KR101778670B1 - 관통 구조의 냉매 유로를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 두께 방향으로 적층되는 둘 이상의 전지셀들; 전지셀의 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 프레임 부재; 상기 프레임 부재의 내부에 장착되어 전지셀과 대면 접촉하는 판상형의 냉각 부재; 및 전지셀 적층체의 최외곽에 위치한 양측면을 감싸는 한 쌍의 엔드 플레이트;를 포함하고 있고, 상기 전지셀, 냉각 부재 및 엔드 플레이트는 각각 서로 연통되는 구조의 관통 홀들을 적어도 하나 이상 포함하고 있고, 상기 냉각 부재의 관통 홀은 냉각 부재의 일면으로부터 전지셀의 방향으로 소정의 길이로 돌출되어 있는 돌출 연결부를 포함하고 있으며, 상기 돌출 연결부는 냉각 부재의 일면에 대면하는 전지셀의 관통 홀에 삽입되어, 상기 전지셀을 사이에 두고 대면하는 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

관통 구조의 냉매 유로를 포함하는 전지모듈 {Battery Module Based upon Interpenetrating Coolant Channel Structure}
본 발명은 관통 구조의 냉매 유로를 포함하는 전지모듈에 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.
대표적으로 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 전지모듈이 사용된다.
전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고, 용량 대비 중량이 작은 각형 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.
이러한 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
또한, 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 전지모듈 내지 상기 전지모듈 다수 개를 포함하는 고출력 대용량의 전지인 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
이에 따라, 일반적인 전지모듈의 경우, 상기 전지모듈을 구성하는 전지셀들 사이에 판상형의 냉각 부재가 대면 접촉하도록 개재된 상태에서, 히트 싱크(heat sink)와 같은 별도의 열 전달 부재가 전지모듈의 일측에 위치하여, 상기 전지셀들 사이에 위치한 각각의 냉각 부재와 접하도록 구성됨으로써, 상기 전지셀들에서 발생한 열을 외부로 배출하도록 구성되어 있다.
그러나, 이러한 별도의 열 전달 부재를 사용하는 냉각 시스템은, 최근의 전지모듈의 경량화, 소형화 추세에 반하여, 전지모듈의 전체적인 사이즈를 증가시키고, 이에 따라, 상기 전지모듈이 탑재되는 디바이스의 탑재 공간에 제약을 발생시킨다.
또한, 상기 별도의 열 전달 부재 구성으로 인해, 전지모듈의 전체적인 제조 비용이 증가하고, 전지셀들에서 발생한 열이 별도의 매개체를 거쳐 외부로 배출되므로, 전체적인 냉각 효율이 저하되며, 상기 열 전달 부재의 결합을 위한 추가적인 공정이 요구되므로, 전지모듈의 제조 공정에 소요되는 시간이 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
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, 전지셀, 냉각 부재 및 엔드 플레이트에 각각 서로 연통되는 구조의 관통 홀들을 형성하고, 상기 관통 홀을 통해 냉매가 유입 및 배출되도록 구성함으로써, 관통 홀을 통해 전지모듈을 통과하는 냉매가 냉각 부재와 직접 접촉하게 되므로, 전지셀들에서 발생한 열이 냉매에 전달되는 과정에서 거치게 되는 매개체의 구성을 최소화함으로써, 전체적인 냉각 효율이 향상되고, 별도의 열 전달 부재의 구성 없이, 효과적으로 전지셀에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있어, 전체적인 전지모듈의 사이즈를 컴팩트하게 구성할 수 있으며, 전지모듈의 제조 공정에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
두께 방향으로 적층되는 둘 이상의 전지셀들;
전지셀의 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 프레임 부재;
상기 프레임 부재의 내부에 장착되어 전지셀과 대면 접촉하는 판상형의 냉각 부재; 및
전지셀 적층체의 최외곽에 위치한 양측면을 감싸는 한 쌍의 엔드 플레이트;
를 포함하고 있고,
상기 전지셀, 냉각 부재 및 엔드 플레이트는 각각 서로 연통되는 구조의 관통 홀들을 적어도 하나 이상 포함하고 있고,
상기 냉각 부재의 관통 홀은 냉각 부재의 일면으로부터 전지셀의 방향으로 소정의 길이로 돌출되어 있는 돌출 연결부를 포함하고 있으며,
상기 돌출 연결부는 냉각 부재의 일면에 대면하는 전지셀의 관통 홀에 삽입되어, 상기 전지셀을 사이에 두고 대면하는 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀로 연장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 관통 홀을 통해 전지모듈을 통과하는 냉매가 냉각 부재와 직접 접촉하게 되므로, 전지셀들에서 발생한 열이 냉매에 전달되는 과정에서 거치게 되는 매개체의 구성을 최소화함으로써, 전체적인 냉각 효율이 향상되고, 별도의 열 전달 부재의 구성 없이, 효과적으로 전지셀에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있어, 전체적인 전지모듈의 사이즈를 컴팩트하게 구성할 수 있으며, 전지모듈의 제조 공정에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 판상형 구조로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 전지모듈 내부에 구성되어, 냉각 부재 및 엔드 플레이트의 관통 홀들과 서로 연통되는 관통 홀을 포함할 수 있는 구조라면, 크게 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 관통 홀들은 평면상으로 원형, 타원형 또는 다각형 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 냉매와 접하는 면적을 최대화함으로써, 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 형상이라면, 크게 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 관통 홀들은 각각 전지셀, 냉각 부재 및 엔드 플레이트의 중앙 부위에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 전지모듈은 상기 서로 연통되는 구조의 관통 홀들을 통과하는 냉매에 의해, 전지셀들에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있다.
이에 따라, 상기 관통 홀들은, 전지셀 및 냉각 부재의 각 부위에서부터 냉매가 통과하는 관통 홀들까지의 거리를 최소화함으로써, 전지모듈의 냉각 효율을 극대화시킬 수 있도록, 각각 전지셀, 냉각 부재 및 엔드 플레이트의 중앙 부위에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
그러나, 상기 관통 홀들이 형성되어 있는 부위가 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 복수의 관통 홀들이 각각 전지셀, 냉각 부재 및 엔드 플레이트의 가로, 세로, 또는 대각선 상의 중앙 부위에 일렬로 형성되거나, 상기 전지셀, 냉각 부재 및 엔드 플레이트를 소정의 구역으로 분할하여, 상기 각 구역의 중앙 부위에 각각 관통 홀들이 형성되어 있는 구조일 수도 있음은 물론이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 관통 홀들의 넓이는 전지셀, 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 평면상 넓이에 대해 각각 1% 내지 30%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 관통 홀들의 넓이가 전지셀, 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 평면상 넓이에 대해 각각 1% 미만의 크기일 경우에는, 관통 홀들의 넓이가 지나치게 작아, 상기 관통 홀들을 통과하는 냉매의 유량이 적어지므로, 소망하는 냉각 효과를 발휘할 수 없으며, 상기 냉매의 유속 및 압력이 지나치게 높아져, 오히려 전지모듈의 냉각 효율성이 저하될 수 있다.
반면에, 상기 관통 홀들의 넓이가 전지셀, 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 평면상 넓이에 대해 각각 30%를 초과하는 크기일 경우에는, 관통 홀들의 넓이가 지나치게 커지므로, 상기 관통 홀들을 통과하는 냉매의 유속이 지나치게 느려져, 전지모듈의 냉각 효율성을 저하시킬 수 있으며, 지나치게 큰 관통 홀 부위로 인해, 상대적으로 전지셀의 용량이 작아지므로, 소망하는 용량 특성을 발휘할 수 없을 수 있다.
한편, 상기 돌출 연결부는 냉각 부재와 일체형으로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 냉각 부재는 일반적으로 알루미늄과 같은 금속 소재로 이루어져 있는 바, 주조 등의 공정을 통해 제조될 수 있으며, 이 때, 상기 돌출 연결부 역시, 냉각 부재의 제조 공정에서 상기 냉각 부재의 금형에 의해 함께 제조됨으로써, 상기 돌출 연결부가 일체형으로 형성되어 있는 냉각 부재의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 단축시킬 수 있다.
그러나, 상기 돌출 연결부를 형성하는 방법은, 상기 돌출 연결부를 냉각 부재와 일체형으로 형성할 수 있는 구조라면, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 냉각 부재의 관통 홀에 별도의 돌출 연결부 요소가 용접에 의해 연결됨으로써, 일체형으로 형성될 수도 있음은 물론이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 돌출 연결부의 외주변의 단면 형상은, 상기 돌출 연결부가 삽입되는 전지셀의 관통 홀의 단면 형상과 동일한 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 돌출 연결부는 전지셀의 관통 홀에 삽입되어, 상기 전지셀을 사이에 두고 대면하는 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀로 연장되어 있는 구조로서, 이에 따라, 상기 돌출 연결부의 외주변의 단면 형상은, 상기 돌출 연결부가 삽입되는 전지셀의 관통 홀의 단면 형상과 동일한 구조로 이루어짐으로써, 보다 용이하게 전지셀의 관통 홀에 삽입될 수 있다.
또한, 상기 구조에 따라, 상기 돌출 연결부의 외주변의 넓이는 돌출 연결부가 삽입되는 전지셀의 관통 홀의 넓이에 비해 작거나 같은 구조일 수 있으며, 이 때, 상기 돌출 연결부의 외주변의 넓이는 돌출 연결부가 삽입되는 전지셀의 관통 홀의 넓이에 대해 80% 내지 100%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 돌출 연결부의 외주변의 넓이가, 돌출 연결부가 삽입되는 전지셀의 관통 홀의 넓이에 대해 80% 미만의 크기일 경우, 상기 냉각 부재 사이에 개재되는 전지셀이 안정적으로 고정되지 않아, 상기 냉각 부재들 사이의 공간에서 유동함으로써, 파손 또는 손상될 수 있고, 100%를 초과하는 크기일 경우, 돌출 연결부의 외주변의 넓이가 전지셀의 관통 홀의 넓이에 비해 지나치게 커져, 상기 전지셀의 관통 홀에 삽입될 수 없거나, 무리한 삽입으로 인해 전지셀에 손상을 입힐 수 있다.
이 때, 상기 전지셀은 관통 홀이 형성되어 있는 전극조립체가, 상기 관통 홀에 대응되는 부위에 관통 홀이 형성되어 있는 전지케이스의 수납부에 장착되는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전지케이스는 외주변이 열융착에 의해 밀봉되는 구조로 이루어질 수 있으며, 이에 따라, 상기 전지케이스는 전극조립체의 외주변과 함께, 상기 전극조립체에 형성되어 있는 관통 홀 부위 역시 열융착에 의해 밀봉될 수 있다.
따라서, 상기 전지셀의 관통 홀 부위 역시, 외주변과 마찬가지로, 열융착에 의해 형성되는 밀봉 부위를 가질 수 있으며, 이에 따라, 상기 전지셀의 관통 홀의 넓이는 상기 밀봉 부위의 내주변의 단부를 외주로 하는 내측의 관통 홀의 넓이를 기준으로 한다.
한편, 상기 돌출 연결부가 돌출되어 있는 길이는 전지셀을 사이에 두고 서로 대면하는 냉각 부재까지의 거리 또는 냉각 부재 및 엔드 플레이트까지의 거리와 동일한 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 돌출 연결부는 냉각 부재로부터 소정의 길이로 돌출되어 있고, 상기 냉각 부재의 일면에 대면하는 전지셀의 관통 홀에 삽입되어, 상기 전지셀을 사이에 두고 대면하는 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀로 연장될 수 있다.
따라서, 상기 돌출 연결부는, 전지모듈을 구성하는 것만으로, 전지셀을 사이에 두고 대면하는 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀에 연결될 수 있으며, 이에 따라, 상기 전지모듈을 관통하도록 통과하는 냉매 유로를 구성하기 위해, 별도의 냉매 도관을 설치할 필요가 없으므로, 보다 용이하게 전지모듈의 내부를 통과하는 관통 구조의 냉매 유로를 형성할 수 있다.
또한, 상기 돌출 연결부 및 돌출 연결부와 연결되는 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀의 사이에는 가스켓(gasket)이 개재되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 돌출 연결부는 전지모듈의 구성에 따라, 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀에 연결되며, 이 때, 상기 돌출 연결부 및 돌출 연결부와 연결되는 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀의 사이에는 가스켓이 개재됨으로써, 상기 관통 홀 및 돌출 연결부를 통해 전지모듈을 관통하여 흐르는 냉매가 전지모듈의 내부로 유출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
이 때, 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, 상기 냉각 부재의 돌출 연결부 및 돌출 연결부와 연결되는 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀의 사이에 개재됨으로써, 소망하는 밀봉력을 발휘할 수 있는 소재라면 크게 제한되는 것은 아니다.
또한, 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.
하나의 구체적인 예에서, 상기 양측면을 감싸는 각각의 엔드 플레이트의 외측에서, 상기 각각의 엔드 플레이트의 관통 홀에는 냉매의 유입 및 배출을 위한 냉매 유입관 및 냉매 배출관이 각각 연결되어 있는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 전지모듈을 구성하는 전지셀, 냉각 부재 및 엔드 플레이트의 관통 홀들은 전지모듈의 구성에 의해, 서로 연통하도록 구성됨으로써, 전체적으로, 전지모듈을 관통하는 냉매 유로가 구성될 수 있으며, 상기 각각의 엔드 플레이트의 외측에서, 상기 각각의 엔드 플레이트의 관통 홀에는 냉매의 유입 및 배출을 위한 냉매 유입관 및 냉매 배출관이 각각 연결됨으로써, 상기 전지모듈 내부를 관통하여 통과하는 냉매를 통해, 전지셀들에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 배출할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지모듈을 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 전지모듈을 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 전지모듈은, 전지셀, 냉각 부재 및 엔드 플레이트에 각각 서로 연통되는 구조의 관통 홀들을 형성하고, 상기 관통 홀을 통해 냉매가 유입 및 배출되도록 구성함으로써, 관통 홀을 통해 전지모듈을 통과하는 냉매가 냉각 부재와 직접 접촉하게 되므로, 전지셀들에서 발생한 열이 냉매에 전달되는 과정에서 거치게 되는 매개체의 구성을 최소화함으로써, 전체적인 냉각 효율이 향상되고, 별도의 열 전달 부재의 구성 없이, 효과적으로 전지셀에서 발생하는 열을 외부로 배출할 수 있어, 전체적인 전지모듈의 사이즈를 컴팩트하게 구성할 수 있으며, 전지모듈의 제조 공정에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 구성 요소를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 도 1의 A-A’에 따른 전지모듈의 부분 단면 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 3은 도 1의 B방향에서 바라본 전지셀의 관통 홀 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전지셀의 관통 홀 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
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 전지모듈의 구성 요소를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지모듈(100)은 전지셀들(110, 140), 프레임 부재(130), 냉각 부재(120) 및 엔드 플레이트(150)를 포함하고 있다.
전지셀들(110, 140)은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 판상형 구조로 이루어져 있고, 냉각 부재(120)를 사이에 두고 두께 방향으로 적층되는 구조로 이루어져 있다.
프레임 부재(130)는 전지셀(140)의 외주변 형상에 대응하는 형상으로서, 전지셀(140)의 외주변을 감싸는 구조로 이루어져 있다.
냉각 부재(120)는 판상형 구조로서, 프레임 부재(130)의 내부에 장착되어, 두께 방향으로 적층되는 전지셀들(110, 140) 사이에 위치함으로써, 전지셀들(110, 140)과 대면 접촉한다.
엔드 플레이트(150)는 최외곽에 위치한 전지셀(140)의 외면을 감싸는 구조로 이루어져 있다.
전지셀들(110, 140), 냉각 부재(120) 및 엔드 플레이트(150)는 각각 서로 연통되는 구조의 관통 홀들(141, 151)을 포함하고 있다.
냉각 부재(120)의 관통 홀에는 소정의 길이로 돌출되어 있는 돌출 연결부(122)가 일체형으로 형성되어 있다.
엔드 플레이트(150)의 외측에서, 엔드 플레이트(150)의 관통 홀(151)에는 냉매의 배출을 위한 냉매 배출관(160)이 연결되어 있다.
상기 구조와 마찬가지로, 반대편의 엔드 플레이트의 관통 홀에는 냉매의 유입을 위한 냉매 배출관이 연결되어 있다.
도 2에는 도 1의 A-A’에 따른 전지모듈의 부분 단면 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지셀들(110, 140), 냉각 부재(120) 및 엔드 플레이트(150)는 각각 서로 연통되는 구조의 관통 홀들(111, 121, 151)을 포함하고 있다.
냉각 부재(120)의 관통 홀(121)에는 소정의 길이로 돌출되어 있는 돌출 연결부(122)가 일체형으로 형성되어 있고, 상기 돌출 연결부(122)는 냉각 부재(120)의 일면에 대면하는 전지셀(140)의 관통 홀에 삽입되어, 상기 전지셀(140)을 사이에 두고 대면하는 엔드 플레이트(150)의 관통 홀(151)로 연장되어 있다.
냉각 부재(120)의 돌출 연결부(122) 및 돌출 연결부(122)와 연결되는 엔드 플레이트(150)의 관통 홀(151)의 사이에는 가스켓(170)이 개재되어 있다.
냉각 부재(120)의 돌출 연결부(122)가 돌출되어 있는 길이는 전지셀(140)을 사이에 두고 서로 대면하는 냉각 부재(120)의 일면으로부터 엔드 플레이트(150)까지의 거리와 동일하다.
엔드 플레이트(150)의 관통 홀(151)에는 냉매 배출관(160)이 연결되어 있다.
상기 구조에 따라, 전지모듈을 구성하는 경우, 냉매가 전지모듈을 관통하여 유동할 수 있는 냉각 유로가 전지모듈 내부에 형성되며, 이에 따라, 전지모듈의 외부에 장착되는 별도의 열 전달 부재 없이, 냉매와 전지셀들이 열교환함으로써, 보다 향상된 냉각 효과를 발휘할 수 있다.
도 3에는 도 1의 B 방향에서 바라본 전지셀의 관통 홀 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지셀(140)은 전지케이스(143)의 수납부에 전극조립체(142)를 수납한 상태에서 상기 전지케이스(143)의 외주변(144)이 밀봉된 판상형 구조로 이루어져 있다.
전지셀(140)의 중앙 부위에는 관통 홀(141)이 형성되어 있다.
전지케이스(143)의 외주변(144)과 마찬가지로, 관통 홀(141)이 형성되어 있는 부위 역시, 밀봉되어 있으며, 이에 따라, 관통 홀(141)의 내주변에도 전지케이스(143)의 밀봉 부위(145)가 형성되어 있다.
전지셀(140)의 관통 홀(141)에는 냉각 부재의 돌출 연결부(122)가 돌출되어 있다.
냉각 부재의 돌출 연결부(122)는 내부가 비어있는 중공 구조로서, 냉각 부재의 관통 홀에 연통되어 있다.
냉각 부재의 돌출 연결부(122)의 외주변의 넓이는 전지셀(140)의 관통 홀(141)의 넓이에 비해 작은 크기로 이루어져 있다.
이 때, 전지셀(140)의 관통 홀(141)의 넓이는 관통 홀(141)에 형성된 밀봉 부위(145)의 내주변 단부를 외주로 하는 내측의 관통 홀(141)의 넓이를 기준으로 한다.
도 4에는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전지셀의 관통 홀 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 제 1 전지셀(410)은 3개의 관통 홀(411)이 제 1 전지셀(410)의 가로 상의 중앙 부위에 일렬로 형성되어 있고, 제 2 전지셀(420)은 3개의 관통 홀(421)이 제 2 전지셀(420)의 세로 상의 중앙 부위에 일렬로 형성되어 있으며, 제 3 전지셀(430)은 3개의 관통 홀(431)이 제 3 전지셀(430)의 일측 모서리로부터 타측 모서리에 이르는 대각선 상의 중앙 부위에 일렬로 형성되어 있다.
제 4 전지셀(440)은 4개의 관통 홀(441)이 4개의 구역으로 분할된 제 4 전지셀(440)의 각 구역에서, 중앙 부위에 각각 형성되어 있다.
따라서, 상기 전지셀들(410, 420, 430, 440)은 각각의 전지셀들(410, 420, 430, 440)의 모든 부위에서부터 냉매가 통과하는 관통 홀들(411, 421, 431, 441)까지의 거리가 최소화될 수 있으며, 이에 따라, 상기 전지셀들(410, 420, 430, 440)을 포함하는 전지모듈의 냉각 효율을 극대화시킬 수 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. 전지 모듈을 관통하는 별도의 냉매 도관이 필요없는 전지 모듈로서,
    두께 방향으로 적층되는 둘 이상의 전지셀들;
    전지셀의 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 프레임 부재;
    상기 프레임 부재의 내부에 장착되어 전지셀과 대면 접촉하는 판상형의 냉각 부재; 및
    전지셀 적층체의 최외곽에 위치한 양측면을 감싸는 한 쌍의 엔드 플레이트;를 포함하고,
    상기 전지셀 및 냉각 부재는 각각 판상형으로 이루어지며,
    상기 전지셀, 냉각 부재 및 엔드 플레이트는 각각의 중앙 부위에 서로 연통되는 구조의 관통 홀들을 적어도 하나 이상 포함하고 있고,
    상기 냉각 부재의 관통 홀은 냉각 부재의 일면으로부터 전지셀의 방향으로 소정의 길이로 돌출되어 있는 돌출 연결부를 포함하고 있으며,
    상기 돌출 연결부는 냉각 부재의 일면에 대면하는 전지셀의 관통 홀에 삽입되어, 상기 전지셀을 사이에 두고 대면하는 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀로 연장되어 있고,
    상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 판상형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 관통 홀들은 평면상으로 원형, 타원형 또는 다각형 형상을 가진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 관통 홀들의 넓이는 전지셀, 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 평면상 넓이에 대해 각각 1% 내지 30%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 돌출 연결부는 냉각 부재와 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 돌출 연결부의 외주변의 단면 형상은, 상기 돌출 연결부가 삽입되는 전지셀의 관통 홀의 단면 형상과 동일한 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 돌출 연결부의 외주변의 넓이는 돌출 연결부가 삽입되는 전지셀의 관통 홀의 넓이에 비해 작거나 같은 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 돌출 연결부의 외주변의 넓이는 돌출 연결부가 삽입되는 전지셀의 관통 홀의 넓이에 대해 80% 내지 100%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 돌출 연결부가 돌출되어 있는 길이는 전지셀을 사이에 두고 서로 대면하는 냉각 부재까지의 거리 또는 냉각 부재 및 엔드 플레이트까지의 거리와 동일한 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 돌출 연결부 및 돌출 연결부와 연결되는 또 다른 냉각 부재 또는 엔드 플레이트의 관통 홀의 사이에는 가스켓(gasket)이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 가스켓의 소재는 합성 고무, 천연 고무, 실리콘, 및 PVC(Polyvinyl Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 12 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 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 양측면을 감싸는 각각의 엔드 플레이트의 외측에서, 상기 각각의 엔드 플레이트의 관통 홀에는 냉매의 유입 및 배출을 위한 냉매 유입관 및 냉매 배출관이 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 1 항에 따른 전지모듈을 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.
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