KR101539584B1 - 안전성이 향상된 전지모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서, 충방전이 가능한 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 및 물과 흡열성 무기물이 케이스에 밀봉되어 있는 부재로서, 상기 전지셀 적층체에서 전지셀의 표면에 접한 상태로 장착되어 있는 하나 이상의 열 차단 부재; 를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.
이러한 전지모듈은 전지모듈의 면 관통 시 일정 온도 이상의 온도 상승을 방지하고, 전압 하강 속도를 느리게 하여, 열에 의해 양극 또는 음극 물질이 화학반응을 함으로써 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
이러한 전지모듈은 전지모듈의 면 관통 시 일정 온도 이상의 온도 상승을 방지하고, 전압 하강 속도를 느리게 하여, 열에 의해 양극 또는 음극 물질이 화학반응을 함으로써 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서, 더욱 상세하게는, 충방전이 가능한 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 및 물과 흡열성 무기물이 케이스에 밀봉되어 있는 부재로서, 상기 전지셀 적층체에서 전지셀의 표면에 접한 상태로 장착되어 있는 하나 이상의 열 차단 부재; 를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이와 같이 이차전지의 적용 분야와 제품들이 다양화됨에 따라, 전지의 종류 또한 그에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 당해 분야 및 제품들에 적용되는 전지들은 소형 경량화가 강력히 요구되고 있다.
예를 들어, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 스마트 패드, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들은 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 서너 개의 소형 경량의 전지 셀들이 사용되고 있다. 반면에, 전기자전거, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지모듈(또는 "전지 팩"으로 칭하기도 함)이 사용되고 있는데, 전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다.
종래의 중대형 이차전지모듈은 일정한 크기의 케이스(하우징) 내부에 다수의 단위전지들을 장착하여 이를 전기적으로 연결하고, 그러한 케이스의 외면에 상기 단위전지들의 전압, 전류, 온도 등을 감지하고 전지의 작동을 제어하는 회로부를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 중대형 디바이스 분야에서 이차전지가 사용되는 제품들이 다양해짐에 따라 그에 부합하는 전기 용량과 출력을 제공할 수 있는 다양한 종류의 전기모듈들이 요청되고 있으며, 더욱이 동일한 제품군이라 하더라도 제품의크기가 다른 경우에는 그에 따라 요구되는 전기 용량과 출력 또한 달라지므로 전지모듈의 설계도 변경되어야 한다.
한편, 이차전지와 그것을 다수 개 포함하고 있는 전지모듈에서 가장 문제되고 있는 사항들 중의 하나는 안전성이다. 특히, 고출력 대용량의 전지모듈은 전기자전거, 전기자동차 등과 같은 대형 디바이스에 사용되므로, 외부로부터 충격, 갖은 진동 등 다양하고 큰 외력을 받게 된다. 더욱이, 전지모듈을 구성하는 단위전지로서의 사용 가능성에 대해 최근 많은 관심과 연구의 대상이 되고 있는 리튬 이차전지는 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 다수의 단위전지들이 밀집되어 있는 전지모듈의 안전성 문제는 더욱 심각할 수 있다.
전지모듈의 안전성 문제는 크게 과충전 등에 의한 발열, 외부 충격 등에 의한 모듈 구성요소들의 내부 단락 등으로 유발된다. 과충전, 과방전 등에 의한 단위전지의 손상 및 발열 등의 문제점을 해결하기 위하여, 일반적으로 전지모듈에는 단위전지의 전류와 전압 및 전지 시스템의 온도를 센싱하여 제어할 수 있는 BMS (Battery Management System)의 회로부를 포함하고 있다. 따라서, 과전류, 과전압, 과열 등의 발생시 전류를 차단하여 단위전지를 보호하고 안전성을 확보할 수 있다.
반면에, 외부의 물리적 충격에 의한 내부 단락의 문제점은 그러한 외부 충격의 종류에 따라 매우 다양할 수 있다. 예를 들어, 전지모듈이 장착된 디바이스가 전기자전거, 전기모터사이클, 전기자동차 등과 같이 운송용 장치인 경우, 그러한 장치의 충돌에 의해 전지모듈이 분리되어 낙하되거나 외부의 물체가 전지모듈에 충돌하는 등의 상황이 발생할 수 있다. 그 중 특히 심각한 상황은 전지모듈에 가해진 날카로운 부재가 단위전지를 관통하는 경우이며, 침상 도체의 관통은 전지의 폭발을 유발할 수 있다.
이러한 하나의 경우로서, 못과 같이 전기 전도성을 가지는 물체가 전지를 관통할 경우, 전지 내부의 전기화학적 에너지가 열 에너지로 전환되면서 급격한 발열이 일어나게 되고 이에 수반되는 열에 의해 양극 또는 음극 물질이 화학반응을 하여 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제가 발생할 수 있다. 또한, 전지가 무거운 물체에 눌리거나 강한 충격을 받거나 고온에 노출될 경우에도 이와 같은 안전성 문제가 발생할 수 있다. 이와 같은 안전성 문제는 리튬 이차전지가 고용량화되고 에너지 밀도가 증가할수록 더욱 심각해지고 있다.
단위전지는 일반적으로 활물질이 집전체에 각각 도포된 양극과 음극 사이에 다공성 분리막이 개재되어 있는 전극조립체를 전지케이스 내에 밀봉하고 있는 구조로 이루어져 있다. 따라서, 날카로운 부재의 관통에 의해 양극 활물질과 음극 활물질이 접촉하게 되면, 접촉 저항부에 통전되는 전류에 의해 높은 저항열을 유발한다. 이러한 높은 저항열로 인해 전지의 내부 온도가 상승한다. 일반적으로 이차전지에 사용되는 활물질의 발화 온도는 400℃로서, 내부의 온도가 임계치 이상으로 상승하게 되면, 양극 활물질의 산화물 구조가 붕괴되어 열폭주 현상이 발생하게 되고 궁극적으로는 전지의 발화 또는 폭발이 발생한다.
따라서, 고출력 대용량을 제공하면서도 소형 및 경량으로 제조될 수 있으며 가장 중요한 과제 중의 하나인 안전성, 특히, 외부의 물리적 충격에 대해 안전성을 확보할 수 있도록 날카로운 부재의 면 관통시 보다 효과적으로 내부의 열을 냉각시킬수 있는 열 차단 부재를 포함한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 발열을 차단하기 위한 열 차단 부재를 파우치 형태로 제조하여 전지셀들 사이에 투입함으로써, 전지모듈의 면 관통 시 일정 온도 이상의 온도 상승을 방지하고, 전압 하강 속도를 느리게 하여 열에 의해 양극 또는 음극 물질이 화학반응을 함으로써 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제를 해결할 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 전지모듈들을 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은, 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서,
충방전이 가능한 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 및
물과 흡열성 무기물이 케이스에 밀봉되어 있는 부재로서, 상기 전지셀 적층체에서 전지셀의 표면에 접한 상태로 장착되어 있는 하나 이상의 열 차단 부재;
를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지모듈은 발열을 차단하기 위하여 물과 흡열성 무기물이 케이스에 밀봉되어 있는 열 차단 부재를 전지 셀 적층체에서 전지셀의 표면에 접한 상태로 장착함으로써, 전지모듈이 날카로운 부재의 관통에 의해 양극 활물질과 음극 활물질이 접촉하게 되고, 접촉 저항부에 통전되는 전류에 의해 높은 저항열이 발생한 경우, 상기 열 차단 부재 내부의 흡열성 무기물에 의해 전지셀 표면에 발생한 열이 흡수되어 물을 기화 시킴으로써 일정 온도 이상의 온도 상승을 방지하는 구조로 이루어져 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 판상형 전지셀일 수 있고, 상기 판상형 전지셀은 각형 이차전지 또는 파우치형 이차전지일 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 열 차단 부재의 케이스는, 구체적인 예로서, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 열 차단 부재의 케이스는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스일 수 있다.
본 출원의 발명자들이 실험적으로 확인한 결과, 물과 흡열성 무기물이 PP(polypropylene) 등과 고분자 수지만으로 이루어진 필름에 밀봉되어 있는 열 차단 부재들을 사용하는 경우, 날카로운 부재에 의한 면 관통 실험시, 날카로운 부재의 열에 의해 PP 필름을 용융 시키면서 관통함으로써 관통 부위 주위의 열 차단 부재 원형이 상당부분 유지되고, 따라서 열 차단 부재들 내부의 흡열성 무기물의 열 흡수 효율성을 떨어 뜨리고, 날카로운 부재 주위 국부 부위만 열차단 효과를 발휘하게 되는 문제점이 있는 것으로 확인되었다.
반면에, 상기와 같은 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스로 밀봉된 열 차단 부재의 경우, 날카로운 부재에 의한 면 관통 실험시 흡열 과정의 주요 반응으로 판단되는 많은 양의 물을 기화시키는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 이러한 열 차단 부재는 우수한 냉각효과를 제공할 수 있다.
한편, 상기 흡열성 무기물은, 구체적인 예로서, 열 차단 부재의 전체 중량을 기준으로 10 내지 50 중량%로 포함될 수 있고, 상기 흡열성 무기물은 SiO2로 구성될 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
상기의 목적 및 효과에 부합하기 위하여, 상기 열 차단 부재는 전지셀의 케이스 내면 또는 외면에 접하도록 장착될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 열 차단 부재는 전지셀들 사이의 계면에 개재될 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 전지셀들은 둘 이상의 단위로 셀 커버(cell cover)에 감싸여 있고, 열 차단 부재는 상기 셀 커버와 전지셀의 접촉면에 개재될 수 있다.
상기와 같이 열 차단 부재가 전지모듈 내부에 개재되어 있을 경우, 날카로운 부재에 의한 면 관통시 전지셀들의 접촉면에서 열 차단 부재에 의해 냉각되기 때문에, 일정 온도 이상의 온도 상승을 방지하고, 전압 하강 속도를 느리게 하여, 열에 의해 양극 또는 음극 물질이 화학반응을 함으로써 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 또한, 전지모듈을 둘 이상 포함하는 전지팩을 제공하며, 상기 전지팩 외장재의 내측면 및 전지팩 외장재의 외측면 중 적어도 어느 한 곳에 열 차단 부재가 추가로 장착되어 있는 전지팩을 제공한다.
또한, 상기 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 예를 들어, 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle: EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle: HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle: PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; E-bike; E-scooter; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 및 전력저장 장치로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 따른 전지모듈은 발열을 차단 하기 위한 열 차단 부재를 파우치 형태로 제조 하여 전지셀들 사이에 투입함으로써, 전지모듈의 면 관통 시 일정 온도 이상의 온도 상승을 방지하고, 전압 하강 속도를 느리게 하여, 열에 의해 양극 또는 음극 물질이 화학반응을 함으로써 전지가 발화, 폭발하는 등의 안전성 문제를 해결할 수 있는 효과가 있고, 상대적으로 약한 강도의 모듈 케이스를 사용하더라도 외부의 물리적 충격에 대해 높은 안전성을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명 전지모듈은 전기자전거, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같이 중대형 전지모듈에 다양하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 8개의 열 차단 부재가 개재된 전지모듈의 모식도이다;
도 2는 실시예 1에서 도전성 물체에 의한 관통 후 시간 경과에 따른 전지셀의 온도 변화를 나타낸 그래프이다;
도 3은 비교예 1에서 도전성 물체에 의한 관통 후 시간 경과에 따른 전지셀의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1에서 도전성 물체에 의한 관통 후 시간 경과에 따른 전지셀의 온도 변화를 나타낸 그래프이다;
도 3은 비교예 1에서 도전성 물체에 의한 관통 후 시간 경과에 따른 전지셀의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 열 차단 부재가 설치된 전지모듈의 모식도가 도시되어 있다.
도 1에서는 설명의 편의를 위하여 두 개의 전지셀들이 셀 커버(cell cover)에 감싸여 있는 전지모듈들을 모식적으로 도시하였으나, 둘 이상의 충방전이 가능한 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체 구조로 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지모듈(100)은 충방전이 가능한 2개의 전지셀들(121, 122)이 적층되어 있는 전지셀 적층체가 셀 커버(141)에 의해 감싸여 있는 단위 전지모듈과, 충방전이 가능한 2개의 전지셀들(123, 124)이 적층되어 있는 전지셀 적층체가 셀 커버(142)에 의해 감싸여 있는 단위 전지모듈이 직렬 방식으로 전기적으로 연결되어 있다.
전지셀들(121, 122, 123, 124)은 판상형 전지셀들로서, 구체적으로는 각형 이차전지 또는 파우치형 이차전지이다.
또한, 물과 흡열성 무기물이 케이스에 밀봉되어 있는 열 차단 부재들(131, 132, 133, 134)이 셀 커버들(141, 142)과 전지셀들(121, 122, 123, 124)의 접촉면에 개재되어 있다.
열 차단 부재들(131, 132, 133, 134)의 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스이다.
날카로운 부재(150)가 단위 전지모듈(100)을 관통하였을 때, 전지셀들(121, 122, 123, 124) 내부의 양극 활물질과 음극 활물질이 접촉하게 되며, 접촉 저항부에 통전되는 전류에 의해 높은 저항열이 발생하고, 셀 커버들(141, 142)과 전지셀들(121, 122, 123, 124)의 접촉면에 개재된 열 차단 부재들(131, 132, 133, 134) 내부의 흡열성 무기물에 의해 전지셀 표면에 발생한 열이 흡수되어 물을 기화시킴으로써 전지셀들(121, 122, 123, 124)을 냉각시키게 된다.
도 2에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열 차단 부재가 설치된 전지모듈의 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 물과 흡열성 무기물이 케이스에 밀봉되어 있는 다수의 열 차단 부재들(131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138)이 셀 커버들(141, 142, 143, 144)과 다수의 전지셀들(121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128)의 접촉면에 개재되어 있는 것을 제외하고는 도 3의 구조와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
도 2에서와 같이 8개의 열 차단 부재를 셀 커버와 전지셀들의 접촉면에 개재하여 전지모듈을 제작하였다. 열 차단 부재는 알루미늄 라메네이트 시트의 파우치형 케이스로 물과 흡열성 무기물을 밀봉하여 제조하였고, 흡열성 무기물은 SiO2로서 열 차단 부재의 전체 중량을 기준으로 20 중량%로 포함되도록 제조되었다.
제조된 전지모듈을 도전성의 날카로운 부재인 못(nail)을 사용하여 면 관통 실험을 실시하였고, 면 관통 후 시간 경과에 따른 전지셀들의 온도 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 3에 개시하였다.
[비교예 1]
물과 흡열성 무기물을 PP 필름으로 밀봉하여 제조된 열 차단 부재를 전지셀들의 사이의 계면에 개재하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일 방법으로 제조하여 관통 실험을 행하였고, 그 결과를 도 4에 개시하였다.
[실험예 1]
상기의 실시예 1 및 비교예 1의 전지모듈들에 대해 강제적으로 내부 단락을 유발시킨 후 전지 내부의 온도를 측정하고 변화 과정을 관찰하였다. 그 결과, 도 3 및 도 4에서와 같이 실시예 1의 전지모듈의 전지셀들은 비교예 1의 전지모듈의 전지셀들에 비해 온도 상승이 현저히 낮은 속도로 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 실시예 1의 전지에서 낮은 속도의 온도 상승은, 전지셀 적층체에서 전지셀의 표면에 접한 상태로 장착된 물과 흡열성 무기물이 알루미늄 라메네이트 시트의 파우치형 케이스에 밀봉되어 있는 열 차단 부재에 의해, 내부 단락시 발생한 열이 상당량 흡수되기 때문이다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (17)
- 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서,
충방전이 가능한 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 및
물과 흡열성 무기물이 케이스에 밀봉되어 있는 부재로서, 상기 전지셀 적층체에서 전지셀의 표면에 접한 상태로 장착되어 있는 하나 이상의 열 차단 부재;
를 포함하고,
상기 전지셀은 판상형 전지셀이며,
상기 판상형 전지셀은 파우치형 이차전지이고,
상기 열 차단 부재의 케이스는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지모듈. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 흡열성 무기물은 열 차단 부재의 전체 중량을 기준으로 10 내지 50 중량%로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 흡열성 무기물은 SiO2인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열 차단 부재는 전지셀의 케이스 내면 또는 외면에 접하도록 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열 차단 부재는 전지셀들 사이의 계면에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 둘 이상의 단위로 셀 커버(cell cover)에 감싸여 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 11 항에 있어서, 열 차단 부재는 상기 셀 커버와 전지셀의 접촉면에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
- 제 1 항, 제 4 항 및 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 포함하는 전지팩.
- 제 13 항에 있어서, 상기 전지팩 외장재의 내측면 및 전지팩 외장재의 외측면 중 적어도 어느 한 곳에 열 차단 부재가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 14 항에 있어서, 상기 열 차단 부재 케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
- 제 13 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
- 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle: EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle: HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle: PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; E-bike; E-scooter; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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