KR102415724B1 - 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 전지셀들이 서로 중첩되도록 배열된 상태로 직렬 연결 회로를 구성한 셀 배열체를 포함하고; 전지셀들 중, 두 개의 전지셀들은 각각, 상기 직렬 연결 회로에 전기적으로 접속되는 회로 카트리지에 장착되어 있으며, 상기 전지셀의 팽창에 대응하여 변형된 회로 카트리지들이 서로 통전되면, 직렬 연결 회로에 과전류가 형성되면서 회로의 일부가 단락 되는 전지모듈을 제공한다.

Description

전지모듈 {Battery Module}
본 발명은 전지모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, PDA, 노트북 등의 모바일, 와이어리스 전자기기뿐만 아니라 전기자전거(E-bike), 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 모으고 있다.
휴대폰, 카메라 등의 소형 디바이스에는 하나의 전지셀이 팩킹되어 있는 소형 전지팩이 사용됨에 반하여, 노트북, 전기자동차 등의 중대형 디바이스에는 둘 또는 그 이상의 전지셀들(이하에서는, "멀티-셀"로 칭하기도 함)을 병렬 및/또는 직렬로 연결하여 모듈화된 중형 또는 대형의 전지모듈이 사용되고 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 리튬 이차전지는 우수한 전기적 특성을 가지고 있음에 반해 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 리튬 이차전지는 과충전, 과방전, 고온에의 노출, 전기적 단락 등 비정상적인 작동상태에서 전지 구성요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스가 발생하고 이로 인해 초래된 고온 고압의 조건은 상기 분해반응을 더욱 촉진하여 급기야 발화 또는 폭발을 초래하기도 한다.
리튬 이차전지의 안전성 문제는 멀티-셀 구조의 중대형 전지모듈에서 더욱 심각하다. 멀티-셀 구조의 전지모듈에서는 다수의 전지셀들이 사용됨으로 인해 일부 전지셀에서의 작동 이상은 다른 전지셀들로 연쇄반응을 유발할 수 있고 그로 인한 발화 및 폭발은 자칫 대형 사고를 초래할 수 있기 때문이다. 따라서, 중대형 전지모듈에는 과방전, 과충전, 과전류 등으로부터 전지 셀을 보호하기 위한 BMS (Battery Management System) 등의 안전 시스템이 구비되어 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 종래의 전지모듈의 회로 모식도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래의 전지모듈(100)은 다수의 전지셀들을 포함하고 있으며, 각 셀들의 작동 상태에 대한 정보를 검출하여 이를 제어하는 BMS(60), BMS(60)의 작동 명령에 의해 전지모듈(100)과 외부 입출력 회로(인버터: 80)의 연결을 개폐하는 전원 개폐부(릴레이: 70) 등으로 구성되어 있다.
BMS(60)는 전지모듈(100)의 정상적인 작동 조건에서 전원 개폐부(70)를 온(on) 상태로 유지하고, 이상이 감지되었을 때 오프(off) 상태로 전환시켜 전지모듈(100)의 충방전을 중지시킨다. 반면에, BMS(60)의 오작동 또는 미 작동시, BMS(60)로부터 어떠한 제어도 이루어지지 않으므로, 전원 개폐부(70)는 계속적으로 온(on) 상태로 유지되어, 비정상적인 작동 상태에서도 전지모듈(100)은 계속적으로 충방전이 이루어진다.
그러나, 상기와 같은 능동 컨트롤러를 사용하는 경우, 외부에서 BMS에 전기를 공급해줘야 하기 때문에, BMS에 전기가 공급되지 않는 상태가 발생하였을 때, BMS가 전지모듈을 보호하지 못하는 문제점이 발생하게 된다. 즉, 상기 능동 컨트롤러 시스템 방식은 전지의 충전상태를 확인하고 전기 신호로 제어하는 역할을 하지만, 반드시 전원 공급을 필요로 하기 때문에 전원 공급에 문제가 발생할 경우에 대한 근본적인 해결 방법이 될 수 없다.
BMS와는 별도로, 전지셀의 이상 상태에서 전지모듈의 안전성을 근본적으로 담보할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 과전압으로 전지셀이 팽창하는 이상 상태에서, BMS와는 별도로, 전지셀들의 전기적 연결 회로를 파단 시키도록 구성되어 있는 회로 카트리지를 포함하는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
복수의 전지셀들이 서로 중첩되도록 배열된 상태로 직렬 연결 회로를 구성한 셀 배열체를 포함하고;
전지셀들 중, 두 개의 전지셀들은 각각, 상기 직렬 연결 회로에 전기적으로 접속되는 회로 카트리지에 장착되어 있으며,
상기 전지셀의 팽창에 대응하여 변형된 회로 카트리지들이 서로 통전되면, 직렬 연결 회로에 과전류가 형성되면서 회로의 일부가 단락 되는 것을 특징으로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 다수의 전지셀이 연결된 전지모듈에서는 BMS가 전원 공급부의 작동 상태를 감지하여 그것의 충방전을 제어함으로써 안전성을 확보하는 구조로 이루어져 있는 바, 전기의 공급 차단으로 인해 BMS가 미작동하게 되는 경우, 전원 공급부의 충방전을 제어할 수 없게 되는 문제점이 있었다.
이와는 달리, 본 발명에 따른 전지모듈은 BMS에 대해 독립적으로 작동하는 회로 카트리지들을 포함하고 있으므로, 전원 공급에 이상이 발생되더라도 회로 카트리지가 전지셀들의 부피 팽창에 대응하여 셀 배열체의 전기적 연결 회로를 단전시킴으로써 상기 연결 회로를 통해 과전류 또는 과전압이 외부로 통전되는 것을 방지할 수 있고, 결과적으로 전지모듈 전반의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 회로 카트리지는 별도의 전원을 필요로 하지 않기 때문에 전기적 신호에 의한 오작동 가능성이 전혀 없고 전원 공급 불가로 인한 작동 불능의 가능성이 없으므로 신뢰성이 매우 높다.
이하에서는 비 제한적이 예들을 통해, 회로 카트리지의 구조와 작동 원리를 상세하게 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 셀 배열체는 n개(n≥5)의 전지셀들이 순차적으로 인접한 적층 상태로 직렬 연결된 구조이고;
상기 회로 카트리지들은 제 n 전지셀의 제 1 극성 단자에 전기적으로 연결된 상태에서 제 n-1 전지셀을 장착하고 있는 제 1 카트리지, 및
제 1 극성과 반대 극성인 제 1 전지셀의 제 2 극성 단자에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제 1 카트리지와 대면하는 위치에서 제 n-2 전지셀을 장착하고 있는 제 2 카트리지를 포함하며;
상기 제 1 카트리지와 제 2 카트리지가 접촉되면, 제 1 극성 단자와 제 2 극성 단자가 서로 통전되면서 과전류가 형성되도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제 1 극성 단자는 외부 입출력 단자일 수 있으며, 그것에는 과전류에 대해 파단의 용이성을 위한 적어도 하나의 노치가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 제 1 카트리지와 제 2 카트리지가 접촉되어 과전류가 통전되면, 상기 노치가 용융 파단 되면서, 제 1 극성 단자를 통한 외부와의 전기적 연결이 단락 될 수 있다. 이와 동시에, 과전류가 통전될 때 상기 노치가 파단 됨에 따라, 제 1 극성 단자와 제 1 카트리지와의 전기적 연결이 단락 될 수 있으며, 이 상태에서는 제 1 극성 단자와 제 2 극성 단자 간 전류 통전이 불가능하기 때문에, 과전류가 상기 직렬 연결 회로에 계속해서 통전되는 것은 방지될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 제 1 카트리지와 제 2 카트리지는 각각,
전지셀의 외주를 따라 고정시키는 전기 절연성의 중공형의 프레임; 및
상기 프레임의 내주면에 결합되어 있고, 전지셀이 프레임에 장착된 상태에서, 그것의 제 1 면이 전지셀에 접촉하고 대향면인 제 2 면이 외부로 노출되어 있는 전기 전도성의 금속 박판;을 포함할 수 있고,
상기 제 1, 제 2 카트리지들의 금속 박판의 제 2 면들이 서로 대면한 상태에서, 제 1, 제 2 카트리지들의 프레임들이 서로 중첩된 형태로 적층되어 있을 수 있다.
이러한 구조에서는, 전지셀이 팽창할 때, 금속 박판이 제 1 면에서 제 2 면 방향으로 만곡되며, 이에 따라, 만곡된 제 1 카트리지와 제 2 카트리지의 금속 박판이 접촉될 수 있고, 이 상태에서 이들에 연결된 제 1 극성 단자와 제 2 극성 단자가 사이에 과전류가 통전될 수 있다.
경우에 따라서는 상기 금속 박판에 복수의 노치들로 구성된 파쇄 선이 형성되어 있을 수 있으며, 이 구조에서는 전지셀의 팽창할 때, 금속 박판이 제 1 면에서 제 2 면 방향으로 만곡되면서 그것의 일부가 상기 파쇄 선을 따라 파단되고;
파단된 금속 박판의 일부가 인접한 금속 박판에 접촉된 상태에서 이들에 연결된 제 1 극성 단자와 제 2 극성 단자가 사이에 과전류가 통전될 수 있다.
금속 박판의 특징은, 제 1 면이 전지셀에 접촉하고 있는 바, 전지셀의 열을 제 1 면을 통해 전도 받고, 제 2 면을 따라 유동하는 공기와의 열교환에 의해 전지셀의 열을 간접적으로 방열할 수 있는 점이다. 즉, 전지셀이 팽창하지 않는 정상적인 상태에서는 금속 박판이 방열 판의 기능을 가질 수 있다.
따라서, 금속 박판의 제 2 면으로 공기가 유입될 수 있도록, 프레임의 일부에는 하나 이상의 그루브들이 형성되어 있을 수 있다.
제 1, 제 2 카트리지들의 프레임들이 서로 중첩된 형태로 적층된 상태에서, 각 카트리지들의 금속 박판들의 제 2 면들이 서로 대면하되 이격되어 있으므로, 이들 사이에 공간이 형성되며, 상기 프레임에 형성된 그루브들을 통해 공기가 공간으로 유통될 수 있다.
금속 박판들은 또한, 전지셀의 팽창 시, 서로 접촉하여 통전되는 구성으로서, 각각은 제 1 극성 단자와 제 2 극성 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 금속 박판은 외향 돌출된 형태의 연결 탭을 포함하고, 제 1 카트리지의 연결 탭이 제 1 극성 단자에 전기적으로 연결되며, 제 2 카트리지의 연결 탭이 제 2 극성 단자에 전기적으로 연결될 수 있으며,
상기 프레임은, 장방형을 이루는 네 개의 측벽들이 서로 연결되어 있는 구조이며, 전지셀의 극성 단자와 상기 연결 탭이 위치하는 측벽의 일부가 만입된 형태의 탭 도출부들을 포함할 수 있다.
상기 탭 도출부들은,
극성 단자가 장착되며, 그것을 통해 극성 단자가 외향으로 도출되는 제 1 도출부; 및
연결 탭이 장착되며, 그것을 통해 극성 단자가 외향을 도출되는 제 2 도출부를 포함하며,
제 1 도출부를 기준으로, 제 2 도출부가 일측으로 편향된 위치에서 프레임에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 제 1 도출부는, 서로 평행하게 위치하는 한 쌍의 측벽들에 각각 형성되어 있고;
상기 제 2 도출부는, 상기 한 쌍의 측벽들 중 하나에서 제 1 도출부에 대해 좌측 또는 우측으로 편향된 위치에서 형성되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 제 1 도출부와 제 2 도출부는 각각, 측벽의 서로 다른 단부에 형성될 수 있다. 즉, 측벽을 정면에서 바라볼 때를 기준으로, 제 2 도출부가 제 1 도출부에 대해 측면 방향과 상하 방향으로 편향되게 위치에 되며, 이에 따라 각 도출부를 통해 도출된 연결 탭과 극성 단자가 서로 간섭되지 않을 수 있다.
이와는 달리, 상기 제 1 도출부와 제 2 도출부 모두, 측벽의 동일한 단부에서 이격된 상태로 함께 형성될 수 있으며, 이러한 구조는 측벽을 정면에서 바라볼 때를 기준으로, 제 2 도출부가 제 1 도출부에 대해 측면 방향으로는 편향되게 위치 하지만, 측벽의 동일 선상에서 함께 위치한다.
상기 금속 박판은 전지셀의 팽창에 대응하여 변형되기 용이하되, 쉽게 찢어지지 않는 두께로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 0.01 밀리미터 내지 1 밀리미터일 수 있다. 본 발명의 발명자들이 확인한 바에 따르면, 금속 박판이 0.01 밀리미터 미만의 두께를 가질 때, 충격이나 진동 등의 외력의 인가 시 찢어지면서, 정상 상태임에도 불구하고 파단을 유발할 수 있음을 확인하였다. 반면, 1 밀리미터의 초과 두께에서는 파단을 유발할 만큼 변형되기 까지 상당한 시간이 소요된 바, 바람직하지 않다.
이를 고려할 때, 금속 박판의 두께는 0.1 밀리미터 내지 1 밀리미터가 더욱 바람직할 수 있고, 0.5 밀리미터 내지 1 밀리미터가 보다 바람직할 수 있다.
상기 금속 박판은 또한, 과전류의 통전 시, 용융되지 않도록 용융점이 상대적으로 높되, 전지셀의 열을 전도 받아 방열이 가능하도록, 열전도성도 높은 소재로 이루어질 수 있고, 상게하게는 단일 금속 또는 이종 이상의 금속 합금일 수 있으며, 더욱 상세하게는 은, 금, 니켈, 니오브, 크롬, 구리, 알루미늄에서 선택되는 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 고분자 소재가 적절이 사용될 수도 있다.
한편 본 발명에서 상기 전지셀은, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체와 전해액이 내장된 상태에서, 전지케이스의 외주를 따라 열융착 밀봉된 구조의 판상형 전지셀일 수 있다.
전지셀은, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬 이온(Li-ion) 이차전지, 리튬 폴리머(Li-polymer) 이차전지, 또는 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 이차전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 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 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체 및 연장 집전부는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체 및 연장 집전부는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
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 집전체는 일반적으로 3 내지 500 마이크로미터의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 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 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로미터다. 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.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수계 전해액일 수 있고, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 비수 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 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, 비수 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 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈 및 BMS (Battery Management System)를 포함하는 전지팩을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 BMS에 대해 독립적으로 작동하는 회로 카트리지들을 포함하고 있으므로, 전원 공급에 이상이 발생되더라도 회로 카트리지가 전지셀들의 부피 팽창에 대응하여 셀 배열체의 전기적 연결 회로를 단전시킴으로써 상기 연결 회로를 통해 과전류 또는 과전압이 외부로 통전되는 것을 방지할 수 있고, 결과적으로 전지모듈 전반의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 회로 카트리지는 별도의 전원을 필요로 하지 않기 때문에 전기적 신호에 의한 오작동 가능성이 전혀 없고 전원 공급 불가로 인한 작동 불능의 가능성이 없으므로 신뢰성이 매우 높다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지모듈의 회로이다;
도 2 및 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 모식도들이다;
도 4는 회로 카트리지와 전지셀의 배열을 모식적으로 도시한 분해도이다;
도 5는 프레임의 측벽들 중 하나의 평면을 모식적으로 도시한 평면도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회로 카트리지의 모식도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 카트리지와 전지셀들의 장착 구조에 대한 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로 본 기재가 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 2와 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 모식도가 도시되어 있다. 또한 도 4에는 회로 카트리지와 전지셀의 배열 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 함께 참조하면, 전지모듈(200)은 다섯 개의 전지셀들(201, 202, 203, 204, 205)을 포함하며, 제 1 전지셀(201)로부터 제 5 전지셀(205)까지, 지면에 대해 수직 방향으로 적층된 구조의 셀 배열체를 형성하고 있다.
또한, 제 1 전지셀(201)로부터 제 5 전지셀(205)까지 직렬로 연결되어 있어, 전지모듈(200)의 셀 배열체는 하나의 직렬 연결 회로를 형성하고 있다. 여기서, 각 전지셀들은 양극성의 제 1 극성 단자(1)와 음극성의 제 2 극성 단자(2)를 포함하며, 각 극성 단자가 전지셀의 양단에서 각각 돌출된 판상형 전지셀이다.
참고로, 도 2와 도 3에서는 제 1 극성 단자(1) 각각을 직선으로 도시하였고, 제 2 극성 단자(2)를 점선으로 도시하여 서로를 구분하였다.
따라서, 제 1 전지셀(201)로부터 제 5 전지셀(205)까지 제 1 극성 단자(1)와 제 2 극성 단자(2)가 교번 배열되면서 인접한 반대 극성 단자와 연결되며, 이에 따라 하나의 직렬 연결 회로가 형성된다.
여기서, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 제 5 전지셀(205)의 제 1 극성 단자(1)에는 회로 카트리지(제 1 카트리지; 301)가 전기적으로 연결되어 있으며, 제 2 극성 단자(2)에는 또 다른 회로 카트리지(제 2 카트리지; 302)가 전기적으로 연결되어 있다.
이와 관련하여, 셀 배열체중, 제 4 전지셀(204)은 회로 카트리지인 제 1 카트리지(301)에 장착되어 있다. 제 3 전지셀(203)은 회로 카트리지인 제 2 카트리지(302)에 장착되어 있다. 도 2 내지 도 4에 특별히 도시하지는 않았으나, 제 1 전지셀(201), 제 2 전지셀 및 제 5 전지셀(205)은 카트리지(예를 들어, 도 7의 600)에 장착된 상태이다.
제 1 카트리지(301)와 제 2 카트리지(302)는 각각, 전지셀(203, 204)의 외주를 따라 고정시키는 전기 절연성의 중공형의 프레임(330)과 이 프레임(330)의 내주면에 결합되어 있는 금속 박판(310, 320)을 포함한다.
금속 박판들(310, 320) 은 각각, 제 1 면(11)과 제 2 면(12)을 포함하며, 제 1 면(11)이 전지셀(203, 204)에 접촉하고 대향면인 제 2 면(12)이 외부로 노출되어 있다.
회로 카트리지들(301, 302)은, 제 1 카트리지(301)와 제 2 카트리지(302)의 금속 박판들(310, 320)의 제 2 면(12)들이 서로 대면하도록 위치한 상태에서, 제 1 카트리지(301)와 제 2 카트리지(302)의 프레임들(330)이 서로 중첩된 형태로 적층되어 있다.
다만, 프레임(330)의 단부로부터 금속 박판(310, 320)까지 소정의 깊이가 형성되므로, 서로 대면한 금속 박판(310, 320)의 제 2 면(12)들 사이에는 소정의 간격이 형성된다. 따라서, 금속 박판(310, 320)에 특별한 외력이 인가되지 않는 한, 즉, 일반적인 상태에서는 금속 박판들(310, 320)이 서로 이격된 상태를 유지한다.
금속 박판(310, 320)은 외향 돌출된 형태의 연결 탭(311, 321)을 각각 포함하고 있다. 특히, 제 1 카트리지(301)의 금속 박판(310)의 연결 탭(311)이 제 5 전지셀(205)의 제 1 극성 단자(1)에 전기적으로 연결되어 있다. 제 2 카트리지(302)의 금속 박판(320)의 연결 탭(321)이 제 1 전지셀(201)의 제 2 극성 단자(2)에 전기적으로 연결되어 있다.
그러나 앞서 설명한대로, 일반적인 상태에서는 금속 박판들(310, 320)은 서로 이격된 상태이므로, 제 1 전지셀(201)의 제 2 극성 단자(2)와 제 5 전지셀(205)의 제 1 극성 단자(1)가 직접적으로 통전되지는 않는다.
본 발명의 실시예에 따라, 제 5 전지셀(205)의 제 1 극성 단자(1)는 외부 입출력 단자 중 하나로서, 버스 바(도시하지 않음)에 연결될 수 있다. 제 1 극성 단자(1)는 또한, 노치(210)가 형성되어 있는 구조이다.
한편, 도 3에서와 같이, 제 3 전지셀(203)과 제 4 전지셀(204)이 점선과 같이 팽창할 때, 금속 박판(310, 320)도 이에 대응하여 제 1 면(11)에서 제 2 면(12) 방향으로 만곡 변형된다. 이에 따라, 만곡된 제 1 카트리지(301)와 제 2 카트리지(302)의 금속 박판들(310, 320)은 서로 접촉될 수 있다. 이와 같이 금속 박판들(310, 320)이 서로 접촉되면, 각 금속 박판(310, 320)을 통해 연장되어 있는 연결 탭(311, 321)들을 경유하여 제 5 전지셀(205)의 제 1 극성 단자(1)와 제 1 전지셀(201)의 제 2 극성 단자(2)가 전기적으로 연결된다.
이 경우, 양극성의 제 5 전지셀(205)의 제 1 극성 단자(1)에 순간적인 과전류가 통전되면서, 특히 노치(210) 부위에 고온이 형성되고 이에 따라 노치(210)가 용융 및 파단 되면서 제 1 극성 단자(1)는 외부와의 전기적 및 물리적 연결 기능을 상실한다.
따라서, 본 발명의 이점은 BMS에 대해 독립적으로 작동하는 회로 카트리지(301, 302)들을 포함하고 있으므로, 전원 공급에 이상이 발생되더라도 회로 카트리지(301, 302)가 전지셀들의 부피 팽창에 대응하여 셀 배열체의 전기적 연결 회로를 단전시킴으로써 상기 연결 회로를 통해 과전류 또는 과전압이 외부로 통전되는 것을 방지할 수 있고, 결과적으로 전지모듈(200) 전반의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 위 회로 카트리지(301, 302)에는 별도의 전원을 필요로 하지 않기 때문에 전기적 신호에 의한 오작동 가능성이 전혀 없고 전원 공급 불가로 인한 작동 불능의 가능성이 없으므로 신뢰성이 매우 높은 이점이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 회로 단선을 위한, 퓨즈 또는 회로 차단기 등의 별도 부재 없이도, 모듈화를 위해 통상적으로 사용되는 카트리지를 이용하여 안전성을 담보할 수 있으므로, 별도 부재에 따른 공간 낭비가 없어 그 구조가 콤팩트하게 구성될 수 있다.
한편, 프레임(330)은, 평면상으로 장방형을 이루는 네 개의 측벽들이 서로 연결되어 있는 구조이며, 전지셀의 극성 단자(1, 2)와 상기 연결 탭(311, 321)이 위치하는 측벽의 일부가 만입된 형태의 탭 도출부들(331, 332)을 포함하고 있다.
이에 대해서는 탭 도출부들(331, 332)이 형성되어 있는 측벽을 구체적으로 도시한 도 5와 연계하여 보다 구체적으로 설명한다.
이에 도 4와 도 5를 참조하면, 탭 도출부들(331, 332)은, 극성 단자(1, 2)가 장착되며, 그것을 통해 극성 단자(1, 2)가 외향으로 도출되는 제 1 도출부(331) 및 연결 탭(311, 321)이 장착되며, 그것을 통해 극성 단자가 외향을 도출되는 제 2 도출부(332)를 포함한다.
주목해야 할 것은, 제 1 도출부(331)를 기준으로, 제 2 도출부(332)가 일측으로 편향된 위치에서 프레임(330)에 형성된 점이다.
이러한 편향은 도 5에서와 같이, 제 2 도출부(332)가 측벽(400, 400,)에서 제 1 도출부(331)에 대해 측면 방향으로 편향된 위치에서 형성되어 있는 구조일 수 있다.
이에 따라, 제 2 도출부(332)를 통해 도출된 연결 탭(311, 321)이 제 1 도출부(331)를 통한 극성 단자(1, 2)에 간섭되지 않을 수 있다.
이를 기본으로, 도 5의 (a)에서와 같이, 제 1 도출부(331)와 제 2 도출부(332)는 각각, 측벽(400)의 서로 다른 단부에 형성될 수 있다. 참고로, 도 5의 (a)는 도 4의 제 1 카트리지(301)의 프레임(330)의 후면 측벽을 도시한 것일 수 있다.
서로 다른 단부란, 금속 박판(310)을 기준으로, 상부와 하부, 예를 들어, 도 4의 제 1 면(11)과 제 2 면(12)과 평행한 단부들을 의미하고, 이에 따라 제 2 도출부(332)가 제 1 도출부(331)에 대해 측면 방향과 상하 방향으로 편향되게 위치에 된다.
이와는 달리, 도 5의 (b)에서와 같이, 제 1 도출부(331')와 제 2 도출부(332') 모두, 측벽의 동일한 단부, 예를 들어 도 4의 제 1 면(11) 또는 제 2 면(12)과 평행한 어느 하나의 단부에서 이격된 상태로 나란히 형성될 수 있으며, 이러한 구조는 측벽을 정면에서 바라볼 때를 기준으로, 제 2 도출부(332')가 제 1 도출부(331')에 대해 측면 방향으로는 편향되게 위치 하지만, 측벽(400')의 동일 선상에서 함께 위치한다.
한편, 제 1 도출부(331)는, 참고적으로 도 6에서와 같이, 서로 평행하게 위치하는 한 쌍의 측벽들에 각각 형성되어 있으며, 이에 따라, 전지셀의 제 1 극성 단자(1)와 제 2 극성 단자(2)가 양 방향으로 도출될 수 있으며, 제 2 도출부(332)는 이중 어느 하나의 제 1 도출부(331)가 형성된 측벽에만 형성되어 있다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회로 카트리지(500)의 모식도가 도시되어 있다.
도 6에 따른 회로 카트리지(500)의 기본적인 구조는 도 2 내지 도 4의 제 1 카트리지(301)와 제 2 카트리지(302)와 유사하다.
다만, 금속 박판(520)의 제 2 면(12)으로 공기가 유입될 수 있도록, 프레임(330)의 측면을 형성하는 측벽 일부에 그루브(510)가 형성되어 있다.
본 발명에서 금속 박판(310, 320, 520)의 특징은, 제 1 면(11)이 전지셀에 접촉하고 있는 바, 전지셀의 열을 제 1 면(11)을 통해 전도 받고, 제 2 면(12)을 따라 유동하는 공기와의 열교환에 의해 전지셀의 열을 간접적으로 방열할 수 있는 점이다.
즉, 전지셀이 팽창하지 않는 정상적인 상태에서는 금속 박판(310, 320, 520)이 방열 판의 기능을 가질 수 있다.
이에, 프레임(530)에 형성된 그루브(510)를 통해 공기가 금속 박판(310, 320, 520)의 표면으로 유입될 수 있으며, 반대로 유출될 수도 있어 전지셀 냉각에 유리하다.
도 6에는 편의상 측벽당 하나의 그루브(510)가 형성된 것을 도시하였으나, 측벽이 전반적으로 요철을 이루도록 복수의 그루브들이 형성된 형태 역시 본 발명의 범주에 포함된다.
도 7에는 제 3 전지셀(203)과 제 4 전지셀(204)을 제외한, 다른 전지셀의 장착을 위한 카트리지와, 이에 장착되는 전지셀들의 모식도가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 카트리지(130)는 제 1, 제 2 전지셀(201, 202) 사이에 개재되는 냉각 핀들(620), 및 냉각 핀들(620)을 고정하는 카트리지 프레임 (630)을 포함하고 있다. 냉각 핀들(620)은 냉매 유로가 형성되도록 상호 이격된 상태로 카트리지 프레임(630)에 결합되어 있으며, 카트리지 프레임(630)의 양측부에는, 냉각 핀들(620) 사이에 공기가 유통되는 개구(135)가 천공되어 있다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 복수의 전지셀들이 서로 중첩되도록 배열된 상태로 직렬 연결 회로를 구성한 셀 배열체를 포함하고;
    전지셀들 중, 두 개의 전지셀들은 각각, 상기 직렬 연결 회로에 전기적으로 접속되는 회로 카트리지에 장착되어 있으며,
    상기 전지셀의 팽창에 대응하여 변형된 회로 카트리지들이 서로 통전되면, 직렬 연결 회로에 과전류가 형성되면서 회로의 일부가 단락 되며,
    상기 셀 배열체는 n개(n≥5)의 전지셀들이 순차적으로 인접한 적층 상태로 직렬 연결된 구조이고;
    상기 회로 카트리지들은 제 n 전지셀의 제 1 극성 단자에 전기적으로 연결된 상태에서 제 n-1 전지셀을 장착하고 있는 제 1 카트리지, 및
    제 1 극성과 반대 극성인 제 1 전지셀의 제 2 극성 단자에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제 1 카트리지와 대면하는 위치에서 제 n-2 전지셀을 장착하고 있는 제 2 카트리지를 포함하며;
    상기 제 1 카트리지와 제 2 카트리지가 접촉되면, 제 1 극성 단자와 제 2 극성 단자가 서로 통전되면서 과전류가 형성되며,
    제 1 카트리지와 제 2 카트리지는 각각,
    전지셀의 외주를 따라 고정시키는 전기 절연성의 중공형의 프레임; 및
    상기 프레임의 내주면에 결합되어 있고, 전지셀이 프레임에 장착된 상태에서, 그것의 제 1 면이 전지셀에 접촉하고 대향면인 제 2 면이 외부로 노출되어 있는 전기 전도성의 금속 박판;
    을 포함하고 있고,
    제 1, 제 2 카트리지들의 금속 박판의 제 2 면들이 서로 대면한 상태에서, 제 1, 제 2 카트리지들의 프레임들이 서로 중첩된 형태로 적층되어 있는 전지모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 극성 단자는 외부 입출력 단자이고, 적어도 하나의 노치가 형성되어 있는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 과전류가 통전될 때 상기 노치가 파단 되면서, 제 1 극성 단자를 통한 외부와의 전기적 연결이 단락 되는 전지모듈.
  5. 제 3 항에 있어서, 과전류가 통전될 때 상기 노치가 파단 되면서, 제 1 극성 단자와 제 1 카트리지와의 전기적 연결이 단락 되는 전지모듈.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 박판은 외향 돌출된 형태의 연결 탭을 포함하고, 제 1 카트리지의 연결 탭이 제 1 극성 단자에 전기적으로 연결되며, 제 2 카트리지의 연결 탭이 제 2 극성 단자에 전기적으로 연결되고;
    상기 프레임은, 장방형을 이루는 네 개의 측벽들이 서로 연결되어 있는 구조이며, 전지셀의 극성 단자와 상기 연결 탭이 위치하는 측벽의 일부가 만입된 형태의 탭 도출부들을 포함하는 전지모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 탭 도출부들은,
    극성 단자가 장착되며, 그것을 통해 극성 단자가 외향으로 도출되는 제 1 도출부; 및
    연결 탭이 장착되며, 그것을 통해 극성 단자가 외향을 도출되는 제 2 도출부를 포함하며,
    제 1 도출부를 기준으로, 제 2 도출부가 일측으로 편향된 위치에서 프레임에 형성되어 있는 전지모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 도출부는, 서로 평행하게 위치하는 한 쌍의 측벽들에 각각 형성되어 있고;
    상기 제 2 도출부는, 상기 한 쌍의 측벽들 중 하나에서 제 1 도출부에 대해 좌측 또는 우측으로 편향된 위치에서 형성되어 있는 전지모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 도출부와 제 2 도출부는 각각, 측벽의 서로 다른 단부에 형성되어 있는 전지모듈.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 도출부와 제 2 도출부는, 측벽의 동일한 단부에서 이격된 상태로 함께 형성되어 있는 전지모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    전지셀의 팽창할 때, 금속 박판이 제 1 면에서 제 2 면 방향으로 만곡되며;
    만곡된 제 1 카트리지와 제 2 카트리지의 금속 박판이 접촉된 상태에서 이들에 연결된 제 1 극성 단자와 제 2 극성 단자가 사이에 과전류가 통전되는 전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    전지셀의 팽창할 때, 금속 박판이 제 1 면에서 제 2 면 방향으로 만곡되면서 그것의 일부가 파단되고;
    파단된 금속 박판의 일부가 인접한 금속 박판에 접촉된 상태에서 이들에 연결된 제 1 극성 단자와 제 2 극성 단자가 사이에 과전류가 통전되는 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 박판의 두께가 0.01 밀리미터 내지 1 밀리미터인 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 박판은, 은, 금, 니켈, 니오브, 크롬, 구리, 알루미늄에서 선택되는 적어도 하나 이상으로 이루어진 전지모듈.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체와 전해액이 내장된 상태에서, 전지케이스의 외주를 따라 열융착 밀봉된 구조의 판상형 전지셀인 전지모듈.
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