KR102613036B1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 배터리 모듈은, 복수의 전지셀들이 수용되는 하부 케이스, 상기 하부 케이스를 덮으며, 상기 전지셀의 내압이 일정 이상일 때 발생하는 기체를 배출하도록 형성되는 개구부들을 구비하여 형성되는 상부 케이스 및 상기 개구부들을 덮도록 상기 상부 케이스의 내측 일면에 결합되는 절연부를 포함하고, 상기 절연부는, 카올린(Kaolin) 55 내지 70 중량부; 1,4-벤젠다이카보닐 다이클로라이드(C8H4Cl2O2) 13 내지 22 중량부; 및 수산화알루미늄(Al(OH)3) 6 내지 11 중량부를 포함하여 형성되는 절연지를 구비하여 형성된다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명의 일실시예들은 전기차나 전력저장 장치 또는 휴대용 전자 제품에서 전기의 충전 또는 공급을 위해 사용되는 배터리 모듈에 관한 것이다.
최근 들어 전기차, 하이브리드 자동차, 전력저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가하여 에너지원으로서의 이차전지 수요가 급격하게 증가하고 있다. 특히 전기차나 하이브리드 자동차에 사용되는 배터리 팩은 고출력, 대용량 이차전지로서, 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차 전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, 무정전전원 장치 등에 사용된다.
한편, 배터리 팩에서 전력을 발생시킬 때 전기화학적 반응에 따른 열이 발생하게 되며, 이 열이 상기 배터리 팩 내부의 셀에 그대로 남아 있을 경우 셀의 온도를 증가시켜 셀의 작동 조건을 나쁘게 하여 전력 발생 효율이 불량해질 우려뿐만 아니라, 발생한 열에 의해 밀폐된 배터리 팩 내부의 압력이 증가하여 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다.
종래에는 배터리 팩 사용에 따른 온도 상승으로 인한 폭발을 방지 하기 위해 강제적으로 전원을 차단하여 폭발을 방지하는 방법이 이용되어 왔다.
이러한 방법은 즉각적으로 전원이 차단하여 배터리 팩의 온도 상승이 더 이상 이루어지지 않도록 하지만, 배터리 팩 내부에 남아있는 온도는 배터리 팩의 폭발 가능성을 가지고 있다는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2014-0130859호 (2014.11.12)
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 모듈의 온도가 설정된 압력 이상으로 상승하는 경우에 내부의 가스를 배출함으로써 즉각적인 온도 하강을 유도하여 고온에 의한 배터리 모듈의 폭발을 미연에 방지할 수 있는 배터리 모듈을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 배터리 모듈은, 복수의 전지셀들이 수용되는 하부 케이스, 상기 하부 케이스를 덮으며, 상기 전지셀의 내압이 일정 이상일 때 발생하는 기체를 배출하도록 형성되는 개구부들을 구비하여 형성되는 상부 케이스 및 상기 개구부들을 덮도록 상기 상부 케이스의 일면에 결합되는 절연부를 포함하고, 상기 절연부는, 카올린(Kaolin) 55 내지 70 중량부; 1,4-벤젠다이카보닐 다이클로라이드(C8H4Cl2O2) 13 내지 22 중량부; 및 수산화알루미늄(Al(OH)3) 6 내지 11 중량부를 포함하여 형성되는 절연지를 구비하여 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 절연지의 일면 상에 상기 상부 케이스와 부착되도록 접착층이 형성되는 제1 영역과 상기 개구부들을 덮는 제2 영역이 형성되고, 상기 제2 영역에 해당하는 상기 절연지에 상기 기체가 배출될 때 파열되도록 형성되는 개방 패턴이 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 절연지의 두께는 0.10 내지 0.15 mm 이고, 상기 개방 패턴은 50 내지 90㎛의 노칭 깊이(Notching depth)로 형성되는 라인들을 포함하고, 상기 개방 패턴은 상기 개구부 당 상기 라인들이 서로 교차하여 형성되는 교차점을 적어도 둘 이상으로 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 절연지는 160 내지 220 g/m2 의 평량, 1.3 내지 1.6 g/cc 의 밀도, 30 내지 50 N/cm의 인장강도 및 150 내지 210 KPa의 파열강도를 갖도록 형성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 배터리 모듈은 배터리 모듈의 온도가 설정된 압력 이상으로 상승하는 경우에 내부의 가스를 배출함으로써 즉각적인 온도 하강을 유도하여 고온에 의한 배터리 모듈의 폭발을 미연에 방지할 수 있다. 이로 인해, 궁극적으로 배터리 모듈의 안정성을 효과적으로 높일 수 있으며, 전지셀의 급격한 압력 상승으로 인해 발생하는 내부의 가스를 기설정 방향으로 토출시켜 배터리 내부의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.
그리고, 배터리의 전압강하 시간을 일정하게 유지하여 비상상황에서 전기차에 탑승하고 있는 승객의 피난시간을 충분히 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 배터리 모듈의 분해 사시도.
도 2는 도 1에 사용되는 절연 시트의 개념도.
도 3은 도 1에 도시된 절연 시트의 일면을 도시한 도면.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시 예를 도면을 참고하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로서 권리범위는 예시된 실시 예에 한정되지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것을 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 배터리 모듈의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 사용되는 절연 시트의 개념도이고, 도 3은 도 1에 도시된 절연 시트의 일면을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 배터리 모듈은 하부 케이스(103), 상부 케이스(102) 및 절연시트(101)를 포함한다.
하부 케이스(103)는 전지셀(104)들을 수용할 수 있도록 형성된다. 하부 케이스(103)는 금속 또는 합성수지 재질로 형성되거나 적어도 일부가 서로 다른 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어 전체적으로 금속 재질로 형성되며, 적어도 일부가 합성수지 재질로 형성될 수 있다. 전지셀들은 각각 전극 조립체와 커버를 포함하여 형성될 수 있다. 전극 조립체는 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터가 개재된 상태로 형성될 수 있다. 커버는 전극 조립체를 수용하도록 형성된다. 전지셀의 어느 일측과 다른 일측에 전극 단자가 형성될 수 있으며, 전지셀들은 금속 소재의 버스바에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 전지셀의 내압은 일정 이상이 되면 커버의 일부가 파손되면서 외부로 가스가 배출되도록 형성된다. 이 때, 내압은 150 내지 210 KPa가 될 수 있다.
하부 케이스(103)를 덮도록 상부 케이스(102)가 하부 케이스(103)에 결합된다. 상부 케이스(102)는 전지셀의 내압이 일정 이상일 때 발생하는 기체를 배출하도록 형성되는 개구부들(102a)을 구비한다. 상부 케이스(102)는 금속 또는 합성수지 재질로 형성되거나 적어도 일부가 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
상부 케이스(102)에 형성된 개구부들(102a)을 덮도록 절연시트(101)가 상부 케이스(102)의 일면에 형성된다.
도 2와 도 3을 참조하면, 절연시트(101)의 일면에 2개의 영역이 형성된다. 도 2에 절연지의 배면이 도시되고, 도 3에 절연지의 정면이 도시되어 있다. 절연지의 제1 영역에 접착층(120)이 형성된다. 제1 영역은 절연지에서 개구부들을 덮지 않는 대부분의 영역을 포함한다. 접착층(120)은 절연지(110)에 양면 테이프가 결합되어 형성될 수 있다. 제2 영역은 상부 케이스(102)에 형성된 개구부들을 덮는 영역으로서, 제2 영역에 해당하는 절연지(110)에 개방 패턴(111)이 형성된다. 개방 패턴(111)이 형성되지 않은 부분이 제1 영역이 되며, 절연시트(101)는 접착층(120)에 의해 릴리스 페이퍼와 절연지(110)이 1차 결합한 상태로 조립업체에 제공되며, 작업자가 릴리스 페이퍼를 절연시트(101)로부터 분리시킨 후 절연시트(101)를 상부 케이스(102)에 결합시킨다. 절연시트(101)는 상부 케이스(102)의 내측 일면이나 외측 일면에 결합될 수 있다.
절연지(110)의 두께(d2)는 0.10 내지 0.15 mm가 바람직하며, 절연지(110)에 형성되는 개방 패턴(111)은 50 내지 90㎛의 노칭 깊이(Notching depth)로 형성되는 라인들로 이루어진다. 노칭깊이는 설정된 내압에 따라 변경될 수 있다. 내압이 150 내지 210 KPa일 때, 개방 패턴(111)의 노칭 깊이(d1)는 50 내지 90㎛가 될 수 있다. 절연지(110)의 두께가 0.1mm 미만이면 보다 낮은 압력에서 파열되거나 개방 패턴(111)으로 파열을 유도하지 못할 수 있다. 이와 달리 절연지(110)의 두께가 0.15mm를 초과하게 되면 파열이 잘 되지 못하며, 절연지(110)에 열적 변형이 발생할 수 있다.
여기서 노칭은 절연지(110)에 일정한 형상의 홈(111)을 형성하는 것으로서, 레이저 노칭장비나 프레스 노칭장비(예를 들면 타발장비)를 통해 절연지(110)에 홈(111)을 형성할 수 있다. 홈은 "U" 자 형상이나 "V" 자 형상 등이 될 수 있다. 개방 패턴은 설계자의 의도에 따라 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 개방 패턴은 "--" 이거나 "Y" 등을 패턴의 일 부분으로 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 개방 패턴(111)은 개구부 당 라인들이 서로 교차하여 형성되는 교차점(111a, 111b)을 적어도 둘 이상 포함되어 형성된다. 이로 인해 내압이 일정 수준 이상에서 개방 패턴(111)이 파열되면서 복수의 개구된 홀들이 형성되어 보다 원활하고 신속하게 가스가 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 절연지(110)는 160 내지 220 g/m2 의 평량, 1.3 내지 1.6 g/cc 의 밀도, 30 내지 50 N/cm의 인장강도 및 150 내지 210 KPa의 파열강도를 갖는다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 절연지(110)는 1.4 KV/mm 이상의 절연내력(Dielectrci Breakdown Voltage)을 갖는 것이 바람직하다.
이상 기술된 절연지의 물리적 특성을 위해, 절연지(110)는 카올린(Kaolin) 55 내지 70 중량부, 1,4-벤젠다이카보닐 다이클로라이드(C8H4Cl2O2) 13 내지 22 중량부 및 수산화알루미늄(Al(OH)3) 6 내지 11 중량부를 포함하여 섬유를 시트화하는 공정에 의해 형성된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르는 절연지(110)는 아라미드 섬유를 시트화하는 방법에 의해 제조할 수 있다.
구체적으로 아라미드 섬유를 건식 혼합한 후에 기류를 이용하여 절연지를 형성하거나 아라미드 섬유를 액체 매체 중에서 분산 혼합한 후 액체 투과성의 망 등의 지지체 위로 토출시켜 시트화하고 액체를 제거한 후 건조하는 습식 초조법 등이 사용될 수 있다. 습식 초조법에서는 아라미드 섬유를 함유하는 수성 슬러리를 초지기에 공급하여 분산시킨 후 탈수, 착수 및 건조함으로써 시트로 권취한다. 초지기로서는 장망 초지기, 원만 초지기, 경사형 초지기 등이 사용될 수 있다. 아라미드 섬유를 이용해 절연지(110)를 제조하는 방법은 일반적으로 공지되어 있고, 일 예로 공개특허 10-2017-0099968 등에 공지되어 있다.
이와 같이 얻어진 절연지(110)는 한쌍의 롤러 사이에서 고온 고압으로 열압시켜 밀도, 내열성, 기계적 강도 등을 향상시킨다. 금속제 롤러를 사용할 때 220 내지 260 ℃의 온도에서 선압 280 내지 320 kg/cm의 조건으로 작업하는 것이 바람직하다.
여기서 아라미드란 벤젠 고리로의 아미드 기의 치환 위치에 따라, 파라아라미드, 메타아라미드 및 이들의 공중합체로 분류된다. 파라아라미드로는, 폴리파라페닐렌테레프탈아미드 및 그 공중합체, 폴리(파라페닐렌)-코폴리(3,4'-디페닐에테르)테레프탈아미드(폴리(파라페닐렌)-코폴리(3,4'- 디페닐에테르)테레프탈아미드) 등이 예시된다. 메타 아라미드로는 폴리메타페닐렌이소프탈아미드 및 그 공중합체 등이 예시된다. 이들의 아라미드는 예를 들면, 종래 공지의 계면 중합법, 용액 중합법 등에 의해 공업적으로 제조되고 있어, 시판품으로서 입수하는 것이 가능하지만, 이에 한정되지 않는다. 다만, 본 발명에서는 1,4-벤젠다이카보닐 다이클로라이드(C8H4Cl2O2)를 아라미드 섬유로 사용하였다.
절연지(110)는 적어도 1종의 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 바인더로서 수지가 사용될 수 있는데, 바인더로 사용되는 수지는, 제지용 분산체에 직접 첨가되는 수용성 또는 분산성 폴리머의 형태여도 되고, 혹은 건조 또는 이어지는 추가적인 압축 및/또는 가열 처리의 사이에 가해지는 열에 의해 바인더로서 활성화되도록 아라미드 섬유와 혼합된 수지 재료의 열가소성 바인더 섬유의 형태여도 된다. 수용성 또는 분산성 폴리머로는, 예를 들면, 폴리아미드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 우레탄 수지, 멜라민 포름알데히드 수지, 열경화성 폴리에스테르 수지, 알키드 수지 등의 수용성 또는 수분산성의 열경화성 수지를 들 수 있다. 특히 유용한 것은 수용성 폴리아미드 수지이다. 폴리(비닐알코올), 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리(초산비닐) 등의 열가소성 수지의 수용액 또는 수분산체도 동일하게 사용할 수 있다. 다만, 본 발명에서는 수산화알루미늄(Al(OH)3)을 바인더로 사용하였다.
또한, 절연지(110)는 적어도 1종의 충진제를 추가로 포함할 수 있다. 충진제의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 무기계 충진제가 바람직하고, 예를 들면, 운모, 그래파이트, 카올린, 벤토나이트 등의 점토, 카본나노튜브, 질화알루미늄, 산화알류미늄, 질화붕소, 산화마그네슘, 산화아연 등의 열전도성 충진제를 들 수 있다. 본 발명에서는 카올린을 사용하였다.
상기와 같이 설명된 배터리 모듈은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (4)

  1. 복수의 전지셀들이 수용되는 하부 케이스;
    상기 하부 케이스를 덮으며, 상기 전지셀의 내압이 일정 이상일 때 발생하는 기체를 배출하도록 형성되는 개구부들을 구비하여 형성되는 상부 케이스; 및
    상기 개구부들을 덮도록 상기 상부 케이스의 일면에 결합되는 절연부를 포함하고,
    상기 절연부는,
    카올린(Kaolin) 55 내지 70 중량부;
    1,4-벤젠다이카보닐 다이클로라이드(C8H4Cl2O2) 13 내지 22 중량부; 및
    수산화알루미늄(Al(OH)3) 6 내지 11 중량부를 포함하여 형성되는 절연지를 구비하여 형성되고,
    상기 절연지의 일면 상에 상기 상부 케이스와 부착되도록 접착층이 형성되는 제1 영역과 상기 개구부들을 덮는 제2 영역이 형성되고,
    상기 제2 영역에 해당하는 상기 절연지에 상기 기체가 배출될 때 파열되도록 형성되는 개방 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연지의 두께는 0.10 내지 0.15 mm 이고,
    상기 개방 패턴은 50 내지 90㎛의 노칭 깊이(Notching depth)로 형성되는 라인들을 포함하고,
    상기 개방 패턴은 상기 개구부 당 상기 라인들이 서로 교차하여 형성되는 교차점을 적어도 둘 이상으로 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연지는 160 내지 220 g/m2 의 평량, 1.3 내지 1.6 g/cc 의 밀도, 30 내지 50 N/cm의 인장강도 및 150 내지 210 KPa의 파열강도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.

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