WO2024112166A1 - 전지 모듈 - Google Patents

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WO2024112166A1
WO2024112166A1 PCT/KR2023/019166 KR2023019166W WO2024112166A1 WO 2024112166 A1 WO2024112166 A1 WO 2024112166A1 KR 2023019166 W KR2023019166 W KR 2023019166W WO 2024112166 A1 WO2024112166 A1 WO 2024112166A1
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WO
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side sealing
length
fixing member
long side
battery module
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황순철
김진영
백상민
이성원
신황동
이해석
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LG Energy Solution Ltd
Original Assignee
LG Energy Solution Ltd
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Priority to JP2025529863A priority patent/JP7853522B2/ja
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    • H01M50/35—Gas exhaust passages comprising elongated, tortuous or labyrinth-shaped exhaust passages
    • H01M50/358—External gas exhaust passages located on the battery cover or case
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • 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 module including a pouch-type battery cell.
  • Secondary batteries can be charged and discharged, so they can be applied to various fields such as digital cameras, mobile phones, laptops, and hybrid cars.
  • Secondary batteries include nickel-cadmium batteries, nickel-metal hydride batteries, nickel-hydrogen batteries, and lithium secondary batteries.
  • lithium secondary batteries have been manufactured as flexible pouched type battery cells, connecting multiple units. It is used in a modular format.
  • a pouch-type battery cell is a method of using a pouch as an exterior material surrounding an electrode assembly.
  • the electrode assembly has a stacked structure of a positive electrode plate filled with electrode active material, a negative electrode plate, and a separator interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate.
  • has A positive electrode tab is formed on one side of the positive electrode plate, and a negative electrode tab is formed on one side of the negative electrode plate.
  • the tabs are connected to an external circuit by each being connected to an electrode lead.
  • This electrode assembly is sealed by a pouch as an exterior material.
  • the pouch includes a receiving portion that stores the electrode assembly, and a sealing portion that is located around the receiving portion and seals the electrode assembly. Additionally, electrode leads may protrude from some of the sealing parts, and other parts may be folded to increase energy density to form wing folding parts.
  • the wing folding part may be formed by double side folding (DSF). When a predetermined period of time passes, the wing folding part cannot maintain its folded state and a portion may unfold and protrude to the outside. To prevent this, the wing folding part can be fixed using a fixing member such as tape.
  • the problem that the present invention aims to solve is to delay the venting of flame or gas generated within a pouch-type battery cell toward the electrode lead and to provide a battery module in which flame or gas vented from the pouch-type battery cell is smoothly vented to the outside. It is provided.
  • a battery module includes a module frame; a plurality of pouch-type battery cells arranged side by side within the module frame; And it may include a plurality of vent holes formed through one surface of the module frame.
  • the pouch-type battery cell includes an electrode assembly provided with an electrode lead; A receiving portion for accommodating the electrode assembly, a short side seal portion located on a portion of the circumference of the receiving portion and from which the electrode lead protrudes, and a long side seal portion located on another portion of the circumference of the receiving portion and folded toward the receiving portion.
  • a battery case containing a unit may include a plurality of fixing members attached to the battery case to fix the long side sealing part in a folded state and arranged to be spaced apart from each other in the longitudinal direction of the long side sealing part.
  • the area of each of the vent holes that does not overlap with the fixing member may be wider than the area that overlaps with the fixing member.
  • a value obtained by subtracting the total length of the plurality of fixing members from the length of the long side sealing portion may be equal to or greater than the entire length of the short side sealing portion.
  • the gap between the plurality of fixing members may be greater than the length of the fixing members.
  • the gap between the plurality of fixing members may be larger than each length of the short side sealing part.
  • the outermost fixing member among the plurality of fixing members may be positioned to correspond to the end of the storage unit.
  • the total length of the plurality of fixing members may be 20% or less of the length of the long side sealing part.
  • the total length of the plurality of fixing members may be 17% or less of the length of the long side sealing portion.
  • the total length of the plurality of fixing members may be 10% or more of the length of the long side sealing portion.
  • Each length of the fixing member may be 3% to 6% or less of the length of the long side sealing part.
  • the vent hole is formed long in a direction parallel to the pouch-type battery cell and may have a length longer than the fixing member.
  • the length of the vent hole may be three times or more than the length of the fixing member.
  • the area where the plurality of fixing members overlap with the plurality of vent holes may be less than 1/3.
  • the area of each of the vent holes overlapping with the fixing member may be less than 1/3 of the area that does not overlap with the fixing member.
  • the plurality of vent holes include a first vent hole that does not overlap with the fixing member; And it may include a second vent hole that partially overlaps the fixing member.
  • the plurality of vent holes are arranged to form a plurality of rows parallel to the stacking direction of the plurality of pouch-type battery cells, and the spacing between the plurality of vent holes in the longitudinal direction of the pouch-type battery cells is equal to that of the fixing member. It can be longer than length.
  • Both ends of the vent hole may be rounded and convex outward.
  • gas and flame when a fire occurs inside a pouch-type battery cell, gas and flame can be vented preferentially from the long-side sealing portion rather than the short-side sealing portion from which the electrode lead protrudes.
  • the time it takes for gas or flame to be vented to the short-side sealing part can be delayed as much as possible, and the flame can be minimized from rapidly spreading to the surroundings and causing continuous thermal runaway of adjacent battery cells.
  • the long side sealing portion can be reliably maintained in a folded state by the fixing member.
  • gas and flames vented from the long side sealing portion of the pouch-type battery cell can be smoothly discharged through the vent hole of the module frame.
  • Figure 1 is a perspective view of a pouch-type battery cell included in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a front view of the pouch-type battery cell shown in FIG. 1.
  • Figure 4 is a front view showing a modified example of the pouch-type battery cell shown in Figure 1.
  • 5A to 5D are front views of a pouch-type battery cell according to a comparative example.
  • Figure 6 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is an exploded perspective view of the battery module shown in Figure 6.
  • Figure 8 is a plan view of the battery module shown in Figure 6.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams showing the interior of a battery module according to an experimental example.
  • Figure 1 is a perspective view of a pouch-type battery cell included in a battery module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a partial cross-sectional view taken along line A-A' of Figure 1
  • Figure 3 is a pouch-type battery cell shown in Figure 1.
  • It is a front view of a battery cell
  • FIG. 4 is a front view showing a modified example of the pouch-type battery cell shown in FIG. 1.
  • the pouch-type battery cell 100 (hereinafter referred to as 'battery cell') described below may be included in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery cell 100 may include an electrode assembly 110, a battery case 120, and a fixing member 130.
  • the electrode assembly 110 may be formed with a separator interposed between alternating anodes and cathodes. That is, the electrode assembly 110 may include a plurality of electrodes and a separator interposed between the plurality of electrodes to insulate the plurality of electrodes from each other.
  • the electrode assembly 110 may be accommodated together with an electrolyte in the battery case 120, and more specifically, in the storage portion 121, which will be described later.
  • the electrode assembly 110 includes a stack type, a jelly roll type, and a stack and folding type, and the type of the electrode assembly 110 is not limited.
  • the electrode assembly 110 may include electrode tabs respectively connected to the anode and cathode, and the electrode tab may serve as a path through which electrons can move between the inside and outside of the electrode assembly 110.
  • the electrode tab may include a positive electrode tab connected to the positive electrode and a negative electrode tab connected to the negative electrode.
  • the anode tab and the cathode tab may protrude in different directions from the electrode assembly 110, but are not limited to this and may protrude in various directions, such as side by side protruding in the same direction from one side.
  • the electrode assembly 110 may be provided with an electrode lead 111.
  • the electrode lead 111 may electrically connect the electrode assembly 110 to the outside.
  • the electrode lead 111 may be connected to the electrode tab of the electrode assembly 110 by spot welding, etc. Additionally, a portion of the electrode lead 111 may be surrounded by an insulating member.
  • the insulating member may be positioned to correspond to the short side sealing portion 122 of the battery case 120, which will be described later. Accordingly, the insulating member can insulate the electrode lead 111 and the short side sealing portion 122 and maintain the sealing of the short side sealing portion 122.
  • an insulating tape that is easy to attach to the electrode lead 111 and has a relatively thin thickness is often used, but is not limited thereto.
  • the electrode lead 111 may be connected to the electrode tab and the other end may protrude to the outside of the battery case 120 .
  • the electrode lead 111 may include a positive electrode lead connected to the positive electrode tab and a negative electrode lead connected to the negative electrode tab. Since the positive and negative electrode tabs are formed to protrude in various directions, the positive and negative electrode leads can also extend in various directions.
  • the battery case 120 may be formed by molding a laminate sheet, and may accommodate the electrode assembly 110 therein.
  • the battery case 120 may include a pair of cases connected by a bridge before being sealed or in a state in which the sealing is released, and at least one of the pair of cases has a recessed storage portion 121. It can be molded, and the surrounding area of the storage part 121 can form a terrace. Also, when the bridge is folded while the electrode assembly 110 is stored in the storage unit 121, the terraces of the pair of cases can come into contact with each other and be sealed on three sides by heat fusion. In this case, the bridge may form a folding part 124, and the terrace may form a sealing part 122 (123).
  • the pair of cases may be separate members.
  • the terraces of a pair of cases can be in contact with each other and sealed on all four sides by heat fusion.
  • the configuration of this cell case is a well-known technology, so a person skilled in the art will be able to easily understand it.
  • the battery case 120 includes an accommodating portion 121 that accommodates the electrode assembly 110, a short-side sealing portion 122 located on a portion of the circumference of the accommodating portion 121 and from which the electrode lead 111 protrudes, It is located on another part of the circumference of the receiving part 121 and may include a long side sealing part 123 that is folded toward the receiving part 121.
  • the receiving portion 121 may have a pocket shape, and the electrode assembly 111 may be accommodated therein.
  • the short side sealing portion 122 may be located on a portion of the circumference of the receiving portion 121.
  • the short-side sealing portion 122 may be located on both sides in the full-length direction of the receiving portion 121 and may extend in the full-width direction.
  • the electrode lead 111 may protrude out of the battery case 120 through the short side sealing portion 122.
  • the long side sealing part 123 may be located on another part of the circumference of the receiving part 121.
  • the long side sealing portion 123 may be located on one side of the receiving portion 121 in the full width direction and may extend in the full length direction.
  • the long side sealing portion 123 may connect both short side sealing portions 122.
  • the long side sealing part 123 may be located on the opposite side of the folding part 124.
  • the long side sealing portion 123 may be a portion where the electrode lead 111 does not protrude.
  • the long side sealing part 123 is sealed later than the short side sealing part 122, so the corners of the sealing parts 122 and 123 may be included in the long side sealing part 123.
  • the long side sealing portion 123 may be folded toward the receiving portion 121 at least once.
  • the long side sealing portion 123 may be double side folded (DSF).
  • the fixing member 130 may be attached to the battery case 120 to fix the long side sealing portion 123 in a folded state. That is, the fixing member 130 can fix the long side sealing part 123 in a folded state.
  • the fixing member 130 may be an adhesive tape.
  • a plurality of fixing members 130 may be provided.
  • the plurality of fixing members 130 may be arranged at a predetermined distance from each other in the longitudinal direction of the long side sealing portion 123.
  • the plurality of fixing members 130 may include a pair of outermost fixing members and at least one intermediate fixing member located between the pair of outermost fixing members.
  • the plurality of fixing members 130 it is not limited to this, and as shown in FIG. 4, it is possible for the plurality of fixing members 130 to include only a pair of outermost fixing members.
  • the lengths (L) of the plurality of fixing members 130 may be the same, but are not limited thereto.
  • the battery case 120 may be damaged and gas may be discharged along with sparks or particles.
  • the gas is discharged toward the electrode lead 111, there is a risk that heat and flame can spread quickly to other surrounding battery cells 100, so a configuration is needed to minimize this concern.
  • the portion of the long side sealing portion 123 where the fixing member 130 is attached does not swell and it is difficult for gas to vent.
  • the portion of the long side sealing portion 123 to which the fixing member 130 is not attached gradually spreads as the internal pressure of the battery case 120 increases, and the internal volume of the battery case 120 increases, resulting in gas venting. The time it takes to do this may be delayed, and the gas may be vented relatively preferentially.
  • a portion of the long side sealing portion 123 to which the fixing member 130 is not attached may be provided with a weakly sealed portion or an unsealed portion that is preferentially broken. However, it is not limited to this.
  • a value obtained by subtracting the total of the lengths (L) of the plurality of fixing members 130 from the length (L2) of the long side sealing portion 123 may be equal to or greater than the total length of the short side sealing portion 122. That is, the total length of the portion of the long side sealing portion 123 to which the fixing member 130 is not attached may be greater than or equal to the entire length of the short side sealing portion 122.
  • the total length of the short side sealing portion 122 may be the sum of the respective lengths L1 of the short side sealing portion 122.
  • the part of the long side sealing part 123 to which the fixing member 130 is not attached spreads as the internal pressure of the gas increases, delaying venting of the gas, and also increases the possibility that the gas will be preferentially vented through this part. , it is possible to sufficiently delay the venting of gas toward the short side sealing portion 122.
  • the gap between the plurality of fixing members 130 may be larger than the length L of each fixing member 130.
  • the gap between the plurality of fixing members 130 may be larger than each length L1 of the short side sealing portion 122. Accordingly, when the internal pressure of the battery case 120 increases, the portion of the long side sealing portion 123 located between the plurality of fixing members 130 easily swells and can be vented with gas preferentially over the short side sealing portion 122. there is.
  • the outermost fixing member 130 may be positioned corresponding to the end of the storage unit 121.
  • the end of the storage unit 121 may refer to the end in the full length direction.
  • the outermost fixing member 130 may be attached to the end of the receiving part 121 or may be attached adjacent to the end of the receiving part 121.
  • the total length L of the plurality of fixing members 130 may be 20% or less, preferably 17% or less, of the length L2 of the long side sealing portion 123. If the total length L of the plurality of fixing members 130 is greater than 20% of the length L2 of the long side sealing part 123, the time for gas to be vented to the short side sealing part 122 is sufficient. There is a problem that cannot be delayed.
  • the total length (L) of the plurality of fixing members 130 may be 10% or more of the length (L2) of the long side sealing portion 123. If the total length (L) of the plurality of fixing members 130 is less than 10% of the length (L2) of the long side sealing part 123, it is difficult to sufficiently fix the long side sealing part 123 in the folded state. There is.
  • each fixing member 130 may be 6% or less of the length L2 of the long side sealing portion 123.
  • the portion of the long side sealing portion 123 to which the fixing member 130 is not attached can be easily inflated by an increase in the internal pressure of the battery case 120, and an area through which gas can be vented can be evenly formed.
  • each fixing member 130 may be 3% or more of the length L2 of the long side sealing portion 123. As a result, the attachment force of each fixing member 130 can be prevented from falling off by the restoring force of the folded long side sealing portion 123.
  • 5A to 5D are front views of a pouch-type battery cell according to a comparative example.
  • the fixing member 130a of the battery cell 100a according to the first comparative example is attached to the entire long side sealing portion 123, so if a fire occurs within the battery cell 100a, the short side sealing portion ( 122), the gas can be vented almost immediately, and the venting delay effect is minimal.
  • the fixing member 130b of the battery cell 100b according to the second comparative example is formed to be relatively long in each length, so that the portion of the long side sealing portion 123 where the fixing member 130b is not attached is Sufficient length may not be secured. In this case, it is difficult to sufficiently delay the venting of gas to the short side sealing portion 122.
  • each of the fixing members 130c of the battery cell 100c according to the third comparative example has a relatively short length, but the number of fixing members 130c is relatively large, so the long side sealing portion 123 The length of the portion where the fixing member 130c is not attached may not be sufficiently secured. Additionally, since the distance between the fixing members 130c is short, it is difficult for the portion between the long side sealing portion 123 and the fixing members 130c to swell and for gas to be vented. In this case, it is more difficult to sufficiently delay gas venting to the short side sealing portion 122.
  • the battery cell 100d according to the fourth comparative example may not be provided with a fixing member in the long side sealing portion 123. In this case, it is difficult to maintain the long side sealing portion 123 in a folded state.
  • the inventor(s) attaches a heating pad to the center of one side of the storage portion 121 of the battery cell 100 and heats it, and the time taken from the time venting of the gas occurs to the venting of the gas in the short side sealing portion 122 ( Hereinafter, 'delay time') was measured.
  • the long side sealing part of the battery case used in each experimental example was treated with double side folding (DSF) at 270 degrees, and the length of the long side sealing part was 548 mm. Additionally, a fixing tape was used as a fixing member.
  • the long side sealing part was entirely fixed using a single fixing tape with a length of 548 mm (see Figure 5a).
  • the gas was first vented from the short side sealing portion 122, and the delay time was measured to be 0 seconds. In other words, it can be confirmed that there is no flame retardation effect.
  • the fixing tape was not attached to the long side sealing portion (see Figure 5d).
  • the delay time was measured to be 10 seconds, confirming that it had a flame retardation effect at the battery cell level.
  • the long side sealing part is not fixed.
  • the battery cell 100 according to an embodiment of the present invention can minimize side effects while having a flame retardation effect (fourth experimental example).
  • the battery cell 100 according to the modified example is also useful as the battery cell 100 alone (Third Experimental Example).
  • Figure 6 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is an exploded perspective view of the battery module shown in Figure 6
  • Figure 8 is a top view of the battery module shown in Figure 6.
  • the battery module 10 may include a plurality of battery cells 100 and a module frame 200.
  • a plurality of battery cells 100 may be accommodated in the module frame 200.
  • a plurality of battery cells 100 may be arranged side by side with each other.
  • a plurality of battery cells 100 may be stacked on each other.
  • a plurality of battery cells 100 stacked together may form a battery cell stack 140.
  • the battery cell stack 140 may be provided with at least one heat dissipation pad 150.
  • the heat dissipation pad 150 can dissipate heat from the battery cell 100.
  • the heat dissipation pad 150 may be disposed between a plurality of battery cells 100 or may be disposed to cover the outermost battery cell 100.
  • the module frame 200 may form the appearance of the battery module 10.
  • the module frame 200 may be made of a metal material with high strength.
  • the structure of the module frame 200 may vary.
  • the module frame 200 may be a mono frame.
  • the mono frame may be a metal plate in which the top, bottom, and both sides are integrated.
  • the module frame 200 may have a structure in which a U-shaped frame and an upper plate (upper surface) are combined.
  • the U-shaped frame may be a metal plate in which a lower plate (bottom) and side plates (both sides) are combined or integrated.
  • the structure of the module frame 200 may be provided as a structure in which L-shaped frames are combined, and may also be provided in various structures not described in the above example.
  • the module frame 200 may have an internal space, and a battery cell stack 140 may be accommodated in the internal space.
  • the module frame 200 may include a top surface, a bottom surface, and both sides. Both ends of the module frame 200 in the overall length direction may be open and may be covered by end plates 400, which will be described later.
  • a plurality of vent holes 240 may be formed on one side 210 of the module frame 200, preferably on the upper side. If ignition occurs in the battery cell 100 within the module frame 200, gas and flame can be quickly discharged through the vent hole 240.
  • Each vent hole 240 may be formed long in a direction parallel to the battery cell 100.
  • Both ends of each vent hole 240 may be rounded and convex outward. As a result, the open area of the vent hole 240 can be increased while reducing stress concentration near the corner of the vent hole 240.
  • the plurality of vent holes 240 may be arranged to form a plurality of rows parallel to the stacking direction of the plurality of pouch-type battery cells 100.
  • the plurality of vent holes 240 may be arranged in five rows parallel to the stacking direction of the pouch-type battery cells 100. Accordingly, a predetermined gap d may be formed between the two vent holes 240 forming adjacent rows in the longitudinal direction of the pouch-type battery cell 100.
  • the battery module 10 may further include a busbar frame 300 and an end plate 400.
  • the bus bar frame 300 may be disposed on both sides of the battery cell stack 120 in the full length direction. At least one bus bar 310 may be mounted on the bus bar frame 300, and each bus bar 310 may be connected to the electrode lead 111 of the battery cell 100. The bus bar 310 may be configured to electrically connect a plurality of battery cells 100 to an external device.
  • the end plate 400 may be disposed outside the busbar frame 300. That is, the bus bar frame 300 may be disposed between the battery cell stack 120 and the end plate 400.
  • the end plate 400 may be coupled to the module frame 200.
  • the end plate 400 may cover both open ends of the module frame 200.
  • An opening 400H is formed in the end plate 400, and the bus bar 310 can be electrically connected through the opening 400H. That is, the bus bar 310 of one battery module 10 may be electrically connected to another battery module 10 or a battery disconnect unit (BDU) through the opening 400H.
  • BDU battery disconnect unit
  • each vent hole 240 may not overlap with the fixing member 130, or less than half of its area may overlap with the fixing member 130. Accordingly, the gas vented from the battery cell 100 can be smoothly vented into the vent hole 240.
  • the area where the plurality of fixing members 130 overlap with the plurality of vent holes 240 may be less than 1/3. That is, only 1/3 or less of the total area of the plurality of vent holes 240 may overlap with the fixing member 130.
  • the area of each of the vent holes 240 that overlaps with the fixing member 130 may be less than 1/3 of the area that does not overlap with the fixing member 130 . That is, only 1/3 or less of the area of each vent hole 240 may overlap with the fixing member 130. As a result, some vent holes 240 are prevented from being blocked by the fixing member 130 and all vent holes 240 are opened evenly, thereby improving the reliability of gas venting.
  • the vent hole 240 may have a longer length than the fixing member 130.
  • the length of the vent hole 240 may be three times or more than the length (L) of the fixing member 130.
  • the distance d between the plurality of vent holes 240 in the longitudinal direction of the battery cell 100 may be equal to or greater than the length L of the fixing member 30 .
  • the plurality of vent holes 240 may include a first vent hole 241 that overlaps the fixing member 130 and a second vent hole 242 that does not overlap the fixing member 130. That is, some of the plurality of vent holes 240 may overlap with the fixing member 130, and other parts may not overlap with the fixing member 130. As a result, while maintaining the venting of gas through the plurality of vent holes 240 somewhat smoothly, the plurality of vent holes 240 are formed excessively wide in the module frame 200, so that the rigidity of the module frame 200 is excessively low. You can prevent losing.
  • the plurality of vent holes 240 include only the first vent hole 241 or the second vent hole 242. Of course, it is also possible to include only ).
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams showing the interior of a battery module according to an experimental example.
  • the battery module 10 according to an embodiment of the present invention has a reliable flame retardation effect (second experimental example).
  • Battery module 100 Pouch-type battery cell
  • electrode assembly 111 electrode lead
  • module frame 210 one side (of module frame)

Landscapes

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은, 모듈 프레임; 상기 모듈 프레임 내에 나란하게 배치된 복수개의 파우치형 전지셀; 및 상기 모듈 프레임의 일면에 관통 형성된 복수개의 벤트홀을 포함할 수 있다. 상기 파우치형 전지셀은, 전극 리드가 구비된 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 수납부와, 상기 수납부의 둘레 중 일부에 위치하며 상기 전극 리드가 돌출되는 단변 실링부와, 상기 수납부의 둘레 중 다른 일부에 위치하며 상기 수납부를 향해 폴딩된 장변 실링부를 포함하는 전지 케이스; 및 상기 장변 실링부를 폴딩된 상태로 고정하도록 상기 전지 케이스에 부착되며 상기 장변 실링부의 길이 방향에 대해 서로 간격을 이루도록 배열된 복수개의 고정 부재를 포함할 수 있다. 상기 벤트홀 각각은, 상기 고정부재와 중첩되는 영역보다 상기 고정 부재와 비중첩되는 영역이 더 넓을 수 있다.

Description

전지 모듈
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2022년 11월 25일자 한국특허출원 제10-2022-0160853호 및 2023년 11월 24일자 한국특허출원 제10-2023-0165914호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 파우치형 전지셀을 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 자동차와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있다.
이러한 이차전지 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차전지에 대한 많은 연구가 진행 중이며, 최근 들어 리튬 이차전지는 유연성을 지닌 파우치 형 전지셀(pouched type battery cell)로 제조되어 다수 개를 연결하여 모듈 형태로 구성하여 사용하고 있다.
파우치형 전지셀은 전극 조립체를 감싸는 외장재로서 파우치(pouch)를 사용하는 방식으로써, 상기 전극 조립체는, 전극 활물질이 충전된 양극판과 음극판 및 양극판과 음극판 사이에 개재되는 세퍼레이터(separator)가 적층된 구조를 갖는다. 상기 양극판의 일측에는 양극 탭이 형성되고, 상기 음극판의 일측에는 음극 탭이 형성된다. 탭들은 각각 전극 리드에 연결됨으로써 외부 회로와 접속된다. 이러한 전극 조립체는 외장재인 파우치에 의해 밀봉된다.
파우치는 전극 조립체를 수납하는 수납부와, 수납부의 둘레에 위치하며 전극 조립체를 밀봉하는 실링부를 포함한다. 그리고, 실링부 중 일부는 전극 리드가 돌출되고, 다른 일부는 에너지 밀도를 높이기 위해 폴딩되어 윙 폴딩부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 윙 폴딩부는 더블 사이드 폴딩(Double Side Folding, DSF)에 의해 형성될 수 있다. 윙 폴딩부는 소정의 시간이 지나게 되면 접혀진 상태를 계속 유지하지 못하고 일부분이 펼쳐져 외부로 돌출될 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 테이프 등과 같은 고정 부재를 사용하여 윙 폴딩부를 고정시킬 수 있다.
그러나, 파우치형 전지셀의 비정상 동작에 의해 화염이나 가스가 발생할 경우, 상기 고정 부재에 의해 화염이나 가스가 윙 폴딩부 쪽으로 배출되지 못하고 전극 리드 쪽으로 배출되는 문제점이 있다.
전지 모듈 또는 전지 팩 내에서, 어느 하나의 파우치형 전지셀에서 발생한 화염이나 가스가 전극 리드쪽으로 배출되면, 화염이 주변으로 급속히 전파되어 인접한 전지셀들의 연속적인 열폭주를 유발시킬 수 있는 바, 이를 해결하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 파우치형 전지셀 내에서 발생한 화염이나 가스가 전극 리드 쪽으로 벤팅되는 것을 지연시키고, 파우치형 전지셀에서 벤팅된 화염이나 가스가 원활하게 외부로 벤팅되는 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은, 모듈 프레임; 상기 모듈 프레임 내에 나란하게 배치된 복수개의 파우치형 전지셀; 및 상기 모듈 프레임의 일면에 관통 형성된 복수개의 벤트홀을 포함할 수 있다. 상기 파우치형 전지셀은, 전극 리드가 구비된 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 수용하는 수납부와, 상기 수납부의 둘레 중 일부에 위치하며 상기 전극 리드가 돌출되는 단변 실링부와, 상기 수납부의 둘레 중 다른 일부에 위치하며 상기 수납부를 향해 폴딩된 장변 실링부를 포함하는 전지 케이스; 및 상기 장변 실링부를 폴딩된 상태로 고정하도록 상기 전지 케이스에 부착되며 상기 장변 실링부의 길이 방향에 대해 서로 간격을 이루도록 배열된 복수개의 고정 부재를 포함할 수 있다. 상기 벤트홀 각각은, 상기 고정부재와 중첩되는 영역보다 상기 고정 부재와 비중첩되는 영역이 더 넓을 수 있다.
상기 장변 실링부의 길이에서 상기 복수개의 고정 부재의 길이의 총합을 뺀 값은, 상기 단변 실링부의 전체 길이 이상일 수 있다.
상기 복수개의 고정 부재 사이의 간격은, 상기 고정 부재의 길이보다 클 수 있다.
상기 복수개의 고정 부재 사이의 간격은, 상기 단변 실링부의 각 길이보다 클 수 있다.
상기 복수개의 고정 부재 중 최외각 고정 부재는, 상기 수납부의 끝단에 대응되게 위치할 수 있다.
상기 복수개의 고정 부재의 길이의 총합은, 상기 장변 실링부의 길이의 20 % 이하일 수 있다.
상기 복수개의 고정 부재의 길이의 총합은, 상기 장변 실링부의 길이의 17 % 이하일 수 있다.
상기 복수개의 고정 부재의 길이의 총합은, 상기 장변 실링부의 길이의 10 % 이상일 수 있다.
상기 고정 부재의 각 길이는, 상기 장변 실링부의 길이의 3 % 내지 6 % 이하일 수 있다.
상기 벤트홀은 상기 파우치형 전지셀과 나란한 방향으로 길게 형성되며 상기 고정 부재보다 긴 길이를 가질 수 있다.
상기 벤트홀의 길이는 상기 고정 부재의 길이의 3배 이상일 수 있다.
상기 복수개의 벤트홀의 전체 면적에 대해, 상기 복수개의 고정 부재가 상기 복수개의 벤트홀과 중첩되는 면적은 1/3 이하일 수 있다.
상기 벤트홀 각각은, 상기 고정부재와 중첩되는 영역이 상기 고정부재와 비중첩되는 영역의 1/3 이하일 수 있다.
상기 복수개의 벤트 홀은, 상기 고정 부재와 비중첩되는 제1벤트홀; 및 일부가 상기 고정 부재와 중첩되는 제2벤트홀을 포함할 수 있다.
상기 복수개의 벤트홀은, 상기 복수개의 파우치형 전지셀의 적층 방향과 나란한 복수개의 열을 이루도록 배열되고, 상기 파우치형 전지셀의 길이 방향에 대한 상기 복수개의 벤트홀 간 간격은, 상기 고정 부재의 길이 이상일 수 있다.
상기 벤트홀의 양 단부는 외측으로 볼록하도록 라운드지게 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 파우치형 전지셀의 내부에서 화재가 발생한 경우, 전극 리드가 돌출되는 단변 실링부보다 장변 실링부에서 우선적으로 가스 및 화염이 벤팅될 수 있다. 이로써, 단변 실링부로 가스나 화염이 벤팅되기까지 걸리는 시간을 최대한 지연시킬 수 있고, 화염이 주변으로 급속히 전파되어 인접한 전지셀들의 연속적인 열폭주를 유발하는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 파우치형 전지셀의 정상 동작시에는, 고정 부재에 의해 장변 실링부가 폴딩된 상태로 신뢰성있게 유지될 수 있다.
또한, 파우치형 전지셀의 장변 실링부에서 벤팅된 가스 및 화염이 모듈 프레임의 벤트홀로 원활하게 배출될 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성들로부터 당업자가 용이하게 예측 가능한 효과들을 포함할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 파우치형 전지 셀의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'에 대한 부분 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 파우치형 전지 셀의 정면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 파우치형 전지 셀의 변형예가 도시된 정면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 비교예에 따른 파우치형 전지 셀의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 8은 도 6에 도시된 전지 모듈의 평면도이다.
도 9a 및 도 9b는 실험예에 따른 전지 모듈의 내부를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 파우치형 전지 셀의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'에 대한 부분 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 파우치형 전지 셀의 정면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 파우치형 전지 셀의 변형예가 도시된 정면도이다.
이하에서 설명하는 파우치형 전지 셀(100)(이하, '전지 셀')은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함될 수 있다. 상기 전지 셀(100)은, 전극 조립체(110), 전지 케이스(120) 및 고정 부재(130)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(110)는 교대로 배치되는 양극과 음극의 사이에 분리막이 개재되어 형성될 수 있다. 즉, 전극 조립체(110)는 복수개의 전극과, 복수개의 전극을 상호 절연시키기 위해 복수개의 전극 사이에 개재되는 분리막을 포함할 수 있다. 전극 조립체(110)는 전지 케이스(120), 좀 더 상세히는 후술할 수납부(121)에 전해액과 함께 수용될 수 있다.
전극 조립체(110)는 스택형, 젤리롤형, 스택 앤 폴딩형 등이 있으며, 전극 조립체(110)의 타입은 제한되지 않는다.
전극 조립체(110)는, 양극 및 음극과 각각 연결되는 전극 탭을 포함할 수 있으며, 상기 전극 탭은 전극 조립체(110)의 내부와 외부 사이에 전자가 이동할 수 있는 경로로서 작용할 수 있다. 상기 전극 탭은, 양극과 연결된 양극 탭과, 음극과 연결된 음극 탭을 포함할 수 있다. 양극 탭 및 음극 탭은 전극 조립체(110)로부터 각각 다른 방향으로 돌출될 수도 있으나, 이에 제한되지 않고 일측으로부터 동일한 방향으로 나란히 돌출되는 등 다양한 방향을 향해 돌출 형성될 수도 있다.
전극 조립체(110)에는 전극 리드(111)가 구비될 수 있다. 전극 리드(111)는 전극 조립체(110)를 외부와 전기적으로 연결할 수 있다.
좀 더 상세히, 전극 리드(111)는 전극 조립체(110)의 전극 탭에 스팟(Spot) 용접 등으로 연결될 수 있다. 그리고, 전극 리드(111)의 일부는 절연 부재로 주위가 포위될 수 있다. 절연부재는 전지 케이스(120)의 후술할 단변 실링부(122)에 대응되게 위치할 수 있다. 따라서, 절연 부재는 전극 리드(111)와 단변 실링부(122)를 절연시키고, 단변 실링부(122)의 실링을 유지할 수 있다. 일반적으로 절연 부재로는, 전극 리드(111)에 부착하기 용이하고 두께가 비교적 얇은 절연테이프를 많이 사용하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전극 리드(111)는 일단이 상기 전극 탭과 연결되고 타단이 상기 전지 케이스(120)의 외부로 돌출될 수 있다. 전극 리드(111)는 양극 탭에 연결된 양극 리드와, 음극 탭에 연결된 음극 리드를 포함할 수 있다. 양극 탭 및 음극 탭이 각각 다양한 방향을 향해 돌출 형성되므로, 양극 리드 및 음극 리드도 각각 다양한 방향을 향해 연장될 수 있다.
전지 케이스(120)는 라미네이트 시트가 성형되어 형성될 수 있으며, 전극 조립체(110)를 내부에 수용할 수 있다.
전지 케이스(120)는, 실링되기 이전이나 실링이 해제된 상태에서, 브릿지로 연결된 한 쌍의 한 쌍의 케이스를 포함할 수 있고, 상기 한 쌍의 케이스 중 적어도 하나에는 수납부(121)가 함몰 성형될 수 있으며, 수납부(121)의 주변 영역이 테라스를 이룰 수 있다. 그리고, 수납부(121)에 전극 조립체(110)가 수납된 상태에서 브릿지가 폴딩되면 한 쌍의 케이스의 테라스는 서로 맞닿을 수 있고 열융착에 의해 3변 실링될 수 있다. 이 경우, 상기 브릿지는 폴딩부(124)를 이룰 수 있고, 상기 테라스는 실링부(122)(123)를 이룰 수 있다.
다만 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 한 쌍의 케이스는 서로 별개의 부재일 수 있다. 이 경우, 한 쌍의 케이스의 테라스는 서로 맞닿을 수 있고 열융착에 의해 4변 실링될 수 있다. 이러한 셀 케이스의 구성은 주지의 기술이므로 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
전지 케이스(120)는, 전극 조립체(110)를 수용하는 수납부(121)와, 수납부(121)의 둘레 중 일부에 위치하며 전극 리드(111)가 돌출되는 단변 실링부(122)와, 수납부(121)의 둘레 중 다른 일부에 위치하며 수납부(121)를 향해 폴딩된 장변 실링부(123)를 포함할 수 있다.
수납부(121)는 포켓 형상을 가질 수 있으며, 내부에 전극 조립체(111)가 수납될 수 있다.
단변 실링부(122)는 수납부(121)의 둘레 중 일부에 위치할 수 있다. 예를 들어, 단변 실링부(122)는 수납부(121)의 전장 방향 양측에 위치할 수 있고, 전폭 방향으로 연장될 수 있다. 전극 리드(111)는 단변 실링부(122)를 통해 전지 케이스(120)의 외부로 돌출될 수 있다.
장변 실링부(123)는 수납부(121)의 둘레 중 다른 일부에 위치할 수 있다. 예를 들어, 장변 실링부(123) 수납부(121)의 전폭 방향 일측에 위치할 수 있고, 전장 방향으로 연장될 수 있다. 장변 실링부(123)는 양 단변 실링부(122)를 연결할 수 있다. 장변 실링부(123)는 폴딩부(124)의 반대편에 위치할 수 있다. 장변 실링부(123)는 전극 리드(111)가 미돌출된 부분일 수 있다.
전지 케이스의 제조 공정에서, 장변 실링부(123)는 단변 실링부(122)보다 나중에 실링되므로, 실링부(122)(123)의 코너는 장변 실링부(123)에 포함될 수 있다.
장변 실링부(123)는 수납부(121)를 향해 적어도 1회 폴딩될 수 있다. 바람직하게는, 장변 실링부(123)는 DSF(Double Side Folding)될 수 있다.
고정 부재(130)는 장변 실링부(123)를 폴딩된 상태로 고정하도록 전지 케이스(120)에 부착될 수 있다. 즉, 고정 부재(130)는 장변 실링부(123)를 폴딩된 상태로 고정시킬 수 있다. 예를 들어, 고정 부재(130)는 접착 테이프일 수 있다.
고정 부재(130)는 복수개가 구비될 수 있다. 복수개의 고정 부재(130)는 장변 실링부(123)의 길이 방향에 대해 서로 소정의 간격을 이루도록 배열될 수 있다.
좀 더 상세히, 복수개의 고정 부재(130)는, 한 쌍의 최외각 고정부재와, 한 쌍의 최외각 고정 부재의 사이에 위치한 적어도 하나의 중간 고정부재를 포함할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 도 4에 도시된 바와 같이 복수개의 고정 부재(130)가 한 쌍의 최외각 고정부재만을 포함하는 것도 가능하다.
복수개의 고정 부재(130)의 길이(L)는 서로 동일할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 전지셀(100), 좀 더 상세히는 전극 조립체(110)에서 발화가 발생하면, 전지 케이스(120)가 파손되며 가스가 스파크나 입자 등과 함께 배출될 수 있다. 이 때, 상기 가스가 전극 리드(111) 쪽으로 배출될 경우 주변의 다른 전지셀(100)로 열 및 화염의 전파가 빨라질 우려가 있으므로, 이러한 우려를 최소화하기 위한 구성이 필요하다.
장변 실링부(123)에서 고정 부재(130)가 부착된 부분은 부풀어 오르지 않고가스가 벤팅되기도 어렵다. 반면, 장변 실링부(123)에서 고정 부재(130)가 부착되지 않은 부분은, 전지 케이스(120)의 내압이 상승함에 따라 조금씩 펼쳐지며 전지 케이스(120)의 내적이 증대되므로, 가스의 벤팅이 발생하기까지 걸리는 시간이 지연될 수 있고, 또한 상대적으로 가스가 우선적으로 벤팅될 수 있다.
추가적으로, 장변 실링부(123)에서 고정 부재(130)가 미부착된 부분에는, 우선적으로 파단되는 약실링부 또는 미실링부가 구비될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
장변 실링부(123)의 길이(L2)에서 복수개의 고정 부재(130)의 길이(L)의 총합을 뺀 값은, 단변 실링부(122)의 전체 길이 이상일 수 있다. 즉, 장변 실링부(123)에서 고정 부재(130)가 부착되지 않은 부분의 전체 길이는, 단변 실링부(122)의 전체 길이 이상일 수 있다. 단변 실링부(122)의 전체 길이는, 단변 실링부(122)의 각 길이(L1)를 합한 값일 수 있다.
예를 들어, 도 3과 같이 단변 실링부(122)는 수납부(121)의 양측에 형성되고 장변 실링부(123)에 3개의 고정 부재(130)가 부착되는 경우,
Figure PCTKR2023019166-appb-img-000001
와 같은 조건식이 만족할 수 있다.
이로써, 장변 실링부(123)에서 고정 부재(130)가 미부착된 부분이 가스의 내압 증가에 따라 펼쳐지며 가스의 벤팅을 지연시킬 수 있고, 또한 가스가 상기 부분을 통해 우선적으로 벤팅될 가능성이 높아지므로, 가스가 단변 실링부(122) 쪽으로 벤팅되는 것을 충분히 지연시킬 수 있다.
복수개의 고정 부재(130) 사이의 간격은, 각 고정 부재(130)의 길이(L)보다 클 수 있다. 복수개의 고정 부재(130) 사이의 간격은, 단변 실링부(122)의 각 길이(L1)보다 클 수 있다. 이로써, 전지 케이스(120)의 내압이 높아지면 장변 실링부(123) 중 복수개의 고정 부재(130)의 사이에 위치한 부분이 용이하게 부풀어오르고, 단변 실링부(122)보다 우선적으로 가스 벤팅될 수 있다.
복수개의 고정 부재(130) 중 최외각 고정 부재(130)는, 수납부(121)의 끝단에 대응되게 위치할 수 있다. 수납부(121)의 끝단은 전장 방향 끝단을 의미할 수 있다. 좀 더 상세히, 최외각 고정 부재(130)는 수납부(121)의 끝단에 부착되거나, 수납부(121)의 끝단에 인접하게 부착될 수 있다. 이로써, 제2실링부(123)에서 가스가 벤팅되는 부분이 제1실링부(122)와 거리를 두도록 형성할 수 있고, 전극 리드(111)로 화염이 번지는 것을 더욱 신뢰성있게 지연시킬 수 있다.
복수개의 고정 부재(130)의 길이(L)의 총합은, 장변 실링부(123)의 길이(L2)의 20 % 이하, 바람직하게는 17 % 이하일 수 있다. 만일 복수개의 고정 부재(130)의 길이(L)의 총합이 장변 실링부(123)의 길이(L2)의 20 % 보다 크면, 가스가 단변 실링부(122)로 벤팅되기까지의 시간이 충분이 지연되지 않을 문제점이 있다.
또한, 복수개의 고정 부재(130)의 길이(L)의 총합은 장변 실링부(123)의 길이(L2)의 10 % 이상일 수 있다. 만일 복수개의 고정 부재(130)의 길이(L)의 총합이 장변 실링부(123)의 길이(L2)의 10 % 보다 작으면, 장변 실링부(123)를 폴딩된 상태로 충분히 고정시키기 어려운 문제점이 있다.
또한, 각 고정 부재(130)의 길이(L)는, 장변 실링부(123)의 길이(L2)의 6 % 이하일 수 있다. 이로써, 장변 실링부(123)에서 고정 부재(130)가 미부착된 부분이 전지 케이스(120)의 내압 상승에 의해 용이하게 부풀어 오를 수 있고, 가스가 벤팅 가능한 영역이 고르게 형성될 수 있다.
또한, 각 고정 부재(130)의 길이(L)는, 장변 실링부(123)의 길이(L2)의 3 % 이상일 수 있다. 이로써, 각 고정 부재(130)의 부착력을 폴딩된 장변 실링부(123)의 복원력에 의해 고정 부재(130)가 떨어져 나가는 것을 방지할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 비교예에 따른 파우치형 전지 셀의 정면도이다.
도 5a를 참조하면, 제1비교예에 따른 전지 셀(100a)의 고정 부재(130a)는 장변 실링부(123) 전체에 부착되므로, 전지 셀(100a) 내에서 화재가 발생하면 단변 실링부(122)로 가스가 거의 즉시 벤팅될 수 있고, 벤팅 지연 효과가 미미하다.
도 5b를 참조하면, 제2비교예에 따른 전지 셀(100b)의 고정 부재(130b)는 각 길이가 상대적으로 길게 형성되어서, 장변 실링부(123)에서 고정 부재(130b)가 미부착된 부분의 길이가 충분히 확보되지 않을 수 있다. 이 경우, 단변 실링부(122)로 가스가 벤팅되는 것을 충분히 지연시키기 어렵다.
도 5c를 참조하면, 제3비교예에 따른 전지 셀(100c)의 고정 부재(130c)는 각 길이가 상대적으로 짧지만, 고정 부재(130c)의 개수가 상대적으로 많아서, 장변 실링부(123)에서 고정 부재(130c)가 미부착된 부분의 길이가 충분히 확보되지 않을 수 있다. 또한, 고정 부재(130c) 간 간격이 짧으므로 장변 실링부(123)에서 고정 부재(130c)의 사이 부분이 부풀어오르기 어렵고 가스가 벤팅되는 것이 어렵다. 이 경우, 단변 실링부(122)로 가스가 벤팅되는 것을 충분히 지연시키기 더욱 어렵다.
도 5d를 참조하면, 제4비교예에 따른 전지 셀(100d)은, 장변 실링부(123)에 고정부재가 구비되지 않을 수 있다. 이 경우, 장변 실링부(123)가 폴딩된 상태가 유지되기 어렵다.
이하, 도 3, 도 4, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 실험예에 대해 설명한다.
발명자(들)은, 전지셀(100)의 수납부(121) 일면 중앙에서 히팅 패드를 부착하여 가열하면서, 가스의 벤팅이 발생한 시점부터 단변 실링부(122)에서 가스가 벤팅되기까지 걸리는 시간(이하, '지연 시간')을 측정하였다. 각 실험예에 사용된 전지 케이스의 장변 실링부는 270도로 DSF(Double Side Folding) 처리되었으며, 장변 실링부의 길이는 548 mm이다. 또한, 고정 부재로서 고정 테이프를 사용하였다.
제1실험예에 따른 전지셀의 경우, 548 mm의 길이를 갖는 단일의 고정 테이프를 사용하여 장변 실링부를 전체적으로 고정하였다(도 5a 참조). 그 결과, 단변 실링부(122)에서 먼저 가스가 벤팅되어, 상기 지연 시간은 0초로 측정되었다. 즉, 화염 지연 효과가 없음을 확인할 수 있다.
제2실험예에 따른 전지셀의 경우, 장변 실링부를 3등분한 양 단부에 183 mm의 길이를 갖는 고정 테이프를 부착하였다(도 5b 참조). 그 결과, 상기 지연 시간은 4초로 측정되어 전지셀 단위에서는 화염 지연 효과를 가짐이 확인되었다. 다만, 후술할 모듈 프레임의 상면에 형성된 벤트홀로 화염 및 가스를 유도하기 불리한 문제점이 있다.
제3실험예에 따른 전지셀의 경우, 30 mm의 길이를 갖는 2개의 고정 테이프를 장변 실링부의 양 끝단으로부터 31.2 mm 떨어진 지점에 부착하였다(도 4 참조). 그 결과, 상기 지연 시간은 8초로 측정되어 전지셀 단위에서는 화염 지연 효과를 가짐이 확인되었다. 다만 장변 실링부의 중앙부가 과도하게 부풀어 오르므로 후술할 모듈 프레임과 간섭하여 전지 셀이 손상될 리스크가 있다.
제4실험예에 따른 전지셀의 경우, 30 mm의 길이를 갖는 3개의 고정 테이프 중 2개를 장변 실링부의 양 끝단으로부터 31.2 mm 떨어진 지점에 부착하고, 나머지 1개를 장변 실링부의 중앙에 부착하였다(도 3 참조). 그 결과, 상기 지연 시간은 4초로 측정되어 전지셀 단위에서는 화염 지연 효과를 가짐이 확인되었다.
제5실험예에 따른 전지셀의 경우, 30 mm의 길이를 갖는 6개의 고정 테이프 중 2개를 장변 실링부의 양 끝단으로부터 31.2 mm 떨어진 지점에 부착하고, 나머지 4개를 등간격으로 부착하였다(도 5c 참조). 그 결과, 단변 실링부(122)에서 먼저 가스가 벤팅되어, 상기 지연 시간은 0초로 측정되었다. 즉, 화염 지연 효과가 없음을 확인할 수 있다.
제6실험예에 따른 전지셀의 경우, 장변 실링부에 고정 테이프가 부착되지 않았다(도 5d 참조). 그 결과, 상기 지연 시간은 10초로 측정되어 전지셀 단위에서는 화염 지연 효과를 가짐이 확인되었다. 다만 장변 실링부가 고정되지 않는 문제점이 있다.
이러한 실험예들에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀(100)이 화염 지연 효과를 가지면서도 부작용을 최소화할 수 있음을 확인하였다(제4실험예). 또한 전지 셀(100) 단독으로는 변형예에 따른 전지 셀(100) 또한 유용함을 확인할 수 있다(제3실험예).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이고, 도 7은 도 6에 도시된 전지 모듈의 분해 사시도이고, 도 8은 도 6에 도시된 전지 모듈의 평면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(10)은, 복수개의 전지셀(100) 및 모듈 프레임(200)을 포함할 수 있다.
복수개의 전지셀(100)은 모듈 프레임(200)에 수용될 수 있다. 복수개의 전지셀(100)은 서로 나란하게 배치될 수 있다.
복수개의 전지셀(100)은 서로 적층될 수 있다. 서로 적층된 복수개의 전지셀(100)은 전지셀 적층체(140)를 이룰 수 있다. 또한, 전지셀 적층체(140)에는 적어도 하나의 방열 패드(150)가 구비될 수 있다. 방열 패드(150)는 전지셀(100)을 방열시킬 수 있다. 방열 패드(150)는 복수개의 전지셀(100)의 사이에 배치되거나, 최외각 전지셀(100)을 커버하도록 배치될 수 있다.
모듈 프레임(200)은 전지 모듈(10)의 외관을 이룰 수 있다. 모듈 프레임(200)은 높은 강도를 갖는 금속 재질을 가질 수 있다.
모듈 프레임(200)의 구조는 다양할 수 있다. 일 예로, 모듈 프레임(200)은 모노 프레임일 수 있다. 상기 모노 프레임은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재일 수 있다. 다른 예로, 모듈 프레임(200)은 U자형 프레임과 상부 플레이트(상면)가 결합된 구조를 가질 수 있다. 상기 U자형 프레임은 하부 플레이트(저면) 및 사이드 플레이트(양 측면)이 결합된 또는 일체화된 금속 판재일 수 있다. 그 외에도, 모듈 프레임(200)의 구조는 L형 프레임들이 결합된 구조로 제공될 수도 있으며, 상술한 예에서 설명하지 않은 다양한 구조로 제공될 수도 있을 것이다.
모듈 프레임(200)은 내부 공간을 가질 수 있고, 상기 내부 공간에는 전지셀 적층체(140)가 수용될 수 있다. 좀 더 상세히, 모듈 프레임(200)은 상면, 저면 및 양 측면을 포함할 수 있다. 모듈 프레임(200)은 전장 방향에 대한 양 단부는 개방될 수 있고, 후술할 엔드 플레이트(400)에 의해 커버될 수 있다.
모듈 프레임(200)의 일면(210), 바람직하게는 상면에는 복수개의 벤트홀(240)이 형성될 수 있다. 모듈 프레임(200) 내의 전지셀(100)에서 발화가 발생할 경우, 가스와 화염이 벤트홀(240)로 신속하게 배출될 수 있다.
각 벤트홀(240)은 전지셀(100)과 나란한 방향으로 길게 형성될 수 있다.
각 벤트홀(240)의 양 단부는 외측으로 볼록하도록 라운드지게 형성될 수 있다. 이로써, 벤트홀(240)의 코너 부근에서 응력 집중이 발생하는 것을 줄이면서 벤트홀(240)의 개방 면적을 늘릴 수 있다.
복수개의 벤트홀(240)은, 복수개의 파우치형 전지셀(100)의 적층 방향과 나란한 복수개의 열을 이루도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수개의 벤트홀(240)은 파우치형 전지셀(100)의 적층 방향과 나란한 5개의 열을 이루도록 배열될 수 있다. 따라서, 서로 이웃한 열을 이루는 양 벤트홀(240) 사이에는, 파우치형 전지셀(100)의 길이 방향에 대해, 소정의 간격(d)이 형성될 수 있다.
전지 모듈(10)은 버스바 프레임(300) 및 엔드 플레이트(400)를 더 포함할 수 있다.
버스바 프레임(300)은 전지셀 적층체(120)의 전장 방향 양측에 배치될 수 있다. 버스바 프레임(300)에는 적어도 하나의 버스바(310)가 장착될 수 있으며, 각 버스바(310)는 전지셀(100)의 전극 리드(111)에 연결될 수 있다. 버스바(310)는 복수개의 전지셀(100)을 외부 기기와 전기적으로 연결하기 위한 구성일 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 버스바 프레임(300)의 외측에 배치될 수 있다. 즉, 버스바 프레임(300)은 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(400)의 사이에 배치될 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 모듈 프레임(200)에 결합될 수 있다. 엔드 플레이트(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 양 단부를 커버할 수 있다. 엔드 플레이트(400)에는 개구(400H)가 형성되고, 상기 개구(400H)를 통해 버스바(310)의 전기적 연결이 이뤄질 수 있다. 즉, 일 전지 모듈(10)의 버스바(310)는, 상기 개구(400H)를 통해 다른 전지 모듈(10)이나 BDU(Battery Disconnect Unit)와 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 전지셀(100)의 복수개의 고정부재(130)가 벤트홀(240)을 통한 가스의 배출을 방해할 우려가 있다. 이러한 우려를 해소하기 위해, 벤트홀(240) 각각에서 고정부재(130)와 중첩되는 영역보다 고정 부재(130)와 비중첩되는 영역이 더 넓을 수 있다. 즉, 각 벤트홀(240)은 고정부재(130)와 비중첩되거나, 그 면적의 절반 미만만이 고정부재(130)와 중첩될 수 있다. 이로써, 전지 셀(100)에서 벤팅된 가스가 벤트홀(240)로 원활하게 벤팅될 수 있다.
좀 더 상세히, 복수개의 벤트홀(240)의 전체 면적에 대해, 복수개의 고정 부재(130)가 복수개의 벤트홀(240)과 중첩되는 면적은 1/3 이하일 수 있다. 즉, 복수개의 벤트홀(240)의 전체 면적 중 1/3 이하만 고정 부재(130)와 중첩될 수 있다.
더욱 상세히, 벤트홀(240) 각각은, 고정부재(130)와 중첩되는 영역이 고정부재(130)와 비중첩되는 영역의 1/3 이하일 수 있다. 즉, 각 벤트홀(240)의 면적 중 1/3 이하만 고정 부재(130)와 중첩될 수 있다. 이로써, 일부 벤트홀(240)이 고정 부재(130)에 의해 막히는 것을 방지하고, 모든 벤트홀(240)이 고르게 개방되어, 가스의 벤팅에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
벤트홀(240)은 고정 부재(130)보다 긴 길이를 가질 수 있다. 바람직하게는, 벤트홀(240)의 길이는 고정 부재(130)의 길이(L)의 3배 이상일 수 있다. 이로써, 전지 케이스(120)에 고정 부재(130)를 부착하는 위치가 벤트홀(240)의 위치에 구속되지 않아 전지셀(100)의 설계 및 제작 용이성이 증가할 수 있다.
전지셀(100)의 길이 방향에 대한 복수개의 벤트홀(240) 간 간격(d)은, 고정 부재(30)의 길이(L) 이상일 수 있다. 이로써, 전지 케이스(120)의 임의의 위치에 부착된 고정 부재(130)가 벤트홀(240)과 중첩되는 비율을 줄일 수 있으며, 모듈 프레임(200)의 강성을 높게 유지할 수 있다.
복수개의 벤트 홀(240)은, 고정 부재(130)와 중첩되는 제1벤트홀(241)과, 고정 부재(130)와 비중첩되는 제2벤트홀(242)을 포함할 수 있다. 즉, 복수개의 벤트 홀(240) 중 일부는 고정 부재(130)와 중첩되고, 다른 일부는 고정 부재(130)와 비중첩될 수 있다. 이로써, 복수개의 벤트홀(240)을 통한 가스의 벤팅을 어느정도 원활하게 유지하면서도, 모듈 프레임(200)에 복수개의 벤트홀(240)이 과도하게 넓게 형성되어 모듈 프레임(200)의 강성이 지나치게 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
다만 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예에서는, 복수개의 벤트 홀(240)의 적절한 배열을 통해, 복수개의 벤트 홀(240)이 제1벤트홀(241)만을 포함하거나, 제2벤트홀(242)만을 포함하는 것도 가능함은 물론이다.
도 9a 및 도 9b는 실험예에 따른 전지 모듈의 내부를 도시한 도면이다.
이하에서 설명하는 전지 모듈에 관한 실험예의 조건은, 앞서 설명한 전지셀에 관한 실험예들과 동일하다.
제1실험예에 따른 전지 모듈의 경우, 30 mm의 길이를 갖는 4개의 고정 테이프 중 2개를 장변 실링부의 양 끝단으로부터 31.2 mm 떨어진 지점에 부착하고, 나머지 2개를 등간격으로 부착하였다. 또한 3개의 벤트홀이 형성된 모듈 프레임을 사용하였으며, 그에 따라, 최외각의 양 벤트홀의 절반 이상이 고정 테이프와 중첩되게 되었다(도 9a 참조). 그 결과, 1회차에는 상기 지연 시간이 0초로 측정되고, 2회차에는 상기 지연 시간이 4.7초로 측정되어, 화염 지연 효과가 랜덤하게 나타남을 확인할 수 있다.
제2실험예에 따른 전지 모듈의 경우, 30 mm의 길이를 갖는 3개의 고정 테이프 중 2개를 장변 실링부의 양 끝단으로부터 31.2 mm 떨어진 지점에 부착하고, 나머지 1개를 장변 실링부의 중앙부에 부착하였다. 또한 2개의 벤트홀이 형성된 모듈 프레임을 사용하였으며, 그에 따라 전체 벤트홀이 고정 테이프와 비중첩되게 되었다(도 9b 참조). 그 결과, 1회차에는 상기 지연 시간이 5.2초로 측정되고, 2회차에는 상기 지연 시간이 10.4초로 측정되어, 화염 지연 효과를 가짐이 확인되었다.
이러한 실험예들에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(10)이 신뢰성있는 화염 지연 효과를 가짐을 확인하였다(제2실험예).
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[부호의 설명]
10: 전지 모듈 100: 파우치형 전지셀
110: 전극 조립체 111: 전극 리드
120: 전지 케이스 121: 수납부
122: 단변 실링부 123: 장변 실링부
124: 폴딩부 130: 고정 부재
200: 모듈 프레임 210: (모듈 프레임의) 일 면
240: 벤트홀

Claims (16)

  1. 모듈 프레임;
    상기 모듈 프레임 내에 나란하게 배치된 복수개의 파우치형 전지셀; 및
    상기 모듈 프레임의 일면에 관통 형성된 복수개의 벤트홀을 포함하고,
    상기 파우치형 전지셀은,
    전극 리드가 구비된 전극 조립체;
    상기 전극 조립체를 수용하는 수납부와, 상기 수납부의 둘레 중 일부에 위치하며 상기 전극 리드가 돌출되는 단변 실링부와, 상기 수납부의 둘레 중 다른 일부에 위치하며 상기 수납부를 향해 폴딩된 장변 실링부를 포함하는 전지 케이스; 및
    상기 장변 실링부를 폴딩된 상태로 고정하도록 상기 전지 케이스에 부착되며 상기 장변 실링부의 길이 방향에 대해 서로 간격을 이루도록 배열된 복수개의 고정 부재를 포함하고,
    상기 벤트홀 각각은, 상기 고정부재와 중첩되는 영역보다 상기 고정 부재와 비중첩되는 영역이 더 넓은 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장변 실링부의 길이에서 상기 복수개의 고정 부재의 길이의 총합을 뺀 값은, 상기 단변 실링부의 전체 길이 이상인 전지 모듈 .
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 고정 부재 사이의 간격은, 상기 고정 부재의 길이보다 큰 전지 모듈 .
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 고정 부재 사이의 간격은, 상기 단변 실링부의 각 길이보다 큰 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 고정 부재 중 최외각 고정 부재는, 상기 수납부의 끝단에 대응되게 위치하는 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 고정 부재의 길이의 총합은, 상기 장변 실링부의 길이의 20 % 이하인 전지 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 고정 부재의 길이의 총합은, 상기 장변 실링부의 길이의 17 % 이하인 전지 모듈.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 복수개의 고정 부재의 길이의 총합은, 상기 장변 실링부의 길이의 10 % 이상인 전지 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정 부재의 각 길이는, 상기 장변 실링부의 길이의 3 % 내지 6 % 이하인 전지 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 벤트홀은 상기 파우치형 전지셀과 나란한 방향으로 길게 형성되며 상기 고정 부재보다 긴 길이를 갖는 전지 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 벤트홀의 길이는 상기 고정 부재의 길이의 3배 이상인 전지 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 벤트홀의 전체 면적에 대해, 상기 복수개의 고정 부재가 상기 복수개의 벤트홀과 중첩되는 면적은 1/3 이하인 전지 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 벤트홀 각각은, 상기 고정부재와 중첩되는 영역이 상기 고정부재와 비중첩되는 영역의 1/3 이하인 전지 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 벤트 홀은,
    상기 고정 부재와 중첩되는 제1벤트홀; 및
    상기 고정 부재와 비중첩되는 제2벤트홀을 포함하는 전지 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 벤트홀은, 상기 복수개의 파우치형 전지셀의 적층 방향과 나란한 복수개의 열을 이루도록 배열되고,
    상기 파우치형 전지셀의 길이 방향에 대한 상기 복수개의 벤트홀 간 간격은, 상기 고정 부재의 길이 이상인 전지 모듈.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 벤트홀의 양 단부는 외측으로 볼록하도록 라운드지게 형성된 전지 모듈.
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