WO2018080074A1 - 이차 전지 - Google Patents

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WO2018080074A1
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resistor element
lead
secondary battery
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김진두
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Samsung SDI Co Ltd
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery, and relates to a secondary battery including a resistor element.
  • a secondary battery includes a lithium ion polymer battery that is formed flat using a polymer solid electrolyte film to effectively reduce the thickness of the secondary battery.
  • Lithium-ion polymer secondary battery forms an electrode assembly by stacking a positive electrode and a negative electrode on both sides with a polymer solid electrolyte film passing lithium ions therebetween, forming an electrode assembly on both sides of the electrode assembly, and heat-sealing the peripheral portion of the packaging material.
  • the electrode assembly is embedded in the pouch by forming a.
  • the anode lead tab connected to the anode of the electrode assembly and the cathode lead tab connected to the cathode are drawn out to one side of the pouch.
  • the positive lead tab and the negative lead tab are electrically connected to a protection circuit module (PCM) that mounts the protection circuit components.
  • PCM protection circuit module
  • the protection circuit module is formed to prevent overcharging, overdischarging, overcurrent and short of the secondary battery.
  • a resistive element having a positive temperature coefficient between the protection circuit module and the positive lead tab is used.
  • the resistor element or thermal-cut-off (TCO) electrically cuts the positive lead tab and the protection circuit module when the temperature of the secondary battery reaches a set dangerous value, and when the temperature of the secondary battery reaches a set safe value, Reconnect the protection circuit module electrically. Therefore, it is necessary for the secondary battery to have excellent temperature detection performance of the resistor element.
  • TCO thermal-cut-off
  • One aspect of the present invention is to provide a secondary battery capable of preventing the secondary battery from exploding due to overheating by quickly operating a resistor element when heat is generated in the secondary battery.
  • a rechargeable battery includes a battery assembly having a first electrode and a second electrode, a case accommodating the battery assembly, a first lead tab electrically connected to the first electrode, and a first lead tab; A resistor element electrically connected to the resistor element, and a second lead tab electrically connected to the resistor element, wherein one of the first lead tab and the second lead tab is electrically connected to the resistor element and has a first width. And a second portion connected to the first portion and having a second width that is wider than the first width.
  • the resistor element may include a first connection part connected to the first lead tab and a second connection part electrically connected to the second lead tab.
  • the first portion and the second connection portion of the second lead tab may be connected by a plurality of spot welding.
  • the display device may further include a connection member overlapping the first portion and the second connection portion of the second lead tab, wherein the second connection portion and the first portion of the second lead tab may be coupled to the connection member with a plurality of welding spots.
  • the display device may further include a third lead tab electrically connected to the second electrode.
  • the resistor element may include a positive temperature coefficient element in which the resistance increases infinitely at a set temperature.
  • the case may be a pouch.
  • a secondary battery includes a battery assembly having a first electrode and a second electrode, a case accommodating the battery assembly, an electrical connection with the first electrode, and a first small lead part and a second small lead part.
  • a resistor element having a first lead tab, a second lead tab connected to the second electrode, a first small lead portion, and a first connecting portion and a second connecting portion respectively connected to the second small lead portion, and a first small lead portion;
  • Auxiliary heating unit for connecting between the first connecting portion or between the second small lead portion and the second connecting portion.
  • the auxiliary heating portion includes a plurality of welding spots.
  • the second small lead part may have a first part having a first width and a second part having a width wider than the first width, and the first part may be connected to the auxiliary heating part.
  • the welding spot may be formed by friction welding or resistance welding.
  • the resistor element may include a positive temperature coefficient element in which the resistance increases infinitely at a set temperature.
  • the case may be a pouch.
  • the current blocking capability of the resistor element may be improved, thereby minimizing battery explosion due to overheating of the battery assembly.
  • FIG. 1 is a perspective view of a rechargeable battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating an electrode assembly and a pouch of the rechargeable battery illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of a portion of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a resistor element according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a rechargeable battery according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged plan view of a portion of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a graph measuring a temperature change with time of a secondary battery according to the prior art.
  • FIG. 8 is a graph measuring a temperature change with time of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a rechargeable battery according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of an electrode assembly and a pouch of the rechargeable battery illustrated in FIG. 1
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of a portion of FIG. 1.
  • 4 is a schematic cross-sectional view of a resistor element according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a rechargeable battery according to an exemplary embodiment of the present invention includes an electrode assembly 110 and a case accommodating the electrode assembly 110.
  • the case may be a square or pouch type, and will be described below using the pouch 120 as an example.
  • the electrode assembly 110 includes a first electrode 11, a second electrode 12, and a separator 13 positioned between the first electrode and the second electrode.
  • the separator 13 is for insulation, and may be stacked in the order of the first electrode 11, the separator 13, the second electrode 12, and the separator 13.
  • the electrode assembly 110 may be in the form of a jelly roll wound around a winding axis in a state in which the first electrode 11, the separator 13, and the second electrode 12 are stacked. If necessary, the electrode assembly may be pressed flatly after being wound, and the cross section may be approximately elliptical.
  • the electrode assembly 110 may have a substantially rectangular shape in cross section (not shown) in which the first electrode 11, the separator 13, and the second electrode 12 in a sheet form are repeatedly stacked. have.
  • the first electrode 11 and the second electrode 12 each include a first electrode active portion 11a and a second electrode active portion 12a coated with an active material on a thin plate formed of a strip-shaped metal foil.
  • the first electrode non-coating portion 11b and the second electrode non-coating portion 12b to which the active material is not coated are included.
  • the first electrode uncoated portion 11b and the second electrode uncoated portion 12b may be formed at regular intervals along one side of the first electrode active portion 11a and the second electrode active portion 12a, respectively.
  • the plurality of first electrode uncoated portions 11b may overlap or the second electrode uncoated portions 12b may overlap.
  • the plurality of first electrode uncoated portions 11b may be welded to each other by ultrasonic welding, and the plurality of second electrode uncoated portions 12b may be welded to each other by ultrasonic welding.
  • the first electrode uncoated portion 11b and the second electrode uncoated portion 12b are disposed not to be short-circuited at regular intervals.
  • the first electrode 11 may be a positive electrode of a secondary battery, and the first electrode active part 11a may be coated with an active material such as a transition metal oxide on a metal foil such as aluminum.
  • the second electrode 12 may be a negative electrode of the secondary battery, and the second electrode active part 12a may be coated with an active material such as graphite or carbon on a metal foil such as copper or nickel.
  • the separator 13 is made of a porous material, and may be made of polyolefin, polyethylene, polypropylene, or the like.
  • the electrode assembly 110 may be sealed after being inserted into the pouch with the electrolyte.
  • the electrolyte may be composed of lithium salts such as LiPF 6 and LiBF 4 in organic solvents such as EC, PC, DEC, EMC, and EMC.
  • the electrolyte can be liquid, solid or gel.
  • the pouch 120 includes a lower sheet 201 and an upper sheet 202 formed in a multilayer sheet structure.
  • the upper sheet 202 and the lower sheet 201 of the pouch each form an inner surface and insulate and heat-seal the polymer sheet 21, and form an outer surface to protect the PET (polyetylene terephthalate) sheet and nylon sheet.
  • PET-nylon composite sheet 25 a metal sheet 23 providing mechanical strength.
  • the metal sheet can be, for example, an aluminum sheet and is located between the adhesive sheet and the nylon sheet.
  • the upper sheet 202 or the lower sheet 201 may be formed in a concave structure to accommodate the electrode assembly 110.
  • the pouch 120 is sealed while the electrode assembly 110 is accommodated, and the terrace portion 250 is formed by heat-sealing the edges of the upper sheet and the lower sheet positioned around the electrode assembly 110.
  • the first electrode uncoated portion 11b and the second electrode uncoated portion 12b may be electrically connected to the first lead tab 42 and the second lead tab 44, respectively.
  • the first lead tab 42 and the second lead tab 44 are connected out of the heat-sealed pouch 120 to electrically draw the electrode assembly 110 to the outside of the pouch 120.
  • first lead tab 42 and the second lead tab 44 are formed of the upper sheet and the lower sheet heat-sealed in the terrace portion 250 formed on one side surface (yz plane of FIG. 1) of the pouch 120. It is disposed through the rim. In this case, the first lead tab 42 and the second lead tab 44 may be tightly sealed to the pouch 120 by the insulating member 80.
  • the terrace portion 250 flattens the edge of the upper sheet 202, which is bent along the electrode assembly 110, on the withdrawal side of the first lead tab 42 and the second lead tab 44. It can be formed by thermal fusion to the edge.
  • the secondary battery may include a protection circuit module (not shown) formed by mounting protection circuit elements on a circuit board to protect against overcharge, overdischarge, overcurrent, and external short.
  • a protection circuit module (not shown) formed by mounting protection circuit elements on a circuit board to protect against overcharge, overdischarge, overcurrent, and external short.
  • the second lead tab 44 may be directly connected to the protection circuit module (not shown), and the first lead tab 42 may be connected to the protection circuit module via the resistor element 300. Therefore, the first lead tab 42 includes a first small lead portion 42a and a second small lead portion 42b which are separated from both sides of the resistor element 300.
  • the resistor element 300 includes a positive temperature coefficient (PTC) element 33a in which resistance increases infinitely at a set temperature.
  • the positive temperature coefficient element 33a is in contact with the first connection portion 31 in the transfer portion 33, and the bimetal disc 33b is in contact with the upper surface of the PTC element 33a in the transfer portion 33.
  • the second connecting portion 32 is in contact with the first connecting portion 31 at the contact point 33f, and the second connecting portion 32 is also in contact with the bimetal disk 33b.
  • the first connection part 31 extends into the delivery part 33 and is partially exposed toward the bottom surface. Therefore, the first connecting portion 31 and the second connecting portion 32 are electrically connected.
  • Heat generated inside the pouch may be transferred to the PTC element 33a of the resistor element through the first small lead portion 42a of the first lead tab 42 or directly from the pouch. When such heat is transferred to the PTC element 33a of the resistor element 300, the PTC element 33a is heated to invert the bimetal disk 33b.
  • the inverted bimetal disc 33b pushes the second connecting portion 32 toward the upper surface of the transfer portion 33, that is, the cover plate 33d, the first connecting portion 31 and the second connecting portion 32 mutually And result in electrical cut off.
  • the temperature at which the PTC element is heated to cause electrical disconnection due to the resistor element may be set below a temperature at which the pouch explodes.
  • the width of the first small lead portion 42a of the first lead tab 42 is uniformly formed, while the second small lead portion 42b has a first width. And a second portion having a first portion and a second width L2.
  • the second width L2 may be larger than the first width L1.
  • the first small lead portion 42a is connected to the first connecting portion 31 of the resistor element 300, and the second small lead portion 42b is connected to the second connecting portion of the resistor element 300 through the connecting member 50. 32 can be connected.
  • a first portion having a first width L1 is coupled to the connection member 50.
  • One surface of the second connecting portion 32 and one surface of the connecting member 50 may contact each other, and may be joined by welding, and one surface of the second small lead portion 42b and one surface of the connecting member 50 may contact each other.
  • an area (hereinafter, referred to as a first welding part) in which the second connection part 32 and the connection member 50 are welded may be most of an area where the second connection part 32 and the connection member 50 overlap.
  • the region where the second small lead portion 42b and the connecting member 50 are welded (hereinafter, referred to as a second welding portion) is a region in which the second small lead portion 42b and the connecting member 50 overlap, Portions can be welded.
  • the second welding part may be formed by a spot welding method, and a plurality of welding spots 3 may be formed in an area where the second part 42b and the connection member 50 overlap each other.
  • the plurality of welding spots 3 may have the same size and may be formed at regular intervals, but are not limited thereto and may be formed in various sizes and intervals as necessary.
  • the second small lead part 42b of the first lead tab and the plurality of welding spots 3 form the auxiliary heating part D, and heat may be generated in the auxiliary heating part D due to a bottleneck of current. .
  • the width of the first portion is formed to a length that can generate heat by the bottleneck of the current, and the length can be adjusted according to the amount of heat required, but is not limited to this and various forms to obtain the required heat
  • the first portion can be formed.
  • heat can be generated by reducing the cross-sectional area of the path through which current flows by reducing the thickness of the first portion located in the path through which current flows, or by forming a relatively high resistance material to induce bottlenecks and heat generation. can do.
  • the amount of heat generated may be reduced, so that the welding spots may be formed in various numbers and sizes according to the amount of heat required.
  • the widths of the second small lead portions 42b connected to the resistor element 300 are different from each other, and the spot welding portions having the relatively narrow first width L1 are spot welded.
  • the current blocking capability of the resistor element 300 may be improved.
  • the battery assembly when the battery assembly is overheated due to an adverse reaction, heat is transferred to the resistor element 300.
  • the resistor element 300 since the battery assembly is located in the pouch and the resistor element 300 is located outside the pouch 120, a difference may occur between a temperature inside the pouch 120 and a temperature at which the resistor element 300 blocks current. Due to this temperature difference, before the resistor element 300 reaches a temperature at which the current is blocked, the temperature inside the pouch 120 may continue to rise so that the battery may explode before the resistor element 300 blocks the current. .
  • the embodiment of the present invention by reducing the difference between the temperature inside the pouch and the resistor element to cut off the current to cut off the current before the battery explodes, it is possible to prevent the explosion of the battery. That is, in the embodiment of the present invention by applying additional heat to the resistor element using the auxiliary heat generating unit (D), by reducing the temperature difference between the inside of the pouch and the resistor element to block the current to operate the resistor element before the battery explodes Let's do it.
  • the second small lead portion 42b of the auxiliary heat generating portion D is relatively narrow in width compared to other portions so that a bottleneck of current occurs, and the heat is transferred to an adjacent resistor element. At this time, the heat transferred to the resistor element does not heat the PTC element to a temperature at which the resistor element blocks the current. Therefore, when there is no heat transmitted inside the pouch, the phenomenon in which the resistor element cuts off current by heat generated in the auxiliary heat generating unit D does not occur.
  • the auxiliary heat generating unit D since the heat generated by the auxiliary heat generating unit D is further transferred, the resistor element blocks the current before the battery explodes, thereby preventing the battery from exploding. Therefore, it is preferable that the auxiliary heat generating unit D generates heat capable of raising the temperature of the resistor element above the temperature difference between the temperature inside the pouch and the resistor element.
  • the temperature inside the pouch must be at least about 85 ° C. so that the resistor element located outside the pouch can block the current.
  • the auxiliary heat generating unit since the temperature difference between the inside and the outside of the pouch is about 8 ° C., it is preferable that the auxiliary heat generating unit generates heat that can raise the temperature of the resistor element by about 8 ° C. or more.
  • auxiliary heat generating unit when the auxiliary heat generating unit is formed as in the embodiment of the present invention, heat generation can be easily induced according to the characteristics of the battery assembly and the resistor element, thereby improving the current blocking capability of the resistor element.
  • the auxiliary heating portion is connected to the second connection portion, but is not limited thereto and may be connected to the first connection portion if heat can be generated.
  • FIG. 5 is a perspective view of a rechargeable battery according to another exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is an enlarged plan view of a portion of FIG. 5.
  • the 5 and 6 includes an electrode assembly and a pouch 120 type case accommodating the electrode assembly.
  • the first electrode plain part of the electrode assembly is connected to the first lead tab 42 and the resistor element 300, and the second electrode plain part is connected to the second lead tab 44.
  • the first lead tab 42 and the second lead tab 44 may be installed through the terrace portion 250 of the pouch 120, and the resistor element 300 may be positioned on the terrace portion 250. .
  • the first lead tab 42 has a first sound portion 42a and a second small lead portion 42b connected to the first connection portion 31 and the second connection portion 32 with the resistor element 300 interposed therebetween. It includes.
  • the second small lead portion 42b has a first portion having a first width L1 and a second portion having a second width L1, and the second width L2 is wider than the first width L1. Can be formed.
  • the first portion having the first width L1 may be electrically connected to the second small lead portion 42b through the auxiliary heating portion, and the auxiliary heating portion may include a plurality of welding spots.
  • the first width (L1) is formed to a length that can generate heat by the bottleneck of the current, and can be adjusted according to the amount of heat required, but is not limited to this in various forms to obtain the required heat
  • the first portion may be formed. For example, heat can be generated by reducing the cross-sectional area of the path through which current flows by reducing the thickness of the first portion located in the path through which current flows, or by forming a relatively high resistance material to induce bottlenecks and heat generation. can do.
  • the amount of heat generated may be reduced, so that the welding spots may be formed in various numbers and sizes according to the amount of heat required.
  • Figure 8 is a graph measuring the temperature change with time of the secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • the temperature of the pouch when the current is blocked in the secondary battery according to the prior art is approximately 80 °C.
  • the temperature of the pouch when the current is cut off in the secondary battery according to the present invention can be seen that the current is cut even at a lower temperature than the conventional one.
  • first electrode 12 second electrode
  • first electrode active portion 12a second electrode active portion
  • transfer unit 33a PTC element
  • connection member 80 insulation member

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극 및 제2 전극을 가지는 전지 조립체, 전지 조립체를 수용하는 케이스, 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제1 리드 탭, 제1 리드 탭과 전기적으로 연결되어 있는 저항체 소자, 저항체 소자와 전기적으로 연결되어 있는 제2 리드 탭을 포함하고, 제1 리드 탭 및 제2 리드 탭 중 어느 하나는 상기 저항체 소자와 전기적으로 연결되며 제1 폭을 가지는 제1 부분, 상기 제1 부분과 연결되어 있으며 상기 제1 폭보다 넓은 제2 폭을 가지는 제2 부분을 포함한다.

Description

이차 전지
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 저항체 소자를 포함하는 이차 전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발에 따라 에너지원으로써 이차 전지의 수요가 증가되고 있으며, 또한 고에너지화, 소형화, 경량화 및 박형화가 요구된다. 예를 들면, 이차 전지에는 폴리머 고체 전해질 필름을 이용하여 평평하게 형성됨으로써 이차 전지의 박형화를 효과적으로 구현하는 리튬이온 폴리머 전지가 있다.
리튬이온 폴리머 이차 전지는 리튬이온을 통과시키는 폴리머 고체 전해질 필름을 사이에 두고 양면에 양극과 음극을 적층하여 전극 조립체를 형성하고, 전극 조립체의 양면에 외장재를 배치하여 외장재의 주변부를 열융착하여 파우치를 형성함으로써 전극 조립체를 파우치에 내장한다.
전극 조립체의 양극에 연결되는 양극 리드탭과 음극에 연결되는 음극 리드탭은 파우치의 일측으로 인출된다. 양극 리드탭과 음극 리드탭은 보호 회로 부품들을 실장하는 보호 회로 모듈(PCM, Protection Circuit Module)에 전기적으로 연결된다.
보호 회로 모듈은 이차 전지의 과충전, 과방전, 과전류 및 쇼트(short)를 방지하도록 형성된다. 또한 보호 회로 모듈과 양극 리드탭 사이에 양성 온도 계수(Positive Temperature Coefficient)를 가지는 저항체 소자가 사용된다.
저항체 소자, 즉 TCO(Thermal-Cut-Off)는 이차 전지의 온도가 설정된 위험 값에 이르면 양극 리드탭과 보호 회로 모듈을 전기적으로 차단하고, 이차 전지의 온도가 설정된 안전 값에 이르면 양극 리드탭과 보호 회로 모듈을 전기적으로 다시 연결한다. 따라서 이차 전지에 대하여 저항체 소자의 온도 검출 성능이 우수할 필요가 있다.
본 발명의 일 측면은 이차 전지에서 발열이 발생할 때, 저항체 소자를 신속하게 동작시켜 이차 전지가 과열로 인해서 폭발하는 것을 방지할 수 있는 이차 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지는, 제1 전극 및 제2 전극을 가지는 전지 조립체, 전지 조립체를 수용하는 케이스, 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제1 리드 탭, 제1 리드 탭과 전기적으로 연결되어 있는 저항체 소자, 저항체 소자와 전기적으로 연결되어 있는 제2 리드 탭을 포함하고, 제1 리드 탭 및 제2 리드 탭 중 어느 하나는 상기 저항체 소자와 전기적으로 연결되며 제1 폭을 가지는 제1 부분, 상기 제1 부분과 연결되어 있으며 상기 제1 폭보다 넓은 제2 폭을 가지는 제2 부분을 포함한다.
상기 저항체 소자는 제1 리드 탭과 연결되는 제1 연결부, 제2 리드탭과 전기적으로 연결되는 제2 연결부를 포함할 수 있다.
상기 제2 리드 탭의 제1 부분과 제2 연결부는 복수의 스팟 용접으로 연결될 수 있다.
상기 제2 리드 탭의 제1 부분 및 제2 연결부와 중첩하는 연결 부재를 더 포함하고, 제2 연결부 및 제2 리드탭의 제1 부분은 복수의 용접 스팟으로 연결 부재에 결합될 수 있다.
상기 제2 전극과 전기적으로 연결된 제3 리드 탭을 더 포함할 수 있다.
상기 저항체 소자는 설정된 온도에서 저항이 무한대로 증대되는 양성 온도 계수 소자를 포함할 수 있다.
상기 케이스는 파우치일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지는 제1 전극 및 제2 전극을 가지는 전지 조립체, 전지 조립체를 수용하는 케이스, 제1 전극과 전기적으로 연결되며 제1 소 리드부 및 제2 소 리드부를 가지는 제1 리드 탭, 제2 전극과 연결되어 있는 제2 리드 탭, 제1 소 리드부 및 상기 제2 소 리드부와 각각 연결된 제1 연결부 및 제2 연결부를 가지는 저항체 소자, 제1 소 리드부와 상기 제1 연결부 사이 또는 상기 제2 소 리드부와 상기 제2 연결부 사이를 연결하는 보조 발열부를 포함한다.
상기 보조 발열부는 복수의 용접 스팟을 포함한다.
상기 제2 소 리드부는 제1 폭을 가지는 제1 부분, 제1 폭보다 넓은 폭을 가지는 제2 부분을 가지고, 제1 부분은 보조 발열부와 연결될 수 있다.
상기 용접 스팟은 마찰 용접 또는 저항 용접으로 형성될 수 있다.
상기 저항체 소자는 설정된 온도에서 저항이 무한대로 증대되는 양성 온도 계수 소자를 포함할 수 있다.
상기 케이스는 파우치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 보조 발열부를 형성함으로써, 저항체 소자의 전류 차단 능력을 향상시켜, 전지 조립체의 과열로 인한 전지 폭발을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 이차 전지의 전극 조립체와 파우치를 분해한 사시도이다.
도 3은 도 1의 일부분을 확대 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 저항체 소자의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이다.
도 6은 도 5의 일부분을 확대 도시한 평면도이다.
도 7은 종래 기술에 따른 이차 전지의 시간에 따른 온도 변화를 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 시간에 따른 온도 변화를 측정한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 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.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 이차 전지의 전극 조립체와 파우치를 분해한 사시도이고, 도 3은 도 1의 일부분을 확대 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 저항체 소자의 개략적인 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 이차 전지는 전극 조립체(110), 전극 조립체(110)를 수용하는 케이스를 포함한다. 케이스는 각형 또는 파우치형일 수 있으며, 이하에서는 파우치(120)형을 예로 들어 설명한다.
전극 조립체(110)는 제1 전극(11), 제2 전극(12), 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터(13)를 포함한다. 세퍼레이터(13)는 절연을 위한 것으로, 제1 전극(11), 세퍼레이터(13), 제2 전극(12), 세퍼레이터(13) 순으로 적층될 수도 있다.
전극 조립체(110)는 제1 전극(11), 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)이 적층된 상태로 권회축을 중심으로 권취된 젤리롤(jelly roll) 형태일 수 있다. 필요에 따라서 전극 조립체는 권취된 후 납작하게 가압될 수 있으며, 횡단면이 대략 타원형일 수 있다.
또한, 전극 조립체(110)는 시트(sheet) 형태의 제1 전극(11), 세퍼레이터(13) 및 제2 전극(12)이 반복적으로 적층된 형태(도시하지 않음)로 횡단면이 대략 직사각형일 수 있다.
제1 전극(11) 및 제2 전극(12)은 각각 띠 형상의 금속 포일(foil)로 형성되는 박판에 활물질이 도포된 제1 전극 활성부(11a) 및 제2 전극 활성부(12a)와 활물질이 도포되지 않은 제1 전극 무지부(11b) 및 제2 전극 무지부(12b)를 포함한다. 제1 전극 무지부(11b) 및 제2 전극 무지부(12b)는 각각 제1 전극 활성부(11a) 및 제2 전극 활성부(12a)의 일변을 따라서 일정 간격마다 형성될 수 있으며, 권회축을 중심으로 감아져 복수의 제1 전극 무지부(11b)들이 중첩하거나 제2 전극 무지부(12b)들이 중첩될 수 있다.
복수의 제1 전극 무지부(11b)들은 서로 초음파 용접 등으로 용접될 수 있고, 복수의 제2 전극 무지부(12b)들은 서로 초음파 용접등으로 용접될 수 있다.
제1 전극 무지부(11b)와 제2 전극 무지부(12b)는 일정간격 이격되어 단락되지 않도록 배치된다. 예를 들어, 제1 전극(11)은 이차 전지의 양극일 수 있으며, 제1 전극 활성부(11a)는 알루미늄과 같은 금속 포일 위에 전이 금속 산화물 등의 활물질이 도포될 수 있다. 그리고 제2 전극(12)은 이차 전지의 음극일 수 있으며, 제2 전극 활성부(12a)는 구리 또는 니켈과 같은 금속 포일 위에 흑연 또는 탄소 등의 활물질이 도포될 수 있다.
세퍼레이터(13)는 다공성 소재로 이루어지며, 폴리 올레핀, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌 등으로 이루어질 수 있다.
전극 조립체(110)는 전해질과 함께 파우치에 삽입된 후 밀봉될 수 있다. 전해액은 EC, PC, DEC, EMC, EMC와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
파우치(120)는 다층 시트 구조에 이루어지는 하부 시트(201)와 상부 시트(202)를 포함한다. 예를 들어, 파우치의 상부 시트(202) 및 하부 시트(201)는 각각 내면을 형성하며 절연 및 열융착 작용하는 폴리머 시트(21), 외면을 형성하여 보호 작용하는 PET(polyetyleneterephthalate) 시트, 나일론 시트 또는 PET-나일론 복합 시트(25), 기계적 강도를 제공하는 금속 시트(23)를 포함한다. 금속 시트는 예를 들어 알루미늄 시트일 수 있으며, 접착 시트와 나일론 시트 사이에 위치한다.
상부 시트(202) 또는 하부 시트(201)는 전극 조립체(110)를 수용하도록 오목 한 구조로 형성될 수 있다.
파우치(120)는 전극 조립체(110)가 수용된 후, 전극 조립체(110) 주위에 위치하는 상부 시트와 하부 시트의 테두리부를 서로 열융착하여 테라스부(250)가 형성되면서 밀봉(sealing)된다.
제1 전극 무지부(11b)와 제2 전극 무지부(12b)는 각각 제1 리드 탭(42) 및 제2 리드 탭(44)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 리드 탭(42)와 제2 리드 탭(44)는 열융착된 파우치(120) 밖으로 연결되어 전극 조립체(110)를 파우치(120) 외부에 전기적으로 인출한다.
즉, 제1 리드 탭(42)과 제2 리드 탭(44)은 파우치(120)의 일측면(도 1의 yz평면)에 형성되는 테라스부(250)에서 열융착된 상부 시트 및 하부 시트의 테두리부를 관통하여 배치된다. 이때, 제1 리드 탭(42)와 제2 리드 탭(44)는 각각의 절연 부재(80)에 의하여 파우치(120)와 더 밀착되어 밀봉될 수 있다.
테라스부(250)는 제1 리드 탭(42) 및 제2 리드 탭(44)의 인출 측에서, 전극 조립체(110)를 따라 절곡되는 상부 시트(202)의 테두리를 하부 시트(201)의 평평한 테두리에 열융착 함으로써 형성될 수 있다.
이차 전지는 과충전, 과방전, 과전류 및 외부 쇼트로부터 보호하기 위하여, 회로 기판에 보호 회로 소자들을 실장하여 형성되는 보호 회로 모듈(도시하지 않음)을 포함할 수 있다.
제2 리드 탭(44)은 보호 회로 모듈에 직접 연결(도시하지 않음)되고, 제1 리드 탭(42)은 저항체 소자(300)를 개재하여 보호 회로 모듈에 연결될 수 있다. 따라서, 제1 리드 탭(42)은 저항체 소자(300)를 중심으로 양쪽으로 분리된 제1 소 리드부(42a)와 제2 소 리드부(42b)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 저항체 소자(300)는 설정된 온도에서 저항이 무한대로 증대되는 양성 온도 계수(positive temperature coefficient, 이하 PTC) 소자(33a)를 포함한다. 양성 온도 계수 소자(33a)는 전달부(33) 내에서 제1 연결부(31)와 접촉하고, 바이 메탈 디스크(33b)는 전달부(33) 내에서 PTC소자(33a)의 상부면과 접촉한다. 제2 연결부(32)는 접촉점(33f)에서 제1 연결부(31)와 접촉하며, 제2 연결부(32)는 바이메탈 디스크(33b)와도 접촉한다. 제1 연결부(31)는 전달부(33)의 내부로 연장되며, 하면을 향하여 부분적으로 노출된다. 따라서, 제1 연결부(31)와 제2 연결부(32)는 전기적으로 연결된다.
파우치 내부에서 발생되는 열은 제1 리드 탭(42)의 제1 소 리드부(42a)를 통하거나, 파우치로부터 직접 저항체 소자의 PTC 소자(33a)에 전달될 수 있다. 이와 같은 열이 저항체 소자(300)의 PTC소자(33a)에 전달되면, PTC소자(33a)는 가열되어 바이 메탈 디스크(33b)를 반전시킨다.
반전된 바이메탈 디스크(33b)가 제2 연결부(32)를 전달부(33)의 상부면, 즉 커버 플레이트(33d)를 향해 밀어주면, 제1 연결부(31)와 제2 연결부(32)가 서로 분리되어 결과적으로 전기적인 단선(cut off)이 된다. 이때, PTC 소자가 가열되어 저항체 소자로 인해서 전기적인 단선이 이루어지는 온도는 파우치가 폭발하는 온도 이하로 설정될 수 있다.
다시, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 리드 탭(42)의 제1 소 리드부 (42a)의 폭은 일정하게 형성되는 반면, 제2 소 리드부(42b)는 제1 폭을 가지는 제1 부분과 제2 폭(L2)을 가지는 제2 부분을 포함한다. 이때, 제2 폭(L2)은 제1 폭(L1)보다 클 수 있다. 제1 소 리드부(42a)는 저항체 소자(300)의 제1 연결부(31)와 연결되고, 제2 소 리드부(42b)은 연결 부재(50)를 통해서 저항체 소자(300)의 제2 연결부(32)와 연결될 수 있다. 제2 소 리드부(42b)는 제1 폭(L1)을 가지는 제1 부분이 연결 부재(50)와 결합된다.
제2 연결부(32)의 일면과 연결 부재(50)의 일면이 서로 접촉하며, 용접으로 결합될 수 있으며, 제2 소 리드부(42b)의 일면과 연결 부재(50)의 일면이 서로 접촉하며, 용접으로 결합될 수 있다. 이때, 제2 연결부(32)와 연결 부재(50)가 용접된 영역(이하, 제1 용접부라 함)은, 제2 연결부(32)와 연결 부재(50)가 중첩하는 영역의 대부분일 수 있다. 그리고 제2 소 리드부(42b)와 연결 부재(50)가 용접된 영역(이하, 제2 용접부라 함)은, 제2 소 리드부(42b)와 연결 부재(50)가 중첩하는 영역 중, 일부분이 용접될 수 있다. 제2 용접부는 스팟 용접법으로 형성될 수 있으며, 제2 부분(42b)와 연결 부재(50)가 중첩하는 영역 내에서 복수의 용접 스팟(3)이 형성될 수 있다.
복수의 용접 스팟(3)은 동일한 크기로, 일정한 간격을 두고 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 크기 및 간격으로 형성될 수 있다.
제1 리드탭의 제2 소 리드부(42b)와 복수의 용접 스팟(3)은 보조 발열부(D)를 형성하며, 전류의 병목 현상으로 인해서 보조 발열부(D)에서 열이 발생할 수 있다.
따라서, 제1 부분의 폭은 전류의 병목 현상에 의해서 열이 발생할 수 있는 길이로 형성하며, 필요로 하는 열량에 따라서 길이를 조절할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 필요로 하는 열을 얻기 위해서 다양한 형태로 제1 부분을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전류가 이동하는 경로에 위치하는 제1 부분의 두께를 줄여 전류가 이동하는 경로의 단면적을 줄임으로써 열을 발생시키거나, 상대적으로 저항이 높은 물질로 형성하여 병목 현상 및 발열을 유도할 수 있다.
또한, 용접 스팟의 개수 및 크기가 증가할수록 발생되는 열량은 줄어들 수 있으므로, 필요로 하는 열량에 따라서 다양한 개수 및 크기로 용접 스팟을 형성할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에서와 같이 저항체 소자(300)와 연결되는 제2 소 리드부(42b)의 폭을 서로 다르게 형성하고, 상대적으로 좁은 제1 폭(L1)을 가지는 부분을 스팟 용접함으로써 보조 발열부(D)를 형성하면, 저항체 소자(300)의 전류 차단 능력을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 이상 반응으로 인해서 전지 조립체가 과열될 경우, 이로 인한 열이 저항체 소자(300)에 전달된다. 이때, 전지 조립체는 파우치 내에 위치하고, 저항체 소자(300)는 파우치(120) 밖에 위치함으로써 파우치(120) 내부의 온도와 저항체 소자(300)가 전류를 차단하도록 설정된 온도 사이에 차이가 발생할 수 있다. 이러한 온도 차이로 인해서, 저항체 소자(300)가 전류를 차단하는 온도까지 도달하기 전에, 파우치(120) 내부의 온도는 계속 상승하여 저항체 소자(300)가 전류를 차단하기 전에 전지가 폭발할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 파우치 내부와 저항체 소자가 전류를 차단하는 온도 사이의 차이를 줄여 전지가 폭발하기 전에 전류를 차단시켜, 전지의 폭발을 방지할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 보조 발열부(D)를 이용하여 저항체 소자에 추가로 열을 가함으로써, 파우치 내부와 저항체 소자가 전류를 차단하는 온도 차이를 줄여 전지가 폭발하기 전에 저항체 소자를 동작시킨다.
보조 발열부(D)의 제2 소 리드부(42b)는 상대적으로 다른 부분에 비해서 폭이 좁아 전류의 병목 현상이 발생하고, 이 열은 인접한 저항체 소자에 전달된다. 이때, 저항체 소자에 전달되는 열은 저항체 소자가 전류를 차단하는 온도까지 PTC소자를 가열하지 못한다. 따라서, 파우치 내부에서 전달되는 열이 없는 경우, 보조 발열부(D)에서 발생되는 열에 의해서 저항체 소자가 전류를 차단하는 현상은 발생하지 않는다.
반면, 파우치 내부에서 이상 반응이 발생하면, 열이 발생하고, 파우치 내부의 열은 보조 발열부(D)에서 전달되는 열과 함께 저항체 소자로 전달되어, 저항체 소자가 전류를 차단하는 온도까지 빠르게 상승시킨다.
즉, 보조 발열부(D)로 인한 열이 추가로 전달됨으로써, 전지가 폭발하기 전에 저항체 소자가 전류를 차단하여 전지가 폭발하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 보조 발열부(D)는 파우치 내부의 온도와 저항체 소자의 온도 차이 이상으로 저항체 소자의 온도를 상승시킬 수 있는 열을 발생시키는 것이 바람직하다.
예를 들어, 77℃에서 전류를 차단하도록 설정된 저항체 소자를 사용할 때, 파우치 내부의 온도는 대략 85℃ 이상이어야 파우치 밖에 위치하는 저항체 소자가 전류를 차단할 수 있다. 이때, 파우치 내부와 외부의 온도 차이가 대략 8℃가 발생하므로, 보조 발열부는 저항체 소자의 온도를 대략 8℃ 이상 상승시킬 수 있는 열을 발생시키는 것이 바람직하다.
이처럼, 본 발명의 실시예에서와 같이 보조 발열부를 형성하면 전지 조립체 및 저항체 소자의 특성에 따라서 용이하게 발열을 유도할 수 있으며, 이로 인해서 저항체 소자의 전류 차단 능력을 향상시킬 수 있다.
이상의 실시예에서는 보조 발열부를 제2 연결부와 연결되는 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 열이 발생할 수 있으면 제1 연결부와 연결할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지의 사시도이고, 도 6은 도 5의 일부분을 확대 도시한 평면도이다.
도 5 및 도 6의 이차 전지는 대부분 도 1 내지 도 4의 이차 전지와 동일하므로 다른 부분에 대해서만 구체적으로 설명한다.
도 5 및 도 6의 이차 전지는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 파우치(120)형 케이스를 포함한다. 전극 조립체의 제1 전극 무지부는 제1 리드탭(42) 및 저항체 소자(300)와 연결되어 있고, 제2 전극 무지부는 제2 리드탭(44)가 연결되어 있다.
제1 리드 탭(42)과 제2 리드 탭(44)은 파우치(120)의 테라스부(250)를 관통하여 설치될 수 있으며, 저항체 소자(300)는 테라스부(250) 위에 위치할 수 있다.
제1 리드탭(42)은 저항체 소자(300)를 사이에 두고 제1 연결부(31) 및 제2 연결부(32)와 각각 연결되는 제1 소리드부(42a)와 제2 소 리드부(42b)를 포함한다.
제2 소 리드부(42b)는 제1 폭(L1)을 가지는 제1 부분과 제2 폭(L1)을 가지는 제2 부분을 가지고, 제2 폭(L2)이 제1 폭(L1)보다 넓게 형성될 수 있다.
제1 폭(L1)을 가지는 제1 부분은 제2 소 리드부(42b)에 보조 발열부를 통해서 전기적으로 연결될 수 있으며, 보조 발열부는 복수의 용접 스팟을 포함할 수 있다.
제1 폭(L1)은 전류의 병목 현상에 의해서 열이 발생할 수 있는 길이로 형성하며, 필요로 하는 열량에 따라서 길이를 조절할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 필요로 하는 열을 얻기 위해서 다양한 형태로 제1 부분을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전류가 이동하는 경로에 위치하는 제1 부분의 두께를 줄여 전류가 이동하는 경로의 단면적을 줄임으로써 열을 발생시키거나, 상대적으로 저항이 높은 물질로 형성하여 병목 현상 및 발열을 유도할 수 있다.
또한, 용접 스팟의 개수 및 크기가 증가할수록 발생되는 열량은 줄어들 수 있으므로, 필요로 하는 열량에 따라서 다양한 개수 및 크기로 용접 스팟을 형성할 수 있다.
도 7은 종래 기술에 따른 이차 전지의 시간에 따른 온도 변화를 측정한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 시간에 따른 온도 변화를 측정한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 종래 기술에 따른 이차 전지에서 전류가 차단될 때의 파우치의 온도는 대략 80℃인 것을 확인할 수 있다.
그리고 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 이차 전지에서 전류가 차단될 때의 파우치의 온도는 대략 60℃로 종래보다 낮은 온도에서도 전류가 차단되는 것을 알 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
- 부호의 설명 -
3: 용접 스팟
11: 제1 전극 12: 제2 전극
11a: 제1 전극 활성부 12a: 제2 전극 활성부
11b: 제1 전극 무지부 12b; 제2 전극 무지부
13: 세퍼레이터 31: 제1 연결부
21: 폴리머 시트 23: 금속 시트
25: 복합 시트 32: 제2 연결부
33: 전달부 33a: PTC소자
42: 제1 리드 탭 42a: 제1 부분
42b: 제2 부분 44: 제2 리드 탭
50: 연결 부재 80: 절연 부재
110: 전극 조립체 120: 파우치
201: 하부 시트 202: 상부 시트
250: 테라스부 300: 저항체 소자

Claims (13)

  1. 제1 전극 및 제2 전극을 가지는 전지 조립체,
    상기 전지 조립체를 수용하는 케이스,
    상기 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제1 리드 탭,
    상기 제1 리드 탭과 전기적으로 연결되어 있는 저항체 소자,
    상기 저항체 소자와 전기적으로 연결되어 있는 제2 리드 탭
    을 포함하고,
    상기 제1 리드 탭 및 제2 리드 탭 중 어느 하나는 상기 저항체 소자와 전기적으로 연결되며 제1 폭을 가지는 제1 부분, 상기 제1 부분과 연결되어 있으며 상기 제1 폭보다 넓은 제2 폭을 가지는 제2 부분을 포함하는 이차 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 저항체 소자는 상기 제1 리드 탭과 연결되는 제1 연결부,
    상기 제2 리드탭과 전기적으로 연결되는 제2 연결부
    를 포함하는 이차 전지.
  3. 제2항에서,
    상기 제2 리드 탭의 제1 부분과 상기 제2 연결부는 복수의 스팟 용접으로 연결되어 있는 이차 전지.
  4. 제2항에서,
    상기 제2 리드 탭의 제1 부분 및 상기 제2 연결부와 중첩하는 연결 부재
    를 더 포함하고,
    상기 제2 연결부 및 상기 제2 리드탭의 제1 부분은 복수의 용접 스팟으로 상기 연결 부재에 결합되어 있는 이차 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 제2 전극과 전기적으로 연결된 제3 리드 탭을 더 포함하는 이차 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 저항체 소자는 설정된 온도에서 저항이 무한대로 증대되는 양성 온도 계수 소자를 포함하는 이차 전지.
  7. 제1항에서,
    상기 케이스는 파우치인 이차 전지.
  8. 제1 전극 및 제2 전극을 가지는 전지 조립체,
    상기 전지 조립체를 수용하는 케이스,
    상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며 제1 소 리드부 및 제2 소 리드부를 가지는 제1 리드 탭,
    상기 제2 전극과 연결되어 있는 제2 리드 탭,
    상기 제1 소 리드부 및 상기 제2 소 리드부와 각각 연결된 제1 연결부 및 제2 연결부를 가지는 저항체 소자,
    상기 제1 소 리드부와 상기 제1 연결부 사이 또는 상기 제2 소 리드부와 상기 제2 연결부 사이를 연결하는 보조 발열부
    를 포함하는 이차 전지.
  9. 제8항에서,
    상기 보조 발열부는 복수의 용접 스팟을 포함하는 이차 전지.
  10. 제9항에서,
    상기 제2 소 리드부는 제1 폭을 가지는 제1 부분, 상기 제1 폭보다 넓은 폭을 가지는 제2 부분을 가지고,
    상기 제1 부분은 상기 보조 발열부와 연결되어 있는 이차 전지.
  11. 제9항에서,
    상기 용접 스팟은 마찰 용접 또는 저항 용접으로 형성된 이차 전지.
  12. 제8항에서,
    상기 저항체 소자는 설정된 온도에서 저항이 무한대로 증대되는 양성 온도 계수 소자를 포함하는 이차 전지.
  13. 제8항에서,
    상기 케이스는 파우치인 이차 전지.
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