KR20210029131A - 에너지 저장 모듈 - Google Patents

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KR20210029131A
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storage module
duct
insulating spacer
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KR1020200113376A
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김진택
곽은옥
김장훈
윤진범
우종열
이광득
최우성
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 화재 위험성을 감소시키고, 화재 발생시 배터리 셀간 전이를 최소화하여 안정성을 향상시킬 수 있는 에너지 저장 모듈에 관한 것이다.
일예로, 본 발명은 장측면이 서로 대향하도록 길이 방향을 따라 배열되고, 각각이 벤트를 포함하는 다수의 배터리 셀; 상기 다수의 배터리 셀의 장측면 사이에 개재된 다수의 절연 스페이서; 내부에 수용 공간을 구비하며, 상기 다수의 배터리 셀과 상기 다수의 절연 스페이서를 수용하는 커버 부재; 상기 커버 부재의 상부에 결합되고, 상기 다수의 배터리 셀들의 벤트에 대응되는 위치에 형성된 덕트와, 상기 절연 스페이서와 대응되는 위치에 개방홀이 형성된 상부 플레이트; 상기 상부 플레이트의 상부에 결합되고, 상기 덕트에 대응되는 위치에 배출홀을 포함하는 상부 커버; 및 상기 상부 커버와 상부 플레이트의 사이에 위치하고, 기설정된 온도 이상에서 소화 약제를 하는 소화 시트를 포함하고, 상기 상부 커버는 하면에 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는 배기영역을 감싸며 각각의 상기 덕트의 외측에 결합되고, 상기 절연 스페이서는 단열성을 갖는 제1시트와, 상기 제1시트의 양면에 난연성 또는 불연성을 갖는 제2시트가 각각 접착제를 통해 부착되는 에너지 저장 모듈을 개시한다.

Description

에너지 저장 모듈{Energy Storage Module}
본 발명은 안정성을 향상시킬 수 있는 에너지 저장 모듈에 관한 것이다.
에너지 저장 모듈은 태양 전지와 같은 신재생 에너지 및 전력 계통과 연계되며 부하(load)의 전력 수요가 적을 때 전력을 저장해 두었다가 부하의 전력 수요가 클 때 저장된 전력을 사용하게 하도록 구성되는 것으로, 이차 전지로 구성된 다수의 배터리 셀이 대량으로 포함된 장치를 의미한다.
통상적으로 다수의 배터리 셀은 다수의 트레이에 수납되며, 다수의 트레이는 랙에 수납되고, 다수의 랙이 컨테이너 박스에 수납되는 구성을 갖는다.
한편, 최근 들어 에너지 저장 모듈에서 화재가 발생하는 사례가 발생하고 있으며, 에너지 저장 모듈의 특성상 화재가 발생하면 진화가 쉽지 않은 문제가 있다. 에너지 저장 모듈은 다수의 배터리 셀로 구성되어 있기 때문에, 고용량 고출력을 가짐이 일반적이며 따라서 안전성을 높이기 위한 기술이 연구되고 있다.
본 발명은 배터리 셀의 화재 위험성을 감소시키고, 화재 발생 시 배터리 셀간 전이를 최소화하여 안정성을 향상 수 있는 에너지 저장 모듈을 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 에너지 저장 모듈은 장측면이 서로 대향하도록 길이 방향을 따라 배열되고, 각각이 벤트를 포함하는 다수의 배터리 셀; 상기 다수의 배터리 셀의 장측면 사이에 개재된 다수의 절연 스페이서; 내부에 수용 공간을 구비하며, 상기 다수의 배터리 셀과 상기 다수의 절연 스페이서를 수용하는 커버 부재; 상기 커버 부재의 상부에 결합되고, 상기 다수의 배터리 셀들의 벤트에 대응되는 위치에 형성된 덕트와, 상기 절연 스페이서와 대응되는 위치에 개방홀이 형성된 상부 플레이트; 상기 상부 플레이트의 상부에 결합되고, 상기 덕트에 대응되는 위치에 배출홀을 포함하는 상부 커버; 및 상기 상부 커버와 상부 플레이트의 사이에 위치하고, 기설정된 온도 이상에서 소화 약제를 하는 소화 시트를 포함하고, 상기 상부 커버는 하면에 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는 배기영역을 감싸며 각각의 상기 덕트의 외측에 결합되고,
상기 절연 스페이서는 단열성을 갖는 제1시트와, 상기 제1시트의 양면에 난연성 또는 불연성을 갖는 제2시트가 각각 접착제를 통해 부착되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1시트는 세라믹 페이퍼이고, 상기 제2시트는 미카(mica) 페이퍼인 것을 특징으로 한다.
상기 제1시트는 알카리토 금속을 함유한 세라믹 파이버일 수 있다.
상기 다수의 배터리 셀들은 대향하는 장측면 사이가 제1이격거리만큼 서로 이격되고, 상기 절연 스페이서의 두께는 상기 제1이격거리의 50% 보다 더 작을 수 있다.
상기 소화 시트에서 분사된 상기 소화 약재가, 상기 개방홀을 통해 상기 절연 스페이서와 상기 배터리 셀의 이격된 공간으로 인가되어, 상기 배터리 셀의 장측면과 접촉할 수 있다.
상기 절연 스페이서는 폭방향 크기가 높이 방향 크기의 2배 보다 작으며, 상기 제1시트와 상기 제2시트는 양측 끝단부가 접착제에 의해서 접착된 시트부를 포함할 수 있다.
상기 절연 스페이서는 상기 시트부의 가장자리를 따라 감싸도록 인서트 사출에 의해 형성된 플라스틱 소재의 테두리부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1시트와 상기 제2시트는 중앙부가 서로 이격되어, 공기 이동이 가능한 공기 유로가 구비될 수 있다.
상기 절연 스페이서는 폭방향 크기가 높이 방향 크기의 2배 보다 더 크며, 상기 제1시트와 상기 제2시트는 상하부 끝단으로부터 일정 영역이 접착제에 의해서 접착될 수 있다.
상기 상부 커버는 상기 배기영역에서 상기 돌출부로 갈수록 두께가 증가하는 경사부를 더 포함할 수 있다.
상기 덕트의 상단은 상기 경사부의 하부에 위치할 수 있다.
상기 덕트와 상기 돌출부 사이에는 이격공간이 형성되고, 상기 벤트에서 배출되는 가스 중 일부는 상기 덕트를 통과하여 상기 경사부를 통해 상기 이격공간으로 배출될 수 있다.
상기 덕트는 하부에서 상부로 갈수록 내경이 감소할 수 있다.
상기 다수의 배출홀의 면적은 상기 배기영역의 면적의 30% 보다 크게 설정될 수 있다.
본 발명에 의한 에너지 저장 모듈은 음극 및 양극 활물질의 소재를 통해, 배터리 셀의 내부에서 셧-다운이 기능하도록 하여 발화를 일차적으로 억제하고, 배터리 셀에서 벤트가 동작하거나 발화가 생긴 경우, 소화 및 냉각을 신속하게 수행하여 인접한 배터리 셀로 열이 전파되지 않도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 에너지 저장 모듈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈의 탑 커버에 소화 시트가 결합되는 위치를 저면에서 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 하부 플레이트에 배터리 셀과 절연 스페이서가 배치되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 이차 전지와 상부 플레이트 및 상부 커버의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈이 랙에 결합된 상태를 부분적으로 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7c는 도 4의 A-A선 단면도와, 도 4의 B-B선 단면도와, 도 6b의 일부분을 확대한 확대도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 덕트를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈의 상부 플레이트에 소화 시트가 결합된 상태를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9의 B 부분 확대도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 소화 시트가 동작하는 상태를 도시한 개념도이다.
도 12는 도 1의 C-C선을 절단한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 절연 스페이서를 도시한 사시도이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 절연 스페이서의 시트부의 예시적인 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 15은 도 14a의 시트부가 결합된 후, D-D선을 절단한 단면도이다.
도 16는 도 13의 C 부분 확대도이다.
도 17는 본 발명의 다른 실시예에 다른 에너지 저장 모듈의 사시도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 다른 에너지 저장 모듈의 저면 사시도이다.
도 19은 도 17의 E-E선을 절단한 단면도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 커버 부재에 배터리 셀과 절연 스페이서가 배치되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 절연 스페이서의 구성을 도시한 사시도와 분해사시도이다.
도 22는 도 17의 F-F선을 절단한 단면 사시도이다.
도 23a 및 도 23b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에 사용되는 배터리 셀의 사시도 및 단면도이다.
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. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
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.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용된다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소는 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 에너지 저장 모듈의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈의 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈의 탑 커버에 소화 시트가 결합되는 위치를 저면에서 도시한 분해 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 하부 플레이트에 배터리 셀과 절연 스페이서가 배치되는 상태를 도시한 사시도이다.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈(100)은 커버 부재(110), 배터리 셀(120), 절연 스페이서(130), 상부 플레이트(140), 소화 시트(150) 및 상부 커버(160)의 구성을 포함할 수 있다.
먼저, 커버 부재(110)는 내부의 배터리 셀과 절연 스페이서를 수용할 공간을 제공한다. 커버 부재(110)는 하부 플레이트(111), 엔드 플레이트(112), 측부 플레이트(113)를 포함하며, 이를 통해 내부에 후술할 것과 같이 배터리 셀과 절연 스페이서가 배치될 공간을 구비할 수 있다. 또한, 커버 부재(111)는 배터리 셀과 절연 스페이서의 위치를 고정시키고, 외부의 충격 등으로부터 배터리 셀을 보호할 수 있다.
배터리 셀(120)은 케이스(121)의 내부에 전극 조립체가 수용될 수 있고, 전극 조립체는 일 영역, 예를 들어 코팅부에 활물질이 도포된 양극판과 음극판의 사이에 세퍼레이터를 위치시킨 상태에서, 권취, 스택 또는 라미네이트하는 방식으로 구성될 수 있다. 또한 케이스(121)의 상부를 캡 플레이트(124)가 밀봉할 수 있다. 또한, 캡 플레이트(124)의 대략 중앙에는 타 영역에 비해 얇은 두께로 형성된 벤트(124a)가 구성될 수 있다. 또한, 배터리 셀(120)은 활물질이 도포되지 않은 양극판과 음극판의 영역, 예를 들어 무지부에 전기적으로 연결된 전극 단자(122, 123)가 캡 플레이트(124)의 상부로 노출될 수 있다. 여기서, 전극 단자(122, 123)는 제 1 전극 단자(122)와 제 2 전극 단자(123)로 각각 명칭될 수 있고, 각각 음극과 양극 단자일 수 있다. 물론 반대로 제 1 전극 단자(122)와 제 2 전극 단자(123)가 각각 양극과 음극 단자일 수도 있다. 한편, 배터리 셀(120)의 활물질의 조성을 통해, 발화를 줄여 안정성을 높일 수 있으며, 이러한 활물질의 조성에 대해서는 후술하기로 한다.
절연 스페이서(130)는 배터리 셀(120)들의 사이에 개재되어, 배터리 셀(120)들이 서로 접촉하는 것을 방지하여, 전기적인 독립을 유지시킬 수 있다. 또한, 절연 스페이서(130)와 배터리 셀(120)사이는 일정 간격을 유지하여, 외부 공기의 통로 또는 소화 약액 이동 경로를 제공하여 배터리 셀(120)이 냉각되도록 할 수 있다. 이와 같은 절연 스페이서(130)는 배터리 셀(120)에서 화재가 발생했을 경우, 화염이 전파되지 않도록 하는 난연성 또는 불연성 시트와, 열을 전파하지 않도록 하는 단열성 시트를 혼합하여 사용할 수 있으며, 이러한 절연 스페이서(130)의 구성은 후술하기로 한다.
상부 플레이트(140)는 커버 플레이트(110)의 상부에 결합될 수 있다. 상부 플레이트(140)는 배터리 셀(120)의 상부를 덮으면서 커버 플레이트(110)와 결합될 수 있다. 또한, 상부 플레이트(140)의 상부로 배터리 셀(120)의 제 1 전극 단자(122)와 제 2 전극 단자(123)가 각각 노출되며, 각 단자에 버스바(145)가 결합되어, 배터리 셀(120)들을 직렬, 병렬 또는 직병렬 형태로 연결할 수 있다.
한편, 상부 플레이트(140)는 복수의 배터리 셀(120)의 상면에 형성된 벤트(124a)에 대응되는 덕트(141)를 포함한다. 이와 같은 덕트(141)는 일 방향, 예를 들어 길이 방향을 따라 다수개가 배열될 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(120)의 벤트(124a)가 동작되어 배출되는 가스는 상부 플레이트(140)의 덕트(141)를 따라 상방으로 이동할 수 있다. 이러한 덕트(141)의 구체적인 구조 및 동작은 후술하도록 한다.
소화 시트(150)는 상부 플레이트(140)와 상부 커버(160)의 사이에 위치된다. 소화 시트(150)는 상부 플레이트(140)의 일 방향, 예를 들어 길이 방향을 따라 연장되는 적어도 하나의 부재로서 형성될 수 있다. 또한, 소화 시트(150)는 상부 플레이트(140)의 덕트(141)에 대응되는 위치에 상면과 하면사이를 관통하는 개방홀(151)이 구비될 수 있다. 이에 따라, 소화 시트(150)는 개방홀(151)이 상부 플레이트(140)의 덕트(141)에 매칭되도록 위치할 수 있다. 또한, 소화 시트(150)는 상부 커버(160)의 하면(160b)에 결합될 수 있다. 소화 시트(150)가 상부 커버(160)의 하부에 결합됨에 따라, 소화 시트(150)는 상부 플레이트(140)의 상측에 위치될 수 있다. 이러한 소화 시트(150)의 구성 및 동작은 후술하도록 한다.
상부 커버(160)는 상부 플레이트(140)의 상부에 결합된다. 상부 커버(160)는 상부 플레이트(140)와, 버스바(145)를 커버할 수 있다. 또한, 상부 커버(160)는 그 하면(160b)에 결합된 소화 시트(150)도 커버하여, 상부 커버(160)의 상면(160a)에서 인가되는 충격으로부터 이들을 보호할 수 있다. 또한, 상부 커버(160)는 배출홀(161)을 포함할 수 있다. 또한 상부 커버(160)는 배출홀(161)의 외주연으로부터 일정간격 이격되고, 하부 방향으로 돌출된 돌출부(162)를 더 구비할 수 있다. 이와같은 돌출부(162)의 외측에 소화 시트(150)의 개방홀(151)이 결합될 수 있으며, 돌출부(162)의 내측에 덕트(141)가 결합될 수 있다. 배출홀(161)은 상부 커버(160)의 일 방향, 예를 들어 길이 방향을 따라 다수개가 배열되어 형성될 수 있다. 또한, 배출홀(161)은 상부 플레이트(140)의 덕트(141)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 또한 배출홀(161) 역시, 덕트(141)와 같이 서로 이격되도록 복수개가 상면과 하면 사이를 관통하는 홀 형태로 구비될 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(120)의 벤트(124a)가 동작되어 배출된 가스는 상부 플레이트(140)의 덕트(141)와, 상부 커버(160)의 배출홀(161)을 따라 외부로 배출될 수 있다. 또한 상부 커버(160)는 상부 커버(160)의 내부 구조와, 사용자가 접촉하는 것을 방지하여 안전을 도모할 수 있다.
또한 에너지 저장 모듈(100)은 복수개가 다수의 선반이 구비된 렉의 다수의 선반에 각각 수납될 수 있다. 일예로, 렉은 복수의 선반이 상부 방향으로 서로 이격되도록 장착되어 있을 수 있으며, 각 선반위에 적어도 하나의 에너지 저장 모듈(100)이 수납될 수 있다. 이때, 하나의 에너지 저장 모듈(100)의 하면은 선반의 상면에 접촉될 수 있으며, 상부에는 일정간격 이격된 상태로 다른 선반의 하면이 위치될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 상부 플레이트(140)의 덕트(141)와 상부 커버(160)의 결합 관계를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 이차 전지와 상부 플레이트 및 상부 커버의 분해 사시도를 도시한 것이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈이 랙에 결합된 상태를 부분적으로 도시한 것이다. 도 7a는 도 6의 A-A선 단면도이고, 도 7b는 도 6의 B-B선 단면도이다. 도 7c는 도 7a의 일부분을 확대한 확대도이다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 덕트를 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 배터리 셀(120)의 벤트(124a)의 상부에는 상부 플레이트(140)에 형성된 덕트(141)가 대응되고, 상기 덕트(141)의 상부에는 상부 커버(160)의 배출홀(161)이 대응되도록 배치된다.
여기서, 배터리 셀(120)은 케이스(121)에 전극 조립체가 수용되어 있고, 케이스(121)의 상부를 캡 플레이트(124)가 커버하는 형상을 갖는다. 전극 조립체는 일 영역, 예를 들어 코팅부에 활물질이 도포된 양극판과 음극판의 사이에 세퍼레이터를 위치시킨 상태에서, 권취, 스택 또는 라미네이트하는 방식으로 구성될 수 있다. 또한, 캡 플레이트(124)의 대략 중앙에는 타 영역에 비해 얇은 두께로 형성된 벤트(124a)가 구성될 수 있다. 또한, 캡 플레이트(124)의 양측에는 전극 조립체와 전기적으로 연결된 제 1 전극 단자(122) 및 제 2 전극 단자(123)가 위치할 수 있다. 이하에서는 편의상, 제 1 전극 단자(122)는 음극 단자, 제 2 전극 단자(123)는 양극 단자로 설명하나, 극성이 반대로 변경되는 것도 가능하다. 한편, 배터리 셀(120)의 활물질의 조성을 통해, 발화를 줄여 안정성을 높일 수 있으며, 이러한 활물질의 조성에 대해서는 후술하기로 한다.
덕트(141)는 배터리 셀(120)의 벤트(124a)를 통해 배출되는 가스가 지나갈 수 있는 통로로, 상부 플레이트(140)로부터 돌출되게 형성된다. 또한, 덕트(141)의 단면은 배터리 셀(120)의 벤트(124a)와 대응되는 형태, 예를 들어, 타원형태로 형성될 수 있다. 더불어, 상기 덕트(141)는 하부에서 상부로 갈수록 내경이 감소하는 형태로 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 덕트(141)는 동일한 두께로 형성되며, 하부에서 상부로 갈수록 덕트(141)의 내측을 향해 일정 각도(α)로 기울어지게 형성될 수 있다. 상기 덕트(141)는 배터리 셀(120)의 벤트(124a)의 동작 범위를 침범하지 않는 동시에 가스가 잘 배출될 수 있도록, 덕트(141)의 기울어진 각도(α)는 대략 1° 내지 5°, 바람직하게는 1° 내지 3° 일 수 있다.
더불어, 덕트(141)의 높이는 배터리 셀(120)의 벤트(124a)를 통해 배출되는 가스가 효과적으로 배기될 수 있도록 상부 커버(160)가 위치한 높이와 대응되도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 덕트(141)의 높이는 15mm 내지 20mm, 바람직하게는 18mm 내지 18.4mm로 설정될 수 있다. 덕트(141)의 높이가 15mm 이상인 경우, 배터리 셀(120)의 벤트(124a)에서 생성된 가스가 덕트(141)를 따라 이동한 이후 선반(12)에 부딪혀도 다시 벤트(124a)로 돌아오는 것을 방지할 수 있다. 또한, 덕트(141)의 높이가 20mm 이하인 경우, 선반(12)과의 덕트(141) 구조의 제조에 용이하다. 덕트(141)의 높이가 상부 커버(160)의 높이와 대응되므로, 덕트(141)를 통과한 가스는 바로 상부 커버(160)에 형성된 배출홀(161)로 이동할 수 있게 된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 덕트(141')는 하부에서 상부로 갈수록 내경이 증가하는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 덕트(141')는 하부에서 상부로 갈수록 두께가 줄어드는 형태로 형성된다. 구체적으로, 덕트(141')의 내측면은 상부로 갈수록 외측을 향해 일정 각도로 기울어지고, 덕트(141')의 외측면은 상부로 갈수록 내측을 향해 일정 각도로 기울어지게 형성될 수 있다. 상기 덕트(141')는 배터리 셀(120)의 벤트(124a)의 동작 범위를 침범하지 않는 동시에 가스가 잘 배출될 수 있도록, 덕트(141') 내측면의 기울어진 각도는 대략 1° 내지 5°, 바람직하게는 1° 내지 3°일 수 있다. 내측면의 기울어진 각도가 1° 이상인 경우, 배터리 셀(120)의 벤트(124a)에서 생성된 가스를 상방으로 집중시키기에 용이하다. 또한, 내측면의 기울어진 각도가 5°이하인 경우, 덕트(141')의 강성을 유지하는데 유리하고, 가스가 상방으로 이동할 때 덕트(141')가 제약하는 것을 방지할 수 있다.
도 6 및 도 7a 내지 도 5c를 참조하면, 상부 커버(160)는 다수의 배출홀(161)이 형성된 배기영역(161a)과, 하면에 형성된 돌출부(162), 배기영역(161a)과 돌출부(162) 사이에 형성된 경사부(163)를 포함할 수 있다. 배기영역(161a)은 덕트(141)의 상부에 위치하며, 배출홀(161) 주변의 테두리를 형성하는 영역으로 정의될 수 있다. 배기영역(161a)의 두께(D2)는 상부 커버(160)의 두께(D1)에 비해 상대적으로 얇게 형성된다(D1>D2). 구체적으로, 상기 배기영역(161a)의 두께(D2)는 상부 커버(160)의 두께(D1)의 2/3 이하로 형성될 수 있다. 또한, 배기영역(161a)의 최소 두께(D2)는 사출성형에 문제가 없으며 가스 배출 시 화염 발생을 최소화 하도록 1.0mm 이상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 커버(160)의 두께(D1)가 약 2.5mm이면 배기영역(161a)의 두께(D2)는 약 1.5mm로 형성할 수 있다.
또한, 배기영역(161a) 내부의 배출홀(161)을 통해, 배터리 셀(120)의 벤트(124a)를 통해 배출되는 가스가 배출될 수 있다. 도면에서 배출홀(161)이 3개가 형성된 것으로 도시되었으나, 본 발명에서 그 개수를 한정하는 것은 아니다. 다만, 다수의 배출홀(161)의 전체 면적은 배기영역(161a)의 면적의 약 30% 이상으로 설정되어, 원활한 배기 성능을 발휘하도록 할 수 있다. 또한, 배출홀(161)의 폭(W1)은 3mm 보다 작게 설정될 수 있다. 배출홀(161)의 폭(W1)이 3mm 이하인 경우, 내부에서 발생된 화염이 외부로 번지는 것을 방지할 수 있고, 사용자의 손이 상부 커버(160)의 외측에서 배터리 셀(120)에 직접적으로 접촉되는 것을 방지하여 안전성을 높일 수 있다.
배출홀(161)은 덕트(141)의 내측에 위치하게 되며, 덕트(141)의 상단은 배기영역(161a)에 의해 커버된다. 다시 말해, 배기영역(161a)에서 배출홀(161)이 형성되지 않은 영역은 도 5d에 도시된 바와 같이, 덕트(141)의 내측으로 연장된 것으로 도시될 수 있다. 여기서, 덕트(141)로부터 내측으로 연장된 배기영역(161a)의 거리(D3)는 약 2mm 이내로 설정될 수 있으며, 바람직하게는 1mm 내지 1.5mm로 설정될 수 있다.
돌출부(162)는 상부 커버(160)의 하면(160b)으로부터 돌출되며 덕트(141)의 외측에 결합된다. 상기 돌출부(162)는 덕트(141)의 단면과 대응되도록 형성되며, 상기 배기영역(161a)을 감싸도록 형성될 수 있다. 또한, 돌출부(162)의 단면적은 덕트(141)의 단면적보다 크게 형성되어 덕트(141)와 돌출부(162) 사이에는 이격공간이 존재한다. 배터리 셀(120)의 벤트(124a)를 통해 배출되는 가스의 일부는 덕트(141)의 상부에 위치한 배기영역(161a)에 부딪힌 후 상기 이격공간으로 이동할 수 있다. 상기 돌출부(162)가 돌출된 높이(D4)는 약 2 내지 4mm 일 수 있으며, 바람직하게는 3mm 일 수 있다. 만약, 돌출부(162)의 높이(D4)가 2mm 보다 작으면 배기영역(161a)에 부딪힌 가스를 덕트(141)의 외측으로 안내하기에 불충분하고, 4mm 보다 크면 필요이상으로 높아져 효율적인 가스 배출이 이루어지지 않게 된다. 또한, 돌출부(162)의 높이(D4)와 덕트(141)의 높이 비는 약 1:4 내지 1:9일 수 있으며, 바람직하게는 1:6 일 수 있다. 돌출부(162)의 높이(D4)와 덕트(141)의 높이 비가 1:4 이상인 경우, 돌출부(162)가 덕트(141)의 상부를 커버하도록 제조하기 용이하고, 1:9 이하인 경우 덕트(141)를 통과한 가스가 상측으로 용이하게 가이드될 수 있다.
경사부(163)는 배기영역(161a)과 돌출부(162)의 사이에 위치한다. 상기 경사부(163)는 상부 커버(160)에서 상대적으로 두께가 얇은 배기영역(161a)과, 돌출부(162) 사이를 연결하므로 자연스럽게 경사지게 형성된다. 즉, 경사부(163)는 배기영역(161a)에서 돌출부(162) 향해 두께가 점차 증가하는 형태로 형성될 수 있다. 경사부(163)의 하부에는 덕트(141)의 상단이 위치하게 된다. 이러한 경사부(163)는 배터리 셀(120)의 벤트(124a)를 통해 배출되는 가스가 벤트(124a)로 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 배터리 셀(120)의 벤트(124a)를 통해 배출되는 가스는 덕트(141)를 따라 상부로 이동하다가 덕트(141)의 내측으로 연장된 배기영역(161a)에 부딪히더라도 경사부(163)와 돌출부(162)를 따라서 덕트(141)의 외측으로 배출될 수 있다. 따라서, 가스가 다시 배터리 셀(120)의 벤트(124a)로 유입되는 것을 방지하므로 에너지 저장 모듈(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다. 이 때, 경사부(163)는 덕트(141)의 외측면과 대략 30° 내지 60°, 바람직하게는 40° 내지 50°의 기울기를 갖도록 형성될 수 있다. 덕트(141)의 외측면에 대한 경사부(163)의 각도가 30° 이상인 경우, 벤트(124a)를 통해 배출된 가스가 외측으로 배출되도록 하여 다시 유입되는 것을 방지하기에 용이하고, 60° 이하인 경우 돌출부(162)와 일체로 형성하기에 유리하다.
또한, 도 6를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈(100)은 복수로 구비되어 랙(10)에 결합될 수 있다. 에너지 저장 모듈(100)은 요구되는 용량에 따라 개수를 달리하여 구비될 수 있고, 랙(10)에 실장되어 고정될 수 있다. 여기서, 랙(10)은 전체 외형을 형성하는 프레임(11)과 프레임(11) 내에서 층을 달리하여 다수의 에너지 저장 모듈(100)의 하부를 받치는 선반(12)을 포함할 수 있다. 도 6에서는 프레임(11) 내에 2개의 선반(12)이 구비되어, 2개의 에너지 저장 모듈(100)이 각 선반(12)에 안착된 것으로 도시되어 있으나, 개수로 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 이차 전지(120)의 벤트(124a)가 파단되면 화살표로 표시된 것과 같이 가스가 덕트(141)를 따라 상방으로 이동하게 된다. 비록, 도 7a 및 도 7b에서 벤트(124a)가 캡 플레이트(124)에 남아 있는 것으로 도시되어 있으나, 실질적으로 내부 가스가 발생되면 벤트(124a)가 파단되어 제거될 수 있다. 또한, 배출된 가스 중 일부는 덕트(141) 내측으로 연장된 배기영역(161a)에 부딪힌 후 경사부(163) 및 돌출부(162)를 따라서 이동하게 된다. 또한, 덕트(141)를 통과한 가스는 덕트(141)의 상방에 위치한 상부 커버(160)의 배출홀(161)을 통해 외부로 향할 수 있다. 이 때, 상부 커버(160)의 상면(160a)의 상부에 또 다른 에너지 저장 모듈(100)을 수용하는 선반(12)에 의해, 가스는 상부 커버(160)의 상면(160a)과 선반(12)의 사이에 위치하게 된다. 이 때, 상부 커버(160)의 상면(160a)과 선반(12) 사이의 간격은 3mm 내지 7mm로 구비될 수 있다. 간격이 3mm 이상인 경우, 에너지 저장 모듈(100)에서 생성된 열을 외부로 배출하기 용이하다. 또한, 간격이 7mm 이하인 경우, 이하와 같이 고온의 불활성 가스의 분위기를 형성하기 용이하다.
구체적으로, 배터리 셀에서 벤트를 통해 배출되는 가스가 배출되기 시작하면, 약 40℃ 내지 60℃ 사이의 온도, 보다 구체적으로 45℃ 내지 55℃의 온도에서 상기 소화 시트(150) 내의 소화 약제에서 상변화가 시작될 수 있다. 다만, 이 경우에도 소화 약제는 소화 시트(150)의 내부에서 분사(방출)되지 않고 유지될 수 있다.
한편, 이후 벤트를 통해 배출되는 가스가 점차 증가하고 벤트 주변의 온도가 증가하여120℃ 내지 200℃의 온도, 구체적으로 약 130℃ 내지 190℃의 온도, 보다 구체적으로 140℃ 내지 180℃에 이르게 되면, 상기 벤트를 통해 전해액 수증기 성분의 가스가 주로 발생할 수 있다. 또한, 이 온도 범위에서의 가스의 경우, 상부 플레이트(140) 및 상부 커버(160)를 구성하는 내열 플라스틱이 녹지 않고 유지될 수 있다. 또한, 상기 소화 시트(150)에서 일부의 경우 소화 약제의 경우 분사되기 시작할 수 있다.
더불어, 상부 커버(160)의 경사부(163)는 특히, 초반에 발생된 낮은 온도의 가연성 가스가 벤트의 내부로 들어가는 것을 방지하는 역할을 한다. 한편, 배터리 셀 내부의 온도가 높아짐에 따라 세퍼레이터가 녹게 되면, 이후 고온의 불활성 가스가 화염과 함께 생성될 수 있다. 이 때의 불활성 가스는 상술한 것과 같이, 상부 커버(160)와 선반의 사이의 공간을 채워 불활성 분위기를 형성할 수 있다. 또한 불활성 가스는 덕트(141)의 내부 공간에도 채워진 상태를 유지할 수 있다. 이러한 불활성 가스는 산소의 유입을 방지하고, 배터리 셀(120)에서 발생되는 화염이 이웃하는 배터리 셀(120)로 전달되거나, 다른 에너지 저장 모듈으로 전달되는 것을 차단하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상부 커버(160)의 하부에 위치한 소화 시트(150)의 경우, 고온의 불활성 가스에 의해 동작되어, 후술할 바와 같이 소화약제를 분사하는 역할을 수행할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈(100)에서 소화 시트(150)의 구성 및 동작을 설명하도록 한다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈의 상부 플레이트에 소화 시트가 결합된 상태를 도시한 사시도이다. 도 10는 도 9의 B 부분 확대도이다. 도 11a 및 도11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 소화 시트가 동작하는 상태를 도시한 개념도이다.
먼저, 소화 시트(150)는 상술한 바와 같이, 상부 플레이트(140)와 상부 커버(160)의 사이에 위치할 수 있다. 도 9 및 10에 도시된 바와 같이, 소화 시트(150)는 개방홀(151)이 상부 플레이트(140)의 덕트(141)에 결합될 수 있다. 또한, 이에 따라 소화 시트(150)는 덕트(141)를 통한 가스의 이동에 영향을 주지 않게 된다.
또한, 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 소화 시트(150)는 가스, 구체적으로 상대적으로 고온의, 예를 들어 약 200℃전후의 불활성 가스가 생성된 경우, 열에 반응하여 동작할 수 있다. 이 때, 고온의 가스에 의해 소화 시트(150)를 구성하고 있는 소화 약제가 소화 시트(150)로부터 분사된다. 또한, 소화 시트(150)의 상부는 상부 커버(160)에 의해 막혀 있기 때문에, 소화 약제는 상부 커버(160)의 하면을 향해 방향성을 갖고 분사될 수 있다. 또한, 소화 약제는 상부 플레이트(140)의 덕트(141)의 전후단에 형성된 개방홀(143)을 통해 그 하부의 절연 스페이서(130)에 도달해 절연 스페이서(130)와 배터리 셀(120) 사이의 공간을 채울 수 있다. 개방홀(143)을 통해 소화 약재가 분사되므로 개방홀을 약액홀이라고 정의한다. 또한, 덕트(141)에는 개방홀(143)의 주변에 대해 약액 유도 돌기(142)가 더 형성되어, 소화 약제의 이동을 추가적으로 가이드할 수 있다. 한편, 후술할 바와 같이 절연 스페이서(130)에 도달한 소화 약제는 절연 스페이서(130)의 표면을 따라 이동할 수 있고, 이에 따라 발화가 이루어진 배터리 셀(120)에 대한 소화는 물론 배터리 셀(120)의 냉각을 수행할 수 있다.
또한 소화 시트(150)는 캡슐 형태의 소화약재가 외장재의 내부에 수용된 시트 형태를 가질 수 있다. 여기서 소화 시트(150)는 상술한 바와 같이, 상부 플레이트(140)의 덕트(141)를 통과하는 가스의 온도가 상대적으로 고온인 약 200℃전후에 도달할 때, 캡슐과 외장재가 개방되어 내부의 소화 약제를 분사할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 배터리 셀(120)과 절연 스페이서(130)의 구조 및 동작을 설명하도록 한다.
도 12은 도 1의 C-C선을 절단한 단면도이다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 절연 스페이서를 도시한 사시도이다. 도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 절연 스페이서의 시트부의 예시적인 구성을 도시한 분해 사시도이다. 도 15은 도 14a의 시트부가 결합된 후, D-D선을 절단한 단면도이다. 도 16는 도 12의 C 부분 확대도이다.
배터리 셀(120)들은 커버 부재(110)의 하부 플레이트(111)의 상면에 절연 스페이서(130)와 함께 교번하면서 배치될 수 있다. 이때 배터리 셀(120)의 장측면이 인접하는 배터리 셀(120)의 장측면과 일정거리 이격된 상태로, 서로 대향할 수 있으며, 그 사이에 절연 스페이서(130)가 개재될 수 있다. 여기서, 두 개의 배터리 셀(120)의 장측면 사이의 이격 거리인 제1이격거리는 4mm 내지 6mm 중 어느 하나일 수 있다. 여기서 제1이격거리가 4mm 보다 작을 경우, 절연 스페이서(130)와 배터리 셀(120)사이에 공기층 형성이 용이하지 않아, 냉각 성능이 저하될 수 있다. 또한 제1이격거리가 6mm를 초과할 경우 불필요하게 에너지 저장 모듈(100)의 크기 증가를 초래할 수 있다.
절연 스페이서(130)는 배터리 셀(120)의 사이에서 배터리 셀(120)들이 서로 접촉하는 것을 방지하여, 전기적인 독립을 유지시킬 수 있다. 이와같은 절연 스페이서(130)는 하나의 배터리 셀(120)의 장측면의 평면 크기와 대응되는 평면 크기를 가질 수 있다. 즉, 절연 스페이서(130)는 일면이 하나의 배터리 셀(120)의 장측면과 대향하고, 타면이 또 다른 하나의 배터리 셀(120)의 장측면과 대향할 수 있다.
또한, 절연 스페이서(130)와 배터리 셀(120)의 장측면 사이는 일정 거리인 제2이격거리 만큼 이격되어, 외부 공기 통로를 형성할 수 있다. 여기서 외부 공기 통로에 의해, 배터리 셀(120)은 외부 공기에 의해서 냉각되도록 할 수 있다.
이러한 절연 스페이서(130)는 시트부(131)와 테두리부(132)를 포함하여 구성될 수 있다. 시트부(131)는 배터리 셀(120)에서 화재가 발생했을 경우, 화재가 전파되지 않도록 하는 난연성 또는 불연성을 갖는 시트와, 열이 전파하지 않도록 하는 단열성 시트를 혼합하여 사용할 수 있다. 좀 더 자세하게는 상기 시트부(131)는 단열성을 갖는 제1시트(131a)와, 제1시트(131a)의 양면에 각각 접착부재(131c)를 통해서 부착된 난연 또는 불연성을 갖는 두 개의 제2시트(131b)를 포함할 수 있다. 이와 같이 시트부(131)는 제1시트(131a)와 제2시트(131b)를 다층 적층하여, 난연성과 불연성 뿐만 아니라, 단열 효과까지 증대시킬 수 있다. 즉, 절연 스페이서(130)는 복수의 시트를 적층한 시트부(131)를 통해 배터리 셀(120)의 온도가 증가되고 화염이 발생했을 경우, 인접하는 다른 배터리 셀(120)로 열이나 화염이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
이와같은 절연 스페이서(130)는 배터리 셀(120)에서 화재가 발생했을 경우, 화염이 전파되지 않도록 하는 난연성 또는 불연성 시트와, 열을 전파하지 않도록 하는 단열성 시트를 혼합하여 사용할 수 있으며, 이러한 절연 스페이서(130)의 구성은 후술하기로 한다.
여기서, 제1시트(131a)와 제2시트(131b)는 동일한 크기로 이루어질 수 있다. 상기 절연 스페이서(130)의 두께는 제1이격거리의 50%가 넘지 않는 것이, 후술할 소화 약재의 이동이 용이할 수 있다. 예를 들어 절연 스페이서(130)의 두께는 제1이격거리가 6mm일 경우, 3mm가 넘지 않는 것이 바람직하며, 제1이격거리가 4mm일 경우, 2mm를 넘지 않는 것이 바람직하다. 일예로 제1시트(131a)는 1mm 내지 1.4mm 중 어느 하나일 수 있다. 또한 제2시트(131b)는 0.1mm 내지 0.2mm 중 어느 하나일 수 있다. 또한 접착부재(131c)는 0.1mm일 수 있다.
예를 들어, 제1시트(131a)는 세라믹 페이퍼가 사용될 수 있고, 제2시트(131b)는 마이카(mica, 예를 들어 마이카 페이퍼)가 사용될 수 있다. 또한 제1시트(131a)는 에어로겔을 더 포함할 수 있으며, 에어로겔을 포함할 경우 공기층이 많이 확보되어 단열성능을 향상시킬 수 있다. 또한 제1시트(131a)는 파이버(fiber)를 포함한 내화 단열재의 세라믹 페이퍼일 수 있다. 또한 제1시트(131a)는 알카리 토금속을 포함한 생체 용해성 파이버 세라믹 페이퍼(Bio-soluble Fiber ceramic Paper, 예를 들어 세라믹 섬유)로, 인체에 무해한 친환경 고온내화 단열재일 수 있다.
또한 시트부(131)는 도 14a 또는 도 14b에 도시된 구성을 포함할 수 있다.
접착부재(131c)는 도 14a 및 도 14에 도시된 바와 같이 제1시트(131a)의 양측끝단으로부터 일정폭을 갖도록 제2시트(131b)사이에 개재되어, 제1시트(131a)와 제2시트(131b)사이를 부착할 수 있다. 또한 접착부재(131c)는 제1시트(131a)와 제2시트(131b)의 길이방향과 동일한 길이를 가질 수 있다. 즉, 제1시트(131a)의 양측 끝단부(x1)는 접착부재(131c)에 의해서 제2시트(131b)의 양측 끝단부(x1)와 접착될 수 있다.
상기 접착부재(131c)는 폭이 10mm 내지 20mmm 중 어느 하나의 폭을 가질 수 있다. 여기서 접착부재(131c)의 폭이 10mm보다 작을 경우, 제1시트(131a)와 제2시트(131b)사이의 접착이 용이하지 않을 수 있으며, 20mm를 초과할 경우 접착 부재에 의한 발화 확률이 증가될 수 있다.
또한 접착부재(131c)는 일반적인 양면테이프, 접착제등 다양한 접착성분을 갖는 접착제 중 어느 하나를 이용할 수 있으며, 본 발명에서 상기 접착 부재(131c) 성분을 한정하는 것은 아니다.
상기 접착부재(131c)가 시트부(131)의 양측 끝단부(x1)만 부착함으로써, 제1시트(131a)와 제2시트(131b) 사이의 중앙부(x2)는 서로 이격될 수 있다. 이로 인해, 제1시트(131a)와 제2시트(131b)사이에는 공기 유로(131d)가 형성될 수 있다. 또한 시트부(131)는 배터리 셀(120)이 스웰링에 의해서, 부풀어 오를 경우 중앙부(x2)의 공기 유로(131d)로 인해 압축률을 저감시킬 수 있다.
또한 시트부(131)는 도 14b에 도시된 바와 같이, 제1시트(131a)의 상하부 끝단으로부터 일정 영역에 접착부재(131c)가 형성되어, 제1시트(131a)와 제2시트(131b)사이를 부착할 수 있다. 또한 접착부재(131c)는 제1시트(131a)와 제2시트(131b)의 폭 방향과 동일한 폭을 가질 수 있다. 즉, 제1시트(131a)의 상하부 끝단부는 접착부재(131c)에 의해서 제2시트(131b)의 상하부 끝단부와 접착될 수 있다.
시트부(131)는 폭방향 크기가 높이 방향 크기에 비해서 2배 미만일 경우에는 도 14a에 도시된 바와 같이 양측끝단부에 접착부재(131c)를 부착하여도 무방하지만, 폭방향 크기가 높이 방향 크기에 비해서 2배 이상 클 경우 양측끝단부에 접착부재(131c)를 부착할 경우, 접착면적이 시트부의 면적에 비해서 감소되므로 접착 성능이 저하될 수 있다.
따라서, 시트부(131)는 폭방향 크기가 높이 방향 크기에 비해서 2배 이상 클 경우 상하부 끝단부에 접착부재(131c)로 부착하여, 접착 면적을 증대시킴으로써 접착 성능을 향상시킬 수 있다. 이와같은 시트부(131)의 구성은 접착부재(131c)의 부착 위치를 제외하고는 도 14a 및 도 15에 도시된 시트부(131)와 동일 할 수 있다.
다만, 시트부(131)의 상하부 끝단을 접착 부재(131c)에 의해 부착할 경우, 접착 성능이 향상되므로, 별도의 테두리부(132)를 형성하지 않아도 무방하다.
또한, 테두리부(132)의 경우, 시트부(131)의 가장자리를 따라 형성될 수 있다. 테두리부(132)는 플라스틱 소재로서 형성될 수 있고, 인서트 사출을 통해 시트부(131)의 테두리에 결합되어, 시트부(131)의 형상을 고정할 수 있다. 예를 들어, 테두리부(132)는 통상의 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 구성될 수 있다. 바람직하게 상기 테두리부(132)의 폭은 3mm 내지 6mm중 어느 하나의 폭을 가질 수 있다. 여기서 테두리부(132)의 폭이 3mm보다 작을 경우, 시트부(131)의 고정이 용이하지 않을 수 있으며 6mm를 초과할 경우 플라스틱으로 이루어진 테두리부(132)의 연소확률이 증가될 수 있다.
한편, 앞서 언급한 것과 같이, 절연 스페이서(130)의 상부로부터 소화 약액이 인가되면 시트부(131)의 표면을 따라 하부로 이동할 수 있다. 따라서 소화 약액은 배터리 셀(120)의 케이스(121)와 접촉하게 되어, 배터리 셀(120)의 소화는 물론 냉각 기능을 수행할 수 있다. 이하에서는 소화 약액의 이동을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 14에 도시된 것과 같이, 상부 플레이트(140)에는 절연 스페이서(130)에 대응되는 위치에 각각 개방홀(143)이 더 형성될 수 있다. 이에 따라, 소화 시트(150)에서 생성된 소화 약액은 상부 플레이트(140)의 개방홀(143)을 통해 상부 플레이트(140)를 통과하게 되고, 절연 스페이서(130)에 도달할 수 있다. 또한, 소화 약액은 절연 스페이서(130)의 표면을 따라 이동하고, 이에 따라 배터리 셀(120)의 케이스(121)와 대면하게 되어, 배터리 셀(120)의 소화와 냉각 역할을 할 수 있다. 이 때, 소화 약액은 배터리 셀(120) 중에서 온도가 기준(200℃) 이상인 것에 대응되는 소화 시트(150)에서 분사되기 때문에, 온도가 높아진 배터리 셀(120)의 상부에서 분사될 수 있다. 또한, 소화 약액은 해당 배터리 셀(120)의 전후에 위치한 절연 스페이서(130)의 표면을 따라 위치하게 되므로, 해당 배터리 셀(120)에 대한 소화 및 냉각을 함께 수행할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 모듈의 구성을 설명하도록 한다.
도 17는 본 발명의 다른 실시예에 다른 에너지 저장 모듈의 사시도이다. 도 18은 본 발명의 다른 실시예에 다른 에너지 저장 모듈의 저면 사시도이다. 도 19은 도 17의 E-E선을 절단한 단면도이다. 도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 커버 부재에 배터리 셀과 절연 스페이서가 배치되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 17 내지 도 20을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 모듈(200)은 커버 부재(210), 배터리 셀(120), 절연 스페이서(230), 상부 플레이트(240), 소화 시트(250) 및 상부 커버(260)의 구성을 포함할 수 있다.
여기서, 커버 부재(210), 상부 플레이트(240), 소화 시트(250) 및 상부 커버(260)의 구성은 상술한 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈(100)과 유사하게 형성될 수 있다. 또한 배터리 셀(120)의 구성은 상술한 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈(100)과 동일할 수 있다. 이하에서는 에너지 저장 모듈(200)중, 에너지 저장 모듈(100)과 상이한 구성을 위주로 설명하고자 한다.
먼저, 커버 부재(210)는 하부 플레이트(211), 엔드 플레이트(212), 측부 플레이트(213)를 포함하며, 이를 통해 배터리 셀(120)과 절연 스페이서(230)가 서로 교번하여 배치될 공간을 구비할 수 있다. 또한, 커버 부재(210)는 배터리 셀(120)과 절연 스페이서(230)의 위치를 고정시키고, 외부의 충격 등으로부터 배터리 셀(120)을 보호할 수 있다. 또한 하부 플레이트(211)에는 소화 시트(250)의 소화 약액이 배출되고, 절연 스페이서(230)의 외면을 따라 이동한 공기의 배출을 위한 관통홀(211a)을 더 구비될 수 있다. 상기 관통홀(211a)은 절연 스페이서(230)와 대응되는 위치에 위치할 수 있다.
절연 스페이서(230)는 배터리 셀(120)들의 사이에 개재되어, 배터리 셀(120)들이 서로 접촉하는 것을 방지하여, 전기적인 독립을 유지시킬 수 있다. 이와같은 절연 스페이서(230)는 단측면이 서로 대향하는 두 개의 배터리 셀(120)의 장측면을 모두 덮는 평면 크기를 가질 수 있다. 즉, 하나의 절연 스페이서(230)는 장측면이 서로 대향하도록 배치된 4개의 배터리 셀(120) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 절연 스페이서(230)와 배터리 셀(120) 사이에는 일정 간격을 유지하여, 외부 공기의 통로 또는 소화 약액 이동 경로를 제공하여 배터리 셀(120)이 냉각되도록 할 수 있다. 이와같은 절연 스페이서(230)는 배터리 셀(120)에서 화재가 발생했을 경우, 화염이 전파되지 않도록 하는 난연성 또는 불연성 시트와, 열을 전파하지 않도록 하는 단열성 시트를 혼합하여 사용할 수 있으며, 이러한 절연 스페이서(230)의 구성은 후술하기로 한다.
상부 플레이트(240)는 커버 부재(210)의 상부에 결합될 수 있다. 상부 플레이트(240)는 배터리 셀(120)의 상부를 덮으면서 커버 부재(210)와 결합될 수 있다.
한편, 상부 플레이트(240)는 복수의 배터리 셀(120)의 상면에 형성된 벤트(124a)에 대응되는 덕트(241)를 포함한다. 이와같은 덕트(241)는 일 방향, 예를 들어 길이 방향을 따라 다수개가 배열될 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(120)의 벤트(124a)가 동작되어 배출되는 가스는 상부 플레이트(240)의 덕트(241)를 따라 상방으로 이동할 수 있다. 이러한 덕트(241)의 구체적인 구조 및 동작은 후술하도록 한다.
소화 시트(250)는 상부 플레이트(240)와 상부 커버(260)의 사이에 위치된다. 소화 시트(250)는 상부 플레이트(240)의 덕트(241)의 양측에, 길이방향을 따라 연장된 평면 시트 형상으로 상기 상부 커버(260)의 하면(260b)에 장착될 수 있다. 여기서 길이 방향은 상부 플레이트(240)의 다수의 덕트(241)가 연장된 방향일 수 있다.
상부 커버(260)는 상부 플레이트(240)의 상부에 결합된다. 상부 커버(260)는 상부 플레이트(240)와, 소화 시트(250)를 커버하여, 상부 커버(260)의 상면(260a)에서 인가되는 충격으로부터 이들을 보호할 수 있다. 또한, 상부 커버(260)는 배출홀(261)을 포함할 수 있다. 또한 상부 커버(260)는 배출홀(261)의 외주연으로부터 일정간격 이격되고, 하부 방향으로 돌출된 돌출부(262)를 더 구비할 수 있다. 이와같은 돌출부(262)의 돌출부(262)의 내측에 덕트(241)가 결합될 수 있다. 배출홀(261)은 상부 커버(260)의 일 방향, 예를 들어 길이 방향을 따라 다수개가 배열되어 형성될 수 있다. 또한, 배출홀(261)은 상부 플레이트(240)의 덕트(241)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 또한 배출홀(261) 역시, 덕트(241)와 같이 서로 이격되도록 복수개가 상면과 하면 사이를 관통하는 홀 형태로 구비될 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(120)의 벤트(124a)가 동작되어 배출된 가스는 상부 플레이트(240)의 덕트(241)와, 상부 커버(260)의 배출홀(261)을 따라 외부로 배출될 수 있다.
또한 상부 커버(160)에는 소화 시트(250)의 소화 약액이 배출되고, 절연 스페이서(230)의 외면을 따라 이동한 공기의 배출을 위한 관통홀(263)을 더 구비될 수 있다. 상기 관통홀(263)은 절연 스페이서(230)와 대응되는 위치에 위치할 수 있다.
또한 상부 커버(260)에서 배출홀(261)이 형성된 길이방향으로 해당 영역은 타 영역에 비해 낮은 높이를 갖는 오목부(265)가 구비될 수 있다. 이러한 구성을 통해, 덕트(241)와 배출홀(261)을 통해 배출된 가스가 오목부(265)내에 모이게 될 수 있다. 한편, 별도의 팬이나 흡입 구조를 통해, 모여진 가스가 외부로 배출되도록 함으로써, 배터리 셀에서 생성된 가스를 조기에 배출하는 것이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 배터리 셀(120)과 절연 스페이서(130)의 구조와 동작을 설명하도록 한다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에서 절연 스페이서의 구성을 도시한 사시도와 분해사시도이다. 도 22은 도 17의 F-F선을 절단한 단면 사시도이다.
배터리 셀(120)들은 커버 부재(210)의 하부 플레이트(211)의 상면에 절연 스페이서(230)와 함께 교번하면서 배치될 수 있다. 이때 절연 스페이서(230)는 단측면이 서로 대향하는 두 개의 배터리 셀(120)의 장측면을 모두 덮는 평면 크기를 가질 수 있다. 여기서 하나의 절연 스페이서(230)는 일면이 두 개의 배터리 셀(120)의 장측면을 모두 덮을 수 있으며, 타면 역시 두 개의 배터리 셀(120)의 장측면을 모두 덮을 수 있다. 즉, 절연 스페이서(230)는 장측면이 서로 대향하도록 배치된 4개의 배터리 셀(120) 사이에 개재될 수 있다.
또한 배터리 셀(120)의 장측면이 서로 대향하는 배터리 셀(120)의 장측면과 일정거리 이격된 상태일 수 있으며, 그 사이에 절연 스페이서(230)가 개재될 수 있다.
여기서, 서로 대향한 배터리 셀(120)들의 장측면 사이의 이격 거리인 제1이격거리는 3.5mm 내지 4.5mm 중 어느 하나일 수 있다. 여기서 제1이격거리가 3.5mmm 보다 작을 경우, 절연 스페이서(230)와 배터리 셀(120)사이에 공기층 형성이 용이하지 않아, 냉각 성능이 저하될 수 있다. 또한 제1이격거리가 4.5mm를 초과할 경우 불필요하게 에너지 저장 모듈(200)의 크기 증가를 초래할 수 있다.
절연 스페이서(230)는 배터리 셀(120)의 사이에서 배터리 셀(120)들이 서로 접촉하는 것을 방지하여, 전기적인 독립을 유지시킬 수 있다. 또한, 절연 스페이서(230)와 배터리 셀(120)의 장측면 사이는 일정 거리 이격되어, 외부 공기 통로를 형성할 수 있다. 여기서 배터리 셀(120)은 외부 공기 통로를 이동가능한 외부 공기에 의해서 냉각되도록 할 수 있다.
이러한 절연 스페이서(230)는 별도의 테두리부 구성없이 시트로만 이루어질 수 있다. 상기 절연 스페이서(230)는 배터리 셀(120)에서 화재가 발생했을 경우, 화재가 전파되지 않도록 하는 난연성 또는 불연성을 갖는 시트와, 열이 전파하지 않도록 하는 단열성 시트를 혼합하여 사용할 수 있다. 좀 더 자세하게는 상기 시트부는 단열성을 갖는 제1시트(231a)와, 제1시트(231a)의 양면에 각각 접착 부재(231c)를 통해서 부착된 난연 또는 불연성을 갖는 두 개의 제2시트(231b)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1시트(231a)와 제2시트(231b)는 동일한 크기로 이루어질 수 있다. 상기 절연 스페이서(230)의 두께는 제1이격거리의 50%가 넘지 않는 것이, 후술할 소화 약재의 이동이 용이할 수 있다.
제1시트(231a)의 상하부 끝단으로부터 일정 길이를 갖도록 제2시트(231b)사이에 개재되어, 제1시트(231a)와 제2시트(231b)사이를 부착할 수 있다. 또한 접착 부재(231c)는 제1시트(231a)와 제2시트(231b)의 폭 방향과 동일한 폭을 가질 수 있다. 즉, 제1시트(231a)의 상하부 끝단부는 접착 부재(231c)에 의해서 제2시트(231b)의 상하부 끝단부와 접착될 수 있다.
여기서, 시트부는 폭방향 크기가 높이 방향 크기에 비해서 2배 이상 클 경우 상하부 끝단부에 접착 부재(231c)로 부착하여 접착 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 시트부는 폭방향 크기가 높이 방향 크기에 비해서 2배 이상 클 경우에 도 14a에 도시된 바와 같이 시트부(131)의 양측 끝단부에 접착부재(131c)로 접착할 경우 접착 성능이 저하될 수 있다. 이와같은 절연 스페이서(230)의 구성은 도 14b에 도시된 시트부와 동일 할 수 있다.
한편, 앞서 언급한 것과 같이, 절연 스페이서(230)의 상부로부터 소화 약액이 인가되면 시트부의 표면을 따라 하부로 이동할 수 있다. 따라서 소화 약액은 배터리 셀(120)의 케이스(121)와 접촉하게 되어, 배터리 셀(120)의 소화는 물론 냉각 기능을 수행할 수 있다. 이하에서는 소화 약액의 이동과 공기를 통한 냉각을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 20에 도시된 것과 같이, 상부 플레이트(240)에는 절연 스페이서(230)에 대응되는 위치에 각각 개방홀(243)이 더 형성될 수 있다. 이에 따라, 소화 시트(250)에서 생성된 소화 약액은 상부 플레이트(240)의 개방홀(243)을 통해 상부 플레이트(240)를 통과하게 되고, 절연 스페이서(230)에 도달할 수 있다. 또한, 소화 약액은 절연 스페이서(230)의 표면을 따라 이동하고, 이에 따라 배터리 셀(120)의 케이스(121)와 대면하게 되어, 배터리 셀(120)의 소화와 냉각 역할을 할 수 있다. 이 때, 소화 약액은 배터리 셀(120) 중에서 온도가 기준 이상인 것에 대응되는 소화 시트(250)에서 분사되기 때문에, 온도가 높아진 배터리 셀(120)의 상부에서 분사될 수 있다. 또한, 소화 약액은 해당 배터리 셀(120)의 전후에 위치한 절연 스페이서(230)의 표면을 따라 위치하게 되므로, 해당 배터리 셀(120)에 대한 소화 및 냉각을 함께 수행할 수 있다.
또한 상부 커버(260)에는 상부 플레이트(240)의 개방홀(243)과 대응되는 위치에 상면과 하면 사이를 관통하는 관통홀(263)이 더 구비될 수 있다. 즉 관통홀(263)은 절연 스페이서(230)와 대응되는 위치에 구비될 수 있다.
또한 커버 부재(210)의 하부 플레이트(211)에도 상기 절연 스페이서(230)와 대응되는 위치에 관통홀(211a)이 더 구비될 수 있다. 즉, 상부 커버(260)의 관통홀(263)과, 상부 플레이트(240)의 개방홀(243)을 통해 유입된 공기가 절연 스페이서(230)와 배터리 셀(120)사이의 이격 공간을 따라 이동하여, 하부 플레이트(211)의 관통홀(211a)을 통해 배출될 수 있다. 물론 공기는 그 반대로 이동도 가능할 수 있다. 이와 같이 관통홀(211a, 263)과 개방홀(243)을 통해 공기의 유로가 형성되어, 냉각 효율을 향상 시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예의 에너지 저장 모듈(100)과 다른 실시예에 따른 에너지 저장 모듈(200)에 사용되는 배터리 셀(120)의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 모듈에 사용되는 배터리 셀의 사시도 및 단면도이다.
도 21a 및 도 21b를 참조하면, 배터리 셀(120)은 케이스(121)에 전극 조립체(125)가 수용되어 있고, 케이스(121)의 상부를 캡 플레이트(124)가 커버하는 형상을 갖는다. 또한, 캡 플레이트(124)의 대략 중앙에는 타 영역에 비해 얇은 두께로 형성된 벤트(124a)가 구성될 수 있다. 벤트(124a)의 상부에 대응하여 상부 플레이트(140)의 덕트(141)가 배치되어 있음은 상술한 바 있다.
또한, 전극 조립체(125)는 한쌍의 집전체(126)를 통해 캡 플레이트(124) 상부의 제 1 전극 단자(122) 및 제 2 전극 단자(123)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이하에서는 편의상, 제 1 전극 단자(122)는 음극 단자, 제 2 전극 단자(123)는 양극 단자로 설명하나, 극성이 반대로 변경되는 것도 가능하다.
전극 조립체(125)는 음극(125a), 음극(125a)과 대향하여 위치하는 양극(125b), 음극(125a)과 양극(125b) 사이에 배치되어 있는 세퍼레이터(125c)를 포함할 수 있고, 전해액(미도시)과 함께 케이스(121) 내에 수용될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 이차 전지를 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.
100, 200; 에너지 저장 모듈 110, 210; 커버 부재
120; 배터리 셀 230; 절연 스페이서
131; 시트부 132; 테두리부
140,240: 상부 플레이트 141,241: 덕트
150: 소화 시트 160, 260: 상부 커버
161, 261: 배출홀 161a: 배기영역
162, 262: 돌출부 163: 경사부
265; 오목부

Claims (14)

  1. 장측면이 서로 대향하도록 길이 방향을 따라 배열되고, 각각이 벤트를 포함하는 다수의 배터리 셀;
    상기 다수의 배터리 셀의 장측면 사이에 개재된 다수의 절연 스페이서;
    내부에 수용 공간을 구비하며, 상기 다수의 배터리 셀과 상기 다수의 절연 스페이서를 수용하는 커버 부재;
    상기 커버 부재의 상부에 결합되고, 상기 다수의 배터리 셀들의 벤트에 대응되는 위치에 형성된 덕트와, 상기 절연 스페이서와 대응되는 위치에 개방홀이 형성된 상부 플레이트;
    상기 상부 플레이트의 상부에 결합되고, 상기 덕트에 대응되는 위치에 배출홀을 포함하는 상부 커버; 및
    상기 상부 커버와 상부 플레이트의 사이에 위치하고, 기설정된 온도 이상에서 소화 약제를 하는 소화 시트를 포함하고,
    상기 상부 커버는 하면에 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는 배기영역을 감싸며 각각의 상기 덕트의 외측에 결합되고,
    상기 절연 스페이서는 단열성을 갖는 제1시트와, 상기 제1시트의 양면에 난연성 또는 불연성을 갖는 제2시트가 각각 접착제를 통해 부착되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1시트는 세라믹 페이퍼이고, 상기 제2시트는 미카(mica) 페이퍼인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1시트는 알카리토 금속을 함유한 세라믹 파이버인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀들은 대향하는 장측면 사이가 제1이격거리만큼 서로 이격되고,
    상기 절연 스페이서의 두께는 상기 제1이격거리의 50% 보다 더 작은 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소화 시트에서 분사된 상기 소화 약재가, 상기 개방홀을 통해 상기 절연 스페이서와 상기 배터리 셀의 이격된 공간으로 인가되어, 상기 배터리 셀의 장측면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 폭방향 크기가 높이 방향 크기의 2배 보다 작으며,
    상기 제1시트와 상기 제2시트는 양측 끝단부가 접착제에 의해서 접착된 시트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 상기 시트부의 가장자리를 따라 감싸도록 인서트 사출에 의해 형성된 플라스틱 소재의 테두리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1시트와 상기 제2시트는 중앙부가 서로 이격되어, 공기 이동이 가능한 공기 유로가 구비된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 스페이서는 폭방향 크기가 높이 방향 크기의 2배 보다 더 크며,
    상기 제1시트와 상기 제2시트는 상하부 끝단으로부터 일정 영역이 접착제에 의해서 접착된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 커버는 상기 배기영역에서 상기 돌출부로 갈수록 두께가 증가하는 경사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 덕트의 상단은 상기 경사부의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 덕트와 상기 돌출부 사이에는 이격공간이 형성되고,
    상기 벤트에서 배출되는 가스 중 일부는 상기 덕트를 통과하여 상기 경사부를 통해 상기 이격공간으로 배출되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 덕트는 하부에서 상부로 갈수록 내경이 감소하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 배출홀의 면적은 상기 배기영역의 면적의 30% 보다 크게 설정된 것을 특징으로 하는 에너지 저장 모듈.
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