KR20060039955A

KR20060039955A - 배터리용 안전장치

Info

Publication number: KR20060039955A
Application number: KR1020040088336A
Authority: KR
Inventors: 엄우식; 정용근
Original assignee: 유니썸테크놀로지 주식회사; 엄우식
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-10

Abstract

본 발명은 배터리용 안전장치에 관한 것으로, 본체부와, 상기 본체부의 마주보는 양단부에 각각에 형성된 전극단자부 및 압력 및/또는 온도에 따라 상기 전극 단자부들을 단락하는 변위 수단을 포함하는 배터리용 안전장치를 제공한다. 이로써, 전지 내부의 온도가 급속히 상승하더라도 전지의 전기적 에너지를 높은 상태에서 낮은 상태로 강화시켜 전지의 팽창과 폭발을 방지할 수 있고, 전지의 불안정 상태가 안정화된 후 전지를 재충전하여 다시 사용할 수 있다.

배터리, 안전장치, PCM, 형상 기억 합금, 바이-메탈, MIT, 열안정성

Description

배터리용 안전장치{Safety apparatus for battery}

도 1은 본 발명에 따른 배터리용 안전장치를 설명하기 위한 개념 단면도.

도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 변위 수단의 다양한 형상을 설명하기 위한 개념 단면도들.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 배터리를 설명하기 위한 개념 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 본체부 20, 30 : 전극 단자부

40 : 변위 수단 42 : 고정부

100 : 안전장치 200 : 전극본체

210, 220 : 전지 및 배터리 230, 240 : 배선

250, 260 : 외부 전극 270 : 몰딩부

본 발명은 배터리용 안전장치에 관한 것으로, 특히 모든 전지의 사용조건에 서 전지의 안정성을 향상시킬 수 있는 안전장치에 관한 것이다.

일반적으로 배터리는 양과 음의 전극판과 전해액으로 구성되어 있어, 화학작용에 의해 직류기전력을 생기게 하여 전원으로 사용할 수 있는 장치를 지칭하는 것으로, 내부에 들어 있는 화학물질의 화학에너지를 전기 화학적 산화-환원반응에 의해 전기 에너지로 변환하는 장치이다.

이러한 전지는 사용한 후 재충전이 불가능한 1차 전지와 전압이 사용구간 이하로 떨어질 경우 재충전하여 다시 사용이 가능한 2차 전지로 나누어진다.

상술한 전지의 동작을 살펴보면, 전지의 음극은 보통 전자를 내어주고 자신은 산화되는 물질이 사용되고 양극은 전자를 받아 자신은 환원되는 물질이 사용된다. 전지가 외부 기기, 예를 들면, 전등, 전자기구와 연결되어 작동할 때, 즉 전지의 방전 반응이 진행될 때, 두 전극은 각각 전기 화학적으로 다른 상태로의 변화를 일으킨다. 이때 전기적 회로는 음극과 양극 방향으로의 네커티브 이온과 포지티브 이온의 물질 이동에 의해 전해질 내부에서 완성된다.

1차 전지는 이와 반대 반응이 일어날 수 없어 충전이 불가능한 전지이며 2차 전지는 충전이 진행되어 전지 본래의 화학적 상태로 돌아 갈 수 있는 전지이다.

따라서, 2차 전지는 재사용이 가능하며 소형의 사이즈로 제작이 용이하며 무게 또한 경량으로 매우 많은 장점을 갖는 반면, 과충전될 경우 양극에서 산소 가스가 발생하고 음극에서는 리튬 금속이 석출되며 전해액이 가스로 분해될 수 있으며, 이 같은 반응이 지속될 경우 폭발 또는 화재의 위험이 크다. 특히 이러한 2차 전 지로 사용되는 리튬전지(리튬 이온 전지와 리튬 폴리머 전지)를 이루는 불안정한 재료로 인해 외부의 기계적 충격, 열적 환경 변화, 전기적인 접속 등에 의해 전지 내부의 온도가 급속히 상승하여 전지의 팽창 및 폭발 등이 발생한다.

이에 이러한 위험을 방지하기 위해 대부분의 2차 전지에서 PCM(Protection Circuit Module)과 같은 보호회로가 사용된다.

이러한 PCM에 관해서는 국내 등록특허공보 제10-301346호와 공개특허공보 제10-2004-13354호에 개시되어 있다. 등록특허공보 제10-301346호에서는 IC회로를 이용한 PCM을 통해 2차 전지를 보호하고 있지만, IC회로의 단가가 비싸고 회로가 복잡해지는 문제가 내재되어 있다. 또한, 공개특허공보 제10-2004-13354호에서는 다수의 감지 센서와 방전부를 이용한 PCM을 통해 2차 전지를 보호하고 있지만, 이 또한 전압센서, 온도센서들에 의해 그 단가가 비싸고, 이러한 센서의 값을 판단하여 방전부를 통해 과도 전류를 방전하여야 하기 때문에 그 회로가 매우 복잡해진다.

이에 상술한 바와 같이 복잡한 회로 구성을 사용하지 않고, 2차 전지를 보호하기 위한 많은 연구들이 행해지고 있다. 이에 관해 한국 공개특허공보 제10-2004-43040호에는 소정 압력을 갖고 밀봉된 안전장치를 전극 탭과 단자핀 사이에 위치시켜 2차 전지를 보호하도록 한다. 이의 동작을 간략히 살펴보면 통전부재가 안전장치의 내부를 관통하여 형성되어 있고, 이러한 통전부재의 양끝단 각각이 전극과 단자핀 사이에 접속되어 있다. 충전시 외부 조건 등 이상동작에 의해 전지 내부의 온도가 상승될 때, 전극 조립체로부터 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 된 다. 이와 같이 전지 내부의 내압이 상승하게 되면 안전장치의 변형부가 수축하게 되어 안전장치를 관통하는 통전부재가 끊어지게 된다. 이로써, 전극과 단자핀 사이에 전류의 흐름을 차단할 수 있게 된다. 하지만, 상술한 종래의 기술에 있어서는 한번 끊어진 통전부재가 다시 원래의 상태로 복원되지 않게 되어 재 사용이 불가능 한 문제가 발생한다. 또한, 종래의 기술에서는 충전시에 과충전 제어, 과전류 도입 제어를 위해 전극과 단자핀 사이에 상술한 PCM을 설치하여 전지의 안정성을 확보하였지만, 충전시의 조건을 제외한 일반적인 사용조건에서는 전지의 안정성을 보장하기 어려운 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 외부의 기계적 충격, 열적 환경 변화, 전기적인 접속 등에 의해 전지 내부의 온도가 급속히 상승할 경우 전지의 전기적 에너지를 높은 상태에서 낮은 상태로 강화시켜 전지의 팽창과 폭발을 방지할 수 있고, 전지의 불안정상태가 안정화되면 전지를 재사용 가능하도록 하여 충전을 포함한 모든 전지 사용조건에서 전지의 안정성을 확보하는 배터리용 안전장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 본체부와, 상기 본체부의 양단부에 서로 이격되어 각각에 형성된 전극단자부 및 온도의 증감에 따라 변형하여 상기 전극 단자부를 서로 전기적 접속 또는 접속해제시키는 변위 수단을 포함하는 배터리용 안전장치를 제공한다.

여기서, 상기 변위 수단으로 형상 기억 합금, 바이-메탈 및 변위 재료 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 변위 수단의 형상으로 ‘U' 형상, 스프링 형상 및 마름모꼴 형상 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 그리고, 상기 변위 수단은 일 전극단자부에 접속되고 타 전극단자부와는 소정간격 이격되어 있는것이 효과적이다. 또한, 상기 변위 수단은 일 전극단자부에 접속된 고정부 및 타 전극단자부에 접속되어 온도에 따라 상기 고정부측으로 변위하는 변위부를 포함할 수 있다. 물론, 상기 변위 수단은 일 전극단자부에 제 1 변위부가 형성되고, 타 전극 단자부에 제 2 변위부가 형성되어, 온도에 따라 상기 변위부들은 서로를 향해 변위할 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 제 1 항 또는 제 2 항의 배터리용 안전장치가 양전극과 음전극 사이에 접속된 배터리를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명의 배터리로는 2차 전지 또는 연료전지를 포함한 다양한 전지를 사용 할 수 있다. 2차 전지로는 납축전지, 알칼리축전지, 기체전지, 리튬이온전지, 니켈-수소전지, 니켈-카드뮴전지, 폴리머전지 등을 사용할 수 있다. 소형 2차전지로는 니켈-카드뮴전지에서 니켈-수소전지와 리튬이온전지로 대체되기 시작하였고, 리튬이온전지에 전해질만 폴리머로 바꾼 리튬폴리머전지도 사용되고 있다. 또한, 연료전지로는 알칼리 수용액을 전해질로 사용하는 용융탄산염 연료전지, 고체전해질 연료전지, 인산전해질 연료전지 등을 사용할 수 있다. 이때, 전해질로는 순수한 수소와 산소를 사용하고, 수소 외에 메탄과 천연가스 등의 화석연료를 사용하는 기체연료와, 메탄올 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용할 수 있다.

이하, 상기의 전지를 안정화시키기 위한 안전 장치에 관해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리용 안전장치를 설명하기 위한 개념 단면도이다.

본 발명의 배터리용 안전장치는 외부의 기계적 충격, 열적 환경 변화, 전기적인 접속등에 의해 전지 내부의 온도가 급격히 상승하여 전지 불안정 온도 이상으로 전지의 온도가 상승하는 경우 전지의 양극을 쇼트시켜 전지의 전기적 에너지를 높은 상태에서 낮은 상태로 강화시켜, 전지의 팽창과 폭발을 방지하기 위한 구조를 갖는다.

따라서 도 1을 참조하면, 배터리용 안전장치(100)는 본체부(10)와, 본체부(10)의 마주보는 양단부에 각각에 형성된 전극단자부(20, 30)와, 일 전극단자부(30)에 접속된 변위 수단(40)을 포함한다.

이때, 전지가 정상동작일 경우 도 1a에서와 같이 양단부에 형성된 일 전극 단자부(30)는 변위 수단(40)에 접속되어 있고, 다른 일 전극 단자부(20)는 변위 수단(40)과 분리되어 있어, 전극 단자부들(20, 30)은 전기적으로 분리되어 있다. 하지만, 전지가 이상동작을 하게 될 경우 즉, 그 내부 압력 및/또는 온도가 상승하게 되면 열 팽창에 의해서 도 1b에서와 같이 변위 수단의 형상이 변화되어 다른 일 전극 단자부(20)와 변위 수단(40)이 물리적/전기적으로 접속하게 된다. 이로써, 전극 단자부(20, 30)가 쇼트된다. 이후 다시 전지가 정상동작을 하게 되면, 변위 수단(40)은 원래의 형상으로 복원되어 도 1a와 같이 전극 단자부(20, 30)를 전기적으로 분리한다.

이하, 상술한 동작을 하는 안전장치를 구성하는 구성요소들에 관해 간략히 설명한다.

먼저, 본체부(10)는 그 내부가 비어있는 다면체 형상으로 형성하되, 본 실시예에서는 육면체 형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 본체부(10) 내부는 대기압 또는 이보다 높은 소정의 압력을 유지할 수도 있다. 본체부(10)로 절연성의 물질을 사용할 수도 있고, 소정의 온도 하에서는 부도체로 구동하고, 소정의 온도 보다 높을 경우에는 도체로 구동하는 반도체 소자를 사용할 수도 있다. 전극 단자부(20, 30)는 전기 전도성이 우수한 물질을 사용하되, 본 실시예에서는 금속성의 물질을 사용한다. 전극 단자부(20, 30)는 본체부(10)의 일단부 전체에 형성될 수도 있고, 일단부의 소정영역에만 형성될 수도 있다. 또한, 전극 단자부(20, 30)의 두께는 본체부(10)의 표면두께보다 더 두껍게 형성하여 본체부(10) 내/외부로 소정 두께만큼 돌출되도록 하고, 후속 전지와의 접속을 용이하게 할 수 있다.

이때, 본체부(10)의 마주보는 양 단면에 소정의 관통홀을 형성한 다음, 관통홀을 금속성 물질로 채워 본체부(10)의 양 단면에 전극 단자부(20, 30)를 형성한다. 물론 이외의 다양한 방법을 통해 양단부 각각에 양 전극 단자와 음 전극 단자를 갖는 본체부(10)를 제작할 수 있다.

상기의 변위 수단(40)은 일정 압력 및/또는 온도보다 높을 때, 그 성질 및 형상이 변화되고, 다시 일정 압력 및/또는 온도 하에서는 변화된 성질 및 형상이 복원되는 물질을 사용한다. 본 실시예에서는 형상 기억 합금, 바이-메탈(Bi-Metal), 변위 재료 등을 사용한다. 형상 기억 합금으로 니켈 티타늄 화합물을 사용하고, 바이-메탈로는 팽창 계수가 다른 두 종류의 얇은 금속편을 맞붙여 제작하고, 팽창이 적은 쪽 재료로는 니켈 및/또는 철을 사용하고, 팽창이 큰 쪽의 재료로는 구리, 아연, 니켈, 망간, 철 및 몰리브덴 중 적어도 어느 하나를 사용한다.

물론 상기의 설명에 한정되지않고 형상 기억 합금은 약 20여가지의 화합물로 구성된다. 이때, 형상 기억 합금으로 귀금속을 주성분으로 한 합금을 사용하거나, 13족 원소를 주성분으로 한 합금을 사용하거나, 니켈-티타늄을 주성분으로 한 합금은 사용하는 것이 바람직하다.

변위 수단(40)은 일단부에 형성된 전극 단자부(30)는 접속이 되어 있고, 다른 타 단부에 형성된 전극 단자부(20)와는 소정간격 이격되어 있다. 이때, 이격 간격은 변위 수단(40)으로 사용되는 물질의 변화량에 따라 달라진다.

예를 들어, 형상합금이 0 내지 60℃에서는 그 형상이 변화 하지 않다가 60℃이상이 되었을 경우 그 길이가 늘어날 경우, 전지의 안전온도를 세팅한 다음, 그 간격도 이에 따라 결정한다. 즉, 만일 80℃를 안정화 온도로 설정하였을 경우, 80℃에서 형상합금으로 제조된 변위 수단(40)의 높이가 0.1mm늘어나면 형상 합금과 전극 단자부(20)와의 간격은 0.1mm로 유지한다.

이러한 변위 수단(40)으로 형상 기억 합금을 사용할 경우, 형상 기억 합금을 절단하고, 이를 'U‘자 형태로 가공한 후, 고온에서 열처리한다. 열처리는 450 내지 600℃의 온도에서 약 40 내지 80분간 실시한다. 물론 이에 한정되지 않고, 다양한 제작 방법을 통해 도 1a와 같은 형상의 변위 수단(40)을 제조할 수 있다. 또한, 이러한 변위 수단(40)은 이에 한정되지 않고, 다양한 형상이 가능하다.

도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 변위 수단의 다양한 형상을 설명하기 위한 개념 단면도이다.

본 발명의 변위 수단(40)은 도 2와 같이 스프링 형상으로 제작한 다음, 일 전극 단자부(30)에 전기적 물리적으로 접촉시키고 다른 일 전극 단자부(10)와는 소정간격 이격한다. 이때 스프링 형상의 변위 수단(40)이 늘어나거나 수축하여 본체부(10) 양 단자부에 이격된 전극간을 전기적으로 단락시키거나, 두전극간을 차단시킬 수 있다. 또한, 도 3과 같이 마름모꼴 형상의 변위 수단(40)을 통해 양 단자부에 이격된 전극을 단락시키거나 차단시킬 수 있다.

이뿐만 아니라, 도 4와 같이 본 발명의 변위 수단(40)은 일 전극 단자부(20)에 접속된 고정부(42)와, 다른 일 전극 단자부(30)에 접속된 변위부(44)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 외부 및/또는 내부의 영향에 의해 변위부(44)가 도 4에서와 같이 좌우로 이동하게 되어 소정 간격 떨어져 있는 전극 단자부(20, 30)들 을 단락시키거나 차단시킬 수 있다. 또한, 도 5에서와 같이 변위 수단(40)은 일 전극 단자부(20)에 제 1 변위부(40a)가 형성되고, 다른 일 전극 단자부(30)에 제 2 변위부(40b)가 형성될 수 있다. 이로써, 외부 및/또는 내부의 영향에 의해 제 1 및 제 2 변위부(40a 및 40b)가 변화하게 되어, 제 1 및 제 2 변위부(40a 및 40b)간이 단락되거나 차단되어 전극 단자부들의 단락과 차단을 제어할 수도 있다. 또한, 변위 수단(40)이 전극 단자부(20, 30)에 접속해 있지 않고, 본체부(10) 중심에 위치되도록 하여 외부 및/또는 내부의 영향에 의해 변위 수단(40)이 상하로 변위 하여 전극 단자부들(20, 30)을 단락시킬 수 있다. 도 4 및 도 5의 경우에는 변위 수단(44, 40a, 40b)은 바이메탈을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 바이메탈은 온도 상승시 변위되는 측의 금속편(44a, 40a1, 40b1)의 팽창계수가 그 대향측 금속편(44b, 40a2, 40b2)보다 작게 구성된다. 물론 형상 기억 합금으로도 사용이 가능하다.

본 발명의 변위 수단은 상술한 설명에 한정되지 않고, 전극 단자부들간의 단락과 차단을 위해 다양한 형상이 가능하고, 앞서 설명하였던 각각의 도면들의 형상 또는 요소가 혼합될 수도 있다. 또한, 일 전극 단자에 변위 수단이 형성되고, 다른 일 전극 단자에도 이와 동일하거나 다른 형상의 변위 수단을 형성하여 이러한 변위 수단들끼리의 단락과 차단을 통해 전극 단자들의 단락과 차단을 제어할 수도 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 배터리를 설명하기 위한 개념 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 배터리는 양전극/음전극(210/220)이 형성된 배터리 본체(200)와, 외부 환경에 따라 양전극(210)과 음전극(220)을 단락시키는 배 터리용 안전장치(100)를 포함한다. 이때, 배터리용 안전장치(100)는 전술된 내용같이 본체(10)와, 본체(10)의 양측에 각기 형성된 제 1 및 제 2 전극 단자부(20 및 30)와, 제 2 전극 단자부(30)에 접속되어 제 1 전극 단자부(20)와 소정간격 이격된 변위 수단(40)을 포함한다. 이때, 배터리의 음전극(210)과 배터리용 안전장치(100)의 제 2 전극 단자부(30)는 제 1 배선(230)을 통해 접속되고, 양전극(220)과 제 1 전극 단자부(20)는 제 2 배선(240)을 통해 접속될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 전극 단자부(20 및 30) 각각은 외부 양전극 및 외부 음전극에 접속되는 것이 바람직하다. 이후, 배터리 본체(200)와 배터리용 안전장치(100)를 소정의 몰딩을 통해 몰딩하여 이들을 외부 충격으로부터 보호한다. 또한, 본 발명의 배터리에는 방전을 제어할 수 있는 소정의 회로를 두어 전지의 양전극과 음전극간이 쇼트될 경우 이들로 인한 열발생을 줄일 수 있다.

도 7에서와 같이 배터리의 양전극(210)과 음전극(220)을 별도의 배선을 통하지 않고, 배터리용 안전장치(100)를 바로 양전극(210)과 음전극(220)에 연결할 수 있다. 또한, 내부 양전극(210)과 음전극(220)을 곧장 외부의 양전극(260)과 외부의 음전극(250)와 연결할 수도 있다. 이러한 연결은 납땜과 같은 다양한 방법을 통해 이루어질 수 있다. 또한, 이러한 연결후, 이들을 보호하기 위한 별도의 몰딩부(270)를 형성할 수도 있다.

예들 들어 본 발명의 배터리용 안전장치를 리튬 2차 전지에 장착할 경우와 이를 장착하지 않을 경우에 대하여 외부의 온도를 전지의 불안정 온도 이상으로 증가시켜 그 결과를 살펴보면 다음과 같다. 배터리용 안전장치를 장착하지 않은 전 지는, 약 100℃까지 온도를 상승시켰을 경우 전지 팽창이 발생하였고, 150℃이상에서 폭발하였다. 한편, 배터리용 안전장치를 장착한 전지는, 100℃의 온도에서 미장착한 경우에 비해 약 1/10정도 수준의 팽창만을 하였고, 약 180℃이상의 온도에서 도 폭발이 발생하지 않았다.

물론 본 발명의 배터리는 상술한 구조에 한정되지 않고, 배터리의 사용되는 용도와 배터리의 구조에 따라 매우 다양하게 변화될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 전지 내부의 온도가 급속히 상승할 경우 전지의 전기적 에너지를 높은 상태에서 낮은 상태로 강화시켜 전지의 팽창과 폭발을 방지할 수 있다.

또한, 전지의 불안정 상태가 안정화된 후 전지를 재충전하여 다시 사용할 수 있다.

Claims

본체부;

상기 본체부의 양단부에 서로 이격되어 각각에 형성된 전극단자부; 및

온도의 증감에 따라 변형하여 상기 전극 단자부를 서로 전기적 접속 또는 접속해제시키는 변위 수단을 포함하는 배터리용 안전장치.
제 1 항에 있어서,

상기 변위 수단으로 형상 기억 합금, 바이-메탈 및 변위 재료 중 적어도 어느 하나를 사용하는 배터리용 안전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 변위 수단의 형상으로 ‘U' 형상, 스프링 형상 및 마름모꼴 형상 중 어느 하나인 배터리용 안전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 변위 수단은 일 전극단자부에 접속되고 타 전극단자부와는 소정간격 이 격된 배터리용 안전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 변위 수단은 일 전극단자부에 접속된 고정부; 및

타 전극단자부에 접속되어 온도에 따라 상기 고정부측으로 변위하는 변위부를 포함하는 배터리용 안전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 변위 수단은 일 전극단자부에 제 1 변위부가 형성되고, 타 전극 단자부에 제 2 변위부가 형성되어, 온도에 따라 상기 변위부들은 서로를 향해 변위하는 배터리용 안전장치.
제 1 항 또는 제 2 항의 배터리용 안전장치가 양전극과 음전극 사이에 접속된 배터리.