KR20230057893A - 가스 벤팅 유도블록 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지 - Google Patents

가스 벤팅 유도블록 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지 Download PDF

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KR20230057893A
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Abstract

본 발명에 따른 가스 벤팅 유도블록은, 파우치형 이차전지의 셀 테라스를 소정 깊이까지 끼워 넣을 수 있게 마련된 슬릿을 구비한 블록 본체; 상기 블록 본체 내부에 구비되고 상기 슬릿 보다 공간이 확장된 형태로 상기 셀 테라스의 일부분을 수용할 수 있게 마련된 포켓부; 관형으로 마련되고 상기 포켓부에서 상기 블록 본체의 외측면까지 연장된 배기 파이프;를 포함하고, 상기 배기 파이프는, 상기 포켓부에서 상기 셀 테라스가 일정 부피이상 팽창시 상기 셀 테라스를 천공시킬 수 있게, 상기 포켓부의 내부 공간을 향해 뾰족하게 돌출된 니들부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 벤팅 유도블록 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지{Gas venting induction block and pouch-type secondary battery including the same}
본 발명은 파우치형 이차전지 및 파우치형 이차전지의 스웰링 시 내부 가스를 특정 방향으로 배출시키기 위한 장치에 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와 달리, 충방전이 가능한 전지를 의미하며, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전자기기 또는 전기 자동차 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 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 증가하는 추세에 있다.
이차 전지는 과충전되거나 전기적 환경에 급격한 변화 등이 발생하면, 양극에서 전해액 분해 현상이 발생하고, 음극에서는 리튬 금속의 석출 현상이 발생할 수 있는데 이러한 현상이 발생하게 되면, 이차전지의 성능 저하가 초래될 수 있다. 또한, 이차 전지는 예컨대 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트 등의 용매를 전해액으로 사용하게 되는데, 이러한 용매는 고온에서 분해되어 가스 등이 발생하고 이에 의한 압력 증가로 일종의 부품 현상인 스웰링(swelling) 현상이 발생하여 이차전지가 폭발하는 등 심각한 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 출원인은 이차전지의 내부 압력이 증가하여 폭발 위험 단계에 도달하기 전에 특정방향으로 가스의 벤팅(venting)이 일어나도록 유도하여 이차전지의 위험 요소를 제거하는 방안을 모색하고 있다.
예컨대, 한국 공개특허공보 KR 10-2018-0075797호에는 금속 캔 속에 전극 조립체와 전해액을 넣고 탑 캡으로 밀봉한 형태의 원통형 이차전지로서, 상기 탑 캡에 가스 구멍을 적용한 원통형 이차전지를 개시하고 있다. 상기 원통형 이차전지는 열폭주 상황이 발생하면, 금속 캔 내부의 가스가 상기 탑 캡의 가스 구멍을 통해 외부로 배출됨으로서 내압을 상승하지 않도록 구성되어 있다.
그러나 파우치형 이차전지(1)는 구조상 원통형 또는 각형 이차전지에서와 같은 가스 구멍을 적용할 수 없고, 도 1과 같이 전극 조립체(2)를 상부 파우치 시트(3)와 하부 파우치 시트(4) 사이에 배치한 후 상기 상부 및 하부 파우치 시트(3,4)의 가장자리 4면을 열융착하여 실링한 구조로 이루어져 있어 특정 방향으로 가스 벤팅을 유도하기 쉽지 않다. 이에 파우치형 이차전지에 적합한 가스 벤팅 수단의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 파우치형 이차전지의 스웰링 시 특정 방향으로 가스를 벤팅시켜 위험 요소를 줄이는데 일 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명에 따르면, 파우치형 배터리 셀의 셀 테라스를 소정 깊이까지 끼워 넣을 수 있게 마련된 슬릿을 구비한 블록 본체; 상기 블록 본체 내부에 구비되고 상기 슬릿 보다 공간이 확장된 형태로 상기 셀 테라스의 일부분을 수용할 수 있게 마련된 포켓부; 관형으로 마련되고 상기 포켓부에서 상기 블록 본체의 외측면까지 연장된 배기 파이프;를 포함하고, 상기 배기 파이프는, 상기 포켓부에서 상기 셀 테라스가 일정 부피이상 팽창시 상기 셀 테라스를 천공시킬 수 있게, 상기 포켓부의 내부 공간을 향해 뾰족하게 돌출된 니들부를 구비한 가스 벤팅 유도블록이 제공될 수 있다.
상기 블록 본체는, 상기 슬릿을 사이에 두고 상하로 이격된 블록 상단부와 블록 하단부; 및 상기 슬릿이 없고, 상기 블록 상단부와 상기 블록 하단부에 연결된 블록 전방부를 포함할 수 있다.
상기 블록 상단부와 상기 블록 하단부는 상하 대칭이고, 상기 포켓부가 마련되도록, 가운데 영역의 두께가 양쪽 가장자리 영역의 두께보다 얇게 구성될 수 있다.
상기 니들부에 해당하는 상기 배기 파이프의 일단부는 상기 포켓부에 위치하고 상기 배기 파이프의 타단부는 상기 블록 전방부의 내부를 경유하여 상기 블록 전방부의 외측에 노출되도록 구성될 수 있다.
상기 배기 파이프는 복수 개이고, 상기 블록 상단부에서 상기 포켓부를 향해 돌출된 니들부를 구비한 상단 배기 파이프; 및 상기 블록 하단부에서 상기 포켓부를 향해 돌출된 니들부를 구비한 하단 배기 파이프를 포함할 수 있다.
상기 파우치형 배터리 셀의 전극 리드의 폭과 두께에 대응하는 사이즈로 상기 블록 전방부를 관통하여 상기 포켓부와 연통하도록 마련된 셀 리드 인출구를 포함할 수 있다.
상기 포켓부에 배치되고 상기 슬릿을 사이에 두고 상하로 이격된 2개의 폼 부재를 포함할 수 있다.
상기 니들부는 상기 폼 부재 속에 위치하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 가스 벤팅 유도블록을 포함하는 파우치형 이차전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 파우치형 이차전지들을 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 파우치형 이차전지의 스웰링 시 가스를 벤팅시켜 이차전지의 내압 상승을 억제할 수 있는 가스 벤팅 유도블록이 제공될 수 있다. 특히, 이차전지의 스웰링 시 내부 가스가 상기 가스 벤팅 유도블록을 통해 특정 방향으로 분출되도록 할 수 있어 가스 벤팅에 따른 위험 요소를 줄일 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래기술에 따른 파우치형 이차전지의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 일부분을 나타낸 사시도이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 벤팅 유도블록의 사시도이고, 도 4의 (b)는 상기 가스 벤팅 유도블록의 부분 절개 사시도이다.
도 5는 도 4의 (a) 가스 벤팅 유도블록의 정면도이다.
도 6은 도 4의 (a)의 가스 벤팅 유도블록의 배면도이다.
도 7은 도 4의 (a)의 가스 벤팅 유도블록의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 파우치형 이차전지의 평상시 가스 벤팅 유도블록 영역의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 파우치형 이차전지의 스웰링 시 가스 벤팅 유도블록 영역의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 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. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지의 일부분을 나타낸 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파우치형 이차전지(100)는, 전극 조립체, 전극 리드(111), 파우치 외장재 및 가스 벤팅 유도블록(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
전극 조립체는 양극판, 음극판 및 분리막 등으로 구성될 수 있다. 양극판은 알루미늄(Al) 재질의 집전판에 양극 활물질이 도포되어 형성되며, 음극판은 구리(Cu) 재질의 집전판에 음극 활물질이 도포되어 형성될 수 있다. 전극 조립체는 이러한 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재하여 형성한 스택형 또는 하나의 양극판 및 하나의 음극판을 세퍼레이터를 사이에 두고 권취시킨 젤리-롤(jelly-roll)형 등으로 마련될 수 있다. 물론, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되어야 하는 것을 아니다. 예컨대, 전극 조립체는 스택 형과 젤리롤 형을 혼합한 스택 앤 폴딩 형으로 마련될 수도 있다.
전극 리드(111)는 전극 조립체와 연결되고 파우치 외장재의 외부로 연장되는 부분으로 다른 이차전지나 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있는 전극 단자로서 기능할 수 있다. 전극 리드(111)는 양극판에 연결되는 양극 리드와 음극판에 연결되는 음극 리드를 포함하며, 상기 양극 리드와 음극 리드는, 본 실시예와 같이, 서로 다른 방향에 위치하거나 본 실시예와 달리, 서로 동일 방향에 위치하게 전극 조립체에 부착될 수도 있다.
파우치 외장재는, 전극 조립체와 전해액 등을 수납하여 보호할 수 있는 밀폐 공간을 형성하고 방열 기능을 수행할 수 있다.
도면의 편의상 자세히 도시하지 않았으나, 상기 파우치 외장재는 2장의 라미네이트 시트 형태의 상부 파우치 시트와 하부 파우치 시트로 구성될 수 있다. 상기 상부 및 하부 파우치 시트는 폴리머 재질의 외부 절연층과 내부 접착층, 그리고 외부 절연층과 내부 접착층 사이에 개재된 금속층을 구비할 수 있다. 여기서, 금속층의 재질로는 알루미늄(Al)이 이용될 수 있다.
상부 파우치 시트와 하부 파우치 시트 중 적어도 하나는 전극 조립체를 수용할 수 있게 오목하게 포밍된 공간을 갖도록 마련될 수 있다. 예컨대 하부 파우치 시트의 포밍된 공간에 전극 조립체가 배치되고 이러한 하부 파우치 시트 위에 상부 파우치 시트가 포개질 수 있다. 그리고 상부 및 하부 파우치 시트의 가장자리 4면 테두리 라인을 따라 실링부(120)가 형성될 수 있다. 여기서 상기 실링부(120)는 상부 및 하부 파우치 시트가 열융착 등의 방식으로 밀봉된 부분으로 정의될 수 있다.
이하에서 상기 실링부(120) 중 전극 리드(111)가 둘출되는 부분은 셀 테라스(121,122)라고 정의하기로 하고 전극 리드(111)가 없는 부분을 사이드 윙(123,124)이라고 정의하기로 한다. 즉, 파우치 외장재에서 단변 쪽 실링부(120)가 셀 테라스(121)에 해당하고, 장변 쪽 실링부(120)가 사이드 윙(123,124)에 해당한다. 그리고 실링부(120)를 기준으로 내측에 영역으로서 전극 조립체를 감싼 부분은 전극 수용부(110)라고 정의하기로 한다. 상기 사이드 윙(123,124)은 폴딩하여 전극 수용부의 측면부에 밀착하는 것이 이차전지의 너비를 줄이는데 유리할 수 있다.
가스 벤팅 유도블록(130)은 파우치형 이차전지(100)의 가스 발생으로 압력이 증가하여 위험 단계에 도달시, 팽창한 실링부(120)에 구멍을 내고 가스가 특정 방향으로 분출될 수 있도록 함으로써 위험 요소를 줄이는 역할을 하는 구성요소이다.
이하에서 상기 가스 벤팅 유도블록(130)의 구성에 대해 도 3 내지 도 7을 참조하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 벤팅 유도블록(130)은 블록 본체(131), 포켓부(132), 배기 파이프(133) 및 2개 폼 부재(135,136)를 포함한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 가스 벤팅 유도블록(130)은 전극 리드(111)가 블록 본체(131)를 통과하고 셀 테라스(121)는 블록 본체(131)의 소정 깊이까지 끼워 넣어질 수 있게 구성될 수 있다.
일반적으로 파우치형 이차전지(100)의 경우, 내부 압력이 높아지면 사이드 윙(123,124) 쪽보다 전극 리드(111)가 있는 셀 테라스(121,122) 부위의 실링이 파괴되어 해당 부위가 부풀어 오르는 경향이 있다. 이 때문에 특히 비상시 셀 테라스(121,122) 부위에서 가스를 능동적으로 외부로 배출하기 위해 본 실시예는 가스 벤팅 유도블록(130)이 전극 리드(111)를 기준으로 셀 테라스(121)에 끼워넣을 수 있게 구성되어 있다. 물론, 본 실시예와 달리, 가스 벤팅 유도블록(130)을 파우치형 이차전지(100)의 사이드 윙(123,124) 쪽에 끼워 넣는 것도 가능하며 이 경우 전극 리드(111)를 인출시키기 위한 셀 리드 인출구(O)를 생략해도 좋다. 상기 셀 리드 인출구(O)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
구체적으로 가스 벤팅 유도블록(130)을 구성하는 블록 본체(131)는 플라스틱과 같은 절연성 소재이고, 도 4와 같이 대략 직육면체 형상으로 마련될 수 있다. 물론, 블록 본체(131)의 소재가 플라스틱으로 반드시 한정될 필요는 없다. 예컨대, 절연성 소재로서 예컨대 세라믹 등으로 블록 본체(131)를 제작할 수도 있다.
상기 블록 본체(131)의 두께(Z축 방향)는 파우치형 배터리 셀의 두께에 대응하고, 블록 본체(131)의 좌우 길이(±X축 방향)는 셀 테라스(121)의 일측 끝단에서 타측 끝단까지 길이보다 짧고, 블록 본체(131)의 전후 길이는 셀 테라스(121)의 돌출 길이(-Y축 방향)보다 길고 전극 리드(111)의 돌출 길이보다는 짧게 구성될 수 있다.
상기 블록 본체(131)는 상기 셀 테라스(121)를 내부에 끼워 넣을 수 있도록 두께 방향에 교차하는 방향으로 형성된 슬릿(S)을 구비한다. 상기 슬릿(S)은 블록 본체(131)의 후방에서 시작해서 전방을 향해 상기 셀 테라스(121)의 돌출 길이만큼 형성된다. 이러한 슬릿(S)에 의해 상기 블록 본체(131)는 뒷쪽 부분이 상하로 양분된 형태로 마련될 수 있다.
이에 따라 상기 블록 본체(131)는 상기 슬릿(S)을 사이에 두고 상하로 이격된 블록 상단부(131a)와 블록 하단부(131b) 및 상기 슬릿(S)이 없는 부분으로서 상기 블록 상단부(131a)와 상기 블록 하단부(131b)를 연결하고 전극 리드(111)가 인출될 수 있는 셀 리드 인출구(O)를 구비한 블록 전방부(131c)를 포함한다.
포켓부(132)는 파우치형 이차전지(100)에 가스 발생시 상기 블록 본체(131) 내부에서 셀 테라스(121)가 팽창할 수 있도록 상기 블록 본체(131) 내부에서 상기 슬릿(S) 보다 공간이 확장된 형태로 마련된 부분이다.
이를테면, 도 4 및 도 6를 참조하면, 상기 블록 상단부(131a)와 상기 블록 하단부(131b)는 상하 대칭이고 가운데 영역의 두께가 양쪽 가장자리 영역의 두께보다 얇게 구성됨으로써 상기 블록 상단부(131a)와 상기 블록 하단부(131b)로 사이에 슬릿(S)보다 확장된 포켓부(132)가 마련될 수 있다.
셀 리드 인출구(O)는 도 4의 (a)와 같이, 전극 리드(111)의 폭과 두께와 대응하는 사이즈로 블록 전방부(131c)를 관통하여 구비되고, 도 4의 (b)와 같이, 블록 본체(131)의 내부에서 포켓부(132)와 (Y축 방향으로) 연통하도록 마련될 수 있다.
상기 구성에 의하면, 도 3과 같이, 셀 테라스(121)는 블록 본체(131)에서 슬릿(S)이 형성되어 있는 부분, 즉 블록 상단부(131a)와 블록 하단부(131b) 사이에 끼워지고, 전극 리드(111)는 셀 리드 인출구(O)를 통해 블록 전방부(131c)의 외측으로 인출될 수 있다. 상기 셀 테라스(121)의 일부분은 포켓부(132)에 수용될 수 있고 나머지 부분은 블록 본체(131)의 양쪽 측면부 바깥으로 노출될 수 있다. 또한, 상기 셀 테라스(121)의 양쪽 가장자리 부분은 사이드 윙(123,124)과 함께 접어 전극 수용부(110)의 측면에 밀착되게 구성할 수 있다.
배기 파이프(133)는 위와 같이 포켓부(132)에 수용된 셀 테라스(121)가 팽창시 상기 셀 테라스(121)에 구멍을 내고 이때 셀 테라스(121)에서 분출되는 가스를 특정 방향으로 유도하기 위한 구성요소로서 관형으로 마련되고 포켓부(132)에서 블록 본체(131)의 외측면까지 연장되도록 구성될 수 있다.
이를테면, 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 배기 파이프(133)는 일단부가 포켓부(132)에 위치하고 타단부(P)는 블록 전방부(131c)의 내부를 경유하여 상기 블록 전방부(131c)의 외측에 노출되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 배기 파이프(133)는 상기 포켓부(132)에서 셀 테라스(121)가 일정 부피이상 팽창시 셀 테라스(121)를 천공시킬 수 있게 상기 포켓부(132)의 내부 공간을 향해 뾰족하게 돌출된 니들부(134)를 구비할 수 있다.
본 실시예의 가스 벤팅 유도블록(130)은 배기 파이프(133)가 복수 개이고, 상기 복수 개의 배기 파이프(133)는, 블록 상단부(131a)에서 포켓부(132)를 향해 하방 돌출된 니들부(134)를 구비한 2개의 상단 배기 파이프(133a)와, 블록 하단부(131b)에서 포켓부(132)를 향해 상방 돌출된 니들부(134)를 구비한 2개의 하단 배기 파이프(133b)를 포함한다.
상기 2개의 상단 배기 파이프(133a)는 셀 리드 인출구(O)를 기준으로 좌우 방향(±X 축 방향)에 하나씩 구비되고 각각 블록 상단부(131a)와 블록 전방부(131c)의 내부를 경유해 블록 전방부(131c)의 외측에 노출되도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 2개의 하단 배기 파이프(133b)는 셀 리드 인출구(O)를 기준으로 좌우 방향(±X 축 방향)에 하나씩 구비되고 각각 블록 하단부(131b)와 블록 전방부(131c)의 내부를 경유해 블록 전방부(131c)의 외측에 노출되도록 구성될 수 있다.
상술한 배기 파이프(133)는 스테인리스(stainless)와 같은 금속 소재로 마련되고, 인서트 사출 성형 공법에 의해 상기 블록 본체(131)와 일체로 제작될 수 있다. 그러나 본 발명의 권리범위가 상기 배기 파이프(133)의 소재나 상기 제조방법으로 제한되는 것은 아니다. 예컨대 상기 배기 파이프(133)는 블록 본체(131)와 같은 소재이고 상기 블록 본체(131)와 일체화된 형태로 사출 성형될 수도 있다.
한편, 본 실시예에 따른 가스 벤팅 유도블록(130)은 포켓부(132)에 배치되고 슬릿(S)을 사이에 두고 상하로 이격된 2개의 폼(form) 부재를 더 포함할 수 있다.
전극 리드(111)와 셀 테라스(121)를 블록 본체(131) 내부에 삽입할 때, 상기 전극 리드(111) 또는 상기 셀 테라스(121)가 니들부(134)와 접촉하여 손상될 수 있다. 상기 2개의 폼 부재(135,136)는 이 같이 전극 리드(111) 또는 셀 테라스(121)가 예기치 않게 손상되는 것을 방지하기 위한 구성요소이다.
상기 2개의 폼 부재(135,136)는 예컨대 스펀지나 메모리 폼과 같이 탄력이 있는 소재로 마련되고, 도 6과 같이 포켓부(132) 내에서 슬릿(S)을 사이에 두고 어느 하나는 블록 상단부(131a)의 내측면에 부착되고 다른 하나는 블록 하단부(131b)의 내측면에 부착될 수 있다.
예컨대 폼 부재(135,136)를 압축한 상태로 상기 포켓부(132) 속에(Y축 방향으로) 밀어 넣은 다음, 니들부(134)가 폼 부재(135,136)에 꽂히도록 상기 폼 부재(135,136)를 상기 블록 상단부(131a)의 내측면을 향해 상부 방향(+Z축 방향)으로 또는 상기 블록 하단부(131b)의 내측면을 향해 하부 방향(-Z축 방향)으로 밀착한다. 이후 폼 부재(135,136)에 대한 압축을 해제하여 폼 부재(135,136)가 원래 부피대로 원상 회복되도록 한다. 이 경우 니들부(134)가 폼 부재(135,136)에 박혀있어 상기 폼 부재(135,136)가 블록 상단부(131a)의 내측면 또는 상기 블록 하단부(131b)의 내측면에 접촉한 상태로 홀딩될 수 있다. 여기서 상기 2개의 폼 부재(135,136) 사이의 상하 간격은 적어도 슬릿(S)보다 크며, 상기 니들부(134)는 폼 부재(135,136) 속에 박힌 상태로 위치하도록 구성될 수 있다.
따라서 전극 리드(111)와 셀 테라스(121)를 상기 포켓부(132) 속으로 밀어 넣는 과정에서 전극 리드(111) 또는 셀 테라스(121)가 손상될 우려가 없다. 이렇게 포켓부(132) 속에 셀 테라스(121)가 위치한 상태에서 파우치형 이차전지(100)에 가스가 발생하여 셀 테라스(121)가 팽창하면 상기 폼 부재(135,136)가 압력을 받아 압축될 수 있다. 나아가 상기 셀 테라스(121)가 일정 부피이상 팽창한 상태에 이르면 니들부(134)에 의해 구멍이 나게 될 수 있다.
상기 폼 부재(135,136)로는 EVA(Ethylene+Vinyl+Acetate)폼, 합성 라텍스, 폴리스티렌 발포폼(스티로폼), 스펀지(sponge) 등 압축성의 정도가 상이한 폼 부재(135,136)가 선택적으로 사용될 수 있다. 예컨대, 상기와 같이 폼 부재(135,136)의 소재를 변경함으로써 셀 테라스(121)의 팽창력이 일정 수준 이상일 때만 니들부(134)와 셀 테라스(121)가 접촉하도록 하여 가스 배출이 가능해지도록 구성할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 파우치형 이차전지(100)의 평상시 가스 벤팅 유도블록(130) 영역의 단면도이고, 도 9는 본 발명의 파우치형 이차전지(100)의 스웰링 시 가스 벤팅 유도블록(130) 영역의 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하여, 상기 가스 벤팅 유도블록(130)에 의한 파우치형 이차전지(100)의 가스 배출 메카니즘을 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 8에 도시된 바와 같이, 전극 리드(111)는 가스 벤팅 유도블록(130)을 통과하여 -Y축 방향으로 인출되며 셀 테라스(121)는 일부분이 블록 본체(131)의 포켓부(132)에 수용되게 가스 벤팅 유도블록(130)에 끼워질 수 있다. 평상시, 셀 테라스(121)는 니들부(134)와 소정 거리 이격되어 있고 외부 충격이나 진동에 의해 다소 유동하더라도 상하 방향이 2개의 폼 부재(135,136)로 막혀 있어 니들부(134)와 접촉하지 않는다.
그러나 파우치형 이차전지(100)가 가스 발생으로 내압이 높아지면 셀 테라스(121) 부위가 부풀어 올라 폼 부재(135,136)가 압축될 수 있다. 나아가 셀 테라스(121)의 팽창이 심화하고, 그 팽창 정도가 일정 부피이상에 이르게 되면, 도 9와 같이, 배기 파이프(133)의 니들부(134)가 셀 테라스(121)에 구멍을 내고 셀 테라스(121) 속에 인입될 수 있다. 그 결과, 셀 테라스(121) 속의 가스가 상기 니들부(134)의 내부로 유입되고 배기 파이프(133)의 내부를 따라 이동하여 블록 전방부(131c)의 외측으로 분출될 수 있다.
이와 같은 본 실시예의 구성에 따르면, 파우치형 이차전지(100)에 열폭주 등과 같은 상황으로 인해 가스가 발생한 때, 내압 상승으로 이차전지가 폭발 단계에 이르기 전에 가스를 외부로 배출시켜 내압을 낮출 수 있어 이차전지의 폭발을 막을 수 있다.
또한, 가스 발생시 파우치 외장재의 실링부(120)가 불특정하게 손상됨으로써 가스가 불특정 방향으로 분출되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 본 실시예는 가스 벤팅 유도블록(130)에 의해 특정 방향으로 가스의 배출이 유도되기 때문에 가스 배출 위치가 충분히 예상될 수 있어 가스 배출로 인한 위험 요소를 줄일 수 있다.
예컨대 본 실시예와 같이, 가스가 파우치형 이차전지(100)의 전극 리드(111) 방향으로 분출되도록 함으로써 배터리 모듈 제작할 때 각 파우치형 이차전지(100)에서 분출된 가스를 포집하기 용이하고, 포집한 가스를 외부로 안전하게 배출하기 위한 배기 장치 구성의 적용이 수월해 질 수 있다.
이어서 도 10을 참조하여, 상술한 파우치형 이차전지(100)들을 포함한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 간략히 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부분을 도시한 도면이다.
도 10에 도시한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 상술한 파우치형 이차전지(100)들을 상하 방향으로 세워서 좌우 방향 적층한 형태로 구성될 수 있다. 종래 기술에 따른 파우치형 이차전지들로 구성한 배터리 모듈의 경우, 파우치형 이차전지들을 전기적으로 연결하기 위한 구성품으로 구리 등과 같은 금속 소재로 이루어진 다수의 버스바에 사용하며, 상기 다수의 버스바를 지지하기 위해 판상체 형태의 버스바 프레임을 포함한다. 그러나 본 발명에 따른 배터리 모듈은 버스바 프레임을 생략하고, 파우치형 이차전지(100)의 가스 벤팅 유도블록(130)들을 일 방향으로 접착 내지 스냅 핏 결합 방식으로 조립하고, 버스바(200)들을 상기 가스 벤팅 유도블록(130)의 블록 전방부(131c)에 장착할 수 있게 구성될 수 있다.
예를 들면, 전술한 실시예에서 미도시 하였으나, 도 10과 같이 각 가스 벤팅 유도블록(130)의 블록 전방부(131c)의 일 영역을 가공하여 2개의 가스 벤팅 유도블록(130)을 결합하면 버스바(200) 하나를 부분적으로 삽입하여 고정할 수 있는 버스바 홈이 형성되도록 가스 벤팅 유도블록(130)이 구성될 수 있다. 이 경우 2개의 가스 벤팅 유도블록(130)에 걸쳐 부착되어 있는 하나의 버스바에 어느 하나의 파우치형 이차전지(100)의 양극 리드와 다른 하나의 파우치형 이차전지(100)의 음극 리드를 벤딩하여 용접하는 방식으로 파우치형 이차전지(100)들을 전기적으로 연결할 수 있다.
미도시 하였으나, 본 발명의 배터리 모듈은 가스 벤팅 유도블록(130)들에서 가스가 배출되는 구멍들, 즉 배기 파이프(133)의 타단부들에 접속할 수 있는 가스 배관(미도시)을 추가하여 이차전지들에서 발생한 가스가 배터리 모듈의 밖으로 안전하게 배출되도록 구성할 수도 있다. 여기서 상기 가스 배관은 흡기구가 다수이고 배기구가 하나인 매니폴드 형태로 구현될 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈은 파우치형 이차전지(100)들의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치(미도시), 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등과 파우치형 이차전지(100)들과 상기 각종 장치들을 수납하기 위한 모듈 하우징을 더 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 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 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 파우치형 이차전지
110: 전극 수용부
111: 전극 리드
120: 실링부
121,122: 셀 테라스
123,124: 사이드 윙
130: 가스 벤팅 유도블록
131: 블록 본체
131a: 블록 상단부
131b: 블록 하단부
131c: 블록 전방부
132: 포켓부
133: 배기 파이프, 133a: 상단 배기 파이프, 133b: 하단 배기 파이프
134: 니들부
135,136: 폼 부재
200: 버스바
O: 셀 리드 인출구, S: 슬릿

Claims (10)

  1. 파우치형 이차전지의 셀 테라스를 소정 깊이까지 끼워 넣을 수 있게 마련된 슬릿을 구비한 블록 본체;
    상기 블록 본체 내부에 구비되고 상기 슬릿보다 공간이 확장된 형태로 상기 셀 테라스의 일부분을 수용할 수 있게 마련된 포켓부;
    관형으로 마련되고 상기 포켓부에서 상기 블록 본체의 외측면까지 연장된 배기 파이프;를 포함하고,
    상기 배기 파이프는, 상기 포켓부에서 상기 셀 테라스가 일정 부피이상 팽창시 상기 셀 테라스를 천공시킬 수 있게, 상기 포켓부의 내부 공간을 향해 뾰족하게 돌출된 니들부를 구비한 것을 특징으로 하는 가스 벤팅 유도블록.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 블록 본체는,
    상기 슬릿을 사이에 두고 상하로 이격된 블록 상단부와 블록 하단부; 및
    상기 슬릿이 없고, 상기 블록 상단부와 상기 블록 하단부에 연결된 블록 전방부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 벤팅 유도블록.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 블록 상단부와 상기 블록 하단부는 상하 대칭이고, 상기 포켓부가 마련되도록, 가운데 영역의 두께가 양쪽 가장자리 영역의 두께보다 얇게 구성된 것을 특징으로 하는 가스 벤팅 유도블록.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 니들부에 해당하는 상기 배기 파이프의 일단부는 상기 포켓부에 위치하고 상기 배기 파이프의 타단부는 상기 블록 전방부의 내부를 경유하여 상기 블록 전방부의 외측에 노출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스 벤팅 유도블록.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배기 파이프는 복수 개이고,
    상기 블록 상단부에서 상기 포켓부를 향해 돌출된 니들부를 구비한 상단 배기 파이프; 및
    상기 블록 하단부에서 상기 포켓부를 향해 돌출된 니들부를 구비한 하단 배기 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 벤팅 유도블록.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 파우치형 이차전지의 전극 리드의 폭과 두께에 대응하는 사이즈로 상기 블록 전방부를 관통하여 상기 포켓부와 연통하도록 마련된 셀 리드 인출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 벤팅 유도블록.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 포켓부에 배치되고 상기 슬릿을 사이에 두고 상하로 이격된 2개의 폼 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 벤팅 유도블록.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 니들부는 상기 폼 부재 속에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스 벤팅 유도블록.
  9. 제1항 내지 제8항에 따른 가스 벤팅 유도블록을 포함하는 파우치형 이차전지.
  10. 제9항에 따른 파우치형 이차전지들을 포함하는 배터리 모듈.
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