KR20070088991A - Ｐｃｍ이 장착되지 않은 안전한 이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 능동소자를 포함하는 PCM을 장착하지 않는 이차전지로서, 과전류 제어용 열적 안전소자와 과전압 제어용 비선형 저항 소자가 안전소자로서 포함되어 있는 것으로 구성된 우수한 안전성의 이차전지를 제공한다. 본 발명의 이차전지는 전지의 성능을 저하시키지 않으면서, 고가의 능동소자를 포함하는 PCM을 사용하지 않고도 과전류 및 과전압을 제어하여 전지의 안전성을 담보할 수 있으므로, 저렴한 비용으로 이차전지의 제조가 가능하다.

Description

ＰＣＭ이 장착되지 않은 안전한 이차전지 {Stable Secondary Battery without PCM}

도 1은 종래기술에 따라 전지셀에 PCM이 장착되는 구조의 하나의 예시적인 이차전지의 분해 사시도이다;

도 2는 2S(직렬) 이차전지에서 PCM이 포함되어 있는 구조의 회로도이다;

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 회로도이다;

도 4 내지 6에는 본 발명의 일부 구체적인 실시예들에 따른 이차전지의 회로도들이다.

본 발명은 PCM이 장착되지 않은 안전한 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 능동소자를 포함하는 PCM가 장착되지 않은 이차전지로서, 과전류 제어용 열적 안전소자와 과전압 제어용 비선형 저항 소자가 안전소자로서 포함되어 있는 구성의 이차전지에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이 차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 재료면에서 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 이차전지에 대한 수요가 높고, 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있고 높은 집적도로 적층되어 제조되는 전지모듈의 전지로도 사용될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지에 대한 수요가 높다.

그러나, 리튬 이차전지는 상기와 같은 장점을 가지는 반면에, 안전성이 낮다는 근본적인 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 전지가 과충전되는 경우에는 전극에서의 전해액 분해반응이 촉진되어 가연성 가스가 발생하고, 내부 단락 등과 같은 다양한 의해 야기된 과전류는 전지의 온도를 상승시켜 전지 구성요소의 분해반응을 유발한다. 이러한 과충전, 과전류 등으로 인해 전지는 발화하기 쉽고 경우에 따라서는 폭발할 가능성도 있다. 또한, 과전류가 아니더라도 기타의 원인에 의한 온도 상승은 상기와 같은 문제점을 유발한다. 따라서, 리튬 이차전지에는 이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 안전소자들이 내장되어 있다.

이러한 안전소자의 대표적인 예로는, PTC, 퓨즈, 바이메탈 등을 들 수 있다. 그 중, PTC는 과전류 등에 의한 온도 상승시 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 안전소자이고, 퓨즈는 역시 과전류 등에 의한 온도 상승시 절단되어 전류를 차단하는 안전소자이다. 또한, 바이메탈은 온도 상승시 열팽창률의 차이에 의해 전기적 연결을 차단하는 안전소자이다.

이러한 안전소자들은 모두 과전류에 의한 문제점을 해결하는 효과는 있지만, 과충전, 과방전 등과 같은 과전압에 의한 문제점을 해결하지는 못한다. 전지의 과방전은 안전성 문제를 초래하지는 않지만, 음극 재료의 붕괴를 유발하여 전지의 성능을 크게 저하시키는 원인으로 작용한다. 따라서, 전지의 과전압을 해소하기 위하여 일반적으로는 보호회로 모듈(PCM)이 전지셀에 추가로 장착된다.

도 1에는 종래기술에 따라 전지셀에 PCM이 장착되는 구조의 하나의 예시적인 이차전지의 분해 사시도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 이차전지(100)는 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 전극조립체(도시하지 않음)가 전해질과 함께 내장되어 있는 전지셀(110)의 상단에, PTC 블록(201)과 PCM 기판(202)이 니켈 플레이트(120, 122, 124, 126)에 의해 전기적으로 연결되어 탑재되며, 그 상부에 전지절연성 소재의 탑 캡(300)이 장착되는 구조로 이루어져 있다. 전지(100)의 조립이 완료된 상태에서, PCM 기판(210)의 상단에 형성되어 있는 외부 입출력 단자들(212, 214)은 탑 캡(300)의 개구(310, 320)를 통해 외부로 노출된다. 따라서, 전지셀(110)은 PTC 블록(201)과 PCM 기판(202)을 경유하여 그것의 전류가 통전되게 되므로, 이들 안전소자들(201, 202)에 의해 과전류 및 과전압이 제어된다.

도 2에는 2S(직렬) 이차전지에서의 PCM의 구조를 보여주는 회로도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, PCM(200)은 Control IC(210)과 MosFET(220, 230)와 같은 능동소자들로 이루어져 있고, 전압 센서(240)와 전류 센서(242) 및 캐패시터(250)를 포함하고 있다.

직렬로 연결된 전지셀들(110, 112)의 음극 쪽에는 퓨즈 또는 PTC(260)가 연결되어 있고, 양 단부에 외부 입출력 단자들(V+, V-)이 연결되어 있다.

이들의 작동을 설명하면, 제 1 전지셀(110)의 전압(전압센서에 VC 간의 전압)과 제 2 전지셀(112)의 검출 전압(VC에서 VSS 간의 전압) 중 하나의 전압이 과충전 방지 전압에 도달하면, Control IC(210)는 충전 MosFET(230)를 오프 상태로 전환시켜 전류를 차단하다. 반대로, 제 1 전지셀(110)의 전압과 제 2 전지셀(112)의 검출 전압 중 하나의 전압이 과방전 방지 전압에 도달하면, Control IC(210)는 방전 MosFET(220)를 오프 상태로 전환시켜 전류를 차단하다. 상기 검출전압이 과충전 방지 전압 이하로 떨어지거나 과방전 방지 전압 이상으로 올라가면, Control IC(210)는 충전 MosFET(230) 또는 방전 MosFET(220)를 온 상태로의 재전환에 의해 통전시킨다. 이러한 Control IC(210)에 의한 MosFET(220, 230)의 작동 지연시간은 캐패시터(250)에 의해 결정된다.

과전류의 경우에는, 전류센서(242)에서 VSS 간 전압 차이에 의해 Control IC(210)는 방전 MosFET(220)를 오프 상태로 전환시켜 전류를 차단한다. 또한, 전류가 소정값 이상으로 증가하여 온도가 상승하는 경우에는 PTC(260)에 의해 차단됨으로써 안전성을 보장하게 된다.

그러나, PCM(200)은 과전압 및 과전류를 효과적으로 제어하여 전지의 안전성을 담보하지만, 사용되는 능동소자들(210, 220, 230)이 고가이므로 전지의 제조비용을 증가시키는 주요 요인이다.

따라서, 최근에는 PCM을 장착하지 않은 전지, 이른바, PCMless 전지가 개발 되어 일부 사용되고 있다. 이러한 PCMless 전지들은 주로 전해액, 전극 활물질 등에 과전압 방지를 위한 물질 등을 첨가하여 소정의 수준에서 안전성을 확보하고 있다. 그러나, 첨가제 등을 사용하는 방식은 전지의 성능을 저하시키는 단점을 가지고 있으며, 더욱이 상기와 같은 수준의 안전성은 PCM을 장착한 전지에 비해 현저히 낮다는 단점을 가지고 있다. 또한, 첨가제는 화학적 반응에 기반하여 안전성을 제공하므로, 전지 내부의 복잡한 반응 조건에서 신뢰성 있게 작용하기는 어렵다는 근본적인 문제점도 가지고 있다.

따라서, PCM을 사용하지 않음으로써 전지의 제조비용을 낮추고 동시에 소망하는 수준의 안전성을 확보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높아지고 있다. 특히, 최근 전지의 사용분야가 크게 증가하면서 더욱 저렴한 전지의 수요가 증가하는 점을 고려할 때, 그에 대한 기술의 개발 필요성은 더욱 높다고 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험들을 거듭한 끝에, 이차전지에서 발생하는 과전류는 기존의 PTC, 퓨즈, 바이메탈 등에 의해 제어하고, 과전압은 배리스터, 제너 다이오드, TVS 다이오드 등에 의해 제어되도록 구성할 경우, 고가의 능동소자를 포함하는 기존의 PCM을 사용하지 않고도, 전지의 안전성을 담보할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 이차전지는, 능동소자를 포함하는 PCM을 장착하지 않는 이차전지로서, 과전류 제어용 열적 안전소자와 과전압 제어용 비선형 저항 소자가 안전소자로서 포함되어 있는 것으로 구성되어 있다.

즉, 본 발명의 이차전지는 Control IC, 충전 MosFET, 방전 MosFET 등의 능동소자 대신에 비선형 저항 소자를 과전압 방지용 안전소자로서 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 능동소자를 사용하지 않음으로써, 도 2에서와 같은 전류센서 및 전압센서 역시 필요치 않게 된다. 따라서, 전지의 제조비용이 크게 줄어들고 보호회로의 구성이 더욱 간소해 진다.

상기 열적 안전소자는 앞서 설명한 바와 같이 전류의 증가에 따라 온도가 상승할 때 저항이 크게 증가함으로써 전류를 차단하는 소자로서, 과전류를 안정적으로 제어하는 역할을 한다. 이러한 열적 안전소자의 대표적인 예로는 PTC, 퓨즈, 바이메탈 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 안전소자는 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 함께 포함될 수도 있다. 그 중에서도, 전류의 크기가 소정 이하로 낮아졌을 때 가역적인 사용이 가능하며 구조가 간단한 PTC가 특히 바람직하다.

상기 비선형 저항 소자는 전압의 증가에 따라 저항의 증가가 비선형적으로 변화되는 소자로서, 예를 들어, 과충전에 의한 전압 증가시 저항이 크게 증가하여 전류의 흐름을 차단하게 된다. 이러한 비선형 소자의 바람직한 예로는 배리스터 (varistor)나, 제너 다이오드, TVS 다이오드와 같은 다이오드 등을 들 수 있으며, 그 외에 이와 유사한 전압-전류 특성을 지닌 소자 등이 적용 가능하다. 이러한 비선형 저항 소자들은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 함께 포함될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 소자를 사용하여 충전 또는 방전을 제어하거나, 또는 향상된 전지 안전성을 위하여 두 개의 소자를 사용하여 충방전을 모두 제어할 수도 있다.

상기 열적 안전소자와 비선형 저항 소자는 전지셀의 양극 및/또는 음극에 직렬 또는 병렬, 바람직하게는 병렬로 연결되어 외부 입출력 단자에 접속된다.

경우에 따라서는, 상기 안전소자들 이외에 수동소자를 추가로 포함할 수도 있다. 상기 수동소자의 예로는 캐패시터, 저항 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 캐패시터는 전류의 차단시 지연시간을 결정하기 위해 사용되거나 또는 정전기 피해 방지 등을 위해 사용된다. 상기 저항은 전압의 안정 또는 전지의 확인(Identification) 및 전류의 바이패스(bypass) 형성을 위해 사용된다. 캐패시터는 전지셀에 대해 병렬 방식으로 상기 안전소자들과 외부 입출력 단자 사이에 위치시킬 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지는 안전성 확보가 요구되는 충방전 전지라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 그 중에서도 리튬 이차전지에 바람직하게 사용될 수 있다. 리튬 이차전지는 전지 구성요소의 종류에 따라 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 및 리튬 폴리머 전지 등으로 분류되기도 하며, 리튬이온의 가역적인 흡장 및 탈리에 의해 충방전이 이루어지는 전지라면 어느 것이라도 무관하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지의 회로도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 리튬 이차전지(100)는 충방전이 가능한 전지셀(110)에, 열적 안전소자로서의 PTC(260)와 비선형 저항 소자로서의 배리스터(270), 및 수동소자로서의 캐패시터(250)가 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.

전지셀(110)은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 리튬 전해질에 함침된 상태로 전지케이스 내부에 밀봉되어 있는 충방전이 가능한 전지셀이다. 이러한 전극조립체는 양면에 활물질이 도포되어 있는 긴 시트형의 양극과 음극을 분리막을 개재시킨 상태에서 둥글게 권취한 젤리-롤 구조(권취형)와, 활물질이 양면에 도포된 소정 크기의 양극과 음극 다수 개를 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 구조가 일반적이다.

전지셀(110)로는, 전지의 형태에 따라 금속 캔의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 및 각형과, 알루미늄 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀들이 모두 사용될 수 있다. 전지셀(110)은 둘 이상의 전지셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 구조일 수 있다.

PTC(260)는 열에 의해 저항값이 비직선적으로 증가하는 성질을 가진 고분자 복합체로서, 일반적으로 고분자 매트릭스에 카본 분말이 분산되어 있는 구조로 이루어져 있다. PTC(260)는 전지셀(110)의 양극에 연결되어 외부 입출력 음극 단자 (V-)에 접속되어 있다. 따라서, 전지(100)의 방전 과정에서 전지셀(110)로부터 과전류가 흐르면 회로의 전반적인 온도가 상승하게 되고, 이때, PTC(260)의 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하게 된다. 다시 온도가 적정한 수준으로 저하되면, PTC(260)의 저항값도 낮아져서 재차 통전이 이루어진다.

배리스터(270)는 저항값이 전압에 의해 비직선적으로 변화되는 성질을 가진 두 전극의 반도체 디바이스이다. 배리스터(270)은 전지셀(110)의 양극에 연결되어 외부 입출력 양극 단자(V+)에 접속되어 있다. 따라서, 충전 제어를 위해 회로를 설계한 경우, 충전 전압이 특정 전압(예를 들어, 4.5 V의 충전전압) 이상이 될 때 배리스터(270)의 저항값이 급격히 증가하여 충전 전류를 차단한다. PTC(260)과 배리스터(270)의 전기적 연결위치는 도면에서와 반대일 수도 있고, 또는 전지셀(110)의 양극 또는 음극에 함께 연결되어 있을 수도 있다.

캐패시터(250)는 배리스터(270) 및 PTC(260)와 외부 입출력 단자들(V+, V-) 사이에 위치하며, 전지셀(110)에 대해 병렬 구조로 연결되어 있다. 따라서, 배리스터(270) 또는 PTC(260)에 의해 전류의 차단 및 통전시 적정한 지연시간을 제공한다.

본 발명의 또 다른 구체적인 실시예들에 대한 회로 구성이 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다. 참고로, 이들 도면에서 배리스터, 제너 다이오드, TVS 다이오드 등은 회로 블록으로 표시되어 있다. 그러나, 본 발명은 이들 예들에 국한됨이 없이 다양한 구성들이 가능함은 물론이다.

본 발명의 효과를 확인할 수 있는 실험내용을 이하에서 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되지 않음은 물론이다.

[실시예 1]

방전 전압 3.0 V, 충전 전압 4.2 V의 리튬이온 전지셀과, TVS(Romh, RSA6.1EN), PTC(Raychem, PSR-25750) 및 캐패시터(Murata 1608)를 사용하여 도 3에서와 같은 이차전지 회로를 구성하였다.

상기 전지에 대해 파워 서플라이(Power supply)를 사용하여 과전류 안전성 실험을 행한 결과, 약 5.5 A 시점에 전류가 차단되었다.

또한, 상기 전지에 대해 파워 서플라이를 사용하여 과충전 안전성 실험을 행한 결과, 6.4 V 시점에 전류가 차단되었다.

상기 결과에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 과전류 및 과충전 조건에서 안전성이 확보될 수 있음을 알 수 있다.

이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 이차전지는 전지의 성능을 저하시키지 않으면서, 고가의 능동소자를 포함하는 PCM을 사용하지 않고도 과전류 및 과전압을 제어하여 전지의 안전성을 담보할 수 있으므로, 저렴한 비용으로 이차전지의 제조가 가능하다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (9)

1. 능동소자를 포함하는 PCM을 장착하지 않는 이차전지로서, 과전류 제어용 열적 안전소자와 과전압 제어용 비선형 저항 소자가 안전소자로서 포함되어 있는 이차전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 열적 안전소자는 PTC, 퓨즈 및 바이메탈로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 소자인 것을 특징으로 하는 이차전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 열적 안전소자는 PTC인 것을 특징으로 하는 이차전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 비선형 저항 소자는 배리스터(varistor) 및 다이오드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 소자인 것을 특징으로 하는 이차전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 열적 안전소자와 비선형 저항 소자는 전지셀의 양극 및/또는 음극에 직렬 또는 병렬로 연결되어 외부 입출력 단자에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
6. 제 1 항에 있어서, 수동소자가 추가로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 수동소자는 캐패시터 및/또는 저항인 것을 특징으로 하는 이차전지.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 캐패시터는 전지셀에 대해 병렬 방식으로 상기 안전소자들과 외부 입출력 단자 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.

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