한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류차단부재(31")는 리드부(30)의 폭방향으로 복수 개가 서로 이격되게 배열될 수 있다. 서로 이격된 전류차단부재(31")와 전류차단부재(31")의 사이에는 공간이 형성될 수 있다.
즉, 전류차단부재(31")를 복수 개가 서로 이격되게 형성하면 전류차단부재(31")의 표면적은 줄이면서 외측 리드부(30a)와 내측 리드부(30b)를 전기적으로 연결하는 기능을 유지할 수 있다.
전류차단부재(31")의 표면적을 줄일수록 전류차단부재(31")가 소정의 전압 이상에서 부식되는 속도를 빠르게 조절할 수 있다.
이때, 전류차단부재(31")의 표면적 크기는 정상적인 전압 상태에서 전류차단부재(31")가 외측 리드부(30a)와 내측 리드부(30b)를 서로 전기적으로 연결하는 기능을 안정적으로 제공할 수 있는 표면적 크기를 유지해야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 이차전지의 안전성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 과충전 상황에서 전해액 분해 및 발열을 차단하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 중대형 이차전지에서 리드 단선시 아크(arc) 방전을 방지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 정상적인 환경에서는 전지의 내압이 상승해도 리드가 단선되지 않는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 전류차단부재의 단선 속도를 조절할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 이차전지를 예시된 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 실시가 가능하다.
10: 전극조립체
20: 케이스
30: 리드부
30a: 외측 리드부
30b: 내측 리드부
31, 31', 31": 전류차단부재
31a: 제1 층부
31b: 제2 층부

Claims (14)

  1. 전극과 분리막이 교대로 적층된 전극조립체(10);
    상기 전극조립체(10)와 전해액을 수용하는 케이스(20);
    상기 전극조립체(10)의 전극으로부터 연장되는 리드부(30); 및
    상기 리드부(30)의 폭방향으로 상기 리드부(30)를 가로지르게 형성되고, 소정의 전압 이상에서 끊어지는 전류차단부재(31)를 포함하고,
    상기 전류차단부재(31)는,
    상기 소정의 전압 이상에서 산화 또는 환원되는 제1 층부(31a)와,
    상기 제1 층부(31a)와 산화 또는 환원되는 전압 수치가 다르고, 상기 전해액에 노출되지 않도록 상기 제1 층부(31a)의 내부에 적층되는 제2 층부(31b)를 포함하고,
    상기 제2 층부(31b)는,
    상기 제1 층부(31a)와 다른 소재로 형성되되, 상기 제1 층부(31a)보다 산화 또는 환원되는 전압 수치가 낮은 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류차단부재(31)는 상기 전해액과 접촉하고, 상기 소정의 전압 이상에서 상기 전해액과 산화 또는 환원 반응을 하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 삭제
  4. 청구항 1 또는 청구항 2 중 하나의 항에 있어서,
    상기 이차전지는 니켈코발트망간산화물(NCM) 이차전지이고,
    상기 소정의 전압은 4.4V인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전류차단부재(31)는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나 이상의 소재인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 층부(31a)는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 중 어느 하나 이상의 소재이고, 상기 제2 층부(31b)는 구리(Cu), 은(Ag) 중 어느 하나 이상의 소재인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 리드부(30)는 상기 전류차단부재(31)를 경계로,
    외측으로 연장되는 외측 리드부(30a)와
    내측에 형성되어 상기 전극조립체와 전기적으로 연결되는 내측 리드부(30b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 외측 리드부(30a)와 상기 내측 리드부(30b)는 상기 전류차단부재(31)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전류차단부재(31)는 상기 리드부(30)의 폭방향으로 복수 개가 서로 이격되어 배열되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류차단부재(31)는 상기 케이스(20)의 내측에 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2 중 하나의 항에 있어서,
    상기 이차전지는 리튬인산철(LFP) 이차전지이고,
    상기 소정의 전압은 3.8V인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전류차단부재(31)는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 중 어느 하나 이상의 소재인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2 중 하나의 항에 있어서,
    상기 이차전지는 리튬티탄산화물(LTO) 이차전지이고,
    상기 소정의 전압은 2.8V인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전류차단부재(31)는 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 은(Ag) 중 어느 하나 이상의 소재인 것을 특징으로 하는 이차전지.
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