KR20130134518A - 이차전지용 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이차전지용 배터리 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차전지의 저온 출력 개선을 위한 예열 시스템을 갖는 이차전지용 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

이차전지용 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈{Battery Cell for Secondary Battery and Battery Module having the same}

본 발명은 이차전지용 배터리 셀 및 배터리 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차전지의 저온 출력 개선을 위한 예열 시스템을 갖는 이차전지용 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

통상적으로 2차 전지는 재충전이 가능하고 대용량화가 가능한 것으로 대표적인 것으로 니켈카드뮴, 니켈수소 및 리튬이온전지 등이 있다. 이중에서 상기 리튬이온전지는 장 수명, 고용량 등 우수한 특성으로 인하여 차세대 동력원으로 주목받고 있다. 이 중에서, 리튬 2차 전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용이 증가되고 있는 추세이다.

상기 리튬 2차 전지는 다양한 형태로 제조가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있다. 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치 형(pouched type)으로 제조되어서, 그 형상이 비교적 자유롭다. 또한 리튬 폴리머 전지는 안전성도 우수하고, 무게가 가벼워서 휴대용 전자 기기의 슬림화 및 경량화에 유리하다.

상기와 같은 구성의 2차 전지는 적정 온도에 도달하지 않은 상태 즉 초기 사용 시 또는 혹한의 환경에서 사용될 경우 성능이 저하되며, 수명이 단축되는 특성이 있다. 따라서 2차 전지의 적정 구동온도 보다 낮은 저온 환경에 노출되는 2차 전지를 적정 온도에 도달 시킬 수 있는 예열 시스템이 요구된다. 특히 예열 시스템의 추가로 인한 부피 또는 무게의 증가를 최소화할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 배터리 셀의 케이스에 예열 구조를 포함하여 케이스의 자체 발열을 통해 배터리 셀을 예열하는 이차전지용 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공함에 있다.

또한, 배터리 셀의 외면에 면상 발열체를 구비하여 배터리 셀을 예열하는 이차전지용 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공함에 있다.

본 발명의 배터리 셀은, 전지부와 상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 케이스로 구성되는 배터리 셀에 있어서, 상기 케이스의 외면에는, 면상의 전기 저항 재질로 되는 발열체가 적어도 하나 이상 구비된다.

이때, 상기 발열체는, 복수개가 일정거리 이격 배치되거나, 방열을 위한 방열홀이 적어도 하나 이상 관통 형성된다.

다른 실시 예로, 상기 케이스는, 상기 전지부 측에 형성되는 내피층; 상기 내피의 외측에 형성되는 외피층; 및 상기 내피와 외피 사이에 형성되는 저항층; 을 포함한다.

이때, 상기 내피층은 알루미늄(Al) 재질로 되며, 상기 저항층은 상기 내피층의 외면에 코팅되는 카본(C) 재질로 되고, 상기 외피층은 상기 저항층의 외면에 코팅되는 폴리프로필렌(PP) 재질로 된다.

본 발명의 배터리 모듈은, 전지부와 상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 케이스로 구성되고, 복수개가 적층되는 배터리 셀; 면상의 전기 저항 재질로 되며, 상기 케이스의 외면에 적어도 하나 이상 구비되는 발열체; 및 상기 복수개가 적층되는 배터리 셀을 수용하는 하드케이스; 를 포함한다.

특히, 상기 발열체는 상기 배터리 셀 각각에 구비되되, 상기 하드케이스 대향면에 구비되는데 그 특징이 있다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 이차전지용 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈은 저온 환경에서의 이차전지의 성능 개선 및 수명 연장의 효과가 있다.

또한, 배터리 셀의 케이스 또는 면상 발열체를 통해 배터리 셀의 예열을 구현함으로써, 배터리 셀 및 배터리 모듈의 부피 또는 무게의 증가를 최소화하여 기존 생산 공정의 설계 변경에 따른 비용 부담을 줄이는 효과가 있다.

도 1은 통상의 배터리 셀 사시도
도 2는 통상의 배터리 모듈 사시도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예의 배터리 셀 사시도
도 4는 본 발명의 제2 실시 예의 배터리 셀 사시도
도 5는 본 발명의 제3 실시 예의 배터리 셀 사시도
도 6은 본 발명의 배터리 모듈 분해 사시도
도 7은 본 발명의 제1 실시 예의 배터리 모듈 부분분해사시도
도 8은 본 발명의 제2 실시 예의 배터리 모듈 부분분해사시도

본 발명은 이차전지의 구성요소인 배터리 셀의 저온 시 성능 저하를 방지할 목적으로 예열 시스템을 구비한 배터리 셀 및 배터리 모듈에 관한 구성을 제공하고자 한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 배터리 셀과 배터리 모듈의 기본 구성에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 배터리 셀(10)은 전지부(11)와, 상기 전지부(11)가 수용되는 공간을 제공하는 케이스(12)를 포함하고 있다.

전지부(11)는 양극판, 세퍼레이터, 음극판 순으로 배치되어서 일 방향으로 와인딩 되거나, 다수 장의 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 적층된 형상이다. 전지부(11)의 각 극판은 양극탭 및 음극탭(13, 14)과 전기적으로 연결되어 있다.

양극탭 및 음극탭(13, 14)의 일단부는 케이스(12)의 밀폐면(12a)을 통하여 외부로 돌출되어 있다. 돌출된 양극탭 및 음극탭(13, 14)의 일단부는 도시되지 않은 보호 회로기판의 단자와 접속된다.

케이스(12)는 후막의 금속소재로 성형한 원통형이나 각형으로 된 캔 구조와는 달리, 중간층이 금속 호일이고, 금속 호일의 양면에 부착되는 내외피층이 절연성 필름으로 이루어진 파우치형 케이스이다. 파우치 형 케이스는 성형성이 우수하여 자유자재로 구부림이 가능하다. 케이스(12)에는 상술한 바와 같이 전지부(11)가 수용가능한 공간이 형성되어 있으며, 상기 공간의 가장자리를 따라서 열융착 되는 밀폐면(12a)이 형성되어 있다.

상기와 같은 구성의 배터리 셀(10)은 고전압 또는 고전류의 이차전지 스펙을 충족시키기 위해 다수 개가 병렬 또는 직렬로 연결되어 배터리 팩을 구성하게 되는데 배터리 팩의 조립을 용이하게 하기 위해 두 개의 배터리 셀을 적층하여 모듈화한 것이 배터리 모듈이다.

도 2 및 도 6을 참조하면, 배터리 모듈(100)은 한 쌍의 배터리 셀(10, 10'), 셀 프레임(20) 및 한 쌍의 하드케이스(30, 30')를 포함하여 구성된다. 셀 프레임(20)은 한 쌍의 배터리 셀(10, 10') 적층 시 한 쌍의 배터리 셀(10, 10')을 서로 이격시킴과 동시에 정렬시키는 역할을 수행한다. 셀 프레임(20)은 내부가 중공되며 각형으로 되는 통상의 셀 프레임의 구성이 적용될 수 있다. 한 쌍의 하드케이스(30, 30')는 적층되는 배터리 셀(10, 10')의 보호를 위해 배터리 셀(10, 10')을 수용하도록 결합된다. 하드케이스(30, 30')는 알루미늄 재질로 되는 통상의 구성이 적용될 수 있다. 상기와 같은 구성을 포함하는 본 발명의 배터리 셀(10) 및 배터리 모듈(100)은 저온 환경에서 배터리 셀(10, 10')을 구동하기 적합한 온도로 예열하기 위한 예열 수단을 구비하게 된다.

본 발명은 크게 세 가지 실시 예를 통해 예열 수단의 구성이 포함되는 배터리 셀이 구체적으로 언급되며, 위와 같은 배터리 셀을 포함하는 두 가지 실시 예의 배터리 모듈이 구체적으로 언급된다. 이하, 상기와 같은 본 발명의 세부 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

- 배터리 셀 실시 예1

도 3을 참조하면 본 실시 예의 배터리 셀(10)은 예열 수단을 구비한다. 예열 수단(50, 이하 발열체)은 배터리 셀(10)의 외면에 구비된다. 더욱 상세하게는 배터리 셀(10)의 케이스(12) 외면에 구비되되 전지부(11)가 수용되는 케이스(12)의 외면에 구비될 수 있다. 발열체(50)는 전기에 의해 발열하는 전기 저항체 재질로, 부피 및 무게 증가를 고려하여 면상으로 이루어 질 수 있다. 본 실시 예의 케이스(12)는 통상의 파우치형 케이스 이외에도 각형 타입의 알루미늄 케이스도 적용될 수 있다.

이때, 본 실시 예의 발열체(50)는 배터리 셀(10)이 적정 온도에 도달 했을 때 신속한 방열을 위해 복수 개가 일정거리 이격 배치될 수 있다. 발열체(50)는 신속한 예열 및 방열을 위해 전지부(11)가 수용되는 케이스(12)의 외면에 고루 분포되도록 배치될 수 있다. 발열체(50)는 배터리 셀(10)의 일면, 타면 또는 양면에 모두 구비될 수 있다. 발열체(50)에 전기를 공급하여 발열체(50)를 발열하는 구성은 공지의 기술이므로 상세 설명 또는 도면상에 언급하지 않기로 한다.

- 배터리 셀 실시 예2

도 4를 참조하면 본 실시 예의 배터리 셀(10)은 예열 수단을 구비한다. 예열 수단(60, 이하 발열체)은 배터리 셀(10)의 외면에 구비된다. 더욱 상세하게는 배터리 셀(10)의 케이스(12) 외면에 구비되되 전지부(11)가 수용되는 케이스(12)의 외면에 구비될 수 있다. 발열체(60)는 전기에 의해 발열하는 전기 저항체 재질로, 부피 및 무게 증가를 고려하여 면상으로 이루어 질 수 있다. 발열체(60)는 신속한 예열을 위해 전지부(11)가 수용되는 케이스(12)의 외면 전체를 커버하도록 구비될 수 있다. 본 실시 예의 케이스(12)는 통상의 파우치형 케이스 이외에도 각형 타입의 알루미늄 케이스가 적용될 수 있다.

이때 본 실시 예의 발열체(60)는 배터리 셀(10)이 적정 온도에 도달 했을 때 신속한 방열을 위해 방열홀(61)을 구비할 수 있다. 방열홀(61)은 발열체(60)를 관통하도록 형성되며, 신속한 방열을 위해 복수 개가 일정거리 이격 형성되고, 전지부(11)가 수용되는 케이스(12)의 외면에 고루 분포되도록 형성될 수 있다. 발열체(60)는 배터리 셀(10)의 일면, 타면 또는 양면에 모두 구비될 수 있다. 발열체(60)에 전기를 공급하여 발열체(60)를 발열하는 구성은 공지의 기술이므로 상세 설명 또는 도면상에 언급하지 않기로 한다.

- 배터리 셀 실시 예3

도 5를 참조하면 본 실시 예의 배터리 셀(10)은 예열 수단을 포함한다. 예열 수단(12b, 이하 저항층)은 배터리 셀(10)의 케이스(12) 상에 구비된다. 더욱 상세하게는 통상의 케이스(12)는 전지부(11) 측에 형성되는 내피층(12a)과 내피층(12a)의 외측에 형성되는 외피층(12c)으로 구성되는데, 본 발명의 저항층(12b)은 내피층(12a)과 외피층(12c) 사이에 구비될 수 있다.

구체적으로 내피층(12a)은 알루미늄(Al) 재질로 이루어지며, 내피층(12a)의 외면에 저항층(12b)을 코팅한다. 저항층(12b)의 재질은 전기에 의해 발열하는 전기 저항체 재질이 적용될 수 있으며, 일예로 카본(C) 재질이 적용될 수 있다. 저항층(12b)의 외면에는 외피층(12c)이 코팅되며, 폴리프로필렌(PP) 재질이 적용될 수 있다. 저항층(12b)에 전기를 공급하는 구성은 공지의 기술이므로 상세 설명은 생략한다.

저항층(12b)은 선의 형태로 내피층(12a)의 외면에 일정한 패턴으로 코팅될 수 있다. 위와 같은 구성을 통해 본 실시 예의 케이스(12)는 전지부(11)를 예열 시킨 후 신속한 방열이 가능하다. 위와 같은 본 발명의 제3 실시 예의 예열 시스템은 케이스(12) 상에 예열 수단을 구성하여 추가적인 발열체가 요구되지 않기 때문에 설계 변경이 용이한 장점이 있다.

- 배터리 모듈 실시 예1

도 6 및 도 7을 참조하면 본 실시 예의 배터리 모듈(100)은 상술한 본 발명의 제1 실시 예의 배터리 셀(10)을 포함한다. 배터리 모듈(100)은 한 쌍의 배터리 셀(10, 10'), 셀 프레임(20) 및 한 쌍의 하드케이스(30, 30')를 포함하여 구성된다. 셀 프레임(20)은 한 쌍의 배터리 셀(10, 10') 적층 시 한 쌍의 배터리 셀(10, 10')을 서로 이격시킴과 동시에 정렬시키는 역할을 수행한다. 셀 프레임(20)은 내부가 중공되며 각형으로 되는 통상의 셀 프레임의 구성이 적용될 수 있다. 한 쌍의 하드케이스(30, 30')는 적층되는 배터리 셀(10, 10')의 보호를 위해 배터리 셀(10, 10')을 수용하도록 결합된다. 하드케이스(30, 30')는 알루미늄 재질로 되는 통상의 구성이 적용될 수 있다.

이때, 본 실시 예의 발열체(50)는 신속한 방열을 위해 배터리 셀(10)의 양측면 중 하드케이스(30)와 맞닿는 면에만 배치될 수 있다. 따라서 발열체(50)가 하드케이스(30)와 맞닿도록 하여 알루미늄 재질의 하드케이스(30)를 통해 신속한 방열이 가능해진다. 도면상에는 도시되지 않았으나, 배터리 셀(10)과 이웃하는 배터리 셀(10')의 하드케이스(30') 대향 면에도 발열체(50)가 구비될 수 있음은 자명하다. 발열체(50)에 전기를 공급하여 발열체(50)를 발열하는 구성은 공지의 기술이므로 상세 설명 또는 도면상에 언급하지 않기로 한다.

- 배터리 모듈 실시 예2

도 6 및 도 8을 참조하면, 본 실시 예의 배터리 모듈(100)은 상술한 본 발명의 제2 실시 예의 배터리 셀(10)을 포함한다. 배터리 모듈(100)은 한 쌍의 배터리 셀(10, 10'), 셀 프레임(20) 및 한 쌍의 하드케이스(30, 30')를 포함하여 구성된다. 셀 프레임(20)은 한 쌍의 배터리 셀(10, 10') 적층 시 한 쌍의 배터리 셀(10, 10')을 서로 이격시킴과 동시에 정렬시키는 역할을 수행한다. 셀 프레임(20)은 내부가 중공되며 각형으로 되는 통상의 셀 프레임의 구성이 적용될 수 있다. 한 쌍의 하드케이스(30, 30')는 적층되는 배터리 셀(10, 10')의 보호를 위해 배터리 셀(10, 10')을 수용하도록 결합된다. 하드케이스(30, 30')는 알루미늄 재질로 되는 통상의 구성이 적용될 수 있다.

이때 본 실시 예의 발열체(60)는 신속한 방열을 위해 배터리 셀(10)의 양측면 중 하드케이스(30)와 맞닿는 면에만 배치될 수 있다. 따라서 발열체(60)가 하드케이스(30)와 맞닿도록 하여 알루미늄 재질의 하드케이스(30)를 통해 신속한 방열이 가능해진다. 도면상에는 도시되지 않았으나, 배터리 셀(10)과 이웃하는 배터리 셀(10')의 하드케이스(30') 대향 면에도 발열체(60)가 구비될 수 있음은 자명하다. 발열체(60)에 전기를 공급하여 발열체(60)를 발열하는 구성은 공지의 기술이므로 상세 설명 또는 도면상에 언급하지 않기로 한다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100 : 배터리 모듈
10 : 배터리 셀 11 : 전지부
12 : 케이스 12a : 내피층
12b : 저항층 12c : 외피층
20 : 셀 프레임 30 : 하드케이스
50, 60 : 발열체 61 : 방열홀

Claims (7)

1. 전지부와 상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 케이스로 구성되는 배터리 셀에 있어서,
   상기 케이스의 외면에는,
   면상의 전기 저항 재질로 되는 발열체가 적어도 하나 이상 구비되는, 이차전지용 배터리 셀.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 발열체는,
   복수개가 일정거리 이격 배치되는, 이차전지용 배터리 셀.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 발열체는,
   방열을 위한 방열홀이 적어도 하나 이상 관통 형성되는, 이차전지용 배터리 셀.
   
4. 전지부와 상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 케이스로 구성되는 배터리 셀에 있어서,
   상기 케이스는,
   상기 전지부 측에 형성되는 내피층;
   상기 내피의 외측에 형성되는 외피층; 및
   상기 내피와 외피 사이에 형성되는 저항층;
   를 포함하는, 이차전지용 배터리 셀.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 내피층은 알루미늄(Al) 재질로 되며, 상기 저항층은 상기 내피층의 외면에 코팅되는 카본(C) 재질로 되고, 상기 외피층는 상기 저항층의 외면에 코팅되는 폴리프로필렌(PP) 재질로 되는, 이차전지용 배터리 셀.
   
6. 전지부와 상기 전지부가 수용되는 공간을 제공하는 케이스로 구성되고, 복수개가 적층되는 배터리 셀;
   면상의 전기 저항 재질로 되며, 상기 케이스의 외면에 적어도 하나 이상 구비되는 발열체; 및
   상기 복수개가 적층되는 배터리 셀을 수용하는 하드케이스;
   를 포함하는, 이차전지용 배터리 모듈.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 발열체는 상기 배터리 셀 각각에 구비되되, 상기 하드케이스 대향면에 구비되는, 이차전지용 배터리 모듈.

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