KR102188064B1 - 이차 전지 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

셀과의 접촉 저항을 일으키는 셀 커버 등을 사용하지 않고 냉각 효율이 우수한 이차 전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은 두 개 이상의 단위 셀을 포함하고, 적어도 하나의 단위 셀은 요부와 철부를 포함하도록 굴곡진 모양이어서 상기 단위 셀의 적층에 의해 상기 단위 셀들 사이에 냉각 공기 채널이 자연 형성된 것이다.

Description

이차 전지 모듈 및 그 제조 방법{Secondary battery module and method for fabricating the same}
본 발명은 이차 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충방전이 가능한 다수 개의 단위 셀이 적층 배열되는 이차 전지 모듈에서, 직접 공냉식 냉각 구조에 의해 냉각을 실현할 때에 그 구조를 개선한 이차 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로서, 사용되는 외부 기기의 종류에 따라, 단일 셀의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위 셀들을 전기적으로 연결한 모듈의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 셀 1개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(Portable DVD), 소형 PC(personal computer), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 다수의 셀들을 포함하는 모듈의 사용이 요구된다. 모바일 기기, 전기차, 하이브리드 전기자동차, 전력저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지 모듈에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
이차 전지는 충·방전을 통해 오랜 기간 사용되므로 사용 기간뿐만 아니라 전지의 안정성이 큰 관심의 대상이다. 전지가 작동하는 동안 발생하는 열은 이차 전지의 온도를 상승시켜, 열을 효율적으로 냉각시키지 않으면 이차 전지의 수명이 짧아지고 오작동을 일으키는 등 안정성이 크게 저하되는 문제가 있어, 냉각은 이차 전지의 제작에 있어서 무엇보다 중요한 과제이다.
도 1은 종래 일반적인 이차 전지 단위 셀 제조 방법을 도시하고, 도 2는 이 방법에 따라 제조한 단위 셀의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 양극 탭(2)이 형성된 양극 포일(1)을 포함하는 양극 판과, 음극 탭(4)이 형성된 음극 포일(3)을 포함하는 음극 판 사이에 분리막(5)을 두고 적층하여 전극 조립체(6)를 형성한다.
도 2를 참조하면, 양극 탭(2)으로부터 양극 리드(2')를 인출하고, 음극 탭(4)으로부터 음극 리드(4')를 인출하며, 이 전극 조립체(6)를 알루미늄 파우치와 같은 케이스(7)에 밀봉하여 도 2와 같은 단위 셀(10)을 제조한다.
도 3은 이러한 단위 셀을 이용하여 제조한 이차 전지 모듈(50)의 단면도로서, 종래 일반적인 직접 공냉식 냉각 구조에 의한 이차 전지 모듈을 도시한다.
도 3을 참조하면 단위 셀(10)들 사이에 냉각 공기 채널(20)이 별도로 구성되어 있다. 이러한 냉각 공기 채널(20)은 비드(30)를 가진 셀 커버(40)를 두어 형성하는 것이다. 이와 같은 구성에서는 단위 셀(10)과 셀 커버(40) 사이에 접촉 저항이 발생되고 열방출 경로가 단위 셀(10) -> 셀 커버(40) -> 냉각 공기 채널(20)을 통해 흐르는 냉각 공기 순으로 길어져 냉각 효율에 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 셀과의 접촉 저항을 일으키는 셀 커버 등을 사용하지 않고 냉각 효율이 우수한 이차 전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은 두 개 이상의 단위 셀을 포함하고, 적어도 하나의 단위 셀은 요부와 철부를 포함하도록 굴곡진 모양이어서 상기 단위 셀의 적층에 의해 상기 단위 셀들 사이에 냉각 공기 채널이 자연 형성된 것이다.
일 실시예에 따르면, 상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 요부와 철부가 교대로 형성되고, 상기 요부 및 철부가 이웃하는 단위 셀에 교대로 밀착되어 있는 것일 수 있다.
상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 모두 요부와 철부가 교대로 형성되어 있고, 어느 하나의 단위 셀의 요부가 다른 단위 셀의 철부에 밀착되어 있는 것일 수 있다. 이 때, 상기 단위 셀들은 서로 이웃하는 단위 셀들이 대칭되는 구조로 배치될 수 있다.
상기 단위 셀은 세 개 이상이고 가운데에 배치된 단위 셀을 기준으로 상기 냉각 공기 채널이 서로 엇갈리게 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 굴곡진 모양의 단위 셀과 평평한 단위 셀이 교대로 적층될 수 있다.
적층된 상기 단위 셀들의 가장자리를 끼워 고정하는 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 전극 조립체 및 이를 수납하여 밀봉하는 케이스가 굴곡진 모양일 수 있다.
상기 단위 셀은 양극 리드와 음극 리드가 길이 방향으로 인출된 파우치형 이차 전지이고, 상기 요부와 철부는 상기 단위 셀의 폭 방향을 따라 길게 형성된 주름 모양이 상기 길이 방향을 따라 연속적으로 형성되어 있는 것일 수 있다. 이 때, 상기 주름 모양의 상기 길이 방향 단면은 사다리꼴, 직사각형 또는 호형일 수 있다.
본 발명에 따른 이차 전지 모듈 제조 방법은, 두 개 이상의 단위 셀을 적층하되, 적어도 하나의 단위 셀은 요부와 철부를 포함하도록 굴곡진 모양으로 제조하여, 상기 단위 셀의 적층에 의해 상기 단위 셀들 사이에 냉각 공기 채널이 자연 형성되도록 한 것이다.
상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 전극 조립체 및 이를 수납하여 밀봉하는 케이스가 굴곡진 모양이 되도록 포밍을 통해 요부와 철부를 교대로 형성하여 제조하는 것일 수 있다. 이 때, 상기 전극 조립체는 포밍한 포일에 전극 슬러리를 코팅하여 형성한 전극 판을 포함하는 것이거나, 포일에 전극 슬러리를 코팅한 후 포밍한 전극 판을 포함하는 것이거나, 포일에 전극 슬러리를 코팅한 전극 판과 분리막을 적층한 후 원하는 모양으로 지그 가압 포밍한 것일 수 있다.
상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 상기 전극 조립체의 굴곡진 모양에 맞게 포밍한 파우치 안에 상기 전극 조립체를 수납하여 밀봉하여 제조하는 것일 수도 있고, 포일에 전극 슬러리를 코팅한 전극 판과 분리막을 적층하여 제조한 전극 조립체를 파우치에 수납 밀봉한 후 원하는 모양으로 지그 가압 포밍하여 제조하는 것일 수도 있다.
본 발명에 따르면 단위 셀과의 접촉 저항을 유발하는 셀 커버를 이용하지 않을 뿐만 아니라, 별도의 방열판, 홀더 등에 의하지 않고 이차 전지 자체를 굴곡지게 제조하여 적층하면서 단위 셀들 사이에 자연적으로 냉각 공기 채널이 형성되도록 한다.
본 발명에 따르면, 직접 공냉 방식의 냉각 구조 구성시 냉각 공기 채널을 별도로 구성할 수 있는 설계를 가진 셀 커버 등이 필요하지 않아 접촉 저항의 문제가 없고, 조립이 간편할 뿐만 아니라 별도의 부품의 추가가 필요 없어 작업 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
그리고 본 발명에 따르면 열 방출 경로는 단위 셀 -> 냉각 공기이므로 종래에 비하여 열 방출 경로가 감소되어, 단위 셀의 본체에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 일반적인 이차 전지 단위 셀 제조 방법을 도시하고, 도 2는 이 방법에 따라 제조한 단위 셀의 단면도이다.
도 3은 도 2의 단위 셀을 이용하여 제조한 이차 전지 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 이차 전지 모듈에 포함되는 굴곡진 모양의 단위 셀을 제조하기 위해 양극 판과 음극 판을 포밍하는 부위를 도시한다.
도 7은 도 6과 같이 포밍한 전극 조립체의 단면도이고, 도 8은 이러한 전극 조립체를 포함하는 단위 셀의 단면도이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 이차 전지 모듈에 포함되는 다른 굴곡진 모양의 단위 셀의 단면도들이다.
도 11은 본 발명의 이차 전지 모듈 제조 방법 중 전극 판을 지그로 가압하여 형상을 만들어 내는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 이차 전지 모듈 제조 방법 중 전극 조립체와 별도로 파우치를 포밍하여 적용하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 12에서 포밍한 파우치를 이용해 굴곡진 모양의 단위 셀을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에서는 단위 셀 및 이차 전지 모듈의 길이 방향을 D1으로 표시하고 폭 방향을 D2라고 표시하며, 두께 방향을 D3라고 표시한다. 본 명세서에서 공기는 D2의 방향을 따라 진행하는 경우로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 D1 방향 단면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 D1 방향 단면도이다.
도 4를 참조하면 이차 전지 모듈(150)은 단위 셀(100)들을 포함한다. 이차 전지 모듈(150)은 두 개 이상, 즉 복수의 단위 셀(100)이 넓은 면들이 서로 대면하도록 적층된 상태로서, 단위 셀들(100)은 양극 및 음극 리드(102', 104')가 모두 동일한 방향에 배치되도록 D3 방향을 따라 적층된다. 도면에는 네 개의 단위 셀(100)을 도시하였으나, 단위 셀(100)은 두 개 이상이기만 하면 된다. 단위 셀(100)들은 회로적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결되며 추가의 보호회로 등을 접속함으로써 이차 전지 모듈(150)로 제조된다.
단위 셀(100)은 요부(100a)와 철부(100b)를 포함하도록 굴곡진 모양이어서, 단위 셀(100)의 D3 방향 적층에 의해 단위 셀(100)들 사이에 공간이 자연 형성되며 이것은 냉각 공기 채널(120)가 된다. 냉각 공기는 이 냉각 공기 채널(120)을 이동하면서 단위 셀(100)에서 발생하는 열을 냉각시킨다. 본 명세서에서 '자연 형성'이라는 것은 단위 셀이 가진 굴곡진 모양에 의해 공간이 형성된다는 것이고 이러한 공간 형성을 위하여 별도 설계된 셀 커버 등 일체의 구조물이 필요하지 않다는 것을 의미한다.
프레임(130)은 적층된 단위 셀(100)들의 가장자리를 끼워 고정한다. 프레임(130)은 단위 셀(100)들의 가장자리를 둘러싸는 틀 형상으로 제작될 수 있다. 프레임(130)이 단위 셀(100)들의 가장자리만 둘러싸므로 단위 셀(100)들의 본체 상면과 하면은 외부로 노출되어 방열 면적이 확보되고, 단위 셀(100)들 사이에 접촉 저항을 유발하는 다른 구성요소가 개재되지 않는 이점이 있다.
굴곡진 모양의 단위 셀(100)은 요부(100a)와 철부(100b)가 교대로 형성되고, 상기 요부(100a)와 철부(100b)가 이웃하는 단위 셀에 교대로 밀착되어 있다. 특히, 본 실시예에서 어느 하나의 단위 셀(100)의 요부(100a)가 다른 단위 셀(100)의 철부(100b)에 밀착되어 있고, 단위 셀(100)들은 서로 이웃하는 단위 셀(100)들이 대칭되는 구조로 배치되어 있다. 인접한 단위 셀(100)들 세 개를 놓고 보면, 가운데에 배치된 단위 셀(100)을 기준으로 냉각 공기 채널(120)는 서로 엇갈리게 형성되어 있다. 도 3에 도시한 종래기술에서는 냉각 공기 채널(20)이 상하로 나란히 형성되어 있어 비드(30)가 형성된 부분의 냉각이 어려운 점이 있다. 본 발명에서는 냉각 공기 채널(120)이 도 4와 같이 서로 엇갈리게 형성되면서 단위 셀(100) 본체 전면을 골고루 냉각시킬 수 있는 장점이 있다.
도 5를 참조하면, 이차 전지 모듈(250)은 단위 셀(100, 110)들을 포함한다. 도면에는 네 개의 단위 셀(100, 110)을 도시하였으나, 단위 셀(100, 110)은 두 개 이상이기만 하면 된다.
본 실시예에서는 굴곡진 모양의 단위 셀(100)과 평평한 단위 셀(110)이 교대로 적층되어 있다. 단위 셀(100)은 도 4를 참조하여 설명한 것처럼, 요부(100a)와 철부(100b)를 포함하도록 굴곡진 모양이고, 다른 단위셀(110)은 평평한 것이다. 이러한 두 종류의 단위 셀(100, 110)을 포함하면, 단위 셀(100, 110)의 적층에 의해 단위 셀(100, 110)들 사이에 냉각 공기 채널(220)가 자연 형성된다. 프레임(130)은 적층된 단위 셀(100, 110)들의 가장자리를 끼워 고정한다.
굴곡진 모양의 단위 셀(100)은 요부(100a)와 철부(100b)가 교대로 형성되고, 상기 요부(100a)와 철부(100b)가 이웃하는 단위 셀(110)에 교대로 밀착되어 있다. 단위 셀(100, 110)들 세 개를 놓고 보면, 가운데에 배치된 단위 셀(100)을 기준으로 냉각 공기 채널(220)는 서로 엇갈리게 형성되어 있다. 도 3에 도시한 종래기술에서는 냉각 공기 채널(20)가 상하로 나란히 형성되어 있어 비드(30)가 형성된 부분의 냉각이 어려운 점이 있다. 본 발명에서는 냉각 공기 채널(220)가 도 5와 같이 서로 엇갈리게 형성되면서 단위 셀(100, 110) 본체 전면을 골고루 냉각시킬 수 있는 장점이 있다.
굴곡진 모양의 단위 셀(100)은 전극 조립체 및 이를 수납하여 밀봉하는 케이스가 굴곡진 모양일 수 있다.
도 6 내지 도 8은 굴곡진 모양의 단위 셀(100)을 설명하기 위한 도면들로서, 도 6은 굴곡진 모양의 단위 셀(100)을 제조하기 위해 양극 판과 음극 판의 요부와 철부를 형성하기 위한 포밍 부위를 도시하고, 도 7은 포밍한 전극 조립체의 D1 방향 단면도이며, 도 8은 이러한 전극 조립체를 포함하는 단위 셀의 단면도이다.
먼저 도 6을 참조하면, 양극 탭(102)이 형성된 양극 포일(101)을 포함하는 양극 판과, 음극 탭(104)이 형성된 음극 포일(103)을 포함하는 음극 판이 도시되어 있다.
양극 포일(101)의 재질은 알루미늄이 주로 이용된다. 대안적으로, 양극 포일(101)은 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다. 나아가, 이차 전지의 화학적 변화를 야기하지 않고 높은 도전성을 갖는 재질이라면 양극 포일(101)로 사용하는데 제한이 없다.
양극 포일(101)의 일부 영역에는 양극 탭(102)이 구비되는데 양극 탭(102)은 양극 포일(101)이 연장되는 형태로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 양극 포일(101)의 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접 등을 통하여 접합하는 형태로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 양극 재료를 양극 포일(101) 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하여 양극 탭(102)을 형성하여도 무방하다.
양극 포일(101)에 대응되는 음극 포일(103)은 주로 구리 재질이 이용된다. 대안적으로, 음극 포일(103)은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
음극 포일(103) 또한 일부 영역에 음극 탭(104)이 구비되며, 앞서 설명된 양극 탭(102)과 같이 음극 포일(103)에서 연장되는 형태로 구현될 수 있음은 물론, 음극 포일(103) 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접하는 등의 방법으로 접합할 수도 있으며, 음극 재료를 음극 포일(103) 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하는 방식 등으로 형성하는 것도 가능하다.
양극 포일(101)과 음극 포일(103)에는 각각 양극 활물질과 음극 활물질이 코팅되어 있다. 일 예로, 양극 활물질은 리튬 계열의 활물질이고, 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li1 + zNi1 -x- yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤z≤1, M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 음극 활물질은 탄소 계열의 활물질이고, 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다. 양극 활물질과 음극 활물질의 종류와 화학적 조성은 이차 전지의 종류에 따라 얼마든지 달라질 수 있으므로 상기에서 열거한 구체적인 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 종래의 단위 셀과 다르게, 본 발명의 이차 전지 모듈에 포함되는 단위 셀(100)은 도 6과 같이 포밍된다. 포밍은 단위 셀(100)의 폭 방향인 D2 방향을 따라 길게 형성된 주름 모양이 요부와 철부를 구성하면서 길이 방향인 D1 방향을 따라 연속적으로 형성되도록 실시한다.
다음, 도 7에서와 같이 분리막(105)을 사이에 두고 양극 판과 음극 판을 적층하여 전극 조립체(106)를 형성한다.
분리막(105)은 다공성 재질을 가진 것이라면 특별히 제한이 없다. 분리막(105)은 다공성이 있는 고분자막, 예컨대 다공성 폴리올레핀막, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌, 부직포막, 다공성 웹(web) 구조를 가진 막 또는 이들의 혼합체 등으로 이루어질 수 있다.
분리막(105)은 따로 포밍을 하지 않더라도 포밍된 양극 포일(101)과 음극 포일(103)의 요부 및 철부 사이에서 그 모양에 맞게 변형이 될 수 있다.
양극 탭(102)으로부터 양극 리드(102')를 인출하고, 음극 탭(104)으로부터 음극 리드(104')를 인출하며, 이 전극 조립체(106)를 알루미늄 파우치와 같은 케이스(107)에 밀봉하여 도 8과 같은 굴곡진 모양의 단위 셀(100)을 제조할 수 있다. 케이스(107) 역시 양극 판과 음극 판의 요부 및 철부에 따라 포밍이 되어 있어, 단위 셀(100)은 요부(100a)와 철부(100b)가 교대로 형성된 모양이 된다.
도 7 및 도 8에서, 단위 셀(100)의 요부(100a)와 철부(100b)로 이루어진 주름 모양의 길이 방향 D1 단면은 사다리꼴인 경우를 도시하였으나, 도 9와 같이 주름 모양의 길이 방향 D1 단면이 직사각형인 단위 셀(100') 또는 도 10과 같이 주름 모양의 길이 방향 D1 단면이 호형인 단위 셀(100")도 굴곡진 모양의 단위 셀로 이용할 수 있다.
주름 모양의 길이 방향 D1 단면이 사다리꼴인 단위 셀(100)을 이용하는 이차 전지 모듈(150)은 도 4에서와 같이 단면이 사다리꼴인 주름 모양이 만나 단면이 육각형인 냉각 공기 채널(120)를 형성하게 되며, 이러한 단위 셀(100)과 평평한 단위 셀(110)을 이용하는 다른 이차 전지 모듈(250)은 도 5에서와 같이 단면이 사다리꼴인 주름 모양이 평평한 면과 만나 단면이 사다리꼴인 냉각 공기 채널(220)를 형성하게 된다.
이러한 실시예들과 비슷한 방식으로 단위 셀(100', 100")들을 적층한다면, 주름 모양의 길이 방향 D1 단면이 직사각형인 단위 셀(100')을 이용한 이차 전지 모듈은 단면이 직사각형인 냉각 공기 채널을 형성할 것이고, 주름 모양의 길이 방향 D1 단면이 호형인 단위 셀(100")을 이용한 이차 전지 모듈은 단면이 타원형이나 원형인 냉각 공기 채널을 형성할 것이다.
이상 여러가지 모양의 주름 모양이나 냉각 공기 채널에 대하여 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이들은 여기 예시한 것들 이외에도 여러 가지 다양한 형태의 단면 구조로 이루어질 수 있다. 되도록이면 요철이 발생하는 부위에 응력 집중이 되지 않도록 주름 모양을 설계할 필요가 있다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 단위 셀들(100, 110)이 적층될 때, 굴곡진 모양의 단위 셀(100)의 요부(100a)와 철부(100b)는 이웃하는 단위 셀들(100, 110) 사이에 공간, 즉 냉각 공기 채널(120, 220)을 만들어준다. 요부(100a)와 철부(100b)간 높이차가 클수록 다시 말해 굴곡의 정도가 심할수록 냉각 공기 채널(120, 220)의 높이가 커지고, 요부(100a)와 철부(100b)간 높이차가 작을수록 다시 말해 굴곡의 정도가 적을수록 냉각 공기 채널(120, 220)의 높이가 작아진다. 또한, 요부(100a)와 철부(100b) 개수에 따라 냉각 공기 채널(120, 220) 개수가 정해지며, 요부(100a)와 철부(100b) 각각의 크기 조절을 통해 냉각 공기 채널(120, 220) 가로 길이가 변경될 수 있다. 이러한 설계 요소들을 고려하면, 이차 전지 모듈(150, 250)의 부피는 작게 하면서 충분한 냉각 효율을 가지는 냉각 공기 채널(120, 220)의 모양, 개수, 단면적 등을 설계할 수 있다.
이차 전지 모듈(150, 250)은 이차 전지 모듈(150, 250)을 냉각시키기 위한 공기 이동을 안내하는 유입 가이드부(미도시) 및 배출 가이드부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 유입 가이드부는 냉각 공기 채널(120, 220)의 일측과 연통되고, 배출 가이드부는 냉각 공기 채널(120, 220)의 타측과 연통된다. 유입 가이드부는 냉각 공기 채널(120, 220)로 외부의 차가운 공기의 유입을 안내하고, 배출 가이드부는 냉각 공기 채널(120, 220)를 이동한 공기가 이차 전지 모듈(150, 250) 외측으로 배출되도록 안내한다.
냉각팬(미도시)이 유입 가이드부와 인접하게 구비될 수 있다. 냉각팬은 이차 전지 모듈(150, 250)의 내부로 유입되는 공기에 구동력을 제공한다.
유입 가이드부와 배출 가이드부는 이차 전지 모듈(150, 250)의 폭 방향인 D2 방향 양쪽 측부에 각각 구비될 수 있다. 따라서 도 4 및 도 5에서 예를 들어 지면 위쪽으로는 유입 가이드부가 구비되고 지면 아래쪽으로는 배출 가이드부가 구비될 수 있는 것이다. 이렇게 유입 가이드부가 배출 가이드부의 반대편에 구비되는 경우에 이차 전지 모듈(150, 250)을 통과하는 공기는 냉각 공기 채널(120, 220)를 따라 D2 방향 직선 경로를 따라 이동하게 된다. 따라서, 유입 가이드부를 통해 유입된 공기는 경로에 관계없이 동일한 거리를 이동하고, 일정한 속도를 유지할 수 있다. 만약 공기가 곡선 경로를 따라 이동한다면, 곡선 경로 중 굽이치는 부분에서 경로의 차이로 인해 속도가 줄어들거나 국소적으로 공기가 이동하지 못하고 정체되는 구간이 형성될 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따르면 공기가 직선 경로를 따라 이동하므로 속도가 줄어들거나 이차 전지 모듈(150, 250)의 내부에서 공기가 이동하지 않고 정체되는 구간이 발생하지 않는다.
공기는 냉각 공기 채널(120, 220)을 이동하면서 서로 인접하게 적층된 단위 셀(100, 110)의 본체에서 발생한 열을 냉각한다. 비드(30)를 포함하는 종래기술과 달리 서로 이웃한 단위 셀들(100, 110) 사이에 단위 셀들의 굴곡진 모양에 의해 냉각 공기 채널(120, 220)가 자연 형성되므로, 냉각 공기 채널(120, 220)를 통과하는 공기는 상부 단위 셀(100 또는 110)의 하면 및 하부 단위 셀(100)의 상면과 직접 접촉하게 된다. 공기는 이렇게 단위 셀들(100, 110)과 직접 접촉을 통해 단위 셀들(100, 110)에서 발생한 열을 흡수한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 이차 전지 모듈에 따르면 단위 셀과의 접촉 저항을 유발하는 셀 커버를 이용하지 않을 뿐만 아니라, 별도의 방열판, 홀더 등에 의하지 않고 이차 전지 자체를 굴곡지게 제조하여 적층하면서 자연적으로 냉각 공기 채널이 형성되도록 한다. 셀 커버 등이 필요하지 않아 접촉 저항의 문제가 없고, 조립이 간편할 뿐만 아니라 별도의 부품의 추가가 필요 없어 작업 시간 및 비용을 절감할 수 있다. 그리고 열 방출 경로는 단위 셀(100 또는 110) -> 냉각 공기 채널(120, 220)을 통해 흐르는 냉각 공기이므로, 종래에 비하여 열 방출 경로가 감소되어 냉각 효율이 증가된다.
이와 같이 본 발명에 따르면 열 방출 경로 단축 및 접촉저항 제거로 인해 냉각 성능이 향상되고, 셀 커버 미사용에 따라 이차 전지 모듈 제작 비용이 감소될 수 있는 효과가 있다.
앞의 실시예들에서 단위 셀(100, 110)은 양극 리드(102')와 음극 리드(104')가 길이 방향(D1) 한쪽으로만 인출되고 알루미늄 라미네이트 시트 등의 파우치형 케이스(107)에 수납된, 단방향 파우치형 이차 전지의 예를 들어 설명하였으나, 단위 셀들 중 적어도 하나가 굴곡진 모양이기만 하면, 단위 셀의 종류에 구애받지 않는다. 다만 굴곡진 모양의 단위 셀 제조 공정 편의성을 고려하는 경우, 예로 든 바와 같은 파우치형 이차 전지가 캔형이나 각형과 같은 강성 케이스의 이차 전지보다는 선호된다. 파우치형 케이스(107)는 수지층, 알루미늄 금속박층, 수지층의 라미네이트 구조이므로 유연하고 가공이 쉽다. 그리고 양극 리드와 음극 리드가 길이 방향 양쪽으로 서로 반대 방향으로 인출되는 양방향 파우치형 이차 전지의 경우도 본 발명에 따른 이차 전지 모듈의 단위 셀로 이용할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은, 본 발명에 따른 이차 전지 모듈은, 두 개 이상의 단위 셀을 적층하되, 적어도 하나의 단위 셀은 요부와 철부를 포함하도록 굴곡진 모양으로 제조하여, 상기 단위 셀의 적층에 의해 상기 단위 셀들 사이에 냉각 공기 채널이 자연 형성되도록 하여 제조할 수 있다.
이 때, 굴곡진 모양의 단위 셀은 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 전극 조립체 및 이를 수납하여 밀봉하는 케이스가 굴곡진 모양이 되도록 포밍을 통해 요부와 철부를 교대로 형성하여 제조하는 것일 수 있다. 이 때, 다음의 여러 가지 방법을 통해 포밍을 할 수 있다.
먼저, 도 6에 도시한 것과 같은 양극 포일(101)과 음극 포일(103)을 먼저 포밍한 후에 각각의 전극 슬러리를 코팅하여 전극 판을 형성한 다음, 이를 이용해 도 7과 같은 전극 조립체(106)를 제조하는 방법이 가능하다. 이 방법에서는 전극 슬러리가 포밍으로 경사가 생긴 포일 면을 따라 중력에 의해 흘러 내리지 않도록 전극 슬러리의 점도, 도포량, 및 건조 속도 등을 고려해야 하고, 요부와 철부에 코팅의 균일성을 확보할 수 있도록 해야 한다.
다음으로, 양극 포일(101)과 음극 포일(103)에 각각의 전극 슬러리를 코팅한 후에 포밍하고 이러한 전극 판을 원하는 모양으로 지그로 가압하여 형상을 만들어 내는 방법도 가능하다. 도 11은 이러한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 양극 포일(101)과 음극 포일(103)에 각각의 전극 슬러리를 코팅하고 코팅이 되지 않은 무지부와 연결된 양극 탭(102) 및 음극 탭(104)을 형성하고, 두 장의 전극 판 사이에 분리막(105)을 적층한 바이 셀(bi cell) 단위로 제조 후, 원하는 모양으로 마련한 지그(G)를 이용해 가압 포밍하여, 도 7에도 도시한 바와 같은 전극 조립체(106)를 만든다. 전극을 굴곡지게 형성하는 포밍에도 전극 특성이 떨어지지 않도록, 포밍 시간이나 가압 조건을 결정하는 것이 바람직하다. 포밍 시간을 빠르게 하는 것보다는 지그(G)를 아주 서서히 움직이며 시간을 길게 가져가는 것이 전극 손상이 적다. 양극 탭(102)으로부터 양극 리드를 인출하고, 음극 탭(104)으로부터 음극 리드를 인출할 수도 있는데 리드는 전극의 포밍 전이나 포밍 후에 형성할 수 있다.
특히 이와 같이 나중에 포밍을 하는 방법에서는, 양극 판과 음극 판의 적층 방식이외에도 폴딩이나 권취형으로 제조 후 납작하게 누른 전극 조립체에 대하여도 굴곡진 모양을 가공할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이 마련된 전극 조립체(106)는 전극 조립체(106)의 굴곡진 모양에 맞게 포밍한 파우치 안에 수납하여 열융착 등의 방법으로 밀봉함으로써 굴곡진 모양의 단위 셀로 제조된다.
도 12는 전극 조립체와 별도로 파우치를 포밍하여 적용하는 경우를 설명하기 위한 도면이다. 원하는 형상의 지그(G')를 마련하고 파우치 제조를 위한 알루미늄 라미네이트 시트(F)를 사이에 두어 적당한 가압 조건과 가압 시간 동안 가압을 하여 포밍된 파우치(F')를 얻는다. 필요시 가압하는 동안 가열하는 것도 수반할 수 있다.
다음, 포밍된 파우치(F') 한 쪽에 전극 조립체(106)를 두고, 가운데 폴딩 라인을 접어 올린 후 접어진 면을 제외한 나머지 세 변(단위 셀의 전극 리드가 인출되는 변과 그 이웃하는 두 변)을 도 13에서와 같이 열융착 실링하면 도 8에 도시한 바와 같은 단위 셀(100)을 제조할 수 있다. 도 13에서는 도시의 편의를 위하여 폴딩라인 부분을 확장하여 도시하였다. 필요시 폴딩라인 부분에도 열융착 실링을 할 수 있다.
이상 설명한 방법과 달리, 포밍하지 않은 전극 조립체를 파우치에 수납 밀봉까지 하여 도 2에서와 같은 일반적인 종래의 평평한 이차 전지를 제조한 후에, 이를 원하는 모양, 예컨대 도 11과 같은 지그(G)를 이용해 가압 포밍하여, 굴곡진 모양의 단위 셀을 제조할 수도 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100, 100', 100", 110: 단위 셀 100a: 요부
100b: 철부 101: 양극 포일
102: 양극 탭 102': 양극 리드
103: 음극 포일 104: 음극 탭
104': 음극 리드 105: 분리막
106: 전극 조립체 107: 케이스
120, 220: 냉각 공기 채널 150, 250: 이차 전지 모듈

Claims (17)

  1. 두 개 이상의 단위 셀을 포함하고, 적어도 하나의 단위 셀은 요부와 철부를 포함하도록 굴곡진 모양이어서 상기 단위 셀의 적층에 의해 상기 단위 셀들 사이에 냉각 공기 채널이 자연 형성되고,
    상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 요부와 철부가 교대로 형성되고, 상기 요부 및 철부가 이웃하는 단위 셀에 교대로 밀착되어 있으며,
    상기 단위 셀은 양극 리드와 음극 리드가 길이 방향으로 인출된 파우치형 이차 전지이고, 상기 요부와 철부는 상기 단위 셀의 폭 방향을 따라 길게 형성된 주름 모양이 상기 길이 방향을 따라 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 모두 요부와 철부가 교대로 형성되어 있고, 어느 하나의 단위 셀의 요부가 다른 단위 셀의 철부에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단위 셀들은 서로 이웃하는 단위 셀들이 대칭되는 구조로 배치된 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀은 세 개 이상이고 가운데에 배치된 단위 셀을 기준으로 상기 냉각 공기 채널이 서로 엇갈리게 형성되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 굴곡진 모양의 단위 셀과 평평한 단위 셀이 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 적층된 상기 단위 셀들의 가장자리를 끼워 고정하는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 전극 조립체 및 이를 수납하여 밀봉하는 케이스가 굴곡진 모양인 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 주름 모양의 상기 길이 방향 단면은 사다리꼴, 직사각형 또는 호형인 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈.
  11. 두 개 이상의 단위 셀을 적층하되, 적어도 하나의 단위 셀은 요부와 철부를 포함하도록 굴곡진 모양으로 제조하여, 상기 단위 셀의 적층에 의해 상기 단위 셀들 사이에 냉각 공기 채널이 자연 형성되도록 하여 제1항 기재의 이차 전지 모듈을 제조하는 이차 전지 모듈 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 전극 조립체 및 이를 수납하여 밀봉하는 케이스가 굴곡진 모양이 되도록 포밍을 통해 요부와 철부를 교대로 형성하여 제조하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전극 조립체는 포밍한 포일에 전극 슬러리를 코팅하여 형성한 전극 판을 포함하는 것임을 특징으로 하는 이차 전지 모듈 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 전극 조립체는 포일에 전극 슬러리를 코팅한 후 포밍한 전극 판을 포함하는 것임을 특징으로 하는 이차 전지 모듈 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 전극 조립체는 포일에 전극 슬러리를 코팅한 전극 판과 분리막을 적층한 후 원하는 모양으로 지그 가압 포밍한 것임을 특징으로 하는 이차 전지 모듈 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 상기 전극 조립체의 굴곡진 모양에 맞게 포밍한 파우치 안에 상기 전극 조립체를 수납하여 밀봉하여 제조하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 굴곡진 모양의 단위 셀은 포일에 전극 슬러리를 코팅한 전극 판과 분리막을 적층하여 제조한 전극 조립체를 파우치에 수납 밀봉한 후 원하는 모양으로 지그 가압 포밍하여 제조하는 것을 특징으로 하는 이차 전지 모듈 제조 방법.
KR1020160070298A 2016-06-07 2016-06-07 이차 전지 모듈 및 그 제조 방법 KR102188064B1 (ko)

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