KR101488056B1 - 안전성이 향상된 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 전지모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 단전지를 포함한 전지모듈에 있어서, 열가소성 수지를, 단전지를 감싼 포장지 표면에 10 ~ 100 ㎛ 두께로 코팅하거나, 두께가 100 ~ 500 ㎛ 인 절연시트를 복수의 단전지 중 최외곽 단전지의 일면에 구비한 것으로, 기존의 단전지가 직렬로 연결된 구조를 가진 전지모듈에 기계적인 손상이 가해질 경우 직렬로 연결된 베터리 사이에 대규모의 외부 쇼트가 일어나는 문제점을 방지하여 자동차용 전지모듈 등에 적용이 가능한 안전성이 향상된 전지모듈에 관한 것이다.

Description

안전성이 향상된 전지모듈{Battery module improved safety}
본 발명은 안전성이 향상된 전지모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기존의 단전지가 직렬로 연결된 구조를 가진 전지모듈에 기계적인 손상이 가해질 경우 직렬로 연결된 베터리 사이에 대규모의 외부 쇼트가 일어나는 문제점을 방지하여 자동차용 전지모듈 등에 적용이 가능한 안전성이 향상된 전지모듈에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화 가능성으로 인하여 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 근래에 개발되고 사용되는 것 가운데 대표적으로 니켈수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지가 있다.
상기 이차 전지에서 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 전극조립체를 통상 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캔조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 형성된다.
전지는 에너지원으로서 많은 에너지를 방출할 가능성을 가지고 있으며, 이차전지의 경우, 에너지가 충전된 상태에서는, 자체에 높은 에너지를 축적하고 있으며, 충전하는 과정에서는 다른 에너지원으로부터 에너지를 공급받아 축적하게 된다. 이런 과정이나 상태에서 내부 단락 등 이차 전지의 이상이 발생하는 경우, 전지 내에 축적된 에너지가 단시간에 방출되면서 발화, 폭발 등의 안전 문제를 일으킬 수 있다.
최근에 많이 사용되는 리튬전지는 리튬 자체가 높은 활성을 가지므로 전지 이상 발생 시 발화나 폭발의 위험이 크다. 리튬 이온 전지의 경우는 금속 상태의 리튬이 아닌 이온 상태의 리튬만 존재하므로 금속 리튬을 사용하는 전지에 비해 안전성이 향상되었다. 그러나 여전히 전지에 사용되는 음극이나 비수성 전해액 등의 재료들은 가연성을 가지는 등의 이유로 전지 이상 발생 시 발화나 폭발의 위험성이 크다.
자동차용 배터리 팩은 높은 정격 전압(100 ~ 400 V)과 에너지로 인해 팩 단위에서의 안전성이 매우 중요하다. 배터리 팩의 경우 단전지가 직렬로 연결된 구조를 대부분 가지고 있는데, 이 경우 전도성 물체에 의해 기계적인 손상이 배터리에 가해질 경우 직렬로 연결된 배터리 사이의 대규모의 외부 쇼트 상황이 발생하여 위험성이 가중되고 있는 실정이다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 복수의 단전지를 포함한 전지모듈에 있어서, 열가소성 수지를, 단전지를 감싼 포장지 표면에 10 ~ 100 ㎛ 두께로 코팅하거나, 두께가 100 ~ 500 ㎛ 인 절연시트를 복수의 단전지 중 최외곽 단전지의 일면에 구비한 안전성이 향상된 전지모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에서는 복수의 단전지를 포함한 전지모듈에 있어서, 열가소성 수지를, 단전지를 감싼 포장지 표면에 10 ~ 100 ㎛ 두께로 코팅하거나, 두께가 100 ~ 500 ㎛ 인 절연시트를 복수의 단전지 중 최외곽 단전지의 일면에 구비한 안전성이 향상된 전지모듈을 제공한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 기존의 단전지가 직렬로 연결된 구조를 가진 전지모듈에 기계적인 손상이 가해질 경우 직렬로 연결된 베터리 사이에 대규모의 외부 쇼트가 일어나는 문제점을 방지하여 자동차용 전지모듈 등에 적용이 가능한 안전성이 향상된 전지모듈을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명 실시예 1의 배터리 팩을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명 실시예 2의 배터리 팩을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 단전지의 포장지 표면에 열가소성 수지를 코팅하고, 최외곽 단전지의 일면에 절연시트를 구비한 것을 나타낸 것이다.
도 4 ~ 7은 단전지와 단전지 사이에 절연시트를 구비한 것을 나타낸 것이다.
본 발명은 복수의 단전지를 포함한 전지모듈에 있어서, 열가소성 수지를, 단전지를 감싼 포장지 표면에 10 ~ 100 ㎛ 두께로 코팅하거나, 두께가 100 ~ 500 ㎛ 인 절연시트를 복수의 단전지 중 최외곽 단전지의 일면에 구비한 안전성이 향상된 전지모듈에 관한 것이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 단전지란, 방전 중에는 전압의 저하로 보조 전지를 차례로 직렬로 연결하고, 충전 중에는 전압 상승으로 보조 전지를 격리하여 항상 전압을 일정하게 하기 위한 보조 전지를 말한다.
본 발명의 단전지는 양극판, 음극판, 분리막 등을 소정의 포장지로 감싸지게 되며, 분리막, 양극판, 분리막, 음극판 및 분리막으로 적층된 간소한 구조일 수 있으고, 바람직하게는 순차적으로 양극판, 음극판 및 분리막이 여러 개가 순차적으로 적층된 다층 구조일 수 있다.
본 발명에 포함되는 단전지는 특별히 그 형태를 한정하지 아니하고 다양한 형태가 모두 포함될 수 있음을 물론이며, 예를 들어, 바이셀(Bi-cell)과 풀셀(Full-cell)이라는 서로 다른 타입의 스택형 단위셀을 교차하여 길게 재단된 분리 필름으로 와인딩(winding)하여 포함하는 스택&폴딩형, 상기와 같은 방식의 스택&폴딩형으로서 바이셀과 풀셀의 구별없이 동일한 타입의 스택형 단위셀을 포함하는 스택&폴딩형, 상기 스택형 단위셀들을 분리 필름으로 와인딩(winding)하는 경우, 지그재그 방향으로 폴딩하는 Z형 스택&폴딩형, 상기 스택형 단위셀들을 동일한 방향으로 연속하여 와인딩(Winding)하는 스택&폴딩형, 또는 상기 스택형 셀을 단위셀로 하여 분리필름으로 폴딩하는 것이 아니라 양극, 음극을 교대로 분리필름 위에 놓은 상태에서 연속하여 와인딩하는 단전지 또는 이를 지그재그 방향으로 와인딩하는 Z형지, 및 일반적인 스택형지, 양극판, 분리막, 음극판 순으로 배치된 상태에서 일방향으로 와인딩된 젤리-롤형 등이 모두 포함될 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 단전지를 포함하여 이어진 전지모듈에 관한 것이다. 구체적으로 복수의 단전지를 포함하여 이루어진 전지모듈에 있어서, 열가소성 수지를, 단전지를 감싼 포장지 표면에 10 ~ 100 ㎛ 두께로 코팅하거나, 두께가 100 ~ 500 ㎛ 인 절연시트를 복수의 단전지 중 최외곽 단전지의 일면에 구비한 것이다.
상기의 전지모듈은 복수의 단전지를 포함하여 이루어진 전지모듈이며, 2 개 이상의 직렬로 연결된 단전지를 포함하여 이루어진 것이다. 단전지를 감싼 포장지 표면에 10 ~ 100 ㎛ 두께로 열가소성 수지를 코팅하는데, 상기 포장지로 당 분야에서 사용하는 통상의 것을 사용할 수 있다. 구체적인 일례로 알루미늄, SUS 등을 사용하는 캔 형태, 또는 고분자층, 알루미늄 층 고분자 층 등으로 구성된 파우치 형태 등 중에서 선택할 수 있다.
상기 열가소성 수지의 코팅 두께가 10 ㎛ 미만인 경우 안전성 개선 효과가 미미하며, 100 ㎛ 초과인 경우 단전지의 두께가 불필요하게 증가하고 냉각 성능이 감소하는 문제점이 있다.
상기 열가소성 수지는 구체적인 일례로 폴리 에틸 비닐 에테르, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 및 폴리클로로부타디엔 등 중에 선택한 1 종 이상을 사용할 수 있다. 상기 열가소성 수지의 용융온도(Tm)은 80 ~ 150 ℃ 인바, 이 범위 내에서는 단전지에 수지의 코팅이 용이하다.
또한 상기 열가소성 수지의 코팅법은 당 분야에서 사용하는 방법으로, 그 방법을 특별히 한정하지 않는다. 상기 코팅법의 구체적 일례로는 롤코팅법, 딥코팅법, 다이코팅법 등이 있다.
본 발명은 또한 100 ~ 500 ㎛ 두께의 절연시트를 복수의 단전지 중 최외곽 단전지의 일면에 구비할 수 있는바, 상기 절연시트의 두께가 100 ㎛ 미만 시 전지모듈 또는 전지팩의 조립 공정 상의 취급이 용이하지 않으며, 500 ㎛ 초과 시 전지모듈 또는 전지팩의 무게가 증가하고 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.
상기 절연시트는 열가소성 수지층 및 접착층 등을 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 절연시트의 열가소성 수지층은 구체적으로 폴리에틸비닐에테르, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 및 폴리클로로부타디엔 등 중에서 선택한 1 종 이상을 사용할 수 있다. 상기 절연시트의 접착층은 당 분야에서 사용하는 것으로 그 재질을 특별히 한정하지 않는다.
또한 본 발명은 상기 절연시트가 단전지와 단전지 사이에 더 구비되어 전지모듈을 구성할 수도 있다. 아래 도 4 ~ 7 과 같이 다양한 형태로, 복수개의 단전지로 구성된 전지모듈에서, 최외곽 단전지들의 사이에 있는 단전지와 단전지 사이에 절연시트가 구비될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 안전성이 향상된 전지모듈은 복수개의 단전지 이외에도 전장품, 모듈 구성품 및 BMS 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 안전성이 향상된 전지모듈의 제조 방법은 당 분야에서 사용하는 방법으로 그 방법을 특별히 한정하지 않는다.
본 발명의 안전성이 향상된 전지모듈은 소형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지팩으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 바람직하게는 다수의 전지셀들을 포함하는 중대형 디바이스에 사용될 수 있다.
상기 중대형 디바이스의 바람직한 예로는 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
전지 모듈의 단전지를 감싼 알루미늄 포장지 표면에 용융온도가 100 ℃인 폴리에틸렌을 10 ㎛ 두께로 롤코팅법에 의하여 코팅하여 8개의 단전지가 직렬로 연결된 전지 모듈을 제조하였다.
실시예 2
아래 도 2 과 같이, 폴리에틸렌 재질 100 ㎛ 두께의 절연시트를 최외곽 단전지의 일면에 구비하여 8개의 단전지가 직렬로 연결된 전지 모듈을 제조하였다.
비교예 1
열가소성 수지를 코팅하지 않은 점을 제외하고 실시예 1 과 동일하게 실시하였다.
시험예
1) 못 관통시험 : 관통시험은 직경 약 20 mm의 못을 8mm/초의 속도로 수행하였으며, 시험결과를 아래 표 1에 나타내었다.
구분 못 관통 시의 이벤트 양상
실시예 1 폭발없음
실시예 2 폭발없음
비교예 1 발화, 폭발
상기 표 1에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 안전성이 향상된 전지 모듈은 기계적인 손상을 모사하는 못 관통 시험 시 전도성이 있는 못을 통해 흐르는 외부 단락 전류의 흐름을 억제하여 전지 모듈의 안전성을 향상 시킴을 확인할 수 있었다.
10: 단전지 20: 절연시트
30: 열가소성 수지 코팅층
100: 전지모듈

Claims (10)

  1. 복수의 단전지를 포함하는 전지모듈에 있어서,
    열가소성 수지를, 단전지를 감싼 포장지 표면에 10 ~ 100 ㎛ 두께로 코팅하며, 두께가 100 ~ 500㎛ 인 절연시트를 복수의 단전지 중 최외곽 단전지의 일면에 구비하는 안전성이 향상된 전지모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연시트가 단전지와 단전지 사이에 더 구비된 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 폴리 에틸 비닐 에테르, HDPE, LDPE 및 폴리클로로부타디엔 중에서 선택한 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지의 용융온도(Tm)는 80 ~ 150 ℃인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연시트는 열가소성 수지층 및 접착층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 전지모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지층의 재질은 폴리에틸비닐에테르, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌 및 폴리클로로부타디엔 중에서 선택한 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 안전성이 향상된 전지모듈.
  8. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 전지모듈을 포함하는 전지팩.
  9. 제 8 항의 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 중대형 디바이스는 파워 툴(power tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템인 것을 특징으로 하는 전지팩.
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