KR20090077418A - 폭발·발화방지유닛을 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도가 올라감에 따라 저항이 감소하는 폭발·발화방지유닛을 포함한 배터리팩에 대한 것이다.
본 발명에 의하면 폭발·발화방지유닛에 의해 단락이 이루어짐에 따라 충전상태가 낮아지므로, 장시간 고온에 노출되어도 폭발, 발화가 일어나지 않는다. 따라서 실질적인 고온안전성을 확보할 수 있고, 베어셀 차원에서의 처리에 비해 제조비용이 저렴하다.
고온 안전성, 폭발, 발화, 열적 안전성, CTR, 이차전지

Description

폭발·발화방지유닛을 포함하는 배터리 팩{battery pack comprising a explosion and ignition proof unit}
본 발명은 폭발·발화방지유닛을 포함하는 배터리팩에 대한 것이다.
리튬이온전지와 같은 이차전지는 다양한 휴대 전자기기의 전력원으로 이용되고 있다. 그러나, 외부의 충격, 열적 환경 변화, 전기적인 접속 등의 여러 원인에 의하여 발열이 발생할 수 있고, 이에 따라 폭발 또는 발화를 일으킬 위험이 있어 안전성 확보가 무엇보다 중요한 과제로 대두 되고 있다.
일반적으로 배터리 팩에는 PCM(Protection Circuit Module)과 같은 보호회로가 사용되고 있다. 하지만, 이는 과충전을 막기위한 것일 뿐이며, 열적 안전성을 위해서는 셀의 전해액에 첨가제를 첨가하거나, 격리막 자체나, 양극에 코팅처리를 하는 등의 베어 셀(bare cell)차원에서의 안전성 확보를 위한 연구만이 진행되고 있다.
그러나, 배터리의 에너지 밀도가 점점 높아짐에 따라 고온에서 폭발이나 발 화에 이르기까지 견디는 시간이 짧아지게 되므로, 이러한 베어 셀 차원에서의 열적 안전성의 개선은 고온 안전성 확보 측면에서 불충분하다.
따라서, 열적 안전성에 대한 신뢰도가 높은 이차전지의 열적 안전성 확보가 절실히 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 폭발·발화방지유닛을 통하여 열적 안전성 확보의 신뢰성이 높고, 경제적이며, 장시간의 고온상태에서도 열적 안전성을 확보할 수 있는 배터리팩을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 배터리팩은 고온에서 배터리의 양극·음극의 단락을 일으키는 폭발·발화 방지소자유닛을 포함하여 고온에서의 열적 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 폭발·발화 방지유닛은 저항이 높은 고저항구간과, 저항이 급격히 감소하기 시작하는 임계온도와, 저항이 급격히 감소하는 온도범위인 전이구간을 가지고있는 폭발·발화 방지 소자 또는 폭발·발화 방지 회로일 수 있다.
상기 전이구간은 100℃ 내지 130℃인 것이 바람직하고, 상기 고저항구간에서는 저항의 크기가 1Mohm이상이고, 상기 전이구간보다 높은 온도에서는 저항의 크기가 1Kohm 미만일 수 있다.
또한, 상기 폭발·발화 방지소자는 특정온도에서 저항이 급격히 감소하는 CTR(Critical temperature resistor)일 수 있다.
본 발명에 의한 상기 폭발·발화 방지유닛은 단락온도까지는 전류가 흐르지 않다가 단락온도 이상에서는 전류가 흐르는 폭발·발화 방지회로일 수 있고, 상기 단락온도는 100~130℃인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 폭발·발화 방지유닛으로 인하여 장시간의 고온노출시에도 폭발, 발화를 방지할 수 있어 신뢰도가 높은 고온 안전성 확보가 가능하고, 전지 셀에 대한 열적인 안전성 강화 처리를 하지 않아도 되기 때문에 경제적이다.
이하에서는, 본 발명에 의한 폭발·발화 방지유닛과, 과충전 방지를 위한 과충전방지회로를 함께 포함하는 배터리팩을 들어 본 발명을 상세히 설명한다.
상기 과충전방지회로는 일반적으로 배터리팩에 포함되지만, 본 발명에서는 이를 생략하여도 무방하다. 또한, 과충전방지회로는 통상적으로 배터리팩에 적용되는 것이라면 어떤 것을 사용하여도 무방하다.
도 1에서 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 배터리팩은 배터리(20)와, 과충전방지회로(10) 및 온도가 올라갈수록 저항이 감소하는 폭발·발화 방지유닛(40)을 포함할 수 있다.
폭발·발화 방지유닛은 과충전방지회로와 연결될 수 있는데, 도 1에서 도시한 바와 같이 과충전방지회로의 배터리와 연결된 쪽에 연결되거나, 도 2에서 도시한 바와 같이 과충전방지회로와 배터리가 연결된 쪽과 반대편에 연결될 수 있다.
본 발명에 의한 폭발·발화 방지유닛은 배터리와 가까운 거리에 위치하는 것이 전지의 온도를 쉽게 감지할 수 있고, 전지 온도에 민감하게 반응하므로 보다 높은 열적 안전성을 확보할 수 있다.
상기 폭발·발화 방지유닛은 고온에서 배터리의 양극과 음극을 단락시켜 배터리의 충전상태가 낮아지도록 한다. 이러한 폭발·발화 방지유닛은 특정 온도에서 저항값이 급감하는 폭발·발화방지소자 또는 폭발·발화방지 회로일 수 있다.
배터리의 열적 안정성을 확인하는 국제규격상 배터리팩은 130도의 챔버에 셀을 넣었을 때 10분 이내에 발화나, 폭발이 발생하지 않으면 열적 안정성이 인정된다. 종전에는 전해액에 첨가제를 첨가하는 등의 베어셀 차원의 고온 안전성 확보 방법을 통해 국제규격에서 정한 일정시간동안의 열적 안전성은 만족시킬 수 있었으나, 장시간 고온에 노출될 경우 안전성 확보가 어려운 문제점이 있었다.
또한, 국부적으로 국제규격에서 정하는 온도보다 높은 열이 발생하는 경우에는 폭발, 발화 위험으로부터 안전하지 않다.
즉, 이차 전지가 실제로 사용되는 경우에는, 130도 이상의 온도에 배터리가 놓여질 수도 있고, 또한 장시간 동안 고온에 노출될 경우가 있을 수 있어, 이러한 베어셀 차원에서의 안전성 확보만으로는 충분하지 않았다.
그러나 본 발명에 의하면 일정 온도이상에서 폭발·발화 방지소자의 저항이 감소되어 외부 단락이 발생함에 따라 배터리의 충전상태가 낮아지게 되므로, 주위의 온도가 더욱 높게 상승하더라도 폭발이나 화재와 같은 치명적인 위험 상태로 바뀌지 않게 된다. 따라서, 본 발명에 의하면 장시간 고온에서의 노출되는 경우에도 전지의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 첨가제 등을 배터리에 첨가하여 고온에 대한 열적 안전성을 확보하는 경우에는 첨가제의 첨가 등으로 인하여 배터리의 성능 저하를 가져올 수 있다. 그러나, 본 발명의 경우는 별도의 첨가제가 필요하지 않으므로 이러한 문제도 방지할 수 있다.
도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 폭발·발화 방지유닛은 특정온도 이하에서는 고저항을 유지하면서 부도체처럼 작용하는 고저항유지구간(a1)을 가지고 있다. 또한 특정온도 즉, 임계온도(A)에서는 급격히 저항이 감소하기 시작해서 도체처럼 작용하기 시작하는 온도에 이르기까지의 전이구간(a2)을 가지고 있고, 이 전이구간의 최고온도(B)보다 높은 온도에서는 상기 폭발·발화 방지소자의 저항은 매우 작으므로 도체처럼 작용한다. 따라서, 배터리의 양·음극의 단락을 시킬 수 있고 이에 따라 배터리의 충전상태가 낮아지게 되므로 폭발·발화를 방지할 수 있다.
일반적인 배터리팩에 있어서 상기 전이구간은 100~130℃인 것이 바람직하다.
또한, 고저항구간에서는 저항이 1Mohm이상인 것이 바람직하다. 즉, 100℃ 이하에서는 상기 폭발·발화방지소자의 저항은 매우 높은 상태를 유지한다. 그러나, 온도가 100도를 넘어가면 상기 폭발·발화방지유닛의 저항이 급격히 감소하여, 충전상태가 낮아지게 된다.
배터리에 있어서 양극과 음극을 분리하는 격막으로는 주로 PE(poly ethylene)를 사용하는데, PE는 130℃ 이상의 고온에서는 격막으로서의 역할을 제대 로 하지 못한다. 따라서, 130℃이상에서 외부 단락이 발생할 경우, 오히려 폭발·발화의 원인이 될 수 있다. 그러므로 이처럼 격막으로서 PE 재질을 사용하는 경우에는, 상기 폭발·발화 방지유닛은 130℃가 되기 전에 단락을 일으킬 수 있어야 하므로 적어도 130℃ 이하에서 저항의 크기가 1Kohm 미만이 되어야 한다.
이렇게 임계온도 이상의 온도에서 폭발·발화 방지유닛의 저항이 급격히 감소하면 상기 폭발·발화 방지유닛으로 전류가 흐르게 되므로 배터리팩의 외부단락이 발생한다. 또한, 전류가 흐름에 따라 상기 폭발·발화 방지유닛의 온도가 더 올라가므로 저항의 감소속도가 가속화된다.
이러한 폭발·발화 방지유닛으로 사용되는 폭발·발화 방지소자로서는 일정 온도에 이르면 저항이 급변하는 CTR(Critical temperature resistor)를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 CTR에는 온도에 따른 열팽창계수가 높은 물질을 사용할 수 있다.
이러한 CTR소자에 사용될 수 있는 물질로는 SrCO3, PbO, Y2O3, VO2, V2O4, CaCO3, La2O3, CeO2, Nd2O5, Sm2O3, Dy2O3, Gd2O3, V2O5, Bl2O3, Bl2O3, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O3, MnCO3, Cu2O3, CrO3, Li2CO3, Th2O3, Sc2O3, Fe3(NO3)3 등이 있다.
또한, 열 팽창계수가 높은 물질과 다른 첨가물과의 혼합비를 조절하면 임계 온도를 쉽게 조절할 수 있다. 혼합비를 조절하여, 임계온도를 100℃로 가지고, 전이구간의 최고온도가 130℃가 되도록 설정한 폭발·발화방지소자를 사용하면 장시간의 고온하에서도 높은 안전성을 가지는 배터리팩을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 폭발·발화 방지유닛(40)으로는 단락온도에 이르기까지는 전류가 흐르지 않다가, 상기 단락온도 이상의 온도에서는 전류가 흐르는 폭발·발화방지 회로를 사용할 수 있다.
본 발명에서 단락온도는 폭발·발화방지 회로에 전류가 흐르기 시작하는 온도로 정의된다. 단락온도에 이르기까지는 폭발·발화방지 회로로 전류가 흐르지 않지만, 단락온도 이상의 온도에서는 상기 폭발·발화방지 회로로 전류가 흐르기 시작하고 배터리의 양극과 음극이 단락된다. 이에 따라 고온에서 배터리가 폭발·발화되지 않는다.
격막으로 일반적으로 사용되는 PE막이 격막으로서의 기능을 제대로 수행하지 않을 경우 단락되면 폭발·발화 위험이 커지므로, 상기 단락온도는 100 내지 130℃인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 폭발·발화 방지회로의 일 예로 스위칭회로의 일종인 온도센서를 포함하는 회로를 사용할 수 있으며, 온도감지 소자에 의해 입력된 온도가 단락온도 이상이면 온도감지소자와 연결된 조절기에 의해 상기 폭발·발화 방지회로로 전류가 흐르고, 배터리의 양, 음극을 단락시킬 수 있게 된다. 이 밖에도 본 발명에 의한 폭발·발화 방지회로로는 단락온도 이상에서 전류가 흐를 수 있도록 하는 다양한 형태의 회로가 적용될 수 있으며, 상기의 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 폭발·발화방지유닛을 포함하는 실시예를 도시한 블록 다이아그램이다.
도 3은 본 발명에 의한 폭발·발화방지소자의 온도에 따른, 저항변화를 나타낸 것이다.
<도면 부호의 설명>
10 : 과충전방지회로
20 : 배터리
30 : 충전기
40 : 폭발·발화 방지유닛

Claims (7)

  1. 고온에서 배터리의 양극·음극의 단락을 일으키는 폭발·발화 방지소자유닛을 포함하는 배터리 팩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 폭발·발화 방지유닛은 저항이 높은 고저항구간과, 저항이 급격히 감소하기 시작하는 임계온도와, 저항이 급격히 감소하는 온도범위인 전이구간을 가지고 있는 폭발·발화 방지 소자 또는 폭발·발화 방지 회로인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전이구간은 100℃ 내지 130℃인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 고저항구간에서는 저항의 크기가 1Mohm이상이고, 상기 전이구간보다 높은 온도에서는 저항의 크기가 1Kohm 미만인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 폭발·발화 방지소자는 CTR(Critical temperature resistor)인 것을 특징으로 하는 배터리 팩
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 폭발·발화 방지회로는 단락온도까지는 전류가 흐르지 않다가 단락온도 이상에서는 전류가 흐르는 폭발·발화 방지회로인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 단락온도는 100~130℃인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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