KR20150045737A

KR20150045737A - 배터리 모듈

Info

Publication number: KR20150045737A
Application number: KR20130125380A
Authority: KR
Inventors: 한민열; 윤해권; 변상원
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-04-29
Also published as: US9425453B2; EP2863453B1; CN104577185B; CN104577185A; EP2863453A1; US20150111072A1

Abstract

본 발명의 일 실시예는 배터리 모듈에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 모듈 단위로 과충전 안전성 및 관통 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀; 상기 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하는 다수의 버스바; 및 상기 다수의 배터리 셀 중 제1배터리 셀에 기구적으로 연결되고, 상기 다수의 배터리 셀 중 제2배터리 셀에 전기적으로 연결된 단락 유도 부재로 이루어진 배터리 모듈을 개시한다.

Description

배터리 모듈{Battery Module}

본 발명의 일 실시예는 배터리 모듈에 관한 것이다.

리튬 이온 이차 전지는 노트북이나 스마트 폰과 같은 소형 전자 장치에 주로 사용되고 있다. 또한, 최근의 리튬 이온 이차 전지는 다른 종류의 이차 전지에 비해 고출력, 고용량 및 경량 등의 특성을 갖고 있기 때문에, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에도 사용되고 있다.

여기서, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에 이용되는 리튬 이온 이차 전지는 용량이 상대적으로 크기 때문에, 특히 과충전이나 관통 등에 대비한 안전 장치가 중요하다. 이러한 안전 장치는 리튬 이온 이차 전지가 과충전되거나 관통되었을 때, 충전 또는 방전 경로를 신속히 차단하는 역할을 한다.

본 발명의 일 실시예는 모듈 단위로 과충전 안전성 및 관통 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀; 상기 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하는 다수의 버스바; 및 상기 다수의 배터리 셀 중 제1배터리 셀에 기구적으로 연결되고, 상기 다수의 배터리 셀 중 제2배터리 셀에 전기적으로 연결된 단락 유도 부재를 포함한다.

상기 제1배터리 셀은 상기 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀 중 첫째로 위치된 배터리 셀이고, 상기 제2배터리 셀은 상기 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀 중 마지막째로 위치된 배터리 셀일 수 있다.

상기 제1배터리 셀은 상기 배터리 모듈의 과충전 시 상기 단락 유도 부재에 전기적으로 단락되는 멤브레인을 더 포함할 수 있다.

상기 멤브레인은 상기 배터리 모듈의 과충전 시 상기 제1배터리 셀의 내압 증가에 의해 상기 멤브레인의 형태가 반전되어 상기 단락 유도 부재에 전기적으로 단락될 수 있다.

상기 단락 유도 부재는 상기 제1배터리 셀에 기구적으로 연결된 베이스 영역; 상기 베이스 영역으로부터 연장되어 상기 제1배터리 셀의 멤브레인과 대응되는 영역으로 연장된 제1연장 영역; 및 상기 베이스 영역으로부터 연장되어 상기 제2배터리 셀에 전기적으로 연결된 제2연장 영역을 포함할 수 있다.

상기 제1배터리 셀과 상기 베이스 영역의 사이에는 절연층이 더 개재될 수 있다.

상기 제1,2배터리 셀은 각각 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 전극 조립체로부터 상기 케이스를 관통하여 외부로 연장된 제1단자 및 제2단자를 포함하고, 상기 단락 유도 부재의 제2연장 영역은 상기 제2배터리 셀의 제2단자에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 단락 유도 부재의 제2연장 영역과 제1배터리 셀, 상기 단락 유도 부재의 제2연장 영역과 상기 제2단자를 제외한 제2배터리 셀의 사이에는 절연층이 더 개재될 수 있다.

상기 제1배터리 셀의 케이스와 상기 제1배터리 셀의 제1단자가 전기적으로 연결되고, 상기 제1배터리 셀의 멤브레인은 상기 제1배터리 셀의 케이스에 형성될 수 있다.

상기 제1,2배터리 셀은 각각 전극 조립체와 제1단자의 사이에 퓨즈가 더 형성될 수 있다.

상기 배터리 모듈의 과충전 시 상기 퓨즈가 융단될 수 있다.

도전체가 상기 단락 유도 부재 및 상기 제1배터리 셀의 케이스를 관통하면, 상기 도전체에 의해 상기 제1배터리 셀의 케이스와 단락 유도 부재가 상호간 쇼트되어, 상기 퓨즈에 허용 전류보다 큰 전류가 흘러 상기 퓨즈가 융단되고, 상기 케이스와 상기 전극 조립체 사이의 전기적 연결이 끊겨 상기 케이스의 극성이 제거될 수 있다.

상기 제1,2배터리 셀은 각각 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 전극 조립체로부터 상기 케이스를 관통하여 외부로 연장된 제1단자 및 제2단자를 포함하고, 상기 케이스는 장측벽, 상기 장측벽에 비하여 작은 면적을 갖는 단측벽을 포함하며, 상기 단락 유도 부재의 베이스 영역은 상기 장측벽에 위치될 수 있다.

상기 장측벽의 넓이는 상기 베이스 영역의 넓이와 같을 수 있다.

상기 멤브레인은 제1단자 및 제2단자와 같은 평면에 형성될 수 있다.

상기 멤브레인은 제1단자보다 제2단자에 더 가깝게 형성될 수 있다.

일례로, 단락 유도 부재가 배터리 셀마다 설치되는 것이 아니라, 단락 유도 부재가 배터리 모듈의 일측에만 설치되어, 배터리 모듈의 과충전 시 과충전 전류가 단락 유도 부재를 통해 바이패스되도록 함으로써, 배터리 모듈의 과충전 안전성이 향상된다. 더불어, 단락 유도 부재가 모듈당 1개만 설치됨으로써, 구성 부품의 갯수가 감소되고, 이에 따라 배터리 모듈의 제조 비용이 절감된다.

또한, 침상(針狀) 도전체가 단락 유도 부재 및 배터리 셀을 관통할 경우, 단락 유도 부재에 의해 배터리 셀의 에너지가 신속하게 방출되고, 더불어 퓨즈의 융단에 의해 배터리 셀의 케이스 극성(양극)이 제거됨으로써, 배터리 모듈의 관통 안전성이 향상된다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 도시한 사시도 및 부분 분해 사시도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀의 일례를 도시한 사시도, 횡단면도 및 종단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀에 형성된 퓨즈의 일례를 도시한 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀과 단락 유도 부재 사이의 관계를 도시한 부분 횡단면도이고, 도 4b 및 도 4c는 배터리 모듈의 과충전 시 멤브레인과 단락 유도 부재 사이의 단락 전, 후 관계를 도시한 부분 확대 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 시 동작 이해를 위해 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 도전체가 관통하였을 경우를 도시한 부분 횡단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 관통 시 동작 이해를 위해 도시한 회로도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 관통 시 동작 이해를 위해 도시한 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 "단락 유도 부재"는 배터리 모듈의 과충전 안전성 및 관통 안전성을 동시에 향상시키기 위한 것을 의미한다. 나아가, 본 명세서에서 사용되는 "단락 유도 부재"는 다수의 배터리 셀이 일렬로 배열되어 이루어진 배터리 모듈의 외측에 1개가 설치되며, 각각의 배터리 셀 내부에 설치된 것이 아니다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)을 도시한 사시도 및 부분 분해 사시도이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은 다수의 배터리 셀(100), 다수의 버스바(200) 및 단락 유도 부재(300)를 포함한다.

다수의 배터리 셀(100)은 수평 방향으로 일렬로 배열될 수 있다. 이하에서, 제1배터리 셀(100a)은 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀(100) 중 첫째로 위치된 배터리 셀을 의미하고, 제2배터리 셀(100b)은 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀(100) 중 마지막째로 위치된 배터리 셀을 의미한다. 따라서, 첫째로 위치된 배터리 셀과 마지막째로 위치된 배터리 셀의 사이에는 다수의 다른 배터리 셀이 위치되거나 또는 위치되지 않을 수 있다.

배터리 셀(100)은 각각 케이스(110)와, 케이스(110)를 덮는 캡 플레이트(150)와, 캡 플레이트(150)를 통해 상부로 돌출된 제1단자(예를 들면, 양극 단자)(160a) 및 제2단자(예를 들면, 음극 단자)(160b)를 포함한다. 여기서, 캡 플레이트(150)는 케이스(110)의 일부로 볼 수 있으며, 케이스(110) 및 캡 플레이트(150)는 전체적으로 배터리 셀(100)이 각형이 되도록 한다.

또한, 제1단자(160a)는 캡 플레이트(150)와 전기적으로 연결됨으로써, 케이스(110) 및 캡 플레이트(150)는 제1단자(160a)와 동일한 극성(예를 들면, 양극)을 가질 수 있다. 또한, 캡 플레이트(150)는 정상 상태에서는 하부를 향하나 과충전 시 내부 압력 증가에 의해 반전되어 상부를 향하는 멤브레인(155)을 더 포함한다. 이러한 멤브레인(155)은 제1단자(160a) 및 제2단자(160b)와 같은 평면에 형성되며, 또한 제1단자(160a)보다 제2단자(160b)에 더 가깝게 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명에서 멤브레인(155)의 형성 위치를 한정하는 것은 아니다.

더불어, 캡 플레이트(150)는 과충전 시 내부 가스를 외부로 방출하는 벤트(153), 제조 공정 중 전해액을 주입하는 주액구를 막는 플러그(152)를 더 포함할 수 있다. 이러한 배터리 셀(100)의 구성은 아래에서 다시 상세하게 설명하기로 한다.

다수의 버스바(200)는 다수의 배터리 셀(100)을 전기적으로 직렬로 연결한다. 즉, 버스바(200)는 일측 배터리 셀(100)의 제1단자(160a)(또는 제2단자(160b))와, 이와 인접한 타측 배터리 셀(100)의 제2단자(160b)(또는 제1단자(160a))를 상호간 전기적으로 연결한다. 물론, 이러한 다수의 버스바(200)는 다수의 배터리 셀(100)을 전기적으로 병렬로 연결할 수도 있다.

단락 유도 부재(300)는 제1배터리 셀(100a)에 기구적으로 연결 또는 부착되고, 제2배터리 셀(100b)에 전기적으로 연결된다. 즉, 배터리 모듈(10)의 정상 상태(배터리 모듈(10)이 과충전되지 않은 상태)에서 단락 유도 부재(300)는 제1배터리 셀(100a)과 기구적으로 연결될 뿐 전기적으로 연결되지 않고, 제2배터리 셀(100b)에만 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제1배터리 셀(100a)과 단락 유도 부재(300)의 사이에는 절연층이 개재될 수 있다.

여기서, 단락 유도 부재(300)는 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금, 스텐레스 스틸, 또는 그 등가물과 같은 도전체일 수 있다. 그러나, 이러한 재질로 본 발명이 한정되지 않는다.

이러한 단락 유도 부재(300)는 베이스 영역(310), 제1연장 영역(320) 및 제2연장 영역(330)을 포함한다.

베이스 영역(310)은 제1배터리 셀(100a)의 외측에 접착층을 통하여 기구적으로 연결된다. 즉, 상술한 바와 같이 제1배터리 셀(100a)은 케이스(110)를 가지며, 이러한 케이스(110)는 상대적으로 면적이 넓은 장측벽, 장측벽에 연결되고 장측벽의 면적에 비해 상대적으로 작은 면적을 갖는 단측벽을 포함하며, 단락 유도 부재(300)의 베이스 영역(310)은 장측벽의 외측에 절연층을 통하여 부착된다. 더불어, 이러한 베이스 영역(310)의 면적은 장측벽의 넓이와 같거나 약간 작을 수 있다. 물론, 경우에 따라 베이스 영역(310)의 면적은 장측벽의 넓이보다 클 수도 있다.

제1연장 영역(320)은 베이스 영역(310)으로부터 상부 방향으로 일정 길이 연장되어 제1배터리 셀(100a)의 멤브레인(155)과 대응되는 영역에 위치될 수 있다. 이를 위해 제1연장 영역(320)은 적어도 1회 절곡되고, 끝단이 멤브레인(155)의 상부에 위치된다. 정상 상태에서 멤브레인(155)과 제1연장 영역(320)은 상호간 단락되지 않지만, 배터리 모듈(10)이 과충전되면 멤브레인(155)과 제1연장 영역(320)이 상호간 단락된다. 더불어, 이러한 제1연장 영역(320)의 폭은 베이스 영역(310)에 비해 상대적으로 작을 수 있다.

제2연장 영역(330)은 베이스 영역(310)으로부터 측부 방향으로 연장되어 제2배터리 셀(100b)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이를 위해 제2연장 영역(330)은 적어도 1회 절곡되고, 끝단이 제2배터리 셀(100b)의 제2단자(160b)에 전기적으로 연결된다. 즉, 제2연장 영역(330)의 끝단은 제2배터리 셀(100b)의 제2단자(160b)에 용접될 수 있다. 더불어, 이러한 제2연장 영역(330)의 폭은 베이스 영역(310)에 비해 상대적으로 작을 수 있다. 더불어, 이러한 제2연장 영역(330) 역시 절연층을 통하여 제1,2배터리 셀(100a,100b)의 케이스(110)와 절연된다.

이와 같이 하여, 본 발명은 모듈 단위로 과충전 안전성을 향상시킬 수 있다. 일례로, 단락 유도 부재(300)가 배터리 셀(100)마다 내부에 설치되는 것이 아니라, 단락 유도 부재(300)가 배터리 모듈(10)의 외측 일측에 1개가 설치되어, 배터리 모듈(10)의 과충전 시 과충전 전류가 단락 유도 부재(300)를 통해 바이패스되도록 함으로써, 배터리 모듈(10)의 과충전 안전성이 향상된다.

즉, 배터리 모듈(10)의 과충전 시 제1단자(160a)에 전기적으로 연결된 멤브레인(155)이 단락 유도 부재(300)의 제1연장 영역(320)에 전기적으로 접속되고, 이에 따라 과충전 전류가 단락 유도 부재(300)의 제1연장 영역(320), 베이스 영역(310) 및 제2연장 영역(330)을 통해 배터리 모듈(10)의 외측으로 바이패스됨으로써, 배터리 모듈(10)의 과충전 안전성이 향상된다.

도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀의 일례를 도시한 사시도, 횡단면도 및 종단면도이다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀에 형성된 퓨즈의 일례를 도시한 사시도이다.

도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(100)은 케이스(110), 전극 조립체(120), 제1집전판(130a), 제1절연부(140a), 제2집전판(130b), 제2절연부(140b), 캡 플레이트(150), 제1단자(160a) 및 제2단자(160b)를 포함한다.

여기서, 전극 조립체(120)의 갯수는, 도 2c를 참조하면, 비록 2개로 도시되어 있으나, 이보다 더 작거나 또는 많은 개수가 존재할 수 있음은 당연하다. 또한, 케이스(110)는 캔(can)으로 지칭될 수도 있으며, 경우에 따라서는 캡 플레이트(150)를 포함하는 개념일 수 있다.

케이스(110)는 대략 평평하고 서로 마주보는 한쌍의 장측벽(111a, 111b)과, 상기 장측벽(111a, 111b)을 연결하며 서로 마주보는 한쌍의 단측벽(112a, 112b)과, 상기 장측벽(111a, 111b) 및 상기 단측벽(112a, 112b)을 연결하는 하나의 바닥벽(113)을 포함한다. 여기서, 장측벽의 면적이 단측벽의 면적보다 상대적으로 크다. 또한, 케이스(110)는 상부의 개방된 영역이 캡 플레이트(150)로 밀폐된다. 이러한 케이스(110)에는 전극 조립체(120)가 전해액과 함께 수용된다. 또한, 케이스(110)는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 철, 철 합금, 스테인리스 스틸 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 여기서 그 재질을 한정하는 것은 아니다.

전극 조립체(120)는 대략 평평하고 서로 마주보는 한쌍의 장변 영역(120a,120b)과, 장변 영역(120a,120b)을 연결하며 서로 마주보는 한쌍의 단변 영역(120c,120d)을 포함한다. 여기서, 장변 영역(120a,120b)의 면적이 단변 영역(120c,120d)의 면적에 비하여 상대적으로 넓다. 또한, 전극 조립체(120)는 제1활물질(도시되지 않음)이 코팅되지 않은 제1비코팅 영역(121a, 제1무지부) 및 제2활물질(도시되지 않음)이 코팅되지 않은 제2비코팅 영역(122a, 제2무지부)이 서로 반대 방향으로 일정 길이 연장되어 있다. 즉, 제1비코팅부(121a)는 장변 영역(120a,120b) 및 단변 영역(120c,120d)을 통해 일측 방향으로 일정 길이 연장 및 돌출되고, 제2비코팅부(122a)는 장변 영역(120a,120b) 및 단변 영역(120c,120d)을 통해 상기 일측 방향의 반대인 타측 방향으로 일정 길이 연장 및 돌출되어 있다. 또한, 전극 조립체(120)의 제1비코팅 영역(121a) 및 제2비코팅 영역(122a)은 각각 케이스(110)에 구비된 단측벽(112a,112b)을 향하여 일정 길이 연장되어 있다.

더불어, 전극 조립체(120)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 제1전극판(121), 제2전극판(122), 및 제1,2전극판(121,122)의 사이에 개재된 세퍼레이터(123)의 적층체가 권취되거나 겹쳐서 형성된다. 여기서, 제1전극판(121)은 양극으로서 동작할 수 있으며, 제2전극판(122)은 음극으로서 동작할 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.

제1전극판(121)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 포일로 형성된 제1전극 집전체에 전이금속산화물 등의 제1전극 활물질이 도포됨으로써 형성되며, 제1활물질이 도포되지 않은 영역인 제1비코팅 영역(121a)을 포함한다. 제1비코팅 영역(121a)이 제1전극판(121)과 제1집전판(130a) 사이의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제1전극판(121)의 재질을 한정하는 것은 아니다.

제2전극판(122)은 구리, 구리 합금 또는 니켈과 같은 금속 포일로 형성된 제2전극 집전체(도시되지 않음)에 흑연 또는 탄소 등의 제2전극 활물질(도시되지 않음)이 도포됨으로써 형성되며, 제2활물질이 도포되지 않는 영역인 제2비코팅 영역(122a)을 포함한다. 제2비코팅 영역(122a)은 제2전극판(122)과 제2집전판(130b) 사이의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제2전극판(122)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기와 같은 제1전극판(121) 및 제2전극판(122)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있다.

세퍼레이터(123)는 제1전극판(121)과 제2전극판(122) 사이에 위치되어 상호간 쇼트를 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이나, 폴리 프로필렌이나, 폴리 에틸렌과 폴리 프로필렌의 복합 필름으로 이루어질 수 있다. 한편, 본 발명에서 세퍼레이터(123)의 재질을 한정하는 것은 아니다.

이러한 전극 조립체(120)는 상술한 바와 같이 전해액과 함께 케이스(110)에 수납된다. 상기 전해액은 EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate)와 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4와 같은 리튬염으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.

제1집전판(130a)은 케이스(110)의 내측에 위치되며, 이는 제1단자(160a)와 전극 조립체(120)의 사이에 전기적으로 접속된다. 구체적으로, 제1집전판(130a)은 제1단자(160a)에 전기적으로 연결되는 제1영역(131a), 제1영역(131a)으로부터 절곡되어 전극 조립체(120)의 제1비코팅 영역(121a)에 전기적으로 연결되는 제2영역(132a), 그리고 제1영역(131a)과 제2영역(132a) 사이에 형성된 절곡 영역(133a)을 포함한다. 더욱이, 제2영역(132a)에는 제1비코팅 영역(121a)에 용접되는 제3영역(134a)이 더 형성될 수 있다. 이러한 구성에 의해 전극 조립체(120)는 실질적으로 제1집전판(130a)에 매달린 형태를 한다. 즉, 전극 조립체(120)는 기본적으로 중력에 의해 제1집전판(130a)으로부터 하부 방향으로 당겨지고 있는 상태이며, 전극 조립체(120)의 하부 영역은 케이스(110)의 바닥벽(113)으로부터 일정거리 이격된 상태이다.

더불어, 제1집전판(130a) 중 제1영역(131a)에는 대략 사각 형태의 퓨즈 홀(135a)이 형성되고, 또한 퓨즈 홀(135a)의 양측에는 상대적으로 단면적이 작은 한쌍의 퓨즈부(136a)가 형성된다. 즉, 퓨즈부(136a)의 폭은 제1영역(131a) 또는 제2영역(132a)의 폭보다 작게 형성된다. 도 3a에서는 퓨즈부(136a)의 형성을 위해 제1영역(131a)에 관통 홀이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 도 3b에 도시된 바와 같이 퓨즈부(436a)를 중심으로 양측에 절개부(435a)가 형성될 수도 있다.

이러한 퓨즈부(136a)는 배터리 셀(100)의 외부 단락 또는 과충전 시에 흐르는 과전류에 의해 발생되는 열로 용융됨으로써, 충전 및/또는 방전 전류를 차단하는 역할을 한다. 물론, 이에 따라 배터리 셀(100)의 안전성이 향상된다.

또한, 제1집전판(130a) 중 제1영역(131a)에는 하기할 제1단자(160a)의 체결 영역(161a) 및 결합 돌기(164a)가 결합되는 결합홀들(137a,138a)이 형성될 수 있다.

여기서, 제1집전판(130a)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 스테인리스, 금, 탄탈, 니오븀, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 인듐, 코발트, 텅스텐, 주석, 베릴륨, 몰리브덴 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 그러나, 이로서 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 일례로, 제1집전판(130a)이 알루미늄으로 형성될 경우, 퓨즈부(136a) 역시 알루미늄으로 형성된다. 알루미늄의 경우 용융점이 대략 659℃이므로, 과전류에 의해 퓨즈부(136a)의 온도가 대략 659?에 도달하면, 퓨즈부(136a)가 자연스럽게 용융되어 끊어진다. 이때 용융되어 끊어지는 시간이 길어질수록 아크 방전 시간도 길어지므로, 전반적으로 배터리 셀(100)의 내부 상태는 불안정한 상태가 된다.

제1절연부(140a)는 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)을 대략 감싸는 형태를 한다. 구체적으로, 제1절연부(140a)는 캡 플레이트(150)와 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)의 사이에 위치되며, 제1단자(160a)의 체결 영역(161a) 및 플랜지(163a), 그리고 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)을 감싼다. 좀더 구체적으로, 제1절연부(140a)는 제1집전판(130a)의 제1영역(131a) 및 제1단자(160a)의 플랜지(163a)와, 캡 플레이트(150)의 사이에 개재된 상부 영역(141a), 그리고 제1집전판(130a)의 제1영역(131a) 중 측부 영역(142a), 제1단자(160a)의 체결 영역(161a) 및 플랜지(163a)의 측부 영역(142a)을 둘러싸는 대략 4개의 측부 영역(142a)을 포함한다. 이러한 제1절연부(140a)는 전해액과 반응하지 않는 PPS(Polyphenylene Sulfide) 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

캡 플레이트(150)는 제1단자(160a)가 외부로 노출 또는 돌출되도록 하면서, 상기 케이스(110)의 개방된 영역을 덮는다. 물론, 상기 케이스(110)와 캡 플레이트(150)의 경계는 레이저 빔으로 용접될 수 있다. 더욱이, 캡 플레이트(150)에는 전해액 주액구(161)가 형성되고, 이러한 주액구는 플러그(162)로 막힐 수 있으며, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 벤트(163)도 형성될 수 있다. 실질적으로, 이러한 캡 플레이트(150)는 케이스(110)와 동일 재질로 형성될 수 있다.

더불어, 캡 플레이트(150)는 관통홀(154) 및 관통홀(154)을 막는 멤브레인(155)을 포함한다. 관통홀(154) 및 멤브레인(155)은 제2단자(160b)와 벤트(153) 사이에 형성될 수 있으나, 이러한 관통홀(154) 및 멤브레인(155)의 형성 위치로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 멤브레인(155)은 캡 플레이트(150)의 두께보다 얇은 두께를 가지며, 정상 상태(배터리 셀이 과충전되지 않은 상태)에서는 전극 조립체(120)를 향하여 볼록한 형태를 한다. 그러나, 멤브레인(155)은, 비정상 상태(배터리 셀이 과충전된 상태)에서, 배터리 셀의 내부 압력 증가에 의해 전극 조립체(120)로부터 멀어지는 방향으로 반전하여 볼록한 형태를 한다. 이때, 멤브레인(155)은 상술한 단락 유도 부재(300)의 제1연장 영역(310)에 전기적으로 단락된다.

제1단자(160a)는 제1집전판(130a)에 전기적으로 연결되고, 캡 플레이트(150)를 관통하여 외측으로 일정 길이 연장된다. 즉, 제1단자(160a)는 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)에 결합되고, 제1절연부(140a) 및 캡 플레이트(150)를 관통하여 외측으로 일정 길이 연장된다. 이러한 제1단자(160a)는 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)에 구비된 결합홀(137a)에 전기적 및 기구적으로 결합되며, 기둥 형태를 하는 체결 영역(161a)과, 케이스(110) 또는 캡 플레이트(150) 외측의 체결 영역(161a)에 고정되고 버스바(도시되지 않음) 등이 결합되는 고정 영역(162a)을 포함한다. 또한, 체결 영역(161a) 중 케이스(110) 또는 캡 플레이트(150)의 내측에는 수평 방향으로 일정 길이 연장된 판상의 플랜지(163a)가 더 형성되며, 이러한 플랜지(163a)는 하부로 연장되어 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)에 구비된 또다른 결합홀(138a)에 결합되는 결합 돌기(164a)를 포함한다. 여기서, 플랜지(163a)의 상면이 제1절연부(140a)의 상부 영역(141a)에 밀착된다. 또한, 플랜지(163a)와 제1절연부(140a)의 측부 영역(142a) 사이에는 소정 공간이 구비되는데, 이러한 공간에 제1집전판(130a)의 퓨즈부(136a) 및 절곡 영역(133a)이 위치된다.

여기서, 제1단자(160a)를 이루는 체결 영역(161a), 고정 영역(162a), 플랜지(163a) 및 결합 돌기(164a) 등은 모두 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명이 한정되지 않는다.

더불어, 캡 플레이트(150) 위의 체결 영역(161a)은 고정 영역(162a)에 결합된 후 리벳팅 또는 용접되고, 캡 플레이트(150) 아래의 체결 영역(161a) 및 결합 돌기(164a)는 제1집전판(130a)의 제1영역(131a)에 구비된 결합홀들(137a,138a)에 결합된 후 리벳팅 또는 용접된다.

또한, 제1단자(160a) 중 체결 영역(161a)이 캡 플레이트(150)를 관통하는데, 그 외주연에는 시일 가스켓(171a)이 더 형성될 수 있다. 따라서 제1단자(160a)는 캡 플레이트(150)로부터 절연될 수 있다. 일례로, 시일 가스켓(171a)은 전해액과 반응하지 않는 PFA(Perfluoroalkoxy)일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

더불어, 고정 영역(162a)과 케이스(110)의 사이에는 상부 절연부(172a)가 개재될 수 있다. 이러한 상부 절연부(172a)는 시일 가스켓(171a)에도 밀착될 수 있다. 이러한 상부 절연부(172a)는 제1고정 영역(162a)과 캡 플레이트(150)를 절연시킨다. 일례로, 상부 절연부(172a)는 PPS(Polyphenylene Sulfide)일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 더불어, 케이스(110) 및 캡 플레이트(150)가 양극으로 대전된 전지의 경우에는 고정 영역(162a)과 캡 플레이트(150)가 도시되지 않은 고저항 부재를 통하여 상호간 전기적으로 접속될 수도 있다.

한편, 제2집전판(130b), 제2절연부(140b) 및 제2단자(160b)의 구조는 기본적으로 상술한 제1집전판(130a), 제1절연부(140a) 및 제1단자(160a)의 구조와 동일하다. 더욱이, 제2집전판(130b)에는 퓨즈 홀(135b) 및 퓨즈부(136b)가 존재할 수 있다. 물론, 경우에 따라 퓨즈 홀(135b) 및 퓨즈부(136b)는 존재하지 않을 수도 있다. 이러한 이유는 기본적으로 제2집전판(130b)이 구리 또는 구리 합금으로 제조되는데, 이러한 구리는 용융점이 1,083℃로서, 알루미늄의 용융점보다 높기 때문이다. 즉, 일반적으로 제2집전판(130b)의 퓨즈부(136b)가 동작하기 전에 제1집전판(130a)의 퓨즈부(136a)가 먼저 동작하여 충전 전류 및/또는 방전 전류가 차단되기 때문이다. 다만, 배터리 셀(100)의 안전성을 더욱 향상시키기 위해, 도 2b에서와 같이 제2집전판(130b)의 퓨즈 홀(135b) 및 퓨즈부(136b)가 설치될 수 있음은 당연하다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10) 중 배터리 셀(100)과 단락 유도 부재(300) 사이의 관계를 도시한 부분 횡단면도이고, 도 4b 및 도 4c는 배터리 모듈(10)의 과충전 시 멤브레인(155)과 단락 유도 부재(300) 사이의 단락 전, 후 관계를 도시한 부분 확대 단면도이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 단락 유도 부재(300)의 베이스 영역(310)은 절연층(340)이 개재되어 케이스(110)의 장측벽(111b)에 연결 또는 부착된다. 여기서, 베이스 영역(310)은 케이스(110)의 내측이 아닌 외측에 부착된다. 또한, 단락 유도 부재(300)의 제1연장 영역(320)은 베이스 영역(310)으로부터 상부로 일정 길이 연장된 후 캡 플레이트(150)에 평행한 방향으로 절곡되어 위치되어 있다. 즉, 단락 유도 부재(300)의 제1연장 영역(320)은 캡 플레이트(150)에 형성된 멤브레인(155)의 상부에 위치되어 있다. 이러한 단락 유도 부재(300)는 기본적으로 제2연장 영역(330)이 다른 배터리 셀(100)의 제2단자(음극 단자)(160b))에 전기적으로 연결되어 있으므로, 배터리 셀(100)의 케이스(110)로부터 절연층(340)을 통하여 절연된다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 단락 유도 부재(300)의 제1연장 영역(320)은 정상 상태(배터리 셀(100)이 과충전되지 않은 상태)일 때 멤브레인(155)과 단락되지 않는다. 그러나, 도 4c에 도시된 바와 같이, 단락 유도 부재(300)의 제1연장 영역(320)은 비정상 상태(배터리 셀(100)이 과충전된 상태)일 때 멤브레인(155)과 단락된다. 즉, 배터리 셀(100)이 과충전되면 전해액이나 활물질로부터 가스가 발생됨으로써, 배터리 셀(100)의 내부 압력이 높아진다. 이에 따라 하부 방향으로 볼록하던 멤브레인(155)은 상부 방향으로 볼록하게 반전하며, 따라서 멤브레인(155)은 단락 유도 부재(300)의 제1연장 영역(320)에 단락된다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 과충전 시 동작 이해를 위해 도시한 회로도이다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 도 1a에 도시된 배터리 모듈(10)은 직렬로 연결되며, 각각 퓨즈(136a)를 갖는 5개의 배터리 셀(100)과, 제1배터리 셀(100a)과 제2배터리 셀(100b)의 사이에 스위치(155)를 갖는 단락 유도 부재(300)로 이루어진 회로로 볼 수 있다. 여기서, 스위치(155)는 실질적으로 멤브레인(155)이다. 더불어, 배터리 모듈(10)의 충전 시 충전 전류는 제1배터리 셀(100a)로부터 제2배터리 셀(100b)로 흐른다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(10)이 과충전되면, 제1배터리 셀(100a)의 멤브레인(155)이 동작하여 단락 유도 부재(300)와 단락되며, 이는 회로도에서 스위치(155)가 "턴온"된 것과 같다. 즉, 배터리 모듈(10)이 과충전되면, 배터리 셀(100)의 내부 압력이 증가하게 되고, 이에 따라 멤브레인(155)이 반전되어 단락 유도 부재(300)에 단락된다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(10)이 과충전되면, 제1배터리 셀(100a)의 퓨즈(136a)가 제일 먼저 융단되며, 이에 따라 충전 전류는 배터리 셀(100)로 공급되지 않고, 스위치 즉, 멤브레인(155) 및 단락 유도 부재(300)를 통하여 바이패스된다. 여기서, 제1배터리 셀(100a)의 퓨즈(136a)가 제일 먼저 융단되는 이유는 충전 전류가 제1배터리 셀(100a)에 제일 먼저 공급되기 때문이다. 더불어, 도 5b 및 도 5c에 도시된 상태는 거의 동시에 이루어진다.

이와 같이 하여, 본 발명은 배터리 모듈(10)의 과충전 시 충전 전류가 배터리 셀(100)로 공급되지 않고 단락 유도 부재(300)를 통하여 바이패스됨으로써, 배터리 모듈(10)의 과충전 안전성이 향상된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)에 도전체(350)가 관통하였을 경우를 도시한 부분 횡단면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 침상 도전체(350)가 단락 유도 부재(300) 및 제1배터리 셀(100a)을 관통할 수 있는데, 이에 따라 단락 유도 부재(300) 및 제1배터리 셀(100a)의 케이스(110)가 침상 도전체(350)에 의해 직접 단락될 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 관통 시 동작 이해를 위해 도시한 회로도이다.

도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 침상 도전체(350)가 단락 유도 부재(300) 및 제1배터리 셀(100a)의 케이스(110)를 직접 단락시키면 제1배터리 셀(100a)과 제2배터리 셀(100b)의 사이에 바이패스 단락 전류 경로가 형성된다. 더불어, 이때 제1배터리 셀(100a)과 제2배터리 셀(100b)의 사이에 허용 전류 이상의 과전류가 흐르게 됨으로써, 제1배터리 셀(100a)의 퓨즈(136a)가 융단된다. 따라서, 침상 도전체(350)가 제1배터리 셀(100a)을 관통하게 되는 순간 제1배터리 셀(100a)과 제2배터리 셀(100b)의 사이에 바이패스 단락 전류 경로가 형성됨으로써, 배터리 모듈(10)의 관통 안전성이 향상된다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 관통 시 동작 이해를 위해 도시한 개념도이다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 침상 도전체(350)가 제1배터리 셀(100a)을 관통하였을 경우, 단락 전류는 제1배터리 셀(100a)의 제1단자(양극 단자)(160a), 제1배터리 셀(100a)의 케이스(110), 침상 도전체(350), 단락 유도 부재(300), 다수의 배터리 셀(100) 및 제1배터리 셀(100a)의 제2단자(음극 단자)(160b)를 통해서 흐른다. 여기서, 단락 전류는 허용 전류 이상이기 때문에 제1배터리 셀(100a)의 퓨즈(136a)가 융단된다. 따라서, 제1배터리 셀(100a)의 케이스(110)는 전극 조립체(120)의 양극으로부터 분리되고, 이에 따라 제1배터리 셀(100a) 중 케이스(110)의 극성이 제거된다.

이와 같이하여, 침상 도전체(350)가 단락 유도 부재(300) 및 제1배터리 셀(100a)을 관통할 경우, 단락 유도 부재(300)에 의해 제1배터리 셀(100a)의 에너지가 신속하게 감소되고, 더불어 퓨즈(136a)의 융단에 의해 제1배터리 셀(100a) 중 케이스(110)의 극성(양극)이 제거됨으로써, 배터리 모듈(10)의 관통 안전성이 향상된다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 모듈를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

10; 본 발명에 따른 배터리 모듈 100; 배터리 셀
100a; 제1배터리 셀 100b; 제2배터리 셀
200; 버스바 300; 단락 유도 부재
310; 베이스 영역 320; 제1연장 영역
330; 제2연장 영역

Claims

일렬로 배열된 다수의 배터리 셀;
상기 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하는 다수의 버스바; 및
상기 다수의 배터리 셀 중 제1배터리 셀에 기구적으로 연결되고, 상기 다수의 배터리 셀 중 제2배터리 셀에 전기적으로 연결된 단락 유도 부재를 포함함을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 제1배터리 셀은 상기 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀 중 첫째로 위치된 배터리 셀이고, 상기 제2배터리 셀은 상기 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀 중 마지막째로 위치된 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 제1배터리 셀은 상기 배터리 모듈의 과충전 시 상기 단락 유도 부재에 전기적으로 단락되는 멤브레인을 더 포함함을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제3항에 있어서,
상기 멤브레인은 상기 배터리 모듈의 과충전 시 상기 제1배터리 셀의 내압 증가에 의해 상기 멤브레인의 형태가 반전되어 상기 단락 유도 부재에 전기적으로 단락됨을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제3항에 있어서,
상기 단락 유도 부재는
상기 제1배터리 셀에 기구적으로 연결된 베이스 영역;
상기 베이스 영역으로부터 연장되어 상기 제1배터리 셀의 멤브레인과 대응되는 영역으로 연장된 제1연장 영역; 및
상기 베이스 영역으로부터 연장되어 상기 제2배터리 셀에 전기적으로 연결된 제2연장 영역을 포함함을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제5항에 있어서,
상기 제1배터리 셀과 상기 베이스 영역의 사이에는 절연층이 더 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제5항에 있어서,
상기 제1,2배터리 셀은 각각 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 전극 조립체로부터 상기 케이스를 관통하여 외부로 연장된 제1단자 및 제2단자를 포함하고,
상기 단락 유도 부재의 제2연장 영역은 상기 제2배터리 셀의 제2단자에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 단락 유도 부재의 제2연장 영역과 제1배터리 셀, 상기 단락 유도 부재의 제2연장 영역과 상기 제2단자를 제외한 제2배터리 셀의 사이에는 절연층이 더 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 제1배터리 셀의 케이스와 상기 제1배터리 셀의 제1단자가 전기적으로 연결되고,
상기 제1배터리 셀의 멤브레인은 상기 제1배터리 셀의 케이스에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제9항에 있어서,
상기 제1,2배터리 셀은 각각 전극 조립체와 제1단자의 사이에 퓨즈가 더 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제10항에 있어서,
상기 배터리 모듈의 과충전 시 상기 퓨즈가 융단됨을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제10항에 있어서,
도전체가 상기 단락 유도 부재 및 상기 제1배터리 셀의 케이스를 관통하면, 상기 도전체에 의해 상기 제1배터리 셀의 케이스와 단락 유도 부재가 상호간 쇼트되어, 상기 퓨즈에 허용 전류보다 큰 전류가 흘러 상기 퓨즈가 융단되고, 상기 케이스와 상기 전극 조립체 사이의 전기적 연결이 끊겨 상기 케이스의 극성이 제거됨을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제5항에 있어서,
상기 제1,2배터리 셀은 각각 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 전극 조립체로부터 상기 케이스를 관통하여 외부로 연장된 제1단자 및 제2단자를 포함하고,
상기 케이스는 장측벽, 상기 장측벽에 비하여 작은 면적을 갖는 단측벽을 포함하며,
상기 단락 유도 부재의 베이스 영역은 상기 장측벽에 위치됨을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제13항에 있어서,
상기 장측벽의 넓이는 상기 베이스 영역의 넓이와 같은 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 멤브레인은 제1단자 및 제2단자와 같은 평면에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제7항에 있어서,
상기 멤브레인은 제1단자보다 제2단자에 더 가깝게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.