KR100696689B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이차 전지 모듈은 격벽의 방열 성능을 향상시키고, 절연 성능을 확보하기 위하여 간격을 두고 배열되는 다수개의 단위전지, 및 상기 단위전지 사이에 배치되어 열전달 매체의 유통로를 제공하며 마그네슘 합금으로 이루어진 격벽을 포함한다.

이차 전지, 케이스, 절연층, 양극산화피막

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 격벽을 도시한 사시도이다.

본 발명은 이차 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전지 격벽의 구조를 개선한 이차 전지 모듈에 관한 것이다.

최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 전지를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성한다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 등의 형상이 있으며, 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이 차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어진다.

상기 각각의 단위전지는 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군, 상기 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로부터 돌출되고 상기 전극군에 구비된 양,음극의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.

일반적으로 상기 케이스는 단위전지에서 발생되는 열을 효율적으로 방출시킬 수 있는 금속으로 이루어지고, 이러한 금속은 열전도율이 우수할 뿐 아니라 전기 전도도 역시 우수하다.

그리고 각각의 단위전지는 나사가공된 양극단자와 음극단자 사이에 너트를 매개로 연결구를 설치하여 전기적으로 연결되며, 이러한 단위전지들은 직렬로 연결되어 대용량의 전지 모듈을 이루게 된다.

또한 각각의 단위전지 사이에는 열전달 매체의 유동 통로가 되는 격벽이 개재되며, 이러한 격벽을 통해서 공기를 유통시킴으로써 상기 단위전지들을 냉각하게 된다. 단위전지가 충전과 방전을 되풀이하는 동안 많은 열이 발생하는데, 상기 격벽은 이러한 열을 효율적으로 방출하기 위해서 열전도도가 높아야하며, 단위전지들에서 발생된 열이 제대로 방출되지 않으면 단위전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 상기 단위전지들은 연결구를 통해서만 전기적으로 연결되어야 하며, 상기 연결구 이외에 격벽 등을 통하여 이웃하는 단위전지의 케이스와 서로 전기적 으로 연결되면 단락될 위험이 있다. 종래에는 단위전지 사이에 절연필름 등을 개재하여 절연하는 방법 등이 적용되었지만, 이러한 종래의 구조는 절연필름을 부가적으로 설치해야하는 불편이 있으며, 절연필름의 열전도율이 낮아서 상기격벽을 통한 열의 방출이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

그리고 전지모듈이 구동장치에 장착되어 전원으로써 기능을 할 경우, 전지모듈의 중량이 크면 구동장치의 전체적인 성능을 저하시키므로, 상기 전지모듈은 가벼우면서도 적정한 출력을 내는 것이 무엇보다 중요하다고 할 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 마그네슘 합금으로 이루어짐으로써, 방열성능이 향상되고 절연성을 갖는 격벽을 포함하는 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 전지 모듈은 단위전지 사이에 개재되는 격벽이 마그네슘 합금으로 이루어진다.

여기서 상기 단위 전지는 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극과 음극을 포함하는 전극군 및, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡플레이트, 및 상기 전극군과 전기적으로 연결되며 상기 캡 플레이트의 외측으로 돌출되는 전극 단자를 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 전지 모듈은 다수 개가 적층 배열된 단위전지, 상기 단위전지 사이에 개재되어 냉각매체의 유동통로를 형성하는 격벽, 상기 단위전지에 설치된 전극단자들을 전기적으로 연결하는 연결구를 포함하며, 상기 격벽은 마그네슘 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 마그네슘 합금은 알루미늄, 아연, 지르코늄, 및 소량의 희토류 금속과 불순물을 포함할 수 있다.

그리고 상기 격벽은 알루미늄, 아연, 지르코늄 및 소량의 희토류 금속과 불순물을 포함하는 다우메탈이나 일렉트론 등으로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 격벽의 전기 전도도가 감소될 수 있도록, 상기 마그네슘 합금에는 지르코늄이 2.0중량% 내지 10.0중량% 포함될 수 있다. 지르코늄의 전기 전도율은 2.36mS/m로서, 전기 전도율인 22.6mS/m인 마그네슘보다 전기 전도율이 훨씬 낮다. 따라서, 마그네슘 합금에 일정량의 지르코늄을 첨가하면 마그네슘 합금의 전기 전도율을 감소시킬 수 있다.

그리고 상기 격벽의 표면에는 양극산화피막이 형성될 수 있다. 또한, 상기 양극산화피막은 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 양극산화피막의 표면에는 유기피막이 형성될 수 있다.

마그네슘 양극산화처리(magnesium anodizing)는 알루미늄 양극산화처리와는 달리 물리적인 파열에 의하여 배리어층(barrier)이 형성되며, 산화 피막의 두께 증가에 따라 전기 저항이 급격하게 증가되는 특성이 있다. 따라서 마그네슘 합금 표면의 양극산화피막은 알루미늄 합금 표면의 양극산화피막보다 절연성능이 우수하여 상기 격벽을 안정적으로 절연시킬 수 있다.

그리고 양극산화피막에는 다수의 미세한 홀이 형성되는데, 상기 홀들을 봉공하기 위해서 유기물질을 충진재로 사용하여 상기 양극산화피막 위에 유기피막층을 형성하는 것이 바람직하다.

또한 상기 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전도 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈(100)을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(10)를 도시한 단면도이다.

상기한 도면을 참조하여 먼저 대용량의 전지모듈(100)을 이루는 각 단위전지(10)의 구조를 살펴보면, 상기 단위전지(10)는 양극(11)과 음극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극군(15)과, 상기 전극군(15)이 내장되는 공간을 갖는 케이스(14), 상기 케이스(14)와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트(17), 및 상기 양,음극(11,12)과 전기적으로 연결되고 상기 캡 플레이트(17)의 외측으로 돌출되는 양,음극단자(21,22)를 포함한다.

그리고 상기 양극(11)은 박판의 금속 호일, 예컨대 알루미늄 호일 등으로 된 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 코팅된 양극 활물질을 포함하고 있으며, 상기 양극 활물질은 리튬계 산화물을 주성분으로 이루어진다.

상기 음극(12)은 박판의 금속 호일, 이를테면 구리 호일 등으로 된 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 코팅되는 음극 활물질을 포함하고 있으며, 상기 음극 활물질은 탄소재를 주성분으로 이루어진다.

또한, 상기 양극(11) 및 음극(12)은 상기 집전체에 활물질이 코팅되는 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 무지부(11a, 12a)를 포함한다.

그리고 상기 무지부(11a, 12a)는 고출력 이차전지의 경우 양극판(11) 및 음극판(12)의 길이방향을 따라 양극판(11) 및 음극판(12)의 측면에 형성된다. 그리고 상기 양극판(11) 및 음극판(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 중심에 개재하여 적층되며 권취롤 등을 이용해서 권취되어 젤리-롤 형태의 전극군(15)을 이루어진다. 또한, 상기 전극군(15)은 각형 케이스(14)에 내장될 수 있도록 프레스 등으로 납작하게 가압된다.

그리고 상기 케이스(14)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(14)이 위치하는 내부 공간을 가진 육면체의 각형 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.

그리고 상기 단위전지(10)들이 다수개 적층되어 전지모듈(100)을 형성하는데, 상기 전지모듈(100)은 간격을 두고 배열되는 다수개의 단위전지(10), 상기 단위전지(10) 사이에 배치되어 열전달 매체의 유통로를 제공하는 격벽(26), 상기 단위전지(10)에 설치된 전극단자(21,22)들을 전기적으로 연결하는 연결구(24)를 포함한다.

여기서 상기 격벽(26)은 마그네슘 합금으로 이루어진다. 마그네슘 합금은 방열성이 우수하며, 진동감쇠능, 전자파 차폐성 등이 뛰어나다. 따라서 상기 격벽(26)이 마그네슘 합금으로 이루어질 경우, 상기 단위전지(10)들을 효율적으로 냉각시킬 수 있고, 진동 및 전자파의 발산을 감소시킬 수 있다.

또한, 마그네슘의 비중은 1.7로써, 비중인 2.7인 알루미늄보다 상대적으로 가벼우며, 이러한 마그네슘을 이용하여 격벽을 형성하면 종래보다 이차전지 모듈의 무게를 상당히 감소시킬 수 있다.

그리고 마그네슘 합금에는 지르코늄이 2.0중량% 내지 10.0중량% 포함될 수 있다. 지르코늄의 전기전도율은 2.36mS/m으로 전기 전도율이 22.6mS/m인 마그네슘보다 현저하게 낮아서 지르코늄이 포함되면 마그네슘 합금 전체의 전기 전도율을 감소시킬 수 있으며, 이로 인하여 격벽(26)의 절연성을 어느 정도 확보할 수 있다.

또한, 마그네슘 용탕 중에서 지르코늄 입자가 생성되는 온도는 마그네슘의 융점보다 약4℃정도 높아서 지르코늄 입자가 먼저 응고되므로 지르코늄이 포함되면, 마그네슘합금의 결정입자가 미세화되어 마그네슘 합금의 상온 강도가 증가된다.

그리고 지르코늄이 2.0중량% 미만으로 포함되면, 지르코늄으로 인한 전기전도율의 감소가 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있으며, 지르코늄이 10.0%를 초과하여 포함되면, 결정입계(crystal grain boundary)에 석출되어 입계 균열이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 격벽(26)을 도시한 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 격벽(26)은 요철 형태로 이루어지고, 전극단자(21, 22)가 설치되지 않은 단위전지(10)의 측방향으로 열전달 매체가 유통되도록 유통로를 형성한다.

다만 본 실시예에 따른 상기 격벽(26)의 구조는 예시적인 것이며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 상기 격벽(26)은 마그네슘 합금을 소재로 하여 다양한 형태로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 격벽(26)은 마그네슘 합금으로 이루어지고, 상기 격벽(26)의 표면(261)에는 양극산화피막(262)이 형성된다. 상기 양극산화피막(262)은 널리 알려진 양극산화 처리(anodizing) 방법으로 형성될 수 있다.

즉, 소정의 전해액 내에서 상기 격벽(26)을 양극으로 하여 전류를 인가하면, 양극 전압에 의하여 밀착력이 강한 보호성 산화피막(262)이 형성된다. 이 피막(262)은 단순한 산화물이 수산화물이 아닌 복잡한 조성으로 구성된다. 그리고 산화피막(262)의 두께가 증가함에 따라 전기 저항이 급격하게 증가되어 알루미늄 아노다이징(anodizing)에 비해 더 높은 전압이 요구된다.

따라서 마그네슘 양극산화피막(262)은 절연성이 매우 우수하여 마그네슘 합금(261)으로 이루어진 격벽(26)의 표면에 양극산화피막(262)을 형성하면 상기 격벽(26)은 우수한 절연성능을 확보할 수 있다.

또한, 상기 양극산화피막(262)은 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 이루어진다. 양극산화피막(262)이 30㎛보다 작은 두께로 형성되면 피막이 너무 얇아서 부분적으로 통전될 염려가 있으며, 100㎛보다 크게 형성되면 고온에서 균열이 생길 염려가 있다. 통상 두께가 30㎛ 이상인 양극산화피막을 경질 양극산화피막이라고 하는데, 적정한 절연성능을 확보하기 위해서는 상기 양극산화피막(262)이 경질 양극산화피막으로 형성되어야한다.

그리고 상기 양극산화피막(262)에는 다수의 미세한 홀이 형성되며, 이러한 홀은 절연성능을 저하시킨다. 따라서 본 실시예에서는 상기 양극산화피막(262) 위에 유기피막(263)이 형성된다. 이러한 유기피막(263)은 상기 홀들을 봉공하고 양극산화피막(262) 위에 다시 절연층을 형성하여 격벽(26)의 절연성능을 극대화시킬 수 있다.

본 실시예에 따른 격벽(26)은 마그네슘 합금(261)으로 이루어지고, 표면에 양극산화피막(262)과 유기피막(263)이 형성되는데, 상기 양극산화피막(262)과 유기피막(263)은 전기 저항이 매우 커서 절연체로서 역할을 하여 상기 격벽을 효율적으로 절연시킬 수 있다.

본 발명의 이차전지는 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 격벽이 마그네슘 합금으로 이루어져 방열성능이 매우 우수하며, 상기 마그네슘 합금에 일정량의 지르코늄이 포함되어 전기전도율이 감소되어 일정한 절연성능을 확보할 수 있다.

그리고 상기 격벽의 표면에는 양극산화피막과 유기피막이 형성되어 상기 격 벽은 더욱 안정적으로 절연될 수 있다.

또한, 격벽을 마그네슘 합금으로 형성하여 종래에 비하여 전지모듈의 중량을 감소시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 간격을 두고 배열되는 다수개의 단위전지; 및

   상기 단위전지 사이에 배치되어 열전달 매체의 유통로를 제공하며, 마그네슘 합금으로 이루어진 격벽;

   을 포함하고

   상기 전지 격벽은 2.0중량% 내지 10.0중량%의 지르코늄을 포함하는 마그네슘 합금으로 이루어진 이차 전지 모듈.
2. 제1항에 있어서,

   상기 격벽은 알루미늄, 아연, 지르코늄, 및 소량의 희토류 금속과 불순물을 포함하는 마그네슘 합금으로 이루어진 이차 전지 모듈.
3. 삭제
4. 간격을 두고 배열되는 다수개의 단위전지; 및

   상기 단위전지 사이에 배치되어 열전달 매체의 유통로를 제공하며, 표면에 양극산화피막이 형성된 마그네슘 합금으로 이루어진 격벽;

   을 포함하는 이차 전지 모듈.
5. 제4항에 있어서,

   상기 양극산화피막은 30㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성되는 이차 전지 모듈.
6. 제4항에 있어서,

   상기 격벽은 양극산화피막의 표면에 형성되는 유기물 피막을 포함하는 이차 전지 모듈.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 이차 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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