KR20050118412A - Secondary battery with improvement of safty - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열변태점에 도달하면 포화자속밀도가 급격히 감소하는 감온 자성체를 이용한 감온 리드 스위치를 구비한 이차 전지용 안전 소자 및 상기 안전 소자가 연결된 것이 특징인 이차 전지를 제공한다.The present invention provides a safety device for a secondary battery having a thermosensitive reed switch using a thermosensitive magnetic material that rapidly decreases the saturation magnetic flux density when the thermal transformation point is reached, and a secondary battery characterized in that the safety device is connected.
본 발명에 따라 감온 자성체를 사용한 정형 감온 리드 스위치를 이차전지의 양극과 음극 단자 사이에 사용할 경우 전지가 고온에 노출되거나 외부의 충격에 의해 전지 온도가 상승할 경우 전지를 안전한 방전상태로 만들어 줌으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 다시 온도가 낮아지면 전지를 사용가능하게 만들 수 있다. According to the present invention, when a standard thermosensitive reed switch using a thermosensitive magnetic material is used between a positive electrode and a negative electrode terminal of a secondary battery, the battery is brought into a safe discharge state when the battery is exposed to high temperature or the battery temperature increases due to an external impact. In addition to ensuring the safety of the battery, when the temperature is lowered again, the battery can be made available.
또한, 본 발명에 따라 감온 자성체를 사용한 부형 감온 리드 스위치를 이차전지의 양극에 직렬로 연결(예, 전극 단자와 전극 탭 사이에 연결)하여 사용할 경우 충전기의 고장 등으로 인해 과충전되어 전지의 온도가 상승할 경우 전류를 차단하여 전지가 더 이상 과충전되지 않도록 하여 안전하게 할 수 있다. In addition, according to the present invention, when a thermosensitive reed switch using a thermosensitive magnetic material is connected to a positive electrode of a secondary battery in series (eg, connected between an electrode terminal and an electrode tab), the battery may be overcharged due to a charger failure. If it rises, it can cut off the current so that the battery is no longer overcharged and can be safe.
Description
본 발명은 전지 온도가 일정 온도 이상으로 상승 시 전류를 차단하는 안전 소자를 구비한 이차 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a secondary battery having a safety element that blocks a current when the battery temperature rises above a certain temperature.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용분야가 확대되면서 전지의 연구와 개발에 대한 노력이 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자는 이러한 측면에서 가장 주목 받고 있는 분야이고 그 중에서도 충방전이 가능한 이차 전지의 개발은 관심의 촛점이 되고 있다. 현재 적용되고 있는 이차 전지 중에서 1990년대 초에 개발된 리튬 이온 이차 전지는, 수용액 전해액을 사용하는 Ni-MH, Ni-Cd, 황산-납 전지 등의 재래식 전지에 비해서, 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 월등히 크다는 장점으로 각광을 받고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. As the field of application extends to the energy of mobile phones, camcorders and notebook PCs, and even electric vehicles, efforts for research and development of batteries are becoming more concrete. The electrochemical device is the most attracting field in this respect, and the development of a secondary battery that can be charged and discharged among them is the focus of attention. Among the secondary batteries currently applied, lithium ion secondary batteries developed in the early 1990s have a higher operating voltage and higher energy density than conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and sulfuric acid-lead batteries using an aqueous solution electrolyte. It is attracting attention because of its great advantage.
그러나, 리튬 이온 이차 전지는 충전된 상태에서 압력, 네일, 니퍼 등에 의한 외부충격이나 주변온도상승, 과충전 등의 환경 변화에 의해서 전지 온도가 올라가면 전극 활물질과 전해액이 반응하여 전지가 부풀고, 심하면 폭발이나 발화가 일어나게 된다.However, when the battery temperature rises due to external shocks such as pressure, nails, nippers, or other environmental shocks such as an increase in ambient temperature, overcharge, or the like, the lithium ion secondary battery reacts with the electrode active material and the electrolyte, causing the battery to swell. Ignition will occur.
본 발명자들은 전지 온도가 고온으로 올라갈 때 전지가 안전하도록, 전지(cell) 외부 또는 내부에 안전 소자를 구성하여 고온에 의해서 전지에 손상이 가해지기 전에 전류를 차단하여 전지가 더 이상 과충전되지 않게 하거나 전지의 충전상태를 낮추는 방법을 제안하고자 한다. The present inventors configure a safety element outside or inside the cell so that the battery is safe when the temperature of the battery rises to a high temperature so that the battery is no longer overcharged by cutting off the current before the battery is damaged by the high temperature. The present invention proposes a method of lowering the state of charge of a battery.
본 발명은 열변태점에 도달하면 포화자속밀도가 급격히 감소하는 감온 자성체를 이용한 감온 리드 스위치를 구비한 이차 전지용 안전 소자 및 상기 안전 소자가 연결된 것이 특징인 이차 전지를 제공한다.The present invention provides a safety device for a secondary battery having a thermosensitive reed switch using a thermosensitive magnetic material that rapidly decreases the saturation magnetic flux density when the thermal transformation point is reached, and a secondary battery characterized in that the safety device is connected.
온도의 상승에 따라 포화자속밀도 또는 투자율이 감소되는 감온 자성체로는 써모페라이트(thermo ferrite)가 있다. Thermo ferrite is a thermosensitive magnetic material whose saturation magnetic flux density or permeability decreases with increasing temperature.
본 발명에 따라 감온 자성체를 이용한 전지용 안전소자로는 부형 감온 리드 스위치와 정형 감온 리드 스위치가 있다. According to the present invention, a safety device for a battery using a thermosensitive magnetic body includes a shaped thermosensitive reed switch and a shaped thermosensitive reed switch.
본 발명에 따라 감온 자성체를 구비한 부형 감온 리드 스위치는 온도가 낮을 때 회로가 연결되도록 하고 온도가 높을 때 회로가 연결되지 않도록 구성된 것으로, 전지의 내부 또는 외부에서 양극에 직렬로 연결(예, 전극 단자와 전극 탭 사이에 연결)하면 전지의 정상작동시에는 회로가 연결되어 있으므로 아무 영향이 없다가, 과충전시 전지 온도가 상승할 때 감온 자성체의 포화자속회로가 감소하여 전극 단자와 전극 탭 사이의 전기 회로를 끊어지도록 하여 더 이상 충전이 되지 않도록 하여 안전성을 확보할 수 있다.According to the present invention, a thermosensitive reed switch having a thermosensitive magnetic material is configured such that a circuit is connected when the temperature is low and the circuit is not connected when the temperature is high, and is connected in series with a positive electrode inside or outside the battery (eg, an electrode). If the circuit is connected during normal operation of the battery, there is no effect.However, when the battery temperature rises during overcharging, the saturation magnetic flux circuit of the thermally sensitive magnetic body decreases. Safety can be ensured by breaking the electrical circuit so that it is no longer charged.
한편, 본 발명에 따라 감온 자성체를 구비한 정형 감온 리드 스위치는 온도가 낮을 때 회로가 연결되지 않도록 하고 온도가 높을 때 회로가 연결되도록 구성된 것으로, 전지의 내부 또는 외부에서 전지의 양극과 음극 두 단자 사이에 연결하면 정상 사용 온도에서는 전기 회로가 연결되지 않아 전류가 흐르지 않으므로 아무 영향이 없다가 전지가 고온에 노출된다던가 외부의 충격에 의해 전지 온도가 상승할 경우 전지가 일정 온도 이상이 되면 감온 자성체의 포화자속회로가 감소하여 양극 단자와 음극 단자 사이의 전기 회로가 연결되어 전지가 방전이 되어 버려 안정한 상태로 되어 버린다. 따라서, 전지가 고온에 노출되더라도 발화나 폭발이 일어나지 않고 다시 온도가 낮아지면 회로가 연결되지 않아 더 이상 전류가 흐르지 않게 되고 다시 전지를 정상적으로 사용할 수 있게 된다.On the other hand, according to the present invention, the standard thermosensitive reed switch having a thermosensitive magnetic material is configured such that the circuit is not connected when the temperature is low and the circuit is connected when the temperature is high. If there is no connection between the electric circuit at normal operating temperature, no current flows, so there is no effect, but if the battery is exposed to high temperature or the battery temperature rises due to external shock, the battery will be over temperature. The saturation flux circuit decreases, and the electric circuit between the positive terminal and the negative terminal is connected, and the battery is discharged, resulting in a stable state. Therefore, even when the battery is exposed to high temperature, if the temperature is lowered again without ignition or explosion, the circuit is not connected and no current flows again, and the battery can be used normally.
도면에 의해 본 발명의 감온 리드 스위치의 구조 및 그 작동을 상세히 설명하면 다음과 같다. Referring to the structure and operation of the thermosensitive reed switch of the present invention in detail as follows.
본 발명에서 안전소자로 사용되는 부형 감온 리드 스위치는 도 1에 도시되어 있다.The type of thermosensitive reed switch used as a safety device in the present invention is shown in FIG.
본 발명에서 안전소자로 사용되는 부형 감온 리드 스위치는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1자석 및 제2자석, 상기 2개의 자석 사이에 게재된 감온 자성체(예, 써모페라이트)로 된 구조물;과 유리관 내에서 접촉,탈착가능하게 연결되어 있는 2 개의 자성체 리드편을 구비한다. 이때, 상기 자석과 감온 자성체로 된 구조물은 자성체 리드편을 구비한 유리관 상에 탑재되어 고정되어 있을 수 있다. 유리관 안에는 불활성 가스를 넣는 것이 바람직하다. 이때, 유리관 외부로 나와 있는 2개의 자성체 리드편의 각 단부는 전지에 연결될 수 있다. As shown in FIG. 1, a thermosensitive reed switch used as a safety device according to the present invention may include a structure made of a thermosensitive magnetic material (eg, thermoferrite) interposed between the first magnet and the second magnet and the two magnets; Two magnetic body lead pieces connected in contact with and detachably in a glass tube are provided. In this case, the structure of the magnet and the thermosensitive magnetic material may be mounted and fixed on the glass tube having the magnetic lead piece. It is preferable to put an inert gas in a glass tube. At this time, each end of the two magnetic body lead pieces that extend out of the glass tube may be connected to the battery.
본 발명에서 안전소자로 사용되는 부형 감온 리드 스위치의 작동원리는 다음과 같다. The operating principle of the thermosensitive reed switch used as a safety device in the present invention is as follows.
도 1a에 도시된 바와 같이 상온 또는 일반적인 전지 작동 온도에서는, 제1자석 및 제2자석, 상기 2개의 자석 사이에 게재된 감온 자성체(예, 써모페라이트)로 된 구조물은 하나의 N, S극을 갖는 자석을 형성한다. 한편, 2개의 자성체 리드편이 물리적으로 연결된 상태에서, 양자성체(良磁性體)인 감온 자성체의 N극 쪽 측면에 접촉된 제1자석으로부터 나온 N극 자속이 2개의 자성체 리드편을 경유하여 상기 감온 자성체의 S극 쪽 측면에 접촉된 제2자석의 S극으로 들어가 하나의 큰 자기 폐회로를 형성한다. 이때, 상기 자기 폐회로에 의해 2개의 자성체 리드편은 서로를 흡인하여 물리적 연결이 유지될 수 있다.As shown in FIG. 1A, at room temperature or normal cell operating temperature, a structure made of a thermosensitive magnetic material (eg, thermoferrite) interposed between the first magnet and the second magnet, and the two magnets may be connected to one N and S pole. To form a magnet. On the other hand, in a state in which two magnetic lead pieces are physically connected, the N-pole magnetic flux from the first magnet in contact with the N-pole side of the thermosensitive magnetic material, which is a quantum body, is reduced in temperature by way of two magnetic lead pieces. It enters the S pole of the second magnet in contact with the S pole side of the magnetic body to form one large magnetic closed circuit. At this time, the two magnetic lead pieces by the magnetic close circuit sucks each other to maintain a physical connection.
열변태점, 즉 일정 온도 이상으로 온도가 상승하면, 감온 자성체(예, 써모페라이트)의 고유 특성에 따라 감온 자성체 자체의 양자성을 급격히 상실하여 즉, 포화자속 밀도가 급격히 떨어져 감온 자성체가 비자성체로 된다. 따라서, 제1자석과 제2자석의 대부분의 자속은 가장 가까운 반대극으로 흐르게 된다. 이로 인해, 제1자석에서 나온 N극 자속은 거리상 가까운 1개의 자성체 리드편을 경유하여 제1자석의 S극으로 들어가는 자기회로를 형성한다. 마찬가지로, 제2자석에서 나온 N극 자속은 거리상 가까운 또다른 1개의 자성체 리드편을 경유하여 제2자석의 S극으로 들어가는 자기회로를 형성한다. 이로 인해 각 자석의 자속은 거리상 도 1b에 표시된 방향으로 흐르게 된다. 이때, 2개의 자성체 리드편은 각각 제1자석의 자기장, 제2자석의 자기장에 영향을 받아 2개의 자성체 리드편 간의 물리적 연결이 끊어지게 된다.When the temperature rises above the thermal transformation point, that is, a certain temperature, the quantum qualities of the thermosensitive magnetic body are abruptly lost due to the intrinsic properties of the thermosensitive magnetic material (eg, thermoferrite), that is, the saturation magnetic flux density drops sharply and the thermosensitive magnetic material becomes a nonmagnetic material. do. Therefore, most of the magnetic fluxes of the first magnet and the second magnet flow to the nearest opposite pole. As a result, the N-pole magnetic flux emitted from the first magnet forms a magnetic circuit that enters the S-pole of the first magnet via one magnetic lead piece that is close in distance. Similarly, the N-pole magnetic flux from the second magnet forms a magnetic circuit that enters the S-pole of the second magnet via another magnetic lead piece that is close in distance. This causes the magnetic flux of each magnet to flow in the direction indicated in FIG. At this time, the two magnetic lead pieces are affected by the magnetic field of the first magnet and the magnetic field of the second magnet, respectively, so that the physical connection between the two magnetic lead pieces is broken.
감온 자성체의 열변태점은 50℃ 이상 150℃ 미만인 것이 바람직하다. 50℃ 이하에서 감온 자성체의 투자율이 감소하면 일반적인 전지 사용온도인 -20℃에서 60℃ 사이에서 정형 감온 리드 스위치의 경우 전지가 방전되게 되어 전지 잔존용량이 감소하게 되고 부형 감온 리드 스위치의 경우 전극 단자의 전류를 차단시키는 문제점이 발생하고, 150℃ 이상에서 감온 자성체의 투자율이 감소하면 이미 전지가 외부충격이나 환경에 의해서 부풀거나, 발화 폭발한 상태가 되므로 150℃ 이상에서 저항이 변하는 것은 전지의 성능에 영향을 주지 못한다.It is preferable that the thermal transformation point of a thermosensitive magnetic body is 50 degreeC or more and less than 150 degreeC. If the magnetic permeability of the thermosensitive magnetic body is reduced below 50 ° C, the battery is discharged in the case of the standard thermal switch, -20 ° C to 60 ° C, which is a general battery temperature, and the battery remaining capacity is reduced. If the permeability of the thermosensitive magnetic material decreases at 150 ° C or higher and the permeability of the magnetic material is reduced, the battery is already swollen or ignited by an external shock or environment. Does not affect
감온 자성체를 이용한 감온 리드 스위치를 구비한 안전 소자를 구체적으로 전지에 연결한 상태를 보여주는 실시예들이 도 2에 도시되어 있다. Embodiments showing a state in which a safety device having a thermosensitive reed switch using a thermosensitive magnetic material are specifically connected to a battery are illustrated in FIG. 2.
도 2은 폴리머 전지에 본 발명의 감온 리드 스위치를 연결한 실시예들이다.2 is a diagram illustrating embodiments in which the thermosensitive reed switch of the present invention is connected to a polymer battery.
일반적으로 폴리머 전지(battery)는 적층형으로 1개 이상의 양극 극판; 및 상기 양극 극판과 교번하여 적층된 1개 이상의 음극 극판을 구비하고 있다. 이때, 적층형 전지는 1개 이상의 양극 극판을 연결하고 이를 전지 외부로 연결해 주는 양극 리드와, 1개 이상의 음극 극판을 연결하고 전지 외부로 연결해 주는 음극 리드가 전지 포장재 외부의 전원과 연결되는 구조로 되어 있다.Generally, a battery is one or more positive electrode plates in a stacked form; And at least one negative electrode plate alternately stacked with the positive electrode plate. In this case, the stacked battery has a structure in which a positive lead connecting one or more positive electrode plates and connecting them to the outside of the battery and a negative lead connecting one or more negative electrode plates and connecting to the outside of the battery are connected to a power source outside the battery packaging material. have.
이때, 정형 감온 리드 스위치를 구비한 안전소자는 전지 포장재 내부 또는 외부에서 양극 리드와 음극 리드 사이에 연결될 수 있고(도 2 중 B, D, E, F 타입 참조), 부형 감온 리드 스위치를 구비한 안전소자는 전지 포장재 내부 또는 외부에서 양극 리드와 양극 탭 사이, 음극 리드와 음극 탭 사이에 연결될 수 있다(도 2 중 A, C, E, F 타입 참조).In this case, the safety device having a standard temperature sensitive reed switch may be connected between the positive electrode lead and the negative electrode lead inside or outside the battery packaging material (see types B, D, E, and F in FIG. 2), and may be provided with an external temperature sensitive reed switch. The safety device may be connected between the positive electrode lead and the positive electrode tab and between the negative electrode lead and the negative electrode tab inside or outside the battery packaging material (see types A, C, E, and F in FIG. 2).
한편, 리튬이차전지를 충전상태에서 160도 이상으로 가열할 경우 발화되지만 50도에서 150도 사이에서 작동하는 정형 감온 리드 스위치를 사용하여 양극과 음극 단자를 연결하면 160도 이상으로 가열하여도 발화되지 않고 전지 성능이 확보된다. On the other hand, when a lithium secondary battery is heated to 160 degrees or more in a charged state, it ignites, but when a positive and negative terminals are connected by using a standard thermostat reed switch operating between 50 degrees and 150 degrees, it does not ignite even when heated to 160 degrees or more. Battery performance is secured without.
또한, 리튬이차전지를 과충전 할 경우 발화되지만 50도에서 150도 사이에서 작동하는 부형 감온 리드 스위치를 전극 단자와 전극 탭 사이에 연결하면 발화되지 않는다.In addition, when the lithium secondary battery is overcharged, it is ignited, but if a thermosensitive reed switch operating between 50 degrees and 150 degrees is connected between the electrode terminal and the electrode tab, it does not ignite.
본 발명에 따라 감온 자성체(예, 써모페라이트)를 사용한 정형 감온 리드 스위치를 이차전지의 양극과 음극 단자 사이에 사용할 경우 전지가 고온에 노출되거나 외부의 충격에 의해 전지 온도가 상승할 경우 전지를 안전한 방전상태로 만들어줌으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 다시 온도가 낮아지면 전지를 사용가능하게 만들 수 있다. According to the present invention, when a standard thermosensitive reed switch using a thermosensitive magnetic material (eg, thermoferrite) is used between the positive electrode and the negative electrode terminal of a secondary battery, the battery is safe when the battery is exposed to high temperature or the battery temperature increases due to external shock. Not only can the battery be secured by making it discharged, but it can also be used when the temperature is lowered again.
또한, 본 발명에 따라 감온 자성체(예, 써모페라이트)를 사용한 부형 감온 리드 스위치를 이차전지의 양극에 직렬로 연결(예, 전극 단자와 전극 탭 사이에 연결)하여 사용할 경우 충전기의 고장 등으로 인해 과충전되어 전지의 온도가 상승할 경우 전류를 차단하여 전지가 더 이상 과충전되지 않도록 하여 안전하게 할 수 있다. In addition, according to the present invention, when a thermosensitive reed switch using a thermosensitive magnetic material (for example, thermoferrite) is connected to the positive electrode of a secondary battery in series (for example, between an electrode terminal and an electrode tab), the charger may be damaged due to a breakdown of a charger. When the battery temperature rises due to overcharging, the current can be cut off to prevent the battery from being overcharged anymore.
도 1은 본 발명에 따른 부형 감온 리드 스위치 안전소자의 일실시형태를 나타낸 모식도이다. 도 1a는 부형 감온 리드 스위치에서 써모페라이트가 자성을 띤 상태에서의 자기회로를 도시한 것이다. 도 2b는 부형 감온 리드 스위치의 작동설정온도에 도달하여 써모페라이트의 자성이 없어진 상태에서의 자기회로를 도시한 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram which shows one Embodiment of the shaping | molding thermosensitive reed switch safety element which concerns on this invention. FIG. 1A illustrates a magnetic circuit in a state in which a thermoferrite is magnetic in a shaped thermosensitive reed switch. FIG. 2B shows a magnetic circuit in a state in which the magnetization of the thermoferrite is lost after reaching the operation set temperature of the shaped thermosensitive reed switch.
도 2는 본 발명에 따라 다양하게 정형 감온 리드 스위치 안전소자 및/또는 부형 감온 리드 스위치 안전 소자를 연결시킨 이차 전지를 나타낸 모식도이다. A 타입은 부형 감온 리드 스위치가 전지(cell) 내부에서 전극 단자와 전극 탭 사이에 연결된 실시형태이고; B 타입은 정형 감온 리드 스위치가 전지(cell) 내부에서 양극 단자와 음극 단자 사이에 연결된 실시형태이고; C 타입은 부형 감온 리드 스위치가 전지(cell) 외부에서 전극 단자와 전극 탭 사이에 연결된 실시형태이고; D 타입은 정형 감온 리드 스위치가 전지(cell) 외부에서 양극 단자와 음극 단자 사이에 연결된 실시형태이고; E 타입은 부형 감온 리드 스위치 및 정형 감온 리드 스위치가 전지(cell) 외부에서 연결된 실시형태이고; F 타입은 부형 감온 리드 스위치 및 정형 감온 리드 스위치가 전지(cell) 내부에서 연결된 실시형태이다.FIG. 2 is a schematic view illustrating a secondary battery in which various types of thermosensitive reed switch safety devices and / or shaped thermosensitive reed switch safety devices are connected according to the present invention. A type is an embodiment in which a shaped thermosensitive reed switch is connected between an electrode terminal and an electrode tab inside a cell; Type B is an embodiment in which a shaped thermosensitive reed switch is connected between a positive terminal and a negative terminal inside a cell; C type is an embodiment in which a shaped thermosensitive reed switch is connected between an electrode terminal and an electrode tab outside a cell; D type is an embodiment in which a shaped thermosensitive reed switch is connected between a positive terminal and a negative terminal outside a cell; E type is an embodiment in which the shaping temperature reed switch and the shaping temperature reed switch are connected outside a cell; The F type is an embodiment in which a shaping temperature reed switch and a shaping temperature reed switch are connected inside a cell.
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