KR20160054289A - 이차전지용 냉각 플레이트 및 이를 포함하는 이차전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평판형 냉각 플레이트에 있어서, 상기 냉각 플레이트의 평판면에, 냉각 플레이트의 두께 방향으로 관통된 메쉬 구조를 갖는 냉각부가 마련된 이차전지용 냉각 플레이트 및 이를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈은, 외부 충격 및 자극에 의한 전지 모듈 관통시, 냉각 플레이트의 변형이 최소화되고, 그 결과로서 냉각 플레이트의 변형이 단위전지에 미치는 영향이 감소됨으로써 단위전지에서의 쇼트 발생이 억제되는 등 개선된 안정성을 나타낼 수 있다.

Description

이차전지용 냉각 플레이트 및 이를 포함하는 이차전지 모듈{COOLING PLATE FOR SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY MODULE}

본 발명은 외부 충격 및 자극에 의한 전지 모듈 관통시 변형이 최소화되고, 그 결과로서 인접하는 단위전지에 미치는 영향을 감소시켜 전지의 안전성을 향상시킬 수 있는 이차전지용 냉각 플레이트 및 이를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것이다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.

대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 등과 같은 이차전지에 대한 수요가 높다.

통상 이차전지는 원통형, 각형 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기, 예컨대 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 경우, 하나의 이차전지를 단위전지로 하여 복수 개 직렬로 연결하여 대용량의 대용량 이차전지 어셈블리(이하 ′전지모듈′이라 칭한다)를 구성하게 된다.

상기 전지 모듈을 구성하는 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 개재하여 적층된 전극조립체와, 상기 전극조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 전지케이스와, 상기 전지케이스의 외부로 일부 노출되고, 상기 전극 조립체에 구비된 양, 음극판의 집전체와 전기적으로 연결된 양,음극의 전극 단자를 포함한다. 그리고 각각의 단위전지는, 예컨대 각형 이차전지의 경우 전지케이스 상부로 돌출된 양극단자 및 음극단자가 이웃하는 단위전지의 양극단자 및 음극단자와 엇갈리도록 교차 배열된 후, 음극단자와 양극단자를 각각 연결하여 전지 모듈을 구성하게 된다. 이때 상기 전지모듈은 수 개 내지 수십 개의 단위전지가 연결되어 구성되기 때문에, 각 단위전지에서 발생되는 열이 용이하게 방출되어야 한다.

전지 모듈의 열 방출 특성은 전지의 성능을 좌우할 정도로 매우 중요하다. 열 방출이 제대로 이루어지지 않을 경우, 단위전지에서 발생되는 열이 전지내부의 온도 상승을 초래하고 결과적으로 전지 성능이 저하시키며, 심한 경우 폭발의 위험을 초래하게 된다. 특히, 상기 전지 모듈이 전동 청소기, 전동 스쿠터 또는 자동차용의 모터 구동용의 대용량 이차전지로서 적용되는 경우, 대전류로 충방전되기 때문에, 전지 내부에서 발생되는 열에 의해 상당한 온도까지 전지의 온도가 상승하게 된다.

이에 따라 전지모듈내 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 냉각 플레이트의 개발이 요구된다.

한국특허공개 제2012-0048938호(2012.05.16 공개)

본 발명이 해결하고자 하는 제1기술적 과제는, 외부 충격 및 자극에 의한 전지 모듈 관통시, 변형이 최소화되고, 그 결과로서 인접하는 단위전지에 미치는 영향이 감소되어 단위전지에서의 쇼트 발생이 억제되는 등 전지의 안전성을 개선시킬 수 있는 이차전지용 냉각 플레이트를 제공하는 것이다.

또, 본 발명이 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는, 상기 냉각 플레이트를 포함하는 이차전지 모듈 및 전지팩을 제공하는 것이다.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 평판형 냉각 플레이트에 있어서, 상기 냉각 플레이트의 평판면에, 냉각 플레이트의 두께 방향으로 관통된 메쉬 구조를 갖는 냉각부가 마련된 이차전지용 냉각 플레이트를 제공한다.

또, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 충,방전이 가능한 다수 개의 단위전지가 간격을 두고 배열되는 이차전지 모듈에 있어서, 상기 단위전지 사이에 상기한 냉각 플레이트가 개재된 이차전지 모듈을 제공한다.

나아가, 본 발명은 상기 이차전지 모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.

기타 본 발명의 실시예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명에 따른 이차전지용 냉각 플레이트는, 외부 충격 및 자극에 의한 전지 모듈 관통시 변형이 최소화되고, 그 결과로서 냉각 플레이트의 변형이 단위전지에 미치는 영향을 감소시켜 전지 모듈내 단위전지에서의 쇼트 발생을 억제함으로써 전지 안전성을 개선시킬 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈에서의 냉각 플레이트를 도시한 사시도이다.
도 2는 종래 냉각 플레이트를 포함하는 이차전지 모듈에서의 네일 관통시험시 냉각 플레이트의 변형을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 플레이트를 포함하는 이차전지 모듈에서의 네일 관통시험시 냉각 플레이트의 변형을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이차전지 모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 냉각 플레이트의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일 예일 뿐 본 발명들이 이에 한정되는 것은 아니다.

이하 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 냉각 플레이트(20)는 평판형 냉각 플레이트로서, 상기 냉각 플레이트의 평판면에 냉각 플레이트의 두께 방향(y축 방향)으로 관통된 메쉬 구조를 갖는 냉각부(21)를 포함한다.

일반적으로, 냉각 플레이트는 단위전지들 사이에 개재되어 단위 전지의 부피 팽창 및 파손을 방지하고, 단위전지에서 발생된 열을 신속하게 외부로 방출시켜 단위전지의 냉각 효율을 증가시키는 역할을 한다.

종래 냉각 플레이트로는 주로 알루미늄 재질의 평판형 냉각 플레이트가 사용되었으며, 전지 모듈내 공간의 여유 없이 단위전지 사이에 밀착되어 포함되었다. 이에 따라 네일(nail) 관통 실험시와 같은 외부 충격이 가해질 경우, 냉각 플레이트에 수직방향으로의 변형이 생기게 되고, 이는 하단부 단위전지를 변형시켜 쇼트가 발생하였다.

이에 대해 본 발명에서는 네일 관통 실험시 네일이 삽입된 만큼 냉각 플레이트의 빈 공간이 벌어지면서 수직 방향으로의 변형을 최소화할 수 있는 메쉬 타입의 냉각 플레이트를 적용함으로써, 관통구를 통한 냉각 매체의 이동으로 냉각 효율을 더욱 향상시키는 동시에, 외부 충격 및 자극에 의한 전지 모듈 관통시, 냉각 플레이트의 변형을 최소화하여 냉각 플레이트의 변형이 인접한 단위전지들에 미치는 영향을 감소시키고, 그 결과로 단위전지의 쇼트 발생을 방지할 수 있다.

도 2는 종래 냉각 플레이트를 포함하는 이차전지 모듈에서의 네일 관통 시험시 냉각 플레이트의 변형을 모식적으로 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 플레이트를 포함하는 이차전지 모듈에서의 네일 관통 시험시 냉각 플레이트의 변형을 모식적으로 나타낸 것이다. 또, 도 2 및 도 3에서 (a)는 관통시험 전 냉각 플레이트이고, (b)는 관통시험 후 냉각 플레이트를 나타낸다.

도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 네일 관통시 종래 플레이트는 수직방향으로의 홀이 발생되는 변형이 생기지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 플레이트는 네일이 삽입된 만큼 빈 공간이 벌어지게 된다. 그 결과 수직방향으로의 변형이 최소화될 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 냉각 플레이트(20)는 평판의 형상을 가지며, 상기 냉각 플레이트의 평판면에, 냉각 플레이트의 두께 방향(y축 방향)으로 관통된 메쉬 구조를 갖는 냉각부(21)가 마련되어 있다.

보다 구체적으로, 상기 냉각 플레이트에 있어서, 냉각부(21)는 냉각 플레이트의 두께 방향으로 관통된 복수 개의 개구부(21a)와, 상기 개구부 사이를 구획하는 구획부(21b)를 포함한다.

상기 개구부(21a)는 원형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 또는 마름모형 등의 다양한 형태를 가질 수 있다. 또, 상기 개구부(21a)는 상기한 형태들 중 어느 하나의 형태를 갖거나 또는 둘 이상의 형태가 혼합된 형태를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 개구부는 정사각형, 육각형 또는 마름모형을 가질 수 있다.

또, 상기 개구부(21a)는 동일한 크기 및 형태를 가질 수도 있고, 서로 다른 크기 또는 형태를 가질 수도 있다. 보다 구체적으로 상기 개구부(21a)는 냉각 효율 및 관통압 흡수 효율을 고려할 때 동일한 크기 및 형태를 갖는 것일 수 있다.

또, 상기 냉각부(21)에 있어서, 상기 개구부 사이를 구획하는 구획부의 너비는 0.1mm 내지 1mm일 수 있다. 구획부의 너비가 상기한 범위 내일 때, 냉각 플레이트, 특히 냉각부가 충분한 기계적 강도를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 구획부의 너비는 0.5mm 내지 1mm일 수 있다.

보다 더 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 냉각 플레이트(20)에 있어서, 상기 냉각부(21)는 와이어 형태의 선재(線材)가 격자 형상으로 엇갈려 구성된 메쉬 망일 수 있다. 또, 상기 선재가 겹쳐지는 부분에서의 고정을 위하여 용접부가 더 마련될 수도 있다.

또, 상기 메쉬 망을 구성하는 선재의 직경은 0.1mm 내지 1mm일 수 있다.

또, 단위 격자에 있어서, 서로 대각선의 방향에서 위치하는 두 모서리 사이의 거리(a)가 10mm 이하일 수 있다. 만약 두 모서리 사이의 거리(a)가 10mm를 초과할 경우 오히려 관통압의 흡수 효과 및 냉각 효율이 저하될 수 있다. 보다 구체적으로는 2mm 내지 7mm일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지용 냉각 플레이트(20)에 있어서, 상기 냉각부(21)는 동일한 크기의 육각형 개구부들로 이루어진 허니컴 형상의 메쉬 망일 수 있다.

상기 냉각부(21)가 허니컴 형태를 가질 경우, 상기 허니컴 형상의 메쉬 망을 구성하는 선재의 직경은 0.1mm 내지 1mm일 수 있다. 또, 상기 허니컴을 구성하는 육각형의 개구부내 서로 평행하게 대향하는 두 변 사이의 거리(a)가 10mm 이하일 수 있다. 만약 두 변 사이의 거리(a)가 10mm를 초과할 경우 오히려 관통압의 흡수 효과 및 냉각 효율이 저하될 수 있다. 보다 구체적으로는 2mm 내지 7mm일 수 있다.

상기와 같은 냉각부(21)는 단위전지의 일측 전면과 대응하여 접하게 된다. 이에 따라 상기 냉각부는 단위전지와 대응되는 크기를 가질 수 있다.

한편, 상기 냉각 플레이트(20)는 상기한 냉각부(21)의 상부 혹은 냉각부(21)의 외측면을 둘러싸도록 마련된 보강부(22)를 더 포함할 수 있다.

상기 보강부(22)가 냉각부의 상부, 즉 냉각부의 z축 방향에 위치하는 상하 두 면 중 상부면 위에 위치하는 경우, 이차전지 모듈내 냉각 플레이트의 설치 및 지지를 위한 역할을 한다. 또, 상기 냉각부의 외측면을 둘러싸도록 위치하는 경우, 구체적으로, 냉각부의 x축 및 y축 방향에 위치하는 상,하,좌,우의 4면 측에 위치하는 경우, 상기한 역할과 함께 냉각부를 보호하는 역할을 할 수 있다.

이 경우, 상기 냉각 플레이트(20)에 있어서의 냉각부(21) 전면은 단위전지의 일측 전면과 접하고, 상기 보강부(22)는 상기 단위전지의 외측을 지나게 된다.

구체적으로, 상기 보강부(22)는 냉각부의 상부에 위치할 경우 사각 평판일 수 있고, 또 상기 냉각부의 외측면을 둘러싸도록 위치할 경우, 내부에 냉각부의 수납이 가능하도록 빈 저장 공간을 갖는 사각 프레임일 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 냉각 플레이트는 상기한 냉각부가 일체화된 일체형일 수도 있고, 또는 냉각부가 별도로 제조된 후 조립된 조립형일 수도 있다. 이에 따라 그 제조방법이 달라질 수 있다.

구체적으로 상기 냉각부(21)가 일체형일 경우, 메쉬 구조를 형성할 수 있도록 패턴화된 몰드를 이용하여 주조하거나, 또는 냉각 플레이트 형성용 평판에 대해 펀칭 등의 개구부 형성 공정을 통해 냉각부를 형성함으로써 제조할 수 있다. 또 다른 방법으로는 와이어 형태의 선재를 이용하여 직조(weaving)하여 제조할 수도 있으며, 이때 필요에 따라 직조된 와이어의 교차 부분에 대해 용접 공정을 더 수행할 수도 있다.

한편, 상기 냉각부(21)가 조립형일 경우, 냉각부를 수납할 수 있도록 수납 공간을 갖는 냉각 플레이트 형성용 프레임 내에 메쉬 구조를 갖는 구조체, 예를 들면, 금속 망 등을 삽입하여 형성할 수도 있다. 이때 상기 냉각 플레이트 형성용 프레임은 그 자체로 최종 제조되는 냉각 플레이트에서 보강부(22)가 될 수도 있다.

또, 상기 냉각 플레이트가 보강부(22)를 더 포함하는 경우, 상기 냉각부(21)의 상부에 냉각부(21)와 일체형으로 형성할 수도 있고, 또는 상기 냉각부와 별도의 부재로서 형성된 후 용접 등을 통해 접합될 수도 있다.

상기 냉각 플레이트(20)의 재질로는 통상 냉각 플레이트의 제조에 사용하는 것이라면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적으로, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스스틸, 구리, 은, 또는 산화알루미늄 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 냉각 플레이트(20)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.

또, 상기 냉각 플레이트내 냉각부 및 보강부는 상기한 냉각 플레이트의 재질 중 동일한 재질을 포함할 수도 있고, 또 서로 상이한 재질을 포함할 수도 있다.

또, 상기 냉각 플레이트(20)의 두께는 1mm 내지 3mm일 수 있으며, 보다 구체적으로는 1mm 내지 2mm일 수 있다.

또, 상기 냉각 플레이트(20)는 냉각 플레이트 총 부피에 대하여 50부피% 내지 90부피%의 개구율을 갖는 것이 바람직하다. 상기 범위내의 개구율을 가질 때, 냉각 플레이트의 변형 방지 및 냉각 효율 향상을 동시에 달성할 수 있다. 개구율이 50부피% 미만이면 단위전지에서 발생되는 열에 대한 방출 또는 냉각효과가 낮고, 90부피%를 초과하면 냉각 플레이트의 기계적 강도가 낮아질 우려가 있다.

또, 상기 냉각 플레이트(20)는 단일 층으로 사용될 수도 있고, 2층 이상의 다층 구조체로서 사용될 수도 있다.

또, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 상기한 냉각 플레이트를 포함하는 이차전지 모듈이 제공된다.

구체적으로, 상기 이차전지 모듈은, 충방전이 가능한 다수 개의 단위전지가 간격을 두고 배열되고, 상기 단위전지 사이에 상기한 냉각 플레이트 개재된 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다. 도 4는 본 발명을 설명하기 위한 일 예일 뿐 본 발명이 에 한정되는 것은 아니다.

이하 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈(10)은, 충방전이 가능한 다수 개의 단위전지(11)가 간격을 두고 배열되고, 상기 단위전지(11) 사이에 평판형 냉각 플레이트(20)가 개재되고, 상기 냉각 플레이트의 평판면에, 냉각 플레이트의 두께 방향으로 관통된 메쉬 구조를 갖는 냉각부(21)가 마련되어 있다.

보다 구체적으로, 상기 이차전지 모듈(10)은 다수 개의 단위전지가 커넥터(미도시)에 의해 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결됨과 동시에, 결속 밴드(미도시)에 의해 조임, 모듈화되어 구성되는데, 이때 이차전지 모듈(10)은 각 단위전지(11)들의 사이에 배치된 냉각 플레이트(20)를 포함하여 구성된다. 또, 상기 이차전지 모듈(10)은, 바람직하게는 결속밴드의 조임시 단위전지(11)의 파손을 방지하는 엔딩 플레이트(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 이차전지 모듈은 외부 케이스를 이루는 별도의 하우징(미도시) 내에 설치될 수 있으며, 이때 상기 하우징으로 공급된 냉각용 공기는 단위전지(11) 사이에 개재된 냉각 플레이트(20)를 지나게 되고, 이 과정에서 단위전지에서 발생된 열이 교환되고, 교환된 공기는 하우징 외부로 배출됨으로써 단위전지에서 발생된 열을 외부로 방출시키게 된다.

또, 상기 냉각 플레이트(20)는 상기한 냉각부가 형성된 단일 구조체일 수도 있고, 또는 2층 이상의 적층 구조체일 수도 있다.

한편, 상기 이차전지 모듈(10)에 있어서, 상기 단위전지(11)는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극조립체를 구비하여 전력을 생산하는 단위로서, 전지 케이스에 수납된 형태로 포함될 수 있다.

구체적으로, 상기 단위전지(11)는 전극조립체, 상기 전극조립체를 수납할 수 있는 내부 공간이 형성된 전지케이스, 한쪽 말단(예컨대, 일단)은 상기 전극조립체에 연결되어 있고, 다른 쪽 말단(예컨대, 타단)은 상기 전지케이스 외부로 돌출되어 있는 양극 및 음극의 전극리드와, 상기 전지케이스의 입구를 밀봉시킨 실링부를 포함할 수 있다.

상기 단위전지(11)에 있어서의 전지케이스는 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트 시트로 구성된 파우치형 전지케이스일 수 있고, 상기 전지케이스의 외주 면을 따라 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트 시트가 열융착되어 형성되는 실링부를 구비하는 구조로 구현할 수도 있다.

또, 상기 전지케이스를 구성하는 상기 상부 라미네이트 시트는 금속층과 이를 덮는 수지층을 포함하는 라미네이트 시트일 수 있다. 보다 구체적으로는 열압착성을 가져 실링재로서의 역할을 하는 내부층인 폴리올레핀계 수지층(Polyolepin Layer)과, 기계적 강도를 유지하고 수분과 산소의 배리어층으로서 역할을 하는 금속박층(주로 알루미늄층이다)과, 보호층으로 작용하는 외부층(주로 나일론층이다)이 순차적으로 적층된 다층막 구조로 구성되어 있다. 폴리올레핀계 수지층으로 흔히 사용되는 것으로는 CPP(Casted Polypropylene)가 있다.

또, 상기 실링부는 전지케이스의 상부 라미네이트 시트와 하부 라미네이트 시트가 접하는 외주면 부위에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 열 압착시켜 형성한다. 이때, 전극 리드가 안치되지 않은 외주면 부분은 상기 상부 라미네이트 시트와 동일한 수지층이므로, 직접적인 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 구체적으로, 상기 열 압착 공정은 전기열과 프레스를 이용하여 120℃ 내지 250℃ 하에서, 0.1MPa 내지 10MPa 조건으로 실시할 수 있다.

반면에, 전극 리드가 안치되는 전지케이스 상단부 외주 면에는, 전극 리드가 돌출되어 있으므로, 전극 리드의 두께 및 전지케이스 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극 리드와의 사이에 절연 필름을 개재한 상태에서 열 압착시키는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 제한되지는 않는다.

또, 상기 전극조립체는 다수의 전극 탭들을 연결하여 양극과 음극을 구성하는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 전극조립체는 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극판과, 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극판이 분리막을 개재하여 적층된 스택형 전극조립체일 수 있다.

또, 상기 전극조립체는 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극판과, 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극판이 분리막을 개재하여 대향하도록 권취된 젤리-롤형 전극조립체일 수 있다.

또, 상기 전극조립체는 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극판과, 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극판이 분리막을 개재하여 적층된 단위 전극조립체가 복수 개 중첩되고, 각각의 중첩부는 분리필름이 개재되며, 상기 분리필름은 각각의 단위 전극조립체를 감싸는 스택-폴딩형 전극조립체일 수 있다.

상기 스택형 및 젤리-롤형 구조는 당업계에 널리 공지되어 있으므로, 본 명세서에서 그에 대한 설명은 생략한다. 또, 상기 스택-폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지에 있어서, 상기 전극조립체는 스택-폴딩형 전극조립체일 수 있다.

한편, 상기 전극조립체에 있어서, 음극판은 음극집전체, 및 상기 음극집전체의 적어도 일면, 바람직하게는 양면에 음극활물질이 코팅된 음극활물질 코팅부를 포함한다.

상기한 음극판에 있어서, 음극집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.

또, 상기 음극집전체는 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있다.

또 상기 음극집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

또, 상기한 음극활물질 코팅부은 음극활물질, 바인더 및 도전재를 포함한다.

상기 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; 또는 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물; 또는 SiOx(0<x<2)과 같은 실리콘계 화합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극 활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다.

상기 바인더는 음극활물질 입자들 간의 부착 및 음극활물질과 음극집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 에틸렌-(메트)아크릴산 공중합체, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.

상기와 같은 바인더는 음극활물질 코팅부 총 중량에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.

또, 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.

상기와 같은 도전재는 음극활물질 코팅부 총 중량에 대하여 총 중량에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.

또, 상기 전극조립체에 있어서, 상기 양극판은 양극집전체, 및 상기 양극집전체의 적어도 일면, 바람직하게는 양면에 양극활물질이 코팅된 양극활물질 코팅부를 포함한다.

상기한 양극판에 있어서, 상기 양극집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다.

또, 상기 양극집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 양극집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.

또, 상기한 양극판에 있어서, 양극활물질 코팅부는 양극집전체 양면에 모두 코팅될 수도 있고, 양극집전체의 어느 일면에만 활물질이 코팅될 수도 있으나, 이차전지의 용량을 고려하면 양면에 모두 양극활물질이 코팅된 것이 보다 바람직할 수 있다.

또, 상기 양극판은 이후 충방전 과정에서의 단락 발생을 방지하기 위해, 상기 양극판 평탄코팅부의 양 끝단, 즉, 양극판 평판코팅부의 시작부 및 말단부에 절연테이프를 포함할 수 있다. 이때 절연테이프는 앞서 음극판에서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.

상기 양극 탭은 레이저용접, 초음파용접, 저항용접과 같은 용접이나 도전성 접착제에 의하여 통전가능하도록 부착될 수 있으며, 또 상기 양극 탭에는 절연테이프가 부착되어 전극 간의 단락을 방지할 수도 있다.

또, 상기 단위전지(11)는 전극조립체로부터 연장되어 있는 전극 탭들, 및 상기 전극 탭들에 용접되어 있는 전극 리드를 포함한다.

이때, 상기 전극 단자는 단위전지의 일 방향 또는 양 방향으로 위치할 수 있다.

또, 상기 전극 단자는 상기 전지모듈의 한 변 또는 두 변에서 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 상기 전극조립체에 있어서, 상기한 양극판과 음극판 사이에 개재되는 분리막은 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막일 수 있다.

구체적으로 상기 분리막은 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체일 수 있다. 또 상기 분리막은 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포일 수도 있다.

경우에 따라서는, 전지의 안정성을 높이기 위하여 상기 분리막 상에 겔 폴리머 전해질이 코팅될 수도 있다.　이러한 겔 폴리머 중 대표적인 예로는, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐리덴플루라이드 또는 폴리아크릴로니트릴 등을 들 수 있다.　전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.

또, 상기 분리막 내 포함되는 기공은 0.01 내지 10㎛의 기공 직경을 갖는 것일 수 있다.

또, 상기 분리막은 5 내지 300㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다.

또, 상기 분리막은 분리막이 열에 의해 수축되더라도 음극 전극을 차단시킬 수 있도록 음극판의 종료부보다 보다 길게 연장되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는 상기 분리막은 음극 종료부로부터 5mm 이상 연장된 것일 수 있다.

아울러, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 전지모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.

상기 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

( 실시예 : 이차전지 모듈의 제조)

도 1에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 허니컴 형태의 메쉬 구조를 갖는 Al 냉각 플레이트를 준비하였다(냉각 플레이트 두께: 1.0mm, 개구율: 80부피%, 허니컴을 구성하는 육각형 개구부내 대향하는 두 변 사이의 거리(a): 2mm, 구획부의 너비: 0.5mm)

드라이 룸에서 바이셀(bicell) 구조의 스택-폴딩형 전극조립체를 셀 외장재에 각각의 전극조립체에서의 전극단자가 일 방향으로 형성되도록 수납하고, 1M LiPF₆ 카보네이트계 전해액을 주입한 후, 셀 외장재의 외주면을 열융착하는 방법으로 29개의 파우치형 단위전지를 제조하였다.

다음으로, Al 재질로 된 모듈케이스에 상기에서 준비한 냉각 플레이트를 모듈케이스 내부가 29개의 공간으로 구획되도록 배치한 후, 상기 29개의 단위전지를 상기 냉각 플레이트와 밀착되도록 각 공간에 하나씩 수납하였다. 이때 29개의 단위전지의 전극단자들은 전지모듈의 한 면에서만 돌출되도록 같은 방향으로 수납하였다.

다음으로, 상기 수납된 단위전지간 그리고 단위전지와 외부단자와의 연결이 한번에 이루어지도록 하나의 단자 어셈블리를 제조하였다. 이때 단자 어셈블리에는 모든 단위전지의 전극단자가 삽입될 수 있는 단자홀이 형성되어 있으며, 삽입된 단위전지의 전극단자는 단자 어셈블리에 이미 구성되어 있는 버스 바와의 체결을 통해 직렬로 연결되고, 버스 바는 단자 어셈블리의 외부로 돌출된 입출력 단자와도 기 연결되어 있다. 그 후 단자 어셈블리를 상기 전극단자들이 형성된 부분에 결합한 다음, 케이스 바디와 용접하여 모듈케이스가 완전 밀봉된 구조의 전지모듈을 제조하였다.

( 비교예 : 이차전지 모듈의 제조)

상기 실시예에서의 냉각 플레이트 대신에 평판형 알루미늄 냉각 플레이트(두께: 1.0mm)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예에서와 동일한 방법으로 실시하여 전지모듈을 제조하였다.

( 실험예 : 관통 실험)

실시예 및 비교예에서 제조한 전지 모듈을 전지 용량의 1/2 C 전류로 4.2 V로 충전(CC-CV, 50mA cut-off)한 후, 직경이 3mm인 반원 형태의 단면을 갖는 강철봉(steel bar)을 20mm/s의 속도로 관통시키는 시험을 하였다.

실험결과, 실시예 및 비교예의 이차전지모듈에서는 모두 냉각 플레이트내 관통 홀이 형성되었다. 그러나, 실시예의 냉각 플레이트내 형성된 관통 홀의 직경은 3mm로 비교예의 관통 홀의 직경(4mm)에 비해 작았으며, 또 관통 홀을 포함하는 냉각 플레이트와 인접한 단위전지에 있어서, 관통 또는 변형이 발생한 단위전지의 수가 실시예의 경우 3개로 비교예(4개)에 비해 감소하였다.

이 같은 결과는, 비교예의 냉각 플레이트의 경우 네일 관통 압력이 관통 방향(또는 수직방향)으로 진행되기 때문에, 냉각 플레이트의 변형이 인접 단위전지에 동일방향으로 전달되는 반면, 실시예의 경우 네일의 관통시 메쉬에서의 빈 공간이 벌어지면서 인접하는 메쉬들에 관통 압력이 수평으로 전달되고, 또 인접하는 메쉬들은 관통 압력을 흡수하면서 변형된다. 그 결과 냉각 플레이트의 변형이 인접하는 단위전지에 미치는 영향이 감소하게 됨으로써, 쇼트 발생이 줄어들게 된다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 이차전지 모듈
11 단위전지
20 냉각 플레이트
21 냉각부
21a 개구부
22b 구획부
22 보강부

Claims (21)

1. 평판형 냉각 플레이트에 있어서,
   상기 냉각 플레이트의 평판면에, 냉각 플레이트의 두께 방향으로 관통된 메쉬 구조를 갖는 냉각부가 마련된 이차전지용 냉각 플레이트.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각부는 냉각 플레이트의 두께 방향으로 관통된 복수 개의 개구부와, 상기 개구부 사이를 구획하는 구획부를 포함하는 이차전지용 냉각 플레이트.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 개구부는 원형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 오각형, 육각형 및 마름모형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 형태를 갖는 이차전지용 냉각 플레이트.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 개구부는 서로 동일한 크기 및 형태를 갖는 것인 이차전지용 냉각 플레이트.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 구획부의 너비가 0.1mm 내지 1mm인 이차전지용 냉각 플레이트.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 냉각부가 와이어 형태의 선재가 격자 형상으로 엇갈려 구성된 메쉬 망인 이차전지용 냉각 플레이트.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 냉각부가 허니컴 형상의 메쉬 망인 이차전지용 냉각 플레이트.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 냉각부가 메쉬 구조를 형성할 수 있도록 패턴화된 몰드를 이용하여 주조하는 방법, 냉각 플레이트 형성용 평판에 대해 펀칭하는 방법, 와이어 형태의 선재를 이용하여 직조(weaving)하는 방법, 및 냉각부를 수납할 수 있도록 수납 공간을 갖는 냉각 플레이트 형성용 프레임 내에 메쉬 구조를 갖는 구조체를 삽입하는 방법으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 형성되는 이차전지용 냉각 플레이트.
   
9. 제2항에 있어서,
   상기 냉각부의 구획부가 알루미늄, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스스틸, 구리, 은 및 산화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 재질로 이루어진 것인 이차전지용 냉각 플레이트.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부의 상부, 또는 상기 냉각부의 외측면을 둘러싸도록 보강부가 더 마련된 냉각 플레이트.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 보강부가 알루미늄, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스스틸, 구리, 은 및 산화알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 재질로 이루어진 것인 이차전지용 냉각 플레이트.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트의 개구율이 냉각 플레이트 총 부피에 대하여 50부피% 내지 90부피%인 이차전지용 냉각 플레이트.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트의 두께가 1mm 내지 3mm인 이차전지용 냉각 플레이트.
    
14. 충,방전이 가능한 복수 개의 단위전지가 간격을 두고 배열되는 이차전지 모듈에 있어서,
    상기 단위전지 사이에 제1항에 따른 냉각 플레이트가 개재된 이차전지 모듈.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트에서의 냉각부가 상기 단위전지와 대응되는 크기를 갖는 것인 이차전지 모듈.
    
16. 제14항에 있어서,
    상기 단위전지가 양극집전체의 적어도 일면에 양극활물질 코팅부를 포함하는 양극판과, 음극집전체의 적어도 일면에 음극활물질 코팅부를 포함하는 음극판이 분리막을 개재하여 적층된 단위 전극조립체가 복수 개 중첩되고, 각각의 중첩부는 분리필름이 개재되며, 상기 분리필름은 각각의 단위 전극조립체를 감싸는 스택-폴딩형 전극조립체를 포함하는 것인 이차전지 모듈.
    
17. 제14항에 있어서,
    상기 단위전지가 일 방향 또는 양 방향으로 위치하는 전극단자를 포함하는 것인 이차전지 모듈.
    
18. 제14항에 있어서,
    상기 단위전지가 상기 이차전지 모듈의 한 변 또는 두 변에서 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결된 전극단자를 포함하는 이차전지 모듈.
    
19. 제14항에 따른 이차전지 모듈을 포함하는 전지팩.
    
20. 제19항에 있어서,
    중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것인 전지팩.
    
21. 제20항에 있어서,
    상기 중대형 디바이스가 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 및 전력 저장용 시스템으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전지팩.

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