KR20220014117A - 흡열 방화벽을 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 화재에 따른 열전이 현상을 제어할 수 있는 흡열 방화벽을 포함하는 배터리 모듈에 대한 것으로서, 복수개의 이차전지 셀이 하우징 부재 내에 수용된 배터리 모듈로서, 상기 이차전지 셀은 복수개의 음극과 양극이 분리막을 경계로 교대로 적층되고, 전해액이 충진되어 파우치 외장재에 삽입된 파우치형 이차전지 셀이고, 상기 복수개의 이차전지 셀 사이에 흡열 방화벽이 개재되며, 상기 흡열 방화벽은 흡열층 및 상기 흡열층 양면에 내화층이 적층된 것인 배터리 모듈을 제공한다.

Description

흡열 방화벽을 포함하는 배터리 팩{SANDWICH FIRE WALL AND BATTERY PACK COMPRISING THE SAME}
본 발명은 배터리 화재에 따른 열전이 현상을 제어할 수 있는 흡열 방화벽을 포함하는 배터리 팩에 대한 것이다.
모바일 기기, 전기자동차 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지 셀의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지 셀은 화학에너지와 전기에너지 간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지이다.
이러한 이차전지 셀은 이차전지의 주요 구성물인 양극, 음극, 분리막 및 전해액 등의 전극조립체 및 이를 보호하는 다층 외장재(Laminated Film Case)의 셀바디부재를 포함한다.
또한 상기 이차전지 셀 복수 개를 장착하여 배터리 모듈로 전기자동차 등에 설치되기도 한다.
그런데 상기 전극조립체는 충전 및 방전의 과정을 거치면서 발열이 발생하게 되는데, 이러한 발열에 의한 온도 상승은 이차전지 셀의 성능을 저하시키게 됨은 물론, 이러한 이차전지 셀의 온도 상승과 같은 배터리 모듈의 내부적인 요인으로 어느 하나의 이차전지 셀이 폭발하거나, 외부적인 충격에 의해서 어느 하나의 이차전지 셀이 폭발하는 문제가 발생할 수 있다.
더욱이, 어느 하나의 이차전지 셀의 폭발이 주변의 다른 이차전지 셀에 고온, 고압을 작용하여 연쇄적인 이차전지 셀의 폭발로 이어지는 문제가 야기될 수 있다.
상기와 같은 이차전지의 열 폭주 상황에서 인접 셀로의 열전도를 억제하기 위한 열폭주 방지시트에 대한 기술이 개발되었다. 일부의 종래기술들은 열 발생시 냉각 배터리 모듈의 냉각을 위한 냉각부재를 포함하거나, 또는 열전도성 첨가제를 포함하는 카트리지를 배터리 모듈 내에 구비함으로써 열전달 효율을 향상시키는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이와 같은 종래기술은 전지 구동시에 발생되는 열의 냉각을 위한 것으로서, 셀 폭발과 같은 열 폭주 상황에서는 기능하지 못하는 한계가 있다.
또 다른 종래 기술로는, 열 폭주 상황에서, 셀로부터 급속히 발생된 열을 흡수하고, 화염을 차단하기 위해, 열폭주 방지시트를 셀과 셀 사이에 배치하는 기술이 일부 개시되어 있다. 이러한 종래기술에 개시된 열폭주 방지시트는 넓은 온도범위에서 흡열 기능을 갖거나, 또는 400℃ 이상의 높은 온도에서 흡열기능을 발휘한다. 따라서, 종래의 열폭주 방지시트는 열 폭주 현상이 발생하였을 때, 전지 또는 모듈 내의 온도가 증가하면서 흡열 기능을 발휘하여 장시간 동안 열 폭주 환경 하에 셀들이 노출되게 되며, 이로 인해 모듈 내의 인접 셀로, 또는 인접하는 배터리 모듈에까지 열로 인한 전지의 기능 손상을 야기할 수 있다.
따라서, 셀, 배터리 모듈 또는 배터리 팩이 열폭주 환경 하에 노출되었을 때, 특정 온도, 보다 바람직하게는 인접 셀이 전지의 기능을 상실할 수 있는 소정의 온도에까지 도달하기 전에 흡열할 수 있는 화염을 차단하고, 흡열 기능을 갖는 흡열 방화벽을 포함하는 배터리 모듈에 대한 연구가 필요하다.
JP 2018-503233 A
본 발명은 어느 하나의 이차전지 셀의 열이 다른 이차전지 셀로 전이되는 열전이 문제를 방지할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다른 측면에서, 본 발명은 어느 하나의 이차전지 셀의 폭발에 의한 화염에 의해서 다른 이차전지 셀이 연쇄적으로 폭발하는 문제를 개선한 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 일 구현예에 따르면, 복수개의 이차전지 셀이 하우징 부재 내에 수용된 배터리 모듈로서, 상기 이차전지 셀은 복수개의 음극과 양극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 전극조립체 및 상기 전극조립체를 감싸는 파우치 외장재를 포함하고, 상기 복수개의 이차전지 셀 사이에 흡열 방화벽이 개재되며, 상기 흡열 방화벽은 흡열층 및 상기 흡열층 양면에 적층된 내화층을 포함하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 흡열층은 수산화알루미늄, 탈크, 탄산칼슘, 규조토, 산화티탄, 질석(버미큘라이트), 제올라이트 및 화이트카본(합성 실리카)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 무기물 분체를 포함한다.
상기 내화층은 브롬계 난연제, 염소계 난연제, 인계 난연제, 붕소계 난연제, 실리콘계 난연제 및 질소 함유 화합물로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 일종의 난연제를 포함한다.
상기 흡열 방화벽은 0.12 내지 3mm의 두께를 가지며, 흡열층의 두께는 어느 하나의 내화층의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 흡열층은 0.1 내지 1mm의 두께를 가지고, 내화층은 10㎛ 내지 1mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 흡열 방화벽은 0.12 내지 3mm의 두께를 가지며, 흡열층의 중앙부 두께가 내화층의 중앙부 두께보다 두껍고, 흡열층의 외측부 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 흡열층의 외측부 두께는 내화층의 외측부 두께와 동일하거나 보다 얇을 수 있다.
상기 흡열 방화벽은 110 내지 150℃에서 흡열반응하고, 흡열반응에 의해 상변화, 팽창, 발포 및 경화 중에서 적어도 하나의 구조 변화가 일어나는 것일 수 있다.
상기 흡열 방화벽은 흡열반응에 의한 무게 감소량이 20 내지 40%일 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차전지 셀 사이 등에 흡열 방화벽을 포함함으로써 어느 하나의 이차전지 셀에서 화재 발생시에 배터리 팩 구조 내의 다른 이차전지 셀로의 열전이를 지연 내지 방지할 수 있다.
보다 구체적으로, 배터리 모듈 내의 일부 이차전지 셀에서의 발화 등으로 인해 열 폭주 현상이 발생하는 경우에, 열 폭주 현상 초기의 낮은 온도에서 열을 흡수할 수 있도록 함으로써, 인접 셀, 나아가 배터리 모듈 또는 나아가 배터리 모듈로의 성능 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 배터리 모듈을 도시한 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 배터리 모듈을 도시한 정면도이다.
도 3은 인접하는 두 이차전지 셀 사이에 내화층 및 흡열층이 일정한 두께를 갖는 흡열 방화벽이 설치된 예를 도시한 정면도이다.
도 4는 인접하는 두 이차전지 셀 사이에 내화층 및 흡열층의 두께를 조정한 흡열 방화벽이 설치된 예를 도시한 정면도이다.
도 5는 인접하는 두 이차전지 셀 사이에 내화층 및 흡열층의 두께를 조정한 흡열 방화벽이 설치된 다른 예를 도시한 정면도이다.
도 6은 인접하는 두 이차전지 셀 사이에 내화층 및 흡열층의 두께가 중앙부에서 외측부로 갈수록 점진적으로 두께 변화를 갖도록 조정한 흡열 방화벽이 설치된 또 다른 예를 도시한 정면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호 또는 유사한 방식으로 부여된 참조 부호는 동일 구성 요소 또는 대응하는 구성요소를 지칭하는 것으로 한다.
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 상기 배터리 모듈은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 복수 개의 이차전지 셀(10)이 하우징 부재(20) 내에 수용된다.
상기 이차전지 셀(10)은 음극과 양극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 전극조립체가 외장재에 삽입되고, 전해액이 충진된 이차전지 셀이다.
상기 전해액은 이에 한정하는 것은 아니지만, EC(ethylene carbonate), PC(propylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate) 등과 같은 유기 용매에 LiPF6, LiBF4 등과 같은 리튬염을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 전해액은 액체, 고체 또는 겔상일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 외장재는 상기 전극조립체를 보호하며, 상기 전해액을 수용하는 것으로서, 파우치형 외장재이다. 파우치형 외장재는 상기 전극조립체를 3면 또는 4면에서 실링함으로써 전극조립체 및 전해액을 수용한다.
본 발명은 배터리 모듈 내에 포함된 복수의 이차전지 셀(10) 중 어느 하나의 셀에 폭발 등으로 인해 화염이 발생한 경우에 화염 및 이에 의한 열이 인접 셀로 전이되는 것을 방지하고자 하는 것이다. 통상 캔형 배터리에 있어서는 셀의 폭발 등으로 인해 화염이 발생하더라도 이러한 화염이 상기 캔 외부로 노출되지 않아, 본 발명에서와 같은 문제를 가지지 않는다. 그러나, 파우치형 외장재를 사용한 파우치 타입의 이차전지 셀(10)에 있어서는 셀 내부에서 폭발 현상이 발생하면 파우치 외장재가 파괴되면서 파우치 외부로 화염이 노출되고, 이로 인해 인접 셀로의 화염 및 열의 전이가 일어나기 쉽다. 따라서, 본 발명은 파우치 타입의 이차전지 셀(10)에 효과적으로 적용될 수 있다.
상기 파우치형 이차전지 셀(10)의 복수 개가 하우징 부재(20) 내에 수용됨으로써 배터리 모듈을 구성한다. 상기 하우징 부재(20)는, 복수의 상기 이차전지 셀(10)이 수용되는 배터리 모듈의 바디 역할을 수행하는 것이다.
또한, 상기 하우징 부재(20)는 복수의 이차전지 셀(10)이 수용되는 부재로서, 상기 이차전지 셀(10)을 보호하면서도 상기 이차전지 셀(10)이 생성한 전기 에너지를 외부로 전달하거나, 외부로부터 전기 에너지를 상기 이차전지 셀(10)로 전달한다.
이를 위해서, 상기 하우징 부재(20)는, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 바닥부재(21) 및 측벽부재(22) 등으로 구성될 수 있다.
상기 바닥부재(21)는 상기 복수의 이차전지 셀(10)이 안착되며, 이렇게 안착된 상기 복수의 이차전지 셀(10)을 지지한다. 나아가, 상기 바닥부재(21)는 상기 이차전지 셀(10)에서 발생한 열을 외부의 히트싱크로 전달하여 냉각시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 측벽부재(22)는 상기 하우징 부재(20)의 측부를 형성하는 것으로서, 상기 이차전지 셀(10)에서 발생한 열을 외부로 배출할 수도 있다.
상기 하우징 부재(20)는 추가로 상기 측벽부재(22)의 상단에 구비되는 커버부재(23)를 포함하여, 상기 이차전지의 상단부를 보호하게 구성될 수 있다. 또한 상기 하우징 부재(20)는 상기 측벽부재(22)와 이웃한 전방부재(26), 후방부재(27)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 복수의 이차전지 셀(10)을 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
나아가, 상기 하우징 부재(20)는 상기 이차전지 셀을 외부와 전기적으로 연결하는 버스바 부재(25) 등의 부가 구성을 구비할 수도 있다.
또한, 상기 측벽부재(22)의 내측면에는 압축부재(24)가 구비되어 상기 이차전지(10)를 더욱 견고하게 보호할 수도 있다.
상기 모듈 내에 수용된 복수의 이차전지 셀(10) 중 어느 하나의 이차전지 셀(10)에 열이 발생하는 경우, 상기 열은 인접하는 다른 이차전지 셀(10)로 전이될 수 있으며, 또한, 어느 하나의 이차전지 셀(10)의 폭발에 의한 화염에 의해서 인접하는 다른 이차전지 셀(10)이 연쇄적으로 폭발하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 억제 내지 방지하기 위해서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 배터리 모듈 내에 수용된 복수 개의 이차전지 셀(10) 중 어느 하나의 이차전지 셀(10)과 인접하는 이차전지 셀(10) 사이에 흡열 방화벽(30)을 구비한다.
상기 흡열 방화벽(30)은 어느 하나의 이차전지 셀(10)에서 발생하는 열 및/또는 화염이 인접하는 다른 이차전지 셀(10)로 전파되지 않도록 화염을 차단하고, 발생된 열을 흡수하여 인접하는 이차전지 셀로의 열 전이를 차단하는 역할을 수행한다. 이에 의해서, 어느 하나의 이차전지 셀(10)에서의 열 전이 또는 폭발 전파 문제를 방지할 수 있게 된다.
이에, 본 발명에 따른 흡열 방화벽(30)은 흡열층(32)을 포함한다. 상기 흡열층(32)을 이차전지 셀(10)의 폭발 등으로 인해 발생한 열을 흡수하여 인접하는 이차전지 셀(10)로의 열 전이 현상이 발생하는 것을 방지 내지 지연시킬 수 있다.
상기 흡열층(32)은 수산화알루미늄, 탈크, 탄산칼슘, 규조토, 산화티탄, 질석(버미큘라이트), 제올라이트 및 화이트카본(합성 실리카)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 무기물 분체를 포함한다. 상기 무기물 분체들은 탈수 반응에 의해 열을 흡수하는 기능을 수행하며, 무기 단열층을 형성한다.
특히 배터리 모듈 내에 수용된 어느 하나의 이차전지 셀(10)의 폭발 등으로 인해 화염이 발생하는 경우, 화염 및 열은 인접 이차전지 셀(10)로 빠르게 전파된다. 따라서, 발생된 열을 신속하게 흡열할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 무기물 분체는 그 형상을 특별히 한정하지 않으나, 구상, 입상, 섬유상, 봉상, 플레이크상일 수 있으며, 구상인 것이 보다 바람직하다.
상기 흡열층(32)은 상기 무기물 분체를 시트 형상으로 형성하기 위해 바인더를 포함한다. 상기 바인더로는 열경화성 수지, 열가소성 수지, 열가소성 엘라스토머 및 고무 등을 들 수 있다.
나아가, 상기 흡열층(32)은 열의 흡수에 의해 무기물 분체의 상변화, 상변화에 의한 팽창, 발포 및 경화 등의 현상이 일어나는데, 이러한 현상의 발현 중에 흡열층(32)의 구조가 붕괴되는 것을 억제하고 무기물 분체 잔사의 강도를 높일 수 있다. 또한 열에 의한 잔사의 붕괴에 대한 내구성을 부여할 수 있다.
상기 열가소성 수지로서는, 예를 들어, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리(1-) 부텐 수지, 폴리펜텐 수지 등의 폴리 올레핀 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 폴리에스테르 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티 렌(ABS) 수지, 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA), 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 에테르 수지, (메타)아크릴계 수지, 폴리아미드 수지, 폴리염화비닐 수지(PVC), 노볼락 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리이소부틸렌 등의 합성수지를 들 수 있다.
상기 열경화성 수지로서는, 예를 들어, 폴리우레탄, 폴리이소시아네이트, 폴리이소시아네이트, 페놀 수지, 에폭시 수지, 요소수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 폴리이미드 등의 합성수지를 들 수 있다.
상기 열가소성 엘라스토머는, 예를 들어, 올레핀계 엘라스토머, 스티렌계 엘라스토머, 에스테르계 엘라스토머, 아미드계 엘라스토머, 염화비닐계 엘라스토머, 이들의 조합 등을 들 수 있다.
또한, 상기 고무로는, 예를 들어, 천연 고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 1,2-폴리부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 염소화 부틸 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM), 클로로설포네이티드 폴리에틸렌, 아크릴 고무, 에피클로로히드린 고무, 다가황 고무, 비가황 고무, 실리콘 고무, 불소 고무, 우레탄고무 등의 고무 물질 등을 들 수 있다.
상기 바인더로는 상기 합성수지 및/또는 고무 중 어느 하나를 단독으로 사용할 수 있으며, 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
이들의 합성수지 및/또는 고무 물질 중에서도 성형 가공성 점에서는 PVC, EVA가 바람직하다. 유연하고 고무적 성질을 얻기 위해서는 부틸고무 등의 비가황 고무 및 폴리올레핀 수지가 바람직하다. 내열성 관점에서는 폴리이미드, PVC가 바람직하다. 수지 자체의 난연성을 높여 방화 성능을 향상시키는 관점에서는 에폭시 수지가 바람직하다.
본 발명에 따른 흡열층(32)은 110℃ 이상의 온도에서 흡열반응을 시작하며, 110 내지 150℃의 온도범위에서 전체 흡열 성능의 50% 이상, 예를 들어, 50 내지 80%의 흡열 성능이 발현된다. 구체적으로, 본 발명에 따른 흡열층(32)은 열을 흡수함으로써 흡열층(32)의 무게가 감소하며, 150℃까지의 온도구간에서 26% 이상의 무게감소율을 갖는다. 이로 인해, 열 폭주 상황에서 신속하게 열을 흡수하여 배터리 모듈 내부의 온도가 상승하는 것을 억제 내지 지연시킬 수 있다.
다만, 상기 흡열층(32)이 화염에 직접 노출되는 경우에는 흡열층(32)에 포함된 흡열성분인 무기물 분체가 산화하여 흡열성능이 현저히 저하되는 문제가 발생한다. 따라서, 상기 흡열층(32)이 화염에 직접 노출되는 것을 방지하는 것이 바람직하며, 이를 위해, 본 발명의 흡열 방화벽(30)은 상기 흡열층(32)의 양면에 화염을 차단하는 내화층(31)을 구비한다.
상기 내화층(31)은 인접한 이차전지 셀(10)에서 발생한 화염을 차단함은 물론, 폭발시에 발생하는 입자 및 오일 미스트가 인접하는 이차전지 셀(10)로 전이되는 것을 차단하여, 인접 이차전지 셀(10)을 보호하는 역할도 수행한다.
이를 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 상기 내화층(31)은, 상기 흡열층(32) 보다 내화성이 높은 소재를 사용할 수 있다.
인접한 상기 이차전지 셀(10)에서 발열 또는 폭발 등에 의해서 열 또는 화염이 발생한 경우에, 상기 흡열 내화벽(30)의 외부층을 형성하는 상기 내화부(31)가 직접 열 또는 화염이 노출된다. 따라서, 이러한 열 및 화염에 의해서 상기 흡열층(32)이 녹거나 타버리는 등의 문제를 방지하기 위해서, 상기 내화층(31)을 상기 흡열층(32)보다 내화성이 높은 소재로 형성하는 것이다.
일례로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리모듈의 상기 내화층(31)은, 녹는점이 적어도 1000℃ 보다 높은 소재로 형성될 수 있다. 이에 의해서, 인접한 상기 이차전지 셀(10)에서 발열 또는 폭발 등에 의해서 열이 발생하되, 1000℃ 이하의 열을 형성하는 경우에, 상기 내화층(31)이 녹지 않게 되고, 나아가, 화염에 흡열층(32)이 직접 노출되지 않게 된다. 이에 따라 상기 흡열 방화벽(30)은 내구성을 확보할 수 있게 된다.
예를 들어, 상기 내화층(31)은 불연성 기재를 사용할 수 있으며, 이러한 불연성 기재로는 금속 기재, 무기 기재 등을 들 수 있다. 이중 상기 금속 기재로는, 예를 들어, 알루미늄, 철, 스테인리스, 주석, 납, 주석납 합금, 구리 등이나, 또는 이들 중 2 이상의 합금으로 된 시트를 사용할 수 있다.
또한, 상기 무기 기재로는 유리 섬유, 암면, 세라믹 울, 석고 섬유, 탄소 섬유, 스테인리스 섬유, 슬래그 섬유, 알루미나 섬유, 실리카 섬유, 실리카 알루미나 섬유, 지르코니아 섬유 등을 이용한 무기 섬유로 된 시트상 기재일 수 있다. 또한 무기 섬유층에 사용하는 무기 섬유는 금속박 상에 라미네이트할 수도 있다.
상기 내화층(31)은 난연제를 포함할 수 있다. 상기 난연제로는 브롬계 난연제, 염소계 난연제, 인계 난연제, 붕소계 난연제, 실리콘계 난연제 및 질소 함유 화합물로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 일종 난연제를 들 수 있다. 난연제는 하나를 단독으로 또는 2종 이상을 조합해 이용할 수 있다.
상기 브롬계 난연제는 브롬계 가스를 발생시켜 산소를 차단함으로써, 연소를 억제하는 것으로서, 테트라브로모 비스페놀 A, 데카브로모 비페닐, 펜타브로모 디페닐에테르 등을 들 수 있다.
상기 염소계 난연제는 염소계 가스를 발생시켜 산소를 차단함으로써, 연소를 억제하는 것으로서, 염소계 파라핀, 염소계 폴리에틸렌 등을 들 수 있다.
상기 인계 난연제는 내화층 표면 또는 내부에 탄화층을 생성함으로써 산소, 열을 차단하는 것으로서, 인산 에스테르, 폴리인산 암모늄 등을 들 수 있다.
상기 붕소계 난연제 또한 내화층 표면 또는 내부에 탄화층을 생성함으로써 산소, 열을 차단하는 것으로서, 폴리붕산나트륨, 붕사, 붕산아연 등을 들 수 있다.
상기 실리콘계 난연제는 내화층 표면 또는 내부에 Si-C 무기 단열층을 형성하는 것으로서, 실리콘 수지 등을 들 수 있다.
상기 질소 함유 화합물은 질소계 가스에 의해 산소를 차단하는 것으로서, 인산 암모늄, 구아니딘 화합물, 멜라민 화합물 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 흡열 방화벽(30)은 상기한 바와 같이, 흡열층(32)의 양면에 내화층(31)이 적층된 다층 구조로서, 배터리 모듈 내에 수용된 어느 하나의 이차전지 셀(10)에서 발화가 일어나는 경우에 상기 내화층(31)에 의해 화염이 전이되는 것을 차단하고, 흡열층(32)에 의해 화염에 의한 열을 흡수함으로써 인접하는 이차전지 셀(10)로의 열 전이를 방지 내지 지연시킬 수 있다. 나아가, 다른 배터리 모듈로의 열 전이를 차단하여, 다른 이차전지 셀(10) 또는 배터리 모듈이 열에 의해 기능을 상실하는 것을 방지하여 배터리의 전체적인 기능 상실을 방지할 수 있다.
상기 내화층(31)은 필요에 따라서, 열팽창성 재료를 추가로 함유할 수 있다. 상기 열팽창성 재료로는 단열층을 형성하고, 화염이나 열의 유로가 되는 공간을 폐색하는 효과를 제공할 수 있으며, 이로 인해, 화염이나 과도한 열이 상기 흡열층(32)에 전달되는 것을 억제 내지 저감시킬 수 있다.
상기 열팽창성 재료로는 열팽창성 마이크로캡슐, 물을 함유하는 마이크로 캡슐, 발포제, 마이크로 캡슐화 발포제, 열팽창성 층형 무기물 등을 들 수 있으며, 이들 중 2 이상을 조합하여 포함할 수 있다.
상기 열팽창성 마이크로 캡슐은 1종 또는 이종 이상의 모노머와 가교제를 포함한 조성물을 중합시켜 얻어진 가소성 폴리머로 형성된 쉘 안에 상기 폴리머의 연화점 이하의 온도에서 가스상태로 되는 휘발성 팽창제를 내포시킨 것으로서, 예를 들어, 쉘은 (메타)아크릴로니트릴을 95중량% 이상 함유하고 (메타)아크릴로니트릴 중의 70중량% 이상이 아크릴로니트릴인 모노머 혼합물을 중합시켜서 이루어진 중합체로 구성되며, 가교도가 60중량% 이상인 열팽창성 마이크로 캡슐일 수 있으며, 이에 대하여는 국제공개 제2010/052972호를 참조할 수 있다. 폴리머가 (메타)아크릴로니트릴 이외의 모노머를 포함할 경우, 그러한 모노머로서는 메타크릴산 에스테르, 아크릴산 에스테르, 스티렌, 염화비닐리덴 및 초산비닐로 구성되는 군에서 선택되는 모노머를 들 수 있다.
상기 휘발성 팽창제로서는 예를 들면 저비점 유기 용제나 가열에 의해 열분해하여 가스상태로 되는 화합물 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 저비점 유기 용제가 특히 적합하게 이용된다. 이러한 휘발성 팽창제는 단독으로 이용할 수 있고, 2 종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 저비점 유기 용제로서는 예를 들어, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로펜, n-부탄, 이소부탄, n-부텐, 이소부텐, n-펜탄, 이소펜탄, 네오펜탄, n-헥산, 헵탄, 노난, 데칸, 석유 에테르 등의 탄화수소; CCl3F, CCl2F2, CClF3, CClF2-CCl2F2 등의 클로로플루오로카본; 테트라메틸실란, 트리메틸에틸실란, 트리메틸이소프로필실란, 트리메틸-n-프로필실란 등의 테트라알킬실란 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 n-부탄, 이소부탄, n-펜탄, 이소펜탄, n-헥산, 노난, 데칸 및 석유 에테르 등의 탄화수소를 이용할 수 있고, 바람직하게는 탄소수 3 내지 12의 탄화수소를 사용할 수 있다. 또한, 직쇄 탄화수소나 에스테르도 이용할 수 있다. 특히 바람직하게는 탄소수가 4 이상의 탄화수소를 사용할 수 있다. 이들의 저비점 유기 용제는 단독으로 이용할 수 있음은 물론, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
상기 물을 함유하는 마이크로 캡슐은 물을 내포한 상기의 마이크로 캡슐이다.
상기 발포제로서는 무기계 발포제, 유기계 발포제 및 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 무기계 발포제로서는 예를 들어, 물, 탄산수소나트륨 등의 무기 화합물인 가스발생제를 들 수 있다. 이들 무기계 발포제는 어느 1종, 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
유기계 발포제로서는, 예를 들어, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로펜, n-부탄, 이소부탄, n-부텐, 이소부텐, n-펜탄, 이소펜탄, 네오펜탄, n-헥산, 헵탄, 노난, 데칸, 석유 에테르 등의 탄화수소; 아조다이카본아미드(ADCA), 아조 디아미노벤젠 등의 아조화합물 함유 발포제; 디니트로소펜타메틸렌테트라민(DPT), N,N'-디니트로소-N,N'-디메틸테레프탈아미드 등의 니트로소 화합물 함유 발포제; 벤젠술포닐히드라지드, p,p'-옥시비스벤젠술포닐히드라지드(OBSH), 하이드라조디카본아미드(HDCA) 등의 설포닐하이드라자이드 함유 발포제 등을 들 수 있다. 이들 유기계 발포제는 1종을 단독으로 사용할 수 있고, 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
마이크로 캡슐화 발포제는 상술한 발포제의 일종 또는 2종 이상을 마이크로 캡슐에 봉입한 것이다. 마이크로 캡슐에 사용하는 합성수지로서는 예를 들면 일정 온도 이상이 되면 용융하여, 마이크로 캡슐이 깨지지 않고 거의 구형으로 팽창하는 점도를 가지는 열가소성 합성수지를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로서, 상기 흡열 방화벽(30)은 도 3에 나타낸 바와 같이, 흡열층(32)의 두께가 두껍고, 내화층(31)의 두께가 얇으며, 전체적인 두께는 일정한 다층 구조일 수 있다.
예를 들어, 내화층(31)/흡열층(32)/내화층(31)의 구조를 갖는 상기 흡열 방화벽(30)의 전체 두께는 0.12mm 내지 3mm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 내화층(31) 및 흡열층(32)은 일정한 두께를 갖는다. 예를 들어, 본 구현예에 있어서, 상기 흡열 방화벽(30)을 구성하는 흡열층(32)은 0.1 내지 1mm의 두께를 가질 수 있으며, 0.1 내지 0.8mm, 0.3 내지 0.8mm, 0.3 내지 0.5mm의 두께를 가질 수 있다. 0.1mm 미만인 경우에는 흡열층(32)의 두께가 지나치게 얇아 열 폭주 환경에서 신속한 열 흡수능을 발휘하기 어려우며, 1mm를 초과하는 경우에는 배터리 모듈의 두께가 증가하여 전지용량 감소를 초래하여 바람직하지 않다.
한편, 상기 흡열 방화벽(30)을 구성하는 내화층(31)은 10㎛ 내지 1mm의 두께를 가질 수 있으며, 예를 들어, 10㎛, 30㎛, 50㎛, 100㎛ 또는 300㎛ 이상이고, 1mm, 0.7mm 또는 0.5mm 이하의 두께일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로서 상기 흡열 방화벽(30)에 있어서, 상기 상기 흡열층(32)은 상기 이차전지 셀(10)의 본방, 즉, 이차전지의 합제층이 형성된 영역과 접하는 영역인 중앙부에서의 두께가 외측부, 즉, 가장자리의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기와 같은 일 구현예에 따른 흡열 방화벽(30)의 단면 구조를 도 4 또는 5에 개략적으로 나타내었다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 흡열 방화벽(30)은 상기 이차전지 셀(10)의 본방과 접하는 영역의 중앙부에서 상기 내화층(31)의 두께(tc1)보다 상기 흡열층(32)의 두께(tc2)를 더 두껍게 형성하고, 한편, 상기 이차전지 셀(10)과 접하는 영역의 외측부에서는 상기 내화층(31)의 두께(te1)와 상기 흡열층(32)의 두께(te2)는 동일하게 형성할 수 있다. 따라서, 흡열층(32)의 두께는 중앙부와 외측부에서 상이하고, 중앙부에서의 두께가 더 두꺼울 수 있다.
이와 같이, 상기 이차전지 셀(10)에서 비교적 열이 많이 발생하는 중앙부와 대면하는 영역에서 상기 흡열층(32)을 더 두껍게 형성함으로써 중앙부에서의 흡열 효과가 집중적으로 나타나도록 할 수 있다.
또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 흡열 방화벽(30)은, 상기 이차전지 셀(10)의 본방과 접하는 영역의 중앙부에서 상기 내화층(31)의 두께가 상기 흡열층(32)의 두께보다 얇은 구조를 가질 수 있으며, 한편, 상기 이차전지 셀(10)과 접하는 영역의 외측부에서는 상기 내화층(31)의 두께(te1)가 상기 흡열층(32)의 두께(te2)보다 두껍게 형성할 수 있다.
이때, 상기 이차전지 셀의 본방과 접하는 영역에서의 흡열층의 두께와 내화층의 두께는 상기한 바와 같은 두께 범위를 가질 수 있는 것으로서, 구체적인 설명은 생략한다.
이차전지 셀(10)의 폭발에 의해서 화염이 발생하는 영역은 주로 상기 이차전지 셀(10)의 외측부이다. 이와 같이 화염 발생 비율이 높은 이차전지 셀(10)의 외측부와 대면하는 영역에서 상기 내화층(31)의 두께를 중앙부에 비하여 두껍게 형성함으로써 외측부를 화염에 대하여 보다 더 견고하게 할 수 있으며, 이로 인해, 외측부에서 발생하는 화염을 차단하여 흡열층(32)이 화염과 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인해 흡열층(32)의 성능을 유지할 수 있다.
이때, 도 4 및 도 5로 나타내는 구현예에 있어서 흡열 방화벽의 전체 두께는 도 3에 나타내는 구현예에 따른 두께 범위로 형성될 수 있다.
본 발명의 흡열 방화벽(30)은, 다른 구현예로서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 내화층(31)이 중앙부에서 외측부로 갈수록 점진적으로 두께가 감소하도록 설계될 수 있다. 즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡열 방화벽(30)은 내화층(31)의 두께가 상기 이차전지 셀(10)의 본방과 접하는 영역의 외측부에서 중앙부로 갈수록 점진적으로 감소하고, 흡열층(32)은 중앙부로 갈수록 점진적으로 두께가 증가하도록 구성할 수 있다. 이때, 상기 내화층(31) 및 흡열층(32)의 두께 변화는 도 5에 나타낸 바와 같이 연속적으로 변화할 수 있으며, 또한, 도시하지는 않았으나, 계단형태와 같이 단계적으로 변화할 수도 있다.
즉, 상기 흡열 방화벽(30)은 상기 이차전지 셀(10)과 접하는 영역의 중앙부에서 상기 내화층(31)의 두께(tc1)보다 상기 흡열층(32)의 두께(tc2)를 더 두껍게 형성하면서도, 상기 이차전지 셀(10)과 접하는 영역의 외측부로 갈수록 흡열층(32)의 두께를 감소시킬 수 있다. 이 경우, 흡열 방화벽(30)의 외측부에서는 상기 흡열층(32)의 두께(te2)보다 상기 내화층(31)의 두께(te1)를 더 두껍게 형성할 수 있다.
더하여, 이와 같은 두께 조정 비율을 점진적으로 변화하게 형성함으로써, 열의 발생이 비교적 많은 상기 이차전지 셀(10)의 중앙부로 갈수록 점차적으로 열전이방지 효과가 높아지게 형성할 수 있다. 또한 화염의 발생이 비교적 많은 상기 이차전지 셀(10)의 외측부로 갈수록 점차적으로 더 견고하게 형성하여 화염에 의해 소실되는 문제를 방지할 수 있게 된다.
이때, 도 5로 나타내는 구현예에 있어서 흡열 방화벽의 전체 두께는 도 2로 나타내는 구현예에 따른 두께 범위로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 배터리 모듈은 복수의 상기 이차전지 셀(10) 사이에 흡열 방화벽(30)을 구비하여 어느 하나의 이차전지 셀(10)에서 발생한 열 및 화염 중 적어도 하나가 주변의 다른 이차전지 셀(10)로 전파되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10: 이차전지 셀
20: 하우징 부재
21: 바닥부재
22: 측벽부재
23: 커버부재
24: 압축부재
25: 버스바 부재
26: 전방부재
27: 후방부재
30: 흡열 방화벽
31: 내화층
32: 흡열층

Claims (9)

  1. 복수개의 이차전지 셀이 하우징 부재 내에 수용된 배터리 모듈로서,
    상기 이차전지 셀은 복수개의 음극과 양극이 분리막을 경계로 교대로 적층된 전극조립체 및 상기 전극조립체를 감싸는 파우치 외장재를 포함하고;
    상기 복수개의 이차전지 셀 사이에 흡열 방화벽이 개재되며,
    상기 흡열 방화벽은 흡열층 및 상기 흡열층 양면에 적층된 내화층을 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흡열층은 수산화알루미늄, 탈크, 탄산칼슘, 규조토, 산화티탄, 질석(버미큘라이트), 제올라이트 및 화이트카본(합성 실리카)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 무기물 분체를 포함하는 것인 배터리 모듈
  3. 제1항에 있어서, 상기 내화층은 브롬계 난연제, 염소계 난연제, 인계 난연제, 붕소계 난연제, 실리콘계 난연제 및 질소 함유 화합물로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 일종의 난연제를 포함하는 것인 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흡열 방화벽은 0.12 내지 3mm의 두께를 가지며, 흡열층의 두께는 어느 하나의 내화층의 두께보다 두꺼운 것인 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 흡열층은 0.1 내지 1mm의 두께를 가지고, 내화층은 10㎛ 내지 1mm의 두께를 갖는 것인 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 흡열 방화벽은 0.12 내지 3mm의 두께를 가지며, 흡열층의 중앙부 두께가 내화층의 중앙부 두께보다 두껍고, 흡열층의 외측부 두께보다 두꺼운 것인 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 흡열층의 외측부 두께는 내화층의 외측부 두께와 동일하거나 보다 얇은 것인 배터리 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡열 방화벽은 110 내지 150℃에서 흡열반응하고, 흡열반응에 의해 상변화, 팽창, 발포 및 경화 중에서 적어도 하나의 구조 변화가 일어나는 것인 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 흡열 방화벽은 흡열반응에 의한 무게 감소량이 20 내지 40%인 배터리 모듈.
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