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KR20140147991A - 이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 팩 - Google Patents

이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 팩 Download PDF

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KR20140147991A
KR20140147991A KR20130071287A KR20130071287A KR20140147991A KR 20140147991 A KR20140147991 A KR 20140147991A KR 20130071287 A KR20130071287 A KR 20130071287A KR 20130071287 A KR20130071287 A KR 20130071287A KR 20140147991 A KR20140147991 A KR 20140147991A
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pouch
electrode
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electrode body
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공명철
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에스케이이노베이션 주식회사
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Abstract

본 발명은 파우치 내부에 수용되어 밀폐되는 전극체의 일측면 또는 양측면에 강도 보강용 제1부재와 고온에서 변형되어 전극체를 밀착시킬 수 있는 제2부재를 포함하여, 고온에서 가스가 발생되어 파우치가 부풀어 오르더라도 파우치 내부에 수용되는 전극체의 계면저항 증가를 방지하여 성능저하를 방지할 수 있으며, 전극체의 변형을 방지하여 미세 쇼트를 방지함으로써 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 팩에 관한 것이다.

Description

이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 팩{Secondary battery and secondary batter pack having the same}
본 발명은 파우치의 내부에 수용되는 전극체의 계면저항 증가를 방지하여 성능저하를 방지할 수 있으며, 전극체의 변형을 방지하여 미세 쇼트를 방지함으로써 안전성을 향상시킬 수 있는 이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 팩에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드카와 같은 다양한 분야에 적용되며 활발한 연구가 진행중이다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지를 들 수 있다. 그리고 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 리튬 이차전지는 다양한 형태로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있으며, 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)으로 제조되어서, 그 형상이 비교적 자유롭다.
여기에서 파우치형 이차전지는, 파우치의 내부에 전극체가 수용되어 전극체에 연결된 전극탭들이 파우치의 외부로 돌출되도록 파우치에 의해 전극체가 밀폐되도록 형성된다.
그런데 이러한 파우치형 이차전지는 충방전에 따른 온도 상승에 의해 고온에서 파우치 내부에 가스가 발생하여 파우치가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생하며, 이에 따라 전극체의 계면 저항이 증가하여 이차전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 스웰링 현상에 의해 전극체의 변형이 발생하여 미세 쇼트가 발생하여 발화 위험성이 커지는 문제점이 있다.
US 8133609 B2 (2012.03.13.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고온 시 파우치가 부풀어 오르더라도 전극체를 밀착시킬 수 있도록 하여 전극체의 계면저항 증가, 변형 및 미세 쇼트를 방지할 수 있는 이차 전지 및 이를 포함하는 이차 전지 팩을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이차 전지는, 파우치; 상기 파우치의 내부에 수용되어 밀폐되는 전극체; 상기 파우치의 내부에 구비되며, 상기 전극체의 일측 또는 양측에 구비되어 전극체를 지지하는 제1부재; 및 상기 파우치의 내부에 상기 제1부재와 나란하게 구비되며, 상기 제1부재와 파우치 사이에 구비되어 온도가 상승함에 따라 파우치 쪽으로 볼록하게 변형되는 제2부재; 를 포함한다.
또한, 상기 제2부재는 적어도 일측이 제1부재에 결합되어 고정된다.
또한, 상기 제2부재는 상온 기준으로 온도가 상승함에 따라 변형되는 정도가 커진다.
또한, 상기 제2부재는 파우치 내부에 가스가 발생하기 전에 변형되기 시작한다.
또한, 상기 제2부재는 단면이 호 형태로 변형된다.
또한, 상기 제2부재는 온도가 상승하더라도 일부분이 변형되지 않고, 변형되지 않은 부분은 상기 제1부재와 나란하게 유지된다.
그리고 본 발명의 이차 전지 팩은 나란하게 다수개가 적층 배열되어 전기적으로 연결되는 이차 전지; 상기 다수개의 이차 전지가 내부에 수용되는 케이스; 및 상기 케이스에 형성되며, 최 외측에 배치되는 이차 전지의 전극탭에 연결되는 전극단자; 를 포함하며, 상기 이차 전지들의 제2부재는 변형된 후 원래의 형태로 회복되지 않고 변형된 상태로 유지되어, 온도 상승에 의한 상기 이차 전지들의 팽창 시, 상기 전극단자와 최 외측 이차 전지의 전극탭이 단락되어 다시 연결되지 않도록 형성된다.
본 발명의 이차 전지는, 고온 시 파우치가 부풀어 오르더라도 전극체를 밀착시킨 상태로 유지할 수 있어 전극체의 계면저항 증가를 방지하여 이차 전지의 성능저하를 방지할 수 있다.
그리고 전극체의 변형을 방지하여 미세 쇼트를 방지할 수 있으며 이에 따른 이차전지의 발화 및 폭발 위험성을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 이차 전지 팩은 변형 후 회복되지 않는 제2부재에 의해 과충전 또는 과방전이 방지되어 안전성이 향상되는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 분해사시도 및 조립사시도.
도 3은 도 2의 AA'방향 단면도.
도 4는 온도 상승에 따른 제2부재의 변형 후 상태를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 제2부재의 변형된 실시예를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 팩을 나타낸 단면 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 이차 전지의 제2부재의 변형에 따른 팽창 후의 이차 전지 팩을 나타낸 단면 개략도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 이차 전지 및 이차 전지 팩을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 나타낸 분해사시도 및 조립사시도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 이차 전지의 단면도로서 도 3은 변형 전의 상태를 나타내고 도 4는 온도 상승에 따른 변형 후의 상태를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지(1000)는, 파우치(100); 상기 파우치(100)의 내부에 수용되어 밀폐되는 전극체(200); 상기 파우치(100)의 내부에 구비되며, 상기 전극체(200)의 일측 또는 양측에 구비되어 전극체(200)를 지지하는 제1부재(300); 및 상기 파우치(100)의 내부에 상기 제1부재(300)와 나란하게 구비되며, 상기 제1부재(300)와 파우치(100) 사이에 구비되어 온도가 상승함에 따라 파우치(100) 쪽으로 볼록하게 변형되는 제2부재(400); 를 포함한다.
우선, 도 1 및 도 2와 같이 파우치(100)는 전극체(200)를 감싸 밀폐할 수 있도록 형성되며, 전극체(200)는 일측 또는 양측에 전극탭(210)이 연장 형성되어 파우치(100)가 전극탭(210)을 제외한 전극체(200)만을 밀봉하도록 감싸도록 구성된다.
즉, 파우치(100)는 전극체(200)를 밀폐하도록 형성되는데, 파우치(100) 내부에 전극체(200)가 수용된 상태에서 파우치(100)의 가장자리를 열 융착하여 전극체(200)가 밀폐되고 전극탭(210)은 파우치(100)의 외부로 인출되도록 형성될 수 있다.
이때, 파우치(100)는 알루미늄 라미네이트 포장재로 이루어질 수 있으며, 알루미늄 라미네이트 포장재는 얇은 알루미늄(Al) 판에 폴리에틸렌(PE)과 같은 플라스틱 박막을 증착하여 얇고 유연한 형태로 만든 포장재로서, 전극체(200)와의 절연을 확보할 수 있고, 열융착을 통해 상기 전극탭(210)이 외부로 인출되도록 하여 밀폐가 용이하다.
전극체(200)는 일측 또는 양측에 전극탭(210)이 형성될 수 있다. 즉, 전극체(200)의 일측에 양극탭 및 전극탭이 형성되거나, 전극체(200)의 일측에 양극탭이 형성되고 타측에 음극탭이 형성될 수 있다.
그리고 전극체(200)는 다수개의 양극판과 음극판이 나란하게 번갈아 적층 형성되며, 양극판과 음극판 사이에 각각 분리막이 개재된다. 이와 같은 전극체(200)는 양극판과 음극판의 전기적인 단락을 방지하기 위해 양극판과 음극판들 사이 및 최 외곽에 배치되는 양극판 또는 음극판의 외측에 분리막이 개재되어 밀착될 수 있다.
또한, 전극체(200)가 수용되어 밀폐되는 파우치(100)의 내부에는 전해질이 충전될 수 있으며, 전해질은 양극판과 음극판 간의 이온의 이동을 가능하게 하는 중간 매체로서 액체(liquid), 겔(gel) 또는 고체(solid) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 전해질은 파우치(100) 내부에 충전되어 양극판과 음극판 사이의 분리막을 통과해 이온이 전달되도록 구성된다.
제1부재(300)는 파우치(100)의 내부에 구비되며, 전극체(200)의 일측 또는 양측에 구비될 수 있다. 이때, 제1부재(300)는 전극체(200)에 밀착된 상태로 파우치(100) 내부에 수용된 후 밀폐되어 전극체(200)가 지지되도록 할 수 있으며, 제1부재(300)는 강성이 큰 재질의 판형으로 형성되어 전극체(200)의 변형이 방지되도록 전극체(200)에 밀착되며, 전극체(200)의 전체면에 밀착될 수 있도록 제1부재(300)는 전극체(200)와 동일한 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 제1부재(300)는 전극체(200)의 일측에만 구비될 수도 있으며, 도시된 바와 같이 전극체(200)의 양측에 제1부재(300)가 구비되어 전극체(200)의 양측에 밀착되도록 하여 전극체(200)의 변형을 방지할 수 있다.
제2부재(400)는 파우치(100)의 내부에 구비되며, 제1부재(300)와 나란하게 구비된다. 그리고 제2부재(400)는 제1부재(300)와 파우치(100)의 사이에 구비되어 온도가 상승함에 따라 파우치(100) 쪽으로 볼록하게 변형되도록 형성된다.
즉, 도 3과 같이 제2부재(400)는 제1부재(300)에 밀착되어 나란하게 적층된 형태로 파우치(100) 내부에 구비되며, 도 4와 같이 충방전에 의해 전극체(200)의 온도가 상승함에 따라 제2부재(400)가 파우치(100) 쪽으로 볼록하게 휘어지도록 구성된다.
이때, 제2부재(400)는 온도 변화에 따라 형태가 변형되도록 형상기억합금 또는 바이메탈 등으로 형성될 수 있다.
여기에서 이차 전지는 충방전에 의해 전극체(200)의 온도가 상승하면 파우치(100) 내부에 채워진 전해질의 증발로 인해 파우치(100)가 부풀어 오르거나, 전극체(200)의 미세 쇼트로 인해 온도가 상승하고 발화성 가스가 발생하게 된다. 이로 인해 전극체(200)가 밀착되지 못해 전극체(200)를 구성하는 양극판, 음극판 및 분리막 들의 계면저항이 증가하게 되어 이차 전지의 성능이 저하될 수 있다. 또한, 파우치(100) 내부에서 발생하는 가스로 인해 파우치(100)가 부풀어 오르면서 전극체(200)가 변형되어 미세 쇼트가 발생할 수 있고 이로 인해 발화성 가스가 발생되어 발화 및 폭발 위험이 존재한다.
그러므로 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(1000)는 충방전에 의해 전극체(200)의 온도가 상승하면 이에 따라 제2부재(400)가 파우치(100) 쪽으로 볼록하게 휘어지도록 변형되며, 변형된 제2부재(400)에 의해 제1부재(300)가 전극체(200)를 밀착하여 전극체(200)를 구성하는 적층된 양극판, 음극판 및 분리막이 밀착되므로 계면저항이 증가되지 않도록 유지될 수 있어 이차 전지의 성능 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다. 그리고 전극체(200)가 변형되지 않으므로, 전극체(200)의 미세 쇼트를 방지할 수 있어 쇼트에 의한 발화성 가스 발생, 발화 및 폭발 위험성을 줄일 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 제2부재(400)는 적어도 일측이 제1부재(300)에 결합되어 고정될 수 있다. 즉, 제2부재(400)는 제1부재(300)에 결합되어 일측이 고정된 일체형으로 형성될 수 있으며, 제2부재(400)는 양측이 제1부재(300)에 결합되거나, 양측 및 중앙부가 결합되는 형태로 형성될 수도 있다. 이와 같이 제1부재(300)에 제2부재(400)가 결합된 상태로 형성되어 조립이 용이하도록 할 수 있으며, 제2부재(400)가 제1부재에 고정되므로 제2부재(400)가 온도 상승에 따라 변형되더라도 파우치(100) 내부에서 제2부재(400)의 평면 방향으로의 이탈 및 이로 인한 파우치(100)의 파손(찢어짐)을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제2부재(400)는 상온 기준으로 온도가 상승함에 따라 변형되는 정도가 커지도록 형성될 수 있다. 즉, 상온에서는 제2부재(400)가 변형되지 않은 평판 형태로 제1부재(300)와 파우치(100) 사이에 밀착되어 있다가, 온도가 상승함에 따라 변형되는 정도가 커져 점점 파우치(100) 쪽으로 볼록하게 휘어지도록 형성될 수 있다. 이는 온도가 상승함에 따라 파우치(100) 내부에서 발생하는 가스가 많아질 수 있으므로 온도에 따라 제2부재(400)가 변형되는 정도가 커지도록 형성하여 온도가 점점 상승하더라도 전극체(200)를 완전히 밀착시킬 수 있도록 하는 것이다. 그리하여 온도 상승에 따른 전극체(200)의 계면저항 증가를 막을 수 있어 이차 전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 제2부재(400)는 파우치(100) 내부에 가스가 발생하기 전에 변형되기 시작하도록 형성될 수 있다. 이는 파우치(100) 내부에서 가스가 발생하면 파우치(100)가 부풀어 올라 전극체(200)를 밀착시킬 수 없으므로, 가스가 발생하기 전 온도에서부터 제2부재(400)가 변형되도록 형성되는 것이다. 이때, 가스가 발생하기 시작하는 온도는 약 30℃ 내지 40℃이므로 약 30℃ 이전에서 제2부재(400)가 변형되기 시작하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2부재(400)는 단면이 호 형태로 변형된다. 즉, 온도 상승에 따라 제2부재(400)가 변형되되, 단면이 호 형태로 변형되어 제2부재(400)의 변형에 의해 파우치(100)에 작용하는 힘이 고르게 분산되도록 형성될 수 있다. 그리하여 제2부재(400)의 변형에 따른 파우치(100)의 파손을 방지할 수 있으면서 변형되는 제2부재(400)의 양측이 제1부재(300)를 가압하여 전극체(200)가 밀착될 수 있다. 그리고 제2부재(400)는 단면이 호 형태로 변형되므로, 변형 전 평면 형태의 제2부재(400)는 중앙부가 볼록한 구면 형태로 변형될 수도 있다.
또한, 상기 제2부재(400)는 온도가 상승하더라도 일부분이 변형되지 않고, 변형되지 않은 부분은 상기 제1부재(300)와 나란하게 유지될 수 있다. 즉, 도 5와 같이 제2부재(400)는 중앙부만 볼록하게 변형되도록 변형부(420)가 형성되고, 양측이 변형되지 않도록 수평부(410)로 형성되어 제1부재(300)와 나란한 상태로 수평부(410)가 밀착될 수 있다. 그리하여 제2부재(400)가 변형되었을 때 제1부재(300)가 보다 안정적으로 전극체(200)에 밀착되도록 할 수 있다. 이때, 제2부재(400)는 도 5(a)와 같이 양측이 수평부(410)로 형성될 수 있으며, 테두리 전체가 수평부(410)로 형성될 수도 있다. 그리고 도 5(b)와 같이 제2부재(400)의 양측 및 중앙부가 수평부(410)로 형성되고 수평부(410)들 사이에 변형부(420)가 형성되도록 구성될 수도 있다. 또한, 다수개의 변형부(420)가 형성될 수 있으며, 엠보싱 형태 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
그리고 본 발명의 이차 전지 팩(2000)은 나란하게 다수개가 적층 배열되어 전기적으로 연결되는 이차 전지(1000); 상기 다수개의 이차 전지(1000)가 내부에 수용되는 케이스(1100); 및 상기 케이스(1100)에 형성되며, 최 외측에 배치되는 이차 전지(1000)의 전극탭(210)에 연결되는 전극단자(1200); 를 포함하며, 상기 이차 전지(1000)들의 제2부재(400)는 변형된 후 원래의 형태로 회복되지 않고 변형된 상태로 유지되어, 온도 상승에 의한 상기 이차 전지(1000)들의 팽창 시, 상기 전극단자(1200)와 최 외측 이차 전지(1000)의 전극탭(210)이 단락되어 다시 연결되지 않도록 형성된다.
즉, 도 6과 같이 케이스(1100)의 내부에 나란하게 적층 배열되는 다수개의 이차 전지(1000)가 수용되며, 이차 전지(1000)들은 전기적으로 연결된다. 그리고 케이스(1100)에 형성된 전극단자(1200)는 최 외측 이차 전지(1000)의 전극탭(210)에 연결된다. 이때, 전극단자(1200)와 전극탭(210)은 특정한 힘 이상이 가해지면 서로 단락될 수 있도록 결합된다. 그리고 이차 전지(1000)들은 제2부재(400)가 온도 상승에 따라 변형된 후 온도가 하강하더라도 다시 원래의 형태로 회복되지 않고 변형된 상태가 유지되도록 형성된다. 그리하여 도 7과 같이 외부온도 상승 또는 이차 전지 내부의 전지셀 손상 충격에 따른 전지셀의 온도 상승에 의해 이차 전지(1000)들이 팽창하면 적층된 방향으로 이차 전지(1000)들의 적층된 길이가 증가하게 되고, 이에 따라 결합되어 전기적으로 연결된 전극탭(210)과 전극단자(1200)는 서로 떨어지게 되어 전기적인 연결이 차단된다. 여기에서 온도가 하강하더라도 이차 전지(1000)들의 제2부재(400)는 원래의 상태로 회복되지 않고 변형된 상태가 유지되므로, 이차 전지(1000)들의 적층된 길이가 다시 줄어들지 않으므로 전극탭(210)과 전극단자(1200)가 단락된 상태로 유지된다.
이와 같은 본 발명의 이차 전지 팩은 과충전 또는 과방전 시 변형 후 회복되지 않는 제2부재의 특성을 이용하여 안전장치로 사용할 수 있는 장점이 있다.
여기에서 미세 쇼트에 의해 파우치(100) 내부에서 가스가 다량 발생되었을 때, 발생된 가스에 의해 파우치(100)의 일부가 개봉 또는 파열되어 가스가 파우치(100)의 외부로 방출되더라도 변형된 상태로 유지되는 제2부재(400)에 의해 볼록해진 상태로 이차 전지(1000)의 형태가 유지될 수 있어, 쇼트가 발생된 이차 전지들의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 이차 전지
100 : 파우치
200 : 전극체 210 : 전극탭
300 : 제1부재
400 : 제2부재
410 : 수평부 420 : 변형부
1100 : 케이스
1200 : 전극단자
2000 : 이차 전지 팩

Claims (7)

  1. 파우치;
    상기 파우치의 내부에 수용되어 밀폐되는 전극체;
    상기 파우치의 내부에 구비되며, 상기 전극체의 일측 또는 양측에 구비되어 전극체를 지지하는 제1부재; 및
    상기 파우치의 내부에 상기 제1부재와 나란하게 구비되며, 상기 제1부재와 파우치 사이에 구비되어 온도가 상승함에 따라 파우치 쪽으로 볼록하게 변형되는 제2부재; 를 포함하는 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2부재는 적어도 일측이 제1부재에 결합되어 고정되는 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2부재는 상온 기준으로 온도가 상승함에 따라 변형되는 정도가 커지는 이차 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2부재는 파우치 내부에 가스가 발생하기 전에 변형되기 시작하는 이차 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2부재는 단면이 호 형태로 변형되는 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2부재는 온도가 상승하더라도 일부분이 변형되지 않고, 변형되지 않은 부분은 상기 제1부재와 나란하게 유지되는 이차 전지.
  7. 나란하게 다수개가 적층 배열되어 전기적으로 연결되는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 이차 전지;
    상기 다수개의 이차 전지가 내부에 수용되는 케이스; 및
    상기 케이스에 형성되며, 최 외측에 배치되는 이차 전지의 전극탭에 연결되는 전극단자; 를 포함하며,
    상기 이차 전지들의 제2부재는 변형된 후 원래의 형태로 회복되지 않고 변형된 상태로 유지되어, 온도 상승에 의한 상기 이차 전지들의 팽창 시, 상기 전극단자와 최 외측 이차 전지의 전극탭이 단락되어 다시 연결되지 않는 이차 전지 팩.
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