WO2022158793A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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WO2022158793A1
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thin film
battery
temperature
battery module
bus bar
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정혜미
성준엽
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module in which heat inside the battery module is automatically managed and controlled according to the temperature of an external environment, and a battery pack including the same.
  • secondary batteries are of great interest not only as mobile devices such as mobile phones, digital cameras, notebooks, and wearable devices, but also as energy sources for power devices such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid electric vehicles.
  • the battery module As the battery module is exposed to a low-temperature environment, there is a problem in that the output performance is deteriorated. For example, in the case of a vehicle equipped with a battery module, there is a problem in that battery performance is deteriorated in a cold start environment.
  • an indirect heating device such as a planar heating element is inserted or disposed in the battery module to solve this problem.
  • this is accompanied by a technical disadvantage of increasing the thickness and weight of the entire battery module, and there is a problem that there is an economic disadvantage such as an increase in manufacturing cost by separately adding a control means for controlling the planar heating element. Accordingly, there is a need to develop a battery module capable of resolving technical or economic disadvantages while preventing a decrease in the output of the battery module even in a low-temperature environment.
  • An object of the present invention is to provide a battery module in which heat inside the battery module is automatically managed and controlled according to the temperature of an external environment, and a battery pack including the same.
  • a battery module includes: a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked; a module frame for accommodating the battery cell stack; a bus bar frame covering the front and rear surfaces of the battery cell stack; and an end plate that covers the bus bar frame and is coupled to the module frame, wherein a bus bar is mounted on the bus bar frame, and a thin film layer is positioned between the bus bar frame and the end plate.
  • the thin film layer may be in contact with at least a portion of a surface of the bus bar.
  • the thin film layer may be formed of a thin film composition that generates heat at a first temperature.
  • the first temperature may be a temperature of 10 degrees Celsius or less.
  • the thin film composition may be made of a CTR (Critical Temperature Resistor) ceramic material.
  • the CTR (Critical Temperature Resistor) ceramic material may include at least one of a composite vanadium oxide-based material, a boron oxide-based material, and a phosphoric acid-based material.
  • At least one of VO 2 , V 2 O 3 , and V 6 O 13 may be selected as the composite vanadium oxide-based material.
  • the thin film composition may further include a doping material.
  • the doping material may include at least one of Mo 4+ , Mo 5+ , Mo 6+ , W 5+ , W 6+ , and Nb 5+ .
  • the thin film composition including the doping material may be heated at a second temperature, and the second temperature may be lower than the first temperature.
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above.
  • the present invention includes a thin film layer that is heated to an appropriate level in a low-temperature environment, so that a battery module and a battery pack including the same automatically manage and control heat inside the battery module according to the temperature of the external environment can do.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view showing a bus bar frame positioned on one surface of the battery cell stack of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a view showing a bus bar frame positioned on the other surface of the battery cell stack of FIG. 2 .
  • FIG. 5 is a view showing a heat transfer path in a state in which the end plate is removed from the battery module of FIG. 1 .
  • planar view it means when the target part is viewed from above
  • cross-sectional view means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1 .
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked; Module frames 300 and 400 for accommodating the battery cell stack 120; Bus bar frames 131 and 135 covering the front and rear surfaces of the battery cell stack 120 ; and an end plate 150 that covers the bus bar frames 131 and 135 and is coupled to the module frames 300 and 400 .
  • the module frames 300 and 400 have an upper surface, a front surface, and a rear surface open and a U-shaped frame 300 including a bottom portion and a side portion, and an upper plate 400 covering the upper portion of the battery cell stack 120 .
  • the module frames 300 and 400 are not limited thereto, and may be replaced with a frame of another shape, such as an L-shaped frame or a mono frame surrounding the battery cell stack 120 , except for the front and rear surfaces.
  • the thermally conductive resin layer 310 may be formed on the bottom surface of the U-shaped frame 300 in contact with the lower surface of the battery cell stack 120 .
  • the thermally conductive resin layer 310 may be formed by coating a thermally conductive resin on the bottom surface of the U-shaped frame 300 . That is, before the battery cell stack 120 is mounted on the U-shaped frame 300 , the thermally conductive resin layer 310 may be formed as the previously applied thermally conductive resin is cured. However, in the battery module 100 according to another embodiment of the present invention, the thermally conductive resin layer 310 may be omitted if necessary.
  • the thermally conductive resin layer 310 may transfer heat from the battery cell stack 120 to the outside to cool the battery cell stack 120 .
  • a plurality of battery cells 110 are stacked, and the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell.
  • the battery cell 110 may be manufactured by accommodating the electrode assembly in a pouch case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and then thermally sealing a sealing part of the pouch case.
  • the battery cells 110 may be configured in plurality, and the plurality of battery cells 110 form a stacked battery cell stack 120 to be electrically connected to each other.
  • bus bar frames 131 and 135 will be described in detail.
  • FIG. 3 is a view showing a bus bar frame positioned on one surface of the battery cell stack of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a view showing a bus bar frame positioned on the other surface of the battery cell stack of FIG. 2 .
  • At least one bus bar 141 or 145 may be mounted on the bus bar frames 131 and 135 .
  • the bus bars 141 and 145 electrically connect the electrode leads of the battery cell stack 120 protruding from the bus bar frames 131 and 135 to form the battery cell stack 120 stacked in parallel. It may be electrically connected.
  • the bus bar frames 131 and 135 may include a first bus bar frame 131 and a second bus bar frame 135 .
  • the first bus bar frame 131 may be positioned on the front side of the battery cell stack 120
  • the second bus bar frame 135 may be positioned on the rear surface of the battery cell stack body.
  • the bus bars 141 and 145 may include a first bus bar 141 and a second bus bar 145 .
  • the first bus bar 141 may be mounted on the first bus bar frame 131
  • the second bus bar 145 may be mounted on the second bus bar frame 135 .
  • the same description may be applied.
  • thin film layers 133 and 137 are positioned between the bus bar frames 131 and 135 and the end plate 150 . More specifically, the first thin film layer 133 may be positioned between the first bus bar frame 131 and the end plate 150 , and the second thin film layer 133 may be positioned between the second bus bar frame 135 and the end plate 150 . A thin film layer 135 may be positioned. However, in the battery module according to another embodiment of the present invention, some of the first thin film layer 133 and the second thin film layer 137 may be omitted.
  • the thin film layers 133 and 137 may be in contact with at least a portion of the surfaces of the bus bars 141 and 145 or coated on at least a portion of the surfaces of the bus bars 141 and 145 .
  • the first thin film layer 133 may be in contact with at least a portion of the surface of the first bus bar 141 or may be coated on at least a portion of the surface of the first bus bar 141 .
  • the second thin film layer 135 may be in contact with at least a portion of the surface of the second bus bar 145 or may be coated on at least a portion of the surface of the second bus bar 145 .
  • the thin film layers 133 and 137 directly contact the bus bars 141 and 145, and the battery cells 110 through the bus bars 141 and 145 in a low-temperature environment. It is possible to increase the temperature, it is possible to prevent a decrease in the output of the battery cell 110 that may occur in a low-temperature environment, and the battery performance can also be improved. In addition, heat may be transferred from the battery cell 110 in a room temperature or high temperature environment, thereby preventing the battery cell 110 from being excessively heated.
  • the thin film layers 133 and 137 may be pre-fabricated in the form of a film or sheet and attached to the bus bars 141 and 145 .
  • the thin film layers 133 and 137 may be attached to the bus bars 141 and 145 by their own adhesive force, or a separate adhesive layer may be formed and attached between the thin film layers 133 and 137 and the bus bars 141 and 145.
  • the thin film layers 133 and 137 may be formed by coating or coating the surfaces of the bus bars 141 and 145 .
  • the thin film layers 133 and 137 are formed through a conventional thin film coating process such as sol-gel, atomic-layer-deposition (ALD), chemical vapor deposition (CVD), and physical vapor deposition (PVD). , may be formed by coating the surfaces of the bus bars 141 and 145 .
  • ALD atomic-layer-deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • the present invention is not limited thereto, and the thin film layers 133 and 137 may be formed in various shapes.
  • the battery module 100 includes the thin film layers 133 and 137, without increasing the weight or thickness of the battery module 100, the manufacturing process is simple, and the manufacturing cost is also reduced.
  • the thin film layers 133 and 137 may be formed of a thin film composition that generates heat at the first temperature. More specifically, the thin film layers 133 and 137 are heated at the first temperature, and the heat generated in the thin film layers 133 and 137 is transferred to the battery cell 110 through the bus bars 141 and 145, and the battery cell (110) may be heated to 20 degrees Celsius to 50 degrees Celsius.
  • the first temperature may be a temperature of 10 degrees Celsius or less. More specifically, the first temperature may be a temperature of 5 degrees Celsius or less. For example, the first temperature may be a temperature of 0 degrees Celsius or less.
  • the thin film layers 133 and 137 may be heated at a temperature within the above-described range, and heat may be transferred to the battery cell 110 through the bus bars 141 and 145 in contact with the thin film layers 133 and 137,
  • the battery cell 110 In a low-temperature environment such as the above-described range, the battery cell 110 can be rapidly heated to a predetermined temperature by itself without input of external thermal energy. For this reason, it is possible to prevent a decrease in the output of the battery cell 110 in a low-temperature environment, and to improve battery performance.
  • the battery cell 110 When the thin film layers 133 and 137 generate heat at a temperature greater than 10 degrees Celsius, the battery cell 110 is discharged from the thin film layers 133 and 137 even though the battery cell 110 is not exposed to a low-temperature environment such that the output is lowered. may be transferred to, and accordingly, there is a risk that the battery cell 110 is excessively heated. In this case, an ignition phenomenon may occur in the battery cell 110 .
  • the thin film composition of the thin film layers 133 and 137 may be made of a temperature-dependent variable resistance heating element material. More specifically, the thin film composition may be made of a material having a high electrical resistance at a low temperature and a low electrical resistance at a high temperature. That is, the heat generated in the thin film layers 133 and 137 may be resistance heat of the thin film composition.
  • the thin film layers 133 and 137 when the thin film layers 133 and 137 are exposed to an environment of room temperature or high temperature, the thin film layers 133 and 137 do not generate heat and the electrical resistance of the thin film layers 133 and 137 is low to the level of the busbar energizing material. can be maintained In other words, when the thin film layers 133 and 137 are not exposed to a low temperature environment to which the output of the battery cell 110 is lowered, the supply/transfer of thermal energy by the resistance heat of the thin film layers 133 and 137 may be limited. have. In this case, the thermally conductive resin layer 310 on the bottom surface of the above-described U-shaped frame 300 may perform a cooling function for the battery cell 110 .
  • the thin film composition may be made of a CTR (Critical Temperature Resistor) ceramic material. More specifically, the CTR (Critical Temperature Resistor) ceramic material has a characteristic of rapidly changing electrical resistance due to a change in a crystal structure near a phase transition temperature.
  • the CTR (Critical Temperature Resistor) ceramic material may include at least one of a composite vanadium oxide-based material, a boron oxide-based material, and a phosphoric acid-based material.
  • the composite vanadium oxide-based material may be selected from at least one of VO 2 , V 2 O 3 , and V 6 O 13 .
  • the boron oxide-based material may be B 2 O 3 .
  • the phosphoric acid-based material may be P 2 O 5 .
  • the thin film layers 133 and 137 can act as a self-heating heating source in the battery module 100 due to high resistance heat at low temperatures, and high electrical conductivity at high temperatures. Because of this, it can function as an electrical conductor.
  • the thin film composition may further include a doping material.
  • the thin film composition including the doping material may be heated at a second temperature, and the second temperature may be lower than the first temperature.
  • the doping material may include at least one of metal ions such as Mo of +4 or more and W of +5 or more. More specifically, metal ions such as Mo of +4 or more, W of +5 or more, and Nb of +5 or more have characteristics of controlling the phase transition temperature and/or the width of resistance change of the thin film composition.
  • the doping material may include at least one of Mo 4+ , Mo 5+ , Mo 6+ , W 5+ , W 6+ , and Nb 5+ .
  • the doping material can be included in the thin film composition constituting the thin film layers 133 and 137, so that the heating temperature and resistance change degree of the thin film composition can be adjusted as needed. can be adjusted accordingly.
  • FIG. 5 is a view showing a heat transfer path in a state in which the end plate is removed from the battery module of FIG. 1 .
  • heat in the module frames 300 and 400 may flow in the first direction D1 in a low-temperature environment.
  • the low-temperature environment may be an environment below the first temperature described above.
  • the first direction D1 may be described as a direction from the thin film layers 133 and 137 toward the battery cell stack 120 . More specifically, in a low-temperature environment, heat generated in the thin film layers 133 and 137 may flow in the first direction D1 toward the battery cell stack 120 having a relatively low temperature.
  • heat in the battery module 100 may flow in the second direction D2 .
  • the second direction D2 may be described as a direction from the battery cell stack 120 toward the thin film layers 133 and 137 . More specifically, in a room temperature or high temperature environment, the heat generated in the battery cell 110 during the charging and discharging process of the battery module 100 is directed toward the thin film layers 133 and 137 having a relatively low temperature in the second direction D2. can flow
  • the heat transfer path may be automatically switched according to the temperature change of the external environment of the battery module 100, and a separate control means is not required. This is simple, and the manufacturing cost can also be reduced.
  • the temperature of the battery cell 110 may be maintained in a predetermined temperature range. That is, the thin film layers 133 and 137 may prevent the output performance of the battery cell 110 in a low-temperature environment. In addition, it functions as an electrical conductor in room temperature and high temperature environments.
  • the module cooling structure through the thermal conductive resin layer 310 on the bottom surface of the U-shaped frame 300 functions to prevent ignition of the battery cells 110 .
  • a battery pack according to another embodiment of the present invention includes the battery module described above. Meanwhile, one or more battery modules according to the present embodiment 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 belong to the scope of the invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 버스바 프레임; 및 상기 버스바 프레임을 커버하되, 상기 모듈 프레임과 결합되는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 버스바 프레임에 버스바가 장착되어 있고, 상기 버스바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이에 박막층이 위치한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2021년 01월 22일자 한국 특허 출원 제10-2021-0009236호에 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 구체적으로, 외부 환경의 온도에 따라 전지 모듈 내부의 열이 자동으로 관리 및 제어되는 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.
여기서, 전지 모듈은 저온 환경에서 노출되어 있을수록 출력 성능이 저하되는 문제가 있다. 일 예로, 전지 모듈이 장착되어 있는 자동차의 경우, 냉시동 환경에서 배터리 성능이 저하되는 문제가 있다. 일부 전지 모듈은 이러한 문제를 해결하기 위해, 전지 모듈 내에 면상 발열체와 같은 간접 가열 장치를 삽입 또는 배치하였다. 그러나, 이는 전지 모듈 전체의 두께 및 중량을 증가시키는 기술적 단점이 수반되며, 면상 발열체를 제어하기 위한 제어 수단을 별도로 추가함에 따른 제조 비용 상승 등의 경제적 단점이 있다는 문제가 있다. 이에 따라, 저온 환경에서도 전지 모듈의 출력 저하를 방지하면서도, 기술적 또는 경제적 단점을 해소할 수 있는 전지 모듈을 개발할 필요가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 외부 환경의 온도에 따라 전지 모듈 내부의 열이 자동으로 관리 및 제어되는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 버스바 프레임; 및 상기 버스바 프레임을 커버하되, 상기 모듈 프레임과 결합되는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 버스바 프레임에 버스바가 장착되어 있고, 상기 버스바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이에 박막층이 위치한다.
상기 박막층은 상기 버스바의 표면 중 적어도 일부와 접할 수 있다.
상기 박막층은 제1 온도에서 발열되는 박막 조성물로 이루어질 수 있다.
상기 제1 온도는 섭씨 10도 이하의 온도일 수 있다.
상기 박막 조성물은 CTR(Critical Temperature Resistor) 세라믹 소재 물질로 이루어질 수 있다.
상기 CTR(Critical Temperature Resistor) 세라믹 소재 물질은 복합 바나듐 산화물계 물질, 붕소 산화물계 물질, 및 인산계 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복합 바나듐 산화물계 물질은 VO2, V2O3, V6O13 중 적어도 하나가 선택될 수 있다.
상기 박막 조성물은 도핑 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 도핑 물질은 Mo4+, Mo5+, Mo6+, W5+, W6+ , 및 Nb5+ 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 도핑 물질을 포함하는 상기 박막 조성물은 제2 온도에서 발열되고, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 본 발명은 저온 환경에서 적정 수준의 온도로 승온되는 박막층을 포함하여, 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩이 외부 환경의 온도에 따라 전지 모듈 내부의 열을 자동으로 관리 및 제어할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지셀 적층체의 일면에 위치하는 버스바 프레임을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 전지셀 적층체의 타면에 위치하는 버스바 프레임을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 전지 모듈에서 엔드 플레이트를 제거한 상태에서의 열 전달 경로를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 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.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명하고자 한다. 다만, 여기서 전지 모듈의 전후면 중 전면을 기준으로 설명될 것이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 후면인 경우에도 동일하거나 유사한 내용으로 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층되어 있는 전지셀 적층체(120); 전지셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임(300, 400); 전지셀 적층체(120)의 전후면을 커버하는 버스바 프레임(131, 135); 및 버스바 프레임(131, 135)을 커버하되, 모듈 프레임(300, 400)과 결합되는 엔드 플레이트(150)를 포함한다.
여기서, 모듈 프레임(300, 400)은 상부면, 전면 및 후면이 개방되며 바닥부 및 측부를 포함하는 U자형 프레임(300), 전지셀 적층체(120)의 상부를 덮는 상부 플레이트(400)를 포함할 수 있다. 다만, 모듈 프레임(300, 400)은 이에 한정된 것이 아니며, L자형 프레임 또는 전후면을 제외하고 전지셀 적층체(120))를 둘러싸는 모노 프레임과 같은 다른 형상의 프레임으로 대체될 수 있다.
도 2를 참조하면, 모듈 프레임(300, 400)에서, 전지셀 적층체(120)의 하면과 접하는 U자형 프레임(300)의 바닥면에 열전도성 수지층(310)이 형성되어 있을 수 있다. 여기서, 열전도성 수지층(310)은 U자형 프레임(300)의 바닥면 상에 열전도성 수지가 도포되어 형성될 수 있다. 즉, 전지셀 적층체(120)가 U자형 프레임(300)에 장착되기 전에, 미리 도포되어 있는 상기 열전도성 수지가 경화됨에 따라 열전도성 수지층(310)이 형성될 수 있다. 다만, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 열전도성 수지층(310)은 필요에 따라 생략되어 있을 수 있다.
이에 따라, 열전도성 수지가 경화됨에 따라, 전지셀 적층체(120)의 하면과 U자형 프레임(300)이 서로 안정적으로 고정될 수 있다. 이와 더불어, 열전도성 수지층(310)은 전지셀 적층체(120)로부터 열을 외부로 전달하여, 전지셀 적층체(120)를 냉각할 수 있다.
모듈 프레임(300, 400)에 수용되어 있는 전지셀 적층체(120)는 복수의 전지셀(110)이 적층되어 있되, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 전지셀(110)은 전극 조립체를 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 수납한 뒤 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 제조될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있고, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층된 전지셀 적층체(120)를 형성한다.
이하에서는 버스바 프레임(131, 135)에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3은 도 2의 전지셀 적층체의 일면에 위치하는 버스바 프레임을 나타내는 도면이다. 도 4는 도 2의 전지셀 적층체의 타면에 위치하는 버스바 프레임을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 버스바 프레임(131, 135)에 적어도 하나의 버스바(141, 145)가 장착될 수 있다. 여기서, 버스바(141, 145)는 버스바 프레임(131, 135)에 돌출되어 있는 전지셀 적층체(120)의 전극 리드를 전기적으로 연결하여, 병렬로 적층된 전지셀 적층체(120)가 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
일 예로, 버스바 프레임(131, 135)은 제1 버스바 프레임(131) 및 제2 버스바 프레임(135)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 버스바 프레임(131)은 전지셀 적층체(120)의 전면에 위치할 수 있고, 제2 버스바 프레임(135)은 전지셀 적층체의 후면에 위치할 수 있다. 또한, 버스바(141, 145)는 제1 버스바(141) 및 제2 버스바(145)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 버스바(141)는 제1 버스바 프레임(131)에 장착될 수 있고, 제2 버스바(145)는 제2 버스바 프레임(135)에 장착될 수 있다. 다만, 여기서, 제1 버스바 프레임(131) 및 제2 버스바 프레임(135)의 위치가 서로 바뀌더라도 동일하게 설명될 수 있다.
또한, 버스바 프레임(131, 135)과 엔드 플레이트(150) 사이에 박막층(133, 137)이 위치한다. 보다 구체적으로, 제1 버스바 프레임(131)과 엔드 플레이트(150) 사이에 제1 박막층(133)이 위치할 수 있고, 제2 버스바 프레임(135)과 엔드 플레이트(150) 사이에 제2 박막층(135)이 위치할 수 있다. 다만, 여기서, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에서, 제1 박막층(133) 및 제2 박막층(137) 중 일부는 생략되어 있을 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 박막층(133, 137)은 버스바(141, 145)의 표면 중 적어도 일부와 접하거나, 버스바(141, 145)의 표면 중 적어도 일부에 코팅되어 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 박막층(133)은 제1 버스바(141)의 표면 중 적어도 일부와 접하거나, 제1 버스바(141)의 표면 중 적어도 일부에 코팅되어 있을 수 있다. 또한, 제2 박막층(135)은 제2 버스바(145)의 표면 중 적어도 일부와 접하거나, 제2 버스바(145)의 표면 중 적어도 일부에 코팅되어 있을 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 박막층(133, 137)은 버스바(141, 145)에 직접 접하여, 저온 환경에서 버스바(141, 145)를 통해 전지셀(110)을 승온시킬 수 있고, 저온 환경에서 발생될 수 있는 전지셀(110)의 출력 저하를 방지할 수 있고, 전지 성능 또한 향상될 수 있다. 또한, 실온 또는 고온 환경에서는 전지셀(110)로부터 열을 전달받을 수 있어, 전지셀(110)이 과도하게 승온되는 것을 방지할 수 있다.
일 예로, 박막층(133, 137)은 필름 또는 시트 형태로 미리 제작되어, 버스바(141, 145)에 부착될 수 있다. 여기서, 박막층(133, 137)은 자체적인 접착력으로 버스바(141, 145)에 부착되거나, 박막층(133, 137)과 버스바(141, 145) 사이에 별도의 접착층이 형성되어 부착될 수 있다. 다른 일 예로, 박막층(133, 137)은 버스바(141, 145)의 표면에 도포 혹은 코팅되어 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 박막층(133,137)이, 졸-겔(Sol-gel), ALD(Atomic-Layer-Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition) 등의 통상적인 박막 코팅 공정을 통해, 버스바(141,145)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 박막층(133, 137)이 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 박막층(133, 137)을 포함하여, 전지 모듈(100)의 중량 또는 두께를 증가시키지 않으면서도, 제조 공정이 간이하고, 제조 비용 또한 절감될 수 있다.
또한, 박막층(133, 137)은 제1 온도에서 발열되는 박막 조성물로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 박막층(133, 137)은 상기 제1 온도에서 발열되되, 박막층(133, 137)에서 발생된 열은 버스바(141, 145)를 통해 전지셀(110)에 전달되어, 전지셀(110)이 섭씨 20도 내지 섭씨 50도로 승온될 수 있다.
여기서, 상기 제1 온도는 섭씨 10도 이하의 온도일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제1 온도는 섭씨 5도 이하의 온도일 수 있다. 일 예로, 상기 제1 온도는 섭씨 0도 이하의 온도일 수 있다.
이에 따라, 박막층(133, 137)은 상술한 범위 내의 온도에서 발열될 수 있어, 박막층(133, 137)과 접하는 버스바(141, 145)를 통해 전지셀(110)에 열을 전달할 수 있어, 상술한 범위와 같은 저온 환경에서 외부 열에너지 투입 없이 전지셀(110)을 소정의 온도로 자체적으로 급격히 승온시킬 수 있다. 이로 인해, 저온 환경에서 전지셀(110)의 출력 저하를 방지하고, 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
박막층(133, 137)이 섭씨 10도 초과인 온도에서 발열되는 경우, 전지셀(110)이 출력이 저하될 정도의 저온 환경에 노출되어 있지 않음에도 박막층(133, 137)으로부터 전지셀(110)에 전달될 수 있고, 이에 따라 전지셀(110)이 과도하게 가열될 우려가 있다. 이 경우, 전지셀(110)에서 발화 현상이 발생될 수도 있다.
이를 방지하고자 박막층(133, 137)의 상기 박막 조성물은 온도 의존성 가변 저항 발열체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 박막 조성물은 저온에서는 높은 전기 저항을 가지고, 고온에서는 낮은 전기 저항을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 박막층(133, 137)에서 발생되는 열은 상기 박막 조성물의 저항열일 수 있다.
이에 따라, 박막층(133, 137)은 상온 또는 고온의 환경에 노출되어 있는 경우에는, 박막층(133, 137)은 발열되지 않으면서 박막층(133, 137)의 전기 저항이 버스바 통전 소재 수준으로 낮게 유지될 수 있다. 다시 말해, 전지셀(110)의 출력이 저하될 정도의 저온 환경에 박막층(133, 137)이 노출되어 있지 않은 경우에는, 박막층(133, 137)의 저항열에 의한 열에너지 공급/전달이 제한될 수 있다. 이러한 경우에는, 상술한 U자형 프레임(300)의 바닥면 상의 열전도성 수지층(310)이 전지셀(110)에 대한 냉각 기능을 수행할 수 있다.
일 예로, 상기 박막 조성물은 CTR(Critical Temperature Resistor) 세라믹 소재 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 CTR(Critical Temperature Resistor) 세라믹 소재 물질은 상전이 온도 근방에서 결정 구조의 변화로 인해 전기 저항이 급변하는 특성을 가진다. 상기 CTR(Critical Temperature Resistor) 세라믹 소재 물질은 복합 바나듐 산화물계 물질, 붕소 산화물계 물질, 및 인산계 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 복합 바나듐 산화물계 물질은 VO2, V2O3, V6O13 중 적어도 하나가 선택될 수 있다. 또한, 상기 붕소 산화물계 물질은 B2O3일 수 있다. 또한, 상기 인산계 물질은 P2O5일 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 박막층(133, 137)은 저온에서는 높은 저항열로 인해 전지 모듈(100) 내의 자기 발열 가열원으로서 작용할 수 있고, 고온에서는 높은 전기 전도성으로 인해 전기 전도체로서 기능할 수 있다.
또한, 박막층(133, 137)에서, 상기 박막 조성물은 도핑 물질을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 도핑 물질을 포함하는 상기 박막 조성물은 제2 온도에서 발열되고, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮을 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 도핑 물질은 +4가 이상의 Mo 및 +5가 이상의 W 등의 금속 이온 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, +4가 이상의 Mo, +5가 이상의 W, 및 +5가 이상의 Nb 등의 금속 이온은 상기 박막 조성물의 상전이 온도 및/또는 저항 변화의 폭을 조절하는 특성을 가진다. 일 예로, 상기 도핑 물질은 Mo4+, Mo5+, Mo6+, W5+, W6+, 및 Nb5+ 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 박막층(133, 137)을 구성하는 상기 박막 조성물에 상기 도핑 물질을 포함시킬 수 있어, 상기 박막 조성물의 발열 온도 및 저항 변화 정도를 필요에 따라 조절할 수 있다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서 박막층(133,137)에 따른 열전달 경로에 대해 구체적으로 설명한다.
도 5는 도 1의 전지 모듈에서 엔드 플레이트를 제거한 상태에서의 열 전달 경로를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 저온 환경에서는 모듈 프레임(300, 400) 내 열이 제1 방향(D1)으로 흐를 수 있다. 보다 구체적으로, 저온 환경은 앞서 설명한 상기 제1 온도 이하인 환경일 수 있다. 여기서, 제1 방향(D1)은 박막층(133, 137)으로부터 전지셀 적층체(120)를 향하는 방향으로 설명될 수 있다. 보다 구체적으로, 저온 환경에서는, 박막층(133, 137)에서 발생된 열이 상대적으로 온도가 낮은 전지셀 적층체(120)를 향해 제1 방향(D1)으로 흐를 수 있다.
이와 반대로, 실온 또는 고온 환경에서는 전지 모듈(100) 내 열이 제2 방향(D2)으로 흐를 수 있다. 여기서, 제2 방향(D2)는 전지셀 적층체(120)로부터 박막층(133, 137)을 향하는 방향으로 설명될 수 있다. 보다 구체적으로, 실온 또는 고온 환경에서는, 전지 모듈(100)의 충방전 과정에서 전지셀(110)에서 발생된 열이 상대적으로 온도가 낮은 박막층(133, 137)을 향해 제2 방향(D2)으로 흐를 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지 모듈(100)의 외부 환경의 온도 변화에 따라 열전달 경로가 자동으로 전환될 수 있어, 별도의 제어 수단이 요구되지 않는 점에서, 제조 공정이 간이하고, 제조 비용 또한 절감될 수 있다. 이와 더불어, 전지셀(110)의 온도가 소정의 온도 범위에서 유지될 수 있다. 즉, 박막층(133, 137)은, 저온 환경에서 전지셀(110)의 출력 성능을 방지할 수 있다. 이와 더불어, 실온 및 고온 환경에서는 전기 전도체로서 기능하되. U자형 프레임(300)의 바닥면 상의 열전도성 수지층(310)를 통한 모듈 냉각 구조가 기능하여 전지셀(110)의 발화 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다. 한편, 본 실시 예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 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 권리 범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
100: 전지 모듈
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
131, 135: 버스바 프레임
141, 145: 버스바
150: 엔드 플레이트
300, 400: 모듈 프레임

Claims (11)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임;
    상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 버스바 프레임; 및
    상기 버스바 프레임을 커버하되, 상기 모듈 프레임과 결합되는 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 버스바 프레임에 버스바가 장착되어 있고,
    상기 버스바 프레임과 상기 엔드 플레이트 사이에 박막층이 위치하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 박막층은 상기 버스바의 표면 중 적어도 일부와 접하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 박막층은 제1 온도에서 발열되는 박막 조성물로 이루어지는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 온도는 섭씨 10도 이하의 온도인 전지 모듈.
  5. 제3항에서,
    상기 박막 조성물은 CTR(Critical Temperature Resistor) 세라믹 소재 물질로 이루어지는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 CTR(Critical Temperature Resistor) 세라믹 소재 물질은 복합 바나듐 산화물계 물질, 붕소 산화물계 물질, 및 인산계 물질 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 복합 바나듐 산화물계 물질은 VO2, V2O3, V6O13 중 적어도 하나가 선택되는 전지 모듈.
  8. 제3항에서,
    상기 박막 조성물은 도핑 물질을 더 포함하는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 도핑 물질은 Mo4+, Mo5+, Mo6+, W5+, W6+ , 및 Nb5+ 중 적어도 하나를 포함하는 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 도핑 물질을 포함하는 상기 박막 조성물은 제2 온도에서 발열되고,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮은 전지 모듈.
  11. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
PCT/KR2022/000663 2021-01-22 2022-01-13 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 WO2022158793A1 (ko)

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