KR20230063714A - 과충전 방지가 가능한 이차전지 및 이의 충전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 과충전 방지가 가능한 이차전지 및 이의 충전방법에 관한 것으로, 상기 이차전지는 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결하는 도선부를 구비하되, 고온 조건에서 형태가 변형되는 온도감응부를 도선부의 음극 리드 측 단부에 도입하고, 과충전 시 양극 리드와 음극 리드 사이의 전압을 측정하는 구성을 가짐으로써 이차전지의 과충전 시 즉각적으로 충전을 중단할 수 있으므로, 전지의 안전성이 보다 향상되는 이점이 있다.

Description

과충전 방지가 가능한 이차전지 및 이의 충전방법{Secondary battery available of preventing overcharge and Charging method thereof}
본 발명은 과충전 방지가 가능한 이차전지 및 이의 충전방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 고에너지 밀도와 높은 방전 전압의 리튬 이차전지가 특히 널리 사용되고 있다.
그러나, 이러한 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 즉, 리튬 이차전지는 고온에 노출되거나, 과충전, 외부단락, 침상(nail) 관통, 국부적 손상(local crush) 등에 의해 짧은 시간 내에 큰 전류가 흐르게 될 경우, IR 발열에 의해 전지가 가열되면서 발화/폭발의 위험성이 있다.
구체적으로, 전지의 온도가 상승하면 전해액과 전극 사이의 반응이 촉진된다. 그 결과, 반응열이 발생하여 전지의 온도는 추가적으로 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 따라서, 전지의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이는 다시 전해액과 전극 사이의 반응을 가속화시킨다. 이러한 악순환에 의해, 전지의 온도가 급격히 상승하는 열 폭주 현상이 일어나게 되고 온도가 일정 이상까지 상승하면 전지의 발화가 일어날 수 있다. 또한, 전해액과 전극 사이의 반응 결과, 가스가 발생하여 전지 내압이 상승하게 되며, 일정 압력 이상에서 리튬 이차전지는 폭발하게 된다. 이와 같은 발화/폭발의 위험성은 리튬 이차전지가 가지고 있는 가장 치명적인 단점이라 할 수 있다.
따라서, 리튬 이차전지의 개발에 필수적으로 고려해야 할 사항은 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 안전성을 확보하기 위한 노력의 일환으로서, 셀 바깥쪽에 안전소자를 장착하여 사용하는 방법과, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법이 있다. 온도의 변화를 이용하는 PTC 소자, CID 소자, 전압의 변화를 이용하는 보호회로, 전지 내압의 변화를 이용하는 안전벤트(Safety Vent) 등이 전자에 해당하고, 전지 내부의 온도나 전압의 변화에 따라 물리적, 화학적, 전기화학적으로 변화할 수 있는 물질을 첨가하는 것이 후자에 속한다.
그러나, 지금까지 알려져 있는 기술들은 각각의 문제점들을 가지고 있다. 예를 들어, 셀 바깥쪽에 장착하는 종래의 안전소자들은 전지의 이상 발생으로 인해 가연성 가스가 이미 셀 내부에 충만한 상태에서는 안전성을 제공하지 못하며, CID 소자의 경우 원통형 전지에만 적용할 수 있다는 단점이 있다. 또한, 내부 단락, 침상 관통, 국부적 손상 등과 같이 빠른 응답시간이 요구되는 경우에는 제대로 보호 역할을 하지 못하는 것으로 알려져 있다.
또한, 셀 내부의 물질을 이용하는 방법의 하나로 전해액이나 전극에 안전성을 향상시키는 첨가제를 부가하는 방법이 있다. 화학적 안전장치는 추가 공정 및 공간을 필요로 하지 않으며 모든 종류의 전지에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 물질의 첨가로 인해 전지의 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 물질로는 전극에 부동막을 형성하는 물질, 온도 상승 시 부피 팽창이 일어나면서 전극의 저항을 증가시키는 물질 등이 보고되어 있다. 그러나, 이들 각각은 부동막 형성 시 부산물이 발생하여 전지의 성능을 저하시키거나, 전지 내부에서 차지하는 부피가 커서 전지의 용량 감소를 가져오는 문제점을 안고 있으며, 확실한 안전성 보장이 이루어지지 않으므로 단독 수단으로는 사용되지 않고 있다.
일본 공개특허공보 특개2016-200539호
이에, 본 발명은 이차전지의 과충전 상황을 감지하여 이차전지에 공급되는 충전 전류를 중단함으로써 과충전으로 인한 안전성 문제가 개선된 이차전지 및 이의 충전방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
양단부에 양극 리드와 음극 리드를 구비하는 전극 조립체;
상기 양극 리드에 일단이 전기적으로 연결되는 도선부; 및
상기 도선부의 중간에 전기적으로 연결되는 전압측정부;를 포함하고,
상기 도선부는 양극 리드와 전기적으로 연결된 측의 타단에 도입되어 온도 조건에 따라 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결하는 온도감응부를 포함하는 이차전지를 제공한다.
여기서, 상기 온도감응부는 70℃ 내지 100℃의 온도 노출 시 형태가 변형되어 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결할 수 있다.
또한, 상기 온도감응부는 니켈 티탄 합금을 포함하는 형상기억합금으로 구성되거나, 또는 니켈 철의 합금으로 이루어진 제1 금속과 니켈 망간 철의 합금, 니켈 몰리브덴 철의 합금, 또는 니켈 망간 구리의 합금으로 이루어진 제2 금속을 포함하는 바이메탈로 구성될 수 있다.
아울러, 상기 전압측정부는 온도감응부의 변형에 의해 도선부가 음극 리드에 접속되는 경우 양극 리드와 음극 리드 사이의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 이차전지는 전압측정부와 전기적으로 연결되어 전압측정부에서 측정된 전압값을 전송받는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 전압측정부에서 전송받은 전압값이 소정값 이상이면 이차전지의 충전을 중단시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 일실시예에서,
상술된 본 발명에 따른 이차전지에 전력을 공급하여 충전하는 단계;
상기 이차전지에 구비된 도선부의 온도감응부가 음극 리드에 전기적으로 접속되면 전압측정부로 전압을 측정하는 단계;
측정된 전압값이 소정값 이상이면 이차전지의 충전을 중지하는 단계를 포함하는 이차전지의 충전방법을 제공한다.
이때, 상기 온도감응부는 70℃ 내지 100℃의 온도 노출 시 형태가 변형되어 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결할 수 있다.
이를 위하여, 상기 온도감응부는 니켈 티탄 합금을 포함하는 형상기억합금으로 구성되거나, 또는 니켈 철의 합금으로 이루어진 제1 금속과 니켈 망간 철의 합금, 니켈 몰리브덴 철의 합금, 또는 니켈 망간 구리의 합금으로 이루어진 제2 금속을 포함하는 바이메탈로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지는 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결하는 도선부를 구비하되, 고온 조건에서 형태가 변형되는 온도감응부를 도선부의 음극 리드 측 단부에 도입하고, 과충전 시 양극 리드와 음극 리드 사이의 전압을 측정하는 구성을 가짐으로써 이차전지의 과충전 시 즉각적으로 충전을 중단할 수 있으므로, 전지의 안전성이 보다 향상되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차전지의 구성을 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 2는 도 1의 이차전지를 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 3은 도 2에서 온도감응부인 형상기억합금이 변형되어 음극 리드에 접속된 상태를 나타내는 정면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차전지의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 5는 도 4에서 온도감응부인 바이메탈이 변형되어 음극 리드에 접속된 상태를 나타내는 정면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이차전지
본 발명은 일실시예에서,
양단부에 양극 리드와 음극 리드를 구비하는 전극 조립체;
상기 양극 리드에 일단이 전기적으로 연결되는 도선부; 및
상기 도선부의 중간에 전기적으로 연결되는 전압측정부;를 포함하고,
상기 도선부는 양극 리드와 전기적으로 연결된 측의 타단에 도입되어 온도 조건에 따라 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결하는 온도감응부를 포함하는 이차전지를 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지는 양극 리드와 음극 리드가 각각 구비된 전극 조립체를 포함하고, 전극 조립체는 전지 케이스 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 구성될 수 있다. 전극 조립체는 파우치에 투입되고, 양극은 양극 리드에 연결되며 음극은 음극 리드에 연결된 상태로 파우치 외측으로 돌출되도록 배치한 다음 파우치의 가장자리를 열 압착하여 실링할 수 있다.
이때, 양극 리드와 음극 리드가 전극 조립체의 양측 단부에 배치된 타입이 도시되어 있으나, 양극 리드와 음극 리드가 전극 조립체의 일측 단부에 배치된 타입의 경우에도 본 발명이 적용될 수 있다.
상기 전극 조립체의 양극 리드에는 일단이 전기적으로 연결되는 도선부를 포함한다. 상기 도선부는 양극 리드에 전기적으로 연결되는데, 도선의 단부 피복을 벗기고 도선 단부를 양극 리드 상면에 용접하여 연결할 수 있다. 도선부의 일단부는 양극 리드상면과의 접촉 길이를 증가시키기 위해 단부가 양극 리드 상면에 평행하게 되도록 절곡될 수 있다.
또한, 상기 도선부는 전극 조립체의 양극 리드와 음극 리드 사이에 내부단락을 유발하지 않으면서 배치될 수 있는 위치라면 특별히 제한되지 않고 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 도선부는 전극 조립체가 삽입된 파우치 외측에 위치하여 파우치 외측으로 돌출된 양극 리드 및 음극 리드와 전기적으로 결합될 수 있고, 경우에 따라서는 내부 단락을 유발하지 않도록 도선부의 표면에 절연코팅되어 전극 조립체가 삽입된 파우치 내측에서 양극 리드 및 음극 리드와 전기적으로 결합될 수 있다.
아울러, 상기 도선부는 양극 리드가 전기적으로 연결된 측의 타단에 온도 조건에 따라 형태가 변형되어 음극 리드와 전기적으로 연결하는 온도 감응부를 포함한다. 이에 따라, 상기 이차전지는 과충전 시 전극 조립체에서 발생되는 열에 따라 온도 감응부의 형태가 변형되어 음극 리드와 접속될 수 있다.
이를 위하여, 상기 온도 감응부는 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결시키기 위하여, 고온 조건, 예컨대 70℃ 내지 100℃의 온도 노출 시 형태가 변형될 수 있고, 구체적으로는 80℃ 내지 100℃; 또는 75℃ 내지 95℃의 온도 노출 시 형태가 변형될 수 있다.
이러한 온도 감응부는 70℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 형태를 바꿀 수 있는 것이라면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 니켈 티탄 합금; 및 구리-아연-알루미늄 합금 중 1종 이상을 포함하는 형상기억합금; 또는 온도감응부는 니켈 철의 합금으로 이루어진 제1 금속과 니켈 망간 철의 합금, 니켈 몰리브덴 철의 합금, 또는 니켈 망간 구리의 합금으로 이루어진 제2 금속을 포함하는 바이메탈 등으로 구성될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 온도 감응부는 형상복원능력과 가공성이 우수한 니켈-티타늄 합금을 포함할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 온도 감응부는 니켈 철의 합금으로 이루어진 제1 금속과 니켈 망간 철의 합금의 합금으로 이루어진 제2 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전압측정부는 도선부의 중간에 전기적으로 연결된다. 즉, 전압측정부의 양 단부에 도선 접속 단자가 각각 구비될 수 있다. 도선부는 일단이 양극 리드에 접속되고 타단이 전극 조립체의 상면에 접촉하도록 배치된 온도감응부에 접속되기만 하면, 전압측정부는 전극 조립체의 위에 배치되지 않고 전극 조립체로부터 이격된 위치에 배치될 수도 있다.
이차전지 충전 장치는 전극 조립체의 양극과 음극 사이의 압력을 측정하는 전압측정부를 구비하는 것이 일반적이다. 따라서, 양극 리드와 온도감응부에 접속된 도선부를 기존에 구비된 전압측정부에 연결함으로써 본 발명의 이차전지를 구성할 수 있다.
아울러, 상기 전압측정부는 충전하는 동안 계속해서 전압을 측정하는데, 온도감응부가 음극 리드에 접속하기 전에는 측정되는 전압값이 제로가 된다. 즉, 이차전지가 충전하는 동안 전압측정부는 계속적으로 구동하나, 이차전지의 과충전으로 인하여 발열이 발생되고 이에 따라 온도감응부의 형태가 변형되어 온도감응부가 음극 리드에 접속하기 전까지는 전극 조립체의 양극 리드와 음극 리드 사이의 전압을 측정할 수 없으므로 제로의 전압값을 결과값으로 가질 수 있다. 또한, 상기 온도 감응부가 고온 조건에서 형태가 변형되어 음극 리드와 접속하게 되면, 이를 통해 도선부의 중간에 전기적으로 연결된 전압측정부는 양극 리드와 음극 리드 사이의 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 전압측정부는 제어부와 전기적으로 연결될 수 있고, 측정된 전압값을 제어부로 전송할 수 있다. 상기 제어부는 전압측정부에서 소정값 이상의 전압이 측정되면 이차전지의 충전을 중단시킬 수 있다.
구체적으로, 전극 조립체의 양극 리드와 음극 리드에 전원을 연결하여 충전할 때, 전극 조립체에서 열이 발생한다. 온도감응부는 전극 조립체의 상면에 접촉되어 있기 때문에 전도에 의해 열을 전달받을 수 있다. 온도감응부는 열을 전달받아 온도가 상승하면 특히 음극 리드쪽 단부가 열 변형되어 소정 온도 이상에서 음극 리드에 접속될 수 있다. 온도감응부가 음극 리드에 접속하면 그때까지 전극 조립체에 충전된 전압이 측정된다. 제어부는 전압측정부에서 거의 제로보다 조금 큰 소정값의 전압이 측정되면 이차전지의 충전을 중단시킬 수 있다. 그럼으로써 이차전지가 과충전되어 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이나 발화를 방지할 수 있다.
여기서, 상기 소정값의 전압은 기설정된 값으로서 4.0V 이상일 수 있고, 구체적으로는 4.1V 이상, 4.2V 이상, 4.2 내지 4.8V; 또는 4.2 내지 4.5V일 수 있다.
한편, 상기 이차전지는 납 축전지,　니켈-카드뮴(NiCd) 전지,　니켈-메탈 수소(Ni-MH) 전지,　리튬 이온(Li-ion) 전지,　리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 전지가 있다. 하나의 예로서, 상기 이차전지는 리튬 이온 전지일 수 있다. 리튬 이온 전지는 가볍고 용량이 크며 자연 방전이 거의 없고 전압이 높아 이차전지 시장의 대부분을 차지하고 있다. 그러나, 리튬이온 전지는 과충전 시 부풀어 올라 폭발하거나 발화 가능성이 있기 때문에, 본 발명에서와 같이 과충전 방지의 필요성이 더욱 크다.
이차전지의 충전방법
또한, 본 발명은 일실시예에서,
본 발명에 따른 이차전지에 전력을 공급하여 충전하는 단계;
상기 이차전지에 구비된 도선부의 온도감응부가 음극 리드에 전기적으로 접속되면 전압측정부로 전압을 측정하는 단계;
측정된 전압값을 제어부로 전송하여 전송된 전압값이 소정값 이상이면 이차전지의 충전을 중지하는 단계를 포함하는 이차전지의 충전방법을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지의 충전방법은 상술된 본 발명의 이차전지를 충전하는 방법으로서, 본 발명의 이차전지에 전력을 공급하여 충전을 진행하고, 과충전 시 전극 조립체에서 발생되는 열에 의해, 이차전지에 구비된 도선부의 온도감응부가 변형되어 음극 리드에 전기적으로 접속되면 전압측정부가 전압을 측정한다.
이때, 상기 온도감응부는 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결시키기 위하여, 고온 조건, 예컨대 70℃ 내지 100℃의 온도 노출 시 형태가 변형될 수 있고, 구체적으로는 80℃ 내지 100℃; 또는 75℃ 내지 95℃의 온도 노출 시 형태가 변형될 수 있다.
이러한 온도 감응부는 70℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 형태를 바꿀 수 있는 것이라면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 니켈 티탄 합금; 및 구리-아연-알루미늄 합금 중 1종 이상을 포함하는 형상기억합금; 또는 온도감응부는 니켈 철의 합금으로 이루어진 제1 금속과 니켈 망간 철의 합금, 니켈 몰리브덴 철의 합금, 또는 니켈 망간 구리의 합금으로 이루어진 제2 금속을 포함하는 바이메탈 등으로 구성될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 온도 감응부는 형상복원능력과 가공성이 우수한 니켈-티타늄 합금을 포함할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 온도 감응부는 니켈 철의 합금으로 이루어진 제1 금속과 니켈 망간 철의 합금의 합금으로 이루어진 제2 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전압측정부는 전압이 측정되면 제어부에 측정된 전압값을 전압 신호로 전송할 수 있으며, 제어부는 전송받은 전압값이 소정값 이상이면 이차전지의 충전을 중단할 수 있다.
여기서, 상기 소정값의 전압은 기설정된 값으로서 4.0V 이상일 수 있고, 구체적으로는 4.1V 이상, 4.2V 이상, 4.2 내지 4.8V; 또는 4.2 내지 4.5V일 수 있다.
또한, 상기 이차전지는 납 축전지,　니켈-카드뮴(NiCd) 전지,　니켈-메탈 수소(Ni-MH) 전지,　리튬 이온(Li-ion) 전지,　리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 전지가 있다. 하나의 예로서, 상기 이차전지는 리튬 이온 전지일 수 있다. 리튬 이온 전지는 가볍고 용량이 크며 자연 방전이 거의 없고 전압이 높아 이차전지 시장의 대부분을 차지하고 있다. 그러나, 리튬이온 전지는 과충전 시 부풀어 올라 폭발하거나 발화 가능성이 있기 때문에, 본 발명에서와 같이 과충전 방지의 필요성이 더욱 크다.
이하에서는, 본 발명에 따른 이차전지 및 상기 이차전지의 충전방법의 다양한 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
(제1 실시형태)
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이차전지의 구성을 개략적으로 나타내는 상면도이고, 도 2는 도 1의 이차전지를 개략적으로 나타내는 정면도이며, 도 3은 도 2에서 온도감응부인 형상기억합금이 변형되어 음극 리드에 접속된 상태를 나타내는 정면도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 이차전지(100)는 양단부에 양극 리드(120)와 음극 리드(130)를 구비하는 전극 조립체(110), 양극 리드에 일단이 전기적으로 연결되는 도선부(140), 양극 리드와 전기적으로 연결되는 도선부의 타단 단부에 전기적으로 연결되고 적어도 일부가 전극 조립체(110)에 접촉되는 온도감응부(150), 도선부의 중간에 전기적으로 연결되는 전압측정부(160) 및 형상기억합금을 포함하는 온도감응부(150)가 변형되어 음극 리드(130)에 접속됨으로써 전압측정부(160)에서 측정되는 전압값이 소정값 이상이면 전극 조립체(110)의 충전을 중단하는 제어부(190)를 포함한다.
여기서, 상기 양극 리드(120)와 음극 리드(130)가 전극 조립체(110)의 양측 단부에 배치되고, 도선부(140)는 양극 리드(120)에 전기적으로 연결되는데, 도선의 단부 피복을 벗기고 도선 단부를 양극 리드(120) 상면에 용접하여 연결할 수 있다. 도선부(140)의 일단부는 양극 리드(120) 상면과의 접촉 길이를 증가시키기 위해 단부가 양극 리드(120) 상면에 평행하게 되도록 절곡될 수 있다.
상기 온도감응부(150)는 도선부(140)의 타단부에 전기적으로 연결될 수 있다. 온도감응부(150)는 온도에 따라 변형될 뿐만 아니라 도선부(140)의 타단부가 접속되어 전류가 흐르는 도전성 금속으로 이루어질 수 있다. 온도감응부(150)는 전극 조립체(110)로부터 전달되는 열을 받아 변형되는 부분으로서, 음극 리드(130) 쪽 일부를 제외하고는 온도감응부(150)의 대부분은 전극 조립체(110)의 상면에 접촉되도록 배치될 수 있다.
상기 전압측정부(160)는 도선부(140)의 중간에 전기적으로 연결된다. 즉, 전압측정부(160)의 양 단부에 도선 접속 단자가 각각 구비될 수 있다. 도선부(140)는 일단이 양극 리드(120)에 접속되고 타단이 전극 조립체(110)의 상면에 접촉하도록 배치된 온도감응부(150)에 접속되기만 하면, 전압측정부(160)는 전극 조립체(110)의 위에 배치되지 않고 전극 조립체(110)로부터 이격된 위치에 배치될 수도 있다.
상기 제어부(190)는 전압측정부(160)에서 소정값 이상의 전압이 측정되면 전극 조립체(110)의 충전을 중단할 수 있다. 전극 조립체(110)의 양극 리드(120)와 음극 리드(130)에 전원을 연결하여 충전할 때, 전극 조립체(110)에서 열이 발생한다. 온도감응부(150)는 전극 조립체(110)의 상면에 접촉되어 있기 때문에 전도에 의해 열을 전달받을 수 있다. 온도감응부(150)는 열을 전달받아 온도가 상승하면 특히 음극 리드(130) 쪽 단부가 열변형되어 소정 온도 이상에서 음극 리드(130)에 접속될 수 있다.
또한, 상기 전압측정부(160)는 충전하는 동안 계속해서 전압을 측정하는데, 형상기억합금부(150)가 음극 리드(130)에 접속하기 전에는 측정되는 전압값이 제로가 된다. 그러다가 온도감응부(150)가 음극 리드(130)에 접속하면 그때까지 전극 조립체(110)에 충전된 전압이 측정된다. 제어부(190)는 전압측정부(160)에서 거의 제로보다 조금 큰 소정값의 전압, 예컨대 4.2~4.5V; 또는 4.2~4.3V가 측정되면 전극 조립체(110)의 충전을 중단할 수 있다. 그럼으로써 이차전지가 과충전되어 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이나 발화를 방지할 수 있다.
한편, 온도감응부(150)는 전극 조립체(110)로부터 열을 전달 받아서 80~100℃의 온도에서 변형되어 음극 리드(130)에 접속될 수 있다. 온도감응부(150)는 상온~80
Figure pat00001
미만의 온도에서 변형되더라도 음극 리드(130)에 접속되지 않으며, 80~100℃의 온도 중 어느 하나의 온도가 되면 온도감응부(150)가 변형되어 음극 리드(130)에 접속되기 시작한다.
형상기억합금은 다른 모양으로 변형시키더라도 가열에 의하여 다시 변형 전의 모양으로 되돌아오는 성질을 가진 합금을 말한다. 온도감응부(150)는 본래의 형상이 도 3에 도시된 바와 같이 성형되고, 상온에서 대략 직사각형 판재 형태로 프레싱하여 제작할 수 있다. 온도감응부(150)가 80~100℃로 가열되면 본래 구부러진 형상으로 변형되어 온도감응부(150)가 음극 리드(130)에 접속될 수 있다.
또한, 상기 온도감응부(150)는 니켈 티탄 합금으로 이루어질 수 있다. 대표적인 형상기억합금으로는 니켈-티타늄 합금과 구리-아연-알루미늄 합금이 있다. 니켈-티타늄 합금은 니켈과 티타늄의 값이 비싼 단점이 있으나, 뛰어난 형상복원능력과 가공성을 갖고 있어 구리-아연-알루미늄 합금보다 더 좋다.
본 명세서에서 도선부(140)는 양극 리드(120)에 연결되고 온도감응부(150)는 변형되어 음극 리드(130)에 연결되는 것으로 설명하였으나, 도선부(140)는 음극 리드(130)에 연결되고 온도감응부(150)는 변형되어 양극 리드(120)에 연결되도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 이차전지에 의하면, 온도감응부와 전압측정부를 이용하여 전압이 측정되면 충전을 중단시킴으로써 과충전을 사전에 방지할 수 있다.
(제2 실시형태)
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 이차전지의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이고, 도 5는 도 4에서 바이메탈을 포함하는 온도감응부가 변형되어 음극 리드에 접속된 상태를 나타내는 정면도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 이차전지는 양단부에 양극 리드(120)와 음극 리드(130)를 구비하는 전극 조립체(110), 양극 리드에 전기적으로 연결되는 도선부(140), 양극 리드와 전기적으로 연결되는 도선부의 타단 단부에 전기적으로 연결되고 적어도 일부가 전극 조립체에 접촉되는 온도감응부(170), 도선부의 중간에 전기적으로 연결되는 전압측정부(160) 및 바이메탈을 포함하는 온도감응부(170)가 변형되어 음극 리드(130)에 접속됨으로써 전압측정부(160)에서 측정되는 전압값이 소정값 이상이면 전극 조립체(110)의 충전을 중단하는 제어부(190)를 포함한다.
제2실시예의 이차전지는 제1실시예에 비교하여 온도감응부(170)가 형상기억합금부 대신 바이메탈을 포함하는 점이 다르다. 그래서, 이하 바이메탈을 포함하는 온도감응부(170)의 구성 위주로 설명한다.
상기 온도감응부(170)는 양극 리드(120)에 일단부가 연결된 도선부(140)의 타단부에 전기적으로 연결될 수 있다. 온도감응부(170)는 전극 조립체(110)의 충전 시 전극 조립체(110)로부터 열을 전달받아서 변형되어 음극 리드(130)에 접속될 수 있다. 온도감응부(170)는 전극 조립체(110)로부터 전도에 의해 열을 전달받을 수 있도록 적어도 일부가 전극 조립체(110)에 접촉되도록 배치될 수 있다.
바이메탈은 서로 다른 얇은 두 금속판을 포개고 용접하여 하나의 밴드처럼 만들어 놓은 것으로서, 금속마다 고유의 열팽창계수가 다름을 이용하여 온도의 변화에 따라 팽창하는 길이가 달라서 한쪽으로 휘게 된다.
이러한 바이메탈을 포함하는 온도감응부(170)는 전극 조립체(110)로부터 열을 전달받아서 80~100℃의 온도에서 변형되어 음극 리드(130)에 접속될 수 있다. 온도감응부(170)는 두 금속 소재의 열팽창계수와 형상에 따라 80~100℃의 온도에서 변형되어 음극 리드(130)에 접속되도록 제작할 수 있다. 80~100℃의 온도는 이차전지 중 주로 리튬이온 전지에서 과충전되기 직전의 온도로 볼 수 있다.
하나의 예로서, 온도감응부(170)는 니켈 철의 합금으로 이루어진 제1 금속(172)과 니켈 망간 철의 합금, 니켈 몰리브덴 철의 합금, 또는 니켈 망간 구리의 합금으로 이루어진 제2 금속(174)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 금속(172)은 제2 금속(174)에 비해 열팽창계수가 작은 금속으로서, 니켈 및 철을 포함하는 합금으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 금속(174)은 제1 금속(172)에 비해 열팽창계수가 큰 금속으로서, 니켈 망간 철의 합금, 니켈 몰리브덴 철의 합금, 또는 니켈 망간 구리의 합금으로 이루어질 수 있다.
도 3 및 도 4에서 온도감응부(170)가 전극 조립체(110)의 상면에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 바이메탈(170)은 전극 조립체(110)의 하면에 접촉하도록 배치될 수도 있다. 제2 금속(174)이 제1 금속(172)보다 열팽창계수가 더 큰 금속이므로, 제2 금속(174)이 전극 조립체(110)에 접촉하여 직접 열을 전달받는 것이 더 효율적이기 때문이다.
(제3 실시형태)
다음으로, 도면들을 참조하여 본 발명의 이차전지의 충전 제어방법을 설명한다.
먼저, 전극 조립체(110)의 양극 리드(120)와 음극 리드(130)에 전원을 연결하고 전력을 공급하여 충전을 진행한다.
다음에, 일단이 양극 리드(120)에 연결되고 타단이 온도감응부(150 또는 170)에 연결된 도선부 중간에 연결된 전압측정부(160)로 전압을 측정한다.
이때, 온도감응부(150 또는 170)는 제1실시예의 형상기억합금을 포함하거나, 제2실시예의 바이메탈을 포함할 수 있다. 형상기억합금을 포함하는 온도감응부(150)는 적어도 일부가 전극 조립체(110)에 접촉되어 전극 조립체로부터 열전달 받아서 변형됨에 따라 음극 리드(130)에 접속될 수 있다. 바이메탈을 포함하는 온도감응부(170)는 적어도 일부가 전극 조립체(110)에 접촉되어 전극 조립체로부터 열전달 받아서 변형됨에 따라 음극 리드(130)에 접속될 수 있다.
또한, 상기 전압측정부(160)는 충전이 개시된 이후 계속해서 전압을 측정하여 제어부(190)로 전압 신호를 전송할 수 있다.
마지막으로, 온도감응부(150 또는 170)가 변형되어 음극 리드(130)에 접속됨으로써 전압측정부(160)에서 측정되는 전압값이 소정값 이상이면 전극 조립체(110)의 충전을 중단한다.
구체적으로, 온도감응부(150 또는 170)는 전극 조립체(110)의 충전 시 전극 조립체(110)로부터 열을 전달받아서 변형되다가 80~100℃의 온도에 이르면 음극 리드(130)에 접속될 수 있다. 이에 따라, 전압측정부(160)에서 측정되는 전압값이 제로에서 소정값 이상으로 커지게 되고, 제어부(190)는 이 전압 신호가 수신되면 전극 조립체(110)의 충전을 중단할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 이차전지
110: 전극 조립체
120: 양극 리드
130: 음극 리드
140: 도선부
150 및 170: 온도감응부
160: 전압측정부
172: 제1 금속
174: 제2 금속
190: 제어부

Claims (11)

  1. 양단부에 양극 리드와 음극 리드를 구비하는 전극 조립체;
    상기 양극 리드에 일단이 전기적으로 연결되는 도선부; 및
    상기 도선부의 중간에 전기적으로 연결되는 전압측정부;를 포함하고,
    상기 도선부는 양극 리드와 전기적으로 연결된 측의 타단에 도입되어 온도 조건에 따라 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결하는 온도감응부를 포함하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    온도감응부는 70℃ 내지 100℃의 온도 노출 시 형태가 변형되어 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결하는 이차전지.
  3. 제1항에 있어서,
    온도감응부는 니켈 티탄 합금을 포함하는 형상기억합금으로 구성되는 이차전지.
  4. 제1항에 있어서,
    온도감응부는 니켈 철의 합금으로 이루어진 제1 금속과 니켈 망간 철의 합금, 니켈 몰리브덴 철의 합금, 또는 니켈 망간 구리의 합금으로 이루어진 제2 금속을 포함하는 바이메탈로 구성되는 이차전지.
  5. 제1항에 있어서,
    전압측정부는 온도감응부의 변형에 의해 도선부가 음극 리드에 접속되는 경우 양극 리드와 음극 리드 사이의 전압을 측정하는 이차전지.
  6. 제1항에 있어서,
    이차전지는 전압측정부와 전기적으로 연결되어 전압측정부에서 측정된 전압값을 전송받는 제어부를 포함하는 이차전지.
  7. 제6항에 있어서,
    제어부는 전압측정부에서 전송받은 전압값이 소정값 이상이면 이차전지의 충전을 중단시키는 이차전지.
  8. 제1항에 따른 이차전지에 전력을 공급하여 충전하는 단계;
    상기 이차전지에 구비된 도선부의 온도감응부가 음극 리드에 전기적으로 접속되면 전압측정부로 전압을 측정하는 단계;
    측정된 전압값이 소정값 이상이면 이차전지의 충전을 중지하는 단계를 포함하는 이차전지의 충전방법.
  9. 제8항에 있어서,
    온도감응부는 70℃ 내지 100℃의 온도 노출 시 형태가 변형되어 양극 리드와 음극 리드를 전기적으로 연결하는 이차전지의 충전방법.
  10. 제8항에 있어서,
    온도감응부는 니켈 티탄 합금을 포함하는 형상기억합금으로 구성되는 이차전지의 충전방법.
  11. 제8항에 있어서,
    온도감응부는 니켈 철의 합금으로 이루어진 제1 금속과 니켈 망간 철의 합금, 니켈 몰리브덴 철의 합금, 또는 니켈 망간 구리의 합금으로 이루어진 제2 금속을 포함하는 바이메탈로 구성되는 이차전지의 충전방법.
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