KR20230007014A - 안전성이 강화된 리튬 이차전지 모듈 - Google Patents

안전성이 강화된 리튬 이차전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리튬 이차전지 및 이를 구비하는 리튬 이차전지 모듈에 관한 것으로서, 상기 리튬 이차전지는 전극 조립체가 수용되는 케이스의 외부, 특히 불꽃(spark)의 방출 빈도가 높은 실링부의 끝단에 소화 부재가 직접 연결되도록 배치함으로써 이차전지 내부에서 발생된 불꽃(spark)의 방출 시 소화 부재와의 집적 접촉을 유도하여 불꽃의 힘을 약화시킬 수 있으므로 이차전지의 안전성이 높은 이점이 있다.

Description

안전성이 강화된 리튬 이차전지 모듈{LITHIUM SECONDARY BATTERY MODULE WITH ENHANCED SAFETY}
본 발명은 안전성이 강화된 리튬 이차전지 모듈에 관한 것이다.
기술 발전에 따라, 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있고, 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC 등 적용 분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력도 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발이 관심의 초점이 되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 큰 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다. 최근에는 다양한 디자인의 전기 제품에 적용이 용이하고 부피를 줄일 수 있다는 장점으로 인해, 전극 조립체와 전해액을 필름으로 만든 파우치 외장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 많이 보급되어 있다.
이러한 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 주목받고 있다. 이러한 용도로 사용되는 중대형 전지 모듈이나 전지 팩은 소정의 장치에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위하여 다수의 리튬 이차전지들을 전기적 연결하여야 하며, 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
그러나, 이차전지는 과열될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 이차전지가 주울열(joule heating)에 의해 발열을 하므로 이차전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한, 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 이차전지의 폭발로까지 이어지게 된다. 과전류는 뾰족한 금속 물체가 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 이차전지에 인가되는 등의 경우에 발생된다.
아울러, 중대형 전지 모듈이나 전지 팩에 포함되는 다수의 이차전지는 다른 전지에 비해서 고출력의 장점이 있는 반면, 상술된 바와 같이 폭발 위험성이 높아 안전성에 취약한 단점이 있다. 상기 중대형 전지 모듈이나 팩에 다수의 이차전지를 포함하는 경우 그 안정성의 문제는 더욱 심각해진다.
또한, 일반적으로 파우치형 이차전지의 경우, 전지 내부에서 불꽃(spark)이 발생되면, 발생된 불꽃은 대부분 파우치가 실링된 끝단부를 뚫고 나오게 되고, 이렇게 전지 외부로 발산된 불꽃은 전지 모듈이나 전지 팩 내부에 함께 장착되어 인접한 다른 이차전지로 전파되어 화염을 발생시키는데, 이 경우 전지 모듈이나 전지 팩이 사용되는 전기자동차 등의 장치 전체로 화재가 확산되는 심각한 문제점이 있다. 따라서, 상기 이차전지에서 발생된 불꽃 및/또는 화염이 이차전지 외부로 전파되는 것을 차단하여 화염으로 인한 폭발 또는 중대형 전지 모듈이나 전지 팩의 위험 상황에 대해 보다 빠르고 민감하게 대처할 필요성이 대두되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0014309호
이에, 본 발명의 목적은 사용 중 내부에 구비된 리튬 이차전지에서 화재가 발생하는 경우 발생된 화염을 약화시킬 수 있는 리튬 이차전지 및 이를 구비하는 리튬 이차전지 모듈을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극 조립체;
상부 케이스와 하부 케이스를 포함하고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스의 가장자리가 실링되어 내부가 밀봉되는 케이스; 및
상기 케이스의 외부에 위치하고, 소화약제를 포함하는 소화 부재를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
이때, 상기 케이스는 상부 케이스와 하부 케이스의 가장자리가 융착되어 절곡된 실링부를 포함하고, 상기 실링부는 끝단에 소화 부재가 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 실링부는 케이스 측면의 일측에 절곡되어 배치되고, 상기 소화 부재는 실링부가 배치된 케이스 측면의 타측에 배치되거나;
케이스 상면 또는 하면의 일측에 절곡되어 배치되고, 상기 소화 부재는 실링부가 배치된 케이스 상면 또는 하면에 배치될 수 있다.
또한, 상기 실링부는 2회 이상 절곡된 형태를 가질 수 있다.
아울러, 상기 소화 부재는 소화 약제; 및 상기 소화 약제를 수용하는 외장재를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 외장재는 내부에 소화 약제를 도입하기 위한 개방부를 포함하고, 상기 개방부는 케이스 실링부의 끝단과 소화 약제가 접촉되도록 실링부 끝단과 연결될 수 있다.
아울러, 상기 소화 약제는 100~300℃의 온도에서 기상으로 상변화하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 소화 약제는 할로겐화 카본, 할로겐화 케톤, 할로겐화 알칸 및 불활성 가스 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 리튬 이차전지; 및
상기 리튬 이차전지가 장착되는 하우징을 구비하는 리튬 이차전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 전극 조립체가 수용되는 케이스의 외부, 특히 불꽃(spark)의 방출 빈도가 높은 실링부의 끝단에 소화 부재가 직접 연결되도록 배치함으로써 이차전지 내부에서 발생된 불꽃(spark)의 방출 시 소화 부재와의 집적 접촉을 유도하여 불꽃의 힘을 약화시킬 수 있으므로 이차전지의 안전성이 높은 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 조립 전 구조를 나타낸 분해도이다.
도 2 및 도 4는 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 외장을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A에 따른 개략적인 단면 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 실링부 및 소화 부재의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
아울러, 본 발명에서, 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에 게 자명하다.
또한, 본 발명에서, "불꽃" 또는 "스파크(spark)"는 질량과 에너지를 가진 입자로서, 이차전지 모듈 사용 도중에 전지 셀 내부에서 쇼트가 발생하는 경우 양극 합재층에서 발생될 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에서, "화염(flame)"은 이차전지 내부에서 발생된 불꽃(spark)이 전지 내부의 가스 및 외부 공기, 특히 산소(O2)와 접촉하여 그 크기나 규모 면에서 발전된 형태의 불꽃을 의미할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
리튬 이차전지
본 발명은 일실시예에서,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극 조립체;
상부 케이스와 하부 케이스를 포함하고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스의 가장자리가 실링되어 내부가 밀봉되는 케이스; 및
상기 케이스의 외부에 위치하고, 소화약제를 포함하는 소화 부재를 포함하는 리튬 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 전극 조립체가 수용되는 케이스 외부, 특히 내부에서 불꽃(spark) 발생 시, 발생된 불꽃의 방출 빈도가 높은 케이스의 접합 부위 끝단에 소화 부재를 구비함으로써 불꽃이 케이스 외부로 방출하는 경우 불꽃이 소화 부재를 직접적으로 통과하는 구성을 갖는다. 이를 통해, 상기 리튬 이차전지는 발생된 불꽃의 힘을 저감시킬 수 있으므로, 불꽃이 이웃한 전지 셀로 전파되거나 불꽃이 케이스 외부 공기와 접촉하여 화염으로 발전하는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 도 1에 나타낸 바와 같이, 전극 조립체(110)가 수용되는 케이스(120)를 포함하고, 상기 케이스(120)는 상부 케이스(121)와 하부 케이스(122)를 포함하되, 각 케이스(121 및 122)의 가장자리(123)가 융착되어 절곡된 구조의 실링부(미도시)를 가질 수 있으며, 상기 실링부(미도시)의 끝단은 소화 부재(미도시)가 연결될 수 있다.
이때, 상기 케이스(120)는 상부 케이스(121) 및 하부 케이스(122) 중 어느 하나 이상에 전극 조립체(110)를 수용하는 수용부(125a 및/또는 125b)를 포함할 수 있으며, 이러한 수용부(125a 및/또는 125b)의 둘레 방향으로 연장된 가장자리(123)는 전극 리드(127a 및 127b)가 외부로 인출된 상태로 융착되어 전극 조립체(110)를 밀봉시키는 실링부(미도시)를 단부에 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 케이슨 상부 케이스 및 하부 케이스를 포함하되, 상부 케이스는 전체적으로 판상형으로 마련되고 하부 케이스는 전극 조립체가 수납될 수 있도록 중앙 영역이 오목하게 형성된 수용부가 마련될 수 있다. 이때, 상기 하부 파우치의 수용부는 전극 조립체의 높이와 너부에 대응되게 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 리튬 이차전지의 외장 및 단면 구조를 도시한 사시도 및 단면도이다. 도 2 내지 도 4를 참고하면, 상기 케이스는 상부 케이스(221 및 321)와 하부 케이스(222 및 322)의 가장자리에는 융착되어 상호 실링되는 실링부 (224 및 324)를 형성할 수 있다.
이때, 실링 직후의 실링부(224 및 324)는 전극 조립체(210 및 320)가 수납되어 있는 케이스(220 및 320)의 측면으로, 다시 말해, 이차 전지의 좌측면(LS), 우측면(RS), 상측면(HS), 하측면(BS)에서 외측으로 뻗어있는 상태가 될 수 있으며, 이렇게 뻗은 실링부(224 및 324)를 적어도 180°로 절곡하여 케이스의 외부 측면(즉, 좌측면(LS), 우측면(RS), 상측면(HS) 및/또는 하측면(BS)으로 표현되는 외측면)에 나란하게 접힌 형태로 마련될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 케이스(220 및 320)는 가장자리(223 및 323)가 융착되어 90~180°로 2회 이상 절곡된 실링부(224 및 324)를 포함할 수 있으며, 상기 실링부(224 및 324)는 케이스의 상면(H), 외부 측면(RS, LS, HS 및 BS) 및/또는 하면(L)에 접촉되도록 배치될 수 있다.
본 발명은 상술된 바와 같이 케이스의 가장자리(223 및 323)가 실링된 부분을 절곡시켜 실링부(224 및 324)를 형성함으로써 케이스 내부에 전해액이 누출되거나 내부로 수분이 침투되는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며, 실링부(224 및 324)가 차지하는 용적을 최소화할 수 있으므로 방열 효과가 우수한 이점이 있다.
또한, 상기 실링부(224 및 324)는 케이스의 상면(H), 측면(RS, LS, HS 및 BS) 및 하면(L) 중 케이스의 측면에 위치하되, 측면의 중앙을 기준으로 바깥쪽, 즉 측면의 일측 가장자리에 절곡되어 접촉되도록 배치될 수 있고, 소화 부재(230 및 330)는 실링부(224 및 324)가 배치된 케이스 측면의 타측에 배치될 수 있다.
하나의 예로서, 도 5는 상측면(HS)에 실링부(424)가 형성된 이차전지(400)의 단면 구조를 도시한 단면도로서, 도 5를 참고하면, 상기 이차전지(400)는 측면(예컨대, 상측면(HS) 등)에 실링부(424)를 구비하되, 상기 실링부(424)는 상측면(HS) 상에서 상부 케이스와 인접한 측에 배치되어 타측인 하부 케이스와 인접한 측에 공간을 마련할 수 있으며, 잉렇게 마련된 공간에는 소화 부재(430)가 배치될 수 있다. 이를 위하여, 전극 조립체(41)의 웰딩부(411)는 전극 조립체(410)의 일측단에 형성될 수 있고, 이에 따라 웰딩부(411)와 전기적으로 연결되는 전극탭(예컨대, 양극탭(426a)) 및 전극 리드(예컨대, 양극 리드(427a)) 또한 전극 조립체(41) 및 케이스(42)의 일측단에 위치할 수 있다.
아울러, 상기 실링부(224 및 324)는 케이스의 상면(H), 측면(RS, LS, HS 및 BS) 및 하면(L) 중 케이스의 상면(H) 또는 하면(L)에 배치되되, 상면 또는 하면의 바깥쪽, 즉 일측 가장자리에 절곡되어 접촉되도록 배치될 수 있고, 소화 부재(230 및 33)는 실링부(224 및 324)가 배치된 케이스의 상면(H) 또는 하면(L)의 일측 가장자리에 인접하도록 배치될 수 있다.
나아가, 상기 소화 부재는 소화 약제와 상기 소화 약제를 수용하는 외장재를 구비할 수 있고, 상기 외장재는 개방부를 포함하여 내부에 소화 약제를 도입할 수 있을 뿐만 아니라, 케이스의 실링부 끝단과 직접 연결을 통해 케이스 내부에서 발생된 불꽃(spark)이 외부로 방출되는 경우 소화 약제와 선제적으로 접촉하게 하여 불꽃의 힘을 약화시킬 수 있다.
여기서, 상기 외장재는 개방부가 실링부의 끝단과 직접적으로 연결되는 구조를 갖는다면 그 형태가 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 파우치 형상이나 용기 형상을 가질 수 있으며, 케이스 내부에서 방출되는 불꽃이 소화 약제와 접촉하는 경우 내부 온도 및/또는 부피가 증가할 수 있으므로 고온 저항성 및 부피 유동성이 있는 소재로 제작될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 외장재는 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 규소(Si), 바나듐(V), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti) 중 1종 이상의 금속을 함유하는 금속 화합물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 화합물로는 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 규소(Si), 바나듐(V), 산화알루미늄(Al2O3), 이산화티타늄(TiO2), 산화규소(SiO2), 산화바나듐(V2O3), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3) 등의 고온 저항성이 높은 금속 화합물 입자가 분산된 탄성 수지층을 포함하는 파우치 형태일 수 있다.
또한, 상기 소화 약제는 통상적인 화재 진압에 사용되는 종류의 소화 약제라면 그 성상이 분말인지, 액상인지 또는 기체인지 여부에 관계없이 사용 가능하며, 당업계에서 적용되고 있는 다양한 소화 약제가 이용될 수 있다. 소화의 원리 또한 질식 소화, 냉각 소화 또는 이들 두 가지 원리를 모두 이용한 소화가 모두 적용 가능하다.
구체적으로, 상기 소화 약제로는 몬트리올 의정서에 의해 생산 및 사용을 제한받지 않는 성분을 주성분으로 하고, 소화 성능이 뛰어난 물질로서 상온에서 액상이며, 특정 온도, 예를 들어 100~300℃의 온도에서 기상으로 상변화하는 것일 수 있다.
이러한 소화 약제로는 예를 들어, 불화 카본(fluorine carbon), 불화염화 카본(fluorine chlorine carbon), 불화브롬화 카본(fluorine bromine carbon), 불화요오드화 카본(fluorine iodine carbon), 아이오도플루오로 카본(FIC-217I1 또는 FIC-13I1) 등의 할로겐화 카본;
2-요오드-1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판 (HFC-227ea), 1,1,1,2,2-펜타플루오로에탄(CF3CF3H, HFC-125), 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3), 클로로테트라플루오로에탄(CHClFCF3), 1-클로로-1,2,2,2-테트라플루오로에탄(C2HClF4), 2-클로로-1,1,1,2-테트라플루오로에탄(CHClFCF3, HCFC-124) 등의 할로겐화 알칸;
도데카플루오로-2-메틸펜탄-3-온(FK-5-1-12, CF3CF2C(O)CF(CF3)2)), 데카플루오로시클로헥사논(퍼플루오로 시클로헥사논), CF3CF2C(O)CF(CF3)2(-1,1,1,2,4,4,5,5,5-노나플루오로-2-트리플루오로메틸-부탄-3-온), (CF3)2CFC(O)CF(CF3)2(-1,1,1,2,4,5,5,5,6,6,6-옥타플루오로-2,4,-비스(트리플루오로메틸)펜탄-3-온), CF3CF2C(O)CF2CF2CF3, CF3C(O)CF(CF3)2, 1,1,1,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-헥사도데카플루오로옥탄-2-온(CF3CF2CF2CF2CF2CF2C(O)CF3), 1,1,1,3,4,4,4-헵타플루오로-3-트리플루오로메틸부탄-2-온(CF3C(O)CF(CF3)2), 1,1,1,2,4,4,5,5-옥타플루오로-2-트리플루오로메틸펜탄-3-온(HCF2CF2C(O)CF(CF3)2), 1,1,1,2,4,4,5,5,6,6,6-운데카플루오로-2-트리플루오로메틸헥산-3-온(CF3CF2CF2C(O)CF(CF3)2), 1-클로로-,1,1,3,4,4,4-헥사플루오로-3-트리플루오로메틸-부탄-2-온((CF3)2CFC(O)CF2CL), 1,1,1,2,2,4,4,5,5,6,6,6-도데카플루오로헥산-3-온(CF3CF2C(O)CF2CF2CF3), 1,1,1,5,5,5-헥사플루오로펜탄-2-4-디온(CF3C(O)CH2C(O)CF3), 1,1,1,2,5,6,6,6-옥타플루오로-2,5-비스(트리플루오로메틸)헥산-3,4-디온((CF3)2CFC(O)C(O)C(O)CF(CF3)2), 1,1,1,2,2,3,3,5,5,6,6,7,7,7,-테트라데카플루오로헵탄-4-온(CF3CF2CF2C(O)CF2CF2CF3), 1,1,1,3,3,4,4,4-옥타플루오로부탈-2-온(CF3C(O)CF2CF3), 1,1,2,2,4,5,5,5-옥타플루오로-1-트리플루오로메톡시-4-트리플루오로메틸펜탄-3-온(CF3OCF2CF2C(O)CF(CF3)2), 1,1,1,2,4,4,5,5,6,6,7,7,7,-트리데카플루오로-2-트리플루오로메틸헵탄-3-온(CF3CF2CF2CF2C(O)CF(CF3)2), 1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-데카플루오로-3-메톡시-4-(트리플루오로메틸)펜탄 등의 할로겐화 케톤; 및
질소 가스(N2), 아르곤 가스(Ar) 등이 단독 또는 혼합된 형태의 불활성 가스를 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 소화 약제는 화학식 CpHqOrXs (여기서, p, q, r 및 s는 0 내지 20의 정수이고, X는 Br, I 및 F 중 1종 이상임)인 것을 사용할 수 있으며, 일례로서 3M사의 노벡 1230(Novec 1230)을 사용할 수 있다.
한편, 상기 케이스는 가스 배리어층(gas barrier layer)과 실란트층(sealant layer)을 포함하고, 상기 가스 배리어층 상에 형성된 최외층으로서 표면 보호층을 더 포함할 수 있다. 상기 가스 배리어층은 가스 출입을 차단하기 위한 것으로서, 이는 주로 알루미늄 박막(Al foil)이 사용된다. 상기 실란트층은 최내층에 위치하여 내용물, 즉 셀과 접촉될 수 있다. 또한, 상기 표면 보호층은 내마모성 및 내열성 등을 고려하여 주로 나일론(Nylon) 수지 등이 사용될 수 있다. 상기 케이스는 적층 구조의 필름이 주머니 형태나 용기 형태로 가공되어 제조되며, 양극, 음극 및 분리막을 구비하는 전극 조립체가 수용되고, 전해액이 주입된다. 이와 같이 전지의 구성 용소가 내장된 다음, 케이스의 입구에서 실란트층끼리 열 접착되어 실링된다. 이때, 실란트층은 셀 구성 요소와 접촉되므로 절연성과 함께 내전해액성 등을 가져야 하며, 외부와의 밀폐를 위해 높은 실링성을 가져야 한다. 실란트층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열 접착 강도를 가져야 한다. 일반적으로, 실란트층은 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE) 등의 폴리올레핀계 수지가 사용된다. 특히, 폴리프로필렌(PP)은 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내전해액성 등이 뛰어나 파우치의 실란트층으로 주로 사용되고 있다.
또한, 상기 케이스에 장착되는 복수의 이차전지 셀은 당업계에서 통상적으로 사용되고, 충방전이 가능한 리튬 이차전지 셀이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다.
한편, 상기 케이스에 장착되는 복수의 이차전지 셀은 당업계에서 통상적으로 사용되고, 충방전이 가능한 리튬 이차전지 셀이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 이차전지 셀은 파우치 타입의 단위셀일 수 있으며, 상기 파우치 타입의 단위셀은 전극 조립체가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극 리드들과 연결된 상태로 내장된 것일 수 있다.
여기서, 상기 전극 조립체는 도면의 편의상 자세히 도시하지 않았으나,
양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하고, 양극과 음극은 전극 탭을 포함한다. 전극 조립체는 적층된 양극 및 음극 사이에 분리막을 개재하여 형성된 적층형이거나, 하나의 양극 및 하나의 음극을 분리막을 사이에 두고 권취시킨 젤리-롤(jelly-roll) 타입일 수 있으나, 본 발명의 권리범위가 이러한 전극 조립체의 형태에 한정되어야 하는 것은 아니다. 또한, 상기 양극은 알루미늄(Al) 재질의 집전판에 양극 활물질이 도포되어 형성되며, 상기 음극은 구리(Cu) 재질의 집전판에 음극 활물질이 도포되어 형성될 수 있다. 전극 탭은 양극 중 양극 활물질이 도포되지 않은 영역에 해당하는 양극 탭 및 음극 중 음극 활물질이 도포되지 않은 영역에 음극 탭을 포함한다.
전극 리드는 얇은 판상의 금속으로서 전극 탭에 부착되어 전극 조립체의 외측 방향으로 연장되고, 양극 탭에 부착되는 양극 리드 및 음극 탭에 부착되는 음극 리드를 포함한다. 이러한 양극 리드 및 음극 리드는 양극 탭 및 음극 탭의 형성 위치에 따라 서로 다른 방향으로 연장될 수 있고, 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지는 상술된 바와 같은 구성을 가짐으로써 이차전지 내부에서 발생된 불꽃(spark)의 방출 시 소화 부재와 의 직접 접촉을 유도하여 불꽃의 힘을 약화시킬 수 있으므로 이차전지의 안전성이 높은 이점이 있다.
리튬 이차전지 모듈
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명의 리튬 이차전지; 및
상기 리튬 이찾너지가 장착되는 하우징을 구비하는 리튬 이차전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈은 상술된 본 발명의 리튬 이차전지를 구비하여 이차전지 내부에서 발생된 불꽃(spark)의 방출 시 소화 부재와의 직접 접촉을 유도하여 불꽃의 힘을 약화시킬 수 있으므로 안전성이 높은 이점이 있다.
이때, 상기 리튬 이차전지는 n개 이상(n은 2 이상의 정수)이 전기적으로 연결될 상태로 모듈 케이스에 수납될 수 있다. 구체적으로, 상기 이차전지 셀들은 전지 모듈에 용도에 따라 이차전지 셀의 수(n)를 2~100개, 2~50개, 2~40개, 10~35개, 20~30개 또는 5~20개 등으로 조절하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 전기적 연결은 직렬 및/또는 병렬일 수 있고, 필요에 따라서는 직렬과 병렬이 혼합된 방식일 수 있다.
또한, 상기 이차전지 모듈은 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있으며, 이러한 중대형 디바이스의 구체적인 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있고, 좀더 구체적으로는 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~5. 이차전지의 제조
판상형의 상부 케이스와 수용부가 마련된 하부 케이스를 준비하였다. 이때, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스는 폴리프로필렌(PP)층/알루미늄(Al)/2축 연신 나일론(ONY)층/폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)층의 단면 구조를 갖는 것을 사용하였다.
그런 다음, 하부 케이스의 수용부 내에 전극탭과 리드 단자가 연결된 전극 조립체를 배치시키고, 상기 리드 단자가 케이스의 외부로 인출되도록 한 후, 상부 케이스와 하부 케이스의 가장자리를 열 융착하여 밀봉하였다.
열 융착 후, 융착된 가장자리를 절곡하여 실링부를 형성하였으며, 형성된 실링부의 절곡 횟수 및 위치는 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 조절하였다. 여기서, 상기 실링부의 위치는 케이스의 외부에 배치되되, 도 4와 같이 케이스 상면(H) 또는 측면(구체적으로, 좌측면(LS), 우측면(RS), 상측면(HS) 및 하측면(BS))으로 하였다. 또한, 실링부가 측면에 위치하는 경우, 상부 케이스가 인접한 일측단에 배치되도록 하였으며, 상면에 위치하는 경우 측면과 인접하도록 가장자리에 배치시켰다.
그 후, 소화약제가 충전되 파우치형 소화 부재를 개방부가 실링부의 끝단을 덮도록 접합시켜 리튬 이차전지를 제작하였다. 이때, 상기 파우치로는 내부에 산화아연 입자가 분산된 탄성 수지계 파우치를 사용하였으며, 소화 부재의 위치는 실링부의 타측에 배치되도록 하였다.
실링부의 절곡 횟수 실링부 위치
실시예 1 1회 케이스 측면 중 RS 및 LS의 일측단
실시예 2 2회 케이스 측면 중 RS 및 LS의 일측단
실시예 3 2회 케이스 측면 중 HS 및 BS의 일측단
실시예 4 2회 케이스 측면 중 RS, LS, HS 및 BS의 일측단
실시예 5 2회 케이스 상면(H) 중 RS 및 LS와 인접한 일측단
비교예 1. 리튬 이차전지의 제조
소화 부재를 구비하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제작하였다.
비교예 2. 리튬 이차전지의 제조
소화 부재가 케이스 내부에 위치하도록 위치 조절하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 리튬 이차전지를 제작하였다.
실험예.
본 발명에 따른 이차전지의 안전성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
이차전지에 열을 가하기 위하여, 실시예 및 비교예에서 제작된 이차전지에 히팅 패드(heating pad)를 부착하였다. 그런 다음, 제작된 각 이차전지를 만충전하고, 이차전지에 부착된 히팅 패드를 7℃/min의 속도로 승온시켰다.
승온이 시작되면 점차 이차전지 사이의 열 전이가 유도되어 장착된 각 이차전지로부터 불꽃이 발생되게 되고, 이렇게 발생된 불꽃이 이차전지의 케이스 외부로 방출되어 공기와 접촉함으로써 화염이 발생되는데, 여기서, 승온 시작 시점부터 이차전지 케이스 외부로 화염이 발생하는데 까지 걸리는 시간을 측정하여 이차전지의 안전성을 평가하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
충전 이후 화염 발생까지의 소요 시간
실시예 1 61초
실시예 2 65초
실시예 3 68초
실시예 4 77초
실시예 5 64초
비교예 1 29초
비교예 2 53초
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 케이스가 접합되어 외부에 형성된 실링부의 끝단에 소화 부재를 도입하여 이차전지의 안전성이 향상되는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 실시예의 리튬 이차전지는 케이스 외부에 형성된 실링부에 소화 약제를 포함하는 소화 부재를 도입함으로써 케이스 내부에서 발생된 불꽃으로 인해 외부에서 화염이 발생하는데 60초 이상의 시간이 소요되는 것으로 나타났다.
반면, 소화 부재를 구비하지 않거나 케이스 내부에 구비하는 비교예의 리튬 이차전지는 이차전지 케이스 외부에서 화염이 발생하는데 55초 미만의 시간이 소요되는 것으로 확인되었다.
이는 리튬 이차전지의 케이스 외부, 그 중에서도 내부에서 불꽃 발생 시 불꽃의 방출 빈도가 높은 케이스의 접합 부인인 실링부 끝단에 수화 부재를 구비하는 경우, 외부로 방출되는 불꽃이 소화 부재의 약제와 직접적으로 접촉되어 그 힘이 약화되므로 외부에서 화염이 발생하는데 시간이 지체됨을 의미한다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 이차전지는 전극 조립체가 수용되는 외측, 특히 불꽃의 방출 빈도가 높은 실링부의 외측 끝단에 소화 부재가 직접적으로 연결되도록 배치함으로써 불꽃의 힘을 상당히 약화시킬 수 있으므로 이차전지의 안전성이 향상되는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 예시를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
100, 200, 300 및 400: 리튬 이차전지
110, 210 및 410: 전극 조립체
120, 220 및 320: 케이스
121, 221, 321 및 421: 상부 케이스
122, 222, 322 및 422: 하부 케이스
123, 223 및 323: 케이스 가장자리
125a 및 125b: 수용부
126b: 음극탭
127a, 227a, 327a 및 427a: 양극 리드
127b. 227b 및 327b: 음극 리드
224, 324 및 424: 실링부
230, 330 및 430: 소화부재
411: 웰딩부
H: 상면
L: 하면
RS: 우측면
LS: 좌측면
HS: 상측면
BS: 하측면

Claims (10)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막을 포함하는 전극 조립체;
    상부 케이스와 하부 케이스를 포함하고, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스의 가장자리가 실링되어 내부가 밀봉되는 케이스; 및
    상기 케이스의 외부에 위치하고, 소화약제를 포함하는 소화 부재를 포함하는 리튬 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 상부 케이스와 하부 케이스의 가장자리가 융착되어 절곡된 실링부를 포함하고,
    상기 실링부는 끝단에 소화 부재가 연결되는 리튬 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실링부는 2회 이상 절곡되는 리튬 이차전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 실링부는 케이스 측면의 일측에 절곡되어 배치되고,
    상기 소화 부재는 실링부가 배치된 케이스 측면의 타측에 배치되는 리튬 이차전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 실링부는 케이스 상면 또는 하면의 일측에 절곡되어 배치되고,
    상기 소화 부재는 실링부가 배치된 케이스 상면 또는 하면에 배치되는 리튬 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소화 부재는 소화 약제; 및 상기 소화 약제를 수용하는 외장재를 구비하는 리튬 이차전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 외장재는 내부에 소화 약제를 도입하기 위한 개방부를 포함하고,
    상기 개방부는 케이스 실링부의 끝단과 소화 약제가 접촉되도록 실링부 끝단과 연결되는 리튬 이차전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소화 약제는 100~300℃의 온도에서 기상으로 상변화하는 리튬 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    소화 약제는 할로겐화 카본, 할로겐화 케톤, 할로겐화 알칸 및 불활성 가스 중 1종 이상을 포함하는 리튬 이차전지.
  10. 제1항에 따른 리튬 이차전지; 및
    상기 리튬 이차전지가 장착되는 하우징을 구비하는 리튬 이차전지 모듈.
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