WO2017150939A2 - 완충부재를 구비한 셀 어셈블리 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a cell assembly, and more particularly, to a cell assembly having an improved structure of a buffer member for absorbing volume expansion of a cell.
  • Lithium secondary batteries are widely applied to fields requiring high energy, such as automobile batteries or power storage devices, because a plurality of unit cells are bundled into one pack.
  • the cell assembly consisting of a plurality of unit cells is a swelling (swelling) with the heat generated during overcharging occurs and the deformation is convexly expanded in the outward direction of the module.
  • a buffer pad having a predetermined shape may be mounted between the cell and the cell.
  • the conventional shock absorbing pad has a problem that it is difficult to circulate or discharge heat through the pad, so that a component having a heating function is additionally added to the inside of the pack.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2014-0027955 discloses an energy storage device in which damping elements are mounted as elastic means (cushions) on the flat surface of the cell, and the damping elements also have good thermal conductivity.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a cell assembly capable of increasing internal space efficiency by configuring a component for thermal circulation and heat generation and a component for buffering.
  • Another object of the present invention is to provide a cell assembly having improved structure and physical properties of a buffer pad interposed between cells to provide a high efficiency heat transfer function with a buffer function.
  • the present invention to achieve the above object is a plurality of cells arranged at a predetermined interval; And a buffer pad disposed between the cells in surface contact with the cell to absorb volume expansion of the cell, wherein the buffer pad has a thermal conductivity of 1.5 W / mK or more.
  • the buffer pad is formed of a plate-like body having an area of at least the area of the flat portion of the cell, and the flat portion of the buffer pad is in surface contact with the flat portion of the cell.
  • Both end surfaces of the buffer pad are preferably in contact with the outer frame of the cell.
  • the area of the flat portion of the buffer pad is less than 105% of the area of the flat portion of the cell.
  • the thickness of the buffer pad is preferably 120% to 250% of the volume expansion rate of the cell.
  • the thermal conductivity of the buffer pad is preferably 1.5 ⁇ 1.6W / mK.
  • the buffer pad may be made of poly dimethyl siloxane material.
  • the buffer pad is made of a nonflammable material of UL94 V-1 or higher grade and an insulating material of 10 ⁇ / mm or more, and has a compression force deflection (CFD) at a strain range of 20 to 60%. It is preferable that it is 20-100 kPa.
  • CFRD compression force deflection
  • the surface contact between the buffer pad and the planar portion of the cell is substantially in contact with each other, thereby effectively absorbing the volume expansion of the cell and optimizing the thermal conductivity, thereby providing a heat transfer function with high efficiency.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the main configuration of the cell assembly according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a combined front view of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a combined front view of FIG. 1.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a main configuration of a cell assembly according to a preferred embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a front view of the combination of FIG.
  • a cell assembly according to a preferred embodiment of the present invention is provided between a plurality of cells 100 and cells 100 to provide both a buffer function and a heat transfer function in one component.
  • a buffer pad 110 is included.
  • each cell 100 constituting the cell assembly a battery having a plate-like body which is generally rectangular and has a thin thickness, such as a pouch type secondary battery, is employed. Electrode leads 101 are formed at both ends of the cell 100 in the longitudinal direction. Preferably, the plurality of cells 100 are arranged in one direction to form a substantially stacked structure.
  • the buffer pad 110 is interposed between the cells 100 and disposed to make surface contact with the cell 100.
  • the buffer pad 110 is formed of a plate-like body having an area of at least an area of the planar portion of the cell 100, and the flat portion makes surface contact with the planar portion of the cell 100.
  • the buffer pad 110 is preferably made of a foam material having an elasticity capable of absorbing the impact when the shock is applied due to the volume expansion of the cell 100. More specifically, the planar portion of each buffer pad 110 is the same as the length of the cell 100 in the longitudinal direction of the planar portion of each cell 100 is formed larger in the height direction of the planar portion of the cell 100, The area is preferably large in the range of less than 105% relative to the area of the planar portion of the cell 100.
  • the buffer pad 110 may not have sufficient rigidity in the optimum thickness range of the cell 100 to be described later.
  • Both end surfaces of the shock absorbing pad 110 in the width direction contact the outer frame 120 having a predetermined shape. According to this configuration, heat generated in the cell 100 is quickly conducted through the planar portion of the buffer pad 110 which is in surface contact with the cell 100, and then the outer frame 120 is formed through both edges of the edge of the buffer pad 110. Can be discharged.
  • the thickness t of the buffer pad 110 preferably has a ratio of 120% to 250% of the volume expansion rate of the cell 100.
  • the ratio of the thickness t is less than 120%, sufficient bonding between the widthwise end surfaces of the buffer pad 110 and the outer frame 120 may be difficult, and the heat transfer speed to the outer frame 120 may be achieved.
  • the shock is applied due to the slow expansion and volume expansion of the cell 100, there is a disadvantage that the absorption performance is not good. If the ratio of the thickness (t) ratio exceeds 250%, the space occupied by the buffer pad 110 is too large and disadvantageous in terms of space utilization, and the buffer pad 110 is in the optimum area range of the buffer pad 110 described above. There is a problem that the buffering action is not made uniformly on both flat portions of the).
  • the thickness t of the buffer pad 110 is preferably designed to 1.5 ⁇ 2.0mm.
  • the buffer pad 110 has physical properties of thermal conductivity of 1.5 W / mK or more.
  • the thermal conductivity of the buffer pad 110 is less than 1.5W / mK, a large amount of heat accumulates in the buffer pad 110 which is in surface contact with the cell 100, thereby significantly degrading the performance of the cell 100. Occurs.
  • the buffer pad 110 satisfies the range of the thermal conductivity of 1.5 ⁇ 1.6W / mK.
  • the buffer pad 110 is preferably made of poly dimethyl siloxane (poly dimethyl siloxane) material.
  • the shock absorbing pad 110 when the shock absorbing pad 110 is interposed between the cell 100 and the cell 100 so that high temperature heat is applied to both surfaces thereof, the shock absorbing pad 110 may not be UL94 V-1 or higher. It is preferable that the material is made of a (flame) soft material and an insulating material of 10 kPa / mm or more, and has a compression force deflection (CFD) of 20 to 100 kPa in a section of 20 to 60% of a strain.
  • CFRD compression force deflection
  • the cell assembly according to the preferred embodiment of the present invention having the configuration as described above is generated in the cell 100 by the buffer pad 110 that maintains the surface contact state in a batch with the entire planar portion of the cell 100.
  • an external transfer function for heat generated in the cell 100 may be performed.
  • the cell assembly according to the present invention has a surface contact between the buffer pad 110 interposed between the cells 100 and the cell 100 when swelling and heat generation occur in the cell 100 due to overcharging or the like.
  • the shock can be effectively alleviated, and the heat generated in the cell 100 is rapidly absorbed by the buffer pad 110 due to the structure of the plate body having an area of at least the planar portion of the cell 100. After being inverted, it may be circulated and discharged through the outer frame 120.

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Abstract

본 발명은 정해진 간격으로 배치된 복수개의 셀; 상기 셀들 사이에서 셀과 면접촉을 이루도록 배치되어 셀의 부피 팽창을 흡수하는 완충패드;를 포함하고, 상기 완충패드는 열전도율이 1.5W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리를 개시한다.

Description

완충부재를 구비한 셀 어셈블리
본 출원은 2016년 3월 3일에 출원된 한국특허출원 제10-2016-0025759호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
본 발명은 셀 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀의 부피 팽창 을 흡수하기 위한 완충부재의 구조가 개선된 셀 어셈블리에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 여러 개의 단위 셀들이 묶여서 하나의 팩으로 이루어짐으로써 자동차 배터리나 전력저장장치 등과 같이 고에너지를 필요로 하는 분야에 널리 적용된다.
그런데, 여러 개의 단위 셀들로 이루어진 셀 어셈블리는 과충전 시 발열과 함께 스웰링(Swelling)이 발생하여 모듈의 바깥 방향으로 볼록하게 팽창되는 변형이 발생하게 된다.
상기와 같은 셀의 부피 팽창 등을 흡수하기 위해 셀과 셀 사이에는 완충 작용을 할 수 있는 소정 형상의 완충패드가 장착된다. 이러한 종래의 완충패드는 패드를 통해 열의 순환이나 배출을 하기가 어려운 문제가 있어서 팩 내부에 발열 기능을 갖는 부품이 별도로 추가되는 것이 일반적이다.
하지만, 상기와 같이 발열 역할을 하는 부품과 완충 역할을 하는 부품을 각각 별도로 설치하게 되면 한정된 전지팩 내부에서 부품들이 공간을 많이 차지하게 되므로 매우 비효율적이다.
대안으로, 한국 공개특허공보 제2014-0027955호에는 셀의 평평한 면 상에 댐핑 소자들이 탄성 수단(쿠션)으로서 장착되어 있고, 댐핑 소자들이 양호한 열전도성도 갖는 에너지 저장장치가 개시되어 있다.
그러나, 종래에는 셀에 장착되어 충격을 흡수하는 부재에 열전도성을 제공함에 있어 효율적인 열전달을 위한 구성이 구체적으로 제시된 바가 없어서 이에 대한 대책이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 열순환 및 발열을 하는 부품과 완충을 하는 부품을 하나로 구성하여 내부공간 효율을 높일 수 있는 셀 어셈블리를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 셀들 사이에 개재되어 완충 기능과 함께 고효율의 열전달 기능을 제공할 수 있도록 완충패드의 구조 및 물성이 개선된 셀 어셈블리를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 정해진 간격으로 배치된 복수개의 셀; 상기 셀들 사이에서 셀과 면접촉을 이루도록 배치되어 셀의 부피 팽창을 흡수하는 완충패드;를 포함하고, 상기 완충패드는 열전도율이 1.5W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리를 제공한다.
상기 완충패드는 적어도 상기 셀의 평면부 면적 이상의 면적을 가진 판상체로 이루어지고, 상기 완충패드의 평평한 부분이 상기 셀의 평면부와 면접촉을 이루는 것이 바람직하다.
상기 완충패드의 양단면은 셀의 외부 프레임에 접촉되는 것이 바람직하다.
상기 완충패드의 평면부 면적은 상기 셀의 평면부 면적의 105% 미만인 것이 바람직하다.
상기 완충패드의 두께는 상기 셀의 부피 팽창률의 120% ~ 250%인 것이 바람직하다.
상기 완충패드의 열전도율이 1.5~1.6W/mK인 것이 바람직하다.
상기 완충패드는 폴리 디메틸 실록산(poly dimethyl siloxane) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 완충패드는 UL94 V-1 이상 등급의 불(난)연성 소재인 동시에 10㎸/mm 이상의 절연성 소재로 이루어지고, 스트레인(Strain)이 20~60% 사이의 구간에서 CFD(Compression Force Deflection)가 20~100kPa인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 완충패드에 셀의 열을 순환 및 방출할 수 있는 높은 열전도성을 부여하여 셀 어셈블리의 내부 공간을 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 완충패드와 셀의 평면 부분이 서로 실질적으로 일치하도록 면접촉을 이룸으로써 셀의 부피 팽창을 효과적으로 흡수하고 열전도율이 최적화되어 고효율로 열전달 기능을 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 어셈블리의 주요 구성을 도시한 분리 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합 정면도이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 어셈블리의 주요 구성을 도시한 분리 사시도이며, 도 2는 도 1의 결합 정면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 어셈블리는 복수개의 셀(100)과, 셀(100)들 사이에 개재되어 하나의 부품에서 완충기능과 열전달 기능을 모두 제공하는 완충패드(110)를 포함한다.
셀 어셈블리를 이루는 각각의 셀(100)로는, 예컨대 파우치형 이차전지와 같이 전체적으로 사각형을 이루고 두께가 얇은 판상의 몸체를 가진 전지가 채용된다. 셀(100)의 길이방향 양단에는 전극리드(101)가 돌출 형성되어 있다. 바람직하게, 복수개의 셀(100)은 일방향으로 배열되어 실질적으로 적층 구조를 이룬다.
완충패드(110)는 셀(100)들 사이마다 개재되고 셀(100)과 면접촉을 이루도록 배치된다. 완충패드(110)는 적어도 셀(100)의 평면부 면적 이상의 면적을 가진 판상체로 이루어지고, 평평한 부분이 셀(100)의 평면부와 면접촉을 이룬다. 완충패드(110)는 셀(100)의 부피 팽창 등으로 인해 충격이 가해질 때 이를 흡수할 수 있는 탄성을 가진 폼(Foam) 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로, 각 완충패드(110)의 평면부는 각 셀(100)의 평면부의 길이방향으로는 셀(100)의 길이와 동일하나 셀(100)의 평면부의 높이방향으로는 더 크게 형성되어, 그 면적은 셀(100)의 평면부 면적에 비해 105% 미만의 범위에서 큰 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 셀(100)에 부피 팽창이 발생하더라도 안정적으로 충분한 면접촉 상태를 유지하면서 충격을 흡수하고 이와 동시에 고온의 열을 효율적으로 외부 프레임(120)으로 전달할 수 있다. 여기서, 완충패드(110)의 평면부 면적이 셀(100)의 평면부의 105% 이상인 경우에는 셀(100)의 가장자리단과 외부 프레임(120) 간에 유격이 지나치게 많이 발생하여 공간 활용 측면에서 불리하고, 후술하는 셀(100)의 최적 두께 범위에서 완충패드(110)가 충분한 강성을 보유할 수 없는 문제가 있다.
완충패드(110)의 폭방향 양단면은 셀(100)을 지지하는 소정 형상의 외부 프레임(120)에 접촉된다. 이러한 구성에 따르면 셀(100)에서 발생하는 열은 셀(100)과 면접촉되어 있는 완충패드(110)의 평면부를 통해 신속히 전도된 후 완충패드(110)의 가장자리 양단면을 통해 외부 프레임(120)으로 배출될 수 있다.
완충패드(110)의 두께(t)는 셀(100)의 부피 팽창률의 120% ~ 250%의 비율을 갖는 것이 바람직하다. 상기 두께(t) 관련 비율 수치가 120%보다 작은 경우에는 완충패드(110)의 폭방향 양단면과 외부 프레임(120) 간에 충분한 접합이 이루어지기가 어려울 뿐만 아니라 외부 프레임(120)으로의 열전달 속도가 느리고 셀(100)의 부피 팽창 등으로 인해 충격이 가해질 때 흡수 성능이 좋지 않은 단점이 있다. 상기 두께(t) 관련 비율 수치가 250%를 초과하는 경우에는 완충패드(110)의 점유공간이 지나치게 커서 공간 활용 측면에서 불리하고, 전술한 완충패드(110)의 최적 면적 범위에서 완충패드(110)의 양쪽 평면부 전체적으로 완충작용이 균일하게 이루어지지 않는 문제가 있다. 상기와 같은 특성을 반영할 때,완충패드(110)의 두께(t)는 1.5~2.0mm로 설계되는 것이 바람직하다.
완충패드(110)는 열전도율이 1.5W/mK 이상인 물성을 가진다. 여기서, 완충패드(110)의 열전도율이 1.5W/mK 미만일 경우에는 셀(100)과 면접촉을 이루고 있는 완충패드(110)에 대량의 열이 축적되어 셀(100)의 성능을 현저히 저하시키는 문제가 발생한다. 전술한 완충패드(110)의 최적 면적 비율과 두께(t) 관련 비율을 고려할 때, 완충패드(110)는 열전도율이 1.5~1.6W/mK의 범위를 만족하는 것이 가장 바람직하다. 이때, 완충패드(110)는 폴리 디메틸 실록산(poly dimethyl siloxane) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 완충패드(110)가 셀(100)과 셀(100) 사이에 개재되어 양면에 고온의 열이 가해지게 되는 사용환경을 고려할 때, 완충패드(110)는 UL94 V-1 이상 등급의 불(난)연성 소재인 동시에 10㎸/mm 이상의 절연성 소재로 이루어지고, 스트레인(Strain)이 20~60% 사이의 구간에서 CFD(Compression Force Deflection)가 20~100kPa인 물성을 갖는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 어셈블리는 셀(100)의 전체 평면 부분과 일괄적으로 면접촉 상태를 유지하는 완충패드(110)에 의해, 셀(100)에서 발생하는 부피 팽창에 대한 흡수 기능과 더불어 셀(100)에서 발생하는 열에 대한 외부 전달 기능을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 셀 어셈블리는 과충전 등에 의해 셀(100)에 스웰링 및 발열이 일어날 때 셀(100)들 사이에 개재되어 있는 완충패드(110)와 셀(100)이 면접촉함으로써 효과적으로 충격이 완화될 수 있고, 완충패드(110)가 적어도 셀(100)의 평면부 면적 이상의 면적을 가진 판상체로 이루어진 구조에 의해 셀(100)에서 발생하는 열이 신속하게 완충패드(110)로 전도된 후 외부 프레임(120)을 통해 순환 및 배출될 수 있다.
본 발명을 적용할 경우 완충패드에 대한 열전도율, 절연 특성, 불연성 등의 물성이 최적화되어 셀에서 발생한 열에 의해 완충패드가 손상되는 일 없이 안전하게 외부로 열을 순환시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 정해진 간격으로 배치된 복수개의 셀;
    상기 셀들 사이에서 셀과 면접촉을 이루도록 배치되어 셀의 부피 팽창을 흡수하는 완충패드;를 포함하고,
    상기 완충패드는 열전도율이 1.5 W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 완충패드는 적어도 상기 셀의 평면부 면적 이상의 면적을 가진 판상체로 이루어지고,
    상기 완충패드의 평평한 부분이 상기 셀의 평면부와 면접촉을 이루는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 완충패드의 평면부 면적은 상기 셀의 평면부 면적의 105% 미만인 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 완충패드의 양단면은 셀의 외부 프레임에 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 완충패드의 두께는 상기 셀의 부피 팽창률의 120% ~ 250%인 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 완충패드의 열전도율이 1.5~1.6W/mK인 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 완충패드는 폴리 디메틸 실록산(poly dimethyl siloxane) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 완충패드는 UL94 V-1 이상 등급의 불(난)연성 소재인 동시에 10㎸/mm 이상의 절연성 소재로 이루어지고,
    스트레인(Strain)이 20~60% 사이의 구간에서 CFD(Compression Force Deflection)가 20~100kPa인 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
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