WO2021006709A1 - 과충전 방지가 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

과충전 방지가 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 Download PDF

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battery
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정범영
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module having a structure capable of preventing overcharging, a battery pack including the same, and a vehicle including the battery pack, and more specifically, a battery module modified according to a potential difference applied between both ends.
  • the present invention relates to a battery module including a current blocking member that prevents an overvoltage from occurring by generating a short circuit in some battery cells constituting a battery cell, a battery pack including the same, and a vehicle including the battery pack.
  • the above-mentioned elements are operated by heat generation due to overcurrent. That is, the above-mentioned devices correspond to devices that operate to block the flow of current only when an overcurrent is generated in a circuit current path due to overcharging and the like, and thus the temperature rises.
  • the present invention reversibly generates a short circuit in advance before the temperature of a secondary battery increases due to heat generation due to overcurrent to consume the current, thereby preventing the occurrence of overvoltage in advance.
  • the purpose of work is to do.
  • a battery module for solving the above-described problems includes: a first battery cell and a second battery cell having a positive lead and a negative lead and connected in series to each other; And one side in the length direction is interposed between the negative lead of the first battery cell and the positive lead of the second battery cell, and the other side in the length direction is the positive lead of the first battery cell and the negative lead of the second battery cell.
  • a short inducing member positioned therebetween; Including, when a potential difference between the negative lead of the first battery cell and the positive lead of the second battery cell is greater than or equal to a reference value, the other end of the short inducing member in the length direction is toward the negative lead of the second battery cell. Bending deformation is caused to contact the negative lead of the second battery cell.
  • the short inducing member may include an EAP layer; A first metal layer formed on one side of the EAP layer; And a second metal layer formed on the other side of the EAP layer. It may include.
  • the first metal layer may be electrically connected to a negative lead of the first battery cell, and the second metal layer may be electrically connected to a positive lead of the second battery cell.
  • the second metal layer may contact the negative lead of the second battery cell to cause a short circuit in the second battery cell.
  • the EAP layer may include at least one polymer electrolyte selected from Nafion, polypyrrole, polyaniline, and polythiophene.
  • the first metal layer and the second metal layer may include any one metal selected from the group including platinum, gold, silver, and copper.
  • the battery module may further include a connecting line electrically connecting a positive lead of the first battery cell and a negative lead of the second battery cell.
  • the battery module may further include a PTC element interposed between the first metal layer and the negative lead of the first battery cell and between the second metal layer and the positive lead of the second battery cell.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problems includes a battery module according to an embodiment of the present invention as described above.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem includes a battery pack according to an embodiment of the present invention as described above.
  • FIG. 1 is a view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a battery cell applied to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a diagram illustrating a short induction member and an electrode lead applied to a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing bending deformation of a short inducing member that appears when a potential difference greater than a reference value is applied to a short inducing member applied to a battery module according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • a battery module 100 includes a plurality of battery cells 10 and at least one short inducing member 20, and additionally connects a connecting line L. It may be implemented in a form that further includes.
  • the battery cell 10 includes an electrode assembly (not shown), a positive lead 11, a negative lead 12, a cell case 13, and a sealing tape 14. do.
  • the electrode assembly has a shape in which a separator is interposed between a positive electrode plate and a negative electrode plate that are alternately repeatedly stacked, and it is preferable that separators are respectively positioned for insulation at the outermost sides of both sides.
  • the negative electrode plate includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer coated on one or both sides thereof, and a negative electrode uncoated region is formed at one end of the negative electrode uncoated region, and the negative electrode uncoated region is a negative electrode. It functions as a tab.
  • the positive electrode plate includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer coated on one or both surfaces thereof, and a positive electrode uncoated region is formed at one end of the positive electrode uncoated region, and the positive electrode uncoated region is a positive electrode. It functions as a tab.
  • the separator is interposed between the negative electrode plate and the positive electrode plate to prevent direct contact between electrode plates having different polarities, but may be made of a porous material in order to allow the movement of ions using an electrolyte as a medium between the negative electrode plate and the positive plate. have.
  • the positive electrode lead 11 is connected to the positive electrode tab by a bonding method such as welding, and is drawn out to the outside of the cell case 13.
  • the negative electrode lead 12 is connected to the negative electrode tab by a bonding method such as welding, is drawn out to the outside of the cell case 13, and is drawn in the same direction as the positive electrode lead 11. That is, the battery cell 10 applied to the present invention corresponds to a one-way drawout type battery cell.
  • the cell case 13 is thermally fused in a state in which the electrode leads 11 and 12 are drawn out by extending in the circumferential direction of the receiving portion 13a and the receiving portion 13a accommodating the electrode assembly (not shown).
  • the sealing portion 13b for sealing the cell case 13 is included.
  • the cell case 13 is sealed by heat-sealing the edges of each of the upper case and the lower case made of a multi-layered pouch film while the resin layer/metal layer/resin layer are sequentially stacked. .
  • the sealing tape 14 is attached around each of the anode lead 11 and the cathode lead 12 and is interposed between the sealing portion 13b of the cell case 13 and the electrode leads 11 and 12.
  • the sealing tape 14 is formed between the inner side of the cell case 13 and the electrode leads 11 and 12 in the region where the electrode leads 11 and 12 are drawn out of the sealing portion 13b of the cell case 13. It is a component applied to prevent deterioration of the sealing property of the cell case 13 due to low adhesion.
  • each of the battery cells 10 is connected to each other in series.
  • FIG. 1 of the present invention a case in which four battery cells 10 are connected in series is illustrated as an example, but the present invention is not limited thereto. That is, when two battery cells 10 are connected in series, when three battery cells 10 are connected in series, or when five or more battery cells 10 are connected in series, it is also within the scope of the present invention.
  • the four battery cells 10 shown in FIG. 1 are sequentially arranged in a direction from left to right: a first battery cell 10A, a second battery cell 10B, and a third battery. It will be referred to as a cell 10C and a fourth battery cell 10D.
  • the short-circuit inducing member 20 is between the negative lead 12 of the first battery cell 10A and the positive lead 11 of the second battery cell 10B, and the second battery cell 10B ) Between the negative lead 12 and the positive lead 11 of the third battery cell 10C, and the negative lead 12 of the third battery cell 10C and the positive lead 11 of the fourth battery cell 10D Each is interposed between.
  • the connecting line L connects between the positive lead 11 of the first battery cell 10A and the negative lead 12 of the second battery cell 10B, and It connects between the positive lead 11 and the negative lead 12 of the third battery cell 10C, and the positive lead 11 of the third battery cell 10C and the negative lead of the fourth battery cell 10D ( 12) Connect between.
  • the short-circuit inducing member 20 interposed between the negative lead 12 of the first battery cell 10A and the positive lead 11 of the second battery cell 10B is described. We will explain with an example.
  • the short induction member 20 physically connects the opposite electrode leads 11 and 12 of each of the battery cells 10A and 10B adjacent to each other, but the negative lead of the first battery cell 10A by overcharging When the potential difference between 12 and the positive lead 11 of the second battery cell 10B is equal to or greater than the reference value, the shape is deformed.
  • the short-circuit inducing member 20 comes into contact with the negative lead 12 of the second battery cell 10B by this shape deformation, and accordingly, the positive lead 11 and the negative lead of the second battery cell 10B ( 12) is directly connected to cause a short circuit.
  • a short circuit occurs in this way, the voltage of the second battery cell 10B rapidly drops, and the risk of overvoltage due to overcharging can be avoided.
  • FIGS. 3 and 4 a structure of a short inducing member 20 and an operating principle thereof for inducing a short circuit through shape deformation according to such a potential difference are shown.
  • the short inducing member 20 includes an EAP layer (Electro active polymer layer) 21, a first metal layer 22 formed on one side of the EAP layer 61, and EAP. It is implemented in a form including a second metal layer 23 formed on the other side of the layer 61.
  • EAP layer Electro active polymer layer
  • the EAP layer 21, that is, the electroactive polymer layer, corresponds to a layer made of a polymer electrolyte having excellent ion transport properties, and includes, for example, Nafion, polypyrole, polyaniline, and polyC. It may include at least one polymer electrolyte selected from polythiophene.
  • the first metal layer 22 and the second metal layer 23 are formed on both sides of the EAP layer 21, respectively, and may be made of metal having excellent electrical conductivity.
  • the metal layers 22 and 23 may include at least one metal selected from, for example, platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), and copper (Cu).
  • the short inducing member 20 When a voltage higher than a reference value is applied through the metal layers 22 and 23 formed on both surfaces of the EAP layer 21, the short inducing member 20 causes shape deformation. Referring to FIG. 4 along with FIG. 1, the short induction member 20 disposed between the first battery cell 10A and the second battery cell 10B is a negative lead 12 of the first battery cell 10A. By causing a bending deformation in a direction away from, the second metal layer 23 is brought into contact with both the positive lead 11 and the negative lead 12 of the second battery cell 10B.
  • the first metal layer 22 contacts the negative lead 12 of the first battery cell 10A, and the second metal layer 23 is 2 In contact with the positive lead 11 of the battery cell 10B, the second metal layer 23 at the other end in the length direction of the short inducing member 20 due to bending deformation is the negative electrode of the second battery cell 10B.
  • the lead 11 comes into contact, a short circuit occurs in the second battery cell 10B.
  • the principle of the bending deformation of the short inducing member 20 is as follows.
  • the first metal layer 22 is connected to the negative lead 12 of the first battery cell 10A
  • the second metal layer 23 is the positive lead 11 of the second battery cell 10B.
  • the mobile cation present in the polymer electrolyte moves in the direction of the negatively charged first metal layer 22 in a water-hydrated state.
  • an osmotic pressure is caused due to an imbalance in the ion concentration between the first metal layer 22 and the second metal layer 23, thereby increasing the amount of water molecules toward the negatively charged first electrode layer 22,
  • bending deformation in the direction of the second metal layer 23 occurs in the short-circuit inducing member 20.
  • the potential difference capable of causing the bending deformation of the short inducing member 20 varies depending on the type of polymer electrolyte constituting the EAP layer 21 used in the short inducing member 20. That is, the reference value of the potential difference referred to in the present specification may vary depending on the type of the applied polymer electrolyte, and accordingly, the safety voltage of the battery cell 10 and the battery module 100 to which the short inducing member 20 is applied. By selecting an appropriate polymer electrolyte according to the range, it is possible to prevent occurrence of danger due to overvoltage through rapid short-circuit induction when an event such as overcharging of the battery module 100 occurs.
  • the battery module 100 according to another embodiment of the present invention differs only in that the PTC element 30 is further applied compared to the battery module 100 according to the embodiment of the present invention described above.
  • the components are substantially the same.
  • the PTC element 30, which is an additionally applied component will be mainly described, and detailed descriptions of other redundant matters will be omitted. I will do it.
  • the PTC element 30 has a resistance value that increases with an increase in temperature, and when the temperature reaches a reference temperature or higher, an infinite resistance value is displayed, thereby effectively blocking the current.
  • the PTC element 30 is formed between the negative lead 12 and the first electrode layer 22 of the first battery cell 10A and the positive lead 11 and the second electrode layer of the second battery cell 10B ( 23) is interposed.
  • the PTC element 30 is between the negative lead 12 and the first electrode layer 22 of the second battery cell 10B and the positive lead 11 and the second electrode of the third battery cell 10C. It is interposed between the layers 23.
  • the PCT element 30 is between the negative lead 12 and the first electrode layer 22 of the third battery cell 10C, and the positive lead 11 and the second electrode of the fourth battery cell 10D. It is interposed between the layers 23.
  • the PTC device 30 may be entirely coated on the first metal layer 22 and the second metal layer 23 of the short inducing member 20.
  • the PTC element 30 blocks the short circuit current at a reference temperature or higher, thereby causing ignition/explosion due to overheating, etc. You can prevent the dangers in advance.
  • a battery pack 200 according to an embodiment of the present invention may be implemented in a form including at least one battery module 100 according to the present invention.
  • a vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention may be implemented in a form including the battery pack 200 according to an exemplary embodiment of the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 양극 리드 및 음극 리드를 구비하며 상호 직렬 연결되는 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀; 및 길이 방향 일 측은 상기 제1 배터리 셀의 음극 리드와 제2 배터리 셀의 양극 리드 사이에 접촉된 상태로 개재되고, 길이 방향 타 측은 상기 제1 배터리 셀의 양극 리드와 제2 배터리 셀의 음극 리드 사이에 위치하는 단락 유도 부재; 를 포함하며, 상기 제1 배터리 셀의 음극 리드와 제2 배터리 셀의 양극 리드 사이의 전위차가 기준값 이상이 되었을 때 상기 단락 유도 부재의 길이 방향 타 측 단부는 상기 제2 배터리 셀의 음극 리드를 향하여 굽힘 변형을 일으켜 상기 제2 배터리 셀의 음극 리드와 접촉된다.

Description

과충전 방지가 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
본 발명은 과충전 방지가 가능한 구조를 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 양 단 사이에 인가되는 전위차에 따라 변형되어 배터리 모듈을 구성하는 일부 배터리 셀에 단락을 발생시켜 과전압 발생을 방지하는 전류 차단 부재를 구비하는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 7월 10일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2019-0083357호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
현재 이차전지에 쓰이는 퓨즈 장치로는 PTC 서미스터(positive temperature coefficient thermistor), TCO(thermal cut-out), 써멀퓨즈(thermal fuse) 등이 있다. 그러나, 써멀퓨즈의 경우 1회용이라는 단점이 잇고, PTC나 TCO는 반복적인 사용이 가능하기는 하지만, 동작을 반복할수록 자체 저항이 증가하여 회로상의 전체적인 저항을 높이게 된다는 단점이 있다.
또한, 상기 언급한 소자들은, 모두 과전류에 의한 발열에 의해서 작동되는 것이다. 즉, 상기 언급한 소자들은, 과충전 등으로 인해 회로 전류 경로상에 과전류가 발생되고 이로써 온도가 상승하게 되어야 비로소 전류의 흐름을 차단하도록 동작하는 소자들에 해당하는 것이다.
따라서, 상기 언급한 소자들의 경우, 발열로 인해 이미 안전이 위협 받을 수 있는 상황이 된 이 후에 비로소 동작을 하여 과전류를 차단할 수 있게 되고, 온도를 상승시킬 수 있는 원인이 발생된 즉시 과전류를 찬단할 수는 없는 것이다.
또한, 상기 언급한 소자들의 경우, 단순히 온도에 따라 동작을 하게 되므로, 자동차에 이용되는 배터리 팩과 같이 고출력을 나타내는 이차전지에는 사용이 어려운 면이 있다. 즉, 자동차용 배터리 팩의 경우, 높은 c-rate(high c-rate)를 필요로 하며, 이에 따라 발열량 역시 많을 수 밖에 없는데, PTC 서미스터(positive temperature coefficient thermistor), TCO(thermal cut-out), 써멀퓨즈(thermal fuse)와 같은 소자들은 이러한 고온 환경에 놓여지는 경우 너무 일찍 작동해버릴 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 재사용이 가능하면서도 높은 전류가 흐르는 환경에서도 이용 가능하고, 또한 온도가 상승하기 이 전에 그러한 온도 상승의 원인이 될 수 있는 이벤트가 발생하면 강제로 단락을 발생시켜 전류를 소모해버림으로써 과충전에 의한 과전압의 발생을 사전에 차단할 수 있는 장치가 적용된 이차전지가 필요하다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 과전류로 인한 발열에 따라 이차전지의 온도가 상승하기 전에 가역적으로 단락을 미리 발생시켜 전류를 소모시켜버림으로써 과전압을 발생을 사전에 차단할 수 있도록 하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 양극 리드 및 음극 리드를 구비하며 상호 직렬 연결되는 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀; 및 길이 방향 일 측은 상기 제1 배터리 셀의 음극 리드와 제2 배터리 셀의 양극 리드 사이에 접촉된 상태로 개재되고, 길이 방향 타 측은 상기 제1 배터리 셀의 양극 리드와 제2 배터리 셀의 음극 리드 사이에 위치하는 단락 유도 부재; 를 포함하며, 상기 제1 배터리 셀의 음극 리드와 제2 배터리 셀의 양극 리드 사이의 전위차가 기준값 이상이 되었을 때 상기 단락 유도 부재의 길이 방향 타 측 단부는 상기 제2 배터리 셀의 음극 리드를 향하여 굽힘 변형을 일으켜 상기 제2 배터리 셀의 음극 리드와 접촉된다.
상기 단락 유도 부재는, EAP 층; 상기 EAP 층의 일측 면 상에 형성되는 제1 금속 층; 및 상기 EAP 층의 타측 면 상에 형성되는 제2 금속 층; 을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 층은 상기 제1 배터리 셀의 음극 리드와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 금속 층은 상기 제2 배터리 셀의 양극 리드와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제2 금속 층은 상기 단락 유도 부재가 굽힘 변형을 일으켰을 때 상기 제2 배터리 셀의 음극 리드와 접촉하여 제2 배터리 셀에 단락을 발생시킬 수 있다.
상기 EAP 층은, 나피온, 폴리피롤, 폴리아닐린 및 폴리씨오펜으로부터 선택된 적어도 하나의 고분자 전해질을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 층 및 제2 금속 층은, 백금, 금, 은 및 동을 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 금속을 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 제1 배터리 셀의 양극 리드와 제2 배터리 셀의 음극 리드 사이를 전기적으로 연결하는 커넥팅 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 1 금속 층과 제1 배터리 셀의 음극 리드 사이 및 상기 제2 금속 층과 제2 배터리 셀의 양극 리드 사이에 개재되는 PTC 소자를 더 포함할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함한다. 또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 과전류로 인한 발열에 따라 이차전지의 온도가 상승하기 전에 가역적으로 단락을 미리 발생시켜 전류를 소모시켜버림으로써 과전압을 발생을 사전에 차단할 수 있으며, 이로써 이차전지 사용상의 안전을 확보할 수 있게 된다.
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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 단락 유도 부재 및 전극 리드를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 단락 유도 부재에 기준값 이상의 전위차가 인가되었을 때에 나타나는 단락 유도 부재의 굽힘 변형을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 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 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 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.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)을 설명하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(10) 및 적어도 하나의 단락 유도 부재(20)를 포함하며, 추가적으로 커넥팅 라인(L)을 더 포함하는 형태로 구현될 수도 있다.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 상기 배터리 셀(10)은, 전극 조립체(미도시), 양극 리드(11), 음극 리드(12), 셀 케이스(13) 및 실링 테이프(14)를 포함한다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 전극 조립체는, 교호적으로 반복 적층된 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재시킨 형태를 가지며, 양 측 최 외각에는 절연을 위해 세퍼레이터가 각각 위치하는 것이 바람직하다.
상기 음극판은, 음극 집전체 및 그 일 면 또는 양 면 상에 코팅되는 음극 활물질 층으로 이루어지며, 일 측 단부에는 음극 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부 영역이 형성되는데, 이러한 음극 무지부 영역은 음극탭으로서 기능한다.
상기 양극판은, 양극 집전체 및 그 일 면 또는 양 면 상에 코팅되는 양극 활물질 층으로 이루어지며, 일 측 단부에는 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부 영역이 형성되는데, 이러한 양극 무지부 영역은 양극탭으로서 기능한다.
또한, 상기 세퍼레이터는 음극판과 양극판 사이에 개재되어 서로 다른 극성을 갖는 전극판끼리 직접 접촉되는 것을 방지하되, 음극판과 양극판 사이에서 전해질을 매개체로 하여 이온의 이동이 가능하도록 하기 위해 다공성 재질로 이루어질 수 있다.
상기 양극 리드(11)는, 용접 등의 접합 방식에 의해 양극탭과 연결되어 셀 케이스(13)의 외측으로 인출된다. 상기 음극 리드(12)는, 용접 등의 접합 방식에 의해 음극탭과 연결되어 셀 케이스(13)의 외측으로 인출되며, 양극 리드(11)와 동일한 방향으로 인출된다. 즉, 본 발명에 적용되는 배터리 셀(10)은, 일방향 인출형 배터리 셀에 해당하는 것이다.
상기 셀 케이스(13)는, 전극 조립체(미도시)를 수용하는 수용부(13a) 및 수용부(13a)의 둘레 방향으로 연장되어 전극 리드(11, 12)가 외부로 인출된 상태로 열융착 되어 셀 케이스(13)를 밀봉시키는 실링부(13b) 이렇게 두 영역을 포함한다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 셀 케이스(13)는, 수지층/금속층/수지층이 순차적으로 적층도니 다층의 파우치 필름으로 이루어진 상부 케이스 및 하부 케이스 각각의 테두리 부분이 맞닿아 열융착 됨으로써 밀봉된다.
상기 실링 테이프(14)는, 양극 리드(11) 및 음극 리드(12) 각각의 둘레에 부착되어 셀 케이스(13)의 실링부(13b)와 전극 리드(11, 12) 사이에 개재된다. 상기 실링 테이프(14)는, 셀 케이스(13)의 실링부(13b) 중 전극 리드(11, 12)가 인출되는 영역에서 셀 케이스(13)의 내측면과 전극 리드(11, 12) 사이의 낮은 접착력으로 인해 셀 케이스(13)의 밀봉성이 저하되는 것을 방지하기 위해 적용되는 부품이다.
이러한 배터리 셀(10)은, 적어도 두 개 이상이 구비되며, 각각의 배터리 셀(10)은, 상호간에 직렬로 연결된다. 본 발명의 도면(도 1)에서는 4개의 배터리 셀(10)이 직렬로 연결된 경우를 예시적으로 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 두 개의 배터리 셀(10)이 직렬로 연결된 경우 또는 세 개의 배터리 셀(10)이 직렬로 연결된 경우 또는 5개 이상의 배터리 셀(10)이 직렬로 연결된 경우 역시 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
이하 본 발명을 설명함에 있어서, 도 1에 도시된 4개의 배터리 셀(10)들을 좌측으로부터 우측을 향하는 방향을 따라 순차적으로 제1 배터리 셀(10A), 제2 배터리 셀(10B), 제3 배터리 셀(10C) 및 제4 배터리 셀(10D)로 구분지어 칭하기로 한다.
도 1을 참조하면, 상기 단락 유도 부재(20)는, 제1 배터리 셀(10A)의 음극 리드(12)와 제2 배터리 셀(10B)의 양극 리드(11) 사이, 제2 배터리 셀(10B)의 음극 리드(12)와 제3 배터리 셀(10C)의 양극 리드(11) 사이 및 제3 배터리 셀(10C)의 음극 리드(12)와 제4 배터리 셀(10D)의 양극 리드(11) 사이에 각각 개재된다. 이 경우, 상기 커넥팅 라인(L)은 제1 배터리 셀(10A)의 양극 리드(11)와 제2 배터리 셀(10B)의 음극 리드(12) 사이를 연결하고, 제2 배터리 셀(10B)의 양극 리드(11)와 제3 배터리 셀(10C)의 음극 리드(12) 사이를 연결하며, 또한 제3 배터리 셀(10C)의 양극 리드(11)와 제4 배터리 셀(10D)의 음극 리드(12) 사이를 연결한다.
상기 단락 유도 부재(20)를 설명함에 있어서는, 제1 배터리 셀(10A)의 음극 리드(12)와 제2 배터리 셀(10B)의 양극 리드(11) 사이에 개재된 단락 유도 부재(20)를 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 단락 유도 부재(20)는, 서로 인접한 배터리 셀(10A, 10B) 각각의 대향하는 전극 리드(11, 12) 상호 간을 물리적으로 연결하되, 과충전에 의해 제1 배터리 셀(10A)의 음극 리드(12)와 제2 배터리 셀(10B)의 양극 리드(11) 사이의 전위 차가 기준값 이상이 되는 경우 그 형태가 변형된다.
상기 단락 유도 부재(20)는 이러한 형태 변형에 의해 제2 배터리 셀(10B)의 음극 리드(12)와 접촉하게 되며, 이에 따라 제2 배터리 셀(10B)의 양극 리드(11)와 음극 리드(12)가 직접적으로 연결되도록 하여 단락을 발생시킨다. 이처럼 단락이 발생되면, 상기 제2 배터리 셀(10B)의 전압은 급격히 떨어지게 되며 과충전으로 인한 과전압의 위험에서 벗어날 수 있게 된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 이와 같은 전위차에 따른 형태 변형을 통해 단락을 유도할 수 있도록 하기 위한 단락 유도 부재(20)의 구조 및 그 작동 원리가 나타나 있다.
먼저, 도 3을 참조하면, 상기 단락 유도 부재(20)는, EAP 층(Electro active polymer layer)(21), EAP 층(61)의 일측 면 상에 형성되는 제1 금속 층(22) 및 EAP 층(61)의 타측 면 상에 형성되는 제2 금속 층(23)을 포함하는 형태로 구현된다.
상기 EAP 층(21), 즉 전기활성 폴리머 층은, 이온 전달 특성이 우수한 고분자 전해질로 이루어진 층에 해당하는 것으로서, 예를 들어 나피온(Nafion), 폴리피롤(polypyrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리씨오펜(polythiophene) 중에서 선택된 적어도 하나의 고분자 전해질을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 층(22) 및 제2 금속 층(23)은, EAP 층(21)의 양 면 상에 각각 형성되며, 전기 전도성이 우수한 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 금속 층(22, 23)은, 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 및 동(Cu) 중 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
상기 단락 유도 부재(20)는, EAP 층(21)의 양 면에 형성된 금속 층(22, 23)을 통해 기준치 이상의 전압이 인가되면 형태 변형을 일으킨다. 도 1과 함께 도 4를 참조하면, 제1 배터리 셀(10A)과 제2 배터리 셀(10B) 사이에 배치된 단락 유도 부재(20)는, 제1 배터리 셀(10A)의 음극 리드(12)로부터 멀어지는 방향으로 굽힘 변형을 일으킴으로써 제2 금속 층(23)이 제2 배터리 셀(10B)의 양극 리드(11) 및 음극 리드(12) 모두와 접촉하도록 한다.
즉, 상기 단락 유도 부재(20)의 길이 방향 일 측 단부에서 제1 금속 층(22)은 제1 배터리 셀(10A)의 음극 리드(12)와 접촉하며, 제2 금속 층(23)은 제2 배터리 셀(10B)의 양극 리드(11)와 접촉하는데, 굽힘 변형에 의해 단락 유도 부재(20)의 길이 방향 타 측 단부에서 제2 금속 층(23)이 제2 배터리 셀(10B)의 음극 리드(11)와 접촉하게 됨으로써 제2 배터리 셀(10B)에 단락이 발생되는 것이다.
이러한 단락 유도 부재(20)의 굽힘 변형의 원리는 다음과 같다. 예를 들어, 상기 제1 금속 층(22)이 제1 배터리 셀(10A)의 음극 리드(12)와 연결되고, 제2 금속 층(23)이 제2 배터리 셀(10B)의 양극 리드(11)와 연결되는 경우, 고분자 전해질 내부에 존재하는 이동성 양이온(cation)이 물에 수화된 상태로 음으로 하전된 제1 금속 층(22)의 방향으로 이동하게 된다. 이 경우, 제1 금속 층(22)과 제2 금속 층(23) 사이의 이온 농도의 불균형으로 삼투압이 야기되어 음으로 하전된 제1 전극 층(22)쪽의 물분자 양이 증가하게 되고, 이로써 단락 유도 부재(20)에 제2 금속 층(23) 방향으로의 굽힘 변형이 발생하게 된다.
상기 단락 유도 부재(20)의 굽힘 변형을 발생시킬 수 있는 전위차는 단락 유도 부재(20)에 이용되는 EAP 층(21)을 구성하는 고분자 전해질의 종류에 따라 달라지게 되는 것이다. 즉, 본 명세서에서 언급하는 전위차의 기준값은, 적용되는 고분자 전해질의 종류에 따라 달라질 수 있는 것이며, 이에 따라 단락 유도 부재(20)가 적용되는 배터리 셀(10) 및 배터리 모듈(100)의 안전 전압 범위에 따라 적절한 고분자 전해질을 선택함으로써 배터리 모듈(100)의 과충전 등의 이벤트 발생 시에 신속한 단락 유도를 통해 과전압에 의한 위험 발생을 사전에 차단할 수 있는 것이다.
다음은, 도 5를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(100)에 대해서 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은, 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)과 비교하여 PTC 소자(30)가 더 적용된 점에서 차이가 있을 뿐, 그 밖의 구성요소들은 실질적으로 동일하다.
따라서 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(100)을 설명함에 있어서는, 추가적으로 적용되는 구성요소인 PTC 소자(30)에 대해서 중점적으로 설명하기로 하며, 그 밖에 중복되는 사항에 대해서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
상기 PTC 소자(30)는, 온도의 상승에 따라 저항 값이 커지다가, 온도가 기준 온도 이상에 이르게 되면 무한대의 저항값을 나타내게 되어 사실상 전류를 완전히 차단하는 기능을 한다. 상기 PTC 소자(30)는, 제1 배터리 셀(10A)의 음극 리드(12)와 제1 전극 층(22) 사이 및 제2 배터리 셀(10B)의 양극 리드(11)와 제2 전극 층(23) 사이에 개재된다. 또한, 상기 PTC 소자(30)는, 제2 배터리 셀(10B)의 음극 리드(12)와 제1 전극 층(22) 사이 및 제3 배터리 셀(10C)의 양극 리드(11)와 제2 전극 층(23) 사이에 개재된다. 마찬가지로, 상기 PCT 소자(30)는, 제3 배터리 셀(10C)의 음극 리드(12)와 제1 전극 층(22) 사이 및 제4 배터리 셀(10D)의 양극 리드(11)와 제2 전극 층(23) 사이에 개재된다.
또한, 상기 PTC 소자(30)는, 단락 유도 부재(20)의 제1 금속 층(22) 및 제2 금속 층(23) 상에 전체적으로 코팅될 수도 있다.
상기 PTC 소자(30)는, 배터리 모듈(100) 내에 발생된 과전압으로 인해 단락 유도 부재(20)가 작동하여 단락이 발생되는 경우, 기준 온도 이상에서 단락 전류를 차단함으로써 과열로 인한 발화/폭발 등의 위험을 미리 방지할 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)은, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)을 적어도 하나 이상 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(200)을 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (10)

  1. 양극 리드 및 음극 리드를 구비하며 상호 직렬 연결되는 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀; 및
    길이 방향 일 측은 상기 제1 배터리 셀의 음극 리드와 제2 배터리 셀의 양극 리드 사이에 접촉된 상태로 개재되고, 길이 방향 타 측은 상기 제1 배터리 셀의 양극 리드와 제2 배터리 셀의 음극 리드 사이에 위치하는 단락 유도 부재;
    를 포함하며,
    상기 제1 배터리 셀의 음극 리드와 제2 배터리 셀의 양극 리드 사이의 전위차가 기준값 이상이 되었을 때 상기 단락 유도 부재의 길이 방향 타 측 단부는 상기 제2 배터리 셀의 음극 리드를 향하여 굽힘 변형을 일으켜 상기 제2 배터리 셀의 음극 리드와 접촉되는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락 유도 부재는,
    EAP 층;
    상기 EAP 층의 일측 면 상에 형성되는 제1 금속 층; 및
    상기 EAP 층의 타측 면 상에 형성되는 제2 금속 층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 금속 층은 상기 제1 배터리 셀의 음극 리드와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 금속 층은 상기 제2 배터리 셀의 양극 리드와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 금속 층은 상기 단락 유도 부재가 굽힘 변형을 일으켰을 때 상기 제2 배터리 셀의 음극 리드와 접촉하여 제2 배터리 셀에 단락을 발생시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 EAP 층은,
    나피온, 폴리피롤, 폴리아닐린 및 폴리씨오펜으로부터 선택된 적어도 하나의 고분자 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 금속 층 및 제2 금속 층은,
    백금, 금, 은 및 동을 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 제1 배터리 셀의 양극 리드와 제2 배터리 셀의 음극 리드 사이를 전기적으로 연결하는 커넥팅 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 제1 금속 층과 제1 배터리 셀의 음극 리드 사이 및 상기 제2 금속 층과 제2 배터리 셀의 양극 리드 사이에 개재되는 PTC 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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