特許 7580868 液浸冷却部を含む缶型電池モジュール

(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】2024-11-01

(45)【発行日】2024-11-12

(54)【発明の名称】液浸冷却部を含む缶型電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/6568 20140101AFI20241105BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20241105BHJP

【ＦＩ】

H01M10/6568

H01M10/613

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2023562747

(86)(22)【出願日】2023-04-19

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-01

(86)【国際出願番号】 KR2023005284

(87)【国際公開番号】W WO2023204588

(87)【国際公開日】2023-10-26

【審査請求日】2023-10-12

(31)【優先権主張番号】10-2022-0048420

(32)【優先日】2022-04-19

(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】ジェ・ウク・リュ

(72)【発明者】

【氏名】ホ・ジュネ・チ

(72)【発明者】

【氏名】ジェ・ヒョク・カン

(72)【発明者】

【氏名】ジン・ユン・チェ

【審査官】柳下 勝幸

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１１７２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１９０２３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２０１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第３９１０７２２（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／６５６８

Ｈ０１Ｍ １０／６１３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２個以上の電池セルと、
前記電池セルの上部と下部とを区分する内部隔壁と、
前記内部隔壁の上部または下部に配置されている冷却液と、
を含む電池モジュールであって、
前記内部隔壁は、
前記電池セルが挿入されて固定される電池セルホールと、
前記内部隔壁を貫通する貫通ホールと、
前記貫通ホールを塞ぐ安全シーリング部と、
を含む、電池モジュール。

【請求項2】

前記電池セルは、円筒型電池セルまたは角型電池セルである、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項3】

前記内部隔壁は、
熱によって変形せず、板状の内部隔壁の全体形態を維持する支持層と、
前記電池セルホールに配置された前記電池セルそれぞれの周辺をシーリングするシーリング部層と、
前記安全シーリング部を含む安全シーリング部層と、
を含む、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項4】

前記安全シーリング部は、前記電池セルの異常温度以上の温度で溶ける物質を含む、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項5】

前記電池セルの異常温度以上の温度で溶ける物質は、ポリオレフィン、シリコン、及びウレタンから成る群から選択される１種以上である、請求項４に記載の電池モジュール。

【請求項6】

前記冷却液は、難燃性物質である、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項7】

前記難燃性物質は、水、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、フルオロケトン、エチレングリコール、及び絶縁油から成る群から選択される１種以上である、請求項６に記載の電池モジュール。

【請求項8】

前記冷却液は、前記電池セルの異常温度以上の温度で気化するかまたは分解して気体を放出する物質を含む、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項9】

前記シーリング部層は、シリコンまたはポリウレタンを含む、請求項３に記載の電池モジュール。

【請求項10】

前記支持層、前記シーリング部層、及び前記安全シーリング部層のうちの少なくとも２個以上が単一の層に配置されている、請求項３に記載の電池モジュール。

【請求項11】

前記電池モジュールには、前記冷却液が出入することができる出入ポートが設けられている、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項12】

前記電池セルは、外部に別途のコーティング層または樹脂層が設けられていない、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項13】

請求項１～１２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】

本発明は液浸冷却部を含む缶型電池モジュールに関するものである。具体的には、円筒型電池セルまたは角型電池セルを含む電池モジュールであって、前記円筒型電池セルまたは角型電池セルの一部が冷却液に漬かり、前記冷却液が循環する液浸冷却部を含む缶型電池モジュールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

リチウム二次電池は、電池ケースの形状によって、円筒形または角形の金属缶に電極組立体を内蔵している円筒型二次電池及び角型二次電池、及びアルミニウムラミネートシートのパウチ形ケースに電極組立体を内蔵しているパウチ型二次電池に分類される。そのうち、円筒型二次電池は相対的に容量が大きく構造的に安全であるという利点がある。

【0003】

円筒型二次電池は、円筒形電池ケースにゼリーロール型電極組立体を内蔵し、前記ゼリーロール型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た状態で巻き取られることで製造される。缶の内部に巻き取られた電極組立体を挿入した後、上部にトップキャップアセンブリーを結合し、シーリングすることで完成する。

【0004】

多くの装置で、電池セルはそのまま使用されず、多数の電池セルを結合した電池モジュール、または多数の電池モジュールを結合した電池パックの形態として使用されている。

【0005】

エネルギー密度の高い電池モジュールを製造するためには、内部空間を減らさなければならなく、このために、電池セルが密着するように配置しなければならない。この場合、電池セルにおいて外部に完全に露出される部分は上面及び下面だけである。

【0006】

電池モジュールの冷却のために、缶型電池セルの上部または下部にヒートシンクを配置し、伝導によって熱を排出した。電池セルの側面にもヒートシンクを配置することができるが、容積を多く占めるから、エネルギー密度の高い電池モジュールを製造する技術的趨勢に合わない。

【0007】

円筒型または角型電池セルの上部及び下部において外部に露出される部分は全面積の１０％程度に過ぎなく、電池の充放電中に熱が主に発生する側面部は周辺の電池セルに遮られている。

【0008】

このように、従来のヒートシンク方式による冷却は、効率が非常に低く、高い発熱に構造的に対応することができないという根本的な問題がある。伝導によるヒートシンクの効率を少しでも高めるために、ヒートシンクに冷媒を接触させることができるが、構造上の根本的な制約によって高い発熱に対応するのには限界がある。

【0009】

特許文献１は、複数の電池セル３０が配置された電池モジュールにおいて、電池セル３０の上部及び下部をそれぞれ空間Ｓ２及び空間Ｓに区分する支持トレイ４０、及び前記支持トレイ４０の下部である空間Ｓに配置される冷却媒体の液体を開示している。前記支持トレイ４０は実質的に電池セルそれぞれを個別的に支持しつつ電池セルの側面を全部取り囲む形態を有するが、従来のヒートシンクを電池の全面積に拡大したものに過ぎない。この場合、空間を多く占め、熱がまずヒートシンクを介して伝達されるので、エネルギー密度が低く、冷却効率に限界があり、さらに構造が複雑であるという問題がある。

【0010】

特許文献２は、仕切壁３２及びこれに配置された多数の二次電池を開示している。特許文献２は電池で発生する有害ガスの拡散を防止するためのものであり、冷却とは関連がなく、また冷却液を使用する技術に対しては適用することができない。

【0011】

このように、複数の電池セルを含む電池モジュール、特にエネルギー密度を高めるために電池セルを密着させた電池モジュールにおいて、空間上の制約を克服すると共に冷却性能を高め、さらに安全性も向上させることができる改善された解決策が必要である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【文献】特開２０１４－８９８２２号公報

【文献】特開２０１０－１９２２０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

本発明は前記のような問題点を解決するためのものであり、エネルギー密度が高い複数の電池セルが密着した電池モジュールまたは電池パックにおいて、冷却性能を高め、さらに安全性も向上させることができる新規の電池モジュールまたは電池パック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】

【0014】

本発明は前記のような問題点を解決するためのものであり、２個以上の電池セルと、前記電池セルの上部と下部とを区分する内部隔壁と、前記内部隔壁の上部または下部に配置されている冷却液とを含む電池モジュールであって、前記内部隔壁は、前記電池セルが挿入されて固定される電池セルホールと、前記内部隔壁を貫通する貫通ホールと、前記貫通ホールを塞ぐ安全シーリング部とを含むことができる。

【0015】

前記電池モジュール内で、電池セルは垂直に配置され、前記内部隔壁は板状を有し、水平に配置されることができる。前記電池セルは、円筒型電池セルまたは角型電池セルである。

【0016】

前記内部隔壁は、熱によって変形せず、板状の内部隔壁の全体形態を維持する支持層と、前記電池セルホールに配置された電池セルそれぞれの周辺をシーリングするシーリング部層と、前記安全シーリング部を含む安全シーリング部層とを含むことができる。

【0017】

前記支持層は必ず別個の層として存在し、電池モジュールの内部全体にわたって配置されることができる。前記支持層として使用可能な素材は、ポリオレフィン、金属、及びセラミックから成る群から選択される１種以上であり得る。

【0018】

前記支持層、前記シーリング部層、及び前記安全シーリング部層のうちの少なくとも２個以上が単一の層に配置されることができる。

【0019】

前記シーリング部層は別個の層として構成されて前記支持層の上部または下部に配置されるか、または前記電池セルホールの周辺にのみ存在する弾性素材から構成されることができる。前記安全シーリング部層は別個の層として構成されて前記支持層の上部または下部に配置されるか、前記貫通ホール及びその周辺にのみ存在するか、前記支持層と同じ高さを有し、前記支持層に設けられた貫通ホールを塞ぐ形態を有することができる。

【0020】

内部隔壁の他の例示としては、支持層、シーリング部層、及び安全シーリング部層の３層から構成されることができる。

【0021】

前記安全シーリング部は、前記電池セルの異常温度以上の温度で溶ける物質を含むことができ、前記電池セルの異常温度以上の温度で溶ける物質は、ポリオレフィン、シリコン、及びウレタンから成る群から選択される１種以上であり得る。ポリオレフィンは、具体的にはＰＥ、ＰＰ、またはＰＣであり得る。

【0022】

前記冷却液は、電池セル、特に電池キャップを腐食させず、電池セルの異常温度で電池セルを冷却するか、または難燃性物質を放出することができるものが好ましい。

【0023】

前記冷却液は難燃性物質であり得る。前記難燃性物質は、水、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、フルオロケトン、エチレングリコール、及び絶縁油から成る群から選択される１種以上であり得る。

【0024】

前記絶縁油は、電気変圧器油、電気遮断器油、電気コンデンサー油、及び電力ケーブル油のうちの少なくとも１種以上を含む。

【0025】

一方、前記冷却液は、前記電池セルの異常温度以上の温度で気化するかまたは分解して気体を放出する物質を含むことができる。具体的には、前記冷却液は、電池セルの異常温度で気化するかまたは分解して二酸化炭素を含む難燃性気体を放出することができる。

【0026】

前記シーリング部層はシリコンまたはポリウレタンを含むことができ、電解液に反応しないが弾性力を有する素材であれば使用可能である。

【0027】

前記電池モジュールの下部には、前記冷却液が出入することができる出入ポートが設けられることができ、前記出入ポートを通して前記冷却液が循環することができる。

【0028】

前記電池セルは、外部に別途のコーティング層または樹脂層が設けられていなくてもより。金属の円筒形缶または角形缶の外部が、別途のコーティング層または樹脂層なしに、直接前記冷却液と接することによって熱伝導効率を高めることができる。

【0029】

また、本発明は、前記電池モジュールを含む電池パック、及び前記電池モジュールを含む装置を提供する。

【0030】

ここで、電池パックは、実質的に電池モジュールがない電池パックも含む。すなわち、本発明の電池モジュールが直ちに電池パックである場合も含む。

【0031】

また、本発明は前記課題解決手段の組合せとしても提供することができる。

【発明の効果】

【0032】

本発明は、エネルギー密度が高く且つ安全性が高い電池モジュールを提供することができる。本発明による電池モジュールは、電池セルが互いに密着した状態であるが、従来の電池モジュールに比べて冷却性能が高くて電池セルの過熱を防止することができる。また、電池モジュールの内部の温度が上昇するか、火炎などが発生した状況では、安全シーリング部が開放することで、冷却液が電池モジュールの内部温度を低めるかまたは火炎を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】本発明による電池モジュールの、概略的な断面図である。

【図2】本発明による電池モジュールの安全シーリング部が溶ける前及び後を示す、概略的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下、添付図面に基づき、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただし、本発明の好適な実施例の動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。

【0035】

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用する。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。

【0036】

以下、本発明による電池モジュールに対して説明する。

【0037】

図１は本発明による電池モジュールの断面模式図であり、図２は本発明による電池モジュールの安全シーリング部が溶ける前及び後を示す断面模式図である。

【0038】

図１及び図２を参照すると、本発明による電池モジュール１０は、２個以上の電池セル１００、前記電池セル１００の上部と下部とを区分する内部隔壁５００、及び前記内部隔壁５００の下部に配置された冷却液３００を含む電池モジュール１０であって、前記内部隔壁５００は、前記電池セル１００が挿入されて固定される電池セルホール５１０、前記内部隔壁５００を貫通する貫通ホール５２０、及び前記貫通ホール５２０を塞ぐ安全シーリング部５３０を含むことができる。

【0039】

図１及び図２には冷却液３００が下部に配置されるものとして示されているが、電池セル１００の主要発熱部が上部になる場合、上部に配置されるものにも変形可能である。

【0040】

前記電池モジュール１０内で電池セル１００は垂直に配置され、前記内部隔壁５００は板状を有し、水平に配置されることができる。図１～図２は例として円筒型電池セルを示しているが、これに限定されるものではない。

【0041】

シーリング部層５５０が電池セルに圧着され、当該電池セルをシーリングしており、電池セル１００は、圧着によりシーリングされることができる程度の外部強度を有しなければならないが、その種類は限定されない。

【0042】

前記内部隔壁５００は、熱によって変形せず、板状の内部隔壁５００の全体形態を維持する支持層５４０、前記電池セルホール５１０に配置された電池セル１００それぞれの周辺をシーリングするシーリング部層５５０、及び前記安全シーリング部５３０を含む安全シーリング部層５６０を含むことができる。図１及び図２において点線で表示した部分は詳細拡大図である。シーリング部層５５０は突出した部分が電池セル１００と接してシーリングするものとして示した。図面には突出した部分を１個のみ示したが、シーリングのメカニズムを考慮すると、１個以上の突出した部分によってもシーリングが可能である。

【0043】

電池モジュールが使用される製品が急激に運動または移動するときにも前記内部隔壁５００は電池セル１００を固定することができる程度の剛性を維持しなければならない。また、支持層５４０、前記電池セルホール５１０に配置された電池セル１００それぞれの周辺をシーリングするシーリング部層５５０、及び前記安全シーリング部５３０を含む安全シーリング部層５６０は冷却液３００によって変形されるかまたは反応することがないようにしなければならない。

【0044】

前記シーリング部層５５０はシリコンまたはポリウレタンを含むことができ、電解液に反応しないが弾性力を有する素材であれば使用可能である。

【0045】

前記支持層５４０は必ず別途の層として存在し、電池モジュールの内部全体にわたって配置されている。前記支持層５４０として使用可能な素材は、ポリオレフィン、金属、セラミック、及び強化プラスチックから成る群から選択される１種以上であり得る。

【0046】

前記支持層５４０は電池モジュールを成す外壁とは別個の構成であり、電池モジュールの内部に配置される電池セル１００の上部と下部とを区分する。

【0047】

電池セル１００が円筒状電池の場合、缶形金属の外部をチュービングせず、そのまま使用することができる。ただ、ここで、支持層５４０が電池セル１００と接触する場合、問題が発生することがあるので、金属材質よりは、非導電性であり且つ剛性を維持することができるセラミック、ポリオレフィン、または強化プラスチックが好ましい。

【0048】

前記シーリング部層５５０は別個の層として構成されて前記支持層５４０の上部に配置されている。前記安全シーリング部層５６０も別個の層として構成されて前記シーリング部層５５０の上部に配置されている。図１及び図２に示す内部隔壁５００は、支持層５４０、シーリング部層５５０、及び安全シーリング部層５６０の３層から構成されている。

【0049】

図１及び図２は一例にすぎず、支持層５４０、シーリング部層５５０、及び安全シーリング部層５６０は、図１及び図２に示す形態とは異なる順に積層されて変形されることができる。さらに他の変形例としては、図１及び図２と違い、シーリング部層５５０及び安全シーリング部層５６０がそれぞれ別個の層として配置されず、支持層５４０と同じ面に配置されることができる。この場合、支持層５４０に設けられた電池セルホール５１０の周辺及び電池セル１００をシーリングする形態及び貫通ホール５２０を充填されている形態になることができる。

【0050】

前記のような単一の層と多数の層とが混合された形態も可能である。シーリング部層５５０及び安全シーリング部層５６０のうちの一つのみが別個の層として配置され、残りは支持層５４０と同じ面に配置されることができる。

【0051】

前記安全シーリング部５３０は前記電池セル１００の異常温度以上の温度で溶ける物質を含むことができ、具体的には、ポリオレフィン、シリコン、及びウレタンから成る群から選択される１種以上であり得る。具体的には、ポリオレフィンは、ＰＥ、ＰＰ、またはＰＣであり得る。

【0052】

前記冷却液３００は難燃性物質であり得、具体的には、水、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、フルオロケトン、及びエチレングリコールから成る群から選択される１種以上であり得る。

【0053】

電池モジュールの温度が上昇して前記安全シーリング部５３０の溶融温度に到逹すると（図２の下側）、前記安全シーリング部５３０が溶融し、その結果として内部隔壁５００が開放され、これにより冷却液３００が気化して電池モジュールの内部温度を低めるかまたは火炎を抑制することができる。

【0054】

前記電池モジュール１０の下部には、前記冷却液３００が出入することができる出入ポート４００が設けられることができ、前記出入ポート４００を通して前記冷却液３００が循環することができる。前記冷却液３００は別途のポンプ（図示せず）によって循環することができる。

【0055】

本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形をなすことが可能であろう。

【符号の説明】

【0056】

１０ 本発明による電池モジュール
３０ 電池セル
３２ 仕切壁
４０ 支持トレイ
１００ 電池セル
２００ 電池モジュールケース
３００ 冷却液
４００ 出入ポート
５００ 内部隔壁
５１０ 電池セルホール
５２０ 貫通ホール
５３０ 安全シーリング部
５４０ 支持層
５５０ シーリング部層
５６０ 安全シーリング部層

【図1】

【図2】