KR20210090477A - 안정성이 향상된 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 못 관통에 대하여 단락을 방지 내지 지연시킬 수 있는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 전기적으로 연결된 복수 개의 전지 셀을 포함하는 셀 어셈블리, 상기 셀 어셈블리를 커버하는 배터리 모듈의 외곽 케이스, 상기 배터리 모듈 외곽 케이스와 상기 셀 어셈블리의 최외곽 셀 사이 및 배터리 모듈 내의 어느 하나의 셀과 인접하는 셀 사이 중 적어도 하나에 구비되는 신축성 내화재를 포함하고, 상기 신축성 내화재는 접착층을 매개로 신축성층 및 열전도층이 접착된 것인 배터리 모듈을 제공한다.

Description

안정성이 향상된 배터리 모듈{BATTERY MODULE WITH IMPROVED STABILITY}
본 발명은 못 관통에 대하여 단락을 방지 내지 지연시킬 수 있는 안정성이 향상된 배터리 모듈에 관한 것이다.
차량 등에 탑재되는 배터리에 있어서, 최근 배터리 에너지 밀도를 증가시키기 위해 니켈의 함량을 증가시키는 추세에 있으며, 이로 인해 배터리 모듈 내 파우치 셀의 외장재로서 두께가 0.15mm 정도인 얇은 필름 용기를 사용하고 있다.
이와 같은 배터리의 개발 방향과 관련하여, 배터리에 대한 충격 등으로 인해 단락이 발생하는 경우, 배터리가 발화하는 등의 문제가 발생할 수 있는바, 배터리의 안정성을 확보할 수 있는 대책이 함께 요구되고 있다.
일반적으로, 시스템 단위에서 단락이 발생한 상황에 대하여 안정성을 확보하기 위해 전압 및 온도 센서를 이용하는 수단 등이 제시되어 있다. 그러나, 금속 못(Metallic Nail)이 배터리 모듈의 외곽 케이스(case)를 관통하는 경우 단락으로 인한 발화 등의 문제가 발생할 수 있는데, 이와 같은 배터리 모듈 단위에서의 관통시 단락을 방지하기 위한 해결책이 존재하지 않는 실정이다.
차량 등에 탑재되는 배터리에 있어서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 금속성 못 (Metallic Nail)(4) 등이 배터리 모듈의 외곽 케이스(case)(3)를 관통하여 셀(1) 내부로 침투하는 경우에는, 내부 단락으로 이어져 발화를 일으킬 수 있다.
이에, 배터리 모듈 단위에서 관통에 따른 단락을 방지하여 배터리 안정성을 확보할 수 있는 기술개발이 강하게 요구되고 있다.
본 발명은 고전압 배터리 모듈에 있어서, 관통 상황에서 셀의 내부단락을 방지하여 발화를 방지 및 지연시킬 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명은 못 관통에 대하여 단락을 방지 내지 지연시킬 수 있는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 전기적으로 연결된 복수 개의 전지 셀을 포함하는 셀 어셈블리, 상기 셀 어셈블리를 커버하는 배터리 모듈의 외곽 케이스, 상기 배터리 모듈 외곽 케이스와 상기 셀 어셈블리의 최외곽 셀 사이 및 배터리 모듈 내의 어느 하나의 셀과 인접하는 셀 사이 중 적어도 하나에 구비되는 신축성 내화재를 포함하고, 상기 신축성 내화재는 접착층을 매개로 신축성층 및 열전도층이 접착된 것인 배터리 모듈을 제공한다.
상기 셀은 파우치형 리튬이차전지일 수 있다.
상기 신축성층은 실리콘, 라텍스, 폴리우레탄 또는 천연 고무로부터 형성된 것일 수 있다.
상기 신축성층은 연신율이 50% 이상의 값을 갖는 것이 바람직하다.
상기 열전도층은 열전도율이 0.5 내지 500W/m·K인 것이 바람직하다.
상기 열전도층은 흑연을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 신축성층 및 열전도층은 각각 독립적으로 9㎛ 내지 3mm의 두께를 갖는 것일 수 있다.
상기 열전도층은 열관유율이 5×103W/㎡·K 이상일 수 있다.
상기 신축성층 및 열전도층은 라미네이트되거나 접착층에 의해 접합된 것일 수 있다.
상기 접착층은 아크릴, 실리콘, 고무 및 에폭시로부터 선택되는 적어도 하나의 접착제를 포함하는 양면테이프일 수 있다.
상기 신축성 내화재는 30㎛ 내지 5mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 배터리 모듈 외곽 케이스와 상기 셀 어셈블리의 최외곽 전지 셀 사이에 구비되는 신축성 내화재는 상기 신축성층이 셀 어셈블리와 인접하도록 배치될 수 있다.
상기 배터리 모듈은 냉각 플레이트를 포함하며, 상기 신축성 내화재는 상기 냉각 플레이트와 연결될 수 있다.
상기 신축성 내화재는 열접착제를 매개로 냉각 플레이트와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 고전압 배터리 모듈의 관통 상황에서 셀을 보호하여 내부 단락을 방지 및 지연시킬 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 고전압 배터리 모듈의 관통 상황에서 셀의 발화를 방지 및 지연시킬 수 있다.
도 1은 종래 배터리 모듈에 있어서의 못 관통시 발화하는 현상을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에서 제공하는 신축성 내화재의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 신축성 내화재가 적용된 배터리 모듈에서의 못 관통시 발화를 억제하는 현상을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 신축성 내화재가 적용된 배터리 모듈에서의 못 관통시 열 전달 매커니즘을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명은 외곽 케이스와 양 끝 셀 사이, 필요에 따라서는 셀과 셀 사이에 내장되어 금속 못이 배터리 모듈 내부로 관통 시, 관통하는 못을 감싸도록 함으로써 셀의 내부 단락을 방지할 수 있는 신축성 내화재 및 상기 신축성 내화재를 포함하는 배터리 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명에 있어서, 상기 신축성 내화재는 이에 한정하는 것은 아니지만, 음극과 양극 및 상기 음극과 양극 사이에 분리막이 개재된 복수개의 단위 전지가 복수개 적층되어 파우치 내에 삽입된 파우치형의 리튬이온 이차전지 셀 및 상기 셀이 복수개 적층되어 전기적으로 연결된 셀 어셈블리에 적용될 수 있다.
본 발명에서 제공되는 신축성 내화재는 신축성층과 열전도층을 포함하는 다층 구조를 갖는 것으로서, 필름 형태일 수 있다. 도 2에 본 발명의 신축성 내화재의 일 구현예에 대한 개략적인 단면 구조를 나타내었다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 신축성 내화재(5)는 신축성층(6)과 열전도층(8)을 포함하며, 상기 신축성층(6)과 열전도층(8) 사이에 접착층(7)을 구비한다.
상기 신축성층(6)은 신축성을 갖는 층으로서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 금속성 못(4) 등의 뽀족한 물질이 배터리 모듈 외곽 케이스(3)를 관통하여 셀에 접촉하는 경우에 못의 첨두를 감싸면서 신장되어 셀(1) 내부로 침투하지 않도록 할 수 있으며, 관통시에 셀(1) 파우치가 찢어지지 않도록 한다.
상기 신축성층(6)은 절연성 및/또는 내열성을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 신축성층(6)이 절연성을 갖는 경우에 금속성 못이 셀(1) 내부로 침투하더라도 셀(1)과 셀(1) 사이에서 분리막 역할을 수행함으로써 셀(1)의 내부 단락을 방지하여 발화를 방지하거나 또는 발화를 지연시킬 수 있다. 또한, 내열성을 갖는 경우에는 발열 또는 발화 현상이 일어나더라도 신축성층(6)의 기능을 유지할 수 있어 바람직하다.
이를 위해, 상기 신축성층(6)은 연신율이 50% 이상, 보다 바람직하게는 1000% 미만인 것이 바람직하다. 상기 연신율이 50% 미만이면 관통 상황에서 관통되는 못과 함께 셀까지 연신되지 못할 수 있다.
상기 신축성층(6)은 9㎛ 내지 3mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 신축성 층의 두께가 9㎛ 미만이면 구성층간 라미네이팅이 되지 않을 수 있고, 3mm를 초과하면 신축성층이 연신되지 않을 수 있다.
상기 신축성층(6)은 실리콘, 라텍스, 폴리우레탄 또는 천연 고무 등과 같은 연성이 우수한 재질로 되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 신축성과 함께 내열성 및 절연성을 갖는 실리콘으로 되는 것이 보다 더 바람직하다. 상기 신축성층(6)은 하나의 층으로 구성될 수 있으나, 2 이상의 층으로 적층될 수 있다.
상기 열전도층(8)은 셀(1)이 단락되는 경우에 셀(1) 내부에서 발생한 열을 방출하도록 하여 셀(1)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 구체적으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 열전도층(8)은 전지에서 발생하는 열을 전달하는 이동경로(화살표)로 작용하여 배터리 모듈의 열 접착제(Thermal adhesive)(10) 및 냉각 플레이트(11)(Cooling plate)로 이동시켜 효과적으로 셀(1)의 온도 상승을 억제할 수 있다.
이를 위해 상기 열전도층(8)은 열전도율이 0.5 내지 500W/m·K의 값을 갖는 것이 바람직하다. 상기 열전도율이 0.5W/m·K 미만이면 충분한 방열 효과를 얻기가 어려우며, 500W/m·K를 초과하면 신축성 내화재의 구비 여부에 따라 셀간의 냉각 편차가 발생할 수 있으며, 셀 간의 냉각 편차는 방열로 인해 얻을 수 있는 셀 성능 향상 효과를 충분히 확보할 수 없도록 할 수 있다.
상기 열전도층(8)은 9㎛ 이상 3mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 상기 열 전도층(8)의 두께가 9㎛ 미만이면 라미네이팅이 어렵고, 열전도가 효과적으로 일어나지 않을 수 있다. 상기 열전도층(8)은 흑연을 포함하는 것이라면 적합하게 사용할 수 있다.
상기 열전도층(8)은 두께를 고려할 때, 열 관유율이 5000W/㎡·K 이상, 예를 들어, 5×103 내지 5.5×107W/㎡·K일 수 있다.
상기 신축성층(6)과 열전도층(8)은 상호간에 라미네이팅되거나, 또는 접착층(7)에 의해 상호 접합될 수 있다. 상기 접착층(7)은 두 층을 접착할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않고 적용될 수 있는 것으로서, 기재의 양면에 접착제를 갖는 양면 테이프를 사용할 수 있음은 물론, 접착층(7)만으로 된 무기재의 양면 테이프를 사용할 수도 있다.
상기 접착층(7)은 전단강도(Shear Strength)가 30kgf/in2 이상(ASTM D5656에 따라, 상온에서 이형지 제거 후 SUS 기판에 부착하여 측정)의 값을 갖는 것이 바람직하다. 상기 접착층(7)은 전단강도가 높을수록 바람직한 것으로서 그 상한은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 300kgf/in2 이하의 전단강도 값을 가질 수 있다.
상기 접착층(7)을 구성하는 접착제는 셀(1) 간의 분리막이 찢어지더라도 접착성분에 의해 신축성 내화재(5)가 관통 못에 달라붙어 여전히 분리막의 역할을 제공할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 접착층(7)은, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 아크릴, 실리콘, 고무, 에폭시 등을 사용할 수 있으며, 기재를 갖는 경우, 상기 기재는 예를 들어, PET, 폴리이미드, 플루오로폴리머, PVC 등으로 된 필름이나 폼, 부직포, 필라멘트, 직물 등의 형태를 갖는 기재를 사용할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 신축성 내화재(5)는 도 2에 나타낸 바와 같이 신축성층(6)/접착층(7)/열전도층(8)의 적층 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 구조를 가짐으로써 외부로부터 관통 못(4)이 침투하여 관통하는 경우에도 신축성층(6)이 신장되어 분리막으로서의 기능을 대신 수행하여 단락을 방지 내지 억제할 수 있으며, 나아가 셀(1)의 단락으로 인해 열이 발생하는 경우에 상기 열전도층(8)에 의해 열을 전달하여 셀(1) 외부로 배출할 수 있다.
상기 신축성 내화재(5)에 있어서, 신축성층(6) 및 열전도층(8)은 각각 하나만 포함될 수 있음은 물론, 적어도 어느 하나의 층을 2 이상 포함할 수 있으며, 좌우 대칭 구조를 가질 수도 있다. 나아가, 배터리 모듈 형상 및 요구 조건에 따라, 본 발명에서 제안하는 층 구조 이외에 추가의 층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 제공되는 신축성 내화재(5)는 총 두께가 30㎛ 내지 5mm인 것이 바람직하다. 상기 신축성 내화재의 두께가 30㎛ 미만인 경우 신축 및 열전도가 효과적으로 진행되지 않을 수 있으며, 5mm를 초과하는 경우에는 셀 간 거리가 증대되어 알루미늄 판재로의(신축성 내화재의 면 방향) 열 전달이 효과적이지 못하고, 버스 바를 구성하는데 어려움을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 신축성 내화재(5)는 배터리 모듈의 모든 면에 설치될 수 있는 것으로서 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 신축성 내화재(5)는 셀 어셈블리의 전극면과 평행한 방향으로 설치될 수 있고, 또, 전극 탭(2)이 위치하는 면에 설치될 수도 있다.
상기 신축성 내화재(5)는 배터리 모듈의 외곽 케이스(3)와 셀(1), 즉, 셀(1)을 수용하는 파우치 사이에 설치될 수 있으며, 또는 복수의 셀 중 어느 하나의 셀(1)과 상기 셀(1)에 인접하는 셀(1) 사이, 예를 들어, 어느 하나의 셀(1)과 인접하는 셀(1) 사이, 즉 파우치와 파우치 사이에 설치될 수 있다. 일 구현예로서, 파우치와 파우치 사이에 위치하는 이중 코팅된 테이프(Double coated tape, 미도시함) 또는 패드(Pad, 미도시함) 부착위치에 설치될 수 있다. 상기 신축성 내화재(5)는 어느 하나의 위치에 설치될 수 있음은 물론, 2 이상의 위치에 설치될 수 있다.
배터리 모듈에 있어서 본 발명의 신축성 내화재(5)를 설치함으로써 못(4) 등의 뾰족한 물질이 배터리 모듈 외곽 케이스(3)를 관통하는 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 신축성층(6)에 의해 관통하는 못(4)을 감싸는 구조로 변형되어 셀(1)과 셀(1) 사이에 분리막 역할을 수행하며, 이로 인해 셀(1)의 내부 단락을 방지하여 발화를 억제하거나 또는 지연시킬 수 있다.
또한, 못(4)이 파우치를 관통함으로써 전지에 이상 발열이 발생하는 경우, 열전도층(8)에 의해 열을 이동시키는 열전달 통로로 작용하여 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있다.
1: 셀
2: 탭
3: 배터리 모듈 외곽 케이스
4: 못(Nail)
5: 신축성 내화재
6: 신축성층
7: 접착층
8: 열전도층
10: 열접착제
11: 냉각 플레이트

Claims (14)

  1. 전기적으로 연결된 복수 개의 셀을 포함하는 셀 어셈블리;
    상기 셀 어셈블리를 커버하는 배터리 모듈 외곽 케이스;
    상기 배터리 모듈 외곽 케이스와 상기 셀 어셈블리의 최외곽 셀 사이 및 배터리 모듈 내의 어느 하나의 셀과 인접하는 셀 사이 중 적어도 하나에 구비되는 신축성 내화재를 포함하고,
    상기 신축성 내화재는 신축성층 및 열전도층을 포함하는 것인 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀은 파우치형 리튬이차전지인 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 신축성층은 실리콘, 라텍스, 폴리우레탄 및 천연 고무로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나로 형성된 것인 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 신축성층은 연신율이 50% 이상의 값을 갖는 것인 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열전도층은 열전도율이 0.5 내지 500W/m·K인 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열전도층은 흑연을 포함하는 것인 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 신축성층 및 열전도층은 각각 독립적으로 9㎛ 내지 3mm의 두께를 갖는 것인 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열전도층은 열 관유율이 5×103W/㎡·K 이상인 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 신축성층 및 열전도층은 라미네이트되거나 접착층에 의해 접합된 것인 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 접착층은 아크릴, 실리콘, 고무 및 에폭시로부터 선택되는 적어도 하나의 접착제를 포함하는 양면테이프인 배터리 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신축성 내화재는 30㎛ 내지 5mm의 두께를 갖는 것인 배터리 모듈.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리 모듈 외곽 케이스와 상기 셀 어셈블리의 최외곽 전지 셀 사이에 구비되는 신축성 내화재는 상기 신축성층이 셀 어셈블리와 인접하는 것인 배터리 모듈.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리 모듈은 냉각플레이트를 포함하며, 상기 신축성 내화재는 상기 냉각플레이트와 연결된 것인 배터리 모듈.
  14. 제13항에 있어서, 상기 신축성 내화재는 열접착제를 매개로 냉각플레이트와 연결된 것인 배터리 모듈.
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