KR20120139590A - 이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 멀티 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지를 개시한다. 본 발명에 따른 이차전지용 부품은, 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지; 및 미세한 간극을 사이에 두고 이격된 상태로 상기 무연 솔더링 브릿지와 접합된 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 이차전지용 부품을 통해 과전류가 흐를 경우, 무연 솔더링 브릿지의 온도가 상기 융단 온도까지 짧은 시간 안에 국소적으로 상승하여 융단됨으로써 과전류의 흐름이 효과적으로 차단된다.

Description

이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 멀티 전지 시스템{Element used for secondary battery and Manufacturing method thereof, and Secondary battery and Multi-battery system manufactured by using the element}

본 발명은 이차전지 기술에 관한 것으로서, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 이차전지용 부품 및 그 제조 방법과, 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지 등에 관한 것이다.

비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.

통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.

특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.

리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다.

리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.

리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.

액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.

그런데, 리튬 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 리튬 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 리튬 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 리튬 이차전지가 주울열에 의해 발열을 하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal running)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뽀족한 금속 물체가 리튬 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 전지에 인가되는 경우 등에 발생된다.

따라서 리튬 이차전지는 과전류의 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 보호회로와 결합되어 사용되며, 상기 보호회로에는 과전류가 발생되었을 때 충전 또는 방전전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함되는 것이 일반적이다.

도 1은 리튬 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 이차 전지를 보호하기 위해 퓨즈 소자(10), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(20), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(10)를 동작시키는 마이크로컨트롤러(30) 및 상기 퓨즈 소자(10)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(40)를 포함한다.

퓨즈 소자(10)는 셀 어셈블리(20)의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(10)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.

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.

상기 마이크로컨트롤러(30)는 센스 저항(20) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(40)를 턴 온시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(10) 측으로 바이패스되어 저항(12)에 인가된다. 이에 따라, 저항(12)에서 발생된 주울열이 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 안고 있다. 즉, 마이크로컨트롤러(30)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(40)가 턴온되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(10)의 저항(12)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(10)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(10)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(10)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로컨트롤러(30)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로컨트롤러(30)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 인식하여 창안된 것으로서, 보호회로의 능동적인 과전류 차단 기능과는 별도로 이차전지 자체에서 수동 방식의 과전류 차단 기능을 구현하는데 필요한 새로운 형태의 이차전지용 부품 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 기존의 부품이 갖는 전체적인 형태는 실질적으로 동일하게 유지하면서 최소한의 구조 변경만으로 수동 방식에 의한 과전류 차단 기능을 구현할 수 있는 이차전지용 부품 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 이차전지용 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 멀티 전지 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명자들은 리튬 이차전지의 안전성 향상 방안을 연구하던 중 플레이트 형상을 갖는 금속 재질의 전극 리드를 제1금속 플레이트와 제2금속 플레이트로 파단하고, 상기 제1금속 플레이트와 상기 제2금속 플레이트를 150~300도의 융점을 가지는 판형의 무연 솔더링 물질을 사용하여 연결하였을 때 과전류로 인해 야기되는 안전성 문제가 개선될 수 있고, 상기와 같은 구조를 갖는 전극 리드가 모든 종류의 이차전지에 적용될 수 있는 것은 물론이고 전류 흐름 경로에 위치하게 되는 이차전지의 각종 부품을 대체할 수 있는 범용적인 부품으로도 사용될 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 부품은, 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지를 통해 연결된 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트를 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2금속 플레이트는 실질적으로 동일 평면 상에 위치하고, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 어느 한 쪽 면 또는 양쪽 면 상에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다.

여기서, 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 상기 무연 솔더링 브릿지를 통해 연결된 부위를 기능적 관점에서 융단 분리부라고 명명하기로 한다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 대향하고 있는 부분에는 미세한 틈, 즉 간극이 존재한다. 상기 간극의 폭은 작을수록 좋은데, 바람직하게는 1mm이하, 보다 바람직하게는 0.5mm이하, 보다 더 바람직하게는 0.3mm이하, 보다 더 바람직하게는 0.1mm 이하이다.

바람직하게, 상기 간극은 상기 융단 분리부의 중앙 부위에서 직선형, 지그재그(zigzag)형, 톱니형 및 물결형 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 패턴을 가진다.

바람직하게, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1금속 플레이트와의 접합을 형성하는 제1접합부와 제2금속 플레이트와의 접합을 형성하는 제2접합부에 의해 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다. 상기 제1접합부와 상기 제2접합부는 상기 간극의 형태에 따라 동일 선 상에 위치할 수도 있고 서로 다른 선 상에 위치할 수도 있다. 바람직하게, 상기 제1 및 제2접합부는 레이져를 이용한 라인 용접에 의해 형성한다. 대안적으로, 상기 제1 및 제2접합부는 초음파 용접, 저항 용접, 아크 용접 등에 의해 형성한다.

바람직하게, 상기 라인 용접은 상기 제1 및 제2접합부가 형성될 지점에 대응하는 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 상부 표면에 시행한다. 따라서, 상기 간극에 면한 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 표면에는 라인 용접 패턴이 형성되어 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2금속 플레이트는 실질적으로 동일 평면 상에 위치하고, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 서로 대향하고 있는 대향 표면 사이에 직접적으로 개재되어 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다.

일 예에서, 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 상기 무연 솔더링 브릿지 방향으로 테이퍼진 경사면을 가진다. 다른 예에서, 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 무연 솔더링 브릿지 방향으로 볼록한 형태를 가지며, 이 경우 상기 대향 표면의 중심 영역은 서로 나란히 마주보는 평탄면의 형태를 가지고 중심 영역의 상단 및 하단에 위치하는 가장자리 영역은 서로 반대 방향으로 테이퍼진 경사면 형태를 가질 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 리세스(recess)를 가진다.

바람직하게, 상기 대향 표면의 다양한 형태와 상관 없이 상기 무연 솔더링 브릿지와 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 레이저 용접에 의해 접합된다. 대안적으로, 상기 무연 솔더링 브릿지와 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 초음파 용접, 저항 용접, 아크 용접 등에 의해 접합된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2금속 플레이트는 실질적으로 동일 평면 상에 위치하고, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 서로 대향하고 있는 각각의 끝단부에 형성된 제1 및 제2절곡부의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다. 바람직하게, 상기 제1 및 제2절곡부는 면대칭 또는 점대칭 관계로 상호 교합될 수 있는 절곡 구조를 가진다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 무연 솔더링 브릿지는 제1 및 제2금속 플레이트의 끝단부가 상하로 배치되면서 중첩될 때 형성되는 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 무연 솔더링 브릿지는 제1 및 제2금속 플레이트의 마주 보다 대향 표면에 각각 형성된 라인 형태의 홈이 상호 교합되면서 형성되는 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 무연 솔더링 브릿지의 주성분인 주석의 함량은 80 ~ 98중량%이고, 합금성분인 구리의 함량은 2 ~ 20중량%이다.

다른 측면에 따르면, 상기 무연 솔더링 브릿지는 구리 이외에 니켈, 아연 및 은 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 추가 합금성분으로 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 추가 합금성분의 총 함량은 0.01 ~ 10중량%로 조절하는 것이 바람직하다.

상술한 이차전지용 부품은 상기 무연 솔더링 브릿지를 피복할 수 있도록 상기 융단 분리부를 피복하는 절연 테이프를 더 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 절연 테이프는 폴리올레핀 필름, 폴리프로필렌 필름, 산 변성 폴리프로필렌(Acid modified polypropylene) 필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는 상술한 이차전지용 부품을 전극 리드로 사용하여 제조된다. 따라서 본 발명에 따른 이차전지는, 양극 리드, 음극 리드, 또는 양극 및 음극 리드가 상술한 이차전지용 부품의 구조를 가진다.

본 발명의 목적은 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 이차전지를 포함하는 멀티 전지 시스템에서, 인접하는 단자 사이를 연결하는 커넥터에 상술한 이차전지용 부품의 구조를 적용하는 것에 의해서도 달성된다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 따른 이차전지용 부품의 제조 방법은, 서로 분리된 제1금속 플레이트와 제2금속 플레이트를 실질적으로 동일 평면 상에서 서로 근접시켜 플레이트들 사이에 간극이 생기도록 대향시키는 단계; 상기 제1금속 플레이트와 상기 제2금속 플레이트의 대향 부분에 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 포함하는 무연 솔더링 브릿지를 제공하는 단계; 및 상기 무연 솔더링 브릿지의 일 측을 상기 제1금속 플레이트에, 상기 무연 솔더링 브릿지의 다른 측을 상기 제2금속 플레이트에 접합하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 이차전지용 부품 제조 방법은 무연 솔더링 브릿지 및/또는 상기 간극 부분을 절연테이프로 피복하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 이차전지용 부품은, 간극을 두고 미세하게 이격된 제1 및 제2금속 플레이트가 150~300도에서 융단되는 무연 솔더링 브릿지를 통해 연결된 구조를 가진다. 따라서 이차전지용 부품을 통해 과전류가 흐를 경우, 무연 솔더링 브릿지의 온도가 상기 융단 온도까지 짧은 시간 안에 상승하여 융단됨으로써 과전류의 흐름이 차단된다. 또한, 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 형성된 간극의 폭이 작으므로 무연 솔더링 브릿지에 의한 부품의 저항 증가가 무시할 만한 수준으로 제한되며 부품의 전체적인 사이즈와 형상의 실질적 변화가 수반되지 않는다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 이차전지용 부품이 이차전지의 전극 리드로 사용될 경우 보호회로와 독립적으로 이차전지 자체에서 과전류를 비가역적으로 차단하는 것이 가능하므로 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 이차전지용 부품이 전극 리드로 사용될 경우 전극 리드의 사이즈나 형상에 실질적인 변화가 없으므로 이차전지 구조에 대한 설계 변경 없이도 과전류 차단 기능을 이차전지에 접목하는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 이차전지용 부품은 플레이트 형상을 갖는 전극 리드를 채용한 이차전지라면 그 종류에 상관 없이 얼마든지 적용이 가능하다는 장점이 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 다수의 이차전지를 포함하는 멀티 전지 시스템에서 사용되는 커넥터를 상기 이차전지용 부품으로 대체할 경우 커넥터 자체에서도 과전류 차단 기능을 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 리튬 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 부품의 사시도이다.
도 3은 도 2의 I-I'선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 부품의 중앙 부위에 해당하는 융단 분리부의 확대 평면도이다.
도 5와 도 6은 융단 분리부에 형성된 간극의 다양한 패턴을 보여주는 도면들이다.
도 7 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 부품의 단면도들이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 절연테이프가 피복된 이차전지용 부품의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따라 절곡 구조가 형성된 이차전지용 부품의 단면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 18과 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 전지 시스템의 커넥터 연결 부위를 부분적으로 도시한 도면들이다.
도 20은 본 발명에 따른 단락 시험에서 얻은 시간 별 전류 측정 값을 도시한 그래프이다.
도 21은 본 발명에 따른 단락 시험에서 얻은 시간 별 온도 측정 값을 도시한 그래프이다.
도 22는 본 발명에 따른 인장강도 평가 시험에서 얻은 구리의 함량 별 인장강도 특성을 나타낸 그래프이다.

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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 부품의 사시도이고, 도 3은 도 2의 I-I'선에 따른 단면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 부품의 중앙 부위에 해당하는 융단 분리부의 확대 평면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은, 무연 솔더링 브릿지(21)를 통해 연결되고, 간극(24)에 의해 이격된 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)로 구성된다.

상기 간극(24)은 상기 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23) 사이에 존재하는 미세한 틈을 의미한다. 상기 간극(24)은 부품(20)을 통해 흐르는 대부분의 전류가 상기 무연 솔더링 브릿지(21)를 통해 제1금속 플레이트(22)에서 제2금속 플레이트(23)로 흐를 수 있도록 하는 저항 성분으로서 기능한다. 또한, 상기 간극(24)의 폭은 무연 솔더링 브릿지(21)를 통한 전류흐름 경로의 증감과 직접적으로 관련이 있으며 상기 간극(24) 폭의 증가는 부품(20) 자체의 저항 증가 요인이 되기도 한다. 따라서 상기 간극(24)의 폭은 작을수록 좋은데, 바람직하게는 1mm 이하, 보다 바람직하게는 0.5mm 이하, 보다 더 바람직하게는 0.3mm 이하, 보다 더 바람직하게는 0.1mm 이하이다.

상기 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23)는 실질적으로 XY 평면 상에 위치하고, 전기적 저항이 0.1mΩ 이하인 금속 또는 합금으로 이루어진다.

일 예로, 상기 제1금속 플레이트(22)와 상기 제2금속 플레이트(23)는 구리 판, 알루미늄 판, 니켈이 코팅된 구리 판 등으로 이루어질 수 있다. 상기 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(22)는 동일한 재질로 이루어지나, 이종 재질로 이루어지는 것도 제한되지 않는다.

상기 무연 솔더링 브릿지(21)는 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)의 융점 보다 낮은 150~300도의 융점을 가지며, 주석(Sn)을 주성분으로 구리(Cu)를 합금 성분으로 포함하고 환경 및 인체에 유해한 납(Pb)을 함유하지 않는 친환경적 소재로 이루어진다.

상기 무연 솔더링 브릿지(21)의 융점 범위는 차단하고자 하는 과전류 레벨을 고려하여 설정한 것이다. 융점이 150도보다 낮으면 정상적인 전류가 흐르는 경우에도 무연 솔더링 브릿지(21)가 용융될 수 있다. 일 예로, 이차전지용 부품(20)이 전기 자동차용 이차전지에 사용될 경우, 융점이 150도보다 낮으면 급속 충방전 전류에 의해 무연 솔더링 브릿지(21)가 용융될 수 있다. 또한, 융점이 300도보다 높으면 과전류의 차단이 효과적으로 이루어지지 않으므로 이차전지용 부품(20)을 사용하는 효과가 사실 상 없다.

상기 무연 솔더링 브릿지(21)의 구성 성분 중 주석은 브릿지(21)의 융점과 인장강도 특성에 영향을 미친다. 상기 무연 솔더링 브릿지(21)가 150~300도의 융점을 가지면서도 양호한 인장강도 특성을 갖도록 주석의 함량은 80중량% 이상, 바람직하게는 85~98중량%의 범위에서 조절한다. 상기 구리는 이차전지용 부품(20)의 전기 전도도를 향상시키는 기능을 하며, 이러한 기능을 감안하여 구리의 함량은 2 ~ 20중량%의 범위에서, 바람직하게는 4 ~ 15중량%의 범위에서 조절하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 중량%는 무연 솔더링 브릿지(21)를 구성하는 물질 전체 중량을 기준으로 한 단위로서 이하 동일하다.

상기와 같이 주석과 구리의 함량을 조절하면, 무연 솔더링 브릿지(21)의 인장강도가 양호할 뿐만 아니라 무연 솔더링 브릿지(21)에 의한 저항의 증가를 수 % 이내로 낮게 억제할 수 있다.

상기 무연 솔더링 브릿지(21)는 보다 향상된 물성을 갖기 위해 주석과 구리 이외에 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn) 등과 같이 전기 전도도가 좋은 금속을 추가 합금 성분으로 더 포함할 수 있다. 상기 추가 합금 성분의 함량은 물질의 전체 중량 대비 0.01~10 중량%인 것이 바람직하다.

상기 무연 솔더링 브릿지(21)는 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)의 한 쪽 면, 즉 저면에서 상기 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23) 사이에 브릿지를 형성한다.

여기서, 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)는 상기 무연 솔더링 브릿지(21)의 온도가 150~300도로 상승할 경우 브릿지(21)가 액상으로 용융되면서 간극(24)을 중심으로 양쪽으로 파단되어 분리된다.

따라서 이하에서는 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)가 무연 솔더링 브릿지(21)를 통해 연결된 부위를 융단 분리부(A)라고 명명하기로 한다.

상기 융단 분리부(A)는 제1접합부(25)와 제2접합부(26)를 포함한다. 상기 제1접합부(25)는 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22)가 접합된 영역을, 상기 제2접합부(26)는 무연 솔더링 브릿지(21)와 제2금속 플레이트(23)가 접합된 영역을 의미한다.

상기 제1접합부(25)와 제2접합부(26)는 Y 방향으로 진행한 라인 용접에 의해 형성되는데, 상기 제1접합부(25)는 제1금속 플레이트(22)와 무연 솔더링 브릿지(21)의 계면에, 상기 제2접합부(26)는 제2금속 플레이트(23)와 무연 솔더링 브릿지(21)의 계면에 형성된다.

상기 라인 용접은 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)의 상부(B 지점 참조)에서 시행하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 간극(24)에 면한 상기 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23)의 표면에는 라인 용접 패턴이 형성되어 있다. 상기 라인 용접은 레이져 용접인 것이 바람직하나, 초음파 용접, 저항 용접, 아크 용접 등과 같은 다양한 용접 기술이 적용될 수 있다.

한편, 용접 강도를 더욱 증가시키기 위해 라인 용접의 시행 횟수가 증가될 수 있다. 이러한 경우 융단 분리부(A)에는 접합부가 추가적으로 더 형성될 수 있음은 자명하다. 또한, 상기 제1접합부(25) 및 제2접합부(26)는 연속적인 라인 패턴이나 불연속적인 라인 패턴을 가지는데, 본 발명에 이에 한하는 것은 아니다.

도 5와 도 6은 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23) 사이의 간극(24)이 여러 가지 모양으로 변형될 수 있음을 보여준다.

상기 간극(24)은 도 5에 도시된 바와 같이 톱니 모양을 가질 수 있다. 이러한 경우, 간극(24)의 중심부를 따라 Y 방향으로 라인 용접을 시행하여 무연 솔더링 브릿지(21)를 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)에 접합할 수 있다. 라인 용접은 플레이트 상부에서 실시하는 것이 바람직하며, 라인 용접의 시행 횟수에 따라 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23) 사이에는 적어도 한 줄 이상의 접합부(27)가 형성된다. 접합부(27)는 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22) 사이에 형성된 제1접합부(27a)와 무연 솔더링 브릿지(21)와 제2금속 플레이트(23) 사이에 형성된 제2접합부(27b)가 동일 라인 상에서 교대로 위치하는 구조적 특징을 가진다.

또한, 상기 간극(24)은 도 6에 도시된 바와 같이 사각형의 돌출 패턴이 교대로 맞물리는 모양을 가질 수 있다. 이 경우도, 라인 용접의 시행 횟수에 따라 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23) 사이에는 적어도 한 줄 이상의 접합부(28)가 형성된다. 또한, 접합부(28)는 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22) 사이에 형성된 제1접합부(28a)와 무연 솔더링 브릿지(21)와 제2금속 플레이트(23) 사이에 형성된 제2접합부(28b)가 동일 라인 상에 교대로 위치하는 구조적 특징을 가진다.

한편, 상기 간극(24)은 도 5 및 도 6에 개시된 패턴 이외에도 다양한 형태의 패턴을 가질 수 있다. 또한, 상기 간극(24)은 하나의 패턴으로 이루어지지 않고 상술한 여러 가지 패턴이 조합된 패턴을 가질 수도 있다.

도 7 내지 도 14는 이차전지용 부품(20)이 가질 수 있는 다양한 변형 구조를 보여주는 단면도들이다. 도 7 내지 도 14에서, 화살표는 라인 용접이 시행되는 지점을 나타내며, 이하의 설명에서는 용접에 대한 구체적 설명은 생략한다.

도 7을 참조하면, 추가적인 무연 솔더링 브릿지(21')가 융단 분리부(A)의 상부에 형성될 수 있다. 이 때, 상기 무연 솔더링 브릿지(21')는 아래에 있는 무연 솔더링 브릿지(21)와 동일한 재질을 가지며 동일한 용접 기술에 의해 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)에 접합된다.

도 8a를 참조하면, 무연 솔더링 브릿지(21)는 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)가 서로 대향하고 있는 각각의 끝단에 형성된 제1절곡부(22a)와 제2절곡부(23a)의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에서 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23) 사이에 브릿지를 형성하는 것도 가능하다.

도 8b를 참조하면, 무연 솔더링 브릿지(21)는 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)가 서로 대향하고 있는 각각의 끝단에 형성된 홈의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에서 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23) 사이에 브릿지를 형성하는 것도 가능하다.

도 8b에 도시된 변형 구조의 경우, 무연 솔더링 브릿지(21)는 용접 이외에 다음과 같은 공정에 의해서도 형성 가능하다.

즉, 먼저 원 피스로 이루어진 금속 플레이트를 준비한 다음 금속 플레이트의 상부 표면에 무연 솔더링 브릿지(21)가 형성될 라인 형태의 홈을 형성한다.

상기 라인 형태의 홈은 물리적 또는 화학적 식각 기술, 톱날 등을 이용한 기계적 절삭 기술, 다이아몬드 등의 고경도 나이프를 이용한 국소 스크래칭 기술, 전자기적 빔을 이용한 식각 기술 및 스키빙(skiving) 기술 중 어느 하나에 의해 형성할 수 있다.

상기 라인 형태의 홈이 형성되면, 상기 홈이 형성된 지점에 무연 솔더링 브릿지(21)를 형성할 솔더링 물질을 배치한다. 솔더링 물질로는, 무연 솔더링 브릿지(21)의 단면 구조와 동일하거나 유사한 단면 구조를 가진 솔더링 와이어가 사용될 수 있다. 대안적으로, 솔더링 물질로서 미세한 솔더링 파우더가 분산된 솔더링 페이스트가 사용될 수 있다.

상기 솔더링 물질에 포함된 주석, 구리, 기타 추가 금속의 함량은 상기 홈 내에 형성될 무연 솔더링 브릿지(21)에 부여하고자 하는 융점 온도의 범위, 이차전지용 부품을 사용하여 차단하고자 하는 과전류의 레벨 및 이차전지용 부품에 부여하고자 하는 전기적 물성 및/또는 기계적 물성을 고려하여 결정한다.

상기 솔더링 물질이 배치되면, 적어도 상기 솔더링 물질이 배치된 지점에 지그(Jig)나 롤러 등을 사용하여 압력을 인가하면서 압연 공정을 진행한다. 이 때, 상기 솔더링 물질이 상기 홈의 내부 표면과 접촉하는 지점에 솔더링 물질의 국소적인 용융을 일으킬 정도의 열 에너지를 인가한다. 그러면, 상기 접촉 계면을 따라 금속 플레이트를 이루는 금속 성분과 솔더링 물질을 이루는 금속 성분 사이에 합금이 형성된다. 이처럼 이종 금속 성분 간에 합금이 형성되면, 솔더링 물질과 금속 플레이트 사이의 계면에 형성되는 면 저항(surface resistance)을 최소화할 수 있다.

상기 열 에너지의 인가 시에는, 열전도 방식, 초음파 진동 방식, 전자기적 에너지 빔 조사 방식, 전자기적 유도 방식 등 여러 가지 방식이 적용될 수 있다. 하지만 본 발명은 열 에너지를 인가하는 구체적인 방식에 의해 한정되지 않으며 압연 공정을 진행하면서 압력 인가 부위에 열 에너지를 생성할 수 있다고 알려진 다양한 방식이 적용 가능하다.

상기 압연 공정이 완료되어 홈 내에 무연 솔더링 브릿지(21)가 형성되면, 상기 무연 솔더링 브릿지(21)의 하부에 간극을 형성하여 금속 플레이트가 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)로 구분되도록 한다. 상기 간극의 형성 시에는 상기 홈의 형성에 사용된 기술 중 어느 하나를 적용할 수 있다.

상기 간극의 형성이 완료되면, 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23)에 부착되어 있는 솔더링 물질의 잔류물을 제거하여 이차전지용 부품의 제조를 완료한다.

한편, 도 8a에 도시된 변형 구조의 경우, 상기 제1절곡부(22a)와 제2절곡부(23a)는 서로 면대칭 관계에 있다. 하지만, 상기 제1절곡부(22a)와 제2절곡부(23a)는 도 9에 도시된 바와 같이, 점대칭 관계를 형성하는 절곡 구조를 가질 수도 있다. 또한, 도 9에서 절곡 구조를 생략하는 것도 얼마든지 가능하다. 즉, 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23)의 끝단을 소정 폭만큼 상하로 중첩시켰을 때 생기는 공간 사이에 무연 솔더링 브릿지(21)를 형성할 수 있다.

도 10을 참조하면, 무연 솔더링 브릿지(21)는 화살표로 나타낸 지점에 라인 용접을 시행하여 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23)의 대향 표면(S1, S2)과 직접 접합될 수도 있다. 이 경우, 무연 솔더링 브릿지(21)의 폭은 최대한 작게 하는 것이 바람직하다.

한편, 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)의 접합 면적을 증가시키고 부품의 인장강도 특성을 향상시키기 위해 상기 대향 표면(S1, S2)은 다양한 형태로 변경이 가능하다.

일 예로, 상기 대향 표면(S1, S2)은 도 11에 도시된 바와 같이 무연 솔더링 브릿지(21) 방향으로 테이퍼진 경사면 형태를 가질 수 있다. 다른 예로, 상기 대향 표면(S1, S2)은 도 12에 도시된 바와 같이 무연 솔더링 브릿지(21) 방향으로 볼록한 형태를 갖도록 중심 영역은 서로 나란한 평탄면의 형태를 가지고, 중심 영역의 상단 및 하단에 위치하는 가장자리 영역은 서로 반대 방향으로 테이퍼진 경사면 형태를 가질 수 있다. 또 다른 예로, 상기 대향 표면(S1, S2)은 도 13에 도시된 바와 같이 트랜치(도랑) 형태의 리세스(recess) 구조를 가질 수 있다. 리세스의 형상은 쇄기 형상, 사각 형상, 반원 형상 등 여러 가지 형태가 가능하다. 또 다른 예로, 상기 리세스 구조는 도 14에 도시된 바와 같이 플레이트의 상부 및 하부로 연장되어 있는 측벽을 가질 수 있다.

도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 융단 분리부(A)를 외기와 차단하기 위해 융단 분리부(A)를 절연 테이프(30)로 피복할 수 있다. 도 15에 도시된 것과 달리, 상기 절연 테이프(30)는 융단 분리부(A)의 상부와 하부를 모두 피복하지 않고 어느 한쪽만 피복하는 것도 가능하다. 상기 절연 테이프(30)의 부착은 본 발명이 개시하는 모든 형태의 이차전지용 부품에 적용 가능하다. 상기 절연 테이프(30)는 폴리올레핀 필름, 폴리프로필렌 필름 및 산 변성 폴리프로필렌(Acid modified polypropylene) 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 16를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 이용 상의 필요에 따라 제1금속 플레이트(22) 또는 제2금속 플레이트(23)의 중간 지점을 절곡하여 그 형상을 얼마든지 변형할 수 있다. 가능한 형상은 도면에 도시된 ㄷ 자형 이외에도 여러 가지 변형이 가능하다.

상술한 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 제조 방법은, 앞서 설명한 실시예에 의해 자명하게 파악이 가능하다. 먼저 도면들에 예시된 부품의 구조에 정합되는 제1금속 플레이트와 제2금속 플레이트를 준비한다. 그런 다음, 상기 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트를 실질적으로 동일 평면 상에서 서로 근접시켜 플레이트들 사이에 간극이 생기도록 대향시킨다. 상기 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트가 대향하고 있는 부분의 구조는 도면들에 도시된 바와 같이 여러 가지 형태가 가능하다. 그러고 나서, 상기 제1금속 플레이트와 상기 제2금속 플레이트의 대향 부분에 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 포함하는 무연 솔더링 브릿지를 제공한다. 그런 다음, 상기 무연 솔더링 브릿지의 일 측을 상기 제1금속 플레이트에, 상기 무연 솔더링 브릿지의 다른 측을 상기 제2금속 플레이트에 용접한다. 필수적인 것은 아니지만, 상기 무연 솔더링 브릿지 및/또는 간극을 외부 공기와 차단시키는 절연 테이프를 해당 부위에 접착시키는 단계를 추가적으로 진행할 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지용 부품은 다양한 방식으로 이차전지의 제조에 사용이 가능하다.

도 17은 상술한 이차전지용 부품을 사용하여 제조된 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 리튬 이차전지의 단면도이다.

도 17을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지(40)는, 양극 리드(41)와 음극 리드(42)가 전기적으로 접속된 전극 조립체(43)를 포함한다.

상기 양극 리드(41)와 상기 음극 리드(42)는 본 발명에 따른 이차전지용 부품과 실질적으로 동일한 구조를 가진다. 즉, 상기 양극 리드(41)와 음극 리드(42)는 2개의 금속 플레이트가 융단 분리부(A)에 의해 브릿지 형태로 연결된 구조를 가진다. 도면에 도시된 것과 달리, 본 발명에 따른 이차전지용 부품 구조는 양극 리드(41)와 음극 리드(42) 중 어느 한 쪽에만 적용하는 것도 가능하다.

상기 전극 조립체(43)는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조를 가진 단위 셀이 적어도 하나 이상 집합된 구조를 가진다. 상기 양극과 음극의 적어도 한 쪽 면에는 이차전지의 작동에 필요한 활물질이 코팅되어 있으며, 인접하는 단위 셀 사이에는 단위 셀 상호 간의 전기적 연결을 차단하는 절연막이 개재되어 있을 수 있다. 일 예로, 상기 양극과 음극에는 각각 리튬 계열의 양극 활물질과 탄소 계열의 활물질이 코팅되어 있을 수 있다. 그리고 상기 분리막과 절연막은 폴리올레핀 계열의 다공성 고분자 필름으로 이루어질 수 있다. 위와 같은 이차전지의 구조는 본 발명이 속한 기술분야에 널리 공지되어 있으므로 본 발명은 전극 조립체(43)의 구체적인 구조나 물질 구성 등에 의해 한정되지 않는다.

상기 전극 조립체(43)는 각각의 양극 및 음극으로부터 연장된 다수의 양극 탭(44)과 음극 탭(45)을 포함한다. 다수의 양극 탭(44)과 음극 탭(45)은 1차 용접을 통해 하나로 결집된 후 2차 용접을 통해 각각 양극 리드(41)와 음극 리드(42)에 접합된다.

상기 전극 조립체(43)는 양극 리드(41)와 음극 리드(42)의 끝단이 외부로 노출되도록 포장재(46) 내에 긴밀하게 밀봉된다. 상기 포장재(46)는 상기 전극 조립체(43)와 대향하는 내 측면에 열 접착층이 형성된 알루미늄 파우치 필름으로 이루어진다. 따라서 상기 전극 조립체(43)는 포장재(46)의 가장 자리를 따라 열을 인가하여 포장재(46) 내에 밀봉한다. 상기 포장재(46) 내에는 이차전지의 종류에 따라 액체 전해질, 고체 전해질, 겔형 전해질 등이 포함되어 있을 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지(40)는 전극 리드에 융단 분리부(A)가 포함되어 있으므로 전극 리드를 통해 과전류가 흘러 융단 분리부(A)에 포함된 무연 솔더링 브릿지의 온도가 150~300도까지 상승할 경우 융단 분리부(A)를 중심으로 전극 리드가 파단되어 과전류의 흐름이 비가역적으로 차단된다. 따라서 보호회로와는 독립적으로 과전류로부터 이차전지(40)를 보호할 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 이차전지의 전극 리드 이외에도 다수의 이차전지를 직렬 또는 병렬로 연결하는데 사용되는 커넥터 부품으로 사용할 수 있다.

도 18 및 도 19는 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)이 커넥터 부품으로 사용된 모습을 도시한 사용 상태도이다.

본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 도 18에 도시된 바와 같이 서로 인접하는 단자(50, 60)와 용접을 통해 연결될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 도 19에 도시된 바와 같이 인접하는 단자(50, 60)와 볼트 결합을 통해 연결될 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 단자(50, 60)와 리벳을 통해 연결될 수도 있다. 상기 단자(50, 60)는 복수의 이차전지를 집합시킨 대용량 멀티 전지 시스템에서 전기적인 커넥팅이 필요한 부품에 구비된 단자를 지칭하는 것으로 그 종류에 특별한 제한이 없다. 또한, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)과 단자(50, 60) 사이의 연결 방식은 상술한 방식 이외에도 여러 가지 변형된 방식이 가능함은 자명하다.

상기 멀티 전지 시스템은, 다수의 이차전지를 직렬 또는 병렬 연결한 전지 모듈; 다수의 전지 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결한 전지 팩; 복수의 전지 팩을 직렬 또는 병렬로 연결한 팩 어셈블리 등을 의미한다.

상기와 같이, 이차전지용 부품(20)이 인접하는 단자(50, 60) 사이에 개재되면 상기 단자(50, 60) 사이에 과전류가 흘러 이차전지용 부품(20)에 포함된 무연 솔더링 브릿지의 온도가 150~300도까지 상승할 경우 융단 분리부(A)를 중심으로 단자(50, 60) 사이의 전기적 연결이 파단되어 과전류의 흐름이 비가역적으로 차단된다. 따라서 보호회로와는 독립적으로 과전류로부터 멀티 전지 시스템을 보호할 수 있다.

상기 멀티 전지 시스템은, 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 또는 전력 저장 장치에 사용되는 대용량의 이차전지 시스템으로 사용이 가능하다.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험 예를 개시한다. 그러나 하기의 실험 예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것으로서 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

45Ah의 용량을 갖는 파우치 타입의 리튬 이차전지를 제조하되, 음극 리드 측에만 도 2에 도시된 이차전지용 부품의 구조를 적용하였다. 따라서 음극 리드는 2개의 구리 플레이트가 라인 용접에 의해 무연 솔더링 브릿지에 접합된 구조를 가진다. 구리 플레이트와 무연 솔더링 브릿지의 두께는 각각 0.2mm 및 0.5mm였다. 상기 라인 용접은 3.5kV의 에너지 조건을 갖는 레이저를 사용하여 시행하였다. 라인 용접이 이루어진 지점 사이의 거리는 1mm였다. 무연 솔더링 브릿지는, 주석과 구리의 함량이 각각 96중량% 및 4중량%이며 폭이 3mm인 솔더링 합금판을 사용하여 형성하였다.

실시예 2

무연 솔더링 브릿지의 형성에 사용된 합금판에 주석 99.4중량%, 구리 0.5중량% 및 니켈 0.1중량%가 함유되어 있다는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 45Ah 용량의 파우치형 리튬 이차전지를 제조하였다.

비교예

무연 솔더링 브릿지가 없고 두께가 0.2mm인 구리 플레이트로 이루어진 음극 리드를 사용하였다는 것을 제외하고는, 실시예1과 동일하게 45Ah 용량의 파우치형 리튬 이차전지를 제조하였다.

실험예 1: 리튬 이차전지의 저항측정 실험

실시예1의 리튬 이차전지를 25도의 대기압 환경에서 충전과 방전을 실시하였다. 충전전류의 크기는 72A로, 방전전류의 크기는 95A로 설정하였다.

리튬 이차전지의 충전 시 SOC(State of Charge)가 10%씩 증가할 때마다 이차전지의 저항을 측정하고 평균 저항 값으로 1.515 밀리오옴(mOhm)을 얻었다.

실시예2의 리튬 이차전지에 대해서도 실시예1과 동일한 저항측정 실험을 수행하여 평균 저항 값으로 1.529 밀리오옴(mOhm)을 얻었다.

비교예의 리튬 이차전지에 대해서도 실시예1과 동일한 저항측정 실험을 수행하여 평균 저항 값으로 1.494mOhm을 얻었다.

상기 저항측정 실험에 따르면, 실시예1은 비교예에 비해 1.4%의 저항 증가 특성을 보이고 실시예2는 비교예에 비해 2.3%의 저항 증가 특성을 보인다. 따라서 음극 리드에 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조를 적용하더라도 기존의 리튬 이차전지와 비교하여 저항 특성이 크게 달라지지 않는 것을 알 수 있다.

또한 실시예2는 구리 함량이 0.5중량%로 매우 낮은 점을 감안할 때 무연 솔더링 브릿지에 함유된 구리의 함량이 2~20중량%로 조절되면 적어도 2.3% 미만의 저항 증가 특성이 나타날 것임은 자명하다.

실험예 2: 리튬 이차전지의 단락 실험

본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조가 리튬 이차전지의 전극 리드에 적용되었을 때 과전류 환경에서의 안전성을 테스트하기 위해 단락 실험을 실시하였다.

실시예1 및 2의 리튬 이차전지를 SOC 100%까지 만충전시킨 후 양극 전극과 음극 전극을 서로 연결하여 단락 조건을 형성하였다. 단락 조건을 형성한 후 일정한 시간 간격으로 단락 전류의 크기를 측정하면서 음극 리드의 플레이트 부분과 이차 전지 포장재의 중앙 부분에서 시간 경과에 따라 온도 변화를 관찰해 보았다. 단락 전류와 온도의 모니터 결과는 도 20 및 21에 도시하였다.

도 20를 참조하면, 실시예1 및 2의 리튬 이차전지 모두 단락 조건이 형성된 직후 단락 전류의 크기는 1465A까지 급격하게 상승하였으며, 단락 전류가 흐르기 시작한지 1초가 되기도 전에 음극 리드에서 판단 현상이 발생하면서 단락 전류의 크기는 0으로 감소하였음을 알 수 있다. 음극 리드가 파단되었다는 것은 적어도 음극 리드에 포함된 무선 솔더링 브릿지의 온도가 용융 온도까지 급격하게 상승하였다는 것을 뒷받침한다.

또한, 도 21을 참조하면, 실시예1 및 2의 리튬 이차전지 모두 단락 전류가 급격하게 증가하였음에도 불구하고 이차 전지의 온도는 실질적인 변화가 없었으며 전극 리드의 온도는 과전류 발생 직 후 상온에서 18도 정도 증가한 후 1분 이내에 다시 상온으로 돌아온 것을 확인할 수 있다.

비교예의 리튬 이차전지에 대해서도 상기와 동일한 단락 실험을 실시하였다. 실험 결과 리튬 이차전지의 온도가 2분이 되기 전에 100도 이상으로 급격하게 상승하였으며, 리튬 이차전지의 실링 부위가 개방되면서 가스가 방출되었고 가스가 방출된 직후에는 리튬 이차전지의 온도가 60도 정도로 유지되는 것을 확인하였다.

상기 실험 결과에 따르면, 실시예1 및 2의 리튬 이차전지의 경우 단락 전류가 발생되는 즉시 전극 리드의 파단에 의해 과전류가 차단되고 무선 솔더링 브릿지의 용융이 일어나는 전극 리드의 파단 부위에서만 150~300도의 국소적인 온도 상승이 이루어지므로 과전류의 흐름이 발생되어도 이차전지에는 실질적인 영향이 없음을 알 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조를 리튬 이차전지의 전극 리드에 적용하면 과전류 환경에서 리튬 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

실험예 3: 리튬 이차전지의 과충전 실험

본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조가 리튬 이차전지의 전극 리드에 적용되었을 때 과충전 시의 안전성 여부를 테스트하기 위해 과충전 실험을 실시하였다.

과충전 실험에서는, 실시예 1~2 및 비교예의 리튬 이차전지를 사용하였으며, 각 전지들을 10V/1A의 조건으로 과충전하여 이차전지의 상태를 모니터하였다.

모니터 항목은 발화 여부, 폭발 여부 및 연기 발생 여부이며, 모니터한 결과는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.

실험 결과, 비교예의 리튬 이차전지는 과충전으로 인해 전지의 온도가 급격하게 상승했으며, 결국 전지의 발화 및 폭발이 발생하였다. 이에 비하여, 실시예1 및 2의 리튬 이차전지는 급격한 온도상승에 의해 음극 리드가 파단됨으로써 안전성에 문제가 없음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조를 리튬 이차전지의 전극 리드에 적용하면, 과전류 환경뿐만 아니라 과충전 환경에서도 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

실험예 4: 이차전지용 부품의 인장강도 특성 평가 실험

본 발명에 따른 인장강도 특성을 평가하기 위한 실험을 다음과 같이 실시하였다.

먼저, 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 무연 솔더링 브릿지로 사용되는 솔더링 물질과 금속 플레이트의 접합 강도를 측정해 보았다.

샘플1

폭이 1cm; 길이가 4cm; 두께가 0.5mm인 구리 판과, 폭이 1cm; 길이가 4cm; 두께가 0.5mm이며 주석과 구리의 함량이 각각 96중량% 및 4중량%인 솔더링 합금판을 3mm 중첩시킨 후 중첩 부분의 중앙을 따라 레이저로 라인 용접을 실시하여 샘플1을 제작하였다.

샘플2

폭이 1cm; 길이가 4cm; 두께가 0.5mm인 구리 판과, 폭이 1cm; 길이가 4cm; 두께가 0.2mm인 알루미늄 판을 3mm 중첩시킨 후 중첩 부분의 중앙을 따라 샘플1과 동일하게 레이저로 라인 용접을 실시하여 샘플2를 제작하였다.

상기와 같이 샘플1 및 2를 만든 후 UTM(Universal Testing Machine)을 사용하여 각 샘플의 인장 강도를 측정해 보았다. 그 결과, 샘플1의 인장 강도는 233.2N, 샘플2의 인장 강도는 150.9N으로 측정되었으며, 샘플1의 인장 강도가 샘플2에 비해 54.5% 정도로 매우 크다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 이차전지용 부품에 사용되는 무연 솔더링 물질은 금속 플레이트와의 접합 특성이 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 한편, 샘플2의 인장 강도 수준은 이차전지의 전극 리드나 멀티 전지 시스템에 사용되는 각종 커넥터에 요구되는 인장 강도 수준보다 크다. 따라서 본 발명에 따른 무연 솔더링 브릿지가 이차 전지의 전극 리드나 멀티 전지 시스템에 사용되는 각종 커넥터에 사용되어도 전혀 지장이 없음을 알 수 있다.

다음으로, 주석과 구리를 포함하는 무연 솔더링 물질에 있어서 구리의 함량 변화에 따라 인장 강도 특성을 평가해 보았다. 이를 위해, 구리의 함량이 4중량%, 6중량%, 8중량%, 10중량%, 15중량% 및 20중량%로 서로 다른 6개의 샘플3~8을 준비하였다.

샘플3~8의 두께, 폭 및 길이는 0.5mm, 1cm 및 5cm로 모두 동일하게 하였고, 각 샘플의 인장강도는 UTM을 사용하여 측정하였다. 측정 결과는 도 22에 도시하였다.

도 22를 참조하면, 무연 솔더링 물질의 인장 강도는 구리의 함량이 4~8중량%일 때 동일한 수준의 높은 인장강도 특성을 보임을 알 수 있다. 그런데 샘플1 및 2에 대한 인장강도 측정 실험을 통하여 구리의 함량이 4중량%인 무연 솔더링 물질은 금속 플레이트와의 접합 특성이 우수하다는 것은 이미 확인하였다. 따라서 구리의 함량이 4~8중량%인 무연 솔더링 물질의 경우도 금속 플레이트와의 접합 특성이 매우 우수할 것이라는 점은 자명하다. 또한 구리의 함량이 4중량% 미만이 되면 인장 강도 특성이 좋은 주석의 함량이 상대적으로 더 늘어난다. 따라서 직접 측정을 하지 않더라도 구리의 함량이 4중량% 미만일 경우 적어도 구리의 함량이 4~8중량%일 때의 인장 강도 수준을 유지할 것임은 자명하다.

한편, 구리의 함량이 10~20중량%로 늘어나면 구리의 함량이 4~8중량%인 경우에 비해 인장강도 특성이 조금 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 하지만 인장강도의 감소량이 크지 않으므로 구리의 함량이 10~20중량%인 무연 솔더링 물질의 경우도 본 발명에 따른 이차전지용 부품에 사용하기에 충분한 인장강도 특성을 가진다는 것은 자명하다.

상기 실험 결과로부터 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조를 구현하는데 사용되는 무연 솔더링 물질은 이차전지의 전극 리드나 멀티 전지 시스템에 사용되는 각종 커넥터로서 사용하기에 충분한 인장 강도 특성을 가진다는 것을 알 수 있다.

따라서 기존에 사용되는 전극 리드나 커넥터의 기하학적 규격을 실질적으로 변경하지 않고도 전극 리드나 커넥터를 본 발명에 따른 이차전지용 부품으로 대체가 가능하다.

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.

20: 이차전지용 부품 21: 무연 솔더링 브릿지
22: 제1금속 플레이트 23: 제2금속 플레이트
24: 간극 25, 26: 제1접합부, 제2접합부
27, 28: 접합부 40: 이차전지
41: 양극리드 42: 음극 리드
43: 전극 조립체 44: 양극 탭
45: 음극 탭 50, 60: 단자

Claims (28)

150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지; 및
미세한 간극을 사이에 두고 이격된 상태로 상기 무연 솔더링 브릿지와 접합된 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 제1금속 플레이트와 상기 제2금속 플레이트는 동일 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 어느 한 쪽 면 또는 양쪽 면 상에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 간극은 0.3mm 이하의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 간극은 직선형, 지그재그(zigzag)형, 톱니형 및 물결형 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 주석 함량은 80 ~ 98중량%이고, 구리의 함량은 2 ~ 20중량%임을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제6항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 니켈, 아연, 및 은 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제7항에 있어서,
상기 추가 금속의 함량은 0.01~10중량%임을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지, 상기 간극 또는 이들 모두를 피복하는 절연 테이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 서로 대향하고 있는 대향 표면 사이에 직접적으로 개재되어 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제10항에 있어서,
상기 대향 표면은 상기 무연 솔더링 브릿지 방향으로 테이퍼진 경사면을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제10항에 있어서,
상기 대향 표면은 무연 솔더링 브릿지 방향으로 볼록한 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제12항에 있어서,
상기 대향 표면의 중심 영역은 서로 나란히 마주보는 평탄면의 형태를 가지고 상기 중심 영역의 상단 및 하단에 위치하는 가장자리 영역은 서로 반대 방향으로 테이퍼진 경사면 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제10항에 있어서,
상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 리세스(recess) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 서로 대향하고 있는 각각의 끝단부에 형성된 제1 및 제2절곡부의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제15항에 있어서,
상기 제1 및 제2절곡부는 면대칭 또는 점대칭에 의해 상호 교합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 끝단부가 상하로 배치되면서 중첩될 때 형성되는 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 끝단부에 형성된 홈의 상호 교합에 의해 형성된 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 라인 용접을 통해 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제19항에 있어서,
상기 간극에 면한 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 표면에 라인 용접 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

제19항에 있어서,
상기 라인 용접은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 또는 아크 용접임을 특징으로 하는 이차전지용 부품.

양극 리드와 음극 리드가 전기적으로 결합된 전극 조립체; 및
상기 양극 리드와 상기 음극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 밀봉하는 포장재;를 포함하고,
상기 양극 리드, 상기 음극 리드 또는 이들 모두에 상기 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 하는 이차전지.

복수의 이차 전지를 포함하는 멀티 전지 시스템에서,
상기 복수의 이차 전지를 직렬 방식, 병렬 방식 또는 이들의 조합 방식으로 연결하는데 사용되는 커넥터를 포함하고,
상기 커넥터에 상기 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 하는 멀티 전지 시스템.

제23항에 있어서,
상기 멀티 전지 시스템은, 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 전원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 멀티 전지 시스템.

서로 분리된 제1금속 플레이트와 제2금속 플레이트를 실질적으로 동일 평면 상에서 서로 근접시켜 플레이트들 사이에 간극이 생기도록 대향시키는 단계;
상기 제1금속 플레이트와 상기 제2금속 플레이트의 대향 부분에 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 포함하는 무연 솔더링 브릿지를 제공하는 단계; 및
상기 무연 솔더링 브릿지의 일 측을 상기 제1금속 플레이트에, 상기 무연 솔더링 브릿지의 다른 측을 상기 제2금속 플레이트에 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.

제25항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지, 상기 간극 또는 이들 모두를 절연테이프로 피복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.

제25항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 라인 용접을 통해 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.

제27항에 있어서,
상기 라인 용접은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 또는 아크 용접임을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.

Images