KR20160026166A - 우수한 냉각 효율을 갖는 파우치 타입 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀은, 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 연결된 전극 리드; 및 상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하되, 수지 층 및 상기 수지 층 상에 적층되어 상기 배터리 셀의 외측으로 노출되는 금속 층을 구비하는 파우치 케이스를 포함한다.

Description

우수한 냉각 효율을 갖는 파우치 타입 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈{A pouch type battery cell with enhanced cooling efficiency and a battery module comprising the same}
본 발명은 파우치 타입 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 향상된 냉각 효과를 가질 뿐만 아니라 제조 원가를 절감할 수 있는 구조를 갖는 파우치 케이스를 구비하는 파우치 타입 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차전지, 특히 리튬 이차전지는, 고분자 폴리머 전해질을 갖고, 리튬이온의 이동으로 전류를 발생시키는 전지를 말하며, 이러한 이차전지를 포장하는 외장재로서 이차전지용 파우치 케이스가 이용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적으로, 이러한 이차전지용 파우치 케이스(1)는, 전극 조립체(2)와 후속 공정에 의하여 파우치 케이스의 내부로 유입되는 전해액을 포함하는 배터리 셀을 보호하고, 배터리 셀의 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 고려하여 수지 층(1a,1b) 사이에 알루미늄 층(1c)이 개재된 형태로 구성된다.
그러나, 이처럼 알루미늄 층(1c)의 외측 면이 수지 층(1b)으로 덮여 있는 경우, 금속의 우수한 열 전도성을 이용한 신속한 방열이 방해를 받을 수 있게 되고, 이에 따라 이러한 배터리 셀을 복수개 연결하여 케이싱 함으로써 구현되는 배터리 모듈을 제작함에 있어서 모듈 케이스에 냉각 핀 등과 같은 구조물을 설치해야 한다.
이처럼, 배터리 모듈의 제작에 있어서, 별도의 방열을 위한 구조물을 설치하는 경우, 그에 따른 제조비용이 증가하게 되고, 방열을 위한 구조물을 설치할 수 없는 모듈 구조의 경우에는 방열이 원활히 이루어지지 않아 배터리 셀/배터리 모듈의 성능 저하 및 안전성의 측면에서 문제가 발생할 수 있다.
본원발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 파우치 타입의 배터리 셀이 우수한 방열 효과를 가질 수 있도록 하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 위에서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀은, 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 연결된 전극 리드; 및 상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하되, 수지 층 및 상기 수지 층 상에 적층되어 상기 배터리 셀의 외측으로 노출되는 금속 층을 구비하는 파우치 케이스를 포함한다.
상기 수지 층은, 열 융착성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 수지 층은, 폴리올레핀 수지, 폴리우레탄 수지, 및 폴리이미드 수지 중에서 선택되는 1종 이상, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 페록시아세틸 니트레이트, 폴리프로필렌 및 불소계수지 중에서 선택되는 1종으로 이루어질 수 있다.
상기 수지 층은, 상기 금속 층의 모서리를 감싸도록 형성될 수 있다.
상기 금속 층은, 알루미늄, 철 및 스테인리스 스틸을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 금속 층은, 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치 케이스는, 전극 조립체를 수용하는 이차전지용 파우치 케이스로서, 상기 파우치 케이스의 내측 면을 이루는 수지 층; 및 상기 수지 층 상에 적층되어 상기 이차전지의 외측으로 노출되는 금속 층을 포함한다.
상기 수지 층은, 열 융착성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 수지 층은, 폴리올레핀 수지, 폴리우레탄 수지, 및 폴리이미드 수지 중에서 선택되는 1종 이상, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 페록시아세틸 니트레이트, 폴리프로필렌 및 불소계수지 중에서 선택되는 1종으로 이루어질 수 있다.
상기 수지 층은, 상기 금속 층의 모서리를 감싸도록 형성될 수 있다.
상기 금속 층은, 알루미늄, 철 및 스테인리스 스틸을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 금속 층은, 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈은, 상기 배터리 셀이 전기적으로 복수개 연결되어 구현된 배터리 셀 집합체; 및 상기 배터리 셀 집합체를 수용하는 모듈 케이스를 포함한다.
본원발명의 일 측면에 따르면, 파우치 케이스의 금속 층을 통해 신속한 방열이 가능하여 배터리 셀의 우수한 냉각 성능을 확보할 수 있다.
또한, 본원발명의 다른 측면에 따르면, 파우치 케이스 자체의 우수한 방열 성능으로 인하여 배터리 셀 및/또는 배터리 모듈에 방열을 위한 별도의 구조물을 설치하지 않아도 되며, 이로써 제조 비용의 절감 효과를 가져올 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 배터리 셀을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 파우치 케이스의 층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 A 영역의 단면을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 B 영역의 단면을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 채용된 파우치 케이스를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 전체적인 구성을 설명하기로 한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은 전극 조립체(10), 전극 리드(20) 및 파우치 케이스(30)를 포함한다.
상기 전극 조립체(10)는 제1 전극판(11), 제2 전극판(12) 및 세퍼레이터(13)를 포함한다. 상기 전극 조립체(10)는 적층된 제1 전극판(11) 및 제2 전극 판(12) 사이에 세퍼레이터(13)를 개재한 후 이를 권취하여 형성된 젤리롤(jelly-roll) 타입의 전극 조립체일 수 있다. 도면에서는 상기 전극 조립체(10)가 젤리롤 타입인 경우를 예로 들어 도시하고 있으나, 이와는 달리 단순 적층 타입 또는 스텍 폴딩 타입인 경우도 가능함은 물론이다.
상기 제1 전극판(11)과 제2 전극판(12)은 서로 반대의 극성을 갖는 것으로서, 본 발명에서는 제1 전극판(11)이 양극판이고, 제2 전극판(12)이 음극판에 해당하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 양극판(11)은 알루미늄(Al) 재질의 집전판에 양극 활물질이 도포되어 형성될 수 있으며, 음극판(12)은 구리)(Cu) 재질의 집전판에 음극 활물질이 도포되어 형성될 수 있다.
한편, 상기 양극판(11)에는 양극 활물질이 도포되지 않은 무지부 영역을 재단함으로써 양극판(11)의 일측으로 돌출된 양극 탭(11a)이 형성될 수 있고, 마찬가지로 음극판(12)에는 음극 활물질이 도포되지 않은 무지부 영역을 재단함으로써 음극판(12)의 일측으로 돌출된 음극 탭(12a)이 형성될 수 있다.
본 발명에서는 상기 양극 탭(11a) 및 음극 탭(12a)이 서로 동일한 방향으로 돌출된 경우만을 도시하고 있으나, 이는 상기 무지부의 형성 위치 및 탭(11a,12a) 형성을 위한 무지부 절단 위치에 따라 달라질 수 있는 것으로서, 탭(11a,12a)이 서로 반대 방향으로 인출된 구조 역시 본 발명의 범위에 포함되는 것임을 밝혀둔다.
상기 전극 리드(20)는 양극 탭(11a) 및 음극 탭(12a)의 일측에 부착되어 탭(11a,12a)이 돌출되는 방향을 따라 연장되며, 양극 탭(11a) 및 음극 탭(12a) 각각에 부착되는 전극 리드(20)는 서로 그 재질이 다를 수 있다.
즉, 상기 양극 탭(11a)에 부착되는 전극 리드(20)는 양극판(11)과 동일한 알루미늄 재질로 이루어질 수 있고, 또한 음극 탭(11b)에 부착되는 전극 리드(20)는 음극판(12)과 동일한 구리 재질로 이루어질 수 있다.
상기 파우치 케이스(30)는, 제1 케이스(31) 및 제2 케이스(32)를 포함한다. 상기 전극 조립체(10)는 제1 케이스(31)에 형성된 수납부(31a)에 수납되며, 제2 케이스(31b)로 커버된 후, 제1 케이스(31)와 제2 케이스(32)가 맞닿는 가장자리를 열융착 함으로써 밀봉된다. 이 때, 상기 전극 조립체(10)의 전극 탭(11a,12a)에 결합된 전극 리드(20)는 융착부(31b)의 일측을 통해 케이스(30)의 외부로 인출될 수 있다.
한편, 본 발명의 도면에서는 상기 제1 케이스(31)와 제2 케이스(32) 중 하나의 케이스에만 전극 조립체(10)의 수용을 위한 공간이 형성된 경우를 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 케이스(31)와 제2 케이스(32) 모두 전극 조립체(10)를 수용하기 위한 공간을 구비할 수도 있는 것이다.
다음은, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 상기 파우치 케이스(30)의 구체적인 구조에 대해서 설명하기로 한다.
도 4는 도 3에 도시된 A 영역의 단면을 나타내는 도면이고, 도 5는 도 3에 도시된 B 영역의 단면을 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 채용된 파우치 케이스를 나타내는 평면도이다.
먼저, 도 4를 참조하면, 상기 파우치 케이스(30)는 파우치 케이스의 내측 면을 이루는 수지 층(30a) 및 수지 층 상에 적층되는 금속 층(30b)을 포함하되, 상기 금속 층(30b)이 배터리 셀의 외측으로 노출된 형태를 갖는다.
여기서, 파우치 케이스(30)의 내측 면이라 함은 파우치 케이스(30)로 배터리 셀을 케이싱한 경우에 있어서, 배터리 셀과 마주보는 면을 의미하는 것이며, 이하 동일하다.
상기 수지 층(30a)은, 양호한 열 융착 특성, 방습성, 내열성 등 이차 전지용 포장 재료로서 요구되는 물성을 보유할 뿐만 아니라 적층 등 가공성이 우수한 고분자 수지로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 고분자 수지로는 폴리올레핀 수지, 폴리우레탄 수지, 및 폴리이미드 수지에서 선택되어지는 1 종 이상이나 PET(polyethylene terephthalate), Ny(nylon), PAN(peroxyacetyl nitrate), PP(PolyPropylene), 불소계수지 중에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 그러나 특별히 여기에 한정되는 것은 아니다.
이로써 열 융착에 의해 제1 케이스 및 제2 케이스(31,32; 도 3 참조)의 마주보는 면끼리 접착되어 밀봉이 가능하게 된다.
상기 수지 층(30a)은 성형성, 절연성 및 내전해액성 등을 고려하여 두께를 약 20㎛ 내지 약 60㎛, 또는 약 30㎛ 내지 약 50㎛으로 할 수 있다. 그러나 상기 수지 층(30a)의 두께는 전술한 범위에 한정되는 것은 아니며 전지의 종류나 크기 등 최종 사용 목적에 따라 적절하게 변경할 수 있다.
상기 금속 층(30b)은 배터리 셀의 사용에 따라 발생되는 열을 신속하게 방출하는 기능을 수행하며, 아울러 파우치 케이스(30)의 강도를 유지하는 기능을 담당한다. 상기 금속 층은, 알루미늄(Al), 철(Fe), 스테인리스 스틸 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄이 사용될 수 있다.
상기 금속 층의 두께는 가공성, 산소 및 수분 차단 특성 등을 고려하여 약 10㎛ 내지 1mm 범위에서 결정되는 것이 바람직하며, 약 30㎛ 내지 50100㎛ 범위에서 결정되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 두께가 대략 10㎛ 미만이면 인장 강도 등의 기계적 물성이 저하되어 쉽게 파손될 수 있으며, 반면에 대략 1mm 를 초과하는 경우에는 성형성이 저하될 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 파우치 케이스(30)는, 상기 금속 층(30b)의 모서리 부분이 수지 층(30a)을 이루는 재료에 의해 감싸진 형태를 가질 수 있다.
이처럼, 상기 금속 층(30b)의 모서리 부분이 수지 층(30a)에 의해 감싸진 형태를 갖는 경우, 수지 층(30a)과 금속 층(30b) 사이의 결합력이 확보될 수 있을 뿐만 아니라, 금속 층(30b)의 모서리가 외부로 노출되지 않음으로써 전극 리드(20)와 같은 배터리 셀의 부품들과 금속 층(30b)의 접촉에 따른 쇼트 발생을 방지할 수 있게 된다.
다만, 이 경우에도, 파우치 케이스(30)의 열 방출 효과를 극대화 하기 위해서는, 수지 층(30b)이 금속 층(30a)의 외측 면 중 테두리 부분만을 커버하도록 함으로써 금속 층(30a)이 배터리 셀의 외측으로 노출되는 면적을 최대화 하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀은, 파우치 케이스(30)를 이루는 금속 층(30b)이 배터리 셀의 외측으로 노출된 구조를 가짐으로써, 금속의 우수한 열 전도성을 이용하여 배터리 셀의 사용에 따라 발생되는 열을 신속히 외부로 방출할 수 있는 장점을 가질 뿐만 아니라, 금속 층(30b)의 외측 면을 피복하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
다음은, 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀이 복수개 연결되어 구현된 배터리 셀 집합체(미도시) 및 배터리 셀 집합체를 수용하는 모듈 케이스(40)를 포함하는 형태로 구현된다.
이 경우, 상기 모듈 케이스(40)는 내부에 수용된 배터리 셀로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출하기 위한 방열 통로(S)를 구비할 수 있으며, 또한 모듈 케이스의 외측으로 돌출된 외부 단자(50) 및 배터리 셀의 전극 리드(20)와 상기 외부 단자(50) 사이를 연결하는 버스 바(60)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀을 이용하여 배터리 모듈을 제작하는 경우, 열 방출을 위한 냉각 핀과 같은 별도의 구조물을 설치하지 않더라도 효과적인 냉각이 가능하며, 이로써 제조비용의 절감 효과 또한 얻을 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 전극 조립체
11: 제1 전극판 11a: 제1 전극 탭
12: 제2 전극판 12a: 제2 전극 탭
13: 세퍼레이터
20: 전극 리드
30: 파우치 케이스
30a: 수지 층 30b: 금속 층
31: 제1 케이스 31a: 수용부
31b: 융착부 32: 제2 케이스
40: 모듈 케이스
50: 외부 단자
60: 버스 바

Claims (13)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체에 연결된 전극 리드; 및
    상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스를 포함하며,
    상기 파우치 케이스는 수지 층 및 상기 수지 층 상에 적층되어 상기 배터리 셀의 외측으로 노출되는 금속 층을 구비하는 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수지 층은,
    열 융착성을 갖는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수지 층은,
    폴리올레핀 수지, 폴리우레탄 수지, 및 폴리이미드 수지 중에서 선택되는 1종 이상, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 페록시아세틸 니트레이트, 폴리프로필렌 및 불소계수지 중에서 선택되는 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수지 층은,
    상기 금속 층의 모서리를 감싸는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 층은,
    알루미늄, 철 및 스테인리스 스틸을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 층은,
    알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
  7. 전극 조립체를 수용하는 이차전지용 파우치 케이스로서,
    상기 파우치 케이스의 내측 면을 이루는 수지 층; 및
    상기 수지 층 상에 적층되어 상기 이차전지의 외측으로 노출되는 금속 층을 포함하는 파우치 케이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수지 층은,
    열 융착성을 갖는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치 케이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수지 층은,
    폴리올레핀 수지, 폴리우레탄 수지, 및 폴리이미드 수지 중에서 선택되는 1종 이상, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 페록시아세틸 니트레이트, 폴리프로필렌 및 불소계수지 중에서 선택되는 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치 케이스.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 수지 층은,
    상기 금속 층의 모서리를 감싸는 것을 특징으로 하는 파우치 케이스.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 금속 층은,
    알루미늄, 철 및 스테인리스 스틸을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치 케이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 금속 층은,
    알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파우치 케이스.
  13. 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀이 전기적으로 복수개 연결되어 구현된 배터리 셀 집합체; 및
    상기 배터리 셀 집합체를 수용하는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈.
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KR20220134304A (ko) 2021-03-26 2022-10-05 에이치그린파워 주식회사 배터리 모듈 및 이의 조립 방법

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