WO2013039298A1 - 이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 조립 이차전지 장치 - Google Patents

이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 조립 이차전지 장치 Download PDF

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soldering
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양정훈
최승돈
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Definitions

  • the present invention relates to secondary battery technology, and relates to a secondary battery component and a method of manufacturing the same, a secondary battery manufactured using the component, and the like, which can improve safety of a secondary battery.
  • rechargeable batteries can be recharged by active development of high-tech fields such as digital cameras, cellular phones, laptop computers, power tools, electric bicycles, electric vehicles, hybrid vehicles, and large-capacity power storage devices. Research is ongoing.
  • lithium secondary batteries have a higher energy density per unit weight and can be rapidly charged compared to other secondary batteries such as lead-acid batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, and nickel-zinc batteries, thereby increasing their use actively. It's going on.
  • Lithium secondary battery is used as a power source for portable electronic devices with an operating voltage of 3.6V or more, or by connecting a plurality of batteries in series or in parallel to high power electric vehicles, hybrid vehicles, power tools, electric bicycles, power storage devices, UPS, etc. Used.
  • Lithium secondary batteries have a trend of being 3 times higher than nickel-cadmium batteries or nickel-metal hydride batteries, and having excellent energy density per unit weight.
  • the lithium secondary battery may be classified into a lithium ion battery using a liquid electrolyte and a lithium ion polymer battery using a polymer solid electrolyte according to the type of electrolyte.
  • Lithium ion polymer batteries can be classified into fully solid lithium ion polymer batteries containing no electrolyte solution and lithium ion polymer batteries using gel polymer electrolyte containing electrolyte solution, depending on the type of polymer solid electrolyte.
  • a cylindrical or rectangular metal can is used as a container by welding sealing. Since the can-type secondary battery using such a metal can as a container has a fixed shape, there is a disadvantage in restricting the design of an electric product using the same as a power source, and it is difficult to reduce the volume. Therefore, a pouch type secondary battery using an electrode assembly and an electrolyte in a pouch packaging material made of a film and sealing it has been developed and used.
  • the lithium secondary battery is one of the important problems to ensure safety because there is a risk of explosion when overheating.
  • Overheating of the lithium secondary battery is caused by a variety of causes, one of which is the case in which overcurrent flows beyond the limit through the lithium secondary battery.
  • the lithium secondary battery When the overcurrent flows, the lithium secondary battery generates heat by Joule heat, so the internal temperature of the battery increases rapidly. The rapid rise in temperature also causes decomposition reactions of the electrolyte, causing thermal runaway, which eventually leads to battery explosion.
  • the overcurrent is a rush current due to the breakdown of the insulation between the positive electrode and the negative electrode due to a sharp metal object penetrating the lithium secondary battery, the contraction of the separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, or the abnormality of the charging circuit or load connected to the outside. ) Is applied to the battery.
  • a lithium secondary battery is used in combination with a protection circuit to protect the battery from an abnormal situation such as the occurrence of an overcurrent.
  • the protection circuit includes a fuse device irreversibly disconnecting a line through which charge or discharge current flows when an overcurrent occurs. It is common to include.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an arrangement structure and an operating mechanism of a fuse device among components of a protection circuit coupled to a lithium secondary battery.
  • the protection circuit operates the fuse device 10 when the overcurrent occurs by monitoring the fuse device 10, the sense resistor 20 for overcurrent sensing, and the overcurrent generation to protect the secondary battery when the overcurrent occurs.
  • the microcontroller 30 and the switch 40 for switching the flow of the operating current to the fuse element 10.
  • the fuse element 10 is installed on a main line connected to the outermost terminal of the cell assembly 20.
  • the main line is the wiring through which the charging or discharging current flows.
  • the fuse element 10 is shown installed in a high potential line Pack +.
  • the fuse element 10 is a three-terminal element component, and two terminals are connected to a main line through which charging or discharging current flows, and one terminal is connected to the switch 40.
  • the inside includes a fuse 11 connected in series with a main line and having a fusion at a specific temperature, and a resistor 12 for applying heat to the fuse 11.
  • the microcontroller 30 periodically detects the voltage across the sense resistor 20 to monitor whether overcurrent occurs, and turns on the switch 40 when it is determined that overcurrent has occurred. Then, the current flowing in the main line is bypassed to the fuse element 10 and applied to the resistor 12. Accordingly, the joule heat generated by the resistor 12 is conducted to the fuse 11 to raise the temperature of the fuse 11, and when the temperature of the fuse 11 rises to the melting temperature, the fuse 11 is melted, thereby causing the main heat. The track is irreversibly disconnected. If the main line is disconnected, the overcurrent no longer flows, thus eliminating the problem caused by the overcurrent.
  • the above-described prior art has various problems. That is, if a failure occurs in the microcontroller 30, the switch 40 is not turned on even in a situation in which an overcurrent occurs. In this case, since the current does not flow into the resistor 12 of the fuse element 10, there is a problem that the fuse element 10 does not operate. In addition, a space for arranging the fuse element 10 in the protection circuit is separately required, and a program algorithm for controlling the operation of the fuse element 10 must be loaded in the microcontroller 30. Therefore, there is a disadvantage in that the space efficiency of the protection circuit is lowered and the load of the microcontroller 30 is increased.
  • the present invention was conceived by recognizing the problems of the prior art as described above, and a new type of secondary battery component necessary for implementing a manual overcurrent blocking function in the secondary battery itself, apart from the active overcurrent blocking function of the protection circuit. It is an object to provide a manufacturing method.
  • Another object of the present invention is to provide a secondary battery component and a method of manufacturing the same, which can implement an overcurrent blocking function by a manual method with minimal structural changes while maintaining the overall shape of an existing component substantially the same.
  • Still another object of the present invention is to provide a secondary battery and an assembled secondary battery device manufactured using the secondary battery component.
  • the inventors of the present invention while studying a method for improving the safety of the lithium secondary battery over-current when forming a recess line in the electrode lead of the metal plate shape having a melting point of 100 ⁇ 250 in the recess line
  • the safety problem caused by the present invention can be improved, and the electrode lead having the above structure can be applied to all kinds of secondary batteries as well as to replace various components of the secondary batteries located in the current flow path. It has been confirmed that the present invention can also be used as a general-purpose component to complete the invention.
  • a secondary battery component comprising: a metal plate having at least one recess line formed therein; And a soldering pattern bonded in the recess line.
  • the width of the bottom portion positioned inside the recess line may be smaller than the width of the metal plate.
  • the bottom portion may be discontinuously formed along the direction of the width of the metal plate.
  • the recess line may be straight, zigzag, serrated or wavy. Either or a combination of these patterns.
  • the recess line is formed of a continuous or discontinuous line pattern. Further, the recess line is formed on the upper surface, the lower surface or both of the metal plate.
  • the soldering pattern is a lead-free soldering material having a melting point of 100 to 250 degrees and includes tin (Sn) and copper (Cu) as main components and does not include lead (Pb).
  • the tin content is 65 to 99.9% by weight, and the copper content is 0.01 to 35% by weight.
  • the soldering pattern is made of a soldering material further comprising at least one additional metal selected from nickel, zinc, and silver.
  • the content of the additional metal is 0.01 to 20% by weight.
  • the cross-section of the soldering pattern has a shape of any one or a combination of quadrangle, triangle, trapezoid, semi-ellipse and semi-circle.
  • the secondary battery component according to the present invention may further include an insulating tape covering the soldering pattern.
  • the technical problem of the present invention can also be achieved by the secondary battery and the assembled secondary battery device manufactured using the secondary battery component according to the present invention.
  • a secondary battery includes: an electrode assembly in which a positive electrode lead and a negative electrode lead are electrically coupled; And a packing material for sealing the electrode assembly such that a portion of the positive electrode lead and the negative electrode lead are exposed to the outside, wherein the secondary battery component is applied to the positive electrode lead, the negative electrode lead, or both.
  • An assembled secondary battery device is an assembled secondary battery device in which a plurality of secondary batteries are electrically connected to each other, including a connector for electrically connecting adjacent secondary batteries, wherein the secondary battery component is applied to the connector. It is characterized by.
  • the assembled secondary battery device is an assembled secondary battery device configured by connecting external terminals included in two or more secondary battery modules composed of a plurality of secondary batteries with connectors.
  • the secondary battery component is applied to at least one of the terminals.
  • An assembled secondary battery device is an assembled secondary battery device configured by connecting external terminals included in two or more secondary battery packs composed of a plurality of secondary battery modules with connectors, wherein the connectors or the The secondary battery component is applied to at least one of the external terminals.
  • a method of manufacturing a secondary battery component including: a first step of forming at least one recess line on a surface of an inner plate; And a second step of forming a soldering pattern in the recess line.
  • the recess line is formed using any one of an etching technique, a cutting technique, a scratching technique, an etching technique using an electromagnetic beam, and a skiving technique.
  • the recess line is formed on an upper surface, a lower surface, or both of the metal plate.
  • the method according to the present invention may further include coating an insulating tape on the soldering pattern.
  • the second step comprises: placing a soldering material in a region formed in the recess line; And applying pressure while applying thermal energy to the soldering material.
  • the soldering material is a soldering paste in which soldering wire or soldering powder having a cross-sectional structure corresponding to the shape of the recess line is dispersed.
  • the thermal energy is applied by any one or a combination of thermal conduction, ultrasonic vibration, electromagnetic beam irradiation, and electromagnetic induction.
  • the recess line portion to which the soldering pattern is bonded is broken, thereby irreversibly blocking the flow of the overcurrent.
  • the increase in resistance due to the presence of the soldering pattern is limited to a negligible level and does not involve substantial changes in the overall size and shape of the part.
  • the secondary battery component when used as an electrode lead of the secondary battery, it is possible to independently block overcurrent in the secondary battery itself independently of the protection circuit, thereby improving safety of the secondary battery.
  • the secondary battery component when used as an electrode lead, since there is no substantial change in the size or shape of the electrode lead, it is possible to apply an overcurrent blocking function to the secondary battery without changing the design of the secondary battery structure.
  • the secondary battery component has an advantage that it can be applied as long as it is a secondary battery employing an electrode lead having a plate shape.
  • the external terminal or connector parts used to configure the assembled secondary battery device including a plurality of secondary batteries with the secondary battery parts may implement an overcurrent blocking function. Can be.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an arrangement structure and an operating mechanism of a fuse device among components of a protection circuit coupled to a lithium secondary battery.
  • FIG. 2 is a view showing a plan view and a partial cross-sectional view of a secondary battery component according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a modified shape of a bottom portion of a recess line in the secondary battery component illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a bottom view of the secondary battery component shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a bottom view illustrating a form in which a bottom portion is deformed in the secondary battery component illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a view showing a plan view and a partial cross-sectional view of a secondary battery component according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a plan view and a partial cross-sectional view of a secondary battery component according to still another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 to 10 are part plan views illustrating various patterns of a recess line that may be formed in a secondary battery component according to the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a component showing various cross-sectional structures of a soldering pattern included in a secondary battery component according to the present invention.
  • FIG. 12 is a plan view of a part showing that a recess line formed in a secondary battery part according to the present invention may have a discontinuous pattern.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a component showing a state in which an insulating tape is coated on an upper portion of a recess line of a secondary battery component according to the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a component showing that the secondary battery component according to the present invention may be bent in various shapes.
  • 15 is a process flowchart illustrating a method of manufacturing a secondary battery component according to an embodiment of the present invention in order.
  • 16 is a cross-sectional view of a secondary battery employing the secondary battery component according to the present invention as an electrode lead.
  • FIG. 17 is a front view of a secondary battery module employing a secondary battery component according to the present invention as an external terminal component.
  • FIG. 18 is a top plan view of a secondary battery pack employing a secondary battery component according to the present invention as a connector component.
  • FIG. 19 is a front view of a secondary battery pack employing a secondary battery component according to the present invention as a connector component.
  • FIG. 2 is a view showing a plan view and a partial cross-sectional view of a secondary battery component according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary battery component 20 may include a metal plate 22 having at least one recess line 21 formed therein, and a junction within the recess line 21. Soldering pattern 23 is included.
  • the secondary battery component 23 has a characteristic in which a portion of the recess line 21 to which the soldering pattern 23 is bonded is broken when an overcurrent flows through the metal plate 22.
  • the local heating region A In the case of the local heating region A, an increase in resistance is caused locally as the thickness of the metal plate 22 suddenly decreases, as well as a considerable amount of overcurrent due to a difference in relative resistance with the material constituting the soldering pattern 23. This is because the portion flows rapidly through the local heating region A and the resistance calorific value is particularly large. As a result, the temperature of the local heating region A rises above the melting point of the metal plate 22 immediately after the overcurrent starts to flow.
  • the metal plate 22 breaks in two around the region where the soldering pattern 23 is bonded. There is an effect that the path through which the overcurrent can flow is irreversibly disconnected.
  • the metal plate 22 is made of an alloy of a single metal or a dissimilar metal having an electrical resistance of 0.1 mm or less and good electrical conductivity.
  • the metal plate 22 may be formed of a copper plate, an aluminum plate, a nickel plated copper plate, or the like.
  • the metal plate 22 may have a structure in which two or more thin metal plates are joined by using a cladding technique.
  • the metal plate 22 may have a structure in which nickel plates are clad on both surfaces of the copper plate.
  • the recess line 21 has a constant width, depth, and cross-sectional area.
  • the width of the recess line 21 has a width within a few mm, preferably within 5 mm, even more preferably within 3 mm, even more preferably within 1 mm.
  • the depth of the recess line 21 is preferably based on the thickness T of the metal plate 22, preferably 25 to 75% T, even more preferably 50 to 85% T, even more preferred. It has a depth of 60 ⁇ 95% T.
  • the width, depth and cross-sectional area of the recess line 21 change the resistance of the local heating region A.
  • the width, depth, and cross-sectional area of the recess line 21 may include a maximum voltage and a maximum current condition that the secondary battery component 20 must withstand, a level of an overcurrent to be blocked using the secondary battery component 20, In consideration of the electrical properties (resistance) and / or mechanical properties (tensile strength) required for the secondary battery component 20, it can be appropriately selected within the above range.
  • the recess line 21 may be any one of a physical or chemical etching technique, a mechanical cutting technique using a saw blade, a local scratching technique using a hard knife such as diamond, an etching technique using an electromagnetic beam, and a skiving technique. It can form by one.
  • the soldering pattern 23 has a melting point of 100 to 250 degrees, contains tin (Sn) and copper (Cu) as main components, and is made of a lead-free soldering material that does not contain lead (Pb), which is harmless to the environment and human body.
  • the melting point range of the soldering pattern 23 may be a maximum voltage and a maximum current condition that the secondary battery component 20 must withstand, a level of an overcurrent to be blocked using the secondary battery component 20, and the secondary battery component 20. It is determined in consideration of the electrical properties (resistance) and / or mechanical properties (tensile strength) required for.
  • the secondary battery component 20 may be broken even when a normal current flows.
  • the secondary battery component 20 when the secondary battery component 20 is used in a secondary battery for an electric vehicle, when the melting point is lower than 100 degrees, the secondary battery component 20 may be broken by a rapid charge / discharge current.
  • the melting point of the soldering pattern 23 is higher than 250 degrees, the blocking of overcurrent is not effectively performed, so there is no effect of using the secondary battery component 20.
  • the content of tin and copper in the soldering pattern 23 may be appropriately determined according to the melting point of the soldering pattern 23, the electrical properties and / or physical properties to be applied to the soldering pattern 23 or the secondary battery component 20. It is adjustable.
  • Tin in the components of the soldering pattern 23 affects the melting point and the tensile strength characteristics of the soldering pattern 23.
  • the content of tin is adjusted in the range of 65% by weight or more, preferably 65 to 99.9% by weight so that the soldering pattern 23 has a melting point of 100 to 250 degrees and has good tensile strength characteristics.
  • the weight% is the same as a unit based on the total weight of the material constituting the soldering pattern (23).
  • copper affects the electrical conductivity, melting point, tensile strength, etc. of the secondary battery component 20, and in view of the function of copper, the copper content is in the range of 0.01 to 35% by weight. It is desirable to adjust.
  • the content of tin and copper as described above, not only the tensile strength of the soldering pattern 23 is good, but also the increase in resistance caused by the soldering pattern 23 can be suppressed to within a few%, and the soldering pattern 23 is reduced.
  • the melting point of the can be adjusted in the range of 100 ⁇ 250 degrees.
  • the soldering pattern 23 may further include at least one additional metal selected from nickel (Ni), zinc (Zn), and silver (Ag) to improve electrical and / or mechanical properties.
  • the content of the additional metal may be adjusted according to the electrical and / or mechanical properties to be applied to the soldering pattern 23.
  • the content of the additional metal is adjusted in the range of 0.01 to 20% by weight.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a modified shape of a bottom portion of a recess line in the secondary battery component illustrated in FIG. 2, and FIG. 4 is a bottom view of the secondary battery component illustrated in FIG. 3.
  • the secondary battery component 20 may have a width d1 + d2 + d3 of the bottom portion 21a located inside the recess line 21. 4) may have a structure narrower than the width D of the metal plate 22 (see FIG. 4). That is, the secondary battery component 20 illustrated in FIGS. 3 and 4 has a structure in which a part of the bottom portion 21a inside the recess line 21 penetrates.
  • This structure reduces the cross-sectional area on the current path, and as a result, a large amount of heat is generated when the overcurrent passes through the local heating region A, that is, the bottom portion 21a, so that the secondary battery component 20 is more easily broken. do.
  • the present invention is not limited thereto. That is, the secondary battery component 20 according to the exemplary embodiment of the present invention may have a structure in which one bottom portion 21a is positioned at the center of the width direction of the metal plate 22 as shown in FIG. 5. In addition, any structure that can reduce the cross-sectional area of the metal plate 22 on the current path can be applied without limitation.
  • FIG. 6 is a view showing a top plan view and a partial cross-sectional view of a secondary battery component according to another embodiment of the present invention.
  • two or more recess lines 21 may be formed on the metal plate 22, and soldering patterns 23 may be individually bonded to each recess line 21.
  • the number of recess lines 21 can also be increased to three or more.
  • FIG. 7 is a view showing a top plan view and a partial cross-sectional view of a secondary battery component according to still another embodiment of the present invention.
  • recess lines 21 may be formed at upper and lower portions of the metal plate 22, and soldering patterns 23 may be individually bonded to each recess line 21.
  • soldering patterns 23 may be individually bonded to each recess line 21.
  • 8 to 11 are part plan views showing that the shape of the recess line formed on the metal plate may be modified in various ways in addition to the straight line.
  • the recess line 21 may have the shape of sawtooth (FIG. 8), wavy (FIG. 9) or zigzag (FIG. 10).
  • the recess line 21 may be formed in a shape in which two or more of these shapes are combined.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a component showing that the cross-sectional structure of the soldering pattern 23 bonded in the recess line 21 may be variously modified in addition to the quadrangle.
  • the soldering pattern 23 may have the shape of a triangle, trapezoid, semi-circle, semi-ellipse, and the like, and the combination pattern is not limited.
  • the pattern of the recess lines 21 formed in the metal plate 22 may be formed discontinuously.
  • the discontinuous pattern shape may be applied to the recess lines 21 of various types shown in FIGS. 6 to 11.
  • FIG. 13 shows that the upper portion of the soldering pattern 23 bonded to the recess line 21 can be covered with insulating tape 24.
  • Attachment of the insulating tape 24 is applicable to all types of secondary battery components disclosed by the present invention.
  • the insulating tape 24 may be made of any one or a combination thereof selected from the group consisting of a polyolefin film, a polypropylene film, and an acid modified polypropylene, but the present invention is not limited thereto.
  • the insulating tape 24 may be attached to the bottom surface of the metal plate 22 under the soldering pattern 23.
  • FIG. 14 shows that the secondary battery component 20 according to the present invention can be bent and deformed as much as necessary for use.
  • the shape that can be formed through bending can be variously modified in addition to the c-shape shown in the drawings.
  • 15 is a process flowchart sequentially illustrating a method of manufacturing a secondary battery component according to the present invention.
  • a metal plate is prepared, and then at least one recess line is formed on the top, bottom, or both of the metal plate (S10).
  • the recess line may be formed by any one of physical or chemical etching techniques, mechanical cutting techniques using saw blades, local scratching techniques using a hard knife such as diamond, etching techniques using electromagnetic beams, and skiving techniques. Can be formed.
  • the pattern and the cross-sectional structure of the recess line may have various forms, which have been described above.
  • the recess line Determine the width, depth and cross-sectional area of the
  • soldering material is disposed at a point where the recess line is formed (S20).
  • soldering material soldering wires having the same or similar cross-sectional structure as that of the soldering pattern may be used.
  • a soldering paste in which fine soldering powder is dispersed may be used as the soldering material.
  • the content of tin, copper, and other additional metals contained in the soldering material is in the range of the melting point temperature to be applied to the soldering pattern to be formed in the recess line, the level of overcurrent to be blocked by using the secondary battery component, and the secondary battery component. Determine the electrical properties and / or mechanical properties to be given to.
  • a rolling process is performed while applying pressure using a jig, a roller, or the like at least at the point where the soldering material is disposed (S30).
  • various methods such as a heat conduction method, an ultrasonic vibration method, an electromagnetic energy beam irradiation method, and an electromagnetic induction method may be applied.
  • the present invention is not limited to the specific manner of applying thermal energy, and various methods known to generate heat energy at a pressure application site during the rolling process are applicable.
  • Secondary battery component 20 can be used in the manufacture of a secondary battery or assembled secondary battery device in a variety of ways.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of a pouch-type lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention manufactured using the above-described secondary battery component.
  • the secondary battery 30 includes an electrode assembly 33 to which an anode lead 31 and an anode lead 32 are electrically connected.
  • the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 have substantially the same structure as the secondary battery component 20 according to the present invention. That is, the anode lead 31 and the cathode lead 32 are made of a metal plate 22 having a soldering pattern 23 bonded to the recess line 21.
  • the recess line 21 and the soldering pattern 23 may have a structure disclosed in the above-described various embodiments in addition to those shown in the drawings.
  • the structure of the secondary battery component 20 according to the present invention can be applied to only one of the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32.
  • the electrode assembly 33 has a structure in which at least one unit cell having a structure in which a separator is interposed between an anode and a cathode is stacked. At least one surface of the positive electrode and the negative electrode may be coated with an active material required for operation of the secondary battery, and an insulating film may be interposed between adjacent unit cells to block electrical connections between the unit cells.
  • the positive electrode and the negative electrode may be coated with a lithium-based positive electrode active material and a carbon-based active material, respectively.
  • the separator and the insulating film may be made of a polyolefin-based porous polymer film.
  • the present invention is not limited by the specific structure, material configuration, or the like of the electrode assembly 33.
  • the electrode assembly 33 includes a plurality of positive electrode tabs 34 and negative electrode tabs 35 extending from respective positive and negative electrodes.
  • the plurality of positive electrode tabs 34 and negative electrode tabs 35 are assembled into one through primary welding and then bonded to the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 through secondary welding, respectively.
  • the electrode assembly 33 is tightly sealed in the packaging material 36 so that the ends of the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 are exposed to the outside.
  • the packaging material 36 is formed of an aluminum pouch film having a heat adhesive layer formed on an inner side surface thereof facing the electrode assembly 33.
  • the electrode assembly 33 seals in the packing material 36 by applying heat along the edge of the packing material 36.
  • the packaging material 36 may include a liquid electrolyte, a solid electrolyte, a gel electrolyte, and the like according to the type of secondary battery.
  • the electrode lead when an overcurrent flows through the electrode lead, the electrode lead is broken around the region where the soldering pattern 23 is formed, and the flow of the overcurrent is irreversibly blocked.
  • the principle that the secondary battery component used as the electrode lead is broken has been described above. Therefore, when the secondary battery component according to the present invention is used as the electrode lead of the secondary battery, it is possible to protect the secondary battery 30 from overcurrent independently of the protection circuit.
  • the secondary battery component 20 according to the present invention may be used as a component for various purposes in addition to the electrode lead of the secondary battery.
  • the secondary battery component 20 includes a secondary battery module electrically connecting a plurality of secondary batteries; A secondary battery pack electrically connecting a plurality of secondary battery modules; In constructing an assembled secondary battery device such as a pack assembly in which a plurality of secondary battery packs are electrically connected, an external terminal included in a module or a pack, or a connector part for connecting adjacent modules or packs to each other can be used.
  • the electrical connection includes a series connection, a parallel connection or a mixed connection thereof.
  • FIG. 17 is a front view of a secondary battery module having a structure housed in a housing with a plurality of secondary batteries connected in series
  • FIG. 18 is a top plan view of a secondary battery pack in which two secondary battery modules are connected in series
  • FIG. 19. Is a front view of the secondary battery pack.
  • the structure of a secondary battery component according to the present invention may be used as an external terminal component 42 of a secondary battery module 41.
  • One of the two external terminal components 42 shown in the figure corresponds to the positive terminal component and the other corresponds to the negative terminal component.
  • the external terminal component 42 is electrically coupled with an electrode of a secondary battery located at the outermost side of the plurality of secondary batteries included in the secondary battery module 41.
  • the external terminal component 42 on the left side may be connected to the positive electrode of the secondary battery disposed on the left side
  • the external terminal component 42 on the right side may be connected to the negative electrode of the secondary battery disposed on the right side.
  • the structure of the secondary battery component according to the present invention is applied to the external terminal component 42, at least a portion of the external terminal component 32 has a structure in which a soldering pattern is bonded to a recess line formed in a metal plate. (See B).
  • the metal plate portion is broken in two around the region where the soldering pattern is bonded, thereby irreversibly blocking the flow of the overcurrent.
  • the width, depth, cross-sectional area, alloy composition, etc. of the soldering pattern included in the external terminal component 42 may be appropriate in consideration of the maximum voltage and maximum current condition that the external terminal component 42 must withstand and the level of overcurrent to be blocked. Decide on
  • the external terminal component 42 corresponds to a passage through which a charge or discharge current flows for a plurality of secondary batteries. Therefore, the melting point of the soldering pattern included in the external terminal component 42 may be higher than the melting point of the soldering pattern included in the electrode lead of the secondary battery. In view of this, it is preferable that the soldering pattern included in the external terminal component 42 has a higher copper content than the soldering pattern included in the electrode lead of the secondary battery.
  • the structure of a secondary battery component according to the present invention may be used as a connector component 43 that electrically connects external terminal components 42 of adjacent secondary battery modules 41.
  • the electrical connection includes a series connection, a parallel connection or a mixed connection thereof.
  • the structure of the secondary battery component according to the present invention is applied to the connector component 43, at least a part of the connector component 43 has a structure in which a soldering pattern is bonded in a recess line formed in the metal plate (C). Reference).
  • the metal plate portion is broken in two around the region where the soldering pattern is bonded, thereby irreversibly blocking the flow of the overcurrent.
  • the width, depth, cross-sectional area, alloy composition, etc. of the soldering pattern included in the connector part 43 are appropriately determined in consideration of the maximum voltage and maximum current condition that the connector part 43 must withstand and the level of overcurrent to be blocked. .
  • the connector component 43 corresponds to a passage through which charge or discharge current flows to the plurality of secondary battery modules 41. Therefore, the melting point of the soldering pattern included in the connector component 43 may be higher than the melting point of the soldering pattern included in the external terminal component 42 of the secondary battery module 41. In view of this, it is preferable that the soldering pattern included in the connector 43 has a higher content of copper than the soldering pattern included in the external terminal component 42 of the secondary battery module 41.
  • the structure of the secondary battery component according to the present invention can be used as a connector component for electrically connecting the secondary battery pack and the secondary battery pack in configuring the assembled secondary battery device using a plurality of secondary battery packs.
  • it can be used as a connector component that connects a large-capacity pack assembly of a larger unit than a secondary battery pack to each other.
  • the assembled secondary battery device includes a power tool; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric trucks; Or it can be used as a large capacity secondary battery system used in the power storage device.
  • Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric trucks; Or it can be used as a large capacity secondary battery system used in the power storage device.

Abstract

본 발명은 이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지를 개시한다. 본 발명에 따른 이차전지용 부품은, 적어도 하나 이상의 리세스(recess) 라인이 형성된 금속 플레이트; 및 상기 리세스 라인 내에 접합된 솔더링 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 상기 이차전지용 부품을 통해 과전류가 흐를 경우, 리세스 라인에 솔더링 패턴이 접합된 부위가 파단됨으로써 과전류의 흐름이 비가역적으로 차단된다.

Description

이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 조립 이차전지 장치
본 발명은 이차전지 기술에 관한 것으로서, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 이차전지용 부품 및 그 제조 방법과, 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지 등에 관한 것이다.
본 출원은 2011년 9월 16일에 출원된 한국특허출원 제10-2011-0093604호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
또한, 본 출원은 2012년 8월 23일에 출원된 한국특허출원 제10-2012-0092217호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다.
리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
그런데, 리튬 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 리튬 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 리튬 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 리튬 이차전지가 주울열에 의해 발열을 하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뽀족한 금속 물체가 리튬 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 전지에 인가되는 경우 등에 발생된다.
따라서 리튬 이차전지는 과전류의 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 보호회로와 결합되어 사용되며, 상기 보호회로에는 과전류가 발생되었을 때 충전 또는 방전전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함되는 것이 일반적이다.
도 1은 리튬 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 이차전지를 보호하기 위해 퓨즈 소자(10), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(20), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(10)를 동작시키는 마이크로컨트롤러(30) 및 상기 퓨즈 소자(10)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(40)를 포함한다.
퓨즈 소자(10)는 셀 어셈블리(20)의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(10)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.
퓨즈 소자(10)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(40)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(11)와, 상기 퓨즈(11)에 열을 인가하는 저항(12)이 포함되어 있다.
상기 마이크로컨트롤러(30)는 센스 저항(20) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(40)를 턴 온시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(10) 측으로 바이패스되어 저항(12)에 인가된다. 이에 따라, 저항(12)에서 발생된 주울열이 퓨즈(11)에 전도되어 퓨즈(11)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(11)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(11)가 융단됨으로써 주 선로가 비가역적으로 단선된다. 주 선로가 단선되면 과전류가 더 이상 흐르지 않게 되므로 과전류로부터 비롯되는 문제를 해소할 수 있다.
그런데, 위와 같은 종래 기술은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 즉, 마이크로컨트롤러(30)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(40)가 턴온되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(10)의 저항(12)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(10)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(10)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(10)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로컨트롤러(30)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로컨트롤러(30)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 인식하여 창안된 것으로서, 보호회로의 능동적인 과전류 차단 기능과는 별도로 이차전지 자체에서 수동 방식의 과전류 차단 기능을 구현하는데 필요한 새로운 형태의 이차전지용 부품 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 기존의 부품이 갖는 전체적인 형태는 실질적으로 동일하게 유지하면서 최소한의 구조 변경만으로 수동 방식에 의한 과전류 차단 기능을 구현할 수 있는 이차전지용 부품 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 이차전지용 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 조립 이차전지 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명자들은 리튬 이차전지의 안전성 향상 방안을 연구하던 중 플레이트 형상을 갖는 금속 재질의 전극 리드에 리세스 라인을 형성한 후 리세스 라인 내에 100~250의 융점을 가지는 무연 솔더링 물질을 접합시켰을 때 과전류로 인해 야기되는 안전성 문제가 개선될 수 있고, 상기와 같은 구조를 갖는 전극 리드가 모든 종류의 이차전지에 적용될 수 있는 것은 물론이고 전류 흐름 경로에 위치하게 되는 이차전지의 각종 부품을 대체할 수 있는 범용적인 부품으로도 사용될 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 부품은, 적어도 하나 이상의 리세스(recess) 라인이 형성된 금속 플레이트; 및 상기 리세스 라인 내에 접합된 솔더링 패턴;을 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 리세스 라인의 내측에 위치하는 바닥부의 폭이 상기 금속 플레이트의 폭보다 좁게 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 바닥부는 상기 금속 플레이트의 폭을 이루는 방향을 따라 불연속적으로 형성될 수 있다.본 발명에 따르면, 상기 리세스 라인은 직선형, 지그재그(zigzag)형, 톱니형 및 물결형 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 패턴을 가진다. 또한, 상기 리세스 라인은 연속 또는 불연속 라인 패턴으로 이루어진다. 나아가, 상기 리세스 라인은 상기 금속 플레이트의 상부 표면, 하부 표면 또는 이들 모두에 형성된다.
바람직하게, 상기 솔더링 패턴은 100~250도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하며 납(Pb)을 포함하지 않는 무연 솔더링 물질로 이루어진다. 상기 주석 함량은 65 ~ 99.9중량%이고, 구리의 함량은 0.01~35중량%이다.
선택적으로, 상기 솔더링 패턴은 니켈, 아연, 및 은 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함하는 솔더링 물질로 이루어진다. 상기 추가 금속의 함량은 0.01 ~ 20중량%이다.
바람직하게, 상기 솔더링 패턴의 단면은 사각형, 삼각형, 사다리꼴, 반타원 및 반원 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 형상을 가진다.
선택적으로, 본 발명에 따른 이차전지용 부품은 상기 솔더링 패턴을 피복하는 절연 테이프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는 본 발명에 따른 이차전지용 부품을 사용하여 제작된 이차전지와 조립 이차전지 장치에 의해서도 달성 가능하다.
본 발명의 일 측면에 따른 이차전지는, 양극 리드와 음극 리드가 전기적으로 결합된 전극 조립체; 및 상기 양극 리드와 상기 음극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 밀봉하는 포장재;를 포함하고, 상기 양극 리드, 상기 음극 리드 또는 이들 모두에 상기 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 조립 이차전지 장치는, 복수의 이차전지가 전기적으로 연결된 조립 이차전지 장치로서, 인접하는 이차전지를 전기적으로 연결하는 커넥터를 포함하고, 상기 커넥터에 상기 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 조립 이차전지 장치는, 복수의 이차전지로 구성된 2개 이상의 이차전지 모듈에 구비된 외부 단자들을 커넥터들로 연결시켜 구성한 조립 이차전지 장치로서, 상기 커넥터들 또는 상기 외부 단자들 적어도 하나에 상기 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 조립 이차전지 장치는, 복수의 이차전지 모듈로 구성된 2개 이상의 이차전지 팩에 구비된 외부 단자들을 커넥터들로 연결시켜 구성한 조립 이차전지 장치로서, 상기 커넥터들 또는 상기 외부 단자들 적어도 하나에 상기 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 제조 방법은, 속 플레이트의 표면에 적어도 하나 이상의 리세스 라인을 형성하는 제1단계; 및 상기 리세스 라인 내에 솔더링 패턴을 형성하는 제2단계;를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 리세스 라인은 식각 기술, 절삭 기술, 스크래칭 기술, 전자기적 빔을 이용한 식각 기술 및 스키빙(skiving) 기술 중 어느 하나를 사용하여 형성한다. 그리고, 상기 리세스 라인은 상기 금속 플레이트의 상부 표면, 하부 표면 또는 이들 모두에 형성한다.
본 발명에 따른 방법은, 상기 솔더링 패턴 위에 절연 테이프를 피복하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 상기 제2단계는, 상기 리세스 라인에 형성된 영역에 솔더링 물질을 배치하는 단계; 및 상기 솔더링 물질에 열 에너지를 인가하면서 압력을 인가하는 단계;를 포함한다. 상기 솔더링 물질은 상기 리세스 라인의 형상에 대응되는 단면 구조를 가진 솔더링 와이어 또는 솔더링 파우더가 분산된 솔더링 페이스트이다. 상기 열 에너지는 열전도 방식, 초음파 진동 방식, 전자기적 빔 조사 방식 및 전자기적 유도 방식 중 어느 또는 이들의 조합 방식에 의해 인가된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이차전지용 부품을 통해 과전류가 흐를 경우 솔더링 패턴이 접합되어 있는 리세스 라인 부분이 파단됨으로써 과전류의 흐름이 비가역적으로 차단된다. 또한, 금속 플레이트에서 리세스 라인이 차지하는 영역이 작으므로 솔더링 패턴의 존재로 인한 저항 증가가 무시할 만한 수준으로 제한되며 부품의 전체적인 사이즈와 형상의 실질적 변화가 수반되지 않는다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 이차전지용 부품이 이차전지의 전극 리드로 사용될 경우 보호회로와 독립적으로 이차전지 자체에서 과전류를 비가역적으로 차단하는 것이 가능하므로 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 이차전지용 부품이 전극 리드로 사용될 경우 전극 리드의 사이즈나 형상에 실질적인 변화가 없으므로 이차전지 구조에 대한 설계 변경 없이도 과전류 차단 기능을 이차전지에 접목하는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 이차전지용 부품은 플레이트 형상을 갖는 전극 리드를 채용한 이차전지라면 그 종류에 상관 없이 얼마든지 적용이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 다수의 이차전지를 포함하는 조립 이차전지 장치를 구성하는데 사용되는 외부 단자나 커넥터 부품을 상기 이차전지용 부품으로 대체할 경우 외부 단자나 커넥터 자체에서도 과전류 차단 기능을 구현할 수 있다.
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 리튬 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 부품의 평면도와 부분 단면도를 함께 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 이차전지용 부품에 있어서 리세스 라인 내측의 바닥부가 변형된 형태를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 이차전지용 부품의 저면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 이차전지용 부품에 있어서 바닥부가 변형된 형태를 보여주는 저면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 부품의 평면도와 부분 단면도를 함께 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 부품의 평면도와 부분 단면도를 함께 보여주는 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 이차전지용 부품에 형성될 수 있는 리세스 라인의 여러 가지 패턴을 도시한 부품 평면도들이다.
도 11은 본 발명에 따른 이차전지용 부품에 포함된 솔더링 패턴의 다양한 단면 구조를 보여주는 부품 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 이차전지용 부품에 형성되는 리세스 라인이 불연속적인 패턴을 가질 수 있음을 보여주는 부품 평면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 리세스 라인 상부에 절연테이프가 피복된 상태를 보여주는 부품 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 이차전지용 부품이 다양한 형상으로 절곡될 수 있음을 보여주는 부품 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지용 부품의 제조 방법을 순서대로 도시한 공정 순서도이다.
도 16은 본 발명에 따른 이차전지용 부품을 전극 리드로 채용하고 있는 이차전지의 단면도이다.
도 17은 본 발명에 따른 이차전지용 부품을 외부 단자 부품으로 채용하고 있는 이차전지 모듈의 정면도이다.
도 18은 본 발명에 따른 이차전지용 부품을 커넥터 부품으로 채용하고 있는 이차전지 팩의 상부 평면도이다.
도 19는 본 발명에 따른 이차전지용 부품을 커넥터 부품으로 채용하고 있는 이차전지 팩의 정면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 부품의 평면도와 부분 단면도를 함께 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은, 적어도 하나 이상의 리세스(recess) 라인(21)이 형성되어 있는 금속 플레이트(22)와, 상기 리세스 라인(21) 내에 접합된 솔더링 패턴(23)을 포함한다.
상기 이차전지용 부품(23)은 금속 플레이트(22)를 통해 과전류가 흘렀을 때 솔더링 패턴(23)이 접합되어 있는 리세스 라인(21) 부분이 파단되는 특성이 있다.
즉, 과전류가 상기 이차전지용 부품(20)을 통과하면, 솔더링 패턴(23)의 하부에 있는 금속 플레이트(A: 이하, 국소 발열 영역이라 함)에서 저항 발열에 의해 많은 열이 발생한다.
상기 국소 발열 영역(A)의 경우, 금속 플레이트(22)의 두께가 갑자기 감소하면서 저항 증가가 국소적으로 유발될 뿐만 아니라 솔더링 패턴(23)을 구성하는 물질과의 상대적 저항 차이로 인해 과전류의 상당 부분이 국소 발열 영역(A)을 통해 급속하게 흘러 저항 발열량이 특히 많기 때문이다. 그 결과 과전류가 흐르기 시작한 직후 국소 발열 영역(A)의 온도가 금속 플레이트(22)의 융점 이상으로 올라간다.
또한 솔더링 패턴(23)이 접합되어 있는 영역에서도 과전류에 의해 저항 발열을 하게 되므로 솔더링 패턴(23)의 온도도 솔더링 패턴(23)을 구성하는 물질의 융점 이상으로 상승한다.
이 때, 국소 발열 영역(A)의 온도 상승 속도가 솔더링 패턴(23)의 온도 상승 속도보다 빠르므로 국소 발열 영역(A)에서 발생된 열은 솔더링 패턴(23)으로 전도된다. 따라서 솔더링 패턴(23)의 온도는 융점 온도까지 매우 빠르게 상승하게 된다.
상기와 같이 과전류로 인해 국소 발열 영역(A)과 솔더링 패턴(23)의 온도가 각각의 융점 온도까지 상승하면 결국 솔더링 패턴(23)이 접합된 영역을 중심으로 금속 플레이트(22)가 둘로 파단되면서 과전류가 흐를 수 있는 경로가 비가역적으로 단선되는 효과가 생긴다.
상기 금속 플레이트(22)는 전기적 저항이 0.1mm 이하로서 전기전도도가 양호한 단일 금속이나 이종 금속의 합금으로 이루어진다. 일 예로, 상기 금속 플레이트(22)는 구리 판, 알루미늄 판, 니켈이 코팅된 구리 판 등으로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 상기 금속 플레이트(22)는 2개 이상의 얇은 금속 플레이트를 클래딩(cladding) 기술을 사용하여 접합시킨 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 상기 금속 플레이트(22)는 구리 플레이트의 양쪽 표면에 니켈 플레이트가 클래딩되어 있는 구조를 가질 수 있다.
상기 리세스 라인(21)은 일정한 폭과 깊이, 그리고 단면적을 가진다. 상기 리세스 라인(21)의 폭은 수 mm 이내, 바람직하게는 5mm 이내, 보다 더 바람직하게는 3mm 이내의 폭, 보다 더 바람직하게는 1mm 이내의 폭을 가진다. 또한 상기 리세스 라인(21)의 깊이는 금속 플레이트(22)의 두께 T를 기준으로, 바람직하게는 25~75%T의 깊이, 보다 더 바람직하게는 50~85%T의 깊이, 보다 더 바람직하게는 60~95%T의 깊이를 가진다.
상기 리세스 라인(21)의 폭, 깊이 및 단면적은 국소 발열 영역(A)의 저항을 변화시킨다. 따라서 상기 리세스 라인(21)의 폭, 깊이 및 단면적은, 상기 이차전지용 부품(20)이 견뎌야 하는 최대 전압 및 최대 전류 조건, 상기 이차전지용 부품(20)을 사용하여 차단하고자 하는 과전류의 레벨, 상기 이차전지용 부품(20)에 요구되는 전기적 물성(저항) 및/또는 기계적 물성(인장 강도)을 고려하여 상기 범위 내에서 적절하게 선택 가능하다.
상기 리세스 라인(21)은 물리적 또는 화학적 식각 기술, 톱날 등을 이용한 기계적 절삭 기술, 다이아몬드 등의 고경도 나이프를 이용한 국소 스크래칭 기술, 전자기적 빔을 이용한 식각 기술 및 스키빙(skiving) 기술 중 어느 하나에 의해 형성할 수 있다.
상기 솔더링 패턴(23)은 100~250도의 융점을 가지며, 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하며, 환경과 인체에 무해한 납(Pb)을 포함하지 않는 무연 솔더링 물질로 이루어진다.
상기 솔더링 패턴(23)의 융점 범위는 이차전지용 부품(20)이 견뎌야 하는 최대 전압 및 최대 전류 조건, 상기 이차전지용 부품(20)을 사용하여 차단하고자 하는 과전류의 레벨, 상기 이차전지용 부품(20)에 요구되는 전기적 물성(저항) 및/또는 기계적 물성(인장 강도)을 고려하여 정한 것이다.
상기 솔더링 패턴(23)의 융점이 100도보다 낮으면 정상적인 전류가 흐르는 경우에도 상기 이차전지용 부품(20)이 파단될 수 있다. 일 예로, 이차전지용 부품(20)이 전기 자동차용 이차전지에 사용될 경우, 융점이 100도보다 낮으면 급속 충방전 전류에 의해 이차전지용 부품(20)이 파단될 수 있다. 또한, 상기 솔더링 패턴(23)의 융점이 250도보다 높으면 과전류의 차단이 효과적으로 이루어지지 않으므로 이차전지용 부품(20)을 사용하는 효과가 사실 상 없다.
상기 솔더링 패턴(23)에 포함된 주석과 구리의 함량은 솔더링 패턴(23)의 융점, 솔더링 패턴(23)이나 이차전지용 부품(20)에 부여하고자 하는 전기적 물성 및/또는 물리적 물성에 따라서 적절하게 조절 가능하다.
상기 솔더링 패턴(23)의 구성 성분 중 주석은 솔더링 패턴(23)의 융점과 인장강도 특성에 영향을 미친다. 상기 솔더링 패턴(23)이 100~250도의 융점을 가지면서도 양호한 인장강도 특성을 갖도록 주석의 함량은 65중량% 이상, 바람직하게는 65~99.9중량%의 범위에서 조절한다. 여기서, 상기 중량%는 솔더링 패턴(23)을 구성하는 물질의 전체 중량을 기준으로 한 단위로서 이하 동일하다.
상기 솔더링 패턴(23)의 구성 성분 중 구리는 이차전지용 부품(20)의 전기 전도도, 융점, 인장 강도 등에 영향을 미치며, 이러한 구리의 기능을 감안하여 구리의 함량은 0.01 ~ 35중량%의 범위에서 조절하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 주석과 구리의 함량을 조절하면, 솔더링 패턴(23)의 인장강도가 양호할 뿐만 아니라 솔더링 패턴(23)에 의한 저항의 증가를 수 % 이내로 낮게 억제할 수 있고, 솔더링 패턴(23)의 융점을 100~250도 범위에서 조절이 가능하다.
선택적으로, 상기 솔더링 패턴(23)은 전기적 물성 및/또는 기계적 물성을 향상시키기 위해 니켈(Ni), 아연(Zn), 및 은(Ag) 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함할 수 있다.
상기 추가 금속의 함량은 솔더링 패턴(23)에 부여하고자 하는 전기적 물성 및/또는 기계적 물성에 따라서 조절 가능하다. 바람직하게, 상기 추가 금속의 함량은 0.01 ~ 20중량%의 범위에서 조절한다.
한편, 도 3은 도 2에 도시된 이차전지용 부품에 있어서 리세스 라인 내측의 바닥부가 변형된 형태를 보여주는 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 이차전지용 부품의 저면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 부품(20)은 리세스 라인(21)의 내측에 위치하는 바닥부(21a)의 폭(d1+d2+d3, 도 4 참조)이 금속 플레이트(22)의 폭(D, 도 4 참조)보다 좁게 형성된 구조를 가질 수 있다. 즉, 도 3 및 도 4에 도시된 이차전지용 부품(20)은 리세스 라인(21) 내측의 바닥부(21a) 중 일부가 관통된 구조를 갖는다.
이러한 구조는 전류 경로상의 단면적을 감소시키며, 이로써 과전류가 국소 발열영역(A), 즉 바닥부(21a)를 통과할 때 많은 열이 발생하게 되므로 이차전지용 부품(20)의 파단이 더욱 용이해지게 된다.
한편, 도 3 및 도 4에서는 3개의 바닥부(21a)가 금속 플레이트(22)의 폭 방향으로 불연속적으로 형성된 경우를 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 부품(20)은 도 5에 도시된 바와 같이 하나의 바닥부(21a)가 금속 플레이트(22)의 폭 방향 중심부에 위치하는 구조를 가질 수도 있으며, 이외에도 전류 경로 상에서 금속 플레이트(22)의 단면적을 줄일 수 있는 구조라면 제한 없이 적용 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 부품의 상부 평면도와 부분 단면도를 함께 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 금속 플레이트(22)에 2개 이상의 리세스 라인(21)이 형성되고, 각각의 리세스 라인(21) 내에 솔더링 패턴(23)이 개별적으로 접합되어 있을 수 있다. 물론, 리세스 라인(21)의 수는 3개 이상으로 증가시키는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 부품의 상부 평면도와 부분 단면도를 함께 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 금속 플레이트(22)의 상부와 하부에 리세스 라인(21)이 형성되고, 각각의 리세스 라인(21) 내에 솔더링 패턴(23)이 개별적으로 접합되어 있을 수 있다. 물론, 금속 플레이트(22)의 상부와 하부에 형성되는 리세스 라인(21)의 수는 2개 이상으로 증가시키는 것도 가능하다.
도 8 내지 도 11은 금속 플레이트에 형성되는 리세스 라인의 모양이 직선형 이외에 여러 가지로 변형될 수 있음을 보여주는 부품 평면도들이다.
도면들에 도시된 바와 같이, 리세스 라인(21)은 톱니형(도 8), 물결형(도 9) 또는 지그재그(zigzag)형(도 10)의 모양을 가질 수 있다. 또한, 이러한 모양들이 2개 이상 조합된 모양으로 리세스 라인(21)이 형성되는 것도 가능하다.
도 11은 리세스 라인(21) 내에 접합되어 있는 솔더링 패턴(23)의 단면 구조가 사각형 이외에도 다양하게 변형될 수 있음을 보여주는 부품 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 솔더링 패턴(23)은 삼각형, 사다리꼴, 반원, 반타원 등의 모양을 가질 수 있으며, 이들이 조합된 모양을 가지는 것도 제한하지 않는다.
도 12는 금속 플레이트(22)에 형성되는 리세스 라인(21)의 패턴이 불연속적으로 형성될 수 있음을 보여준다. 이러한 불연속적인 패턴 형태는 도 6 내지 도 11에 도시된 다양한 형태의 리세스 라인(21)에도 적용이 가능하다.
도 13은 리세스 라인(21)에 접합되어 있는 솔더링 패턴(23)의 상부가 절연 테이프(24)로 피복될 수 있음을 보여준다. 상기 절연 테이프(24)의 부착은 본 발명이 개시하는 모든 형태의 이차전지용 부품에 적용 가능하다. 상기 절연 테이프(24)는 폴리올레핀 필름, 폴리프로필렌 필름 및 산 변성 폴리프로필렌(Acid modified polypropylene) 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 도시하지는 않았지만, 상기 절연 테이프(24)는 솔더링 패턴(23)의 하부에 있는 금속 플레이트(22)의 저면에 부착되는 것도 가능하다.
도 14는 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)이 이용 상의 필요에 따라 절곡하여 그 형상을 얼마든지 변형할 수 있음을 보여준다. 절곡을 통해 형성할 수 있는 형상은 도면에 도시된 ㄷ 자형 이외에도 여러 가지 변형이 가능하다.
도 15는 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정 순서도이다.
도 15를 참조하면, 먼저 금속 플레이트를 준비한 다음 금속 플레이트의 상부, 하부 또는 이들 모두에 적어도 하나 이상의 리세스 라인을 형성한다(S10).
상기 리세스 라인은 물리적 또는 화학적 식각 기술, 톱날 등을 이용한 기계적 절삭 기술, 다이아몬드 등의 고경도 나이프를 이용한 국소 스크래칭 기술, 전자기적 빔을 이용한 식각 기술 및 스키빙(skiving) 기술 중 어느 하나에 의해 형성할 수 있다.
상기 리세스 라인이 가지는 패턴과 단면 구조는 여러 가지 형태가 가능한데, 이에 대해서는 이미 설명한 바 있다.
상기 리세스 라인의 하부에 위치하는 국소 발열 영역이나 이차전지용 부품의 전기적 물성 및/또는 기계적 물성은 상기 리세스 라인의 폭, 깊이 및 단면적에 의해 영향을 받는다. 따라서 이차전지용 부품이 견뎌야 하는 최대 전압 및 최대 전류 조건, 이차전지용 부품을 사용하여 차단하고자 하는 과전류의 레벨 및 이차전지용 부품에 부여하고자 하는 전기적 물성 및/또는 기계적 물성을 먼저 설계한 후 상기 리세스 라인의 폭, 깊이 및 단면적을 결정한다.
상기 리세스 라인이 형성되면, 상기 리세스 라인이 형성된 지점에 솔더링 물질을 배치한다(S20). 솔더링 물질로는, 솔더링 패턴의 단면 구조와 동일하거나 유사한 단면 구조를 가진 솔더링 와이어가 사용될 수 있다. 대안적으로, 솔더링 물질로서 미세한 솔더링 파우더가 분산된 솔더링 페이스트가 사용될 수 있다.
상기 솔더링 물질에 포함된 주석, 구리, 기타 추가 금속의 함량은 상기 리세스 라인 내에 형성될 솔더링 패턴에 부여하고자 하는 융점 온도의 범위, 이차전지용 부품을 사용하여 차단하고자 하는 과전류의 레벨 및 이차전지용 부품에 부여하고자 하는 전기적 물성 및/또는 기계적 물성을 고려하여 결정한다.
상기 솔더링 물질이 배치되면, 적어도 상기 솔더링 물질이 배치된 지점에 지그(Jig)나 롤러 등을 사용하여 압력을 인가하면서 압연 공정을 진행한다(S30).
이 때, 상기 솔더링 물질이 리세스 라인의 내부 표면과 접촉하는 지점에 솔더링 물질의 국소적인 용융을 일으킬 정도의 열 에너지를 인가한다. 그러면, 상기 접촉 계면을 따라 금속 플레이트를 이루는 금속 성분과 솔더링 물질을 이루는 금속 성분 사이에 합금을 형성된다. 이처럼 이종 금속 성분 간에 합금이 형성되면, 솔더링 패턴과 금속 플레이트 사이의 계면에 형성되는 면 저항(surface resistance)을 최소화할 수 있다.
상기 열 에너지의 인가 시에는, 열전도 방식, 초음파 진동 방식, 전자기적 에너지 빔 조사 방식, 전자기적 유도 방식 등 여러 가지 방식이 적용될 수 있다.
하지만 본 발명은 열 에너지를 인가하는 구체적인 방식에 의해 한정되지 않으며 압연 공정을 진행하면서 압력 인가 부위에 열 에너지를 생성할 수 있다고 알려진 다양한 방식이 적용 가능하다.
상기 압연 공정이 완료된 후 압력 인가 부위에 잔류하는 솔더링 물질의 잔류물을 제거하면 이차전지용 부품의 제조가 완료된다(S40).
본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 다양한 방식으로 이차전지나 조립 이차전지 장치의 제조에 사용이 가능하다.
도 16은 상술한 이차전지용 부품을 사용하여 제조된 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 리튬 이차전지의 단면도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지(30)는, 양극 리드(31)와 음극 리드(32)가 전기적으로 접속된 전극 조립체(33)를 포함한다.
상기 양극 리드(31)와 상기 음극 리드(32)는 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)과 실질적으로 동일한 구조를 가진다. 즉, 상기 양극 리드(31)와 음극 리드(32)는 리세스 라인(21) 내에 솔더링 패턴(23)이 접합되어 있는 금속 플레이트(22)로 이루어진다. 상기 리세스 라인(21)과 솔더링 패턴(23)은 도면에 도시된 것 이외에 앞서 설명한 다양한 실시예에 개시된 구조를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)의 구조는 양극 리드(31)와 음극 리드(32) 중 어느 한 쪽에만 적용하는 것도 가능하다. 또한, 양극 리드(31)와 음극 리드(32)에 적용되는 이차전지용 부품의 구조를 서로 다르게 하는 것도 가능하다.
상기 전극 조립체(33)는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조를 가진 단위 셀이 적어도 하나 이상 적층된 구조를 가진다. 상기 양극과 음극의 적어도 한 쪽 면에는 이차전지의 작동에 필요한 활물질이 코팅되어 있으며, 인접하는 단위 셀 사이에는 단위 셀 상호 간의 전기적 연결을 차단하는 절연막이 개재되어 있을 수 있다.
일 예로, 상기 양극과 음극에는 각각 리튬 계열의 양극 활물질과 탄소 계열의 활물질이 코팅되어 있을 수 있다. 그리고 상기 분리막과 절연막은 폴리올레핀 계열의 다공성 고분자 필름으로 이루어질 수 있다.
위와 같은 이차전지의 구조는 본 발명이 속한 기술분야에 널리 공지되어 있으므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 또한, 본 발명은 전극 조립체(33)의 구체적인 구조나 물질 구성 등에 의해 한정되지 않음은 자명하다.
상기 전극 조립체(33)는 각각의 양극 및 음극으로부터 연장된 다수의 양극 탭(34)과 음극 탭(35)을 포함한다. 다수의 양극 탭(34)과 음극 탭(35)은 1차 용접을 통해 하나로 결집된 후 2차 용접을 통해 각각 양극 리드(31)와 음극 리드(32)에 접합된다.
상기 전극 조립체(33)는 양극 리드(31)와 음극 리드(32)의 끝단이 외부로 노출되도록 포장재(36) 내에 긴밀하게 밀봉된다. 상기 포장재(36)는 상기 전극 조립체(33)와 대향하는 내 측면에 열 접착층이 형성된 알루미늄 파우치 필름으로 이루어진다. 따라서 상기 전극 조립체(33)는 포장재(36)의 가장 자리를 따라 열을 인가하여 포장재(36) 내에 밀봉한다. 상기 포장재(36) 내에는 이차전지의 종류에 따라 액체 전해질, 고체 전해질, 겔형 전해질 등이 포함되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지(30)는 전극 리드를 통해 과전류가 흐를 경우 솔더링 패턴(23)이 형성된 영역을 중심으로 전극 리드가 파단되면서 과전류의 흐름이 비가역적으로 차단된다. 여기서, 전극 리드로 사용된 이차전지용 부품이 파단되는 원리는 상술한 바 있다. 따라서 본 발명에 따른 이차전지용 부품이 이차전지의 전극 리드로 사용될 경우, 보호회로와는 독립적으로 과전류로부터 이차전지(30)를 보호할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 이차전지의 전극 리드 이외에도 다양한 용도의 부품으로 사용이 가능하다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 다수의 이차전지를 전기적으로 연결한 이차전지 모듈; 다수의 이차전지 모듈을 전기적으로 연결한 이차전지 팩; 복수의 이차전지 팩을 전기적으로 연결한 팩 어셈블리 등과 같은 조립 이차전지 장치를 구성하는데 있어서 모듈이나 팩 등에 구비되는 외부 단자나 인접하는 모듈이나 팩을 서로 연결하는 커넥터 부품으로 사용할 수 있다. 여기서, 상기 전기적 연결은 직렬 연결, 병렬 연결 또는 이들의 혼합 연결을 포함한다.
도 17은 다수의 이차전지가 직렬로 연결된 상태로 하우징에 수납된 구조를 가진 이차전지 모듈의 정면도이고, 도 18은 2개의 이차전지 모듈을 직렬로 연결한 이차전지 팩의 상부 평면도이고, 도 19는 상기 이차전지 팩의 정면도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조는 이차전지 모듈(41)의 외부 단자 부품(42)으로 사용할 수 있다.
도면에 도시된 2개의 외부 단자 부품(42) 중 하나는 양극 단자 부품, 다른 하나는 음극 단자 부품에 해당한다. 상기 외부 단자 부품(42)은 이차전지 모듈(41) 내에 포함된 다수의 이차전지 중 최 외곽에 위치한 이차전지의 전극과 전기적으로 커플링된다.
예를 들어, 좌측에 있는 외부 단자 부품(42)은 가장 왼쪽에 배치된 이차전지의 양극과 연결되고, 우측에 있는 외부 단자 부품(42)은 가장 오른쪽에 배치된 이차전지의 음극과 연결될 수 있다.
상기 외부 단자 부품(42)에는 본 발명에 따른 이차전지 부품의 구조가 적용되어 있으므로, 상기 외부 단자 부품(32)의 적어도 일부분은 금속 플레이트에 형성된 리세스 라인 내에 솔더링 패턴이 접합되어 있는 구조를 가진다(B 참조).
따라서 상기 외부 단자 부품(42)에 과전류가 흐를 경우 상기 금속 플레이트 부분이 솔더링 패턴이 접합되어 있는 영역을 중심으로 둘로 파단되면서 과전류의 흐름이 비가역적으로 차단된다.
상기 외부 단자 부품(42)에 포함된 솔더링 패턴의 폭, 깊이, 단면적, 합금 조성 등은 외부 단자 부품(42)이 견뎌야 하는 최대 전압 및 최대 전류 조건과 차단하고자 하는 과전류의 레벨 등을 고려하여 적절하게 결정한다.
상기 외부 단자 부품(42)은 다수의 이차전지에 대한 충전 또는 방전 전류가 흐르는 통로에 해당한다. 따라서 상기 외부 단자 부품(42)에 포함되어 있는 솔더링 패턴의 융점은 이차전지의 전극 리드에 포함되어 있는 솔더링 패턴의 융점보다 높은 것이 좋다. 이를 감안하여, 상기 외부 단자 부품(42)에 포함되어 있는 솔더링 패턴은 이차전지의 전극 리드에 포함되는 솔더링 패턴보다 구리의 함량이 높은 것이 바람직하다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조는 인접하는 이차전지 모듈(41)의 외부 단자 부품(42)을 전기적으로 연결하는 커넥터 부품(43)으로 사용할 수 있다. 여기서, 상기 전기적 연결은 직렬 연결, 병렬 연결 또는 이들의 혼합 연결을 포함한다.
상기 커넥터 부품(43)에는 본 발명에 따른 이차전지 부품의 구조가 적용되어 있으므로, 상기 커넥터 부품(43)의 적어도 일부분은 금속 플레이트에 형성된 리세스 라인 내에 솔더링 패턴이 접합되어 있는 구조를 가진다(C 참조).
따라서 상기 커넥터 부품(43)에 과전류가 흐를 경우 상기 금속 플레이트 부분이 솔더링 패턴이 접합되어 있는 영역을 중심으로 둘로 파단되면서 과전류의 흐름이 비가역적으로 차단된다.
상기 커넥터 부품(43)에 포함된 솔더링 패턴의 폭, 깊이, 단면적, 합금 조성 등은 커넥터 부품(43)이 견뎌야 하는 최대 전압 및 최대 전류 조건과 차단하고자 하는 과전류의 레벨을 고려하여 적절하게 결정한다.
상기 커넥터 부품(43)은 다수의 이차전지 모듈(41)에 대한 충전 또는 방전 전류가 흐르는 통로에 해당한다. 따라서 상기 커넥터 부품(43)에 포함되어 있는 솔더링 패턴의 융점은 이차전지 모듈(41)의 외부 단자 부품(42)에 포함되어 있는 솔더링 패턴의 융점보다 높은 것이 좋다. 이를 감안하여, 상기 커넥터(43)에 포함되어 있는 솔더링 패턴은 이차전지 모듈(41)의 외부 단자 부품(42)에 포함되는 솔더링 패턴보다 구리의 함량이 높은 것이 바람직하다.
도면으로 도시하지는 않았지만, 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조는 다수의 이차전지 팩을 사용하여 조립 이차전지 장치를 구성하는데 있어서 이차전지 팩과 이차전지 팩을 전기적으로 연결하는 커넥터 부품으로도 사용이 가능하고, 이차전지 팩보다 더 큰 단위의 대용량 팩 어셈블리를 서로 연결하는 커넥터 부품으로도 사용이 가능함은 자명하다.
상기 조립 이차전지 장치는, 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 또는 전력 저장 장치에 사용되는 대용량의 이차전지 시스템으로 사용이 가능하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (24)

  1. 적어도 하나 이상의 리세스(recess) 라인이 형성된 금속 플레이트; 및
    상기 리세스 라인 내에 접합된 솔더링 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리세스 라인의 내측에 위치하는 바닥부의 폭이 상기 금속 플레이트의 폭보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바닥부는 상기 금속 플레이트의 폭을 이루는 방향을 따라 불연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리세스 라인은 직선형, 지그재그(zigzag)형, 톱니형 및 물결형 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리세스 라인은 연속 또는 불연속 라인 패턴임을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리세스 라인은 상기 금속 플레이트의 상부 표면, 하부 표면 또는 이들 모두에 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 솔더링 패턴은 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하며 납(Pb)을 포함하지 않는 무연 솔더링 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 주석 함량은 65 ~ 99.9중량%이고, 구리의 함량은 0.01~35중량%임을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 솔더링 패턴은 니켈, 아연, 및 은 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함하는 솔더링 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 추가 금속의 함량은 0.01 ~ 20중량%임을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 솔더링 패턴은 100~250도의 융점을 가지는 솔더링 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 솔더링 패턴의 단면은 사각형, 삼각형, 사다리꼴, 반타원 및 반원 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 솔더링 패턴을 피복하는 절연 테이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
  14. 양극 리드와 음극 리드가 전기적으로 결합된 전극 조립체; 및
    상기 양극 리드와 상기 음극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 밀봉하는 포장재;를 포함하고,
    상기 양극 리드, 상기 음극 리드 또는 이들 모두에 상기 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 하는 이차전지.
  15. 복수의 이차전지가 전기적으로 연결된 조립 이차전지 장치에 있어서,
    인접하는 이차전지를 전기적으로 연결하는 커넥터를 포함하고,
    상기 커넥터에 상기 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 하는 조립 이차전지 장치.
  16. 복수의 이차전지로 구성된 2개 이상의 이차전지 모듈에 구비된 외부 단자들을 커넥터들로 연결시켜 구성한 조립 이차전지 장치에 있어서,
    상기 커넥터들 또는 상기 외부 단자들 적어도 하나에 상기 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 하는 조립 이차전지 장치.
  17. 복수의 이차전지 모듈로 구성된 2개 이상의 이차전지 팩에 구비된 외부 단자들을 커넥터들로 연결시켜 구성한 조립 이차전지 장치에 있어서,
    상기 커넥터들 또는 상기 외부 단자들 적어도 하나에 상기 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 하는 조립 이차전지 장치.
  18. 금속 플레이트의 표면에 적어도 하나 이상의 리세스 라인을 형성하는 제1단계; 및
    상기 리세스 라인 내에 솔더링 패턴을 형성하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1단계에서, 상기 리세스 라인은 식각 기술, 절삭 기술, 스크래칭 기술, 전자기적 빔을 이용한 식각 기술 및 스키빙(skiving) 기술 중 어느 하나에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1단계에서, 상기 리세스 라인은 상기 금속 플레이트의 상부 표면, 하부 표면 또는 이들 모두에 형성하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 솔더링 패턴 위에 절연 테이프를 피복하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
  22. 제18항에 있어서, 상기 제2단계는,
    상기 리세스 라인에 형성된 영역에 솔더링 물질을 배치하는 단계; 및
    상기 솔더링 물질에 열 에너지를 인가하면서 압력을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 솔더링 물질은 상기 리세스 라인의 형상에 대응되는 단면 구조를 가진 솔더링 와이어 또는 솔더링 파우더가 분산된 솔더링 페이스트임을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 열 에너지는 열전도 방식, 초음파 진동 방식, 전자기적 빔 조사 방식 및 전자기적 유도 방식 중 어느 또는 이들의 조합 방식에 의해 인가되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
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