KR20070056494A - 이차전지용 안전장치 및 그것을 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전지의 비정상적인 작동 또는 열화에 의해 전지셀이 팽창되는 경우, 가변적인 고정 구조의 시소부재에 의해 압전소자를 가압하여 전류를 발생시키고, 발생된 전류 신호에 의해 보호회로 모듈에서 전지의 작동을 제어함으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있는 이차전지용 안전장치, 및 기계적 강성이 약하고 변형 가능성이 높은 전지셀이 상기 안전장치가 구비된 프레임 부재에 장착됨으로써 전지의 안전성을 향상시키고 조립성을 향상시킨 전지팩을 제공한다.

Description

이차전지용 안전장치 및 그것을 포함하는 전지팩 {Safety Device for Secondary Battery and Battery Pack Employed with the Same}
도 1은 일반적인 폴리머 전지의 사시도이다;
도 2는 본 발명에서 시소부재의 작동 원리를 설명하는 모식도이다;
도 3 및 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 안전장치가 장착된 전지팩의 사시도 및 그것의 부분 확대도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 전지셀 101, 102: 양/음극 단자
210: 시소부재 211: 힌지 부재
220: 압전소자 240: 프레임 부재
본 발명은 이차전지용 안전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지의 비 정상적인 작동 또는 열화에 의해 전지셀이 팽창되는 경우, 가변적인 고정 구조의 시소부재에 의해 압전소자를 가압하여 전류를 발생시키고, 발생된 전류 신호에 의해 보호회로 모듈에서 전지의 작동을 제어함으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있는 이차전지용 안전장치, 및 기계적 강성이 약하고 변형 가능성이 높은 전지셀이 상기 안전장치가 구비된 프레임 부재에 장착됨으로써 전지의 안전성을 향상시키고 조립성을 향상시킨 전지팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
특히 리튬 이차전지는 종래의 니켈 카드뮴 전지 및 니켈 수소 전지에 비하여 전압이 높고 충방전 사이클 특성이 우수하여, 최근에 그에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도, 방전 전압 등이 우수한 리튬 코발트 폴리머 전지와 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
도 1에는 일반적인 폴리머 전지의 예시적인 구조가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지셀(100)은 외형적으로 전지케이스(110) 및 그로부터 돌출되어 있는 전극단자들(101, 102)로 구성되어 있다.
전지케이스(110)의 내부에는 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으 로 이루어진 전극조립체(도시하지 않음)가 내장되어 있다. 양/음극판에 부착되어 있는 전극 탭들은 전극리드에 용접되어 각각 전극단자(101, 102)를 형성하며, 전지케이스(110)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 전지셀(100)은, 전극단자(101, 102)의 일부분만을 노출시킨 채 전지케이스(110) 내부에 전극조립체를 장착하고 여기에 전해액을 주입한 다음, 열과 압력을 가하여 상하부 케이스의 가장자리 부분(111, 112)을 열융착시킴으로써 완성된다.
그러나, 이러한 리튬 이차전지는 종래의 니켈 카드뮴 전지나 니켈 수소전지에 비하여 많은 장점을 가짐에도 불구하고, 취약한 위험성의 문제점을 가지고 있다. 구체적으로, 전지의 제조과정에서 전해액은 후공정에 주입하기 때문에 비점이 낮은 유기용매를 사용하는 경우가 많은데, 전지의 과충전 또는 고온 방치시 내부압력 증가에 의해 전극조립체나 전지케이스가 부풀어 오르는 스웰링 현상으로 인하여 케이스의 외형이 변형되고, 이러한 변형으로 인하여, 케이스는 형상을 유지하지 못하게 되며, 경우에 따라서는 폭발에 이를 수도 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 평면형 전지를 자외선이나 전자빔으로 경화시켜 만들거나, 겔을 전극판에 코팅하여 전해액을 별도로 주입하지 않는 방법 등이 제안된 바 있다 (미국특허 제5,972,539호, 미국특허 제5,279,910호 및 미국특허 제5,437,942호). 그러나, 상기 방법들은 전극조립체나 전지케이스가 팽창하는 현상을 다소 완화시킬 수는 있지만, 만족할 만한 수준의 안전성을 제공하는 수준에는 도달하지는 못하였다.
일부 선행기술 중에는, 스트레인 게이지(strain gauge)형 센서를 파우치형 전지의 표면에 부착하고 전지의 단자들(양극과 음극)과 입출력 단자 사이에 설치된 보호회로에서 상기 압력 센서로부터의 검출값을 바탕으로 전지의 작동을 차단을 행하는 방식이 제시되어 있다. 즉, 전지케이스인 파우치가 팽창할 때 팽창 정도를 센서에서 검출하여 보호회로로 전송하면, 상기 보호회로는 상기 검출값이 일정한 수준 이상일 때 양극과 음극 사이에 통전되던 전류를 차단하는 구조이다.
그러나, 전지케이스의 팽창을 측정하는 방식은 높은 신뢰도를 제공함에 한계가 있고, 정밀한 측정을 위해 상기 센서를 파우치형 전지의 표면에 안정적으로 설치하는 것이 용이하지 않는 등 기술적 구성에 있어서 어려움이 많다. 예를 들어, 전지의 소형 경박화 경향에 의해 전지의 크기는 매우 작아지고 있는데, 한정된 크기를 유지하면서 전지케이스의 팽창을 케이스의 표면적 변화를 통해 정확한 값으로 측정하는 것은 매우 어려운 일이다. 또한, 스트레인 게이지형 센서는 정밀한 측정을 위해 넓은 면적을 필요로 하므로 전지의 방열을 방해하여 오히려 고온을 유발할 수 있고, 상대적으로 표면 팽창이 적은 박형 전지에는 사용이 불가능하다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지의 부피가 팽창될 때, 가변적인 고정 구조의 특정한 시소부재에 의해 압전소자를 가압하여 전류를 발생시키고, 발생된 전류 신호에 의해 보호회로 모듈에서 전지의 작동을 제어함으로써, 비정상적인 작동 또는 열화에 의한 전지의 팽창이나 폭발을 효과적으로 방지할 수 있다는 점을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 안전장치는, 가압시 전류를 발생시키고 보호회로 모듈에 전기적으로 연결되어 있는 소자("압전소자"), 및 일측 단부(a)가 판상형 전지셀의 양면 중 일면에 접해 있고 타측 단부(b)가 상기 압전소자의 표면에 접해 있는 부재("시소부재")를 포함하고 있으며, 상기 시소부재는 전지셀의 팽창에 의한 단부(a)의 상승시 단부(b)의 하강에 의해 상기 압전소자를 가압할 수 있도록 소정의 부위에 가변적으로 고정되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 안전장치는, 전지의 비정상적인 작동 또는 열화에 의해 전지셀이 팽창될 때, 시소부재에 의해 압전소자를 가압하여 발생된 전류 신호에 의해 보호회로 모듈에서 전지의 작동을 제어함으로써, 작은 변화에도 민감하게 반응하여 전지의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
도 2에는 본 발명에서 시소부재의 작동 원리를 설명하는 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지의 스웰링 현상이 나타날 때, 시소부재의 단부(a)는 원을 그리며 회전운동을 하게 된다. 이때, X축 방향으로는 기구적으로 구속되어 있는 시소부재의 반대편 단부(b)에는, 가변적 고정 축을 기준으로, Y축 방향으로만 힘이 전달되게 된다. 따라서 회전운동은 시소부재의 반대편 단부(b)를 통해 직선운동으로 바뀌게 되고, 직선운동의 에너지는 압전소자를 통해 전기적 신호로 변환된다. 더욱이, 단부(a)와 가변적 고정 축과의 거리가 단부(b)와 가변적 고정 축과의 거리보다 큰 경우에는, 그러한 거리차에 비례하여 단부(a)에서의 변화는 큰 하강력으로 압전소자를 가압하게 된다. 따라서, 압전소자의 작동 신뢰도가 높아지게 된다.
상기 압전소자와 시소부재는 전지셀이 장착되는 프레임 부재에 장착되어 있는 것이 바람직하다. 기계적 강성이 약하고 변형 가능성이 높은 파우치형 전지셀이 프레임 부재에 의해 소정 규격의 전지팩으로 제조될 수 있도록 하여 단자의 파손을 방지하고 조립성을 향상시킬 수 있기 때문이다.
이러한 시소부재는 도 2에서와 같은 원리로 작동할 수 있도록 그것의 일부가 가변적으로 고정되는 구조라면, 고정방식이 특별히 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 시소부재가 프레임 부재에 힌지 구조로 연결되는 구조를 들 수 있다. 힌지 구조를 이용함으로써, 시소부재가 프레임 부재에 힌지 구조로 연결되고 상기 힌지 구조가 가변적인 고정 축(회전축)을 형성하여, 전지셀의 표면에 접해 있는 시소부재의 단부(a)가 전지셀의 팽창에 의해 상승할 때, 압전소자의 표면에 접해 있는 시소부재의 단부(b)가 반대로 하강함으로써, 전지셀의 팽창에 의해 압전소자가 가압되어 전류를 발생시키게 된다. 이러한 전류는 압전소자에 연결되어 있는 케이블을 통해 보호회로 모듈로 전달된다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 프레임 부재의 상단부 중앙에는 압전소자가 장착되고, 시소부재의 단부(a)측 부위가 도입되어 연결될 수 있는 만입부가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 일반적으로 이차전지는 콤팩트하고 작은 중량의 것이 요구되는 바, 압전소자와 시소부재의 설치로 인한 크기 증가는 바람직하지 않다. 따라서, 상기 만입부의 형성에 의해, 압전소자와 시소부재로 이루어진 안전장치의 설치에 따른 전지 팩의 크기 증가를 최소화할 수 있다.
일반적으로, 단위전지의 내압 증가는 전지의 길이 방향 보다는 두께 방향에서 상대적으로 큰 변화율을 나타낸다. 즉, 내압 증가에 따라 전지케이스의 표면 확장 보다는 두께 증가가 크게 나타난다. 따라서, 상기 시소부재가 긴 판재 구조로 이루어져 있고 그것의 단부(b)가 전지셀의 중앙 또는 그 인근에 도달하는 길이를 가지도록 구성하는 경우에는, 상기와 같은 두께 변화를 검출하여 압전소자에서 보다 정밀한 측정을 담보할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 안전장치를 포함하는 것으로 구성된 전지팩을 제공한다.
본 발명에 따른 기술은 다양한 종류의 전지셀을 내장하고 있는 구조의 전지팩에 적용될 수 있다. 특히, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있어서 기계적 강성이 약한 전지셀을 포함하는 전지팩에 바람직하게 적용될 수 있다. 이러한 전지셀의 대표적인 예로는, 알루미늄 라미네이트 시트의 접이식 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 후 상단 및 양 측부를 열융착하여 실링(밀봉)함으로써 제조되는 파우치형 전지셀을 들 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 전지팩은 상기 전지셀의 상단 및 양측 실링부를 감싸는 프레임 부재에 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 전지셀의 상단 및 양단 실링부를 감싸는 프레임 부재에 장착함으로써, 충분한 기계적 강성을 제공하면서 전지를 소정 규격으로 제조하는 것이 가능해져 조립성을 향상시킬 수 있다.
전지팩의 기타 구성 및 그것의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 안전장치가 구비된 전지팩의 구조에 대한 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지팩(200)은 도 1에서와 같은 파우치형의 전지셀(100)과 그것을 외주면을 감싸는 구조로 장착되어 있는 팩 프레임(210)으로 구성되어 있다. 구체적으로, 팩 프레임(210)은, 측면 실링부를 수직으로 상향 절곡한 상태에서의 전지셀(100)에 그것의 상부로부터 장착할 수 있도록 상하 개방된 격자형 구조로 이루어져 있다. 이러한 장착 과정에서 전지셀(100)의 양극 단자(101)와 음극 단자(102)가 위치할 수 있는 만입홈(212)이 팩 프레임(210)의 배면 상단에 형성되어 있다. 또한, 팩 프레임(240) 전면 상단에는 압전소자(220)가 장착되어 있고, 힌지 구조로 시소부재(230)가 연결되어 있다.
따라서, 팩 프레임(210)에 장착된 전지셀(100)의 비정상적인 작동 또는 열화 에 의해 그것의 부피가 팽창될 경우, 시소부재(230)는 전지셀(100)의 팽창에 의한 단부(230a)의 상승시 단부(230b)의 하강에 의해 압전소자(220)를 가압하게 되며, 가압된 압전소자(230)로부터 발생한 전류는 보호회로 모듈(도시하지 않음)로 전달된다.
더욱 자세한 내용은 도 3의 전지팩에서 압전소자와 시소부재가 팩 프레임에 연결되어 있는 부분에 대한 확대도가 도시되어 있는 도 4를 참조하여 이하에서 설명한다.
도 4를 참조하면, 팩 프레임(240)의 중앙 상단에는 소정의 크기로 만입부(214)에 형성되어 있고, 압전소자(220)는 그러한 만입부(214) 내부에 삽입되어 있다. 압전소자(220)는 한 쌍의 와이어(221, 222)에 의해 보호회로 모듈(도시하지 않음)에 연결되어 있다.
시소부재(230)는 그것의 양 측면이 힌지(232)에 의해 팩 프레임(240)의 만입부(214)에 일체로서 연결되어 있고, 단부(230b)가 압전소자(220)의 표면에 접하거나 인접하도록 위치되어 있다. 힌지(232)는 시소부재 단부(230b)의 가변적인 상하 움직임을 보장하면서, 시스부재(230)를 팩 프레임(210)에 고정하는 작용을 한다. 결과적으로, 힌지(232)는 시소부재(230)의 가변적인 회전축으로 작용한다. 힌지(232)는 만입부(214)의 내측면에 연결되어 있으므로, 시소부재(230)는 실질적으로 만입부(214)에 도입된 형태로 위치하게 되며, 시소부재(230)의 설치에도 불구하고 전지팩의 크기 증가를 최대한 억제할 수 있다.
전지셀(100)의 표면에 접해 있는 시소부재(230)의 또 다른 단부(도시하지 않 음)가 전지셀(100)의 팽창에 의해 상승할 때, 압전소자(220)의 표면에 접해 있는 시소부재의 단부(230b)가 반대로 하강함으로써, 압전소자(220)를 가압하여 전류를 발생시키게 된다. 발생된 전류는 와이어(221, 222)를 통해 보호회로 모듈로 전달되어 전지의 작동을 제어하게 된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 안전장치와 그를 포함한 전지팩은, 가변적으로 고정된 시소부재와 압전센서를 사용함으로써, 전지의 비정상적인 작동 또는 열화에 의해 전지셀이 팽창되는 것을 정밀하게 감지하여 전지의 작동을 제어함으로써 전지의 안전성을 향상시킬 수 있으며, 기계적 강성이 약하고 변형 가능성이 높은 파우치형 전지셀을 상기 안전장치가 구비된 프레임 부재에 장착함으로써, 전지팩의 조립과정 또는 사용 중에 전지셀의 파손을 방지하고 조립성을 향상시킬 수 있는 특징을 가진다.

Claims (9)

  1. 가압시 전류를 발생시키고 보호회로 모듈에 전기적으로 연결되어 있는 소자("압전소자"), 및 일측 단부(a)가 판상형 전지셀의 양면 중 일면에 접해 있고 타측 단부(b)가 상기 압전소자의 표면에 접해 있는 부재("시소부재")를 포함하고 있으며, 상기 시소부재는 전지셀의 팽창에 의한 단부(a)의 상승시 단부(b)의 하강에 의해 상기 압전소자를 가압할 수 있도록 소정의 부위에 가변적으로 고정되어 있는 것으로 구성된 이차전지용 안전장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전소자와 시소부재는 전지셀이 장착되는 프레임 부재에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 안전장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 시소부재는 프레임 부재에 힌지 구조로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 안전장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 프레임 부재의 상단부 중앙에는 압전소자가 장착되고 시소부재의 단부(a)측 부위가 도입되어 연결될 수 있는 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 안전장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 시소부재는 긴 판재 구조로 이루어져 있고 그것의 제 1 단부(b)가 전지셀의 중앙 또는 그 인근에 도달하는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 안전장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 따른 안전장치를 포함하고 있는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 전지셀을 포함하는 전지팩에 상기 안전장치가 장착되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전지셀은 알루미늄 라미네이트 시트의 접이식 파우치형 케이스에 전극조립체를 내장한 후 상단 및 양 측부를 열융착하여 실링(밀봉)함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 측면 실링부를 수직으로 상향 절곡한 상태에서의 전지셀이 장착될 수 있도록 상하 개방된 격자형 구조의 프레임 부재에 상기 전지셀이 장착되며, 상기 프레임 부재의 배면 상단에는 전지셀의 전극단자들이 위치할 수 있는 만입홈이 형성되어 있고, 전면 상단에는 압전소자가 장착되고 힌지 구조로 시소부재가 연결되어 있는 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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