KR20230004030A - 배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 배터리 셀은, 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 조립체;
상기 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 설치되는 화염전파 방지시트부; 및 상기 전극 조립체 및 화염전파 방지시트부가 수용되는 전지 케이스를 포함하고,
상기 화염전파 방지시트부는, 화염전파 방지시트와, 상기 화염전파 방지시트를 덮어 실링하는 분리막을 포함한다.

Description

배터리 셀, 상기 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩{BATTERY CELL, BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE BATTERY CELL}
본 발명은 배터리 셀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 셀 내부에서 미리 화염을 차단하여 다른 배터리 셀로 화염이 전파되는 시간을 최대한 억제할 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.
상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여, 본 발명자는 배터리 셀 내부의 전극 조립체 외측면에 화염전파 방지시트를 설치하는 기술을 개발하였다.
이에 의하면, 상기 배터리 셀은 전극 조립체와 전지 케이스의 사이에 화염전파 방지시트가 배치되어 있어, 배터리 셀의 열 폭주시 화염을 배터리 셀의 내부 단계에서부터 차단하므로, 화염이 전이되는 시간을 억제하여, 배터리 셀 내지 배터리 모듈의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.
그런데, 상기 화염전파 방지시트는, 규산염으로 구성된 규산염 시트로 이루어져 있었다. 상기 규산염은 돌가루의 일종이므로, 시트 형상으로 제조된 경우에, 돌가루 내지 작은 입자들이 시트로부터 탈락하는 문제가 있다
도 2는 상기 화염전파 방지시트로부터 미립자가 탈락되는 상태를 나타내는 도면이다. 바닥에 놓여진 규산염 시트를 손으로 문지르거나 테이프 등으로 문지르면 도 2와 같이 화염전파 방지시트로부터 규산염 돌가루들이 묻어나오는 것을 확인할 수 있다. 실제로 배터리 셀의 전극 조립체는 예컨대 포메이션 공정이나 디개싱 공정 등에서 가스 제거 등을 위하여 반복적인 가압을 받는다. 이 경우 배터리 셀의 전극 조립체 내에 화염전파 방지시트가 부착되어 있다면, 상기 화염전파 방지시트는 마치 손으로 비비는 듯한 마찰력을 받아 규산염(운모) 가루가 전지 케이스 내로 탈락할 수 있다.
이러한 입자들이 전지 케이스 내로 떨어져 나오면, 전해액이나 전극에 부착되어 전지 반응을 방해할 수 있다. 또는, 탈락 입자들이 혼입되어 전해액의 흐름성을 저해하거나, 전극 조립체의 양극이나 음극 등의 전극에 부착되어 전지 반응을 방해한다. 심한 경우에는 탈락한 입자에 의하여 분리막이 찢어질 수 있다. 이렇게 되면, 배터리 셀에 단락을 일으키거나 저전압특성을 떨어트리는 등 배터리 셀 내에서 문제를 일으키고 셀의 수명을 저하시킬 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2020-0107213호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 만들어진 것으로서, 배터리 셀의 폭발 내지 발화시 발생하는 화염의 전파를 셀 내부 단계에서부터 차단 내지 지연시키면서도 화염전파 방지시트의 미립자 탈락이 방지되는 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 방지시트부; 및 상기 전극 조립체 및 화염전파 방지시트부가 수용되는 전지 케이스를 포함하고, 상기 화염전파 방지시트부는, 화염전파 방지시트와, 상기 화염전파 방지시트를 덮어 실링하는 분리막을 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.
하나의 예로서, 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 포함한다.
구체적으로, 상기 분리막은 상기 화염전파 방지시트에 접착 또는 열 융착되어 상기 화염전파 방지시트를 실링할 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 화염전파 방지시트는 상부 및 하부에 위치한 분리막에 의하여 상부면 및 하부면이 덮여지고, 상기 화염전파 방지시트는 상기 분리막보다 작은 면적을 가져서 상기 화염전파 방지시트를 덮는 상부 및 하부의 분리막의 테두리부에 분리막끼리 접촉하는 분리막 잉여부가 형성되고, 상기 분리막 잉여부를 열 융착함으로써 상기 화염전파 방지시트가 실링될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 화염전파 방지시트부는, 상기 전극 조립체의 탭이 형성되는 쪽의 측면을 제외한 나머지 외측면 중 적어도 하나에 설치될 수 있다.
다른 예로서, 상기 전극 조립체는 복수개의 단위셀이 적층되어 이루어지며, 상기 적층된 전극 조립체의 특정 단위셀과 단위셀 사이에 상기 화염전파 방지시트부가 더 적층될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 화염전파 방지시트부는, 특정 단위셀과 단위셀 사이에 위치한 다른 단위셀의 전극 또는 분리막을 대체하여 적층될 수 있다.
다른 예로서, 화염전파 방지시트에는, 표면에 돌출부, 오목부, 또는 돌출부 및 오목부가 반복 형성되는 소정 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 셀은 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 내부의 화염전파 방지시트로부터의 미립자 탈락이 방지되므로, 셀 내부를 미립자로 오염시키는 일 없이, 화염전파 방지시트에 의한 화염전파 억제 효과를 달성할 수 있다.
도 1은 배터리 셀 간의 화염 전파를 방지하기 위한 종래의 배터리 모듈의 구조의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 화염전파 방지시트로부터 미립자가 탈락되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 배터리 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 화염전파 방지시트가 분리막에 의해 실링되는 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 5는 스택형 구조의 전극 조립체의 화염전파 상태를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 배터리 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 화염전파 방지시트의 패턴을 나타내는 개략도이다.
도 8은 종래의 배터리 셀과 본 발명의 배터리 셀을 3P 전파(PROPAGATION) 테스트에 적용한 모습을 나타내는 개략도이다.
도 9는 종래의 배터리 셀과 본 발명의 배터리 셀의 3P 전파 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 배터리 셀에 대한 UN1642DL 임팩트 인증규격에 의한 충격실험의 개념도이다.
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 발명자는, 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여, 전지 케이스의 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 화염전파 방지시트를 설치하여, 전극 조립체로부터 과열, 과충전 등에 의하여 화염이 발생할 경우 전지 케이스 내부에서부터 화염을 억제하는 기술을 개발하였다.
본 발명의 배터리 셀은, 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 설치되는 화염전파 방지시트부; 및 상기 전극 조립체 및 화염전파 방지시트부가 수용되는 전지 케이스를 포함하고, 상기 화염전파 방지시트부는, 화염전파 방지시트와, 상기 화염전파 방지시트를 덮어 실링하는 분리막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 배터리 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3을 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 3는 양방향 배터리 셀이 도시되어 있다.
본 발명의 전극 조립체(110)는 도 3과 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 방지시트부(120)는, 상기 전극 조립체(110)의 적어도 하나의 외측면에 적층된다. 본 명세서에서 화염전파 방지시트 혹은 화염전파 방지시트부(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 시트부라는 것을 의미한다. 또한, 시트 형상의 부재이므로, 종래의 화염방지망과 같은 구멍을 포함하지 않고 예컨대 운모 등과 같은 결정질의 규산염 광물 등으로 촘촘하게 속이 채워져 있는 원단 개념의 시트를 구성하므로, 화염을 보다 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 화염전파 방지시트부(120)는 배터리 셀(100)의 강성을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 상기 화염전파 방지시트부(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. 본 발명의 화염전파 방지시트부(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 방지시트부(120)는 화염전파 방지시트(121)와, 상기 화염전파 방지시트(121)를 덮어 실링하는 분리막(S)을 포함한다.
상기 화염전파 방지시트(121)는, 예컨대 과전류나 열 폭주에 의하여 배터리 셀 내에서 화염이 발생한 경우, 이 화염이 배터리 셀 내의 다른 부분, 혹은 인접한 다른 배터리 셀로 전파되는 것을 방지하는 기능을 수행한다. 따라서, 상기 화염전파 방지시트(121)는 화염을 차단할 수 있는 내열성과 단열성을 겸비한 재질의 것을 채용할 수 있다. 그 중에서도 본 발명의 화염전파 방지시트부(120)에 포함되는 화염전파 방지시트(121)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.
규산염, 예컨대 운모를 시트 형상으로 제조하기 위해서, 스크랩 운모 또는 분쇄 운모를 바인더(예컨대, 내열성 실리콘)와 혼합하여 큰 판상으로 성형한 후 적당한 길이로 잘라 전극 조립체의 크기에 맞는 시트 형상으로 제조할 수 있다. 하지만, 운모 시트의 제조방법은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 통상 알려진 기술에 따라 다양한 방법으로 운모 시트를 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이, 규산염 시트, 예컨대 운모 시트를 제조하기 위해서, 판상 운모 등을 파쇄하여 얻어지는 스크랩 운모나 분쇄 운모 가루를 바인더를 혼합하고 열과 압력을 가하여야 한다. 그런데, 운모는 미끄럼(slip)이 좋은 판상 입자를 이루므로 잘 부스러진다. 혹은 규산염 시트로 가공하는 과정에서 너무 작은 입자로 분쇄된 관계로, 손으로 비비는 것만으로 시트로부터 작은 입자가 탈락하는 경향이 있다.
이러한 화염전파 방지시트가 전극 조립체(110) 내에 부착된 상태에서, 예컨대 포메이션 공정이나 디개싱 공정 등에서 가스 제거 등을 위하여 반복적인 가압을 받으면, 화염전파 방지시트가 마치 손으로 비비는 듯한 마찰력을 받아 규산염(운모) 가루가 전지 케이스 내로 탈락할 수 있다(도 2 참조). 탈락된 규산염 가루는 이물로 작용하여 전해액에 혼입하여 전해액의 흐름성을 떨어뜨리거나, 전극이나 분리막에 부착하여 손상이나 결함을 유발할 수 있다.
따라서, 본 발명자는 상기 화염전파 방지시트로부터 작은 입자가 탈락되는 것을 방지하는 배터리 셀을 개발하기에 이르렀다.
본 발명은 입자의 탈락을 방지하기 위하여, 화염전파 방지시트(121)를 분리막(S)으로 덮어 실링하여 화염전파 방지시트부(120)를 구성한 점에 특징이 있다.
도 3의 확대도를 참조하면, 화염전파 방지시트(121)가 상부와 하부의 분리막(S)에 의하여 덮여 실링되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 화염전파 방지시트(121)를 그와 동일한 면적의 분리막(S)으로 상부와 하부에서 덮고 접착제 등으로 부착하면 화염전파 방지시트(121)의 표면이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의하여, 화염전파 방지시트(121)로부터 입자가 탈락되는 것을 방지할 수 있다. 분리막(S)은 상기 화염전파 방지시트(121)가 노출되는 시트 상부면만을 덮어 실링될 수 있다. 다만, 입자 탈락을 보다 확실하게 방지하기 위한 측면에서는, 도 3과 같이 화염전파 방지시트(121)의 상부 및 하부를 분리막(S)으로 모두 덮는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 화염전파 방지시트(121)가 분리막(S)에 의해 실링되는 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 4(a)를 참조하면, 화염전파 방지시트(121), 구체적으로 운모 시트는 상하 2장의 분리막(S) 사이에 놓여져 실링된다. 본 실시예에서는 분리막(S)은 적어도 상기 화염전파 방지시트(121)를 완전히 덮고 그 테두리부(S1)가 남을 정도의 면적이어야 한다. 즉, 상기 분리막(S)은 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 상기 화염전파 방지시트(121)를 덮고 시트 둘레로 분리막의 잉여부(S1)가 남을 정도의 큰 면적인 것이 좋다. 이 경우에는 상기 분리막 잉여부(S1)를 따라 열을 가하는 열 융착공정에 의하여 화염전파 방지시트(121)를 분리막(S) 사이에 용이하게 실링할 수 있다. 이와 같은 열 융착공정에 의해서 화염전파 방지시트(S)는 4측면이 모두 분리막(S)에 의하여 완전하게 감싸져 실링되므로, 입자 탈락을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 분리막(S)을 화염전파 방지시트(121)에 접착 또는 열 융착 시에는 열 등을 가함과 동시에 소정의 압력으로 분리막(S)을 화염전파 방지시트(121)에 대하여 가압하여 보다 확실하게 분리막(S)을 시트(121)에 부착할 수 있다.
화염전파 방지시트부(120)의 크기는 화염 전파 방지를 위하여 또한 전극 조립체(110) 보호의 측면에서 전극 조립체(110)의 표면을 거의 혹은 완전히 덮는 것이 바람직하다. 또한, 화염전파 방지시트(121)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.
상술한 바와 같이, 화염전파 방지시트(120)는 전극 조립체(110)의 표면을 거의 혹은 완전히 덮는 것이 좋다. 따라서, 도 4와 같이, 화염전파 방지시트(121)보다 큰 잉여부를 가지는 분리막(S)은 상기 전극 조립체에 적층되어 단위셀을 구성하는 분리막의 크기보다 클 수 있다. 즉, 화염전파 방지시트(121)를 덮는 분리막(S)은 전지 반응에 기여하지 않으므로, 전극 조립체(110)를 구성하는 분리막보다 큰 크기를 가져도 된다.
분리막은, 전극 제조시 쉽게 구할 수 있는 재료이고, 양극 및 음극 등 다른 셀 내 부재와의 관계에서 배터리 셀 내에서 안전하게 사용 가능한 것으로 검증이 완료된 부재이다. 또한, 분리막으로 사용되는 재료들은 적당한 온도(예컨대 150~250℃)를 가하여 열 융착이 가능하다. 따라서, 본 발명에서는 분리막(S)으로 화염전파 방지시트(121)를 덮어서 실링하고 있다.
화염전파 방지시트(121)를 덮어 실링하는 분리막(S)으로서는 통상 사용되는 분리막 재료를 사용할 수 있다. 즉, 상기 분리막은 리튬 이차전지에서 사용되는 다공성 기재로서, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane)을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다. 상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50 ㎛일 수 있다.
분리막(S)에 의해 실링된 화염전파 방지시트부(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 방지시트부(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 방지시트부(120)를 설치하는 것이 바람직하다.
상기 화염전파 방지시트부(120)는 전극 조립체(110)를 보호하기 위해 전극 조립체에 접촉될 수도 있으나, 다른 층을 개재하여 전극 조립체 상에 적층될 수도 있다. 도 3과 같이, 상기 화염전파 방지시트부(120)는 상기 전극 조립체(110)의 상부면 및 하부면 모두에 적층되거나 혹은 상부면 및 하부면의 어느 한 면에 적층될 수 있다. 경우에 따라서, 상기 전극 조립체(110)의 양측면에도 적층될 수 있다.
상기 전지 케이스(130)는, 도 3에 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 폭주 시 열 전파를 방지 내지 지연시킬 필요가 있다. 상기 화염전파 방지시트부(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 셀이 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.
도 5는 스택형 구조의 전극 조립체의 화염전파 상태를 나타내는 개략도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 전극 조립체(110)의 스택층을 예컨대 상부(X파트)와 하부(Y파트)로 구분하였을 경우, X파트의 일부에 화염이 발생하였을 경우, 이 화염은 상기 전극 조립체(110) 내에서 아무런 방해를 받지 않고 전극 조립체의 상부 및 하부 끝단까지 진행한다. 따라서, 도 5와 같이, 전극 조립체(110)의 상부면 및 하부면에 분리막(S)으로 실링된 화염전파 방지시트부(120)를 설치한다 하더라도, 당해 전극 조립체(110) 외부로의 화염 확산을 차단할 수 있을 뿐, 전극 조립체(110) 내부로의 화염 확산을 방지할 수는 없다. 이렇게 되면, 고용량을 위하여 다단으로 고스택화한 전극 조립체(110)가 그 일부 단위셀의 발화로 인하여 전체가 연소되어 소모되어 버린다. 또한, 고스택의 전극 조립체 전체가 연소되면, 연소 범위가 확대되고 연소 온도도 상승하여 화염 전파를 억제하기 곤란해질 수 있다.
도 6은 상기와 같은 문제를 해소하기 위한 본 발명의 다른 실시예의 배터리 셀의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 6을 참조하면, 전극 조립체(110)의 중간에 위치한 단위셀(모노셀(M))과 단위셀(M) 사이에 화염전파 방지시트부(120)가 적층되어 있다. 상기 단위셀은 양극판(P)-분리막(S)-음극판(N)-분리막(S)의 층 구성을 가지고 있다. 즉, 화염전파 방지시트부(120)를 중심으로 상부인 X파트에 소정개수의 단위셀이 적층되고, 하부인 Y파트에 소정개수의 단위셀이 적층된다. 예컨대 X파트에 과열에 의한 화염이 발생하는 경우, X파트의 상단으로 화염이 전파될 수 있다. 하지만, X파트와 Y파트의 단위셀 사이에 화염전파 방지시트부(120)가 위치하므로, X파트에서 발생한 화염은 Y파트로는 전파되지 않는다. 혹은 화염이 전파되는 경우에도 우선 X파트로 화염이 먼저 전파되고, 다음에 Y파트로 화염이 전파된다. 다시 말하면, 상기 화염전파 방지시트부(120)는 일종의 배리어 역할을 수행하며 화염의 전파를 차단하고, 화염 전파시에도 순차적으로 발화를 유도하는 기능을 행한다. 이에 의하여, 발화가 Y파트로 진행되는 경우에도 순차적으로 발화가 진행되므로, 급속도로 전극 조립체 전체가 발화되는 것을 방지하고, 전체적인 화염 전파시간을 지연시킬 수 있어 배터리 셀의 안전성이 향상된다.
상기 화염전파 방지시트부(120)는 적층된 단위셀의 대략 중간부분에 위치하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라, 전극 조립체(110)의 상부 또는 하부에 가까운 위치의 단위셀 사이에 배치가 가능하다.
어떤 위치에 자리하더라도 상기 화염전파 방지시트부(120)는 그 시트를 기준으로 상부 또는 하부로의 화염전파를 억제할 수 있다. 또한, 설치되는 화염전파 방지시트부의 개수도 1개로 한정되지 않는다. 적층되는 단위셀의 개수에 따라서 2개 이상 복수개로 스택구조의 전극 조립체의 적절한 위치에 배치할 수 있다. 다만, 화염전파 방지시트부가 배치되면, 그 시트부를 기준으로 하여 상부나 하부 또는 상하부의 단위셀이 전지로서의 충방전기능을 행할 수 없게 된다. 따라서, 가능하면 전극 조립체 내의 화염전파 방지시트부의 개수는 적게 배치하는 것이 바람직하다. 다시 말하면 화염전파 방지시트부의 설치 위치, 개수는 전지 용량과 안전성 등을 고려하여 가장 적합한 범위 내에서 결정하는 것이 바람직하다.
한편, 도 6에 도시된 전극 조립체(110)는 상부와 하부가 대칭 구조를 이루는 단위셀(모노셀)로 배치하되, 그 대칭구조 사이의 하프셀(H1)의 일부분에 화염전파 방지시트부(120)를 배치하여 충방전에 기여하지 못하는 단위셀의 부분을 최소화하고자 한 것이다.
본 실시예의 화염전파 방지시트부(120)는 단위셀 사이에만 위치하는 것이 아니라, 특정 단위셀(M)과 단위셀(M) 사이에 위치한 다른 단위셀의 일부인 분리막(S)이나 양극(P) 또는 음극(N)을 대체하여 적층될 수 있다. 요컨대, 전지 용량과 안전성을 비교형량하여 적절한 위치에 화염전파 방지시트부를 설치할 수 있다. 도 6을 참조하면, 상기 화염전파 방지시트부(120)는 하프셀(H1)의 음극판(N) 상부에 위치한 분리막(S)을 대신하여 적층되어 있다. 특히, 본 발명의 화염전파 방지시트부(120)는 분리막으로 이미 실링되어 있으므로, 하프셀(H1)이나 모노셀(M) 등의 단위셀의 일부, 특히 그 분리막을 대체하여 상기 화염전파 방지시트부(120)를 적층하는데 무리가 없다.
본 발명의 화염전파 방지시트(121)는 분리막(S)에 의하여 실링되어 있다. 따라서, 본 실시예와 같이, 전극 조립체(110)의 적층된 단위셀(M) 사이에 설치되어 있더라도, 운모 시트 등으로부터 입자가 탈락되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 화염전파 방지시트부(120)는 본 실시예의 경우에 특히 더 적합한 의미를 가진다.
한편, 도 6에 나타난 바와 같이, 화염전파 방지시트부(120)를 전극 조립체의 상면 또는 하면, 그리고 적층된 전극 조립체(110) 내부에 설치하면 화염전파 방지효과는 극대화된다. 하지만, 화염전파 방지시트부(120)가 설치되면 전지 반응에 참여하지 못하는 단위셀이 증가하게 되므로, 화염전파 방지시트부의 설치 개수는 이러한 점을 고려하여 신중히 결정하여야 할 것이다.
도 7은 본 발명의 화염전파 방지시트(121)의 패턴을 나타내는 개략도이다.
도 7(a)는 화염전파 방지시트(121)의 평면형상을, 도 7(b)는 화염전파 방지시트(121)에 분리막(S)이 코팅된 화염전파 방지시트부(120)의 측면형상을 도시하고 있다.
도 7을 참조하면, 상기 화염전파 방지시트(121)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, 오목부, 또는 돌출부 및 오목부가 반복되는 형태의 패턴을 형성할 수 있다. 도 7(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 7(b)와 같이 돌출부(a), 오목부(b), 또는 돌출부 및 오목부가 반복되는 형태로 패턴을 구성하면, 화염전파 방지시트의 표면적이 증가하여 열 폭주시 방열 면적을 증가시킬 수 있다. 도 7과 같이, 화염전파 방지시트(121) 상에 오목부나 돌출부가 형성되는 경우에 이 오목부 등으로부터 입자들이 탈락될 가능성이 더 높아질 수 있다. 본 발명은 분리막(S)로 시트(121)를 실링하고 있으므로, 시트 상에 복잡한 패턴을 형성하더라도 입자들이 탈락되는 것을 방지할 수 있다. 도 7에서는 화염전파 방지시트(121)의 상부면에만 패턴이 형성된 것을 도시하고 있으나, 필요에 따라 상부면과 하부면에도 각각 패턴을 형성할 수 있다. 도 7(b)를 참조하면, 분리막(S)이 화염전파 방지시트(121)에 가압하여 열 융착되는 경우를 상정하여 분리막(S)의 표면 형상이 화염전파 방지시트(121)의 표면 형상에 부합하게 오목부 및 돌출부 형상을 따라 형성되는 것이 도시되어 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 배터리 셀 및 상기 배터리 셀을 채용한 배터리 모듈의 작용 및 효과를 설명한다.
도 8은 종래의 배터리 셀(10)과 본 발명의 배터리 셀(100, 200)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 8에는 이러한 3P 전파 테스트장치(300)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(10,100,200)의 상부와 하부에 소정 두께의 알루미늄판(310)을 볼트(320)로 체결하여 배터리 셀(10,100,200)을 가압한다. 또한, 상하부의 알루미늄판(310)과 배터리 셀 사이, 적층된 배터리 셀의 사이에 알루미늄 냉각판(311)을 설치하였다. 최하단의 배터리 셀(10,100,200)과 알루미늄판(310) 사이에 히팅 패드(330)(㈜핫코우사 제조 실리콘 히터 SBH2012)를 설치하고, 이 히팅 패드(330)를 발열시켜 분당 7도의 승온속도로 배터리 셀(10,100,200)을 가열하여 열 폭주를 일으킨다.
화염전파 방지시트(121)로서는, 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 시트(121)를 사용하였다. 또한, 이 운모 시트(121)의 상부와 하부에 다공성 폴리에틸렌으로 된 분리막(S)을 150℃의 온도로 열 융착하여 화염전파 방지시트부(120)를 제조하였다. 다만, 후술하는 비교예의 경우에는 분리막(S)으로 코팅되지 않은 상기 운모 시트(121)를 화염전파 방지부재로 사용하였다.
배터리 셀 외부에 화염전파 방지부재가 배치된 경우와, 배터리 셀 내부의 전극 조립체 외측면에 분리막으로 실링된 화염전파 방지시트부(120)가 배치된 본 발명의 경우, 그리고 배터리 셀 내부의 전극 조립체 내부 및 외측면에 상기 화염전파 방지시트부(120)가 모두 배치된 경우를 대비하기 위하여 하기와 같이 화염전파 방지시트부를 배치하였다. 0.2mm 두께의 운모 시트(121)를 2장 겹친 것을 1번 셀의 상부, 2번 셀의 하부와 상부, 3번 셀의 하부에 각각 배치한 도 8(a)의 구조를 종래의 배터리 셀(10) 내지 배터리 모듈을 모사한 구조의 비교예로 하였다.
또한, 전극 조립체 외측면에 분리막으로 실링된 화염전파 방지시트부(120)가 배치된 배터리 셀(모듈) 구조로서, 0.2mm 두께의 운모 시트(121)에 분리막이 상하로 실링된 화염전파 방지시트부(120)를 2장 겹친 것을, 1번 셀의 전극 조립체의 상부, 2번 셀의 전극 조립체의 하부 및 상부, 3번 셀의 전극 조립체의 하부에 각각 배치한 도 8(b)의 배터리 셀(100) 구조를 본 발명예 1로 하였다.
한편, 상기 본 발명예 1과 동일하게 화염전파 방지시트부(120)를 배치한 배터리 셀 구조에 더하여, 1번 셀, 2번 셀 및 3번 셀의 각 스택형 전극 조립체의 20번째 단위셀 부위에, 0.2mm 두께의 운모 시트(121)에 분리막이 상하로 실링된 화염전파 방지시트부(120)를 2장 겹친 것을 추가로 배치한 도 8(c)의 배터리 셀 적층구조를 본 발명예 2의 배터리 셀(200) 내지 배터리 모듈을 모사한 구조의 발명예로 하였다.
온도측정을 위하여 각 배터리 셀(10,100,200) 사이에 서모 커플(미도시)을 설치하였다. 상기 배터리 셀들이 SOC 100%로 충전된 상태에서, 도 8의 실험장치(300)로 분당 7℃의 승온속도로 배터리 셀을 가열하여 3P 전파 테스트를 진행한 결과는 도 9와 같다.
도 9의 그래프에서 좌측의 Y축은 전압, 우측의 Y축은 온도, X축은 시간을 나타낸다. 도 9(a)와 같이 배터리 셀의 사이, 즉 배터리 셀(10)의 외부에 운모 시트(120)를 설치한 비교예는 최하부의 1번 셀(Cell#1)의 발화로부터 2번 셀(Cell#2)을 거쳐, 3번 셀(Cell#3)의 발화까지 소요된 시간은 1.9분이다.
이에 대하여, 본 발명예 1의 화염전파 방지시트부(120)를 전극 조립체 외측면에 구비한 배터리 셀(100)의 경우에는. 도 9(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 2.5분으로서 전파 지연시간이 비교예보다 더 긴 것을 알 수 있다. 이는 전극 조립체 외측면에 화염전파 방지시트부(120)가 배치되어 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.
또한, 본 발명예 2의 배터리 셀(200)의 경우에는. 도 9(c)와 같이 최하부의 1번 셀(Cell#1)의 발화로부터 2번 셀(Cell#2)을 거쳐, 3번 셀(Cell#3)의 발화까지 소요된 전파 시간은 2.8분으로서 전파 지연시간이 가장 긴 것을 알 수 있다. 이는 상기 발명예 1의 배터리 셀(200)의 화염전파 효과에 더하여, 화염전파 방지시트부(120)가 배터리 셀(200) 내부의 전극 조립체 내부에 위치하여 배터리 셀의 발화를 순차적으로 유도하기 때문에, 개별 배터리 셀(200)의 연소를 더욱 지연시키기 때문인 것으로 판단된다.
이로부터, 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 10은 배터리 셀에 대한 UN1642DL 임팩트 인증규격에 의한 충격실험의 개념도이다.
배터리 셀 충격실험은 도 10에 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 셀로서, 비교예는 전극 조립체 상에 운모 시트가 설치되지 않은 종래의 배터리 셀(10)이고, 본 발명예는 상기 발명예 1의 스택형 전극 조립체 상부면에 화염전파 방지시트부(120)를 2장 겹쳐 설치한 파우치형 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 6.5~8.1/7.2
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 방지시트부를 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 방지시트부에 의하여 외부 충격으로부터 배터리 셀을 안전하게 보호할 수 있으므로, 전체적인 셀 안전성이 현저하게 향상된다는 것을 알 수 있다.
또한, 화염전파 방지시트를 분리막에 의하여 실링함으로써, 시트로부터 작은 입자가 탈락하는 것을 방지함에 의하여 셀 내부를 미립자로 오염시키는 일 없이, 화염전파 방지시트부에 의한 화염전파 억제 효과를 달성할 수 있다.
상술한 실시예에서는 규산염 시트로부터 입자가 탈락되는 경우를 상정하여 화염전파 방지시트를 분리막으로 실링하는 경우를 설명하였다. 하지만, 규산염 시트 외에도 화염전파를 방지할 수 있는 내열성을 가진 재료로서, 배터리 셀에 가해지는 충격, 예컨대 상술한 포메이션 단계 및 디가싱 공정에서의 가압 충격에 의하여 작은 입자가 탈락되는 재질의 재료를 사용하여 시트형상으로 가공한 경우라면, 이를 분리막으로 실링하는 것도 본 발명의 기술적사상의 범위에 속하는 것은 물론이다.
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.
10,100,200: 배터리 셀
110: 전극 조립체
H1: 하프셀
M: 모노셀
P: 양극판
S; 분리막
N: 음극판
T: 탭
120: 화염전파 방지시트부
121: 화염전파 방지시트
130: 전지 케이스
140: 전극 리드
A: 사각형상 돌출부
B: 스트라이프 형상 돌출부
a: 돌출부
b: 오목부
300: 3P 전파(PROPOGATION) 테스트장치
310: 알루미늄판
311: 알루미늄 냉각판
320: 볼트
330: 히팅 패드

Claims (12)

  1. 양극, 분리막 및 음극을 포함하는 전극 조립체;
    상기 전극 조립체의 적어도 하나의 외측면에 설치되는 화염전파 방지시트부; 및
    상기 전극 조립체 및 화염전파 방지시트부가 수용되는 전지 케이스를 포함하고,
    상기 화염전파 방지시트부는, 화염전파 방지시트와, 상기 화염전파 방지시트를 덮어 실링하는 분리막을 포함하는 배터리 셀.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 상기 화염전파 방지시트에 접착 또는 열 융착되어 상기 화염전파 방지시트를 실링하는 배터리 셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 화염전파 방지시트는 상부 및 하부에 위치한 분리막에 의하여 상부면 및 하부면이 덮여지고,
    상기 화염전파 방지시트는 상기 분리막보다 작은 면적을 가져서 상기 화염전파 방지시트를 덮는 상부 및 하부의 분리막의 테두리부에 분리막끼리 접촉하는 분리막 잉여부가 형성되고, 상기 분리막 잉여부를 열 융착함으로써 상기 화염전파 방지시트가 실링되는 배터리 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화염전파 방지시트부는, 상기 전극 조립체의 탭이 형성되는 쪽의 측면을 제외한 나머지 외측면 중 적어도 하나에 설치되는 배터리 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 조립체는 복수개의 단위셀이 적층되어 이루어지며,
    상기 적층된 전극 조립체의 특정 단위셀과 단위셀 사이에 상기 화염전파 방지시트부가 더 적층되는 배터리 셀.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 화염전파 방지시트부는, 특정 단위셀과 단위셀 사이에 위치한 다른 단위셀의 전극 또는 분리막을 대체하여 적층되는 배터리 셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 화염전파 방지시트는, 표면에 돌출부, 오목부, 또는 돌출부 및 오목부가 반복 형성되는 소정 패턴이 형성된 배터리 셀.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 배터리 셀이 복수개 적층되는 배터리 셀 적층체와,
    상기 배터리 셀 적층체가 수납되는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈.
  12. 제11항의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
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