KR20100029826A - 전지 팩 및 전지 탑재 기기 - Google Patents

전지 팩 및 전지 탑재 기기 Download PDF

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KR20100029826A
KR20100029826A KR1020107000430A KR20107000430A KR20100029826A KR 20100029826 A KR20100029826 A KR 20100029826A KR 1020107000430 A KR1020107000430 A KR 1020107000430A KR 20107000430 A KR20107000430 A KR 20107000430A KR 20100029826 A KR20100029826 A KR 20100029826A
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하지메 니시노
유스케 사토
야스시 히라카와
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파나소닉 주식회사
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Abstract

통상 사용시의 전지 특성을 열화(劣化)시키는 일 없이, 전지가 고온이 되고 내부로부터 고온 가스가 방출된 경우에도, 팩 전체로의 연소(延燒)를 억제하여 손상을 저감할 수 있는 전지 팩을 제공한다. 전지(3)와, 상기 전지(3)를 수납하는 하우징(2)과, 열이 가해짐에 따라서 상기 전지(3)와 상기 하우징(2) 사이의 내부 간극을 감소시키는 것이 가능한 열팽창부를 갖고 있다.

Description

전지 팩 및 전지 탑재 기기{BATTERY PACK, AND DEVICE HAVING BATTERY MOUNTED THEREIN}
본 발명은 전자 기기 등의 전원으로서 이용되는 전지 팩에 관한 것이고, 특히 안전성을 확보한 전지 팩에 관한 것이다.
최근, 전자 기기의 다양화에 수반하여 고용량, 고전압, 고출력이고 또한 높은 안전성을 갖는 전지나 전지 팩이 요구되고 있다. 특히, 안전한 전지나 전지 팩을 제공하기 위한 수단으로서, 일반적으로 전지에는 전지 온도의 상승을 막기 위한 PTC나 온도 퓨즈, 게다가 전지의 내부 압력을 감지하여 전류를 차단시키는 보호 수단 등이 구비되고, 전지 팩에는 안전 회로 등이 탑재되어 있다.
또한, 안전성과 별개의 관점으로부터 팩 내부에 단열재를 삽입하는 구성이 보여지고 있다. 구체적으로, 팩에 내장된 전지에서는 전지의 온도가 주위 온도와 동일하게 되기 때문에, 주위의 환경이 저온하에서는 배터리의 특성이 저하한다는 결점이 있다. 그래서, 특허문헌 1에는 상기 결점을 개량할 목적으로, 팩 내부에 단열재를 삽입하는 것에 의해 전지가 주위 온도와 차단되는 구성으로 함으로써, 주위의 온도에 좌우되지 않고, 사용시에 즈음하여 특성이 저하하는 일이 없는 팩을 제공하는 방법이 제안되어 있다.
그러나, 단열재를 이용하는 종래의 기술에서는, 저온 환경하에서의 전지의 보온을 목적으로 하고 있고, 실온 이상의 온도 영역에서 전지가 사용된 경우, 단열재가 설치되어 있는 것에 의해 정상적인 방열이 실행되지 않아, 전지 주위의 온도가 상승함으로써 전지 특성의 열화를 야기할 우려가 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 공보 제 1993-234573 호
본 발명의 목적은 전지 주위의 온도의 상승이 있어도 전지 특성의 열화를 일으키는 일 없이 이상(異常)시의 안전성을 높인 전지 팩을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 국면에 따른 전지 팩은 전지와, 상기 전지를 수납하는 하우징과, 열이 가해짐에 따라서 상기 전지와 상기 하우징 사이의 간극을 감소시키는 것이 가능한 열팽창부를 갖고 있다.
본 발명의 다른 국면에 따른 전지 탑재 기기는 상기 전지 팩을 탑재하고 있다.
본 발명에 의하면, 전지 주위의 온도의 상승이 있어도, 전지 특성의 열화를 일으키는 일 없이 이상시의 안전성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전지 팩의 구성을 도시하는 사시도,
도 2는 도 1에 도시하는 전지 팩의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도,
도 3은 실시형태의 설명에 이용된 전지 팩의 구성의 변형예를 도시하는 도면,
도 4는 실시형태의 설명에 이용된 전지 팩의 구성의 제 2 변형예를 도시하는 도면,
도 5는 실시형태의 설명에 이용된 전지 팩의 구성의 제 3 변형예를 도시하는 도면,
도 6은 도 1에 도시하는 전지의 구성의 일 예를 도시하는 개략 단면도,
도 7은 도 1에 도시하는 조(組)전지의 개략 구성을 도시하는 설명도,
도 8은 못박기 시험의 온도 측정 위치를 도시하는 도면,
도 9는 전지 팩을 탑재한 노트북 PC의 전체 구성을 도시하는 사시도,
도 10은 도 9의 전지 팩의 분해 사시도,
도 11은 도 9의 XI-XI선 단면도,
도 12는 도 11의 XII-XII선 단면도,
도 13은 전지 팩을 탑재한 전기 자전거의 전체 구성을 도시하는 측면도,
도 14는 도 13의 전지 팩의 분해 사시도,
도 15는 도 14의 XV-XV선 단면도,
도 16은 전지 팩을 탑재한 하이브리드식 자동차의 전체 구성을 도시하는 측면도,
도 17은 도 16의 전지 팩의 분해 사시도,
도 18은 도 17의 ⅩⅧ-ⅩⅧ선 단면도.
이하, 본 발명에 따른 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전지 팩의 구성을 도시하는 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1에 도시하는 전지 팩(1)의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다. 또한, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전지 탑재 기기는, 도 1에 도시하는 전지 팩(1)을 탑재하여 전원으로서 이용하는, 예를 들어 휴대형 PC나 비디오 카메라 등의 전자 기기, 전동 공구 등의 파워툴, 사륜차나 이륜차 등의 차량, 그 밖의 전지 탑재 기기이다.
도 1에 도시하는 전지 팩(1)은, 도 6에서 상세를 설명하는 원통형의 전지(3)가 복수 접속되어 구성된 조(組)전지(31)와, 충방전을 제어하여 안전성을 확보하기 위한 안전 제어 회로(도시하지 않음)와, 조전지(31) 및 안전 제어 회로를 내부에 수납하기 위한 대략 상자형의 하우징(2)(수납실)을 구비하고 있다. 하우징(2)은 전지 수납부(21)와 전지 팩 커버(22)를 구비하고 있다.
하우징(2)의 내벽, 즉 전지 수납부(21) 및 전지 팩 커버(22)의 내벽, 및 전지와 전지 사이에는 열팽창 재료(4)가 설치되어 있다. 전지 수납부(21) 및 전지 팩 커버(22)는, 예를 들어 철, 니켈, 알루미늄, 티탄, 동, 스테인리스 등 불연 재료인 금속이나, 액정성 전방향족 폴리에스테르, 폴리에테르설폰, 방향족 폴리아미드 등의 내열성이 있는 수지, 또는 금속과 수지의 적층체를 이용하여 구성되어 있다. 그리고, 전지 수납부(21)의 개구부가 전지 팩 커버(22)에 의해 입구가 막힘으로써, 대략 사각형 상자형상의 하우징(2)이 구성되도록 되어 있다.
한편, 전지 팩(1)은 전지 탑재 기기의 하우징 내에 수납되거나 또는 전지 탑재 기기의 외벽에 설치되거나 하여 사용되기 때문에, 기기 하우징으로의 수납의 용이함, 설치의 용이함으로부터, 하우징(2)은 사각형의 상자형상으로 되는 것이 일반적이다. 그렇게 하면, 전지(3)는 원통형, 하우징(2)은 사각형이 되기 때문에, 사각형의 하우징(2)에 원통형의 전지(3)를 수납하면, 서로 형상이 다르기 때문에 전지(3)와 하우징(2) 내벽 사이에 공극(空隙)이 생긴다. 그 결과, 이상 발열시에는 하우징(2) 내부의 이들 공극을 거쳐서 공기 대류 등으로 열이 용이하게 이동해버린다. 그러나, 도 1, 도 2에 도시하는 전지 팩(1)에서는, 하우징(2)의 내벽과 전지(3) 사이에 열팽창 재료(4)가 설치되어 있기 때문에, 이상 발열시에 하우징(2) 내의 공극을 감소시킴으로써, 이상 발열한 전지를 열적으로 격리할 수 있다.
상술한 바와 같이 형성된 전지 팩(1)은, 전지(3)가 내부 단락이나 과충전 등으로 발열하고, 전지(3) 내부로부터 가스가 분출한 경우에도, 열팽창 재료(4)에 의해 열적으로 격리되기 때문에, 하우징이나 다른 전지로의 연소(延燒)를 억제하여, 전지 팩(1)의 손상을 저감할 수 있다. 또한, 열팽창 재료(4)는 하우징(2)의 내벽과 전지(3) 사이에 마련된 예를 도시했지만, 예를 들어 도 3에 도시하는 바와 같이 하우징(2) 내에 배치된 전지(3)의 외주 표면에 밀착시키면서 해당 전지(3)를 덮도록 열팽창 재료(4)를 배치해도 좋다.
또한, 열팽창 재료는 열분해 재료를 필러로서 수지와 함께 성형되는 경우 이외에, 열팽창 재료를 도료 형상, 테이프 형상, 점토 형상 또는 퍼티 형상으로 함으로써 전지 표면이나 하우징 표면으로의 설치가 용이해진다. 특히, 전지 표면으로의 설치는 밀착성이 높을수록 열전도가 좋아지기 때문에 연소(延燒) 억제의 효과가 높아진다.
또한, 상기 실시형태에서는 열팽창 재료(4)를 하우징(2)의 내벽과 전지(3) 사이에 마련하는 예, 및 하우징(2) 내에 배치된 전지(3)의 외주 표면에 밀착시키면서 해당 전지(3)를 덮도록 열팽창 재료(4)를 설치하는 예를 도시했지만, 반드시 상기의 예와 같이 설치되어 있을 필요는 없다. 예를 들어, 도 4에 도시하는 바와 같이 하우징(2)의 재료로서 열팽창 재료(4)와의 복합재를 사용해도 좋고, 도 5에 도시하는 바와 같이 하우징의 공극에 열팽창 재료를 배치하도록 해도 좋다.
또한, 열팽창 재료(4)는 하우징(2) 내의 공극을 감소시킴으로써 고온이 된 전지를 열적으로 격리시키는 것이면 좋고, 재료는 한정되지 않는다. 바람직한 재료로서, 예를 들어 스미토모 쓰리엠 주식회사의 Fire Barrier(모터블 퍼티 MPP-4S)와 같은 내화성, 열팽창성, 흡열성을 겸비한 재료나, 세키스이 화학 공업 주식회사의 피브록, 주식회사 액세스의 액세라 코트F와 같은 열팽창성 내화 재료, 또는 고무 또는 수지에 팽창성 흑연을 배합한 재료나 열팽창성과 내화성을 구비한 세라믹 파이버 복합재를 이용할 수 있다.
이러한 열팽창 재료(4)를 이용함으로써, 전지(3)가 내부 단락이나 과충전 등으로 발열하거나, 전지(3)의 내부에서 고온 가스가 발생한 경우에도, 열팽창 재료(4)가 팽창하여 하우징(2) 내의 공극을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 고온이 된 전지(3)를 열적으로 격리하고, 하우징(2)이나 인접하는 정상의 전지(3)로의 연소를 억제함으로써, 전지 팩(1)의 손상을 최소한으로 머물게 할 수 있다.
또한, 전지 팩(1)은 원통형의 전지(3)를 하우징(2)에 복수 수납하고 있었지만, 전지(3)는 원통형에 한정되지 않고, 또한 하우징(2)에 수납되는 전지(3)는 1개여도 좋다. 또한, 하우징(2)에 복수의 전지(3)가 수납되어 있는 전지 팩(1)에서는, 어느 하나의 전지(3)가 내부 단락이나 과충전 등에 의해 발열하고, 해당 전지(3)로부터 고온 가스가 방출된 경우라도, 해당 전지(3)의 주위가 열적으로 격리되기 때문에, 발열한 전지(3) 이외의 전지(3)로의 손상을 저감할 수 있다.
도 6은 전지(3)의 구성의 일 예를 도시하는 개략 단면도이다. 도 6에 도시하는 전지(3)는 권회 구조의 극판군(極板群)을 갖는 비수 전해질 이차전지, 예를 들어 원통형 18650 사이즈의 리튬이온 이차전지이다. 극판군(312)은 양극 리드 집전체(302)를 구비한 양극판(301)과 음극 리드 집전체(304)를 구비한 음극판(303)이, 세퍼레이터(305)를 거쳐서 소용돌이 형상으로 권회된 구조를 갖고 있다. 극판군(312)의 상부에는 상부 절연판(306)이, 하부에는 하부 절연판(307)이 설치되어 있다. 그리고, 극판군(312) 및 도시를 생략한 비수 전해액이 들어간 케이스(308)는 개스킷(309)과 입구막음판(310)과 양극 단자(311)로 입구가 봉쇄되어 있다.
도 6에 도시하는 양극판(301)은, 예를 들어 알루미늄박 등의 금속박으로 이루어지는 양극 집전체(302)의 표면에 양극 활물질(active material)이 대략 균일하게 도착(塗着)되어서 구성되어 있다. 양극 활물질은 리튬을 포함하는 천이(遷移) 금속 함유 복합 산화물, 예를 들어 비수 전해질 이차전지에 사용되는 LiCoO2, LiNiO2 등의 천이 금속 함유 복합 산화물을 함유한다. 이들의 천이 금속 함유 복합 산화물 중에서도, 높은 충전 종지 전압을 사용할 수 있고, 또한 고전압 상태에서 첨가제가 그 표면에 흡착 또는 분해되어 양질의 피막을 형성할 수 있는 Co의 일부를 다른 원소로 치환한 천이 금속 함유 복합 산화물이 바람직하다. 이러한 천이 금속 함유 복합 산화물로서는, 구체적으로는 예를 들어 일반식 LiaMbNicCodOe(M은 Al, Mn, Sn, In, Fe, Cu, Mg, Ti, Zn 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종(一種)의 금속이고, 또한 0<a<1.3, 0.02≤b≤0.5, 0.02≤d/c+d≤0.9, 1.8<e<2.2의 범위이며, 또한 b+c+d=1이고, 0.34<c임)으로 표현되는 천이 금속 함유 복합 산화물을 들 수 있다. 특히, 상기 일반식에서, M이 Cu 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 일종의 금속인 것이 바람직하다.
또한, 도 6에 도시하는 음극판(303)은, 예를 들어 알루미늄박 등의 금속박으로 이루어지는 음극 집전체(304)의 표면에 음극 활물질이 대략 균일하게 도착되어서 구성되어 있다.
음극 활물질로서는, 탄소 재료, 리튬 함유 복합 산화물, 리튬과 합금화 가능한 재료 등 리튬을 가역적으로 흡장 방출 가능한 재료 및 금속 리튬을 이용할 수 있다. 탄소 재료로서는, 예를 들어 코크스, 열분해 탄소류, 천연 흑연, 인조 흑연, 메소카본 마이크로비드, 흑연화 메소페이즈 소구체, 기상 성장 탄소, 유리 형상 탄소류, 탄소 섬유(폴리아크릴로니트릴계, 피치계, 셀룰로오스계, 기상 성장 탄소계), 부정형 탄소, 유기물의 소성된 탄소 재료 등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 이종(二種) 이상을 혼합하여 사용해도 좋다. 이들 중에서도 메소페이즈 소구체를 흑연화한 탄소 재료나, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 흑연 재료가 바람직하다. 또한, 리튬과 합금화 가능한 재료로서는, 예를 들어 Si 단체(單體) 또는 Si와 O의 화합물(SiOx) 등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 이종 이상을 혼합하여 사용해도 좋다. 상기와 같은 규소계의 음극 활물질을 사용하는 것에 의해, 또한 고용량의 비수 전해질 이차전지가 얻어진다.
그리고, 입구막음판(310)의 대략 중앙에는 대략 원형의 홈(313)이 형성되어 있고, 케이스(308) 내에서 가스가 발생하여 내부 압력이 소정의 압력을 넘으면, 홈(313)이 파단되어 케이스(308) 내의 가스를 방출하도록 되어 있다. 또한, 양극 단자(311)의 대략 중앙부에는 외부 접속용의 볼록부가 마련되고, 이 볼록부에 전극 개구부(314)(방출구)가 마련되어 있으며, 홈(313)이 파단되어 방출된 가스를 전극 개구부(314)로부터 전지(3)의 외부로 방출하도록 되어 있다.
도 7은 조전지(31)의 개략 구성을 도시하는 설명도이다. 도 7에 도시하는 조전지(31)는 전지(3)를 3개 1세트로 하여 병렬 배치하고, 그것을 3세트 직렬로 접속한 9개의 전지를 이용한 구성이다. 접속판(32)과 각 전지(3)는 예를 들어 용접되어서 접속되어 있다. 또한, 각 전지(3)에는 시트 형상의 전지관 절연체(33)(도 6 참조)가 권장(卷裝)되어, 전지(3) 사이의 절연이 도모되어 있다.
이와 같이 구성된 9개의 전지(3)에 의한 회로의 양단부가, 접속 리드선(34)을 거쳐서 2개의 전지 팩 단자(24)에 각각 접속되어 있다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 극판군(312)을 소용돌이 형상으로 권회함으로써 전지(3)를 구성하면, 극판 면적을 증대시키면서 컴팩트한 형상으로 하는 것이 용이하게 된다. 그 때문에, 극판군(312)을 소용돌이 형상으로 권회하는 것에 의해 전지(3)를 구성하는 것이 일반적으로 널리 행해지고 있다. 그리고, 이와 같이 극판군(312)을 소용돌이 형상으로 권회하여 전지(3)를 구성하면, 전지(3)는 필연적으로 원통 형상이 된다.
이하, 전지 팩의 변형예 및 전지 팩을 탑재한 기기에 대해서 설명한다.
도 9는 전지 팩(40)을 탑재한 노트북 PC(41)의 전체 구성을 도시하는 사시도이다. 도 10은 도 9의 전지 팩(40)의 분해 사시도이다. 도 11은 도 9의 XI-XI선 단면도이다. 도 12는 도 11의 XII-XII선 단면도이다.
각 도면에 도시하는 바와 같이, 노트북 PC(41)는 디스플레이(42)를 갖는 PC 본체(43)와, 이 PC 본체(43)의 후방부에 장착된 전지 팩(40)을 구비하고 있다.
전지 팩(40)은 상기 전지(3)를 6개 조합시킨 조전지(44)와, 상기 각 전지(3)를 칸막이하기 위한 전지 격벽(45)과, 조전지(44) 및 전지 격벽(45)을 수납하는 하우징(46)을 구비하고 있다.
조전지(44)는 직렬로 접속된 3개의 전지(3)를 1세트로 하여, 2세트를 병렬로 접속한 것이다.
전지 격벽(45)은 상기 전지(3)의 세트끼리의 사이에 배치되는 제 1 칸막이판(47)과, 직렬로 접속되는 전지(3)끼리의 사이에 배치되는 한쌍의 제 2 칸막이판(48, 48)을 구비하고 있다. 각 제 2 칸막이판(48, 48)은 제 1 칸막이판(47)에 대해 각각 직교하는 방향으로 맞붙여져 있다.
구체적으로, 제 1 칸막이판(47)은 그 긴 쪽 방향의 2개소에 형성된 슬릿(47a, 47a)을 갖고 있다. 제 2 칸막이판(48)은 긴 쪽 방향의 중앙부에 슬릿(48a)을 갖고 있다. 상기 각 슬릿(47a, 47a)에 대해 슬릿(48a)을 맞물리도록 하고, 제 1 칸막이판(47)과 제 2 칸막이판(48)을 조합시키는 것에 의해, 하우징(46) 내를 6분할하는 전지 격벽(45)이 형성된다.
또한, 상기 제 2 칸막이판(48)에는, 상기 슬릿(48a)을 사이에 두고 양측에 형성된 한쌍의 관통 구멍(48b, 48b)을 갖고 있다. 이들 관통 구멍(48b, 48b)은 각각 전지(3)의 양극 단자(311)를 이웃하는 전지(3)의 음극 단자에 접촉시키기 위해서, 해당 전지(3)의 양극 단자(311)를 통과시키기 위한 것이다.
하우징(46)은 전지 수납부(49)와 전지 팩 커버(50)를 구비하고 있다. 전지 수납부(49) 및 전지 팩 커버(50)는 각각 바닥이 있는 용기 형상으로 형성되고, 서로의 개구단끼리를 서로 달라붙도록 하여 조합시키는 것에 의해, 상기 조전지(44) 및 전지 격벽(45)을 수납하는 것이 가능하게 되어 있다.
상기 전지 팩(40)에서는, 도 12에 도시하는 바와 같이, 전지 수납부(49) 및 전지 팩 커버(50)의 내벽 및 전지 격벽(45)의 표면의 각각에 열팽창 재료(4)가 설치되어 있다.
상기 전지 팩(40)에서도, 전지(3)가 내부 단락이나 과충전 등으로 발열하고, 전지(3) 내부로부터 가스가 분출한 경우라도, 열팽창 재료(4)에 의해 열적으로 격리되기 때문에, 하우징(46)이나 다른 전지(3)로의 연소를 억제하여, 전지 팩(40)의 손상을 저감할 수 있다.
이하, 전지 팩의 변형예 및 그 전지 팩을 탑재한 전동 어시스트형의 전기 자전거에 대해서 설명한다.
도 13은 전지 팩(51)을 탑재한 전기 자전거(52)의 전체 구성을 도시하는 측면도이다. 도 14는 도 13의 전지 팩(51)의 분해 사시도이다. 도 15는 도 14의 XV-XV선 단면도이다.
각 도면에 도시하는 바와 같이, 전기 자전거(52)는 자전거 본체(53)와, 이 자전거 본체(53)에 마련된 홀더(54)와, 이 홀더(54)에 장착되는 전지 팩(51)을 구비하고, 전지 팩(51)의 전력에 의해 도시하지 않은 모터를 구동하도록 되어 있다.
전지 팩(51)은 상기 전지(3)를 12개 조합시킨 조전지(55)와, 각 전지(3)를 칸막이하기 위한 전지 격벽(56)과, 조전지(55) 및 전지 격벽(56)을 수납하는 하우징(57)을 구비하고 있다.
조전지(55)는 직렬로 접속된 3개의 전지(3)를 1세트로 하여 4세트를 병렬로 접속한 것(도 14에서는 2세트를 각각 병렬로 접속한 상태를 도시하고 있음)이다. 또한, 조전지(55)는 직렬로 접속되는 각 전지(3)의 사이에 각각 마련된 어댑터(58)를 구비하고 있다.
어댑터(58)는 전지(3)의 양극측의 단부면과, 이웃하는 전지(3)의 음극측의 단부면을 연결하기 위한 것이다. 구체적으로, 어댑터(58)는 원반 형상의 바닥부(58a)와, 이 바닥부(58a)의 주연부로부터 표리(表裏) 양측에 세워 마련된 측벽부(58b)를 갖고, 이 측벽부(58b)의 내측에 전지(3)의 단부를 보지하도록 되어 있다. 상기 바닥부(58a)에는 관통 구멍(58c)이 형성되어 있다. 관통 구멍(58c)은 각각 전지(3)의 양극 단자(311)를 이웃하는 전지(3)의 음극 단자에 접촉시키기 위해서, 해당 전지(3)의 양극 단자(311)를 통과시키기 위한 것이다.
전지 격벽(56)은 상기 전지(3)의 세트끼리의 사이에 배치되는 4장의 칸막이판(56a)을 갖는 "+"자형의 부재이다.
하우징(57)은 전지 수납부(59)와 전지 팩 커버(60)를 구비하고, 이들 전지 수납부(59)와 전지 팩 커버(60)를 조합시키는 것에 의해 전체로서 대략 직육면체의 중공형 용기를 구성한다. 구체적으로, 전지 수납부(59) 및 전지 팩 커버(60)는 중공형 용기를 측면에서 보았을 때 "L"자 형상으로 구분하는 것과 같은 형상으로 되어 있다. 전지 수납부(59)의 내부에 상기 전지 격벽(56)을 배치하는 동시에, 이 전지 격벽(56)에 의해 구획된 실내에 각 전지(3)의 세트를 수납하고, 이 전지 수납부(59)에 전지 팩 커버(60)를 장착함으로써, 조전지(55) 및 전지 격벽(56)이 하우징(57)에 수납된다.
상기 전지 팩(51)에서는, 도시를 생략하지만, 전지 수납부(59) 및 전지 팩 커버(60)의 내벽 및 전지 격벽(56)의 표면의 각각에 열팽창 재료가 설치되어 있다.
상기 전지 팩(51)에서도, 전지(3)가 내부 단락이나 과충전 등으로 발열하고, 전지(3) 내부로부터 가스가 분출한 경우라도, 열팽창 재료에 의해 열적으로 격리되기 때문에, 하우징(57)이나 다른 전지(3)로의 연소를 억제하여, 전지 팩(51)의 손상을 저감할 수 있다.
이하, 전지 팩의 변형예 및 그 전지 팩을 탑재한 하이브리드식 자동차에 대해서 설명한다.
도 16은 전지 팩(61)을 탑재한 하이브리드식 자동차(62)의 전체 구성을 도시하는 측면도이다. 도 17은 도 16의 전지 팩(61)의 분해 사시도이다. 도 18은 도 17의 XVⅢ-XVⅢ선 단면도이다.
하이브리드식 자동차(62)는 복수의 전지 팩(61)과, 이들 전지 팩(61)의 전력에 응하여 구동하는 모터(63)와, 엔진(64)과, 모터(63) 또는 엔진(64)으로부터의 동력을 받아서 회전 구동하는 차축(65)을 구비하고 있다. 이 하이브리드식 자동차(62)는 제동시 등의 운동 에너지를 모터(63)에 의해 회생하여 각 전지 팩(61)에 충전하도록 되어 있다.
전지 팩(61)은 상기 전지(3)를 15개 조합시킨 조전지(66)와, 각 전지(3)를 칸막이하기 위한 전지 격벽(67)과, 조전지(66) 및 전지 격벽(67)을 수납하는 하우징(68)을 구비하고 있다.
조전지(66)는 직렬로 접속된 3개의 전지(3)를 1세트로 하여, 5세트를 직렬로 접속한 것이다.
전지 격벽(67)은 상술한 제 1 칸막이판(47)(도 9 참조) 및 제 2 칸막이판(48)을 구비하고 있다. 구체적으로, 전지 격벽(67)은 4장의 제 1 칸막이판(47)과 2장의 제 2 칸막이판(48)을 구비하고, 하우징(68) 내를 15개의 실(室)로 구획하도록 되어 있다.
하우징(68)은 전지 수납부(69)와 전지 팩 커버(70)를 구비하고 있다. 전지 수납부(69) 및 전지 팩 커버(70)는 각각 바닥이 있는 용기 형상으로 형성되고, 서로의 개구단끼리를 서로 달라붙도록 하여 조합시키는 것에 의해, 상기 조전지(66) 및 전지 격벽(67)을 수납하는 것이 가능하게 되어 있다.
상기 전지 팩(61)에서는, 도 18에 도시하는 바와 같이, 전지 수납부(69) 및 전지 팩 커버(70)의 내벽 및 전지 격벽(67)의 표면의 각각에 열팽창 재료(4)가 설치되어 있다.
전지 팩(61)에서도, 전지(3)가 내부 단락이나 과충전 등으로 발열하고, 전지(3) 내부로부터 가스가 분출한 경우라도, 열팽창 재료(4)에 의해 열적으로 격리되기 때문에, 하우징(68)이나 다른 전지(3)로의 연소를 억제하여, 전지 팩(61)의 손상을 저감할 수 있다.
또한, 도 9 내지 도 18에서는, 노트북 PC, 전동식 자전거 및 하이브리드식 전기 자동차에 대해서 설명했지만, 전지 팩을 탑재한 기기로서는 단(單)전지로 사용하는 휴대 전화나 오디오 플레이어, 또한 복수의 전지를 사용하는 예로서는 디지털 스틸 카메라, 전동식 공구 등의 전동 기기나 전자 기기를 들 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 상기 실시형태에 의하면, 전지(3)가 고온이 되고, 전지(3) 내부로부터 고온 가스가 배출된 경우에, 열팽창 재료(4)가 하우징 내의 내부 간극을 감소시킨다. 그 결과, 고온의 전지(3)가 열적으로 격리되고, 하우징이나 인접하는 정상인 전지로의 악영향이 억제되며, 또한 전지 팩의 안전성을 높일 수 있다.
실시예
도 6에 도시하는 전지(3)를 아래와 같이 하여 제작하였다. 양극판(301)으로서는 알루미늄박 집전체에 양극 합제(合劑)를 도착한 것을 이용하였다. 음극판(303)으로서는 동박 집전체에 음극 합제를 도착한 것을 이용하였다. 또한, 세퍼레이터(305)의 두께를 25㎛로 하였다. 양극 리드 집전체(302)와 알루미늄박 집전체를 레이저 용접하였다. 또한, 음극 리드 집전체(304)와 동박 집전체를 저항 용접하였다. 음극 리드 집전체(304)를 금속제의 바닥이 있는 케이스(308)의 바닥부에 대해 저항 용접에 의해 전기적으로 접속하였다. 양극 리드 집전체(302)를, 금속제의 바닥이 있는 케이스(308)의 개방단으로부터 방폭 밸브를 갖는 입구막음판(310)의 금속제 필터에 대해 레이저 용접에 의해 전기적으로 접속하였다. 금속제의 바닥이 있는 케이스(308)의 개방단으로부터 비수 전해액을 주입하였다. 금속제의 바닥이 있는 케이스(308)의 개방단에 대해 홈을 넣어서 시트(seat)를 형성하고, 양극 리드 집전체(302)를 구부리는 동시에, 금속제의 바닥이 있는 케이스(308)의 시트부에 수지제의 아우터 개스킷(309)과 입구막음판(310)을 장착하고, 금속제의 바닥이 있는 케이스(308)의 개방단 전주위를 코킹하여 입구를 막았다.
(1) 양극판(301)의 제작
양극판(301)은 아래와 같이 하여 제작한다. 양극 합제로서 코발트산 리튬 분말을 85중량부, 도전제로서 탄소 분말을 10중량부, 및 결착제로서 폴리불화비닐리덴(이하, PVDF로 약칭함)의 N-메틸-2-피롤리돈(이하, NMP로 약칭함) 용액을, PVDF가 5중량부 상당이 되도록 혼합한다. 이 혼합물을 두께 15㎛의 알루미늄박 집전체에 도포, 건조한 후, 압연하여 두께가 100㎛인 양극판(301)을 제작한다.
(2) 음극판(303)의 제작
음극판(303)은 아래와 같이 하여 제작한다. 음극 합제로서 인조 흑연 분말을 95중량부, 및 결착제로서 PVDF의 NMP 용액을 PVDF가 5중량부 상당이 되도록 혼합한다. 이 혼합물을 두께 10㎛의 동박 집전체에 도포, 건조한 후, 압연하여 두께가 110㎛인 음극판(303)을 제작한다.
(3) 비수 전해액의 조정
비수 전해액은 아래와 같이 조제한다. 비수 용매로서 에틸렌카보네이트와 에틸메틸카보네이트를 체적비 1:1로 혼합하고, 이것에 용질로서 6불화인산리튬(LiPF6)이 1몰/L이 되도록 용해한다. 이와 같이 조제한 비수 전해액을 15㎖ 사용한다.
(4) 밀폐형 이차전지(3)의 제작
양극판(301)과 음극판(303) 사이에 두께 25㎛의 세퍼레이터(305)를 배치하고 권회하여 원통형상의 극판군(312)을 구성한 후, 금속제의 바닥이 있는 케이스(308)에 삽입, 입구를 막아 밀폐형 비수 전해질 이차전지(3)를 얻었다. 이 전지는 직경 25mm, 높이 65mm의 원통형 전지로, 전지의 설계 용량은 2000mAh이었다. 완성된 전지(3)에 전지관 절연체(33)로서 두께 80㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트제의 열수축 튜브를 정상면 외연부까지 덮고, 90℃의 온풍으로 열수축시켜 완성 전지로 하였다.
(5) 조전지의 제작
상술한 바와 같이 구성한 9개의 원통형 리튬이온 이차전지의 전지(3)를 도 7에 도시하는 바와 같이 배열하고, 니켈제의 두께 0.2mm의 접속판(32)으로 접속하였다. 또한 접속된 전지(3)를 전지 팩 단자(24)와 도통시키기 위한 접속 리드선(34)을 전지(3)에 설치하여 조전지(31)를 제작하였다. 이 조전지(31)를 전지 수납부(21)에 수납하고, 전지 팩 커버(22)를 전지 수납부의 외주부에 용착하였다.
(실시예 1)
도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 하우징(2)에 전지(3)를 배열하고, 전지 수납부(21), 전지 팩 커버(22)의 내벽 표면과 각 전지(3) 사이에, 스미토모 쓰리엠 주식회사의 Fire Barrier(모터블 퍼티 MPP-4S), 즉 열팽창 재료(4)를 배치한 구성으로 하여 실시예 1의 전지 팩을 제작하였다.
(실시예 2)
도 1 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 하우징(2)에 전지(3)를 배열하고, 각 전지(3)의 표면에 대해 스미토모 쓰리엠 주식회사의 Fire Barrier(모터블 퍼티 MPP-4S)를 밀착시킴으로써, 해당 각 전지(3)의 표면을 피복하여 실시예 2의 전지 팩을 제작하였다.
(실시예 3)
하우징 재료로서 사용하고 있는 폴리카보네이트를 70중량%와, 팽창 흑연 분말(에어·워터 주식회사제 모에헨Z MZ-600) 30중량%를 혼합하고, 실시예 1과 동일한 형상으로 사출 성형한 전지 수납부(21) 및 전지 팩 커버(22)를 이용하고, 도 1 및 도 4에 도시하는 바와 같이 하우징(2)에 전지(3)를 배열하여, 실시예 3의 전지 팩을 제작하였다.
(실시예 4)
도 1 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 전지(3)와 하우징(2)의 내벽과의 간극에 스미토모 쓰리엠 주식회사의 Fire Barrier(모터블 퍼티 MPP-4S)를 충전한 구성으로 하여, 실시예 4의 전지 팩을 제작하였다.
(실시예 5)
실시예 2의 전지 팩의 열팽창 재료를 주식회사 액세스의 액세라 코트F로 변경한 것을 실시예 5에 따른 전지 팩으로서 제작하였다.
(비교예 1)
스미토모 쓰리엠 주식회사의 Fire Barrier(모터블 퍼티 MPP-4S)를 사용하지 않은 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 구성을 채용[실시예 1과 동일한 전지(3)의 배열을 채용]하여 비교예 1의 전지 팩을 제작하였다.
(비교예 2)
도 1 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 전지(3)와 하우징(2)의 내벽과의 간극에 단열재로서 글래스 울(glass wool)(주식회사 마그사제 하이퍼마그울 마그루쥬)을 충전한 구성으로 하여 비교예 2의 전지 팩을 제작하였다.
이상의 실시예 및 비교예에서 얻어진 각 전지 팩에 대해서, 이하의 평가를 행하였다.
(6) 방전 시험
완성한 전지 팩을, 충전시의 최대 전류를 4.5A, 충전 종료 전류를 0.15A로 하여 12.6V까지 충전하였다. 또한, 전류 6A, 종지 전압 9V에서 방전을 행하고, 또한 동시에 방전에 의한 열영향을 판단하기 위해서, 도 8에 A, B, C, D로 도시하는 4개의 전지의 표면 온도를 측정하였다.
(7) 못박기 시험
완성한 전지 팩을, 충전시의 최대 전류를 4.5A, 충전 종료 전류를 0.15A로 한 때에 12.6V의 충전이 통상인 경우, 팩의 과충전 보호 회로와 전지의 전류 차단(CID)을 바이패스함으로써 13.5V까지 정전류 정전압의 충전을 행하였다. 그 후, 온도 20℃중에서, 직경 2.5mm의 철제의 못을 이용하여, 매초 5mm의 속도로 전지 팩마다 내부에 있는 전지(도 8)의 전지의 높이 방향 및 직경 방향의 중심부를 통과하도록, 전지를 관통할 때까지 찔러 못을 박았다. 못을 박은 전지가 고온 상태가 되는 것에 의해, 못을 박지 않는 다른 전지가 연소하는지 아닌지를 관찰하였다. 또한, 동시에 열영향을 판단하기 위해서, 도 8에 A, B, C, D로 도시하는 4개의 전지의 표면 온도를 측정하였다.
상술한 실시예 1 내지 5 및 비교예 1, 2에 있어서 방전 시험 및 못박기 시험을 실시하고, 위치 A, B, C, D에 대해서 측정된 온도의 피크값을 하기의 표 1에 나타낸다. 또한, 못박기 시험을 실시하기 전의 상태에서는, 각 전지의 온도는 주위 온도와 동일한 20℃이다.
방전 시험 못박기 시험
A B C D 연소(延燒) A B C D
실시예 1 42℃ 40℃ 43℃ 42℃ 없음 841 132 145 138
실시예 2 41℃ 39℃ 42℃ 41℃ 없음 850 140 149 143
실시예 3 39℃ 37℃ 40℃ 38℃ 없음 820 145 152 149
실시예 4 38℃ 36℃ 39℃ 28℃ 없음 830 138 145 142
실시예 5 40℃ 40℃ 41℃ 41℃ 없음 845 138 141 139
비교예 1 38℃ 36℃ 39℃ 37℃ 전소(全燒) 860 823 876 853
비교예 2 63℃ 65℃ 67℃ 64℃ 없음 853 129 138 135
표 1에 기재된 연소라는 것은 못박기 이외의 전지로의 연소의 유무를 나타내고 있다. 연소가 발생하고 있으면, 전지 내부의 전해액 등이 연소하기 때문에 전지 중량이 감소한다. 연소가 발생한 것인지 아닌지는, 못박기 시험의 실시 전후의 각 전지(3)의 중량을 비교함으로써 판정하였다. 즉, 못박기 시험 후에 중량이 감소되어 있었던 경우에 연소가 발생한 것으로 판정하였다.
상기 표 1에 나타내는 바와 같이, 열팽창 재료를 팩 내에 배치함으로써 다른 전지로의 영향은 상당히 저감할 수 있는 것을 알았다.
즉, 통상의 충방전시에는, 실시예 1 내지 5와 비교예 2를 비교하면, 실시예의 팩은 방전에 의해 발생하는 폐열을 효율 좋게 팩 외로 방열할 수 있기 때문에, 온도 상승이 적다. 이것에 비하여, 비교예 2의 팩에서는 단열재 때문에 방열을 행할 수 없기 때문에, 전지 온도가 대단히 높아져 있는 것을 확인할 수 있다. 이것보다 비교예 2의 전지 팩에서는 팩 내에 열이 가득 차는 것에 의해 전지 특성이 열화하는 것이 염려된다.
못박기 시험시에서는, 실시예 1 내지 5 및 비교예 2의 팩에서는 연소를 억제할 수 있는 것에 비하여, 비교예 1의 팩에서는 모든 전지가 연소해버렸다. 이것은 실시예의 팩에서 전지가 고온이 되는 것에 의해 주위의 열팽창 재료(4)가 팽창하고, 고온이 된 전지를 열적으로 격리할 수 있어서, 연소가 억제되었기 때문이다.
실시예 4의 팩에서는, 열팽창 재료를 하우징 내의 모든 간극에 배치했기 때문에, 못박기 시험 후에 열팽창에 의한 하우징의 변형을 확인하였다. 이 결과로부터, 팽창에 의한 체적 증대를 고려하여, 하우징 내에 어느 정도의 간극을 확보하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
이들의 열팽창 재료로서는 열팽창 흑연을 함유하는 것이 가장 유효하고, 열팽창 흑연은 팽창시에 흡열하여 불활성 가스를 배출하기 때문에 불연 효과도 갖는다. 그 때문에, 전지 팩의 연소 억제에는 특히 효과적으로 작용한다.
또한, 열팽창 재료의 안에 붕산 아연이나 폴리인산암모늄 등의 난연제나 인산계의 소화제(消火劑) 등을 동시에 함유함으로써 더욱 연소 억제 효과가 높아지는 것을 확인하고 있다.
또한, 본 실시예에서는 퍼티 형상의 열팽창 재료를 이용했지만, 도료화, 페이스트화하여 하우징이나 셀에 코팅하여도 좋고, 성형이나 입자화하여 간극에 충전하여도 좋다.
다음에, 전지 탑재 기기의 실시예에 대해서 설명한다.
(1) 양극판의 제작
NiSO4 수용액에 소정 비율의 Co 및 Al의 황산염을 가하여, 포화 수용액을 조제하였다. 이 포화 수용액을 교반하면서, 수산화 나트륨 용액을 이 포화 용액에 천천히 적하하였다. 이것에 의해 포화 용액이 중화되고, 그 결과 3원계의 수산화니켈 Ni0 .7Co0 .2Al0 .1(OH)2의 침전물을 생성할 수 있었다(공침법). 생성된 침전물을 여과한 후에 물을 흘리고, 80℃에서 건조시켰다. 얻어진 수산화니켈의 평균 입경은 약 10㎛였다.
얻어진 Ni0 .7Co0 .2Al0 .1(OH)2에 대해 대기중 900℃에서 10시간의 열처리를 행하여, 산화니켈 Ni0 .7Co0 .2Al0 .1O를 얻었다. 이때, 분말 X선 회절법을 이용하여 얻어진 산화니켈 Ni0 .7Co0 .2Al0 .1O를 회절시키고, 산화니켈 Ni0 .7Co0 .2Al0 .1O이 단일상의 산화니켈인 것을 확인하였다. 그리고, Ni의 원자수와 Co의 원자수와 Al의 원자수의 합계가 Li의 원자수와 같은 양이 되도록, 산화니켈 Ni0 .7Co0 .2Al0 .1O에 수산화리튬 일수화물을 더하고, 건조 공기중 800℃에서 10시간의 열처리를 행함으로써 리튬니켈 복합산화물 LiNi0 .7Co0 .2Al0 .1O2을 얻었다.
분말 X선 회절법을 이용하여 얻어진 리튬니켈 복합산화물 LiNi0 .7Co0 .2Al0 .1O2 을 회절시키면, 그 리튬니켈 복합산화물 LiNi0 .7Co0 .2Al0 .1O2이 단일상의 육방정 층상 구조인 것, 및 그 리튬니켈 복합산화물에서는 Co 및 Al이 고용(固溶)되어 있는 것을 확인하였다. 그리고, 리튬니켈 복합산화물을 분쇄한 후 분급하여 분말 형상으로 하였다. 이 분말의 평균 입경은 9.5㎛이고, BET법에 따라 이 분말의 비표면적을 구하면, 그 비표면적은 0.4m2/g이었다.
얻어진 리튬니켈 복합산화물을 3kg과, 아세틸렌 블랙을 90g과, PVDF용액을 1kg을, 적당량의 N메틸2피롤리돈(NMP, N-methylpyrrolidone)과 함께 플레네터리 믹서에서 혼련하여, 슬러리 형상의 양극 합제를 제작하였다. 이 양극 합제를 두께가 20㎛이고 폭이 150mm인 알루미늄박 위에 도포하였다. 이때, 알루미늄박의 폭방향에서의 일단부에는 폭이 5mm인 미도포부를 형성하였다. 그 후, 양극 합제를 건조시켜서, 알루미늄박 위에 양극 합제층을 형성하였다. 그리고, 양극 합제층의 두께와 알루미늄박의 두께의 합계 두께가 100㎛가 되도록 프레스한 후, 원통형 18650 사이즈의 리튬이온 이차전지용의 양극판(A1)과, 탭리스 집전 구조의 전지용의 양극판을 작성하였다. 탭리스 집전 구조의 전지용의 극판을 극판의 폭이 105mm이고 합제 도포부의 폭이 100mm가 되도록 절단하여, 탭리스 집전 구조의 양극판(B1)을 제작하였다.
(2) 음극판의 제작
인조 흑연을 3kg과, 스틸렌부타디엔 공중합체로 이루어지는 고무 입자(결착제)의 수용액(고형분의 중량은 40중량%)을 75g과, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose)를 30g을, 적당량의 물과 함께 플레네터리 믹서에서 혼련하여 슬러리 형상의 음극 합제를 제작하였다. 이 음극 합제를 두께가 10㎛이고 폭이 150mm인 동박 위에 도포하였다. 이때, 동박의 폭방향에서의 일단부에는, 폭이 5mm인 미도포부(노출부)를 형성하였다. 그 후, 음극 합제를 건조시켜서, 동박 위에 음극 합제층을 형성하였다. 그리고, 음극 합제층의 두께와 동박의 두께의 합계 두께가 110㎛가 되도록 프레스한 후, 원통형 18650 사이즈의 리튬이온 이차전지용의 음극판(A2)과, 탭리스 집전 구조의 전지용의 음극판을 작성하였다. 탭리스 집전 구조의 전지용의 극판을 극판의 폭이 110mm이고 합제 도포부의 폭이 105mm가 되도록 절단하여, 탭리스 집전 구조의 음극판(B2)을 제작하였다.
(3) 원통형 18650 사이즈의 밀폐형 전지의 제작
양극판(A1)과 음극판(A2)을 이용한 것 이외에는, 실시예 1에서 이용한 원통 전지와 동일한 방법으로 공칭 용량 2.4Ah의 원통형 18650 사이즈의 밀폐형 전지(A)를 제작하였다.
(4) 탭리스 집전 구조의 밀폐형 전지의 제작
제작한 양극과 음극 사이에 폴리에틸렌제의 세퍼레이터를 끼우고, 세퍼레이터의 단부면으로부터 양극의 노출부와 음극의 노출부를 서로 반대 방향으로 돌출시켰다. 그 후, 양극, 음극 및 세퍼레이터를 권회시켜 원통형으로 하였다.
이어서, 노출부에 보강 부재를 형성하였다.
구체적으로는, 비수 전해액의 용매인 EC를 50℃로 가열해서 용융시켜, 액상의 EC를 얻었다. 액상의 EC에, 양극의 노출부의 단부면으로부터 10mm의 부분을 침지하였다. 그 후, 실온에 자연 방치하여 액상의 EC를 고화시켰다. 동일하게, 액상의 EC에, 음극의 노출부의 단부면으로부터 10mm의 부분을 침지하였다. 그 후, 실온에 자연 방치하여 액상의 EC를 고화시켰다. 이것에 의해, 양극의 노출부 및 음극의 노출부에는 보강 부재가 마련되고, 전극군을 형성할 수 있었다.
그 후, 집전 구조를 형성하였다.
구체적으로는, 우선 알루미늄제의 집전판을 양극의 노출부의 단부면에 밀어붙이고, 종횡 "+"자 형상으로 레이저를 조사하였다. 이것에 의해, 알루미늄제의 집전판을 양극의 노출부의 단면에 접합할 수 있었다.
또한, 니켈제의 집전판의 원형부를 음극의 노출부의 단부면에 밀어붙이고, 종횡 "+"자 형상으로 레이저를 조사하였다. 이것에 의해, 니켈제의 집전판을 음극의 노출부의 단부면에 접합할 수 있고, 집전 구조가 형성되었다.
형성된 집전 구조를, 니켈 도금된 철제의 원통형상의 케이스에 삽입하였다. 그 후, 니켈제의 집전판의 탭부를 구부리고, 케이스의 바닥부에 저항용접시켰다. 또한, 알루미늄제의 집전판의 탭부를 입구막음판에 레이저 용접시키고, 케이스 내에 비수 전해액을 주입하였다. 이때, 비수 전해액은, EC와 에틸메틸 카보네이트(EMC; ethylmethyl carbonate)를 체적비가 1:3인 배합비로 혼합된 혼합 용매에, 용질로서 6불화인산리튬(LiPF6)을 1몰/dm3의 농도로 용해시킴으로써 조제되었다. 그 후, 입구막음판을 케이스에 코킹하여 밀봉하였다. 이것에 의해, 공칭 용량 5Ah의 탭리스 집전 구조의 밀폐형 전지인 직경 32mm, 높이 120mm의 사이즈의 원통형상의 밀폐형 리튬이온 이차전지(B)를 제작하였다.
(실시예 6)
원통형 18650 사이즈의 밀폐형 전지(A)를 이용하여, 도 9 내지 도 12에 도시하는 바와 같은 전지 탑재 기기인 시판의 노트북 PC에 탑재가능한 전지 팩을 시험제작하였다. 구체적으로는, 하우징(46)의 내벽 부분과 전지 격벽(45)의 양측에 열팽창 재료[스미토모 쓰리엠 주식회사의 Fire Barrier(모터블 퍼티 MPP-4S)]를 갖는 전지 팩(40)으로 하였다.
(실시예 7)
탭리스 집전 구조의 밀폐형 전지(B)를 이용하여, 도 13 내지 도 15에 도시하는 바와 같은 전지 탑재 기기인 전기 자전거(52)에 탑재가능한 전지 팩을 시험제작하였다. 구체적으로는, 하우징(57)의 내벽 부분과 전지 격벽(56)의 양측에 열팽창 재료[스미토모 쓰리엠 주식회사의 Fire Barrier(모터블 퍼티 MPP-4S)]를 갖는 전지 팩(51)으로 하였다.
(비교예 3)
하우징의 내벽 부분 및 전지 격벽의 양측에 열팽창 재료를 갖지 않는 전지 팩을 준비하여, 비교예 3의 전지 팩으로 하였다.
(비교예 4)
하우징의 내벽 부분 및 전지 격벽의 양측에 열팽창 재료를 갖지 않는 전지 팩을 준비하여, 비교예 4의 전지 팩으로 하였다.
이상의 실시예 및 비교예에서 얻어진 각 전지 팩에 대해서, 이하의 평가를 실행하였다.
(i) 방전 시험
완성한 전지 탑재 기기를 환경 온도 20℃중에서, 1셀당의 충전시의 최대 전류를 0.7It(1It은 전지 용량이 5Ah일 때 5A가 된다), 충전 종료 전류를 0.05It로 하여 모든 전지가 4.2V가 되도록 충전을 행하였다. 또한, 1셀당 전류 5It, 종지 전압 2.5V에서 방전을 행하였다. 또한, 동시에 방전에 의한 열영향을 판단하기 위해서, 전지의 표면 온도를 측정하였다.
(ⅱ) 과충전 시험
완성한 전지 탑재 기기를 환경 온도 20℃중에서, 1셀당의 충전시의 최대 전류를 0.7It(1It는 전지 용량이 5Ah일 때 5A가 된다), 충전 종료 전류를 0.05It로 하여 모든 전지가 4.2V가 되도록 충전을 행하였다. 또한, 전지 팩 내의 전지 중 1셀만에 대해서, 4.2V의 충전의 충전이 통상인 경우, 팩의 과충전 보호 회로와 셀의 전류 차단(CID)을 바이패스함으로써 최대 전류를 3It에서 10V까지 정전류 정전압의 충전을 행하는 과충전 시험을 행하였다. 이것에 의해, 전지 팩 내의 1셀만을 강제적으로 200℃ 이상의 고열 상태로 하고, 팩 내에 있는 다른 셀로의 영향을 확인하는 평가를 행하였다.
방전 시험에서는, 실시예 6과 비교예 3, 실시예 7과 비교예 4에서는, 실시예의 쪽이 전지 온도가 평균하여 2 내지 3℃ 높아지는 것 이외에는 큰 열영향은 관측되지 않았다. 이것에 의해, 비교예와 거의 동등한 방열을 행할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 과충전 시험에서는, 비교예 3 및 4에서는, 인접 셀이 연쇄적으로 200℃ 이상의 고온 상태가 되는 것이 확인되고, 그 후 전지 팩의 하우징 및 전지 탑재 기기에 착화가 확인되었다. 이것은 과충전 셀로부터의 고열이 인접 셀 및 전지 팩의 하우징 및 전지 탑재 기기로의 연소를 야기했기 때문이다. 이것에 비하여, 실시예 6 및 7에서는 과충전 셀만이 고온 상태가 된 것 이외에는, 인접 셀 및 전지 팩의 하우징으로의 연소도 관측되지 않았다.
과충전을 실시한 셀 이외로의 연소를 억제할 수 있었던 것은, 보통과 다른 고온시에서만 발휘되는 열팽창 재료에 의한 단열 효과에 의한 것이다.
이번에, 전지 팩만의 연소 확인 시험을 행하였지만, 실제로 기기 본체에 탑재한 경우에서도 전지 및 팩 하우징의 연소가 억제되기 때문에, 기기 본체의 손상도 최소한으로 억제된다.
이와 같이, 전지 팩 내부에 열팽창 재료를 이용하는 것에 의해, 보통 사용시에서는 양호한 폐열 효과를 갖고, 전지의 이상 발생시에서만 단열성을 발휘하여 인접 셀이나 전지 팩의 하우징 및 전지 탑재 기기로의 연소를 일으키지 않는 안전한 전지 탑재 기기를 실현할 수 있다.
또한, 상술한 구체적 실시형태에는 이하의 구성을 갖는 발명이 주로 포함되어 있다.
본 발명의 일 국면에 따른 전지 팩은, 전지와, 상기 전지를 수납하는 하우징과, 열이 가해짐에 따라서 상기 전지와 상기 하우징 사이의 내부 간극을 감소시키는 것이 가능한 열팽창부를 갖고 있다.
본 발명에 의하면, 전지가 고온이 되고, 전지 내부로부터 고온 가스가 배출된 경우에, 열팽창부가 전지 팩의 하우징 내의 내부 간극을 감소시킨다. 그 결과, 고온의 전지가 열적으로 격리되어서, 하우징이나 인접하는 정상인 전지로의 악영향이 억제되고, 게다가 전지 팩의 안전성을 높일 수 있다.
구체적으로, 상기 열팽창부는, 상기 전지의 표면의 적어도 일부를 덮는 열팽창 재료, 전지 격벽 또는 상기 하우징의 적어도 일부에 이용된 열팽창 재료, 및 상기 하우징의 내벽 피복재의 적어도 일부에 이용된 열팽창 재료 중 적어도 하나에 의해 구성할 수 있다.
이 구성에 의하면, 보통 때는 전열성이 양호한 재료로서 전지 사용시에 발생하는 발열을 효율적으로 팩 외부로 방열하고, 전지 온도를 정상인 온도로 유지한다. 또한, 가령 전지 팩 내에서 전지가 고온 상태가 되었을 경우나, 또한 전지의 온도 상승에 의해 안전 밸브 등으로부터 고온의 가스의 배출이 있었던 경우라도, 고온 부분의 주변에서 열팽창함으로써 고온 부분이나 고온의 가스의 열을 빼앗는 동시에 산소를 차단할 수 있어 연소를 최소한으로 그치게 하여, 전지 팩의 하우징이나 인접하는 정상인 전지로의 악영향을 억제할 수 있다.
또한, 그 밖의 작용으로서는, 열팽창 재료가 팽창하는 것에 의해 단위체적당의 열전도율이 저하하기 때문에, 고온이 된 전지를 열적으로 격리하여, 전지나 전지 팩으로의 악영향이 억제된다.
열팽창 재료를 이용하는 개소로서는, 반드시 하우징이나 전지의 표면을 전부 덮을 필요는 없고, 전지끼리가 가장 근접하는 영역이나, 팩 내에서 고온의 배출 가스가 통과·접촉하는 벽면에만 배치하여도 좋다. 이것에 의해, 팩의 공간 절약화나 비용 절약화를 도모할 수 있다.
열팽창 재료로서는 팽창 흑연을 함유하고 있는 것이 바람직하다. 팽창 흑연은 팽창시에 흡열하고 또한 불활성 가스를 발생시키기 때문에 난연 재료로서도 작용하고, 팩의 연소 억제로서도 효과적으로 작용한다.
또한, 열팽창 재료로서는, 고온에서 분해하여 가스를 발생시키는 재료를 함유하고 있는 것이 바람직하다. 고온에서 분해하여 가스를 발생시키는 재료로서는, 탄산마그네슘, 탄산수소나트륨, 인산2수소암모늄, 수산화알루미늄, 디니트로펜타메틸렌테트라민, 아조디카본아미드, 옥시비스벤젠술포닐히드라지드, 히드라조디카본아미드, 5'5'-비스-H-데트라졸 등을 들 수 있다. 이들의 재료를 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄 등의 수지를 조합시키는 것에 의해 열팽창 재료로 할 수 있다.
상기 구성의 전지 팩 및 전지 탑재 기기에 의하면, 전지가 고온이 되고, 전지 내부로부터 고온 가스가 배출된 경우에, 열팽창 재료가 전지 팩 및 전지 탑재 기기의 하우징 내에서 팽창하는 것에 의해 내부 공극을 충전한다. 그 결과, 고온의 전지가 열적으로 격리되어, 하우징이나 인접하는 정상 전지로의 악영향이 억제되고, 또한 전지 팩이나 전지 탑재 기기에 영향을 미칠 우려가 저감된다.
산업상이용가능성
본 발명에 따른 전지 팩은 통상 사용시의 특성을 열화시키는 일 없이, 전지 팩 내의 전지에 이상이 발생하여 전지가 고온 상태가 된 때에도 높은 안전성을 나타내기 때문에, 전자 기기 등의 전원으로서 유용하다.
1 : 전지 팩 2 : 하우징
3 : 전지 4 : 열팽창 재료
21 : 전지 수납부 22 : 전지 팩 커버
301 : 양극판 302 : 양극 리드 집전체
303 : 음극판 304 : 음극 리드 집전체
305 : 세퍼레이터 306 : 상부 절연판
307 : 하부 절연판 308 : 케이스

Claims (7)

  1. 전지 팩(battery pack)에 있어서,
    전지와,
    상기 전지를 수납하는 하우징과,
    열이 가해짐에 따라서, 상기 전지와 상기 하우징 사이의 내부 간극을 감소시키는 것이 가능한 열팽창부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는
    전지 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열팽창부는 상기 전지의 표면의 적어도 일부를 덮는 열팽창 재료에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    전지 팩.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하우징 내에 마련되는 전지 격벽을 더 구비하고,
    상기 열팽창부는 상기 하우징 및 상기 전지 격벽의 적어도 일부에 이용된 열팽창 재료에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    전지 팩.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열팽창부는 상기 하우징의 내벽 피복재의 적어도 일부에 이용된 열팽창 재료에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    전지 팩.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열팽창 재료는 열팽창 흑연을 함유하는 재료인 것을 특징으로 하는
    전지 팩.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열팽창 재료는 팽창시에 가스를 발생시키는 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는
    전지 팩.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 전지 팩을 탑재한 것을 특징으로 하는
    전지 탑재 기기.
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