KR20220001225A - 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 소정 크기의 공간부를 갖는 복수개의 수납부(114)가 형성된 모듈 케이스(110)를 준비하는 제1 단계; 상기 수납부(114)에 전지셀(130)을 수납시키는 제2 단계; 및 소정 온도로 가열하여 전지셀(130)을 고정시키는 제3 단계;를 포함하되, 상기 모듈 케이스(110)는 하판(111), 복수개의 측판(112), 및 상기 수납부(114)를 형성하기 위한 복수개의 격벽(113)을 포함하며, 상기 격벽(113)은 상기 하판(111)에서 소정 높이 연장된 하부 격벽((113(a)) 및 상기 하부 격벽((113(a))에서 소정 높이 연장된 상부 격벽(113(b))을 포함하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈의 제조방법에 관한 것이다.

Description

연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법{Manufacturing Method Of Battery Modules To Prevent Thermal Runaway Propagation}
본 발명은 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 인근 전지셀로 열이 이동하는 것을 억제하고 또 무게를 줄일 수 있는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석연료의 사용에 따른 대기오염, 에너지 고갈로 인한 대체에너지 개발로 인해 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차전지에 관한 수요가 증가하고 있다. 충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 사용되는 등 일상생활에 밀접하게 사용되고 있다.
현대사회에서 필수불가결하게 사용되고 있는 각종 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있는 이차전지는 모바일 기기의 사용량 증가 및 복잡화, 전기 자동차 등의 개발로 인해 요구되는 용량이 증가되고 있다. 사용자의 수요를 충족시키기 위해 소형 기기에는 다수의 전지 셀을 배치하고 있으나, 자동차 등에는 다수개의 전지 셀을 전기적으로 연결하는 배터리 모듈 또는 이러한 배터리 모듈을 다수 구비한 배터리 팩이 사용된다.
배터리 모듈 또는 배터리 팩은 용량과 출력을 향상시키기 위해 다수의 전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용하고 있다. 다수의 전지 셀을 연결하여 사용하는 경우 과부하 등의 문제점이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 특정 전지셀에서 발생하는 열이 인접 전지셀로 전이되는 것을 억제할 수 있는 모듈 케이스를 포함하는 전지 모듈이 개발되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 전지 모듈(10)은 복수개의 전지셀(11), 복수개의 전지셀(11)이 수납되는 모듈 케이스(12), 및 복수개의 전지셀(11)을 감싸고 전지셀(11) 사이를 채워주는 충진재(13)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 종래 기술은 모듈 케이스(12)에 수납되는 전지셀(11)들 사이에 충진재(13)를 형성시킴으로써 전지셀(11)들이 소정 간격 이격되도록 배치되고, 따라서 특정 전지셀(11)에서 발생한 열이 인근 전지셀(11)로 이동하는 것을 억제시켜 안전성이 개선된다는 효과가 있다.
하지만 전지셀(11)들의 매우 근접하여 배치되기 때문에 충진재(13)를 채우는 것이 용이하지 않고, 게다가 빈 공간이 발생할 시에는 열전이를 충분히 억제할 수 없을 뿐만 아니라 확실하게 고정되지 않아 약간의 외부 충격에도 전지셀(11)이 움직일 수 있어 자칫 큰 사고로 이어질 수 있다는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제2019-0132631호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 전지 모듈에 수납된 복수개의 전지셀에서 발생하는 열이 인접 전지셀로 이동하는 것을 차단하고 나아가 확실하게 고정될 수 있는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서는 에너지 밀도가 높고 경량화 가능한 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
게다가 본 발명에서는 제조시간을 절약하고 제품의 불량율을 낮출 수 있는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법은, 소정 크기의 공간부를 갖는 복수개의 수납부(114)가 형성된 모듈 케이스(110)를 준비하는 단계, 상기 수납부(114)에 전지셀(130)을 수납시키는 단계, 및 소정 온도로 가열하여 전지셀(130)을 고정시키는 단계를 포함하되, 상기 모듈 케이스(110)는 하판(111), 복수개의 측판(112), 및 상기 수납부(114)를 형성하기 위한 복수개의 격벽(113)을 포함하며, 상기 격벽(113)은 상기 하판(111)에서 소정 높이 연장된 하부 격벽((113(a)) 및 상기 하부 격벽((113(a))에서 소정 높이 연장된 상부 격벽(113(b))을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법에서, 상기 하부 격벽((113(a))과 상부 격벽(113(b))은 상이한 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법에서, 상기 모듈 케이스(110)의 하판(111), 측판(112), 및 하부 격벽((113(a))은 열가소성 수지로 이루어지고, 상부 격벽(113(b))은 열경화성 수지인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법에서, 상기 열가소성 수지는 mPPE(modified Polyphenylene ether) 또는 PC(Polycarbonate)이고, 상기 열경화성 수지는 실리콘(Silicon), 에폭시(Epoxy), 및 폴리우레탄(Polyurethane) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법에서, 상기 상부 격벽(113(b))은 글라스 버블(Glass bubble)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법에서, 상기 모듈 케이스(110)는 사출 성형에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법에서, 상기 소정 크기의 공간부를 갖는 복수개의 수납부(114)가 형성된 모듈 케이스(110)를 준비하는 단계와 수납부(114)에 전지셀(130)을 수납시키는 단계 사이에는 상기 수납부(114)에 접착부재(120)를 주액하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법에서, 상기 접착부재(120)는 열경화성 수지인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법에서, 상기 전지셀(130)은 원통형 또는 각형인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기에서 언급된 특징 중 하나 이상을 포함하는 제조방법을 통해 제조된 전지 모듈(100)이 수납된 전지 팩일 수 있다.
또한 본 발명은 상기에서 언급된 전지 팩이 장착된 디바이스일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법에 의하면, 모듈 케이스에 전지셀 수납부를 미리 형성시키며, 마련된 수납부에 접착부재를 주액한 후 전지셀을 수납 고정시키기 때문에 제조시간을 크게 단축시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법에 의하면, 수납부에 미리 주액된 열경화성 접착부재는 전지셀 수납과정에서 전지셀 외표면을 고르게 감싸기 때문에 전지셀을 확실하게 고정할 수 있고, 따라서 전지 모듈의 내충격성이 우수하다는 이점이 있다.
게다가 본 발명에 따른 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법에 의하면, 전지셀들을 서로 구획하는 격벽에는 글라스 버블(Glass bubble)이 포함되어 있어 경량화가 가능할 뿐만 상대적으로 고가인 열경화성 수지를 적게 사용할 수 있어 제조비용 절감에도 기여할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A´선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지셀의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈의 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈 제조방법에 관하여 첨부한 도면들을 참고하면서 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이고, 도 3은 도 2의 A-A´선을 따라 절단한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 케이스(110), 접착부재(120), 모듈 케이스(110)에 수납되는 복수개의 전지셀(130)을 포함하여 구성된다.
먼저 대략 육면체 외형을 갖는 모듈 케이스(110)는 소정 간격 이격된 채 복수개의 전지셀(130)이 수납되는 공간부를 제공할 수 있도록, 평판 형상의 하판(111)과, 하판(111) 가장자리에서 상부로 수직하게 연장된 4개의 측판(112)을 포함하여 구성된다.
여기서, 하판(111)과 4개의 측판(112)은 외부 충격으로부터 수납된 전지셀(130)을 보호할 수 있도록 소정 강도를 갖는 열가소성 수지, 일 예로 mPPE(modified Polyphenylene Ether) 또는 PC(Polycarbonate)일 수 있으나 동일한 목적과 기능을 달성할 수 있다면 특별히 제한하지 않는다.
그리고 하판(111)과 측판(112)에 의해 형성된 공간부에는 각 전지셀(130)이 개별적으로 수용되는 복수개의 수납부를 형성할 수 있도록 격벽(113)이 마련되는데, 격벽(113)은 하판(111)에서 소정 높이 연장된 하부 격벽((113(a)) 및 하부 격벽((113(a))에서 소정 높이 연장된 상부 격벽(113(b))으로 이루어질 수 있다.
여기서, 하부 격벽(113(a))은 하판(111)과 동일한 소재인 mPPE(modified Polyphenylene Ether) 또는 PC(Polycarbonate)와 같은 열가소성 수지인 반면, 상부 격벽(113(b))은 열전도가 낮고 내열성이 높은 열경화성 수지, 예를 들어 실리콘(Silicon), 에폭시(Epoxy), 및 폴리우레탄(Polyurethane) 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
따라서 수납된 전지셀(130)은 강성이 우수한 하부 격벽(113(a))에 의해 전지셀(130)의 하측 일부가 지지됨과 동시에 상부 격벽(113(b))으로 인해 인근 전지셀(130)로의 열이동이 최소화될 수 있다. 물론 상부 격벽(113(b))에 의해서도 전지셀(130)이 고정 및 지지될 수 있음은 자명하다.
한편, 상부 격벽(113(b))에 내부가 비어 있는 소정 크기의 글라스 버블(Glass bubble)이 추가로 포함될 수 있다. 즉, 실리콘(Silicon), 에폭시(Epoxy), 및 폴리우레탄(Polyurethane)과 같은 열경화성 수지에 글라스 버블(Glass bubble)이 혼합된 상태로 상부 격벽(113(b))이 마련되면, 모듈 케이스(110)의 경량화에 유리할 뿐만 아니라 상대적으로 고가인 열경화성 수지를 적게 사용할 수 있어 제조비용 절감에도 기여할 수 있다는 이점이 있다.
계속해서, 전지셀(130) 외측면과 격벽(113) 사이에는 접착부재(120), 일예로 상부 격벽(113(b))과 동일한 소재인 열경화성 수지로 이루어진 접착부재(120)가 추가로 구비될 수 있다.
비록 도 3에서는 격벽(113)과 전지셀(130) 측면 사이에만 접착부재(120)가 개재된 것으로 도시하고 있으나, 하판(111)과 전지셀(130) 저면 사이에도 형성될 수 있음은 자명하다.
특별히 제한하지 않지만, 전지 모듈의 에너지밀도를 높일 수 있도록 격벽(113) 단독, 또는 격벽(113)과 접착부재(120)로 이루어진 두께는 2mm 이하, 바람직하게 1mm 이하일 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지셀의 단면도이다. 본 발명의 모듈 케이스에 수납되는 전지셀은 도 4에 도시한 원통형 전지셀에 한정하지 않고 각형 전지셀이어도 무방하다.
도 4에 도시한 바와 같은 원통형 전지셀을 예를 들어 설명하면, 전지셀(130)은 권취형 구조의 전극조립체(131)를 금속 캔(132)에 수납하고, 금속 캔(132) 내에 전해액을 주입한 후에, 금속 캔(132)의 개방 상단에 전극 단자가 형성되어 있는 캡 어셈블리(133)를 결합하여 제작할 수 있다.
여기서, 전극조립체(131)는 양극(131(a))과 음극(131(b)), 및 분리막(131(c))을 차례로 적층하고 둥근 형태로 권취하여 제조된다.
전극조립체(131)의 중앙 부위에 형성된 관통형의 권심부(134)에는 원통형의 센터 핀(135)이 삽입되어 있고, 센터 핀(135)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어지는데 이러한 센터 핀(135)은 전극조립체(131)를 고정 및 지지하는 작용과 함께 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
한편 캡 어셈블리(133)의 상단 중앙 부위에는 돌출된 형태로 양극 단자(133(a))가 형성되어 있으며, 금속 캔(132)의 나머지 부위는 음극 단자(133(b))를 형성한다.
물론 이차전지로 사용가능한 전지셀이라면 전술한 구성과 동일한 원통형 전지셀(130)로 제한하지 않는다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈의 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 모듈의 제조방법은, 복수개의 수납부가 형성된 모듈 케이스를 준비하는 단계(S1), 복수개의 수납부에 접착부재를 주액하는 단계(S2), 수납부에 전지셀을 수납시키는 단계(S3), 및 소정 온도로 가열하여 전지셀을 고정하는 단계(S4)를 포함하여 구성된다.
먼저, 복수개의 수납부가 형성된 모듈 케이스를 준비하는 단계(S1)에서는 전술한 바와 같은 구성을 갖는 모듈 케이스(110), 즉 하판(111)과 4개의 측판(112)에 의해 공간부가 마련되며 공간부에는 하부 격벽((113(a))과 상부 격벽(113(b))으로 이루어진 격벽(113)들에 의해 수납부(114)가 형성된 모듈 케이스(110)를 준비하는 단계이다.
여기서, 수납부(114)의 내경은 수납된 원통형 전지셀의 외경보다는 조금 더 커야함은 자명하고, 상부 격벽(113(b))에는 글라스 버블(Glass bubble)이 혼입되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 모듈 케이스(110)는 사출 성형에 의한 일체형으로 제작되는 것이 바람직하고, 일 예로 오버몰딩(Over-Molding), 다중사출, 및 블록화 사출성형일 수 있으나, 이종 소재를 일체형으로 형성할 수 있는 성형 방법이라면 특별히 제한하지 않는다. 상기와 같은 성형 방법을 채용하게 되면 두께가 얇은 격벽(113)을 형성하는 것이 가능하고 나아가 격벽(113)의 두께가 균일하다는 이점이 있다.
복수개의 수납부에 접착부재를 주액하는 단계(S2)는, 주액부(200)를 통해 실리콘(Silicon), 에폭시(Epoxy), 및 폴리우레탄(Polyurethane)과 같은 열경화성 수지로 이루어진 접착부재(120)를 소정량 주입하는 단계이다.
접착부재(200)는 수납될 전지셀(130)과 격벽(113) 사이 틈새를 메워 전지셀(130)을 확실하게 고정하고 나아가 인근 전지셀(130)로의 열이 전달되는 것을 방지한다.
수납부에 전지셀을 수납시키는 단계(S3)는, 소정량의 접착부재(120)가 수납부(114)에 충진된 상태에서 전지셀(130)을 수납부(114)에 안착시키며, 이때 충진된 접착부재(120)는 격벽(113)과 전지셀(130) 사이 공간으로 밀려 올라가기 때문에 전지셀(130) 외주면을 감싸는 형상이 된다.
마지막 단계인 소정 온도로 가열하여 전지셀을 고정하는 단계(S4)는, 접착부재(120)인 열경화성 수지가 경화될 수 있을 정도의 소정 온도에서 소정 시간 가열하여, 전지셀(130)을 격벽(113)에 고정하는 단계이다.
종래에는 복수개의 전지셀을 모듈 케이스에 수납시킨 이후에 전지셀들 사이 공간부로 열경화성 수지를 주입 및 경화시키는 과정을 통하여 전지 모듈을 제조하여 왔고, 따라서 전지셀들 사이의 좁은 틈새로 열경화성 수지를 주입하는 것이 용이하지 않았을 뿐만 아니라 이에 따른 제품 불량과 제조시간이 많이 소요되었다.
하지만 본 발명에서는 전지셀의 수납부가 형성된 모듈 케이스를 준비하고, 접착부재를 수납부에 주액한 후 전지셀을 수납 및 경화시키기 때문에, 전지셀들을 서로 구획하는 격벽을 매우 쉽게 형성시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 상기 기재된 것 중 어느 하나 이상의 특징을 가지고 있는 전지 모듈 제조방법으로 제조된 전지 모듈이 수납된 전지 팩일 수 있다.
또한 본 발명은 상기 기재된 전지 팩이 장착된 디바이스일 수 있고, 상기 디바이스는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등과 같이 대용량의 전지를 포함하는 전자기기일 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100 : 전지 모듈
110 : 모듈 케이스
111 : 하판 112 : 측판
113 : 격벽
113(a) : 하부 격벽 113(b) : 상부 격벽
114 : 수납부
120 : 접착부재
130 : 전지셀
131 : 전극조립체
131(a) : 양극 131(b) : 음극
131(c) : 분리막
132 : 금속 캔
133 : 캡 어셈블리
133(a) : 양극 단자 133(b) : 음극 단자
134 : 권심부
135 : 센터 핀
200 : 주액부

Claims (11)

  1. 소정 크기의 공간부를 갖는 복수개의 수납부가 형성된 모듈 케이스를 준비하는 단계;
    상기 수납부에 전지셀을 수납시키는 단계; 및
    소정 온도로 가열하여 전지셀을 고정시키는 단계;를 포함하되,
    상기 모듈 케이스는 하판, 복수개의 측판, 및 상기 수납부를 형성하기 위한 복수개의 격벽을 포함하며,
    상기 격벽은 상기 하판에서 소정 높이 연장된 하부 격벽 및 상기 하부 격벽에서 소정 높이 연장된 상부 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 격벽과 상부 격벽은 상이한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모듈 케이스의 하판, 측판, 및 하부 격벽은 열가소성 수지로 이루어지고, 상부 격벽은 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 mPPE(modified Polyphenylene ether) 또는 PC(Polycarbonate)이고, 상기 열경화성 수지는 실리콘(Silicon), 에폭시(Epoxy), 및 폴리우레탄(Polyurethane) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 상부 격벽은 글라스 버블(Glass bubble)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는 사출 성형에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소정 크기의 공간부를 갖는 복수개의 수납부가 형성된 모듈 케이스를 준비하는 단계와 수납부에 전지셀을 수납시키는 단계 사이에는 상기 수납부에 접착부재를 주액하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 접착부재는 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀은 원통형 또는 각형인 것을 특징으로 하는 연쇄발화를 방지하는 전지 모듈의 제조방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 전지 모듈 제조방법으로 제조된 전지 모듈이 수납된 전지 팩.
  11. 제9항에 기재된 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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