KR102496787B1 - 전기화학 셀들의 셀 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특히 배터리 또는 배터리 모듈을 구성하기 위한 전기화학 셀들(2)의 셀 어셈블리(1)에 관한 것이며, 상기 셀 어셈블리는 병렬 및/또는 직렬 접속된 다수의 전기화학 셀(2)을 포함하며, 개별 셀들(2)은 서로 절연된 셀 하우징(3)을 포함한다.
본 발명에 따라 셀 하우징(3) 간의 절연은 절연을 위해 제공된 영역에서 셀 하우징(3) 상에 공통으로 제공된 열가소성 성형 박막(4)에 의해 실행된다.
또한 본 발명은 이러한 셀 어셈블리(1)를 포함하는 배터리 모듈, 및 하나 이상의 이러한 셀 어셈블리(1)를 포함하는 배터리팩에 관한 것이다.
또한 본 발명은 셀 어셈블리(1)의 셀들(2)의 셀 하우징들(3)을 절연하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법에서 셀 하우징들(3) 간의 절연은 절연을 위해 제공된 영역에서 박막(4)에 의해 이루어지고, 상기 박막은 열가소성 방법의 공통의 방법 단계에 저압 상태로 셀 어셈블리(1)의 상기 셀 하우징(3) 상에 공통으로 제공된다.

Description

전기화학 셀들의 셀 어셈블리{CELL ASSEMBLY OF ELECTROCHEMICAL CELLS}
본 발명은 병렬 및/또는 직렬로 접속된 다수의 전기화학 셀을 포함하며, 개별 셀들은 서로 절연된 셀 하우징을 포함하는, 특히 배터리 또는 배터리 모듈을 구성하기 위한 전기화학 셀들의 셀 어셈블리에 관한 것이다. 또한 본 발명은 적어도 하나의 이러한 셀 어셈블리를 포함하는 배터리 모듈과 배터리 팩, 및 셀 어셈블리의 셀 하우징들을 절연하기 위한 방법에 관한 것이다.
배터리 팩이라고도 하는 전기화학 배터리는, 각각의 용도에 맞게 조정된 전력 및/또는 에너지 수요를 충족하기 위해, 주로 병렬 및/또는 직렬 접속된 다수의 전기화학 셀을 포함한다. 예를 들어 차량 배터리의 경우처럼 소정의 전력을 제공하기 위해 매우 많은 셀들이 서로 접속되어야 하는 경우에, 일반적으로 다수의 배터리 모듈의 형태로 배터리 팩의 모듈화가 이루어진다.
특히 리튬 이온 배터리의 경우에, 적어도 전기화학 셀들의 셀 하우징은 금속으로 형성된다. 일반적으로 금속 셀 하우징은 배터리의 극을 형성하므로, 셀 하우징은 셀의 상기 극의 전위에 접속된다. 특히 다수의 셀들의 직렬 접속 시, 개별 셀의 셀 하우징들은 상이한 전위에 접속되므로, 상기 셀 하우징들은 서로 절연되어야 한다.
일반적으로 이러한 절연은 셀 하우징을 절연 박막에 접착함으로써, 수축 튜브 내에 포장함으로써, 절연 스페이서를 삽입함으로써, 절연 슬리브를 사용함으로써 또는 셀 하우징을 코팅함으로써 이루어진다. 일반적으로 각각의 개별 셀은 자체적으로 절연된 후에, 추후의 공정 단계에서 다른 셀과 결합하여 예를 들어 배터리 모듈 형태의 더 큰 유닛을 형성한다.
배터리 셀의 하우징은 항상 금속으로 구현되는 것은 아니다. 간행물 US 3,281,283호에는 일체형 하우징을 가진 습식 배터리의 셀이 공개되어 있고, 이 경우 비금속 하우징은 절연 열가소성 물질로 이루어지고, 2개의 박막으로 열성형 기술 및 진공 성형에 의해 제조된다.
또한 간행물 JP 2010-33937 호에 리튬 이온 배터리가 공개되어 있고, 상기 배터리에서 개별 배터리 소자들은 전해질 물질 및 전극 물질들의 적층 구조를 갖고, 절연 복합 박막에 의해 진공 밀봉 방식으로 밀봉된다.
셀 어셈블리란 또한 기계적으로, 예를 들어 고정부에 의해 공통의 베이스 플레이트 상에서 서로 결합되고 병렬 및/또는 직렬 접속 가능한 다수의 전기화학 셀을 의미한다.
본 발명의 과제는 짧은 공정 시간으로 효율적으로 및 저렴하게 제조될 수 있는 서로 절연된 셀 하우징을 포함하는 전기화학 셀들의 셀 어셈블리를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 과제는 적어도 하나의 이러한 셀 어셈블리를 포함하는 배터리 모듈과 배터리팩, 및,셀 어셈블리의 셀 하우징을 절연하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항에 따른 셀 어셈블리, 배터리 모듈과 배터리팩, 및 셀 어셈블리의 셀 하우징을 절연하기 위한 방법에 의해 해결된다.
본 발명에 따라 병렬 및/또는 직렬 접속된 다수의 전기화학 셀을 가진 특히 배터리 또는 배터리팩을 구성하기 위한 전기화학 셀들의 셀 어셈블리가 제공되고, 상기 셀 어셈블리에서 개별 셀들은 서로 절연된 셀 하우징을 포함하고, 셀 하우징들 간의 절연은 절연을 위해 제공된 영역에서 셀 하우징들 상에 공통으로 제공된 열가소성 성형 박막에 의해 실행된다.
이러한 어셈블리는 특히 셀들이 서로 별도로 절연된 어셈블리와 달리, 셀 어셈블리가 셀들의 공통으로 이루어진 절연에 의해 짧은 공정 시간으로 효율적으로 및 저렴하게 제조될 수 있는 장점을 갖는다. 박막으로 셀 어셈블리의 셀들의 공통의 코팅은 또한 절연 과정들의 동시 실행에 의한 공정 단계의 감소의 장점을 제공한다. 박막을 이용한 셀의 개별 절연 후에 흔히 초과량의 박막 재료를 제거하기 위한 공정 단계가 필요하고, 그렇지 않으면 상기 재료는 셀의 후속 처리 시 방해가 될 것이다. 그와 달리 본 발명에 따른 셀 어셈블리는, 제조 시 이러한 공정 단계를 생략할 수 있는 장점을 갖는다. 오히려 초과량의 박막 재료는 바람직하게 에어갭 및 연면 거리의 유지를 보장하기 위해 사용될 수 있다.
바람직하게 셀 어셈블리는 셀 하우징에 박막을 결합하기 위해 박막과 셀 하우징 사이에 저압을 형성하는 수단을 포함한다. 이러한 수단은 셀 어셈블리의 다수의 셀들이 배치된 예를 들어 공통의 지지 프레임 또는 공통의 베이스 플레이트일 수 있다. 이러한 지지 프레임 또는 이러한 베이스 플레이트는 예를 들어 셀 아래에, 예를 들어 단자들라고도 하는 극들 사이에 저압 또는 진공 형성을 위한 흡입 배출구를 가질 수 있다. 저압의 제공을 위한 수단은 제조 동안에만 필요하고, 박막의 냉각 및 경화 후에 저압은 더 이상 필요 없다. 따라서 셀 어셈블리에 대한 대안으로서 제조 장치가 이러한 수단을 포함할 수 있다.
저압의 형성은, 박막이 셀 하우징의 윤곽에 맞게 조정될 수 있는 장점을 제공한다. 특히 셀들이 나란히 배치된 경우에 개별 셀 아래에 가해진 저압으로 인해 개별 셀이 박막으로 둘러싸이므로, 인접한 셀 하우징의 벽들이 서로 절연될 수 있다. 이로써 다수의 셀을 텐트 형상으로 함께 덮는 것은 생략될 수 있다.
바람직하게 박막은 열 활성화 접착 층을 포함하거나 셀 하우징과 박막 사이에 열 활성화 접착 층이 배치된다. 이러한 층은 박막과 셀 하우징 사이의 재료 결합 방식의 연결을 지원한다.
또한 바람직하게 박막은 구조화된다. 박막의 구조화 또는 윤곽의 형성은, 셀들이 예를 들어 열팽창으로 인해 서로 접촉하는 경우에, 구조화의 형성에 의해 셀들 사이의 압력 분포에 영향을 미칠 수 있는 장점을 제공한다.
또한 바람직하게 박막의 구조는 셀 어셈블리 상에 제공된 박막이 인접한 셀 하우징들의 벽들 사이에 대응하는 구조화를 형성하도록 설계된다. 이 경우 대응하는 구조화는 예를 들어 스탬핑에 의해 형성된 양각 성형 또는 윤곽 성형이고, 이것은 돌출한 다수의 라인으로 나타날 수 있고, 대향 배치된 셀 하우징의 벽 상에 배치되어 벽과 접촉 시 다수의 교차점을 형성한다. 이는 예를 들어 사선 해칭 영역에 해당한다. 인접하는 셀 하우징의 박막의 대응하는 구조화는 셀들 사이의 높은 마찰 결합을 제공한다. 바람직하게 구조로서 박막은 45°의 사선 해칭(hatching)을 포함한다. 박막이 셀 하우징 반대편에 45°의 사선 해칭을 갖는 셀 하우징 상에 한 방향으로 제공되면, 인접한 셀 하우징들 사이의 폴딩으로 인해 90°로 교차하는 구조화가 형성된다.
또한 본 발명에 따라 전술한 셀 어셈블리를 포함하는 배터리 모듈이 제공된다. 바람직하게 셀 어셈블리로서 배터리 모듈의 셀 전체의 절연은 공통으로 이루어진다. 이러한 배터리 모듈은, 적절하게 접속된 셀 어셈블리가 기계적 유닛으로서 배터리 모듈 하우징 내에 삽입됨으로써, 매우 간단하게 제조 가능한 장점을 제공한다.
본 발명에 따라 또한 전술한 하나 이상의 셀 어셈블리를 포함하는 배터리팩이 제공된다. 이러한 배터리팩은 바람직하게 배터리 모듈을 형성하지 않으면서 하나 이상의 전술한 셀 어셈블리를 포함한다. 셀 어셈블리 형태의 셀들의 공통의 절연에 의해 그리고 셀 어셈블리의 셀들 간의 기계적 접속에 의해 예를 들어 배터리팩 내에서 구조화를 가능하게 하는 모듈화 형태가 이미 주어진다. 이로써 배터리 모듈의 형성은 생략될 수 있다.
본 발명에 따라 또한 셀 어셈블리의 셀들의 셀 하우징들을 절연하기 위한 방법이 제공되고, 이 경우 셀 하우징들 간의 절연은 절연을 위해 제공된 영역에서 박막에 의해 이루어지고, 상기 박막은 열가소성 방법의 공통의 방법 단계에 저압 상태에서 셀 어셈블리의 셀 하우징들 상에 공통으로 제공된다. 전술한 셀 어셈블리에 관한 실시예에 따라서 이러한 방법은 셀 어셈블리의 셀들의 셀 하우징들의 절연을 소수의 방법 단계로 효율적으로 가능하게 한다.
셀 어셈블리의 절연은, 제 1 방법 단계에서 절연 열가소성 박막이 셀 어셈블리의 셀들의 다수의 셀 하우징 위에 배치되도록 이루어진다. 이는 예를 들어, 박막이 예컨대 가열된 상태에서 클램핑 프레임에 의해 셀 어셈블리 위로 당겨지도록 이루어질 수 있다. 다른 방법 단계에서 가열된 박막과 셀 하우징 사이에 저압이 형성되므로, 박막은 열가소성 변형 하에 셀 하우징의 윤곽을 취한다. 변형은 바람직하게 박막과 셀 하우징 사이에 배치된 열 활성화 접착 층에 의해 지원된다.
하기에서 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 바람직한 실시예를 참고로 설명된다.
도 1은 병렬로 배치된 전기화학 셀들의 그룹을 도시한 도면.
도 2는 절연을 위해 열가소성 박막으로 코팅된 베이스 플레이트 상의 4개의 셀의 셀 어셈블리를 도시한 도면.
도 3은 베이스 플레이트 상의 개별 셀과 열가소성 박막을 가진 클램핑 프레임을 도시한 도면.
도 4는 박막과 셀 사이에 저압의 형성 전에 열가소성 박막으로 코팅된 개별 셀을 도시한 도면.
도 5는 저압의 형성에 의해 셀 윤곽에 따른 박막의 조정이 이루어진 후에, 열가소성 박막에 의해 절연된 개별 셀을 도시한 도면.
도 1은 셀 어셈블리(1)를 형성하기 위해 병렬로 배치된 전기화학 셀(2)의 그룹을 도시한다. 셀들(2)은 이 실시예에서 직방체의 각기둥 형태를 갖는다. 셀(2)의 단자들(6)은 아래로 향하고, 따라서 도 1에는 나타나지 않는다. 그룹의 셀들(2)의 개수는 기본적으로 제한되지 않으며, 셀 어셈블리(1)를 위해 제공된 셀(2)의 개수를 따른다.
도 2는 병렬 및/또는 직렬 접속 가능한 다수의 전기화학 셀(2)을 가진, 특히 배터리 또는 배터리 모듈을 구성하기 위한 전기화학 셀들(2)의 셀 어셈블리(1)를 도시하고, 상기 어셈블리에서 개별 셀들(2)은 서로 절연된 셀 하우징(3)을 포함하고, 셀 하우징들(3) 간의 절연은 절연을 위해 제공된 영역에서 셀 하우징(3) 상에 공통으로 제공된 열가소성 성형 박막(4)에 의해 실행된다. 셀 어셈블리(1)는 4개의 셀(2)을 갖고, 상기 셀들의 단자들(6)은 아래로 베이스 플레이트(5) 상에 또는 내에 배치된다. 박막(4)은 구조화되고, 구조로서 45 °의 경사 해칭을 갖는다. 이로써 박막(4)의 구조는, 셀 어셈블리(1) 상에 제공된 박막(4)이 인접한 셀 하우징(3)의 벽들 사이에 대응하는 구조화를 형성하도록 설계된다.
도 3 내지 도 5는 셀 어셈블리(1)의 셀들(2)의 셀 하우징들(3)의 절연을 위한 방법의 바람직한 실시예를 도시하고, 이 경우 셀 하우징들(3) 간의 절연은 절연을 위해 제공된 영역에서 박막(4)에 의해 이루어지고, 상기 박막은 열가소성 방법의 공통의 방법 단계에 저압 상태에서 셀 어셈블리(1)의 셀 하우징(3) 상에 공통으로 제공된다. 이 경우 방법의 작용 방식을 더 잘 도시하기 위해 도 3 내지 도 5에는 각각 하나의 셀(2)만이 도시된다.
도 3은 베이스 플레이트(5) 상의 하나의 셀(2)을 도시한다. 그 위에 열가소성 박막(4)을 가진 클램핑 프레임(7)이 변형되지 않은 출발 상태에서 도시된다. 가열된 열가소성 박막(4)을 셀(2) 상에 제공하기 위해 클램핑 프레임(7)이 하강한다. 이 도면에는 셀(2)의 아래로 향한 단자(6)가 나타난다.
도 4는 가열된 열가소성 박막(4)이 클램핑 프레임(7)을 이용해서 셀(2) 상에 제공된 후에 도 3의 개별 셀(2)을 도시한다. 열가소성 박막(4)은 아직 셀(2)의 윤곽을 취하지 않는다. 박막(4)은 셀(2)을 향한 측면에 열활성화 접착 층을 갖는다. 또한 도 4에서 셀 하우징(3)에 박막(4)을 결합하기 위해 박막(4)과 셀 하우징(3) 사이에 저압을 형성하는 수단이 도시된다. 상기 수단은 베이스 플레이트(5), 베이스 플레이트(5) 상에 밀봉 방식으로 배치되는 클램핑 프레임(7) 및 베이스 플레이트(5) 내의 (도시되지 않은) 흡입 배출구에 의해 형성된다. 흡입 배출구는 예를 들어 셀(2)의 단자들(6) 사이에 배치될 수 있다.
접착 층의 접착력과 흡입 배출구를 통해 형성된 저압으로 인해, 열가소성 박막(4)은 셀(2)의 윤곽을 취한다.
도 5는 열가소성 박막(4)에 의해 절연된 하나의 셀(2)을 도시한다. 이 경우 열가소성 박막(4)은 셀 하우징(3)의 윤곽을 취한다. 셀(2)의 단자들(6)은, 박막(4)에 의해 코팅되지 않도록 베이스 플레이트(5) 상에 또는 내에 배치된다.
1 셀 어셈블리
2 셀
3 셀 하우징
4 박막
5 베이스 플레이트
6 단자
7 클램핑 프레임

Claims (10)

  1. 전기화학 셀들(2)의 셀 어셈블리(1)로서, 상기 셀 어셈블리(1)는 병렬 또는 직렬 접속된 다수의 전기화학 셀(2)을 포함하며, 개별 셀들(2)은 서로 절연된 셀 하우징(3)을 포함하는, 셀 어셈블리에 있어서,
    상기 셀 하우징들(3) 간의 절연은 절연을 위해 제공된 영역에서 상기 셀 하우징(3) 상에 공통으로 제공된 열가소성 성형 박막(4)에 의해 형성되고, 상기 박막(4)은 구조화되고, 상기 박막(4)은 구조로서 45°의 경사 해칭을 갖는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 어셈블리(1)는 상기 셀 하우징(3)에 상기 박막(4)을 결합하기 위해 상기 박막(4)과 상기 셀 하우징(3) 사이에 저압을 형성하는 수단(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 셀 하우징(3)과 상기 박막(4) 사이에 열활성화 접착 층이 배치되거나, 또는 상기 박막(4)이 열활성화 접착 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 박막(4)의 구조는, 상기 셀 어셈블리(1) 상에 제공된 박막(4)이 인접한 셀 하우징들(3)의 벽들 사이에 대응하는 구조화를 형성하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  6. 삭제
  7. 배터리 모듈로서, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 셀 어셈블리(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 배터리팩으로서, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 하나 이상의 셀 어셈블리(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  9. 배터리팩으로서, 배터리 모듈을 형성하지 않으면서 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 하나 이상의 셀 어셈블리(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩.
  10. 셀 어셈블리(1)의 셀들(2)의 셀 하우징들(3)을 절연하기 위한 방법에 있어서,
    상기 셀 하우징들(3) 간의 절연은 절연을 위해 제공된 영역에서 박막(4)에 의해 이루어지고, 상기 박막은 열가소성 방법의 공통의 방법 단계에서 저압 상태로 상기 셀 어셈블리(1)의 상기 셀 하우징(3) 상에 공통으로 제공되고, 상기 박막(4)은 구조화되고, 상기 박막(4)은 구조로서 45°의 경사 해칭을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020160012167A 2015-02-10 2016-02-01 전기화학 셀들의 셀 어셈블리 KR102496787B1 (ko)

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