KR20230004084A - 안전성이 강화된 리튬 이차전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 이차전지 모듈에 관한 것으로서, 상기 리튬 이차전지 모듈은 내측면을 블라스팅 처리하여 특정 범위의 표면 거칠기를 갖는 엠보 구조를 일정 빈도를 갖는 케이스를 구비함으로써 리튬 이차전지 셀로부터 발생된 화염이나 불꽃의 분산을 통해 힘을 약화시킬 수 있으므로, 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.
아울러, 중대형 전지 모듈이나 전지 팩에 포함되는 다수의 이차전지는 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 있으며, 이 경우 전지 모듈이나 전지 팩이 사용되는 전기자동차 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 화염을 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 불규칙적인 엠보 구조를 구비하는 이차전지 모듈을 제공한다.
여기서, 상기 엠보 구조는 케이스 내측면의 전면에 형성될 수 있으며, 상기 엠보 구조는 오목부와 융기부로 구성되고, 상기 융기부는 5 내지 100개/inch의 빈도로 마련될 수 있다.
또한, 상기 케이스 내측면은 엠보 구조를 가져 1,000㎛ 미만의 표면 거칠기를 가질 수 있다.
상기 엠보 구조는 표면 식각에 의해 내측면에 구현되거나; 모래, 유리 입자, 금속 산화물 입자, 스틸 입자, 철 입자 및 마이카(mica) 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 입자가 바인더에 의해 내측면에 부착됨으로써 구현된 것일 수 있다.
아울러, 상기 케이스는 1500℃ 내지 4000℃의 융점을 갖는 금속 화합물을 포함할 수 있으며, 이러한 금속 화합물은 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 규소(Si), 바나듐(V), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti) 중 1종 이상의 금속을 함유하는 것일 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
케이스 내부에 복수의 이차전지 셀을 장착하는 단계를 포함하되,
상기 케이스는 내측면에 불규칙적인 엠보 구조를 구비하는 이차전지 모듈의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 엠보 구조는 샌드블라스트(sand blast), 쇼트블라스트(shot blast), 그리트블라스트(grit blast), 및 커트와이어블라스트(cut wire blast)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 블라스트법에 의해 구현될 수 있다.
또한, 상기 블라스트법은 모래, 유리 입자, 금속 산화물 입자, 스틸 입자, 철 입자 및 마이카(mica) 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 입자를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 입자는 5 메쉬 내지 100 메쉬의 입도를 가질 수 있으며; 필요에 따라서 바인더와 혼합되어 분사될 수 있다.
아울러, 상기 블라스트법은 10 내지 60㎝의 분사거리에서 0.01MPa 내지 0.4MPa의 분사 압력으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 리튬 이차전지 모듈은 내측면을 블라스팅 처리하여 특정 범위의 표면 거칠기를 갖는 엠보 구조를 일정 빈도를 갖는 케이스를 구비함으로써 리튬 이차전지 셀로부터 발생된 화염이나 불꽃의 분산을 통해 힘을 약화시킬 수 있으므로, 안전성이 우수한 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지 모듈에 구비되는 케이스가 불꽃(spark)를 약화시키는 원리를 나타낸 이미지이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에서 사용되는 이차전지 모듈용 케이스의 구조를 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에서 사용되는 이차전지 모듈용 케이스의 구조를 예시적으로 나타낸 단면도이다.
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.
아울러, 본 발명에서, "표면 거칠기"는 케이스 내측 표면을 표면 처리(예컨대, 블라스팅)하여 표면에 형성된 요철의 크기 또는 높이를 의미할 수 있다. 구체적으로는, 상기 "표면 거칠기"는 표면처리 이후에 표면에 요철이 형성되면 표면에 대하여 수직인 단면에 있어서 임의의 기준선을 설정하고, 상기 기준선에 대하여 가장 높은 피크와 가장 낮은 밸리의 높이 편차 또는 평균값을 의미하며, 이는 "Ry" 또는 "Rmax"로 표시할 수 있고, 평균 거칠기(Ra) 및 10점 평균 거칠기(Rz)와는 그 값이 상이하다.
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 불규칙적인 엠보 구조를 구비하는 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 이웃한 이차전지 셀로 불꽃이 전파되는 것을 방지할 수 있다.
이를 위하여, 상기 이차전지 모듈은 복수의 이차전지 셀과 상기 이차전지 셀이 장착되는 케이스를 포함하되, 상기 케이스는 내측면에 있어서, 이차전지 셀의 실링부가 위치하는 영역에 불규칙적인 엠보 구조를 포함하거나, 내측면 전면에 구비할 수 있다.
상기 케이스는 기본적으로 외부에서 가해지는 충격이나 고온 및/또는 다습한 환경에서도 이차전지 셀이 안전하게 작용할 수 있도록 보호하는 역할을 수행하고, 상술된 바와 같이 내측면에 불규칙적인 엠보 구조를 구비하여 이차전지 모듈의 안전성을 향상시키는 기능을 함께 수행한다.
여기서, 상기 엠보 구조는 오목부와 융기부가 불규칙적으로 형성된 구조를 포함할 수 있으며, 상기 융기부는 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, 엠보 구조가 불규칙적으로 형성되는 경우 굴절 및/또는 산란된 불꽃들이 서로 부딪히는 빈도가 증가하여 추가적으로 힘이 약화될 수 있다.
또한, 상기 케이스의 내측면은 엠보 구조에 의해 표면 거칠기가 특정 범위로 증가할 수 있다. 예를 들어, 케이스 내측면의 표면 거칠기는 1,000㎛ 미만일 수 있으며, 구체적으로는 800㎛ 미만; 600㎛ 미만; 500㎛ 미만; 400㎛ 미만; 300㎛ 미만; 200㎛ 미만 100㎛ 미만; 10㎛ 내지 600㎛; 10㎛ 내지 500㎛; 10㎛ 내지 400㎛; 10㎛ 내지 350㎛; 10㎛ 내지 250㎛; 10㎛ 내지 200㎛; 10㎛ 내지 100㎛; 50㎛ 내지 200㎛; 250㎛ 내지 500㎛; 200㎛ 내지 400㎛; 120㎛ 내지 180㎛; 또는 100㎛ 내지 300㎛일 수 있다.
또한, 상기 엠보 구조의 빈도는 엠보 구조를 구성하는 융기부의 빈도로 표현될 수 있으며, 상기 융기부의 빈도는 단위 길이당 융기부의 개수로 표현될 수 있다. 상기 융기부는 5 내지 100개/inch의 빈도로 마련될 수 있으며, 구체적으로는 10 내지 100개/inch; 50 내지 100개/inch; 80 내지 100개/inch; 5 내지 80개/inch; 5 내지 40개/inch; 5 내지 40개/inch; 40 내지 70개/inch; 10 내지 80개/inch; 또는 15 내지 35개/inch의 빈도로 마련될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈은 케이스 내측면의 표면 거칠기와 내측면에 구현된 엠보 구조의 융기부 빈도를 상술된 범위로 제어함으로써 이차전지 셀에서 발생되어 방출된 불꽃을 보다 효과적으로 굴절 및 산란시킬 수 있으며, 이에 따라 불꽃의 힘을 효과적으로 약화시킬 수 있다.
아울러, 상기 엠보 구조는 입자를 표면에 분사하는 블라스트법 등에 의해 케이스 내측면에 구현될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 엠보 구조는 모래, 유리 입자, 금속 산화물 입자, 스틸 입자, 철 입자 및 마이카(mica) 입자를 적용한 블라스트법을 수행하여, 상기 입자들에 의해 케이스 내측 표면이 식각(Method I)됨으로써 구현될 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 엠보 구조는 모래, 유리 입자, 금속 산화물 입자, 스틸 입자, 철 입자 및 마이카(mica) 입자를 적용한 블라스트법을 수행하되, 적용된 입자들은 바인더와 함께 분사되어 케이스 내측면에 부착되고, 이에 따라 엠보 구조의 표면을 갖는 보호층을 형성함으로써 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 바인더는 고온에 대한 저항성이 높은 것을 적용할 수 있으면, 구체적으로, 고온용 무기 바인더, 고온용 세라믹 바인더, 고온용 유무기 복합 바인더 등을 사용할 수 있다. 그 예로서, 상기 바인더는 알루미늄, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 질화붕소, 구리 동, 크롬, 코발트, 산화인듐, 산화마그네슘, 운모, 몰리브데넘, 규소, 산화규소, 탄탈럼, 티타늄, 산화티타늄, 아연, 산화아연, 지르코늄, 산화지르코늄 등을 단독 또는 혼용하여 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 바인더의 함량은 분사된 입자들이 케이스 내측 표면에 단단히 부착(Method II)될 수 있는 정도, 예컨대, 분사된 입자의 전체 100 중량부에 대하여 0.5 내지 10 중량부(구체적으로는 0.5 내지 5 중량부) 정도일 수 있다.
본 발명은 상술된 바와 같은 방식으로 케이스 내측면에 불규칙적인 형태의 엠보 구조를 구현할 수 있으며, 상기 엠보 구조는 본 발명에 따른 표면 거칠기 및 융기부의 빈도를 만족할 수 있으므로 모듈 사용 시 장착된 이차전지 셀로부터 발생된 불꽃을 효과적으로 분산시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서 언급되는 불꽃 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 스틸과 같은 고강도 금속재로 구성된 케이스의 내측 표면에 상술된 금속 화합물을 포함하는 코팅층 또는 보호층이 도입된 형태를 가질 수 있다.
하나의 예로서, 상기 케이스는 전체가 텅스텐으로 구성될 수 있고, 텅스텐으로 구성된 케이스의 내측면은 바인더와 혼합된 스틸 볼(steel ball)을 이용한 블라스트법에 의해 엠보 구조를 포함할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 케이스는 전체가 텅스텐으로 구성될 수 있고, 텅스텐으로 구성된 케이스의 내측면은 스틸볼과 바인더의 혼합물을 이용한 블라스트법에 의해 표면에 스틸볼을 포함하는 보호층이 도입된 엠보 구조를 포함할 수 있다.
또 다른 하나의 예로서, 상기 케이스는 스테인레스 스틸로 구성되고, 스테인레스 스틸로 구성된 케이스 내측 표면에는 텅스텐으로 형성된 텅스텐층이 도입된 구조를 가질 수 있다. 이때, 텅스텐층은 유리 입자를 이용한 블라스트법에 의해 표면이 식각되어 엠보 구조를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 블라스트에서 사용되는 입자들은 엠보 구조로 구현되는 케이스 내측면의 표면 거칠기를 만족하는 범위 내에서 평균 입도가 조절될 수 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.
리튬 이차전지 모듈의 제조방법
또한, 본 발명은 일실시예에서,
케이스 내부에 복수의 이차전지 셀을 장착하는 단계를 포함하되,
상기 케이스는 내측면에 불규칙적인 엠보 구조를 구비하는 이차전지 모듈의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈의 제조방법은 복수의 이차전지 셀을 케이스 내부에 장착하는 단계를 포함하고, 상기 케이스는 내측면에 불규칙적인 엠보 구조를 구비함으로써 제조된 모듈의 사용 도중에 케이스 내부에 장착된 이차전지 셀로부터 불꽃이 발생하는 경우 발생된 불꽃을 분산시킬 수 있으며, 이를 통해 불꽃의 힘을 약화시켜 모듈의 폭발 등을 방지할 수 있다.
이를 위하여, 상기 이차전지 모듈의 제조방법은 케이스 내부에 이차전지 셀을 장착하는 단계를 수행하기 이전에, 케이스 내측면에 대하여 샌드블라스트(sand blast), 쇼트블라스트(shot blast), 그리트블라스트(grit blast), 및 커트와이어블라스트(cut wire blast)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 블라스트법을 수행하여 케이스 내측면에 부분적으로 또는 전체적으로 엠보 구조를 도입할 수 있다.
이때, 상기 블라스트법은 모래, 유리 입자, 금속 산화물 입자, 스틸 입자, 철 입자 및 마이카(mica) 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 입자를 이용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 상기 블라스트법은 모래, 유리 분말, 산화알루미늄 분말, 지르코니아 분말, 스틸 볼, 마이카 분말 등을 이용하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 입자들은 케이스 내측 표면을 식각하여 엠보 구조를 구현(Method I)하는 경우, 케이스를 구성하는 소재의 경도에 따라 보다 높은 경도를 갖는 입자로 선택될 수 있다. 하나의 예로서, 상기 케이스는 내측면에 산화아연층을 포함하고, 상기 산화아연층은 산화아연보다 경도가 높은 산화알루미늄 분말에 의해 식각되어 엠보 구조가 구현될 수 있다.
아울러, 상기 입자는 케이스 내측면에 구현되는 엠보 구조의 표면 거칠기를 고려하여 평균 입도가 조절될 수 있다.
예컨대, 상기 입자는 1㎛ 내지 2,000㎛의 평균 입도를 만족하도록 크기가 조절될 수 있으며, 구체적으로는 5㎛ 내지 2,000㎛; 10㎛ 내지 2,000㎛; 50㎛ 내지 2,000㎛; 50㎛ 내지 1,000㎛; 100㎛ 내지 900㎛; 250㎛ 내지 500㎛; 400㎛ 내지 700㎛; 500㎛ 내지 1,000㎛; 50㎛ 내지 200㎛; 80㎛ 내지 120㎛; 200㎛ 내지 400㎛; 800㎛ 내지 1,200㎛; 또는 1,100㎛ 내지 1,500㎛의 평균 입도로 크기가 조절될 수 있다. 또는, 상기 입자는 5 메쉬(mesh) 내지 100 메쉬(mesh)의 평균 입도를 만족하도록 크기가 조절될 수 있으며, 구체적으로는 5 메쉬 내지 70 메쉬; 5 메쉬 내지 50 메쉬; 5 메쉬 내지 30 메쉬; 5 메쉬 내지 20 메쉬; 50 메쉬 내지 100 메쉬; 80 메쉬 내지 100 메쉬; 10 메쉬 내지 30 메쉬; 40 메쉬 내지 70 메쉬; 50 메쉬 내지 90 메쉬; 또는 80 메쉬 내지 100 메쉬의 평균 입도로 크기가 조절될 수 있다.
또한, 상기 블라스트법은 입자를 분사시키기 위한 노즐의 직경; 케이스 표면과의 거리(즉, 분사거리); 및 분사압력 등에 의해 케이스 내측면에 구현되는 엠보 구조의 표면 거칠기가 조절될 수 있다.
구체적으로, 상기 블라스트법은 5 내지 10㎝의 직경을 갖는 노즐을 이용하여 10 내지 60㎝의 분사거리에서 0.01MPa 내지 0.4MPa의 분사 압력으로 입자를 분사함으로써 수행될 수 있으며, 상기 노즐의 직경; 분사거리; 및 분사 압력은 엠보 구조가 구현되는 방식에 따라, 상기 범위 내에서 선택적으로 적용될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 블라스트법은 엠보 구조가 분산되는 입자에 의해 식각에 의해 구현(Method I)되는 경우, 5 내지 9㎝의 직경을 갖는 노즐을 이용하여 10 내지 30㎝의 분사거리에서 0.1MPa 내지 0.3MPa의 분사 압력으로 입자를 강하게 분사함으로써 수행될 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 블라스트법은 엠보 구조가 바인더에 의해 분산된 입자가 부착되어 구현(Method II)되는 경우, 7 내지 10㎝의 직경을 갖는 노즐을 이용하여 20 내지 50㎝의 분사거리에서 0.05MPa 내지 0.1MPa의 분사 압력으로 입자를 약하게 분사함으로써 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈의 제조방법은 케이스 내부에 복수의 이차전지 셀을 장착하는 단계 이전에, 케이스 내측면에 불규칙한 엠보 구조를 도입하는 단계를 수행함으로써 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.
제조예 1~13. 이차전지 모듈용 케이스의 제조
하기 표 1에 나타낸 바와 같이 케이스 소재인 텅스텐 또는 스테인레스 스틸을 이용하여 이차전지 셀이 도입되어 장착되는 하부 케이스와 상기 하부 케이스와 결합되어 장착된 이차전지 셀의 상면을 덮는 상부 케이스를 제작하였다. 여기서, 케이스 소재로서 스테인레스 스틸을 사용한 경우 내측 표면에 텅스텐층, 바나듐층 또는 산화아연층을 보호층(평균 두께: 0.5~2 mm)으로서 도입하였다.
그런 다음, 제작된 상부 및 하부 케이스 내측면에 대하여 표 1에 나타낸 방식으로 블라스팅을 수행하여 내측면에 불규칙적인 엠보 구조가 도입된 이차전지 모듈용 케이스를 제작하였다.
이때, 상기 블라스팅은 8±0.5㎝ 직경의 노즐을 이용하여 스틸 볼(모스 경도: ≒9.1±1, 평균 직경: 5㎛, 500㎛ 또는 1,200㎛)을 5㎝, 30㎝ 또는 70㎝의 거리 내에서 케이스 내측면에 분사하였으며, 분사 압력은 표 1에 나타낸 바와 같이 조절하였다. 또한, 코팅 방식으로 엠보 구조를 형성하는 경우, 블라스팅 시 스틸 볼 전체 100 중량부에 대하여 3 중량부의 고온용 세라믹 바인더를 바인더로서 혼합하여 분사하였다. 아울러, 제작된 각 케이스 내측면의 표면 거칠기(Ry)를 KS B 0161에 따라 측정하고, 엠보 구조의 융기부 빈도는 케이스 단면 구조에 대한 주사전자 현미경(SEM) 분석을 수행하고, 분석된 이미지를 기준으로 단위 길이(1inch)당 융기부의 개수를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
| 케이스 소재 |
내측면 보호층 |
엠보 구조 형성 방식 |
분사 조건 | 표면 거칠기 (Ry) |
융기부 빈도 | ||
| 거리 | 압력 | ||||||
| 제조예 1 | 텅스텐 | 미포함 | 식각 | 30㎝ | 0.15MPa | 230±50 ㎛ | 28±2개 |
| 제조예 2 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 식각 | 30㎝ | 0.15MPa | 310±50 ㎛ | 26±2개 |
| 제조예 3 | 스테인레스 스틸 | 바나듐층 | 식각 | 30㎝ | 0.15MPa | 440±50 ㎛ | 25±2개 |
| 제조예 4 | 스테인레스 스틸 | 산화아연층 | 식각 | 30㎝ | 0.15MPa | 570±50 ㎛ | 22±2개 |
| 제조예 5 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 식각 | 30㎝ | 0.02MPa | 4±1㎛ | 26±2개 |
| 제조예 6 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 식각 | 30㎝ | 0.15MPa | 1,100±50 ㎛ | 26±2개 |
| 제조예 7 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 식각 | 70㎝ | 0.15MPa | 310±50 ㎛ | 2±0.5개 |
| 제조예 8 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 식각 | 5㎝ | 0.15MPa | 310±50 ㎛ | 200±2개 |
| 제조예 9 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 코팅 | 30㎝ | 0.07MPa | 380±50 ㎛ | 19±2개 |
| 제조예 10 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 코팅 | 30㎝ | 0.07MPa | 8±1㎛ | 19±2개 |
| 제조예 11 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 코팅 | 30㎝ | 0.07MPa | 1,150±50 ㎛ | 19±2개 |
| 제조예 12 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 코팅 | 70㎝ | 0.07MPa | 380±50 ㎛ | 1±0.5개 |
| 제조예 13 | 스테인레스 스틸 | 텅스텐층 | 코팅 | 5㎝ | 0.07MPa | 380±50 ㎛ | 180±2개 |
제조예 14. 이차전지 모듈용 케이스의 제조
스테인레스 스틸을 이용하여 이차전지 셀이 도입되어 장착되는 하부 케이스와 상기 하부 케이스와 결합되어 장착된 이차전지 셀의 상면을 덮는 상부 케이스를 제작하였다. 이때, 케이스 내측면에는 별도의 코팅층을 구비하지 않았다.
실시예 및 비교예. 이차전지 모듈의 제조
제조예에서 준비된 하부 케이스에 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, 각 실시예와 비교예에서 적용된 케이스의 종류는 하기 표 2에 나타내었다.
| 케이스 종류 | 케이스 종류 | ||
| 실시예 1 | 제조예 1의 케이스 | 비교예 1 | 제조예 5의 케이스 |
| 실시예 2 | 제조예 2의 케이스 | 비교예 2 | 제조예 6의 케이스 |
| 실시예 3 | 제조예 3의 케이스 | 비교예 3 | 제조예 7의 케이스 |
| 실시예 4 | 제조예 4의 케이스 | 비교예 4 | 제조예 8의 케이스 |
| 실시예 5 | 제조예 9의 케이스 | 비교예 5 | 제조예 10의 케이스 |
| 비교예 6 | 제조예 11의 케이스 | ||
| 비교예 7 | 제조예 12의 케이스 | ||
| 비교예 8 | 제조예 13의 케이스 | ||
| 비교예 9 | 제조예 14의 케이스 |
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 이차전지 모듈의 안전성을 평가하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
| 충전 이후 화염 방출에 걸리는 시간 | |
| 실시예 1 | 44분 16초 |
| 실시예 2 | 44분 43초 |
| 실시예 3 | 44분 37초 |
| 실시예 4 | 44분 58초 |
| 실시예 5 | 46분 26초 |
| 비교예 1 | 41분 10초 |
| 비교예 2 | 42분 19초 |
| 비교예 3 | 41분 39초 |
| 비교예 4 | 43분 55초 |
| 비교예 5 | 41분 46초 |
| 비교예 6 | 43분 31초 |
| 비교예 7 | 42분 2초 |
| 비교예 8 | 42분 53초 |
| 비교예 9 | 40분 38초 |
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 모듈은 내측면에 특정 범위를 만족하는 표면 거칠기와 빈도를 갖는 엠보 구조를 구비하는 케이스를 사용함으로써 안전성이 향상되는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따라 케이스 내측면에 구현된 엠보 구조의 표면 거칠기 및 융기부의 빈도가 특정 범위를 만족하는 실시예의 이차전지 모듈의 경우 이차전지 셀에서 발생된 불꽃에 의해 케이스 외부로 화염이 방출되는데 44분 이상의 시간이 소요되는 것으로 확인되었다.
반면, 케이스 내측에 구현된 엠보 구조의 표면 거칠기 및 융기부의 빈도가 특정 범위를 만족하지 못하는 비교예의 이차전지 모듈은 케이스 외부로 화염이 방출되는데 걸리는 시간이 44분 보다 짧은 것으로 확인되었다.
이는 케이스 내측면에 구현된 엠보 구조가 이차전지 셀에서 발생된 불꽃을 분산시켜 그 힘을 약화시킴으로써 케이스 외부로 화염을 방출하는데 시간이 오래 걸림을 의미한다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 이차전지 모듈용 케이스는 내측면을 블라스팅 처리에 의해 특정 범위의 표면 거칠기를 갖는 엠보 구조를 일정 빈도로 포함함으로써 리튬 이차전지 셀로부터 발생된 화염이나 불꽃의 분산을 통해 힘을 약화시킬 수 있으므로, 이를 포함하는 리튬 이차전지 모듈의 안전성이 향상되는 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.
11 및 21: 케이스
11' 및 21': 케이스 내측면
12 및 22: 엠보 구조
12a 및 22a: 오목부
12b 및 22b: 융기부
13 및 23: 블라스팅 입자
14 및 24: 바인더
25: 보호층
11' 및 21': 케이스 내측면
12 및 22: 엠보 구조
12a 및 22a: 오목부
12b 및 22b: 융기부
13 및 23: 블라스팅 입자
14 및 24: 바인더
25: 보호층
Claims (14)
- 복수의 이차전지 셀; 및
상기 이차전지 셀이 장착되는 케이스를 포함하고,
상기 케이스는 내측면에 불규칙적인 엠보 구조를 구비하는 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
엠보 구조는 케이스 내측면의 전면에 형성되는 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
케이스 내측면은 1,000㎛ 미만의 표면 거칠기를 갖는 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
엠보 구조는 오목부와 융기부로 구성되고
상기 융기부는 5 내지 100개/inch의 빈도로 마련되는 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
엠보 구조는 표면 식각에 의해 내측면에 구현되는 이차전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
엠보 구조는 모래, 유리 입자, 금속 산화물 입자, 스틸 입자, 철 입자 및 마이카(mica) 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 입자가 바인더에 의해 내측면에 부착됨으로써 구현되는 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 이상의 금속을 함유하는 금속 화합물을 포함하는 이차전지 모듈.
- 케이스 내부에 복수의 이차전지 셀을 장착하는 단계를 포함하되,
상기 케이스는 내측면에 불규칙적인 엠보 구조를 구비하는 이차전지 모듈의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
엠보 구조는 샌드블라스트(sand blast), 쇼트블라스트(shot blast), 그리트블라스트(grit blast), 및 커트와이어블라스트(cut wire blast)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 블라스트법에 의해 구현되는 이차전지 모듈의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
블라스트법은 모래, 유리 입자, 금속 산화물 입자, 스틸 입자, 철 입자 및 마이카(mica) 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 입자를 이용하여 수행되는 이차전지 모듈의 제조방법.
- 제11항에 있어서,
상기 입자는 5 메쉬 내지 100 메쉬의 입도를 갖는 이차전지 모듈의 제조방법.
- 제11항에 있어서,
상기 입자는 바인더와 혼합되어 분사되는 이차전지 모듈의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 블라스트법은 10 내지 60㎝의 분사거리에서 0.01MPa 내지 0.4MPa의 분사 압력으로 수행되는 이차전지 모듈의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210085908A KR20230004084A (ko) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 안전성이 강화된 리튬 이차전지 모듈 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210085908A KR20230004084A (ko) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 안전성이 강화된 리튬 이차전지 모듈 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230004084A true KR20230004084A (ko) | 2023-01-06 |
Family
ID=84924181
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| KR1020210085908A KR20230004084A (ko) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | 안전성이 강화된 리튬 이차전지 모듈 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230004084A (ko) |
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 |
-
2021
- 2021-06-30 KR KR1020210085908A patent/KR20230004084A/ko active Search and Examination
Patent Citations (1)
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| KR20170014309A (ko) | 2015-07-29 | 2017-02-08 | 주식회사 엘지화학 | 안전성이 향상된 이차전지, 전지 모듈 및 전지 팩 |
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