KR101446149B1 - 냉각구조가 포함된 병렬형 이차전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 냉각구조가 포함된 병렬형 이차전지는 양극과 음극이 형성된 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치를 포함하며 상호 대면하는 복수 개 전지 셀; 상기 복수 개 전지 셀이 병렬연결되도록 상기 복수 개 전지 셀의 양극과 음극을 각각 전기적으로 연결하는 릴레이; 및 상기 대면하는 복수 개 전지 셀 사이에 개재되는 냉각판을 포함하여 구성된다.
상기 본 발명에 의하면, 대용량이 요구되는 배터리 환경에 용이 확장 가능성을 제공할 수 있음은 물론, 대용량 배터리에 따른 방열을 효율적으로 운용할 수 있는 이차전지 및 이를 이용한 배터리 시스템을 제공할 수 있다.

Description

냉각구조가 포함된 병렬형 이차전지{Secondary electric cell with cooling structure}
본 발명은 전기적으로 병렬 연결된 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 고용량 이차 전지를 더욱 효율적으로 구현하기 위하여 복수 개 이차전지 셀 사이에 방열을 위한 냉각구조가 포함된 이차전지에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
상기 이차 전지(셀)는 외장의 종류, 구조 및 적용 형태 등에 따라 파우치형, 캔형, 소형, 중대형 등으로 다양하게 분류될 수 있다. 기본적 원리와 구성 등은 상호 대응될 수 있으므로 도 1 및 도 2에 도시된 파우치형 이차 전지를 예시적인 형태로 하여 이차 전지의 개략적인 구조 등을 설명하도록 한다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이 파우치형 이차전지(10)는 케이스 외장재인 파우치(20) 및 전극집전체(30)(전극조립체로도 지칭된다)를 기본 구조로 포함하고 있으며, 상기 전극집전체(30)는 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 상기 양극판과 음극판 사이를 전기적으로 절연시키는 분리막 또는 세퍼레이터 등으로 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기 전극집전체(30)는 양극판에서 연장되어 형성되는 양극 리드(탭)(31)와 음극판에서 연장되어 형성되는 음극 리드(탭)(30)가 일반적으로 구비된다. 상기 전극 리드(31, 32)는 이차 전지의 전극으로 기능하는 구조체에 해당하며, 음극에는 카본계 소재, 양극에는 리튬계 산화물 등이 사용되며 또한, 전해액은 유기 용매 전해질이 주로 사용된다.
상기 전극집전체(30)가 파우치 케이스(200)에 투입된 후, 전해액이 주입되고 그 후 밀봉 공정, 에이징 공정, 화성 공정 등의 후처리 공정을 거쳐 하나의 완성된 이차 전지 셀이 된다.
상기 이차 전지는 개체의 구성 순에 의하여 단위 개체인 셀(cell), 집합체인 어셈블리(assembly), 배터리(battery)(팩(pack)) 등으로 칭해지며, 이하 설명에서 달리 언급되지 않는다면, 본 설명에서의 이차 전지는 상기 개체를 구별하지 않고 통칭적으로 사용하도록 한다.
상기 도 1은 파우치 케이스(20)를 상부 케이스(21) 및 하부 케이스(22)로 이원화하고, 상기 전극집전체(30)가 구비되는 공간을 하나의 케이스에만 형성한 실시예를 도시하고 있으며, 도 2는 하나의 파우치 케이스(20)를 이용하여 상부 케이스(21) 및 하부 케이스(22)로 상대적으로 구분하고, 상기 전극집전체(30)가 구비되는 공간을 양 케이스에 모두 형성한 실시예를 도시하고 있다.
케이스의 물리적 이원화 여부 또는 전극집전체가 구비되는 공간 등은 파우치 원재료, 제품 특성, 프로세싱 환경, 제품 사양 등에 따라 다양한 조합과 변형 형태를 통하여 당업자가 적용할 수 있는 실시형태임은 자명하다.
이와 같이 제조되는 이차 전지는 이차 전지의 내재적이고 고유한 전기 화학적 특징에 의하여 그 용량을 물리적으로 단순히 증대시켜 제조할 수 없다는 문제점이 있다. 즉, 25Ah 이상의 단위 셀로 제조하는 경우 셀의 두께 증가로 파우치 포장재의 연신폭이 커지게 되고 이에 따라 결함(defect)이 발생될 가능성이 높아진다.
또한, 파우치 외장재는 전지 내부의 전해액 유출 방지 등을 위한 물리적 보호 수단 등의 목적으로 사용되는데 이와 같이 연신폭이 커지게 되는 경우 파우치 외장재 자체의 불량이 발생될 수 있어 전해액 누출 및 이에 따른 전기적 단락 등의 이차적 위험성에 노출될 수 있다.
이와 더불어, 단순히 물리적 크기를 크게 하여 단위 셀을 제작하는 경우, 전해액의 전극집전체로의 웨팅(wetting) 능률이 저하되어 셀 성능의 조기 퇴화가 수반될 수 있으며, 용량이 증대될수록 충방전에 따른 발열량이 급격히 증가하여 고온으로 인한 전기적 특성 저하가 발생하여 셀의 퇴화가 가속화될 수 있다.
이와 함께, 셀들을 단순히 전기적으로 연결하는 경우 외부 피침이나 관통, 가압 등의 물리적 악조건에 노출되면 이러한 외부 요인에 의하여, 연결된 셀들이 연쇄적으로 오동작 될 수 있다는 문제점도 존재하며, 이러한 이차 전지들의 오동작은 용용 대상체(EV, HEV) 및 이를 운용하는 사용자에게 치명적인 위험요소가 될 수 있다고 할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 이러한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 병렬로 연결된 고용량 이차전지를 구현함에 있어, 발열 등으로 인한 성능저하를 개선하고 수분 유입, 전해액 유출 및 외부 물리적 요인에 강인하게 대처할 수 있는 이차전지를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 냉각구조가 포함된 병렬형 이차전지는 양극과 음극이 형성된 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치를 포함하며 상호 대면하는 복수 개 전지 셀; 상기 복수 개 전지 셀이 병렬연결되도록 상기 복수 개 전지 셀의 양극과 음극을 각각 전기적으로 연결하는 릴레이; 및 상기 대면하는 복수 개 전지 셀 사이에 개재되는 냉각판을 포함하여 구성된다.
여기에서, 상기 복수 개 전지 셀은 공통된 하나의 파우치에 각각의 전극 조립체가 연속적으로 구비되며, 상기 전극 조립체 사이의 파우치 부분이 접혀져 상호 대면하는 형태로 구성하는 것이 바람직하다.
더욱 바람직한 실시형태의 구현을 위하여, 상기 냉각판은 금속판으로 구성될 수 있으며, 상기 전극 조립체의 크기에 대응되는 크기로 구성하는 것이 바람직하며, 상기 금속판은 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 상기 냉각판은 복수 개의 분할된 형태의 금속판으로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉각판은 외주면에 탄성체 재질의 완충부재가 구비될 수 있으며, 상기 완충부재는 복수 개의 단위 개체가 상기 냉각판의 표면에 서로 이격되도록 구비되는 것이 바람직하다.
상기 본 발명에 의한 냉각구조가 포함된 병렬형 이차전지는 고용량을 가지는 이차전지로 효과적으로 구현할 수 있음은 물론, 단위 셀들의 병렬 연결에 따른 열효율 문제점을 효과적으로 극복할 수 있어 더욱 향상된 성능과 확장 용이성을 가진 이차전지 및 이를 이용한 배터리 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 파우치 이차 전지의 실링 영역을 원천적으로 감소시킬 수 있어 외부로부터의 수분 침투, 전해액 누수 등을 최소화할 수 있음은 물론, 냉각판의 물리적 구조를 통하여 피침, 관통, 충격 등과 같은 외부로부터 가해지는 물리적 요인에 따른 손상 등을 최소화하여 더욱 안정적인 이차전지를 제공할 수 있다.
이와 함께, 고용량 이차전지 및 이의 추가 확장 배터리 등의 운용에 따른 발열량을 효과적으로 방출할 수 있고 이차 전지 간의 간섭을 방지할 수 있어 과충전 내지 과방전 등의 상태에서도 이차 전지의 발열을 감소 내지 지연시켜 급진적 발열에 의한 이차 전지의 폭발 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
이와 더불어, 고용량 이차전지의 성능 저하, 조기 퇴화 등에 따른 비효율성을 효과적으로 제거할 수 있어 더욱 경제적이고 제품 단가에 대한 경쟁력을 확보할 수 있는 이차 전지를 제공할 수 있는 효과를 창출할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 이차 전지 단위 셀을 제조하는 일반적인 모습을 도시하는 도면,
도 2는 다른 실시형태에 의한 이차 전지 단위 셀을 제조하는 일반적인 모습을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 이차전지의 구성을 도시한 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 이차전지의 결합 관계를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 이차전지의 외부 형상을 도시한 사시도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 이차전지의 결합관계를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 냉각판의 구성을 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 냉각판의 구성을 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 의한 냉각판의 구성을 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 복수 개 전지 셀이 집합된 이차전지의 결합 관계를 도시한 도면,
도 11은 도 10에 의한 결합이 완료된 이차전지의 평면도를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 이차전지의 구성을 도시한 도면이다. 상기 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 냉각구조가 포함된 병렬형 이차전지(이하 이차전지로 칭한다)(100)는 복수 개 전지 셀(110, 120)이 상호 병렬로 연결되는 구조를 가진다.
앞서 설명된 바와 같이 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 본 발명의 이차전지(100)는 우선, 전지 셀의 외장재 기능을 수행하는 파우치(200)에 탑재될 때, 복수 개 셀(110, 120)이 파우치에 마련된 복수 개의 탑재 공간(210)에 함께 탑재된다. 앞서도 언급된 바와 같이 상기 단위 전지 셀 각각(110, 120)은 양극(310), 음극(320) 및 전극 조립체(300)를 포함하여 구성됨은 물론이다.
상기 셀의 세부 구성은 본 발명의 핵심적인 기술 사상이 아니며, 당업자 간에 주지된 기술적 내용이므로 그 상세한 설명은 생략하며, 상기 도 3에 도시된 파우치 내부의 셀 탑재 공간의 형태, 탑재되는 셀의 개수 등은 하나의 예시적인 형태를 도시하고 있을 뿐, 당업자 간에 다양한 변형 내지 적용례가 가능함은 물론이다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 공통된 파우치(200)에 복수 개 전지 셀(110, 120)이 탑재되면, 앞서 언급된 바와 같이 전해액이 주입되고 밀봉 공정, 에이징 공정, 화성 공정 등의 후처리 공정이 필요에 따라 다양한 조합 내지 공정 순서에 의하여 진행될 수 있다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 공통된 파우치(200)에 복수 개 전지 셀(110, 120)이 함께 탑재 내지 실장됨으로써 수분 침투, 전해액 누수 등과 같은 현상을 미연에 최소화할 수 있음은 물론, 개별 단위 셀들을 연결하는 공정을 생략할 수 있어 더욱 효율적인 이차전지를 제조할 수 있게 된다.
이와 같이 복수 개 전지 셀의 탑재 과정이 완료되면, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 복수 개 전지 셀(110, 120)의 전극 조립체가 탑재된 파우치 영역 사이(도 3 및 도 4의 A 부분)를 기준으로 상기 파우치(200)를 접어 상호 대면하는 형태가 되도록 구성한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 이차전지는 복수 개 전지 셀을 상호 전기적으로 병렬이 되도록 연결하는 것이므로 각 전지 셀의 전극이 상호 대면할 수 있도록 파우치에 탑재하여 전극 간을 상호 연결하는 공정이 용이하게 이루어지도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 이 과정에서 도 4에 도시된 바와 같이 대면하는 복수 개 전지 셀(110, 120)의 사이에 방열 기능을 수행하는 냉각판(400)을 개재시켜 복수 개 전지 셀을 개재시킨다.
상기 도 3 내지 도 5에 도시된 형태는 본 발명에 따른 하나의 실시예로서 도 6에 도시된 바와 같이 실시형태에 따라서 파우치의 상하면이 폴딩(folding)되도록 구성할 수 있음은 물론이다.
앞서도 간략히 언급된 바와 같이 단위 전지 셀을 수평 내지 수직 방향의 스택(Stack) 형태로 복수 개 중첩시켜 전기적으로 병렬연결함으로써 고용량 내지 대용량 이차 전지를 구현하는 경우, 전기 화학적 반응에 의하여 방열이 비약적으로 증대되게 된다.
이러한 방열을 효과적으로 제거하고 이차 전지의 정상적인 성능을 보장 내지 유지시키기 위하여 상기와 같이 복수 개 전지 셀(110, 120) 사이에 냉각판(400)을 개재시킨다.
상기 냉각판(400)은 이차 전지의 실시예를 감안할 때, 이차전지의 전반적인 두께 요소(thickness factor)가 중요하므로 도 4 등에 도시된 바와 같이 판상으로 구현하는 것이 더욱 바람직하며, 형성 용이성, 발열 효율성 등을 고려할 때, 금속판으로 구성하는 것이 바람직하며, 상기 냉각판(400)은 제조되는 이차전지의 스팩, 적용 환경 등에 따라 결정될 수 있는 특정의 열 전달율을 가지는 다양한 금속이 채용될 수 있다. 그 중 방열 효율이 높고 슬라이스 판상 형태로의 가공 용이성 등 형성 유연성이 높은 알루미늄 재질로 구성하는 것이 바람직하다.
한편, 이차 전지의 충방전에 의한 발열은 투입된 전해액과 전기 화학적으로 반응하는 전극 집전체 영역에서 대부분 이루어지므로 열적 효율과 소요되는 제조 단가 등을 고려할 때, 상기 냉각판(400)은 상기 전극 조립체(300)의 크기에 대응되는 크기로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 전극 조립체(300)의 크기에 대응되도록 구성하는 것은 앞서 언급된 바와 같이 발열이 집중적으로 이루어지는 영역 및 이에 대한 방열 효율성의 제고를 위한 것이므로 오차 범위 등을 감안한 실질적인 크기의 대응을 의미하며, 물리적 또는 수학적 의미에서의 크기 동일성을 의미하는 것이 아님은 자명하다.
이와 같이 상기 냉각판(400)을 금속판으로 구성하는 경우, 피침이나 관통 등과 같은 외부로부터의 물리적 가격 등에도 강인하게 내부의 이차전지 셀을 보호할 수 있는 효과도 창출될 수 있다.
또한, 상기 냉각판(400)은 하나의 일체형 금속판으로 구성될 수 있음은 물론, 향후 부분 손상 내지 파손 등이 일어나는 경우 재활용도를 높이고 공기 매체 등이 원활히 유입되어 열적 효율을 향상시키기 위하여 도 7에 도시된 바와 같이 둘 이상의 복수 개의 판상(401, 402, 403)으로 구성될 수도 있다. 작업 효율성 등을 높이기 위하여 수평 방향보다는 수직 방향으로 분할된 형태가 바람직하다.
한편, 본 발명의 더욱 바람직한 실시예를 구현하기 위하여 도 8에 도시된 바와 같이 복수 개 전지 셀(110, 120) 사이에 개재되는 냉각판(400)은 베이스가 되는 금속 재질의 기저판(substrate)(410)과 그 외주면에 탄성체 재질의 완충부재(420)로 구성할 수 있다.
이차전지는 전기 화학적 반응에 의하여 충방전을 반복하는 속성을 가지게 되는데, 이 과정에서 스웰링 현상(부품현상)(swelling)이 발생될 수 있다. 이 뿐만 아니라 외부 충격이나 가압 등에 의하여 이차 전지 셀의 물리적 위치의 이동, 흔들림 또는 진동 등의 현상이 발생하게 된다.
상기와 같이 냉각판(400) 외주면에 탄성력을 가지는 완충부재(420)를 구비시킴으로써 이러한 외적 요인이 효과적으로 흡수되도록 할 수 있어, 이차 전지 및 이를 단위 개체로 하는 배터리 내지 배터리 시스템을 더욱 안정적이고 안전하게 운용할 수 있다.
또한, 실시 형태에 따라 상기 도 9에 도시된 바와 같이 상기 완충부재(420)를 복수 개의 단위 개체로 구성하여 상기 기저판(410)의 적어도 한 면의 표면에 상호 이격되는 형태로 구비할 수도 있다. 이 경우, 국지적 또는 부분적으로 발생될 수 있는 스웰링 현상과 외부 물리적 충격 등으로부터 더욱 효과적으로 이차 전지를 보호할 수 있게 된다.
이와 같이 냉각판(400)을 개재시켜 이차전지를 구성한 후 도 5에 도시된 바와 같이 상기 복수 개 전지 셀(110, 120)이 전기적으로 병렬연결되도록 상기 복수 개 전지 셀(110, 120)의 양극(310)과 음극(320)을 각각 릴레이(500)로 전기적으로 연결한다.
상기와 같이 구성되는 이차전지(100)의 접힌 측면(folded wing)(230)은 앞서 설명된 바와 같이 공통된 하나의 파우치(200)가 하나의 일면을 구성하는 것이므로 외부로부터의 수분 등의 침투를 더욱 간단하게 최소화할 수 있음은 물론, 파우치 면 간의 실링 불량에 의한 전해액 누수 등을 더욱 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
또한, 일면을 folding하여 이차전지를 제조함으로써 실링의 대상이 되는 영역을 본질적으로 줄일 수 있어 공정이 단축 내지 간단해짐은 물론 이를 통하여 공정 수율을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시형태에 의하여 4개의 전지 셀이 병렬 연결되는 형태를 도시하고 있다. 상기 도 10에 도시된 바와 같이 4개의 전지 셀이 하나의 공통된 파우치(200)에 구비되며, 각 전지 셀 사이에는 냉각판(400)이 개재된다.
앞서 설명된 바와 같이 동일한 전극 간의 전기적 접속이 릴레이(500)를 통하여 용이하게 연결되도록 각 전극의 방향을 설정하는 것이 바람직하며, A1, A2, A3 등을 기준으로 각 셀의 접는 방향이 상호 교번될 수 있도록 접게 된다.
상기 도 10 및 도 11에 예시적으로 도시된 실시예와 같이 상당 개수의 이차 전지 셀을 본 발명의 실시 형태에 따라 용이하게 구성할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 이차전지 110, 120 : 전지 셀
200 : 파우치 210 : 전극집전체 수납 공간
230 : folded wing 300 : 전극집전체
310, 320 : 전극 400 : 냉각판
410 : 금속 기저판 420 : 완충부재
500 : 릴레이

Claims (9)

  1. 양극과 음극이 형성되어 연속적으로 구비된 각각의 전극 조립체 및 상기 전극 조립체를 수용하는 공통된 하나의 파우치를 포함하며 상호 대면하는 복수 개 전지 셀;
    상기 복수 개 전지 셀이 병렬 연결되도록 상기 복수 개 전지 셀의 양극과 음극을 각각 전기적으로 연결하는 릴레이; 및
    상기 대면하는 복수 개 전지 셀 사이에 개재되는 복수 개의 분할된 알루미늄 냉각판;을 포함하고
    상기 복수 개 전지 셀은, 상기 전극 조립체 사이의 파우치 부분이 접혀져 상호 대면하는 형태이고,
    상기 알루미늄 냉각판은, 상기 전극 조립체의 크기에 대응되는 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각구조가 포함된 병렬형 이차전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각판은,
    외주면에 탄성체 재질의 완충부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 냉각구조가 포함된 병렬형 이차전지.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 완충부재는,
    복수 개의 단위 개체가 상기 냉각판의 표면에 서로 이격되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 냉각구조가 포함된 병렬형 이차전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 분할된 알루미늄 냉각판은, 전지 셀의 수직 방향으로 분할된 것을 특징으로 하는 병렬형 이차전지.
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