KR20230076095A - 자연 방열 기능을 구비한 배터리 케이스 - Google Patents

자연 방열 기능을 구비한 배터리 케이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자연 방열 기능을 구비한 배터리 케이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나 이상의 개구부가 형성된 중공 구조의 케이스 본체; 및 상기 개구부에 장착되는 환기부를 포함하며, 상기 환기부는, 외곽부를 형성하는 프레임, 상기 프레임 내부에서 일정 각도로 경사지게 배치된 플레이트 형상을 갖는 하나 이상의 제1 방열부, 및 상기 제1 방열부의 상측 가장자리 및/또는 하측 가장자리를 따라 위치하며 복수개의 제2 관통공이 구비된 제2 방열부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연 방열 기능을 구비한 배터리 케이스에 관한 것이다.

Description

자연 방열 기능을 구비한 배터리 케이스{Battery case with natural heat-dissipating function}
본 발명은 별도의 냉각 장치없이 수납된 배터리 셀이나 배터리 모듈에서 발생한 열을 외부로 방출시켜 케이스 내부의 온도를 낮출 수 있는 자연 방열 기능을 구비한 배터리 케이스에 관한 것이다.
스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차배터리에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 배터리는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등에 적용되고 있다.
현재 널리 사용되는 이차배터리의 종류에는 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등이 있다.
이러한 단위 이차배터리 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.0V ~ 5.0V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 셀 모듈 어셈블리를 구성하기도 하며, 또한 셀 모듈 어셈블리를 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 직렬이나 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성할 수도 있다. 게다가 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 추가적인 구성요소를 부가하여 배터리 팩을 제작하는 것이 일반적이다.
한편 배터리 모듈의 경우, 충방전 시 발생하는 열로 인하여 배터리 셀의 안정성 및 효율이 저하될 위험이 있고, 이를 방지하기 위하여 배터리 모듈의 냉각을 위한 다양한 방법을 적용하고 있다.
일 예로, 냉각 기체를 이용하는 공냉식이 사용될 수 있는데, 이 경우 냉각팬 등의 장치가 구비되는 것이 일반적이다.
특허문헌 1은 배터리 시스템을 위한 공기 냉각 장치에 관한 것으로, 냉각 팬, 냉각 유로 등의 장치를 구비하여 배터리 시스템을 냉각하고 있다. 하지만 이 경우 냉각 장치의 추가로 인한 생산 단가의 상승이나 설치 공간에 따른 에너지 밀도가 저하된다는 문제가 있다.
한국공개특허공보 제2015-0044162호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 별도의 냉각 장치없이 케이스 내부에 수납된 배터리 셀이나 배터리 모듈에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있는 구조를 갖는 배터리 케이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 케이스는 하나 이상의 개구부(110)가 형성된 중공 구조의 케이스 본체(100); 및 상기 개구부(110)에 장착되는 환기부(200)를 포함하며, 상기 환기부(200)는, 외곽부를 형성하는 프레임(210), 상기 프레임(210) 내부에서 일정 각도로 경사지게 배치된 플레이트 형상을 갖는 하나 이상의 제1 방열부(220), 및 상기 제1 방열부(220)의 상측 가장자리 및/또는 하측 가장자리를 따라 위치하며 복수개의 제2 관통공(231)이 구비된 제2 방열부(230);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 케이스에서, 상기 제1 방열부(220)는 상측 가장자리 보다 하측 가장자리가 케이스 본체(100) 외측을 향하도록 경사져 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 케이스에서, 상기 제1 방열부(220)는 상기 케이스 본체(100)의 제1 면과 평행하게 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 케이스에서, 상기 제1 방열부(220)는 상기 케이스 본체(100)의 제1 면과 예각을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 케이스에서, 상기 제1 방열부(220)는 금속재질 또는 열전도성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 케이스에서, 상기 제2 방열부(230)는 금속재질 또는 열전도성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 케이스에서, 복수개의 제3 관통공(241)이 구비되며 상기 제1 방열부(220) 외측면에 위치하는 플레이트 형상의 제3 방열부(240)를 더 포함하되, 상기 제1 방열부(220)에는 복수개의 제1 관통공(221)이 구비되는 한편, 상기 제3 방열부(240)가 슬라이딩 가능하도록 상기 제1 방열부(220) 외측면과 일정 간격 이격되어 상기 제3 방열부(240)의 가장자리를 커버하는 지지부(222)가 구비되고, 상기 제3 방열부(240)의 이동에 의해 상기 제1 관통공(221)과 상기 제3 관통공(241)의 일부 또는 전부가 중첩되거나, 전부가 중첩되지 않는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 케이스에서, 상기 제1 방열부(220), 제2 방열부(230) 및 제3 방열부(240)는 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 케이스에서, 상기 제2 방열부(230) 내측면 또는 외측면에는 다수개의 제4 관통공(251)이 구비된 피복층(250)이 위치하되, 상기 제4 관통공(251)의 단면적은 상기 제2 관통공(231)의 단면적 보다 크고, 상기 제2 관통공(231) 전부는 상기 제4 관통공(251)에 의해 노출되며, 상기 피복층(250)은 상기 제2 방열부(230) 보다 낮은 온도에서 용융되는 열전도성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 케이스에서, 상기 제1 방열부(220)는 상기 케이스 본체(100)의 제1 면과 예각을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서는 전술한 배터리 케이스; 및 상기 배터리 케이스에 수납되는 복수의 배터리 셀;을 포함하는 배터리 모듈인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 상기 배터리 셀은 원통형 배터리 셀, 각형 배터리 셀, 및 파우치형 배터리 셀 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서는 전술한 배터리 케이스; 및 상기 배터리 케이스에 수납되는 복수의 배터리 모듈;을 포함하는 배터리 팩인 것을 특징으로 한다.
이상에서 같이, 본 발명의 배터리 케이스에는 관통공이 형성된 환기부가 구비되어 있어 별도의 냉각 장치없이 배터리 케이스 내부의 열기를 외부로 방출시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명의 배터리 케이스는 냉각을 위한 별도의 장치를 생략하거나 최소화할 수 있어, 부피와 무게 감소에 따른 에너지 밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 생산 원가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명의 배터리 케이스는 외부 환경에 따라 관통공의 개폐면적을 조절할 수 있다는 이점이 있다.
게다가 본 발명의 배터리 케이스는 일정 이상으로 온도가 상승할 시 관통공을 폐쇄시킬 수 있는 피복층이 구비되어 있고, 따라서 케이스 내부로 유입되는 공기를 차단함으로써 화재로 이어질 가능성을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 배터리 케이스의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 배터리 케이스의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 환기부의 확대사시도이다.
도 4는 도 1의 A-A´선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 환기부의 확대사시도이다.
도 6은 도 5에 도시한 환기부를 다른 각도에 바라본 확대사시도이다.
도 7은 도 5에 도시한 환기부의 분해 사시도이다.
도 8은 외기 환경에 따른 제3 방열부의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제3 실시예로서, 도 5의 B-B´선을 따라 절단한 단면도이다.
도 10은 제2 방열부와 피복층의 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 제4 실시예로서, 제2 방열부와 피복층의 분해 사시도이다.
본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우만이 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 본 출원에서 상하 방향과 관련된 기재는 각 구성의 설치 방향에 따라 하방과 상방, 또는 일 방과 타 방을 의미할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 자연 방열 기능을 구비한 배터리 케이스에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 배터리 케이스의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 배터리 케이스의 분해 사시도이다. 또 도 3은 도 1에 도시한 환기부의 확대사시도 그리고 도 4는 도 1의 A-A´선을 따라 절단한 단면도이다.
이들 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 케이스에 관하여 설명하면, 케이스 본체(100) 및 환기부(200)을 포함하여 구성된다.
케이스 본체(100)는 내부에 수납되는 하나 이상의 배터리 셀(미도시)이나 배터리 모듈(미도시)을 보호하는 역할을 하며, 바닥면, 측면 및 상면으로 둘러 싸여 있다. 물론 바닥면과 측면은 몸체를 형성하며, 상면은 커버일 수 있고, 이하에는 바닥면을 제1 면, 측면을 제2 면 그리고 상면은 제3 면으로 정의하여 설명하기로 한다.
환기부(200)는 케이스 본체(100)를 구성하는 제2 면에 하나 이상 장착되며, 제2 면에는 환기부(200)가 장착될 수 있도록 개구부(110)가 형성되어 있다. 여기서, 개구부(110)의 개수는 장착되는 환기부(200) 개수와 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
케이스 본체(100)의 개구부(110)에 장착되는 환기부(200)에 관해 보다 상세하게 설명하면, 환기부(200)는 프레임(210), 제1 방열부(220) 및 제2 방열부(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
프레임(210)은 소정 폭과 길이를 갖는 다수개의 단위 부재들이 연결됨으로써 환기부(200)의 외곽부를 형성하며, 비록 도면에서는 전체적인 외형이 사각형인 것으로 도시하고 있으나 형상은 얼마든지 변경이 가능하다.
플레이트 형상을 갖는 제1 방열부(220)는 프레임(210)에 고정된 채 케이스 본체(100) 내부에서 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 구성, 즉 케이스 본체(100) 내부와 외부의 열교환이 이루어진다.
따라서 제1 방열부(220)는 열교환이 원활하게 이루어지도록 열전도도가 높은 소재로 이루어지며, 가공성 등을 함께 고려할 때, 알루미늄, 구리 등의 금속, 또는 열전도성이 우수한 수지로 이루어지는 것이 바람직하다.
열전도성이 우수한 수지로는 상온에서 고체인 경우라면 특별히 제한하지 않으며, 일 예로 우레탄 또는 실리콘인 것이 바람직하고, 알루미나(alumina)와 같은 금속 입자들이 첨가되는 것이 보다 바람직하다.
이러한 제1 방열부(220)는 복수개로 구비될 수 있는데, 이때 개구부(110)와 일정 각도를 가지면서 기울어진 형태로 프레임(210)에 고정됨으로써, 케이스 본체(100) 내부 및 외부 공기와의 접촉 면적을 넓힐 수 있고 이는 방열 효과를 높이는데 기여할 수 있다.
여기서, 제1 방열부(220)의 기울어진 각도는 특별히 제한하지 않지만, 후술할 제2 방열부(230)의 제2 관통공(231)으로 물이나 습기가 유입되는 것을 최소화할 수 있도록, 상측 가장자리 보다 하측 가장자리가 케이스 본체(100) 외측(도 1에서 왼쪽)을 향하도록 경사져 있는 것이 바람직하고, 하측 가장자리가 케이스 본체(100)의 제2 면보다 튀어 나오지 않는 것이 보다 바람직하다.
계속해서, 플레이트 형상을 갖는 제2 방열부(230)는 제1 방열부(220)의 상측 가장자리 및/또는 하측 가장자리를 따라 위치하는데, 제1 방열부(220)에 고정되거나 프레임(210)에 고정될 수 있고, 복수개의 제2 관통공(231)이 구비되는 것이 바람직하다.
이때, 제2 관통공(231)은 내부의 뜨거운 공기를 배출시키고 나아가 이물질이나 수분이 유입되는 것을 최소화할 수 있도록 0.5~1.5mm 정도의 직경을 갖는 것이 좋다.
한편 제2 방열부(230)는 케이스 본체(100)의 제1 면을 기준으로 할 시, 이물질이나 수분이 유입되는 것을 확실하게 담보할 수 있도록 평행하게 위치하는 것이 바람직하고, 0°초과 90°미만의 예각을 이루는 것이 더욱 바람직하다.
제2 방열부(230)는 제1 방열부(220)와 마찬가지로 열교환을 통해 케이스 본체(100) 내부의 온도를 낮추어 주며, 따라서 제1 방열부(220)와 동일한 소재인 금속이나 열전도성 수지로 형성될 수도 있지만, 방열 기능을 수행할 수 있다면 상이한 소재로 이루어져도 무방하다.
전술한 환기부(200), 즉 프레임(210), 제1 방열부(220) 및 제2 방열부(230)들은 사출이나 금형을 통해 일체화된 상태로 제조하거나, 상이한 소재일 시에는 인서트 사출방식을 통해 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 환기부의 확대 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시한 환기부를 다른 각도에 바라본 확대사시도이다. 또 도 7은 도 5에 도시한 환기부의 분해 사시도이며, 도 8은 외기 환경에 따른 제3 방열부의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
이들 도 5 내지 8을 참조하면서, 본 발명의 제2 실시예에 관해 설명하기로 하며, 환기부를 제외하고 나머지 구성은 제1 실시예와 동일하다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 환기부(200)에서는, 프레임(210), 제1 방열부(220), 제2 방열부(230) 및 제3 방열부(240)를 포함하여 이루어지는데, 프레임(210)은 제1 실시예와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
제1 방열부(220)에는 제1 관통공(221)과 지지부(222)가 구비되어 있는 한편, 플레이트 형상으로 이루어지며 복수개의 제3 관통공(241)이 형성되어 있는 제3 방열부(240)는 제1 방열부(220) 외측면에 위치한다.
지지부(222)는 제3 방열부(240)를 지지하기 위한 구성으로, 제1 방열부(220) 가장자리 일측 또는 양측에 구비되며, 또 제3 방열부(240)가 제1 방열부(220)와 지지부(222) 사이에 위치할 수 있도록 제1 방열부(220) 외측면과는 일정 간격 이격되어 있는 상태이다.
한편 제3 방열부 길이(L2)는 제1 방열부 길이(L1) 보다 조금 짧은데, 이는 제1 방열부(220) 전면에서 길이 방향으로 슬라이딩 운동하면서 제3 관통공(241)의 위치를 조절하기 위함이다.
예를 들어, 외부의 기상 조건이 양호할 시에는 케이스 본체(100) 내부의 열기가 외부로 신속하게 방출될 수 있도록 제3 방열부(240)의 위치를 조절하여 제1 관통공(221)과 제3 관통공(241)이 서로 일치시킨다(도 8(a)). 반대로 비가 오는 등 외부 환경이 좋지 않을 시에는 제1 관통공(221)과 제3 관통공(241)이 서로 엇갈리게 위치할 수 있도록 제3 방열부(240)의 위치를 변경한다(도 8(b)).
물론 필요에 따라서는 제1 관통공(221)과 제3 관통공(241)이 일부만 중첩될 수 있도록 제3 방열부(240)의 위치를 조절할 수 있음은 자명하다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 케이스는 제1 방열부(220)의 제1 관통공(221)과 제3 방열부(240)의 제3 관통공(241)을 통해 케이스 내부의 열기가 보다 빨리 외부로 방출될 수 있는 구조이다.
본 발명의 제2 실시예에서의 제1 방열부(220), 지지부(222) 및 제3 방열부(240)는 열전도도가 우수한 알루미늄, 구리 등의 금속인 것이 바람직하다.
비록 도면에서는 지지부(222)가 플레이트 형상인 것으로 도시하고 있으나, 제3 방열부(240)를 지지하면서 슬라이딩 가능하다면 지지부의 형상이나 위치는 특별히 제한하지 않는다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제3 실시예로서, 도 5의 B-B´선을 따라 절단한 단면도, 도 10은 제2 방열부와 피복층의 분해 사시도 그리고 도 11은 본 발명의 바람직한 제4 실시예로서, 제2 방열부와 피복층의 분해 사시도이다.
도 9 내지 11를 참조하면서, 본 발명의 제3 실시예와 제4 실시예에 관해 설명하기로 하며, 피복층을 제외하고 나머지 구성은 제1 실시예 또는 제2 실시예와 동일하다.
본 발명의 제3 실시예에서는 제2 방열부(230) 내측면에 피복층(250)이 구비되어 있고, 제4 실시예에서는 제2 방열부(230) 외측면에 피복층(250)이 구비되어 있다.
그리고 피복층(250)에는 다수개의 제4 관통공(251)이 구비되어 있는데, 제4 관통공(251)의 단면적은 제2 관통공(231)의 단면적 보다 크면서 제2 관통공(231) 전부가 제4 관통공(251)에 의해 노출된 상태인 것이 바람직하고, 피복층(250)은 제2 방열부(230) 보다 낮은 온도에서 용융되는 열전도성 수지로 이루어지는 것이 보다 바람직하고, 케이스 본체(100)의 제1 면을 기준으로 할 시 제1 방열부(220)는 제1 면과 0°초과 90°미만의 예각을 이루는 것이 가장 바람직하다.
다양한 원인으로 인해 배터리 셀에서 열폭주 현상이 발생하면 배터리 셀 내부에서는 고온의 가스와 화염이 발생할 수 있는데, 제3 및 제4 실시예에서는 케이스 내부로 유입되는 공기를 차단함으로써 화재로 이어질 가능성을 최소화할 수 있다.
상세하게, 배터리 케이스에 수납된 배터리 셀들이 정상적으로 작동할 시에는 내부의 열기가 제2 관통공(231)을 통해 용이하게 방출되지만, 열폭주 등으로 인해 열전도성 수지로 이루어진 피복층(250)의 용융 온도까지 상승하면 열전도성 수지가 용융된다.
특히 피복층(250)이 부착되어 있는 제2 방열부(230)가 케이스 본체(100)의 제1 면과 예각을 이룰 시, 용융된 피복층(250)은 제2 방열부(230) 표면을 따라 흘러내리면서 제2 관통공(231)에 채워지므로, 외부 공기가 배터리 케이스 내부로 유입되는 것을 최소화할 수 있다.
한편 전술한 케이스 본체(100) 내부에 배터리 셀이 수납될 시에는 다양한 형태의 배터리 셀이 적용 가능하다.
즉, 배터리 셀은 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 배터리 셀과, 전극 조립체가 라미네이트 시트 구조로 이루어진 파우치에 내장된 파우치형 배터리 셀로 나눌 수 있다.
캔형 배터리 셀은 금속 캔의 형태에 따라 원통형 배터리 셀과 각형 배터리 셀로 구분할 수 있는데, 원통형 배터리 셀은 원통형 배터리 캔, 배터리 캔 내부에 수용되는 젤리-롤 형태의 전극 조립체, 배터리 캔의 상부에 결합되는 캡 조립체를 포함할 수 있다. 여기서 원통형 배터리 캔은 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금과 같은 경량의 전도성 금속 재질로 형성될 수 있다.
전극 조립체는 전극과 분리막을 교대로 적층하여 제조하고, 전극은 전극 집전체 상에 전극 활물질을 도포하여 형성하게 된다.
전극 활물질은 양극 활물질과 음극 활물질로 나눌 수 있는데, 이러한 활물질에 도전재 및 바인더 등을 첨가하여 슬러리를 제조 후 금속 포일 상에 도포 하게 된다.
여기서, 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 하나 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다.
이러한 도전재는 당해 배터리에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 아세틸렌 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
음극 활물질로는 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; Si, SiO, SiO2 단독 또는 이들의 혼합물인 Si계 등을 사용할 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 물론 음극 활물질에도 전술한 도전재, 바인더 등이 선택적으로 더 포함하여 제조될 수 있다.
파우치형 배터리 셀은 파우치 케이스, 전극 조립체, 및 전극 리드 등을 포함하여 구성된다. 파우치 케이스는 전극 조립체를 수납할 수 있도록 포켓 모양의 수납공간이 형성되어 있으며, 일반적으로 외부 수지층, 금속층 및 내부 수지층으로 이루어진 라미네이트 시트를 펀칭하여 수납공간을 형성시킨다.
상세하게는, 외부 수지층은 최외곽에 위치하며, 이러한 외부수지층은 수납되는 전극 조립체를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록, 인장강도, 투습방지성 및 공기투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일 예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
외부 수지층과 접하는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 케이스 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 박막을 사용할 수 있다.
그리고, 내부 수지층은 전극 조립체와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다. 이러한 내부 수지층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에틸렌 아크릴산(Polyethylene Acrylic Acid), 폴리부틸렌(Polybutylene) 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지, 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내화학성이 뛰어난 폴리프로필렌이 가장 바람직하다.
전극 조립체는 긴 시트형의 음극과 양극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 전극 조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 단위셀들로 구성되는 스택형 전극 조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 전극 조립체, 또는 단위셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 전극 조립체 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
물론 음극과 양극에는 전술한 바와 같은 전극 활물질과 바인더 등이 도포된다.
그리고 양극 리드와 음극 리드로 이루어지는 한 쌍의 전극 리드는 양극 탭과 음극 탭에 각각 전기적으로 연결된 후 파우치 케이스 외부로 노출되는 구조로 이루어진다.
전술한 케이스 본체에 다수개의 배터리 셀이 수납되어 배터리 모듈을 구성할 시에는, 배터리 셀과 케이스 본체 이외에도 버스 바 및 각종 회로 기판 등의 다양한 부품들이 구비됨은 자명하다.
또 케이스 본체에 다수개의 배터리 모듈이 수납되어 배터리 팩을 구성할 시에는, 배터리 모듈들을 연결하기 위한 연결 버스 바 및 각종 회로 기판 등의 다양한 부품들이 장착될 수 있다.
또 전술한 배터리 모듈이나 배터리 팩은 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 디바이스(ESS) 등의 다양한 디바이스의 전력원으로서 사용될 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
100: 케이스 본체
110: 개구부
200: 환기부
210: 프레임
220: 제1 방열부
221: 제1 관통공 222: 지지부
230: 제2 방열부
231: 제2 관통공
240: 제3 방열부
241: 제3 관통공
250: 피복층
251: 제4 관통공
L1: 제1 방열부 길이
L2: 제2 방열부 길이

Claims (13)

  1. 하나 이상의 개구부가 형성된 중공 구조의 케이스 본체; 및
    상기 개구부에 장착되는 환기부를 포함하며,
    상기 환기부는, 외곽부를 형성하는 프레임, 상기 프레임 내부에서 일정 각도로 경사지게 배치된 플레이트 형상을 갖는 하나 이상의 제1 방열부, 및 상기 제1 방열부의 상측 가장자리 및/또는 하측 가장자리를 따라 위치하며 복수개의 제2 관통공이 구비된 제2 방열부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방열부는 상측 가장자리 보다 하측 가장자리가 케이스 본체 외측을 향하도록 경사져 있는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방열부는 상기 케이스 본체의 제1 면과 평행하게 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방열부는 상기 케이스 본체의 제1 면과 예각을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방열부는 금속재질 또는 열전도성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 방열부는 금속재질 또는 열전도성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  7. 제1항에 있어서,
    복수개의 제3 관통공이 구비되며 상기 제1 방열부 외측면에 위치하는 플레이트 형상의 제3 방열부를 더 포함하되,
    상기 제1 방열부에는 복수개의 제1 관통공이 구비되는 한편, 상기 제3 방열부가 슬라이딩 가능하도록 상기 제1 방열부 외측면과 일정 간격 이격되어 상기 제3 방열부의 가장자리를 커버하는 지지부가 구비되고,
    상기 제3 방열부의 이동에 의해 상기 제1 관통공과 상기 제3 관통공의 일부 또는 전부가 중첩되거나, 전부가 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 방열부, 제2 방열부 및 제3 방열부는 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 방열부 내측면 또는 외측면에는 다수개의 제4 관통공이 구비된 피복층이 위치하되,
    상기 제4 관통공의 단면적은 상기 제2 관통공의 단면적 보다 크고, 상기 제2 관통공 전부는 상기 제4 관통공에 의해 노출되며,
    상기 피복층은 상기 제2 방열부 보다 낮은 온도에서 용융되는 열전도성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 방열부는 상기 케이스 본체의 제1 면과 예각을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 케이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 케이스; 및
    상기 배터리 케이스에 수납되는 복수의 배터리 셀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 원통형 배터리 셀, 각형 배터리 셀, 및 파우치형 배터리 셀 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 케이스; 및
    상기 배터리 케이스에 수납되는 복수의 배터리 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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