KR20090026648A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 특히 전지의 과충전 또는 이상 동작으로 인한 화재 발생을 조기에 효과적으로 차단하기 위한 소화 약재를 포함하는 캡슐을 수용하는 튜브를 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다.
본 발명은 두 전극 및 세퍼레이터로 구성되는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 캔을 구비하는 원통형 전지 셀을 복수개 구비하는 배터리 팩에 있어서, 상기 배터리 팩은 복수개의 튜브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 소화 약재가 충전된 복수개의 캡슐을 수용하는 튜브를 전지 셀 사이의 빈 공간에 구비함으로써, 전지의 이상 작동으로 인한 화재 발생시에 캡슐이 열에 의하여 팽창하여 파열되면서 별도의 분사장치나 온도 측정 장치가 없이도 효과적으로 화재를 진압할 수 있으며, 또한 간단하면서도 경제적으로 화재 진압이 가능하다.
원통형 이차 전지, 캡슐, 튜브, 소화, 배터리 팩

Description

배터리 팩{Battery pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지의 과충전 또는 이상 동작으로 인한 화재 발생을 조기에 효과적으로 차단하기 위한 소화 약재를 포함하는 캡슐을 수용하는 튜브를 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다.
충/방전이 가능한 고용량, 고출력, 장시간 운전 가능한 이차 전지의 개발의 요구가 전자기기, 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화, PDA 등의 확산과 더불어 그 수요가 급격히 증가하고 있으며, 특히, 전기전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속히 발전함에 따라 고성능, 고안전성과 정밀 전기전자 제품의 경박 단순화 및 휴대화 추세에 맞춰 이차 전지도 박막화, 소형화로 발전되고 있다.
전지는 기본적으로 어떤 재료의 화학적 에너지를 전기화학적인 반응을 통하여 전기적 에너지로 변환시키는 장치를 말한다. 그리고 이차 전지는 그 에너지 변환이 가역적으로 이루어질 수 있는, 즉 한 번 사용(방전) 후 다시 충전하여 계속 사용이 가능한 재충전식(rechargeable) 전지를 일컫는 용어이다.
특히, 리튬 이차 전지는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등의 종래 전지에 비해 작동전압 3.6V로서 3배나 우수하고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성이 우수하여 그 사용범위와 사용량이 급속히 증가하고 있다.
리튬 이차 전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 금속 전지 및 리튬 이온 전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 구분된다. 리튬 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 유기 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 폴리머 전지, 유기 전해액을 함유하는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분된다.
리튬 이차 전지는 양극 활성화 물질이 도포되는 양극 집전체와 음극 활성화 물질이 도포되는 음극 집전체와 그 사이에 개재되는 세퍼레이터가 적층되어 권취되는 전극조립체와 전극조립체를 수용하는 케이스를 구비한다.
수용되는 케이스에 따라 리튬 이차 전지는 캔형과 파우치형으로 나뉠 수 있으며, 캔형은 형상에 따라 각형과 원통형으로 구분할 수 있다.
또한, 이차 전지는 하나의 전지 셀이 팩 형태로 포장된 저용량 전지의 경우 휴대용 전화기나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 다수개의 전지 셀이 연결된 전지 팩 단위의 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되는데, 대용량의 전지로 사용되는 경우에는 주로 원통형의 전지가 이용된다.
한편, 리튬 이차 전지는 전극 조립체의 내부 단락이나 과방전 등에 의하여 전압이 급상승하게 되면 전지가 파열 또는 발화되는 위험에 노출되며, 특히, 전지 가 과충전되면 충전상태에 따라 양극에서는 리튬이 과잉 석출되고, 음극에서는 리튬이 과잉 삽입되어 양극 및 음극이 열적으로 불안정해져 전해액의 유기용매의 분해, 음극 활물질과 전해액과의 반응, 음극의 고체 전해질막 열분해 등 급격한 발열반응이 동시 다발적으로 일어나고, 또한 열폭주(thermal runway) 현상으로 진행되어 전지의 안전성에 심각한 문제를 일으킨다.
전지 자체로는 상기와 같은 안전성 문제를 방지할 수 없기 때문에 현재에는 보호회로 및 보호소자를 구비시키거나 분리막에 의한 열폐색을 이용한 방법 등이 사용되고 있으나, 보호회로의 이용은 전지팩의 소형화, 저비용화에 큰 제약을 주고, 분리막에 의한 열폐색 기구는 발열이 급격하게 생기는 경우에는 유효하게 작용하지 않는 경우가 많다.
또한, 원통형 이차 전지는 전기자동차의 동력원으로 사용될 수 있는바, 전지의 폭발로 인한 자동차의 소실 및 운전자의 안전이 위험을 받을 수 있다.
이에 종래에는 자동 소화 장치들을 구비하여 전지의 발화시에 대처하고 있으며, 별도의 열 감지 센서를 구비하여 이에 의하여 화재시에 온도를 측정하여 자동 제어에 의하여 소화기를 작동하거나 기폭 장치에 의한 폭발력을 이용하여 소화 분말을 분사하는 방식을 사용하고 있다.
이러한 종래의 방법 역시 소화 장치를 위한 공간 면적이 늘어나서 소형, 경량화라는 이차 전지의 기본 방향과 상치되며, 제작에 있어서도 경제적 부담을 안게 된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 두 전극과 상기 두 전극 사이에 개재되는 세퍼레이터로 구성이 되는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 캔을 구비하는 원통형 전지 셀을 복수개 구비하는 배터리 팩에 있어서, 상기 원통형 전지 셀과 복수개의 튜브를 함께 구비하는 배터리 팩인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 복수개의 전지 셀을 구비하는 배터리 팩에 있어서, 소화 약재가 충전된 복수개의 캡슐을 수용하는 튜브를 전지 셀 사이의 빈 공간에 구비함으로써, 전지의 이상 작동으로 인한 화재 발생시에 캡슐이 열에 의하여 팽창하여 파열되면서 별도의 분사장치나 온도 측정 장치가 없이도 효과적으로 화재를 진압할 수 있으며, 또한 간단하면서도 경제적으로 화재 진압이 가능하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 소화 약재가 충전된 캡슐을 수용하는 튜브를 구비하는 배터리 팩을 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명에 구비되는 원통형 전지의 일 실시예의 구조를 나타낸 단면도이며, 이를 참조하면, 직사각형의 판형으로 형성된 두 전극(25)과 이들 전극 사이에 개재되어 두 전극 사이의 단락을 방지하는 세퍼레이터(21, 23)가 적층되고, 원형으로 권취되어 젤리롤(jelly-roll)로 통칭되는 전극조립체(20)를 이룬다. 각 전극판은 금속 포일로 이루어지는 집전체에 활물질 슬러리가 도포되어 이루어진다.
전극판이 감기는 방향으로 집전체의 시작단과 끝단에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재한다. 무지부에는 한 전극판에 통상 하나씩 전극탭(27, 29)이 설치된다.
상기 전극탭(27, 29)은 원통형 캔(10), 및 캔(10)과 절연된 캡 조립체(80)를 전기적으로 접속시켜 충·방전시 전극 조립체와 외부 회로를 연결하기 위한 통로의 일부를 형성한다.
전극 조립체(20)에서 전극탭(27, 29)은 하나가 원통형 캔(10)의 개구부 방향인 위쪽으로, 다른 하나는 아래쪽으로 전극에서 인출되도록 형성될 수 있고, 두 탭 모두 개구부 방향인 위쪽으로 인출되도록 형성될 수도 있다.
전극 조립체(20)는 상·하 절연판(13a, 13b)과 차례로 캔 개구부를 통해 원통형 캔(10)에 투입된다. 전극 조립체(20)의 캔 내 유동을 막기 위한 비딩부(15)가 캔(10)에 형성되고, 전해액이 주입된다.
캔의 개구부 내측 벽에 절연 가스켓(30)이 설치되고, 가스켓(30) 내측으로 캔(10)의 개구부를 마감하는 캡 조립체(80)가 설치된다.
캡 조립체(80)로서, 전극탭들 가운데 하나의 탭(27)과 용접되는 돌출부(42)를 가지는 벤트(40), PTC(Positive Thermal Coefficient: 60), 전극단자를 가진 캡 업(70)이 삽입된다. 통상적으로 벤트(40)의 작용에 의해 파단되어 전류의 경로를 차단하는 전류차단기(CID: Current Interrupt Device)(50)를 구비하여 이루어진다.
그리고, 가스켓(30) 내측에 투입된 캡 업(70) 등을 마개로 원통형 캔(10)의 개구부 벽체에 내측 및 아래쪽을 압력을 가해 캔을 봉합하는 클림핑 작업이 이루어지며, 전지의 외부에 외장재를 입히는 튜빙(tubing)이 이루어진다.
도2a는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구조를 위에서 본 평면도를 나타낸 것이고, 도2b, 2c는 도2a의 A영역을 세웠을 경우의 사시도와 눕혔을 경우의 평면도를 나타낸 것이다.
도2a 내지 도2c를 참조하면, 배터리 팩(100)은 그 내부에 복수개의 원통형 전지 셀(110) 및 복수개의 튜브(130)를 구비한다. 본 실시예에서는 원통형 전지 셀(110)이 8개, 튜브(130)가 3개 구비되는 배터리 팩(100)을 설명하고 있으나, 배터리 팩(100) 내부에 구비되는 원통형 전지 셀(110) 및 튜브(130)의 개수는 본 실시예에 한정되지 않으며, 당업자의 용도나 목적에 따라 임의로 구비될 수 있다.
또한, 튜브(130)는 본 실시예에서는 원형의 형태를 가지고 있으나, 이에 국한되는 것은 아니며, 모형을 타원형 등으로 형성하여 원통형 전지 셀(110)과 배터리 팩(100)의 케이스 사이에 생기는 빈 공간에 구비시킬 수 있으며, 튜브(130)를 일정 형태가 아닌 빈 공간의 구조에 따라 구비시킬 수 있도록 쉽게 변형이 가능한 재질 등을 이용해 형성한 튜브를 사용할 수도 있다.
튜브(130) 내부에는 소화 효과가 있는 물질("소화 물질")을 수용하는 복수개의 캡슐(150)이 구비되며, 상기 소화 물질은 본 실시예에서 한정되지 아니하며, 소화 효과가 있는 물질이면 모두 가능하지만, 소화 분말로는 탄산칼슘(CaCO₃), 제1 인산암모늄, 할로겐 화합물 등을 소화 가스로는 이산화탄소를 충전시키는 것이 바람직하다.
도3a 및 도3b는 본 발명에 구비되는 튜브의 실시예로서, 도3a는 튜브의 외면에 구멍이 없는 경우이고, 도3b는 튜브의 외면에 홀이 형성되어 있는 경우를 나타낸 것이다.
도3a와 같이 튜브의 외면에 아무런 형성이 없는 경우에는 이산화탄소 등의 가스와 함께 캡슐(150)을 수용하여 전지가 이상 작동으로 인하여 발화가 되는 경우에 그 열로 인하여 상기 튜브(130)가 파열되면서 튜브(130) 내의 캡슐(150)이 배터리 팩의 내부에 골고루 퍼져 위치하게 되고 다시 캡슐(130)은 열에 의한 파열이 일어나서 소화분말이 살포된다. 가스에 의하여 캡슐이 골고루 이동이 가능하므로 튜브(130)에 캡슐(150)을 약간 여유 공간을 두고 수용하는 것이 바람직하다.
도3b와 같이 튜브의 외면에 홀이 있는 경우에는 소화 작용을 할 수 있는 가스의 충전은 불가능하나, 전지의 발화 전에 발생한 열을 발산시키기 위한 요소로써 사용될 수 있다. 즉 튜브(130)는 그 단면적이 상당히 커서 열을 효과적으로 발산시킬 수 있으며, 이 경우 재질은 금속성의 열 전도율이 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 튜브(130) 내의 가스에 의한 캡슐(150)의 이동이 필요가 없으므로, 캡슐(150)은 튜브(130) 내에 꽉 차게 수용함이 소화 효과를 극대화하기 위해서 바람직하다. 튜브의 홀(170)의 크기는 캡슐(150)보다 작게 형성되어 캡슐(150)이 빠져나오지 않을 정도면 그 크기에는 상관이 없으나, 바람직하게는 캡슐에 충전된 분말이 용이하게 분사되어야 하므로 최대한 홀(170)의 총 면적이 클수록 바람직하다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 예를 들어 도시하고 있으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도1은 본 발명에 구비되는 원통형 전지의 실시예를 나타낸 단면도이다.
도2a 내지 도2c는 본 발명에 의한 배터리 팩의 구조를 나타내는 도면이다.
도3a 및 도3b는 본 발명에 의한 튜브의 실시예를 나타낸 도면이다.
<도면부호에 대한 간단한 설명>
10 : 캔 13a, 13b : 절연판
20 : 전극 조립체 21, 23 : 세퍼레이터
25 : 전극 27, 29 : 전극탭
30 : 가스켓 40 : 벤트
42 : 돌출부 50 : CID
60 : PTC 70 : 캡 업
80 : 캡 조립체 100 : 배터리 팩
110 : 원통형 전지 셀 130 : 튜브
150 : 캡슐 170 : 홀

Claims (11)

  1. 두 전극 및 세퍼레이터로 구성되는 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 캔을 구비하는 원통형 전지 셀을 복수개 구비하는 배터리 팩에 있어서,
    상기 배터리 팩은 복수개의 튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 튜브 각각은 복수개의 캡슐을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브는 외면에 홀을 형성하지 않은 형태인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 튜브는 이산화탄소를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브는 외면에 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수개의 캡슐은 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수개의 캡슐 각각은 소화 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 소화 물질은 탄산칼슘, 제1 인산암모늄 및 할로겐 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 물질인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 소화 물질은 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 튜브는 금속성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 홀은 상기 튜브 내에 구비되는 상기 캡슐의 크기보다 작도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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