KR20210144344A - 열 수축 튜브로 둘러싸인 전지셀을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발화 현상 발생시 산소 유입을 차단하고 발화가 전파되는 것을 차단할 수 있는 전지 모듈에 관한 것으로, 전지 케이스의 외부로 전극 리드가 인출된 구조이고, 각각의 전지셀은 열에 의해 수축되지 않은 상태의 열 수축 튜브로 둘러싸여 있고, 상기 열 수축 튜브는 전지셀 내부의 온도 증가시 또는 발화 현상 발생시 수축되는 것을 특징으로 한다.

Description

열 수축 튜브로 둘러싸인 전지셀을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE COMPRISING A BATTERY CELL SURROUNDED BY A HEAT SHRINKABLE TUBE}
본 발명은 열 수축 튜브로 둘러싸인 전지셀을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다. 상세하게는, 발화 현상 발생시 수축되는 열 수축 튜브로 둘러싸인 전지셀을 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있어, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
한편, 소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지모듈을 포함하는 전지팩이 사용된다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전지 모듈(10)은, 다수의 전지셀(12)이 모듈 케이스(11)에 수납된 구조이다. 상기 전지셀(12)은 외부와 연결되는 단자 역할을 하는 전극 리드(13)가 전지 케이스(14) 밖으로 인출되어 있고, 이들을 버스바(15)를 통해 접속시키는 구조이다.
이러한 전지셀로는 리튬 이차전지가 주로 사용되는데, 리튬 이차전지는 전지 케이스의 내부에 양극, 분리막 및 음극이 다수 적층된 전극 조립체가 수납되고, 전해액이 주입된 구조이다.
이들 전지셀에 관통, 가열 또는 열이나 화염의 전파 등과 같은 비정상적인 원인으로 어느 하나의 전지셀이 발화될 수 있는데, 리튬 이차전지는 내부의 화학 물질로 인하여 발화가 될 경우 전지셀이 완전 연소될 때까지 화재가 진행된다. 또한 하나의 전지셀이 발화될 경우 주변의 다른 전지셀 쪽으로 발화 현상이 전파되고, 심한 경우에는 전지 모듈이 폭발할 수 있다. 이러한 화재를 진압하기 위하여는 특수한 소화기를 사용하여야 하므로, 화재 발생시 신속하게 화재를 차단할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 전지 모듈 내에 수납된 전지셀의 온도가 급격히 상승하거나, 전지셀에 발화 현상이 발생한 경우 발화를 신속하게 차단하여 사용상의 안정성을 확보할 수 있는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 다수의 전지셀이 모듈 케이스 내에 수납되며, 상기 전지셀은 전지 케이스의 외부로 전극 리드가 인출된 구조이고, 각각의 전지셀은 열에 의해 수축되지 않은 상태의 열 수축 튜브로 둘러싸여 있고, 상기 열 수축 튜브는 전지셀 내부의 온도 증가시 또는 발화 현상 발생시 수축된다.
구체적인 예에서, 상기 전지셀은 파우치형 전지셀이다.
하나의 예에서, 상기 열 수축 튜브는 양 단부가 개방된 관 형상이다.
다른 하나의 예에서, 상기 열 수축 튜브는 일 단부가 개방되고, 이에 대향하는 일 단부가 폐쇄된 주머니 형상일 수 있다.
구체적인 예에서, 전극 리드의 인출 방향을 기준으로 상기 열 수축 튜브의 길이는, 전지 케이스의 길이 및 전지 케이스의 두께의 합보다 크다.
구체적인 예에서, 상기 전지 케이스와 열 수축 튜브 사이에는 소정의 이격 공간이 형성된다.
구체적인 예에서, 상기 다수의 전지셀 사이에는 소정의 이격 공간이 형성된다.
구체적인 예에서, 상기 이격 공간에는 격벽 부재가 삽입되어 있다.
하나의 구체예에서, 상기 모듈 케이스의 내주면에는 전지셀의 고정을 위한 돌출부가 형성되어 있고, 상기 전지셀은 돌출부 사이에 형성되는 홈에 삽입된다.
이에 따라, 상기 열 수축 튜브는 상기 돌출부와 전지셀이 서로 접하는 부분에서 상기 돌출부와 전지셀에 의해 고정된다.
구체적인 예에서, 상기 열 수축 튜브는 난연성 또는 불연성이다.
구체적인 예에서, 상기 열 수축 튜브는 70 내지 120℃의 온도에서 수축된다.
구체적인 예에서, 상기 열 수축 튜브의 양 단부의 내주면에는 점착층이 형성된다.
구체적인 예에서, 상기 열 수축 튜브는 두 겹 이상으로 구성된다.
또한 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 전지 모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
본 발명에 따른 전지 모듈 및 전지팩은, 전지 모듈 내에 수납된 전지셀들을 둘러싸는 열 수축 튜브를 구비함으로써, 전지셀 내부에서 온도가 상승하거나 발화 현상이 발생한 경우 이를 신속하게 차단함으로써, 화염 전파로 인한 추가적인 연쇄 반응 및 피해를 최소화하는 효과가 있다.
즉 본 발명에 따른 전지 모듈 및 전지팩은 발화를 신속하게 차단하여 안전성을 향상시킬 수 있고, 전지 모듈 또는 전지팩의 위험 상황에 대하여 빠르고 민감하게 대처할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 수납되는 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 수납되는 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 수납된 전지셀에 있어 발화 현상이 발생한 경우 전지셀의 구조 변화를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 전지셀의 적층 구조를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈에 수납되는 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈에 수납되는 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈에 수납된 전지셀에 있어 발화 현상이 발생한 경우 전지셀의 구조 변화를 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈에서 전지셀의 적층 구조를 나타낸 모식도이다.
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 대해 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 다수의 전지셀이 모듈 케이스 내에 수납되며, 상기 전지셀은 전지 케이스의 외부로 전극 리드가 인출된 구조이고, 각각의 전지셀은 열에 의해 수축되지 않은 상태의 열 수축 튜브로 둘러싸여 있고, 상기 열 수축 튜브는 전지셀 내부의 온도 증가시 또는 발화 현상 발생시 수축된다.
앞서 설명한 바와 같이, 리튬 이차전지는 내부의 화학 물질로 인하여 발화가 될 경우 전지셀이 완전 연소될 때까지 화재가 진행된다. 또한 하나의 전지셀이 발화될 경우 주변의 다른 전지셀 쪽으로 발화 현상이 전파될 수 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 내부에 수납된 전지를 열 수축 튜브로 둘러쌈으로써, 모듈 내 전지셀이 발화 현상이 발생할 경우 화염이 인접한 다른 전지셀로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 상기 열 수축 튜브는 전지셀 내부의 온도가 상승하거나 발화 현상이 발생할 경우 수축되어 전지 케이스에 형성되어 있는 틈을 차단함으로써 전지셀 내부로 유입되는 산소를 차단하게 되고, 발화 현상을 억제하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 전지 모듈에 있어서, 전지셀의 외부를 둘러싸는 열 수축 튜브는 열에 의해 수축되지 않은 상태의 것이어야 한다. 이는 전지셀 내부의 온도 상승 또는 발화의 순간에 열 수축 튜브를 수축시키니 위함이다. 열 수축 튜브를 발화 현상 발생 전에 미리 수축시켜 전지셀의 외부를 미리 피복하거나 밀봉할 경우, 전지셀 내부의 온도 상승으로 인한 기체의 팽창 전지셀의 스웰링에 의해 열 수축 튜브에 의한 피복 및 밀봉 상태가 손상될 수 있다. 또한 열 수축 튜브을 미리 수축시킬 경우 열 수축 튜브의 성질이 변할 수 있으며, 이 경우 발화 현상 발생시 열 수축 튜브의 수축이 원활하지 않을 수 있다.
상기 전지셀은 양극, 음극 및 분리막이 교대로 적층된 전극 조립체가 전지 케이스 안에 수납되고, 전해액을 주입함으로써 제조되는 것이다. 또한 상기 전극 조립체는 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하는 구조라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 젤리-롤형, 스택형 또는 스택/폴딩형 등이 될 수 있다.
상기 전지 케이스는 전지의 포장을 위한 외장재로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 원통형, 각형 또는 파우치형이 사용될 수 있으나, 상세하게는 상기 전지셀은 파우치형 전지셀일 수 있다. 파우치형 전지셀의 경우 전지케이스는 통상적으로 알루미늄 라미네이트 시트로 이루어져 있고, 전극조립체를 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 전체적으로 파우치 형상을 가지고 있다. 파우치형 이차전지는 전지케이스의 수납부에 전극조립체를 내장하고 전해액을 주입한 후 전지케이스의 상부 파우치와 하부 파우치가 접하는 외주면을 열융착하여 실링부를 형성하는 과정을 통해 제조된다.
상기 라미네이트 시트 구조의 전지케이스에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 밀봉을 위한 내부 실란트층, 물질의 침투를 방지하는 금속층, 및 케이스의 최외곽을 이루는 외부 수지층으로 구성되어 있다. 이중, 내부 실란트층은 전극조립체를 내장한 상태에서 인가된 열과 압력에 의해 상호 열융착되어 밀봉성을 제공하는 역할을 하며, 주로 CPP(무연신 폴리프로필렌 필름)로 이루어져 있다. 금속층은 공기, 습기 등이 전지의 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할을 하며, 주로 알루미늄(Al)이 사용되고 있다. 또한, 외부 수지층은 외부로부터 전지를 보호하는 역할을 하므로 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, ONy(연신 나일론 필름)이 많이 사용되고 있다. 기타 파우치형 전지셀에 관한 자세한 내용은 당업자에게 이미 공지되어 있는 사항이므로 자세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 전지 모듈에 있어서, 전지 모듈 내부에 수납되는 전지셀은 전술한 바와 같이 다양한 형상이 가능하며, 이에 따라 열 수축 튜브의 형상을 변경할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 열 수축 튜브는 양 단부가 개방된 관 형상일 수 있다. 이러한 형태의 열 수축 튜브는 전극 리드가 각각 전지 케이스의 양 단부에 인출되어 있는 형태의 전지셀에 적합하게 사용될 수 있다. 이 경우, 열 수축 튜브의 양 단부가 개방된 것은 전극 리드가 열 수축 튜브의 외부로 연장되도록 하기 위한 것이다. 이 때 전지셀은 관 형상의 열 수축 튜브에 삽입되어, 전극 리드가 열 수축 튜브의 양 단부로 노출된다.
다른 하나의 예에서, 상기 열 수축 튜브는 일 단부가 개방되고, 이에 대향하는 일 단부가 폐쇄된 주머니 형상일 수 있다. 이러한 형태의 열 수축 튜브는 두 개의 전극 리드가 전지 케이스의 일 단부에 인출되어 있는 형태의 전지셀에 적합하게 사용될 수 있다. 이 경우 열 수축 튜브에서 일 단부가 개방된 것은 전극 리드가 열 수축 튜브의 외부로 연장되도록 하기 위한 것이다. 전극 리드가 인출되지 않은 부분은 열 수축 튜브를 폐쇄된 형태로 할 수 있는데, 이는 전극 리드가 외부로 연장될 공간을 마련할 필요가 없고, 개방된 부분으로 화염 등이 분출하는 것을 방지하기 위한 것이다. 다만, 전술한 바와 같이 두 개의 전극 리드가 전지셀의 일 단부에 인출된 형태의 전지셀을 사용하는 경우에도 양 단부가 개방된 관 형상의 열 수축 튜브를 사용할 수 있다.
또한, 전극 리드의 인출 방향을 기준으로 했을 때 상기 열 수축 튜브의 길이는, 전지 케이스의 길이 및 두께의 합보다 크다. 다시 말해, 열 수축 튜브의 길이와 전지 케이스의 길이의 차이는 전지 케이스의 두께보다 크다. 여기서 전지 케이스의 길이란 파우치형 전지셀의 경우 전극 조립체를 수납하는 수납부의 길이와 수납부의 양 단부의 외주변에 형성된 실링부의 길이를 합한 길이를 의미한다.
이는 발화 현상 발생시 열 수축 튜브가 전지 케이스를 완전히 덮음으로써 산소가 유입되는 현상 및 발화가 인접한 전지로 전파되는 현상을 효과적으로 차단하기 위함이다. 예를 들어 열 수축 튜브의 길이가 전지 케이스의 길이와 동일한 경우, 열 수축시 전지케이스(수납부 및 실링부)의 두께로 인하여 전극 리드와 케이스의 연결부분을 덮기 어렵게 되므로, 이 부분으로 산소가 유입되거나 발화가 전파되는 것을 방지하기 어려울 수 있다.
한편, 열 수축 튜브의 길이는 모듈 케이스의 길이보다 작은 것이 바람직하다. 열 수축 튜브의 길이가 모듈 케이스의 길이보다 클 경우, 열 수축 튜브가 모듈 케이스 내에 수납되기 어렵고, 모듈 케이스 내부에 열 수축 튜브의 수납시 열 수축 튜브의 단부가 찌그러질 수 있으므로 바람직하지 않다.
한편, 본 발명에 따른 전지 모듈에 있어서, 전지셀의 둘레는 전지셀 삽입의 용이성을 위하여 전지 케이스의 둘레보다 큰 것이 바람직하다. 여기서 "둘레"란 전극 리드가 인출된 방향과 수직인 단면의 둘레를 의미한다. 이에 따라 전지셀이 열 수축 튜브에 삽입될 경우 전지 케이스와 열 수축 튜브 사이에는 소정의 이격 공간이 형성될 수 있다. 이는 열 수축 튜브를 미리 가열하여 열 수축시키지 않기 때문이다. 열 수축 튜브를 발화 현상 발생 전에 미리 수축시켜 전지셀의 외부를 미리 피복하거나 밀봉할 경우, 전지셀 내부의 온도 상승으로 인한 기체의 팽창 전지셀의 스웰링에 의해 열 수축 튜브에 의한 피복 및 밀봉 상태가 손상될 수 있다. 또한 열 수축 튜브을 미리 수축시킬 경우 열 수축 튜브의 성질이 변할 수 있으며, 이 경우 발화 현상 발생시 열 수축 튜브의 수축이 원활하지 않을 수 있다.
전지 케이스와 열 수축 튜브 사이에 형성되는 공간은 전지셀에 발화 현상이 발생하여 열 수축 튜브가 수축됨에 따라 사라지게 된다.
상기 전지셀은 열 수축 튜브에 둘러싸인 상태로 모듈 케이스 내에 적층되는데, 이 때 전지셀 사이에는 소정의 이격 공간이 형성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 열 수축 튜브와 전지 케이스가 완전히 밀착되지 않고, 그 사이에 일정한 공간이 형성될 수 있으므로, 전지셀 사이를 소정 간격으로 이격시켜 그 사이의 공간을 열 수축 튜브를 수용하는 공간으로 활용할 수 있다. 이 때, 이격 공간의 폭은 전지셀 두께에 비해서 작을 수 있으며, 그 크기는 예를 들어 전지셀 두께의 5 내지 30%, 상세하게는 10 내지 20%일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만 이격 공간의 폭이 지나치게 넓으면 모듈 케이스 내에 수납될 수 있는 전지셀의 수가 감소하여 바람직하지 않고, 이격 공간의 폭이 지나치게 좁으면 열 수축 튜브가 이격 공간 내에서 찌그러질 수 있다.
또한 상기 이격 공간에는 격벽 부재가 삽입될 수 있다. 상기 격벽 부재는 전지셀에 발화 현상이 발생했을 경우 그 화염이 인접한 전지셀로 전파되는 것을 차단한다. 즉 상기 열 수축 튜브가 1차적으로 화염을 차단하며, 격벽 부재가 2차적으로 화염을 차단할 수 있다. 상기 격벽 부재로는 불연성 소재, 예를 들어 운모, 실리카, 마이카 등이 함유된 무기물 시트를 사용할 수 있으나, 이에 특별한 제한이 있는 것은 아니다.
또한, 상기 모듈 케이스는 내주면에 전지셀의 고정을 위한 돌출부가 형성될 수 있다. 이 경우 전지셀은 돌출부 사이에 형성되는 홈에 삽입되는 구조이며, 전지셀은 양 쪽에 형성되는 돌출부 사이에서 고정된다. 또한 상기 돌출부는 전지셀 사이의 이격 공간을 형성한다.
이에 따라 열 수축 튜브는 상기 돌출부와 전지셀이 서로 접하는 부분에서 상기 돌출부와 전지셀에 의해 고정된다. 구체적으로, 하나의 전지셀은 4개의 돌출부에 의해 고정되므로, 하나의 열 수축 튜브는 전지셀과 돌출부가 접하는 4개 지점에서 고정될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지 모듈에서, 열 수축 튜브는 절연성이고, 열에 의해 수축될 수 있으면 그 종류에 특별한 제한은 없으나, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리염화비닐, 배향 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 에틸렌 프로필렌 고무, 이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 스티렌 부타디엔 고무, 니트릴 부타디엔 고무, 테플론 등이 사용될 수 있고, 이들은 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다
아울러, 상기 열 수축 튜브는 높은 온도 환경에 노출되므로 내열성이 우수하여야 하며, 특히 발화 현상 발생시 화염에 의해 손상되지 않도록 난연성 또는 불연성이어야 한다. 이러한 난연성 또는 불연성 열 수축 튜브는 튜브를 구성하는 수지로서 테플론 수지와 같이 할로겐 원소 등이 포함된 난연성 수지로 구성된 것을 사용할 수도 있으며, 수지 내에 별도의 난연제가 포함된 것을 사용할 수도 있다.
예를 들어, 상기와 같은 난연제로는 인(P)계 난연제, 질소(N)계 난연제, 할로겐(halogen)계 난연제, 무기계 난연제, 및 난연성 원소를 포함하는 고분자 중합체 등을 포함할 수 있다. 이들 난연제의 구체적인 예로는 인계 난연제로서 포스핀계 난연제, 포스페이트계 난연제, 포스파이트계 난연제를 들 수 있으며, 질소계 난연제로서 멜라민계 난연제 및 트리아진계 난연제를 들 수 있다. 무기계 난연제로는 붕소계 난연제 및 금속 수화물계 난연제를 들 수 있다.
상기 열 수축 튜브는, 70 내지 120℃에서 수축이 일어나는 것이 바람직하다. 너무 낮은 온도에서 수축성을 나타내면 지나치게 민간한 열수축으로 인해 전지 제조 공정상 및 사용상 취급이 용이하지 않은 단점이 있고, 너무 높은 온도에서 수축성을 나타내면 발화로 인한 온도 상승에도 열 수축 튜브가 수축되지 않아 발화를 차단하기 어렵다는 단점이 있다. 더욱 바람직한 열 수축 온도 범위는 80 내지 100℃일 수 있다.
또한 상기 열 수축 튜브는 두 겹 이상일 수 있다. 열 수축 튜브를 두 층 이상으로 적층함으로써, 어느 한 층의 열 수축 튜브가 손상되어도 다른 층의 열 수축 튜브가 작동하여 발화를 차단할 수 있다.
또한, 상기 열 수축 튜브의 두께는 특별히 제한되는 것은 없으나 5 내지 40㎛일 수 있고, 상세하게는 7 내지 25㎛이고, 더욱 상세하게는 10 내지 20㎛일 수 있다. 열 수축 튜브의 두께가 너무 얇으면 충분한 강도가 확보되지 않기 때문에 튜브를 다루기 어려워 제조 공정이 까다롭게 될 뿐만 아니라 사용시 쉽게 손상될 수 있으며, 열 수축 튜브의 두께가 너무 두꺼우면 열 수축시 전지셀의 밀봉이 어려울 수 있다.
또한, 상기 열 수축 튜브의 개방된 단부의 내주면에는 점착층이 형성될 수 있다. 상기 열 수축 튜브는 발화 현상 발생 전에는 전극 리드가 인출된 부분의 단부가 개방된 상태에서 돌출부 등에 의해 고정되어 있는 상태이다. 전지셀에 발화 현상이 발생한 경우 열 수축 튜브가 수축되어 전지셀을 피복하게 되는데, 이 때 전극 리드 쪽의 수축된 부분은 전극 리드에 의해 이격될 수 있다. 따라서 열 수축 튜브의 개방된 단부의 내주면에 점착층을 형성할 경우 열 수축 튜브가 수축하면서 단부 부분이 접착됨으로써 더욱 효과적인 발화 차단 및 산소 유입 차단이 가능하다.
한편, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 전지 모듈을 포함하는 전지팩을 제공한다.
또한, 본 발명은 전지팩을 제공하는바, 본 발명에 따른 전지팩은 트레이 및 팩 커버를 포함하는 전지팩 케이스; 및 전지팩 케이스에 수납된 다수의 전지 모듈; 을 포함한다. 상기 전지 모듈은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 전지팩은 전지 모듈 외에 전지 모듈의 주변에 장착되는 전장품을 포함한다. 상기 전장품은 전지 모듈의 작동을 모니터링 및 제어하는 배터리관리시스템(BMS, Battery Management System), 전지 모듈의 전기적 연결을 제어하는 전원차단유닛(BDU, Battery Disconnection Unit), 전지 모듈과 BMS 사이에 위치하며 과전류 차단 기능을 제공하는 퓨즈 등을 포함한다.
상기 전지팩 케이스는 하부에서 전지 모듈을 탑재하는 트레이 및 전지 모듈의 측면 및 상부를 덮은 팩 커버를 포함하며, 상기 트레이와 팩 커버는 볼트 체결 방식으로 상호 결합될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 전지 팩을 포함하는 에너지 저장 장치를 제공한다. 상기 저장 장치는, 예를 들어, 대용량의 전기 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장 장치(ESS, Energy Storage System)이다. 또한, 본 발명은 상기 전지 팩을 포함하는 자동차를 제공한다. 상기 자동차는 하이브리드 자동차, 플러그 인 자동차 또는 전기 자동차 등을 포함한다. 상기 자동차는 앞서 설명한 전지 팩은 주동력 또는 보조 동력을 사용하는 다양한 형태의 자동차를 모두 포함한다.
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, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
(제1 실시형태)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 수납되는 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 수납되는 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 측면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 수납된 전지셀에 있어 발화 현상이 발생한 경우 전지셀의 구조 변화를 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈에 있어서, 상기 전지셀(100)은 파우치형 전지셀이다. 이러한 파우치형 전지셀은 전극 조립체(미도시)가 전지 케이스(110) 내부에 수납된다. 구체적으로 전지 케이스(110)는 2개의 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 수납부(111)가 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치의 수납부(111)에는 전극 조립체가 수납될 수 있다. 그리고, 2개의 파우치의 외주면에는 실링부(112)들이 구비되어 이러한 2개의 파우치의 실링부(112)들이 서로 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 내부 공간이 밀폐되도록 할 수 있다.
상기 전지 케이스의 양 단부에는 전극 리드(120)가 인출된다. 이러한 전극 리드(120)는 각각 양극 리드 및 음극 리드일 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 전극 리드(120)는 전지 케이스(110)의 양 단부에 위치한 실링부(112)로부터 돌출된다. 이러한 전극 리드(120)는 전극 단자로 기능한다. 전지 케이스(110)와 전극 리드(120) 사이에는 절연성 필름(130)이 형성될 수 있다.
상기 전지셀(100)은 열 수축 튜브(140)에 의해 둘러싸인다. 도 2 및 도 3과 같이, 열 수축 튜브(140)는 열에 의해 수축되지 않은 것으로서, 전지 케이스(110)로부터 양 단부로 인출되는 전극 리드(120)를 위한 공간을 확보하기 위하여 양 단부가 개방된 구조이다. 전지셀(100)은 열 수축 튜브(140)에 삽입될 수 있으며, 열 수축 튜브(140)는 열에 의해 수축되지 않은 상태이므로 전지 케이스(110)와 열 수축 튜브(140) 사이에 이격 공간(A)이 형성된다. 즉 전지 케이스(110)와 열 수축 튜브(140)는 완전히 밀착되지 않은 상태이다. 한편, 상기 열 수축 튜브(140)는 두 겹 이상으로 형성될 수 있다.
한편, 전극 리드(120)의 인출 방향을 기준으로 상기 열 수축 튜브(140)의 길이(d)는 전지 케이스(110)의 길이(l) 및 전지 케이스(110)의 두께(h)의 합보다 크다. 이 때 전지 케이스의 길이(l)란 파우치형 전지셀의 경우 전극 조립체를 수납하는 수납부(110)의 길이와 수납부의 양 단부의 외주변에 형성된 실링부(112)의 길이를 합한 길이를 의미한다.
또한 도 4를 참조하면, 상기 열 수축 튜브(140)는 전지셀의 내부 온도 증가시 또는 발화 현상 발생시 수축되어 전지셀(100)을 피복하게 되며, 전지셀 내부의 산소 유입을 차단하고, 전지셀(100) 내부의 화염이 전지셀(100) 외부로 분출되는 것을 차단한다. 앞서 설명한 바와 같이 열 수축 튜브(140)의 길이가 전지 케이스의 길이 및 두께의 합보다 크므로, 열 수축 튜브(140)가 전지 케이스(100)를 완전히 덮을 수 있다. 이 때, 열 수축 튜브(140)의 단부에 점착층(미도시)이 형성될 경우, 열 수축시 열 수축 튜브(140)의 단부가 접착되어 효과적인 산소 유입 차단 및 발화 차단이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에서 전지셀의 적층 구조를 나타낸 모식도이다.
도 5는 전지 모듈(200)을 전극 리드(120)가 인출된 방향으로 바라본 것이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈(200)은 내부에 다수의 전지셀(100)이 모듈 케이스(210) 내에 적층된 상태로 수납된 구조이며, 각각의 전지셀(100)은 열 수축 튜브(140)에 의해 둘러싸여 있다. 열 수축 튜브(140)는 열에 의해 수축되지 않은 상태로서 열 수축 튜브(140)와 전지셀(100) 사이에 이격 공간(A)이 형성되어 있다.
아울러, 전지셀(100) 사이에는 소정의 이격 공간(B)이 형성되어 있으며, 상기 이격 공간에는 열 수축 튜브(140)가 수용될 수 있다. 또한 상기 모듈 케이스(210)의 내주면에는 돌출부(220)가 형성될 수 있으며, 상기 이격 공간은 상기 돌출부(220)에 의해 형성될 수 있다. 전지셀(100)은 돌출부(220) 사이에 고정되며, 열 수축 튜브(140)는 상기 돌출부(220)와 전지셀(100)이 서로 접하는 부분에서 전지셀(100)과 돌출부(220)에 의해 고정된다. 한편, 상기 이격 공간에는 격벽 부재(미도시)가 삽입될 수 있다.
(제2 실시형태)
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈에 수납되는 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 사시도이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈에 수납되는 전지셀의 구조를 모식적으로 나타낸 측면도이다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈에 수납된 전지셀에 있어 발화 현상이 발생한 경우 전지셀의 구조 변화를 나타낸 모식도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈에 있어서, 상기 전지셀(300)은 파우치형 전지셀이다. 이러한 파우치형 전지셀은 전극 조립체(미도시)가 전지 케이스(310)에 수납된다. 구체적으로 전지 케이스(310)는 2개의 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 수납부(311)가 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치의 수납부(311)에는 전극 조립체가 수납될 수 있다. 그리고, 2개의 파우치의 외주면에는 실링부(312)들이 구비되어 이러한 2개의 파우치의 실링부들이 서로 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 내부 공간이 밀폐되도록 할 수 있다.
상기 전지 케이스(310)의 일 단부에는 두 개의 전극 리드(320)가 인출된다. 이러한 전극 리드(320)는 각각 양극 리드 및 음극 리드일 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 전극 리드(320)는 전지 케이스(310)의 단부에 위치한 실링부(312)로부터 돌출된다. 이러한 전극 리드(320)는 전극 단자로 기능한다.
상기 전지셀(310)은 열 수축 튜브(314)에 의해 둘러싸인다. 도 6 및 도 7과 같이, 열 수축 튜브(314)는 열에 의해 수축되지 않은 것으로서, 전지 케이스(311)로부터 일 단부로 인출되는 전극 리드(320)를 위한 공간을 확보하기 위하여 일 단부가 개방되고, 일 단부는 폐쇄된 구조이다. 전지셀(300)은 전극 리드(320)가 열 수축 튜브(314)의 개방된 부분을 향하도록 삽입될 수 있다. 열 수축 튜브(314)는 열에 의해 수축되지 않은 상태이므로 전지 케이스(310)와 열 수축 튜브 사이(314)에 이격 공간이 형성된다. 즉 전지 케이스(310)와 열 수축 튜브(314)는 완전히 밀착되지 않은 상태이다. 한편, 상기 열 수축 튜브(314)는 두 겹 이상으로 형성될 수 있다.
한편, 전극 리드(320)의 인출 방향을 기준으로 상기 열 수축 튜브(314)의 길이(d)는 전지 케이스의 길이(l) 및 두께(h)의 합보다 크다. 이 때 전지 케이스(310)의 길이(l)란 파우치형 전지셀의 경우 수납부(311)의 길이와 수납부의 양 단부의 외주변에 형성된 실링부(312)의 길이를 합한 길이를 의미한다.
또한 도 8을 참조하면, 상기 열 수축 튜브(340)는 전지셀의 내부 온도 증가시 또는 발화 현상 발생시 수축되어 전지셀(300)을 피복하게 되며, 전지셀 내부의 산소 유입을 차단함으로써 발화를 억제하고, 전지셀(300) 내부의 화염이 전지셀(300) 외부로 분출되는 것을 차단한다. 앞서 설명한 바와 같이 열 수축 튜브(340)의 길이가 전지 케이스의 길이 및 두께의 합보다 크므로, 열 수축 튜브(340)가 전지 케이스(300)를 완전히 덮을 수 있다. 이 때, 열 수축 튜브(340)의 단부에 점착층(미도시)이 형성될 경우, 열 수축시 열 수축 튜브(340)의 단부가 접착되어 효과적인 산소 유입 차단 및 발화 차단이 가능하다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈에서 전지셀의 적층 구조를 나타낸 모식도이다.
도 9는 전지 모듈(400)을 전극 리드(320)가 인출된 방향으로 바라본 것이다. 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈(400)은 모듈 케이스(410) 내부에 다수의 전지셀(300)이 적층된 구조이며, 각각의 전지셀(300)은 열 수축 튜브(340)에 의해 둘러싸여 있다. 열 수축 튜브(340)는 열에 의해 수축되지 않은 상태로서 열 수축 튜브(340)와 전지셀(300) 사이에 이격 공간(A)이 형성되어 있다.
아울러, 전지셀(300) 사이에는 소정의 이격 공간(B)이 형성되어 있으며, 상기 이격 공간에는 열 수축 튜브(340)가 수용될 수 있다. 또한 상기 모듈 케이스(410)의 내주면에는 돌출부(420)가 형성될 수 있으며, 상기 이격 공간은 상기 돌출부(420)에 의해 형성될 수 있다. 전지셀(300)은 돌출부(420) 사이에 고정되며, 열 수축 튜브(340)는 상기 돌출부(400)와 전지셀(300)이 서로 접하는 부분에서 전지셀(300)과 돌출부(420)에 의해 고정된다. 한편, 상기 이격 공간에는 격벽 부재(미도시)가 삽입될 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.
10: 종래의 전지 모듈
11: 모듈 케이스
12: 전지셀
13: 전극 리드
14: 전지 케이스
15: 버스바
100, 300: 전지셀
110, 310: 전지 케이스
111, 311: 수납부
112, 312: 실링부
120, 320: 전극 리드
130, 330: 절연성 필름
140, 340: 열 수축 튜브
200, 400: 전지 모듈
210, 410: 모듈 케이스
220, 420: 돌출부

Claims (15)

  1. 다수의 전지셀이 모듈 케이스 내에 수납된 전지 모듈에 있어서,
    상기 전지셀은 전지 케이스의 외부로 전극 리드가 인출된 구조이고,
    각각의 전지셀은 열에 의해 수축되지 않은 상태의 열 수축 튜브로 둘러싸여 있고,
    상기 열 수축 튜브는 전지셀 내부의 온도 증가시 또는 발화 현상 발생시 수축되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀은 파우치형 전지셀인 전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열 수축 튜브는 양 단부가 개방된 관 형상인 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열 수축 튜브는 일 단부가 개방되고, 이에 대향하는 일 단부는 폐쇄된 주머니 형상인 전지 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    전극 리드의 인출 방향을 기준으로 상기 열 수축 튜브의 길이는,
    전지 케이스의 길이 및 전지 케이스의 두께의 합보다 큰 전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전지 케이스와 열 수축 튜브 사이에는 소정의 이격 공간이 형성되어 있는 전지 모듈.
  7. 제1항에 있어어,
    상기 다수의 전지셀 사이에는 소정의 이격 공간이 형성되어 있는 전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이격 공간에는 격벽 부재가 삽입되어 있는 전지 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스의 내주면에는 전지셀의 고정을 위한 돌출부가 형성되어 있고,
    상기 전지셀은 돌출부 사이에 형성되는 홈에 삽입되는 전지 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열 수축 튜브는 상기 돌출부와 전지셀이 서로 접하는 부분에서 상기 돌출부와 전지셀에 의해 고정되는 전지 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 열 수축 튜브는 난연성 또는 불연성인 것인 전지 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열 수축 튜브는 70 내지 120℃의 온도에서 수축되는 전지 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 열 수축 튜브는 두 겹 이상으로 구성된 것인 전지 모듈.
  14. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 열 수축 튜브의 개방된 단부의 내주면에는 점착층이 형성되어 있는 전지 모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.

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