KR20130121423A

KR20130121423A - 전극 단자간 연결 부위의 단면적이 감소된 이차전지 모듈

Info

Publication number: KR20130121423A
Application number: KR1020120044601A
Authority: KR
Inventors: 김보현; 이한호; 정신영
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-06

Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 단자간 연결 구조를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것으로, 복수의 이차전지가 연결된 이차전지 모듈로서, 이차전지 사이를 연결하는 전극 단자간 접속 부위의 단면적이 상기 접속 부위를 제외한 단자의 단면적보다 감소된 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈을 제공한다.
본원 발명의 이차전지 모듈은 비이상적인 전류가 흐를 때 파우치형 리튬 이차전지 단자간 연결 부위가 단락되어 별도의 퓨즈 없이도 전지의 안전성을 확보할 수 있다.

Description

전극 단자간 연결 부위의 단면적이 감소된 이차전지 모듈{Secondary battery module having decreased cross-sectional area at connection site between electrode terminals}

본 발명은 전극 단자간 연결 부위의 단면적이 감소된 이차전지 모듈에 관한 것으로, 구체적으로는 복수의 이차전지가 연결된 이차전지 모듈로서, 이차전지 사이를 연결하는 전극 단자간 접속 부위의 단면적이 상기 접속 부위를 제외한 단자의 단면적보다 감소된 이차전지 모듈에 관한 것이다.

최근 전자 장비의 소형화 및 경량화가 실현되고 휴대용 전자 기기의 사용이 일반화됨에 따라, 고에너지 밀도를 갖는 리튬 이차전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

리튬 이차전지는 리튬 이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고, 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시켜 제조하며, 리튬 이온이 상기 양극 및 음극에서 삽입 및 탈리될 때의 산화반응, 환원반응에 의하여 전기적 에너지를 생성한다.

최근에는 스택형 또는 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가, 제조비가 낮고, 중량이 작으며, 형태 변형이 용이하다는 등의 이유로 많은 관심을 모으고 있고 또한 그 사용량도 점차적으로 증가하고 있다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 이차전지의 일반적인 구조가 분해 사시도로서 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 파우치형 이차전지는 전극조립체(30), 상기 전극조립체(30)로부터 연장되어 있는 전극탭들(40, 50), 상기 전극탭들(40, 50)에 용접되어 있는 전극 단자(60, 70), 절연 필름(80) 및 상기 전극조립체(30)를 수용하는 파우치형 외장재인 전지케이스(20)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

상기 전극조립체(30)는 분리막이 개재된 상태에서 양극과 음극이 순차적으로 적층되어 있는 발전소자로서, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어져 있다. 전극탭들(40, 50)은 전극조립체(30)의 각 극판으로부터 연장되어 있고, 전극 단자(60, 70)는 각 극판으로부터 연장된 복수 개의 전극탭들(40, 50)과, 예를 들어, 용접에 의해 각각 전기적으로 연결되어 있으며, 전지케이스(20)의 외부로 일부가 노출되어 있다. 또한, 전극 단자(60, 70)의 상하면 일부에는 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 절연필름(80)이 부착되어 있다.

상기 파우치형 전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체(30)를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 도 1에서와 같은 적층형 전극조립체(30)의 경우, 다수의 양극 탭들(40)과 다수의 음극 탭들(50)이 전극 단자(60, 70)에 함께 결합될 수 있도록, 전지케이스(20) 내부 상단은 전극조립체(30)로부터 일정 간격 떨어져 있다.

이때 전극 단자(60, 70)는 전극 리드와 동일한 개념이며, 본 명세서에서 기재하는 전극 단자는 모두 전극 리드로 이해될 수 있다.

한편, 도 2는 또 다른 형태의 파우치형 이차전지의 예로서, 전극 단자가 전지 케이스의 양측에 각각 돌출되어 있는 파우치형 이차전지의 분해 사시도이다.

도 2의 파우치형 이차전지는 전극 단자들(61, 71)이 전지케이스(21, 22)의 양측에 각각 위치하고, 전지 케이스가 서로 분리된 상부 케이스(21)와 하부 케이스(22)로 이루어져 있다는 점에서 도 1의 파우치형 이차전지와 차이가 있다. 그 외 나머지 구성 요소, 전극탭(41, 51), 전극 단자(61, 71) 및 절연필름(81) 등은 도 1의 파우치형 전지와 마찬가지이며, 도 2의 파우치형 전지는 전극조립체(31)를 케이스에 넣고 하부 케이스(22)와 상부 케이스(21)를 열압착 등에 의해 밀봉함으로써 제조된다.

그러나 상기와 같은 파우치형 리튬 이차 전지는 안전성에 문제가 있으므로 이를 해결하기 위한 시도들이 진행되고 있다.

리튬 이차 전지가 과충전되면 양극으로부터 과잉의 리튬이 나오고, 음극으로 과잉의 리튬이 삽입되면서 음극 표면에 반응성이 매우 큰 리튬 금속이 석출되고 석출된 리튬 금속이 분리막을 뚫을 정도로 성장하여 양극과 음극 사이에 내부 단락을 일으킬 수도 있고, 양극 또한 열적으로 불안정한 상태가 되며, 전해액으로 사용하는 유기 용매의 분해반응으로 인한 급격한 발열반응으로 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 생긴다.

또, 전지가 무거운 물체에 눌리거나 강한 충격을 받거나 전지가 고온에 노출될 경우에도 안전성 문제가 생긴다.

즉, 못 관통, 압착, 충격, 고온 노출 등의 경우, 전지 내부의 양극과 음극은 내부에서 국부적으로 단락이 생긴다. 이때 국부적으로 과도한 전류가 흐르게 되고 이 전류로 인해 발열이 생긴다. 국부적인 단락으로 인한 단락 전류의 크기는 저항에 반비례하므로 단락 전류는 저항이 낮은 쪽으로 많이 흐르게 된다. 이때, 단락 부분을 중심으로 국부적으로 매우 높은 발열이 생기게 된다.

전지 내부에 발열이 생길 경우 전지 내부를 구성하고 있는 양극, 음극 및 전해액이 서로 반응하거나 연소하게 되는데 이 반응은 매우 큰 발열 반응이므로 결국 발화되거나 폭발하게 된다. 따라서, 이와 같은 경우 전지 내부에서 급격한 발열이 생기지 않도록 해야 한다.

이에, 파우치형 전지 조립시 안전성을 향상시키기 위하여 퓨즈를 장착하여 비이상적인 전류 흐름이 발생할 때 단전을 유도하는 방법이 일반적으로 알려져 있다.

본원 발명은 복수의 이차전지가 연결된 이차전지 모듈에 있어서, 안전성이 향상된 단자간 연결 구조를 포함하는 이차전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 복수의 이차전지가 연결된 이차전지 모듈로서, 이차전지 사이를 연결하는 전극 단자간 접속 부위의 단면적이 상기 접속 부위를 제외한 단자의 단면적보다 감소된 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈을 제공한다.

본원 발명에서는 복수의 이차전지가 연결된 이차전지 모듈로서, 이차전지 사이를 연결하는 전극 단자간 접속 부위의 단면적이 상기 접속 부위를 제외한 단자의 단면적보다 감소된 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈을 제공한다.

상기 전극 단자간 접속 부위의 단면적은, 전극 단자간 접속 부위의 폭 또는 두께를 상기 접속 부위를 제외한 단자의 폭 또는 두께보다 감소시킴으로써 감소될 수 있다.

상기 전극 단자간 접속 부위는 단자끼리 직접 연결된 부위일 수도 있고, 단자 사이를 연결하는 버스 바일 수도 있다.

상기 전극 단자간 접속은 접속 부위에서의 폭이 감소되어 있는 단자를 사용하여 접속시킬 수도 있고, 동일한 폭의 단자를 이용하여 접속한 후 접속 부위를 절취할 수도 있는데, 공정상 접속 후 접속 부위를 절취하는 방법이 더욱 간편하다.

상기 전극 단자 사이를 버스 바를 이용하여 연결할 경우, 상기 버스 바의 단면적을 감소시키기 위하여 버스 바가 전극 단자와 동일한 재료일 경우 버스 바의 두께 또는 폭을 전극 단자의 두께 또는 폭보다 작게 하거나, 버스 바의 재료를 전극 단자 재료보다 녹는점이 낮은 물질을 사용할 수 있다. 버스 바의 두께나 폭은 하기 식과 관련하여 비정상 전류가 흐를 경우 전극 단자보다 먼저 단절될 수 있도록 설계되어야 한다.

상기 버스 바는 구리, 알루미늄, 은 또는 아연 등일 수 있다.

상기 단자간 접속 부위의 단면적은 하기 식에 의해 결정할 수 있다.

Q = (I² x R x t)- hA(T_외부온도 - T_물체온도) = m x C x dT

상기 식에서,

(I² x R x t) = 전기에 의한 발열량

hA(T_외부온도 - T_물체온도) = 열이 빠져나가는 속도

m = 질량 (단자 또는 버스 바의 질량)

C = 재질의 열용량

dT = 온도 증가량

R (연결 부위 금속 저항) = 금속 비저항 x 길이/단면적

상기 식을 이용하면, 동일 물질의 경우는 폭 또는 두께의 감소로 연결 부위의 저항이 다른 부위보다 크고, 질량도 작기 때문에 상대적으로 비정상적인 전류 상황이 될때 온도가 빠르게 올라가 녹는점에 빠르게 도달하여 전류의 흐름을 차단할 수 있도록 단자 연결구조를 설계할 수 있다.

상기 전극 단자간 접속은 직렬 연결일 수도 있고, 병렬 연결일 수도 있다.

상기 단면적이 감소된 전극 단자간 접속 부위는 과전류가 흐를 경우 용단된다.

또한, 단면적이 감소된 전극 단자간 접속 부위의 저항값과 면적은 전류 사용 범위와 비정상적인 전류 흐름으로 인한 안전성이 우려되는 전류 한계점을 고려하여 설계할 수 있으며, 예컨대 단면적이 감소된 전극 단자간 접속 부위의 저항값은 인접 부위 저항값의 5~20배 정도로 설계할 수 있다.

안전성이 향상된 단자간 연결 구조를 본원 발명의 이차전지 모듈은 비이상적인 전류가 흐를 때 파우치형 리튬 이차전지 단자간 연결 부위가 단락되어 별도의 퓨즈 없이도 전지의 안전성을 확보할 수 있다.

도 1 및 도 2는 통상의 대표적인 파우치형 이차전지의 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 것과 같은 파우치형 이차전지 사이를 연결하는 단자간 연결 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 나타낸 단자간 연결 구조에 있어서, 단자간 접속 부위를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 것과 같은 파우치형 이차전지 사이를 버스 바를 이용하여 연결하는 단자간 연결 구조를 나타낸 모식도이다.

이하, 본 발명을 첨부하는 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 첨부하는 도면은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니다.

도 3은 도 2와 같은 형태의 파우치형 이차전지가 연결되어 있는 구조를 나타낸 도면이다.

도 3에서는 파우치형 이차전지의 양극 단자(61)와 음극 단자(71)가 서로 연결되어 있으며, 이때 접속 부위(90)의 폭이 감소되어 있는 것을 볼 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 도 3에 나타낸 단자간 접속 부위(90)를 확대하여 나타낸 도면이다. 도 4a에 따르면, 파우치형 이차전지의 양극 단자(61)와 음극 단자(71)를 용접과 같은 방법으로 접속시킨 후 그 용접부(91)를 절취하여 그 폭이 접속 부위를 제외한 양극 단자(61)와 음극 단자(71)의 폭보다 작게 되도록 한다. 한편, 도 4b와 같이, 서로 접속하게 될 부위의 폭을 미리 감소시킨 양극 단자(61)와 음극 단자(71)를 용접 등의 방법으로 접속시키는 방법을 이용할 수도 있다.

본 발명의 이러한 단자간 연결 구조는 도 2와 같은 형태의 파우치형 이차전지의 연결에만 한정되는 것이 아니고, 도 1과 같은 형태의 파우치형 이차전지를 포함하여 다양한 파우치형 이차전지의 단자간 연결에도 적용될 수 있으며, 도면에는 2개의 파우치형 이차전지의 단자간 연결 구조만 도시하였으나 그 이상의 이차전지도 같은 원리로 연결될 수 있다. 또한, 단자간 연결은 상기와 같은 직렬 연결이 아닌 병렬 연결도 가능하다.

한편, 도 2에 나타낸 바와 같은 파우치형 이차전지의 경우 양극 단자(60)와 음극 단자(70)를 버스 바(100)를 이용하여 연결할 수 있으며(도 5 참조), 이때 버스 바(100)의 단면적을 감소시키기 위하여 버스 바의 재질을 기존보다 더 얇은 재질로 바꾸거나 동일한 재질이라 하더라도 두께나 폭을 감소시켜 저항값을 크게 할 수 있다.

20: 전지케이스, 21: 상부 전지케이스, 22: 하부 전지케이스
30, 31: 전극조립체
40, 41: 양극 탭, 50, 51: 음극 탭
61: 양극 단자, 71: 음극 단자
80: 절연필름
90: 전극 단자간 접속 부위, 91: 용접부
100: 버스 바

Claims

복수의 이차전지가 연결된 이차전지 모듈로서,
이차전지 사이를 연결하는 전극 단자간 접속 부위의 단면적이 상기 접속 부위를 제외한 단자의 단면적보다 감소된 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 전극 단자간 접속 부위의 단면적은, 전극 단자간 접속 부위의 폭 또는 두께를 상기 접속 부위를 제외한 단자의 폭 또는 두께보다 감소시킴으로써 감소되는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전극 단자간 접속 부위는 단자끼리 직접 연결된 부위이거나, 단자 사이를 연결하는 버스 바인 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
청구항 2에 있어서,
상기 전극 단자간 접속은 접속 부위에서의 폭이 감소되어 있는 단자를 사용하여 접속하거나, 동일한 폭의 단자를 이용하여 접속한 후 접속 부위를 절취하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
상기 버스 바의 두께 또는 폭을 전극 단자의 두께 또는 폭보다 작게 하거나, 버스 바의 재료를 전극 단자 재료보다 녹는점이 낮은 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
청구항 5에 있어서,
상기 버스 바는 구리, 알루미늄, 은 및 아연으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
청구항 1에 있어서,
단자간 접속 부위의 단면적은 하기 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
Q = (I² x R x t) - hA(T_외부온도 - T_물체온도) = m x C x dT
상기 식에서,
(I² x R x t) = 전기에 의한 발열량
hA(T_외부온도 - T_물체온도) = 열이 빠져나가는 속도
m = 질량 (단자 또는 버스 바의 질량)
C = 재질의 열용량
dT = 온도 증가량
R (연결 부위 금속 저항) = 금속 비저항 x 길이/단면적
청구항 1에 있어서,
상기 전극 단자간 접속은 직렬 또는 병렬 연결인 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
단면적이 감소된 전극 단자간 접속 부위는 과전류가 흐를 경우 용단되는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
단면적이 감소된 전극 단자간 접속 부위의 저항값은 인접 부위 저항값의 5~20배인 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.