KR20130024597A - 안전성이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안전성이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 대한 것으로, 하나 이상의 리튬이차전지; 및 흡열 물질과 상기 흡열 물질과 반응하여 흡열 반응을 할 수 있는 반응액체를 포함하는 반응팩; 을 포함하는 전지모듈에 대한 것이다.
본 발명에 의하여 전지모듈 또는 전지팩의 비상상황으로 인한 급격한 발열 현상을 억제할 수 있고, 이로 인한 전지의 변형 또는 폭발 등의 위험으로부터 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

안전성이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{Battery Module of Improved safety and Battery pack including the same}
본 발명은 안전성이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 비상 상황시 단위셀의 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지할 수 있는 구성의 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 대한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목 받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이차전지는 그것이 적용되는 분야 또는 제품들에서 요구되는 출력과 용량에 따라 다른 구성을 가지고 있다. 예를 들어, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들은 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 배터리 셀을 포함하고 있는 소형 전지팩이 사용되고 있다.
반면에, 전기자전거, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용되고 있는데, 전지팩의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지팩을 제조하려고 노력하고 있다.
전지팩의 배터리 셀로는 니켈-수소 이차전지가 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 용량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이차전지가 많이 연구되고 있으며, 일부는 상용화되어 있다. 그러나, 리튬 이차전지는 근본적으로 안전성이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 충방전시에는 많은 열이 전지팩에 발생하는데, 그 중에서도 배터리 셀, 특히, 전극단자, 커넥터 등의 전기적 부위는 많은 열이 발생하는 부위이다. 더욱이, 전극단자, 커넥터 등은 전기적 연결 구성에서 절연성이 요구되는 경우가 많으므로 소정의 절연성 부재에 지지되어 있거나 절연성 부재가 특정한 구조로 삽입되어 있는 경우가 많으므로, 발생한 열이 효과적으로 발산되지 못하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 발생된 열은 절연성 부재 등으로 인해 축적되는 경향이 있으며, 그로 인해 전극단자, 커넥터 등의 변형이 유발되어 궁극적으로 전지팩의 저항 변화를 초래하게 된다.
이러한 저항변화는 전지팩의 작동상태와 안전성을 악화시키므로 이를 억제하는 것이 필요하다. 특히, 다수의 배터리 셀을 사용하는 중대형 전지팩과, 배터리 셀로서 리튬 이차전지를 사용하는 전지팩의 경우에 있어서 열의 축적은 안전성 측면에서 심각할 수 있다.
종래 이와 같은 이차전지 및 전지팩의 고온 발열 현상을 제어하기 위하여 흡열제 등을 전지 내부에 포함시키는 발명이 있었으나,
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 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 전지 모듈 또는 전지팩의 구성부재들의 구조를 변화시키지 않으면서, 충방전시 배터리 셀이나 전극단자, 커넥터 등의 전기적 연결부위에서 발생한 열을 효과적으로 흡수하여 해당 부위의 온도를 일정한 수준 이하로 유지함으로써, 고열에 의한 물리적, 화학적 변형을 억제하여 궁극적으로 안전성을 향상시킬 수 있는 전지 모듈 또는 전지팩을 제공하는 것이다. 이러한 전지 모듈 또는 전지팩은 온도가 저하되었을 때 흡수한 열을 방열하므로, 스스로 온도를 제어할 수 있는 기능을 갖는다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은
하나 이상의 리튬이차전지; 및 흡열 물질과 상기 흡열 물질과 반응하여 흡열 반응을 할 수 있는 반응액체를 포함하는 반응팩; 을 포함하는 전지모듈을 제공한다.
상기 반응팩은 하나 이상의 리튬이차전지가 적층된 그룹의 최외층 또는 상부 또는 리튬이차전지들 사이 중 어느 하나 이상의 위치에 포함되는 것일 수 있다.
또한, 상기 반응팩은 그 외부 표면에 접착층을 포함하고 있는 것일 수 있다.
나아가 상기 반응팩은 상기 반응액체를 격리하여 포함할 수 있는 반응액체 저장부를 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 반응액체 저장부는 가압에 의하여 터지도록 마련된 것일 수 있으며, 이때, 상기 반응팩 내부에는 하나 이상의 침상부재를 포함하는 것일 수도 있다.
상기 침상부재는 평상시 반응액제 저장부에 닿지 않으며, 압력에 의해 반응팩의 모양이 변형되면 반응액체 저장부 표면에 닿게 되는 길이로 형성될 수 있다.
한편, 다른 일 구현예에서 상기 반응액제 저장부는 가압에 의하여 부러질 수 있는 앰플 형태일 수 있다.
나아가 상기 반응액체 저장부는 양 단이 분리되는 캡슐 형태일 수 있으며,
상기 캡슐 형태의 반응액체 저장부는 그 양쪽 끝단이 반응팩의 실링부와 연결부에 의하여 연결되어 있는 것일 수 있다.
또한, 상기 캡슐 형태의 반응액체 저장부는 양 단이 분리되는 형태로서, 분리된 양단을 끼움방식에 의하여 캡슐형태로 형성한 것일 수 있다.
또 다른 일 구현예에서 상기 캡슐 형태의 저장부는 중간에 노치에 의한 절개선이 형성된 것일 수 있다.
한편, 상기 흡열물질은 질산암모늄, 염화암모늄, 수산화바륨, 티오시안화암모늄, NH4NO3(암모늄나이트레이트) 또는 NaOAc(소듐아세테이트)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물로 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 상기 반응액체는 물인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 리튬이차전지 모듈을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩을 더 제공한다.
상기 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 이용되며, 상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템중 어느 하나 인 것일 수 있다.
본 발명에 의하여 전지모듈 또는 전지팩의 비상상황으로 인한 급격한 발열 현상을 억제할 수 있고, 이로 인한 전지의 변형 또는 폭발 등의 위험으로부터 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이차전지 모듈의 단면도이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응팩의 단면도이다.
도 5a 내지 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응팩들의 비상상황에 의한 반응개시시의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반응팩의 단면도이며,
도 7은 상기 일 실시예에 포함되는 반응액체 앰플의 사시도이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 해결하기 위하여,
열을 흡수할 수 있는 물질을 리튬이차전지의 외부에 포함하도록 한다.
즉, 본 발명은 하나 이상의 리튬이차전지; 및 흡열 물질과 상기 흡열 물질과 반응하여 흡열 반응을 할 수 있는 반응액체를 포함하는 반응팩; 을 포함하는 전지모듈을 제공한다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(300)의 단면도이다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전지모듈은 다수의 리튬 이차전지를 단위셀(100)로 포함하며, 흡열 물질과 반응액체를 포함하는 반응팩(200)을 포함한다.
도 1 내지 도 3에는 전지모듈에 포함되는 단위셀(100)의 개수가 4개로 한정되어 있으나 이는 예시일 뿐이며, 단위셀의 개수는 한정되지 아니하며 전지모듈의 용도 또는 용량에 따라 단위셀의 개수를 정할 수 있음은 물론이다.
상기 반응팩(200)은 전지의 과열시 냉각을 위한 구성으로서 도 1에서와 같이 적층된 단위셀의 최외부에 하나 이상 포함될 수 있으며, 또는 도 2에서와 같이 단위셀들 사이에 포함되어 함께 적층될 수 있다. 나아가 상기 반응팩은 도 3에서와 같이 적층된 단위셀의 적층방향과 수직한 방향의 양 끝에 하나 이상 포함될 수도 있다.
상기 반응팩의 재질은 특별히 한정하지 아니하나, 반응액체가 누출되지 않는 재질이어야 하며, 또한 내부의 흡열 반응에 의해 발생된 냉기를 외부로 효과적으로 전달하기 위해 열전도율이 높은 재질로 마련되는 것이 바람직하며, 예를 들어 알루미늄 재질 또는 단위셀과의 쇼트 등의 문제를 예방하기 위하여 리튬이차전지의 파우치팩과 동일하게 알루미늄 표면을 고분자 수지로 코팅한 재질로 구성될 수도 있다.
나아가 상기 반응팩(200)의 외부면에는 전지모듈 내부에서 위치가 고정될 수 있도록 접착층(미도시)을 더 형성하여 전지모듈 내부의 해당 위치에 고정시킬 수 있다.
한편, 상기 반응팩(200)은 상기한 바와 같이 전지의 과열시 열을 흡수할 수 있는 것으로, 평상시에는 상기 흡열물질과 반응액체를 격리하여 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 흡열물질 보다는 액상의 반응액체가 빨리 이동이 가능하므로, 반응액체만을 따로 저장하고 비상시 파열될 수 있는 구조의 반응액체 저장부를 반응팩 안에 포함시킬 수 있다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응팩의 단면도로서, 상기 흡열물질과 반응액체를 격리하여 포함하는 다양한 실시예에 대한 도면이다.
즉, 하나의 바람직한 예에서 상기 반응팩(200)은 도 4a와 같이 내부의 격리막에 의하여 반응액체 저장부(230)와 흡열물질 저장부(210)를 나눌 수 있다.
반응팩은 전지모듈에 외부로부터 침상부재가 관통되는 비상상황 또는 전지 내부적인 문제로 인하여 가스 등이 발생함으로써 반응팩에 압력이 가해지는 경우, 내부의 격리막이 파괴되어 반응액제와 흡열물질이 만나서 흡열반응을 하게 된다.
상기 격리막은 반응액체 저장부에 반응액체가 가득차 있어, 압력을 가하는 경우 터지기 용이한 재질로 이루어짐이 바람직하며, 외부 침상 물체의 관통에 의하여 쉽게 뚫릴 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 반응액체 저장부(230)가 흡열물질 저장부(210)의 위쪽에 가도록 배치함이 바람직하다. 이는 반응팩이 관통되거나 압력에 의하여 격리막이 파괴는 경우, 액상의 반응액체가 아래쪽으로 쉽게 이동하여 보다 빨리 흡열반응이 일어날 수 있도록 할 수 있기 때문이다. 반응팩을 세로로 배치하는 경우에도 반응액체 저장부(230)가 위쪽으로 가도록 형성할 수 있다.
나아가, 반응팩 내부 표면에는 도 4b와 같이 핀과 같은 모양의 침상부재(240)를 더 포함할 수 있다.
이는 비상상황시 전지 내부에 가스가 발생하여 반응팩에 압력이 가해지는 경우, 침상부재(240)가 격리막을 보다 용이하게 파열시킬 수 있도록 하기 위한 것으로, 상기 침상부재(240)는 흡열물질 저장부(210) 쪽이나 반응액체 저장부(230) 어느 쪽이든 형성할 수 있다.
다만, 상기 침상부재의 길이는 정상적인 작동시에는 상기 격리막에 닿지 않아야 하며, 비상 상황시 압력에 의해 반응팩의 모양이 변형되면 격리만에 닿아 용이하게 파열할 수 있는 길이로 형성되도록 한다.
상기 반응팩은 또 다른 실시예로 도 4c에 도시된 바와 같이, 반응액체 저장부를 캡슐 형태(230)로 형성하고 그 외부에 흡열 물질을 포함하는 것일 수도 있다.
상기 캡슐은 양쪽 각각 나뉘어진 형태로서 끼움 형태로 된 것일 수 있으며, 또는 중간부분에 노치(notch) 가 형성된 것일 수 있다. 상기 캡슐의 양 끝단은 또한 반응팩 내부의 양 끝단 실링부와 실과 같은 재질의 연결부(240)로 연결되어 있을 수 있으며, 비상상황시 압력에 의하여 반응팩의 두께가 얇아지고 반응팩의 양 끝단이 각각 반대방향으로 더 멀어지게 되면서 상기 캡슐형의 반응액체 저장부 양단을 잡아당기게 되면서 캡슐이 파단 되도록 할 수 있다.
파단 된 캡슐로부터 반응액체가 흘러나와 흡열 물질과 접촉에 의하여 흡열반응이 일어나게 된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서 상기 반응팩은 도 4d와 같이, 앰플형의 반응액체 저장부(250)를 포함하고 그 외부에 흡열 물질을 포함하는 것일 수도 있다.
상기 앰플형의 반응액체 저장부(250)는 외부 압력에 의하여 부러지는 형태의 것으로, 전지의 형태 변형에 의한 가압에 의하여 용이하게 부러질 수 있도록 중간부분을 가늘게 형성하고, 나아가 노치부를 더 형성할 수도 있다. 또한 가압에 의해 부러졌을 때 파편이 많이 생기지 않는 재질로 형성함이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 흡열 물질은 반응액체와 반응하여 흡열 작용을 하는 것이라면 특별히 한정하지 않을 수 있으나, 예를 들면 질산암모늄, 염화암모늄, 수산화바륨, 티오시안화암모늄, NH4NO3(암모늄나이트레이트) 또는 NaOAc(소듐아세테이트)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물로 이루어지는 것일 수 있으며, 상기 구체적인 흡열 물질들에 대해 반응 액체는 물(H2O)을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 흡열 물질 및 반응 액체의 포함량 또는 반응팩의 크기 등은 전지모듈의 사이즈에 따라 다를 수 있으며, 반응팩을 큰 하나의 사이즈로 형성하여 포함할 수 도 있으며 작은 사이즈의 반응팩을 다수포함할 수 있는바, 당업자의 선택에 따라 다양한 형태로 포함할 수 있으며, 다만, 반응팩의 용량 또는 수가 늘어나는 경우, 전지모듈의 사이즈 또는 중량이 증가하는 문제가 있을 수 있으므로 전지 모듈에 포함되는 단위셀의 개수 및 형상 등을 고려하여 적절하게 포함시킬 수 있다.
본 발명 따른 리튬이차전지 모듈은 상기한 바와 같은 반응팩을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하며, 그 제조방법은 공지의 방법을 이용할 수 있으므로 본 발명에서 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
본 발명은 또한 상기 전지모듈을 하나 이상 포함하는 전지팩을 더 제공한다.
본 발명에 따른 전지모듈 또는 전지팩은 소형 디바이스의 전원으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 바람직하게는 중대형 디바이스의 전원으로 이용될 수도 있다.
상기 중대형 디바이스로는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 101, 102, 103, 104: 리튬이차전지
200: 반응팩
300: 전지모듈
210: 흡열물질
230: 반응액체부
240: 침상부재
250: 캡슐형 반응액체부
260: 연결부
270: 앰플형 반응액체부

Claims (16)

  1. 하나 이상의 리튬이차전지; 및 흡열 물질과 상기 흡열 물질과 반응하여 흡열 반응을 할 수 있는 반응액체를 포함하는 반응팩; 을 포함하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응팩은 하나 이상의 리튬이차전지가 적층된 그룹의 최외층 또는 상부 또는 리튬이차전지들 사이 중 어느 하나 이상의 위치에 포함되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응팩은 그 외부 표면에 접착층을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응팩은 상기 반응액체를 격리하여 포함할 수 있는 반응액체 저장부를포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 반응액체 저장부는 가압에 의하여 터지도록 마련된 것을 특징으로 하는전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응팩 내부에는 하나 이상의 침상부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 침상부재는 평상시 반응액제 저장부에 닿지 않으며, 압력에 의해 반응팩의 모양이 변형되면 반응액체 저장부 표면에 닿게되는 길이로 형성된 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 반응액제 저장부는 가압에 의하여 부러질 수 있는 앰플 형태인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 반응액체 저장부는 양 단이 분리되는 캡슐 형태인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 캡슐 형태의 반응액체 저장부는 그 양쪽 끝단이 반응팩의 실링부와 연결부에 의하여 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    캡슐 형태의 반응액체 저장부는 양 단이 분리되는 형태로서, 분리된 양단을 끼움방식에 의하여 캡슐형태로 형성한 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 캡슐 형태의 저장부는 중간에 노치에 의한 절개선이 형성된 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡열물질은 질산암모늄, 염화암모늄, 수산화바륨, 티오시안화암모늄, NH4NO3(암모늄나이트레이트) 또는 NaOAc(소듐아세테이트)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응액체는 물인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항에 따른 리튬이차전지 모듈을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 이용되며, 상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 전지팩.
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