KR20070033853A - Safety element for preventing overcharge of secondary battery and secondary battery combined with safety element - Google Patents

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KR20070033853A KR1020050088437A KR20050088437A KR20070033853A KR 20070033853 A KR20070033853 A KR 20070033853A KR 1020050088437 A KR1020050088437 A KR 1020050088437A KR 20050088437 A KR20050088437 A KR 20050088437A KR 20070033853 A KR20070033853 A KR 20070033853A
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이재헌
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하수현
조정주
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Abstract

본 발명은 간단한 안전 소자를 사용하여 이차 전지 등의 과충전시 발생하는 과전압 및 과열로부터 이차 전지 등을 안전하게 보호할 수 있도록, 과전압 상태에서 방전 특성을 갖는 정전압 소자와 과열 상태에서 방전 특성을 갖는 MIT(Metal-Insulator Transition) 소자를 물리적으로 접합시킨 접합 안전 소자를 제공한다. 정전압 소자와 MIT 소자는 이차 전지의 양극 리드와 음극 리드 사이에 병렬로 연결된다. 상기 접합 안전 소자는 정전압 소자의 방전/발열 특성과 정전압 소자의 방열에 즉시 응답하는 MIT 소자의 방전 특성이 결합된 것으로, 과충전시 전압 및 온도의 2가지 요소에 의해 방전을 일으키므로 과충전 방지 효과가 우수하다.According to the present invention, a MIT (having a discharge characteristic in an overvoltage state and a constant voltage element having a discharge characteristic in an overvoltage state so as to safely protect the secondary battery from overvoltage and overheating generated during overcharging of a secondary battery, etc., by using a simple safety element) Metal-Insulator Transition) Provides a junction safety device in which a device is physically bonded. The constant voltage device and the MIT device are connected in parallel between the positive lead and the negative lead of the secondary battery. The junction safety device combines the discharge / heating characteristics of the constant voltage element with the discharge characteristic of the MIT element that responds immediately to the heat dissipation of the constant voltage element. great.

접합 안전 소자, 정전압 소자, MIT 소자, 이차 전지 Junction safety device, constant voltage device, MIT device, secondary battery

Description

이차전지의 과충전 방지를 위한 안전 소자 및 그 안전 소자가 결합된 이차전지{A SAFTY DEVICE FOR PREVENTING OVERCHARGE OF SECONDARY BATTERIES AND A SECONDARY BATTERIES THEREWITH} Safety element for preventing overcharging of secondary battery and secondary battery incorporating the safety element {A SAFTY DEVICE FOR PREVENTING OVERCHARGE OF SECONDARY BATTERIES AND A SECONDARY BATTERIES THEREWITH}

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따라 접합 안전 소자와 전지가 결합된 구성을 나타낸다.1A illustrates a configuration in which a junction safety device and a battery are coupled according to an embodiment of the present invention.

도 1b는 도 1a에 도시된 접합 안전 소자의 둘레를 방식 및 방습 외장재로 도포한 구성을 나타낸다.FIG. 1B shows a configuration in which the circumference of the bonding safety element shown in FIG. 1A is coated with a corrosion preventing and moisture proof exterior material.

도 1c는 도 1a에 도시된 각 소자의 둘레를 방식 및 방습 외장재로 도포한 후 접합시킨 구성을 나타낸다.FIG. 1C shows a configuration in which the circumference of each device shown in FIG. 1A is coated with an anticorrosive and moisture proof exterior material and then bonded.

도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 접합 안전 소자와 전지가 결합된 구성을 나타낸다.2A illustrates a configuration in which a junction safety device and a battery are coupled according to another embodiment of the present invention.

도 2b는 도 2a에 도시된 접합 안전 소자의 둘레를 방식 및 방습 외장재로 도포한 구성을 나타낸다. FIG. 2B shows a configuration in which the circumference of the bonding safety element shown in FIG. 2A is coated with a corrosion preventing and moisture proof exterior material.

도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 접합 안전 소자와 전지가 결합된 구성을 나타낸다.3A illustrates a configuration in which a junction safety device and a battery are coupled according to another embodiment of the present invention.

도 3b는 도 3a에 도시된 접합 안전 소자의 둘레를 방식 및 방습 외장재로 도포한 구성을 나타낸다. FIG. 3B shows a configuration in which the circumference of the junction safety element shown in FIG. 3A is coated with a corrosion resistant and moisture proof exterior material.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따라 접합 안전 소자가 전지팩(cell) 내부에 결합된 구성을 나타낸다.4A is a view illustrating a configuration in which a junction safety device is coupled to a battery pack according to an embodiment of the present invention.

도 4b는 본 발명의 일실시예에 따라 접합 안전 소자가 전지팩(cell) 외부에 결합된 구성을 나타낸다. 4B illustrates a configuration in which a junction safety device is coupled to an outside of a battery pack according to an embodiment of the present invention.

도 5는 정전압 소자의 일종인 제너 다이오드의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 5 is a graph illustrating current-voltage characteristics of a zener diode, which is a kind of constant voltage device.

도 6은 MIT 특성을 갖는 물질의 승온 또는 감온시 저항 변화를 나타낸 그래프이다. 6 is a graph showing a change in resistance during temperature increase or temperature decrease of a material having MIT characteristics.

도 7은 정전압 소자의 일종인 제너 다이오드에 1A의 정전류를 가해주는 경우 전압 상승에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.7 is a graph illustrating a change in temperature according to a voltage increase when a constant current of 1 A is applied to a zener diode, which is a kind of a constant voltage device.

도 8은 정전압 소자의 일종인 바리스터에 1A의 정전류를 가해주는 경우 전압 상승에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 8 is a graph illustrating a change in temperature according to a voltage increase when a constant current of 1A is applied to a varistor, which is a kind of constant voltage device.

<도면의 주요 부분에 대한 설명> Description of the main parts of the drawing

1: 정전압 소자 1: constant voltage device

2: MIT 소자 2: MIT device

3: 금속선 3: metal wire

4: 방식 및 방습 외장재 4: anticorrosive and moistureproof exterior material

11: 음극 리드 11: cathode lead

12: 양극 리드 12: anode lead

13: 이차 전지 13: secondary battery

14: 접합 안전 소자 14: junction safety element

본 발명은 간단한 안전 소자를 사용하여 과충전시 과전압 및 과열로부터 이차 전지를 안전하게 보호하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for safely protecting a secondary battery from overvoltage and overheating during overcharging by using a simple safety device.

이차 전지는 충방전이 가능한 전지 즉, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함한다. 최근에 리튬 이온 전지에 관한 관심이 집중되어 이에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이는 리튬 이온 전지가 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있기 때문이다. 즉, 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작될 수 있어서, 휴대폰, 캠코더, 노트북을 포함하는 이동 기기의 전원으로서 유용할 뿐만 아니라 전기 자동차의 전원으로도 사용 범위가 확장되는 등 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다. The secondary battery includes both a battery capable of charging and discharging, that is, a conventional Ni / Cd battery, a Ni / MH battery, and a recent lithium ion battery. Recently, attention has been focused on lithium ion batteries, and research and development on them have been actively conducted. This is because lithium ion batteries have an advantage that the energy density is much higher than conventional Ni / Cd batteries, Ni / MH batteries and the like. That is, the lithium ion battery can be manufactured in a small size and light weight, which is not only useful as a power source for a mobile device including a mobile phone, a camcorder, and a notebook, but also an extended range of use for an electric vehicle. Is getting.

위와 같은 장점에도 불구하고, 리튬 이온 전지는 과충전에 약하다는 단점을 가지고 있다. 즉, 이차 전지가 과충전에 대한 아무런 보호 장치 없이 방치되었을 때 폭발에 의한 발화로 인명 사고 또는 재산상의 손실을 초래하는 안전 사고의 위험이 있다.Despite the above advantages, lithium ion batteries have the disadvantage of being overcharged. In other words, when the secondary battery is left without any protection against overcharging, there is a risk of a safety accident resulting in ignition caused by an explosion resulting in a human accident or property damage.

과충전시 전지의 각 구성 물질간 반응을 살펴보면, 과충전으로 인하여 리튬 이온 전지의 양극(cathode)의 활물질인 LiCoO2와 전해액의 부반응이 많아지게 된다. 그리고, 이 부반응은 양극활물질의 구조 붕괴와 전해액의 산화 반응 등을 수반한다. 이에 따라, 흑연 등으로 구성되는 음극의 활물질에서 리튬이 석출될 수 있다. 그런 상태에 도달했음에도 불구하고 계속해서 전압이 올라가면 결국 전지가 폭발 또는 발화되어 사고가 발생한다. Looking at the reaction between the constituent materials of the battery during overcharging, the side reaction of LiCoO 2 which is an active material of the cathode of the lithium ion battery and the electrolyte due to the overcharge increases. This side reaction involves the structural collapse of the positive electrode active material and the oxidation reaction of the electrolyte. Accordingly, lithium may be precipitated from the active material of the negative electrode made of graphite or the like. If such a condition is reached and the voltage continues to rise, the battery may eventually explode or ignite, resulting in an accident.

특히, 이차 전지에 사용된 전원의 규격이 고전압일 경우에는 문제가 더 심각하다. 예컨대, 리튬 이온 이차 전지에 자동차용 전원을 연결하여 사용할 경우, 승용차의 경우 12V의 전압이 인가되고, 화물차의 경우에는 12V 전원을 2개 직렬 연결하므로 24V의 전압이 인가된다. 이와 같이, 이차 전지의 규격에서 정하는 전압 이상의 과전압이 순간적으로 인가되는 경우, 순간 과전압으로부터 이차 전지를 보호할 수 있는 안전 장치가 요망된다.In particular, the problem is more serious when the specification of the power source used in the secondary battery is a high voltage. For example, when a car power source is connected to a lithium ion secondary battery, a voltage of 12 V is applied in a passenger car, and a voltage of 24 V is applied in the case of a van, since two 12 V power are connected in series. As described above, when an overvoltage of more than the voltage specified in the specification of the secondary battery is instantaneously applied, a safety device capable of protecting the secondary battery from the instantaneous overvoltage is desired.

종래에는 주로 이차 전지를 과충전으로부터 보호하기 위하여 고가의 복잡한 구조를 갖고 면적을 많이 차지하는 충방전 제어 회로를 사용하였다. 일반적으로 충방전 제어회로는 외부로부터 입력되는 전압과 전지 전압 또는 외부로 출력되는 전압과 전지 전압을 비교하여 충방전 회로를 선택적으로 스위칭하도록 구성된다. 그러나, 충방전 제어회로의 제어 파라미터가 전압이기 때문에, 과열(온도)로부터 이차 전지를 거의 보호하지 못한다. PTC나 온도 퓨즈와 같은 온도 반응 소자를 추가하여 과열로부터 이차전지를 보호하는 경우를 생각할 수 있다. 충방전 제어 회로에 PTC나 온도 퓨즈를 부가하면 과충전시 인가 전류의 차단에 의해서 전지 과충전 및 전지 온도 상승은 방지될 수 있다. 그러나, PTC나 온도 퓨즈는 일정 온도 이상에서만 작동하므로, 전지의 온도 역시 PTC나 온도 퓨즈가 작동하는 온도 이상으로 올라가야만 한다. 또한, 이미 충전되어 있는 전지의 경우 외부 충격, 외부 환경 변화, 내부 단락 등에 의한 전지 온도 상승시 단순히 인가 전류를 끊어주는 형태인 PTC나 온도 퓨즈 만으로 전지의 안전성을 확보하기 어렵다.Conventionally, a charge / discharge control circuit having an expensive and complicated structure and occupying a large area is mainly used to protect the secondary battery from overcharging. In general, the charge / discharge control circuit is configured to selectively switch the charge / discharge circuit by comparing the voltage input from the outside with the battery voltage or the voltage output from the outside with the battery voltage. However, since the control parameter of the charge / discharge control circuit is a voltage, the secondary battery is hardly protected from overheating (temperature). It is conceivable to protect the secondary battery from overheating by adding a temperature-responsive element such as a PTC or a thermal fuse. If PTC or a temperature fuse is added to the charge / discharge control circuit, battery overcharge and battery temperature rise can be prevented by blocking the applied current during overcharge. However, since the PTC or thermal fuse only operates above a certain temperature, the temperature of the battery must also rise above the temperature at which the PTC or thermal fuse operates. In addition, in the case of a battery that is already charged, it is difficult to secure the safety of the battery only by using a PTC or a thermal fuse, which simply cuts the applied current when the battery temperature rises due to an external shock, external environmental change, or internal short circuit.

본 발명은 간단한 안전 소자를 사용하여 과충전시 과전압 및 과열로부터 이차 전지 등을 안전하게 보호하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to safely protect a secondary battery and the like from overvoltage and overheating during overcharging using a simple safety device.

본 발명은 안전 소자를 간단한 구조로 제조하기 위한 새로운 접합 안전 소자의 구조를 제안한다. 이 접합 안전 소자는 과충전시 전압 및 온도 의 2가지 요소에 의해 방전이 가능하도록 2개의 소자를 물리적으로 접합시킨 것이 특징이다. The present invention proposes a structure of a new junction safety element for manufacturing a safety element with a simple structure. This junction safety device is characterized by physically bonding two devices so that they can be discharged by two factors: voltage and temperature during overcharging.

본 발명에 따른 접합 안전 소자는 소정의 전압 이상에서 방전/방열 특성을 지니는 정전압 소자와 소정의 온도 이상에서 방전 특성을 지니는 MIT 소자를 접합한 것을 특징으로 한다. 따라서, 과충전시 정전압 소자에서 발생한 열이 물리적으로 인접한 MIT 소자에 즉각 영향을 미쳐 MIT 소자에서 방전을 일으킬 수 있기 때문에, 저용량의 정전압 소자를 사용하더라도 이차 전지 등의 안정성을 향상시킬 수 있다. The junction safety device according to the present invention is characterized in that a constant voltage device having a discharge / heat dissipation characteristic at a predetermined voltage or more and a MIT device having a discharge characteristic at a predetermined temperature or more are bonded. Therefore, since the heat generated from the constant voltage device during overcharging may immediately affect the physically adjacent MIT device to cause discharge in the MIT device, even if a low capacity constant voltage device is used, stability of the secondary battery or the like can be improved.

본 발명에 따른 접합 안전 소자는 이차 전지 등의 과충전시 이차 전지의 규격 이상의 과전압 인가분에 대해서는 정전압 소자의 방전 특성에 따라 1차적으로 방전되고, 정전압 소자의 방열 특성에 따라 상기 1차 방전시 정전압 소자에서 발생 하는 열이 정전압 소자에 인접하여 형성된 MIT 소자를 동작시켜 2차적으로 방전되는 특징을 갖는다. 이 때, MIT 소자는 상승한 온도에 응답하여 방전하는 특성을 가지므로, 정전압 소자의 방열로 인한 승온 뿐만 아니라 다른 원인으로 인한 승온에도 응답하여 방전된다. 따라서, 이차 전지의 과충전시 전압과 온도 2가지 요소에 의해 방전이 가능하고, 정전압 소자의 방전/방열 특성과 승온에 대한 MIT 소자의 방전 특성이 결합되어 상보적으로 방전 효과가 향상된다. 방전 상태의 전지는 충전 상태의 전지보다 전지 에너지가 낮고 안전한 활물질 및 전해액 상태를 가지므로 외부 환경 변화, 외부 충격, 내부 단락 등에 의한 문제에 있어서 더 안전하다. The junction safety device according to the present invention is discharged primarily according to the discharge characteristics of the constant voltage element when the overvoltage applied to the secondary battery or more over the specification of the secondary battery, and the constant voltage during the primary discharge according to the heat dissipation characteristics of the constant voltage element Heat generated in the device is discharged secondary by operating the MIT device formed adjacent to the constant voltage device. At this time, since the MIT device has a characteristic of discharging in response to an elevated temperature, the MIT device is discharged not only in response to an increase in temperature due to heat dissipation of the constant voltage element but also in response to an increase in temperature due to other causes. Therefore, the discharge is possible by the two factors of voltage and temperature during the overcharging of the secondary battery, and the discharge effect is improved complementarily by combining the discharge / heat dissipation characteristics of the constant voltage element with the discharge characteristics of the MIT element with respect to the elevated temperature. A battery in a discharged state is lower in battery energy than a charged battery and has a safe active material and electrolyte state, and thus is safer in problems due to external environmental changes, external shocks, internal short circuits, and the like.

본 발명은 간단하고 새로운 구조의 접합 안전 소자를 사용하여 과충전시 과전압 및 과열로부터 이차 전지 등을 안전하게 보호할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 접합 안전 소자는 과전압에 반응하는 정전압 소자와 과열에 반응하는 MIT 소자를 물리적으로 인접하여 결합시킴으로써 과충전시 정전압 소자에서 발생된 열이 바로 MIT 소자의 동작을 유도한다.According to the present invention, a secondary battery and the like can be safely protected from overvoltage and overheating during overcharge by using a junction safety device having a simple and novel structure. That is, the junction safety device according to the present invention physically couples a constant voltage device reacting to an overvoltage and an MIT device reacting to an overheat by physically adjoining, so that heat generated from the constant voltage device during overcharging directly induces operation of the MIT device.

본 발명에 따른 접합 안전 소자의 각 소자를 보다 구체적으로 설명하면, 정전압 소자는 제너다이오드 또는 바리스터와 같은 것이고, 과충전시와 같이 외부 전압이 소정의 전압 이상이 되면 전류가 급격하게 흐르는 특성을 갖는다. 즉, 과충전시 전류를 방전시켜 전지의 전압을 낮추어 줌으로써 전지의 안전성이 향상된다. 특히, 저용량의 정전압 소자는 누설 전류가 시작되는 전압과 급격하게 통전되는 전압 사이의 간격이 짧다. 따라서, 과충전시 정전압 소자에서 누설 전류가 흐르기 시작 하는 시점에서는 정전압 소자에서 1차적인 방전이 일어날 것이고, 곧이어 급격하게 통전되는 전압에 이르게 되면, 정전압 소자에서 발생한 열이 MIT 소자에 영향을 미쳐 MIT 소자에서 방전이 일어난다.In more detail, each device of the junction safety device according to the present invention is a constant voltage device, such as a zener diode or a varistor, and has a characteristic that a current flows rapidly when an external voltage becomes a predetermined voltage or more, such as during overcharging. That is, the battery safety is improved by lowering the voltage of the battery by discharging the current during overcharging. In particular, the low-capacitance constant voltage element has a short interval between the voltage at which the leakage current starts and the voltage rapidly energized. Therefore, when the leakage current starts to flow in the constant voltage element during overcharging, the primary discharge will occur in the constant voltage element. If the voltage reaches a rapidly energized voltage, the heat generated from the constant voltage element will affect the MIT element. Discharge occurs at.

따라서, 본 발명에 따른 접합 안전 소자에 저용량의 정전압 소자를 사용하더라도 안전성이 향상될 수 있다.Therefore, even when a low capacitance constant voltage element is used for the junction safety element according to the present invention, safety can be improved.

한편, MIT 소자는 예컨대 VO, VO2, V2O3 등의 바나듐 계열의 산화물과 Ti2O3 등의 물질 또는 이러한 물질에 St, Ba, La 등의 원소가 첨가된 물질 등으로 구성되고, 일정 온도 이상에서 저항이 급격하게 낮아지는 금속-절연체 전이(MIT:Metal-Insulator Transition) 특성을 갖는 소자이다. 이 소자는 온도가 상승할 경우 저항이 급격하게 저하하여 부도체에서 도체로 전이한다. 따라서, 온도 상승시 저항 감소로 인하여 전류를 방출시키므로 그 결과 전압이 낮아져서 전지를 안전하게 보호할 수 있다.On the other hand, the MIT device is composed of, for example, vanadium-based oxides such as VO, VO 2 , V 2 O 3 , and materials such as Ti 2 O 3 , or materials in which elements such as St, Ba, and La are added to such materials, It is a device having a metal-insulator transition (MIT) characteristic in which the resistance drops sharply above a certain temperature. When the temperature rises, the device suddenly drops in resistance and transitions from non-conductor to conductor. Therefore, since the current is discharged due to the decrease in resistance when the temperature rises, the voltage can be lowered, thereby protecting the battery safely.

MIT 소자의 임계 온도(critical temperature)는 50℃ 이상 150℃ 미만인 것이 바람직하다. 50℃ 미만에서 저항이 감소하면 일반적인 전지 사용 온도인 -20℃에서 60℃ 사이에서 전지가 방전되게 되어 전지의 잔존 용량이 감소하게 되고, 150℃ 이상에서 저항이 감소하면 그 전에 이미 전지가 외부 충격이나 환경에 의해 발화 또는 폭발하기 때문이다.It is preferable that the critical temperature of an MIT element is 50 degreeC or more and less than 150 degreeC. When the resistance decreases below 50 ° C, the battery is discharged between -20 ° C and 60 ° C, which is a normal battery temperature, and the remaining capacity of the battery decreases. This is because it ignites or explodes by the environment or the environment.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따라 접합 안전 소자와 이차 전지가 결합된 구성을 나타낸다. 도 1a에 도시된 접합 안전 소자를 구성하는 각 소자간 결합 관계 및 이차 전지의 각 단자와의 결합 관계를 살펴보면, 우선 정전압 소자(1)와 MIT 소자(2)가 횡방향 일측면(접합면)에서 접합되고, 정전압 소자(1)는 금속선(3)을 통하여 전지의 양극 리드(12)와 음극 리드(11) 사이에 병렬로 연결되고, MIT 소자(2)도 금속선(3)을 통하여 전지의 양극 리드(12)에 병렬로 연결된다. 1A illustrates a configuration in which a junction safety device and a secondary battery are coupled according to an embodiment of the present invention. Referring to the coupling relationship between the elements constituting the junction safety element shown in FIG. 1A and the coupling relationship with each terminal of the secondary battery, first, the constant voltage element 1 and the MIT element 2 are lateral one side (bonding surface). And the constant voltage element 1 is connected in parallel between the positive lead 12 and the negative lead 11 of the battery via the metal wire 3, and the MIT element 2 is also connected to the battery via the metal wire 3. It is connected in parallel to the anode lead 12.

도 1b는 도 1a에 도시된 결합 소자의 둘레를 방식 및 방습 외장재(4)로 도포한 구성을 나타낸다. 이 경우에도 정전압 소자와 MIT 소자는 방식 및 방습 외장재를 통하여 물리적으로 접촉되어 있다. 도 1b에서 전지의 각 전극 단자와 각 접합 소자의 결합 방식은 도 1a에 도시된 경우와 동일하다. FIG. 1B shows a configuration in which the circumference of the coupling element shown in FIG. 1A is coated with the anticorrosion and moisture proof enclosure 4. Even in this case, the constant voltage element and the MIT element are in physical contact with each other through a corrosion protection and a moisture proof enclosure. In FIG. 1B, the coupling method of each electrode terminal and each junction element of the battery is the same as that shown in FIG. 1A.

그리고, 도 1c는 정전압 소자와 MIT 소자의 둘레를 각각 방식 및 방습 외장재로 도포하고, 이 2개의 소자가 횡방향 일측면(접합면)에서 접합된 구성을 나타낸다. 이 경우에도 정전압 소자와 MIT 소자는 방식 및 방습 외장재를 통하여 물리적으로 접촉되어 있다. 도 1c에서 전지의 각 전극 단자와 각 접합 소자의 결합 방식은 도 1a에 도시된 경우와 동일하다. 1C shows a structure in which the circumferences of the constant voltage element and the MIT element are coated with a method and a moisture proof exterior material, respectively, and these two elements are joined on one side surface (bonding surface) in the lateral direction. Even in this case, the constant voltage element and the MIT element are in physical contact with each other through a corrosion protection and a moisture proof enclosure. In FIG. 1C, the coupling method of each electrode terminal and each junction element of the battery is the same as that shown in FIG. 1A.

도 1a 내지 도 1c에 도시된 접합 안전 소자에 따르면, 외부 전압이 소정의 전압 이상으로 상승할 때 정전압 소자의 방전 특성에 따라 정전압 소자에 연결된 금속선을 통하여 1차적인 방전이 일어나고, 정전압 소자의 방열 특성에 따라 1차 방전시 정전압 소자에서 발생한 열이 정전압 소자와 물리적으로 접촉된 MIT 소자를 승온시키면 MIT 소자에 연결된 금속선을 통하여 2차적인 방전이 일어난다. 따라서, MIT 소자는 다른 원인으로 인한 승온에 대하여 독자적으로 방전을 일으키는 것은 물론이고, 과충전으로 인한 전압 상승에 대해서도 그것이 정전압 소자의 방열 특성과 결합하여 반응하게 된다. According to the junction safety device illustrated in FIGS. 1A to 1C, when an external voltage rises above a predetermined voltage, primary discharge occurs through a metal wire connected to the constant voltage device according to the discharge characteristic of the constant voltage device, and heat dissipation of the constant voltage device. According to the characteristics, when the heat generated from the constant voltage device during the primary discharge heats up the MIT device that is in physical contact with the constant voltage device, the secondary discharge occurs through the metal wire connected to the MIT device. Therefore, the MIT device not only generates a discharge independently for the temperature rise due to other causes, but also reacts with the heat radiation characteristic of the constant voltage device to the voltage rise due to the overcharge.

그리고, 접합 안전 소자의 각 소자는 도 1a에 도시된 바와 같이 접합 후 방식 및 방습 외장재로 도포할 수도 있고, 도 1c에 도시된 바와 같이 각 소자를 방식 및 방습 외장재로 도포한 후 접합할 수도 있다. In addition, each element of the bonding safety element may be coated with a post-bonding anticorrosion and moisture proof packaging as shown in FIG. 1A, or may be bonded after applying each element with an anticorrosive and moisture proof packaging as shown in FIG. 1C. .

도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 접합 안전 소자와 이차 전지가 결합된 구성을 나타낸다. 도 2a를 참조하면, 정전압 소자(1)와 MIT 소자(2)가 횡방향 일측면(접합면)에서 접합되고, 정전압 소자와 MIT 소자의 종방향 양단부에 전기 접촉부(5)가 형성되며, 전기 접촉부(5)를 통하여 이차 전지의 양극 리드(12)와 음극 리드(11) 사이에 접합 안전 소자(14)의 각 소자가 하나의 공통 금속선으로 병렬 연결된다. 이 경우에도 정전압 소자와 MIT 소자는 모두 이차 전지의 양극과 음극 사이에 병렬 연결된다. 2A illustrates a configuration in which a junction safety device and a secondary battery are coupled according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2A, the constant voltage element 1 and the MIT element 2 are joined at one side in a transverse direction (bonding surface), and electrical contacts 5 are formed at both ends of the constant voltage element and the MIT element in the longitudinal direction. Each element of the junction safety element 14 is connected in parallel with one common metal line between the positive electrode lead 12 and the negative electrode lead 11 of the secondary battery through the contact portion 5. In this case, both the constant voltage device and the MIT device are connected in parallel between the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery.

그리고, 도 2b는 도 2a의 접합 안전 소자의 둘레를 방식 및 방습 외장재(4)로 도포한 구성을 나타낸다. 이 경우에도 정전압 소자와 MIT 소자는 방식 및 방습 외장재를 통하여 물리적으로 접촉되어 있다. And 2B shows the structure which apply | coated the circumference | surroundings of the bonding safety element of FIG. Even in this case, the constant voltage element and the MIT element are in physical contact with each other through a corrosion protection and a moisture proof enclosure.

도 2a 내지 도 2b에 도시된 접합 안전 소자는 정전압 소자와 MIT 소자가 접합된 접합 안전 소자의 종방향 양단부에 금속과 도전성 재료의 전기 접촉부를 형성하고, 이 전기 접촉부를 통하여 이차 전지의 양극 리드와 음극 리드와 접합 안전 소자를 하나의 공통된 금속선으로 연결할 수 있는 것이 특징이다.The junction safety element shown in FIGS. 2A to 2B forms an electrical contact portion of a metal and a conductive material at both ends of the junction safety element in which the constant voltage element and the MIT element are joined, and the anode lead of the secondary battery is connected through the electrical contact portion. The cathode lead and the junction safety element can be connected with one common metal wire.

그리고, 도 2a 및 도 2b에 도시된 접합 안전 소자는 접합 안전 소자의 종방 향 양단부에 전기 접촉부를 형성함으로써, 이차 전지의 양/음극 리드와 접합 안전 소자의 각 소자를 하나의 공통 금속선으로 연결하면, 정전압 소자와 MIT 소자 각각에서 별도의 금속선을 통하여 방전이 일어나는 것이 아니라, 공통의 금속선 하나를 통하여 방전이 일어나게 된다. 이 때, 금속선과 각 소자 연결 공정에 필요한 납땜 수가 감소되는 장점이 있다.2A and 2B, the junction safety elements shown in FIGS. 2A and 2B form electrical contacts at both ends of the longitudinal direction of the junction safety element to connect the positive / cathode leads of the secondary battery and each element of the junction safety element with one common metal wire. In the constant voltage device and the MIT device, the discharge occurs not through a separate metal line, but through a common metal line. At this time, there is an advantage that the number of solders required for the process of connecting the metal wires and the elements is reduced.

도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 접합 안전 소자와 이차 전지가 결합된 구성을 나타낸다. 도 3a를 참조하면, 전기 접촉부(5)를 통하여 정전압 소자(1)와 MIT 소자(2)가 횡방향 일측면(접합면)에서 접합되고, 각 소자의 횡방향 타측면(대향면)에 다른 전기 접촉부(5)가 형성되고, 정전압 소자와 MIT 소자간 접합면의 전기 접촉부(5)에 이차 전지의 양극 리드(12)가 연결되는 하나의 공통 금속선(3)이 연결되고, 정전압 소자(1)와 MIT 소자(2)의 횡방향 타측면(대향면)에 각각 형성된 전기 접촉부(5)에 개별적인 금속선(3)을 통하여 이차 전지의 음극 리드(11)가 연결된다. 따라서, 정전압 소자(1)와 MIT 소자(2)는 전지의 양극 리드(12)와 음극 리드(11)사이에 병렬로 연결된다.3A illustrates a configuration in which a junction safety element and a secondary battery are coupled according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3A, the constant voltage element 1 and the MIT element 2 are joined on one side in the transverse direction (bonding surface) through the electrical contact portion 5, and the other in the other side in the transverse direction (opposing surface) of the elements. An electrical contact portion 5 is formed, and a common metal line 3 to which the positive lead 12 of the secondary battery is connected to the electrical contact portion 5 of the junction between the constant voltage element and the MIT element is connected to the constant voltage element 1. ) And the negative electrode lead 11 of the secondary battery are connected to the electrical contact portions 5 respectively formed on the other transverse side surface (the opposite surface) of the MIT element 2 through the respective metal wires 3. Thus, the constant voltage element 1 and the MIT element 2 are connected in parallel between the positive lead 12 and the negative lead 11 of the battery.

그리고, 도 3b는 도 3a에 도시된 접합 안전 소자의 둘레를 방식 및 방습 외장재(4)로 도포한 구성을 나타낸다. 이 경우에도 정전압 소자와 MIT 소자는 방식 및 방습 외장재를 통하여 물리적으로 접촉되어 있다.3B shows the structure in which the circumference | surroundings of the junction safety element shown in FIG. 3A were apply | coated with the anticorrosive and moisture proof exterior material 4. Even in this case, the constant voltage element and the MIT element are in physical contact with each other through a corrosion protection and a moisture proof enclosure.

도 3a 및 도 3b에 도시된 접합 안전 소자는 도 2a 및 도 2b에 도시된 접합 안전 소자와 같이 접합 안전 소자의 종방향 양단부에 전기 접촉부(5)가 형성되지 않는 대신에 각 소자의 횡방향 타측면(대향면)에 전기 접촉부(5)가 형성된다. 이 때, 이차 전지의 양극 리드(12)와 각 소자의 접합면에 해당하는 전기 접촉부를 하나의 공통 금속선을 통하여 연결하고, 정전압 소자와 MIT 소자의 횡방향 타측면(대향면)에 각각 형성된 전기 접촉부(5)에 금속선(3)을 통하여 전지의 음극 리드(11)가 연결된다. 따라서, 정전압 소자와 MIT 소자는 전지의 양극 리드와 음극 리드 사이에 병렬로 연결된다.The junction safety elements shown in FIGS. 3A and 3B have the lateral rudder of each element instead of the electrical contacts 5 formed at both ends in the longitudinal direction of the junction safety element like the junction safety elements shown in FIGS. 2A and 2B. An electrical contact 5 is formed on the side (opposite side). At this time, the electrical contact portion corresponding to the junction surface of the positive electrode lead 12 of the secondary battery and each element is connected through one common metal wire, and the electricity is formed on the other side of the constant voltage element and the MIT element in the transverse direction (the opposite side), respectively. The negative lead 11 of the battery is connected to the contact portion 5 through the metal wire 3. Therefore, the constant voltage element and the MIT element are connected in parallel between the positive lead and the negative lead of the battery.

도 3a 내지 도 3b에 도시된 접합 안전 소자는 각 소자의 접합면과 대향면에 형성된 전기 접촉부를 통하여 이차 전지의 양/음극 리드와 연결된다. 이 경우, 접합 안전 소자의 전기 접촉부가 증착 등의 방법으로 형성된다는 점을 감안하면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 종방향 양단부에 형성하는 경우보다 이차 전지의 양/음극 리드를 용이하게 형성할 수 있다.The junction safety elements shown in FIGS. 3A to 3B are connected to the positive / cathode leads of the secondary battery through electrical contacts formed on the junction surface and the opposite surface of each element. In this case, in consideration of the fact that the electrical contact portion of the junction safety element is formed by vapor deposition or the like, the positive / cathode leads of the secondary battery are more easily formed than those formed at both ends in the longitudinal direction as shown in FIGS. 2A and 2B. Can be formed.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따라 접합 안전 소자가 전지 팩(cell) 내부에 연결된 구성을 나타내고, 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따라 접합 안전 소자가 전지 팩(cell) 외부에 연결된 구성을 나타낸다.4A illustrates a configuration in which a junction safety element is connected to an inside of a battery pack according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B illustrates a junction safety element connected to an outside of a battery pack according to an embodiment of the present invention. The configuration is shown.

도 1a 내지 도 3b에 도시된 접합 안전 소자는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 이차 전지의 양극 리드(12)와 음극 리드(11) 사이에 연결되고, 셀의 내부 또는 외부에 연결될 수 있다.As shown in FIGS. 4A and 4B, the junction safety device illustrated in FIGS. 1A to 3B may be connected between the positive lead 12 and the negative lead 11 of the secondary battery, and may be connected to the inside or the outside of the cell. .

도 5는 정전압 소자의 일종인 제너 다이오드의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph illustrating current-voltage characteristics of a zener diode, which is a kind of constant voltage device.

정전압 소자는 특정 크기 이상의 전압이 가해지면 누설 전류(leakage current)가 발생하여 초과된 전압에 대해서 전압 강하가 일어나는 소자를 말한다. 도 5를 참조하면, 역방향으로 약 3.5V 이상의 전압이 가해지면 누설 전류 구간에 이르게 되고, 계속해서 전압을 올리게 되면 소자가 완전히 파괴되는 구간인 절연 파괴(break down) 구간에 이르게 된다. 그리고, 정전압 소자의 경우 용량이 작을수록 누설 전류값이 작고, 누설 전류가 발생하기 시작하는 전압과 전류가 급격하게 통전되는 전압 사이의 차이가 작아진다. 그리고 통전시에는 발열 현상이 수반된다. 정전압 소자의 발열 현상은 아래에서 상세하게 설명한다.The constant voltage device refers to a device in which a leakage current occurs when a voltage greater than or equal to a certain magnitude is applied and a voltage drop occurs with respect to the excess voltage. Referring to FIG. 5, when a voltage of about 3.5V or more is applied in the reverse direction, the voltage reaches a leakage current period, and when the voltage is continuously increased, the voltage reaches a breakdown period in which a device is completely destroyed. In the case of the constant voltage device, the smaller the capacitance, the smaller the leakage current value, and the smaller the difference between the voltage at which the leakage current starts to occur and the current through which the current is rapidly energized. And when it is energized, a fever phenomenon is involved. The heat generation phenomenon of the constant voltage device will be described in detail below.

도 6은 MIT 특성을 갖는 물질의 승온 또는 감온시 저항 변화를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing a change in resistance during temperature increase or temperature decrease of a material having MIT characteristics.

도 6을 참조하면, 전지의 온도를 상승시킬 때 전지의 온도가 약 70℃에 이르면 MIT 소자의 저항이 급감하고, 다시 전지의 온도를 하강시킬 때 전지의 온도가 약 62℃에 이르면 MIT소자의 저항이 급증하여 전체적으로 히스테리시스 곡선을 형성한다. 이차 전지의 사용 온도가 약 50℃ 내지 150℃이므로, MIT소자의 저항 변화 온도는 약 50-150℃ 인 것이 바람직하다. 상기 MIT소자가 갖는 저항 변화는 급격하게 일어나는 것이고 NTC는 반도체의 온도변화에 따른 저항 변화의 형태를 나타내므로 지수함수적인 저항 변화를 나타낸다. 반도체의 경우 온도가 올라갈수록 conduction band쪽으로 전이하는 전자가 많아지고 또한 conduction band에서 이동하는 전자의 운동량이 커지므로 저항이 감소하게 되는 특징을 가진다. 따라서 상온에서 130℃ 정도의 영역에서 주로 사용되는 NTC의 경우 도 9와 같은 저항변화 곡선을 가지게 된다. 따라서 일반적인 전지 사용 온도 영역인 -20℃에서 60℃ 사이에서 누설 전류가 발생하는 결과 전지가 방전되어 사용할 수 없다. 하지만 MIT의 경우 도 6에서와 같이 일정온도에서insulator에서 metal로 급격하게 온도가 변하는 Metal insulator transition특성을 가지는 물질로 반도체적인 성격을 가지는 NTC와는 전혀 다른 저항 온도변화 형태를 가진다. 따라서 전지의 일반적인 사용 온도 영역에서는 저항 변화가 없어 방전 문제 없이 안정적으로 사용될 수 있고, 전지가 abuse한 상태로 되었을 경우에 방전된다. 전지의 본 발명에서는 과충전 방지를 위한 안전 소자의 일요소로서 MIT 소자를 채택하였다.Referring to FIG. 6, when the temperature of the battery rises to about 70 ° C., the resistance of the MIT device decreases rapidly. When the temperature of the battery reaches about 62 ° C., the temperature of the MIT device decreases. The resistance spikes to form a hysteresis curve as a whole. Since the use temperature of the secondary battery is about 50 ° C to 150 ° C, the resistance change temperature of the MIT device is preferably about 50-150 ° C. The resistance change of the MIT device occurs rapidly, and since NTC represents a form of resistance change according to temperature change of a semiconductor, it exhibits exponential resistance change. In the case of a semiconductor, as the temperature increases, more electrons move toward the conduction band and resistance of the semiconductor decreases because the momentum of electrons moving in the conduction band increases. Therefore, in the case of NTC mainly used in the region of about 130 ℃ at room temperature has a resistance change curve as shown in FIG. Therefore, as a result of leakage current occurring between -20 ° C and 60 ° C, which is a general battery use temperature range, the battery is discharged and cannot be used. However, in the case of MIT, as shown in FIG. 6, a material having a metal insulator transition characteristic in which the temperature changes rapidly from an insulator to a metal at a predetermined temperature has a form of resistance temperature change that is completely different from that of an NTC having a semiconductor characteristic. Therefore, there is no resistance change in the general use temperature range of the battery, so that the battery can be stably used without a discharge problem, and is discharged when the battery is abused. In the present invention of the battery, the MIT element is adopted as one element of the safety element for preventing overcharge.

도 7은 정전압 소자의 일종인 제너 다이오드에 1A의 정전류를 가해주는 경우 전압 상승에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.7 is a graph illustrating a change in temperature according to a voltage increase when a constant current of 1 A is applied to a zener diode, which is a kind of a constant voltage device.

도 7을 참조하면, 제너 다이오드에서 통전이 시작되는 시점에서 급격한 온도 상승이 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, it can be seen that there is a rapid temperature increase at the time when energization starts in the zener diode.

도 8은 정전압 소자의 일종인 바리스터에 1A의 정전류를 가해주는 경우 전압 상승에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 8 is a graph illustrating a change in temperature according to a voltage increase when a constant current of 1A is applied to a varistor, which is a kind of constant voltage device.

마찬가지로 도 8로부터, 바리스터에서 통전이 시작되는 시점에서 급격한 온도 상승이 있음을 확인할 수 있다. Similarly, from FIG. 8, it can be seen that there is a sudden temperature rise at the time when energization starts in the varistor.

본 발명은 소정의 전압 이상에서 방전/방열 특성을 지니는 정전압 소자와 소정의 온도 이상에서 방전 특성을 지니는 MIT 소자를 접합한 접합 안전 소자를 이차 전지의 양극 리드와 음극 리드 사이에 병렬로 연결함으로써, 이차 전지의 과충전시 전압과 온도의 2가지 요소에 의해 방전이 일어난다.The present invention is connected in parallel between a positive electrode and a negative electrode lead of a secondary battery by connecting a junction safety device bonded to a constant voltage device having a discharge / heat dissipation characteristic above a predetermined voltage and a MIT device having a discharge characteristic above a predetermined temperature, When the secondary battery is overcharged, discharge occurs due to two factors, a voltage and a temperature.

즉, 과충전시 정전압 소자 쪽으로 전류가 흐르게 되면 정전압 소자가 발열되 고, 이 때 접합되어 있는 MIT 소자 쪽에서도 정전압 소자의 온도 상승에 반응하여 저항이 낮아지게 되므로, 전류가 흐르게 되면 방전 효과를 높일 수 있다. 따라서, 누설 전류가 작고 누설 전류가 시작되는 전압과 전류가 급격하게 통전하는 전압 사이의 간격이 짧은 특징을 지니는 저용량의 정전압 소자를 사용하더라도 MIT 소자와 결합되어 충분한 방전 효과를 달성할 수 있다.That is, when the current flows toward the constant voltage element during overcharging, the constant voltage element generates heat, and at this time, the resistance of the constant voltage element decreases in response to the temperature rise of the constant voltage element, so that the discharge effect can be enhanced when the current flows. . Therefore, even when a low capacitance constant voltage device having a small leakage current and a short interval between the voltage at which the leakage current starts and the voltage through which the current rapidly flows is used, it can be combined with the MIT device to achieve a sufficient discharge effect.

따라서, 본 발명과 같이 전압이 올라가면 전류를 통전시켜 주면서 소자의 온도가 상승하는 정전압 소자와 MIT 소자를 접합할 경우 온도 상승에 의한 발화, 폭발 및 전압 상승에 의한 발화, 폭발 등의 안전성 문제를 모두 해결할 수 있음과 동시에 전압 상승에 의한 안전성 문제를 보다 효과적으로 해결할 수 있다.Therefore, as shown in the present invention, when the MIT device is connected to a constant voltage device that increases the temperature of the device while energizing the current while the voltage rises, all safety problems such as fire due to temperature rise, explosion and fire due to voltage rise, and explosion At the same time, it is possible to solve the safety problem caused by the voltage rise more effectively.

Claims (12)

소정의 전압 이상에서 방전/발열 특성을 지니는 정전압 소자와 소정의 온도 이상에서 방전 특성을 지니는 MIT(Metal-Insulator Transition) 소자를 접합한 접합 안전 소자. A junction safety device in which a constant voltage device having discharge / heating characteristics above a predetermined voltage and a metal insulator transition (MIT) device having discharge characteristics above a predetermined temperature are joined. 제1항에 있어서, 상기 MIT 소자의 임계 온도(critical temperature)가 50 ℃ 이상 150 ℃ 미만인 것인 접합 안전 소자. The junction safety device according to claim 1, wherein a critical temperature of the MIT device is 50 ° C or more and less than 150 ° C. 제1항에 있어서, 상기 정전압 소자는 제너 다이오드 또는 바리스터인 것인 접합 안전 소자. The junction safety device of claim 1, wherein the constant voltage device is a Zener diode or a varistor. 제1항에 있어서, 상기 정전압 소자는 저용량인 것인 접합 안전 소자. 2. The junction safety element as claimed in claim 1, wherein the constant voltage element has a low capacitance. 제1항에 있어서, 상기 접합 안전 소자의 상기 정전압 소자와 상기 MIT 소자의 횡방향 접합면에 형성된 전기 접촉부를 더 포함하는 것인 접합 안전 소자. 2. The junction safety element as claimed in claim 1, further comprising an electrical contact portion formed on a lateral junction surface of the constant voltage element and the MIT element of the junction safety element. 제5항에 있어서, 상기 접합 안전 소자의 종방향 양단부면에 형성된 전기 접촉부를 더 포함하는 것인 접합 안전 소자. 6. The junction safety element as claimed in claim 5, further comprising electrical contacts formed at both longitudinal end surfaces of the junction safety element. 제5항에 있어서, 상기 접합 안전 소자의 횡방향 접합면에 대향하는, 상기 정전압 소자와 상기 MIT 소자의 횡방향 대향면에 형성된 전기 접촉부를 더 포함하는 것인 접합 안전 소자. 6. The junction safety element according to claim 5, further comprising an electrical contact portion formed on a transversely opposite surface of said constant voltage element and said MIT element opposite to a lateral junction surface of said junction safety element. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 접합 안전 소자에서 상기 정전압 소자와 상기 MIT 소자는 각각 개별 금속선을 통하여 전지의 양극 리드와 음극 리드 사이에 병렬로 연결된 것인 이차 전지. The secondary battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the constant voltage element and the MIT element are connected in parallel between the positive electrode lead and the negative electrode lead of the battery through individual metal wires. 제6항에 기재된 접합 안전 소자에서, 상기 접합 안전 소자의 종방향 양단부 전기 접촉부에 공통 금속선을 통하여 전지의 양극 리드와 음극 리드를 각각 연결한 것인 이차 전지. The secondary battery according to claim 6, wherein the positive electrode lead and the negative electrode lead of the battery are respectively connected to the electrical contact portions of both ends of the junction safety element in the longitudinal direction. 제7항에 기재된 접합 안전 소자에서, 상기 정전압 소자와 상기 MIT소자의 접합면에 형성된 전지 접촉부에 공통 금속선을 통하여 전지의 양극 단자가 연결되고, 상기 정전압 소자와 상기 MIT 소자의 상기 접합면에 대향하는 대향면에 각각 형성된 전기 접촉부에 개별 금속선을 통하여 전지의 음극 단자가 연결된 것인 이차 전지. In the junction safety element according to claim 7, a positive electrode terminal of a battery is connected to a battery contact portion formed on a junction surface of the constant voltage element and the MIT element, and is opposite to the junction surface of the constant voltage element and the MIT element. Secondary battery that the negative terminal of the battery is connected to each of the electrical contacts formed on the opposite surface through a separate metal wire. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 접합 안전 소자가 이차 전지팩의 내부에서 이차 전지의 양극 리드와 음극 리드 사이에 연결된 것인 이차 전지. The secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the junction safety element is connected between the positive electrode lead and the negative electrode lead of the secondary battery in the secondary battery pack. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 접합 안전 소자가 이차 전지팩의 외부에서 이차 전지의 양극 리드와 음극 리드 사이에 연결된 것인 이차 전지. The secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the junction safety element is connected between the positive electrode lead and the negative electrode lead of the secondary battery outside the secondary battery pack.
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