KR20220123263A - 배터리, 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 자동차 - Google Patents

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KR20220123263A
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화쥔 쑨
즈페이 루
옌 주
스차오 후
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비와이디 컴퍼니 리미티드
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Abstract

금속 쉘(11) 및 이러한 금속 쉘(11) 내에 캡슐화되는 복수의 극 코어 스트링들을 포함하는, 배터리(100)가 개시되고, 복수의 극 코어 스트링들은 제2 방향으로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속되고; 각각의 극 코어 스트링은 캡슐화 필름(13) 및 제1 방향으로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속되는 복수의 극 코어 그룹들(12)을 포함하고; 극 코어 그룹들(12)은 캡슐화 필름(13) 내에 캡슐화되고; 금속 쉘(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 공기압은 금속 쉘(11) 외부의 공기압보다 낮다.

Description

배터리, 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 자동차
관련 출원들에 대한 상호-참조
본 개시내용은, 2020년 1월 13일자로 BYD Company Limited에 의해 출원된, 발명의 명칭이 "CELL, BATTERY MODULE, BATTERY PACK, AND ELECTRIC VEHICLE"인 중국 특허 출원 제202010033066.6호에 대한 우선권 및 그 혜택들을 주장한다.
기술분야
본 개시내용은 배터리들의 분야에, 보다 구체적으로는, 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩, 및 전기 차량에 관한 것이다.
전기 차량에 적용되는 배터리 팩은 배터리 용량을 증가시키기 위해 다수의 셀들을 일반적으로 포함하고, 이러한 다수의 셀들은 배터리 팩의 케이스 내에 배열된다.
셀의 제조 프로세스 동안 전해액이 채워질 필요가 있으므로, 전해액의 누출을 방지하기 위해 셀이 밀봉될 필요가 있다. 관련 기술에서는, 일반적으로, 전극 코어가 하우징 내에 직접 밀봉되고, 다음으로 전해액이 주입 포트를 통해 하우징 내로 주입되고, 후속하여 주입 포트가 밀봉되어, 셀을 획득한다. 그러나, 위 방법에서는, 전극 코어 및 전해액이 셀의 하우징 내에 직접 캡슐화되기 때문에, 일단 하우징이 손상되면 전해액의 누출이 쉽게 야기되고, 따라서 셀은 불량한 밀봉 효과를 갖는다.
또한, 셀 용량을 증가시키기 위해, 셀의 하우징 내에 다수의 전극 코어들이 직렬로 접속된다. 진동 및 충돌의 경우, 다수의 전극 코어들은 하우징 내에서 쉽게 이동된다. 그렇게 함으로써 전극 코어들 사이의 상대 변위는, 집전체에 대한 손상, 분리기의 주름짐, 및 전극 플레이트로부터의 활성-재료 레이어의 분리와 같은, 전극 코어들에 대한 손상을 야기한다. 이러한 경우, 셀은 불량한 안정성을 갖고, 이는 안전성 이슈들에 취약하다.
본 개시내용은 관련 기술에서의 기술적 문제점들 중 적어도 하나를 해결하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 본 개시내용은 셀을 제공한다. 이러한 셀은 더 양호한 밀봉 효과, 더 높은 안전성 성능, 및 더 높은 방열 효율을 갖는다. 그 길이 값은 강도 요건들이 충족될 수 있는 동안 더 크게 설정될 수 있다.
셀은 금속 하우징 및 금속 하우징 내에 캡슐화되는 다수의 전극 코어 스트링들을 포함한다. 이러한 다수의 전극 코어 스트링들은 제2 방향으로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속된다. 전극 코어 스트링들 각각은 캡슐화 필름 및 제1 방향으로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속되는 다수의 전극 코어 조립체들을 포함한다. 캡슐화 필름 내에 전극 코어 조립체들이 캡슐화된다. 금속 하우징과 캡슐화 필름 사이의 대기압은 금속 하우징 외부의 대기압보다 낮다.
따라서, 2차 밀봉을 위해 캡슐화 필름 내에 전극 코어 조립체들을 캡슐화하고 금속 하우징 내에 전극 코어 조립체들을 캡슐화하는 것에 의해, 캡슐화 필름 및 금속 하우징의 더블-레이어 밀봉 효과에 의해 밀봉 효과가 효과적으로 개선될 수 있다. 둘째로, 금속 하우징과 캡슐화 필름 사이의 대기압에서의 차이는 금속 하우징 외부의 대기압보다 낮아서, 금속 하우징 및 내부 전극 코어 조립체들이 가능한 한 가까워서 내부 간극을 감소시켜 전극 코어 조립체들이 금속 하우징 내에서 이동하는 것을 방지하고 전극 코어 조립체들 사이의 상대 변위를 방지하여, 집전체에 대한 손상, 분리기의 주름짐, 및 활성 재료의 분리와 같은 경우들의 발생을 감소시키고, 그렇게 함으로써 전체 셀의 기계적 강도를 개선하고, 셀의 수명을 연장시키고, 셀의 안전성 성능을 개선한다.
전술한 내용 중 임의의 것에 따른 다수의 셀들을 포함하는, 배터리 모듈이 제공된다.
셀 어레이를 포함하는, 배터리 팩이 제공된다. 이러한 셀 어레이는 다수의 셀들을 포함한다. 이러한 셀들은 금속 하우징 및 금속 하우징 내에 캡슐화되는 다수의 전극 코어 스트링들을 포함한다. 이러한 다수의 전극 코어 스트링들은 제2 방향으로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속된다. 전극 코어 스트링들 각각은 캡슐화 필름 및 제1 방향으로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속되는 다수의 전극 코어 조립체들을 포함한다. 캡슐화 필름 내에 전극 코어 조립체들이 캡슐화된다. 금속 하우징과 캡슐화 필름 사이의 대기압은 금속 하우징 외부의 대기압보다 낮다.
전술한 내용 중 임의의 하나에 따른 배터리 팩을 포함하는, 전기 차량이 제공된다.
본 개시내용의 추가적인 양태들 및 이점들이 다음의 설명에서 주어질 것이며, 그 중 일부는 다음의 설명으로부터 명백해지거나 또는 본 개시내용의 실시들로부터 학습될 수 있다.
본 개시내용의 위의 및/또는 추가적인 양태들 및 이점들은 다음 첨부 도면들을 참조하여 이루어지는 실시예 설명에서 명백하게 그리고 이해할 수 있게 될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 셀의 개략적인 3-차원 구조도이다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른 셀의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따라 캡슐화 필름 내에 전극 코어 조립체들이 캡슐화되는 개략도이다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따라 캡슐화 필름 내에 전극 코어 조립체가 캡슐화되는 다른 개략도이다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따라 금속 하우징의 제1 표면에 리세스들이 형성되는 개략도이다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 셀 어레이의 개략적인 구조도이다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 구조도이다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따라 셀에 2개의 전극 코어 스트링들이 포함되는 개략적인 구조도이다(하우징 본체는 생략됨).
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략도이다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 차량의 개략도이다.
본 개시내용의 실시예들이 아래에 상세히 설명되고, 이러한 실시예들의 예들이 첨부 도면에 도시되며, 설명 전반적으로 동일한 또는 유사한 엘리먼트들 또는 동일한 또는 유사한 기능들을 갖는 엘리먼트들은 동일한 또는 유사한 참조 번호들에 의해 표기된다. 첨부 도면들을 참조하여 아래에 설명되는 실시예들은 예시적이고 본 개시내용을 설명하기 위해서만 단지 사용되며, 본 개시내용에 대한 제한으로서 해석되지 않아야 한다.
본 개시내용의 설명에서, "중심(center)", "상(on)", "하(under)", "전방(front)", "후방(rear)", "좌측(left)", "우측(right)", "수직(vertical)", "수평(horizontal)", "상부(top)", "하부(bottom)", "내부(inner)", "외부(outer)" 등의 용어들에 의해 표시되는 방향 또는 위치 관계는 첨부 도면들에 기초하여 도시되는 방향 또는 위치 관계이고, 본 개시내용을을 편리하게 설명하고 설명을 단순화하도록 단지 의도되고, 언급된 장치 또는 엘리먼트가 특정 방향을 가질 필요가 있고 이러한 특정 방향으로 구성되고 동작된다는 점을 표시하거나 또는 암시하도록 의도되는 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 방향 또는 위치 관계는 본 개시내용에 대한 제한으로서 이해될 수 없다.
"제1(first)" 및 "제2(second)"이라는 용어들은 단지 설명의 목적들로 사용되며, 상대적인 중요성을 표시하거나 또는 암시하는 것으로서 또는 표시되는 기술적 특징들의 수를 암시적으로 표시하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 점이 주목되어야 한다. 따라서, "제1(first)" 또는 "제2(second)"에 의해 정의되는 특징은 하나 이상의 특징을 명시적으로 또는 암시적으로 포함할 수 있다. 추가로, 본 개시내용의 설명에서, 달리 진술되지 않는 한, "복수의(a plurality of)"는 2개 또는 2개보다 많은 것을 의미한다.
본 개시내용의 실시예에 따른 셀(100), 배터리 팩(200), 배터리 모듈(300), 및 전기 차량(1000)이 도 1 내지 도 10을 참조하여 아래에 설명될 것이다.
도 1 내지 도 5 및 도 8에 도시되는 바와 같이, 본 개시내용은 셀(100)을 제공한다. 이러한 셀(100)은, 예를 들어, 배터리 팩을 형성하기 위해 사용되는 셀을 지칭한다. 이러한 셀(100)은 금속 하우징(11) 및 금속 하우징(11) 내에 캡슐화되는 다수의 전극 코어 스트링들(14)을 포함한다. 이러한 다수의 전극 코어 스트링들은 제2 방향 B로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속된다. 각각의 전극 코어 스트링(14)은 캡슐화 필름(13) 및 제1 방향 A로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속되는 다수의 전극 코어 조립체들(12)을 포함한다. 전극 코어 조립체(12)는 적어도 하나의 전극 코어를 포함한다. 캡슐화 필름(13) 내에 전극 코어 조립체(12)가 캡슐화된다. 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 대기압은 금속 하우징(11) 외부의 대기압보다 낮다.
본 개시내용의 셀에서, 2차 밀봉을 위해 캡슐화 필름(13) 내에 전극 코어 조립체들(12)을 캡슐화하고 금속 하우징(11) 내에 전극 코어 조립체들(12)을 캡슐화하는 것에 의해, 캡슐화 필름(13) 및 금속 하우징(11)의 더블-레이어 밀봉 효과에 의해 밀봉 효과가 효과적으로 개선될 수 있다. 둘째로, 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 대기압에서의 차이는 금속 하우징(11) 외부의 대기압보다 낮아서, 금속 하우징(11) 및 내부 전극 코어 조립체들(12)이 가능한 한 가까워서 내부 간극을 감소시켜 전극 코어 조립체들(12)이 금속 하우징(11) 내에서 이동하는 것을 방지하고 전극 코어 조립체들(12) 사이의 상대 변위를 방지하여, 집전체에 대한 손상, 분리기의 주름짐, 및 활성 재료의 분리와 같은 경우들의 발생을 감소시키고, 그렇게 함으로써 전체 셀(100)의 기계적 강도를 개선하고, 셀(100)의 수명을 연장시키고, 셀(100)의 안전성 성능을 개선한다.
따라서, 배터리 팩(200)의 케이스 내에 셀(100)이 장착될 때, 배터리 팩(200)의 케이스에서의 크로스 빔들 및 종방향 빔들과 같은 지지 구조들의 배열이 감소될 수 있다. 셀(100) 자체를 지지로서 사용하는 것에 의해 셀(100)을 배터리 팩(200)의 케이스 상에 직접 장착하는 것은 배터리 팩(200)의 내부 공간을 절약할 수 있고, 그렇게 함으로써 배터리 팩(200)의 체적 이용률을 개선하고 배터리 팩(200)의 중량을 감소시키는 것을 돕는다.
일부 실시예들에서, 전극 코어 조립체(12)는 전류를 인출하기 위한 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 포함한다. 전극 코어 조립체(12)는 전극 코어 조립체 본체(123), 및 전극 코어 조립체 본체(123)에 전기적으로 접속되는 전류를 인출하기 위한 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 포함한다. 직렬로 접속되는 2개의 전극 코어 조립체들(12) 중 하나의 전극 코어 조립체(12)의 제1 전극(121)은 다른 전극 코어 조립체(12)의 제2 전극(122)에 접속된다. 다수의 전극 코어 조립체들(12)을 직렬로 접속하는 것에 의해, 셀(100)의 용량 및 전압이 개선될 수 있고, 그렇게 함으로써 제조 프로세스 및 비용을 감소시킨다.
본 개시내용에서, 언급되는 전극 코어는 전력 배터리들의 분야에서 통상적으로 사용되는 전극 코어이다. 전극 코어 및 전극 코어 조립체(12)는 셀(100)의 하우징 내부의 컴포넌트들이고, 셀(100) 자체로서 이해될 수 없다. 셀(100)은 모노-셀이다. 전극 코어는 권선(winding) 또는 적층(laminating)에 의해 형성될 수 있다. 일반적으로, 전극 코어는 적어도 양극 플레이트, 분리기, 및 음극 플레이트를 포함한다. 본 개시내용에서 언급되는 셀(100)은 독립 모노-셀이며, 다수의 전극 코어들을 포함하기 때문에 배터리 모듈(300) 또는 배터리 팩으로서 단순히 이해될 수 없다는 점이 주목되어야 한다.
본 개시내용에서, 전극 코어 조립체(12)는 단일 전극 코어로 구성될 수 있거나; 또는 병렬로 접속되는 적어도 2개의 전극 코어들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 2개의 전극 코어들이 병렬로 접속되어 전극 코어 조립체(12)를 형성하거나; 또는 4개의 전극 코어들이 병렬로 접속되어 전극 코어 조립체(12)를 형성한다.
이러한 실시예에서의 직렬 접속 방식은 인접한 전극 코어 조립체들(12) 사이의 직렬 접속일 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 구체적인 구현에서, 인접한 전극 코어 조립체들 상의 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 직접 접속될 수 있거나, 또는 추가적인 전도성 컴포넌트에 의해 전기적으로 접속될 수 있다.
구체적으로, 전극 코어 조립체(12)가 단지 하나의 전극 코어만을 포함하면, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 각각 전극 코어의 양극 탭 및 음극 탭일 수 있거나, 또는 각각 음극 탭 및 양극 탭일 수 있고;
전극 코어 조립체(12)가 다수의 전극 코어들을 포함하면, 제1 전극(121)은 다수의 전극 코어들의 양극 탭들을 함께 조합하여 용접하는 것에 의해 형성되는 인출 컴포넌트일 수 있고, 제2 전극(122)은 다수의 전극 코어들의 음극 탭들을 함께 조합하여 용접하는 것에 의해 형성되는 인출 컴포넌트일 수 있거나; 또는 제1 전극(121)은 다수의 전극 코어들의 음극 탭들을 함께 조합하여 용접하는 것에 의해 형성되는 인출 컴포넌트일 수 있고, 제2 전극(122)은 다수의 전극 코어들의 양극 탭들을 함께 조합하여 용접하는 것에 의해 형성되는 인출 컴포넌트일 수 있다.
제1 전극(121) 및 제2 전극(122)의 "제1(first)" 및 "제2(second)"는 명칭 구별을 위해서만 단지 사용되고, 수량 제한을 위해 사용되지는 않는다. 예를 들어, 하나 이상의 제1 전극들(121)이 존재할 수 있다.
실시예에서, 도 8에 도시되는 바와 같이, 셀(100)은 2개의 전극 코어 스트링들(14)을 포함한다. 이러한 전극 코어 스트링들(14)은 제1 방향 A를 따라 서로 대향하는 단부 부분들을 갖는다. 2개의 전극 코어 스트링들(14)은 동일한 단부 부분에서 2개의 전극 코어 조립체들(12)에 의해 직렬로 접속된다. 2개의 전극 코어 스트링들(14)을 금속 하우징(11) 내에 캡슐화하고 2개의 전극 코어 스트링들(14)을 동일한 단부 부분에서 2개의 전극 코어 조립체들(12)에 의해 직렬로 접속하는 것에 의해- 즉, 2개의 전극 코어 스트링들(14)이 "U" 형상으로 배열될 수 있음 -, 비교적 큰 길이를 갖는 셀(100)이 보다 편리하게 제조될 수 있고, 이는 비용을 감소시킬 수 있고, 셀(100)의 방열 효율을 또한 증가시킬 수 있다. 따라서, 큰 길이 및 양호한 강도를 갖는 셀(100)이 본 개시내용의 해결책들을 통해 쉽게 획득될 수 있다.
구체적으로, 하나의 전극 코어 스트링(14) 내의 전극 코어 조립체(12)의 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)의 배열은 다른 전극 코어 스트링(14) 내의 전극 코어 조립체(12)의 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)의 배열과 반대이다. 이러한 경우, 2개의 전극 코어 스트링들(14)의 직렬 접속은 동일한 단부 부분에서 2개의 전극 코어 조립체들(12) 중 하나의 전극 코어 조립체(12)의 제1 전극(121)을 다른 전극 코어 조립체(12)의 제2 전극(122)에 직렬로 접속하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이러한 직렬 접속의 전기 접속 경로는 짧고, 이는 구조 설계의 단순화 및 비용의 감소에 유익하다. 또한, 이러한 구조는 셀(100)의 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 동일한 사이드로부터 인출되는 것을 또한 허용할 수 있고, 이는 다수의 셀들(100)을 전기적으로 접속하기 위한 전기 커넥터를 외부에서 배열하는 것을 돕는다.
전극 코어 스트링(14)의 수량은 실제 필요에 따라 설정될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 예를 들어, 3개의 전극 코어 스트링들(14)이 순차적으로 직렬로 접속되거나, 또는 4개의 전극 코어 스트링들(14)이 순차적으로 직렬로 접속된다.
추가로, 금속 하우징(11)은 개구를 갖는 하우징 본체(111) 및 커버 플레이트(112)를 포함한다. 커버 플레이트(112)는 밀봉된 방식으로 하우징 본체(111)의 개구에 별도로 접속되어 밀봉된 수용 챔버를 형성된다. 이러한 수용 챔버 내에 전극 코어 스트링(14)이 배열된다. 다수의 전극 코어 스트링들(14)이 순차적으로 직렬로 접속되어 셀 코어 조립체를 형성한다. 셀 코어 조립체의 2개의 단부들은 제1 전극 및 제2 전극을 각각 포함한다. 셀 코어 조립체의 제1 전극 및 제2 전극은 커버 플레이트(112)로부터 인출된다.
실시예에서, 셀(100)은 3개의 전극 코어 스트링들(14)을 포함한다. 이러한 3개의 전극 코어 스트링들(14)은 제1 전극 코어 스트링, 제2 전극 코어 스트링, 및 제3 전극 코어 스트링으로서 각각 정의된다. 제1 전극 코어 스트링, 제2 전극 코어 스트링, 및 제3 전극 코어 스트링은 제2 방향 B로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속되어 셀 코어 조립체를 형성한다. 제1 전극 코어 스트링 및 제2 전극 코어 스트링은 동일한 단부 부분에서 2개의 전극 코어 조립체들(12)에 의해 직렬로 접속된다. 제2 전극 코어 스트링 및 제3 전극 코어 스트링은 동일한 단부 부분에서 2개의 전극 코어 조립체들(12)에 의해 직렬로 접속된다. 셀 코어 조립체의 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 제1 전극 코어 스트링의 단부 부분에 배열되고 제2 전극 코어 스트링에 직렬로 접속되지 않는 전극 코어 조립체(12)의 전극이다. 셀 코어 조립체의 제1 전극 및 제2 전극 중 다른 하나는 제3 전극 코어 스트링의 단부 부분에 배열되고 제2 전극 코어 스트링에 직렬로 접속되지 않는 전극 코어 조립체(12)의 전극이다.
예를 들어, 제1 전극 코어 스트링, 제2 전극 코어 스트링, 및 제3 전극 코어 스트링은 모두 제1 방향 A로 순차적으로 배열되고 직렬로 접속되는 3개의 전극 코어 조립체들(12)을 포함한다. 3개의 전극 코어 조립체들(12)은 제1 전극 코어 조립체, 제2 전극 코어 조립체, 및 제3 전극 코어 조립체로서 각각 정의된다. 제1 전극 코어 스트링 및 제2 전극 코어 스트링은 동일한 단부 부분에서 2개의 전극 코어 조립체들(12)(즉, 각각의 제3 전극 코어 조립체들)에 의해 직렬로 접속된다. 제2 전극 코어 스트링 및 제3 전극 코어 스트링은 동일한 단부 부분에서 2개의 전극 코어 조립체들(12)(즉, 각각의 제1 전극 코어 조립체)에 의해 직렬로 접속된다. 셀 코어 조립체의 제1 전극 및 제2 전극 중 하나는 제1 전극 코어 스트링의 단부 부분에 배열되고 제2 전극 코어 스트링에 직렬로 접속되지 않는 전극 코어 조립체(12)(즉, 제1 전극 코어 조립체)의 전극이다. 셀 코어 조립체의 제1 전극 및 제2 전극 중 다른 하나는 제3 전극 코어 스트링의 단부 부분에 배열되고 제2 전극 코어 스트링에 직렬로 접속되지 않는 전극 코어 조립체(12)(즉, 제3 전극 코어 조립체)의 전극이다. 일부 구현들에서, 하우징 본체(111)의 2개의 단부들에 개구들이 존재할 수 있고, 2개의 커버 플레이트들(112)이 존재할 수 있어, 2개의 커버 플레이트들(112)은 밀봉된 방식으로 하우징 본체(111)의 2개의 단부들에서 개구에 각각 접속되어 밀봉된 수용 챔버를 형성한다. 이러한 방식으로, 셀 코어 조립체의 제1 전극 및 제2 전극은 동일한 커버 플레이트(112)로부터 인출될 수 있거나, 또는 2개의 커버 플레이트들(112)로부터 각각 인출될 수 있다. 이러한 것은 본 명세서에서 제한되지 않는다.
일부 구현들에서, 하우징 본체(111)의 단부에 제공되는 단지 하나의 개구만이 존재할 수 있고, 하나의 커버 플레이트(112)가 존재할 수 있어, 커버 플레이트(112)는 밀봉된 방식으로 하우징 본체(111)의 단부의 개구에 접속된다. 이러한 방식으로, 셀 코어 조립체의 제1 전극 및 제2 전극은 동일한 커버 플레이트(112)로부터 인출된다.
본 개시내용의 실시예에서, 전극 코어 조립체들(12)은 캡슐화 필름(13) 내에 캡슐화된다, 즉, 금속 하우징(11)과 전극 코어 조립체들(12) 사이에 캡슐화 필름(13)이 추가로 배열된다. 따라서, 전극 코어 조립체(12)에 대한 2차 밀봉이 캡슐화 필름(13) 및 금속 하우징(11)을 통해 달성될 수 있고, 이는 셀(100)의 밀봉 효과를 개선하는 것을 돕는다. 전해액이 캡슐화 필름(13) 내로 추가로 주입된다는 점이 이해될 수 있다. 따라서, 위 방식들을 통해, 전해액과 금속 하우징(11) 사이의 접촉이 또한 회피될 수 있고, 그렇게 함으로써 금속 하우징(11)의 부식 또는 전해액의 분해를 회피한다.
금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 대기압은 금속 하우징(11) 외부의 대기압보다 낮다.
본 개시내용에서, "대기압"은 지구의 대기 내의 압력이다. 대기압은, 단위 면적 당 대기의 상한까지 상향 연장되는 수직 공기 기둥의 중량과 동일한, 단위 면적 당 힘을 측정한다.
금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 대기압, 즉, 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 공간에서의 대기압은 금속 하우징(11) 외부의 대기압보다 낮다. 따라서, 본 개시내용의 이러한 실시예에서, 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이에 음압 상태가 존재하여, 금속 하우징(11)은 대기압 하에서 찌그러지거나 또는 변형된다. 그 결과, 금속 하우징(11)과 전극 코어 조립체(12) 사이의 간극이 대응하여 감소되고, 즉, 전극 코어 조립체들(12)이 이동하거나 또는 그 사이에 변위를 갖는 공간이 감소되고, 따라서 전극 코어 조립체들(12)의 이동 및 전극 코어 조립체들(12) 사이의 상대 변위가 감소될 수 있고, 그렇게 함으로써 셀(100)의 안정성 뿐만 아니라, 셀(100)의 강도 및 셀(100)의 안전성 성능을 개선한다.
예를 들어, 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 공간으로부터 공기가 배출될 수 있어서, 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이에 음압 상태가 존재한다. 이러한 방식으로, 금속 하우징(11) 및 내부 전극 코어 조립체들(12)은 가능한 가까워서 내부 간극을 감소시켜 전극 코어 조립체들(12)이 금속 하우징(11) 내에서 이동하는 것을 방지하고 전극 코어 조립체들(12) 사이의 상대 변위를 방지하여, 집전체에 대한 손상, 분리기의 주름짐, 및 활성 재료의 분리와 같은 경우들의 발생을 감소시키고, 그렇게 함으로써 전체 셀(100)의 기계적 강도를 개선하고, 셀(100)의 수명을 연장시키며, 셀(100)의 안전성 성능을 개선한다.
구현에서, 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 대기압은 P1이고, 여기서 P1의 값은 -100 kPa 내지 -5 kPa의 범위일 수 있다. 다른 구현에서, P1의 값은 -75 kPa 내지 -20 kPa의 범위일 수 있다. 물론, 해당 기술에서의 기술자는 실제 필요에 따라 P1의 값을 설정할 수 있다. 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 공간은 진공 상태로 있을 수 있다는 점이 주목되어야 한다.
캡슐화 필름(13) 내부의 대기압은 P2이고, 여기서 P1과 P2 사이의 관계는, P1과 P2 사이의 비율이 0.05 내지 0.85임을 충족시킨다. P2의 값은 -100 kPa 내지 -20 kPa일 수 있다.
P1, P2, 및 P1과 P2 사이의 비율은 위 범위 내로 제한된다. 본 개시내용에서, 전극 코어 조립체(12)에 대해 2차 밀봉 모드가 채택된다. 전극 코어 조립체들(12)이 먼저 캡슐화 필름(13) 내에 캡슐화되고, 캡슐화 필름(13)이 과도하게 큰 내부 대기압으로 인해 외측으로 불룩해진 결과로서 손상되는 것을 방지하기 위해, 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 대기압은 캡슐화 필름(13) 내부의 대기압보다 크게 설정된다. 또한, P1과 P2 사이의 비율이 위 범위 내에 있을 때, 셀(100)의 2차 밀봉의 신뢰성이 더 양호하게 보장되고, 셀(100)의 전극 플레이트들 사이의 계면이 또한 보장되어, 전극 플레이트들 사이의 간극을 감소시켜, 리튬 이온들이 더 양호하게 전도될 수 있다는 점이 다수의 실험들을 통해 검증되었다.
일부 구현들에서, 캡슐화 필름(13) 내부의 대기압은 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 대기압보다 낮다.
본 개시내용의 실시예에서, 도 3에 도시되는 바와 같이, 전극 코어 스트링(14)은 하나의 캡슐화 필름(13)을 포함한다. 대응하는 전극 코어 스트링들(14) 각각에 포함되는 다수의 전극 코어 조립체들(12)이 동일한 캡슐화 필름(13) 내에 캡슐화된다. 전극 코어 조립체(12)는 전극 코어 조립체 본체(123), 및 전류를 인출하기 위한 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 포함한다. 2개의 전극 코어 조립체들(12)을 직렬로 접속하기 위한 제1 전극(121)과 제2 전극(122)의 접합이 캡슐화 필름(13) 내에 있다. 즉, 각각의 전극 코어 스트링(14)의 캡슐화 필름(13)은 일체로 배열되고, 각각의 전극 코어 스트링(14) 내에 포함되는 다수의 전극 코어 조립체들(12)은 동일한 캡슐화 필름(13) 내에 캡슐화된다.
실제 적용 동안, 예를 들어, 도 3에 도시되는 바와 같이, 다수의 전극 코어 조립체들(12)이 먼저 직렬로 접속될 수 있고, 다음으로 직렬로 접속되는 전극 코어 조립체들(12)이 캡슐화 필름(13)의 전체 부품을 사용하여 랩핑된다. 예를 들어, 직렬로 접속되는 전극 코어 조립체들(12)이 캡슐화 필름(13)의 일부 상에 배치될 수 있고(또는 리세스가 미리 캡슐화 필름(13)의 일부 상에 제공될 수 있고, 다음으로 직렬로 접속되는 다수의 전극 코어 조립체들(12)이 리세스 내에 배치될 수 있고), 다음으로 캡슐화 필름(13)의 나머지 부분이 전극 코어 조립체들(12)을 향해 접힌다. 그 후에, 캡슐화 필름(13)의 2개의 부분들이 밀봉을 위해 고온 용융되어, 직렬로 접속되는 전극 코어 조립체들(12)이 동일한 캡슐화 필름(13) 내에 캡슐화된다.
캡슐화 부분(131)이 제1 전극(121) 및/또는 제2 전극(122)에 대응하는 캡슐화 필름(13)의 위치에 형성되어 2개의 인접한 전극 코어 조립체 본체들(123)을 서로 분리하고, 2개의 인접한 전극 코어 조립체들(12)의 하나의 전극 코어 조립체(12)의 제1 전극(121) 및 다른 전극 코어 조립체(12)의 제2 전극(122) 중 적어도 하나가 캡슐화 부분(131) 내에 배열된다. 다수의 전극 코어 조립체 본체들(123)이 캡슐화 부분(131)을 통해 서로 분리되어 다수의 전극 코어 조립체들(12)의 전해액들이 서로를 통해 순환하는 것을 방지하여, 다수의 전극 코어 조립체들(12)이 서로 영향을 미치지 않고 다수의 전극 코어 조립체들(12) 내의 전해액들이 과도하게 큰 전위차로 인해 분해되지 않고, 그렇게 함으로써 셀(100)의 안전성 및 수명을 보장한다.
캡슐화 부분(131)은 다수의 방식들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 캡슐화 부분(131)은 타이를 사용하여 캡슐화 필름(13)을 단단히 체결하는 것에 의해 형성될 수 있거나, 또는 캡슐화 부분(131)은 캡슐화 필름(13)을 직접 고온 용융하는 것에 의해 형성될 수 있다.
본 개시내용의 다른 실시예에서, 도 4에 도시되는 바와 같이, 전극 코어 스트링(14)은 다수의 캡슐화 필름들(13)을 포함한다. 적어도 하나의 전극 코어 조립체(12)가 하나의 캡슐화 필름(13) 내에 캡슐화된다. 이러한 전극 코어 조립체들(12)은 직렬로 접속된다.
다시 말해서, 각각의 전극 코어 스트링(14)에 포함되는 캡슐화 필름(13)의 수량은 전극 코어 스트링(14)에 포함되는 전극 코어 조립체(12)의 수량에 일-대-일 대응하고, 각각의 전극 코어 조립체(12)는 캡슐화 필름(13) 내에 개별적으로 캡슐화된다. 이러한 구현에서, 다수의 전극 코어 조립체들(12)이 준비된 후에, 각각의 전극 코어 조립체(12)가 캡슐화 필름(13)과 개별적으로 슬리브될 수 있고, 다음으로 전극 코어 조립체들(12)이 직렬로 접속된다.
전극 코어 조립체(12)의 제1 전극(121) 및 제2 전극(122) 중 적어도 하나는 캡슐화 필름(13)의 밖으로 연장된다. 예를 들어, 제1 전극(121)이 캡슐화 필름(13) 밖으로 연장될 수 있거나, 또는 제2 전극(122)이 캡슐화 필름(13) 밖으로 연장될 수 있거나, 또는 제1 전극(121) 및 제2 전극(122) 양자 모두가 캡슐화 필름(13) 밖으로 연장될 수 있다. 적어도 하나의 제1 전극(121) 및/또는 제2 전극(122)이 캡슐화 필름(13) 밖으로 연장되어, 연장된 전극이 다른 전극 코어 조립체들(12)에 직렬로 접속될 수 있다.
본 개시내용의 실시예에서, 다수의 전극 코어 조립체들(12)의 배열 방향은 제1 방향 A이다. 전극 코어 조립체(12)의 길이 방향은 제1 방향 A로 연장되고, 셀(100)의 길이 또한 제1 방향 A로 연장된다. 즉, 다수의 전극 코어 조립체들(12)이 셀(100)의 길이 방향으로 순차적으로 배열된다. 전극 코어 조립체(12)의 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 제1 방향 A를 따라 전극 코어 조립체(12)의 2개의 사이드들에 각각 배열된다. 즉, 다수의 전극 코어 조립체들(12)이 "헤드-투-헤드(head-to-head)" 방식으로 배열된다. 이러한 배열 방식에서, 전극 코어 조립체들(12) 사이의 쌍별 직렬 접속을 달성하는 것이 더 쉽고, 접속 구조가 단순하다. 또한, 이러한 배열 방식에서, 비교적 큰 길이를 갖는 셀(100)을 제조하는 것이 더 쉽다. 따라서, 셀(100)이 배터리 팩의 케이스 내에 장착될 때, 크로스 빔들 및 종방향 빔들과 같은 지지 구조들을 배열할 필요가 없다. 대신에, 셀(100)은 셀(100)의 금속 하우징(11)을 사용하여 배터리 팩(200)의 케이스 상에 직접 장착되어, 배터리 팩(200)의 내부 공간이 절약될 수 있고, 그렇게 함으로써 배터리 팩(200)의 체적 이용률을 개선하고 배터리 팩(200)의 중량을 감소시키는 것을 돕는다.
셀(100)은, 500 mm, 1000 mm, 또는 1500 mm과 같은, 대략 400 mm 내지 2500 mm (밀리미터)의 길이 L을 갖는 직육면체이다. 단지 하나의 전극 코어를 배열하는 기존의 방식과 비교하여, 셀(100) 내에 다수의 전극 코어 조립체들(12)을 배열하는 것은 비교적 큰 길이를 갖는 셀(100)을 제조하는 것을 더 쉽게 한다. 종래의 셀에서, 일단 셀이 비교적 길면, 집전체로서 사용되는 내부 구리-알루미늄 포일의 길이가 대응하여 증가하여, 셀 내부의 저항을 크게 증가시키고, 점점 더 높은 전력 및 급속 충전을 위한 전류 요건들을 충족시키지 못한다. 일정한 셀 길이의 경우에, 셀 내부의 저항은 본 개시내용의 이러한 실시예에 따라 크게 감소될 수 있어서, 고-전력 출력, 급속 충전 등의 경우에 셀 과열에 의해 야기되는 문제점들이 회피된다.
셀(100)의 두께 D는 10 mm보다 클 수 있다, 예를 들어, 13 mm 내지 75 mm의 범위 내에 있을 수 있다.
본 개시내용의 실시예에서, 셀(100)의 두께에 대한 길이의 비율은 5 내지 250이다.
본 개시내용의 실시예에서, 셀(100)의 두께는 제1 방향 A에 수직인 제2 방향 B로 연장된다. 금속 하우징(11)은 제2 방향을 따라 2개의 대향하는 제1 표면들(113)을 갖는다. 제1 표면들(113)은 셀(100)의 가장 큰 표면들, 즉, 셀(100)의 "큰 표면들(large surfaces)"이다. 2개의 대향하는 제1 표면들(113) 중 적어도 하나는 금속 하우징(11)의 내부를 향해 리세스되어, 금속 하우징(11) 및 전극 코어 조립체(12)는 가능한 한 가깝다.
금속 하우징(11)이 비교적 작은 두께를 갖는 비교적 얇은 시트이기 때문에, 금속 하우징(11)의 제1 표면(113) 상의 리세스(114)는, 예를 들어, 금속 하우징(11) 내부의 공기를 배출하는 것에 의해 형성될 수 있다. 즉, 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 대기압이 금속 하우징(11) 외부의 대기압보다 낮아지도록 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 공간으로부터 공기가 배출될 때, 공기 배출이 진행됨에 따라 금속 하우징(11)의 내부를 향해 금속 하우징(11)의 제1 표면(113) 상에 리세스(114)가 쉽게 형성된다.
셀의 정상적인 사용 동안, 재료 자체의 팽창, 전해액으로부터의 가스의 발생 등으로 인해 셀이 일반적으로 팽창하고, 가장 크게 팽창 및 변형하는 면적이 종종 셀의 큰 표면 상에 있다. 이러한 기술로, 초기 상태에서의 셀의 큰 표면은 진공화에 의해 약간 눌러진 상태에서 제한되고, 이는 셀이 팽창한 후에 셀들 사이의 압착의 문제점을 효과적으로 완화할 수 있고, 그렇게 함으로써 셀 및 전체 시스템의 수명, 안전성, 및 다른 성능을 개선한다.
일부 다른 실시예들에서, 도 5에 도시되는 바와 같이, 공기가 금속 하우징(11)으로부터 배출되기 전에 금속 하우징(11)의 제1 표면(113) 상에 미리 리세스가 형성될 수 있다. 금속 하우징(11)의 제1 표면(113) 상에는 다수의 리세스들(114)이 존재할 수 있다. 예를 들어, 다수의 리세스들(114)이 제1 표면(113) 상에 미리 형성되고, 각각의 리세스(114)의 위치는 전극 코어 조립체(12)가 배열되는 위치에 대응한다.
일부 구현들에서, 금속 하우징(11)의 2개의 대향하는 제1 표면들(113)이 양자 모두 내향으로 리세스되어 리세스된 영역을 통해 전극 코어 조립체(12)를 클램핑한다.
금속 하우징(11) 상에 배기 구멍이 제공될 수 있다. 배기 구멍을 통해 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 공간으로부터 공기가 배출된다. 배기 구멍이 밀봉될 필요가 있기 때문에, 배기 구멍을 밀봉하기 위해 배기 구멍 내에 밀봉 부재가 추가로 배열된다. 이러한 밀봉 부재는, 예를 들어, 플러그, 고무 부재 등일 수 있고, 이는 본 명세서에서 제한되지 않는다.
일부 구현들에서, 금속 하우징(11)이 공기-배출되기 전에, 전극 코어 조립체(12)의 내부 표면들과 금속 하우징(11) 사이에 간극이 제공된다. 이러한 간극은 전극 코어 조립체(12)가 금속 하우징(11)의 내부 내로 장착되기에 편리하다. 금속 하우징(11)이 공기-배출된 후에, 금속 하우징(11)이 제2 방향 B를 따라 전극 코어 조립체(12)의 외부 표면에 대해 가압되어 전극 코어 조립체들(12)을 클램핑하고, 그렇게 함으로써 전극 코어 조립체(12)가 금속 하우징(11) 내부에서 이동하는 공간을 감소시키고, 셀(100)의 안전성 성능을 개선한다.
본 개시내용의 실시예에서, 금속 하우징(11)은 알루미늄 플라스틱 필름과 상이하다. 알루미늄 플라스틱 필름은 불량한 방열 효과 및 낮은 강도를 갖고, 제조 프로세스에 의해 제한된다. 알루미늄 플라스틱 필름이 셀(100)의 케이스로서 사용되면, 비교적 큰 두께를 갖는 셀(100)이 제조될 수 없다. 금속 하우징(11)은 높은 강도 및 양호한 방열 효과를 갖는다. 금속 하우징(11)은 알루미늄 하우징 또는 강철 하우징을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
일부 실시예들에서, 금속 하우징(11)의 두께는 0.05 mm 내지 1 mm의 범위이다.
금속 하우징(11)의 두께가 비교적 크면, 셀(100)의 중량이 증가되고 셀(100)의 용량이 감소된다. 또한, 금속 하우징(11)의 두께가 극히 크면, 대기압 하에서, 금속 하우징(11)은 전극 코어 조립체(12)의 사이드를 향해 쉽게 눌리거나 또는 변형되지 않아서 금속 하우징(11)과 전극 코어 조립체(12) 사이의 간격을 감소시키고, 그렇게 함으로써 전극 코어 조립체(12)를 효과적으로 위치시키지 못한다. 추가적으로, 금속 하우징(11)이 극히 두꺼우면, 공기 배출을 위한 비용이 증가되고, 따라서 제조 비용이 대응하여 증가된다.
본 개시내용에서, 금속 하우징(11)의 두께는 위 범위 내로 제한되고, 이는 금속 하우징(11)의 강도를 보장할 뿐만 아니라, 셀(100)의 용량을 감소시키지 않는다. 추가로, 금속 하우징(11)은 음압 상태에서 더 쉽게 변형되어, 금속 하우징(11)과 전극 코어 조립체(12) 사이의 간격을 감소시키고, 그렇게 함으로써 금속 하우징(11) 내부의 전극 코어 조립체(12)의 이동 및 전극 코어 조립체들(12) 사이의 상대 변위를 감소시킨다.
실시예에서, 캡슐화 필름(13)은 알루미늄 복합 필름이다.
본 개시내용의 실시예에서, 캡슐화 필름(13)은 적층되는 비-금속 외부 레이어 필름 및 비-금속 내부 레이어 필름을 포함한다. 내부 레이어 필름은 외부 레이어 필름과 전극 코어 조립체(12) 사이에 배열된다.
내부-레이어 필름은 더 양호한 화학적 안정성을 갖고, 예를 들어, PP(polypropylene), PE(polyethylene), 또는 PET(polyethylene terephthalate)와 같은 전해액의 부식-방지의 속성이 있는 재료, 또는 위 재료들의 조합으로 이루어질 수 있다.
외부-레이어 필름은 보호 레이어이며, 공기, 특히 수증기, 산소 등의 침투를 방지하기 위해 사용될 수 있다. 외부-레이어 필름은, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, PA(polyamide), 또는 폴리프로필렌, 또는 위 재료들의 조합으로 이루어질 수 있다.
이러한 실시예의 캡슐화 필름(13)에서, 외부 레이어 필름의 융점은 내부 레이어 필름의 융점보다 커서, 밀봉을 위한 고온 용융 동안, 외부 레이어 필름은 용융되지 않는 반면 내부 레이어 필름은 제 시간에 용융될 수 있어 우수한 밀봉 성능을 보장한다. 추가로, 외부-레이어 필름의 융점과 내부-레이어 필름의 융점 사이의 차이는 30℃ 내지 80℃의 범위일 수 있다. 예를 들어, 외부-레이어 필름의 융점과 내부-레이어 필름의 융점 사이의 차이는 50℃ 또는 70℃ 등일 수 있다. 구체적인 재료의 선택은 실제 필요에 기초하여 결정될 수 있다.
외부-레이어 필름 및 내부-레이어 필름은 결합제를 사용하여 접착된다. 예를 들어, 외부-레이어 필름의 재료는 PP일 수 있고, 내부-레이어 필름의 재료는 PET일 수 있고, 외부-레이어 필름과 내부-레이어 필름을 접착하기 위한 결합제는, 예를 들어, 폴리올레핀 결합제일 수 있어, 복합 필름이 접착을 통해 형성된다.
이러한 실시예에서, 전극 코어 조립체(12)는 2-레이어 비-금속 필름으로부터 형성되는 캡슐화 필름(13)을 사용하여 캡슐화된다. 더 높은 인장 강도 및 파단 연신율(elongation at break)을 갖는 비-금속 캡슐화 필름(13)의 사용으로 인해, 셀(100)의 두께에 대한 제한들이 감소될 수 있어, 생산된 셀(100)은 더 큰 두께를 갖는다. 이러한 실시예에서, 셀(100)의 두께는 큰 팽창가능한 범위를 갖고, 예를 들어, 이러한 두께는 10 mm보다 클 수 있다, 예를 들어, 13 mm 내지 75 mm의 범위 내일 수 있다.
본 개시내용의 실시예에서, 셀은 리튬-이온 셀이다.
도 9에 도시되는 바와 같이, 본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 위 실시예들 중 어느 하나에 따른 다수의 셀들을 포함하는, 배터리 모듈(300)이 제공된다. 본 개시내용에 의해 제공되는 배터리 모듈(300)을 사용하는 것에 의하면, 밀봉 성능이 비교적 양호하고, 조립 프로세스가 단순하고, 셀의 비용이 비교적 낮다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 개시내용은, 셀 어레이(21)를 포함하는, 배터리 팩(200)을 추가로 제공한다. 이러한 셀 어레이(21)는 몇몇 셀들(100)을 포함한다. 이러한 셀(100)은 위 실시예들 중 어느 하나에서 설명된다. 따라서, 셀(100)의 구체적인 구조는 여기서 반복되지 않는다.
하나 이상의 셀 어레이(21)가 존재할 수 있고, 각각의 셀 어레이(21) 내에 하나 이상의 셀(100)이 존재할 수 있다. 실제 생산에서, 셀(100)의 수량은 실제 필요에 따라 설정될 수 있고, 셀 어레이(21)의 수량 또한 실제 필요에 따라 설정될 수 있으며, 이는 본 개시내용에서 구체적으로 제한되지 않는다.
본 개시내용의 실시예에서, 셀(100)의 길이 방향은 제1 방향 A로 연장되고, 셀(100)의 두께 방향은 제1 방향 A에 수직인 제2 방향 B로 연장된다. 몇몇 셀들(100)은 제2 방향 B로 순차적으로 배열되어 셀 어레이(21)를 형성한다. 적어도 2개의 인접한 셀들(100) 사이에 간극이 제공되고, 셀(100)의 두께에 대한 간극의 비율은 0.001 내지 0.15의 범위이다.
2개의 인접한 셀들(100) 사이의 간극은 셀의 작동 시간이 증가함에 따라 변한다는 점이 주목되어야 한다. 그러나, 두께에 대한 셀들 사이의 간극의 비율의 범위가 본 개시내용에 의해 정의되는 범위 내에 있는 한, 셀들이 작동 중이든 또는 작동 후이든, 또는 셀이 공장을 떠나기 전이든, 임의의 경우가 본 개시내용의 보호 범위 내에 있다.
본 개시내용에서, 셀들(100) 사이의 특정 간극을 확보하는 것에 의해, 셀(100)의 팽창을 위해 버퍼 공간이 확보된다.
셀(100)의 팽창은 셀(100)의 두께와 연관된다. 셀(100)의 두께가 클수록, 셀(100)이 팽창할 가능성이 더 있다. 본 개시내용에서, 셀(100)의 두께에 대한 셀들(100) 사이의 간극의 비율은 0.001 내지 0.15로 제한되며, 이는 배터리 팩(200)의 공간을 완전히 사용할 수 있고 배터리 팩(200)의 이용률을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 셀(100)의 팽창을 위해 더 양호한 버퍼링 효과를 제공할 수 있다.
또한, 셀들(100)이 팽창할 때 열이 발생된다. 셀들(100) 사이에 특정 간극이 확보되고, 이러한 간극은, 공기 채널과 같은, 방열 통로로서 또한 사용될 수 있다. 셀(100)의 더 큰 면적을 갖는 표면은 더 양호한 방열 효과를 가지므로, 배터리 팩(200)의 방열 효율이 또한 증가될 수 있어, 배터리 팩(200)의 안전성 성능을 개선한다.
위 해결책들에서, 셀들(100) 사이의 간극은 셀들(100) 사이에 구조 부재가 배열되지 않고 단지 특정 공간만이 확보되는 것으로서 이해될 수 있거나, 또는, 셀들(100)이 구조 부재를 통해 서로로부터 분리되도록, 셀들(100) 사이에 추가적인 구조 부재가 배열되는 것으로서 이해될 수 있다.
셀들(100) 사이에 구조 부재가 배열될 때, 셀들(100) 사이의 간극은 구조 부재의 양쪽 사이드들 상의 셀들(100) 사이의 거리로서 이해되어야 하지만, 구조 부재와 셀들(100) 중 하나 사이의 거리로서 이해될 수 없다는 점이 주목되어야 한다.
구조 부재의 양쪽 사이드들 상의 셀들(100)과 구조 부재 사이에 특정 간극이 확보될 수 있거나, 또는 구조 부재가 그 양쪽 사이드들 상의 셀(100)과 직접 접촉할 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 구조 부재가 그 양쪽 사이드들 상의 셀들(100)과 직접 접촉할 때, 구조 부재는, 셀(100)의 팽창에 대한 버퍼링 효과를 갖도록, 특정 가요성을 가져야 한다. 구조 부재는 에어로겔, 열 전도성 구조 접착제, 및 단열 발포체를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 개시내용에서, 다수의 셀 어레이들(21)이 존재할 때, 간극은 상이한 셀 어레이들(21)에서의 2개의 인접한 셀들(100) 사이의 간격이 아니라 동일한 셀 어레이(21)에서의 2개의 인접한 셀들(100) 사이의 간격을 지칭할 것이다. 또한, 동일한 셀 어레이(21)에서, 모든 2개의 인접한 셀들(100) 사이에 특정 간극들이 확보될 수 있거나, 또는 2개의 인접한 셀들(100) 중 일부 사이에 특정 간극들이 확보될 수 있다.
구현에서, 2개의 인접한 셀들(100) 사이의 간극은 제1 간극 d1을 포함한다. 제1 간극 d1은 제2 방향 B으로의 2개의 인접한 셀들(100)의 2개의 커버 플레이트들(112) 사이의 최소 거리로서 정의된다. 셀(100)의 두께는 제2 방향 B으로의 커버 플레이트(112)의 크기이다. 셀(100)의 두께에 대한 제1 간극 d1의 비율은 0.005 내지 0.1의 범위이다.
위 구현들에서, 커버 플레이트(112)는 비교적 높은 강도를 갖기 때문에, 커버 플레이트(112)가 하우징 본체(111)보다 팽창할 가능성이 적다. 셀(100)이 일정 기간 동안 작동한 후에, 화학 반응이 내부에서 발생하고, 셀(100)은 팽창하여 그 인접한 셀들(100)을 압착하고 제1 간극 d1이 변하게(예를 들어, 점차 증가함) 한다. 그러나, 이러한 변화는 비교적 작고 무시할 수 있거나, 또는 제1 간극이 변하더라도, 셀(100)의 두께에 대한 제1 간극의 비율은 여전히 위 범위를 충족시킨다.
위 구현들에서, 커버 플레이트들(112)은 하우징 본체(111)의 2개의 단부들에 각각 배열된다. 셀들(100)이 두께 방향으로 셀 어레이(21) 내에 배열될 때, 2개의 셀들(100) 사이의 간극은 제2 방향 B에서의 셀 어레이(21)의 동일한 단부에서 2개의 커버 플레이트들(112) 사이의 최소 간격일 수 있거나, 또는 제2 방향 B에서의 셀 어레이(21)의 상이한 단부들에서 2개의 커버 플레이트들(112)의 최소 간격일 수 있다.
구현에서, 2개의 인접한 셀들(100) 사이의 간극은 제2 간극 d2를 포함한다. 제2 간극 d2는 2개의 인접한 셀들(100)의 2개의 마주보는 제1 표면들(131) 사이의 최소 거리이다. 셀(100)이 사용되기 전의 제2 간극 d2는 셀(100)이 사용된 후의 제2 간극 d2보다 크다.
"사용 전(before use)"은 조립이 완료된 후에 공장을 떠나기를 기다리거나 또는 공장을 떠난 셀(100)이 아직 외부에 전력을 공급하기 시작하지 않은 것으로서 이해될 수 있다. "사용 후(after use)"는 셀(100)이 외부에 전력을 공급한 것으로서 이해될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(200)은 전기 차량(1000) 상에 조립된다. 사용 전의 상태는 새로운 차량의 상태로서 이해될 수 있다. 사용 후의 상태는 특정 마일리지 동안 운전된 차량의 상태일 것이다.
이러한 구현에서, 제2 간극은 2개의 인접한 셀들(100)의 2개의 대향하는 제1 표면들(131) 사이의 최소 간격을 지칭할 것이다. 셀(100)의 작동 시간이 증가함에 따라 간격이 점차 감소하고, 주로 그 이유는 셀(100)이 팽창한 후에 2개의 인접한 큰 표면들 사이의 간격이 점차 감소하기 때문이다.
본 개시내용의 실시예에서, 배터리 팩(200)은 배터리 팩 커버 및 트레이(22)를 추가로 포함하고, 배터리 팩 커버는 도 7의 도면에 도시되지 않는다. 배터리 팩 커버 및 트레이(22)는 밀봉된 방식으로 접속되어 배터리 수용 캐비티를 형성하고, 이러한 배터리 수용 캐비티 내에 셀 어레이(21)가 배열된다. 트레이(22)는 지지 부재(221)를 포함한다. 셀(100)의 금속 하우징(11) 상에 지지 영역이 형성된다. 셀들(100)은, 지지 부재(221) 상에 지지되도록, 지지 영역을 통해 지지 부재(221)와 맞댐 조인트(butt joint)된다.
추가로, 트레이(22)는 사이드 빔들을 포함한다. 이러한 사이드 빔들은 지지 부재(221)를 형성한다. 길이 방향으로의 셀(100)의 양쪽 단부들이 이러한 사이드 빔들 상에 각각 지지된다.
본 개시내용의 이러한 실시예에서의 셀(100)에서, 금속 하우징(11)과 캡슐화 필름(13) 사이의 대기압은 음압이고, 이는 셀(100)의 전체 강도를 개선할 수 있다. 따라서, 셀(100)은 그 자신의 강도를 지지로서 사용하는 것에 의해 트레이(22) 상에 직접 장착될 수 있어, 셀(100)을 지지하기 위해 트레이(22) 상에 크로스 빔들 및 종방향 빔들과 같은 구조들을 배열할 필요가 없고, 그렇게 함으로써 배터리 팩(200)의 내부 공간의 이용률을 개선하는 것을 돕는다.
도 10에 도시되는 바와 같이, 위 배터리 팩(200)을 포함하는, 전기 차량(1000)이 제공된다. 본 개시내용에 의해 제공되는 전기 차량(1000)은 높은 내구성 능력을 갖고 비교적 비용이 낮다.
이러한 전기 차량(1000)의 차체의 길이 방향에 평행한 길이 방향으로 셀들(100)이 배열된다. 차체의 길이는 500 mm 내지 5200 mm의 범위이다.
본 개시내용의 설명에서, 달리 명시적으로 구체화되거나 또는 정의되지 않는 한, "장착하다(mount)", "접속하다(connect)" 및 "접속(connection)"과 같은 용어들은 넓은 의미로 이해되어야 한다는 점이 주목되어야 한다. 예를 들어, 접속은 고정 접속, 분리가능 접속, 또는 일체형 접속일 수 있거나; 또는 접속은 기계적 접속 또는 전기적 접속일 수 있거나; 또는 접속은 직접 접속, 중개를 통한 간접 접속, 또는 2개의 컴포넌트들 사이의 내부 통신일 수 있다. 해당 기술에서의 통상의 기술자는 구체적인 상황들에 따라 본 개시내용에서의 위 용어들의 구체적인 의미들을 이해할 수 있다.
본 명세서의 설명에서, "실시예(an embodiment)", "구체적인 실시예(a specific embodiment)", 또는 "예(an example)"와 같은 참조 용어의 설명은 해당 실시예 또는 해당 예를 참조하여 설명되는 구체적인 특징, 구조, 재료, 또는 특성이 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예 또는 예에 포함된다는 점을 의미한다. 본 명세서에서, 위 용어들의 개략적인 설명들이 반드시 동일한 실시예 또는 예를 가리키는 것은 아니다. 또한, 설명된 구체적인 특징들, 구조들, 재료들 또는 특성들은 실시예들 또는 예들 중 임의의 하나 이상에서 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들이 도시되고 설명되었더라도, 해당 기술에서의 통상의 기술자는 본 개시내용의 원리들 및 사상으로부터 벗어나지 않고 실시예들에 대해 다양한 변경들, 수정들, 대체들, 및 변형들이 이루어질 수 있고, 본 개시내용의 범위는 첨부된 청구항들 및 그들의 등가물들에 의해 정의된다는 점을 이해할 수 있다.

Claims (35)

  1. 셀로서, 금속 하우징 및 상기 금속 하우징 내에 캡슐화되는 복수의 전극 코어 스트링들을 포함하고; 상기 복수의 전극 코어 스트링들은 제2 방향으로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속되고, 상기 전극 코어 스트링들 각각은 캡슐화 필름 및 제1 방향으로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속되는 복수의 전극 코어 조립체들을 포함하고, 상기 전극 코어 조립체들은 상기 캡슐화 필름 내에 캡슐화되고, 상기 금속 하우징과 상기 캡슐화 필름 사이의 대기압은 상기 금속 하우징 외부의 대기압보다 낮은 셀.
  2. 제1항에 있어서, 2개의 전극 코어 스트링들을 포함하고, 상기 전극 코어 스트링들은 상기 제1 방향을 따라 서로 대향하는 단부 부분들을 갖고, 상기 2개의 전극 코어 스트링들은 동일한 단부 부분에서 2개의 전극 코어 조립체들에 의해 직렬로 접속되는 셀.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 방향은 상기 전극 코어 조립체들의 길이 방향들 또는 상기 셀의 길이 방향에 의해 정의되고; 상기 셀의 길이는 400 mm 내지 2500 mm의 범위인 셀.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 방향은 상기 셀의 두께 방향으로서 정의되고, 상기 셀의 두께는 10 mm보다 큰 셀.
  5. 제4항에 있어서, 상기 셀의 두께는 13 mm 내지 75 mm의 범위인 셀.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 코어 조립체는 전류를 인출하기 위한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 제1 방향을 따라 대응하는 전극 코어 조립체의 2개의 사이드들 상에 배치되는 셀.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡슐화 필름 내부의 대기압은 상기 금속 하우징과 상기 캡슐화 필름 사이의 대기압보다 낮은 셀.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 코어 스트링은 하나의 캡슐화 필름을 포함하고, 대응하는 전극 코어 스트링들 각각에 포함되는 복수의 전극 코어 조립체들이 동일한 캡슐화 필름 내에 캡슐화되고;
    상기 전극 코어 조립체는 전극 코어 조립체 본체, 및 전류를 인출하기 위한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 2개의 전극 코어 조립체들을 직렬로 접속하기 위한 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 접합이 상기 캡슐화 필름 내에 있는 셀.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 전극 및/또는 상기 제2 전극에 대응하는 상기 캡슐화 필름의 위치에 캡슐화 부분이 형성되어 2개의 인접한 전극 코어 조립체 본체들을 서로 분리하고;
    2개의 인접한 전극 코어 조립체들 중 하나의 전극 코어 조립체의 제1 전극 및 상기 2개의 인접한 전극 코어 조립체들 중 다른 전극 코어 조립체의 제2 전극 중 적어도 하나가 상기 캡슐화 부분 내에 배열되는 셀.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 코어 스트링들 각각은 복수의 캡슐화 필름들을 포함하고, 상기 전극 코어 조립체들 중 적어도 하나는 상기 캡슐화 필름들 각각 내에 캡슐화되고, 상기 전극 코어 조립체는 전류를 인출하기 위한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 적어도 하나의 제1 전극 및/또는 제2 전극이 상기 캡슐화 필름 밖으로 연장되는 셀.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 하우징과 상기 캡슐화 필름 사이의 대기압 P1은 -100 kPa 내지 -5 kPa인 셀.
  12. 제11항에 있어서, 상기 금속 하우징과 상기 캡슐화 필름 사이의 대기압 P1은 -75 kPa 내지 -20 kPa인 셀.
  13. 제12항에 있어서, 상기 캡슐화 필름 내부의 대기압은 P2이고, P1과 P2 사이의 관계는, P1과 P2 사이의 비율이 0.05 내지 0.85임을 충족시키는 셀.
  14. 제13항에 있어서, P2의 값은 -100 kPa 내지 -20 kPa인 셀.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 하우징은 상기 제2 방향을 따라 2개의 대향하는 제1 표면들을 갖고, 상기 2개의 대향하는 제1 표면들 중 적어도 하나는 상기 금속 하우징의 내부를 향해 리세스되는 셀.
  16. 제15항에 있어서, 상기 2개의 제1 표면들은 상기 금속 하우징의 내부를 향해 리세스되어 상기 전극 코어 조립체들을 클램핑하는 셀.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡슐화 필름은 적층되는 비-금속 외부-레이어 필름 및 비-금속 내부-레이어 필름을 포함하고, 상기 내부-레이어 필름은 상기 전극 코어 조립체와 상기 외부-레이어 필름 사이에 배열되고, 상기 외부-레이어 필름의 융점은 상기 내부-레이어 필름의 융점보다 크고, 상기 외부-레이어 필름의 융점과 상기 내부-레이어 필름의 융점 사이의 차이는 30℃와 80℃ 사이인 셀.
  18. 제17항에 있어서, 상기 외부-레이어 필름의 재료는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 및 폴리프로필렌 중 하나 이상이고; 상기 내부-레이어 필름의 재료는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중 하나 이상인 셀.
  19. 제18항에 있어서, 상기 외부-레이어 필름과 상기 내부-레이어 필름이 접착되는 셀.
  20. 제19항에 있어서, 상기 접착의 결합제는 폴리올레핀 결합제인 셀.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡슐화 필름은 알루미늄 복합 필름인 셀.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 하우징은 개구를 갖는 하우징 본체 및 커버 플레이트를 포함하고, 상기 커버 플레이트는 밀봉된 방식으로 상기 하우징 본체의 개구에 접속되어 밀봉된 수용 챔버를 형성하고, 상기 수용 챔버 내에 상기 전극 코어 스트링들이 배열되고, 상기 복수의 전극 코어 스트링들은 순차적으로 직렬로 접속되어 셀 코어 조립체를 형성하고, 상기 셀 코어 조립체의 2개의 단부들은 제1 전극 및 제2 전극을 각각 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 커버 플레이트로부터 별도로 인출되는 셀.
  23. 제22항에 있어서, 상기 금속 하우징 상에 배기 구멍이 제공되고, 상기 배기 구멍 내에 밀봉 부재가 배열되는 셀.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 하우징의 두께는 0.05 mm 내지 1 mm의 범위인 셀.
  25. 배터리 모듈로서, 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 복수의 셀들을 포함하는 배터리 모듈.
  26. 배터리 팩으로서, 셀 어레이를 포함하고, 상기 셀 어레이는 복수의 셀들을 포함하고; 상기 셀은 금속 하우징 및 상기 금속 하우징 내에 캡슐화되는 복수의 전극 코어 스트링들을 포함하고, 상기 복수의 전극 코어 스트링들은 제2 방향으로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속되고, 상기 전극 코어 스트링들 각각은 캡슐화 필름 및 제1 방향으로 배열되고 순차적으로 직렬로 접속되는 복수의 전극 코어 조립체들을 포함하고, 상기 전극 코어 조립체들은 상기 캡슐화 필름 내에 캡슐화되고, 상기 금속 하우징과 상기 캡슐화 필름 사이의 대기압은 상기 금속 하우징 외부의 대기압보다 낮은 배터리 팩.
  27. 제26항에 있어서, 상기 셀의 두께는 상기 제2 방향으로 연장되고, 상기 복수의 셀들은 상기 제2 방향으로 순차적으로 배열되어 상기 셀 어레이를 형성하고;
    적어도 2개의 인접한 셀들 사이에 간극이 제공되고, 상기 셀의 두께에 대한 간극의 비율은 0.001 내지 0.15의 범위인 배터리 팩.
  28. 제27항에 있어서, 상기 금속 하우징은 개구를 갖는 하우징 본체 및 커버 플레이트를 포함하고, 상기 커버 플레이트는 밀봉된 방식으로 상기 하우징 본체의 개구에 접속되어 밀봉된 수용 챔버를 형성하고, 상기 수용 챔버 내에 상기 전극 코어 스트링들이 배열되고;
    2개의 인접한 셀들 사이의 간극은 제1 간극 d1을 포함하고, 상기 제1 간극은 제2 방향으로의 2개의 인접한 셀들의 2개의 커버 플레이트들 사이의 최소 거리이고, 셀의 두께는 상기 제2 방향으로의 커버 플레이트의 크기이고, 셀의 두께에 대한 제1 간극 d1의 비율은 0.005 내지 0.1의 범위인 배터리 팩.
  29. 제27항에 있어서, 상기 금속 하우징은 상기 제2 방향을 따라 2개의 대향하는 제1 표면들을 갖고, 상기 2개의 인접한 셀들 사이의 간극은 제2 간극 d2를 포함하고, 상기 제2 간극은 상기 2개의 인접한 셀들의 2개의 마주보는 제1 표면들 사이의 최소 거리이고, 상기 셀의 두께는 상기 제2 방향으로의 커버 플레이트의 크기인 배터리 팩.
  30. 제29항에 있어서, 상기 셀이 사용되기 전의 제2 간극 d2는 상기 셀이 사용된 후의 제2 간극 d2보다 큰 배터리 팩.
  31. 제27항에 있어서, 배터리 팩 커버 및 트레이를 추가로 포함하고, 상기 배터리 팩 커버 및 상기 트레이는 밀봉 방식으로 접속되어 배터리 수용 캐비티를 형성하고, 상기 배터리 수용 캐비티 내에 상기 셀 어레이가 배열되고, 상기 트레이는 지지 부재를 포함하고, 상기 금속 하우징 상에 지지 영역이 형성되고, 상기 지지 영역을 통해 상기 셀들이 상기 지지 부재와 맞댐 조인트(butt joint)되어, 상기 지지 부재 상에 지지되는 배터리 팩.
  32. 제31항에 있어서, 상기 셀의 길이는 상기 제1 방향으로 연장되고, 상기 제1 방향은 상기 제2 방향에 수직이고, 상기 트레이는 사이드 빔들을 포함하고, 상기 사이드 빔들은 상기 지지 부재를 형성하고, 길이 방향으로의 상기 셀의 양쪽 단부들은 상기 사이드 빔들 상에 각각 지지되는 배터리 팩.
  33. 전기 차량으로서, 제26항 내지 제32항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
  34. 제33항에 있어서, 상기 전기 차량의 차체의 길이 방향에 평행한 길이 방향으로 셀들이 배열되는 전기 차량.
  35. 제34항에 있어서, 상기 차체의 길이는 500 mm 내지 5200 mm의 범위인 전기 차량.
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