KR20130089376A

KR20130089376A - 온도 센서를 포함하는 이차전지

Info

Publication number: KR20130089376A
Application number: KR1020120010690A
Authority: KR
Inventors: 최정석
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2013-08-12

Abstract

본 발명은 이차전지의 온도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 수단이 내장된 이차전지를 개시한다. 본 발명에 따른 이차전지는, 양극 탭과 음극 탭이 구비된 2개 이상의 단위 셀들이 분리 필름을 사이에 두고 적층된 셀 어셈블리; 다수의 양극 탭과 음극 탭이 전기적으로 접속된 양극 리드 및 음극 리드; 센서 리드와 온도 감지부를 포함하고, 상기 단위 셀 들 중 적어도 하나의 단위 셀 표면에 상기 온도 감지부가 부착된 온도 센서; 및 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드와 상기 센서 리드가 외부에 노출되도록 상기 셀 어셈블리와 상기 온도 센서를 포장하는 전지 케이스;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 이차전지의 온도 변화를 빠르고 정확하게 측정할 있으므로, 온도 변화에 따른 이차전지의 제어를 보다 정밀하게 할 수 있다.

Description

온도 센서를 포함하는 이차전지{SECONDARY BATTERY HAVING TEMPERATURE SENSOR}

본 발명은 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도 측정 수단이 내장되어 있는 이차전지에 관한 것이다.

최근 들어, 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다.

이에 따라 모바일 기기, 전기차, 하이브리드 자동차, 전력저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가하여 에너지원으로서의 이차전지 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히 전기차나 하이브리드 자동차에 사용되는 이차전지는 고출력, 대용량 이차전지로서, 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.

리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 또한, 이차전지는 외장재의 종류에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류된다.

이차전지의 일 예인 파우치형 이차전지는, 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스와, 상기 파우치형 케이스 내부에 수납되고 양극판/분리 필름/음극판을 포함하는 전기화학 셀이 다중으로 적층된 셀 어셈블리를 포함한다. 이러한 파우치형 이차전지는 캔 형 이차전지보다 전지의 제조비가 저렴하고, 무게를 현저히 줄일 수 있고, 용이한 형태 변형 등의 장점이 있다.

그러나, 파우치형 이차전지는 높은 온도에 매우 취약하다. 즉, 파우치형 이차전지가 과열되면, 내부에서 가스가 발생하여 외장재인 파우치형 케이스가 부풀어 오른다. 또한, 부풀어 오름이 극에 달하면 이차전지가 폭발할 가능성도 있다. 그리고 이차전지의 온도가 단락 전류로 인해 급격하게 상승하면 외장재 내부에서 생긴 가스가 발화하여 폭발과 함께 화재 사고를 일으키기도 한다.

따라서 종래에는 이차전지가 과열되는 것을 방지하기 위해 이차전지의 온도 변화를 측정하고 만약 온도가 과도하게 상승하면 이차전지의 충방전을 곧 바로 중단시키는 보호 장치가 널리 사용되고 있다.

통상적인 이차전지 보호 장치는 이차전지의 표면, 즉 파우치 외장재의 표면 온도를 측정하여 그 값을 모니터한다. 그런데 이러한 방식으로 이차전지의 온도 변화를 모니터하면 사후적 조치만 가능하고 사전적 조치가 사실상 어려운 단점이 있다.

즉, 이차전지의 온도가 급격하게 상승하는 대표적인 원인은 단락 전류가 흐르는 경우이다. 단락 전류는 침상 물체의 관통 등으로 이차전지 내부에서 단락이 발생되거나 이차전지가 접속된 장치에서 단락이 발생한 경우 주로 생긴다.

이차전지에 단락 현상이 발생하면 양극판 및 음극판에서 급격한 전기화학반응이 일어나 열이 발생된다. 이렇게 발생된 열은 주변 물질로 전도되며 이러한 열의 전도에 의해 파우치 외장재의 표면 온도가 빠른 속도로 상승하게 된다.

이러한 열의 발생 및 전도 메커니즘을 감안할 때, 일단 단락 현상이 발생된 시점을 기준으로 파우치 외장재 표면의 온도가 급상승하기까지는 어느 정도의 시간 차이가 생길 수밖에 없다. 이차전지의 양극판 및 음극판에서 발생된 열이 파우치 외장재 표면까지 전도되기까지는 어느 정도의 시간이 소요되기 때문이다. 따라서 이차전지 보호 장치가 파우치 외장재의 과열을 감지한 시점은 단락전류가 이미 상당히 흘러 이차전지의 안전성에 문제가 야기된 이후가 되는 것이다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 이차전지의 온도 변화를 빠르고 정확하게 감지할 수 있는 방안이 무엇보다 절실히 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술을 인식하여 착안된 것으로서, 이차전지의 온도 변화를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 수단이 내장되어 있는 이차전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지는, 양극 탭과 음극 탭이 구비된 2개 이상의 단위 셀들이 분리 필름을 사이에 두고 적층된 셀 어셈블리; 다수의 양극 탭과 음극 탭이 전기적으로 접속된 양극 리드 및 음극 리드; 센서 리드와 온도 감지부를 포함하고, 상기 단위 셀 들 중 적어도 하나의 단위 셀 표면에 상기 온도 감지부가 부착된 온도 센서; 및 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드와 상기 센서 리드가 외부에 노출되도록 상기 셀 어셈블리와 상기 온도 센서를 포장하는 전지 케이스;를 포함한다.

바람직하게, 상기 셀 어셈블리는, 상기 분리 필름 위에 단위 셀 들을 배열한 후 단위 셀 들과 함께 상기 분리 필름을 권취시켰을 때 형성되는 스택 폴딩 구조를 가진다.

바람직하게, 상기 온도 감지부는, 단위 셀의 양극판 또는 음극판에 부착된다.

바람직하게, 상기 온도 감지부는, 절연 필름으로 코팅되어 있다. 이 경우, 상기 절연 필름은, 상기 분리 필름과 동일한 재질로 이루어지거나 상기 분리 필름보다 연화점이 높은 고분자 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 온도 감지부는, 상기 단위 셀 들 중 적층 또는 권취시 셀 어셈블리의 중앙에 위치하는 단위 셀에 부착된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 셀 어셈블리를 구성하는 복수 개의 단위 셀 들에 각각 온도 센서가 부착되고, 상기 단위 셀 들의 적층 구조에서 상기 온도 센서가 부착된 단위 셀 들은 일정한 간격으로 배치되어 있을 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 온도 감지부는, 상기 온도 센서가 부착된 단위 셀의 양극 탭과 인접한 위치, 음극 탭과 인접한 위치, 또는 양극 탭과 음극 탭의 중간 위치에 부착될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 온도 감지부는, RTD, 서머커플러 또는 서미스터 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 센서 리드는, 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드와 동일한 방향 또는 다른 방향으로 노출되거나, 상기 양극 리드와 동일한 방향 또는 상기 음극 리드와 동일한 방향으로 노출될 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지는, 상기 이차전지의 동작 중에 상기 센서 리드를 통해 출력되는 온도 감지 신호를 이용하여 전지 케이스 내부의 적어도 하나 이상의 지점에 대한 온도를 모니터하고, 적어도 어느 한 지점의 온도가 임계 온도를 초과할 경우 상기 이차전지의 동작을 중단시키는 제어부;를 포함하는 이차전지 모듈의 일 구성이 될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지는, 상기 이차전지 모듈을 2 이상 포함하는 배터리 팩의 일 구성이 될 수 있다. 상기 배터리 팩은, 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 부하;를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성이 될 수 있으며, 이 경우, 상기 부하는 전기 구동 수단 또는 전력 변환 회로가 될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 이차전지의 온도 변화를 빠르고 정확하게 측정할 있으므로, 온도 변화에 따른 이차전지의 제어를 보다 정밀하게 할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 이차전지의 내부 단락, 이상 발열 등이 발생하였을 때, 이차전지의 내부 온도가 급상승하는 것을 보다 빠르게 감지할 수 있으므로 열 폭주 현상으로 인한 안전 사고 피해를 줄일 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지의 내부 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 이차전지의 내부 구조를 나타내기 위해 A-A' 절단선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 셀 어셈블리를 B-B' 절단선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지의 내부 구조를 나타내기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 평면 투시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지의 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 이차전지를 포함하는 이차전지 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(10)의 구성 및 구조를 설명하기 위한 도면들이다.

먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(10)의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지(10)의 내부 구성을 나타낸 분해 사시도이다. 그리고, 도 3은 상기 도 1에 도시된 이차전지(10)의 내부 구조를 나타내기 위해 A-A' 절단선 따라 절단한 단면도이고, 도 4는 상기 도 2에 도시된 셀 어셈블리(100)를 B-B' 절단선을 따라 절단한 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지(10)는 셀 어셈블리(100), 온도 센서(140) 및 전지 케이스(170)를 포함한다.

상기 셀 어셈블리(100)는 양극판(111), 분리 필름(112) 및 음극판(113)을 포함하는 단위 셀(110)이 적어도 2개 이상 적층된 구조를 가진다. 각 단위 셀(110)의 양극판(111)과 음극판(113)으로부터 돌출된 다수의 양극 탭(121) 및 음극 탭(122)에는 각각 양극 리드(131)와 음극 리드(132)가 전기적으로 접속된다. 상기 양극 탭(121) 및 음극 탭(122)은 각각 양극판(111) 및 음극판(113)이 연장된 형태로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지(10)는, 절연 테이프(160)를 더 포함할 수 있다. 상기 절연 테이프(160)는 전지 케이스(170)와 양극 리드(131) 및 음극 리드(132)의 접착성을 향상시키는 역할을 한다. 상기 절연 테이프(160)는, 양극 리드(131) 및 음극 리드(132)와 전지 케이스(170)의 접착성을 향상시키면서도 절연성이 있는 물질이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.

바람직하게, 상기 셀 어셈블리(100)는 스택 폴딩 구조를 가진다. 상기 스택 폴딩 타입의 셀 어셈블리(100)는, 소정의 크기로 절취한 양극판(111)과 음극판(113) 사이에 분리 필름(112)을 개재한 단위 셀(110) 들을 긴 길이의 권취 필름(115)위에 배열한다. 그리고, 상기 권취 필름(115)과 단위 셀(110) 들을 함께 권취시켜 셀 어셈블리(100)를 형성한다. 이는 본 출원인의 한국 등록 특허 공보 제0515571호, 0515572호, 0497147호 및 한국 공개 특허 공보 2011-0058657호 등에 개시되어 있다. 그러나, 본 발명에 따른 이차전지(10)는 스택 폴딩 구조의 셀 어셈블리(100)뿐만 아니라, 젤리-롤 타입 및 단순 스택 타입의 셀 어셈블리를 포함할 수도 있으며, 상기 예시된 셀 어셈블리(100)의 구조에 의해 발명이 한정되지 않는다.

상기 온도 센서(140)는 온도 감지부(141)와 센서 리드(142)를 포함하고, 상기 단위 셀(110) 들 중 적어도 하나의 단위 셀(110) 표면에 상기 온도 감지부(141)가 부착된다. 상기 온도 감지부(141)는 단위 셀(110)의 온도를 감지하여 이를 전기적 신호로 출력한다. 전기적 신호는 상기 센서 리드(142)를 통해서 이차전지(10)의 외부로 출력된다.

상기 온도 감지부(141)는 RTD(Resistance Thermometer Detector), 서머커플러(Thermocoupler) 또는 서미스터(Thermistor) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. RTD는 온도에 따라서 저항값이 변하는 특성을 이용한 온도 측정 소자로서, 일반적으로 0.02mm백금선을 이용해서 만든다. 서머커플러는 접합된 두 종류의 금속이 온도에 대응하여 기전력을 생성하는 온도 측정 소자이다. 그리고 서미스터는 반도체의 온도 변화에 따른 저항값 변화특성을 이용한 온도 측정 소자이다. 상기 온도 감지부(141)로 사용되는 온도 측정 소자들은 상기 예시에 한정되지 않으며, 당업자 수준에서 용이하게 적용할 수 있는 모든 온도 측정 소자를 고려할 수 있음은 자명하다.

바람직하게, 상기 온도 감지부(141)는 단위 셀(110)의 양극판(111) 또는 음극판(113)에 부착된다. 이차전지(10)는 충전 및 방전시 에너지의 출입에 의해 발열을 하게 된다. 따라서, 상기 이차전지(10)의 온도 변화를 보다 정확하고 빠르게 측정하기 위해서 상기 온도 감지부(141)는 단위 셀(110)의 양극판(111) 또는 음극판(113)에 부착된다. 특히, 양극판(111)보다는 음극판(113)에서 발열반응이 더 우세하므로, 상기 음극판(113)에 온도 감지부(141)를 부착하면 더 정확한 온도 변화를 감지할 수 있다. 상기 도면에서는 온도 감지부(141)가 음극판(113)에 부착된 실시예를 도시하였으나, 온도 감지부(141)가 양극판(111)에 부착되는 것을 배제하는 것은 아니다.

더 바람직하게, 상기 온도 감지부(141)는 절연 필름(150)으로 코팅되어 있다. 상기 절연 필름(150)은 상기 온도 감지부(141)와 단위 셀(110)의 접착력을 개선한다. 또한, 상기 온도 감지부(141)가 상기 이차전지(10)내에 충진된 전해질과 반응하는 것을 제한하는 효과가 있다. 상기 절연 필름(150)은 필요에 따라 상기 온도 감지부(141)뿐만 아니라 센서 리드(142)까지 코팅되어 있을 수 있다.

상기 절연 필름(150)은 상기 분리 필름(112) 또는 권취 필름(115)과 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 상기 절연 필름(150)은 상기 분리 필름(112) 또는 권취 필름(115)보다 연화점이 높은 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 상기 절연 필름(150)이 분리 필름(112) 또는 권취 필름(115)과 동일 재질로 이루어진 경우, 본 발명에 따른 이차전지(10)의 생산이 용이하다. 반면, 상기 절연 필름(150)이 분리 필름(112) 또는 권취 필름(115)보다 연화점이 높은 고분자 물질로 이루어진 경우, 상기 분리 필름(112) 또는 권취 필름(115)이 수축현상을 일으키는 온도까지 이차전지(10)의 온도가 상승하더라도, 상기 온도 감지부(141)가 절연 필름(150)의 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.

바람직하게, 상기 온도 감지부(141)는 상기 단위 셀 들(110-1 내지 110-5) 중 적층 또는 권취시 셀 어셈블리(100)의 중앙에 위치하는 단위 셀(110-3)에 부착된다.

본 발명에 따른 이차전지(10)의 셀 어셈블리(100)는 적어도 2개 이상의 단위 셀(110)을 포함하고 있다. 따라서, 각각의 단위 셀(110)이 발열을 하면 셀 어셈블리(100)내에서의 위치에 따라 서로 다른 온도 값을 가질 수 있다. 특히, 중앙에 위치하는 단위 셀(110-3)의 경우, 다른 단위 셀(110-1, 110-2, 110-4, 110-5)에 비해 방열이 제한되므로 온도가 가장 민감하게 변할 가능성이 있다. 따라서, 적층 또는 권취시 셀 어셈블리(100)의 중앙에 위치하는 단위 셀(110-3)에 상기 온도 감지부(141)를 부착하면 이차전지(10)의 온도 변화를 보다 정확하게 측정할 수 있다.

셀 어셈블리(100) 내의 중앙에 위치하는 단위 셀(110)의 위치는 상기 도면에 도시된 예시에 한정되지 않는다. 상기 단위 셀(110)의 개수는 이차전지(10)의 용량 등에 의해 얼마든지 달라질 수 있으며, 이 경우 중앙에 위치하는 단위 셀(110)은 반드시 정 중앙을 의미하지 않는다는 것을 고려해야 함은 자명하다.

본 발명에 따른 이차전지(10)는 복수개의 단위 셀(110) 들에 각각 온도 센서(140)가 부착될 수 있는데, 이에 대해 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지(10)의 내부 구조를 나타내기 위해 도 3과 같이 A-A'절단선을 따라 절단한 단면도이다.

도 5를 참조하면, 이차전지(10)내에 포함된 각 단위 셀(110)의 온도는 위치에 따라 서로 다를 수 있다. 따라서, 적어도 2개 이상의 단위 셀(110-1, 110-3, 110-5)에 온도 센서(140)를 부착하여 복수의 지점에서 단위 셀(110) 들의 온도를 측정할 수 있다. 이러한 경우, 온도 센서(140)가 부착된 단위 셀(110-1, 110-3, 110-5) 들은 일정한 간격으로 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 배치를 통해 이차전지(10)의 국소적인 온도 변화를 빠르고 정밀하게 측정할 수 있으며, 나아가 이차전지(10) 내부의 온도 분포까지 측정할 수 있다.

복수 개의 단위 셀 들에 각각 부착된 온도 감지부(141)는, 앞서 설명한 절연 필름(150)이 코팅되어 있을 수 있다. 한편, 온도 센서(140)의 개수 및 온도 센서(140)가 부착된 단위 셀(110)의 배치 간격은 상기 도면에 도시된 실시예에 제한되지 않음은 자명하다.

본 발명에 따른 이차전지(10)의 온도 감지부(141)는, 상기 온도 센서(140)가 부착된 단위 셀(110) 내에서 다양한 위치에 부착될 수 있다.

도 6은 온도 센서(140)의 부착 위치에 대한 일 실시예를 나타낸 이차전지(10)의 평면 투시도이다.

도 6을 참조하면, 상기 온도 센서(140)는 음극 탭(122)과 인접한 위치(즉, 오른쪽)에 부착될 수 있다. 그러나 상기 온도 센서(140)는 음극 탭(122)뿐만 아니라, 양극 탭(121)과 인접한 위치(즉, 왼쪽) 또는 양극 탭(121)과 음극 탭(122)의 중간 위치에 부착될 수도 있다.

또한, 상기 도 4 및 도 6에는 상기 온도 감지부(141)가 단위 셀(110)의 길이 방향에서 중간 위치에 부착된 실시예를 도시하였으나, 양극 탭(121) 및 음극 탭(122)에 가깝게 또는 멀리 부착될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 앞서 도 5에 도시된 실시예와 같이 복수 개의 단위 셀(110) 들에 각각 온도 센서(140)가 부착된 경우, 각각의 온도 센서(140)는 양극 탭(121) 또는 음극 탭(122)에 인접한 위치에 교대로 번갈아 가면서 부착될 수 있다. 즉, 온도 감지부(141)의 부착 위치는 이차전지(10)의 특성에 따라 다양화될 수 있는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 상기 이차전지(10)의 센서 리드(142)는 다양한 방향으로 외부에 노출될 수 있다.

즉, 상기 센서 리드(142)는 도 1에 도시된 바와 같이 양극 리드(131) 및 음극 리드(132)와 동일한 방향으로 외부에 노출될 수 있다. 또한, 상기 센서 리드(142)는 도 6에 도시된 바와 같이 양극 리드(131) 및 음극 리드(132)와 다른 방향으로 외부에 노출될 수 있다. 나아가, 도 7에 도시된 바와 같이, 양극 리드(131) 및 음극 리드(132)가 서로 다른 방향으로 배치된 이차전지(10)에서는 양극 리드(131)와 동일한 방향으로 적어도 하나 이상의 센서 리드(142)가 노출될 수 있다. 물론, 도시된 바와 달리, 센서 리드(142)가 음극 리드(132)와 동일한 방향으로 노출될 수도 있음은 자명하다.

상기 센서 리드(142)의 노출 방향은 본 발명에 따른 이차전지(10)의 제조환경, 온도 센서(140)의 개수, 상기 이차전지(10)가 사용되는 환경, 상기 이차전지(10)를 제어하기 위한 BMS의 연결 위치 등을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다. 따라서, 상기 센서 리드(142)의 노출 방향은 상기 예시에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 이차전지(10)는, 상기 이차전지(10)의 동작을 제어하는 제어부(30)를 포함하는 이차전지 모듈(20)의 구성 요소가 될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 이차전지(10)를 포함하는 이차전지 모듈(20)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지(10)의 센서 리드(142)는 제어부(30)에 연결될 수 있다. 상기 제어부(30)는 상기 이차전지(10)의 동작 중에 상기 센서 리드(142)를 통해 출력되는 온도 감지 신호를 수신한다. 그러면, 상기 제어부(30)는 온도 감지 신호를 이용하여 전지 케이스(170) 내부의 적어도 하나 이상의 지점에 대한 온도를 모니터한다. 이때, 적어도 어느 한 지점의 온도가 미리 설정된 임계 온도를 초과할 경우 상기 이차전지 모듈(20)의 충전 또는 방전 동작을 중단시킨다.

상기 제어부(30)는 상기 이차전지(10)의 고전위 단자(V+) 또는/및 저전위 단자(V-)에 연결된 스위치부(40)를 제어하여 상기 이차전지(10)의 충전 또는 방전 동작을 중단시킬 수 있다. 그러나 상기 제어부(30)가 상기 이차전지(10)를 제어하는 방법은 상기 예시에 한하지 않으며, 이차전지(10)의 사용을 제어하는 공지 기술 및 공지 기술로부터 당업자가 용이하게 안출할 수 있는 모든 제어 방법을 포함한다.

상기 제어부(30)는 본 발명에 따른 이차전지 모듈(20)의 제어를 위해 프로그램 코드를 실행할 수 있는 마이크로프로세서로 구성할 수 있다. 대안적으로, 상기 제어부(30)는 본 발명에 따른 이차전지 모듈(20)의 제어를 위해 제어 흐름을 논리 회로로 구현한 반도체 칩으로도 구성할 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지(10)는, 상기 이차전지 모듈(20)을 2 이상 포함하는 배터리 팩의 일 구성이 될 수 있다.

근래 에너지 저장원으로서 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 복수 개의 이차전지 모듈(20)을 직렬/병렬 등으로 연결하여 멀티 모듈 구조를 가지는 배터리 팩이 보편적으로 이용되고 있다.

일반적으로 상기 배터리 팩은 전류, 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge) 등의 추정을 위한 알고리즘이 적용되어 이차전지(10)의 상태를 모니터링하고 제어하는 BMS (Battery Management System) 등이 추가적으로 포함되어 구성된다. 이 경우, 상기 이차전지 모듈(20)의 제어부(30)는 상기 BMS에 포함되거나 별도의 회로로 구현될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이차전지(10)는, 상기 배터리 팩 및 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성이 될 수 있다.

상기 배터리 구동 시스템의 일예로는 전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거(E-Bike), 전동 공구(Power tool), 전력 저장 장치(Energy Storage System), 무정전 전원 장치(UPS), 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 휴대용 오디오 장치, 휴대용 비디오 장치 등이 될 수 있으며, 상기 부하의 일예로는 배터리 팩이 공급하는 전력에 의해 회전력을 제공하는 전기 구동 수단(예: 모터) 또는 배터리 팩이 공급하는 전력을 각종 회로 부품이 필요로 하는 전력으로 변환하는 전력 변환 회로일 수 있다.

본 발명에 따른 이차전지(10)에 있어서, 상기 양극판(111)의 재질은 알루미늄이 주로 이용된다. 대안적으로, 상기 양극판(111)은 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다. 상기 양극판(111)에 대응되는 음극판(113)은 주로 구리 재질이 이용된다. 대안적으로, 음극판(113)은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 양극판(111)과 상기 음극판(113)에는 각각 양극 활물질과 음극 활물질이 코팅되어 있다. 일 예로, 상기 양극 활물질은 리튬 계열의 활물질이고, 대표적인 예로는 LiCoO₂, LiNiO₂, LiMnO₂, LiMn₂O₄, LiFePO₄ 또는 Li₁ ₊ _zNi₁ _-x-yCo_xM_yO₂ (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤Z≤1, M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질은 탄소 계열의 활물질이고, 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 분리 필름(112)은 다공성 재질을 가진 것이라면 특별히 제한이 없다. 상기 분리 필름(112)은 다공성이 있는 고분자막, 예컨대 다공성 폴리올레핀막부직포막, 다공성 웹(web) 구조를 가진 막 또는 이들의 혼합체 등으로 이루어질 수 있다. 상기 분리막의 단면 또는 양면에는 무기 입자가 결착되어 있을 수 있다.

상기 전지 케이스(170)는 셀 어셈블리(100)를 보호하는 역할을 한다. 상기 전지 케이스(170)는 열융착필름/금속필름/보호필름이 순차적으로 적층된 구조를 가진 파우치 필름으로 이루어질 수 있다. 이러한 경우, 상기 전지 케이스(170)는, 가장 자리에 열융착 공정을 통해 형성된 실링 라인(도 6의 171 참조)을 가진다.

본 발명은 전지 케이스(170)의 종류에 의해 한정되지 않는다. 따라서 본 발명은 전지 케이스(170)가 각형 또는 캔 형 케이스로 변경되더라도 얼마든지 적용될 수 있음은 자명하다.

상기 전지 케이스(170) 내에는 이차전지(10)의 작동에 필요한 전해질이 포함되어 있다. 전해질은 이차전지(10)의 종류에 따라 달라지는데, 일 예로 리튬 염을 포함하는 액체 전해질, 고체 전해질, 겔 형 전해질 등이 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 이차전지의 온도 변화를 빠르고 정확하게 측정할 있으므로, 온도 변화에 따른 이차전지의 제어를 보다 정밀하게 할 수 있다. 또한, 이차전지의 내부 단락, 이상 발열 등이 발생하였을 때, 이차전지의 내부 온도가 급상승하는 것을 보다 빠르게 감지할 수 있으므로 열 폭주 현상으로 인한 안전 사고 피해를 줄일 수 있다.

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.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, 도 8 등에 도시된 본 발명의 이차전지 모듈(20)에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.

즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.

10 : 이차전지 20 : 이차전지 모듈
30 : 제어부 40 : 스위치부
100 : 셀 어셈블리 110 : 단위 셀
111 : 양극판 112 : 분리 필름
113 : 음극판 115 : 권취 필름
121 : 양극 탭 122 : 음극 탭
131 : 양극 리드 132 : 음극 리드
140 : 온도 센서 141 : 온도 감지부
142 : 센서 리드 150 : 절연 필름
160 : 절연 테이프 170 : 전지 케이스
171 : 실링 라인 V+ : 고전위 단자
V- : 저전위 단자

Claims

양극 탭과 음극 탭이 구비된 2개 이상의 단위 셀들이 분리 필름을 사이에 두고 적층된 셀 어셈블리;
다수의 양극 탭과 음극 탭이 전기적으로 접속된 양극 리드 및 음극 리드;
센서 리드와 온도 감지부를 포함하고, 상기 단위 셀 들 중 적어도 하나의 단위 셀 표면에 상기 온도 감지부가 부착된 온도 센서; 및
상기 양극 리드 및 상기 음극 리드와 상기 센서 리드가 외부에 노출되도록 상기 셀 어셈블리와 상기 온도 센서를 포장하는 전지 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 셀 어셈블리는, 상기 분리 필름 위에 단위 셀 들을 배열한 후 단위 셀 들과 함께 상기 분리 필름을 권취시켰을 때 형성되는 스택 폴딩 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 온도 감지부는, 단위 셀의 양극판 또는 음극판에 부착된 것을 특징으로 하는 이차전지.
제3항에 있어서,
상기 온도 감지부는, 절연 필름으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제4항에 있어서,
상기 절연 필름은, 상기 분리 필름과 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제4항에 있어서,
상기 절연 필름은, 상기 분리 필름보다 연화점이 높은 고분자 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 온도 감지부는, 상기 단위 셀 들 중 적층 또는 권취시 셀 어셈블리의 중앙에 위치하는 단위 셀에 부착된 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
복수 개의 단위 셀 들에 각각 온도 센서가 부착되고,
상기 단위 셀 들의 적층 구조에서 상기 온도 센서가 부착된 단위 셀 들은 일정한 간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 온도 감지부는, 상기 온도 센서가 부착된 단위 셀의 양극 탭과 인접한 위치, 음극 탭과 인접한 위치, 또는 양극 탭과 음극 탭의 중간 위치에 부착된 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 온도 감지부는, RTD, 서머커플러 또는 서미스터 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 센서 리드는, 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드와 동일한 방향 또는 다른 방향으로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항에 있어서,
상기 센서 리드는, 상기 양극 리드 또는 음극 리드와 동일한 방향으로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
제1항 내지 12항에 따른 이차전지; 및
상기 이차전지의 동작 중에 상기 센서 리드를 통해 출력되는 온도 감지 신호를 이용하여 전지 케이스 내부의 적어도 하나 이상의 지점에 대한 온도를 모니터하고, 적어도 어느 한 지점의 온도가 임계 온도를 초과할 경우 상기 이차전지의 동작을 중단시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
제13항에 따른 이차전지 모듈을 2 이상 포함하는 배터리 팩.
제14항에 따른 배터리 팩; 및
상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 부하;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
제15항에 있어서,
상기 부하는 전기 구동 수단 또는 전력 변환 회로임을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.