KR20070106814A - 과전류의 인가시 파괴되는 파단부가 형성되어 있는전극단자를 포함하고 있는 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중대형 전지팩의 단위전지인 판상형 이차전지로서, 금속층과 수지층을 포함하는 시트형 전지케이스의 내부에 충방전이 가능한 전극조립체가 내장된 상태로 밀봉되어 있고, 상기 전지케이스의 밀봉부 외측으로 돌출되어 있는 전극조립체의 전극단자에 있어서, 상기 밀봉부로부터 소정의 이격 위치에, 과전류의 통전시 우선적으로 파괴될 수 있도록, 전극단자의 기타 수직 단면적과 비교하여 상대적으로 작은 단면적의 파단부가 형성되어 있는 것으로 구성되어 있는 이차전지를 제공한다.
상기 중대형 전지팩용 이차전지는 외부단락과 같은 과전류 발생시 전지케이스 밀봉부의 분리와 전해액 등 발화성분의 분출이 일어나기 전에 전극단자가 파괴됨으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

과전류의 인가시 파괴되는 파단부가 형성되어 있는 전극단자를 포함하고 있는 이차전지 {Secondary Battery Having Electrode With Self Cutting Part To Be Destructed On Application Of Over-Current}
도 1은 종래기술에 따른 중대형 전지팩에 사용되는 하나의 예시적인 파우치형 리튬이온 폴리머 이차전지의 모식도이다;
도 2는 도 1의 파우치형 전지에서 전극단자 결합부의 부분 확대도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 양극단자의 양측면에 파단부로서 쇄기형 노치가 형성되어 있는 이차전지의 부분 사시도와 수직 단면도이다;
도 4는 도 3의 이차전지에서 밀봉부에 인접한 양극단자 상에 흡열층이 형성되어 있는 변형예의 모식도이다;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 양극단자의 양측면에 파단부로서 사각 단면의 노치가 형성되어 있는 이차전지의 부분 사시도 및 수직 단면도이다;
도 6 및 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따라 양극단자의 중앙 부위에 판단부로서 하나 또는 두 개의 관통구가 형성되어 있는 이차전지의 부분 사시도 및 수직 단면도들이다;
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따라 양극단자의 중앙 부위에 만입 형상 의 파단부가 형성되어 있는 이차전지의 부분 사시도 및 수직 단면도이다;
도 9 및 10은 비교예 1에서 과전류 인가시의 시간 경과에 따른 전극 탭과 전지의 온도 변화 및 전압과 전류의 변화를 보여주는 그래프들이다;
도 11 및 12는 실시예 1에서 과전류 인가시의 시간 경과에 따른 전극 탭과 전지의 온도 변화 및 전압과 전류의 변화를 보여주는 그래프들이다;
도 13 및 14는 실시예 2에서 과전류 인가시의 시간 경과에 따른 전극 탭과 전지의 온도 변화 및 전압과 전류의 변화를 보여주는 그래프들이다;
도 15 및 16은 실시예 3에서 과전류 인가시의 시간 경과에 따른 전극 탭과 전지의 온도 변화 및 전압과 전류의 변화를 보여주는 그래프들이다.
본 발명은 중대형 전지팩용 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 고출력 대용량의 중대형 전지팩을 구성하는 단위전지로서의 판상형 이차전지 있어서, 전극단자 중 전지케이스의 밀봉부로부터 이격된 위치에 과전류의 통전시 우선적으로 파괴될 수 있는 파단부가 형성되어 있어서 안전성을 확보할 수 있는 이차전지를 제공한다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔 린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기에서는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 배터리 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에서는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 단위전지로서 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용된다.
중대형 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 배터리 셀로서 주로 사용되고 있다. 그 중에서도, 중량이 작고 전해액의 누액 가능성이 적으며 제조비가 저렴한 파우치형 전지가 특히 많은 관심을 모으고 있다.
도 1에는 중대형 전지팩의 제조에 사용되는 하나의 예시적인 파우치형 리튬이온 폴리머 이차전지(이하, 때때로 "파우치형 전지"로 약칭하기도 함)의 제조방법과 관련한 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 파우치형 전지(100)는, 고분자 수지와 알루미늄의 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지케이스(200)에 양극/분리막/음극으로 이루어진 전극조립체(300)를 장착한 후 전극리드(410, 420)를 전지케이스(200) 상단에 노출시킨 상태로 결합시켜 제작된다.
전지케이스(200)는 수납부(210)가 형성되어 있는 하부 케이스(220)와 상부 덮개(230)로 이루어져 있고, 하단이 일체로 형성되어 있는 접이식 구조로 이루어져 있다. 수납부(210)에 전극조립체(300)를 안착한 상태에서 하부 케이스(220)의 상단 및 양측 외주면(222)과 상부 덮개(230)의 접촉면을 접착시켜 밀봉하게 된다. 따라서, 전지의 조립 후 전지케이스(200) 상단 및 양측 외주면(222)은 밀봉부를 형성하게 된다.
전극리드(410, 420)에는 전극조립체(300)로부터 돌출되어 있는 각각의 전극 탭들(310, 320)이 접속되어 있다. 전지케이스(200)와 전극리드(410, 420)가 결합되는 부위에는 전해액의 누출을 방지하고 공기중의 수분이 전지내로 침투하는 것을 방지하며 전극리드(410, 420)의 전기적 절연성을 담보하기 위하여, 얇은 수지 필름상의 실링부재(500)가 결합되어 있다.
도 2에는 도 1의 파우치형 전지의 전극리드 결합부의 부분 확대도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 양극/분리막/음극의 전극조립체(도시하지 않음)와 전기적으로 연결되어 있는 양극리드(410) 및 음극리드(420)가 알루미늄 라미네이트 시트의 전지케이스(200) 상단으로부터 노출된 상태로 밀봉되어 있다. 전지케이스(200)와 전극리드(410, 420)의 사이에는 실링부재(500)가 개재되어 있다. 케이스(200)의 상부 덮개(230)와 하부 케이스(220)의 접착은 주로 열과 압력을 가하여 융착시킴으로써 달성되며, 이러한 접착 과정에서 실링부재(500)의 접착도 이루어진다. 본 명세서에서의 밀봉부는 이러한 접착이 이루어진 전지케이스의 외측부를 의미하며, 여기에는 실링부재(500)의 해당 부위로 포함된다.
중대형 전지팩의 단위전지(배터리 셀)로는 니켈-수소 이차전지가 많이 사용 되어 왔으나, 최근에는 소형 전지팩에서와 마찬가지로 용량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이차전지가 많이 연구되고 있으며, 일부는 상용화 단계에 있다. 그러나, 리튬 이차전지는 근본적으로 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 특히, 도 1에서와 같은 파우치형 전지는 앞서 설명한 바와 같은 다양한 장점으로 인해 중대형 전지팩의 단위전지로서 유력한 후보이지만, 전지케이스의 기계적 강성이 낮고 밀봉부가 분리되었을 때 전해액 등 발화성 물질이 누설되어 화재의 위험성이 높은 문제점을 가지고 있다. 고출력 대용량을 목적으로 다수의 단위전지들이 전기적으로 연결되어 있는 중대형 전지팩에서 상기와 같은 발화는 안전성을 저해하는 매우 심각한 위험 요소이다.
중대형 전지팩에 있어서 비정상적인 작동의 주요 원인들 중의 하나는 전기적 단락이 유발되는 경우이다. 따라서, 중대형 전지팩에는 휴즈, 보호회로 등과 같은 다양한 안전장치들이 장착되어 있다. 그러나, 이러한 안전장치들은 전지팩 단위의 단락을 방지할 수는 있지만, 고전류가 순간적으로 흐르는 경우, 예를 들어, 외부로부터 이물질(특히, 도전체 등)이 유입되어 단락이 유발되는 경우에는 안전성을 확보할 수 없다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 첫번째 목적은 외부단락과 같이 과전류가 흐르게 되는 경우에 안 전성을 확보할 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 목적은 단위전지로서 상기와 같은 이차전지를 포함하고 있는 중대형 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 중대형 전지팩의 단위전지인 판상형 이차전지로서, 금속층과 수지층을 포함하는 시트형 전지케이스의 내부에 충방전이 가능한 전극조립체가 내장된 상태로 밀봉되어 있고, 상기 전지케이스의 밀봉부 외측으로 돌출되어 있는 전극조립체의 전극단자에 있어서, 상기 밀봉부로부터 소정의 이격 위치에, 과전류의 통전시 우선적으로 파괴될 수 있도록, 전극단자의 기타 수직 단면적과 비교하여 상대적으로 작은 단면적의 파단부가 형성되어 있는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 중대형 전지팩의 비정상적인 작동으로 인해 순간적으로 과전류가 흐를 때, 과열된 전극단자의 열이 전지케이스의 밀봉부로 전도되어 상기 밀봉부가 분리되기 전에 전극단자의 파단부가 파괴되어, 전해액 등 발화성 물질의 유출을 막고 전지의 작동을 멈춤으로써, 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 이러한 이차전지는 밀봉부의 분리가 일어나는 전류 크기보다 상대적으로 작은 과전류 하에서 전극단자가 파괴됨으로서 전지의 안전성을 확보하는 효과도 있다.
앞서 정의한 바와 같이, 본 발명의 이차전지는 전체적으로 판상형 구조이므 로 중대형 전지팩의 제조시 높은 밀집도로 적층될 수 있다. 상기 판상형 구조는 두께 대비 넓은 폭과 길이를 가진 구조이며, 바람직하게는 대략 직사각형 또는 정사각형 구조일 수 있다.
상기 전지케이스는 수분 침부 방지, 전해액 등의 누액 방지, 밀봉시의 기밀성 제공 등을 목적으로 금속층과 수지층을 포함하는 시트형 구조로 이루어져 있다. 하나의 바람직한 예에서, 전지케이스는 금속층과 수지층의 라미네이트 시트이며, 일면 또는 일부 면이 일체로 형성되어 있는 1 단위의 시트부재로서 전극조립체를 내장한 상태로 개봉부위를 상호 접착하여 밀봉하는 구조이거나, 또는 완전히 분리된 2 단위의 부재로서 그 사이에 전극조립체를 내장한 상태로 외주면의 접촉부위를 접착하여 밀봉하는 구조일 수 있다. 이러한 라미네이트 시트의 대표적인 예로는 양 외면에 수지층이 형성되어 있는 알루미늄 라미네이트 시트를 들 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 본 발명의 이차전지는 일명 파우치형 이차전지일 수 있다.
상기 전극조립체는 충방전이 가능하도록 양극과 음극이 구성되어 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 양극/분리막/음극의 젤리-롤형 구조이거나 또는 스택형 구조일 수 있으며, 그 중에서도 스택형 전극조립체가 더욱 바람직하다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 전극조립체는 양극 활물질로서 리튬 금속산화물을 사용하고 음극 활물질로서 탄소재료를 사용하는 리튬 이온전지 또는 리튬 폴리머 전지 등을 들 수 있다. 이러한 리튬 이차전지는 앞서 설명한 바와 같이 우수한 성능과 장점에도 불구하고 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있으므로, 본 발명의 구성에 의해 더욱 우수한 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명의 판상형 이차전지에는 전극조립체를 내장한 상태에서 전지케이스의 개봉 외주면을 상호 접착하여 밀봉하는데, 전극단자는 그러한 전지케이스의 밀봉부로부터 외부로 돌출되어 형성되며, 전지케이스의 일면에 양극단자와 음극단자가 함께 형성될 수도 있고, 서로 다른 면에 각각 형성될 수도 있다. 전극단자는 전극조립체의 집전체에서 돌출된 전극 탭 자체이거나 이러한 탭들이 접속되어 있는 전극 리드일 수 있다. 이러한 전극단자는 도전성 소재로 이루어져 있으며, 예를 들어, 양극단자는 알루미늄 판재로 이루어져 있고 음극단자는 구리 판재로 이루어져 있다. 알루미늄은 구리보다 융점이 낮으므로, 하나의 바람직한 예에서 파단부는 알루미늄 양극단자에 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 과전류의 통전시 전극단자에 우선적으로 파괴될 수 있는 파단부가 전지케이스의 밀봉부로부터 소정의 이격 위치에 형성되어 있다.
상기 파단부는 전극단자의 기타 수직 단면적보다 상대적으로 작은 단면적을 가진 부위이다. 저항은 전극단자의 단면적에 반비례하므로, 파단부는 상대적으로 저항이 높은 부위이다. 파단부의 저항은 전지의 정상적인 작동 상태에서는 크게 문제시되지 않는 정도의 크기이지만, 비정상적인 작동 상태, 예를 들어, 과전류가 흐르는 외부단락(external short)시 상대적으로 큰 발열을 초래하고, 결과적으로 과전류 발생시 전극단자가 자동적으로 파괴되어 더 이상의 통전을 방지하므로 전지의 안전소자로 작동한다.
이러한 원리를 상술하면 다음과 같다.
일반적으로 저항 및 전류와 발열량과의 관계는 하기 식 1로 표시된다.
W = I2 x R (1)
상기 식에서, W 는 발열량이고, I 는 전류이며, R 은 저항이다.
또한, 저항은 하기의 식 2에서와 같이 단면적에 반비례한다.
R ∝ 1/A (2)
상기 식에서, A 는 단면적이다.
과전류의 통전시 전극단자의 발열량은 상기 식 1에서와 같이 급격히 증가하는데, 그러한 증가는 상기 식 2에서와 같이 단면적이 작은 부위에서 급증한다. 따라서, 전극단자 중 파단부는 큰 발열량과 함께 작은 단면적으로 인한 작은 열용량 때문에 손쉽게 파괴될 수 있다.
파단부의 수직 단면적은, 바람직하게는, 전극단자의 기타 수직 단면적 대비 30 ~ 90%일 수 있다. 수직 단면적이 너무 작으면 높은 저항으로 인해 정상적인 작동상태에서의 전력 손실이 크게 되어 비효율적이고, 반대로 수직 단면적이 너무 크면, 과전류 발생시 자동으로 절단되기 어려우므로 소망하는 효과를 달성하기 어렵다.
파단부의 길이는 전극단자의 저항 및 과전류의 통전시 자동적으로 파괴되기 위한 발열량과 관련이 있는 바, 파단부의 수직 단면적이 작은 경우에는 크게 제작하고, 반대로 수평 단면이 큰 경우에는 작게 제작하여, 정상적인 작동상태의 전력 손실 방지와 비정상적인 작동상태에서의 적정한 절단을 위한 발열량 조건을 고려하여 적절한 범위에서 설정할 수 있다.
파단부의 형상은 상기와 같은 조건을 만족하는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 전극단자의 폭이 좁아진 구조, 전극단자의 두께가 줄어든 구조, 전극단자에 관통구가 천공되어 있는 구조 등일 수 있으며, 경우에 따라서는 이들의 둘 또는 그 이상의 조합으로 구성될 수도 있다. 그 중에서도, 전극단자의 기계적 강성을 고려할 때 천공 구조가 특히 바람직하다.
전극단자의 폭이 좁아진 구조는 전극단자의 한쪽 또는 양쪽 측면에 다양한 형상의 만입부를 형성하여 제작될 수 있다. 상기 만입부의 형상은 라운드형(round type), 노치형(notch type), 스퀘어형(square type) 등을 들 수 있지만, 그것만으로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실험에 따르면 만입부의 형상은 전극단자의 양쪽 측면에 형성된 노치형이 특히 바람직한 것으로 확인되었다.
전극단자의 두께가 줄어든 구조는 전극단자의 일부 폭 또는 전체 폭을 일정한 두께로 압연하여 제작할 수 있다.
전극단자에 관통구가 천공된 구조는 전극단자의 중앙이나 그 주변에 다양한 형상의 관통구를 형성하여 제작될 수 있다. 상기 관통구의 형상은 원형, 타원형, 사각형, 삼각형 등을 예로 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 파단부의 형성은 그것의 형상에 따라 다양한 방법이 가능하며, 예를 들어, 단조, 압연, 펀칭 등의 방법을 사용할 수 있다.
전극단자에 형성된 파단부의 수는 특별히 제한되는 것은 아니고, 필요로 따라 둘 또는 그 이상으로 형성할 수도 있다.
파단부는 앞서 설명한 바와 같이 전지케이스의 밀봉부로부터 소정의 거리만 큼 이격되어 있는 위치에 형성되어 있는 바, 상기 소정의 거리는 과전류의 통전시 파단부에서 발생한 열이 전지케이스의 밀봉부로 전달되어 상기 밀봉부의 분리가 초래되기 전에 파단부가 파괴될 수 있는 정도의 거리를 의미한다. 따라서, 파단부는 가능하면 밀봉부로부터 멀리 떨어진 위치에 형성되는 것이 바람직하므로, 하나의 예로서, 파단부는 전극단자에 접속되는 버스 바 등의 접속부재에 인접한 위치에 형성될 수 있다.
파단부가 파괴될 정도의 과전류의 범위는 단위전지의 구조, 크기, 수, 작동 전압 등 단위전지와 전지팩의 구성과 관련한 다양한 요소들에 의해 결정될 수 있다. 일 예로, 전지자동차 및 하이브리드 전기자동차의 동력원으로서의 중대형 전지팩에서는 정상적인 작동조건에서 통상 50 ~ 100 A의 전류가 흐르고 최대 150 ~ 250 A의 전류가 흐른다. 본 발명자의 실험에 따르면, 이러한 전지팩의 단위전지에 대략 500 A 이상의 전류가 흐르면 스웰링(swelling) 현상이 나타나고, 대략 1600 A 이상의 전류가 흐르면 전극단자에 인접한 전지케이스의 밀봉부가 일부 분리되며, 대략 1800 ~ 2000 A 이상의 전류가 흐르면 밀봉부의 분리와 함께 전해액 성분 등이 분무(smoke) 형태로 분출되어 과열된 전극단자에 의해 발화가 유발되는 것으로 확인되었다. 이러한 과전류의 통전 현상은 예를 들어 도전체 등의 외부물질에 의한 전지팩의 단락('외부단락')시 발생할 수 있다. 외부단락에 의한 전지팩 단위전지의 발화 과정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
외부 도전체가 전지팩의 양극과 음극에 동시에 접속되어 단락이 발생하면, 양극단자와 음극단자에는 과전류가 흐르게 된다. 과전류의 크기는 단락을 유발한 도전체의 저항, 전극단자의 내부 저항 등 다양한 요소들에 의해 결정된다. 전극단자에서의 발열량의 크기는 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다.
Q = CMT = Pt = IVt = I2Rt (3)
상기 식에서, Q: 발열량, C: 비열, M: 질량, T: 온도, t: 시간 이다.
따라서, 높은 과전류(I)가 전극단자에 흐르거나 상대적으로 낮은 과전류(I)라도 통전 현상이 장 시간(t) 동안 지속되면 전극단자의 저항(R)으로 발열량은 커지게 되고 온도가 상승하게 된다.
전극단자의 상승 온도가 전지케이스의 밀봉부의 융점(150 ~ 200℃) 보다 크면, 밀봉부가 용해되면서 전지케이스의 접착부위가 분리되고, 전지케이스 내부에 밀봉되어 있던 전해액 등이 누출되기 시작한다. 이러한 전해액 누출은 분무 형태로 관찰될 수 있으며 발화의 원인이 된다. 발화는 전해액 등의 발화성분이 과열된 전극단자에 의해 촉발됨으로써 주로 발생하지만, 발화의 조건이 형성된 상태에서는 기타의 원인에 의해 쉽게 유발될 수도 있다. 발화와는 별도로 또는 그것과 함께 온도가 전극단자의 소재 융점(알루미늄의 경우: 660℃)로 상승하면 전극단자가 파괴된다.
과전류의 통전시 전극단자는 주울 가열되어 그것의 온도가 순간적으로 상승하며 발생 열은 전지케이스의 밀봉부 쪽으로 전도된다. 따라서, 과전류의 통전에 의해 과열이 발생하였더라도 통전 시간이 짧으면 밀봉부로의 충분한 열전도가 일어나지 않게 되며, 궁극적으로 밀봉부의 분리가 발생하지 않게 된다. 본 발명의 이 차전지에서는 과전류의 통전시 전극단자의 파단부에 집중적으로 고열이 발생하여 파단부가 바로 파괴됨으로써 계속적인 열 발생이 억제되고 짧은 시간의 열 발생으로 인해 전지케이스의 밀봉부가 분리되지 않게 된다. 또한, 전극단자의 파괴를 유발할 수 있는 최대전류의 크기가, 파단부의 존재로 인해, 밀봉부의 분리를 유발하지 않거나 적어도 발화성 성분의 누출을 유발하지 않은 정도의 전류 크기로 저함으로써, 상기와 같은 발화 메커니즘의 진행을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 파단부의 파괴를 유발하는 과전류의 크기는 밀봉부의 분리를 유발하지 않거나 적어도 휘발성 성분의 누출을 유발하지 않을 정도의 전류 크기를 의미한다.
본 발명은 또한 상기와 같은 이차전지들을 하나 또는 둘 이상 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지팩을 제공한다.
일반적으로 중대형 전지팩은 도 1에서와 같은 단위전지들을 다수 개 전기적으로 연결하여 구성된다. 대용량 뿐만 아니라 고출력을 목적으로 하는 경우에는, 적어도 일부 또는 전체 단위전지들이 직렬로 연결되므로, 이러한 직렬 연결의 단위전지들 중 적어도 하나 또는 둘 이상의 단위전지는 상기와 같은 이차전지로 구성되어 있다. 직렬 연결에서는 일부의 단위전지라도 단전되는 경우에는 전지팩 시스템의 작동이 중지되므로 본 발명에서 목적하는 안전성을 확보할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 양극단자의 양측면에 파단부로서 노치형 만입부가 형성되어 있는 이차전지의 부분 사시도와 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 알루미늄으로 이루어진 양극단자(411)는 그것의 양측면에 노치형 만입부가 형성되어 있는 파단부(431)를 포함하고 있다. 따라서, 파단부(431)에서 중앙부(A-A)의 수직 단면적(SA)은 양극단자의 기타 수직 단면적(ST)보다 작으므로, 과전류의 통전시 큰 발열량으로 인해 쉽게 파괴된다.
파단부(431)는 전지케이스(200)의 밀봉부(240)로부터 일정한 거리(L) 만큼 이격되어 있어서, 과전류의 통전으로 인해 과열된 파단부(431)의 열이 밀봉부(501)로 전달되는데 일정한 시간이 소요된다. 따라서, 이격 거리(L)는 파단부(431)의 열이 전도되기 전에 파단부(431)가 파괴될 수 있는 거리로서 정의될 수 있다.
경우에 따라서는, 밀봉부(240)에 상변환시 높은 잠열을 가지는 PCM과 같은 흡열물질이 포함될 수도 있고, 또는 도 4에서와 같이 밀봉부(240)에 인접한 양극단자(411) 상에 흡열층(440)이 형성되어 있어서, 파단부(431)로부터 전도되는 열을 흡수하여 밀봉부(240)로의 열전도를 억제할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 다른 실시예에 따라 양극단자의 양측면에 파단부로서 사각 단면의 만입부가 형성되어 있는 이차전지의 부분 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 알루미늄으로 이루어진 양극단자(412)는 그것의 양측면에 사각 단면의 만입부가 형성되어 있는 파단부(432)를 포함하고 있다. 따라서, 파단 부(432)에서 중앙부(B-B)의 수직 단면적(SB)은 양극단자(412) 기타 부위의 수직 단면적(ST)보다 작으므로, 과전류의 통전시 큰 발열량으로 인해 쉽게 파괴된다.
도 6 및 7에는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 양극단자의 중앙 부위에 판단부로서 하나 또는 두 개의 관통구가 형성되어 있는 이차전지의 부분 사시도들이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 파단부(433, 434)는 그것의 중앙부(C-C, D-D)의 수직 단면적(SC, SD)이 양극단자(413, 414) 기타 부위의 수직 단면적(ST)보다 작으므로, 과전류의 통전시 큰 발명량으로 인해 쉽게 파괴된다.
도 8에는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 양극단자의 중간 부위에 만입 형상의 파단부가 형성되어 있는 이차전지의 부분 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 파단부(435)는 양극단자(415)를 부분 압연함으로써 만들어질 수 있으며, 그것의 중앙부(E-E)의 수직 단면적(SE)이 양극단자 기타 부위의 수직 단면적(ST)보다 작으므로, 과전류의 통전시 큰 발열량으로 인해 쉽게 파괴됨은 앞서의 설명과 동일하다.
이상의 몇몇 예시적인 구조에서도 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 다양한 파단부의 형상들이 가능할 수 있으며, 도 3 내지 8에서의 파단부 형상 뿐만 아니라 기타 본 발명의 효과를 달성할 수 있는 파단부 형상들은 모두 본 발명의 범주가 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 효과를 확인하기 위한 실험 내용을 실시예에서 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[비교예 1]
대략 도 1의 구조로 이루어져 있고, 알루미늄 양극 탭과 구리 음극 탭을 포함하고 있는 파우치형 이차전지를 준비하였다. 전지케이스의 밀봉부로부터 노출된 전극 탭의 크기는 폭 4.5 cm 및 두께 0.02 cm 이다. 양극 탭과 음극 탭의 단부에 파워 써플라이의 전력 단자를 연결하고 500 A 이상의 전류를 인가하여 전지에서의 변화를 육안으로 확인하였다.
실험 결과, 대략 500 A 이상의 전류에서 전지 본체의 스웰링이 관찰되었다. 대략 1600 A 이상의 전류에서 전지케이스 밀봉부의 분리(vent)와 분무(smoke)가 관찰되기 시작하였고, 약 1800 A 전후의 전류에서 밀봉부가 완전히 분리됨을 확인하였다. 약 2000 A 이상의 전류에서는 전류 인가 후 약 0.9 초 후에 발화가 확인되었으며, 인가 후 약 1.2 초 후에 양극 탭이 파괴됨을 확인하였다. 양극 탭의 파괴 후에도 분리된 밀봉부로부터 분출되는 전해액으로 인해 화염은 지속되었다.
도 9 및 도 10에는 각각 과전류의 인가(short start) 후 시간 경과에 따른 전극 탭과 전지의 온도 변화 및 전압과 전류의 변화를 보여주는 그래프가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조할 때, 과전류 인가 후, 즉, 외부단락시 발생하는 전지케이스 밀봉부의 분리는 전지 내압에 의해 발생하는 것이라기 보다는 전극 탭의 발생 열에 의해 초래되는 것으로 판단된다.
[실시예 1]
비교예 1의 파우치형 이차전지에서, 양극 탭 상에 도 3에서와 같은 노치를 양측면에 형성하였다. 노치는 그것의 중심이 전지케이스의 밀봉부로부터 1.5 cm 이격된 높이에 5 mm의 폭으로 형성하였다.
비교예 1에서와 같은 방법으로 과전류를 인가하였을 때의 실험 결과가 도 11 및 도 12에 도시되어 있다.
이들 도면과 육안 관찰의 결과를 참조하면, 약 1690 A의 과전류가 인가된 후 약 0.8 초 시점에 양극 탭이 파괴되었으며, 전지케이스 밀봉부가 분리되지 않았고 발화가 일어나지 않았다.
[실시예 2]
비교예 1의 파우치형 이차전지에서, 양극 탭 상에 도 6에서와 같은 관통구를 형성하였다. 관통구는 전극 탭의 중앙에 탭 표면적의 약 40% 크기로 형성하였다.
비교예 1에서와 같은 방법으로 과전류를 인가하였을 때의 실험 결과가 도 13 및 도 14에 도시되어 있다.
이들 도면과 육안 관찰의 결과를 참조하면, 약 1600 A의 과전류가 인가된 후 약 1.6 초 시점에 양극 탭이 파괴되었으며, 전지케이스 밀봉부가 약간 분리되었으나 발화가 일어나지는 않았다.
[실시예 3]
비교예 1의 파우치형 이차전지에서, 양극 탭 상에 도 7에서와 같은 2 개의 관통구를 형성하였다. 각각의 관통구는 탭 표면적의 약 25%의 크기로 천공하였으며, 서로 약 2 mm 정도로 이격된 상태에서 전극 탭의 중간 높이에 형성하였다.
비교예 1에서와 같은 방법으로 과전류를 인가하였을 때의 실험 결과가 도 15 및 도 16에 도시되어 있다.
이들 도면과 육안 관찰의 결과를 참조하면, 약 1600 A의 과전류가 인가된 후 약 1.0 초 시점에 양극 탭이 파괴되었으며, 전지케이스 밀봉부가 분리되지 않았고 발화가 일어나지 않았다.
실시예 2와 실시예 3의 결과로 볼 때, 양극 탭의 파괴 시간이 길수록 밀봉부의 분리 가능성이 높아짐을 알 수 있지만, 적어도 본 발명에 따른 파단부로 인해 발화가 일어나지 않음을 알 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 중대형 전지팩용 이차전지는 외부단락과 같은 과전류 발생시 전지케이스 밀봉부의 분리와 전해액 등 발화성분의 분출이 일어나기 전에 전극단자가 파괴됨으로써 전지의 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (16)

  1. 중대형 전지팩의 단위전지인 판상형 이차전지로서, 금속층과 수지층을 포함하는 시트형 전지케이스의 내부에 충방전이 가능한 전극조립체가 내장된 상태로 밀봉되어 있고, 상기 전지케이스의 밀봉부 외측으로 돌출되어 있는 전극조립체의 전극단자에 있어서, 상기 밀봉부로부터 소정의 이격 위치에, 과전류의 통전시 우선적으로 파괴될 수 있도록, 전극단자의 기타 수직 단면적과 비교하여 상대적으로 작은 단면적의 파단부가 형성되어 있는 것으로 구성되어 있는 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속층과 수지층의 라미네이트 시트로서, 일면 또는 일부 면이 일체로 형성되어 있는 1 단위의 시트부재로서, 전극조립체를 내장한 상태로 개봉부위를 상호 접착하여 밀봉하는 구조이거나, 또는 완전히 분리된 2 단위의 부재로서 그 사이에 전극조립체를 내장한 상태로 외주면의 접촉부위를 접착하여 밀봉하는 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 파우치형 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이온전지 또는 리튬 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 파단부는 알루미늄의 양극단자에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 파단부의 수직 단면적은 전극단자의 기타 수직 단면적 대비 30 ~ 90%인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 파단부의 형상은 전극단자의 폭이 좁아진 구조, 전극단자의 두께가 줄어든 구조, 또는 전극단자에 관통구가 천공되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 파단부 형상은 전극단자에 관통구가 천공되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  9. 제 7 항에 있어서, 전극단자의 폭이 좁아진 구조는 전극단자의 한쪽 또는 양쪽 측면에 만입부가 형성되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 만입부의 형상은 노치형(notch type)인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 이격 거리는 과전류의 통전시 파단부에서 발생한 열이 전지케이스의 밀봉부로 전달되어 상기 밀봉부의 분리가 초래되기 전에 파단부가 파괴될 수 있는 정도의 거리인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 파단부는 전극단자에 접속되는 전지팩용 접속부재에 인접한 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 과전류의 크기는 밀봉부의 분리를 유발하지 않거나 적어도 휘발성 성분의 누출을 유발하지 않을 정도의 전류 크기인 것을 특징으로 하는 이차전지.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 밀봉부에 상변환시 높은 잠열을 가지는 흡열물질이 포함되어 있거나, 또는 밀봉부에 인접한 양극단자 상에 흡열층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 따른 이차전지를 하나 또는 둘 이상 포함하는 것으로 구성된 중대형 전지팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전지팩에는 적어도 일부 또는 전체 단위전지들이 직렬로 연결되어 있으며, 이러한 직렬 연결의 단위전지들 중 적어도 하나 또는 둘 이상의 단위전지가 상기 이차전지로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 이차전지.
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