KR101459180B1 - 리튬 이차전지의 냉각방법 및 냉각시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 리튬 이차전지의 냉각을 신속하게 진행할 수 있도록 한 리튬 이차전지의 냉각방법 및 냉각시스템이 제시된다. 즉, 본 발명에서는 이차전지의 양극단자와 음극단자 중 적어도 어느 하나에 도전성 연결구를 연결하고, 상기 연결구에 냉매를 접촉시켜 전지셀을 냉각하는 것을 특징으로 한다. 이때, 냉매는 물 또는 공기가 될 수 있고, 냉매관은 합성수지로 이루어진다. 또한, 냉매관의 일단은 전극단자에 용접 고정되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 이차전지의 일측에 냉각수단을 구비하여 이차전지의 이상 발열로 인한 내부온도 상승 시에 이차전지 내부가 소정 온도 이상 상승하는 것을 억제하며, 나아가 신속하게 냉각시킴으로써 이차전지의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

리튬 이차전지의 냉각방법 및 냉각시스템{Cooling Method and System of Secondary Battery Module}
본 발명은 휴대용 전기/전자장치, 하이브리드자동차(HEV), 전기자동차(EV) 등에 사용되는 리튬 이차전지에 관한 것으로, 특히 리튬 이차전지의 냉각을 신속하게 진행할 수 있도록 한 리튬 이차전지의 냉각방법 및 냉각시스템에 관한 것이다.
최근 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 이러한 휴대용 전기/전자장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지모듈을 내장하고 있다. 내장된 전지모듈은 휴대용 전기/전자장치를 일정 기간 동안 구동시키기 위해 일정 레벨의 전압을 출력시킬 수 있도록 내부에 적어도 하나의 전지를 구비하고 있다.
상기 전지모듈은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충전 및 방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 그 중에서도 에너지밀도 및 작동전압이 높고 수명특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
또한, 리튬 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 환경오염 및 지구온난화 문제를 해결하기 위한 대체 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV) 등의 에너지원으로서도 큰 주목을 받고 있으며 일부 상용화 단계에 있다.
리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V로서, 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 급속도로 신장되고 있는 추세이다.
통상, 리튬 이차전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 이차전지를 리튬 이온 이차전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 이차전지를 리튬 폴리머 이차전지라고 한다. 또한, 이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 길이 대비 작은 폭을 가지며 무게 또한 가벼운 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
리튬 이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 즉, 리튬 이차전지는 양극 활물질이 코팅된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅된 음극 전극판 및 상기 양극 전극판과 음극 전극판 사이에 위치되어 쇼트를 방지하고 리튬 이온(Li-ion)의 이동 만을 가능하게 하는 세퍼레이터가 권취된 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 이차전지용 외장재와, 상기 이차전지용 외장재 내측에 주입되어 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 전해액 등으로 이루어져 있다.
이러한 리튬 이차전지는 상기 양극 활물질이 코팅되며 양극단자가 연결된 양극 전극판, 음극 활물질이 코팅되며 음극단자가 연결된 음극 전극판 및 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다.
그 후, 상기 전극 조립체를 상기 리튬 이차전지용 외장재에 수용하여 상기 전극 조립체가 이탈하지 않도록 한 후, 상기 리튬 이온 이차전지용 외장재에 전해액을 주입한 후, 밀봉하여 리튬 이차전지를 완성한다.
이와 같은 충전 및 방전이 가능한 다수의 단위셀을 포함하고 있는 전지모듈에 있어서, 가장 문제가 되는 사항 중 하나는 안전성이다. 전지모듈의 안전성 문제는 발열, 외부 충격 등에 의한 모듈 구성요소들의 열화 및 내부단락 등으로부터 유발된다.
즉, 다수의 단위셀을 적층하면 높은 충적도를 가지지만 충전 및 방전시 발생하는 열을 제거하는 것이 어렵다는 단점이 있으며, 방열이 제대로 이루어지지 못하고 축적되면 전지의 열화가 초래되어 수명이 저하될 뿐 아니라 안전성이 크게 훼손될 수 있다. 특히, 전기자동차, 하이브리드 자동차 등의 전원과 같이 고속 충전 및 방전 특성이 요구되는 전지에서는 순간적으로 고출력을 제공하는 과정에서 많은 발열이 수반되므로 효과적인 방열의 필요성이 더욱 크다.
다시 말해서, 충전 및 방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열의 축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 초래하며, 경우에 따라서는 발화 내지 폭발을 초래할 수 있으므로 냉각시스템이 필수적으로 요구된다.
이차전지의 경우 양극/분리막/음극이 다수 적층되어 구성되는데, 기존에는 이차전지의 일측 표면에 히트싱크가 부착된 상태에서 전지에서 발생하는 열을 흡수한 후 외부로 방출하였으나, 양극/분리막/음극의 여러 층을 통과하여 히트싱크까지 열전달이 진행되기까지는 그 속도가 느리며, 따라서 냉각속도가 저하될 수밖에 없다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 과제는 전지의 일측에 냉각수단을 구비하여 전지의 이상 발열로 인한 내부 온도 상승 시에 전지 내부가 소정 온도 이상 상승하는 것을 억제하며, 나아가 냉각시킴으로써 열적 안정성이 향상된 리튬 이차전지의 냉각방법 및 냉각시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 이차전지의 전극단자에 연결구를 연결하고, 상기 연결구에 냉매를 접촉시켜 전지셀을 냉각하는 리튬 이차전지의 냉각방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 전극단자에 고정되는 전도성 연결구, 상기 연결구에 연결되며 내부에는 냉매가 유통되는 냉매관을 포함하는 리튬 이차전지의 냉각시스템을 제공한다.
상기 연결구는 몸체, 상기 몸체의 일측에 형성되어 전극단자에 접속 고정되는 고정부, 상기 몸체의 타측에 형성되어 냉매관이 연결되는 연결부를 포함한다.
또는, 상기 연결구는 전극단자에 고정되는 몸체, 상기 몸체를 관통하여 냉매관이 연결되는 연결부를 포함할 수도 있다.
이때, 상기 고정부는 전극단자에 용접 고정된다.
상기 냉매는 유체로서, 물 또는 공기가 될 수 있고, 냉매관은 합성수지로 이루어질 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 이차전지의 일측에 냉각수단을 구비하여 이차전지의 이상 발열로 인한 내부온도 상승 시에 이차전지 내부가 소정 온도 이상으로 상승하는 것을 억제하며, 나아가 신속하게 냉각시킴으로써 이차전지의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 이차전지의 일측에 냉각수단을 구비하여 별도의 냉각핀을 구비할 필요가 없다.
또한, 다수의 단위전지를 포함하는 이차전지에서 단위전지 사이의 공간이 좁거나, 또는 단위전지를 접촉하여 배치하더라도 이차전지의 내부 온도 상승을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이차전지는 종래 이차전지에 비하여 부피를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 이차전지의 냉각시스템의 제1실시예를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 의한 이차전지의 냉각시스템의 제2실시예를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 의한 이차전지의 냉각시스템의 제3실시예를 도시한 개략도.
이하에서는, 본 발명의 리튬 이차전지의 냉각방법 및 냉각시스템에 대한 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참고하여 설명한다.
본 발명에 적용되는 이차전지는 하나로 이루어진 단위전지일 수도 있고 또는 둘 이상의 단위전지가 상호 적층되어 전지모듈을 구성한 것일 수도 있다. 본 명세서에서 사용된 용어 "전지모듈"은 둘 또는 그 이상의 단위전지들을 기계적으로 체결하고 동시에 전기적으로 연결하여 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있는 전지 시스템의 구조를 포괄적으로 의미하므로, 그 자체로서 하나의 장치를 구성하거나, 또는 대형 장치의 일부를 구성하는 경우를 모두 포함한다. 예를 들어, 전지모듈을 다수 연결한 전지팩의 구성도 가능하다.
이와 같이 이차전지는 하나 또는 둘 이상의 단위전지가 상호 적층되어 전지모듈을 구성할 수도 있지만, 이와 더불어 하나 또는 둘 이상의 단위전지를 그것의 외면 대부분이 노출된 상태로 내장할 수 있는 카트리지에 장착하고, 상기 카트리지들 다수 개를 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 특히, 기계적 강성이 낮고 전극 단자들의 전기적 연결이 용이하지 않은 파우치형 전지를 단위전지로 사용하는 경우에는 카트리지에 장착하여 전지모듈을 구성하는 것이 바람직하다.
한편, 전지모듈(특히, 중대형 전지모듈)을 구성하는 단위셀들은 충전 및 방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으며, 본 발명에서의 단위셀은 충전 및 방전이 가능한 이차전지라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 리튬 이차전지, 니켈-수소(Ni-MH) 이차전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 이차전지 등을 들 수 있으나, 그 중에서도 중량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이차전지가 바람직하게 사용될 수 있다. 그 중에서도 단위전지의 형상 면에서는 각형 전지와 파우치형 전지가 바람직하며, 제조비용이 낮고 중량이 적은 파우치형 전지가 더욱 바람직하다.
이러한 이차전지는 작동 과정에서 필연적으로 많은 열이 발생하는바, 이러한 열이 효율적으로 제거되지 않으면 단위셀의 열화를 촉진하고 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수도 있다.
이에 따라서, 본 발명에서는 전지셀에서 발생하는 열을 보다 신속하게 냉각하기 위해서 양극단자 또는 음극단자 중 적어도 하나 이상의 전극단자를 통해 열전달이 이루어지도록 하며, 본 발명에 의한 이차전지의 냉각방법은 공냉식 또는 수냉식 냉매를 이용하여 전지셀에서 발생하는 열을 냉각하게 된다.
즉, 전지 내부에서 발생한 열은 전극단자로 이동되고, 이렇게 이동된 열은 양극단자와 음극단자 중 어느 하나 또는 각각에 연결된 연결구를 통해 열전달이 이루어지게 된다. 그 후, 연결구는 공기 또는 물과 접촉함으로써 빠른 냉각이 이루어지게 되는 것이다.
한편, 상술한 이차전지의 냉각방법을 구현하기 위한 냉각시스템이 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 냉각시스템은 리튬 이차전지(10)의 전극단자(11)에 일단이 고정 결합되는 전도성 연결구(20)와, 이 연결구(20)의 일측에 연결되어 이차전지(10)로부터 연결구(20)로 전달된 열을 냉각하는 냉매관(30)을 포함한다.
본 발명에서 이차전지(10)의 단위셀은 파우치형 단위셀로서, 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 상기 셀 외장재의 외부로 형성된 전극단자(11)들과 연결된 상태로 내장되어 있는 것이다.
즉, 상기 셀 외장재의 외부로 전극 조립체와 전기적으로 연결된 전극단자(양극단자 및 음극단자)가 돌출되어 있다. 상기 전극단자(11)들은 셀 외장재의 일측 또는 타측에서 일 방향으로만 돌출 형성될 수도 있고, 일측 및 타측 모두에서 양방향으로 돌출 형성될 수도 있다.
상기 연결구(20)는 이차전지의 전지셀로부터 전극단자로 이동된 열이 냉매관(30) 측으로 전달될 수 있다면 어느 것이라도 상관없지만, 구체적으로 보다 신속한 열전달을 위해서 열전도도가 높은 금속을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 열전도도가 높은 금속으로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 아연(Zn), 코발트(Co), 철(Fe) 및 이들의 합금 등으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 연결구(20)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 소정 길이의 몸체(21), 이 몸체(21)의 일측에 형성되어 전극단자(11)에 접속 고정되는 고정부(23), 상기 몸체(21)의 타측에 형성되어 냉매관(30)이 연결되는 연결부(22)를 포함하는 구성일 수 있다.
이때, 고정부(23)는 전극단자(11)에 고정 결합되는데, 견고하게 고정되면서 열전달을 저해하지 않도록 용접 고정되는 것이 바람직하다.
연결부(22)는 몸체(21)와 교차되도록 구비됨으로써 연결구(20)는 전체적으로 "T"자 형상을 이루게 되며, 몸체(21)의 양측으로 돌출된 연결부(22)에 냉매와 접촉할 수 있도록 냉매관(30)이 결합된다.
또한, 상기 연결구(20')는 도 3에 도시된 바와 같이 보다 간소하게 구성될 수도 있다. 즉, 몸체(21')와, 이 몸체(21')를 관통하여 형성되는 연결부(22')로 구성됨으로써, 상술한 고정부가 생략되고 몸체(21')가 직접 전극단자(11)에 용접 고정되는 것이다.
이처럼 연결구(20')를 간소하게 구성할 경우, 전극단자(11)로부터 냉매관(30)까지의 거리를 단축시켜 열전달 효과를 보다 상승시킬 수 있게 되며, 따라서 전지셀을 보다 신속하게 냉각시킬 수 있는 이점이 있다.
상기 냉매관(30)은 내부가 빈 중공체로 이루어지며, 그 내부로 공기나 물 등의 냉매가 유동하게 된다. 냉매관(30)이 연결구와 결합되는 부위는 냉매의 누출이 발생하지 않도록 견고하게 고정되어야 한다. 예컨대, 연결구와 냉매관의 결합 부위에는 오링이나 실링액 등 별도의 실링부재가 더 구비될 수 있다. 그리고 냉매관(30)은 도 1과 도 3에 도시된 바와 같이 직선형으로 제작될 수도 있고, 또는 한정된 공간 내에서 냉매의 유통시간을 최대화하여 전지셀의 냉각 효율을 높이기 위해 도 2와 같이 지그재그 형태로 제작될 수도 있다.
한편, 냉매관(30)을 전도성이 있는 물질로 제작하게 되면 이차전지의 내부 온도가 급상승할 경우 연결구(20)와의 접촉에 의해 전지 내부의 쇼트(short)가 발생하게 된다. 이러한 쇼트는 이차전지의 폭발 등 상당한 위험을 야기한다. 따라서, 상기 냉매관(30)은 연결구(20)와의 접촉에 의해 쇼트가 일어나는 것을 방지하는 한편 전체적인 중량을 감소시키기 위해 합성수지 등으로 제작되는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로 상기 합성수지는 클로로프렌고무(Polychloroprene), 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체고무, 아크릴 고무, 니트릴-부타디엔 고무 및 이들의 혼합물 등으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
냉매관(30)의 내부에는 냉매가 이동하게 되며, 냉매는 유로를 통해 이동하는 유체로서 전지셀의 열을 제거할 수 있는 것이라면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니지만 바람직하게는 공기 또는 물일 수 있다.
냉매의 이동을 위한 구동수단은 냉매의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 냉매가 공기인 경우에 바람직하게는 모터에 의해 구동되는 냉각팬일 수 있다.
상술한 바와 같이, 전지모듈에 있어서 다수의 단위셀을 적층하면 높은 충적도를 가지지만 충전 및 방전시 발생하는 열을 효과적으로 제거하는 것이 요구된다. 본 발명은 이러한 점에 부합되는 것으로, 전지셀에서 발생하는 열을 전극단자를 통해 전달받고 냉매를 이용하여 신속하게 냉각함으로써 충전 및 방전 과정에서 발생한 단위전지의 열을 효과적으로 제거하여 열축적에 의한 단위전지의 열화를 방지할 수 있다.
10: 이차전지 11: 전극단자
20, 20': 연결구 21, 21': 몸체
22, 22': 연결부 23: 고정부
30: 냉매관

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 전극단자를 포함하는 리튬 이차전지에 있어서,
    상기 전극단자에 고정되는 전도성 연결구,
    상기 연결구에 연결되며 내부에는 냉매가 유통되는 냉매관을 포함하며,
    상기 냉매관은 클로로프렌고무(Polychloroprene), 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체고무, 아크릴 고무, 니트릴-부타디엔 고무 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상으로 이루어지며,
    상기 연결구는 전극 단자에 고정되는 몸체, 상기 몸체를 관통하여 냉매관이 연결되는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 냉각시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제5항에 있어서,
    상기 몸체는 전극단자에 용접 고정되는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 냉각시스템.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 냉매는 유체인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 냉각시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유체는 물 또는 공기인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 냉각시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제5항에 있어서,
    상기 연결구는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 아연(Zn), 코발트(Co), 철(Fe) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지의 냉각시스템.
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