KR20210055298A - 리튬이온 이차전지 및 리튬이온 이차전지의 안전 시스템 - Google Patents

리튬이온 이차전지 및 리튬이온 이차전지의 안전 시스템 Download PDF

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KR20210055298A
KR20210055298A KR1020190141574A KR20190141574A KR20210055298A KR 20210055298 A KR20210055298 A KR 20210055298A KR 1020190141574 A KR1020190141574 A KR 1020190141574A KR 20190141574 A KR20190141574 A KR 20190141574A KR 20210055298 A KR20210055298 A KR 20210055298A
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여열매
오승민
김남형
이지은
김동준
박상목
이윤성
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 리튬이온 이차전지는 집전체, 상기 집전체를 코팅하는 코팅층 및 상기 집전체 상에 코팅층이 형성되지 않은 리드부를 포함하는 복수의 전극; 상기 적층된 복수의 전극을 감싸는 파우치; 및 상기 리드부 상면 또는 하면 중 적어도 하나에 위치하고, 일단은 상기 파우치 상면의 내면에 접착되고 타단은 상기 파우치 하면의 내면에 접착되며, 과충전되어 상기 파우치가 팽창할 시 상기 리드부를 절단시키는 절단부;를 포함할 수 있다.

Description

리튬이온 이차전지 및 리튬이온 이차전지의 안전 시스템{LITHIUM SECONDAY BATTERY AND SECURITY SYSTEM FOR LITHIUM SECONDAY BATTERY}
본 발명은 리튬이온 이차전지 및 리튬이온 이차전지의 안전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 셀이 과충전되어 파우치 셀이 팽창할 시 절단부에 의해 리드부가 절단됨으로써 전극으로 흐르는 전류를 차단하여 안정성을 향상시킬 수 있는 리튬이온 이차전지 및 리튬이온 이차전지의 안전 시스템에 관한 것이다.
파우치 형태의 리튬이온 이차전지의 응용이 확대되면서, 에너지 밀도 및 단위 셀 내의 에너지 저장량이 점점 증가하고 있다. 특히, 차량용 리튬 이온 이차전지의 경우에는 주행 거리 증가에 대한 요구를 만족하기 위해서, 고에너지화 기술 적용이 빠르게 진행되고 있다.
하지만, 리튬 이온 전지의 경우, 고에너지화에 따라, 안전성은 더 취약해지는 단점을 나타낸다. 즉, 저장할 수 있는 에너지가 더 많아 지면서, 발화 및 폭발과 같은 위험 요소는 더 커진다.
특히, 셀 레벨 안전기구(CID(CURRENT INTERRUPT DEVICE; 교류 차단 장치), PTC 서미스터(POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT THERMISTOR), 퓨즈(FUSE) 등)가 없고 외장재의 물리적 강도가 약한 파우치셀과 같은 경우에는 고에너지화에 따른 안전 취약성이 큰 문제로 대두 되고 있으며 이에 따른 리튬이차전지의 안정성 문제가 점차 중요해지고 있는 실정이다.
KR 10-1820442
상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은 파우치 내의 배터리 셀의 과충전 또는 이상거동으로 인해 파우치셀의 부피가 팽창할 시, 절단부에 의해 전극 리드부가 절단됨으로써 전극으로 흐르는 전류를 차단하여 추가적인 셀의 이상 거동을 방지해서 안전성을 향상시킬 수 있는 리튬이온 이차전지 및 리튬이온 이차전지의 안전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지는 집전체, 상기 집전체를 코팅하는 코팅층 및 상기 집전체 상에 코팅층이 형성되지 않은 리드부를 포함하는 복수의 전극; 상기 적층된 복수의 전극을 감싸는 파우치; 및 상기 리드부 상면 또는 하면 중 적어도 하나에 위치하고, 일단은 상기 파우치 상면의 내면에 접착되고 타단은 상기 파우치 하면의 내면에 접착되며, 과충전되어 상기 파우치가 팽창할 시 상기 리드부를 절단시키는 절단부;를 포함할 수 있다.
상기 절단부는 절연체일 수 있다.
상기 절단부는, 상기 일단에 형성되는 제1 접착부, 상기 타단에 형성되는 제2 접착부, 상기 제1 접착부와 상기 제2 접착부 사이에 상기 파우치가 팽창할 시 절곡되는 연성부 및 상기 파우치가 팽창할 시 고정된 상태를 유지하는 강성부;를 포함할 수 있다.
상기 파우치가 팽창하는 경우, 상기 제1 접착부 및 상기 제2 접착부가 상기 파우치 상면의 내면 및 하면의 내면에 접착된 상태에서 상기 연성부가 절곡되어 상기 리드부의 일부를 하방으로 누름으로써 상기 리드부를 절단시킬 수 있다.
상기 절단부는, 상기 일단에 형성되는 제1 접착부, 상기 타단에 형성되는 제2 접착부, 상기 제1 접착부 타단에 형성되며 상기 파우치가 팽창할 시 고정된 상태를 유지하는 제1 강성부, 상기 제2 접착부 일단에 형성되며 상기 파우치가 팽창할 시 고정된 상태를 유지하는 제2 강성부 및 상기 제1 강성부 및 상기 제2 강성부 사이에 형성되며 상기 파우치가 팽창할 시 절곡되는 연성부를 포함할 수 있다.
상기 절단부의 길이는 상기 리드부의 길이보다 길 수 있다.
상기 절단부의 폭은 상기 리드부의 폭보다 작을 수 있다.
상기 제1 접착부 및 상기 제2 접착부는 Pvdf일 수 있다.
상기 제1 접착부의 끝단부에서 상기 리드부의 타단까지의 거리 및 상기 제2 접착부의 끝단부에서 상기 리드부의 일단까지의 거리 중 어느 하나는 상기 리드부의 일단에서 상기 집전체의 일단까지의 거리보다 작을 수 있다.
상술한 다른 목적을 달성하기 위한 리튬이온 이차전지의 안전 시스템은 집전체, 상기 집전체를 코팅하는 코팅층 및 상기 집전체 상에 코팅층이 형성되지 않은 리드부를 포함하는 복수의 전극; 상기 적층된 복수의 전극을 감싸는 파우치; 상기 리드부 상면 또는 하면 중 적어도 하나에 위치하고, 일단은 상기 파우치 상면의 내면에 접착되고 타단은 상기 파우치 하면의 내면에 접착되며, 과충전되어 상기 파우치가 팽창할 시 상기 리드부를 절단시키는 절단부; 및 상기 리튬이온 이차전지에 포함된 배터리 셀의 저항을 측정하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은 상기 측정된 배터리 셀의 저항에 기반하여 상기 리드부가 절단된 것으로 판단되면, 외부 전장품과 상기 배터리 셀을 연결하는 릴레이를 오프시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 파우치 내의 배터리 셀의 과충전 또는 이상거동으로 인해 파우치셀의 부피가 팽창할 시, 절단부에 의해 전극 리드부가 절단됨으로써 전극으로 흐르는 전류를 차단하여 추가적인 셀의 이상 거동을 방지해서 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 단면을 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서 파우치가 팽창함에 따라 절단부에 의해 리드부가 파단되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 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 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 구성을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지의 단면을 나타내는 도면이며, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서 파우치가 팽창함에 따라 절단부에 의해 리드부가 파단되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지는 적층된 복수의 전극(100), 파우치(200) 및 절단부(300)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 전극(100)은 집전체(110), 집전체(110)를 코팅하는 코팅층(120) 및 집전체(110) 상에 코팅층(120)이 형성되지 않은 리드부(130)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 본 발명에서의 전극(100)은 양극 전극 또는 음극 전극일 수 있다.
실시예에 따라, 전극(100)이 양극 전극인 경우, 집전체는 도전체이고 사용범위 내에서 전기화학적으로 안정한 것이라면 어떠한 것이라도 무방하며, 실시예에 따라 알루미늄, 스테인리스강 또는 니켈 도금 강 등일 수 있다.
아울러, 전극이 양극 전극인 경우, 코팅층(120)은 양극 집전체 상에 형성되고 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질층 및 양극 활물질층 상에 형성되고 도전재와 바인더를 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다. 여기서 양극 활물질은 실시예에 따라 리튬을 포함하는 고용체 산화물이지만 전기화학적으로 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않는다.
더 나아가, 전극이 양극 전극인 경우, 리드부(130)는 집전체(110) 중 코팅층(120)이 형성되지 않은 부분으로 양극 리드탭(400)과 용접되어 외부로 전기가 흐르도록 하는 역할을 한다.
다른 실시예에 따라, 전극(100)이 음극 전극인 경우, 집전체(110)는 도전체이고 사용범위 내에서 전기화학적으로 안정한 것이라면 어떠한 것이라도 무방하며, 실시예에 따라 구리, 알루미늄, 스테인리스강 또는 니켈 도금 강 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 전극이 음극인 경우, 코팅층(120)은 집전체(110) 상의 일부 영역에 형성되고 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질층 및 음극 활물질층 상에 형성되고 도전재 및 바인더 중 하나 이상을 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다. 음극 활물질은 금속계 활물질 및 탄소계 활물질을 포함할 수 있고, 이때 금속계 활물질은 규소계 활물질, 주석계 활물질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 탄소계 활물질은 탄소(원자)를 포함하고 동시에 전기 화학적으로 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 물질로서, 실시예에 따라 흑연 활물질, 인조흑연, 천연흑연, 인조흑연 및 천연흑연의 혼합물, 인조흑연을 피복한 천연흑연 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
아울러, 전극이 음극 전극인 경우, 리드부(130)는 집전체(110) 중 코팅층(120)이 형성되지 않은 부분으로 음극 리드탭(500)과 용접되어 외부로 전기가 흐르도록 하는 역할을 한다.
도면에 상세히 도시하지는 않았으나, 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지는 양극 전극과 음극 전극 사이에 위치하여 양극 전극과 음극 전극을 전기적으로 분리하는 역할을 하며, 양극 전극과 음극 전극 사이에 이온이 이동할 수 있는 다공성 막으로 형성된 분리막을 더 포함할 수 있다.
파우치(200)는 적층된 복수의 전극을 감싸는 역할을 한다.
절단부(300)는 리드부(130)의 상면 또는 하면 중 적어도 하나에 위치하고, 일단은 파우치(200) 상면의 내면에 접착되고 타단은 파우치(200) 하면의 내면에 접착되며, 과충전되어 파우치가 팽창할 시 리드부(130)를 절단시키는 역할을 한다. 여기서, 절단부(300)는 절연체인 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서 절단부(300)는 도 1에 도시된 바와 같이 일단에 형성되는 제1 접착부(310), 타단에 형성되는 제2 접착부(320)와 제1 접착부(310)와 제2 접착부(320) 사이에 위치하며 과충전 또는 이상거동으로 인해 파우치(200)가 팽창할 시 절곡되는 연성부(350) 및 파우치가 팽창할 시 고정된 상태를 유지하는 강성부(330)를 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 전지에서 절단부(300)는 리드부의 상면 또는 하면에 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서 절단부(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 일단에 형성되는 제1 접착부(310), 타단에 형성되는 제2 접착부(320), 제1 접착부(310) 타단에 형성되며 배터리 셀의 과충전 또는 이상거동으로 인해 파우치가 팽창할 시 고정된 상태를 유지하는 제1 강성부(330), 제2 접착부(320) 일단에 형성되며 배터리 셀의 과충전 또는 이상거동으로 인해 파우치가 팽창할 시 고정된 상태를 유지하는 제2 강성부(340) 및 제1 강성부(330) 및 제2 강성부(340) 사이에 형성되며 배터리 셀의 과충전 또는 이상거동으로 인해 파우치가 팽창할 시 절곡되는 연성부(350)를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서 절단부(300)는 리드부(130)의 상면 및 하면에 위치할 수 있다. 구체적으로, 절단부(300)는 일단에 형성되는 제1 접착부(310), 타단에 형성되는 제2 접착부(320)와 제1 접착부(310)와 제2 접착부(320) 사이에 위치하며 과충전 또는 이상거동으로 인해 파우치(200)가 팽창할 시 절곡되는 연성부(350) 및 파우치가 팽창할 시 고정된 상태를 유지하는 강성부(330)를 포함할 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서는 상술한 절단부(300)가 리드부(130)의 상면 및 하면에 위치할 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지에서 절단부(300)의 길이는 리드부(130)의 길이보다 긴 것이 바람직하다. 또한, 절단부(300)의 폭은 리드부(130)의 폭보다 작은 것이 바람직하다.
아울러, 제1 접착부(310)의 끝단부에서 리드부(130)의 타단까지의 거리 및 제2 접착부(320)의 끝단부에서 리드부(130)의 일단까지의 거리 중 어느 하나는 리드부(130)의 일단에서 집전체(110)의 일단까지의 거리보다 작은 것이 바람직하다.
한편, 실시예에 따라, 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지에서 제1 접착부(310) 및 제2 접착부는 Pvdf일 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지에서 파우치가 팽창함에 따라 절단부에 의해 리드부가 파단되는 원리를 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 파우치가 팽창하지 않은 정상 상태에서는, 리드부(130) 상에 절단부(300)가 위치하고 절단부(300)의 제1 접착부(310)가 파우치 상면의 내면에 접착되고 제2 접착부(320)가 파우치 하면의 내면에 접착되어 있을 수 있다.
이와 같은 상황에서 파우치 내의 배터리 셀의 과충전 또는 이상거동으로 인해 파우치(200)가 팽창하는 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 접착부(310) 및 제2 접착부(320)가 파우치(200) 상면의 내면 및 하면의 내면에 각각 접착된 상태에서 강성부(340)는 고정된 채 연성부(360)만 절곡되어 리드부(130)의 일부를 하방으로 누름으로써 도 7과 같이 리드부(130)를 절단시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 이차전지 안전 시스템은, 집전체, 상기 집전체를 코팅하는 코팅층 및 상기 집전체 상에 코팅층이 형성되지 않은 리드부를 포함하는 복수의 전극; 상기 적층된 복수의 전극을 감싸는 파우치; 상기 리드부 상면 또는 하면 중 적어도 하나에 위치하고, 일단은 상기 파우치 상면의 내면에 접착되고 타단은 상기 파우치 하면의 내면에 접착되며, 과충전되어 상기 파우치가 팽창할 시 상기 리드부를 절단시키는 절단부; 및 상기 리튬이온 이차전지에 포함된 배터리 셀의 저항을 측정하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함할 수 있다.
여기서, 배터리 관리 시스템은 파우치 내에 포함된 배터리 셀의 셀 저항을 측정할 수 있다. 아울러, 배터리 관리 시스템은 측정된 배터리 셀의 저항에 기반하여 리드부가 절단된 것으로 판단되면 외부 전장품과 배터리 셀을 연결하는 릴레이를 오프시킬 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지 및 리튬이온 이차전지 안전 시스템에 따르면, 파우치 내의 배터리 셀의 과충전 또는 이상거동으로 인해 파우치셀의 부피가 팽창할 시, 절단부에 의해 전극 리드부가 절단됨으로써 구조적으로 전극으로 흐르는 전류를 차단할 수 있으며, 리드부가 절단된 것으로 판단되면 배터리 관리 시스템에서 외부 전장품과 배터리 셀을 연결하는 릴레이를 오프시킴으로써, 추가적인 셀의 이상 거동을 방지하여 전체적인 안전성을 향상시킬 수 있다.
100: 전극 110: 집전체
120: 코팅층 130: 리드부
200: 파우치 300: 절단부
310: 제1 접착부 320: 제2 접착부
330; 제1 강성부 340: 제2 강성부
350: 연성부

Claims (11)

  1. 집전체, 상기 집전체를 코팅하는 코팅층 및 상기 집전체 상에 코팅층이 형성되지 않은 리드부를 포함하는 복수의 전극;
    상기 적층된 복수의 전극을 감싸는 파우치; 및
    상기 리드부 상면 또는 하면 중 적어도 하나에 위치하고, 일단은 상기 파우치 상면의 내면에 접착되고 타단은 상기 파우치 하면의 내면에 접착되며, 과충전되어 상기 파우치가 팽창할 시 상기 리드부를 절단시키는 절단부;를 포함하는 리튬이온 이차전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단부는 절연체인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단부는, 상기 일단에 형성되는 제1 접착부, 상기 타단에 형성되는 제2 접착부, 상기 제1 접착부와 상기 제2 접착부 사이에 위치하며 상기 파우치가 팽창할 시 절곡되는 연성부 및 상기 파우치가 팽창할 시 고정된 상태를 유지하는 강성부;를 포함하는 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 파우치가 팽창하는 경우, 상기 제1 접착부 및 상기 제2 접착부가 상기 파우치 상면의 내면 및 하면의 내면에 접착된 상태에서 상기 연성부가 절곡되어 상기 리드부의 일부를 하방으로 누름으로써 상기 리드부를 절단시키는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단부는, 상기 일단에 형성되는 제1 접착부, 상기 타단에 형성되는 제2 접착부, 상기 제1 접착부 타단에 형성되며 상기 파우치가 팽창할 시 고정된 상태를 유지하는 제1 강성부, 상기 제2 접착부 일단에 형성되며 상기 파우치가 팽창할 시 고정된 상태를 유지하는 제2 강성부 및 상기 제1 강성부 및 상기 제2 강성부 사이에 형성되며 상기 파우치가 팽창할 시 절곡되는 연성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단부의 길이는 상기 리드부의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 절단부의 폭은 상기 리드부의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 접착부 및 상기 제2 접착부는 Pvdf인 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 접착부의 끝단부에서 상기 리드부의 타단까지의 거리 및 상기 제2 접착부의 끝단부에서 상기 리드부의 일단까지의 거리 중 어느 하나는 상기 리드부의 일단에서 상기 집전체의 일단까지의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지.
  10. 리튬이온 이차전지의 안전 시스템에 관한 것으로서,
    집전체, 상기 집전체를 코팅하는 코팅층 및 상기 집전체 상에 코팅층이 형성되지 않은 리드부를 포함하는 복수의 전극;
    상기 적층된 복수의 전극을 감싸는 파우치;
    상기 리드부 상면 또는 하면 중 적어도 하나에 위치하고, 일단은 상기 파우치 상면의 내면에 접착되고 타단은 상기 파우치 하면의 내면에 접착되며, 과충전되어 상기 파우치가 팽창할 시 상기 리드부를 절단시키는 절단부; 및
    상기 리튬이온 이차전지에 포함된 배터리 셀의 저항을 측정하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 안전 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 상기 측정된 배터리 셀의 저항에 기반하여 상기 리드부가 절단된 것으로 판단되면, 외부 전장품과 상기 배터리 셀을 연결하는 릴레이를 오프시키는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지 안전 시스템.
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