KR20040036550A - 적어도 하나의 리튬-삽입 전극을 갖는 재충전식 갈바니 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면 적어도 하나의 리튬-삽입 전극과 밀봉된 얇은 신축성 케이싱을 포함한 재충전식 갈바니 소자(1)는 접착제나 밀봉 층에 의해 서로 연결된 2개의 금속이나 금속/플라스팃 복합 쉬이트를 포함한다. 갈바니 소자의 내부에서 PTC소자(3)는 갈바니 소자의 말단 도선 중 하나에 직렬 연결된다. PTC소자(3)는 접착제나 밀봉 층 영역에서 전지(1)의 내부나 전지(1)의 에지(4)에 파묻혀서 유기 전해질에 대해 내성이 있는 플라스틱 코팅이 제공된다.
Description
본 발명은 적어도 하나의 리튬-삽입 전극을 갖는 재충전식 갈바니 소자에 관계한다. 특히 갈바니 소자는 접착제나 밀봉 층에 의해 서로 연결된 2개의 금속이나 금속/플라스팃 복합 쉬이트를 포함한 밀봉된 얇은 신축성 케이싱을 포함한다.
고-에너지 밀도와 결과의 저-중량으로 인하여 소프트 팩이라 일컫는 얇은 신축성 케이싱에 든 재충전식 리튬 전지는 PDA, 오가나이저(organizer) 또는 이동 전화기와 같은 휴대용 첨단기술 시설에 많이 사용되고 있다. 그러나 고-에너지 밀도와 가연성 유기 전해질로 인하여 전지의 부적절한 취급으로 인한 사용자의 위험을 제거하기 위해 이러한 종류의 전지의 경우 특별한 안전 조치가 필요하다.
그러므로 재충전식 리튬 전지는 충전 및 과충전 과정을 모니터링 하여 외부 단락 회로와 같은 부적절한 취급에 대해 전지를 보호하는 외부 안전 전자 회로를 갖는다. 그러나 많은 경우에 외부 전자회로에 의한 전지의 보호는 적합하지 모하다. 따라서 전자회로 없는 리튬 전지에 대해 안전 테스트가 수행되고 있다. 이 경우에 이러한 나체("naked") 전지는 외부 안전 전자회로를 갖는 전지처럼 최대 12볼트의 과충전이나 외부 단락 회로를 견뎌야 한다.
소프트 팩에 든 나체 리튬 전지의 추가 요건은 외부 회로 단락이 있을 경우 과열, 개방 또는 연소되지 않는 것이다. 이러한 목적으로 전지에서 전지가 과열될 경우 용융되어 그 다공성을 잃어서 전지의 추가 과충전을 중단시키는 소위 셧다운 격리판이 사용된다. 그러나 이러한 메카니즘은 비가역적이고 일부 상황 하에서는 너무 늦게 개시된다.
특히 재충전식 리튬 전지의 경우에 과충전은 특히 문제가 된다. 예컨대 흑연 함유 양극과 리튬-코발트(LiCoO2) 함유 음극을 포함한 리튬-폴리머 또는 라운드 전지의 경우에 다음 시나리오가 일어난다:
4.2볼트로 충전
LiCoO2으로부터 약 50%의 리튬이 제거되고 양극의 흑연 층으로 삽입된다. 이 경우에 흑연이 제거된 전체 리튬을 취할 수 있도록 전극의 크기가 설정된다.
4.2볼트 이상으로 충전
LiCoO2으로부터 추가 리튬이 제거된다. 흑연 층은 이미 채워져 있으므로 금속 리튬이 양극 표면에 침착된다.
4.2볼트 보다 훨씬 높게 충전
전극의 구성 성분조차 분해되어 전지에 가스가 많이 생긴다. 게다가 리튬의 추가 제거는 LiCoO2구조를 점점 불안정하게 만들어서 결국 붕괴되고 반응성 산소가 방출된다. 이 과정은 전지에 강한 열을 발생시켜 결국 폭발적으로 연소시킨다.
그러므로 하드 케이스(가령 알루미늄 캔)에 든 리튬 라운드 전지의 경우에 외부적으로 부착된 PTC소자(양의 온도 계수 디바이스)에 의해 과충전 방지가 종종 보장된다. 이를 위한 선행 요건은 전지 과충전의 경우 발생된 열이 양호한 열전도성을 갖는 하드 케이스에 의해 PTC에 흐르는 것이다.
US5876 868 및 EP 818838 A2은 파열막을 포함한 리튬 라운드 전지의 폐쇄 캡에 PTC소자를 배열한다.
US 3546024는 재충전식 Ni/Cd 전지에서 온도 스위치를 전극 코일 내부 자유 공간에 설치하는 구성을 발표한다.
본 발명의 목적은 모든 작동 조건 하에서 전지의 과열 및 후속의 파괴를 확실하게 방지하면서 갈바니 전지의 전체 높이 및 부피를 거의 증가시키지 않으면서 과충전이 방지되는 갈바니 전지를 제공하는 것이다.
도1은 집적된 PTC를 갖는 본 발명 전지의 기본 구조를 보여준다.
도2는 과충전 하에서 본 발명 전지의 거동을 보여준다.
도3은 PTC소자가 없는 비교 전지의 거동을 보여준다.
*부호설명*
1 : 갈바니 전지2 : 말단 도선
3 : PTC소자4 : 전지의 에지
이러한 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 기재된 갈바니 소자에서 달성된다.
소프트 팩에 든 리튬-폴리머 전지에 PTC소자의 설치는 과충전 및 외부적 회로 단락으로부터 안전한 전지를 허용한다.
PTC소자는 전지 내부에 존재하는 자유 공간에 도입될 수 있으므로 이러한 추가 안전 소자는 에너지 밀도 손실을 가져오지 않는다. PTC소자는 전기 전도성 방식으로 가령 전극과 외부 접촉점 사이에 용접 또는 납땜을 시켜 말단 도선 중 하나에 집적된다. 이 경우 PTC소자는 소프트 팩 내부나 그 밀봉 에지에 놓이게 된다. 공격성 전해질이 사용되는 경우 폴리이미드 접착 테이프, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 밀봉 필름, 에폭시 수지나 폴리우레탄과 같이 유기 전해질에 내성이 있는 플라스틱 코팅이 PTC소자에 제공된다.
PTC 소자는 전도성 입자가 잘 분산된 폴리머로 구성된다. 전도성 입자가 서로 전기 전도성 접촉을 하므로 이것은 저온에서 양호한 전도성을 갖는다. 각 PTC에 고유한 온도로부터 폴리머는 팽윤하고 전도성 입자가 접촉성을 잃게 되어서 PTC소자의 저항이 급격히 증가한다. PTC 소자의 예는 소위 폴리스위치(Raychem Corporation(Menlo Park,CA,USA)의 책자인 폴리스위치 재-경화성 퓨즈의 최근 보호 데이터 북에 소개된 소자)이다.
이러한 PTC소자가 리튬-폴리머 전지에서 말단 도선의 하나와 직렬연결 되면 전지의 충전 및 방전 동안 전기적 성능이 저온에서 완전 발휘된다. 그러나 전지가지나치게 과충전되거나 외부적으로 단락되면 소프트 팩에 발생된 열은 전기 저항을 급격히 증가시켜 과충전 과정이 중단된다.
서로의 상부에 축적된 복수의 전극을 포함한 전지 내부나 소프트 팩에 PTC소자가 제공되는 것이 특히 중요한데, 그 이유는 이 방식으로 만이 과충전의 경우 방출된 열이 PTC소자를 즉시 활성화시키기 때문이다. 라운드 전지의 양호한 열전도성을 갖는 하드 케이스와 대조적으로 전지 외부에서 소프트 팩 케이싱에 PTC소자의 제공은 PTC소자의 즉각적 반응을 가져오지 못하므로 믿을만한 과충전 방지를 제공하지 못한다. 그 이유 중 하나는 기본적으로 소프트 팩 케이싱의 열등한 열전도성이고 다른 이유는 4.2볼트 훨씬 이상으로 과충전이 있을 경우 발생하는 전지의 가스 발생이고 이것은 PTC소자에 대한 열접촉을 더욱 감소시킨다.
본 발명에 따라 PTC소자 사용되면 최대 32볼트까지 과충전에 대한 보호가 보장되고 외부 단락의 경우 유사하게 안전성이 달성된다. 셧다운 격리판과 대조적으로 이 과정은 가역적이어서 외부 단락 이후에 전지는 계속해서 기능을 완전 발휘한다.
도1에서 PTC소자는 얇은 갈바니 전지(1)의 말단 도선(2)(가령 니켈 포일로 구성된)의 하나에 전기적으로 집적된다. 특히 PTC소자는 용접되고 전지의 밀봉 에지(4) 영역에 배치되도록 위치된다.
도2 및 도3에서 약 40분까지 전지의 온도(T)와 전압(U)이 느리게 증가한다. 동일한 시간에 전류(I)는 2C에서 1.5A로 일정하게 유지된다.
도3에 표시된 PTC없는 전지의 경우 약 43분 후에 온도(T)가 지수함수적으로증가하고 전지가 연소된다.
PTC소자를 포함한 전지(도2)는 42분 후에 최대 75℃의 온도를 가지며 동일한 시간에 전압(U)은 5.5볼트에서 12볼트 한계로 급격히 증가하고 전류(I)는 1.5A에서 200mA로 강하한다. 약 1시간 후에 온도는 55℃로 안정화 되고 전류는 300mA이다.
다음 메카니즘이 이러한 양태를 가져온다:
40분 까지 PTC소자는 낮은 저항을 갖는다. 41분 후에 소프트 팩에 존재하는 온도는 PTC소자를 갑자기 고 반응성이 되게 하고 그 결과 전류는 ir 200mA로 제한된다. PTC의 냉각은 전도성을 다시 증가시켜 전류를 증가시킨다. 1시간 후에 시스템이 55℃ 및 300mA로 안정화 된다.
본 발명에 따라 모든 작동 조건 하에서 전지의 과열 및 후속의 파괴를 확실하게 방지하면서 갈바니 전지의 전체 높이 및 부피를 거의 증가시키지 않으면서 과충전이 방지되는 갈바니 전지가 제공된다.
Claims (4)
- 접착제나 밀봉 층에 의해 서로 연결된 2개의 금속이나 금속/플라스틱 복합 쉬이트를 포함한, 적어도 하나의 리튬-삽입 전극과 밀봉된 얇은 신축성 케이싱을 포함한 재충전식 갈바니 소자(1)에 있어서, 상기 소자가 전기 접촉부로서 말단 도선을 가지며 소자의 내부에서 PTC소자(3)가 말단 도선의 하나에 직렬연결 됨을 특징으로 하는 갈바니 소자
- 제 1항에 있어서, PTC소자(3)가 접착제나 밀봉 층 영역에서 전지(1)의 내부나 전지(1)의 에지(4)에 파묻힘을 특징으로 하는 갈바니 소자
- 제 1항에 있어서, PTC소자(3)에 유기 전해질에 대해 내성이 있는 플라스틱 코팅이 제공됨을 특징으로 하는 갈바니 소자
- 제 1항에 있어서, 서로의 상부에 축적된 복수의 전극을 포함함을 특징으로 하는 갈바니 소자
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