JP2023528813A - 電池モジュールおよびそれを含む電池パック - Google Patents
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Abstract
本発明の一実施形態による電池モジュールは、それぞれが電極組立体を含む複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、および前記複数の電池セルのうち互いに隣り合う電池セルの間、および前記電池セル積層体と前記モジュールフレームの間のうち少なくとも１ヶ所に介在している少なくとも一つの難燃パッドを含み、前記難燃パッドの面積は前記電極組立体の面積以上である。
Description
［関連出願との相互引用］
本出願は、２０２０年８月３１日付の韓国特許出願第１０－２０２０－０１１０４４８号および２０２１年８月３０日付の韓国特許出願第１０－２０２１－０１１４６１４号に基づく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たすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本出願は、２０２０年８月３１日付の韓国特許出願第１０－２０２０－０１１０４４８号および２０２１年８月３０日付の韓国特許出願第１０－２０２１－０１１４６１４号に基づく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たすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、電池モジュールおよびそれを含む電池パックに関し、より具体的にはセル間の熱伝播を遅延または遮断して安全性を向上させた電池モジュールおよびそれを含む電池パックに関する。
製品群に応じた適用容易性が高く、高いエネルギ密度などの電気的特性を有する二次電池は携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気自動車またはハイブリッド自動車、電力貯蔵装置などに普遍的に応用されている。このような二次電池は化石燃料の使用を画期的に減少させることができるという一次的な長所だけでなく、エネルギの使用にともなう副産物が全く発生しない点で環境に優しく、エネルギ効率性の向上のための新たなエネルギ源として注目を浴びている。
小型モバイル機器にはデバイス１台当り一つまたは複数の電池セルが使用されることに対して、自動車などのように中大型デバイスには高出力大容量が必要である。したがって、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であれば軽量および軽薄構造で製造されることが好ましいので、高い集積度で積層されることができ、容量に対して重量が小さい角型電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セルとして主に使用されている。一方、電池モジュールは、セル積層体を外部衝撃、熱または振動から保護するために、電池セル積層体の上、下、左、右の面を覆い、かつ電池セル積層体を内部空間に収納するフレーム部材を含むことができる。
このように電池モジュール内部に含まれた電池セルは複数が積層された構造を有するので、電池セルのいずれか一つに熱暴走などの問題が発生すると、該当セルから発生した熱および火炎が隣接する電池セルに伝播しやすい問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、電池モジュール内部でいずれか一つの電池セルに熱暴走などの問題が発生しても隣接する電池セルへの伝播を遅延または遮断して、連鎖的な燃焼反応を抑制できる電池モジュールおよびそれを含む電池パックを提供することにある。
しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は、上述した課題に限定されず、本発明に含まれた技術的思想の範囲で多様に拡張することができる。
本発明の一実施形態による電池モジュールは、それぞれが電極組立体を含む複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、および前記複数の電池セルのうち互いに隣り合う電池セルの間、および前記電池セル積層体と前記モジュールフレームの間のうち少なくとも１ヶ所に介在している少なくとも一つの難燃パッドを含み、前記難燃パッドの面積は前記電極組立体の面積以上である。
前記難燃パッドは少なくとも２個以上含まれ、前記難燃パッドのうち隣り合う２個の難燃パッドの間には一つ以上の電池セルが位置し得る。
前記難燃パッド間の間隔は同一または異なってもよい。
前記難燃パッドはシリコンフォームパッドを含み得る。
前記難燃パッドは２個のシリコンフォームパッドおよび前記２個のシリコンフォームパッドの間に介在する雲母シートを含み得る。
前記シリコンフォームパッドの一面に形成されたコーティングフィルムをさらに含み得る。
前記コーティングフィルムはポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，ＰＥＴ）、ポリビニルクロリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ，ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ，ＰＰ）およびポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＰＣ）の少なくとも一つを含み得る。
前記シリコンフォームパッドの表面には微細パターンが形成されていてもよい。
前記シリコンフォームパッドは、内部気孔を埋める耐火性無機充填材をさらに含み得る。
前記耐火性無機充填材は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、雲母（ｍｉｃａ）、ガラス繊維、ミネラル繊維複合体の少なくとも一つを含み得る。
前記シリコンフォームパッドは、内部気孔を埋める消火剤（Ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ Ａｇｅｎｔｓ）をさらに含み得る。
前記消火剤は無機炭酸塩、無機リン酸塩、および無機硫酸塩からなる群より選ばれる一つ以上であり得る。
前記シリコンフォームパッドは、内部気孔を埋める難燃性充填材をさらに含み得る。
前記難燃性充填材はナノビスマス酸化物、酸化アルミニウムナノパウダー、有機ナノ粘土からなる群より選ばれる一つ以上であり得る。
前記難燃パッドの面積は前記電極組立体に含まれた負極の面積と同じであるかそれより大きくてもよい。
前記難燃パッドは、前記電極組立体と連結された電極リードが配置された部分と重ならなくてもよい。
前記シリコンフォームパッドはハロゲン元素を含まなくてもよい。
前記難燃パッドは、前記シリコンフォームパッドの少なくとも一面に形成された断熱防炎部材をさらに含み得る。
前記断熱防炎部材は、ガラス繊維強化パッド（ＧＦＲＰ、ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐａｄ）および炭素繊維強化パッド（ＣＦＲＰ、ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐａｄ）から選択される少なくとも一つを含み得る。
前記シリコンフォームパッドは、少なくとも一つの第１シリコンフォームパッド、および少なくとも一つの第２シリコンフォームパッドを含み、前記第１シリコンフォームパッドの密度は、前記第２シリコンフォームパッドの密度より高くてもよい。
前記シリコンフォームパッドは、一つの第１シリコンフォームパッド、および前記第１シリコンフォームパッドを間において前記第１シリコンフォームパッドの両面に配置された二つの第２シリコンフォームパッドを含み得る。
前記シリコンフォームパッドは、一つの第２シリコンフォームパッド、および前記第２シリコンフォームパッドを間において前記第２シリコンフォームパッドの両面に配置された二つの第１シリコンフォームパッドを含み得る。
前記難燃パッドは、前記シリコンフォームパッドの少なくとも一面に形成された発泡コーティング層をさらに含み得る。
前記発泡コーティング層は、周辺温度の上昇時に膨張し得る。
本発明の他の一実施形態による電池パックは、上記した少なくとも一つの電池モジュール、および前記少なくとも一つの電池モジュールをパッケージングするパックケースを含み得る。
実施形態によれば、電池セルの間に難燃パッドを含むことによって、電池モジュール内部でいずれか一つの電池セルに熱暴走などの問題が発生しても隣接する電池セルへの熱および火炎の伝播を遅延または遮断して、連鎖的な燃焼反応を抑制してモジュールの安全性を向上させることができる。
以下、添付する図面を参照して本発明の様々な実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素に対しては同じ参照符号を付ける。
また、図面に示す各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜上任意に示したので、本発明は必ずしも示されたところに限定されない。図面で複数の層および領域を明確に表現するために厚さを誇張して示した。そして、図面で、説明の便宜上、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分「上に」または「の上に」あるという時、これは他の部分の「すぐ上に」ある場合だけでなくその中間にまた他の部分がある場合も含む。逆にある部分が他の部分の「すぐ上に」あるという時には中間に他の部分が存在しないことを意味する。また、基準になる部分「上に」または「の上に」あるというのは基準になる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の逆方向に向かって「上に」または「の上に」位置することを意味するものではない。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対の意味を示す記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
また、明細書全体で、「平面上」という時、これは対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を横から見た時を意味する。
図１ないし図６を参照して、本発明の一実施形態による電池モジュールについて説明する。
図１は本発明の一実施形態による電池モジュールを示す斜視図であり、図２ａおよび図２ｂは図１のＡ－Ａ’に沿った断面を示す図であり、図３は図１の電池セル積層体に含まれた一つの電池セルを示す斜視図であり、図４は図３の電池セルのＢ－Ｂ’線に沿って切断した断面と、難燃パッドの断面を示す図であり、図５は図４の電池セルおよび難燃パッドを上部で示す図であり、図６は図５のＣ部分を拡大して示す図である。
図１、図２ａおよび図２ｂを参照すると、本実施形態による電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０を含む電池セル積層体１０１、および電池セル積層体１０１を収容するモジュールフレーム１２０、および電池セル積層体１０１の前面と後面にそれぞれ位置するエンドプレート１３０を含む。
モジュールフレーム１２０は、図１に示すように、上面、下面および両側面が一体化した金属板材形態のモジュールフレーム１２０であり得る。すなわち、四角管形態のモジュールフレーム１２０の場合、内部に電池セル積層体１０１が収容できる空間が形成され、四角管形態の両端部にエンドプレート１３０が結合される形態を有する。しかし、これに限定されるものではなく、多様な形態のモジュールフレーム１２０が適用されることができる。可能な変形例として、上部カバーとＵ字型フレームが結合された形態のモジュールフレーム１２０も可能であり、特に限定されるものではない。
電池セル積層体１０１は一方向に積層された複数の電池セル１１０を含み、複数の電池セル１１０は図２ａおよび図２ｂに示すようにモジュールフレーム１２０の側壁１２４に平行なように立てられた形態で積層されることができる。
電池セル１１０はパウチ型電池セルであることが好ましい。例えば、図３を参照すると、本実施形態による電池セル１１０は、二つの電極リード１１１，１１２が互いに対向して電池本体１１３の一端部１１４ａと他の一端部１１４ｂからそれぞれ突出している構造を有する。それぞれの電池セル１１０に含まれた電極リードは正極リードまたは負極リードであり、各電池セル１１０の電極リード１１１，１１２は端部が片方向に曲がることができ、これによって隣接する他の電池セル１１０が有する電極リード１１１，１１２の端部と当接する。互いに当接した２個の電極リード１１１，１１２は互いに溶接などにより固定され、これにより電池セル積層体１０１内部の電池セル１１０間の電気的連結がなされる。また、電池セル積層体１０１の両端部に整列した電極リードはバスバーフレーム（図示せず）に結合して、バスバーフレームに搭載されたバスバーと電気的に接続されることができる。モジュールフレーム１２０の開放された両側にはバスバーフレームを覆うエンドプレート１３０がそれぞれ備えられ、モジュールフレーム１２０と溶接などの方法によって結合されることができる。
電池セル１１０は、電池ケース１１４に電極組立体１２１を収納した状態でケース１１４の両端部１１４ａ，１１４ｂとこれらを連結する両側面１１４ｃを接着することにより製造されることができる。換言すれば、本実施形態による電池セル１１０は、総３ケ所のシーリング部１１４ｓａ，１１４ｓｂ，１１４ｓｃを有し、シーリング部１１４ｓａ，１１４ｓｂ，１１４ｓｃは熱融着などの方法でシーリングされる構造であり、残りの他の一側部は連結部１１５からなる。
電池ケース１１４の内部には、電極組立体１２１および電解液が収納される。電極組立体１２１は正極板および負極板が分離膜を間に置いて配置された形態で構成されることができる。この時、電極組立体１２１は一つの正極板および一つの負極板が分離膜を間に置いて巻き取られた構造を有するか、多数の正極板および多数の負極板が分離膜を間に置いて積層された構造を有することができる。このような正極板と負極板はそれぞれ電極集電体に活物質スラリーが塗布された構造として形成されるが、スラリーは通常活物質、導電材、バインダおよび可塑剤などが、溶媒が添加された状態で攪拌されて形成されることができる。
電極組立体１２１には、電極板にスラリーが塗布されていない無地部が存在し得、このような無地部にはそれぞれの電極板に対応する電極タブが形成される。この時、外部端子または装置との電気的連結などのために正極タブおよび負極タブでそれぞれ延びた２個の電極リード１１１，１１２が互いに対向して電池本体１１３の一端部１１４ａと他の一端部１１４ｂからそれぞれ突出し得る。
電池セル積層体１０１とモジュールフレーム１２０の底部の間には熱伝導性樹脂層２００が位置する。熱伝導性樹脂層２００は電池セル積層体１０１から発生する熱を電池モジュール１００の底に伝達すると共に、電池セル積層体１０１を底部に固定させる役割をすることができる。
図２ａおよび図２ｂを参照すると、電池セル１１０の間には、複数の難燃パッド４００が介在する。図２ａに示すように複数の難燃パッド４００は３個ないし４個の電池セル１１０が積層されるたびに一つずつ挿入され、複数の難燃パッド４００が等間隔に配置される。また、図２ｂに示すように複数の難燃パッド４００が互いに異なる間隔に配置されることもできる。このような難燃パッド４００の配置は、特に限定されるものではなく、必要に応じてその数および厚さを適宜調節することができる。このように、難燃パッド４００を等間隔または不等間隔に離隔配置することによって、電池モジュール１００内の電池セル１１０の熱暴走発生時に熱インピーダンス（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）を増加させて隣り合う電池セル１１０間の熱移動を防止または遅延することができる。また、電池セル積層体１０１の最外側に積層された電池セル１１０と側壁１２４の間にも難燃パッド４００が配置されることができる。難燃パッド４００は電池モジュール１００内で熱暴走などのイシューの発生時、該当電池セルから隣接する電池セルに熱が伝達されることを遅延または遮断すると共に、電池セル１１０の膨張を吸収して膨張を制御する役割もすることができる。
難燃パッド４００の面積は電池セル１１０に含まれた電極組立体１２１の面積と同じであるか、それより大きく形成される。電極組立体１２１の面積より難燃パッド４００の面積が小さく形成される場合、電池セル１１０に均一な圧力が作用されることができず、性能低下などの問題が発生し得る。特に、難燃パッド４００は、電池モジュール１００の内部で、電池セル１１０のスウェリングが発生する場合、スウェリングを吸収する役割をすることができるが、その面積が電極組立体１２１より小さい場合、難燃パッド４００が形成されていない部分で発生するスウェリングは吸収できなくなる。
図４に示すように、電極組立体１２１の面積は、電極組立体の一辺の長さＳＥなどによって決定され、電池セル１１０の面積は電池セル一辺の長さＳＣなどによって決定される。より具体的には、電極組立体１２１に含まれた負極、正極および分離膜の大きさによって決定される。電池セル１１０において、電池ケース１１４内部の空間全体を電極組立体１２１が占有するのではなく、電極リード１１１，１１２との連結のための空間などがさらに存在する。例えば、電極組立体１２１は電池セル１１０面積の約９０％であり得る。この時、電池セル１１０のスウェリングを効果的に制御するためには前述したように少なくとも難燃パッド４００の面積が電極組立体１２１の面積と同じである必要がある。難燃パッド４００が電極組立体１２１の面積より小さい領域のみを支持する場合、発生したスウェリングがかえって難燃パッド４００と対応しない部分に集中して、電池セル１１０の損傷が発生し得る。より具体的には、電極組立体１２１をなす負極の面積以上であることが好ましい。例えば、リチウムイオン電池の化学反応において、負極が正極のリチウムイオンを受け入れなければならないため、負極が正極より長さと幅が広く設計される場合があるが、難燃パッド４００の大きさがこのような負極の大きさより小さい場合、充放電過程で発生するスウェリングを十分に吸収できないため、好ましくない。
したがって、難燃パッド４００は図４ないし図６に示すように、電池セル１１０の内部に含まれた電極組立体１２１の面積と同じであるか、それより大きく形成されるべきであり、これによって難燃パッド４００による優れた電池セル１１０のスウェリングの制御性能も維持することができる。また、電池セル１１０の局部的な部分にスウェリングが集中して電池性能が低下することを防止することができる。
併せて、難燃パッド４００の大きさは、電極組立体１２１の面積より大きいながらも、電極組立体１２１から伸びた電極タップと結合した電極リード１１１，１１２が配置された部分まで伸びない大きさを有することが好ましい。難燃パッド４００が電極リード１１１，１１２が配置された部分にまで伸びる場合、電極リード１１１，１１２と他の部品間の電気的連結のための組立などの工程で干渉が発生して好ましくない。また、難燃パッド４００と電極リード１１１，１１２の接触によって互いに損傷が発生する可能性もあるところ、難燃パッド４００の大きさは電極リードが電極セル１１０から突出した部分には配置されないように設定されることが好ましい。
難燃パッド４００は、電池セル１１０に発生した熱および火炎の伝達を防止できるように、シリコンフォームパッドで形成されることができる。シリコンフォームパッドは、内部に気孔が形成された発泡性パッドであって、高い熱的、化学的安定性を有し、優れた難燃および断熱特性を有する。特に熱硬化性発泡シリコンからなるシリコンフォームパッドを適用してさらに優れた難燃特性を確保することができる。
さらに、先立って説明した電池セル１１０のスウェリング制御の観点から、シリコンフォームパッドは高い弾性（圧縮抵抗性および反発弾性が高い）を有し、耐久性が高い点で適切に適用することが可能である。特に、電池セル１１０のスウェリングにより、電池セル１１０が繰り返し収縮および膨張するため、これに耐えて形態変形などが発生しないためには高い弾性が求められ、これのためにシリコンフォームパッドを使用することができる。具体的には、シリコンフォームパッドは１０～６０％の圧縮範囲（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ，ＣＦＤ）で１０～１００ｋＰａの圧縮反発力を持つことができ、１０年以上の長期復元保障寿命（耐久性）を有することが好ましい。
そして、シリコンフォームパッドの場合、電池セル１１０が熱暴走する条件下で、燃焼によるその構造の崩壊を最小化するために、炭化水素の含有量が少ないのが好ましい。すなわち、電池セル熱暴走条件下で燃焼反応によって炭化水素がＣＯ、ＣＯ２、水蒸気など気相に熱分解されることにより難燃パッドの重量損失が増加して構造が崩壊され得るため、シリコンフォームパッド内の炭化水素の含有量はできるだけ少なく調整されることが好ましい。また、燃焼時、有毒ガスを発生させないために、ハロゲン元素は含有しないことが好ましい。
このようなシリコンフォームパッドを難燃パッド４００として適用した電池モジュール１００および難燃パッド４００を適用していない電池モジュールに対して、熱暴走発生時の電圧降下時点について実験を施行した。
図７は本発明の一実施形態および比較例について熱暴走の実験結果を示すグラフである。
実施形態では、１２個の電池セルが含まれた電池モジュールで、６個の電池セルごとに難燃パッドを適用、合計２個の難燃パッドを挿入して電池モジュールを構成し、比較例ではこれと同じ構成で難燃パッドの代わりにポリウレタンパッドを適用して電池モジュールを構成した。電池モジュールの終端に加熱板（Ｈｅａｔｉｎｇ ｐａｄ）を付着して電池モジュールを加熱し、加熱板に電圧を印加して加熱を始めてから約１４０秒程度になる時点で熱暴走が発生し、その後全体電池モジュールの電圧降下時点を測定した。
その結果、図７に示すように、比較例では３００秒程度の時点で電池モジュール電圧が０になったが、実施形態では４２０秒程度の時点で電圧が０になったことを確認した。すなわち、本発明の実施形態によれば、熱暴走が発生したセルから隣り合うセルに熱が伝達されることの遅延または遮断が適切に行われ、熱暴走による電圧降下時点を最大に遅らせることができることを確認した。
このように本実施形態によれば、電池モジュール１００の電池セル１１０の間に、難燃パッド４００を備えることによって、熱暴走発生時に隣接する電池セルに熱が伝達されることを遅延または遮断できるため、電池の安全性を向上させることができる。さらに、難燃パッド４００の面積を電極組立体１２１の面積と同じであるかそれより大きくすることによって、電池セル間の不均一な面圧の形成によって引き起こされる電池セルおよび電極の破損および性能／寿命低下などの問題を防止することができる。
このような難燃パッド４００は、多様な形態に変形して電池モジュール１００に適用できるため、以下では図８および図９を参照して、本発明の第２および第３の実施形態による難燃パッドについて説明する。
図８は本発明の第２の実施形態による難燃パッドを示す図であり、図９は本発明のまた第３の実施形態による難燃パッドを示す図である。
図８に示すように、本発明の第２の実施形態による難燃パッド４０１は、２個のシリコンフォームパッド４１０を含み、２個のシリコンフォームパッド４１０の間に介在する雲母シート４２０をさらに含む。このようにシリコンフォームパッド４１０の間に耐熱性に優れた雲母シート４２０をさらに含む難燃パッド４０１を適用することによって、熱暴走条件下で、熱分解によるシリコンフォームパッド４１０の構造崩壊をさらに効果的に防止することができる。
図９に示すように、本発明の第３の実施形態による難燃パッド４０２は、シリコンフォームパッド４１０上に形成されたコーティングフィルム４３０をさらに含む。コーティングフィルム４３０は、電池モジュール１００の電池セル積層体１０１の製作時、工程容易性を向上させ、難燃パッド４０２と電池セル１１０の間の摩擦力を低減するために適用することができる。コーティングフィルム４３０は粘着剤などによってシリコンフォームパッド４１０に付着することができる。このようなコーティングフィルム４３０としては、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，ＰＥＴ）、ポリビニルクロリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ，ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ，ＰＰ）およびポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）の少なくとも一つを含むコーティングフィルム４３０を使用できるが、特に限定されるものではない。
また他の変形例で、難燃パッド４００として表面に微細パターンが形成されているシリコンフォームパッドを使用することができる。微細パターンを形成することによって、難燃パッド４００に外部の異物が付着することを防止することができ、また、所望する程度の摩擦力を得ることができる。微細パターンの形状および大きさは特に限定されない。
また他の変形例で、難燃パッド４００として使用されるシリコンフォームパッド内部の気孔を制御して、難燃パッド４００に様々な特性を付与することができる。すなわち、シリコンフォームパッドの製造時、発泡剤と硬化剤の添加比率を調整することによって、気孔の比率および大きさを調整（すなわち、密度を調整）できるが、この時、気孔の密度が大きくなるほど断熱特性は向上することができ、気孔の密度が小さくなるほど機械的物性が向上することができるため、これを適宜調整して所望する断熱特性および機械的物性を有するシリコンフォームパッドを得ることができる。
また、このようなシリコンフォームパッド内部の気孔に様々な追加材料を充填して、シリコンフォームパッドの物性を補強することができる。このような追加材料は、発泡剤と硬化剤を混合してシリコンフォームパッドを形成する際、共に混合してシリコンフォームパッドの内部に追加することができる。
例えば、シリコンフォームパッドの耐熱性を補強するために、シリコンフォームパッド内部の気孔に耐火性無機充填材を添加することができる。耐火性無機充填材としては、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、雲母（ｍｉｃａ）、ガラス繊維、ミネラル繊維複合体の少なくとも一つを含み得る。
また、シリコンフォームパッドが難燃性または自己消炎特性を有することができるように、シリコンフォームパッド内部の気孔に難燃性充填材をさらに追加することもできる。難燃性充填材としては、ナノビスマス酸化物、酸化アルミニウムナノパウダー、有機ナノ粘土の少なくとも一つを使用できるが、特に限定されるものではない。難燃性充填材を追加することにより、ＵＬ（Ｕｎｄｅｒｗｒｉｔｅｒ’ｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）規格に適した難燃性を有することができるようになる。
一方、シリコンフォームパッド内部の気孔を、消火剤（Ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ Ａｇｅｎｔｓ）で埋めることによって、熱暴走条件下で二酸化炭素ガスを放出させることで、燃焼反応自体を抑制できる自己消炎機能を付与することもできる。このような消火剤としては、無機炭酸塩、無機リン酸塩、および無機硫酸塩からなる群より選ばれる一つ以上が使用することができ、特に限定されるものではない。
このように、本発明の他の実施形態によれば、難燃パッドとして使用されるシリコンフォームパッドに様々な追加物性を補強して、より優れた難燃性、断熱性、機械的物性を有する難燃パッドを提供することができる。したがって、電池モジュール内での熱暴走条件時、熱の伝達をより効果的に遅延または遮断して燃焼反応を抑制することができる。
以下では、図１０ないし図１３を参照して本発明の第４ないし第７の実施形態による難燃パッドについて説明する。
図１０は本発明の第４の実施形態による難燃パッド４０３を示した図である。図１０に示すように、本発明の第４の実施形態による難燃パッド４０３は、シリコンフォームパッド４１０の表面に形成された防炎断熱部材４４０をさらに含む。防炎断熱部材４４０は、火炎発生時に火炎が拡散することを防止できるだけでなく、いずれか一つのセルで熱暴走が発生して高温の状態になっても断熱性能によって隣接したセルへ熱が拡散することを防止することができる。特に、シリコンフォームパッド４１０とは異なる材質の防炎断熱部材４４０がシリコンフォームパッド４１０の表面にさらに付加されることによって、隣接するセル間の火炎および熱の拡散をより確実に遮断することができる。防炎断熱部材４４０は、シリコンフォームパッド４１０のいずれか一面または両面に形成されるか、またはシリコンフォームパッド４１０の内部層にも付加できるが、図１０に示すように、シリコンフォームパッド４１０の両面に付着して電池セルで熱と火炎が発生する場合、防炎断熱部材４４０と直接接触するようにすることがより効果的に火炎と熱の拡散を防止できるところ、好ましい。このような防炎断熱部材４４０としては、ガラス繊維強化パッド（ＧＦＲＰ、ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐａｄ）および炭素繊維強化パッド（ＣＦＲＰ、ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐａｄ）から選択された少なくとも一つが使用できる。このように、難燃パッド４０３としてシリコンフォームパッド４１０の表面に形成された少なくとも一つの防炎断熱部材４４０を含む構成を使用することによって、熱暴走条件下で隣り合うセルへの熱および火炎の拡散をより効果的に遮断することができる。
図１１および図１２は、本発明の第５および第６の実施形態による難燃パッド４０４，４０５を示した図である。図１１および図１２に示すように、本発明の第５および第６の実施形態による難燃パッド４０４，４０５は、多層のシリコンフォームパッド４１０ａ，４１０ｂを含む。具体的に、少なくとも一つの第１シリコンフォームパッド４１０ａおよび少なくとも一つの第２シリコンフォームパッド４１０ｂを含む。この時、第１シリコンフォームパッド４１０ａの密度は、第２シリコンフォームパッド４１０ｂの密度より高い。このような第１シリコンフォームパッド４１０ａおよび第２シリコンフォームパッド４１０ｂは、図１１に示すように、中央に第１シリコンフォームパッド４１０ａが配置されて両側に第２シリコンフォームパッド４１０ｂが配置される構成を有するか、または図１２に示すように、中央に第２シリコンフォームパッド４１０ｂが配置されて両側に第１シリコンフォームパッド４１０ａが配置される構成を有し得る。このように高密度および低密度のシリコンフォームパッド４１０ａ，４１０ｂを共に使用することによって、難燃パッド４０４，４０５は電池セルの膨張制御を効果的に行うと同時に、熱の伝達を効果的に遅延または遮断することができる。つまり、高密度の第１シリコンフォームパッド４１０ａは、熱暴走条件時、熱の伝達をより効果的に遅延または遮断することには有利であるが、セルの膨張制御には多少不利なこともある。しかし、低密度の第２シリコンフォームパッド４１０ｂを共に備えることによって、電池セルの膨張に対して緩衝効果を有し、そのため電池セルの膨張制御も効果的に達成することができる。このようなシリコンフォームパッド４１０ａ，４１０ｂの密度は、内部の気孔の大きさおよび個数を調節することによって制御することができるが、これに限定されるものではない。
図１３は、本発明の第７の実施形態による難燃パッド４０６を示した図である。図１３に示すように、本発明の第７の実施形態による難燃パッド４０６は、シリコンフォームパッド４１０の表面に形成された発泡コーティング層４５０をさらに含む。発泡コーティング層４５０は、電池セル内部で熱暴走が発生して温度が急激に上昇する場合に膨張する性質を有する。これによってセルとセルの間の空間が拡張されるところ、高温に露出時に難燃パッド４０６がセルとセルの間を断熱できる空間を確保して熱の伝達をより効果的に遅延または遮断することができる。このような発泡コーティング層４５０としては、温度に反応する発泡素材のコーティングであれば、適切に選択して使用可能である。例えば、リンを含む難燃材などが使用でき、発泡コーティング層４５０が高温で吸熱分解反応をしてコーティングが膨張するようになり、これによってセルとセルの間の空間が確保されるだけでなく、非常に低い熱伝導性を有して多孔性であると同時に熱的に安定した炭化層を形成することによって熱の伝達を遮断または遅延させることができる。
このように、本発明の第４ないし第７の実施形態によれば、難燃パッドに使用されるシリコンフォームパッドに追加の層を付加するか、シリコンフォームパッドの物性を別にすることによって、より優れた難燃性（防炎性）、断熱性を有しながらも、電池セルの膨張（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）をより効果的に吸収できる難燃パッドを提供することができる。したがって、電池モジュール内で温度が上昇することによって電池セルの膨張を効果的に制御しながらも、高温での熱暴走条件時にも、熱の伝達をより効果的に遅延または遮断して燃焼反応を抑制することができる。
一方、本発明の実施形態による電池モジュールは、一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。
前述した電池モジュールおよびそれを含む電池パックは多様なデバイスに適用することができる。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用されるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびそれを含む電池パックを使用できる多様なデバイスに適用することが可能であり、これもまた本発明の権利範囲に属する。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
１００ 電池モジュール
１１０ 電池セル
１２０ モジュールフレーム
１２１ 電極組立体
４００ 難燃パッド
１１０ 電池セル
１２０ モジュールフレーム
１２１ 電極組立体
４００ 難燃パッド
Claims (25)
- それぞれが電極組立体を含む複数の電池セルが積層されている電池セル積層体、
前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム、および
前記複数の電池セルのうち互いに隣り合う電池セルの間、および前記電池セル積層体と前記モジュールフレームの間のうち少なくとも１ヶ所に介在している少なくとも一つの難燃パッドを含み、
前記難燃パッドの面積は前記電極組立体の面積以上である、電池モジュール。 - 前記難燃パッドは少なくとも２個以上含まれ、前記難燃パッドのうち隣り合う２個の難燃パッドの間には一つ以上の電池セルが位置する、請求項１に記載の電池モジュール。
- 前記難燃パッド間の間隔は同一であるか、または異なる、請求項２に記載の電池モジュール。
- 前記難燃パッドはシリコンフォームパッドを含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記難燃パッドは２個のシリコンフォームパッドおよび前記２個のシリコンフォームパッドの間に介在する雲母シートを含む、請求項４に記載の電池モジュール。
- 前記シリコンフォームパッドの一面に形成されたコーティングフィルムをさらに含む、請求項４に記載の電池モジュール。
- 前記コーティングフィルムは、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，ＰＥＴ）、ポリビニルクロリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ，ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ，ＰＰ）およびポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＰＣ）の少なくとも一つを含む、請求項６に記載の電池モジュール。
- 前記シリコンフォームパッドの表面には微細パターンが形成されている、請求項４ないし７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記シリコンフォームパッドは、内部気孔を埋める耐火性無機充填材をさらに含む、請求項４ないし８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記耐火性無機充填材は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、雲母（ｍｉｃａ）、ガラス繊維、ミネラル繊維複合体の少なくとも一つを含む、請求項９に記載の電池モジュール。
- 前記シリコンフォームパッドは、内部気孔を埋める消火剤（Ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ Ａｇｅｎｔｓ）をさらに含む、請求項４ないし１０のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記消火剤は無機炭酸塩、無機リン酸塩、および無機硫酸塩からなる群より選ばれる一つ以上である、請求項１１に記載の電池モジュール。
- 前記シリコンフォームパッドは、内部気孔を埋める難燃性充填材をさらに含む、請求項４ないし１２のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記難燃性充填材はナノビスマス酸化物、酸化アルミニウムナノパウダー、有機ナノ粘土からなる群より選ばれる一つ以上である、請求項１３に記載の電池モジュール。
- 前記難燃パッドの面積は前記電極組立体に含まれた負極の面積以上である、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記難燃パッドは、前記電極組立体と連結された電極リードが配置された部分と重ならない、請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記シリコンフォームパッドはハロゲン元素を含まない、請求項４に記載の電池モジュール。
- 前記難燃パッドは、前記シリコンフォームパッドの少なくとも一面に形成された断熱防炎部材をさらに含む、請求項４に記載の電池モジュール。
- 前記断熱防炎部材は、ガラス繊維強化パッド（ＧＦＲＰ、ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐａｄ）および炭素繊維強化パッド（ＣＦＲＰ、ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐａｄ）から選択される少なくとも一つを含む、請求項１８に記載の電池モジュール。
- 前記シリコンフォームパッドは、少なくとも一つの第１シリコンフォームパッド、および少なくとも一つの第２シリコンフォームパッドを含み、
前記第１シリコンフォームパッドの密度は、前記第２シリコンフォームパッドの密度より高い、請求項４に記載の電池モジュール。 - 前記シリコンフォームパッドは、一つの第１シリコンフォームパッド、および前記第１シリコンフォームパッドを間において前記第１シリコンフォームパッドの両面に配置された二つの第２シリコンフォームパッドを含む、請求項２０に記載の電池モジュール。
- 前記シリコンフォームパッドは、一つの第２シリコンフォームパッド、および前記第２シリコンフォームパッドを間において前記第２シリコンフォームパッドの両面に配置された二つの第１シリコンフォームパッドを含む、請求項２０に記載の電池モジュール。
- 前記難燃パッドは、前記シリコンフォームパッドの少なくとも一面に形成された発泡コーティング層をさらに含む、請求項４に記載の電池モジュール。
- 前記発泡コーティング層は、周辺温度の上昇時に膨張する、請求項２３に記載の電池モジュール。
- 請求項１ないし２４のいずれか一項による少なくとも一つの電池モジュール；および
前記少なくとも一つの電池モジュールをパッケージングするパックケースを含む、電池パック。
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