KR20140110190A - 이차전지용 안전 킷 및 이를 포함하는 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 안전 킷은, 적어도 하나의 단위 셀을 포함하는 이차전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되고 상기 이차전지의 제1 면 상에 위치하되 그 일측이 상기 이차전지 상에 고정되는 제1 금속 플레이트; 상기 제1 면 상에서 간극을 사이에 두고 상기 제1 금속 플레이트와 이격되어 위치하며 그 일측이 상기 이차전지 상에 고정되는 제2 금속 플레이트; 및 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 낮은 융점을 갖는 것으로서 상기 간극을 채우는 합금 브릿지를 포함한다.
본 발명에 따르면, 단락 등의 발생으로 인해 이차전지에 과전류가 흐르는 경우 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 설치된 이차전지용 안전 킷이 신속히 파단됨으로써 과전류를 차단하므로 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.

Description

이차전지용 안전 킷 및 이를 포함하는 이차전지{Safety kit for secondary battery and Secondary battery comprising the same}

본 발명은 이차전지용 안전 킷 및 이를 포함하는 이차전지에 관한 것으로서, 구체적으로는 이차전지의 이상으로 인해 발생된 과전류를 신속하게 차단할 수 있는 구조를 안전 킷 및 이를 포함하는 이차전지에 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 전압이 3배가 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 runaway)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뾰족한 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 등의 경우에 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 이차전지를 포함하는 배터리 팩과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 배터리 팩을 보호하기 위해 퓨즈 소자(1), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(2), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(1)를 동작시키는 마이크로 컨트롤러(3) 및 상기 퓨즈 소자(1)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(4)를 포함한다.

퓨즈 소자(1)는 배터리 팩의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(1)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.

퓨즈 소자(1)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(4)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(1a)와, 상기 퓨즈(1a)에 열을 인가하는 저항(1b)이 포함되어 있다.

상기 마이크로 컨트롤러(3)는 센스 저항(2) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(4)를 턴 온 시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(1) 측으로 바이패스되어 저항(1b)에 인가된다. 이에 따라, 저항(1b)에서 발생된 주울열이 퓨즈(1a)에 전도되어 퓨즈(1a)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(1a)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(1a)가 융단 됨으로써 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, 마이크로 컨트롤러(3)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(4)가 턴 온 되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(1)의 저항(1b)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(1)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(1)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(1)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로 컨트롤러(3)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로 컨트롤러(3)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 보호회로가 갖는 과전류 차단 기능과는 별도로 이차전지 자체에서 신속하게 과전류를 차단할 수 있도록 구현된 이차전지용 안전 킷 및 이를 포함하는 배터리 및 배터리 팩 등의 이차전지를 제공함을 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 안전 킷은, 적어도 하나의 단위 셀을 포함하는 이차전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되고 상기 이차전지의 제1 면 상에 위치하되 그 일측이 상기 이차전지 상에 고정되는 제1 금속 플레이트; 상기 제1 면 상에서 간극을 사이에 두고 상기 제1 금속 플레이트와 이격되어 위치하며 그 일측이 상기 이차전지 상에 고정되는 제2 금속 플레이트; 및 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 낮은 융점을 갖는 것으로서 상기 간극을 채우는 합금 브릿지를 포함한다.

상기 제1 면은 상기 단위 셀과 나란하게 위치할 수 있다.

상기 이차전지용 안전 킷은, 상기 제1 면을 가로지르는 방향으로 연장될 수 있다.

상기 이차전지용 안전 킷은, 길이 방향 양 단부가 상기 이차전지에 각각 고정될 수 있다.

상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는, 동일 평면 상에 나란하게 위치할 수 있다.

상기 합금 브릿지의 표면은, 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트의 표면과 동일 평면을 이룰 수 있다.

상기 합금 브릿지는, 주석과 구리를 함유하는 무연 합금 재질로 이루어질 수 있다.

상기 주석의 함량은 상기 무연 합금의 총 중량을 기준으로 80wt% 내지 98wt%이고, 상기 구리의 함량은 상기 무연 합금의 총 중량을 기준으로 2wt% 내지 20wt%일 수 있다.

상기 무연 합금은, 니켈, 아연 및 은 중 선택된 적어도 하나의 추가 금속을 더 함유할 수 있다.

상기 추가 금속의 함량은, 상기 무연 합금의 총 중량을 기준으로 0.01wt% 내지 10wt%일 수 있다.

상기 무연 합금은, 230℃ 내지 300℃의 융점을 가질 수 있다.

상기 합금 브릿지는, 역으로 된 'T'자 형태를 가질 수 있다.

상기 합금 브릿지는, 제1 길이(d1)를 갖는 제1 부분; 및 상기 제1 부분의 하부로터 연장되어 형성되며 상기 제1 길이보다 긴 제2 길이(d2)를 갖는 제2 부분을 포함할 수 있다.

상기 제1 부분의 두께(t1)는 상기 제2 부분의 두께(t2)보다 두껍게 형성될 수 있다.

상기 제2 부분의 두께(t2)는 상기 제1 부분의 두께(t1)보다 두껍게 형성될 수 있다.

상기 합금 브릿지는 'I'자 형태를 가질 수 있다.

상기 합금 브릿지는, 제1 길이(d1)를 갖는 제1 부분; 상기 제1 부분의 하측에 위치하며 제2 길이(d2)를 갖는 제2 부분; 및 상기 제1 부분 및 제2 부분 사이를 연결하되 상기 제1 길이 및 제2 길이보다 짧은 제3 길이를 갖는 제3 부분을 포함할 수 있다.

상기 제2 부분은 상기 제1 부분으로부터 제3 부분을 향하는 방향으로 좁아지도록 테이퍼 진 형태를 가질 수 있다.

상기 제1 길이(d1)는 상기 제2 길이(d2)보다 길게 형성될 수 있다.

상기 합금 브릿지는, 상부로부터 하부를 향해 좁아지도록 테이퍼 진 형상을 가질 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 어셈블리는, 적어도 하나의 단위 셀을 포함하는 이차전지; 및 상기 이차전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되고 상기 이차전지의 제1 면 상에 위치하되 그 일측이 상기 이차전지 상에 고정되는 제1 금속 플레이트, 상기 제1 면 상에서 간극을 사이에 두고 상기 제1 금속 플레이트와 이격되어 위치하며 그 일측이 상기 이차전지 상에 고정되는 제2 금속 플레이트, 그리고 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 낮은 융점을 갖는 것으로서 상기 간극을 채우는 합금 브릿지를 구비하는 이차전지용 안전 킷을 포함한다.

상기 이차전지용 안전 킷은, 상기 단위 셀과 나란히 배치될 수 있다.

상기 이차전지용 안전 킷은, 상기 제1 면을 가로지르는 방향으로 연장될 수 있다.

상기 이차전지용 안전 킷은, 길이 방향 양 단부가 상기 이차전지에 각각 고정될 수 있다.

상기 이차전지는, 적어도 하나의 단위 셀; 및 상기 단위 셀을 수용하는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈일 수 있다.

상기 이차전지는, 복수의 배터리 모듈이 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식으로 연결되어 구현되는 배터리 팩일 수 있다.

상기 이차전지 어셈블리는, 상기 이차전지와 상기 이차전지용 안전 킷 사이에 개재되는 압력전달 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 압력전달 부재는, 상기 합금 브릿지와 대응되는 영역에 위치할 수 있다.

상기 합금 브릿지는, 230℃ 내지 300℃의 융점을 가질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 단락 등으로 인해 이차전지에 과전류가 발생된 경우 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 설치된 안전 킷에 의해 신속히 과전류가 차단될 수 있으므로, 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 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 배터리 모듈과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 안전 킷을 나타내는 사시도이다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 이차전지용 안전 킷이 적용된 이차전지 어셈블리를 나타내는 평면도이다.
도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 이차전지용 안전 킷이 파단되는 과정을 나타내는 상태도이다.
도 7은 도 3 또는 도 4에 도시된 이차전지 어셈블리의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8 내지 도 12는 도 2에 도시된 이차전지용 안전 킷의 다양한 변형예를 나타내는 단면도이다.

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 일부 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.

먼저 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 안전 킷(10)을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 안전 킷을 나타내는 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 안전 킷(10)은 제1 금속 플레이트(11), 제2 금속 플레이트(12) 및 합금 브릿지(13)를 포함한다.

상기 이차전지용 안전 킷(10)은 이차전지에 흐르는 전류의 경로 상에 연결되어 단락 등으로 인해 과전류가 발생되는 경우 이러한 과전류를 차단하는 기능을 갖는 부품으로서, 이차전지의 어느 일 면을 가로질러 설치된다. 여기서, 상기 이차전지용 안전 킷(10)이 위치하는 면은, 이차전지에 구비되는 단위 셀과 나란하게 위치하는 면인 것이 바람직하다.

상기 제1 금속 플레이트(11) 및 제2 금속 플레이트는 얇은 판상의 금속으로서 간극을 사이에 두고 동일 평면 상에 나란하게 위치하며, 각각 그 일측 단부가 이차전지 상에 고정된다. 상기 금속 플레이트(11,12) 각각이 고정되는 위치는 이차전지의 어느 일 면을 가로지르는 연장선 상에서 서로 반대편 끝부분에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 금속 플레이트(11,12)는 결합 홀(H)을 구비함으로써 볼트/너트 결합 구조에 의해 이차전지 상에 고정될 수 있다. 다만, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 금속 플레이트(11,12)와 이차전지 사이의 고정은 다양한 방식으로 이루어질 수 있는 것이다.

상기 금속 플레이트(11,12)는 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 재질로 이루어지는 것이 일반적이나, 이로써 본 발명의 금속 플레이트(11,12) 재질을 한정하는 것은 아니며, 다양한 전도성 금속 재질이 적용될 수 있는 것이다.

상기 재질의 종류는 금속 플레이트(11,12)와 결합되는 부품의 재질에 따라 달라질 수 있다. 즉, 상기 금속 플레이트(11,12)의 재질은 결합되는 부품의 재질과 동일한 재질로 이루어지는 것이 용접성의 향상 및 접촉저항 최소화의 측면에서 유리할 수 있다. 결합되는 부품의 재질에 따라 상기 제1 금속 플레이트(11)와 제2 금속 플레이트(12)가 서로 다른 금속 재질로 이루어지는 것도 가능함은 물론이다.

상기 합금 브릿지(13)는 금속 플레이트(11,12)보다 낮은 용융점을 갖는 합금 재질로 이루어지는 것으로서, 금속 플레이트(11,12) 사이에 형성되는 간극을 채워 금속 플레이트(11,12) 사이를 전기적으로 연결시킨다. 상기 커넥팅 부품(10)에 과전류가 흐르는 경우에 있어서 합금 브릿지(13)가 신속히 용융될 수 있도록 합금 브릿지(13)의 표면은 제1 금속 플레이트(11) 및 제2 금속 플레이트(12) 각각의 표면과 동일 평면을 이루는 것이 바람직하다.

상기 합금 브릿지(13)를 이루는 합금은 금속 플레이트(11,12)의 융점보다 낮은 대략 230℃ 내지 300℃의 융점을 가지며, 주석(Sn) 및 구리(Cu)를 주성분으로 포함하되 환경 및 인체에 유해한 납(Pb)을 함유하지 않는 무연 합금으로 이루어진다.

상기 합금 브릿지(13)를 이루는 합금의 융점 범위는 차단하고자 하는 과전류의 레벨을 고려하여 다양하게 설정될 수 있다. 상기 합금의 융점이 230℃보다 낮으면 이차전지용 안전 킷(10)이 적용된 이차전지에 정상적인 전류가 흐르는 경우에도 합금이 용융될 수 있다. 또한, 상기 합금의 융점이 300℃보다 높으면 합금의 용융이 신속하게 일어날 수 없게 되어 과전류를 효과적으로 차단할 수 없게 되는 문제점이 있다.

상기 합금의 성분 중 주석은 합금의 융점과 인장강도 특성에 영향을 미친다. 상기 합금이 대략 230℃ 내지 300℃ 범위의 융점을 가지면서도 양호한 인장강도 특성을 갖도록 주석의 함량은 대략 80wt% 이상, 바람직하게는 85wt% 내지 98wt%의 범위에서 조절된다.

상기 구리는 합금의 전기 전도도를 향상시키는 역할을 하며, 이러한 기능을 감안하여 구리의 함량은 대략 2wt% 내지 20wt%의 범위에서 조절될 수 있으며, 바람직하게는 대략 4wt% 내지 15wt%의 범위에서 조절될 수 있다. 여기서, 상기 wt%는 합금 브릿지(13)를 이루는 합금의 총 중량을 기준으로 하는 단위이다(이하, 동일함).

상술한 바와 같이 주석과 구리의 함량이 적절한 범위를 갖도록 조절함으로써 합금 브릿지(13)를 이루는 합금의 인장 강도를 양호하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 합금 브릿지(13)에 의한 커넥팅 부품(10)의 저항 증가를 수% 이내로 억제할 수 있다.

상기 합금 브릿지(13)는 보다 향상된 물성을 갖기 위해 주석과 구리 이외에 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn), 등과 같이 전기 전도성이 우수한 금속을 추가 합금 성분으로 더 포함할 수도 있다. 상기 추가 합금 성분의 함량은 합금의 전체 중량 대비 대략 0.01wt% 내지 10wt%범위인 것이 바람직하다.

상기 합금 브릿지(13)는 신속한 파단을 가능하게 하면서도 적절한 연성 및 전기 전도성 등을 갖기 위해 다양한 형태로 구현될 수 있는데, 이러한 합금 브릿지(13)의 다양한 형태에 대해서는 상세히 후술하기로 한다.

상술한 바와 같이, 상기 이차전지용 안전 킷(10)은 상대적으로 전도성이 우수한 금속 및 상대적으로 낮은 융점을 갖는 합금이 조합된 이중 구조를 가짐으로써 우수한 전도성과 과전류에 대한 신속한 파단성을 동시에 가질 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 이차전지용 안전 킷(10)은, 특히 이차전지의 과충전에 의해 스웰링(swelling) 현상이 발생되는 경우에 있어서, 부풀어 오른 이차전지의 외측 면으로부터 힘을 받을 수 있는 위치에 설치됨으로써 더욱 신속히 파단될 수 있는 구조를 갖는다.

다음은, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 이차전지용 안전 킷(10)이 적용된 이차전지 어셈블리를 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 이차전지용 안전 킷이 적용된 이차전지 어셈블리를 나타내는 평면도이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 어셈블리는 이차전지용 안전 킷(10) 및 상기 안전 킷(10)이 부착된 배터리 팩(20)을 포함한다.

상기 배터리 팩(20)은, 적어도 하나의 단위 셀(미도시), 단위 셀을 수용하는 모듈 케이스 및 한 쌍의 외부 단자(21,22)를 구비하는 복수의 배터리 모듈(M1,M2)이 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식으로 연결되어 구현된다.

상기 이차전지용 안전 킷(10)과 배터리 팩(20)은 제1 금속 플레이트(11)와 외부 단자(21) 사이를 연결하는 연결 플레이트(C)에 의해 전기적으로 연결된다. 본 발명의 도면에서는 연결 플레이트(C)가 제1 금속 플레이트(11) 및 외부 단자(21) 각각과 볼트/너트 결합구조에 의해 결합된 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 이차전지용 안전 킷(10)은 배터리 팩(20)의 제1 면 상에 위치하되, 길이 방향 양 단부가 상기 제1 면을 가로지르는 방향으로 연장되도록 위치할 수 있다. 또한, 상기 이차전지용 안전 킷(10)의 길이 방향 양 단부, 즉 제1 금속 플레이트(11) 및 제2 금속 플레이트(12) 각각의 일 측 단부는, 배터리 팩(20)에 고정될 수 있다.

본 발명에서는, 이차전지용 안전 킷(10)과 배터리 팩(20) 사이가 볼트/너트 결합구조에 의해 고정되는 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 이차전지용 안전 킷(10)의 길이방향 양 단부가 배터리 팩(20)에 고정되어 있는 경우라면 그 구체적인 고정 방식과는 무관하게 본 발명의 범위에 해당하는 것이다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 이차전지용 안전 킷(10)이 위치하는 배터리 팩(20)의 제1 면은 배터리 모듈(M1,M2)에 구비되는 단위 셀과 나란한 면인 것이 바람직하다. 이는 과충전에 따른 스웰링 현상이 발생되는 경우 이차전지용 안전 킷(10)이 배터리 팩(20)의 외측을 향하는 방향으로 압력을 받을 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 상기 이차전지용 안전 킷(10)이 적용되는 이차전지의 형태는 도 3에 도시된 바와 같은 배터리 팩(20)에 한정되지 않는다. 즉, 상기 이차전지용 안전 킷(10)은 도 4에 도시된 배터리 모듈(30)에 적용될 수도 있으며, 이 경우 이차전지용 안전 킷(10)은 연결 플레이트(C)에 의해 한 쌍의 외부 단자(31,32) 중 어느 하나와 연결될 수 있다. 그 밖에도, 상기 이차전지용 안전 킷(10)은 배터리 팩(20)보다 더 큰 단위의 이차전지 또는 배터리 모듈(30)보다 더 작은 단위의 이차전지에도 마찬가지 방식으로 적용될 수 있음은 자명한 것이다.

도 5 및 도 6을 참조하여, 스웰링 현상 발생에 따라 가해지는 압력에 의해 이차전지용 안전 킷(10)이 파단되는 과정을 설명하기로 한다.

도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 이차전지용 안전 킷이 파단되는 과정을 나타내는 상태도이다.

먼저, 도 5 및 도 6을 참조하면, 이차전지에 과충전이나 단락 등이 발생하여 이차전지용 안전 킷(10)에 허용치 이상의 과전류가 흐르고 이차전지의 스웰링 현상에 의해 이차전지의 외측 방향으로 힘(F)이 가해지는 경우 이차전지용 안전 킷(10)은 형태 변형을 일으키게 된다.

이 과정에서 이차전지용 안전 킷(10)에 흐르는 과전류로 인해 용융점이 비교적 낮은 합금 브릿지(13)에 대한 용융 또한 함께 진행될 수 있으므로 합금 브릿지(13)를 중심으로 이차전지용 안전 킷(10)의 파단이 촉진될 수 있다. 이 때, 스웰링에 따른 힘(F)의 방향으로 인해, 상기 합금 브릿지(13) 중 이차전지의 외측을 향하는 면 쪽에서부터 파단이 시작되며, 이러한 파단의 발생으로 인해 전류가 통과할 수 있는 합금 브릿지(13)의 단면적은 점점 작아지게 된다. 따라서, 상기 합금 브릿지(13)에서의 발열은 증가되고, 이에 따라 이차전지용 안전 킷(10)의 파단이 더욱 촉진될 수 있게 되어 과전류의 차단이 신속히 이루어질 수 있다.

한편, 도 7을 참조하면, 채택되는 결합 구조에 따라 상기 이차전지용 안전 킷(10)과 이차전지(20) 사이에는 공간이 생길 수도 있다. 이 경우, 이차전지에 스웰링이 발생함에 따라 이차전지용 안전 킷(10)에 즉각적으로 힘이 가해질 수 있도록 하기 위해 상기 공간에 압력전달 부재(30)를 개재할 수 있다.

특히, 상기 압력전달 부재(30)는 합금 브릿지(13)와 대응되는 영역에 설치될 수 있는데, 이는 스웰링 현상 발생 시에 합금 브릿지(13)에 집중적인 압력이 가해지도록 함으로써 합금 브릿지(13)의 신속한 파단을 촉진하기 위함이다.

다음은, 도 8 내지 도 12를 참조하여 상기 합금 브릿지(13)의 다양한 형태에 대해서 설명하기로 한다.

도 8 내지 도 12는 도 2에 도시된 이차전지용 안전 킷의 다양한 변형예를 나타내는 단면도이다.

먼저, 도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 합금 브릿지(13)는 제1 두께(t1) 및 제1 길이(d1)를 갖는 제1 부분(13a), 및 제2 두께(t2) 및 제2 길이(d2)를 갖는 제2 부분(13b)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 길이(d1)는 제2 길이(t2)보다 짧게 형성될 수 있다. 즉, 상기 합금 브릿지(13)는 대략 역으로 된 'T'자 형태를 가질 수 있다.

이러한 합금 브릿지(13)에 있어서, 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2) 사이의 비율을 조절함으로써 이차전지용 안전 킷(10)의 적절한 파단성 및 전기 전도성을 유지할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 두께(t1)가 제2 두께(t2)보다 두꺼운 경우(도 8 참조) 전기 전도성의 측면에서 더 유리한 결과를 얻을 수 있으며, 이와는 반대로 제2 두께(t2)가 제1 두께(t1)보다 더 두꺼운 경우(도 9 참조) 전기 전도성은 다소 떨어지더라도 파단성 및 인장 강도의 측면에서는 더 유리한 결과를 얻을 수 있다.

다음으로, 도 10 및 11을 참조하면, 상기 합금 브릿지(13)는 제1 두께(t1) 및 제1 길이(d1)을 갖는 제1 부분(13a), 제2 두께(t2) 및 제2 길이(d2)를 갖는 제2 부분(13b), 그리고 제3 두께(t3) 및 제3 길이(d3)를 갖는 제3 부분(13c)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 길이(d1) 및 제3 길이(d3)는 제2 길이(d2)보다 더 길게 형성될 수 있다. 즉, 상기 합금 브릿지(13)는 대략 'I'자 형태를 가질 수 있다.

이러한 합금 브릿지(13)에 있어서, 상기 길이(d1,d2,d3) 사이의 비율 및 두께(t1,t2,t3) 사이의 비율을 다양하게 조절함으로써 이차전지용 안전 킷(10)의 적절한 파단성 및 전기 전도성을 유지할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1, 제3 길이(d1,d3)가 짧아져 제2 길이(d2)에 근접할수록 전기 전도성의 측면에서 유리해지지만 파단성 및 인장강도의 측면에서는 불리해지며, 이와는 반대로 제1, 제3 길이(d1,d3)와 제2 길이(d2)의 차이가 커질수록 파단성 및 인장강도의 측면에서 더 유리한 결과를 얻을 수 있다. 또한, 두께의 측면에서는, 상기 제1, 제3 두께(t1,t3)가 얇아지고 제2 두께(t2)가 두꺼워지는 경우 전기 전도성의 측면에서는 유리해지지만 파단성 및 인장강도의 측면에서는 불리해지며, 이와는 반대로 제2 두께(t2)가 차지하는 비율이 작아질수록 파단성 및 인장강도의 측면에서 더 유리한 결과를 얻을 수 있다.

특히, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 제2 부분(13a)이 상부로부터 하부를 향할수록 좁아지도록 테이퍼 진 형태를 갖는 경우에는, 상부로 갈수록 전기저항이 더 커져 발열이 더 많이 일어나게 되므로 스웰링에 따른 압력에 의한 파단이 더욱 촉진될 수 있다.

다음으로, 도 12를 참조하면, 상기 합금 브릿지(13)는 앞서 설명한 도 11의 제2 부분(13b)과 같이 상부로부터 하부를 향할수록 점점 좁아지도록 테이퍼 진 형태를 갖는다. 이러한 테어퍼 진 형상이 가져오는 효과는 앞서 도 11을 참조하여 설명한 바와 같다.

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.

10: 이차전지용 안전 킷 11: 제1 금속 플레이트
12: 제2 금속 플레이트 13: 합금 브릿지
20: 배터리 팩 30: 배터리 모듈

Claims (29)

1. 적어도 하나의 단위 셀을 포함하는 이차전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되고 상기 이차전지의 제1 면 상에 위치하되 그 일측이 상기 이차전지 상에 고정되는 제1 금속 플레이트;
   상기 제1 면 상에서 간극을 사이에 두고 상기 제1 금속 플레이트와 이격되어 위치하며 그 일측이 상기 이차전지 상에 고정되는 제2 금속 플레이트; 및
   상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 낮은 융점을 갖는 것으로서 상기 간극을 채우는 합금 브릿지를 포함하는 이차전지용 안전 킷.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단위 셀과 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 면을 가로지르는 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
4. 제3항에 있어서,
   길이 방향 양 단부가 상기 이차전지에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는,
   동일 평면 상에 나란하게 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
6. 제1항에 있어서,
   상기 합금 브릿지의 표면은,
   상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트의 표면과 동일 평면을 이루는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
7. 제1항에 있어서,
   상기 합금 브릿지는,
   주석과 구리를 함유하는 무연 합금 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
8. 제7항에 있어서,
   상기 주석의 함량은 상기 무연 합금의 총 중량을 기준으로 80wt% 내지 98wt%이고, 상기 구리의 함량은 상기 무연 합금의 총 중량을 기준으로 2wt% 내지 20wt%인 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
9. 제8항에 있어서,
   상기 무연 합금은,
   니켈, 아연 및 은 중 선택된 적어도 하나의 추가 금속을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
10. 제9항에 있어서,
    상기 추가 금속의 함량은,
    상기 무연 합금의 총 중량을 기준으로 0.01wt% 내지 10wt%인 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
11. 제1항에 있어서,
    상기 무연 합금은,
    230℃ 내지 300℃의 융점을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
12. 제1항에 있어서,
    상기 합금 브릿지는,
    역으로 된 'T'자 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
13. 제1항에 있어서,
    상기 합금 브릿지는,
    제1 길이(d1)를 갖는 제1 부분; 및
    상기 제1 부분의 하부로터 연장되어 형성되며 상기 제1 길이보다 긴 제2 길이(d2)를 갖는 제2 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 부분의 두께(t1)는 상기 제2 부분의 두께(t2)보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
15. 제13항에 있어서,
    상기 제2 부분의 두께(t2)는 상기 제1 부분의 두께(t1)보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
16. 제1항에 있어서,
    상기 합금 브릿지는 'I'자 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
17. 제1항에 있어서,
    상기 합금 브릿지는,
    제1 길이(d1)를 갖는 제1 부분;
    상기 제1 부분의 하측에 위치하며 제2 길이(d2)를 갖는 제2 부분; 및
    상기 제1 부분 및 제2 부분 사이를 연결하되 상기 제1 길이 및 제2 길이보다 짧은 제3 길이를 갖는 제3 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 부분은 상기 제1 부분으로부터 제3 부분을 향하는 방향으로 좁아지도록 테이퍼 진 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 길이(d1)는 상기 제2 길이(d2)보다 긴 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
20. 제1항에 있어서,
    상기 합금 브릿지는,
    상부로부터 하부를 향해 좁아지도록 테이퍼 진 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지용 안전 킷.
21. 적어도 하나의 단위 셀을 포함하는 이차전지; 및
    상기 이차전지의 제1 전극과 전기적으로 연결되고 상기 이차전지의 제1 면 상에 위치하되 그 일측이 상기 이차전지 상에 고정되는 제1 금속 플레이트, 상기 제1 면 상에서 간극을 사이에 두고 상기 제1 금속 플레이트와 이격되어 위치하며 그 일측이 상기 이차전지 상에 고정되는 제2 금속 플레이트, 그리고 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트보다 낮은 융점을 갖는 것으로서 상기 간극을 채우는 합금 브릿지를 구비하는 이차전지용 안전 킷을 포함하는 이차전지 어셈블리.
22. 제21항에 있어서,
    상기 이차전지용 안전 킷은,
    상기 단위 셀과 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 이차전지 어셈블리.
23. 제21항에 있어서,
    상기 이차전지용 안전 킷은,
    상기 제1 면을 가로지르는 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 이차전지 어셈블리.
24. 제23항에 있어서,
    상기 이차전지용 안전 킷은,
    길이 방향 양 단부가 상기 이차전지에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 이차전지 어셈블리.
25. 제21항에 있어서,
    상기 이차전지는,
    적어도 하나의 단위 셀; 및
    상기 단위 셀을 수용하는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈인 것을 특징으로 하는 이차전지 어셈블리.
26. 제21항에 있어서,
    상기 이차전지는,
    복수의 배터리 모듈이 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식으로 연결되어 구현되는 배터리 팩인 것을 특징으로 하는 이차전지 어셈블리.
27. 제21항에 있어서,
    상기 이차전지와 상기 이차전지용 안전 킷 사이에 개재되는 압력전달 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 어셈블리.
28. 제27항에 있어서,
    상기 압력전달 부재는,
    상기 합금 브릿지와 대응되는 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지 어셈블리.
29. 제21항에 있어서,
    상기 합금 브릿지는,
    230℃ 내지 300℃의 융점을 갖는 것을 특징으로 하는 이차전지 어셈블리.

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