KR20180051372A - 조전지 - Google Patents

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KR20180051372A
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Abstract

여기서 개시되는 조전지(1)는 전극체의 정극 및 부극의 적층 방향을 배열 방향(x)으로 하여 단전지(10A∼10F)가 복수 배열된 단전지 배열 유닛(A, B)을 복수 구비하고 있고, 해당 복수의 단전지 배열 유닛(A, B)은 각 유닛을 구성하는 단전지의 배열 방향(x)이 평행하게 되도록 병렬로 배치되어 있다. 그리고 이러한 조전지(1)에 있어서, 단전지 배열 유닛(A, B)의 각각에 포함되는 단전지(10A∼10F)는 모두 동일한 유닛에 있어서의 인접한 단전지와는 전기적으로 직결한 접속은 이루어져 있지 않고, 다른 단전지 배열 유닛을 구성하는 어느 것의 단전지와 버스 바(40)를 통해 전기적으로 직결한 접속이 행해져 있다.

Description

조전지{ASSEMBLED BATTERY}
본 발명은 조전지에 관한 것이다. 상세하게는, 이차 전지를 단전지로 하고, 당해 단전지를 복수 구비한 조전지에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지, 니켈 수소 전지 그 밖의 이차 전지 혹은 커패시터 등의 축전 소자를 단전지로 하고, 당해 단전지를 복수 구비한 조전지는, 차량 탑재용 전원 혹은 퍼스널 컴퓨터나 휴대 단말기 등의 전원으로서 중요성이 높아지고 있다. 특히, 경량이며 고에너지 밀도가 얻어지는 리튬 이온 이차 전지를 단전지로 한 조전지는, 차량 탑재용의 고출력 전원 등에 바람직하게 사용되고 있다.
이러한 조전지의 일례를 도 9에 도시한다. 이 조전지(100)는 편평한 각형의 단전지(110A∼110C)를 복수 구비하고 있고, 이 복수의 단전지(110A∼110C)는 배열 방향 x를 따라서 광폭면(편평면)이 서로 인접하도록 배열되어 있다. 그리고, 이 조전지(100)에서는, 각각의 단전지(110A∼110C)의 사이에서 정극 단자(112)와 부극 단자(114)가 버스 바(140)에 의해 전기적으로 순차적으로 접속되어 있다.
그런데, 이러한 종류의 이차 전지를 구성 요소(단전지)로 하는 조전지에는, 전지 성능이 우수한 것은 물론, 높은 레벨의 안전성이 요구되고 있다. 이 때문에, 조전지의 안전성을 향상시키기 위한 다양한 기술이 제안되어 있다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제2015-2113호에는, 축전 모듈(조전지)에 외력이 작용한 경우에, 축전 장치(단전지) 간에서 확실하게 단락을 발생시켜 급격한 온도 상승을 방지하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 조전지를 차량 등의 이동체에 탑재하여 사용할 때, 도 10에 도시한 바와 같이, 못과 같은 예리한 도전성의 이물 F가, 각 단전지의 정극(132) 및 부극(135)을 해당 정극 및 해당 부극의 적층 방향으로 관통하도록, 조전지(100)를 구성하는 복수의 단전지를 관통한 경우에는, 당해 관통된 각각의 단전지(110A∼110C)에서 단락 전류가 발생할 수 있고, 당해 단락 전류의 줄열에 의해 단전지(110A∼110C)의 온도가 급격하게 상승할 가능성이 있다. 이때, 최상류측에 배치된 1번째의 단전지(110A)에서 발생하는 온도 상승은, 단일의 이차 전지에 도전성의 이물이 박힌 경우에 발생하는 온도 상승과 동일 정도이지만, 2번째 이후에 배치된 단전지(110B, 110C)에서는, 1번째의 단전지(110A)보다도 급격한 온도 상승이 발생할 수 있다.
예를 들어, 도전성의 이물 F가 각각의 단전지(110A∼110C)를 상기 정극 및 상기 부극 적층 방향으로 관통하면, 버스 바(140)와 도전성의 이물 F를 통해 복수의 단전지(110A, 110B)의 사이에서 단락 전류 E1이 흐르는 외부 단락이 발생한다. 이 경우, 2번째의 단전지(110B)의 부극(135)에는, 해당 2번째의 단전지(110B)의 내부에서 발생하는 단락 전류 E2와, 상기한 외부 단락의 단락 전류 E1의 2개의 단락 전류(합계 700A 정도)가 유입되기 때문에, 2번째의 단전지(110B)에서 급격한 온도 상승이 발생할 수 있다. 그리고, 2개 이상의 단전지를 구비한 조전지에서는, 2번째 이후에 배치된 단전지[예를 들어, 도 10 중의 단전지(110C)]에 있어서도 외부 단락에 기인한 급격한 온도 상승이 발생할 수 있다.
본 발명은 복수의 단전지가 접속된 조전지에 예리한 도전성의 이물이 박혔을 때에, 복수의 단전지의 사이에서 발생하는 외부 단락을 억제하여, 단락 전류에 의한 단전지의 급격한 온도 상승을 적합하게 억제할 수 있는 조전지를 제공한다.
본 발명에 의해 이하의 구성의 조전지가 제공된다.
여기서 개시되는 조전지는, 정극 및 부극이 적층된 구조의 전극체가 각형의 전지 케이스 내에 수용되어 이루어지는 서로 동일 형상의 각형 전지를 단전지로서 복수 구비한 조전지이다. 이러한 조전지는, 전극체에 있어서의 정극 및 부극의 적층 방향을 배열 방향으로 하여 서로 인접하여 단전지가 복수 배열된 단전지 배열 유닛을 복수 구비하고 있고, 해당 복수의 단전지 배열 유닛은, 각 유닛을 구성하는 단전지의 배열 방향이 대략 평행하게 되도록 병렬로 배치되어 있다. 그리고, 여기서 개시되는 조전지에 있어서, 단전지 배열 유닛의 각각에 포함되는 단전지는, 모두 동일한 단전지 배열 유닛에 있어서의 인접한 단전지와는 전기적으로 직결한 접속은 이루어져 있지 않고, 다른 단전지 배열 유닛을 구성하는 어느 것의 단전지와 버스 바를 통해 전기적으로 직결한 접속이 행해져 있다.
여기서 개시되는 조전지에서는, 복수의 단전지가 배열되어 이루어지는 단전지 배열 유닛을 복수 구비하고 있고, 이러한 복수의 단전지 배열 유닛이 대략 평행하게 배치되어 있다. 이러한 구조의 조전지에 못과 같은 예리한 도전성의 이물이 박히는 경우, 도전성의 이물은, 대략 평행하게 배치되어 있는 복수의 단전지 배열 유닛 중 1개의 단전지 배열 유닛에 박히어, 당해 1개의 단전지 배열 유닛을 구성하는 각각의 단전지를 관통한다. 그리고, 여기서 개시되는 조전지에서는, 동일한 단전지 배열 유닛에 있어서 인접한 단전지의 사이에서는 전기적으로 직결한 접속이 이루어져 있지 않기 때문에, 조전지를 구성하는 복수의 단전지 배열 유닛 중, 1개의 단전지 배열 유닛을 관통하도록 도전성의 이물이 박히었다고 해도, 당해 도전성의 이물과 버스 바를 통한 외부 단락이 발생하지 않기 때문에, 단락 전류에 의한 단전지의 급격한 온도 상승을 억제할 수 있다.
여기서 개시되는 조전지는, 단전지의 배열 방향과는 상이한 방향으로 버스 바가 연장되도록 전기적인 접속을 구축하는 것으로 해도 된다.
여기서 개시되는 조전지에 대하여, 단전지의 배열 방향과, 조전지가 탑재된 차량의 진행 방향이 동일한 방향으로 되도록 조전지의 방향을 조정하여 단전지 배열 유닛을 구성하는 것으로 해도 된다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 조전지를 구성하는 단전지를 모식적으로 도시하는 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 전극체를 구성하는 각 부재를 모식적으로 도시하는 설명도.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 전극체의 구성을 모식적으로 도시하는 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 조전지를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 조전지에 도전성의 이물이 박힌 상태를 모식적으로 도시하는 설명도.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 조전지를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 7은 시험예 3의 조전지를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 8은 시험예 4의 조전지를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 9는 관련 기술의 조전지를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 10은 관련 기술의 조전지에 도전성의 이물이 박힌 상태를 모식적으로 도시하는 설명도.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 조전지로서, 리튬 이온 이차 전지를 단전지로 하고, 당해 리튬 이온 이차 전지를 복수 접속하여 이루어지는 조전지를 예로 들어 설명한다. 또한, 여기서 개시되는 조전지에 있어서, 단전지로서 사용되는 전지는 리튬 이온 이차 전지에 한정되지 않고, 예를 들어 적층 전극체를 구비한 니켈 수소 전지 등을 사용할 수 있다.
또한, 이하의 도면에 있어서는, 동일한 작용을 발휘하는 부재ㆍ부위에는 동일한 부호를 붙여 설명하고 있다. 또한, 각 도면에 있어서의 치수 관계(길이, 폭, 두께 등)는 실제의 치수 관계를 반영하는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 있어서 특별히 언급하고 있는 사항 이외의 사항이며 본 발명의 실시에 필요한 사항(예를 들어, 전해질의 구성 및 제법, 리튬 이온 이차 전지의 구축에 관한 일반적 기술 등)은 당해 분야에 있어서의 관련 기술에 기초하는 당업자의 설계 사항으로서 파악될 수 있다.
1. 단전지의 구성
우선, 본 실시 형태에 관한 조전지를 구성하는 단전지를 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 관한 조전지를 구성하는 단전지를 모식적으로 도시하는 사시도이고, 도 2는 본 실시 형태에 있어서의 전극체를 구성하는 각 부재를 모식적으로 도시하는 설명도이며, 도 3은 본 실시 형태에 있어서의 전극체의 구성을 모식적으로 도시하는 사시도이다. 본 실시 형태에 관한 조전지를 구성하는 단전지(10)는, 도 1에 도시한 각형의 전지 케이스(50) 내에, 도 2 및 도 3에 도시한 전극체(30)를 수용함으로써 구성된다.
(1) 전지 케이스
도 1에 도시한 바와 같이, 전지 케이스(50)는, 상면이 개방된 편평한 각형의 케이스 본체(52)와, 당해 상면의 개구부를 막는 덮개체(54)로 구성되어 있다. 전지 케이스(50)는, 예를 들어 금속이나 수지 등에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 전지 케이스(50)의 상면을 이루는 덮개체(54)에는, 정극 단자(12)와 부극 단자(14)가 설치되어 있다. 도시는 생략하지만, 정극 단자(12)는 전지 케이스(50) 내의 전극체 정극에 접속되고, 부극 단자(14)는 부극에 접속되어 있다. 또한, 정극 단자(12)는 알루미늄이나 알루미늄 합금 등에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하고, 부극 단자(14)는 구리나 구리 합금 등에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
(2) 전해액
상기한 전지 케이스(50)의 내부에는, 전극체(30)(도 3 참조)와 함께 전해액이 수용되어 있다. 전해액에는, 관련 기술의 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 것과 마찬가지의 것을 특별히 한정없이 사용할 수 있고, 예를 들어 에틸렌카르보네이트(EC)와 디메틸카르보네이트(DMC)와 에틸메틸카르보네이트(EMC)의 혼합 용매(예를 들어 체적비 3 : 4 : 3)에 육불화인산리튬(LiPF6)을 약 1mol/L의 농도로 함유시킨 비수 전해액을 사용할 수 있다.
(3) 전극체
본 실시 형태에 있어서는, 정극 및 부극이 적층된 구조의 전극체가 사용된다. 구체적으로는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 전극체(30)는 직사각형의 시트 형상의 정극(31) 및 부극(35)을 교대로 복수 적층함으로써 형성되는 적층 전극체이며, 정극(31)과 부극(35) 사이에는 세퍼레이터(38)가 배치되어 있다. 또한, 본 명세서에 있어서의 「정극 및 부극이 적층된 구조의 전극체」는, 상기한 복수매의 정극 및 부극을 적층시킨 적층 전극체에 한정되지 않는다. 예를 들어, 전극체로서는, 긴 시트 형상의 정극과 부극을 세퍼레이터를 통해 적층시킨 긴 적층체를 길이 방향으로 권회시킴으로써 제작되는 권회 전극체를 사용할 수도 있다.
또한, 전극체(30)를 구성하는 각 재료에 대해서는, 관련 기술의 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 것과 마찬가지의 것을 특별히 한정없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 정극(31)은 직사각형의 알루미늄박 등으로 이루어지는 정극 집전체(32)의 표면에 정극 활물질층(33)이 부여됨으로써 구성된다. 정극 활물질층(33)에는, 정극 활물질과, 그 밖의 첨가재가 포함된다. 정극 활물질에는, 리튬 원소와 1종 또는 2종 이상의 전이 금속 원소를 포함하는 리튬 함유 화합물(리튬 전이 금속 복합 산화물)을 사용할 수 있다. 이 리튬 전이 금속 복합 산화물로서는, 리튬 니켈 복합 산화물(예를 들어, LiNiO2), 리튬 코발트 복합 산화물(예를 들어, LiCoO2), 리튬 망간 복합 산화물(예를 들어, LiMn2O4), 혹은 리튬 니켈 코발트 망간 복합 산화물(예를 들어, LiNi1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3O2)과 같은 3원계 리튬 함유 복합 산화물 등을 들 수 있다. 그 밖의 첨가재로서는, 도전재나 바인더를 들 수 있다. 도전재로서는, 예를 들어 카본 블랙이나 카본 파이버 등의 카본 재료 등을 들 수 있다. 또한, 바인더로서는, 예를 들어 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리에틸렌옥시드(PEO), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 스티렌부타디엔 고무(SBR) 등을 들 수 있다.
한편, 부극(35)은 직사각형의 구리박 등으로 이루어지는 부극 집전체(36)의 표면에, 부극 활물질을 포함하는 부극 활물질층(37)을 부여함으로써 구성된다. 부극 활물질층(37)에는, 부극 활물질과, 그 밖의 첨가재가 포함되어 있다. 부극 활물질로서는, 예를 들어 흑연(그래파이트), 난흑연화 탄소(하드 카본), 이흑연화 탄소(소프트 카본), 카본 나노 튜브, 혹은 이들을 조합한 탄소 재료를 사용할 수 있다. 또한, 그 밖의 첨가재로서는, 바인더, 증점제, 분산제 등을 적절히 사용할 수 있다. 예를 들어, 바인더로서는, 상기한 정극 활물질층에서 사용되는 바인더와 마찬가지의 것을 사용할 수 있다. 증점제로서는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)나 메틸셀룰로오스(MC) 등을 사용할 수 있다.
또한, 세퍼레이터(38)에는, 정극(31)과 부극(35)을 전기적으로 절연하는 기능, 비수전해질을 유지하는 기능 등을 구비한 수지제의 다공성 시트(필름)가 사용된다. 이러한 세퍼레이터(38)로서는, 예를 들어 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에스테르, 셀룰로오스, 폴리아미드 등을 사용할 수 있다.
2. 조전지의 구성
도 4는 본 실시 형태에 관한 조전지를 모식적으로 도시하는 평면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 조전지(1)는 상기한 구성의 단전지(10)를 6개 구비하고 있고, 해당 6개의 단전지(10)의 정극 단자(12)와 부극 단자(14)를 버스 바(40)에 의해 전기적으로 접속함으로써 구축되어 있다. 이하, 본 실시 형태에 관한 조전지(1)의 구성을 구체적으로 설명한다. 또한, 이하에서는, 설명의 편의상, 외부에 개방되어 있는 정극 단자인 정극 출력 단자(12a)를 갖는 단전지(10A)를 1번째의 단전지(10A)라 칭하고, 부극 출력 단자(14a)를 갖는 단전지(10F)를 6번째의 단전지(10F)라 칭한다. 그리고, 버스 바(40)에 의한 전기적인 접속에 있어서, 1번째의 단전지(10A)와 6번째의 단전지(10F) 사이에 배치되어 있는 단전지를 각각 2∼5번째의 단전지(10B∼10E)라 칭한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 조전지(1)에서는, 배열 방향 x를 따라서 3개의 단전지(10)가 배열됨으로써 2개의 단전지 배열 유닛 A, B가 형성되어 있다. 각각의 단전지 배열 유닛 A, B에 있어서의 단전지(10)의 배열 방향 x는, 전극체(30)의 정부극 적층 방향 y(도 3 참조)와 동일하다. 이하, 설명의 편의상, 도 4 중의 상측의 단전지 배열 유닛 A를 「1열째의 단전지 배열 유닛 A」라 칭하고, 하측의 단전지 배열 유닛 B를 「2열째의 단전지 배열 유닛 B」라 칭한다. 1열째의 단전지 배열 유닛 A는, 2번째의 단전지(10B)와 4번째의 단전지(10D)와 6번째의 단전지(10F)를, 광폭면(편평면)이 대향하도록 서로 인접시켜 배열함으로써 구성되어 있다. 한편, 단전지 배열 유닛 B는, 1번째의 단전지(10A)와 3번째의 단전지(10C)와 5번째의 단전지(10E)를, 광폭면이 대향하도록 서로 인접시켜 배열함으로써 구성되어 있다.
그리고, 1열째의 단전지 배열 유닛 A와 2열째의 단전지 배열 유닛 B는, 각각의 단전지 배열 유닛을 구성하는 단전지(10)의 배열 방향이 대략 평행하게 되도록 병렬로 배치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 1열째의 단전지 배열 유닛 A를 구성하는 각 단전지(10)의 협폭면과, 2열째의 단전지 배열 유닛 B를 구성하는 각 단전지(10)의 협폭면이 대향하도록, 1열째의 단전지 배열 유닛 A와 2열째의 단전지 배열 유닛 B가 서로 인접하여 배치되어 있다. 이와 같이 각각의 단전지 배열 유닛 A, B를 배치함으로써, 1열째의 단전지 배열 유닛 A와 2열째의 단전지 배열 유닛 B가 대략 평행하게 배치되고, 1열째의 단전지 배열 유닛 A를 구성하는 각 단전지(10B, 10D, 10F)의 정극 단자(12)와, 2열째의 단전지 배열 유닛 B를 구성하는 각 단전지(10A, 10C, 10E)의 부극 단자(14)가 근접한다. 또한, 본 명세서에 있어서 「대략 평행」이란, 각각의 단전지 배열 유닛을 구성하는 단전지의 배열 방향이 완전히 평행한 경우뿐만 아니라, 1열째의 단전지 배열 유닛 A를 구성하는 각 단전지의 배열 방향에 대하여, 2열째의 단전지 배열 유닛 B를 구성하는 각 단전지의 배열 방향이 -5°∼ +5° 기울어져 있는 경우를 포함한다.
그리고, 본 실시 형태에 관한 조전지(1)에 있어서, 단전지 배열 유닛 A, B의 각각에 포함되는 단전지(10A∼10F)는, 모두 동일한 단전지 배열 유닛에 있어서의 인접한 단전지와는 전기적으로 직결한 접속은 이루어져 있지 않고, 다른 단전지 배열 유닛을 구성하는 어느 것의 단전지와 버스 바(40)를 통해 전기적으로 직결한 접속이 행해져 있다. 즉, 본 실시 형태에 관한 조전지(1)는 각각의 단전지를 배열 방향 x를 따라서 순차적으로 전기적으로 접속하는 관련 기술의 조전지(도 9 참조)와 달리, 단전지의 배열 방향 x와는 상이한 방향으로 버스 바(40)가 연장되도록 전기적인 접속을 구축한다. 구체적으로는, 2열째의 단전지 배열 유닛 B에 포함되는 1번째의 단전지(10A)는, 동일한 2열째의 단전지 배열 유닛 B에 있어서 인접하는 3번째의 단전지(10C)에는 전기적으로 직결하여 접속되어 있지 않고, 다른 열의 유닛인 1열째의 단전지 배열 유닛 A의 2번째의 단전지(10B)에 버스 바(40)를 통해 전기적으로 직결하여 접속되어 있다. 또한, 2번째의 단전지(10B)에 대해서도 마찬가지로, 1열째의 단전지 배열 유닛 A에 있어서 인접하는 4번째의 단전지(10D)가 아니라, 2열째의 단전지 배열 유닛 B의 3번째의 단전지(10C)에 전기적으로 직결하여 접속되어 있다. 이하, 상세한 설명은 생략하지만, 본 실시 형태에 관한 조전지(1)에서는, 3번째∼6번째의 단전지(10C∼10F)에 대해서도 마찬가지로, 동일한 단전지 배열 유닛에 있어서 인접하는 단전지와는 전기적으로 직결하여 접속되어 있지 않고, 다른 단전지 배열 유닛에 포함되는 단전지와의 사이에서 전기적으로 직결한 접속이 이루어져 있다.
이와 같은 구성을 가진 본 실시 형태에 관한 조전지(1)에, 못 등의 도전성의 이물 F가 박힌 경우에 대하여 설명한다. 도 5는 본 실시 형태에 관한 조전지에 도전성의 이물 F가 박힌 상태를 모식적으로 도시하는 설명도이다.
예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 조전지(1)에 못과 같은 예리한 도전성의 이물 F가 박히는 경우, 당해 도전성의 이물 F는, 대략 평행하게 배치된 2개의 단전지 배열 유닛 A, B 중 어느 한쪽의 단전지 배열 유닛(도 5에서는 단전지 배열 유닛 B)에 박히어, 이러한 단전지 배열 유닛 B를 구성하는 각 단전지(10A, 10C, 10E)를 관통한다. 이때, 본 실시 형태에 관한 조전지(1)에서는, 2열째의 단전지 배열 유닛 B를 구성하는 각각의 단전지(10A, 10C, 10E)끼리가 버스 바(40)를 통해 직결하여 접속되어 있지 않기 때문에, 2열째의 단전지 배열 유닛 B를 구성하는 단전지(10A, 10C, 10E)를 도전성의 이물 F가 관통해도, 버스 바(40)와 도전성의 이물 F를 통한 도전 경로가 형성되지 않는다. 이 때문에, 본 실시 형태에 관한 조전지(1)에 의하면, 도전성의 이물 F가 박힌 경우라도, 버스 바(40)를 통한 외부 단락의 단락 전류 E1이 발생하지 않고, 각각의 단전지(10A, 10C, 10E)에서 내부 단락의 단락 전류 E2가 발생할 뿐이기 때문에, 외부 단락의 단락 전류 E1에 의한 급격한 온도 상승이 발생하지 않고, 각각의 단전지의 온도 상승을 단일의 이차 전지에 도전성의 이물이 박힌 경우에 발생하는 온도 상승과 동일 정도로 할 수 있다.
또한, 상술한 설명에서는 2열째의 단전지 배열 유닛 B에 도전성의 이물 F가 박힌 경우를 예시하였지만, 1열째의 단전지 배열 유닛 A에 대해서도 마찬가지로, 단전지 배열 유닛 A를 구성하는 각각의 단전지(10B, 10D, 10F)끼리가 버스 바(40)를 통해 직결하여 접속되어 있지 않다. 이 때문에, 1열째의 단전지 배열 유닛 A에 도전성의 이물 F가 박힌 경우라도, 버스 바(40)를 통한 외부 단락이 발생하지 않아, 급격한 온도 상승을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 조전지(1)를 차량 등의 이동체에 탑재할 때에는, 각각의 단전지 배열 유닛 A, B를 구성하는 단전지의 배열 방향 x와, 차량 등의 이동체의 진행 방향이 동일한 방향으로 되도록 조전지(1)의 방향을 조정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 도전성의 이물 F가 조전지(1)에 박힐 때에, 당해 도전성의 이물 F가, 대략 평행하게 배치된 2개의 단전지 배열 유닛 A, B 중 어느 한쪽의 단전지 배열 유닛에만 박히기 쉬워지기 때문에, 상기한 효과를 보다 적합하게 발휘시킬 수 있다.
또한, 상기한 실시 형태에서는, 3개의 조전지로 구성된 단전지 배열 유닛 A, B를 2개 구비한 조전지(1)를 예시하였지만, 단전지 배열 유닛의 수나 해당 단전지 배열 유닛을 구성하는 단전지의 수는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 6에 도시한 바와 같이, 3개의 단전지(10)로 구성된 단전지 배열 유닛 A, B, C를 3개 병렬시킨 조전지(1A)의 경우라도, 동일한 단전지 배열 유닛을 구성하는 단전지끼리를 전기적으로 직결하여 접속하지 않고, 다른 단전지 배열 유닛을 구성하는 단전지끼리를 버스 바(40)를 통해 전기적으로 직결하여 접속함으로써, 버스 바(40)를 통한 외부 단락의 발생을 방지할 수 있다.
[시험예]
이하, 본 발명에 관한 시험예를 설명하지만, 이하의 시험예는 본 발명을 한정하는 것을 의도한 것은 아니다.
1. 시험예의 조전지 제작
(1) 시험예 1
정극 활물질(LiNi1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3O2)과, 도전재(아세틸렌 블랙)와, 바인더(PVDF)가 질량비로 94 : 3: 3의 비율로 혼합된 정극 활물질층이, 두께 12㎛의 정극 집전체(알루미늄박)의 양면에 형성된 직사각형의 정극을 제작하였다. 한편, 부극 활물질(흑연)과, 증점제(CMC)와, 바인더(SBR)가 질량비로 98 : 1 : 1의 비율로 혼합된 부극 활물질층이, 두께 10㎛의 부극 집전체(구리박)의 양면에 형성된 직사각형의 부극을 제작하였다. 그리고, 상기한 정극과 부극을 세퍼레이터를 개재해서 70매씩 적층시킴으로써 적층 전극체를 제작하고, 당해 적층 전극체를 전해액과 함께 도 1에 도시한 각형의 전지 케이스(폭 W 148㎜, 두께 D 26.4㎜, 높이 H 91㎜)에 수용하여, 용량이 35Ah인 단전지를 제작하였다.
그리고, 시험예 1에서는, 상기한 단전지(10)를 6개 제작하고, 도 4에 도시한 바와 같이, 배열 방향 x를 따라서 3개의 단전지가 배열된 단전지 배열 유닛 A, B를 2개 형성하였다. 그리고, 1열째의 단전지 배열 유닛 A를 구성하는 단전지(10B, 10D, 10F)의 배열 방향과, 2열째의 단전지 배열 유닛 B를 구성하는 단전지(10A, 10C, 10E)의 배열 방향이 대략 평행하게 되도록, 각각의 단전지 배열 유닛 A, B를 병렬로 배치하고, 배치한 각각의 단전지(10A∼10F)를 소정의 구속압으로 구속하였다. 그리고, 각각의 단전지 배열 유닛 A, B를 구성하는 단전지(10)가 동일한 단전지 배열 유닛에 있어서 인접한 단전지가 아니라, 다른 열의 단전지 배열 유닛을 구성하는 단전지와 접속되도록 버스 바(40)에 의한 전기적인 접속을 구축하였다.
(2) 시험예 2
시험예 2에서는, 상기한 시험예 1과 동일한 수순을 거쳐 단전지(10)를 9개 제작한 후, 도 6에 도시한 바와 같이, 배열 방향 x를 따라서 단전지(10)가 3개 배열된 단전지 배열 유닛 A, B, C를 3개 형성하고, 해당 3개의 단전지 배열 유닛 A, B, C를 병렬로 배치하였다. 그리고, 시험예 1과 마찬가지로, 각각의 단전지(10)를 동일한 단전지 배열 유닛에 있어서 인접하는 단전지가 아니라, 다른 열의 단전지 배열 유닛을 구성하는 단전지와 전기적으로 접속하였다.
(3) 시험예 3
시험예 3에서는, 시험예 1과 동일한 수순을 거쳐 단전지(210)를 5개 제작한 후, 도 7에 도시한 바와 같이, 당해 5개의 단전지(210)를 전극체(도시 생략)의 적층 방향(즉, 배열 방향 x)을 따라서 배열시킨 후, 인접한 단전지(210) 간의 정극 단자(212)와 부극 단자(214)를 버스 바(240)를 통해 접속하여 조전지(200)를 구축하였다. 또한, 도 7에 도시한 조전지(200)에서는, 배열 방향 x의 한쪽의 단부에 정극 출력 단자(212a)를 구비한 단전지(210)가 배치되고, 다른 쪽의 단부에 부극 출력 단자(214a)를 구비한 단전지(210)가 배치되어 있다.
(4) 시험예 4
도 8에 도시한 바와 같이, 시험예 4에서는, 상기한 시험예 1과 마찬가지로, 6개의 단전지(310A∼310F)를 제작하고, 배열 방향 x를 따라서 3개의 단전지(310)를 배열하여 2개의 단전지 배열 유닛 A, B를 형성하고, 형성한 단전지 배열 유닛 A, B가 대략 평행하게 되도록 병렬로 배치하였다. 그리고, 시험예 4에서는, 정극 출력 단자(312a)를 갖는 1번째의 단전지(310A)로부터, 부극 출력 단자(314a)를 갖는 6번째의 단전지(310F)를 향하여, 인접하는 단전지끼리가 순차적으로 접속되도록, 각각의 단전지(310A∼310F)의 사이에서 정극 단자(312)와 부극 단자(314)를 버스 바(340)를 통해 접속하였다. 구체적으로는, 시험예 4의 조전지(300)는 2번째의 단전지(310B)와 3번째의 단전지(310C)의 전기적인 접속과, 4번째의 단전지(310D)와 5번째의 단전지(310E)의 전기적인 접속이, 동일한 단전지 배열 유닛에 있어서 인접한 단전지끼리의 접속으로 되어 있는 점이, 시험예 1의 조전지와 상이하다.
2. 평가
시험 구축한 시험예 1∼시험예 4의 조전지를 평가하는 평가 시험으로서, 이하의 못 찌르기 시험을 행하였다. 이러한 못 찌르기 시험에서는, 우선, 25℃의 온도 환경 하에서, 상기 시험예 1∼시험예 4의 조전지를 SOC100％의 충전 상태로 조정하였다. 계속해서, 전지 케이스의 외표면에 2매의 열전대를 부착하고, 단전지의 배열 방향 x를 따라서 텅스텐제의 못을 찔러 넣는다. 또한, 이러한 못의 직경은 6㎜, 선단의 각도는 60°이며, 각형의 전지 케이스의 광폭면의 중앙 부근에 25㎜/sec의 속도로 직각으로 찔러 넣는다. 또한, 시험예 1, 2, 4에서는, 복수의 단전지 배열 유닛 중 단전지 배열 유닛 A를 구성하는 각 단전지를 관통하도록 못을 찔러 넣고, 시험예 3에서는 모든 단전지를 관통하도록 못을 찔러 넣었다.
(1) 단락 전류의 측정 시험예 1∼시험예 4의 조전지에 대하여 상기한 못 찌르기 시험을 행하고 있는 동안, 각각의 단전지를 전기적으로 접속하고 있는 버스 바를 흐르는 전류를 외부 단락의 단락 전류로서 측정하였다. 각각의 시험예에 있어서 측정한 외부 단락의 단락 전류의 최댓값을 표 1에 나타낸다.
(2) 최고 온도의 측정 시험예 1∼시험예 4의 조전지에 대하여 상기한 못 찌르기 시험을 행하고 있는 동안, 각각의 조전지를 구성하는 단전지의 온도를 측정하였다. 측정한 온도 중, 가장 높은 온도를 단전지의 최고 온도로서 표 1에 나타낸다.
Figure pat00001
3. 평가 결과
표 1에 나타내는 결과로부터, 시험예 1 및 시험예 2에서는, 버스 바를 통한 외부 단락의 단락 전류가 발생하고 있지 않고, 단전지의 최고 온도가 시험예 3, 4보다도 낮게 되어 있었다. 이것으로부터, 시험예 1 및 시험예 2와 같이, 복수의 단전지 배열 유닛이 병렬로 배치된 조전지를 구축하고, 동일한 단전지 배열 유닛에 있어서 인접한 단전지끼리를 직결하여 접속하지 않고, 다른 단전지 배열 유닛을 구성하는 단전지끼리를 버스 바를 통해 직결하여 접속시킴으로써, 도전성의 이물이 조전지에 박혔을 때에 외부 단락이 발생하는 것을 방지하여, 단락 전류에 의한 급격한 온도 상승을 억제할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 구체예를 상세하게 설명하였지만, 이들은 예시에 지나지 않고, 청구범위를 한정하는 것은 아니다. 청구범위에 기재된 기술에는, 이상에 예시한 구체예를 다양하게 변형, 변경한 것이 포함된다.

Claims (3)

  1. 정극 및 부극이 적층된 구조의 전극체가 각형의 전지 케이스 내에 수용되어 이루어지는 서로 동일 형상의 각형 전지를 단전지(10; 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F)로서 복수 구비한 조전지(1)이며,
    상기 전극체에 있어서의 상기 정극 및 상기 부극의 적층 방향을 배열 방향(x)으로 하여 서로 인접하여 상기 단전지(10; 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F)가 복수 배열된 복수의 단전지 배열 유닛을 포함하고,
    해당 복수의 단전지 배열 유닛은, 각 유닛을 구성하는 단전지(10; 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F)의 상기 배열 방향(x)이 평행하게 되도록 병렬로 배치되어 있고,
    상기 단전지 배열 유닛의 각각에 포함되는 단전지(10; 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F)는 모두 동일한 단전지 배열 유닛에 있어서의 인접한 단전지(10; 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F)와는 전기적으로 직결한 접속은 이루어져 있지 않고,
    다른 단전지 배열 유닛을 구성하는 어느 것의 단전지(10; 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F)와 버스 바(40)를 통해 전기적으로 직결한 접속이 행해져 있는, 조전지.
  2. 제1항에 있어서,
    조전지(1)는 단전지(10; 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F)의 배열 방향(x)과는 상이한 방향으로 버스 바(40)가 연장되도록 전기적인 접속을 구축하는, 조전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    단전지(10; 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F)의 배열 방향(x)과, 조전지(1)가 탑재된 차량의 진행 방향이 동일한 방향으로 되도록 조전지(1)의 방향을 조정하여 단전지 배열 유닛을 구성하는, 조전지.
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