WO2022092654A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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WO2022092654A1
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battery cell
barrier layer
battery module
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이정훈
성준엽
정혜미
김광모
변다영
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module for effectively delaying heat propagation speed between battery cells and a battery pack including the same.
  • secondary batteries are of great interest not only as mobile devices such as mobile phones, digital cameras, laptops, and wearable devices, but also as energy sources for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles.
  • the mid-to-large-sized battery module be manufactured as small as possible in size and weight, a prismatic battery, a pouch-type battery, etc. that can be stacked with a high degree of integration and have a small weight to capacity are mainly used as battery cells of the mid- to large-sized battery module.
  • the battery module in order to protect the battery cell stack from external impact, heat, or vibration, the front and rear are opened may include a module frame for accommodating the battery cell stack in an internal space.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery module.
  • 2 is a top view of a battery cell stack included in a conventional battery module.
  • Figure 3 (a) is a top view of the region A of Figure 2 viewed from above,
  • Figure 3 (b) is a cross-sectional view taken along the cross section B-B of (a).
  • the conventional battery module includes a battery cell stack 12 in which a plurality of battery cells 11 are stacked in one direction, and a module frame for accommodating the battery cell stack 12 ( 30 , 40 ), and an end plate 15 covering the front and rear surfaces of the battery cell stack 12 .
  • the module frames 30 and 40 include a lower frame 30 covering the lower and both sides of the battery cell stack 12 and an upper plate 40 covering the upper surface of the battery cell stack 12 .
  • the battery cell stack 12 includes a fixing member 17 for fixing the plurality of battery cells 11 to each other, and the fixing member 17 is a center and/or an end of the battery cell stack 12 . is located in In addition, the compression pad 20 is positioned between a pair of adjacent battery cells in the battery cell stack 12 .
  • the compression pad 20 positioned in the conventional battery cell stack is in contact with the upper or lower surface of the battery cell 11 .
  • the compression pad 20 may absorb shock propagated to the neighboring battery cells 11 .
  • the heat propagation speed may be delayed due to the thickness of the compression pad 20 .
  • a swelling phenomenon occurs during the charging/discharging process of the battery cell 11 , pressure and/or heat is applied to the compression pad 20 .
  • the compression ratio of the conventional compression pad 20 varies depending on the location, and thus the physical properties of the compression pad 20 may change.
  • secondary cell ignition may occur due to heat conduction between neighboring battery cells 11 and external heat conduction due to flames generated in the battery cells 11 .
  • An object of the present invention is to provide a battery module that effectively delays the speed of heat propagation between battery cells, and a battery pack including the same.
  • a battery module includes a battery cell stack formed by stacking a plurality of battery cells, and at least one barrier layer interposed between adjacent battery cells among the plurality of battery cells,
  • the barrier layer includes a first region and a second region, and different materials are included in the first region and the second region.
  • the first region may be a portion corresponding to a central portion of the battery cell, and the second region may be a portion corresponding to an edge portion of the battery cell.
  • the barrier layer may include a first material in the first region and include a second material in the second region, and the first material may have higher thermal conductivity than the second material.
  • the first material may have a higher compressibility than the second material.
  • the barrier layer may include the first region and the second region that are distinguished based on a surface facing the body portion of the battery cell.
  • the body portion of the battery cell may correspond to a surface perpendicular to the stacking direction of the battery cell.
  • the barrier layer may be formed of a flame retardant member.
  • the material formed in the first region may include a silicon material, and the material formed in the second region may include a mica (MICA) material.
  • MICA mica
  • At least two or more barrier layers may be included, and at least two or more battery cells may be positioned between two adjacent barrier layers among the barrier layers.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above.
  • the barrier layer formed between a pair of adjacent battery cells in the battery cell stack functions as a flame retardant member, thereby delaying the rate of heat propagation between adjacent battery cells when the battery cells are ignited.
  • the barrier layer is formed to have different materials applied to each location, thereby maximizing the performance as a flame retardant member by lowering the compressibility of the barrier layer during cell swelling, thereby effectively delaying the heat propagation time between battery cells. there is.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a top view of a battery cell stack included in a conventional battery module.
  • Figure 3 (a) is a top view of the region A of Figure 2 viewed from above
  • Figure 3 (b) is a cross-sectional view taken along the cross section B-B of (a).
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a cross section taken along line C-C of FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating one battery cell included in the battery cell stack of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a view of the P region of FIG. 5 as viewed from the x-axis direction.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line D-D of FIG. 7 .
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where another part is in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to the gravity not.
  • planar it means when the target part is viewed from above, and "cross-sectional” means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a cross section taken along line C-C of FIG. 4 .
  • 6 is a perspective view illustrating one battery cell included in the battery cell stack of FIG. 5 .
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 including a plurality of battery cells 110 , and a module accommodating the battery cell stack 120 . It includes a frame 150 , and an end plate 130 positioned on the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 , respectively.
  • the module frame 150 may be in the form of a metal plate in which the upper surface, the lower surface and both sides are integrated. That is, in the case of the module frame 150 in the form of a square tube, a space in which the battery cell stack 10 can be accommodated is formed therein, and the end plate 130 is coupled to both ends of the square tube shape.
  • the present invention is not limited thereto, and various types of module frames 150 may be applied.
  • a module frame in which the upper cover and the U-shaped frame are combined is also possible, and is not particularly limited.
  • the battery cell stack 120 includes a plurality of battery cells 110 stacked in one direction, and the plurality of battery cells 110 are parallel to the sidewall 124 of the module frame 150 as shown in FIG. 5 . It can be stacked in a built-up form.
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell.
  • two electrode leads 111 and 112 face each other, so that one end 114a and the other end 114b of the battery body 113 are opposite to each other.
  • the electrode lead included in each battery cell 110 is a positive electrode lead or a negative electrode lead, and the electrode leads 111 and 112 of each battery cell 110 may have ends bent in one direction, whereby other adjacent batteries The cell 110 may contact the ends of the electrode leads 111 and 112 of the cell 110 .
  • the two electrode leads 111 and 112 in contact with each other may be fixed to each other by welding or the like, and through this, electrical connection between the battery cells 110 inside the battery cell stack may be made.
  • electrode leads aligned at both ends of the battery cell stack may be coupled to a bus bar frame (not shown) to be electrically connected to a bus bar mounted on the bus bar frame.
  • End plates 130 covering the bus bar frame are provided on both open sides of the module frame 150 , and may be coupled to the module frame 150 by a method such as welding.
  • the battery cell 110 may be manufactured by adhering both ends 114a and 114b of the case 114 and both side surfaces 114c connecting them in a state in which the electrode assembly is accommodated in the battery case 114 .
  • the battery cell 110 according to the present embodiment has a total of three sealing portions 114sa, 114sb, 114sc, and the sealing portions 114sa, 114sb, 114sc are sealed by a method such as thermal fusion.
  • the other one side may be formed of a connection part 115 .
  • both ends 114a and 114b of the battery case 114 is defined in the longitudinal direction of the battery cell 110 , and one side portion 114c connecting both ends 114a and 114b of the battery case 114 ) and a connection part A space between 115 may be defined in the width direction of the battery cell 110 .
  • connection part 115 is a region extending long along one edge of the battery cell 110 , and a protrusion 110p of the battery cell 110 may be formed at an end of the connection part 115 .
  • the protrusion 110p may be formed on at least one of both ends of the connecting unit 115 and may protrude in a direction perpendicular to the extending direction of the connecting unit 115 .
  • the protrusion 110p may be positioned between one of the sealing parts 114sa and 114sb of both ends 114a and 114b of the battery case 114 and the connection part 115 .
  • the battery case 114 generally has a laminate structure of a resin layer/metal thin film layer/resin layer.
  • a resin layer/metal thin film layer/resin layer For example, when the surface of the battery case is O (oriented) - made of a nylon layer, when stacking a plurality of battery cells to form a medium or large-sized battery module, it tends to slide easily due to an external impact. Therefore, in order to prevent this and maintain a stable laminated structure of the battery cells, an adhesive member such as an adhesive adhesive such as a double-sided tape or a chemical adhesive bonded by a chemical reaction during adhesion is attached to the surface of the battery case to form a battery cell laminate can form.
  • the battery cell stack 120 may be stacked in the x-axis direction.
  • the thermally conductive resin layer 200 may be positioned between the battery cell stack and the bottom of the module frame 150 .
  • the thermally conductive resin layer 200 transfers heat generated from the battery cell stack 120 to the bottom of the battery module 100 and also serves to fix the battery cell stack 120 to the bottom. there is.
  • a plurality of barrier layers 400 may be interposed between the neighboring battery cells 110 .
  • the barrier layer 400 is formed of a flame retardant member.
  • the barrier layer 400 is formed of a flame-retardant pad, and the flame-retardant pad may be formed of a silicone foam pad or a mica sheet.
  • the battery module 100 includes at least two or more barrier layers 400 , and at least two or more battery cells 110 may be positioned between two adjacent barrier layers 400 among the barrier layers 400 . there is. Of course, it can also be formed in a structure in which one battery cell 110 is disposed between two adjacent barrier layers 400 .
  • the plurality of barrier layers 400 may be inserted one by one whenever four battery cells 110 are stacked, so that the plurality of barrier layers 400 may be disposed at equal intervals.
  • the present invention is not limited thereto, and the plurality of barrier layers 400 may be disposed at different intervals.
  • the arrangement of the barrier layer 400 is not particularly limited, and the number and thickness thereof may be appropriately adjusted as necessary. In this way, by disposing the barrier layer 400 at equal or non-equal intervals, thermal impedance is increased when thermal runaway occurs of the battery cells 110 in the battery module 100 to adjacent battery cells ( 110) can prevent or delay heat transfer between the livers.
  • the barrier layer 400 may be disposed between the battery cell 110 and the sidewall 124 stacked on the outermost side of the battery cell stack 120 .
  • the barrier layer 400 delays or blocks the transfer of heat from the corresponding battery cell to the adjacent battery cell when an issue such as thermal runaway occurs within the battery module 100 and absorbs the expansion of the battery cell 110 . It can also serve as an inflation control.
  • the barrier layer 400 may change in physical properties when swelling of the battery cell 110 occurs inside the battery module 100 , and in particular, thermal conductivity may vary depending on a position in contact with the battery cell 110 .
  • thermal conductivity may vary depending on a position in contact with the battery cell 110 .
  • the thermal conductivity of the portion of the barrier layer 400 corresponding to the position in contact with the center of the battery cell 110 may change, thereby delaying the heat propagation speed. is difficult to perform sufficiently.
  • the barrier layer 400 according to the present embodiment is formed to have different materials applied to each location.
  • the barrier layer 400 according to the present embodiment will be described in detail.
  • FIG. 7 is a view of the P region of FIG. 5 as viewed from the x-axis direction.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line D-D of FIG. 7 .
  • the barrier layer 400 includes a first region 400a and a second region 400b, and includes a first region 400a and a second region 400b. contain different substances in The first region 400a may be a portion corresponding to the central portion of the battery cell 110 , and the second region 400b may be a portion corresponding to the edge portion of the battery cell 110 .
  • the barrier layer 400 includes a first material in the first region 400a and includes a second material in the second region 400b.
  • the first material may have higher thermal conductivity than the second material, and the first material may have a higher compressibility than the second material.
  • the barrier layer 400 may include a first region 400a and a second region 400b that are distinguished based on a surface facing the body portion 110B of the battery cell 110 .
  • the body portion 110B of the battery cell 110 may correspond to a surface perpendicular to the stacking direction of the battery cell 110 .
  • a material formed in the first region 400a may include a silicon material
  • a material formed in the second region 400b may include a mica material. Accordingly, in the first region 400a, a material having good compressibility, such as silicon, may prevent deterioration of thermal conductivity due to compression. In the second region 400b, although compressibility is relatively low, thermal conductivity may be lowered through a material having excellent flame retardancy performance.
  • the second region 400b corresponding to the outer part has a relatively small swelling phenomenon of the battery cell 110, so it is better than a material with good compressibility. It is preferable to use a member with low thermal conductivity. Through this, it is possible to maximize the performance as a flame-retardant member by applying a material having a different compressibility to each region of the barrier layer 400 , and to effectively delay the heat propagation time between battery cells even when cell swelling occurs.
  • the body portion 110B of the battery cell 110 may point to one surface of the battery cell 110 facing the x-axis direction, which is the direction in which the battery cells 110 are stacked.
  • the middle portion of the body portion 110B of the battery cell 110 greatly swells, and a barrier layer corresponding to the middle portion of the battery cell 110 .
  • the first region 400a of 400 may be compressed relatively more than the second region 400b.
  • the physical properties of the barrier layer 400 are changed. Accordingly, it is possible to maximize the performance of the flame-retardant member, thereby effectively delaying the heat propagation time between the battery cells 110 .
  • one or more battery modules according to an embodiment of the present invention may be packaged in a pack case to form a battery pack.
  • the above-described battery module and battery pack including the same may be applied to various devices.
  • a device may be applied to transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, and a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto and is applicable to various devices that can use a battery module and a battery pack including the same, and this It belongs to the scope of the invention.

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 형성된 전지셀 적층체, 및 상기 복수의 전지셀 중 서로 이웃하는 전지셀 사이에 개재되어 있는 적어도 하나의 배리어층을 포함하고, 상기 배리어층은 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에서 서로 다른 물질을 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 10월 29일자 한국 특허 출원 제10-2020-0141977호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전지셀 간의 열 전파 속도를 효과적으로 지연시키는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 이차전지는 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 모바일 기기뿐만 아니라, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 동력 장치에 대한 에너지원으로도 많은 관심을 가지고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것일 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 한편, 전지 모듈은, 전지셀 적층체를 외부 충격, 열 또는 진동으로부터 보호하기 위해, 전면과 후면이 개방되어 전지셀 적층체를 내부 공간에 수납하는 모듈 프레임을 포함할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 사시도이다. 도 2는 종래의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체의 상면도이다. 도 3의 (a)는 도 2의 A 영역을 위에서 바라본 상면도이고, 도 3의 (b)는 (a)의 절단면 B-B를 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지 모듈은 복수의 전지셀(11)이 일방향으로 적층된 적층되어 있는 전지셀 적층체(12), 전지셀 적층체(12)를 수용하는 모듈 프레임(30, 40), 및 전지셀 적층체(12)의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트(15)를 포함한다. 모듈 프레임(30, 40)은 전지셀 적층체(12)의 하부 및 양 측면을 덮는 하부 프레임(30)과 전지셀 적층체(12)의 상면을 덮는 상부 플레이트(40)를 포함한다.
또한, 전지셀 적층체(12)는 복수의 전지셀(11)을 서로 고정시켜주는 고정 부재(17)를 포함하고, 고정 부재(17)는 전지셀 적층체(12)의 중심부 및/또는 단부에 위치한다. 또한, 전지셀 적층체(12)에서 서로 이웃하는 한 쌍의 전지셀 사이에 압축 패드(20)가 위치한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 종래의 전지셀 적층체에 위치하는 압축 패드(20)는 전지셀(11)의 상면 또는 하면에 접한다. 압축 패드(20)는 이웃하는 전지셀(11)들로 전파되는 충격을 흡수할 수 있다. 또, 전지셀(11)의 발화 시, 압축 패드(20)가 갖는 두께로 인해 열 전파 속도를 지연시킬 수도 있다. 그러나, 전지셀(11)의 충방전 과정에서 스웰링 현상이 발생되는 경우, 압축 패드(20)에 압력 및/또는 열을 가하게 된다. 이 때, 종래의 압축 패드(20)의 압축률이 위치에 따라 다르게 나타나며, 이로 인해 압축 패드(20)의 물성이 변할 수 있다. 이뿐만 아니라 전지셀(110) 발화 시, 이웃하는 전지셀(11)간 열전도와 더불어 전지셀(11)에서 발생되는 화염으로 인한 외부 열전도로 인해 2차 셀 발화가 발생할 수 있다.
이로 인해 기존의 압축 패드(20)만으로는 열 전파 속도를 지연시키는 역할을 충분히 수행하기 어렵다. 이에 따라, 종래와 달리 스웰링 현상 발생 시에도 전지셀 간의 열 전파 속도를 효과적으로 지연시키는 전지 모듈을 개발할 필요가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전지셀 간의 열 전파 속도를 효과적으로 지연시키는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 형성된 전지셀 적층체, 및 상기 복수의 전지셀 중 서로 이웃하는 전지셀 사이에 개재되어 있는 적어도 하나의 배리어층을 포함하고, 상기 배리어층은 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에서 서로 다른 물질을 포함한다.
상기 제1 영역은 상기 전지셀의 중심부에 대응하는 부분이고, 상기 제2 영역은 상기 전지셀의 테두리부에 대응하는 부분일 수 있다.
상기 배리어층은, 상기 제1 영역에서는 제1 물질을 포함하고, 상기 제2 영역에서는 제2 물질을 포함하며, 상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 높은 열전도도를 가질 수 있다.
상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 높은 압축률을 가질 수 있다.
상기 배리어층은 상기 전지셀의 바디부와 마주보는 면을 기준으로 구별되는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 포함할 수 있다.
상기 전지셀의 바디부는, 상기 전지셀의 적층 방향에 수직한 면에 대응할 수 있다.
상기 배리어층은 난연 부재로 형성될 수 있다.
상기 제1 영역에 형성되는 물질은 실리콘 재질을 포함하고, 상기 제2 영역에 형성되는 물질은 마이카(MICA) 재질을 포함할 수 있다.
상기 배리어층은 적어도 2개 이상 포함되고, 상기 배리어층 중 이웃하는 2개의 배리어층 사이에는 적어도 2개 이상의 전지셀이 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 앞에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 전지셀 적층체에서 서로 이웃하는 한 쌍의 전지셀 사이에 형성된 배리어층이 난연 부재로 기능함으로써 전지셀 발화 시 이웃하는 전지셀간 열전파 속도를 지연시킬 수 있다.
또한, 배리어층은 위치별 적용되는 재질이 다르도록 형성됨으로써, 셀 스웰링 현상시 배리어층의 압축률을 낮춰서 난연 부재로의 성능을 극대화하고, 이를 통해, 전지셀 간의 열 전파 시간을 효과적으로 지연시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 종래의 전지 모듈에 포함된 전지셀 적층체의 상면도이다.
도 3의 (a)는 도 2의 A 영역을 위에서 바라본 상면도이고, 도 3의 (b)는 (a)의 절단면 B-B를 따라 자른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 C-C를 따른 단면을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 전지셀 적층체에 포함된 하나의 전지셀을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 5의 P영역을 x축 방향에서 바라본 도면이다.
도 8은 도 7의 절단선 D-D를 따라 자른 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 4의 C-C를 따른 단면을 나타내는 도면이다. 도 6은 도 5의 전지셀 적층체에 포함된 하나의 전지셀을 나타내는 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)을 포함하는 전지셀 적층체(120), 및 전지셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임(150), 및 전지셀 적층체(120)의 전면과 후면에 각각 위치하는 엔드 플레이트(130)를 포함한다.
모듈 프레임(150)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태일 수 있다. 즉, 사각 관 형태의 모듈 프레임(150)인 경우, 내부에 전지셀 적층체(10)가 수용될 수 있는 공간이 형성되고, 사각 관 형태의 양 단부에 엔드 플레이트(130)가 결합되는 형태를 갖는다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 형태의 모듈 프레임(150)이 적용될 수 있다. 가능한 변형예로서, 상부 커버와 U자형 프레임이 결합된 형태의 모듈 프레임도 가능하며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
전지셀 적층체(120)는 일방향으로 적층된 복수의 전지셀(110)을 포함하고, 복수의 전지셀(110)은 도 5에 도시한 바와 같이 모듈 프레임(150)의 측벽(124)에 평행하게 세워진 형태로 적층될 수 있다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 6을 참고하면 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 각각의 전지셀(110)에 포함된 전극 리드는 양극 리드 또는 음극 리드이며, 각 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)는 단부가 한쪽 방향으로 구부러질 수 있고, 이에 의해 인접한 다른 전지셀(110)이 갖는 전극 리드(111, 112)의 단부와 맞닿을 수 있다. 서로 맞닿은 2개의 전극 리드(111, 112)는 서로 용접 등을 통해 고정될 수 있고, 이를 통해 전지셀 적층체 내부의 전지셀(110) 간의 전기적 연결이 이루어질 수 있다. 또한, 전지셀 적층체의 양 단부에 정렬된 전극 리드들은 버스바 프레임(미도시)에 결합하여, 버스바 프레임에 탑재된 버스바와 전기적으로 연결될 수 있다. 모듈 프레임(150)의 개방된 양측에는 버스바 프레임을 덮는 엔드 플레이트(130)가 각각 구비되어, 모듈 프레임(150)과 용접 등의 방법에 의해 결합될 수 있다.
전지셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체를 수납한 상태로 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 양 측면(114c)을 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b) 사이가 전지셀(110)의 길이 방향으로 정의하고, 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)를 연결하는 일측부(114c)와 연결부(115) 사이를 전지셀(110)의 폭 방향으로 정의할 수 있다.
연결부(115)는 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗어 있는 영역이며, 연결부(115)의 단부에 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 돌출부(110p)는 연결부(115)의 양 단부 중 적어도 하나에 형성될 수 있고, 연결부(115)가 뻗는 방향에 수직한 방향으로 돌출될 수 있다. 돌출부(110p)는 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)의 실링부(114sa, 114sb) 중 하나와 연결부(115) 사이에 위치할 수 있다.
전지 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 전지셀 적층체를 형성할 수 있다. 본 실시예에서 전지셀 적층체(120)는 x축 방향으로 적층될 수 있다.
도 5를 다시 참고하면, 전지셀 적층체와 모듈 프레임(150)의 바닥부 사이에는 열전도성 수지층(200)이 위치할 수 있다. 열전도성 수지층(200)은 전지셀 적층체(120)로부터 발생하는 열을 전지 모듈(100)의 바닥으로 전달함과 아울러, 전지셀 적층체(120)를 바닥부에 고정시키는 역할을 할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 이웃하는 전지셀(110) 사이에는, 복수의 배리어층(400)이 개재될 수 있다. 배리어층(400)은 난연 부재로 형성된다. 이때, 배리어층(400)은 난연 패드로 형성되며, 난연 패드는 실리콘 폼 패드 또는 마이카 시트(Mica sheet)로 형성될 수 있다. 전지 모듈(100)에는 배리어층(400)이 적어도 2개 이상 포함되고, 배리어층(400)들 중 이웃하는 2개의 배리어층(400) 사이에는 적어도 2개 이상의 전지셀(110)이 위치할 수 있다. 물론, 이웃하는 2개의 배리어층(400) 사이에 하나의 전지셀(110)이 배치된 구조로도 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 복수의 배리어층(400)은 4개의 전지셀(110)이 적층될 때마다 하나씩 삽입되어, 복수의 배리어층(400)이 등간격으로 배치될 수 있다. 이에 한정되지 않고, 복수의 배리어층(400)은 서로 다른 간격으로 배치될 수도 있다. 이와 같은 배리어층(400)의 배치는, 특별히 한정되는 것은 아니고 필요에 따라 그 숫자 및 두께를 적절히 조절할 수 있다. 이와 같이, 배리어층(400)을 등간격 또는 비등간격으로 이격 배치하는 것에 의해, 전지 모듈(100) 내 전지셀(110)의 열폭주 발생시 열 임피던스 (thermal impedance)를 증가시켜 이웃하는 전지셀(110) 간 열 이동을 방지 또는 지연할 수 있다. 또한, 전지셀 적층체(120)의 최외각에 적층된 전지셀(110)과 측벽(124) 사이에도 배리어층(400)이 배치될 수 있다. 배리어층(400)은 전지 모듈(100) 내에서 열폭주 등의 이슈 발생시, 해당 전지셀로부터 인접한 전지셀로 열이 전달되는 것을 지연 또는 차단함과 아울러, 전지셀(110)의 팽창을 흡수하여 팽창 제어 역할도 할 수 있다.
배리어층(400)은, 전지 모듈(100) 내부에서, 전지셀(110)의 스웰링이 발생할 경우 물성이 바뀔 수 있고, 특히 열전도율이 전지셀(110)과 접하는 위치에 따라 달라질 수 있다. 일 예로, 전지셀(110)의 스웰링 현상 발생 시, 전지셀(110)의 중심부에서 부피 팽창이 비교적 많이 발생된다. 이에 따라, 배리어층(400)의 두께가 일정한 경우에는, 전지셀(110)의 중심부에 접하는 위치에 대응되는 배리어층(400) 부분의 열전도율이 바뀔 수 있고, 이로 인해 열 전파 속도를 지연시키는 역할을 충분히 수행하기 어렵다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 배리어층(400)은, 스웰링 현상 발생 시에도 전지셀(110) 간의 열 전파 속도를 효과적으로 지연시키기 위해, 위치별 적용되는 재질이 다르도록 형성한다. 이하에서는 본 실시예에 따른 배리어층(400)에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 도 5의 P영역을 x축 방향에서 바라본 도면이다. 도 8은 도 7의 절단선 D-D를 따라 자른 단면도이다.
도 5 및 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 배리어층(400)은 제1 영역(400a)과 제2 영역(400b)을 포함하고, 제1 영역(400a)과 제2 영역(400b)에서 서로 다른 물질을 포함한다. 제1 영역(400a)은 전지셀(110)의 중심부에 대응하는 부분이고, 제2 영역(400b)은 전지셀(110)의 테두리부에 대응하는 부분일 수 있다.
배리어층(400)은, 제1 영역(400a)에서는 제1 물질을 포함하고, 제2 영역(400b)에서는 제2 물질을 포함한다. 상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 높은 열전도도를 가질 수 있고, 상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 높은 압축률을 가질 수 있다. 배리어층(400)은 전지셀(110)의 바디부(110B)와 마주보는 면을 기준으로 구별되는 제1 영역(400a)과 제2 영역(400b)을 포함할 수 있다.
전지셀(110)의 바디부(110B)는, 전지셀(110)의 적층 방향에 수직한 면에 대응할 수 있다. 제1 영역(400a)에 형성되는 물질은 실리콘 재질을 포함하고, 제2 영역(400b)에 형성되는 물질은 마이카(MICA) 재질을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 영역(400a)에서는 실리콘과 같이 압축성이 좋은 물성을 갖는 재질을 통해 압축에 따라 열전도 성능이 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 제2 영역(400b)에서는 압축성은 상대적으로 떨어지지만 난연 성능이 우수한 재질을 통해 열전도성을 낮출 수 있다. 이것은 셀 스웰링시 셀의 중앙부에 대응하는 제1 영역(400a)에 비해 외곽부에 대응하는 제2 영역(400b)은 상대적으로 전지셀(110)이 부푸는 현상이 작으므로 압축성이 좋은 재질보다 열전도성이 낮은 부재를 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 배리어층(400)의 각 영역별로 압축률이 다른 재질을 적용하여 난연 부재로의 성능을 극대화하고, 셀 스웰링 현상이 발생하더라도 전지셀 간의 열 전파 시간을 효과적으로 지연시킬 수 있다.
전지셀(110)의 바디부(110B)는 전지셀(110)이 적층되는 방향인 x축 방향을 향하는 전지셀(110)의 일면을 가리킬 수 있다.
도 8을 참고하면, 전지셀(110)의 스웰링이 발생하면, 전지셀(110)의 바디부(110B)의 가운데 부분이 크게 부풀어 오르고, 전지셀(110)의 가운데 부분에 대응하는 배리어층(400)의 제1 영역(400a)이 제2 영역(400b) 대비하여 상대적으로 더 많이 압축될 수 있다. 이때, 배리어층(400)의 물성이 변하게 된다. 이에 따라, 난연 부재로의 성능을 극대화하고, 이를 통해, 전지셀(110) 간의 열 전파 시간을 효과적으로 지연시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지팩을 형성할 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
110: 전지셀
110B: 바디부
400: 배리어층
400a, 400b: 제1, 2 영역

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 형성된 전지셀 적층체, 및
    상기 복수의 전지셀 중 서로 이웃하는 전지셀 사이에 개재되어 있는 적어도 하나의 배리어층을 포함하고,
    상기 배리어층은 제1 영역과 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에서 서로 다른 물질을 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 영역은 상기 전지셀의 중심부에 대응하는 부분이고, 상기 제2 영역은 상기 전지셀의 테두리부에 대응하는 부분인 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 배리어층은, 상기 제1 영역에서는 제1 물질을 포함하고, 상기 제2 영역에서는 제2 물질을 포함하며,
    상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 높은 열전도도를 갖는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 높은 압축률을 갖는 전지 모듈.
  5. 제2항에서,
    상기 배리어층은 상기 전지셀의 바디부와 마주보는 면을 기준으로 구별되는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 포함하는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 전지셀의 바디부는, 상기 전지셀의 적층 방향에 수직한 면에 대응하는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 배리어층은 난연 부재로 형성되는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 영역에 형성되는 물질은 실리콘 재질을 포함하고, 상기 제2 영역에 형성되는 물질은 마이카(MICA) 재질을 포함하는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 배리어층은 적어도 2개 이상 포함되고, 상기 배리어층 중 이웃하는 2개의 배리어층 사이에는 적어도 2개 이상의 전지셀이 위치하는 전지 모듈.
  10. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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