特許 7566404 電池モジュールおよびこれを含む電池パック

(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】2024-10-04

(45)【発行日】2024-10-15

(54)【発明の名称】電池モジュールおよびこれを含む電池パック

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/204 20210101AFI20241007BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20241007BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20241007BHJP

   H01M 10/6555 20140101ALI20241007BHJP

   H01M 10/658 20140101ALI20241007BHJP

   H01M 50/262 20210101ALI20241007BHJP

   H01M 50/291 20210101ALI20241007BHJP

   H01M 50/293 20210101ALI20241007BHJP

【ＦＩ】

H01M50/204 401F

H01M10/613

H01M10/625

H01M10/6555

H01M10/658

H01M50/204 401H

H01M50/262 E

H01M50/291

H01M50/293

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023505431

(86)(22)【出願日】2022-02-08

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-21

(86)【国際出願番号】 KR2022001878

(87)【国際公開番号】W WO2022173182

(87)【国際公開日】2022-08-18

【審査請求日】2023-01-25

(31)【優先権主張番号】10-2021-0018468

(32)【優先日】2021-02-09

(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】ボン・グン・キム

【審査官】松嶋 秀忠

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１３１４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５０１３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－３０１９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１６２２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６７５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０８３１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５１０４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０８０５４４６０（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ５０／２０－２９８

Ｈ０１Ｍ １０／６０－６６７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の電池セルが積層されて形成された電池セル積層体；
前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム；および
前記電池セルの間に配置されている圧縮パッドを含み、
前記圧縮パッドは、多孔性構造を有する電池モジュールであって、
前記多孔性構造は、複数のホールを含み、
前記複数のホールには、隣の電池セルに露出するように防御基材が形成されており、
前記電池セルのスウェリングにより前記防御基材を形成する素材が前記ホール外部に流動してバリア膜を形成する、電池モジュール。

【請求項2】

前記防御基材は、吸熱部材および断熱部材のうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項3】

前記バリア膜は、前記電池セルと前記圧縮パッドとの間に形成される第１バリア膜を含む、請求項１または２に記載の電池モジュール。

【請求項4】

前記バリア膜は、前記電池セル積層体と前記モジュールフレームの上部プレートとの間に形成される第２バリア膜をさらに含む、請求項３に記載の電池モジュール。

【請求項5】

前記ホールは、楕円形状を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。

【請求項6】

前記ホールは、前記電池セルの電極リードが突出した方向に長く形成された楕円形状を有する、請求項５に記載の電池モジュール。

【請求項7】

前記吸熱部材または断熱部材は、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムおよび第１リン酸アンモニウムのうちの少なくとも一つを含む消火薬剤を含む、請求項２に記載の電池モジュール。

【請求項8】

前記圧縮パッドは、ウレタン、ポリウレタン、低密度ポリエーテルおよびポリエステルのうちの少なくとも一つの素材から形成される、請求項１～７のいずれか一項に記載の電池モジュール。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか一項に記載の電池モジュールを含む電池パック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願（ら）との相互引用］
本出願は、２０２１年２月９日付韓国特許出願第１０－２０２１－００１８４６８号に基づいた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全ての内容は本明細書の一部として組み含まれる。

【0002】

本発明は、電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関し、より具体的には安全性が強化された電池モジュールおよびこれを含む電池パックに関する。

【背景技術】

【0003】

モバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴い、エネルギー源として二次電池の需要が急激に増加している。特に、二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ノートパソコン、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器だけでなく、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの動力装置に対するエネルギー源としても大きな関心を受けている。

【0004】

小型モバイル機器にはデバイス１台当たり１個または２～４個の電池セルが使用されることに対し、自動車などのように中大型デバイスには高出力大容量が必要である。したがって、多数の電池セルを電気的に連結した中大型電池モジュールが使用される。

【0005】

中大型電池モジュールは、可能な限り小さい大きさと重量で製造されることが好ましいため、高い集積度に積層可能であり、容量に比べて重量が小さい角型電池、パウチ型電池などが中大型電池モジュールの電池セルとして主に使用されている。一方、電池モジュールは、電池セル積層体を外部衝撃、熱または振動から保護するために、前面と後面が開放されて電池セル積層体を内部空間に収納するモジュールフレームを含むことができる。

【0006】

図１は従来の電池モジュールの分解斜視図である。図２は図１の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。図３は図２の切断線Ａ－Ａに沿って切断した断面図である。

【0007】

図１乃至図３を参照すると、従来の電池モジュール１０は、複数の電池セル１１が一方向に積層された電池セル積層体１２、電池セル積層体１２を収容するモジュールフレーム３０、電池セル積層体１２の前後面を覆うエンドプレート１５、およびエンドプレート１５と電池セル積層体１２の前後面との間に形成されたバスバーフレーム１３を含む。モジュールフレーム３０は、電池セル積層体１２の下部および両側面を覆う下部フレーム３０と、電池セル積層体１２の上面を覆う上部プレート４０とを含む。

【0008】

また、図３に示したように、電池セル積層体１２で互いに隣り合う一対の電池セルの間に圧縮パッド２０が位置する。

【0009】

図２および図３を参照すると、従来の電池モジュール１０に含まれる圧縮パッド２０は、電池セル１１の一面に接することができる。電池セル１１がスウェリングされる場合、電池セル積層体１２がモジュールフレーム３０および上部プレート４０にストレスを加えることがあり、これによってモジュール剛性を低下させることがある。圧縮パッド２０は、スウェリング現象を吸収することができる。しかし、圧縮パッド２０だけではモジュール内の発火が起こる場合に熱伝播時間を短縮する効果が少なく、発火を防止することは難しい。特に、電池セル１１の発火時、隣り合う電池セル１１間の熱伝導と共に電池セル１１で発生される火炎による外部熱伝導により２次セル発火が発生するため、その危険が非常に大きくなり得る。

【0010】

そのために、従来とは異なり、スウェリング現象を吸収することはもちろん、モジュール内の発火を防止し、電池セル間の熱伝播速度を効果的に遅延させる電池モジュールを開発する必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明の解決しようとする課題は、モジュール内の発火を防止し、電池セル間の熱伝播速度を効果的に遅延させる電池モジュールおよびこれを含む電池パックを提供することにある。

【0012】

本発明が解決しようとする課題は、前述した課題に制限されず、言及されていない課題は本明細書および添付の図面から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解され得るだろう。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の一実施形態による電池モジュールは、複数の電池セルが積層されて形成された電池セル積層体；前記電池セル積層体を収容するモジュールフレーム；および前記電池セルの間に配置されている圧縮パッドを含み、前記圧縮パッドは、多孔性構造を有する。

【0014】

前記多孔性構造は、複数のホールを含み、前記複数のホールには防御基材が形成されていてもよい。

【0015】

前記防御基材は、吸熱部材および断熱部材のうちの少なくとも一つを含むことができる。

【0016】

前記電池セルのスウェリングにより前記防御基材を形成する素材が前記ホール外部に流動してバリア膜を形成することができる。

【0017】

前記バリア膜は、前記電池セルと前記圧縮パッドとの間に形成される第１バリア膜を含むことができる。

【0018】

前記バリア膜は、前記電池セル積層体と前記モジュールフレームの上部プレートとの間に形成される第２バリア膜をさらに含むことができる。

【0019】

前記ホールは、楕円形状を有することができる。

【0020】

前記ホールは、前記電池セルの電極リードが突出した方向に長く形成された楕円形状を有することができる。

【0021】

前記吸熱部材または断熱部材は、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムおよび第１リン酸アンモニウムのうちの少なくとも一つを含む消火薬剤を含むことができる。

【0022】

前記圧縮パッドは、ウレタン、ポリウレタン、低密度ポリエーテルおよびポリエステルのうちの少なくとも一つの素材から形成され得る。

【0023】

本発明の他の一実施形態による電池パックは、前述した電池モジュールを含む。

【発明の効果】

【0024】

本発明の実施形態によれば、互いに隣り合う一対の電池セルの間に介在される多孔性構造の圧縮パッドを形成し、前記圧縮パッドの多孔性構造内部に防御基材を形成することができる。この時、電池セルの発火時に電池セルに加えられる圧力により前記防御基材が前記多孔性構造の内部から外部に放出されてバリア膜を形成することができる。したがって、隣り合う電池セル間の熱伝播速度を遅延させることができる。

【0025】

本発明の効果は、前述した効果に制限されず、言及されていない効果は本明細書および添付した図面から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解され得るだろう。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】従来の電池モジュールの分解斜視図である。

【図2】図１の電池モジュールを構成する構成要素を結合した状態を示す斜視図である。

【図3】図２の切断線Ａ－Ａに沿って切断した断面図である。

【図4】本発明の一実施形態による電池モジュールの平面図である。

【図5】図４の電池モジュールに含まれている圧縮パッドを示す平面図である。

【図6】図５の圧縮パッドが外部圧力を受ける前後の様子を示す図面である。

【図7】本実施形態による圧縮パッドが図６の外部圧力を受けてバリア膜を形成することを示す図面である。

【図8】図７のＢ部分を拡大して示す図面である。

【図9】図７のＢ部分を拡大して示す図面である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように本発明の実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。

【0028】

本発明を明確に説明するために、説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。

【0029】

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に示したため、本発明が必ずしも図示されたところに限定されるのではない。図面において、複数の層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。そして図面において、説明の便宜のために、一部の層および領域の厚さを誇張して示した。

【0030】

また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上」にあるという時、これは他の部分の「直上」にある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。反対に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという時には中間にまた他の部分がないことを意味する。また、基準となる部分の「上」にあるということは、基準となる部分の上または下に位置することであり、必ずしも重力反対方向に向かって「上」に位置することを意味するのではない。

【0031】

また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外せず、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。

【0032】

また、明細書全体において、「平面上」という時、これは対象部分を上方から見た時を意味し、「断面上」という時、これは対象部分を垂直に切断した断面を側方から見た時を意味する。

【0033】

図１乃至図３を参照して説明した圧縮パッド２０は比較例であり、均一な断面を有することができ、一定の厚さを有することができる。圧縮パッド２０は、セルスウェリングを防止する役割をすることができ、セル発火時に熱伝播をある程度遅延させることができる。これと対比して本発明の一実施形態による圧縮パッドについて詳細に後述する。

【0034】

図４は本発明の一実施形態による電池モジュールの平面図であり、本発明の一実施形態による電池モジュールを上方から見た図面である。図５は図４の電池モジュールに含まれている圧縮パッドの断面を示す図面である。

【0035】

図４および図５を参照すると、本実施形態による電池モジュールは、複数の電池セル１１０が積層されて形成される電池セル積層体１２０、電池セル積層体１２０を収容するモジュールフレーム１３０、複数の電池セル１１０のうちの互いに隣り合う電池セル１１０の間に配置される圧縮パッド１５０を含む。この時、図４に示した本実施形態による電池モジュールは、図２の電池モジュールを上方から見た様子を示すものであり得る。したがって、図４の上部から下部に向かう方向は図２のｘ軸方向であり得、図４には示されていないが、本実施形態による電池モジュールは、図４の電池モジュールを覆う上部プレート（図示せず）をさらに含むことができる。

【0036】

圧縮パッド１５０は、多孔性構造を有し、本実施形態による多孔性構造は、複数のホール１４０を含む。複数のホール１４０内部には防御基材１６０が形成され得る。

【0037】

本実施形態による防御基材１６０は、吸熱部材および断熱部材のうちの少なくとも一つを含むことができる。この時、圧縮パッド１５０は、電池セル積層体１２０内部に位置する電池セル１１０の間に形成されるだけでなく、電池セル積層体１２０に含まれている最外側電池セルと、最外側電池セルに隣接した電池セルとの間に位置することができる。モジュールフレーム１３０に隣接した最外側電池セルと、最外側電池セルに隣接した電池セルとの間、および電池セル積層体１２０内部に位置する電池セル１１０の間に圧縮パッド１５０を形成することによって、電池セル１１０で発生する火炎が隣り合う電池セル１１０に伝播されたり、モジュール外部に火炎が伝達されることを遮断することができる。それだけでなく、モジュール内の熱伝播を遅延させることもできる。具体的には、本実施形態によれば、電池セル１１０のスウェリングが発生するとホール１４０内部に位置する防御基材１６０が圧力を受けるようになり、圧縮パッド１５０が歪められて防御基材１６０を形成する素材がホール１４０外部に流動して抜け出ることがある。このような防御基材１６０を形成する素材が抜け出ると、電池セル１１０と圧縮パッド１５０との間にバリア膜２００を形成することができる。

【0038】

この時、電池セル１１０のスウェリングが発生するとホール１４０内部に位置する防御基材１６０が圧力を受けるようになり、圧縮パッド１５０が歪められ、ホール１４０は楕円形状を有することができる。前記楕円形状によりホール１４０外部に防御基材１６０が抜け出ることが容易になり得る。前記楕円形状は、電池セル１１０の電極リード（図示せず）が突出した方向に長く形成された楕円形状であり得る。また、電池セル１１０のスウェリングによりホール１４０に加えられる外部圧力の方向によりホール１４０は多様な方向の楕円形状であり得るが、これに制限されない。

【0039】

また、前記多孔性構造を有する圧縮パッド１５０は、ウレタン、ポリウレタン、低密度ポリエーテルおよびポリエステルのような本来多孔性構造を有する素材から選択され得る。また、圧縮パッド１５０の形成時にレーザを走査して前記多孔性構造を形成したり、圧縮パッド１５０の形成時にホール１４０を共に形成することができるが、これに制限されない。

【0040】

前記素材から選択された圧縮パッド１５０または前記方法を通じて形成された圧縮パッド１５０の多孔性構造は、複数のホール１４０を含み、ホール１４０内部に防御基材１６０を介在することができる。また、ホール１４０は、圧縮パッド１５０上に少なくとも一つ以上形成され得、ホール１４０の数が多くなるほど介在可能な防御基材１６０の数が増えることができる。ただし、圧縮パッド１５０上のホール１４０は、セルスウェリングを吸収する圧縮パッド１５０の役割遂行を維持することができる水準で形成されることが好ましいが、これに制限されるのではない。

【0041】

図６は圧縮パッドが外部圧力を受ける前後の様子を示す図面である。図７は実施形態による圧縮パッドが図６の外部圧力を受けてバリア膜を形成することを示す図面である。図８および図９は図７のＢ部分を拡大して示す図面である。

【0042】

図６乃至図９を参照すると、圧縮パッド１５０のホール１４０に介在される防御基材１６０は、外部圧力が加えられることによって圧縮パッド１５０のホール１４０から流れ出てバリア膜２００を形成することができる。これは前述したように外部圧力により圧縮パッド１５０のホール１４０の形状変化が起こるためであり、ホール１４０の内部に介在される防御基材１６０が圧縮パッド１５０から押されて出てバリア膜２００が形成される。

【0043】

この時、バリア膜２００は、電池セル１１０と圧縮パッド１５０との間に形成される第１バリア膜２００ａ、電池セル積層体１２０とモジュールフレーム１３０との間、特に、電池セル積層体１２０とモジュールフレーム１３０の前記上部プレート（図示せず）との間に形成される第２バリア膜２００ｂを含むことができる。この時、第２バリア膜は、圧縮パッド１５０とモジュールフレーム１３０、特にモジュールフレーム１３０の前記上部プレートとの間に形成される第３バリア膜２００ｃをさらに含むことができる。

【0044】

第１バリア膜２００ａは、電池セル１１０と圧縮パッド１５０との間の空間の一部または全体を覆うことができ、第２バリア膜２００ｂは、電池セル積層体１２０とモジュールフレーム１３０との間の空間、特に、モジュールフレーム１３０の前記上部プレートのと間の空間の一部または全体を覆うことができる。特に、第２バリア膜２００ｂのうちの圧縮パッド１５０とモジュールフレーム１３０との間に、特にモジュールフレーム１３０の前記上部プレートとの間に第３バリア膜２００ｃは圧縮パッド１５０とモジュールフレーム１３０との間の空間、特に、圧縮パッド１５０とモジュールフレーム１３０の前記上部プレートとの間の空間の一部または全体を覆うことができる。したがって、加えられる圧力によりホール１４０から防御基材１６０が流れ出る程度が調節されることによってバリア膜の形成程度が調節され得る。

【0045】

また、第１バリア膜２００ａ、第２バリア膜２００ｂおよび第３バリア膜２００ｃは、前記空間の一部または全体を覆うことによってモジュール内の温度上昇による発火を防止することができる。また、電池セル１１０で発生する火炎が隣り合う電池セル１１０に伝播されたり、モジュール外部に火炎が伝達されることを遮断することができる。特に、圧縮パッド１５０のホール１４０から防御基材１６０が流動して抜け出て、圧縮パッド１５０とこれに隣接する電池セル１１０との間にバリア膜２００を形成するだけでなく、モジュールフレーム１３０と電池セル積層体１２０またはモジュールフレーム１３０と圧縮パッド１５０の間の空間にもバリア膜２００を形成することによってモジュール内の全体的な熱伝播速度を遅延させることができる。

【0046】

また、図７乃至図９ではＢ部分に限定して本発明を説明したが、Ｂ部分と対応する図７乃至図９の下段部分も前記と同一に説明され得る。

【0047】

バリア膜２００を形成する防御基材１６０は、吸熱部材または断熱部材を含むことができる。前記吸熱部材または断熱部材は、消火薬剤であり得、より具体的に前記消火薬剤は、液体消火薬剤または粉末消火薬剤であり得る。前記消火薬剤は、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムおよび第１リン酸アンモニウムのうちの少なくとも一つを含むことができるが、これに制限されない。

【0048】

一方、発明の実施形態による電池モジュールは、一つまたはそれ以上がパックケース内にパッケージングされて電池パックを形成することができる。

【0049】

前述した電池モジュールおよびこれを含む電池パックは、多様なデバイスに適用され得る。このようなデバイスには、電気自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの運送手段に適用され得るが、本発明はこれに制限されず、電池モジュールおよびこれを含む電池パックを使用することができる多様なデバイスに適用可能であり、これも本発明の権利範囲に属する。

【0050】

以上で本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

【符号の説明】

【0051】

１１０：電池セル
１２０：電池セル積層体
１３０：モジュールフレーム
１４０：ホール
１５０：圧縮パッド
１６０：防御基材
２００：バリア膜
２００ａ：第１バリア膜
２００ｂ：第２バリア膜
２００ｃ：第３バリア膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】