特許 7508173 断熱部材を含むバッテリーモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-21

(45)【発行日】2024-07-01

(54)【発明の名称】断熱部材を含むバッテリーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/658 20140101AFI20240624BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20240624BHJP

   H01M 50/548 20210101ALI20240624BHJP

   H01M 50/178 20210101ALI20240624BHJP

   H01M 50/505 20210101ALI20240624BHJP

   H01M 50/293 20210101ALI20240624BHJP

   H01M 10/647 20140101ALI20240624BHJP

   H01M 50/211 20210101ALI20240624BHJP

   H01M 50/204 20210101ALI20240624BHJP

   H01M 50/291 20210101ALI20240624BHJP

【ＦＩ】

H01M10/658

H01M10/613

H01M50/548 301

H01M50/178

H01M50/505

H01M50/293

H01M10/647

H01M50/211

H01M50/204 401H

H01M50/291

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022566246

(86)(22)【出願日】2021-08-12

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-13

(86)【国際出願番号】 KR2021010732

(87)【国際公開番号】W WO2022039442

(87)【国際公開日】2022-02-24

【審査請求日】2022-10-28

(31)【優先権主張番号】10-2020-0104768

(32)【優先日】2020-08-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】521065355

【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】スン・ゲン・ホン

(72)【発明者】

【氏名】サン・ヒョン・ジョ

【審査官】田中 慎太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０６８１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３１９１５１９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０２０／０１３１２０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１４２２８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／６５８

Ｈ０１Ｍ １０／６１３

Ｈ０１Ｍ ５０／５４８

Ｈ０１Ｍ ５０／１７８

Ｈ０１Ｍ ５０／５０５

Ｈ０１Ｍ ５０／２９３

Ｈ０１Ｍ １０／６４７

Ｈ０１Ｍ ５０／２１１

Ｈ０１Ｍ ５０／２０４

Ｈ０１Ｍ ５０／２９１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バッテリーセル（１００）において熱暴走発生の際に隣接バッテリーセル（１００）に熱が伝達されることを防止することができるバッテリーモジュール（１０００）であって、
前記バッテリーモジュール（１０００）は、
それぞれの電極リード（１１０）を備えた複数のバッテリーセル（１００）と、
前記複数のバッテリーセル（１００）を収納するケース（２００）と、
前記複数のバッテリーセル（１００）の間に位置し、隣接したバッテリーセル（１００）に熱が伝達されることを遮断する断熱部材（３００）と、を含み、
前記断熱部材（３００）は、外部が前記熱暴走の際の温度より低い融点を有するプラスチックから形成され、内部には前記熱暴走の際の温度より高い融点を有する耐熱材料から形成された支持部（３１０）を含む複合構造を有し、
前記複合構造において、前記プラスチックが溶融していない状態では、前記支持部（３１０）が前記バッテリーセル（１００）と接触しておらず、前記熱暴走によって前記プラスチックが溶融した状態では、前記支持部（３１０）が前記バッテリーセル（１００）と接触して支持する、
バッテリーモジュール（１０００）。

【請求項2】

前記バッテリーセル（１００）は、正極及び負極の両電極リード（１１０）が互いに向き合う方向に突出したパウチ型バッテリーセル（１００）である、
請求項１に記載のバッテリーモジュール（１０００）。

【請求項3】

前記ケース（２００）は、前記バッテリーセル（１００）及び前記断熱部材（３００）を収納する下部ケース（２１０）と、前記下部ケース（２１０）の上部に位置するカバー（２２０）とを含む、
請求項１または２に記載のバッテリーモジュール（１０００）。

【請求項4】

前記バッテリーモジュール（１０００）は、前記電極リード（１１０）の間の電気的連結のためのバスバーをさらに含む、
請求項３に記載のバッテリーモジュール（１０００）。

【請求項5】

前記断熱部材（３００）は、前記バッテリーセル（１００）と前記ケース（２００）との間にさらに備えられる、
請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール（１０００）。

【請求項6】

前記支持部（３１０）は、熱暴走発生の際にも形状を維持して前記バッテリーセル（１００）の間に空気層を形成する、
請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール（１０００）。

【請求項7】

前記支持部（３１０）は、金属または高耐熱性ポリアミド系プラスチックのうちの１種からなる、
請求項６に記載のバッテリーモジュール（１０００）。

【請求項8】

前記支持部（３１０）は、薄プレートの両面に複数の突起が形成された形態を有する、
請求項７に記載のバッテリーモジュール（１０００）。

【請求項9】

バッテリーセル（１００）において熱暴走発生の際に隣接バッテリーセル（１００）に熱が伝達されることを防止することができるバッテリーモジュール（１０００）であって、
前記バッテリーモジュール（１０００）は、
それぞれの電極リード（１１０）を備えた複数のバッテリーセル（１００）と、
前記複数のバッテリーセル（１００）を収納するケース（２００）と、
前記複数のバッテリーセル（１００）の間に位置し、隣接したバッテリーセル（１００）に熱が伝達されることを遮断する断熱部材（３００）と、を含み、
前記断熱部材（３００）は、外部が前記熱暴走の際の温度より低い融点を有するプラスチックから形成され、内部には前記熱暴走の際の温度より高い融点を有する耐熱材料から形成された支持部（３１０）を含む複合構造を有し、
前記支持部（３１０）はリング形部材または角形部材が接合された形状を有する、
バッテリーモジュール（１０００）。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール（１０００）を含む、バッテリーパック。

【請求項11】

請求項１０に記載のバッテリーパックを含む、デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は２０２０年８月２０日付の韓国特許出願第２０２０－０１０４７６８号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容はこの明細書の一部として含まれる。

【0002】

本発明はバッテリーセルの熱暴走の際にも隣接したバッテリーセルに熱が転移することを防止することができる複合構造の断熱部材を含むバッテリーモジュールに関する。

【背景技術】

【0003】

スマートフォン、ノートブック型ＰＣ、デジタルカメラなどのモバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するのに伴い、充放電の可能な二次電池に関する技術が活発に開発されている。また、二次電池は大気汚染物質を発生させる化石燃料の代替エネルギー源であり、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）、エネルギー貯蔵デバイス（ＥＳＳ）などに適用されている。

【0004】

現在広く使われる二次電池の種類には、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。このような単位二次電池セル、すなわち、単位バッテリーセルの作動電圧は約２．０Ｖ～５．０Ｖである。よって、これより高い出力電圧が要求される場合、複数のバッテリーセルを直列に連結してバッテリーセルアセンブリーを構成することもあり、またバッテリーセルアセンブリーを所要出力電圧または充放電容量に応じて直列にまたは並列に連結してバッテリーモジュールを構成することもできる。このように、少なくとも一つのバッテリーモジュールを用い、追加的な構成要素を付け加えてバッテリーパックを製作することが一般的である。

【0005】

このようなバッテリーモジュールは、エネルギー密度を高めるために、ケース内に密集した形態に製造されるので、特定のバッテリーセルで熱暴走現象などが発生する場合、隣接したバッテリーセルに熱が転移する危険がある。

【0006】

一方、従来は、熱が転移することを防止し、バッテリーセルが直接的に接触しないようにする役割を果たすために、バッテリーセルの間に断熱材を付け加えることもある。

【0007】

しかし、従来の断熱材は、例えばバッテリーセルの熱暴走の際に発生する熱によって物性が変わる吸熱材として機能する場合には、熱暴走の後、バッテリーセルを支持し、バッテリーセルの間を遮断する役割を果たすことができない問題がある。

【0008】

また、従来の熱暴走の後にその形態をそのまま維持している断熱材の場合には、熱暴走現象が発生したバッテリーセルと密着しているので、バッテリーセルで発生した熱の排出が難しくて高温状態を維持することになり、よって一定の時点で隣接したバッテリーセルに熱が転移する問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、前記のような問題点を解決するために、バッテリーセルの熱暴走の際にも隣接したバッテリーセルに熱が転移することを防止し、熱暴走現象が発生したバッテリーセルを冷却することができる複合構造の断熱部材を含むバッテリーモジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記のような目的を達成するための本発明によるバッテリーモジュールは、それぞれ電極リードを備えた複数のバッテリーセルと、複数バッテリーセルを収納するケースと、複数のバッテリーセルの間に位置し、隣接したバッテリーセルに熱が伝達されることを遮断する断熱部材とを含み、前記断熱部材は、外部が熱暴走の際の温度より低い融点を有するプラスチックから形成され、内部には熱暴走の際の温度より高い融点を有する耐熱材料から形成された支持部を含む複合構造を有することを特徴とする。

【0011】

また、本発明によるバッテリーモジュールは、バッテリーセルが正極及び負極の両電極リードが互いに向き合う方向に突出したパウチ型バッテリーセルであることを特徴とする。

【0012】

また、本発明によるバッテリーモジュールは、ケースがバッテリーセル及び断熱部材を収納する下部ケースと、下部ケースの上部に位置するカバーとを含むことを特徴とする。

【0013】

また、本発明によるバッテリーモジュールは、電極リードの間の電気的連結のためのバスバーをさらに含むことを特徴とする。

【0014】

また、本発明によるバッテリーモジュールは、断熱部材がバッテリーセルとケースとの間にさらに備えられることを特徴とする。

【0015】

また、本発明によるバッテリーモジュールは、支持部が熱暴走発生の際にも形状を維持してバッテリーセルの間に空気層を形成することを特徴とする。

【0016】

また、本発明によるバッテリーモジュールは、支持部が金属または高耐熱性ポリアミド系プラスチックのうちの一種からなることを特徴とする。

【0017】

また、本発明によるバッテリーモジュールは、支持部が薄プレートの両面に複数の突起が形成された形態を有することを特徴とする。

【0018】

また、本発明によるバッテリーモジュールは、支持部がリングが接合された形状を有することを特徴とする。

【0019】

また、本発明によるバッテリーパックは、本発明のバッテリーモジュールを含むことを特徴とする。

【0020】

また、本発明によるデバイスは、本発明のバッテリーパックを含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本発明のバッテリーモジュールは、複合構造の断熱部材を備えることで、バッテリーセルの熱暴走の際、内部の支持台のみ維持されてバッテリーセルの間に空気層を形成することにより、隣接したバッテリーセルとの間隔は維持しながら断熱及び冷却の効果を極大化することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの分解斜視図である。

【図2】本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいてバッテリーセルの間に位置する断熱部材を示す平面図である。

【図3】本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいてバッテリーセルとケースとの間に位置する断熱部材を示す平面図である。

【図4】本発明の一実施例による断熱部材の熱暴走の前後の形状を示す正面図である。

【図5】本発明の一実施例による支持部の多様な形状を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本出願で、「含む」、「有する」または「備える」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、構成要素、部分品またはこれらの組合せが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組合せなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。

【0024】

また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般にわたって、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

【0025】

以下、本発明によるバッテリーモジュールについて添付図面を参照して説明する。

【0026】

図１は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールの分解斜視図である。

【0027】

図１を参照して本発明のバッテリーモジュール１０００について詳細に説明すると、バッテリーモジュール１０００は、それぞれ電極リードを備えた複数のバッテリーセル１００と、バッテリーセル１００を収納するケース２００と、バッテリーセル１００の間に位置する断熱部材３００とを含む。

【0028】

ここで、バッテリーセル１００は、円筒型バッテリーセル、角型バッテリーセル、パウチ型バッテリーセルなどのように多様に存在するが、本発明のバッテリーモジュール１０００はそのうちでパウチ型バッテリーセル１００の場合を重点的に説明しようとする。

【0029】

パウチ型バッテリーセル１００は、電極組立体を収納する電池ケース及び一対の電極リードを含む。

【0030】

ここで、電極組立体は、長いシート状の正極及び負極の間に分離膜が介在されてから巻き取られる構造を有するゼリーロール型組立体、または長方形の正極及び負極が分離膜を挟む状態で積層される構造を有するスタック型組立体、単位セルが長い分離フィルムによって巻き取られるスタックフォルディング型組立体、または電池セルが分離膜を挟む状態で積層されて互いに付着されるラミネーションスタック型組立体などからなることができるが、これらに限定されない。

【0031】

また、電解質は一般的に通用される液体電解質の他にも、固体電解質、または固体電解質に添加剤を加えて液体と固体との中間形態を有するゲル状の準固体電解質に置換されても問題がないというのは言うまでもない。

【0032】

前記のような電極組立体は電池ケースに収納され、電池ケースは、通常に、内部層／金属層／外部層のラミネートシート構造を有するように構成されている。内部層は電極組立体と直接的に接触するので、絶縁性及び耐電解液性を有しなければならなく、また外部に対する密閉のためにシーリング性、すなわち内部層同士熱接着されたシーリング部位は優れた熱接着強度を有しなければならない。

【0033】

このような内部層の材料としては、耐化学性に優れるとともにシーリング性がよいポリプロピレン、ポリエチレン、酢酸ポリエチレン、ポリブチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂、及びポリイミド樹脂から選択されることができるが、これらに限定されず、引張強度、剛性、表面硬度、耐衝撃強度などの機械的物性及び耐化学性に優れたポリプロピレンが最も好ましい。

【0034】

内部層と接している金属層は外部から水分や各種のガスが電池の内部に浸透することを防止するバリア層に相当し、このような金属層の好適な材料としては、軽いながらも成形性に優れたアルミニウム薄膜を使うことができる。

【0035】

そして、金属層の他側面には外部層が備えられる。このような外部層は、電極組立体を保護しながら耐熱性及び耐化学性を確保することができるように、引張強度、透湿防止性及び空気透過防止性に優れた耐熱性ポリマーを使うことができ、一例としてナイロンまたはポリエチレンテレフタレートを使うことができるが、これに限定されない。

【0036】

一方、一対の電極リード１１０は正極リード及び負極リードからなり、電極組立体の正極タブ及び負極タブがそれぞれ電気的に連結された後、電池ケースの外部に露出されるか、タブなしに電極組立体と直接連結されても関係ない。

【0037】

また、パウチ型バッテリーセル１００は、電極リード１１０の正極リードと負極リードとが同じ方向に突出した形態である単方向リードセルであってもよく、正極リードと負極リードとが互いに向き合う方向に突出した形態の両方向リードセルであってもよい。

【0038】

特に、本発明のバッテリーセル１００は、パウチ型バッテリーセル１００のうちで両方向リードセル１００の場合を中心に説明しようとする。

【0039】

このような両方向リードセル１００は、一般的に単方向リードセルに比べて、リードが突出した方向に長い形態を有し、長さが大きくなるから、モジュール内に収納されるとき、バッテリーセル１００を支持する部材を必要とする。

【0040】

次に、ケース２００は、バッテリーセル１００及び断熱部材３００を収納する下部ケース２１０と、下部ケース２１０の上部に位置し、バッテリーセル１００及び断熱部材３００の収納の後に上部を覆うカバー２２０とを含む。

【0041】

また、本発明のバッテリーモジュール１０００は、その他にも、電極リード同士を電気的に連結するためのバスバー、バッテリーセルの電圧情報をセンシングするセンシング基板などの多様な部品を必要に応じて付け加えることもできる。

【0042】

一方、図２は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいてバッテリーセルの間に位置する断熱部材を示す平面図であり、図３は本発明の一実施例によるバッテリーモジュールにおいてバッテリーセルとケースとの間に位置する断熱部材を示す平面図である。

【0043】

図２及び図３を参照してバッテリーモジュール１０００内に断熱部材３００が備えられる位置について説明すると、断熱部材３００はバッテリーセル１００とバッテリーセル１００との間に位置するか、バッテリーセル１００とバッテリーセル１００との間、及び最外郭バッテリーセル１００と収納された下部ケース２１０の側面との間に位置することができる。

【0044】

このように位置することにより、正常温度ではバッテリーセル１００の間の絶縁及び支持部の役割を果たし、バッテリーセル１００の熱暴走の際には断熱部材３００としての役割を果たすようになる。

【0045】

一方、断熱部材３００の形状は特に限定されないが、バッテリーモジュール１０００のエネルギー密度などを考慮するとき、断熱部材３００と接するバッテリーセル１００の側面と密着することができる形状を有することが好ましい。

【0046】

また、本発明では、断熱部材３００の側面の面積がバッテリーセル１００の電極組立体が収納された部分の側面の面積と同じものとして示されているが、断熱部材３００の側面の面積はこれに限定されず、本発明で説明した断熱部材３００としての機能を果たすことができ、バッテリーモジュール１０００が他の部品と干渉しない範囲内で多様に選択することができる。

【0047】

図４は本発明の一実施例による断熱部材の熱暴走の前後の形状を示す正面図であり、図５は本発明の一実施例による支持部の多様な形状を示す斜視図である。

【0048】

図４及び図５を参照して本発明の断熱部材３００の構造及び熱暴走の際の挙動について詳細に説明すると、断熱部材３００は、外部が熱暴走の際の温度より低い融点を有するプラスチックから形成され、内部には熱暴走の際の温度より高い融点を有する耐熱材料から形成された支持部３１０を含む複合構造を有するように形成されている。

【0049】

一方、図５には支持部３１０の形状の一例として薄いプレートに突起が形成された構造、一定の幅を有する薄帯がリング形または角形に連結された構造が開示されているが、支持部３１０の形状はバッテリーセル１００を支持することができる限り、バッテリーセル１００との接触面積が可能な限り小さい形状であれば、これに限定されずに多様な形状が可能である。

【0050】

仮に、支持部３１０とバッテリーセル１００との接触面積が大きくなるほど、支持部３１０を介して隣接したバッテリーセル１００への熱伝達の可能性が高くなるので、支持部３１０とバッテリーセル１００との接触面積は小さくなるほど断熱の側面で有利である。

【0051】

また、支持部３１０の材料は熱暴走の際の温度より高い融点を有する耐熱材料であれば、金属、セラミック、高耐熱性プラスチックなどの公知の多様な材料を使うことができるが、支持部３１０及び支持部３１０を含む断熱部材３００の製作の容易性及び費用などを考慮するとき、金属または高耐熱性ポリアミド系プラスチックのうちの１種であることが好ましい。

【0052】

このような支持部３１０を内部に備えている断熱部材３００は、バッテリーセル１００が正常温度の場合には外部のプラスチックが維持されて隣接したバッテリーセル１００と広い面積にわたって密着している形態であるが、熱暴走の際には、外部のプラスチックが溶融し、内部の支持部３１０のみが残って隣接したバッテリーセル１００を最小の面積で支持するようになる。

【0053】

したがって、バッテリーセル１００とバッテリーセル１００との間またはバッテリーセル１００とケース２００との間に空気層が形成されることで、断熱性能を向上させ、空気層の対流により、熱暴走によって発生した熱を排出させることにより、熱暴走が発生したバッテリーセル１００を冷却させる機能も同時に果たすことができる。

【0054】

すなわち、本発明において、支持部３１０は、熱暴走の際、自ら熱伝達を遮断する断熱材としての機能を果たすか、熱を吸収する吸収材としての機能を果たす既存の断熱材とは違い、熱暴走の際、バッテリーセル１００を最小の接触面積で支持し、バッテリーセル１００の間に断熱及び冷却の機能を果たす空気層を形成するという点で違いがある。

【0055】

以上で本発明の内容の特定部分を詳細に記述したが、当該分野で通常の知識を有する者にこのような具体的技術はただ好適な実施様態であるだけで、これによって本発明の範囲が限定されるものではなく、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であるというのは当業者に明らかなものであり、このような変形及び修正も添付の特許請求範囲に属するものであるというのは言うまでもない。

【符号の説明】

【0056】

１０００ バッテリーモジュール
１００ バッテリーセル
１１０ 電極リード
２００ ケース
２１０ 下部ケース
２２０ カバー
３００ 断熱部材
３１０ 支持部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5(a)】

【図5(b)】

【図5(c)】