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KR101843868B1 - 최외각에 절연성 액상물질을 내장한 안전부재가 구비되어 있는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

최외각에 절연성 액상물질을 내장한 안전부재가 구비되어 있는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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KR101843868B1
KR101843868B1 KR1020140013101A KR20140013101A KR101843868B1 KR 101843868 B1 KR101843868 B1 KR 101843868B1 KR 1020140013101 A KR1020140013101 A KR 1020140013101A KR 20140013101 A KR20140013101 A KR 20140013101A KR 101843868 B1 KR101843868 B1 KR 101843868B1
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KR
South Korea
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battery
battery module
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cells
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조현영
김보현
윤종문
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 전지에 발생되는 내부단락, 발화 및 폭발 등을 방지할 수 있는 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 충방전이 가능한 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서, 상기 전지셀들 상호간 또는 전지셀과 버스 바 상호간은 직렬 방식 또는 병렬 방식으로 전기적 연결되어 있고; 상기 전지셀들이 그것의 폭 방향(횡 방향)으로 적어도 2개 이상씩 적층되어 전체적으로 적층체 구조를 이루고 있으며; 상기 적층체 구조에서 일측 또는 양측 최외각에 위치한 전지셀의 외면에는, 침상 부재의 관통 또는 외력에 의한 구조적 변형에 의한 단락 유발의 가능성이 발생할 때, 침상 부재가 전지를 관통할 경우에 발생되는 전지 내부의 급격한 발열, 발화, 및 폭발을 방지할 수 있도록, 상기 침상 부재 또는 구조적 변형 부위의 외면을 도포하여 전기의 흐름을 차단하는 절연성 액상물질이 밀봉되어 있는 안전부재가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

최외각에 절연성 액상물질을 내장한 안전부재가 구비되어 있는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩 {Battery Module Provided with Safety Member Containing Insulating Liquid Material on Outermost Surface and Battery Pack Comprising the Same}
본 발명은 최외각에 절연성 액상물질을 내장한 안전부재가 구비되어 있는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 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(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목 받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용되는 것에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
그러나, 못과 같이 전기 전도성을 가지는 날카로운 물체가 전지모듈을 관통(penetration)할 경우, 즉 끝이 뾰족한 침상 도체가 전지모듈을 관통할 경우에 전지모듈 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, 전지모듈이 무거운 물체에 눌리거나 강한 충격을 받거나 고온에 노출될 경우에도 이와 같은 안전성 문제가 발생할 수 있다. 이와 같은 안전성 문제는 리튬 이차전지가 고용량화 되고 에너지 밀도가 증가할수록 더욱 심각해지고 있다.
따라서, 고출력 대용량의 전지모듈을 제조함에 있어, 가장 중요한 과제 중의 하나인 안전성, 특히, 외부의 물리적 충격에 대해 안전성을 확보할 수 있도록 날카로운 침상도체가 전지모듈의 관통할 경우 효과적으로 내부단락(short-circuit)을 방지하는 기술 개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 침상 부재의 관통 또는 외력에 의한 구조적 변형에 의한 단락 유발의 가능성이 발생할 경우, 발생되는 내부단락에 따른 발화 및 폭발 등을 방지하기 위해, 전지모듈에 전기의 흐름을 차단하는 절연성 액상물질이 밀봉되어 있는 안전부재를 부가시킴으로써, 안정성이 향상된 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은 충방전이 가능한 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서,
상기 전지셀들 상호간 또는 전지셀과 버스 바 상호간은 직렬 방식 또는 병렬 방식으로 전기적 연결되어 있고;
상기 전지셀들이 그것의 폭 방향(횡 방향)으로 적어도 2개 이상씩 적층되어 전체적으로 적층체 구조를 이루고 있으며;
상기 적층체 구조에서 일측 또는 양측 최외각에 위치한 전지셀의 외면에는, 침상 부재의 관통 또는 외력에 의한 구조적 변형에 의한 단락 유발의 가능성이 발생할 때, 침상 부재가 전지를 관통할 경우에 발생되는 전지 내부의 급격한 발열, 발화, 및 폭발을 방지할 수 있도록, 상기 침상 부재 또는 구조적 변형 부위의 외면을 도포하여 전기의 흐름을 차단하는 절연성 액상물질이 밀봉되어 있는 안전부재가 부가되어 있는 구조로 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은 절연성 액상물질이 밀봉되어 있는 안전부재가 최외각 전지셀의 측면에 구비되어, 상기 안전부재가 침상 부재의 관통 또는 외력에 의해 구조적 변형이 발생할 경우, 상기 안전부재의 내부에 밀봉되어 있던 절연성 액상물질이 흘러나와 침상 부재 또는 상기 최외각 전지셀의 측면에 구조적 변형 부위의 외면에 자연스럽게 도포됨으로써, 전지의 내부단락(short-circuit)을 방지할 수 있다.
참고로, 본 발명에서의 폭 방향(횡 방향)은 전지셀들의 적층 방향을 의미하고, 길이 방향(종 방향)은 외부 입출력 단자가 위치한 방향을 의미한다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명의 전지셀들은 각각 장방형 구조로 이루어진 형태일 수 있고 서로 전기적으로 직렬 방식으로 연결되어 있으며 적어도 2개 이상씩 셀 커버에 의해 내장된 단위모듈을 형성할 수 있고, 상기 단위모듈들의 적층에 의해 전체적으로 육면 적층체 구조를 이루고 있는 구조로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 전지셀들은 그것의 폭 방향이 지면 또는 수평면에 평행하도록 배열되어 있는 구조로 이루어져 있으므로, 상기 전지셀들은 지면 또는 수평면과 평행한 상태에서 상하로 적층된 구조로 배열될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지모듈은 상기 적층체 구조의 양측 최외각에 위치한 전지셀들의 외면에 각각 안전부재가 부가되어 있는 구조로 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 절연성 액상물질은 과불소화 용액, 열 경화성 수지, 및 공기 경화성 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는, 상기 절연성 액상물질은 과불소화 용액일 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 상기 과불소화 용액은 무색, 무취를 갖는 절연성 물질로, 물보다 낮은 점성을 가지면서도 물보다 밀도가 약 75% 이상 크며, 온도 및 화학적인 안전성이 우수하고, 금속, 플라스틱, 천연/합성고무(elastomer) 등의 민감한 물질들과도 융합이 가능하며, 비가연성이고, 무독성이다. 예를 들면, 상기 과불소화 용액은 3M(TM), Flurinert 불활성 용액(FC-40, FC-3283, FC770)일 수 있고, 상기 Flurinert 불활성 용액의 절연력은 0.1인치 간격에서 35,000 볼트를 초과할 정도로 높아 절연성이 매우 우수하며, 수분용해도(water solubility)는 10 ppm 내외이다. 또한, 끓는점 범위는 섭씨 30도 내지 섭씨 215도이고, 유동점은 섭씨 -101도이므로 저온에서도 사용이 가능한 특징을 가진다.
따라서, 본 발명의 절연성 액상물질로 낮은 점성의 과불소화 용액을 적용할 경우, 날카로운 침상부재가 안전부재를 관통시 상기 침상도체의 표면에 과불소화 용액이 단시간에 보다 넓은 범위에 걸쳐 도포될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 과불소화 용액은 온도 및 화학적으로 안정한 물질이므로 전지내부의 화학물질과도 반응하는 것을 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 안전부재는 절연성 액상물질이 밀봉용기에 수용되어 있는 형태로 이루어질 수 있고, 구체적으로 상기 밀봉용기는 파우치형 용기일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니고, 각형 또는 튜브형일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 밀봉용기는 평면상으로 전지셀에 대응하는 형상을 가진 구조로 형성될 수 있다. 상세하게는, 상기 밀봉용기는 평면상으로 전지셀 크기의 80% 내지 120% 크기일 수 있고, 밀봉용기의 크기가 80% 미만인 경우 침상부재가 절연성 액상물질에 충분히 도포되지 않아 전지셀의 외주면 근처를 관통시에 내부단락을 유발할 수 있고, 밀봉용기의 크기가 120%를 초과하는 경우에는, 전지모듈의 내부공간이 협소해져 불필요하게 전지모듈의 부피를 늘려야 하는 문제가 있다. 또한, 밀봉용기의 두께는 전지셀 두께의 20% 내지 500% 크기일 수 있고, 바람직하게는 20% 내지 100%일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 밀봉용기는 접착 또는 열융착에 의해 전지셀의 외면에 결합되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 밀봉용기는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있지만, 반드시 상기 소재들로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 전지셀은 이차전지일 수 있으며, 상기 이차전지는 그것의 종류가 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 체적당 에너지 저장량이 큰 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 상기 전지셀은 양극, 분리막, 음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 전지셀로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 전지셀은 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은 전기화학적 반응을 일으킬 수 있는 물질로서, 리튬 전이금속 산화물로서, 2 이상의 전이금속을 포함하고, 예를 들어, 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물; 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 리튬 망간 산화물; 화학식 LiNi1-yMyO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn 또는 Ga이고 상기 원소 중 하나 이상의 원소를 포함, 0.01≤y≤0.7 임)으로 표현되는 리튬 니켈계 산화물; Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2, Li1+zNi0.4Mn0.4Co0.2O2 등과 같이 Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae (여기서, -0.5≤z≤0.5, 0.1≤b≤0.8, 0.1≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, b+c+d<1 임, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si 또는 Y 이고, A = F, P 또는 Cl 임)으로 표현되는 리튬 니켈 코발트 망간 복합산화물; 화학식 Li1+xM1-yM’yPO4-zXz(여기서, M = 전이금속, 바람직하게는 Fe, Mn, Co 또는 Ni 이고, M’ = Al, Mg 또는 Ti 이고, X = F, S 또는 N 이며, -0.5≤x≤+0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1 임)로 표현되는 올리빈계 리튬 금속 포스페이트 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 20 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, 및 Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 마이크로미터 내지 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 마이크로미터 내지 300 마이크로미터이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
본 발명은 충방전이 가능한 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈을 단위전지로 포함하는 전지팩을 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 전지팩은 상기 전지모듈들 상호간 또는 전지모듈과 버스 바 상호간은 직렬 방식 또는 병렬 방식으로 전기적 연결될 수 있고, 상기 전지모듈이 그것의 폭 방향(횡 방향)으로 적어도 2개 이상씩 적층되어 전체적으로 적층체 구조를 이룰 수 있으며, 상기 적층체 구조에서 일측 또는 양측 최외각에 위치한 전지모듈의 외면에는, 침상 부재의 관통 또는 외력에 의한 구조적 변형에 의한 단락 유발의 가능성이 발생할 때, 상기 침상 부재 또는 구조적 변형 부위의 외면을 도포하여 전기의 흐름을 차단하는 절연성 액상물질이 밀봉되어 있는 안전부재가 부가되어 있는 구조로 형성될 수 있다.
본 발명은, 또한 상기 전지팩을 포함하고 있는 디바이스를 제공한다다. 하나의 에에서, 상기 디바이스는 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치 등으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은, 적층체 구조에서 일측 또는 양측 최외각에 위치한 전지셀의 외면에 절연성 액상물질이 밀봉되어 있는 안전부재가 부가되어 있으므로, 침상 부재의 관통 또는 외력에 의한 구조적 변형이 발생할 경우, 이러한 절연성 액상물질이 침상 부재 또는 구조적 변형 부위의 외면으로 흘러나와 자연스럽게 도포되어 전기의 흐름을 차단하게 됨으로써, 전지의 내부단락의 근본적인 차단이 가능하므로 전지모듈의 안정성이 크게 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 전지셀의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 구성을 위해 2개의 전지셀이 장착된 셀 커버의 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다수의 단위모듈이 연결된 단위모듈 적층체의 사시도이다;
도 4는 도 3의 다수의 단위모듈들이 연결된 단위모듈 적층체의 정면도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 내부단락을 방지하는 메커니즘을 설명하기 위한 모식적인 단면도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도이다;
도 7은 도 6의 단위모듈의 적층체가 전지모듈 케이스에 장착된 구조를 나타내는 전지모듈의 사시도이다;
도 8 및 도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 분해 사시도이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명에 따른 파우치형 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 구성을 위해 2개의 전지셀이 장착된 셀 커버의 사시도가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다수의 단위모듈이 연결된 단위모듈 적층체의 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 다수의 단위모듈들이 연결된 단위모듈 적층체의 정면도가 도시되어 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 파우치형 전지셀(100)은 두 개의 전극리드(110, 120)가 서로 대향하여 전지 본체(130)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되 있는 장방형 구조로 이루어져 있다. 외장부재(140)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양 측면(142)과 상단부 및 하단부(141, 143)를 부착시킴으로써 파우치형 전지셀(100)이 만들어진다.
외장부재(140)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양 측면(142)과 상단부(141) 및 하단부(143)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킨다. 양 측면(142)은 상하 외장부재(140)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(141)와 하단부(143)에는 전극리드(110, 120)가 돌출되어 있으므로 전극리드(110, 120)의 두께 및 외장부재(140) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(110, 120)와의 사이에 필름상의 실링부재(160)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
셀 커버(200)는 상호 결합 방식의 한 쌍의 부재들(210, 220)로 구성되어 있으며, 고강도 금속 판재로 이루어져 있다. 셀 커버(200)의 좌우 양단에 인접한 외면에는 모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 단차(230)가 형성되어 있으며, 상단과 하단에도 역시 동일한 역할을 하는 단차(240)가 형성되어 있다. 또한, 셀 커버(200)의 상단과 하단에는 폭방향으로 고정부(250)가 형성되어 있어서, 모듈 케이스(도시하지 않음)에 대한 장착을 용이하게 한다.
이러한, 셀 커버(200)는 전지셀(도시하지 않음) 2개를 내장하며 그것의 기계적 강성을 보완할 뿐만 아니라 모듈 케이스(도시하지 않음)에 대한 장착을 용이하게 하는 역할을 한다. 상기 2개의 전지들은 그것의 일측 전극단자들이 직렬로 연결된 후 절곡되어 상호 밀착된 구조로 셀 커버(200) 내부에 장착된다.
또한, 단위모듈 적층체는 4개의 단위모듈들(200, 201, 202, 203)로 이루어지고, 각 단위모듈 당 2개의 전지셀들(도시하지 않음)이 내장되어 단위모듈을 형성하고 있으므로, 전체적으로 총 8개의 전지셀들이 포함되어 있으며, 단위모듈들(200, 201, 202, 203)의 적층에 의해 전체적으로 육면 적층체 구조를 이루고 있다.
전극단자 연결부(310)는 단면상으로 ‘ㄷ’ 자 형태로 절곡되어 있고, 그 중 최외각에 있는 단위모듈들(200, 203)의 외측 전극단자(320, 321)는 다른 전극단자 연결부(310)보다 조금 돌출된 상태에서 안쪽을 향해 단면상으로 ‘ㄱ’ 자 형태로 절곡되어 있다.
한편, 단위모듈들(200, 201, 202, 203)의 적층체에서 양측 최외각에 위치한 단위모듈(200, 203)의 외면에는, 침상 부재 또는 구조적 변형 부위의 외면을 도포하여 전기의 흐름을 차단하는 절연성 액상물질이 밀봉용기(도시하지 않음)에 밀봉되어 있는 안전부재들(331, 332)이 접착 방식에 의해 결합되어 있다.
여기서, 상기 밀봉용기는 폴리에틸렌테레프탈레이트의 소재의 파우치 형태의 용기로 이루어져 있으며, 평면상으로 전지셀에 대응하는 형상을 가진 구조로 형성되어 있다. 구체적으로는 평면상으로 전지셀 크기의 약 80% 크기 정도이며 두께는 전지셀 두께는 약 20% 크기 정도로 형성되어 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 내부단락을 방지하는 과정을 설명하기 위한 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전지모듈의 내부단락을 방지하는 과정을 도 4와 함께 도 5를 참조하여 설명한다.
전지모듈(도시되지 않음)의 최외각에 위치한 단위모듈(200, 203) 측면 부위에 침상 부재(900)가 관통할 경우, 침상 부재(900)는 우선적으로 최외각 단위모듈(200, 203)의 외면에 부가되어 있는 안전부재(331)를 우선적으로 관통 또는 파열시키게 된다. 이 경우, 안전부재(331)에 밀봉되어 있던 절연성 액상물질(335)이 흘러나와 침상 부재(900) 외면에 자연스럽게 도포된다. 이러한 절연성 액상물질(335)이 침상 부재(900)에 자연스럽게 도포됨으로써, 전지셀(100)의 양극(131, 135), 분리막(132, 134), 음극(133)을 관통하더라도 침상 부재(900)를 통한 전극 간의 전기적 흐름이 차단 된다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은 침상 부재(900)의 관통 또는 외력에 의한 구조적 변형에 의한 내부단락 방지가 가능하므로, 내부단락에 따른 급격한 전지의 발열, 발화, 및 폭발 등을 방지할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 단위모듈의 적층체가 전지모듈 케이스에 장착된 구조를 나타내는 전지모듈의 사시도가 도시되어 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 전지모듈(400)은 상부 케이스(410) 및 하부 케이스(420)로 구성된 모듈 케이스에 단위모듈 적층체(300)를 장착하고 있다. 이러한 단위모듈 적층체(300) 구조에서 최외각에 위치한 단위모듈(200, 203)의 외면에는 절연성 액상물질이 밀봉되어 있는 안전부재(331, 332)가 부가되어 있다.
단위모듈 적층체(300)는 단위모듈(200)의 폭 방향(B)이 지면(700)에 평행하도록 배열되어 있는 구조로 이루어져 있고, 단위모듈들의 폭 방향(B)이 지면(700)과 평행한 상태에서 상하로 적층된 구조로 배열되어 있다.
또한, 상부 케이스(410)는 단위모듈 적층체(300)의 일측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸는 구조로 이루어져 있고, 단위모듈 적층체(300)의 상부로부터 하부로 수직의 냉매 유로가 형성되어 있도록, 단위모듈 적층체 (300)가 수직으로 적층되어 있으며, 모듈 케이스의 상단면과 하단면에는 관통구들(412)이 천공되어 있다.
또한, 하부 케이스(420)는 단위모듈 적층체(300)의 타측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸면서 상부 케이스(410)에 결합되는 구조로 이루어져 있고, 전면부에 단위모듈 적층체(300)의 전극단자와 연결된 외부 입출력 단자들(431, 432)이 위치하는 구조로 이루어져 있다. 즉, 상하부 케이스들(410, 420)은 상호 조립된 상태에서 내장되어 있는 단위모듈 적층체(300)의 용이한 방열을 위해 적층체(300)의 외주면 만을 감싸고 그것의 외면이 상당 부분 외부로 노출되는 구조로 이루어져 있다.
상부 케이스(410)의 양끝단부에는, 상층 전지모듈과 하층 전지모듈의 결합을 위해, 상층 전지모듈과 하층 전지모듈의 계면상에 체결 돌기(440)와 체결 홈(450)이 각각 형성되어 있고, 측면에도 타 전지모듈과 용이하게 결합될 수 있도록 서로 대응하는 구조의 돌출부(460)가 형성되어 있다.
이와 같은 구조는 중대형 전지팩을 조립함에 있어, 서로 대응하는 돌출부(440)와 만입부(450)를 단순 대응하여 끼워 맞추기만 하면 되므로, 조립의 용이함을 달성할 수 있으며, 추가적인 부속 부재를 필요치 않기 때문에 부속 부재에 의해 부피 증대를 피할 수 있어 중대형 전지팩의 콤팩트 구조의 설계가 가능하다.
도 8 및 도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 분해 사시도들이 도시되어 있고, 도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 사시도가 도시되어 있다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 중대형 전지팩(1000)은 6개의 전지모듈들(401, 402, 403, 404, 405, 406)로 구성되어 있으며, 전체적으로 직육면체 형상을 나타내고 있다. 이러한 6개의 전지모듈들(401, 402, 403, 404, 405, 406)은 상호간에 직렬 방식으로 전기적으로 연결되어 있고, 폭 방향으로 3개씩 측면방향으로 상호 접하면서 상층과 하층의 2개 층 구조로 적층되어 있으며, 그것의 일 측면에 형성되어 있는 입출력 단자들이 서로 인접하도록, 하층 전지모듈들(404, 405, 406)에 대해 상층 전지모듈들(401, 402, 403)이 도립(倒立)된 상태로 적층되어 있다. 즉, 상층 전지모듈들(401, 402, 403)과 하층 전지모듈들(404, 405, 406)이 수평 중심선(P)을 중심으로 서로 대칭 구조를 이루도록, 상층 전지모듈들(401, 402, 403)은 뒤집힌 형태로 하층 전지모듈들(404, 405, 406) 상에 적층되어 적층체(500) 구조를 형성시킨다.
이러한 전지모듈 적층체(500) 구조의 양 측면의 최외각 전지모듈들(401, 403, 404, 406) 최외측면에는 절연성 액상물질이 밀봉되어 있는 안전부재(431, 432, 433, 434)가 부가되어 있고, 상층 전지모듈들(401, 402, 403)의 상면 모서리를 따라 장착되는 상단 연결부재(850)를 추가로 포함하고 있으며, 상단 연결부재(850)는 평면상으로 사각형 프레임 구조로 이루어져 있다.
또한, 중대형 전지팩(1000)의 측면 지지부재들(810, 820)은 전지모듈 적층체(500)의 측면에 밀착되는 절연부재들(710, 720)과, 제 1 하단 지지부재(610), 제 2 하단 지지부재(도시되지 않음)에 결합될 수 있도록 절곡되어 있는 하단 프레임(822, 823)을 포함하고 있으며, 전지팩(1000)의 측면에는 전지팩(1000)의 작동을 제어하는 BMS(Battery Management System, 900)가 추가로 장착되어 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 충방전이 가능한 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로서,
    상기 전지셀들 상호간 또는 전지셀과 버스 바 상호간은 직렬 방식 또는 병렬 방식으로 전기적 연결되어 있고;
    상기 전지셀들이 그것의 폭 방향(횡 방향)으로 적어도 2개 이상씩 적층되어 전체적으로 적층체 구조를 이루고 있으며;
    상기 적층체 구조에서 일측 또는 양측 최외각에 위치한 전지셀의 외면에는, 침상 부재의 관통 또는 외력에 의한 구조적 변형에 의한 단락 유발의 가능성이 발생할 때, 상기 침상 부재 또는 구조적 변형 부위의 외면을 도포하여 전기의 흐름을 차단하는 절연성 액상물질이 밀봉되어 있는 안전부재가 부가되어 있고,
    상기 절연성 액상물질은 전지내의 화학물질과 반응하는 것이 방지된 과불소화 용액인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 각각 장방형 구조로 이루어져 있고 서로 전기적으로 직렬 방식으로 연결되어 있으며 적어도 2개 이상씩 셀 커버에 의해 내장된 단위모듈을 형성하고 있고, 상기 단위모듈들의 적층에 의해 전체적으로 육면 적층체 구조를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 그것의 폭 방향이 지면 또는 수평면에 평행하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 적층체 구조의 양측 최외각에 위치한 전지셀들의 외면에 각각 안전부재가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 안전부재는 절연성 액상물질이 밀봉용기에 수용되어 있는 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 밀봉용기는 파우치형 용기인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 밀봉용기는 평면상으로 전지셀에 대응하는 형상을 가진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 밀봉용기는 평면상으로 전지셀 크기의 80% 내지 120% 크기인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 밀봉용기의 두께는 전지셀 두께의 20% 내지 500% 크기인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 밀봉용기는 접착 또는 열융착에 의해 전지셀의 외면에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 밀봉용기는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 이차전지는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 충방전이 가능한 다수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈을 단위전지로 포함하는 전지팩으로서,
    상기 전지모듈들 상호간 또는 전지모듈과 버스 바 상호간은 직렬 방식 또는 병렬 방식으로 전기적 연결되어 있고, 상기 전지모듈이 그것의 폭 방향(횡 방향)으로 적어도 2개 이상씩 적층되어 전체적으로 적층체 구조를 이루고 있으며,
    상기 적층체 구조에서 일측 또는 양측 최외각에 위치한 전지모듈의 외면에는, 침상 부재의 관통 또는 외력에 의한 구조적 변형에 의한 단락 유발의 가능성이 발생할 때, 상기 침상 부재 또는 구조적 변형 부위의 외면을 도포하여 전기의 흐름을 차단하는 절연성 액상물질이 밀봉되어 있는 안전부재가 부가되어 있고, 상기 절연성 액상물질은 전지내의 화학물질과 반응하는 것이 방지된 과불소화 용액인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 따른 전지팩을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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