KR20120066363A - 안전성이 향상된 파우치형 이차 전지 및 배터리 팩 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 안전성이 향상된 파우치형 이차 전지는 서로 다른 극성의 전극 탭이 구비된 전극조립체; 해당하는 극성의 전극 탭과 연결되는 전극 리드; 및 상기 전극 리드의 일부가 노출되도록 상기 전극 조립체를 수용하여 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하고, 상기 전극 리드의 일단에 상기 전극 탭과 접합되는 금속 재질의 접합부가 형성되고, 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되는 타단에 퓨즈부가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 의하면 퓨즈 수단을 전극 리드에 용이하게 체결하여 접합할 수 있음은 물론, 과열 등의 안전 사고에 강인하게 대처할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
상기 본 발명에 의하면 퓨즈 수단을 전극 리드에 용이하게 체결하여 접합할 수 있음은 물론, 과열 등의 안전 사고에 강인하게 대처할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 파우치형 이차전지 및 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이차전지의 전기적 연결에 의하여 이차전지 리드가 상호 결합되는 경우 퓨즈 기능을 수행하는 수단이 리드 사이에 개재되는 구조를 가지는 안전성이 향상된 이차전지 및 이를 이용한 배터리 팩에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
이차 전지(셀)는 적용 형태나 구조 등에 따라 다양하게 분류될 수 있는데 이들 중 예시적으로 파우치형 이차 전지 셀을 도 1에서 도시하고 있다. 기본적 원리와 구조 등은 상호 대응될 수 있으므로 도 1에 도시된 파우치형 이차 전지를 예시적인 형태로 하여 설명하도록 한다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이 이차 전지(10)는 파우치 케이스(20) 및 전극집전체(30)(전극조립체로도 지칭된다)를 기본 구조로 포함하고 있으며, 상기 전극집전체(30)는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 상기 양극판과 음극판 사이를 전기적으로 절연시키는 세퍼레이터와 분리막 등으로 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기 전극집전체(30)는 양극판에서 연장되어 형성되는 양극 탭(32)와 음극판에서 연장되어 형성되는 음극 탭(34)이 구비된다.
상기 양극 탭(32)과 음극 탭(34)들은 일정한 방향으로 수렴된 후 해당하는 각각의 전극 리드(36, 38)와 저항 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 등의 방법으로 접합된다. 이와 같은 결합 구조를 가지는 상기 전극 리드(36, 38)는 이차 전지의 전극으로서 이차전지와 외부 적용 기기 등을 상호 전기적으로 연결하는 기능을 수행하게 된다.
상기 전극집전체(30)가 파우치 케이스(20)에 투입된 후, 전해액이 주입되고 밀봉 공정, 에이징 공정, 화성 공정 등의 후처리 공정을 거쳐 하나의 완성된 이차 전지 셀이 된다. 실시형태에 따라 상기 파우치 케이스(20)는 상면 케이스(21)과 하면 케이스(22)로 구분되며 상기 전극 집전체(30)가 수용되는 부분이 어디에 존재하는지 등에 따라 싱글 캡 또는 더블 캡 등으로 지칭되기도 한다.
또한, 상기 이차전지는 도 1에 도시된 바와 같이 양극 및 음극 전극 리드가 동일한 파우치 케이스 면에 형성될 수도 있으며, 실시 형태에 따라서 상기 파우치 케이스의 다른 면에 각각의 전극 리드가 형성되도록 구성할 수도 있다.
한편, 상기 파우치 케이스의 밀봉 공정에 파우치 케이스의 상하면이 열융착될 때, 전극 리드와 겹치는 부분의 실링의 효율성을 향상시키기 위하여 앞서 상기 전극 리드(36, 38)에는 절연 테이프(33)가 부착될 수 있다.
상기 이차 전지는 개체의 구성 순에 의하여 단위 개체인 셀(cell), 집합체인 어셈블리(assembly), 배터리(battery)(팩(pack)) 등으로 칭해지며, 이하 설명에서 달리 언급되지 않는다면, 본 설명에서의 이차 전지는 상기 개체를 구별하지 않고 통칭적으로 사용하도록 한다.
이와 같은 구조를 가지는 이차전지는 도 2에 도시된 바와 같이 이차전지의 양극 리드(36)가 인접한 다른 이차전지의 음극 리드(38)와 접합되는 구조를 통하여 복수 개 이차전지가 직렬 등으로 상호 전기적으로 연결되어 하나의 배터리 팩(또는 어셈블리)(200)를 형성하고 이러한 구조에 의하여 응용되는 구동 모터 등의 장치에 적합한 전압 출력이 발생되도록 구성된다.
예를 들어, 개별 이차전지가 발생시키는 전압이 4V이고, 집합되어 연결되는 이차전지의 개수가 8개라면 배터리 팩 차원에서는 A(양극) 및 B(음극) 간의 전압이 32V가 된다.
도 2에서는 양 전극 리드가 파우치 케이스(20)의 반대되는 방향에 각각 구비되는 실시예를 도시하고 있으나, 앞서 설명된 바와 같이 동일 방향에 양 전극 리드가 형성되는 실시형태에서도 간단한 구조적 변경만을 통하여 복수 개의 이차전지가 상호 직렬로 연결될 수 있음은 당업자 수준에서 자명하므로 이에 대한 구조적 설명은 생략하도록 한다.
한편, 상기 이차전지는 스웰링(swelling) 현상, 전극 단락, 과충전, 과방전, 과열, 서지 전류, 과전류, 전극 단락 등과 같은 이상 상황이 발생하게 되면, 전기 화학적 반응이 수행되는 이차전지의 안전성이 와해되어 이차전지는 폭발하거나 화재 사고로 이어질 수 있다.
그러나 종래에는 이차전지를 직렬 등으로 연결하는 경우, 단순히 전극 리드를 상호 간을 레이저 용접 등에 의하여 접합하는 방식을 채용하고 있어 하나의 이차전지에서 위험 상황이 발생하게 되는 경우, 전기적으로 연결되어 있는 모든 이차전지에 연쇄적인 반응을 촉발하게 되어 그 위험성이 더욱 높다는 점이 간과되고 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 복수 개의 이차전지로 구성되는 배터리 팩(200)의 경우, 금속 재질의 전극 리드를 절곡시키고 리드 상호 간을 용접하게 되므로 과도한 물리적 외력이 작용하여 전극 리드의 물리적 구조를 변형시킬 수 있고 이에 따른 인장 스트레스가 발생될 수 있다. 이러한 과도한 인장 스트레스는 파우치 케이스의 실링 접착력을 약화시킬 수 있고 또한, 접촉 저항을 증가시켜 전기적 특성을 감소시키는 문제점이 있다고 할 수 있다.
한편, 과전류 등을 시스템적으로 해결하기 위한 방안도 시도되고 있는데, 그 예로서 도 3에 도시된 바와 같이, 과전류 발생 시 이차 전지를 보호하기 위해 퓨즈 소자(10), 과전류 센싱을 위한 센싱 저항(20), 과전류 발생을 모니터링하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(10)를 동작시키는 마이크로컨트롤러(30) 및 상기 퓨즈 소자(10)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(40)를 포함하는 이차전지 보호회로를 채용하는 방법이 이용되고 있다.
간단히 동작 관계를 설명하면, 상기 퓨즈 소자(10)는 배터리 팩(20)의 최 외측 단자에 연결된 메인 충전/방전 전류가 흐르는 주 선로에 설치되는데, 상기 퓨즈 소자(10)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(40)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(11)와, 상기 퓨즈(11)에 열을 인가하는 저항(12)이 포함되어 있다.
마이크로컨트롤러(30)는 센스 저항(20) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 고전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(40)를 턴온시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(10) 측으로 바이패스되어 저항(12)에 인가된다. 이에 따라, 저항(12)에서 발생된 열이 퓨즈(11)에 전도되어 퓨즈(11)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(11)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(11)가 융단됨으로써 주 선로가 비가역적으로 단선된다. 주 선로가 단선되면 과전류가 더 이상 흐르지 않게 되므로 과전류로부터 비롯되는 문제를 해소할 수 있다.
그런데, 위와 같은 종래 기술은 여러 가지 문제점을 내포하고 있다. 즉, 마이크로컨트롤러(30) 등의 소자에서 고장이 발생하거나 오동작하는 경우 퓨즈 소자(10)의 저항(12)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(10)가 동작을 하지 않는 문제가 발생할 수 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(10)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 또한, 퓨즈 소자(10)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로컨트롤러(30)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로컨트롤러(30)의 리소스를 증가시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 상기 문제점 내지 필요성을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고전류 등이 발생하여 위험 상황이 발생되어도 간단한 물리적 구조를 가지는 퓨즈 수단을 이용하여 이차전지의 연쇄적인 폭발 등을 방지함으로써 더욱 안전성이 향상된 이차전지 및 이를 이용한 배터리 팩을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 안전성이 향상된 파우치형 이차전지는 서로 다른 극성의 전극 탭이 구비된 전극조립체; 해당하는 극성의 전극 탭과 연결되는 전극 리드; 및 상기 전극 리드의 일부가 노출되도록 상기 전극 조립체를 수용하여 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하고, 상기 전극 리드의 일단에 상기 전극 탭과 접합되는 금속 재질의 접합부가 형성되고, 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되는 타단에 퓨즈부가 형성되도록 구성된다.
여기에서, 상기 본 발명의 퓨즈부는 상기 접합부가 끼움 결합되도록 홈부가 구비될 수 있으며, 또한, 상기 접합부가 측면에서 슬라이딩 방식으로 결합되도록 단부를 따라 형성된 슬라이딩 결합부가 구비될 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 퓨즈부는 판상으로 이루어지며 가운데 부분이 절곡된 형상을 가지거나 가운데 부분이 폴딩되는 구조 또는 절곡 구조를 통하여 양 단부가 동일한 방향을 향하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 안전성이 향상된 배터리 팩은 서로 다른 극성의 전극 탭이 구비된 전극조립체, 해당하는 극성의 전극 탭과 연결되는 전극 리드 및 상기 전극 리드의 일부가 노출되도록 상기 전극 조립체를 수용하여 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하는 이차전지가 복수 개 구비되고, 상기 복수 개 이차전지가 전기적으로 직렬 연결이 되도록 서로 다른 극성의 전극 리드가 상호 결합되되, 상기 결합되는 전극 리드는 퓨즈부가 개재되어 상호 결합되도록 구성된다.
또한, 상기 이차전지의 전극 리드는 상기 전극 탭과 접합되는 금속 재질의 접합부가 일단에 형성되고, 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되는 타단에 상기 퓨즈부가 형성되도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.
여기에서, 상기 퓨즈부는 상기 접합부가 끼움 결합되도록 홈부가 구비되거나 상기 접합부가 측면에서 슬라이딩 방식으로 결합되도록 단부를 따라 형성된 슬라이딩 결합부가 구비될 수 있다.
더욱 바람직한 실시형태의 구현을 위하여 상기 퓨즈부는 판상으로 이루어지며 가운데 부분이 절곡된 형상을 가지거나 가운데 부분이 폴딩되는 구조 또는 절곡되는 구조 등을 통하여 양 단부가 동일한 방향을 향하도록 형성되도록 구성할 수 있다.
상기 본 발명의 안전성이 향상된 이차전지 및 배터리 팩은 전극 리드 상호 간의 전기적 접촉이 퓨즈 수단을 매개하여 이루어지므로 전기적 특성의 안정성을 용이하게 확보할 수 있음은 물론, 전극 리드의 결합 구조를 더욱 간단하고 효과적으로 수행할 수 있고 고용량 이차전지 배터리 팩의 구성에 최적화된 접합 구조를 제공할 수 있다.
이를 기초로 이차전지에서 발생하는 고열, 과전류 등의 현상이 발생하여도 개별 이차전지의 퓨즈가 단절됨으로써 인접한 이차전지 내지 배터리 팩 전체 차원의 연쇄적인 파급을 효과적으로 방지할 수 있어 더욱 높은 안전성을 가지는 이차전지 및 배터리 팩을 구현할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 이차전지의 구조를 도시한 분해 결합도,
도 2는 복수 개의 이차전지가 상호 직렬로 연결되는 배터리 팩에 대한 구조를 도시한 도면,
도 3은 종래 이차 전지 보호회로의 동작 메커니즘을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이차전지의 구조를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의한 이차전지의 구조를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의한 이차전지의 구조를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 의하여 복수 개의 이차전지가 결합되는 구조를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 퓨즈부의 구성을 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 의하여 복수 개의 이차전지가 결합되는 모습을 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의하여 복수 개의 이차전지가 결합되는 모습을 도시한 도면이다.
도 1은 일반적인 이차전지의 구조를 도시한 분해 결합도,
도 2는 복수 개의 이차전지가 상호 직렬로 연결되는 배터리 팩에 대한 구조를 도시한 도면,
도 3은 종래 이차 전지 보호회로의 동작 메커니즘을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이차전지의 구조를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의한 이차전지의 구조를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의한 이차전지의 구조를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 의하여 복수 개의 이차전지가 결합되는 구조를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 퓨즈부의 구성을 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 의하여 복수 개의 이차전지가 결합되는 모습을 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의하여 복수 개의 이차전지가 결합되는 모습을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 안정성이 향상된 이차전지(이하 이차전지로 칭한다)(1000)의 구조를 도시한 도면이다. 상기 도 4 및 앞서 설명된 이차전지의 기본적인 구조를 도시한 도면 등에 도시된 바와 같이 본 발명의 이차전지는 전극 조립체(1300), 전극 리드(1100, 1200) 및 파우치 케이스(1600)를 포함하여 구성된다.
상기 전극 집전체(1300)는 양극 활물질이 코팅된 양극판, 음극 활물질이 코팅된 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되며 상기 양극판과 음극판을 전기적으로 분리하는 세퍼레이터가 상호 교호되어 적층된 구조를 이룬다.
상기 양극 활물질과 음극 활물질은 양극판과 음극판의 어느 한쪽 표면 또는 양쪽 표면에 코팅될 수 있다. 인접하는 단위 개체와 단위 개체 사이에는 전기적 절연을 위한 분리막이 개재된다. 상기 전극조립체(1300)는 실시형태에 따라 권취형, 스택형, 스택/폴딩형 등으로 다양하게 적용될 수 있음은 물론이다.
상기 양극판은 알루미늄 재질이 주로 이용되는데, 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있으며, 이차 전지에 화학적 변화를 야기시키지 않고 높은 도전성을 가지는 재질이라면 이에 제한되지 않고 사용될 수 있다.
상기 양극판의 일부 영역에는 하나 이상의 양극 탭(1400)이 구비되는데 상기 양극 탭(1400)은 상기 양극판이 연장되는 형태로 이루어질 수 있고, 상기 양극판의 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접 등을 통하여 결합하는 형태로도 구성될 수 있으며 또한, 양극 재료를 상기 양극판 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하는 방식 등의 다양한 방법에 의하여 제작될 수 있다.
상기 양극판에 대응되는 음극판은 주로 구리 재질이 이용되는데, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이나 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 음극판은 상기 양극판과 같이 표면에 미세한 요철 구조를 형성하여 활물질의 결합력이 강화되도록 구성할 수 있으며, 필름, 시트, 호일, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 구현될 수 있음은 물론이다.
상기 음극판 또한 일부 영역에 하나 이상의 음극 탭(1500)이 구비되며, 앞서 설명된 양극 탭(1400)과 같이 상기 음극판에서 연장되는 형태로 구현될 수 있음은 물론, 음극판 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접하는 등의 방법으로 결합할 수도 있으며, 음극 재료를 상기 음극판 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하는 방식 등으로 구현될 수 있다.
상기 양극 탭(1400) 및 음극 탭(1500)은 각 극성마다 하나 이상으로 구성되어 상기 하나 이상의 전극 탭은 일정 방향성으로 수렴된 후, 각각에 해당하는 전극 리드인 양극 리드(1100) 및 음극 리드(1200)와 각각 전기적으로 연결된다.
전극 리드와 전극 탭 간의 접합이 완료된 전극집전체(1300)는 전해액 주액 공정과 실링 공정을 통해 파우치 케이스(1600)에 밀봉된다. 상기 파우치 케이스(1600)는 금속 박막의 상부 표면과 하부 표면이 절연성 폴리머로 라미네이트된 구조를 가진다.
상기 금속 박막은 물리적 기계 강도를 유지하기 위한 기본 골격 구조를 이루며, 외부로부터의 수분 등이 침투되는 것을 방지하고 내부에서 발생되는 열을 효과적으로 외부로 방출하기 위한 기능을 수행한다.
이러한 금속 박막은 철, 탄소, 크롬 및 망간의 합금, 철, 크롬 및 니켈의 합금, 알루미늄 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나가 이용될 수 있는데, 이에 한하는 것은 아니다. 상기 금속 박막을 철이 함유된 재질로 할 경우에는 기계적 강도가 강해지고, 알루미늄이 함유된 재질로 할 경우에는 유연성이 좋아진다. 일반적으로, 알루미늄 재질의 금속 박막이 바람직하게 사용된다.
도 4 등에 도시된 바와 같이 본 발명의 파우치 케이스(1600)는 상기 전극 리드(1100, 1200)의 일부가 노출되도록 상기 전극 조립체(1300) 구조를 수용하고 밀봉된다.
본 발명은 상기 전극 리드(1100, 1200)의 말단 부위 즉, 복수 개의 이차전지가 복수 개로 연결될 때, 다른 이차전지의 상응하는 전극 리드와 결합되는 부위에 퓨즈부(1103, 1203)가 형성된다.
즉, 양극 리드(1100)의 경우, 일단에 상기 양극 탭(1400)과 접합되는 금속 재질의 접합부(1101)가 형성되고, 타단 측으로는 즉, 외부로 노출되어 다른 전극 리드와 접합되는 부분으로는 퓨즈부(1103)이 형성된다. 음극 리드(1200) 또한, 이와 마찬가지로 음극 탭(1500)과 접합되는 접합부(1201) 및 퓨즈부(1203)로 구성된다.
상기 양극 리드(110)의 접합부(1101)는 본 발명의 퓨즈부(1103)와 상대적으로 구분되는 구성으로서, 종래 이차전지 구조의 양극 리드 그 자체일 수 있으며, 이 경우 상기 퓨즈부(1103)는 종래 양극 리드에 연장되는 형태로 구성될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 상기 접합부(1101)와 상기 퓨즈부(1103)는 초음파 용접 등을 통하여 상호 접합되는데, 이러한 구조에 의하여 다른 이차전지와 직렬 등으로 연결되는 경우, 규격 이내의 전류가 전극 리드에 흐를 때에는 전류 흐름 경로(path)를 제공하지만 전극 리드를 통해 과전류가 흐를 때에는 저항 발열로 자체 온도가 융점 이상으로 급속하게 상승하면서 융단이 이루어지고, 상기 퓨즈부(1103, 1203)가 융단되면 전기적으로 연결된 전극 리드는 비가역적으로 단선된다.
상기 본 발명의 퓨즈부(1103, 1203)은 음극 부분과 양극 부분을 상대적으로 구분하기 위하여 서로 다른 참조부호로 인용될 뿐 실질적인 기능은 동일하며, 실시형태에 따라 하나 또는 양 리드 구조에 채용될 수 있으므로 이하의 본 발명에 대한 상세 설명에서 상기 퓨즈부는 1103의 참조부호로 인용하도록 한다.
한편, 상기 본 발명의 퓨즈부(1103)는 납과 주석의 합금, 또는 아연, 안티몬, 비스무쓰 등의 추가 성분이 첨가된 납과 주석의 합금 등으로 이루어질 수 있으며, 퓨즈부(1103)의 융단 온도는 합금에 함유되는 물질의 조성에 의해 조절 가능함은 자명하다.
도 5는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의한 이차전지의 구조를 도시한 도면이다. 본 발명의 상기 퓨즈부(1103)는 상기 전극 탭(1400)과 접합되는 금속 재질의 접합부(1101)와의 용이한 체결을 위하여 상기 도 5에 도시된 바와 같이 상기 접합부(1101)가 끼움 결합되는 홈부(1103b)가 구비된다.
이와 같은 구조에 의하여 퓨즈 기능을 수행하는 요소를 더욱 용이하게 전극 리드 구조에 포함시킬 수 있게 되며, 상기 홈부(1103b)에 접합부(1101)가 끼워진 후, 가압 내지 용접(도 5의 P)에 의하여 상호 접합되도록 구성할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 상기 퓨즈부(1103)는 상기 접합부(1101)가 측면에서 슬라이딩 방식으로 결합되도록 단부를 따라 형성된 슬라이딩 결합부(1103b)가 구비될 수 있다.
이와 같은 구조를 통하여 상호 간의 결합이 더욱 간단하고 효과적으로 수행할 수 있으며, 이와 함께 상기 도 5 및 도 6과 같은 실시예에서는 퓨즈부(1103)와 접합부(1101)가 상호 물리적으로 지지되고 있으므로 추가적인 지지 장비 내지 지그 등의 조력 없이도 더욱 효과적으로 용접 공정을 수행할 수 있는 이점 또한 제공할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 상기 슬라이딩 결합부(1103b)는 실시형태에 따라서 퓨즈부(1103)의 일면 또는 양면에 구비될 수 있으며, 앞서 설명된 홈부(1103a) 또한 그러하다.
이와 같은 구조에 의하여 도 7에 도시된 바와 같이 직렬로 연결되는 두 개의 이차전지(1000)는 상기 퓨즈부(1103)를 매개로 더욱 용이하고 간단하게 상호 결합될 수 있다.
더욱 바람직한 실시형태의 구현을 위하여 상기 퓨즈부(1103)는 도 8(a)에 도시된 바와 같이 판상으로 이루어지며 가운데 부분이 절곡된 형상을 가지도록 구성될 수 있다. 배터리 팩과 이차 전지의 상호 연결에 대한 실시형태에 따라 상기와 같은 형상으로 복수 개의 이차전지가 퓨즈부(1103)를 매개로 상호 결합될 수 있다.
또한, 상기 퓨즈부(1103)는 도 8(b)에 도시된 바와 같이 가운데 부분이 폴딩(folding) 등에 의하여 양 단부가 동일한 방향을 향하도록 형성될 수도 있으며, 또한, 도 8(c)와 같이 절곡에 의한 구조 형상을 포함시켜 슬라이딩 결합부(1103b) 또는 홈부(1103a)가 형성되는 양 단부가 동일한 방향을 향하도록 형성될 수 있다.
특히, 도 8(b) 및 도 8(c)에 도시된 형태로 구현되는 퓨즈부(1103)는 도 10에 도시된 바와 같이 배터리 팩(2000) 내의 복수 개 이차전지가 소정 이격 간격을 두고 나란히 배치되는 실시형태에 최적화될 수 있다.
또한, 실시형태에 따라 본 발명은 도 9에 도시된 실시예와 같이 양 전극 리드를 금속 재질의 접합부(1101, 1201)만으로 형성하고 상기 접합부(1101, 1201) 사이에 퓨즈부(1103)를 매개시켜 상호 접합되도록 구현할 수 있음은 물론이다.
상술한 본 발명의 구성에 의하면, 전극 리드 자체에 퓨즈가 장착되거나 또는 전극 리드 사이에 퓨즈가 구비되므로 과전류 등이 발생되면 연결된 전극 리드 자체가 단선됨으로써 이차 전지 보호회로와는 독립적으로 과전류가 차단되는 효과를 창출할 수 있다. 따라서 설혹 이차 전지 보호회로의 과전류 차단 기능이 동작하지 않더라도 과전류의 흐름을 차단하는 것이 가능하다.
또한, 전극 리드 자체 또는 전극 리드 사이에 퓨즈가 장착되어 있으므로 퓨즈의 장착을 위해 별도의 공간을 할애하지 않아도 되는 장점이 있다. 나아가, 전극 리드가 절곡될 지점에 퓨즈가 구비될 경우 전극 리드에 직접적인 절곡 가공을 가하지 않거나 최소화할 수 있어 인장 스트레스가 유발되는 것을 방지 내지 최소화할 수 있다.
당업자에게 자명한 사실이나, 통상적으로 전극 리드의 재질은 금속이 주로 이용됨에 반해, 앞서 설명된 바와 같이 퓨즈는 이보다 연성을 가지는 합금 등이 이용되므로 절곡 등의 형상적 변화에 더욱 유연한 특성을 가지므로 복수 개의 이차전지로 구성되는 배터리 팩 등을 구현하는데 더욱 용이할 수 있다.
본 발명은 파우치에 실장되는 셀 어셈블리의 구조, 셀 어셈블리를 구성하는 단위 셀의 구조, 단위 셀의 종류, 단위 셀을 구성하는데 사용한 물질의 종류, 파우치 케이스의 구조와 재질, 파우치 케이스의 실링 파라미터 등에 의해 한정되지 않음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 본 발명의 설명에 있어 상부, 하부 또는 상하 등과 같은 표현은 상호 간의 각 구성을 상대적으로 구분하기 위하여 사용되는 도구적 개념의 용어일 뿐, 특정의 순서, 우선순위, 중요성 등을 객관적이고 물리적으로 구분하기 위하여 사용되는 용어이거나 절대적인 기준에서 물리적인 구성을 구분하기 위하여 사용된 용어가 아님은 자명하다.
1000: 이차전지 1100, 1200: 전극 리드
1103: 퓨즈부 1300: 전극 조립체
1400, 1500: 전극 탭 1600: 파우치 케이스
1103: 퓨즈부 1300: 전극 조립체
1400, 1500: 전극 탭 1600: 파우치 케이스
Claims (13)
- 서로 다른 극성의 전극 탭이 구비된 전극조립체;
해당하는 극성의 전극 탭과 연결되는 전극 리드; 및
상기 전극 리드의 일부가 노출되도록 상기 전극 조립체를 수용하여 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하고,
상기 전극 리드의 일단에 상기 전극 탭과 접합되는 금속 재질의 접합부가 형성되고, 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되는 타단에 퓨즈부가 형성된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 이차 전지. - 제 1항에 있어서, 상기 퓨즈부는,
상기 접합부가 끼움 결합되도록 홈부가 구비된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 이차전지. - 제 1항에 있어서, 상기 퓨즈부는,
상기 접합부가 측면에서 슬라이딩 방식으로 결합되도록 단부를 따라 형성된 슬라이딩 결합부가 구비되는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 이차전지. - 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 퓨즈부는,
판상으로 이루어지며 가운데 부분이 절곡된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 이차전지. - 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 퓨즈부는,
판상으로 이루어지며 가운데 부분이 폴딩되어 양 단부가 동일한 방향을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 이차전지. - 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 퓨즈부는,
판상으로 이루어지며 절곡에 의한 형상으로 양 단부가 동일한 방향을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 파우치형 이차전지. - 서로 다른 극성의 전극 탭이 구비된 전극조립체, 해당하는 극성의 전극 탭과 연결되는 전극 리드 및 상기 전극 리드의 일부가 노출되도록 상기 전극 조립체를 수용하여 밀봉하는 파우치 케이스를 포함하는 이차전지가 복수 개 구비되고,
상기 복수 개 이차전지가 전기적으로 직렬 연결이 되도록 서로 다른 극성의 전극 리드가 상호 결합되되, 상기 결합되는 전극 리드는 퓨즈부가 개재되어 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 배터리 팩. - 제 7항에 있어서, 상기 이차전지의 전극 리드는,
상기 전극 탭과 접합되는 금속 재질의 접합부가 일단에 형성되고, 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되는 타단에 상기 퓨즈부가 형성된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 배터리 팩. - 제 8항에 있어서, 상기 퓨즈부는,
상기 접합부가 끼움 결합되도록 홈부가 구비된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 배터리 팩. - 제 8항에 있어서, 상기 퓨즈부는,
상기 접합부가 측면에서 슬라이딩 방식으로 결합되도록 단부를 따라 형성된 슬라이딩 결합부가 구비되는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 배터리 팩. - 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 퓨즈부는,
판상으로 이루어지며 가운데 부분이 절곡된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 배터리 팩. - 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 퓨즈부는,
판상으로 이루어지며 가운데 부분이 폴딩되어 양 단부가 동일한 방향을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 배터리 팩. - 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 퓨즈부는,
판상으로 이루어지며 절곡에 의한 형상으로 양 단부가 동일한 방향을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 배터리 팩.
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| KR101641621B1 (ko) | 2016-07-22 |
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