KR102072098B1 - 안전성이 향상된 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩 - Google Patents

Abstract

이차전지의 사용 중 화재 발생시 화염이 더 이상 전파되는 것을 차단하여 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있는 이차전지, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩을 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지는 전극 조립체가 파우치 외장재 안에 수납된 파우치형 이차전지이고, 이러한 이차전지에 화염방지망을 구비함으로써, 침상 물체가 이차전지를 관통하거나, 기타 이상 거동에 의하여 이차전지 내부 온도가 급격히 상승하여 화염이 발생할 때, 화염의 전파를 차단하여 보다 원천적으로 이차전지의 안전성을 향상시키고 위험 상황에 빠르게 대응할 수 있다.

Description

안전성이 향상된 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩{Secondary battery, battery module and battery pack with improved safety}

본 발명은 이차전지, 그리고 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 이차전지에서 발생된 화염이 이차전지 외부로 전파되는 것을 차단하여 화염으로 인한 후속 피해를 방지하기 위한 이차전지, 그리고 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩에 관한 것이다.

기술 발전에 따라, 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있고, 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC 등 적용 분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력도 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자 중에서도 충·방전이 가능한 이차전지의 개발이 관심의 초점이 되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 큰 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다. 최근에는 다양한 디자인의 전기 제품에 적용이 용이하고 부피를 줄일 수 있다는 장점으로 인해, 전극 조립체와 전해액을 필름으로 만든 파우치 외장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 많이 보급되어 있다.

그런데, 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 이차전지가 주울열(joule heating)에 의해 발열을 하므로 이차전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 이차전지의 폭발로까지 이어지게 된다. 과전류는 뾰족한 금속 물체가 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 이차전지에 인가되는 등의 경우에 발생된다.

이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 주목받고 있다. 이러한 용도로 사용되는 중대형 전지 모듈이나 전지 팩은 소정의 장치에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위하여 다수의 리튬 이차전지들을 전기적 연결하여야 하며, 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.

이러한 중대형 전지 모듈이나 전지 팩에 포함되는 다수의 이차전지는 다른 전지에 비해서 고출력의 장점이 있는 반면, 상기한 바와 같이 폭발 위험성이 높아 안전성에 취약한 단점이 있다. 상기 중대형 전지 모듈이나 팩에 다수의 이차전지를 포함하는 경우 그 안정성의 문제는 더욱 심각해진다.

특히 종래의 파우치형 이차전지에서 화재가 발생되면 화염이 전지 모듈이나 전지 팩 외부로 전파되기 용이하다는 문제점이 있으며, 이 경우 전지 모듈이나 전지 팩이 사용되는 전기자동차 등의 장치 전체로 화재가 확산되는 심각한 문제점이 있다. 따라서, 상기 이차전지에서 발생된 화염이 이차전지 외부로 전파되는 것을 차단하여 화염으로 인한 폭발 또는 중대형 전지 모듈이나 전지 팩의 위험 상황에 대해 보다 빠르고 민감하게 대처할 필요성이 대두되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리튬 이차전지의 사용 중 화재 발생시 화염이 더 이상 전파되는 것을 차단하여 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있는 이차전지, 이를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 이차전지는 전극 조립체가 파우치 외장재 안에 수납된 파우치형 이차전지이고, 이러한 이차전지에 화염방지망을 구비함으로써, 침상 물체가 이차전지를 관통하거나, 기타 이상 거동에 의하여 이차전지 내부 온도가 급격히 상승하여 화염이 발생할 때, 화염의 전파를 차단하여 보다 원천적으로 이차전지의 안전성을 향상시키고 위험 상황에 빠르게 대응할 수 있다.

상기 화염방지망은 상기 이차전지의 내부 및/또는 외부에, 즉 내부 및 외부 중 적어도 어느 한 곳에 구비될 수 있다. 그리고, 상기 화염방지망이 구비되는 면적은 상기 이차전지의 일부 또는 전부일 수 있다.

예를 들어, 상기 화염방지망은 상기 이차전지 내부의 전극 조립체의 넓은 표면에 구비되거나, 상기 전극 조립체를 감싸도록 구비된 후 파우치 외장재 안에 수납되어 상기 이차전지를 구성함으로써, 상기 이차전지의 내부에 구비될 수 있다. 다른 예로, 상기 화염방지망을 파우치 외장재 안에 포함하도록 상기 파우치 외장재를 구성한 후, 여기에 전극 조립체 등을 수납하여 이차전지를 구성할 수도 있다.

다른 예로, 상기 화염방지망은 상기 파우치 외장재의 넓은 표면에 구비되거나, 상기 파우치 외장재를 감싸도록 구비됨으로써, 상기 이차전지의 외부에 구비될 수 있다. 이 경우 상기 화염방지망은 상기 파우치 외장재의 외표면에 일체로 구비되는 것일 수도 있고, 상기 파우치 외장재와는 별개의 부재일 수도 있다.

상기 화염방지망은 2 메시 이상의 금속망을 한 겹 이상 혹은 여러 겹 구성한 것이거나, 금속판 상에 다수의 구멍을 형성한 것일 수 있다. 상기 화염방지망은 불연재인 것을 특징으로 한다. 이러한 재질은 불에 타기 어려운 것이면 어느 것이든 무방하다. 바람직하게는 구리, 알루미늄, 주철, 모넬(Ni+Cu), 스테인레스강 및 스틸 중 어느 하나의 재질을 사용할 수 있다. 상기 화염방지망은 그 자체로 순수하게 상기 파우치 외장재 안쪽이나 바깥쪽에 구비되거나, 고분자 수지층과 적층되어 사용될 수 있다. 상기 고분자 수지층으로는 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리이미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이와 같이 상기 화염방지망을 구비하는 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 이것을 다수 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩으로까지 확장될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 전지 모듈은 다수의 파우치형 이차전지를 직렬 및/또는 병렬 연결하여 포함하는 전지 모듈에 있어서, 그 전지 모듈의 내부 및/또는 외부에 화염방지망을 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전지 팩은 다수의 파우치형 이차전지를 직렬 및/또는 병렬 연결하여 포함하는 전지 모듈을 하나 이상 포함하는 전지 팩에 있어서, 그 전지 모듈 및/또는 전지 팩의 내부 및/또는 외부에 화염방지망을 구비한 것을 특징으로 한다.

위와 같은 전지 모듈 및 전지 팩을 구성하는 단위인 파우치형 이차전지는 앞서 언급한 바와 같은 본 발명에 따른 이차전지를 사용할 수 있다. 즉, 상기와 같은 본 발명에 따른 화염방지망을 구비하는 이차전지를 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 전지 모듈을 구성하고, 이러한 전지 모듈을 복수개 포함하는 전지 팩으로 구성함으로써, 각 전지 모듈이나 전지 팩 안에 상기 화염방지망이 구비되도록 하는 것이다. 이와 같은 형태는 전지 모듈이나 전지 팩을 구성하는 단위 파우치형 이차전지에 화염방지망이 각각 구비된 구조라고 할 수 있다.

이와는 다른 형태로, 화염방지망을 구비하지 않는 일반적인 파우치형 이차전지를 직렬 및/또는 병렬로 연결한 집합체에 대하여, 상기 집합체의 내부 및/또는 외부에 화염방지망을 구비시켜 전지 모듈이나 전지 팩을 구성할 수도 있다. 이 때에도, 상기 화염방지망이 구비되는 면적은 상기 집합체의 일부 또는 전부일 수 있다.

예를 들어, 본 발명에 따른 전지 모듈의 일 예는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 이차전지들의 집합체를 화염방지망으로 감싼 구조가 될 수 있다. 그리고 전지 팩은 이러한 전지 모듈을 복수개 포함하는 것일 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 전지 모듈의 다른 예는 상기 이차전지들의 집합체를 화염방지망으로 감싼 구조를 밀폐형 박스에 수납한 구조가 될 수도 있다.

또 다른 예로, 상기 화염방지망은 상기 집합체를 구성하는 단위 이차전지와 동일한 사이즈로 제작되어 두 이차전지 사이에 삽입되어 구비될 수 있으나, 상기 화염방지망이 구비되는 위치는 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명에 따른 또 다른 전지 모듈은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 이차전지들의 집합체; 상기 집합체를 수납할 수 있는 밀폐형 박스; 및 상기 밀폐형 박스의 적어도 한 면에 구비되는 화염방지망을 포함한다. 여기서, 상기 화염방지망은 상기 밀폐형 박스의 한 면 또는 전 면에 구비될 수 있고, 상기 밀폐형 박스 안쪽에 상기 집합체와 대향하는 면에 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 전지 팩은 앞서 언급한 바와 같은 전지 모듈을 하나 이상 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 전지 팩은 파워 툴(power tool); 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있으나, 물론 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 파우치형 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩은 내무 및/또는 외부에 화염방지망을 적어도 일부 면적에 구비함으로써, 이상 거동 등에 의해 이차전지 내부에서 화염이 발생하는 경우 이 화염이 외부로 전파되는 것을 차단한다. 이차전지 내부에서 발생된 화염은 화염방지망을 통과하면서 잘게 쪼개질 뿐만 아니라, 화염방지망이 화염의 에너지를 흡수하는 흡열반응을 일으켜 온도 하강 및 소염의 효과를 가져오므로, 화염이 이차전지 외부로 전파되는 것을 효과적으로 억제하여, 화염 전파로 인한 추가적인 연쇄 반응 및 피해를 최소화하는 효과가 있다.

이와 같이, 본 발명에 따라 화염방지망을 구비함으로써, 파우치형 이차전지 및 이를 포함하는 전지 모듈이나 전지 팩의 온도 상승 및 발화를 억제하면, 이차전지의 안전성을 보다 원천적으로 향상시킬 수 있고, 중대형 전지 모듈이나 전지 팩의 위험 상황에 대해 보다 빠르고 민감하게 대처할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지 구조물의 일 예를 도시하고, 도 2는 다른 예를 도시한다.
도 3은 화염방지망의 일 예를 도시하고, 도 4는 다른 예를 도시한다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 개략적인 단면도들이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전지 모듈의 개략적인 단면도들이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈의 제조방법을 보여주는 도면이고, 도 12는 그에 따른 전지 모듈의 사시도이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이고 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 가리킨다.

도 1은 본 발명에 따른 이차전지 구조물의 일 예를 도시하고, 도 2는 다른 예를 도시한다.

도1 및 도2에 도시한 바와 같이, 본 발명은 화염방지망(10, flame arrester)을 구비하는 이차전지 구조물(20)에 관한 것이다. 여기서 이차전지 구조물(20)은 파우치형 이차전지 자체, 이러한 이차전지를 여러 개 포함하는 전지 모듈, 그리고 그러한 전지 모듈을 하나 이상 포함하는 전지 팩일 수 있다. 즉, 셀, 모듈 또는 팩일 수 있다.

도 1에 도시한 구조에서는 화염방지망(10)이 이차전지 구조물(20)의 전체에 구비된다. 도 2 에 도시한 구조에서는 화염방지망(10)이 이차전지 구조물(20)의 일부에 구비된다. 또한, 화염방지망(10)은 이차전지 구조물(20)의 내부 및/또는 외부, 즉 내부 및 외부 중 적어도 어느 한 곳에 구비될 수 있다. 화염방지망(10)은 이차전지 구조물(20)에 접착제를 이용하여 부착할 수도 있고 기계적으로만 결합되어 있을 수도 있다.

한편, 도 1 및 도 2에 도시한 이차전지 구조물(20)이 파우치형 이차전지인 경우, 이러한 이차전지 구조물(20)이 반복된 형태의 구조를 포함하는 전지 모듈 및 전지 팩도 가능하다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시한 이차전지 구조물(20)이 전지 모듈 인 경우, 이러한 이차전지 구조물(20)이 반복된 형태의 구조를 포함하는 전지 팩도 가능하다.

화염방지망(10)은 이차전지의 nail 관통, 과충전, 돌입전류 등과 같은 안정성 시험 및 비정상적 운전 상태에서 발생되는 화염을 차단하는 목적 및 효과를 가진다. 도 3 및 도 4에 화염방지망의 예들을 도시하였다.

도 3의 화염방지망(10)은 금속망 또는 금속판 상에 다수의 4각형 모양의 구멍을 설치한 것이다. 도 4의 화염방지망(10')은 금속판 상에 다수의 원형 모양의 구멍을 설치한 것이다. 구멍은 펀칭이나 식각에 의해 금속판을 일부 제거해 형성할 수 있다. 금속망은 다수의 금속선을 짜 맞추어 이른바 철망 상으로 형성하는 것이다.

바람직한 예로, 화염방지망(10)은 2 메시 이상의 금속망을 한 겹 이상, 바람직하게는 여러 겹 구성한 것이다. 메시는 체눈(mesh)의 크기로 등급을 매기는 방법으로서 길이 1인치당 체눈의 수로 나타낸다. 즉, 메시란 체의 구멍이나 입자의 크기를 나타내는 단위를 말하며, 1인치 사각형 안에 들어 있는 그물눈의 수라고 할 수 있다. 예를 들어, 200 메시라고 하면 지름 2/1000인치씩의 철사를 3/1000인치씩 사이를 띄우고 친 것으로, 길이 1인치에 200메시가 있음을 나타낸다. 따라서, N 메시는 N/25.4mm이며, 본 발명에서는 2 메시 이상의 금속망을 사용하므로 구멍 하나의 크기는 12.7x12.7mm² 이하가 된다.

일반적인 화염방지망은 종래 비교적 저압 또는 상압에서 가연성 증기를 발생하는 유류(油類)를 저장하는 탱크에서 외부로 그 증기를 방출하거나, 탱크 내에 외기를 흡인하거나 하는 부분에 설치하는 안전장치로 많이 이용되고 있다. 기존에 사용되는 화염방지망은 40메시 이상의 가는 눈의 철망을 여러 겹으로 해서 화염의 차단을 목적으로 한 것이다. 소염만을 고려하면 메시 간격이 작을수록 좋다. 그러나 간격이 너무 좁으면 먼지 등의 이물에 의해 막히는 경우가 많으므로 본 발명에서는 2 메시 이상의 금속망을 화염방지망(10)으로 사용한다.

이러한 화염방지망(10)은 불연재인 것을 특징으로 한다. 이러한 재질은 불에 타기 어려운 것이면 어느 것이든 무방하다. 구체적으로 구리, 알루미늄, 주철, 모넬(Ni+Cu), 스테인레스강 및 스틸 중 어느 하나의 재질을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 화염방지망(10)은 화염을 저지하는 소염 능력뿐 아니라, 폭발 압력을 견디는 기계적 특성을 갖는 재질로 선정함이 바람직하다.

화염방지망(10)은 그 자체로 순수하게 사용되거나, 고분자 수지층과 적층되어 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 고분자 수지층으로는 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리이미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이와 같은 화염방지망(10)은 이차전지 구조물(20)에 포함되는 이차전지의 화염 발생시 화염을 통과시키면서 잘게 쪼갤 뿐만 아니라, 화염의 에너지를 흡수하는 흡열반응을 일으켜 온도 하강 및 소염의 효과를 가져온다. 보다 구체적으로, 화염방지망(10)은 작은 구멍을 가지므로 가스나 증기 등의 기체는 화염방지망(10)을 통과할 수 있으나 화염은 통과하기 어렵다. 또한 화염방지망(10)은 이차전지 내부의 가연성 기체와 공기의 혼합물에 점화되었을 때, 연소되는 기체 혼합물에서 발생하는 열을 흡수하여 발산시킴으로써 반대쪽에 있는 기체가 자연 발화 온도에 오르지 않도록 연소 온도를 낮추어 준다. 이것은 가열된 높은 열을 가지는 기체가 화염방지망(10)을 통과하면서 화염방지망(10)을 구성하고 있는 재질에 열을 빼앗기기 때문이다. 화염방지망(10)은 수많은 구멍을 포함하는 금속 재질로 이루어져 있어 굉장히 넓은 단면적을 갖는 열 흡수판이 된다.

따라서, 화염이 화염방지망(10)을 통과하면서는 더 이상 화염이 유지하지 못할 만큼의 열량을 빼앗겨 폭발이 진정된다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 파우치형 이차전지 내부에서 발생된 화염이 외부로 방출되는 것을 방지하기 위하여 파우치형 이차전지 내부 및/또는 외부에, 전지 모듈의 내부 및/또는 외부에, 전지 팩의 내부 및/또는 외부에 화염방지망(10)을 적용한다. 화염방지망(10)은 화염이 이차전지 외부로 전파되는 것을 억제하여, 화염 전파로 인한 피해를 최소화하는 효과가 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 화염방지망(10)을 포함한 이차전지 구조물(20)은 전도성 침상 물체에 의하여 침입 혹은 관통되는 상황에서도, 과충전, 돌입전류 등과 같은 안정성 시험 및 비정상적 운전 상태에서도 안정성이 향상된다.

화염방지망(10)은 얇은 판형이기 때문에, 이차전지 구조물(20)의 사이즈의 증가를 억제할 수 있다. 또한, 화염방지망(10)은 다수의 구멍을 가지고 있기 때문에 중량의 증가도 억제할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따르면, 파우치형 이차전지, 전지 모듈이나 전지 팩의 사이즈나 중량의 증가를 억제하면서, 이차전지로부터 화염이 분출하는 사태가 발생한 경우에도 외부로의 화염의 분출을 방지해, 안전성을 향상시킨다.

일반적으로 파우치형 이차전지는 벤트나 안전부재를 캡 플레이트쪽에 구성할 수 있는 각형이나 원통형의 캔형 이차전지에 비하여 화염이 분출되는 방향을 제어하기가 상당히 곤란하다. 본 발명에 따르면, 화염방지망을 통하여 이러한 파우치형 이차전지에서의 화염을 제어할 수 있으므로 그 효과가 매우 현저하며, 이러한 이차전지를 여러 개 포함해야 하는 중대형 전지 모듈 및 전지 팩에서의 안정성 효과 향상 측면에서 매우 필요한 기술이다.

이하, 본 발명에 따른 다양한 실시예들을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 화염방지망을 구비한 파우치형 이차전지의 개략적인 단면도들이다.

본 발명의 일 실시예로, 도 5를 참조하면 화염방지망(10)은 파우치형 이차전지(100) 내부의 전극 조립체(30)의 넓은 표면에 놓이고, 화염방지망(10)은 전극 조립체(30)와 함께 파우치 외장재(40) 안에 수납될 수 있다. 화염방지망(10)은 전극 조립체(30)의 넓은 표면에 놓이는 대신, 전극 조립체(30)를 한 바퀴 또는 여러 바퀴 감싸도록 구비될 수도 있다.

리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 전극 조립체(30)는, 이와 같은 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 것이다. 이 때, 전극 조립체(30)는 다수의 양극판 및 음극판이 적층된 상태로 수납되거나, 하나의 양극판 및 음극판이 권취된 상태로 수납될 수 있다. 전극 조립체(30)는 스택형, 폴딩형, 스택-폴딩형, 젤리롤(jelly-roll)형 등일 수 있다. 전극 조립체(30)의 전극판들은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 그리고, 각각의 전극판들에는 슬러리가 도포되지 않는 무지부가 존재할 수 있고, 이러한 무지부에는 각각의 전극판에 대응되는 전극탭이 형성되며, 이러한 전극탭에 전극리드가 용접된다.

파우치 외장재(40)는 이차전지의 외장재로 사용되는 공지의 파우치를 사용하는 것이 가능하며, 구체적으로 심부와 상기 심부의 상부면 상에 형성된 열융착층과 상기 심부의 하부면 상에 형성된 절연막 층으로 이루어질 수 있으며, 각 구성은 당 업계에 알려진 구성을 사용할 수 있다. 예로, 상기 심부는 알루미늄(Al), 상기 열융착층은 변성 폴리프로필렌, 상기 절연막층은 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 중 어느 하나로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이 때, 파우치 외장재(40)는, 상부 케이스와 하부 케이스로 이루어질 수 있다. 그리고, 전극 조립체(30)가 수납될 수 있는 공간은 상부 케이스나 하부 케이스 중 어느 하나, 또는 상부 케이스나 하부 케이스 모두에 형성될 수 있다. 한편, 상부 케이스나 하부 케이스의 수납 공간에 전극 조립체(30)가 수납되고 전해액이 주입되면, 상부 케이스의 열융착층과 하부 케이스의 열융착층이 열융착에 의해 접착되어 밀봉된다.

본 발명의 다른 실시예로, 도 6을 참조하면 화염방지망(10)은 파우치형 이차전지(100)의 파우치 외장재(40) 안에 포함된다. 이 때, 화염방지망(10)은 파우치 외장재(40)의 심부 하부면 상에 형성되는 절연막 층에 부착이 된 형태일 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시한 예에서, 화염방지망(10)은 파우치형 이차전지(100) 내부에 포함되어, 이차전지의 정상 작동시에는 전극 활물질이나 전해액과의 부반응으로 인한 이차전지의 용량저하, 수명 단축과 같은 문제점을 유발하지 않는 것으로 한다. 화염방지망(10)이 파우치형 이차전지(100) 내부에 포함되는 경우, 화염을 포함 고온의 내용물이나 가스의 열을 즉석에서 흡수하기 때문에, 파우치 외장재(40) 외부로의 열이나 화염의 영향을 보다 억제하는 것이 가능해진다.

본 발명의 또 다른 실시예로, 도 7을 참조하면, 화염방지망(10)은 파우치형 이차전지(100)의 파우치 외장재(40)의 넓은 표면에 구비되거나, 파우치 외장재(40)를 감싸도록 구비됨으로써, 파우치형 이차전지(100)의 외부에 구비될 수 있다. 이 경우, 화염방지망(10)은 파우치 외장재(40)의 외표면에 일체로 구비되는 것일 수도 있고, 파우치 외장재(40)와는 별개의 부재일 수도 있다. 이 구성에 의해, 이차전지(100)로부터 화염이 분출하는 사태가 발생한다고 해도, 화염방지망(10)에 의해, 화염을 포함한 고온의 내용물 등의 열을 즉석에서 흡수해 온도를 낮추기 때문에, 화염이 더 이상 확산되는 것을 저지하면서, 화염방지망(10)의 구멍에 의해서, 가스 등을 외부에 배출하는 것이 가능해진다.

도 5 내지 도 7에 있어서, 화염방지망(10)은 그 자체로 순수하게 파우치 외장재(40) 안쪽이나 바깥쪽에 구비되거나, 앞서 언급한 바와 같은 고분자 수지층과 적층되어 사용될 수 있다. 이 고분자 수지층에 의해, 금속 재질로 구성되는 화염방지망(10)과 이차전지 부품 중 전류가 흐르는 전극리드 등과의 접촉을 방지할 수 있어 쇼트에 의한 이차전지의 과열 등을 방지할 수 있다.

화염방지망(10)의 크기는 이를 구비하는 파우치형 이차전지(100)에 따라 달라진다. 보다 상세하게, 화염방지망(10)의 크기는 전극 조립체(30)의 넓은 표면 또는 파우치 외장재(40)의 넓은 외측표면의 크기와 동일하게 제조하는 것이 바람직하며, 상기와 같이 넓은 면적을 갖는 화염방지망(10)을 포함하는 파우치형 이차전지(100)의 경우 이차전지의 이상 거동으로 인한 온도 상승시, 그 온도 상승을 억제하는 효과가 크며, 넓은 면적으로 외부충격으로부터 이차전지를 보호할 수 있는 효과가 커진다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한다.

이 전지 모듈(200)은 도 5 내지 도 7에 도시한 것과 같은 화염방지망(10)을 포함하는 파우치형 이차전지(100) 여러 개가 직렬 및/또는 병렬 연결된 것이다. 따라서, 전지 모듈(200)은 다수의 파우치형 이차전지(100)를 직렬 및/또는 병렬 연결하여 포함하는 전지 모듈이면서, 그 내부에 화염방지망(미도시)을 포함하게 된다. 이와 같은 형태는 전지 모듈(200)을 구성하는 단위 이차전지에 화염방지망이 각각 구비된 구조라고 할 수 있다. 이러한 전지 모듈(200)을 하나 이상 포함하는 전지 팩도 본 발명에 따라 구성할 수 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한다. 이 전지 모듈(300)은 화염방지망을 포함하지 않는 일반적인 파우치형 이차전지(110) 여러 개가 직렬 및/또는 병렬 연결된 집합체(120) 내부 및/또는 외부에 화염방지망(10)을 구비한 것이다. 화염방지망(10)이 구비되는 면적은 집합체(120)의 일부 또는 전부일 수 있다. 예를 들어, 화염방지망(10)은 집합체(120)를 구성하는 단위 이차전지(110)와 동일한 사이즈로 제작되어 두 이차전지(110) 사이에 삽입되어 구비될 수 있으나, 상기 화염방지망이 구비되는 위치는 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 전지 모듈(300)을 하나 이상 포함하는 전지 팩도 본 발명에 따라 구성할 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한다. 이 전지 모듈(400)은 화염방지망을 포함하지 않는 일반적인 파우치형 이차전지(110) 여러 개가 직렬 및/또는 병렬 연결된 집합체(120)를 화염방지망(10)으로 감싼 구조이다. 이것을 수납하는 밀폐형 박스(130)는 선택적인 구성이다. 이러한 전지 모듈(400)을 하나 이상 포함하는 전지 팩도 구성할 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈의 제조방법을 보여주는 도면이고, 도 12는 그에 따른 전지 모듈의 사시도이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 전지 모듈(500)은 파우치형 이차전지(140) 여러 개가 직렬 및/또는 병렬 연결된 집합체(150)를 밀폐형 박스(160)에 수납한 것이다. 밀폐형 박스(160)는 상부 덮개(160a)과 하부 수납함(160b)으로 구성된다.

하부 수납함(160b)에 집합체(150)를 수납하고 상부 덮개(160a)를 덮은 후 상부 덮개(160a)과 하부 수납함(160b)을 체결하여 밀폐할 수 있다. 예를 들어, 상부 덮개(160a)과 하부 수납함(160b) 사이는 고무 실링을 한 후 볼트 체결하여 밀폐할 수 있다. 다른 예로, 상부 덮개(160a)과 하부 수납함(160b) 사이는 슬라이딩 결합 수단으로 결합될 수 있다. 또 다른 예로 상부 덮개(160a)과 하부 수납함(160b) 사이는 초음파 용접될 수 있다. 하부 수납함(160b)은 금속 또는 카본 소재로 이루어질 수 있다. 다른 예로 고강도 스틸 또는 고강도 복합 물질로 이루어질 수 있다.

집합체(150)는 2개 이상의 직렬 연결 혹은 병렬 연결 구조의 파우치형 이차전지(140)를 포함할 수 있다. 파우치형 이차전지(140)는 본 발명에서 제안하는 바와 같이 내부 및/또는 외부에 화염방지망을 구비하는 파우치형 이차전지일 수도 있고, 기존과 같은 일반적인 파우치형 이차전지일 수도 있다.

화염방지망(10)은 밀폐형 박스(160)의 적어도 한 면에 구비된다. 본 실시예에서는 밀폐형 박스(160)가 상부 덮개(160a)과 하부 수납함(160b)으로 구성되고, 화염방지망(10)이 상부 덮개(160a) 안쪽에 형성됨으로써, 화염방지망(10)이 밀폐형 박스(160) 안쪽에 집합체(150)와 대향하는 한 면에 구비되는 것을 예로 들었다. 그러나 화염방지망(10)은 이에 한정되지 않고, 밀폐형 박스(160)의 바깥쪽이든 안쪽이든 한 면 또는 전 면에 구비될 수 있다.

한편, 화염방지망(10) 자체가 상부 덮개(160a)를 구성할 수 있다. 대신에, 화염방지망과 고분자 수지층의 적층체를 상부 덮개(160a)로 구성할 수 있다. 화염이 발생되는 경우 화염은 고분자 수지층을 녹이고, 화염방지망의 구멍을 통하여 연소원이 되는 가스나 내용물을 밀폐형 박스(160) 외부로 배출할 수 있다.

보통의 전지 모듈은 파우치형 이차전지가 카트리지 등에 고정되어 조립되며 밀폐형 구조를 갖지 아니한다. 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈(500)에서와 같이 밀폐형 박스(160)를 포함하면, 이차전지 내부에서 발생하는 화염을 밀폐형 박스(160)에 가둘 수 있어 화염 유도 방향이 조절되며, 발생된 화염은 반드시 화염방지망(10)을 통과하게 되므로 소염의 효과가 특히 뛰어나다.

원형이나 각형의 캔형 이차전지는 별도의 벤트부를 구성하기 용이하고 이를 통해 안전성을 보완할 수 있는 구조를 갖지만 파우치형 이차전지의 경우에는 별도의 벤트부가 존재하지 않는 관계로 화염의 방향을 제어하기 어렵다. 본 실시예에서는 화염방지망이 구비된 밀폐형 박스를 사용함으로써, 발생된 화염이 반드시 화염방지망을 통과하도록 하여 화염을 제어하기 때문에 이러한 이차전지를 포함하는 중대형 전지 모듈 및 전지 팩에서의 안정성이 현저히 증가한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하여 제공되는 전지 모듈은 i) 전지 모듈에 포함되는 단위 이차전지가 화염방지망을 구비하는 전지 모듈(예를 들어 도 1이나 2의 이차전지 구조체(20)가 전지모듈인 경우, 그리고 도8을 참조하여 설명한 전지모듈(200)); ii) 전지 모듈에 포함되는 단위 이차전지는 화염방지망을 구비하지 아니하나, 전지 모듈 단위에서 화염방지망을 구비한 전지 모듈(예를 들어 도 9 내지 도 12를 참조하여 설명한 전지모듈(300, 400, 500)); 또는 iii) 전지 모듈에 포함되는 이차전지뿐만 아니라 전지 모듈 단위에서도 화염방지망을 구비하는 전지 모듈(도 11 및 도 12를 참조하여 설명한 전지모듈(500) 또는 이상 설명한 실시예들의 조합) 등 다양한 형태가 가능하다.

한편, 화염이 분출되는 압력 또는 추진력은 이차전지의 종류에 따라 다르므로, 각 파우치형 이차전지, 전지 모듈 또는 전지 팩을 구성함에 있어 화염방지망의 조건은 이를 고려하도록 한다. 또한, 화염방지망이 구비되는 위치, 면적 및 수량은 이차전지, 전지 모듈 또는 전지 팩의 용도 및 용량 등을 고려하여 바람직한 부피, 무게 등에 따라 조절할 수 있음은 물론이다. 이러한 모든 고려 사항을 통해 화염방지망을 선정함으로써, 이차전지, 전지 모듈 또는 전지 팩의 사이즈나 중량의 증가를 억제하면서, 이차전지로부터 화염이 분출하는 사태가 발생한 경우에도 외부로의 화염의 분출을 방지해, 안전성을 향상시키도록 한다.

본 발명에 따른 전지 팩은 앞서 언급한 바와 같은 전지 모듈을 포함한다. 이러한 전지 팩은 파워 툴(power tool); 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)로 이루어진 군에서 선택된 전기차; 이-바이크(E-bike); 이-스쿠터(E-scooter); 전기 골프 카트(Electric golf cart); 전기 트럭; 및 전기 상용차로 이루어진 중대형 디바이스 군에서 선택된 하나 이상의 전원으로 사용될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 폭발 위험성이 높은 리튬 이차전지의 폭발에 의해 발생되는 화염을 배출 과정에서 흡수, 분산시켜 상쇄하는 화염 방지망을 적용함으로써, 이차전지의 nail 관통, 과충전 등과 같은 안정성 시험 및 비정상적 운전 상태에서 발생되는 화염을 차단하는 효과가 있으며, 특히 화염의 방향을 제어하기 어려운 파우치형 이차전지에서 화염을 제어하기 때문에 이러한 이차전지를 포함하는 중대형 전지 모듈 및 전지 팩에서의 안정성이 현저히 증가한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

10, 10' : 화염방지망
20 : 이차전지 구조물
30 : 전극 조립체
40 : 파우치 외장재
100, 110, 140 : 파우치형 이차전지
120, 150 : 집합체
130, 160 : 밀폐형 박스
200, 300, 400, 500 : 전지 모듈

Claims (24)

1. 전극 조립체가 파우치 외장재 안에 수납된 파우치형 이차전지에 있어서,
   상기 이차전지의 내부 및/또는 외부에 화염방지망을 구비하고,
   상기 화염방지망은 2메시 이상의 금속망을 한 겹 이상 구성한 것임을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 화염방지망은 상기 전극 조립체의 넓은 표면에 구비되거나, 상기 전극 조립체를 감싸도록 구비된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 화염방지망은 상기 파우치 외장재 안에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
4. 제1항에 있어서, 상기 화염방지망은 상기 파우치 외장재의 바깥의 넓은 표면에 구비되거나, 상기 파우치 외장재를 감싸도록 구비된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
5. 제4항에 있어서, 상기 화염방지망은 상기 파우치 외장재의 외표면에 일체로 구비되는 것이거나, 상기 파우치 외장재와는 별개의 부재인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 화염방지망의 재질은 구리, 알루미늄, 주철, 모넬(Ni+Cu), 스테인레스강 및 스틸 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
8. 제1항에 있어서, 상기 화염방지망은 그 자체로 순수하게 상기 파우치 외장재 안쪽이나 바깥쪽에 구비되거나, 고분자 수지층과 적층되어 사용되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
9. 제8항에 있어서, 상기 고분자 수지층은 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴-스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리이미드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
10. 제1항 내지 제5항 또는 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 파우치형 이차전지를 포함하는 전지 모듈.
11. 제10항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
12. 다수의 파우치형 이차전지를 직렬 및/또는 병렬 연결한 집합체를 포함하는 전지 모듈에 있어서,
    상기 전지 모듈의 내부 및/또는 외부에 화염방지망을 구비하고,
    상기 화염방지망은 2메시 이상의 금속망을 한 겹 이상 구성한 것임을 특징으로 하는 전지 모듈.
13. 삭제
14. 제12항에 있어서, 상기 화염방지망의 재질은 구리, 알루미늄, 주철, 모넬(Ni+Cu), 스테인레스강 및 스틸 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
15. 제12항에 있어서, 상기 화염방지망은 그 자체로 순수하게 상기 집합체 안쪽이나 바깥쪽에 구비되거나, 고분자 수지층과 적층되어 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
16. 제12항에 있어서, 상기 화염방지망은 상기 집합체를 감싸도록 구비된 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
17. 제16항에 있어서, 상기 집합체를 수납하는 밀폐형 박스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
18. 제12항 또는 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
19. 직렬 및/또는 병렬로 연결된 파우치형 이차전지들의 집합체;
    상기 집합체를 수납할 수 있는 밀폐형 박스; 및
    상기 밀폐형 박스의 적어도 한 면에 구비되는 화염방지망을 포함하고,
    상기 화염방지망은 2메시 이상의 금속망을 한 겹 이상 구성한 것임을 특징으로 하는 전지 모듈.
20. 제19항에 있어서, 상기 화염방지망은 상기 밀폐형 박스의 한 면 또는 전 면에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
21. 제20항에 있어서, 상기 화염방지망은 상기 밀폐형 박스 안쪽에 상기 집합체와 대향하는 면에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
22. 삭제
23. 제19항에 있어서, 상기 화염방지망의 재질은 구리, 알루미늄, 주철, 모넬(Ni+Cu), 스테인레스강 및 스틸 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
24. 제19항에 있어서, 상기 화염방지망은 그 자체로 순수하게 상기 밀폐형 박스 안쪽에 구비되거나, 고분자 수지층과 적층되어 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.

Images