KR101753213B1 - 배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 배터리 셀은, 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 연결되는 전극 리드; 상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스; 및 상기 파우치 케이스를 관통하여 설치되어 상기 파우치 케이스의 내부 압력이 임계 압력에 도달하면 개방되는 벤팅 수단을 포함한다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀의 밀봉성을 저해하지 않으면서도 이상 상황에서 신속한 벤팅이 가능하게 되고, 또한 정해진 압력에서 정확히 벤팅이 일어나도록 함으로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.

Description

배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩{Battery cell and Secondary battery assembly comprising the same}

본 발명은 배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 내부 압력의 증가에 따라 내부 가스를 외부로 방출할 수 있는 구조를 갖는 배터리 셀, 그리고 이를 포함하는 배터리 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다.

비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있다.

통상적으로 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 랩탑 컴퓨터, 파워 툴, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력 저장 장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.

특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.

리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용된다.

리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.

리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.

액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용된다. 이런 금속 캔을 용기로 사용하는 캔형 이차전지는 형태가 고정되므로 이를 전원으로 사용하는 전기 제품의 디자인을 제약하는 단점이 있고, 부피를 줄이는 데 어려움이 있다. 따라서, 전극 조립체와 전해질을 필름으로 만든 파우치 포장재에 넣고 밀봉하여 사용하는 파우치형 이차전지가 개발되어 사용되고 있다.

그런데, 리튬 이차전지는 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 리튬 이차전지의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 리튬 이차전지를 통해 한계 이상의 과전류가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 리튬 이차전지가 주울열에 의해 발열을 하므로 전지의 내부 온도가 급속하게 상승한다. 또한 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 결국에는 전지의 폭발까지 이어지게 된다. 과전류는 뾰족한 금속 물체가 리튬 이차전지를 관통하거나 양극과 음극 사이에 개재된 분리막의 수축에 의해 양극과 음극 사이의 절연이 파괴되거나 외부에 연결된 충전 회로나 부하의 이상으로 인해 돌입전류(rush current)가 전지에 인가되는 등의 경우에 발생된다.

따라서 리튬 이차전지는 과전류의 발생과 같은 이상 상황으로부터 전지를 보호하기 위해 보호회로와 결합되어 사용되며, 상기 보호회로에는 과전류가 발생되었을 때 충전 또는 방전전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈 소자가 포함되는 것이 일반적이다.

도 1은 리튬 이차전지를 포함하는 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 보호회로는 과전류 발생 시 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩을 보호하기 위해 퓨즈 소자(1), 과전류 센싱을 위한 센스 저항(2), 과전류 발생을 모니터하여 과전류 발생 시 퓨즈 소자(1)를 동작시키는 마이크로 컨트롤러(3) 및 상기 퓨즈 소자(1)에 동작 전류의 유입을 스위칭하는 스위치(4)를 포함한다.

퓨즈 소자(1)는 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩의 최 외측 단자에 연결된 주 선로에 설치된다. 주 선로는 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 배선을 말한다. 도면에는, 퓨즈 소자(1)가 고전위 선로(Pack+)에 설치된 것으로 도시되어 있다.

퓨즈 소자(1)는 3단자 소자 부품으로 2개의 단자는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 주 선로에, 1개의 단자는 스위치(4)와 접속된다. 그리고 내부에는 주 선로와 직렬 연결되며 특정 온도에서 융단이 이루어지는 퓨즈(1a)와, 상기 퓨즈(1a)에 열을 인가하는 저항(1b)이 포함되어 있다.

상기 마이크로 컨트롤러(3)는 센스 저항(2) 양단의 전압을 주기적으로 검출하여 과전류 발생 여부를 모니터하며, 과전류가 발생된 것으로 판단되면 스위치(4)를 턴 온 시킨다. 그러면 주 선로에 흐르는 전류가 퓨즈 소자(1) 측으로 바이패스되어 저항(1b)에 인가된다. 이에 따라, 저항(1b)에서 발생된 주울열이 퓨즈(1a)에 전도되어 퓨즈(1a)의 온도를 상승시키며, 퓨즈(1a)의 온도가 융단 온도까지 오르게 되면 퓨즈(1a)가 융단 됨으로써 주 선로가 비가역적으로 단선된다. 주 선로가 단선되면 과전류가 더 이상 흐르지 않게 되므로 과전류로부터 비롯되는 문제를 해소할 수 있다.

그런데, 위와 같은 종래 기술은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 즉, 마이크로 컨트롤러(3)에서 고장이 생기면 과전류가 발생된 상황에서도 스위치(4)가 턴 온 되지 않는다. 이런 경우 퓨즈 소자(1)의 저항(1b)으로 전류가 유입되지 않으므로 퓨즈 소자(1)가 동작을 하지 않는 문제가 있다.

이처럼, 퓨즈 소자(1)가 오동작을 일으키는 경우 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩을 이루는 리튬 이차전지, 즉 배터리 셀의 내부 압력은 계속 증가될 수 있어 발화, 폭발 등의 위험이 있다.

특히, 도 1에 도시된 파우치 타입 배터리 셀(1)의 경우 내부 압력의 증가로 인해 셀이 부풀어 오르고, 일정 압력 이상이 되면 파우치 케이스(2)의 밀봉이 해제되면서 가스 및 전해액이 외부로 배출될 수 있도록 설계되는 것이 일반적이다.

그러나, 배터리 셀이 일정 수준 이상의 품질을 유지하기 위해서는 파우치 케이스의 밀봉력이 일정 수준 이상이 되어야 하고, 이로 인해 사고 상황에서 신속한 벤팅(venting) 효과를 보장하기 어렵다는 문제가 있다.

또한, 배터리 셀을 제작하는 과정에서, 이러한 파우치 케이스의 밀봉력을 일정한 정도로 조절하는 것은 결코 용이한 것이 아니어서, 일정한 압력에서 벤팅이 발생되는 압력이 각기 달라질 수 있으며, 이로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보하기 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 셀의 밀봉성을 저해하지 않으면서도 이상 상황에서 신속한 벤팅이 가능할 뿐만 아니라, 정해진 압력에서 정확히 벤팅이 일어나도록 함으로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 수 있도록 하는 것을 일 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀은, 전극 조립체; 상기 전극 조립체에 연결되는 전극 리드; 상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스; 및 상기 파우치 케이스를 관통하여 설치되어 상기 파우치 케이스의 내부 압력이 임계 압력에 도달하면 개방되는 벤팅 수단을 포함한다.

상기 벤팅 수단은, 상기 파우치 케이스의 테두리 영역 중 상기 전극 리드가 인출되는 방향에 위치하는 테두리 영역 및 상기 전극 조립체 사이에 형성되는 공간과 대응되는 위치에 설치될 수 있다.

상기 벤팅 수단은, 상기 배터리 셀 내부의 압력에 비례하는 양으로 상기 배터리 셀 내부에 발생된 가스를 배출시킬 수 있다.

상기 벤팅 수단은, 상기 배터리 셀의 내측으로부터 외측을 향하는 방향을 따라 내부 공간이 점점 더 좁아지는 깔때기 형상을 가지되 상단의 대향 면이 서로 맞닿아 있을 수 있다.

상기 벤팅 수단은, 상기 배터리 셀 내부의 압력이 상승함에 따라 상기 대향 면이 서로 이격됨으로써 상기 배터리 셀 내부에 발생된 가스를 배출시킬 수 있다.

상기 벤팅 수단은, 적어도 하나의 제1 유로를 구비하는 하부 캡; 적어도 하나의 제2 유로를 구비하며 내부 공간이 형성되도록 상기 하부 캡의 상부에 결합되는 상부 캡; 및 상기 내부 공간에 위치하되 상기 상부 캡으로부터 하부 캡을 향하는 방향으로 탄성 가압되어 제2 유로를 덮도록 설치되는 유로 덮개를 포함할 수 있다.

상기 벤팅 수단은, 상기 배터리 셀 내부의 압력이 상승함에 따라 상기 제1 유로가 개방됨으로써 상기 배터리 셀 내부에 발생된 가스를 배출시킬 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제는 상기 배터리 셀을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩에 의해서도 달성될 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀이 복수개 연결되어 구현된다.

또한, 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈이 복수 개 연결되어 구현된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀의 밀봉성을 저해하지 않으면서도 이상 상황에서 신속한 벤팅이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 정해진 압력에서 정확히 벤팅이 일어나도록 함으로써 이차전지 사용상의 안전성을 확보할 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, 배터리 모듈과 결합되는 보호회로의 구성 중 퓨즈 소자의 배치 구조와 동작 메커니즘을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는, 종래의 파우치 타입 배터리 셀의 내부구조가 나타나도록 도시된 평면도이다.
도 3 및 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 내부구조가 나타나도록 도시된 평면도이다.
도 5는, 도 4에 도시된 배터리 셀의 일부를 나타내는 측 단면도이다.
도 6은, 도 3 내지 도 5에 도시된 벤팅 수단의 일 형태를 나타내는 사시도이다.
도 7은, 도 6에 도시된 벤팅 수단의 작동 원리를 나타내는 단면도이다.
도 8은, 도 3 내지 도 5에 도시된 벤팅 수단의 다른 형태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 9는, 도 8에 도시된 벤팅 수단을 나타내는 단면도이다.
도 10은, 도 9에 도시된 벤팅 수단의 작동 원리를 나타내는 도면이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 정면도이다.
도 12는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 정면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3 내지 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(10)의 전체적인 구성을 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 내부구조가 나타나도록 도시된 평면도이고, 도 5는, 도 4에 도시된 배터리 셀의 일부를 나타내는 측 단면도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(10)은 전극 조립체(11), 한 쌍의 전극 리드(12), 실란트(13), 파우치 케이스(14) 및 벤팅 수단(15)을 포함한다.

상기 전극 조립체(11)는 양극 판(11a), 음극 판(11b), 분리 막(11c) 및 전극 탭(T)을 포함한다. 상기 전극 조립체(11)는 적층된 양극 판(11a) 및 음극 판(11b) 사이에 분리 막(11c)을 개재하여 형성된 적층형 전극 조립체일 수 있다. 본 발명의 도면에서는 상기 전극 조립체(11)가 적층형인 경우만을 도시하고 있으나, 젤리롤(jelly-roll)형으로 형성되는 것도 가능함은 물론이다.

상기 양극 판(11a)은, 예를 들어, 알루미늄(Al) 재질의 집전 판에 양극 활물질이 도포되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 음극 판(11b)은, 예를 들어, 구리(Cu) 재질의 집전 판에 음극 활물질이 도포되어 형성될 수 있다.

상기 양극 활물질로는, 예를 들어, LiCoO₂, LiNiO₂, LiNi_{1 -y}Co_yO₂(0<y<1), LiMO₂(M=Mn, Fe 등), Li(Ni_aCo_bMn_c)O₂(0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LiNi_{1 -y}Mn_yO₂(O≤y<1) 등의 층상형 양극 활물질; LiMn₂O₄, LiMn_{2 -z}Co_zO₄(0<z<2), LiMn_{2 -z}Ni_zO₄(0<z<2), Li(Ni_aCo_bMn_c)O₄(0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2) 등의 스피넬형 양극 활물질; LiCoPO₄, LiFePO₄ 등의 올리빈형 양극 활물질 등이 이용될 수 있다.

또한, 상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 석유코크(petroleum coke), 활성화 탄소(activated carbon), 그라파이트(graphite), 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소계 물질; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_{1 -x}Me'_yO_z(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8)의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO₂, PbO, PbO₂, Pb₂O₃, Pb₃O₄, Sb₂O₃, Sb₂O₄, Sb₂O₅, GeO, GeO₂, Bi₂O₃, Bi₂O₄, Bi₂O₅ 등의 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni계 재료 등이 이용될 수 있다.

상기 전극 탭(T)은 전극 판, 즉 양극 판(11a) 또는 음극 판(11b)과 일체로 형성되는 것으로서, 전극 판(11a,11b) 중 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부 영역에 해당한다. 즉, 상기 전극 탭(T)은 양극 판(11a) 중 양극 활물질이 도포되지 않은 영역에 해당하는 양극 탭 및 음극 판(11b) 중 음극 활물질이 도포되지 않은 영역에 해당하는 음극 탭을 포함한다.

상기 전극 리드(12)는 얇은 판상의 금속으로서 전극 탭(T)에 부착되어 전극 조립체(11)의 외측 방향으로 연장된다. 상기 전극 리드(12)는 양극 탭에 부착되는 양극 리드 및 음극 탭에 부착되는 음극 리드를 포함한다. 상기 양극 리드 및 음극 리드는 양극 탭 및 음극 탭의 형성 위치에 따라 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고, 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다.

상기 실란트(13)는 전극 리드(12)의 폭 방향 둘레에 부착되어 전극 리드(12)와 파우치 케이스(14)의 내측면 사이에 개재되는 것으로서 절연성 및 열 융착성을 갖는 필름으로 이루어진다. 상기 실란트(13)는, 예를 들어, 폴리이미드(PI: polyimide), 폴리프로필렌(PP: polyprophylene), 폴리에틸렌(PE: polyethylene) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: polyethylene terephthalate) 등으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질 층(단일 막 또는 다중 막)으로 이루어질 수 있다.

상기 실란트(13)는 전극 리드(12)와 파우치 케이스(14)의 금속 층 사이에서 단락이 발생되는 것을 방지한다. 뿐만 아니라, 상기 실란트(13)는 전극 리드(12)가 인출되는 영역에서 파우치 케이스(14)의 밀봉력을 향상시키는 역할을 한다.

즉, 금속 플레이트로 이루어진 전극 리드(12)와 파우치 케이스(14)의 내측면 사이는 접착이 잘 이루어지지 않으므로 파우치 케이스(14)의 테두리 영역(B)을 열융착하여 실링하더라도 전극 리드(12)가 인출된 영역에서의 밀봉성이 떨어질 수 있다. 또한, 이러한 밀봉성 저하 현상은 전극 리드(12)의 표면에 니켈(Ni)이 코팅된 경우 더욱 두드러지게 나타난다.

따라서, 상기 실란트(13)를 전극 리드(12) 및 파우치 케이스(14)의 내측면 사이에 개재시킴으로써 배터리 셀(10)의 밀봉성을 향상시킬 수 있는 것이다.

상기 파우치 케이스(14)는 전극 리드(12)가 외부로 인출되도록 전극 조립체(11)를 수용한 채로 상부 케이스(14a)와 하부 케이스(14b)가 맞닿는 테두리 영역(B)이 열 융착됨으로써 밀봉된다.

이러한 파우치 케이스(14)는 우수한 열 융착성, 형상을 유지하고 전극 조립체(11)를 보호하기 위한 강성 및 절연성을 모두 확보하기 위해 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 파우치 케이스(14)는, 최 내측에 위치하여 전극 조립체(11)와 대면하는 제1 층, 최 외측에 위치하여 외부 환경에 직접 노출되는 제2 층 및 제1 층과 제2 층사이에 개재되는 제3 층을 포함하는 다층 구조를 가질 수 있다.

이 경우, 예를 들어, 상기 제1 층은 폴리프로필렌(PP)과 같이 전해액에 대한 내부식성, 절연성 및 열 융착성을 갖는 재질로 이루어질 수 있고, 제2 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같이 형태 유지를 위한 강성 및 절연성을 갖는 재질로 이루어질 수 있으며, 제3 층은 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질로 이루어질 수 있다.

상기 벤팅 수단(15)은, 파우치 케이스(14)를 관통하여 설치되어 파우치 케이스(14)의 내부 압력이 임계 압력에 도달하면 개방되는 것으로서, 배터리 셀(10)에 단락이 발생되는 등의 이상 상황에서 셀 내부에 발생되는 가스가 외부로 배출될 수 있도록 함으로써 배터리 셀(10) 사용상의 안전성을 확보할 수 있도록 한다.

이러한 벤팅 수단(15)은, 배터리 셀(10) 내부의 압력이 상승함에 따라 개방되는 구조를 가질 수 있으며, 배터리 셀(10) 내부의 압력이 임계 압력 이상이 되면 압력에 비례하는 양으로 배터리 셀(10) 내부에 발생된 가스를 배출시킬 수 있다.

또한, 상기 벤팅 수단(15)은, 배터리 셀(10) 내부에 발생된 가스를 배출시키는 기능을 수행할 수 있는 이상, 그 설치위치는 제한되지 않는다.

다만, 상기 벤팅 수단(15)은, 도 4에 도시된 바와 같이 가스가 집중적으로 포집되는 공간(S), 즉 파우치 케이스(14)의 테두리 영역(B) 중 전극 리드(12)가 인출되는 방향에 위치하는 테두리 영역 및 전극 조립체(11) 사이에 형성되는 공간(S)과 대응되는 위치에 설치되는 것이 좀 더 유리할 수 있다.

이는, 상기 전극 조립체(11)와 파우치 케이스(14)의 대향 면 사이는 매우 가깝게 밀착되어 있어 그 사이에 공간이 거의 형성되지 않아 배터리 셀(10) 내부에 발생된 가스가 대부분 전극 리드(12)가 인출되는 방향에 형성된 상기 공간(S) 쪽으로 모이기 때문이다.

한편, 이러한 벤팅 수단(15)의 구체적인 구조는, 배터리 셀(10)의 내부 압력이 임계 압력에 도달 할 때 배터리 셀(10) 내부의 가스를 외부로 배출할 수 있도록 개방 가능한 구조를 갖는 것이라면 제한 없이 적용 가능한데, 도 6 및 도 7을 참조하여 벤팅 수단(15)의 예시적인 일 형태를 설명하기로 한다.

도 6은, 도 3 내지 도 5에 도시된 벤팅 수단의 일 형태를 나타내는 사시도이고, 도 7은, 도 6에 도시된 벤팅 수단의 작동 원리를 나타내는 단면도이다.

도 6을 참조하면, 상기 벤팅 수단(15)은, 고무 재질 등의 탄성체로 이루어질 수 있으며, 파우치 케이스(14)의 내측으로부터 외측을 향하는 방향을 따라 내부 공간이 점점 좁아지는 깔때기 형상을 가지되, 상단의 대향 면이 서로 맞닿아 있는 구조를 갖는 단방향 밸브일 수 있다.

이러한 벤팅 수단(15)의 하단은 셀 케이스(14)의 일 면을 관통하여 고정되며, 상단은 셀 케이스(14)의 외측으로 돌출된 형태를 가질 수 있다.

도 7을 참조하면, 이러한 벤팅 수단(15)은, 배터리 셀(10) 내부의 압력이 설정된 임계 값 이상이 되는 경우, 벤팅 수단(15)을 이루는 탄성체의 상단이 벌어짐으로써 배터리 셀(10)의 밀폐 상태가 해제되며, 파우치 케이스(14) 내부의 가스가 화살표 방향을 따라 외부로 배출된다.

다음은, 도 8 내지 도 10을 참조하여, 예시적인 다른 형태의 벤팅 수단(16)의 구조 및 작동 원리를 설명하기로 한다.

도 8은, 도 3 내지 도 5에 도시된 벤팅 수단의 다른 형태를 나타내는 분해 사시도이고, 도 9는, 도 8에 도시된 벤팅 수단을 나타내는 단면도이고, 도 10은, 도 9에 도시된 벤팅 수단의 작동 원리를 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 상기 벤팅 수단(16)은, 적어도 하나의 제1 유로(H1)를 구비하는 하부 캡(161), 적어도 하나의 제2 유로(H2)를 구비하는 상부 캡(162), 유로 덮개(163) 및 탄성 가압 부재(164)를 포함하는 단방향 밸브일 수 있다.

다음으로, 도 9를 참조하면, 상기 하부 캡(161)은 파우치 케이스(14)의 일 면을 관통하여 고정되며, 상부 캡(162)은 하부 캡(161)의 상부에 설치됨으로써 내부 공간(S)을 형성한다. 상기 유로 덮개(163)는 내부 공간(S) 내에 위치하되 스프링 등의 탄성 가압 부재(164)에 의해 상부 캡(162)으로부터 하부 캡(161)을 향하는 방향으로 탄성 가압됨으로써 제1 유로(H1)를 덮는다.

도 10을 참조하면, 이러한 벤팅 수단(16)의 작동 원리가 나타난다. 즉, 상기 파우치 케이스(14) 내에 임계 값 이상의 압력이 발생되는 경우 유로 덮개(163)가 탄성 가압부재(164)를 압출시킴으로써 제1 유로(H1)의 밀폐 상태가 해제되며, 파우치 케이스(14) 내부의 가스가 내부 공간(S) 및 제2 유로(H2)를 통해 외부로 배출된다(도 10의 화살표 참조).

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(10)은, 내부 압력의 증가에 따라 개방됨으로써 내부에 발생된 가스를 외부로 배출시켜 줄 수 있도록 하는 벤팅 수단(15,16)을 구비함으로써, 단락 등의 이상상황이 발생되는 경우에 있어서 배터리 셀(10) 사용상의 안전성을 확보할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 배터리 셀(10)은, 이러한 벤팅 수단(15,16)을 구비함으로써 파우치 케이스(14)의 테두리 영역(B)을 통해 벤팅이 이루어질 필요가 없게 되므로, 파우치 케이스(14)의 밀봉력을 더욱 강하게 할 수 있어 품질이 향상될 수 있다.

한편, 이러한 벤팅 수단(15,16)은, 배터리 셀이 복수 개 연결되어 구현됨으로써 출력 전압이나 용량 등이 더욱 큰 배터리 모듈(M)이나 배터리 팩(P) 등에 있어서 더욱 중요할 수 있는데, 이러한 배터리 모듈 및 배터리 팩은 도 11 및 도 12에 도시되어 있다.

도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 정면도이고, 도 12는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 정면도이다.

먼저, 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(M)은 배터리 셀이 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식으로 연결되어 구현되는 셀 집합체, 셀 집합체를 수용하는 모듈 케이스(20), 배터리 셀과 연결되는 버스 바(30), 모듈 케이스(20)의 외측으로 돌출되어 버스 바(30)와 연결되는 외부 단자(40)를 포함한다.

이러한 배터리 모듈(M)에 채용되는 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나 이상은 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(10)에 해당하며, 이로써 배터리 모듈(M) 사용상의 안전성이 확보될 수 있다.

다음으로, 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(P)은, 배터리 모듈이 인터 커넥팅 바(50)에 의해 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식으로 연결됨으로써 구현된다.

이러한 배터리 팩(P)에 채용되는 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나 이상은 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(M)에 해당하며, 이로써 배터리 팩(P) 사용상의 안전성이 확보될 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 배터리 셀
11: 전극 조립체 11a: 양극 판
11b: 음극 판 11c: 분리 막
T: 전극 탭 12: 전극 리드
13: 실란트 14: 파우치 케이스
14a: 상부 케이스 14b: 하부 케이스
15,16: 벤팅 수단 B: 배터리 모듈
P: 배터리 팩

Claims (9)

1. 전극 조립체;
   상기 전극 조립체에 연결되는 전극 리드;
   상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스; 및
   상기 파우치 케이스를 관통하여 설치되어 상기 파우치 케이스의 내부 압력이 임계 압력에 도달하면 개방되는 벤팅 수단을 포함하며,
   상기 벤팅 수단은, 배터리 셀 내부의 압력에 비례하는 양으로 개방되되 가역적으로 개방되어 상기 배터리 셀 내부에 발생된 가스를 배출시키고, 상기 배터리 셀의 내측으로부터 외측을 향하는 방향을 따라 내부 공간이 점점 더 좁아지는 깔때기 형상을 가지되 상단의 대향 면이 서로 맞닿아 있는 형상을 가지며, 상기 배터리 셀 내부의 압력이 상승함에 따라 상기 대향 면이 서로 이격됨으로써 상기 배터리 셀 내부에 발생된 가스를 배출시키는 배터리 셀.
2. 제1항에 있어서,
   상기 벤팅 수단은,
   상기 파우치 케이스의 테두리 영역 중 상기 전극 리드가 인출되는 방향에 위치하는 테두리 영역 및 상기 전극 조립체 사이에 형성되는 공간과 대응되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항 또는 제2항에 따른 배터리 셀이 복수개 연결되어 구현되는 배터리 모듈.
9. 제8항에 따른 배터리 모듈이 복수 개 연결되어 구현되는 배터리 팩.

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