KR20180101103A - 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

Abstract

카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지는, 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 가지고, 상기 제1 면에 제1 배터리 셀이 적어도 부분적으로 안착되는 바디; 및 상기 바디의 제1 면 중, 상기 제1 배터리 셀의 가스 포켓에 대응하는 제1 영역 내에 배치되는 제1 서포팅 패턴;을 포함한다.

Description

카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈{CATRIDGE AND BATTERY MODULE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 전지 셀들을 안정적으로 적층하는 데에 이용되는 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 제작하고, 이러한 제작된 둘 이상의 배터리 모듈과 기타 구성요소를 연결하여 배터리 팩을 제작하는 것이 일반적이다.

배터리 셀은, 그것의 반복적인 충방전, 온도 변화, 외부 충격 등에 따른 부반응으로 내부 전해질이 분해되어 가스가 발생할 수 있다. 이때, 발생한 가스에 의해 배터리 셀의 외형이 변형되는 현상을 스웰링 현상이라고 한다.

이러한 스웰링 현상을 억제하기 위한 측면으로 가장 쉽게 생각할 수 있는 방안은 바로 배터리 모듈에 대한 냉각이다. 배터리 모듈의 냉각에 따라, 그에 포함되는 개별 배터리 셀로부터의 가스가 상대적으로 적게 발생하기 때문이다. 하지만, 배터리 모듈의 냉각을 위해서는, 특수한 구조 및/또는 냉각 제어 방식이 필수적으로 요구되므로, 이는 배터리 모듈을 제작하는 데에 큰 제약으로 작용한다.

또한, 배터리 모듈을 냉각하더라도, 스웰링 현상의 속도를 더디게 할 수 있을 뿐, 스웰링 현상을 완전히 막을 수는 없다. 따라서, 스웰링 현상이 발생한다는 전제하에, 스웰링 현상으로부터 배터리 모듈이나 그에 포함되는 개별 배터리 셀의 손상을 억제할 수 있는 방안이 필요하다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 모듈에 포함된 각각의 배터리 셀의 가스 포켓이 파손되더라도, 파손된 가스 포켓에 포집되어 있던 가스가 배터리 모듈 외부로 누출되는 위험을 저감할 수 있는 구조를 가지는 카트리지와 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공하고자 한다.

또한, 배터리 모듈에 적층된 배터리 셀들의 가스 밸런싱을 위한 구조를 가지는 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.

본 발명의 일 측면에 따른 카트리지는, 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 가지고, 상기 제1 면에 제1 배터리 셀이 적어도 부분적으로 안착되는 바디; 및 상기 바디의 제1 면 중, 상기 제1 배터리 셀의 가스 포켓에 대응하는 제1 영역 내에 배치되는 제1 서포팅 패턴;을 포함한다.

또한, 상기 제1 서포팅 패턴은, 월(wall) 형상을 가지고, 상기 바디의 제1 면으로부터 돌출되는 복수의 서포팅 리브;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 바디의 제2 면에 적어도 부분적으로 안착되는 제2 배터리 셀의 가스 포켓에 대응하는 제2 영역 내에 형성되는 제2 서포팅 패턴;을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 서포팅 패턴은, 월(wall) 형상을 가지고, 상기 바디의 제2 면으로부터 돌출되는 복수의 서포팅 리브;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 서포팅 패턴의 서포팅 리브에 도포된 것으로서, 상기 제1 배터리 셀의 가스 포켓의 적어도 일부분을 상기 제1 서포팅 패턴의 서포팅 리브에 접착시키는 접착층;을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 서포팅 패턴이 배치되는 영역 내에서 첨단이 상기 제1 면으로부터 상기 제1 배터리 셀을 향하게 배치되는 니들;을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 바디는, 적어도 하나의 가스 밸런싱 통로;를 포함하고,

상기 각각의 가스 밸런싱 통로는, 상기 제1 서포팅 패턴이 배치된 상기 제1 영역 내의 지점으로부터 상기 바디의 두께 방향으로 관통되어 있는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈은 상호 적층된 복수의 카트리지; 및 상기 각각의 카트리지에 안착되는 복수의 배터리 셀;을 포함한다. 이 경우, 상기 각각의 카트리지는, 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 가지고, 상기 제1 면에 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나가 적어도 부분적으로 안착되는 바디; 및 상기 바디의 제1 면 중, 상기 어느 한 배터리 셀의 가스 포켓에 대응하는 제1 영역 내에 배치되는 제1 서포팅 패턴;을 포함한다.

또한, 상기 바디는, 적어도 하나의 가스 밸런싱 통로;를 포함하고, 상기 각각의 가스 밸런싱 통로는, 상기 제1 서포팅 패턴이 배치된 상기 제1 영역 내의 지점으로부터 상기 바디의 두께 방향으로 관통되어 있는 것일 수 있다.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 모듈에 포함된 각각의 배터리 셀의 가스 포켓이 파손되더라도, 파손된 가스 포켓에 포집되어 있던 가스가 배터리 모듈 외부로 누출되는 위험을 저감할 수 있는 구조를 가지는 카트리지와 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공할 수 있다.

또한, 배터리 모듈에 적층된 배터리 셀들의 가스 밸런싱을 위한 구조를 가지는 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈을 제공할 수 있다. 특히, 각 배터리 셀의 가스 포켓이 과도하게 팽창된 경우, 팽창된 가스 포켓의 안전한 파열을 유도함과 아울러 파열된 가스 포켓으로부터의 가스가 카트리지에 의해 제공되는 여유 공간으로 분산됨으로써, 개별 배터리 셀의 파괴(예, 실링 부위의 파열 등)를 억제할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

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 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 개략적인 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 셀을 측면에서 바라본 모습을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 배터리 셀을 전면에서 바라본 모습을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지의 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 카트리지를 반대편에서 바라본 모습을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지의 구조를 보여주는 도면이고, 도 7은 도 6의 P 영역을 확대한 모습을 보여주는 도면이다.
도 8은 복수개의 카트리지에 의한 복수개의 배터리 셀의 적층 구조를 보여주는 도면이다.
도 9는 도 8의 배터리 모듈의 측단면의 일부분을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 도 9의 배터리 셀에 스웰링 현상이 발생한 모습을 보여주는 도면이다.
도 11은 도 10의 카트리지에 의한 가스 밸런싱을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.

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 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 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.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예들에 관련된 배터리 셀, 카트리지 및 배터리 모듈에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(10)의 개략적인 구조를 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1의 배터리 셀(10)을 측면에서 바라본 모습을 보여주는 도면이며, 도 3은 도 1의 배터리 셀(10)을 전면에서 바라본 모습을 보여주는 도면이다.

먼저 도 1을 참조하면, 배터리 셀(10)은 기본적으로 전극 조립체(11), 전극 탭(12), 전극 리드(13) 및 케이스(14)를 포함한다.

케이스(14)는, 전극 조립체(11)와 전해액가 수용될 수 있는 공간을 제공하고, 실링 공정 등을 통해 밀봉된다. 이때, 실링 공정은, 케이스(14)의 테두리 영역을 열 융착 등을 통해 물리적으로 결합시킴으로써, 케이스(14)의 함침을 위해 케이스(14) 내로 중ㅣㅂ된 전해액이 케이스(14)의 외부로 빠져나가지 못하게 하는 공정이다. 이러한 실링 공정에 의해, 케이스(14)의 테두리 영역에는 실링부(S)가 형성될 수 있다.

전극 조립체(11)는 각각 적어도 하나의 양극판, 음극판 및 세퍼레이터가 미리 정해진 형태로 적층 또는 폴딩된 것이다. 전극 조립체(11)로부터 상대적으로 돌출되도록 제작된 두 전극탭(12) 즉, 양극탭(12a) 및 음극탭(12b) 각각의 일단은 케이스(14)의 내측에서 두 전극 리드(13) 즉, 양극 리드(13a) 및 음극 리드(13b)와 전기적으로 연결된다. 두 전극 리드(13)의 타단은 케이스(14)의 외측으로 연장되는 형태로 제공되는바, 이 경우 두 전극 리드(13)의 적어도 일부분이 케이스(14)의 상부 부분과 하부 부분 사이에 개재될 수 있다. 이때, 도 1과 같이, 케이스(14)의 내부 공간 중에서, 전립 조립체(11)와 실링부(S) 사이의 일부 공간을 가스 포켓(GP)이라고 칭할 수 있다. 배터리 셀(10)의 충방전 등의 결과로 발생하는 가스는 가스 포켓(GP)에 의해 포집될 수 있다.

도 2를 참조하면, 외부에서 바라보았을 때, 배터리 셀(10)에는 단차가 형성될 수 있다. 즉, 스웰링 현상이 일정 수준 미만인 동안에는, 전극 조립체(11)에 대응하는 부분이 가장 두껍고, 가스 포켓(GP)에 대응하는 부분은 상대적으로 얇으며, 전극 리드(13)가 가장 얇다. 반면, 스웰링 현상이 일정 수준을 넘어서면, 전극 조립체(11)에 대응하는 부분보다 가스 포켓(GP)에 대응하는 부분이 두께워질 수 있다.

도 3을 도 1과 함께 참조하면, 도 1을 기준으로 전극 조립체(11)의 양 측면에 배치된 두 실링부(S)는 각각 전극 조립체(11)의 상부 또는 하부를 향하여 소정 형태로 폴딩될 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(10)의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(100)의 구조를 보여주는 도면이고, 도 5는 도 4의 카트리지(100)를 반대편에서 바라본 모습을 보여주는 도면이다.

우선 도 4를 참조하면, 카트리지(100)는 도 1에 도시된 구조의 배터리 셀(10)이 하나 이상 안착될 수 있는 구조를 제공한다. 카트리지(100)는 바디(101) 및 제1 서포팅 패턴(130)을 포함한다.

바디(101)는, 배터리 셀(10)이 안착 가능한 공간을 제공하는 프레임 또는 플레이트 형상을 가진다. 바람직하게는, 바디(101)는 측면부(110)와 받침부(120)를 포함할 수 있다. 측면부(110)는, 받침부(120)의 테두리를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 받침부(120)에 물리적으로 연결될 수 있다. 바람직하게는, 측면부(110)에는 적어도 하나의 플랜지(111)가 구비될 수 있고, 플랜지(111)의 상측과 하측에는 각각 돌기와 홈이 구비될 수 있다. 돌기는, 다른 카트리지(100)의 플랜지에 구비된 홈과 결합된다. 홈은, 또 다른 카트리지(100)의 플랜지에 구비된 돌기와 결합된다. 각각의 플랜지(111)에는 체결홀(H)이 마련되어, 복수개의 카트리지(100)가 순차 적층된 상태에서, 볼트 등이 체결홀(H)들에 삽입됨으로써, 복수개의 카트리지(100)가 상호 기계적으로 체결될 수 있다.

받침부(120)와 측면부(110)의 연결 부분을 기준으로 마련되는 내부 공간에 배터리 셀(10)이 적어도 부분적으로 안착될 수 있다. 예를 들어, 바디(101)가 프레임 형상인 경우, 배터리 셀(10)의 실링부(S), 즉 테두리 부분이 바디(101)에 안착될 수 있다. 프레임 형상의 바디(101)는, 받침부(120)의 소정 영역이 개방된 형상을 가지므로, 배터리 셀(10)의 방열에 효과적이다. 다른 예를 들어, 바디(101)가 플레이트 형상인 경우, 배터리 셀(10)의 상부 또는 하부에 대응하는 편평한 부분이 전체적으로 바디(101)에 안착될 수 있다.

바디(101)는, 배터리 셀(10)이 적어도 일부분을 지지함으로써, 다른 배터리 셀(10)과의 순차적 적층을 가이드함과 아울러 배터리 모듈(200)을 구성하는 배터리 셀(10)의 유동을 저감하도록 구성된다.

제1 서포팅 패턴(130)은, 바디(101)의 서로 대향하는 양쪽 면 중 어느 하나(이하, '제1 면'이라고 함)에 배치된다. 상세히는, 제1 서포팅 패턴(130)은, 바디(101)의 제1 면에 의해 적어도 부분적으로 지지되는 배터리 셀(10)(이하, '제1 배터리 셀'이라고 함)의 가스 포켓(GP)에 대응하는 제1 영역 내에 배치될 수 있다. 제1 서포팅 패턴(130)은, 받침부(120)보다 상대적으로 제1 배터리 셀(10) 특히, 제1 배터리 셀의 가스 포켓(GP)에 가깝게 배치되어, 가스 포켓(GP)에 접촉 가능하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)에 포집된 가스량이 일정 수준 미만인 경우에는 가스 포켓(GP)과 제1 서포팅 패턴(130)이 이격된 상태를 유지하다가, 가스 포켓(GP)에 포집된 가스량이 일정 수준에 도달하면 가스 포켓(GP)의 팽창에 의해 제1 서포팅 패턴(130)은 제1 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)에 적어도 부분적으로 접촉되어, 이를 지지할 수 있다.

제1 서포팅 패턴(130)은, 적어도 하나의 서포팅 리브(131)를 포함할 수 있다. 각각의 서포팅 리브는, 월(wall) 형상을 가지고, 외측을 향하여 소정 길이만큼 돌출된 형상을 가진다. 제1 서포팅 패턴(130)이 복수의 서포팅 리브를 포함하는 경우, 복수의 서포팅 리브 중 어느 하나는 나머지 서포팅 리브 중 적어도 하나와는 그 연장 방향이 상이할 수 있다. 제1 서포팅 패턴(130)에 포함된 모든 서포팅 리브의 돌출 높이는 동일하거나 소정 오차 범위 내의 차이를 가지는 것이 바람직하다.

각각의 서포팅 리브(131)는 나머지 서포팅 리브 중 적어도 하나와 상호 교차하거나 연결됨으로써, 제1 영역에는 적어도 하나의 가스 룸(R)이 형성될 수 있다. 제1 면에 형성된 각 가스 룸(R)의 측면은 서포팅 리브(131)에 의해 정의되고, 상면과 하면 중 어느 하나는 받침부(120)에 의해 정의되며, 상면과 하면 중 다른 하나는 가스 포켓(GP)에 의해 정의된다. 즉, 제1 면에 형성된 가스 룸(R)은 서포팅 리브(131), 받침부(120) 및 가스 포켓(GP)에 의해 밀폐된 각각의 공간일 수 있다. 예컨대, 도 4를 참조하면, 바디(101)의 폭 방향을 따라 연장된 3개의 서포팅 리브와 바디(101)의 길이 방향을 따라 연장된 5개의 서포팅 리브에 의해 카트리지(100)의 제1 면에는 총 8개의 가스 룸(R)이 형성될 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

경우에 따라, 카트리지(100)는 제1 접착층을 더 포함할 수 있다. 제1 접착층은, 적어도 제1 서포팅 패턴(130)의 선단 부분에 도포된 것일 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)이 제1 서포팅 패턴(130)을 향하여 일정 수준 이상 팽창하는 경우, 제1 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)은 제1 접착층을 통해 제1 서포팅 패턴(130)에 접합될 수 있다. 즉, 제1 접착층은, 제1 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)과 제1 서포팅 패턴(130)이 서로 쉽지 분리되지 않도록 하는 결합력을 제공한다. 이에 따라, 제1 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)으로부터 가스 룸(R)으로 새어나온 가스가 다시 가스 룸(R) 밖으로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.

다음으로 도 5를 참조하면, 카트리지(100)는 제2 서포팅 패턴(140)을 더 포함할 수 있다. 제2 서포팅 패턴(140)은, 바디(101)의 서로 대향하는 양쪽 면 중 다른 하나(이하, '제2 면'이라고 함)에 배치된다. 상세히는, 제2 서포팅 패턴(140)은, 바디(101)의 제2 면에 의해 적어도 부분적으로 지지되는 다른 배터리 셀(10)(이하, '제2 배터리 셀'이라고 함)의 가스 포켓(GP)에 대응하는 제2 영역 내에 배치될 수 있다. 제2 서포팅 패턴(140)은, 받침부(120)보다 상대적으로 제2 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)에 가깝게 배치되어, 가스 포켓(GP)에 접촉 가능하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)에 포집된 가스량이 일정 수준 미만인 경우에는 제2 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)과 제2 서포팅 패턴(140)이 이격된 상태를 유지하다가, 제2 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)에 포집된 가스량이 일정 수준에 도달하면 가스 포켓(GP)의 팽창에 의해 제2 서포팅 패턴(140)은 제2 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)에 적어도 부분적으로 접촉되어, 이를 지지할 수 있다.

제1 서포팅 패턴(130)과 유사하게, 제2 서포팅 패턴(140) 역시 적어도 하나의 서포팅 리브(141)를 포함할 수 있다. 각각의 서포팅 리브(141)는, 월(wall) 형상을 가지고, 외측을 향하여 소정 길이만큼 돌출된 형상을 가진다. 제2 서포팅 패턴(140)이 복수의 서포팅 리브를 포함하는 경우, 복수의 서포팅 리브 중 어느 하나는 나머지 서포팅 리브 중 적어도 하나와는 그 연장 방향이 상이할 수 있다. 제2 서포팅 패턴(140)에 포함된 모든 서포팅 리브의 돌출 높이는 동일하거나 소정 오차 범위 내의 차이를 가지는 것이 바람직하다.

각각의 서포팅 리브(141)는 나머지 서포팅 리브 중 적어도 하나와 상호 교차하거나 연결됨으로써, 제2 영역에도 적어도 하나의 가스 룸(R)이 형성될 수 있다. 제2 면에 형성된 각 가스 룸(R)의 측면은 서포팅 리브(141)에 의해 정의되고, 상면과 하면 중 어느 하나는 받침부(120)에 의해 정의되며, 상면과 하면 중 다른 하나는 가스 포켓(GP)에 의해 정의된다. 즉, 제2 면에 형성된 가스 룸(R)은 서포팅 리브(141), 받침부(120) 및 가스 포켓(GP)에 의해 밀폐된 각각의 공간일 수 있다. 예컨대, 도 5를 참조하면, 바디(101)의 폭 방향을 따라 연장된 3개의 서포팅 리브와 바디(101)의 길이 방향을 따라 연장된 5개의 서포팅 리브에 의해, 카트리지(100)의 제2 면에는 총 8개의 가스 룸(R)이 형성될 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 도 4의 가스룸(R)과 도 5의 가스룸(R)은 받침부(120)를 사이에 두고 서로 대응하는 위치에 형성될 수 있다.

경우에 따라, 카트리지(100)는 제2 접착층을 더 포함할 수 있다. 제2 접착층은, 적어도 제2 서포팅 패턴(140)의 선단 부분에 도포된 것일 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)이 제2 서포팅 패턴(140)을 향하여 일정 수준 이상 팽창하는 경우, 가스 포켓(GP)은 제2 접착층을 통해 제2 서포팅 패턴(140)에 접합될 수 있다. 즉, 제2 접착층은, 제2 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)과 제2 서포팅 패턴(140)이 서로 쉽지 분리되지 않도록 하는 결합력을 제공한다. 이에 따라, 제2 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)으로부터 가스 룸(R)으로 새어나온 가스가 다시 가스 룸(R) 밖으로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.

도 4 및 도 5에 있어서, 제1 서포팅 패턴(130) 및 제2 서포팅 패턴(140) 중 적어도 하나는 프레싱 공법 등을 통해, 바디(101)와 일체로 형성되는 것일 수 있다. 물론, 제1 서포팅 패턴(130) 및 제2 서포팅 패턴(140) 중 적어도 하나와 바디(101)는 별개로 제작된 후, 용접 등을 통해 물리적으로 접합되는 것일 수도 있다.

또한, 제1 서포팅 패턴(130) 및 제2 서포팅 패턴(140) 중 제1 서포팅 패턴(130)만을 포함하는 카트리지(100)는 '싱글 타입 카트리지(100)'라고 칭하고, 제1 서포팅 패턴(130) 및 제2 서포팅 패턴(140)을 모두 포함하는 카트리지(100)를 '더블 타입 카트리지(100)'라고 칭할 수도 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지(100)의 구조를 보여주는 도면이고, 도 7은 도 6의 P 영역을 확대한 모습을 보여주는 도면이다.

도 4의 카트리지(100)와 비교할 때, 도 6의 카트리지(100)는 니들(151) 및 가스 밸런싱 통로(152) 중 적어도 하나를 더 포함한다는 점에서만 상이하다. 따라서, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여하고, 각각에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 카트리지(100)는 적어도 하나의 니들(151)을 포함할 수 있다. 각각의 니들(151)은, 제1 면과 제2 면 중 어느 한 면에만 배치되거나, 제1 면 및 제2 면에 모두 배치될 수도 있다. 설명의 편의를 위해, 니들(151) 및 가스 밸런싱 통로(152)가 제1 면에 배치된 구조를 중심으로 설명하기로 한다.

각각의 니들(151)은, 가스 룸(R) 내에 배치될 수 있다. 예컨대, 니들(151)은 가스 룸(R) 내의 받침부(120) 또는 서포팅 리브(131, 141)의 표면으로부터 돌출되어, 그 첨단이 가스 포켓(GP)을 향하도록 배치될 수 있다. 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)이 그 내부에 포집된 가스에 의해 일정 수준 이상 팽창되는 경우, 니들(151)의 첨단에 의해 가스 포켓(GP)의 적어도 일 지점이 찢어지게 된다. 이에 따라, 가스 포켓(GP)의 크기가 가스 룸(R)의 크기만큼 확장되어, 가스 포켓(GP) 내의 가스의 일부가 가스 룸(R) 내로 이동함으로써, 가스 포켓(GP) 내의 압력이 낮아진다. 결과적으로, 가스 포켓(GP) 내의 압력이 실링부(S) 중 결합력이 상대적으로 낮은 부분으로 집중되지 않고, 가스 룸(R)으로 분산되어, 배터리 셀(10)의 파손을 저감할 수 있다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 카트리지(100)는 적어도 하나의 가스 밸런싱 통로(152)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 가스 밸런싱 통로(152)는 카트리지(100)의 가스 룸(R) 중 적어도 하나에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 각각의 가스 밸런싱 통로(152)는, 받침부(120)의 전 영역 중에서 서포팅 패턴(130, 140)이 배치된 영역 내의 적어도 한 지점으로부터 바디(101)의 두께 방향으로 관통된 부분을 지칭하는 것일 수 있다.

제1 면의 가스 룸(R)과 제2 면이 가스 룸(R)이 서로 대응하는 위치를 가지는 경우, 두 가스 룸(R)은 가스 밸런싱 통로(152)를 통해 서로 연결될 수 있다. 이에 따라, 가스 밸런싱 통로(152)를 통해, 어느 한 가스 룸(R)으로부터 다른 가스 룸(R)으로 가스의 분산이 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1 면에 의해 지지되는 제1 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)이 그 내부 압력 또는 니들(151)에 의해 찢어지면, 제1 배터리 셀(10)의 가스 포켓(GP)에 포집되어 있던 가스는 제1 면의 가스 룸(R)으로 일부 이동함은 물론, 가스 밸런싱 통로(152)를 거쳐 제2 면의 가스 룸(R)까지도 이동할 수 있다.

도 6 및 도 7에는 가스 룸(R)마다 니들(151) 및 가스 밸런싱 통로(152)가 함께 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 어느 한 가스 룸(R)에는 니들(151)만이 구비되고, 다른 가스 룸(R)에는 가스 밸런싱 통로(152)만이 구비될 수 있으며, 또 다른 가스 룸(R)에는 니들(151)과 가스 밸런싱 통로(152)가 모두 구비되고, 또 다른 가스 룸(R)에는 니들(151)과 가스 밸런싱 통로(152) 중 어느 것도 구비되지 않을 수 있다.

도 8은 복수개의 카트리지(100)에 의한 복수개의 배터리 셀(10)의 적층 구조를 보여주는 도면이다.

도 8을 참조하면, 배터리 모듈(200)을 구성하는 복수개의 카트리지(100) 중 가장 바깥측의 두 카트리지(100)를 제외한 나머지 카트리지(100)는 '더블 타입 카트리지(100)' 수 있다. 또한, 배터리 모듈(200)을 구성하는 가장 바깥측의 두 카트리지(100) 각각은 '싱글 타입 카트리지(100)'일 수 있다. 배터리 모듈(200)에 두 개의 '싱글 타입 카트리지(100)'의 사이에 n개의 '더블 타입 카트리지(100)'가 순차적층되어 있는 경우, 배터리 모듈(200)에 포함되는 배터리 셀(10)의 개수는 2n+2개일 수 있음은 당업자에게 자명하다. 물론, 배터리 모듈(200)을 구성하는 카트리지(100)의 조합은 다양하게 변경될 수 있다.

배터리 모듈(200)은 복수개의 카트리지(100)를 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되는 두 앤드 플레이트(210) 및 충방전 회로 어셈블리(220)를 포함할 수 있다.

두 앤드 플레이트(210)는, 가장 바깥측의 두 카트리지(100) 각각에 직간접적으로 접촉하여, 적층된 복수개의 카트리지(100)를 지지하면서 외력으로부터 보호하도록 구성된다.

충방전 회로 어셈블리(220)는, 적층된 복수개의 카트리지(100)에 안착된 복수개의 배터리 셀(10)들이 서로 정해진 방식(예, 직렬, 병렬, 또는 직병렬 혼합)을 따라 전기적으로 연결되도록 하는 전기적 패쓰를 제공한다. 예컨대, 충방전 회로 어셈블리(220)는 복수의 버스바를 포함하고, 각각의 버스바는 어느 한 배터리 셀(10)의 전극 리드(13)를 다른 배터리 셀(10)의 전극 리드(13)에 전기적으로 연결하거나, 어느 한 배터리 셀(10)의 전극 리드(13)를 배터리 모듈(200)의 전극 단자에 전기적으로 연결하도록 구성된다. 또한, 충방전 회로 어셈블리(220)는 배터리 관리 시스템을 더 포함할 수도 있다.

도 9는 도 8의 배터리 모듈(200)의 측단면의 일부분을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 10은 도 9의 배터리 셀(10)에 스웰링 현상이 발생한 모습을 보여주는 도면이며, 도 11은 도 10의 카트리지(100)에 의한 가스 밸런싱을 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 설명의 편의를 위해, 도 6의 카트리지(100)는 더블 타입 카트리지이며, 가스 룸(R)마다 2개의 니들(151)과 하나의 가스 밸런싱 통로(152)가 구비되는 것으로 가정한다.

도 9를 참조하면, 카트리지(100) 양면에는 각각 하나의 배터리 셀(10)이 안착된다. 복수개의 카트리지(100)가 정렬된 상태에서, 어느 한 카트리지(100a)에 안착된 어느 한 배터리 셀(10b)은 다른 카트리지(100b)에 안착된 어느 한 배터리 셀(10c)에 적어도 부분적으로 접촉될 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(10a)과 배터리 셀(10b)은 서로 직접 또는 냉각 플레이트를 통해 간접적으로 면 접촉할 수 있다.

도 10을 참조하면, 배터리 모듈(200)을 구성하는 적어도 하나의 배터리 셀(10a)에 스웰링 현상이 발생하여, 그 배터리 셀(10a)의 가스 포켓(GP)이 팽창한 모습을 확인할 수 있다. 배터리 셀(10a)의 가스 포켓(GP)이 팽창됨에 따라, 가스 포켓(GP)과 카트리지(100a)에 구비된 니들(151) 간의 거리는 조금씩 줄어들게 된다.

배터리 셀(10a)의 가스 포켓(GP)이 계속적으로 팽창되어, 그 표면이 니들(151)까지 도달하는 경우, 니들(151)에 의해 배터리 셀(10a)의 가스 포켓(GP)이 찢어지게 된다. 이에 따라, 도 11에 화살표도 표시한 것과 같이 배터리 셀(10a)의 가스 포켓(GP)의 일부 가스(GAS)가 서포팅 리브(131)에 의해 구획된 가스 룸(R)으로 이동하고, 이후 가스 밸런싱 통로(152)를 거쳐 다른 서포팅 리브(141)에 의해 다른 가스 룸(R)까지 전달된다.

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.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

10: 배터리 셀
11: 전극 조립체
12: 전극탭
13: 전극 리드
14: 케이스
GP: 가스 포켓
S: 실링부
100: 카트리지
110: 측면부
111: 플랜지
H: 체결홀
120: 받침부
130, 140: 서포팅 패턴
131, 141: 서포팅 리브
R: 가스 룸
151: 니들
152: 가스 밸런싱 통로
200: 배터리 모듈
210: 앤드 플레이트
220: 충방전 회로 어셈블리

Claims (9)

1. 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 가지고, 상기 제1 면에 제1 배터리 셀이 적어도 부분적으로 안착되는 바디; 및
   상기 바디의 제1 면 중, 상기 제1 배터리 셀의 가스 포켓에 대응하는 제1 영역 내에 배치되는 제1 서포팅 패턴;
   을 포함하는, 카트리지.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 서포팅 패턴은,
   월(wall) 형상을 가지고, 상기 바디의 제1 면으로부터 돌출되는 복수의 서포팅 리브;를 포함하는, 카트리지.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 바디의 제2 면에 적어도 부분적으로 안착되는 제2 배터리 셀의 가스 포켓에 대응하는 제2 영역 내에 형성되는 제2 서포팅 패턴;을 더 포함하는, 카트리지.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제2 서포팅 패턴은,
   월(wall) 형상을 가지고, 상기 바디의 제2 면으로부터 돌출되는 복수의 서포팅 리브;
   를 포함하는, 카트리지.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 제1 서포팅 패턴의 서포팅 리브에 도포된 것으로서, 상기 제1 배터리 셀의 가스 포켓의 적어도 일부분을 상기 제1 서포팅 패턴의 서포팅 리브에 접착시키는 접착층;
   을 더 포함하는, 카트리지.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 서포팅 패턴이 배치되는 영역 내에서 첨단이 상기 제1 면으로부터 상기 제1 배터리 셀을 향하게 배치되는 니들;
   을 더 포함하는, 카트리지.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 바디는,
   적어도 하나의 가스 밸런싱 통로;를 포함하고,
   상기 각각의 가스 밸런싱 통로는,
   상기 제1 서포팅 패턴이 배치된 상기 제1 영역 내의 지점으로부터 상기 바디의 두께 방향으로 관통되어 있는 것인, 카트리지.
   
8. 상호 적층된 복수의 카트리지; 및
   상기 각각의 카트리지에 안착되는 복수의 배터리 셀;을 포함하되,
   상기 각각의 카트리지는,
   서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 가지고, 상기 제1 면에 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나가 적어도 부분적으로 안착되는 바디; 및
   상기 바디의 제1 면 중, 상기 어느 한 배터리 셀의 가스 포켓에 대응하는 제1 영역 내에 배치되는 제1 서포팅 패턴;
   을 포함하는, 배터리 모듈.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 바디는,
   적어도 하나의 가스 밸런싱 통로;를 포함하고,
   상기 각각의 가스 밸런싱 통로는,
   상기 제1 서포팅 패턴이 배치된 상기 제1 영역 내의 지점으로부터 상기 바디의 두께 방향으로 관통되어 있는 것인, 배터리 모듈.
   

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