KR20240041699A - 2개 이상의 전극조립체와 이들 사이에 위치하는 팽창부재를 포함하는 이차전지, 및 이를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

2개 이상의 전극조립체와 이들 사이에 위치하는 팽창부재를 포함하는 이차전지, 및 이를 포함하는 전지모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 각각 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체,
상기 제1 전극조립체가 내장되어 있는 제1 중간 파우치,
상기 제1 중간 파우치 및 상기 제2 전극조립체 사이에 위치하는 제1 팽창부재, 및
상기 제1 중간 파우치, 상기 제2 전극조립체, 및 상기 제1 팽창부재를 내장하는 외곽 파우치를 포함하고,
상기 제1 전극조립체 및 상기 제2 전극조립체는 전기적으로 직렬 연결되어 있으며,
상기 제1 팽창 부재는 온도가 상승함에 따라 그 부피가 팽창하는 이차전지,및 이를 포함하는 전지모듈을 제공한다.

Description

2개 이상의 전극조립체와 이들 사이에 위치하는 팽창부재를 포함하는 이차전지, 및 이를 포함하는 전지모듈{SECONDARY BATTERY COMPRISING TWO OR MORE OF ELECTRODE ASSEMBLIES AND EXPANSION MEMBER POSITIONED BETWEEN THEM, AND BATTERY MODULE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 2개 이상의 전극조립체와 이들 사이에 위치하는 팽창부재를 포함하는 이차전지, 및 이를 포함하는 전지모듈에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차 전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
최근에는 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 카메라 등의 휴대용 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차 전지 중에서, 높은 충방전 특성과 수명특성을 나타내고 친환경적인 리튬 이차 전지에 대해 많은 연구가 행해져 왔고, 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
더욱이, 상기 이차전지는 최근 사용자의 요구에 의해 점점 더 고에너지 밀도, 고출력 가능한 구성으로 발전하고 있으며, 이에 따라 이차전지의 전압 사용 범위를 4.5V 이상의 수준까지 넓히고 있다.
따라서, 상기 전압 범위에서도, 다양한 온도에서 안정하게 구동할 수 있는 이차전지에 대한 요구가 높아졌다.
한편, 현재 이차전지의 안전성 향상을 위한 방법으로 전지와 전지 사이에 난연부재를 적용하고 있다. 그러나, 이러한 적용은 이차전지의 외부에서의 이루어지는 안전성 확보 방안이며, 내부 측면에서는 발화를 막기 위한 양극과 음극의 단락을 방지하는 방안, 가스 발생시 가스를 배출, 또는 포집하는 방안 등 다양한 분야로 그 연구가 이뤄지고 있다.
또한, 난연 부재를 적용하는 것만으로는 충분한 안전성을 담보할 수 없다.
특히, 아직 이차전지 내부의 화학반응 및 열에너지에 의한 발화가 이루어진 경우에 이러한 발화에 따른 전지 내부의 폭발적인 발화 거동 등을 방지하는 방법의 개발은 미미한 실정이다.
따라서, 이차전지 내부의 화학반응 및 열 에너지에 의한 발화시, 폭발적인 발화 거동 및 전압 강하 문제를 해소할 수 있는 이차전지의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전극 간의 화학반응에 의한 발화 거동 지연 및 폭발 방지가능한 안전성이 향상된 이차전지, 및 이를 포함하는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는,
각각 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체,
상기 제1 전극조립체가 내장되어 있는 제1 중간 파우치,
상기 제1 중간 파우치 및 상기 제2 전극조립체 사이에 위치하는 제1 팽창부재, 및
상기 제1 중간 파우치, 상기 제2 전극조립체, 및 상기 제1 팽창부재를 내장하는 외곽 파우치를 포함하고,
상기 제1 전극조립체 및 상기 제2 전극조립체는 전기적으로 직렬 연결되어 있으며,
상기 제1 팽창 부재는 온도가 상승함에 따라 그 부피가 팽창하는 것을 특징으로 한다.
상기 이차전지는, 상기 외곽 파우치 내부에,
각각 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 제3 전극조립체 및 제4 전극조립체,
상기 제3 전극조립체가 내장되어 있는 제2 중간 파우치,
상기 제4 전극조립체가 내장되어 있는 제3 중간 파우치를 더 포함하고,
상기 제1 전극조립체 내지 상기 제4 전극조립체는 전기적으로 직렬 연결되어 있을 수 있다.
이때, 상기 직렬 연결은, 상기 제1 전극조립체는 상기 제4 전극조립체에 직접적으로 연결되고, 상기 제2 전극조립체는 상기 제3 전극조립체에 직접적으로 연결되며, 상기 제3 전극조립체는 상기 제4 전극조립체에 직접적으로 연결되어 있을 수 있다.
이러한 연결구조가 가능하도록, 상기 제1 중간 파우치와 상기 제2 전극조립체는 적층방향을 기준으로 서로 상하부에 위치하고, 상기 제2 중간 파우치와 상기 제3 중간 파우치는 적층방향을 기준으로 서로 상하부에 위치하며,
상기 제2 전극조립체와 상기 제2 중간 파우치, 상기 제1 중간 파우치와 상기 제3 중간 파우치는 적층방향을 기준으로 서로 측부에 위치할 수 있다.
그리고, 이러한 구조에서 상기 제1 중간 파우치와 상기 제2 전극조립체 사이, 및 상기 제2 중간 파우치와 상기 제3 중간 파우치 사이에는 상기 제1 팽창부재가 수평방향으로 연장되어 위치할 수 있다.
더 나아가, 상기 제2 전극조립체와 상기 제2 중간 파우치 사이, 및 상기 제1 중간 파우치와 상기 제3 중간 파우치 사이에는 적층방향으로 연장된 제2 팽창부재가 더 포함되어 있고, 상기 제2 팽창 부재는 온도가 상승함에 따라 그 부피가 팽창하는 것일 수 있다.
이러한 상기 제1 팽창부재 및 상기 제2 팽창부재는 상기 이차전지의 온도가 섭씨 60도 이상일 때, 그 부피가 110% 이상으로 팽창할 수 있다. 더욱 구체적으로는 그 부피가 110% 내지 150%로 팽창할 수 있다.
상기 제1 팽창부재 및 상기 제2 팽창부재는 각각 팽창 흑연을 포함하는 고체상 패드(Thermal Pad)일 수 있으며, 난연성 물질을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 난연성 물질은 실리콘, 수산화알루미늄, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
한편, 상기 제1 팽창부재 및 상기 제2 팽창부재는 상기 고체상 패드의 일면 또는 양면에 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체의 전기적 연결은, 상기 제1 전극조립체는 제1 전극 탭, 및 제2 전극 탭을 포함하고, 상기 제1 전극 탭은 상기 제1 중간 파우치 및 상기 외곽 파우치의 외부로 연장되어 있는 제1 전극 리드에 전기적으로 연결되어 있으며,
상기 제2 전극조립체는 제3 전극 탭, 및 제4 전극 탭을 포함하고, 상기 제4 전극 탭은 상기 외곽 파우치의 외부로 연장되어 있는 제2 전극 리드에 전기적으로 연결되어 있고,
상기 제2 전극 탭과 상기 제3 전극 탭은 상기 외곽 파우치 내부에서 직렬 연결에 이용되는 것일 수 있다.
상기 직렬 연결은, 전극조립체의 개수에 따라, 각각 직접, 또는 간접적으로 이루어질 수 있고, 상기 직접 직렬 연결은 금속으로 이루어지는 중간 탭에 의해 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 이차전지를 포함하는 전지모듈이 제공된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전극조립체를 둘 이상으로 구성하고, 이들 전극조립체들 사이에 팽창부재를 위치시킴으로써, 전극 간 화학반응 및 열 에너지에 의해 전지 내부 온도가 상승하는 경우, 상기 팽창부재가 팽창하게 함으로써 전극조립체간 전기적 연결을 끊어, 발화거동을 지연시키고, 발화 및 전압 강하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 상승시 이차전지의 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지의 단면 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 온도 상승시 이차전지의 단면 모식도이다.
도 5는 팽창부재의 단면도이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
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.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는,
각각 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체,
상기 제1 전극조립체가 내장되어 있는 제1 중간 파우치,
상기 제1 중간 파우치 및 상기 제2 전극조립체 사이에 위치하는 제1 팽창부재, 및
상기 제1 중간 파우치, 상기 제2 전극조립체, 및 상기 제1 팽창부재를 내장하는 외곽 파우치를 포함하고,
상기 제1 전극조립체 및 상기 제2 전극조립체는 전기적으로 직렬 연결되어 있으며,
상기 제1 팽창 부재는 온도가 상승함에 따라 그 부피가 팽창하는 것일 수 있다.
기존에는 난연부재를 이차전지의 외부에 형성함으로써, 난연 효과를 의도하였으나, 이러한 경우, 이차전지 내에서 단락 등에 의해 발화되는 문제가 발생하였을 때, 발화를 지연시킬 수 없고 이에 따라 폭발적인 발화가 발생하고, 전압이 강하되는 문제가 있었다.
이에, 본 출원의 발명자들은 심도있는 연구를 거듭한 끝에, 이차전지 셀 내부에서 발화가 일어났을 때도 작용함으로써, 전지 내부의 발화 거동을 지연시킬 수 있는 방법에 대해 검토하였으며, 이에, 하나의 전극조립체로 형성되고, 이를 이차전지 케이스의 내부에 내장하는 형태의 종래 이차전지 구조에서, 상기 전극조립체를 하나로 형성하는 것이 아니라, 둘 이상으로 형성하고, 이들 사이에 온도 상승에 의해 그 부피가 팽창하는 팽창부재를 포함하게 함으로써, 전지 내부에서 온도가 비정상적으로 상승하는 경우, 상기 팽창부재가 팽창에 의해 전극 간 단락을 유도하고, 이에 따라 발화를 지연시켜 폭발적인 발화 거동을 방지하며 전압 강하 문제도 해소할 수 있음을 확인하고, 본 발명의 완성하기에 이르렀다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이차전지를 더욱 상세하게 설명한다.
다만, 하기 도면에 대한 설명은 일 실시예에 따른 것이며, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(1000)의 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 이차전지(1000)의 온도가 상승했을 때, 제1 팽창부재(400)가 팽창된 형태가 모식적으로 도시되어 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(1000)를 도 1 및 도 2를함께 참조하여 설명한다.
먼저, 도 1를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(1000)은 양극(110), 음극(120), 및 양극(110)과 음극(120) 사이에 개재되는 분리막(130)을 포함하는 제1 전극조립체(100)과, 양극(210), 음극(220), 및 양극(210)과 음극(220) 사이에 개재되는 분리막(230)을 포함하는 제2 전극조립체(200)를 포함하고, 제1 전극조립체(100)은 제1 중간 파우치(310)에 내장되어 있으며, 제1 중간 파우치(310)의 외면에서 제1 중간 파우치(310)와 제2 전극조립체(200) 사이에는 제1 팽창부재(400)가 위치하고 있는 구조로 이루어져 있으며, 이들은 모두 하나의 이차전지를 이룰 수 있도록 외곽 파우치(500)에 내장되어 있다.
이때, 제1 전극조립체(100)와 제2 전극조립체(200)는 전기적으로 직렬 연결된다. 여기서, 제1 전극조립체(100)이 제1 중간 파우치(310)에 내장되는 이유는 직렬 연결되는 제2 전극조립체(200)와의 절연성을 확실히 확보하기 위함이며, 구체적으로, 제1 중간 파우치(310)의 적용으로 외곽 파우치(500)의 내부에서 충격에 의해 제1 전극조립체(100)와 제2 전극조립체(200)가 부딪히며 단락을 일으키는 문제를 방지할 수 있다. 도면에 도시하지는 않았으나, 제2 전극조립체 역시 중간 파우치에 내장되어 있는 구조로 적용될 수도 있다.
구체적으로, 제1 전극조립체(100)는 제1 전극 탭(111) 및 제2 전극 탭(121)을 포함한다.
여기서, 제1 전극 탭(111)은 이후, 다른 이차전지와의 전기적 연결, 또는 외부 디바이스의 전력으로 사용되기 위해 제1 중간 파우치(310) 및 외곽 파우치(500)의 외부로 연장되어 있는 제1 전극 리드(112)에 전기적으로 연결되어 있고, 제2 전극 탭(121)은 외곽 파우치(500)의 내부에서 이하 제2 전극조립체(200)의 제3 전극 탭(211)에 금속으로 이루어진 중간 탭(311)에 의해 직접적으로 직렬 연결된다.
이와 유사하게, 제2 전극조립체(200) 역시 제3 전극 탭(211) 및 제4 전극 탭(221)을 포함하고, 제4 전극 탭(221)은 외곽 파우치(500)의 외부로 연장되어 있는 제2 전극 리드(222)에 전기적으로 연결되어 있고, 제3 전극 탭(211)은 제1 전극조립체(100)의 제2 전극 탭(121)에 금속으로 이루어진 중간 탭(311)에 의해 직접적으로 직렬 연결된다.
여기서, 중간 탭(311)의 금속은 전극 탭들(111, 121, 211,221)을 이루는 금속과 동일 또는 상이할 수 있고, 예를 들어, 니켈, 구리, 알루미늄, 또는 상기 금속의 표면에 탄소 또는 이종 금속이 코팅된 것일 수 있다.
따라서, 제2 전극 탭(121)과 제3 전극 탭(211)은 서로 극성이 상이한 것이며, 외부로 연장되는 제1 전극 탭(111)과 제4 전극 탭(221) 역시 서로 극성이 상이하다.
더 나아가, 도 1에서 제1 전극조립체(100)와 제2 전극조립체(200)는, 기존의 하나의 전극조립체로 구성되던 것을 적층방향으로 나눠 구분되어 있다. 이에 따라 제1 팽창부재(400)은 제1 전극조립체(100)와 제2 전극조립체(200)의 사이에 개재되어 있고, 제1 전극조립체(100)와 제2 전극조립체(200)의 평면상 면적과 유사한 평면상 평편형의 직사각형으로 개재될 수 있다.
도면에서 도시하지는 않았으나, 제1 전극조립체(100)와 제2 전극조립체(200)의 위치관계는 한정되지 아니하고, 적층방향을 기준으로 측면에 위치할 수도 있음은 물론이며, 이 경우, 이들 사이에서 전극조립체의 탭 돌출 방향과 수직한 면의 면적과 유사한 평편형의 직사각형으로 개재될 수 있다.
이에 따라, 도 2에서와 같이, 이차전지(1000) 내부에서 전극 간 화학반응 및 열 에너지에 의해 전지 내부 온도가 상승하는 경우, 제1 팽창부재(400)가 팽창되고, 이에 따라 전극조립체들(100, 200)간 전기적 연결을 끊어, 발화거동을 지연시키고, 발화 및 전압 강하를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지(2000)에 대해 설명한다.
도 1에서 도시한 바와 달리, 도 3은 4개의 전극조립체를 포함하는 이차전지(2000)의 형태를 보여주기 위해 이차전지(2000)의 단면도를 모식적으로 도시하였고, 도 4에는 이차전지(2000)의 온도가 상승했을 때, 제1 팽창부재(2510) 및 제2 팽창부재(2520)가 팽창된 형태가 모식적으로 도시되어 있다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이차전지(2000)은 상기 도 1에서 설명한 바와 유사하게 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 구조의 단위 전극조립체들을 4개 포함하는 구조이다.
구체적으로, 이차전지(2000)은 제1 전극조립체(2100), 제2 전극조립체(2200), 제3 전극조립체(2300), 및 제4 전극조립체(2400)을 포함하고, 제1 전극조립체(2100)은 제1 중간 파우치(2310)에 내장되어 있고, 제3 전극조립체(2300)은 제2 중간 파우치(2320)에 내장되어 있으며, 제4 전극조립체(2400)은 제3 중간 파우치(2330)에 내장되어 있다.
이러한, 중간 파우치들(2310, 2320, 2330)의 적용은 상기에서 설명한 바와 같이, 전극조립체들(2100, 2200, 2300, 2400)의 전기적 단락을 방지하기 위함이며, 도면에 도시하지 않았으나 제2 전극조립체(2200) 역시 중간 파우치에 내장되어 있는 구조일 수도 있다.
한편, 이들 모두는 하나의 이차전지(2000)를 이루기 위해 외곽 파우치(2600)에 내장되어 있다.
한편, 전극조립체들(2100, 2200, 2300, 2400)은 서로 전기적으로 직렬 연결되어 있다.
이때, 상기 전기적 연결은 직접, 또는 간접적으로 이루어지는 것을 모두 포함하며, 이들이 서로 직렬로 연결된 구조라면, 그 구조에 한정되지 아니한다.
다만, 설명의 편의를 위해 도 3에 하나의 연결 예를 도시하며, 이를 기준으로 설명한다.
구체적으로, 제1 전극조립체(2100)는 제4 전극조립체(2400)에 직접적으로 연결되고, 제2 전극조립체(2200)는 제3 전극조립체(2300)에 직접적으로 연결되며, 제3 전극조립체(2300)는 제4 전극조립체(2400)에 직접적으로 연결되어 있다. 이 경우, 제2 전극조립체(2200)는 제4 전극조립체(2400)와 간접적으로 직렬 연결되고, 제1 전극조립체(2100)는 제3 전극조립체(2300)와 간접적으로 직렬 연결될 수 있는 바, 이들 4개의 전극조립체들(2100, 2200, 2300, 2400)은 모두 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
이때, 상기 직접적인 직렬 연결은 금속으로 이루어진 중간 탭들에 의해 이루어질 수 있다.
상기 중간 탭들에 대한 설명은 도 1에서 설명한 바와 같다.
이들 연결에 대해 더욱 구체적으로 설명하면, 제1 전극조립체(2100)는 제1 전극 탭(2111), 제2 전극 탭(2121)을 포함하고, 제1 전극 탭(2111)은 제1 중간 파우치(2310) 및 하나의 이차전지를 이루게 하는 외곽 파우치(2600)의 외부로 연장되어 있는 제1 전극 리드(2110)에 전기적으로 연결되어 있고, 제2 전극 탭(2121)은 외곽 파우치(2600) 내부에서 제4 전극조립체(2400)에 전기적으로 직렬 연결되기 위해 이용된다.
제2 전극조립체(2200)는 제3 전극 탭(2221) 및 제4 전극 탭(2211)를 포함하고, 제4 전극 탭(2211)은 외곽 파우치(2600)의 외부로 연장되어 있는 제2 전극 리드(2220)에 전기적으로 연결되어 있고, 제3 전극 탭(2221)은 외곽 파우치(2600) 내부에서 제3 전극조립체(2300)와 전기적으로 직렬 연결되기 위해 이용된다.
제3 전극조립체(2300)는 제5 전극 탭(2311) 및 제6 전극 탭(2321)을 포함하고, 이들 제5 전극 탭(2311) 및 제6 전극 탭(2321)은 모두 외곽 파우치(2600) 내부에서 각각 제4 전극조립체(2400) 및 제2 전극조립체(2200)와 전기적으로 직렬 연결되기 위해 이용된다.
제4 전극조립체(2400)는 제7 전극 탭(2411) 및 제8 전극 탭(2421)을 포함하고, 이들 제7 전극 탭(2411) 및 제8 전극 탭(2421)은 모두 외곽 파우치(2600) 내부에서 각각 제1 전극조립체(2100) 및 제3 전극조립체(2300)와 전기적으로 직렬 연결되기 위해 이용된다.
전극조립체들((2100, 2200, 2300, 2400)끼리 내부의 전기적 직렬 연결은 금속으로 이루어진 중간 탭들(2331, 2332, 2431)에 의해 이루어진다.
구체적으로, 제2 전극조립체(2200)의 제3 전극 탭(2221)은 제3 전극조립체(2300)의 제6 전극 탭(2321)에 중간 탭(2331)에 의해 직접적으로 전기적으로 직렬 연결되며, 제3 전극조립체(2300)의 제5 전극 탭(2311)은 제4 전극조립체(2400)의 제8 전극 탭(2421)와 중간 탭(2332)에 의해 직접적으로 전기적으로 직렬 연결되고, 제4 전극조립체(2400)의 제7전극 탭(2411)은 제1 전극조립체(2100)의 제2 전극 탭(2121)과 중간 탭(2431)에 의해 직접적으로 전기적으로 직렬 연결된다.
따라서, 서로 직접적으로 직렬 연결되는 전극 탭들은 서로 극성이 상이한 것이며, 외부로 연장되는 제1 전극 탭(2111)과 제4 전극 탭(2211) 역시 서로 극성이 상이하다.
더 나아가, 이러한 전기적 연결을 위해, 제1 중간 파우치(2310)와 제2 전극조립체(2200)는 적층방향을 기준으로 서로 상하부에 위치하고, 제2 중간 파우치(2320)와 제3 중간 파우치(2330)는 적층방향을 기준으로 서로 상하부에 위치하며, 제2 전극조립체(2200)와 제2 중간 파우치(2320), 제1 중간 파우치(2310)와 제3 중간 파우치(2330)는 적층방향을 기준으로 서로 측부에 위치한다.
물론, 도면에 도시하지 않았으나, 전극조립체들(2100, 2200, 2300, 2400)이 서로 직렬 연결되는 형태라면 그 연결 형태와 이들의 배열 형태는 한정되지 아니하고, 모두 적층방향으로, 또는 모두 측부 방향으로, 또는 이들의 혼합으로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에서 기존의 하나의 전극조립체를 이와 같이 나누어 형성하는 이유로서, 이들 전극조립체들(2100, 2200, 2300, 2400) 사이에는 제1 팽창부재(2510) 및 제2 팽창부재(2520)이 위치한다.
구체적으로, 적층방향으로 위치하는 제1 중간 파우치(2310)와 제2 전극조립체(2200) 사이, 제2 중간 파우치(2320)와 제3 중간 파우치(2330) 사이에는 제1 팽창부재(2510)가 수평방향으로 연장되는 상태로 위치한다.
즉, 제1 팽창부재(2510)는 제1 전극조립체(2100)와 제4 전극조립체(2400)의 평면상 면적의 합과 유사한 면적으로 평면상 평편형의 직사각형으로 개재될 수 있다.
또한, 서로 측부에 위치하는 제2 전극조립체(2200)와 제2 중간 파우치(2320) 사이, 및 제1 중간 파우치(2310)와 제3 중간 파우치(2330) 사이에는 적층방향으로 연장된 제2 팽창부재(2520)가 더 포함된다.
즉, 제2 팽창부재(2520)은 전극조립체의 탭들의 돌출 방향과 수직한 면의 제1 전극조립체(2100)와 제2 전극조립체(2200)의 면적의 합과 유사한 면적으로 평편형의 직사각형으로 개재될 수 있다.
이에 따라, 도 4에서와 같이, 이차전지(2000) 내부에서 전극 간 화학반응 및 열 에너지에 의해 전지 내부 온도가 상승하는 경우, 제1 팽창부재(2510) 및 제2 팽창부재(2520)이 팽창되고, 이에 따라 전극조립체들(2100, 2200, 2300, 2400)간 전기적 연결을 끊어, 발화거동을 지연시키고, 발화 및 전압 강하를 방지할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 특징부인 팽창부재에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 5에는 하나의 예의 팽창부재(3000)의 단면도를 모식적으로 도시하였다.
도 5를 참조하면, 도 1의 제1 팽창부재(400), 도 3의 제1 팽창부재(2510) 및 제2 팽창부재(2520)와 같은 본 발명에서 전극조립체들 사이에 개재되는 팽창부재(3000)는 이차전지의 온도가 섭씨 60도 이상일 때, 그 부피가 110% 이상으로 팽창하는 것일 수 있다.
더욱 상세하게는 이차전지의 온도가 섭씨 70도 이상, 더욱 상세하게는 섭씨 80도 이상일 때, 그 부피가 110% 내지 200%, 110% 내지 150%, 115% 내지 130%로 팽창하는 것일 수 있다.
이러한 부피 팽창 정도는 팽창 부재에 포함되는 팽창 물질의 함량으로 적절히 조절할 수 있으며, 팽창 정도를 설정하는 데에는 이차전지의 성능 및 수명 특성을 고려함이 바람직하며, 이는 이차전지에 포함되는 물질의 성분 및 조성비에 따라 달라지므로, 이를 바탕으로 설정될 수 있다.
이러한 팽창부재(3000)는 온도 상승에 따라 부피가 팽창하고, 이차전지 내에서 부반응을 일으키지 않는 소재로 이루어진 것이라면 한정되지 아니하나, 예를 들어, 각각 팽창 흑연을 포함하는 고체상 패드(Thermal Pad, 3100)일 수 있다.
여기서 팽창 흑연은, 인상흑연은 원료로 팽창할 수 있도록 가공한 것으로서, 천연 인상흑연에 기타 화학물질로서, 산과 산화제 등을 넣어 탄소 구조체 사이의 상호 작용력을 약화시켜 층간 화합물을 형성하고, 세척, 열처리하여 얻어진 것일 수 있다.
더욱 구체적으로는, 상기 팽창에 따른 전기적인 연결을 끊어내는 것과 동시에 연소의 지연을 위해 난연성 물질을 더 포함하는 것일 수 있다.
이때, 난연성 물질은 한정되지 아니하나, 예를 들어, 할로겐계 난연제, 인계 난연제, 무기 화합물, 실리콘 등의 물질이 사용될 수 있다.
할로겐계 난연제는 일반적으로 기체상에서 발생하는 라디칼을 실질적으로 안정화시킴으로써 난연 효과를 발휘한다. 할로겐계 난연제의 예로는, 트리브로모 페녹시에탄, 테트라 브로모 비스페놀-A (TBBA), 옥타브로모 디페닐에테르 (OBDPE), 브롬화 에폭시, 브롬화 폴리 카보네이트 올리고모, 염소화 파라핀, 염소화 폴리에틸렌, 지환족 염소계 난연제 등을 들 수 있다.
인계 난연제는 일반적으로 열분해에 의해 폴리메타인산을 생성하고 이것이 보호층을 형성하거나 폴리메타인산이 생성될 때의 탈수작용에 의해서 생성되는 탄소 피막이 산소를 차단함으로써 난연 효과를 발휘한다. 인계 난연제의 예로는, 적인, 인산 암모늄 등의 포스페이트, 포스핀 옥사이드, 포스핀 옥사이드디올, 포스파이트, 포스포네이트, 트리아릴 포스페이트, 알킬디아릴 포스페이트, 트리알킬 포스페이트, resorcinaol bisdiphenyl phosphate (RDP) 등을 들 수 있다.
무기화합물 난연제는 일반적으로 열에 의해 분해되어, 물, 이산화탄소, 이산화황, 염화수소 등의 불연성 가스를 방출하고 흡열반응을 유발함으로써, 가연성 가스를 희석시켜 산소의 접근을 방지하고, 흡열반응에 의해 냉각 및 열분해 생성물의 생성을 감소시켜 난연 효과를 발휘한다. 그러한 무기 화합물 난연제의 예로는, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화안티몬, 수산화주석, 산화주석, 산화몰리브덴, 지르코늄화합물, 붕산염, 칼슘염 등을 들 수 있다.
상세하게는, 상기 난연성 물질은 무기 화합물 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택되는 1종일 수 있고, 더욱 상세하게는 실리콘, 수산화 알루미늄, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 난연성 물질이 포함되는 경우, 팽창부재(3000) 전체 중량을 기준으로 난연성 물질은 5중량% 내지 70중량%, 상세하게는 10중량% 내지 50중량%, 더욱 상세하게는 20 중량% 내지 40중량%로 포함될 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 너무 적게 포함되는 경우에는 난연의 효과가 미미하고,너무 많게 포함되는 경우에는 팽창부재를 이루는 팽창 소재의 함량이 줄어, 충분한 부피 팽창 효과를 발휘할 수 없어 바람직하지 않다.
또한, 팽창부재(3000)은 고체상 패드(3100)의 일면 또는 양면에 절연층(3200)을 더 포함할 수 있다.
이러한 절연층(3200)은 전극조립체들의 절연성 추가 확보가 가능하며, 절연물질이라면 한정되지 아니하고, 예를 들어, 고분자 물질로서, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)과 같은 폴리올레핀, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 상세하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트일 수 있다.
또는 유무기 혼합층으로서, 무기 화합물에 바인더 성분의 고분자 물질이 혼합된 층일 수 있다.
절연층(3200)을 포함하는 경우, 절연층(3200) 각각의 두께는 팽창부재의 전체 두께의 5% 내지 20%일 수 있다.
상기 팽창부재의 두께는 이차전지의 전체 부피를 너무 많이 증가하지 않으면서 상기 효과를 발휘할 수 있는 정도에서 적절히 선택될 수 있고, 예를 들어, 0.1mm 내지 5mm일 수 있고, 상세하게는 0.5mm 내지 2mm일 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 팽창부재를 이차전지 내에 형성하는 경우, 전지 외부 뿐 아니라, 내부에서 발생하는 단락에 의한 온도 상승을 방지하고, 이에 따라, 발화 거동 지연, 전압 강하 등의 문제를 해소할 수 있다.
기타 이차전지를 구성하는 양극, 음극, 분리막 등에 따른 자세한 설명은 당업계에 알려져 있는 바, 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략한다.
또한, 상기 이차전지의 중간 파우치들 및 외곽 파우치 내부에는 전해질이 함께 내장됨은 물론이다.
한편, 본 발명은 또한, 상기 이차전지를 포함하는 전지모듈을 제공하며, 전지모듈에 대한 자세한 내용은 당업계에 알려져 있는 바, 본 명세서에서는 이에 대한 자세한 설명을 생략한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 각각 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 제1 전극조립체 및 제2 전극조립체,
    상기 제1 전극조립체가 내장되어 있는 제1 중간 파우치,
    상기 제1 중간 파우치 및 상기 제2 전극조립체 사이에 위치하는 제1 팽창부재, 및
    상기 제1 중간 파우치, 상기 제2 전극조립체, 및 상기 제1 팽창부재를 내장하는 외곽 파우치를 포함하고,
    상기 제1 전극조립체 및 상기 제2 전극조립체는 전기적으로 직렬 연결되어 있으며,
    상기 제1 팽창 부재는 온도가 상승함에 따라 그 부피가 팽창하는 이차전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지는, 상기 외곽 파우치 내부에,
    각각 양극, 음극, 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 제3 전극조립체 및 제4 전극조립체,
    상기 제3 전극조립체가 내장되어 있는 제2 중간 파우치,
    상기 제4 전극조립체가 내장되어 있는 제3 중간 파우치를 더 포함하고,
    상기 제1 전극조립체 내지 상기 제4 전극조립체는 전기적으로 직렬 연결되어 있는 이차전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 직렬 연결은, 상기 제1 전극조립체는 상기 제4 전극조립체에 직접적으로 연결되고, 상기 제2 전극조립체는 상기 제3 전극조립체에 직접적으로 연결되며, 상기 제3 전극조립체는 상기 제4 전극조립체에 직접적으로 연결되어 있는 이차전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 중간 파우치와 상기 제2 전극조립체는 적층방향을 기준으로 서로 상하부에 위치하고, 상기 제2 중간 파우치와 상기 제3 중간 파우치는 적층방향을 기준으로 서로 상하부에 위치하며,
    상기 제2 전극조립체와 상기 제2 중간 파우치, 상기 제1 중간 파우치와 상기 제3 중간 파우치는 적층방향을 기준으로 서로 측부에 위치하는 이차전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 중간 파우치와 상기 제2 전극조립체 사이, 및 상기 제2 중간 파우치와 상기 제3 중간 파우치 사이에는 상기 제1 팽창부재가 수평방향으로 연장되어 위치하는 이차전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 전극조립체와 상기 제2 중간 파우치 사이, 및 상기 제1 중간 파우치와 상기 제3 중간 파우치 사이에는 적층방향으로 연장된 제2 팽창부재가 더 포함되어 있고,
    상기 제2 팽창 부재는 온도가 상승함에 따라 그 부피가 팽창하는 이차전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 팽창부재 및 상기 제2 팽창부재는 상기 이차전지의 온도가 섭씨 60도 이상일 때, 그 부피가 110% 이상으로 팽창하는 이차전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 팽창부재 및 상기 제2 팽창부재는 그 부피가 110% 내지 150%로 팽창하는 이차전지.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 팽창부재 및 상기 제2 팽창부재는 각각 팽창 흑연을 포함하는 고체상 패드(Thermal Pad)인 이차전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고체상 패드는 난연성 물질을 더 포함하는 이차전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 난연성 물질은 실리콘, 수산화알루미늄, 또는 이들의 혼합물인 이차전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 팽창부재 및 상기 제2 팽창부재는 상기 고체상 패드의 일면 또는 양면에 절연층을 더 포함하는 이차전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극조립체는 제1 전극 탭, 및 제2 전극 탭을 포함하고, 상기 제1 전극 탭은 상기 제1 중간 파우치 및 상기 외곽 파우치의 외부로 연장되어 있는 제1 전극 리드에 전기적으로 연결되어 있으며,
    상기 제2 전극조립체는 제3 전극 탭, 및 제4 전극 탭을 포함하고, 상기 제4 전극 탭은 상기 외곽 파우치의 외부로 연장되어 있는 제2 전극 리드에 전기적으로 연결되어 있고,
    상기 제2 전극 탭과 상기 제3 전극 탭은 상기 외곽 파우치 내부에서 직렬 연결에 이용되는 것인 이차전지.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 직렬 연결은 직접, 또는 간접적으로 이루어지며,
    상기 직접 직렬 연결은 금속으로 이루어진 중간 탭에 의해 이루어지는 이차전지.
  15. 제1항에 따른 이차전지를 포함하는 전지모듈.
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