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KR20180079924A - 내부의 온도를 측정할 수 있는 전지셀 - Google Patents

내부의 온도를 측정할 수 있는 전지셀 Download PDF

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KR20180079924A
KR20180079924A KR1020170000678A KR20170000678A KR20180079924A KR 20180079924 A KR20180079924 A KR 20180079924A KR 1020170000678 A KR1020170000678 A KR 1020170000678A KR 20170000678 A KR20170000678 A KR 20170000678A KR 20180079924 A KR20180079924 A KR 20180079924A
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오송택
이수림
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 포함하는 전지셀로서, 상기 양극 및 음극은 집전체의 일면 또는 양면에 전극활물질을 포함하는 전극 합제가 도포되어 있고, 상기 양극 및 음극에는 각각 전지셀의 외부 입출력 단자로서 제 1 양극 단자와 제 1 음극 단자가 형성되어 있으며, 상기 양극 및 음극 중의 적어도 하나에는 외부 입출력 단자의 대향 위치에 집전체의 저항을 측정하기 위한 저항 측정용 단자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.

Description

내부의 온도를 측정할 수 있는 전지셀 {Battery Cell Capable of Measuring Inner Temperature thereof}
본 발명은 내부의 온도를 측정할 수 있는 전지셀에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
일반적으로, 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 캠코더, 노트북 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있으며, 특히 리튬 이차전지는 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈 카드뮴 전지나 니켈 수소 전지보다 3 배 이상의 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 우수하기 때문에 활용 정도가 급속도로 증가되고 있다.
이차전지는 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있으며, 또한 전지 케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
또한, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막이 적층된 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체 등을 들 수 있으며, 최근에는, 상기 젤리-롤형 전극조립체 및 스택형 전극조립체가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
이들 중에서 젤리-롤형 전극조립체는 제조가 용이하고 중량당 에너지 밀도가 우수한 장점을 가지고, 특히 원통형 이차전지 케이스에 수납이 용이한 바, 젤리-롤형 전극조립체가 널리 사용되고 있다.
그러나, 종래의 리튬 이차전지는 내부 쇼트, 허용된 전류 및 전압을 초과한 과충전 상태, 고온에의 노출, 낙하 등에 의한 충격과 같은 전지의 비정상적인 작동 상태로 인해 유발되는 전지 내부의 고온 및 고압에 의해 폭발을 초래할 수 있다. 즉, 이차전지가 비정상적인 작동으로 과열되면, 내부에서 가스가 발생하여 압력이 증가하여 폭발할 가능성이 있으며, 이차전지의 온도가 단락 전류로 인해 급격하게 상승하면 가스가 발화하여 폭발과 함께 화재 사고를 일으키기도 한다.
따라서, 이차전지 내부의 온도 변화를 측정하고 만약 온도가 과도하게 상승하면 이차전지의 충방전을 중단시킴으로써 폭발 또는 발화의 위험으로부터 이차전지를 보호하기 위한 장치가 널리 사용되고 있다.
종래에는 이차전지의 표면의 온도를 측정하여 그 값을 모니터하였다. 다만 이 경우 이차전지 내부의 온도를 실시간으로 측정하기 어려워 사후적인 조치만이 가능하고 사전적 예방 조치가 사실상 불가능한 단점이 있었다. 즉, 침상 물체의 관통 등으로 이차전지 내부에서 단락이 발생하여 단락 전류가 흐르면, 양극판 및 음극판에서 급격한 전기화학적 반응이 발생하여 열이 발생되며, 이 열은 주변으로 전도되어 이차전지 표면의 온도가 빠른 속도로 상승하게 된다. 따라서 일단 단락 현상이 발생한 시점을 기준으로 이차전지의 표면의 온도가 급상승하기까지는 일정한 시간이 소요되므로 표면의 온도를 측정함으로써 과열을 감지한 시점은 이미 단락 전류가 상당히 흘러 안전성에 문제가 야기된 이후가 되는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 실시간으로 전지 내부의 온도를 측정하기 위한 기술이 개발되고 있으며, 종래의 기술(KR2014-0131716)은 내부에 RTD(Resistance Thermometer Detector), 서머커플러(Thermocoupler), 서미스터(Thermistor)와 같은 온도 센서를 셀 표면에 부착하여 측정하였으나, 제조시 별도의 추가적인 공정으로 센서부재를 부착하였는 바, 공정의 복잡화, 비용의 증가 및 전지 용량의 감소를 야기하였을 뿐만 아니라, 작동 과정에 있어서의 센서부재의 잦은 고장 및 측정 온도의 오류 또는 오차, 젤리-롤형, 스택 및 스택/폴딩형 이차전지 등 다양한 형태의 이차전지에의 적용의 한계 등의 문제점이 있었다.
구체적으로, 전지셀을 장기적으로 사용시 전극의 스웰링 현상이 발생할 수 있으며, 이 경우, 서머커플러(thermocoupler)와 같은 온도 측정 센서가 전극을 부분적으로 가압하여 전극의 모형을 변형시킬 수 있는 바, 이러한 가압 및 변형은 전극에서 활물질의 박리 또는 분리막의 파단 현상을 야기할 수 있고, 서머커플러, 서미스터(thermistor)에 의한 측정 시, 응답 속도(25 ms)로 인한 정확한 온도 측정의 불가 시점이 존재하는 문제점이 존재하였다.
또한, 전지셀의 전해액에 의해 상기 온도 측정 센서가 부식이 되어 저전압이 발생할 수 있는 금속 이온을 발생시키는 문제점이 있다.
이에, 제조가 용이하고, 제조 비용을 최소화하며 전지 용량의 감소를 방지하면서도 다양한 이차전지에 적용이 가능한 내부 온도의 측정이 가능한 이차전지의 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이 양극 및 음극에 전극활물질을 포함하는 전극 합제가 도포되어 있고, 상기 양극 및 음극에는 외부 입출력 단자로서 전극 단자가 형성되어 있으며 외부 입출력 단자의 대향 위치에 저항 측정용 단자를 형성하는 경우, 소망하는 효과를 발휘할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 포함하는 전지셀로서,
상기 양극 및 음극은 집전체의 일면 또는 양면에 전극활물질을 포함하는 전극 합제가 도포되어 있고;
상기 양극 및 음극에는 각각 전지셀의 외부 입출력 단자로서 제 1 양극 단자와 제 1 음극 단자가 형성되어 있으며;
상기 양극 및 음극 중의 적어도 하나에는 외부 입출력 단자의 대향 위치에 집전체의 저항을 측정하기 위한 저항 측정용 단자가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 설명한 바와 같이, 일반적으로 전지셀의 온도의 온도를 측정하는 방식으로서, 전지 표면의 온도를 측정하거나 전지셀의 내부에 별도의 센서 부재를 삽입하는 방식이 이용된다.
그러나 본 발명은 전지셀의 양극 또는 음극 중 적어도 하나에 저항 측정용 단자를 형성하고 상기 저항 측정용 단자를 통해 실시간으로 저항 변화를 측정하는 방식으로 이루어지고, 특정 금속의 온도에 따른 저항 곡선은 특정되어 있으므로 이차전지 작동시의 양극 또는 음극의 저항의 변화를 측정하여 전지셀 내부의 온도를 실시간으로 측정할 수 있다.
따라서, 실시간으로 전지셀의 온도를 측정함으로써 폭발이나 발화에 대비한 사전적 보호 장치를 작동시킬 수 있고, 온도 변화에 민감한 집전체 상의 온도를 직접 측정함으로써 보다 정확한 전지셀의 온도를 측정할 수 있으며, 별도의 센서 부재를 부착할 필요 없이 양극 또는 음극 상에 단자를 결합시킴으로써 제조상의 용이성이 확보되고, 고가의 센서를 대체함으로써 비용이 감소되며, 양극 및 음극의 제조 단계에서 상기 저항측정 단자의 제작 및 부착이 가능하므로 젤리-롤형, 스택형 및 스택/폴딩형 전극조립체를 제조함에 있어서도 본 발명의 전지셀을 용이하게 적용할 수 있는 효과를 제공한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 양극 단자 및 제 2 음극 단자 중에서 선택된 하나의 외부 입출력 단자, 및 상기 선택된 외부 입출력 단자와 동일 극성의 저항 측정용 단자를 전기적으로 연결하여 집전체의 저항을 측정하는 저항 측정 부재; 및 상기 저항 측정 부재로부터 측정된 집전체의 저항 값에 대응하여 전지셀의 온도를 추정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 하나의 외부 입출력 단자 및 이와 동일한 극성을 가지는 저항 측정용 단자는 특별히 그 종류가 한정되지 않으나, 하나의 구체적인 예에서, 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금으로 이루어진 연결부재로 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 제어부는, 집전체를 형성하는 금속 자체의 저항에 따른 온도 상관 관계를 바탕으로, 측정된 집전체의 저항 값을 통해 온도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 양극 또는 음극에는 저항 측정용 전극 단자가 형성되어 있을 수 있고, 상기 전극조립체는 하나의 구체적인 예로서, 하나의 양극 시트와 하나의 음극 시트가 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 양극 시트의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 1 양극 무지부가 형성되어 있고, 음극 시트의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 1 음극 무지부가 형성되어 있으며, 상기 제 1 양극 무지부의 집전체 상에 제 1 양극 단자가 결합되어 있고, 상기 제 1 음극 무지부의 집전체 상에 제 1 음극 단자가 결합되어 있을 수 있다.
재언하면, 본 발명에 따른 전지셀은 긴 시트 형의 양극과 음극들을 분리막이 개재되어 있는 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형(권취형) 전극조립체를 포함할 수 있고, 양극 시트와 음극 시트의 일측 단부 각각에는 전극 합제가 도포되어 있지 않은 무지부가 형성되고 이에 전극 단자가 결합되어 있는 구조를 가질 수 있다.
이 경우, 상기 제 1 양극 무지부에 대향하는 위치에서 양극 시트의 타측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 2 양극 무지부가 형성되어 있고, 상기 제 2 양극 무지부의 집전체 상에 저항 측정용 양극 단자가 결합되어 있을 수 있다.
또한, 상기 제 1 음극 무지부에 대향하는 위치에서 음극 시트의 타측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 2 음극 무지부가 형성되어 있고, 상기 제 2 음극 무지부의 집전체 상에 저항 측정용 음극 단자가 결합되어 있을 수 있다.
이 경우, 상기 저항 측정용 전극 단자는 전극 합제가 도포되어 있지 않은 무지부상이라면 특별히 그 위치가 한정되는 것은 아니지만, 저항은 가장 짧은 거리로 측정이 되기 때문에 측정 온도의 범위를 넓게 하기 위해서는, 제 1 양극 무지부에 대향하는 위치에 위치하는 제 2 양극 무지부 또는 제 1 음극 무지부에 대향하는 위치에 위치하는 제 2 음극 무지부 상에 위치하는 것이 바람직하다. 재언하면, 전극의 양 끝단에 위치하는 것이 바람직하다. 다만, 특정 부위의 온도만을 측정하고자 하는 경우에는 전극 단자의 위치는 저항이 측정되는 범위에 포함되어야 한다.
한편, 본 발명에 따른 전지셀에 포함되는 전극조립체는, 하나의 구체적인 예에서, 복수의 양극판들과 복수의 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 양극판들 각각의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 양극 탭이 외향 돌출되어 있고, 음극판들 각각의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 음극 탭이 외향 돌출되어 있으며, 양극 탭들이 양극 리드에 결합되어 제 1 양극 단자를 형성하고 있고, 상기 음극 탭들이 음극 리드에 결합되어 제 1 음극 단자를 형성하고 있을 수 있다.
재언하면, 본 발명에 따른 전지셀은 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 구조(스택형)의 전극조립체를 포함할 수 있고, 복수의 전극판들 각각의 일측 단부에는 전극 탭이 돌출되어 있으며 이들이 전극 리드에 결합되어 전극 단자를 형성하는 구조를 가질 수 있다.
이 경우, 상기 양극판들 중의 하나의 양극 판에는 양극 탭들에 대향하는 위치에서 저항 측정용 양극 탭이 외향 돌출되어 있을 수 있으며, 상기 음극판들 중의 하나의 음극 판에는 음극 탭들에 대향하는 위치에서 저항 측정용 음극 탭이 외향 돌출되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀에 포함되는 전극조립체는, 하나의 구체적인 예에서, 각각 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층된 구조를 가진 단위셀들이 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 상기 단위셀들에서 양극판들 각각의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 양극 탭이 외향 돌출되어 있고, 음극판들 각각의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 음극 탭이 외향 돌출되어 있으며, 권취된 단위셀들의 양극 탭들이 양극 리드에 결합되어 제 1 양극 단자를 형성하고 있고, 권취된 단위셀들의 음극 탭들이 음극 리드에 결합되어 제 1 음극 단자를 형성하고 있을 수 있다.
재언하면, 본 발명에 따른 전지셀은 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 구조(스택/폴딩형)의 전극조립체를 포함할 수 있고, 전극판들 각각의 일측 단부에는 전극 탭이 돌출되어 있고 전극 탭들이 전극 리드에 결합되어 전극 단자를 형성하는 구조를 가질 수 있다.
이 경우, 상기 권취된 단위셀들에서 양극판들 중의 하나의 양극판에는 양극 탭들에 대향하는 위치에서 저항 측정용 양극 탭이 외향 돌출되어 있을 수 있고, 상기 권취된 단위셀들에서 음극판들 중의 하나의 음극판에는 음극 탭들에 대향하는 위치에서 저항 측정용 음극 탭이 외향 돌출되어 있을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지셀은, 상기 저항 측정용 단자에 수직으로 인접한 양극면 및/또는 음극면에 추가적인 저항 측정용 단자를 형성할 수 있다. 상기 복수의 저항 측정용 단자들은 연결부재에 의해 전기적으로 연결되어 저항 측정 부재에 의해 집전체의 저항이 측정되고, 이로부터 측정된 저항 값에 대응하여 전지셀의 온도를 추정할 수 있다. 따라서, 전극에 저항 측정용 단자를 추가적으로 형성함으로써, 기존의 전극 단자를 사용하지 않더라도 전지셀의 저항을 측정할 수 있는 바, 다양한 형태의 전지셀의 제조에 대해 유연하게 대처할 수 있는 효과를 발휘한다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지셀은, 하나의 양극 탭 및 음극 탭과, 각각 한 쌍의 저항 측정용 양극 탭 및 저항 측정용 음극 탭으로 구성될 수 있고, 연결부재에 의해 상기 한 쌍의 저항 측정용 양극 탭 및 저항 측정용 음극 탭은 전기적으로 연결되어 있으며, 저항 측정 부재는 상기 연결부재에 연결되어 집전체의 저항을 측정하고, 제어부를 통해 전지셀의 온도를 추정한다.
또한 본 발명은 상기 전지셀을 포함하는 전지팩을 제공하며 이때, 상기 제어부는 측정된 온도가 임계치 이상일 때 전지셀의 외부 입출력 단자의 전기적 연결을 해제하는 기능을 추가로 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 저항 측정 단자를 통해 전지셀의 저항 변화를 실시간으로 정확히 예측하고, 전지의 비정상적인 작동에 따라 전지가 과열되더라도, 제어부에 미리 설정된 임계 온도 이상으로 전지의 온도가 상승하면 외부 입출력 단자의 전기적 연결을 자동적으로 해제함으로써 폭발 또는 발화를 사전에 방지하여 안전성이 향상된 전지팩을 제공하는 효과를 발휘한다.
참고로, 상기 전지팩에 포함되어 있는 전지셀은 리튬 이차전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이러한 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있으며, 이들은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택될 수 있으며, 전지팩, 디바이스의 구조 및 그것의 제조 방법 역시 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지셀은 양극 및 음극 중의 적어도 하나에 외부 입출력 단자의 대향 위치에 집전체의 저항을 측정하기 위한 저항 측정용 단자를 형성하여 전지셀의 집전체 온도를 실시간으로 측정함으로써 사전적 보호 장치를 작동시킬 수 있고, 보다 정확하게 전지셀 내부의 온도를 감지할 수 있으므로 안전성이 보다 향상되며, 제조상의 공정성 및 경제성이 우수하고, 다양한 형태의 전극조립체에 적용이 가능한 전지셀을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 양극과 음극을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 양극에 저항측정부재와 제어부가 결합되어 있는 것을 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 양극, 분리막, 음극이 순서대로 적층되고 양극 및 음극에 각각 전극단자 및 저항측정용 전극 단자가 결합되어 있는 것을 나타내는 사시도이다.
도 4는 양극 단자 및 저항 측정용 양극 단자와 양극판의 결합 부위를 나타내는 확대도이다.
도 5는 음극 단자 및 저항 측정용 음극 단자와 음극판의 결합 부위를 나타내는 확대도이다.
도 6은 본 발명에 따른 양극 시트와 음극 시트가 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 구조를 나타내는 사시도이다.
도 7은 하나의 양극판과 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 구조를 나타내는 사시도이다.
도 8은 하나의 양극판과 하나의 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층되고 저항측정부재와 제어부가 결합되어 있는 구조를 나타내는 사시도이다.
도 9는 저항 측정용 양극 탭을 추가하여 저항 측정용 양극 탭 사이의 저항을 측정하는 것을 나타내는 사시도이다.
도 10은 복수의 양극판들과 복수의 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되고 저항측정부재와 제어부가 결합되어 있는 구조를 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 9의 일측부를 나타내는 확대 단면도이다.
도 12는 각각 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재되어 있는 상태로 배열되어 있는 것을 나타내는 평면도이다.
도 13은 각각 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층된 구조를 가진 단위셀들이 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조를 나타내는 정면도이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명에 따른 양극과 음극을 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 따른 양극에 저항측정부재와 제어부가 결합되어 있는 것을 나타내는 평면도가 도시되어 있다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(10)은 양극(100)과 음극(200) 및 상기 양극(100)과 음극(200) 사이에 분리막(300)이 개재되어 있는 구조로서, 상기 전극(100, 200)에는 각각 집전체(110, 210)의 일면 또는 양면에 전극 활물질(120, 220)을 포함하는 전극 합제가 도포되어 있다.
상기 전극(100, 200)에는 각각 전지셀(10)의 외부 입출력 단자로서 제 1 전극 단자(130, 230)이 형성되어 있고, 상기 전극(100, 200) 중 적어도 하나에는 제 1 전극 단자(130, 230)의 대향 위치에 집전체(110, 210)의 저항을 측정하기 위한 저항 측정용 단자(150, 250)가 형성되어 있다.
구체적으로, 상기 양극(100)에는 저항 측정용 양극 단자(150)가 형성되어 있고, 상기 음극(200)에는 저항 측정용 음극 단자(250)가 형성되어 있다.
본 발명에 따른 전지셀은, 하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 양극 단자(130) 및 제 1 음극 단자(230) 중에서 선택된 하나의 외부 입출력 단자, 상기 선택된 외부 입출력 단자와 동일한 극성을 가지는 저항 측정용 단자(150, 250) 및 저항 측정 부재(20)가 연결부재(40)에 의해 전기적으로 연결되어 집전체(110, 210) 상의 저항을 측정한다.
상기 저항 측정 부재(20)로부터 측정된 집전체(110, 210)의 저항 값은 제어부(30)에 입력되고, 제어부(30)에서는 입력된 저항 값을 온도에 따른 저항 곡선 그래프에 적용하여 집전체(110, 210)의 현재 온도를 추정한다.
도 3에는 본 발명에 따른 양극, 분리막, 음극이 순서대로 적층되고 양극 및 음극에 각각 전극단자 및 저항측정용 전극 단자가 결합되어 있는 것을 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 양극 단자 및 저항측정용 양극 단자의 결합 부위를 나타내는 확대도가 도시되어 있으며, 도 5에는 음극 단자 및 저항측정용 음극 단자의 결합 부위를 나타내는 확대도가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명에 따른 양극 시트와 음극 시트가 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 구조를 나타내는 사시도가 도시되어 있다.
도 3 내지 도 6을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전극조립체는, 하나의 구체적인 예에서, 하나의 양극 시트(100)와 하나의 음극 시트(200)가 분리막(300)이 개재된 상태로 권취되어 있는 구조를 가진다. 이때, 양극 시트(100)의 일측 단부에는 전극 합제가 도포되어 있지 않은 제 1 양극 무지부(160)가 형성되어 있고, 음극 시트(200)의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 1 음극 무지부(260)가 형성되어 있다.
본 발명에 따른 전지셀(10)은 상기 제 1 양극 무지부(160)의 양극 집전체(110) 상에 제 1 양극 단자(130)가 결합되어 있고, 상기 제 1 음극 무지부(260)의 음극 집전체(210) 상에 제 1 음극 단자(230)가 결합되어 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 양극 무지부(160)에 대향하는 위치에서 양극 시트(100)의 타측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 2 양극 무지부(170)가 형성되어 있고, 상기 제 2 양극 무지부(170)의 집전체(110) 상에 저항 측정용 양극 단자(150)가 결합되어 있거나, 상기 제 1 음극 무지부(260)에 대향하는 위치에서 음극 시트(200)의 타측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 2 음극 무지부(270)가 형성되어 있고, 상기 제 2 음극 무지부(270)의 집전체(210) 상에 저항 측정용 음극 단자(250)가 결합되어 있다.
따라서, 상기 젤리-롤형 전극조립체의 경우, 음극 시트(200)에 형성되어 있는 상기 제 1 음극 단자(230)와 저항 측정용 음극 단자(250)는 연결부재(40)에 의해 전기적으로 연결되어 집전체(110, 210)의 저항 값이 저항 측정 부재(20)에 의해 측정되고, 측정된 저항 값은 제어부(30)에 입력되어 집전체(110, 210)의 온도를 실시간으로 추정한다.
도 7에는 하나의 양극판과 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 구조를 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 8에는 하나의 양극판과 하나의 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층되고 저항측정부재와 제어부가 결합되어 있는 구조를 나타내는 사시도가 도시되어 있다.
도 7 및 도 8을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀은, 하나의 구체적인 예에서, 양극 집전체(110)의 양면에 양극 활물질(120)을 포함하는 양극 합제가 도포되어 있는 양극판(100)과 음극 집전체(210)의 양면에 음극 활물질(220)을 포함하는 음극 합제가 도포되어 있는 음극판(200)이 분리막(300)이 개재된 상태로 적층되어 있는 구조로서, 전극판(100, 200) 각각의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 전극 탭(180, 280)이 외향 돌출되어 있고, 전극 탭(180, 280)은 전극 리드(도시하지 않음)에 결합되어 제 1 전극 단자(130, 230)를 형성한다.
이 경우, 상기 전극판(100, 200)에는 전극 탭(180, 280)에 대향하는 위치에서 저항 측정용 전극 탭(190, 290)이 외향 돌출되어 있으며, 연결부재(40)에 의해 이들 전극 탭(180, 280), 저항 측정용 전극 탭(190, 290) 및 저항 측정 부재(20)가 전기적으로 연결되어 있고, 추가적으로 저항 값을 입력하여 전지셀의 온도를 추정하는 제어부(30)를 포함하고 있다.
이러한 스택형 전극조립체는 하나의 구체적인 예에서, 양극판(100)의 일측 단부에 양극 탭(180)이 돌출되고, 이는 양극 리드(도시하지 않음)와 결합하여 제 1 양극 단자(130)를 형성하며 상기 양극 탭(180)에 대항하는 위치에 있는 저항 측정용 양극 탭(190)과 연결부재(40)에 의해 전기적으로 연결되어 양극 집전체(110)의 저항 값이 저항 측정 부재(20)에 의해 측정되고, 측정된 저항 값은 제어부(30)에 입력되어 양극 집전체(110)의 온도를 실시간으로 측정한다.
도 9에는 저항 측정용 양극 탭을 추가하여 저항 측정용 양극 탭 사이의 저항을 측정하는 것을 나타내는 사시도가 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(10)은, 하나의 구체적인 예에서, 한 쌍의 전극 탭(180, 280)과 각각 한 쌍의 저항 측정용 전극 탭(190, 190, 290, 290)으로 구성되고, 연결부재(40)에 의해 한 쌍의 저항 측정용 양극 탭(190, 190)이 전기적으로 연결되어 있으며, 추가적으로 저항 값을 입력하여 전지셀의 온도를 추정하는 제어부(30)를 포함하고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전지셀(10)의 내부 온도를 측정하기 위해 반드시 기존의 전극 탭(180, 280)을 사용할 필요는 없고, 저항 측정용 전극 탭(190, 290)를 추가하여 집전체(110, 210)을 측정할 수 있다.
도 10에는 복수의 양극판들과 복수의 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되고 저항측정부재와 제어부가 결합되어 있는 구조를 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 11에는 도 10의 일측부를 나타내는 확대 단면도가 도시되어 있다.
도 10 및 도 11을 도 7과 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(10)은, 하나의 구체적인 예에서, 도 7에 나타낸 하나의 양극판(100)과 음극판(200)이 분리막(300)을 개재한 상태로 적층되어 있는 구조가 복수 적층되어 있는 구조를 가진다. 구체적으로, 양극 집전체(110)의 양면에 양극 활물질(120)을 포함하는 양극 합제가 도포되어 있는 양극판(100), 분리막(300), 음극 집전체(210)의 양면에 음극 활물질(220)을 포함하는 음극 합제가 도포되어 있는 음극판(200), 분리막(300)의 순서로 순차적으로 적층되어 있는 스택형 구조를 가지고 있다.
도 12에는 각각 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재되어 있는 상태로 배열되어 있는 것을 나타내는 평면도가 도시되어 있고, 도 13에는 각각 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층된 구조를 가진 단위셀들이 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조를 나타내는 정면도가 도시되어 있다.
도 12와 도 13을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(10)은, 하나의 구체적인 예에서, 하나 이상의 양극판(100)과 하나 이상의 음극판(200)이 분리막(300)이 개재되어 있는 상태로 적층된 구조를 가진 단위셀들이 분리필름(50)에 의해 권취되어 있는 구조를 가진다.
이때, 상기 단위셀들이 전극판들(100, 200) 각각의 일부에는 전극 탭(180, 280)이 외향 돌출되어 있고, 상기 전극 탭들(180, 280)은 전극 리드(도시하지 않음)에 결합되어 전극 단자(130, 230)을 형성하고 있으며, 상기 단위셀들에서 전극판들 중 하나의 전극판(100, 200)에는 전극 탭들(180, 280)에 대향하는 위치에서 저항 측정용 전극 탭(190, 290)이 형성되어 있다.
이러한 스택/폴딩형 전극조립체는 하나의 구체적인 예에서, 양극판(100)의 일측 단부에 양극 탭(180)이 돌출되고, 이는 양극 리드(도시하지 않음)와 결합하여 제 1 양극 단자(130)를 형성하며 상기 양극 탭(180)에 대항하는 위치에 있는 저항 측정용 양극 탭(190)과 연결부재(40)에 의해 전기적으로 연결되어 양극 집전체(110)의 저항 값이 저항 측정 부재(20)에 의해 측정되고, 측정된 저항 값은 제어부(30)에 입력되어 양극 집전체(110)의 온도를 실시간으로 측정한다.
또한, 본 발명에 따른 전지셀은, 하나의 구체적인 예에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 최외곽이 양극판(100)으로 구성되는 A형 바이셀(60) 및 최외곽이 음극판(200)으로 구성되는 C형 바이셀(70)들이 분리필름(50)에 의해 권취되어 있는 구조를 형성하고 있다.
이상 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 구조의 전극조립체를 포함하는 전지셀로서,
    상기 양극 및 음극은 집전체의 일면 또는 양면에 전극활물질을 포함하는 전극 합제가 도포되어 있고;
    상기 양극 및 음극에는 각각 전지셀의 외부 입출력 단자로서 제 1 양극 단자와 제 1 음극 단자가 형성되어 있으며;
    상기 양극 및 음극 중의 적어도 하나에는 외부 입출력 단자의 대향 위치에 집전체의 저항을 측정하기 위한 저항 측정용 단자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극에는 저항 측정용 양극 단자가 형성되어 있고, 상기 음극에는 저항 측정용 음극 단자가 형성되어 있으며, 집전체의 저항 측정을 측정하는 저항 측정부재 및 전지셀의 온도를 추정하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는,
    하나의 양극 시트와 하나의 음극 시트가 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 구조로 이루어져 있으며;
    양극 시트의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 1 양극 무지부가 형성되어 있고, 음극 시트의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 1 음극 무지부가 형성되어 있으며;
    상기 제 1 양극 무지부의 집전체 상에 제 1 양극 단자가 결합되어 있고, 상기 제 1 음극 무지부의 집전체 상에 제 1 음극 단자가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 양극 무지부에 대향하는 위치에서 양극 시트의 타측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 2 양극 무지부가 형성되어 있고, 상기 제 2 양극 무지부의 집전체 상에 저항 측정용 양극 단자가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 음극 무지부에 대향하는 위치에서 음극 시트의 타측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 제 2 음극 무지부가 형성되어 있고, 상기 제 2 음극 무지부의 집전체 상에 저항 측정용 음극 단자가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는,
    복수의 양극판들과 복수의 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있으며;
    양극판들 각각의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 양극 탭이 외향 돌출되어 있고, 음극판들 각각의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 음극 탭이 외향 돌출되어 있으며;
    양극 탭들이 양극 리드에 결합되어 제 1 양극 단자를 형성하고 있고, 상기 음극 탭들이 음극 리드에 결합되어 제 1 음극 단자를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 양극판들 중의 하나 양극 판에는 양극 탭들에 대향하는 위치에서 저항 측정용 양극 탭이 외향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 음극판들 중의 하나의 음극 판에는 음극 탭들에 대향하는 위치에서 저항 측정용 음극 탭이 외향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는,
    각각 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재되어 있는 상태로 적층된 구조를 가진 단위셀들이 분리필름에 의해 권취되어 있는 구조로 이루어져 있으며;
    상기 단위셀들에서 양극판들 각각의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 양극 탭이 외향 돌출되어 있고, 음극판들 각각의 일측 단부에는 전극 합체가 도포되어 있지 않은 음극 탭이 외향 돌출되어 있으며;
    권취된 단위셀들의 양극 탭들이 양극 리드에 결합되어 제 1 양극 단자를 형성하고 있고, 권취된 단위셀들의 음극 탭들이 음극 리드에 결합되어 제 1 음극 단자를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 권취된 단위셀들에서 양극판들 중의 하나 양극 판에는 양극 탭들에 대향하는 위치에서 저항 측정용 양극 탭이 외향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 권취된 단위셀들에서 음극판들 중의 하나의 음극 판에는 음극 탭들에 대향하는 위치에서 저항 측정용 음극 탭이 외향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는, 집전체를 형성하는 금속 자체의 저항에 따른 온도 상관 관계를 바탕으로, 측정된 집전체의 저항 값을 통해 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 저항 측정용 단자에 수직으로 인접한 전극면에는 저항 측정용 단자가 추가적으로 형성되어 있고,
    상기 저항 측정용 단자들을 연결부재에 의해 전기적으로 연결하여 집전체의 저항을 측정하는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제어부는, 측정된 온도가 임계치 이상일 때, 전지셀의 외부 입출력 단자의 전기적 연결을 해제하는 기능을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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