KR20230153919A - 흡열체를 내장하는 각형 이차전지 - Google Patents
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Abstract
개시되는 발명은 각형 이차전지에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 본 발명은 금속 재질의 케이스와, 상기 케이스 내에 수용되는 적어도 하나 이상의 전극 조립체와, 상기 전극 조립체에 접촉하는 적어도 하나 이상의 흡열 파우치 및 상기 케이스 안에 충진된 전해액을 포함하고, 여기서 상기 흡열 파우치는, 상기 전극 조립체에서 발생하는 열을 흡수하여 기화되는 액체를 함침한 흡수재 및 상기 액체를 함침한 흡수재를 밀봉 수용하는 파우치를 포함한다.
Description
본 발명은 열 폭주 발생시에 이차전지 내의 열 확산을 방지함으로써 주변의 다른 이차전지가 연속적으로 과열되는 열 전파 현상을 억제할 수 있는 각형 이차전지에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 환경보호의 시대적 요구에 맞춰 부각되는 전기 차량과 에너지 저장 시스템 등으로 인해 에너지원으로서의 이차전지의 수요는 더욱 급격하게 증가하고 있다.
이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.
이차전지는 장기간 동안 연속적인 사용이 요구되므로, 충방전 과정 중에 발생하는 열을 효과적으로 제어할 필요가 있다. 이차전지의 냉각이 원활히 이루어지지 못할 경우에는 온도 상승이 전류의 증가를 야기하고, 전류의 증가가 또다시 온도 상승의 원인이 되는 정귀환의 연쇄반응이 일어나, 결국 열 폭주(Thermal Runaway)의 파국상태에 이르게 된다.
또한, 이차전지가 모듈이나 팩의 형태로서 집단을 이루고 있는 경우에는 어느 하나의 이차전지에 발생한 열 폭주에 의해 주변의 다른 이차전지가 연속적으로 과열되는 열 전파(Thermal Propagation) 현상이 일어나게 된다. 나아가 과열된 이차전지에서 방출되는 가연성 가스와 가열전극 등의 점화원으로 인해 화재 발생의 위험이 높으므로, 이러한 발화 위험을 억제할 필요가 있다.
본 발명은 이차전지에서 발생한 열 폭주에 의한 열 전파 현상을 효과적으로 억제 및 방지할 수 있는 이차전지를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 각형 이차전지에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 본 발명은 금속 재질의 케이스와, 상기 케이스 내에 수용되는 적어도 하나 이상의 전극 조립체와, 상기 전극 조립체에 접촉하는 적어도 하나 이상의 흡열 파우치 및 상기 케이스 안에 충진된 전해액을 포함하고, 여기서 상기 흡열 파우치는, 상기 전극 조립체에서 발생하는 열을 흡수하여 기화되는 액체를 함침한 흡수재 및 상기 액체를 함침한 흡수재를 밀봉 수용하는 파우치를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전극 조립체는 복수 개로 구비되고, 상기 흡열 파우치는 전극 조립체 사이에 배치될 수 있다.
상기 흡열 파우치는, 상기 흡수재에 함침된 액체가 기화되어 내압이 증가하면 우선적으로 파단되는 취약부가 구비될 수 있다.
그리고, 상기 전극 조립체는 권취형이거나 스택형일 수 있다.
그리고, 상기 흡열 파우치의 취약부는 상기 전극 조립체의 포일 탭을 향하는 방향으로 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전극 조립체는 한 쌍의 포일 탭이 동일한 면에 배치된 일방향 전극 조립체이고, 상기 흡열 파우치의 취약부는 한 쌍으로 구비되어 상기 한 쌍의 포일 탭에 대응하는 위치로 이격 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 흡수재는 고흡수성 매트릭스, 예를 들어 고흡수성 폴리머(SAP) 또는 고흡수성 섬유(SAF)를 포함하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 액체는 물이거나, 또는 첨가제가 혼합된 물일 수 있으며, 여기서 상기 첨가제는 물의 표면장력을 낮추는 물질이거나, 또는 소화약제일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 전극 조립체와 흡열 파우치를 밀착시키는 스웰링 테이프를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 전극 조립체는 복수 개로 구비되고, 상기 흡열 파우치는 전극 조립체 사이에 배치되며, 상기 스웰링 테이프는 상기 전극 조립체의 외곽 둘레를 따라 부착될 수 있다.
그리고, 상기 스웰링 테이프는, 상기 케이스 안에 충진된 전해액과 접촉하여 길이방향으로 신장될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 각형 이차전지에 의하면, 평상 시 급속충전과 같은 온도 상승이 많은 환경에서 신속히 열을 흡수 및 분산함으로써 열 폭주 발생을 억제하고, 높은 온도 상승 없이 성능 및 수명을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 이차전지에 열 폭주 현상이 발생했을 경우 흡열 파우치 내의 흡수재에 함침된 액체가 열을 흡수하여 기화되고, 기화된 가스가 일정 압력 이상으로 상승하면 흡열 파우치를 파단하여 분출됨으로써 과열된 전극 조립체에서 방출되는 가연성 가스와 가열전극 등의 점화원을 냉각하고 화염을 억제함으로써 화재의 위험을 크게 감소시킬 수 있다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 각형 이차전지를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 각형 이차전지의 세부 구성을 도시한 분해 사시도.
도 3은 도 1의 각형 이차전지에 대한 변형된 구성을 도시한 분해 사시도.
도 4는 도 1의 "A-A" 절개선을 따른 단면도.
도 5는 흡열 파우치에서 분출되는 기체가 전극 조립체에서 방출되는 점화원을 냉각하는 상태를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 각형 이차전지를 도시한 분해 사시도.
도 7은 도 6의 각형 이차전지에 대한 단면도.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 각형 이차전지를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 각형 이차전지의 세부 구성을 도시한 분해 사시도.
도 3은 도 1의 각형 이차전지에 대한 변형된 구성을 도시한 분해 사시도.
도 4는 도 1의 "A-A" 절개선을 따른 단면도.
도 5는 흡열 파우치에서 분출되는 기체가 전극 조립체에서 방출되는 점화원을 냉각하는 상태를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 각형 이차전지를 도시한 분해 사시도.
도 7은 도 6의 각형 이차전지에 대한 단면도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 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.
본 발명은 각형 이차전지에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 금속 재질의 케이스와, 상기 케이스 내에 수용되는 적어도 하나 이상의 전극 조립체와, 상기 전극 조립체에 접촉하는 적어도 하나 이상의 흡열 파우치 및 상기 케이스 안에 충진된 전해액을 포함한다.
여기서 상기 흡열 파우치는, 상기 전극 조립체에서 발생하는 열을 흡수하여 기화되는 액체를 함침한 흡수재와, 상기 액체를 함침한 흡수재를 밀봉 수용하는 파우치를 포함한다.
그리고, 상기 흡열 파우치는, 상기 흡수재에 함침된 액체가 기화되어 내압이 증가하면 우선적으로 파단되는 취약부가 구비된다.
이에 따라, 본 발명은 전극 조립체에 직접 접촉하는 흡열 파우치의 흡열작용에 의해, 평상 시 급속충전과 같은 온도 상승이 많은 환경에서 신속히 열을 흡수 및 분산함으로써 열 폭주 발생을 억제하고, 높은 온도 상승 없이 성능 및 수명을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 이차전지에 열 폭주 현상이 발생했을 경우 흡열 파우치 내의 흡수재에 함침된 액체가 열을 흡수하여 기화되고, 기화된 가스가 일정 압력 이상으로 상승하면 흡열 파우치를 파단하고 분출됨으로써 과열된 전극 조립체에서 방출되는 가연성 가스와 가열전극 등의 점화원을 냉각하고 화염을 억제함으로써 화재의 위험을 크게 감소시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각형 이차전지(10)에 대한 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 참고로, 이하의 설명에서 사용되는 상대적인 위치를 지정하는 전후나 상하좌우의 방향은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 특별한 정의가 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 삼는다.
[제1 실시형태]
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 각형 이차전지(10)를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 각형 이차전지(10)의 세부 구성을 도시한 분해 사시도, 그리고 도 4는 도 1의 "A-A" 절개선을 따른 단면도이다.
도면에서 볼 수 있듯이, 본 발명은 각형 이차전지(10)에 관한 것으로서, 금속 재질의 케이스(100)와, 케이스(100) 내에 수용되는 적어도 하나 이상의 전극 조립체(200)와, 전극 조립체(200)에 접촉하는 적어도 하나 이상의 흡열 파우치(300), 그리고 케이스(100) 안에 충진된 전해액(400)을 포함한다.
케이스(100)는 각형 이차전지(10)의 몸체를 이루는 프레임으로서, 각형 이차전지(10)가 배터리 모듈이나 배터리 팩을 이룰 경우에 인접한 다른 각형 이차전지(10)에 대한 기본적인 단열작용을 담당할 수 있다. 도시된 실시형태에서, 케이스(100)는 상면이 개방된 메인 케이스(110)와, 메인 케이스(110)의 상방 개구부를 막고 양극과 음극의 전극단자(122)가 구비된 캡 플레이트(120)로 이루어져 있다. 전극단자(122)는 전극 조립체(200)의 포일 탭(210)과 전기적으로 연결되어 있다.
전극 조립체(200)는, 활물질이 각각 도포된 양극과 음극, 그리고 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막으로 이루어진 단위 셀이 다수 적층되어 있다. 본 발명의 각형 이차전지(10)에 구비되는 전극 조립체(200)는 젤리 롤과 같은 권취형 전극 조립체이거나, 또는 스택형 전극 조립체일 수 있다. 첨부된 도면에는 스택형 전극 조립체(200)가 구비된 것으로 도시되어 있다.
전극 조립체(200)에 접촉하는 흡열 파우치(300)는 1차적으로는 전극 조립체(200)에서 발생하는 열을 흡수하여 과열을 방지하는 역할을 한다. 또한, 흡열 파우치(300)는 전극 조립체(200)가 과열되는 열 폭주 현상이 발생했을 때에는 화염발생을 억제하는 소화기능도 함께 지니고 있다.
이를 위하여, 본 발명에 구비되는 흡열 파우치(300)는, 전극 조립체(200)의 열을 흡수하여 기화되는 액체를 함침한 흡수재(320)와, 액체를 함침한 흡수재(320)를 밀봉 수용하는 파우치(310)를 포함한다.
본 발명의 제1 실시형태에서, 흡수재(320)는 고흡수성 매트릭스, 예를 들어 고흡수성 폴리머(Super Absorbent Polymer, SAP) 또는 고흡수성 섬유(Super Absorbent Fiber, SAF)를 포함하는 흡수재(320)일 수 있다. 고흡수성 매트릭스는 다공질 또는 섬유질로 모세관 현상을 발현함으로써 다량의 액체를 흡수하는 것이 가능하며, 고흡수성 섬유는 고흡수성 폴리머를 가공하여 부직포와 같은 섬유의 형태로 제조할 수 있다.
본 발명에서 고흡수성 폴리머 및 이로부터 제조되는 고흡수성 섬유의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않고, 유체, 특히 물에 대한 흡수 능력이 뛰어난 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명에서는 고흡수성 폴리머의 예로서, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리비닐구아니딘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있고, 바람직하게는 가교화된 폴리아크릴산 염, 가교화된 폴리아크릴산 및 가교화된 아크릴산 중공합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 고흡수성 폴리머로 사용되는 아크릴산 공중합체의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 아크릴산 단량체와 말레산, 이타콘산, 아크릴아미드, 2-아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산, 2-(메타)아크릴로일에탄술폰산, 2-히드록시에틸(메타)아크릴레이트 및 스티렌술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 공단량체를 포함하는 공중합체일 수 있다.
본 발명에서 고흡수성 폴리머는 물에 대한 흡수량이 10 g/g 내지 500 g/g, 바람직하게는 50 g/g 내지 200 g/g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 고흡수성 폴리머 1 g당 물 10 g 내지 500 g, 바람직하게는 50 g 내지 200 g을 흡수할 수 있다.
본 발명에서 고흡수성 폴리머의 물에 대한 흡수량이 많을수록 냉각 효과의 지속 시간을 향상시킬 수 있으나, 500 g/g을 초과하면 고흡수성 폴리머의 유동성이 증가하여 형태를 유지하기 어려워 효과적인 냉각을 발휘할 수 없고, 10 g/g 미만이면 냉각 효과의 지속 시간이 너무 짧아 비효율적일 수 있다.
한편, 흡수재(320)에 다량으로 함침되어 있는 액체는 전극 조립체(200)에서 발생하는 열을 흡수하다가 그 온도가 비등점을 초과하면 기화된다. 액체에서 기체로의 상변화에 따른 부피 증가로 인해, 흡수를 밀봉하는 파우치(310)에는 내압이 작용하게 된다.
여기서, 흡열 파우치(300)는 흡수재(320)에 함침된 액체가 기화되어 내압이 증가하면 우선적으로 파단되는 취약부(330)가 구비된다. 흡열 파우치(300)를 구성하는 포장재에 해당하는 파우치(310)는 유연한 라미네이트 시트를 이용하여 제조될 수 있다.
라미네이트 시트는 알루미늄 박막층, 알루미늄 박막층의 내측에 형성된 내부 수지층, 그리고 알루미늄 박막층의 외측에 형성된 외부 수지층을 포함하는 3층 이상의 구조일 수 있다. 예를 들어, 내부 수지층은 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene, CPP) 또는 폴리프로필렌(PP)일 수 있고, 외부 수지층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 나일론일 수 있다.
여기서, 알루미늄 박막층을 포함하는 파우치(310)는 케이스(100) 안에 충진된 전해질에 잠기게 되므로, 파우치(310)는 전해질과 반응하지 않고 전해질이 침투할 수 없으며, 장기간 안정적으로 강도를 유지할 수 있다.
예를 들어, 전해질은 A+B-와 같은 구조를 갖는 염일 수 있다. 여기서, A+는 Li+, Na+, K+와 같은 알칼리 금속 양이온이나 이들의 조합으로 이루어진 이온을 포함한다. 그리고 B-는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, AlO4 -, AlCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AsF6 -, BF2C2O4 -, BC4O8 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, C4F9SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 음이온을 포함한다.
이러한 전해질 안에서, 알루미늄 박막층의 내외에 수지층이 형성된 라미네이트 시트로 만들어진 파우치(310)는 전해질에 영향을 받지 않고 그 내구성이 양호하게 유지된다.
그리고, 흡열 파우치(300)의 취약부(330)는, 파우치(310)의 밀봉 강도를 국부적으로 낮춤으로써 액체의 기화에 따른 내압 증가에 의해 우선적으로 파단되도록 가공된 부분을 말한다. 파우치(310)는 흡수재(320)를 감싸는 라미네이트 시트의 모서리를 열융착함으로써 밀봉 처리되는데, 취약부(330)는 열융착 강도를 주변보다 낮게 만드는 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 취약부(330)는 주변보다 두께를 얇게 만들거나 노치를 형성하여 강도를 낮추거나, 또는 내구성을 유지하는 알루미늄 박막층을 국부적으로 제거함으로써 형성될 수 있다.
이와 같이 흡열 파우치(300)에 취약부(330)가 구비됨으로써, 도 5에 도시된 것과 같이, 전극 조립체(200)에 열 폭주 현상이 발생하여 과열될 경우 흡열 파우치(300) 내의 흡수재(320)에 함침된 액체가 열을 흡수하여 기화되고, 기화된 가스의 내압이 일정 압력 이상으로 상승하면 흡열 파우치(300)의 취약부(330)가 파단되어 기체를 분출한다. 흡열 파우치(300)에서 분출된 기체는 과열된 전극 조립체(200)에서 방출되는 가연성 가스와 가열전극 등의 점화원을 냉각하고 화염을 억제함으로써 화재의 위험을 크게 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 흡수재(320)에 함침된 액체는 물일 수 있다. 물은 쉽게 구할 수 있는 액체 중에서 비열과 잠열이 가장 큰 물질에 해당한다. 따라서, 흡수재(320)에 담긴 물은 액체 상태에서부터 시작하여 기체로 상변화하는 과정 중에 흡수하는 열량이 많기 때문에 본 발명의 흡열 파우치(300)에 적용하기에 적합하다.
또한, 흡수재(320)에 함침된 물에는 소화기능을 강화할 수 있는 첨가제가 혼합될 수 있다. 예를 들어, 물에 혼합된 첨가제는 물의 표면장력을 낮추는 물질이거나, 또는 소화약제일 수 있다. 물의 표면장력을 낮추는 물질로는 습윤제나 계면활성제를 예로 들 수 있으며, 물의 표면장력이 낮아지면 물의 침투효과가 상승함으로써 가열전극이나 발화입자 등의 점화원에 대한 소화효과가 강화된다.
소화약제는 그 자체가 소화기능을 발휘하는 약제를 통칭하는 것으로서, 현재 상용화된 각종 분말 소화약재나 액체 소화액재 등이 적용될 수 있다. 예를 들어, 상품명 F-500 EA(제조사 HAZARD CONTROL TECHNOLOGIES, INC.)의 소화약제가 물에 첨가될 수 있다.
본 발명의 제1 실시형태에 있어서, 케이스(100) 안에 복수 개의 전극 조립체(200)가 수납되면, 흡열 파우치(300)는 전극 조립체(200) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2 내지 도 5와 같이 전극 조립체(200)가 두 개로 구비되면, 흡열 파우치(300)는 두 개 전극 조립체(200) 사이에 삽입 배치될 수 있다. 복수 개의 전극 조립체(200)에 사이에 흡열 파우치(300)를 삽입함으로써 한정된 공간을 효율적으로 활용할 수 있으며, 또한 인접한 전극 조립체(200) 사이에서 일어나는 열 전파를 억제하는데 효과적이다.
또한, 두 개의 전극 조립체(200) 사이에 끼인 흡열 파우치(300)는 전극 조립체(200)에서 발생한 스웰링 변형력을 일부 완충하는 역할도 할 수 있다. 흡열 파우치(300)의 포장재인 파우치(310)는 유연한 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 그 안에 밀봉된 흡수재(320)는 부드러운 고분자 재질이므로, 흡열 파우치(300)는 외력에 대해 큰 저항 없이 변형될 수 있기 때문에 전극 조립체(200)가 부풀어오른 변형을 일부 흡수함으로써 스웰링 현상에 의한 케이스(100)의 변형을 지연시킬 수 있다.
도면을 기준으로, 전극 조립체(200)의 상부에는 양극과 음극의 무지부를 타발 가공한 포일 탭(210)이 돌출되어 있다. 즉, 본 발명의 각형 이차전지(10)는 한 쌍의 포일 탭(210)이 동일면에 함께 배치된 일방향 전극 조립체(200)를 탑재하고 있으며, 복수의 전극 조립체(200)에 구비된 각각의 포일 탭(210)은 캡 플레이트(120)의 전극단자(122)에 접합되어 있다.
전극 조립체(200)의 포일 탭(210)은 상대적으로 저항이 높고 전류가 집중되어 과열되기 쉬운 부분이므로, 전극 조립체(200)에서 열폭주가 발생하면 포일 탭(210) 부분에서 가연성 가스와 가열전극 등의 분출이 집중되기 쉽다.
따라서, 본 발명의 제1 실시형태에서는, 흡열 파우치(300)의 취약부(330)가 포일 탭(210)을 향하는 방향, 즉 도면상으로 캡 플레이트(120)를 향하는 상방으로 배치되어 있다. 즉, 전극 조립체(200)의 포일 탭(210)과 흡열 파우치(300)의 취약부(330)를 같은 방향으로 배치함으로써, 도 5에 도시된 것과 같이 흡열 파우치(300)의 냉각 및 소화기능이 효과적으로 발휘되도록 할 수 있다.
설계상으로 허락되는 한에서, 포일 탭(210)과 전극단자(122)의 접합부에 흡열 파우치(300)의 취약부(330)를 최대한 가깝게 위치시킴으로써 포일 탭(210) 부분에서 배출되는 고온 가스 등을 즉각적으로 냉각하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 구조를 위해, 도 3에 도시된 것과 같이, 각형 이차전지(10)가 한 쌍의 포일 탭(210)이 동일한 면에 배치된 일방향 전극 조립체(200)를 탑재한 것에 대응하여, 흡열 파우치(300)의 취약부(330)가 한 쌍으로 구비되면서 한 쌍의 포일 탭(210)에 대응하는 위치로 분리되어 이격 배치될 수 있다. 포일 탭(210)에 가장 인접하게 취약부(330)가 위치함으로써 과열 시에 즉각적으로 냉각 및 소화기능을 발휘할 수 있다.
[제2 실시형태]
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 각형 이차전지(10)를 도시한 분해 사시도이고, 도 7은 도 6의 각형 이차전지(10)에 대한 단면도이다.
본 발명의 제2 실시형태에서, 각형 이차전지(10)는 전극 조립체(200)와 흡열 파우치(300)를 밀착시키는 스웰링 테이프(500)를 더 포함하고 있다.
스웰링 테이프(500)는 서로 인접해 있는 전극 조립체(200)와 흡열 파우치(300)의 둘레를 따라 부착됨으로써 흡열 파우치(300)의 위치를 안정적으로 고정하는 역할을 한다. 또한, 스웰링 테이프(500)에 감긴 전극 조립체(200)와 흡열 파우치(300)는, 스웰링 테이프(500)의 장력에 의해 긴밀하게 접촉하게 되고, 이에 따라 흡열 파우치(300)의 흡열작용이 촉진된다.
도면에 도시된 실시형태에서 전극 조립체(200)는 복수 개, 예를 들어 두 개가 구비되고, 하나의 흡열 파우치(300)가 전극 조립체(200) 사이에 배치되어 있다. 이에 따라, 스웰링 테이프(500)는 전극 조립체(200)의 외곽 둘레를 따라 빙 둘러 부착되고, 외곽의 스웰링 테이프(500)가 가하는 장력에 의해 전극 조립체(200) 사이에 끼여있는 흡열 파우치(300)는 양편의 전극 조립체(200)에 밀착된다.
그리고, 스웰링 테이프(500)는 케이스(100) 안에 충진된 전해액(400)과 접촉하여 길이방향으로 신장되는 특성을 가질 수 있다.
스웰링 테이프(500)의 기재층은, 예를 들면, 액체와 같은 유체와 접촉하면 길이 방향으로 팽창하는 특성을 가지도록 구성될 수 있다. 기재층의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 필름 또는 시트 형상일 수 있다.
기재층의 소재는 액체 접촉에 의해 팽창하는 특성을 가진 것이라면 어떠한 소재도 사용할 수 있다. 하나의 예로서, 기재층은 고분자 필름 또는 시트이고, 제조과정에서의 연신 또는 수축 처리에 의하여 유체와 접촉하면 팽창 특성을 나타내도록 제조된 필름 또는 시트일 수 있다.
하나의 예시에서, 기재층으로는 우레탄 결합, 에스테르 결합 또는 에테르 결합을 포함하거나, 또는 셀를로오스 에스테르 화합물을 포함하는 기재층을 사용할수 있다. 이러한 기재층으로는 아크릴레이트계 기재층, 우레탄계 기재층, 에폭시계 기재층 또는 셀룰로오스계 기재층이 예시될 수 있다.
이와 같은 팽창특성을 가진 스웰링 테이프(500)가 점착층을 매개로 전극 조립체(200) 및/또는 흡열 파우치(300)의 표면에 부착된 상태에서 케이스(100)에 충진된 전해액(400)에 접촉하면, 기재층이 팽창함에 따라 발생하는 힘과 점착층의 고정력의 상호 균형에 의해 굴곡진 입체형상을 이루게 된다.
이와 같은 스웰링 테이프(500)의 입체형상에 의해 전극 조립체(200)와 케이스(100) 사이의 간극이 메워짐으로써 전극 조립체(200)의 요동이 방지되고, 전극 조립체(200)가 안정적으로 지지됨에 따라 포일 탭(210)의 단락과 같은 문제가 사라짐으로써 각형 이차전지(10)의 안정성이 향상된다. 또한, 전극 조립체(200)에 밀착된 흡열 파우치(300) 역시 안정적인 흡열이 이루어지게 되고, 내압 증가에 의해 취약부(330)가 파단되어 기체를 배출하는 경우에도 요동 없이 의도했던 방향으로 기체를 분출함으로써 더욱 효과적으로 화재를 예방할 수 있게 된다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10: 각형 이차전지
100: 케이스
110: 메인 케이스 120: 캡 플레이트
122: 전극단자 200: 전극 조립체
210: 포일 탭 300: 흡열 파우치
310: 파우치 320: 흡수재
330: 취약부 400: 전해액
500: 스웰링 테이프
110: 메인 케이스 120: 캡 플레이트
122: 전극단자 200: 전극 조립체
210: 포일 탭 300: 흡열 파우치
310: 파우치 320: 흡수재
330: 취약부 400: 전해액
500: 스웰링 테이프
Claims (13)
- 금속 재질의 케이스;
상기 케이스 내에 수용되는 적어도 하나 이상의 전극 조립체;
상기 전극 조립체에 접촉하는 적어도 하나 이상의 흡열 파우치; 및
상기 케이스 안에 충진된 전해액;
을 포함하고,
상기 흡열 파우치는,
상기 전극 조립체에서 발생하는 열을 흡수하여 기화되는 액체를 함침한 흡수재; 및
상기 액체를 함침한 흡수재를 밀봉 수용하는 파우치;
를 포함하는 각형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 전극 조립체는 복수 개로 구비되고,
상기 흡열 파우치는 전극 조립체 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 흡열 파우치는,
상기 흡수재에 함침된 액체가 기화되어 내압이 증가하면 우선적으로 파단되는 취약부가 구비되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 전극 조립체는 권취형이거나 스택형인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 흡열 파우치의 취약부는 상기 전극 조립체의 포일 탭을 향하는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제5항에 있어서,
상기 전극 조립체는 한 쌍의 포일 탭이 동일한 면에 배치된 일방향 전극 조립체이고,
상기 흡열 파우치의 취약부는 한 쌍으로 구비되어 상기 한 쌍의 포일 탭에 대응하는 위치로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 흡수재는,
고흡수성 매트릭스인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제7항에 있어서,
상기 고흡수성 매트릭스는 고흡수성 폴리머(SAP) 또는 고흡수성 섬유(SAF)를 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제8항에 있어서,
상기 액체는 물인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제8항에 있어서,
상기 액체는 첨가제가 혼합된 물이고,
상기 첨가제는 물의 표면장력을 낮추는 물질이거나, 또는 소화약제인 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제1항에 있어서,
상기 전극 조립체와 흡열 파우치를 밀착시키는 스웰링 테이프를 더 포함하는 각형 이차전지. - 제11항에 있어서,
상기 전극 조립체는 복수 개로 구비되고,
상기 흡열 파우치는 전극 조립체 사이에 배치되며,
상기 스웰링 테이프는 상기 전극 조립체의 외곽 둘레를 따라 부착되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지. - 제12항에 있어서,
상기 스웰링 테이프는,
상기 케이스 안에 충진된 전해액과 접촉하여 길이방향으로 신장되는 것을 특징으로 하는 각형 이차전지.
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-
2023
- 2023-02-23 KR KR1020230024456A patent/KR20230153919A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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