KR20160004247A - 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈 및 리튬 이차전지 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 흡착 시트를 포함하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈 및 리튬 이차전지 팩에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 흡착 시트를 포함함으로써, 리튬 이차전지 모듈 또는 팩에 포함된 리튬 이차전지 내의 이상 거동에 의해 내부 온도가 상승할 때, 전해액의 기화로 인해 리튬 이차전지 외부로 흘러나오는 가스를 흡수하여 발화를 억제하거나, 또는 외부의 침상 물체 침투 등의 이유로 국부적인 에너지 집중에 따른 온도의 상승 및 발화 등을 억제함으로써 리튬 이차전지 모듈 또는 리튬 이차전지 팩의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.

Description

안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈 및 리튬 이차전지 팩{Lithium secondary battery module and lithium secondary battery pack having enhanced safety}

본 발명은 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈 및 리튬 이차전지 팩에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 과충전, 과방전, 열충격 또는 외부 침상 물체 침투로 인한 급격한 발열 혹은 파괴 현상을 억제할 수 있고, 이로 인한 폭발 등의 위험으로부터 안전성을 확보할 수 있는 가스 흡착 시트를 포함하는 리튬 이차전지 모듈 및 리튬 이차전지 팩에 관한 것이다.

일반적으로 비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 무선 기기의 경량화 및 고기능화가 진행됨에 따라, 그 구동용 전원으로 사용되는 이차전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 이차전지는 예를 들어, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 이중에서 리튬 이차전지는 수명이 길고 용량이 크다는 장점을 가지고 있다.

상기 리튬 이차전지는 각각의 집전체에 리튬 이온의 탈삽입이 가능한 활물질이 도포되어 있는 양극과 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 이들을 전기적으로 절연시키는 다공성 세퍼레이터가 개재된 조립체에 리튬염을 포함한 유기 전해액 또는 폴리머 전해액이 충전되어 있는 구조로 이루어져 있다.

한편, 이러한 리튬 이차전지는 사용 범위가 넓어지면서 안전성에 대한 문제가 대두되고 있는 실정이다. 리튬 이차전지의 안전성을 향상시키기 위해 과충전 억제재 또는 고내열성 세퍼레이터 등의 안전성이 우수한 재료들을 구성 성분으로 사용하여 리튬 이차전지의 안전성을 향상시키기 위한 노력을 하고 있다. 또한 다수의 리튬 이차전지들을 직렬 또는 병렬 방식으로 묶어놓은 전지 모듈 또는 전지 팩은, 케이스의 재질 또는 PTC 소자 등을 이용하여 물리적, 전기적 안전성을 확보하고 있다.

하지만, 이와 같은 노력에도 불구하고 여전히 리튬 이차전지의 오작동의 문제가 남아있고, PTC 소자의 경우 문제가 생기면 오히려 오작동이 발생할 확률이 높아지므로 안전성에 더 취약할 수 있다.

따라서, 상기와 같이 리튬 이차전지에 위험한 상황이 발생하더라도, 발화 또는 폭발이 일어나지 않는 리튬 이차전지 모듈 또는 리튬 이차전지 팩의 안전성 향상의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 리튬 이차전지 모듈 또는 팩의 오작동이나, 외부에서 침상 물체가 침투하였을 때, 발생할 수 있는 가스를 제어함으로써 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈 및 리튬 이차전지 팩을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 고정하는 수납부를 구비하는 다수의 리튬 이차전지들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로, 연결부를 통하여 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 리튬 이차전지 모듈로서, 상기 리튬 이차전지 모듈의 최외곽에 위치하는 리튬 이차전지의 외부면에 형성되거나, 상기 다수의 리튬 이차전지들의 사이에 개재되어 형성되거나, 또는 상기 적층된 리튬 이차전지들의 측면에 형성되는 가스 흡착 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈이 제공된다.

여기서, 상기 가스 흡착 시트는, 폴리올레핀계 고분자 수지와 가스 흡착재를 포함하는 것일 수 있다.

이때, 상기 가스 흡착 시트는, 상기 폴리올레핀계 고분자 수지와 가스 흡착재가 20:80 내지 80:20의 중량비로 혼합된 것일 수 있다.

그리고, 상기 가스 흡착재는, 실리카겔, 벤토나이트 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

그리고, 상기 가스 흡착재의 평균 입경은, 0.8 내지 20 ㎛일 수 있다.

그리고, 상기 가스 흡착재의 BET 측정법에 의한 비표면적은, 1 내지 50 m²/g일 수 있다.

그리고, 상기 폴리올레핀계 고분자 수지는, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 고정하는 수납부를 구비하는 다수의 리튬 이차전지들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로, 연결부를 통하여 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 다수의 리튬 이차전지 모듈들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로, 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 리튬 이차전지 팩으로서, 상기 리튬 이차전지 팩의 최외곽에 위치하는 리튬 이차전지 모듈의 외부면에 형성되거나, 상기 다수의 리튬 이차전지 모듈들의 사이에 개재되어 형성되거나, 또는 상기 적층된 리튬 이차전지 모듈들의 측면에 형성되는 가스 흡착 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 팩이 제공된다.

여기서, 상기 리튬 이차전지 모듈은, 전술한 본 발명에 따른 리튬 이차전지 모듈일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 흡착 시트를 포함함으로써 리튬 이차전지 모듈 또는 팩에 포함된 리튬 이차전지 내의 이상 거동에 의해 내부 온도가 상승할 때, 전해액의 기화로 인해 리튬 이차전지 외부로 흘러나오는 가스를 흡수하여 발화를 억제하거나, 또는 외부의 침상 물체 침투 등의 이유로 국부적인 에너지 집중에 따른 온도의 상승 및 발화 등을 억제함으로써 리튬 이차전지 모듈 또는 리튬 이차전지 팩의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 이차전지 모듈을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 리튬 이차전지 팩을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 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.

또한, 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 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 리튬 이차전지 모듈을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈(200)은, 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 고정하는 수납부를 구비하는 다수의 리튬 이차전지(100)들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로, 연결부(101)를 통하여 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 리튬 이차전지 모듈(200)로서, 상기 리튬 이차전지 모듈(200)의 최외곽에 위치하는 리튬 이차전지(100)의 외부면에 형성되거나, 상기 다수의 리튬 이차전지(100)들의 사이에 개재되어 형성되거나, 또는 상기 적층된 리튬 이차전지(100)들의 측면에 형성되는 가스 흡착 시트(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 흡착 시트(300)를 포함함으로써 상기 리튬 이차전지 모듈(200)에 포함된 리튬 이차전지(100)내의 이상 거동에 의해 내부 온도가 상승할 때, 전해액의 기화로 인해 리튬 이차전지(100) 외부로 흘러나오는 가스를 흡수하여 발화를 억제하거나, 또는 외부의 침상 물체 침투 등의 이유로 국부적인 에너지 집중에 따른 온도의 상승 및 발화 등을 억제함으로써 리튬 이차전지 모듈의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.

한편, 도 1 내지 도 3에서는 리튬 이차전지 모듈(200)에 포함되는 단위셀인 리튬 이차전지(100)가 특정 개수인 것으로 표현하고 있으나, 이는 예시일 뿐이며, 상기 리튬 이차전지(100)의 개수는 한정되지 아니하며, 리튬 이차전지 모듈(200)의 용도 또는 용량에 따라 리튬 이차전지(100)의 개수를 임의로 정할 수 있다.

그리고, 상기 가스 흡착 시트(300)의 형성 위치와 관련하여, 도 1에서와 같이 다수의 리튬 이차전지(100)들이 적층된 리튬 이차전지 모듈(200)의 최외곽에 위치하는 리튬 이차전지의 외부면에 형성되거나, 도 2에서와 같이 다수의 리튬 이차전지(100)들의 사이에 개재되어 형성되거나, 또는 도 3에서와 같이 적층된 리튬 이차전지(100)들의 측면에 형성될 수 있다.

여기서, 상기 가스 흡착 시트(300)는, 폴리올레핀계 고분자 수지와 가스 흡착재를 포함할 수 있고, 이때, 상기 가스 흡착 시트(300)는, 상기 폴리올레핀계 고분자 수지와 가스 흡착재가 20:80 내지 80:20의 중량비로 혼합될 수 있다. 이때, 상기 폴리올레핀계 고분자 수지의 함량이 전술한 상한치를 초과하게 되면, 상대적으로 가스 흡착재의 함량이 줄어들어, 전지 내부에서 발생하는 가스 흡수 능력이 저하되며, 상기 폴리올레핀계 고분자 수지의 함량이 전술한 하한치 미만이면, 상대적으로 가스 흡착재의 함량이 많아져 가스 흡수 능력은 우수해지지만, 시트 형상을 제조하기 위해 필요한 바인더의 함량이 상대적으로 적어져, 시트의 균일성이 저하되므로 적용에 어려움이 따르게 된다.

한편, 상기 가스 흡착재는, 물리적 흡착 또는 화학적 흡착 중 어느 방식으로 흡착을 하는지는 제한되지 않고, 가스 흡수 능력을 지닌 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.

여기서, 상기 가스 흡착재는, 주로 실리카겔, 벤토나이트 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 특히, 상기 혼합물인 경우, 실리카겔과 벤토나이트의 혼합 비율에 따라 물리적 흡착방법과 화학적 흡착방법을 가진 가스 흡착재로 구분하게 된다.

상기 실리카겔은 규산의 콜로이드 용액을 응고시켜 제조한 흡착재로서, 방습제 또는 흡수제로 잘 알려져 있다. SiO₂의 조성으로 이루어져 있고, 기공도가 매우 큰 다공질 구조이며, 기공의 분포 또는 크기가 매우 균일하다. 실리카겔은 미세한 구멍들이 서로 연결되어 방대한 그물로 연결된 과립형 비결정상 입자이며, 광대한 표면적에 따른 흡착능력이 매우 뛰어나다는 것이 특징이다.

상기 벤토나이트는 몬모릴로 나이트계의 팽창성 3층판(Si-Al-Si)으로 이루어진 점토이며, 납석 화학구조식인 Al₂Si₄(OH)의 조성으로 이루어져 있다. 벤토나이트는 중간층인 깁사이트(Gibbsite)층에서 발생하는 전하의 불균형으로 인해, 벤토나이트 각층의 모서리는 양성(+), 표면은 음성(-)이 존재하는 양극성을 나타내며, 이러한 양극성으로 인해 수분 및 가스의 흡착성능을 갖게 된다. 그리고, 이러한 양극성으로 인해 더더욱 많은 가스 및 수분을 끌어당기게 되어 층간의 공간으로 흡착되게 한다.

한편, 산화알루미늄(Aluminum oxide) 중간층인 깁사이트(Gibbsite)층에서 3+가인 알루미늄(Al)이 2+가인 마그네슘(Mg)으로 대체되고, 1+가 만큼의 부족한 전하를 Na로 만족시킨 형태가 나트륨 벤토나이트인데, 이러한 나트륨 벤토나이트는 가스 및 수분 흡수성이 매우 우수하여, 무게의 5배까지 흡수할 수 있는 능력이 있다. 그리고, 화학적으로 활성을 일으키지 않기 때문에 원재료에 화학적 영향을 미치지 않는 특성이 있어, 리튬 이차전지의 전기화학적 특성에 영향을 미치지 않는다. 또한 높은 온도에서도 이러한 성질은 변하지 않아 내부적 또는 외부적인 요인에 의해 전지의 온도가 상승할지라도, 특성 변화 없이 가스 흡수 능력을 발휘하게 되어, 2차 발화의 연쇄 반응을 억제할 수 있는 특성을 지닌다. 본 발명에서 사용된 가스 흡착재는 평균 입경이 10 ㎛인 것을 기준으로 733 ml/min의 가스를 흡착할 수 있으며, 일정 온도 이상에서 내부에 흡착된 가스를 제거할 수도 있어 재활용이 가능하다.

그리고, 상기 가스 흡착재의 평균 입경은 0.8 내지 20 ㎛, 또는 1 내지 10 ㎛일 수 있고, BET 측정법에 의한 비표면적은, 1 내지 50 m²/g, 또는 5 내지 20 m²/g일 수 있으나, 기공의 크기와 기공의 형태는 제한되지 않는다.

한편, 상기 폴리올레핀계 고분자 수지는, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 리튬 이차전지 팩을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 측면에 따른, 안전성이 향상된 리튬 이차전지 팩(400)은, 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 고정하는 수납부를 구비하는 다수의 리튬 이차전지(100)들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로, 연결부(101)를 통하여 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 다수의 리튬 이차전지 모듈(200)들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로, 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 리튬 이차전지 팩(400)으로서, 상기 리튬 이차전지 팩(400)의 최외곽에 위치하는 리튬 이차전지 모듈(200)의 외부면에 형성되거나, 상기 다수의 리튬 이차전지 모듈(200)들의 사이에 개재되어 형성되거나, 또는 상기 적층된 리튬 이차전지 모듈(200)들의 측면에 형성되는 가스 흡착 시트(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 도 4 및 도 5에서는 리튬 이차전지 팩(400)에 포함되는 리튬 이차전지 모듈(200)이 2개인 것으로 표현하고 있으나, 이는 예시일 뿐이며, 상기 리튬 이차전지 모듈(200)의 개수는 한정되지 아니하며, 리튬 이차전지 팩(400)의 용도 또는 용량에 따라 리튬 이차전지 모듈(200)의 개수를 임의로 정할 수 있다.

그리고, 상기 가스 흡착 시트(300)의 형성 위치와 관련하여, 도 4에서와 같이 다수의 리튬 이차전지 모듈(200)들이 적층된 리튬 이차전지 팩(400)의 최외곽에 위치하는 리튬 이차전지 모듈의 외부면에 형성되거나, 도 5에서와 같이 적층된 리튬 이차전지 모듈(200)들의 측면에 형성되거나, 또는 도시하지는 않았지만 다수의 리튬 이차전지 모듈(200)들의 사이에 개재되어 형성될 수 있다.

이때, 상기 리튬 이차전지 모듈(200)은, 전술한 본 발명에 따른 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈(200)일 수도 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 리튬 이차전지
101: 연결부
200: 리튬 이차전지 모듈
300: 가스 흡착 시트
400: 리튬 이차전지 팩

Claims (9)

1. 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 고정하는 수납부를 구비하는 다수의 리튬 이차전지들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로, 연결부를 통하여 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 리튬 이차전지 모듈로서,
   상기 리튬 이차전지 모듈의 최외곽에 위치하는 리튬 이차전지의 외부면에 형성되거나, 상기 다수의 리튬 이차전지들의 사이에 개재되어 형성되거나, 또는 상기 적층된 리튬 이차전지들의 측면에 형성되는 가스 흡착 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스 흡착 시트는, 폴리올레핀계 고분자 수지와 가스 흡착재를 포함하는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈.
3. 제2항에 있어서,
   상기 가스 흡착 시트는, 상기 폴리올레핀계 고분자 수지와 가스 흡착재가 20:80 내지 80:20의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈.
4. 제2항에 있어서,
   상기 가스 흡착재는, 실리카겔, 벤토나이트 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈.
5. 제2항에 있어서,
   상기 가스 흡착재의 평균 입경은, 0.8 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈.
6. 제2항에 있어서,
   상기 가스 흡착재의 BET 측정법에 의한 비표면적은, 1 내지 50 m²/g인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈.
7. 제2항에 있어서,
   상기 폴리올레핀계 고분자 수지는, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 모듈.
8. 전기적으로 분리된 양극단자와 음극단자를 구비하는 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 고정하는 수납부를 구비하는 다수의 리튬 이차전지들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로, 연결부를 통하여 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 다수의 리튬 이차전지 모듈들이 상호 밀착 또는 인접한 적층 상태로, 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 리튬 이차전지 팩으로서,
   상기 리튬 이차전지 팩의 최외곽에 위치하는 리튬 이차전지 모듈의 외부면에 형성되거나, 상기 다수의 리튬 이차전지 모듈들의 사이에 개재되어 형성되거나, 또는 상기 적층된 리튬 이차전지 모듈들의 측면에 형성되는 가스 흡착 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 팩.
9. 제8항에 있어서,
   상기 리튬 이차전지 모듈은, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 리튬 이차전지 모듈인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 리튬 이차전지 팩.

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