KR20190110349A - 스웰링 방지 구조가 적용된 파우치형 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센터에 홀을 구비한 파우치형 이차전지를 개시한다. 본 발명에 따른 파우치형 이차전지는 중심부에 수직으로 관통 형성된 관통공을 구비한 전극조립체와 상기 전극조립체를 패키징하는 시트 형태의 파우치 케이스를 구비한 파우치형 이차전지로서, 입구와 출구가 개방된 속이 빈 파이프 형상으로 상기 관통공 속에 삽입 배치되는 관부와, 상기 관부의 입구와 출구에서 수평으로 연장 형성되어 상기 전극조립체의 상면과 하면에 접촉 배치되는 상단과 하단을 갖는 부싱을 포함할 수 있다. 상기 부싱은 상단과 하단에 접착층을 구비하여 파우치 케이스의 내면에 열융착될 수 있다.

Description

스웰링 방지 구조가 적용된 파우치형 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈{Pouch type secondary battery to which a swelling prevention structure is applied and battery module including the same}

본 발명은 파우치형 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 충방전 과정에서의 스웰링 현상 억제, 조립 편의성, 위치 고정성을 높일 수 있는 파우치형 이차전지 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

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 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

리튬 이차전지는, 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 전극조립체와, 전극조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.

일반적으로 리튬 이차전지는 외장재의 형상에 따라, 전극조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차전지와 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류될 수 있다. 파우치형 이차 전지는 가볍고 전해액의 누액(leakage) 가능성이 적고 형태에 융통성을 가질 수 있어 캔형 이차전지에 비해 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있어 선호도가 높다.

그러나 파우치형 이차전지는 캔형 이차전지에 비해 기계적 강성도가 낮기 때문에 파우치형 이차 전지에 대하여 최근 부각되고 있는 가장 중요한 문제 중 하나가 안전성 확보이다. 이차전지의 안전성이 확보되지 않는다면, 이차전지의 손상은 물론이고, 감전이나 화재, 폭발과 같은 사고로 이어질 수 있어, 인명 및 재산 피해를 초래할 수 있다. 따라서, 파우치형 이차 전지의 안전성을 확보하기 위해 다양한 보호 장치들이 적용 또는 시도되고 있다.

그럼에도 불구하고, 아직까지 이러한 파우치형 이차전지에 대한 안전성이 완전하게 확보되었다고 하기는 어려운 상황이다. 특히, 이차전지의 사용 중, 이차전지의 내부 압력이 증가하여 부풀어오르는 스웰링(swelling) 현상이 일어날 수 있다.

이러한 스웰링 현상은, 과충전이나 과방전, 단락, 고온 방치 등과 같이 다양한 원인에 의해 발생할 수 있는데, 이는 이차 전지의 손상과 성능 감소를 유발하고, 심한 경우 폭발이나 발화까지도 일으킬 수 있다.

특히, 최근에는 자동차나 전력 저장 장치와 같은 중대형 장치로 이차전지의 적용이 확대되면서 이차전지의 용량 및 출력 향상을 위해 그 크기가 날로 증가하고 있다. 그런데 이차전지의 크기가 클수록 스웰링 현상에 따른 부피 변화는 더욱 커질 수 있어, 그 피해는 더욱 심각해질 수 있다.

예를 들어, 이차전지의 크기가 클수록, 스웰링 현상이 발생하면 전극조립체의 반응 면적이 감소하여 셀 성능이 더욱 심하게 저하될 수 있다. 더욱이, 중대형 장치에 사용되는 배터리 모듈의 경우 다수의 이차 전지를 패키징한 상태로 포함하고 있는데, 하나의 이차 전지에서 스웰링 현상이 발생할 경우 다른 이차 전지들의 배열을 흐트러뜨릴 수 있으며, 이로 인해 이차전지 간 접속이 차단되어 배터리 모듈의 고장을 일으킬 수 있다. 뿐만 아니라, 다수의 이차전지를 포함하는 배터리 모듈의 경우, 이차전지의 부피 변화가 심하면 이를 고려하여 이차전지를 배치해야 하므로, 배터리 모듈의 설계 및 제조가 매우 어려워질 수 있다.

한국 등록특허공보 제10-1419557호 (2014.07.14) 주식회사 엘지화학

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 스웰링 현상이 억제될 수 있게 구성된 파우치형 이차전지와, 이러한 파우치형 이차전지들로 구성된 셀 적층체의 중심 영역에 종래보다 강한 면압력을 제공하여 셀 적층체의 스웰링을 억제할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 파우치형 이차전지는, 중심부에 수직으로 관통 형성된 관통공을 구비한 전극조립체와 상기 전극조립체를 패키징하는 시트 형태의 파우치 케이스를 구비한 파우치형 이차전지로서,

입구와 출구가 개방된 속이 빈 파이프 형상으로 상기 관통공 속에 삽입 배치되고 상기 입구와 출구에서 수평으로 연장 형성되어 상기 전극조립체의 상면과 하면에 접촉 배치되는 상단과 하단을 갖는 부싱을 포함할 수 있다.

상기 부싱은, 상단과 하단에 상기 파우치 케이스의 내면에 열 융착될 수 있는 접착층을 더 구비할 수 있다.

상기 부싱은, 상기 전극조립체의 하부에서 일부분이 상기 관통공에 끼워지는 부싱 제1 조립체;와 상기 전극조립체의 상부에서 일부분이 상기 관통공에 끼워지고 상기 부싱 제1 조립체와 연결되는 부싱 제2 조립체를 포함할 수 있다.

상기 부싱 제1 조립체는, 상기 관통공 속에 끼워지는 제1 관부와, 상기 제1관부의 하단을 중심으로 방사상으로 연장 형성되고 상기 전극조립체의 하면에 접촉배치되는 제1 플랜지부를 포함하고, 상기 부싱 제2 조립체는, 상기 관통공 속에서 끼워져 상기 제1 관부와 나사 결합 방식으로 체결되는 제2 관부와, 상기 제2 관부의 상단을 중심으로 방사상으로 연장 형성되고 상기 전극조립체의 상면에 접촉배치되는 제2 플랜지부를 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 플랜지부는, 상기 전극조립체의 상면 및 하면에 대응하는 면적을 갖는 판상체 형태로 형성되며 상기 파우치 케이스에 열 융착될 수 있다.

상기 제1 및 제2 플랜지부는, 상기 전극조립체의 단변 길이와 같거나 짧은 직경을 갖는 환 형 판상체 형태로 형성되며 상기 파우치 케이스에 열 융착될 수 있다.

상기 파우치 케이스는 상기 관통공에 수직으로 연통되는 개구를 구비할 수 있다.

상기 파우치 케이스는 상기 관통공과 상하로 대응하는 영역에 노치 라인이 구비되고, 상기 노치 라인의 안쪽 영역은 다른 영역에 비해 상기 파우치 케이스의 내부 방향을 향해 두껍게 마련될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 파우치형 이차전지들을 포함하는 배터리 모듈로서, 상기 파우치형 이차전지들을 층상 배열하여 구성한 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 사이에 두고 상기 셀 적층체의 상부 및 하부에 각각 접촉 배치되는 상부 플레이트 및 하부 플레이트; 및 상기 상부 플레이트, 상기 셀 적층체, 상기 하부 플레이트를 일체로 조립하는 복수 개의 체결부재를 포함하며, 상기 복수 개의 체결부재 중 어느 하나는, 상기 파우치형 이차전지들의 부싱들을 통해 상기 셀 적층체의 중심부를 관통하고 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트에 체결되는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.

상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트는, 상기 셀 적층체를 탄성적으로 가압하는 탄성가압부를 포함할 수 있다.

상기 탄성가압부는 한쌍의 경사구간과 상기 경사구간이 끝나는 지점을 상호 연결하되 상기 상부 플레이트 또는 상기 하부 플레이트의 판면에 대해 돌출되게 형성된 돌출구간을 구비하며, 상기 돌출구간 중 적어도 일부 구간이 상기 셀 적층체의 상면 또는 하면을 접촉 지지하여 가압할 수 있다.

상기 탄성가압부는 상기 셀 적층체의 중심부를 기준으로 좌우에 하나씩 마련될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상기 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 스웰링 현상이 억제될 수 있고 중심부에 홀을 구비하여 숄더 볼트와 같은 체결부재를 통과시킬 수 있는 파우치형 이차전지가 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 파우치형 이차전지는 파우치 케이스 내부와 숄더 볼트가 통과하는 부싱홀이 공간적으로 분리되어 있어 숄더 볼트가 중심부를 통과하더라도 전해액 누액 및 전극조립체의 손상 우려가 없다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 상부 플레이트, 상기 파우치형 이차전지들로 구성된 셀 적층체, 그리고 하부 플레이트의 중심 영역에 숄더 볼트가 수직으로 장착될 수 있어 종래보다 강한 면압력이 셀 적층체에 인가되는 배터리 모듈이 제공될 수 있다. 따라서 본 발명의 배터리 모듈은 셀 적층체의 스웰링이 억제되어 그로 인한 성능 저하되거나 외관 변형이 저지될 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I'에 따른 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체와 부싱의 분해 및 결합 상태를 도시한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부싱의 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 부싱의 변형예에 따른 부싱의 분해 및 결합 사시도이다.
도 7은 도 6의 부싱이 장착된 전극조립체의 사시도이다.
도 8은 도 1의 파우치 케이스의 변형예를 도시한 평면도이다.
도 9는 도 8의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 단면도이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10의 배터리 모듈의 부분 분해 사시도이다.
도 12는 도 10의 Ⅲ-Ⅲ'에 따른 단면도이다.
도 13은 도 12에 대응하는 도면으로서 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.
도 14은 도 13의 하부 플레이트의 구성을 개략적으로 도시한 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 아니되며, 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 사시도, 도 2는 도 1의 I-I'에 따른 단면도, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극조립체와 부싱의 분해 및 결합 상태를 도시한 단면도들, 그리고 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부싱의 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지(10)는, 전극조립체(20), 파우치 케이스(30), 부싱(40)을 포함한다.

상기 전극조립체(20)는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 서로 대향하도록 배치된 형태로 구성된다. 즉, 양극판과 음극판은 플레이트 형태로 구성되되, 넓은 면이 서로 마주보는 형태가 되도록 배치된다. 그리고 이러한 양극판과 음극판은 서로 직접 접촉하지 않도록 소정 거리 이격된 형태로 구성되며, 그 사이에는 분리막이 개재될 수 있다.

양극판과 음극판은 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로서 형성되는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다.

이러한 양극판과 음극판은 각각, 활물질이 도포되지 않은 무지부에 양극 탭과 음극 탭이 구비될 수 있다. 그리고 이러한 양극 탭과 음극 탭은 각각 양극 리드(22a)와 음극 리드(22b)에 연결되고, 상기 양극 리드(22a)와 음극 리드(22b)가 파우치 케이스(30) 외부로 연장되어 전극 단자 기능을 한다.

상기 파우치 케이스(30)는 오목한 형태의 내부 공간을 구비하며, 이러한 내부 공간에 전극 조립체 및 전해액을 수납할 수 있다. 파우치 케이스(30)는 상부 시트(31)와 하부 시트(32)로 구성될 수 있다. 상기 상부 시트(31)와 하부 시트(32)는 전극조립체(20) 및 전해액을 수납한 상태에서 그 테두리 라인이 열 융착 등의 방법으로 실링됨으로써, 상기 내부 공간이 밀폐될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지(10)는 중심부에 홀을 갖는다. 상기 홀은 파우치형 이차전지(10)의 넓은 면에 대해 수직으로 천공된 형태로 마련될 수 있다.

자세히 후술하게 있으나, 본 발명에 따른 파우치형 이차전지(10)는 내부에 부싱(40)을 구비되어 있어서, 전극조립체(20)의 부품 현상이 억제될 수 있다. 또한, 상기 파우치형 이차전지(10)들을 사용하여 셀 적층체(100)를 제작할 때 숄더 볼트(410)를 상기 부싱(40)을 통해 안전하게 파우치형 이차전지(10)의 중심부에 끼워 넣을 수 있고, 상부 및 하부 플레이트(200,300)에 체결하여 셀 적층체(100)에 강한 면압력을 제공함으로써 셀 적층체(100)의 스웰링을 효과적으로 억제할 수 있다.

이러한 파우치형 이차전지(10)의 구조를 보다 자세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 전극조립체(20)는 중심부에 수직으로 관통 형성된 관통공(21)을 구비한다.

이를 위해, 중심부를 천공시킨 양극판, 분리막, 음극판을 교대로 적층하여 전극조립체(20)를 구성하거나, 양극판, 분리막, 음극판을 스택 앤 폴딩(stack and folding) 방식으로 전극조립체(20)를 만든 다음, 상기 전극조립체(20)의 중심부를 수직으로 천공하여 관통공(21)을 형성할 수도 있다. 여기서 전극조립체(20)의 중심부는, 상부에서 바라볼 때, 전극조립체(20)를 가로 및 세로로 방향으로 각각 양분하는 2개의 가상의 직선이 교차하는 지점을 의미할 수 있다.

다만, 본 발명의 권리범위는 전극조립체(20)의 중심부에 관통공(21)이 형성되어야 하는데 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 관통공(21)은 필요에 따라 전극조립체(20)의 중심부를 기준으로 일정 범위 내에 하나 또는 복수 개가 형성될 수도 있다.

부싱(40)은 상기 관통공(21)에 상하로 끼워져 전극조립체(20)에 장착되는 구성으로서 전극조립체(20)를 지지 및 가압하고 후술할 숄더 볼트(410)가 전극조립체(20)를 안전하게 통과할 수 있게 하는 역할을 담당한다.

즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 부싱(40)은 그 상단과 하단이 전극조립체(20)의 상면과 하면에 밀착되고, 부싱(40)의 상단과 하단을 연결하는 부분은 입구와 출구가 개방된 속이 빈 파이프 형상으로 마련되어 상기 관통공(21) 속에 수직으로 삽입 배치될 수 있다. 그리고 상기 부싱(40)의 상단과 하단은 상기 입구와 출구의 둘레로부터 수평으로 연장 형성되고, 그 표면에는 접착층(47)이 구비될 수 있다.

상기 접착층(47)은 파우치 케이스(30)의 내면에 열 융착될 수 있다. 이와 같이 부싱(40)의 상단과 하단이 파우치 케이스(30)에 접착되기 때문에 본 발명에 따른 파우치형 이차전지(10)는 그 중심부에 홀을 갖더라도 파우치 케이스(30) 내부의 전해액이 외부로 누액되지 않는다.

보다 구체적으로, 도 3 내지 도 5를 함께 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 부싱(40)은 전극조립체(20)의 하부에서 일부분이 관통공(21)에 끼워지는 부싱 제1 조립체(41)와, 전극조립체(20)의 상부에서 일부분이 관통공(21)에 끼워지고 상기 부싱 제1 조립체(41)와 연결되는 부싱 제2 조립체(44)를 포함한다.

그리고 상기 부싱 제1 조립체(41)는 제1 관부(42)와, 제1 플랜지부(43)를 포함하며, 상기 부싱 제2 조립체(44)는, 부싱 제1 조립체(41)와 상하로 대칭되게, 제2 관부(45)와, 제2 플랜지부(46)를 포함한다.

상기 제1 관부(42)와 제2 관부(45)는 전극조립체(20)의 관통공(21) 속에 끼워져 부싱홀(P)을 형성하는 구성으로서, 양단부가 개방되고 속이 빈 파이프 형상으로 제공될 수 있다.

본 실시예에서, 제1 관부(42)는 전극조립체(20)의 하부에서 연직 상방향으로 관통공(21) 속에 삽입될 수 있고, 제2 관부(45)는 전극조립체(20)의 상부에서 연직 하방향으로 관통공(21) 속에 삽입되어 상기 제1 관부(42)와 연결될 수 있다. 상기 제1 관부(42)와 제2 관부(45)의 연결 방식으로는 나사 결합 방식이 채용될 수 있다.

이를테면, 제1 관부(42)의 일단부에는 암 나사산이 마련되고 제2 관부(45)의 일단부에는 수 나사산이 마련될 수 있다. 먼저, 제1 관부(42)를 전극조립체(20)에 삽입한 후 제2 관부(45)를 시계방향으로 돌려 제1 관부(42) 속에 쪼아 넣을 수 있다. 이와 같은 나사 결합 방식에 의하면, 암수 나사산의 조임력에 의해 부싱(40)의 상단과 하단에 해당하는 제1 플랜지부(43)와 제2 플랜지부(46)가 전극조립체(20)를 상하로 강하게 압박하게 된다. 이에 따라 충방전 과정에서 전극조립체(20)를 구성하는 양극판과 음극판의 팽창이 억제될 수 있다.

도시하지 않았으나, 대안적 실시예로 상기 부싱 제2 조립체(44)에서 제2 관부(45)를 생략하고, 제2 플랜지부(46)의 중심에 암 나사산을 구비한 홀을 마련할 수 있다. 그리고 상기 부싱 제1 조립체(41)의 제1 관부(42)에 수 나사산을 마련하여 상기 제2 플랜지부(46)의 홀 속에 제1 관부(42)의 일단이 체결되도록 할 수도 있을 것이다. 이 경우, 도 2의 확대도에 표시된 관통공(21) 속에서 제1 관부(42)와 제2 관부(45)의 직경 차이에 따른 단차를 없앨 수 있는 이점이 있다.

한편, 본 실시예에서는 제1 관부(42)와 제2 관부(45)의 연결 방식으로 나사 결합 방식을 예시하였으나, 예컨대 제1 관부(42) 속에 제2 관부(45)를 억지끼움 방식으로 연결하는 등, 제1 관부(42)와 제2 관부(45) 사이에 틈이 형성되지 않는 연결 방식이라면 어떠한 연결 방식이 채용되어도 무방할 수 있다.

제1 플랜지부(43)는 부싱(40)의 하단을 형성하는 부분으로 제1 관부(42)와 일체로 형성된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 플랜지부(43)는 제1 관부(42)의 하단을 중심으로 방사상(수평방향)으로 연장 형성되고, 전극조립체(20)의 하면에 대응하는 면적을 갖는 판상체 형태로 마련될 수 있다. 따라서 제1 관부(42)를 전극조립체(20)의 관통공(21) 속에 완전히 끼워 넣으면 제1 플랜지부(43)는 전극조립체(20)의 하면에 대응하게 밀착될 수 있다.

제2 플랜지부(46)는 부싱(40)의 상단을 형성하는 부분으로 제2 관부(45)와 일체로 형성된다. 제2 플랜지는 제2 관부(45)의 상단을 중심으로 방사상(수평방향)으로 연장 형성되고, 전극조립체(20)의 상면에 대응하는 면적을 갖는 판상체 형태로 마련될 수 있다. 제1 플랜지부(43)와 마찬가지로, 제2 관부(45)를 제1 관부(42)에 체결하여 전극조립체(20)의 관통공(21) 속에 완전히 끼워 넣으면 제2 플랜지부(46)도 전극조립체(20)의 상면에 대응하게 밀착될 수 있다. 이러한 제2 플랜지부(46)는 전극조립체(20)를 사이에 두고 제1 플랜지부(43)와 상하로 대향하게 배치될 수 있다.

제1 플랜지부(43)와 제2 플랜지부(46)를 각각 전극조립체(20)의 상면과 하면 면적에 대응하게 형성함으로써 이들의 면압력이 전극조립체(20)에 광범위하게 작용할 수 있다. 따라서 전극조립체(20)에 본 실시예에 따른 부싱(40)을 장착하는 것만으로도 파우치형 이차전지(10)의 스웰링 현상이 억제될 수 있다.

이러한 부싱(40)의 재질로는 예컨대, 세라믹(ceramic) 또는 탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastic)등 강도, 절연성 및 내열성이 우수한 재질이 채용될 수 있다.

한편, 파우치 케이스(30)를 구성하는 상부 시트(31)와 하부 시트(32)에는 각각 중심부에 개구(33)가 구비된다. 상기 개구(33)는 전극조립체(20)의 관통공(21)에 수직으로 연통하는 위치에 형성된다.

즉, 도 2를 다시 참조하여, 부싱(40)이 장착된 전극조립체(20)가 파우치 케이스(30)로 패키징된 구조를 살펴보면, 상부 시트(31)와 하부 시트(32)의 테두리 라인이 실링되고, 상부 시트(31)의 하면과 제2 플랜지부(46)의 상면이 접착되고 하부시트(32)의 상면은 제1 플랜지부(43)의 하면과 접착된 것을 알 수 있다. 그리고 파우치 케이스(30)의 개구(33)는 관통공(21) 내에 위치한 부싱홀(P)과 연통된 것을 알 수 있다.

도시하지 않았으나, 파우치 케이스(30)의 개구(33) 둘레에 링 형태의 캡(Cap)을 추가로 장착하여 부싱(40)의 접착층(47)이 외부로 노출되지 않게 마감할 수도 있다.

이와 같이 본 발명의 파우치형 이차전지(10)는, 그 중심부에 홀을 가지고 있어 숄더 볼트(410)가 중심부를 통과할 수 있다. 특히, 부싱홀(P)은 파우치 케이스(30)의 내부와 공간적으로 분리되어 있어 상기 숄더 볼트(410)를 파우치형 이차전지(10)의 중심부에 끼워 넣더라도 전극조립체(20)의 손상이나 쇼트가 일어날 염려가 없다.

이어서, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 부싱(40)의 변형예를 간략히 설명하기로 한다.

도 6은 도 5의 부싱(40)의 변형예에 따른 부싱(40a)의 분해 및 결합 사시도이고, 도 7은 도 6의 부싱(40a)이 장착된 전극조립체(20)의 사시도이다.

이들 도면들에 도시한 바와 같이, 전술한 실시예의 부싱(40)과 비교할 때, 본 변형예에 따른 부싱(40a)은 제1 플랜지부(43a)와 제2 플랜지부(46a)가 환 형의 판상체 형태로 마련된다. 그리고 상기 제1 플랜지부(43a)와 제2 플랜지부(46a)는 (제1 관부(42a) 및 제2 관부(45a)를 중심으로 한) 그 직경이 전극조립체(20)의 단변 길이와 같거나 그보다 짧을 수 있다.

이를테면, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 전극조립체(20)는 장변과 단변을 갖는 직사각 형태로 마련될 수 있고, 제1 플랜지부(43a)와 제2 플랜지부(46a)는 그 직경이 각각 전극조립체(20)의 단변 길이와 같거나 그보다 짧게 형성된다.

참고로 본 실시예와 달리, 전극조립체(20)가 변의 길이가 동일한 정사각 형태로 마련될 경우 제1 플랜지부(43a)와 제2 플랜지부(46a)의 직경은 전극조립체(20)의 어느 일변의 길이와 같거나 그보다 짧은 것으로 이해될 수 있다.

따라서 본 변형예에 따른 부싱(40a)을 전극조립체(20)에 장착하였을 때, 제1 플랜지부(43a)와 제2 플랜지부(46a)는 각각 전극조립체(20)의 상면과 하면의 면적 범위 내에 위치하게 된다. 예컨대, 전술한 실시예에 따른 부싱(40)의 경우, 제1 관부(42)를 전극조립체(20)의 관통공(21)에 삽입한 후 제2 관부(45)를 시계방향으로 돌려 제1 관부(42)에 나사 체결하게 되는데, 제1 관부(42)에 대한 제2 관부(45)의 회전 상태 또는 조임 정도에 따라 제2 플랜지부(46)가 전극조립체(20)의 상면에 대해 각도가 틀어지면 전극조립체(20)의 상면에 정확히 일치되지 못해서 그 일부분이 전극조립체(20)의 상면 범위에서 벗어날 수 있다.

그러나 본 변형예에 따른 부싱(40a)의 경우, 제1 관부(42a)에 대한 제2 관부(45a)의 회전 상태 또는 조임 정도에 무관하게 항상 제2 플랜지부(46a)가 전극조립체(20)의 상면 범위 내에 위치한다. 그러므로 본 변형예에 의하면 전극조립체(20)와 제1 및 제2 플랜지부(43a,46a)의 얼라인 상태를 체크하지 않아도 되며 제2 관부(45a)를 제1 관부(42a) 속에 보다 강하게 조여서 체결시킬 수 있다.

참고로, 전극조립체(20)의 중심부와 그 주변에 작용하는 면압력이 최대가 될 수 있도록 제1 및 제2 플랜지부(43a,46a)의 직경이 전극조립체(20)의 단변 길이와 일치하게 제1 및 제2 플랜지부(43a,46a)를 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

일반적으로 파우치형 이차전지(10)의 스웰링 현상시 전극조립체(20)의 테두리 부분보다는 중앙 부분이 상대적으로 크게 부풀어오른다. 이러한 측면에서 본 변형예에 따른 제1 및 제2 플랜지부(43a,46a)는 전극조립체(20)의 중심부와 그 주변을 압박하기에 충분한 사이즈라 할 수 있어 전극조립체(20)의 중앙 부분의 팽창을 억제하는 효과적일 수 있다.

도 8은 도 1의 파우치 케이스(30)의 변형예를 도시한 평면도이고, 도 9는 도 8의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 단면도이다.

이어서, 도 8 및 도 9를 참조하여 전술한 실시예에 따른 파우치 케이스(30)의 변형예를 간략히 설명하기로 한다.

전술한 실시예의 파우치 케이스(30)는, 중앙 부분에 부싱홀 (P)과 연통하는 개구(33)가 미리 형성되어 있다. 따라서 부싱(40)을 장착한 전극조립체(20)를 수납 후, 부싱(40)의 제1 및 제2 플랜지부(46)와 파우치 케이스(30)를 열 융착시키기 전, 상기 개구(33)와 부싱홀 (P)을 정확하게 일치시켜야 하는 어려움이 있다. 반면 본 발명의 변형예에 의하면, 상기 문제점을 해소할 수 있다.

이를 위해 본 변형예에 따른 파우치 케이스(30)는, 중앙 부분에 상기 개구(33) 대신 부싱홀 (P)과 상하로 대응하는 영역에 노치 라인(34)이 구비된다.

상기 노치 라인(34)은 상부 시트(31)와 하부 시트(32)에서 특정 부분을 원하는 형태로 제거하기 쉽도록 미리 부분 절취한 라인으로 이해될 수 있다. 이러한 노치 라인(34) 구성에 의하면, 필요시 파우치 케이스(30)의 중심부를 눌러 파우치 케이스(30)에서 노치 라인(34)의 안쪽 영역(35)을 제거하여 전술한 실시예와 같은 개구(33)를 형성할 수 있다.

특히, 도 9를 참조하면, 본 변형예에 따른 파우치 케이스(30)는 상기 노치 라인(34)의 안쪽 영역(35)이 다른 영역에 비해 파우치 케이스(30)의 내부 방향을 향해 두껍게 마련된다.

이러한 노치 라인(34)의 안쪽 영역(35)은, 부싱(40)을 장착한 전극조립체(20)를 파우치 케이스(30)에 수납할 때, 제1 관부(42)와 제2 관부(45) 속에 개재될 수 있다. 따라서 노치 라인(34)의 안쪽 영역(35)을 제거한 후 형성되는 개구(33)는 파우치 케이스(30) 내부의 부싱홀 (P)과 상하로 정확하게 연통될 수 있다.

이하에서는, 상술한 파우치형 이차전지(10)들을 사용하여 구성한 배터리 모듈을 설명하기로 한다.

도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 구성을 도시한 사시도, 도 11은 도 10의 배터리 모듈의 부분 분해 사시도, 도 12는 도 10의 Ⅲ-Ⅲ'에 따른 단면도이다.

이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 셀 적층체(100), 상부 플레이트(200), 하부 플레이트(300) 및 복수 개의 체결부재(410)를 포함한다.

셀 적층체(100)는 상술한 파우치형 이차전지(10)들의 집합체로서, 상하 방향으로 적층된 형태로 구현될 수 있다. 셀 적층체(100)는, 도시하지 않았으나, 파우치형 이차전지(10)의 적층을 위한 적층용 프레임(미도시)을 더 포함할 수 있다.

상부 플레이트(200)는 제일 상부의 파우치형 이차전지(10)의 상부에 접촉 배치되어 상부에서 셀 적층체(100)를 지지하는 판형 구조물이다. 그리고 하부 플레이트(300)는 제일 하부의 파우치형 이차전지(10)의 하부에 접촉 배치되어 하부에서 셀 적층체(100)를 지지하는 판형 구조물이다.

상기 상부 및 하부 플레이트(300)는 대략 넓은 면적을 가진 플레이트 형태로 구성될 수 있으며, 각각 셀 적층체(100)의 하부와 상부에 위치되어 셀 적층체(100)의 하부와 상부를 커버할 수 있다.

이러한 상부 및 하부 플레이트(300)는 셀 적층체(100)에 대한 기계적 지지력을 제공하고, 셀 적층체(100)의 상부와 하부에서 셀 적층체(100)를 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 또한, 셀 적층체(100)의 스웰링 시 셀 적층체(100)의 팽창압을 흡수하여 배터리 모듈의 외관이 변형되지 않도록 하는 역할을 할 수 있다. 따라서 상부 및 하부 플레이트(300)는 강성이 확보될 수 있도록 스틸 등의 금속 재질로 제작될 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면 상기 셀 적층체(100), 상부 및 하부 플레이트(300)는 복수 개의 체결부재에 의해 일체로 조립될 수 있다.

체결부재(410)는 상부 플레이트(200), 셀 적층체(100), 그리고 하부 플레이트(300)를 일체로 조립하여 이들이 도 10과 같은 형태로 모듈화되도록 하는 역할을 한다. 여기서 상기 체결부재로(410)는 일단에 스크류를 구비한 숄더 볼트(410)가 채용될 수 있다. 상기 숄더 볼트(410)의 일단은 너트(420) 또는 캡 너트로 체결될 수 있다.

본 실시예에서 숄더 볼트(410)는 총 5개가 사용될 수 있다. 그 중 4개의 숄더 볼트(410)는 하부 플레이트(300)와 상부 플레이트(200)의 4개의 코너 영역에 구비된 볼트 통과홀(210,310)들을 차례로 통과하면서 상부 플레이트(200)와 하부 플레이트(300)를 연결하는 역할을 한다.

그리고 나머지 하나의 숄더 볼트(410)는 하부 플레이트(300)의 볼트 통과홀(210,310), 파우치형 이차전지(10)들의 부싱홀 (P), 상부 플레이트(200)의 볼트 통과홀(210,310)을 차례로 통과하면서 하부 플레이트(300), 셀 적층체(100), 상부 플레이트(200)를 일체로 연결하는 역할을 한다.

예컨대, 대면적 파우치형 이차전지(10)들을 사용하여 셀 적층체(100)를 제작하고 상부 플레이트(200)와 하부 플레이트(300)의 코너 영역만을 숄더 볼트(410)로 연결할 경우, 셀 적층체(100)의 중앙 영역에 작용하는 면압력이 코너 영역에 비해 상대적으로 약해 파우치형 이차전지(10)들이 스웰링 시 상부 및 하부 플레이트(300)의 중앙 영역이 팽창압을 견디지 못하고 외측 방향으로 휘어지기 쉽다.

그러나 본 발명에 따른 배터리 모듈은 숄더 볼트(410)가 셀 적층체(100)의 중심부를 관통하여 상부 플레이트(200)와 하부 플레이트(300)의 중앙 영역에도 체결될 수 있다. 따라서 상부 플레이트(200)와 하부 플레이트(300)의 중앙 영역에 위치한 숄더 볼트(410)와 너트(420) 간의 조임력에 의해 셀 적층체(100)의 중심 영역에 작용하는 면압력이 기존에 비해 더 강화됨으로써 셀 적층체(100)의 스웰링 현상이 보다 효과적으로 억제될 수 있다.

또한, 도 11에 도시한 바와 같이, 파우치형 이차전지(10)들을 적층시킬 때 숄더 볼트(410)에 파우치형 이차전지(10)들을 차례로 끼워 넣고 정렬하면 각 파우치형 이차전지(10)들의 상하좌우 위치가 쉽게 일치될 수 있어 파우치형 이차전지(10)들의 적층이 수월해질 수 있다.

이어서, 도 13 및 도 14를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기로 한다. 전술한 실시예와 중복된 설명은 생략하기로 하고 차이점을 위주로 설명하기로 한다.

도 13은 도 12에 대응하는 도면으로서 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도이고, 도 14는 도 13의 하부 플레이트(300)의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은, 상부 플레이트(200)의 하면과 상기 하부 플레이트(300)의 상면에는 탄성가압부(220,320)가 더 마련될 수 있다.

상기 탄성가압부(220,320)는 셀 적층체(100)의 상면 및 하면에 접촉하되 셀 적층체(100)를 상방 및 하방으로 가압 지지하여 고정하는 역할을 한다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 탄성가압부(220,320)는 한 쌍의 경사구간(222,322)과 상기 경사구간(222,322)이 끝나는 지점을 상호 연결하되 상부 플레이트(200) 또는 하부 플레이트(300)의 판면에 대해 돌출되게 형성된 돌출구간(221,321)을 구비한다. 상기 돌출구간(221,321) 중 적어도 일부 구간이 상기 셀 적층체(100)의 상면 또는 하면을 접촉 지지하여 하방 또는 상방으로 가압할 수 있다. 이러한 상기 탄성가압부(220,320)는 프레스 가공에 의해 상부 플레이트(200) 또는 하부 플레이트(300)와 일체로 제작될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 탄성 가압부는, 셀 적층체(100)의 중심부를 기준으로 좌우에 하나씩 마련될 수 있다. 탄성 가압부를 이와 같이 형성함으로써 숄더 볼트(410)를 상부 및 하부 플레이트(300)의 중앙 영역에 체결할 공간을 확보할 수 있고, 셀 적층체(100)의 중앙 영역을 기준으로 좌우 영역에 각각 탄성가압부(220,320)를 둠으로써 중앙 영역과 코너 영역 사이에 작용하는 면압력이 전술한 실시예에 비해 더 강화될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(미도시)은 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다.

이때, 배터리 팩에는 배터리 모듈 이외에, 배터리 모듈을 수납하기 위한 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수도 있다.

이상과 같이, 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.

한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

10: 파우치형 이차전지 20: 전극조립체
21: 관통공 22a,22b: 전극 리드
30: 파우치 케이스 31: 상부 시트
32: 하부 시트 33: 개구
34: 노치 라인 40: 부싱
41: 부싱 제1 조립체 42: 제1 관부
43: 제1 플랜지부 44: 부싱 제2 조립체
45: 제2 관부 46: 제2 플랜지부
47: 접착층 100: 셀 적층체
200: 상부 플레이트 300: 하부 플레이트
220,320: 탄성가압부 400: 체결부재

Claims (13)

1. 중심부에 수직으로 관통 형성된 관통공을 구비한 전극조립체와 상기 전극조립체를 패키징하는 시트 형태의 파우치 케이스를 구비한 파우치형 이차전지로서,
   입구와 출구가 개방된 속이 빈 파이프 형상으로 상기 관통공 속에 삽입 배치되고 상기 입구와 출구에서 수평으로 연장 형성되어 상기 전극조립체의 상면과 하면에 접촉 배치되는 상단과 하단을 갖는 부싱을 포함하는 파우치형 이차전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 부싱은,
   상기 전극조립체의 하부에서 일부분이 상기 관통공에 끼워지는 부싱 제1 조립체;와
   상기 전극조립체의 상부에서 일부분이 상기 관통공에 끼워지고 상기 부싱 제1 조립체와 연결되는 부싱 제2 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
3. 제2항에 있어서,
   상기 부싱 제1 조립체는, 상기 관통공 속에 끼워지는 제1 관부와, 상기 제1관부의 하단을 중심으로 방사상으로 연장 형성되고 상기 전극조립체의 하면에 접촉배치되는 제1 플랜지부를 포함하고,
   상기 부싱 제2 조립체는, 상기 관통공 속에서 끼워져 상기 제1 관부와 나사 결합 방식으로 체결되는 제2 관부와, 상기 제2 관부의 상단을 중심으로 방사상으로 연장 형성되고 상기 전극조립체의 상면에 접촉배치되는 제2 플랜지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 플랜지부는, 상기 전극조립체의 상면 및 하면에 대응하는 면적을 갖는 판상체 형태로 형성되며 상기 파우치 케이스에 열 융착되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 플랜지부는, 상기 전극조립체의 단변 길이와 같거나 짧은 직경을 갖는 환 형 판상체 형태로 형성되며 상기 파우치 케이스에 열 융착되는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
6. 제1항에 있어서,
   상기 파우치 케이스는 상기 관통공에 수직으로 연통되는 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
7. 제1항에 있어서,
   상기 파우치 케이스는 상기 관통공과 상하로 대응하는 영역에 노치 라인이 구비되고, 상기 노치 라인의 안쪽 영역은 다른 영역에 비해 상기 파우치 케이스의 내부 방향을 향해 두껍게 마련된 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
8. 제1항에 있어서,
   상기 부싱은, 상단과 하단에 상기 파우치 케이스의 내면에 열 융착될 수 있는 접착층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 파우치형 이차전지.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 파우치형 이차전지들을 포함하는 배터리 모듈로서,
   상기 파우치형 이차전지들을 층상 배열하여 구성한 셀 적층체;
   상기 셀 적층체를 사이에 두고 상기 셀 적층체의 상부 및 하부에 각각 접촉 배치되는 상부 플레이트 및 하부 플레이트; 및
   상기 상부 플레이트, 상기 셀 적층체, 상기 하부 플레이트를 일체로 조립하는 복수 개의 체결부재를 포함하며,
   상기 복수 개의 체결부재 중 어느 하나는, 상기 파우치형 이차전지들의 부싱들을 통해 상기 셀 적층체의 중심부를 관통하고 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트에 체결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
10. 제9항에 있어서,
    상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트는,
    상기 셀 적층체를 탄성적으로 가압하는 탄성가압부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
11. 제10항에 있어서,
    상기 탄성가압부는 한쌍의 경사구간과 상기 경사구간이 끝나는 지점을 상호 연결하되 상기 상부 플레이트 또는 상기 하부 플레이트의 판면에 대해 돌출되게 형성된 돌출구간을 구비하며,
    상기 돌출구간 중 적어도 일부 구간이 상기 셀 적층체의 상면 또는 하면을 접촉 지지하여 가압하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
12. 제11항에 있어서,
    상기 탄성가압부는 상기 셀 적층체의 중심부를 기준으로 좌우에 하나씩 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
13. 제9항에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 배터리 팩.
    

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