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KR20170027579A - 향상된 냉각구조를 갖는 배터리 모듈 - Google Patents

향상된 냉각구조를 갖는 배터리 모듈 Download PDF

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KR20170027579A
KR20170027579A KR1020150124382A KR20150124382A KR20170027579A KR 20170027579 A KR20170027579 A KR 20170027579A KR 1020150124382 A KR1020150124382 A KR 1020150124382A KR 20150124382 A KR20150124382 A KR 20150124382A KR 20170027579 A KR20170027579 A KR 20170027579A
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pouch cell
cooling
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최미금
문정오
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 냉각구조를 갖는 배터리 모듈은, 제1 파우치 셀 및 상기 제1 파우치 셀에 인접하여 배치되는 제2 파우치 셀을 포함하는 파우치 셀 적층체; 및 상기 제1 파우치 셀과 제2 파우치 셀 각각의 수용부 둘레를 감싸는 쿨링핀;을 포함한다.

Description

향상된 냉각구조를 갖는 배터리 모듈{A battery module having an improved cooling structure}
본 발명은 배터리 모듈 분야에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 쿨링핀의 형상 및 설치 위치의 최적화를 통해 향상된 냉각구조를 갖는 배터리 모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 캔형 이차전지와 파우치형 이차전지를 사용한다.
또한, 일반적인 이차전지는 양극판, 음극판 및 분리막 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류 되기도 하는 바, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
파우치형 이차전지는 통상적으로 파우치 외장재, 파우치 외장재 내에 수용되는 전극조립체 및 전극조립체와 전기적으로 연결된 상태로 파우치 외장재 외부로 인출되는 전극리드를 포함하는 형태로 구현된다.
파우치 외장재는 후술할 전극조립체 및 전극리드를 수용할 수 있는 크기로 형성될 수 있다.
전극조립체는 양극판, 음극판 및 분리막을 포함한다. 전극조립체는 분리막이 개재된 상태에서 양극판과 음극판이 순차적으로 적층되어 있으며, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조로 형성될 수 있다.
이와 같은 파우치형 이차전지는 단독으로 이용될 수도 있으나, 용량이나 출력 등을 증가시키기 위해 다수가 전기적으로 연결된 배터리 모듈 또는 이러한 배터리 모듈이 다수 연결되어 이루어진 배터리 팩의 형태로 이용되는 경우가 많다.
배터리 모듈 또는 배터리 팩은 여러 개의 파우치형 이차전지가 연결된 형태로 구현되기 때문에, 각각의 이차전지에서 발생하는 열이 합산되고 상호 밀집 구조로 인해 더욱 더 많은 열이 발생될 수 있다.
따라서, 이와 같은 배터리 모듈 또는 배터리 팩 단위에서는, 파우치형 이차전지의 사이마다 열을 방출하기 위한 방열핀 등의 구조물이 추가적으로 구비될 수 있다.
그러나, 이러한 결합 구조로 인하여, 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 구성이 복잡해 질 수 있으며, 파우치형 이차전지 사이에 추가적인 열전도 구조물을 형성함으로써, 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 전체 크기가 커짐으로써 이차전지 분야에서 매우 중요한 요소에 해당하는 에너지 밀도의 측면에서 불리해질 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 기술적 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 모듈의 냉각 효율을 높일 수 있도록 하면서도, 냉각을 위한 구조물 설치로 인한 배터리 모듈의 에너지 밀도가 감소하지 않도록 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 발명의 일 실시예에 따른 향상된 냉각구조를 갖는 배터리 모듈은, 제1 파우치 셀 및 상기 제1 파우치 셀에 인접하여 배치되는 제2 파우치 셀을 포함하는 파우치 셀 적층체; 및 상기 제1 파우치 셀과 제2 파우치 셀 각각의 수용부 둘레를 감싸는 쿨링핀;을 포함한다.
상기 배터리 모듈은, 상기 파우치 셀 적층체의 일 측에 배치되어 상기 쿨링핀과 접하는 쿨링 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 쿨링핀은, 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다.
상기 쿨링핀은, 상기 제1 파우치 셀 및 제2 파우치 셀 각각의 실링부와 접할 수 있다.
상기 배터리 모듈에 있어서, 상기 제1 배터리 셀의 수용부와 제2 배터리 셀의 수용부는 상호 맞닿아 있을 수 있다.
상기 쿨링핀은, 서로 맞닿아 있는 상기 제1 배터리 셀의 수용부 및 제2 배터리 셀의 수용부 둘레를 한꺼번에 감싸도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 냉각을 위한 구조물 설치로 인한 배터리 모듈의 에너지 밀도 감소 없이 배터리 모듈의 냉각 효율을 향상시킬 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 배터리 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 배터리 셀에 쿨링핀이 설치된 모습을 나타내는 평면도이다.
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 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 측면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 배터리 셀에 쿨링핀이 설치된 모습을 나타내는 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 적어도 2 이상의 파우치 셀(10) 및 쿨링핀(20)을 포함하는 형태로 구현되며, 쿨링핀(20)과 접하는 쿨링 플레이트(30)를 더 포함하는 형태로 구현될 수도 있다.
상기 파우치 셀(10)은, 전극조립체(미도시), 전극조립체에 연결되는 한 쌍의 전극리드(14) 및 전극조립체를 수용하되 전극리드(14)가 외부로 인출된 상태로 밀봉되는 파우치 케이스(11)를 포함한다.
상기 전극조립체는 양극판, 음극판 및 분리막을 포함한다. 전극조립체는 분리막이 개재된 상태에서 양극판과 음극판이 순차적으로 적어도 1회 이상 적층된 형태로 구현될 수 있다. 이러한 전극조립체는 실시형태에 따라 권취형, 스택형 또는 스택/폴딩형 등의 다양한 구조를 가질 수 있다.
전극조립체에 적용되는 양극판은 도전성이 우수한 금속박판, 예를 들면 알루미늄(Al) 호일(foil)로 이루어진 양극 집전체와 그 일 면 또는 양 면에 형성된 양극 활물질층을 포함한다. 또한, 상기 양극판은 양극 활물질층이 형성되지 않은 영역, 즉 양극 무지부를 구비한다.
전극조립체에 적용되는 음극판은 도전성이 우수한 금속박판, 예를 들면 구리(Cu) 호일로 이루어진 음극 집전체와 그 일 면 또는 양 면에 형성된 음극 활물질층을 포함한다. 또한, 상기 음극판은 음극 활물질층이 형성되지 않은 영역, 즉 음극 무지부를 구비한다.
상기 분리막은 양극판과 음극판 사이에 위치하여, 양극판과 음극판을 서로 전기적으로 절연시키며, 양극판과 음극판 사이에서 리튬 이온 등이 이동할 수 있도록 다공성 막 형태를 가질 수 있다. 이러한 분리막은, 예를 들어 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP) 또는 이들의 복합필름을 사용한 다공성막으로 이루어질 수 있다.
상기 전극리드(14)는, 전극조립체에 연결되어 파우치 케이스(11)의 외부로 인출됨으로써 전극조립체와 외부 부품 사이를 연결시켜 주는 구성요소로서, 양극판에 연결되는 양극리드 및 음극판에 연결되는 음극리드를 포함하는 개념에 해당한다. 좀 더 구체적으로, 상기 양극리드는, 양극판에 구비된 양극 무지부에 연결되고, 음극리드는 음극판에 구비된 음극 무지부에 연결된다.
상기 파우치 케이스(11)는, 금속층 및 이를 감싸는 수지층을 포함하는 다층구조의 필름 형태를 갖는 외장재로 이루어지며, 상부 케이스와 하부 케이스로 구성될 수 있다.
이처럼 상기 파우치 케이스(11)가 상부 케이스와 하부 케이스로 구성되는 경우, 상부 케이스 및 하부 케이스는 각각 전극조립체가 수용되는 공간을 제공하는 수용부(12) 및 수용부(12)의 외측 둘레 영역에 해당하는 실링부(13)를 포함한다.
이 경우, 상기 전극조립체는 상부 케이스 및 하부 케이스의 수용부(12) 내에 수용되고, 상부 케이스 및 하부 케이스의 실링부(13)는 서로 맞닿은 상태에서 열융착에 의해 상호 접합되며, 이로써 파우치 케이스(11)는 밀봉된다. 상기 파우치 케이스(11) 내에는 케이스의 실링 전 또는 실링 이 후에 전해액이 주입될 수 있다.
한편, 본 발명의 도면에는 각 파우치 셀(10)에 있어서 한 쌍의 전극리드(14)가 서로 반대방향으로 인출된 경우만이 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 파우치 셀(10)은, 필요에 따라, 한 쌍의 전극리드(14)가 서로 동일한 방향으로 인출된 형태로 구현될 수도 있는 것임을 명확히 밝혀 둔다.
아울러, 도면에 도시되지는 않았으나, 상기 파우치 케이스(11)의 외부로 인출되는 전극리드(14)와 실링부(12)의 내측 면 사이의 접착이 용이하게 이루어질 수 있도록 하기 위해, 실링부(12)의 내측 면과 전극리드(14) 사이에 개재되는 접착필름(미도시)이 추가적으로 사용될 수도 있다.
상기 쿨링핀(20)은, 열전도성이 우수한 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있다.
이러한 쿨링핀(20)은 파우치 셀(10)과 접하되, 파우치 셀(10)의 수용부(12) 둘레를 감싸는 형태로 배치됨으로써 파우치 셀(10)로부터 발생되는 열이 외부로 효율적으로 방출될 수 있도록 한다.
열 방출 효과의 극대화를 위해, 상기 쿨링핀(20)은 수용부(12) 뿐만 아니라, 실링부(13)와도 접하도록 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 쿨링핀(20)이 파우치 셀(10)의 수용부(12) 및 실링부(13)와 모두 접하는 경우, 배터리 모듈의 사용 과정에서 전극조립체 및 전극리드(14)에서 발생되는 열을 효율적으로 방출할 수 있게 된다.
배터리 모듈의 사용 과정에 있어서, 열의 발생은, 특히 파우치 셀의 전극리드(14)에 집중이 되는데, 쿨링핀(20)이 실링부(13)와 맞닿아 있는 경우 실링부(13)를 통해서 인출되는 전극리드(14)에 집중되는 열을 효과적으로 분산시켜 냉각 효율을 극대화 할 수 있게 되는 것이다.
상기 쿨링핀(20)은, 2 이상의 파우치 셀(10)이 모여서 이루어진 셀 적층체에 적용되는 경우, 서로 인접한 제1 파우치 셀과 제2 파우치 셀 각각의 수용부(12) 둘레를 한꺼번에 감쌀 수 있는 크기 및 형태를 가질 수 있다.
이와 같이, 하나의 쿨링핀(20)이 서로 인접한 두 파우치 셀(10) 각각의 수용부(12) 둘레를 한꺼번에 감싸는 경우, 공정성 및 냉각효율성의 측면에서 모두 장점을 가질 수 있게 된다.
상기 쿨링핀(20)은, 서로 인접한 두 파우치 셀(10) 각각의 수용부(12) 뿐만 아니라, 두 파우치 셀(10) 각각의 실링부(13)와도 접하도록 배치될 수 있는데, 이 경우 앞서 설명한 바와 같이 맞닿은 두 파우치 셀(10) 각각의 전극리드(14)에 집중되는 열을 효율적으로 분산시킬 수 있어 냉각효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 도면에서는 파우치 셀 적층체가 세 개의 파우치 셀(10)로 이루어져 있고, 쿨링핀(20)이 두 개 구비된 경우에 대해서만 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
즉, 상기 파우치 셀 적층체는 두 개 또는 네 개 이상의 파우치 셀(10)로 구성될 수 있고, 이에 따라 적용되는 쿨링핀(20)의 개수 역시 도면에 도시된 것과는 달리 하나 또는 세 개 이상이 적용될 수도 있는 것임을 명확히 밝혀 둔다.
상기 쿨링 플레이트(30)는, 파우치 셀(10)의 폭 방향(전극리드가 인출되는 방향과 직각을 이루는 방향으로서, 도 3을 기준으로 볼 때 위/아래 방향을 의미) 일 측 및/또는 양 측에 위치하되 파우치 셀 적층체 사이에 설치된 쿨링핀(20)과 접함으로써 쿨링핀(20)을 통해 전달된 열을 외부로 방출한다.
이러한 쿨링 플레이트(30)의 기능을 감안할 때, 쿨링 플레이트(30)의 재질은 열전도성이 우수한 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어, 쿨링핀(20)과 같이 알루미늄 재질로 이루어질 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: 파우치 셀
11: 파우치 케이스
12: 수용부
13: 실링부
14: 전극리드
20: 쿨링핀
30: 쿨링 플레이트

Claims (6)

  1. 제1 파우치 셀 및 상기 제1 파우치 셀에 인접하여 배치되는 제2 파우치 셀을 포함하는 파우치 셀 적층체; 및
    상기 제1 파우치 셀과 제2 파우치 셀 각각의 수용부 둘레를 감싸는 쿨링핀;
    을 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 파우치 셀 적층체의 일 측에 배치되어 상기 쿨링핀과 접하는 쿨링 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링핀은,
    알루미늄 재질인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링핀은,
    상기 제1 파우치 셀 및 제2 파우치 셀 각각의 실링부와 접하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀의 수용부와 제2 배터리 셀의 수용부는 상호 맞닿아 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 쿨링핀은,
    서로 맞닿아 있는 상기 제1 배터리 셀의 수용부 및 제2 배터리 셀의 수용부 둘레를 한꺼번에 감싸는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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