KR100627397B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지의 안전 밸브의 구조를 개선하여 이차전지 모듈의 수명을 연장할 수 있도록, 소정 압력에서 개방되는 안전 밸브를 포함하며 일정 간격으로 배열되는 다수개의 단위전지들을 포함하는 이차전지 모듈에 있어서, 상기 단위전지에 설치된 안전 밸브는 상기 단위전지의 위치에 따라 파단 강도가 상이한 이차전지 모듈을 제공한다.

이차전지, 이차전지 모듈, 안전 밸브, 파단 강도

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명에 의한 단위 전지를 도시한 측단면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 리드부 및 밴트 플레이트의 일부를 도시한 사시도이다.

본 발명은 이차 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이차 전지의 안전 밸브(valve)의 구조를 개선한 이차 전지 모듈에 관한 것이다.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지 복수개를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.

이와 같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 '전지 모듈'이라 칭한다.)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 '단위전지'라 칭한다.)로 이루어지며, 상기 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하고 상기 극판과 전기적으로 연결되는 단자가 구비된 캡 조립체를 포함한다.

또한, 상기 캡 조립체는 전극군의 극판과 전기적으로 연결되는 외부 단자와 케이스를 밀폐시키는 가스켓 이외에 설정된 압력 조건에서 파손되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 안전장치를 더욱 포함한다.

즉, 단위전지는 과충전되거나 고온에서 노출될 경우 전해액과 전지부의 활물질층 간의 반응 또는 전해액, 활물질층 자체의 분해 반응으로 인하여 가스가 발생하게되는데, 이러한 가스로 인하여 전지가 발화되거나 폭발할 위험이 있으며, 이러한 위험을 방지하기 위해서 캡 조립체에 안전 밸브를 설치한다.

그리고 각각의 단위전지는 통상 하우징 내에서 일정 간격으로 배열 장착되고 각 단위전지의 단자를 연결하여 전지 모듈을 구성하게 된다.

여기서 상기 전지 모듈은 다수의 단위전지를 전기적으로 연결하며, 전지 모듈의 안정성을 위해서 다수의 단위전지를 하나의 전지 모듈로 체결하는 구조를 가지게 된다.

즉, 다수의 단위전지를 일렬로 배열시키고, 상기 다수의 전지들의 최외측에 두 개의 엔드 플레이트를 배치하며, 상기 엔드 플레이트가 일렬로 배열된 단위전지를 내측으로 밀착시킨다.

이때, 엔드 플레이트의 가압력에 의하여 최외측에 위치한 단위전지가 가장 큰 압력을 받게되고, 내측으로 갈수록 작용하는 압력은 감소하게 된다.

따라서 최외측에 위치한 단위전지에 가장 큰 압력이 작용하므로, 상기 단위전지는 내측에 위치한 단위전지보다 상대적으로 내부 압력이 쉽게 증가하여 최외측에 위치한 단위전지의 안전 밸브가 가장 먼저 파단되는 문제점이 있다.

또한, 이와 같은 경우 전지 모듈은 충분히 수명을 다하지 아니하였음에도 최외측에 위치한 단위전지의 안전 밸브가 파단되어 전지 모듈 전체를 사용할 수 없는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전지 모듈에 설치되는 단위전지들의 안전 밸브를 개선하여 수명이 향상된 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전지 모듈에 배치되는 각 단위전지들의 위치에 따라 안전 밸브의 파단 강도가 상이하도록 설정한다.

이를 위해 본 발명의 전지 모듈은 안전 밸브를 포함하는 캡 플레이트가 설치된 다수 개의 단위전지가 일렬로 배열되며, 최외각에 배치되는 단위전지에 설치된 안전 밸브의 파단 강도를 가장 크게 형성한다.

여기서 상기 단위전지는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하고 상기 극판과 전기적으로 연결되는 단자가 구비된 캡 조립체를 포함한다.

또한, 상기 캡 조립체는 외부 단자와 케이스를 밀폐시키는 가스켓 이외에 설정된 압력 조건에서 파단되어 가스를 방출함으로써 전지의 폭발을 방지하는 안전 밸브를 더욱 포함한다.

그리고 상기 단위전지들은 직렬로 연결된 구조로 이웃하는 단위전지 간에 양극단자와 음극단자가 서로 엇갈리도록 교차 배열되어 전지 모듈을 형성한다.

또한, 상기 전지 모듈의 중앙에서 외측으로 갈수록 단위전지의 안전 밸브의 파단 강도는 점진적으로 증가하는 구조로 될 수 있다.

여기서 상기 안전 밸브의 파단 강도는 안전 밸브를 구성하는 소재의 강도, 안전 밸브의 두께, 안전 밸브에 형성되는 홈의 두께 등을 변형함으로써 조절 가능하다.

여기서 상기 이차전지 모듈은 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어서, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 단면도이다.

이하 본 실시예에서는 각형 이차전지에 대해서 설명하겠으나, 이에 한정되는 것은 아니며 원통형 전지 등 다양한 구조에 적용될 수 있음은 물론이다.

상기한 도면을 참조하여 먼저 대용량의 전지모듈(100)을 이루는 각 단위전지 (50)의 구조를 살펴보면, 상기 단위전지(50)는 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체(10)와 상기 전극 조립체(10)가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스(14), 상기 케이스(14)와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체(30), 상기 양극판(11) 및 음극판(14)의 집전체(20)와 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체(30)의 외측으로 돌출되는 양극단(32)자 및 음극단자(33), 상기 캡 조립체(30)에 설치되어 전지 내부 압력 상승에 따라 파단되는 안전밸브(36)를 포함한다.

상기 케이스(14)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(10)이 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.

본 실시예에서 상기 전극군(10)은 각각의 활물질이 집전체에 코팅되어 구성된 양극판(11)과 음극판(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층된 상태에서 이들이 와류상으로 감겨 형성된 젤리롤 타입으로 이루어지며, 양극판의 무지부(11a)와 음극판의 무지부(12a)가 전극군(10)의 양단에 대향 배치되어, 케이스(14)를 수직으로 세워 캡 조립체(30)가 상,하 방향으로 놓여졌을 때를 기준으로 케이스(14)의 양 측면에 전극군(10)의 무지부(11a, 12a)가 위치할 수 있도록 내장 설치되며, 전극군(10)의 양단의 무지부(11a, 12a)에 각각 설치되는 탭(20)(또는 집전판)을 매개로 캡 조립체(30)의 양,음극단자(32, 33)가 전기적으로 연결된다.

그리고 좀더 구체적으로, 상기 캡 조립체(30)는 가스켓을 매개로 상기 케이스(14)의 상단에 기밀을 유지한 상태로 결합되는 캡 플레이트(31)와 상기 캡 플레 이트(31)의 중앙에 상기 안전밸브(36)가 설치된 구조로 되어 있다.

또한, 상기 캡 플레이트(31)에는 중앙에 개부구(38)가 형성되고, 상기 개구부(38)에 안전밸브(36)가 설치되는데, 상기 안전밸브(36)는 소정의 내부 압력 조건에서 파단될 수 있도록 판 형상으로 형성된다.

또한 상기 안전밸브(36)는 외측을 향해 볼록하게 만곡된 형상으로 형성하며, 만곡부의 가장자리에 두께를 얇게한 홈(37)을 형성하여 소정의 압력에서 용이하게 파단될 수 있는 구조로 형성할 수 있다.

따라서 상기 홈(37)의 두께에 따라 안전 밸브의 파단압을 조정할 수 있으며, 상기 홈(37)의 두께를 두껍게 할수록 높은 내압에도 견딜 수 있다.

다만 상기한 안전밸브(36)의 구조는 본 발명의 일 실시예에 불과하고, 본 발명은 안전밸브(36)의 구조에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 단위전지(50)의 특성과 이에 따른 단위전지(50)의 내압 조건에 따라 다양하게 변형될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 모듈(100)을 도시한 평면도이다.

상기한 도면을 참조하여 전지 모듈을 설명하면, 다수의 단위전지(50)를 적층 배열하여 전지 집합체를 이루고, 상기 전지 집합체의 양 측단에는 각각 엔드 플레이트(61)를 배열 설치한다.

또한, 상기 각 엔드 플레이트(61)들을 연결하는 연결 로드(65)가 엔드 플레이트(61)에 삽입되고 상기 연결 로드(65)의 단부에는 너트(68)가 결합되어 상기 엔드 플레이트(61)를 죔으로써 상기 단위전지(50)들을 가압하는 구조로 되어 있다.

그리고 상기 전지 집합체는 단위전지(50) 사이에 전지 격벽(64)을 설치하여 단위전지(50) 사이의 간격을 유지하고 냉각용 공기를 유통시키는 구조로 되어 있다.

여기서 각 단위전지들에 설치한 안전밸브는 그 파단 강도가 상이하게 형성한다.

특히, 도 2에 도시한 바와 같이 전지 모듈(100)의 길이방향으로 양측단에서부터 소정 길이만큼을 외측부(Ⅱ)라하고, 상기 외측부(Ⅱ) 사이를 중앙부(Ⅰ)라 할 때, 상기 중앙부(Ⅰ)에 배치한 단위전지(50)의 안전 밸브(36)와 외측부(Ⅱ)에 배치한 단위전지(50)의 안전 밸브(36)의 파단 강도가 상이하도록 형성할 수 있다.

여기서 양쪽 외측부(Ⅱ)에 배치한 단위전지(50)들에 설치된 안전 밸브(36)는 두께가 두꺼운 판재로 형성하고, 중앙부(Ⅰ)에 배치한 단위전지(50)들에 설치된 안전 밸브(36)는 상대적으로 얇은 판재로 형성하여, 파단 강도가 상이하도록 형성할 수 있다.

또는 상기 안전 밸브(36)를 형성하는 판재의 두께는 일정하게 유지하되 안전 밸브(36)에 형성되는 오목부(37)의 두께를 조정함으로써, 안전 밸브(36)의 파단 강도를 조정할 수 있으며, 안전 밸브(36)를 구성하는 소재의 종류를 달리하여 외측부에는 강도가 큰 소재를 사용하고, 내측부에는 강도가 작은 소재를 사용하여 안전 밸브의 파단 강도를 조절할 수 있다.

다만, 단위전지에 적용되는 다양한 안전 밸브(36)에 있어서, 파단 강도를 조절하는 방법은 제한하지 않으며, 일반적으로 널리 알려진 방법으로 상기 안전 밸브(36)의 파단 강도를 조절할 수 있을 것이다.

상기한 구조의 전지 모듈에 있어서, 외측부(Ⅱ)에 위치한 단위전지(50)들은 상대적으로 큰 가압력을 받게되고, 중앙부(Ⅰ)에 위치한 단위전지(50)들은 상대적으로 작은 가압력을 받게 되는데, 안전 밸브(36)의 파단 강도가 상이함에 따라 외측부(Ⅱ)에 배치한 단위전지(50)들의 안전 밸브(36)는 비교적 큰 압력에서도 견디므로 조기에 파단되지 아니하고 중앙부(Ⅰ)에 배치한 단위전지(50)들의 안전 밸브(36)와 비슷한 시기에 파단될 수 있다.

HEV(하이브리드 전기 자동차)용 이차전지 모듈(100)의 경우 각 단위전지(50)에 설치된 안전 밸브(36)의 파단 강도는 외측부(Ⅱ)의 경우 약 8㎏/㎠ 내지 9㎏/㎠으로 형성하고, 중앙부(Ⅰ)의 경우 5㎏/㎠ 내지 7㎏/㎠으로 형성함이 바람직하다.

여기서, 외측부(Ⅱ)에 설치된 단위전지(50)의 안전 밸브(36)의 파단 강도가 9㎏/㎠ 이상이면 단위전지 내부에 가스가 과다하게 누적되어 폭발할 위험이 있으며, 파단 강도가 8㎏/㎠ 이하이면 외압에 의하여 안전 밸브(36)가 조기에 파단될 염려가 있다.

또한, 중앙부(Ⅰ)에 설치된 단위전지(50)의 안전 밸브(36)의 파단 강도를 7㎏/㎠이상으로 형성하면 단위전지(50)가 과다하게 팽창하여 엔드 플레이트(61)에 큰 응력이 작용함으로써 엔드 플레이트(61)가 파손될 염려가 있으며, 5㎏/㎠이하로 형성하면 단위전지(50)가 조금만 팽창해도 안전 밸브(36)가 쉽게 파단될 수 있는 위험이 있다.

상기 안전 밸브(36)는 전지 모듈(100)의 길이방향으로 중앙에서 외측으로 배치되는 단위전지(50)에 설치될수록 안전 밸브(36)의 파단강도가 점진적으로 증가하 도록 형성될 수 있다.

여기서 상기 단위전지(50)들의 안전 밸브(36)는 전지 모듈의 길이방향으로 중앙에서 외측으로 배치되는 단위전지에 설치될수록 안전 밸브(36)의 두께가 점진적으로 증가하도록 형성할 수 있다.

따라서, 상기 단위전지(50)들은 는 전지 모듈의 길이방향으로 중앙에서 외측으로 갈수록 안전 밸브(36)의 파단 강도가 점진적으로 증가하여 외압이 증가하는 만큼 안전 밸브(36)의 파단 강도도 증가시킬 수 있다.

이러한 구조의 전지 모듈(100)은 외측에 설치된 엔드 플레이트(61)가 단위전지(50)들을 내측으로 가압하여 중앙에서 외측으로 갈수록 단위전지(50)에 작용하는 가압력은 점차 증가하고, 이에 맞추어 안전 밸브(36)의 파단 강도가 외측으로 갈수록 점차 증가하는 구조로 형성되어 전지 모듈(100)에 설치된 단위전지(50) 중 어느 하나의 안전 밸브(36)가 조기에 파단되는 것을 방지할 수 있으며, 전지 모듈(100)의 수명을 충분히 연장할 수 있는 이점이 있다.

또한, 안전 밸브(36)의 전체적인 두께를 점진적으로 증가시키는 방법 외에 안전 밸브(36)에 홈(37)이 형성된 경우에는 홈(37)의 두께를 점진적으로 증가시킴으로써 안전 밸브(36)의 파단 강도를 점진적으로 증가시킬 수도 있으며, 안전 밸브(36)를 이루는 소재의 강도를 점진적으로 증가시키는 방법도 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 작용에 대해 설명한다.

먼저 복수개의 단위전지(50)들을 일렬로 배열하고 단위전지(50)들의 최외측에 엔드플레이트(61)를 부착하여 단위전지(50)들을 내측으로 밀착고정함으로써 이 차전지 모듈(100)을 구성하게 되는데, 이때 단위전지(50)들에 작용하는 가압력은 외측에서 중앙으로 갈수록 점차 감소하고 최외측에 가장 큰 가압력이 작용한다.

또한 이차전지 모듈(100)을 일정기간 사용하여 전지 내부에서 가스가 발생하면, 가장 큰 가압력을 받는 최외측에 배치된 단위전지(50)는 가장 큰 내부압력을 갖게된다.

이때, 상기 단위전지(50)들이 이차전지 모듈(100)의 길이방향으로 중앙에서부터 외측으로 배치될수록 단위전지(50)에 설치된 안전 밸브(36)의 파단 강도를 일정 비율로 증가시켜, 외측에 배치된 단위전지(50)에 큰 내부압력이 걸리더라도 안전 밸브(36)의 파단 강도가 상대적으로 크게 설정되어 상기 안전 밸브(36)는 쉽게 파단되지 않으며, 하나의 이차전지 모듈(100)에 설치된 다수의 안전 밸브(36)가 거의 동시에 파단될 수 있다.

본 발명의 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 전지 모듈의 외측에 위치한 단 위전지 안전 밸브의 파단 강도는 전지 모듈의 중앙에 위치한 단위전지의 안전 밸브의 파단 강도 보다 크게 형성되므로 외측에 위치한 단위전지의 안전 밸브가 조기에 파단되지 않고 전지 모듈의 수명을 연장할 수 있다.

Claims (9)

1. 소정 압력에서 개방되는 안전 밸브를 구비한 복수 개의 단위전지들을 포함하는 이차전지 모듈에 있어서,

   상기 이차전지 모듈의 길이 방향으로 양측단에서부터 소정의 길이만큼을 외측부라 하고 상기 외측부 사이를 중앙부라 할 때,

   전지 모듈의 외측부에 배치된 단위전지의 안전 밸브의 파단 강도는 8㎏/㎠ 내지 9㎏/㎠이고,

   전지 모듈의 중앙부에 배치된 상기 단위전지의 안전 밸브의 파단 강도는 5㎏/㎠ 내지 7㎏/㎠이며,

   상기 이차전지 모듈의 길이방향으로 중앙에서 외측으로 배치된 단위전지에 설치될수록 안전 밸브는 파단 강도가 점진적으로 증가하는 이차전지 모듈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 단위전지들에 설치된 안전 밸브의 오목부는 단위전지의 위치에 따라 두께가 상이한 이차전지 모듈.
7. 제 1항에 있어서, 상기 안전 밸브는 외측을 향해 볼록하게 만곡된 형상으로 형성되며, 만곡부의 가장자리에는 두께를 얇게한 오목부를 형성하여 소정의 압력에서 용이하게 파단될 수 있는 구조로 이루어지며,

   상기 오목부는 이차전지 모듈의 길이방향으로 외측에 배치된 단위전지에 설치될수록 점진적으로 두께가 증가하는 이차전지 모듈.
8. 제 1항에 있어서, 상기 단위전지들에 설치된 안전 밸브는 상기 단위 전지의 위치에 따라 상기 안전 밸브를 구성하는 소재가 상이한 이차전지 모듈.
9. 제 1항에 있어서, 상기 안전 밸브는 이차전지 모듈의 길이방향으로 외측에 배치된 단위전지에 설치될수록 점진적으로 강도가 큰 소재로 이루어진 이차전지 모듈.

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