KR20230032570A - 전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 리튬 이차 전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 전지모듈은 적층 방향을 따라 적층되는 복수의 단위 셀; 및 상기 적층된 복수의 단위 셀에 압축력을 제공하도록 배치되고, 서로 자기결합된 적어도 한 쌍의 자석부재를 포함한다.

Description

전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 리튬 이차 전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
리튬이차전지는 에너지 밀도가 높은 고성능 이차 전지로서, 예를 들어, 모바일 기기, 전기차량을 포함하는 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
특히, 고출력 및 대용량이 요구되는 전기차량 등의 기계에서는 복수의 단위 셀을 전기적으로 연결한 전지모듈 또는 전지 팩이 적용되고 있다. 요구되는 출력과 에너지 밀도가 점점 높아질수록 전지에 포함되는 단위 셀의 수 또는 크기가 증가하는데, 이 경우 전지의 크기도 함께 증가될 수밖에 없다. 크기의 증대는 전지의 설치공간이 한정적인 경우 제약을 가져오므로, 전지가 대용량과 고출력 성능을 확보하면서도 동시에 전지를 보다 작고 가볍게 하기 위한 활발한 연구가 이루어지고 있다.
등록특허공보 제10-1543477호 (등록일자: 2015.08.04)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
전지모듈 또는 전지 팩의 두께를 줄일 수 있는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 리튬 전지의 수명을 증가시킬 수 있는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전지모듈은 적층 방향을 따라 적층되는 복수의 단위 셀; 및 상기 적층된 복수의 단위 셀에 압축력을 제공하도록 배치되고, 서로 자기결합된 적어도 한 쌍의 자석부재를 포함한다.
본 발명은 셀의 부피 증가를 억제하여 전지모듈 또는 전지 팩의 두께를 줄일 수 있는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 발명에 따르면, 리튬 전지의 수명을 증가시키는 구조를 포함하는 전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩이 제공된다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1 내지 6은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 전지모듈을 도시하고,
도 7은 본 발명에 따른 전지모듈의 작용효과를 설명하기 위한 도면이다.
발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명은 리튬이차전지의 수명을 향상시키고 크기를 줄일 수 있는 구조를 포함하는 전지모듈을 제공하고자 한다. 특히, 본 발명은 전지모듈에 자석을 포함시켜 전지의 수명을 향상시키며, 전지모듈의 두께를 줄이고자 한다.
구체적으로, 본 발명은 전지모듈에 외부 자기장을 인가할 수 있는 구조물을 도입하여 리튬의 전착 형상을 제어함으로써 리튬이차전지의 수명 증가에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.
또한, 종래 전지모듈이나 팩에 그대로 리튬 금속 전지를 적용할 경우, 리튬 금속 전지의 큰 부피 증가에 따른 큰 압력 증가에 대항하기 위해 모듈 또는 팩의 케이스 두께를 두껍게 제작해야 한다. 케이스의 두께를 증가시키는 대신에, 본 발명에 따르면, 자석의 도입으로 단위 셀의 부피 증가를 억제하여 모듈 또는 팩 케이스의 두께를 일정 수준 감소시킬 수 있어 부피당 및/또는 무게당 에너지 밀도에서 이점을 제공할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈(1)은 복수의 단위 셀(10) 및 자석부재(20)를 포함한다.
복수의 단위 셀(10) 중 각 단위 셀(10)은 양극, 음극, 전해질, 분리막을 포함한다. 음극은 리튬 금속을 포함할 수 있다. 리튬이차전지의 단위 셀의 구성은 잘 알려져 있는 바, 본 명세서에서는 이에 관한 설명은 생략하기로 한다.
복수의 단위 셀(10)은 차례로 적층된다. 예를 들어, 복수의 단위 셀(10)은 일정한 적층방향을 따라 차례로 적층된다. 도면에는 네 개의 단위 셀(10)이 도시되어 있으나 단위 셀(10)의 개수는 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 그 개수가 가감될 수 있다. 이하에서는 전지모듈(1)의 상하방향에서 양 단부, 즉, 전지모듈(1)의 양 단부에 배치되어 하나의 단위 셀(10)과만 접하는 단위 셀(10)은 단부 셀(10a, 10d)로 지칭하기로 한다. 또한, 단부 셀(10a, 10d)과 인접하는 단위 셀(10) 또는 양 측에 각각 단위 셀(10)과 인접하는 단위 셀(10)은 개재 셀(10b, 10c)로 명명하기로 한다. 예를 들어, 도 1에서 최하단의 단위 셀은 제1 단위 셀(10a), 제1 단위 셀(10a)의 상측의 단위 셀은 제2 단위 셀(10b), 제2 단위 셀(10b)의 상측에 적층되는 단위 셀은 제3 단위 셀(10c) 및 제3 단위 셀(10c)의 상측에 적층되는 단위 셀은 제4 단위 셀(10d)로 지칭될 수 있다. 이러한 예에서 제1 단위 셀(10a)과 제4 단위 셀(10d)은 단부 셀(10a, 10d)이 되고, 제2 단위 셀(10b)과 제3 단위 셀(10c)은 개재 셀(10b, 10c)이 된다.
자석부재(20)는 자성을 띠는 물질로, 영구자석, 전자석 등을 포함할 수 있다. 또는 자석부재(20)는 주위의 다른 자기성을 띤 물질과 상호작용을 하며, 자기장을 형성하는 재료일 수 있다.
자석부재(20)는 단위 셀(10)에 직접 접촉할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자석부재(20)는 개재 셀(10b, 10c)의 양 측 적어도 하나에 배치되는 개재자석(22)을 포함한다. 개재자석(22)은 하나의 개재 셀(10b, 10c)과 이웃하는 다른 하나의 개재 셀(10b, 10c) 사이에 마련될 수 있다.
도 2와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자석부재(20)는 단부자석(24)을 포함하고, 단부자석(24)은 단부 셀(10a, 10d)이 다른 단위 셀(10)과 인접하지 않는 측(이하 단부 셀(10a, 10d)의 비인접측)에 배치될 수 있다.
위와 같이, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위한 목적으로만 양 측에 단위 셀(10)이 배치되는 자석부재(20)를 개재자석(22)으로 지칭하고, 일 측에만 단위 셀(10)이 배치되는 자석부재(20)를 단부자석(24)으로 지칭하기로 한다.
이와 같이 적층된 단위 셀(10) 및 자석부재(20)를 포함하는 전지모듈(1)은 프레임(30)에 의해 감싸지고, 그 형태가 유지될 수 있다. 프레임(30)는 인장력에 강한 재질로 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 부피 완충재(40)가 더 포함될 수 있다. 부피 완충재(40)는 단위 셀(10) 사이 사이에 배치될 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에 따르면, 부피 완충재(40)는 단위 셀(10) 사이에서 각 단위 셀(10)과 직접 접촉하도록 배치될 수도 있다. 또한, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 부피 완충재(40)는 단위 셀(10) 사이에 배치되되, 양 측의 단위 셀(10)과 직접 접촉하지 않도록 배치될 수도 있다.
본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 부피 완충재(40)는 단부 셀(10a, 10d)의 비인접측에 마련될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 부피 완충재(40)는 단위 셀(10) 사이 사이 및 단부 셀(10a, 10d)의 비인접측 모두에 마련될 수 있다. 또한, 일부 실시예에 따르면, 부피 완충재(40)는 단부 셀(10a, 10d)의 비인접측에만 마련될 수도 있다.
계속해서 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 부피 완충재(40)는 자석부재(20)의 사이에 배치될 수 있다. 특히, 단위 셀(10) 사이에 배치되는 부피 완충재(40)의 양 측에 각각 자석부재(20)가 배치될 수 있다.
도 3과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 부피 완충재(40)는 자석부재(20) 없이 단위 셀(10)의 사이에 배치될 수 있다. 이러한 형태에서는 단부 셀(10a, 10d)의 비인접측에만 자석부재(20)가 배치되고, 단위 셀(10)들 사이에는 부피 완충재(40)만 배치될 수 있다.
도 4와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 부피 완충재(40)는 생략될 수 있다. 단위 셀(10)들 사이에도 자석부재(20)만 배치되고, 단부 셀(10a, 10d)의 비인접측에도 부피 완충재(40) 없이 자석부재(20)만 배치될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단부 셀(10a, 10d)의 비인접측에 배치되는 자석부재(20)는 단부 셀(10a, 10d)과 직접 접촉하지 않도록 배치될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 단부 셀(10d)의 비인접측에 배치되는 단부자석(24)는 단부 셀(10d)로부터 일정 간격 이격하여 프레임(30) 내에 배치된다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 단부 셀(10d)의 비인접측에 배치되는 자석부재(24')는 단부 셀(10d)로부터 일정 간격 이격하여 프레임(30) 외측에 배치될 수 있다. 이때 단위 셀(10) 사이에는 개재자석(22)이 배치될 수도 있고 배치되지 않을 수도 있다.
도 6을 참조하면, 자석부재(20)는 단위 셀(10)에 수직한 방향으로 프레임(30)의 양 측에 각각 배치될 수 있다. 즉, 하나의 자석부재(20)가 여러 개의 단위 셀(10)과 이웃하도록 배치될 수 있다. 이때 단위 셀(10) 사이에는 자석부재(20)가 배치될 수도 있고 배치되지 않을 수도 있다. 또한, 자석부재(20)는 단위 셀(10)과 일정 간격 이격하여 프레임(30)에 장착될 수도 있고, 단위 셀(10)과 접촉하여 프레임(30)에 장착될 수도 있다.
도 7을 참조하여 본 발명에 따른 전지모듈 및 이를 포함하는 전지 팩의 작용 및 효과에 대하여 설명하기로 한다.
화살표 I로 표시된 바와 같이, 전지가 작동하는 동안 리튬 이온이 단위 셀(10)의 양극(12)에서 음극(14)으로 이동하게 된다. 자석부재(20)가 형성하는 외부 자기장으로 인하여 리튬 이온의 운동이 로렌츠 힘(Lorentz's force)의 영향으로 변화하게 된다. 이에 의해 리튬이 고르게 전착될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 리튬의 전기화학적 가역성이 향상되고 부피 증가가 비교적 억제될 수 있다.
또한, 전지가 작동하는 동안 발생되는 열은 자석부재(20)를 따라 프레임(30)로 향하게 된다(화살표 H 참조). 이는 전지의 외부로 빠르게 열이 배출되도록 하며, 전지의 열관리 측면에서 이점을 제공한다.
또한, 본 발명에 따르면, 자석부재(20)에 의해 발생하는 인력(화살표 M)으로 인하여 단위 셀(10)을 일정한 힘으로 가압하므로 적정한 압력으로 셀을 눌러 성능을 개선하고 부피 변화를 억제할 수 있다.
그리고 자기력에 의한 부피 억제 효과 범위를 초과하는 부피 변화가 발생할 경우 부피 완충재(40)가 이를 보완한다. 이를 통해 본 발명에 따른 전지모듈(1)은 전지 작동 중 발생하는 내부의 물리적인 응력에 대해 구조적인 저항력을 보유할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자석부재(20)의 자기장 강도에 따라 자석부재(20)의 인력만으로 단위 셀(10)에 적정한 압력을 가할 수 있는 효과가 있어 기존 지그에서 사용되는 셀 고정 형태를 변경할 수 있고 부품 수를 줄일 수 있어 경량화가 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 단위 셀(10)과 직접 접촉하는 자석부재(20)의 경우 기존에 사용하는 부피 완충대 대비 높은 열전도도를 갖기 때문에 전지의 충방전 과정 동안 발생하는 열을 빠르게 프레임(30)으로 전달하여 빠른 냉각을 기대할 수 있다.
본 발명은 자석부재(영구 자석 혹은 전자석)이 모듈 또는 팩 내에 통합되면서 내부의 셀(10)에 자기장을 인가하게 되고, 이로 인하여 발생하는 로렌츠 힘으로 인하여 리튬 이온의 이동에 영향을 미치게 되면서 리튬이 균일하게 전착/탈리되는 데에 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은, 이러한 균일한 리튬 전착/탈리 형상은 기존의 다른 구조의 모듈 또는 팩을 사용한 리튬 전지와는 다르게 부피 증가를 최소화하여 부피 변화로 발생하는 내부 응력을 감소시킨다. 감소된 응력을 견딜 수 있도록 설계되는 프레임(30)을 보다 얇게 하여 부피를 줄이거나 경량화가 가능할 수 있다. 그리고 이러한 부피/무게 감소는 에너지 밀도 증가 효과를 추가로 이끌어 낼 수 있다.
균일한 리튬 전착/탈리 형상은 전해액과의 부반응 면적을 줄이고 사용불가능한 리튬의 형성을 억제하면서 리튬 전지의 수명 증가에도 긍정적인 영향을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
1: 전지모듈 10: 단위 셀
10a, 10d: 단부 셀 10b, 10c: 개재 셀
12: 양극 14: 음극
20: 자석부재 22: 개재자석
24: 단부자석 30: 프레임
40: 부피 완충재

Claims (12)

  1. 적층방향을 따라 적층되는 복수의 단위 셀; 및
    상기 적층된 복수의 단위 셀에 압축력을 제공하도록 배치되고, 서로 자기결합된 적어도 한 쌍의 자석부재;
    를 포함하는 것인 전지모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 단위 셀 및 자석부재를 감싸고 지지하는 프레임;
    을 더 포함하는 것인 전지모듈.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 한 쌍의 자석부재는, 상기 적층방향에 대하여 복수의 단위 셀의 양 측 단부에 각각 배치되는 단부자석을 포함하는 것인 전지모듈.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 자석부재는, 서로 이웃하는 단위 셀 사이 중 적어도 일부에 배치되는 개재자석을 포함하는 것인 전지모듈.
  5. 청구항 3에 있어서, 서로 이웃하는 단위 셀 사이 중 적어도 일부에 배치되는 부피 완충재를 포함하는 것인 전지모듈.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 이웃하는 단위 셀은, 제1 단위 셀 및 상기 제1 단위 셀과 이웃하는 제2 단위 셀을 포함하고,
    상기 제1 단위 셀의 제1 측면에 배치되는 제1 개재자석;
    상기 제1 측면과 마주보는 상기 제2 단위 셀의 제2 측면에 배치되는 제2 개재자석; 및
    상기 제1 개재자석 및 제2 개재자석 사이에 배치되는 부피 완충재;
    를 포함하는 것인 전지모듈.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 복수의 단위 셀 및 자석부재를 감싸는 프레임; 및
    상기 적층방향에 대하여 복수의 단위 셀의 양 측 단부에 위치하는 각 단부 셀의 외측에 각각 배치되는 단부자석;
    을 포함하는 것인 전지모듈.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 단부자석은 상기 프레임 내에 상기 단부 셀과 일정 거리 이격하여 배치되는 것인 전지모듈.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 단부자석은 상기 프레임의 외측면에 배치되는 것인 전지모듈.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 한 쌍의 자석부재는, 상기 적층방향에 수직방향에 대하여 복수의 단위 셀의 양 측 단부에 각각 배치되는 것인 전지모듈.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 적층방향에 대하여 서로 이웃하는 단위 셀 사이 중 적어도 일부에는 부피 완충재가 배치되는 것인 전지모듈.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 전지모듈은 리튬이차전지를 위한 것인 전지모듈.

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