KR20230004077A - 안전성이 강화된 리튬 이차전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차전지 모듈에 관한 것으로서, 상기 리튬 이차전지 모듈은 내측면에 돌기가 돌출된 형상을 갖는 케이스를 구비함으로써 리튬 이차전지 셀로부터 발생된 화염이나 불꽃의 산란 및/또는 분산을 통해 힘을 약화시킬 수 있으므로, 이차전지 모듈의 안전성이 우수한 이점이 있다.
Description
본 발명은 안전성이 강화된 리튬 이차전지 모듈에 관한 것이다.
기술 발전에 따라, 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있고, 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC 등 적용 분야가 확대되면서 전기 화학 소자의 연구와 개발에 대한 노력도 점점 구체화되고 있다. 전기 화학 소자 중에서도 충방전이 가능한 이차전지의 개발이 관심의 초점이 되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 가량으로서, 전자 장비의 전원으로 많이 사용되는 니켈-카드뮴 전지 또는 니켈-수소 전지보다 큰 용량을 가지며, 단위 중량당 에너지 밀도가 높기 때문에 그 활용 정도가 급속도로 증가되는 추세에 있다. 최근에는 다양한 디자인의 전기 제품에 적용이 용이하고 부피를 줄일 수 있다는 장점으로 인해, 전극 조립체와 전해액을 필름으로 만든 파우치 외장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 많이 보급되어 있다.
이러한 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 주목받고 있다. 이러한 용도로 사용되는 중대형 전지 모듈이나 전지 팩은 소정의 장치에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위하여 다수의 리튬 이차전지들을 전기적 연결하여야 하며, 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
그러나, 이차전지는 과열될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 이차전지가 주울열(joule heating)에 의해 발열을 하므로 이차전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한, 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 이차전지의 폭발로까지 이어지게 된다. 과전류는 뾰족한 금속 물체가 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 이차전지에 인가되는 등의 경우에 발생된다.
중대형 전지 모듈이나 전지 팩에 포함되는 다수의 이차전지의 경우, 다른 전지에 비해서 고출력의 장점이 있는 반면, 상기한 바와 같이 폭발 위험성이 높아 안전성에 취약한 단점이 있다. 상기 중대형 전지 모듈이나 팩에 다수의 이차전지를 포함하는 경우 그 안정성의 문제는 더욱 심각해진다.
또한, 종래의 파우치형 이차전지에서 화재가 발생되면 화염이 전지 모듈이나 전지 팩 외부로 전파되기 용이하다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 이차전지에서 발생된 불꽃 또는 화염이 모듈 케이스에 직접적으로 닿는 경우 케이스가 손상되어 케이스 외부, 즉 모듈을 장착하고 있는 전기 자동차 등의 장치 전체로 화재가 확산되는 심각한 문제점이 있다.
따라서, 상기 이차전지에서 발생된 화염이 이차전지 외부로 전파되는 것을 차단하여 화염으로 인한 폭발 또는 중대형 전지 모듈이나 전지 팩의 위험 상황에 대해 보다 빠르고 민감하게 대처할 필요성이 대두되고 있다.
이에, 본 발명의 목적은 사용 중 내부에 구비된 리튬 이차전지에서 화재가 발생하는 경우 발생된 화염 또는 불꽃을 약화시킬 수 있는 리튬 이차전지 모듈을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
복수의 이차전지 셀; 및
상기 이차전지 셀이 장착되는 케이스를 포함하고,
상기 케이스는 내측면에 돌기가 돌출된 형상을 가지며,
상기 돌기는 이차전지 셀로부터 발생된 불꽃을 산란 또는 분산시키는 이차전지 모듈을 제공한다.
이때, 상기 돌기는 반구형, 원기둥, 다각 기둥, 원뿔 및 다각뿔 중 어느 하나 이상의 형태를 가질 수 있으며, 상기 형태들은 불규칙적으로 형성되거나 또는 규칙적으로 일정한 간격과 형태를 갖는 패턴을 가질 수 있다.
상기 돌기의 평균 높이는 0.5mm 내지 5mm일 수 있으며, 돌기의 평균 간격은 0.5mm 내지 10mm일 수 있다.
또한, 상기 상기 케이스의 내측면에는 요철부를 포함하고, 상기 요철부 표면에 돌기가 형성된 것일 수 있다.
이 경우, 상기 요철부는 원호, 삼각형 및 사각형 중 어느 하나 이상의 양각 단면 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 요철부는 평균 깊이가 2mm 내지 10mm일 수 있다.
아울러, 상기 케이스는 1500℃ 내지 4000℃의 융점을 갖는 금속 화합물을 포함할 수 있으며, 이르한 글속 화합물은 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 규소(Si), 바나듐(V), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti) 중 1종 이상을 함유하는 금속 화합물일 수 있다.
또한, 케이스는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금 또는 니켈 도금 연강으로 구성되는 몸체 및 상기 몸체 내측에 마련된 보호층을 포함하고, 상기 보호층은 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 규소(Si), 바나듐(V), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti) 중 1종 이상을 함유하는 금속 화합물을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 보호층의 평균 두께는 0.01mm 내지 2.0mm이되, 몸체와 보호층의 총 두께는 10.0mm 이하일 수 있다.
또한, 상기 보호층은 케이스의 내측 표면으로 양각 형태의 요철부를 포함하고, 상기 요철부 표면에 돌기가 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지 모듈은 내측면에 돌기가 돌출된 형상을 갖는 케이스를 구비함으로써 리튬 이차전지 셀로부터 발생된 화염이나 불꽃의 산란 및/또는 분산을 통해 힘을 약화시킬 수 있으므로, 이차전지 셀에서 발생된 불꽃 또는 화염이 모듈 외부로 전파되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지 모듈에 구비되는 케이스가 불꽃(spark)를 약화시키는 원리를 나타낸 이미지이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 이차전지 모듈용 케이스의 구조를 예시적으로 나타낸 사시도 및 정면도로서, 내측면에 돌기가 도입된 형태를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 이차전지 모듈용 케이스의 구조를 예시적으로 나타낸 사시도로서, 내측면에 삼각 단면 구조의 요철부 상에 돌기가 마련된 형태를 도시한 것이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 이차전지 모듈용 케이스의 구조를 예시적으로 나타낸 사시도, 정면도 및 단면도로서, 몸체 및 보호층을 구비하는 케이스에 있어서, 보호층에 돌기가 형성된 요철부가 형성된 형태를 도시한 것이다.
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도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 이차전지 모듈용 케이스의 구조를 예시적으로 나타낸 사시도, 정면도 및 단면도로서, 몸체 및 보호층을 구비하는 케이스에 있어서, 보호층에 돌기가 형성된 요철부가 형성된 형태를 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
아울러, 본 발명에서, 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에 게 자명하다.
또한, 본 발명에서, "불꽃" 또는 "스파크(spark)"는 질량과 에너지를 가진 입자로서, 이차전지 모듈 사용 도중에 전지 셀 내부에서 쇼트가 발생하는 경우 양극 합재층에서 발생될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
리튬 이차전지 모듈
본 발명은 일실시예에서,
복수의 이차전지 셀; 및
상기 이차전지 셀이 장착되는 케이스를 포함하고,
상기 케이스는 내측면에 돌기가 돌출된 형상을 갖는 이차전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈은 모듈을 사용하는 도중에 내부에 장착된 이차전지 셀에서 불꽃(spark)이 발생하는 경우 발생된 불꽃을 분산시켜 힘을 약화시킬 수 있으며, 이를 통해, 발생된 불꽃이 화염으로 성장하거나 모듈 외부로 화염이 전파되는 것을 방지할 수 있다.
이를 위하여, 상기 이차전지 모듈은 복수의 이차전지 셀과 상기 이차전지 셀이 장착되는 케이스를 포함하되, 상기 케이스는 내측면, 특히, 내부에서 발생된 불꽃 및/또는 화염의 방출 빈도가 높은, 이차전지 셀의 실링부가 위치하는 영역에 돌기가 돌출된 형상을 마련함으로써 불꽃을 산란 또는 분산시킬 수 있으며, 이를 통해 불꽃의 힘을 약화시킬 수 있다.
즉, 본 발명에서 사용되는 이차전지 모듈용 케이스는 기본적으로 외부에서 가해지는 충격이나 고온 및/또는 다습한 환경에서도 이차전지 셀이 안전하게 작용할 수 있도록 보호하는 역할을 수행하고, 상술된 바와 같이 내측면에 돌기가 돌출된 형상을 가져 이차전지 모듈의 안전성을 향상시키는 기능을 함께 수행한다.
이때, 상기 돌기는 도 1에 나타낸 바와 같이 내부에서 발생되어 이차전지 셀 외부로 방출된 불꽃(spark)이 접촉하면 굴절 및/또는 산란을 통해 불꽃의 방출 각도가 전환시킬 수 있다. 이러한 불꽃의 굴절 및/또는 산란은 그 자체로도 불꽃의 힘을 약화시킬 수 있으며, 돌기가 불규칙적으로 형성되는 경우 굴절 및/또는 산란된 불꽃들이 서로 부딪히는 빈도가 증가하여 추가적으로 힘이 약화될 수 있다.
이를 위하여, 상기 돌기는 그 형태가 특별히 제한되는 것은 아니나, 도 2 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 불꽃(spark)이 표면에 접촉하는 경우 이를 산란 및/또는 분산시킬 수 있도록 반구형; 원기둥; 삼각 기둥, 사각 기둥 등의 다각 기둥; 원뿔; 및 삼각뿔, 사각뿔, 육각뿔, 팔각뿔 등의 다각뿔 중 어느 하나 이상의 형태를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에서 언급되는 불꽃은 이차전지 셀의 사용 중 과충방전, 과전류, 과전압, 고온 등에 노출 시, 전극 조립체에 포함된 전극활물질에 의해 발생될 수 있으며, 전극활물질로 인해 발생된 불꽃은 산란 및/또는 분산시키기 위하여 상기 돌기는 그 크기가 특정 범위로 제어될 수 있다.
구체적으로, 상기 돌기는 평균 높이가 0.5mm 내지 5mm일 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.5mm 내지 4mm; 0.5mm 내지 3mm; 0.5mm 내지 2mm; 0.5mm 내지 1mm; 1mm 내지 5mm; 2mm 내지 4mm; 3mm 내지 5mm; 0.8mm 내지 2.5mm; 1.2mm 내지 1.8mm; 1.5mm 내지 3.5mm; 1.9mm 내지 3.4mm; 또는 1.1mm 내지 2.9mm일 수 있다.
상기 평균 높이는 돌기가 내측면 표면에서 돌출된 정도로서, 각 돌기의 최고 높이의 평균값을 나타내며, 돌기의 평균 높이에 따라 불꽃이 케이스 내측면에 접촉 시 산란 및/또는 분산 효과를 극대화하여 표면에 불꽃의 에너지가 집중되는 것을 막을 수 있다.
또한, 상기 돌기는 평균 간격이 0.5mm 내지 10mm일 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.5mm 내지 8mm; 0.5mm 내지 6mm; 0.5mm 내지 4mm; 1mm 내지 3mm; 1mm 내지 4mm; 2mm 내지 5mm; 3mm 내지 6mm; 4mm 내지 8mm; 5mm 내지 10mm; 6mm 내지 9mm; 0.5mm 내지 2mm; 1mm 내지 1.9mm; 1.5mm 내지 2.5mm; 또는 2.1mm 내지 2.9mm일 수 있다. 상기 평균 간격은 각 돌기의 최고 높이의 간격을 의미할 수 있거나, 돌기의 높이가 가장 낮은 지점간의 간격을 의미할 수 있으며, 경우에 따라서는 돌기의 최고 높이와 최저 높이의 중간값의 간격을 의미할 수 있다. 상기 평균 간격은 케이스 내측면에 구비된 돌기의 빈도를 나타낼 수 있으며, 돌기의 빈도는 그 값이 높을수록 불꽃의 발생 위치를 정확하게 예측하기 어렵더라도 불꽃에 대한 대응이 용이한 이점이 있다.
나아가, 상기 케이스는 내측면에 요철부를 더 포함할 수 있고, 상기 요철부 표면에 돌기가 형성된 구조를 가질 수 있다.
상기 케이스는 도 7 내지 도 11에 나타낸 바와 같이, 내측 표면에 원호, 삼각형 및 사각형 중 어느 하나 이상의 양각 단면 구조를 갖는 요철부를 구비할 수 있다. 이러한 요철부는 케이스 내측의 비표면적을 보다 증가시켜 돌기의 빈도를 높일 수 있으며, 음각 단면 구조를 갖는 경우와 비교하여 돌기가 갖는 각도의 불규칙성을 보다 증가시켜 이차전지 셀에서 방출된 불꽃을 보다 효과적으로 산란 및/또는 분산시킬 수 있다.
이때, 상기 요철부의 평균 깊이는 2mm 내지 10mm일 수 있으며, 구체적으로는 2mm 내지 8mm; 2mm 내지 6mm; 2mm 내지 4mm; 4mm 내지 10mm; 5mm 내지 10mm; 4mm 내지 8mm; 6mm 내지 9mm; 또는 3m 내지 5mm일 수 있다. 본 발명은 요철부의 평균 깊이를 상술된 범위로 조절함으로서 케이스 내부에 장착된 이차전지 셀의 전지 작용에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 모듈의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 케이스의 내측부는 도 7에 나타낸 바와 같이 요철부(43)가 연속적으로 형성된 구조를 가질 수 있으며, 도 8 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 요철부(53 또는 63)와 비요철부(54 또는 64)가 교대로 형성된 구조를 가질 수도 있다.
하나의 예로서, 본 발명에 따른 이차전지 모듈용 케이스(40)는 도 7에 나타낸 바와 같이, 삼각형이 연속적으로 형성된 단면 구조의 요철부(43)를 포함하고, 상기 요철부(43)의 표면에는 삼각뿔이나 사각뿔의 다각뿔 형태의 돌기(42)가 형성된 구조의 내측면(41)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 요철부(43)의 평균 높이 5±1mm이고, 너비(또는 폭)는 15~20mm이며; 상기 돌기(42)의 평균 높이는 2±0.2mm이고, 평균 간격은 1~3mm일 수 있다.
다른 하나의 예로서, 본 발명에 따른 이차전지 모듈용 케이스(50)는 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 비요철부(54)와 교대로 형성되고, 원호의 단면 구조를 갖는 요철부(53)를 포함하고, 상기 요철부(53)와 비요철부(54)의 표면에는 반구형의 돌기(52)가 형성된 내측면(51)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 요철부(53)의 평균 높이는 5±0.5mm이고, 너비(또는 폭)는 9~11mm이며; 상기 비요철부(54)의 평균 너비(또는 폭)는 5~10mm이고; 상기 돌기(42)의 평균 높이는 2±0.2mm이며, 평균 간격은 0.5~2mm일 수 있다.
한편, 본 발명에서 언급되는 불꽃(spark) 등은 질량과 에너지를 가진 입자이므로, 이차전지 셀 내부에서 발생되어 셀 외부로 방출되었을 때 상기 불꽃이 접촉되는 케이스의 내측면은 높은 에너지와 고온에 견딜 수 있어야 한다. 따라서, 상기 케이스는 불꽃이 내측 표면에 접촉하는 경우 고온에 대한 저항성이 높은, 융점이 1500℃ 내지 4000℃인 금속 화합물로 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 케이스는 융점이 1500℃ 내지 4000℃; 1800℃ 내지 4000℃; 2000℃ 내지 4000℃; 2500℃ 내지 4000℃; 1800℃ 내지 3500℃; 2200℃ 내지 3200℃; 또는 3000℃ 내지 3500℃일 금속 화합물로 구성될 수 있다.
또한, 이러한 금속 화합물로는 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 규소(Si), 바나듐(V), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti) 중 1종 이상의 금속을 함유하는 금속 화합물일 수 있다. 하나의 예로서, 상기 금속 화합물로는 텅스텐(W), 탄탈런(Ta), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 규소(Si), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 산화알루미늄(Al2O3), 이산화티타늄(TiO2), 산화규소(SiO2), 산화바나듐(V2O3), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3) 등을 단독으로 또는 혼합하여 포함할 수 있다.
아울러, 상기 케이스는 상술된 금속 화합물로 전체가 구성될 수 있으며; 경우에 따라서는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금 또는 니켈 도금 연강으로 구성되는 몸체와 상기 몸체 내측에 마련되는 보호층을 포함하되, 상기 보호층이 상술된 금속 화합물이 코팅된 형태를 가질 수 있다.
하나의 예로서, 상기 케이스는 전체가 텅스텐으로 구성될 수 있고, 텅스텐으로 구성된 케이스의 내측면은 반구형의 돌기가 형성된 구조를 가질 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 케이스는 스테인레스 스틸로 구성되고, 스테인레스 스틸로 구성된 케이스 내측 표면에는 텅스텐으로 형성된 텅스텐층이 도입된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 케이스는 평균 두께가 1mm 내지 10mm일 수 있으며, 구체적으로는 1mm 내지 8mm; 1mm 내지 6mm; 1mm 내지 5mm; 1mm 내지 4mm; 1mm 내지 2mm; 5mm 내지 10mm; 3mm 내지 7mm; 또는 4mm 내지 6mm일 수 있다.
이와 더불어, 상기 케이스가 몸체와 보호층을 포함하는 경우, 상기 보호층의 평균 두께는 0.01mm 내지 2.0mm일 수 있으며, 몸체와 보호층의 총 두께는 10mm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 보호층의 평균 두께는 0.1mm 내지 2.0mm; 0.5mm 내지 2.0mm; 또는 1mm 내지 1.5mm일 수 있고, 몸체와 보호층의 총 두께는 8mm 이하; 6mm 이하; 5mm 이하; 3mm 내지 7mm; 또는 4mm 내지 6mm일 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 케이스의 내측면 구조는 그 형성 방법이 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 돌기 및/또는 요철부가 음각으로 설계된 주물을 제작하고, 제작된 주물에 몸체 및 보호층을 구성하는 각 성분으로 구성된 용융물을 주입하고 성형함으로써 제조될 수 있다.
예컨대, 상기 케이스가 몸체와 보호층을 구비하는 경우, 먼저 돌기만이 음극으로 설계되거나, 또는 돌기와 요철부가 함께 음각으로 설계된 보호층 주물을 제작하고, 여기에 상술된 금속 화합물의 용융물을 주입하여 보호층을 주조한다. 그런 다음, 몸체 형상이 설계된 몸체 주물에 주조된 보호층을 몸체의 내측면에 해당하는 위치에 고정시킨 후 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금 또는 니켈 도금 연강의 용융물을 준비하고 이를 주물에 주입하여 주조함으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 보호층을 구성하는 금속 화합물의 높은 융점으로 인해 몸체 주조 시 보호층의 용융은 발생되지 않으면서 내측면에 단단히 고정시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기 케이스에 장착되는 복수의 이차전지 셀은 당업계에서 통상적으로 사용되고, 충방전이 가능한 리튬 이차전지 셀이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 이차전지 셀은 파우치 타입의 단위셀일 수 있으며, 상기 파우치 타입의 단위셀은 라미네이트 시트 외장재에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 상기 외장재의 외부로 형성된 전극 리드들과 연결된 상태로 내장된 것일 수 있다. 상기 전극 리드는 시트 외측으로 인출되되 서로 동일한 방향 또는 반대 방향으로 연장될 수 있다.
또한, 상기 전지 셀들은 n개 이상(n은 2 이상의 정수)이 전기적으로 연결될 상태로 모듈 케이스에 수납될 수 있다. 구체적으로, 상기 이차전지 셀들은 전지 모듈에 용도에 따라 이차전지 셀의 수(n)를 2~100개, 2~50개, 2~40개, 10~35개, 20~30개 또는 5~20개 등으로 조절하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 전기적 연결은 직렬 및/또는 병렬일 수 있고, 필요에 따라서는 직렬과 병렬이 혼합된 방식일 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈은 상술된 바와 같은 구성을 가짐으로써 모듈의 사용 도중에 리튬 이차전지 셀로부터 발생된 화염이나 불꽃의 분산을 통해 힘을 약화시킬 수 있으므로, 리튬 이차전지 모듈의 안전성이 향상되는 이점이 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~5 및 비교예 1~5. 이차전지 모듈의 제조
이차전지 모듈용 케이스를 준비하였다. 그런 다음, 준비된 케이스 내부에 파우치형 리튬이온 이차전지 10개를 케이스의 폭 방향을 따라 장착하고, 각 단위전지의 각 전극 단자를 전기적으로 연결한 후, 장착된 리튬 이차전지의 상면이 덮히도록 상부 케이스를 하부 케이스에 결합시켜 이차전지 모듈을 제조하였다.
이때, 사용된 케이스는 평균 두께가 5±0.1mm (몸체: 3.5±0.1mm, 보호층: 1.5±0.1mm)이고, 내측면에 형성되는 돌기는 직경 3mm인 반구형의 형태를 가지며, 요철부는 8±0.1mm의 너비를 갖는 원호의 양각 단면 구조를 갖는 것을 사용하였다. 또한, 각 케이스의 구조, 성분 및 내측면에 도입된 돌기와 요철부의 규격은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
| 케이스 구조 | 돌기 | 요철부 | |||
| 몸체 | 보호층 | 평균 높이 | 평균 간격 | 평균 깊이 | |
| 실시예 1 | 텅스텐 | - | 2±0.01 mm | 5±0.02mm | - |
| 실시예 2 | 스테인레스 스틸 | 바나듐층 | 2±0.01 mm | 5±0.02mm | - |
| 실시예 3 | 스테인레스 스틸 | 산화아연층 | 2±0.01 mm | 5±0.02mm | - |
| 실시예 4 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 2±0.01 mm | 5±0.02mm | - |
| 실시예 5 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 2±0.01 mm | 5±0.02mm | 4±0.01 mm |
| 비교예 1 | 스테인레스 스틸 | - | - | - | - |
| 비교예 2 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | - | - | 4±0.01 mm |
| 비교예 3 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 0.4±0.01 mm | 5±0.02mm | - |
| 비교예 4 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 7±0.01 mm | 5±0.02mm | - |
| 비교예 5 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 2±0.01 mm | 5±0.02mm | 15±0.01 mm |
실험예.
본 발명에 따른 이차전지 모듈의 안전성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 및 비교예와 동일한 방법으로 이차전지 모듈을 제작하되, 이차전지에 열을 가하기 위하여 모듈 내에 장착되는 각 이차전지에 히팅 패드(heating pad)를 부착하였다. 제작된 각 이차전지 모듈을 만충전을 하고, 모듈 내 이차전지에 부착된 히팅 패드를 7℃/min의 속도로 승온시켰다.
승온이 시작되면 점차 이차전지 사이의 열 전이가 유도되어 장착된 각 이차전지로부터 불꽃이 발생되게 되고, 이렇게 발생된 불꽃으로 인해 모듈 케이스 외부로 화염이 방출되는데, 이때 승온 시작 시점부터 화염이 모듈 케이스 외부로 방출되는데 걸리는 시간을 측정하여 케이스 내측면에 구비된 엠보 구조로 인한 안전성 향상 정도를 평가하였다. 측정된 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
| 충전 이후 화염 방출에 걸리는 시간 | |
| 실시예 1 | 44분 21초 |
| 실시예 2 | 44분 32초 |
| 실시예 3 | 44분 29초 |
| 실시예 4 | 44분 46초 |
| 실시예 5 | 44분 58초 |
| 비교예 1 | 39분 43초 |
| 비교예 2 | 40분 28초 |
| 비교예 3 | 41분 37초 |
| 비교예 4 | 41분 58초 |
| 비교예 5 | 43분 16초 |
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 모듈은 내측면에 돌기 또는 돌기와 요철부를 특정 높이/깊이를 만족하도록 마련함으로써 이차전지 모듈의 안전성이 향상되는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따라 케이스 내측면에 구현된 돌기 또는 돌기와 요철부의 평균 높이와 깊이를 특정 범위를 만족하는 실시예의 이차전지 모듈의 경우 이차전지 셀에서 발생된 불꽃에 의해 케이스 외부로 화염이 방출되는데 44분20초 이상의 시간이 소요되는 것으로 확인되었다.
반면, 종래 모듈 케이스와 동일하게 케이스 내측면에 돌기를 포함하지 않는 비교예 1의 이차전지 모듈은 케이스 외부로 화염이 방출되는 불과 39분여의 시간만 요구되었으며, 케이스 내측면에 요철부만을 갖는 비교예 2의 이차전지 모듈 역시 화염이 방출되는데 41분 미만의 짧은 시간이 걸렸다.
또한, 케이스 내측에 돌기를 갖더라도 평균 높이가 너무 낮거나 높은 비교예 3 및 4의 이차전지 모듈은 이차전지 셀에서 발생된 불꽃(spark)을 산란 또는 분산시키는 효율이 낮아 화염이 케이스 외부로 방출되는 시간을 충분히 지연시키지는 못하였다. 아울러, 요철부의 평균 깊이가 큰 이차전지 모듈의 경우, 모듈 케이스와 이차전지 셀과의 간격이 좁아 불꽃의 힘을 충분히 약화시키지 못하므로 화염이 케이스 외부로 방출되는 것을 지연시키는 효과가 미미한 것으로 확인되었다.
이는 케이스 내측면에 일정 높이/깊이로 구현된 돌기와 요철부가 이차전지 셀에서 발생된 불꽃을 분산시켜 그 힘을 약화시킴으로써 케이스 외부로 화염을 방출하는데 시간이 오래 걸림을 의미한다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 이차전지 모듈은 내측면에 돌기가 돌출된 형상을 갖는 케이스를 구비함으로써 리튬 이차전지 셀로부터 발생된 화염이나 불꽃의 산란 및/또는 분산을 통해 힘을 약화시킬 수 있으므로, 이차전지 모듈의 안전성이 우수한 이점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 예시를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
10, 20, 30, 40, 50 및 60: 이차전지 모듈 케이스
11, 21, 31 및 41: 케이스 내측면
51 및 61: 보호층
12, 22, 32, 42, 52 및 62: 돌기
12': 측면부 돌기
43, 53 및 63: 요철부
54 및 64: 몸체
11, 21, 31 및 41: 케이스 내측면
51 및 61: 보호층
12, 22, 32, 42, 52 및 62: 돌기
12': 측면부 돌기
43, 53 및 63: 요철부
54 및 64: 몸체
Claims (12)
- 복수의 이차전지 셀; 및
상기 이차전지 셀이 장착되는 케이스를 포함하고,
상기 케이스는 내측면에 돌기가 돌출된 형상을 가지며,
상기 돌기는 이차전지 셀로부터 발생된 불꽃을 산란 또는 분산시키는 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
돌기는 반구형, 원기둥, 다각 기둥, 원뿔 및 다각뿔 중 어느 하나 이상의 형태를 갖는 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
돌기의 평균 높이는 0.5mm 내지 5mm인 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
돌기의 평균 간격은 0.5mm 내지 10mm인 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 케이스의 내측면에는 요철부를 포함하고,
상기 요철부 표면에 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
요철부는 원호, 삼각형 및 사각형 중 어느 하나 이상의 양각 단면 구조를 갖는 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
요철부는 평균 깊이가 2mm 내지 10mm인 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
케이스는 1500℃ 내지 4000℃의 융점을 갖는 금속 화합물을 포함하는 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
케이스는 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 규소(Si), 바나듐(V), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti) 중 1종 이상을 함유하는 금속 화합물을 포함하는 이차전지 모듈.
- 제9항에 있어서,
케이스는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금 또는 니켈 도금 연강으로 구성되는 몸체 및 상기 몸체 내측에 마련된 보호층을 포함하고,
상기 보호층은 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 규소(Si), 바나듐(V), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti) 중 1종 이상을 함유하는 금속 화합물을 포함하는 이차전지 모듈.
- 제10항에 있어서,
보호층의 평균 두께는 0.01mm 내지 2.0mm이되,
몸체와 보호층의 총 두께는 10.0mm 이하인 이차전지 모듈.
- 제10항에 있어서,
보호층은 케이스의 내측 표면으로 양각 형태의 요철부를 포함하고, 상기 요철부 표면에 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지 모듈.
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170014309A (ko) | 2015-07-29 | 2017-02-08 | 주식회사 엘지화학 | 안전성이 향상된 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩 |
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- 2021-06-30 KR KR1020210085894A patent/KR20230004077A/ko active Search and Examination
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| A201 | Request for examination |