WO2022039442A1

WO2022039442A1 - 단열 부재를 포함하는 배터리 모듈

Info

Publication number: WO2022039442A1
Application number: PCT/KR2021/010732
Authority: WO
Inventors: 홍성곤; 조상현
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2022-02-24
Also published as: KR20220023191A; US20230178824A1; EP4131584A1; JP2023524706A; CN115485911A

Abstract

본 발명은 배터리 셀에서 열폭주 발생 시 인접 배터리 셀로 열이 전달되는 것을 방지하기 위하여 각각 전극 리드를 구비한 복수개의 배터리 셀, 복수개의 배터리 셀이 수납되는 케이스 및 복수개의 배터리 셀들 사이에 위치하여 인접 배터리 셀로 열이 전달되는 것을 차단하는 단열 부재를 포함하고, 단열 부재는 외부가 열폭주 시의 온도보다 낮은 녹는점을 가진 플라스틱으로 형성되고, 내부에는 열폭주 시의 온도보다 높은 녹는점을 가진 내열 재료로 형성된 지지대를 포함하는 복합 구조인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

단열 부재를 포함하는 배터리 모듈

본 출원은 2020년 8월20일자 한국 특허 출원 제2020-0104768호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.

본 발명은 배터리 셀의 열폭주 시에도 인접한 배터리 셀로 열이 전이되는 것을 방지할 수 있는 복합 구조의 단열 부재를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등에 적용되고 있다.

현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.0V ~ 5.0V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 셀 어셈블리를 구성하기도 하며, 또한 배터리 셀 어셈블리를 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 직렬이나 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성할 수도 있으며, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 추가적인 구성요소를 부가하여 배터리 팩을 제작하는 것이 일반적이다.

이러한 배터리 모듈은 에너지 밀도를 높이기 위하여 케이스 내에 밀집된 형태로 제조하기 때문에, 특정 배터리 셀에서 열폭주 현상 등이 발생하는 경우 인접한 배터리 셀들로 열이 전이되는 위험이 있다.

한편, 종래에는 열이 전이되는 것을 방지하고, 배터리 셀들이 직접적인 접촉을 하지 않도록 하는 역할을 하기 위하여 배터리 셀 사이에 단열재를 부가하기도 한다.

그러나, 종래의 단열재는 예를 들면 배터리 셀의 열폭주 시 발생하는 열에 의하여 물성이 변하는 흡열재로서 기능을 하는 경우에는 열폭주 후 배터리 셀을 지지하고, 배터리 셀 사이를 차단하는 역할을 하지 못하는 문제가 있다.

또한, 종래의 열폭주 후에 그 형태를 그대로 유지하고 있는 단열재의 경우에는 열폭주 현상이 발생한 배터리 셀과 밀착되어 있어 배터리 셀에서 발생한 열의 배출이 어려워 고온 상태를 유지하게 되고, 이에 따라 일정 시점에서 인접 배터리 셀로 열이 전이되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 배터리 셀의 열폭주 시에도 인접한 배터리 셀로 열이 전이되는 것을 방지하고, 열폭주 현상이 발생한 배터리 셀을 냉각할 수 있는 복합 구조의 단열 부재를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 각각 전극 리드를 구비한 복수개의 배터리 셀, 복수개의 배터리 셀이 수납되는 케이스 및 복수개의 배터리 셀들 사이에 위치하여 인접 배터리 셀로 열이 전달되는 것을 차단하는 단열 부재를 포함하고, 상기 단열 부재는 외부가 열폭주 시의 온도보다 낮은 녹는점을 가진 플라스틱으로 형성되고, 내부에는 열폭주 시의 온도보다 높은 녹는점을 가진 내열 재료로 형성된 지지대를 포함하는 복합 구조인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀이 양극과 음극의 두 전극 리드가 서로 마주보는 방향으로 돌출된 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 케이스가 배터리 셀과 단열 부재가 수납되는 하부 케이스 및 하부 케이스의 상부에 위치하는 커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 전극 리드 간의 전기적 연결을 위한 버스바를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 단열 부재가 배터리 셀과 케이스 사이에 추가로 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 지지대가 열폭주 발생 시에도 형상을 유지하여 배터리 셀 사이에 공기층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 지지대가 금속 또는 고내열성 폴리아미드계 플라스틱 중 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 지지대가 얇은 플레이트의 양면에 복수의 돌기가 형성된 형태인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 지지대가 링이 접합된 형상인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 본 발명의 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 디바이스는 본 발명의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 배터리 모듈은 복합 구조의 단열 부재를 구비하여 배터리 셀의 열폭주 시 내부의 지지대만 유지되어 배터리 셀 사이에 공기층을 형성함으로써 인접 배터리 셀과의 간격은 유지하면서 단열 및 냉각의 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀 사이에 위치한 단열 부재를 나타낸 평면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀과 케이스 사이에 위치한 단열 부재를 나타낸 평면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단열 부재의 열폭주 전후의 형상을 나타낸 정면도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지대의 다양한 형상을 나타낸 사시도이다.

본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1을 참조하여 본 발명의 배터리 모듈(1000)에 대하여 상세하게 살펴보면, 배터리 모듈(1000)은 각각 전극 리드를 구비한 복수의 배터리 셀(100), 배터리 셀(100)이 수납되는 케이스(200) 및 배터리 셀(100) 사이에 위치하는 단열 부재(300)를 포함한다.

여기서, 배터리 셀(100)은 원통형 배터리 셀, 각형 배터리 셀, 파우치형 배터리 셀 등 다양하게 존재하나, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은 그 중에서 파우치형 배터리 셀(100)인 경우를 중점적으로 설명하고자 한다.

파우치형 배터리 셀(100)이란 전극 조립체를 수납하는 전지 케이스 및 한 쌍의 전극 리드를 포함하여 구성된다.

여기서, 전극 조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 스택형 조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 조립체, 또는 전지 셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 조립체 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한하지 않는다.

또한, 전해질은 일반적으로 통용되는 액체전해질 외에도, 고체전해질이나, 고체전해질에 첨가제를 부가하여 액체와 고체 중간형태를 띄는 겔 형태의 준고체 전해질로 치환되어도 문제가 없음은 당연하다.

상기와 같은 전극 조립체는 전지 케이스에 수납되며, 전지 케이스는 통상적으로 내부층/금속층/외부층의 라미네이트 시트 구조로 이루어져 있다. 내부층은 전극 조립체와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해액성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다.

이러한 내부층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내화학성이 뛰어난 폴리프로필렌이 가장 바람직하다.

내부층과 접하고 있는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 전지 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 박막을 사용할 수 있다.

그리고 금속층의 타측면에는 외부층이 구비되며, 이러한 외부층은 전극 조립체를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록 인장강도, 투습방지성 및 공기 투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일 예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.

한편, 한 쌍의 전극 리드(110)는 양극 리드와 음극 리드로 이루어지며, 셀 조립체의 양극 탭과 음극 탭이 각각 전기적으로 연결된 후 전지 케이스 외부로 노출되거나, 탭을 생략하고 셀 조립체와 직접 연결되어도 무방하다.

또한, 파우치형 배터리 셀(100)은 전극 리드(110)가 양극 리드와 음극 리드가 같은 방향으로 돌출된 형태인 단방향 리드 셀일 수도 있고, 양극 리드와 음극 리드가 서로 마주보는 방향으로 돌출된 형태인 양방향 리드 셀일 수도 있다.

특히, 본 발명의 배터리 셀(100)은 파우치형 배터리 셀(100) 중 양방향 리드 셀(100)인 경우를 중심으로 살펴보고자 한다.

위와 같은 양방향 리드 셀(100)은 일반적으로 단방향 리드 셀에 비하여 리드가 돌출된 방향으로 길이가 긴 형태이고, 길이가 길어진 만큼 모듈 내에 수납 시 배터리 셀(100)을 지지하는 부재를 필요로 한다.

다음으로, 케이스(200)는 배터리 셀(100)과 단열 부재(300)가 수납되는 하부 케이스(210) 및 하부 케이스(210)의 상부에 위치하여 배터리 셀(100)과 단열 부재(300)가 수납된 후 상부를 덮는 커버(220)를 포함한다.

또한, 본 발명의 배터리 모듈(1000)은 이외에도 전극 리드 사이를 전기적으로 연결하기 위한 버스바, 배터리 셀의 전압 정보를 센싱하는 센싱 기판 등의 다양한 부품들을 필요에 따라 부가할 수도 있다.

한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀 사이에 위치한 단열 부재를 나타낸 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀과 케이스 사이에 위치한 단열 부재를 나타낸 평면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 배터리 모듈(1000) 내에서 단열 부재(300)가 구비되는 위치에 대하여 살펴보면, 단열 부재(300)는 배터리 셀(100)과 배터리 셀(100) 사이에 위치하거나, 배터리 셀(100)과 배터리 셀(100) 사이 및 최외곽 배터리 셀(100)과 수납된 하부 케이스(210)의 측면 사이에 위치할 수 있다.

이와 같이 위치함으로써 정상 온도에서는 배터리 셀(100) 사이의 절연 및 지지부의 역할을 하고, 배터리 셀(100)의 열폭주 시에는 단열 부재(300)로서의 역할을 하게 된다.

한편, 단열 부재(300)의 형상은 특별히 한정되지 않으나, 배터리 모듈(1000)의 에너지 밀도 등을 고려할 때 단열 부재(300)와 접하는 배터리 셀(100)의 측면과 밀착될 수 있는 형상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 단열 부재(300)의 측면 면적이 배터리 셀(100)의 전극 조립체가 수납된 부분의 측면 면적과 동일한 것으로 도시되어 있으나, 단열 부재(300)의 측면 면적은 이에 한정되지 않고 본 발명에서 설명한 단열 부재(300)로서의 기능을 할 수 있고, 배터리 모듈(1000)의 다른 부품들과 간섭을 일으키지 않는 범위에서 다양하게 선택될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단열 부재의 열폭주 전후의 형상을 나타낸 정면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지대의 다양한 형상을 나타낸 사시도이다.

도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 단열 부재(300)의 구조 및 열폭주 시의 거동에 대하여 상세하게 살펴보면, 단열 부재(300)는 외부가 열폭주 시의 온도보다 낮은 녹는점을 가진 플라스틱으로 형성되고, 내부에는 열폭주 시의 온도보다 높은 녹는점을 가진 내열 재료로 형성된 지지대(310)를 포함하는 복합 구조로 형성되어 있다.

한편, 도 5에서는 지지대(310)의 형상의 일 예로 얇은 플레이트에 돌기가 형성된 구조, 일정 폭을 가진 얇은 띠가 링 형태 또는 각형 모양으로 이어진 구조가 개시되어 있으나, 지지대(310)의 형상은 배터리 셀(100)을 지지할 수 있는 범위에서 배터리 셀(100)과 접촉 면적이 가능한 좁을 수 있는 형상이면 이에 한정되지 않고 다양한 형상이 가능하다.

만약, 지지대(310)와 배터리 셀(100)과의 접촉 면적이 넓을수록 지지대(310)를 통하여 인접 배터리 셀(100)로 열 전달의 가능성이 높아지므로, 지지대(310)와 배터리 셀(100)의 접촉 면적은 가능한 좁을수록 단열 측면에서 유리하다.

또한, 지지대(310)의 재료는 열폭주 시의 온도보다 높은 녹는점을 가진 내열 재료라면 금속, 세라믹, 고내열성 플라스틱 등 공지의 다양한 재료를 사용할 수 있으나, 지지대(310) 및 지지대(310)를 포함하는 단열 부재(300) 제작의 용이성 및 비용 등을 고려할 때, 금속 또는 고내열성 폴리아미드계 플라스틱 중 하나인 것이 바람직하다.

이러한 지지대(310)를 내부에 포함한 단열 부재(300)는 배터리 셀(100)이 정상 온도일 경우에는 외부의 플라스틱이 유지되어 인접한 배터리 셀(100)과 넓은 면적에 걸쳐서 밀착되어 있는 형태이나, 열폭주 시에는 외부의 플라스틱이 용융되고 내부의 지지대(310) 만이 남아 인접한 배터리 셀(100)을 최소한의 면적으로 지지하게 된다.

따라서, 배터리 셀(100)과 배터리 셀(100) 사이 또는 배터리 셀(100)과 케이스(200) 사이에 공기층이 형성됨으로써 단열 성능을 향상시키고, 공기층의 대류를 통하여 열폭주로 인하여 발생한 열을 배출시킴으로써 열폭주가 일어난 배터리 셀(100)을 냉각하는 기능도 동시에 할 수 있게 된다.

즉, 본 발명에서 지지대(310)는 열폭주 시 자체로 열 전달을 차단하는단열재로서의 기능을 하거나, 열을 흡수하는 흡수재로서의 기능을 하는 기존의 단열재와는 달리, 열폭주 시 배터리 셀(100)을 최소한의 접촉 면적으로 지지하고, 배터리 셀(100) 사이에 단열 및 냉각의 기능을 하는 공기층을 형성하는 기능을 한다는 점에서 차이가 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

(부호의 설명)

1000 : 배터리 모듈

100 : 배터리 셀

110 : 전극 리드

200 : 케이스

210 : 하부 케이스

220 : 커버

300 : 단열 부재

310 : 지지대

Claims

배터리 셀(100)에서 열폭주 발생 시 인접 배터리 셀(100)로 열이 전달되는 것을 방지할 수 있는 배터리 모듈(1000)로서,

상기 배터리 모듈(1000)은 각각 전극 리드(110)를 구비한 복수개의 배터리 셀(100);

상기 복수개의 배터리 셀(100)이 수납되는 케이스(200); 및

상기 복수개의 배터리 셀(100)들 사이에 위치하여 인접 배터리 셀(100)로 열이 전달되는 것을 차단하는 단열 부재(300)를 포함하고,

상기 단열 부재(300)는 외부가 상기 열폭주 시의 온도보다 낮은 녹는점을 가진 플라스틱으로 형성되고, 내부에는 상기 열폭주 시의 온도보다 높은 녹는점을 가진 내열 재료로 형성된 지지대(310)를 포함하는 복합 구조인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(1000).
제1항에 있어서, 상기 배터리 셀(100)은 양극과 음극의 두 전극 리드(110)가 서로 마주보는 방향으로 돌출된 파우치형 배터리 셀(100)인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(1000).
제1항에 있어서, 상기 케이스(200)는 상기 배터리 셀(100)과 상기 단열 부재(300)가 수납되는 하부 케이스(210) 및 상기 하부 케이스(210)의 상부에 위치하는 커버(220)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(1000).
제3항에 있어서, 상기 배터리 모듈(1000)은 상기 전극 리드(110) 간의 전기적 연결을 위한 버스바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(1000).
제1항에 있어서, 상기 단열 부재(300)는 상기 배터리 셀(100)과 상기 케이스(200) 사이에 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(1000).
제1항에 있어서, 상기 지지대(310)는 열폭주 발생 시에도 형상을 유지하여 상기 배터리 셀(100) 사이에 공기층을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(1000).
제6항에 있어서, 상기 지지대(310)는 금속 또는 고내열성 폴리아미드계 플라스틱 중 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(1000).
제7항에 있어서, 상기 지지대(310)는 얇은 플레이트의 양면에 복수의 돌기가 형성된 형태인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(1000).
제7항에 있어서, 상기 지지대(310)는 링이 접합된 형상인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(1000).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 배터리 모듈(1000)을 포함하는 배터리 팩.
제10항의 배터리 팩을 포함하는 디바이스.