JP2017534143A - 二次電池用冷却プレート及びこれを含む二次電池モジュール - Google Patents

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Abstract

本発明は、平板状の冷却プレートにおいて、前記冷却プレート内に該長手方向に沿って複数個の冷却部が互いに離隔して形成され、前記冷却部の内側面には複数個の補強リブが形成されている二次電池用冷却プレート、及びこれを含む二次電池モジュールに関する。本発明に係る二次電池用冷却プレートは、外部衝撃及び刺激による電池モジュールの貫通の際に変形が最小化され、その結果として冷却プレートの変形が単位電池に及ぶ影響を減少させ、電池モジュール内の単位電池でのショートの発生を抑制することにより電池の安全性を改善させることができる。また、充放電の際に発生する熱を効果的に発散させて電池の容量特性の低下を防止し、電池の寿命特性及び電池性能の信頼性を向上させることができる。

Description

本発明は、優れた冷却効果とともに、外部衝撃及び刺激による電池モジュールの貫通の際に変形が最小化され、その結果として隣接する単位電池に及ぶ影響を減少させて電池の安全性を向上させることができる二次電池用冷却プレート、及びこれを含む二次電池モジュールに関する。
本出願は、2014年11月17日付韓国特許出願第10-2014-0160228号及び2015年11月4日付韓国特許出願第10-2015-0154411号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
モバイル機器に対する技術の開発と需要の増加に伴い、エネルギー源としての電池の需要が急激に増加しており、それに伴って多様な要求に応えることができる電池に対する多くの研究が行われている。
代表的に、電池の形状の面では、薄い厚さで携帯電話などのような製品に適用可能なパウチ型二次電池に対する需要が高く、材料の面では高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性のリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などのようなリチウム二次電池に対する需要が高い。
前記二次電池は、円筒状、角形などの多様な形状を有することができ、大電力を要する機器、例えば、電気自動車などのモーターの駆動に用いられる場合、一つの二次電池を単位電池にして複数個直列に連結し、大容量の大容量二次電池アセンブリー（以下、「電池モジュール」と記す）を構成することになる。
前記電池モジュールを構成するそれぞれの単位電池は、正極板と負極板がセパレーターを介在して積層された電極組立体と、前記電極組立体が内蔵される空間部を備える電池ケースと、前記電池ケースの外部に一部露出され、前記電極組立体に備えられた正、負極板の集電体と電気的に連結されている正、負極の電極端子とを含む。そして、それぞれの単位電池は、例えば、角形二次電池の場合、電池ケースの上部に突出された正極端子及び負極端子が、隣接する単位電池の正極端子及び負極端子と交互に交差して配列されたあと、負極端子と正極端子をそれぞれ連結して電池モジュールを構成することになる。
このとき、前記電池モジュールは、数個から数十個の単位電池が連結されてなるため、各単位電池から発生する熱が容易に放出されなければならない。
電池モジュールの熱放出特性は、電池の性能を左右するほどに非常に重要である。電池の充放電時に熱の出入りが伴われ、このときに発生する熱量は、単位電池の容量、即ち、スタッキングされた単位電池の数に比例する。充放電時に発生した熱は休止期の間に放出されるようになるところ、厚い電池であるほど放電時に発生した熱が休止期の間に十分放出されない傾向がある。このように発生した熱が電池内に累積される場合、電池内部の温度の上昇をもたらして結果的に電池の性能を低下させ、甚だしい場合は爆発の危険を招来することになる。特に、前記電池モジュールが電動掃除機、電動スクーターまたは自動車用のモーター駆動用の大容量二次電池として適用される場合、大電流に充放電されるため、電池の内部で発生する熱によって相当な温度まで電池の温度が上昇することになる。
これに伴い、電池モジュール内に発生する熱を効果的に放出することができる冷却プレートの開発が求められる。
韓国特許公開第2012-0048938号公報（2012.05.16.公開）
本発明が解決しようとする第1技術的課題は、優れた冷却効果とともに、外部衝撃及び刺激による電池モジュールの貫通の際に変形が最小化され、その結果として隣接する単位電池に及ぶ影響が減少されて単位電池でのショートの発生が抑制されるなど、電池の安全性を向上させることができる二次電池用冷却プレートを提供することである。
さらに、本発明が解決しようとする第2技術的課題は、前記冷却プレートを含む二次電池モジュール及び電池パックを提供することである。
しかし、本発明が達成しようとする技術的課題は以上で言及した課題等に制限されず、言及されていないさらに他の課題は、下記の記載から当業者に明確に理解され得るはずである。
前記課題を解決するため、本発明の一実施形態によれば、平板状の冷却プレートにおいて、前記冷却プレート内に長手方向に沿って複数個の冷却部が互いに離隔して形成され、前記冷却部の内側面には複数個の補強リブが形成されている二次電池用冷却プレートを提供する。
また、本発明の他の一実施形態によれば、充放電が可能な複数個の単位電池が間隔を置いて配列される二次電池モジュールにおいて、前記単位電池の間に前記冷却プレートが介在されている二次電池モジュールを提供する。
さらに、本発明のさらに他の一実施形態によれば、前記二次電池モジュールを含む電池パックを提供する。
その他、本発明の実施形態等の具体的な事柄は、以下の詳細な説明に含まれている。
本発明に係る二次電池用冷却プレートは、外部衝撃及び刺激による電池モジュールの貫通の際に変形が最小化され、その結果として冷却プレートの変形が単位電池に及ぶ影響を減少させ、電池モジュール内の単位電池でのショートの発生を抑制することによって電池の安全性を改善させることができる。また、充放電の際に発生する熱を効果的に発散させて電池の容量特性の低下を防止し、電池の寿命特性及び電池性能の信頼性を向上させることができる。
本明細書の次の図面等は本発明の好ましい実施形態を例示するものであり、前述した発明の内容とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を担うものなので、本発明はかかる図面に記載されている事柄だけに限定して解釈されてはならない。
本発明の一実施形態に係る二次電池用冷却プレートの構造を概略的に示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池用冷却プレートにおいて、多様な構造を有する冷却部を示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池用冷却プレートにおいて、多様な構造を有する冷却部を示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池用冷却プレートにおいて、多様な構造を有する冷却部を示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの構造を概略的に示した分解斜視図である。 実験例1での冷却プレートの放熱効果を観察した結果を示したグラフである。 実験例2での冷却プレートのサイクル特性改善の効果を観察した結果を示したグラフである。 平板状冷却プレートが設けられた場合のネール（nail）貫通実験に対する図である。 本発明の一実施形態に係る冷却プレートが設けられた場合のネール（nail）貫通実験に対する図である。
以下では、図面を参照しながら、本発明に係る構成及び作用を具体的に説明する。図面を参照しながら説明することにおいて、図面符号に係わりなく同一な構成要素には同一な参照符号を与え、これに対する重複説明は省略する。第1、第2などの用語は多様な構成要素の説明に用いられ得るが、前記構成要素等は前記用語等によって限定されてはならない。前記用語等は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的だけに用いられる。
〔冷却プレート〕
図1は、本発明の一実施形態に係る二次電池用冷却プレートの構造を概略的に示した斜視図である。図1は、本発明を説明するための一例であるだけで、本発明がこれに限定されるものではない。
以下、図1を参照しながら説明すれば、本発明の一実施形態に係る二次電池用冷却プレート20は、平板状の冷却プレートであって、前記冷却プレート内にその長手方向（y軸方向）に沿って複数個の冷却部21が互いに離隔して形成され、前記冷却部の内側面には複数個の補強リブ22が形成されたものである。また、前記冷却部21の上部には二次電池モジュール内の冷却プレートの設置及び支持のための補強部23がさらに設けられてもよい。
一般に、冷却プレートは、単位電池等の間に介在されて単位電池の体積の膨張及び破損を防止し、単位電池から発生した熱を速やかに外部へ放出させて単位電池の冷却効率を増加させる役割を担う。
従来、冷却プレートとしては主にアルミニウム材質の平板状冷却プレートが用いられており、電池モジュール内空間の余裕がなく単位電池の間に密着して含まれていた。これに伴い、ネール貫通実験の際のような外部衝撃が加えられる場合、冷却プレートに垂直方向への変形が生じることになり、これは隣接する単位電池を変形させてショートが発生した。また、充放電の間に、特に高温での充放電の間に単位電池から発生する熱が、充放電サイクルの間の休止期（rest step）中に十分冷却できずに累積され、電池容量の劣化を加速化して寿命特性及び電池性能の信頼性を低下させた。
これに対し、本発明では、ネール貫通実験のような外部からの衝撃及び刺激が印加される場合、冷却プレートの変形を最小化して隣接する単位電池の変形を減少させ、その結果としてショートの発生を抑制することができるよう、冷却プレート20の内部に空の空間形態の冷却部21を設け、また、前記冷却部に補強リブ22を形成して凹凸構造を有するようにすることで、補強効果とともに空間の充放電時に発生する熱を効果的に発散させ、電池の安全性、寿命特性、そして電池性能の信頼性を向上させることを特徴とする。
具体的に、本発明の一実施形態に係る冷却プレート20は、その長手方向（y軸方向）に沿って複数個の冷却部21が互いに離隔して形成され、また前記冷却部の内側面には複数個の補強リブ22が形成されたものである。
より具体的に、前記冷却プレート20は、前記冷却部が形成された単一構造体であってもよく、もしくは、前記冷却部が形成されるよう二つ以上の板材が対向して配置された2層以上の構造体であってもよい。
また、前記冷却プレートが2層構造体の場合、前記冷却プレートは分離自在に結合される第1板材及び第2板材を含み、前記第1板材と第2板材の間に冷却プレートの長手方向（y軸方向）に沿って離隔して形成された複数個の冷却部を含み、前記冷却部の内側面には複数個の補強リブが形成され、前記補強リブは、前記第1板材に突出して形成された複数個の第1リブと、第2板材に突出して形成された複数個の第2リブとを含むことができる。
このとき、前記第1及び第2板材は、それぞれ独立して前記冷却プレートの厚さに対し0.2倍から0.5倍の厚さ、より具体的には0.25倍から0.4倍の厚さを有することができる。
また、前記第1板材に突出して形成される複数の前記第1リブは、0.1mmから1mmの幅を有することができ、単位冷却部内に0.1mmから1mmの間隔で離隔して形成されてよい。さらに、前記第1リブにおいて、単位リブそれぞれの幅及び離隔距離は前記範囲内で均一であってもよく、不均一であってもよい。
また、前記第1リブは、前記冷却プレートの厚さに対し0.1倍から0.3倍の厚さ、より具体的には0.15倍から0.25倍の厚さに該当する高さを有することができる。さらに、前記第1リブにおいて、単位リブそれぞれの高さは前記範囲内で同一であってもよく、相違してもよい。
一方、前記第2板材に突出して形成される複数の前記第2リブは、0.1mmから1mmの幅を有することができ、単位冷却部内に0.1mmから1mmの間隔で離隔して形成されてよい。また、前記第2リブにおいて、単位リブそれぞれの幅及び離隔距離は前記範囲内で均一であってもよく、不均一であってもよい。
また、前記第2リブは、前記冷却プレートの厚さに対し0.1倍から0.3倍の厚さ、より具体的には0.15倍から0.25倍の厚さに該当する高さを有することができる。さらに、前記第1リブにおいて、単位リブそれぞれの高さは前記範囲内で同一であってもよく、相違してもよい。
また、前記第1及び第2リブは、前記範囲内で互いに同一な幅を有することもでき、互いに異なる幅を有することもできる。
また、前記第1及び第2リブは、前記範囲内で互いに正面対応するか、交互に位置することができるよう同一な離隔距離で離隔して形成されてもよく、もしくは、一部だけが対応するように互いに異なる離隔距離で離隔して形成されてもよい。
また、前記第1及び第2リブは同一な高さを有することもでき、互いに異なる高さを有することもできる。
また、前記第1及び第2リブは、それぞれ独立して四角形、半球型、ピラミッド型などの多様な形態を有することができ、これらのうちいずれか一つまたは二つ以上の形態が混合して含まれてよい。さらに、前記第1及び第2リブは互いに同一な形態を有することもでき、互いに異なる形態を有することもできる。
また、前記冷却プレート20内、前記第1板材と第2板材の間に複数個の前記冷却部の間を区切る区画部がさらに設けられてよく、前記区画部は、第1板材と第2板材の内側面でそれぞれ突出して形成されて各端部が当接することができる。
具体的に、前記区画部は、0.1mmから2mmの幅、より具体的に0.5mmから1mmの幅を有することができる。
また、前記冷却プレート20において、前記第1リブと第2リブは互いに対向して配置され得る。
具体的に、前記第1リブと第2リブの端部が所定の間隔を置いて離れ対向して配置され得る。このとき、前記第1リブの端部と第2リブの端部が、冷却プレートの厚さに対し0.05倍から0.15倍の厚さ、より具体的には0.1倍から0.14倍の厚さに該当する間隔を置いて離れ対向して配置され得る。
また、前記冷却プレート20において、前記第1リブと第2リブは交互に配置され得る。
このとき、前記第1リブと第2リブの各端部は互いに重畳されるか、もしくは前記第1リブと第2リブの端部が一直線上に位置することができる。
前記第1リブと第2リブの各端部が互いに重畳される場合、前記第1リブと第2リブの各端部が、冷却プレートの厚さに対し0.05倍から0.1倍の厚さ、より具体的に0.06倍から0.08倍の厚さに該当する高さで重畳され得る。
図2から図4は、2層構造体の冷却プレートにおいて、前記冷却プレートの冷却部内に突出して形成された補強リブの多様な形態を示した図である。図2から図4は、本発明を説明するための例であるだけで、本発明がこれらに限定されるものではない。
以下、図2から図4を参照しながら説明すれば、また、前記冷却プレート20が2層構造体の場合、前記冷却プレート20は分離自在に結合される第1板材20a及び第2板材20bを含み、冷却プレートの長手方向（y軸方向）に沿って離隔して形成された複数個の冷却部21を含み、前記冷却部21の内側面には複数個の補強リブ22が形成され、前記補強リブ22は、前記第1板材20aに突出して形成された複数個の第1リブ22aと、第2板材20bに突出して形成された複数個の第2リブ22bとを含むことができる。
また、前記第1板材20aと第2板材20bの間に、複数個の前記冷却部21の間を区切る区画部21cがさらに設けられてよく、前記区画部21cは、第1板材20aと第2板材20bの内側面でそれぞれ突出して形成されて各端部が当接することができる。
前記冷却プレート20において、第1板材20aと第2板材20b、第1リブ22a、第2リブ22b及び区画部22cの具体的な特徴は、前記で説明した通りである。また、図2でa1は前記第1板材20aの厚さを、b1は前記第2板材の厚さを、c1は第1リブ22aの高さを、d1は第2リブ22bの高さを、そしてe1は前記第1リブ22a末端部と第2リブ22b末端部の間の間隔（または離隔距離）を表し、その具体的な値は前記で説明したところと同一である。
また、前記冷却プレート20において、前記第1リブ22aと第2リブ22bは互いに対向して配置され得る。
具体的に、図2に示されているところのように、前記第1リブ22aと第2リブ22bの端部は所定の間隔を置いて離れ対向して配置されてよく、より具体的に、前記第1リブ22aと第2リブ22bの端部が、冷却プレートの厚さに対し0.05から0.15倍の厚さに該当する離隔距離（e1）を置いて離れ対向して配置されてよい。
この場合、前記第1板材及び第2板材の厚さ（a1、b1）、第1リブと第2リブの高さ（c1、d1）、及び第1リブ末端と第2リブ末端の離隔距離（e1）の全長（a1+b1+c1+d1+e1）が冷却プレートの厚さに該当する。
また、前記冷却プレート20において、前記第1リブ22aと第2リブ22bは交互に配置されてよい。
このとき、前記第1リブ22aと第2リブ22bの各端部は、図3に示されているところのように互いに重畳されるか、または、図4に示されているところのように、前記第1リブ22aと第2リブ22bの端部が一直線上に位置することができる。
前記第1リブ22aと第2リブ22bの端部が互いに重畳される場合、その重畳部の高さ（e2）は、前記冷却プレートの厚さに対し0.05から0.1倍の厚さ、より具体的に0.06から0.08倍の厚さに該当する高さで重畳されてよい。この場合、前記第1板材及び第2板材の厚さ（a2、b2）及び第1リブと第2リブの高さ（c2、d2）の全長から、前記第1リブと第2リブが重畳された高さを引いた長さ（a1+b1+c1+d1-e1）が冷却プレートの厚さに該当する。
また、前記第1リブ22aと第2リブ22bの端部が一直線上に位置する場合、前記第1板材及び第2板材の厚さ（a3、b3）、及び第1リブと第2リブの高さ（c3、d3）の全長（a3+b3+c3+d3）が冷却プレートの厚さに該当する。
また、前記冷却プレート20は、前記冷却部21の上部に二次電池モジュール内の冷却プレートの設置及び支持のための補強部23をさらに含むこともできる。これに伴い、前記冷却プレートにおける冷却部21が位置する面は単位電池の発熱面に接し、補強部22は前記単位電池の外側を通ることになる。
具体的に、前記補強部23は四角平板であってよく、前記冷却部21の上部に冷却部と一体型に形成されてもよく、または、前記冷却部とは別途の部材として形成されたあと、溶接などを介して接合されてもよい。
さらに、前記冷却プレート20は、具体的に平板状の形状を有するものであってよく、また、単位電池の前面と対応される大きさを有することができる。前記のような冷却プレートは、前面が単位電池の一側前面に接し、一側端は前記単位電池の外側を通ることになる。これに伴い、前記二次電池モジュールに供給された冷却用空気は、前記冷却プレート内のメッシュを通って流動されながら冷却プレートに伝達された熱を外部へ冷却させることになる。
また、前記冷却プレート20には、通常冷却プレートの製造に用いるものであれば、特別な制限なく使用可能である。具体的に、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレススチール、銅、銀、または酸化アルミニウムなどを挙げることができ、これらのうち1種単独または2種以上の混合物が用いられ得る。より具体的には、前記冷却プレート20はアルミニウムまたはアルミニウム合金を含むことができる。さらに、前記冷却プレートを構成する第1板材、第2板材、第1リブ、第2リブ、区画部及び補強部もまた前記と同一な材質を含むことができる。
また、前記冷却プレート20の厚さは1.5mmから3mmであってよく、より具体的には1.7mmから2mmであってよい。
また、前記冷却プレート20は、70体積%から90体積%の開口率を有することが好ましい。前記範囲内の開口率を有するとき、冷却プレートの変形防止及び冷却効率の向上を同時に達成することができる。
〔二次電池モジュール〕
また、本発明の他の一実施形態によれば、前記冷却プレートを含む二次電池モジュールが提供される。
具体的に、前記二次電池モジュールは、充放電が可能な複数個の単位電池が間隔を置いて配列され、前記単位電池の間に前記冷却プレートが介在されているものである。
図5は、本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの構造を概略的に示した分解斜視図である。図5は、本発明を説明するための一例であるだけで、本発明がこれに限定されるものではない。
以下、図5を参照しながら説明すれば、本発明の一実施形態に係る二次電池モジュール100は、充放電が可能な複数個の単位電池10が間隔を置いて配列され、前記単位電池10の間に平板状冷却プレート20が介在され、前記冷却プレート内にその長手方向（y軸方向）に沿って複数個の冷却部21が互いに離隔して形成され、前記冷却部の内側面には複数個の補強リブ22が形成されたものである。
より具体的に、前記二次電池モジュール100は、複数個の単位電池がコネクター（図示省略）によって直列または並列に電気的に連結されるとともに、結束バンド（図示省略）によって締められ、モジュール化されてなるところ、このとき、二次電池モジュール100は、各単位電池10の間に配置された冷却プレート20を含んでなる。また、前記二次電池モジュール100は、好ましくは、結束バンドで締められるとき、単位電池10の破損を防止するエンディングプレート（図示省略）をさらに含むことができる。
前記二次電池モジュールは、外部ケースをなす別途のハウジング（図示省略）内に設けられてよく、このとき、前記ハウジングに供給された冷却用空気は単位電池10の間に介在された冷却プレート20を通ることになり、この過程で単位電池から発生した熱が交換され、交換された空気はハウジングの外部へ排出されることにより、単位電池から発生した熱を外部へ放出させることになる。
一方、前記二次電池モジュール100において、前記単位電池10は、正極板と負極板がセパレーターを挟んで位置する電極組立体を備えて電力を生産する単位であって、電池ケースに収納された形態で含まれ得る。
具体的に、前記単位電池10は、電極組立体、前記電極組立体を収納することができる内部空間が形成されている電池ケース、一側の末端（例えば、一端）は前記電極組立体に連結されており、他側の末端（例えば、他端）は前記電池ケースの外部に突出されている正極及び負極の電極リードと、前記電池ケースの入口を密封させたシーリング部を含むことができる。
前記単位電池10における電池ケースは、上部ラミネートシートと下部ラミネートシートからなるパウチ型電池ケースであってよく、前記電池ケースの外周面に沿って上部ラミネートシートと下部ラミネートシートが熱融着して形成されるシーリング部を備える構造に具現することもできる。
また、前記電池ケースを構成する前記上/下ラミネートシートは、金属層とこれを覆う樹脂層を含むラミネートシートであってよい。より具体的には、熱圧着性を有してシーリング材としての役割を担う内部層であるポリオレフィン系樹脂層（Polyolepin Layer）と、機械的強度を維持して水分と酸素のバリア層としての役割を担う金属箔層（主にアルミニウム層である）と、保護層として働く外部層（主にナイロン層である）とが順次積層されている多層膜構造で構成されている。ポリオレフィン系樹脂層としてよく用いられるものにはCPP（Casted Polypropylene）がある。
また、前記シーリング部は、電池ケースの上部ラミネートシートと下部ラミネートシートが接する外周面部位に熱と圧力をかけて樹脂層を互いに熱圧着させて形成する。このとき、電極リードが安置されていない外周面部分は、上/下ラミネートシートが同一な樹脂層なので、直接的な溶融によって均一な密封が可能である。具体的に、前記熱圧着工程は、電気熱とプレスを利用して120から250℃の下で、0.1MPaから10MPa条件で実施することができる。
一方、電極リードが安置される電池ケースの上段部の外周面には電極リードが突出されているので、電極リードの厚さ及び電池ケースの素材との異質性を考慮し、密封性を高めることができるように電極リードとの間に絶縁フィルムを介在した状態で熱圧着させることが好ましいが、必ずしもこれに制限されるものではない。
また、前記電極組立体は、複数の電極タブを連結して正極と負極を構成する構造であれば特に制限されるものではない。
具体的に、前記電極組立体は、正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を含む正極板と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を含む負極板とが、分離膜を介在して積層されたスタック型電極組立体であってよい。
また、前記電極組立体は、正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を含む正極板と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を含む負極板とが、分離膜を介在して対向するように巻き取られているゼリーロール型電極組立体であってよい。
また、前記電極組立体は、正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を含む正極板と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を含む負極板とが分離膜を介在して積層された単位電極組立体が複数個重畳され、それぞれの重畳部は分離フィルムが介在され、前記分離フィルムはそれぞれの単位電極組立体を取り囲むスタックフォールディング型電極組立体であってよい。
前記スタック型及びゼリーロール型の構造は当業界に広く公知のものなので、本明細書でそれに対する説明は省略する。また、前記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しい内容は、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号公報に開示されており、前記出願は本発明の内容に参照として合体される。
より具体的に、本発明の一実施形態に係る二次電池において、前記電極組立体はスタックフォールディング型電極組立体であってよい。
一方、前記電極組立体において、負極板は負極集電体、及び前記負極集電体の少なくとも一面、好ましくは両面に負極活物質がコーティングされた負極活物質コーティング部を含む。
前記負極板において、負極集電体は、電池に化学的変化を誘発することなく、高い導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム-カドミウム合金などが用いられ得る。
また、前記負極集電体は3umから500umの厚さを有することができる。
また、前記負極集電体の表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもできる。例えば、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態に用いられ得る。
また、前記負極活物質コーティング部は、負極活物質、バインダー及び導電材を含む。
前記負極活物質には、リチウムの可逆的なインターカレーション及びジインターカレーションが可能な化合物が用いられ得る。具体的な例には、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化炭素繊維、非晶質炭素などの炭素質材料；Si、Al、Sn、Pb、Zn、Bi、In、Mg、Ga、Cd、Si合金、Sn合金またはAl合金などのリチウムとの合金化が可能な金属質化合物；または金属質化合物と炭素質材料を含む複合物；またはSiOx（0＜x＜2）のようなシリコン系化合物などを挙げることができ、これらのうち1種単独または2種以上の混合物が用いられ得る。さらに、前記負極活物質として金属リチウム薄膜が用いられてもよい。
前記バインダーは、負極活物質粒子等の間の付着、及び負極活物質と負極集電体との接着力を向上させる役割を担う。具体的な例には、ポリビニリデンフルオリド（PVDF）、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（CMC）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンポリマー（EPDM）、スルホン化-EPDM、エチレン-（メト）アクリル酸共重合体、スチレン-ブタジエンゴム、フッ素ゴムまたはこれらの多様な共重合体などを挙げることができ、これらのうち1種単独または2種以上の混合物が用いられ得る。
前記のようなバインダーは、負極活物質コーティング部の総重量に対して1重量%から30重量%で含まれ得る。
また、前記導電材は、電極に導電性を与えるために用いられるものであって、構成をなす電池において、化学変化を引き起こすことなく電子伝導性を有するものであれば、特別な制限なく使用可能である。具体的な例には、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、炭素繊維などの炭素系物質；銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカ；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；またはポリフェニレン誘導体などの伝導性高分子などを挙げることができ、これらのうち1種単独または2種以上の混合物が用いられ得る。
前記のような導電材は、負極活物質コーティング部の総重量に対して1重量%から30重量%で含まれ得る。
また、前記電極組立体において、前記正極板は正極集電体、及び前記正極集電体の少なくとも一面、好ましくは両面に正極活物質がコーティングされた正極活物質コーティング部を含む。
前記正極板において、前記正極集電体は、電池に化学的変化を誘発することなく、導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素またはアルミニウムやステンレススチールの表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが用いられ得る。
また、前記正極集電体は、通常3umから500umの厚さを有することができ、前記正極集電体の表面上に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めることもできる。例えば、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの多様な形態に用いられ得る。
また、前記正極板において、正極活物質コーティング部は、正極集電体の両面に共にコーティングされてもよく、正極集電体のいずれか一面にだけ活物質がコーティングされてもよいが、二次電池の容量を考慮すれば、両面に共に正極活物質がコーティングされたことがより好ましいといえる。
また、前記正極板は、以後の充放電過程でのショートの発生を防止するため、前記正極板平板コーティング部の両末端、即ち、正極板平板コーティング部の発端部及び末端部に絶縁テープを含むことができる。このとき、絶縁テープは前記負極板で説明したところと同一なものであってよい。
前記正極タブは、レーザー溶接、超音波溶接、抵抗溶接のような溶接や導電性接着剤によって通電可能になるように付着されてよく、また、前記正極タブには絶縁テープが付着されて電極間のショートを防止することもできる。
また、前記単位電池10は、電極組立体から延長されている電極タブ、及び前記電極タブに溶接されている電極リードを含む。
このとき、前記電極端子は、単位電池の一方向または両方向に位置することができる。
また、前記電極端子は、前記電池モジュールの一辺または二辺で直列または並列に電気的に連結されてよい。
一方、前記電極組立体において、前記正極板と負極板の間に介在される分離膜は、高いイオン透過度と機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜であってよい。
具体的に、前記分離膜は、多孔性高分子フィルム、例えば、エチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン/ブテン共重合体、エチレン/ヘキセン共重合体及びエチレン/メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルム、またはこれらの2層以上の積層構造体であってよい。また、前記分離膜は、多孔性不織布、例えば、高融点の硝子繊維またはポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布であってもよい。
場合によっては、電池の安定性を高めるため、前記分離膜上にゲルポリマー電解質がコーティングされてもよい。このようなゲルポリマー中の代表的な例には、ポリエチレンオキシド、ポリビニリデンフルオリドまたはポリアクリロニトリルなどを挙げることができる。電解質としてポリマーなどの固体電解質が用いられる場合は、固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。
また、前記分離膜内に含まれる気孔は、0.01umから10umの気孔直径を有するものであってよい。
また、前記分離膜は5umから300umの厚さを有するものであってよい。
また、前記分離膜は、分離膜が熱によって収縮されても負極電極を遮断させることができるよう、負極板の終了部より一層長く延長されていることが好ましい。具体的には、前記分離膜は、負極終了部から5mm以上延長されたものであってよい。
〔電池パック〕
併せて、本発明のさらに他の一実施形態によれば、前記電池モジュールを含む電池パックを提供する。
前記電池パックは、パワーツール（Power Tool）；電気自動車（Electric Vehicle、EV）、ハイブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle、HEV）、及びプラグインハイブリッド電気自動車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle、PHEV）を含む電気車；または電力貯蔵用システムのうちいずれか一つ以上の中大型デバイスの電源として利用され得る。
以下、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施することができるよう、本発明の実施形態に対して詳しく説明する。しかし、本発明は幾多の異なる形態に具現されてよく、ここで説明する実施形態に限定されない。
（実施例：二次電池モジュールの製造）
図1に示されているところのような構造を有する平板状Al冷却プレートを準備した（第1板材の厚さ（a1）：0.5mm、第2板材の厚さ（b1）：0.5mm、第1リブの高さ（c1）：0.3mm、第2リブの高さ（d1）：0.3mm、第1リブ末端と第2リブ末端の離隔距離（e1）：0.2mm、第1及び第2リブの幅：それぞれ0.2mm、第1リブと第2リブの間の離隔距離：0.2mm、区画部の幅：0.5mm、冷却プレートの厚さ：1.7mm、開口率：80体積%）。
ドライルームで、バイセル（bicell）構造のスタックフォールディング型電極組立体を、セル外装材にそれぞれの電極組立体での電極端子が一方向に形成されるように収納し、1M LiPF6カーボネート系電解液を注入したあと、セル外装材の外周面を熱融着する方法で29個のパウチ型単位電池を製造した。
引続き、Al材質でなるモジュールケースに、前記で準備した冷却プレートをモジュールケースの内部が29個の空間に区切られるように配置したあと、前記29個の単位電池を前記冷却プレートと密着されるように各空間に一つずつ収納した。このとき、29個の単位電池の電極端子は、電池モジュールの一面でばかり突出されるよう同じ方向に収納した。
引続き、前記収納された単位電池の間、かつ単位電池と外部端子との連結が一遍になされるように一つの端子アセンブリーを製造した。このとき、端子アセンブリーには全ての単位電池の電極端子が挿入可能な端子ホールが形成されており、挿入された単位電池の電極端子は、端子アセンブリーに既に構成されているバスバーとの締結を介して直列に連結され、バスバーは端子アセンブリーの外部に突出された入出力端子とも既に連結されている。その後、端子アセンブリーを前記電極端子等が形成された部分に結合したあと、ケースボディーと溶接してモジュールケースが完全に密封された構造の電池モジュールを製造した。
（比較例1：二次電池モジュールの製造）
前記実施例で冷却プレートを用いないことを除き、前記実施例と同一な方法で実施して電池モジュールを製造した。
（比較例2：二次電池モジュールの製造）
前記実施例での冷却プレートに代えて平板状アルミニウム冷却プレート（厚さ：1.7mm）を用いることを除き、前記実施例と同一な方法で実施して電池モジュールを製造した。
（実験例1：放熱効果の評価）
前記実施例の冷却プレートに対し、電池モジュール内の放熱効果を評価した。
詳しくは、前記実施例及び比較例2の冷却プレートをそれぞれ介在し、バイセル（bicell）構造を有する29個の単位電池をスタッキングして電池モジュール（29stack 42Ah級電池）を製作した。製作した電池モジュールに対し、25℃で定電流/定電圧（CC/CV）条件で4.2V/38mAまで1Cで充電したあと、定電流（CC）条件で3.0Vまで1Cで放電した。放電C-rateを下記表1に示す通りに多様に変更することを除き、前記と同様の方法で実施して温度上昇の可否を観察した。その結果を下記表1に示した。
実験の結果、比較例2の場合、2Cで放電する時に約13℃上昇し、上昇された熱は休止期の間に完全に冷却できずに累積された。その反面、実施例の場合、上昇した温度が休止期の間にほぼ完全に冷却された。このことから、実施例の冷却プレートの場合、放電時に発生した熱が殆ど累積されないことを確認することができる。
図6は、前記実施例及び比較例1、2の冷却プレートに対する放熱効果を観察した結果を示したグラフである。
図6に示されている結果から、実施例及び比較例1、2のうち、冷却プレートを含まない比較例1の電池モジュールでの温度の上昇が最も大きかった。また、単なる平板状の冷却プレートを用いた比較例2の電池モジュールの場合、比較例1に比べて放熱効果が上昇して温度の増加が小さかったが、本発明に係る冷却プレートを含む実施例の電池モジュールは、比較例2に比べてさらに著しく改善された放熱効果を示した。
（実験例2：電池寿命特性の改善の効果）
前記実施例の冷却プレートに対し、高容量電池セルの長期サイクル試験の際に発生する熱累積現象の防止効果を評価した。
詳しくは、前記実施例及び比較例2の冷却プレートをそれぞれ介在し、バイセル（bicell）構造を有する29個の単位電池をスタッキングして電池モジュール（29stack 42Ah級電池）を製作した。製作した電池モジュールに対し、45℃で定電流/定電圧（CC/CV）条件で4.2V/38mAまで1Cで充電したあと、定電流（CC）条件で3.0Vまで1Cで放電した。これを1サイクルにして200サイクルを繰り返して実施した。また、前記と同様の方法で製作した電池モジュールに対し、45℃で定電流/定電圧（CC/CV）条件で4.2V/38mAまで2Cで充電したあと、定電流（CC）条件で3.0Vまで2Cで放電した。これを1サイクルにして200サイクルを繰り返して実施した。その結果を図7に示した。
図7に示されているところのように、実施例の冷却プレートは、放電時の温度上昇の抑制と速やかな冷却効果により、比較例2の冷却プレートに比べて緩和された熱累積現象を示した。このような結果から、本発明に係る冷却プレートの適用で電池のサイクル特性を改善させることができることが分かる。
（実験例3：貫通実験）
実施例及び比較例2で製造した電池モジュールを、電池容量の1/2C電流で4.2Vで充電（CC-CV、50mA cut-off）したあと、直径が1cmである半円形態の断面を有する鋼鉄棒（steel bar）を5cm/分の速度で貫通させる試験を行った。
実験の結果、実施例及び比較例2の二次電池モジュールではいずれも冷却プレート内に貫通ホールが形成された。しかし、実施例の冷却プレート内に形成された貫通ホールの直径は3mmで、比較例2の貫通ホールの直径（4mm）に比べて小さく、また、貫通ホールを含む冷却プレートと隣接した単位電池において、貫通または変形が発生した単位電池の数が実施例の場合は3個で、比較例2（4個）に比べて減少した。
このような結果は、比較例2の冷却プレートの場合、ネール貫通圧力が貫通方向（または垂直方向）に進められるため、冷却プレートの変形が隣接する単位電池に同一な方向に伝えられる反面、実施例の場合、ネールの貫通時に冷却プレートの冷却部内の空の空間が隔てられながら、隣接する冷却部等に貫通圧力が水平に伝えられ、また、隣接する冷却部が貫通圧力を吸収しながら変形される。その結果、冷却プレートの変形が隣接する単位電池に及ぼす影響が減少することにつれて、ショートの発生が減少することになる。
図8は、平板状冷却プレートが設けられた場合のネール（nail）貫通実験に対する図である。図9は、本発明の一実施形態に係る冷却プレートが設けられた場合のネール（nail）貫通実験に対する図である。
図8に示す通り、ネール（または鋼鉄棒）（T）貫通の際、既存の平板状冷却プレート（P）は内部がぎっしりと詰まっている単一形態のプレートなので、プレート自体の厚さによる変形が大きく生じることになる。
しかし、図9に示す通り、本発明の一実施形態に係る二重構造の冷却プレート20は、冷却部21の存在によって内部が空いているので、空の空間の分だけ厚さ方向への変形が少なく生じることがある。したがって、このように中間が空いた二重構造の冷却プレート20を適用してネール（T）貫通によるプレートの変形を減少させ、これに伴い、下部単位電池10の変形を減少させて単位電池10のショート（short）事故を減らすことができる。
このような点に鑑みてさらに検討してみると、前記で説明した実施例では、第1板材20a及び第2板材20bが分離自在に結合される場合を想定して説明したが、ネール（または鋼鉄棒）貫通の際に単位電池の変形が減少してショート事故を減らすことができる効果は、空の空間の形態を有する冷却部の存在自体だけでも達成可能なものなので、第1板材20a及び第2板材20bが必ずしも分離可能でなければならないものではない。
したがって、組立ての便宜のために第1板材20a及び第2板材20bが分離自在に結合される場合も可能であろうが、一体型に製作される形態も可能であるのは勿論である。
〔吸熱材または相変異物質を適用した他の実施形態〕
本発明で、冷却プレートに吸熱材を適用する方式の他の実施例が可能である。
具体的に説明すれば、本発明の冷却プレート20に形成される冷却部21の内部に、熱を吸収することができる物質である吸熱材（図示省略）を入れる方式で本発明の他の実施形態が可能である。つまり、冷却部21の内部に吸熱材が備えられ得る。
冷却部21の内部に吸熱材を入れる場合、冷却プレート20が単位電池10から吸収する熱量がさらに増加することになる。したがって、吸熱材を冷却部21に入れる場合、電池の性能、安全性、信頼性及び寿命がさらに向上され得る。
吸熱材には、水分が多量含有されたゲル物質や、シリコンオイルのように発火点の高い液体、またはフラッシュポイント（flash point：物質が可燃性蒸気を発生して引火することができる最低の温度）のない液体が用いられ得る。
さらに、本発明の冷却プレート20に形成される冷却部21の内部にカプセル（図示省略）を入れる方式で実施するさらに他の実施形態も可能である。このとき、カプセルの内部には温度によって相変異が可能な物質を入れることができる。
つまり、冷却部21の内部にカプセルが備えられ、カプセルの内部には相変異物質（Phase Change Material）が入っていてよい。そして、相変異可能な物質として、水のように熱容量の高い物質が入ることが必要である。
液体でなる相変異物質を用いたと仮定する場合、単位電池10で熱が発生すれば、カプセルの内部で相変異可能な物質が液体から気体に昇華することになるところ、このとき、相変異物質は大きい熱を吸収することができる。それに伴い、冷却プレート20は単位電池10から効果的に熱を吸収することができる。
このように大きい熱が効果的に吸収されると、冷却プレート20が単位電池10から吸収する熱量が著しく大きくなるので、電池の性能、安全性、信頼性及び寿命がさらに向上され得る。
前述したところのような本発明の詳細な説明では、具体的な実施形態に関して説明した。しかし、本発明の範疇から外れない限度内では多様な変形が可能である。本発明の技術的思想は、本発明で記述した実施形態に限って定められてはならず、特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものなどによって定められなければならない。
10 単位電池
20 冷却プレート
20a 第1板材
20b 第2板材
21 冷却部
22 補強リブ
22a 第1リブ
22b 第2リブ
22c 区画部
23 補強部
100 二次電池モジュール

Claims (26)

  1. 平板状の冷却プレートにおいて、
    前記冷却プレート内に長手方向に沿って複数個の冷却部が互いに離隔して形成され、
    前記冷却部の内側面には複数個の補強リブが形成されている二次電池用冷却プレート。
  2. 前記冷却プレートは、結合される第1板材及び第2板材を含み、
    前記補強リブは、前記第1板材に突出して形成された第1リブと、第2板材に突出して形成された第2リブとを含むことを特徴とする請求項1に記載の二次電池用冷却プレート。
  3. 複数個の前記冷却部の間を区切る区画部が設けられ、
    前記区画部は、第1板材と第2板材の内側面にそれぞれ突出して形成されて各端部が当接することを特徴とする請求項2に記載の二次電池用冷却プレート。
  4. 前記区画部は、0.1mmから2mmの幅を有することを特徴とする請求項3に記載の二次電池用冷却プレート。
  5. 前記第1リブと第2リブは、互いに対向するように配置されていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の二次電池用冷却プレート。
  6. 前記第1リブと第2リブの端部は、所定の間隔を置いて離れていることを特徴とする請求項4に記載の二次電池用冷却プレート。
  7. 前記第1リブと第2リブの端部は、冷却プレートの厚さに対し0.05倍から0.15倍の厚さに該当する間隔を置いて離れていることを特徴とする請求項6に記載の二次電池用冷却プレート。
  8. 前記第1リブと第2リブは、交互に配置されていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の二次電池用冷却プレート。
  9. 前記第1リブと第2リブの各端部は、互いに重畳されることを特徴とする請求項8に記載の二次電池用冷却プレート。
  10. 前記第1リブと第2リブの各端部は、冷却プレートの厚さに対し0.05倍から0.1倍の厚さに該当する高さで重畳されることを特徴とする請求項9に記載の二次電池用冷却プレート。
  11. 前記第1リブと第2リブの端部は、一直線上に位置することを特徴とする請求項8に記載の二次電池用冷却プレート。
  12. 前記第1及び第2板材は、それぞれ前記冷却プレートの厚さに対し0.2倍から0.5倍の厚さを有することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の二次電池用冷却プレート。
  13. 前記第1リブと第2リブは、それぞれ独立して前記冷却プレートの厚さに対し0.1倍から0.3倍の厚さに該当する高さを有することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の二次電池用冷却プレート。
  14. 複数の前記第1リブは0.1mmから1mmの幅を有し、0.1mmから1mmの間隔で離隔して形成されることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の二次電池用冷却プレート。
  15. 複数の前記第2リブは0.1mmから1mmの幅を有し、0.1mmから1mmの間隔で離隔して形成されることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の二次電池用冷却プレート。
  16. 前記第1及び第2リブは、それぞれ独立して四角形、半球形及びピラミッド形でなる群のうちいずれか一つの形態を有することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の二次電池用冷却プレート。
  17. 前記冷却プレートは、アルミニウム、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレススチール、銅、銀及び酸化アルミニウムからなる群より選択されるいずれか一つまたは二つ以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の二次電池用冷却プレート。
  18. 前記冷却プレートは、1.5mmから3mmの厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の二次電池用冷却プレート。
  19. 前記冷却プレートは、70体積%から90体積%の開口率を有することを特徴とする請求項1に記載の二次電池用冷却プレート。
  20. 充放電が可能な複数個の単位電池が間隔を置いて配列される二次電池モジュールにおいて、
    前記単位電池の間に請求項1に記載の冷却プレートが介在されている二次電池モジュール。
  21. 前記冷却プレートが前記単位電池と対応される大きさを有することを特徴とする請求項20に記載の二次電池モジュール。
  22. 請求項1に記載の電池モジュールを含む電池パック。
  23. 中大型デバイスの電源として用いられるものである請求項22に記載の電池パック。
  24. 前記中大型デバイスが電気自動車、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及び電力貯蔵用システムからなる群より選択されるものである請求項23に記載の電池パック。
  25. 前記冷却部の内部には吸熱材が備えられることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用冷却プレート。
  26. 前記冷却部の内部にはカプセルが備えられ、前記カプセルの内部には相変異物質が入っていることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用冷却プレート。
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