JP7501969B2 - 電池モジュールおよびこれを含む電池パック - Google Patents
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［関連出願との相互引用］
本出願は２０２０年１０月２９日付韓国特許出願第１０－２０２０－０１４１９７７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た全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１０月２９日付韓国特許出願第１０－２０２０－０１４１９７７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た全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するものであって、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これを含む電池パックに関するものである。
モバイル機器に対する技術開発と需要が増加するにつれてエネルギー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機、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ー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台当り一つまたは二、三、四つの電池セルが使用されるのに反し、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、複数の電池セルを電気的に連結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れば小さい大きさと重量で製造されることが好ましいので、高い集積度で積層でき容量に対比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フレーム部材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ている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を参照すれば、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とを含む。
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において互いに隣接する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を参照すれば、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、隣接の電池セル１１に伝播される衝撃を吸収することができる。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／または熱を加えるようになる。この時、従来の圧縮パッド２０の圧縮率が位置によって異なって示され、これによって圧縮パッド２０の物性が変わることがある。これだけでなく、電池セル１１０発火時、隣接の電池セル１１間熱伝導と共に電池セル１１から発生する火炎による外部熱伝導によって２次セル発火が発生することがある。
これによって既存の圧縮パッド２０のみでは熱伝播速度を遅延させる役割を十分に果たしにくい。これにより、従来とは異なり、スウェリング現象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。
本発明の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、本発明の実施形態が解決しようとする課題は上述の課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張できる。
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の互いに隣接する電池セルの間に介在されている少なくとも一つのバリア層を含み、前記バリア層は、第１領域および第２領域を含み、前記第１領域と前記第２領域とで互いに異なる物質を含む。
前記第１領域は、前記電池セルの中心部に対応する部分であり、前記第２領域は前記電池セルの周縁部に対応する部分であってもよい。
前記バリア層は、前記第１領域では第１物質を含み、前記第２領域では第２物質を含み、前記第１物質は、前記第２物質より高い熱伝導度を有することができる。
前記第１物質は、前記第２物質より高い圧縮率を有することができる。
前記バリア層は、前記電池セルのボディー部と対向する面を基準にして区別される前記第１領域と前記第２領域を含むことができる。
前記電池セルのボディー部は、前記電池セルの積層方向に垂直な面に対応してもよい。
前記バリア層は、難燃部材から形成できる。
前記第１領域に形成される物質は、シリコン材質を含み、前記第２領域に形成される物質は、マイカ（ＭＩＣＡ）材質を含むことができる。
前記バリア層は、少なくとも二つ以上含まれ、前記バリア層のうちの隣接する二つのバリア層の間には少なくとも二つ以上の電池セルが配置できる。
本発明の他の一実施形態による電池パックは、前述の電池モジュールを含む。
実施形態によれば、電池セル積層体において互いに隣接する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、電池セル発火時、隣接の電池セル間熱伝播速度を遅延させることができる。
また、バリア層は位置別に適用される材質が異なるように形成されることによって、セルスウェリング現象時、バリア層の圧縮率を低めて難燃部材としての性能を極大化し、これによって、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範囲の記載から当業者に明確に理解されるはずである。
以下、添付した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することができるように詳しく説明する。本発明は様々の異なる形態に実現でき、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な参照符号を付けるようにする。
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されたところに限定されるのではない。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、一部層および領域の厚さを誇張されるように示した。
また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分“の上に”または“上に”あるという時、これは他の部分“の直上に”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“の直上に”あるという時には中間に他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分“の上に”または“上に”あるということは基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力反対方向に向かって“の上に”または“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、これは特に反対になる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むことができるのを意味する。
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、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る。図５は、図４のＣ－Ｃに沿って切断した断面を示す図である。図６は、図５の電池セル積層体に含まれている一つの電池セルを示す斜視図である。
図４および図５を参照すれば、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１２０、および電池セル積層体１２０を収容するモジュールフレーム１５０、および電池セル積層体１２０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１５０は、図４に示したように、上面、下面および両側面が一体化された金属板材形態であってもよい。即ち、四角管形態のモジュールフレーム１５０の場合、内部に電池セル積層体１０が収容される空間が形成され、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、これに限定されるのではなく、多様な形態のモジュールフレーム１５０が適用できる。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も可能であり、特に限定されるのではない。
電池セル積層体１２０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５に示したようにモジュールフレーム１５０の側壁１２４に平行に立てられた形態に積層できる。
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６を参照すれば、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に含まれている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は端部が一方向に曲げられてもよく、これによって隣接した他の電池セル１１０が有する電極リード１１１、１１２の端部と当接することになる。互いに当接した二つの電極リード１１１、１１２は互いに溶接などを通じて固定でき、これによって電池セル積層体内部の電池セル１１０間の電気的連結が可能である。また、電池セル積層体の両端部に整列され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連結できる。モジュールフレーム１５０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て、モジュールフレーム１５０と溶接などの方法によって結合される。
電池セル１１０は、電池ケース１１４に電極組立体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って製造できる。言い換えれば、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、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の長さ方向と定義し、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の一周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が形成できる。突出部１１０ｐは連結部１１５の両端部のうちの少なくとも一つに形成でき、連結部１１５が伸びている方向に垂直な方向に突出してもよい。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のうちの一つと連結部１１５の間に配置できる。
電池ケース１１４は、一般に、樹脂層／金属薄膜層／樹脂層のラミネート構造になっている。例えば、電池ケース表面がＯ（ｏｒｉｅｎｔｅｄ）－ナイロン層からなっている場合には、中大型電池モジュールを形成するために複数の電池セルを積層する時、外部衝撃によって滑りやすい傾向がある。したがって、これを防止し電池セルの安定的な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ｘ軸方向に積層できる。
図５を再び参照すれば、電池セル積層体とモジュールフレーム１５０の底部の間には熱伝導性樹脂層２００が配置できる。熱伝導性樹脂層２００は、電池セル積層体１２０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１２０を底部に固定させる役割を果たすことができる。
本実施形態によれば、隣接の電池セル１１０の間には、複数のバリア層４００が介在されてもよい。バリア層４００は、難燃部材から形成される。この時、バリア層４００は難燃パッドから形成され、難燃パッドはシリコンフォームパッドまたはマイカシート（Ｍｉｃａ ｓｈｅｅｔ）から形成できる。電池モジュール１００にはバリア層４００が少なくとも二つ以上含まれ、バリア層４００のうちの隣接する二つのバリア層４００の間には少なくとも二つ以上の電池セル１１０が配置されてもよい。もちろん、隣接する二つのバリア層４００の間に一つの電池セル１１０が配置された構造にも形成することができる。
図２に示されているように、複数のバリア層４００は四つの電池セル１１０が積層されるたびに一つずつ挿入されて、複数のバリア層４００が等間隔で配置されてもよい。これに限定されず、複数のバリア層４００は互いに異なる間隔で配置されてもよい。このようなバリア層４００の配置は、特に限定されるのではなく、必要によってその数および厚さを適切に調節することができる。このように、バリア層４００を等間隔または非等間隔で離隔配置することによって、電池モジュール１００内電池セル１１０の熱暴走発生時、熱インピーダンス（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）を増加させて隣接の電池セル１１０間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１２０の最外殻に積層された電池セル１１０と側壁１２４の間にもバリア層４００が配置されてもよい。バリア層４００は電池モジュール１００内で熱暴走などの問題発生時、当該電池セルから隣接した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制御の役割も果たすことができる。
バリア層４００は、電池モジュール１００内部で、電池セル１１０のスウェリングが発生する場合、物性が変わることがあり、特に、熱伝導率が電池セル１１０と接する位置によって変わることがある。一例として、電池セル１１０のスウェリング現象発生時、電池セル１１０の中心部で体積膨張が比較的に多く発生する。これにより、バリア層４００の厚さが一定している場合には、電池セル１１０の中心部に接する位置に対応するバリア層４００部分の熱伝導率が変わることがあり、これによって熱伝播速度を遅延させる役割を十分に果たしにくい。これにより、本実施形態によるバリア層４００は、スウェリング現象発生時にも電池セル１１０間の熱伝播速度を効果的に遅延させるために、位置別適用される材質が異なるように形成する。以下では、本実施形態によるバリア層４００について詳しく説明する。
図７は、図５のＰ領域をｘ軸方向から見た図である。図８は、図７の切断線Ｄ－Ｄに沿って切断した断面図である。
図５および図７を参照すれば、本実施形態によるバリア層４００は第１領域４００ａと第２領域４００ｂを含み、第１領域４００ａと第２領域４００ｂで互いに異なる物質を含む。第１領域４００ａは電池セル１１０の中心部に対応する部分であり、第２領域４００ｂは電池セル１１０の周縁部に対応する部分であってもよい。
バリア層４００は、第１領域４００ａでは第１物質を含み、第２領域４００ｂでは第２物質を含む。前記第１物質は前記第２物質より高い熱伝導度を有することができ、前記第１物質は前記第２物質より高い圧縮率を有することができる。バリア層４００は、電池セル１１０のボディー部１１０Ｂと対向する面を基準にして区別される第１領域４００ａと第２領域４００ｂを含むことができる。
電池セル１１０のボディー部１１０Ｂは、電池セル１１０の積層方向に垂直な面に対応してもよい。第１領域４００ａに形成される物質はシリコン材質を含み、第２領域４００ｂに形成される物質はマイカ（ＭＩＣＡ）材質を含むことができる。したがって、第１領域４００ａではシリコンのように圧縮性の良い物性を有する材質を通じて圧縮によって熱伝導性能が落ちるのを防止することができる。第２領域４００ｂでは圧縮性は相対的に劣るが、難燃性能に優れた材質を通じて熱伝導性を低めることができる。これはセルスウェリング時、セルの中央部に対応する第１領域４００ａに比べて外郭部に対応する第２領域４００ｂは相対的に電池セル１１０が膨らむ現象が小さいので、圧縮性の良い材質より熱伝導性の低い部材を使用することが好ましい。これによって、バリア層４００の各領域別に圧縮率の異なる材質を適用して難燃部材としての性能を極大化し、セルスウェリング現象が発生しても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。
電池セル１１０のボディー部１１０Ｂは、電池セル１１０が積層される方向であるｘ軸方向に向かう電池セル１１０の一面を示すことができる。
図８を参照すれば、電池セル１１０のスウェリングが発生すると、電池セル１１０のボディー部１１０Ｂの中間部分が大きく膨れ上がり、電池セル１１０の中間部分に対応するバリア層４００の第１領域４００ａが第２領域４００ｂに対比して相対的にさらに多く圧縮される。この時、バリア層４００の物性が変わる。これにより、難燃部材としての性能を極大化し、これによって、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。
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。
前述の電池モジュールおよびこれを含む電池パックは多様なデバイスに適用できる。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できるが、本発明はこれに制限されず電池モジュールおよびこれを含む電池パックを使用す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。
以上で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用い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のである。
１１０：電池セル
１１０Ｂ：ボディー部
４００：バリア層
４００ａ、４００ｂ：第１、第２領域
１１０Ｂ：ボディー部
４００：バリア層
４００ａ、４００ｂ：第１、第２領域
Claims (11)
- 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の互いに隣接する電池セルの間に介在されている少なくとも一つのバリア層を含み、
前記バリア層は、内側領域および外側領域を含み、前記内側領域と前記外側領域とで互いに異なる物質を含む、電池モジュールであって、
前記バリア層は、前記内側領域では第１物質を含み、前記外側領域では第２物質を含み、前記第１物質は、前記第２物質より高い熱伝導度および高い圧縮率を有し、前記第１物質は、シリコン材質を含み、
前記第１物質は、前記バリア層の側面において外部に露出している、電池モジュール。 - 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の互いに隣接する電池セルの間に介在されている少なくとも一つのバリア層を含み、
前記バリア層は、内側領域および外側領域を含み、前記内側領域と前記外側領域とで互いに異なる物質を含む、電池モジュールであって、
前記バリア層は、前記内側領域では第１物質を含み、前記外側領域では第２物質を含み、前記第１物質は、前記第２物質より高い熱伝導度および高い圧縮率を有し、前記第１物質は、シリコン材質を含む、電池モジュール（前記内側領域が、内部に液体を保持し、圧縮されると液体を滲出させる内包体で構成される場合を除く）。 - 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の互いに隣接する電池セルの間に介在されている少なくとも一つのバリア層を含み、
前記バリア層は、内側領域および外側領域を含み、前記内側領域と前記外側領域とで互いに異なる物質を含む、電池モジュールであって、
前記バリア層は、前記内側領域では第１物質を含み、前記外側領域では第２物質を含み、前記第１物質は、前記第２物質より高い熱伝導度および高い圧縮率を有し、前記第２物質は、マイカ（ＭＩＣＡ）材質を含み、
前記第１物質は、前記バリア層の側面において外部に露出している、電池モジュール。 - 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の互いに隣接する電池セルの間に介在されている少なくとも一つのバリア層を含み、
前記バリア層は、内側領域および外側領域を含み、前記内側領域と前記外側領域とで互いに異なる物質を含む、電池モジュールであって、
前記バリア層は、前記内側領域では第１物質を含み、前記外側領域では第２物質を含み、前記第１物質は、前記第２物質より高い熱伝導度および高い圧縮率を有し、前記第２物質は、マイカ（ＭＩＣＡ）材質を含む、電池モジュール（前記内側領域が、内部に液体を保持し、圧縮されると液体を滲出させる内包体で構成される場合を除く）。 - 前記内側領域は、前記電池セルの中心部に対応する部分であり、前記外側領域は前記電池セルの周縁部に対応する部分である、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記バリア層は、前記電池セルのボディー部と対向する面を基準にして区別される前記内側領域と前記外側領域を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 前記電池セルのボディー部は、前記電池セルの積層方向に垂直な面に対応する、請求項６に記載の電池モジュール。
- 前記バリア層は、難燃部材から形成される、請求項１～７のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 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の互いに隣接する電池セルの間に介在されている少なくとも一つのバリア層を含み、
前記バリア層は、内側領域および外側領域を含み、前記内側領域と前記外側領域とで互いに異なる物質を含む、電池モジュールであって、
前記内側領域に形成される物質は、シリコン材質を含み、前記外側領域に形成される物質は、マイカ（ＭＩＣＡ）材質を含む、電池モジュール。 - 前記バリア層は、少なくとも二つ以上含まれ、前記バリア層のうちの隣接する二つのバリア層の間には少なくとも二つ以上の電池セルが位置する、請求項１～９のいずれか一項に記載の電池モジュール。
- 請求項１～１０のいずれか一項による電池モジュールを含む電池パック。
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