KR101725908B1 - 가스켓 고정부를 포함하고 있는 전지팩 - Google Patents

가스켓 고정부를 포함하고 있는 전지팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈 어셈블리가 상면에 탑재되는 트레이(tray) 어셈블리; 상기 전지모듈 어셈블리를 내장한 상태로 트레이 어셈블리의 상면에서 외주가 트레이 어셈블리의 외주와 대면 결합하는 커버(cover) 부재; 및 상기 대면 결합하는 트레이 어셈블리의 외주와 커버 부재의 외주 사이에 개재되는 밀봉용 가스켓(gasket);을 포함하고 있고, 상기 트레이 어셈블리의 외주, 커버 부재의 외주 및 가스켓에는 제 1 체결 부재가 삽입될 수 있도록 상호 연통되는 복수의 체결구들이 각각 천공되어 있으며, 상기 트레이 어셈블리의 체결구의 하면에는 상기 제 1 체결 부재와 결합되는 적어도 하나 이상의 제 2 체결 부재가 위치하고, 상기 제 2 체결 부재는 그것의 일측 단부가 트레이 어셈블리의 체결구를 관통하여 트레이 어셈블리의 상면으로 돌출 연장되어 있는 가스켓 고정부를 포함하고 있으며, 상기 가스켓 고정부는 가스켓의 체결구에 삽입되어 가스켓을 고정하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

가스켓 고정부를 포함하고 있는 전지팩 {Battery Pack Having Portion for Fixing of Gasket}
본 발명은 가스켓 고정부를 포함하고 있는 전지팩에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있어, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
한편, 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 전지모듈을 포함하는 전지팩이 사용된다
이러한 전지팩의 경우, 전기자전거, 전기자동차 등과 같이 다양한 작동 환경에 노출되는 디바이스들은 전지팩을 구성하는 요소들이 외부 환경에 대해 안정적으로 보호되어야 하며, 다수의 전지를 사용하여 고출력 및 대용량을 구현하여야 하기 때문에 안전성 측면도 중요시 되고 있다.
대표적으로, 장마철과 같은 다습한 조건 및 다양한 환경에서는 수분 및 이물질이 전지팩 내부로 침투하기 쉬우며, 이로 인해 전지팩을 구성하는 전지모듈 및 전기적 연결 장치의 오작동을 일으키는 등 전지팩의 안전성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 일반적인 전지팩의 경우, 상기 전지팩을 구성하는 케이스 부재들의 결합 부위에 가스켓을 개재함으로써 상기 문제점을 해결하고 있다.
그러나, 일반적으로 가스켓은 케이스 부재들의 결합력에 의해 소망하는 밀봉력을 발휘할 수 있도록, 소정의 탄성을 발휘하는 소재로 이루어져 있는 바, 상기 케이스 부재들의 결합시 가해지는 압력 또는 마찰에 의해, 소망하는 부위로부터 이탈되거나, 밀림으로써, 굴곡되는 부위가 발생할 수 있고, 이로 인해, 케이스 부재들 간의 결합력을 저하시킬 수 있으며, 이는 전지팩의 밀봉력을 저하시키고, 나아가 전지팩의 안전성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다. 본 발명의 배경이 되는 기술은 일본 공개특허공보 제2014-175123호(2014.09.22.)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 트레이 어셈블리의 하면에 위치하는 체결 부재가 트레이 어셈블리의 상면으로 돌출 연장되어 있는 가스켓 고정부를 포함하도록 구성함으로써, 트레이 어셈블리 상에 보다 용이하게 가스켓을 위치시킬 수 있고, 상기 트레이 어셈블리와 결합하는 커버 부재의 결합시 가해지는 압력 또는 마찰로 인해, 상기 결합 부위로부터 가스켓이 이탈되는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지팩의 수밀성을 향상시킴으로써, 전체적인 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
복수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈 어셈블리가 상면에 탑재되는 트레이(tray) 어셈블리;
상기 전지모듈 어셈블리를 내장한 상태로 트레이 어셈블리의 상면에서 외주가 트레이 어셈블리의 외주와 대면 결합하는 커버(cover) 부재; 및
상기 대면 결합하는 트레이 어셈블리의 외주와 커버 부재의 외주 사이에 개재되는 밀봉용 가스켓(gasket);
을 포함하고 있고,
상기 트레이 어셈블리의 외주, 커버 부재의 외주 및 가스켓에는 제 1 체결 부재가 삽입될 수 있도록 상호 연통되는 복수의 체결구들이 각각 천공되어 있으며,
상기 트레이 어셈블리의 체결구의 하면에는 상기 제 1 체결 부재와 결합되는 적어도 하나 이상의 제 2 체결 부재가 위치하고,
상기 제 2 체결 부재는 그것의 일측 단부가 트레이 어셈블리의 체결구를 관통하여 트레이 어셈블리의 상면으로 돌출 연장되어 있는 가스켓 고정부를 포함하고 있으며,
상기 가스켓 고정부는 가스켓의 체결구에 삽입되어 가스켓을 고정하는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 가스켓 고정부에 의해 트레이 어셈블리 상에 보다 용이하게 가스켓을 위치시킬 수 있고, 상기 트레이 어셈블리와 결합하는 커버 부재의 결합시 가해지는 압력 또는 마찰로 인해, 상기 결합 부위로부터 가스켓이 이탈되는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지팩의 수밀성을 향상시킴으로써, 전체적인 안전성을 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가스켓의 체결구의 내주면에는 금속 부싱(bushing)이 장착되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 가스켓의 체결구의 내주면은 트레이 어셈블리의 체결구를 관통하여 트레이 어셈블리의 상면으로 돌출 연장되어 있는 가스켓 고정부의 외면과 대면 접촉할 수 있으며, 이에 따라, 상기 가스켓의 체결구의 내주면이 마모될 수 있고, 이는 가스켓의 안정적인 고정을 저해하고, 상기 가스켓의 유동을 유발함으로써, 전지팩의 수밀성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 상기 가스켓의 체결구의 내주면에 장착되어 있는 금속 부싱은 가스켓의 체결구의 내주면이 가스켓 고정부의 외주면과 직접적으로 접촉함으로써 발생할 수 있는 마모를 최소화해, 전지팩의 수밀성을 확보할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 금속 부싱은 가스켓의 체결구의 내주면 및 상기 내주면에 인접한 가스켓의 상면과 하면의 일부 부위를 감싸는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 금속 부싱은 가스켓의 체결구의 내주면에 장착되는 반면, 상기 가스켓과 상이한 소재로 이루어져 있어, 용접 등의 방법에 의해 안정적으로 장착되기 어렵다.
이에 따라, 상기 금속 부싱은 가스켓의 체결구의 내주면에 안정적으로 장착되기 위해, 상기 가스켓의 체결구의 내주면뿐만 아니라, 상기 내주면에 인접한 가스켓의 상면과 하면의 일부 부위를 각각 감싸는 구조로 장착될 수 있다.
이 때, 서로 대면하는 금속 부싱과 가스켓의 체결구의 부위에는 소정의 접착성 물질이 부가됨으로써, 상기 금속 부싱과 가스켓의 체결구의 내주면의 결합력을 향상시킬 수도 있음은 물론이다.
또한, 상기 금속 부싱의 높이는 가스켓의 두께에 대해 50% 내지 95%의 크기일 수 있다.
구체적으로, 상기 금속 부싱은 가스켓의 체결구의 내주면의 마모를 최소화하는 역할뿐만 아니라, 트레이 어셈블리와 커버 부재의 결합시 가해지는 압력으로 인한 가스켓의 지나친 변형 내지 압축을 방지하는 역할을 수행한다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 일반적인 가스켓은 상기 트레이 어셈블리와 커버 부재의 결합시 가해지는 압력에 의해 소망하는 밀봉력을 안정적으로 발휘할 수 있도록, 소정의 탄성을 발휘하는 소재로 이루어져 있는 바, 상기 압력에 의해 상하 방향으로 압축 내지 변형될 수 있다.
이 때, 상기 금속 부싱은 가스켓에 비해 높은 강도를 갖는 소재로서,상기 금속 부싱의 높이가 가스켓의 두께에 대해, 50% 내지 95%의 크기로 이루어짐으로써, 상기 트레이 어셈블리와 커버 부재의 결합시 가해지는 압력에 의해 가스켓이 본래 두께의 50% 내지 95% 미만으로 압축 및 변형되는 현상을 방지할 수 있고, 이에 따라, 지나친 압축 및 변형에 의한 가스켓의 손상을 방지할 수 있다.
따라서, 상기 금속 부싱의 높이가 상기 범위를 넘어, 가스켓의 두께에 대해 지나치게 작거나 클 경우에는, 가스켓의 손상을 방지할 수 없거나, 트레이 어셈블리와 커버 부재의 결합 부위에서, 소망하는 밀봉력을 발휘할 수 없다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가스켓 고정부가 트레이 어셈블리의 상면으로부터 돌출되어 있는 높이는 가스켓의 두께에 대해 50% 내지 95%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 가스켓 고정부가 트레이 어셈블리의 상면으로부터 돌출되어 있는 높이가 가스켓의 두께에 대해 50% 미만의 크기일 경우에는, 상기 돌출 높이가 지나치게 낮아, 가스켓의 체결구에 삽입된 상태에서, 안정적으로 가스켓을 고정할 수 없고, 이와 반대로 상기 가스켓의 두께에 대해 95%를 초과하는 크기일 경우에는, 트레이 어셈블리와 커버 부재의 결합 부위에서, 상기 트레이 어셈블리와 커버 부재의 결합시 가해지는 압력에 의한 가스켓의 밀착을 방해할 수 있으며, 이로 인해, 전지팩의 수밀성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 이러한 현상을 방지할 수 있도록, 상기 가스켓 고정부가 트레이 어셈블리의 상면으로부터 돌출되어 있는 높이는 금속 부싱의 높이와 동일한 구조일 수 있다.
또한, 상기 가스켓 고정부의 외주면의 직경은 금속 부싱이 장착된 가스켓의 체결구의 내주면의 직경과 동일한 크기일 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 가스켓 고정부의 외주면은 금속 부싱이 장착된 가스켓의 체결구의 내주면과 직접 대면하여 접촉하므로, 상기 부위에서의 발생할 수 있는 마찰을 최소화하고, 가스켓의 유동을 방지함으로써, 소망하는 밀봉력을 발휘할 수 있도록, 상기 가스켓 고정부의 외주면의 직경은 금속 부싱이 장착된 가스켓의 체결구의 내주면의 직경과 동일한 크기일 수 있다.
한편, 상기 제 2 체결 부재는 트레이 어셈블리의 하면에서 트레이 어셈블리의 체결구에 대응되는 부위에 용접에 의해 결합되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 가스켓은 트레이 어셈블리와 커버 부재의 결합 전, 상기 트레이 어셈블리의 외주에 개재되는 바, 상기 가스켓이 안정적으로 고정된 상태를 유지할 수 있도록, 가스켓 고정부가 돌출되어 있어야 하며, 이에 따라, 상기 제 2 체결 부재는 트레이 어셈블리와 커버 부재의 결합 전에 트레이 어셈블리의 하면에서 트레이 어셈블리의 체결구에 대응되는 부위에 용접에 의해 미리 결합됨으로써, 상기 트레이 어셈블리의 상면으로 돌출 연장되어 있는 가스켓 고정부를 형성할 수 있다.
물론, 상기 결합 방법은 트레이 어셈블리의 체결구에 대응되는 부위에 대한 제 2 체결 부재의 안정적인 결합력을 확보할 수 있는 방법이라면, 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 접착성 물질의 부가 내지 기계적 체결 방법에 의해 결합되어 있는 구조일 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 체결 부재와 제 2 체결 부재는 각각 볼트 및 너트이고, 상기 제 2 체결 부재는 커버 부재의 상면에서 커버 부재의 외주, 가스켓 및 트레이 어셈블리의 외주에 각각 천공된 체결구들을 관통하는 제 1 체결 부재와 나사 구조로 결합될 수 있다.
다시 말해, 트레이 어셈블리의 외주, 커버 부재의 외주 및 가스켓에 상호 연통되도록 각각 천공되어 있는 복수의 체결구들에 삽입되는 제 1 체결 부재는 볼트이고, 이러한 경우에, 트레이 어셈블리의 체결구의 하면에 위치한 상태에서 상기 제 1 체결 부재와 결합되는 제 2 체결 부재는 너트일 수 있다.
그러나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 제 1 체결 부재와 제 2 체결 부재는 각각 너트 및 볼트일 수 있으며, 이러한 경우에, 볼트로 이루어진 제 2 체결 부재는 트레이 어셈블리의 체결구의 하면에 위치한 상태에서 상기 볼트의 나사 부위가 트레이 어셈블리의 체결구를 관통하여 트레이 어셈블리의 상면으로 돌출 연장되어 있어 가스켓 고정부를 형성할 수 있고, 너트로 이루어진 제 1 체결 부재가 커버 부재의 상면에서 제 2 체결 부재에 결합되는 구조일 수 있다.
또한, 이 때, 상기 볼트로 이루어진 제 2 체결 부재의 가스켓 고정부의 돌출 높이는 가스켓의 두께에 비해 큰 크기를 가지며, 이에 따라, 상기 가스켓 고정부는 가스켓의 체결구 및 상기 가스켓 체결구와 연통되는 커버 부재의 외주에 형성된 체결구를 관통하여 돌출될 수 있고, 이에 따라, 상기 가스켓 고정부의 돌출 부위에 너트로 이루어진 제 1 체결 부재가 결합되는 구조일 수 있다.
한편, 상기 트레이 어셈블리의 상면에 대면하는 가스켓의 일면에는 복수의 체결 돌기들이 형성되어 있고, 트레이 어셈블리의 상면에서 상기 체결 돌기에 대응하는 부위에는 체결 돌기가 삽입되어 결합되기 위한 복수의 체결홈들이 천공되어 있는 구조일 수 있다.
일반적으로, 상기 구조는 종래의 전지팩에서 가스켓을 안정적으로 고정하기 위해 형성될 수 있었다.
그러나, 상기 구조는 소정의 탄성을 발휘하는 가스켓의 소재 상의 특성으로 인해, 상기 체결 돌기가 체결홈에 삽입된 상태에서 안정적으로 고정되기가 어렵고, 이에 따른 체결 돌기의 손상이 유발되기 쉬우며, 이로 인해, 상기 체결 돌기가 체결홈에 삽입되는 구조만으로 가스켓의 유동을 효과적으로 방지하기 어려운 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명에 따른 전지팩은 트레이 어셈블리의 체결구의 하면에 위치한 제 2 체결 부재가 상기 트레이 어셈블리의 체결구를 관통하여 트레이 어셈블리의 상면으로 돌출 연장되어 있는 가스켓 고정부를 포함함으로써, 상기 가스켓의 체결 돌기 및 이에 대응하는 부위의 체결홈만을 포함하는 종래 전지팩의 문제점을 효과적으로 보완할 수 있다.
또한, 상기 체결 돌기들은 말단 부위가 트레이 어셈블리의 상면을 향하는 방향으로 폭이 좁아지는 테이퍼 구조로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 체결 돌기들은 가스켓과 인접한 부위로부터 반대편 말단 부위 사이에서, 특정 부위의 단면적이 상기 가스켓과 인접한 부위의 단면적에 비해 넓은 구조일 수 있으며, 상기 부위로부터 트레이 어셈블리의 상면을 향하는 체결 돌기의 말단 부위 방향으로 폭이 좁아지는 테이퍼 구조로 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 체결 돌기가 트레이 어셈블리의 체결홈에 삽입되는 경우, 상기 체결 돌기가 체결홈으로부터 쉽게 이탈되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 트레이 어셈블리의 외주에 가스켓을 안정적으로 고정시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가스켓은 연속된 1 단위의 부재로 이루어진 구조일 수 있다.
따라서, 복수의 분할된 가스켓들로 구성되는 경우에 비해, 가스켓들 사이의 이음새 부분에서 발생할 수 있는 외부 이물질 또는 수분의 침투를 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 가스켓의 소재는 합성 고무, 천연 고무, 실리콘, 및 PVC(Polyvinyl Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 대면 결합하는 트레이 어셈블리의 외주와 커버 부재의 외주 사이에 개재됨으로써, 소망하는 밀봉력을 발휘할 수 있는 소재라면 크게 제한되는 것은 아니다.
이러한 경우에, 상기 합성고무는 스티렌-부타디엔 고무, 폴리클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌프리필렌 고무, 다황화물계 고무, 실리콘 고무, 플루오로계 고무, 우레탄 고무, 및 아크릴 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지팩을 구성하는 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 130 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.
상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.
이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 디바이스들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 트레이 어셈블리의 하면에 위치하는 체결 부재가 트레이 어셈블리의 상면으로 돌출 연장되어 있는 가스켓 고정부를 포함하도록 구성함으로써, 트레이 어셈블리 상에 보다 용이하게 가스켓을 위치시킬 수 있고, 상기 트레이 어셈블리와 결합하는 커버 부재의 결합시 가해지는 압력 또는 마찰로 인해, 상기 결합 부위로부터 가스켓이 이탈되는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 전지팩의 수밀성을 향상시킴으로써, 전체적인 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 구성 요소를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지팩의 커버 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 1의 전지팩의 트레이 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 도 1의 가스켓의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 5는 도 1의 전지팩의 구성 요소들이 체결 부재들에 의해 결합된 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 구성 요소를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩(100)은, 전지모듈 어셈블리(도시하지 않음)가 상면에 탑재되는 트레이 어셈블리(130); 상기 전지모듈 어셈블리를 내장한 상태로 트레이 어셈블리(130)의 상면에서 외주가 트레이 어셈블리(130)의 외주와 대면 결합하는 커버 부재(110); 및 상기 대면 결합하는 트레이 어셈블리(130)의 외주와 커버 부재(110)의 외주 사이에 개재되는 밀봉용 가스켓(120);을 포함하고 있다.
전지팩(100)은 높은 집적도로 배치되어 있는 차량용 부품들로 인해 탑재 공간이 제한되므로, 전지팩(100)을 이루는 전지모듈 어셈블리는 운전석과 보조석 사이와 같은 좁은 공간에 탑재될 수 있도록 폭(W) 대비로 높이(H)가 크고 상기 높이(H) 대비로 전후방의 길이(L)가 큰 직육면체 구조로 이루어져 있으며, 전지팩(100)은 이에 대응하는 직육면체 구조 또는 터널형 구조로 이루어져 있다.
상기 전지팩(100)을 구성하는 각각의 구성 요소에 대한 세부 구조가 도 2 내지 도 4에 도시되어 있다.
우선, 도 2에는 도 1의 전지팩의 커버 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 커버 부재(110)는 트레이 어셈블리(130)의 외주 형상에 대응하는 터널 형상으로 구성되어 있다.
커버 부재(110)는 전방(F)과 후방(B)의 높이에 단차(111)가 형성되어 있고, 상기 높이가 높은 후방(B)은 전지모듈 어셈블리를 감싸고, 높이가 낮은 전방(F)은 전지모듈 어셈블리의 작동 스위칭부를 감싸는 구조이다.
커버 부재(110)는 트레이 어셈블리(130)에 대한 체결을 위해 트레이 어셈블리(130)와 대면하여 결합하는 외주(112)가 바깥쪽 방향으로 절곡 연장되어 있고, 상기 외주(112)에는 제 1 체결 부재가 삽입되기 위한 복수의 체결구(113)가 천공되어 있다.
체결구(113)는 트레이 어셈블리(130)의 외주 및 가스켓(120)에 형성되어 있는 체결구들과 상호 연통되는 구조로서, 제 1 체결 부재의 삽입에 의해 상기 커버 부재(110), 트레이 어셈블리(130) 및 가스켓(120)을 결합시킬 수 있다.
도 3에는 도 1의 전지팩의 트레이 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 도 1 내지 2와 함께 참조하면, 트레이 어셈블리(130)는 전방(F) 외주와 후방(B) 외주상에 각각 전방 외주 벽(131)과 후방 외주 벽(131)이 장착되어 있다.
외주 벽들(131, 132)에는 전지모듈 어셈블리와 외부 장치들의 전기적 연결을 위한 장치들이 각각 장착될 수 있으며, 상기 외주 벽들(131, 132)이 디바이스와 각각 결합됨으로써, 외부에서 인가되는 충격에 따른 전지팩(100)의 유동을 줄일 수도 있다.
트레이 어셈블리(130)에는 커버 부재(110)의 외주(112)에 대응하여, 전지모듈 어셈블리의 장착 부위(133)로부터 절곡 연장된 구조의 외주(134)가 형성되어 있고, 상기 외주(134)에는 커버 부재(110)의 체결구(113)와 상호 연통되는 복수의 체결구(135)가 천공되어 있다.
트레이 어셈블리(130)의 외주(134)는 전지팩(100)이 적용되는 디바이스에서, 상기 전지팩(100)이 탑재되는 공간의 형상에 대응하여, 전방(F)으로부터 후방(B)쪽으로 높이가 증가하는 경사 구간(136)을 포함하고 있으나, 상기 경사 구간(136)의 구조가 이에 제한되는 것은 아니며, 전지팩(100)이 적용되는 디바이스의 종류, 형상 및 탑재 공간에 따라 전방(F)으로부터 후방(B)쪽으로 높이가 감소하는 구조로 이루어질 수도 있다.
도 4에는 도 1의 가스켓의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 도 1 내지 3과 함께 참조하면, 가스켓(120)은 연속된 1 단위의 부재로 이루어져 있고, 트레이 어셈블리(130)의 외주에 대응하는 형상으로서, 트레이 어셈블리(130)의 전방 외주 벽(131)과 후방 외주 벽(132)에 각각 대응하는 굴곡들(121, 122)을 포함하고 있으며, 트레이 어셈블리(130)의 외주(134)에 형성되어 있는 경사 구간(136)에 대응하는 경사 구간(123)을 포함하고 있다.
가스켓(120)은 커버 부재(110)의 체결구(113) 및 트레이 어셈블리(130)의 체결구(135)에 대응하는 복수의 체결구(124)를 포함하고 있다.
가스켓(120)의 체결구(124)는 커버 부재(110)의 체결구(113) 및 트레이 어셈블리(130)의 체결구(135)와 상호 연통되는 구조로서, 체결 부재들의 삽입 및 결합에 의해, 대면 결합하는 트레이 어셈블리(130)의 외주(1343)와 커버 부재(110)의 외주(112) 사이에 개재됨으로써, 전지팩(100)에 대한 외부로부터의 이물질 및 수분 침투를 방지하고, 이에 따라, 전지팩(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
가스켓(120)의 체결구(124)의 내주면에는 금속 부싱(125)이 장착되어 있고, 금속 부싱(125)은 가스켓(120)의 체결구(124)의 내주면 및 상기 내주면에 인접한 가스켓(120)의 상면과 하면의 일부 부위를 감싸는 구조로 이루어져 있다.
도 5에는 도 1의 전지팩의 구성 요소들이 체결 부재들에 의해 결합된 구조를 개략적으로 나타낸 단면도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 트레이 어셈블리(130)의 외주와 커버 부재(110)의 외주는 사이에 가스켓(120)이 개재된 상태에서 서로 대면하여 결합한다.
트레이 어셈블리(130)의 외주, 가스켓(120), 및 커버 부재(110)의 외주에는 서로 연통되는 체결구들이 각각 천공되어 있고, 상기 트레이 어셈블리(130)의 체결구의 하면에는 제 1 체결 부재(140)와 결합되는 제 2 체결 부재(150)가 위치하고 있다.
제 1 체결 부재(140)는 볼트이고, 제 2 체결 부재(150)는 너트이다.
제 2 체결 부재(150)는 그것의 일측 단부가 트레이 어셈블리(130)의 체결구를 관통하여 트레이 어셈블리(130)의 상면으로 돌출 연장되어 있는 가스켓 고정부(151)를 포함하고 있다.
가스켓 고정부(151)의 외주면과 대면하는 가스켓(120)의 체결구의 내주면에는 금속 부싱(125)이 장착되어 있다.
가스켓(120)은 트레이 어셈블리(130)의 상면에 대면하는 일면에서, 체결 돌기가 형성되어 있고, 트레이 어셈블리(130)에 천공되어 있는 체결홈에 삽입되어 결합되어 있다.
체결 돌기는 가스켓(120)과 인접한 부위로부터 말단 부위 방향으로 폭이 좁아지는 테이퍼 구조로 형성되어 있다.
제 1 체결 부재(140)는 커버 부재(110)의 상면에서 커버 부재의 외주, 가스켓(120) 및 트레이 어셈블리(130)의 외주에 각각 천공된 체결구들을 관통하여 삽입되어, 제 2 체결 부재(150)의 내주면과 나사 구조로 결합되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 복수의 전지셀들을 포함하는 전지모듈 어셈블리가 상면에 탑재되는 트레이(tray) 어셈블리;
    상기 전지모듈 어셈블리를 내장한 상태로 트레이 어셈블리의 상면에서 외주가 트레이 어셈블리의 외주와 대면 결합하는 커버(cover) 부재; 및
    상기 대면 결합하는 트레이 어셈블리의 외주와 커버 부재의 외주 사이에 개재되는 밀봉용 가스켓(gasket);
    을 포함하고 있고,
    상기 트레이 어셈블리의 외주, 커버 부재의 외주 및 가스켓에는 제 1 체결 부재가 삽입될 수 있도록 상호 연통되는 복수의 체결구들이 각각 천공되어 있으며,
    상기 트레이 어셈블리의 체결구의 하면에는 상기 제 1 체결 부재와 결합되는 적어도 하나 이상의 제 2 체결 부재가 위치하고,
    상기 제 2 체결 부재는 그것의 일측 단부가 트레이 어셈블리의 체결구를 관통하여 트레이 어셈블리의 상면으로 돌출 연장되어 있는 가스켓 고정부를 포함하고 있으며,
    상기 가스켓 고정부는 가스켓의 체결구에 삽입되어 가스켓을 고정하고,
    상기 제 1 체결 부재와 제 2 체결 부재는 각각 볼트 및 너트이고, 상기 제 2 체결 부재는 커버 부재의 상면에서 커버 부재의 외주, 가스켓 및 트레이 어셈블리의 외주에 각각 천공된 체결구들을 관통하는 제 1 체결 부재와 나사 구조로 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓의 체결구의 내주면에는 금속 부싱(bushing)이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 부싱은 가스켓의 체결구의 내주면 및 상기 내주면에 인접한 가스켓의 상면과 하면의 일부 부위를 감싸는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 부싱의 높이는 가스켓의 두께에 대해 50% 내지 95%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓 고정부가 트레이 어셈블리의 상면으로부터 돌출되어 있는 높이는 가스켓의 두께에 대해 50% 내지 95%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 가스켓 고정부가 트레이 어셈블리의 상면으로부터 돌출되어 있는 높이는 금속 부싱의 높이와 동일한 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓 고정부의 외주면의 직경은 금속 부싱이 장착된 가스켓의 체결구의 내주면의 직경과 동일한 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 체결 부재는 트레이 어셈블리의 하면에서 트레이 어셈블리의 체결구에 대응되는 부위에 용접에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 트레이 어셈블리의 상면에 대면하는 가스켓의 일면에는 복수의 체결 돌기들이 형성되어 있고, 트레이 어셈블리의 상면에서 상기 체결 돌기에 대응하는 부위에는 체결 돌기가 삽입되어 결합되기 위한 복수의 체결홈들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 체결 돌기들은 말단 부위가 트레이 어셈블리의 상면을 향하는 방향으로 폭이 좁아지는 테이퍼 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓은 연속된 1 단위의 부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 가스켓의 소재는 합성 고무, 천연 고무, 실리콘, 및 PVC(Polyvinyl Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 합성고무는 스티렌-부타디엔 고무, 폴리클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌프리필렌 고무, 다황화물계 고무, 실리콘 고무, 플루오로계 고무, 우레탄 고무, 및 아크릴 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
KR1020140159893A 2014-11-17 2014-11-17 가스켓 고정부를 포함하고 있는 전지팩 KR101725908B1 (ko)

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