WO2024143753A1 - 배터리 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량 - Google Patents

배터리 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량 Download PDF

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery assembly, a battery pack including the same, and a vehicle. More specifically, it relates to a battery assembly having a plurality of chargeable and dischargeable battery cells, and a battery pack and a vehicle including the battery assembly.
  • secondary batteries refer to batteries that can be repeatedly charged and discharged, such as lithium-ion batteries, lithium polymer batteries, nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, and nickel-zinc batteries.
  • a battery cell which is the most basic secondary battery, can provide an output voltage of approximately 2.5V to 4.2V.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a battery assembly that prevents sequential thermal runaway or ignition of battery cells included in a battery module or battery pack, and a battery pack and vehicle including the same.
  • the thermal expansion material may include silicone foam or polyurethane foam.
  • the fire extinguishing material may include at least one of a fire extinguishing agent in a liquid state, a gel state, and a powder state, and an inert gas.
  • the stretchable receptor includes an injection port used to inject the thermally expandable material in a gel or liquid state into the receiving space; And it may include a sealing part that seals the injection port.
  • the battery assembly further includes a bus bar fixed at a predetermined position and electrically connected to electrode leads of the two battery cells, wherein the electrode leads are connected to the electrode leads of the two battery cells, respectively. It extends toward the bus bar and is coupled to the bus bar, and at least one of the electrode leads may be configured such that a length extended toward the bus bar increases as the gap between the two battery cells expands.
  • the at least one electrode lead has a folded portion provided by folding at least a portion of the electrode lead, and the folded portion gradually unfolds as the gap between the two battery cells expands, thereby folding the corresponding electrode lead. It can be configured to increase the extension length of the electrode lead.
  • a thermal barrier disposed between battery cells expands at a temperature above the first critical temperature and expands between the battery cells, thereby blocking heat propagation between the battery cells, and as a result, the battery cells It can suppress or delay overheating or thermal runaway of battery cells and prevent sequential thermal runaway or ignition of battery cells.
  • the thermal barrier includes a stretchable receptor that accommodates a thermal expansion material, it is possible to block heat propagation between battery cells using a thermal expansion material in a gel or liquid state.
  • FIG. 1 is a diagram showing a battery assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded view showing the battery assembly shown in FIG. 1.
  • Figure 3 is an enlarged view showing portion A1 of Figure 1.
  • FIG. 7 is a diagram showing the thermal expansion state of the thermal barrier shown in FIG. 6.
  • Figure 10 is a diagram showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the thermal barrier 120 is melted at a temperature of a second critical temperature that is higher than the first critical temperature, and the thermal expansion material or extinguishing material in a gel or liquid state contained therein is melted. It can be configured to discharge.
  • At least the coating of the elastic receptor 122 may be made of a material containing at least one of silicone, polyurethane, polydimethylsiloxane (PDMS), and acrylonitrile copolymer.
  • the thermal expansion material 124 may include a gel-like or liquid-state material such as aerogel. Depending on the embodiment, the thermal expansion material 124 may include a phase change material that changes state by generating an endothermic reaction or an exothermic reaction depending on the temperature.
  • the thermal expansion material 124 may include polyurethane foam (PU foam), silicone foam (Si foam), or a material containing both.
  • the thermal expansion material 124 may be composed of a porous material.
  • the thermal barrier 120 may further include a fire extinguishing material accommodated in the receiving space of the elastic receptor 122.
  • the fire extinguishing material may include at least one of a liquid or powder fire extinguishing agent and an inert gas.
  • FIG. 7 shows the thermal expansion state of the thermal barrier 120 shown in FIG. 6.

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Abstract

본 발명의 일 양태에 따른 배터리 어셈블리는, 상호 적층된 복수의 배터리 셀; 및 상기 복수의 배터리 셀 중 상호 인접한 2개의 배터리 셀 사이에 배치되는 서멀 배리어(thermal barrier)를 포함하고, 상기 서멀 배리어는, 신축성을 가진 피막으로 둘러싸인 수용 공간을 구비하는 신축성 수용체; 및 상기 수용 공간에 수용되고, 제1 임계 온도 이상의 온도에서 팽창되어 상기 2개의 배터리 셀 사이의 간격을 확장시키는 열팽창 물질을 포함한다.

Description

배터리 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량
본 출원은 2022년 12월 28일에 출원된 한국 특허출원 제10-2022-0187200호와, 2023년 3월 31일에 출원된 한국 특허출원 제10-2023-0043174호를 기초로 한 우선권 주장을 수반하며, 해당 특허출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 충방전 가능한 복수의 배터리 셀을 구비한 배터리 어셈블리와, 이러한 배터리 어셈블리를 포함하는 배터리 팩 및 차량에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지(secondary battery)는 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등과 같이 반복적 충방전이 가능한 배터리를 말한다. 가장 기본적인 이차전지에 해당하는 배터리 셀(battery cell)은 대략 2.5V에서 4.2V 정도의 출력 전압을 제공할 수 있다.
최근, 이러한 이차전지가 전기 차량(electric vehicle)이나 ESS(Energy Storage System) 등과 같이 높은 출력 전압과 대량의 충전 용량을 요구하는 장치들에 적용되면서, 복수의 배터리 셀을 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬을 조합한 방식으로 연결여 구성된 배터리 모듈(battery module)과, 배터리 모듈들을 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬을 조합한 방식으로 연결하여 구성된 배터리 팩(battery pack)이 널리 사용되고 있다.
이와 같이, 배터리 모듈 또는 배터리 팩에 포함된 배터리 셀들은, 에너지 밀도를 높이기 위해 좁은 공간에 조밀하게 배치되기 때문에, 각각의 배터리 셀에서 발생하는 고온 가스나 화염의 배출 방향을 정밀하게 제어할 필요가 있다.
그러나, 한국 공개특허공보 제10-2022-0052183호에 개시된 바와 같이, 기존 기술은 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 에너지 밀도를 높이기 위해, 다수의 배터리 셀들을 좁은 공간에 조밀하게 배치하기 때문에, 어느 한 배터리 셀에서 과열이나 열 폭주 발생 시 다른 배터리 셀들의 연쇄적인 열 폭주나 발화를 초래하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 배터리 모듈이나 배터리 팩에 포함된 배터리 셀들의 연쇄적 열 폭주나 발화를 방지하는 배터리 어셈블리와, 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 배터리 어셈블리는, 상호 적층된 복수의 배터리 셀; 및 상기 복수의 배터리 셀 중 상호 인접한 2개의 배터리 셀 사이에 배치되는 서멀 배리어(thermal barrier)를 포함하고, 상기 서멀 배리어는, 신축성을 가진 피막으로 둘러싸인 수용 공간을 구비하는 신축성 수용체; 및 상기 수용 공간에 수용되고, 제1 임계 온도 이상의 온도에서 팽창되어 상기 2개의 배터리 셀 사이의 간격을 확장시키는 열팽창 물질을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 신축성 수용체는, 실리콘, 폴리우레탄, PDMS(polydimethylsiloxane) 및 아크릴로니트릴코폴리머(Acrylonitrile copolymer) 중 1 또는 2 이상을 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 신축성 수용체는, 상기 제1 임계 온도보다 높은 제2 임계 온도 이상의 온도에서 용융되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열팽창 물질은, 겔(gel) 상태 또는 액체 상태의 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열팽창 물질은, 실리콘 폼 또는 폴리우레탄 폼을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 서멀 배리어는, 상기 신축성 수용체의 수용 공간에 수용되는 소화 물질을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 소화 물질은, 액체 상태, 겔 상태 및 분체 상태의 소화약제와 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 신축성 수용체는, 상기 제1 임계 온도 이상의 온도에서 상기 열팽창 물질에 의해 볼륨이 증가되고, 상기 제1 임계 온도보다 높은 제2 임계 온도 이상의 온도에서 용융되어 상기 수용 공간에 수용된 상기 소화 물질을 배출하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 신축성 수용체는, 상기 수용 공간으로 겔 상태 또는 액체 상태의 상기 열팽창 물질을 주입하는데 사용되는 주입구; 및 상기 주입구를 실링하는 실링부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배터리 어셈블리는, 미리 정해진 위치에 고정되어 상기 2개의 배터리 셀의 전극 리드들과 전기적으로 연결되는 버스바를 더 포함하고, 상기 전극 리드들은, 상기 2개의 배터리 셀에서 각각 상기 버스바 측으로 연장되어 상기 버스바에 결합되고, 상기 전극 리드들 중 적어도 하나의 전극 리드는, 상기 2개의 배터리 셀 사이의 간격이 확장됨에 따라 상기 버스바 측으로 연장된 길이가 증가되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극 리드는, 해당 전극 리드의 적어도 일부분이 접철되어 마련된 접철부를 구비하고, 상기 접철부는, 상기 2개의 배터리 셀 사이의 간격이 확장됨에 따라 점진적으로 펴지면서 해당 전극 리드의 연장 길이를 증가시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배터리 어셈블리는, 상기 전극 리드들을 클램핑하여 상호 밀착시키도록 구성된 클램핑 부재를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전극 리드는, 상기 클램핑 부재에 의해 다른 전극 리드와 밀착된 부분을 제외한 부분에, 상기 접철부를 구비할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배터리 어셈블리는, 상기 복수의 배터리 셀이 수용되는 내부 공간을 가진 케이스를 더 포함하고, 상기 내부 공간에 수용된 상기 복수의 배터리 셀 중 최외곽에 위치한 배터리 셀과, 상기 내부 공간을 이루는 상기 케이스의 내부면 사이에는, 여유 공간이 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에 따른 배터리 팩은, 상술한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 배터리 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 양태에 따른 차량은, 상술한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 배터리 어셈블리를 포함한다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀들 사이에 배치되는 서멀 배리어(thermal barrier)가, 제1 임계 온도 이상의 온도에서 팽창되어 상기 배터리 셀들 사이를 확장시킴으로써, 배터리 셀들 간의 열 전파를 차단할 수 있으며, 그 결과 배터리 셀들의 과열나 열 폭주를 억제 또는 지연시키며, 배터리 셀들의 연쇄적 열 폭주나 발화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 서멀 배리어가, 열팽창 물질을 수용하는 신축성 수용체를 포함함으로써, 겔 상태나 액체 상태의 열팽창 물질을 사용하여 배터리 셀들 간의 열 전파를 차단할 수 있다.
또한, 상기 신축성 수용체가, 상기 제1 임계 온도 이상의 온도에서 상기 열팽창 물질에 의해 볼륨이 증가되고, 상기 제1 임계 온도보다 높은 제2 임계 온도 이상의 온도에서 용융되어 소화 물질을 배출하도록 구성됨으로써, 열 전파 차단 기능과 소화 기능을 모두 제공할 수 있다.
또한, 상기 서멀 배리어와 인접한 배터리 셀의 전극 리드가, 길이의 변경이 가능하도록 구성됨으로써, 상기 서멀 배리어가 열팽창함에 따라 상기 배터리 셀의 위치가 변경되는 경우에도 상기 배터리 셀의 전기적 단선을 방지할 수 있다.
나아가, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에 따른 다양한 실시예들이 상기 언급되지 않은 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음을 이하의 설명으로부터 자명하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 어셈블리를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 어셈블리를 나타낸 분해도이다.
도 3은 도 1의 A1 부분을 나타낸 확대도이다.
도 4는 도 1의 S1-S1' 라인에 따른 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 서멀 배리어의 열팽창 상태를 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 배터리 어셈블리를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 서멀 배리어의 열팽창 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 변형된 다른 일 실시예에 따른 배터리 어셈블리를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 S2-S2' 라인에 따른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 대응하는 해결 방안을 명확히 하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우에는 그에 관한 설명은 생략될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이들은 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 후술되는 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 어셈블리(100)가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 어셈블리(100)는, 복수의 배터리 셀(110) 및 서멀 배리어(thermal barrier)(120)를 포함한다.
상기 복수의 배터리 셀(110)은 일 방향(도 1의 Y축 방향)으로 상호 적층되도록 구성되도록 구성된다. 상기 배터리 어셈블리(100)에 포함된 배터리 셀(110)은, 충방전의 가능한 가장 기본적인 이차전지에 해당하는 것이다.
이러한 배터리 셀(110)은 분리막을 사이에 두고 적층된 양극 전극과 음극 전극을 포함한 전극 조립체와, 전해질 물질을 케이스에 수납하고, 해당 케이스를 밀봉하는 방식으로 제조될 수 있다. 예컨대, 상기 배터리 셀(110)은 이러한 배터리 셀(110)은 파우치형 또는 장방형의 몸체를 가지며 길이 방향(도 1의 X축 방향)의 일단 또는 양단에 전극 리드를 구비한 파우치형 배터리 셀로 구현될 수 있다.
도 1에서는, 상기 배터리 어셈블리(100)가 2개의 배터리 셀(110)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 상기 배터리 어셈블리(100)는 3개 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있음은 물론이다.
상기 서멀 배리어(120)는 상술한 배터리 셀들 중 상호 인접한 2개의 배터리 셀(110) 사이에 배치되고, 제1 임계 온도 이상의 온도에서 팽창되어 상기 2개의 배터리 셀들 사이의 간격을 확장시키도록 구성된다. 이를 위해, 상기 서멀 배리어(120)는 신축성 수용체와 이러한 신축성 수용체에 수용되는 열팽창 물질을 포함한다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 서멀 배리어(120)는 상기 제1 임계 온도보다 높은 제2 임계 온도의 온도에서 용융되어, 내부에 수용된 겔(gel) 상태 또는 액체 상태의 열팽창 물질이나, 소화 물질 등을 배출하도록 구성될 수 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 배터리 어셈블리(100)가 분해도로 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 어셈블리(100)의 배터리 셀들은 서멀 배리어(120)를 사이에 두고 일 방향으로 적층될 수 있다. 이러한 배터리 셀들 사이에 배치되는 상기 서멀 배리어(120)는, 신축성 수용체(122)와 열팽창 물질(124)을 포함할 수 있다.
상기 신축성 수용체(122)는 신축성을 가진 피막으로 둘러싸인 수용 공간을 구비하며, 배터리 셀들 사이에 배치되어 해당 배터리 셀들과 각각 면접촉하도록 구성될 수 있다. 이러한 신축성 수용체(122)는 신축성과 함께 일정 수준의 내열성을 가지도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 신축성 수용체(122)의 적어도 상기 피막은, 실리콘, 폴리우레탄, PDMS(polydimethylsiloxane) 및 아크릴로니트릴코폴리머(Acrylonitrile copolymer) 중 적어도 하나를 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
상기 열팽창 물질(124)은 상기 신축성 수용체(122)의 수용 공간에 수용되어, 배터리 셀의 과열이나 열폭주 상태 시의 온도인 제1 임계 온도 이상의 온도에서 급격히 팽창하도록 구성된 물질이다. 이러한 열팽창 물질(124)은 폴리우레탄 폼(PU foam), 실리콘 폼(Si foam), 플라스틱, 중합체, 올리고머, 이들의 파생물들, 또는 이들의 조합물들 중 어느 하나를 포함한 소재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 열팽창 물질(124)은 에어로겔(aerogel)과 같은 겔(gel) 상태 또는 액체 상태의 물질을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 상기 열팽창 물질(124)은 온도에 따라 흡열 반응 또는 발열 반응이 발생되어 상태가 변화되는 상변화 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 열팽창 물질(124)는 폴리우레탄 폼(PU foam), 실리콘 폼(Si foam) 또는 양자를 포함한 소재로 구성된 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 열팽창 물질(124)은 다공성 물질로 구성될 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 서멀 배리어(120)는 신축성 수용체(122)의 수용 공간에 수용되는 소화 물질을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 소화 물질은 액체 또는 분말 상태의 소화약제 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 소화약제는 액체 상태, 겔 상태 또는 분말 상태로 구성될 수 있으며, 황산, 탄산칼륨, 중탄산나트륨, 황산알루미늄, 물, 할론 및 할로겐 화합물 중 1 또는 2 이상을 포함할 수 있다. 예컨대, 분말 소화약제는 흡열 반응을 통해 분해되어 CO2 기체를 생성함으로써, 흡열 작용과 소화 작용을 수행할 수 있다. 다만, 분말 소화약제는 고체 찌꺼기가 남을 수 있다. 이를 방지하기 위해, 상기 소화약제는 할론 계열의 액체 소화약제를 포함할 수 있다.
상기 불활성 가스는 질소, 아르곤, 이산화탄소 중 1 또는 2 이상을 포함할 수 있다.
한편, 상기 신축성 수용체(122)는 상기 수용 공간으로 겔 상태 또는 액체 상태의 열팽창 물질이나 상기 소화 물질을 주입하는데 사용되는 주입구(122a)와, 이러한 주입구(122a)의 개구를 실링하는 실링부(122b)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 신축성 수용체(122)는 상기 열팽창 물질이 급격히 팽창되는 제1 임계 온도보다 높은 제2 임계 온도 이상의 온도에서 용융되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 임계 온도는 배터리 셀이 발화하거나 배터리 셀의 발화 가능성이 높은 상태의 온도일 수 있다.
즉, 상기 신축성 수용체(122)는 상기 제1 임계 온도 이상의 온도에서 상기 열팽창 물질에 의해 볼륨이 증가되고, 상기 제2 임계 온도 이상의 온도에서 용융되어 상기 수용 공간에 수용된 겔 상태 또는 액체 상태의 열팽창 물질과 상기 소화 물질을 배출하도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 상기 서멀 배리어(120)는 배터리 셀(110)에서 배출되는 고온의 가스나 화염에 의한 다른 배터리 셀들의 연쇄적 열 폭주(thermal runaway)를 억제하거나 차단하는 배리어로서의 기능은 물론, 배터리 셀에서 발생한 화재를 진압하는 소화 장치로서의 기능을 수행할 수 있다.
도 3은 도 1의 A1 부분이 확대도로 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 어셈블리(100)는 미리 정해진 위치에 고정되는 버스바(130)를 더 포함할 수 있다. 상기 버스바(130)는 배터리 셀들을 상호 전기적으로 연결하거나, 배터리 셀과 외부 전기 회로를 전기적으로 연결하는 연결 부재로서, 전도성 소재로 구성될 수 있다.
상기 서멀 배리어(120)는 상호 인접한 2개의 배터리 셀(110) 사이에 배치되어 해당 배터리 셀들과 각각 면접촉하도록 구성될 수 있다. 이러한 서멀 배리어(120)와 인접한 배터리 셀(110)의 전극 리드(112)는, 해당 배터리 셀(110)에서 상기 버스바(130) 측으로 연장되어 상기 버스바(130)에 결합될 수 있다.
상기 서멀 배리어(120)는 상기 배터리 셀들 중 어느 한 배터리 셀에서 발생하는 제1 임계 온도 이상의 열에 의해 일차적으로 팽창되어, 상기 배터리 셀들 사이의 간격을 확장시킬 수 있다.
도 4에는 도 1의 S1-S1' 라인에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 셀(110)의 사이에 배치된 서멀 배리어(120)는, 인접한 배터리 셀(110)에서 제1 임계 온도 이상의 열이 발생하지 않은 경우, 일정 두께(D1)를 유지할 수 있다.
반면, 인접한 배터리 셀(110)에서 제1 임계 온도 이상의 열이 발생하는 경우, 상기 서멀 배리어(120)의 신축성 수용체(122)에 수용된 열팽창 물질(124)이 팽창되어, 서멀 배리어(120)의 두께를 증가시킬 수 있다.
도 5에는 도 4에 도시된 서멀 배리어(120)의 열팽창 상태가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 서멀 배리어(120)를 사이에 두고 적층된 2개의 배터리 셀(110) 중 어느 한 배터리 셀의 온도가, 제1 임계 온도(예컨대, 160°C) 이상으로 상승하면, 서멀 배리어(120)의 두께(D2)가 증가하여 배터리 셀들 사이의 간격을 확장시킬 수 있다. 그 결과, 배터리 셀들 간의 열 전파를 억제 또는 지연시킬 수 있으며, 배터리 셀들 간의 연쇄적 열 폭주를 방지할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 배터리 어셈블리(100A)가 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 배터리 어셈블리(100A)는 상술한 배터리 어셈블리(100)와 같이 복수의 배터리 셀(110)과 서멀 배리어(120)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 배터리 어셈블리(100A)는 복수의 배터리 셀(110)과 전기적으로 연결되는 버스바(130)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 버스바(130)는 미리 정해진 위치에 고정될 수 있다.
서멀 배리어(120)와 인접한 배터리 셀(110)의 전극 리드(112)는, 해당 배터리 셀(110)에서 상기 버스바(130) 측으로 연장되어 상기 버스바(130)에 결합될 수 있다. 또한, 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 배터리 셀의 전극 리드(112)는, 상기 복수의 배터리 셀(110) 사이의 간격이 확장됨에 따라 상기 버스바(130) 측으로 연장된 길이가 증가되도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 전극 리드(112)는 접철부(112a)를 구비할 수 있다. 상기 접철부(112a)는 해당 전극 리드(112)의 적어도 일부분이 여러 겹으로 접철되어 마련될 수 있다. 이러한 접철부(112a)는 서멀 배리어(120)와 인접한 배터리 셀들 사이의 간격이 확장됨에 따라 점진적으로 펴지면서, 해당 전극 리드(112)의 연장 길이를 증가시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배터리 어셈블리(100A)는 상기 버스바(130)에 결합되는 전극 리드들을 클램핑하여 상호 밀착시키도록 구성된 클램핑 부재(140)를 더 포함할 수 있다. 이러한 클램핑 부재(140)는 테이프나 클립을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 전극 리드(112)는 클램핑 부재(140)에 의해 다른 전극 리드와 밀착된 부분을 제외한 부분에, 상기 접철부(112a)를 구비할 수 있다.
예컨대, 복수의 배터리 셀(110)의 사이에 배치된 서멀 배리어(120)는, 인접한 배터리 셀(110)에서 제1 임계 온도 이상의 열이 발생하지 않은 경우, 일정 두께(D3)를 유지할 수 있다.
반면, 인접한 배터리 셀(110)에서 제1 임계 온도 이상의 열이 발생하는 경우, 상기 서멀 배리어(120)의 신축성 수용체(122)에 수용된 열팽창 물질(124)이 팽창되어, 서멀 배리어(120)의 두께를 증가시킬 수 있다.
도 7에는 도 6에 도시된 서멀 배리어(120)의 열팽창 상태가 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 서멀 배리어(120)와 인접한 각각의 배터리 셀(110)의 전극 리드(112)는 접철부(112a)를 구비할 수 있다. 제1 임계 온도 이상의 온도에서 서멀 배리어(120)가 팽창하여 서멀 배리어(120)의 두께(D4)가 증가함에 따라, 상기 배터리 셀(110)이 버스바(130)로부터 점진적으로 멀어지면, 전극 리드(112)의 접철부(112a)가 점진적으로 펴지면서 전극 리드(112)의 길이가 늘어나게 된다. 그 결과, 의도되지 않은 배터리 셀의 단선이나 전극 리드의 손상이 방지될 수 있다.
도 8에는 본 발명의 변형된 다른 일 실시예에 따른 배터리 어셈블리(100B)가 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형된 다른 일 실시예에 따른 배터리 어셈블리(100B)는, 배터리 셀(110)과 서멀 배리어(120)를 각각 복수로 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 배터리 어셈블리(100B)는 복수의 배터리 셀 중 적어도 2개의 배터리 셀과, 복수의 서멀 배리어 중 적어도 하나의 서멀 배리어를 포함하는 배터리 유닛을 복수로 포함할 수 있다.
이 경우, 배터리 유닛들 사이에는, 탄성력을 가진 소재로 구성된 탄성 패드(150)가 배치될 수 있다. 이러한 탄성 패드(150)는 탄성력과 함께 전기 절연성을 가진 고무, 실리콘 또는 고분자합성수지를 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 어셈블리(100B)는 배터리 셀(110)의 전극 리드(112)가 전기적으로 연결되는 버스바(130)와, 이러한 버스바(130)를 지지하는 버스바 프레임(132)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 어셈블리(100B)는 복수의 배터리 셀이 수용되는 내부 공간을 가진 케이스(160)를 더 포함할 수 있다.
도 9에는 도 8의 S2-S2' 라인에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 케이스(160)의 내부 공간에는 상호 적층된 복수의 배터리 셀(110)이 수용되며, 이러한 복수의 배터리 셀(110) 사이에는 서멀 배리어(120)와 탄성 패드(150)가 배치될 수 있다.
또한, 상기 케이스(160)의 내부 공간에 수용된 복수의 배터리 셀 중 최외곽에 위치한 배터리 셀과, 상기 내부 공간을 이루는 상기 케이스(160)의 내부면 사이에는, 여유 공간(FA)이 마련될 수 있다. 이와 같이, 상기 케이스(160)가 여유 공간(FA)을 가지도록 구성됨으로써, 서멀 배리어(120)의 확장에 따른 배터리 셀들의 이동을 용이하게 할 수 있다.
도 10에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)이 도시되어 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 상술한 다양한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 배터리 어셈블리(100, 100A, 100B)와, 이러한 배터리 어셈블리(100, 100A, 100B)를 1개 또는 2개 이상 수용하도록 구성된 팩 케이스(12, 14)를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 배터리 팩(10)은, 도 8에 도시된 배터리 어셈블리와 같이, 복수의 배터리 셀(110)과 복수의 서멀 배리어(120)를 케이스(160)에 수용하여 모듈화한 배터리 어셈블리(100B)를 팩 케이스(12, 14)에 수용하도록 구성될 수 있다.
상기 팩 케이스(12, 14)는, 상단에 마련된 개구와 이러한 개구와 연통되는 수용 공간을 가지며 상기 수용 공간에 복수의 배터리 어셈블리를 수용하는 팩 트레이(pack tray)(12)와, 이러한 팩 트레이(12)의 개구를 커버하는 팩 리드(pack lid)(14)를 포함할 수 있다.
상기 팩 트레이(12)는 상기 수용 공간을 분할하는 크로스 빔을 포함할 수 있다. 또한, 상기 수용 공간을 형성하는 상기 팩 트레이(12)의 벽체에는 각각의 배터리 어셈블리에서 발생한 벤팅 가스를 배출하는 가스 채널이 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 셀투팩(cell to pack) 방식으로 구성될 수도 있다. 이 경우, 상기 배터리 팩(10)은 도 1 또는 도 6에 도시된 배터리 어셈블리(100, 100A)와 같이, 케이스를 포함하지 않는 배터리 어셈블리를 직접 팩 케이스(12, 14)에 수용하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(10)은 팩 케이스(12, 14)에 수용된 배터리 어셈블리의 충·방전 동작을 제어하거나, SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health) 등을 모니터링하는 각종 전장 부품들(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 전장 부품들은 상술한 배터리 어셈블리와 함께 팩 케이스(12, 14)에 수용될 수 있다.
도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(2)이 도시되어 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(2)은, 상술한 다양한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 배터리 어셈블리(100, 100A, 100B)를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 차량(2)은 상기 배터리 어셈블리(100, 100A, 100B)를 1개 또는 2개 이상 내장한 배터리 팩(10)을 포함할 수 있다. 이 경우, 배터리 어셈블리(100, 100A, 100B)나 이를 포함한 배터리 팩(10)은, 상기 차량(2)의 여러 동작에 필요한 전기 에너지를 제공할 수 있다.
참고로, 본 발명에 따른 배터리 어셈블리(100, 100A, 100B)는, 차량 이외에 다양한 전기 장치나 전기 시스템에 적용될 수 있음은 물론, ESS(Energy Storage System)에도 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리 셀들 사이에 배치되는 서멀 배리어(thermal barrier)가, 제1 임계 온도 이상의 온도에서 팽창되어 상기 배터리 셀들 사이를 확장시킴으로써, 배터리 셀들 간의 열 전파를 차단할 수 있으며, 그 결과 배터리 셀들의 과열나 열 폭주를 억제 또는 지연시키며, 배터리 셀들의 연쇄적 열 폭주나 발화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 서멀 배리어가, 열팽창 물질을 수용하는 신축성 수용체를 포함함으로써, 겔 상태나 액체 상태의 열팽창 물질을 사용하여 배터리 셀들 간의 열 전파를 차단할 수 있다.
또한, 상기 신축성 수용체가, 상기 제1 임계 온도 이상의 온도에서 상기 열팽창 물질에 의해 볼륨이 증가되고, 상기 제1 임계 온도보다 높은 제2 임계 온도 이상의 온도에서 용융되어 소화 물질을 배출하도록 구성됨으로써, 열 전파 차단 기능과 소화 기능을 모두 제공할 수 있다.
또한, 상기 서멀 배리어와 인접한 배터리 셀의 전극 리드가, 길이의 변경이 가능하도록 구성됨으로써, 상기 서멀 배리어가 열팽창함에 따라 상기 배터리 셀의 위치가 변경되는 경우에도 상기 배터리 셀의 전기적 단선을 방지할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 실시예들은, 해당 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.
지금까지 본 발명에 대해 구체적인 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 기술적 범위에서 다양한 변형 실시예들이 구현될 수 있음을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 할 것이다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 상호 적층된 복수의 배터리 셀; 및
    상기 복수의 배터리 셀 중 상호 인접한 2개의 배터리 셀 사이에 배치되는 서멀 배리어(thermal barrier)를 포함하고,
    상기 서멀 배리어는,
    신축성을 가진 피막으로 둘러싸인 수용 공간을 구비하는 신축성 수용체; 및
    상기 수용 공간에 수용되고, 제1 임계 온도 이상의 온도에서 팽창되어 상기 2개의 배터리 셀 사이의 간격을 확장시키는 열팽창 물질을 포함하는 배터리 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신축성 수용체는, 실리콘, 폴리우레탄, PDMS(polydimethylsiloxane) 및 아크릴로니트릴코폴리머(Acrylonitrile copolymer) 중 1 또는 2 이상을 포함하는 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신축성 수용체는, 상기 제1 임계 온도보다 높은 제2 임계 온도 이상의 온도에서 용융되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열팽창 물질은, 겔(gel) 상태 또는 액체 상태의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열팽창 물질은, 실리콘 폼 또는 폴리우레탄 폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 서멀 배리어는, 상기 신축성 수용체의 수용 공간에 수용되는 소화 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소화 물질은, 액체 상태, 겔 상태 및 분체 상태의 소화약제와 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 신축성 수용체는, 상기 제1 임계 온도 이상의 온도에서 상기 열팽창 물질에 의해 볼륨이 증가되고, 상기 제1 임계 온도보다 높은 제2 임계 온도 이상의 온도에서 용융되어 상기 수용 공간에 수용된 상기 소화 물질을 배출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 신축성 수용체는,
    상기 수용 공간으로 겔 상태 또는 액체 상태의 상기 열팽창 물질을 주입하는데 사용되는 주입구; 및
    상기 주입구를 실링하는 실링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    미리 정해진 위치에 고정되고, 상기 2개의 배터리 셀의 전극 리드들과 전기적으로 연결되는 버스바를 더 포함하고,
    상기 전극 리드들은, 상기 2개의 배터리 셀에서 각각 상기 버스바 측으로 연장되어 상기 버스바에 결합되고,
    상기 전극 리드들 중 적어도 하나의 전극 리드는, 상기 2개의 배터리 셀 사이의 간격이 확장됨에 따라 상기 버스바 측으로 연장된 길이가 증가되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전극 리드는, 해당 전극 리드의 적어도 일부분이 접철되어 마련된 접철부를 구비하고,
    상기 접철부는, 상기 2개의 배터리 셀 사이의 간격이 확장됨에 따라 점진적으로 펴지면서 해당 전극 리드의 연장 길이를 증가시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전극 리드들을 클램핑하여 상호 밀착시키도록 구성된 클램핑 부재를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전극 리드는, 상기 클램핑 부재에 의해 다른 전극 리드와 밀착된 부분을 제외한 부분에, 상기 접철부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀이 수용되는 내부 공간을 가진 케이스를 더 포함하고,
    상기 내부 공간에 수용된 상기 복수의 배터리 셀 중 최외곽에 위치한 배터리 셀과, 상기 내부 공간을 이루는 상기 케이스의 내부면 사이에는, 여유 공간이 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 어셈블리.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
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