KR20130019477A - 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일측에 양극탭 및 음극탭이 형성되는 전지 셀; 상기 전지 셀의 양극탭 및 음극탭이 외부로 돌출되도록 상기 전지 셀을 감싸 밀봉하도록 형성되는 파우치; 및 상기 파우치 내부에 구비되며, 특정한 형상으로 절곡되어 상기 전지 셀의 온도 상승시 절곡부가 펴지면서 상기 파우치를 뚫어 개방시킬 수 있도록 구성되어, 과충전 및 과방전 등에 의한 온도상승으로 파우치 내부에 가스가 발생하여 팽창될 때 상기 파우치 내부에 발생하는 가스를 배출시켜 발화 및 폭발을 방지할 수 있는 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것이다.

Description

형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지 {Secondary battery improved safety using shape memory alloy}
본 발명은 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일측에 양극탭 및 음극탭이 형성되는 전지 셀; 상기 전지 셀의 양극탭 및 음극탭이 외부로 돌출되도록 상기 전지 셀을 감싸 밀봉하도록 형성되는 파우치; 및 상기 파우치 내부에 구비되며, 특정한 형상으로 절곡되어 상기 전지 셀의 온도 상승시 절곡부가 펴지면서 상기 파우치를 뚫어 개방시킬 수 있도록 구성되어, 과충전 및 과방전 등에 의한 온도상승으로 파우치 내부에 가스가 발생하여 팽창될 때 상기 파우치 내부에 발생하는 가스를 배출시켜 발화 및 폭발을 방지할 수 있는 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드카와 같은 다양한 분야에 적용되며 활발한 연구가 진행중이다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지를 들 수 있다.
이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
리튬 이차전지는 다양한 형태로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있으며, 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)으로 제조되어서, 그 형상이 비교적 자유롭다.
이러한, 파우치형 리튬 폴리머 전지(이하, "파우치형 셀"이라고 함)는 쉽게 휘어지거나 구부러질 수 있기 때문에 외측에 견고한 케이스를 결합하여 장시간 사용할 수 있도록 구성된다.
또한, 종래의 파우치형 셀은 출력 또는 용량 특성을 향상시키기 위해 유기 용매 및 가소제들이 첨가되어 제조된다.
그런데 전지가 작동하는 전압(2.5 ~ 4.3 V)에서 전기화학적으로 안정하지만, 전지가 상기 작동전압 이상의 전압으로 상승하게 되면 구성 재료들이 각각의 분해 전압에서 분해되면서 발화성 가스를 발생시킨다.
이렇게 발생되는 가스는 파우치 내부의 압력을 증가시키고, 그 결과, 전압이 계속 상승하게 되며, 이때 미세하게 단락된 부분이 있거나 음극의 표면에 전착된 리튬 금속이 분리막을 뚫고 양극과 접촉되는 경우에는 쇼트가 발생하여 대량의 전류가 흐르면서 순식간에 셀 내부의 온도가 상승하고 많은 양의 가스가 발생되어 파우치가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생한다.
그리하여 발화성 가스가 파우치의 취약한 부분을 통해 외부로 방출되며, 결국에는 파우치형 셀이 발화하거나 폭발하게 된다.
이를 방지하기 위해 종래의 파우치형 셀(1)은 도 1과 같이 일측에 전극단자(3)가 형성되는 전극체와, 상기 전극체를 밀봉하는 파우치(2)로 이루어지며, 상기 파우치(2)는 상기 전극체를 감싸도록 형성되어 주변이 용착되어 밀봉되며, 상기 파우치(2)가 밀봉되는 일측에 형상기억 안전튜브(4)가 형성된다.
그리하여 종래의 파우치형 셀(1)은 상기 전극체의 과충전 또는 쇼트로 인해 가스가 발생하면 온도가 상승하여 상기 형상기억 안전튜브(4)가 열리면서 상기 파우치(2) 내부에서 발생하는 가스가 외부로 배출되어 발화 및 폭발을 방지하도록 구성되어 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 파우치형 셀은 상기 파우치에 형상기억 안전튜브가 형성되어 열융착 등을 통해 밀봉되어야 하므로 제작이 어려운 문제점이 있다.
또한, 온도상승으로 인한 파우치 내부의 가스 발생시 상기 파우치가 부풀어 오르면서 상기 전극체와 파우치가 밀착되지 않으므로, 상기 형상기억 안전튜브로의 열전달이 확실하게 이루어지지 않아 정확한 온도에서 파우치를 개방하여 가스를 배출시키기 어려운 문제점이 있다.
KR 10-0864694 B1 (2008.10.15.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 일측에 양극탭 및 음극탭이 형성되는 전지 셀; 상기 전지 셀의 양극탭 및 음극탭이 외부로 돌출되도록 상기 전지 셀을 감싸 밀봉하도록 형성되는 파우치; 및 상기 파우치 내부에 구비되며, 특정한 형상으로 절곡되어 상기 전지 셀의 온도 상승시 절곡부가 펴지면서 상기 파우치를 뚫어 개방시킬 수 있도록 구성되어, 과충전 및 과방전 등에 의한 온도상승으로 파우치 내부에 가스가 발생하여 팽창될 때 상기 파우치 내부에 발생하는 가스를 배출시켜 발화 및 폭발을 방지할 수 있는 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지는, 일측으로 양극탭 및 음극탭이 돌출 형성되는 전지 셀; 상기 전지 셀의 양극탭 및 음극탭이 외부로 인출되도록 상기 전지 셀을 감싸 밀봉하는 파우치; 및 상기 파우치 내부에 구비되며, 일부가 절곡된 형태의 형상기억합금; 을 포함하여 이루어지되, 상기 형상기억합금은 상기 전지 셀이 특정한 온도 이상으로 상승시 절곡부가 펴지면서 상기 파우치를 뚫어 개방시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 파우치는 알루미늄 라미네이트 포장재인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형상기억합금은 C자형으로 절곡된 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형상기억합금은 Ti+Ni 합금 또는 Cu+Zn+Al 합금인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형상기억합금은 상기 파우치가 밀봉되는 내부 가장자리에 위치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지는, 파우치 내부에 절곡된 형상기억합금이 구비되어 과충전 및 과방전 등에 의한 온도상승으로 파우치 내부에 가스가 발생하여 팽창될 때 절곡부가 펴지면서 상기 파우치를 뚫어 개방시킬 수 있도록 구성되어, 구조가 간단하며 제작이 용이한 장점이 있다.
또한, 파우치 내부에 구비되는 절곡된 형태의 형상기억합금이 상기 전지 셀에 일측이 결합되므로 가스가 발생하여 파우치가 팽창되더라도 형상기억합금과 전지 셀이 접촉되어 있어 열전달이 확실하게 이루어지므로 정확한 온도에서 파우치를 개방시켜 가스를 배출할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 파우치형 이차전지를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지를 나타내는 사시도.
도 3은 도 2의 AA'방향 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 형상기억합금 실시 예를 나타낸 사시도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 형상기억합금의 작동 원리를 나타낸 단면도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지를 나타낸 사시도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지는(1000), 일측으로 양극탭(110) 및 음극탭(120)이 돌출 형성되는 전지 셀(100); 상기 전지 셀(100)의 양극탭(110) 및 음극탭(120)이 외부로 인출되도록 상기 전지 셀(100)을 감싸 밀봉하는 파우치(200); 및 상기 파우치(200) 내부에 구비되며, 일부가 절곡된 형태의 형상기억합금(300); 을 포함하여 이루어진다.
우선, 상기 전지 셀(100)은 전기를 충전 또는 방전할 수 있는 부분으로 양극판, 음극판, 분리막 및 전해질 등으로 이루어지는 전극체(130)의 상기 양극판과 음극판에 연결되도록 일측으로 양극탭(110) 및 음극탭(120)이 돌출 형성된다.
그리고 상기 전지 셀(100)은 상기 파우치(200)에 의해 밀봉되도록, 상기 파우치(200)가 상기 전지 셀(100)의 외면을 둘러싸는 형태로 형성된다.
이때, 상기 파우치(200)는 상기 전극체(130)의 일측으로 연장 형성되는 상기 양극탭(110)과 음극탭(120)이 상기 파우치(200)의 외부로 인출되도록 형성된다.
즉, 상기 전지 셀(100)은 상기 전극체(130)에 그 일측으로 양극탭(110) 및 음극탭(120)이 연장 형성되어 이루어지며, 상기 파우치(200)가 상기 양극탭(110)과 음극탭(120)을 제외한 상기 전극체(130)만을 밀봉하도록 감싸는 형태로 이루어진다.
또한, 상기 파우치(200)는 상기 전극체(130)를 밀봉하도록 형성되는데, 상기 파우치(200) 내부에 상기 전지 셀(100)을 넣은 상태에서 상기 파우치(200)의 가장자리를 열 융착하여 밀봉되도록 형성될 수 있다.
여기에서 상기 형상기억합금(300)은 상기 파우치(200) 내부에 구비되고 상기 전지 셀(100)의 전극체(130)의 일측에 상기 양극탭(110)과 음극탭(120) 사이에 구비되며, 상기 파우치(200)의 양면에 접하도록 결합된다.
도 2 내지 도 4를 참조하면 상기 형상기억합금(300)은 폭이 좁고 길이가 긴 판의 형태로 형성되어 일부가 절곡된 형태로 이루어지며, 상기 형상기억합금(300)은 길이가 긴 쪽이 상기 파우치(200)의 일면에 접하고 길이가 짧은 쪽은 상기 파우치(200)에 타면에 접하도록 형성된다.
그러므로 상기 형상기억합금(300)의 상기 파우치(200)의 내부에 구비되되, 상기 전극체(130)의 일측에 구비되어 상기 전지 셀(100)의 전체적인 두께를 얇게 형성되도록 할 수 있다.
이때, 상기 형상기억합금(300)은 상기 전지 셀(100)이 특정한 온도 이상으로 상승시 절곡부(310)가 펴지면서 상기 파우치(200)를 뚫어 개방시키도록 형성된다.
즉, 본 발명의 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지(1000)는 상기 전지 셀(100)이 충전 또는 방전되는 과정에서 상기 전지 셀(100)의 전극체(130)에 미세하게 단락된 부분이 있거나, 쇼트가 발생하는 경우에 대량의 전류가 흐르면서 순식간에 상기 전지 셀(100)의 온도가 상승하고 많은 양의 가스가 발생되어 도 5와 같이 상기 파우치(200)가 부풀어 오르게 된다.
이때, 도 6과 같이 상기 파우치(200) 내부에 구비되며 상기 전극체(130)의 일측에 위치되는 상기 형상기억합금(300)이 온도가 상승하면서 상기 절곡부(310)가 펴져 상기 파우치(200)를 뚫어 개방시키게 된다.
그리하여 상기 전지 셀(100)이 특정한 온도 이상으로 과열되면서 가스가 발생할 때, 상기 파우치(200) 내부에서 발생되는 가스를 외부로 배출시킬 수 있어 발화 및 폭발의 위험을 줄일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지(1000)는, 파우치 내부에 절곡된 형상기억합금이 구비되어 과충전 및 과방전 등에 의한 온도상승으로 파우치 내부에 가스가 발생하여 팽창될 때 절곡부가 펴지면서 상기 파우치를 뚫어 개방시킬 수 있도록 구성되어, 구조가 간단하며 제작이 용이한 장점이 있다.
또한, 절곡된 형태의 형상기억합금(300)이 상기 파우치(200)의 내부에 구비되므로 가스가 발생하여 파우치가 팽창되더라도 열전달이 빠르게 이루어지므로 정확한 온도에서 파우치를 개방시켜 가스를 배출할 수 있는 장점이 있다.
이하에서 본 발명의 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지의 각 부에 대한 실시 예를 설명하기로 한다.
먼저, 상기 파우치(200)는 알루미늄 라미네이트 포장재로 이루어질 수 있다.
상기 알루미늄 라미네이트 포장재는 얇은 알루미늄(Al) 막에 폴리에틸렌(PE)과 같은 플라스틱 박막을 증착하여 얇고 유연한 형태로 만든 포장재로서, 열 융착을 통해 밀봉이 용이하고 또한 두께가 얇아 개봉이 쉬운 장점을 가지고 있다.
그러므로 상기 알루미늄 라미네이트 포장재를 이용하면, 상기 형상기억합금(300)의 온도가 상승되면서 절곡부(310)가 펼쳐져 상기 알루미늄 라미네이트 포장재로 형성되는 파우치(200)를 개방시키기 용이하다.
그리고 상기 형상기억합금(300)은 C자형으로 절곡된 형태로 이루어질 수 있다.
도 4를 참조하면 상기 형상기억합금(300)은 일부가 절곡되어 접혀있는 형태일 수 있으며, C자형으로 절곡되거나 구부러진 형태로 이루어질 수도 있다.
즉, 상기 형상기억합금(300)이 C자형으로 형성되는 경우, 전지 셀(100)의 온도가 상승하여 가스가 발생하면 상기 형상기억합금(300)이 벌어지면서 상기 파우치(200)를 뚫어 개방시켜 내부의 가스를 배출할 수 있다.
또한, 상기 형상기억합금(300)은 니켈 및 티타늄(Ti+Ni) 합금 또는 구리, 아연 및 알루미늄(Cu+Zn+Al) 합금으로 이루어질 수 있다.
일반적으로 형상기억합금은 변형시키더라도 가열에 의하여 다시 변형 전의 모양으로 되돌아오는 성질을 가진 합금을 말하며, 니켈과 티타늄을 1:1로 합금한 것이 일반적이며 구리, 아연(20~25%) 및 알루미늄(4~6%)을 합금한 것을 사용할 수도 있다.
이러한 형상기억합금은 특정 온도에서 원래 형상으로 복원될 때, 변형시키기 위해 가해진 힘의 약 5배 정도의 힘으로 복원되므로 쉽게 상기 알루미늄 라미네이트 포장재로 이루어지는 파우치(200)를 뚫어 개방시킬 수 있다.
그리고 상기 형상기억합금(300)은 상기 파우치(200)가 밀봉되는 내부 가장자리에 위치되도록 결합될 수 있다.
이는 상기 파우치(200) 내부에 가스가 발생하여 팽창될 때, 상기 형상기억합금(300)이 상기 전지 셀(100)의 중앙부에 위치되도록 결합되어 있으면 상기 파우치(200)가 가장 많이 부풀어 오르는 부분이므로 상기 형상기억합금(300)을 크게 형성하거나 펴지는 정도를 크게 해야 하므로 상기 파우치(200)를 뚫어 개방시키기 어려울 뿐만 아니라 상기 형상기억합금(300)의 제작 비용이 증가된다.
그러므로 상기 형상기억합금(300)을 상기 파우치(200)가 밀봉된 내부의 가장자리에 위치되도록 결합하여 상기 형상기억합금(300)의 크기를 작게 형성할 수 있으며 또한 상기 파우치(200)를 개방시키기 용이하다.
이때, 상기 형상기억합금(300)은 상기 파우치(200)가 밀봉된 내부의 가장자리에 위치되도록 결합하되, 상기 전지 셀(100)의 양극탭(110) 및 음극탭(120)이 형성되는 측에 결합되는 것이 바람직하다.
이는 상기 파우치(200)가 개방되며 외부로 가스가 배출될 때 상기 양극탭(110) 및 음극탭(120)이 형성되는 부분이 위쪽을 향하도록 장착되는 것이 대부분이며 빠르게 가스를 배출할 수 있는 위치이기 때문이다.
또한, 상기 형상기억합금(300)은 일부가 절곡되어 접혀진 형상이나 C자 형태로 적곡된 형태 이외에도, 양측이 접혀진 형태나 주름 형상으로 접혀진 형태 등 다양한 형상으로 형성될 수 있으며 특정한 온도로 상승시 상기 파우치(200)를 뚫어 개방시킬 수 있는 형태라면 적용이 가능하다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : (본 발명의) 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지
100 : 전지 셀
110 : 양극탭 120 : 음극탭
130 : 전극체
200 : 파우치
300 : 형상기억합금 310 : 절곡부

Claims (5)

  1. 일측으로 양극탭 및 음극탭이 돌출 형성되는 전지 셀;
    상기 전지 셀의 양극탭 및 음극탭이 외부로 인출되도록 상기 전지 셀을 감싸 밀봉하는 파우치; 및
    상기 파우치 내부에 구비되며, 일부가 절곡된 형태의 형상기억합금; 을 포함하여 이루어지되,
    상기 형상기억합금은 상기 전지 셀이 특정한 온도 이상으로 상승시 절곡부가 펴지면서 상기 파우치를 뚫어 개방시키는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파우치는 알루미늄 라미네이트 포장재인 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 형상기억합금은 C자형으로 절곡된 형태인 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 형상기억합금은 Ti+Ni 합금 또는 Cu+Zn+Al 합금인 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 형상기억합금은 상기 파우치가 밀봉되는 내부 가장자리에 위치되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 안전성이 향상된 이차전지.
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