WO2012173435A2 - 이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 멀티 전지 시스템 - Google Patents

이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 멀티 전지 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to secondary battery technology, and relates to a secondary battery component and a method of manufacturing the same, a secondary battery manufactured using the component, and the like, which can improve safety of a secondary battery.
  • rechargeable batteries can be recharged by active development of high-tech fields such as digital cameras, cellular phones, laptop computers, power tools, electric bicycles, electric vehicles, hybrid vehicles, and large-capacity power storage devices. Research is ongoing.
  • lithium secondary batteries have a higher energy density per unit weight and can be rapidly charged compared to other secondary batteries such as lead-acid batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, and nickel-zinc batteries, thereby increasing their use actively. It's going on.
  • Lithium secondary battery is used as a power source for portable electronic devices with an operating voltage of 3.6V or more, or by connecting a plurality of batteries in series or in parallel to high power electric vehicles, hybrid vehicles, power tools, electric bicycles, power storage devices, UPS, etc. Used.
  • Lithium secondary batteries have a trend of being 3 times higher than nickel-cadmium batteries or nickel-metal hydride batteries, and having excellent energy density per unit weight.
  • the lithium secondary battery may be classified into a lithium ion battery using a liquid electrolyte and a lithium ion polymer battery using a polymer solid electrolyte according to the type of electrolyte.
  • Lithium ion polymer batteries can be classified into fully solid lithium ion polymer batteries containing no electrolyte solution and lithium ion polymer batteries using gel polymer electrolyte containing electrolyte solution, depending on the type of polymer solid electrolyte.
  • a cylindrical or rectangular metal can is used as a container by welding sealing. Since the can-type secondary battery using such a metal can as a container has a fixed shape, there is a disadvantage in restricting the design of an electric product using the same as a power source, and it is difficult to reduce the volume. Therefore, a pouch type secondary battery using an electrode assembly and an electrolyte in a pouch packaging material made of a film and sealing it has been developed and used.
  • the lithium secondary battery is one of the important problems to ensure safety because there is a risk of explosion when overheating.
  • Overheating of the lithium secondary battery is caused by a variety of causes, one of which is the case in which overcurrent flows beyond the limit through the lithium secondary battery.
  • the lithium secondary battery When the overcurrent flows, the lithium secondary battery generates heat by Joule heat, so the internal temperature of the battery increases rapidly. The rapid rise in temperature also causes decomposition reactions of the electrolyte, causing thermal running, which eventually leads to battery explosion.
  • the overcurrent is a rush current due to the breakdown of the insulation between the positive electrode and the negative electrode due to a sharp metal object penetrating the lithium secondary battery, the contraction of the separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, or the abnormality of the charging circuit or load connected to the outside. ) Is applied to the battery.
  • a lithium secondary battery is used in combination with a protection circuit to protect the battery from an abnormal situation such as the occurrence of an overcurrent.
  • the protection circuit includes a fuse device irreversibly disconnecting a line through which charge or discharge current flows when an overcurrent occurs. It is common to include.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an arrangement structure and an operating mechanism of a fuse device among components of a protection circuit coupled to a lithium secondary battery.
  • the protection circuit operates the fuse device 10 when the overcurrent occurs by monitoring the fuse device 10, the sense resistor 20 for overcurrent sensing, and the overcurrent to protect the secondary battery when the overcurrent occurs.
  • the microcontroller 30 and the switch 40 for switching the flow of the operating current to the fuse element 10.
  • the fuse element 10 is installed on a main line connected to the outermost terminal of the cell assembly 20.
  • the main line is the wiring through which the charging or discharging current flows.
  • the fuse element 10 is shown installed in a high potential line Pack +.
  • the fuse element 10 is a three-terminal element component, and two terminals are connected to a main line through which charging or discharging current flows, and one terminal is connected to the switch 40.
  • the inside includes a fuse 11 connected in series with a main line and having a fusion at a specific temperature, and a resistor 12 for applying heat to the fuse 11.
  • the microcontroller 30 periodically detects the voltage across the sense resistor 20 to monitor whether overcurrent occurs, and turns on the switch 40 when it is determined that overcurrent has occurred. Then, the current flowing in the main line is bypassed to the fuse element 10 and applied to the resistor 12. Accordingly, the joule heat generated by the resistor 12 is conducted to the fuse 11 to raise the temperature of the fuse 11, and when the temperature of the fuse 11 rises to the melting temperature, the fuse 11 is melted, thereby causing the main heat. The track is irreversibly disconnected. If the main line is disconnected, the overcurrent no longer flows, thus eliminating the problem caused by the overcurrent.
  • the above-described prior art has various problems. That is, if a failure occurs in the microcontroller 30, the switch 40 is not turned on even in a situation in which an overcurrent occurs. In this case, since the current does not flow into the resistor 12 of the fuse element 10, there is a problem that the fuse element 10 does not operate. In addition, a space for arranging the fuse element 10 in the protection circuit is separately required, and a program algorithm for controlling the operation of the fuse element 10 must be loaded in the microcontroller 30. Therefore, there is a disadvantage in that the space efficiency of the protection circuit is lowered and the load of the microcontroller 30 is increased.
  • the present invention was conceived by recognizing the problems of the prior art as described above, and a new type of secondary battery component necessary for implementing a manual overcurrent blocking function in the secondary battery itself, apart from the active overcurrent blocking function of the protection circuit. It is an object to provide a manufacturing method.
  • Another object of the present invention is to provide a secondary battery component and a method of manufacturing the same, which can implement an overcurrent blocking function by a manual method with minimal structural changes while maintaining the overall shape of an existing component substantially the same.
  • Still another object of the present invention is to provide a secondary battery and a multi-cell system manufactured using the secondary battery component.
  • the inventors of the present invention break the electrode lead having a plate shape into a first metal plate and a second metal plate while studying a method for improving safety of a lithium secondary battery, and breaking the first metal plate and the second metal plate.
  • Safety problems caused by overcurrent when connected using a plate-shaped lead-free soldering material having a melting point of ⁇ 300 degrees can be improved, and the electrode leads having the above structure can be applied to all kinds of secondary batteries.
  • the present invention was completed by confirming that it can be used as a general-purpose component that can replace various components of the secondary battery positioned in the current flow path.
  • the secondary battery component according to the present invention for achieving the above technical problem, has a melting point of 150 ⁇ 300 degrees, the first metal plate and the second connected via a lead-free soldering bridge containing tin (Sn) and copper (Cu) as a main component Metal plate.
  • the first and second metal plates are located on substantially the same plane, and the lead-free soldering bridge is disposed on either or both sides of the first and second metal plates. And a bridge between the second metal plates.
  • a portion where the first and second metal plates are connected through the lead-free soldering bridge will be referred to as a carpet separator from a functional point of view.
  • a minute gap that is, a gap, exists in a portion of the first and second metal plates facing each other.
  • the gap has a pattern of any one of linear, zigzag, sawtooth and wavy shapes or a combination thereof at the central portion of the tapered separator.
  • the lead-free soldering bridge comprises a bridge between the first and second metal plates by a first joint forming a junction with the first metal plate and a second joint forming a junction with the second metal plate.
  • the first junction portion and the second junction portion may be located on the same line or on different lines depending on the shape of the gap.
  • the first and second joints are formed by line welding using a laser.
  • the first and second joints are formed by ultrasonic welding, resistance welding, arc welding or the like.
  • the line welding is performed on the upper surface of the first and second metal plates corresponding to the point where the first and second joints are to be formed. Therefore, a line welding pattern is formed on the surfaces of the first and second metal plates facing the gap.
  • the first and second metal plates are substantially coplanar and the lead-free soldering bridge is interposed directly between opposing surfaces of the first and second metal plates facing each other. To form a bridge between the first and second metal plates.
  • opposite surfaces of the first and second metal plates have inclined surfaces tapered in the lead-free soldering bridge direction.
  • the opposing surfaces of the first and second metal plates are convex in the direction of the lead-free soldering bridge, in which case the central regions of the opposing surfaces have the form of flat surfaces facing each other and have a top surface of the central region and The edge region positioned at the bottom may have an inclined surface tapered in opposite directions.
  • opposing surfaces of the first and second metal plates have recesses.
  • the lead-free soldering bridge and the opposing surfaces of the first and second metal plates are joined by laser welding, regardless of the various shapes of the opposing surfaces.
  • the lead-free soldering bridge and opposing surfaces of the first and second metal plates are joined by ultrasonic welding, resistance welding, arc welding or the like.
  • the first and second metal plates are located on substantially the same plane, and the lead-free soldering bridge is formed at each end where the first and second metal plates face each other.
  • a bridge is formed between the first and second metal plates in a space formed by the interlocking of the first and second bent portions.
  • the first and second bent portions have a bent structure that can be interlocked with each other in a face symmetrical or point symmetrical relationship.
  • the lead-free soldering bridge forms a bridge between the first and the second metal plate in a space formed when the ends of the first and second metal plate are overlapped while being disposed up and down.
  • the lead-free soldering bridge is between the first and the second metal plate in a space formed by interlocking the grooves in the form of lines formed on the opposite surface rather than facing each other of the first and second metal plate To form a bridge.
  • the content of tin, the main component of the lead-free soldering bridge is 80 to 98% by weight, the content of copper as an alloying component is 2 to 20% by weight.
  • the lead-free soldering bridge may further include at least one or more components of nickel, zinc and silver as an additional alloy component in addition to copper.
  • the total content of the additional alloying component is preferably adjusted to 0.01 to 10% by weight.
  • the above-described secondary battery component may further include an insulating tape covering the tapered separator to cover the lead-free soldering bridge.
  • the insulating tape is made of any one selected from the group consisting of polyolefin film, polypropylene film, acid modified polypropylene (Acid modified polypropylene) film or a combination thereof.
  • the secondary battery according to the present invention for achieving the above technical problem is manufactured using the above-described secondary battery component as an electrode lead. Therefore, the secondary battery according to the present invention has a structure of a secondary battery component in which the positive electrode lead, the negative electrode lead, or the positive electrode and the negative electrode lead are described above.
  • An object of the present invention is also achieved by applying the above-described structure of a secondary battery component to a connector connecting between adjacent terminals in a multi-cell system including a plurality of secondary batteries connected in series or in parallel.
  • a method of manufacturing a secondary battery component according to the present invention step; Providing a lead-free soldering bridge having a melting point of 150 to 300 degrees and including tin (Sn) and copper (Cu) at opposite portions of the first metal plate and the second metal plate; And bonding one side of the lead-free soldering bridge to the first metal plate and the other side of the lead-free soldering bridge to the second metal plate.
  • the secondary battery component manufacturing method according to the present invention may further include coating a lead-free soldering bridge and / or the gap portion with an insulating tape.
  • the secondary battery component has a structure in which first and second metal plates spaced apart from each other with a gap are connected through a lead-free soldering bridge fused at 150 to 300 degrees. Therefore, when overcurrent flows through the secondary battery component, the temperature of the lead-free soldering bridge rises and melts in a short time to the melting temperature, thereby blocking the flow of the overcurrent.
  • the width of the gap formed between the first and second metal plates is small, the increase in resistance of the component by the lead-free soldering bridge is limited to a negligible level and does not involve a substantial change in the overall size and shape of the component.
  • the secondary battery component when used as an electrode lead of the secondary battery, it is possible to independently block overcurrent in the secondary battery itself independently of the protection circuit, thereby improving safety of the secondary battery.
  • the secondary battery component when used as an electrode lead, since there is no substantial change in the size or shape of the electrode lead, it is possible to apply an overcurrent blocking function to the secondary battery without changing the design of the secondary battery structure.
  • the secondary battery component has an advantage that it can be applied as long as it is a secondary battery employing an electrode lead having a plate shape.
  • the connector used in the multi-battery system including a plurality of secondary batteries when the connector used in the multi-battery system including a plurality of secondary batteries is replaced with the secondary battery component, the connector itself may implement an overcurrent blocking function.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an arrangement structure and an operating mechanism of a fuse device among components of a protection circuit coupled to a lithium secondary battery.
  • FIG. 2 is a perspective view of a secondary battery component according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 2.
  • FIG. 4 is an enlarged plan view of the tapered separator corresponding to the central portion of the component shown in FIG. 1;
  • 5 and 6 are views showing various patterns of the gap formed in the carpet separation part.
  • FIG. 7 to 14 are cross-sectional views of components for a secondary battery according to another embodiment of the present invention.
  • 15 is a cross-sectional view of a secondary battery component coated with an insulating tape according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is a cross-sectional view of a secondary battery component having a bent structure according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a cross-sectional view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 18 and 19 are partial views illustrating a connector connection portion of a multi-cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 20 is a graph showing a time-dependent current measurement value obtained in the short circuit test according to the present invention.
  • 21 is a graph showing the temperature measurement value for each time obtained in the short circuit test according to the present invention.
  • FIG. 22 is a graph showing the tensile strength characteristics according to the amount of copper obtained in the tensile strength evaluation test according to the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view of a secondary battery component according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a cross-sectional view taken along the line II 'of Figure 2
  • Figure 4 is a carpet corresponding to the central portion of the component shown in Figure 1
  • the secondary battery component 20 is connected through a lead-free soldering bridge 21, and the first metal plate 22 and the second spaced apart by the gap 24. It consists of a metal plate 23.
  • the gap 24 refers to a minute gap existing between the first metal plate 22 and the second metal plate 23.
  • the gap 24 functions as a resistance component that allows most current flowing through the component 20 to flow from the first metal plate 22 to the second metal plate 23 through the lead-free soldering bridge 21. do.
  • the width of the gap 24 is directly related to the increase and decrease of the current flow path through the lead-free soldering bridge 21, and the increase in the width of the gap 24 may increase the resistance of the component 20 itself. . Therefore, the smaller the width of the gap 24 is, the better, preferably 1 mm or less, more preferably 0.5 mm or less, even more preferably 0.3 mm or less, even more preferably 0.1 mm or less.
  • the first metal plate 22 and the second metal plate 23 are substantially located on the XY plane and are made of a metal or alloy having an electrical resistance of 0.1 m ⁇ or less.
  • first metal plate 22 and the second metal plate 23 may be formed of a copper plate, an aluminum plate, or a nickel plated copper plate.
  • the first metal plate 22 and the second metal plate 22 are made of the same material, but are not limited to those made of different materials.
  • the lead-free soldering bridge 21 has a melting point of 150 to 300 degrees lower than the melting points of the first metal plate 22 and the second metal plate 23, and is mainly composed of tin (Sn) and copper (Cu). Consists of environmentally friendly materials that do not contain lead and harmful to the environment and human body (Pb).
  • the melting point range of the lead-free soldering bridge 21 is set in consideration of the overcurrent level to be blocked. If the melting point is lower than 150 degrees, the lead-free soldering bridge 21 may melt even when a normal current flows. For example, when the secondary battery component 20 is used in a secondary battery for an electric vehicle, when the melting point is lower than 150 degrees, the lead-free soldering bridge 21 may be melted by a rapid charge / discharge current. In addition, when the melting point is higher than 300 degrees, since the blocking of the overcurrent is not effectively made, there is virtually no effect of using the secondary battery component 20.
  • Tin among the components of the lead-free soldering bridge 21 affects the melting point and the tensile strength characteristics of the bridge 21.
  • the content of tin is controlled in the range of 80% by weight or more, preferably 85 to 98% by weight so that the lead-free soldering bridge 21 has a melting point of 150 to 300 degrees and has good tensile strength characteristics.
  • the copper serves to improve the electrical conductivity of the secondary battery component 20, and in view of this function, the copper content is adjusted in the range of 2 to 20% by weight, preferably in the range of 4 to 15% by weight. It is preferable.
  • the weight% is the same as a unit based on the total weight of the material constituting the lead-free soldering bridge 21.
  • the lead-free soldering bridge 21 may further include a metal having good electrical conductivity, such as nickel (Ni), silver (Ag), zinc (Zn), as an additional alloy component in addition to tin and copper in order to have more improved physical properties.
  • a metal having good electrical conductivity such as nickel (Ni), silver (Ag), zinc (Zn)
  • the content of the additional alloying component is preferably 0.01 to 10% by weight based on the total weight of the material.
  • the lead-free soldering bridge 21 is disposed between the first metal plate 22 and the second metal plate 23 at one side of the first metal plate 22 and the second metal plate 23, that is, at the bottom. Form a bridge.
  • the first metal plate 22 and the second metal plate 23 may form the gap 24 while melting the bridge 21 in a liquid phase. It is broken to both sides by the center and separated.
  • a carpet separation part A the portion where the first metal plate 22 and the second metal plate 23 are connected through the lead-free soldering bridge 21 will be referred to as a carpet separation part A.
  • the tapered separator A includes a first junction 25 and a second junction 26.
  • the first junction 25 is a region where the lead-free soldering bridge 21 and the first metal plate 22 are bonded
  • the second junction 26 is the lead-free soldering bridge 21 and the second metal plate 23. Means the bonded region.
  • the first junction 25 and the second junction 26 are formed by line welding proceeding in the Y direction, and the first junction 25 is formed of the first metal plate 22 and the lead-free soldering bridge 21. At the interface, the second junction 26 is formed at the interface of the second metal plate 23 and the lead-free soldering bridge 21.
  • the line welding is preferably performed at the upper portion (see point B) of the first metal plate 22 and the second metal plate 23. Therefore, a line welding pattern is formed on the surfaces of the first metal plate 22 and the second metal plate 23 facing the gap 24.
  • the line welding is preferably laser welding, but various welding techniques such as ultrasonic welding, resistance welding, arc welding, and the like may be applied.
  • the number of times of line welding can be increased to further increase the welding strength.
  • the junction part may be further formed in the carpet separation part A.
  • the first junction portion 25 and the second junction portion 26 have a continuous line pattern or a discontinuous line pattern, but the present invention is not limited thereto.
  • the gap 24 may have a sawtooth shape as shown in FIG. 5.
  • the lead-free soldering bridge 21 may be joined to the first metal plate 22 and the second metal plate 23 by performing line welding in the Y direction along the center portion of the gap 24. It is preferable to perform line welding on the upper part of the plate, and at least one or more lines of joints 27 between the lead-free soldering bridge 21 and the first metal plate 22 and the second metal plate 23 depending on the number of times the line welding is performed. ) Is formed.
  • the junction part 27 may include a first junction part 27a formed between the lead-free soldering bridge 21 and the first metal plate 22, and a second junction part formed between the lead-free soldering bridge 21 and the second metal plate 23. 27b) has a structural feature located alternately on the same line.
  • the gap 24 may have a shape in which a rectangular protruding pattern is alternately engaged as shown in FIG. 6.
  • at least one or more lines of joints 28 are formed between the lead-free soldering bridge 21, the first metal plate 22, and the second metal plate 23, depending on the number of times of line welding.
  • the joint 28 is a second joint formed between the lead-free soldering bridge 21 and the first metal plate 22 and the lead-free soldering bridge 21 and the second metal plate 23.
  • the junction 28b has a structural feature that is alternately located on the same line.
  • the gap 24 may have various types of patterns in addition to the patterns disclosed in FIGS. 5 and 6.
  • the gap 24 may not have a single pattern but may have a pattern in which the aforementioned various patterns are combined.
  • FIGS. 7 to 14 are cross-sectional views illustrating various modified structures that the secondary battery component 20 may have.
  • the arrow indicates the point where the line welding is performed, the detailed description of the welding is omitted in the following description.
  • an additional lead-free soldering bridge 21 ′ may be formed on the tapered separator A.
  • the lead-free soldering bridge 21 ' has the same material as the lead-free soldering bridge 21 below and is joined to the first metal plate 22 and the second metal plate 23 by the same welding technique.
  • the lead-free soldering bridge 21 may include a first bent portion 22a and a second bent portion formed at respective ends of the first metal plate 22 and the second metal plate 23 facing each other. It is also possible to form a bridge between the first metal plate 22 and the second metal plate 23 in the space formed by the interlocking of 23a.
  • the lead-free soldering bridge 21 may be formed in a space formed by interlocking of grooves formed at respective ends of the first metal plate 22 and the second metal plate 23 facing each other. It is also possible to form a bridge between the first metal plate 22 and the second metal plate 23.
  • the lead-free soldering bridge 21 may be formed by the following process in addition to welding.
  • a metal plate consisting of one piece is prepared, and then a groove in a line shape in which the lead-free soldering bridge 21 is to be formed on the upper surface of the metal plate is formed.
  • the grooves in the line form may be any one of physical or chemical etching techniques, mechanical cutting techniques using saw blades, and the like, local scratching techniques using a hard knife such as diamond, etching techniques using electromagnetic beams, and skiving techniques. It can form by.
  • soldering material for forming the lead-free soldering bridge 21 is disposed at the point where the grooves are formed.
  • a soldering wire having the same or similar cross-sectional structure as that of the lead-free soldering bridge 21 may be used.
  • a soldering paste in which fine soldering powder is dispersed may be used as the soldering material.
  • the content of tin, copper, and other additional metals contained in the soldering material is in the range of melting point temperature to be applied to the lead-free soldering bridge 21 to be formed in the groove, the level of overcurrent to be blocked by using the secondary battery component, and the secondary. This is determined in consideration of the electrical and / or mechanical properties to be applied to the battery part.
  • the rolling process is performed while applying pressure using a jig or a roller at least at the point where the soldering material is disposed. At this time, thermal energy is applied to a point where the soldering material is in contact with the inner surface of the groove to cause local melting of the soldering material. Then, an alloy is formed between the metal component constituting the metal plate and the metal component constituting the soldering material along the contact interface. As such, when alloys are formed between dissimilar metal components, surface resistances formed at the interface between the soldering material and the metal plate may be minimized.
  • thermal energy When the thermal energy is applied, various methods such as a heat conduction method, an ultrasonic vibration method, an electromagnetic energy beam irradiation method, and an electromagnetic induction method may be applied.
  • a heat conduction method an ultrasonic vibration method
  • an electromagnetic energy beam irradiation method an electromagnetic induction method
  • the present invention is not limited to the specific manner of applying thermal energy, and various methods known to generate heat energy at a pressure application site during the rolling process are applicable.
  • a gap is formed in the lower portion of the lead-free soldering bridge 21 so that the metal plate is the first metal plate 22 and the second metal plate 23. To be separated. In the formation of the gap, any one of techniques used to form the groove may be applied.
  • the residue of the soldering material attached to the first metal plate 22 and the second metal plate 23 is removed to complete the manufacture of the secondary battery component.
  • the first bent portion 22a and the second bent portion 23a are in a plane symmetric relationship with each other.
  • the first bent portion 22a and the second bent portion 23a may have a bent structure forming a point symmetry relationship. It is also possible to omit the bending structure in FIG. 9. That is, the lead-free soldering bridge 21 may be formed between the spaces generated when the ends of the first metal plate 22 and the second metal plate 23 are overlapped up and down by a predetermined width.
  • the lead-free soldering bridge 21 may be directly joined to the opposing surfaces S1 and S2 of the first metal plate 22 and the second metal plate 23 by performing line welding at the points indicated by the arrows. It may be. In this case, it is preferable that the width of the lead-free soldering bridge 21 be as small as possible.
  • the opposing surfaces S1 and S2 have various shapes. Can be changed to
  • the opposing surfaces S1 and S2 may have an inclined surface tapered toward the lead-free soldering bridge 21 as shown in FIG. 11.
  • the opposing surfaces S1 and S2 have convex shapes in the direction of the lead-free soldering bridge 21 as shown in FIG. 12, and the central regions have the shape of flat surfaces parallel to each other.
  • the located edge region may have the shape of inclined surfaces tapered in opposite directions.
  • the opposing surfaces S1 and S2 may have a recess structure in the form of a trench as shown in FIG. 13.
  • the shape of the recess is possible in various forms such as a wedge shape, a square shape, and a semicircle shape.
  • the recess structure may have sidewalls extending to the top and bottom of the plate, as shown in FIG.
  • the secondary battery component 20 may cover the tapered separator A with an insulating tape 30 to block the tapered separator A from outside air.
  • the insulating tape 30 may cover only one of the insulating tapes 30 without covering both the upper and lower portions of the tapered separator A.
  • FIG. Attachment of the insulating tape 30 is applicable to all types of secondary battery components disclosed by the present invention.
  • the insulating tape 30 may be made of any one or a combination thereof selected from the group consisting of a polyolefin film, a polypropylene film, and an acid modified polypropylene, but the present invention is not limited thereto.
  • the secondary battery component 20 may bend the intermediate point of the first metal plate 22 or the second metal plate 23 to deform the shape as much as necessary. Can be. Possible shapes are various modifications in addition to the c-shape shown in the drawings.
  • a first metal plate and a second metal plate are prepared to match the structure of the component illustrated in the figures. Then, the first metal plate and the second metal plate are brought into close proximity to each other on substantially the same plane so as to have a gap between the plates.
  • the structure of the part in which the first metal plate and the second metal plate face each other may have various shapes as shown in the drawings. Then, there is provided a lead-free soldering bridge having a melting point of 150 to 300 degrees and including tin (Sn) and copper (Cu) at opposite portions of the first metal plate and the second metal plate.
  • one side of the lead-free soldering bridge is welded to the first metal plate, and the other side of the lead-free soldering bridge to the second metal plate.
  • the step of adhering the lead-free soldering bridge and / or the insulating tape to the site to block the gap from the outside air can be further proceeded.
  • Secondary battery components according to the present invention can be used in the production of secondary batteries in a variety of ways.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of a pouch-type lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention manufactured using the above-described secondary battery component.
  • the secondary battery 40 includes an electrode assembly 43 to which the positive electrode lead 41 and the negative electrode lead 42 are electrically connected.
  • the positive electrode lead 41 and the negative electrode lead 42 have substantially the same structure as the secondary battery component according to the present invention.
  • the positive electrode lead 41 and the negative electrode lead 42 have a structure in which two metal plates are connected in a bridge form by the tapered separator A.
  • FIG. Unlike the drawings, the secondary battery component structure according to the present invention may be applied to only one of the positive electrode lead 41 and the negative electrode lead 42.
  • the electrode assembly 43 has a structure in which at least one unit cell having a structure in which a separator is interposed between an anode and a cathode is assembled. At least one surface of the positive electrode and the negative electrode may be coated with an active material required for operation of the secondary battery, and an insulating film may be interposed between adjacent unit cells to block electrical connections between the unit cells.
  • the positive electrode and the negative electrode may be coated with a lithium-based positive electrode active material and a carbon-based active material, respectively.
  • the separator and the insulating film may be made of a polyolefin-based porous polymer film. Since the structure of the secondary battery as described above is well known in the art to which the present invention pertains, the present invention is not limited by the specific structure or material configuration of the electrode assembly 43.
  • the electrode assembly 43 includes a plurality of positive electrode tabs 44 and negative electrode tabs 45 extending from respective positive and negative electrodes.
  • the plurality of positive electrode tabs 44 and the negative electrode tabs 45 are gathered into one through primary welding and then bonded to the positive electrode lead 41 and the negative electrode lead 42 through the secondary welding, respectively.
  • the electrode assembly 43 is tightly sealed in the package 46 so that the ends of the positive electrode lead 41 and the negative electrode lead 42 are exposed to the outside.
  • the packaging material 46 is formed of an aluminum pouch film having a heat adhesive layer formed on an inner side surface thereof facing the electrode assembly 43. Thus, the electrode assembly 43 seals in the package 46 by applying heat along the edge of the package 46.
  • the packaging material 46 may include a liquid electrolyte, a solid electrolyte, a gel electrolyte, etc. according to the type of secondary battery.
  • the secondary battery 40 according to the present invention includes a tapered separator A in the electrode lead, an overcurrent flows through the electrode lead, so that the temperature of the lead-free soldering bridge included in the tapered separator A is 150-300 degrees.
  • the electrode lead is broken around the rugged separator A, thereby irreversibly blocking the flow of overcurrent. Therefore, the secondary battery 40 can be protected from overcurrent independently of the protection circuit.
  • the secondary battery component 20 may be used as a connector component used to connect a plurality of secondary batteries in series or in addition to the electrode leads of the secondary battery.
  • 18 and 19 is a state diagram showing the state that the secondary battery component 20 according to the present invention is used as a connector component.
  • the secondary battery component 20 according to the present invention may be connected to the terminals 50 and 60 adjacent to each other as shown in FIG. 18 by welding.
  • the secondary battery component 20 according to the present invention may be connected to the adjacent terminals 50 and 60 through bolt coupling as shown in FIG. 19.
  • the secondary battery component 20 according to the present invention may be connected to the terminals 50 and 60 through rivets.
  • the terminals 50 and 60 refer to terminals provided in components requiring electrical connection in a large capacity multi-battery system in which a plurality of secondary batteries are collected, and the type of the terminals 50 and 60 is not particularly limited.
  • the connection method between the secondary battery component 20 and the terminals 50 and 60 according to the present invention may be modified in various ways in addition to the above-described method.
  • the multi-cell system includes a battery module in which a plurality of secondary batteries are connected in series or in parallel; A battery pack in which a plurality of battery modules are connected in series or in parallel; This means a pack assembly in which a plurality of battery packs are connected in series or in parallel.
  • the secondary battery component 20 when the secondary battery component 20 is interposed between adjacent terminals 50 and 60, an overcurrent flows between the terminals 50 and 60 so that the temperature of the lead-free soldering bridge included in the secondary battery component 20 is increased.
  • the temperature rises to 150 to 300 degrees the electrical connection between the terminals 50 and 60 is broken around the tapered separator A, thereby irreversibly blocking the flow of overcurrent.
  • the multi-cell system can be protected from overcurrent independently of the protection circuit.
  • the multi-cell system includes a power tool; Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric trucks; Or it can be used as a large capacity secondary battery system used in the power storage device.
  • Electric vehicles including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); Electric trucks; Or it can be used as a large capacity secondary battery system used in the power storage device.
  • the cathode lead has a structure in which two copper plates are joined to the lead-free soldering bridge by line welding. Copper plates and lead-free soldering bridges were 0.2 mm and 0.5 mm thick, respectively.
  • the line welding was performed using a laser with an energy condition of 3.5 kV. The distance between the points where the line welding was made was 1 mm.
  • the lead-free soldering bridge was formed using a soldering alloy plate having a tin and copper content of 96% by weight and 4% by weight, respectively, and having a width of 3 mm.
  • a 45-h capacity pouch-type lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 99.4% by weight of tin, 0.5% by weight of copper, and 0.1% by weight of nickel were contained in the alloy plate used to form the lead-free soldering bridge. It was.
  • a pouch type lithium secondary battery having a capacity of 45 Ah was prepared in the same manner as in Example 1 except that a lead-free soldering bridge and a negative electrode lead made of a copper plate having a thickness of 0.2 mm were used.
  • the lithium secondary battery of Example 1 was charged and discharged in an atmospheric pressure environment at 25 degrees.
  • the magnitude of the charging current was set to 72A and the magnitude of the discharge current was set to 95A.
  • Example 2 The same resistance measurement experiment as in Example 1 was also performed on the lithium secondary battery of Example 2, obtaining 1.529 milliohms (mOhm) as an average resistance value.
  • Example 1 shows a resistance increase of 1.4% compared to the comparative example and Example 2 shows a resistance increase of 2.3% compared to the comparative example. Therefore, even when the structure of the secondary battery component according to the present invention is applied to the negative electrode lead, it can be seen that the resistance characteristics are not significantly changed as compared with the conventional lithium secondary battery.
  • Example 2 exhibits an increase in resistance of at least less than 2.3% when the copper content of the lead-free soldering bridge is adjusted to 2 to 20% by weight, considering that the copper content is very low at 0.5% by weight. .
  • the positive electrode and the negative electrode were connected to each other to form a short circuit condition.
  • the temperature change was observed over time in the plate portion of the negative lead and the center portion of the secondary battery packaging material while measuring the magnitude of the short circuit current at regular time intervals. Monitoring results of short circuit current and temperature are shown in FIGS. 20 and 21.
  • the magnitude of the short-circuit current rapidly increased to 1465A, and a judgment phenomenon occurred in the negative electrode lead even before 1 second after the short-circuit current began to flow. It can be seen that the magnitude of the short circuit current is reduced to zero.
  • the failure of the negative lead supports the rapid rise of the temperature of the wireless soldering bridge contained in the negative lead at least to the melting temperature.
  • the same short-circuit experiment was performed also about the lithium secondary battery of a comparative example.
  • the temperature of the lithium secondary battery rose rapidly to 100 degrees or more before 2 minutes, and the gas was released as the sealing portion of the lithium secondary battery was opened, and the temperature of the lithium secondary battery was maintained at about 60 degrees immediately after the gas was released. It confirmed that it became.
  • the structure of the secondary battery component according to the present invention is applied to the electrode lead of the lithium secondary battery, it can be seen that the safety of the lithium secondary battery can be improved in an overcurrent environment.
  • lithium secondary batteries of Examples 1 and 2 and Comparative Examples were used, and the batteries were overcharged under conditions of 10 V / 1 A to monitor the state of the secondary batteries.
  • the monitor item is whether it is ignited, whether it is exploded or not, and the result of monitoring is as shown in Table 1 below.
  • the temperature of the battery rapidly increased due to overcharging, and eventually ignition and explosion of the battery occurred.
  • the lithium secondary batteries of Examples 1 and 2 it was confirmed that there is no problem in safety due to breakage of the negative electrode lead due to rapid temperature rise. Therefore, when the structure of the secondary battery component according to the present invention is applied to the electrode lead of the lithium secondary battery, it can be seen that the safety of the secondary battery can be improved not only in the overcurrent environment but also in the overcharge environment.
  • the bonding strength of the soldering material and the metal plate used as the lead-free soldering bridge of the secondary battery component according to the present invention was measured.
  • Width 1 cm; Length is 4 cm; A copper plate having a thickness of 0.5 mm, and a width of 1 cm; Length is 4 cm; Sample 1 was prepared by overlapping 3 mm of a soldering alloy plate having a thickness of 0.5 mm and contents of 96 wt% and 4 wt% of copper, respectively, and performing laser welding along the center of the overlapping portion.
  • Width 1 cm; Length is 4 cm; A copper plate having a thickness of 0.5 mm, and a width of 1 cm; Length is 4 cm; An aluminum plate having a thickness of 0.2 mm was overlapped with 3 mm, and sample 2 was prepared by performing line welding with a laser in the same manner as sample 1 along the center of the overlapping portion.
  • the tensile strength of each sample was measured using a universal testing machine (UTM).
  • UTM universal testing machine
  • the tensile strength of the sample 1 was measured to be 233.2N
  • the tensile strength of the sample 2 is 150.9N
  • the tensile strength of the sample 1 is very large as about 54.5% compared to the sample 2. Therefore, it can be seen that the lead-free soldering material used for the secondary battery component according to the present invention has excellent bonding properties with the metal plate.
  • the tensile strength level of Sample 2 is greater than the tensile strength level required for the various types of connectors used in the electrode lead of the secondary battery or the multi-cell system. Therefore, it can be seen that the lead-free soldering bridge according to the present invention does not interfere at all even when used for various types of connectors used in the electrode lead of the secondary battery or the multi-cell system.
  • the tensile strength characteristics of the lead-free soldering material including tin and copper were evaluated according to the change of the copper content.
  • six samples 3 to 8 having different copper contents of 4 wt%, 6 wt%, 8 wt%, 10 wt%, 15 wt% and 20 wt% were prepared.
  • Samples 3 to 8 were the same as 0.5 mm, 1 cm, and 5 cm, and the tensile strength of each sample was measured using UTM. The measurement result is shown in FIG.
  • the tensile strength of the lead-free soldering material shows the same high tensile strength characteristics when the copper content of 4 ⁇ 8% by weight.
  • the lead-free soldering material having a copper content of 4% by weight has excellent bonding properties with the metal plate. Therefore, it is apparent that even in a lead-free soldering material having a copper content of 4 to 8% by weight, the bonding property with the metal plate will be excellent.
  • the copper content is less than 4% by weight, the tin content having good tensile strength properties is relatively increased. Therefore, even if not measured directly, it is obvious that if the copper content is less than 4% by weight, the tensile strength level at least when the copper content is 4 to 8% by weight will be maintained.
  • the lead-free soldering material having a copper content of 10 to 20% by weight has sufficient tensile strength characteristics for use in the secondary battery component according to the present invention.
  • the lead-free soldering material used to implement the structure of the secondary battery component according to the present invention has sufficient tensile strength to be used as an electrode lead of a secondary battery or various connectors used in a multi-cell system. have.

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Abstract

본 발명은 이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지를 개시한다. 본 발명에 따른 이차전지용 부품은, 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지; 및 미세한 간극을 사이에 두고 이격된 상태로 상기 무연 솔더링 브릿지와 접합된 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 상기 이차전지용 부품을 통해 과전류가 흐를 경우, 무연 솔더링 브릿지의 온도가 상기 융단 온도까지 짧은 시간 안에 국소적으로 상승하여 융단됨으로써 과전류의 흐름이 효과적으로 차단된다.

Description

이차전지용 부품 및 그 제조 방법, 및 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 멀티 전지 시스템
본 발명은 이차전지 기술에 관한 것으로서, 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 이차전지용 부품 및 그 제조 방법과, 상기 부품을 사용하여 제조된 이차전지 등에 관한 것이다.
본 출원은 2011년 6월 17일에 출원된 한국특허출원 제10-2011-0059255호에 기초한 우선권 주장을 하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
또한, 본 출원은 2011년 9월 16일에 출원된 한국특허출원 제10-2011-0093615호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
또한, 본 출원은 2012년 6월 15일에 출원된 한국특허출원 제10-2012-0064368호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다.
리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.
그런데, 리튬 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 리튬 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 리튬 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 리튬 이차전지가 주울열에 의해 발열을 하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal running)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뽀족한 금속 물체가 리튬 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 전지에 인가되는 경우 등에 발생된다.
따라서 리튬 이차전지는 과전류의 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 보호회로와 결합되어 사용되며, 상기 보호회로에는 과전류가 발생되었을 때 충전 또는 방전전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함되는 것이 일반적이다.
도 1은 리튬 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 이차 전지를 보호하기 위해 퓨즈 소자(10), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(20), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(10)를 동작시키는 마이크로컨트롤러(30) 및 상기 퓨즈 소자(10)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(40)를 포함한다.
퓨즈 소자(10)는 셀 어셈블리(20)의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(10)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.
퓨즈 소자(10)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(40)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(11)와, 상기 퓨즈(11)에 열을 인가하는 저항(12)이 포함되어 있다.
상기 마이크로컨트롤러(30)는 센스 저항(20) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(40)를 턴 온시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(10) 측으로 바이패스되어 저항(12)에 인가된다. 이에 따라, 저항(12)에서 발생된 주울열이 퓨즈(11)에 전도되어 퓨즈(11)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(11)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(11)가 융단됨으로써 주 선로가 비가역적으로 단선된다. 주 선로가 단선되면 과전류가 더 이상 흐르지 않게 되므로 과전류로부터 비롯되는 문제를 해소할 수 있다.
그런데, 위와 같은 종래 기술은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 즉, 마이크로컨트롤러(30)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(40)가 턴온되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(10)의 저항(12)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(10)가 동작을 하지 않는 문제가 있다. 또한 보호회로 내에 퓨즈 소자(10)의 배치를 위한 공간이 별도로 필요하고 퓨즈 소자(10)의 동작 제어를 위한 프로그램 알고리즘이 마이크로컨트롤러(30)에 반드시 적재되어야 한다. 따라서 보호회로의 공간 효율성이 저하되고 마이크로컨트롤러(30)의 부하를 증가시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 인식하여 창안된 것으로서, 보호회로의 능동적인 과전류 차단 기능과는 별도로 이차전지 자체에서 수동 방식의 과전류 차단 기능을 구현하는데 필요한 새로운 형태의 이차전지용 부품 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 기존의 부품이 갖는 전체적인 형태는 실질적으로 동일하게 유지하면서 최소한의 구조 변경만으로 수동 방식에 의한 과전류 차단 기능을 구현할 수 있는 이차전지용 부품 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 이차전지용 부품을 사용하여 제조된 이차전지와 멀티 전지 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명자들은 리튬 이차전지의 안전성 향상 방안을 연구하던 중 플레이트 형상을 갖는 금속 재질의 전극 리드를 제1금속 플레이트와 제2금속 플레이트로 파단하고, 상기 제1금속 플레이트와 상기 제2금속 플레이트를 150~300도의 융점을 가지는 판형의 무연 솔더링 물질을 사용하여 연결하였을 때 과전류로 인해 야기되는 안전성 문제가 개선될 수 있고, 상기와 같은 구조를 갖는 전극 리드가 모든 종류의 이차전지에 적용될 수 있는 것은 물론이고 전류 흐름 경로에 위치하게 되는 이차전지의 각종 부품을 대체할 수 있는 범용적인 부품으로도 사용될 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 부품은, 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지를 통해 연결된 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2금속 플레이트는 실질적으로 동일 평면 상에 위치하고, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 어느 한 쪽 면 또는 양쪽 면 상에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다.
여기서, 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 상기 무연 솔더링 브릿지를 통해 연결된 부위를 기능적 관점에서 융단 분리부라고 명명하기로 한다.
바람직하게, 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 대향하고 있는 부분에는 미세한 틈, 즉 간극이 존재한다. 상기 간극의 폭은 작을수록 좋은데, 바람직하게는 1mm이하, 보다 바람직하게는 0.5mm이하, 보다 더 바람직하게는 0.3mm이하, 보다 더 바람직하게는 0.1mm 이하이다.
바람직하게, 상기 간극은 상기 융단 분리부의 중앙 부위에서 직선형, 지그재그(zigzag)형, 톱니형 및 물결형 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 패턴을 가진다.
바람직하게, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1금속 플레이트와의 접합을 형성하는 제1접합부와 제2금속 플레이트와의 접합을 형성하는 제2접합부에 의해 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다. 상기 제1접합부와 상기 제2접합부는 상기 간극의 형태에 따라 동일 선 상에 위치할 수도 있고 서로 다른 선 상에 위치할 수도 있다. 바람직하게, 상기 제1 및 제2접합부는 레이져를 이용한 라인 용접에 의해 형성한다. 대안적으로, 상기 제1 및 제2접합부는 초음파 용접, 저항 용접, 아크 용접 등에 의해 형성한다.
바람직하게, 상기 라인 용접은 상기 제1 및 제2접합부가 형성될 지점에 대응하는 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 상부 표면에 시행한다. 따라서, 상기 간극에 면한 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 표면에는 라인 용접 패턴이 형성되어 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2금속 플레이트는 실질적으로 동일 평면 상에 위치하고, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 서로 대향하고 있는 대향 표면 사이에 직접적으로 개재되어 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다.
일 예에서, 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 상기 무연 솔더링 브릿지 방향으로 테이퍼진 경사면을 가진다. 다른 예에서, 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 무연 솔더링 브릿지 방향으로 볼록한 형태를 가지며, 이 경우 상기 대향 표면의 중심 영역은 서로 나란히 마주보는 평탄면의 형태를 가지고 중심 영역의 상단 및 하단에 위치하는 가장자리 영역은 서로 반대 방향으로 테이퍼진 경사면 형태를 가질 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 리세스(recess)를 가진다.
바람직하게, 상기 대향 표면의 다양한 형태와 상관 없이 상기 무연 솔더링 브릿지와 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 레이저 용접에 의해 접합된다. 대안적으로, 상기 무연 솔더링 브릿지와 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 초음파 용접, 저항 용접, 아크 용접 등에 의해 접합된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2금속 플레이트는 실질적으로 동일 평면 상에 위치하고, 상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 서로 대향하고 있는 각각의 끝단부에 형성된 제1 및 제2절곡부의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다. 바람직하게, 상기 제1 및 제2절곡부는 면대칭 또는 점대칭 관계로 상호 교합될 수 있는 절곡 구조를 가진다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 무연 솔더링 브릿지는 제1 및 제2금속 플레이트의 끝단부가 상하로 배치되면서 중첩될 때 형성되는 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 무연 솔더링 브릿지는 제1 및 제2금속 플레이트의 마주 보다 대향 표면에 각각 형성된 라인 형태의 홈이 상호 교합되면서 형성되는 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 브릿지를 형성한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 무연 솔더링 브릿지의 주성분인 주석의 함량은 80 ~ 98중량%이고, 합금성분인 구리의 함량은 2 ~ 20중량%이다.
다른 측면에 따르면, 상기 무연 솔더링 브릿지는 구리 이외에 니켈, 아연 및 은 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 추가 합금성분으로 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 추가 합금성분의 총 함량은 0.01 ~ 10중량%로 조절하는 것이 바람직하다.
상술한 이차전지용 부품은 상기 무연 솔더링 브릿지를 피복할 수 있도록 상기 융단 분리부를 피복하는 절연 테이프를 더 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 절연 테이프는 폴리올레핀 필름, 폴리프로필렌 필름, 산 변성 폴리프로필렌(Acid modified polypropylene) 필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는 상술한 이차전지용 부품을 전극 리드로 사용하여 제조된다. 따라서 본 발명에 따른 이차전지는, 양극 리드, 음극 리드, 또는 양극 및 음극 리드가 상술한 이차전지용 부품의 구조를 가진다.
본 발명의 목적은 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 이차전지를 포함하는 멀티 전지 시스템에서, 인접하는 단자 사이를 연결하는 커넥터에 상술한 이차전지용 부품의 구조를 적용하는 것에 의해서도 달성된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 따른 이차전지용 부품의 제조 방법은, 서로 분리된 제1금속 플레이트와 제2금속 플레이트를 실질적으로 동일 평면 상에서 서로 근접시켜 플레이트들 사이에 간극이 생기도록 대향시키는 단계; 상기 제1금속 플레이트와 상기 제2금속 플레이트의 대향 부분에 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 포함하는 무연 솔더링 브릿지를 제공하는 단계; 및 상기 무연 솔더링 브릿지의 일 측을 상기 제1금속 플레이트에, 상기 무연 솔더링 브릿지의 다른 측을 상기 제2금속 플레이트에 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 이차전지용 부품 제조 방법은 무연 솔더링 브릿지 및/또는 상기 간극 부분을 절연테이프로 피복하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 이차전지용 부품은, 간극을 두고 미세하게 이격된 제1 및 제2금속 플레이트가 150~300도에서 융단되는 무연 솔더링 브릿지를 통해 연결된 구조를 가진다. 따라서 이차전지용 부품을 통해 과전류가 흐를 경우, 무연 솔더링 브릿지의 온도가 상기 융단 온도까지 짧은 시간 안에 상승하여 융단됨으로써 과전류의 흐름이 차단된다. 또한, 상기 제1 및 제2금속 플레이트 사이에 형성된 간극의 폭이 작으므로 무연 솔더링 브릿지에 의한 부품의 저항 증가가 무시할 만한 수준으로 제한되며 부품의 전체적인 사이즈와 형상의 실질적 변화가 수반되지 않는다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 이차전지용 부품이 이차전지의 전극 리드로 사용될 경우 보호회로와 독립적으로 이차전지 자체에서 과전류를 비가역적으로 차단하는 것이 가능하므로 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 이차전지용 부품이 전극 리드로 사용될 경우 전극 리드의 사이즈나 형상에 실질적인 변화가 없으므로 이차전지 구조에 대한 설계 변경 없이도 과전류 차단 기능을 이차전지에 접목하는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 이차전지용 부품은 플레이트 형상을 갖는 전극 리드를 채용한 이차전지라면 그 종류에 상관 없이 얼마든지 적용이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 다수의 이차전지를 포함하는 멀티 전지 시스템에서 사용되는 커넥터를 상기 이차전지용 부품으로 대체할 경우 커넥터 자체에서도 과전류 차단 기능을 구현할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 리튬 이차전지와 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 부품의 사시도이다.
도 3은 도 2의 I-I'선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 부품의 중앙 부위에 해당하는 융단 분리부의 확대 평면도이다.
도 5와 도 6은 융단 분리부에 형성된 간극의 다양한 패턴을 보여주는 도면들이다.
도 7 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 부품의 단면도들이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 절연테이프가 피복된 이차전지용 부품의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따라 절곡 구조가 형성된 이차전지용 부품의 단면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지의 단면도이다.
도 18과 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 전지 시스템의 커넥터 연결 부위를 부분적으로 도시한 도면들이다.
도 20은 본 발명에 따른 단락 시험에서 얻은 시간 별 전류 측정 값을 도시한 그래프이다.
도 21은 본 발명에 따른 단락 시험에서 얻은 시간 별 온도 측정 값을 도시한 그래프이다.
도 22는 본 발명에 따른 인장강도 평가 시험에서 얻은 구리의 함량 별 인장강도 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 부품의 사시도이고, 도 3은 도 2의 I-I'선에 따른 단면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 부품의 중앙 부위에 해당하는 융단 분리부의 확대 평면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은, 무연 솔더링 브릿지(21)를 통해 연결되고, 간극(24)에 의해 이격된 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)로 구성된다.
상기 간극(24)은 상기 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23) 사이에 존재하는 미세한 틈을 의미한다. 상기 간극(24)은 부품(20)을 통해 흐르는 대부분의 전류가 상기 무연 솔더링 브릿지(21)를 통해 제1금속 플레이트(22)에서 제2금속 플레이트(23)로 흐를 수 있도록 하는 저항 성분으로서 기능한다. 또한, 상기 간극(24)의 폭은 무연 솔더링 브릿지(21)를 통한 전류흐름 경로의 증감과 직접적으로 관련이 있으며 상기 간극(24) 폭의 증가는 부품(20) 자체의 저항 증가 요인이 되기도 한다. 따라서 상기 간극(24)의 폭은 작을수록 좋은데, 바람직하게는 1mm 이하, 보다 바람직하게는 0.5mm 이하, 보다 더 바람직하게는 0.3mm 이하, 보다 더 바람직하게는 0.1mm 이하이다.
상기 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23)는 실질적으로 XY 평면 상에 위치하고, 전기적 저항이 0.1mΩ 이하인 금속 또는 합금으로 이루어진다.
일 예로, 상기 제1금속 플레이트(22)와 상기 제2금속 플레이트(23)는 구리 판, 알루미늄 판, 니켈이 코팅된 구리 판 등으로 이루어질 수 있다. 상기 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(22)는 동일한 재질로 이루어지나, 이종 재질로 이루어지는 것도 제한되지 않는다.
상기 무연 솔더링 브릿지(21)는 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)의 융점 보다 낮은 150~300도의 융점을 가지며, 주석(Sn)을 주성분으로 구리(Cu)를 합금 성분으로 포함하고 환경 및 인체에 유해한 납(Pb)을 함유하지 않는 친환경적 소재로 이루어진다.
상기 무연 솔더링 브릿지(21)의 융점 범위는 차단하고자 하는 과전류 레벨을 고려하여 설정한 것이다. 융점이 150도보다 낮으면 정상적인 전류가 흐르는 경우에도 무연 솔더링 브릿지(21)가 용융될 수 있다. 일 예로, 이차전지용 부품(20)이 전기 자동차용 이차전지에 사용될 경우, 융점이 150도보다 낮으면 급속 충방전 전류에 의해 무연 솔더링 브릿지(21)가 용융될 수 있다. 또한, 융점이 300도보다 높으면 과전류의 차단이 효과적으로 이루어지지 않으므로 이차전지용 부품(20)을 사용하는 효과가 사실 상 없다.
상기 무연 솔더링 브릿지(21)의 구성 성분 중 주석은 브릿지(21)의 융점과 인장강도 특성에 영향을 미친다. 상기 무연 솔더링 브릿지(21)가 150~300도의 융점을 가지면서도 양호한 인장강도 특성을 갖도록 주석의 함량은 80중량% 이상, 바람직하게는 85~98중량%의 범위에서 조절한다. 상기 구리는 이차전지용 부품(20)의 전기 전도도를 향상시키는 기능을 하며, 이러한 기능을 감안하여 구리의 함량은 2 ~ 20중량%의 범위에서, 바람직하게는 4 ~ 15중량%의 범위에서 조절하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 중량%는 무연 솔더링 브릿지(21)를 구성하는 물질 전체 중량을 기준으로 한 단위로서 이하 동일하다.
상기와 같이 주석과 구리의 함량을 조절하면, 무연 솔더링 브릿지(21)의 인장강도가 양호할 뿐만 아니라 무연 솔더링 브릿지(21)에 의한 저항의 증가를 수 % 이내로 낮게 억제할 수 있다.
상기 무연 솔더링 브릿지(21)는 보다 향상된 물성을 갖기 위해 주석과 구리 이외에 니켈(Ni), 은(Ag), 아연(Zn) 등과 같이 전기 전도도가 좋은 금속을 추가 합금 성분으로 더 포함할 수 있다. 상기 추가 합금 성분의 함량은 물질의 전체 중량 대비 0.01~10 중량%인 것이 바람직하다.
상기 무연 솔더링 브릿지(21)는 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)의 한 쪽 면, 즉 저면에서 상기 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23) 사이에 브릿지를 형성한다.
여기서, 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)는 상기 무연 솔더링 브릿지(21)의 온도가 150~300도로 상승할 경우 브릿지(21)가 액상으로 용융되면서 간극(24)을 중심으로 양쪽으로 파단되어 분리된다.
따라서 이하에서는 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)가 무연 솔더링 브릿지(21)를 통해 연결된 부위를 융단 분리부(A)라고 명명하기로 한다.
상기 융단 분리부(A)는 제1접합부(25)와 제2접합부(26)를 포함한다. 상기 제1접합부(25)는 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22)가 접합된 영역을, 상기 제2접합부(26)는 무연 솔더링 브릿지(21)와 제2금속 플레이트(23)가 접합된 영역을 의미한다.
상기 제1접합부(25)와 제2접합부(26)는 Y 방향으로 진행한 라인 용접에 의해 형성되는데, 상기 제1접합부(25)는 제1금속 플레이트(22)와 무연 솔더링 브릿지(21)의 계면에, 상기 제2접합부(26)는 제2금속 플레이트(23)와 무연 솔더링 브릿지(21)의 계면에 형성된다.
상기 라인 용접은 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)의 상부(B 지점 참조)에서 시행하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 간극(24)에 면한 상기 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23)의 표면에는 라인 용접 패턴이 형성되어 있다. 상기 라인 용접은 레이져 용접인 것이 바람직하나, 초음파 용접, 저항 용접, 아크 용접 등과 같은 다양한 용접 기술이 적용될 수 있다.
한편, 용접 강도를 더욱 증가시키기 위해 라인 용접의 시행 횟수가 증가될 수 있다. 이러한 경우 융단 분리부(A)에는 접합부가 추가적으로 더 형성될 수 있음은 자명하다. 또한, 상기 제1접합부(25) 및 제2접합부(26)는 연속적인 라인 패턴이나 불연속적인 라인 패턴을 가지는데, 본 발명에 이에 한하는 것은 아니다.
도 5와 도 6은 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23) 사이의 간극(24)이 여러 가지 모양으로 변형될 수 있음을 보여준다.
상기 간극(24)은 도 5에 도시된 바와 같이 톱니 모양을 가질 수 있다. 이러한 경우, 간극(24)의 중심부를 따라 Y 방향으로 라인 용접을 시행하여 무연 솔더링 브릿지(21)를 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)에 접합할 수 있다. 라인 용접은 플레이트 상부에서 실시하는 것이 바람직하며, 라인 용접의 시행 횟수에 따라 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23) 사이에는 적어도 한 줄 이상의 접합부(27)가 형성된다. 접합부(27)는 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22) 사이에 형성된 제1접합부(27a)와 무연 솔더링 브릿지(21)와 제2금속 플레이트(23) 사이에 형성된 제2접합부(27b)가 동일 라인 상에서 교대로 위치하는 구조적 특징을 가진다.
또한, 상기 간극(24)은 도 6에 도시된 바와 같이 사각형의 돌출 패턴이 교대로 맞물리는 모양을 가질 수 있다. 이 경우도, 라인 용접의 시행 횟수에 따라 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23) 사이에는 적어도 한 줄 이상의 접합부(28)가 형성된다. 또한, 접합부(28)는 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22) 사이에 형성된 제1접합부(28a)와 무연 솔더링 브릿지(21)와 제2금속 플레이트(23) 사이에 형성된 제2접합부(28b)가 동일 라인 상에 교대로 위치하는 구조적 특징을 가진다.
한편, 상기 간극(24)은 도 5 및 도 6에 개시된 패턴 이외에도 다양한 형태의 패턴을 가질 수 있다. 또한, 상기 간극(24)은 하나의 패턴으로 이루어지지 않고 상술한 여러 가지 패턴이 조합된 패턴을 가질 수도 있다.
도 7 내지 도 14는 이차전지용 부품(20)이 가질 수 있는 다양한 변형 구조를 보여주는 단면도들이다. 도 7 내지 도 14에서, 화살표는 라인 용접이 시행되는 지점을 나타내며, 이하의 설명에서는 용접에 대한 구체적 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 추가적인 무연 솔더링 브릿지(21')가 융단 분리부(A)의 상부에 형성될 수 있다. 이 때, 상기 무연 솔더링 브릿지(21')는 아래에 있는 무연 솔더링 브릿지(21)와 동일한 재질을 가지며 동일한 용접 기술에 의해 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)에 접합된다.
도 8a를 참조하면, 무연 솔더링 브릿지(21)는 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)가 서로 대향하고 있는 각각의 끝단에 형성된 제1절곡부(22a)와 제2절곡부(23a)의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에서 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23) 사이에 브릿지를 형성하는 것도 가능하다.
도 8b를 참조하면, 무연 솔더링 브릿지(21)는 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)가 서로 대향하고 있는 각각의 끝단에 형성된 홈의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에서 상기 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23) 사이에 브릿지를 형성하는 것도 가능하다.
도 8b에 도시된 변형 구조의 경우, 무연 솔더링 브릿지(21)는 용접 이외에 다음과 같은 공정에 의해서도 형성 가능하다.
즉, 먼저 원 피스로 이루어진 금속 플레이트를 준비한 다음 금속 플레이트의 상부 표면에 무연 솔더링 브릿지(21)가 형성될 라인 형태의 홈을 형성한다.
상기 라인 형태의 홈은 물리적 또는 화학적 식각 기술, 톱날 등을 이용한 기계적 절삭 기술, 다이아몬드 등의 고경도 나이프를 이용한 국소 스크래칭 기술, 전자기적 빔을 이용한 식각 기술 및 스키빙(skiving) 기술 중 어느 하나에 의해 형성할 수 있다.
상기 라인 형태의 홈이 형성되면, 상기 홈이 형성된 지점에 무연 솔더링 브릿지(21)를 형성할 솔더링 물질을 배치한다. 솔더링 물질로는, 무연 솔더링 브릿지(21)의 단면 구조와 동일하거나 유사한 단면 구조를 가진 솔더링 와이어가 사용될 수 있다. 대안적으로, 솔더링 물질로서 미세한 솔더링 파우더가 분산된 솔더링 페이스트가 사용될 수 있다.
상기 솔더링 물질에 포함된 주석, 구리, 기타 추가 금속의 함량은 상기 홈 내에 형성될 무연 솔더링 브릿지(21)에 부여하고자 하는 융점 온도의 범위, 이차전지용 부품을 사용하여 차단하고자 하는 과전류의 레벨 및 이차전지용 부품에 부여하고자 하는 전기적 물성 및/또는 기계적 물성을 고려하여 결정한다.
상기 솔더링 물질이 배치되면, 적어도 상기 솔더링 물질이 배치된 지점에 지그(Jig)나 롤러 등을 사용하여 압력을 인가하면서 압연 공정을 진행한다. 이 때, 상기 솔더링 물질이 상기 홈의 내부 표면과 접촉하는 지점에 솔더링 물질의 국소적인 용융을 일으킬 정도의 열 에너지를 인가한다. 그러면, 상기 접촉 계면을 따라 금속 플레이트를 이루는 금속 성분과 솔더링 물질을 이루는 금속 성분 사이에 합금이 형성된다. 이처럼 이종 금속 성분 간에 합금이 형성되면, 솔더링 물질과 금속 플레이트 사이의 계면에 형성되는 면 저항(surface resistance)을 최소화할 수 있다.
상기 열 에너지의 인가 시에는, 열전도 방식, 초음파 진동 방식, 전자기적 에너지 빔 조사 방식, 전자기적 유도 방식 등 여러 가지 방식이 적용될 수 있다. 하지만 본 발명은 열 에너지를 인가하는 구체적인 방식에 의해 한정되지 않으며 압연 공정을 진행하면서 압력 인가 부위에 열 에너지를 생성할 수 있다고 알려진 다양한 방식이 적용 가능하다.
상기 압연 공정이 완료되어 홈 내에 무연 솔더링 브릿지(21)가 형성되면, 상기 무연 솔더링 브릿지(21)의 하부에 간극을 형성하여 금속 플레이트가 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)로 구분되도록 한다. 상기 간극의 형성 시에는 상기 홈의 형성에 사용된 기술 중 어느 하나를 적용할 수 있다.
상기 간극의 형성이 완료되면, 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23)에 부착되어 있는 솔더링 물질의 잔류물을 제거하여 이차전지용 부품의 제조를 완료한다.
한편, 도 8a에 도시된 변형 구조의 경우, 상기 제1절곡부(22a)와 제2절곡부(23a)는 서로 면대칭 관계에 있다. 하지만, 상기 제1절곡부(22a)와 제2절곡부(23a)는 도 9에 도시된 바와 같이, 점대칭 관계를 형성하는 절곡 구조를 가질 수도 있다. 또한, 도 9에서 절곡 구조를 생략하는 것도 얼마든지 가능하다. 즉, 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23)의 끝단을 소정 폭만큼 상하로 중첩시켰을 때 생기는 공간 사이에 무연 솔더링 브릿지(21)를 형성할 수 있다.
도 10을 참조하면, 무연 솔더링 브릿지(21)는 화살표로 나타낸 지점에 라인 용접을 시행하여 제1금속 플레이트(22)와 제2금속 플레이트(23)의 대향 표면(S1, S2)과 직접 접합될 수도 있다. 이 경우, 무연 솔더링 브릿지(21)의 폭은 최대한 작게 하는 것이 바람직하다.
한편, 무연 솔더링 브릿지(21)와 제1금속 플레이트(22) 및 제2금속 플레이트(23)의 접합 면적을 증가시키고 부품의 인장강도 특성을 향상시키기 위해 상기 대향 표면(S1, S2)은 다양한 형태로 변경이 가능하다.
일 예로, 상기 대향 표면(S1, S2)은 도 11에 도시된 바와 같이 무연 솔더링 브릿지(21) 방향으로 테이퍼진 경사면 형태를 가질 수 있다. 다른 예로, 상기 대향 표면(S1, S2)은 도 12에 도시된 바와 같이 무연 솔더링 브릿지(21) 방향으로 볼록한 형태를 갖도록 중심 영역은 서로 나란한 평탄면의 형태를 가지고, 중심 영역의 상단 및 하단에 위치하는 가장자리 영역은 서로 반대 방향으로 테이퍼진 경사면 형태를 가질 수 있다. 또 다른 예로, 상기 대향 표면(S1, S2)은 도 13에 도시된 바와 같이 트랜치(도랑) 형태의 리세스(recess) 구조를 가질 수 있다. 리세스의 형상은 쇄기 형상, 사각 형상, 반원 형상 등 여러 가지 형태가 가능하다. 또 다른 예로, 상기 리세스 구조는 도 14에 도시된 바와 같이 플레이트의 상부 및 하부로 연장되어 있는 측벽을 가질 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 융단 분리부(A)를 외기와 차단하기 위해 융단 분리부(A)를 절연 테이프(30)로 피복할 수 있다. 도 15에 도시된 것과 달리, 상기 절연 테이프(30)는 융단 분리부(A)의 상부와 하부를 모두 피복하지 않고 어느 한쪽만 피복하는 것도 가능하다. 상기 절연 테이프(30)의 부착은 본 발명이 개시하는 모든 형태의 이차전지용 부품에 적용 가능하다. 상기 절연 테이프(30)는 폴리올레핀 필름, 폴리프로필렌 필름 및 산 변성 폴리프로필렌(Acid modified polypropylene) 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 16를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 이용 상의 필요에 따라 제1금속 플레이트(22) 또는 제2금속 플레이트(23)의 중간 지점을 절곡하여 그 형상을 얼마든지 변형할 수 있다. 가능한 형상은 도면에 도시된 ㄷ 자형 이외에도 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 제조 방법은, 앞서 설명한 실시예에 의해 자명하게 파악이 가능하다. 먼저 도면들에 예시된 부품의 구조에 정합되는 제1금속 플레이트와 제2금속 플레이트를 준비한다. 그런 다음, 상기 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트를 실질적으로 동일 평면 상에서 서로 근접시켜 플레이트들 사이에 간극이 생기도록 대향시킨다. 상기 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트가 대향하고 있는 부분의 구조는 도면들에 도시된 바와 같이 여러 가지 형태가 가능하다. 그러고 나서, 상기 제1금속 플레이트와 상기 제2금속 플레이트의 대향 부분에 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 포함하는 무연 솔더링 브릿지를 제공한다. 그런 다음, 상기 무연 솔더링 브릿지의 일 측을 상기 제1금속 플레이트에, 상기 무연 솔더링 브릿지의 다른 측을 상기 제2금속 플레이트에 용접한다. 필수적인 것은 아니지만, 상기 무연 솔더링 브릿지 및/또는 간극을 외부 공기와 차단시키는 절연 테이프를 해당 부위에 접착시키는 단계를 추가적으로 진행할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 부품은 다양한 방식으로 이차전지의 제조에 사용이 가능하다.
도 17은 상술한 이차전지용 부품을 사용하여 제조된 본 발명의 실시 예에 따른 파우치형 리튬 이차전지의 단면도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지(40)는, 양극 리드(41)와 음극 리드(42)가 전기적으로 접속된 전극 조립체(43)를 포함한다.
상기 양극 리드(41)와 상기 음극 리드(42)는 본 발명에 따른 이차전지용 부품과 실질적으로 동일한 구조를 가진다. 즉, 상기 양극 리드(41)와 음극 리드(42)는 2개의 금속 플레이트가 융단 분리부(A)에 의해 브릿지 형태로 연결된 구조를 가진다. 도면에 도시된 것과 달리, 본 발명에 따른 이차전지용 부품 구조는 양극 리드(41)와 음극 리드(42) 중 어느 한 쪽에만 적용하는 것도 가능하다.
상기 전극 조립체(43)는 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 구조를 가진 단위 셀이 적어도 하나 이상 집합된 구조를 가진다. 상기 양극과 음극의 적어도 한 쪽 면에는 이차전지의 작동에 필요한 활물질이 코팅되어 있으며, 인접하는 단위 셀 사이에는 단위 셀 상호 간의 전기적 연결을 차단하는 절연막이 개재되어 있을 수 있다. 일 예로, 상기 양극과 음극에는 각각 리튬 계열의 양극 활물질과 탄소 계열의 활물질이 코팅되어 있을 수 있다. 그리고 상기 분리막과 절연막은 폴리올레핀 계열의 다공성 고분자 필름으로 이루어질 수 있다. 위와 같은 이차전지의 구조는 본 발명이 속한 기술분야에 널리 공지되어 있으므로 본 발명은 전극 조립체(43)의 구체적인 구조나 물질 구성 등에 의해 한정되지 않는다.
상기 전극 조립체(43)는 각각의 양극 및 음극으로부터 연장된 다수의 양극 탭(44)과 음극 탭(45)을 포함한다. 다수의 양극 탭(44)과 음극 탭(45)은 1차 용접을 통해 하나로 결집된 후 2차 용접을 통해 각각 양극 리드(41)와 음극 리드(42)에 접합된다.
상기 전극 조립체(43)는 양극 리드(41)와 음극 리드(42)의 끝단이 외부로 노출되도록 포장재(46) 내에 긴밀하게 밀봉된다. 상기 포장재(46)는 상기 전극 조립체(43)와 대향하는 내 측면에 열 접착층이 형성된 알루미늄 파우치 필름으로 이루어진다. 따라서 상기 전극 조립체(43)는 포장재(46)의 가장 자리를 따라 열을 인가하여 포장재(46) 내에 밀봉한다. 상기 포장재(46) 내에는 이차전지의 종류에 따라 액체 전해질, 고체 전해질, 겔형 전해질 등이 포함되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지(40)는 전극 리드에 융단 분리부(A)가 포함되어 있으므로 전극 리드를 통해 과전류가 흘러 융단 분리부(A)에 포함된 무연 솔더링 브릿지의 온도가 150~300도까지 상승할 경우 융단 분리부(A)를 중심으로 전극 리드가 파단되어 과전류의 흐름이 비가역적으로 차단된다. 따라서 보호회로와는 독립적으로 과전류로부터 이차전지(40)를 보호할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 이차전지의 전극 리드 이외에도 다수의 이차전지를 직렬 또는 병렬로 연결하는데 사용되는 커넥터 부품으로 사용할 수 있다.
도 18 및 도 19는 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)이 커넥터 부품으로 사용된 모습을 도시한 사용 상태도이다.
본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 도 18에 도시된 바와 같이 서로 인접하는 단자(50, 60)와 용접을 통해 연결될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 도 19에 도시된 바와 같이 인접하는 단자(50, 60)와 볼트 결합을 통해 연결될 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)은 단자(50, 60)와 리벳을 통해 연결될 수도 있다. 상기 단자(50, 60)는 복수의 이차전지를 집합시킨 대용량 멀티 전지 시스템에서 전기적인 커넥팅이 필요한 부품에 구비된 단자를 지칭하는 것으로 그 종류에 특별한 제한이 없다. 또한, 본 발명에 따른 이차전지용 부품(20)과 단자(50, 60) 사이의 연결 방식은 상술한 방식 이외에도 여러 가지 변형된 방식이 가능함은 자명하다.
상기 멀티 전지 시스템은, 다수의 이차전지를 직렬 또는 병렬 연결한 전지 모듈; 다수의 전지 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결한 전지 팩; 복수의 전지 팩을 직렬 또는 병렬로 연결한 팩 어셈블리 등을 의미한다.
상기와 같이, 이차전지용 부품(20)이 인접하는 단자(50, 60) 사이에 개재되면 상기 단자(50, 60) 사이에 과전류가 흘러 이차전지용 부품(20)에 포함된 무연 솔더링 브릿지의 온도가 150~300도까지 상승할 경우 융단 분리부(A)를 중심으로 단자(50, 60) 사이의 전기적 연결이 파단되어 과전류의 흐름이 비가역적으로 차단된다. 따라서 보호회로와는 독립적으로 과전류로부터 멀티 전지 시스템을 보호할 수 있다.
상기 멀티 전지 시스템은, 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 또는 전력 저장 장치에 사용되는 대용량의 이차전지 시스템으로 사용이 가능하다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험 예를 개시한다. 그러나 하기의 실험 예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것으로서 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
45Ah의 용량을 갖는 파우치 타입의 리튬 이차전지를 제조하되, 음극 리드 측에만 도 2에 도시된 이차전지용 부품의 구조를 적용하였다. 따라서 음극 리드는 2개의 구리 플레이트가 라인 용접에 의해 무연 솔더링 브릿지에 접합된 구조를 가진다. 구리 플레이트와 무연 솔더링 브릿지의 두께는 각각 0.2mm 및 0.5mm였다. 상기 라인 용접은 3.5kV의 에너지 조건을 갖는 레이저를 사용하여 시행하였다. 라인 용접이 이루어진 지점 사이의 거리는 1mm였다. 무연 솔더링 브릿지는, 주석과 구리의 함량이 각각 96중량% 및 4중량%이며 폭이 3mm인 솔더링 합금판을 사용하여 형성하였다.
실시예 2
무연 솔더링 브릿지의 형성에 사용된 합금판에 주석 99.4중량%, 구리 0.5중량% 및 니켈 0.1중량%가 함유되어 있다는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 45Ah 용량의 파우치형 리튬 이차전지를 제조하였다.
비교예
무연 솔더링 브릿지가 없고 두께가 0.2mm인 구리 플레이트로 이루어진 음극 리드를 사용하였다는 것을 제외하고는, 실시예1과 동일하게 45Ah 용량의 파우치형 리튬 이차전지를 제조하였다.
실험예 1: 리튬 이차전지의 저항측정 실험
실시예1의 리튬 이차전지를 25도의 대기압 환경에서 충전과 방전을 실시하였다. 충전전류의 크기는 72A로, 방전전류의 크기는 95A로 설정하였다.
리튬 이차전지의 충전 시 SOC(State of Charge)가 10%씩 증가할 때마다 이차전지의 저항을 측정하고 평균 저항 값으로 1.515 밀리오옴(mOhm)을 얻었다.
실시예2의 리튬 이차전지에 대해서도 실시예1과 동일한 저항측정 실험을 수행하여 평균 저항 값으로 1.529 밀리오옴(mOhm)을 얻었다.
비교예의 리튬 이차전지에 대해서도 실시예1과 동일한 저항측정 실험을 수행하여 평균 저항 값으로 1.494mOhm을 얻었다.
상기 저항측정 실험에 따르면, 실시예1은 비교예에 비해 1.4%의 저항 증가 특성을 보이고 실시예2는 비교예에 비해 2.3%의 저항 증가 특성을 보인다. 따라서 음극 리드에 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조를 적용하더라도 기존의 리튬 이차전지와 비교하여 저항 특성이 크게 달라지지 않는 것을 알 수 있다.
또한 실시예2는 구리 함량이 0.5중량%로 매우 낮은 점을 감안할 때 무연 솔더링 브릿지에 함유된 구리의 함량이 2~20중량%로 조절되면 적어도 2.3% 미만의 저항 증가 특성이 나타날 것임은 자명하다.
실험예 2: 리튬 이차전지의 단락 실험
본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조가 리튬 이차전지의 전극 리드에 적용되었을 때 과전류 환경에서의 안전성을 테스트하기 위해 단락 실험을 실시하였다.
실시예1 및 2의 리튬 이차전지를 SOC 100%까지 만충전시킨 후 양극 전극과 음극 전극을 서로 연결하여 단락 조건을 형성하였다. 단락 조건을 형성한 후 일정한 시간 간격으로 단락 전류의 크기를 측정하면서 음극 리드의 플레이트 부분과 이차 전지 포장재의 중앙 부분에서 시간 경과에 따라 온도 변화를 관찰해 보았다. 단락 전류와 온도의 모니터 결과는 도 20 및 21에 도시하였다.
도 20를 참조하면, 실시예1 및 2의 리튬 이차전지 모두 단락 조건이 형성된 직후 단락 전류의 크기는 1465A까지 급격하게 상승하였으며, 단락 전류가 흐르기 시작한지 1초가 되기도 전에 음극 리드에서 판단 현상이 발생하면서 단락 전류의 크기는 0으로 감소하였음을 알 수 있다. 음극 리드가 파단되었다는 것은 적어도 음극 리드에 포함된 무선 솔더링 브릿지의 온도가 용융 온도까지 급격하게 상승하였다는 것을 뒷받침한다.
또한, 도 21을 참조하면, 실시예1 및 2의 리튬 이차전지 모두 단락 전류가 급격하게 증가하였음에도 불구하고 이차 전지의 온도는 실질적인 변화가 없었으며 전극 리드의 온도는 과전류 발생 직 후 상온에서 18도 정도 증가한 후 1분 이내에 다시 상온으로 돌아온 것을 확인할 수 있다.
비교예의 리튬 이차전지에 대해서도 상기와 동일한 단락 실험을 실시하였다. 실험 결과 리튬 이차전지의 온도가 2분이 되기 전에 100도 이상으로 급격하게 상승하였으며, 리튬 이차전지의 실링 부위가 개방되면서 가스가 방출되었고 가스가 방출된 직후에는 리튬 이차전지의 온도가 60도 정도로 유지되는 것을 확인하였다.
상기 실험 결과에 따르면, 실시예1 및 2의 리튬 이차전지의 경우 단락 전류가 발생되는 즉시 전극 리드의 파단에 의해 과전류가 차단되고 무선 솔더링 브릿지의 용융이 일어나는 전극 리드의 파단 부위에서만 150~300도의 국소적인 온도 상승이 이루어지므로 과전류의 흐름이 발생되어도 이차전지에는 실질적인 영향이 없음을 알 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조를 리튬 이차전지의 전극 리드에 적용하면 과전류 환경에서 리튬 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
실험예 3: 리튬 이차전지의 과충전 실험
본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조가 리튬 이차전지의 전극 리드에 적용되었을 때 과충전 시의 안전성 여부를 테스트하기 위해 과충전 실험을 실시하였다.
과충전 실험에서는, 실시예 1~2 및 비교예의 리튬 이차전지를 사용하였으며, 각 전지들을 10V/1A의 조건으로 과충전하여 이차전지의 상태를 모니터하였다.
모니터 항목은 발화 여부, 폭발 여부 및 연기 발생 여부이며, 모니터한 결과는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.
표 1
Figure PCTKR2012004768-appb-T000001
실험 결과, 비교예의 리튬 이차전지는 과충전으로 인해 전지의 온도가 급격하게 상승했으며, 결국 전지의 발화 및 폭발이 발생하였다. 이에 비하여, 실시예1 및 2의 리튬 이차전지는 급격한 온도상승에 의해 음극 리드가 파단됨으로써 안전성에 문제가 없음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조를 리튬 이차전지의 전극 리드에 적용하면, 과전류 환경뿐만 아니라 과충전 환경에서도 이차전지의 안전성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
실험예 4: 이차전지용 부품의 인장강도 특성 평가 실험
본 발명에 따른 인장강도 특성을 평가하기 위한 실험을 다음과 같이 실시하였다.
먼저, 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 무연 솔더링 브릿지로 사용되는 솔더링 물질과 금속 플레이트의 접합 강도를 측정해 보았다.
샘플1
폭이 1cm; 길이가 4cm; 두께가 0.5mm인 구리 판과, 폭이 1cm; 길이가 4cm; 두께가 0.5mm이며 주석과 구리의 함량이 각각 96중량% 및 4중량%인 솔더링 합금판을 3mm 중첩시킨 후 중첩 부분의 중앙을 따라 레이저로 라인 용접을 실시하여 샘플1을 제작하였다.
샘플2
폭이 1cm; 길이가 4cm; 두께가 0.5mm인 구리 판과, 폭이 1cm; 길이가 4cm; 두께가 0.2mm인 알루미늄 판을 3mm 중첩시킨 후 중첩 부분의 중앙을 따라 샘플1과 동일하게 레이저로 라인 용접을 실시하여 샘플2를 제작하였다.
상기와 같이 샘플1 및 2를 만든 후 UTM(Universal Testing Machine)을 사용하여 각 샘플의 인장 강도를 측정해 보았다. 그 결과, 샘플1의 인장 강도는 233.2N, 샘플2의 인장 강도는 150.9N으로 측정되었으며, 샘플1의 인장 강도가 샘플2에 비해 54.5% 정도로 매우 크다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 이차전지용 부품에 사용되는 무연 솔더링 물질은 금속 플레이트와의 접합 특성이 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 한편, 샘플2의 인장 강도 수준은 이차전지의 전극 리드나 멀티 전지 시스템에 사용되는 각종 커넥터에 요구되는 인장 강도 수준보다 크다. 따라서 본 발명에 따른 무연 솔더링 브릿지가 이차 전지의 전극 리드나 멀티 전지 시스템에 사용되는 각종 커넥터에 사용되어도 전혀 지장이 없음을 알 수 있다.
다음으로, 주석과 구리를 포함하는 무연 솔더링 물질에 있어서 구리의 함량 변화에 따라 인장 강도 특성을 평가해 보았다. 이를 위해, 구리의 함량이 4중량%, 6중량%, 8중량%, 10중량%, 15중량% 및 20중량%로 서로 다른 6개의 샘플3~8을 준비하였다.
샘플3~8의 두께, 폭 및 길이는 0.5mm, 1cm 및 5cm로 모두 동일하게 하였고, 각 샘플의 인장강도는 UTM을 사용하여 측정하였다. 측정 결과는 도 22에 도시하였다.
도 22를 참조하면, 무연 솔더링 물질의 인장 강도는 구리의 함량이 4~8중량%일 때 동일한 수준의 높은 인장강도 특성을 보임을 알 수 있다. 그런데 샘플1 및 2에 대한 인장강도 측정 실험을 통하여 구리의 함량이 4중량%인 무연 솔더링 물질은 금속 플레이트와의 접합 특성이 우수하다는 것은 이미 확인하였다. 따라서 구리의 함량이 4~8중량%인 무연 솔더링 물질의 경우도 금속 플레이트와의 접합 특성이 매우 우수할 것이라는 점은 자명하다. 또한 구리의 함량이 4중량% 미만이 되면 인장 강도 특성이 좋은 주석의 함량이 상대적으로 더 늘어난다. 따라서 직접 측정을 하지 않더라도 구리의 함량이 4중량% 미만일 경우 적어도 구리의 함량이 4~8중량%일 때의 인장 강도 수준을 유지할 것임은 자명하다.
한편, 구리의 함량이 10~20중량%로 늘어나면 구리의 함량이 4~8중량%인 경우에 비해 인장강도 특성이 조금 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 하지만 인장강도의 감소량이 크지 않으므로 구리의 함량이 10~20중량%인 무연 솔더링 물질의 경우도 본 발명에 따른 이차전지용 부품에 사용하기에 충분한 인장강도 특성을 가진다는 것은 자명하다.
상기 실험 결과로부터 본 발명에 따른 이차전지용 부품의 구조를 구현하는데 사용되는 무연 솔더링 물질은 이차전지의 전극 리드나 멀티 전지 시스템에 사용되는 각종 커넥터로서 사용하기에 충분한 인장 강도 특성을 가진다는 것을 알 수 있다.
따라서 기존에 사용되는 전극 리드나 커넥터의 기하학적 규격을 실질적으로 변경하지 않고도 전극 리드나 커넥터를 본 발명에 따른 이차전지용 부품으로 대체가 가능하다.
이상에서 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 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (28)

150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 주성분으로 포함하는 무연 솔더링 브릿지; 및
미세한 간극을 사이에 두고 이격된 상태로 상기 무연 솔더링 브릿지와 접합된 제1금속 플레이트 및 제2금속 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 제1금속 플레이트와 상기 제2금속 플레이트는 동일 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 어느 한 쪽 면 또는 양쪽 면 상에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 간극은 0.3mm 이하의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 간극은 직선형, 지그재그(zigzag)형, 톱니형 및 물결형 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 주석 함량은 80 ~ 98중량%이고, 구리의 함량은 2 ~ 20중량%임을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제6항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 니켈, 아연, 및 은 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제7항에 있어서,
상기 추가 금속의 함량은 0.01~10중량%임을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지, 상기 간극 또는 이들 모두를 피복하는 절연 테이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 서로 대향하고 있는 대향 표면 사이에 직접적으로 개재되어 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제10항에 있어서,
상기 대향 표면은 상기 무연 솔더링 브릿지 방향으로 테이퍼진 경사면을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제10항에 있어서,
상기 대향 표면은 무연 솔더링 브릿지 방향으로 볼록한 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제12항에 있어서,
상기 대향 표면의 중심 영역은 서로 나란히 마주보는 평탄면의 형태를 가지고 상기 중심 영역의 상단 및 하단에 위치하는 가장자리 영역은 서로 반대 방향으로 테이퍼진 경사면 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제10항에 있어서,
상기 제1 및 제2금속 플레이트의 대향 표면은 리세스(recess) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트가 서로 대향하고 있는 각각의 끝단부에 형성된 제1 및 제2절곡부의 상호 교합에 의해 형성되는 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제15항에 있어서,
상기 제1 및 제2절곡부는 면대칭 또는 점대칭에 의해 상호 교합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 끝단부가 상하로 배치되면서 중첩될 때 형성되는 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 끝단부에 형성된 홈의 상호 교합에 의해 형성된 공간에서 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제1항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 라인 용접을 통해 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제19항에 있어서,
상기 간극에 면한 상기 제1 및 제2금속 플레이트의 표면에 라인 용접 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
제19항에 있어서,
상기 라인 용접은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 또는 아크 용접임을 특징으로 하는 이차전지용 부품.
양극 리드와 음극 리드가 전기적으로 결합된 전극 조립체; 및
상기 양극 리드와 상기 음극 리드의 일부가 외부로 노출되도록 상기 전극 조립체를 밀봉하는 포장재;를 포함하고,
상기 양극 리드, 상기 음극 리드 또는 이들 모두에 상기 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 하는 이차전지.
복수의 이차 전지를 포함하는 멀티 전지 시스템에서,
상기 복수의 이차 전지를 직렬 방식, 병렬 방식 또는 이들의 조합 방식으로 연결하는데 사용되는 커넥터를 포함하고,
상기 커넥터에 상기 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 이차전지용 부품이 적용된 것을 특징으로 하는 멀티 전지 시스템.
제23항에 있어서,
상기 멀티 전지 시스템은, 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 전원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 멀티 전지 시스템.
서로 분리된 제1금속 플레이트와 제2금속 플레이트를 실질적으로 동일 평면 상에서 서로 근접시켜 플레이트들 사이에 간극이 생기도록 대향시키는 단계;
상기 제1금속 플레이트와 상기 제2금속 플레이트의 대향 부분에 150~300도의 융점을 가지며 주석(Sn)과 구리(Cu)를 포함하는 무연 솔더링 브릿지를 제공하는 단계; 및
상기 무연 솔더링 브릿지의 일 측을 상기 제1금속 플레이트에, 상기 무연 솔더링 브릿지의 다른 측을 상기 제2금속 플레이트에 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
제25항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지, 상기 간극 또는 이들 모두를 절연테이프로 피복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
제25항에 있어서,
상기 무연 솔더링 브릿지는 라인 용접을 통해 상기 제1 및 제2금속 플레이트와 접합되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
제27항에 있어서,
상기 라인 용접은 레이저 용접, 초음파 용접, 저항 용접 또는 아크 용접임을 특징으로 하는 이차전지용 부품의 제조 방법.
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