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WO2025053312A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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Publication number
WO2025053312A1
WO2025053312A1 PCT/KR2023/013525 KR2023013525W WO2025053312A1 WO 2025053312 A1 WO2025053312 A1 WO 2025053312A1 KR 2023013525 W KR2023013525 W KR 2023013525W WO 2025053312 A1 WO2025053312 A1 WO 2025053312A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery
battery cell
battery cells
module
cells
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/013525
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
권봉근
박재성
임재환
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
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Priority to CN202380072197.7A priority patent/CN120019535A/zh
Priority to PCT/KR2023/013525 priority patent/WO2025053312A1/ko
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the P value can be derived by multiplying the thickness (Pt) value of a single compression pad (400) by 4, which is the number (Pn) of the compression pads (400).
  • the adhesive portion (600) can also be positioned between the compression pad (400) or the battery cell (110) located at the outermost side and the side portions (210, 220). In other words, as described above, an adhesive portion (600) may be provided on the inner surface of the side portion (210, 220). When the battery cell (110) and the compression pad (400) are considered as a single component, an adhesive portion (600) may be interposed between these components.
  • the number (Dn) of the adhesive portions (600) may be calculated as a value that adds 1 to the sum of the number (Cn) of the battery cells (110) and the number (Pn) of the compression pads (400). For example, referring to the case of FIG.
  • W is a distance value measured between the inner surfaces of the side portions (210, 220) of the module frame (200).
  • the C corresponding to the total thickness of the battery cells (110) was calculated as the product of the thickness (Ct) of the center of the battery cells (110) and the number (Cn) of the battery cells (110).
  • the compression pad (400) was confirmed to be compressed by 80% when inserted into the module frame (200) together with the battery cells (110), and thus the thickness (Pt) of the compression pad (400) in the compressed state was calculated as 20% of the thickness of the original compression pad (400) before being compressed.
  • the above P which corresponds to the total thickness value of the compression pad in the compressed state, can be calculated as the product of the thickness (Pt) of the compression pad (400) in the compressed state and the number (Pn) of the compression pads (400).
  • the above D corresponding to the total thickness value of the adhesive portions (600) can be calculated as the product of the thickness (Dt) of a single adhesive portion (600) and the number (Dn) of the adhesive portions (600).
  • the adhesive portions (600) are located between adjacent battery cells (110), between the battery cells (110) and the compression pads (400), and on the outermost compression pads (400) or the outer surface of the battery cells (110).
  • the number of adhesive portions (600) was calculated as the sum of the number (Cn) of the battery cells (110) and the number (Pn) of the compression pads (400) plus 1.
  • Comparative Example 1 Comparative Example 2 Comparative Example 3 Distance between inner surfaces of side sections of module frame (W) [mm] 216.2 216.2 217.6 Total thickness of battery cells (C) [mm] 208.968 208.968 209.16 Total thickness of the compressed pad (P) [mm] 1.8 1.8 1.8 Total thickness of the bonding area (D) 1.4 1.5 1.5 Reserved Space Ratio per Battery Cell [%] 1.93 1.88 2.46 Remaining capacity at 800 cycles in battery cell unit [%] 80 80 80 Remaining capacity at 800 cycles in battery module unit [%] 61.2 61.2 64.2 Difference in capacity degradation between battery cells and battery modules [%] 18.8 18.8 15.8
  • the free space ratio [%] per battery cell was calculated from the derived W, C, P, and D values of Comparative Examples 1 to 3, and it was calculated that Examples 1 to 3 had free space ratio values per battery cell of 1.93%, 1.88%, and 2.46%, respectively.
  • the free space ratios per battery cell of Comparative Examples 1 to 3 are all less than 3%.
  • Figure 6 is a perspective view showing a battery cell stack according to a comparative example of the present invention.
  • the partially formed adhesive portion (60) causes an uneven surface pressure on the surface of the battery cell (110), and the gas generated by the uneven surface pressure exists on the surface of the battery cell, causing lithium plating, in which lithium is deposited on the surface of the battery cell (110).
  • the adhesive portion (60) is formed only in the central portion of the battery cell (110)
  • lithium is mainly deposited in the portions adjacent to both ends (114a, 114b) of the battery cell (110) from which the electrode leads (111, 112) protrude.
  • the inventor of the present invention analyzed the relationship between the lithium precipitation rate in lithium plating and the remaining capacity rate of the battery cell, and confirmed that the lithium precipitation rate and the remaining capacity rate of the battery cell have a strong negative correlation. That is, as the lithium precipitation rate increases, the remaining capacity rate after 800 cycles decreases, and the uneven surface pressure of the battery cell (110) caused by the adhesive portion (60) adversely affects the life performance of the battery module (100). Accordingly, the inventor of the present invention proposed the adhesive portion (600) as a uniform pressure-applying structure for the surface of the battery cell (110). Hereinafter, the formation area of the adhesive portion (600) according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3, 7, and 8.
  • Fig. 7 is a perspective view showing a battery cell stack according to one embodiment of the present invention.
  • Fig. 8 is a plan view showing an adhesive portion formed on one surface of a battery cell according to one embodiment of the present invention.
  • the battery cells (110) are pouch-shaped battery cells in a sheet shape, and the battery cells (110) can be stacked in an upright shape so that one side of the battery cells (110) is parallel to the side portions (210, 220, see FIG. 2).
  • the battery cells (110) can be stacked so that the one side thereof faces each other. That is, the one side of the battery cell (110) described below corresponds to a portion of the battery cell (110) that is parallel to the side portions (210, 220) of the module frame (200), and can face another battery cell (110), a compression pad (400), or the side portions (210, 220) of the module frame (200).
  • the adhesive portion (600) may be attached to the surface of the battery cell (110) so as to cover the surface of the battery cell (110).
  • the adhesive portion (600) may be attached to the surface of the battery cell (110) so as to cover an area of 90% or more and 100% or less of the surface area of the battery cell (110).
  • the adhesive portion (600) may be attached to the surface of the battery cell (110) so as to cover an area of 90% or more and 101% or less of the surface area of the battery cell (110).
  • the adhesive portion (600) according to the present embodiment can be attached so as to cover most of the above-mentioned one surface of the battery cell (110). Accordingly, a uniform pressure-applying structure for the above-mentioned one surface of the battery cell (110) can be implemented. Unlike the adhesive portion (60) that was attached only to a narrow area, the adhesive portion (600) according to the present embodiment can secure uniformity of the pressure applied to the surface of the battery cell (110), and accordingly, solve the problem of lithium plating occurring in the adjacent portions (114a, 114b) of the battery cell (110), thereby improving the life performance of the battery module (100).
  • the battery module (100) according to the present embodiment may further include a thermally conductive resin layer (700) positioned between the battery cell laminate (120) and the lower surface (240) of the module frame (200).
  • a thermally conductive resin layer (700) positioned between the battery cell laminate (120) and the lower surface (240) of the module frame (200).
  • the thermally conductive resin layer (700) may be formed by applying a thermally conductive resin to the lower surface (240) and hardening the applied thermally conductive resin, or by injecting the thermally conductive resin through a through hole formed in the lower surface (240).
  • a thermally conductive resin to the lower surface (240) and hardening the applied thermally conductive resin, or by injecting the thermally conductive resin through a through hole formed in the lower surface (240).
  • the thermally conductive resin layer (700) may be formed by dividing it into two sections so as to correspond to the two sections of the battery cell stack (120) in which heat generation is severe.
  • the thermally conductive resin may include a thermally conductive adhesive material, and specifically, may include at least one of a silicone material, a urethane material, and an acrylic material.
  • the thermally conductive resin may be in a liquid state when applied or injected, or may be hardened after application or injection to fix one or more battery cells (110) forming the battery cell laminate (120). In addition, since it has excellent thermal conductivity, it can quickly transfer heat generated from the battery cells (110) to the lower side of the battery module.
  • One or more battery modules according to the above-described embodiment can be mounted together with various control and protection systems such as a BMS (Battery Management System), a BDU (Battery Disconnect Unit), and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS Battery Management System
  • BDU Battery Disconnect Unit
  • cooling system to form a battery pack.
  • the above battery module or battery pack can be applied to various devices. Specifically, it can be applied to means of transportation such as electric bicycles, electric cars, hybrids, or ESS (Energy Storage Systems), but is not limited thereto and can be applied to various devices that can use secondary batteries.
  • means of transportation such as electric bicycles, electric cars, hybrids, or ESS (Energy Storage Systems)
  • ESS Electronicgy Storage Systems

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀들이 적층되는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하고, 상기 전지셀들의 적층 방향에 따른 상기 전지셀 적층체의 양 측면을 각각 커버하는 측면부들을 포함하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀들 중 인접한 전지셀들 사이 또는 상기 전지셀들 중 최외측에 위치한 전지셀과 상기 측면부 사이 중 적어도 한 곳에 배치되는 적어도 하나의 압축 패드;를 포함한다. 상기 전지셀들의 상기 적층 방향을 기준으로, 상기 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 3% 이상이다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 수명 성능이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
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 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 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 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 중대형 장치에 대한 적용을 목적으로, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지 셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
이때, 파우치형 이차 전지는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 더욱 널리 이용되는 추세에 있다. 파우치형 이차 전지는 일반적으로 전극 조립체가 파우치 외장재에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 파우치 외장재가 실링되는 과정을 통해 제조될 수 있다.
한편, 다수의 전지셀이 포함된 전지 모듈의 경우, 일정 수준의 수명 성능을 만족해야 한다. 일례로, 전지차에 적용되는 전지 모듈은, 수명 시험 평가로써, 80% 이상의 잔존 용량률(Capacity retention)을 만족하는 것이 요구된다. 구체적으로, 800 싸이클의 잔존 용량률(Capacity retention)은 하기의 식에 따라 계산된다.
800 싸이클에서의 잔존 용량률[%] = (800 싸이클에서의 방전용량 / 1 싸이클에서의 방전용량)×100
즉, 전지 모듈은, 초기 방전 용량 대비 800 싸이클의 충, 방전을 거친 후 방전 용량의 비율이 80% 이상이 되는 것이 수명 성능으로써 요구된다. 그러나, 전지 모듈의 경우, 다수의 전지셀이 함께 모여 구성되는 것이므로, 전지셀이 단독으로 충, 방전되는 경우와 다르게, 전지 모듈 내 여러 요인에 의해 수명 성능이 퇴화하는 경우가 있다. 따라서, 전지셀들이 전지 모듈로 구성될 경우 발생하는 수명 성능 저하의 원인을 분석하고, 수명 성능에 영향을 미치는 인자를 도출하여 개선 방안을 수립하는 것이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지 모듈의 수명 성능을 저해하는 인자를 도출하고, 이에 대한 개선안을 수립하여, 수명 성능을 높일 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀들이 적층되는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하고, 상기 전지셀들의 적층 방향에 따른 상기 전지셀 적층체의 양 측면을 각각 커버하는 측면부들을 포함하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀들 중 인접한 전지셀들 사이 또는 상기 전지셀들 중 최외측에 위치한 전지셀과 상기 측면부 사이 중 적어도 한 곳에 배치되는 적어도 하나의 압축 패드;를 포함한다. 상기 전지셀들의 상기 적층 방향을 기준으로, 상기 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 3% 이상이다.
상기 전지셀들의 상기 적층 방향을 기준으로, 상기 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 3% 이상, 10% 이하일 수 있다.
상기 전지셀당 여유 공간 비율은 (W-C-P)/C*100로 계산될 수 있고, 상기 W는 상기 모듈 프레임의 상기 측면부들 사이의 거리 값일 수 있으며, 상기 C는 상기 전지셀들의 두께의 총합에 해당하는 값일 수 있고, 상기 P는, 상기 전지셀 적층체와 상기 압축 패드가 상기 모듈 프레임에 수용된 상태에서, 압축된 상태의 상기 압축 패드 두께의 총합에 해당하는 값일 수 있다.
상기 C는 상기 전지셀의 중심부의 두께 값과 상기 전지셀의 개수를 곱한 값일 수 있다.
상기 P는 압축된 상태의 상기 압축 패드의 두께 값과 상기 압축 패드의 개수를 곱한 값일 수 있다.
상기 전지셀들은 시트 형상의 파우치형 전지셀일 수 있고, 상기 전지셀들의 일면이 상기 측면부와 평행하도록 상기 전지셀들이 직립 형태로 적층될 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀들 중 서로 대면하는 전지셀들 사이, 상기 전지셀과 상기 압축 패드 사이 또는 상기 측면부의 내측면 중 적어도 한곳에 위치하는 적어도 하나의 접착부를 더 포함할 수 있다.
상기 접착부는 양면 테이프이거나 접착제가 도포되어 형성된 접착층일 수 있다.
상기 전지셀당 여유 공간 비율은 (W-C-P-D)/C*100로 계산될 수 있고, 상기 W는 상기 모듈 프레임의 상기 측면부들 사이의 공간의 값일 수 있으며, 상기 C는 상기 전지셀들의 두께의 총합에 해당하는 값일 수 있고, 상기 P는, 상기 전지셀 적층체와 상기 압축 패드가 상기 모듈 프레임에 수용된 상태에서, 압축된 상태의 상기 압축 패드 두께의 총합에 해당하는 값일 수 있으며, 상기 D는 상기 접착부의 두께의 총합에 해당하는 값일 수 있다.
상기 C는 상기 전지셀의 중심부의 두께 값과 상기 전지셀의 개수를 곱한 값일 수 있다.
상기 P는 압축된 상태의 상기 압축 패드의 두께 값과 상기 압축 패드의 개수를 곱한 값일 수 있다.
상기 D는 상기 접착부의 두께 값과 상기 접착부의 개수를 곱한 값일 수 있다.
상기 전지셀들은 시트 형상의 파우치형 전지셀일 수 있고, 상기 전지셀의 일면이 상기 측면부와 평행하도록 상기 전지셀들이 직립 형태로 적층될 수 있다.
상기 접착부는 상기 전지셀의 상기 일면을 커버하도록 상기 전지셀의 상기 일면에 부착될 수 있다.
상기 접착부는 상기 전지셀의 상기 일면의 면적의 90% 이상, 100%이하의 면적을 커버하도록 상기 전지셀의 상기 일면에 부착될 수 있다.
상기 접착부는 상기 전지셀의 상기 일면의 면적의 90% 이상, 101%이하의 면적을 커버하도록 상기 전지셀의 상기 일면에 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은 상기 전지 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지 모듈 내 전지셀당 여유 공간 비율에 대한 기준을 설정함으로써, 전지 모듈의 수명 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한, 전지셀의 일면을 커버하도록 접착부가 마련되어, 전지 모듈 내부에서 전지셀들의 표면에 가해지는 압력의 균일성을 확보할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 어느 하나를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 1의 절단선 A-A’을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따른 전지셀 적층체를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체를 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀의 일면에 접착부가 형성된 모습을 나타낸 평면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 어느 하나를 나타낸 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)들이 적층되는 전지셀 적층체(120); 전지셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임(200); 및 적어도 하나의 압축 패드(400)를 포함한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접합하여 형성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형 시트 형상일 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접합함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 나머지 다른 일측부는 폴딩부(115)로 이루어질 수 있다. 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b) 사이를 전지셀(110)의 길이 방향으로 정의하고, 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)를 연결하는 일측부(114c)와 폴딩부(115) 사이를 전지셀(110)의 폭 방향으로 정의할 수 있다.
한편, 전극 리드(111, 112)가 일측과 타측의 양 방향으로 돌출된 구조의 전지셀(110)에 대해서만 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예로써, 전극 리드가 일 방향으로 함께 돌출된 단방향의 파우치형 전지셀도 가능함은 물론이다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 전지 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지 셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지 케이스의 표면에 접착부를 마련하여 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 접착부는 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제일 수 있다. 접착부에 대해서는 후술하도록 한다.
복수의 전지셀(110)들이 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성하는데, 장방형 시트 구조의 전지셀(110)들이 전지 본체(113)의 일면끼리 마주한 상태에서 일 방향을 따라 적층될 수 있다. 보다 구체적으로, 전지셀(110)들의 상기 일면이 후술하는 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)와 평행하도록 전지셀(110)들이 직립 형태로 적층될 수 있다. 도 2에는 전지셀(110)들이 y축과 평행한 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한 모습이 나타나 있다. 이에 따라 전지셀 적층체(120)에서 전극 리드(111, 112)들은 x축 방향과 -x축 방향을 향해 돌출될 수 있다.
모듈 프레임(200)은, 일측과 타측이 개방된 형태의 프레임일 수 있다. 모듈 프레임(200)의 개방된 일측 또는 타측을 통해 전지셀 적층체(120)가 삽입되어, 전지셀 적층체(120)는 모듈 프레임(200)의 내부 공간에 수용될 수 있다.
모듈 프레임(200)은 전지셀(110)들의 적층 방향에 따른 전지셀 적층체(120)의 양 측면을 각각 커버하는 측면부(210, 220)들을 포함한다. y축 방향을 따라 적층된 전지셀(110)들에 있어서, 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)들 각각이 전지셀 적층체(120)의 y축 방향의 측면과 -y축 방향의 측면을 커버할 수 있다.
또한, 모듈 프레임(200)은, 측면부(210, 220)들을 연결하는 상면부(230) 및 하면부(240)를 포함할 수 있다. 모듈 프레임(200) 내부에 수납된 전지셀 적층체(120)의 상면과 하면을 각각 모듈 프레임(200)의 상면부(230)와 하면부(240)가 커버할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 모듈 프레임(200)은 측면부(210, 220)들, 상면부(230) 및 하면부(240)가 일체화된 형태이나, 본 발명의 다른 실시예로써, 모듈 프레임이 U자형 프레임과 상부 커버가 접합된 형태일 수 있다. 전지셀 적층체의 양 측면과 하면을 커버하는 U자형 프레임과 전지셀 적층체의 상면을 커버하는 상부 커버가 서로 대응하는 모서리끼리 접합되어 모듈 프레임을 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)와 함께 모듈 프레임(200)에 수납되는 버스바 프레임(500)을 포함할 수 있다. 버스바 프레임(500)은 전지셀 적층체(120) 중 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 일면과 타면에 각각 위치하는 전면 프레임(510) 및 후면 프레임(520)을 포함할 수 있다. 또한, 버스바 프레임(500)은, 전면 프레임(510)과 후면 프레임(520) 각각과 연결되고, 전지셀 적층체(120)의 상부에 위치하는 상부 프레임(530)을 더 포함할 수 있다.
전지셀 적층체(120)에 포함된 전지셀(110)들의 전극 리드(111, 112)를 연결하기 위한 버스바(540)가 전면 프레임(510) 및 후면 프레임(520)에 장착될 수 있다. 구체적으로, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)들이 전면 프레임(510) 및 후면 프레임(520)에 형성된 슬릿을 통과한 뒤 구부러져 버스바(540)에 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다. 이러한 방식으로, 전지셀 적층체(120)에 포함된 전지셀(110)들이 전기적 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 모듈 프레임(200)의 개방된 서로 대향하는 양측에 위치하는 엔드 플레이트(300)들을 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(300)들이 모듈 프레임(200)의 개방된 일측과 타측을 덮도록 제공될 수 있다. 즉 2개의 엔드 플레이트(300)가 모듈 프레임(200)의 개방된 양측에 위치하여, 모듈 프레임(200)의 대응하는 모서리와 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(300)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
도 4는 도 1의 절단선 A-A’을 따라 자른 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀(110)들 중 인접한 전지셀(110)들 사이 또는 전지셀(110)들 중 최외측에 위치한 전지셀(110)과 측면부(210, 220) 사이 중 적어도 한 곳에 배치되는 적어도 하나의 압축 패드(400)를 포함한다.
압축 패드(400)는, 폼(Foam) 형태의 부재로 전지셀들의 스웰링(swelling)을 일부 흡수할 수 있다. 구체적으로, 전지셀(110)은, 충전과 방전이 반복됨에 따라 퇴화 등으로 인해 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 그리고, 이처럼 내부에서 가스가 발생한 경우, 내압이 증가함으로써, 외장재의 적어도 일부분이 부풀어오르는 스웰링 현상이 발생할 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지의 경우, 캔형 이차 전지에 비해, 외장재의 구조적 강성이 약해서 스웰링 현상은 더욱 심하게 발생할 수 있다.
이처럼, 이차 전지에 스웰링 현상이 발생하면, 전지 내부의 압력이 높아지고 부피가 증가하여, 전지 모듈의 구조적 안정성에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다. 이에 전지 모듈(100) 내부에 압력이 가해지면 압축되는 압축 패드(400)를 배치함으로써, 전지셀(110)의 스웰링을 일부 흡수하고자 하였다. 압축 패드(400)는 압축되어 전지셀(110)의 스웰링을 흡수할 수 있다면 그 소재에 특별한 제한은 없고, 일례로 폴리우레탄 소재를 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 전지셀(110)들의 적층 방향을 기준으로 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 3% 이상이다. 또한, 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)은 3% 이상, 10%이하일 수 있다. 또한, 전지 모듈의 공간활용이나 에너지 밀도를 고려했을 때, 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)은 3% 이상, 6%이하일 수 있고, 또 4%이상, 6%이하일 수 있다.
전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)은, 전지 모듈(100) 내에서 전지셀(110) 하나가 갖는 공간을 계산한 값으로, 다음의 식으로 계산될 수 있다.
전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)= (W-C-P)/C*100
상기 식에서 상기 W는 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)들 사이의 거리 값이며, 상기 C는 전지셀(110)들의 두께의 총합에 해당하는 값이고, 상기 P는, 전지셀 적층체(120)와 압축 패드(400)가 모듈 프레임(200)에 수용된 상태에서, 압축된 상태의 압축 패드(400) 두께의 총합에 해당하는 값이다. 상기 W, C, P의 값의 단위는 모두 mm일 수 있다.
도 4에 도시된 것처럼, 상기 W는, 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)들의 내측면 사이의 거리 값에 해당한다. 상술한 바 대로, 본 실시예에서의 측면부(210, 220)는 전지셀(110)들의 적층 방향에 따른 전지셀 적층체(120)의 양 측면을 각각 커버하는 부분들로써, 스웰링이 발생하는 전지셀(110)들에 인가되는 가압력과 관련되는 부분이다.
상기 C는, 전지셀(110)들의 두께의 총합에 해당하는 값으로, 단일 전지셀(110)의 중심부의 두께(Ct) 값과 전지셀(110)들의 개수(Cn)의 곱으로 계산될 수 있다. 즉, C=Ct*Cn이며, Ct는 전지셀(110)들의 적층 방향(y축 방향)에 따른 단일 전지셀(110)의 중심부의 두께에 해당하는 값이고, Cn은 전지셀(110)들의 개수에 해당하는 값이다. 일례로, 도 4에 도시된 것처럼, 단일 전지셀(110)의 두께(Ct) 값에 전지셀(110)들의 개수(Cn)인 12개를 곱하여 상기 C 값을 도출할 수 있다. 여기서, 두께(Ct) 측정의 대상이 되는 전지셀(110)의 중심부는 전지셀(110)의 길이 방향을 기준으로 그 중심부분을 의미한다. 보다 구체적으로, 도 3을 참고하면, 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 전지셀(110)의 양 단부(114a, 114b) 사이의 중간 지점을 가리킬 수 있다.
상기 P는, 전지셀 적층체(120)와 압축 패드(400)가 모듈 프레임(200)에 수용되어 압축된 상태의 압축 패드(400)에 대해, 단일 압축 패드(400)의 두께(Pt)와 압축 패드(400)의 개수(Pn)의 곱으로 계산될 수 있다. 즉, P=Pt*Pn이며, Pt는 압축된 상태의 단일 압축 패드(400)의 두께에 해당하는 값이고, Pn은 압축 패드(400)의 개수에 해당하는 값이다. 일례로, 도 4에 도시된 것처럼, 단일 압축 패드(400)의 두께(Pt) 값에 압축 패드(400)의 개수(Pn)인 4개를 곱하여 상기 P값을 도출할 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참고하여 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 단면도이며, 도 4에서와 유사하게 전지 모듈을 yz 평면을 따라 자른 단면에 해당한다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀(110)들 중 서로 대면하는 전지셀(110)들 사이, 전지셀(110)과 압축 패드(400) 사이, 또는 측면부(210, 220)의 내측면 중 적어도 한곳에 위치하는 적어도 하나의 접착부(600)를 더 포함할 수 있다. 여기서 측면부(210, 220)의 내측면은, 측면부(210, 220)의 면들 중 전지셀 적층체(120)를 향한 방향의 면을 의미한다. 전지 모듈(100)에 포함된 전지셀 적층체(120), 모듈 프레임(200) 및 압축 패드(400)에 대해서는, 앞서 도 1 내지 도 4의 실시예서 설명한 것과 동일한 구성이 적용되니, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
상술한 바 대로, 중대형 전지 모듈(100)을 형성하기 위해 다수의 전지셀(110)들을 적층하는데, 전지셀(110)들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지셀(110)의 일면에 접착부(600)를 마련할 수 있다.
전지셀(110)들 사이에 접착부(600)가 마련될 수 있음은 물론, 전지셀(110)들 사이에 압축 패드(400)가 위치할 경우, 전지셀(110)과 압축 패드(400) 사이에도 접착부(600)가 마련될 수 있다. 또한, 측면부(210, 220)의 내측면에도 접착부(600)가 마련될 수 있다. 도시된 것처럼, 전지셀(110)들 중 최외측에 위치한 전지셀(110)과 측면부(210, 220) 사이에 압축 패드(400)가 위치할 경우, 압축 패드(400)와 측면부(210, 220) 사이에 접착부(600)가 마련될 수 있다.
구체적으로, 도 5에는, 전지셀(110)들 사이에 위치하여 인접한 각 전지셀(110)들의 일면에 접착되어 있는 접착부(600), 전지셀(110)과 압축 패드(400) 사이에 접착되어 있는 접착부(600) 및 압축 패드(400)와 측면부(210, 220) 사이에 접착되어 있는 접착부(600)가 모두 도시되어 있다.
도시하지 않았으나, 전지셀(110)들 중 최외측에 위치한 전지셀(110)과 측면부(210, 220) 사이에 압축 패드(400)가 위치하지 않는 본 발명의 다른 실시예의 경우, 전지셀(110)들 중 최외측에 위치한 전지셀(110)과 측면부(210, 220) 사이에 접착부(600)가 마련될 수 있다.
본 실시예에 따른 접착부(600)는 접착성을 띄는 소재 또는 부재라면 제한없이 적용될 수 있다. 일례로, 접착부(600)는 양면 테이프일 수 있다. 다른 예시로써, 접착부(600)는 접착제가 도포되어 형성된 접착층일 수 있다.
이 때, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 전지셀(110)들의 적층 방향을 기준으로 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 3% 이상이다.
본 실시예에 있어서, 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)은, 다음의 식으로 계산될 수 있다.
전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)= (W-C-P-D)/C*100
상기 식에서 상기 W는 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)들 사이의 거리 값이며, 상기 C는 전지셀(110)들의 두께의 총합에 해당하는 값이고, 상기 P는, 전지셀 적층체(120)와 압축 패드(400)가 모듈 프레임(200)에 수용된 상태에서, 압축된 상태의 압축 패드(400) 두께의 총합에 해당하는 값이며, 상기 D는 접착부(600)의 두께의 총합에 해당하는 값이다. 상기 W, C, P, D의 값의 단위는 모두 mm일 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼, 상기 W는, 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)들의 내측면 사이의 거리 값에 해당한다.
상기 C는, 전지셀(110)들의 두께의 총합에 해당하는 값으로, 단일 전지셀(110)의 중심부의 두께(Ct) 값과 전지셀(110)들의 개수(Cn)의 곱으로 계산될 수 있다. 즉, C=Ct*Cn이며, Ct는 전지셀(110)들의 적층 방향(y축 방향)에 따른 단일 전지셀(110)의 중심부의 두께에 해당하는 값이고, Cn은 전지셀(110)들의 개수에 해당하는 값이다. 일례로, 도 5에 도시된 것처럼, 단일 전지셀(110)의 두께(Ct) 값에 전지셀(110)들의 개수(Cn)인 12개를 곱하여 상기 C 값을 도출할 수 있다. 여기서, 두께(Ct) 측정의 대상이 되는 전지셀(110)의 중심부는 전지셀(110)의 길이 방향을 기준으로 그 중심부분을 의미한다. 보다 구체적으로, 도 3을 참고하면, 전지셀(110)의 중심부는, 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 전지셀(110)의 양 단부(114a, 114b) 사이의 중간 지점을 가리킬 수 있다.
상기 P는, 전지셀 적층체(120)와 압축 패드(400)가 모듈 프레임(200)에 함께 수용되어, 압축된 상태의 압축 패드(400)에 대해, 단일 압축 패드(400)의 두께(Pt)와 압축 패드(400)의 개수(Pn)의 곱으로 계산될 수 있다. 즉, P=Pt*Pn이며, Pt는 압축된 상태의 단일 압축 패드(400)의 두께에 해당하는 값이고, Pn은 압축 패드(400)의 개수에 해당하는 값이다. 일례로, 도 5에 도시된 것처럼, 단일 압축 패드(400)의 두께(Pt) 값에 압축 패드(400)의 개수(Pn)인 4개를 곱하여 상기 P값을 도출할 수 있다.
상기 D는, 단일 접착부(600)의 두께(Dt)와 접착부(600)의 개수(Dn)의 곱으로 계산될 수 있다. 즉, D=Dt*Dn이며, Dt는 단일 접착부(600)의 두께에 해당하는 값이고, Dn은 접착부(600)의 개수에 해당하는 값이다. 일례로, 접착부(600)는, 전지셀(110)들 사이 그리고 전지셀(110)과 압축 패드(400) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 최외측에 압축 패드(400)나 전지셀(110)이 위치할 경우, 최외측에 위치한 압축 패드(400)나 전지셀(110)의 바깥면에도 접착부(600)가 위치할 수 있다. 최외측에 위치한 압축 패드(400)나 전지셀(110)과 측면부(210, 220) 사이에도 접착부(600)가 위치할 수 있다. 바꾸어 말하면, 상술한 것처럼, 측면부(210, 220)의 내측면에 접착부(600)가 마련될 수 있다. 전지셀(110)과 압축 패드(400)를 하나의 구성물로 간주했을 때, 이 구성물들 사이사이 마다 접착부(600)가 개재될 수 있다. 접착부(600)의 개수(Dn)는 전지셀(110)의 개수(Cn)와 압축 패드(400)의 개수(Pn)의 합에 1을 더한 값으로 계산될 수 있다. 일례로, 12개의 전지셀(110)들과 4개의 압축 패드(400)가 모듈 프레임(200) 내부에 배치된 도 5의 경우를 참고하면, 접착부(600)는, 총 17개가 마련될 수 있다. 이 경우, D는 단일 접착부(600)의 두께(Dt)에 접착부(600)의 개수(Dn)인 17을 곱한 값이 된다.
종합하면, 접착부가 마련되지 않는 전지 모듈의 경우, 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 (W-C-P)/C*100로 계산되고, 접착부가 마련되는 전지 모듈의 경우, 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 (W-C-P-D)/C*100로 계산될 수 있으며, 본 실시예에서의 전지 모듈(100)은, 계산된 여유 공간 비율의 값이 모두 3% 이상이다.
본 발명의 발명자는, 전지 모듈(100) 내에서 전지셀(110)들이 갖는 공간, 바꾸어 말하면 전지셀(110)들에 가해지는 가압력이 전지 모듈(100)의 수명 성능에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 전지셀(110)에 적정 수준의 가압력이 인가되어야 전지 모듈(100)의 싸이클이 진행되어도 적정한 용량을 유지할 수 있으며, 가압력이 특정 수준 미만이거나 초과일 경우 싸이클 진행 시 용량이 급락(Sudden drop)하는 문제가 발생할 수 있다. 이를 바탕으로, 본 발명의 발명자는, 전지 모듈(100) 내부의 전지셀(110)들에 가해지는 절대 압력을 제어하기 위해, 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 3%이상인 조건을 설계하였고, 해당 조건을 만족할 경우, 전지셀(110)들이 전지 모듈(100)에 장착되었을 때 수명 성능의 저하가 발생하지 않는 것을 확인하였다. 구체적으로, 해당 조건을 만족하는 전지 모듈의 경우, 800 싸이클의 잔존 용량률(Capacity retention)이 80% 이상으로 유지될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 전지 모듈에 대하여 구체적인 실시예와 비교예를 통해 설명하도록 한다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
모듈 프레임의 측면부들의 내측면 사이 거리(W) [mm] 213 148 217.6 217.6
전지셀들의 두께의 총합(C) [mm] 202.32 139.44 205.2 206.88
압축된 상태의 압축 패드의 총 두께(P) [mm] 1.8 1.76 1.8 1.8
접착부의 총 두께(D) 1.5 0.85 1.5 1.5
전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio) [%] 3.65 4.27 4.43 3.59
전지셀 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률 [%] 90 89.3 80 80
전지 모듈 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률 [%] 85 89 81 79
전지셀과 전지 모듈의 용량 퇴화 차이 [%] 5 0.3 -1 1
우선 상기 표 1을 참고하면, 서로 다른 규격과 스펙을 갖는 전지 모듈들을실시예 1 내지 4로 마련하였고, 실시예 1 내지 4의 전지 모듈들에 대한 전지셀당 여유 공간 비율(%)을 계산하였다. 각 인자들의 단위는 대괄호 안에 기재하였다.
앞서 설명한 것처럼, W는, 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)들의 내측면 사이의 거리 값을 측정한 것이다. 전지셀(110)들의 두께의 총합에 해당하는 상기 C는 전지셀(110)의 중심부의 두께(Ct) 값과 전지셀(110)들의 개수(Cn)의 곱으로 계산하였다.
압축 패드(400)는, 전지셀(110)들과 함께 모듈 프레임(200)에 삽입될 때, 80%만큼 압축되는 것으로 확인되어, 압축된 상태의 압축 패드(400)의 두께(Pt)는, 압축되기 이전의 원래의 압축 패드(400)의 두께의 20%로 계산되었다. 압축된 상태의 압축 패드의 총 두께 값에 해당하는 상기 P는, 압축된 상태의 압축 패드(400)의 두께(Pt)와 압축 패드(400)의 개수(Pn)의 곱으로 계산될 수 있다.
접착부(600)들이 총 두께 값에 해당하는 상기 D는, 단일 접착부(600)의 두께(Dt)와 접착부(600)의 개수(Dn)의 곱으로 계산될 수 있다. 본 실시예 1 내지 4에서의 전지 모듈의 경우, 인접한 전지셀(110)들 사이, 전지셀(110)과 압축 패드(400) 사이, 그리고 최외측에 위치한 압축 패드(400) 또는 전지셀(110)의 바깥면에 접착부(600)가 위치한다. 본 실시예 1 내지 4에서 접착부(600)의 개수는, 전지셀(110)의 개수(Cn)와 압축 패드(400)의 개수(Pn)의 합에 1을 더한 값으로 계산되었다.
도출된 실시예 1 내지 4의 W, C, P, D 값으로 전지셀당 여유 공간 비율[%]을 계산하였고, 실시예 1 내지 4는 각각 3.65%, 4.27%, 4.43%, 3.59%의 전지셀당 여유 공간 비율 값을 갖는 것으로 계산되었다. 실시예 1 내지 4의 전지셀당 여유 공간 비율은 모두 3% 이상인 값이다.
실시예 1 내지 4에 대해, 전지셀 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률[%]과 전지 모듈 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률[%]를 측정하였다. 전지셀 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률은, 전지 모듈로 구성되지 않은 단일의 전지셀에 대해, 초기 방전용량 대비 800싸이클의 충, 방전을 거친 후의 방전용량을 측정한 값이다. 전지 모듈 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률은, 해당 전지셀들을 포함한 전지 모듈에 대해, 초기 방전용량 대비 800싸이클의 충, 방전을 거친 후의 방전용량을 측정한 값이다.
전지셀 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률과 전지 모듈 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률의 차이, 즉, 전지셀과 전지 모듈의 용량 퇴화 차이[%]를 살펴보면, 실시예 1 내지 4는 각각 5, 0.3, -1, 1 값으로 측정되었다.
전지셀당 여유 공간 비율은 모두 3% 이상인 실시예 1 내지 4의 경우, 전지셀(110)들이 전지 모듈(100)로 구성되더라도, 수명성능의 큰 저하가 발생하지 않는 것을 확인하였다. 전지셀 단위와 전지 모듈 단위에서, 800 싸이클의 잔존 용량률의 차이가 크기 않았다. 다시 말해, 전지 모듈(100)의 싸이클이 진행되어도 적정한 용량을 유지할 수 있으며, 싸이클 진행 시 용량이 급락(Sudden drop)하는 문제가 발생하지 않았다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3
모듈 프레임의 측면부들의 내측면 사이 거리(W) [mm] 216.2 216.2 217.6
전지셀들의 두께의 총합(C) [mm] 208.968 208.968 209.16
압축된 상태의 압축 패드의 총 두께(P) [mm] 1.8 1.8 1.8
접착부의 총 두께(D) 1.4 1.5 1.5
전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio) [%] 1.93 1.88 2.46
전지셀 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률 [%] 80 80 80
전지 모듈 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률 [%] 61.2 61.2 64.2
전지셀과 전지 모듈의 용량 퇴화 차이 [%] 18.8 18.8 15.8
다음 상기 표 2를 참고하면, 서로 다른 규격과 스펙을 갖는 전지 모듈들을비교예 1 내지 3으로 마련하였고, 비교예 1 내지 3의 전지 모듈들에 대한 전지셀당 여유 공간 비율(%)을 계산하였다. 각 인자들의 단위는 대괄호 안에 기재하였다.
실시예 1 내지 4에서의 측정한 방식과 동일한 방식으로, 비교예 1 내지 3에대한 W, C, P, D 값을 도출하였다. 이에 대한 설명은 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략하도록 한다.
도출된 비교예 1 내지 3의 W, C, P, D 값으로 전지셀당 여유 공간 비율[%]을 계산하였고, 실시예 1 내지 3은 각각 1.93%, 1.88%, 2.46%의 전지셀당 여유 공간 비율 값을 갖는 것으로 계산되었다. 비교예 1 내지 3의 전지셀당 여유 공간 비율은 모두 3% 미만인 값이다.
실시예 1 내지 4에서의 측정한 방식과 동일한 방식으로, 800 싸이클의 잔존 용량률, 전지 모듈 단위에서의 800 싸이클의 잔존 용량률 및 전지셀과 전지 모듈의 용량 퇴화 차이를 계산하였다. 전지셀과 전지 모듈의 용량 퇴화 차이[%]를 살펴보면, 비교예 1 내지 3은 각각 18.8, 18.8, 15.8로 측정되었다.
전지셀당 여유 공간 비율이 모두 3% 미만인 비교예 1 내지 3의 경우, 실시예 1 내지 4와 비교하여, 전지셀(110)들이 전지 모듈(100)로 구성되었을 때, 수명성능의 큰 저하가 발생한 것을 확인하였다. 바꾸어 말하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈에서와 같이, 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 3%이상인 조건을 만족할 경우, 전지 모듈의 수명 성능의 큰 저하를 방지할 수 있음을 상기 실험 결과를 통해 확인하였다.
이하에서는, 도 6 내지 도 8을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 접착부(600)의 형성 영역에 대해 비교예와 함께 자세히 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따른 전지셀 적층체를 나타낸 사시도이다.
우선, 도 6을 참고하면, 복수의 전지셀(11)이 적층되어 전지셀 적층체(12)를 형성하고, 전지셀(11)들 사이 중 적어도 한 곳에 접착부(60)가 마련될 수 있다. 이러한 접착부(60)는, 양면 테이프이거나 접착제가 도포되어 형성된 접착층일 수 있다. 도 6에 도시된 것처럼, 본 비교예에 따른 접착부(60)는, 전지셀(11)들끼리 마주하는 일면 전체에 부착된 것이 아니라 그 일부에만 부착된다. 이 경우, 본 발명의 발명자들은, 부분적으로 형성된 접착부(60)로 인해 전지셀(110)에 불균일한 압력이 가해지고, 양 끝단에 리튬 플레이팅(Li-Plating)이 발생하는 것을 확인하였다.
구체적으로, 부분적으로 형성된 접착부(60)에 의해 전지셀(110) 표면의 면압 불균일이 발생하고, 면압 불균일에 의해 발생한 가스가 전지셀의 표면에 존재하게 되어, 전지셀(110)의 표면에서 리튬이 석출되는 리튬 플레이팅(Li-Plating)이 발생한다. 특히, 도 3, 도 6을 함께 참고하면, 전지셀(110)의 중앙 부분에만 접착부(60)가 형성된 경우, 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 전지셀(110)의 양 단부(114a, 114b)와 인접한 부분에서 주로 리튬이 석출되는 문제를 발견하였다.
본 발명의 발명자는, 리튬 플레이팅(Li-Plating)에서의 리튬 석출률과 전지셀의 잔존 용량률과의 관계를 분석하여, 리튬 석출률과 전지셀의 잔존 용량률이 강한 음의 상관 관계를 갖는 것을 확인하였다. 즉, 리튬 석출률이 클수록 800 싸이클 이후의 잔존 용량률이 감소하는 것으로, 접착부(60)로부터 기인한 전지셀(110)의 면압 불균일이 전지 모듈(100)의 수명 성능에 악영향을 미치게 된다. 이에 따라, 본 발명의 발명자는, 전지셀(110)의 표면에 대한 균일 가압 구조로써, 하기에 따른 접착부(600)를 제안하였다. 이하에서는, 도 3, 도 7 및 도 8을 참고하여, 본 실시예에 따른 접착부(600)의 형성 영역에 대해 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체를 나타낸 사시도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀의 일면에 접착부가 형성된 모습을 나타낸 평면도이다.
도 3, 도 7 및 도 8을 참고하면, 상술한 바 대로, 전지셀(110)들은 시트 형상의 파우치형 전지셀이고, 전지셀(110)의 일면이 측면부(210, 220, 도 2 참조)와 평행하도록 전지셀(110)들이 직립 형태로 적층될 수 있다. 전지셀(110)의 상기 일면끼리 마주하도록 적층될 수 있다. 즉, 이하에서 설명하는 전지셀(110)의 상기 일면은, 전지셀(110) 중에서 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)와 평행한 부분에 해당하고, 다른 전지셀(110), 압축 패드(400) 또는 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)와 마주할 수 있다.
이때, 본 실시예에 따른 접착부(600)는 전지셀(110)의 상기 일면을 커버하도록 전지셀(110)의 상기 일면에 부착될 수 있다. 구체적으로, 접착부(600)는 전지셀(110)의 상기 일면의 면적의 90% 이상 100%이하의 면적을 커버하도록 전지셀(110)의 상기 일면에 부착될 수 있다. 또한, 상기 전지셀(110)의 상기 일면에 대한 설계 공차를 고려했을 때, 접착부(600)는 전지셀(110)의 상기 일면의 면적의 90% 이상 101%이하의 면적을 커버하도록 전지셀(110)의 상기 일면에 부착될 수 있다.
앞서 설명한 비교예에 따른 접착부(60)와 달리, 본 실시예에 따른 접착부(600)는 전지셀(110)의 상기 일면의 대부분을 덮도록 부착될 수 있다. 이에 따라, 전지셀(110)의 상기 일면에 대한 균일 가압 구조를 구현할 수 있다. 좁은 영역에만 부착되던 접착부(60)와 다르게 본 실시예에 따른 접착부(600)는, 전지셀(110)의 표면에 가해지는 압력의 균일성을 확보할 수 있고, 이에 따라 전지셀(110)의 양 단부(114a, 114b)와 인접한 부분에서 일어나는 리튬 플레이팅(Li-Plating)의 문제를 해결하여, 전지 모듈(100)의 수명 성능을 개선할 수 있다.
한편, 도 4 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 하면부(240) 사이에 위치한 열전도성 수지층(700)을 더 포함할 수 있다.
열전도성 수지층(700)은 열전도성 수지(Thermal resin)를 하면부(240)에 도포하고, 도포된 열전도성 수지가 경화되어 형성되거나, 하면부(240)에 형성된 관통홀을 통해 열전도성 수지가 주입되어 형성될 수 있다. 특히, 전극 리드(111, 112)가 대향하는 양 방향으로 돌출된 전지셀(110)에 있어서, 전지셀 적층체(120) 중 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)들과 인접한 부분에 발열이 심한데, 열전도성 수지층(700)이, 발열이 심한 전지셀 적층체(120)의 양 부분에 대응되도록 2구역으로 나누어 형성될 수 있다.
상기 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지는, 도포 또는 주입 시에는 액상이나 도포 또는 주입 이후에 경화되어 전지셀 적층체(120)를 구성하는 하나 이상의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지 모듈의 하측으로 전달할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
100: 전지 모듈
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
200: 모듈 프레임
300: 엔드 플레이트
400: 압축 패드
500: 버스바 프레임
600: 접착부

Claims (17)

  1. 복수의 전지셀들이 적층되는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하고, 상기 전지셀들의 적층 방향에 따른 상기 전지셀 적층체의 양 측면을 각각 커버하는 측면부들을 포함하는 모듈 프레임; 및
    상기 전지셀들 중 인접한 전지셀들 사이 또는 상기 전지셀들 중 최외측에 위치한 전지셀과 상기 측면부 사이 중 적어도 한 곳에 배치되는 적어도 하나의 압축 패드;를 포함하고,
    상기 전지셀들의 상기 적층 방향을 기준으로, 상기 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 3% 이상인 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지셀들의 상기 적층 방향을 기준으로, 상기 전지셀당 여유 공간 비율(Reserved Space Ratio)이 3% 이상, 10% 이하인 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 전지셀당 여유 공간 비율은 (W-C-P)/C*100로 계산되고,
    상기 W는 상기 모듈 프레임의 상기 측면부들 사이의 거리 값이며,
    상기 C는 상기 전지셀들의 두께의 총합에 해당하는 값이고,
    상기 P는, 상기 전지셀 적층체와 상기 압축 패드가 상기 모듈 프레임에 수용된 상태에서, 압축된 상태의 상기 압축 패드 두께의 총합에 해당하는 값인 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 C는 상기 전지셀의 중심부의 두께 값과 상기 전지셀의 개수를 곱한 값인 전지 모듈.
  5. 제3항에서,
    상기 P는 압축된 상태의 상기 압축 패드의 두께 값과 상기 압축 패드의 개수를 곱한 값인 전지 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 전지셀들은 시트 형상의 파우치형 전지셀이고,
    상기 전지셀들의 일면이 상기 측면부와 평행하도록 상기 전지셀들이 직립 형태로 적층되는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 전지셀들 중 서로 대면하는 전지셀들 사이, 상기 전지셀과 상기 압축 패드 사이 또는 상기 측면부의 내측면 중 적어도 한곳에 위치하는 적어도 하나의 접착부를 더 포함하는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 접착부는 양면 테이프이거나 접착제가 도포되어 형성된 접착층인 전지 모듈.
  9. 제7항에서,
    상기 전지셀당 여유 공간 비율은 (W-C-P-D)/C*100로 계산되고,
    상기 W는 상기 모듈 프레임의 상기 측면부들 사이의 공간의 값이며,
    상기 C는 상기 전지셀들의 두께의 총합에 해당하는 값이고,
    상기 P는, 상기 전지셀 적층체와 상기 압축 패드가 상기 모듈 프레임에 수용된 상태에서, 압축된 상태의 상기 압축 패드 두께의 총합에 해당하는 값이며,
    상기 D는 상기 접착부의 두께의 총합에 해당하는 값인 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 C는 상기 전지셀의 중심부의 두께 값과 상기 전지셀의 개수를 곱한 값인 전지 모듈.
  11. 제9항에서,
    상기 P는 압축된 상태의 상기 압축 패드의 두께 값과 상기 압축 패드의 개수를 곱한 값인 전지 모듈.
  12. 제9항에서,
    상기 D는 상기 접착부의 두께 값과 상기 접착부의 개수를 곱한 값인 전지 모듈.
  13. 제7항에서,
    상기 전지셀들은 시트 형상의 파우치형 전지셀이고,
    상기 전지셀의 일면이 상기 측면부와 평행하도록 상기 전지셀들이 직립 형태로 적층되는 전지 모듈.
  14. 제13항에서,
    상기 접착부는 상기 전지셀의 상기 일면을 커버하도록 상기 전지셀의 상기 일면에 부착되는 전지 모듈.
  15. 제13항에서,
    상기 접착부는 상기 전지셀의 상기 일면의 면적의 90% 이상, 100%이하의 면적을 커버하도록 상기 전지셀의 상기 일면에 부착되는 전지 모듈.
  16. 제13항에서,
    상기 접착부는 상기 전지셀의 상기 일면의 면적의 90% 이상, 101%이하의 면적을 커버하도록 상기 전지셀의 상기 일면에 부착되는 전지 모듈.
  17. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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