KR101459405B1 - 안전성이 향상된 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 다수의 전지셀들로 구성된 전지모듈 어셈블리; 및 상기 전지모듈 어셈블리가 내장되어 있는 팩 하우징;을 포함하고 있고, 상기 팩 하우징의 적어도 일부는 침상(nail) 도체의 관통 시 열 및 전류의 분산을 유도하기 위한 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재를 포함하고 있고, 상기 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재는 접지되어 있는 전지팩을 제공한다.

Description

안전성이 향상된 전지팩 {Battery Pack Having Improved Safety}
본 발명은 충방전이 가능한 다수의 전지셀들로 구성된 전지모듈 어셈블리; 및 상기 전지모듈 어셈블리가 내장되어 있는 팩 하우징;을 포함하고 있고, 상기 팩 하우징의 적어도 일부는 침상(nail) 도체의 관통 시 열 및 전류의 분산을 유도하기 위한 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재를 포함하고 있고, 상기 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재는 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 것이다.
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 디바이스에는 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, 원통형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 및 병렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
따라서, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지팩을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다. 이러한 크기 증가는 중대형 전지팩이 장착되는 장치 내지 디바이스의 공간상의 한계 측면에서 바람직하지 않다. 더욱이, 차량 등과 같이 한정된 내부공간에 효율적으로 장착되기 위해서는 더욱 콤팩트한 구조의 중대형 전지팩이 요구된다.
상기와 같은 전지팩은 전지셀들이 노출되지 않도록 하우징에 포함되어 있는 구조로 이루어진다. 이러한 하우징은 외부 환경에 의한 전지셀의 손상을 막아줄 수 있고, 내부 냉각 시스템을 위한 밀폐 구조를 형성할 수도 있다. 일반적으로 상기 하우징은 비전도성 물질을 소재로 제조되고 있다. 이는, 전기 장치들과의 접촉 시 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위함이다.
하지만, 상기와 같이 집적된 형태로 전지팩이 제조되면서, 유사 시 응축된 에너지로 인하여 안전상의 문제가 발생할 수 있다.
특히, 전지팩에 외부 침상(nail) 도체가 관통하는 경우, 전지팩 내부의 셀들의 단락을 유발하여 전류와 열을 발생시키게 된다. 이러한 전류와 열은 전지셀들에 2차 손상을 입혀 단락을 더욱 가속화하여 화재나 폭발을 발생시킬 위험이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 새로운 구성의 전지팩의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 침상(nail) 도체의 관통 시 열 및 전류의 분산을 유도하는 팩 하우징을 포함하는 관통 안전성이 향상된 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 충방전이 가능한 다수의 전지셀들로 구성된 전지모듈 어셈블리; 상기 전지모듈 어셈블리가 내장되어 있는 팩 하우징;을 포함하고 있고, 상기 팩 하우징의 적어도 일부는 침상(nail) 도체의 관통 시 열 및 전류의 분산을 유도하기 위한 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재를 포함하고 있고, 상기 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재는 접지되어 있는 것으로 구성되어 있다.
일반적으로 전지팩은 침상 도체의 관통 시 도체로 인하여 내부 단락이 발생하게 되고 높은 전류 및 열이 발생하면서 내부 단락을 가속화시켜 화재 및/또는 폭발의 위험성을 안고 있다. 이러한 침상 도체의 관통 시 발생하는 전류와 열을 분산시킬 수 있으면 화재 및/또는 폭발의 위험성을 상당 부분 감소시킬 수 있다.
이를 위하여, 전지팩의 팩 하우징이 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재를 포함하도록 하여, 침상 도체의 관통 시 발생하는 내부 단락으로 인한 전류 및 열이 상기 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재를 통하여 분산되도록 한다. 이로 인하여, 내부 단락의 가속화를 막고 폭발 및/또는 화재의 위험성을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재는 접지되어 있음으로써, 전지팩 외부로 상기 열 및 전류를 방출할 수 있다. 이로 인하여 전지팩 내부의 전기 에너지를 소모시킬 수 있으므로 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 전지모듈 어셈블리는 그 구성에 있어 별도의 제한은 없지만, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 전기적으로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 적층 및/또는 나열되어 구성되는 것일 수 있다.
상기 전지셀은 그 형태 및 구성에 따라 여러 가지가 있을 수 있다. 바람직하게는 각형, 원통형 및 파우치형 전지셀로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 파우치형 전지셀은 라미네이트 시트 전지 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 것으로 구성되어 있고, 상기 라미네이트 시트는 외부 수지층, 공기 및 수분 차단성 금속층, 및 열융착성 내부 수지층의 적층 구조로 이루어진 것으로 구성될 수 있다.
상기와 같은 구성으로 인하여, 케이스로 금속을 사용하는 각형 또는 원통형 전지에 비하여 파우치형 전지셀이 이차전지의 자체 중량이 낮으므로 모바일 제품 또는 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 경우 더욱 선호될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 라미네이트 시트는 외부 수지층, 공기 및 수분차단성 금속층, 및 열융착성 내부 수지층의 적층 구조로 이루어질 수 있다.
상기 외부 수지층은 외부 환경에 대해 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성이 필요하다. 이러한 측면에서 외부 피복층의 고분자 수지는 인장강도 및 내후성이 우수한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 피복층은 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)와 비교하여 얇은 두께에서도 우수한 인장강도와 내후성을 가지므로 외부 피복층으로 사용하기에 바람직하다.
상기 금속층의 금속은 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 알루미늄인 것을 들 수 있다.
상기 내부 수지층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 전해액에 대한 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 라미네이트 시트는, 상기 외부 피복층의 두께가 5 내지 40 ㎛이고, 상기 베리어층의 두께가 20 내지 150 ㎛이며, 상기 내부 실란트층의 두께가 10 내지 50 ㎛인 구조로 이루어질 수 있다. 상기 라미네이트 시트의 각 층들의 두께가 너무 얇은 경우에는 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
상기 파우치형 전지셀에서 전극조립체는 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어질 수 있다.
전극조립체는 이차전지를 구성하는 양극/분리막/음극으로 구성되고, 일반적으로 그것의 구조에 따라 크게 젤리-롤형(권취형)과 스택형(적층형)으로 구분된다. 젤리-롤형 전극조립체는, 집전체로 사용되는 금속 호일에 전극 활물질 등을 코팅하고 건조 및 프레싱한 후, 소망하는 폭과 길이의 밴드 형태로 재단하고 분리막을 사용하여 음극과 양극을 격막한 후 나선형으로 감아 제조된다. 젤리-롤형 전극조립체는 원통형 전지에는 적합하지만, 각형 또는 파우치형 전지에 적용함에 있어서는 전극 활물질의 박리 문제, 낮은 공간 활용성 등의 단점을 가지고 있다. 반면에, 스택형 전극조립체는 다수의 양극 및 음극 단위체들을 순차적으로 적층한 구조로서, 각형의 형태를 얻기가 용이한 장점이 있지만, 제조과정이 번잡하고 충격이 가해졌을 때 전극이 밀려서 단락이 유발되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리막 필름을 이용하여 폴딩한 구조의 전극조립체가 개발되었고, 상기 구조의 전극조립체를 스택/폴딩형 전극조립체라고 한다.
상기 풀셀은 양극/분리막/음극의 단위 구조로 이루어져 있는 셀로서, 셀의 양측에 각각 양극과 음극이 위치하는 셀이다. 이러한 풀셀은 가장 기본적인 구조의 양극/분리막/음극 셀과 양극/분리막/음극/분리막/양극/분리막/음극 등을 들 수 있다.
또한, 상기 바이셀은 양극/분리막/음극/분리막/양극의 단위 구조 및 음극/분리막/양극/분리막/음극의 단위구조와 같이 셀의 양측에 동일한 전극이 위치하는 셀이다. 본 명세서에서는 양극/분리막/음극/분리막/양극 구조의 셀을 "C형 바이셀"으로서 칭하고, 음극/분리막/양극/분리막/음극 구조의 셀을 "A형 바이셀"으로서 칭한다. 즉, 양측에 양극이 위치하는 셀을 C형 바이셀이라 하고, 양측에 음극이 위치하는 셀을 A형 바이셀이라 한다.
이러한 바이셀들은 셀 양측의 전극이 동일한 구조라면 그것을 이루는 양극 및 음극과 분리막의 수가 특별히 제한되는 것은 아니다.
풀셀과 바이셀은 양극 및 음극을 그 사이에 분리막을 개재시킨 상태에서 상호 결합시켜 제조된다. 이러한 결합 방법의 바람직한 예로는 열융착 방식을 들 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 팩 하우징의 구성은 그 용도 등에 따라 여러 가지가 가능하다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 팩 하우징은 상기 전지모듈 어셈블리가 장착되는 수납부를 포함하고 있는 하부 케이스와, 상기 하부 케이스에 장착된 전지모듈 어셈블리를 덮는 커버 구조의 상부 케이스를 포함할 수 있다.
상기 팩 하우징에서 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재는 상부 케이스 및/또는 하부 케이스에 포함될 수 있다. 상기 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재가 상부 케이스 및 하부 케이스에 포함될 경우, 상부 케이스 및 하부 케이스 각각이 별도로 접지되어 있는 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 상부 케이스 및 하부 케이스가 전기적으로 연결되어 있는 구조로 이루어질 수도 있다.
상기 팩 하우징은 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재를 포함하고 있지만, 외부적으로는 열 및 전기 절연성을 가지는 것이 전지팩의 구조상 더욱 바람직하다. 이러한 경우, 팩 하우징의 외부는 절연성을 가지고 내부에는 열 및 전기 전도성 소재로 구성되는 것을 들 수 있다.
하나의 예에서, 상기 팩 하우징은 열 및 전기 전도성 소재의 판재에 열 및 전기 절연성 소재가 코팅되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 열 및 전기 절연성 소재의 코팅은 팩 하우징 전체에 걸쳐서 이루어질 수도 있지만, 전지팩의 전기적 연결 부위에 대응하는 팩 하우징 상에 형성되어 있을 수도 있다.
다른 하나의 예에서, 상기 팩 하우징의 내면 또는 외면에는, 전지모듈에 대응하는 위치에서, 열 및 전기 전도성의 판상형 부재가 부가되어 있을 수 있다.
상기 열 및 전기 전도성 부재가 판상형이 아닌 경우, 전지팩 전체의 부피를 크게 함으로써 컴팩트화를 추구하는 당업계의 요구가 충족되지 않아 바람직하지 않다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 상기 전지팩이 차량에 사용되는 경우, 상기 팩 하우징에서 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재는 차량의 메인 프레임(main frame)에 접지되어 있을 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스의 바람직한 예로는 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 전력저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 팩 하우징의 적어도 일부가 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재를 포함하고 상기 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재는 접지되어 있음으로써, 침상(nail) 도체의 관통 시 열 및 전류의 분산을 유도하여 안전성이 우수하다는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해 사시도이다;
도 2는 종래 전지팩에서 침상 관통 시 열 및 전류의 분포를 나타내는 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에서 침상 관통 시 열 분포를 나타내는 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에서 침상 관통 시 전류 분포를 나타내는 모식도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전지팩(100)은 전지모듈 어셈블리(120)와 상기 전지모듈 어셈블리(120)가 내장되어 있는 팩 하우징(110, 130)으로 구성되어 있고, 상기 팩 하우징은 상기 전지모듈 어셈블리(120)가 장착되는 수납부를 포함하고 있는 하부 케이스(130)와, 상기 하부 케이스(130)에 장착된 전지모듈 어셈블리(120)를 덮는 커버 구조의 상부 케이스(110)를 포함하고 있다.
도 2는 종래 전지팩에서 침상 관통 시 열 및 전류의 분포를 모식적으로 도시하고 있고, 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에서 침상 관통 시 열 분포를 모식적으로 도시하고 있으며, 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에서 침상 관통 시 전류 분포를 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 종래 전지팩에서는 팩 하우징에 열 및 전기 전도성 소재 및/또는 부재를 사용하고 있지 않으므로, 침상 관통 시 열과 전류가 전지모듈 어셈블리(120) 내부에 관통 부위를 중심으로 열(붉은 색 부분) 및 전류(화살표)가 분산되지 못하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 도 2의 전지팩은 상기 분산되지 못하고 응축된 열 및 전류로 인하여 추가적인 폭발을 유발하는 등 안전상 문제가 있다.
도 3 및 도 4를 도 1과 함께 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 경우, 팩 하우징에 열 및 전기 전도성의 소재 및/또는 부재를 사용하여, 침상 관통 시 발생한 열(도 3의 붉은 색 부분) 및 전류(도 4의 점선 화살표)가 팩 하우징으로 분산되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4의 경우, 상기 팩 하우징에서 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재는 차량의 메인 프레임(미도시) 등에 접지되어 있어, 비상 시 발생하는 전류를 소비시킬 수 있어 안전상 바람직하다. 경우에 따라서는 상기 열 및 전류의 분산은 관통체(140)를 경유하여 이루어질 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 충방전이 가능한 다수의 전지셀들로 구성된 전지모듈 어셈블리; 및
    상기 전지모듈 어셈블리가 내장되어 있는 팩 하우징;
    을 포함하고 있고,
    상기 팩 하우징의 적어도 일부는 침상(nail) 도체의 관통 시 열 및 전류의 분산을 유도하기 위한 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재를 포함하고 있고, 상기 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재는 접지되어 있으며,
    상기 팩 하우징은 상기 전지모듈 어셈블리가 장착되는 수납부를 포함하고 있는 하부 케이스와, 상기 하부 케이스에 장착된 전지모듈 어셈블리를 덮는 커버 구조의 상부 케이스를 포함하고 있고,
    상기 팩 하우징은 열 및 전기 전도성 소재의 판재에 열 및 전기 절연성 소재가 코팅되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리는, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 전기적으로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 적층 및/또는 나열되어 구성되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형, 원통형 및 파우치형 전지셀로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 파우치형 전지셀은 라미네이트 시트 전지 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 외부 수지층, 공기 및 수분 차단성 금속층, 및 열융착성 내부 수지층의 적층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 전극조립체는 권취형 구조, 스택형 구조, 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 열 및 전기 절연성 소재의 코팅은 전지팩의 전기적 연결 부위에 대응하는 팩 하우징 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 하우징의 내면 또는 외면에는, 전지모듈에 대응하는 위치에서, 열 및 전기 전도성의 판상형 부재가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩이 차량에 사용되는 경우, 상기 팩 하우징에서 열 및 전기 전도성 소재 내지 부재는 차량의 메인 프레임(main frame)에 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항 내지 제6항과 제9항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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