KR102437572B1 - 전지 모듈 및 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지 모듈 및 전지 팩을 제공한다. 전지 팩은 박스 본체와 전지 모듈을 포함하고, 전지 모듈은 박스 본체에 수용된다. 전지 모듈은 제1 방향을 따라 순차적으로 배열된 복수의 전지를 포함한다. 전지는 전극 어셈블리, 케이스 및 톱커버 어셈블리를 포함하고, 전극 어셈블리는 케이스 내에 수용되며, 톱커버 어셈블리는 케이스에 연결된다. 케이스는 2개의 제1 측벽을 포함하고, 2개의 제1 측벽은 제1 방향을 따라 전극 어셈블리의 양측에 각각 위치한다. 인접한 2개의 전지의 제1 측벽은 서로 대향하여 배치된다. 제1 측벽의 면적은 S1이고, 인접한 2개의 전지의 전극 어셈블리 사이의 제1 방향에서의 거리는 D이며, S1과 D는 1.2Х10-5mm-1≤D/S1≤500Х10-5mm-1의 관계식을 만족한다.

Description

전지 모듈 및 전지 팩
본 발명은 2019년 5월 14일에 출원된 "전지 모듈 및 전지 팩"이라는 중국 특허 출원 CN201910398912.1의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 참조로 본 명세서에 원용된다.
본 발명은 전지 분야에 관한 것으로, 특히 전지 모듈 및 전지 팩에 관한 것이다.
이차 전지는 높은 에너지 밀도, 긴 사용 수명, 에너지 절약 및 환경 보호의 장점을 가지고 있으며, 신에너지 자동차 및 에너지 저장 발전소 등과 같은 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
전지 팩은 일반적으로 박스 본체와 박스 본체에 수용된 전지 모듈을 포함하고, 전지 모듈은 순차적으로 배열된 복수의 전지를 포함한다. 그러나, 임의의 전지에, 예를 들어 과충전, 단락 등과 같은 극단적인 상황이 발생되면 전지에서 많은 열이 발생된다. 열이 전지에 인접한 다른 전지로 전달되어 다른 전지에 열폭주가 발생하게 되며, 나아가, 전지 모듈이 실효하여 안전 위험을 야기한다.
본 발명은 배경 기술의 문제점을 고려하여, 전지의 사이클 성능 및 안전성을 향상시킬 수 있는 전지 모듈 및 전지 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전지 모듈 및 전지 팩을 제공한다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 제1 방향을 따라 순차적으로 배열된 복수의 전지를 포함한다. 전지는 전극 어셈블리(electrode assembly), 케이스(case) 및 톱커버 어셈블리(top caver assembly)를 포함한다. 전극 어셈블리는 케이스 내에 수용되고, 톱커버 어셈블리는 케이스에 연결된다. 케이스는 각각 제1 방향을 따라 전극 어셈블리의 양측에 위치하는 2개의 제1 측벽을 포함하고, 2개의 인접한 전지의 제1 측벽은 서로 대향하도록 배치된다. 제1 측벽의 면적은 S1이고, 인접한 2개의 전지의 전극 어셈블리 사이의 제1 방향에서의 거리는 D이고, S1과 D는 1.2Х0-5mm-1≤D/S1≤500Х10-5mm-1의 관계식을 만족한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 측벽의 면적(S1)과 인접한 2개의 전지의 전극 어셈블리 사이의 제1 방향에서의 거리(D)는 1.6Х10-5mm-1≤D/S1≤250Х10-5mm-1의 관계식을 만족한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 인접하는 2개의 전지의 전극 어셈블리 사이의 제1 방향에서의 거리(D)는 1.2mm-10mm이고, 제1 측벽의 면적(S1)은 4000mm2-60000mm2 이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 케이스는 제2 방향을 따라 각각 전극 어셈블리의 양측에 위치하는 2개의 제2 측벽을 더 포함하고, 제2 방향은 제1 방향에 수직된다. 제2 측벽의 면적은 S2이며, S2는 S1보다 크다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 전극 어셈블리는 2개의 제1 면 및 2개의 제2 면을 가지고, 상기 제1 면의 면적은 상기 제2 면의 면적보다 크며, 상기 제1 면은 상기 제2 방향을 따라 제2 측벽을 향하고, 상기 제2 면은 상기 제1 방향을 따라 제1 측벽을 향한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전극 어셈블리는 제1 전극 시트, 제2 전극 시트 및 상기 제1 전극 시트와 제2 전극 시트 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함한다. 제1 전극 시트, 세퍼레이터 및 제2 전극 시트는 편평한 형상으로 권취되고, 2개의 제1 면은 편평면이고 제2 방향을 따라 서로 대향하거나, 또는, 제1 전극 시트, 세퍼레이터 및 제2 전극 시트는 제2 방향을 따라 적층된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 시트, 세퍼레이터 및 제2 전극 시트는 편평한 형상으로 권취되고, 상기 제2 면은 적어도 일부분이 원호면(arc surface)이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전지 모듈의 제1 방향의 사이즈는 상기 전지 모듈의 제2 방향의 사이즈보다 크다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 측벽의 면적(S1)과, 인접한 2개의 전지의 전극 어셈블리의 제1 방향에서의 거리(D)는 5Х10-5mm-1≤D/S1≤200Х10-5mm-1의 관계식을 만족한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 전지 모듈은 인접한 2개의 전지 사이에 위치하며, 인접한 2개의 전지의 제1 측벽을 연결하는 제1 접착 부재를 더 포함한다. 제1 접착 부재이 제1 측벽을 덮는 면적은 S3이고, S3 및 S1은 0.25≤S3/S1≤0.95의 관계식을 만족한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 접착 부재의 두께는 T이고, S3 및 T는 300mm≤S3/T≤32000mm의 관계식을 만족한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 접착 부재의 탄성 계수는 E이고, E 및 T는 EХT≥50MPa·mm의 관계식을 만족한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 접착 부재는 접착제이고, 상기 접착제는 에폭시 수지, 폴리우레탄 및 아크릴 수지 중 한 종류 또는 복수 종류의 조합으로부터 선택된다.
한편, 본 발명에 따른 전지 팩은 박스 본체와 상기 전지 모듈을 포함하고, 전지 모듈은 박스 본체에 수용된다.
본 발명은 다음과 같은 유익한 효과를 갖는다. 본 발명의 실시예는 제1 측벽의 면적 (S1)및 인접하는 2개의 전지의 전극 어셈블리의 제1 방향에서의 거리(D)를 통합적으로 고려하여, 1.2Х10-5mm-1≤D/S1≤500Х10-5mm- 1를 만족하는 경우, 전지의 사이클 성능과 안전 성능을 동시에 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 분해도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 전지 분해도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 전극 어셈블리의 일 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지의 전극 어셈블리의 기타 실시예의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 개략도이다.
본 발명의 목적, 기술적 해결책 및 이점을 보다 명확하게 하기 위하여, 아래에 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 해결책에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 설명되는 구체적인 실시예들은 본 발명의 기술적 해결책을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 기술적 해결책을 제한하기 위해 사용된 것이 아님을 이해해야 한다.
본 발명의 기술적 해결책에 대한 설명에 있어서, 별도의 명확한 규정과 제한이 없는 한, "제1", "제2" 및 "제3"이라는 용어는 단지 설명의 목적으로만 사용되며, 상대적으로 중요한 의미를 나타내거나 암시하는 것으로 해석될 수 없다. "복수"라는 용어는 2개 이상(2개를 포함)을 나타낸다. 별도의 규정이나 설명이 없는 한, "연결"이라는 용어는 넓은 의미로 이해되어야 한다. 예를 들어 "연결"은 고정 연결 또는 착탈 가능한 연결일 수 있으며, 또는 일체로 연결되거나 전기적 연결 또는 신호 연결일 수 있다. 또한 "연결"은 직접 연결되거나 중간 매체를 통해 간접적으로 연결될 수도 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자라면, 구체적인 상황에 따라 본 발명의 기술적 해결책에 있어서의 상기 용어들의 구체적인 의미를 이해할 수 있다.
본 명세서의 설명에 있어서, 본 발명의 실시예에서 설명된 "상", "하" 등의 방향을 나타내는 용어는 도면에 도시된 각도로 설명되는 것으로, 본 발명의 실시예를 한정하는 것으로 이해되어서는 안된다. 이하, 첨부된 도면과 함께 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 기술적 해결책을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 기술적 해결책의 설명에 있어서, 수평 방향은 수평면에 평행되는 방향이며, 수평 방향은 수평면에 절대적으로 평행되는 방향을 포함할 뿐만 아니라, 공학에서 일반적으로 인정하는 수평면에 대체로 평행되는 방향도 포함한다. 수직 방향은 수평면에 수직인 방향이며, 수직 방향은 수평면에 절대적으로 수직인 방향을 포함할 뿐만 아니라, 공학에서 일반적으로 인정하는 수평면에 대체로 수직인 방향도 포함한다. 또한, 본 발명의 기술적 해결책에서 설명하는 "상(above)", "하(below)", "위(top)", "바닥(bottom)" 등의 방향을 나타내는 용어들은 모두 수직 방향을 기준으로 이해해야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예는 차체와 상기 차체에 설치된 전지 팩을 포함하는 차량을 제공한다. 상기 차량은 순수 전기 자동차일 수도 있고, 하이브리드 자동차 또는 주행거리 연장 자동차일 수도 있는 신에너지 자동차이다. 차체에는 전지 팩과 전기적으로 연결되는 구동 모터가 설치되어 있으며, 전지 팩은 전기 에너지를 제공한다. 구동 모터는 차량을 주행시키기 위해 전달 기구를 통해 차체의 바퀴와 연결된다. 바람직하게, 전지 팩은 차체의 바닥에 수평으로 설치될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 분해도이다. 본 실시예에 따른 전지 팩은 전지 모듈(1) 및 박스 본체(2)를 포함하고, 전지 모듈(1)은 박스 본체(2)에 수용된다.
박스 본체(2)는 상부 박스 커버(21) 및 하부 박스 본체(22)를 포함한다. 도 1에서는, 상부 박스 커버(21) 및 하부 박스 본체(22)가 분리된 상태이다. 상부 박스 커버(21) 및 하부 박스 본체(22)는 서로 밀봉 연결되고, 그 사이에는 수용 캐비티가 형성되어 있다. 여기서, 상부 박스 커버(21) 및 하부 박스 본체(22)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 기타 금속으로 제조될 수 있다.
전지 모듈(1)은 박스 본체(2)의 수용 캐비티에 수용된다. 전지 모듈(1)은 하나 또는 복수개일 수 있다. 전지 모듈(1)이 복수개 설치되는 경우, 전지 모듈(1)은 수평 방향을 따라 배열될 수 있다. 전지 모듈(1)은 제1 방향(X)을 따라 순차적으로 배열된 복수의 전지(11)를 포함하며, 제1 방향(X)은 수평 방향과 평행되거나 수직 방향과 평행될 수 있다. 전지(11)는 충방전을 반복할 수 있는 이차 전지로서, 복수의 전지(11)는 버스 바(bus bar)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
전지 모듈(1)은 제1 방향(X)을 따라 상기 복수의 전지(11)의 양단부에 각각 배치된 2개의 엔드 플레이트(미도시)와 복수의 전지(11)와 2개의 엔드 플레이트를 감싼 스트랩(미도시)을 포함한다. 엔드 플레이트는 알루미늄 및 알루미늄 합금과 같은 금속 재료로 제조될 수 있으며, 절연 재료로 제조될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 전지(11)는 전극 어셈블리(111), 케이스(112) 및 톱커버 어셈블리(113)를 포함한다. 전극 어셈블리(111)는 케이스(112)에 수용되며, 전극 어셈블리(111)는 제1 전극 시트(111a), 제2 전극 시트(111b) 및 제1 전극 시트(111a)와 제2 전극 시트(111b) 사이에 배치된 세퍼레이터(111c)를 포함한다.
케이스(112)는 금속 재료 또는 복합 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 케이스(112) 전체가 알루미늄, 알루미늄 합금, 또는 니켈 도금된 강철과 같은 금속 재료로 제조된다. 선택적으로, 기타 실시예에 있어서, 케이스(112)는 베이스 및 절연층을 포함할 수도 있고, 베이스는 알루미늄, 알루미늄 합금, 또는 니켈 도금 강철과 같은 금속 재료로 제조지고, 절연층은 코팅 또는 접착과 같은 수단으로, 베이스의 외부 표면에 설치될 수 있으며, 이때, 금속 자재의 베이스는 케이스(112)의 강도를 보장할 수 있고, 절연층은 케이스(112)의 절연 성능을 향상시킬 수 있다.
케이스(112)는 육면체 형상 또는 기타 형상을 가질 수 있다. 케이스(112)는 개구를 가지고, 전극 어셈블리(111)는 상기 개구를 통해 케이스(112) 내에 넣을 수 있다.
톱커버 어셈블리(113)는 톱커버 플레이트(113a) 및 전극 단자(113b)를 포함하고, 전극 단자(113b)는 톱커버 플레이트(113a) 위에 설치된다. 톱커버 플레이트(113a)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 재료로 제조될 수 있으며, 톱커버 플레이트(113a)의 크기는 케이스(112) 개구의 크기에 어울린다. 톱커버 플레이트(113a)는 용접에 의해 케이스(112)에 연결되어 케이스(112)의 개구를 덮음으로써, 전극 어셈블리(111)를 케이스(112) 내에 밀봉할 수 있다.
전극 단자(113b)는 용접 또는 리벳 연결에 의해 톱커버 플레이트(113a)에 고정될 수 있다. 전극단자(113b)는 2개로써, 각각 제1 전극 시트(111a) 및 제2 전극 시트(111b)에 전기적으로 연결된다.
전극 어셈블리(111)에서, 제1 전극 시트(111a) 및 제2 전극 시트(111b) 중 어느 하나는 양극 시트이고, 제1 전극 시트(111a) 및 제2 전극 시트(111b) 중 다른 하나는 음극 시트이며, 세퍼레이터(111c)는 양극 시트와 음극 시트 사이에 설치된 절연체이다. 예를 들어, 제1 전극 시트(111a)는 양극 시트이고, 제1 전극 시트(111a)는 제1 집전체 및 제1 집전체 표면에 코팅된 제1 활성물질층을 포함한다. 제1 집전체는 알루미늄박일 수 있고, 제1활성물질층은 삼상 물질, 리튬 망간 산화물 또는 리튬 인산철을 포함한다. 제2 전극 시트(111b)는 음극 시트이고, 제2 전극 시트(111b)는 제2 집전체 및 제2 집전체의 표면에 코팅된 제2 활성물질층을 포함한다. 제2 집전체는 동박일 수 있고, 제2 활성물질층은 흑연 또는 실리콘을 포함한다.
도 5를 참조하면, 케이스(112)는 2개의 제1 측벽(112a)을 포함하고, 2개의 제1 측벽(112a)은 제1 방향(X)을 따라 전극 어셈블리(111)의 양측에 각각 위치한다. 제1 측벽(112a)은 대체적으로 평판 모양이고 제1 방향(X)에 수직된다. 인접한 2개의 전지(11)의 제1 측벽(112a)은 서로 대향하여 설치된다. 바람직하게, 인접한 2개의 전지(11)의 제1 측벽(112a)은 고정 연결된다. 물론, 인접한 2개의 전지(11)의 제1 측벽(112a)은 직접 연결될 수도 있고, 기타 부재를 통해 간접적으로 연결될 수도 있다.
전극 어셈블리(111)는 충방전 과정에서 일정한 열을 발생시키며, 열의 일부는 제1 측벽(112a)으로 전달될 수 있고, 제1 측벽(112a)의 열은 외부로 방출될 수 있다. 제1 측벽(112a)의 면적은 S1이다. S1의 값이 클수록 제1 측벽(112a)의 방열 효율도 높아지고, 전극 어셈블리(111)의 열이 외부로 방출되기 쉽다. 이와 상대로, S1의 값이 작을수록 제1 측벽(112a)의 방열 효율도 낮아지고, 전극 어셈블리(111)의 열이 외부로 방출되기 어렵다.
정상 작동 상태에서, S1의 값이 너무 작으면 전극 어셈블리(111)의 방열 효율이 너무 낮아, 전극 어셈블리(111) 내부에 열이 축적되기 쉽다. 전극 어셈블리(111)의 열이 어느 정도 축적되면 전극 어셈블리(111) 내부의 화학 반응이 심화되어 전극 어셈블리(111)의 사이클 수명에 영향을 미치게 된다. 그러므로, S1의 값을 증가시켜 전극 어셈블리(111)의 방열 효율을 향상시키고, 전극 어셈블리(111)의 사이클 수명을 확보할 수 있다.
인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 내의 열도 제1 측벽(112a)을 통해 서로 전달된다. 그러나, 임의의 전지(11)에 과충전, 단락 등의 극단적인 상황이 발생되면, 상기 전지(11)는 열폭주 상태가 되어 많은 열을 발생시킨다. 발생된 열은 제1 측벽(111a)을 통해 인접한 전지(11)의 전극 어셈블리(111)로 전달된다. S1의 값이 너무 크면 열폭주 전지(11)에서 발생하는 열이 인접 전지(11)로 빠르게 전달되어 인접한 전지(11)도 열폭주를 일으키고, 전지 모듈(1)이 실효하게 되어 안전 리스크를 초래한다.
제1 방향(X)에서 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 거리는 D이다. D는 제1 방향(X)에서 2개의 인접한 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 최단 거리를 의미한다는 점에 유의해야 한다.
D의 값이 클수록 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 길고, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 미치는 영향도 작아진다. 임의의 전지(11)에 열폭주가 발생할 경우, 기타 전지(11)의 전극 어셈블리(111)와 열폭주 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 길어지고, 상기 기타 전지(11)의 전극 어셈블리(111)에 대한 열폭주 전극 어셈블리(111)의 영향도 작아지므로, 기타 전지(11)의 열폭주 시간을 효과적으로 연장하고, 안전 리스크를 절감한다.
다만, D의 값이 클수록 각 전지(11)의 전극 어셈블리(111)와 제1 측벽(112a) 사이의 거리도 커지고, 전극 어셈블리(111)에서 발생하는 열이 제1 측벽(112a)으로 쉽게 전달되지 않게 되며, 전극 어셈블리(111)의 방열 효율도 낮아진다. 전극 어셈블리(111)는 정상 작동 상태에서 발생하는 열이 축적되기 쉬워, 전극 어셈블리(111) 내부의 화학 반응을 심화시킴으로써, 전극 어셈블리(111)의 사이클 수명에 영향을 미친다.
D의 값이 작을수록 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 짧아지고, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 미치는 영향이 커진다. 임의의 전지(11)에 열폭주가 발생할 경우, 기타 전지(11)의 전극 어셈블리(111)와 열폭주 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 비교적 짧기에, 상기 기타 전지(11)의 전극 어셈블리(111)에 대한 열폭주 전극 어셈블리(111)의 영향도 커지고, 열 폭주가 발생하기 쉬워, 전지 모듈(1)의 실효를 유발하고, 안전 리스크를 초래할 수 있다.
또한, 전극 어셈블리(111)의 충방전 과정에서, 전극 시트는 두께 방향을 따라 팽창하게 된다. 전극 시트가 팽창되면, 제1 측벽(112a)은 전극 어셈블리(111)에 의해 압착되어 변형된다. D의 값이 작을수록, 전극 어셈블리(111)가 팽창할 때, 제1 측벽(112a)에 가해지는 팽창력도 커진다. 복수의 전지(11)가 제1 방향(X)을 따라 배열되기 때문에, 복수의 전지(11)의 팽창력은 제1 방향(X)에서 중첩되어 상대적으로 큰 합력을 생성하게 되며, 합력이 너무 크면 전지(11)가 쉽게 압궤된다.
상기를 요약하면, 제1 측벽(112a)의 면적(S1) 및 제1 방향(X)에서의 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 거리(D)는 전지(11)의 사이클 성능 및 안전 성능에 큰 영향을 미친다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 측벽(112a)의 면적(S1)과 제1 방향(X)에서의 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 거리(D)를 통합적으로 고려하면, 1.2Х10-5mm-1≤D/S1≤500Х10-5mm-1일 때, 전지(11)의 사이클 성능과 안전 성능을 동시에 보장할 수 있다.
구체적으로, D/S1의 값이 1.2Х10-5mm-1보다 작으면, D의 값은 작은 편이고 S1의 값은 큰 편이다. 임의의 전지(11)에 열폭주가 발생할 경우, 기타 전지(11)의 전극 어셈블리(111)와 열폭주 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 짧고 열전달 면적이 크므로, 기타 전지(11)의 전극 어셈블리(111)에 대한 열폭주 전극 어셈블리(111)의 영향도 크며, 열폭주가 발생하기 쉬워, 전지 모듈(1)의 실효 및 안전상의 리스크를 초래한다. 전극 어셈블리(111)가 팽창할 때, 제1 측벽(112a)에 가해지는 팽창력도 너무 크며, 복수의 전지(11)의 팽창력이 제1 방향(X)에서 중첩될 때, 전지(11)는 쉽게 압궤된다.
D/S1의 값이 500Х10-5mm-1보다 크면, D의 값은 큰 편이고 S1의 값은 작은 편이다. 이때, D의 값이 큰 편이고, 각 전지(11)의 전극 어셈블리(111)와 제1 측벽(112a) 사이의 거리가 비교적 크므로, 전극 어셈블리(111)의 정상 작동 시 발생하는 열이 제1 측벽(112a)으로 쉽게 전달되지 않는다. 이와 동시에, S1의 값이 작은편이므로, 제1 측벽(112a)이 외부로 열을 방출하는 효율이 비교적 낮다. 따라서, 전극 어셈블리(111)의 정상 작동 시 발생하는 열을 제때에 방출하지 못하므로, 전극 어셈블리(111) 내부에 열이 축적되기 쉬우며, 전극 어셈블리(111) 내부의 화학 반응을 심화시켜, 전극 어셈블리(111)의 사이클 수명에 영향을 미치게 된다.
바람직하게, 제1 측벽(112a)의 면적(S1)과 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 제1 방향(X)에서의 거리(D)는 1.6Х10-5mm-1≤D/S1≤250Х10-5mm-1의 관계식을 만족한다.
인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 제1 방향(X)에서의 거리(D)는 1mm-20mm이고, 바람직하게 1.2mm-10mm이다. 제1 측벽(112a)의 면적(S1)은 4000mm2-60,000mm2이다.
케이스(112)는 2개의 제2 측벽(112b)을 더 포함하고, 2개의 제2 측벽(112b)은 각각 제2 방향(Y)을 따라 전극 어셈블리(111)의 양측에 위치하며, 제2 방향(Y)은 제1 방향(X)에 수직된다. 바람직하게, 제2 방향(Y)은 수직 방향에 평행된다. 제2 측벽(112b)은 대체적으로 평판 형상이고 제2 방향(Y)에 수직된다.
2개의 제1 측벽(112a) 및 2개의 제2 측벽(112b)은 전극 어셈블리(111)의 외부를 둘러싼다. 충방전 과정에서 전극 어셈블리(111)에서 발생된 열은 제1 측벽(112a) 및 제2 측벽(112b)을 통해 외부로 전달될 수 있다.
바람직하게, 제2 측벽(112b)의 면적은 S2이고, S2는 S1보다 크다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 전지(11)는 제1 방향(X)을 따라 배열되며, 면적이 작은 제1 측벽(112a)은 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 이와 동시에, 제2 측벽(112b)은 기타 전지(11)의 온도에 미치는 영향이 비교적 작으므로, 제2 측벽(112b)은 열을 외부로 충분히 방출시키도록, 비교적 큰 면적을 가질 수 있다.
케이스(112)는 제3 측벽(112c)을 더 포함하고, 제3 측벽(112c)은 제1 측벽(112a) 및 제2 측벽(112b)에 연결되며, 제3 측벽(112c)은 전극 어셈블리(111)의 톱커버 플레이트(113a)에서 멀어지는 측에 위치한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 있어서, 전극 어셈블리(111)는 권취 구조를 갖는다. 구체적으로, 제1 전극 시트(111a), 제2 전극 시트(111b) 및 세퍼레이터(111c)는 모두 띠 모양의 구조이며, 제1 전극 시트(111a), 세퍼레이터(111c) 및 제2 전극 시트(111b)가 순차적으로 적층되고 2회 이상 권취되어 전극 어셈블리(111)를 형성하며, 전극 어셈블리(111)는 편평한 형상이다. 전극 어셈블리(111)를 제조할 때, 전극 어셈블리(111)는 먼저 중공의 원통형 구조로 권취되고, 권취된 후에 편평한 형상으로 압착될 수 있다. 도 3은 전극 어셈블리(111) 외부 윤곽의 개략도이다. 전극 어셈블리(111)의 외면은 2개의 제1 면(111d)과 2개의 제2 면(111e)을 포함한다. 2개의 제1 면(111d)은 제2 방향(Y)을 따라 대향하는 편평한 면이고, 2개의 제2 면(111e)은 제1 방향(X)을 따라 서로 대향한다. 여기서, 제1 면(111d)은 전극 어셈블리(111)의 권취축(winding axis)과 대략 평행이며, 면적이 가장 큰 면이다. 제1 면(111d)은 비교적 편평한 면일 수 있으며, 순수한 평면일 필요는 없다. 제2 면(111e)은 적어도 일부가 원호면이다. 여기서, 제1 면(111d)의 면적은 제2 면(111e)의 면적보다 크다.
제1 면(111d)은 제2 방향(Y)을 따라 제2 측벽(112b)과 대향하고, 제2 면(111e)은 제1 방향(X)을 따라 제1 측벽(112a)과 대향한다. 제2 면(111e)은 제1 측벽(112a)과 대향하며 상대적으로 작은 면적을 갖는다. 따라서, 전극 어셈블리(111)는 제1 측벽(112a)에 비교적 적은 열을 전달함으로써, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 대한 영향을 줄인다. 제1 면(111d)은 제2 측벽(112b)과 대향하고 면적이 상대적으로 크므로, 전극 어셈블리(111)의 열의 대부분이 제2 측벽(112b)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
전극 어셈블리(111)의 충방전 과정에서, 전극 시트는 두께 방향을 따라 팽창하게 된다. 권취식의 전극 어셈블리(111)는 제1 면(111d)에 수직인 방향에 따른 팽창력이 가장 크다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 면(111e)을 제1 측벽(112a)에 대향하도록 함으로써, 전극 어셈블리(111)가 제1 측벽(112a)에 가하는 팽창력을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 방향(X)을 따라 복수의 전지(11)가 배열되기 때문에, 모든 전극 어셈블리(111)의 팽창력이제1 방향(X)을 따라 중첩되더라도, 과도한 합력이 발생하지 않으며, 따라서, 전지(11)가 압궤되는 리스크를 줄인다.
또한, 제2 면(111e)의 적어도 일부는 원호면이다. 평면에 비해, 원호면과 제1 측벽(112a) 사이에는 더 큰 간격이 존재하고, 이 간격은 완충 역할을 할 수 있으므로, 제2 면(111e)이 제1 측벽(112a)에 가하는 팽창력을 감소시킬 수 있다. 또한, 원호면은 제1 측벽(112a)으로 전달되는 열을 감소시킬 수 있고, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 대한 영향을 감소시킬 수 있다.
바람직하게, 제1 측벽(112a)의 면적(S1)과 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 제1 방향(X)에서의 거리(D)는 5Х10-5mm-1≤D/S1≤200Х10-5mm-1의 관계식을 만족한다.
전지 모듈(1)은 인접한 2개의 전지(11) 사이에 위치하며 인접한 2개의 전지(11)의 제1 측벽(112a)을 연결하는 제1 접착 부재(12)를 더 포함한다. 인접한 2개의 전지(11)는 제1 접착 부재(12)를 통해 서로 열을 전달할 수 있다.
제1 접착 부재(12)는 고체 형태의 접착제일 수 있다. 접착제는 응고되기 전에 액체 상태 또는 페이스트 상태이며, 접착제는 2개의 전지(11)의 제1 측벽(112a) 사이에 코팅되어 응고되므로써, 2개의 전지(11)를 견고하게 연결시킨다. 상기 접착제는 에폭시 수지, 폴리우레탄 및 아크릴 수지 중 한 종류 또는 복수 종류의 조합으로부터 선택된다.
제1 접착 부재(12)의 제1 측벽(112a)을 덮는 면적은 S3이고, S3 및 S1은 0.25≤S3/S1≤0.95의 관계식를 만족한다. S3/S1의 값이 클수록 연결된 2개의 전지(11) 사이의 열전달 면적이 크고, 열전도율이 높다. 임의의 전지(11)에 열폭주가 발생할 경우, 인접한 2개의 전지(11)에도 열폭주가 발생하기 쉽다. 또한, S3/S1의 값이 클수록, 제1 측벽(112a)의 노출되는 영역이 작아지고, 제1 측벽(112a)의 외부로의 열 방출 효율도 낮아져, 전극 어셈블리(111)는 정상 작동 상태에서 열이 축적되기 더 쉬워진다. S3/S1의 값이 작을수록 제1 접착 부재(12)와 제1 측벽(112a) 사이의 연결 강도가 낮아진다. 전지 팩이 진동하면, 제1 접착 부재(12)는 제1 측벽(112a)과 쉽게 분리되어, 전지 모듈(1)의 전체적인 강도가 저하되며, 전지(11)가 케이스(2)에서 이탈될 리스크가 있다. 출원인은 전지(11)의 방열 및 연결 강도를 종합적으로 고려하여, 바람직하게, 0.25≤S3/S1≤0.95이라고 판단하였다. 특히, S3의 값은 1500mm2-16000mm2이다.
제1 접착 부재(12)의 두께는 T이다. T의 값이 클수록 D의 값이 커지며, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 길어지며, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 미치는 영향이 더 작아진다. T의 값이 클수록, 제1 접착 부재(12)가 차지하는 공간도 커진다.
S3의 값과 T의 값은 모두 인접한 전지(11) 사이의 열전달 효율에 영향을 미칠 수 있다. 바람직하게, S3 및 T는 300mm≤S3/T≤32000mm의 관계식을 만족한다. 바람직하게, T의 값은 0.5mm-5mm이다.
S3/T의 값이 300mm보다 작을 경우, S3은 작은 편이고, T는 큰 편이다. S3이 작은 경우, 제1 접착 부재(12)와 제1 측벽(112a) 사이의 연결 강도가 불충분하고, T가 큰 경우, 제1 접착 부재(12)가 더 큰 공간을 차지하며, 에너지 밀도를 감소시킨다.
S3/T의 값이 32000mm보다 크면, S3은 큰 편이고, T는 작은 편이다. S3이 크면, 인접한 전지(11) 사이의 열 전달 면적이 크며, T가 작으면, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 상대적으로 짧다. 이때, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 대한 영향이 크고, 임의의 전지(11)에 열폭주가 발생할 경우, 인접한 전지(11)도 열폭주가 발생하기 쉽다.
전지(11)의 충방전 과정에서, 전극 어셈블리(111)가 팽창하여 제1 측벽(112a)을 압축하고, 이에 따라, 변형된 제1 측벽(112a)에 의해 제1 접착 부재(12)가 압축된다. 제1 접착 부재(12)의 압축 정도가 클수록, D 값이 작아지며, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 미치는 영향이 커진다.
제1 접착 부재(12)의 탄성 계수는 E이다. E의 값이 클수록 제1 접착 부재(12)의 압축 정도가 낮아지고, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 미치는 영향도 작아진다. 물론, 제1 접착 부재(12)가, 제1 측벽(112a)과 전극 어셈블리(111)에 대한 반력(reaction force)도 크고, 전극 어셈블리(111)의 일부분 영역이 큰 반력을 받아 내부 전해질이 압출되여, 전극 어셈블리(111) 일부 영역의 침윤성이 저하되고, 리튬 이온이 세퍼레이터(111c)를 통과할 수 없어, 리튬 석출을 초래한다. E의 값이 작을수록, 제1 접착 부재(12)의 압축 정도가 커지고, 인접하는 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 짧아지며, 인접하는 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)의 서로의 온도에 대한 영향도 커진다. E의 값은 100MPa-800MPa일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, E 및 T는 EХT≥50MPa·mm의 관계식을 만족시키는 것이 바람직하다. T가 작은 경우, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 비교적 짧다. 이때, 제1 접착 부재(12)는 제1 접착 부재(12)의 압축 정도를 감소시켜 서로의 온도에 대한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)의 영향을 감소시키기 위하여, 상대적으로 큰 탄성 계수를 가질 수 있다. T가 큰 경우, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 비교적 길다. 이때, 제1 접착 부재(12)는 상대적으로 작은 탄성 계수를 가질 수 있고, 제1 접착 부재(12)의 압축 정도가 크더라도, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 열 전달 경로의 길이는 여전히 요구를 만족시킨다. 또한, 상대적으로 작은 탄성 계수는 또한 전극 어셈블리(111)의 팽창력을 해제하여 리튬 석출의 리스크를 감소시키고, 전지(11)의 동력학적 성능(dynamics performance)을 개선할 수 있다.
제1 접착 부재(12)의 열전도율은 0.2W/(mㅇK)-0.5W/(m·K)이다. 제1 접착 부재(12)는 열전도율이 상대적으로 작기 때문에, 제1 접착 부재(12)의 열전도율을 낮출 수 있고, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 미치는 영향을 줄일 수 있다.
본 발명의 전지 모듈(1)에서, 도 1을 참조하면, 전지(11)는 제2 방향(Y)을 따라 적층될 수도 있다. 바람직하게, 전지(11)의 제2 방향(Y)에 있어서의 층 수는 2-3이다. 제2 방향(Y)에서, 인접하는 2개의 전지(11)의 제2 측벽(112b)은 제2 접착 부재(13)에 의해 연결될 수 있다. 물론, 제2 측벽(112b)의 면적(S2)이 상대적으로 크므로, 제2 방향(Y)에서 인접한 2개의 전지(11)의 온도는 서로 영향을 주기 쉽다. 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 방향(Y)에서 배열된 전지(11)의 개수는 제1 방향(X)에서 배열된 전지의 개수보다 훨씬 적다. 임의의 전지(11)에 열폭주가 발생할 경우, 영향을 받는 전지(11)의 수를 가능한 줄일 수 있다.
이에 대응하여, 전지 모듈(1)의 제1 방향(X)에서의 크기는 전지 모듈(1)의 제2 방향(Y)에서의 크기보다 크다. 제2 방향(Y)에서의 전지(11)의 팽창력이 가장 크다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 전지(11)의 제2 방향(Y)에서 적층되는 층의 수를 줄임으로써, 전지 모듈(1)의 최대 팽창력을 감소시켜, 전지(11)가 압궤되는 것을 방지할 수 있다. 차체의 섀시의 높이가 제한되어 있으므로, 전지 팩이 차지하는 공간을 줄이기 위해, 제1 방향(X)은 수평 방향에 평행되고, 제2 방향(Y)은 수직 방향에 평행되는 것이 바람직하다.
S1이 작을수록, 전지(11)가 얇다. 제2 방향(Y)에서의 전지 팩의 크기가 일정할 때, 전지(11)가 제2 방향(Y)에서 적층되는 층 수도 더 많다. 이와 동시에, 제1 방향(X)에서, 인접한 전지(11) 사이의 열전달 면적도 작다. S1이 클수록, 전지(11)가 두꺼워진다. 제2 방향(Y)에서의 전지 팩의 크기가 일정할 때, 제2 방향(Y)에서 적층되는 전지(11)의 층수도 적어진다. 이와 동시에, 제1 방향(X)에서, 인접한 전지(11) 사이의 열전달 면적도 더 크다.
S2가 작을수록, 제2 방향(Y)에서, 인접한 전지(11) 사이의 열전달 면적이 작아지고, S2가 클수록, 제2 방향(Y)에서, 인접하는 전지(11) 사이의 열전달 면적이 커진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, S1 및 S2가 전지(11)에 미치는 영향에 대해, S1/(S1+S2)의 값은 0.1-0.4인 것이 바람직하다. S1/(S1+S2)의 값이 0.1보다 작으면, S1은 너무 작고 S2는 너무 크다. 이때, 제2 방향(Y)에 있어서, 전지(11)가 중첩되는 층수가 많고, 인접하는 전지(11) 사이의 열 전달 면적도 크므로, 임의의 전지(11)에 열폭주가 발생할 경우, 제2 방향(Y)에서, 인접하는 전지(11)가 영향을 받기 쉬우며, 전지(11)의 열폭주 리스크가 높아진다. S1/(S1+S2)의 값이 0.4보다 크면, S1은 너무 크고 S2는 너무 작다. 이때, 제1 방향(X)에서, 인접한 2개의 전지(11) 사이의 열전달 면적이 크고, 임의의 전지(11)에 열폭주가 발생할 경우, 제1 방향(X)에서, 인접한 전지(11)가 영향을 받기 쉽고, 전지(11)에 열폭주가 발생할 리스크가 높아진다.
제1 측벽(112a)의 두께는 0.1mm-1.5mm이다. 제1 측벽(112a)의 두께가 너무 얇으면 D의 값도 작아지고, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 영향을 미치기 쉽다. 제1 측벽(112a)의 두께가 너무 두꺼우면, 케이스(112)가 차지하는 공간과 무게가 커지게 되어, 전지 팩의 에너지 밀도를 저하시킨다.
제1 측벽(112a)의 열전도율은 100W/(mㅇK)-250W/(m·K)이다. 제1 측벽(112a)은 상대적으로 높은 열전도율을 가지므로 열을 외부로 방출하는 데 유리하며, 열 축적을 방지한다.
대안적인 실시예에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 어셈블리(111)는 적층 구조이다. 구체적으로, 전극 어셈블리(111)는 복수의 제1 전극 시트(111a)와 복수의 제2 전극 시트(111b)을 포함하고, 세퍼레이터(111c)는 제1 전극 시트(111a)와 제2 전극 시트(111b) 사이에 설치된다. 제1 전극 시트(111a), 세퍼레이터(111c) 및 제2 전극 시트(111b)은 제2 방향(Y)을 따라 적층되어 설치된다. 적층 구조에서, 제1 전극 시트(111a) 및 제2 전극 시트(111b)는 모두 시트 형상이고, 대체적으로 제2 방향(Y)에 수직된다. 도 4는 전극 어셈블리(111)의 외부 윤곽의 개략도이다. 전극 어셈블리(111)의 외면은 2개의 제1 면(111d)과 2개의 제2 면(111e)을 포함한다. 2개의 제1 면(111d)은 제2 방향(Y)을 따라 서로 대향하고, 2개의 제2 면(111e)은 제1 방향(X)을 따라 서로 대향한다. 여기서, 제1 면(111d)은 면적이 가장 큰 면이다. 제1 면(111d)은 상대적으로 편평한 면일 수 있으며, 순수한 평면일 필요는 없다. 여기서, 제1 면(111d)의 면적은 제2 면(111e)의 면적보다 크다.
제1 면(111d)은 제2 방향(Y)을 따라 제2 측벽(112b)과 대향하고, 제2 면(111e)은 제1 방향(X)을 따라 제1 측벽(112a)과 대향한다. 제2 면(111e)은 제1 측벽(112a)과 대향하며 작은 면적을 갖는다. 따라서, 전극 어셈블리(111)는 제1 측벽(112a)에 상대적으로 적은 열을 전달함으로써, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 대한 영향을 감소시킨다. 제1 면(111d)은 제2 측벽(112b)과 대향하며 면적이 크므로, 전극 어셈블리(111)의 열의 대부분이 제2 측벽(112b)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
전극 어셈블리(111)의 충방전 과정에서, 전극 시트는 두께 방향을 따라 팽창하게 된다. 적층된 전극 어셈블리(111)는 제1 면(111d)에 수직인 방향을 따른 팽창력이 가장 크다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 면(111e)이 제1 측벽(112a)을 향하도록 함으로써, 전극 어셈블리(111)가 제1 측벽(112a)에 가하는 팽창력을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 방향(X)에 따라 복수의 전지(11)가 배열되어 있으므로, 제1 방향(X)에서의 모든 전극 어셈블리(111)의 팽창력이 중첩되어도, 과도한 합력이 발생하지 않으므로, 전지(11)가 압축되어 압궤되는 리스크를 감소시킨다.
아래에, 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 해결책을 더욱 상세하게 설명한다.
실시예 1은 다음 절차에 따라 제조할 수 있다.
(i)양극 활성 물질로서의 NCM523, 도전체로서의 아세틸렌 블랙 및 접착제로서의 PVDF를 96:2:2의 질량비로 혼합하고, 용매 NMP를 첨가하며, 진공 믹서로 균일하게 교반하여, 양극 슬러리를 얻는다. 양극 슬러리를 알루미늄 호일에 균일하게 코팅하고, 실온에서 건조시킨 후 오븐에 옮겨 건조를 계속한 후, 냉간 프레스, 분할 및 절단 공정을 거쳐 제1 전극 시트(111a)를 얻는다.
(ii)음극 활성 물질로서의 흑연 또는 흑연과 기타 활성 물질을 서로 다른 질량비로 혼합하여 얻은 혼합물, 도전제로서의 아세틸렌 블랙, 증점제로서의 CMC 및 접착제로서의 SBR을 96.4:1:1.2:1.4의 질량비로 혼합하고, 탈이온수 용매를 첨가하며, 균일해질 때까지 진공 믹서로 교반하여 음극 슬러리를 얻는다. 상기 음극 슬러리를 동박에 고르게 도포하고, 실온에서 건조시킨 후 오븐에 옮겨 건조를 계속한 후, 냉간 프레서, 분할 및 절단을 거쳐 제2 전극 시트(111b)를 얻는다.
(iii)탄산 에틸렌(EC), 탄산 에틸 메틸(EMC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)를 1:1:1의 용적비로 혼합하여 유기 용매를 얻은 다음, 충분히 건조된 리튬염 LiPF6을 혼합된 유기 용매에 용해하여, 농도가 1mol/L인 전해질을 얻는다.
(iv)세퍼레이터로서 폴리에틸렌 박막을 사용한다.
(v)제1 전극 시트(111a), 세퍼레이터(111c) 및 제2 전극 시트(111b)를 중첩시켜 여러번 권취하고, 권취한 후 편평하게 압축하여 전극 어셈블리(111)를 제조한다. 전극 어셈블리(111)는 면적이 상대적으로 큰 2개의 제1 면(111d)과 면적이 상대적으로 작은 2개의 제2 면(111e)을 갖는다.
(vi)전극 어셈블리(111)와 톱커버 어셈블리(113)를 연결한 후, 전극 어셈블리(111)를 케이스(112) 내에 넣고, 톱커버 어셈블리(113)의 톱커버 플레이트(113a)를 케이스(112)에 용접하며, 마지막으로 주입, 정치, 화성, 성형 등과 같은 공정을 거쳐 전지(11)를 얻는다. 케이스(112)의 제2 면(111e)에 대향하는 벽은 제1 측벽(112a)이고, 케이스(112)의 제1 면(111d)에 대향하는 벽은 제2 측벽(112b)이다. 제1 측벽(112a)에 수직인 방향에서, 케이스(112)의 사이즈는 180mm이고, 제2 측벽(112b)에 수직인 방향에서, 케이스(112)의 사이즈는 50mm이며, 제1 측벽(112a) 및 제2 측벽(112b)에 평행되는 방향에서, 케이스(112)의 사이즈는 190mm이다. 계산에 의하면, 제1 측벽(112a)의 면적(S1)은 9500mm2이고, 제2 측벽(112b)의 면적(S2)은 34200mm2이다.
(vii)하나의 전지(11)의 제1 측벽(112a)에 접착제를 도포한 후, 다른 하나의 전지(11)의 제1 측벽(112a)을 접착제에 부착한다. 접착제가 고화된 후, 제1 접착 부재(12)가 형성된다. 제1 접착 부재(12)는 2개의 전지(11)를 서로 연결한다. 여기서, 제1 측벽(112a)을 덮는 제1 접착 부재(12)의 면적(S3)은 5000mm2 이고, 제1 접착 부재(12)의 두께(T)는 1mm이며, 제1 접착 부재(12)의 탄성 계수(E)는 450MPa이다.
(viii)X선 CT 스캐너를 사용하여 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 거리(D)를 검출한다.
여기서 보충 설명이 필요한 것은, 케이스(112)의 크기, (v)단계에서 권취된 회수, (vii)단계에서의 제1 접착 부재(12)의 두께(T) 등 파라미터를 제어하면, 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)의 거리(D)를 변경할 수 있다는 점이다. (vii)단계에서는, 접착제의 코팅 면적 및 두께를 제어함으로써, S3의 값과 T의 값을 변경할 수 있다. 접착제의 성분을 조절함으로써, 제1 접착 부재(12)의 탄성 계수(E)를 조절할 수 있다. 제1 접착 부재(12)의 탄성 계수(E)는 DMA-Q800 검출기로 검출할 수 있다.
실시예 2-30 및 비교예 1-5는 실시예1과 동일한 제조 방법을 사용하고, 상이점은, 제1 방향(X)에서의 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)의 거리(D), 제1 측벽(112a)의 면적(S1), 제1 접착 부재(12)의 제1 측벽(112a)를 덮는 면적(S3), 제1 접착 부재(12)의 두께(T) 및 제1 접착 부재(12)의 탄성 계수(E)이다.
아래에, 실시예 1-30 및 비교예 1-5에 대해 테스트를 실시하였다.
못 관통 테스트(nail puncture Test): 밀폐된 환경에서 2개의 전지(11)를 클램프로 고정하고, 2개의 전지(11)를 충방전한 후, 전지(11)에 못을 박고, 못이 관통된 전지(11)가 단락되어 열폭주가 발생한다. 마지막으로, 다른 하나의 전지(11)의 열폭주 시간을 관찰하고, 2개의 전지(11)에 열폭주가 발생하는 시간 간격(M)을 기록한다. 열폭주의 표현 형태로는 연기가 나는 것이다.
사이클 성능 테스트: 상온 환경에서 2개의 전지(11)를 1C의 배율로 충전하고 1C의 배율로 방전하며, 전지(11)의 용량이 초기 용량의 80%로 떨어질 때까지 완전 충방전 사이클 테스트를 실시하여, 사이클 회수(N)를 기록한다.
각 실시예는 10개의 그룹을 취하고, 5개의 그룹은 못 관통 테스트를 거쳐 평균값을 계산하고, 5개의 그룹은 사이클 성능 테스트를 거쳐 평균값을 계산한다. 각 비교예는 10개의 그룹을 취하고, 5개의 그룹은 못 관통 테스트를 실시하여 평균값을 계산하고, 5개의 그룹은 사이클 성능 테스트를 실시하여 평균값을 계산한다.
비교예 1-2를 참조하면, D/S1 값이 1.2Х10-5mm-1 미만인 경우, 정상적인 전지(11)와 못이 관통된 전지(11) 사이의 열전달 경로가 짧고 열전달 면적이 크다. 못이 관통된 전지(11)의 영향으로, 정상적인 전지(11)는 10분 이내에 열폭주가 발생한다. 전지(11)는 일반적으로 전기 자동차의 동력 기구로 사용된다. D/S1 값이 1.2Х10-5mm-1보다 작으면 2개의 전지(11)에 열폭주가 발생하는 시간 간격은 짧아지고, 따라서 전체 전지 모듈이 짧은 시간 내에 폭발하여 안전 사고를 일으킨다. 비교예 3-5를 참조하면, D/S1 값이 500Х10-5mm-1보다 크면, 전극 어셈블리(111)의 정상 작동시 발생하는 열이 외부로 쉽게 방출될 수 없어, 전극 어셈블리(111) 내부에 열이 축적되며, 전지(11)의 사이클 회수가 1200보다 작게되며, 전지(11)의 사이클 성능에 심각한 영향을 미친다.
실시예 1-30을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, D/S1의 값이 관계식 1.2Х10-5mm-1≤D/S1≤500Х10-5mm-1을 충족하게 함으로써, 전지(11)의 안전 성능 및 사이클 성능의 밸런스를 유지한다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 있어서, D/S1의 값을 1.2Х10-5mm-1 이상으로 설정하여, 2개의 전지(11)에 열폭주가 발생하는 시간 간격을 연장하여, 승객에게 더 많은 반응 시간을 남겨, 안전 리스크를 줄인다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, D/S1 값을 500Х10-5mm-1 이하로 함으로써, 전극 어셈블리(111)의 정상 작동시 발생하는 열축적을 감소시키고, 전지(11)의 사이클 성능을 향상시킨다.
실시예 1-7을 참조하면, 기타 파라미터가 결정된 경우, D 값을 변경하는 것을 통해, 전지의 안전 성능 및 사이클 성능을 조절할 수 있다. D 값을 높이는 것을 통해, 2개의 전지(11)에 열 폭주가 발생하는 시간 간격을 효과적으로 연장할 수 있다. 그러나, D가 커질 때, 전지(11)의 사이클 성능은 감소된다.
실시예 2, 8-14를 참조하면, 기타 파라미터가 결정되면, S1의 값을 변경하는 것을 통해, 전지의 안전 성능 및 사이클 성능도 조절할 수 있다. S1의 값을 크게 함으로써, 전지(11)의 사이클 회수를 증가시킬 수 있고, 전지(11)의 사이클 성능을 향상시킬 수 있다. 그러나, S1가 커지면 2개의 전지(11)에 열폭주가 발생하는 시간 간격도 단축된다.
따라서, 출원인은 D 및 S1이 전지(11)의 안전 성능 및 사이클 성능에 미치는 영향을 종합적으로 고려하여, 5Х10-5mm-1≤D/S1≤200Х10-5mm-1이 바람직하다고 판단하였다.
실시예 2, 21-23을 참조하면, 기타 파라미터가 결정되면, S3의 값을 변경하는 것을 통해, 전지의 안전 성능 및 사이클 성능을 조절할 수 있다. S3의 값이 클수록, 2개의 전지(11) 사이의 열 전달 면적이 커지고, 2개의 전지(11)에 열폭주가 발생하는 시간 간격도 짧아진다. 이와 동시에, 제1 측벽(112a)의 노출 영역도 더 작아지고, 제1 측벽(112a)의 외부에 대한 열방출 효율도 낮아지며, 전극 어셈블리(111)는 정상 작동 상태에서 더욱 쉽게 열축적을 발생한다. 따라서, 2개의 전지(11) 사이의 연결 강도를 확보하는 것을 전제로, S3의 값을 작게는 것을 통해, 전지(11)의 안전 성능 및 사이클 성능을 향상시킬 수 있다.
실시예 2, 24-27을 참조하면, 기타 파라미터가 결정되면, T의 값을 변경하는 것을 통해, 전지(11)의 안전 성능을 조절할 수 있다. 실시예 2, 24-27에서, T의 값은 D의 값과 정비례된다. T가 커지면 D의 값도 커져, 열전달 경로를 연장할 수 있으며, 2개의 전지(11)에 열폭주가 발생하는 시간 간격을 연장할 수 있다. 이와 동시에, T가 커지면 전극 어셈블리(111)와 제1 측벽(112a) 사이의 거리는 변하지 않고, 즉 T의 값이 커지면 정상 작동 상태에서의 전극 어셈블리(111)의 방열에 미치는 영향은 비교적 작다. 물론, 공간 활용도를 고려하면, T의 값이 너무 클 수는 없다.
실시예 2, 28-30을 참조하면, 기타 파라미터가 결정되면, E의 값을 변경하는 것을 통해, 전지(11)의 안전 성능 및 사이클 성능을 조절할 수 있다. E의 값이 클수록, 제1 접착 부재(12)의 압축 정도가 낮아지고, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 미치는 영향도 작아진다. 물론, 제1 접착 부재(12)는 제1 측벽(112a)과 전극 어셈블리(111)에 더 큰 반력을 가하고, 전극 어셈블리(111)의 일부분 영역이 더 큰 반력을 받아, 내부 전해질이 압출되고, 전극 어셈블리(111)의 일부 영역의 침윤성이 저하되며, 리튬 이온이 세퍼레이터(111c)을 통과하지 못하여, 리튬 석출을 초래한다. E의 값이 작을수록, 제1 접착 부재(12)의 압축 정도가 커지고, 인접하는 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 열전달 경로가 작아지며, 인접하는 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111)가 서로의 온도에 대한 영향이 더 커진다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, E의 전지(11)의 안전 성능 및 사이클 성능에 미치는 영향을 고려하면, E의 값은 300 MPa-600 MPa인 것이 바람직하다.
[테이블1]
Figure 112021127885019-pct00001
1 전지 모듈
11 전지
111 전극 어셈블리
111a 제1 전극 시트
111b 제2 전극 시트
111c 세퍼레이터
111d 제1 면
111e 제2 면
112 케이스
112a 제1 측벽
112b 제2 측벽
112c 제3 측벽
113 톱커버 어셈블리
113a 톱커버 플레이트
113b 전극 단자
12 제1 접착 부재
13 제2 접착 부재
2 박스 본체
21 상단 박스 커버
22 하단 박스 본체
X 제1 방향
Y 제2 방향
Z 제3 방향

Claims (20)

  1. 전지 모듈(1)에 있어서,
    제1 방향(X)을 따라 순차적으로 배열된, 복수의 전지(11)를 포함하고,
    상기 전지(11)는, 각각 전극 어셈블리(111), 케이스(112) 및 톱커버 어셈블리(113)를 포함하며,
    전극 어셈블리(111)는 케이스(112)에 수용되고, 톱커버 어셈블리(113)는 케이스(112)에 연결되며,
    케이스(112)는 제1 방향(X)을 따라 전극 어셈블리(111)의 대향하는 양측에 각각 위치하는 2개의 제1 측벽(112a)을 포함하고,
    인접한 2개의 전지(11)의 제1 측벽(112a)은 서로 대향하도록 설치되며,
    제1 측벽(112a)의 면적은 S1이고, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 제1 방향(X)에서의 거리는 D이며, S1과 D는 다음 관계식
    1.2Х10-5mm-1≤D/S1≤500Х10-5mm-1
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 측벽(112a)의 면적(S1)과 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 제1 방향(X)에서의 거리(D)는 다음 관계식
    1.6Х10-5mm-1≤D/S1≤250Х10-5mm-1
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  3. 제1항에 있어서,
    인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 제1 방향(X)에서의 거리(D)는 1.2mm-10mm이고, 제1 측벽(112a)의 면적(S1)은 4000mm2-60000mm2인 것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  4. 제1항에 있어서,
    상기 케이스(112)는 제2 방향(Y)을 따라 상기 전극 어셈블리(111)의 양측에 각각 위치하는 2개의 제2 측벽(112b)을 더 포함하고,
    제2 방향(Y)은 제1 방향(X)에 수직되며,
    제2 측벽(112b)의 면적은 S2이고, S2는 S1보다 큰,
    것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  5. 제4항에 있어서,
    전극 어셈블리(111)는 2개의 제1 면(111d)과 2개의 제2 면(111e)을 가지고, 제1 면(111d)의 면적은 제2 면(111e)의 면적보다 크며, 제1 면(111d)은 제2 방향(Y)을 따라 제2 측벽(112b)과 대향하고, 제2 면(111e)은 제1 방향(X)을 따라 제1 측벽(112a)과 대향하는
    것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극 어셈블리(111)는 제1 전극 시트(111a), 제2 전극 시트(111b) 및 제1 전극 시트(111a)와 제2 전극 시트(111b) 사이에 설치된 세퍼레이터(111c)를 포함하고,
    제1 전극 시트(111a), 세퍼레이터(111c) 및 제2 전극 시트(111b)는 편평한 형상으로 권취되며, 2개의 제1 면(111d)은 편평한 면이고, 제2 방향(Y)을 따라 서로 대향하거나, 또는,
    제1 전극 시트(111a), 세퍼레이터(111c) 및 제2 전극 시트(111b)는 제2 방향(Y)을 따라 적층되는
    것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  7. 제6항에 있어서,
    제1 전극 시트(111a), 세퍼레이터(111c) 및 제2 전극 시트(111b)는 편평한 형상으로 권취되며, 제2 면(111e)은 적어도 일부분이 원호면인
    것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전지 모듈(1)의 제1 방향(X)에서의 사이즈는 상기 전지 모듈(1)의 제2 방향(Y)에서의 사이즈보다 큰
    것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 측벽(112a)의 면적(S1)과, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 제1 방향(X)에서의 거리(D)는 다음 관계식,
    5Х10-5mm-1≤D/S1≤200Х10-5mm-1
    을 만족하는
    것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전지 모듈(1)은 제1 접착 부재(12)를 더 포함하고, 상기 제1 접착 부재(12)는 2개의 인접한 전지(11) 사이에 위치하여, 인접한 2개의 전지(11)의 제1 측벽(112a)을 연결하며,
    제1 접착 부재(12)의 제1 측벽(112a)을 덮는 면적은 S3이고, S3과 S1은 다음 관계식
    0.25≤S3/S1≤0.95
    을 만족하는
    것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 접착 부재(12)의 두께는 T이고, S3과 T는 다음 관계식,
    300mm≤S3/T≤32000mm
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 접착 부재(12)의 탄성 계수은 E이고, E와 T는 다음 관계식,
    EХT≥50MPa·mm
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 접착 부재(12)는 접착제이고, 상기 접착제는 에폭시 수지, 폴리우레탄 및 아크릴 수지 중 한 종류 또는 복수 종류의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈(1).
  14. 박스 본체(2) 및 전지 모듈(1)을 포함하고,
    전지 모듈(1)은 박스 본체(2) 내에 수용되며,
    전지 모듈(1)은, 제1 방향(X)을 따라 순차적으로 배열된, 복수의 전지(11)를 포함하고,
    상기 전지(11)는, 각각 전극 어셈블리(111), 케이스(112) 및 톱커버 어셈블리(113)를 포함하며,
    전극 어셈블리(111)는 케이스(112)에 수용되고, 톱커버 어셈블리(113)는 케이스(112)에 연결되며,
    케이스(112)는 제1 방향(X)을 따라 전극 어셈블리(111)의 대향하는 양측에 각각 위치하는 2개의 제1 측벽(112a)을 포함하고,
    인접한 2개의 전지(11)의 제1 측벽(112a)은 서로 대향하도록 설치되며,
    제1 측벽(112a)의 면적은 S1이고, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 제1 방향(X)에서의 거리는 D이며, S1과 D는 다음 관계식
    1.2Х10-5mm-1≤D/S1≤500Х10-5mm-1
    을 만족하는
    것을 특징으로 하는 전지 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 케이스(112)는 제2 방향(Y)을 따라 상기 전극 어셈블리(111)의 양측에 각각 위치하는 2개의 제2 측벽(112b)을 더 포함하고,
    제2 방향(Y)은 제1 방향(X)에 수직되며,
    제2 측벽(112b)의 면적은 S2이고, S2는 S1보다 큰,
    것을 특징으로 하는 전지 팩.
  16. 제15항에 있어서,
    전극 어셈블리(111)는 2개의 제1 면(111d)과 2개의 제2 면(111e)을 가지고, 제1 면(111d)의 면적은 제2 면(111e)의 면적보다 크며, 제1 면(111d)은 제2 방향(Y)을 따라 제2 측벽(112b)과 대향하고, 제2 면(111e)은 제1 방향(X)을 따라 제1 측벽(112a)과 대향하는
    것을 특징으로 하는 전지 팩.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전극 어셈블리(111)는 제1 전극 시트(111a), 제2 전극 시트(111b) 및 제1 전극 시트(111a)와 제2 전극 시트(111b) 사이에 설치된 세퍼레이터(111c)를 포함하고,
    제1 전극 시트(111a), 세퍼레이터(111c) 및 제2 전극 시트(111b)는 편평한 형상으로 권취되며, 2개의 제1 면(111d)은 편평한 면이고, 제2 방향(Y)을 따라 서로 대향하거나, 또는,
    제1 전극 시트(111a), 세퍼레이터(111c) 및 제2 전극 시트(111b)는 제2 방향(Y)을 따라 적층되는
    것을 특징으로 하는 전지 팩.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 전지 모듈(1)의 제1 방향(X)에서의 사이즈는 상기 전지 모듈(1)의 제2 방향(Y)에서의 사이즈보다 큰
    것을 특징으로 하는 전지 팩.
  19. 차체와 상기 차체에 설치된 전지 팩을 포함하는 차량에 있어서,
    상기 전지 팩은 박스 본체(2) 및 박스 본체(2) 내에 수용된 전지 모듈(1)을 포함하고,
    전지 모듈(1)은, 제1 방향(X)을 따라 순차적으로 배열된, 복수의 전지(11)를 포함하고,
    상기 전지(11)는, 각각 전극 어셈블리(111), 케이스(112) 및 톱커버 어셈블리(113)를 포함하며,
    전극 어셈블리(111)는 케이스(112)에 수용되고, 톱커버 어셈블리(113)는 케이스(112)에 연결되며,
    케이스(112)는 제1 방향(X)을 따라 전극 어셈블리(111)의 대향하는 양측에 각각 위치하는 2개의 제1 측벽(112a)을 포함하고,
    인접한 2개의 전지(11)의 제1 측벽(112a)은 서로 대향하도록 설치되며,
    제1 측벽(112a)의 면적은 S1이고, 인접한 2개의 전지(11)의 전극 어셈블리(111) 사이의 제1 방향(X)에서의 거리는 D이며, S1과 D는 다음 관계식
    1.2Х10-5mm-1≤D/S1≤500Х10-5mm-1
    을 만족하는
    것을 특징으로 하는 차량.
  20. 제14항에 기재된 전지 팩을 포함하고, 상기 전지 팩에 의해 전력이 공급되는 장치.
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