JP7714697B2 - 角型二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、熱暴走発生時に周辺の他の二次電池が連続的に過熱する熱伝播現象を抑制し得る角型二次電池に関するものである。

本出願は、２０２２年５月２０日付の韓国特許出願第１０－２０２２－００６１７５２号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。

二次電池は、一次電池とは異なって再充電が可能であり、また、小型および大容量化の可能性により近年多く研究開発されている。モバイル機器に対する技術開発と需要が増加し、また、環境保護の時代的要求に合わせて浮上する電気自動車とエネルギー貯蔵システムなどにより、エネルギー源としての二次電池の需要はさらに急激に増加している。

二次電池は、電池ケースの形状に応じて、コイン型電池、円筒型電池、角型電池およびパウチ型電池に分類される。二次電池において電池ケースの内部に装着される電極組立体は、電極および分離膜の積層構造からなる充放電が可能な発電素子である。

二次電池は、長期間連続的な使用が要求されるため、充放電過程中に発生する熱を効果的に制御する必要がある。二次電池の冷却が円滑に行われない場合には、温度上昇が電流の増加を引き起こし、電流の増加が再び温度上昇の原因となる正帰還の連鎖反応が起こり、結局熱暴走（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｕｎａｗａｙ）の破局状態に至ることになる。

また、二次電池がモジュールやパックの形態として集団をなしている場合には、いずれか１つの二次電池に発生した熱暴走により周辺の他の二次電池が連続的に過熱する熱伝播（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）現象が起こることになる。さらに、過熱した二次電池から放出される可燃性ガスと加熱電極などの点火源により火災発生の危険が高いため、このような発火危険を抑制する必要がある。

韓国登録特許第１０－１２７０７９６号

本発明は、二次電池で発生した熱暴走による熱伝播現象を効果的に抑制および防止し得る二次電池を提供することにその目的がある。

ただし、本発明が解決しようとする技術的課題は上述した課題に制限されず、言及されない別の課題は、下記に記載された発明の説明から通常の技術者に明確に理解され得るであろう。

本発明は、角型二次電池に関するものであって、一つの例において、金属材質のケースと、上記ケース内に収容された少なくとも１つ以上の電池セルと、上記ケースの少なくとも一側に配置されたクーリング部と、上記クーリング部を固定し、上記電池セルで発生して上記クーリング部を通過したガスを上記ケースの外部に案内するベンティングホールが形成された固定ボディと、を含む。

上記クーリング部は、上記電池セルで発生する熱によって気化する液体が含浸された吸収材と、上記吸収材が挿入される挿入ホールが形成された熱伝導ボディと、を含む。

本発明の一実施形態において、上記吸収材は、高吸収性マトリックスであって、上記高吸収性マトリックスは、高吸収性ポリマー（ＳＡＰ）または高吸収性繊維（ＳＡＦ）を含み得る。

そして、吸収材に含浸された液体は水であり得る。

そして、上記クーリング部は、上記電池セルで発生して上記ベンティングホールに移動するガスの流動方向に対して、上記熱伝導ボディの前方および後方に接合され、上記ガスの熱によって溶融するカバーを含み得る。

本発明の一実施形態において、上記電池セルは、電極リードが外部に突出したパウチ型電池セルであり、上記電極リードは、上記クーリング部が配置された上記ケースの一側に向かって突出し得る。

そして、本発明の角型二次電池は、上記ケースの一側側の端部に結合され、上記固定ボディを覆うサイドケースと、上記固定ボディと上記サイドケースとの間に備えられ、上記電極リードと電気的に連結されたバスバーと、を含み得る。

上記バスバーには、上記ベンティングホールと連通して上記サイドケースの外部に向かって開放されたバスバーホールが形成されている。

一方、本発明の他の実施形態によると、上記クーリング部は、上記電池セルで発生して上記ベンティングホールに移動するガスの流動方向に対して、上記熱伝導ボディの前方と後方のうち少なくともいずれか一方に配置され、上記ガスに含まれた所定のサイズ以上のパーティクルをろ過するフィルターを含む。

そして、上記固定ボディのベンティングホールには、上記クーリング部を通過したガスに含まれた所定のサイズ以上のパーティクルをろ過するエンドフィルターが備えられることができる。

そして、上記エンドフィルターは、予め定められた値を超える圧力が作用すると破断するか、または上記ベンティングホールから分離されることもできる。

上記のような構成を有する本発明の角型二次電池によると、熱暴走現象により発生した高温ガスとパーティクルは、冷却液体を内蔵したクーリング部を経て外部へ排出される。したがって、本発明の角型二次電池は、過熱した電池セルから放出される高温点火源がケース内部で冷却された後に排出されるので、熱伝播現象によって発生する危険性を大きく低減させることができる。

また、本発明は、角型二次電池は、一定のサイズを超える粒子をろ過するフィルターをクーリング部とベンティングホールに設置しておくことにより、高温粒子の点火源による外部火災発生の危険を効果的に抑制し得る。

ただし、本発明によって得ることができる技術的効果は上述した効果に制限されず、言及されない別の効果は、下記に記載された発明の説明から通常の技術者に明確に理解され得るであろう。

本明細書に添付される下記の図面は、本発明の好ましい実施形態を例示するものであり、後述される発明の詳細な説明と共に本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施形態に係る角型二次電池の斜視図である。 図１の角型二次電池の分解斜視図である。 図１の角型二次電池に含まれたクーリング部を図示した図面である。 熱暴走状態におけるクーリング部の冷却作用を図示した図面である。 本発明の他の実施形態におけるクーリング部を図示した図面である。 本発明の他の実施形態においてベンティングホールにエンドフィルターが備えられた状態を図示した図面である。 クーリング部とエンドフィルターとを備えたベンティングホールを図示した側面透視図である。 過度な内圧によってエンドフィルターが分離され得る構造を図示した図面である。

本発明は、多様な変更を加えることができ、様々な実施形態を有し得るので、特定の実施形態を以下に詳細に説明する。

しかしながら、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物または代替物を含むものとして理解されるべきである。

本発明において、「含む」や「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものとして理解されるべきである。

また、本発明において、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あると記載された場合、これは他の部分の「真上に」ある場合のみならず、その中間に別の部分がある場合も含む。逆に、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「下に」あると記載された場合、それは他の部分の「真下に」ある場合のみならず、その中間に別の部分がある場合も含む。また、本出願において「上に」配置されるということは、上部のみならず下部に配置される場合も含むものであり得る。

本発明は、角型二次電池に関するものであって、一つの例において、本発明の角型二次電池は、金属材質のケースと、上記ケース内に収容された少なくとも１つ以上の電池セルと、上記ケースの少なくとも一側に配置されたクーリング部と、上記クーリング部を固定し、上記電池セルで発生して上記クーリング部を通過したガスを上記ケースの外部に案内するベンティングホールが形成された固定ボディと、を含む。

ここで、上記クーリング部は、上記電池セルで発生する熱によって気化する液体が含浸された吸収材と、上記吸収材が挿入される挿入ホールが形成された熱伝導ボディと、を含む。

このような本発明の角型二次電池は、熱暴走現象により発生した高温ガスとパーティクルとが冷却液体を内蔵したクーリング部を経て外部へ排出され、これにより、過熱した電池セルから放出される高温点火源がケースに内蔵されたクーリング部で冷却された後に排出されるので、熱伝播現象によって発生する危険性を大きく低減させることができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。ここで、以下の説明で使用される相対的な位置を指定する前後や上下左右の方向は発明の理解を助けるためのものであり、特に定義がない限り図面に図示された方向を基準とする。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る角型二次電池１０の斜視図であり、図２は、図１の角型二次電池１０の分解斜視図である。

添付の図面に図示されたように、本発明の角型二次電池１０は、金属材質のケースと、ケース内に収容された少なくとも１つの電池セル２００とを含む。一つの例として、図示の実施形態における電池セル２００は、電極リード２１０が幅方向の両片にそれぞれ突出している両方向端子のパウチ型電池セル２００であり、２つのパウチ型電池セル２００がケース内に収納されている。

ケースは、アルミニウムやステンレススチール、またはそれを含む合金などの金属素材を押出成形することによって作られることができる。図示の実施形態では、電池セル２００の容易な収納と押出成形のコストなどを考慮して、ケースは、英語アルファベットの小文字「ｎ」形状の断面を有するメインケース１１０と下方の開放部に結合する下部プレート１３０とからなっている。

そして、本発明の角型二次電池１０は、ケースの少なくとも一側に配置されたクーリング部３００と、クーリング部３００をケースに対して固定する固定ボディ４００とを含む。

クーリング部３００は、熱暴走現象により過熱した電池セル２００で発生した高温ガスを外部へ排出する前に発火温度以下に冷却するためのものである。クーリング部３００は、熱暴走による高温ガスが発生した非常事態で作動するものであって、正常状態では冷却機能をまともに維持する必要がある。

このために、クーリング部３００は、電池セル２００で発生する熱によって気化する液体が含浸された吸収材３１０と、吸収材３１０が挿入される挿入ホール３２２が形成された熱伝導ボディ３２０とを含む。過熱した電池セル２００で発生する熱、言い換えれば、高温ガスの熱によって吸収材３１０に含浸された液体は、顕熱と潜熱に対応する分のみの熱を吸収し、この過程で高温ガスの温度は低下する。

吸収材３１０を挿入ホール３２２内に内蔵する熱伝導ボディ３２０は、吸収材３１０を支持する構造体であると同時に、吸収材３１０が吸収した熱を周辺に発散する役割を果たす。熱伝導ボディ３２０が周辺に熱を放散するほど、吸収材３１０内の液体が気化するまでの時間が遅延され、これにより液体の吸熱作用が長く持続する。

固定ボディ４００は、クーリング部３００をケースに対して固定する役割を果たし、電池セル２００で発生してクーリング部３００を通過したガスをケースの外部に案内するベンティングホール４１０を備えている。固定ボディ４００に固定されたクーリング部３００の前面と後面（高温ガスの流動方向基準）は塞がれておらず、固定ボディ４００の内側に入るクーリング部３００の後面とベンティングホール４１０との間には余裕隙間が形成されているので、ガスの流れが妨げられない。

本発明の第１実施形態において、吸収材３１０は、高吸収性マトリックス、例えば、高吸収性ポリマー（Ｓｕｐｅｒ Ａｂｓｏｒｂｅｎｔ Ｐｏｌｙｍｅｒ、ＳＡＰ）または高吸収性繊維（Ｓｕｐｅｒ Ａｂｓｏｒｂｅｎｔ Ｆｉｂｅｒ、ＳＡＦ）を含む吸収材３１０であり得る。高吸収性マトリックスは、多孔質または繊維質で毛細管現象を発現することにより多量の液体を吸収することが可能であり、高吸収性繊維は、高吸収性ポリマーを加工して不織布のような繊維の形態に製造し得る。

本発明において、高吸収性ポリマーおよびそれより製造される高吸収性繊維の具体的な種類は特に制限されず、流体、特に水に対する吸収能力に優れたものであれば制限なく使用し得る。本発明では、高吸収性ポリマーの例として、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸塩グラフト重合体、デンプン、架橋されたカルボキシメチル化セルロース、アクリル酸共重合体、加水分解されたデンプン－アクリルニトリルグラフト共重合体、デンプン－アクリル酸グラフト共重合体、鹸化ビニルアセテート－アクリル酸エステル共重合体、加水分解されたアクリロニトリル共重合体、加水分解されたアクリルアミド共重合体、エチレン－無水マレイン酸共重合体、イソブチレン－無水マレイン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルリン酸、ポリビニル硫酸、スルホン化ポリスチレン、ポリビニルアミン、ポリジアルキルアミノアルキル（メタ）アクリルアミド、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリアリルグアニジン、ポリジメチルジアリルアンモニウムヒドロキシド、四級化ポリスチレン誘導体、グアニジン－変性ポリスチレン、四級化ポリ（メタ）アクリルアミド、ポリビニルグアニジンおよびこれらの混合物からなる群から選択される１つ以上が挙げられ、好ましくは架橋化されたポリアクリル酸塩、架橋化されたポリアクリル酸および架橋化されたアクリル酸共重合体からなる群から選択される１つ以上が挙げられるが、これに制限されるものではない。

本発明において、高吸収性ポリマーとして使用されるアクリル酸共重合体の種類は特に制限されないが、好ましくはアクリル酸単量体とマレイン酸、イタコン酸、アクリルアミド、２－アクリルアミド－２－メチルプロパンスルホン酸、２－（メタ）アクリロイルエタンスルホン酸、２－ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、およびスチレンスルホン酸からなる群から選択される１つ以上の共単量体を含む共重合体であり得る。

本発明において高吸収性ポリマーは、水に対する吸収量が１０ｇ／ｇ～５００ｇ／ｇ、好ましくは５０ｇ／ｇ～２００ｇ／ｇであり得るが、これに制限されるものではない。すなわち、高吸収性ポリマー１ｇあたり水１０ｇ～５００ｇ、好ましくは５０ｇ～２００ｇを吸収し得る。

本発明では、高吸収性ポリマーの水に対する吸収量が多いほど冷却効果の持続時間を向上させることができるが、５００ｇ／ｇを超えると高吸収性ポリマーの流動性が増加し、形態を維持しにくいので、効果的な冷却を発揮し得ず、１０ｇ／ｇ未満であると冷却効果の持続時間が短すぎて非効率的であり得る。

ここで、吸収材３１０に含浸された液体は水であり得る。水は、容易に入手し得る液体の中で顕熱と潜熱が最も大きい物質に該当する。したがって、吸収材３１０に含まれる水は、液体状態から始まり気体に相変化する過程中に吸収する熱量が多いため、本発明のクーリング部３００に適用するのに適している。

そして、クーリング部３００は、電池セル２００で発生して固定ボディ４００のベンティングホール４１０に移動するガスの流動方向に対して熱伝導ボディ３２０の前方および後方に接合されるカバー３３０を含み得る。カバー３３０は、吸収材３１０に含浸された液体が自然蒸発により失われることを防止するための膜部材であって、クーリング部３００に流入するガスの熱によって溶融することにより、好適な時点で吸収材３１０を露出することになる。

そして、電池セル２００の電極リード２１０は、クーリング部３００が配置されたケースの一側に向かって突出することが好ましいと言える。電極リード２１０は、電流が集中して過熱が発生しやすい部分であるため、電極リード２１０がクーリング部３００を向くように配置すると、高温ガスの冷却および排出が即刻的に行われるという側面から有利な点がある。

本発明の角型二次電池１０は、ケースの一側側の端部、すなわち、メインケース１１０の側面に結合されて固定ボディ４００を覆うサイドケース１２０と、固定ボディ４００とサイドケース１２０との間に備えられるバスバー５００とを含み得る。バスバー５００は、電極リード２１０と電気的に連結される部品であり、サイドケース１２０の切開口を介してその一部が外部に露出している。

バスバー５００がサイドケース１２０内に配置されると、バスバー５００は固定ボディ４００のベンティングホール４１０を遮断し得る。このような場合には、バスバー５００には、ベンティングホール４１０と連通してサイドケース１２０の外部に向かって開放されたバスバーホール５１０が形成される。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態におけるクーリング部３００を図示した図面であり、図６は、本発明の第２実施形態においてベンティングホール４１０にエンドフィルター４２０が備えられた状態を図示した図面である。

本発明の第２実施形態は、角型二次電池１０の内部にフィルター手段を設置することにより、高温ガスに含まれたパーティクルがそのまま外部に放出されることを防止し得るようにしたものである。クーリング部３００を経由させても十分に冷却することができない大きさ以上のパーティクルは高温の点火源となって外部火災を誘発し得、本発明の第２実施形態は、このような高温パーティクルによる火災の危険を軽減する。第２実施形態は、２つのフィルター手段のうちいずれか１つ以上を含む。

まず、クーリング部３００は、電池セル２００で発生してベンティングホール４１０に移動するガスの流動方向に対して熱伝導ボディ３２０の前方と後方のうち少なくともいずれか一方に配置され、ガスに含まれた所定のサイズ以上のパーティクルをろ過するフィルター３４０を含む。

フィルター３４０は、熱伝導ボディ３２０の前方および／または後方に設置され、クーリング部３００に対して流入、流出するガス中のパーティクルをろ過する。参考として、フィルター３４０には、吸収材３１０に含浸された液体が失われることを防止するための膜部材が一体に積層されていてもよく、膜部材は、上述したカバー３３０と同様に、ガスの熱によって溶融して除去され得る。

次に、クーリング部３００を通過したガスに含まれた所定のサイズ以上のパーティクルをろ過するエンドフィルター４２０が固定ボディ４００のベンティングホール４１０に備えられることができる。クーリング部３００にフィルター３４０が備えられる場合であれば、ベンティングホール４１０のエンドフィルター４２０は、パーティクルを二次にろ過する役割を果たす。フィルタリング効果と圧力上昇の互いに相反する関係を最適化するように、クーリング部３００のフィルター３４０とベンティングホール４１０のエンドフィルター４２０がそれぞれろ過するパーティクルのサイズが互いに異なるように設計することもできる。例えば、面積が相対的に広いクーリング部３００のフィルター３４０が相対的に小さいサイズのパーティクルまでろ過し得るように構成することができる。

図７は、クーリング部３００とエンドフィルター４２０とを備えたベンティングホール４１０を図示した側面透視図であり、図７の実施形態は、クーリング部３００のフィルター３４０とベンティングホール４１０のエンドフィルター４２０がいずれも備えられた状態を示している。参考として、図７には、２つのパウチ型電池セル２００の間に吸熱パウチ６００が介在されたことが図示されている。吸熱パウチ６００は、クーリング部３００に備えられた吸収材３１０と同一または類似の吸収材をパウチ内に内蔵したものであって、電池セル２００に直接接触して吸熱作用を引き起こす。吸熱パウチ６００は、局部的に強度（接合強度や引張強度など）が低い脆弱部を備えることができる。吸収材内の液体は熱を吸収して気化し、気体によって上昇した内圧により脆弱部が破断して高圧の気体を噴出することにより強力な冷却および／または消火作用を引き起こすことになる。

また、角型二次電池１０の安全のために、エンドフィルター４２０に予め定められた値を超える圧力が作用すると破断するか、またはベンティングホール４１０からエンドフィルター４２０が分離されるようにすることもできる。相対的にフィルタリング面積が狭いエンドフィルター４２０が詰まると、ケース内部の圧力が限界以上に上昇することにより、角型二次電池１０の構造が崩れることができる。

このような場合に備えた安全策として、過度な圧力が作用する場合にエンドフィルター４２０自体が破断するようにその強度や構造を設計するか、またはベンティングホール４１０からエンドフィルター４２０が離脱するように作ることができる。図８は、過度な内圧によりエンドフィルター４２０が分離され得る構造を例示的に図示した図面であり、エンドフィルター４２０を固定する突起４２２にノッチを形成して、一定以上の圧力が作用すると突起４２２が破断することにより、エンドフィルター４２０が外部へ排出される構造である。

以上、図面と実施形態などにより本発明をより詳細に説明した。しかしながら、本明細書に記載された図面または実施形態などに記載された構成は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替し得る多様な均等物と変形例があり得ることを理解すべきである。

１０：角型二次電池
１００：ケース
１１０：メインケース
１２０：サイドケース
１３０：下部プレート
２００：電池セル（パウチ型電池セル）
２１０：電極リード
３００：クーリング部
３１０：吸収材
３２０：熱伝導ボディ
３２２：挿入ホール
３３０：カバー
３４０：フィルター
４００：固定ボディ
４１０：ベンティングホール
４２０：エンドフィルター
４２２：突起
５００：バスバー
５１０：バスバーホール
６００：吸熱パウチ

Claims (13)

1. 金属材質のケースと、
   前記ケース内に収容された少なくとも１つ以上の電池セルと、
   前記ケースの少なくとも一側に配置されたクーリング部と、
   前記クーリング部を固定し、前記電池セルで発生して前記クーリング部を通過したガスを前記ケースの外部に案内するベンティングホールが形成された固定ボディと、
   を含み、
   熱暴走現象により発生した高温ガスとパーティクルとが前記クーリング部を経て冷却されて外部へ排出され、
   前記クーリング部が吸収した熱は周辺に発散される角型二次電池。
2. 金属材質のケースと、
   前記ケース内に収容された少なくとも１つ以上の電池セルと、
   前記ケースの少なくとも一側に配置されたクーリング部と、
   前記クーリング部を固定し、前記電池セルで発生して前記クーリング部を通過したガスを前記ケースの外部に案内するベンティングホールが形成された固定ボディと、
   を含み、
   前記クーリング部は、
   前記電池セルで発生する熱によって気化する液体が含浸された吸収材と、
   前記吸収材が挿入される挿入ホールが形成された熱伝導ボディと、
   を含む、角型二次電池。
3. 前記吸収材は、
   高吸収性マトリックスである、請求項２に記載の角型二次電池。
4. 前記高吸収性マトリックスは、高吸収性ポリマーまたは高吸収性繊維を含む、請求項３に記載の角型二次電池。
5. 前記液体は水である、請求項４に記載の角型二次電池。
6. 前記クーリング部は、
   前記電池セルで発生して前記ベンティングホールに移動するガスの流動方向に対して、前記熱伝導ボディの前方および後方に接合され、前記ガスの熱によって溶融するカバーを含む、請求項２～５のいずれか一項に記載の角型二次電池。
7. 前記電池セルは、
   電極リードが外部に突出したパウチ型電池セルである、請求項１に記載の角型二次電池。
8. 前記電極リードは、
   前記クーリング部が配置された前記ケースの前記一側に向かって突出する、請求項７に記載の角型二次電池。
9. 金属材質のケースと、
   前記ケース内に収容された少なくとも１つ以上の電池セルと、
   前記ケースの少なくとも一側に配置されたクーリング部と、
   前記クーリング部を固定し、前記電池セルで発生して前記クーリング部を通過したガスを前記ケースの外部に案内するベンティングホールが形成された固定ボディと、
   を含み、
   前記電池セルは、
   電極リードが外部に突出したパウチ型電池セルであり、
   前記電極リードは、
   前記クーリング部が配置された前記ケースの前記一側に向かって突出し、
   前記ケースの前記一側側の端部に結合され、前記固定ボディを覆うサイドケースと、
   前記固定ボディと前記サイドケースとの間に備えられ、前記電極リードと電気的に連結されたバスバーと、
   を含む、角型二次電池。
10. 前記バスバーには、前記ベンティングホールと連通して前記サイドケースの外部に向かって開放されたバスバーホールが形成される、請求項９に記載の角型二次電池。
11. 前記クーリング部は、
    前記電池セルで発生して前記ベンティングホールに移動するガスの流動方向に対して、前記熱伝導ボディの前方と後方のうち少なくともいずれか一方に配置され、前記ガスに含まれた所定のサイズ以上のパーティクルをろ過するフィルターを含む、請求項２に記載の角型二次電池。
12. 前記固定ボディのベンティングホールには、
    前記クーリング部を通過したガスに含まれた所定のサイズ以上のパーティクルをろ過するエンドフィルターが備えられた、請求項１１に記載の角型二次電池。
13. 前記エンドフィルターは、
    予め定められた値を超える圧力が作用すると破断するか、または前記ベンティングホールから分離される、請求項１２に記載の角型二次電池。