KR20210113861A - 유체 충진된 파우치 패드를 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수납된 전지 셀들 사이에 유체 충진된 파우치 패드를 배치한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로, 전지 셀 간의 온도 및 압력 평형을 이루고 전지 셀 간 편차를 최소화할 수 있다.

Description

유체 충진된 파우치 패드를 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE COMPRISING FLUID-FILLED POUCH PAD AND BATTERY PACK COMPRISING THE SAME}
본 발명은 유체 충진된 파우치 패드를 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지는 충전 및 방전이 가능하여 반복적으로 사용할 수 있는 전지로, 하나의 전지 모듈로 이루어져 휴대폰, 노트북, 컴퓨터, 카메라, 캠코더 등의 휴대용 소형 전자기기에 사용되거나, 다수의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩으로 이루어져 고출력의 하이브리드 전기 자동차(HEV), 전기 자동차(EV) 등의 모터 구동용 전원으로 사용되고 있다.
특히, 고출력의 전기 에너지가 요구되는 자동차 등에는 다수의 전지 셀들을 전기적으로 연결한 중대형의 전지 모듈 내지 전지 팩이 적용된다. 중대형 전지 모듈 내지 전지 팩은 사용 환경에 따라 비정상적으로 구동될 수 있으며, 전지 셀의 비정상적 구동은 각종 사고를 야기한다. 예를 들어, 수납된 전지 셀의 충방전 과정에서, 일부 전지 셀에 스웰링 현상이 발생할 수 있다. 스웰링된 전지 셀은 인접하는 다른 전지 셀을 가압하게 되고, 이러한 가압의 정도가 과도해지면 전지 모듈 내에 수납된 전체 전지 셀에 영향을 주게 된다. 수납된 전지 셀에 과도한 압력이나 열이 집중되면, 전지 셀의 성능이 저하 뿐만 아니라 전지 모듈 내지 전지 팩의 발화 또는 폭발 등의 사고를 유발할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 단면 구조이다. 상기 전지 모듈(10)은 모듈 케이스(12) 내에 다수의 전지 셀(11)이 수납된 구조이다. 또한, 수납된 전지 셀(11) 사이에는 일정 간격으로 폼 패드(13)가 배치된다. 상기 폼 패드(13)는 전지 셀(11)에 가해지는 압력을 완화하는 역할을 수행한다. 그러나, 폼 패드(13)에 의해 전지 셀(11)에 가해지는 압력을 완화한다 하더라도, 수납된 전지 셀(11)들 간에는 서로 다른 압력이 가해질 수 있다. 도 1에 도시된 전지 모듈(10)은 폼 패드(13) 사이에 각각 8개의 단위 전지 셀(11)이 배치된 구조이다.
도 2에서는, 전지 모듈의 충방전 과정에서, 각 전지 셀(11)별로 가해지는 압력을 측정한 결과이다. 도 2를 참조하면, 좌측에서 1번 전지 셀에 가해지는 압력이 5,091 N인 경우에 2 내지 8번 전지 셀에 가해지는 압력은 6,000 N 이상이며, 7번 전지 셀에는 6,555 N의 압력이 가해진다. 또한, 1~8번 전지 셀 보다는 17~24번 전지 셀에 평균적으로 높은 압력이 가해지며, 우측에 배치한 33~40번 전지 셀에는 상대적으로 낮은 압력이 가해진다. 특히, 가장 우측에 배치된 40번 전지 셀은 3,897 N의 매우 낮은 압력이 가해짐을 확인할 수 있다. 정리하면, 다수의 전지 셀이 병렬로 수납된 상태에서, 폼 패드와 폼 패드 사이를 기준으로 중심쪽에 상대적으로 높은 압력이 가해지고, 전체적으로도 전지 모듈의 중심부와 가장자리부에 위치한 전지 셀에 가해지는 압력이 상이함을 알 수 있다.
이처럼, 단일 전지 모듈에 수납된 전지 셀들에 서로 다른 압력이 가해지는 것은, 특정 전지 셀에 과도한 응력이 집중되는 것을 의미하고, 이는 전지 셀의 성능 저하 내지 발화 문제를 유발할 수 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
일본 특허공개공보 제2012-114030호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로, 유체 충진된 파우치 패드를 포함함으로써, 전지 셀 간의 온도 및 압력 평형을 이루고 전지 셀 간 편차를 최소화한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 전지 모듈을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지 셀을 수납하는 모듈 케이스; 모듈 케이스 내에 병렬 배열되어 수납된 복수의 전지 셀; 및 수납된 전지 셀 사이에 일정 간격으로 배치된 파우치 패드를 포함하며, 상기 파우치 패드는, 파우치 패드 바디; 상기 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체; 및 각 파우치 패드 바디 사이를 유체 연결하는 연결 도관을 포함한다.
하나의 예에서, 상기 파우치 패드 바디는, 3 내지 10개의 전지 셀을 사이에 두고 일정 간격으로 배치된 구조이다.
또 다른 하나의 예에서, 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체는 액체 또는 겔 상태이다. 구체적인 예에서, 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체는 수계 용매를 포함한다.
하나의 예에서, 파우치 패드 바디는, 수지, 금속, 금속층의 일면 또는 양면에 형성된 수지층을 포함하는 적층체 및 고무 중 1종 이상을 포함하는 소재로 형성된 구조이다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은 파우치 패드의 압력을 측정하는 압력 센서; 및 파우치 패드의 온도를 측정하는 온도 센서 중 1종 이상을 더 포함한다. 구체적인 예에서, 상기 파우치 패드의 압력을 측정하는 압력 센서는, 파우치 패드의 일측에 형성되되, 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체에 가해진 압력을 측정하는 압력 센서; 및 파우치 패드의 일면에 부착되어 위치하되, 파우치 패드 바디에 가해지는 압력을 측정하는 압력 센서 중 1종 이상을 포함한다.
하나의 예에서, 본 발명에서, 파우치 패드는, 각 파우치 패드 사이가 연결 도관에 의해 유체 연결된 상태로 폐쇄 유로를 형성하는 구조이다. 구체적인 예에서, 파우치 패드는, 각 파우치 패드가 연결 도관에 의해 유체 연결된 상태인 n 개(n은 2 이상의 정수임)의 폐쇄 유로를 형성하는 구조이다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈이 포함하는 전지 셀은 리튬 이차전지 단위 셀이다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 발명에 따른 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은, 수납된 전지 셀들 간의 온도 및 압력 평형을 효과적으로 유지하고, 전지 셀의 성능 저하 내지 발화를 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 전지 모듈 내에 수납된 각 전지 셀들에 걸리는 하중을 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 전지 모듈 내에 수납된 각 전지 셀들에 걸리는 하중을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치 패드의 작동 원리를 설명한 모식도이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치 패드의 구조를 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 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.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 전지 모듈에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지 셀을 수납하는 모듈 케이스; 모듈 케이스 내에 병렬 배열되어 수납된 복수의 전지 셀; 및 수납된 전지 셀 사이에 일정 간격으로 배치된 파우치 패드를 포함한다. 하나의 실시예에서, 상기 파우치 패드는, 파우치 패드 바디; 상기 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체; 및 각 파우치 패드 바디 사이를 유체 연결하는 연결 도관을 포함한다.
기존에는 모듈 케이스 내에 수납된 복수의 전지 셀들 사이에 완충 패드를 배치하는 구조가 적용되기도 한다. 그러나, 기존의 완충 패드는 인접하는 양측 전지 셀들에 압력이 집중되는 것을 완화하는 역할을 수행할 뿐이다. 즉, 기존의 완충 패드는, 전지 모듈 전체를 기준으로, 특정 영역에 부하가 집중되는 경우에 집중된 부하를 해소할 수 없다.
본 발명에 따른 전지 모듈은, 모듈 케이스 내에 수납된 복수의 전지 셀들 사이에 배치된 파우치 패드를 포함한다. 또한, 각 파우치 패드 사이는 연결 도관을 통해 유체 연결된 구조이다. 본 발명에 따른 전지 모듈은, 특정 영역에 부하가 집중되는 경우에는, 해당 영역 내에 위치하는 파우치 패드의 유체가 다른 영역에 위치하는 파우치 패드 쪽으로 이동하면서, 집중된 부하를 해소하게 된다.
더불어, 본 발명에서는 파우치 패드 내에 충진된 유체가 연결 도관을 통해 다른 파우치 패드로 자유롭게 이동되는 구조이다. 유체의 이동 과정에서, 전지 셀에서 발생하는 열도 함께 이동하게 되고, 이는 전지 셀 간의 열적 평형을 이루게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 전지 모듈은, 전지 모듈 전체적으로 특정 영역에 응력과 열이 집중되는 것을 방지하고 셀간 편차를 최소화할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 파우치 패드 바디는, 3 내지 10개의 전지 셀을 사이에 두고 일정 간격으로 배치된 구조이다. 구체적으로, 상기 파우치 패드 바디는, 5 내지 10개 또는 5 내지 8개의 전지 셀을 사이에 두고 일정 간격으로 배치된 구조이다. 파우치 패드 바디의 배치 간격이 좁아지면 압력 및 열 평형을 유지하는 측면에서는 유리하나 전지 모듈의 용량이 저하되는 문제가 있다. 상기 파우치 패드 바디의 배치 간격은 전지 모듈 내의 압력 및 열 평형의 유지와 경제적 효율을 고려한 것이다.
또 다른 하나의 실시예에서, 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체는 액체 또는 겔 상태이다. 구체적으로, 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체는 수계 용매이다. 예를 들어, 상기 유체는 냉각수 또는 물이다. 파우치 패드에 수계 용매를 충진함으로써, 파우치 패드 간 유체의 원활한 유동이 가능하고, 전지 셀에 대한 냉각 효과를 구현할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 상기 유체는 하이드로 겔이다. 하이드로 겔을 적용함으로써, 특정 영역에 집중되는 응력의 분산 및 열적 평형 유지에 유리하며 전지 모듈의 중량 증가를 최소화할 수 있다.
이와 반대로, 유체로 기체를 사용하는 경우도 상정 가능하나, 셀 편차 해소에 효과적이지 못하다. 특히, 유체로 기체를 사용하는 경우에는, 전지 셀에 대한 냉각 효과를 기대할 수 없고, 오히려 가열된 기체에 의해 전지 셀의 온도를 전체적으로 상승시키는 문제가 있다.
하나의 실시예에서, 파우치 패드 바디는, 수지, 금속, 금속층의 일면 또는 양면에 형성된 수지층을 포함하는 적층체 및 고무 중 1종 이상을 포함하는 소재로 형성된 구조이다.
구체적으로, 상기 수지로는 폴리에스테르 수지, 폴리아미드 수지, 폴리올레핀 수지 등을 들 수 있다. 상기 폴리에스테르 수지의 예로는, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리부틸렌나프탈레이트(PBN), 공중합폴리에스테르, 또는 폴리카보네이트(PC)을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. 또한 폴리아미드 수지의 경우 나일론(nylon) 6, 나일론 6.6, 나일론 6과 나일론 6.6과의 공중합체, 나일론 6.10을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 폴리올레핀 수지의 경우 무연신 폴리프로필렌(casted polypropylene: CPP)과 같은 변성 폴리프로필렌 또는 폴리프로필렌과 부틸렌과 에틸렌 삼원 공중합체 등의 열융착성 고분자 수지를 사용할 수 있다.
상기 금속층으로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn) 및 이 중 둘 이상을 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 박막 등을 들 수 있으며, 열전도성 및 탄성 측면에서 알루미늄을 사용할 수 있다.
상기 파우치 패드는 전지 셀의 외부 실링 부재와 동일한 소재 및 적층 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 파우치 패드는 알루미늄 또는 그 합금으로 형성된 금속 호일층의 양면에 PP 등의 수지층이 형성된 구조이다.
혹은, 상기 파우치 패드는 고무 재질로 형성된 구조일 수 있다. 탄성이 있는 고무 재질로 파우치 패드 바디를 형성하고, 이를 통해 전지 셀 간의 압력 분산 효과를 높일 수 있다.
또 다른 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은 파우치 패드의 압력을 측정하는 압력 센서; 및 파우치 패드의 온도를 측정하는 온도 센서 중 1종 이상을 더 포함한다. 상기 압력 센서는 파우치 패드에 형성되거나 전지 셀에 형성된 구조를 포함한다. 예를 들어, 파우치 패드의 본체 일측에 내부 유체의 압력을 측정하는 형태일 수 있고, 혹은 파우치 패드의 본체 외측 표면에 압력 센서가 형성된 형태일 수 있다. 구체적인 실시예에서, 파우치 패드의 압력을 측정하는 압력 센서는, 파우치 패드의 일측에 형성되되, 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체에 가해진 압력을 측정하는 압력 센서; 및파우치 패드의 일면에 부착되어 위치하되, 파우치 패드 바디에 가해지는 압력을 측정하는 압력 센서 중 1종 이상을 포함한다. 또한, 상기 온도 센서는 파우치 패드에 형성되거나 전지 셀에 형성된 구조를 포함한다. 예를 들어, 파우치 패드의 본체 외측 표면 혹은 전지 셀의 외측 표면에 온도 센서가 형성된 형태일 수 있다
하나의 실시예에서, 파우치 패드는, 각 파우치 패드 사이가 연결 도관에 의해 유체 연결된 상태로 폐쇄 유로를 형성하는 구조일 수 있다. 본 발명에 따른 전지 모듈은, 유체를 추가 공급하기 위한 별도의 공급 펌프나 공급 유로를 요구하지 않으며, 유체의 배출을 위한 별도의 배출 펌프나 배출 유로를 요구하지 않는다. 본 발명에서는 파우치 패드 간의 유체 연결을 통해 압력 및 열 평형을 이루기 때문이며, 예를 들어, 기체를 충진한 패드의 경우와 달리 지속적인 유체 공급 혹은 배출이 요구되지 않는다는 장점이 있다.
구체적인 실시예에서, 파우치 패드는, 각 파우치 패드가 연결 도관에 의해 유체 연결된 상태인 n 개(n은 2 이상의 정수임)의 폐쇄 유로를 형성하는 구조이다. 상기 파우치 패드는 전체 혹은 일부 파우치 패드 간 유체 연결된 형태로 폐쇄된 유로를 형성한다. 예를 들어, 상기 파우치 패드는 모든 파우치 패드가 유체 연결된 형태이다. 또 다른 예를 들어, 상기 파우치 패드는 외곽에 있는 파우치 패드 간 유체 연결된 구조이고, 및/또는 중심부에 있는 파우치 패드 간 유체 연결된 구조이다. 또 다른 예를 들어, 상기 파우치 패드는 외곽에 있는 파우치 패드 간 유체 연결은 전지 셀의 상부 및 하부에 형성된 연결 도관을 통해 형성되고, 및/또는 중심부에 있는 파우치 패드 간 유체 연결은 전지 셀의 측면에 형성된 연결 도관을 통해 형성된 구조이다.
하나의 실시예에서, 전지 셀은 이차전지 단위 셀이며, 구체적으로는, 리튬 이차전지 단위 셀이다. 구체적으로, 본 발명에 따른 이차전지는, 예를 들어, 양극, 음극 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및 상기 전극 조립체와 상기 비수 전해액을 내장하는 전지 케이스를 포함한다.
상기 양극은, 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 합제층이 적층된 구조이다. 하나의 예에서, 양극 합제층은 양극 활물질, 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 양극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은, LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1-yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1-yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1-yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2-zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2-zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4(0.5<x<1.3) 및 LixFePO4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 중 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 양극 합제층 중에 94.0 내지 98.5 중량% 범위로 포함될 수 있다. 양극 활물질의 함량이 상기 범위를 만족할 때 고용량 전지의 제작, 그리고 충분한 양극의 도전성이나 전극재간 접착력을 부여하는 면에서 유리하다.
상기 양극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 양극 합제용 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속이면서, 전기화학소자의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 양극용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
양극 합제층은 도전재를 더 포함한다. 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 합제층 조성 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전재로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등이 사용될 수 있다.
바인더 성분으로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 바인더 고분자가 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC) 등의 다양한 종류의 바인더가 사용될 수 있다.
상기 바인더 고분자 함량은 상부 양극 활물질층 및 하부 양극 활물질층에 포함되는 도전재 함량에 비례한다. 이는 활물질에 비해 입자 크기가 상대적으로 매우 작은 도전재에 접착력을 부여하기 위함으로 도전재 함량이 증가하면 바인더 고분자가 더 필요하게 되고, 도전재 함량이 감소하면 바인더 고분자가 적게 사용될 수 있기 때문이다.
또한, 상기 음극은, 음극 집전체의 일면 또는 양면에 음극 합제층이 적층된 구조이다. 하나의 예에서, 음극 합제층은 음극 활물질, 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 음극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 음극 활물질은 탄소재, 리튬 금속, 규소 또는 주석 등을 포함할 수 있다. 음극 활물질로서 탄소재가 사용되는 경우, 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (mesocarbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum orcoal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.
상기 음극에 사용되는 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.
또한, 상기 음극은 당해 분야에 통상적으로 사용되는 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.
상기 분리막은 리튬 이차전지에서 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 또는 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide) 또는 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50 ㎛일 수 있고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다.
한편, 상기 다공성 기재로 구성된 분리막의 기계적 강도 향상 및 양극과 음극 사이의 단락 억제를 위해, 상기 다공성 기재의 적어도 일면에, 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 전해액은 유기용매 및 전해질 염을 포함할 수 있으며, 상기 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 비수 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함할 수 있다.
전술한 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트 또는 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.
또한, 상기 유기용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 유기용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오 네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 이차전지의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 이차전지 조립 전 또는 이차전지 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다. 상기 전지 팩은 중대형 디바이스의 동력원 또는 에너지 저장 장치 등으로 활용 가능하다. 구체적으로, 상기 전지 팩은 전기 자동차 등의 동력원으로 적용 가능하다. 예를 들어, 상기 전지 팩은 하이브리드 전기 자동차(HEV), 전기 자동차(EV) 등의 모터 구동용 전원으로 사용 가능하다.
이하, 도면 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
[제1 실시 형태]
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 단면 구조이다. 상기 전지 모듈(100)은 모듈 케이스(120) 내에 다수의 전지 셀(110)이 수납된 구조이다. 또한, 수납된 전지 셀(110) 사이에는 일정 간격으로 파우치 패드 바디(130)가 배치된다. 상기 파우치 패드 바디(130) 내에는 냉각수가 충진된 구조이다. 파우치 패드 바디(130)는 전지 셀(110)의 상부와 하부에 교대로 연결 도관(131, 132)이 형성되어, 파우치 패드 바디(130) 간 유체 연결된 구조이다. 상기 파우치 패드 바디(130)는 전지 셀(110)에 가해지는 압력과 열을 완화 및 분산하는 역할을 수행한다. 각 파우치 패드 바디(130) 사이에는, 예를 들어, 8개의 단위 전지 셀(110)이 배치된 구조이다.
도 4에는, 도 2와 동일한 조건에서 전지 모듈의 충방전시, 각 전지 셀(110)별로 가해지는 압력을 측정한 결과를 도시하였다. 도 4를 참조하면, 전지 모듈 내에 수납된 각 전지셀에 가해지는 압력이 상대적으로 균일한 것을 알 수 있다. 전지 모듈 내에 수납된 좌측에서 1번 전지 셀에 가해지는 압력이 6,015 N인 경우에 2 내지 8번 전지 셀에 가해지는 압력 편차는 30 (N)을 넘지 않는다. 또한, 상대적으로 높은 압력이 가해지는 17~24번 전지 셀의 경우에도 압력 수치가 7,000 N을 넘지 않는 것을 알 수 있다. 이는, 동일한 조건에서 실험한 도 2의 결과와 대비하여, 전지 셀의 편차가 50% 이상 감소된 수치이다.
[제2 실시 형태]
도 4는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 단면 구조이다. 상기 전지 모듈(200)은 모듈 케이스(220) 내에 다수의 전지 셀(210)이 수납된 구조이다. 상기 파우치 패드 바디(230) 사이에는 각각 8개의 단위 전지 셀(210)이 배치된 구조이다. 상기 파우치 패드 바디(230) 내에는 하이드로 겔이 충진된 구조이다. 파우치 패드 바디(230)는 전지 셀(210)의 상부와 하부에 각각 연결 도관(231, 232)이 형성되어, 파우치 패드 바디(230) 간 유체 연결된다. 상기 파우치 패드 바디(230)는 전지 셀(210)에 가해지는 압력과 열을 완화 및 분산하는 역할을 수행한다.
도 4에 도시된 전지 모듈(200)은 파우치 패드 바디(230)에 상대적으로 비중이 낮은 하이드로 겔을 충진함으로써, 파우치 패드 바디(230) 형성에 따른 전지 모듈의 무게 증가를 최소화하였다. 또한, 파우치 패드 바디(230)에 하이드로 겔을 충진한 경우에도 도 3과 동등 수준의 압력 분산 효과를 확인하였으며, 전지 셀(210)에 대한 냉각 및 온도 분산 효과도 우수함을 확인하였다.
[제3 실시 형태]
도 5는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 단면 구조이다. 상기 전지 모듈(300)은 모듈 케이스(320) 내에 다수의 전지 셀(310)이 수납된 구조이다. 상기 파우치 패드 바디(330) 사이에는 8개의 단위 전지 셀(310)이 배치된 구조이다. 상기 파우치 패드 바디(330) 내에는 냉각수 충진된 구조이다. 좌측과 우측에 각각 배치된 최외곽 파우치 패드 바디(330) 사이는 전지 셀(310)의 상부와 하부에 각각 연결 도관(331, 332)이 형성되어 유체 연결된 구조이다. 또한, 상기 최외곽에 배치된 경우를 제외한 나머지 파우치 패드 바디(330) 간에는 전지 셀(310)의 측면에 연결 도관(333)이 형성되어 유체 연결된 구조이다. 상기 파우치 패드 바디(330)를 형성함으로써, 전지 모듈(300) 내에 수납된 전지 셀(310)에 가해지는 압력과 열을 완화 및 분산하게 된다.
[제4 실시 형태]
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치 패드의 작동 원리를 설명한 모식도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 파우치 패드(400)는, 서로 이격된 5개의 파우치 패드 바디(411~415); 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체; 및 각 파우치 패드 바디(411~415) 사이를 유체 연결하는 연결 도관(421~424)을 포함한다. 예를 들어, 좌측에 위치하는 파우치 패드 바디(411)에 압력(P)이 가해지면, 연결 도관(421)을 통해 유체가 이동하게 된다. 이는 각 파우치 패드(412~414)와 연결 도관(422~424)을 거쳐 우측에 위치하는 파우치 패드 바디(415)까지 유체가 순차적으로 이동하면서 압력(P)을 분산하게 된다. 또한, 예를 들어, 좌측에 위치하는 파우치 패드 바디(411)에 온도(T)가 상승하면, 각 도관(421~424)과 파우치 패드(412~414)를 거쳐 우측에 위치하는 파우치 패드 바디(415)까지 유체를 통해 열을 분산시켜 상승된 온도(P)을 낮추게 된다. 도 7에서는, 유체의 이동 혹은 열 전달 경로를 점선으로 표시하였다.
[제5 실시 형태]
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 파우치 패드의 구조를 도시한 사시도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 파우치 패드(500)는, 서로 이격된 5개의 파우치 패드 바디(510); 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체; 및 각 파우치 패드 바디(510) 사이를 유체 연결하는 연결 도관(520)을 포함한다. 또한, 각 파우치 패드 바디(510)가 전지 셀과 접하는 면에는 압력 및/또는 온도 센서(530)가 위치한다. 상기 압력 및/또는 온도 센서(530)는 압력 센서와 온도 센서가 교번 형성되거나 함께 형성된 구조를 포함한다. 이를 통해, 각 파우치 패드 바디(510)에 가해지는 압력(P) 및/또는 온도(T)를 효과적으로 측정할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
100, 200, 300: 전지모듈
110, 210, 310: 전지셀
120, 220, 320: 모듈 케이스
130, 230, 330, 411, 412, 413, 414, 415, 510: 파우치 패드 바디
131, 132, 231, 232, 331, 332, 333, 421, 422, 423, 424, 425, 520: 연결 도관
400, 500: 파우치 패드
530: 압력 및/또는 온도 센서
P: 압력
T: 온도

Claims (11)

  1. 복수의 전지 셀을 수납하는 모듈 케이스;
    모듈 케이스 내에 병렬 배열되어 수납된 복수의 전지 셀; 및
    수납된 전지 셀 사이에 일정 간격으로 배치된 파우치 패드를 포함하며,
    상기 파우치 패드는,
    파우치 패드 바디;
    상기 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체; 및
    각 파우치 패드 바디 사이를 유체 연결하는 연결 도관을 포함하는 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파우치 패드 바디는, 3 내지 10개의 전지 셀을 사이에 두고 일정 간격으로 배치된 구조인 전지 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    파우치 패드 바디 내에 충진된 유체는 액체 또는 겔 상태인 전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    파우치 패드 바디 내에 충진된 유체는 수계 용매를 포함하는 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    파우치 패드 바디는,
    수지, 금속, 금속층의 일면 또는 양면에 형성된 수지층을 포함하는 적층체 및 고무 중 1종 이상을 포함하는 소재로 형성된 구조인 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    파우치 패드의 압력을 측정하는 압력 센서; 및 파우치 패드의 온도를 측정하는 온도 센서 중 1종 이상을 더 포함하는 전지 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    파우치 패드의 압력을 측정하는 압력 센서는,
    파우치 패드의 일측에 형성되되, 파우치 패드 바디 내에 충진된 유체에 가해진 압력을 측정하는 압력 센서; 및
    파우치 패드의 일면에 부착되어 위치하되, 파우치 패드 바디에 가해지는 압력을 측정하는 압력 센서 중 1종 이상을 포함하는 전지 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    파우치 패드는, 각 파우치 패드 사이가 연결 도관에 의해 유체 연결된 상태로 폐쇄 유로를 형성하는 구조인 전지 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    파우치 패드는,
    각 파우치 패드가 연결 도관에 의해 유체 연결된 상태인 n 개(n은 2 이상의 정수임)의 폐쇄 유로를 형성하는 구조인 전지 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    전지 셀은 리튬 이차전지 단위 셀인 전지 모듈.
  11. 제 10 항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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