KR20140141825A - 이차전지 및 이를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일측 또는 양측으로 전극단자들이 돌출되어 있는 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서, 전극단자들을 기준으로 전지셀 적층체의 양 측면을 감싸는 한 쌍의 커버 부재들; 커버 부재와 전지셀 사이의 공간 및 전지셀들 사이의 공간 중에서 적어도 하나의 공간에 개재되는 탄성 패드(elastic pad); 및 전지셀 적층체의 외주면을 감싸면서 커버 부재들 및 탄성 패드와 결합하는 한 쌍의 프레임 부재들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

이차전지 및 이를 포함하는 전지모듈 {Secondary Battery and Battery Module Having the Same}
본 발명은 일측 또는 양측으로 전극단자들이 돌출되어 있는 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서, 전극단자들을 기준으로 전지셀 적층체의 양 측면을 감싸는 한 쌍의 커버 부재들;과 커버 부재와 전지셀 사이의 공간 및 전지셀들 사이의 공간 중에서 적어도 하나의 공간에 개재되는 탄성 패드(elastic pad); 및 전지셀 적층체의 외주면을 감싸면서 커버 부재들 및 탄성 패드와 결합하는 한 쌍의 프레임 부재들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 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.
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 소형 경량을 가진 전지셀들이 사용되고 있다. 반면에, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지모듈(또는 "중대형 전지팩"으로 칭하기도 함)이 사용되고 있는데, 전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지(10)는 두 개의 전극 리드(11, 12)가 서로 대향하여 전지 본체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 외장부재(14)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부(15)에 전극조립체(도시하지 않음)를 수납한 상태로 접촉부위인 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)를 접착시킴으로써 전지(10)가 만들어진다. 외장부재(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 접착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 접착할 수도 있다. 양측면(14a)은 상하 외장부재(14)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(14b)와 하단부(14c)에는 전극 리드(11, 12)가 돌출되어 있으므로 전극 리드(11, 12)의 두께 및 외장부재(14) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극 리드(11, 12)와의 사이에 필름상의 실링부재(160)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
그러나, 파우치형 전지(10)는 충방전 과정에서 전지 본체(13)가 팽창 및 수축을 거듭하므로, 상단부(14a) 및 하단부(14c), 특히 양측면(14b)의 열융착 부위가 분리되기 쉬울 뿐만 아니라, 외장부재(14) 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하다는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 일부 선행기술에서는 외장부재(14)의 외측부 실링부위를 에폭시 수지, 실리콘 수지 등으로 재차 도포하거나 밀봉용 필름 등을 부착시켜 밀봉성을 향상시키는 방법과, 충분한 기계적 강성을 가진 별도의 부재(카트리지 등)에 전지를 각각 장착하여 이를 적층하는 등의 방법을 사용하고 있다.
그러나, 별도의 밀봉 부재를 사용하는 방법은 작업공정이 번잡하고 이들 전지를 사용하여 중대형 전지팩을 구성하기에 적합하지 못한 구조를 가지고 있으며, 카트리지 등을 사용하는 경우에는 전지팩의 전체 중량 및 크기가 증가하고 조립공정이 복잡하다는 문제점을 가지고 있다.
더욱이, 리튬 이차전지는 고유의 특성상 전지셀의 제조 과정 뿐만 아니라, 계속적인 사용, 즉, 계속적인 충방전 과정에서 발전소자, 전기적 연결부재 등이 서서히 열화되는 바, 예를 들어, 발전소자의 열화는 전극재료, 전해질 등의 분해에 의해 가스 발생을 유발하며, 그로 인해 전지셀(캔, 파우치형 케이스)은 서서히 팽창하게 된다. 즉, 중대형 전지팩은 일반적으로 다수의 전지셀들이 일정한 케이스 내에 고정된 상태로 장착되어 있는 구조로 되어 있으므로, 각각의 팽창된 전지셀들은 한정된 케이스 내에서 더욱 가압되고, 비정상적인 작동 조건 하에서 발화 및 폭발의 위험성이 크게 높아진다.
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.
본 발명의 목적은, 전지모듈에 장착되어 있는 전지셀들 사이에 소정의 탄성력을 제공하는 탄성 패드(elastic pad)를 개재시킨 경우, 과충전, 과방전, 과전류 등 전지모듈의 비정상적인 작동 또는 장기간의 충방전에 따른 열화로 전지셀이 팽창하더라도 상기 탄성 패드(elastic pad)가 수축함으로써, 전지모듈의 안전성을 소망하는 수준으로 담보할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 안전성을 향상시킬 수 있는 특정한 구조의 이차전지 및 이를 포함하는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은, 일측 또는 양측으로 전극단자들이 돌출되어 있는 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서, 전극단자들을 기준으로 전지셀 적층체의 양 측면을 감싸는 한 쌍의 커버 부재들; 커버 부재와 전지셀 사이의 공간 및 전지셀들 사이의 공간 중에서 적어도 하나의 공간에 개재되는 탄성 패드(elastic pad); 및 전지셀 적층체의 외주면을 감싸면서 커버 부재들 및 탄성 패드와 결합하는 한 쌍의 프레임 부재들;을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 잦은 충방전에 따라 전지셀이 팽창하더라도, 전지셀들 사이에 특정구조의 탄성 패드를 적용하여 상기 전지셀이 팽창하는 부피에 대응하는 크기 만큼 수축함으로써, 전지셀의 구조적 안전성을 확보할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지셀은 두께 대비 폭과 너비가 상대적으로 큰 판상형 전지셀일 수 있으며, 바람직하게는, 전지셀의 두께 대비 10배수 내지 20배수 범위의 폭과 30 배수 내지 40 배수 범위의 너비를 갖는 구조가 바람직하다. 구체적인 예에서, 전지셀의 두께가 5mm 일 경우에, 전지셀의 폭과 너비는 각각 110mm 및 220mm 일 수 있다.
상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있으며, 이러한 이차전지의 구체적인 구조를 하기에서 상세히 설명한다.
일반적인 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 마이크로 미터이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 마이크로 미터이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
상기 구조에서, 상기 전지셀은 파우치 케이스의 외주면을 열융착 또는 접착에 의해 밀봉한 구조가 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 커버 부재는 금속 판재로 이루어져 있고, 상기 프레임 부재는 플라스틱으로 이루어진 구조일 수 있으며, 구체적인 예에서, 상기 프레임 부재는 사출 성형에 의해 일체로 형성되는 구조일 수 있다.
이러한 상기 커버 부재의 외주면은 전지셀 적층체 방향으로 만입된 단차를 이루고 있는 구조가 바람직하다.
상기 탄성 패드는 고무 또는 실리콘 수지로 이루어진 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는, 상기 탄성 패드는 중앙 부위가 개방되어 있고 전지셀 외주면에 밀착되는 링(ring) 형상으로 이루어진 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 탄성 패드는, 커버 부재와 전지셀 사이의 공간에 개재되는 제 1 패드와, 전지셀들 사이의 공간에 개재되는 제 2 패드를 포함하고 있는 구조일 수 있으며, 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 외주면에 실링부를 포함하고 있고, 상기 탄성 패드는 전지셀의 실링부에 밀착되는 제 1 탄성 가압부와, 제 1 탄성 가압부로부터 연장되어 있고 전지셀의 실링부 내측을 가압하는 제 2 탄성 가압부를 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 탄성 패드가 전지셀의 외면에 대응하는 모양으로 형성됨으로써, 전지셀의 실링부가 형성된 부위에 효과적으로 밀착된다.
이러한 구조에서, 상기 전지셀의 실링부 내측은 전지셀의 중심을 향하는 방향으로 실링부로부터 연장된 부위이고, 바람직하게는, 상기 실링부 내측은 전지셀의 중심과 실링부 사이의 거리에 대해 5 내지 50% 크기일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 1 탄성 가압부의 높이는 전지셀의 두께를 기준으로 50 내지 150%의 크기이고, 상기 제 2 탄성 가압부의 높이는 제 1 탄성 가압부의 3 내지 30%의 크기인 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 프레임 부재들은 커버 부재들, 전지셀 적층체 및 탄성 패드의 외주면 만을 감싸는 구조일 수 있으며, 바람직하게는, 상기 프레임 부재들의 내면에는 커버 부재들, 전지셀 적층체 및 탄성 패드의 외주면이 삽입되는 그루브들이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 프레임 부재들 각각은 평면 상으로 ㄷ자 형 구조로 이루어진 구조일 수 있다.
구체적인 예에서, 상기 프레임 부재들은 전지셀의 전극단자 부위에서 상호 체결되는 구조로 이루어진 구조일 수 있으며, 하나의 예에서, 상기 프레임 부재들은 체결식 후크 구조 또는 볼트 체결 구조로 이루어질 수 있다.
상기 프레임 부재들에는 전지셀의 전극단자가 노출되기 위한 관통구가 천공되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공한다.
본 발명에 따른 전지모듈이 사용될 수 있는 디바이스의 바람직한 예로는, 한정된 장착 공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 차량 또는 전력 저장장치일 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지모듈에 장착되어 있는 전지셀들 사이에 탄성력을 가진 탄성 패드(elastic pad)를 개재시켜 전지셀이 팽창하더라도, 상기 탄성 패드가 상기 전지셀이 팽창하는 크기에 대응하는 크기로 수축함으로써, 전지모듈의 폭발 또는 발화를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지모듈은 탄성 패드의 만입된 단차 부위가 실링부 상에 위치하므로, 실링부의 단부에서 발생될 수 있는 미세 크랙 등을 근본적으로 차단할 수 있으므로 전지의 절연 저항을 담보할 수 있다.
도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 사시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이다;
도 4 내지 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도들이다;
도 7 및 도 8은 도 3의 A-A'와 도 5의 B-B'의 수직 단면도들이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탄성 패드의 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 사시도가 모식적으로 도시 되어 있다.
도 2를 참조하면, 판상형 전지셀(100)은 전극조립체(도시하지 않음)를 내장한 상태로 라미네이트 시트의 전지 케이스(110)가 밀봉되어 있는 구조로 이루어져 있다. 전지 케이스(110)의 상단(120)에는 전극리드들(170, 180)이 돌출되어 있다. 상단(120)과 측면(130) 및 하단(150)은 전지 케이스(110)의 용융 접착에 의해 실링부(132)를 이루고 있다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시 되어 있고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 분해 사시도들이 모식적으로 도시 되어 있다.
이들 도면을 도 2 와 함께 참조하면, 본 발명에 따른 전지모듈(500)은 전지셀들(100, 110, 120)과, 전지셀들 사이에 개재되는 탄성 패드들(400, 410, 420, 430)과, 상하 방향으로 적층된 전지셀들(100, 110, 120)의 상부 및 하부를 감싸는 한 쌍의 커버 부재들(200) 및 전지셀들(100, 110, 120)의 외주면을 감싸면서 탄성 패드들(400, 410, 420, 430)과 커버 부재들(200, 210)과 결합하는 한 쌍의 프레임 부재들(300, 310)을 포함하여 구성되어 있다.
탄성 패드들(400, 410, 420, 430)은 커버 부재들(200, 210)과 전지셀들(100, 110, 120) 사이 공간에 개재되는 제 1 패드들(400, 430)과 전지셀들(100) 사이 공간에 개재되는 제 2 패드들(410, 420)을 포함하고 있다.
구체적으로, 제 1 전지셀(100) 내지 제 3 전지셀(120)은 일측으로 전극단자들(170, 180)이 형성되어 있고, 이러한 전극단자들(170, 180)이 동일 방향으로 돌출된 상태에서 상하 방향으로 적층되어 있다.
제 1 커버 부재(200)는 금속 판재로 이루어져 제 1 전지셀(100)의 양 측면을 감싸도록 장착되고, 제 2 커버 부재(210)는 제 3 전지셀(120)의 양측면을 감싸도록 장착되어 있다.
제 1 탄성 패드(400) 내지 제 4 탄성 패드(430)는 제 1 커버 부재(200)와 제2 커버 부재(200) 사이에 장착되어 있는 제 1 전지셀(100) 내지 제 3 전지셀(120)의 사이에 순차적으로 개재되어 있다.
이러한 구조에서, 제 1 프레임 부재(300)와 제 2 프레임 부재(310)는 탄성력을 가진 고무 재질로 형성되고, 제 1 전지셀(100) 내지 제 3 전지셀(120)과 제 1 탄성 패드(400) 내지 제 4 탄성 패드(430)의 측면에서 슬라이딩 결합된다.
이러한 전지모듈(500)의 구조에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8에는 도 3의 A-A' 및 도 5의 B-B'의 수직 단면도들이 도시 되어 있고, 도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 탄성 패드의 사시도가 모식적으로 도시 되어 있다.
이들 도면을 도 2 내지 도 6 과 함께 참조하여 전지모듈(500)의 구체적인 내용을 설명하면, 제 1 전지셀(100)의 외주면에는 실링부(132)가 형성되어 있고, 제 1 전지셀(100)의 실링부(132)를 감싸도록 제 1 커버 부재(200)가 상면에서 장착되어 있다. 제 1 커버 부재(200)에는 이러한 실링부(132)에 대응하는 모양으로 만입된 단차(201)가 형성되어 있다. 마찬가지로, 제 3 전지셀(120)의 외주면에도 실링부(132)가 형성되어 있고, 제 3 전지셀(120)의 실링부(132)를 감싸도록 제 2 커버 부재(210)가 하면에서 장착되어 있다. 제 2 커버 부재(210)에는 이러한 실링부(132)에 대응하는 모양으로 만입된 단차(201)가 동일하게 형성되어 있다.
제 1 탄성 패드(400)는 제 1 커버 부재(200)와 제 1 전지셀(100) 사이에 개재되어 있고, 제 2 탄성 패드(410)와 제 3 탄성 패드(420)는 제 1 전지셀(100)과 제 2 전지셀(110) 및 제 2 전지셀(110)과 제 3 전지셀(120) 사이에 각각 개재되어 있으며, 제 4 탄성 패드(430)는 제 3 전지셀(120)과 제 2 커버 부재(210) 사이에 장착되어 있다.
구체적으로, 제 1 탄성 패드(400)에는 제 1 전지셀(100)의 실링부(132)에 밀착되는 제 1 탄성 가압부(401)와 제 1 전지셀(110)의 실링부(132) 내측을 가압하는 제 2 탄성 가압부(402)가 형성되어 있고, 제 2 탄성 패드(410) 내지 제4 탄성 패드(430)에도 이와 동일한 구조로 형성되어 있으므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이러한 전지모듈(500)은 상면과 하면에 장착되어 있는 제 1 커버 부재(200)와 제 2 커버 부재(210)가 상하 방향으로 지그(도시하지 않음)에 의해 가압된 상태에서, 제 1 프레임 부재(300)와 제 2 프레임 부재(310)가 측면에서 슬라이딩 결합된다.
제 1 프레임 부재(300)와 제 2 프레임 부재(310)에는 제 1 전지셀(100) 내지 제 3 전지셀(120), 제 1 탄성 부재(400) 내지 제 4 탄성부재(430)가 개재되어 있는 상태에서, 제 1 커버 부재(200)와 제 2 커버 부재(210)의 외주면(도시하지 않음)이 슬라이딩 결합되도록 내면으로 그루브들(301)이 형성되어 있고, 제 1 프레임 부재(300)와 제 2 프레임 부재(310)에는 제 1 전지셀(100) 내지 제 3 전지셀(120)의 전극단자들(170, 180)이 외부로 노출되도록 관통구들(302)이 형성되어 있다.
제 1 프레임 부재(300)와 제 2 프레임 부재(310)가 상호 체결되는 부위는 후크부(도시하지 않음)가 형성되어 상호 억지끼움 방식으로 체결되는 구로로 이루어져 있고, 제 1 프레임 부재(300)와 제 2 프레임 부재(310)는 커버 부재들(200, 210), 전지셀들(100, 110, 120) 및 탄성 패드들(400, 410, 420, 430)의 외주면 만을 감싸는 구조로 결합된다.
이와 같이, 전지모듈(500)의 제 1 프레임 부재(300)와 제 2 프레임 부재(310)에 형성된 그루브들(301) 및 관통구들(302)에 제 1 전지셀(100) 내지 제 3 전지셀(120)의 외주면과 전극단자들(170, 180)이 용이하게 슬라이딩 체결됨으로써, 별도의 볼트 등의 체결부재 없이 조립이 용이하게 이루어 진다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 전지모듈의 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.

Claims (21)

  1. 일측 또는 양측으로 전극단자들이 돌출되어 있는 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 전지모듈로서,
    전극단자들을 기준으로 전지셀 적층체의 양 측면을 감싸는 한 쌍의 커버 부재들;
    커버 부재와 전지셀 사이의 공간 및 전지셀들 사이의 공간 중에서 적어도 하나의 공간에 개재되는 탄성 패드(elastic pad); 및
    전지셀 적층체의 외주면을 감싸면서 커버 부재들 및 탄성 패드와 결합하는 한 쌍의 프레임 부재들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 두께 대비 폭과 너비가 상대적으로 큰 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전지셀은 파우치 케이스의 외주면을 열융착 또는 접착에 의해 밀봉한 구조인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 커버 부재는 금속 판재로 이루어져 있고, 상기 프레임 부재는 플라스틱으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 커버 부재의 외주면은 전지셀 적층체 방향으로 만입된 단차를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 패드는 고무 또는 실리콘 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 패드는 중앙 부위가 개방되어 있고 전지셀 외주면에 밀착되는 링(ring) 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 패드는, 커버 부재와 전지셀 사이의 공간에 개재되는 제 1 패드와, 전지셀들 사이의 공간에 개재되는 제 2 패드를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 외주면에 실링부를 포함하고 있고, 상기 탄성 패드는 전지셀의 실링부에 밀착되는 제 1 탄성 가압부와, 제 1 탄성 가압부로부터 연장되어 있고 전지셀의 실링부 내측을 가압하는 제 2 탄성 가압부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전지셀의 실링부 내측은 전지셀의 중심을 향하는 방향으로 실링부로부터 연장된 부위인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 실링부 내측은 전지셀의 중심과 실링부 사이의 거리에 대해 5 내지 50% 크기인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 탄성 가압부의 높이는 전지셀의 두께를 기준으로 50 내지 150%의 크기이고, 상기 제 2 탄성 가압부의 높이는 제 1 탄성 가압부의 3 내지 30%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재들은 커버 부재들, 전지셀 적층체 및 탄성 패드의 외주면 만을 감싸는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 프레임 부재들의 내면에는 커버 부재들, 전지셀 적층체 및 탄성 패드의 외주면이 삽입되는 그루브들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재들 각각은 평면 상으로 ㄷ자 형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재들은 전지셀의 전극단자 부위에서 상호 체결되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 프레임 부재들은 체결식 후크 구조 또는 볼트 체결 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재들에는 전지셀의 전극단자가 노출되기 위한 관통구가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  20. 제 1 항에 따른 전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 디바이스는 차량 또는 전력저장장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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