KR101182060B1 - 배터리 내에 사용하기 위한 실링 프레임 - Google Patents

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페터 크리처
토마스 크라머
헬무트 치슈카
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칼 프로이덴베르크 카게
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Abstract

본 발명은 기본 몸체(2)를 포함하는 배터리 내에 사용하기 위한 실링 프레임(1)에 관한 것으로서, 이때, 상기 기본 몸체(2)는 개구(3)를 둘러싸고, 제 1 실링면(4) 및 반대편에 놓인 제 2 실링면(5)을 갖는다. 본 발명의 과제는, 정상 작동시에 신뢰할 수 있는 밀봉력을 갖고, 장애 상황에서는 문제없이 전해질의 누출이 가능하도록 배터리를 설계하고 개선하는 것이며, 이때 제 1 실링면(4) 및/또는 제 2 실링면(5)은 탄성적으로 압축 가능하게 형성된다.

Description

배터리 내에 사용하기 위한 실링 프레임 {SEALING FRAME FOR USE IN A BATTERY}
본 발명은 기본 몸체(base body)를 포함하는 배터리 내에 사용하기 위한 실링 프레임(sealing frame)에 관한 것이며, 이 경우 상기 기본 몸체는 개구를 둘러싸고, 제 1 실링면 및 반대편에 놓인 제 2 실링면을 갖는다.
비교적 큰 배터리들은 개별 전지들로 구성되어 있다. 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차 또는 산업용 애플리케이션에 사용되는 하나의 배터리는 대개 20개 내지 수백 개의 개별 전지를 포함한다. 이 경우에는, 개별 전지들이 원통형 전지(cylindrical cell), 각형 전지(prismatic cell) 또는 소위 커피-백-전지(coffee-bag-cell)로서 설계될 수 있다. 커피-백-전지들은 박막으로 구성된 유연한 커버를 포함하고, 상기 커버 내에는 전지의 전기적 구성 요소들이 배치되어 있다.
하나의 배터리 내에서 최적의 공간 이용을 구현하기 위해서는 특히 커피-백-전지들이 사용된다. 상기 커피-백-전지들은 또한 높은 용량과 더불어 적은 중량을 특징으로 한다. 커피-백-전지들은 열 전도성 박막에 의해 만족스럽게 냉각될 수 있다. 또한, 이러한 구조적 형상을 갖는 전지들은 그 크기로 쉽게 분류될 수 있는데, 그 이유는 박막 하우징을 포함하여 전지의 모든 구성 요소들이 제조시에 크기가 쉽게 변할 수 있기 때문이다.
많은 양의 에너지 저장에 대한 결과로서, 항상 비교적 많은 배터리를 포함한다는 것은 오작동 발생시의 안전에 대한 위험도를 나타낸다. 이 경우에는 리튬-배터리들이 매우 경계적인 것으로 간주될 수 있는데, 그 이유는 상기 리튬-배터리들은 높은 에너지 밀도, 가연성 전해질 및 얇은 분리기를 포함하기 때문이다. 마지막으로 리튬-배터리들은 높은 전지-전압을 형성함으로써, 결과적으로 전지 내에 배치된 구성 요소들이 높은 전기 화학적 부하에 노출된다. 이는 특히, 그 수명이 최소 8-10년으로 책정되어 있는 자동차 배터리 및 산업용 배터리와 관련이 있다.
앞서 언급한 커피-백-전지들은 공간을 줄이는 방식으로 장착될 수 있다. 따라서, 하나의 배터리에 단위 용적당 많은 양의 에너지가 저장될 수 있다. 하지만, 이러한 점은 구조와 관련된 주요 단점들과 연결된다. 커피-백-전지들이 충전되거나 또는 방전될 경우에는, 상기 커피-백-전지들의 사이즈가 유연한 커버에 의해 변경된다. 이러한 사이즈 변경은 또한 용적 확장과도 연결된다. 용적 확장은 충전된 상태와 방전된 상태 사이에서 개별 전지의 약 5%의 전형적인 두께 변형을 야기한다.
이 때문에 직렬로 접속된 다수의 개별 전지로 이루어진 소위 "스택"의 조립시에는 개별 전지들이 가변적인 용적을 나타낸다는 점을 고려해야 한다. 특히, 유의해야 할 점은, 충전된 상태(충전된 상태에서는 전지들의 두께가 가장 두꺼움)의 전지들이 인접한 전지들의 표면들에 압착을 거의 가하지 않거나 또는 최소한의 압착만을 가한다는 점이다. 이 경우에는 기본적으로, 또한 제작 오차로 인해서도 유연한 전지들의 두께가 일치되는 것이 아니라, 변동될 수도 있다는 점도 고려해야 한다.
그 외에 하나의 장치가 요구되고, 상기 장치로 인해 충격 또는 진동이 흡수되거나 그리고/또는 감쇠됨으로써, 결과적으로 배터리 내부 그리고 콘택들이 손상되지 않는다. 그 외에도 파워 전자 장치 및 전자 모니터링 장치의 커넥터들은 기계적 부하를 가능한 벗어나 배터리와 연결되어야 한다. 파워 전자 장치의 수백 개의 콘택 중 1개의 분리 현상은 직렬 접속시 배터리의 고장으로 이어진다. 전자 모니터링 장치의 콘택 고장시에는 더 이상 모니터링되지않는 전지가 서서히 경계적인 상태에 도달하고, 이는 중도에 배터리 전체의 손상 또는 고장으로 이어질 수 있다.
전술한 커피-백-전지들의 에지들은 실링 조인트(sealing joint)를 포함한다. 상기 실링 조인트는 전지의 2개의 박막을 연결하고, 상기 막박들은 그로 인해 형성된 공동부 내에 추가의 부품들을 포함한다. 상기 박막들은 이를 위해 전기 절연성의 접착을 촉진하는 밀봉-열가소성 수지에 의해 내부면에 코팅된다. 상기 밀봉-열가소성 수지는 기능성 폴리올레핀으로 형성될 수 있다. 상기 실링 조인트는 커피-백-전지의 기계적 위크 포인트(weak point)이다.
또한, 전지들 주변에서는 기압이 변동할 수 있다. 배터리의 하우징이 허메틱(hermetic) 방식으로 밀폐될 경우, 대개 0.2bar의 온도에 의한 압력 변동이 일어날 수 있다. 부가적으로 이러한 압력 변동은 실링 조인트들에 해를 끼친다.
그러나 실링 조인트는 사전 결정된 파단 위치(predetermined rupture joint)를 의미하기도 하며, 이러한 사전 결정된 파단 위치에서는 배터리 고장시 전해질이 배출될 수 있다. 이로 인해 전지의 폭발이 방지될 수 있다. 배출되는 가연성 전해질이 전극들과 접촉할 경우, 상기 전해질은 점화되어 연소되거나 분해될 있다. 커피-백-전지의 내부에서 허용되는 최대 초과압은 대개 실링 조인트의 개방이 방지될 정도인 0.1MPa 미만이다. 특히 커피-백-전지들의 경우 전류를 전도하는 전극들의 부싱(bushing)이 매우 경계적인 것으로 간주될 수 있다. 상기 전극들은 대개 약 0.1 내지 0.3mm의 두께를 갖는다. 상기 영역에서는 또한 발생할 수 있는 누출(leakage)도 매우 경계적인데, 그 이유는 배출되는 전해질이 전극들에서 즉각적으로 점화될 수 있기 때문이다. 실링 조인트는 일반적으로 대형 전지들의 위크 포인트로서 간주되는데, 왜냐하면 상기 대형 전지들은 몇 년 동안 환화(cyclization)로 인한 일정한 부하에 노출되어 있기 때문이다.
마지막으로 대형 배터리들의 냉각을 위해 최근에는 바람직하게 물을 기본으로 하는 냉각 매체들 또는, 냉난방 장치들의 사용시, 플루오르화 탄화수소 또는 이산화탄소가 사용된다. 대부분의 냉각 매체들과 전지들 내부와의 직접적인 콘택은 격렬한 화학적 반응들을 야기할 수 있다. 물을 기본으로 하는 냉각 매체들의 경우, 예컨대 수소를 발생하고, 상기 수소는 쉽게 점화될 수 있으며 분해될 수 있다. 이러한 이유로 기술적인 측면에서는 일반적으로 콘택 냉각이 적용되고, 이 경우 전지와 냉각 시스템 간의 열 흐름이 열 전도성 부품들에 의해 완성됨으로써 냉각 매체는 전지들과 직접적으로 콘택하지 않을 수 있다.
이러한 이유로 본 발명의 과제는, 정상 작동시에 신뢰할 수 있는 밀봉력을 갖고, 장애 상황 시에는 전해질이 문제없이 목표한 대로 누출되도록 배터리를 설계하고 개선하는 것이다.
앞에서 언급한 본 발명의 과제는 청구항 1의 특징들을 통해 해결된다. 이어서 도입부에 언급한 유형의 실링 프레임은 제 1 실링면 및/또는 제 2 실링면이 탄성적으로 압축 가능하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 탄성적으로 압축할 수 있는 실링면들이 실링 조인트와 같은 사전에 결정된 파단 위치를 간격 없이 조밀하게 나란히 놓이는 방식으로 둘러싸고 중첩될 수 있다는 점이 인식된다. 이러한 유형의 실링 프레임에 의해 배터리 내부에 있는 전지들은 한편으로는 기계적으로 고정되고, 다른 한편으로는 해를 끼치는 전압을 발생시키지 않고 앞면과 뒷면의 목표 영역에서 자신의 용적을 약간 변동시킬 수 있다. 탄성적으로 압축할 수 있는 실링면들이 전지들의 약간의 용적 변경을 문제없이 보정함으로써, 그 결과 어떠한 기계적 응력도 전기 커넥터들에 적용되지 않는다. 또한, 탄성적으로 압축할 수 있는 실링면들은 진동을 감쇠하고 완충할 수 있다. 부가적으로는 전지의 위크 조인트가 밀폐되는데, 그 이유는 상기 위크 조인트에 탄성적 압착력이 작용하기 때문이다. 이로 인해 내부에서 외부로의 전해질의 배출이 엄격하게 억제된다. 또한, 외부로부터 발생되는 냉각 매체들, 특히 물, 또는 주변에서 발생되는 습기가 배터리 내부에 근접하지 못하게 된다. 마지막으로는, 실링 프레임 내의 사전 결정된 파단 위치가 탄성적으로 압축할 수 있는 실링면에 문제없이 제공된다는 점이 인식되며, 상기 파단 위치는 장애 상황시 내부에서 외부로의 전해질의 배출을 가능하게 한다. 이로 인해 전해질이 전극으로부터 멀리 배출됨으로써 전극에서는 전해질이 점화될 수 없다.
단순한 제작을 위해, 기본 몸체는 탄성적으로 압축할 수 있는 재료로 제작될 수 있다. 이러한 배경으로 인해 구체적으로는, 기본 몸체를 실리콘, 실리콘 탄성 고무, SBR 또는 EPDM과 같은 탄성 재료로 일체형으로 제작하는 것을 생각할 수 있다. 실링은 대개 매체들의 직접적인 콘택에 노출되지 않기 때문에, NBR과 같은 다른 탄성 중합체들도 생각할 수 있다. 실리콘의 사용은 전극들 위로 실링의 부가적인 중첩을 가능하게 한다. 탄소를 기본으로 한 탄성 고무를 사용할 경우에는, 전극-디플렉터들 내의 높은 전압이 탄성 중합체-표면의 탄화(carbonization)로 이어짐으로써 절연 효과의 손실을 유발하는 것이 항상 예방될 수는 없다. 중첩은 전극들이 기계적으로 고정될 수 있도록 하여 상기 전극들의 콘택팅 안정성을 보호한다.
제 1 실링면 및/또는 제 2 실링면은 탄성적으로 압축할 수 있는 층 또는 실링 트레이스(sealing trace)로서 형성될 수 있으며, 상기 층 또는 실링 트레이스는 비탄성 지지체 상에 제공된다. 이로 인해 매우 안정된 실링 프레임이 제작될 수 있으며, 상기 실링 프레임은 경계적인 위치들에서, 다시 말해 실링면들에서 탄성적으로 압축 가능하게 설계될 수 있다. 이러한 배경으로 인해 구체적으로는, 비탄성 지지체가 탄성적으로 압축할 수 있는 2개의 층 사이에 샌드위치 형태로 밀봉되는 것을 생각할 수 있다. 또한, 탄성적으로 압축할 수 있는 층을 비탄성 지지체의 한쪽면에만 제공하는 것도 생각할 수 있다. 비탄성 지지체는 열가소성 플라스틱, 열경화성 플라스틱(thermosetting plastic) 또는 금속으로 제작될 수도 있다. 열가소성 플라스틱의 장점은 적은 중량과 낮은 비용이다. 또한, 플라스틱은 전기 전도성을 갖지 않는다. 금속들은 열 전도성이 우수하기 때문에 냉각에 사용될 수 있다. 이 경우에는 금속이 특히 전극-편류판들(deflector)의 영역에 수용되어야 한다. 열 전도성 플라스틱들, 예컨대 탄소 섬유들을 포함하는 열가소성 플라스틱을 사용함으로써, 플라스틱의 열 전도율 및 그와 더불어 상기 플라스틱의 열 전달이 현저히 개선될 수 있다. 마지막으로는 기본 몸체가 2성분-파트로서 사출 성형으로 제작되는 것을 생각할 수 있다. 이로 인해 신속한 제작이 달성될 수 있다. 실링은 가황, 스프레이 페인팅(spray painting), 삽입 또는 접착에 의해 지지체에 제공될 수도 있다.
제 1 실링면 및/또는 제 2 실링면에는 홈이 형성될 수 있다. 커피-백-전지의 실링 조인트는 홈에 의해 대기와 접촉할 수 있다. 이러한 배경으로, 하나의 실링면 또는 2개의 실링면 내에 하나의 홈이 형성되는 것을 생각할 수 있다. 2개의 실링 프레임이 간격 없이 나란히 놓일 경우에는, 홈들이 확대된 리세스에 첨부되고, 상기 리세스에 의해 실링 조인트는 대기와의 접촉을 유지할 수 있다. 이 경우, 리세스는 횡단면으로 볼 때 호형(弧形), 반원형 또는 직사각형으로 형성될 수 있다. 호형, 반원형 형성은 압착 없이 실링 조인트에 설치가 가능하다. 이로 인해 사전 설정된 파단 위치가 달성되고, 상기 파단 위치에 의해 전해질이 주변으로 배출될 수 있다. 홈은 전극들로부터 간격을 두고 배치되어야 한다. 홈 대신, 국부 영역에서는 실링 조인트에 대해 적은 압착력을 갖는 실링이 구현되는 것을 생각할 수 있다. 이러한 실링 구현은 국부적으로 제공된 탄성 중합체 재료에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 재료는 실링면들의 탄성 중합체 재료보다 높은 탄성을 구현하게 된다. 이로 인해 보장되는 것은, 정상적인 공정 조건하에서는 외부로부터 실링 조인트로의 습기 침투가 방지된다는 점이다. 전해질이 필수적으로 배출되어야 하는 장애 상황에서는, 상기 전해질의 초과압이 국부적으로 감쇠된 실링을 벌징(bulging)하기에 충분하다. 목적한 바와 같은 이러한 위크 조인트는 예컨대 비교적 더 유연한 탄성 중합체, 국부적으로 비교적 더 적은 압착력 또는 국부적으로 상이한 장치에 의해 달성될 수도 있다. 대안적으로 상기 위크 조인트는 박막에 의해 커버링될 수도 있다.
실링 프레임의 개구 내에는 브리지들이 제공될 수 있으며, 상기 브리지들은 기본 몸체의 두께보다 더 작은 두께를 갖는다. 브리지들은 전지들의 전지 하우징에서 배가 두꺼운 부분으로 처리된 영역들의 탄성적 이격을 가능하게 한다.
기본 몸체는 보어 홀들을 포함할 수 있다. 보어 홀들에 의해서는 병렬로 배치된 상이한 실링 프레임들이 상호 연결될 수 있다. 이러한 배경으로 인해, 홈-스프링 연결과 관련하여 볼 때 2개의 실링 프레임이 상호 연결되는 것을 생각할 수도 있다. 이 경우에는 구체적으로, 기본 몸체 내에 팩 홀들(pocket hole) 또는 보어 홀들이 배치되는 것을 생각할 수 있으며, 상기 보어 홀들은 추가 실링 프레임의 핀을 수용한다.
보어 홀들은 기본 몸체로부터 돌출되는 섀클들로 형성될 수 있다. 섀클들은 한편으로는 실링 프레임을 어려움 없이 파지할 수 있으며, 다른 한편으로는 보어 홀들에 의해 실링면들의 강도가 약화되거나 또는 감소되지 않도록 할 수 있다. 또한, 상기 섀클들은 서로 나란히 배치된 전지들의 엄격한 병렬 배치를 가능하게 한다.
기본 몸체는 접착제를 포함할 수 있다. 이러한 배경으로 인해 구체적으로는, 접착 밴드가 기본 몸체상에 배치되는 것을 생각할 수 있다. 접착제 또는 접착 밴드에 의해 2개의 실링 프레임이 상호 접착될 수 있고, 또는 실링 프레임이 실링 조인트 상에 접착될 수 있다. 이로 인해 스택들의 신속하고, 공정상 신뢰할 수 있는 구성이 가능해진다.
냉각 장치는 실링 프레임에 집적될 수 있다. 이로 인해 실링 프레임들은 전지들의 냉각이 필요한 비교적 큰 배터리들에 사용될 수 있다. 이러한 배경으로 인해 생각할 수 있는 것은, 냉각 장치가 탄성적으로 압착할 수 있는 2개의 층 사이에 샌드위치 형태로 수용되는 금속 바디로서 형성되는 것이다. 이러한 경우 실링 조인트의 탄성적 실링은 다른 영역들에서 냉각 시스템의 부가적인 밀봉을 위해 사용되며, 이 경우 전지들로부터 냉각 장치로의 열전달은 바람직하게는 실링 조인트들을 통해 이루어지고, 상기 실링 조인트들은 금속 바디들에 접한다. 이 경우에는 금속 바디가 특히 전극-편류판들의 영역에서 캡슐화 방식으로 수용되어 층들에 의해 완전히 둘러싸여야 한다. 냉각 장치의 다른 형성들은 열 전도성이 매우 우수한 래커(lacquer), 열전도 방식의 열가소성 수지 또는 열전도 방식의 탄성 중합체를 포함한다. 냉각 장치는 외부 냉각 시스템 또는 냉각 리브들과 접촉된 열전도 방식의 탄성 중합체를 포함할 수도 있다. 상기 형성은 수동적인 냉각을 의미한다. 능동적인 냉각의 경우, 탄성 실링 프레임들 내에 또는 탄성 실링 프레임들 사이에 냉각 채널들이 설치될 수도 있으며, 상기 냉각 채널들을 관통하여 냉각 매체가 흐른다. 이 경우에는 냉각 매체가 하나의 스택에 연결된 다수의 실링 프레임을 관통함으로써 다수의 전지를 템퍼링할 수 있다. 이로 인해 전지들이 신뢰할 수 있을 정도로 냉각되고 균일하게 템퍼링될 수 있다.
배터리는 본 출원서에 기술된 유형의 적어도 2개의 실링 프레임 및 적어도 하나의 전지를 포함할 수 있고, 이 경우 전지는 2개의 실링 프레임 사이에 위치하며, 이 경우 전지는 두꺼운 부분으로 처리된 영역을 가지며, 상기 두꺼운 영역은 상기 실링 프레임들의 기본 몸체의 개구들 내로 연장되고, 이 경우 전지들은 점차 가늘어지는 영역을 가지며, 실링면들은 상기 가늘어진 영역에 밀봉 방식으로 접한다. 상기 가늘어진 영역은 실링 조인트에 상응한다. 전지들의 상기와 같은 배치에 의해, 가늘어진 영역에 존재하는 상기 전지의 사전 결정된 파단 위치들은 2개의 실링 프레임에 의해 샌드위치 형태로 둘러싸일 수 있다. 이러한 유형의 본 발명에 따른 배터리는 이동식 애플리케이션(특히, 자동차 및 항공기) 및 고정식 어플리케이션(예컨대, 중단없는 전력 공급을 요구하는 시스템들)에 적합하다.
이러한 배경으로 인해 가늘어진 영역은 적어도 국부적으로 실링면들 사이에 샌드위치 형태로 수용될 수 있으며, 상기 실링면들은 밀봉 방식으로 간격 없이 나란히 놓일 수 있다. 구체적으로, 실링면들은 가늘어진 영역을 개구와 마주하는 구역에서는 샌드위치 형태로 둘러싸고, 개구로부터 떨어져서 마주하는 구역에서는 간격 없이 직접적으로 놓이는 것을 생각할 수 있다. 개구로부터 떨어져서 마주하는 상부 구역에서는 실링면들이 밀봉 방식으로 간격 없이 놓여 유해 매체들로부터 전지들의 내부를 밀봉시킨다.
실링 프레임들 사이에는 전지들의 전극들의 편류판들이 수용될 수 있으며, 상기 편류판들은 실링 프레임들을 통과하여 돌출한다. 실링 프레임들은 편류판들에 직접적으로 접함으로써, 결과적으로 유해한 매체들이 외부로부터 내부로 또는 내부로부터 외부로 침투할 수 없다. 이 경우 편류판들이 실링 프레임들을 통과하여 돌출함으로써, 결과적으로 편류판들은 어려움 없이 콘택팅될 수 있다.
실링 프레임들 사이에는 적어도 하나의 센서가 배치될 수 있으며, 상기 센서는 압력을 검출한다. 상기와 같은 센서에 의해, 특히 압력 센서에 의해서는 팽창되는 전지들이 문제없이 검출될 수 있다. 전지들의 급격한 팽창은 손상을 입은 전지들에서 나타나는 전형적인 현상이다.
전지들은 실링 조인트를 갖는 커피-백-전지들로서 설계될 수 있으며, 이 경우 전지들의 가늘어진 영역은 실링 조인트로서 설계된다. 커피-백-전지들은 구성 용적당 높은 용량을 특징으로 한다. 구체적으로 커피-백-전지들은 유연한 전지 하우징을 포함한다. 반대로 전지 하우징은, 그 내부에서 전지들의 내부가 커피 봉지 내의 커피와 유사하게 용접되는 박막이다. 상기 박막은 양 측면이 코팅된 금속 박막으로서 설계될 수 있다. 이러한 기술은 더욱 얇은 전지들의 제조를 가능하게 하고, 그리고 디자인 측면에서 더욱 큰 유연성을 갖게 한다. 추가적인 장점으로는 콤팩트한 구조에 의해 야기되는 더욱 높은 에너지 밀도와 더욱 낮은 제조 비용이다. 디자인의 유연성은 이동 전화 및 컴퓨터 시장에서 특히 매력적인 전지들을 만들어 낸다.
이러한 배경으로 인해 전지는 리튬-이온-전지로서 설계된다. 또한, 전지는 리튬-폴리머-전지로서 설계될 수 있으며, 상기 리튬-폴리머-전지의 경우 액체 전해질의 위치에 폴리머 매트릭스가 사용되고, 상기 폴리머 매트릭스는 전해질을 거의 완전히 흡수하여 거의 유출되지 않도록 고정한다.
배터리에는 배출 후드가 배치될 수 있다. 이로 인해 배출된 가스들 또는 전해질들이 확실히 유도되는 것이 보장될 수 있다. 배출 후드는 금속, 플라스틱 또는 탄성 중합체로 이루어질 수 있으며 실링 프레임들의 맞은 편에 밀봉되어야 한다. 이 경우, 배출 후드는 병렬로 배치된 다수의 홈을 오버랩할 수 있다. 경우에 따라 박막 또는 파열 멤브란을 갖는 배출 후드가 설치될 수도 있으며, 그 결과 상기 배출 후드는 정상적인 조건하에서 커피-백-전지들의 실링 조인트에 습기가 근접하지 못하도록 한다. 이러한 경우에는 배출 후드가 바람직하게 튜브 또는 관을 통해 주변과 접촉될 수 있다. 부가적으로 상기 튜브 또는 관 내에는 밸브가 삽입될 수 있으며, 상기 밸브는 초과압이 발생할 경우에만 내부로 개방된다. 이러한 장치에 의해서는, 전해질 배출시 배터리가 고장날 경우 배터리 내부로부터, 특히 전극들에서 멀리 상기 전해질이 확실하고 목표한 바대로 배출되는 것이 보장될 수 있다.
배터리는 추가의 견고한 고정 프레임을 포함할 수 있다. 상기 추가의 견고한 고정 프레임은 플라스틱 또는 금속들로 제작될 수도 있으며, 상기 금속들은 비도전성 재료들에 의해 코팅될 수 있다. 부가적으로 상기 견고한 고정 프레임이 보장하는 것은, 밀봉 위치들에 일정하고 균일한 압착력을 실행한다는 점이다. 뿐만 아니라, 견고한 고정 프레임은 배터리의 하우징 내에, 실링 프레임을 포함한 전지들의 스택의 안전하고 향상된 장착을 가능하게 한다. 또한, 상기와 같은 장치는 손상을 입은 전지들의 수리 및 교체를 용이하게 한다.
본 발명에 따른 실링 프레임의 몇몇 실시예들은 도면들을 참고로 이하에서 상세하게 설명된다. 도면들은 각각 개략적으로 도시된다.
도 1은 직사각형 실링 프레임의 사시도이고,
도 2는 2개가 간격 없이 나란히 놓인 실링 프레임의 사시도이며,
도 3은 2개가 간격 없이 나란히 놓인 실링 프레임의 측면도이고,
도 4는 한쪽면에 탄성적으로 압축할 수 있는 층이 제공된 강성 지지체를 포함하는 실링 프레임이며,
도 5는 강성 지지체의 양쪽면에 탄성적으로 압축할 수 있는 층들이 제공된 실링 프레임이고,
도 6은 개구가 기본 몸체의 두께보다 작은 두께를 갖는 브리지들에 의해 세분된 실링 프레임이며,
도 7의 왼쪽 도면은 전극들이 돌출되는 커피-백-전지의 평면도이고, 오른쪽 도면은 상기 커피-백-전지의 측면도이며,
도 8은 그 사이에 실링 프레임들이 배치된 개별 커피-백-전지들의 스택의 개략도이고, 이 경우 실링 프레임들은 고정 프레임에 의해 형상 결합 방식으로 서로 압착되며,
도 9는 횡단면에서 볼 때 호형으로 설계된 홈들을 갖는 간격 없이 나란히 놓인 2개의 실링 프레임 그리고 홈들 위에 설치되어 실링 프레임들과 형상 결합방식으로 연결되는 배출 후드의 개략도이며,
도 10은 집적된 냉각 장치를 갖는 실링 프레임이다.
도 1은 기본 몸체(2)를 포함하는 배터리 내에 사용하기 위한 실링 프레임(1)을 도시하고 있으며, 이때 기본 몸체(2)는 개구(3)를 둘러싸고, 제 1 실링면(4) 및 반대편에 놓인 제 2 실링면(5)을 포함한다. 제 1 실링면(4) 및 제 2 실링면(5)은 탄성적으로 압축 가능하게 형성된다. 기본 바디(2)는 직사각형으로 설계되어 4개의 레그를 가지며, 상기 레그들은 서로 연결되어 개구(3)를 둘러싼다. 제 1 실링면(4)은 제 2 실링면(5)에 평행하게 방향 설정되고, 이때 두 실링면(4, 5)은 개구(3)와 동일 평면에 놓인다.
기본 바디(2)는 탄성적으로 압축할 수 있는 재료로 제작된다. 제 1 실링면(4) 및 제 2 실링면(5) 내에는 각각 하나의 홈이 형성되며, 상기 홈은 횡단면으로 볼 때 호 형태로 형성되어 있다.
도 2는 도 1에 따라 설계된 2개의 실링 프레임(1)을 도시하고 있으며, 사시도로 볼 때 상기 2개의 실링 프레임은 간격 없이 나란히 놓이는 방식으로 배치되어 있다. 기본 몸체(2)로부터는 섀클들(7)이 돌출하고, 상기 섀클들 내에는 보어 홀들이 배치될 수 있다. 상기 보어 홀들을 통해서 실링 프레임들(1)은 나사들을 이용하여 상호 고정될 수 있다. 이로 인해 충분히 높고 일정한 압착력이 실링 프레임들(1)의 기본 몸체(2) 전체에 걸쳐 보장될 수 있다.
도 3은 2개가 간격 없이 나란히 놓인, 도 2에 따른 실링 프레임(1)의 제 2 도면을 도시하고 있으며, 이때 호 형태의 2개의 홈(6)은 전해질의 사전 결정된 파단 위치에 부가된다.
도 4는 기본 몸체(2)를 갖는 실링 프레임(1)을 도시하고 있으며, 상기 실링 프레임에서는 제 2 실링면(5)이 탄성적으로 압착할 수 있는 층으로서 형성되고, 상기 층은 비탄성 지지체(8) 상에 제공된다.
도 5는 실링 프레임(1)을 도시하고 있으며, 상기 실링 프레임에서는 제 1 실링면(4) 및 제 2 실링면(5)이 각각 탄성적으로 압착할 수 있는 층들로서 형성된다. 상기 층들은 비탄성 지지체(8)의 양 측면에 제공된다. 지지체(8)는 압착할 수 있는 층들에 의해 샌드위치 형태로 밀봉된다.
도 6은 기본 몸체(2)를 갖는 실링 프레임(1)을 도시하고 있으며, 상기 실링 프레임에서는 개구(3)가 기본 몸체(2)의 두께보다 더 작은 두께를 갖는 브리지들(9)에 의해 세분된다. 브리지들(9)은 직접적으로 인접한 전지들(11)이 접촉되는 것을 방지한다.
도 7은 커피-백-전지로서 설계된 전지(11)를 보여주고 있다. 도 7의 왼쪽에는 전지(11)가 평면도로 도시되어 있다. 전지(11), 즉 전극들/분리기 스택들의 내부는 전지 하우징(12) 내에 존재하고, 상기 전지 하우징은 코팅된 금속으로 이루어진다. 아주 구체적으로는 폴리올레핀-코팅을 갖는 알루미늄이 제공된다. 전기 자동차들에 사용되는 전지들(11)의 전지 하우징(12)의 전형적인 폭 및 길이는 대개 20cm 이상이다. 상기와 같은 전지 하우징(12)의 두께는 약 1cm이다. 전지 하우징(12)은 약 1cm 폭으로 주변을 둘러싸는 실링 조인트(13)를 포함하며, 상기 실링 조인트에는 코팅된 2개의 금속, 즉 박막이 조밀하게 함께 적층되어 있다. 실링 조인트(13)의 전형적인 두께는 약 1 내지 2mm이다. 실링 조인트(13)로부터는 전극들의 편류판들(10)이 돌출된다. 편류판들(10)은 금속으로 이루어지며 대개는 그 두께가 1mm 이하이다. 도 7의 오른쪽에는 전지(11)의 측면도가 도시되어 있다.
도 8은 다수의 전지(11)의 스택을 도시하고 있으며, 상기 전지들은 실링 조인트(13)의 영역에서 서로로부터 이격되어 배치되어 있다. 실링 조인트들(13)은 실링 프레임들(1)에 의해 가압된다. 이 경우, 하나의 실링 프레임(1)이 넓은 범위에 걸쳐 전지(11)를 둘러싼다. 전극들의 편류판들(10)은 실링 프레임들(1)로부터 돌출된다. 실링 프레임들(1)은 실링 조인트들(13)을 통해 돌출된다. 이 때문에 대기 중의 습기에 대해 밀봉이 이루어지며, 그 이유는 인접한 2개의 실링 프레임(1)이 실링 조인트들(13)을 통해 돌출되는 구역 내에 간격 없이 연속하여 나란히 놓여 있기 때문이다. 또한, 실링 프레임들(1)이 서로를 형상 결합 방식으로 움켜쥐게 되는 것도 생각할 수 있다. 바람직하게는 인접한 전지들(11) 사이에 완충 공간들이 형성되고, 상기 완충 공간들은 실링 프레임들(1)에 의해 충분하게 커버링 된다. 이로 인해 보장될 수 있는 점은, 전지들(11)의 두께가 최대로 형성될 경우 실링 조인트들(13)에 대해 부가적인 압력이 생성되지 않는다는 점이다.
또한, 구체적으로는 상기 도면이 배터리(18)를 도시하고 있으며, 상기 배터리는 적어도 2개의 실링 프레임(1) 및 적어도 하나의 전지(11)를 포함하고, 이때 하나의 전지(11)가 2개의 실링 프레임(1) 사이에 위치하며, 이때 전지(11)는 두꺼운 부분으로 처리된 영역(14)을 포함하고, 상기 두꺼운 영역은 실링 프레임들(1)의 기본 몸체들의 개구들(3) 내로 연장되며, 그리고 이때 전지(11)는 점차 가늘어진 영역(15)을 포함하고, 실링면들(4, 5)은 상기 가늘어진 영역에 밀봉 방식으로 접한다. 가늘어진 영역(15)은 국부적으로 샌드위치 형태로 실링면들(4, 5) 사이에 수용되며, 또한 상기 실링면들은 밀봉 방식으로 간격 없이 나란히 놓인다. 가늘어진 영역(15)은 실링 조인트(13)로서 형성된다. 두꺼운 부분으로 처리된 영역(14)은 전지(11), 즉 전극들/분리기 스택들의 내부를 둘러싼다. 실링 프레임들(1) 사이에는 전지들(11)의 전극들의 편류판들(10)이 수용되고, 상기 편류판들은 실링 프레임들(1)을 통해 돌출한다. 실링 프레임들(1)은 고정 프레임(16)에 의해 위치 설정되고, 상기 고정 프레임은 실링 소자들(1)을 서로 압착한다. 이 경우에는 실링 프레임들(1)에 대한 표면 압착이 대략 일정하게 보장될 수 있다.
도 9는 간격 없이 나란히 놓인 2개의 실링 프레임(1)을 도시하고 있으며, 상기 실링 프레임들의 홈들(6)은 사전 결정된 파단 위치에 부가된다. 이 경우에는 실링 조인트(13)가 대기와 접촉한다. 호 형태의 2개의 홈(6)은 전체 홀에 부가된다. 이로 인해 사전 결정된 파단 위치가 달성되고, 상기 사전 결정된 파단 위치는 실링 조인트(13)에 압착 방식으로 접하지 않음으로써, 배출되는 전해질의 외부로의 경로가 개방될 수 있다. 홈들(6)은 전극들의 편류판들(10)로부터 가능한 멀리 떨어져서 배치되어야 한다. 실링 프레임들(1)의 홈들(6) 위에 배출 후드(17)가 배치되고, 상기 배출 후드는 실링 프레임(1)과 형상 결합한다. 배출 후드(17)는 홈들(6)로부터 내뿜어진 전해질 가스의 안전한 수송을 가능하게 한다.
도 10은 도 1에 따른 실링 프레임을 도시하고 있으며, 이때 기본 몸체(2)에는 냉각 장치(19), 즉 본 설계에서는 관형의 냉각 채널들이 집적된다. 실링 프레임(1)은 본 설계에서 열 전도성으로 설계된다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 도면에서도 샌드위치-구조를 생각할 수 있다.

Claims (15)

  1. 실링 프레임을 이용하여, 실링 조인트를 갖는 커피-백-전지(coffee-bag-cell)로서 형성되는 하나 이상의 전지를 갖는 배터리를 실링하는 방법으로서,
    상기 실링 프레임은 기본 몸체를 포함하며, 상기 기본 몸체는 개구를 포함하고, 제 1 실링면 및 반대편에 위치되는 제 2 실링면을 포함하며, 상기 제 1 실링면과 상기 제 2 실링면 중 하나 이상은 탄성적으로 압축 가능하게 형성되는,
    배터리를 실링하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 몸체가 탄성적으로 압축할 수 있는 재료로 구성되는,
    배터리를 실링하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 실링면과 상기 제 2 실링면 중 하나 이상이 탄성적으로 압축할 수 있는 층으로서 형성되고, 상기 층은 비탄성 지지체 상에 적용되는,
    배터리를 실링하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 실링면과 상기 제 2 실링면 중 하나 이상 내에 홈이 형성되는,
    배터리를 실링하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 실링면과 상기 제 2 실링면 중 하나 이상 내에 비교적 높은 탄성을 갖는 국부적 영역이 제공되는,
    배터리를 실링하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구 내에 상기 기본 몸체의 두께보다 더 작은 두께를 갖는 브리지들이 제공되는,
    배터리를 실링하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 몸체가 보어 홀들을 포함하고, 상기 보어 홀들이 상기 기본 몸체로부터 돌출되는 섀클들로 형성되는,
    배터리를 실링하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 바디가 접착제를 포함하는,
    배터리를 실링하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 실링 프레임에 냉각 장치가 통합되는,
    배터리를 실링하는 방법.
  10. 두 개 이상의 실링 프레임 및 하나 이상의 전지를 포함하는 배터리로서,
    상기 실링 프레임 각각은 기본 몸체를 포함하며, 상기 기본 몸체는 개구를 포함하고, 제 1 실링면 및 반대편에 위치되는 제 2 실링면을 포함하며, 상기 제 1 실링면과 상기 제 2 실링면 중 하나 이상은 탄성적으로 압축 가능하게 형성되고,
    상기 전지는 상기 두 개 이상의 실링 프레임 사이에 위치되며, 상기 전지는 두꺼운 부분으로 처리된 영역을 포함하고, 상기 두꺼운 영역은 상기 실링 프레임들의 기본 바디들의 개구들 내로 연장되며, 상기 전지는 점차 가늘어진 영역을 포함하고, 상기 가늘어진 영역에 상기 실링면들이 접하여 실링을 형성하고,
    상기 하나 이상의 전지는 실링 조인트를 갖는 커피-백-전지로서 형성되는,
    배터리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 실링면들이 적어도 국부적으로 샌드위치 형태로 상기 가늘어진 영역을 수용하며, 상기 실링면들은 서로 접하여 실링을 형성하는,
    배터리.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 실링 프레임들 사이에 상기 전지들의 전극들의 편류판들이 수용되고, 상기 편류판들이 상기 실링 프레임들을 통해 돌출되는,
    배터리.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 실링 프레임들 사이에 압력을 검출하는 하나 이상의 센서가 배치되는,
    배터리.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리에 배출 후드가 배치되는,
    배터리.
  15. 기본 몸체를 포함하는 배터리 내에 이용하기 위한 실링 프레임으로서,
    상기 기본 몸체는 개구를 포함하고, 제 1 실링면 및 반대편에 위치되는 제 2 실링면을 포함하며, 상기 제 1 실링면과 상기 제 2 실링면 중 하나 이상은 탄성적으로 압축 가능하게 형성되고, 상기 제 1 실링면과 상기 제 2 실링면 중 하나 이상 내에 홈이 형성되는,
    실링 프레임.
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