KR20230025973A - 열 차단막이 내장된 고전압 배터리 모듈 및 팩 - Google Patents

열 차단막이 내장된 고전압 배터리 모듈 및 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 차단막을 구비하는 배터리 모듈 및 팩을 제공하고자 하는 것으로서, 복수개 적층된 파우치 셀을 포함하는 배터리 모듈로서, 상기 배터리 모듈의 모듈 케이스 내에 셀과 셀 사이, 또는 셀과 케이스 사이에 열 차단막을 포함하고, 상기 열 차단막은 제1 반력패드 및 상기 제1 반력패드의 가장자리 외곽에 위치하는 제2 반력패드를 포함하고, 상기 제1 반력패드 또는 제2 반력패드의 두께 방향으로 200kPa 이상의 반발력을 갖는 압축율을 최대 압축율로 정의할 때, 상기 제2 반력패드는 상기 제1 반력패드보다 작은 최대 압축율을 갖는 것인 배터리 모듈을 제공한다.

Description

열 차단막이 내장된 고전압 배터리 모듈 및 팩{MODULE PACK COMPRISING A THERMAL BARRIER AND PACK COMPRISING THE MODULE}
본 발명은 열 확산을 방지할 수 있는 열 차단막이 내장된 고전압 배터리 모듈, 나아가, 상기 배터리 모듈을 포함하는 팩에 관한 것이다.
모바일 기기, 전기자동차 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지셀의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이차전지셀은 화학에너지와 전기에너지 간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지이다.
이러한 이차전지셀은 이차전지의 주요 구성물인 양극, 음극, 분리막 및 전해액 등의 전극조립체 및 이를 보호하는 다층 파우치 외장재의 셀 바디 부재를 포함한다.
또한 상기 이차전지셀을 복수 개 장착하여, 배터리 모듈 및 팩을 구성하고, 전기자동차, 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System) 등에 설치되기도 한다.
그런데 이러한 전극조립체는 충전 및 방전의 과정을 거치면서 발열이 발생하게 되는데, 이러한 발열에 의한 온도 상승은 이차전지셀의 성능을 저하시키게 된다.
또한, 이러한 이차전지셀의 온도 상승과 같은 배터리 모듈의 내부적인 요인으로 어느 하나의 이차전지셀이 폭발하거나, 외부적인 충격에 의해서 어느 하나의 이차전지셀이 폭발하고, 연쇄적으로 배터리 모듈 내의 이차전지셀들에서의 폭발이 발생하는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 파우치형 배터리 셀에 있어서, 관통상황, 과충전, 과방전, 고온방치 등과 같은 상황 하에서, 열 폭주(Thermal Runaway) 현상이 일어나는 경우, SEI 층의 형성에 따른 열과 가스가 생성되는데, 고압의 가스에 의해 파우치의 벤팅이 일어나며, 분리막 수축에 따른 내부 쇼트로 열이 축적되고 열 폭주 상황이 발생한다. 또한, 열 폭주 현상이 일어나면, 양극재의 구조가 붕괴되면서 산소가 발생하여, 열 생성을 더욱 가속화시키고, 이로 인해 배터리의 온도 상승을 통제할 수 없는 상황에 이르게 된다.
이와 같은 열 폭주 상황에서는 어느 하나의 이차전지셀의 폭발에 의한 가스 및 화염이 빠르게 외부로 배출되지 않아, 열 전파(Thermal Propagation), 화염 또는 고온, 고압의 가스 등이 주변의 다른 이차전지셀에 작용하여 연쇄적인 폭발로 이어지는 더 큰 문제로 이어질 수 있다.
상기와 같은 열 폭주 상황 하에서, 어느 하나의 이차전지 셀에서 발생한 열이 인접하는 이차전지 셀로의 열전이를 차단할 수 있는 수단에 대한 연구가 필요한 실정이다.
종래, 이와 같은 열 전이를 차단하기 위한 기술로, 셀과 셀 사이에 열전도율이 낮은 운모(Mica) 종류의 시트를 적용하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 운모 자체가 희귀한 광물로 가격이 비싸며, 운모 시트(Mica Sheet)의 두께만큼 배터리 셀 폭이 줄어들게 되기 때문에, 모듈의 에너지 밀도는 현저하게 낮아지며, 이로 인해 차량의 주행거리가 짧아지거나, 모듈 크기가 비대해지는 문제점이 있다.
한편, 파우치 타입의 배터리 셀은 열 폭주 상황에서 부피 변화가 있으며, 모든 면이 일정하게 팽창(Swelling)하는 것이 아니고, 도 1의 사진에 나타낸 바와 같이, 럭비공 형상으로 셀의 중심부에서 더욱 심하게 부풀어 오르는 현상이 나타난다.
또한, 이와 같은 부피 증가 시 내부 기체 또는 가스로 인해 양극과 음극의 접촉 면적(Contact Area)이 감소하게 되는데, 이는 리튬이온의 유동을 막아 리튬 플레이팅(Li Plating)을 유발할 수 있다. 이와 같은 리튬 플레이팅은 셀 내의 전체적인 내부 저항(IR) 증가, 용량 감소(Capacity Fade)를 야기하여 차량의 성능에 악영향을 야기한다. 이 때문에, 셀의 성능 유지를 위해서 셀 간에 패드를 적용하고 있다.
그러나, 파우치 셀의 부피 변화 시 양극과 음극의 가장자리 면은 충분한 면압이 제공되지 않는다. 이로 인해, 도 2에 나타낸 바와 같이, 음극의 가장자리 면에서는 음극의 연화로 인해 합재층이 박리되는 박리현상이 일어나고(a), 반복적인 스웰링으로 인해 전극의 연화 및 리튬 플레이팅이 발생하며(b), 전극 내부에서는 가스가 면압이 낮은 쪽으로 이동하여 국부적으로 가스가 집중되는 현상이 발생하는(c) 등, 전지 안정성을 심각하게 저하시키는 문제가 있다.
본 발명은 고전압 배터리 셀의 열 폭주 상황 발생시에 셀 간 열 전파를 지연시켜 모듈의 안정성을 확보하고자 한다.
본 발명은 열 확산을 방지할 수 있는 열 차단막이 내장된 고전압 배터리 모듈, 나아가, 상기 배터리 모듈을 포함하는 팩에 관한 것으로서, 본 발명의 일 구현예로서, 복수개 적층된 파우치 셀을 포함하는 배터리 모듈로서, 상기 배터리 모듈 내에 위치하는 열 차단막을 포함하고, 상기 열 차단막은 제1 반력패드 및 상기 제1 반력패드의 가장자리 외곽에 위치하는 제2 반력패드를 포함하고, 상기 제1 반력패드 또는 제2 반력패드의 두께 방향으로 200kPa 이상의 반발력을 갖는 압축율을 최대 압축율로 정의할 때, 상기 제2 반력패드는 상기 제1 반력패드보다 작은 최대 압축율을 갖는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 제1 반력패드는 두께 방향으로의 최대 압축율이 70% 이상일 수 있다.
상기 제1 반력패드는 두께 방향의 복원율이 90% 이상인 것이 바람직하다.
상기 제2 반력패드는 두께 방향으로의 최대 압축율이 60% 이상일 수 있다.
상기 제2 반력패드는 두께 방향의 복원율이 90% 이상인 것이 바람직하다.
상기 제1 반력패드 및 제2 반력패드는 각각 독립적으로 폴리우레탄 수지, 실리콘 수지 또는 고무일 수 있다.
상기 제1 반력패드는 2개가 적층된 것일 수 있다.
본 발명의 배터리 모듈에 있어서, 상기 열 차단막은 일 구현예로서, 상기 2개의 제1 반력패드 사이에 내열층이 배치된 적층체 및 상기 제1 반력패드와 내열층의 적층체의 가장자리 외곽을 상기 제2 반력패드가 둘러싸는 것일 수 있다.
상기 제1 반력패드 및 내열층은 각각의 두께가 0.5 내지 3.0mm이고, 상기 적층체의 전체 두께가 5.0mm 이하일 수 있다.
상기 제2 반력패드는 적층체의 두께와 동일할 수 있다.
본 발명의 배터리 모듈에 있어서, 상기 열 차단막은 다른 구현예로서, 상기 2개의 제1 반력패드 사이에 내열층이 배치된 적층체 및 상기 내열층의 가장자리 외곽을 상기 제2 반력패드가 둘러싸는 것일 수 있다.
상기 내열층은 제1 반력패드의 면적에 대하여 70 내지 80%의 면적을 가지고, 상기 제1 반력패드의 표면 내에 내열층이 배치된 것일 수 있다.
상기 제2 반력패드는 내열층의 두께와 동일할 수 있다.
상기 제1 반력패드 및 내열층은 각각의 두께가 0.5 내지 3.0mm이고, 상기 적층체의 전체 두께가 5.0mm 이하일 수 있다.
상기 내열층은 열전도도가 0.5W/mK 이하일 수 있다.
상기 내열층은 운모 및 바인더를 포함하는 운모 시트일 수 있다.
상기 운모는 금운모 및 백운모 중 적어도 하나 성분을 포함하는 판상 운모일 인 열 수 있다.
상기 운모 시트는 운모를 90중량% 이상 포함할 수 있다.
상기 제1 반력패드와 내열층 사이에 접착층을 더 포함할 수 있다.
상기 접착층은 500gf/in 이상의 접착력을 갖고, 전단응력 30kgf/in2 이상일 수 있다.
상기 접착층은 실리콘계, 아크릴계, 고무계 또는 에폭시계의 감압 접착제 또는 핫멜트 접착제일 수 있다.
상기 열 차단막은 파우치 셀의 본방 면적 이상의 면적을 갖는 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 다른 구현예로서, 상기 배터리 모듈을 포함하는 팩을 제공한다.
본 발명에 따르면, 파우치의 스웰링에 의한 변위가 가장 크기 때문에 열전달이 가장 많이 일어나는 중심부에 운모를 적용함으로써, 열 전이 지연을 위한 운모의 면적을 최적화할 수 있고, 이로 인해 모듈의 중량을 절감하고, 나아가, 비용절감을 도모할 수 있다.
나아가, 부피팽창으로 인해 압력이 셀의 본방에 가해지는 경우 그 압력을 저반력의 제1 반력패드가 흡수하여 압력에 의한 압축과 압축 해제의 반복에 따른 두께 변화를 방지하여 신뢰성을 제공하며, 고반력의 제2 반력패드에 의해 셀의 가장자리에도 면압을 제공하여 셀의 수명 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전극의 계면에서의 리튬 플레이팅을 최소화할 수 있어, 배터리의 수명을 장기화할 수 있고, 배터리가 적용된 자동차의 주행거리를 증대시킬 수 있다.
도 1는 열 폭주 상황에서, 파우치 셀의 중심부에서 부피가 주로 팽창되어 부피 변화가 일어난 파우치 셀을 촬영한 사진이다.
도 2는 전극 가장자리에 충분한 면압이 제공되지 않은 전극의 자장자리 표면을 촬영한 사진으로서, (a)는 전극의 가장자리에서 나타난 박리 현상을 촬영한 사진이고, (b)는 리튬 플레이팅이 발생한 전극 가장자리의 표면을 촬영한 사진이며, (c)는 국부적으로 가스가 집중된 전극의 표면을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명에서 제공하는 열 차단막의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면으로서, (a)는 열 차단막의 평면도이고, (b)는 (a)의 열 차단막을 A-A 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 도면이고, (c)는 (a)의 열 차단막을 B-B 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에서 제공하는 열 차단막의 다른 일 예를 개략적으로 나타낸 도면으로서, (a)는 열 차단막의 평면도이고, (b)는 (a)의 열 차단막을 A-A 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 도면이고, (c)는 (a)의 열 차단막을 B-B 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 도면이고, (d)는 (c)의 C-C 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 변형예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 다른 변형예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에서 제공하는 열 차단막의 또 다른 일 예를 개략적으로 나타낸 도면으로서, (a)는 열 차단막의 평면도이고, (b)는 (a)의 열 차단막을 A-A 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 도면이고, (c)는 (a)의 열 차단막을 B-B 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 도면이고, (d)는 (c)의 C-C 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 변형예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 열 차단막을 갖는 배터리 모듈의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 열 차단막을 포함하는 배터리 모듈을 제공하고자 하는 것으로서, 이하, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 포함되는 열 차단막에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서 제공하는 일 구현예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 열 차단막(SFW)은 제1 반력패드 및 제2 반력패드를 포함하는 것으로서, 도 3에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 제1 반력패드, 예를 들어, 1매 또는 2매 이상의 제1 반력패드가 적층된 적층체의 가장자리 외곽을 둘러싸는 제2 반력패드를 포함한다.
도 3 중, (a)는 본 발명에서 제공하는 열 차단막의 일 예에 대한 평면도로서, 내부에 제1 반력패드(11)가 위치하고, 제1 반력패드(11)의 가장자리 외곽에 제1 반력패드(13)가 배치된다. 이때, 도 3의 (b) 및 (c)는 도 3의 (a)에 나타낸 열 차단막을 A-A 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 도 3의 (b)에 나타낸 것이고, B-B 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 도 3의 (c)에 나타내는 것이다.
본 발명에 있어서, '반력'이라 함은 모듈 내에서 셀의 부피팽창에 의해 패드에 가해지는 힘에 대한 반발력으로서, 상기 패드가 셀의 본방에 가하는 응력으로 정의될 수 있다. 따라서, 본 발명에 있어서, 상기 제1 반력패드 및 제2 반력패드는 배터리 모듈 내의 셀 사이에 위치하며, 초기에는 스페이서(spacer)로서 역할을 수행하고, 이후 셀의 부피 팽창으로 인해 압력이 가해지는 경우에 그 압력을 흡수하며, 셀의 본방에 응력을 가하는 역할을 수행한다.
상기 제1 반력패드는 이차전지의 스웰링(Swelling)을 방지하기 위해 셀에 기본적인 압력을 제공하는 압축층으로서 기능하며, 셀의 스웰링시에 셀의 본방의 표면에 대하여 두께 방향으로의 특정 면압(압력)을 제공한다. 이를 위해, 두께방향으로 200kPa 이상의 반발력을 갖는 압축율을 최대 압축율로 정의할 때, 상기 제1 반력패드는 최대 압축율이 70% 이상인 것이 바람직하다. 상기 제1 반력패드는 최대 압축율이 70% 이상인 경우에 셀의 부피 팽창으로 인한 응력 발생시에 그 응력을 흡수할 수 있으며, 70% 미만인 경우에는 셀의 두께 방향으로의 충분한 면압을 제공할 수 없어 셀의 수명 저하를 야기할 수 있다. 또한, 최대 압축율이 70% 미만이라는 것은 패드 내부의 기공이 적은 것을 의미하며, 오히려 셀의 부피 팽창이 많은 중앙부에서 셀 내부의 전극이나 분리막의 중앙부에 크랙을 야기할 수 있다.
상기 제1 반력패드는 90% 이상의 복원율을 갖는 것이 바람직하다. 상기 복원율은 외력을 가하기 전의 패드 두께에 대하여, 패드에 외력을 가한 후 해제했을 때의 두께의 비율을 나타내는 것으로서, 압축과 압축해제가 반복되는 상황에서의 신뢰성을 제공한다. 따라서, 상기 제1 반력패드의 복원력이 90% 미만이면 외력에 의한 압축으로 패드 내부의 기공이 사라져 패드의 두께가 감소하게 되며, 이로 인해 지속적인 응력 흡수능을 제공할 수 없게 된다.
상기와 같은 제1 반력패드는 상기와 같은 물성을 갖는 것이라면 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 폴리우레탄계 수지, 실리콘계 수지 또는 고무계의 재질로 된 패드일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 반력패드는 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 두께는 0.5mm 내지 3.0mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상기 제1 반력패드의 두께가 0.5mm 미만인 경우에는 전지에 충분한 면압을 제공하기 어려워 전지의 스웰링 발생을 방지하기 어려우며, 3.0mm를 초과하는 경우에는 전체적인 열 차단막의 두께가 증가하여 모듈 내의 에너지 밀도 저하를 초래할 수 있다.
상기 제2 반력패드(13)는 배터리 셀의 스웰링에 대하여 셀의 가장자리에 특정 면압을 제공하는 역할을 하는　것으로서, 상기 제2 반력패드(13)는 60% 이상의 최대 압축율을 갖는 것이 바람직하다. 상기 제2 반력패드(13)는 최대 압축율이 작을수록 전지의 가장자리에 면압을 제공할 수 있으며, 상기 제2 반력패드(13)의 두께 방향으로의 최대 압축율이 60% 미만이면 특히 높은 압축성이 요구되는 셀의 가장자리 면에 충분한 면압을 제공할 수 없고, 이로 인해 셀의 수명 저하를 초래할 수 있다.
나아가, 상기 제2 반력패드는 90% 이상의 복원율, 보다 바람직하게는 95% 이상의 복원율을 갖는 것이 바람직하다. 상기 복원율은 외력을 가하지 전의 패드 두께에 대하여, 패드에 외력을 가한 후에 해제했을 때의 두께의 비율을 나타내는 것으로서, 압축과 압축해제가 반복되는 상황에서의 신뢰성을 제공한다. 따라서, 상기 제2 반력패드의 복원력이 90% 미만이면 외력에 의한 압축으로 패드 내부의 기공이 사라져 패드의 두께가 감소하게 되며, 이로 인해 지속적인 응력 흡수능을 제공할 수 없게 된다.
상기 제2 반력패드(13)는 상기와 같은 최대 압축율 및/또는 복원율을 갖는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용될 수 있으나, 예를 들어, 폴리우레탄계 수지, 실리콘계 수지, 고무 등을 사용할 수 있다.
상기 제2 반력패드(13)는 그 두께를 특별히 한정하지 않으며, 상기 제1 반력패드 또는 제1 반력패드 적층체의 전체 두께와 동일한 두께를 가질 수 있다.
제2 반력패드(13)를 상기 제1 반력패드 적층체를 둘러싸도록 배치함으로써 전극의 가장자리, 즉, 테두리에 국부적으로 높은 반발력을 제공할 수 있으며, 이에 의해, 파우치 셀의 가장자리에도 충분한 면압을 제공할 수 있다. 이와 같이, 배터리 셀의 가장자리에 높은 면압을 제공함으로써 파우치 셀 내부의 부피 변화가 발생하는 경우에도 음극과 양극의 접촉 면적을 증가시킬 수 있어 리튬 이온의 원활한 유동이 가능하며, 따라서, 전극의 가장자리에 리튬 플레이팅이 발생하는 문제를 감소시킬 수 있다. 나아가, 전극 연화로 인한 박리 현상의 발생을 억제할 수 있고, 발생된 가스가 국부적으로 특정 영역에 집중되는 현상을 억제할 수 있어 전지의 성능을 유지할 수 있고, 또한, 셀의 전체적인 내부저항이 증가하거나 용량이 감소하는 등의 문제가 발생하는 것도 억제할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 열 차단막(SFW)의 다른 구현예는 제1 반력패드, 내열층 및 제2 반력패드를 포함하는 것으로서, 도 4 내지 도 8에 개략적으로 도시하였다. 일 구현예로서, 본 발며의 열차단막은 도 4 내지 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 반력패드, 내열층 및 제1 반력패드의 적층 구조를 갖는 적층체를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 열 차단막은 상기한 바와 같이, 2장의 제1 반력패드 사이에 내열층이 개재되어 적층된 적층체를 포함한다.
상기 제1 반력패드는 앞서 설명한 것과 동일한 것으로서, 본 구현예에서도 적용될 수 있다.
상기 내열층은 어느 하나의 셀에서 이상 고온 현상이나 화재 발생 등에 의한 열 폭주 상황에서 인접 셀로의 열 및 화염이 전파되는 것을 차단하기 위한 내열층으로서 제공된다.
상기 내열층은 CFRP(C carbon fiber reinforced plastics), 에어로젤, 실리카, 운모 등의 시트일 수 있다. 이 중에서, 운모 시트가 보다 바람직하다.
운모 시트는 운모를 사용하여 제조된 균일한 두께를 갖는 시트로서, 운모를 주성분으로 포함하고, 바인더를 소량 포함하는 조성물로부터 운모 시트를 제조할 수 있다. 상기 운모는 백운모 또는 금운모를 사용할 수 있으며, 이들을 혼합하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 바인더 성분은 특별히 한정하지 않으며, 운모를 바인딩하여 시트 형상을 유지하면서 내열성을 갖는 유기 또는 무기 바인더라면 적합하게 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 바인더는 10중량% 이하, 즉, 운모를 90중량% 이상 포함할 수 있으며, 예를 들어, 1 내지 10중량%의 함량으로 상기 바인더를 포함할 수 있다.
상기 내열층은 단층일 수 있으며, 2 이상의 시트로 구성될 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 소정의 두께를 갖는 1매의 운모 시트 또는 2매 이상의 운모 시트가 적층된 소정 두께의 적층체를 하나의 내열층으로 구성할 수 있으며, 이러한 내열층을 사이에 두고 상기한 바와 같은 제1 반력패드를 양쪽에 배치함으로써 열 차단막을 구성할 수 있다.
한편, 상기 운모 시트는 내열층으로서의 기능을 수행할 수 있도록 상온에서 ISO 22007-2에 의한 열 전도율(thermal Conductivity)이 0.5W/mK 이하이며, FMVSS-302에 의한 내열온도(화염접촉면과 배면 온도의 온도차)가 500
Figure pat00001
이상(연속 테스트, continuous services) 및 1,000
Figure pat00002
이상(간헐적 테스트, intermittent services)의 내열특성을 갖는 것이 바람직하다.
또, 상기 운모 시트는, ASTM D-1000에 의한 절연파괴 전압이 15kV/min 이상이고, 850
Figure pat00003
에서 ASTM D-257에 의한 절연저항이 40Mohm 이상의 전기적 특성을 갖는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 운모 시트는 ISO 327 또는 ASTM D638에 의한 인장강도가 145MPa 이상이고, ISO178 또는 ASTM D790에 의한 굴곡강도가 200MPa 이상이며, ISO179 또는 ASTM D256에 의한 충격강도가 18kJ/㎡ 이상의 값을 갖는 것이 바람직하다. 상기와 같은 범위의 물성을 갖는 경우에 모듈 내에서 셀의 스웰링(Swelling) 현상에 의한 변형 또는 파단에 의한 파우치 찢김 현상 등이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 차량 진동/충격 상황에서 구조를 유지하여 배터리 셀을 보호할 수 있다.
상기 운모 시트 등의 내열층은 이에 한정하는 것은 아니지만, 0.5mm 내지 3.0mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 내열층의 두께가 0.5mm 미만이면 열차단 효과가 충분하지 않으며, 3mm를 초과하면 전체적인 열 차단막의 두께가 증가하여 모듈 내의 에너지 밀도 저하를 초래할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 열 차단막은 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 반력패드(11) 및 내열층(15)의 적층에 의해 제공되는 적층체의 가장자리 외곽을 둘러싸는 제2 반력패드(13)를 포함한다. 즉, 제2 반력패드(13)는 제1 반력패드(11)와 비교하여 상대적으로 반력이 큰 패드, 즉, 두께 방향으로의 최대 압축율이 작은 패드를 나타내는 것으로서, 앞서 설명한 것과 동일하다. 이하, 상기 설명한 것과 중복되는 것에 대하여는 설명을 생략한다.
본 구현예에서 제공하는 열 차단막은, 제2 반력패드(13)가 상기 제1 반력패드 사이에 내열층이 적층된 적층체를 둘러싸는 구조를 갖는다. 배터리 셀의 스웰링 상황 또는 열 폭주(Thermal Runaway) 상황에서는 배터리 셀의 중심부가 외곽부에 비해 과도하게 팽창하게 되며, 대부분의 열 전달이 팽창된 면을 통해서만 일어난다. 한편, 배터리 셀의 외곽부는 파우치 내부에 공기 층이 존재함으로써 공기층에 의한 단열 효과를 제공하는 것을 본 발명자들은 실험적으로 확인하였다.
따라서, 열 폭주 등의 상황에서 열이 가장 많이 발생하는 전지의 본방부에 대응하는 열 차단막의 중심 영역에 내열층(15)을 배치함으로써 인접 셀로의 열 전이를 효율적으로 차단할 수 있다. 나아가, 상기 내열층(15)은 셀 본방 크기의 70% 내지 80%로 구성할 수 있으며, 이로 인해 내열층(15)을 구성하는 소재의 비용을 20 내지 30% 정도 절감할 수 있어, 고가의 운모 사용량 감소에 따른 전지 제조 비용을 절감시킬 수 있고, 또 모듈의 중량을 감소시킬 수 있다.
본 발명에서 제공하는 열 차단막은 전체 두께가 5mm 이하인 것이 바람직하다. 상기 열 차단막의 전체 두께가 5mm를 초과하면 열 차단막으로 인하여 모듈 내에 포함되는 셀의 에너지 밀도가 감소하는 문제가 있다. 상기 열 차단막의 두께는 상기 제1 반력패드(11)와 내열층(15)의 적층에 의한 적층체의 두께로서, 그 하한은 상기 적층체의 하한에 따르며, 한편, 상기 제2 반력패드(13)의 두께는 상기 적층체의 두께와 동일하다.
도 4 중, (a)는 본 발명에서 제공하는 열 차단막의 일 예에 대한 평면도로서, 외부에서 볼 때, 내부에 제1 반력패드(11)가 위치하고, 제1 반력패드(11)의 가장자리 외곽에 제2 반력패드(13)가 배치된다. 한편, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)에 나타낸 열 차단막을 A-A 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내며, 도 4의 (c)는 도 4의 (a)에 나타낸 열 차단막을 B-B 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 것으로서, 도 4의 (b) 및 (c)로부터 알 수 있는 바와 같이, 내열층(15)의 상하에는 제1 반력패드(11)가 배치되고, 내열층(15)의 가장자리 외곽에는 제2 반력패드(11)가 배치되어 둘러싸고 있다. 따라서, 상기 내열층(15)은 외부에서 관찰되지 않을 수 있다.
한편, 도 4의 (d)는 도 4의 (c)에서 C-C 방향으로 절단하였을 때, 즉, 열 차단막을 두께 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 것으로서, 내열층(15)의 가장자리 외곽이 제2 반력패드(13)에 의해 둘러싸여 있음을 나타낸다.
본 발명의 일 구현예에 따른 열 차단막을 도 4를 들어 구체적으로 설명하였으나, 도 5에 개략적으로 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 열 차단막일 수 있다. 도 5에 나타낸 열차단막은, 내열층(15)에 비하여 제1 반력패드(11)의 면적을 작게 하여 제2 반력패드(13)와 제1 반력패드(11)의 사이에 간격을 형성하고, 그리고/또는, 상기 간격에 내열층(15)을 배치하거나, 상기 제1 반력패드(11)의 면적을 내열층(15)보다 작게 하고, 작아진 면적만큼 제2 반력패드(13)를 크게 하여, 즉, 제2 반력패드(13)에 내열층(15)이 끼워질 수 있도록 제2 반력패드(13)의 단면을 凹와 같은 형태로 변경할 수도 있다.
또한, 도 6에 개략적으로 나타낸 바와 같은 구조를 갖는 열차단막일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 열차단막은 도 6에 나타낸 바와 같이, 내열층(15) 또는 제1 반력패드의 형태를 사각형이 아닌 원형, 타원형 등의 다른 형태로 변경할 수 있다. 이와 같이, 통상의 기술자는 본 발명을 다양한 형태로 개조할 수 있음은 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 5 및 도 7에 있어서, (a), (b), (c) 및 (d)는 도 4의 (a), (b), (c) 및 (d)와 나타내는 형태가 동일한 것으로서, 추가적인 설명은 생략한다.
본 발명에서 제공하는 열 차단막은 또 다른 구현예로서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 반력패드(11)/내열층(15)/제1 반력패드(11)의 적층체 및 상기 내열층(15)의 가장자리 외곽을 제2 반력패드(13)가 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 열 차단막은 상기 적층체의 내열층(15)의 가장자리를 둘러싸도록 제2 반력패드(13)가 배치되고, 상기 내열층(15)과 제2 반력패드(13)의 양면에 제1 반력패드(11)가 적층되는 구조를 가질 수 있다.
이와 같은 구조를 가짐으로써 도 4와 같은 구조의 열 차단막이 제공하는 모든 효과를 제공할 수 있다.
한편, 상기 도 4와 같은 구조의 열 차단막에 대한 설명은 모순되지 않는 것이라면 도 7과 같은 구조의 열 차단막에 대하여도 동일하게 적용될 수 있는 것으로서, 중복적인 설명을 생략한다.
다만, 상기 제2 반력패드(13)의 두께는 내열층(15)의 두께와 동일하다.
도 7 중, (a)는 본 발명에서 제공하는 열 차단막의 일 예에 대한 평면도로서, 외부에서 볼 때, 전체 영역에 제1 반력패드(11)가 위치하고, 측면에서 볼 때 제1 반력패드(11) 사이에 제2 반력패드(13)가 배치된다. 이때, 도 7의 (b)는 도 7의 (a)에 나타낸 열 차단막을 A-A 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 도면이고, 도 7의 (c)는 도 7의 (a)에 나타낸 열 차단막을 B-B 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 것으로서, 상기 도 7의 (b) 및 (c)로부터 알 수 있는 바와 같이, 내열층(15)의 양면에 상기 제1 반력패드(11)가 배치되고, 내열층(15)의 가장자리 외곽에 제2 반력패드(13)가 둘러싸는 형태일 수 있으며, 따라서, 상기 내열층(15)은 외부에서는 관찰되지 않을 수 있다.
한편, 도 7의 (d)는 도 7의 (c)에서 C-C 방향으로 절단하였을 때, 즉, 열 차단막을 두께 방향으로 절단하였을 때의 절단면을 나타내는 것으로서, 제2 반력패드(13)에 의해 내열층(15)의 가장자리 외곽이 둘러싸여 있는 구조를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 대하여 도 7을 들어 구체적으로 설명하였으나, 제1 반력패드(11)의 면적을 작게 하고, 작아진 면적만큼 제2 반력패드(13)를 크게 하여, 즉, 제2 반력패드(13)가 제1 반력패드(11) 사이에 끼워질 수 있도록 제2 반력패드(13)의 단면을 凸과 같은 형태로 변경할 수도 있다. 이에 대하여는 도 8에 개략적으로 나타내었다. 나아가, 상기 내열층(15)의 형태를 사각형이 아닌 원형, 타원형 등의 다른 형태로 변경하는 등과 같이 본 발명을 개조할 수 있음은 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 7 및 도 8에 있어서, (a), (b), (c) 및 (d)는 도 4의 (a), (b), (c) 및 (d)와 나타내는 형태가 동일한 것으로서, 추가적인 설명은 생략한다.
본 발명의 각 구현예에 따른 열 차단막에 있어서, 상기 제1 반력패드(11)와 내열층(15)의 사이, 제1 반력패드(11)와 제2 반력패드(13)의 사이 및 적층체와 제2 반력패드(13)의 사이 등의 각 계면에는 필요에 따라서 접착층을 구비할 수 있다. 접착재질은 실리콘계, 아크릴계, 고무계 또는 에폭시계의 감압 접착제 또는 핫멜트 접착제일 수 있으며, 이들을 혼합하여 사용할 수 있다.
나아가, 상기 접착층은 인접하는 두 배터리 셀 간의 상대적인 움직임을 방지하기 위해, 상기 열 차단막과 파우치 셀의 사이에도 적용할 수 있다.
상기 접착층은 열 차단막의 각 층 또는 열 차단막과 인접 셀간을 서로 접착하여 고정시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 접착제로만 된 무기재의 양면 테이프를 사용할 수 있으며, 기재의 양면에 상기와 같은 접착제가 도포된 양면 테이프를 사용할 수도 있다. 이때, 상기 기재는 예를 들어, PET, 폴리이미드, 불소수지, PVC 등으로 된 것으로서, 필름, 폼, 부직포, 필라멘트, 직물 등의 형태를 갖는 것일 수 있다.
상기 접착층은 전단강도(Shear Strength)가 30kgf/in2 이상(ASTM D5656에 따라, 상온에서 이형지 제거 후 SUS 기판에 부착하여 측정)의 값을 갖는 것이 바람직하다. 상기 접착층은 전단강도가 높을수록 바람직한 것으로서 그 상한은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 300kgf/in2 이하의 전단강도 값을 가질 수 있다.
한편, 상기 접착층은 500gf/in (ASTM D1000) 이상의 180° 박리강도 값을 갖는 것이 바람직하다.
상기 접착층은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 0.01 내지 0.1㎜의 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 두께가 0.01㎜ 미만이면 셀의 유동을 방지하기에 충분하지 않고, 0.1㎜를 초과하면 열 차단막의 두께를 증대시켜 상대적으로 전지용량 감소를 초래할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 열 차단막을 배터리 모듈의 모듈 케이스 내에, 구체적으로, 배터리 셀과 배터리 셀 사이, 또는 최외곽 배터리 셀과 모듈 케이스 사이에 배치할 수 있다. 예를 들어, 도 9에 본 발명에 따른 열 차단막을 갖는 배터리 모듈의 단면을 개략적으로 나타내었다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 모듈 케이스의 바닥부재(21) 및 측벽부재(22), 그리고, 커버부재(미도시)를 포함하는 배터리 모듈 케이스 내에 복수의 파우치 셀(20)이 삽입되고, 상기 파우치 셀(20)과 파우치 셀(20) 사이에 열 차단막(10)이 개재되고, 파우치 셀(20)과 모듈 케이스의 측벽부재(22) 사이에 열 차단막(10)이 개재될 수 있다.
도 9는 모듈 케이스 내의 모든 파우치 셀(20)과 파우치 셀(20) 사이에, 그리고 파우치 셀(10)과 모듈 케이스의 측벽부재(22) 사이에 열 차단막(10)이 개재된 예를 나타내고 있으나, 이에 한정하지 않으며, 열 차단막(10)은 파우치 셀(20)과 파우치 셀(20) 사이에만 개재될 수 있고, 이때, 모들 파우치 셀(20)과 파우치 셀(20) 사이에 적용되어야 하는 것은 아니며, 또한, 파우치 셀(20)과 모듈 케이스의 측벽부재(22) 사이에만 열 차단막(10)이 개재될 수 있다.
본 발명에서 제공하는 열 차단막을 포함함으로써 어느 하나의 셀에서 발생한 열 폭주 또는 화염을 인접하는 셀로 전파되는 것을 방지하여, 모듈 내에 수용된 전체 셀의 기능 상실을 방지할 수 있으며, 나아가, 인접 모듈로의 열 또는 화염의 전파를 방지할 수 있다.
이때, 상기 모듈 내에 배치되는 열 차단막은 파우치 셀의 본방 면적보다 큰 면적을 갖는 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명은 상기한 바와 같은 열 차단막이 내장된 배터리 모듈을 포함하는 팩을 또한 제공한다.

Claims (23)

  1. 복수개 적층된 파우치 셀을 포함하는 배터리 모듈로서,
    상기 배터리 모듈의 모듈 케이스 내에 셀과 셀 사이, 또는 셀과 케이스 사이에 열 차단막을 포함하고,
    상기 열 차단막은 제1 반력패드 및 상기 제1 반력패드의 가장자리 외곽에 위치하는 제2 반력패드를 포함하고,
    상기 제1 반력패드 또는 제2 반력패드의 두께 방향으로 200kPa 이상의 반발력을 갖는 압축율을 최대 압축율로 정의할 때, 상기 제2 반력패드는 상기 제1 반력패드보다 작은 최대 압축율을 갖는 것인 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 반력패드는 두께 방향으로의 최대 압축율이 70% 이상인 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 반력패드는 두께 방향의 복원율이 90% 이상인 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 반력패드는 두께 방향으로의 최대 압축율이 60% 이상인, 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 반력패드는 두께 방향의 복원율이 90% 이상인 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 반력패드 및 제2 반력패드는 각각 독립적으로 폴리우레탄 수지, 실리콘 수지 또는 고무인, 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 반력패드는 2개가 적층된 것인 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열 차단막은 2개의 제1 반력패드 사이에 내열층이 배치된 적층체 및 상기 제1 반력패드와 내열층의 적층체의 가장자리 외곽에 상기 제2 반력패드가 위치하는 것인, 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 반력패드 및 내열층은 각각의 두께가 0.5 내지 3.0mm이고, 상기 적층체의 전체 두께가 5.0mm 이하인, 배터리 모듈.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제2 반력패드는 적층체의 두께와 동일한 것인, 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 열 차단막은 2개의 층의 제2 반력패드 사이에 내열층이 배치된 적층체 및 상기 내열층의 가장자리 외곽에 상기 제2 반력패드가 위치하는 것인, 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 내열층은 제1 반력패드의 면적에 대하여 70 내지 80%의 면적을 가지고, 상기 제1 반력패드의 표면 내에 내열층이 배치된 것인, 배터리 모듈.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제2 반력패드는 내열층의 두께와 동일한 것인, 배터리 모듈.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반력패드 및 내열층은 각각의 두께가 0.5 내지 3.0mm이고, 상기 적층체의 전체 두께가 5.0mm 이하인, 배터리 모듈.
  15. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내열층은 열전도도가 0.5W/mK 이하인, 배터리 모듈.
  16. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내열층은 운모 및 바인더를 포함하는 운모 시트인, 배터리 모듈.
  17. 제16항에 있어서, 상기 운모는 금운모 및 백운모 중 적어도 하나 성분을 포함하는 판상운모인, 배터리 모듈.
  18. 제16항에 있어서, 상기 운모 시트는 운모를 90중량% 이상 포함하는 것인, 배터리 모듈.
  19. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반력패드와 내열층 사이에 접착층을 더 포함하는 것인, 배터리 모듈.
  20. 제19항에 있어서, 상기 접착층은 500gf/in 이상의 접착력을 갖고, 전단응력 30kgf/in2 이상인, 배터리 모듈.
  21. 제19항에 있어서, 상기 접착층은 실리콘계, 아크릴계, 고무계 또는 에폭시계의 감압 접착제 또는 핫멜트 접착제인, 배터리 모듈.
  22. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 차단막은 파우치 셀의 본방 면적을 갖는 것인 배터리 모듈.
  23. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 배터리 모듈을 포함하는 팩.
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