JP2024506457A - 安全性が向上したパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュール - Google Patents
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Abstract
本発明は安全性が向上したパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュールに関するものであり、具体的には、内部被覆層、金属層及び外部被覆層を含むラミネートシートからなり、熱融着によって縁部がシーリングされた第１セルケース及び第２セルケースと、前記第１セルケース及び第２セルケースに収納された電極組立体と、一側は前記電極組立体と連結され、他側は第１セルケース及び第２セルケースの外側に突出するように配置された正極リード及び負極リードと、熱融着によって形成されたシーリング部を取り囲む押圧部材とを含むパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュールに関するものである。
Description
本出願は２０２２年１月１１日付け韓国特許出願第１０－２０２２－０００４３１４号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願に開示されたすべての内容はこの明細書の一部として含まれる。
本発明は安全性及び充放電出力性能が向上したパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュールに関するものであり、具体的には電池セルのシーリング部に押圧部材を備え、電池モジュールケースに伝熱パッドを備えることで、ガスベンティングの防止や遅延、及び迅速な放熱が可能な構造を有する、安全性が向上したパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュールに関するものである。
スマートフォン、ノートブック型ＰＣ、デジタルカメラなどのモバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するのに伴い、充放電の可能な二次電池に関する技術が活発に研究されている。また、二次電池は大気汚染物質を発生させる化石燃料の代替エネルギー源であり、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（ＰＨＥＶ）、及びエネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＳ）などに適用されている。
現在広く使われる二次電池の種類には、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。このような単位二次電池セルは、所要出力電圧または充放電容量に応じて複数の電池セルを直列または並列に連結してバッテリーモジュールを構成することが一般的である。
特に、スタック型またはスタック・フォールディング型電極組立体をアルミニウムラミネートシートのパウチ型電池ケースに内蔵した構造のパウチ型リチウムイオン電池は、低い製造コスト及び高いエネルギー密度などの利点によって使用量が次第に増加している趨勢である。
図１は従来技術によるパウチ型電池セルの概略図である。従来技術によるパウチ型電池セルは、第１セルケース１１及び第２セルケース１２によって形成された収納空間に電極組立体が収納される。そして、電極組立体から延びた電極タブは正極リード１４及び負極リード１５と電気的に連結された後、セルケースの外側に露出されるように位置する。
ここで、第１セルケース１１と第２セルケース１２とが互いに重畳する縁部は熱融着によってシーリングされ、よって電極組立体は外部との接触が遮断される構造である。
しかし、反復的な充放電過程またはイベント発生によって電池セルの温度が上昇する場合、熱融着シーリング部の接着性能が低下し、特に電極タブと連結された電極リード付近の温度が一番高く上昇するので、電極リードが位置するシーリング部が一番脆弱である。最近、電気自動車の開発趨勢を考慮すると、急速充電などのように高電流でも安定的に使える電池セルの開発が必要である。
前記のような問題点を解決するために、本発明は、シーリング部の接着強度を高めることができる安全性が向上したパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュールを提供することを目的とする。
また、本発明は、電池セルで発生した熱を速かに放熱することができるので、充放電電流を大きく使用して車両の充電時間を縮め、さらにより高い出力が使用できるように充放電出力性能が向上したパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュールを提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明によるパウチ型電池セルは、内部被覆層、金属層及び外部被覆層を含むラミネートシートからなり、熱融着によって縁部がシーリングされた第１セルケース（２１０）及び第２セルケース（２２０）と、前記第１セルケース（２１０）及び第２セルケース（２２０）に収納された電極組立体と、一側は前記電極組立体と連結され、他側は第１セルケース（２１０）及び第２セルケース（２２０）の外側に突出するように配置された正極リード（２４０）及び負極リード（２５０）と、熱融着によって形成されたシーリング部を取り囲む押圧部材（２６０）とを含むことを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記押圧部材（２６０）は、正極リード（２４０）または負極リード（２５０）が位置するシーリング部を取り囲むように配置されていることを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記押圧部材（２６０）は、所定の厚さ及び幅を有する六面体形状のバー（ｂａｒ）が折り畳まれた形状を有することを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記押圧部材（２６０）は、前記シーリング部の外側面と密着する内部層（２６１）と、前記内部層（２６１）の外側に位置する外部層（２６２）とから構成されることを特徴とする。
また、本発明によるパウチ型電池セルにおいて、前記内部層（２６１）は熱伝逹可能な樹脂からなり、前記外部層（２６２）は金属材からなることを特徴とする。
また、本発明は、底面プレート（１１０）、一対の側面プレート（１２０）及び上面プレート（１３０）を含むモジュールケース（１００）と、前記モジュールケース（１００）の内部に収納される複数の電池セル（２００）と、前記複数の電池セル（２００）を直列または並列に連結するための複数のバスバー（３００）とを含み、前記電池セル（２００）は前述したパウチ型電池セルであることを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記底面プレート（１１０）の内側面には伝熱パッド（１４０）をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記電池セル（２００）の押圧部材（２６０）の一側端部は伝熱パッド（１４０）と密着するように位置することを特徴とする。
また、本発明による電池モジュールにおいて、前記底面プレート（１１０）は金属材からなることを特徴とする。
また、本発明は前述した電池モジュールを含む電池パックを提供することを特徴とする。
本発明の安全性が向上したパウチ型電池セルによれば、電極リードが位置するシーリング部を取り囲む押圧部材を備えているので、ガスベンティングを防止するかまたは遅延させることができ、よって電池セルの安全性を高めるとともに寿命を伸ばすことができるという利点がある。
また、本発明の安全性が向上した電池モジュールによれば、熱伝導性物質からなる押圧部材を備えた電池セルは、金属材のモジュールケースに備えられた伝熱パッドと接触するように配置されるので、迅速な放熱が可能であるという利点がある。
本出願で、「含む」、「有する」または「備える」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組合せが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組合せなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。
また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般にわたって、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の要素を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
以下、本発明による安全性が向上したパウチ型電池セル及びこれを含む電池モジュールについて説明する。
図２は本発明の好適な実施例による電池モジュールの斜視図であり、図３は図２に示す電池モジュールの正面図であり、図４は図２に示す電池モジュールを垂直方向に切断した斜視図である。また、図５は図２に示す電池モジュールを水平方向に切断した斜視図であり、図６は図２に示す電池モジュールの内部斜視図である。
これらの図２～図６を参照しながら説明すると、本発明による電池モジュールは、モジュールケース１００、複数の電池セル２００、複数のバスバー３００、及びバスバーフレーム４００を含む。
まず、モジュールケース１００は、電池セル２００、バスバー３００、及びバスバーフレーム４００を収納し、外部衝撃などからこれらを保護するためのものであり、略六面体状を有することができる。
具体的には、アルミニウムのような金属材のモジュールケース１００は、電池セル２００の下部及び上部をそれぞれ支持及び保護する底面プレート１１０及び上面プレート１３０、側面を支持する一対の側面プレート１２０、及び伝熱パッド１４０から構成されることができる。
これらの底面プレート１１０、一対の側面プレート１２０及び上面プレート１３０は一体型に製作するか、またはそれぞれ製作した後、ボルトなどの公知の手段で固定することができる。図面には前面プレート及び後面プレートが示されていないが、必要に応じて前面プレート及び後面プレートをさらに備えることができる。
伝熱パッド１４０は底面プレート１１０の内側面、より詳細には電池セル２００の正極リード２４０及び負極リード２５０が位置する場所に配置され、伝熱パッド１４０の上面には電池セル２００の押圧部材２６０の下端部が密着するように配置される。
したがって、電池セル２００で発生した熱は押圧部材２６０に伝達された後、伝熱パッド１４０及び金属材の底面プレート１１０を順次経由するので、電池モジュールの放熱効果を高めることができ、さらに伝熱パッド１４０は押圧部材２６０の荷重を支持するとともに組立の際に発生し得る公差を減らすのに寄与することができる。
ここで、伝熱パッド１４０の素材としては、前記のような機能を果たすことができれば特に限定しないが、例えば公知の熱伝導性物質（ＴＩＭ、Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）であり得る。
図面には伝熱パッド１４０が底面プレート１１０の前方及び後方にそれぞれ位置するものとして示されているが、正極リード及び負極リードが同じ方向に露出される単方向電池セルの場合には、リードが配置される側にのみ備えてもかまわない。
モジュールケース１００の内部に収納される電池セル２００、より詳細にはパウチ型電池セルは垂直に立てられた後、横方向に並んで積層される。
図７は本発明の好適な実施例による電池セルの斜視図であり、図８は図７に示す電池セルの分解斜視図であり、図９は電池セルに装着される押圧部材の拡大斜視図である。
図７～図９に示すように、本発明による電池セル２００は、セルケース、セルケースの内部に収納された電極組立体（図示せず）、セルケースの縁部のシーリング部２３０、一対の電極タブ（図示せず）、一側は電極タブと電気的に連結され、他側はセルケースの外側に突出した一対の電極リード、絶縁フィルム（図示せず）、及び押圧部材２６０を含む。
詳細には、セルケースは、第１セルケース２１０及び第２セルケース２２０から構成され、外部被覆層、金属層及び内部被覆層からなるラミネートシートで作られ、電極組立体を収納することができるようにポケット状の空間部が形成されている。
内部被覆層は電極組立体と直接的に接触するので、絶縁性及び耐電解液性を有しなければならなく、また外部に対する密閉のためにシーリング性、すなわち、内部層同士が熱接着されるシーリング部位は優れた熱接着強度を有しなければならない。
このような内部被覆層の材料としては、耐化学性に優れながらもシーリング性が良いポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンアクリル酸、ポリブチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂及びポリイミド樹脂から選択することができるが、これらに限定されない。引張強度、剛性、表面硬度、耐衝撃強度などの機械的物性及び耐化学性に優れたポリプロピレンが一番好ましい。
内部被覆層と接する金属層は外部から水分や各種のガスが電池の内部に浸透することを防止するバリア層に相当し、このような金属層の好ましい材料としては、軽いながらも成形性に優れたアルミニウム薄膜を使うことができる。
そして、金属層の他側面には外部被覆層を備え、このような外部被覆層は、電極組立体を保護しながら耐熱性及び耐化学性を確保することができるように、引張強度、透湿防止性及び空気透過防止性に優れた耐熱性ポリマーを使うことができ、一例としてナイロンまたはポリエチレンテレフタレートを使うことができるが、これに限定されない。
一方、第１セルケース２１０及び第２セルケース２２０の内部に収納される電極組立体は、複数の電極が積層された形態のスタック型電極組立体、正極及び負極の間に分離膜が介在された状態で巻き取られた形態のゼリーロール型電極組立体、複数の単位セルが積層される形態のラミネーション・スタック型電極組立体、及び単位セルが分離膜シートに位置する状態で巻き取られる形態のスタック・フォールディング型電極組立体に分類することができる。
前述したラミネーション・スタック型電極組立体及びスタック・フォールディング型電極組立体を製造するために単位セルを製造する。前記単位セルは、正極及び負極の間に分離膜が介在された形態のモノセル（ｍｏｎｏ－ｃｅｌｌ）、並びに正極、負極及び正極、または負極、正極及び負極が積層され、前記正極及び負極の間に分離膜が介在されるバイセル（ｂｉ－ｃｅｌｌ）の形態を有することができる。
本発明による電極組立体は負極／分離膜／正極／分離膜／負極が積層された構造を有することができ、その他にも電極組立体を構成する正極及び負極の個数を自由に設定して使うことができるというのは言うまでもない。また、複数の単位セルをラミネーションするラミネーション・スタック型電極組立体を使うこともでき、前記電極組立体の構造はこの明細書に記載された電極組立体のいずれにも適用することができる。
電極組立体の正極及び負極はそれぞれ正極タブ及び負極タブを備え、これらの一対のタブはそれぞれ正極リード２４０及び負極リード２５０とスポット（Ｓｐｏｔ）溶接などによって連結された状態で、セルケースの外側に所定の長さ突出するように配置される。
そして、絶縁フィルムは一対の電極リードの上面及び下面、より詳細には第１セルケース２１０と第２セルケース２２０とが熱融着されるシーリング部２３０に位置する。
したがって、電極組立体から生成される電気が電極リードを介してセルケースに流れることを防止し、また電極リードとセルケースとのシーリング状態を維持する。ここで、絶縁フィルムは電気が通じない非伝導性材質であることが好ましく、一般的に電極リードに付着しやすく厚さが比較的薄い絶縁テープが多く使われているが、これに限定されない。
図面には正極リード２４０と負極リード２５０とが互いに反対側に位置する両方向電池セルとして示されているが、これらの一対の電極リードが同一方向に向かって配置された単方向電池セルであってもかまわない。
次に、押圧部材２６０について説明する。押圧部材２６０は熱融着によって形成されたシーリング部２３０、より好ましくは正極リード２４０及び負極リード２５０が位置する、いわゆるテラス部に相当するシーリング部２３０を取り囲むように配置される。
このような押圧部材２６０は所定の厚さ及び幅を有する長い六面体形状のバー（ｂａｒ）が折り畳まれた形状を有し、内部層２６１と、前記内部層２６１の外側に位置する外部層２６２とからなる多層構造を有する。
ここで、内部層２６１はシーリング部の外側面と密着するようになり、熱伝逹の可能な樹脂、例えば前述した伝熱パッド１４０と同じ素材からなることができる。そして、外部層２６２はアルミニウムや銅のような金属材質からなることが好ましい。
前述した構成を有する押圧部材２６０を使うとき、硬い金属材の外部層２６２によってシーリング部を押圧した状態で維持することができるので、高温の環境でも内部被覆層の接着性能が低下することを補償することができる。
また、押圧部材２６０の内部層２６１は所定の弾性を有する樹脂からなるので、シーリング部２３０の外側面に密着してもセルケースの損傷を防止することができるだけでなく、厚さ公差を吸収することができる。
さらに、押圧部材２６０の内部層２６１は熱伝逹が可能であり、押圧部材２６０の下端部が底面プレート１１０に位置する伝熱パッド１４０と密着するように配置されるので、電池セル２００の放熱効果を高めることができる。
一方、図７～図９のように、押圧部材２６０の折曲部分（図９で、下端部）が下側に位置することが良い。これは、できるだけ伝熱パッド１４０と接する面積を増やすためである。
また、図２～図６を参照しながらバスバー及びバスバーフレームについて説明する。バスバー３００はモジュールケース１００の内部に収納されている複数の電池セル２００を直列または並列に連結するためのものである。
すなわち、バスバー３００は低いインピーダンスと高い電流容量を有する導体であり、複数の電池セル２００が積層される方向に複数のバスバー３００が並んで配置されることで、電池セル２００を直列に連結するかまたは並列に連結する。
本発明におけるバスバー３００は厚さが一定した板状構造を有するものを例示しているが、これに限定されず、電気的連結が可能な多様な構造に変更して実施することができる。
バスバーフレーム４００はバスバー３００を支持した状態でモジュールケース１００に固定される。具体的には、電池セル２００のリードはバスバー３００のスリットを貫通してから折り曲げられ、その後、レーザー溶接、抵抗溶接などの公知の固定手段によってバスバー３００に固定される。これらの電池セル２００及びバスバー３００を安定的に支持することができるように電池セル２００とバスバー３００との間にバスバーフレーム４００が位置する。
前述した電池モジュールは電池パックを構成することができ、また多様なデバイスに適用することができる。
以上で本発明の内容の特定部分を詳細に記述したが、当該分野で通常の知識を有する者にこのような具体的技術はただ好適な実施様態であるだけで、これによって本発明の範囲が限定されるものではなく、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であるというのは当業者に明らかなものであり、このような変形及び修正も添付の特許請求範囲に属するものであるというのは言うまでもない。
１００ モジュールケース
１１０ 底面プレート
１２０ 側面プレート
１３０ 上面プレート
１４０ 伝熱部材
２００ 電池セル
２１０ 第１セルケース
２２０ 第２セルケース
２３０ シーリング部
２４０ 正極リード
２５０ 負極リード
２６０ 押圧部材
２６１ 外部層
２６２ 内部層
３００ バスバー
４００ バスバーフレーム
１１０ 底面プレート
１２０ 側面プレート
１３０ 上面プレート
１４０ 伝熱部材
２００ 電池セル
２１０ 第１セルケース
２２０ 第２セルケース
２３０ シーリング部
２４０ 正極リード
２５０ 負極リード
２６０ 押圧部材
２６１ 外部層
２６２ 内部層
３００ バスバー
４００ バスバーフレーム
Claims (10)
- 内部被覆層、金属層及び外部被覆層を含むラミネートシートからなり、熱融着によって縁部がシーリングされた第１セルケース及び第２セルケースと、
前記第１セルケース及び第２セルケースに収納された電極組立体と、
一側は前記電極組立体と連結され、他側は第１セルケース及び第２セルケースの外側に突出するように配置された正極リード及び負極リードと、
熱融着によって形成されたシーリング部を取り囲む押圧部材と、を含む、パウチ型電池セル。 - 前記押圧部材は、正極リードまたは負極リードが位置するシーリング部を取り囲むように配置されている、請求項１に記載のパウチ型電池セル。
- 前記押圧部材は、所定の厚さ及び幅を有する六面体状のバー（ｂａｒ）が折り畳まれた形状を有する、請求項２に記載のパウチ型電池セル。
- 前記押圧部材は、前記シーリング部の外側面と密着する内部層と、前記内部層の外側に位置する外部層とからなる、請求項３に記載のパウチ型電池セル。
- 前記内部層は熱伝逹可能な樹脂からなり、前記外部層は金属材からなる、請求項４に記載のパウチ型電池セル。
- 底面プレート、一対の側面プレート及び上面プレートを含むモジュールケースと、
前記モジュールケースの内部に収納される複数の電池セルと、
前記複数の電池セルを直列または並列に連結するための複数のバスバーと、を含み、
前記電池セルは請求項１～５のいずれか一項に記載のパウチ型電池セルである、電池モジュール。 - 前記底面プレートの内側面には伝熱パッドをさらに備えている、請求項６に記載の電池モジュール。
- 前記電池セルの押圧部材の一側端部は伝熱パッドと密着するように位置している、請求項７に記載の電池モジュール。
- 前記底面プレートは金属材からなる、請求項８に記載の電池モジュール。
- 請求項６に記載の電池モジュールを含む、電池パック。
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