KR20070081594A - 콤팩트하고 안전성이 우수한 전지모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속층과 수지층을 포함하는 전지케이스에 전극조립체를 내장한 구조의 전지셀을 포함하는 전지모듈로서, 하나 또는 둘 이상의 상기 전지셀들이 금속 또는 수지형 외장재에 의해 감싸여 있고 상기 외장재와 전지셀 사이에 존재하는 공간에 절연성 수지를 충진하여 고화시킨 구조의 전지모듈을 제공한다.

Description

콤팩트하고 안전성이 우수한 전지모듈 {Battery Module of Compact Structure and Excellent Stability}

도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도이다;

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이고, 도 3은 도 2의 전지모듈의 우측면도이다.

본 발명은 콤팩트하고 안전성이 우수한 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속층과 수지층을 포함하는 전지케이스에 전극조립체를 내장한 구조의 전지셀을 포함하는 전지모듈로서, 하나 또는 둘 이상의 상기 전지셀들이 금속 또는 수지형 외장재에 의해 감싸여 있고 상기 외장재와 전지셀 사이에 존재하는 공간에 절연성 수지를 충진하여 고화시킨 구조의 전지모듈을 제공한다.

최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔 린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.

이와 같이 이차전지의 적용 분야와 제품들이 다양화됨에 따라, 전지의 종류 또한 그에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 당해 분야 및 제품들에 적용되는 전지들은 소형 경량화가 강력히 요구되고 있다.

휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들에는 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 소형 경량의 전지셀들이 사용되고 있다. 반면에, 전기자전거, 전기오토바이, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀들을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈(중대형 전지팩)이 사용되고 있다. 전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다. 또한, 전기자전거, 전기자동차 등과 같이 외부로부터 많은 충격, 진동 등을 받는 디바이스들은 전지모듈을 구성하는 소자들간의 전기적 연결상태와 물리적 결합상태가 안정적이어야 하며, 다수의 전지를 사용하여 고출력 및 대용량을 구현하여야 하기 때문에 안전성 측면도 중요시 되고 있다.

이러한 전지모듈 또는 전지팩의 단위전지로는 그것의 형상에 따라 원통형 전지셀, 각형 전지셀, 파우치형 전지셀 등이 사용되고 있으며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고 중량당 에너지 밀도가 높으며 저렴하고 변형이 용이한 파우치형 전지셀이 많은 관심을 모으고 있다.

도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지셀(10)은 두 개의 전극 리드(11, 12)가 서로 대향하여 전지 본체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 전지케이스(14)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)를 부착시킴으로써 전지셀(10)이 만들어진다. 전지케이스(14)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다.

그러나, 전지케이스(14) 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하므로, 안정한 구조의 전지모듈을 제조하기 위해서는 전지셀들(단위전지들)을 카트리지 등의 팩 케이스에 장착하여 전지모듈을 제조하고 있다. 반면에, 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 또는 차량 등에는 일반적으로 장착공간이 한정적이므로, 카트리지와 같은 팩 케이스의 사용으로 인해 전지모듈의 크기가 커지는 경우에는 낮은 공간 활용도의 문제점이 초래된다.

또한, 전지셀을 구성하는 전극조립체는 전지케이스에 감싸여 있는 형태로 내장되지만, 그것에 의해 고정되지는 않으므로, 외부에서 작용하는 충격이나 진동에 의해 전지케이스 내부에서 전극조립체가 전극 리드 방향으로 밀리거나 절곡될 수 있으며, 이로 인해 내부 쇼트를 유발하거나 전지케이스를 뚫고 나오는 등의 안전성의 문제에 심각한 원인이 된다.

또한, 전지셀을 구성하는 전극조립체는 충방전 과정에서 팽창과 수축을 반복하게 되며, 이로 인해 전지케이스의 열융착 부위가 벌어져서 전해액이 누출되는 단점을 가지고 있다. 더욱이, 반복적인 팽창 및 수축 과정에서 전극조립체의 양극과 음극의 간격이 변화되어, 내부 저항이 증가되거나 쇼트가 발생하는 등 급격한 성능저하가 초래되는 단점도 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 금속 또는 수지층의 외장재 내부에 하나 또는 둘 이상의 파우치형 전지셀을 내장하고, 그것의 내부 공간에 절연성 수지를 충진하여 전지모듈을 구성할 경우, 전지셀을 더욱 견고하게 고정함으로써 그것의 내부에 존재하는 전극조립체가 전극 리드 방향으로 밀리는 현상을 억제하여 내부 쇼트 및 상기 전극조립체가 전지 케이스를 뚫고 나오는 현상을 방지하는 것에 의해 전지모듈의 안전성을 향상시킬 수 있고, 박막의 외장재를 사용하여 전지모듈을 구성함으로써 전지모듈의 크기를 현저하게 작게 만들 수 있으며, 충방전시 전극조립체의 팽창 및 수축을 억제하여 전지셀의 성능 저하를 방지할 수 있는 등 다양한 잇점들을 확인하였고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은, 금속층과 수지층을 포함하는 전지케이스에 전극조립체를 내장한 구조의 전지셀을 포함하는 전지모듈로서, 하나 또는 둘 이상의 상기 전지셀들이 금속 또는 수지형 외장재에 의해 감싸여 있고 상기 외장재와 전지셀 사이에 존재하는 공간에 절연성 수지를 충진하여 고화시킨 구조로 이루어져 있다.

상기 전지셀은 충방전이 가능한 전극조립체가 내장되어 있고 열융착에 의해 형성된 실링부가 외주면에 형성되어 있는 이차전지이다. 그러한 이차전지는 바람직하게는 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스, 예를 들어, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.

상기 파우치형 전지셀에서 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 2 단위의 부재로서 상부 및/또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 상하부 접촉부위를 밀봉하는 구조 등을 들 수 있다. 상기와 같은 구조의 파우치형 전지셀은 본 출원인의 PCT 국제출원 제PCT/KR2004/003312호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.

상기 전극조립체는 충방전이 가능할 수 있도록 양극과 음극이 구성되어 있으며, 예를 들어, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조로서 젤리-롤 방식 또는 스택형 방식으로 이루어져 있다. 상기 전극조립체의 양극과 음극은 그것의 전극 탭이 직접 전지의 외부로 돌출된 형태이거나, 또는 상기 전극 탭이 별도의 리드에 접속되어 전지의 외부로 돌출된 형태일 수 있다. 이러한 전극 탭 또는 전극 리드의 전극단자는, 예를 들어, 양극단자가 전지셀의 일측에 돌출되어 있고 음극단자가 대향면의 타측에 돌출되어 있는 형태로 이루어져 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 전지케이스는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스로 이루어져 있고 전극조립체를 내장한 상태에서 열융착하여 밀봉되어 있으며, 상기 케이스의 외주면을 따라 형성되어 있는 열융착 실링부는 상기 외장재의 내부에 위치하고 상기 절연성 수지에 의해 감싸여 있는 구조일 수 있다.

상기 외장재는 내부에 전지셀을 안정적으로 장착할 수 있고 형태 유지성과 소정의 강도를 부여하는 금속 또는 수지로 이루어진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 외장재는 0.2 내지 1.0 mm의 두께를 가진 금속 플레이트일 수 있다. 상기 금속 플레이트의 두께 범위는 성형성과 기계적 강성을 고려하여 설정된 금속의 종류 및 가공방법에 따라 달라질 수 있다. 다만, 금속 플레이트의 두께가 너무 두꺼운 경우, 절곡 및 절삭 등의 성형이 용이하지 않고, 반대로 너무 얇을 경우, 소망하는 기계적 강성을 제공하기 어려우므로, 이들을 복합적으로 고려하여 최적의 두께를 결정할 수 있다.

상기 금속 플레이트는 전지모듈을 구성함에 있어서 다양한 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어 전지셀(들)의 일 측면을 감싸도록 절곡한 후 타 측면에서 그것의 양단부를 상호 결합시키는 구조로 전지모듈을 구성할 수 있다.

이러한 금속 플레이트 구조에서, 상기 양단부의 상호 결합은 다양한 방식에 의해 달성될 수 있으며, 예를 들어, 용접, 솔더링, 접착, 용융 수지에 의한 일체 성형, 후크 등의 기계적 체결구조 등이 사용될 수 있다. 그 중에서도 금속간의 높은 결합력과 결합부위의 크기를 최소화할 수 있는 용접이 특히 바람직하다.

수지형 외장재에 있어서, 상기 수지는 합성수지, 합성수지 블렌드, 합성수지 또는 블렌드에 유리섬유, 탄소섬유, 붕소섬유 등의 강화제를 첨가하여 강도를 더욱 높인 복합체 등이 바람직하게 사용될 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 외장재에는 두 개의 전지셀들이 서로 반대 전극들이 인접하도록 장착되어 있고, 상기 전지셀들의 하부 전극단자들은 절곡된 상태로 결합되어 있으며, 상기 결합 부위는 수지에 의해 감싸여 있는 구조일 수 있다. 이때, 하부 전극단자들에 대향하는 상부 전극단자들은 외부 입출력단자 또는 인접한 전지모듈의 전극단자와 연결될 수 있도록, 그것의 일부가 상기 수지에 의해 감싸여 있지 않고 노출되어 있는 구조로 이루어져 있다.

상기 절연성 수지는 전지모듈 내부에서 전기화학적 반응을 일으키지 않으며, 단량체, 올리고머 또는 저분자량의 폴리머 형태로 주입된 후 중합반응 및/또는 가교반응에 의해 고화되는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 고화된 상태에서의 절연성 수지는, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리스티렌 등의 합성수지 또는 블렌드 등일 수 있다.

상기 전지모듈의 상단 및/또는 하단에는 캡이 추가로 장착될 수 있으며, 이러한 캡은 절연성 수지가 충진된 상태에서 전지모듈의 상단 및/또는 하단에 장착된다.

본 발명은 또한 상기 전지모듈을 하나의 단위모듈로서 사용하여 다수 개의 단위모듈들을 전기적으로 연결하여 제조되는 중대형 전지모듈을 제공한다.

상기 중대형 전지모듈은, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등과 같이, 고출력 및 대용량의 전기가 요구되고, 장착공간을 고려하여 가능한 콤팩트한 구조를 가지며, 진동, 충격 등과 같은 다양한 외력이 가해지는 디바이스의 동력원으로 특히 바람직하다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도면을 참조하여 발명의 내용을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2 및 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도 및 우측면도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지모듈(100)은 두 개의 전지셀들(110, 120)과 그것을 감싸고 있는 외장재로서의 금속 플레이트(130)로 이루어져 있다.

전지셀(110)은 도 1에서와 같은 파우치형 전지셀로서, 서로 대향하는 양측면에 각각 양극단자(111)와 음극단자(도시하지 않음)가 돌출되어 있고, 전지케이스(114)에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태에서 케이스(114)의 외주면을 열 융착하여 밀봉한 구조로 이루어져 있다.

전지셀들(110, 120)은 상호 밀착된 상태로 외장재(130)에 감싸여 있으며, 서로 인접한 제 1 전지셀(110)의 양극단자(111)와 제 2 전지셀(120)의 음극단자(122)를 서로 대면하도록 절곡하여 직렬 연결을 이루고 있다. 전극단자들(111, 122)의 직렬 연결부위에는 결합 상태를 놓이기 위하여 용접, 솔더링, 기계적 체결 등을 추가로 행할 수 있다. 이러한 용접 등은 전극단자들(111, 122)의 절곡 전 또는 후에 행할 수 있다.

도면의 후면 방향에서의 전극단자들(도시하지 않음)은 외부 입출력 단자나 인접한 전지모듈(도시하지 않음)의 전극단자에 전기적 연결을 이룰 수 있도록 직접된 형태 또는 상호 반대 방향으로 절곡된 구조일 수 있다.

금속 플레이트(130)는 상호 밀착되어 있는 전지셀들(110, 120)의 일 측면을 감싸도록 절곡한 후 타 측면에서 그것의 양단부를 상호 용접하여 결합시킴으로써 전지셀들(110, 120)을 안정적으로 장착할 수 있다. 도면에는 금속 플레이트(130)의 결합부위로서 용접부(150)가 표시되어 있다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 금속 플레이트(130) 양단부의 결합은 솔더링, 접착, 일체 성형, 기계적 체결구조 등에 의해 달성될 수도 있음은 물론이다.

금속 플레이트(130)로 감싼 상태에서 전지셀들(110, 120)의 빈 공간에는 절연성 수지(140)를 충진하여 고화시킨다. 당해 공간에 충진되어 고화된 절연성 수지(140)는 전지셀들(110, 120)의 전지케이스 열융착 부위의 결합력을 높여 전해액의 누액 가능성을 방지하고, 전지모듈(100)의 전반적인 기계적 강성을 향상시키며, 충방전시 전극조립체의 팽창 및 수축을 억제함에도 기여하는 작용을 한다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 전지모듈은 금속 또는 수지층의 외장재 내부에 하나 또는 둘 이상의 파우치형 전지셀을 내장하고 그것의 내부 공간에 절연성 수지를 충진한 구조로 이루어진 본 발명에 따른 전지모듈은, 전지셀을 더욱 견고하게 고정함으로써 그것의 내부에 존재하는 전극조립체가 전극 리드 방향으로 밀리는 현상을 억제하여 내부 쇼트 및 상기 전극조립체가 전지 케이스를 뚫고 나오는 현상을 방지하는 것에 의해 안전성을 향상시킬 수 있고, 박막의 외장재를 사용하여 전지모듈을 구성함으로써 전지모듈의 크기를 현저하게 작게 만들 수 있으며, 충방전시 전극조립체의 팽창 및 수축을 억제하여 전지셀의 성능 저하를 방지할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (10)

1. 금속층과 수지층을 포함하는 전지케이스에 전극조립체를 내장한 구조의 전지셀을 포함하는 전지모듈로서, 하나 또는 둘 이상의 상기 전지셀들이 금속 또는 수지형 외장재에 의해 감싸여 있고 상기 외장재와 전지셀 사이에 존재하는 공간에 절연성 수지를 충진하여 고화시킨 구조의 전지모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스로 이루어져 있고, 케이스 외주면의 열융착 실링부는 상기 외장재 내부에 위치하며 수지에 의해 감싸여 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 외장재는 0.2 내지 1.0 mm의 두께를 가진 금속 플레이트인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 플레이트는 전지셀(들)의 일 측면을 감싸도록 절곡한 후 타 측면에서 그것의 양단부를 상호 결합시키는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 양단부의 상호 결합은 용접, 솔더링, 접착, 용융 수지에 의한 일체 성형, 또는 기계적 체결구조에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 양단부의 상호 결합은 용접에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 외장재에는 두 개의 전지셀들이 서로 반대 전극들이 인접하도록 장착되어 있고, 상기 전지셀들의 하부 전극단자들은 절곡된 상태로 결합되어 있으며, 상기 결합 부위는 수지에 의해 감싸여 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 수지는 단량체, 올리고머 또는 저분자량의 폴리머 형태로 주입된 후 중합반응 및/또는 가교반응에 의해 고화되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈의 상단 및/또는 하단에는 캡이 추가로 장착되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈을 단위체로서 사용하여 제조되는 중대형 전지모듈.

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