JP2023534822A - 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、複数の電池セルが積層されて形成された電池セル積層体、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に介在しているバリア層を含み、前記バリア層は位置によって厚さが異なる。

Description

［関連出願との相互引用］
本出願は２０２０年１０月２２日付韓国特許出願第１０－２０２０－０１３７４７９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、より具体的には電池セル間の熱伝播速度を効果的に遅延させる電池モジュールおよびそれを含む電池パックに関する。
モバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴いエネルギ源として二次電池の需要が急激に増加している。特に、二次電池は携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置に対するエネルギ源としても多くの関心を集めている。
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できる限り小型で軽量となるように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、電池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、前面と後面が開放されて電池セル積層体を内部空間に収納するモジュールフレームを含むことができる。
図１は従来の電池モジュールの斜視図である。図２は従来の電池モジュールに含まれた電池セル積層体の上面図である。図３の（ａ）は図２のＡ領域を上から見た上面図であり、図３の（ｂ）は（ａ）の切断面Ｂ－Ｂに沿って切断した断面図である。
図１および図２を参照すると、従来の電池モジュールは複数の電池セル１１が一方向に積層されている電池セル積層体１２、電池セル積層体１２を収容するモジュールフレーム３０，４０、および電池セル積層体１２の前後面をカバーするエンドプレート１５を含む。モジュールフレーム３０，４０は電池セル積層体１２の下部および両側面を覆う下部フレーム３０と電池セル積層体１２の上面を覆う上部プレート４０を含む。
また、電池セル積層体１２は複数の電池セル１１を互いに固定させる固定部材１７を含み、固定部材１７は電池セル積層体１２の中心部および／または端部に位置する。また、電池セル積層体１２で互いに隣り合う一対の電池セルの間に圧縮パッド２０が位置する。
図２および図３を参照すると、従来の電池セル積層体に位置する圧縮パッド２０は電池セル１１の上面または下面に接する。圧縮パッド２０は隣り合う電池セル１１に伝播する衝撃を吸収する。また、電池セル１１の発火時、圧縮パッド２０が有する厚さによって熱伝播速度を遅延させることもできる。しかし、電池セル１１の充放電過程でスウェリング現象が発生する場合、圧縮パッド２０に圧力および／または熱を加えることになる。この時、従来の圧縮パッド２０の圧縮率は位置に応じて異なる圧縮率が示され、これによって圧縮パッド２０の物性が変わる。これだけでなく電池セル１１０の発火時、隣り合う電池セル１１間の熱伝導とともに電池セル１１で発生する火炎による外部熱伝導によって２次セル発火が発生し得る。
これにより、従来の圧縮パッド２０だけでは熱伝播速度を遅延させる役割を十分に行うことが難しい。そのため、従来とは異なりスウェリング現象の発生時にも電池セル間の熱伝播速度を効果的に遅延させる電池モジュールを開発する必要がある。
本発明が解決しようとする課題は、電池セル間の熱伝播速度を効果的に遅延させ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、複数の電池セルが積層されて形成された電池セル積層体、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に介在しているバリア層を含み、前記バリア層は、位置によって厚さが異なる。
前記バリア層の厚さは、前記電池セルのボディ部と向かい合う面を基準として縁に行くほど厚くなり得る。
前記バリア層は、前記電池セルのボディ部を覆う第１バリア部と、前記第１バリア部から延びて、前記電池セルのトップ部を覆う第２バリア部とを含み得る。
前記第１バリア部の厚さは、前記第２バリア部の厚さより厚くてもよい。
前記第２バリア部は、フレキシブル材質で形成され得る。
前記電池セルのトップ部は、前記第２バリア部によって覆われる第１領域と、前記第２バリア部によって覆われない第２領域とを含み得る。
前記バリア層は、前記電池セルから突出する電極リード周辺部の前記電池セル端部を覆う第３バリア部をさらに含み得る。
前記第３バリア部には、前記電極リードが貫通する開口部が形成され得る。
前記バリア層は難燃部材で形成され得る。
前記バリア層は、シリコンフォームパッドまたはマイカシート（Ｍｉｃａ ｓｈｅｅｔ）で形成され得る。
前記バリア層は、少なくとも２個以上含まれ、前記バリア層のうち隣り合う２個のバリア層の間には、少なくとも２個以上の電池セルが位置し得る。
前記バリア層は、前記電池セルの両面のうち一面を覆い、前記バリア層の上側で延びて前記電池セルの他の一面の一部を覆い得る。
前記バリア層は、非対称構造によって前記電池セルで発生した火炎の方向を誘導し得る。
本発明の他の一実施形態による電池パックは前述した電池モジュールを含む。
実施形態によれば、電池セル積層体で互いに隣り合う一対の電池セルの間に形成されたバリア層が難燃部材として機能することによって電池セルの発火時に隣り合う電池セル間の熱伝播速度を遅延させることができる。
また、前記バリア層が電池セルのボディ部だけでなく、これより延びて電池セルのトップ部およびリード部にも適用されることによって、セル外部の火炎によって火炎が発生していない電池セルへの熱伝播速度を遅延させることができる。
また、位置別に厚さが異なるように前記バリア層を形成することによって、セルスウェリング現象時にバリア層の圧縮率を低くして難燃部材としての性能を極大化し、これにより、電池セル間の熱伝播時間を効果的に遅延させることができる。
本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解されることができる。
従来の電池モジュールの斜視図である。 従来の電池モジュールに含まれた電池セル積層体の上面図である。 （ａ）は図２のＡ領域を上から見た上面図であり、（ｂ）は（ａ）の切断面Ｂ－Ｂに沿って切断した断面図である。 比較例による電池セル積層体を形成する方法を示す図である。 本発明の一実施形態による電池モジュールに含まれる電池セル積層体を形成する方法を示す図である。 図５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る。 図５の電池セル積層体に含まれた一つの電池セルを包むバリア層を示す正面図である。 図５の電池セルが結合して形成された電池セル積層体を示す斜視図である。 本発明の他の一実施形態による電池モジュールに含まれる電池セルのボディ部に形成されたバリア層を示す平面図である。 図９の切断線Ｐ－Ｐに沿って切断した断面図である。 本発明の他の一実施形態による電池セルを覆うバリア層を示す斜視図である。 図１１の電池セルを１８０度回転して反対側面に向かう斜視図である。 図１１の電池セルとバリア層を使用して形成された電池セル積層体を示す斜視図である。 図１１の実施形態による電池セルの発火時に火炎が排出される経路を示す斜視図である。
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で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４は比較例による電池セル積層体を形成する方法を示す図である。
図４を参照すると、電池セル１１を積層する段階で隣り合う電池セル１１と電池セル１１の間に圧縮パッド２０を介在して積層する。圧縮パッド２０の積層後に再度電池セル１１の積層を継続して行うことができる。この時、圧縮パッド２０は一定の厚さを有することができる。圧縮パッド２０はセルのスウェリングを防止する役割をすることができ、セルの発火時にある程度熱伝播を遅延させることができる。電池セル１１と圧縮パッド２０が積層されて電池セル積層体を形成し、後続としてリード溶接工程とモジュールフレーム工程によって電池モジュールを形成することができる。
図５は本発明の一実施形態による電池モジュールに含まれる電池セル積層体を形成する方法を示す図である。図６は図５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る。図７は図５の電池セル積層体に含まれた一つの電池セルを包むバリア層を示す正面図である。
図５を参照すると、本実施形態による電池モジュールに含まれる電池セル積層体は複数の電池セル１１０が積層されて形成され、複数の電池セル１１０のうち互いに隣り合う電池セル１１０の間に介在しているバリア層２００を含む。バリア層２００は難燃部材で形成される。この時、バリア層２００はシリコンフォームパッドまたはマイカシート（Ｍｉｃａ ｓｈｅｅｔ）で形成されることができる。電池モジュールにはバリア層２００が少なくとも２個以上含まれ、図示していないが、バリア層２００のうち隣り合う２個のバリア層２００の間には少なくとも２個以上の電池セル１１０が位置することができる。
本実施形態による電池セル１１０はパウチ型電池セルであることが好ましい。例えば、図６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。電池セル１１０は、電池ケース１１４に電極組立体（図示せず）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することができる。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の両端部１１４ａ，１１４ｂの間を電池セル１１０の長手方向と定義し、電池ケース１１４の両端部１１４ａ，１１４ｂを連結する一側部１１４ｃと連結部１１５の間を電池セル１１０の幅方向と定義することができる。
連結部１１５は電池セル１１０の一縁に沿って長く伸びている領域であり、連結部１１５の端部に電池セル１１０の突出部１１０ｐが形成される。突出部１１０ｐは連結部１１５の両端部の少なくとも一つに形成され、連結部１１５が伸びる方向に垂直な方向に突出し得る。突出部１１０ｐは電池ケース１１４の両端部１１４ａ，１１４ｂのシーリング部１１４ｓａ，１１４ｓｂの一つと連結部１１５の間に位置する。
電池ケース１１４は一般的に樹脂層／金属箔膜層／樹脂層のラミネート構造で形成されている。例えば、電池ケースの表面がＯ（ｏｒｉｅｎｔｅｄ）－ナイロン層で形成されている場合には、中大型電池モジュールを形成するために多数の電池セルを積層するとき、外部衝撃によって滑りやすくなる傾向がある。したがって、これを防止して電池セルの安定した積層構造を維持するために、電池ケースの表面に両面テープなどの粘着式接着剤または接着時の化学反応によって結合される化学接着剤などの接着部材を付着して電池セル積層体を形成することができる。本実施形態で電池セル積層体１２０はｙ軸方向に積層されることができる。
図５ないし図７を参照すると、本実施形態によるバリア層２００は、電池セル１１０のボディ部１１０Ｂを覆う第１バリア部２００ａ、第１バリア部２００ａから延びて、電池セル１１０のトップ部１１０Ｔを覆う第２バリア部２００ｂを含むことができる。電池セル１１０のボディ部１１０Ｂは電池セル１１０が積層される方向であるｙ軸方向に向かう電池セル１１０の一面を指し、電池セル１１０のトップ部１１０Ｔは電池ケース１１４の両端部１１４ａ，１１４ｂを連結する一側部１１４ｃに対応する部分であり得る。換言すれば、電池セル１１０のトップ部１１０Ｔは電池セル１１０の幅方向を基準として上端部を示すことができる。
この時、第１バリア部２００ａの厚さは第２バリア部２００ｂの厚さより厚くてもよい。第２バリア部２００ｂはフレキシブル材質で形成されることができる。第１バリア部２００ａが相対的に厚く形成されて隣り合う電池セル１１０間の熱伝播を遮断する難燃性能を高めることができ、相対的に薄く形成される第２バリア部２００ｂにより電池セル積層体を収容するモジュールフレームと電池セル１１０上端部の間のギャップの発生を最小化することができる。また、フレキシブル材質で第２バリア部２００ｂを形成し、電池セル１１０上端のダブルサイドフォールディング構造を密着して覆うことができる。
図７を参照すると、本実施形態によるバリア層２００は、電池セル１１０から突出する電極リード１１１，１１２周辺部の電池セル１１０端部を覆う第３バリア部２００ｃをさらに含むことができる。第３バリア部２００ｃには電極リード１１１，１１２が貫通する開口部２００Ａが形成されることができる。
図８は図５の電池セルが結合して形成された電池セル積層体を示す斜視図である。
図５ないし図８を参照すると、本実施形態による電池セル積層体を含む電池モジュールは、第１バリア部２００ａを含むことによって、セルの発火時、発火した電池セル１１０から隣り合う電池セル１１０への熱伝導を遮断することができる。のみならず、電池セル１１０のボディ部１１０Ｂ以外にもトップ部１１０Ｔを覆う第２バリア部２００ｂと電極リード１１１，１１２周辺部の電池セル１１０端部を覆う第３バリア部２００ｃを含むことによって、外部火炎によって火炎が発生していない電池セル１１０への熱伝導効果を相殺させることができる。例えば、図８を参照すると、第１電池セル１１０ａで発火が起きる時、バリア層２００が適用された第２電池セル１１０ｂで外部火炎による熱伝導が相殺されることができる。
図９は本発明の他の一実施形態による電池モジュールに含まれる電池セルのボディ部に形成されたバリア層を示す平面図である。図１０は図９の切断線Ｐ－Ｐに沿って切断した断面図である。
図９および図１０を参照すると、本実施形態によるバリア層２００は位置によって厚さが異なってもよい。具体的には、バリア層２００の厚さは電池セル１１０のボディ部１１０Ｂと向かい合う面を基準として縁に行くほど厚くなる。従来には電池セル１１０の充電によるセルスウェリング現象が考慮されず、すべての領域で同じ厚さを有する図４で説明した圧縮パッド２０をバリア層に適用した。セルスウェリング現象により圧縮パッドが圧縮されるとバリア層の物性が変わり得る。これとは異なり、本実施形態によれば、セルスウェリング現象を考慮してバリア層２００の厚さを領域別に異なるように適用することができる。したがって、セルスウェリング現象時バリア層２００の圧縮率を低くして難燃部材としての性能を極大化し、これにより、電池セル１１０間の熱伝播時間を効果的に遅延させることができる。図５ないし図８で説明した電池セル１１０に関する説明は本実施形態にも適用することができる。例えば、図５ないし図８で説明した第１バリア部２００ａの厚さが位置によって異なるように形成されることができる。
図１１は本発明の他の一実施形態による電池セルを覆うバリア層を示す斜視図である。図１２は図１１の電池セルを１８０度回転して反対側面に向かう斜視図である。図１３は図１１の電池セルとバリア層を使用して形成された電池セル積層体を示す斜視図である。図１４は図１１の実施形態による電池セルの発火時に火炎が排出される経路を示す斜視図である。
図１１および図１２を参照すると、バリア層２００は電池セル１１０の両面のうち一面を覆い、バリア層２００の上側で延びて電池セル１１０の他の一面の一部を覆う。この時、電池セル１１０のトップ部１１０Ｔは、第２バリア部２００ｂにより覆われる第１領域Ｐ１と第２バリア部２００ｂにより覆われない第２領域Ｐ１を含む。この時、第３バリア部２００ｃは第１領域Ｐ１と隣接する電池セル１１０の一端にのみ形成されることができる。
一方、第１領域Ｐ１は電池セル１１０のトップ部１１０Ｔのうち、第２バリア部２００ｂによりカバーされた長手方向上の一部領域であり得る。第１領域Ｐ１と第２領域Ｐ２は電池セル１１０の長手方向上相異なる位置に位置することができる。第１領域Ｐ１は電池セル１１０の一端と隣接し得、第２領域Ｐ２は電池セル１１０の他端と隣接し得る。
本実施形態によるバリア層２００は非対称構造によって電池セル１１０で発生した火炎の方向を誘導することができる。一例として、第１領域Ｐ１と第２領域Ｐ２を含む電池セル１１０のトップ部１１０Ｔを形成することによって、図１４に示すように電池セル１１０の左側方向に火炎を誘導することができる。
図５ないし図７の実施形態で説明したように、第１バリア部２００ａの厚さは第２バリア部２００ｂの厚さより厚くてもよい。第２バリア部２００ｂはフレキシブル材質で形成されることができる。第１バリア部２００ａが相対的に厚く形成されて隣り合う電池セル１１０間の熱伝播を遮断する難燃性能を高めることができ、相対的に薄く形成される第２バリア部２００ｂにより電池セル積層体を収容するモジュールフレームと電池セル１１０上端部の間のギャップの発生を最小化することができる。また、フレキシブル材質で第２バリア部２００ｂを形成し、電池セル１１０上端のダブルサイドフォールディング構造を密着して覆うことができる。電池セル１１０の上端部を覆う第２バリア部２００ｂと前記モジュールフレームの上端部の間のギャップが存在すると火炎方向の誘導がよく行われない。
図１３を参照すると、本実施形態による電池セル積層体１２０は、バリア層２００により覆われた電池セル１１０を多数含むことができる。積層された電池セル１１０の中でどの電池セル１１０で発火するのか分かり難いのでバリア層２００により覆われた電池セル１１０を多数適用することによって火炎誘導および熱伝播の遮断などの設計をすることができる。
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。
１１０ 電池セル
１１０Ｂ ボディ部
１１０Ｔ トップ部
１２０ 電池セル積層体
２００ バリア層
２００ａ 第１バリア部
２００ｂ 第２バリア部
２００ｃ 第３バリア部

Claims (14)

  1. 複数の電池セルが積層されて形成された電池セル積層体、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に介在しているバリア層を含み、
    前記バリア層は、位置によって厚さが異なる、電池モジュール。
  2. 前記バリア層の厚さは、前記電池セルのボディ部と向かい合う面を基準として縁に行くほど厚くなる、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記バリア層は、前記電池セルのボディ部を覆う第１バリア部と、前記第１バリア部から延びて、前記電池セルのトップ部を覆う第２バリア部とを含む、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記第１バリア部の厚さは、前記第２バリア部の厚さより厚い、請求項３に記載の電池モジュール。
  5. 前記第２バリア部は、フレキシブル材質で形成される、請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 前記電池セルのトップ部は、前記第２バリア部によって覆われる第１領域と、前記第２バリア部によって覆われない第２領域とを含む、請求項５に記載の電池モジュール。
  7. 前記バリア層は、前記電池セルから突出する電極リード周辺部の前記電池セルの端部を覆う第３バリア部をさらに含む、請求項３～６のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  8. 前記第３バリア部には、前記電極リードが貫通する開口部が形成されている、請求項７に記載の電池モジュール。
  9. 前記バリア層は、難燃部材で形成される、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  10. 前記バリア層は、シリコンフォームパッドまたはマイカシートで形成される、請求項９に記載の電池モジュール。
  11. 前記バリア層は、少なくとも２個以上含まれ、前記バリア層のうち隣り合う２個のバリア層の間には、少なくとも２個以上の電池セルが位置する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  12. 前記バリア層は、前記電池セルの両面のうち一面を覆い、前記バリア層の上側で延びて前記電池セルの他の一面の一部を覆う、請求項１～１１のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  13. 前記バリア層は、非対称構造によって前記電池セルで発生した火炎の方向を誘導する、請求項１２に記載の電池モジュール。
  14. 請求項１～１３のいずれか一項に記載の電池モジュールを含む、電池パック。
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