JP2015522912A - 冷却効率性が向上した電池セル - Google Patents

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Abstract

本発明は、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の構造の１つ以上の電極組立体が電池ケースの内部に装着されており、充放電又は短絡の発生時に電極組立体の内部で発生する熱を放熱するための１つ以上の放熱部材が前記電極組立体の内部及び／又は電極組立体の外面に接触した状態で装着されており、前記放熱部材の一部が電極組立体の外部に露出していることを特徴とする電池セルを提供する。

Description

本発明は、冷却効率性が向上した電池セルに係り、より詳細には、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の構造の１つ以上の電極組立体が電池ケースの内部に装着されており、充放電又は短絡の発生時に電極組立体の内部から発生する熱を放熱するための１つ以上の放熱部材が前記電極組立体の内部及び／又は電極組立体の外面に接触した状態で装着されており、前記放熱部材の一部が電極組立体の外部に露出していることを特徴とする電池セルに関する。
近年、充放電可能な二次電池は、ワイヤレスモバイル機器のエネルギー源として広範囲に使用されている。また、二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの大気汚染などを解決するための方案として提示されている電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐｌｕｇ−Ｉｎ ＨＥＶ）などの動力源としても注目されている。
小型モバイル機器には、デバイス１台当たり１つ、または２乃至４つの電池セルが使用される一方、自動車などのような中大型デバイスには、高出力大容量の必要性により、多数の電池セルを電気的に接続した中大型電池モジュールが使用される。
中大型電池モジュールは、可能な限り小さい大きさ及び重量で製造されることが好ましいので、高い集積度で充積することができ、容量に比べて重量の小さい角形電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セル（単位電池）として主に使用されている。特に、アルミニウムラミネートシートなどを外装部材として使用するパウチ型電池は、重量が小さく、製造コストが低く、形状の変形が容易であるという利点により、最近多くの関心を集めている。
このような中大型電池モジュールを構成する電池セルは、充放電可能な二次電池で構成されており、充放電過程で電池の内部抵抗による発熱で電池の温度が上昇する。特に、放電時には電池の内部からの発熱反応熱まで加えられるので、発熱の程度がさらに大きく、それによる温度上昇はさらに大きくなる。電池の温度が上昇すると、電池の寿命特性が悪くなり、副反応によるガス発生などの問題が生じるため、電池を冷却することが重要な要素として作用することになる。
さらに、前記電池モジュールに広く使用されるパウチ型電池のラミネートシートは、熱伝導性の低い高分子物質で表面がコーティングされているので、電池セル全体の温度を効果的に冷却させることが難しい実情である。
特に、電気自動車の場合のように、高出力を出すために大きな電流を使用する場合には電池の発熱がさらい大きく、充放電過程で発生した電池モジュールの熱が効果的に除去されないと熱蓄積が発生するため、結果的に電池モジュールの劣化を促進し、場合によっては、発火又は爆発を誘発することがある。したがって、高出力大容量の電池である電池パックは、それに内蔵されている電池セルを冷却させる冷却システムが必要である。
また、最近、電池の容量を増加させ、価格を下げるために、個別電池の容量が増加しており、これによって、電池の発熱の問題も深刻になっている。
上記のような問題を解決するために、非効率的な直接空冷方式、効率性は向上するが、多くのコストがかかる放熱板を使用する間接空冷方式、放熱板内に水路を作って冷却水を流して冷却する水冷方式などが使用されてきた。
しかし、電池の外部で対流または伝導による熱伝逹に依存する方式は、電池の厚さが厚くなる場合に、電池セルの内部の中心で上昇した温度が電池セルの外部にある放熱板への温度伝達が容易でないため、電池セル全体の温度を均一に冷却させることができない。
上記のような問題を解決するためには、より大きなコストで冷却システムを作らなければならず、それによって、電池パックの価格が上昇するという問題が生じる。
また、針状導体の貫通などによる内部短絡が発生する際に、温度上昇を均一に抑制することができず、外部衝撃に対する電池の強度も低いため、電池の安全性確保の面でも限界がある。
したがって、高出力大容量の電力を提供しながらも、充放電過程で生じる発熱を効率的に冷却することができ、外部衝撃、針状導体の貫通などによる内部短絡時に、より効率的な方法による冷却と安全性及び寿命特性が向上した電池セルに対する必要性が高い実情である。
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
本出願の発明者らは、鋭意研究と様々な実験を重ねた結果、放熱部材を電極組立体の内部及び／又は電極組立体の外面に接触させ、放熱部材の一部が電極組立体の外部に露出するように電池セルを製造する場合に、電極組立体の内部から発生する熱を効果的に外部に放出することができ、電池の寿命特性を向上させることができ、コストの面でも優れた効果を発揮することを見出した。
したがって、本発明の目的は、電極組立体の内部から発生する熱を効果的に外部に放出させることによって、電池の寿命特性を向上させることができる電池セルを提供することになる。
本発明の他の目的は、針状導体の貫通による内部短絡が発生しても熱を効果的に外部に放出させることによって、温度の上昇を極力抑制し、外部衝撃に対する電池の強度に優れた電池セルを提供することにある。
また、本発明の更に他の目的は、前記電池セルを使用して冷却効率性を極大化させた電池モジュールないし電池パックを提供することにある。
このような目的を達成するための本発明に係る電池セルは、正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の構造の１つ以上の電極組立体が電池ケースの内部に装着されており、充放電又は短絡の発生時に電極組立体の内部から発生する熱を放熱するための１つ以上の放熱部材が前記電極組立体の内部及び／又は電極組立体の外面に接触した状態で装着されており、前記放熱部材の一部が電極組立体の外部に露出している構成となっている。
上述したように、本発明に係る電池セルの内部に含まれている放熱部材は、電池の内部に直接熱伝導が可能な金属放熱部材を入れることによって、従来のように、電池セルの外面に依存して外部に熱を伝達する非効率的な方式を向上させることができる。
また、放熱部材の一部が電極組立体に含まれることによって、針状導体の貫通による内部短絡の発生時に、温度の上昇を極力抑制するという顕著な効果があり、従来の電池ケースにのみ依存する電池セルよりも電池の強度も向上させることができる。このような効果によって電池の安定性をさらに向上させることができる。
一つの好ましい例において、前記放熱部材は、電極組立体の内部及び／又は電極組立体の外面に、より効果的に接触した状態を維持しながら装着可能なように板状構造からなることができる。
前記電池ケース収納部に装着される電極組立体は、多数の電極タブを接続して、正極、負極及びそれらの間に介在している分離膜からなる構造であれば特に制限されるものではなく、好ましくは、巻き取り型(ジェリーロール)、スタック型、またはスタック／フォールディング型からなる構造を挙げることができる。スタック／フォールディング型構造の電極組立体に対する詳細は、本出願人の韓国特許出願公開第２００１−００８２０５８号、第２００１−００８２０５９号及び第２００１−００８２０６０号に開示されており、前記出願は本発明の内容に参照として組み込まれる。
ジェリーロールの場合、好ましくは、その巻き取り中心に放熱部材が装着されている構造であってもよい。このような巻き取り中心に対する放熱部材の装着は、巻き取り過程で導入されてもよく、マンドレルによる巻き取り後、前記マンドレルを除去した後に放熱部材をその代わりに挿入してもよい。
本発明に係る電池セルは、場合によっては、２つ以上の電極組立体を含むことができ、この場合、放熱部材は、好ましくは、電極組立体の界面に介在している構造であってもよい。したがって、前記電極組立体の界面に放熱部材を接触させることによって、充放電時に電池セルの内部で発生する熱が前記放熱部材を経由して除去され得、装着過程は非常に容易である。
電池セルが２つ以上のジェリーロールを含む場合には、ジェリーロール間の界面に放熱部材を装着してもよいことは勿論である。
放熱部材の放熱効率は、電極組立体に接するそれの表面積によって影響を受けるので、例えば、放熱部材の厚さは、電極組立体全体の厚さに対して約０．１〜２０％であり、大きさは、電極組立体の幅を基準として５０％以上であってもよい。前記放熱部材の大きさが小さすぎる場合には、電池セルの熱を容易に伝達しにくく、逆に、大きすぎる場合には、電池セルの全体の大きさが大きくなるため、好ましくないが、放熱部材の前記大きさが前記例示した範囲に限定されないことは勿論である。
上述したように、放熱の効率性を高めるために放熱部材の一部が電極組立体の外部に露出しており、好ましい露出の大きさは、放熱部材全体の大きさを基準として１〜５０％、好ましくは、５〜４０％、より好ましくは、１０〜３０％の大きさとすることができる。放熱部材の露出の大きさは、電極組立体を基準として設定されてもよく、例えば、平面視において電極組立体の面積を基準として２〜３０％の大きさであってもよい。
一つの好ましい例において、前記放熱部材の少なくとも一側端部が電池ケースに接触している構造であってもよい。放熱部材の一側端部が電池ケースに接触することによって、内部で発生する熱が電池ケースを介して放熱されるので、効率的に放熱を達成することができる。
このような構造は、特に、電池ケースとして、金属素材からなる円筒形の金属缶を使用する円筒形電池セル、及び角形の金属缶を使用する角形電池セルにおいてより好ましい。
他の好ましい例において、前記放熱部材の少なくとも一側端部が電池ケースを経由して電池ケースの外部に延びている構造であってもよい。
放熱部材の少なくとも一側端部が電池ケースの外部に延びているので、充放電時に電池セルの内部で発生する熱が放熱部材を介して外部に伝達されるので、より効率的な冷却を達成することができる。このような構造は、特に、電池ケースが熱伝導性の多少低い素材ないし構造からなる場合にさらに好ましい。
例えば、電池ケースが、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートからなる場合に、熱伝導性の低い高分子物質で表面がコーティングされているため、電池セル全体の温度を効果的に冷却させることが難しいという問題があった。反面、上記のように、放熱部材の少なくとも一側端部が電池ケースの外部に延びている構造は、このような冷却問題を解決することができる。
この場合、前記ラミネートシートは、放熱部材の少なくとも一側端部が介在した状態で熱融着することができる。具体的に、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートは、一つの具体的な例において、アルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースの収納部に電極組立体が内蔵されており、放熱部材の少なくとも一側端部が介在した状態で、前記シートと分離されている別途のシート、またはそれから延びているシートを熱融着して密封して製造することができる。
上述したように、電池ケースの外部に露出した放熱部材の部位は、それの少なくとも一側端部であるので、例えば、放熱部材が、平面視で四角形である場合に、その１側端、２側端、３側端、または４側端が露出した構造であってもよく、各側端の全部または一部が露出した構造であってもよい。
好ましくは、前記放熱部材の少なくとも一側端部は、電極端子が位置する面の対向面または隣接した側面方向に延びていてもよい。
具体的に、電極組立体の界面に介在した放熱部材は、それぞれの充放電のための電極端子の反対方向に介在してもよく、充放電のための電極端子の横方向に介在してもよい。このような構造によって短絡の可能性を防止することができる。
前記放熱部材は、熱伝導性素材であれば特に制限されるものではなく、例えば、高い熱伝導性の金属素材からなることができる。
電池ケースの外部に露出した放熱部材の大きさは、特に制限されず、特に、前記放熱部材の冷却特性を極大化するために、その他の部材ないし装置を放熱部材に付加する場合には、電池セルの内部に位置する放熱部材の部位の大きさ以上に大きくすることができる。
本発明はまた、前記電池セルを２つ以上含む電池モジュールを提供する。
一つの好ましい例において、前記電池モジュールは、熱交換部材をさらに含んでおり、電池セルの外部に突出した放熱部材が前記熱交換部材に接触している構造であってもよい。このような放熱部材と熱交換部材との組み合わせは、効率的な熱伝達を可能にし、前記接触方法は、溶接や機械的締結などの様々な方法を用いることができる。
熱交換部材の構造は、特に制限されず、好ましくは、冷媒の流動のための１つまたは２つ以上の流路が形成されている構造であってもよい。例えば、熱交換部材に水などのような液相冷媒の流動のための冷媒流路を形成することによって、従来の空冷式構造に比べて高い信頼性で優れた冷却効果を発揮することができる。
具体的に、前記熱交換部材は、放熱部材に密着している基底部と、前記基底部に連結されており、冷媒流路が長手方向に貫通している両側面部と、前記両側面部の間で基底部から上向きに延びている多数の放熱フィンとを含む構造からなることができる。
したがって、電池セルの内部から放熱部材に伝達された熱が基底の下端面に密着して伝導され、両側面部を貫通した冷媒流路による水冷及び前記放熱フィンから所定の空冷をなすことによって、電池セルの放熱を効果的に行うことができる。
しかし、前記構造において空冷のみを達成できるように、熱交換部材から冷媒流路のみが除去された構造も可能であることは勿論である。
また、本発明は、所望の出力及び容量に応じて１つ以上の電池モジュールを組み合わせて製造される電池パック、及び前記電池パックを含むデバイスを提供する。
本発明に係るデバイスは高出力大容量の達成のために多数の電池パックを含むことができる。本発明に係る電池パックは、充放電時に発生する高熱の安全性の面で深刻に台頭している電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置などの電源として好ましく使用することができる。
特に、長時間にわたって電池パックから高い出力が要求される電気自動車とプラグインハイブリッド電気自動車の場合に、高い放熱特性が要求されるところ、そのような観点から本発明に係る電池パックは、電気自動車とプラグインハイブリッド電気自動車にさらに好ましく使用することができる。
上述した電池モジュール、電池パック、デバイスは、電池セルを使用する当該分野においてその構造及び作製方法が公知となっているので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。
本発明の一つの実施例に係る放熱部材が電極組立体に介在している電池セルの内部の模式図である。 本発明の他の実施例に係る放熱部材が電極組立体に介在している電池セルの内部の模式図である。 図２の平面図である。 本発明の更に他の実施例に係る放熱部材が電極組立体に介在している電池セルの内部の模式図である。 図４の平面図である。 一つの例示的な熱交換部材の模式図である。 本発明の一つの実施例に係る電池パック構造の模式図である。
以下、本発明の実施例に係る図面を参照して本発明をさらに詳述するが、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図１には、本発明の一つの実施例に係る放熱部材が電極組立体に介在している電池セルの内部が模式的に示されている。
図１を参照すると、電池セル１００は、２つ以上の電極組立体１５０，１６０、それぞれの電極組立体１５０，１６０から延びている電極タブ１３０，１４０、電極タブ１３０，１４０に溶接されている電極リード１１０、電極組立体１５０，１６０の間に介在している放熱部材１８０、外面を覆っている電池ケース１７０などを含んでいる。電池ケース１７０は角形の金属缶からなっている。
放熱部材１８０は、その少なくとも一側端部が電極組立体１５０，１６０の外面に露出している。露出した大きさ（ｌ）は、電極組立体１５０，１６０全体の大きさ（Ｌ）を基準として約１０％程度の大きさである。
さらに、露出した放熱部材１８０は、電池ケース１７０の内面に接触している。そのために、電極組立体の外面に露出した放熱部材１８０の一側端部が、電池ケース１７０との接触面積を広くするために折れ曲がった形状に構成されている。したがって、放熱部材１８０の一側端部が電池ケース１７０に接触することによって、内部から発生する熱が電池ケース１７０を介して放熱されるので、効率的に放熱を達成することができる。
また、放熱部材１８０が電極組立体間の界面に位置しているので、電池セルの内部の熱が放熱部材１８０にさらに効率的に伝導されて、放熱部材１８０の一側端部を介して放熱される構造となっている。
一般に、電極組立体から発生した熱は電池ケースを介して外部に放出されるので、電極組立体から熱が発生する場合に、電極組立体の内側の温度が外側の温度よりも高く形成される。したがって、電池ケース内に２つの電極組立体を収納し、電極組立体間に放熱部を介在することによって、電池ケースと隣接していない内側部位の熱を効果的に除去することができる構造を形成している。
図２には、本発明の他の実施例に係る放熱部材が電極組立体に介在している電池セルの内部が模式的に示されており、図３には、図２の平面図が示されている。
図２及び図３を参照すると、放熱部材１８０の一側端部１８１は電池ケース１７２の外部に延びている。電池ケース１７２は、金属層と樹脂層を含むラミネートシートからなっており、放熱部材１８０が介在した状態でラミネートシートを熱融着して電池ケース１７２の外部に一部を露出させた状態で電池セル２００を構成する。電池ケース１７２には、例えば、スタックまたはスタック／フォールディング型電極組立体１５０，１６０が収納されている。
したがって、充放電時に電池セルの内部で発生する熱が放熱部材１８０を介して外部に伝達されるので、より効率的な冷却を達成することができる。すなわち、放熱部材１８０の一部を電池ケース１７０の外部に露出させることによって、正常な条件下での充放電時に発生する熱だけでなく、針状貫通試験で内部短絡によって温度が急激に上昇することを大きく抑制することができる。さらに、電極組立体１５０，１６０の機械的強度の上昇により、結果的に電池セルの剛性を向上させることができる。
放熱部材１８０の一側端部１８１は、電極端子１１２，１１４が位置する面の対向面の方向に延びているので、短絡を防止することができる。
図４には、本発明の更に他の実施例に係る放熱部材が電極組立体に介在している電池セルの内部が模式的に示されており、図５には、図４の平面図が示されている。
図４及び図５を参照すると、放熱部材１８０の少なくとも一側端部１８１が、電極端子１１２，１１４が位置する面の隣接した側面方向に延びている。放熱部材１８０の一側端部１８１が電池ケース１７２の外部に延びているので、充放電時に電池セルの内部で発生する熱が放熱部材１８０を介して外部に伝達されるので、より効率的な冷却を達成することができる。
図６には、本発明に使用することができる一つの例示的な熱交換部材が模式的に示されており、図７には、本発明の一つの実施例によって熱交換部材が放熱部材に連結された電池パック構造が模式的に示されている。
図６及び図７を参照すると、電池パック７００は、多数の電池セル２００が側面方向に対面するように積層されており、電極端子１１２，１１４の対向方向に露出した放熱部材の一側端部１８１に熱交換部材６００が位置している。
熱交換部材６００は、電池セルの外部に突出した放熱部材の一側端部１８１と連結され、放熱部材の一側端部１８１の下端面に密着している基底部６１０と、基底部６１０に連結され、冷媒流路６２１，６２２が長手方向に貫通している両側面部６２０，６２０’と、両側面部６２０，６２０’の間で基底部６１０から上向きに延びている多数の放熱フィン６３０とを含む構造となっている。
したがって、水のような冷媒の流動のための冷媒流路６２１，６２２が形成されており、多数の放熱フィン６３０は、空気の流動のために所定の離隔間隔（Ｄ）を有しているので、放熱部材１８０から伝達された熱を高い信頼性及び優れた冷却効率性で除去することができる。
本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る電池セルは、電池の放熱を促進するための放熱部材が電極組立体の内部及び／又は電極組立体の外面に接触した状態で電極組立体の外部に露出しているので、電池セルの内部で発生する熱を効果的に外部に放出することができ、それによって、電池の寿命特性を向上させることができる。
好ましくは、電池セルの外部に突出した放熱部材が熱交換部材に接触していることで、冷却構造を単純化することができ、電池モジュールないし電池パックの安全性をより向上させることができる。
１ デバイス
１００ 電池セル
１１０ 電極リード
１１２，１１４ 電極端子
１３０，１４０ 電極タブ
１５０，１６０ 電極組立体、フォールディング型電極組立体
１７０，１７２ 電池ケース
１８０ 放熱部材
１８１ 一側端部
２００ 電池セル
６００ 熱交換部材
６１０ 基底部
６２０，６２０’ 両側面部
６２１，６２２ 冷媒流路
６３０ 放熱フィン
７００ 電池パック

Claims (20)

  1. 正極、負極、及び前記正極と負極との間に介在した分離膜の構造の１つ以上の電極組立体が電池ケースの内部に装着されており、充放電又は短絡の発生時に電極組立体の内部で発生する熱を放熱するための１つ以上の放熱部材が前記電極組立体の内部及び／又は電極組立体の外面に接触した状態で装着されており、前記放熱部材の一部が電極組立体の外部に露出していることを特徴とする、電池セル。
  2. 前記放熱部材は板状構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  3. 前記電極組立体は巻き取り型構造（ジェリーロール）からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  4. 前記電極組立体はスタック型またはスタック／フォールディング型構造からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  5. 前記ジェリーロールの巻き取り中心に放熱部材が装着されていることを特徴とする、請求項３に記載の電池セル。
  6. 前記電池セルは、２つ以上の電極組立体を含んでおり、前記電極組立体の界面に放熱部材が介在していることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  7. 前記放熱部材の少なくとも一側端部が電池ケースに接触していることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  8. 前記電池ケースは金属素材の円筒形または角形ケースであることを特徴とする、請求項７に記載の電池セル。
  9. 前記放熱部材の少なくとも一側端部が電池ケースの外部に延びていることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  10. 前記電池ケースは、樹脂層及び金属層を含むラミネートシートからなっており、前記ラミネートシートは、放熱部材の少なくとも一側端部が介在した状態で熱融着されることを特徴とする、請求項９に記載の電池セル。
  11. 前記放熱部材の少なくとも一側端部は、電極端子が位置する面の対向面または隣接した側面方向に延びていることを特徴とする、請求項９に記載の電池セル。
  12. 前記放熱部材は熱伝導性素材からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  13. 前記放熱部材は金属素材からなることを特徴とする、請求項１に記載の電池セル。
  14. 請求項１乃至１３のいずれかに記載の電池セルが２つ以上含まれていることを特徴とする、電池モジュール。
  15. 前記電池モジュールは、熱交換部材を含んでおり、電池セルの外部に突出した放熱部材が前記熱交換部材に接触していることを特徴とする、請求項１４に記載の電池モジュール。
  16. 前記熱交換部材には冷媒の流動のための１つ又は２つ以上の流路が形成されていることを特徴とする、請求項１５に記載の電池モジュール。
  17. 前記熱交換部材は、放熱部材に密着している基底部と、前記基底部に連結されており、冷媒流路が長手方向に貫通している両側面部と、及び前記両側面部の間で基底部から上向きに延びている多数の放熱フィンとを含む構造からなることを特徴とする、請求項１６に記載の電池モジュール。
  18. 出力及び容量に対応して請求項１４に記載の電池モジュールを１つ以上を含んでいる、電池パック。
  19. 請求項１８に記載の電池パックを含んでいる、デバイス。
  20. 前記デバイスは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置であることを特徴とする、請求項１９に記載のデバイス。
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