KR20240031474A - 안전성이 향상된 배터리 팩 - Google Patents

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신주환
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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 상기 배터리 팩은 내부에 수용된 복수의 셀 스택 조립체 중 임의의 조립체에서 열 폭주가 발생되는 경우 발생된 열이나 이로 인한 화염 등이 인접한 조립체로 전파되는 것을 최소화할 수 있으므로, 배터리 팩의 발화나 폭발에 대한 안전성이 향상되는 이점이 있다.

Description

안전성이 향상된 배터리 팩{BATTERY PACK WITH IMPROVED SAFETY}
본 발명은 안전성이 향상된 배터리 팩에 관한 것이다.
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 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극활물질과 음극활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 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 전력저장장치(Energy Storage System; ESS)와 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이차 전지는 배터리 팩에 구비되어 중대형 장치 등에 장착되는데, 이때 배터리 팩의 용량 및 출력을 높이기 위해 배터리 팩에는 많은 수의 이차 전지가 포함되어 상호 전기적으로 연결된다. 여기서, 다수의 이차 전지는 하나의 모듈 케이스 내부에 수납되어 하나의 배터리 모듈을 구성하고, 다수의 배터리 모듈이 하나의 팩 케이스 내부에 수납되어 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.
통상적으로, 이차 전지는 적정 온도보다 높은 환경에서 사용되는 경우 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 더욱이, 다수의 이차 전지를 이용하여 배터리 팩을 구성할 때에는 좁은 공간에서 다수의 이차 전지로부터 나오는 열이 합산되어 배터리 팩의 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 특히, 실외에서 주로 사용되는 차량용 배터리 팩이나 전력 저장 장치용 배터리 팩 등의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 심한 고온 조건에 놓여질 수 있다.
더욱이, 배터리 팩에 구비된 여러 배터리 모듈 중 일부 배터리 모듈, 또는 배터리 팩에 구비된 여러 이차 전지 중 일부 이차 전지에서 비정상적인 상황이 발생하여 발열이 생길 수 있다. 이러한 발열은 배터리의 온도를 지속적으로 상승시켜 소정의 임계 온도를 넘어서게 되면, 열 폭주(thermal runaway) 상황으로 나아갈 수 있다. 이러한 열 폭주가 복수의 배터리 셀들이 적층된 배터리 모듈 또는 배터리 팩 내부에서 발생되는 경우, 배터리 셀의 폭발이나 발화가 유도될 수 있다. 이 경우, 정상적으로 작동하는 다른 배터리 셀로 화염이 전파되어 복수의 배터리 셀들이 연쇄적으로 폭발하므로, 배터리 모듈/팩이 장착된 장치에 손상이 발생할 수 있고 사용자가 안전사고의 위험에 노출될 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2022-0029941호
이에, 본 발명의 목적은 발열이나 열 폭주 상황에서 셀간 열 및/또는 화염의 전파가 지연되어 안전성이 개선된 배터리 팩을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
복수의 셀 스택 조립체가 수용된 배터리 팩으로서,
셀 스택 조립체가 위치하는 셀 스택 영역을 포함하는 베이스 플레이트; 및 상기 셀 스택 영역을 감싸도록 베이스 플레이트의 테두리를 따라 수직 방향으로 연장되어 결합되는 측면 팩 프레임을 포함하는 팩 케이스와,
셀 스택 영역에 위치하는 셀 스택 조립체의 상부에 위치하여 팩 케이스의 상단부와 결합되는 팩 케이스 커버를 포함하고,
상기 셀 스택 조립체는 외측에 내열 플라스틱 매트릭스를 포함하는 격리 부재를 포함하며,
상기 격리 부재는 800 내지 1000℃의 불꽃과 5분 이상 접촉 시 액적이 미형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
이때, 상기 격리 부재는 내열 플라스틱 매트릭스에 섬유 구조체가 분산된 단층 구조의 시트를 포함할 수 있다.
상기 내열 플라스틱 매트릭스로는 아크릴로니트릴계 수지, 아크릴계 수지, 벤즈이미다졸계 수지, 인돌린계 수지, 이미드계 수지, 아미드계 수지, 페닐렌옥사이드계 수지, 부틸렌테레프탈레이트계 수지 및 이들의 공중합 수지 중 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 섬유 구조체는 유리 섬유, 탄소 섬유 및 아라미드 섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 그 함량은 격리 부재 전체 중량에 대하여 5 내지 40 중량%로 조절될 수 있다.
아울러, 상기 셀 스택 조립체의 상면에 구비된 격리 부재는 복수의 배기구를 포함할 수 있다.
또한, 상기 팩 케이스 커버와 격리 부재 사이에는 화염 전파 방지 시트를 구비할 수 있다.
이때, 상기 화염 전파 방지 시트는 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 규산염으로 구성된 규산염 시트일 수 있다.
하나의 예로서, 상기 화염 전파 방지 시트는 화염전파 방지시트는 백운모, 펜자이트, 셀라도나이트, 파라고나이트, 마가라이트, 금운모, 흑운모, 애나이트, 철운모, 시데로필라이트, 클린토나이트, 리튬 백운모, 트릴리티오나이트, 폴리리티오나이트, 진왈다이트 및 태니올라이트 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 격리 부재는 팩 케이스 내부에 수용된 셀 스택 조립체의 셀 적층 방향에 대하여 수직이 되도록 마련된 복수의 배기구를 포함하고, 화염 전파 방지 시트는 상기 격리 부재의 배기구를 따라 부분 절개된 배기 영역을 가질 수 있다.
이와 더불어, 상기 화염 전파 방지 시트는 내부에서 발생된 가스 및/또는 화염으로 발생된 압력에 작동하기 위하여 0.5 내지 5.0 mm의 평균 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 내부에 수용된 복수의 셀 스택 조립체 중 임의의 조립체에서 열 폭주가 발생되는 경우 발생된 열이나 이로 인한 화염 등이 인접한 조립체로 전파되는 것을 최소화할 수 있으므로, 배터리 팩의 발화나 폭발에 대한 안전성이 향상되는 이점이 있다.
도 1는 본 발명에 따른 배터리 팩의 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따라 셀 스택 조립체의 상면에 배치된 격리 부재를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 셀 스택 조립체의 상면에 배치된 격리 부재 상의 화염 전파 방지 시트를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 팩에 수용된 셀 스택 조립체의 열 폭주 시 내부에서 발생된 열 및/또는 화염이 배출되는 방식을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
배터리 팩
본 발명은 일실시예에서,
복수의 셀 스택 조립체가 수용된 배터리 팩으로서,
셀 스택 조립체가 위치하는 셀 스택 영역을 포함하는 베이스 플레이트; 및 상기 셀 스택 영역을 감싸도록 베이스 플레이트의 테두리를 따라 수직 방향으로 연장되어 결합되는 측면 팩 프레임을 포함하는 팩 케이스와,
셀 스택 영역에 위치하는 셀 스택 조립체의 상부에 위치하여 팩 케이스의 상단부와 결합되는 팩 케이스 커버를 포함하고,
상기 측면 팩 프레임 및 팩 케이스 커버는 내측에 내열 플라스틱 매트릭스를 포함하는 격리 부재를 포함하며,
상기 격리 부재는 800 내지 1000℃의 불꽃과 5분 이상 접촉 시 액적이 미형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 복수의 셀 스택 조립체와 이를 수용하는 팩 케이스 및 팩 케이스 커버를 포함한다. 이때, 상기 팩 케이스에 포함된 측면 팩 프레임과 팩 케이스 커버는 내측에 500℃ 이상의 고온에서도 액적이 미형성되는 격리 부재를 구비하는 구조를 갖는다. 이에 따라, 상기 배터리 팩은 복수의 셀 스택 조립체 중 어느 하나에서 발열이 발생하거나 열 폭주 시 해당 셀 스택 조립체의 열 및/또는 화염 등이 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는 것을 억제할 수 있으므로 배터리 팩의 발화 및/또는 폭발이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 배터리 팩(100)의 구조를 도시한 사시도, 평면도 및 단면도이다. 이하에서, 도 1 내지 도 4를 참고하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 배터리 팩(100)은 셀 스택 조립체(110)과 상기 셀 스택 조립체(110)이 수용되는 팩 케이스(120) 및 팩 케이스 커버(130, 미도시)를 포함한다.
본 발명에서 언급된 셀 스택 조립체(110)는 복수의 전지셀이 적층된 셀 스택을 감싸며 보호하는 모듈 프레임 구성을 배제시키고, 상기 셀 스택에서 전극 리드가 형성된 전후면에 각각 버스바 프레임 및 엔드 플레이트를 결합시킨 구성을 포함할 수 있다.
이때, 상기 셀 스택은 복수의 전지셀이 적층된 구조를 가지며, 상기 전지셀은 내부에 전극 조립체를 포함하고, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결된 한 쌍의 전극 리드 및 상기 전극 리드가 외부로 도출되도록 상기 전극 조립체를 감싸는 전지 케이스를 포함한다. 상기 전극 리드는 전지 케이스의 양측에 각각 도출될 수 있다.
또한, 상기 버스바 프레임은 상기 전지셀과 전기적으로 연결되는 버스바를 포함한다. 상기 버스바 프레임은 상기 셀 스택에 포함된 각 전지셀의 전극 리드가 상기 버스바와 연결되도록 상기 셀 스택의 전후방에서 상기 셀 스택과 밀착 결합된다.
아울러, 상기 엔드 플레이트는 상기 버스바 및 전극 리드 등을 외부 충격으로부터 보호하기 위해 상기 버스바를 커버하도록 상기 버스바 프레임과 결합된다. 또한 상기 엔드 플레이트는 셀 스택에 포함된 각 전지셀을 모아서 고정한다.
상기 셀 스택 조립체는 상술된 바와 같이 셀 스택을 감싸며 보호하는 모듈 프레임 구성을 배제하는 대신, 적층된 전지셀들을 구조적으로 고정하는 엔드 플레이트와 고정된 전지셀들을 전기적으로 연결하는 버스바 프레임을 구비함으로써 충방전 시 복수의 전지셀에서 발생되는 열을 보다 효율적으로 방출할 수 있을 뿐만 아니라 셀 스택의 단위 중량을 저감시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 셀 스택 조립체(110)은 배터리 팩에 다수 구비될 수 있다. 다수의 셀 스택 조립체(110)은 측면이 대면된 형태로 좌우 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 팩(100)은 적어도 2개의 셀 스택 조립체(110)이 포함될 수 있다. 이때, 2개의 셀 스택 조립체(110)은 각각 우측면과 좌측면이 서로 마주보는 형태로 좌우 방향으로 배열될 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(100)은 상술된 셀 스택 조립체(110)을 포함하는 팩 케이스(120)를 포함하고, 상기 팩 케이스의 상부에서 셀 스택 조립체(110)의 상부를 덮도록 상기 팩 케이스와 결합되는 팩 케이스 커버(130, 미도시)를 포함한다.
여기서, 상기 팩 케이스(120)는 셀 스택 조립체(110)의 하부에 배치되어 셀 스택 조립체(110)이 위치하는 셀 스택 영역을 포함하는 베이스 플레이트(121)를 포함하고, 상기 베이스 플레이트(121)는 수평 방향으로 연장된 플레이트 형상을 가질 수 있다. 여기서, 수평 방향이란, 평평한 지면의 면 방향을 의미한다. 상기 베이스 플레이트(121)는 기계적 강성이 우수한 금속 소재를 구비할 수 있다.
또한, 상기 베이스 플레이트(121) 상부에는 복수의 셀 스택 조립체(110)이 위치될 수 있다. 이를 위해, 상기 베이스 플레이트(121)는 셀 스택 조립체(110)이 위치하는 셀 스택 영역을 포함하고, 상기 셀 스택 영역을 감싸도록 베이스 플레이트(121)의 테두리를 따라 수직 방향으로 연장된 측면 팩 프레임(122)들이 서로 결합되어 셀 스택 조립체(110)을 수용하기 위한 공간을 형성할 수 있다.
상기 베이스 플레이트(121)는 하부에서 셀 스택 조립체(110)이 수용되기 위한 공간을 제공하는 기능을 수행할 뿐만 아니라, 셀 스택 조립체(110)에서 발생된 열을 외부로 발산하는 히트 싱크의 기능을 수행할 수 있다. 이를 위하여, 상기 베이스 플레이트(121)는 셀 스택 조립체(110)로부터 발생된 열을 제거하기 위하여 셀 스택 조립체(110)이 수용되는 면의 타면에 냉각수나 공기와 같은 냉매가 접촉한 상태로 흐를 수 있도록 마련된 냉각 수단(미도시)이 마련될 수 있다. 또한, 상기 측면 팩 프레임(122)들의 결합은 당업계에서 통상적으로 적용되는 방식으로 수행될 수 있으며, 예를 들면 마찰 교반 용접 등을 통해 수행될 수 있다.
아울러, 상기 배터리 팩(100)은 내부에 수용된 셀 스택 조립체(110)의 외측에, 다시 말해 셀 스택 조립체(110)의 외측에 격리 부재(140)를 포함한다. 구체적으로, 상기 배터리 팩(100)은 도 1에 나타낸 바와 같이 히트 싱크 기능을 수행하는 베이스 플레이트(121)를 제외한 측면 팩 프레임(122)과 팩 케이스 커버(130)의 내측, 즉 측면 팩 프레임(122)과 셀 스택 조립체(110)의 사이와 팩 케이스 커버(130)와 셀 스택 조립체(110)의 사이에 각각 격리 부재(140a 및 140b)를 포함할 수 있다.
상기 격리 부재(140)는 내열 플라스틱 매트릭스를 포함하여 내부에 수용된 복수의 셀 스택 조립체 중 임의의 조립체에서 열 폭주가 발생되는 경우 발생된 열이나 화염 등에 손상이 적을 뿐만 아니라, 발생된 열이나 화염이 해당 셀 스택 조립체에서 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는 것을 최소화할 수 있다.
이를 위하여, 상기 격리 부재(140)는 고온에서 형태 변형이 미미하거나 없는 내열 플라스틱 매트릭스를 포함한다. 여기서, "고온에서의 형태 변형이 미미하거나 없다"는 것은 500℃ 이상의 온도에서 용융 및/또는 탄화로 인한 형태 변화가 없음을 의미할 수 있다. 보다 구체적으로, 600℃ 이상, 700℃ 이상 또는 600℃ 내지 1000℃의 온도에서 일정 시간 방치하거나 열에 접촉하였을 경우 소재의 용융 및/또는 탄화로 인한 형태 변화가 없음을 의미할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 격리 부재는 800 내지 1000℃의 불꽃과 5분 이상 접촉 시 내열 플라스틱 매트릭스의 용융으로 인한 액적(drop)이나 탄화로 인한 홀(hole)이 형성되지 않을 수 있으며, 구체적으로는 5분 내지 15분; 또는 8분 내지 12분 동안 접촉 시 액적(drop)이나 탄화로 인한 홀(hole)이 형성되지 않을 수 있다.
이러한 내열 플라스틱 매트릭스는 상술된 바와 같이 500℃ 이상의 온도에서 용융 및/또는 탄화로 인한 형태 변화가 없는 것이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있으나, 바람직하게는 셀 스택 조립체(110)의 열 폭주 시 내부에서 유도되는 발화 및/또는 폭발 온도를 고려하여 800 내지 1,000℃의 온도에서 용융 및/또는 탄화로 인한 형태 변화가 없는 것을 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 내열 플라스틱 매트릭스는 아크릴로니트릴계 수지, 아크릴계 수지, 벤즈이미다졸계 수지, 인돌린계 수지, 이미드계 수지, 아미드계 수지, 페닐렌옥사이드계 수지, 부틸렌테레프탈레이트계 수지 및 이들의 공중합 수지 중 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 화합물은 아크릴로니트릴, 아크릴레이트 등의 단량체를 사용하여 형성되거나 벤즈이미다졸, 인돌린, 이미드, 아미드, 페닐렌옥사이드, 부텔렌테레프탈레이트 등을 반복 단위 내에 포함하는 화합물을 의미한다.
하나의 예로서, 상기 내열 플라스틱 매트릭스는 폴리페닐렌옥사이드(PPO)와 같은 페닐렌옥사이드계 수지나 나일론(Nylon)과 같은 아미드계 수지를 단독을 적용되거나 병용될 수 있다. 여기서, 상기 페닐렌옥사이드계 수지 및 아미드계 수지는 호모 폴리머 형태로 적용되거나 일부 반복 단위가 개질된 형태로 적용될 수 있다.
또한, 상기 격리 부재(140a 및 140b)는 부재의 내열성과 함께 강성을 부여하기 위하여 내열 플라스틱 매트릭스에 섬유 구조체가 분산된 단층 구조의 시트 형태를 가질 수 있다. 종래 배터리 팩에는 내부에 수용된 모듈 및/또는 셀 스택 조립체의 내열성과 강성을 구현하기 위하여 산화 규소(SiO2) 등의 금속 산화물로 구성되는 다층 구조의 부재가 팩 케이스 내측에 구비된다. 이 경우, 금속 산화물의 다층 구조를 구현하기 위해서는 각 층 사이에 접착제 등이 적용되는데, 상기 접착제는 모듈 및/또는 셀 스택 조립체의 발열이나 열 폭주 시 변형되므로 배터리 팩 내부에서 발생되는 열이나 화염이 인접한 모듈 및/또는 셀 스택 조립체로 전파되는 것을 막는데 한계가 있다. 그러나, 본 발명의 격리 부재(140a 및 140b)는 고온에서 형태 안정성이 높은 내열 플라스틱 매트릭스에 섬유 구조체가 분산된 단층 구조의 시트 형태를 가짐으로써 다층 구조에 요구된 접착제 등을 배제하면서 충분한 내열성과 강성을 구현할 수 있는 이점이 있다.
이때, 상기 섬유 구조체로는 유리 섬유(glass fiber, GF), 탄소 섬유(carbon fiber, CF) 및 아라미드 섬유(aramid fiber, AF) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 섬유 구조체는 내열 플라스틱 매트릭스의 강도 및 탄성률을 향상시킬 수 있고 동시에 격리 부재의 절연 성능을 보강할 수 있는 유리 섬유(GF)를 포함할 수 있다. 상기 유리 섬유는 상업적으로 사용되는 것으로 E-glass, S-glass 등을 사용할 수 있으며, 3~6 mm의 길이와 10~15 ㎛의 직경을 갖는 유리섬유를 사용할 수 있다.
또한, 상기 섬유 구조체는 격리 부재(140a 및 140b)의 내열성과 기계적 물성을 향상시키기 위하여 격리 부재에 일정 함량으로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 섬유 구조체는 격리 부재(140a 및 140b) 전체 중량에 대하여 5 내지 40 중량%의 함량으로 포함될 수 있으며, 보다 구체적으로는 격리 부재(140a 및 140b) 전체 중량에 대하여 5 내지 35 중량%; 5 내지 30 중량%; 5 내지 15 중량%; 8 내지 12 중량%; 10 내지 20 중량%; 20 내지 40 중량%; 또는 25 내지 35 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 본 발명은 섬유 구조체의 함량을 상기 범위로 제어함으로써 현저히 낮은 함량으로 인해 격리 부재(140a 및 140b)의 내열성 및 강성이 충분히 구현되지 않는 것을 방지하는 한편, 과량으로 인해 격리 부재(140a 및 140b)의 파단 강도가 증가하고 이에 따라 배터리 팩(100)에 외력이 가해질 경우 외력에 대한 저항성이 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 상기 격리 부재 중 팩 케이스 커버 내측에 구비된 격리 부재(140b)는 도 2에 나타낸 바와 같이 복수의 배기구(141)를 포함하고, 상기 배기구(141)는 팩 케이스(120) 내부에 수용된 셀 스택 조립체(110)의 셀 적층 방향에 대하여 수직이 되도록 위치할 수 있다. 상기 배기구(141)는 격리 부재(140b)의 전면에 걸쳐 관통홀 형태로 마련될 수 있으며, 배터리 팩(100) 내부에 구비된 복수의 셀 스택 조립체 중 어느 하나에 발열이 발생하거나 열 폭주하는 비정상 작동 시 발생된 열, 가스 및/또는 화염을 외부로 배출할 수 있는 경로를 제공할 수 있다.
한편, 상기 배터리 팩(100)은 셀 스택 조립체(110)의 상면에 배치된 격리 부재(140b) 상부에 화염 전파 방지 시트(150)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 화염 전파 방지 시트(150)는 배터리 팩(100)의 비정상 작동 시 내부의 고온에도 형태가 변형되지 않고 절연성을 갖는 재료로 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 화염 전파 방지 시트(150)는 높은 강성 및 절연성을 갖고 우수한 내열성과 단열성을 겸비한 규산염 재료로 구성될 수 있다.
본 발명에서 언급되는 규산염 재료는 규산염으로 구성되는 것으로서, 상기 규산염은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있으나, 구체적으로는 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 것을 사용할 수 있다.
일반적으로 규산염은 규산의 수소가 다른 금속 원자와 치환된 중성염을 의미하는데, 본 발명에서는 방염 및/또는 난연 효과를 구현하기 위하여 수소 자리에 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 등의 원소가 치환된 것을 사용할 수 있으며, 특히 방염성을 위하여 층상형의 규산염을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 규산염으로는 백운모, 펜자이트, 셀라도나이트, 파라고나이트, 마가라이트, 금운모, 흑운모, 애나이트, 철운모, 시데로필라이트, 클린토나이트, 리튬 백운모, 트릴리티오나이트, 폴리리티오나이트, 진왈다이트 및 태니올라이트 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 화염 전파 방지 시트(150)는 운모를 포함하는 운모 시트를 포함할 수 있다. 운모는 화강암을 구성하는 조암 물질 중 하나로서 우수한 전기 절연성을 가지고 있으며, 가열 시 물성의 변화가 매우 적은 특성을 갖는다. 상기 운모는 500~1000℃의 고온에서도 우수한 형태 안정성과 절연 저항을 가진다. 또한, 운모는 우수한 난연성을 가지며, 연소 또는 가열 시에 연기가 발생하지 않는 특성을 가진다.
또한, 상기 화염 전파 방지 시트(150)는 규산염, 예컨대 운모를 시트 형상으로 제조하기 위해서, 주성분인 스크랩 운모 또는 분쇄 운모를 바인더(예컨대, 내열성 실리콘)와 혼합하여 큰 판상으로 성형한 후 적당한 길이로 잘라 전극 조립체의 크기에 맞는 시트 형상으로 제조할 수 있다. 그러나, 운모 시트의 제조방법은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 통상적으로 알려진 기술에 따라 다양한 방법으로 운모 시트를 제조할 수 있다.
여기서, "주성분으로 한다"란 대상 성분이 물질의 전체 100 중량부에 있어서 60 중량부 이상, 70 중량부 이상, 80 중량부 이상, 85 중량부 이상, 90 중량부 이상, 95 중량부 이상, 98 중량부 이상, 또는 99 중량부 이상으로 포함됨을 의미할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 화염 전파 방지 시트(150)는 규산염 전체 100 중량부에 대하여 1~20 중량부의 바인더를 함유할 수 있다.
또한, 상기 시트에 포함되는 바인더는 규산염에 대하여 부착력이 우수한 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리(에틸렌-프로필렌) 공중합체를 포함하는 폴리올레핀; 및 나일론을 포함하는 폴리아미드, 내열성 실리콘 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 상기 화염 전파 방지 시트(150)는 도 3에 나타낸 바와 같이 하부에 배치된 격리 부재(140b)의 배기구(141)를 따라 부분 절개된 배기 영역(151)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 4를 참고하면, 상기 화염 전파 방지 시트(150)는 배터리 팩(100)의 정상 작동 시에는 배기 영역(151)이 닫힌 상태로 막혀 있으나, 셀 스택 조립체(110)의 열 폭주가 발생되는 배터리 팩(100)의 비정상 작동 시에는 열 폭주가 발생된 셀 스택 조립체(110)로부터 발생된 열, 가스 및/또는 화염을 해당 조립체와 인접한 조립체로 전파되지 않고 격리 부재의 배기구(141)와 함께 외부로 방출될 수 있도록 경로를 제공하는 기능을 할 수 있다. 이를 위하여, 상기 배기 영역(151)은 화염 전파 방지 시트(150)의 하부에 배치된 격리 부재(140b)의 배기구(141)를 따라 부분 절개된 형태(151a 및 151b)를 가질 수 있다. 이러한 형태는 배터리 팩(100) 내부에서 열, 가스 및/또는 화염 발생 시, 배기 영역(151)이 열, 가스 및/또는 화염으로 인한 압력에 의해 화염 전파 방지 시트(150)의 외측면으로 젖혀지면서 열, 가스 및/또는 화염의 외부 방출을 유도할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상술된 구성을 가짐으로써 내부에 구비된 복수의 셀 스택 조립체 중 어느 하나에 발열이 발생하거나 열 폭주 시 해당 셀 스택 조립체의 열 및/또는 화염이 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는 것을 억제할 수 있으므로, 배터리 팩의 발화나 폭발에 대한 안전성이 향상되는 이점이 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~5 및 비교예 1~3.
10개의 파우치 셀을 포함하는 셀 스택 조립체 4개가 가로 및 세로로 각각 2개씩 팩 케이스에 삽입된 구조의 배터리 팩을 준비하였다. 각 셀 스택 조립체는 도 1과 같이 측면과 상면에 격리 부재를 포함하는 구조를 갖도록 제작되었으며, 상면의 격리 부재 상에는 화염 전파 방지 시트를 도입하였다.
이때, 상기 격리 부재의 i) 내열 플라스틱 매트릭스의 종류, ii) 섬유 구조체의 종류, iii) 섬유 구조체의 함량(격리 부재 전체 중량 기준) 및 iv) 화염 전파 방지 시트의 포함 여부는 하기와 같이 조절되었다.
또한, 상기 격리 부재에 대한 열 폭주 시험 결과를 표 1에 나타내었다. 이때, 상기 열 폭주 시험은 격리 부재를 지면과 평행하게 고정한 다음 하부면에 불꽃(내부 온도: 850±20℃)을 수직으로 20분 동안 접촉시켜 불꽃이 접촉된 영역의 형태 변화(매트릭스 용융에 따른 액적 생성이나 홀(hole) 형성 여부)가 발생되는데 걸리는 시간을 측정하였다.
격리 부재 구성 화염 전파 방지 시트 포함 여부
내열 플라스틱 매트릭스 종류 섬유 구조체 종류 섬유 구조체
함량		 TR test
실시예 1 m-PPO - - 미변화 X
실시예 2 m-PPO GF 10 중량% 미변화 X
실시예 3 m-PPO GF 10 중량% 미변화 O
실시예 4 m-PPO GF 30 중량% 미변화 O
실시예 5 PA GF 30 중량% 미변화 O
비교예 1 - - - - -
비교예 2 m-PPO GF 30 중량% 60초 O
비교예 3 PA GF 30 중량% 22초 O
TR test: 열 폭주 시험
m-PPO: 개질된 폴리페닐렌옥사이드
PA: 폴리아미드
비교예 4.
격리 부재로서 폴리이미드에 탄소 섬유가 혼합된 강성층과 마이카(mica) 층을 포함하는 2층 구조의 시트를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 배터리 팩을 제조하였다.
실험예.
본 발명에 따른 배터리 팩에 수용된 셀 스택 조립체의 열 폭주 시 해당 조립체가 인접한 조립체에게 미치는 영향을 평가하기 위하여, 실시예 및 비교예에서 제작된 각 배터리 팩에 장착된 셀 스택 조립체 중 하나에 열 폭주를 유도하여 내부 발화를 발생시켰다. 그런 다음, 열 폭주가 유도된 셀 스택 조립체에서 발생된 화염이 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는 여부를 확인하였으며, 이와 별도로 인접한 셀 스택 조립체에서 발화가 발생하는데 걸리는 시간을 측정하였다.
구체적으로 실시예 및 비교예에서 제작된 배터리 팩을 모두 SOC 100%가 되도록 충전하였다. 그런 다음, 팩 케이스에 수용된 4개의 셀 스택 조립체 중 임의의 하나의 셀 스택 조립체 하부에 히팅 패드를 장착하고, 히팅 패드를 발열시켜 10℃/min의 승온 속도로 800℃까지 가열하여 열 폭주를 유도하였다. 이때, 상기 히팅 패드는 (주)핫코우사에서 제조된 실리콘 히터(모델명: SBH2012)를 사용하였다. 히팅 패드의 승온이 시작되고 히팅 패드가 장착된 셀 스택 조립체에서 발화되면, 내부에서 발생된 화염이 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는지 여부를 확인하였다. 그 후, 인접한 셀 스택 조립체가 발화하는데 걸리는 시간을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
화염 전파 여부 발화 소요시간
실시예 1 미전파 7분 56초
실시예 2 미전파 8분 21초
실시예 3 미전파 8분 23초
실시예 4 미전파 8분 31초
실시예 5 미전파 8분 26초
비교예 1 전파 5분 13초
비교예 2 전파 6분 29초
비교예 3 전파 6분 5초
비교예 4 전파 8분 18초
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩은 셀 스택 조립체의 열 폭주 시 안전성이 향상되는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 실시예의 배터리 팩은 셀 스택 조립체의 열 폭주 시 격리 부재 (및 화염 전파 방지 시트)가 마련하는 경로를 통하여 내부에서 발생된 화염을 방출하므로 해당 조립체와 인접한 조립체로 화염이 전파되지 않는 것으로 확인되었다. 또한, 실시예의 배터리 팩은 열 폭주가 유도된 셀 스택 조립체에서 인접한 조립체로의 열 전파가 저감되어 인접한 셀 스택 조립체의 발화가 지연되는 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 배터리 팩은 셀 스택 조립체가 고온 발열하거나 열 폭주 시 해당 셀 스택 조립체의 열/화염 인접한 셀 스택 조립체로 전파되는 것을 억제할 수 있으므로, 배터리 팩의 안전성이 향상됨을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
100: 본 발명의 배터리 팩 110: 셀 스택 조립체
120: 팩 케이스 130: 팩 케이스 커버
121: 베이스 플레이트 122: 측면 팩 프레임
140, 140a, 140b: 격리 부재 141: 배기구
150: 화염 전파 방지 시트 151: 배기 영역
151a: 절개선 151b: 비절개선

Claims (11)

  1. 복수의 셀 스택 조립체가 수용된 배터리 팩으로서,
    셀 스택 조립체가 위치하는 셀 스택 영역을 포함하는 베이스 플레이트; 및 상기 셀 스택 영역을 감싸도록 베이스 플레이트의 테두리를 따라 수직 방향으로 연장되어 결합되는 측면 팩 프레임을 포함하는 팩 케이스와,
    셀 스택 영역에 위치하는 셀 스택 조립체의 상부에 위치하여 팩 케이스의 상단부와 결합되는 팩 케이스 커버를 포함하고,
    상기 셀 스택 조립체는 외측에 내열 플라스틱 매트릭스를 포함하는 격리 부재를 포함하며,
    상기 격리 부재는 800 내지 1000℃의 불꽃과 5분 이상 접촉 시 액적이 미형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    내열 플라스틱 매트릭스는 아크릴로니트릴계 수지, 아크릴계 수지, 벤즈이미다졸계 수지, 인돌린계 수지, 이미드계 수지, 아미드계 수지, 페닐렌옥사이드계 수지, 부틸렌테레프탈레이트계 수지 및 이들의 공중합 수지 중 1종 이상의 화합물을 포함하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    격리 부재는 내열 플라스틱 매트릭스에 섬유 구조체가 분산된 단층 구조의 시트를 포함하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    섬유 구조체는 유리 섬유, 탄소 섬유 및 아라미드 섬유 중 1종 이상인 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    섬유 구조체는 격리 부재 전체 중량에 대하여 5 내지 40 중량%의 함량을 갖는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    셀 스택 조립체의 상면에 구비된 격리 부재는 복수의 배기구를 포함하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    팩 케이스 커버와 격리 부재 사이에는 화염 전파 방지 시트를 구비하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    화염 전파 방지 시트는 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 나트륨(Na), 칼륨(K) 불소(F) 및 산소(O) 중 1종 이상의 원소를 함유하는 규산염으로 구성된 규산염 시트인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서,
    화염 전파 방지 시트는 화염전파 방지시트는 백운모, 펜자이트, 셀라도나이트, 파라고나이트, 마가라이트, 금운모, 흑운모, 애나이트, 철운모, 시데로필라이트, 클린토나이트, 리튬 백운모, 트릴리티오나이트, 폴리리티오나이트, 진왈다이트 및 태니올라이트 중 1종 이상을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제7항에 있어서,
    격리 부재는 팩 케이스 내부에 수용된 셀 스택 조립체의 셀 적층 방향에 대하여 수직이 되도록 마련된 복수의 배기구를 포함하고,
    화염 전파 방지 시트는 상기 격리 부재의 배기구를 따라 부분 절개된 배기 영역을 갖는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    화염 전파 방지 시트는 0.5 내지 5.0 mm의 평균 두께를 갖는 배터리 팩.
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