KR20230149124A - 액침 냉각부를 포함하는 캔형 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본원발명은 원통형 전지셀 또는 각형 전지셀을 포함하는 전지모듈에 있어서, 상기 원통형 전지셀 또는 각형 전지셀의 일부가 냉각액에 잠기고 온도가 상승시 구멍이 녹아 상기 냉각액 전지모듈 전체로 분산될 수 있는 액침 냉각부를 포함하는 캔형 전지모듈에 관한 것이다.

Description

액침 냉각부를 포함하는 캔형 전지모듈{Can type battery module comprising immersion cooling part}
본원발명은 액침 냉각부를 포함하는 캔형 전지모듈에 관한 것이다. 구체적으로 원통형 전지셀 또는 각형 전지셀을 포함하는 전지모듈에 있어서, 상기 원통형 전지셀 또는 각형 전지셀의 일부가 냉각액에 잠기고 상기 냉각액이 순환하는 액침 냉각부를 포함하는 캔형 전지모듈에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 원통형 또는 각형의 금속 캔에 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 이차전지 및 각형 이차전지, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류된다. 그 중 원통형 이차전지는 상대적으로 용량이 크고 구조적으로 안전하다는 장점이 있다.
원통형 이차전지는 원통형 전지케이스에 젤리-롤형 전극조립체를 내장하며, 상기 젤리-롤형 전극조립체는 긴 시트형태의 양극과 음극 사이에 분리막이 개재된 상태로 권취되어 제조된다. 캔의 내부에 권취된 전극조립체를 삽입한 후 상부에 탑 캡 어셈블리를 결합하고 실링하여 완성한다.
많은 장치에서 전지셀은 그대로 사용되지 않고, 전지셀을 다수 결합한 전지모듈 또는 전지모듈을 다수 결합한 전지팩 형태로 사용되고 있다.
에너지 밀도가 높은 전지모듈을 제조하기 위해서는 내부 공간을 줄여야 하며 이를 위해서, 전지셀들이 밀착되도록 배치해야 한다. 이 경우 전지셀 중 외부로 온전히 노출되는 부분은 상면과 하면 뿐이다.
전지모듈의 냉각을 위해서 캔형 전지셀의 상부 또는 하부에 히트 싱크를 배치하고 전도에 의해서 열을 배출하였다. 전지셀의 측면에도 히트 싱크를 배치할 수 있으나, 부피를 많이 차지하여 에너지 밀도가 높은 전지모듈을 제조하는 기술 흐름에 부합하지 않는다.
원통형 또는 각형 전지셀 중 상부 및 하부는 외부로 노출되는 부분은 전체 면적의 10% 정도에 불과하며, 전지의 충방전 중에 열이 주로 발생하는 측면부는 주변의 전지셀에 의해 막혀 있다.
이와 같이 종래의 히트 싱크 방식에 냉각은 의한 효율이 매우 낮고 구조적으로 높은 발열에 대응할 수 없다는 근본적인 문제가 있다. 전도에 의한 히트 싱크의 효율을 조금이라도 높이기 위해서 히트 싱크에 냉매를 접촉시킬 수 있으나, 구조 상의 근본적인 제약으로 높은 발열에 대응하기에는 한계가 있다.
특허문헌 1은 복수의 전지셀(30)이 배치된 전지모듈에서, 전지셀(30)의 상부와 하부를 각각 공간 S2와 공간 S로 구분하는 지지 트레이(40), 상기 지지 트레이(40)의 하부인 공간 S에 배치되는 냉각 매체인 액체가 개시되어 있다. 상기 지지 트레이(40)는 실질적으로 각각의 전지셀을 개별적으로 지지하면서 전지셀의 측면을 모두 감싸는 형태인바, 종래의 히트싱크를 전지 전체 면적으로 확대한 것에 불과하다. 이 경우 공간을 많이 차지하며, 열전달이 우선 히트싱크를 통해서 진행되는바, 에너지 밀도가 낮고, 냉각 효율에 한계가 있고, 또한 구조가 복잡하다는 문제가 있다.
특허문헌 2에는 칸막이벽(32)과 여기에 이차전지가 다수 배치되어 있다. 특허문헌 2는 전지에서 발생하는 유해 가스의 확산을 방지하기 위한 것으로서 냉각과는 관련이 없고, 또한 냉각액을 사용하는 기술에 대해서는 적용할 수 없다.
이와 같이 복수의 전지셀을 포함하는 전지모듈, 특히 에너지 밀도를 높이기 위해서 전지셀을 밀착시킨 전지모듈에 있어서, 공간상의 제약을 극복하면서 이들의 냉각 성능을 높이고 또한 안정성도 향상시킬 수 있는 개선된 해결책이 필요하다.
일본 공개특허공보 제2014-89822호 ('특허문헌 1') 일본 공개특허공보 제2010-192209호 ('특허문헌 2')
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 에너지 밀도가 높은 복수의 전지셀이 밀착된 전지모듈 또는 전지팩에 있어서, 냉각 성능을 높이고 또한 안정성도 향상시킬 수 있는 신규한 전지모듈 또는 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 2개 이상의 전지셀, 상기 전지셀의 상부와 하부를 구분하는 내부격벽, 상기 내부격벽의 하부에 배치된 냉각액을 포함하는 전지모듈에 있어서, 상기 내부격벽은 상기 전지셀이 끼워져서 고정되는 전지셀홀, 상기 내부격벽을 관통하는 관통홀, 상기 관통홀의 구멍을 막는 안전실링부를 포함할 수 있다.
상기 전지모듈 내에서 전지셀은 수직으로 배치되며, 상기 내부격벽은 판형태로서 수평으로 배치될 수 있다. 상기 전지셀은 원통형 전지셀 또는 각형 전지셀이다.
상기 내부격벽은 열에 의해서 변형이 일어나지 않으면서 판 형태인 내부격벽의 전체적인 형태를 유지하는 지지층, 상기 전지셀홀에 배치된 각각의 전지셀 주변을 실링하는 실링부층, 상기 안전실링부를 포함하는 안전실링부층을 포함할 수 있다.
상기 지지층 반드시 별도의 층으로 존재하며 전지모듈 내부 전체에 걸쳐서 배치되어 있을 수 있다. 상기 지지층으로 사용될 수 있는 소재는 폴리올레핀, 금속, 세라믹을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 실링부층은 별도의 층으로 구성되어 상기 지지층의 상부 또는 하부에 배치되거나, 상기 전지셀홀의 주변에만 존재하는 탄성 소재로 구성될 수 있다. 상기 안전실링부층은 별도의 층으로 구성되어 상기 지지층의 상부 또는 하부에 배치되거나, 상기 관통홀과 이의 주변에만 존재하거나, 상기 지지층과 같은 높이로서 상기 지지층에 마련된 관통홀을 막는 형태일 수 있다.
내부격벽의 다른 예시로는 지지층, 실링부층, 안전실링부층의 3층으로 구성될 수 있다.
상기 안전실링부는 상기 전지셀의 이상 온도 이상에서 녹는 물질을 포함할 수 있으며, 상기 전지셀의 이상 온도 이상에서 녹는 물질은 폴리올레핀, 실리콘, 우레탄을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 폴리올레핀은 구체적으로 PE, PP, PC일 수 있다.
상기 냉각액은 난연성 물질일 수 있으며, 상기 난연성 물질은 물, 하이드로플루오로에테르(HFE), 플루오로케톤, 에틸렌글리콜을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
한편 상기 냉각액은 상기 전지셀의 이상 온도 이상에서 기화될 수 있다.
상기 실링부층은 실리콘 또는 폴리우레탄을 포함할 수 있으며, 전해액에 반응하지 않으면서 탄성력이 있는 소재이면 사용이 가능하다.
상기 전지모듈의 하부에는 상기 냉각액의 입출이 가능한 입출포트가 마련될 수 있으며 상기 입출포트를 통해서 상기 냉각액은 순환이 가능하다.
상기 전지셀은 외부에 별도의 코팅층 또는 수지층이 마련되지 않을 수 있다. 금속의 원통형 캔 또는 각형 캔의 외부가 별도의 코팅층이나 수지층 없이 직접 상기 냉각액과 접함으로써, 열전도 효율을 높일 수 있다.
본원발명은 또한 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩, 상기 전지모듈을 포함하는 장치를 제공한다.
본원발명은 또한 상기 과제의 해결 수단들을 조합하여서도 제공이 가능하다.
본원발명은 에너지 밀도가 높으면서 안전성이 높은 전지모듈을 제공할 수 있다. 본원발명에 따른 전지모듈은 전지셀이 서로 서로 밀착된 상태이나 종래의 전지모듈에 대비하여 냉각 성능이 높아 전지셀의 과열을 방지할 수 있다. 또한 전지모듈의 내부의 온도가 올라가거나, 화염 등이 발생한 상황에서는 안전실링부가 개방되어 냉각액이 전지모듈의 내부 온도를 낮춰주거나 화염을 억제할 수 있다.
도 1은 본원발명에 따른 전지모듈의 단면 모식도이다.
도 2는 본원발명에 따른 전지모듈의 안전실링부가 녹기 전과 후를 나타내는 단면 모식도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
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 경우뿐만 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.
이하, 본원발명에 따른 전지모듈에 대해서 설명한다.
도 1은 본원발명에 따른 전지모듈의 단면 모식도이며, 도 2는 본원발명에 따른 전지모듈의 안전실링부가 녹기 전과 후를 나타내는 단면 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본원발명에 따른 전지모듈(10)은 2개 이상의 전지셀(100), 상기 전지셀(100)의 상부와 하부를 구분하는 내부격벽(500), 상기 내부격벽(500)의 하부에 배치된 냉각액(300)을 포함하는 전지모듈(10)에 있어서, 상기 내부격벽(500)은 상기 전지셀(100)이 끼워져서 고정되는 전지셀홀(510), 상기 내부격벽(500)을 관통하는 관통홀(520), 상기 관통홀(520)의 구멍을 막는 안전실링부(530)를 포함할 수 있다.
상기 전지모듈(10) 내에서 전지셀(100)은 수직으로 배치되며, 상기 내부격벽(500)은 판형태로서 수평으로 배치될 수 있다. 도 1 내지 도 2는 예시로서 원통형 전지셀을 나타내고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 내부격벽(500)은 열에 의해서 변형이 일어나지 않으면서 판 형태인 내부격벽(500)의 전체적인 형태를 유지하는 지지층(540), 상기 전지셀홀(510)에 배치된 각각의 전지셀(100) 주변을 실링하는 실링부층(550), 상기 안전실링부(530)를 포함하는 안전실링부층(560)을 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2에서 점선으로 표시된 부분은 세부 확대도이다. 실링부층(550)은 도출된 부분이 전지셀(100)과 접하면서 실링이 되는 것으로 나타내었다. 도면에서는 돌출된 부분을 1개만 나타냈으나 실링되는 기작을 볼 때 1개 이상의 돌출된 부분에 의해서도 실링이 가능하다.
상기 실링부층(550)은 실리콘 또는 폴리우레탄을 포함할 수 있으며, 전해액에 반응하지 않으면서 탄성력이 있는 소재면 사용이 가능하다.
상기 지지층(540)은 반드시 별도의 층으로 존재하며 전지모듈 내부 전체에 걸쳐서 배치되어 있다. 상기 지지층(540)으로 사용될 수 있는 소재는 폴리올레핀, 금속, 세라믹을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 실링부층(550)은 별도의 층으로 구성되어 상기 지지층(540)의 상부에 배치되어 있다. 상기 안전실링부층(560) 또한 별도의 층으로 구성되어 상기 실링부층(550)의 상부에 배치되었다. 도 1 및 도 2에 따른 내부격벽(500)은 지지층(540), 실링부층(550), 안전실링부층(560)의 3층으로 구성되어 있다.
상기 안전실링부(530)는 상기 전지셀(100)의 이상 온도 이상에서 녹는 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 폴리올레핀, 실리콘, 우레탄을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 구체적으로 폴리올레핀은 PE, PP, PC일 수 있다.
상기 냉각액(300)은 난연성 물질일 수 있으며, 구체적으로 물, 하이드로플루오로에테르(HFE), 플루오로케톤, 에틸렌글리콜을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
전지모듈의 온도가 상승하여 상기 안전실링부(530)가 용융될 수 있는 온도에 도달하면 (도 2의 아래쪽 그림) 상기 안전실링부(530)가 용융되어 결국 내부격벽(500)이 개방되고 이를 통해서 냉각액(300)이 기화되어 전지모듈의 내부 온도를 낯추거나 화염을 억제할 수 있다.
상기 전지모듈(10)의 하부에는 상기 냉각액(300)의 입출이 가능한 입출포트(400)가 마련될 수 있으며 상기 입출포트(400)를 통해서 상기 냉각액(300)은 순환이 가능하다. 상기 냉각액(300)은 별도의 펌프(도면 미기재)에 의해서 순환될 수 있다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
10 : 본원발명에 따른 전지모듈
100 : 전지셀
200 : 전지모듈 케이스
300 : 냉각액
400 : 입출포트
500 : 내부격벽
510 : 전지셀홀
520 : 관통홀
530 : 안전실링부
540 : 지지층
550 : 실링부층
560 : 안전실링부층

Claims (12)

  1. 2개 이상의 전지셀;
    상기 전지셀의 상부와 하부를 구분하는 내부격벽;
    상기 내부격벽의 하부에 배치된 냉각액;
    을 포함하는 전지모듈에 있어서,
    상기 내부격벽은,
    상기 전지셀이 끼워져서 고정되는 전지셀홀;
    상기 내부격벽을 관통하는 관통홀;
    관통홀의 구멍을 막는 안전실링부;
    를 포함하는 전지모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀은 원통형 전지셀 또는 각형 전지셀인 전지모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부격벽은,
    열에 의해서 변형이 일어나지 않으면서 판 형태인 내부격벽의 전체적인 형태를 유지하는 지지층;
    상기 전지셀홀에 배치된 각각의 전지셀 주변을 실링하는 실링부층;
    상기 안전실링부를 포함하는 안전실링부층;
    을 포함하는 전지모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안전실링부는 상기 전지셀의 이상 온도 이상에서 녹는 물질을 포함하는 전지모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전지셀의 이상 온도 이상에서 녹는 물질은 폴리올레핀, 실리콘, 우레탄을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상인 전지모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각액은 난연성 물질인 전지모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 난연성 물질은 물, 하이드로플루오로에테르(HFE), 플루오로케톤, 에틸렌글리콜을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상인 전지모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각액은 상기 전지셀의 이상 온도 이상에서 기화되는 전지모듈.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 실링부층은 실리콘 또는 폴리우레탄을 포함하는 전지모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전지모듈의 하부에는 상기 냉각액의 입출이 가능한 입출포트가 마련된 전지모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀은 외부에 별도의 코팅층 또는 수지층이 마련되지 않은 전지모듈.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 전지모듈을 포함하는 전지팩.
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