KR20060116723A - 이차전지 보호회로 및 이를 구비한 이차전지 - Google Patents

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KR20060116723A
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Abstract

본 발명은 과충전에 의해 온도가 상승되면 이차전지 입력 전류를 차단할 뿐만 아니라, 이미 충전된 이차전지가 외부 또는 내부의 온도상승에 의해 고온에 노출되는 경우에도 이차전지를 보호할 수 있는 이차전지 보호장치 및 이차전지를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르는 이차전지 보호회로는, 상기 이차전지의 제1극과 일단이 연결된 전류제한 수단; 온도에 감응하여 상기 이차 전지의 제2극과 외부 전극의 제1극 사이를 연결하거나, 상기 이차 전지의 제2극과 상기 전류제한 수단의 타단을 연결하는 스위칭 수단; 상기 이차 전지의 제1극과 상기 외부 전극의 제2극을 연결하는 도선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이차 전지, 보호

Description

이차전지 보호회로 및 이를 구비한 이차전지{PROTECTION CIRCUIT FOR SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME}
도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 이차전지 보호회로도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 이차전지 보호회로도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제3실시예의 실험 그래프를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따라 실험한 후 관찰한 이차전지 및 바이메탈을 예시한 도면이다.
도 5는 제1비교예의 실험 그래프를 도시한 것이다.
도 6은 제1비교예의 방법으로 실험한 후 관찰한 이차전지를 예시한 도면이다.
도 7은 제2비교예의 실험 그래프를 도시한 것이다.
도 8은 제2비교예의 방법으로 실험한 후 관찰한 이차전지 및 바이메탈을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제4실시예의 실험 그래프를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제4실시예의 방법으로 실험한 후 관찰한 이차전지 및 바이메탈을 예시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 제5실시예의 실험 그래프를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 제5실시예의 방법으로 실험한 후 관찰한 이차전지 및 바이메탈을 예시한 도면이다.
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 과충전에 의한 온도 상승을 방지함과 아울러 이차전지가 고온에 노출되는 경우에도 이차전지를 보호할 수 있는 이차전지 보호회로 및 그에 따른 이차전지에 관한 것이다.
최근 이차전지는 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 하이브리드 자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicle) 또는 전기 자동차(EV; Electric Vehicle)의 에너지까지 적용 분야가 확대되면서 연구와 개발에 대한 노력이 점점 가속화되고 있다.
현재 적용되고 있는 이차 전지 중에서 1990 년대 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.
일반적으로 리튬 이온 전지 등과 같은 이차전지는, 일정 전압 이상으로 과충전하게 되면, 양극 활물질과 전해액의 부반응이 많아지고, 심한 경우에는 양극 활물질의 구조 붕괴, 전해액의 산화 반응 등이 수반되며, 음극 활물질에서 리튬이 석출되기도 한다. 이러한 상태에서 계속하여 전압이 올라가면 이차전지가 폭발하거나 발화한다.
또한, 리튬 이온 전지는 일정한 온도 이상의 고온에 노출되면, 전극 활물질이 불안정한 상태로 활성화되고, 전해액과 급격히 반응하면서 이차전지가 부풀게 되며, 심한 경우에는 폭발 또는 발화하는 현상이 발생한다.
이러한 고온 노출에 의한 폭발 및 발화 가능성은 이차전지의 충전 상태에 대응된다. 좀 더 설명하면, 이차전지는 충전시에 이차전지 내부의 에너지 밀도가 증가하고, 전극 활물질의 불안전성이 심화되므로, 충전 상태가 높을수록 폭발 및 발화 가능성이 높아진다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 종래에는 PTC(Positive Temperature Coefficiency resistor)라 부르는 능동 소자를 양극쪽에 직렬로 연결하고, 상기 PTC의 내부 저항이 과충전에 의한 이차전지 온도 상승에 대응되게 상승하며, 입력 전류를 차단하여 과충전을 방지한다.
그러나 상기한 PTC는 과충전이 되어 이차전지의 온도가 상승할 경우에 이차전지 입력 전류를 차단할 뿐이므로, 이미 충전된 이차전지가 고온에 노출되었을 경우에는 이차전지를 보호할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 과충전에 의해 온도가 상승되면, 이차전지 입력 전류를 차단할 뿐만 아니라, 이미 충전된 이차전지가 외부 또는 내부의 온도상승에 의해 고온에 노출되는 경우에도 이차전지를 보호할 수 있는 이차전지 보호장치 및 이차전지를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르는 이차전지 보호회로는, 상기 이차전지의 제1극과 일단이 연결된 전류제한 수단; 온도에 감응하여 상기 이차 전지의 제2극과 외부 전극의 제1극 사이를 연결하거나, 상기 이차 전지의 제2극과 상기 전류제한 수단의 타단을 연결하는 스위칭 수단; 상기 이차 전지의 제1극과 상기 외부 전극의 제2극을 연결하는 도선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 스위칭 수단은, 고온시에 소정 스위칭 동작을 이행하는 바이메탈임을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류제한 수단은, 상기 이차전지의 제1극에 형성된 전도체를 통해 상기 이차전지의 제1극과 연결되며, 상기 바이메탈이 붕괴되지 않게 충분히 큰 저항값을 갖지만, 상기 이차전지가 안전하게 방전되도록 하기에 충분히 작은 저항값을 갖는 저항임을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르는 이차전지 보호회로는, 상기 이차 전지의 제1극과 외부 전극의 제1극 사이에 연결되는 전류제한 수단; 온도에 감응하여 상기 이차 전지의 제2극과 상기 외부 전극의 제2극을 연결하거나, 상기 이차 전지의 제2극과 상기 외부 양극의 제1극을 연결하는 스위칭 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 따른 이차전지 보호회로는 상기 바이메탈이 상온에서는 이차전지의 양(+)극과 외부전극의 양(+)극에 직렬로 연결되어 전류가 흐르도록 하고, 온도가 상승하면 외부전극의 양(+)극에 연결되었던 바이메탈이 외부전극의 음(-)극으로 연결되어, 이차전지의 양극과 음극을 단락시켜 외부전극으로부터의 전류 유입 을 차단함과 아울러 바이메탈을 통한 방전을 유도한다. 이로써 본 발명은 이차전지의 과충전시 온도 상승뿐만 아니라, 이차전지 외부 또는 이차전지 내부에 의한 온도 상승시에도 이차전지에 인가되는 전류가 차단되어 이차전지의 온도 상승을 방지한다.
한편, 상기 바이메탈에 흐르게 되는 전류로 인한 방열로 인해 이차전지 자체가 불안정하게 되는 것을 방지하기 위하여, 바이메탈의 일단에 전류 제한 수단인 저항을 연결하여 바이메탈에서 발생되는 방전 전류량을 조절함으로써, 바이메탈 및 이차전지의 발열량을 감소시킨다. 여기서, 상기 저항은 바이메탈에 직접 연결되거나, 도선을 통해 연결될 수 있다.
전술한 본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조로 한 이하의 본 발명의 바람직한 실시 형태의 상세한 설명을 통해 보다 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
첨부된 도면을 참조한 이하의 설명에 있어서, 통상적으로 요구되는 공지의 장치 및 그 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 온도의 변화에 따라 구부러지는 성질을 가지고 있는 바이메탈을 이용하여, 이차전지가 고온에 노출될 경우에는 상기 이차전지로 유입되는 입력전류를 차단한다. 상기 바이메탈로서 사용되는 재료에서, 팽창이 적은 쪽의 재료로는 니켈과 철의 합금, 팽창이 큰 쪽의 재료로는 구리와 아연의 합금, 니켈·망간· 철의 합금, 니켈·몰리브덴·철의 합금, 망간·니켈·구리의 합금 등 여러 가지의 재료를 사용할 수 있다. 가장 간단한 바이메탈은 저온에서는 수평이던 것이 고온이 되면 니켈·철 합금 쪽으로 구부러지는 것이 있는데, 저온에서는 바이메탈을 통해 전류가 흐르지만, 고온에서는 접점이 떨어져 전류가 흐르지 않게 된다.
상기한 본 발명의 일실시예에 따르면, 바이메탈의 세 단자를 이차전지의 양(+)극, 외부 전극의 양(+)극, 외부전극의 음(-)극 사이에 연결하고, 상기 바이메탈이 상온시에는 상기 이차전지의 양(+)극과 외부전극의 양(+)극을 연결토록 하고, 고온시에는 상기 이차전지의 양(+)극과 외부전극의 음(-)을 연결토록 한다. 여기서, 상기 이차전지 및 외부전극의 음(-)극들은 서로 연결된다.
상기한 바와 같이 이차전지의 온도가 상승하는 경우에는 외부전극의 양(+)극에 연결되었던 바이메탈이 이차전지의 양극(+)과 연결된 외부전극의 음(-)극으로 연결됨에 따라, 이차전지의 양극(+)이 바이메탈을 통해 음극(-)으로 연결된다. 이는 이차전지의 양극과 음극을 바이메탈을 통해 단락시켜, 외부전극으로부터의 전류 유입을 차단함과 아울러 바이메탈을 통한 방전을 유도하여, 이차전지는 안전한 상태를 유지하게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명은 온도에 감응하여 소정 스위칭 동작을 이행하는 바이메탈을 이용하여, 이차전지의 과충전에 따라 온도가 상승하거나, 외부 또는 내부 영향에 의해 온도가 상승하는 경우에 상기 이차전지로 공급되는 전류를 차단하고 이차전지의 방전을 유도하여, 이차전지를 안전한 상태로 유지시킨다.
그러나, 단락시 상기 바이메탈을 이차전지에 직접 연결하는 경우에는, 상기 이차전지에서 방전되는 전류가 급격하게 상기 바이메탈로 흐르게 되며, 상기 전류의 흐름의 제곱에 비례하는 발열량에 의해서 상기 바이메탈 내에서 매우 큰 발열이 일어난다. 이 발열에 의해 상기 바이메탈이 붕괴되거나 또는 상기 바이메탈을 기구적으로 유지시켜 주는 물리적 지지체가 손상될 수도 있다. 또한 약 60℃ 이상의 고온 상태에서 상기 바이메탈을 작동시키게 되면, 이차전지는 급격히 방전을 일으켜 자체 발열이 야기되며, 이 발열로 인해 이차전지가 더욱 불안정하게 될 수 있다.
이에 따라 본 발명은 상기 바이메탈에 의해 외부 단락이 발생될 때에는 상기 바이메탈 및 상기 이차전지의 발열량을 조절하기 위해 상기 바이메탈과 이차전지 사이에 저항을 연결한다. 상기 저항은 방전 전류량을 조절하여 발열량을 감소시킨다. 예를 들면, 10 mΩ의 저항을 가지는 바이메탈의 경우, 현재 리튬 이온 이차전지의 만충전 전위인 4.2V에서 최대로 흐를 수 있는 전류는 420 Ah이고, 바이메탈의 저항이 같을 때 1 Ω인 외부 저항을 연결함으로써, 발생할 수 있는 전류를 4.2A로 감소시킬 수 있어, 발열량도 현저히 줄일 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 이차전지용 보호 회로에 제공되는 저항은 바이메탈이 붕괴되지 않게 충분히 큰 값을 갖지만, 이차전지가 안전하게 충분히 방전되도록 하기에 충분히 작은 값을 갖는다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 저항은 1Ω~25Ω의 저항값을 갖는다. 즉, 저항이 1Ω보다 작은 경우에는 바이메탈에서 발생하는 발열량을 조절하기에는 그 값이 너무 작아, 바이메탈에서 너무 큰 발열이 일어나고, 저항이 25Ω보다 큰 경우에는, 그 저항 자체에서의 발열이 너무 커서, 그 발열로 인해 이차전지가 불안정해진다.
이하에서는, 본 발명의 구체적인 실시예를 여러 비교예와 관련하여 상세하게 설명한다.
제1실시예 : 삼단자 바이메탈과 저항의 연결
도 1에는 본 발명의 제1실시예에 따른 이차전지 보호장치의 구성을 도시한 것이다.
상기 이차전지 보호장치는 바이메탈(BM1)과 저항(R1)으로 구성된다. 상기 바이메탈(BM1)의 세 단자 중 하나는 이차전지(V1)의 양(+)극과 연결되고, 다른 하나는 미도시된 외부전극의 양(+)극과 연결되고, 마지막 하나는 저항(R1)의 일단과 연결된다. 상기 저항(R1)의 타단은 이차전지(V1)의 음(-)극과 연결된다. 그리고, 이차전지(V1) 및 외부전극의 음(-)극은 서로 연결된다. 여기서, 상기 저항(R1)은 상기 바이메탈(BM1)에 직접 연결되거나 도선을 통해 연결될 수 있다.
이와 같이 구성되는 이차전지 보호장치의 동작을 설명한다.
상기 바이메탈(BM1)은 상온시에는 이차전지(V1)의 양(+)극 및 외부 전극의 양(+)극을 연결하고, 고온시에는 저항(R1)을 통해 이차전지(V1)의 양(+)극 및 외부 전극의 음(-)극을 연결한다. 상기 고온시에는 이차전지(V1)가 단락되어 외부전극으로부터의 전류 공급이 차단됨과 아울러 바이메탈(BM1) 및 저항(R1)을 통해 방전이 이루어진다.
제2실시예: 바이메탈과 도선 및 저항의 연결
도 2에는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차전지 보호장치의 구성을 도시한 것이다.
상기 이차전지 보호장치는 바이메탈(BM2)과 저항(R2)으로 구성된다. 상기 바이메탈(BM2)의 세 단자 중 하나는 이차전지(V2)의 양(+)극과 연결되고, 다른 하나는 미도시된 외부전극의 양(+)극과 연결되고, 마지막 하나는 도선을 통해 저항(R2)의 일단 및 외부전극의 음(-)극과 연결된다. 상기 저항(R2)의 타단은 이차전지(V2)의 음(-)극과 연결된다.
상기 제2실시예는 제1실시예에 대해 저항(R2)이 이차전지(V2)의 음(-)극과 외부전극의 음(-)극 사이에 연결되었다는 점을 제외하고는 제1실시예와 동일하다.
제3실시예: 바이메탈과 전도체 및 저항의 연결
양극활물질로 LiCoO2와 도전제, 바인더를 섞어 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 알루미늄 포일에 코팅하여 양극을 제조하였다. 음극은 활물질로서 카본계 활물질을 사용하고, 도전제, 바인더를 섞어 슬러리를 만든 다음에, 이 슬러리를 Cu 포일에 코팅하여 음극을 제조하였다. 이러한 방식으로 제조한 두 전극 사이에 PE/PP의 분리막을 넣고, 와인딩(winding)하여 금속캔으로 만들어진 외장재에 삽입함으로써 각형 이차전지를 구성하였다. 여기서, 상기 각형 이차전지에 전해액으로는 EC/PC 계를 사용하였으며, 이차전지 용량은 800 mAh이었다.
이와 같이 구성한 이차전지의 양극에 바이메탈 작동 온도 이하에서 전류를 흘려주는 양 단자를 직렬로 연결하고, 바이메탈 작동 온도 이상에 전류를 흘려주는 한 단자를 1Ω 저항에 연결하고, 이 저항의 다른 쪽을 음극 단자에 연결하여 이차전지 보호회로를 구성하였다.
상기한 이차전지를 4.4 Ah까지 충전한 후 안전성을 실험하기 위하여 오븐에 넣고 150℃까지 5℃/min.의 속도로 승온시키고, 150℃에서 1시간 유지한 후, 이차전지의 온도 변화 및 폭발/발화 유무를 측정하여 이차전지의 안전성을 실험하였다.
도 3에 상기한 실험 결과를 그래프로 나타내었으며, 도 4는 실험후 관찰한 이차전지 및 바이메탈의 사진을 도시한다.
상기 도 4에 도시한 바와 같이 이차전지의 폭발 및 발화가 없었으며, 바이메탈의 붕괴 역시 일어나지 않았다.
비교예 1
바이메탈과 저항을 사용하지 않은 것을 제외하고 제3실시예와 같이 이차전지를 준비하였으며, 제3실시예와 동일한 방법으로 실험하였다. 그 결과를 도시한 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 이차전지가 고온에서 폭발하는 현상이 야기되었다.
비교예 2
저항을 사용하지 않은 것을 제외하고 제3실시예와 같이 이차전지를 준비하고, 제3실시예와 동일한 방법으로 실험하였다. 그 결과를 도시한 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 이차전지가 폭발하고 바이메탈이 붕괴되는 현상이 야기되었다.
제4실시예
저항을 2[Ω]으로 사용한 것을 제외하고 제3실시예와 같이 이차전지를 준비하고, 제3실시예와 같은 방법으로 실험하였다. 그 결과를 도시한 도 9 및 도 10를 참조하면, 상기 이차전지 폭발 및 발화 현상, 바이메탈의 붕괴 현상은 나타나지 않았다.
제5실시예
저항을 5[Ω]으로 사용한 것을 제외하고 제3실시예와 같이 이차전지를 준비하고, 제3실시예와 같은 방법으로 실험하였다. 그 결과를 도시한 도 11 및 도 12를 참조하면, 상기 이차전지 폭발 및 발화 현상, 바이메탈의 붕괴 현상은 나타나지 않았다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 기초로 하여 설명하였으나, 본 발명은 전술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 변경, 수정될 수 있다는 것은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 후술하는 특허 청구의 범위 및 그 등가물에 대해서는 모두 본 발명의 범주에 속한다.
본 발명은 배터리의 과충전시 배터리의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위해 PTC를 사용하는 종래 기술과는 달리, 본 발명에 따르면 온도에 감응하여 소정 스위 칭 동작을 이행하는 소자를 이용하여, 고온시에는 이차전지로 인가되는 외부 전극의 전류를 차단함과 아울러 방전토록 함으로써, 이차전지의 안정성을 향상시키는 이점이 있다.

Claims (10)

  1. 이차전지 보호회로에 있어서,
    상기 이차전지의 제1극과 일단이 연결된 전류제한 수단;
    온도에 감응하여 상기 이차 전지의 제2극과 외부 전극의 제1극 사이를 연결하거나, 상기 이차 전지의 제2극과 상기 전류제한 수단의 타단을 연결하는 스위칭 수단;
    상기 이차 전지의 제1극과 상기 외부 전극의 제2극을 연결하는 도선;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 보호회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 수단은,
    고온시에 소정 스위칭 동작을 이행하는 바이메탈임을 특징으로 하는 이차전지 보호회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류제한 수단은,
    상기 이차전지의 제1극에 형성된 전도체를 통해 상기 이차전지의 제1극과 연결됨을 특징으로 하는 이차전지 보호회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전류제한 수단은,
    상기 바이메탈이 붕괴되지 않게 충분히 큰 저항값을 갖지만, 상기 이차전지가 안전하게 방전되도록 하기에 충분히 작은 저항값을 갖는 저항임을 특징으로 하는 이차 전지 보호회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전류제한 수단은,
    상기 스위칭 소자에 직접 연결되거나,
    상기 스위칭 소자에 도선을 통해 연결됨을 특징으로 하는 이차전지 보호회로.
  6. 이차전지 보호회로에 있어서,
    이차 전지의 제1극과 외부 전극의 제1극 사이에 연결되는 전류제한 수단;
    온도에 감응하여 상기 이차 전지의 제2극과 상기 외부 전극의 제2극을 연결하거나, 상기 이차 전지의 제2극과 상기 외부 양극의 제1극을 연결하는 스위칭 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 보호회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스위칭 수단은,
    고온시에 소정 스위칭 동작을 이행하는 바이메탈임을 특징으로 하는 이차전지 보호회로.
  8. 제6항에 있어서, 상기 전류제한 수단은,
    상기 이차전지의 제1극에 형성된 전도체를 통해 상기 이차전지의 제1극과 연결됨을 특징으로 하는 이차전지 보호회로.
  9. 제6항에 있어서, 상기 전류제한 수단은,
    상기 바이메탈이 붕괴되지 않게 충분히 큰 저항값을 갖지만, 상기 이차전지가 안전하게 방전되도록 하기에 충분히 작은 저항값을 갖는 저항임을 특징으로 하는 이차전지 보호회로.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 이차전지 보호회로를 구비하는 이차전지.
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