KR20160129763A - 바이메탈 탭을 이용하여 안전성을 개선시킨 리튬 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정상적인 작동 조건하의 고온에서 바이메탈이 일방향으로 휘어지는 물성에 의해 전극 탭과 전극 리드간의 접촉이 단락되도록 함으로써 단위전지 셀 내부의 저항이 증가하게 되고, 그 결과 리튬 이차전지의 안전성을 향상시키는 발명에 관한 것이다.

Description

바이메탈 탭을 이용하여 안전성을 개선시킨 리튬 이차전지 {Lithium secondary battery with improved safety by using bimetal tab}

본 발명은 바이메탈 탭을 이용하여 안전성을 개선시킨 리튬 이차전지에 관한 발명이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 그러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이러한 리튬 이차전지는 전해액의 구성 내지 형태에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 한다. 리튬이온 전지는 양극/세퍼레이터/음극을 리튬 전해액 용액에 함침시킨 구조의 전지이고, 리튬 폴리머 전지는 전해질로서 고체 전해질을 사용하여 세퍼레이터의 역할을 병행하는 구조의 전지이다. 리튬이온 폴리머 전지는 리튬이온 전지와 리튬 폴리머 전지의 중간단계의 전지로서 양극 및 음극을 세퍼레이터에 결합시키고 그러한 부위에 리튬 전해액이 함침되도록 하는 구조의 전지이다.

이러한 리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되기도 한다. 원통형 전지와 각형 전지는 금속의 캔에 전극조립체를 장착한 구조의 전지이며, 파우치형 전지는 예를 들어 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체를 장착한 구조의 전지이다.

이러한 이차전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 이차전지는 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출 등 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 전지의 온도가 상승하게 되면, 전기화학적으로 불안정해진 전해액 등이 분해되면서 전지의 외형이 변형되거나 내부 단락 등이 일어날 수 있으며, 심한 경우 전지의 발화 내지 폭발이 초래될 수 있다.

특히, 고출력 대용량의 이차전지에 대한 수요가 높아짐에 따라 이차전지의 에너지 밀도가 높아지고 방전 전압이 커지는 추세에 비추어 이러한 안전성의 문제는 더욱 중요시 되고 있다. 따라서, 이러한 안전성의 문제를 해결하기 위해 전지의 이상 발생시 통전되는 회로상에 저항을 설치하여 충전에너지를 소모시키는 기술에 대한 다양한 시도들이 행해진 바 있다.

그러나, 비정상적인 작동 조건하의 고온에서 리튬 이차전지의 안전성 문제를 해결하는 기술이 여전히 필요한 실정이다.

본 발명에서는 비정상적인 작동 조건하의 고온에서 전극 탭과 전극 리드간의 접촉이 단락되도록 함으로써 리튬 이차전지의 안전성을 향상시키는 기술을 제공하고자 한다.

전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 순차적으로 적층되어 있는 양극판, 세퍼레이터 및 음극판; 상기 양극판 및 음극판 각각의 일측에서 소정 길이로 연장 형성되어 있는 전극 탭; 및 상기 전극탭과 전기적으로 연결되어 있는 전극 리드를 포함하고, 정상적인 작동 조건하에서 상기 전극 탭과 전극 리드간에는 적어도 일부 영역이 용접되어 있는 용접부가 형성되어 있으며, 비정상적인 작동 조건 하의 고온에서 상기 용접부에 단락이 발생하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지가 제공된다.

상기에서 전극 탭은 바이메탈로 형성된 바이메탈 탭일 수 있으며, 양극 탭, 음극 탭 또는 이들 둘다일 수 있다.

또는, 상기 전극 탭위에 바이메탈 탭이 더 부착되어 있을 수 있다.

상기 바이메탈 탭은 열팽창 계수가 큰 금속과 열팽창 계수가 작은 금속으로 구성되고, 이 중 열팽창 계수가 보다 큰 금속이 전극 리드 방향으로 배치될 수 있다.

상기에서 열팽창 계수가 보다 큰 금속은 구리/아연 합금, 니켈/몰리브덴/철 합금 또는 니켈/망간/철 합금일 수 있다.

상기에서 열팽창 계수가 보다 작은 금속은 니켈/철의 합금일 수 있다.

상기 바이메탈 탭은 전극 리드 혹은 전극 탭과 중첩되는 총 면적 중 50 내지 80%가 각각 전극 리드 또는 전극 탭에 용접될 수 있다.

상기 용접부가 연속적 또는 비연속적 패턴으로 형성된 것일 수 있다.

상기 고온은 90 내지 130 ℃의 온도일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서는, 전술한 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하고 있는 중대형 전지팩이 제공된다.

본 발명에 따르면, 비정상적인 작동 조건하의 고온에서 바이메탈이 일방향으로 휘어지는 특성을 이용함으로써 전극 탭과 전극 리드간의 단락이 발생되고 단위전지 셀 내부의 저항이 증가하며, 그 결과 리튬 이차전지의 안전성이 향상된다.

본 발명에 따르면, 바이메탈 탭의 소재 및 용접 패턴에 따라, 선택적인 온도 구간에서 단위전지 셀 내부의 저항이 증가하도록 함으로써 리튬 이차전지의 안전성을 조정할 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 1a는 정상적인 온도 조건에서 바이메탈의 일 단면이 피착면에 부착되어 있는 상태를 옆에서 본 측면도이고, 도 1b는 비정상적인 작동 조건하의 고온에서 바이메탈의 일 단면이 피착면에 부착되어 있는 상태를 옆에서 본 측면도이다.
도 2a와 도 2b는 바이메탈 탭이 전극 탭으로 사용된 전지셀의 양태를 위에서 본 상면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 바이메탈 탭이 전극 탭으로 사용되어 전극 리드에 용접된 양태를 모식적으로 나타낸 측면도이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 기재된 구성은 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.

본 발명의 일 양태에서는 순차적으로 적층되어 있는 양극판, 세퍼레이터 및 음극판; 상기 양극판 및 음극판 각각의 일측에서 소정 길이로 연장 형성되어 있는 전극 탭; 및 상기 전극탭과 전기적으로 연결되어 있는 전극 리드를 포함하고, 정상적인 작동 조건하에서 상기 전극 탭과 전극 리드간에는 적어도 일부 영역이 용접되어 있는 용접부가 형성되어 있으며, 비정상적인 작동 조건 하의 고온에서 상기 용접부에 단락이 발생하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지가 제공된다.

본 발명에서는 바이메탈 탭이 전극 탭으로 사용되는 제1 양태 및 전극 탭으로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 소재가 사용되고 바이메탈 탭이 이러한 전극 탭 상에 더 부착되는 제2 양태를 모두 포함할 수 있다. 이하, 본원 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, 전극 탭 또는 바이메탈 탭이라 함은 제1 양태에서의 전극 탭 또는 바이메탈 탭을 의미하는 것으로 이해한다.

바이메탈 탭은 열팽창계수가 상이한 2종의 금속판을 적층 접합시켜 제조되어, 전지가 과충전 또는 심방전(deep discharge)과 같은 지속적인 전류 흐름으로 인해 전지 셀의 온도 상승이 야기되어 소정의 임계 온도(critical temperature)에 도달하게 되면 가변적으로 소정의 방향으로 휘어지게 된다.

본 발명의 일 양태에서 바이메탈 탭은 열팽창 계수가 보다 큰 금속/금속 합금과 열팽창 계수가 보다 작은 금속/금속 합금이 상부와 하부를 구성하여 이루어지고, 열팽창계수가 보다 큰 금속이 전극 리드 쪽을 향하도록 전지 셀에 적용된다. 이후, 전지가 비정상적인 작동 조건으로 인해 고온에 이르게 되며, 상기 바이메탈 탭은 열팽창계수가 보다 작은 금속 쪽으로 휘어지게 되며, 그 결과 전극 탭으로 사용된 바이메틸 탭이 전극 리드로부터 단락된다.

본원 명세서에서, '단락'이라 함은 전극 탭으로 사용된 바이메탈 탭이 전극 리드로부터 완벽하게 이격되는 경우를 의미할 뿐만 아니라, 바이메탈 탭이 전극 리드로부터 1 ㎜ 미만으로 이격된 경우도 포함하는 것으로 이해한다. 이러한 수준의 단락도 전지의 안전성에 영향을 주게 된다.

상기 바이메탈 탭이 일정 방향으로 휘어지는 정도는 리튬이차전지의 전체적인 설계와 함께, 단락이 유발되어야 하는 온도, 바이메탈 탭을 구성하는 금속/금속 합금의 소재 혹은 이들의 조합, 바이메탈 탭의 전체 두께, 바이메탈 탭의 상부와 하부의 두께비, 전극 리드와의 용접 면적 혹은 패턴 등에 따라 조정될 수 있다.

본 발명에서 사용될 수 있는 전극 리드는 당업계에서 통상적으로 사용되는 소재로 형성된 것일 수 있다. 또한, 바이메탈 탭이 전극 탭에 덧붙여 사용되는 제2 양태에서는, 상기 전극 탭 역시 당업계에서 통상적으로 사용되는 소재로 형성된 것일 수 있다.

전극 탭과 전극 리드의 단락이 유발되어야 하는 온도는 비정상적인 작동 조건하에서의 고온을 의미하는 것으로, 예컨대, 80 내지 130 ℃ 범위의 온도 또는 90 내지 135 ℃ 범위의 온도일 수 있다. 본 발명의 일 양태에 따르는 바이메탈 탭은 전지의 80 ℃ 이상의 온도 구간에서 작동하여 전지의 안전성을 확보한다.

본 발명의 일 양태에 따른 바이메탈 탭은 금속/금속합금이 2층 내지 3층 이상으로 형성된 구조를 갖는다. 또한, 본 발명의 일 양태에 따른 바이메탈 탭 두께는 0.1 ㎜ 내지 1 ㎜일 수 있다.

바이메탈 탭을 구성하는 열팽창계수가 보다 작은 금속의 비제한적인 예로는 니켈/철 합금을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 바이메탈 탭을 구성하는 열팽창계수가 보다 큰 금속의 비제한적인 예로는 구리/아연 합금, 니켈/몰리브덴/철 합금, 니켈/망간/철 합금을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 소재로 형성된 바이메탈 탭은 양극 탭, 음극 탭, 혹은 이들 둘다로 사용되거나, 양극 탭, 음극 탭 혹은 이들 둘다 상에 접합될 수 있다.

상기 바이메탈 탭은 비정상적인 작동 조건하의 고온에서 바이메탈 탭의 상부와 하부가 상이한 정도로 열팽창되어 전극 리드로부터 단락을 유발시켜야 하므로, 이러한 점을 고려할 때 전체 두께가 0.1 내지 1 mm 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 바이메탈 탭을 구성하는 열팽창 계수가 보다 큰 금속과 열팽창계수가 보다 작은 금속은 예컨대, 동일한 두께로 형성될 수 있다.

전극 탭이 전극 리드에 용접되는 면적은 전극 탭이 전극 리드와 중첩되는 전체 면적을 기준으로 50 내지 80% 일 수 있다. 통상적인 전극 탭 위에 바이메탈 탭이 더 부착된 제2 양태의 경우에는, 상기 바이메탈 탭이 전극 탭과 중첩되는 총 면적 중 50 내지 80% 면적으로 용접부가 형성될 수 있다. 상기 용접 면적이 50% 미만인 경우에는 정상 조건에서도 저항이 증가할 수 있게 되고, 80%를 넘는 경우에는 저항 변화 효과가 감소하게 된다.

상기 전극 탭이 전극 리드에 용접되는 패턴은 전극 탭과 전극 리드의 단락이 유발되기를 원하는 온도에 따라 선택적으로 적용할 수 있으며, 이러한 목적을 만족할 수 있다면 용접되는 패턴 형태나 면적은 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 연속적으로 혹은 불연속적으로 용접부가 형성될 수 있다.

전극 탭이 전극 리드에 용접되는 방법은 당업계에서 통상적인 방법이면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 전기저항 용접, 점 용접, 심 용접, 초음파 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접 또는 아크용접 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 전지는 반복적인 충방전이 가능한 이차전지에 대하여 형태와 종류에 관계없이 다양한 범주에서 적용 가능하며, 바람직하게는 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지일 수 있다.

상기 이차전지는 전지셀이 팩 케이스에 장착되어 있는 구조로 이루어져 있고, 상기 접속부재는 전지케이스의 외면에 부착된 상태에서 팩 케이스로 감싸여 있는 구조일 수 있다.

본 발명은 또한 상기 이차전지를 단위전지로서 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩을 제공한다.

다수의 단위전지들이 콤팩트하게 밀집되어 있는 중대형 전지팩은, 일부 단위전지에 이상이 발생하는 경우, 다른 단위전지로의 파급 효과가 매우 크므로, 안전성 문제가 더욱 심하게 대두된다. 따라서, 상기와 같이 안전성이 확보된 이차전지를 단위전지로서 사용하면, 그러한 안전성 문제를 근본적으로 해결할 수 있게 된다.

중대형 전지팩의 구성 및 제조방법 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 설명을 본 명세서에서는 생략한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1a는 정상적인 온도 조건에서 바이메탈 탭(100)의 일 단면이 피착면(200)에 부착되어 있는 상태를 옆에서 본 측면도로, 상기 바이메탈 탭(100)은 열팽창계수가 큰 금속/금속 합금(10)을 하부에 포함하고 열팽창계수가 작은 금속/금속 합금(20)을 상부에 포함하며, 바이메탈 탭(100)은 전체적으로 수평 상태로 있다.

도 1b는 비정상적인 작동 조건하의 고온에서 바이메탈 탭(100)의 일 단면이 피착면(200)에 부착되어 있는 상태를 옆에서 본 측면도로, 상기 바이메탈 탭(100)은 열팽창계수가 큰 금속/금속 합금(10)을 하부에 포함하고 열팽창계수가 작은 금속/금속 합금(20)을 상부에 포함하며, 바이메탈 탭(100)은 전체적으로 열팽창계수가 작은 금속/금속 합금(20) 쪽, 즉, 상부를 향해 휘어져 있다.

도 2a는 바이메탈 탭(100, 100’)이 전극 탭으로 사용되고 전지 셀의 타변에서 양극 리드/음극 리드(300, 300’)에 용접되어 있는 양태이다. 또한, 도 2b는 바이메탈 탭(100, 100’)이 전극 탭으로 사용되고, 전지 셀의 동일한 일변에서 양극리드/음극 리드(300, 300’)에 용접되어 있는 양태이다.

도 3a 내지 도 3d에는 바이메탈 탭(100)이 전극 탭으로 사용되어 전극 리드(300)에 일정 패턴으로 용접된 양태를 도시한 것으로, 바이메탈 탭(100)이 전극 리드(300)에 용접되는 패턴은 용접부(100a)가 연속적으로 형성되어 있는 연속 패턴이거나, 혹은 용접부(100a) 사이에 미용접부(100b)가 개재되어 있는 불연속 패턴일 수 있다.

이상 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (12)

1. 순차적으로 적층되어 있는 양극판, 세퍼레이터 및 음극판; 상기 양극판 및 음극판 각각의 일측에서 소정 길이로 연장 형성되어 있는 전극 탭; 및 상기 전극탭과 전기적으로 연결되어 있는 전극 리드를 포함하고,
   정상적인 작동 조건하에서 상기 전극 탭과 전극 리드간에는 적어도 일부 영역이 용접되어 있는 용접부가 형성되어 있으며,
   비정상적인 작동 조건 하의 고온에서 상기 용접부에 단락이 발생하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전극 탭이 바이메탈로 형성된 바이메탈 탭인 것을 특징으로 하는 리튬이차전지.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 전극 탭은 양극 탭, 음극 탭 또는 이들 둘다인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 전극 탭위에 바이메탈 탭이 더 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 리튬
   이차전지.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 바이메탈 탭에서 열팽창 계수가 보다 큰 금속으로 구성된 부분이 리드 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 열팽창 계수가 보다 큰 금속은 구리/아연 합금, 니켈/몰리브덴/철 합금 또는 니켈/망간/철 합금인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 열팽창 계수가 보다 작은 금속은 니켈/철 합금인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
   
8. 제2항에 있어서,
   상기 전극 탭이 전극 리드와 중첩되는 총 면적 중 50 내지 80% 면적으로 용접부가 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
   
9. 제4항에 있어서,
   상기 바이메탈 탭이 전극 탭과 중첩되는 총 면적 중 50 내지 80% 면적으로 용접부가 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 용접부가 연속적 또는 비연속적 패턴인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 고온이 80 내지 130 ℃의 온도인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
    
12. 제1 내지 제11항중 어느 한 항에 따른 리튬 이차전지를 단위전지로 포함하고 있는 중대형 전지팩.

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