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KR102686402B1 - 이차전지 및 그 이차전지를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

이차전지 및 그 이차전지를 포함하는 전지모듈 Download PDF

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KR102686402B1
KR102686402B1 KR1020180134954A KR20180134954A KR102686402B1 KR 102686402 B1 KR102686402 B1 KR 102686402B1 KR 1020180134954 A KR1020180134954 A KR 1020180134954A KR 20180134954 A KR20180134954 A KR 20180134954A KR 102686402 B1 KR102686402 B1 KR 102686402B1
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electrode
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secondary battery
electrode lead
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이경민
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

이차전지 및 그 이차전지를 포함하는 전지모듈이 개시된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극 조립체; 상기 전극으로부터 일 방향으로 돌출된 전극탭; 복수의 상기 전극탭의 일끝부가 모여서 형성되는 전극탭 다발; 및 상기 전극탭 다발과 전기적으로 연결되는 전극 리드; 를 포함하고, 상기 전극 리드는, 전기 전도성을 갖지 않고 특정 온도를 초과하는 경우 용융 및 팽창함으로써 상기 전극 리드의 저항을 증가시키는 전류 차단 물질을 포함하는 이차전지가 제공된다.

Description

이차전지 및 그 이차전지를 포함하는 전지모듈{Secondary battery and battery module including the same}
본 발명은 이차전지 및 그 이차전지를 포함하는 전지모듈에 관한 것으로, 기존에 비해 안전성이 향상된 이차전지 및 그 이차전지를 포함하는 전지모듈에 관한 것이다.
반복적인 충전 및 방전이 가능한 이차전지(secondary battery)는 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극 조립체를 포함하는데, 전력을 필요로 하는 전자기기와 전극 조립체를 전기적으로 연결하기 위해 이차전지에는 외부로 돌출된 형태의 전극 리드가 구비되는 것이 일반적이다. 전극 리드를 통해 이차전지 내 전극 조립체는 외부의 전자기기에 전력을 제공(즉, 방전)하거나, 외부의 전력원으로부터 전력을 공급(즉, 충전)받을 수 있다.
전술한 바와 같이 전극 리드를 통해 전극 조립체와 전자기기가 전기적으로 연결되기 때문에 전극 리드의 두께가 두꺼울수록 대량의 전류가 흐를 수 있게 되어 이차전지의 출력이 향상될 수 있다.
그러나, 대량의 전류가 흐르는 경우 안전성의 측면에서 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 이차전지의 온도가 지나치게 상승하는 경우 이차전지의 작동이 중단되어야 함에도 전극 리드를 통해 전류가 지속적으로 흐르는 경우 안전성의 측면에서 문제가 될 수 있다.
특히, 이차전지가 복수로 구비되는 전지모듈의 경우, 일부 이차전지의 온도가 지나치게 상승하는 경우에는 일부 이차전지의 작동을 멈추고 나머지 이차전지는 계속 작동할 수 있도록 하는 방식으로 전지모듈의 안전성을 확보할 필요가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이차전지의 온도가 지나치게 상승하는 경우 전극 리드를 통해 흐르는 전류를 차단하거나 급격히 감소시킴으로써, 이차전지 및 전지모듈의 안전성을 향상시키는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극 조립체; 상기 전극으로부터 일 방향으로 돌출된 전극탭; 복수의 상기 전극탭의 일끝부가 모여서 형성되는 전극탭 다발; 및 상기 전극탭 다발과 전기적으로 연결되는 전극 리드; 를 포함하고, 상기 전극 리드는, 전기 전도성을 갖지 않고 특정 온도를 초과하는 경우 용융 및 팽창함으로써 상기 전극 리드의 저항을 증가시키는 전류 차단 물질을 포함하는 이차전지가 제공된다.
상기 전극 리드는, 상기 전극 리드의 길이(L) 방향을 따라 형성되는 전류 차단부; 를 포함하고, 상기 전류 차단 물질은 상기 전류 차단부에 구비될 수 있다.
상기 전극 리드는, 상기 전극 리드의 상부를 형성하는 상부 리드; 및 상기 전극 리드의 하부를 형성하는 하부 리드; 를 더 포함하고, 상기 전류 차단부는 상기 전극 리드의 두께(t) 방향으로 상기 상부 리드와 상기 하부 리드 사이에 구비되고, 상기 전극탭 다발은 상기 하부 리드와 접촉할 수 있다.
상기 전류 차단부는, 도전성 물질; 및 상기 전류 차단 물질과 상기 도전성 물질을 서로 접착시키는 접착성 물질; 을 더 포함할 수 있다.
상기 상부 리드와 상기 하부 리드는 상기 전류 차단부의 두께만큼 서로 이격될 수 있다.
상기 특정 온도를 초과하는 경우 상기 전류 차단부 내의 상기 전류 차단 물질이 용융되어 상기 전류 차단 물질이 상기 도전성 물질을 구성하는 입자들 사이에 침투함으로써, 상기 도전성 물질을 구성하는 입자들 간의 거리가 증가할 수 있다.
상기 전류 차단 물질은 열가소성 물질일 수 있다.
상기 특정 온도를 초과하였다가 다시 상기 특정 온도의 미만에 도달하였을 때의 상기 전극 리드의 외형상 구조가, 상기 특정 온도를 초과하기 전 상기 전극 리드의 외형상 구조와 동일하게 복원될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 이차전지; 및 상기 이차전지와 전기적으로 연결되는 버스바(busbar); 를 포함하고, 상기 이차전지는, 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극 조립체; 상기 전극으로부터 일 방향으로 돌출된 전극탭; 복수의 상기 전극탭의 일끝부가 모여서 형성되는 전극탭 다발; 및 상기 전극탭 다발과 전기적으로 연결되는 전극 리드; 를 포함하고, 상기 이차전지의 전극 리드는, 전기 전도성을 갖지 않고 특정 온도를 초과하는 경우 용융 및 팽창함으로써 상기 전극 리드의 저항을 증가시키는 전류 차단 물질을 포함하고, 상기 이차전지의 전극 리드는 상기 버스바에 전기적으로 연결되는 전지모듈이 제공된다.
상기 전극 리드는, 상부에 구비되는 상부 리드; 하부에 구비되는 하부 리드; 및 상기 전극 리드의 길이(L) 방향을 따라 형성되는 전류 차단부; 를 더 포함하고, 상기 전류 차단 물질은 상기 전류 차단부에 구비되고, 상기 전류 차단부는 상기 전극 리드의 두께(t) 방향으로 상기 상부 리드 및 상기 하부 리드 사이에 구비되고, 상기 상부 리드와 상기 하부 리드는 상기 전류 차단부의 두께만큼 서로 이격되고, 상기 전극탭 다발은 상기 하부 리드와 접촉하고 상기 버스바는 상기 상부 리드와 접촉할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지의 온도가 지나치게 상승하는 경우 전극 리드를 통해 흐르는 전류를 차단하거나 급격히 감소시킴으로써, 이차전지 및 전지모듈의 안전성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 구조 및 이차전지와 버스바의 연결 구조를 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이차전지의 전류 차단부의 작동 원리를 설명한 도면이다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명에 따른 이차전지에 대해 설명한다.
이차전지
도 1은 본 발명에 따른 이차전지의 구조 및 이차전지와 버스바의 연결 구조를 도시한 측면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이차전지의 전류 차단부의 작동 원리를 설명한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지(100)는 전극 조립체(110)를 포함할 수 있다. 전극 조립체(110)는 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 가질 수 있다.
또한, 이차전지(100)는 전극으로부터 일 방향으로 돌출된 전극탭(120)을 포함할 수 있다. 전극탭(120)은 복수로 구비될 수 있다. 따라서, 복수의 전극탭(120)의 외부 방향의 일끝부는 한데 모여서 전극탭 다발(130)을 형성할 수 있다. 이때, 전극탭 다발(130)은 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 전극탭(120)의 외부 방향의 일끝부가 고정부(142)에 의해 서로 묶여짐으로써 형성될 수 있다.
이차전지(100)에는 외부 방향으로 돌출된 형태의 전극 리드(140)가 형성될 수 있다. 전극 리드(140)는 전극탭 다발(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전극 리드(140)는 전극탭 다발(130)과 접합될 수 있다.
전극 리드(140)는 두께(t) 방향으로 층상 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 전극 리드(140)는 전극 리드(140)의 상부를 형성하는 상부 리드(140a)와 전극 리드(140)의 하부를 형성하는 하부 리드(140b)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 이차전지(100)의 전극 리드(140)는 전류 차단 물질을 포함할 수 있다. 전류 차단 물질은 전기 전도성을 갖지 않을 수 있고, 특정 온도를 초과하는 경우 용융 및 팽창함으로써 전극 리드(140)의 저항을 급격히 증가시킬 수 있다. 이로써, 이차전지의 온도가 특정 온도를 초과하는 경우 이차전지의 전류가 감소 또는 차단될 수 있다.
또한, 전극 리드(140)는 전극 리드(140)의 길이(L) 방향을 따라 형성되는 전류 차단부(140c)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 전류 차단 물질은 전류 차단부(140c)에 구비될 수 있다.
전류 차단부(140c)는 전극 리드(140)의 두께(t) 방향으로 상부 리드(140a)와 하부 리드(140b) 사이에 구비될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전극 리드(140)는 아래에서부터 순서대로 하부 리드(140b), 전류 차단부(140c) 및 상부 리드(140a)의 3층 구조를 가질 수 있다. 그러나, 이와 달리 전극 리드(140)는 4층 이상의 구조를 가질 수도 있다.
또한, 전극탭 다발(130)은 상부 리드(140a) 또는 하부 리드(140b)와 접촉할 수 있다. 도 1에는 전극탭 다발(130)이 하부 리드(140b)와 접촉하는 경우가 도시되어 있다.
또한, 상부 리드(140a)와 하부 리드(140b)는 전류 차단부(140c)의 두께만큼 서로 이격되어 있을 수 있다. 즉, 상부 리드(140a)와 하부 리드(140b)는 서로 직접 연결되어 있지 않고, 전류 차단부(140c)를 매개로 간접적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 후술할 바와 같이 전류 차단부(140c)가 전기 전도성을 갖지 않는 경우 상부 리드(140a)와 하부 리드(140b)는 전기적으로 차단될 수 있다.
한편, 전류 차단부(140c)는 도전성 물질 및 전류 차단 물질과 도전성 물질을 서로 접착시키는 접착성 물질을 더 포함할 수 있다. 즉, 전류 차단부(140c)는 전류 차단 물질, 도전성 물질 및 접착성 물질의 혼합물일 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 이차전지의 온도가 특정 온도를 초과하는 경우 이차전지의 전류가 감소 또는 차단될 수 있다. 도 2를 참고하여 본 발명에 따른 전류의 감소 또는 차단 원리를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 특정 온도 미만에서 전류 차단부(140c)를 구성하는 도전성 물질(147)을 구성하는 입자들은 서로 연결되어 있다. 도전성 물질(147)을 구성하는 입자들 사이에는 전류 차단 물질(146)을 구성하는 입자들이 삽입되어 있다. 전류 차단 물질(146)은 전기 전도성을 갖지 않지만, 도전성 물질(147)은 전기 전도성을 가지고 있고 도전성 물질(147)을 구성하는 입자들이 서로 연결되어 있기 때문에 특정 온도 미만에서 전류 차단부(140c)는 도전성 물질(147)에 의해 전기 전도성을 갖게 된다.
그러나, 특정 온도를 초과하는 경우 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 전류 차단 물질(146)이 용융 및 팽창되면서 도전성 물질(147)을 구성하는 입자들 사이에 침투하게 된다. 이로써, 도전성 물질(147)을 구성하는 입자들 간의 거리가 증가하게 되고, 결과적으로 도전성 물질(147)을 구성하는 입자들 간의 연결이 끊기게 된다. 이로써, 전류 차단부(140c)는 전기 전도성을 갖지 않게 되고, 전류 차단부(140c)를 통해 전류가 흐르지 않게 된다.
그러나, 다시 특정 온도 미만으로 내려가는 경우 전류 차단 물질(146)이 다시 응고 및 수축하면서 도전성 물질(147)을 구성하는 입자들 간의 거리가 감소하면서, 도전성 물질(147)을 구성하는 입자들이 연결된다. 이로써, 전류 차단부(140c)는 다시 전기 전도성을 갖게 된다.
즉, 본 발명에 따르면 특정 온도를 초과하였다가 다시 특정 온도 미만에 도달하였을 때, 전류 차단부(140c)를 포함한 전극 리드(140)의 외형상 구조가, 특정 온도를 초과하기 전 전극 리드(140)의 외형상 구조와 동일하도록 복원될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 이차전지가 특정 온도를 초과하는 경우 이차전지의 전류를 감소 또는 차단하였다가, 이차전지가 특정 온도 미만으로 내려가는 경우 다시 이차전지의 전류의 흐름이 정상적으로 복귀될 수 있어, 온도에 관계없이 이차전지를 지속적으로 사용할 수 있다. 이때, '외형상 구조가 동일하다'라는 것은, 육안으로 살펴보았을 때 전극 리드의 구조에 변형이 일어나지 않았음을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
전류 차단 물질은 열 가소성(thermoplastic) 물질일 수 있다. 전류 차단 물질은 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 비닐 아세테이트 및 폴리비닐라이덴 플로라이드로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 도전성 물질은 카본 블랙 계열의 물질, 니켈(Ni) 및 텅스텐 카바이드(WC)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
전류 차단부에서 도전성 물질의 중량비는 3% 내지 50% 일 수 있다.
전류 차단부에서 도전성 물질의 중량비가 3% 미만인 경우, 도전성 물질이 지나치게 적어지게 되므로 상온에서 전류 차단부의 전도성이 감소하여 전극 리드의 전체적인 저항이 증가할 수 있다. 반면, 전류 차단부에서 도전성 물질의 중량비가 50%를 초과하는 경우, 특정 온도를 초과하여 전류 차단 물질이 용융 및 팽창하게 되더라도 도전성 물질을 구성하는 입자들 간의 연결을 효과적으로 차단하지 못하게 되어 특정 온도를 초과하더라도 전류 차단부에서 급격한 저항 증가가 발생하지 않게 될 수 있다.
이하, 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 전지모듈을 설명하도록 한다.
전지모듈
본 발명에 따른 전지모듈은 이차전지(100) 및 이차전지(100)와 전기적으로 연결되는 버스바(busbar, 200)를 포함할 수 있다. 전지모듈에서 이차전지(100)는 복수로 구비될 수 있고, 버스바 역시 복수의 이차전지와 전기적으로 연결될 수 있다. 이차전지의 세부 구조에 대해서는 전술한 내용으로 갈음한다.
본 발명에 따른 전지모듈에서 버스바(200)는 이차전지(100)의 전극 리드(140)와 전기적으로 연결될 수 있다. 도 1에는 전극 리드(140)와 버스바(200)가 직접 접촉함으로써 서로 전기적으로 연결되는 경우가 도시되어 있다.
이때, 본 발명에 따르면 전극탭 다발(130)은 전극 리드(140)의 하부 리드(140b)와 접촉하고, 버스바(200)는 전극 리드(140)의 상부 리드(140a)와 접촉할 수 있다. 그러나, 이차전지는 사용 상태에 따라 상하가 언제든지 바뀔 수 있는 것을 고려하였을 때, 상기 표현은 전극탭 다발(130)은 상부 리드(140a) 또는 하부 리드(140b)와 접촉하고, 버스바(200)는 상부 리드(140a)와 하부 리드(140b) 중 전극탭 다발(130)과 접촉하지 않은 구성과 접촉하는 것을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
전지모듈은 복수의 이차전지를 포함하는 것이 일반적인데, 전지모듈을 구성하는 복수의 이차전지 중 일부 이차전지의 온도가 특정 온도를 초과하는 경우에는 상기 일부 이차전지에 흐르는 전류를 차단할 필요가 있다.
전술한 바와 같이 특정 온도를 초과하는 경우 전류 차단부는 전기 전도성을 갖지 않게 되므로, 상부 리드(140a)와 하부 리드(140b)는 서로 전기적으로 차단된다. 즉, 전극탭 다발(130)이 접촉하는 구성과 버스바(200)가 접촉하는 구성 간에 전기적으로 차단되므로, 특정 온도를 초과한 이차전지로부터 버스바로 흐르는 전류가 차단될 수 있다. 이로써, 전지모듈의 안전성이 향상될 수 있다.
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 실시가 가능함은 물론이다.
100 : 이차전지
110 : 전극 조립체
120 : 전극탭
130 : 전극탭 다발
140 : 전극 리드
140a : 상부 리드
140b : 하부 리드
140c : 전류 차단부
142 : 고정부
146 : 전류 차단 물질
147 : 도전성 물질
200 : 버스바

Claims (10)

  1. 전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극 조립체;
    상기 전극으로부터 일 방향으로 돌출된 전극탭;
    복수의 상기 전극탭의 일끝부가 모여서 형성되는 전극탭 다발; 및
    상기 전극탭 다발과 전기적으로 연결되는 전극 리드; 를 포함하고,
    상기 전극 리드는,
    전기 전도성을 갖지 않고 특정 온도를 초과하는 경우 용융 및 팽창함으로써 상기 전극 리드의 저항을 증가시키는 전류 차단 물질을 포함하고,
    상기 전극 리드는,
    상기 전극 리드의 길이(L) 방향을 따라 형성되는 전류 차단부; 를 포함하고,
    상기 전류 차단 물질은 상기 전류 차단부에 구비되며,
    상기 전극 리드는,
    상기 전극 리드의 상부를 형성하는 상부 리드; 및
    상기 전극 리드의 하부를 형성하는 하부 리드; 를 더 포함하고,
    상기 전류 차단부는 상기 전극 리드의 두께(t) 방향으로 상기 상부 리드와 상기 하부 리드 사이에 구비되고,
    상기 전극탭 다발은 상기 하부 리드와 접촉하는 이차전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에서,
    상기 전류 차단부는,
    도전성 물질; 및
    상기 전류 차단 물질과 상기 도전성 물질을 서로 접착시키는 접착성 물질; 을 더 포함하는 이차전지.
  5. 청구항 1에서,
    상기 상부 리드와 상기 하부 리드는 상기 전류 차단부의 두께만큼 서로 이격되는 이차전지.
  6. 청구항 4에서,
    상기 특정 온도를 초과하는 경우 상기 전류 차단부 내의 상기 전류 차단 물질이 용융되어 상기 전류 차단 물질이 상기 도전성 물질을 구성하는 입자들 사이에 침투함으로써, 상기 도전성 물질을 구성하는 입자들 간의 거리가 증가하는 이차전지.
  7. 청구항 1에서,
    상기 전류 차단 물질은 열가소성 물질인 이차전지.
  8. 청구항 1에서,
    상기 특정 온도를 초과하였다가 다시 상기 특정 온도의 미만에 도달하였을 때의 상기 전극 리드의 외형상 구조가, 상기 특정 온도를 초과하기 전 상기 전극 리드의 외형상 구조와 동일하게 복원되는 이차전지.
  9. 이차전지; 및
    상기 이차전지와 전기적으로 연결되는 버스바(busbar); 를 포함하고,
    상기 이차전지는,
    전극과 분리막이 교대로 배치된 구조를 갖는 전극 조립체;
    상기 전극으로부터 일 방향으로 돌출된 전극탭;
    복수의 상기 전극탭의 일끝부가 모여서 형성되는 전극탭 다발; 및
    상기 전극탭 다발과 전기적으로 연결되는 전극 리드; 를 포함하고,
    상기 이차전지의 전극 리드는,
    전기 전도성을 갖지 않고 특정 온도를 초과하는 경우 용융 및 팽창함으로써 상기 전극 리드의 저항을 증가시키는 전류 차단 물질을 포함하고,
    상기 이차전지의 전극 리드는 상기 버스바에 전기적으로 연결되고,
    상기 전극 리드는,
    상부에 구비되는 상부 리드;
    하부에 구비되는 하부 리드; 및
    상기 전극 리드의 길이(L) 방향을 따라 형성되는 전류 차단부; 를 더 포함하고,
    상기 전류 차단 물질은 상기 전류 차단부에 구비되고,
    상기 전류 차단부는 상기 전극 리드의 두께(t) 방향으로 상기 상부 리드 및 상기 하부 리드 사이에 구비되고,
    상기 전극탭 다발은 상기 하부 리드와 접촉하고 상기 버스바는 상기 상부 리드와 접촉하는 전지모듈.
  10. 청구항 9에서,
    상기 상부 리드와 상기 하부 리드는 상기 전류 차단부의 두께만큼 서로 이격되는 전지모듈.
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