KR20150053597A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20150053597A KR1020130135744A KR20130135744A KR20150053597A KR 20150053597 A KR20150053597 A KR 20150053597A KR 1020130135744 A KR1020130135744 A KR 1020130135744A KR 20130135744 A KR20130135744 A KR 20130135744A KR 20150053597 A KR20150053597 A KR 20150053597A
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Abstract

본 발명에서는 과충전시 충전 전류가 배터리 셀로 공급되지 않고 덕트를 통하여 바이패스됨으로써, 향상된 과충전 안전성을 확보할 수 있는 배터리 모듈이 개시된다.
일 예로, 제 1, 2 단자 및 안전 벤트를 포함하며, 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 직렬로 연결하는 다수의 버스바; 상기 안전 벤트를 밀봉하도록 상기 다수의 배터리 셀에 기구적으로 결합되며, 상기 배터리 셀을 향하는 제 1 영역 및 상기 제 1 영역과 마주보며 이격되는 제 2 영역을 포함하는 덕트; 상기 다수의 배터리 셀 중 제 1 배터리 셀의 제 1 단자와 전기적으로 연결되어 상기 덕트를 향하여 연장되는 연장 플레이트; 및 상기 다수의 배터리 셀 중 제 2 배터리 셀의 제 2 단자와 전기적으로 연결되어 상기 덕트를 향하여 연장되는 단락 플레이트를 포함하고, 상기 덕트는 상기 연장 플레이트와 전기적으로 연결되며, 상기 단락 플레이트와는 이격되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈이 개시된다.

Description

배터리 모듈{Battery Module}
본 발명은 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 발명은 모듈 단위로 과충전에 대한 안정성을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 제 1, 2 단자 및 안전 벤트를 포함하며, 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 직렬로 연결하는 다수의 버스바; 상기 안전 벤트를 밀봉하도록 상기 다수의 배터리 셀에 기구적으로 결합되며, 상기 배터리 셀을 향하는 제 1 영역 및 상기 제 1 영역과 마주보며 이격되는 제 2 영역을 포함하는 덕트; 상기 다수의 배터리 셀 중 제 1 배터리 셀의 제 1 단자와 전기적으로 연결되어 상기 덕트를 향하여 연장되는 연장 플레이트; 및 상기 다수의 배터리 셀 중 제 2 배터리 셀의 제 2 단자와 전기적으로 연결되어 상기 덕트를 향하여 연장되는 단락 플레이트를 포함하고, 상기 덕트는 상기 연장 플레이트와 전기적으로 연결되며, 상기 단락 플레이트와는 이격될 수 있다.
여기서, 상기 제 1 배터리 셀은 상기 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀 중 첫째로 위치된 배터리 셀이고, 상기 제 2 배터리 셀은 상기 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀 중 마지막째로 위치된 배터리 셀일 수 있다.
그리고 상기 덕트의 제 1 영역에는 상기 배터리 셀의 안전 벤트와 대응되는 관통 홀이 구비될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀의 안전 벤트는 상기 배터리 모듈의 과충전시 상기 배터리 셀의 내압 상승으로 개방되어 상기 덕트로 내부 가스를 방출할 수 있다.
또한, 상기 덕트의 제 2 영역에는 상기 배터리 모듈의 과충전시 단락 플레이트와 전기적으로 단락되는 멤브레인이 구비될 수 있다.
또한, 상기 단락 플레이트는 일측이 상기 제 2 배터리 셀의 제 2 단자와 연결되며, 타측은 상기 멤브레인과 대응되는 위치에서 상기 멤브레인과 이격되어 위치할 수 있다.
또한, 상기 멤브레인은 상기 배터리 모듈의 과충전시 상기 덕트의 내압 상승에 의하여 그 형태가 반전되어 상기 단락 플레이트와 전기적으로 단락될 수 있다.
또한, 상기 덕트의 제 2 영역은 상기 제 2 영역에 비하여 얇게 형성된 벤트를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 벤트는 상기 배터리 셀의 안전 벤트에 비하여 높은 작동 압력을 가질 수 있다.
또한, 상기 덕트의 제 1 영역과 상기 배터리 셀 사이에는 절연층이 개재되어 상기 덕트와 배터리 셀을 전기적으로 절연시킬 수 있다.
또한, 상기 절연층은 상기 배터리 셀의 안전 벤트와 대응되는 영역에 홀이 구비될 수 있다.
또한, 상기 연장 플레이트는 일측이 상기 제 1 배터리 셀의 제 1 단자와 연결되며, 타측은 상기 덕트와 연결될 수 있다.
또한, 상기 단락 플레이트는 상기 덕트를 기준으로 상기 연장 플레이트보다 더 높은 곳에 위치할 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀은 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 상기 케이스를 밀봉하며, 상기 제 1, 2 단자가 관통되는 캡 플레이트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 안전 벤트는 상기 캡 플레이트의 일 부분에서 상기 캡 플레이트에 비하여 상대적으로 얇게 형성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀은 그 내부에 상기 전극 조립체와 제 1 단자의 사이에 구비되는 퓨즈를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 퓨즈는 상기 배터리 모듈의 과충전시 융단될 수 있다.
본 발명에 의한 배터리 모듈은 과충전시 충전 전류가 배터리 셀로 공급되지 않고 덕트를 통하여 바이패스됨으로써, 배터리 모듈의 과충전 안전성이 향상된다.
또한, 멤브레인이 각각의 배터리 셀에 하나씩 형성되는 것이 아닌, 다수의 배터리 셀과 하나로 연결된 덕트에 설치되어 다수의 배터리 셀의 전체 압력에 대하여 작동하므로, 배터리 모듈 내에서의 작동 압력이 전체적으로 균일해져 보다 향상된 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀만을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 중 덕트만을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀을 도시한 횡단면도이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀에 형성된 퓨즈의 일례를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 상부를 도시한 단면도이다.
도 7a 및 7b는 도 6의 A부분의 단락 전, 후 관계를 도시한 확대 단면도이다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 시 동작 이해를 위해 도시한 회로도이다.
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 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈을 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀만을 도시한 사시도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 중 덕트만을 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 다수의 배터리 셀(100), 다수의 버스바(200), 덕트(300), 연장 플레이트(410) 및 단락 플레이트(420)를 포함한다.
다수의 배터리 셀(100)은 수평 방향으로 일렬로 배열될 수 있다. 이하에서, 제 1 배터리 셀(100a)은 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀(100) 중 첫째로 위치된 배터리 셀을 의미하고, 제 2 배터리 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.
상기 배터리 셀(100)은 각각 케이스(110), 상기 케이스(110)를 덮는 캡 플레이트(150), 상기 캡 플레이트(150)를 통해 상부로 돌출된 제 1 단자(예를 들면, 양극 단자)(160a) 및 제 2 단자(예를 들면, 음극 단자)(160b)를 포함한다. 여기서, 상기 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. 한편, 상기 제 1 단자(160a)는 상기 캡 플레이트(150)와 전기적으로 연결됨으로써, 상기 케이스(110) 및 캡 플레이트(150)는 제 1 단자(160a)와 동일한 극성(예를 들면, 양극)을 가질 수도 있다. 더불어, 상기 캡 플레이트(150)는 과충전 시 내부 가스를 상기 덕트(300)로 방출하는 안전 벤트(151), 제조 공정 중 전해액을 주입하는 주액구를 막는 플러그(153)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 안전 벤트(151)는 2 내지 4kgf의 작동 압력을 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 배터리 셀(100)의 구성은 아래에서 다시 상세하게 설명하기로 한다.
상기 버스바(200)는 다수의 배터리 셀(100)을 전기적으로 직렬로 연결한다. 즉, 상기 버스바(200)는 일측 배터리 셀(100a)의 제 1 단자(160a)(또는 제 2 단자(160b))와, 이와 인접한 타측 배터리 셀(100)의 제 2 단자(160b)(또는 제 1 단자(160a))를 상호간 전기적으로 연결한다. 물론, 이러한 다수의 버스바(200)는 다수의 배터리 셀(100)을 전기적으로 병렬로 연결할 수도 있다.
상기 덕트(300)는 상기 다수의 배터리 셀(100)과 마주보는 제 1 영역(300a) 및 상기 제 1 영역(300a)과 이격되어 마주보는 제 2 영역(300b)을 포함한다. 상기 덕트(300)는 그 내부가 비어있어 상기 배터리 셀(100)로부터 방출된 가스를 수용할 수 있다. 또한, 상기 덕트(300)는 직육면체 형상으로 형성될 수 있으나 이것으로 본 발명을 한정하지는 않는다.
상기 덕트(300)는 상기 안전 벤트(151)를 밀봉하도록 상기 다수의 배터리 셀(100)의 상부에 기구적으로 결합된다. 즉, 상기 덕트(300)의 제 1 영역(300a)은 상기 배터리 셀(100)과 기구적으로 연결된다. 더불어, 상기 제 1 영역(300a)에는 상기 안전 벤트(151)와 대응되는 영역에 관통 홀(330)이 형성된다. 상기 관통 홀(330)에 의해 상기 배터리 셀(100)로부터 방출된 가스가 상기 덕트(300)로 유입된다.
또한, 상기 제 2 영역(300b)의 일측에는 다수의 벤트(320)가 형성될 수 있다. 상기 벤트(320)는 과충전 시 상기 덕트(300)의 내부가 일정 압력 이상이 되면 개방되어 내부 가스를 외부로 방출한다. 이 때, 상기 벤트(320)는 6 내지 9kgf의 작동 압력을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 벤트(320)가 상기 배터리 셀(100)의 안전 벤트(151)에 비하여 더 높은 작동 압력을 가지므로, 일차적으로 상기 안전 벤트(151)가 먼저 개방되어 덕트(300)의 내부로 가스가 유입된다. 그리고 상기 덕트(300)의 내부 압력이 보다 상승되면 이차적으로 상기 벤트(320)가 개방되어 가스가 외부로 방출된다.
더불어, 상기 제 2 영역(300b)의 타측에는 하부 방향으로 볼록하게 형성된 멤브레인(310)이 형성된다. 상기 멤브레인(310)은 정상 상태에서는 하부를 향하나 과충전 시 내부 압력 증가에 의해 반전되어 상부를 향한다. 이러한 상기 멤브레인(310)의 동작은 아래에서 다시 상세하게 설명하도록 한다.
상기 연장 플레이트(410)는 상기 다수의 배터리 셀(100) 중 제 1 배터리 셀(100a)의 제 1 단자(160a)와 전기적으로 연결된다. 보다 구체적으로, 상기 연장 플레이트(410)는 상기 제 1 단자(160a)와 전기적으로 연결된 제 1 연결부재(411)와 전기적으로 연결된다. 한편, 상기 제 1 연결부재(411)의 하부에는 상기 캡 플레이트(150)와 전기적으로 절연되기 위한 절연층(412)이 형성될 수 있다. 물론, 상기 캡 플레이트(150)와 제 1 단자(160a)가 동일 극성을 가질 경우, 상기 절연층(412)은 생략되어도 무방하다. 또한, 도면에서는 상기 제 1 연결부재(411)가 상기 캡 플레이트(150)의 상면에 형성된 것으로 도시하였으나, 상기 제 1 단자(160a)의 상면에 형성되어도 무방하다.
상기 연장 플레이트(410)는 일측이 상기 제 1 단자(160a)와 전기적으로 연결되며, 타측은 상기 덕트(300)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 덕트(300)는 상기 제 1 단자(160a)와 동일한 극성(예를 들면, 양극)을 가질 수 있다.
상기 단락 플레이트(420)는 상기 다수의 배터리 셀(100) 중 제 2 배터리 셀(100b)의 제 2 단자(160b)와 전기적으로 연결된다. 보다 구체적으로, 상기 단락 플레이트(420)는 상기 제 2 단자(160b)와 전기적으로 연결된 제 2 연결부재(421)와 전기적으로 연결된다. 여기서, 상기 제 2 연결부재(421)의 높이는 상기 제 1 연결부재(411)보다 더 높게 형성될 수 있다. 한편, 상기 제 2 연결부재(421)의 하부에는 상기 캡 플레이트(150)와 전기적으로 절연되기 위한 절연층(422)이 형성될 수 있다. 또한, 도면에서는 상기 제 2 연결부재(421)가 상기 캡 플레이트(150)의 상면에 형성된 것으로 도시하였으나, 상기 제 2 단자(160b)의 상면에 형성되어도 무방하다.
상기 단락 플레이트(420)는 일측이 상기 제 2 단자(160b)와 전기적으로 연결되어 제 2 단자(160b)와 동일한 극성(예를 들면, 음극)을 가질 수 있다. 또한, 상기 단락 플레이트(420)의 타측은 상기 멤브레인(310)과 대응되는 영역에서 상기 멤브레인(310)과 이격되도록 위치한다. 즉, 상기 제 2 연결부재(421)가 제 1 연결부재(411)보다 상대적으로 높은 높이를 가지므로, 상기 단락 플레이트(420)는 상기 덕트(300)와 이격된다. 따라서, 정상 상태에서는 서로 다른 극성의 상기 단락 플레이트(420)와 멤브레인(310)이 전기적으로 절연된다. 하지만 과충전 시 상기 멤브레인(310)이 반전되어 상부를 향하면 상기 단락 플레이트(420)와 접촉하여 단락이 일어날 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 모듈 단위로 과충전에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 멤브레인(310)이 각각의 배터리 셀(100)마다 하나씩 설치되는 것이 아니라, 배터리 모듈(10)의 외측에 위치한 덕트(300)에 1개가 설치되어, 배터리 모듈(10)의 과충전 시 과충전 전류가 덕트(300)를 통해 바이패스되도록 함으로써, 배터리 모듈(10)의 과충전 안전성이 향상된다.
즉, 과충전되어 배터리 셀(100) 내부의 압력이 높아질 경우, 상기 안전 벤트(151)를 통해 내부 가스가 방출되어 상기 덕트(300)로 유입된다. 그리고 일정 압력 이상이 되면 상기 멤브레인(310)이 반전되어 상기 멤브레인(310)과 다른 극성을 갖는 상기 단락 플레이트(420)와 접촉함으로써 단락이 이루어진다. 따라서 과충전 전류가 상기 멤브레인(310)을 통해 바이패스되어 배터리 모듈(10)의 과충전 안정성이 향상된다.
또한, 상기 멤브레인(310)이 상기 다수의 배터리 셀(100)에 각각 하나씩 형성되는 것이 아닌, 상기 덕트(300)에 하나로 구비되므로 배터리 모듈(10) 내의 과충전에 대한 안정성이 보다 향상될 수 있다. 즉, 상기 멤브레인(310)이 다수의 안전 벤트(151)와 하나로 연결된 덕트(300)에 형성되어 다수의 배터리 셀(100)의 전체 압력에 대하여 작동하므로, 배터리 모듈(10) 내의 작동 압력이 전체적으로 균일해질 수 있다. 따라서 배터리 셀(100) 단위로 멤브레인이 작동하는 것에 비하여 보다 향상된 안정성을 확보하는 것이 가능하다.
더불어, 상기 멤브레인(310)이 배터리 모듈당 하나로만 설치됨으로써, 부품의 개수가 감소되어 제조 비용 절감이 가능하며, 제조 공정이 단순화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀을 도시한 횡단면도이다. 도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈 중 배터리 셀에 형성된 퓨즈의 일례를 도시한 사시도이다.
도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 배터리 셀(100)은 케이스(110), 전극 조립체(120), 제 1 집전판(130a), 제 1 절연부(140a), 제 2 집전판(130b), 제 2 절연부(140b), 캡 플레이트(150), 제 1 단자(160a) 및 제 2 단자(160b)를 포함한다.
상기 케이스(110)는 내부에 수용 공간을 갖고 상부에 개구부가 형성된 대략 육면체의 형상으로 형성된다. 보다 구체적으로, 상기 케이스(110)는 두 개의 넓은 장측벽과, 두 개의 좁은 단측벽과, 하나의 바닥벽 및 개구부를 포함한다. 한편, 도면에서는 상기 케이스(110)와 캡 플레이트(150)가 결합된 상태로 도시되고 있으므로 개구부가 도시되지 않았지만, 캡 플레이트(150)의 둘레 부분이 실질적으로 개방된 부분이다.
상기 케이스(120)는 수용 공간 내에 상기 전극 조립체(110) 및 전해액을 수용한다. 상기 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. 더불어, 상기 케이스(120)는 실질적으로 상기 전극 조립체(110)의 제 1 전극판 또는 제 2 전극판 중 어느 하나와 전기적으로 접속될 수도 있다. 즉, 상기 케이스(120)는 양극 또는 음극 중에서 선택된 어느 하나의 극성을 가질 수 있다.
상기 전극 조립체(120)는 얇은 판형 혹은 막형으로 형성된 제 1 전극판(121), 제 2 전극판(122), 및 상기 제 1, 2 전극판(121, 122) 사이에 개재된 세퍼레이터(123)의 적층체가 권취되거나 겹쳐서 형성된다. 여기서, 상기 제 1 전극판(121)은 양극으로서 동작할 수 있으며, 제 2 전극판(122)은 음극으로서 동작할 수 있다. 물론, 그 반대도 가능하다.
상기 제 1 전극판(121)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 포일로 형성된 제 1 전극 집전체에 전이금속산화물 등의 제 1 전극 활물질이 도포됨으로써 형성되며, 제 1 활물질이 도포되지 않은 영역인 제 1 비코팅 영역(121a)을 포함한다. 상기 제 1 비코팅 영역(121a)은 상기 제 1 전극판(121)과 제 1 집전판(130a) 사이의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제 1 전극판(121)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 제 2 전극판(122)은 구리, 구리 합금 또는 니켈과 같은 금속 포일로 형성된 제 2 전극 집전체(도시되지 않음)에 흑연 또는 탄소 등의 제 2 전극 활물질(도시되지 않음)이 도포됨으로써 형성되며, 제 2 활물질이 도포되지 않는 영역인 제 2 비코팅 영역(122a)을 포함한다. 상기 제 2 비코팅 영역(122a)은 제 2 전극판(122)과 제 2 집전판(130b) 사이의 전류 흐름의 통로가 된다. 한편, 본 발명에서 상기 제 2 전극판(122)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 상기와 같은 제 1 전극판(121) 및 제 2 전극판(122)은 극성을 달리하여 배치될 수도 있다.
상기 세퍼레이터(123)는 제 1 전극판(121)과 제 2 전극판(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 적어도 하나 이상으로 구비되어 전해액과 함께 상기 케이스(110)에 수납된다. 상기 전극 조립체(120)는 상기 제 1, 2 비코팅 영역(121a, 122a)이 전극 활물질이 도포된 코팅 영역으로부터 서로 반대 방향으로 일정 길이 연장되어 있다. 즉, 상기 전극 조립체(120)의 제 1, 2 비코팅 영역(121a, 122a)은 각각 상기 케이스(110)의 단측벽을 향하여 일정 길이 연장되어 있다.
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.
상기 제 1 집전판(130a)은 상기 케이스(110)의 내측에서 상기 제 1 단자(160a)와 전극 조립체(120)의 사이에 전기적으로 접속된다. 보다 구체적으로, 상기 제 1 집전판(130a)은 상기 제 1 단자(160a)에 전기적으로 연결되는 제 1 영역(131a) 및 상기 제 1 영역(131a)으로부터 절곡되어 상기 전극 조립체(120)의 제 1 비코팅 영역(121a)에 전기적으로 연결되는 제 2 영역(132a)을 포함한다. 또한, 상기 제 2 영역(132a)은 상기 제 1 비코팅 영역(121a)에 용접되는 제 3 영역(134a)이 더 형성될 수 있다. 이러한 구성에 의해 상기 전극 조립체(120)는 실질적으로 제 1 집전판(130a)에 매달린 형태를 한다. 즉, 상기 전극 조립체(120)는 기본적으로 중력에 의해 제 1 집전판(130a)으로부터 하부 방향으로 당겨지고 있는 상태이다. 한편, 상기 전극 조립체(120)의 하부 영역은 상기 케이스(110)의 바닥벽으로부터 일정거리 이격되어 위치한다.
상기 제 1 집전판(130a)의 제 1 영역(131a)에는 대략 사각 형태의 퓨즈 홀(135a)이 형성된다. 또한 상기 퓨즈 홀(135a)의 양측에는 상대적으로 단면적이 작은 한 쌍의 퓨즈부(136a)가 형성된다. 즉, 상기 퓨즈부(136a)의 폭은 상기 제 1, 2 영역(131a, 132a)의 폭보다 작게 형성된다. 도 5a에서는 상기 퓨즈부(136a)의 형성을 위해 상기 제 1 영역(131a)에 퓨즈 홀(135a)이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 도 5b에 도시된 바와 같이 상기 퓨즈부(536a)를 중심으로 양측에 절개부(535a)가 형성될 수도 있다.
상기 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.
한편, 상기 제 1 집전판(130a)의 제 1 영역(131a)에는 하기할 제 1 단자(160a)의 체결 영역(161a) 및 결합 돌기(164a)가 결합되는 결합홀(137a, 138a)이 형성될 수 있다.
상기 제 1 집전판(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, 상기 제 1 집전판(130a)이 알루미늄으로 형성될 경우, 상기 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.
상기 제 1 절연부(140a)는 상기 제 1 집전판(130a)의 제 1 영역(131a)을 대략 감싸는 형태를 한다. 즉, 상기 제 1 절연부(140a)는 상기 캡 플레이트(150)와 제 1 영역(131a)의 사이에 위치되며, 상기 제 1 단자(160a)의 체결 영역(161a) 및 플랜지(163a), 그리고 제 1 집전판(130a)의 제 1 영역(131a)을 감싼다. 따라서, 상기 제 1 절연부(140a)에 의해 상기 제 1 단자(160a)와 제 1 집전판(130a)이 상기 캡 플레이트(150)와 전기적으로 절연될 수 있다. 상기 제 1 절연부(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.
상기 캡 플레이트(150)는 상기 제 1 단자(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. 또한, 상기 캡 플레이트(150)는 상기 케이스(110)와 동일한 재질로 형성될 수 있다.
상기 캡 플레이트(150)의 중앙부에는 상대적으로 얇은 두께를 갖는 안전 벤트(151)가 형성된다. 상기 안전 벤트(151)는 과충전과 같은 사유로 상기 케이스(110)의 내부에서 가스가 발생하여 내부 압력이 기준 압력보다 높아지면, 상기 캡 플레이트(150)의 다른 부분보다 미리 개방되어 가스를 방출시킴으로써 내압 상승에 따른 폭발 위험성을 줄인다. 여기서, 상기 안전 벤트(151)의 작동 압력은 2 내지 4kgf로 이루어질 수 있다. 상기 안전 벤트(151)로부터 방출된 가스는 상기 덕트(300) 내부로 유입된다.
또한, 상기 캡 플레이트(150)의 일측에는 전해액이 주입되기 위한 주입홀(152)이 형성된다. 그리고 상기 케이스(110)에 전해액이 주입된 이후, 상기 주입홀(152)에는 플러그(153)가 삽입될 수 있다.
상기 제 1 단자(160a)는 상기 제 1 집전판(130a)에 전기적으로 연결되고, 캡 플레이트(150)를 관통하여 외측으로 일정 길이 연장된다. 즉, 상기 제 1 단자(160a)는 상기 제 1 집전판(130a)의 제 1 영역(131a)에 결합되고, 상기 제 1 절연부(140a) 및 캡 플레이트(150)를 관통하여 외측으로 일정 길이 연장된다. 상기 제 1 단자(160a)는 상기 제 1 영역(131a)에 구비된 결합홀(137a)에 전기적 및 기구적으로 결합된다. 상기 제 1 단자(160a)는 기둥 형태를 하는 체결 영역(161a)과, 상기 케이스(110) 또는 캡 플레이트(150) 외측의 체결 영역(161a)에 고정되고 버스바 등이 결합되는 고정 영역(162a)을 포함한다. 한편, 상기 체결 영역(161a) 중 케이스(110) 또는 캡 플레이트(150)의 내측에는 수평 방향으로 일정 길이 연장된 판상의 플랜지(163a)가 더 형성된다. 또한, 상기 플랜지(163a)는 하부로 연장되어 상기 제 1 영역(131a)에 구비된 또 다른 결합홀(138a)에 결합되는 결합 돌기(164a)를 포함한다.
상기 캡 플레이트(150) 상부의 체결 영역(161a)은 고정 영역(162a)에 결합된 후 리벳팅 또는 용접되고, 상기 캡 플레이트(150) 하부의 체결 영역(161a) 및 결합 돌기(164a)는 상기 제 1 집전판(130a)의 제 1 영역(131a)에 구비된 결합홀(137a, 138a)에 결합된 후 리벳팅 또는 용접된다.
상기 제 1 단자(160a)는 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명이 한정되지는 않는다.
상기 제 1 단자(160a)의 체결 영역(161a) 중 상기 캡 플레이트(150)를 관통하는 영역의 외주연에는 절연 가스켓(171a)이 더 형성될 수 있다. 또한, 상기 고정 영역(162a)과 캡 플레이트(150) 사이에는 상부 절연부(172a)가 개재될 수 있다. 상기 상부 절연부(172a)는 절연 가스켓(171a)에도 밀착될 수 있다. 상기 제 1 단자(160a)와 고정 영역(162a)은 상기 절연 가스켓(171a) 및 상부 절연부(172a)에 의하여 상기 캡 플레이트(150)와 전기적으로 절연된다. 상기 절연 가스켓(171a)은 전해액과 반응하지 않는 PFA(Perfluoroalkoxy)일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 상부 절연부(172a)는 PPS(Polyphenylene Sulfide)일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
한편, 제 2 집전판(130b), 제 2 절연부(140b) 및 제 2 단자(160b)의 구조는 기본적으로 상술한 제 1 집전판(130a), 제 1 절연부(140a) 및 제 1 단자(160a)의 구조와 동일하다. 더욱이, 상기 제 2 집전판(130b)에도 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 상기 제 2 집전판(130b)이 구리 또는 구리 합금으로 제조되는데, 이러한 구리는 용융점이 1,083℃로서, 알루미늄의 용융점보다 높기 때문이다. 즉, 일반적으로 제 2 집전판(130b)의 퓨즈부(136b)가 동작하기 전에 제 1 집전판(130a)의 퓨즈부(136a)가 먼저 동작하여 충전 전류 및/또는 방전 전류가 차단되기 때문이다. 다만, 배터리 셀(100)의 안전성을 더욱 향상시키기 위해, 상기 제 2 집전판(130b)에 퓨즈 홀(135b) 및 퓨즈부(136b)가 설치될 수 있음은 당연하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 상부를 도시한 단면도이다. 도 7a 및 7b는 도 6의 A부분의 단락 전, 후 관계를 도시한 확대 단면도이다.
도 6을 참조하면, 덕트(300)는 그 내부가 비어있는 직육면체 형상으로 형성되며, 다수의 배터리 셀(100)의 캡 플레이트(150)의 상부에 형성된다. 이 때, 상기 배터리 셀(100)과 덕트(300)를 절연시키기 위하여 그 사이에는 절연층(340)이 개재된다. 보다 구체적으로, 상기 덕트(300)는 상기 캡 플레이트(150)와 마주보는 제 1 영역(300a) 및 상기 제 1 영역(300a)과 이격되어 마주보는 제 2 영역(300b)을 포함하고, 상기 제 1 영역(300a)과 캡 플레이트(150)의 사이에는 상기 절연층(340)이 개재된다.
상기 덕트(300)는 상기 캡 플레이트(150)의 안전 벤트(151)와 대응되는 영역에 관통 홀(330)을 구비한다. 따라서 상기 배터리 모듈이 과충전되어 상기 배터리 셀(100) 내부의 압력이 높아질 경우, 상기 안전 벤트(151)가 개방되어 내부의 가스가 상기 덕트(300)로 유입된다. 여기서, 상기 절연층(340)에도 상기 배터리 셀(100)의 안전 벤트(151)와 대응되는 영역에 홀이 구비되는 것은 당연하다.
한편, 상기 제 2 영역(300b)의 일측에는 상기 제 2 영역(300b)에 비하여 상대적으로 얇게 형성된 벤트(320)가 구비된다. 상기 벤트(320)는 상기 덕트(300) 내부가 일정 압력 이상이 되면 개방되어 내부 가스를 외부로 방출시킨다. 여기서, 상기 벤트(320)의 작동 압력은 6 내지 9kgf로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 2 영역(300b)의 타측에는 상기 제 1 영역(300a)을 향하여 볼록하게 형성된 멤브레인(310)이 구비된다. 상기 멤브레인(310)은 상기 덕트(300)의 제 2 영역(300b)의 두께보다 얇은 두께를 가지며, 정상 상태(배터리 셀이 과충전되지 않은 상태)에서는 상기 제 1 영역(300a)를 향하여 볼록한 형태를 한다. 그러나, 상기 멤브레인(310)은, 비정상 상태(배터리 셀이 과충전된 상태)에서, 상기 덕트(300)의 내부 압력 증가에 의해 상기 제 1 영역(300a)으로부터 멀어지는 방향으로 반전하여 볼록한 형태를 한다. 이때, 상기 멤브레인(310)은 상술한 단락 플레이트(420)와 전기적으로 연결되어 단락된다.
특히, 도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 모듈이 정상 상태일 때 상기 단락 플레이트(420)는 상기 멤브레인(310)과 단락되지 않는다. 즉, 정상 상태에서 상기 단락 플레이트(420)와 상기 멤브레인(310)은 서로 이격된다. 그러나, 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 모듈이 비정상 상태일 때 상기 단락 플레이트(420)는 상기 멤브레인(310)과 단락된다. 즉, 상기 배터리 셀(100)이 과충전되면 전해액이나 활물질로부터 가스가 발생됨으로써, 상기 배터리 셀(100)의 내부 압력이 높아진다. 이에 따라 상기 안전 벤트(151)가 개방되어 상기 가스가 상기 배터리 셀(100)로부터 덕트(300)로 유입된다. 그리고 상기 덕트(300)의 내부가 일정 압력 이상이 되면, 상기 제 1 영역(300a)을 향하여 볼록하던 상기 멤브레인(310)은 반전하여 상기 단락 플레이트(420)와 접촉함으로써 단락된다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈의 과충전 시 동작 이해를 위해 도시한 회로도이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 배터리 모듈(10)은 퓨즈(136a)를 갖는 5개의 배터리 셀(100)이 직렬로 연결된다. 또한, 제 1 배터리 셀(100a)과 제 2 배터리 셀(100b)의 사이에는 스위치(310)를 갖는 덕트(300)가 더 포함된다. 이 때, 상기 제 1 배터리 셀(100a)은 연장 플레이트(410)에 의하여 상기 덕트(300)의 일측과 전기적으로 연결되고, 상기 제 2 배터리 셀(100b)은 단락 플레이트(420)에 의하여 상기 덕트(300)의 타측과 전기적으로 연결된다. 한편, 상기 스위치(310)는 실질적으로 멤브레인(310)이다. 더불어, 배터리 모듈(10)의 충전 시 충전 전류는 상기 제 1 배터리 셀(100a)로부터 제 2 배터리 셀(100b)로 흐른다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 모듈(10)이 과충전되면, 상기 덕트(300)의 멤브레인(310)이 동작하여 상기 단락 플레이트(420)와 단락된다. 이는 회로도에서 스위치(310)가 "턴온"된 것과 같다. 즉, 상기 배터리 모듈(10)이 과충전되면, 상기 배터리 셀(100)의 내부 압력이 증가하여 가스가 상기 덕트(300)로 유입되고, 일정 압력 이상이 되면 상기 멤브레인(310)이 반전되어 단락 플레이트(420)에 단락된다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 모듈(10)이 과충전되면, 상기 제 1 배터리 셀(100a)의 퓨즈(136a)가 제일 먼저 융단되며, 이에 따라 충전 전류는 배터리 셀(100)로 공급되지 않고, 스위치 즉, 멤브레인(310) 및 덕트(300)를 통하여 바이패스된다. 여기서, 상기 제 1 배터리 셀(100a)의 퓨즈(136a)가 제일 먼저 융단되는 이유는 충전 전류가 상기 제 1 배터리 셀(100a)에 제일 먼저 공급되기 때문이다. 더불어, 도 5b 및 도 5c에 도시된 상태는 거의 동시에 이루어진다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 과충전 시 충전 전류가 배터리 셀(100)로 공급되지 않고 덕트(300)를 통하여 바이패스됨으로써, 상기 배터리 모듈(10)의 과충전 안전성이 향상된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 배터리 모듈을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 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; 배터리 모듈 100; 배터리 셀
100a, 100b; 제 1, 2 배터리 셀 110; 케이스
120; 전극 조립체 130a, 130b; 제 1, 2 집전판
140a, 140b; 제 1, 2 절연부 150; 캡 플레이트
151; 안전 벤트 160a, 160b; 제 1, 2 단자
200; 버스바 300; 덕트
310; 멤브레인 320; 벤트
330; 관통 홀 410; 연장 플레이트
420; 단락 플레이트

Claims (17)

  1. 제 1, 2 단자 및 안전 벤트를 포함하며, 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀;
    상기 배터리 셀을 직렬로 연결하는 다수의 버스바;
    상기 안전 벤트를 밀봉하도록 상기 다수의 배터리 셀에 기구적으로 결합되며, 상기 배터리 셀을 향하는 제 1 영역 및 상기 제 1 영역과 마주보며 이격되는 제 2 영역을 포함하는 덕트;
    상기 다수의 배터리 셀 중 제 1 배터리 셀의 제 1 단자와 전기적으로 연결되어 상기 덕트를 향하여 연장되는 연장 플레이트; 및
    상기 다수의 배터리 셀 중 제 2 배터리 셀의 제 2 단자와 전기적으로 연결되어 상기 덕트를 향하여 연장되는 단락 플레이트를 포함하고,
    상기 덕트는 상기 연장 플레이트와 전기적으로 연결되며, 상기 단락 플레이트와는 이격된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배터리 셀은 상기 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀 중 첫째로 위치된 배터리 셀이고, 상기 제 2 배터리 셀은 상기 일렬로 배열된 다수의 배터리 셀 중 마지막째로 위치된 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 덕트의 제 1 영역에는 상기 배터리 셀의 안전 벤트와 대응되는 관통 홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 안전 벤트는 상기 배터리 모듈의 과충전시 상기 배터리 셀의 내압 상승으로 개방되어 상기 덕트로 내부 가스를 방출하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 덕트의 제 2 영역에는 상기 배터리 모듈의 과충전시 단락 플레이트와 전기적으로 단락되는 멤브레인이 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단락 플레이트는 일측이 상기 제 2 배터리 셀의 제 2 단자와 연결되며, 타측은 상기 멤브레인과 대응되는 위치에서 상기 멤브레인과 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상기 배터리 모듈의 과충전시 상기 덕트의 내압 상승에 의하여 그 형태가 반전되어 상기 단락 플레이트와 전기적으로 단락되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 덕트의 제 2 영역은 상기 제 2 영역에 비하여 얇게 형성된 벤트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 벤트는 상기 배터리 셀의 안전 벤트에 비하여 높은 작동 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 덕트의 제 1 영역과 상기 배터리 셀 사이에는 절연층이 개재되어 상기 덕트와 배터리 셀을 전기적으로 절연시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 배터리 셀의 안전 벤트와 대응되는 영역에 홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연장 플레이트는 일측이 상기 제 1 배터리 셀의 제 1 단자와 연결되며, 타측은 상기 덕트와 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 단락 플레이트는 상기 덕트를 기준으로 상기 연장 플레이트보다 더 높은 곳에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 상기 케이스를 밀봉하며, 상기 제 1, 2 단자가 관통되는 캡 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 안전 벤트는 상기 캡 플레이트의 일 부분에서 상기 캡 플레이트에 비하여 상대적으로 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 그 내부에 상기 전극 조립체와 제 1 단자의 사이에 구비되는 퓨즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 퓨즈는 상기 배터리 모듈의 과충전시 융단되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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