KR101712446B1 - 전기화학 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기화학 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전지 내부의 임의의 한 지점에서 냉매가 순환하는 외부까지의 수평으로의 최단 거리가 일정 거리로 조절되는 새로운 구조의 전기화학 소자에 관한 것이다.
본 발명에 의한 전기화학 소자는 내부의 임의의 지점에서 외부, 냉매가 순환되는 외부까지의 수평 거리가 일정 거리 내로 조절됨으로써 내부에서 발생되는 열을 좀더 효율적으로 방출되어 수명 특성과 안전성이 우수하다.

Description

전기화학 소자{ELECTROCHEMICAL DEVICE}

본 발명은 전기화학 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부의 임의의 한 지점에서 냉매가 순환하는 외부까지의 최단 수평 거리가 일정 거리로 조절되는 새로운 구조의 전기화학 소자에 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), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In 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, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조 비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.

이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다.

또한, 중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조되며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다.

이러한 방식의 전지모듈에서는 전지셀 적층체 중간에 위치하는 전지셀의 냉각이 제대로 이루어지지 않을 경우, 최외측 전지셀에 비해 열화가 빨리 진행될 수 있다. 이러한 전지셀들의 균일하지 못한 열화 속도는 전체 전지모듈의 수명 저하를 초래하고, 안전성 측면에서도 바람직하지 못하다.

이를 위해 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진 별도의 냉각 시스템을 내장시키는 방법이 사용되고 있으나, 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 내부의 임의의 한 지점에서 냉매가 순환하는 외부까지의 최단 거리가 일정 거리로 조절되는 새로운 구조의 전기화학 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여

최외각을 이루는 단면의 반지름이 L 이고, 내부 단면의 한 지점에서 전기화학 소자의 외부까지의 최단 거리 D가 아래 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 전기화학 소자를 제공한다.

[관계식 1] 0≤ D ≤ L/2

본 발명에 의한 전기화학 소자는 내부를 관통하는 반지름이 r 인 중공을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 전기화학 소자에 있어서, 상기 중공은 상기 전기화학 소자의 단면과 동심원 관계인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 전기화학 소자에 있어서, 상기 중공의 단면 반지름 r 과 최외각을 이루는 단면의 반지름 L 과는 아래 관계식 2 를 만족하고, r 은 최소 1mm 인 것을 특징으로 한다.

[관계식 2] r ≤ L/2

본 발명에 의한 전기화학 소자에 있어서, 상기 최외각을 이루는 단면은 원형, 사각형, 삼각형 및 다각형으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 단면 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 전기화학 소자에 있어서, 상기 중공에는 냉매가 순환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 전기화학 소자는 내부의 임의의 지점에서 냉매가 순환되는 외부까지의 거리가 일정 거리 내로 조절됨으로써 내부에서 발생되는 열을 좀더 효율적으로 방출되어 수명 특성과 안전성이 우수하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'선에 따른 절단부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 전기화학 소자의 사시도이다.
도 4는 도 3의 B-B'선에 따른 절단부 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학 소자의 사시도이며, 도 2는 도 1의 A-A'선에 따른 절단부 단면도이다.

본 발명에 의한 전기화학 소자는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 중심부 에서 최외곽까지의 최단거리가 L이고, 내부에 반지름이 r 인 중공(21)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 본 발명에 의한 전기화학 소자는 중심부에서 외주면까지의 최단거리가 L인 외부 케이스(10)와, 내부에 반지름이 r인 중공(21)이 형성되어 있는 내부 케이스(20)와, 외부 케이스(10)와 내부 케이스(20) 사이에 권취되어 있는 젤리롤(30)을 포함하여 이루어진다.

상기 외부 케이스(10)의 외주면 및 상기 중공(21)의 내부로는 전기화학 소자의 냉각을 위한 냉매가 순환한다.

또한, 상기 젤리롤(30)은 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극사이에 분리막이 개재된 와인딩형 전극조립체로서 이미 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

이러한 본 발명에 의한 전기화학 소자는 젤리롤(30)이 위치하는 내부 케이스(10)와 외부 케이스(20) 사이의 임의의 지점 P에서 냉매가 순환하는 외부까지의 최단거리를 D라고 할 때, D는 아래와 같은 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 한다.

[관계식 1] D≤L/2

여기서, D는 임의의 지점 P에서 외부까지의 최단거리이므로 P가 중심부에서 어느 정도 떨어진 위치에 있는지에 따라 D는 P의 위치에서 외부 케이스(10)의 외주면까지의 거리 또는 내부 케이스(20)의 내주면까지의 거리를 나타낸다.

즉, 도 2와 같이 임의의 지점 P1이 중심부에서 L/2 이상 떨어진 위치에 있을 때에는 P1에서 외부까지의 최단거리 D는 자연히 외부 케이스(10)의 외주면까지의 거리 D1이 되고, 임의의 지점 P2가 중심부에서 L/2 이하 떨어진 위치에 있을 때에는 P2에서 외부까지의 최단거리 D는 자연히 내부 케이스(20)의 내주면까지의 거리 D2가 된다.

한편, 본 발명에 의한 전기화학 소자에 있어서, 상기 중공(21)은 상기 전기화학 소자의 단면과 동심원 관계인 것이 바람직하다. 동심원 관계가 아닐 경우 전체적으로 비대칭이 되어 충방전 과정에서 축적되는 열이 오히려 발열이 안될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 전기화학 소자에 있어서, 상기 중공(21)의 반지름 r 과 중심부에서 외부 케이스(10)의 외주면까지의 최단거리 L 과는 아래 관계식 2를 만족하고, 중공(21)의 반지름 r 은 1 mm 이상임이 바람직하다.

[관계식 2] r ≤ L/2

상기 중공(21)의 반지름 r 이 1 mm 미만일 경우 중공(21)을 통한 내부 발열 효과 및 유로 형성 효과가 미비하게 되고, 상기 중공(21)의 반지름 r 이 L/2 보다 클 경우 동일 단면적 내에서 중공(21)의 비율이 커짐에 따라 젤리롤(30)을 수용할 공간이 감소하게 되어 전지 용량을 증가시키지 못하게 된다.

이러한 본 발명에 의한 전기화학 소자는 내부에 중공(21)을 포함하기만 하면 되고 구체적인 구성 등은 특별히 한정되지 않는다. 일예로, 본 발명에 의한 전기화학 소자는 도 1과 같이 내부에 중공(21)이 형성되어 있는 원통형 구조를 이룰 수 있다. 이 경우, 외부 케이스(10)는 도 2와 같이 원형 단면을 가지므로 상기 거리 L은 외부 케이스(10)의 외경을 나타낸다.

물론, 본 발명에 의한 전기화학 소자의 외부 케이스(10)의 단면은 원형뿐만 아니라, 사각형, 삼각형 및 다각형으로 이루어진 그룹에서 자유롭게 선택될 수 있다

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 전기화학 소자의 사시도이며, 도 4는 도 3의 B-B'선에 따른 절단부 단면도이다.

즉, 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 전기화학 소자는 단면이 사각형인 외부 케이스(40)를 포함하여 이루어질 수 있다.

이 경우에도, 전기화학 소자의 중심부에서 최외각까지의 최단거리 즉, 중심부에서 외부 케이스(40)의 외주면까지의 최단거리가 L이고, 젤리롤(30)이 위치하는 내부 케이스(10)와 외부 케이스(40) 사이의 임의의 지점 P에서 외부까지의 최단거리를 D라고 할 때, D는 아래와 같은 관계식을 만족시킨다.

[관계식 1] D≤L/2

여기서, 이미 설명한 바와 같이 D는 임의의 지점 P에서 외부까지의 최단거리이므로 P가 중심부에서 어느 정도 떨어진 위치에 있는지에 따라 D는 P의 위치에서 외부 케이스(40)의 외주면까지의 최단거리 또는 내부 케이스(20)의 내주면까지의 최단거리를 나타낸다.

즉, 도 4와 같이 임의의 지점 P3가 중심부에서 L/2 이상 떨어진 위치에 있을 때에는 P3에서 외부까지의 최단거리 D는 외부 케이스(40)의 외주면까지의 거리 D3가 되고, 임의의 지점 P4가 중심부에서 L/2 이하 떨어진 위치에 있을 때에는 P2에서 외부까지의 최단거리 D는 내부 케이스(20)의 내주면까지의 거리 D4가 된다.

또한, 외부 케이스(40)가 사각 단면을 가지는 경우에도 상기 중공(21)의 반지름 r 과 중심부에서 외부 케이스(10)의 외주면까지의 최단거리 L 과는 상기 관계식 2를 만족하고, 중공(21)의 반지름 r 은 1 mm 이상으로 형성됨은 물론이다.

10,40: 외부 케이스 20: 내부 케이스
21: 중공 30: 젤리롤
r: 중공의 반지금

Claims (5)

1. 중심부에서 외주면까지의 최단거리가 L인 외부 케이스; 및,
   상기 외부 케이스 내부에 위치하고, 반지름이 r이고, 양 말단이 개방된 내부 케이스를 포함하며,
   상기 내부 케이스와 외부 케이스 사이의 임의의 지점에서 외부까지의 최단거리를 D 라고 할때, 상기 L과 D 가 아래와 같은 관계식 1을 만족시키며,
   [관계식 1] D≤L/2
   상기 내부 케이스의 반지름 r 과 상기 L 과는 아래 관계식 2 를 만족시키고,
   [관계식 2] r ≤ L/2
   상기 외부 케이스의 외주면 및 상기 양 말단이 개방된 내부 케이스의 내부로는, 외부로부터 공급되는 냉각을 위한 냉매가 순환하는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 내부 케이스의 반지름 r은 최소 1 mm 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 내부 케이스는 상기 외부 케이스와 동심원 관계인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 외부 케이스의 단면은 원형, 사각형, 삼각형 및 다각형으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 단면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자.
   
   
   

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