JP2024502968A - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents

電池モジュールおよびこれを含む電池パック Download PDF

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Abstract

Figure 2024502968000001
本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、前記電池セル積層体を囲むモジュールフレームと、前記電池セルの間に介在する消火部材とを含み、前記電池セルは、互いに隣り合う第１電池セルおよび第２電池セルを含み、前記消火部材は、前記第１電池セルの上面、前記第１電池セルと前記第２電池セルとの間の空間、および前記第２電池セルの下面をジグザグ状に囲んでいる。

Description

関連出願との相互参照
本出願は、２０２１年１１月３日付の韓国特許出願第１０－２０２１－０１４９６２６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これを含む電池パックに関し、より具体的には、安全性が向上した電池モジュールおよび電池パックに関する。
現代社会では、携帯電話、ノートパソコン、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯型機器の使用が日常化されるに伴い、このようなモバイル機器に関する分野の技術に対する開発が活発になっている。また、充放電可能な二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリン車両などの大気汚染などを解決するための方策で、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（Ｐ－ＨＥＶ）などの動力源として用いられていることから、二次電池に対する開発の必要性が高まっている。
現在商用化された二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあるが、このうち、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起こらず充放電が自由であり、自己放電率が非常に低く、エネルギー密度が高いというメリットにより注目されている。
このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質および負極活物質として使用する。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板とがセパレータを挟んで配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する電池ケースとを備える。
一般に、リチウム二次電池は、外装材の形状により、電極組立体が金属缶に内蔵されている缶型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内蔵されているパウチ型二次電池とに分類される。
小型機器に用いられる二次電池の場合、２－３個の電池セルが配置されるが、自動車などのような中大型デバイスに用いられる二次電池の場合は、多数の電池セルを電気的に連結した電池モジュール（Ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｄｕｌｅ）が用いられる。このような電池モジュールは、多数の電池セルが互いに直列または並列に連結されて電池セル積層体を形成することによって容量および出力が向上する。また、１つ以上の電池モジュールは、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、冷却システムなどの各種制御および保護システムと共に装着されて電池パックを形成することができる。
二次電池は、適正温度より高まる場合、二次電池の性能が低下することがあり、激しい場合、爆発や発火の危険もある。特に、二次電池の特定の電池セルにおいて熱暴走（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）現象が発生すると、隣接電池セルへの伝播が非常に速くなる。また、電池セル間の熱暴走伝播（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）によって大規模な火災および爆発の発生の可能性が高いので、熱暴走現象を防止し、熱暴走伝播を抑制および遅延させることは非常に重要である。
図１は、従来の電池モジュールに含まれる電池セルおよび接着部材を示す図である。
図１を参照すれば、電池セル積層体は、電池セル１１と、互いに隣り合う電池セル１１の間に介在する接着部材５０ａ、５０ｂとを含む。この時、接着部材５０ａ、５０ｂは、その形態により分離型接着部材５０ａまたは全体型接着部材５０ｂを含む。
つまり、従来の電池モジュールは、電池セル積層体を形成するために、電池セル１１の間に両面テープのような接着部材５０ａ、５０ｂを介して電池セル１１を互いに付着させた。しかし、この場合、電池モジュール内に火災が発生した時、一部の電池セル１１で発生した発火現象が他の電池セル１１に転移することを遅延させにくい問題があった。
また、接着部材５０ａ、５０ｂの場合、電池セル１１の上部および下部はカバーしないので、特に、熱暴走現象の発生時、熱と火炎が隣接する電池セル１１に転移しやすかった。
そのため、電池セル１１の上部および下部をカバーできるだけでなく、熱暴走鎮圧および電池セル１１間の熱暴走伝播を防止および遅延させて、安全性が向上した電池モジュールを開発する必要がある。
本発明の解決しようとする課題は、熱暴走の発生時、電池セル間の熱暴走伝播を防止または熱暴走伝播を効果的に遅延させる電池モジュール、並びに、これを含む電池パックを提供することである。
しかし、本発明が解決しようとする課題が上述した課題に制限されるわけではなく、言及されていない課題は本明細書および添付した図面から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるであろう。
本発明の一実施例による電池モジュールは、複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、前記電池セル積層体を囲むモジュールフレームと、前記電池セルの間に介在する消火部材とを含み、前記電池セルは、互いに隣り合う第１電池セルおよび第２電池セルを含み、前記消火部材は、前記第１電池セルの上面、前記第１電池セルと前記第２電池セルとの間の空間、および前記第２電池セルの下面をジグザグ状に囲んでいる。
前記消火部材は、消火薬剤と、前記消火薬剤を収容するケースとを含むことができる。
前記ケースは、前記電池モジュール内部の高温発生時に融解し、前記ケースに収容された前記消火薬剤が前記ケースの外部に放出される。
前記消火部材は、両面接着性を有することができる。
前記ケースは、両面接着性を有することができる。
前記消火部材は、前記モジュールフレームの上部および前記モジュールフレームの下部と接することができる。
本発明の他の実施例による電池モジュールの消火部材は、前記第１電池セルの上面および前記第２電池セルの下面と接することができる。
前記消火部材は、前記モジュールフレームの上部と前記第１電池セルの上面とを接着させ、前記モジュールフレームの下部と前記第２電池セルの下面とを接着させることができる。
前記消火部材は、前記第１電池セルと前記第２電池セルとを互いに接着させることができる。
前記消火部材は、前記モジュールフレームの側面部と最外郭電池セルとの間に介在できる。
前記消火部材は、前記モジュールフレームの側面部と最外郭電池セルとを接着させることができる。
本発明のさらに他の実施例による電池パックは、前述した電池モジュールを含むことができる。
本発明の一実施例による電池モジュールは、電池セル積層体において互いに隣り合う一対の電池セルの間に消火部材が介在し、前記消火部材は、前記電池セルをジグザグ状に囲むように形成されて、熱暴走の発生時、電池セル間の熱暴走伝播を防止したり、熱暴走伝播を効果的に遅延させることができる。
本発明の効果が上述した効果に制限されるわけではなく、言及されていない効果は本明細書および添付した図面から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるであろう。
従来の電池モジュールに含まれる電池セルおよび接着部材を示す図である。 本発明の一実施例による電池モジュールを示す斜視図である。 図２の電池モジュールに含まれる電池セルを示す斜視図である。 図２の切断線ａ－ａ’に沿った断面を示す図である。 本発明の他の実施例による電池モジュールを示す図である。 図５の電池モジュールに含まれる電池セル積層体の一部を示す斜視図である。
以下、本発明の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、本発明の実施例について詳細に説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。
また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示のものに限定されない。図面において、様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして、図面において、説明の便宜のために、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の「上に」あると記載する時、これは、他の部分の「直上に」ある場合のみならず、その中間にさらに他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上に」あると記載する時には、中間に他の部分がないことを意味する。さらに、基準となる部分の「上に」あるというのは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力の反対方向に向かって「上に」位置することを意味するのではない。
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」と記載する時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
さらに、明細書全体において、「平面上」と記載する時、これは対象部分を上から見た時を意味し、「断面上」と記載する時、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。
本出願で使用される第１、第２の用語は多様な構成要素を説明するのに使用できるが、構成要素は用語によって限定されてはならない。用語は１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。
以下、図２～図６を参照して、本発明の電池モジュールについて説明する。
図２は、本発明の一実施例による電池モジュールを示す斜視図である。図３は、図２の電池モジュールに含まれる電池セルを示す斜視図である。図４は、図２の切断線ａ－ａ’に沿った断面を示す図である。
図２～図４を参照すれば、本実施例による電池モジュール１００は、複数の電池セル１１０が積層されている電池セル積層体１２０と、電池セル積層体１２０を囲むモジュールフレーム２００とを含む。
まず、電池セル１１０は、パウチ型電池セルであることが好ましく、長方形のシート状の構造に形成される。例えば、図３を参照すれば、本実施例による電池セル１１０は、２つの電極リード１１１、１１２が互いに対向してセル本体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。つまり、電池セル１１０は、互いに対向する方向に突出した電極リード１１１、１１２を含む。より詳しくは、電極リード１１１、１１２は、電極組立体（図示せず）に連結され、前記電極組立体（図示せず）から電池セル１１０の外部に突出する。
一方、電池セル１１０は、セルケース１１４に電極組立体（図示せず）を収納した状態で、セルケース１１４の両端部１１４ａ、１１４ｂとこれらを連結する一側部１１４ｃとを接着することによって製造できる。言い換えれば、本実施例による電池セル１１０は、計３箇所のシーリング部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。セルケース１１４は、樹脂層と金属層とを含むラミネートシートからなる。
また、連結部１１５は、電池セル１１０の一周縁に沿って長く延びることができ、連結部１１５の端部にはバットイヤ１１０ｐが形成される。また、突出した電極リード１１１、１１２を挟んでセルケース１１４が密封されながら、電極リード１１１、１１２とセル本体１１３との間にテラス部１１６が形成される。つまり、電池セル１１０は、電極リード１１１、１１２が突出した方向にセルケース１１４から延長形成されたテラス部１１６を含むことができる。
このような電池セル１１０は、複数個構成されてもよいし、複数の電池セル１１０は、相互電気的に連結できるように積層されて電池セル積層体１２０を形成する。特に、図２に示されているように、ｘ軸と平行な方向に沿って複数の電池セル１１０が積層される。これによって、電極リード１１１、１１２は、ｙ軸方向と－ｙ軸方向にそれぞれ突出できる。
一方、モジュールフレーム２００は、前後面を除いて電池セル積層体１２０を囲むモノフレームであってもよい。ただし、モジュールフレーム２００はこれに限定されたわけではなく、Ｌ字状フレームまたは上部面、前面および後面が開放されて電池セル積層体１２０の下部および両側部を覆うＵ字状フレームと、電池セル積層体１２０の上部を覆う上部プレートとを含むフレーム形状を含むことができる。モジュールフレーム２００を介してモジュールフレーム２００の内部に収容された電池セル積層体１２０を物理的に保護できる。この時、モジュールフレーム２００は、モジュールフレーム２００の下部２００ａと、モジュールフレーム２００の側面部２００ｂと、モジュールフレーム２００の上部２００ｃとを含むことができる。
エンドプレート１５０は、モジュールフレーム２００で開放されている電池セル積層体１２０の前後面を覆うことができる。エンドプレート１５０は、モジュールフレーム２００の前後端角と溶接により結合可能である。
エンドプレート１５０と電池セル積層体１２０の前後面との間にはバスバーフレーム（図示せず）が形成される。前記バスバーフレームに装着された複数のバスバーは、電池セル１１０から突出形成されて、前記バスバーフレーム上に装着された電極リード１１１、１１２と接触できる。
また、本実施例による電池モジュール１００は、電池セル積層体１２０の下面とモジュールフレーム２００の下部２００ａとの間に位置する熱伝導性樹脂層３１０をさらに含み、熱伝導性樹脂層３１０は、電池セル１１０で発生する熱を、電池モジュール１００の底に伝達する役割を果たすことができる。
一方、図４を参照すれば、本実施例による電池モジュール１００は、電池セル１１０の間に介在する消火部材３００を含む。
この時、電池セル１１０は、互いに隣り合う第１電池セル１１０ａおよび第２電池セル１１０ｂを含む。また、第２電池セル１１０ｂの次には再び第１電池セル１１０ａが隣り合うように形成される。したがって、第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂとが交互に形成される。
また、図４を参照すれば、消火部材３００は、第１電池セル１１０ａの上面、第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂとの間の空間、および第２電池セル１１０ｂの下面をジグザグ状に囲んでいる。つまり、消火部材３００は、第１電池セル１１０ａの上面および第２電池セル１１０ｂの下面を囲むことができ、第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂとの間の空間を囲むように形成される。特に、第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂとは交互に形成可能なため、消火部材３００は、交互に形成される第１電池セル１１０ａおよび第２電池セル１１０ｂの間の空間をそれぞれ囲むことができる。
この時、消火部材３００は、消火薬剤と、前記消火薬剤を収容するケースとを含むことができる。図４にて消火部材３００として示されたものは、前記ケースを示したものである。したがって、消火部材３００の前記ケースの内部に前記消火薬剤が形成される。
前記ケースは、電池モジュール１００および電池セル１１０内部の高温発生時に融解し、前記ケースに収容された前記消火薬剤が前記ケースの外部に放出できる。特に、前記ケースは、電池モジュール１００の内部熱暴走（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）が発生した時に融解するものである。この時、前記ケースから放出される前記消火薬剤は、電池セル１１０で発生する熱暴走現象の防止および熱暴走伝播の遅延効果を達成することができる。また、火災および火炎の鎮圧により隣接する電池セル１１０への火災および火炎の伝播を防止および遅延させる効果を達成することができる。
したがって、前記ケースは、熱暴走現象の発生時に融解できる素材で形成される。また、前記消火薬剤は、液状消火薬剤および／または一般に使用される粉末形態の消火薬剤であってもよい。一例として、前記消火薬剤物質は、泡消火薬剤を含む液状消火薬剤であってもよく、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）、リン酸アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ３）、および「炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）と尿素（（ＮＨ２）２ＣＯ）」の混合物のいずれか１つであってもよい。ただし、前記消火薬剤はこれに限定されず、消火機能を行う物質であれば制限なく使用可能である。
また、消火部材３００は、両面接着性を有することができる。特に、消火部材３００の前記ケースは、両面接着性を有することができる。したがって、後述する内容のように、消火部材３００を中心に消火部材３００の両面に形成される第１電池セル１１０ａおよび第２電池セル１１０ｂを固定する役割を果たすことができる。
また、図４を参照すれば、消火部材３００は、モジュールフレーム２００の上部２００ｃおよびモジュールフレーム２００の下部２００ａと接することができる。なお、モジュールフレーム２００の下部２００ａには熱伝導性樹脂層３１０が形成可能なため、消火部材３００は、熱伝導性樹脂層３１０と接することができる。
さらに、消火部材３００は、第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂとの間の空間を囲むように形成され、第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂとの間に介在するように形成可能なため、第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂとを互いに接着させることができる。
これとともに、消火部材３００は、モジュールフレーム２００の側面部２００ｂと最外郭電池セル１１０との間に介在できる。つまり、消火部材３００は、モジュールフレーム２００の側面部２００ｂと接するように形成され、最外郭電池セル１１０の側面とも接するように形成される。したがって、消火部材３００は、モジュールフレーム２００の側面部２００ｂと電池セル積層体１２０に含まれる最外郭電池セル１１０とを接着させることができ、電池セル積層体１２０をモジュールフレーム２００の内部に固定することができる。
これによって、本実施例による電池モジュール１００内に発火現象または熱暴走現象の発生時、消火部材３００が電池セル１１０の上部または下部に位置し、隣接する電池セル１１０の間に介在することによって、電池セル１１０で発生した火炎を効果的に抑制することができる。これとともに、消火部材３００による電池セル１１０で発生した火炎の消火過程で、二酸化炭素および水蒸気が発生しうる。このような反応は、吸熱反応により電池セル１１０で発生した熱暴走現象の熱を吸収することができ、酸素の供給も遮断可能で、電池セル１１０間の火炎および熱伝播を効果的に遅延させることができる。また、電池モジュール１００の安全性も向上できる。
以下、図５および図６を参照して、本発明の他の実施例による電池モジュールについて説明する。上記で説明した内容と重複する内容が存在するので、異なる内容を中心に説明する。
図５は、本発明の他の実施例による電池モジュールを示す図である。図６は、図５の電池モジュールに含まれる電池セル積層体の一部を示す斜視図である。
図５を参照すれば、消火部材３００は、モジュールフレーム２００の上部２００ｃおよびモジュールフレーム２００の下部２００ａと接することができる。また、モジュールフレーム２００の下部２００ａには熱伝導性樹脂層３１０が形成可能なため、消火部材３００は、熱伝導性樹脂層３１０と接することができる。
また、図５および図６を参照すれば、本実施例の消火部材３００は、第１電池セル１１０ａの上面および第２電池セル１１０ｂの下面と接することができる。
したがって、消火部材３００は、上記で説明したように、両面接着性を有することから、モジュールフレーム２００の上部２００ｃと第１電池セル１１０ａの前記上面とを接着させ、モジュールフレーム２００の下部２００ａと第２電池セル１１０ｂの前記下面とを接着させることができる。
また、消火部材３００は、第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂとの間の空間を囲むように形成され、第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂとの間に介在するように形成されるので、第１電池セル１１０ａと第２電池セル１１０ｂとを互いに接着させることができる。
この時、前記接着により、電池セル１１０間の固定が可能であり、電池セル１１０を複数個積層して形成される電池セル積層体１２０がモジュールフレーム２００上に固定されるようにする。
これによって、ジグザグ状に電池セル１１０を囲む消火部材３００を介して、電池セル１１０それぞれを孤立させることができる。したがって、１つの電池セル１１０で熱暴走現象が発生しても消火部材３００を介して熱暴走現象を鎮圧することができ、熱暴走現象が伝播することを遅延させることができる。また、モジュールフレーム２００内に形成される電池セル積層体１２０および電池セル１１０を接着および固定させることによって、電池セル積層体１２０および電池セル１１０の移動およびこれによる損傷を最小化して、電池モジュールの安定性を向上させることができる。
以下、本発明のさらに他の実施例による電池パックについて説明する。
本実施例による電池パックは、先に説明した電池モジュールを含む。これとともに、本発明の電池パックは、本実施例による電池モジュールを１つ以上まとめて電池の温度や電圧などを管理する電池管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＭＳ）と冷却装置などを追加してパッキングした構造であってもよい。
前記電池パックは、多様なデバイスに適用可能である。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できるが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールを用いることができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。
以上、本発明の好ましい実施例について図示および説明したが、本発明は上述した特定の実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能であることはもちろんであり、このような変形実施は本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
１００：電池モジュール
１１０：電池セル
１２０：電池セル積層体
１５０：エンドプレート
２００：モジュールフレーム
３００：消火部材

Claims (12)

  1. 複数の電池セルが積層された電池セル積層体と、
    前記電池セル積層体を囲むモジュールフレームと、
    前記電池セルの間に介在する消火部材とを含み、
    前記電池セルは、互いに隣り合う第１電池セルおよび第２電池セルを含み、
    前記消火部材は、前記第１電池セルの上面、前記第１電池セルと前記第２電池セルとの間の空間、および前記第２電池セルの下面をジグザグ状に囲んでいる、電池モジュール。
  2. 前記消火部材は、
    消火薬剤と、
    前記消火薬剤を収容するケースとを含む、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記ケースは、前記電池モジュール内部の高温発生時に融解し、
    前記ケースに収容された前記消火薬剤が前記ケースの外部に放出される、請求項２に記載の電池モジュール。
  4. 前記消火部材は、両面接着性を有する、請求項２に記載の電池モジュール。
  5. 前記ケースは、両面接着性を有する、請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 前記消火部材は、前記モジュールフレームの上部および前記モジュールフレームの下部と接する、請求項１に記載の電池モジュール。
  7. 前記消火部材は、前記第１電池セルの上面および前記第２電池セルの下面と接する、請求項１に記載の電池モジュール。
  8. 前記消火部材は、前記モジュールフレームの上部と前記第１電池セルの上面とを接着させ、前記モジュールフレームの下部と前記第２電池セルの下面とを接着させる、請求項１に記載の電池モジュール。
  9. 前記消火部材は、前記第１電池セルと前記第２電池セルとを互いに接着させる、請求項１に記載の電池モジュール。
  10. 前記消火部材は、前記モジュールフレームの側面部と最外郭電池セルとの間に介在する、請求項１に記載の電池モジュール。
  11. 前記消火部材は、前記モジュールフレームの側面部と最外郭電池セルとを接着させる、請求項１０に記載の電池モジュール。
  12. 請求項１に記載の電池モジュールを含む、電池パック。
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