KR20240031609A - 안전성이 향상된 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 상기 배터리 팩은 모듈의 프레임이 배제된 상태로 셀 스택 조립체가 팩 케이스에 수용되므로 정상 작동 시 방열 효과가 우수하다. 또한, 상기 배터리 팩은 내부에 구비된 복수의 셀 스택 조립체 중 어느 하나에 발열이 발생하거나 열 폭주하는 비정상 작동 시 열전도 패드의 기화로 인해 베이스 플레이트와 해당 셀 스택 조립체 사이에 이격 공간을 형성함으로써 해당 셀 스택 조립체의 열이 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는 것을 억제할 수 있으므로, 배터리 팩의 발화나 폭발에 대한 안전성이 향상되는 이점이 있다.

Description

안전성이 향상된 배터리 팩{BATTERY PACK WITH IMPROVED SAFETY}
본 발명은 열 폭주 시 안전성이 향상된 배터리 팩에 관한 것이다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극활물질과 음극활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치(Energy Storage System; ESS)와 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이차 전지는 배터리 팩에 구비되어 중대형 장치 등에 장착되는데, 이때 배터리 팩의 용량 및 출력을 높이기 위해 배터리 팩에는 많은 수의 이차 전지가 포함되어 상호 전기적으로 연결된다. 여기서, 다수의 이차 전지는 하나의 모듈 케이스 내부에 수납되어 하나의 배터리 모듈을 구성하고, 다수의 배터리 모듈이 하나의 팩 케이스 내부에 수납되어 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.
통상적으로, 이차 전지는 적정 온도보다 높은 환경에서 사용되는 경우 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 더욱이, 다수의 이차 전지를 이용하여 배터리 팩을 구성할 때에는 좁은 공간에서 다수의 이차 전지로부터 나오는 열이 합산되어 배터리 팩의 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 특히, 실외에서 주로 사용되는 차량용 배터리 팩이나 전력 저장 장치용 배터리 팩 등의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 심한 고온 조건에 놓여질 수 있다.
더욱이, 배터리 팩에 구비된 여러 배터리 모듈 중 일부 배터리 모듈, 또는 배터리 팩에 구비된 여러 이차 전지 중 일부 이차 전지에서, 비정상적인 상황이 발생하여 발열이 생길 수 있다. 이러한 발열은 배터리의 온도를 지속적으로 상승시켜, 소정의 임계 온도를 넘어서게 되면, 열 폭주(thermal runaway) 상황으로 나아갈 수 있다. 만일, 이러한 발열 내지 열 폭주 상황을 제대로 제어하지 못하면, 배터리 팩의 안전성을 제대로 담보할 수 없게 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0018389호
이에, 본 발명의 목적은 발열이나 열 폭주 상황을 효과적으로 제어하여 안전성이 향상된 배터리 팩을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
복수의 셀 스택 조립체를 수용하는 배터리 팩으로서,
셀 스택 조립체가 위치하는 셀 스택 영역을 포함하는 베이스 플레이트;
상기 셀 스택 영역을 감싸도록 베이스 플레이트의 테두리를 따라 수직 방향으로 연장되어 결합되는 측벽; 및
상기 측벽과 결합되고 상기 베이스 플레이트를 구획하여 복수의 셀 스택 영역을 형성하는 격벽으로 구성되는 팩 케이스를 포함하고,
상기 측벽 및 격벽 중 적어도 하나는 하부에 내측으로 돌출되어 셀 스택 조립체를 지지하는 지지부를 포함하며,
상기 베이스 플레이트와 셀 스택 조립체의 사이에는 고온에서 기체 상태로 상변화되어 이격 공간을 형성하는 열전도 패드를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
이때, 상기 지지부는 측벽 또는 격벽의 내측 하부를 따라 형성되어 셀 스택 조립체의 하면 가장자리를 지지할 수 있다.
또한, 상기 지지부는 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 규산염으로 구성된 규산염 부재를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 열전도 패드는 100~800℃에서 기화 또는 승화되는 고분자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 열전도 패드는 100~800℃에서 기화 또는 승화되는 고분자를 포함하는 매트릭스에 열전도성 필러가 분산된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 열전도 패드는 하면이 베이스 플레이트와 맞닿는 제1층; 및 상기 제1층 상에 형성되고 상면이 셀 스택 조립체와 맞닿는 제2층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 열전도 패드는 제1층에 함유된 열전도성 필러의 함량이 제2층에 함유된 열전도성 필러의 함량보다 많을 수 있다.
또한, 상기 열전도성 필러는 열전도 패드 전체 중량에 대하여 1 내지 30 중량부로 포함될 수 있다.
이와 더불어, 상기 열전도 필러는 알루미늄, 구리, 아연, 마그네슘, 스테인레스 스틸, 은, 알루미나(Al2O3), 실리콘(SiO2), 질화알루미늄(AlN3), 탄소나노튜브, 탄화규소(SiC), 흑연 및 활성탄 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 열전도 패드는 0.5 mm 내지 5.5 mm의 평균 두께를 갖되, 셀 스택 조립체와 베이스 플레이트의 이격거리와 동등하거나 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 모듈의 프레임이 배제된 상태로 셀 스택 조립체가 팩 케이스에 수용되므로 정상 작동 시 방열 효과가 우수하다. 또한, 상기 배터리 팩은 내부에 구비된 복수의 셀 스택 조립체 중 어느 하나에 발열이 발생하거나 열 폭주하는 비정상 작동 시 열전도 패드의 기화로 인해 베이스 플레이트와 해당 셀 스택 조립체 사이에 이격 공간을 형성함으로써 해당 셀 스택 조립체의 열이 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는 것을 억제할 수 있으므로, 배터리 팩의 발화나 폭발에 대한 안전성이 향상되는 이점이 있다.
도 1는 본 발명에 따른 배터리 팩의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 셀 스택 조립체가 장착된 종래 배터리 팩의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4는 셀 스택 조립체가 장착된 본 발명에 따른 배터리 팩의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
배터리 팩
본 발명은 일실시예에서,
복수의 셀이 적층된 셀 스택 조립체를 수용하는 배터리 팩으로서,
셀 스택 조립체가 위치하는 셀 스택 영역을 포함하는 베이스 플레이트;
상기 셀 스택 영역을 감싸도록 베이스 플레이트의 테두리를 따라 수직 방향으로 연장되어 결합되는 측벽; 및
상기 측벽과 결합되고 상기 베이스 플레이트를 구획하여 복수의 셀 스택 영역을 형성하는 격벽으로 구성되는 팩 케이스를 포함하고,
상기 측벽 및 격벽 중 적어도 하나는 하부에 내측으로 돌출되어 셀 스택 조립체를 지지하는 지지부를 포함하며,
상기 베이스 플레이트와 셀 스택 조립체의 사이에는 고온에서 기체 상태로 상변화되어 이격 공간을 형성하는 열전도 패드를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 복수의 셀 스택 조립체와 이를 수용하는 팩 케이스를 포함한다. 이때, 상기 팩 케이스는 베이스 플레이트로부터 일정 높이로 이격된 위치에 셀 스택 조립체가 배치되도록 측벽 및 격벽 중 적어도 하나의 하부 내측에 셀 스택 조립체를 지지하는 지지부를 포함하고, 베이스 플레이트와 지지부에 고정된 셀 스택 조립체 사이에 고온에서 기체 상태로 상변화하여 이격 공간을 형성하는 열전도 패드를 구비한다. 이에 따라, 상기 배터리 팩은 복수의 셀 스택 조립체 중 어느 하나에서 발열이 발생하거나 열 폭주 시 열전도 패드의 기화로 인해 베이스 플레이트와 해당 셀 스택 조립체 사이에 이격 공간을 형성함으로써 해당 셀 스택 조립체의 열이 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는 것을 억제할 수 있으므로 배터리 팩의 발화 및/또는 폭발이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
도 1, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 배터리 팩(100)의 구조를 도시한 사시도 및 단면도이다. 이하에서, 도 1, 도 3 및 도 4를 참고하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 배터리 팩(100)은 셀 스택 조립체(110)과 상기 셀 스택 조립체(110)이 수용되는 팩 케이스를 포함한다.
본 발명에서 언급된 셀 스택 조립체(110)는 복수의 전지셀이 적층된 셀 스택을 감싸며 보호하는 모듈 프레임 구성을 배제시키고, 상기 셀 스택에서 전극 리드가 형성된 전후면에 각각 버스바 프레임 및 엔드 플레이트를 결합시킨 구성을 포함할 수 있다.
이때, 상기 셀 스택은 복수의 전지셀이 적층된 구조를 가지며, 상기 전지셀은 내부에 전극 조립체를 포함하고, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결된 한 쌍의 전극 리드 및 상기 전극 리드가 외부로 도출되도록 상기 전극 조립체를 감싸는 전지 케이스를 포함한다. 상기 전극 리드는 전지 케이스의 양측에 각각 도출될 수 있다.
또한, 상기 버스바 프레임은 상기 전지셀과 전기적으로 연결되는 버스바를 포함한다. 상기 버스바 프레임은 상기 셀 스택에 포함된 각 전지셀의 전극 리드가 상기 버스바와 연결되도록 상기 셀 스택의 전후방에서 상기 셀 스택과 밀착 결합된다.
아울러, 상기 엔드 플레이트는 상기 버스바 및 전극 리드 등을 외부 충격으로부터 보호하기 위해 상기 버스바를 커버하도록 상기 버스바 프레임과 결합된다. 또한 상기 엔드 플레이트는 셀 스택에 포함된 각 전지셀을 모아서 고정한다.
상기 셀 스택 조립체는 상술된 바와 같이 셀 스택을 감싸며 보호하는 모듈 프레임 구성을 배제하는 대신, 적층된 전지셀들을 구조적으로 고정하는 엔드 플레이트와 고정된 전지셀들을 전기적으로 연결하는 버스바 프레임을 구비함으로써 충방전 시 복수의 전지셀에서 발생되는 열을 보다 효율적으로 방출할 수 있을 뿐만 아니라 셀 스택의 단위 중량을 저감시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 셀 스택 조립체(110)은 배터리 팩에 다수 구비될 수 있다. 아울러, 다수의 셀 스택 조립체(110)은 측면이 대면된 형태로 좌우 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 팩(100)은 적어도 2개의 셀 스택 조립체(110)이 포함될 수 있다. 이때, 2개의 셀 스택 조립체(110)은 각각 우측면과 좌측면이 서로 마주보는 형태로 좌우 방향으로 배열될 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(100)은 상술된 셀 스택 조립체(110)을 포함하는 팩 케이스를 포함하고, 필요에 따라서 팩 케이스의 상부에서 셀 스택 조립체(110)의 상부를 덮도록 상기 팩 케이스와 결합되는 팩 케이스 커버(미도시)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 팩 케이스는 셀 스택 조립체(110)의 하부에 배치되어 셀 스택 조립체(110)이 위치하는 셀 스택 영역을 포함하는 베이스 플레이트(120)를 포함하고, 상기 베이스 플레이트(120)는 수평 방향으로 연장된 플레이트 형상을 가질 수 있다. 여기서, 수평 방향이란, 평평한 지면의 면 방향을 의미한다. 상기 베이스 플레이트(120)는 기계적 강성이 우수한 금속 소재를 구비할 수 있다.
또한, 상기 베이스 플레이트(120) 상부에는 복수의 셀 스택 조립체(110)이 위치될 수 있다. 이를 위해 상기 베이스 플레이트(120)는 셀 스택 조립체(110)이 위치하는 셀 스택 영역을 포함하고, 상기 셀 스택 영역을 감싸도록 베이스 플레이트의 테두리를 따라 수직 방향으로 연장된 측벽(130)들이 서로 결합되어 셀 스택 조립체(110)을 수용하기 위한 공간을 형성할 수 있다.
이때, 상기 베이스 플레이트(120)는 하부에서 셀 스택 조립체(110)이 수용되기 위한 공간을 제공하는 기능을 수행할 뿐만 아니라, 셀 스택 조립체(110)에서 발생된 열을 외부로 발산하는 히트 싱크의 기능을 수행할 수 있다. 이를 위하여, 상기 베이스 플레이트(120)는 셀 스택 조립체(110)로부터 발생된 열을 제거하기 위하여 셀 스택 조립체(110)이 수용되는 면의 타면에 냉각수나 공기와 같은 냉매가 접촉한 상태로 흐를 수 있도록 마련된 냉각 수단(미도시)이 마련될 수 있다. 또한, 상기 측벽(130)들의 결합은 당업계에서 통상적으로 적용되는 방식으로 수행될 수 있으며, 예를 들면 마찰 교반 용접 등을 통해 수행될 수 있다.
아울러, 상기 팩 케이스는 측벽(130)에 의해 마련된 수용 공간에 복수의 셀 스택 조립체(110)이 탑재될 수 있도록 내부 공간을 복수의 셀 스택 조립체 영역으로 구획하는 격벽(140)을 포함한다. 이때, 상기 격벽(140)은 도 1에 나타낸 바와 같이 양 단부가 각각 대향하는 2개의 측벽(130) 사이에 수직이 되도록 결합될 수 있으며, 하단부는 베이스 플레이트(120)의 상면과 결합되도록 구성된다.
또한, 상기 측벽(130) 및 격벽(140) 중 어느 하나 이상은 베이스 플레이트(120)로부터 일정 높이로 이격된 위치에 셀 스택 조립체(110)이 배치되도록 내측 하부에 셀 스택 조립체(110)을 고정시키는 지지부(150)를 포함한다.
상기 지지부(150)는 측벽(130) 및/또는 격벽(140)의 내측 하부에 위치하여 셀 스택 조립체(110)의 하면을 지지하여 베이스 플레이트(120)의 상변으로부터 일정 거리로 이격되게 하는 기능을 수행한다. 이를 위하여, 상기 지지부(150)는 셀 스택 조립체(110)를 하부에서 지지할 수 있는 형태라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있으나, 구체적으로는 도 1에 나타낸 바와 같이 측벽(130) 및/또는 격벽(140)의 내측 하부에서 수직으로 돌출되고, 셀 스택 조립체(110)를 지지할 수 있도록 셀 스택 조립체(110)의 하부면과 대향하는 면을 갖는 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 지지부(150)는 셀 스택 조립체(110)와 소정 거리로 이격되도록 측벽(130) 및/또는 격벽(140)의 내측에 배치될 수 있다. 구체적으로 상기 지지부(150)는 베이스 플레이트(120)의 상면을 기준으로 0.5 mm 내지 5.0 mm의 높이에 배치될 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.5 mm 내지 3.0 mm; 0.5 mm 내지 1.5 mm; 또는 0.8 mm 내지 1.2 mm의 높이에 배치될 수 있다. 본 발명은 지지부 (150)의 위치를 베이스 플레이트(120)의 상면을 기준으로 상기 높이를 만족하도록 조절함으로써 과도한 이격 거리로 인하여 배터리 팩(100)의 정상 작동 시 내부 열이 발산되는 효율이 저하되는 것을 방지하는 한편, 좁은 이격 거리로 인해 복수의 셀 스택 조립체(110) 중 어느 하나에 발열이 발생하거나 열 폭주 시 발생된 열이 히트 싱크의 기능을 수행하는 베이스 플레이트(120)를 통해 인접한 주변 셀 스택 조립체(110)로 빠르게 열 전달되는 것을 막을 수 있다.
아울러, 상기 지지부(150)는 셀 스택 조립체(110)를 보다 공고히 지지하기 위하여 측벽(130) 및/또는 격벽(140)의 내측 하부를 따라 마련될 수 있으며, 이에 따라 셀 스택 조립체(110)의 하부면 중 가장자리 영역을 지지하는 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 지지부(150)는 셀 스택 조립체(110)를 지지할 정도의 강성을 가지면서 배터리 팩(100)의 비정상 작동 시 내부의 고온에도 형태가 변형되지 않고 절연성을 갖는 재료로 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 지지부(150)는 높은 강성 및 절연성을 갖고 우수한 내열성과 단열성을 겸비한 규산염 재료로 구성될 수 있다.
본 발명에서 언급되는 규산염 재료는 규산염으로 구성되는 것으로서, 상기 규산염은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있으나, 구체적으로는 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 것을 사용할 수 있다.
일반적으로 규산염은 규산의 수소가 다른 금속 원자와 치환된 중성염을 의미하는데, 본 발명에서는 방염 및/또는 난연 효과를 구현하기 위하여 수소 자리에 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 등의 원소가 치환된 것을 사용할 수 있으며, 특히 방염성을 위하여 층상형의 규산염을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 규산염으로는 백운모, 펜자이트, 셀라도나이트, 파라고나이트, 마가라이트, 금운모, 흑운모, 애나이트, 철운모, 시데로필라이트, 클린토나이트, 리튬 백운모, 트릴리티오나이트, 폴리리티오나이트, 진왈다이트 및 태니올라이트 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 지지부(150)는 운모를 포함하는 운모 시트를 포함할 수 있다. 운모는 화강암을 구성하는 조암 물질 중 하나로서 우수한 전기 절연성을 가지고 있으며, 가열 시 물성의 변화가 매우 적은 특성을 갖는다. 상기 운모는 500~1000℃의 고온에서도 우수한 형태 안정성과 절연 저항을 가진다. 또한, 운모는 우수한 난연성을 가지며, 연소 또는 가열 시에 연기가 발생하지 않는 특성을 가진다. 이러한 특성들로 인하여 배터리 팩(100)의 비정상 작동 시에도 안정적으로 셀 스택 조립체(110)와 베이스 플레이트(120) 사이를 이격시킬 수 있다.
또한, 상기 지지부(150)는 규산염, 예컨대 운모를 시트 형상으로 제조하기 위해서, 주성분인 스크랩 운모 또는 분쇄 운모를 바인더(예컨대, 내열성 실리콘)와 혼합하여 큰 판상으로 성형한 후 적당한 길이로 잘라 전극 조립체의 크기에 맞는 시트 형상으로 제조할 수 있다. 그러나, 운모 시트의 제조방법은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 통상적으로 알려진 기술에 따라 다양한 방법으로 운모 시트를 제조할 수 있다.
여기서, "주성분으로 한다"란 대상 성분이 물질의 전체 100 중량부에 있어서 60 중량부 이상, 70 중량부 이상, 80 중량부 이상, 85 중량부 이상, 90 중량부 이상, 95 중량부 이상, 98 중량부 이상, 또는 99 중량부 이상으로 포함됨을 의미할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 지지부(150)는 규산염 전체 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 바인더를 함유할 수 있다.
또한, 상기 시트에 포함되는 바인더는 규산염에 대하여 부착력이 우수한 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리(에틸렌-프로필렌) 공중합체를 포함하는 폴리올레핀; 및 나일론을 포함하는 폴리아미드, 내열성 실리콘 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 더불어, 상기 팩 케이스는 지지부(150)에 의해 셀 스택 조립체(110)과 베이스 플레이트(120)의 사이에 형성된 이격 공간에 열전도 패드(160)를 포함한다. 상기 열전도 패드(160)는 배터리 팩(100)의 정상 작동 시 셀 스택 조립체(110)에서 발생되는 열을 베이스 플레이트(120)를 통해 방열될 수 있도록 열을 전달하고, 배터리 팩(100)의 비정상 작동 시, 예컨대, 열전도 패드(160)와 접촉된 셀 스택 조립체(110)의 발열 및/또는 열 폭주 시 기화 또는 승화되어 셀 스택 조립체(110)과 베이스 플레이트(120) 사이의 이격 공간을 형성하는 기능을 수행한다.
이를 위하여, 상기 열전도 패드(160)는 셀 스택 조립체(110)의 비정상 작동 시 이격 공간을 형성할 수 있도록 100~800℃에서 기화 또는 승화되는 고분자를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 열전도 패드(160)에 포함된 고분자는 아크릴 수지, 에톡시 수지, 폴리스티렌계 수지, 실리콘 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리올레핀 수지 등을 포함할 수 있으며, 이들 수지들에 첨가제를 사용하거나 물리·화학적 개질을 통해 100~600℃; 100~400℃; 100~300℃; 또는 150~300℃에서 기화 또는 승화되는 것일 수 있다. 본 발명은 열전도 패드를 상기 범위에서 기화 또는 승화되는 고분자로 구성함으로써 종래 단순 용융하는 고분자로 구성된 열전도 패드와 비교하여 셀 스택 조립체(110)의 발열 및/또는 열 폭주 시 열전도 패드의 기화열/승화열로 인한 냉각 효과를 구현할 수 있으며, 동시에 배터리 팩(100)의 발화 및/또는 폭발이 발생하기 이전에 발열하는 셀 스택 조립체(110)과 베이스 플레이트(120)를 이격시킬 수 있으므로, 발열 및/또는 열 폭주된 셀 스택 조립체(110)의 열이 인접한 셀 스택 조립체로 전파를 방지할 수 있다.
또한, 상기 열전도 패드(160)는 100~800℃에서 기화 또는 승화되는 고분자를 포함하는 매트릭스(이하, '고분자 매트릭스'라 함) 자체로 높은 열 전도율을 구현할 수 있으며, 보다 높은 열 전도율을 구현하기 위하여 100~800℃에서 기화 또는 승화되는 고분자를 포함하는 매트릭스에 열전도성 필러가 분산된 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 열전도 필러는 당업계에서 배터리, 셀 스택 조립체, 또는 배터리 팩 등에서 열전도 효과를 구현하기 위하여 적용되는 것이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있으나, 구체적으로는 알루미늄, 구리, 아연, 마그네슘, 스테인레스 스틸, 은, 알루미나(Al2O3), 실리콘(SiO2), 질화알루미늄(AlN3), 탄화규소(SiC), 탄소나노튜브, 흑연 및 활성탄 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 열전도성 필러는 고분자 매트릭스의 기화 또는 승화 이후에 셀 스택 조립체(110)과 베이스 플레이트(120)의 접촉을 방지하기 위하여 열전도 패드 전체 중량에 대하여 1 내지 30 중량부로 포함될 수 있으며, 보다 구체적으로, 열전도 패드 전체 중량에 대하여 1 내지 20 중량부; 1 내지 10 중량부; 10 내지 30 중량부; 15 내지 30 중량부; 또는 10 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.
아울러, 상기 열전도성 필러는 적은 양의 열전도성 필러를 포함하더라도 열전도 패드의 높은 열 전도율을 구현하기 위하여 침상형 입자이거나 섬유(fiber)형 입자를 적용할 수 있다. 이 경우, 상기 열전도성 필러는 소량이 분산되어도 고분자 매트릭스 내부에 필러 간 열전도 네트워크를 형성할 수 있으므로 높은 열 전도율을 구현할 수 있는 이점이 있다.
이때, 상기 열전도성 필러의 평균 크기는 1,000㎛ 이하일 수 있으며, 구체적으로는 900㎛ 이하; 750㎛ 이하; 500㎛ 이하; 300㎛ 이하; 100㎛ 이하; 1~500㎛; 10~500㎛; 50~500㎛; 100~500㎛; 200~400㎛; 또는 50~300㎛일 수 있다. 여기서, '평균 크기'란 열전도성 필러에 있어서 '장축 길이'(입자 중심을 지나는 최장 길이)와 '단축 길이'(입자 중심을 지나는 최단 길이)의 평균값을 의미할 수 있다. 본 발명은 열전도성 필러의 평균 크기를 상기 범위로 조절함으로써 고분자 매트릭스의 기화 또는 승화 이후에 셀 스택 조립체(110)과 베이스 플레이트(120)의 접촉을 방지하는 한편, 열전도 패드(160)의 높은 전도율을 구현할 수 있다.
한편, 상기 열전도 패드(160)는 단층 구조일 수 있고, 경우에 따라서는 다층 구조를 가질 수 있다. 다층 구조의 열전도 패드는 각 층에 상이한 종류 및/또는 함량의 열전도성 필러를 포함할 수 있으며, 이에 따라 열전도 패드의 방열 효과를 보다 향상시킬 수 있다.
하나의 예로서, 상기 열전도 패드(160)는 하면이 베이스 플레이트와 맞닿는 제1층; 및 상기 제1층 상에 형성되고 상면이 셀 스택 조립체와 맞닿는 제2층을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 이때, 제1층에 함유된 열전도성 필러의 함량은 제2층에 함유된 열전도성 필러의 함량보다 많을 수 있다. 이 경우, 열전도 패드는 베이스 플레이트(120)와 맞닿는 제1층의 열 전달률이 현저히 증가하므로 배터리 팩(100)의 정상 작동 시 열전도 패드의 방열 효율을 높일 수 있다. 또한, 제1층과 비교하여 제2층의 고분자 매트릭스의 함량 비율을 높임으로써 배터리 팩(100)의 비정상 작동 시 보다 빠른 열전도 패드(160)의 기화 또는 승화를 유도할 수 있으므로 발열 또는 열 폭주가 발생된 셀 스택 조립체의 열이 인접한 셀 스택 조립체로 전달되는 것을 보다 빠르게 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 열전도 패드(160)는 지지부(150)의 위치에 따라 그 구조, 높이(또는 두께) 등이 제어될 수 있다. 하나의 예로서, 도 3에 나타낸 바와 같이 지지부(150a 및 150b)가 측벽(130) 및/또는 격벽(140)의 내측 하단부에 위치하는 경우, 상기 지지부(150a 및 150b)의 높이(또는 두께)는 셀 스택 조립체(110)와 베이스 플레이트(120)의 이격 거리와 동일할 수 있으며, 이때 열전도 패드(160)는 단층 구조로서 지지부(150a 및 150b)와 동일한 높이(또는 두께)를 가질 수 있다. 다른 하나의 예로서, 도 4에 나타낸 바와 같이 지지부(150a 및 150b)가 측벽(130) 및/또는 격벽(140)의 내측 하부 중간에 위치하는 경우, 열전도 패드(160)는 이층 구조를 가질 수 있고 그 높이(또는 두께)는 지지부(150a 및 150b)보다 두꺼울 수 있다. 구체적으로, 지지부(150a 및 150b)가 측벽(130) 및/또는 격벽(140)의 내측 하부 중간에 위치하는 경우, 제1층(161)은 베이스 플레이트(120)의 셀 스택 조립체 영역을 모두 채우는 형태로 지지부(150) 하부에 위치할 수 있으며, 제2층(162)은 제1층(161) 상에 마련되어 지지부(150a 및 150b)와 동등한 높이에 위치하여 지지부(150a 및 150b)와 함께 셀 스택 조립체 영역을 완전히 메우는 형태를 가질 수 있다. 이때, 상기 제2층(162)은 지지부(150a 및 150b)와 동등한 높이(또는 두께)를 가질 수 있다.
또한, 상기 열전도 패드(160)는 0.5 mm 내지 5.5 mm의 평균 두께를 갖되, 셀 스택 조립체(110)과 베이스 플레이트(120)의 이격거리와 동등하거나 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 상기 열전도 패드(160)는 셀 스택 조립체(110)과 베이스 플레이트(120)의 이격거리와 동등하거나 두꺼운 평균 두께를 가짐으로써 배터리 팩(100)의 정상 작동 시 셀 스택 조립체(110)에서 발생된 열을 베이스 플레이트(120)로, 즉 열전도 패드(160)의 상면에서 하면으로 용이하게 방출할 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 팩(100)에 외력이 가해지는 경우, 특히 상부에서 외력이 가해지는 경우 완충 작용을 할 수 있으므로 안전성이 보다 높은 이점이 있다.
나아가, 상기 열전도 패드(160)는 베이스 플레이트(110)의 셀 스택 영역 전체 배치될 수 있으며, 경우에 따라서는 부분적으로 배치될 수 있다. 상기 열전도 패드(160)는 베이스 플레이트(110)의 셀 스택 영역에 배치되되 일정 영역에서 부분적으로, 구체적으로는 전체 면적 대비 60~99%로 형성됨으로써 셀 스택 조립체(110)과 맞닿는 면의 표면적을 증가시킬 수 있으므로 열 전도율이 보다 개선될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 셀 스택 영역은 중앙부와 외곽부를 포함하고, 열전도 패드는 중앙부에 위치할 수 있다. 이 경우 상기 열전도 패드는 배터리 팩의 정상 작동 시 열 발생 빈도 및 정도가 높은 내부열을 보다 효과적으로 방출할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상술된 구성을 가짐으로써 내부에 구비된 복수의 셀 스택 조립체 중 어느 하나에 발열이 발생하거나 열 폭주 시 열전도 패드의 기화로 인해 베이스 플레이트와 해당 셀 스택 조립체 사이에 이격 공간을 형성함으로써 해당 셀 스택 조립체의 열이 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는 것을 억제할 수 있으므로, 배터리 팩의 발화나 폭발에 대한 안전성이 향상되는 이점이 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 한정되는 것은 아니다.
비교예.
10개의 파우치 셀을 포함하는 셀 스택 조립체 8개가 가로 및 세로로 각각 2개씩 팩 케이스에 삽입된 구조의 배터리 팩을 준비하였다. 이때, 상기 팩 케이스는 도 1과 같은 구조를 갖되, '지지부'와 '열전도 패드'가 배제된 구조의 것을 사용하였다.
실시예.
10개의 파우치 셀을 포함하는 셀 스택 조립체 8개가 가로 및 세로로 각각 2개씩 팩 케이스에 삽입된 구조의 배터리 팩을 준비하였다. 이때, 팩 케이스는 도 1과 동일한 구조를 갖는 것을 사용하되, 지지부 및 열전도 패드는 도 3 또는 도 4와 같은 구조를 갖도록 조절되었다.
여기서, 셀 스택 조립체와 베이스 플레이트의 이격거리는 약 1.8±0.2 mm로 조절되었다. 또한, 열전도 패드는 300±50℃에서 기화되는 고분자를 주성분으로 하는 고분자 매트릭스로 구성되는 것을 사용하였으며, 열전도성 필러를 갖는 경우 열전도성 필러로서 침상형 구리 입자를 열전도 패드의 전체 중량을 기준으로 약 15 중량%가 되도록 적용하였다.
열전도 패드 구조 열전도성 필러 함유 여부
실시예 1 단층 구조(도 3의 구조) X
실시예 2 단층 구조(도 3의 구조) O
실시예 3 2층 구조(도 4의 구조) O
(1층: 5 중량%/2층: 10중량%)
실험예.
본 발명에 따른 배터리 팩의 안전성을 평가하기 위하여 배터리 팩에 장착된 셀 스택 조립체 중 하나에 열 폭주를 유도하고, 열 폭주가 유도된 셀 스택 조립체 및 이와 인접한 셀 스택 조립체에서 발화가 발생하는데 걸리는 시간을 측정하였다.
구체적으로 실시예 및 비교예에서 제작된 배터리 팩을 모두 SOC 100%가 되도록 충전하였다. 그런 다음, 팩 케이스에 수용된 8개의 셀 스택 조립체 중 중앙에 배치된 4개 중 임의의 하나의 셀 스택 조립체 상부에 히팅 패드를 장착하고, 히팅 패드를 300W 전력으로 작동시켜 히팅 패드 하부에 배치된 셀 스택 조립체의 열 폭주를 유도하였다. 이때, 히팅 패드의 작동 시점을 기준으로 10분간 배터리 팩 내부를 관측하면서, i) 히팅 패드 하부에 배치된 셀 스택 조립체가 발화하는데 걸리는 시간을 측정하고 ii) 히팅 패드가 장착된 셀 스택 조립체의 인접한 위치에 배치된 셀 스택 조립체의 발화여부를 확인하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
발화 소요시간 인접 셀 스택 조립체의 발화여부
비교예 1 3분 51초 O
실시예 1 4분 41초 X
실시예 2 5분 8초 X
실시예 3 5분 11초 X
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩은 고온 안전성이 향상되는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 실시예의 배터리 팩은 셀 스택 조립체가 고온에 노출되는 경우 열전도 패드가 기화되어 셀 스택 조립체와 히트 싱크의 기능을 수행하는 베이스 플레이트 사이에 이격 공간을 형성함으로써 인접한 셀 스택 조립체로의 열 전파가 이뤄지지 않아 배터리 모듈의 발화가 억제되는 것으로 확인되었다.
반면, 고온에 노출된 셀 스택 조립체와 베이스 플레이트가 맞닿도록 배치된 비교예의 배터리 팩은 인접한 셀 스택 조립체에서 발화가 발생하는 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 배터리 팩은 셀 스택 조립체가 고온 발열하거나 열 폭주 시 열전도 패드의 기화로 인해 베이스 플레이트와 해당 셀 스택 조립체 사이에 이격 공간을 형성함으로써 해당 셀 스택 조립체의 열이 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는 것을 억제할 수 있음을 의미한다.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
10: 종래 배터리 팩
100: 본 발명의 배터리 팩 11, 110: 셀 스택 조립체
12, 120: 베이스 플레이트 13, 130: 측벽
140, 140a: 격벽 150, 150a, 150a: 지지부
16, 160: 열전도 패드 161: 열전도 패드의 제1층
162: 열전도 패드의 제2층

Claims (10)

  1. 복수의 셀 스택 조립체를 수용하는 배터리 팩으로서,
    셀 스택 조립체가 위치하는 셀 스택 영역을 포함하는 베이스 플레이트;
    상기 셀 스택 영역을 감싸도록 베이스 플레이트의 테두리를 따라 수직 방향으로 연장되어 결합되는 측벽; 및
    상기 측벽과 결합되고 상기 베이스 플레이트를 구획하여 복수의 셀 스택 영역을 형성하는 격벽으로 구성되는 팩 케이스를 포함하고,
    상기 측벽 및 격벽 중 적어도 하나는 하부에 내측으로 돌출되어 셀 스택 조립체를 지지하는 지지부를 포함하며,
    상기 베이스 플레이트와 셀 스택 조립체의 사이에는 고온에서 기체 상태로 상변화되어 이격 공간을 형성하는 열전도 패드를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    지지부는 측벽 또는 격벽의 내측 하부를 따라 형성되어 셀 스택 조립체의 하면 가장자리를 지지하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    지지부는 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 규산염으로 구성된 규산염 부재인 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    열전도 패드는 100~800℃에서 기화 또는 승화되는 고분자를 포함하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    열전도 패드는 100~800℃에서 기화 또는 승화되는 고분자를 포함하는 매트릭스에 열전도성 필러가 분산된 구조를 갖는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    열전도 패드는 하면이 베이스 플레이트와 맞닿는 제1층; 및 상기 제1층 상에 형성되고 상면이 셀 스택 조립체와 맞닿는 제2층을 포함하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    열전도 패드는 제1층에 함유된 열전도성 필러의 함량이 제2층에 함유된 열전도성 필러의 함량보다 많은 배터리 팩.
  8. 제5항에 있어서,
    열전도성 필러는 열전도 패드 전체 중량에 대하여 1 내지 30 중량부로 포함되는 배터리 팩.
  9. 제5항에 있어서,
    열전도 필러는 알루미늄, 구리, 아연, 마그네슘, 스테인레스 스틸, 은, 알루미나(Al2O3), 실리콘(SiO2), 질화알루미늄(AlN3), 탄소나노튜브, 탄화규소(SiC), 흑연 및 활성탄 중 1종 이상을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    열전도 패드는 0.5 mm 내지 5.5 mm의 평균 두께를 갖되, 셀 스택 조립체와 베이스 플레이트의 이격거리와 동등하거나 두꺼운 두께를 갖는 배터리 팩.
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