KR20240040994A - 배터리 모듈 - Google Patents

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구본석
이태구
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에스케이온 주식회사
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Abstract

예시적인 실시예에 따른 배터리 모듈은 각각 전극 탭을 포함하고 상호 적층되어 배열되는 복수의 배터리 셀; 및 상기 복수의 배터리 셀의 상기 전극 탭이 인출된 단부에 결합되어 상기 복수의 배터리 셀을 서로 연결하는 버스바 조립체를 포함하고, 상기 버스바 조립체는, 상기 복수 개 배터리 셀의 복수 개의 상기 전극 탭이 각각 인출되는 슬릿부를 포함하는 메인 프레임; 상기 메인 프레임의 외부면에 장착되어 상기 슬릿부를 통해 인출된 상기 복수 개의 전극 탭을 서로 전기적으로 연결하는 버스바; 및 상기 메인 프레임의 내부면에 서로 이격되어 배치되어 상기 복수 개의 전극 탭을 상기 슬릿부로 가이딩하는 복수의 내부 프레임을 포함하고, 상기 복수의 내부 프레임 중 적어도 하나는 벤팅 유도부를 포함할 수 있다. 따라서, 배터리 셀에서 발생하는 가스 방향을 제어할 수 있어 안전성이 향상된 배터리 모듈을 제공할 수 있다.

Description

배터리 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것이다. 보다 구체적으로 복수의 배터리 셀 및 버스바 조립체를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 정보 통신 및 디스플레이 산업의 발전에 따라, 캠코더, 휴대폰, 노트북PC 등과 같은 휴대용 전자통신 기기들의 동력원으로 널리 적용되고 있다. 또한, 최근에는 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차의 동력원으로서도 이차 전지를 포함한 전지 팩이 개발 및 적용되고 있다.
이차 전지로서 예를 들면, 리튬 이차 전지, 니켈-카드늄 전지, 니켈-수소 전지 등을 들 수 있으며, 이들 중 리튬 이차 전지가 작동 전압 및 단위 중량당 에너지 밀도가 높으며, 충전 속도 및 경량화에 유리하다는 점에서 활발히 연구 개발이 진행되고 있다.
리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 분리막(세퍼레이터)를 포함하는 전극 조립체, 및 상기 전극 조립체를 함침시키는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 리튬 이차 전지는 상기 전극 조립체 및 전해질을 수용하는 예를 들면, 파우치 형태의 외장재를 더 포함할 수 있다.
파우치형 리튬 이차 전지는 가혹한 환경에 노출되는 경우 전지 내부에서 가스가 발생하여 파우치 내부 압력을 증가시킨다. 파우치가 견딜 수 있는 임계치 이상으로 상승하는 경우, 파우치의 가장 취약한 부분에서 실링부가 해제되어 벤틸레이션(ventilation, 이하 "벤트"라고 함)이 발생할 수 있다. 벤트는 파우치 내 랜덤으로 일어나기 때문에 발생 부위를 예측하기 어려우며, 가스를 배기하는 경우에 일 방향으로 배기하기 어려운 문제가 있다.
한국 등록특허공보 제10-1492019호에서는 벤팅 유도부를 포함하는 전지 모듈을 개시하고 있다. 상기 전지 모듈은 벤팅 유도부가 형성된 고정부재를 전지셀의 외주면과 결합시킨 구조를 사용함으로써, 전지 셀의 내압 상승 시 벤팅 유도부를 통해 일정한 방향으로 가스를 배출하는 구조를 개시하지만 충분한 벤팅 유도 효과 및 그에 따른 전지 셀의 안정성을 확보하기에는 한계가 있다.
한국 등록특허공보 제10-1492019호(2015.02.11)
본 발명의 일 과제는 배터리 셀에서 발생하는 벤트를 예측, 유도 및 제어할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 과제는 안전성이 향상된 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
예시적인 실시예에 따른 배터리 모듈은 각각 전극 탭을 포함하고 상호 적층되어 배열되는 복수의 배터리 셀; 및 상기 복수의 배터리 셀의 상기 전극 탭이 인출된 단부에 결합되어 상기 복수의 배터리 셀을 서로 연결하는 버스바 조립체를 포함하고, 상기 버스바 조립체는, 상기 복수 개 배터리 셀의 복수 개의 상기 전극 탭이 각각 인출되는 슬릿부를 포함하는 메인 프레임; 상기 메인 프레임의 외부면에 장착되어 상기 슬릿부를 통해 인출된 상기 복수 개의 전극 탭을 서로 전기적으로 연결하는 버스바; 및 상기 메인 프레임의 내부면에 서로 이격되어 배치되어 상기 복수 개의 전극 탭을 상기 슬릿부로 가이딩하는 복수의 내부 프레임을 포함하고, 상기 복수의 내부 프레임 중 적어도 하나는 벤팅 유도부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 벤팅 유도부는 상기 복수 개의 배터리 셀 중 상기 벤팅 유도부에 인접한 배터리 셀의 가스 팽창부를 수용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 벤팅 유도부를 통해 상기 복수 개의 배터리 셀 중 상기 벤팅 유도부에 인접한 배터리 셀에서 누출된 가스가 배기될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 벤팅 유도부는 상기 내부 프레임의 리세스부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전극 탭의 인출 방향에 수직한 높이 방향으로의 벤팅 유도부의 길이(α)는 상기 내부 프레임의 전체 길이의 3 내지 45%일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 셀 각각은, 상기 전극 탭과 연결된 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 수용부 및 상기 수용부의 외곽을 따라 상기 전극 조립체를 밀봉하는 실링부를 포함하는 파우치를 포함하고,
상기 실링부는 상기 전극 조립체로부터 상기 파우치의 외부로 상기 전극 탭이 인출된 단부를 실링하는 테라스부, 및 상기 전극 탭이 인출되지 않은 상기 파우치의 일 측부를 실링하는 측면 실링부를 포함하고, 상기 측면 실링부는 적어도 1회 꺾인 폴딩부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 테라스부의 일부는 상기 내부 프레임과 이격될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 배터리 셀의 가스 팽창 시 상기 내부 프레임과 이격된 상기 테라스부의 상기 일부는 상기 내부 프레임과 접촉할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 내부 프레임과 인접하는 상기 배터리 셀의 모서리를 대각선으로 연장하는 방향과 전극 탭의 연장 방향이 이루는 각도로 정의되는 셀 팽창 각도가 30°내지 60°일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 폴딩부는 상기 벤팅 유도부 위에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 파우치는 상기 일 측부와 대향하는 타 측부에 형성된 비-실링부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 비-실링부는 상기 벤팅 유도부 아래에 위치할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 배터리 모듈은 복수 개의 배터리 셀 및 벤팅 유도부가 형성된 버스바 조립체를 포함하여, 배터리 셀에서 발생하는 가스를 벤팅 유도부로 유도할 수 있다. 또한, 벤팅 유도부를 통해 가스를 배기할 수 있어 배터리 모듈의 안정성을 개선시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 배터리 모듈은 벤트 발생의 예측, 유도 및 제어에 최적화된 구조로 제공될 수 있다. 이에 따라, 모듈 내에서 벤트를 효율적이고 용이하게 컨트롤할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀의 수명 특성과 Directional venting 효과를 최적화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 내부 구성 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 벤팅 유도부를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 2의 Y축 방향의 일 단면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 벤팅 유도부 길이에 따른 배터리 셀의 수명, Directional venting 효과 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 배터리 셀의 개략적인 분해 사시도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 배터리 셀 파우치의 개략적인 모형도이다.
도 8은 일 실시예들에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀들이 버스바 조립체에 장착된 모습 일부를 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 8의 I-I'의 수직 단면도를 나타낸 것이다.
도 10은 일 실시예들에 따른 배터리 모듈에 장착된 배터리 셀에 스웰링이 일어나기 전후 모습을 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 11은 실시예 및 비교예들의 벤트 발생 시 벤팅 가스 센서에 확인된 총 휘발성 유기화합물(TVOC) 및 이산화탄소 농도를 나타내는 그래프이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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 않는다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
예시적인 실시예에 따른 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀 및 벤팅 유도부가 형성된 버스바 조립체를 포함할 수 있다. 따라서, 배터리 셀이 작동하는 과정에서 발생하는 가스를 벤팅 유도부로 유도하여 수용하거나 배기할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 내부 구성 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 모듈(500)은 복수의 배터리 셀(100) 및 버스바 조립체(200)가 모듈 케이스(400)에 수납될 수 있다.
도 2를 참조하면, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀(100)이 상호 적층되어 배치될 수 있다. 적층된 복수의 배터리 셀(100)은 예를 들어, 배터리 적층체를 형성할 수 있고, 복수의 배터리 셀(100)은 버스바 조립체(200)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
버스바 조립체(200)는 적층된 복수의 배터리 셀(100)의 일단에 배치되는 제1 버스바 조립체, 및 적층된 복수의 배터리 셀(100)의 타단에 배치되는 제2 버스바 조립체를 포함할 수 있다. 즉, 제1 버스바(200), 제2 버스바 조립체는 각각 복수의 배터리 셀(100)의 일 측부 및 타 측부에 상호 이격되게 배치될 수 있다.
예를 들어, 버스바 조립체(200)는 메인 프레임(220), 버스 바(240), 및 내부 프레임(260)을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 메인 프레임(220)의 외부면은 배터리 셀(100)이 배치되는 반대측을 의미하고, 내부면은 배터리 셀(100)이 배치되는 측을 의미한다.
일 실시예들에 따른 메인 프레임(220)은 배터리 셀(100)의 전극 탭(150)을 수용할 수 있도록 복수 개의 슬릿부(221)가 형성될 수 있다. 각 슬릿부(221)를 통해 각각의 배터리 셀(100)로부터 인출된 전극 탭(150)이 삽입되어 인출될 수 있다.
메인 프레임(220)의 외부면에는 슬릿부(221)를 통해 인출된 복수개의 전극 탭(150)을 전기적으로 연결할 수 있는 버스 바(240)가 장착될 수 있다.
버스바 조립체(200)는 적층된 복수의 배터리 셀(100)의 일 측부 및 타 측부에 각각 결합될 수 있고, 각 배터리 셀(100)의 양단에 형성된 전극 탭(150)들은 버스바 조립체(200)의 메인 프레임(220)에 형성된 슬릿부(221)에 삽입되어 메인 프레임(220)을 관통하여 인출되고, 버스 바(240)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
메인 프레임(220)의 내부면에는 서로 이격적으로 배치되며 전극 탭(150)을 슬릿부(221)로 가이딩하는 복수의 내부 프레임(260)을 포함할 수 있다.
복수의 내부 프레임(260) 중 적어도 하나에 벤팅 유도부(261)가 형성될 수 있다.
복수의 내부 프레임(260)은 복수의 배터리 셀(100)이 적층되는 방향(X축 방향)을 따라 소정의 간격으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 배치된 복수의 내부 프레임(260) 중 적어도 하나에 벤팅 유도부(261)가 형성될 수 있고, 각각의 내부 프레임(260) 모두에 형성될 수도 있다. 다시 말해, 복수의 내부 프레임(260)에서 벤트를 제어하고자 하는 정도에 따라 벤팅 유도부(261)가 형성된 내부 프레임(260)의 개수는 조절할 수 있다.
메인 프레임(220)은 상부면에 복수의 배터리 셀(100)이 적층되는 방향(X축 방향)을 따라 형성된 상부 프레임을 더 포함할 수 있다. 메인 프레임(220)과 상부 프레임은 일체로 형성될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 벤팅 유도부(261)의 사시도를 도시한 것이고, 도 4는 도 2의 Y축 방향의 일 단면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 벤팅 유도부(261)는 내부 프레임(260)의 일부에 형성될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 벤팅 유도부(261)는 내부 프레임(260)의 상단에 형성될 수 있다. 내부 프레임(260)의 상단에 배치되는 경우 배터리 셀(120)에서 누출된 가스를 배기시키기에 구조적으로 유리하다.
예를 들어, 벤팅 유도부(261)의 길이(α)는 전극 탭(150)이 인출된 방향(Y축 방향)의 수직 방향(Z축 방향)으로 형성될 수 있다. 수직 방향은 내부 프레임(260)의 높이 방향으로의 길이를 의미한다. 벤팅 유도부의 길이(α)는 내부 프레임의 전체 길이(L)의 3 내지 45%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 벤팅 유도부(261)는 리세스부(β)를 포함할 수 있다. 리세스부(β)는 전극 탭(150)의 인출된 방향(Y축 방향)으로 움푹 들어갈 수 있다. 도 3은 설명의 편의를 위해 리세스부(β)의 일 실시예를 나타낸 것일 뿐이며, 움푹 들어간 정도는 내부 프레임(260) 전체 폭(W)의 1 내지 100%일 수 있다. 또한, 리세스부의 형상, 움푹 들어간 정도 등은 필요에 따라 적절하게 조절할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 내부 프레임(260)에 형성된 벤팅 유도부(261)는 복수 개의 배터리 셀(100) 중 벤팅 유도부(261)에 인접한 배터리 셀의 가스 팽창부(146)를 수용할 수 있다. 예를 들어, 가스에 의해 팽창된 배터리 셀의 파우치(140) 일부를 수용하는 포켓 역할을 할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 벤팅 유도부(261)를 통해 복수 개의 배터리 셀(100) 중 벤팅 유도부(261)에 인접한 배터리 셀(120)에서 누출된 가스가 배기될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(100)에서 발생한 가스는 벤팅 유도부(261)를 통해 수용되어 벤트를 지연시키거나 배터리 모듈의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 벤트가 발생하는 경우, 가스를 배기할 수 있어 배터리 셀(100)이 폭발하는 것을 미연에 방지할 수 있으므로 배터리 모듈(500)의 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 벤트를 발생을 예측하고 일 방향으로 제어할 수 있으므로 효과적으로 벤트를 컨트롤할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 벤팅 유도부의 길이(α)에 따른 배터리 셀의 수명과 Directional venting 효과를 나타낸 그래프이다. 일부 실시예들에 있어서, 벤팅 유도부의 길이(α)는 3 내지 50mm일 수 있다.
도 5를 참조하면, 벤팅 유도부의 길이(α)가 커질수록 배터리 셀의 수명 특성은 열위해짐을 알 수 있다. 다만, 벤팅 유도부의 길이(α)가 일정값 이상일 때(예를 들어, 내부 프레임 전체 길이의 3%) Directional venting 효과가 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 배터리 셀의 수명 특성과 함께 Directional venting 효과를 제공하기 위한 최적의 벤팅 유도부의 길이(α)를 도출할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 벤팅 유도부의 길이(α)는 상기 내부 프레임의 전체 길이(L)의 3 내지 45%, 4 내지 40%일 때, 배터리 셀의 수명 특성과 Directional venting 효과를 최적화할 수 있다.
도 6 및 도 7은 각각 일 실시예에 따른 배터리 셀의 개략적인 분해 사시도 및 배터리 셀의 파우치의 개략적인 모형도를 나타내는 것이다.
도 6을 참조하면, 배터리 셀(100)은 전극 탭들(150)과 연결된 전극 조립체(120)와 전극 조립체(120)를 수용하는 파우치(140)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따른 전극 조립체(120)는 하나 이상의 양극판 및 음극판이 세퍼레이터와 함께 권취된 권취형 또는 다수의 양극판과 다수의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 스택형 등으로 형성될 수 있다.
일부 실시예에 따른 파우치(140)는 전극 조립체(120)를 수용하는 수용부(141) 및 수용부(141)의 외곽을 따라 실링하는 실링부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 한 장의 파우치 외장재에 하나 또는 두 개의 전극 조립체를 수용하는 수용부(141)를 형성하고, 형성된 수용부(141)에 전극 조립체(120)를 수납시켜 파우치 외장재를 접은 후 수용부(141) 외곽을 따라 실링하여 파우치를 형성할 수 있다. 예를 들어, 파우치 외장재의 접힌 부분은 실링부가 형성되지 않은 비-실링부(145)일 수 있다. 실링부를 형성하기 위한 접합에는 예를 들어, 열 융착이 적용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 7을 참조하면, 일 실시예들에 따른 배터리 셀(100)의 파우치(140) 실링부는 외부로 인출되는 전극 탭(150)이 형성된 면을 실링하는 테라스부(142)를 포함할 수 있다. 전극 탭(150)이 인출되지 않은 면을 실링하는 측면 실링부(143)를 포함할 수 있으며, 측면 실링부(143)와 대향하는 면에 형성된 비-실링부(145)를 포함할 수 있다. 또한, 측면 실링부(143)는 적어도 1회 꺾인 폴딩부(144)가 형성될 수 있다.
본 명세서에서 테라스부(142)는 실링부 중 전극 탭(150)이 인출되는 방향에 위치하는 실링부를 의미한다. 측면 실링부(143)는 테라스부(142)에 연장하며 전극 탭(150)이 인출되지 않은 방향에 위치하는 실링부를 의미한다. 비-실링부(145)는 측면 실링부(143)에 대향하는 타 측부에 위치하며 파우치 외장재의 접힌 부분으로 실링부가 형성되지 않는 면을 의미한다. 폴딩부(144)는 측면 실링부(143)의 파우치 외장재의 접힌 부분을 의미한다.
일부 실시예에 따른 폴딩부(144)는 배터리 모듈을 조립할 때 폴딩부(144)에 의해 인접한 배터리 셀(100)에 불필요한 공간이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 폴딩부(144)는 전극 조립체의 두께보다 작게 형성되므로 돌출되지 않아 인접한 이차 전지 간에 공간이 생기지 않고 서로 밀착할 있어 배터리 모듈 조립 시에 체적 효율을 증가시킬 수 있다.
도 8은 일 실시예들에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀들이 버스바 조립체에 장착된 모습 일부를 나타내는 평면도이다. 도 9는 도 8의 I-I'의 수직 단면도이다.
도 8를 참조하면, 버스바 조립의 내부에 소정의 간격으로 배치된 내부 프레임(260)들 사이에 배터리 셀(100)이 위치할 수 있다. 내부 프레임(260) 및 배터리 셀(100) 교대로 배치될 수 있다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 일 실시예들에 따르면, 복수의 배터리 셀(100)의 각 전극 탭(150)은 버스바 조립체(200)의 메인 프레임(220)에 형성된 복수의 슬릿부(221)를 관통하여 버스바 조립체(200)와 결합할 수 있다. 버스바 조립체(200)의 내측면에 소정의 간격으로 배치된 내부 프레임(260)들이 형성될 수 있고, 형성된 내부 프레임(260)들 사이에 배터리 셀(100)이 일정한 간격으로 배치될 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 버스바 조립체(200)의 내부 프레임(260)들 사이에 배터리 셀(100)이 배치될 때, 파우치의 테라스부(142) 일부는 내부 프레임(260)과 이격될 수 있다. 배터리 셀 작동 중에 발생하는 스웰링에 의해 테라스부(142)의 일부는 내부 프레임(260)과 접촉할 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 실링 정도가 약한 테라스부(142) 일부에 팽창부(146, 도 10에 도시)가 형성될 수 있다. 팽창부(146)는 이격된 내부 프레임(260)의 벤팅 유도부(261)와 직접 접촉하여 벤팅 유도부(261)에 수용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 일 실시예들에 따른 폴딩부(144)는 버스바 조립체의 내부 프레임(260)에 형성되는 벤팅 유도부(261)보다 위에 배치될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 버스바 조립체의 내부 프레임(260)에 형성되는 벤팅 유도부(261)보다 위에 배치될 수 있어, 평면 방향에서 벤팅 유도부(261)와 부분적으로 중첩될 수 있다.
일 실시예들에 따른 비-실링부(145)는 벤팅 유도부(261) 아래에 위치할 수 있다. 예를 들어, 벤팅 유도부(261)는 배터리 셀 파우치에 형성되는 폴딩부(144) 보다 아래에 위치할 수 있고, 비-실링부(145)보다 위에 위치함으로써 배터리 셀에서 가스가 누출되어 이동할 때 모듈 내 다른 부분으로 확산되지 않고 벤팅 유도부(261) 방향으로 배기될 수 있다.
일반적으로 배터리 모듈 단위에서 벤트가 일어나면 다른 배터리 모듈 단위로 열이 전파(Thermal Propagation)될 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 모듈 단위에서 벤트를 제어하면 이웃한 모듈에 열폭주나 화재가 전파되는 것을 미리 방지할 수 있어 배터리 모듈의 전체 안정성을 개선시킬 수 있다.
도 10은 일 실시예들에 따른 배터리 모듈에 장착된 배터리 셀의 파우치에 스웰링이 일어나기 전후 모습을 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 10을 참조하면, 내부 프레임(260)과 인접하는 배터리 셀(100)의 모서리를 대각선으로 연장하는 방향(①))과 전극 탭의 연장 방향이 이루는 각도를 셀 팽창 각도(cell expansion angle, γ)로 정의할 때, 셀 팽창 각도(γ)는 30° 내지 60°일 수 있다. 상기 범위에서 Directional venting 효과를 최적화할 수 있다.
또한, 셀 팽창 각도(γ)는 파우치 팽창부(146)의 일부가 내부 프레임(260)과 접촉하는 면(①)의 연장 방향과 전극 탭(150)의 연장 방향(②)이 이루는 각도를 의미할 수도 있다.
일 실시예 따른 파우치는 금속층, 금속층 상부에 형성된 외부층 및 금속층 하부에 형성된 내부층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 파우치는 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 제공될 수 있고, 전극 조립체와 전해액 등의 내부 구성요소를 수용할 수 있다.
예를 들어, 금속층은 알루미늄 박막을 포함할 수 있다. 금속층으로 알루미늄을 사용하는 것은 소형화, 경량화, 박형화를 하는 동시에, 혹독한 열적 환경과 기계적 충격을 견디기 위함일 수 있다.
예를 들어, 외부층은 외부로부터 상기 알루미늄 박막을 보호하기 위하여 알루미늄 박막의 외부에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)수지, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 나일론(Nylon)수지 등의 고분자 수지층을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 내부층은 파우치 실링부에서 열융착 등에 의하여 서로 접합되는데, 상호 간의 접착을 위하여 폴리에틸렌(poly ethylene, PE), 무연신 폴리프로필렌(cPP) 또는 폴리프로필렌(poly propylene, PP) 등의 폴리올레핀 또는 이들의 공중합체에 의한 접착층을 내부층으로 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 상기 외부층의 영 모듈러스(Young's Modulus)는 230 내지 280 MPa일 수 있다. 예를 들어, 외부층에 PET 수지를 포함하는 경우 영 모듈러스는 230 내지 240 MPa일 수 있다. 예를 들어 외부층에 나일론 수지를 포함하는 경우 영 모듈러스는 250 내지 280 MPa일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 알루미늄 박막의 영 모듈러스는 75 내지 95 MPa일 수 있다.
영 모듈러스는 예를 들어, ASTM D638 규정에 따를 수 있으며, 예를 들면 만능시험기(UTM, SHIMADZA社, AG-X plus)로 측정될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 전술한 셀 팽창 각도(γ) 및 파우치에 포함되는 레이어층의 모듈러스가 상기 범위를 만족할 때, 파우치가 팽창할 때 가스를 수용하는 공간을 형성하기 쉽고, 벤트가 발생하는 방향을 예측하거나 원하는 방향으로 유도할 수 있다. 나아가, 배터리 셀의 팽창에 의한 배터리 모듈의 외형 변화도 방지할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 일 실시예들에 따른 배터리 모듈(500)은 복수 개의 배터리 셀 및 버스바 조립체를 수납 보호하는 모듈 케이스(400)도 포함할 수 있다. 모듈 케이스(400)는 배터리 모듈(500)의 외관을 형성할 수 있다. 모듈 케이스(400)는 안착 공간을 형성하는 케이스 바디(미도시)와, 케이스 바디에 결합되는 케이스 커버(미도시)를 포함할 수 있다. 케이스 바디는 안착공간과 연통하는 개구를 포함하며, 케이스 커버는 개구를 덮도록 구성될 수 있다. 케이스 커버는 케이스 바디의 전후방에 결합되는 전방 커버와 후방 커버, 케이스 바디의 상부에 결합되는 상부 커버를 포함할 수 있다.
또한, 배터리 모듈(500)은 필요에 따라 냉각 부재(미도시)를 포함할 수 있다. 냉각 부재는 도면에서 도시하지 않았으나, 케이스 바디와 케이스 커버를 덮도록 배치될 수 있다. 이를 통해 배터리 셀의 냉각을 다방향으로 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 필요에 따라 냉각부재는 모듈케이스 내에서 자유롭게 배치할 수도 있다.
이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
<실시예 및 비교예>
실험 1: 벤트 발생 시간 측정
실시예 1
배터리 셀을 충전(CC/CV 0.3C, 4.2V, 0.05C CUT OFF)으로 SOC(State of Charge) 96%까지 충전하였다.
벤팅 유도부가 형성된 복수의 내부 프레임 사이에 배터리 셀이 적층되는 것을 모사하기 위해, 챔버 내부에 2개의 가압 지그 사이에 테라스 일부 부위가 노출되도록 상기와 같이 충전된 배터리 셀을 배치하였다. 챔버 안의 온도를 80℃로 유지하면서 벤트 발생 시간을 벤팅 가스 센서로 측정하였다.
실시예 2 내지 실시예 3
실시예 1과 동일하게 2번 반복 실시하였다.
비교예 1
배터리 셀을 충전(CC/CV 0.3C, 4.2V, 0.05C CUT OFF)으로 SOC(State of Charge) 96%까지 충전하였다. 충전된 배터리를 챔버 내부에 넣고 챔버 안의 온도를 80℃로 유지하면서 벤트가 발생할 때 까지의 시간을 측정하였다.
비교예 2 내지 비교예 3
비교예 1과 동일하게 2번 반복 실시하였다.
실시예 및 비교예의 실험 결과를 표 1을 기재하였다. 또한, 벤팅 가스 센서에 확인된 총 휘발성 유기화합물(TVOC) 및 이산화탄소 농도를 도 11에 나타냈다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
벤트 발생 시간(일) 7.71 8.01 8.70 12.76 14.69 16.98
실험 2: 수명 특성
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 배터리 셀(SOC 96%)을 SOC가 0%가 될 때까지 걸린 시간을 측정하였다. 그 결과를 표 2에 기재하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 비교예1
수명 평가 353(Hr) 336(Hr) 242(Hr) 192(Hr)
표 1 및 도 11을 참조하면, 실시예들은 벤트 발생시간이 비교예들에 비해 적어도 4일 이상 지연되었다. 즉, 가입 지그 사이에 배터리 셀을 배치함으로써 배터리 셀의 벤트를 제어하거나 벤트 발생 시 특정 장소로 벤트를 유도할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예들은 수명 평가도 우수하다. 따라서, Directional venting 효과와 수명 특성을 최적화된 배터리 모듈을 설계할 수 있다.
반면, 비교예들은 배터리 셀에서 발생하는 벤트를 제어하기 어렵고, 수명 평가도 열위함을 알 수 있다.
100: 배터리 셀 120: 전극 조립체
140: 파우치 141: 수용부
142: 테라스부 143: 측면 실링부
144: 폴딩부 145: 비-실링부
146: 팽창부 150: 전극 탭
200: 버스바 조립체 220: 메인 프레임
221: 슬릿부 240: 버스 바
260: 내부 프레임 261: 벤팅 유도부
400: 모듈 케이스
500: 배터리 모듈

Claims (12)

  1. 각각 전극 탭을 포함하고 상호 적층되어 배열되는 복수의 배터리 셀; 및
    상기 복수의 배터리 셀의 상기 전극 탭이 인출된 단부에 결합되어 상기 복수의 배터리 셀을 서로 연결하는 버스바 조립체를 포함하고,
    상기 버스바 조립체는,
    상기 복수 개 배터리 셀의 복수 개의 상기 전극 탭이 각각 인출되는 슬릿부를 포함하는 메인 프레임;
    상기 메인 프레임의 외부면에 장착되어 상기 슬릿부를 통해 인출된 상기 복수 개의 전극 탭을 서로 전기적으로 연결하는 버스바; 및
    상기 메인 프레임의 내부면에 서로 이격되어 배치되어 상기 복수 개의 전극 탭을 상기 슬릿부로 가이딩하는 복수의 내부 프레임을 포함하고, 상기 복수의 내부 프레임 중 적어도 하나는 벤팅 유도부를 포함하는, 배터리 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 벤팅 유도부는 상기 복수 개의 배터리 셀 중 상기 벤팅 유도부에 인접한 배터리 셀의 가스 팽창부를 수용하는, 배터리 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 벤팅 유도부를 통해 상기 복수 개의 배터리 셀 중 상기 벤팅 유도부에 인접한 배터리 셀에서 누출된 가스가 배기되는, 배터리 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 벤팅 유도부는 상기 내부 프레임의 리세스부를 포함하는, 배터리 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전극 탭의 인출 방향에 수직한 높이 방향으로의 벤팅 유도부의 길이는 상기 내부 프레임의 전체 길이의 3 내지 45%인, 배터리 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 각각은,
    상기 전극 탭과 연결된 전극 조립체; 및
    상기 전극 조립체를 수용하는 수용부 및 상기 수용부의 외곽을 따라 상기 전극 조립체를 밀봉하는 실링부를 포함하는 파우치를 포함하고,
    상기 실링부는 상기 전극 조립체로부터 상기 파우치의 외부로 상기 전극 탭이 인출된 단부를 실링하는 테라스부, 및 상기 전극 탭이 인출되지 않은 상기 파우치의 일 측부를 실링하는 측면 실링부를 포함하고,
    상기 측면 실링부는 적어도 1회 꺾인 폴딩부를 포함하는, 배터리 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 테라스부의 일부는 상기 내부 프레임과 이격되는, 배터리 모듈.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 배터리 셀의 가스 팽창 시 상기 내부 프레임과 이격된 상기 테라스부의 상기 일부는 상기 내부 프레임과 접촉하는, 배터리 모듈.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 내부 프레임과 인접하는 상기 배터리 셀의 모서리를 대각선으로 연장하는 방향과 전극 탭의 연장 방향이 이루는 각도로 정의되는 셀 팽창 각도가 30°내지 60°인, 배터리 모듈.
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 폴딩부는 상기 벤팅 유도부 위에 배치되는, 배터리 모듈.
  11. 청구항 6에 있어서, 상기 파우치는 상기 일 측부와 대향하는 타 측부에 형성된 비-실링부를 더 포함하는, 배터리 모듈.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 비-실링부는 상기 벤팅 유도부 아래에 위치하는, 배터리 모듈.

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