KR20140129401A - 배터리 모듈 - Google Patents

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김상범
고홍재
이승노
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Abstract

본 발명은 상측으로 연장되어 형성되는 전극 탭이 절곡되어 배터리 모듈과 수직인 방향으로 용접면을 형성하는 용접부를 형성하고, 용접부를 겹치기 용접형태로 탑햇형태의 레이저를 이용하여 레이저 점용접하고, 스웰링 파티션을 구비하여 배터리 셀 내부의 문제로 부피가 증가하는 스웰링이 발생할 경우 스웰링 위치를 조절하여 전극 탭이 단락 되도록 하여 전극 탭의 단락으로 전기적 연결이 끊어 배터리 셀의 안전성을 향상시킨 배터리 모듈이다.

Description

배터리 모듈{Battery Module}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상측으로 연장되어 형성되는 전극 탭이 절곡되어 배터리 모듈과 수직인 방향으로 용접면을 갖는 용접부를 형성하고, 용접부를 겹치기 용접(lap welding)방식으로 탑햇(Top-hat)형태의 레이저를 이용하여 레이저 점용접(Spot laser welding)을 하고, 스웰링 파티션(swelling partition)을 구비하여 배터리 셀 내부의 문제로 부피가 증가할 경우 전극 탭이 단락 되어 전기적 연결이 끊겨 배터리 셀의 안전성을 향상시킬 수 있도록 한 배터리 모듈이다.
일반적으로, 이차전지는 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드카와 같은 다양한 분야에 적용되며 활발한 연구가 진행 중이다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있다.
이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다. 이러한 리튬 이차전지는 다양한 형태로 제조 가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬 이온 전지에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있으며, 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 전지는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)으로 제조되어, 그 형상이 비교적 자유롭다. 이러한 파우치형의 배터리 셀 다수개를 연결하여 모듈 형태로 구성하여 사용하는 것이 일반적이다. 이때 배터리 셀 외부로 돌출되어 있는 전극 탭의 연결을 통해 배터리 셀 각각의 전기적인 연결을 형성하는데, 이러한 모듈은 이차전지의 특성상 발생할 수 있는 과충전, 과방전시 분자구조의 붕괴나 내부 단락으로 인한 화재, 연소 및 폭발의 위험을 가지고 있다. 이와 같은 이유로 배터리 셀의 안전성을 확보하기 위하여 안전통로(safety vent), PTC(Positive Temperature Coefficient)와 CID(Current Interrupt Device) 소자 등 다양한 방법을 사용한다. 이러한 방법들은 주로 배터리 셀의 일정영역의 파손하고 이를 이용하여 내부 압력을 낮추어 화재, 연소 및 폭발의 위험을 최소화하는 방식을 취한다. 그러나 이러한 방법들은 배터리 셀의 파손 부위가 불규칙적으로 형성되어 파손된 부분을 통하여 내부의 전해질이 외부로 유출되어 문제를 발생시킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 상측으로 연장되어 형성되는 전극 탭이 절곡되어 배터리 모듈과 수직인 방향으로 용접면을 형성하는 용접부를 형성하고, 용접부를 겹치기 용접방식 또는 맞대기 용접방식으로 탑햇형태의 레이저를 이용하여 점용접을 하고, 스웰링 파티션을 구비하여 배터리 셀 내부의 문제로 부피가 증가하는 스웰링이 발생할 경우 스웰링 위치를 조절하여 전극 탭이 단락 되도록 한다. 따라서 전극 탭의 단락을 통해 전기적 연결이 끊겨 스웰링을 억제하여 배터리 셀의 안전성을 향상시킨 배터리 모듈을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 모듈은, 둘 이상의 배터리 셀(110)과, 각각의 상기 배터리 셀(110)로부터 연장되어 서로 레이저 용접되는 전극 탭(120)을 포함하는 배터리 모듈(100)에 있어서,
상기 배터리 모듈(100)은 상측으로 연장되어 형성된 전극 탭(120)이 절곡되어 상기 배터리 셀(110)에 수직인 방향으로 용접면을 형성하는 용접부(121)를 포함하여 형성된다.
또한, 상기 전극 탭(120)은 이웃하는 음극의 전극 탭(120)과 양극의 전극 탭(120)의 상기 용접부(121)가 겹쳐진 형태에서 용접되는 겹치기 용접(lap welding)형태 또는 상기 전극 탭(120)은 이웃하는 음극의 전극 탭(120)과 양극의 전극 탭(120)의 상기 용접부(121)의 단부가 맞닿은 상태에서 용접되는 맞대기 용접(butt welding)방식으로 용접된다.
더불어, 상기 용접부(121)는 탑햇(Top-hat)형태의 레이저를 이용하여 용접되며, 상기 용접부(121)는 레이저 점용접(Spot laser welding)을 이용하여 용접된다.
이때, 본 발명의 배터리 모듈(100)은 상기 베터리 셀(110)의 스웰링 위치(swelling position)를 유도하는 스웰링 파티션(Swelling partition, 130)이 상기 베터리 셀(110)의 하측 일정영역에 상기 베터리 셀(110)을 감싸도록 형성된다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈에 있어서, 상측으로 연장되어 형성되는 전극 탭이 절곡되어 배터리 모듈과 수직인 방향으로 용접면을 갖는 용접부를 형성하고, 용접부를 겹치기 용접방식 또는 맞대기 용접방식으로 탑햇형태의 레이저를 이용하여 점용접을 하여 평상시에는 안정적인 결합을 하지만 배터리 셀의 부피가 증가하는 스웰링이 발생할 경우 단락이 발생하여 스웰링의 진행을 차단할 수 있다.
또한 스웰링 파티션을 구비하여 스웰링 위치를 조절함으로써 전극 탭의 단락에 필요한 물리적인 힘을 효과적으로 공급할 수 있다. 이를 통하여 배터리 셀 내부의 이상에 의해 스웰링이 발생할 경우 배터리 셀의 밀폐력이 상실되지 않은 상태에서 전기적 단락을 이용하여 스웰링의 발생을 최대한 억제할 수 있어 배터리 셀 내부의 전해질 등이 외부로 유출되지 않으며, 배터리 셀 내부의 압력을 보다 안전하게 처리할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 배터리 모듈 사시도
도 2는 본 발명의 겹치기 용접 실시예
도 3은 본 발명의 레이저 형태 실시예
도 4는 본 발명의 스웰링 파티션 실시예
도 5는 본 발명의 스웰링 파티션 다른 실시예
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 배터리 모듈을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 배터리 모듈 사시도이고, 도 2는 본 발명의 겹치기 용접 실시예이며, 도 3은 본 발명의 레이저 형태 실시예, 도 4는 본 발명의 스웰링 파티션의 실시예, 그리고 도 5는 본 발명의 스웰링 파티션의 다른 실시예이다.
본 발명의 배터리 모듈(100)은 도 1에서 도시한 바와 같이, 둘 이상의 배터리 셀(110)과, 각각의 상기 배터리 셀(110)로부터 연장되어 서로 레이저 용접되는 전극 탭(120)을 포함한다.
이때, 상기 배터리 모듈(100)은 상측으로 연장되어 형성된 전극 탭(120)이 절곡되어 상기 배터리 셀(110)에 수직인 방향으로 용접면을 갖는 용접부(121)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 전극 탭(120)은 이웃하는 음극의 전극 탭(120)과 양극의 전극 탭(120)의 상기 용접부(121)가 겹쳐진 상태에서 용접되는 겹치기 용접(lap welding) 또는 상기 전극 탭(120)은 이웃하는 음극의 전극 탭(120)과 양극의 전극 탭(120)의 상기 용접부(121)의 단부가 맞닿은 상태에서 용접되는 맞대기 용접(butt welding)방식 맞대기 용접(butt welding)형태로 용접된다.
즉, 상기 용접부(121)는 각각의 상기 배터리 셀(110)에서 상측으로 연장되어 일정영역이 상기 배터리셀(110)에 수직인 방향으로 절곡되어 있으며, 절곡으로 형성된 상기 용접부(121)는 음극의 상기 전극 탭(120)과 이웃하는 양극의 상기 전극 탭(120)이 겹쳐진 구조를 이룬다. 이와 같은 겹쳐진 상기 용접부(121)를 중앙의 일정영역에 레이저로 용접하는 겹치기 용접 또는 맞대기 용접을 이용하여 용접한다. 도 2의 (a) 내지 (b)로 도시한 바와 같이, 겹치기 용접은 하나의 레이저로 일정영역을 용접하므로 작업이 간편하며, 겹쳐져 있는 부분이 다른 용접방식보다 넓어, 용접 부위가 좁을 경우 용접 작업 중 발생할 수 있는 용접부위 추적오류로 발생되는 용접불량을 최소화 할 수 있으며, 따라서 공정불량률을 최소화 할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 도 2의 (c)로 도시한 바와 같이, 맞대기 용접은 상기 용접부(121)의 단부를 맞대어 놓고 용접하므로 다른 용접방식보다 보다 쉽게 단락이 가능하여 배터리 모듈에 이상이 발생되어 스웰링이 발생될 경우 보다 신속하게 상기 용접부(121)의 단락을 발생시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 도 2에서는 본 발명의 상기 전극 탭(120)이 알루미늄 소재와 구리 소재로 구성되었을 때를 예시하였다. 이때, 보다 효율적인 용접을 위해 각각의 상기 전극 탭(120)을 밀착시키기 위해서는 양단부와 중앙부가 지지력을 갖는 3포인트 지지가 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
이러한 3포인트 지지를 위해서 각각의 상기 전극 탭(120)은 상기 용접부(121) 형성에 일정한 규칙성을 갖는 것이 바람직하며, 이때 상기 용접부(121)의 형성 규칙은, 일반적으로 상기 전극 탭(120)에 사용되는 알루미늄 소재가 9% 이상의 연신율을 갖고 구리 소재가 6% 이상의 연신율을 갖는 것을 감안하여 알루미늄이 더 작은 반경을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 연신율이 높은 알루미늄 소재는 구리 소재와 용접될 때 늘어날 수 있으므로 구리 소재보다 짧게 형성되는 것이 바람직하다.
이와 더불어, 상기 용접부(121)는 탑햇(Top-hat)방식의 레이저를 이용하여 용접한다. 일반적으로 용접에 사용되는 레이저는 좌우대칭형의 가우스(Symmetric gauss)방식으로 도 3의 (a)에 도시되어 있다. 이러한 좌우대칭형의 가우스 방식은 에너지 밀도가 균일하지 않고 중앙에 집중되는 형태를 띈다. 따라서 에너지 밀도가 낮은 주변부는 용접 대상인 모재에 깊게 용입되지 못하여 용접 효율이 떨어진다는 문제점을 갖는다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 도 3의 (b)에 도시한 바와 같은 탑햇방식의 레이저를 사용한다. 이러한 탑햇방식의 레이저는 주변부와 중앙의 에너지 밀도가 균일하여 용접 대상인 모재에 동일한 깊이로 용입된다는 장점을 갖는다.
또한, 상기 용접부(121)는 레이저 점용접(Spot laser welding)을 이용하여 용접한다. 이러한 레이저 점용접은 기존의 일정한 폭을 갖고 일정영역을 용접하는 선형(Linear)용접을 이용하였을 때의 인장강도를 기준으로 연산하여 점용접의 점의 개수를 산정하는 근거가 된다. 즉 선형 용접을 이용하였을 때의 용접 면적을 점용접에 사용되는 점의 면적으로 나누어 점의 개수를 산정하여 용접을 하게 된다. 따라서 레이저 선형용접과 레이저 점용접은 동일한 용접면적을 갖게 되나, 용접 위치에서 차이가 있다.
이는 레이저 선형용접의 경우 고정된 영역에만 용접이 가능하나, 레이저 점용접의 경우 용접점의 위치를 이동할 수 있다는 점에서 필요에 따라 조정할 수 있는 점에 기인한 것으로, 본 발명의 배터리 모듈은 레이저 점용접을 이용하여 배터리 모듈의 스웰링 발생시 발생하는 물리적인 힘을 이용하여 용접부가 분리되어 단락될 수 있도록 용접점을 구성한다. 이때 용접점은 중첩될 수 있다.
이와 더불어 본 발명의 배터리 모듈(100)은 상기 배터리 셀(110)의 스웰링 위치(swelling position)를 유도하는 스웰링 파티션(Swelling partition, 130)이 상기 배터리 셀(110)의 하측 일정영역에 상기 배터리 셀(110)을 감싸도록 형성된다. 관통, 고온방치, 과충전, 외부단락과 같은 이유로 인하여 상기 배터리 셀(110) 내부의 화학작용에 의하여 팽창되는 형태로 발생하는 스웰링은 그 발생 위치 및 형태가 각각의 발생 원인에 따라 차이를 보이게 된다. 또한 스웰링이 발생 부위에서부터 전방위로 상기 배터리 셀(110)을 팽창시키게 되어 물리적인 힘이 분산되어 나타나게 된다.
따라서 스웰링으로 배터리 셀이 변형될 때 발생하는 물리적인 힘을 이용하기 위해서는 필요한 영역으로의 집중이 필요하다. 이러한 물리적인 힘의 집중을 위해서는 전방위로 상기 배터리 셀(110)을 팽창시키는 스웰링을 물리적인 힘이 필요한 영역으로 집중시키기 위한 가이드 부재가 필요하다. 이를 위하여 본 발명의 배터리 모듈은 도 4에서 도시한 바와 같이, 상기 배터리 셀(110)의 하측 일정영역에 상기 배터리 셀(110)을 감싸도록 형성되는 스웰링 파티션(130)을 이용하여 스웰링 위치를 상기 전극 탭(120)이 위치하고 있는 상측으로 집중시킬 수 있다.
도 5에서 도시한 바와 같이, 하측에 위치한 상기 스웰링 파티션(130)의 유도를 통하여 스웰링 위치가 상측으로 집중됨에 따라 스웰링으로 발생하는 물리적인 힘이 상측에 집중되게 되어 상기 전극 탭(120)의 연결이 단락된다.
즉, 관통, 고온방치, 과충전, 외부단락과 같은 문제로 발생되는 상기 배터리 셀(110)의 스웰링을 상기 배터리 셀(110) 하측을 감싸도록 형성되는 상기 스웰링 파티션(130)이 상기 배터리 셀(110) 하측의 연신을 방지하여 스웰링이 상측으로 집중되도록 한다. 이때, 상측에 집중된 스웰링의 물리적인 힘을 이용하여 상기 배터리 셀(110) 상측에 형성되어 있는 상기 전극 탭(120)의 상기 용접부(121)의 연결을 단락시켜 전기적인 연결을 차단함으로써 화학 반응을 최소화 하고, 이를 통하여 스웰링의 진행을 중단시키게 된다. 따라서 본 발명의 배터리 모듈은 별도의 전기연결 차단수단 또는 배터리 셀 보호수단 없이도 상기 배터리 셀(110)의 폭발 또는 발화와 같은 안전 사고를 예방할 수 있다는 장점을 가지며, 이를 통하여 동일한 크기의 배터리 모듈에 연결될 수 있는 상기 배터리 셀(110)의 개수를 늘릴 수 있다는 장점을 갖는다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀
120: 전극 탭
121: 용접부
130: 스웰링 파티션

Claims (6)

  1. 둘 이상의 배터리 셀과, 각각의 상기 배터리 셀로부터 연장되어 서로 레이저 용접되는 전극 탭을 포함하는 배터리 모듈에 있어서,
    상기 배터리 모듈(100)은
    상측으로 연장되어 형성된 전극 탭(120)이 절곡되어 상기 배터리 셀(110)에 수직인 방향으로 용접면을 갖는 용접부(121)를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 탭(120)은 이웃하는 음극의 전극 탭(120)과 양극의 전극 탭(120)의 상기 용접부(121)가 겹쳐진 상태에서 용접되는 겹치기 용접(lap welding)방식으로 용접되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 탭(120)은 이웃하는 음극의 전극 탭(120)과 양극의 전극 탭(120)의 상기 용접부(121)의 단부가 맞닿은 상태에서 용접되는 맞대기 용접(butt welding)방식으로 용접되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 용접부(121)는 탑햇(Top-hat)방식의 레이저를 이용하여 용접되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 용접부(121)는 레이저 점용접(Spot laser welding)을 이용하여 용접되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제 1항에 있어서,
    본 발명의 배터리 모듈(100)은 상기 배터리 셀(110)의 스웰링 위치(swelling position)를 유도하는 스웰링 파티션(Swelling partition, 130)이 상기 배터리 셀(110)의 하측 일정영역에 상기 배터리 셀(110)을 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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