WO2017061746A1 - 전지 모듈 - Google Patents

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최정석
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module, and more particularly to a battery module having excellent cooling efficiency.
  • the battery pack applied to the electric vehicle or the like has a structure in which a plurality of cell assemblies including a plurality of unit cells are connected in series to obtain a high output.
  • the unit cell may be repeatedly charged and discharged by an electrochemical reaction between components, including a positive electrode and a negative electrode current collector, a separator, an active material, an electrolyte, and the like.
  • the present invention has been made to solve the above problems, it is to provide a battery module having a higher structural stability and a higher cooling efficiency than the conventional battery module.
  • the cooling member may be in contact with the outer surface of the housing.
  • the cooling member may be attached to side surfaces of the battery cells by a heat conductive adhesive.
  • the cooling member may be in contact with both sides of the receiving portions of the two battery cells stacked adjacent to each other in the vertical direction.
  • the cooling member is provided with two inclined surfaces, and each inclined surface may be in contact with the side of the receiving portion of the two battery cells stacked in the vertical direction.
  • At least a portion of the battery cell may be in contact with the upper surface and the lower surface of the housing.
  • the cooling member may have a width smaller than the width of the wing.
  • the cooling member may be in the form of a hollow tube.
  • the electrode assembly includes a positive electrode, a negative electrode and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • the electrode assembly is typically a jelly-roll (wound) electrode assembly having a structure in which long sheets of positive and negative electrodes are wound with a separator interposed therebetween, and a plurality of positive and negative electrodes cut in units of a predetermined size through a separator. Stacked electrode assembly stacked sequentially in one state, stack of bi-cell or full cell wound with stacked positive and negative electrodes in a predetermined unit via separator / Folding electrode assembly, etc. are mentioned.
  • the battery cell 100 may include one inclined surface
  • the cooling member 200 may also include one inclined surface to contact the side surface of the storage part of the battery cell 100.

Abstract

본 발명은 전지셀들로부터 발생한 열을 효과적으로 제거할 수 있으며, 외부 충격에 대한 전지셀들의 변형을 최소화시키 위한 것으로, 복수의 전지셀들이 서로 전기적으로 연결되는 전지셀 적층체, 및 상기 전지셀 적층체를 내장하는 모듈 케이스를 구비하는 전지 모듈로서, 상기 전지셀은, 수납부가 형성되고 상기 수납부의 테두리가 실링된 형태로 구성된 파우치형 케이스, 상기 파우치형 케이스의 수납부에 구비되는 전극조립체, 및 일단이 상기 전극조립체와 연결되고 타단이 상기 파우치형 케이스의 외부로 돌출 형성된 전극단자를 포함하고, 상기 파우치형 케이스는, 상기 전극단자가 형성되지 않은 테두리의 적어도 일부가 절곡된 형태로 구성된 날개부를 구비하고, 상기 날개부와 상기 수납부의 사이 공간 중 적어도 한 곳에 냉각부재를 포함하는 전지 모듈이 제공된다.

Description

전지 모듈
본 발명은 전지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우수한 냉각 효율을 갖는 전지 모듈에 관한 것이다.
본 출원은 2015년 10월 8일에 출원된 한국출원 제10-2015-0141756호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
상기 전기 차량 등에 적용되는 전지 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)을 포함하는 다수의 셀 어셈블리를 직렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 전지 모듈을 집합시킨 전지 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
이러한 전지 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차전지의 충전 또는 방전의 과정은 앞서도 살펴본 바와 같이 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로 전지는 주변 온도 조건 환경에 영향을 받게 될 수 있다. 예를 들어 최적 온도가 유지되지 않는 극저온 또는 극고온 등의 온도 악조건에 노출된 상태에서 충방전 과정이 진행되게 되면, 전지의 충방전 효율성이 낮아지게 되며 이에 따라 정상 구동에 대한 성능 보장이 어려운 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 냉각 구조의 구성시 사용되는 부재들 사이에 존재하는 열전도 저항으로 인해, 설계시에 의도한 냉각 효율성이 얻어지지 못하는 경우가 자주 발생한다.
따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 설계가 용이하고, 수명 특성과 안전성 및 냉각 효율이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 전지 모듈보다 구조적 안정성이 우수하며, 냉각 효율성은 더 높은 전지 모듈을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 전지셀들이 서로 전기적으로 연결되는 전지셀 적층체, 및 상기 전지셀 적층체를 내장하는 모듈 케이스를 구비하는 전지 모듈로서, 상기 전지셀은, 수납부가 형성되고 상기 수납부의 테두리가 실링된 형태로 구성된 파우치형 케이스, 상기 파우치형 케이스의 수납부에 구비되는 전극조립체, 및 일단이 상기 전극조립체와 연결되고 타단이 상기 파우치형 케이스의 외부로 돌출 형성된 전극단자를 포함하고, 상기 파우치형 케이스는, 상기 전극단자가 형성되지 않은 테두리의 적어도 일부가 융착된 형태로 구성된 날개부를 구비하고, 상기 날개부와 상기 수납부의 사이 공간 중 적어도 한 곳에 냉각부재를 포함하는 전지 모듈이 제공된다.
바람직하게는, 상기 냉각부재는 상기 수납부의 외측면에 접촉될 수 있다.
상기 냉각부재는 열전도성 접착제에 의해 상기 전지셀들의 측면에 부착될 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각 부재는, 상하 방향으로 인접하여 적층된 2개의 전지셀의 수납부 측면에 모두 접촉될 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각부재는, 2개의 경사면을 구비하여 각 경사면이 상하 방향으로 적층된 2개의 전지셀의 수납부 측면에 각각 접촉될 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각부재는, 1개의 경사면을 구비하여 1개의 전지셀의 수납부 측면에 접촉될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전지셀의 적어도 일부는 수납부의 상면과 하면이 상호 접촉될 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각부재는 상기 날개부의 폭보다 작은 폭을 가질 수 있다.
상기 날개부는 상기 냉각부재를 감싸도록 상방 또는 하방으로 폴딩될 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각부재의 단면 형상은 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각부재는 상기 날개부의 적어도 일부와 접촉할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각부재는 내부가 비어있는 관 형태일 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각부재는 양 단부 중 적어도 하나가 상기 전지셀의 외측으로 돌출되게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지셀들로부터 발생한 열을 효과적으로 제거할 수 있으며, 외부 충격에 대한 전지셀들의 변형을 최소화시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부재를 구비한 전지 모듈의 측면 모식도이다.
도 3a 및 3b는 종래의 전지 모듈의 측면의 부분 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부재를 구비한 전지 모듈의 측면의 부분 모식도이다.
도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부재를 구비한 전지 모듈의 측면 모식도이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀들이 서로 전기적으로 연결되는 전지셀 적층체, 및 상기 전지셀 적층체를 내장하는 모듈 케이스를 구비하며, 상기 전지셀은, 수납부가 형성되고 상기 수납부의 테두리가 실링된 형태로 구성된 파우치형 케이스, 상기 파우치형 케이스의 수납부에 구비되는 전극조립체, 및 일단이 상기 전극조립체와 연결되고 타단이 상기 파우치형 케이스의 외부로 돌출 형성된 전극단자를 포함하고, 상기 파우치형 케이스는, 상기 전극단자가 형성되지 않은 테두리의 적어도 일부가 융착된 형태로 구성된 날개부를 구비하고, 상기 날개부와 상기 수납부의 사이 공간 중 적어도 한 곳에 냉각부재를 포함한다.
상기 전극조립체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 전극조립체는 대표적으로, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
상기 양극은 도전성이 우수한 금속 박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극 집전체와 그 양면에 코팅된 양극 활물질층을 포함하여 형성된다. 양극판은 양 면에 양극 활물질층이 형성되지 않은 양극 집전체 영역, 즉 양극 무지부가 형성될 수 있다.
상기 음극은 전도성 금속 박판, 예를 들면 구리(Cu) 호일로 이루어진 음극 집전체와, 그 양면에 코팅된 음극 활물질층을 포함하고 있다. 음극판은 양 측부에 음극 활물질층이 형성되지 않은 음극 집전체 영역, 즉 음극 무지부가 형성된다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 위치하여, 양극과 음극을 서로 전기적으로 절연시키며, 양극과 음극 사이에서 리튬 이온 등이 서로 통과할 수 있도록 다공성막 형태로 형성될 수 있다. 이러한 분리막은, 예를 들어 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 또는 이들의 복합필름을 사용한 다공성막으로 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 파우치형 케이스(110)는 전극조립체(120)를 수납하는 수납부(112)와, 상기 수납부(112)의 테두리가 실링된 형태로 구성되며, 전극단자가 형성되지 않은 테두리의 적어도 일부가 절곡된 형태로 구성된 날개부(111)를 구비한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부재를 구비한 전지 모듈의 측면 모식도이다. 도 2를 참조하면, 복수의 전지셀(100)들이 적층되며, 날개부(111)와 수납부의 사이 공간에 냉각부재(200)가 구비될 수 있다. 상기 냉각부재(200)는 상기 날개부(111)와 상기 수납부의 사이 공간 중 적어도 한 곳에 포함될 수 있다. 상기 냉각부재(200)는 기계적 강성을 가지는 열전도성 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, Al, Cu 및 W로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상 또는 이들로 이루어진 합금으로 형성될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
도 3a 및 3b는 종래의 전지 모듈의 측면의 부분 모식도이다. 도 3a 및 3b를 참조하면, 종래의 전지 모듈은 적층된 각각의 전지셀들 사이에 방열판(210)을 구비하거나, 측면에 추가적인 냉각부(220)를 구비함으로써, 전지 모듈에서 차지하는 부피가 증가하고, 제조 공정성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은, 날개부와 수납부의 사이 공간 중 적어도 한 곳에 냉각부재를 구비함으로써, 별도의 방열판이나 냉각부를 필요로 하지 않으며, 구조적 안전성과 냉각 효율성이 우수한 전지 모듈을 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부재를 구비한 전지 모듈의 측면의 부분 모식도이다. 도 4를 참조하면, 냉각부재(200)는 열전도성 접착제(300)에 의해 상기 전지셀(100)들의 측면에 부착될 수 있다. 상기 열전도성 접착제(300)는 열을 서로 용이하게 전달할 수 있는 소재라면 특별히 제한되지 않으며, 에폭시, 실리콘, 우레탄, 아크릴레이트 등의 고분자 수지와 상기 고분자 수지에 산화알루미늄, 질화붕소, 산화아연, 질화알루미늄, 탄소계 물질, 은, 구리 등의 입자가 분산된 소재를 사용할 수 있다.
또한, 상기 냉각부재는 상하 방향으로 인접하여 적층된 2개의 전지셀의 수납부 측면에 모두 접촉할 수 있다.
또한, 상기 냉각부재는, 1개 또는 2개의 경사면을 구비하여 1개의 전지셀의 수납부 측면에 접촉하거나, 각 경사면이 상하 방향으로 적층된 2개의 전지셀의 수납부 측면에 각각 접촉할 수 있다.
도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부재를 구비한 전지 모듈의 측면 모식도이다.
도 5를 참조하면, 전지셀(100)은 1개의 경사면을 구비하고, 냉각부재(200)도 1개의 경사면을 구비하여, 전지셀(100)의 수납부 측면에 접촉할 수 있다.
또한, 상기 냉각부재는 상기 날개부의 폭보다 작은 폭을 가질 수 있으며, 상기 날개부는 상기 냉각부재를 감싸도록 상방 또는 하방으로 폴딩되어, 외부 충격으로부터 각각의 전지셀들을 지지하여, 구조적 안전성을 개선할 수 있다. 도 6을 참조하면, 날개부(111)가 냉각부재(200)를 감싸도록 상방으로 폴딩될 수 있어, 각각의 전지셀(100)들을 지지할 수 있다.
또한, 상기 냉각부재는 1 내지 20 mm의 폭을 가질 수 있으며, 상기 냉각부재는 전지셀 두께의 20 내지 90%의 범위의 두께를 가질 수 있고, 전지셀 길이의 60 내지 130%의 길이를 가질 수 있다.
또한, 상기 냉각부재의 단면 형상은 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 냉각부재는 상기 날개부의 적어도 일부와 접촉할 수 있다.
도 7을 참조하면, 냉각부재(200)는 내부가 비어있는 관 형태일 수 있다. 또한, 상기 냉각부재(200)는 양 단부 중 적어도 하나가 상기 전지셀의 외측으로 돌출되게 형성될 수 있다. 냉각부재가 관 형태를 갖는 경우, 냉매가 이동하는 통로로서 기능할 수 있으며, 전지셀에서 발생하는 열을 추가적으로 외부로 방출할 수 있다. 이러한 냉각부재의 일측으로 냉매가 유입되고, 타측으로는 유입된 냉매가 배출될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
[부호의 설명]
100: 전지셀
110: 파우치형 케이스
111: 날개부
112: 수납부
120: 전극조립체
200: 냉각부재
210: 방열판
220: 냉각부
300: 열전도성 접착제

Claims (13)

  1. 복수의 전지셀들이 서로 전기적으로 연결되는 전지셀 적층체, 및 상기 전지셀 적층체를 내장하는 모듈 케이스를 구비하는 전지 모듈로서,
    상기 전지셀은, 수납부가 형성되고 상기 수납부의 테두리가 실링된 형태로 구성된 파우치형 케이스, 상기 파우치형 케이스의 수납부에 구비되는 전극조립체, 및 일단이 상기 전극조립체와 연결되고 타단이 상기 파우치형 케이스의 외부로 돌출 형성된 전극단자를 포함하고,
    상기 파우치형 케이스는, 상기 전극단자가 형성되지 않은 테두리의 적어도 일부가 융착된 형태로 구성된 날개부를 구비하고,
    상기 날개부와 상기 수납부의 사이 공간 중 적어도 한 곳에 냉각부재를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재는 상기 수납부의 외측면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각부재는 열전도성 접착제에 의해 상기 전지셀들의 측면에 부착되는 것을 특징으로 하는, 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 부재는, 상하 방향으로 인접하여 적층된 2개의 전지셀의 수납부 측면에 모두 접촉되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재는, 2개의 경사면을 구비하여 각 경사면이 상하 방향으로 적층된 2개의 전지셀의 수납부 측면에 각각 접촉되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재는, 1개의 경사면을 구비하여 1개의 전지셀의 수납부 측면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀의 적어도 일부는 수납부의 상면과 하면이 상호 접촉되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재는 상기 날개부의 폭보다 작은 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 전지 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 날개부는 상기 냉각부재를 감싸도록 상방 또는 하방으로 폴딩되어 있는 것을 특징으로 하는, 전지 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재의 단면 형상은 원형, 타원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는, 전지 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재는 상기 날개부의 적어도 일부와 접촉하는 것을 특징으로 하는, 전지 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재는 내부가 비어있는 관 형태인 것을 특징으로 하는, 전지 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재는 양 단부 중 적어도 하나가 상기 전지셀의 외측으로 돌출되게 형성되는 것을 특징으로 하는, 전지 모듈.
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