KR20220014723A - 냉각핀과 냉각 튜브를 구비한 배터리 셀 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각 성능을 향상시키기 위하여 배터리 셀의 일면에 접촉하여 배터리 셀을 냉각하는 플레이트 형태의 냉각핀 및 냉각핀의 모서리 둘레를 감싸는 형태로 냉각핀과 접촉하여 냉각핀을 냉각시키는 냉각 튜브를 포함하며, 냉각핀은 모서리 둘레에 냉각 튜브를 삽입할 수 있는 튜브 끼움부를 구비하고, 튜브 끼움부의 냉각 튜브와의 접촉면에는 열전도성 접착제를 구비한 배터리 셀 어셈블리에 관한 것이다.

Description

냉각핀과 냉각 튜브를 구비한 배터리 셀 어셈블리{Battery cell assembly with cooling fins and cooling tube}

본 발명은 배터리 셀, 냉각핀 및 냉각 튜브를 포함하고, 냉각핀과 냉각 튜브의 접촉면에 열전도성 접착제를 구비한 배터리 셀 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.

스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등에 적용되고 있다.

현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.0V ~ 5.0V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 셀 어셈블리를 구성하기도 하며, 또한 배터리 셀 어셈블리를 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 직렬이나 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성할 수도 있으며, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 추가적인 구성요소를 부가하여 배터리 팩을 제작하는 것이 일반적이다.

이러한 배터리 모듈 또는 배터리 팩은 에너지 밀도 등을 고려하여 리튬 이차 전지가 밀집된 형태로 제조하기 때문에, 각 전지에서 발생한 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다.

따라서, 배터리 모듈이나 배터리 팩에 히트싱크 등의 냉각 장치를 구비하거나, 또는 냉각핀과 냉각 튜브 등을 사용하여 배터리 셀을 직접 냉각시킬 수도 있다.

그러나 종래에는 냉각핀과 냉각 튜브를 결합하는 방법으로 접촉면을 용접하거나 또는 냉각핀의 끝단부에 끼움부를 형성하였으나, 이와 같은 방법으로는 부품의 제조 공차 등으로 인하여 냉각핀과 냉각 튜브의 접촉면이 전체에 걸쳐서 완전히 접촉되지 못하고 갭 등의 접촉 불량이 발생하는 문제가 있다.

또한 접촉 불량이 발생하면 접촉 저항이 증가하여 냉각핀에서 냉각 튜브로 열전달이 나빠지고, 이에 따라 배터리 셀 어셈블리의 냉각 성능이 저하하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 냉각핀과 냉각 튜브의 접촉면에 열전도성 접착제를 구비하여 냉각 성능이 향상된 배터리 셀 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀 어셈블리는 전극리드를 구비한 하나 이상의 배터리 셀, 배터리 셀의 일면에 접촉하여 배터리 셀을 냉각하는 플레이트 형태의 냉각핀 및 냉각핀의 모서리 둘레를 감싸는 형태로 냉각핀과 접촉하여 냉각핀을 냉각시키는 냉각 튜브를 포함하는 배터리 셀 어셈블리로서, 냉각핀은 모서리 둘레에 냉각 튜브를 삽입할 수 있는 튜브 끼움부를 구비하고, 튜브 끼움부의 냉각 튜브와의 접촉면에는 열전도성 접착제를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 어셈블리는 열전도성 접착제가 열전도성 에폭시 접착제, 열전도성 실리콘 접착제, 열전도성 우레탄 접착제 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 어셈블리는 열전도성 접착제가 광 개시제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 어셈블리는 배터리 셀이 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 어셈블리는 냉각핀이 알루미늄 재질인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 어셈블리는 냉각 튜브가 내부에 냉매가 순환되는 구조인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 어셈블리는 냉각 튜브가 알루미늄 재질인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 어셈블리는 카트리지를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 본 발명의 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 다른 디바이스는 본 발명의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 배터리 셀 어셈블리는 냉각핀과 냉각 튜브의 접촉면에 열전도성 접착제를 구비하여 접촉 저항을 줄임으로써, 접촉면 전체에서 열전달이 잘 이루어져 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 어셈블리는 냉각핀과 냉각 튜브의 접촉면에 열전도성 접착제를 구비하여 냉각핀과 냉각 튜브의 결합을 강화할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 배터리 셀 어셈블리는 열전도성 접착제가 냉각핀의 튜브 끼움부와 냉각 튜브 사이의 갭을 채울 수 있어, 튜브 끼움부의 설계 자유도를 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 어셈블리의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 어셈블리 중 일부를 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지를 포함하는 배터리 셀 어셈블리 중 일부를 나타낸 분해 사시도이다.

본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 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, 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 배터리 셀 어셈블리에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 어셈블리의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 어셈블리의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 배터리 셀 어셈블리(1000)에 대하여 상세하게 살펴보면, 배터리 셀 어셈블리(1000)는 하나 이상의 배터리 셀(100), 배터리 셀(100)과 접촉하여 배터리 셀(100)을 냉각하기 위한 냉각핀(200), 냉각핀(200)의 모서리 둘레를 따라 형성된 튜브 끼움부(210)에 결합하여 냉각핀(200)을 냉각하기 위한 냉각 튜브(300) 및 냉각핀(200)과 냉각 튜브(300)의 접촉면에 도포되는 열전도성 접착제(500)를 포함한다.

먼저 배터리 셀(100)은 전극 리드(110)와 실링부(120)를 포함하는 파우치형 배터리 셀(100)일 수 있다.

파우치형 배터리 셀(100)은 일반적으로 파우치 케이스 내에 수납된 전극 조립체, 전극 리드 및 전해질을 포함하여 구성된다.

여기서, 전극 조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 스택형 조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 조립체, 또는 전지 셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 조립체 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한하지 않는다.

또한, 전해질은 일반적으로 통용되는 액체전해질 외에도, 고체전해질이나, 고체전해질에 첨가제를 부가하여 액체와 고체 중간형태를 띄는 겔 형태의 준고체 전해질로 치환되어도 문제가 없음은 당연하다.

상기와 같은 전극 조립체는 전지 케이스에 수납되며, 전지 케이스는 통상적으로 내부층/금속층/외부층의 라미네이트 시트 구조로 이루어져 있다. 내부층은 전극 조립체와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해액성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다.

이러한 내부층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.

내부층과 접하고 있는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 전지 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 박막을 사용할 수 있다.

그리고 금속층의 타측면에는 외부층이 구비되며, 이러한 외부층은 전극 조립체를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록 인장강도, 투습방지성 및 공기투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.

한편, 한 쌍의 전극 리드는 양극 리드와 음극 리드로 이루어지며, 셀 조립체의 양극 탭과 음극 탭이 각각 전기적으로 연결된 후 전지 케이스 외부로 노출되거나, 탭을 생략하고 셀 조립체와 직접 연결되어도 무방하다.

다음으로, 냉각핀(200)은 배터리 셀(100)의 넓은 측면과 접촉하는 플레이트 형태를 가지고, 열전도성이 우수한 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있다.

또한, 냉각핀(200)은 플레이트의 모서리 둘레에 냉각 튜브(300)를 삽입할 수 있는 튜브 끼움부(210)가 형성되어 있다.

이어서, 냉각 튜브(300)는 내부에 냉매의 유동을 위한 유로가 형성되어, 결합된 냉각핀(200)을 냉각시키는 역할을 하며, 냉매의 종류는 특별히 한정되지 않고 공지의 다양한 냉매를 사용할 수 있으며, 냉각 튜브(300)의 재질은 냉각핀(200)과 동일하게 열전도성이 우수한 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 배터리 셀 어셈블리(1000)는 튜브 끼움부(210)와 결합되는 냉각 튜브(300)사이에 열전도성 접착제(500)가 위치하고 있다.

열전도성 접착제(500)는 일반적인 접착제에 비하여 열전도율이 높고 액상의 형태로 도포되어, 튜브 끼움부(210)에 냉각 튜브(300)를 삽입 시 이들 사이에서 발생할 수도 있는 갭을 방지하며, 그 결과 튜브 끼움부(210)와 냉각 튜브(300)사이의 접촉 저항을 낮춰 이들 사이에 열전달이 원활하게 일어날 수 있도록 한다.

즉, 튜브 끼움부(210)를 알맞은 크기로 형성하여 냉각 튜브(300)를 결합하더라도, 부품의 제조 공차 등에 의하여 발생할 수밖에 없는 갭 등에 의한 접촉 저항의 증가를 방지하는 역할을 할 뿐만 아니라, 접착력을 가지고 있어 튜브 끼움부(210)와 냉각 튜브(300)의 결합력을 강화하는 기능을 한다.

또한, 기존에는 튜브 끼움부(210)의 단면 형상이 삽입되는 냉각 튜브(300)와의 열전달 측면에서 가능한 넓은 면적이 접할 수 있도록 냉각 튜브(300)의 단면 형상에 대응하는 형상을 가져야만 했으나, 본 발명에서는 서로 다른 형상으로 제조되더라도 열전도성 접착제(500)가 튜브 끼움부(210)와 냉각 튜브(300) 사이의 갭부분을 채워 열전달이 원활하게 이루어지고, 결합력을 제공할 수 있으므로, 튜브 끼움부(210)의 형태에 대한 설계 자유도를 높일 수 있는 장점이 있다.

이로 인하여, 다양한 형태의 단면 형상을 가지는 냉각 튜브(300)를 사용할 경우에도 열전도성 접착제(500)를 적용한다면 동일한 냉각핀(200)을 사용하는 것도 가능하다.

이러한 열전도성 접착제(500)로는 공지의 다양한 열전도성 접착제(500)를 사용할 수 있고, 특히 열전도성 에폭시 접착제, 열전도성 실리콘 접착제, 열전도성 우레탄 접착제 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 열전도성 접착제(500)는 도포 후 경화시키는 단계를 거치는 것이 일반적인데, 경화시키는 방법으로는 공지의 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 예를 들면 열, 자외선 또는 열과 자외선을 둘 다 사용하는 방법 등이 열전도성 접착제(500)의 조성에 따라 다양하게 사용될 수 있고, 필요에 따라 열전도성 접착제(500)에 열 개시제나 광 개시제를 더 포함할 수도 있다.

한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 어셈블리 중 일부를 나타낸 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 카트리지를 포함하는 배터리 셀 어셈블리 중 일부를 나타낸 분해 사시도이다.

본 발명의 배터리 셀 어셈블리(1000)는 도 3에 나타낸 바와 같이 배터리 셀(100) 외에 냉각핀(200)과 냉각 튜브(300)만을 구비하여 형성될 수도 있고, 냉각 튜브(300) 없이 냉각핀(200)만을 구비하여 형성될 수도 있다.

또한, 도 4에 나타낸 바와 같이 카트리지(400)를 구비하여 배터리 셀 어셈블리(1000)를 제작할 수도 있다.

여기서, 카트리지(400)는 보통 폴리머 재질로 형성되고, 중앙 부분이 비어 있는 사각 플레이트 형태의 카트리지 프레임(410)과 냉각 튜브(300)와 연결되어 냉매가 출입하는 냉매 출입구(420)를 구비하여, 카트리지 프레임(410) 내에 냉각 튜브(300)가 결합된 냉각핀(200)이 위치하게 된다.

또한, 카트리지(400)는 배터리 셀(100)을 용이하게 적층하고, 외부의 충격 등으로부터 배터리 셀(100)을 보호하며 유동을 방지하여 배터리 셀 어셈블리(1000)를 안정적으로 구성할 수 있도록 한다.

각각의 카트리지(400)는 두 개의 배터리 셀(100)을 고정하는 구조로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 하나의 배터리 셀(100)을 고정하는 구조 및 셋 이상의 배터리 셀(100)을 고정하는 구조도 경우에 따라 가능하다.

한편, 하나 이상의 배터리 셀 어셈블리(1000)와 배터리 셀 어셈블리(1000)를 수납하기 위한 케이스, 충방전을 위한 각종 장치 등을 포함하여 배터리 모듈이나 배터리 팩을 제작할 수도 있다.

이와 같이 제조된 배터리 모듈 또는 배터리 팩은 우수한 냉각 성능을 바탕으로 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 배터리를 필요로 하는 각종 전자제품 등 다양한 디바이스의 전력 공급원으로 사용될 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

1000 : 배터리 셀 어셈블리
100 : 배터리 셀
110 : 전극 리드
120 : 실링부
200 : 냉각핀
210 : 튜브 끼움부
300 : 냉각 튜브
400 : 카트리지
410 : 카트리지 프레임
420 : 냉매 출입구
500 : 열전도성 접착제

Claims (10)

1. 전극리드를 구비한 하나 이상의 배터리 셀;
   상기 배터리 셀의 일면에 접촉하여 상기 배터리 셀을 냉각하는 플레이트 형태의 냉각핀; 및
   상기 냉각핀의 모서리 둘레를 감싸는 형태로 상기 냉각핀과 접촉하여 상기 냉각핀을 냉각시키는 냉각 튜브를 포함하는 배터리 셀 어셈블리로서,
   상기 냉각핀은 모서리 둘레에 상기 냉각 튜브를 삽입할 수 있는 튜브 끼움부를 구비하고,
   상기 튜브 끼움부의 상기 냉각 튜브와의 접촉면에는 열전도성 접착제를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 접착제는 열전도성 에폭시 접착제, 열전도성 실리콘 접착제, 열전도성 우레탄 접착제 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 열전도성 접착제는 광 개시제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 냉각핀은 알루미늄 재질인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 냉각 튜브는 내부에 냉매가 순환되는 구조인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 냉각 튜브는 알루미늄 재질인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀 어셈블리는 카트리지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 어셈블리.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 배터리 팩.
   
10. 제9항의 배터리 팩을 포함하는 디바이스.
    

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