WO2023191582A1 - 배터리셀 및 이를 포함하는 배터리모듈 - Google Patents

배터리셀 및 이를 포함하는 배터리모듈 Download PDF

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battery
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김희규
최범
금종윤
정재헌
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

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.
  • the present invention relates to a sacrificial metal having a greater ionization tendency of the metal than the case of the battery cell.
  • the present invention relates to a direct water-cooled battery cell that can improve the corrosion resistance of a battery cell, and a direct water-cooled battery module including the same.
  • Batteries used in eco-friendly vehicles require high output and therefore generate a large amount of heat. In order to improve battery performance and lifespan, it is very important to prevent the battery from overheating by efficiently discharging heat generated from the battery.
  • a direct air cooling method As a cooling system for discharging heat from a battery, a direct air cooling method, an indirect water cooling method, or a direct water cooling method are known.
  • Direct water cooling is a method in which battery cells are directly impregnated with coolant, and the heat from the battery cells is discharged directly into the coolant.
  • Figure 1 is a schematic configuration diagram of a conventional battery module 10.
  • a direct water-cooled battery module 10 is composed of a self-frame 11 and a plurality of battery cells 12.
  • a plurality of battery cells 12 are arranged to be spaced apart from each other in the self-frame 11.
  • the self-frame 11 is provided so that coolant can flow.
  • the battery cell 12 has an external case containing the internal electrodes made of nickel-plated iron. Accordingly, when the battery cell 12 is directly impregnated with coolant, it is vulnerable to corrosion due to the characteristics of the material of the external case. Additionally, there is a problem in that the external case is polarized and has poor electrical insulation.
  • insulating oil or special coolant (eg, NOVEC from 3M) is used to prevent corrosion of the battery cell 12.
  • insulating oil has the problem of being vulnerable to fire, and special coolants such as 3M's NOVEC are excellent as coolants for battery cells in that they are non-polar and corrosion-resistant, but they are expensive and have the problem of increasing the manufacturing cost of battery modules. .
  • the battery cell 12 is protected by using a non-woven fabric, etc. to maintain the rust preventive liquid. A post-processing process to cover the external case is required.
  • the purpose of the present invention is to provide a battery cell for direct water cooling that can improve the corrosion resistance of the battery cell by using a sacrificial metal whose metal ionization tendency is greater than that of the battery cell case, and a battery module for direct water cooling including the same. Do it as
  • a battery cell for direct water cooling includes an electrode assembly, a case for accommodating the electrode assembly, a first plating layer formed on the outer surface of the case, a scratch portion formed by removing a partial area of the first plating layer, and the scratch. It is provided to surround the portion, and includes a sacrificial metal portion formed of a material with a greater ionization tendency of metal than the first plating layer.
  • the scratch portion may be formed by removing a partial area of the first plating layer along the thickness direction of the first plating layer.
  • the scratch portion may be formed along the thickness direction of the first plating layer to a partial area of the first plating layer and to the outer peripheral surface of the case facing the partial area.
  • the sacrificial metal portion may be coupled to the outer peripheral surface of the case.
  • the sacrificial metal portion may be bonded to the outer peripheral surface of the case using a laser brazing method. Specifically, the sacrificial metal portion may be bonded to the outer peripheral surface of the case by melting an area that has passed through a portion of the first plating layer by a laser beam. .
  • the sacrificial metal portion may include one or more selected from the group consisting of aluminum, magnesium, zinc, aluminum alloy, magnesium alloy, and zinc alloy.
  • the scratch portion may be provided in a band shape along the circumferential direction of the case.
  • the scratch part may include a first scratch part located at the upper end of the case and a second scratch part located at the lower end of the case.
  • the sacrificial metal portion may surround the first and second scratch portions so that the first and second scratch portions are not exposed to the outside.
  • the sacrificial metal portion may be coupled to the first and second scratch portions, respectively.
  • the sacrificial metal portion may be melted by a laser beam and combined with the first and second scratch portions, respectively.
  • the first plating layer may include a nickel plating layer.
  • the scratch portion may be formed when a partial area of the first plating layer is peeled off by a laser or when a partial area of the first plating layer is peeled off through an etching process.
  • the battery cell includes a polymer film and may include a cell sheet provided to surround the sacrificial metal portion.
  • the cell sheet may surround the outer surface of the case so that one end of the cell sheet overlaps the other end of the cell sheet along the circumferential direction of the case.
  • the battery module related to an embodiment of the present invention has a plurality of battery cells, the plurality of battery cells are arranged to be spaced apart, and coolant is supplied to the self-frame and the interior of the self-frame provided to allow coolant to flow between the plurality of battery cells. It includes a cooling water supply unit for.
  • the battery module is provided inside the self-frame and includes a waterproof layer provided to cover an upper side end and a lower side end of the case, respectively, and the waterproof layer may include a waterproof adhesive or potting resin. You can.
  • the coolant supply unit may be provided to supply coolant that is not insulated.
  • the direct water-cooling battery cell and the direct water-cooling battery module including the same related to at least one embodiment of the present invention have the following effects.
  • the corrosion resistance of the battery cell can be improved by using a sacrificial metal whose metal ionization tendency is greater than that of the battery cell case and the first plating layer.
  • the heat of the battery cell can be cooled using low-cost general vehicle coolant that is not insulated.
  • the heat resistance, waterproofing, and insulation of the battery cell can be improved through the cell sheet surrounding the sacrificial metal portion.
  • 1 is a schematic configuration diagram of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a battery module for direct water cooling according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are front views showing the scratch portion of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a diagram for explaining a method of combining the scratch portion and the sacrificial metal portion.
  • Figure 6 is a perspective view schematically showing a battery cell in a state in which a sacrificial metal portion is coupled to a first plating layer.
  • Figure 7 is a perspective view schematically showing battery cells arranged in a battery module.
  • Figures 8 and 9 are cross-sectional views schematically showing a state taken along line X-X in Figure 7.
  • a direct water cooling battery cell hereinafter also referred to as a 'battery cell'
  • a direct water cooling battery module hereinafter referred to as a 'battery module'
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a battery module 100 for direct water cooling according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 3 and 4 are front views showing a scratch portion of the battery cell 120 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 100 includes a plurality of battery cells 120, a cell frame 110 accommodating the plurality of battery cells, and a coolant supply unit 150.
  • the battery module 100 includes a plurality of battery cells 120, a plurality of battery cells 120 are arranged to be spaced apart, and a self-frame ( 110) and a coolant supply unit 150 for supplying coolant into the self-frame 110.
  • the self-frame 110 has a predetermined space 111 therein, and is provided in a structure in which the coolant (W) can flow within the space 111.
  • the coolant (W) may be supplied to the internal space 111 of the cell frame 110 and then discharged to the outside of the self-frame 110.
  • the battery module 100 may include a coolant discharge unit for discharging the coolant W to the outside of the cell frame 110.
  • the cooling water supply unit 150 may include a cooling water reservoir and a pump. Additionally, the coolant supply unit 150 may be provided to supply coolant W that is not insulated.
  • the general coolant (W) may be a coolant commonly used in vehicles.
  • Figure 5 is a diagram for explaining a method of combining the scratch part and the sacrificial metal part.
  • Figure 6 is a perspective view schematically showing a battery cell with a sacrificial metal portion coupled to the first plating layer
  • Figure 7 is a perspective view schematically showing a battery cell disposed in a battery module
  • Figures 8 and 9 are those of Figure 7. These are cross-sectional views schematically showing the state cut along line X-X.
  • the battery cell 120 includes an electrode assembly 121, a case 122, a first plating layer 123, a scratch portion 124, and a sacrificial metal portion 125. Additionally, the battery cell 120 includes a polymer film and may include a cell sheet 126 provided to surround the sacrificial metal portion 125.
  • the battery cell 120 includes an electrode assembly 121, a case 122 for accommodating the electrode assembly 121, a first plating layer 123 formed on the outer peripheral surface of the case 122, and a first plating layer 123.
  • Scratch portions 124 (124a, 124b) formed by removing a partial area, and a sacrificial metal portion 125 provided to surround the scratch portion 124 and formed of a material with a greater ionization tendency of the metal than the first plating layer 123. ) includes.
  • the sacrificial metal portion 125 may be plated on the first plating layer 123 or welded on the first plating layer 123.
  • the battery cell 120 for direct water cooling when the battery cell 120 for direct water cooling is impregnated with coolant (W), the battery cell 120 for direct water cooling undergoes a metal ionization reaction between the case 122 and the sacrificial metal portion 125. Due to the difference, moisture (H) in the coolant (W) undergoes an ionization reaction with the sacrificial metal portion 212, and as a result, the metal ionization reaction of the case 122 is suppressed to prevent corrosion of the case 122. there is.
  • the electrode assembly 121 is stored in the case 122 and includes an anode, a cathode, and a separator disposed between the anode and the cathode.
  • the electrode and the separator may form an integrated electrode assembly 121.
  • the electrode assembly 121 is a jelly-roll type electrode assembly in which a sheet-shaped anode and a cathode are wound with a separator interposed therebetween, and a plurality of anodes and cathodes are sequentially stacked with a separator interposed between them.
  • It may be a stacked electrode assembly or a stacked/folded electrode assembly in which unit cells, in which a predetermined unit of anode and cathode are stacked with a separator interposed, are sequentially wound while positioned on a separator film.
  • the case 122 accommodates the electrode assembly 121 and serves to protect the battery cell 120 from external shock.
  • the case 122 may be cylindrical, pouch-shaped, or prismatic.
  • the case 122 may be cylindrical.
  • the electrode assembly 121 may be a rolled jelly-roll type electrode assembly
  • the case 122 may be a cylindrical case
  • the battery cell 120 for direct water cooling may be a cylindrical battery cell.
  • case 122 may be made of a metal material, and the case 122 may be made of one or more materials selected from the group consisting of steel or stainless steel.
  • the surface of the case 122 may be nickel (Ni) plated. That is, the first plating layer 123 may include a nickel plating layer.
  • the nickel plating layer has less discoloration, excellent rust prevention, and excellent corrosion resistance and wear resistance.
  • the nickel plating layer may corrode when immersed in coolant, and as corrosion progresses, polarity develops and insulation properties deteriorate.
  • the first plating layer 123 may be a factor that hinders the movement of electrons between the sacrificial metal portion 125 and the case 122. .
  • the scratch portion 124 (124a) may be formed by removing a partial area of the first plating layer 123 along the thickness direction (t) of the first plating layer 123. That is, the scratch portion can be formed by scraping the first plating layer 123 to a predetermined thickness, and the area where the scratch portion 124 is formed on the first plating layer 123 has a thickness of the first plating layer that is smaller than the surrounding area. .
  • the scratch portion 124 may be formed when a partial region of the first plating layer 123 is peeled off by a laser or when a partial region of the first plating layer 123 is peeled off through etching. That is, the scratch portion 124 may be formed by scratching the first plating layer 123 with a laser, and the scratch portion 124 may be formed by etching the first plating layer 123.
  • the etching treatment method is a chemical corrosion method.
  • the scratch portion (124: 124c) is a partial area of the first plating layer 123 along the thickness direction (t) of the first plating layer 123 and a portion of the case facing the partial area. It can be formed up to the outer circumference. That is, the first plating layer 123 is scratched, the first plating layer 123 is penetrated along the thickness direction (t), and then the exposed outer peripheral surface 122c of the case is scratched, thereby creating a scratch portion 124c. can be formed.
  • the sacrificial metal portion 125 may be coupled to the outer peripheral surface 122c of the case 122. In this structure, the sacrificial metal portion 125 can penetrate the first plating layer 123 and be directly coupled to the outer peripheral surface 122c of the case 122.
  • a plurality of depressions may be formed in the scratched area.
  • the depressions may be provided in a grid shape.
  • the scratch portion 124 may be provided in a band shape along the circumferential direction of the case 122.
  • a plurality of scratch portions 124 may be provided in different areas of the first plating layer 123.
  • the scratch part 124 may include a first scratch part 124a located at the upper end 122a of the case 122 and a second scratch part 124b located at the lower end 122b of the case 122. You can.
  • the sacrificial metal portion 125 is disposed to surround the outer surface of the case 122 and may be disposed on the first plating layer 123 to surround the first plating layer 123 .
  • the sacrificial metal portion 125 may be formed of a material that has a greater metal ionization reaction than the case 122.
  • the sacrificial metal portion 125 may include one or more selected from the group consisting of aluminum, magnesium, zinc, aluminum alloy, magnesium alloy, and zinc alloy.
  • the sacrificial metal portion 125 is provided to surround the scratch portion 124 so that the scratch portion 124 is not exposed to the outside.
  • the sacrificial metal portion 125 may be provided to surround the first and second scratch portions 124a and 124b so that the first and second scratch portions 124a and 124b are not exposed to the outside.
  • the scratch portions 124 may include an area where a portion of the thickness of the first plating layer 123 has been scratched and an area where the scratch has penetrated the first plating layer 123 to the outer peripheral surface of the case. .
  • the sacrificial metal portion 125 may be coupled to the scratch portion 124, and when a plurality of scratch portions are provided, the sacrificial metal portion 125 may be coupled to the first and second scratch portions 124a and 124b, respectively. It can be.
  • first and second scratch portions 124a and 124b may each be provided in a band shape along the circumferential direction of the case 122.
  • the sacrificial metal portion 125 may be provided in a band shape along the circumferential direction of the case 122.
  • the upper end of the sacrificial metal portion 125 may cover the first scratch portion 124a, and the lower end of the sacrificial metal portion 125 may cover the second scratch portion 124b. .
  • the sacrificial metal portion 125 covers the scratch portion 124 and may be provided in the form of a band coupled to the first plating layer 123 (121) along the circumference of the case 122.
  • the sacrificial metal portion 125 may be joined to the scratch portion along virtual bonding lines L1 and L2 extending along the circumferential direction of the case 121 using a laser brazing method.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a process in which a sacrificial metal portion is coupled to the outer circumferential surface of the case 122 (see FIG. 9 ) in an embodiment in which the scratch portion passes through the first plating layer and is formed to the outer circumferential surface of the case.
  • the sacrificial metal portion 125 may be coupled to the outer peripheral surface of the case 122 while the wire W is melted by the laser beam B.
  • the upper end of the sacrificial metal portion 125 is coupled to the first scratch portion 124a while the wire W is melted by a laser beam along the first bonding line L1.
  • the first bonding line L1 refers to a virtual line where the wire W is bonded at the first scratch portion 124a.
  • the lower end of the sacrificial metal portion 125 may be coupled to the second scratch portion 124b along the second bonding line L2 while the wire W is melted by the laser beam.
  • the second bonding line L2 refers to a virtual line where the wire W is bonded at the second scratch portion 124b.
  • the sacrificial metal portion 125 may be provided to integrally surround the upper and lower portions of the case 122, and the sacrificial metal portion 125 may be provided to surround the upper and lower portions 122a and 122b of the case 122. Each may be provided.
  • the sacrificial metal portion 125 may be provided in a band shape to surround a partial area of the case 122 in the circumferential direction. Additionally, the sacrificial metal portion 125 may surround the case 122 along the circumferential direction of the case 122 in a ring shape.
  • the battery cell 120 includes a polymer film and may include a cell sheet 126 provided to surround the sacrificial metal portion 125.
  • the cell sheet 126 may surround the outer surface of the case 122 so that one end of the cell sheet 126 and the other end of the cell sheet 126 overlap along the circumferential direction of the case 122 .
  • the cell sheet 126 may be heat-shrinked and come into close contact with the sacrificial metal portion 125.
  • the cell sheet 126 may be formed of a heat-shrinkable polymer material.
  • the heat-shrinkable polymer material may include one or more selected from the group consisting of polyvinyl chloride (PVC), polypropylene (PP), and polyethylene terephthalate (PET).
  • the battery module 100 is provided inside the self-frame 110, and has waterproof layers 130 and 140 provided to cover the upper part 122a and the lower part 122b of the case 122 of the battery cell 120, respectively. may include.
  • the waterproof layers 130 and 140 prevent moisture from permeating into the case 122 and perform the function of fixing the battery cell 120 to the cell frame 110.
  • An upper waterproof layer 130 may be provided at the upper end 122a of the case 122, and a lower waterproof layer 140 may be provided at the lower end 122b of the case 122.
  • the waterproof layers 130 and 140 may be provided to surround a partial area of the sacrificial metal portion 125.
  • the battery cell 120 may be fixed to the inner surface of the cell frame 110 through waterproof layers 130 and 140, respectively, at the upper end 122a and lower end 122b.
  • the waterproof layers 130 and 140 may include a waterproof adhesive or potting resin, and the potting resin may be any one of silicone-based resin, urethane-based resin, or epoxy-based resin.
  • a sacrificial metal having a greater ionization tendency of the metal than the case and first plating layer of the battery cell is used to cool the battery cell. Corrosion resistance can be improved.

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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 직접 수냉용 배터리모듈에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 4월 1일자 한국 특허 출원 제10-2022-00410076호에 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 배터리셀(12)의 부식을 방지하기 위해, 배터리셀(12)의 외장 케이스에 방청액을 도포할 경우, 방청액을 유지하기 위해 부직포 등을 이용하여 배터리셀(12)의 외장 케이스를 감싸는 후처리 공정이 요구된다.
또한, 배터리셀(12)의 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 형성된 제1 도금층, 제1 도금층의 일부영역이 제거되어 형성된 스크래치부 및 상기 스크래치부를 둘러싸도록 마련되며, 상기 제1 도금층보다 금속의 이온화 경향이 큰 재질로 형성된 희생 금속부를 포함하는 포함한다.
또한, 상기 스크래치부는 제1 도금층의 두께방향을 따라 제1 도금층의 일부영역이 제거되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 스크래치부는 제1 도금층의 두께방향을 따라 제1 도금층의 일부영역 및 상기 일부영역과 마주하는 케이스의 외주면까지 형성될 수 있다. 이때, 희생금속부는 케이스의 외주면에 결합될 수 있다. 또한, 희생금속부는 레이저 브레이징 공법으로 케이스의 외주면에 결합될 수 있으며, 구체적으로, 희생금속부는 제1 도금층의 일부영역을 통과한 영역이 레이저빔에 의해 용융되면서 상기 케이스의 외주면에 결합될 수 있다.
또한, 상기 희생 금속부는 알루미늄, 마그네슘, 아연, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 및 아연 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 스크래치부는 상기 케이스의 둘레방향을 따라 밴드 형상으로 마련될 수 있다.
또한, 상기 스크래치부는 케이스의 상단부에 위치한 제1 스크래치부 및 케이스의 하단부에 위치한 제2 스크래치부를 포함할 수 있다. 이때, 희생금속부는 제1 및 제2 스크래치부가 외부로 노출되지 않도록 제1 및 제2 스크래치부를 둘러쌀 수 있다. 이때, 희생금속부는 제1 및 제2 스크래치부에 각각 결합될 수 있다. 또한, 희생금속부는 레이저빔에 의해 용융되면서 제1 및 제2 스크래치부에 각각 결합될 수 있다.
또한, 제1 도금층은 니켈 도금층을 포함할 수 있다.
또한, 스크래치부는 레이저에 의해 제1 도금층의 일부영역이 벗겨지거나, 에칭 처리되어 제1 도금층의 일부영역이 벗겨지면서 형성될 수 있다.
상기 배터리 셀은 고분자 필름을 포함하며, 상기 희생금속부를 둘러싸도록 마련된 셀 시트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 샐 시트는 케이스의 둘레방향을 따라 셀 시트의 일단과 셀 시트의 타단이 오버랩되도록 상기 케이스의 외면을 둘러쌀 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 배터리 모듈은 상기 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 포함한다.
또한, 상기 배터리 모듈은 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 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.
배터리셀의 케이스 및 제1 도금층보다 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, 희생금속부를 둘러싸는 셀 시트를 통해 배터리셀의 내열성, 방수성 및 절연성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 배터리모듈의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈을 나타내는 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀의 스크래치부를 나타내는 정면도이다.
도 5는 스크래치부 및 희생금속부의 결합방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 제1 도금층 상에 희생금속부가 결합된 상태의 배터리 셀을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 배터리 모듈 내에 배치된 배터리 셀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 선 X-X를 따라 절취한 상태를 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리 셀(이하, '배터리셀'이라고도 함) 및 이를 포함하는 직접 수냉용 배터리 모듈(이하, '배터리 모듈'이라고도 함)을 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 일 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈(100)을 나타내는 개략도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀(120)의 스크래치부를 나타내는 정면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리모듈(100)은, 복수 개의 배터리셀(120), 복수 개의 배터리셀을 수용하는 셀 프레임(110) 및 냉각수 공급부(150)를 포함한다. 또한, 상기 배터리모듈(100)은 복수 개의 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.
또한, 셀프레임(110)은 내부에 소정 공간부(111)를 가지며, 상기 공간부(111) 내에서 냉각수(W)가 유동 가능한 구조로 마련된다. 상기 냉각수(W)는 셀 프레임(110) 내부 공간부(111)로 공급된 후, 셀프레임(110) 외부로 배출될 수 있다. 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.
도 5는 스크래치부 및 희생금속부의 결합방법을 설명하기 위한 도면이고. 도 6은 제1 도금층 상에 희생금속부가 결합된 상태의 배터리 셀을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 7은 배터리 모듈 내에 배치된 배터리 셀을 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 8 및 도 9는 도 7의 선 X-X를 따라 절취한 상태를 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀(120)은 전극 조립체(121), 케이스(122), 제1 도금층(123), 스크래치부(124) 및 희생금속부(125)를 포함한다. 또한, 배터리셀(120)은 고분자 필름을 포함하며, 상기 희생금속부(125)를 둘러싸도록 마련된 셀 시트(126)를 포함할 수 있다.
상기 배터리셀(120)은 전극 조립체(121), 상기 전극 조립체(121)를 수용하는 케이스(122), 상기 케이스(122)의 외주면에 형성된 제1 도금층(123), 제1 도금층(123)의 일부영역이 제거되어 형성된 스크래치부(124: 124a, 124b) 및 상기 스크래치부(124)를 둘러싸도록 마련되며, 상기 제1 도금층(123)보다 금속의 이온화 경향이 큰 재질로 형성된 희생 금속부(125)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 직접 수냉용 배터리셀(120)이 냉각수(W)에 함침 시, 수분(H)은 희생 금속부(125)로 전달될 수 있다. 이때 희생 금속부(125)의 수분(H)에 대한 금속의 이온화 반응이, 케이스(122)의 수분에 대한 금속 이온화 반응보다 크기 때문에, 케이스(210)의 내부식성을 향상시킬 수 있다.
일 예로, 희생금속부(125)는 제1 도금층(123) 상에 도금처리될 수도 있고, 제1 도금층((123) 상에 용접될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 배터리 모듈(100)이 일반 냉각수(W)를 사용하는 경우에, 배터리셀(120)의 표면에 부식된 부분을 통해 수분(H)이 침투하게 되면, 배터리셀의 전원이 일반 냉각수와 통전되어, 배터리 모듈(100)이 손상되는 문제가 생길 수 있다.
도 2를 참조하면, 직접 수냉용 배터리셀(120)이 냉각수(W)에 함침될 때, 직접 수냉용 배터리셀(120)은 케이스(122)와 희생 금속부(125) 간의 금속의 이온화 반응의 차이로 인해, 냉각수(W)의 수분(H)이 희생 금속부(212)와 이온화 반응하게 되고, 그 결과, 케이스(122)의 금속 이온화 반응이 억제되어 케이스(122)의 부식을 방지할 수 있다.
전극 조립체(121)는 케이스(122) 내에 수납되며, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 배치된 분리막을 포함한다. 상기 전극과 분리막은 일체화된 전극 조립체(121)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 조립체(121)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(122)는 상기 전극 조립체(121)를 수용하고, 외부의 충격으로부터 배터리 셀(120)을 보호하는 역할을 한다. 상기 케이스(122)는 원통형, 파우치형 또는 각형일 수 있으며, 예를 들어, 상기 케이스(122)는 원통형일 수 있다. 특히, 상기 전극 조립체(121)는 권취된 젤리-롤형 전극 조립체이고, 케이스(122)는 원통형 케이스일 수 있으며, 상기 직접 수냉용 배터리셀(120)은 원통형 배터리셀일 수 있다.
또한, 케이스(122)는 금속 재질로 형성될 수 있고, 상기 케이스(122)는 스틸(steel) 또는 스테인리스 스틸(stainless steel)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 케이스(122)의 표면은 니켈(Ni) 도금 처리될 수 있다. 즉, 제1 도금층(123)은 니켈 도금층을 포함할 수 있다.
한편, 니켈 도금층은 변색이 적고 방청력이 뛰어나며, 내식성 및 내마모성이 우수하다. 그러나 니켈 도금층은 재료적 특성으로 인해, 냉각수에 함침시 부식될 수 있고, 부식이 진행됨에 따라 극성이 생기면서 절연성이 떨어지게 된다.
한편, 제1 도금층(123) 상에 희생금속부(125)가 구비되면, 제1 도금층(123)은 희생금속부(125)와 케이스(122) 간 전자의 이동을 방해하는 요인이 될 수 있다.
제1 도금층(123)에 스크래치부(124)를 형성한 후, 스크래치부(124)에 희생금속부(125)를 결합시킴으로써, 희생금속부(125)와 케이스(122) 간의 전자 이동이 원할하게 이루어질 수 있다.
도 3 및 도 8을 참조하면, 스크래치부(124: 124a)는 제1 도금층(123)의 두께방향(t)을 따라 제1 도금층(123)의 일부영역이 제거되어 형성될 수 있다. 즉, 스크래치부는 제1 도금층(123)을 소정 두께만큼 긁어냄으로써, 형성될 수 있으며, 제1 도금층(123) 상에 스크래치부(124)가 형성된 영역은 주변 영역보다 제1 도금층의 두께가 작아진다.
또한, 스크래치부(124)는 레이저에 의해 제1 도금층(123)의 일부영역이 벗겨지거나, 에칭 처리되어 제1 도금층(123)의 일부영역이 벗겨짐에 따라 형성될 수 있다. 즉, 스크래치부(124)는 제1 도금층(123)이 레이저에 의해 스크래치되어 형성될 수도 있고, 스크래치부(124)는 제1 도금층(123)이 에칭 처리되어 형성될 수도 있다. 에칭 처리 방법은 화학적 부식 방법에 의한다.
도 3 및 도 9를 참조하면, 상기 스크래치부(124: 124c)는 제1 도금층(123)의 두께방향(t)을 따라 제1 도금층(123)의 일부영역 및 상기 일부영역과 마주하는 케이스의 외주면까지 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 도금층(123)을 스크래치 처리하여, 제1 도금층(123)을 두께방향(t)을 따라 관통한 후, 노출된 케이스의 외주면(122c)까지 스크래치 처리함으로써, 스크래치부(124c)를 형성할 수 있다. 이때, 희생금속부(125)는 케이스(122)의 외주면(122c)에 결합될 수 있다. 이러한 구조에서, 희생금속부(125)가 제1 도금층(123)을 관통하여 케이스(122)의 외주면(122c)에 직접 결합될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 도금층(123) 상에 스크래치 처리를 함으로써, 스크래치 처리된 영역에는 복수 개의 함몰부가 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 함몰부들은 격자 형태로 마련될 수도 있다. 또한, 상기 스크래치부(124)는 상기 케이스(122)의 둘레방향을 따라 밴드 형상으로 마련될 수 있다.
또한, 상기 스크래치부(124)는 제1 도금층(123)의 서로 다른 영역에 복수로 구비될 수 있다. 일 예로, 상기 스크래치부(124)는 케이스(122)의 상단부(122a)에 위치한 제1 스크래치부(124a) 및 케이스(122)의 하단부(122b)에 위치한 제2 스크래치부(124b)를 포함할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 희생 금속부(125)는 케이스(122)의 외면을 둘러싸도록 배치되며, 제1 도금층(123)을 둘러싸도록 제1 도금층(123) 상에 배치될 수 있다.
또한, 희생 금속부(125)는 케이스(122)보다 금속의 이온화 반응이 큰 재질로 형성될 수 있다. 희생 금속부(125)는 알루미늄, 마그네슘, 아연, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 및 아연 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
희생금속부(125)는 스크래치부(124)가 외부로 노출되지 않도록, 스크래치부(124)를 둘러싸도록 마련된다. 일 예로, 희생금속부(125)는 제1 및 제2 스크래치부(124a 124b)가 외부로 노출되지 않도록 제1 및 제2 스크래치부(124a 124b)를 둘러싸도록 마련될 수 있다.
본 문서에서, 스크래치부(124: 124a, 124b)는 제1 도금층(123)의 일부 두께가 스크래치 처리된 영역 및 제1 도금층(123)을 관통하여 케이스 외주면까지 스크래치 처치된 영역을 포함할 수 있다.
이때, 희생금속부(125)는 스크래치부(124)에 결합될 수 있고, 스크래치부가 복수 개로 구비된 경우, 희생금속부(125)는 제1 및 제2 스크래치부(124a, 124b)에 각각 결합될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 스크래치부(124a, 124b)는 각각 상기 케이스(122)의 둘레방향을 따라 밴드 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 희생금속부(125)는 케이스(122)의 둘레방향을 따라 밴드 형상으로 마련될 수 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 희생금속부(125)의 상단부는 제1 스크래치부(124a)를 커버하고, 희생금속부(125)의 하단부는 제2 스크래치부(124b)를 커버할 수 있다. 이와 같이, 희생금속부(125)는 스크래치부(124)를 커버하고, 케이스(122)의 둘레를 따라 제1 도금층(123)에 (121)에 결합되는 밴드 형태로 마련될 수 있다.
도 5를 참조하면, 희생금속부(125)는 레이저 브레이징 공법으로, 케이스(121)의 둘레방향을 따라 연장된 가상의 접합 라인(L1, L2)을 따라, 스크래치부에 결합될 수 있다. 도 5는 스크래치부가 제1 도금층을 통과하여 케이스의 외주면까지 형성된 실시예에서, 케이스(122)의 외주면에 희생금속부가 결합(도 9 참조)되는 과정을 설명한 도면이다.
도 5를 참조하면, 희생금속부(125)는 와이어(W)가 레이저빔(B)에 의해 멜팅되면서 케이스(122)의 외주면에 결합될 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 희생금속부(125)의 상단부는 제1 접합라인(L1)을 따라, 와이어(W)가 레이저빔에 의해 멜팅되면서, 제1 스크래치부(124a)에 결합될 수 있다. 여기서, 제1 접합라인(L1)은 제1 스크래치부(124a)에서 와이어(W)가 접합되는 가상이 선을 의미한다.
희생금속부(125)의 하단부는 제2 접합라인(L2)을 따라, 와이어(W)가 레이저빔에 의해 멜팅되면서, 제2 스크래치부(124b)에 결합될 수 있다. 여기서, 제2 접합라인(L2)은 제2 스크래치부(124b)에서 와이어(W)가 접합되는 가상이 선을 의미한다.
즉, 희생 금속부(125)는 상기 케이스(122)의 상단부 및 하단부를 일체로 둘러싸게 마련될 수도 있고, 희생 금속부(125)는 상기 케이스(122)의 상단부(122a) 및 하단부(122b)에 각각 마련될 수도 있다.
또한, 상기 희생 금속부(125)는 밴드 형상으로 상기 케이스(122)의 둘레방향의 일부 영역을 둘러싸도록 마련될 수도 있다. 또한, 상기 희생 금속부(125)는 링 형상으로 상기 케이스(122)의 둘레방향을 따라 상기 케이스(122)를 둘러쌀 수 있다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 배터리셀(120)은 고분자 필름을 포함하며, 상기 희생금속부(125)를 둘러싸도록 마련된 셀 시트(126)를 포함할 수 있다.
상기 셀 시트(126)는 케이스(122)의 둘레방향을 따라 셀 시트(126)의 일단과 셀 시트(126)의 타단이 오버랩되도록 상기 케이스(122)의 외면을 둘러쌀 수 있다.
또한, 상기 셀 시트(126)는 열수축 되면서 희생금속부(125)에 밀착될 수 있다.
셀 시트(126)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.
한편, 배터리모듈(100)은 셀프레임(110) 내부에 마련되며, 상기 배터리셀(120)의 케이스(122)의 상단부(122a) 및 하단부(122b)를 각각 덮도록 마련된 방수층(130, 140)을 포함할 수 있다.
방수층(130, 140)은 케이스(122)로 수분이 투습되는 것을 방지하고, 배터리셀(120)을 셀 프레임(110)에 고정시키는 기능을 수행한다.
상기 케이스(122)의 상단부(122a)에 상부 방수층(130)이 마련될 수 있고, 상기 케이스(122)의 하단부(122b)에 하부 방수층(140)이 마련될 수 있다. 일 예로, 상기 방수층(130, 140)은 상기 희생금속부(125)의 일부영역을 둘러싸도록 마련될 수 있다. 또한 배터리셀(120)은 상단부(122a) 측과 하단부(122b) 측이 각각 방수층(130,140)을 통해 셀 프레임(110) 내면에 고정될 수 있다.
방수층(130, 140)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.
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, 배터리셀의 케이스 및 제1 도금층보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생금속을 이용하여, 배터리셀의 내부식성을 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 전극 조립체;
    전극 조립체를 수용하는 케이스;
    상기 케이스의 외면에 형성된 제1 도금층;
    제1 도금층의 일부영역이 제거되어 형성된 스크래치부; 및
    상기 스크래치부를 둘러싸도록 마련되며, 상기 제1 도금층보다 금속의 이온화 경향이 큰 재질로 형성된 희생 금속부를 포함하는 배터리셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크래치부는 제1 도금층의 두께방향을 따라 제1 도금층의 일부영역이 제거된 배터리 셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스크래치부는 제1 도금층의 두께방향을 따라 제1 도금층의 일부영역 및 상기 일부영역과 마주하는 케이스의 외주면까지 형성된 배터리 셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    희생금속부는 케이스의 외주면에 결합된 배터리 셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생 금속부는 알루미늄, 마그네슘, 아연, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 및 아연 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 배터리셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크래치부는 상기 케이스의 둘레방향을 따라 밴드 형상으로 마련된 배터리 셀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크래치부는 케이스의 상단부에 위치한 제1 스크래치부 및 케이스의 하단부에 위치한 제2 스크래치부를 포함하며,
    희생금속부는 제1 및 제2 스크래치부가 외부로 노출되지 않도록 제1 및 제2 스크래치부를 둘러싸는 배터리 셀.
  8. 제 7 항에 있어서,
    희생금속부는 제1 및 제2 스크래치부에 각각 결합된 배터리 셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제1 도금층은 니켈 도금층을 포함하는 배터리 셀.
  10. 제 1 항에 있어서,
    스크래치부는 레이저에 의해 제1 도금층의 일부영역이 벗겨지거나, 에칭 처리되어 제1 도금층의 일부영역이 벗겨진 배터리 셀.
  11. 제 1 항에 있어서,
    고분자 필름을 포함하며, 상기 희생금속부를 둘러싸도록 마련된 셀 시트를 포함하는 배터리 셀.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 샐 시트는 케이스의 둘레방향을 따라 셀 시트의 일단과 셀 시트의 타단이 오버랩되도록 상기 케이스의 외면을 둘러싸는 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 13 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는 절연 처리되지 않은 냉각수를 공급하도록 마련된 배터리 모듈.
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