WO2024085625A1 - 배터리셀, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 직접 수냉용 배터리모듈 - Google Patents

배터리셀, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 직접 수냉용 배터리모듈 Download PDF

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WO2024085625A1
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battery cell
plating layer
area
case
porous coating
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PCT/KR2023/016094
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정민용
최범
금종윤
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery cell capable of improving the corrosion resistance of a battery cell by using a sacrificial metal whose metal ionization tendency is greater than that of the battery cell case, a method of manufacturing the same, and a battery module for direct water cooling 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 therein.
  • 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 that can improve the corrosion resistance of a battery cell by using a sacrificial metal whose metal ionization tendency is greater than that of the battery cell case, a method of manufacturing the same, and a battery module for direct water cooling including the same. Do it as
  • a battery cell related to an embodiment of the present invention includes an electrode assembly, a case for accommodating the electrode assembly, a plating layer formed on the outer surface of the case, a scratch area formed by removing a portion of the plating layer, and It is provided to surround the scratch area and includes a porous coating layer containing a sacrificial metal whose ionization tendency is greater than that of the plating layer.
  • the scratch area may include a plurality of non-plated portions from which a portion of the plating layer has been removed and a plating portion where a plating layer remains between two adjacent non-plated portions.
  • the porous coating layer may be provided to contact the outer surface of the case through the non-plated portion by inserting at least a portion of the porous coating layer into the scratch area.
  • the thickness of the area surrounding the plating layer of the porous coating layer may be smaller than the thickness of the area surrounding the scratch area.
  • porous coating layer may be formed as the sacrificial metal is sprayed onto the scratch area.
  • the plating layer may be a nickel plating layer
  • the sacrificial metal may be one or more selected from the group consisting of aluminum, magnesium, zinc, aluminum alloy, magnesium alloy, and zinc alloy.
  • the scratch area may be prepared by scratching the plating layer using a laser.
  • the battery cell includes a polymer film and may further include a waterproof sheet surrounding the porous coating layer.
  • the battery module related to an embodiment of the present invention includes a plurality of battery cells, a plurality of battery cells arranged spaced apart, a self-frame provided to allow coolant to flow between the plurality of battery cells, and a device for supplying coolant to the inside of the self-frame.
  • a coolant supply unit included in the battery module related to an embodiment of the present invention.
  • the coolant supply unit is provided to supply coolant that is not insulated.
  • the method of manufacturing a battery cell related to an embodiment of the present invention includes the step (a) of forming a scratch area in a plating layer provided on the outer surface of the case and spraying molten sacrificial metal into the scratch area with compressed air, and step (b) of forming a porous coating layer covering the scratch area.
  • the scratch area may be formed to include a plurality of non-plated portions from which a portion of the plating layer has been removed and a plating portion with a plating layer remaining between two adjacent non-plated portions.
  • porous coating layer may be formed so that at least a portion of the area contacts the outer surface of the case through the non-plated portion.
  • the compressed air may be injected at a pressure ranging from 12000 psi to 16000 psi.
  • the compressed air may be sprayed at a speed ranging from 2000 m/s to 2200 m/s.
  • the scratch area may be formed by removing the plating layer by a laser.
  • the method of manufacturing the battery cell may further include the step of heat shrinking the waterproof film on the case so that the porous coating layer is not exposed to the outside after step (b).
  • the battery cell related to at least one embodiment of the present invention has the following effects.
  • the sacrificial metal which has a greater ionization tendency than the case, ionizes and reacts with moisture before the case and is oxidized, thereby improving the corrosion resistance of the case.
  • the porous coating layer may have a microporous structure, thereby increasing the contact area in contact with moisture and air.
  • the movement of electrons between the case and the porous coating layer can be facilitated through the scratch area, thereby ensuring the stability of the electrical connection between the case and the porous coating layer.
  • direct water cooling can be implemented using low-cost general coolant that is not insulated, rather than expensive special coolant that is insulated.
  • Figure 1 is a schematic configuration diagram of a conventional battery module.
  • Figure 2 schematically shows the configuration of a battery module for direct water cooling according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 schematically show a cross-sectional view of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 10 are diagrams for explaining a method of manufacturing a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a schematic diagram showing a thermal spray coating device used in the battery cell manufacturing method.
  • a battery cell hereinafter, also referred to as a 'battery cell for direct water cooling'
  • a method of manufacturing the same and a battery module for direct water cooling (hereinafter, also referred to as a 'battery module') including the same are shown. Please refer to and explain in detail.
  • Figure 2 schematically shows the configuration of a battery module 100 for direct water cooling according to an embodiment of the present invention
  • Figures 3 to 5 are cross-sectional views of the battery cell 120 according to an embodiment of the present invention. is schematically shown.
  • Figure 3 shows a case with a scratch area provided
  • Figure 4 shows a case with a porous coating layer formed
  • Figure 5 shows a case with a waterproof sheet covering the porous coating layer.
  • the battery module 100 for direct water cooling includes a self-frame 110, at least one battery cell 120 for direct water cooling, and general coolant (W). do.
  • the battery module 100 includes a plurality of battery cells 120, a cell frame 110 accommodating the plurality of battery cells 120, and a coolant supply unit 160. Includes.
  • the battery module 100 is a self-frame in which a plurality of battery cells 100 and a plurality of battery cells 120 are arranged to be spaced apart, and coolant (W) is provided to flow between the plurality of battery cells 120. (110) and a coolant supply unit 160 for supplying coolant (W) into the self-frame 110.
  • the battery module 100 may have a direct water cooling structure that directly cools the battery cell 120 through coolant (W).
  • W coolant
  • the self-frame 110 has a predetermined space inside, and is provided in a structure that allows coolant (W) to flow within the space.
  • the coolant (W) may be supplied to the inner space 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 160 may include a cooling water reservoir and a pump. Additionally, the coolant supply unit 160 may be provided to supply coolant W that is not insulated.
  • the general coolant (W) may be a coolant commonly used in vehicles.
  • the battery cell 120 includes an electrode assembly 127, a case 121, a plating layer 122, and a scratch area (S) provided on the plating layer 122. ) and a porous coating layer 123 surrounding the scratch area (S).
  • the battery cell 120 includes a polymer film and may include a waterproof sheet 125 provided to surround the porous coating layer 123.
  • the battery cell 120 includes an electrode assembly 127, a case 121 accommodating the electrode assembly 127, a plating layer 122 formed on the outer surface of the case 121, and a partial area of the plating layer 122. It includes a scratch area S formed by removal and a porous coating layer 123 that is provided to surround the scratch area S and includes a sacrificial metal with a greater ionization tendency than the plating layer 122.
  • the battery cell 100 for direct water cooling is immersed in coolant (W)
  • moisture may be transferred to the porous coating layer 123.
  • the sacrificial metal of the porous coating layer 123 can improve the corrosion resistance of the case 121 because the ionization reaction of the metal to moisture is greater than the ionization reaction of the metal to moisture of the case 121.
  • the battery cell 120 for direct water cooling is impregnated with the coolant (W)
  • the battery cell 120 for direct water cooling is immersed in the coolant W due to the difference in the ionization reaction of the metal between the case 121 and the porous coating layer 123.
  • the moisture in (W) undergoes an ionization reaction with the sacrificial metal of the porous coating layer, and as a result, the metal ionization reaction of the case 121 is suppressed, thereby preventing corrosion of the case 121.
  • the electrode assembly 127 is stored in the case 121 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 127.
  • the electrode assembly 127 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 anodes and cathodes are stacked with a separator interposed, are placed on a separator film and wound sequentially.
  • the case 121 accommodates the electrode assembly 127 and serves to protect the battery cell 120 from external shock.
  • the case 121 may be cylindrical, pouch-shaped, or prismatic.
  • the case 121 may be cylindrical.
  • the electrode assembly 127 may be a rolled jelly-roll type electrode assembly
  • the case 121 may be a cylindrical case
  • the battery cell 120 for direct water cooling may be a cylindrical battery cell.
  • the case 121 may be made of a metal material, and the case 121 may be made of one or more materials selected from the group consisting of steel or stainless steel.
  • the surface of the case 121 may be nickel (Ni) plated. That is, the plating layer 121 may include a nickel plating layer.
  • the nickel plating layer has little 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 plating layer 121 may become a factor that hinders the movement of electrons between the porous coating layer 123 and the case 121.
  • the scratch portion (S) may be formed by removing a partial area of the plating layer 121 along the thickness direction of the plating layer 121, and the scratch portion (S) may be formed by removing a portion of the plating layer 121 along the thickness direction of the plating layer 121.
  • a partial area of (121) and the outer surface of the case facing the partial area may be formed.
  • the scratch area S is a plurality of non-plated portions 122b from which a portion of the plating layer 122 has been removed and a plating portion in which a plating layer remains between two adjacent non-plated portions 122b ( 122a) may be included. Additionally, the non-plated portion 122b may mean an area where the outer surface of the case 121 is exposed to the outside because there is no plating layer in the corresponding area. Additionally, the scratch area S may be formed in a partial area of the plating layer 122.
  • the scratch area S is an area where a portion of the plating layer 122 of the case 121 has been removed according to a predetermined pattern. Additionally, the scratch area S may be prepared by scratching the plating layer 122 using a laser. Alternatively, the scratch area S may be formed as the plating layer 122 is etched.
  • the porous coating layer 123 surrounds the plating layer 122 and the scratch area (S), and at least a portion of the area is inserted into the scratch area (S).
  • porous coating layer 123 may be provided so that at least a portion of the porous coating layer 123 is inserted into the scratch area S so as to contact the outer surface of the case 121 through the non-plated portion 121b.
  • the thickness (t) of the porous coating layer 123 may be different from that of the area surrounding the plating layer 122 and the area surrounding the scratch area (S).
  • the thickness of the area surrounding the plating layer 122 of the porous coating layer 123 may be smaller than the thickness of the area surrounding the scratch area S.
  • the porous coating layer 123 is made of a sacrificial metal material with a greater ionization tendency than the case 121.
  • the sacrificial metal may include one or more selected from the group consisting of aluminum, magnesium, zinc, aluminum alloy, magnesium alloy, and zinc alloy.
  • the moisture in the general coolant (W) ionizes the sacrificial metal in the porous coating layer 123 before ionizing reaction with the case 121. and ionization reaction occurs.
  • porous coating layer 123 may be formed as the sacrificial metal is sprayed onto the scratch area (S).
  • the porous coating layer 123 may be coated on the outer surface of the case 121 using a thermal spray coating method.
  • the porous coating layer 123 may have a porous structure as molten sacrificial metal is sprayed into the case 121 together with compressed air.
  • the pore size of the porous coating layer 123 may be 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the porous coating layer 123 formed of sacrificial metal has a porous structure, which has the effect of increasing the contact area with moisture and air, and the sacrificial metal, which has a greater ionization tendency than the case, reacts with moisture first.
  • the waterproof sheet 125 surrounds the outer surface of the case 121 so that the porous coating layer 123 is not exposed to the outside.
  • the waterproof sheet 125 may include a polymer film. With the case surrounded by the polymer film, the waterproof sheet 125 can be heat-compressed to the case 121 by heat-shrinking the polymer film.
  • the heat-shrinkable polymer film may include one or more selected from the group consisting of polyvinylchloride (PVC), polypropylene (PP), or polyethylene terephthalate (PET).
  • PVC polyvinylchloride
  • PP polypropylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • the battery module 100 is provided inside the self-frame 110 and may include waterproof layers 130 and 140 provided to cover the upper and lower portions of the battery cell 120, respectively.
  • the waterproof layers 130 and 140 prevent moisture from permeating into the case 121 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 of the case 121, and a lower waterproof layer 140 may be provided at the lower end of the case 121. Additionally, the plurality of battery cells 120 may be integrally fixed to the inner surface of the cell frame 110 through the waterproof layers 130 and 140 on the upper and lower sides, respectively.
  • 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.
  • FIG. 6 to 10 are drawings for explaining a method of manufacturing a battery cell according to an embodiment of the present invention
  • Figure 11 is a schematic diagram showing a thermal spray coating device used in the method of manufacturing a battery cell.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line a-a in (b) of FIG. 6
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line b-b in (d) of FIG. 6.
  • the porous coating layer 123 may be coated on the outer surface of the case 121 using a thermal spray coating method.
  • the method of manufacturing a battery cell related to an embodiment of the present invention includes the step (a) of forming a scratch area in a plating layer provided on the outer surface of the case and spraying molten sacrificial metal into the scratch area with compressed air, and step (b) of forming a porous coating layer covering the scratch area.
  • the scratch area S may be formed to include a plurality of non-plated portions from which a portion of the plating layer 122 has been removed and a plating portion with a plating layer remaining between two adjacent non-plated portions.
  • porous coating layer 123 may be formed so that at least a portion of the area contacts the outer surface of the case 121 through the non-plated portion.
  • a plate P made of a metal material is prepared.
  • the plate (P) may be formed of one or more selected from the group consisting of steel or stainless steel.
  • the plate P is processed into a case 121, and a plating layer 122 is formed on one surface of the plate P (the outer surface of the case).
  • the plating layer 122 is formed by plating a plating material (eg, nickel) onto one side of the plate P.
  • a plating material eg, nickel
  • each unit area (A1 to A4) constitutes a unit plate that is processed into the case 121, respectively. That is, each unit area has a size that can be manufactured with the case 121.
  • each unit area virtually partitioned on the plate P is referred to as a first unit area A1 to a fourth unit area A4.
  • each unit area is divided into unit plates (P) by being cut along the cutting line (Lc), and referring to (e) of Figure 6, each unit area is cut along the cutting line (Lc).
  • the unit plate P1 may be processed into a cylindrical shape and manufactured into a case 121, respectively.
  • scratch areas S1 to S4 are provided in each unit area A1 to A4.
  • the scratch areas (S1 to S4) are areas where the plating layer 122 of the case 121 is chemically etched according to a predetermined scratch pattern (Ls, see FIG. 8) or the plating layer 122 is scratched by a laser. am.
  • the scratch area S the outer surface (non-plated portion) of the case 121 is exposed to the outside.
  • a scratch area S is provided in each unit area A1 to A4.
  • the scratch areas S of each unit area A1 to A4 are referred to as first scratch areas S1 to fourth scratch areas S4.
  • the first scratch area S1 is an area in the first unit area A1 where the plating layer 122 is damaged
  • the second scratch area S2 is an area in the second unit area A2 where the plating layer 122 is damaged. This is a damaged area.
  • the third scratch area S3 is an area in the third unit area A3 where the plating layer 122 is damaged
  • the fourth scratch area S4 is an area in the fourth unit area A4 where the plating layer 122 is damaged. This is a damaged area.
  • first to fourth scratch areas S1 to S4 are provided on the same plane of the plate P and may be spaced apart from each other.
  • each scratch area (S1 to S4) may have a smaller area than each unit area (A1 to A4).
  • the unit plate P1 may have a scratch pattern Ls, and the scratch pattern includes a regular grid pattern (see FIG. 8(a)), a diagonal grid pattern (see FIG. 8(b)), It may be one of a wave pattern (see FIG. 8(c)), a horizontal straight pattern (see FIG. 8(d)), or a vertical straight pattern (see FIG. 8(e)).
  • the scratch area S may include a plurality of unplated portions from which a portion of the plating layer 122 has been removed and a plating portion with a plating layer remaining between two adjacent non-plated portions.
  • the scratch area (S) within each unit plate (P1) may be provided to be surrounded by the border area (E) of the unit plate (P1), or may be provided on the entire area of one side of the unit plate (P1). .
  • the border area E is an area in which the non-plated portion of the plating layer 122 is not exposed to the outside and only the plated portion is exposed to the outside.
  • the thermal spray coating device 200 sprays molten sacrificial metal (M) together with compressed air (Ac) onto one side of the plate (P) on which the scratch area (S) is provided.
  • the sacrificial metal (M) forms a porous coating layer 123 surrounding the scratch area (S1).
  • the thermal spray coating device 200 includes a metal spray unit 210, an air spray unit 220, a guide unit 240, and a heating unit 250.
  • the guide unit 240 supplies the sacrificial metal wire 231 to the metal spray unit 210, and is installed in an entry path through which the sacrificial metal wire 231 enters the metal spray unit 210.
  • the guide unit 240 may include a pair of guide rolls 241 and 242. A pair of guide rolls 241 and 242 rotate in opposite directions, allowing the sacrificial metal wire 231 to enter the passage 211 of the metal spraying unit 210 and guiding the movement of the sacrificial metal wire 231. .
  • the metal spraying unit 210 is electrically connected to the heating unit 250.
  • the heating unit 250 applies voltage to the metal spraying unit 210.
  • the metal spray unit 210 is provided with a passage 211 through which the sacrificial metal wire 231 passes.
  • the sacrificial metal wire 231 is melted as it passes through the heated metal spray unit 210.
  • the heating temperature of the metal spray unit 210 may vary.
  • the melting temperature of aluminum (Al) is approximately 660°C
  • the melting temperature of magnesium (Mg) is approximately 650°C.
  • the air injection unit 220 sprays compressed air (Ac).
  • the air spray unit 220 may be installed inside the metal spray unit 210.
  • the air spray unit 220 may be disposed within the metal spray unit 210 such that the central axis of the outlet of the air spray unit 220 is coaxial with the central axis of the outlet of the metal spray unit 210.
  • compressed air (Ac) is sprayed from the thermal spray coating device 200 together with the molten sacrificial metal (M).
  • the compressed air (Ac) may be injected at a pressure ranging from 12,000 psi to 16,000 psi, and the compressed air (Ac) may be injected at a speed in the range of 2,000 m/s to 2,200 m/s.
  • the molten sacrificial metal (M) flows along the passage 211 of the metal spray unit 210 and is discharged to the outside of the metal spray unit 210, and the plate ( It is sprayed as P).
  • the molten sacrificial metal (M), along with compressed air (Ac), is sprayed into the scratch area (S) and plated on the plate (P) so that the non-plated portion of the scratch area (S) is not exposed to the outside.
  • the thermal spray coating device 200 can spray molten sacrificial metal (M) into the first scratch area (S1), and this process is performed in the second unit area (A2) to the fourth unit area (A2). A4) can be performed every time.
  • the porous coating layer 123 is formed by spraying molten sacrificial metal (M) together with high-pressure compressed air (Ac) onto the outer surface of the case 121. Accordingly, the bonding strength between the porous coating layer 123 and the case 121 may be increased. That is, as molten sacrificial metal (M) particles are sprayed onto the outer surface of the case 121 along with high-pressure compressed air (Ac), the porous coating layer 123 may be formed.
  • a plurality of porous coating layers 123 covering the first scratch area S1 to the fourth scratch area S4 are formed on one plate P, respectively. It can be provided.
  • One plate P is cut for each unit area A1 to A4 along the cutting line Lc, thereby forming a plurality of unit plates P1.
  • the unit plate P1 provided with the porous coating layer 123 is processed into a cylindrical shape and manufactured into a cylindrical case 121.
  • the porous coating layer 123 can have a microporous structure, and the contact area of the regenerated metal in contact with moisture and air can be increased.
  • the sacrificial metal which has a greater ionization tendency than the case, ionizes and reacts with moisture before the case and is oxidized, thereby oxidizing the inside of the case. Corrosivity can be improved.

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Abstract

본 발명은 배터리셀, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 배터리모듈에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예와 관련된 배터리셀은 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스의 외면에 형성된 도금층, 상기 도금층의 일부영역이 제거되어 형성된 스크래치 영역 및 상기 스크래치 영역을 둘러싸도록 마련되며, 상기 도금층보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생 금속을 포함하는 다공성 코팅층을 포함한다.

Description

배터리셀, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 직접 수냉용 배터리모듈
본 발명은 배터리셀의 케이스보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생금속을 이용하여, 배터리셀의 내부식성을 향상시킬 수 있는 배터리셀, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 직접 수냉용 배터리모듈에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 10월 18일자 한국 특허 출원 제10-2022-0134064호에 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. 상기 셀프레임(11)은 내부에 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(N)(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 배터리셀, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 직접 수냉용 배터리모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예와 관련된 배터리셀은 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 상기 케이스의 외면에 형성된 도금층, 상기 도금층의 일부영역이 제거되어 형성된 스크래치 영역 및 상기 스크래치 영역을 둘러싸도록 마련되며, 상기 도금층보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생 금속을 포함하는 다공성 코팅층을 포함한다.
또한, 상기 스크래치 영역은 상기 도금층의 일부 영역이 제거된 복수 개의 비도금부 및 인접하는 2개의 비도금부 사이에 도금층이 잔존하는 도금부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 다공성 코팅층은 적어도 일부 영역이 상기 스크래치 영역 내로 삽입됨에 의하여 상기 비도금부를 통해 케이스의 외면에 접촉하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 다공성 코팅층은 상기 도금층을 둘러싼 영역의 두께가 상기 스크래치 영역을 둘러싼 영역의 두께보다 작을 수 있다.
또한, 상기 다공성 코팅층은 상기 희생 금속이 상기 스크래치 영역 상에 분사됨에 따라 형성될 수 있다.
또한, 상기 도금층은 니켈 도금층일 수 있고, 상기 희생금속은 알루미늄, 마그네슘, 아연, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 및 아연 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 스크래치 영역은 레이저에 의해 상기 도금층이 스크래치 처리됨에 따라 마련될 수 있다.
또한, 상기 배터리셀은 고분자 필름을 포함하며, 상기 다공성 코팅층을 둘러싸는 방수 시트를 추가로 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예와 관련된 배터리 모듈은 복수 개의 배터리셀, 복수 개의 배터리셀이 이격되어 배치되며, 복수 개의 배터리셀 사이로 냉각수가 유동 가능하게 마련된 셀프레임 및 셀프레임 내부로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급부를 포함한다.
또한, 상기 냉각수 공급부는 절연 처리되지 않은 냉각수를 공급하도록 마련된다.
또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 배터리셀의 제조방법은 케이스의 외면에 마련된 도금층에 스크래치 영역을 형성하는 단계 (a) 및 용융된 희생금속을 압축 공기와 함께 상기 스크래치 영역으로 분사함으로써, 상기 스크래치 영역을 덮는 다공성 코팅층을 형성하는 단계 (b)를 포함한다.
또한, 상기 스크래치 영역은 상기 도금층의 일부 영역이 제거된 복수 개의 비도금부 및 인접하는 2개의 비도금부 사이에 도금층이 잔존하는 도금부를 포함하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 다공성 코팅층은 적어도 일부 영역이 상기 비도금부를 통해 케이스의 외면에 접촉하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 압축 공기는 12000psi 내지 16000psi 범위의 압력으로 분사될 수 있다
또한, 상기 압축 공기는 2000m/s 내지 2200m/s 범위의 속도로 분사될 수 있다.
또한, 상기 단계 (a)에서, 상기 스크래치 영역은 상기 도금층이 레이저에 의해 제거됨으로써 형성될 수 있다.
또한, 상기 배터리셀의 제조방법은 단계 (b) 이후에, 상기 다공성 코팅층이 외부로 노출되지 않도록 방수필름을 케이스에 열 수축시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 배터리셀, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 직접 수냉용 배터리모듈은 다음과 같은 효과를 갖는다.
케이스의 도금층에 스크래치 영역을 마련하고, 다공성 코팅층이 스크래치 영역을 덮도록 함으로써, 상기 스크래치 영역을 통해 다공성 코팅층과 도금층이 제거된 케이스의 외면 간의 전자의 이동을 원할하게 할 수 있고, 이에 따라, 케이스의 내부식성을 향상시킬 수 있다.
또한, 케이스보다 이온화 경향이 큰 희생금속이 케이스보다 수분과 먼저 이온화 반응하여 산화됨에 따라, 케이스의 내부식성을 향상시킬 수 있다.
또한, 용융된 희생금속이 고압의 압축 공기와 함께 케이스로 분사시킴으로써 상기 스크래치 영역을 덮는 다공성 코팅층을 형성할 수 있고, 다공성 코팅층과 케이스 간의 결합력을 증대시켜, 케이스의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 다공성 코팅층이 용사 코팅 방식으로 형성됨에 따라 미세 다공 구조를 가질 수 있고, 이에 따라 수분 및 공기에 접촉되는 접촉 면적을 증대시킬 수 있다.
또한, 스크래치 영역을 통해 케이스와 다공성 코팅층 간의 전자의 이동을 원활하게 하여, 케이스와 다공성 코팅층 간의 전기적 연결의 안정성을 도모할 수 있다.
또한, 배터리셀의 내부식성을 향상시킴으로써, 절연 처리된 고가의 특수 냉각수가 아니라, 절연처리되지 않은 저가의 일반 냉각수를 사용하여, 직접 수냉 방식을 구현할 수 있다.
도 1은 종래 배터리모듈의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈의 구성도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 배터리셀의 제조 방법에 사용되는 용사 코팅 장치를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀(이하, '직접 수냉용 배터리셀'이라고도 함), 이의 제조방법 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)의 구성도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀(120)의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
구체적으로, 도 3은 스크래치 영역이 마련된 상태의 케이스를 나타내고, 도 4는 다공성 코팅층이 형성된 상태의 케이스를 나타내며, 도 5는 다공성 코팅층을 덮는 방수 시트가 구비된 상태의 케이스를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 수냉용 배터리모듈(100)은 셀프레임(110), 적어도 하나의 직접 수냉용 배터리셀(120)과 일반 냉각수(W)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리모듈(100)은, 복수 개의 배터리셀(120), 복수 개의 배터리셀(120)을 수용하는 셀 프레임(110) 및 냉각수 공급부(160)를 포함한다.
구체적으로, 상기 배터리모듈(100)은 복수 개의 배터리셀(100), 복수 개의 배터리셀(120)이 이격되어 배치되며, 복수 개의 배터리셀(120) 사이로 냉각수(W)가 유동 가능하게 마련된 셀프레임(110) 및 셀프레임(110) 내부로 냉각수(W)를 공급하기 위한 냉각수 공급부(160)를 포함한다.
상기 배터리모듈(100)은 냉각수(W)를 통해 배터리셀(120)을 직접 냉각시키는 직접 수냉 구조를 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 셀프레임(110)은 내부에 소정 공간부를 가지며, 상기 공간부 내에서 냉각수(W)가 유동 가능한 구조로 마련된다. 상기 냉각수(W)는 셀 프레임(110) 내부 공간부로 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. 또한, 상기 냉각수 공급부(160)는 냉각수 저장조 및 펌프를 포함할 수 있다. 또한, 상기 냉각수 공급부(160)는 절연 처리되지 않은 냉각수(W)를 공급하도록 마련될 수 있다. 상기 일반 냉각수(W)는 차량에서 일반적으로 사용되는 냉각수일 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀(120)은 전극 조립체(127), 케이스(121), 도금층(122), 도금층(122) 상에 마련된 스크래치 영역(S) 및 스크래치 영역(S)을 둘러싸는 다공성 코팅층(123)를 포함한다.
또한, 상기 배터리셀(120)은 고분자 필름을 포함하며, 상기 다공성 코팅층(123)를 둘러싸도록 마련된 방수 시트(125)를 포함할 수 있다.
상기 배터리셀(120)은 전극 조립체(127), 상기 전극 조립체(127)를 수용하는 케이스(121), 상기 케이스(121)의 외면에 형성된 도금층(122), 상기 도금층(122)의 일부영역이 제거되어 형성된 스크래치 영역(S) 및 상기 스크래치 영역(S)을 둘러싸도록 마련되며, 상기 도금층(122)보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생 금속을 포함하는 다공성 코팅층(123)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 직접 수냉용 배터리셀(100)이 냉각수(W)에 함침 시, 수분은 다공성 코팅층(123)으로 전달될 수 있다. 이때 다공성 코팅층(123)의 희생 금속은 수분에 대한 금속의 이온화 반응이, 케이스(121)의 수분에 대한 금속 이온화 반응보다 크기 때문에, 케이스(121)의 내부식성을 향상시킬 수 있다.
또한, 직접 수냉용 배터리셀(120)이 냉각수(W)에 함침될 때, 직접 수냉용 배터리셀(120)은 케이스(121)와 다공성 코팅층(123) 간의 금속의 이온화 반응의 차이로 인해, 냉각수(W)의 수분이 다공성 코팅층의 희생 금속과 이온화 반응하게 되고, 그 결과, 케이스(121)의 금속 이온화 반응이 억제되어 케이스(121)의 부식을 방지할 수 있다.
상기 전극 조립체(127)는 케이스(121) 내에 수납되며, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 배치된 분리막을 포함한다. 상기 전극과 분리막은 일체화된 전극 조립체(127)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 조립체(127)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(127)를 수용하고, 외부의 충격으로부터 배터리 셀(120)을 보호하는 역할을 한다. 상기 케이스(121)는 원통형, 파우치형 또는 각형일 수 있으며, 예를 들어, 상기 케이스(121)는 원통형일 수 있다. 특히, 상기 전극 조립체(127)는 권취된 젤리-롤형 전극 조립체이고, 케이스(121)는 원통형 케이스일 수 있으며, 상기 직접 수냉용 배터리셀(120)은 원통형 배터리셀일 수 있다.
또한, 케이스(121)는 금속 재질로 형성될 수 있고, 상기 케이스(121)는 스틸(steel) 또는 스테인리스 스틸(stainless steel)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 케이스(121)의 표면은 니켈(Ni) 도금 처리될 수 있다. 즉, 상기 도금층(121)은 니켈 도금층을 포함할 수 있다.
한편, 상기 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, 도금층(121) 상에 다공성 코팅층(123)가 구비되면, 도금층(121)은 다공성 코팅층(123)와 케이스(121) 간 전자의 이동을 방해하는 요인이 될 수 있다.
상기 도금층(121)에 스크래치 영역(S)를 형성한 후, 스크래치 영역(S)에 다공성 코팅층(123)를 결합시킴으로써, 다공성 코팅층(123)와 케이스(121) 간의 전자 이동이 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 스크래치부(S)는 도금층(121)의 두께방향을 따라 도금층(121)의 일부영역이 제거되어 형성될 수도 있고, 상기 스크래치부(S)는 도금층(121)의 두께방향을 따라 도금층(121)의 일부영역 및 상기 일부영역과 마주하는 케이스의 외면까지 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 스크래치 영역(S)은 상기 도금층(122)의 일부 영역이 제거된 복수 개의 비도금부(122b) 및 인접하는 2개의 비도금부(122b) 사이에 도금층이 잔존하는 도금부(122a)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 비도금부(122b)라 함은 해당 영역에 도금층이 존재하지 않아서, 케이스(121)의 외면이 외부로 노출된 영역을 의미할 수 있다. 또한, 상기 스크래치 영역(S)은 도금층(122)의 일부 영역에 형성될 수 있다.
상기 스크래치 영역(S)은 소정 패턴에 따라 케이스(121)의 도금층(122)이 일부 제거된 영역이다. 또한, 상기 스크래치 영역(S)은 레이저에 의해 상기 도금층(122)이 스크래치 처리됨에 따라 마련될 수 있다. 이와는 다르게, 상기 스크래치 영역(S)은 상기 도금층(122)이 에칭 처리됨에 따라 마련될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 상기 다공성 코팅층(123)은 도금층(122) 및 스크래치 영역(S)을 둘러싸며, 적어도 일부 영역이 스크래치 영역(S) 내로 삽입된다.
또한, 상기 다공성 코팅층(123)은 적어도 일부 영역이 상기 스크래치 영역(S) 내로 삽입됨에 의하여 상기 비도금부(121b)를 통해 케이스(121)의 외면에 접촉하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 다공성 코팅층(123)은 도금층(122)을 둘러싼 영역과, 스크래치 영역(S)을 둘러싼 영역의 두께(t)가 상이할 수 있다. 상기 다공성 코팅층(123)은 도금층(122)을 둘러싼 영역의 두께가 스크래치 영역(S)을 둘러싼 영역의 두께보다 작을 수 있다.
상기 다공성 코팅층(123)은 케이스(121)보다 이온화 경향이 큰 희생 금속 재질로 형성된다. 상기 희생 금속은 알루미늄, 마그네슘, 아연, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 아연 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 희생금속의 이온화 경향이 케이스(121)의 재질인 스틸 또는 스테인레스 스틸보다 이온화 반응이 크기 때문에, 일반 냉각수(W)의 수분은 케이스(121)와 이온화 반응하기 전에 다공성 코팅층(123)의 희생 금속과 이온화 반응한다.
또한, 상기 다공성 코팅층(123)은 상기 희생 금속이 상기 스크래치 영역(S) 상에 분사됨에 따라 형성될 수 있다.
일 예로, 상기 다공성 코팅층(123)은 용사 코팅 방식으로 케이스(121)의 외면에 코팅될 수 있다. 상기 다공성 코팅층(123)은 용융된 희생금속이 압축 공기와 함께 케이스(121)로 분사됨에 따라 다공 구조를 가질 수 있다. 상기 다공성 코팅층(123)의 기공의 크기는 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
또한, 희생 금속으로 형성된 다공성 코팅층(123)은 다공 구조를 가짐으로써, 수분 및 공기와 접촉 면적이 늘어나는 효과를 갖고, 케이스보다 이온화 경향이 큰 희생금속이 먼저 수분과 반응하게 된다.
도 5를 참조하면, 상기 방수 시트(125)는 다공성 코팅층(123)이 외부로 노출되지 않게, 케이스(121)의 외면을 둘러싼다. 상기 방수 시트(125)는 고분자 필름을 포함할 수 있다. 상기 고분자 필름으로 케이스를 둘러싼 상태에서, 상기 고분자 필름을 열수축시킴으로써 방수 시트(125)를 케이스(121)에 열압착시킬 수 있다.
열수축 가능한 고분자 필름은 폴리염화비닐(Polyvinylchloride, PVC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 또는 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate, PET)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 배터리모듈(100)은 셀프레임(110) 내부에 마련되며, 상기 배터리셀(120)의 상단부 및 하단부를 각각 덮도록 마련된 방수층(130, 140)을 포함할 수 있다. 상기 방수층(130, 140)은 케이스(121)로 수분이 투습되는 것을 방지하고, 배터리셀(120)을 셀 프레임(110)에 고정시키는 기능을 수행한다.
상기 케이스(121)의 상단부에 상부 방수층(130)이 마련될 수 있고, 상기 케이스(121)의 하단부에 하부 방수층(140)이 마련될 수 있다. 또한 복수 개의 배터리셀(120)은 상단부 측과 하단부 측이 각각 방수층(130, 140)을 통해 셀 프레임(110) 내면에 일체로 고정될 수 있다.
또한, 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.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리셀의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이고, 도 11은 배터리셀의 제조 방법에 사용되는 용사 코팅 장치를 나타내는 개략도이다. 또한, 도 7은 도 6의 (b)의 선 a-a를 따라 절취한 상태의 단면도이고, 도 9는 도 6의 (d)의 선 b-b를 따라 절취한 상태의 단면도이다.
전술한 바와 같이, 상기 다공성 코팅층(123)은 용사 코팅 방식으로 케이스(121)의 외면에 코팅될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 배터리셀의 제조방법은 케이스의 외면에 마련된 도금층에 스크래치 영역을 형성하는 단계 (a) 및 용융된 희생금속을 압축 공기와 함께 상기 스크래치 영역으로 분사함으로써, 상기 스크래치 영역을 덮는 다공성 코팅층을 형성하는 단계 (b)를 포함한다.
또한, 상기 스크래치 영역(S)은 상기 도금층(122)의 일부 영역이 제거된 복수 개의 비도금부 및 인접하는 2개의 비도금부 사이에 도금층이 잔존하는 도금부를 포함하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 다공성 코팅층(123)은 적어도 일부 영역이 상기 비도금부를 통해 케이스(121)의 외면에 접촉하도록 형성될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 금속 재질을 가진 판재(P)가 준비된다. 상기 판재(P)는 스틸 또는 스테인레스 스틸으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다. 상기 판재(P)는 케이스(121)로 가공되며, 상기 판재(P)의 일면(케이스의 외면)에는 도금층(122)이 형성된다.
상기 도금층(122)은 도금 물질(예를 들어, 니켈)이 판재(P)의 일면에 도금 처리된 것이다.
도 6(a)를 참조하면, 한 개의 판재(P)는 여러 개의 단위 영역(A1 내지 A4)으로 구획된다. 여기서, 각각의 단위 영역(A1 내지 A4)은 각각 케이스(121)로 가공되는 단위 판재를 구성한다. 즉, 각각의 단위 영역은 케이스(121)로 제작 가능한 크기를 가진다. 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해, 판재(P)에 가상 구획된 각각의 단위 영역에 대해, 제1 단위 영역(A1) 내지 제4 단위 영역(A4)으로 구분하여 지칭한다.
도 6의 (c) 및 (d)를 참조하면, 각각의 단위 영역은 절단 라인(Lc)을 따라 절단됨으로써, 단위 판재(P)로 분할되며, 도 6의 (e)를 참조하면, 각각의 단위 판재(P1)는 원통형으로 가공되어, 각각 케이스(121)로 제작될 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 각각의 단위 영역(A1 내지 A4)에는 스크래치 영역(S1 내지 S4)이 각각 마련된다.
상기 스크래치 영역(S1 내지 S4)은 소정의 스크래치 패턴(Ls, 도 8 참조)에 따라 케이스(121)의 도금층(122)이 화학적 방식으로 에칭 처리되거나, 레이저에 의해 도금층(122)이 스크래치된 영역이다. 스크래치 영역(S)에서, 케이스(121)의 외면(비도금부)은 외부로 노출되게 마련된다.
또한, 스크래치 영역(S)은 각 단위 영역(A1 내지 A4)마다 마련된다. 본 문서에서는 각 단위 영역(A1 내지 A4)의 스크래치 영역(S)을 제1 스크래치 영역(S1) 내지 제4 스크래치 영역(S4)으로 구분하여 지칭하기로 한다.
여기서, 제1 스크래치 영역(S1)은 제1 단위 영역(A1)에서, 도금층(122)이 손상된 영역이고, 제2 스크래치 영역(S2)은 제2 단위 영역(A2)에서, 도금층(122)이 손상된 영역이다.
또한, 제3 스크래치 영역(S3)은 제3 단위 영역(A3)에서, 도금층(122)이 손상된 영역이고, 제4 스크래치 영역(S4)은 제4 단위 영역(A4)에서, 도금층(122)이 손상된 영역이다.
또한, 제1 스크래치 영역(S1) 내지 제4 스크래치 영역(S4)은 판재(P)의 동일 평면 상에 마련되며, 서로 이격 배치될 수 있다.
또한, 각각의 스크래치 영역(S1~S4)은 각각의 단위 영역(A1~A4)보다 작은 면적을 가질 수 있다.
도 8을 참조하면, 단위 판재(P1)는 스크래치 패턴(Ls)를 가질 수 있고, 상기 스크래치 패턴은 정격자 패턴(도 8(a) 참조), 사선 격자 패턴(도 8(b) 참조), 물결무늬 패턴(도 8(c) 참조), 가로 일자형 패턴(도 8(d) 참조) 또는 세로 일자형 패턴(도 8(e) 참조) 중 어느 하나일 수 있다.
이와 같은 스크래치 패턴에 따라, 상기 스크래치 영역(S)은 상기 도금층(122)의 일부 영역이 제거된 복수 개의 비도금부 및 인접하는 2개의 비도금부 사이에 도금층이 잔존하는 도금부를 포함할 수 있다.
각각의 단위 판재(P1) 내 스크래치 영역(S)은 단위 판재(P1)의 테두리 영역(E)에 의해 둘러 싸여지게 마련될 수고 있고, 단위 판재(P1)의 일면의 전 영역에 마련될 수도 있다. 상기 테두리 영역(E)은 도금층(122) 중 비도금부가 외부로 노출되지 않고, 도금부만 외부로 노출된 영역이다.
도 9 및 도 11을 참조하면, 용사 코팅 장치(200)는 용융된 희생금속(M)을 압축 공기(Ac)와 함께, 스크래치 영역(S)이 마련된 판재(P)의 일면으로 분사한다. 도 10을 참조하면, 상기 희생금속(M)은 스크래치 영역(S1)을 둘러싸는 다공성 코팅층(123)을 형성한다.
도 11을 참조하면, 용사 코팅 장치(200)는 금속분사부(210), 공기분사부(220), 가이드부(240) 및 가열부(250)를 포함한다.
상기 가이드부(240)는 희생금속 와이어(231)를 금속분사부(210)로 공급하며, 희생금속 와이어(231)가 금속분사부(210)로 진입하는 진입 경로에 설치된다. 상기 가이드부(240)는 한 쌍의 가이드롤(241, 242)을 포함할 수 있다. 한 쌍의 가이드롤(241, 242)은 서로 반대 방향으로 회전되면서, 희생금속 와이어(231)를 금속분사부(210)의 통로(211)로 진입시키고, 희생금속 와이어(231)의 이동을 안내한다.
상기 금속분사부(210)는 가열부(250)에 전기적으로 연결된다. 가열부(250)는 금속분사부(210)에 전압을 인가한다.
또한, 금속분사부(210)에는 희생금속 와이어(231)가 통과하는 통로(211)가 마련된다. 상기 희생금속 와이어(231)는 가열된 금속분사부(210)를 통과하면서 용융된다.
또한, 희생금속의 종류에 따라, 금속분사부(210)의 가열 온도는 가변될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄(Al)의 용융온도는 대략 660℃이고, 마그네슘(Mg)의 용융온도는 대략 650℃이다.
상기 공기분사부(220)는 압축 공기(Ac)를 분사한다. 공기분사부(220)는 금속분사부(210)의 내부에 설치될 수 있다. 상기 공기분사부(220)는 공기분사부(220)의 배출구의 중심축이 금속분사부(210)의 배출구의 중심축과 동축 상에 위치되게, 금속분사부(210) 내에 배치될 수 있다.
또한, 압축 공기(Ac)는 용융된 희생금속(M)과 함께 용사 코팅 장치(200)에서 분사된다. 상기 압축 공기(Ac)는 12,000psi 내지 16,000psi 범위의 압력으로 분사될 수 있고, 상기 압축 공기(Ac)는 2,000m/s 내지 2,200m/s 범위의 속도로 분사될 수 있다.
용융된 희생금속(M)은 금속분사부(210)의 통로(211)를 따라 유동하여 금속분사부(210) 외부로 배출되며, 공기분사부(220)에서 배출된 압축 공기(Ac)에 의해 판재(P)로 분사된다.
용융된 희생금속(M)은 압축 공기(Ac)와 함께, 스크래치 영역(S)으로 분사되어, 스크래치 영역(S)의 비도금부가 외부로 노출되지 않게 판재(P)에 도금된다.
도 9를 참조하면, 용사 코팅 장치(200)는 제1 스크래치 영역(S1)으로 용융된 희생금속(M)을 분사할 수 있고, 이 과정은 제2 단위 영역(A2) 내지 제4 단위 영역(A4)마다 수행될 수 있다.
상기 다공성 코팅층(123)는 용융된 희생금속(M)이 고압의 압축 공기(Ac)와 함께 케이스(121)의 외면으로 분사됨에 의하여 형성된다. 이에 따라, 다공성 코팅층(123)과 케이스(121)의 결합력이 증대될 수 있다. 즉, 고압의 압축 공기(Ac)와 함께 용융된 희생금속(M) 입자가 케이스(121)의 외면에 분사됨에 따라, 다공성 코팅층(123)이 형성될 수 있다.
이러한 과정에 의해, 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 한 개의 판재(P)에는 제1 스크래치 영역(S1) 내지 제4 스크래치 영역(S4)을 각각 덮는 복수의 다공성 코팅층(123)이 각각 마련될 수 있다.
한 개의 판재(P)는 절단 라인(Lc)을 따라, 각각의 단위 영역(A1 내지 A4)마다 절단됨으로써, 복수 개의 단위 판재(P1)를 구성한다. 다공성 코팅층(123)이 마련된 단위 판재(P1)는 원통형으로 가공되어, 원통형 케이스(121)로 제작된다.
이와 같은 방법으로, 대량의 케이스(121)의 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.
용사 코팅 방식을 통해 상기 다공성 코팅층(123)은 미세 다공 구조를 가질 수 있고, 수분 및 공기에 접촉되는 회생금속의 접촉 면적을 증대시킬 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 일 실시예와 관련된 배터리셀, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 직접 수냉용 배터리모듈에 따르면, 케이스보다 이온화 경향이 큰 희생금속이 케이스보다 수분과 먼저 이온화 반응하여 산화됨에 따라, 케이스의 내부식성을 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 케이스;
    상기 케이스의 외면에 형성된 도금층;
    상기 도금층의 일부영역이 제거되어 형성된 스크래치 영역; 및
    상기 스크래치 영역을 둘러싸도록 마련되며, 상기 도금층보다 금속의 이온화 경향이 큰 희생 금속을 포함하는 다공성 코팅층을 포함하는 배터리셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크래치 영역은 상기 도금층의 일부 영역이 제거된 복수 개의 비도금부 및 인접하는 2개의 비도금부 사이에 도금층이 잔존하는 도금부를 포함하는 배터리셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    다공성 코팅층은 적어도 일부 영역이 상기 비도금부를 통해 케이스의 외면에 접촉하도록 마련된 배터리셀.
  4. 제 2 항에 있어서,
    다공성 코팅층은 상기 도금층을 둘러싼 영역의 두께가 상기 스크래치 영역을 둘러싼 영역의 두께보다 작은 배터리셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 코팅층은 상기 희생 금속이 상기 스크래치 영역 상에 분사됨에 따라 형성된 배터리셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도금층은 니켈 도금층이고,
    상기 희생금속은 알루미늄, 마그네슘, 아연, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 및 아연 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상인 배터리셀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크래치 영역은 레이저에 의해 상기 도금층이 스크래치 처리됨에 따라 마련된 배터리셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    고분자 필름을 포함하며, 상기 다공성 코팅층을 둘러싸는 방수 시트를 추가로 포함하는 배터리셀.
  9. 제 1 항에 따른 복수 개의 배터리셀;
    복수 개의 배터리셀이 이격되어 배치되며, 복수 개의 배터리셀 사이로 냉각수가 유동 가능하게 마련된 셀프레임; 및
    셀프레임 내부로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급부를 포함하며,
    상기 냉각수 공급부는 절연 처리되지 않은 냉각수를 공급하도록 마련된 배터리 모듈.
  10. 제 1 항에 따른 배터리셀의 제조방법으로서,
    케이스의 외면에 마련된 도금층에 스크래치 영역을 형성하는 단계 (a); 및
    용융된 희생금속을 압축 공기와 함께 상기 스크래치 영역으로 분사함으로써, 상기 스크래치 영역을 덮는 다공성 코팅층을 형성하는 단계 (b)를 포함하는 배터리셀의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 스크래치 영역은 상기 도금층의 일부 영역이 제거된 복수 개의 비도금부 및 인접하는 2개의 비도금부 사이에 도금층이 잔존하는 도금부를 포함하도록 형성되고,
    상기 다공성 코팅층은 적어도 일부 영역이 상기 비도금부를 통해 케이스의 외면에 접촉하도록 형성되는 배터리셀의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 압축 공기는 12000psi 내지 16000psi 범위의 압력으로 분사되는 배터리셀의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 압축 공기는 2000m/s 내지 2200m/s 범위의 속도로 분사되는 배터리셀의 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서, 상기 스크래치 영역은 상기 도금층이 레이저에 의해 제거됨으로써 형성되는 배터리셀의 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 다공성 코팅층이 외부로 노출되지 않도록 방수필름을 케이스에 열 수축시키는 단계를 추가로 포함하는 배터리셀의 제조 방법.
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