KR20240104706A - 전지 모듈 - Google Patents

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KR20240104706A
KR20240104706A KR1020220187202A KR20220187202A KR20240104706A KR 20240104706 A KR20240104706 A KR 20240104706A KR 1020220187202 A KR1020220187202 A KR 1020220187202A KR 20220187202 A KR20220187202 A KR 20220187202A KR 20240104706 A KR20240104706 A KR 20240104706A
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battery
extinguishing agent
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KR1020220187202A
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김범주
이상구
이주열
이정민
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 소화 시트에 의해 열폭주 상태의 배터리 셀의 화염이 외부에 토출되는 것을 차단 및 소화시킬 수 있으며, 가스는 외부로 배출이 용이하고 열전파를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 전지 모듈에 관한 것이다.
일예로, 본 발명은 하우징과, 하우징 내부에 설치되고, 벤트를 갖는 다수의 배터리 셀 및, 하우징 내부에 설치되며, 다수의 배터리 셀들의 벤트를 덮는 소화 시트를 포함하며, 소화 시트는 내부에 소화 약재를 수용하는 금속 재질의 본체부와, 본체부의 제1면과 제2면을 각각 덮는 절연 필름을 포함하는 전지 모듈을 개시한다.

Description

전지 모듈{Battery Module}
본 발명의 다양한 실시예는 전지 모듈에 관한 것이다.
이차 전지는 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장할 수 있는 우수한 에너지 밀도를 제공하는 전력 저장 시스템이다. 재충전이 불가능한 일차 전지에 비해 이차 전지는 재충전이 가능하여 스마트폰, 셀룰러폰, 노트북, 타블렛 PC 등 IT 기기에 많이 사용되고 있다. 최근에는 환경 오염 방지를 위해 전기 자동차에 대한 관심이 높아졌고, 이에 따라 전기 자동차에 고용량의 이차 전지가 채택되고 있다. 이러한 이차 전지는 고밀도, 고출력, 안정성 등의 특성이 요구되고 있다.
일반적으로, 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 전지의 충 방전을 가능하게하기 위해 전해질 용액을 상기 케이스에 주입한다. 예를 들어, 원통형 또는 직사각형인 케이스의 형상은 전지의 용도에 따라 다르다.
이차 전지는 고 에너지 밀도를 제공하기 위해, 복수의 단위 전지 셀을 포함하는 전지 모듈로서 사용될 수 있다. 즉, 전지 모듈은 필요한 전력량에 따라 고출력 이차 전지를 구현하기 위하여 복수의 단위 전지 셀의 전극 단자를 상호 연결함으로써 형성된다.
전지 모듈은 블록형(block) 또는 모듈형(modular) 방식으로 구현될 수 있다. 블록형 구현 방식은, 전지 셀 각각이 공통 집전 구조와 공통 전지 관리 시스템에 결합된다. 모듈형 구현 방식은, 복수의 전지 셀이 서브 모듈을 형성하도록 연결되고, 다수의 서브 모듈은 전지 모듈을 형성하도록 연결된다. 전지 관리 기능은 모듈 또는 서브 모듈 레벨로 구현될 수 있는 바, 이에 따라 구성 요소의 호환성이 향상된다. 하나 이상의 전지 모듈은 전지 시스템을 구성하기 위하여, 기계적 및 전기적으로 통합되고, 열 관리 시스템을 갖추며, 하나 이상의 전기 소비체와의 통신을 위해 셋업된다.
전지 모듈의 기계적 통합은 캐리어 플레이트를 제공하고 이 위에 개별적으로 전지 셀 또는 서브 모듈을 위치시키는 것으로 구현될 수 있다. 전지 셀 또는 서브 모듈의 고정은 캐리어 플레이트 내에 설치된 함몰부나 볼트 또는 스크류와 같은 기계적인 상호 연결구에 의해 달성될 수 있다. 선택적으로, 전지 셀 또는 서브 모듈은 캐리어 플레이트의 측면에 사이드 플레이트를 고정시키는 것으로 제한될 수 있다. 더욱이, 전지 셀의 상부로 캐리어 플레이트 및/또는 측면에 고정될 수 있는 커버 플레이트가 제공되어 다단 레벨의 전지 모듈을 구성할 수 있다. 캐리어 플레이트 및/또는 사이드 플레이트는 전지 셀 또는 전지 모듈의 냉각을 제공하기 위한 냉매 덕트를 포함할 수 있다.
전지 팩의 열적 제어를 제공하기 위해, 이차 전지로부터 발생된 열을 효율적으로 발열, 방출 및/또는 소산시킴으로써 적어도 하나의 전지 모듈을 안전하게 사용하기 위한 열 관리 시스템이 필요하다. 열 방열/방출/소산이 충분히 수행되지 않으면, 각 전지 셀 사이에 온도 편차가 발생하여 적어도 하나의 전지 모듈은 원하는 양의 전력을 생성할 수 없게 된다. 또한, 내부 온도의 증가는 내부 이상 반응을 가져올 수 있으며 이에 따라 이차 전지의 충전 및 방전 기능이 열화되고 수명이 단축된다. 따라서 전지 셀에서 발생하는 열을 효율적으로 발열, 방출, 소산시키기 위한 셀 냉각이 요구된다.
열 폭주는, 격하게 과열되거나 과충전되는 이차 전지에 의하여 도달될 수 있는 전지 셀의 비정상적인 작동 상태의 한 예다. 열 폭주로 들어가는 임계 온도는 대략 150℃ 이상이며, 불량 전기 접촉 또는 단락으로부터 인접 전지 셀로 가열되는 현상인, 셀의 내부 단락과 같은 국부 손상으로 인해 초과될 수 있다. 열 폭주는 전지 셀 내부의 자체 가속되는 화학 과정이다. 이러한 열 폭주는 모든 이용 가능한 재료가 소모될 때까지 다량의 열과 가스를 생성하는데, 이 동안 결함 있는 전지 셀은 700℃ 이상의 셀 온도까지 가열될 수 있고 시스템 내부로 다량의 고온 가스를 배출할 수 있다. 통상적으로 전지 셀은 전지 내부의 특정 과압이 초과되면 벤트-가스 제트가 방출되도록 하는 벤트 개구를 포함한다. 전형적으로 방출된 벤트-가스 제트는 높은 에너지 밀도(약, 200wh/kg)를 갖는 셀 케이스의 경우, 약 500℃의 온도와 300m/s의 가스 속도를 포함한다.
열 폭주 중에 많은 양의 열이 벤트-가스에 의해 이웃하는 셀로 전달될 수 있다. 이들 전지 셀은 사이드 플레이트, 베이스 플레이트 및/또는 이들의 전기 컨넥터를 통한 열전도로 인해서 고장난 셀에 의해 이미 가열되기 때문에, 열 폭주로 이동하기 쉽다. 그 결과는 전체 전지 시스템에 걸친 열 폭주 전파와 전지 화재 및/또는 전기 자동차의 전체 손실일 수 있다.
종래 기술에 따르면, 전지 시스템은 셀 온도가 임의의 임계값을 초과 시, 시동되는 소화 시스템을 포함할 수 있다. 온도 센싱을 위한 작동 수단은, 온도 임계값 이상으로 분해되도록 구성된 용융 퓨즈 부재를 포함할 수 있다. 일반적으로 이러한 작동 수단은 전지 셀에 근접 또는 바로 인접하여 배열되므로, 소화 시스템의 오시동의 높은 부담이 있다. 대부분의 소화 시스템은 비가역성으로 작동하며 그리고/또는 유체 소화 수단을 의미한다. 오시동은 작동하는 전지 시스템의 비가역적인 손상 및/또는 작동 수단의 교체 필요성을 가져올 수 있다. 알려진 소화 시스템은 상당의 추가 설치 공간을 필요로 하며, 전지 시스템에 많은 추가 중량을 부가함으로써 에너지 효율을 감소시킨다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명은 소화 시트에 의해 열폭주 상태의 배터리 셀의 화염이 외부에 토출되는 것을 차단 및 소화시킬 수 있으며, 가스는 외부로 배출이 용이하고 열전파를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 전지 모듈를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하우징과, 상기 하우징 내부에 설치되고, 벤트를 갖는 다수의 배터리 셀 및, 상기 하우징 내부에 설치되며, 상기 다수의 배터리 셀들의 벤트에 대응되는 소화 시트를 포함하며, 상기 소화 시트는 내부에 소화 약재를 수용하는 금속 재질의 본체부와, 상기 본체부의 제1면과 제2면에 각각 대응되는 절연 필름을 포함할 수 있다.
상기 본체부는 일방향을 따라 연장된 금속 플레이트로 제1면과 제2면 사이를 관통하는 다수의 기공을 가질 수 있다.
상기 소화 약재는 상기 본체부의 상기 기공 내에 함치될 수 있다.
상기 소화 약재의 질량은 상기 배터리 셀의 부피 대비 35g/㎥ 내지 100g/㎥일 수 있다.
상기 본체부의 두께는 0.1mm 내지 5 mm 일 수 있다.
상기 본체부의 기공률은 50% 내지 95% 일 수 있다.
상기 본체부는 내부에 상기 소화 약제를 수용하기 위한 수용 공간이 일방향을 따라 연장되고, 일정한 두께를 가지며 상기 소화 약제를 감싸는 매쉬 형태일 수 있다.
상기 절연 필름은 상기 본체부의 외면에 부착되어, 상기 본체부의 수용공간내에 상기 소화 약재를 수용시킬 수 있다.
상기 본체부의 제1면과 제2면 사이의 전체 두께는 0.3mm 내지 5mm이고, 상기 본체부에서 상기 소화 약제를 커버하는 커버 두께는 0.1mm 내지 1mm 일 수 있다.
상기 본체부는 스틸, 니켈, 알루미늄, 마그네슘, 구리 또는 이의 등가 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 절연 필름은 PET(Poly Ethylene Terephthalate), PC(Poly Carbonate) 및 PP(Poly Propylene)중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 절연 필름은 녹는점이 300℃ 이하의 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈는 소화 시트에 의해 열폭주 상태의 배터리 셀의 화염이 외부에 토출되는 것을 차단 및 소화시킬 수 있으며, 가스는 외부로 배출이 용이하고 열전파를 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지 모듈의 개략적인 구성을 도시한 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 전지 모듈에서 소화 시트가 설치되기 이전을 상측에서 도시한 평면 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 전지 모듈의 소화 시트의 일예를 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 전지 모듈의 소화 시트의 다른 예를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용된다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소는 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈의 개략적인 구성을 도시한 개념도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 모듈(100)은 하우징(110)과, 하우징(110) 내부 공간내에 수용되며 적어도 일방향을 따라 배열된 다수의 배터리 셀(120), 다수의 배터리 셀(120)의 일면을 덮도록 배치되며 하우징(110)내에 수용된 소화 시트(130)를 포함할 수 있다.
하우징(110)은 내부에 다수의 배터리 셀(120)과 소화 시트(130)를 수용하기 위한 공간을 제공한다. 이와같은 하우징(110)은 하부 플레이트와 하부 플레이트의 일변과 일변과 대향한 타변으로부터 상부방향으로 연장된 측부 플레이트 및, 측부플레이트 사이를 연결하기 위한 2개의 엔드 플레이트를 구비하는 하우징 본체(111)와, 하우징 본체(111)의 상단 개구를 밀봉하는 하우징 커버(112)를 포함할 수 있다. 이와같은 하우징(110)은 다수의 배터리 셀(120)과 소화 시트(130)의 위치를 고정시킬 수 있으며, 다수의 배터리 셀(120)과 소화 시트(130)를 외부 환경으로부터 보호할 수 있다.
또한 하우징 본체(111)는 내부에 홀더 또는 리브 등이 구비 되어, 복수의 배터리 셀(120)을 고정할 수 있다. 추가적으로 도 1에서는 모두 일곱 개의 배터리 셀(120)이 하우징 본체(111)내에 설치된 것으로 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 개념도로 배터리 셀(120)의 개수는 2개 이상으로 다양하게 변경가능 할 수 있다.
다수의 배터리 셀(120)은 케이스의 내부에 전극 조립체가 수용될 수 있고, 전극 조립체는 일 영역, 예를 들어 활물질이 각각 코팅된 양극판과 음극판의 사이에 세퍼레이터를 위치시킨 상태에서, 권취, 스택 또는 라미네이트하는 방식으로 구성될 수 있다. 또한 배터리 셀(120)의 일영역에는 다른 영역에 비해 얇은 두께로 형성된 벤트(121)가 구성될 수 있다. 다수의 배터리 셀(120)의 벤트(121)는 다수의 배터리 셀(120)에서 동일한 일면상에 배치될 수 있다. 또한 벤트(121)가 위치하는 다수의 배터리 셀(120)의 일면은 소화 시트(130)에 의해 덮여질 수 있다. 이하에서, 벤트(121)가 위치하는 배터리 셀(120)의 일면은 설명의 편의를 위해 상면으로 지칭하고자 한다. 이와같은 벤트(121)가 위치하는 배터리 셀(120)의 일면은 전지 모듈(100)에서 다수의 배터리 셀(120)의 배치 방향에 따라, 하면 또는 측면으로 다양하게 변경될 수 있다.
또한, 배터리 셀(120)은 활물질이 도포되지 않은 양극판과 음극판의 영역, 예를 들어 무지부에 전기적으로 연결된 전극 단자가 케이스의 외부로 노출될 수 있다. 여기서, 전극 단자는 양극 단자와 음극 단자로 각각 지칭될 수 있다. 물론 케이스가 양극 단자 또는 음극 단자가 될 수도 있다.
이와 같은 배터리 셀(120)은 도 2a에 도시된 바와 같이 원형 셀일 수 있으며, 또한 도 2b에 도시된 바와 같이 각형 셀로 구성될 수도 있다. 여기서, 배터리 셀(120)이 어떠한 형태를 갖는지에 대해서는 본 발명의 실시예들에 의해 한정되지 않는다. 다만, 각각의 배터리 셀(120)들은 하우징(110)내에 열 및/또는 행을 갖도록 설치될 수 있다. 또한 다수의 배터리 셀(120)은 하우징(110)내에서 적어도 하나의 열 또는 하나의 행을 갖도록 다수의 배터리 셀(120)이 배치 및 설치될 수 있으며, 배치되는 열이나 행의 개수를 한정하는 것은 아니다.
소화 시트(130)는 소화 약제(133)를 포함하고 있으며, 다수의 배터리 셀(120)의 상면과 대응되도록 일방향을 따라 연장되어 다수의 배터리 셀(120)의 상부에 위치할 수 있다. 이와같은 소화 시트(130)는 다수의 배터리 셀(120)의 벤트(121)를 모두 덮도록, 배터리 셀(120)의 상부에 위치할 수 있다. 물론 소화 시트(130)는 하우징(110)의 내부에 위치할 수 있다. 도 3a를 참조하면 소화 시트(130)의 개략적인 단면도가 도시되어 있고, 도 3b를 참조하면 소화 시트(130)의 소화 약제가 분사된 후를 도시한 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 이하에서는 도 3a 및 도 3b를 참조하여, 소화 시트(130)의 구성 및 동작을 설명하고자 한다.
우선 소화 시트(130)는 대략 일방향을 따라 연장된 판 형상의 본체부(131)와, 본체부(131)의 제1면(131x)과, 제1면의 반대면인 제2면(131y)을 각각 덮도록 접착된 절연 필름(132)을 포함할 수 있다. 일예로 본체부(131)는 직사각형 형태의 판일 수 있으나, 그 형상을 한정하는 것은 아니다. 본체부(131)는 다수의 기공(131a)을 갖는 다공성 플레이트일 수 있다. 또한 본체부(131)의 다수의 기공(131a) 내에는 소화 약제(133)가 함침되어 있을 수 있다. 여기서 본체부(131)의 기공률은 전체 본체부(131) 대비 50% 내지 95%이고, 좀더 바람직하게는 65% 내지 80% 일 수 있다. 여기서 본체부(131)의 기공률이 50% 미만일 경우, 본체부(131) 내에 함침될 수 있는 소화 약제(133)의 비율 감소로, 배터리 셀(120)의 열 폭주시 발생된 화염의 진압이 용이하지 않을 수 있다. 또한 본체부(131)의 기공률이 95%를 초과할 경우, 기공의 증가로 인해 본체부(131)의 강성 유지가 어려울 수 있다.
상기 본체부(131)는 다수의 기공(131a)이 제1면(131x)과 제2면(131y) 사이를 관통할 수 있다. 또한 본체부(131)의 다수의 기공(131a)내에 포함된 소화 약제(133)는 본체부(131)의 제1면(131x)과 제2면(131y)에 접착된 절연 필름(132)에 의해 본체부(131) 내에 고정될 수 있다.
상기 본체부(131)는 다수의 기공(131a)을 갖는 금속 재질의 플레이트일 수 있다. 상기 본체부(131)는 열 변형이 적은 스틸, 니켈, 알루미늄, 마그네슘, 구리 또는 이의 등가 금속으로 이루어질 수 있다. 본체부(131)의 두께(131H)는 0.1mm 내지 5mm일 수 있다. 보다 바람직하게 본체부(131)의 두께(131H)는 0.2mm 내지 3mm일 수 있다. 본체부(131)의 두께(131H)가 0.1mm미만일 경우, 소화 약재의 부족으로 배터리의 열폭주시 발생된 화염의 소화가 용이하지 않을 수 있다. 또한 본체부(131)의 두께(131H)가 5mm를 초과할 경우, 두께 증가로 인해 전지 모듈(10)의 전체 크기 증가와 소화 약제(133)의 불필요한 증가가 발생될 수 있다. 이와같은 본체부(131)의 두께는 배터리 셀(120)의 용량에 따라 다양하게 변경할 수 있다.
또한 본체부(131)내에 포함된 소화 약제(133)의 질량은 배터리셀(120)의 부피 대비 35g/㎥ 내지 100g/㎥일 수 있다. 보다 바람직하게 본체부(131)내에 포함된 소화 약제(133)의 질량은 50g/㎥ 내지 100g/㎥ 일 수 있다. 여기서 소화 약제(133)의 질량이 35g/㎥ 보다 적을 경우, 소화 약재의 부족으로 배터리의 열폭주시 발생된 화염의 소화가 용이하지 않을 수 있다.
이와같이 금속 재질로 이루어진 본체부(131)는 배터리 셀(120)이 열폭주 상태일때, 화염방지기 역할을 하여 화염의 온도를 낮추고, 화염의 토출을 방지하는 기능을 할 수 있다.
상기 절연 필름(132)은 본체부(131)의 제1면(131x)과 제2면(131y)에 각각 부착될 수 있다. 절연 필름(132)은 PET(Poly Ethylene Terephthalate), PC(Poly Carbonate) 및 PP(Poly Propylene) 중 하나 또는 그 이상을 포함하거나 녹는점이 300℃ 이하의 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다. 상기 절연 필름(132)은 배터리 셀(120)이 열 폭주 상태가 되면, 벤트(121)를 통해 방출되는 화염 또는 열에 의해서 용융될 수 있다. 여기서 열 폭주 상태는 배터리 셀(120)이 과열, 과충전, 단락 또는 불량 전기 접촉 등에 의해, 셀 내부의 온도가 고온 및/또는 고압의 상태가 되어 배터리 셀(120)의 내부에 생성된 열(또는 화염)과 가스를 배출하는 상태를 의미한다.
소화 약제(133)는 알칼리, 산, 탄소화합물, 탄산 화합물, 질소화합물, 물, 계면활성제 중 적어도 하나 이상의 재료를 포함한 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로는 탄산수소 칼륨을 주성분으로 하는 소화약제, 탄산수소 나트륨을 주성분으로 하는 소화 약제, 탄산수소 칼륨과 요소의 반응 생성물을 주성분으로 하는 소화 약제, 인산 이수변소 암모늄을 주성분으로 하는 소화 약제가 사용될 수 있다. 하지만 이러한 종류로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 소화 약제는 고체, 액체, 기체 중 어느 것으로 이루어져도 무방하다.
여기서 배터리 셀(120)이 열 폭주 상태가 되면, 배터리 셀(120)의 벤트(121)가 내부의 고압에 의해 파단되어, 벤트(121)를 통해 내부에서 발생된 열과 가스가 배출될 수 있다. 이때, 열폭주 상태의 배터리 셀(120)의 벤트(121)를 통해 배출되는 열에 의해, 소화 시트(130)의 상하부면에 구비된 절연 필름(132)이 용융될 수 있다. 또한 소화 시트(130)는 절연 필름(132)이 용융되면 본체부(131)의 기공(131a)이 상하부를 통해 개방되어, 소화 약제(133)를 배터리 셀(120)로 배출시킬 수 있다. 소화 시트(130)의 소화 약제(133)에 의해 열폭주 상태의 배터리 셀(120)의 화염을 억제하여 소화시킬 수 있다.
또한 소화 시트(130)는 본체부(131)에 의해 열폭주 상태의 배터리 셀(120)의 열이 인접 배터리 셀(120)로 전달되는 것을 방지할 수 있다. 또한 열폭주 상태의 배터리 셀(120)에서 배출되는 가스는 소화 시트(130)의 본체부(131)에 구비된 기공(131a)을 통해 배출이 용이할 수 있다. 여기서 하우징(110)은 소화 시트(130)를 통해 배출되는 가스가 용이하게 이동 및 외부로 배출되기 위한 덕트를 더 포함할 수 있다. 즉, 소화 시트(130)를 통해 배출된 열폭주 상태의 배터리 셀(120)의 가스는 하우징(110)내에 구비된 덕트를 통해 이동가능하며, 하우징(110)의 외부로 배출될 수 있다. 또한 열폭주 상태의 배터리 셀(120)에서 배출되는 화염은 소화 시트(130)의 본체부(131)에 의해 외부로 토출되는 것이 차단될 수 있다.
여기서 소화 시트(130)는 열폭주 상태의 배터리 셀(120)에 대응되는 영역의 절연 필름(132)이 용융되어, 열폭주 상태의 배터리 셀(120)에만 소화 약제(133)가 낙하되어 배터리 셀(120)의 화염을 억제함으로써 소화시킬 수 있으며, 인접한 배터리 셀(120)로 열전파가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한 소화 시트(130)는 배터리 셀(120)에서 방출되는 가스를 외부로 배출할 수 있으며, 화염이 금속 재질의 본체부(131)로 인해 외부로 배출되는 것은 차단하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 4a를 참조하면 본 발명의 전지 모듈(100)에 적용 가능한 소화 시트(230)의 다른예에 대한 개략적인 단면도가 도시되어 있고, 도 4b를 참조하면 도 4a에 도시된 소화 시트(230)의 소화 약제가 분사된 후를 도시한 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 이하에서는 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 소화 시트(230)의 구성 및 동작을 설명하고자 한다.
우선 소화 시트(230)는 소화 약제(233)가 내부에 수용된 매쉬 형태로 이루어진 본체부(231)와, 본체부(231)의 제1면(231x)과 제1면(231x)의 반대면인 제2면(231y)에 접착된 절연 필름(232)을 포함할 수 있다.
본체부(231)는 내부에 소화 약제(233)를 수용하기 위한 수용 공간(231a)을 가질 수 있다. 즉, 본체부(231)는 일정한 두께로 소화 약제(233)를 감싸는 형태를 가질 수 있으며, 소화 약제(233)의 상부, 하부 및 측부를 모두 감싸는 형태일 수 있다. 즉, 본체부(231)는 금속 매쉬로, 수용 공간(231a)에 수용된 소화 약제(233)를 감쌀 수 있다. 또한 본체부(231)는 일방향을 따라 연장되어, 플레이트 형상을 가질 수 있다. 또한 본체부(231)의 수용 공간(231a)에 수용된 소화 약제(233) 역시 본체부(231)의 연장 방향을 따라 동일하게 연장될 수 있다.
이와같은 본체부(231)는 금속 매쉬로 다수의 기공을 구비할 수 있다. 상기 본체부(231)는 열 변형이 적은 스틸, 니켈, 알루미늄, 마그네슘, 구리 또는 이의 등가 금속으로 이루어질 수 있다.
또한 매쉬 타입의 본체부(231)의 수용 공간(231a)내에 포함된 소화 약제(233)는 본체부(231)의 제1면(231x)과 제2면(231y)에 접착된 절연 필름(232)에 의해 본체부(231)의 내부에 수용될 수 있다. 이와같은 절연 필름(232)은 본체부(231)의 전체를 감싸도록 형성될 수 있다. 예를들어, 절연 필름(232)은 본체부(231)의 상면(231x) 및 하면(231y)뿐만 아니라, 측면도 모두 덮도록 부착될 수 있다. 이와같은 절연 필름(232)은 본체부(231)의 내부에 수용된 소화 약제(233)가 외부로 노출 및 토출되는 것을 방지할 수 있다. 이와같은 본체부(231)는 배터리 셀(120)이 열폭주 상태가 되면, 배터리 셀(120)에서 배출되는 열(화염)이 소화 시트(230)를 통해 외부로 토출되는 것을 차단할 수 있다.
이와 같은 본체부(231)의 제1면(231x)과 제2면(231y) 사이의 전체 두께(231Ha)는 0.3mm 내지 5mm 중 어느 하나의 값을 가질 수 있다. 또한 본체부(231)는 소화 약제(233)를 커버하는 커버 두께(231Hb)는 0.1mm 내지 1mm 중 어느 하나의 값을 가질 수 있다. 여기서 본체부(231)의 커버 두께(231Hb)는 수용 공간(231a)의 상부로부터 본체부(231)의 제1면(231x)까지의 두께 또는 수용 공간(231a)의 하부로 부터 본체부(231)의 하면(231y)까지의 두께(231Hb)일 수 있다. 상기 본체부(231)의 커버 두께(231Hb)가 0.1mm 미만일 경우, 본체부(231)의 형상을 유지하기 어렵고, 배터리 셀(120)의 열폭주시 배출되는 화염을 차단하기 어려울 수 있다. 또한 본체부(231)의 커버 두께(231Hb)가 1mm를 초과할 경우, 소화 시트(230)의 전체 두께 증가만 초래할 수 있다. 또한 본체부(231)내에 포함된 소화 약제(133)의 질량은 배터리셀(120)의 부피 대비 35g/㎥ 내지 100g/㎥로 소화시트(130)과 동일할 수 있다.
상기 절연 필름(232)은 본체부(231)의 제1면(231x)과 제2면(231y)에 각각 접착되어 부착될 수 있다. 절연 필름(232)과 소화 약제(233)는 도 3a 및 도 3b에 도시되고 이전에 설명된 절연 필름(132) 및 소화 약제(133)와 유사할 수 있다.
여기서 배터리 셀(120)이 열 폭주 상태가 되면, 배터리 셀(120)의 벤트(121)가 내부의 고압에 의해 파단되어, 벤트(121)를 통해 내부에서 발생된 열과 가스가 배출될 수 있다. 이때, 열폭주 상태의 배터리 셀(120)의 벤트(121)를 통해 배출되는 열에 의해, 소화 시트(230)의 상하부면에 구비된 절연 필름(232)이 용융될 수 있다. 또한 소화 시트(230)는 절연 필름(232)이 용융되면 본체부(231)의 수용 공간(231a)내에 수용된 소화 약제(233)가 매쉬 형태의 기공을 통해 하부로 배출될 수 있다. 소화 시트(230)의 소화 약제(233)에 의해 열폭주 상태의 배터리 셀(220)의 화염을 억제하여 소화시킬 수 있다. 즉, 소화 시트(230)는 열폭주 상태의 배터리 셀(120)의 열이 인접 배터리 셀(120)로 전달되는 것을 방지할 수 있다. 또한 열폭주 상태의 배터리 셀(120)에서 배출되는 가스는 소화 시트(230)의 매쉬형태의 본체부(231)를 통해 배출이 용이할 수 있다. 여기서 하우징(110)은 소화 시트(230)를 통해 배출되는 가스가 용이하게 이동 및 외부로 배출되기 위한 덕트를 더 포함할 수 있다. 즉, 소화 시트(230)를 통해 배출된 열폭주 상태의 배터리 셀(120)의 가스는 하우징(110)내에 구비된 덕트를 통해 이동가능하며, 하우징(110)의 외부로 배출될 수 있다. 또한 열폭주 상태의 배터리 셀(120)에서 배출되는 화염은 소화 시트(230)의 본체부(231)에 의해 외부로 토출되는 것이 차단될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 전지 모듈를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 전지 모듈 110: 하우징
120: 배터리 셀 130, 230: 소화 시트
131, 231: 본체부 132, 232: 절연 필름
133, 233: 소화 약제

Claims (12)

  1. 하우징;
    상기 하우징 내부에 설치되고, 벤트를 갖는 다수의 배터리 셀; 및
    상기 하우징 내부에 설치되며, 상기 다수의 배터리 셀들의 벤트에 대응되는 소화 시트를 포함하며,
    상기 소화 시트는 내부에 소화 약재를 수용하는 금속 재질의 본체부와, 상기 본체부의 제1면과 제2면에 각각 대응되는 절연 필름을 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본체부는 일방향을 따라 연장된 금속 플레이트로 제1면과 제2면 사이를 관통하는 다수의 기공을 갖는 전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소화 약재는 상기 본체부의 상기 기공 내에 함침된 전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소화 약재의 질량은 상기 배터리 셀의 부피 대비 35g/㎥ 내지 100g/㎥인 전지 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 본체부의 두께는 0.1mm 내지 5 mm 인 전지 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 본체부의 기공률은 50% 내지 95% 중 어느 하나인 전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 본체부는 내부에 상기 소화 약제를 수용하기 위한 수용 공간이 일방향을 따라 연장되고, 일정한 두께를 가지며 상기 소화 약제를 감싸는 매쉬 형태인 전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연 필름은 상기 본체부의 외면에 부착되어, 상기 본체부의 수용공간내에 상기 소화 약재를 수용시키도록 하는 전지 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 본체부의 제1면과 제2면 사이의 전체 두께는 0.3mm 내지 5mm이고,
    상기 본체부에서 상기 소화 약제를 커버하는 커버 두께는 0.1mm 내지 1mm 인 전지 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 본체부는 스틸, 니켈, 알루미늄, 마그네슘, 구리 또는 이의 등가 금속으로 이루어진 전지 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 절연 필름은 PET(Poly Ethylene Terephthalate), PC(Poly Carbonate) 및 PP(Poly Propylene)중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 절연 필름은 녹는점이 300℃ 이하의 플라스틱 재질로 이루어진 전지 모듈.
KR1020220187202A 2022-12-28 2022-12-28 전지 모듈 KR20240104706A (ko)

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