KR20220036236A - 상이한 두께의 전극 리드를 구비한 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충/방전 시 각각의 배터리 셀의 위치에 따른 온도 차이에 의하여 발생하는 배터리 셀 사이의 퇴화 속도 차이를 감소시키기 위하여, 각각 한 쌍의 전극 리드를 구비한 복수의 배터리 셀, 상기 복수의 배터리 셀과 전기적으로 연결되어 상기 복수의 배터리 셀의 전압 정보 등을 센싱하는 센싱기판 및 상기 복수의 배터리 셀과 상기 센싱기판 사이에 위치하여 과전류를 차단하는 릴레이를 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀은 직렬 또는 병렬로 서로 전기적으로 연결되어 있고, 상기 릴레이는 직렬 또는 병렬로 연결된 상기 복수의 배터리 셀 일측과 전기적으로 연결되며, 상기 복수의 배터리 셀 중 상기 릴레이와 연결된 상기 일측의 반대편 최외곽 배터리 셀의 전극 리드 두께는 상기 최외곽 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 전극 리드의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

상이한 두께의 전극 리드를 구비한 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈{Battery module including battery cells with electrode leads of different thicknesses}

본 발명은 충/방전 시 각각의 배터리 셀의 위치에 따른 온도 차이에 의하여 발생하는 배터리 셀 사이의 퇴화 속도 차이를 감소시키기 위하여 상이한 두께의 전극 리드를 구비한 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

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.

또한, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀, 배터리 셀의 전압을 센싱하는 센싱기판 및 과전류를 차단하기 위한 퓨즈나 릴레이 등을 포함하기도 한다.

이와 같이 직렬 또는 병렬 구조로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈은 각각의 배터리 셀이 동일한 동작 환경을 가지도록 설정하더라도 각 배터리 셀의 모듈 내 위치에 따라 방열되는 정도가 다르고, 이에 따라 배터리 셀 사이에 온도 구배가 발생하게 된다.

특히, 최외곽의 배터리 셀이 방열에 유리하여 일반적으로 다른 배터리 셀보다 낮은 온도를 가지게 되는데, 이러한 낮은 온도는 최외곽 배터리 셀의 전기 저항을 상대적으로 높게 만든다.

이로 인하여 충/방전 시 최외곽 배터리 셀에 더 높은 전압이 인가되고, 그 결과 양극/전해액 부반응 및 음극에 리튬이 석출되는 Lithium Plating이 가속화되어 최외곽 배터리 셀이 다른 배터리 셀보다 빠르게 성능 퇴화가 발생하는 문제가 있다.

그러나, 종래의 배터리 모듈은 도 1에 도시된 바와 같이 배터리 셀들의 위치에 관계없이 각 배터리 셀(1)의 전극 리드(2)의 두께가 모두 동일하게 형성되어 있다.

비록, 배터리 셀(1) 사이에 방열을 위한 냉각핀(3)을 구비하고 있으나, 그럼에도 불구하고 최외곽 배터리 셀과 다른 배터리 셀 사이에 온도 차가 발생하고, 이에 따라 위에서 언급한 리튬 석출에 의한 성능 퇴화가 최외각 배터리 셀에서 빠르게 일어나는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 각 배터리 셀의 온도차를 보상하기 위하여 상이한 두께의 전극 리드를 구비한 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 각각 한 쌍의 전극 리드를 구비한 복수의 배터리 셀, 복수의 배터리 셀과 전기적으로 연결되어 상기 복수의 배터리 셀의 전압 정보 등을 센싱하는 센싱기판 및 복수의 배터리 셀과 센싱기판 사이에 위치하여 과전류를 차단하는 릴레이를 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 복수의 배터리 셀은 직렬 또는 병렬로 서로 전기적으로 연결되어 있고, 릴레이는 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀 일측과 전기적으로 연결되며, 복수의 배터리 셀 중 릴레이와 연결된 일측의 반대편 최외곽 배터리 셀의 전극 리드 두께는 최외곽 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 전극 리드의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 최외곽 배터리 셀의 전극 리드 두께가 최외곽 배터리 셀과 나머지 배터리 셀의 온도차에 의하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 각각의 배터리 셀 사이마다 냉각핀이 구비된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 모듈 하우징을 포함하고, 복수의 배터리 셀은 모듈 하우징 내에 수납되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀이 두 개의 배터리 셀로 구성된 배터리 셀 유닛의 형태로 모듈 하우징 내에 수납되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀 유닛이 두 개의 배터리 셀 사이에 위치하여 상기 두 개의 배터리 셀을 장착하는 카트리지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀 유닛이 두 개의 배터리 셀 사이에 냉각핀을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 모듈 하우징의 하부에 배터리 모듈의 방열을 위한 히트 싱크가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 디바이스는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 배터리 모듈은 최외곽 배터리 셀의 전극 리드의 두께를 다른 배터리 셀에 비하여 두껍게 형성함으로써, 배터리 셀 사이의 온도 차에 의한 전기 저항의 차를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 배터리 모듈은 배터리 셀 사이의 전기 저항의 차를 줄임으로써, 배터리 셀 간의 성능 퇴화의 불균일을 완화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술의 배터리 모듈 내의 각 배터리 셀의 전극 리드 두께를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 내의 각 배터리 셀의 전극 리드 두께를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈 내의 각 배터리 셀의 전극 리드 두께를 도시한 평면도이다.

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 모듈에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 내의 각 배터리 셀의 전극 리드 두께를 도시한 평면도이다.

도 2를 참조하여 본 발명의 배터리 모듈(100)을 살펴보면, 본 발명의 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(110) 및 배터리 셀(110)의 방열을 위한 냉각핀(120)을 구비하고 있다.

먼저, 배터리 셀(110)은 각각 양극과 음극의 한 쌍의 전극 리드(111)를 포함하고 있다.

전극 리드(111)가 돌출된 방향은 도 2에 도시한 바와 같이 서로 마주보는 방향 일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 서로 동일한 방향인 경우도 가능하다.

또한, 배터리 셀(110)은 케이스의 종류나 형태에 따라 각형, 원통형, 파우치형 등으로 나눌 수 있고, 본 발명의 배터리 셀(110)은 그 중 파우치형 배터리 셀(110)인 것이 바람직하다.

파우치형 배터리 셀(110)이란 파우치형 케이스 내에 전극 조립체가 수납된 배터리 셀(110)을 말한다.

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 파우치형 케이스에 수납되며, 파우치형 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 않으며, 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내화학성이 뛰어난 폴리프로필렌이 가장 바람직하다.

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 공기 투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일 예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이 배터리 모듈(100) 내의 최외곽 배터리 셀(110a)의 전극 리드(111a)는 최외곽 배터리 셀(110a)를 제외한 나머지 배터리 셀들(110b, 110c)의 전극 리드(111b, 111c)보다 두껍게 형성되어 있다.

이와 같이 최외곽 배터리 셀(110a)의 전극 리드(111a)의 두께를 나머지 배터리 셀들(110b, 110c)의 전극 리드(111b, 111c)보다 두껍게 형성함으로써, 충/방전 시 상대적으로 온도가 낮은 최외곽 배터리 셀(110a)이 나머지 배터리 셀들(110b, 110c)보다 배터리 셀 내의 전기 저항이 높아지는 현상을 상쇄할 수 있게 된다.

그 결과 높은 전기 저항에 따른 높은 충전 전압에 의하여 최외곽 배터리 셀(110a)의 퇴화가 가속되는 현상을 완화할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 배터리 모듈(100)에 수납되는 배터리 셀(110)의 양측 최외곽의 배터리 셀 중 일측의 최외곽 배터리 셀(110a)의 전극 리드(111a)만을 나머지 배터리 셀들(110b, 110c)의 전극 리드(111b, 111c)보다 두껍게 형성되어 있다.

그 이유는 배터리 모듈(100)은 배터리 셀의 전압을 센싱하는 센싱기판 및 과전류를 차단하기 위한 퓨즈나 릴레이 등을 포함하기도 하며, 이들은 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀들의 일측과 전기적으로 연결되어 있어, 릴레이 등과 인접한 측의 최외곽 배터리 셀은 전류가 상대적으로 많이 흘러 반대편의 최외곽 배터리 셀(110a)에 비하여 온도가 높기 때문이다.

이러한 최외곽 배터리 셀(110a)의 전극 리드(111a)의 두께는 충/방전 시 최외곽 배터리 셀(110a)의 온도와 나머지 배터리 셀들(110b, 110c)의 온도 차에 의하여 결정될 수 있다.

한편, 이러한 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(110)을 수납하는 모듈 하우징을 더 포함할 수 있고, 수납된 복수의 배터리 셀(110)의 방열을 위한 냉각핀(120)을 더 구비할 수도 있다.

냉각핀(120)은 하나의 배터리 셀(110)과 이웃하는 배터리 셀(110) 사이마다 삽입될 수도 있고, 일정 패턴으로 삽입될 수도 있다.

또한, 배터리 셀(110)은 둘 이상의 배터리 셀(110)로 구성된 배터리 셀 유닛의 형태로 모듈 하우징 내에 수납될 수 있다.

이러한 배터리 셀 유닛은 일반적으로 배터리 셀(110)을 고정하는 카트리지와 배터리 셀(110)의 방열을 위한 냉각핀(120)을 포함하고 있다.

여기서 카트리지는 배터리 셀(110)을 적층하는데 이용되는 구성요소로서, 배터리 셀(110)이 상호 적층 가능하도록 구성되어 배터리 셀(110)의 조립을 가이드 할 수 있다.

이러한 카트리지는 중앙 부분이 비어 있는 사각링 형태로 구성될 수 있고, 네 모서리는 배터리 셀(110)의 외주부에 위치할 수 있다. 그리고, 이러한 카트리지의 양측에 배터리 셀이 각각 장착될 수 있다.

한편, 냉각핀(120)은 배터리 셀 유닛의 외면에 위치하거나, 카트리지의 중앙 부분에 삽입되어 두 개의 배터리 셀(110) 사이에 위치할 수도 있다.

또한, 배터리 모듈(100)은 하부에 배터리 모듈(100)의 방열을 위한 히트 싱크를 더 구비할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈 내의 각 배터리 셀의 전극 리드 두께를 도시한 평면도이다.

도 3을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예의 배터리 모듈(200)에 대하여 살펴보면, 배터리 모듈(200)은 도 2의 배터리 모듈(100)과 달리 최외곽 배터리 셀(210a)의 전극 리드(211a) 뿐만 아니라 최외곽 배터리 셀(210a)에 인접한 배터리 셀(210b)의 전극 리드(211b)의 두께도 온도차에 의한 배터리 셀(210) 사이의 전기 저항의 차에 의하여 발생하는 퇴화 속도의 차를 완화하기 위하여 나머지 배터리 셀(210c)의 전극 리드(211c)의 두께보다 더 두껍게 형성되어 있다.

즉, 온도가 가장 낮은 최외곽 배터리 셀(210a)의 전극 리드(211a) 두께를 가장 두껍게 형성하고, 그 다음으로 최외곽 배터리 셀(210a)에 인접한 배터리 셀(210b)의 전극 리드(211b)의 두께를 최외곽 배터리 셀(210a)의 전극 리드(211a) 두께와 나머지 배터리 셀(210c)의 전극 리드(211c)의 두께 사이에서 형성하게 된다.

구체적인 두께의 값은 전극 리드의 두께가 모두 일정한 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈에서 각 위치별로 배터리 셀의 온도를 측정하여 그 값을 구하고, 이로부터 적절한 값을 설정할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 배터리 모듈내에서 배터리 셀의 전극 리드 두께는 각 배터리 셀의 위치에 따른 온도차를 보상해 줄 수 있도록 전극 리드 두께를 달리 할 수 있다.

이론적으로는 모든 배터리 셀의 위치에 따른 온도차이 만큼 전극 리드의 두께를 각 배터리 셀 별로 다르게 제조하여 배터리 모듈을 형성할 수도 있으나, 제조 공정 상의 어려움이나 제조 단가의 상승 및 효율성의 문제 등을 고려할 때 온도가 가장 낮은 최외각 배터리 셀의 전극 리드 두께를 나머지 배터리 셀의 전극 리드의 두께보다 더 두껍게 하는 것이 가장 바람직하다.

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.

100, 200 : 배터리 모듈
110a, 110b, 110c, 210a, 210b, 210c : 배터리 셀
111a, 111b, 111c, 211a, 211b, 211c : 전극 리드
120, 220 : 냉각핀

Claims (10)

1. 충/방전 시 각각의 배터리 셀의 위치에 따른 온도 차이에 의하여 발생하는 배터리 셀 사이의 퇴화 속도 차이를 감소시키기 위한 배터리 모듈로서,
   각각 한 쌍의 전극 리드를 구비한 복수의 배터리 셀;
   상기 복수의 배터리 셀과 전기적으로 연결되어 상기 복수의 배터리 셀의 전압 정보 등을 센싱하는 센싱기판; 및
   상기 복수의 배터리 셀과 상기 센싱기판 사이에 위치하여 과전류를 차단하는 릴레이를 포함하는 배터리 모듈에 있어서,
   상기 복수의 배터리 셀은 직렬 또는 병렬로 서로 전기적으로 연결되어 있고,
   상기 릴레이는 직렬 또는 병렬로 연결된 상기 복수의 배터리 셀 일측과 전기적으로 연결되며,
   상기 복수의 배터리 셀 중 상기 릴레이와 연결된 상기 일측의 반대편 최외곽 배터리 셀의 전극 리드 두께는 상기 최외곽 배터리 셀을 제외한 나머지 배터리 셀의 전극 리드의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 최외곽 배터리 셀의 전극 리드 두께는 상기 최외곽 배터리 셀과 상기 나머지 배터리 셀의 온도차에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 배터리 모듈은 각각의 상기 배터리 셀 사이마다 냉각핀이 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 배터리 모듈은 모듈 하우징을 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀은 상기 모듈 하우징 내에 수납되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀은 두 개의 배터리 셀로 구성된 배터리 셀 유닛의 형태로 상기 모듈 하우징 내에 수납되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 배터리 셀 유닛은 상기 두 개의 배터리 셀 사이에 위치하여 상기 두 개의 배터리 셀을 장착하는 카트리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 배터리 셀 유닛은 상기 두 개의 배터리 셀 사이에 냉각핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
   
8. 제4항에 있어서, 상기 모듈 하우징의 하부에는 상기 배터리 모듈의 방열을 위한 히트 싱크가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
   
10. 제9항의 배터리 팩을 포함하는 디바이스.