KR20220050420A - 이차 전지 - Google Patents

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KR20220050420A
KR20220050420A KR1020200134082A KR20200134082A KR20220050420A KR 20220050420 A KR20220050420 A KR 20220050420A KR 1020200134082 A KR1020200134082 A KR 1020200134082A KR 20200134082 A KR20200134082 A KR 20200134082A KR 20220050420 A KR20220050420 A KR 20220050420A
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secondary battery
element layer
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황창묵
김지형
류경민
문신영
조윤지
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에스케이온 주식회사
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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지는 양극, 음극 및 분리막을 포함하며, 양극 또는 음극과 연결되는 하나 이상의 전극 탭을 각각 포함하는 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체; 및 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체의 두께 방향으로 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체 사이에 배치되며, 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체의 온도를 조절하는 열전 소자층을 포함하는 온도 조절부를 포함할 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 급속 충전 특성이 향상될 수 있다.

Description

이차 전지{SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 전극 조립체를 수용하는 케이스를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 셀룰라 폰, 노트북, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행중이다. 이차 전지의 예시로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지를 들 수 있다. 이중에서, 리튬 이차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자기기의 전원으로 사용되거나, 또는 다수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
이차 전지는 저장 또는 충방전에 따라 출력, 용량 등의 성능이 점진적으로 열화된다. 예를 들면, 저장 또는 충방전 중 활물질 및 전해액의 분해, 활물질과 전해액의 반응 등에 의해 부생성물이 형성되며, 부생성물에 의해 이차 전지의 성능이 저하된다.
특히, 이차 전지 탭부의 경우, 좁은 통로로 높은 전류가 흐름에 따라 급격하게 온도가 상승할 수 있다. 이 경우, 상기 탭에서 발생한 열은 이차 전지용 파우치로 전달되며, 상기 이차 전지 탭부와 인접한 이차 전지용 파우치의 실링부를 녹일 수 있다. 이에 따라, 상기 이차 전지로부터 전해액이 누출(Leakage)될 수 있으며, 상기 이차 전지용 파우치의 온도가 상승함에 따라 전해액 내 부반응이 발생할 수 있다. 따라서, 이차 전지 탭부에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 수단의 필요성이 증대되었다.
예를 들면, 한국공개특허 제10-2018-0023817호에는 파우치 필름에 프레싱 공정을 통해 전지 셀 수용부를 형성하고, 수용부에 전지 셀을 수용한 파우치형 이차전지가 개시되어 있으나, 이차 전지 탭부에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 수단은 개시되어 있지 않았다.
한국공개특허 제10-2018-0023817호
본 발명의 일 목적은 기계적 안정성 및 급속 충전 특성이 향상된 이차 전지를 제공하는 것이다.
예시적인 실시예들에 따른 이차 전지는 양극, 음극 및 분리막을 포함하며, 상기 양극 또는 상기 음극과 연결되는 하나 이상의 전극 탭을 각각 포함하는 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체; 및 상기 제1 전극 조립체 및 상기 제2 전극 조립체의 두께 방향으로 상기 제1 전극 조립체 및 상기 제2 전극 조립체 사이에 배치되며, 상기 제1 전극 조립체 및 상기 제2 전극 조립체의 온도를 조절하는 열전 소자층을 포함하는 온도 조절부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 온도 조절부는 상기 열전 소자층을 수용하는 내부 케이스를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 내부 케이스는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 열전 소자는 상기 제1 전극 조립체와 인접한 제1 열전 소자층; 및 상기 제2 전극 조립체와 인접한 제2 열전 소자층을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 열전 소자층 및 상기 제2 열전 소자층은 각각 직렬로 연결되는 복수의 열전 유닛들을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 열전 소자층 및 상기 제2 열전 소자층은 서로 병렬로 연결될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 온도 조절부는 두께 방향으로 상기 제1 열전 소자층 및 상기 제2 열전 소자층의 사이에 배치된 열 교환층을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 열 교환층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 열 교환층은 상기 내부 케이스의 외부로 돌출될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 열 교환층 중 상기 내부 케이스의 외부로 돌출된 부분은 상기 전극 탭과 평면 방향으로 중첩되지 않을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 온도 조절부는 상기 열전 소자층과 연결된 전류 탭을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전류 탭은 상기 전극 탭과 평면 방향으로 중첩되지 않을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전류 탭 및 상기 전극 탭을 전기적으로 연결하며, 상기 전류 탭 및 상기 전극 탭 사이에서 흐르는 전류량을 조절하는 컨트롤부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전극 조립체의 개방 전압(open-circuit voltage)를 측정하는 전압 측정부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 본원 이차 전지는 복수의 전극 조립체들의 사이에 배치되며, 전극 조립체를 가열 또는 냉각시키는 온도 조절부를 포함한다. 이 경우, 상기 온도 조절부는 급속 충전시 이차 전지를 특정 온도까지 용이하게 가열할 수 있다. 또한, 상기 이차 전지의 온도가 특정 온도 이상으로 상승하는 경우, 상기 온도 조절부에 의한 냉각이 실행될 수 있다.
이에 따라, 상기 이차 전지의 온도를 충전에 가장 적합한 온도로 유지하여, 상기 이차 전지의 급속 충전 특성이 보다 향상될 수 있다. 또한, 상기 이차 전지의 수명 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 측면도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 온도 조절부를 나타내는 개략적인 모형도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지의 온도 조절 방법을 설명하기 위한 온도 조절부의 온도 그래프이다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 전극 조립체들 사이에 배치되며, 상기 전극 조립체들의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하는 이차 전지를 제공한다. 이 경우, 급속 충전하는 과정에서 이차 전지에 포함된 전극 조립체의 온도를 적절하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 이차 전지의 내구성 및 급속 충전 특성이 향상될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 평면도이다. 도 2는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지를 나타내는 개략적인 측면도이다. 도 3은 예시적인 실시예들에 따른 온도 조절부를 나타내는 개략적인 모형도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이차 전지(10)는 2 이상의 전극 조립체(100) 및 전극 조립체(100)들 사이에 배치된 온도 조절부(200)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 이차 전지(10)는 제1 전극 조립체(101), 제2 전극조립체(102) 및 제1 전극 조립체(101) 및 제2 전극 조립체(102)의 두께 방향으로 제1 전극 조립체(101) 및 제2 전극 조립체(102) 사이에 배치되며, 열전 소자층(210)을 포함하는 온도 조절부(200)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 전극 조립체(100)는 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 분리막을 포함하는 전극 셀을 각각 포함할 수 있다. 복수의 상기 전극 셀이 적층되어 전극 조립체(100)를 형성할 수 있다. 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극은 교대로 적층될 수 있다. 전극 조립체(100)는 상기 양극 또는 상기 음극과 연결되는 전극 탭(110)을 하나 이상 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 양극 및 상기 음극은 도전층을 포함하는 전극 집전체 및 상기 전극 집전체의 적어도 일 면 상에 형성된 활물질층을 포함할 수 있다. 전극 탭(110)은 상기 전극 집전체로부터 연장될 수 있으며, 이차 전지(10) 외부에 노출되어 외부 전자 기기와 연결될 수 있다.
예를 들면, 전극 탭(110)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들면, 온도 조절부(200)는 제1 전극 조립체(101) 및 제2 전극 조립체(102)의 온도를 가열 또는 냉각시키는 열전 소자층(210)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 열전 소자층(210)은 제1 전극 조립체(101) 및 제2 전극 조립체(102)를 가열하거나 냉각하여, 제1 전극 조립체(101) 및 제2 전극 조립체(102)의 온도를 특정 범위 내로 용이하게 조절할 수 있다.
이에 따라, 열전 소자층(210)은 이차 전지(10)를 급속 충전하는 과정에서 전극 조립체(100)를 특정 온도 범위로 빠르게 상승시킬 수 있으며, 전극 조립체(100)의 온도가 특정 온도 범위 이상으로 상승되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 열전 소자층(210)은 전극 조립체(100)로부터 발생한 열을 전류로 변환하여, 이를 전극 조립체(100)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 이차 전지(10)의 급속 충전 특성이 보다 향상될 수 있다. 예를 들면, 상기 특정 온도 범위는 약 40 내지 60℃일 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 온도 조절부(200)는 열전 소자층(210)을 수용하는 내부 케이스(220)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 내부 케이스(220)는 열전 소자층(100)이 외부 충격에 의해 손상되는 문제를 효과적으로 방지하며, 열전 소자층(210) 및 전극 조립체(100) 사이에서 열 에너지를 효과적으로 전달할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에, 내부 케이스(220) 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 내부 케이스(220)는 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 내부 케이스(220)가 구리(Cu)를 포함할 경우 열전 소자층(210) 및 전극 조립체(100) 사이의 열 전도 효율이 보다 향상될 수 있다.
도 3을 참조하면, 열전 소자층(210)은 제1 전극 조립체(101)와 인접한 제1 열전 소자층(211) 및 제2 전극 조립체(102)와 인접한 제2 열전 소자층(212)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 제1 전극 조립체(101) 및 제2 전극 조립체(102) 중 제1 전극 조립체(101)의 온도가 상승 또는 하강하는 경우, 제1 열전 소자층(211)에 의해 제1 전극 조립체(101)의 온도를 하강시키거나 상승시킬 수 있다. 또한, 제2 전극 조립체(102)의 온도가 상승 또는 하강하는 경우, 제2 열전 소자층(212)에 의해 제2 전극 조립체(102)의 온도를 하강시키거나 상승시킬 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 제1 열전 소자층(211) 및 제2 열전 소자층(212)은 p-타입의 반도체 및 n-타입의 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 복수개의 열전 유닛은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
예를 들면, 제1 열전 소자층(211) 및 제2 열전 소자층(212)은 각각 직렬로 연결된 복수의 열전 유닛들을 포함할 수 있다. 이에 상기 직렬로 연결된 복수의 열전 유닛들에 의해 제1 열전 소자층(211) 및 제2 열전 소자층(212)은 각각 제1 전극 조립체(101) 및 제2 전극 조립체(102)의 온도를 균일하게 조절할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 제1 열전 소자층(211) 및 제2 열전 소자층(212)은 서로 병렬로 연결될 수 있다. 이 경우, 제1 열전 소자층(211)은 제1 전극 조립체(101)를 가열 또는 냉각하며, 제2 열전 소자층(212)은 제2 조립체(102)를 가열 또는 냉각할 수 있다. 이에 따라, 제1 열전 소자층(211) 및 제2 열전 소자층(212)에 의해 제1 전극 조립체(101) 및 제2 전극 조립체(102)의 온도를 선택적으로 조절할 수 있다.
예를 들면, 제1 전극 조립체(101)의 온도는 상대적으로 높고, 제2 전극 조립체(102)의 온도는 상대적으로 낮더라도, 제1 열전 소자층(211)은 제1 전극 조립체(101)를 냉각시키며, 제2 열전 소자층(212)은 제2 전극 조립체(102)를 가열할 수 있다. 이에 따라, 이차 전지(10)의 내부 온도를 전체적으로 균일하게 유지시킬 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 온도 조절부(200)는 제1 열전 소자층(211) 및 제2 열전 소자층(212)의 두께 방향 사이에 배치된 열 교환층(260)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 열 교환층(260)은 열전 소자층(210)에 과전류가 주입되어, 열전 소자층(210)으로부터 추가 발열이 발생할 경우, 추가 발생된 열을 흡수하여 이를 외부로 방출하는 기능을 수행할 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(100)가 특정 온도 범위를 벗어나 과열되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 열 교환층(260)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 열 교환층(260)은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄(Al)은 열 전도 효율이 우수하여, 보다 효과적으로 열전 소자층(210)에서 발생한 열을 외부로 방출할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 열 교환층(260)은 내부 케이스(220)의 외부로 돌출될 수 있다. 이 경우, 외부로 돌출된 부분을 통해 온도 조절부(200) 내부에서 발생한 열을 보다 효과적으로 방출할 수 있다.
예를 들면, 열 교환층(260)의 영역 중 외부로 돌출된 부분에 냉각 부재를 배치함으로써, 보다 효과적으로 온도 조절부(200) 내부에서 추가로 발생된 열을 제거할 수 있다.
도 1을 참고하면, 예를 들면, 열 교환층(260) 중 내부 케이스(220)의 외부로 돌출된 부분은 전극 탭(110)과 평면 방향으로 중첩되지 않을 수 있다. 예를 들면, 열 교환층(260)과 전극 탭(110)이 중첩되는 경우 열 교환층(260)에서 발생하는 열에 의해 전극 탭(110) 및 전극 탭(110)과 외부 케이스(300)의 경계 부분에 형성된 실링(310)가 훼손되는 문제가 발생할 수 있다. 이에, 전극 탭(110)과 내부 케이스(220) 외부로 돌출된 열 교환층(260)의 영역을 서로 중첩시키지 않음으로써, 열 교환층(260)에서 방출되는 열에 의해 실링부(310) 및 전극 탭(110)이 손상되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 이차 전지의 온도 조절 방법을 설명하기 위한 온도 조절부의 온도 그래프이다.
도 4를 참조하면, 열전 소자층(210)이 발열하는 발열 구간(HS)을 통해 전극 조립체(100) 또는 이차 전지(10)의 온도가 증가하여 고점 임계 온도(T1)에 도달할 수 있다.
이차 전지(10)가 고점 임계 온도(T1)에 도달하면, 온도 조절부(200)의 발열이 정지되고 열전 소자층(210)이 냉각되는 냉각 구간(CS)을 통해 전극 조립체(100) 또는 이차 전지(10)가 저점 임계 온도(T2)에 도달할 수 있다. 이 경우, 전극 조립체(100)로부터 흡수된 열은 열전 소자층(210)에서 전기로 변환될 수 있다.
예를 들면, 상기 과정이 반복되며 전극 조립체(100) 또는 이차 전지(10)의 온도가 일정 범위 내에서 유지될 수 있다. 이에 따라, 이차 전지(10)의 충전 시 빠르게 설정 온도까지 가열되며, 그 후 냉각 및 발열을 반복하여 충전 효율을 증가시키면서도 지나친 온도 상승으로 인한 이차 전지(10)의 손상을 방지할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 고점 임계 온도(T1)는 50 내지 60℃일 수 있고, 상기 저점 임계 온도(T2)는 40 내지 50℃일 수 있다. 이 경우, 충전 시 이차 전지(10)의 온도가 45 내지 55℃의 범위에서 적절하게 조절될 수 있다.
예를 들면, 온도 조절부(200)가 포함되지 않은 이차 전지(20)의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 충전 초기에는 느리게 가열되며 충전 중 이차 전지(10)의 온도가 지나치게 상승하여 이차 전지(10)의 충전 효율 및 수명 특성이 저하될 수 있다. 예를 들면, 초반의 낮은 온도에서의 충전으로 인하여 음극에서 리튬 이온이 도금막을 형성하는 리튬 플레이팅(Lithium plating)이 초래될 수 있고, 후반의 고온에서의 전지 반응으로 인한 열 효과(thermal effect)로 인해 전지의 수명 특성 및 용량 특성이 저하될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 발열 구간(HS)에서의 열전 소자층(210)의 최고 발열 온도(t1)는 이차 전지(10)의 고점 임계 온도(T1)에 따라 변동될 수 있다. 예를 들면, 이차 전지(10)의 고점 임계 온도(T1)가 50 내지 60℃인 경우, 열전 소자층(210)의 최고 발열 온도(t1)는 55 내지 65℃일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 냉각 구간(CS)에서의 열전 소자층(210)의 최저 냉각 온도(t2)는 이차 전지(10)의 저점 임계 온도(T2)에 따라 변동될 수 있다. 예를 들면, 이차 전지(10)의 저점 임계 온도(T2)가 40 내지 50℃인 경우, 열전 소자층(210)의 최저 냉각 온도(t2)는 35 내지 45℃일 수 있다.
상술한 범위에서, 열전 소자층(210)의 발열, 냉각에 따라 이차 전지(10)의 온도가 적절히 조절될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 온도 조절부(200)는 열전 소자층(210)으로 전류를 공급하는 전류 탭(240)을 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 전류 탭(240)으로 열전 소자층(210)으로 전류가 공급되는 경우, 열전 소자층(210)으로부터 열이 발생할 수 있다. 이 경우, 열전 소자층(210)으로부터 발생하는 열에 의해 전극 조립체(100)의 온도가 특정 범위의 온도까지 상승될 수 있다. 예를 들면, 열전 소자층(210)으로부터 전류가 발생되는 경우, 열전 소자층(210)에 의해 전극 조립체(100)가 냉각될 수 있다. 또한, 열전 소자층(210)으로부터 발생한 전류가 전극 조립체(100)로 공급되어 이차 전지(10)가 추가로 충전될 수 있다.
도 1을 참고하면, 예를 들면, 전류 탭(240)은 전극 탭(110)과 평면 방향으로 중첩되지 않을 수 있다. 예를 들면, 전류 탭(240)과 전극 탭(110)이 중첩되는 경우 전류 탭(240)에서 발생하는 열에 의해 전극 탭(110) 및 전극 탭(110)과 외부 케이스(300)의 경계 부분에 형성된 실링(310)가 훼손되는 문제가 발생할 수 있다. 이에, 전극 탭(110)과 전류 탭(240)을 서로 중첩시키지 않음으로써, 전류 탭(240)에서 방출되는 열에 의해 실링부(310) 및 전극 탭(110)이 손상되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 이차 전지(10)는 전류 탭(240) 및 전극 탭(110)을 전기적으로 연결하며, 전류 탭(240) 및 전극 탭(110) 사이에서 흐르는 전류량을 조절하는 컨트롤부(280)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 컨트롤부(280)는 전류 탭(240)을 통해 열전 소자층(210)에 전류가 공급되어 열전 소자층(210)이 발열하는 경우, 열전 소자층(210)이 특정 온도 범위에 도달했음에도, 계속적으로 전류가 공급됨에 따라 열전 소자층(210)의 온도가 특정 온도 범위를 초과하는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 이차 전지(10)의 급속 충전 특성 및 내열성이 보다 향상될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 이차 전지(10)는 전극 조립체(100)의 개방 전압(open-circuit voltage)를 측정하는 전압 측정부를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 이차 전지(10)를 충전하는 과정에서 전극 조립체(100)로부터 열이 발생할 수 있으며, 전극 조립체(100)로부터 발생한 열에 의해 열전 소자층(210)이 가열될 수 있다. 이 경우, 열전 소자층(210)으로부터 전류가 발생될 수 있으며, 이에 의해 전극 조립체가(100)가 과충전될 수 있다.
예를 들면, 본원 이차 전지(10)는 전극 조립체(100)의 개방 전압(open-circuit voltage)를 측정하는 상기 전압 측정부를 더 포함함으로써, 전극 조립체(100)의 과충전 여부를 측정할 수 있다. 전극 조립체(100)로 공급되는 전류량을 조절하여 전극 조립체(100)가 과충전되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
예를 들면, 컨트롤부(280)는 상기 전압 측정부로부터 측정된 전극 조립체(100)의 개방 전압(open-circuit voltage) 값을 기초로 전극 조립체(100)의 과충전 여부를 판단하며, 이를 기초로 전극 조립체(100) 내부로 공급되는 전류량을 조절할 수 있다. 이에 따라, 전극 조립체(100)가 과충전되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
예를 들면, 이차 전지(10)는 제1 전극 조립체(101), 제2 전극 조립체(102) 및 온도 조절부(200)를 수용하는 외부 케이스(300)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 외부 케이스(300)는 전극 조립체(100)에 포함된 전극 탭(110)이 외부로 돌출되도록 실링될 수 있다.
예를 들면, 외부 케이스(300)는 제1 전극 조립체(101), 제2 전극 조립체(102) 및 온도 조절부(200)가 수용되는 수용부(310) 및 실링부(320)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 수용부(310)는 실링부(320)로부터 높이 방향으로 소정 깊이로 만입되어 형성된 리세스(recess) 형상을 가질 수 있다. 수용부(310) 내에는 전극 조립체(100) 및 온도 조절부(200)가 삽입될 수 있다. 수용부(310)는 전극 조립체(100) 및 온도 조절부(300)가 삽입될 수 있는 크기 및 형상을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 수용부(310)는 전극 조립체(100)의 상면을 덮는 제1 수용부 및 전극 조립체(100)의 하면을 덮는 제2 수용부로 구분될 수 있다. 상기 제1 수용부는 제1 전극 조립체(101)의 상부를 수용할 수 있으며, 상기 제2 수용부는 제2 전극 조립체(102)의 하부를 수용할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 수용부에 제2 전극 조립체(102)의 하부가 삽입되고, 상기 제1 수용부가 제1 전극 조립체(101)의 상부를 덮을 수도 있다.
예를 들면, 상기 제1 수용부 및 상기 제2 수용부는 서로 대향하게 배치되며, 실링부(320)는 상기 제1 수용부의 주변에 위치한 부분과 상기 제2 수용부의 주변에 위치한 부분이 서로 맞닿아 형성될 수 있다. 예를 들면, 실링부(320)를 압착 또는 융착하여 외부 케이스(300)를 형성할 수 있으며, 전극 조립체(100) 및 온도 조절부(200)는 외부 케이스(300) 내부에 밀봉될 수 있다.
예를 들면, 전극 탭(110), 전류 탭(240) 및 열 교환층(260)의 일부는 외부 케이스(300) 외부로 돌출된 상태로 밀봉될 수 있다. 전극 탭(110), 전류 탭(240) 및 열 교환층(260)의 일부는 실링부(320) 외부로 돌출된 상태로 밀봉될 수 있다. 예를 들면, 전극 탭(110), 전류 탭(240) 및 열 교환층(260)의 일부와 실링부(320)의 접촉 부위에는 절연 필름이 개재될 수 있다.
예를 들면, 상기 절연 필름은 외부 케이스(300)의 손상 시에도 전극 탭(110), 전류 탭(240) 및 열 교환층(260)의 일부 및 외부 케이스(300)의 절연을 유지할 수 있으며, 전극 탭(110), 전류 탭(240) 및 열 교환층(260) 및 실링부(320)의 접촉 영역의 밀폐력을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 외부 케이스(300)는 전극 조립체(100) 및 온도 조절부(200)의 두께에 대응하는 깊이로 형성된 단일 수용부를 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 단일 수용부의 대향면은 평평한 형상을 가질 수 있다.
수용부(310)에 의해 형성된 외부 케이스(300)의 내부 공간에는 전해액이 주입될 수 있다.
예를 들면, 외부 케이스(300)는 금속층, 상기 금속층 상부에 형성된 상부 절연층 및 상기 금속층 하부에 형성된 하부 절연층을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 금속층은 외부의 수분, 가스 등이 전극 조립체 측으로 침투하는 것을 방지하며 외부 케이스(300)의 기계적 강도 향상과 함께 외부 케이스(300)에 주입된 화학 물질이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들면, 상기 금속층은 철(Fe), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 이들의 합금 등을 포함할 수 있으며, 탄소를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 알루미늄(Al)을 사용할 경우 상기 외부 케이스(300)의 유연성을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 상기 금속층의 두께는 특별히 제한되지는 않지만 바람직하게는 약 30㎛ 내지 50㎛일 수 있고, 보다 바람직하게는 약 35㎛ 내지 45㎛일 수 있다.
예를 들면, 상기 상부 절연층 및 상기 하부 절연층은 상기 금속층 상에 직접 형성되거나, 상기 금속층과 접착층에 의해 접합될 수 있다.
예를 들면, 상기 상부 절연층은 이차 전지(10) 내부와 외부를 절연시킬 수 있다.
예를 들면, 상기 상부 절연층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조 또는 2개 이상의 물질로 이루어진 복합막 구조를 가질 수 있다.
바람직하게는, 폴리에틸렌테레프탈레이트 또는 나일론이 사용될 수 있으며, 나일론은 이축 연신될 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 절연층의 두께는 약 20㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
예를 들면, 상기 하부 절연층은 외부 케이스(300)에 포함된 상기 상부 수용부 주변부 및 상기 하부 수용부의 주변부를 접합하여 실링부(320)를 형성할 때 서로 마주보는 면의 표면에 형성될 수 있다. 실링 공정에서 의해 맞닿은 상기 상부 수용부 주변부 및 상기 하부 수용부의 주변부에 각각 포함된 하부 절연층이 접합될 수 있다.
예를 들면, 상기 하부 절연층은 융착성 물질을 포함할 수 있으며, 이 경우 열융착 등에 의해 외부 케이스(300)가 실링될 수 있다.
예를 들면, 상기 하부 절연층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 아크릴계 고분자, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리이미드, 폴리아마이드, 셀룰로오스, 아라미드, 나일론, 폴리에스테르, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리아릴레이트, 테프론 및 유리섬유로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 단일막 구조 또는 2개 이상의 물질로 이루어진 복합막 구조를 가질 수 있다.
바람직하게는, 폴리프로필렌으로서 호모 폴리프로필렌과 변성 폴리프로필렌의 적층체가 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 절연층의 총 두께는 약 60㎛ 내지 100㎛일 수 있으며, 약 70㎛ 내지 90㎛인 것이 특히 바람직하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예 및 비교예들을 포함하는 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
양극, 음극 및 분리막을 포함하며, 상기 양극과 연결된 양극 탭 및 상기 음극과 연결된 음극 탭을 포함하는 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체를 준비하였다.
알루미늄 금속층을 포함하는 열 교환층의 상면 및 하면 상에 직렬로 연결된 열전 소자층을 각각 배치하였다. 상기 알루미늄 금속층 및 상기 열전 소자층을 구리(Cu)를 포함하는 내부 케이스 내에 수용하고 실링하여, 온도 조절부를 제조하였다. 이 경우, 알루미늄 금속층의 일부는 상기 내부 케이스의 외부로 도출되었다.
두께 방향으로 상기 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체 사이에 열전 소자층 및 구리(Cu)을 포함하는 온도 조절부를 배치하였다. 상기 제1 전극 조립체, 제2 전극 조립체 및 온도 조절부를 외부 케이스 내에 수용하고, 상기 케이스를 실링하여 이차 전지를 제조하였다.
실시예 2
상기 내부 케이스가 알루미늄(Al)을 포함하는 점을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 이차 전지를 제조하였다.
비교예 1
상기 온도 조절부를 포함하지 않은 점을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 이차 전지를 제조하였다.
실험예
전극 탭의 온도 측정
실시예 1, 2 및 비교예 1의 이차 전지에 대하여 급속 충전을 수행하였다.
이 경우, 전극 탭의 최고 온도를 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
충전 시간 측정
실시예 1, 2 및 비교예 1의 이차 전지에 대하여 SOC0에서 SOC80까지 충전(CC-CV 4.1V 5C-rate SOC80 capacity cut-off)하여, 충전에 소요되는 시간을 측정하였다.
사이클 특성 평가
실시예 1, 2 및 비교예 1의 이차 전지를 충전(CC-CV 4.1V 5C-rate SOC80 capacity cut-off)하고 10분간 방치한 후, 방전(CC 1/3C-rate 2.5V cut-off)하고 10분간 방치하였다(1 사이클). 상기 사이클을 SOH(State of Health) 80%까지 반복 수행하였다.
구분 전극 탭의
최고 온도(℃)		 급속 충전
시간(min)		 사이클
특성
실시예 1 55 17 1000
실시예 2 55 18 900
비교예 1 70 25 500
상기 표 1을 참고하면, 상기 온도 조절부를 포함하는 실시예의 경우, 상기 온도 조절부를 포함하지 않는 비교예 보다 급속 충전 중 전극 탭의 최고 온도가 낮았다. 이 경우, 실시예들의 급속 충전 시간은 비교예 보다 빠르며, 사이클 특성 또한 우수하였다.
10: 이차 전지 20: 온도 조절부 미포함 이차 전지
100: 전극조립체 101: 제1 전극조립체
102: 제2 전극조립체 110: 전극 탭
200: 온도 조절부 210: 열전 소자층
211: 제1 열전 소자층 212: 제2 열전 소자층
220: 내부 케이스 240: 전류 공급탭
260: 열 교환층 280: 컨트롤부
300: 외부 케이스 310: 수용부
320: 실링부 HS: 가열 구간
CS: 냉각 구간

Claims (14)

  1. 양극, 음극 및 분리막을 포함하며, 상기 양극 또는 상기 음극과 연결되는 하나 이상의 전극 탭을 각각 포함하는 제1 전극 조립체 및 제2 전극 조립체; 및
    상기 제1 전극 조립체 및 상기 제2 전극 조립체의 두께 방향으로 상기 제1 전극 조립체 및 상기 제2 전극 조립체 사이에 배치되며, 상기 제1 전극 조립체 및 상기 제2 전극 조립체의 온도를 조절하는 열전 소자층을 포함하는 온도 조절부를 포함하는, 이차 전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 온도 조절부는 상기 열전 소자층을 수용하는 내부 케이스를 더 포함하는, 이차 전지.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 내부 케이스는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 이차 전지.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 열전 소자는 상기 제1 전극 조립체와 인접한 제1 열전 소자층; 및 상기 제2 전극 조립체와 인접한 제2 열전 소자층을 포함하는, 이차 전지.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 열전 소자층 및 상기 제2 열전 소자층은 각각 직렬로 연결되는 복수의 열전 유닛들을 포함하는, 이차 전지.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 열전 소자층 및 상기 제2 열전 소자층은 서로 병렬로 연결된, 이차 전지.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 온도 조절부는 두께 방향으로 상기 제1 열전 소자층 및 상기 제2 열전 소자층의 사이에 배치된 열 교환층을 더 포함하는, 이차 전지.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 열 교환층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au) 및 은(Ag)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 이차 전지.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 열 교환층은 상기 내부 케이스의 외부로 돌출된, 이차 전지.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 열 교환층 중 상기 내부 케이스의 외부로 돌출된 부분은 상기 전극 탭과 평면 방향으로 중첩되지 않는, 이차 전지.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 온도 조절부는 상기 열전 소자층과 연결된 전류 탭을 더 포함하는, 이차 전지.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 전류 탭은 상기 전극 탭과 평면 방향으로 중첩되지 않는, 이차 전지.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 전류 탭 및 상기 전극 탭을 전기적으로 연결하며, 상기 전류 탭 및 상기 전극 탭 사이에서 흐르는 전류량을 조절하는 컨트롤부를 더 포함하는, 이차 전지.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 조립체의 개방 전압(open-circuit voltage)를 측정하는 전압 측정부를 더 포함하는, 이차 전지.
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