KR100942986B1 - 전지셀 사이에 접착부재가 부착되어 있는 전지모듈 - Google Patents

전지셀 사이에 접착부재가 부착되어 있는 전지모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지셀 사이에 접착부재가 부착되어 있는 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 판상형 전지셀들을 적층한 구조의 전지모듈로서, 전지셀 상호간에는 외부 충격에 대해 미끄럼을 방지하고 상기 충격을 흡수할 수 있는 접착부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공하는 바, 이러한 전지모듈은 전지셀들이 벨크로 테이프의 미세 고리 요철 등의 엉긴 결합에 의해 상호 부착되기 때문에, 외부충격에 의한 미끄럼을 방지할 수 있고, 외력에 의해 소정의 탄성 변형을 나타내므로 외력을 흡수할 수 있으며, 상기 엉긴 구조에 의해 공기 등의 냉매가 통할 수 있어 냉각 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 접착력의 저하 없이 장기간의 사용 수명을 보장할 수 있어 적층구조를 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

전지셀 사이에 접착부재가 부착되어 있는 전지모듈 {Battery Module Having Attaching Member between Battery Cell}
도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도이다;
도 2a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 접착부재로서 벨크로 테이프가 부착되어 있는 파우치형 전지의 사시도이고; 도 2b는 도 2a의 하단면을 나타내기 위한 사시도이다;
도 3은 도 2의 파우치형 전지 다수 개가 적층되어 있는 전지모듈의 단면도이다.
본 발명은 전지셀 사이에 접착부재가 부착되어 있는 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 판상형 전지셀들을 적층한 구조의 전지모듈로서, 전지셀 상호간에는 외부 충격에 대해 미끄럼을 방지하고 상기 충격을 흡수할 수 있는 접착부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트를 전지케이스로 사용하는 파우치형 전지가 최근 많은 관심을 모으고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지(10)는 두 개의 전극 리드(11, 12)가 서로 대향하여 전지 본체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로, 전지케이스(14)에 전극조립체(도시하지 않음)를 수납한 상태로 케이스(14)의 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)를 접착함으로써 제조된다.
전지케이스는 일반적으로 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있으며, 예를 들어, 그것의 표면이 O(oriented)-Nylon 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지셀들을 충적할 때, 외부 충격에 의하여 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀들의 안정적인 충적구조를 유지하기 위하여, 전지케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착부재를 부착하고 전지셀들을 충적하여 중대형 전지모듈을 형성한다.
하지만, 이러한 유형의 접착부재는 장기간 사용시 접착성분이 열화되어 접착력이 크게 저하되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 접착부재는 전지셀들을 직접 결합시키고 있기 때문에, 전단응력 등의 외력이 그것의 접착층에 직접 가해질 때 쉽게 분리되며, 이로 인하여 전지셀의 충적구조(대표적으로 적층구조)를 유지하지 못하는 문제점을 발생시킨다. 특히, 적어도 10 년 이상의 장기간 수명이 보장되어야 하는 HEV, EV 등에 사용되는 중대형 전지모듈에서의 사용은 더욱 제한적이다.
따라서, 중대형 전지모듈에 적용될 수 있도록, 장기간의 사용에도 접착력이 저하되지 않고, 전지셀들의 충적구조를 안정적으로 유지할 수 있는 접착부재에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 전지셀 사이에 접착부재로서, 예를 들어, 벨크로 테이프 등을 부착하여 전지모듈을 제조할 경우, 전지셀들이 벨크로 테이프의 미세 고리 요철 등의 엉긴 결합에 의해 상호 부착되기 때문에, 외부충격에 의한 미끄럼을 방지할 수 있고, 외력에 의해 소정의 탄성 변형을 나타내므로 외력을 흡수할 수 있으며, 상기 엉긴 구조에 의해 공기 등의 냉매가 통할 수 있어 냉각 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 접착력의 저하 없이 장기간의 사용 수명을 보장할 수 있어 충적구조를 안정적으로 유지할 수 있는 등의 잇점을 확인하였다. 본 발명은 이러한 발견을 바탕으로 완성되었다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은, 다수의 판상형 전지셀들을 충적한 구조의 전지모듈로서, 전지셀 상호간에는 외부 충격에 대해 미끄럼을 방지하고 상기 충격을 흡수할 수 있는 접착부재가 부착되어 있는 것으로 구성되어 있다.
상기 판상형 전지셀은 대표적인 예로는 충방전이 가능한 전극조립체가 전지케이스에 내장되어 있고 열융착에 의해 형성된 전지케이스의 실링부가 외주면에 형성되어 있는 이차전지를 들 수 있다. 그러한 이차전지는 바람직하게는 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스, 예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.
상기 전지셀로는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성을 갖는 리튬 이차전지가 바람직하며, 그 중에서도 양극과 음극 사이에 다공성 고분자 분리막을 개재한 후 이들을 결합시키고, 상기 분리막에 전해질을 함침시키는 것으로 제조되는 리튬이온 폴리머 전지가 더욱 바람직하다. 상기 리튬이온 폴리머 전지는 액체 전해질을 사용하는 전지에 비해, 전해질의 누액을 최대한 억제할 수 있고 발화 및 폭발의 위험성이 매우 적다는 장점을 가지고 있다. 상기 리튬이온 폴리머 전지의 구성 요소 및 제조방법은 당업계에 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 외부 충격에 대해 미끄럼을 방지하고 상기 충격을 흡수할 수 있는 접착부재는 후크(hook) 형태의 수 벨크로 테이프와 루프(loop) 형태의 암 벨크로 테이프로 이루어질 수 있으며, 대면하는 전지셀의 외면에 각각 부착될 수 있다. 상기 암수 벨크로 테이프는 예를 들어, 전지셀의 상부 외면 및 하부 외면에 각각 부착될 수 있으며, 이럴 경우, 상기 전지셀(제 1 전지셀)의 상부 외면과 그것의 상부에 위치하는 전지셀(제 2 전지셀)의 하부 외면이 대면하여, 상기 제 1 전지셀의 상부 외면에 부착되어 있는 암 벨크로 테이프와 상기 제 2 전지셀의 하부 외면에 부착되어 있는 수 벨크로 테이프가 결합하게 된다.
상기 접착부재는 하나의 단위로서 전지셀의 전면 또는 일면에 부착될 수 있으며, 둘 또는 그 이상의 단위로서 전지셀의 전면 또는 일면에 부착될 수도 있다. 상기 접착부재의 단위는 예를 들어, 상기 접착부재가 벨크로 테이프일 경우, 절단되어 독립된 하나의 벨크로 테이프를 의미한다. 상기 접착부재의 단위의 크기 및 부착위치는 특별히 정해져 있는 것은 아니며, 다수의 전지셀들을 충적하는데 있어서 충적구조를 유지하기 위한 소정의 접착력을 제공할 수 있는 크기 및 부착위치이면 다양할 수 있다. 또한, 상기 단위의 크기는 단위마다 다를 수도 있고 같을 수도 있다. 이러한 구조에서, 상기 접착부재의 단위는 예를 들어, 상기 접착부재가 암수 벨크로 테이프일 경우, 상기 암수 벨크로 테이프는 대면하는 전지셀의 외면에서 각각 대응하는 위치에 부착되는 것이 바람직하다.
상기의 구조에서, 벨크로 테이프의 적어도 일부는 높은 열도전성 소재로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 이는 전지셀의 충방전시 발생하는 열을 벨크로 테이프로 빠르게 이동시켜, 벨크로 테이프의 엉긴 구조 사이로 관통하는 공기 등의 냉매를 통해 제거하기 위함이다.
본 발명은 이러한 구조로 결합된 전지모듈을 단위체로서 다수 개 조합하여 고출력 대용량의 중대형 전지모듈을 제공할 수 있으며, 이럴 경우, 상기 단위체로서의 전지모듈의 결합은 상기의 방법이외에 다양할 수 있다. 이러한 전지모듈은 소망하는 출력과 용량에 따라 가변적인 조합이 가능하므로 그것의 응용성이 매우 높다.
상기 중대형 전지모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등과 같이 고출력, 대용량의 전기가 요구되며, 진동, 충격 등과 같은 많은 외력이 가해지는 디바이스의 동력원으로 특히 바람직하다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2a에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 접착부재로서 벨크로 테이프가 부착되어 있는 파우치형 전지의 사시도가 도시되어 있고, 도 2b에는 도 2a의 하단 면을 나타내기 위한 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참고하면, 파우치형 전지(100)는 두 개의 전극 리드(110, 120)가 서로 대향하여 전지케이스(130)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로, 전지케이스(130)의 상단면(131)에는 암 벨크로 테이프(200)가 하단면(132)에는 수 벨크로 테이프(300)가 각각 부착되어 있다. 이러한 구조의 파우치형 전지(100)는 암수 벨크로 테이프(200, 300)의 결합에 의하여 전지모듈을 구성할 수 있으며, 이러한 전지모듈의 구조는 파우치형 전지 다수 개가 충적된 전지모듈의 단면도가 도시되어 있는 도 3에서 용이하게 확인할 수 있다.
도 3을 참고하면, 전지모듈(500)은 상단면에 암 벨크로 테이프(200)가 부착되어 있고 하단면에 수 벨크로 테이프(300)가 부착되어 있는 제 1 전지(100)의 상부에, 하단면에 수 벨크로 테이프(300)가 부착되어 있는 제 2 전지(101)를 결합하고, 그것의 하부에는, 상단면에 암 벨크로 테이프(200)가 부착되어 있는 제 3 전지(102)를 결합하는 것으로 이루어진다. 이때, 전지모듈(500)은 전지들(100, 101, 102)이 암수 벨크로 테이프(200, 300)의 결합에 의해 안정적으로 충적되어 있고, 이로 인하여, 전극 리드(110)의 용접부(140)가 전단응력 등의 외부충격에 의하여 쉽게 분리되지 않기 때문에, 차량 등에 용이하게 적용될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
양극 활물질로서 LiCoO2 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 음극 활물질로서 인조흑연 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조한 후, 알루미늄 호일과 구리 호일 상에 각각 코팅, 건조 및 압착하여 양극 및 음극을 제조하였다.
분리막으로 셀가드TM을 사용하고, 상기 양극과 음극 및 상기 분리막을 순서대로 충적한 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 후 전해액을 주입하여 전지를 완성하였다.
도 2에서처럼, 하나의 파우치형 전지의 케이스 표면에는 암 벨크로 테이프를 부착하고, 다른 하나의 파우치형 전지의 케이스 표면에는 수 벨크로 테이프를 부착하여, 암 및 수 벨크로 테이프가 대면하도록 상기 두 파우치형 전지를 결합하는 것으로 전지모듈을 조립하였다.
[비교예 1]
파우치형 전지의 케이스 표면에 양면 테이프를 부착하여 두 파우치형 전지를 결합하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지모듈을 조립하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조된 전지모듈을 이용하여 Z축 진동 테스트를 수행한 후, 전지들 상호 간의 결합 상태를 확인하였다 (진동 테스트). 그 결과, 실시예 1의 전지모듈은 Z축 진동 테스트 전과 비교하여 큰 차이가 없었으나, 비교예 1의 전지모듈은 진동 테스트 전과 비교하여 모듈을 구성하고 있은 각각의 전지간에 약 10% 정도의 위치 편차가 유발되었다.
또한, 상기 전지모듈들을 온도 60℃ 및 습도 90%의 고온다습한 조건에서 7 주 동안 보관한 후, 전지들 상호 간의 결합 상태를 확인하였다 (내후성 테스트). 그 결과, 실시예 1의 전지모듈은 실험 전과 비교하여 큰 차이가 없었으나, 비교예 1의 전지모듈은 실험전과 비교하여 약 30% 정도의 접착력 감소가 확인되었다.
또한, 상온에서 고전류(High current) 조건으로 연속적인 충방전을 실시한 결과 (냉각 효율성 테스트), 실시예 1의 전지 모듈은 온도상승이 초기상태에 비해서 2℃ 올라간 반면에, 비교예 1의 전지모듈은 온도상승이 초기상태에 비해서 8℃ 이상 올라가는 것이 확인되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지셀들이 벨크로 테이프의 미세 고리 요철 등의 엉긴 결합에 의해 상호 부착되기 때문에, 외부충격에 의한 미끄럼을 방지할 수 있고, 외력에 의해 소정의 탄성 변형을 나타내므로 외 력을 흡수할 수 있으며, 상기 엉긴 구조에 의해 공기 등의 냉매가 통할 수 있어 냉각 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 접착력의 저하 없이 장기간의 사용 수명을 보장할 수 있어 충적구조를 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (7)

  1. 다수의 판상형 전지셀들을 충적한 구조의 전지모듈로서,
    전지셀들 상호간에는 외부 충격에 대해 미끄럼을 방지하고 상기 충격을 흡수할 수 있는 접착부재로서 벨크로 테이프가 부착되어 있으며,
    상기 벨크로 테이프는 후크(hook) 형태의 수 벨크로 테이프와 루프(loop) 형태의 암 벨크로 테이프로 이루어져 있고, 대면하는 전지셀들의 외면에 각각 부착된 수 벨크로 테이프와 암 벨크로 테이프가 서로 결합되어 전지셀들의 충적 구조를 유지하며,
    상기 수 벨크로 테이프와 암 벨크로 테이프가 결합된 엉긴 구조 사이로 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 통과하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 금속층과 수지층의 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 벨크로 테이프는 하나의 단위로서 전지셀의 전면 또는 일면이나, 둘 또는 그 이상의 단위로서 전지셀의 전면 또는 일면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 벨크로 테이프의 적어도 일부는 열도전성 소재로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 동력원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
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