WO2023153817A1 - 배터리셀, 및 이를 포함하는 배터리모듈 - Google Patents

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cell
battery
battery cell
sacrificial metal
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최범
금종윤
정재헌
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell and a battery module including the same, and in particular, to a battery cell for direct water cooling and a battery module for direct water cooling including the same, and in detail, a sacrificial metal having a greater ionization tendency than a case of a battery cell.
  • a battery cell for direct water cooling capable of improving corrosion resistance of the battery cell by using the same, and a battery module for direct water cooling including the same.
  • Batteries used in eco-friendly vehicles generate a large amount of heat because they require high power, and in order to improve battery performance and lifespan, it is very important to efficiently dissipate heat generated from the battery to prevent the battery from overheating.
  • a direct air cooling method As a cooling system for dissipating heat from a battery, a direct air cooling method, an indirect water cooling method, or a direct water cooling method is known.
  • the direct water cooling method is a method in which battery cells are directly immersed in cooling water, and heat from the battery cells is directly discharged into the cooling water.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a conventional battery module 10 .
  • a direct water-cooled battery module 10 includes a cell frame 11 and a plurality of battery cells 12 .
  • the plurality of battery cells 12 are spaced apart from each other in the cell frame 11 .
  • the cell frame 11 is provided so that cooling water can flow.
  • an external case containing internal electrodes is made of nickel-plated iron. Accordingly, when the battery cell 12 is directly impregnated with cooling water, it is vulnerable to corrosion due to the characteristics of the material of the outer case. In addition, there is a problem in that the external case has a polarity and electrical insulation is also weak.
  • insulating oil or special cooling water M eg, 3M's NOVEC
  • insulating oil has a problem of being vulnerable to fire, and special coolant such as 3M's NOVEC is excellent as a coolant for battery cells in that it is non-polar and has corrosion resistance, but it is expensive and increases the manufacturing cost of the battery module. .
  • the anti-corrosive liquid is applied to the outer case of the battery cell, the anti-corrosive agent flows down from the outer case of the battery cell due to surface tension, so there is a problem in that the anti-rust agent is not evenly applied to the outer case.
  • An object of the present invention is to provide a direct water-cooling battery cell capable of improving the corrosion resistance of a battery cell by using a sacrificial metal having a higher metal ionization tendency than a battery cell case, and a direct water-cooling battery module including the same.
  • a battery cell for direct water cooling includes an electrode assembly, a case for accommodating the electrode assembly, a sacrificial metal portion provided on an outer surface of the case and formed of a material having a higher metal ionization tendency than the case, and A cell sheet including a metal layer and surrounding the sacrificial metal part and the case.
  • the sacrificial metal part may include one or more selected from the group consisting of aluminum, magnesium, zinc, an aluminum alloy, a magnesium alloy, and a zinc alloy.
  • the sacrificial metal part may be provided on an upper surface and a lower surface of the case, respectively, and may be provided to expose at least a portion of the upper surface and the lower surface to the outside.
  • the sacrificial metal part may be provided to have a ring shape along the circumferential directions of the upper and lower surfaces.
  • the sacrificial metal part may be provided to have a C-shape along the circumferential direction of the upper and lower surfaces.
  • the cell sheet may include an adhesive layer provided on one surface of the metal layer and adhered to the case, and a waterproof layer provided on the other surface opposite to one surface of the metal layer.
  • the metal layer may be formed of a material having a higher metal ionization tendency than that of the case.
  • the metal layer may be formed of the same material as the regenerative metal part.
  • the cell sheet may surround the outer surface of the case so that one end of the cell sheet covers and overlaps the other end of the cell sheet along the circumferential direction of the case.
  • the sacrificial metal part may be laser-coupled to the outer surface of the case.
  • the sacrificial metal part may be provided to surround a partial region of the case in a band shape.
  • the sacrificial metal part may be coupled along the circumference of the case at a central portion between the upper and lower surfaces of the case.
  • a plurality of direct water cooling battery cells and a plurality of battery cells are spaced apart from each other, and a cell frame and cells provided to allow cooling water to flow between the plurality of battery cells.
  • a cooling water supply unit for supplying cooling water into the frame is included.
  • the battery module is provided inside the cell frame and may include a waterproof layer provided to cover the upper and lower end portions of the case, respectively.
  • the waterproof layer may include a waterproof adhesive or a potting resin.
  • cooling water supply unit may be provided to supply cooling water that is not insulated.
  • the direct water-cooling battery cell and the direct water-cooling battery module including the battery cell related to at least one embodiment of the present invention have the following effects.
  • Corrosion resistance of the battery cell may be improved by using a sacrificial metal having a higher metal ionization tendency than that of the battery case.
  • the heat of the battery cell may be cooled by using low-cost general cooling water for vehicles that is not insulated.
  • corrosion resistance of the battery cell may be improved through the metal layer provided in the case, and heat resistance, waterproofness, and insulation of the battery cell may be improved through the waterproof layer.
  • the corrosion-resistant substance eg, rust inhibitor
  • the metal layer is attached to the case by the pressure-sensitive adhesive
  • the corrosion-resistant substance can be evenly applied to the outer surface of the case.
  • 1 is a schematic configuration diagram of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a battery module for direct water cooling according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 schematically illustrates a perspective view of a battery cell according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 schematically illustrates a cross section A-A of FIG. 3 .
  • 5 and 6 are views for explaining the state and shape of the sacrificial metal part installed in the case according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a battery module for direct water cooling according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 schematically illustrates a perspective view of a battery cell according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a battery module for direct water cooling according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a battery cell according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 schematically illustrates a cross-section taken along line A-A of FIG. 3, and FIGS. 5 and 6 are views for explaining the state and shape of the sacrificial metal part installed in the case according to the first embodiment of the present invention.
  • a battery cell 120 for direct water cooling related to an embodiment of the present invention is provided on an electrode assembly 129, a case 121 accommodating the electrode assembly 129, and an outer surface of the case 121, It includes sacrificial metal parts 122 and 123 formed of a material having a high metal ionization tendency.
  • the battery cell 120 includes a metal layer 124b and includes a cell sheet 124 provided to surround the sacrificial metal parts 122 and 123 and the case 121 . At this time, the cell sheet 124 is in contact with the sacrificial metal parts 122 and 123 in at least a partial area.
  • the electrode assembly 129 is housed in the case 121 and includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • the electrode and the separator may constitute an integrated electrode assembly.
  • the electrode assembly 129 is a jelly-roll type electrode assembly in which sheet-type positive and negative electrodes are wound with a separator interposed therebetween, and a plurality of positive and negative electrodes are sequentially stacked with a separator interposed therebetween. It may be a stack type electrode assembly or a stack/fold type electrode assembly in which unit cells in which positive and negative electrodes of predetermined units are stacked with a separator interposed therebetween are sequentially wound while being positioned on a separator film.
  • the case 121 serves to accommodate the electrode assembly 123 and protect the battery cell 120 from external impact.
  • the case 121 may have a cylindrical shape, a pouch shape, or an angular shape, and for example, the case may have a cylindrical shape.
  • the electrode assembly may be a rolled jelly-roll type electrode assembly
  • the case may be a cylindrical case
  • the battery cell 120 for direct water cooling may be a cylindrical battery cell.
  • a plurality of direct water-cooling battery cells 120 and a plurality of battery cells 120 are spaced apart and arranged, and a plurality of batteries It includes a cell frame 110 in which cooling water W is flowable between the cells 120 and a cooling water supply unit 150 for supplying cooling water into the cell frame 110 .
  • the cell frame 110 has a predetermined space 111 therein, and is provided in a structure in which cooling water can flow within the space. After the cooling water (W) is supplied to the inner space 111 of the cell frame 110, it can be discharged to the outside of the cell frame 110. A cooling water discharge unit for discharging the cooling water W may be included.
  • the cooling water supply unit 150 may include a cooling water storage tank and a pump. In addition, the cooling water supply unit 150 may be provided to supply cooling water (W) that is not insulated.
  • the general cooling water W may be cooling water generally used in vehicles.
  • the battery cell 120 for direct water cooling includes a case 121 , sacrificial metal parts 122 and 123 , and a cell sheet 124 .
  • the cell sheet 124 includes an adhesive layer 124a, a metal layer 124b, and a waterproof layer 124c.
  • the case 121 may be formed of a metal material, and the surface of the case may be nickel-plated. That is, a nickel plating layer may be provided on the surface of the case 121 .
  • the sacrificial metal parts 122 and 123 may be formed of a material having a higher metal ionization reaction than that of the case 121 .
  • the sacrificial metal parts 122 and 123 may include one or more selected from the group consisting of aluminum, magnesium, zinc, an aluminum alloy, a magnesium alloy, and a zinc alloy.
  • sacrificial metal parts 122 and 123 may be provided on an outer surface of the case 121 .
  • the sacrificial metal parts 122 and 123 may be provided on the upper surface 121a and the lower surface 121b of the case 121 , respectively.
  • the sacrificial metal parts 122 and 123 may be provided to expose at least some regions of the upper and lower surfaces to the outside. Each region of the upper and lower surfaces exposed to the outside may be connected to the bus bar.
  • the sacrificial metal parts 122 and 123 may be provided to have a C-shape (or horseshoe shape) along the circumferential directions of the upper and lower surfaces.
  • the sacrificial metal parts 122a and 123a may be provided to have a ring shape along the circumferential direction of the upper and lower surfaces of the case 121 .
  • the direct water-cooling battery cell 120 ionizes the metal between the case 121 and the sacrificial metal parts 122 and 123. Due to the difference in reaction, the moisture (H) of the cooling water (W) is ionized with the sacrificial metal parts (122, 123), and as a result, the metal ionization reaction of the case 121 is suppressed and corrosion of the case 121 is suppressed. can prevent
  • the cell sheet 124 is attached to surround the outer surface of the case 121 .
  • the cell sheet 124 is attached to a side surface connecting the upper surface 121a and the lower surface 121b of the case 121 .
  • the cell sheet 124 is provided on one surface of the metal layer 124b, and includes an adhesive layer 124a adhered to the case and a waterproof layer 124c provided on the other surface opposite to one surface of the metal layer 124b.
  • the cell sheet 124 includes an adhesive layer 124a, a metal layer 124b, and a waterproof layer 124c integrally formed.
  • the cell sheet 124 surrounds the outer surface of the case 121 so that one end of the cell sheet 124 covers the other end of the cell sheet 124 and overlaps along the circumferential direction of the side surface of the case 121 .
  • the metal layer 124b may have a thickness of 20 ⁇ m or more to prevent penetration of oxygen and moisture.
  • the metal layer 124b may be formed of a material having a higher metal ionization reaction than that of the case 121 .
  • the metal layer 124b may be formed of an aluminum material.
  • the metal layer 124b may be formed of the same material as the sacrificial metal parts 122 and 123 .
  • the moisture H penetrating into the metal layer 124b may be transferred to the sacrificial metal parts 122 and 123 through the metal layer 124b.
  • the metal ionization reaction to moisture in the sacrificial metal parts 122 and 123 is greater than the metal ionization reaction to moisture in the case 121 . Accordingly, the corrosion resistance of the case 121 can be improved.
  • the adhesive layer 124a is provided on one surface of the metal layer 124b and is adhered to the case 121 .
  • the adhesive layer 124a is provided by applying a pressure sensitive adhesive (PSA) to one surface of the metal layer 124b.
  • PSA pressure sensitive adhesive
  • the pressure-sensitive adhesive may contain a corrosion-resistant material, and the corrosion-resistant material may be a phosphate, a silicate, an organic acid salt, or a rust inhibitor containing substances such as rubber grease.
  • the rust preventive agent flows down from the case 121 due to surface tension.
  • the cell sheet 124 is attached to the case 121 by the adhesive layer 124a, it is possible to prevent a corrosion-resistant material (eg, rust inhibitor) from flowing down from the case 121.
  • a corrosion-resistant material eg, rust inhibitor
  • the corrosion-resistant material is contained in the adhesive layer 124a, and as the cell sheet 124 is attached to the case 121 by a pressure-sensitive adhesive, the corrosion-resistant material is applied to the outer surface of the case 121. It can have the effect of being applied evenly.
  • the waterproof layer 124c is a waterproof sheet provided on the other surface of the metal layer 124b to waterproof the metal layer 124b.
  • the waterproof layer 124c is a sheet having heat resistance, insulation, and moisture resistance, and a casting polypropylene (CPP) sheet may be used as the waterproof layer 124c.
  • CPP casting polypropylene
  • the sealing material may be a material containing resin, plasticizer, antioxidant and wax.
  • the cell sheet 124 may be tightly coupled to the metal layer 124b while one end of the waterproof layer 124c covers the other end of the waterproof layer 124c and thermally compressed at the overlapped interface.
  • the present invention can prevent moisture and oxygen from penetrating into the case 121 through the overlapped interface of the cell sheet 124 when the battery cell is immersed in cooling water at a high temperature for a long time.
  • the battery module 100 is provided inside the cell frame 110, and waterproof layers 125 and 126 provided to cover the upper surface 121a side end and the lower surface 121b side end of the case 121, respectively.
  • the waterproof layers 125 and 126 prevent moisture from permeating into the case 121 .
  • An upper waterproof layer 125 may be provided at an upper end of the case 121
  • a lower waterproof layer 126 may be provided at a lower end of the case 121 .
  • the waterproof layers 125 and 126 may be provided to surround the sacrificial metal parts 122 and 123 .
  • the sacrificial metal parts 122 and 123 inside the cell frame 110 do not come into contact with the cooling water W by the waterproof layers 125 and 126 .
  • the battery cell 120 may be fixed to the inner surface of the cell frame 110 through waterproof layers 125 and 126 on the upper and lower surfaces 121a and 121b, respectively.
  • the waterproof layers 125 and 126 may include a waterproof adhesive or a potting resin, and the potting resin may be any one of silicone-based resin, urethane-based resin, and epoxy-based resin.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a battery module for direct water cooling according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a view for explaining the state and shape of the sacrificial metal part installed in the case according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 9 schematically illustrates a perspective view of a battery cell according to a second embodiment of the present invention
  • FIGS. 10 and 11 schematically illustrate a BB cross section of FIG. 9 .
  • a plurality of direct water-cooling battery cells 220 and a plurality of battery cells 220 are spaced apart from each other, and a plurality of battery cells ( 220) and a cooling water supply unit 250 for supplying cooling water (W) to the cell frame 210 provided to allow the cooling water (W) to flow between the cell frames 210 and the inner space 211 of the cell frame 210.
  • the cell frame 210 and the cooling water supply unit 250 are the same as those of the first embodiment, a description thereof will be omitted.
  • the battery cell 220 for direct water cooling includes an electrode assembly 229, a case 221 accommodating the electrode assembly 229, and a sacrificial metal part 222 provided on the outer surface of the case 221. , a corrosion resistant sheet 223, and a waterproof sheet 224.
  • the battery module 200 includes an upper waterproof layer 225 and a lower waterproof layer 226 .
  • the installation position of the sacrificial metal part 222 is different from that of the first embodiment.
  • the sacrificial metal part 222 will be mainly described.
  • the sacrificial metal part 222 may be formed of a material having a higher metal ionization reaction than that of the case 221 .
  • the sacrificial metal part 222 may be provided to surround a partial area of the case 221 in a band shape.
  • the sacrificial metal part 222 may be coupled along the circumference of the case 221 at a central portion between the upper surface 221a and the lower surface 221b of the case 221 .
  • the sacrificial metal part 222 is coupled to the case 221 by laser welding.
  • a waterproof sheet 224 surrounds the sacrificial metal part 222 .
  • the waterproof sheet 224 is tightly coupled to the outer surface of the case 221 while being heat-shrinked, so that moisture can be prevented from penetrating into the case.
  • the waterproof sheet 224 may be formed of a heat-shrinkable polymer material.
  • the heat-shrinkable polymer material may include at least one selected from the group consisting of polyvinyl chloride (PVC), polypropylene (PP), and polyethylene terephthalate (PET).
  • a corrosion-resistant sheet 223 is used, and the case 221 ) After corrosion resistance treatment, the waterproof sheet 224 may be combined.
  • the corrosion resistant sheet 223 surrounds the outer surface of the case 221 including the sacrificial metal part 222 . Thereafter, the waterproof sheet 224 surrounds the corrosion resistant sheet 223 and is tightly coupled to the outer surface of the case 221 while being heat-shrinked.
  • the corrosion resistant sheet 223 has a material that evenly absorbs the corrosion resistant material.
  • a material that evenly absorbs a corrosion-resistant material for example, a cloth structure such as non-woven fabric or cotton fabric, can be used.
  • the anti-corrosion sheet 223 may be adhered to the case 221 as the sheet adhesive is applied in a melted state by a hot melting method and then cooled.
  • an acrylic adhesive may be used as the sheet adhesive.
  • the corrosion-resistant material eg, rust inhibitor
  • the corrosion-resistant material eg, rust inhibitor
  • the corrosion resistance of the battery cell can be improved by using a sacrificial metal having a higher metal ionization tendency than the battery case. there is.

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Abstract

본 발명은 배터리셀 및 이를 포함하는 배터리모듈에 관한 것으로, 특히, 직접수냉용 배터리셀 및 이를 포함하는 직접 수냉용 배터리모듈에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 배터리셀의 케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생금속을 이용하여, 배터리셀의 내부식성을 향상시킬 수 있고, 차량용 일반 냉각수를 이용하여 배터리셀의 열을 냉각시킬 수 있다.

Description

배터리셀, 및 이를 포함하는 배터리모듈
본 발명은 배터리셀 및 이를 포함하는 배터리모듈로서, 특히, 직접 수냉용 배터리셀, 및 이를 포함하는 직접수냉용 배터리모듈에 관한 것이며, 상세하게 배터리셀의 케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생금속을 이용하여, 배터리셀의 내부식성을 향상시킬 수 있는 직접 수냉용 배터리셀, 및 이를 포함하는 직접수냉용 배터리모듈에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 2월 10일자 한국 특허 출원 제10-2022-0017379호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
친환경 차량에 사용되는 배터리는 고출력이 요구되므로 많은 양의 열을 발생시키며 배터리 성능 및 수명을 향상시키기 위해서는 배터리에서 발생하는 열을 효율적으로 배출시켜 배터리가 과열되는 것을 예방하는 것이 매우 중요하다.
종래에는 배터리의 열을 방출하기 위한 냉각 시스템으로서, 직접 공랭 방식, 간접 수냉 방식, 또는 직접 수냉 방식 등이 알려져 있다.
직접 수냉 방식은 배터리셀을 냉각수에 직접 함침시켜, 배터리셀의 열이 냉각수로 직접 배출되는 방식이다.
도 1은 종래 배터리모듈(10)의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 직접 수냉 방식의 배터리모듈(10)은 셀프레임(11)과 복수의 배터리셀(12)로 구성된다. 복수의 배터리셀(12)은 셀프레임(11)에 이격 배치된다. 셀프레임(11)은 냉각수가 유동가능하게 마련된다.
일반적으로 배터리셀(12)은 내부 전극을 담는 외장 케이스가 니켈 도금된 철로 제작된다. 이에 따라, 배터리셀(12)이 냉각수에 직접 함침되는 경우에, 외장 케이스의 재료의 특성으로 인해, 부식에 취약하다. 또한, 외장 케이스가 극성을 띄고 있고, 전기적 절연성도 취약한 문제점이 있다.
종래의 직접 수냉 방식의 배터리모듈(10)에는 배터리셀(12)의 부식을 방지하기 위하여, 절연유 또는 특수 냉각수(M)(예컨대, 3M사의 NOVEC)가 사용되고 있다.
다만, 절연유는 화재에 취약한 문제점이 있고, 3M사의 NOVEC과 같은 특수 냉각수는 무극성이고 내부식성을 가진 점에서 배터리셀의 냉각수로서 우수하지만, 고가인 바, 배터리모듈의 제조단가를 상승시키는 문제가 있다.
또한, 종래와 같이 배터리셀의 부식을 방지하기 위해, 배터리셀의 외장 케이스에 방청액을 도포할 경우, 방청액을 유지하기 위해 부직포 등을 이용하여 배터리셀의 외장 케이스를 감싸는 후처리 공정이 요구된다.
또한, 배터리셀의 외장 케이스에 방청액을 도포하더라도, 표면 장력에 의해 방청제가 배터리셀의 외장 케이스에서 흘러내려, 방청제가 외장 케이스에 고르게 도포되지 않은 문제점이 있다.
본 발명은 배터리셀의 케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생금속을 이용하여, 배터리셀의 내부식성을 향상시킬 수 있는 직접 수냉용 배터리셀, 및 이를 포함하는 직접수냉용 배터리모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리셀은, 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스의 외면에 마련되며, 상기 케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 재질로 형성된 희생 금속부, 및 금속 레이어를 포함하며, 상기 희생 금속부 및 케이스를 둘러싸도록 마련된 셀 시트를 포함한다.
또한, 상기 희생 금속부는 알루미늄, 마그네슘, 아연, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 및 아연 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 희생 금속부는 상기 케이스의 상부면 및 하부면에 각각 마련되며, 상부면 및 하부면의 적어도 일부 영역을 외부로 노출시키도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 희생 금속부는 상부면 및 하부면의 둘레방향을 따라 링 형 상을 갖도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 희생 금속부는 상부면 및 하부면의 둘레방향을 따라 C자 형상을 갖도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 셀 시트는, 상기 금속 레이어의 일면에 마련되며, 상기 케이스에 점착되는 점착 레이어 및 상기 금속 레이어의 일면의 반대방향의 타면에 마련된 방수 레이어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 레이어는 상기 케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 레이어는 회생 금속부와 동일한 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 셀 시트는 케이스의 둘레방향을 따라 셀 시트의 일단이 상기 셀 시트의 타단을 덮으면서 오버랩되도록 상기 케이스의 외면을 둘러쌀 수 있다.
또한, 상기 희생 금속부는 상기 케이스의 외면에 레이저로 결합될 수 있다.
또한, 상기 희생 금속부는 띠 형상으로 상기 케이스의 일부 영역을 둘러싸도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 희생 금속부는 상기 케이스의 상부면과 하부면 사이의 중앙 부분에서, 상기 케이스의 둘레를 따라 결합될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직접수내용 배터리모듈은 복수 개의 직접 수냉용 배터리셀, 복수 개의 배터리셀이 이격되어 배치되며, 복수 개의 배터리셀 사이로 냉각수로 유동 가능하게 마련된 셀프레임 및 셀프레임 내부로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급부를 포함한다.
또한, 상기 배터리 모듈은 셀프레임 내부에 마련되며, 상기 케이스의 상부면 측 단부 및 하부면 측 단부를 각각 덮도록 마련된 방수층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 방수층은 방수 접착제 또는 포팅 레진(potting resin)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각수 공급부는 절연 처리되지 않은 냉각수를 공급하도록 마련될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 직접수냉용 배터리셀 및 이를 포함하는 직접수냉용 배터리모듈은 다음과 같은 효과를 갖는다.
배터리케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생금속을 이용하여, 배터리셀의 내부식성을 향상시킬 수 있다. 또한, 절연처리되지 않은 저가의 차량용 일반 냉각수를 이용하여 배터리셀의 열을 냉각할 수 있다.
또한, 케이스에 마련된 금속 레이어를 통해 배터리셀의 내부식성을 향상시킬 있고, 방수 레이어를 통해 배터리셀의 내열성, 방수성 및 절연성을 향상시킬 수 있다.
또한, 내부식성 물질(예컨대, 방청제)이 감압 접착제에 함유된 상태이고, 금속 레이어가 감압 접착제에 의해 케이스에 부착됨에 따라, 내부식성 물질이 케이스의 외면에 고르게 도포될 수 있다.
또한, 금속 레이어의 오버랩된 계면을 실링처리함으로써, 배터리셀이 장시간 냉각수에 고온 함침될 때, 금속 레이어의 오버랩 계면을 타고, 수분 및 산소가 케이스로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 배터리모듈의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리셀의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 A-A 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 희생 금속부가 케이스에 설치된 상태 및 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 희생 금속부가 케이스에 설치된 상태 및 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리셀의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10 및 도 11은 도 9의 B-B 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리 셀 및 이를 포함하는 직접 수냉용 배터리 모듈을 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리셀의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
또한, 도 4는 도 3의 A-A 단면을 개략적으로 도시한 것이며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 희생 금속부가 케이스에 설치된 상태 및 형상을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 직접 수냉용 배터리 셀(120)은 전극 조립체(129), 전극 조립체(129)를 수용하는 케이스(121), 상기 케이스(121)의 외면에 마련되며, 상기 케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 재질로 형성된 희생 금속부(122, 123)를 포함한다. 또한, 상기 배터리셀(120)은 금속 레이어(124b)를 포함하며, 상기 희생 금속부(122, 123) 및 케이스(121)를 둘러싸도록 마련된 셀 시트(124)를 포함한다. 이때, 상기 셀 시트(124)는 희생 금속부(122, 123)와 적어도 일부 영역에서 접촉된다.
또한, 전극 조립체(129)는 케이스(121) 내에 수납되며, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 배치된 분리막을 포함한다. 상기 전극과 분리막은 일체화된 전극 조립체를 구성할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 조립체(129)는 시트형의 양극과 음극을 그 사이에 분리막이 개재된 상태에서 권취한 젤리-롤형 전극 조립체, 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극 조립체 또는 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리필름 상에 위치시킨 상태에서 순차적으로 권취한 스택/폴딩형 전극 조립체일 수 있다.
또한, 상기 케이스(121)는 상기 전극 조립체(123)를 수용하고, 외부의 충격으로부터 배터리 셀(120)을 보호하는 역할을 한다. 상기 케이스(121)는 원통형, 파우치형 또는 각형일 수 있으며, 예를 들어, 상기 케이스는 원통형일 수 있다. 특히, 상기 전극 조립체는 권취된 젤리-롤형 전극 조립체이고, 케이스는 원통형 케이스일 수 있으며, 상기 직접 수냉용 배터리셀(120)은 원통형 배터리셀일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈(100)은, 복수 개의 직접 수냉용 배터리셀(120), 복수 개의 배터리셀(120)이 이격되어 배치되며, 복수 개의 배터리셀(120) 사이로 냉각수(W)가 유동 가능하게 마련된 셀프레임(110) 및 셀프레임(110) 내부로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급부(150)를 포함한다.
셀프레임(110)은 내부에 소정 공간부(111)를 가지며, 상기 공간부 내에서 냉각수가 유동 가능한 구조로 마련된다. 상기 냉각수(W)는 셀 프레임(110) 내부 공간부(111)로 공급된 후, 셀프레임(110) 외부로 배출될 수 있으며, 이를 위하여, 배터리 모듈(100)은 셀 프레임(110) 외부로 냉각수(W)를 배출시키기 위한 냉각수 배출부를 포함할 수 있다. 상기 냉각수 공급부(150)는 냉각수 저장조 및 펌프를 포함할 수 있다. 또한, 상기 냉각수 공급부(150)는 절연 처리되지 않은 냉각수(W)를 공급하도록 마련될 수 있다. 상기 일반 냉각수(W)는 차량에서 일반적으로 사용되는 냉각수일 수 있다.
직접 수냉용 배터리셀(120)은, 케이스(121), 희생 금속부(122, 123) 및 셀 시트(124)를 포함한다. 상기 셀 시트(124)는 점착 레이어(124a), 금속 레이어(124b) 및 방수 레이어(124c)를 포함한다.
또한, 케이스(121)는 금속 재질로 형성될 수 있고, 케이스의 표면은 니켈 도금 처리될 수 있다. 즉, 케이스(121)의 표면에는 니켈 도금층이 마련될 수 있다.
또한, 희생 금속부(122, 123)는 케이스(121)보다 금속의 이온화 반응이 큰 재질로 형성될 수 있다. 희생 금속부(122, 123)는 알루미늄, 마그네슘, 아연, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 및 아연 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 희생 금속부(122, 123)는 케이스(121)의 외면에 마련될 수 있다. 희생 금속부(122, 123)는 상기 케이스(121)의 상부면(121a) 및 하부면(121b)에 각각 마련될 수 있다. 또한, 희생 금속부(122, 123)는 상부면 및 하부면의 적어도 일부 영역을 외부로 노출시키도록 마련될 수 있다. 외부로 노출되는 상부면 및 하부면의 각 영역은 버스바와 연결될 수 있다.
도 5을 참조하면, 희생 금속부(122, 123)는 상부면 및 하부면의 둘레방향을 따라 C자 형상(또는 말굽 형상)을 갖도록 마련될 수 있다.
도 6을 참조하면, 다른 예로, 희생 금속부(122a, 123a)는 케이스(121)의 상부면 및 하부면의 둘레방향을 따라 링 형 상을 갖도록 마련될 수 있다.
도 2를 참조하면, 직접 수냉용 배터리셀(120)이 냉각수(W)에 함침될 때, 직접 수냉용 배터리셀(120)은 케이스(121)와 희생 금속부(122, 123) 간의 금속의 이온화 반응의 차이로 인해, 냉각수(W)의 수분(H)이 희생 금속부(122, 123)와 이온화 반응하게 되고, 그 결과, 케이스(121)의 금속 이온화 반응이 억제되어 케이스(121)의 부식을 방지할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 셀 시트(124)는 케이스(121)의 외면을 둘러싸게 부착된다. 예를 들어, 셀 시트(124)는 케이스(121)의 상부면(121a)과 하부면(121b)을 연결하는 측면에 부착된다.
상기 셀 시트(124)는 상기 금속 레이어(124b)의 일면에 마련되며, 상기 케이스에 점착되는 점착 레이어(124a) 및 상기 금속 레이어(124b)의 일면의 반대방향의 타면에 마련된 방수 레이어(124c)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 셀 시트(124)는, 점착 레이어(124a), 금속 레이어(124b) 및 방수 레이어(124c)가 일체로 형성된다.
또한, 셀 시트(124)는 케이스(121)의 측면의 둘레방향을 따라 셀 시트(124)의 일단이 셀 시트(124)의 타단을 덮으면서 오버랩되게 케이스(121)의 외면을 둘러싼다.
금속 레이어(124b)는 산소 및 수분의 침투를 방지하기 위해, 20㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다.
금속 레이어(124b)는 케이스(121)보다 금속의 이온화 반응이 큰 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 금속 레이어(124b)는 알루미늄 재질로 형성될 수 있다. 또한, 금속 레이어(124b)는, 희생 금속부(122, 123)와 동일한 재질로 형성될 수도 있다.
직접 수냉용 배터리셀(120)이 냉각수(W)에 함침 시, 금속 레이어(124b)로 침투된 수분(H)은 금속 레이어(124b)를 통해 희생 금속부(122, 123)로 전달될 수 있다. 희생 금속부(122, 123)의 수분에 대한 금속의 이온화 반응이, 케이스(121)의 수분에 대한 금속 이온화 반응보다 크기 때문이다. 이에 따라, 케이스(121)의 내부식성을 향상시킬 수 있다.
점착 레이어(124a)는 금속 레이어(124b)의 일면에 마련되어 케이스(121)에 점착되는 부분이다. 점착 레이어(124a)는 감압 접착제(PSA, pressure sensitive adhesive)가 금속 레이어(124b)의 일면에 도포되어 마련된다.
감압 접착제에는 내부식성 물질이 함유될 수 있고, 내부식성 물질은 인산염, 규산염, 유기산염 또는 러버 그리스(rubber grease)와 같은 물질이 포함된 방청제일 수 있다.
일반적으로, 방청제만을 케이스(121)에 도포하면, 표면장력에 의해, 방청제가 케이스(121)에서 흘러내리게 된다. 이에 반해, 본 발명은 점착 레이어(124a)에 의해 셀 시트(124)가 케이스(121)에 부착되므로, 내부식성 물질(예컨대, 방청제)이 케이스(121)에서 흘러내리는 것을 방지할 수 있다.
내부식성 물질(예컨대, 방청제)이 점착 레이어(124a)에 함유된 상태이고, 셀 시트(124)가 감압 접착제에 의해 케이스(121)에 부착됨에 따라, 내부식성 물질이 케이스(121)의 외면에 고르게 도포되는 효과를 가질 수 있다.
방수 레이어(124c)는 금속 레이어(124b)의 타면에 마련되어 금속 레이어(124b)를 방수처리하는 방수 시트이다. 방수 레이어(124c)는 내열성, 절연성 및 방습성을 가진 시트이며, 방수 레이어(124c)는 CPP(casting polypropylene) 시트가 사용될 수 있다.
셀 시트(124)는 셀 시트(124)의 일단이 셀 시트(124)의 타단에 오버랩되면서 중첩 영역이 단차지게 된다. 셀 시트(124)의 단차진 계면은 실링 물질에 의해 실링처리된다. 실링 물질은 수지, 가소제, 산화방지제와 왁스가 함유된 물질일 수 있다.
또는, 셀 시트(124)는 방수 레이어(124c)의 일단이 방수 레이어(124c)의 타단을 덮으면서 오버랩된 계면에서 열압착되면서, 금속 레이어(124b)에 밀착 결합될 수 있다.
이로 인해, 본 발명은 배터리셀이 장시간 냉각수에 고온 함침될 때, 셀 시트(124)의 오버랩된 계면을 타고, 수분 및 산소가 케이스(121)로 침투되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 배터리모듈(100)은 셀프레임(110) 내부에 마련되며, 상기 케이스(121)의 상부면(121a) 측 단부 및 하부면(121b) 측 단부를 각각 덮도록 마련된 방수층(125, 126)을 포함할 수 있다. 방수층(125, 126)은 케이스(121)로 수분이 투습되는 것을 방지한다. . 상기 케이스(121)의 상부 측 단부에 상부 방수층(125)이 마련될 수 있고, 상기 케이스(121)의 하부 측 단부에 하부 방수층(126)이 마련될 수 있다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 방수층(125, 126)은 상기 희생금속부(122, 123)을 둘러싸도록 마련될 수 있다. 즉, 방수층(125, 126)에 의해, 셀 프레임(110) 내부에서 희생금속부(122, 123)는 냉각수(W)와 접촉하지 않게 된다. 또한 배터리셀(120)은 상부면(121a) 측과 하부면(121b) 측이 각각 방수층(125, 126)을 통해 셀 프레임(110) 내면에 고정될 수 있다.
방수층(125, 126)은 방수 접착제 또는 포팅 레진(porring resin)을 포함할 수 있고, 상기 포팅 레진은 실리콘계 레진, 우레탄계 레진 또는 에폭시계 레진 중 어느 하나일 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈의 구성도이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 희생 금속부가 케이스에 설치된 상태 및 형상을 설명하기 위한 도면이며, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리셀의 사시도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 10 및 도 11은 도 9의 B-B 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈(200)은, 복수 개의 직접 수냉용 배터리셀(220), 복수 개의 배터리셀(220)이 이격되어 배치되며, 복수 개의 배터리셀(220) 사이로 냉각수(W)가 유동 가능하게 마련된 셀프레임(210) 및 셀프레임(210) 내부 공간부(211)로 냉각수(W)를 공급하기 위한 냉각수 공급부(250)를 포함한다.
본 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈(200)은 셀프레임(210) 및 냉각수 공급부(250)는 제1 실시예와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리셀(220)은, 전극조립체(229), 전극 조립체(229)를 수용하는 케이스(221), 케이스(221)의 외면에 마련된 희생 금속부(222), 내부식 시트(223), 및 방수 시트(224)를 포함한다. 또한, 배터리 모듈(200)은 상부 방수층(225) 및 하부 방수층(226)을 포함한다.
케이스(221), 상부 방수층(225) 및 하부 방수층(226)은 제 1 실시예와 동일한 바, 본 실시예에서는 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리셀(220)은 희생 금속부(222)의 설치 위치가 제1 실시예와 상이하며, 이하, 희생 금속부(222)를 중심으로 설명하기로 한다.
희생 금속부(222)는 케이스(221)보다 금속의 이온화 반응이 큰 재질로 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 희생 금속부(222)는 띠 형상으로 상기 케이스(221)의 일부 영역을 둘러싸도록 마련될 수 있다. 또한, 상기 희생 금속부(222)는 상기 케이스(221)의 상부면(221a)과 하부면(221b) 사이의 중앙 부분에서, 상기 케이스(221)의 둘레를 따라 결합될 수 있다. 희생 금속부(222)는 레이저 용접 방식으로, 케이스(221)에 결합된다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 방수 시트(224)는 희생 금속부(222)를 둘러싼다. 방수 시트(224)는 열수축되면서 케이스(221)의 외면에 밀착 결합되어, 케이스로 수분이 침투되는 것을 방지할 수 있다.
방수 시트(224)는 열수축 고분자 재질로 형성될 수 있다. 열수축 고분자 재질은 폴리염화비닐(Poly Vinyl Chloride, PVC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 11을 참조하면, 직접 수냉용 배터리모듈(200)의 내부식성을 향상시키기 위해, 방수 시트(224)를 케이스(221)에 결합하기 전에, 내부식 시트(223)를 이용하여, 케이스(221)를 내부식 처리한 후, 방수 시트(224)를 결합할 수도 있다.
여기서, 내부식 시트(223)는 희생 금속부(222)가 포함된 케이스(221)의 외면을 둘러싼다. 이후, 방수 시트(224)는 내부식 시트(223)를 둘러싸고, 열수축되면서 케이스(221)의 외면에 밀착 결합된다.
내부식 시트(223)는 내부식성 물질이 고르게 흡수되는 재질을 가진다. 예컨대, 내부식 시트(223)로는 내부식성 물질이 고르게 흡수되는 재질, 예컨대, 부직포 또는 면포와 같은 천 조직이 사용 가능하다.
내부식 시트(223)는 시트 접착제가 핫멜팅 방식으로 용융된 상태로 도포된 후 냉각됨에 따라 케이스(221)에 접착될 수 있다. 여기서, 시트 접착제는 아크릴계 접착제가 사용될 수 있다.
내부식성 물질(예컨대, 방청제)이 내부식 시트(223)의 전면적에 걸쳐 고르게 흡수된 상태에서, 케이스(221)에 접촉됨에 따라, 케이스(221)의 외면에 내부식성 물질이 고르게 도포되는 효과를 가질 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 직접수냉용 배터리셀 및 이를 포함하는 직접수냉용 배터리모듈에 따르면, 배터리케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생금속을 이용하여, 배터리셀의 내부식성을 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 전극 조립체;
    전극 조립체를 수용하는 케이스;
    상기 케이스의 외면에 마련되며, 상기 케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 재질로 형성된 희생 금속부; 및
    금속 레이어를 포함하며, 상기 희생 금속부 및 케이스를 둘러싸도록 마련된 셀 시트를 포함하는 배터리셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생 금속부는 알루미늄, 마그네슘, 아연, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 및 아연 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 배터리셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생 금속부는 상기 케이스의 상부면 및 하부면에 각각 마련되며, 상부면 및 하부면의 적어도 일부 영역을 외부로 노출시키도록 마련된 배터리셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 희생 금속부는 상부면 및 하부면의 둘레방향을 따라 링 형 상을 갖도록 마련된 배터리셀.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 희생 금속부는 상부면 및 하부면의 둘레방향을 따라 C자 형상을 갖도록 마련된 배터리셀.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 시트는,
    상기 금속 레이어의 일면에 마련되며, 상기 케이스에 점착되는 점착 레이어 및
    상기 금속 레이어의 일면의 반대방향의 타면에 마련된 방수 레이어를 포함하는 배터리셀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 레이어는 상기 케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 재질로 형성된 배터리셀.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 레이어는 회생 금속부와 동일한 재질로 형성된 배터리셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 시트는 케이스의 둘레방향을 따라 셀 시트의 일단이 상기 셀 시트의 타단을 덮으면서 오버랩되도록 상기 케이스의 외면을 둘러싸는 배터리셀.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생 금속부는 상기 케이스의 외면에 레이저로 결합된 배터리셀.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생 금속부는 띠 형상으로 상기 케이스의 일부 영역을 둘러싸는 배터리셀.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 희생 금속부는 상기 케이스의 상부면과 하부면 사이의 중앙 부분에서, 상기 케이스의 둘레를 따라 결합된 배터리셀.
  13. 제 1 항에 따른 복수 개의 배터리셀;
    복수 개의 배터리셀이 이격되어 배치되며, 복수 개의 배터리셀 사이로 냉각수로 유동 가능하게 마련된 셀프레임; 및
    셀프레임 내부로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급부를 포함하는 배터리 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    셀프레임 내부에 마련되며, 상기 케이스의 상부면 측 단부 및 하부면 측 단부를 각각 덮도록 마련된 방수층을 포함하며,
    상기 방수층은 방수 접착제 또는 포팅 레진(potting resin)을 포함하는 배터리 모듈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는 절연 처리되지 않은 냉각수를 공급하도록 마련된 배터리 모듈.
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