KR20230001169A - 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 - Google Patents
배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230001169A KR20230001169A KR1020210083763A KR20210083763A KR20230001169A KR 20230001169 A KR20230001169 A KR 20230001169A KR 1020210083763 A KR1020210083763 A KR 1020210083763A KR 20210083763 A KR20210083763 A KR 20210083763A KR 20230001169 A KR20230001169 A KR 20230001169A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- battery
- electrode assembly
- battery cell
- flame propagation
- sheet
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 5
- 230000002265 prevention Effects 0.000 claims abstract description 75
- 239000010445 mica Substances 0.000 claims description 35
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 claims description 35
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- -1 anite Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 14
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- YGANSGVIUGARFR-UHFFFAOYSA-N dipotassium dioxosilane oxo(oxoalumanyloxy)alumane oxygen(2-) Chemical group [O--].[K+].[K+].O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O YGANSGVIUGARFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 8
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 8
- 229910052627 muscovite Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 8
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 7
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 7
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 7
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 4
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 241001595840 Margarites Species 0.000 claims description 3
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 claims description 3
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 claims description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052626 biotite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001604 clintonite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PRAKJMSDJKAYCZ-UHFFFAOYSA-N dodecahydrosqualene Natural products CC(C)CCCC(C)CCCC(C)CCCCC(C)CCCC(C)CCCC(C)C PRAKJMSDJKAYCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052630 margarite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 claims description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001737 paragonite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052628 phlogopite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 claims description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 7
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 5
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 5
- 238000009863 impact test Methods 0.000 description 5
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 4
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 235000015110 jellies Nutrition 0.000 description 4
- 239000008274 jelly Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000004088 foaming agent Substances 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000005001 laminate film Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 3
- RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 2,2,4,4,6,6-hexaphenoxy-1,3,5-triaza-2$l^{5},4$l^{5},6$l^{5}-triphosphacyclohexa-1,3,5-triene Chemical compound N=1P(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP=1(OC=1C=CC=CC=1)OC1=CC=CC=C1 RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003110 anti-inflammatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N cadmium nickel Chemical compound [Ni].[Cd] OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000010438 granite Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910000652 nickel hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- QELJHCBNGDEXLD-UHFFFAOYSA-N nickel zinc Chemical compound [Ni].[Zn] QELJHCBNGDEXLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 238000013441 quality evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003362 replicative effect Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910052604 silicate mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000005624 silicic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/04—Construction or manufacture in general
- H01M10/0413—Large-sized flat cells or batteries for motive or stationary systems with plate-like electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/04—Construction or manufacture in general
- H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/04—Construction or manufacture in general
- H01M10/0459—Cells or batteries with folded separator between plate-like electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
- H01M50/383—Flame arresting or ignition-preventing means
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
본 발명의 배터리 셀은, 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 설치되는 화염전파 방지시트; 및 상기 전극 조립체 및 화염전파 방지시트가 수용되는 전지 케이스를 포함한다.
Description
본 발명은 배터리 셀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 셀 내부에서 미리 화염을 차단하여 다른 배터리 셀로 화염이 전파되는 시간을 최대한 억제하고, 또한 배터리 셀의 강성을 개선시킬 수 있는 배터리 셀에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도, 리튬 이차전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하다는 점에서, 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자 제품들의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 또한, 리튬 이차전지는, 그 형태에 따라 각형 전지, 파우치형 전지, 원통형 전지로 구분되기도 한다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지는 작동 전압이 높고 에너지 밀도가 높다는 등의 장점이 있지만, 유기 전해액을 사용하기 때문에, 리튬 이차전지가 과충되면 과전류 및 과열을 유발하여 심한 경우 폭발이나 발화에 의한 화재가 발생할 수 있다.
또한, 복수의 배터리 셀들이 적층된 배터리 모듈의 경우, 어느 하나의 배터리 셀이 폭발하거나 발화하면 정상적으로 작동하는 다른 배터리 셀로 화염이 전파되어 복수의 배터리 셀들이 연쇄적으로 폭발하므로, 배터리 모듈이 장착된 장치에 손상이 발생할 수 있고 사용자가 안전사고의 위험에 노출될 수 있다.
도 1은 배터리 셀 간의 화염 전파를 방지하기 위하여 제시된 종래의 배터리 모듈의 구조의 일례를 나타낸 개략도이다.
상기 종래의 배터리 모듈(1)은 복수개의 배터리 셀(10)과, 각 배터리 셀 사이에 위치하는 화염전파 방지부재(20)와, 모듈 케이스(11)를 포함한다.
상기 복수의 배터리 셀(10) 중 어느 하나의 배터리 셀에서 폭발 내지 발화가 발생하더라도, 상기 화염전파 방지부재(20)가 상기 배터리 셀 사이에 위치하고 있으므로, 다른 배터리 셀로 화염이 전파되는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 상기한 종래의 배터리 모듈은 각 배터리 셀의 외부에 화염전파 방지부재가 설치되므로, 배터리 셀 내부의 전극 조립체가 연소되는 것을 막을 수 없다. 즉, 셀 내부의 전극 조립체에서 발화가 발생하면 배터리 셀 내부 단계에서는 화염전파를 차단할 수 없으므로, 전극 조립체 및 이를 감싸는 전지 케이스를 다 태울 때까지 어떠한 방해도 없이 배터리 셀이 연소된다. 전극 조립체뿐 아니라 전지 케이스까지 타 버리는 등 배터리 셀이 완전히 연소하면 연소온도가 더욱 높아지고 폭발의 위험성이 커진다.
상기 종래의 배터리 모듈은 배터리 셀과 배터리 셀 사이에는 화염전파 방지부재가 설치되어 있으므로, 다른 셀로 화염이 전파되는 것을 일정 시간 지연시킬 수 있다. 하지만, 배터리 셀 내부 단계에서부터 화염을 차단하지 않으므로 배터리 셀 간 화염 전이 시간이 비교적 짧다. 복수개의 배터리 셀 적층체가 수납되는 배터리 모듈에서 배터리 셀이 발화되는 이른바 열 폭주 현상(thermal runaway) 발생시 화염전이 시간을 얼마나 줄일수 있느냐가 배터리 모듈의 품질평가에서 중요한 요인이 된다. 화염전이 시간이 짧으면 개별 배터리 셀 뿐만 아니라, 전체 배터리 모듈이 폭발할 위험이 커진다는 것을 의미하는 바, 종래의 배터리 모듈 구조는 이러한 화염전이 시간을 억제하는데 한계가 있었다.
또한, 화염방지를 위한 다른 기술로서, 파우치형 이차전지의 외부 또는 내부에 소정 메쉬 이상의 금속망으로 이루어진 화염방지망을 구비한 파우치형 이차전지가 제시되어 있다. 상기 화염방지망은 그 망 부분이 화염의 에너지를 흡수하여 소염 효과를 가지며, 망의 작은 구멍은 가스나 증기 등을 통과시키는 구조로 되어 있다.
그러나, 이러한 화염방지망은 작은 메쉬구멍들을 가지므로, 이 구멍들을 통한 화염의 이동을 완전히 차단할 수 없다는 문제가 있다. 따라서, 상기한 종래의 파우치형 이차전지의 경우에도 전지 내부에서 화염이 발생할 경우, 화염 전파를 방지하는데는 한계가 있었다.
한편, 배터리 셀은 도 1과 같은 모듈 구조로 사용되기도 하지만, 모바일 폰이나 다른 소형 전기기기용 전원으로 사용되는 경우, 복수개의 단위셀이 적층된 스택 셀 구조의 전극 조립체가 수납된 단일의 배터리 셀 형태로 사용되기도 한다. 이와 같이, 배터리 셀은 단독 또는 적층되어 사용되므로, 배터리 셀의 강성은 독립적인 중요한 품질 특성 중의 하나이다. 종래의 배터리 셀, 특히 각형 전지나 원통형 전지에 비하여 비교적 강성이 약한 파우치형 배터리 셀의 경우, 배터리 셀의 강성을 높이는 것이 기술적과제가 되고 있다.
이상으로부터, 배터리 셀 또는 배터리 모듈 구조에 있어서, 인접하는 셀로의 화염전파를 방지하거나 그 화염전파 시간을 최대한 억제하고, 동시에 배터리 셀의 강성을 높일 수 있는 기술의 개발이 요망된다 하겠다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 만들어진 것으로서, 배터리 셀의 폭발 내지 발화시 발생하는 화염의 전파를 셀 내부 단계에서부터 차단 내지 지연시키면서도 셀의 강성을 향상시킬 수 있는 배터리 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 배터리 셀은, 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 설치되는 화염전파 방지시트; 및 상기 전극 조립체 및 화염전파 방지시트가 수용되는 전지 케이스를 포함한다.
하나의 예로서, 상기 화염전파 방지시트는, 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 규산염으로 구성된 규산염 시트일 수 있다.
구체적으로, 상기 규산염은 백운모, 펜자이트, 셀라도나이트, 파라고나이트, 마가라이트, 금운모, 흑운모, 애나이트, 철운모, 시데로필라이트, 클린토나이트, 리튬 백운모, 트릴리티오나이트, 폴리리티오나이트, 진왈다이트 및 태니올라이트 중 1종 이상을 포함한다.
보다 구체적인 예로서, 상기 운모 시트는, 규산염 전체 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 바인더를 함유하고, 상기 바인더는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리(에틸렌-프로필렌) 공중합체를 포함하는 폴리올레핀; 나일론을 포함하는 폴리아미드; 및 내열성 실리콘 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 화염전파 방지시트는 상기 전극 조립체의 탭이 형성되는 쪽의 측면을 제외한 나머지 외측면 중 적어도 하나에 설치된다.
보다 구체적인 예로서, 상기 전극 조립체는 육면체 형상의 스택형 또는 스택 폴딩형 전극 조립체이고, 상기 화염전파 방지시트는, 상기 전극 조립체의 상부면 및 하부면 중 적어도 하나를 덮는 제1 커버부와, 상기 전극 조립체의 탭이 형성된 측의 측면을 제외한 나머지 양측면 중 적어도 하나를 덮는 제2 커버부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 커버부는 다수의 구멍이 형성된 다공성 시트로 형성되는 것이 바람직하다.
다른 예로서, 상기 전극 조립체는 육면체 형상의 스택형 또는 스택 폴딩형 전극 조립체이고, 상기 화염전파 방지시트는, 상기 스택형 전극 조립체의 탭이 형성된 측의 측면을 제외한 나머지 외측면을 모두 덮도록 형성되며, 상기 전극 조립체의 상부면 및 하부면을 제외한 나머지 양측면을 덮는 화염전파 방지시트의 부분은 다수의 구멍이 형성된 다공성 시트로 형성될 수 있다.
하나의 예로서, 화염전파 방지시트는, 표면에 소정 패턴이 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 소정 패턴은 표면에 돌출부, 오목부, 또는 돌출부 및 오목부가 반복 형성되는 구조일 수 있다.
상기 전지 케이스는 파우치형, 원통형, 각형 중 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 측면으로서, 배터리 모듈은 상기 배터리 셀이 복수개 적층되는 배터리 셀 적층체와, 상기 배터리 셀 적층체가 수납되는 모듈 케이스를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀의 열 폭주시 화염을 배터리 셀의 내부 단계에서부터 차단하므로, 화염이 전이되는 시간을 최대한 억제하여, 배터리 셀 내지 배터리 모듈의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 배터리 셀 내부에 강성을 보강하는 화염전파 방지시트가 설치되므로, 배터리 셀의 품질특성인 강성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 배터리 셀 간의 화염 전파를 방지하기 위한 종래의 배터리 모듈의 구조의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 배터리 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 화염전파 방지시트의 패턴을 나타내는 개략도이다.
도 5은 종래의 배터리 셀과 본 발명의 배터리 셀을 3P 전파(PROPAGATION) 테스트에 적용한 모습을 나타내는 개략도이다.
도 6은 종래의 배터리 셀과 본 발명의 배터리 셀의 3P 전파 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 배터리 셀에 대한 UN1642DL 임팩트 인증규격에 의한 충격실험의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 배터리 셀을 이용하여 제조한 배터리 모듈의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 배터리 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 화염전파 방지시트의 패턴을 나타내는 개략도이다.
도 5은 종래의 배터리 셀과 본 발명의 배터리 셀을 3P 전파(PROPAGATION) 테스트에 적용한 모습을 나타내는 개략도이다.
도 6은 종래의 배터리 셀과 본 발명의 배터리 셀의 3P 전파 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 배터리 셀에 대한 UN1642DL 임팩트 인증규격에 의한 충격실험의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 배터리 셀을 이용하여 제조한 배터리 모듈의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면과 여러 실시예에 의하여 본 발명의 세부 구성을 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 또한 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니며 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우 뿐만 아니라, 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
본 발명의 배터리 셀은, 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 설치되는 화염전파 방지시트; 및 상기 전극 조립체 및 화염전파 방지시트가 수용되는 전지 케이스를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 배터리 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 셀(100)은 파우치형의 전지 케이스(130) 내에 전극 조립체(110)가 수납되고 전해액이 상기 전지 케이스(130) 내에 주액되어 상기 전극 조립체(110)가 상기 전해액으로 함침되는 구조로 되어 있다.
상기 전극 조립체(110)는, 다양한 구조를 가질 수 있으며, 또한 다양한 방식으로 적층될 수 있다. 양극판-분리막-음극판의 풀 셀(full cell)(모노셀) 1개가 전지 케이스에 수용된 모노셀 형태의 배터리 셀에 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 또한, 양극판-분리막-음극판의 순서로 배열되는 모노셀 또는 양극판-분리막-음극판-분리막-양극판 혹은 음극판-분리막-양극판-분리막-음극판 형태의 바이셀(bi-cell)과 같은 단위 셀(unit cell)들을 전지 용량에 맞게 다수개 적층시킨 스택형 구조를 가질 수 있다. 상기 전극 조립체(110)의 전극들로부터 다수의 전극 탭(T)들이 돌출되며, 이는 전극 리드(140)에 연결된다. 상기 전극 리드(140)는 외부로 노출되어 외부 기기에 연결되는 일종의 단자로서 전도성 재질이 사용될 수 있다. 전극 리드(140)는 양극 전극 리드와 음극의 전극 리드를 포함할 수 있다. 양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 배터리 셀의 길이방향에 대하여 서로 반대방향으로 배치될 수도 있고(이른바, 양방향 배터리 셀), 혹은 서로 동일한 방향에 배치될 수도 있다(이른바, 단방향 배터리 셀). 도 2에는 양방향 배터리 셀이 도시되어 있다.
본 발명의 전극 조립체(110)는 도 2와 같은 스택형 구조의 전극 조립체일 수 있다. 혹은, 도시하지는 않았지만, 상기 전극 조립체(110)는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리롤형 전극 조립체, 혹은 젤리롤형과 스택형의 혼합 형태로서 풀셀 또는 바이셀을 긴 길이의 연속적인 분리막 시트를 이용하여 권취한 구조의 스택 폴딩형 구조의 전극 조립체일 수도 있다.
화염전파 방지시트(120)는, 상기 전극 조립체(110)의 적어도 하나의 외측면에 적층된다. 본 명세서에서 화염전파 방지시트(120)란 예컨대 복수개의 배터리 셀이 적층된 배터리 모듈이나 배터리 팩에 있어서, 하나의 배터리 셀에서 발화가 발생하였을 경우, 그 발화에 의한 화염이 다른 배터리 셀로 전달되는 것을 방지하는 시트라는 것을 의미한다. 또한, 시트 형상의 부재이므로, 종래의 화염방지망과 같은 구멍을 포함하지 않고 예컨대 운모 등과 같은 결정질 또는 비결정질의 규산염 광물 등으로 촘촘하게 속이 채워져 있는 원단 개념의 시트를 구성하므로, 화염을 보다 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 화염전파 방지시트(120)는 배터리 셀(100)의 강성을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 상기 화염전파 방지시트(120)가 전극 조립체 상에 설치되면, 후술하는 바와 같이, 배터리 셀(100)의 임팩트 시험의 경우에 배터리 셀의 눌림 폭을 줄이고 전지 케이스(130) 내의 전극 조립체(110)를 보호 및 보강하는 역할을 한다. 화염전파 방지시트(120)는 화염전파 방지에 기술적의미를 가지는 것이지만, 본 발명의 화염전파 방지시트(120)는 전지 케이스 내에 설치는 것이므로, 복수개의 배터리 셀이 함께 설치되는 경우는 물론, 단일의 배터리 셀(100)로 전기기기의 전원 등으로 채용되는 경우에도 보다 강고한 강성을 구비한다는 점에서 독립적인 기술적 의미를 가지는 것이다.
본 발명의 화염전파 방지시트(120)는 내열성과 단열성을 겸비한 규산염 시트인 것이 바람직하다.
본 발명에서 언급되는 규산염 시트는 규산염으로 구성되는 것으로서, 전지 케이스 내에서 방염 및/또는 난연 효과를 구현하는 기능을 수행한다.
이때, 상기 규산염은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있으나, 구체적으로는 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 것을 사용할 수 있다.
일반적으로 규산염은 규산의 수소가 다른 금속 원자와 치환된 중성염을 의미하는데, 본 발명에서는 방염 및/또는 난연 효과를 구현하기 위하여 수소 자리에 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 등의 원소가 치환된 것을 사용할 수 있으며, 특히 방염성을 위하여 층상형의 규산염을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 규산염으로는 백운모, 펜자이트, 셀라도나이트, 파라고나이트, 마가라이트, 금운모, 흑운모, 애나이트, 철운모, 시데로필라이트, 클린토나이트, 리튬 백운모, 트릴리티오나이트, 폴리리티오나이트, 진왈다이트 및 태니올라이트 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 규산염 시트는 규산염을 주성분으로 하고, 상기 규산염이 바인더에 의해 고정됨으로써 하나의 시트를 이루는 구조를 가질 수 있다.
여기서, "주성분으로 한다"란 대상 성분이 물질의 전체 100 중량부에 있어서 60 중량부 이상, 70 중량부 이상, 80 중량부 이상, 85 중량부 이상, 90 중량부 이상, 95 중량부 이상, 98 중량부 이상, 또는 99 중량부 이상으로 포함됨을 의미할 수 있다.
예컨대, 상기 규산염 시트의 경우, 규산염 전체 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 바인더를 함유할 수 있다.
아울러, 상기 규산염 시트에 포함되는 바인더는 규산염에 대하여 부착력이 우수한 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리(에틸렌-프로필렌) 공중합체를 포함하는 폴리올레핀; 및 나일론을 포함하는 폴리아미드, 내열성 실리콘 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 규산염 시트 중 운모를 포함하는 운모 시트를 사용할 수 있다.
운모는 화강암을 구성하는 조암 물질 중 하나로서 우수한 전기 절연성을 가지고 있으며 가열시 물성의 변화가 매우 적은 특성을 갖는다. 상기 운모는 500~1000℃의 고온에서도 우수한 절연 저항을 가진다. 또한 운모는 우수한 난연성을 가지며, 연소 또는 가열 시에 연기가 발생하지 않는 특성을 가진다. 이러한 특성들로 인하여 배터리 셀을 이루는 전지 케이스 내에 운모를 포함하는 운모 시트를 설치함으로써, 배터리 셀 내부의 열 폭주 나아가서는 배터리 셀 간의 열 폭주의 전파를 방지 내지 지연할 수 있는 것이다.
규산염을 시트 형상으로 제조하기 위해서, 예컨대 스크랩 규산염 또는 분쇄 규산염 가루를 바인더(예컨대, 내열성 실리콘)와 혼합하여 큰 판상으로 성형한 후 적당한 길이로 잘라 전극 조립체의 크기에 맞는 시트 형상으로 제조할 수 있다. 하지만, 규산염 시트의 제조방법은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 통상 알려진 기술에 따라 다양한 방법으로 규산염 시트를 제조할 수 있다.
화염전파 방지 시트의 크기는 화염 전파 방지를 위하여 또한 전극 조립체(110) 보호의 측면에서 전극 조립체(110)의 표면을 거의 혹은 완전히 덮는 것이 바람직하다. 또한, 화염전파 방지 시트(120)의 두께는 사용되는 전극 조립체(110)의 두께에 비례하여 적절한 것을 사용할 수 있다. 예컨대, 스택형 구조의 전극 조립체(110)를 사용할 경우, 대략 0.1~1mm 정도 두께의 시트를 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 전극이나 전지 규격에 따라 그보다 두껍거나 얇은 두께의 시트를 사용할 수 있다.
상기 화염전파 방지시트(120)는 상기 전극 조립체(110)의 탭(T)이 형성되는 쪽의 측면을 제외한 나머지 외측면 중 적어도 하나에 설치되는 것이 바람직하다. 전극 조립체(110)의 탭(T)이 형성되는 쪽의 측면은 전해액 및 가스가 유동되는 통로이기 때문에, 이 측면에 화염전파 방지시트(120)가 설치되면, 전지의 기본적인 기능을 저해할 수 있다. 따라서, 스택형 구조의 전극 조립체(110)의 탭(T)이 설치된 길이방향 양측면, 스택 폴딩형 구조의 전극 조립체의 탭이 설치된 쪽의 측면, 젤리롤형 전극 조립체의 탭이 연결되는 나선형상의 측면을 제외한 나머지 외측면에 화염전파 방지시트(120)를 설치하는 것이 바람직하다.
상기 화염전파 방지시트(120)는 전극 조립체(110)를 보호하기 위해 전극 조립체에 접촉될 수도 있으나, 다른 층을 개재하여 전극 조립체 상에 적층될 수도 있다. 도 2와 같이, 스택형 구조의 육면체 형상의 전극 조립체(110)의 경우 상기 화염전파 방지시트(120)는 상기 전극 조립체(110)의 상부면(도 2(a)) 또는 하부면에 설치되거나, 상부면 및 하부면 모두에 적층될 수 있다(도 2(b) 참조). 경우에 따라서, 상기 전극 조립체(110)의 양측면에도 적층될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
상기 전극 조립체(110)가 스택 폴딩형 구조인 경우, 풀셀 또는 바이셀의 단위셀을 휘감는 최외곽 분리막 시트의 적어도 하나의 외측면에 상기 화염전파 방지시트(120)가 적층될 수 있다. 또한, 젤리롤형 전극 조립체의 경우에는 나선형으로 감긴 젤리롤형 전극 조립체의 외주 둘레를 따른 면 상에 상기 화염전파 방지시트(120)가 적층될 수 있다. 하나의 전지 케이스(130)에 복수개의 전극 조립체(110)를 수납하는 경우, 예컨대 각형 전지 케이스 내에 2개 이상의 젤리롤 전극 조립체를 수용하는 경우, 상기 각 젤리롤 전극 조립체의 외주면 상에 상기 화염전파 방지시트(120)를 설치할 수 있다.
상기 전지 케이스(130)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 파우치형의 전지 케이스가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 원통형 캔, 각형 캔 형태의 케이스가 모두 사용될 수 있다. 파우치형의 전지 케이스는 수지와 알루미늄이 적층된 알루미늄 라미네이트 필름으로 이루어져 있다. 상기 알루미늄 라미네이트 필름은 열 폭주에 의한 전지(전극 조립체)의 발화시 열 차단기능이 현저하게 떨어져서 녹아버린다. 또한, 알루미늄 라미네이트 필름이 탈 때에 유독가스가 발생하고 전극 조립체 외에 추가적인 재료(전지 케이스)까지 연소하므로, 연소온도도 더 높아지게 된다. 또한, 원통형 캔이나 각형 캔 형태의 전지 케이스는 금속 캔으로 되어 있으므로, 열 폭주시 열 전파의 문제는 파우치형 배터리 셀보다는 덜 심각하지만 안전성의 관점에서 역시 열 폭주시 열 전파를 방지 내지 지연시킬 필요가 있다. 상기 화염전파 방지시트(120)는 이상적으로는 열 폭주시 열 내지 화염의 전파를 완전히 차단하는 것이 좋겠지만, 그것이 불가능한 경우에도 최대한 그 전파를 지연시키는 것이 중요하다. 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀(100)이 적층되어 구성되므로, 개개의 배터리 셀에서 수초 내지 수십초라도 화염 전파를 지연시키면 전체 배터리 모듈 단위에서는 수분 이상 화염전파를 지연시킬 수 있다. 이러한 화염전파 지연특성은 발화, 특히 폭발방지 혹은 폭발시간의 최대 지연과 관련되는 중요한 특성이다.
종래에는 상술한 바와 같이, 전지 케이스의 외부에 화염전파 방지부재를 설치하였기 때문에, 전지 케이스 내부에서부터 화염 내지 열 폭주를 방지할 수 없었다. 즉, 전지 케이스 내부의 전극 조립체가 완전히 연소하고 전지 케이스가 연소하여 녹아붙고 난 후에야 다른 배터리 셀로 화염이 전파되는 것을 방지하는 구조였다. 이로 인하여 후술하는 바와 같이, 복수개의 배터리 셀 간에 화염전파 시간이 짧아서 배터리 모듈 폭발 가능성 및 시간도 비교적 짧아서 안전성을 담보할 수 없었다. 본 발명은 이를 개선하기 위하여, 발상을 전환하여 전지 케이스 내에 과감하게 화염전파 방지시트를 설치하여 화염전파 시간을 크게 억제하기에 이르렀다. 또한, 화염전파 방지시트, 예컨대 운모 시트를 전지 케이스 내에 설치하면, 전지 강성이 증가하여, 외부로부터의 충격시 배터리 셀 내지 내부의 전극 조립체를 보호할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3에서는 단순화를 위하여, 전극 조립체(110)를 단순한 직육면체 형상으로 도시하였다. 즉, 도 2의 스택형 전극 조립체(110)의 길이방향 양단에 설치된 탭(T)이 형성되는 쪽의 좌우 측면에서 탭(T)의 도시를 생략하고 직육면체 형상으로 나타내었다.
상기 화염전파 방지시트(120)는 도 2와 같이 전극 조립체(110)의 상부면 (111) 또는 하부면(112)에 설치할 수 있지만, 도 3(a)와 같이, 상기 상부면(111) 또는 하부면(112) 중 적어도 하나를 덮는 제1 커버부(121)와, 상기 전극 조립체(110)의 탭(T)이 형성된 측의 좌우 측면(115, 116)을 제외한 나머지 양측면, 즉 전후 측면(113,114) 중 적어도 하나를 덮는 제2 커버부(122)를 포함하도록 구성할 수도 있다. 즉, 본 실시예에서는 화염전파 방지시트(120')가 적어도 전극 조립체(110)의 2면을 덮는 ㄱ자 형상으로 형성되어 화염전파 방지효과를 더욱 크게 하고 있다. 다만, 전극 조립체(110)의 측면으로는 전해액 주액시 전해액이 유입될 수 있고 포메이션 공정후 디가싱 공정시 가스가 배출될 수 있으므로, 이를 화염전파 방지시트 등으로 완전히 덮는 것은 바람직하지 않다. 본 실시예에서는, 전극 조립체(110)의 상부면(111)과, 전측면(113)을 제1 커버부(121) 및 제2 커버부(122)로 덮고 있지만, 후측면(114)이 개방되어 있고 또한 전극 조립체(110)의 탭이 형성된 측의 좌우 측면(115, 116)이 개방되어 있으므로, 이 개방된 공간을 통하여 전해액 유입 및 가스 배출이 가능하다. 이 경우, 상기 제2 커버부(122)를 다수의 구멍이 형성된 다공성 시트로 형성한다면, 전지 제조를 위한 전해액 주액시에 전해액이 상기 제2 커버부(122)에 의하여 방해받지 않고 제2 커버부(122)에 형성된 구멍을 통하여 상기 전극 조립체(110)의 전측면(113)을 지나 유입될 수 있다. 또한, 포메이션 단계후 가스 제거공정(디가싱공정) 시에도 상기 제2 커버부(122)의 다공성 시트의 구멍을 통하여 가스를 신속하게 제거할 수 있다는 장점이 있다.
다공성 시트의 구멍의 크기는 전극 조립체의 크기, 두께, 폭 및 전해액 유동 및 가스 제거효과를 고려하여 적절한 범위로 결정할 수 있다. 예컨대, 0.01~1mm 크기의 구멍을 형성할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 0.1mm보다 구멍이 작으면 전해액 유입이 지연될 수 있고, 1mm보다 구멍이 큰 경우 전해액 유동은 좋아질 수 있지만, 화염전파 차단효과가 저하될 수 있어 상기 범위로 하는 것이 바람직하다. 화염전파 방지시트, 예컨대 운모 시트를 다공성 시트로 하기 위해서, 상기 제2 커버부는 제1 커버부와 다른 구성성분을 포함할 수 있다. 예컨대, 통기성 층상구조를 형성하는 운모 조성물로 다공성의 운모 시트를 제조할 수 있다. 즉, 운모를 주성분으로 하되, 소정 함량의 기포제와 바인더를 포함하는 운모 조성물을 이용하여 다공성 시트를 제조할 수 있다. 예컨대, 상기 운모 조성물은 운모 100중량부를 기준으로 했을 때, 바인더 1~10 중량부, 기포제 1~10 중량부를 포함할 수 있으며, 상기 바인더와 기포제는 당업계에서 통상적으로 사용되고 있는 것을 적용할 수 있다. 상기 제1 커버부(121)와 제2 커버부(122)는 접착제에 의하여 일체로 제조할 수 있다. 이 경우, 접착제는 제1 커버부(121), 제2 커버부(122)에 사용된 바인더와 동일한 성분이 포함된 것을 사용하면, 커버부 간의 밀착성을 더욱 개선할 수 있다.
도 3(b)의 실시예는, 육면체 형상의 스택형 전극 조립체(110)의 4측면을 완전히 감싸는 형태로 화염전파 방지시트(120'')가 설치되어 있다. 즉, 전극 조립체(110)의 탭이 형성된 측의 좌우 측면(115,116)을 제외한 상부면(111), 하부면(112), 전후 측면(113,114)을 모두 덮도록 화염전파 방지시트(120'')가 설치된다. 즉, 화염전파 방지시트(120'')가 4면의 시트로 이루어진 중공형의 사각기둥 모양이 된다. 본 실시예에서는 상기 전극 조립체(110)가 사각기둥 형태의 화염전파 방지시트(120'')의 중공부(H)에 삽입되는 형태가 된다. 본 실시예의 경우에도 전극 조립체(110) 양측면으로의 전해액 유입과 디가싱을 위하여 전후 측면에 위치하는 화염전파 방지시트(120'')의 부분은 다공성 시트로 형성할 수 있다. 상기 다공성 시트의 제조 및 비다공성 시트 부분과의 접착은 상술한 도 3(a)의 실시예와 관련하여 설명한 것과 동일하게 행할 수 있다.
도 3에 개시된 실시예의 화염전파 방지시트(120',120'')는 전극 조립체(110)의 상부 외측면 및/또는 하부 외측면을 덮어 상기 배터리 셀(100)의 상부 또는 하부에 적층된 인접한 배터리 셀로의 화염전파를 차단한다. 동시에 전해액 주입 및 가스 제거를 위해 필요한 전극 조립체(110)의 측면에는 다공성 부분의 화염전파 방지시트로 덮어서 일정 부분 화염 전파를 방지하는 기능을 수행하면서도, 전해액 주액과 디가싱이 가능하게 한 점에 특징이 있다.
도 4는 본 발명의 화염전파 방지시트의 패턴을 나타내는 개략도이다.
도 4(a)는 화염전파 방지시트(120)의 평면형상을, 도 4(b)는 화염전파 방지시트(120)의 측면형상을 각각 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 상기 화염전파 방지시트(120)는 표면에 소정 패턴을 형성한 것을 사용할 수 있다. 즉, 예컨대 운모 시트를 사용하는 경우, 운모는 길이방향으로 쪼개지는 성질이 있으므로, 운모 시트의 강도 향상을 위하여 표면에 돌출부(a), 오목부(b), 또는 돌출부(a) 및 오목부(b)가 반복되는 형태의 패턴을 형성할 수 있다(도 4(b) 참조). 도 4(a)에는 이러한 패턴의 형태로서 사각형의 돌출부(A)가 반복되거나 스트라이프 형태의 돌출부(B) 내지 오목부가 시트의 길이방향으로 형성된 예를 도시하고 있으나, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 4(b)와 같이 돌출부(a), 오목부(b), 또는 돌출부(a) 및 오목부(b)가 반복되는 형태로 패턴을 구성하면, 운모 시트의 표면적이 증가하여 열 폭주시 방열 면적을 증가시킬 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 배터리 셀 및 상기 배터리 셀을 채용한 배터리 모듈의 작용 및 효과를 설명한다.
도 5는 종래의 배터리 셀(10)과 본 발명의 배터리 셀(100)을 3P 전파(PROPAGATION) 테스트에 적용한 모습을 나타내는 개략도이다.
3P 전파 테스트는 배터리 내에서 연소가 일어나는 경우를 상정한 내유소 실험의 일종으로서, ESS 모듈 내부의 배터리 셀을 히팅 패드(heating pad)로 분당 5~7도의 승온속도로 가열하여 배터리 셀의 열 폭주(thermal runaway) 현상을 일으켰을 때, 화염의 전파력이 어느 정도 되는지를 판단하는 실험으로서, 도 5에는 이러한 3P 전파 테스트장치(200)가 도시되어 있다.
실험을 위하여 카트리지 타입의 모듈을 모사하여 사내에서 제작한 세로 35cm, 가로 10cm, 두께 1.6cm의 파우치형 배터리 셀 3개를 사용하였다. 상기 배터리 셀 내에는 분리막-음극-분리막-양극-분리막의 스택용 단위셀을 40개 적층한 스택형 전극 조립체를 내장하였다. 상기 배터리 셀을 최하부로부터 1번 셀(Cell#1), 2번 셀(Cell#2), 3번 셀(Cell#3)의 순서로 적층하고, 모듈 내에서의 배터리 셀의 가압구조를 상정하여 적층된 배터리 셀(10,100)의 상부와 하부에 소정 두께의 알루미늄판(210)을 볼트(220)로 체결하여 배터리 셀(10,100)을 가압한다. 또한, 상하부의 알루미늄판(210)과 배터리 셀 사이, 적층된 배터리 셀의 사이에 알루미늄 냉각판(211)을 설치하였다. 최하단의 배터리 셀(10,100)과 알루미늄판(210) 사이에 히팅 패드(230)(㈜핫코우사 제조 실리콘 히터 SBH2012)를 설치하고, 이 히팅 패드(230)를 발열시켜 분당 7도의 승온속도로 배터리 셀(10,100)을 가열하여 열 폭주를 일으킨다. 화염전파 방지시트로서는, 백운모와 리튬 백운모를 합쳐서 100중량부로 한 규산염 분쇄 파우더를 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌을 합계로 10중량부로 한 바인더와 혼합하여 시트 형상으로 가공하고 이를 전극 조립체의 크기와 동일하게 절단한 운모 시트를 사용하였다.
배터리 셀 외부에 화염전파 방지 시트가 배치된 경우와, 배터리 셀 내부에 화염전파 방지 시트가 배치된 경우를 대비하기 위하여 하기와 같이 운모 시트를 배치하였다. 0.2mm 운모 시트를 2장 겹친 것을 1번 셀의 상부, 2번 셀의 하부와 상부, 3번 셀의 하부에 각각 배치한 도 5(a)의 구조를 종래의 배터리 셀(10) 내지 배터리 모듈을 모사한 구조의 비교예로 하였다.
한편, 본 발명예의 배터리 셀(모듈) 구조로서, 0.2mm 운모 시트를 2장 겹친 것을, 1번 셀의 전극 조립체의 상부, 2번 셀의 전극 조립체의 하부 및 상부, 3번 셀의 전극 조립체의 하부에 각각 배치한 도 5(b)의 구조를 본 발명예의 배터리 셀(100) 내지 배터리 모듈을 모사한 구조의 발명예로 하였다.
온도측정을 위하여 각 배터리 셀(10,100) 사이에 서모 커플(미도시)을 설치하였다. 상기 배터리 셀들이 SOC 100%로 충전된 상태에서, 도 5의 실험장치로 분당 7℃의 승온속도로 배터리 셀을 가열하여 3P 전파 테스트를 진행한 결과는 도 6과 같다.
도 6의 그래프에서 좌측의 Y축은 전압, 우측의 Y축은 온도, X축은 시간을 나타낸다. 도 6(a)와 같이 배터리 셀의 사이, 즉 배터리 셀(10)의 외부에 운모 시트(20)를 설치한 종래의 비교예는 최하부의 1번 셀(Cell#1)의 발화로부터 2번 셀(Cell#2)을 거쳐, 3번 셀(Cell#3)의 발화까지 소요된 시간은 1.9분이다.
반면, 본 발명의 배터리 셀(100) 내부에 운모 시트(120)를 설치한 예에서는. 도 6(b)와 같이 최하부의 1번 셀(Cell#1)의 발화로부터 2번 셀(Cell#2)을 거쳐, 3번 셀(Cell#3)의 발화까지 소요된 전파 시간은 2.4분으로서 전파 지연시간이 더 긴 것을 알 수 있다. 이는 운모 시트(120)가 배터리 셀(100) 내부의 전극 조립체 상에 위치하고 있어 전극 조립체의 연소를 배터리 셀(100) 내부 단계에서 미리 방지하거나(특히 2번 셀의 경우) 혹은 전지 케이스의 연소를 늦추어 연소온도를 낮추고 연소에 불리한 조건을 조성함으로써, 결과적으로 화염 전파 시간을 지연시킨 결과로 해석된다.
이로부터, 배터리 셀(100) 내에 화염전파 방지시트(120)를 설치한 본 발명의 배터리 셀 내지 이를 채용한 배터리 모듈 구조가 열 폭주시 화염전파 방지를 보다 효율적으로 차단하고 화염전파를 최대한 지연 내지 억제시킨다는 것을 알 수 있다.
도 7은 배터리 셀에 대한 UN1642DL 임팩트 인증규격에 의한 충격실험의 개념도이다.
배터리 셀 충격실험은 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 상에 소정 직경의 환봉(bar)을 설치하고, 상부로부터 소정 무게의 추를 상기 환봉 상에 낙하시켜 상기 환봉에 의하여 배터리 셀이 어느 정도 눌리는지를 측정하여 배터리 셀에 미치는 충격의 영향 내지 해당 배터리 셀의 강성을 측정하는 실험이다. 해당 실험은 UN1642DML 임팩트 인증 규격에 따라 9kg의 추를 파우치형 배터리 셀에 놓여진 직경 16mm의 환봉 상에 낙하시켜 행하였다.
비교예 및 발명예로서는 3P 전파 테스트에서 최하부에 설치되었던 1번 셀(Cell#1)과 동일한 셀을 각각 사용하였다. 본 발명예는 스택형 전극 조립체 상에 0.2mm 두께의 운모 시트를 2장 겹쳐 설치한 파우치형 배터리 셀이고, 비교예의 배터리 셀은 전극 조립체 상에 운모 시트가 설치되지 않은 종래의 배터리 셀이다.
충격실험의 결과는 하기 표 1과 같다.
| 비교예 | 본 발명예 | ||
| 평가 결과 |
환봉(BAR) 눌림폭 (범위/평균 mm) |
13.4~15.4/14.1 | 6.9~8.3/7.6 |
| 내용 | -임팩트 후, 즉시 발화발생 -최대온도: 556℃ |
-임팩트후 전압, 온도변화없음 -내부 쇼트없음 |
이상으로부터, 본 발명의 배터리 셀이 충격에 훨씬 강하고, 임팩트 후 배터리 발화도 발생하지 않았다.
따라서, 본 발명의 배터리 셀은 전지 케이스 내부에 화염전파 방지시트를 구비함으로써, 인접한 배터리 셀로의 화염전파를 크게 억제할 수 있을 뿐 아니라, 단일 배터리 셀로 사용될 경우 등에도 전지 케이스 자체를 두껍게 할 필요 없이 상기 화염전파 방지시트에 의하여 외부 충격으로부터 배터리 셀을 안전하게 보호할 수 있으므로, 전체적인 셀 안전성이 현저하게 향상된다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 배터리 셀(100)을 이용하여 제조한 배터리 모듈(300)의 개략도이다. 도 8를 참조하면, 전지 케이스 내부의 전극 조립체(110) 상에 화염전파 방지시트(120)가 설치된 배터리 셀(100)이 배터리 모듈(300)의 모듈 케이스(310) 내에 복수개 적층 설치된다. 상기 배터리 셀(100)들은 각각 화염전파 방지시트(120)가 내장되어 있으므로, 열 폭주에 의한 발화시 각각의 배터리 셀이 화염에 저항하여 발화를 늦출 뿐만 아니라, 인접하는 배터리 셀로의 화염의 전파도 대폭 억제하여, 상술한 바와 같이 화염전파를 크게 지연시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 셀의 외부에 종래와 같이 그 배터리 셀의 적어도 일부분을 덮는 화염전파 방지부재(예컨대, 운모 시트)를 설치한다면, 열 폭주시 안전성을 더욱 개선시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(도시하지 않음)은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 배터리 팩은 이러한 배터리 모듈 이외에 배터리 모듈을 수납하기 위한 하우징, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등의 각종 장치를 더 포함할 수 있다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10,100: 배터리 셀
110: 전극 조립체
T: 탭
111: 상부면
112: 하부면
113: 전측면
114: 후측면
115,116: 좌우 측면(탭 형성 측면)
120,120',120'': 화염전파 방지시트
121: 제1 커버부
122: 제2 커버부
H: 중공부
130: 전지 케이스
140: 전극 리드
A: 사각형상 돌출부
B: 스트라이프 형상 돌출부
a: 돌출부
b: 오목부
200: 3P 전파(PROPOGATION) 테스트장치
210: 알루미늄판
211: 알루미늄 냉각판
220: 볼트
230: 히팅 패드
300: 배터리 모듈
310: 모듈 케이스
110: 전극 조립체
T: 탭
111: 상부면
112: 하부면
113: 전측면
114: 후측면
115,116: 좌우 측면(탭 형성 측면)
120,120',120'': 화염전파 방지시트
121: 제1 커버부
122: 제2 커버부
H: 중공부
130: 전지 케이스
140: 전극 리드
A: 사각형상 돌출부
B: 스트라이프 형상 돌출부
a: 돌출부
b: 오목부
200: 3P 전파(PROPOGATION) 테스트장치
210: 알루미늄판
211: 알루미늄 냉각판
220: 볼트
230: 히팅 패드
300: 배터리 모듈
310: 모듈 케이스
Claims (14)
- 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 설치되는 화염전파 방지시트; 및
상기 전극 조립체 및 화염전파 방지시트가 수용되는 전지 케이스를 포함하는 배터리 셀.
- 제1항에 있어서,
상기 화염전파 방지시트는, 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 규산염으로 구성된 규산염 시트인 배터리 셀.
- 제2항에 있어서,
상기 규산염은 백운모, 펜자이트, 셀라도나이트, 파라고나이트, 마가라이트, 금운모, 흑운모, 애나이트, 철운모, 시데로필라이트, 클린토나이트, 리튬 백운모, 트릴리티오나이트, 폴리리티오나이트, 진왈다이트 및 태니올라이트 중 1종 이상을 포함하는 배터리 셀.
- 제2항에 있어서,
상기 규산염 시트는, 규산염 전체 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 바인더를 함유하고,
상기 바인더는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리(에틸렌-프로필렌) 공중합체를 포함하는 폴리올레핀; 나일론을 포함하는 폴리아미드; 및 내열성 실리콘 중 1종 이상을 포함하는 배터리 셀.
- 제2항에 있어서,
상기 규산염 시트는 운모를 포함하는 운모 시트인 배터리 셀.
- 제1항에 있어서,
상기 화염전파 방지시트는, 상기 전극 조립체의 탭이 형성되는 쪽의 측면을 제외한 나머지 외측면 중 적어도 하나에 설치되는 배터리 셀.
- 제1항에 있어서,
상기 전극 조립체는 육면체 형상의 스택형 또는 스택 폴딩형 전극 조립체이고,
상기 화염전파 방지시트는, 상기 전극 조립체의 상부면 및 하부면 중 적어도 하나를 덮는 제1 커버부와, 상기 전극 조립체의 탭이 형성된 측의 측면을 제외한 나머지 양측면 중 적어도 하나를 덮는 제2 커버부를 포함하는 배터리 셀.
- 제7항에 있어서,
상기 제2 커버부는 다수의 구멍이 형성된 다공성 시트로 형성되는 배터리 셀.
- 제1항에 있어서,
상기 전극 조립체는 육면체 형상의 스택형 또는 스택 폴딩형 전극 조립체이고,
상기 화염전파 방지시트는, 상기 전극 조립체의 탭이 형성된 측의 측면을 제외한 나머지 외측면을 모두 덮도록 형성되며,
상기 전극 조립체의 상부면 및 하부면을 제외한 나머지 양측면을 덮는 화염전파 방지시트의 부분은 다수의 구멍이 형성된 다공성 시트로 형성되는 배터리 셀.
- 제1항에 있어서,
화염전파 방지시트는, 표면에 소정 패턴이 형성된 배터리 셀.
- 제7항에 있어서,
상기 소정 패턴은 표면에 돌출부, 오목부, 또는 돌출부 및 오목부가 반복 형성되는 구조인 배터리 셀.
- 제1항에 있어서,
상기 전지 케이스는 파우치형, 원통형, 각형 중 하나인 배터리 셀.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 배터리 셀이 복수개 적층되는 배터리 셀 적층체와,
상기 배터리 셀 적층체가 수납되는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈.
- 제13항의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210083763A KR20230001169A (ko) | 2021-06-28 | 2021-06-28 | 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210083763A KR20230001169A (ko) | 2021-06-28 | 2021-06-28 | 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230001169A true KR20230001169A (ko) | 2023-01-04 |
Family
ID=84925345
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210083763A KR20230001169A (ko) | 2021-06-28 | 2021-06-28 | 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230001169A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200107213A (ko) | 2019-03-06 | 2020-09-16 | 주식회사 엘지화학 | 화염의 외부 노출을 방지할 수 있는 구조를 갖는 ess 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 |
-
2021
- 2021-06-28 KR KR1020210083763A patent/KR20230001169A/ko active Search and Examination
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200107213A (ko) | 2019-03-06 | 2020-09-16 | 주식회사 엘지화학 | 화염의 외부 노출을 방지할 수 있는 구조를 갖는 ess 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6674567B2 (ja) | リチウムイオンバッテリ | |
| KR102072098B1 (ko) | 안전성이 향상된 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩 | |
| JP3586195B2 (ja) | Ｐｔｃポリマーを含む複合電極 | |
| EP3357107B1 (en) | Frame for portable electrical energy storage cells | |
| KR20180088467A (ko) | 리튬 이온 배터리용 로우 프로파일 압력 차단 장치 | |
| US20190341585A1 (en) | Lithium Ion Battery | |
| KR20170005117A (ko) | 열 폭주 보호물이 있는 리튬 이온 배터리 | |
| US20100255359A1 (en) | Battery pack and battery-equipped device | |
| JPWO2007043392A1 (ja) | 電池パック | |
| JP4730705B2 (ja) | 電池パック | |
| KR101037042B1 (ko) | 안전성이 개선된 파우치형 이차전지 | |
| JPH11102711A (ja) | リチウムイオン二次電池 | |
| JP6469243B2 (ja) | その場形成可能な流体チャネルを備えた携帯型電気エネルギー蓄電装置 | |
| CN114243223A (zh) | 用于携带型多单元电能储存装置的电连接器 | |
| KR20130050557A (ko) | 배터리셀, 및 이를 포함하는 배터리 모듈 | |
| JP2023527967A (ja) | 選択的な相変化機能を備えた電池 | |
| KR20230001169A (ko) | 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 | |
| KR20230004119A (ko) | 배터리 셀, 이를 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 | |
| JP4766449B2 (ja) | 電池パック | |
| KR20090105619A (ko) | 실테이프 및 이를 포함하는 이차전지 | |
| US20230378566A1 (en) | Secondary Battery and Secondary Battery Module Including the Same | |
| KR20230004030A (ko) | 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 | |
| KR20230004022A (ko) | 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 | |
| JP6954214B2 (ja) | 充填部材、組電池、及び熱伝達の制御方法 | |
| KR20210096723A (ko) | 난연성 복합 패드, 그 제조 방법, 이러한 복합 패드를 포함하는 이차전지 모듈과 이차전지 팩 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination |