KR20230113170A - 전지 모듈 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20230113170A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀들이 일 방향으로 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 내부에 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체 내에서 상기 전지셀의 일 측에 적층되는 튜브를 포함한다. 상기 모듈 프레임에 관통홀이 형성되고, 상기 튜브는, 상기 관통홀을 통해 외부의 유체 공급 장치와 연결되는 주입부를 포함한다. 상기 유체 공급 장치로부터 상기 주입부를 통해 상기 튜브의 내부에 유체가 유입된다.

Description

전지 모듈 및 이의 제조 방법{BATTERY MODULE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전지셀의 스웰링을 제어할 수 있는 전지 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 중대형 장치에 대한 적용을 목적으로, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 파우치형 이차 전지는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 더욱 널리 이용되는 추세에 있다.
파우치형 이차 전지는 일반적으로 전극 조립체가 파우치 외장재에 수납된 상태에서 전해액이 주입되고, 파우치 외장재가 실링되는 과정을 통해 제조될 수 있다.
이차 전지는, 충전과 방전이 반복됨에 따라 퇴화 등으로 인해 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 그리고, 이처럼 내부에서 가스가 발생한 경우, 내압이 증가함으로써, 외장재의 적어도 일부분이 부풀어오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생할 수 있다. 특히, 파우치형 이차 전지의 경우, 캔형 이차 전지에 비해, 외장재의 구조적 강성이 약해서 이러한 스웰링 현상은 더욱 심하게 발생할 수 있다.
종래에는 전지셀들을 모듈 케이스에 수납하고 폼(Foam) 형태의 패드를 배치함으로써, 모듈 케이스가 전지셀들을 지나치게 구속하지 않고, 패드가 전지셀들의 스웰링을 흡수하도록 하였다.
전지셀의 스웰링 현상이 크게 발생하면, 전지 내부의 압력이 높아지고 부피가 증가하여, 전지 모듈의 구조적 안정성에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다. 더욱이, 전지 모듈에는 다수의 이차 전지가 포함되는 경우가 많다. 특히, 자동차나 에너지 저장 장치(ESS) 등에 사용되는 중대형 전지 모듈의 경우, 높은 출력 내지 높은 용량을 위해 매우 많은 수의 이차 전지가 포함되어 상호 연결될 수 있다. 이때, 각 이차 전지에서 스웰링으로 인해 약간씩만 부피가 증가한다 하더라도, 전지 모듈 전체적으로는 각 이차 전지의 부피 변화가 합산되어 변형 정도가 심각한 수준에 이를 수 있다. 특히, 다수의 이차 전지를 수납하는 모듈 프레임에 변형이 일어나거나 모듈 프레임의 용접 부분에 파손이 발생할 수 있다. 즉, 각 이차 전지의 스웰링에 따른 부피 팽창 현상은, 전지 모듈의 구조적 안정성을 전반적으로 저하시킬 수 있다. 또한, 충전 및 방전이 반복되면서 팽창력(Swelling force)이 크게 증가하면, 전지셀 내의 분리막을 압축하여 부분적으로 전지 성능을 저하시킬 수 있다.
따라서, 전지셀의 스웰링 시 팽창 변위를 흡수할 수 있고, 전지셀에 적절한 가압력을 인가할 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀의 스웰링으로 인한 팽창 변위를 흡수 가능하면서, 또 전지셀이 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 전지셀에 적절한 가압력을 인가할 수 있는 전지 모듈 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀들이 일 방향으로 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 내부에 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체 내에서 상기 전지셀의 일 측에 적층되는 튜브를 포함한다. 상기 모듈 프레임에 관통홀이 형성되고, 상기 튜브는, 상기 관통홀을 통해 외부의 유체 공급 장치와 연결되는 주입부를 포함한다. 상기 유체 공급 장치로부터 상기 주입부를 통해 상기 튜브의 내부에 유체가 유입된다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 일면 사이에 위치한 열전달 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 열전달 부재는 써멀 레진층을 포함할 수 있고, 상기 전지셀들의 일측이 상기 써멀 레진층에 접착될 수 있다.
상기 모듈 프레임의 상기 일면에 주입홀이 형성될 수 있다.
상기 주입홀을 통해 써멀 레진을 주입하여 상기 써멀 레진층이 형성될 수 있다.
상기 열전달 부재는 써멀 패드를 포함할 수 있고, 상기 전지셀들의 일측이 상기 써멀 패드에 접촉하되, 상기 써멀 패드 상에서 상기 전지셀들이 상기 전지셀들의 적층 방향으로 슬라이딩 가능하다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀에 인접하게 배치되는 냉각 플레이트 또는 압축 패드 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 주입부는 닫힌 미세홀 형태일 수 있다. 상기 유체가 압력을 받을 때, 미세홀 형태의 상기 주입부가 개방되어, 상기 유체가 상기 튜브의 내부로 유입되거나 유입된 유체가 상기 튜브로부터 배출될 수 있다.
상기 튜브는 연질 또는 탄성 재질일 수 있고, 상기 튜브의 내부에 유입되는 상기 유체는, 액체 또는 겔 상태일 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 튜브와 연결된 체크 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 전지셀들이 상기 모듈 프레임의 측면부에서 다른 측면부까지 일 방향을 따라 적층될 수 있고, 이웃한 상기 전지셀들 사이 또는 최외측의 상기 전지셀과 상기 모듈 프레임의 측면부 사이 중 적어도 한곳에 압축 패드가 개재될 수 있다. EOL(End of Life) 상태에서, 상기 전지셀들이 적층되는 방향의 변형률이 12% 이하이고, 상기 전지셀들에 인가되는 면압이 0.9MPa 이하일 수 있다.
상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선이, 0.00417 이상 및 0.225 이하의 기울기(MPa/%) 범위에서 산출될 수 있고, 상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선은, 상기 모듈 프레임의 변형률과 상기 모듈 프레임에 인가되는 면압 간의 관계에 대응할 수 있다.
상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선은, 상기 모듈 프레임의 프레임 강성 곡선에, 상기 압축 패드에 인가되는 면압 대비 상기 압축 패드가 압축되는 정도 및 상기 압축 패드의 개수를 반영하여 도출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법은, 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체 및 상기 전지셀 적층체 내에서 상기 전지셀의 일 측에 적층되고 내부가 비어 있는 튜브를 모듈 프레임 내부에 수납하는 조립 단계; 및 상기 튜브의 내부에 유체를 주입하여 상기 전지셀들을 가압하는 초기 가압 단계를 포함한다. 상기 모듈 프레임에 관통홀이 형성되고, 상기 튜브는, 상기 관통홀을 통해 외부의 유체 공급 장치와 연결된 주입부를 포함한다. 상기 초기 가압 단계에서, 상기 유체 공급 장치가 상기 주입부를 통해 상기 튜브의 내부에 유체를 주입한다.
상기 초기 가압 단계는, 상기 조립 단계 이후에 이루어질 수 있다.
상기 전지 모듈의 제조 방법은, 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 일면 사이에 써멀 레진을 주입하여 써멀 레진층을 형성하는 레진 주입 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 모듈 프레임의 상기 일면에 주입홀이 형성될 수 있고, 상기 레진 주입 단계에서, 상기 주입홀을 통해 상기 써멀 레진을 주입할 수 있다.
상기 레진 주입 단계는, 상기 초기 가압 단계 이후에 이루어질 수 있다.
상기 조립 단계에서, 써멀 패드를 상기 모듈 프레임 내부에 수납할 수 있고. 상기 써멀 패드는 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 일면 사이에 위치할 수 있다.
상기 전지셀들의 일측이 상기 써멀 패드에 접촉하되, 상기 써멀 패드 상에서 상기 전지셀들이 상기 전지셀들의 적층 방향으로 슬라이딩 가능하다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 유체가 유입되는 튜브를 전지 모듈 내부에 배치하여, 전지셀의 스웰링으로 인한 팽창 변위를 효과적으로 흡수할 수 있다.
또한, 전지 모듈 내부에 전지셀과 튜브를 배치한 후에, 튜브에 유체를 주입하는 것이므로, 전지셀이 최적의 성능을 발휘할 수 있는 적정한 초기 가압을 인가할 수 있고, 스웰링에 따른 전지셀의 파손을 최소화할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 도 4의 “A”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 전지 모듈의 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 체크 밸브를 포함하는 전지 모듈의 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 모듈 강성 곡선과 전지셀 적층체의 P-D 곡선을 나타낸 그래프들이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 모듈 강성 곡선의 범위를 나타낸 그래프이다.
도 14는 단일의 전지셀에 대한 P-D 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 15는 단일의 전지셀에 대한 P-D 곡선과 전지셀 적층체의 P-D 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4에 대한 모듈 강성 곡선을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀들 중 하나를 나타낸 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 복수의 전지셀(110)들이 일 방향으로 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 내부에 수납하는 모듈 프레임(200) 및 전지셀 적층체(120) 내에서 전지셀(110)의 일 측에 적층되는 튜브(300)를 포함한다.
이러한 전지셀(110)은 파우치형 전지셀로써, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접착하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지셀(110)은, 파우치 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 파우치 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 폴딩부(115)로 이루어질 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀(110)은, 파우치 케이스(114) 내부에 전극 조립체가 수납되고 파우치 케이스(114)의 외주변이 밀봉된 형태의 파우치 전지셀일 수 있다. 위에서 설명한 전지셀(110)은 예시적 구조이며, 2개의 전극 리드가 동일한 방향으로 돌출된 단방향 전지셀도 가능함은 물론이다.
이러한 전지셀(110)들이 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 일례로, 전지셀(110)들이 전지 본체(113)의 일면끼리 마주한 채, y축과 평행한 방향을 따라 적층될 수 있다.
본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은, 내부에 전지셀 적층체(120)를 수용하는 부재로써, 제1 측면부(210), 제2 측면부(220), 상면부(230) 및 하면부(240)를 포함할 수 있다. 또한, 모듈 프레임(200)의 일측(x축 방향)과 타측(-x축 방향)은 개방된 형태일 수 있고, 개방된 상기 일측 또는 상기 타측을 통해 전지셀 적층체(120)가 수납될 수 있다. 모듈 프레임(200)은 내부 전장품을 보호하기 위해, 소정의 강도를 갖는 금속 소재를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 모듈 프레임(200)은, 제1 측면부(210), 제2 측면부(220), 상면부(230) 및 하면부(240)가 일체화된 형태의 모노 프레임일 수 있다. 즉, 압출 성형으로 제조되어 제1 측면부(210), 제2 측면부(220), 상면부(230) 및 하면부(240)가 일체화된 형태일 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 본 발명의 다른 일 실시예로써, U자형의 프레임과 상부 플레이트가 서로 용접된 형태의 모듈 프레임도 가능하다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 모듈 프레임(200)의 개방된 상기 일측과 상기 타측에 각각 위치하는 엔드 플레이트(900)들을 더 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(900)들은, 모듈 프레임(200)의 개방된 상기 일측과 상기 타측에서 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 위치할 수 있다. 각 엔드 플레이트(900)들의 모서리들은 모듈 프레임(200)과 대응하는 모서리들과 용접의 방법으로 접합될 수 있다. 엔드 플레이트(900)들은, 소정의 강도를 갖는 금속 소재를 포함할 수 있고, 외부 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 보호할 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 엔드 플레이트(900)와 전지셀 적층체(120) 사이에는 버스바 프레임 및 절연 커버가 위치할 수 있다. 상기 버스바 프레임은, 각 전지셀(110)들의 전극 리드(111, 112)를 서로 연결하기 위한 버스바가 탑재되는 구성이고, 절연 커버는 전기적 절연을 띄는 소재를 포함하여 전지셀(110)들과 엔드 플레이트(900) 사이에 전기적 연결을 차단하는 구성이다. 전지셀 적층체(120) 내에서 전지셀(110)들은 버스바를 매개로 하여 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
이하에서는 도 4 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 튜브(300)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 4는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 4를 함께 참고하면, 전지 모듈(100a)은, 전지셀 적층체(120) 내에서, 전지셀(110)의 일 측에 적층되는 튜브(300)를 포함한다.
튜브(300)는, 전지셀(110)의 전지 본체(113)를 지지할 수 있도록 납작한 형태일 수 있으며, 전지셀(110)의 전지 본체(113)를 커버하도록 전지셀(110)의 일 측에 적층될 수 있다. 즉, 튜브(300)는 전지셀(110)들 사이에 위치하거나 최외측에 위치한 전지셀(110)의 바깥쪽에 위치할 수 있다. 튜브(300)의 개수에 특별한 제한은 없고, 전지 모듈(100a) 내에서 단수 또는 복수로 배치될 수 있다.
이러한 튜브(300)는 내부에 유체(F)가 유입될 수 있다. 튜브(300)는 연질 또는 탄성 재질로 이루어질 수 있다. 튜브(300)는 고무 재질로 형성된 구조일 수 있다. 탄성이 있는 고무 재질로 튜브(300)를 형성하고, 이를 통해 전지셀(110) 간의 압력 분산 효과를 높일 수 있다. 나아가, 튜브(300)는 전지셀(110)의 일 측에 적층될 수 있도록 납작한 형태의 튜브일 수 있다.
한편, 튜브(300) 내부로 유입되는 유체(F)는, 액체 또는 겔 상태일 수 있다. 예를 들어, 유체(F)는 냉각수 또는 물일 수 있다. 튜브에 냉각수 또는 물을 충진함으로써, 전지셀에 대한 냉각 효과를 구현할 수 있다. 아울러, 유체(F)가 하이드로 겔인 경우, 특정 영역에 집중되는 응력의 분산 및 열적 평형 유지에 유리하며 전지 모듈의 중량 증가를 최소화할 수 있다. 이와 반대로, 유체로 기체를 사용하는 경우도 상정 가능하나, 상기 유체로 기체를 사용하는 경우에는, 가열된 기체에 의해 전지셀(110)의 온도를 전체적으로 상승시키는 문제가 있을 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 유체(F)가 유입되는 튜브(300)를 내부에 마련함으로써, 복수의 전지셀(110)에 일정한 힘을 인가할 수 있고, 전지셀의 스웰링에 의한 팽창 변위를 흡수할 수 있다. 유체(F)를 이용한 제어 방식이기 때문에 전지셀(110)의 스웰링이 발생하더라도 전지셀(110)의 면압이 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 모듈 프레임(200)에 관통홀(200TH)이 형성된다. 일례로, 모듈 프레임(200)의 상면부(230)에 관통홀(200TH)이 형성될 수 있다. 튜브(300)는, 관통홀(200TH)을 통해 외부의 유체 공급 장치(800)와 연결되는 주입부(310)를 포함하고, 유체 공급 장치(800)로부터 주입부(310)를 통해 튜브(300)의 내부에 유체(F)가 유입된다.
주입부(310)를 마련하는 방법에 특별한 제한은 없다. 일례로, 튜브(300)를 비롯한 전지셀 적층체(120)를 모듈 프레임(200)에 수납한 이후, 튜브(300)의 본체와 일체화된 주입부(310)를 관통홀(200TH)를 통해 외측으로 노출시켜 유체 공급 장치(800)와 연결할 수 있다. 다른 예시로써, 관통홀(200TH)을 통해 주입부(310)를 투입하여, 주입부(310)가 외주변이 밀봉된 튜브(300)의 내부와 연통되도록 연결할 수 있다.
유체 공급 장치(800)로부터 유입되는 유체(F)의 압력과 양을 조절함으로써, 전지셀(110)이 최적의 성능을 발휘할 수 있는 전지셀(110)에 대한 적정한 초기 가압을 인가할 수 있다.
일례로, 유체 공급 장치(800)는, 튜브(300) 내부로 유체(F)를 공급하는 장치로 통상적인 유체 펌프일 수 있으며, 또는 압력 수두(pressure head)를 이용하는 장치일 수 있다.
다른 하나의 실시예에서, 상기 압력 수두를 이용한 유체 공급 장치(800)는 튜브(300)와 유체 연결되는 유체 공급관을 포함한다. 이때, 상기 유체 공급관은 튜브(300)의 주입부(310)보다 높은 위치에 위치하고, 지면과 수직을 이루는 구조를 갖는다.
그리고, 상기 유체 공급관 내부의 유체의 높이를 조절하여 튜브에 유입되는 유체(F)의 양을 정할 수 있으며, 이에 따라 튜브의 압력을 제어할 수 있다. 이러한 경우, 유체 공급 장치는 별도의 동력원 필요 없이도 튜브에 유체 압력을 인가할 수 있다.
전지 모듈(100a)은, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 일면 사이에 위치한 열전달 부재를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 상기 열전달 부재는, 써멀 레진층(400)을 포함할 수 있다. 모듈 프레임(200)의 일면이라 함은 모듈 프레임(200)을 구성하는 벽들 중 하나, 즉 제1 측면부(210), 제2 측면부(220), 상면부(230) 및 하면부(240) 중 하나를 의미할 수 있다.
일례로, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 하면부(240) 사이에 열전달 부재로서 써멀 레진층(400)이 위치할 수 있다.
전지셀(110)들의 일측이 써멀 레진층(400)에 접착될 수 있다. 구체적으로 써멀 레진층(400)은, 써멀 레진이 주입 또는 도포된 후 경화되어 형성될 수 있다. 상기 써멀 레진은 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 또는 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 써멀 레진은, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀(110)의 일측과 접착될 수 있다. 이에 따라 써멀 레진층(400)은 전지셀(110)들을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 써멀 레진층(400)은 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지 모듈의 하측으로 전달할 수 있다.
모듈 프레임(200)의 상기 일면에 주입홀(200H)이 형성될 수 있다. 일례로, 모듈 프레임(200)의 하면부(240)에 주입홀(200H)이 형성될 수 있다. 이러한 주입홀(200H)을 통해 상기 써멀 레진을 주입하여 써멀 레진층(400)이 형성될 수 있다.
특히, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)의 경우, 튜브(300)가 비어 있는 상태에서 전지셀 적층체(120)를 모듈 프레임(200)에 수납하고, 수납이 완료된 이후에 튜브(300)에 유체(F)를 공급할 수 있다.
종래의 전지 모듈의 경우, 전지셀들 사이에 폼(Foam) 형태의 패드를 배치하고, 이러한 전지셀들을 가압한 상태에서 모듈 프레임에 수납한다. 전지셀에 대한 소정의 가압력을 인가하기 위해 전지셀들을 강하게 가압한 채로 모듈 프레임에 수납한다. 전지셀의 두께가 큰 경우, 수납 시에 큰 가압력이 요구되며, 그로 인한 전지셀의 파우치 케이스 손상 등의 문제가 발생할 수 있다.
종래의 전지 모듈과 달리, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 내부가 비어있는 상태의 튜브(300)를 갖는 전지셀 적층체(120)를 모듈 프레임(200)에 수납하기 때문에 수납 과정에서 전지셀(110)이 손상될 가능성을 최소화할 수 있다. 수납 이후에 튜브(300)에 유체(F)를 주입하여 전지셀(110)을 가압하면 되기 때문에 수납 과정에서 전지셀(110)들을 강하게 가압할 필요가 없다. 따라서 전지셀(110)의 손상 가능성을 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 튜브(300)에 유체를 주입하여 전지셀(110)에 대한 초기 가압이 완료된 이후에 주입홀(200H)을 통해 써멀 레진을 주입하여 써멀 레진층(400)을 형성할 수 있다. 상술한 바 대로, 써멀 레진은 접착 특성을 가지고 있으므로, 경화된 써멀 레진층(400)은 전지셀(110)의 일측과 접착된 상태이다. 따라서, 이와 같이 본 실시예에서는 초기 가압이 완료된 이후에 써멀 레진층(400)을 형성하기 때문에, 전지셀(110)의 스웰링이 발생하더라도 전지셀(110)들과 써멀 레진층(400) 간의 접착 부분에서의 손상을 줄일 수 있다.
종합하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 튜브(300)에 유체(F)를 주입하는 과정과 모듈 프레임(200) 내부에 써멀 레진을 주입하는 과정을 조정하여, 전지셀(110)들을 수납하는 과정이나 이후 전지셀(110)이 스웰링하는 과정에서 손상이 발생하는 것을 최소화하고자 하였다. 또한, 튜브(300) 내 유입되는 유체(F)의 압력과 양을 조정하여, 전지셀(110)에 인가되는 가압력을 최적의 상태로 유지할 수 있다. 또한 전고체 전지 또는 Pure Si 전지의 경우, 초기 가압력이 높아야 전지셀의 성능이 잘 발현된다. 초기 가압력을 높이기 위해 본 실시예에서처럼 유체를 이용한 가압 수단을 사용할 수 있다. 또한, 후술하겠으나, 전지셀이 팽창하여도 유체가 튜브를 빠져나오면서 가압력이 계속 증가하지 않고 압력이 완화될 수 있다. 따라서, 전지 모듈의 변형을 완화할 수 있어, 구조 파손에 대한 위험을 줄일 수 있다.
도 5의 (a) 및 (b)는 도 4의 “A”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면들이다. 도 5의 (a)는 튜브(300) 내부에 유체(F)가 유입되는 상태를 모사한 것이고, 도 6의 (b)는 튜브(300)에 대한 압력이 일정 수준으로 도달하여 내부 유체(F)가 점진적으로 배출되는 상태를 모사한 것이다.
도 5의 (a) 및 (b)를 참고하면, 튜브(300)의 주입부(310)는 닫힌 미세홀 형태이고, 유체(F)가 압력을 받을 때, 미세홀 형태의 주입부(310)가 개방되어 유체(F)가 튜브(300)의 내부로 유입되거나 유입된 유체(F)가 튜브(300)로부터 배출될 수 있다.
먼저 도 5의 (a)를 참고하면, 유체 공급 장치(800, 도 4 참고)가 상술한 유체 펌프나 압력 수두를 이용해 유체(F)에 압력을 가하면, 미세홀 형태의 주입부(310)가 개방되어 유체(F)가 튜브(300)의 내부의 빈 공간(S)으로 유입될 수 있다.
한편, 도 5의 (b)를 참고하면, 전지셀(110)들의 충, 방전 과정에서 스웰링이 발생하여 전지셀(110)이 팽창할 경우, 튜브(300)에 압력이 가해진다. 튜브(300)와 그 안의 유체(F)에 가해지는 압력이 소정 이상이 되면, 미세홀 형태의 주입부(310)가 개방되어 유체(F)가 튜브(300)로부터 배출될 수 있다. 즉, 전지셀(110)의 스웰링 시, 튜브(300) 내의 유체(F)를 점진적으로 배출시킬 수 있다. 이에 따라, 전지 모듈(100a)의 퇴화에 따른 압력 상승을 방지하고, 전지셀(110)에 인가되는 과도한 압력을 완화하여 전지셀(110)에 인가되는 압력이 최적의 상태로 유지될 수 있다. 즉, 전지셀(110)이 팽창하여도 유체(F)가 튜브(300)를 빠져나오면서 전지셀(110)에 대한 가압력이 계속 증가하지 않고 압력이 완화될 수 있다. 따라서, 전지 모듈의 변형을 완화할 수 있어, 구조 파손에 대한 위험을 줄일 수 있다.
한편, 도 4를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)은, 전지셀(110)에 인접하게 배치되는 압축 패드(600)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 전지셀(110)들 사이 또는 최외측에 위치한 전지셀(110)의 바깥쪽에 압축 패드(600)가 배치될 수 있다. 압축 패드(600)는 폼(Foam) 형태의 부재로써, 전지셀(110)의 스웰링 시 팽창 변위를 일부 흡수할 수 있다. 본 실시예에서는, 유체(F)가 유입되는 튜브(300)를 포함하고 있기 때문에 종래에 비해 압축 패드(600)의 개수를 줄일 수 있다.
이하에서는 도 6 및 도 7 등을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100a)의 제조 방법에 대해 설명한다. 다만, 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분은 생략하도록 한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 전지 모듈의 단면도들이다.
도 2 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100a)의 제조 방법은, 복수의 전지셀(110)들이 적층된 전지셀 적층체(120) 및 전지셀 적층체(120) 내에서 전지셀(110)의 일 측에 적층되고 내부가 비어 있는 튜브(300)를 모듈 프레임(200) 내부에 수납하는 조립 단계 및 튜브(300)의 내부에 유체(F)를 주입하여 전지셀(110)들을 가압하는 초기 가압 단계를 포함한다.
상기 조립 단계에서, 모듈 프레임(200)의 개방된 상기 일측과 상기 타측에서 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 엔드 플레이트(900)들을 위치시키고, 엔드 플레이트(900)들과 모듈 프레임의 대응하는 모서리를 용접할 수 있다.
한편, 상술한 바 대로, 튜브(300)는 전지셀(110)들 사이에 위치하거나 최외측에 위치한 전지셀(110)의 바깥쪽에 위치할 수 있다. 상기 조립 단계에서 튜브(300)는 유체가 채워져 있지 않고 내부가 비어 있는 상태이다.
모듈 프레임(200)에 관통홀(200TH)이 형성되고, 튜브(300)는, 관통홀(200TH)을 통해 외부의 유체 공급 장치(800)와 연결된 주입부(310)를 포함한다. 유체 공급 장치(800)의 구체적인 구성이나 튜브(300)와 유체 공급 장치(800) 간의 연결 형태에 대해서는 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략한다.
도 6에 도시된 것처럼, 상기 초기 가압 단계에서, 유체 공급 장치(800)가 주입부(310)를 통해 튜브(300)의 내부에 유체(F)를 주입한다. 상기 초기 가압 단계는, 상기 조립 단계 이후에 이루어질 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 전지 모듈(100a)을 제조함에 있어, 상기 조립 단계가 완료된 이후에 튜브(300)에 유체(F)를 주입하여 전지셀(110)을 가압하면 되기 때문에 상기 조립 단계에서 전지셀(110)들을 강하게 가압할 필요가 없다. 따라서 전지셀(110)의 손상 가능성을 줄일 수 있다.
다음 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100a)의 제조 방법은, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 일면 사이에 써멀 레진을 주입하여 써멀 레진층(400)을 형성하는 레진 주입 단계를 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 모듈 프레임(200)의 상기 일면에 주입홀(200H)이 형성되고, 상기 레진 주입 단계에서, 주입홀(200H)을 통해 상기 써멀 레진을 주입할 수 있다.
일례로, 모듈 프레임(200)의 하면부(240)에 주입홀(200H)이 형성되고, 써멀 레진은 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 하면부(240) 사이에 주입될 수 있다. 주입 장치(810)가 주입홀(200H)을 통해 써멀 레진을 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 하면부(240) 사이에 주입할 수 있다.
주입된 써멀 레진이 경화되어 써멀 레진층(400)이 형성될 수 있다. 써멀 레진은 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있고, 경화되면서 전지셀(110)들의 일측과 접착될 수 있다.
이 때, 상기 레진 주입 단계는, 상기 초기 가압 단계 이후에 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 초기 가압 단계가 완료된 이후에 상기 레진 주입 단계가 이루어지기 때문에, 전지셀(110)의 스웰링이 발생하더라도 전지셀(110)들과 써멀 레진층(400) 간의 접착에서의 손상을 줄일 수 있다.
이하에서는, 도 8을 참고하여 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100b)과 그 제조 방법에 대해 자세히 설명하도록 한다. 다만, 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분은 생략하도록 한다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100b)은, 복수의 전지셀(110)들이 일 방향으로 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 내부에 수납하는 모듈 프레임(200) 및 전지셀 적층체(120) 내에서 전지셀(110)의 일 측에 적층되는 튜브(300)를 포함한다. 모듈 프레임(200)에 관통홀(200TH)이 형성되고, 튜브(300)는 관통홀(200TH)을 통해 외부의 유체 공급 장치(800)와 연결되는 주입부(310)를 포함한다. 유체 공급 장치(800)로부터 주입부(310)를 통해 튜브(300)의 내부에 유체(F)가 유입된다.
이 때, 전지 모듈(100b)은, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 일면 사이에 위치한 열전달 부재를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 열전달 부재는 써멀 패드(500)를 포함할 수 있다. 모듈 프레임(200)의 일면이라 함은 모듈 프레임(200)을 구성하는 벽들 중 하나, 즉 제1 측면부(210), 제2 측면부(220), 상면부(230) 및 하면부(240) 중 하나를 의미할 수 있다.
일례로, 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 하면부(240) 사이에 열전달 부재로서 써멀 패드(500)가 위치할 수 있다.
전지셀(110)들의 일측이 써멀 패드(500)에 접촉하되, 써멀 패드(500) 상에서 전지셀(110)들이 전지셀(110)들의 적층 방향으로 슬라이딩 가능하다. 써멀 패드(500)는, 앞서 설명한 써멀 레진층(400)과 달리, 접착 특성이 없다. 따라서, 전지셀(110)들의 일측이 써멀 패드(500)에 접촉하더라도 전지셀(110)들이 써멀 패드(500)에 접착 및 고정된 상태는 아니다.
써멀 패드(500)는, 열전도도가 높은 소재를 포함하고, 납작한 패드 형태일 수 있다. 써멀 패드(500)의 일면이 전지셀(110)들의 적층 방향과 평행하도록 배치되어 각 전지셀(110)들의 일측이 써멀 패드(500)에 접촉할 수 있다. 이러한 써멀 패드(500)는 열전도도가 좋은 실리콘 소재 또는 아크릴 소재를 포함할 수 있다. 전지셀(110)들에 발생한 열은, 전지셀(110)들의 일측에서 써멀 패드(500)를 거쳐 외부로 발산될 수 있다.
전지셀(110)들의 스웰링이 발생하여도, 전지셀(110)들이 써멀 패드(500)에 접착된 상태가 아니기 때문에 전지셀(110)들이 전지셀(110)들의 적층 방향으로 슬라이딩 가능하다. 즉, 도 8에서 전지셀(110)들은, 전지셀(110)들의 적층 방향인 y축과 평행한 방향으로 비교적 자유롭게 슬라이딩될 수 있다.
이에 따라, 스웰링이 일어나도, 전지셀(110)이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 전지셀(110)들 간 압력 편차뿐만 아니라 전지셀(110)내에서의 압력 편차를 줄일 수 있다.
특히, 모듈 프레임(200) 내부에 전지셀 적층체(120)가 배치된 이후 튜브(300)에 유체(F)가 유입되더라도, 전지셀(110)들이 써멀 패드(500)에 구속된 형태가 아니기 때문에 전지셀(110)들에 발생하는 가압력 편차를 최소화할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100b)은, 전지셀(110)에 인접하게 배치되는 압축 패드(600) 또는 냉각 플레이트(700) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 전지셀(110)들 사이 또는 최외측에 위치한 전지셀(110)의 바깥쪽에 압축 패드(600)나 냉각 플레이트(700)가 배치될 수 있다. 압축 패드(600)는 폼(Foam) 형태의 부재로써, 전지셀(110)의 스웰링 시 팽창 변위를 일부 흡수할 수 있다. 본 실시예에서는, 유체(F)가 유입되는 튜브(300)를 포함하고 있기 때문에 종래에 비해 압축 패드(600)의 개수를 줄일 수 있다.
냉각 플레이트(700)는, 전지셀(110)의 전지 본체(113, 도 3 참조)를 커버하도록 배치될 수 있다. 냉각 플레이트(700)는 열전도도가 높은 물질을 포함할 수 있고, 금속 소재를 포함할 수 있다. 일례로, 냉각 플레이트(700)는 얇은 알루미늄 플레이트일 수 있다. 이러한 냉각 플레이트(700)의 일 단부가 써멀 패드(500)와 접촉할 수 있다.
냉각 플레이트(700)는 전지셀(110)의 전지 본체(113, 도 3 참조)를 커버하기 때문에 전지셀(110)에 대한 면냉각이 가능해진다. 즉, 전지셀(110)에 대한 엣지 냉각만 가능한 써멀 패드(500)를 보완하여, 냉각 플레이트(700)를 배치함으로써, 전지 모듈(100b)에 대한 냉각 성능을 보완할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100b)의 제조 방법에 대해 설명한다. 다만, 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분은 생략하도록 한다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100b)의 제조 방법은, 복수의 전지셀(110)들이 적층된 전지셀 적층체(120) 및 전지셀 적층체(120) 내에서 전지셀(110)의 일 측에 적층되고 내부가 비어 있는 튜브(300)를 모듈 프레임(200) 내부에 수납하는 조립 단계 및 튜브(300)의 내부에 유체(F)를 주입하여 전지셀(110)들을 가압하는 초기 가압 단계를 포함한다.
모듈 프레임(200)에 관통홀(200TH)이 형성되며, 튜브(300)는, 관통홀(200TH)을 통해 외부의 유체 공급 장치(800)와 연결된 주입부(310)를 포함한다. 상기 초기 가압 단계에서, 유체 공급 장치(800)가 주입부(310)를 통해 튜브(300)의 내부에 유체(F)를 주입한다.
이 때, 조립 단계에서, 써멀 패드(500)를 모듈 프레임(200) 내부에 수납할 수 있다. 써멀 패드(500)는 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 일면 사이에 위치할 수 있다. 일례로, 써멀 패드(500)는 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 하면부(240) 사이에 위치할 수 있다.
튜브(300)가 포함된 전지셀 적층체(120)를 모듈 프레임(200) 내부에 수납할 때, 써멀 패드(500)도 함께 모듈 프레임(200) 내부로 수납될 수 있다. 써멀 레진을 주입하는 전지 모듈(100a)과 달리, 써멀 패드(500)를 수납하는 것이므로, 모듈 프레임(200)의 일면에는 주입홀이 형성될 필요가 없다.
상술한 바 대로, 전지셀(110)들의 일측이 써멀 패드(500)에 접촉하되, 써멀 패드(500) 상에서 전지셀(110)들은 전지셀(110)들의 적층 방향으로 슬라이딩 가능하다. 이에 대한 자세한 내용은 앞서 설명한 내용과 중복이므로 생략한다.
전지셀(110)들과 접촉되지만 접착되지 않는 써멀 패드(500)를 배치하였기 때문에 상기 초기 가압 단계가 이루어지거나 이후 전지셀(110)의 스웰링 발생하여도, 전지셀(110)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전지셀(110)들 간 압력 편차와 전지셀(110)내에서의 압력 편차를 모두 줄일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 체크 밸브를 포함하는 전지 모듈에 대해 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 체크 밸브를 포함하는 전지 모듈의 단면을 나타낸 부분 단면도이다.
도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 전지셀 적층체 내에서 전지셀의 일 측에 적층되는 튜브(300)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈은, 튜브(300)와 연결된 체크 밸브(320)를 더 포함할 수 있다. 일례로, 모듈 프레임(200)의 상면부(230)에 형성된 관통홀(200TH)를 통해 튜브(300)가 외부 장치(미도시)와 연결될 수 있다. 튜브(300)가 외부 장치(미도시)와 연결되는 경로에 체크 밸브(320)가 마련될 수 있다. 체크 밸브(320)가 모듈 프레임(200)의 외부에 위치한 것으로 도시되어 있으나, 모듈 프레임(200)의 내부에 위치해 있는 것도 가능하다.
체크 밸브(320)는, 유체를 한쪽 방향으로만 흐르게 하고 반대 방향으로는 흐르지 못하도록 하는　밸브이다. 일례로, 체크 밸브(320)는, 본체관(321), 스프링(322) 및 밸브 디스크(323)를 포함할 수 있다. 튜브(300) 내부의 유체의 압력이 상승되면, 스프링(322)이 압축되면서 밸브 디스크(323)가 열린다. 이에 따라 유체가 튜브(300)로부터 배출될 수 있다. 다만, 이는 체크 밸브(320)의 한 가지 실시예를 나타낸 것이고, 내부 유체 압력 상승에 따라 유체를 한쪽 방향으로만 흐르게 할 수 있는 구성이라면 제한 없이 적용 가능하다.
스웰링이 발생하여 전지셀(110)이 팽창할 경우, 튜브(300)에 압력이 가해진다. 튜브(300)와 그 안의 유체에 가해지는 압력이 소정 이상이 되면, 체크 밸브(320)가 개방되고 유체가 튜브(300)로부터 배출될 수 있다. 즉, 전지셀의 스웰링 시, 튜브(300) 내의 유체를 점진적으로 배출시킬 수 있다. 전지셀이 팽창하여도 유체가 튜브(300)를 빠져나오면서 전지셀(110)에 대한 가압력이 계속 증가하지 않고 압력이 완화될 수 있다. 따라서, 전지 모듈의 변형을 완화할 수 있어, 구조 파손에 대한 위험을 줄일 수 있다
한편, 본 실시예에 따른 전지셀은 Pure Si을 포함하는 전지셀일 수 있다. 이러한 전지셀의 성능이 원활히 발현되기 위해서는, 초기 가압력이 기존 전지셀 대비 10배 이상이 되어야한다. 본 실시예에 따른 전지 모듈에서와 같이 유체(F)를 주입한 튜브(300)를 통한 가압 방식은, Pure Si을 포함하는 전지셀이 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 높은 가압력을 일정하게 인가할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, Pure Si을 포함하는 전지셀에 이용되기 적합한 구조를 갖는다.
이하에서는, 도 10 내지 도 16을 참고하여, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 설계 방안에 대해 설명하도록 한다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 모듈 강성 곡선과 전지셀 적층체의 P-D 곡선을 나타낸 그래프들이다. 도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 모듈 강성 곡선의 범위를 나타낸 그래프이다.
도 2, 도 4, 도 10 내지 도 13을 함께 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100a)에서, 전지셀(110)들이 적층된 전지셀 적층체(120)가 모듈 프레임(200)에 수납될 수 있다. 전지 모듈 내에서 전지셀(110)들이 모듈 프레임(200)의 측면부(210)에서 다른 측면부(220)까지 일 방향을 따라 적층될 수 있다. 또한, 이웃한 전지셀(110)들 사이 또는 최외측의 전지셀(110)과 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220) 사이 중 적어도 한곳에 압축 패드(600)가 개재될 수 있다.
이 때, 모듈 프레임(200)에 기인한 모듈 강성 곡선(C1)과 전지셀(110)들이 스웰링 특성을 나타내는 전지셀 적층체(120)의 P-D(Pressure-Displacement) 곡선(C3)을 각각 산출하고, 이들을 하나의 그래프에 피팅(fitting)한다. 이후, 양 곡선들 간의 평형점(교점)을 찾는 방식으로 전지 모듈의 스웰링 거동을 예측할 수 있다.
도 10 내지 도 12에는 모듈 강성 곡선(C1, C1’, C”)과 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3) 간의 교점(P, P’, P”)들이 도시되어 있다. 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)은, 전지셀(110)들의 스웰링에 따라 전지셀(110)의 두께가 변화함에 있어, 변화 정도에 따라 전지셀(110)들이 받는 면압(Surface pressure)의 관계를 도시한 그래프이다. 이러한 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)은 전지셀(110)들의 EOL(End of Life) 상태에서 측정될 수 있다. 여기서, EOL이란 전지의 초기 용량(initial capacity) 대비 전지의 현재 용량의 비율이 미리 정한 비율에 도달했을 때의 상태를 지칭하는 것으로, 상기 비율은 80%일 수 있다. 즉, EOL은, 전지의 용량이 초기의 80%에 도달했을 때의 배터리 상태를 가리킬 수 있으며, 해당 전지의 수명이 종료되거나 교체가 필요한 상태에 해당할 수 있다. 한편, 모듈 강성 곡선(C1, C1’, C”)은, 전지셀(110)들이 적층되는 방향에 따른 모듈 프레임(200)의 폭(W)이 변화하는 정도와 모듈 프레임(200)에 가해지는 하중의 관계를 도시한 그래프이다. 전지셀(110)들이 적층되는 방향은 모듈 프레임(200)의 어느 한 측면부(210)에서 다른 측면부(220)까지의 방향에 해당하며, 이하에서 전지셀(110)들이 적층되는 방향은 폭 방향이라고 지칭한다. 또한, 모듈 프레임(200)의 폭(W, W’)은 어느 한 측면부(210)에서 다른 측면부(220)까지의 거리를 의미한다. 모듈 강성 곡선(C1)과 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3) 각각에 대해서는 아래에서 다시 자세히 설명하도록 한다.
모듈 강성 곡선(C1, C1’, C”)과 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)의 각각에서, X축은 변형률에 해당하고 단위는 %일 수 있고, Y축은 인가되는 면압(Surface pressure)에 해당하고 단위는 MPa일 수 있다.
모듈 강성 곡선(C1, C1’, C”)과 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3) 간의 교점(P, P’, P”)들은, 전지셀 적층체(120)의 스웰링에 따른 거동과 모듈 프레임(200)의 변형에 따른 거동이 평형을 이루는 지점에 해당한다. 바꾸어 말하면, EOL(End of Life) 상태에서 특정 P-D 곡선(C3)을 보이는 전지셀 적층체(120)가 특정 모듈 강성 곡선(C1)을 보이는 모듈 프레임(200)에 수납된 전지 모듈의 경우, 해당 전지 모듈은 EOL 상태에서 교점(P, P’, P”)에 해당하는 변형률과 면압을 갖는 것으로 예측할 수 있다. 즉, 해당 전지 모듈은 EOL 상태에서 폭 방향으로 교점(P, P’, P”)의 X축 값에 해당하는 만큼 변형되고, 교점(P, P’, P”)의 Y축 값에 해당하는 만큼 전지셀(110)들과 모듈 프레임(200)이 면압을 받는다.
이 때, 도 10에 도시된 것처럼 상기 교점(P)은, 변형 한계점(x1)과 압력 한계점(y1) 내에 위치하는 것이 바람직하다. 변형 한계점(x1)은 12%이고, 압력 한계점(y1)은 0.9MPa이다. 즉, 해당 교점(P)의 X축 값이 변형 한계점(x1)인 12% 이하이고, 해당 교점(P)의 Y축 값이 압력 한계점(y1)인 0.9MPa이하인 것이 바람직하다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, EOL 상태에서, 전지셀(110)들이 적층되는 방향의 변형률이 12% 이하이고, 전지셀(110)들에 인가되는 면압이 0.9MPa 이하일 수 있다.
도 11에 도시된 것처럼, 교점(P’)의 Y축 값이 압력 한계점(y1)을 넘어선 경우, EOL 상태에서 해당 전지 모듈의 전지셀(110)들과 모듈 프레임(200)에 압력 한계점(y1)을 넘어선 면압이 인가될 것으로 예측된다. 전지셀(110)들에 압력 한계점(y1)인 0.9MPa를 넘은 압력이 인가될 경우, sudden drop과 같은 전지셀(110)들의 수명 성능 저하의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 모듈 프레임(200)에 압력 한계점(y1)인 0.9MPa를 넘은 압력이 인가될 경우, 항복 강도를 넘어선 면압이 인가되어 모듈 프레임(200)이 손상 및 변형될 수 있다.
도 12에 도시된 것처럼, 교점(P”)의 X축 값이 변형 한계점(x1)을 넘어선 경우, EOL 상태에서 해당 전지 모듈이 폭 방향으로 변형 한계점(x1)보다 더 변형될 것으로 예측된다. 이는, 전지셀(110)들의 팽창에 따른 두께 변화가 과도하게 허용되는 것을 의미하고, 전지셀(110)내에서 전극 리드와 탭 간의 단선, 전지셀(110)의 파우치형 전지 케이스에 크랙 발생 등의 문제를 일으킬 수 있다. 또한, 변형 한계점(x1)인 12% 보다 더 전지 모듈이 변형될 것으로 예측되기 때문에 전지팩 내부에서 전지 모듈이 차지하는 공간이 과도하게 증가되고, 이는 전지 모듈과 전지팩의 에너지 밀도가 저하되는 것에 원인이 된다.
한편, 도 13을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 경우, 모듈 강성 곡선(C1)이, 0.00417 이상 및 0.225 이하의 기울기(MPa/%)의 기울기 범위에서 산출될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 모듈 강성 곡선(C1)이, 기울기(Sb) 값이 0.00417 MPa/%인 하한 모듈 강성 곡선(C1b)과, 기울기(Sa) 값이 0.225 MPa/%인 상한 모듈 강성 곡선(C1a) 사이의 범위에 형성될 수 있다. 모듈 강성 곡선(C1)과 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3) 간의 교점(P)이 변형 한계점(x1)과 압력 한계점(y1) 내의 범위에 위치하기 위해서, 모듈 강성 곡선(C1)이, 0.00417 이상 및 0.225 이하의 기울기(MPa/%) 범위에서 산출되는 것이 바람직하다.
이하에서는, 모듈 강성 곡선(C1)에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 모듈 강성 곡선(C1)은, 상술한 것처럼, 전지셀(110)들이 적층되는 방향에 따른 모듈 프레임(200)의 폭이 변화하는 정도와 모듈 프레임(200)에 가해지는 하중의 관계를 도시한 그래프이다. 모듈 강성 곡선(C1)의 관점에서 X축은 모듈 프레임(200)이 폭 방향을 따른 변형률(%)에 해당한다. 상기 변형률은, 변형되기 전의 모듈 프레임(200)의 폭 대비, 폭 방향을 따라 변형된 모듈 프레임(200)의 폭을 토대로 계산될 수 있다. 예를 들어, 변형되기 전의 모듈 프레임(200)의 폭 대비, 모듈 프레임(200)의 폭이 변형된 정도의 비율로 상기 변형률이 계산될 수 있다. 모듈 강성 곡선(C1)의 관점에서 Y축은, 모듈 프레임(200)의 변형률에 따라 모듈 프레임(200)의 측면부(210, 220)에 인가되는 면압(MPa)에 해당할 수 있다.
모듈 강성 곡선(C1)을 산출하기 위해 우선 프레임 강성 곡선을 산출할 수 있다. 프레임 강성 곡선은, 모듈 프레임(200)이 변형률과 모듈 프레임(200)에 인가되는 면압의 관계에 대한 그래프이다. 이러한 프레임 강성 곡선은, 수회의 실제 테스트 또는 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있다. 예를 들어, 모듈 프레임(200)에 실제 힘을 인가하고 이에 따른 모듈 프레임(200)의 폭 방향 변형 정도를 측정하는데, 인가되는 힘을 변화시켜가면서 반복 수행함으로써 프레임 강성 곡선을 도출해낼 수 있다. 이러한 프레임 강성 곡선에 압축 패드(600)에 따른 영향을 고려하여 모듈 강성 곡선(C1)이 도출될 수 있다. 구체적으로, 압축 패드(600)에 인가되는 면압 대비 압축 패드(600)가 압축되는 정도 및 압축 패드(600)의 개수를 프레임 강성 곡선에 반영하여 최종적으로 모듈 강성 곡선(C1)이 도출될 수 있다.
이하에서는 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)에 대해 자세히 설명하도록 한다. 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)은, 상술한 것처럼, 스웰링에 따라 전지셀(110)의 두께가 변화함에 있어, 변화 정도에 따라 전지셀(110)들이 받는 면압의 관계를 도시한 그래프이다. 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)의 관점에서, X축은, 전지셀 적층체(120)의 폭 방향에 따른 변형률(%)에 해당할 수 있고, Y축은 전지셀 적층체(120)에 포함되는 전지셀(110)들에 인가되는 면압(MPa)에 해당할 수 있다.
이하에서는 도 14 및 도 15를 참고하여, 이러한 전지셀 적층체의 P-D 곡선(C3)을 산출하는 과정에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 14는 단일의 전지셀에 대한 P-D 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 14를 참고하면, 단일의 전지셀(110)의 충, 방전 싸이클에 따른 두께 변화량과 면압을 측정할 수 있다. 구체적으로, 두께 변화가 제한되는 고정 지그 내에 단일의 전지셀(110)을 위치시킨 뒤 충, 방전 싸이클을 반복한다. 이후, 해당 고정 지그에 배치된 로드셀을 통해 a0의 면압 값을 측정한다. 측정된 a0는 Y축 상의 P0로 표시된다. 다음 스프링 등에 의해 두께 변화가 가능한 가변 지그 내에 단일의 전지셀(110)을 위치시킨 뒤, 충, 방전 싸이클을 반복한다. 이후, 해당 가변 지그에 배치된 로드셀을 통해 a1의 면압 값을 측정하고, 전지셀(110)의 증가된 두께를 측정하여 b1의 두께 변형률을 계산한다. 해당 a1과 b1은 P1 지점으로 표시된다. 가변 지그의 스프링 상수를 달리하고 상기 측정 과정을 반복하여 a2, a3, a4의 면압 값들과 b2, b3, b4의 변형률 값들 각각 측정한다. 이러한 값들을 바탕으로 좌표 점 P2, P3, P4를 표시하고, 하나의 곡선 C2를 도출할 수 있다. 그리고, 이와 같이 도출된 곡선(C2)이 단일의 전지셀의 P-D(Pressure-Displacement) 곡선에 해당한다.
도 15는, 단일의 전지셀에 대한 P-D 곡선과 전지셀 적층체의 P-D 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 14와 도 15를 함께 참고하면, 도 14에서 설명한 과정을 통해 얻어진 단일의 전지셀의 P-D 곡선(C2)에, 전지셀 적층체(120)에 포함된 전지셀(110)들의 개수를 반영하여 전지셀 적층체(120)의 P-D 곡선(C3)를 얻을 수 있다. 전지셀(110)들의 개수가 많아질수록 변형 정도에 따라 요구되는 면압이 증가하기 때문에 전지셀 적층체(120)의 P-D 곡선(C3)은 단일의 전지셀의 P-D 곡선(C2)에 비해 당연히 위쪽 부분에 위치하게 된다.
도 16은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4에 대한 모듈 강성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 16을 참고하면, 실시예 1 내지 4 각각의 모듈 강성 곡선이 도시되어 있다. 전지셀 적층체의 P-D 곡선들은 도시되어 있지 않으나, 실시예 1 내지 4 각각의 모듈 강성 곡선이, 실시예 1 내지 4 각각의 전지셀 적층체의 P-D 곡선과 만나는 평형점(교점)은 표시가 되어 있다.
상술한 방식에 따라 예측되는 전지 모듈의 스웰링 거동을 살펴보면, EOL 상태에서 실시예 1의 전지 모듈은, 5.4% 만큼 폭 방향으로 변형되고, 내부의 전지셀들과 모듈 프레임은 0.8MPa의 면압을 받을 것으로 예측된다. 또한, EOL 상태에서 실시예 2의 전지 모듈은, 6.7% 만큼 폭 방향으로 변형되고, 내부의 전지셀들과 모듈 프레임은 0.71MPa의 면압을 받을 것으로 예측된다. 또한, EOL 상태에서 실시예 3의 전지 모듈은, 6.1% 만큼 폭 방향으로 변형되고, 내부의 전지셀들과 모듈 프레임은 0.29MPa의 면압을 받을 것으로 예측된다. 마지막으로, EOL 상태에서 실시예 4의 전지 모듈은, 9.3% 만큼 폭 방향으로 변형되고, 내부의 전지셀들과 모듈 프레임은 0.44MPa 만큼 면압을 받을 것으로 예측된다.
실시예 1 내지 4의 전지 모듈 모두, EOL(End of Life) 상태에서, 전지셀들이 적층되는 방향의 변형률이 12% 이하이고, 상기 전지셀들에 인가되는 면압이 0.9MPa 이하이다. 또한, 실시예 1 내지 4의 전지 모듈은, 모듈 강성 곡선이, 0.00417 이상 및 0.225 이하의 기울기(MPa/%) 범위에서 산출된다. 즉, 실시예 1 내지 4의 전지 모듈의 모듈 강성 곡선은, 기울기(Sb) 값이 0.00417 MPa/%인 하한 모듈 강성 곡선(C1b)과, 기울기(Sa) 값이 0.225 MPa/%인 상한 모듈 강성 곡선(C1a) 사이의 범위에 형성될 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100a, 100b: 전지 모듈
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
200: 모듈 프레임
200TH: 관통홀
300: 튜브
400: 써멀 레진층
500: 써멀 패드
600: 압축 패드

Claims (20)

  1. 복수의 전지셀들이 일 방향으로 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 내부에 수납하는 모듈 프레임; 및
    상기 전지셀 적층체 내에서 상기 전지셀의 일 측에 적층되는 튜브를 포함하고,
    상기 모듈 프레임에 관통홀이 형성되며,
    상기 튜브는, 상기 관통홀을 통해 외부의 유체 공급 장치와 연결되는 주입부를 포함하고, 상기 유체 공급 장치로부터 상기 주입부를 통해 상기 튜브의 내부에 유체가 유입되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 일면 사이에 위치한 열전달 부재를 더 포함하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 열전달 부재는 써멀 레진층을 포함하고,
    상기 전지셀들의 일측이 상기 써멀 레진층에 접착되는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 모듈 프레임의 상기 일면에 주입홀이 형성된 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 주입홀을 통해 써멀 레진을 주입하여 상기 써멀 레진층이 형성된 전지 모듈.
  6. 제2항에서,
    상기 열전달 부재는 써멀 패드를 포함하고,
    상기 전지셀들의 일측이 상기 써멀 패드에 접촉하되, 상기 써멀 패드 상에서 상기 전지셀들이 상기 전지셀들의 적층 방향으로 슬라이딩 가능한 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 전지셀에 인접하게 배치되는 냉각 플레이트 또는 압축 패드 중 적어도 하나를 더 포함하는 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 주입부는 닫힌 미세홀 형태이고,
    상기 유체가 압력을 받을 때, 미세홀 형태의 상기 주입부가 개방되어, 상기 유체가 상기 튜브의 내부로 유입되거나 유입된 유체가 상기 튜브로부터 배출되는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 튜브는 연질 또는 탄성 재질이고,
    상기 튜브의 내부에 유입되는 상기 유체는, 액체 또는 겔 상태인 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 튜브와 연결된 체크 밸브를 더 포함하는 전지 모듈.
  11. 제1항에서,
    상기 전지셀들이 상기 모듈 프레임의 측면부에서 다른 측면부까지 일 방향을 따라 적층되고,
    이웃한 상기 전지셀들 사이 또는 최외측의 상기 전지셀과 상기 모듈 프레임의 측면부 사이 중 적어도 한곳에 압축 패드가 개재되며,
    EOL(End of Life) 상태에서, 상기 전지셀들이 적층되는 방향의 변형률이 12% 이하이고, 상기 전지셀들에 인가되는 면압이 0.9MPa 이하인 전지 모듈.
  12. 제11항에서,
    상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선이, 0.00417 이상 및 0.225 이하의 기울기(MPa/%) 범위에서 산출되고,
    상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선은, 상기 모듈 프레임의 변형률과 상기 모듈 프레임에 인가되는 면압 간의 관계에 대응하는 전지 모듈.
  13. 제12항에서,
    상기 전지 모듈의 모듈 강성 곡선은, 상기 모듈 프레임의 프레임 강성 곡선에, 상기 압축 패드에 인가되는 면압 대비 상기 압축 패드가 압축되는 정도 및 상기 압축 패드의 개수를 반영하여 도출되는 전지 모듈.
  14. 복수의 전지셀들이 적층된 전지셀 적층체 및 상기 전지셀 적층체 내에서 상기 전지셀의 일 측에 적층되고 내부가 비어 있는 튜브를 모듈 프레임 내부에 수납하는 조립 단계; 및
    상기 튜브의 내부에 유체를 주입하여 상기 전지셀들을 가압하는 초기 가압 단계를 포함하고,
    상기 모듈 프레임에 관통홀이 형성되며,
    상기 튜브는, 상기 관통홀을 통해 외부의 유체 공급 장치와 연결된 주입부를 포함하고,
    상기 초기 가압 단계에서, 상기 유체 공급 장치가 상기 주입부를 통해 상기 튜브의 내부에 유체를 주입하는 전지 모듈의 제조 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 초기 가압 단계는, 상기 조립 단계 이후에 이루어지는 전지 모듈의 제조 방법.
  16. 제14항에서,
    상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 일면 사이에 써멀 레진을 주입하여 써멀 레진층을 형성하는 레진 주입 단계를 더 포함하는 전지 모듈의 제조 방법
  17. 제16항에서,
    상기 모듈 프레임의 상기 일면에 주입홀이 형성되고,
    상기 레진 주입 단계에서, 상기 주입홀을 통해 상기 써멀 레진을 주입하는 전지 모듈의 제조 방법.
  18. 제16항에서,
    상기 레진 주입 단계는, 상기 초기 가압 단계 이후에 이루어지는 전지 모듈의 제조 방법.
  19. 제14항에서,
    상기 조립 단계에서, 써멀 패드를 상기 모듈 프레임 내부에 수납하고,
    상기 써멀 패드는 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 일면 사이에 위치하는 전지 모듈의 제조 방법.
  20. 제19항에서,
    상기 전지셀들의 일측이 상기 써멀 패드에 접촉하되, 상기 써멀 패드 상에서 상기 전지셀들이 상기 전지셀들의 적층 방향으로 슬라이딩 가능한 전지 모듈의 제조 방법.
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