特表 2024-539590 安全性が向上したバッテリーパック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-29

(54)【発明の名称】安全性が向上したバッテリーパック

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/658 20140101AFI20241022BHJP

   H01M 50/289 20210101ALI20241022BHJP

   H01M 50/204 20210101ALI20241022BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20241022BHJP

   H01M 10/653 20140101ALI20241022BHJP

   H01M 10/659 20140101ALI20241022BHJP

   H01M 10/6554 20140101ALI20241022BHJP

   H01M 10/647 20140101ALI20241022BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20241022BHJP

   H01M 10/627 20140101ALI20241022BHJP

   H01M 50/211 20210101ALI20241022BHJP

   H01M 50/291 20210101ALI20241022BHJP

   H01M 50/293 20210101ALI20241022BHJP

   H01M 10/6552 20140101ALI20241022BHJP

【ＦＩ】

H01M10/658

H01M50/289 101

H01M50/204 401H

H01M10/613

H01M10/653

H01M10/659

H01M10/6554

H01M10/647

H01M10/625

H01M10/627

H01M50/211

H01M50/291

H01M50/293

H01M10/6552

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024520622

(86)(22)【出願日】2023-07-25

(85)【翻訳文提出日】2024-04-03

(86)【国際出願番号】 KR2023010725

(87)【国際公開番号】W WO2024049010

(87)【国際公開日】2024-03-07

(31)【優先権主張番号】10-2022-0110496

(32)【優先日】2022-09-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【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】ジュ・ファン・シン

(72)【発明者】

【氏名】スン・チュル・パク

(72)【発明者】

【氏名】キ・ヨン・キム

(72)【発明者】

【氏名】ヒョン・スク・イ

【テーマコード（参考）】

5H031

5H040

【Ｆターム（参考）】

5H031AA09

5H031EE01

5H031EE03

5H031EE04

5H031HH03

5H031HH06

5H031HH08

5H031KK01

5H031KK02

5H040AA28

5H040AA37

5H040AS01

5H040AS07

5H040AT04

5H040AT06

5H040AY05

5H040AY10

5H040LL01

5H040LL04

5H040LL06

5H040NN01

5H040NN03

(57)【要約】

本発明は、バッテリーパックに関するものであって、上記バッテリーパックは、モジュールのフレームが排除された状態でセルスタック組立体がパックケースに収容されるので、正常作動時の放熱効果に優れる。また、上記バッテリーパックは、内部に備えられた複数のセルスタック組立体のうちいずれか１つに発熱が発生するかまたは熱暴走する非正常作動時に、熱伝導パッドの気化によりベースプレートと当該セルスタック組立体との間に離隔空間を形成することにより、当該セルスタック組立体の熱が隣接するセルスタック組立体に伝播することを抑制し得るので、バッテリーパックの発火や爆発に対する安全性が向上するという利点がある。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のセルスタック組立体を収容するバッテリーパックであって、
セルスタック組立体が位置するセルスタック領域を含むベースプレートと、
前記セルスタック領域を囲むように前記ベースプレートの縁に沿って垂直方向に延長されて結合される側壁と、
前記側壁と結合され、前記ベースプレートを区画して複数のセルスタック領域を形成する隔壁と、
を備えるパックケースを含み、
前記側壁および前記隔壁のうち少なくとも１つは、下部に内側に突出して前記セルスタック組立体を支持する支持部を含み、
前記ベースプレートと前記セルスタック組立体との間には、高温で気体状態に相変化して離隔空間を形成する熱伝導パッドを含む、バッテリーパック。

【請求項2】

前記支持部は、前記側壁または前記隔壁の内側下部に沿って形成され、前記セルスタック組立体の下面縁を支持する、請求項１に記載のバッテリーパック。

【請求項3】

前記支持部は、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、フッ素（Ｆ）および酸素（Ｏ）のうち１種以上の元素を含有するケイ酸塩で構成されたケイ酸塩部材である、請求項１に記載のバッテリーパック。

【請求項4】

前記熱伝導パッドは、１００～８００℃で気化または昇華する高分子を含む、請求項１に記載のバッテリーパック。

【請求項5】

前記熱伝導パッドは、１００～８００℃で気化または昇華する高分子を含むマトリックスに熱伝導性フィラーが分散された構造を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリーパック。

【請求項6】

前記熱伝導パッドは、下面が前記ベースプレートに相接する第１層と、前記第１層上に形成され、上面が前記セルスタック組立体に相接する第２層と、を含む、請求項１に記載のバッテリーパック。

【請求項7】

前記熱伝導パッドは、前記第１層に含有された熱伝導性フィラーの含有量が前記第２層に含有された熱伝導性フィラーの含有量より多い、請求項６に記載のバッテリーパック。

【請求項8】

前記熱伝導性フィラーは、前記熱伝導パッド全体の重量に対して１～３０重量％で含まれる、請求項５に記載のバッテリーパック。

【請求項9】

前記熱伝導性フィラーは、アルミニウム、銅、亜鉛、マグネシウム、ステンレススチール、銀、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリコーン（ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ_３）、カーボンナノチューブ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、黒鉛および活性炭のうち１種以上を含む、請求項５に記載のバッテリーパック。

【請求項10】

前記熱伝導パッドは、０．５ｍｍ～５．５ｍｍの平均厚さを有し、かつ前記セルスタック組立体と前記ベースプレートの離隔距離と同等であるかまたは厚い厚さを有する、請求項１に記載のバッテリーパック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱暴走時の安全性が向上したバッテリーパックに関するものである。

【0002】

本出願は、２０２２年９月１日付の韓国特許出願第１０－２０２２－０１１０４９６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、本明細書の一部として含まれる。

【背景技術】

【0003】

現在、商用化した二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがある。この中で、リチウム二次電池はニッケル系列の二次電池に比べてメモリー効果がほとんど起こらず充放電が自由であり、自家放電率が非常に低く、エネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。

【0004】

このようなリチウム二次電池は、主にリチウム系酸化物と炭素材をそれぞれ正極活物質と負極活物質として用いる。リチウム二次電池は、このような正極活物質と負極活物質がそれぞれ塗布された正極板と負極板がセパレーターを間に置いて配置された電極組立体と、電極組立体を電解液と共に密封収納する外装材、すなわち電池ケースとを備える。

【0005】

一般的に、リチウム二次電池は、外装材の形状に応じて、電極組立体が金属缶に内蔵されている缶型二次電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチに内蔵されているパウチ型二次電池に分類され得る。

【0006】

近年、携帯型電子機器などの小型装置のみならず、自動車や電力貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ；ＥＳＳ）などの中大型装置にも駆動用やエネルギー貯蔵用として二次電池が広く用いられている。二次電池は、バッテリーパックに備えられ、中大型装置などに装着される。このとき、バッテリーパックの容量および出力を高めるために、バッテリーパックには数多くの二次電池が含まれ、相互に電気的に連結される。ここで、多数の二次電池は１つのモジュールケースの内部に収納されて１つのバッテリーモジュールを構成し、多数のバッテリーモジュールが１つのパックケースの内部に収納されて１つのバッテリーパックを構成し得る。

【0007】

通常的に、二次電池は、適正温度より高い環境で使用される場合に性能が低下し得、ひどい場合には爆発や発火の危険もある。また、多数の二次電池を用いてバッテリーパックを構成するときには、狭い空間で多数の二次電池から出る熱が合算され、バッテリーパックの温度がより速く激しく上昇し得る。特に、屋外で主に使用される車両用バッテリーパックや電力貯蔵装置用バッテリーパックなどの場合は、直射日光に頻繁にさらされ、夏場や砂漠地域などの厳しい高温条件に置かれることがある。

【0008】

また、バッテリーパックに備えられた複数のバッテリーモジュールのうち一部のバッテリーモジュール、またはバッテリーパックに備えられた複数の二次電池のうち一部の二次電池では、非正常的な状況が発生して発熱が生じ得る。このような発熱はバッテリーの温度を持続的に上昇させ得、これによりバッテリーが所定の臨界温度を超えると、熱暴走（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）状況に進む。もし、このような発熱または熱暴走の状況を上手く制御し得ないと、バッテリーパックの安全性を十分担保し得なくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】韓国公開特許第１０－２０１９－００１８３８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

そこで、本発明の目的は、発熱や熱暴走状況を効果的に制御して安全性が向上したバッテリーパックを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上述された問題を解決するために、
本発明は一実施形態において、
複数のセルスタック組立体を収容するバッテリーパックであって、
セルスタック組立体が位置するセルスタック領域を含むベースプレートと、
上記セルスタック領域を囲むようにベースプレートの縁に沿って垂直方向に延長されて結合される側壁と、
上記側壁と結合され、上記ベースプレートを区画して複数のセルスタック領域を形成する隔壁と、
を備えるパックケースを含み、
上記側壁および隔壁のうち少なくとも１つは、下部に内側に突出してセルスタック組立体を支持する支持部を含み、
上記ベースプレートとセルスタック組立体との間には、高温で気体状態に相変化して離隔空間を形成する熱伝導パッドを含むバッテリーパックを提供する。

【0012】

このとき、上記支持部は、側壁または隔壁の内側下部に沿って形成され、セルスタック組立体の下面縁を支持し得る。

【0013】

また、上記支持部は、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、フッ素（Ｆ）および酸素（Ｏ）のうち１種以上の元素を含有するケイ酸塩で構成されたケイ酸塩部材を含み得る。

【0014】

また、上記熱伝導パッドは、１００～８００℃で気化または昇華する高分子を含み得る。具体的には、上記熱伝導パッドは、１００～８００℃で気化または昇華する高分子を含むマトリックスに熱伝導性フィラーが分散された構造を有し得る。

【0015】

また、上記熱伝導パッドは、下面がベースプレートに相接する第１層と、上記第１層上に形成され、上面がセルスタック組立体に相接する第２層と、を含み得る。このとき、上記熱伝導パッドは、第１層に含有された熱伝導性フィラーの含有量が第２層に含有された熱伝導性フィラーの含有量より多いことがあり得る。

【0016】

また、上記熱伝導性フィラーは、熱伝導パッド全体の重量に対して１～３０重量％で含まれ得る。

【0017】

また、上記熱伝導性フィラーは、アルミニウム、銅、亜鉛、マグネシウム、ステンレススチール、銀、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリコーン（ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ_３）、カーボンナノチューブ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、黒鉛および活性炭のうち１種以上を含み得る。

【0018】

また、上記熱伝導パッドは０．５ｍｍ～５．５ｍｍの平均厚さを有し、かつセルスタック組立体とベースプレートの離隔距離と同等であるかまたは厚い厚さを有し得る。

【発明の効果】

【0019】

本発明に係るバッテリーパックは、モジュールのフレームが排除された状態でセルスタック組立体がパックケースに収容されるので、正常作動時の放熱効果に優れる。また、上記バッテリーパックは、内部に備えられた複数のセルスタック組立体のうちいずれか１つに発熱が発生するかまたは熱暴走する非正常作動時に、熱伝導パッドの気化によりベースプレートと当該セルスタック組立体との間に離隔空間を形成することにより、当該セルスタック組立体の熱が隣接するセルスタック組立体に伝播することを抑制し得るので、バッテリーパックの発火や爆発に対する安全性が向上するという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明に係るバッテリーパックの構造を示す斜視図である。

【図2】セルスタック組立体が装着された従来のバッテリーパックの構造を示す断面図である。

【図3】セルスタック組立体が装着された本発明に係るバッテリーパックの構造を示す断面図である。

【図4】セルスタック組立体が装着された本発明に係るバッテリーパックの構造を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明は、多様な変更を加えることができ、様々な実施形態を有し得るので、特定の実施形態を詳細な説明に詳細に説明する。

【0022】

しかしながら、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物または代替物を含むものとして理解される。

【0023】

本発明において、「含む」や「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものとして理解される。

【0024】

また、本発明において、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あると記載された場合、これは他の部分の「真上に」ある場合のみならず、その中間に別の部分がある場合も含む。逆に、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「下に」あると記載された場合、それは他の部分の「真下に」ある場合のみならず、その中間に別の部分がある場合も含む。また、本出願において「上に」配置されるということは、上部のみならず下部に配置される場合も含むものであり得る。

【0025】

以下、本発明をより詳細に説明する。

【0026】

＜バッテリーパック＞
本発明は一実施形態において、
複数のセルが積層されたセルスタック組立体を収容するバッテリーパックであって、
セルスタック組立体が位置するセルスタック領域を含むベースプレートと、
上記セルスタック領域を囲むようにベースプレートの縁に沿って垂直方向に延長されて結合される側壁と、
上記側壁と結合され、上記ベースプレートを区画して複数のセルスタック領域を形成する隔壁と
を備えるパックケースを含み、
上記側壁および隔壁のうち少なくとも１つは、下部に内側に突出してセルスタック組立体を支持する支持部を含み、
上記ベースプレートとセルスタック組立体との間には、高温で気体状態に相変化して離隔空間を形成する熱伝導パッドを含むバッテリーパックを提供する。

【0027】

本発明に係るバッテリーパックは、複数のセルスタック組立体と、それを収容するパックケースとを含む。このとき、上記パックケースは、ベースプレートから一定の高さに離隔した位置にセルスタック組立体が配置されるように、側壁および隔壁のうち少なくとも１つの下部内側にセルスタック組立体を支持する支持部と、ベースプレートと上記支持部に固定されたセルスタック組立体との間に高温で気体状態に相変化して離隔空間を形成する熱伝導パッドとを備える。上記支持部と熱伝導パッドは、複数のセルスタック組立体のうちいずれか１つで発熱が発生するかまたは熱暴走時に熱伝導パッドの気化によりベースプレートと当該セルスタック組立体との間に離隔空間を形成し得る。このように形成された離隔空間は、当該セルスタック組立体の熱が隣接するセルスタック組立体に伝播することを抑制し得るので、バッテリーパックの発火および／または爆発の発生を抑制し得る。

【0028】

図１、図３および図４は、本発明に係るバッテリーパック１００の構造を図示する斜視図および断面図である。以下、図１、図３および図４を参照してより詳細に説明する。

【0029】

本発明のバッテリーパック１００は、セルスタック組立体１１０と、上記セルスタック組立体１１０が収容されるパックケースとを含む。

【0030】

本発明で言及されるセルスタック組立体１１０は、複数の電池セルが積層されたセルスタックを囲んで保護するモジュールフレーム構成を排除し、上記セルスタックにおいて電極リードが形成された前後面にそれぞれバスバーフレームおよびエンドプレートを結合させた構成を含み得る。

【0031】

このとき、上記セルスタックは、複数の電池セルが積層された構造を有し、上記電池セルは内部に電極組立体を含み、上記電極組立体と電気的に連結された一対の電極リードおよび上記電極リードが外部に導出されるように上記電極組立体を囲む電池ケースを含む。上記電極リードは、電池ケースの両側にそれぞれ導出され得る。

【0032】

また、上記バスバーフレームは、上記電池セルと電気的に連結されるバスバーを含む。上記バスバーフレームは、上記セルスタックに含まれた各電池セルの電極リードが上記バスバーと連結されるように、上記セルスタックの前後方で上記セルスタックと密着結合される。

【0033】

また、上記エンドプレートは、上記バスバーおよび電極リードなどを外部衝撃から保護するために、上記バスバーをカバーするように上記バスバーフレームと結合される。また、上記エンドプレートは、セルスタックに含まれた各電池セルを集めて固定する。

【0034】

上記セルスタック組立体は、上述されたようにセルスタックを囲んで保護するモジュールフレーム構成を排除する代わりに、積層された電池セルを構造的に固定するエンドプレートと、固定された電池セルを電気的に連結するバスバーフレームとを備えることによって、充放電時に複数の電池セルで発生する熱をより効率的に放出し得るのみならず、セルスタックの単位重量を低減し得るという利点がある。

【0035】

また、上記セルスタック組立体１１０は、バッテリーパックに多数備えられ得る。また、多数のセルスタック組立体１１０は、側面が対面する形態で左右方向に配列され得る。例えば、上記バッテリーパック１００は、少なくとも２つのセルスタック組立体１１０が含まれ得る。このとき、２つのセルスタック組立体１１０は、それぞれ右側面と左側面が互いに対向する形態で左右方向に配列され得る。

【0036】

また、上記バッテリーパック１００は、上述されたセルスタック組立体１１０を含むパックケースを含み、必要に応じてパックケースの上部でセルスタック組立体１１０の上部を覆うように上記パックケースと結合されるパックケースカバー（図示せず）をさらに含み得る。

【0037】

ここで、上記パックケースは、セルスタック組立体１１０の下部に配置され、セルスタック組立体１１０が位置するセルスタック領域を含むベースプレート１２０を含み、上記ベースプレート１２０は水平方向に延長されたプレート形状を有し得る。ここで、水平方向とは、平らな地面の面方向を意味する。上記ベースプレート１２０は、機械的剛性に優れた金属素材を備え得る。

【0038】

また、上記ベースプレート１２０の上部には、複数のセルスタック組立体１１０が位置され得る。このために、上記ベースプレート１２０は、セルスタック組立体１１０が位置するセルスタック領域を含む。このとき、上記ベースプレート１２０は、上記セルスタック領域を囲むようにベースプレートの縁に沿って垂直方向に延長された側壁１３０と互いに結合され、セルスタック組立体１１０を収容するための空間を形成し得る。

【0039】

上記ベースプレート１２０は、下部にセルスタック組立体１１０が収容されるための空間を提供する機能を果たすのみならず、セルスタック組立体１１０で発生した熱を外部に発散するヒートシンクとしての機能を果たし得る。このために、上記ベースプレート１２０は、セルスタック組立体１１０から発生した熱を除去するために、セルスタック組立体１１０が収容される面の他面に冷却水や空気などの冷媒が接触した状態で流れることができるように設けられた冷却手段（図示せず）が設けられ得る。また、上記側壁１３０の結合は、当業界で通常的に適用される方式で行われ得、例えば、摩擦撹拌溶接などにより行われ得る。

【0040】

また、上記パックケースは、側壁１３０によって設けられた収容空間に複数のセルスタック組立体１１０が搭載され得るように、内部空間を複数のセルスタック組立体領域に区画する隔壁１４０を含む。このとき、上記隔壁１４０は、図１に示すように、両端部がそれぞれ対向する２つの側壁１３０の間に垂直になるように結合され得、下端部はベースプレート１２０の上面と結合されるように構成される。

【0041】

また、上記側壁１３０および隔壁１４０のうちいずれか１つ以上は、ベースプレート１２０から一定の高さに離隔した位置にセルスタック組立体１１０が配置されるように内側下部にセルスタック組立体１１０を固定させる支持部１５０を含む。

【0042】

上記支持部１５０は、側壁１３０および／または隔壁１４０の内側下部に位置し、セルスタック組立体１１０の下面を支持してベースプレート１２０の上辺から一定距離だけ離隔するようにする機能を果たす。このために、上記支持部１５０は、セルスタック組立体１１０を下部で支持し得る形態を有し得る。具体的には、上記支持部１５０は、図１に示すように、側壁１３０および／または隔壁１４０の内側下部から垂直に突出し、セルスタック組立体１１０を支持し得るようにセルスタック組立体１１０の下部面と対向する面を有する形態を有し得る。

【0043】

また、上記支持部１５０は、セルスタック組立体１１０と所定距離で離隔するように側壁１３０および／または隔壁１４０の内側に配置され得る。具体的には、上記支持部１５０は、ベースプレート１２０の上面を基準として０．５ｍｍ～５．０ｍｍの高さに配置され得、より具体的には０．５ｍｍ～３．０ｍｍ、０．５ｍｍ～１．５ｍｍ、または０．８ｍｍ～１．２ｍｍの高さに配置され得る。本発明は、支持部１５０の位置をベースプレート１２０の上面を基準として上記高さを満たすように調節することにより、過度な離隔距離によりバッテリーパック１００の正常作動時に内部熱が発散される効率が低下することを防止し得る。また、上記支持部１５０の位置を上記のように調節することにより、複数のセルスタック組立体１１０のうちいずれか１つに発熱が発生するかまたは熱暴走時に狭い離隔距離により熱がヒートシンクとしての機能を果たすベースプレート１２０を介して隣接する周辺のセルスタック組立体１１０に急速に熱伝達されることを防ぎ得る。

【0044】

また、上記支持部１５０は、セルスタック組立体１１０をより強固に支持するために側壁１３０および／または隔壁１４０の内側下部に沿って設けられ得る。これにより、上記支持部１５０は、セルスタック組立体１１０の下部面のうち縁領域を支持する形態を有し得る。

【0045】

また、上記支持部１５０は、セルスタック組立体１１０を支持する程度の剛性を有しながら、バッテリーパック１００の非正常作動時の内部の高温にも形態が変形されずに絶縁性を有する材料で構成され得る。具体的には、上記支持部１５０は、高い剛性および絶縁性を有し、優れた耐熱性と断熱性を兼ね備えたケイ酸塩材料で構成され得る。

【0046】

本発明で言及されるケイ酸塩材料はケイ酸塩で構成されるものであって、上記ケイ酸塩は、当業界で通常的に使用されるものであれば特に制限されずに適用され得るが、具体的にはケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、フッ素（Ｆ）および酸素（Ｏ）のうち１種以上の元素を含有するものを使用し得る。

【0047】

一般的にケイ酸塩は、ケイ酸の水素が他の金属原子と置換された中性塩を意味するが、本発明では、防炎および／または難燃効果を具現するために水素部位にアルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）などの元素が置換されたものを使用し得、特に防炎性のために層状型のケイ酸塩を使用し得る。

【0048】

例えば、上記ケイ酸塩としては、白雲母、フェンジャイト、セラドナイト、パラゴナイト、マーガライト、金雲母、黒雲母、アナイト、鉄雲母、シデロフィライト、クリントナイト、リチウム白雲母、トリリチオナイト、ポリリチオナイト、チンワルダイト、およびテニオライトのうち１種以上を含み得る。

【0049】

一つの例として、上記支持部１５０は、雲母を含む雲母シートを含み得る。雲母は花崗岩を構成する造岩物質の一つであって、優れた電気絶縁性を有し、加熱時に物性の変化が非常に少ないという特性を有する。上記雲母は、５００～１，０００℃の高温でも優れた形態安定性と絶縁抵抗を有する。また、雲母は、優れた難燃性を有し、燃焼または加熱時に煙が生じない特性を有する。これらの特性により、バッテリーパック１００の非正常作動時にも安定的にセルスタック組立体１１０とベースプレート１２０との間を離隔させ得る。

【0050】

また、上記支持部１５０は、ケイ酸塩、例えば、雲母をシート状に製造するために、主成分であるスクラップ雲母または粉砕雲母をバインダー（例えば、耐熱性シリコーン）と混合して大きな板状に成形した後に、好適な長さに切って電極組立体の大きさに合ったシート状に製造し得る。しかしながら、雲母シートの製造方法はこれに限定されるものではなく、当業界で通常的に知られている技術に従って多様な方法で雲母シートを製造し得る。

【0051】

ここで、「主成分とする」とは、対象成分が物質の全体１００重量部において、６０重量部以上、７０重量部以上、８０重量部以上、８５重量部以上、９０重量部以上、９５重量部以上、９８重量部以上、または９９重量部以上で含まれることを意味し得る。

【0052】

一つの例として、上記支持部１５０は、ケイ酸塩全体１００重量部に対して１～２０重量部のバインダーを含有し得る。

【0053】

また、上記シートに含まれるバインダーは、ケイ酸塩に対して付着力に優れたものを使用し得る。具体的には、上記バインダーは、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）またはポリ（エチレン－プロピレン）共重合体を含むポリオレフィン、およびナイロンを含むポリアミド、耐熱性シリコーンのうち１種以上を含み得るが、これに制限されるものではない。

【0054】

また、上記パックケースは、支持部１５０によってセルスタック組立体１１０とベースプレート１２０との間に形成された離隔空間に熱伝導パッド１６０を含む。上記熱伝導パッド１６０は、バッテリーパック１００の正常作動時にセルスタック組立体１１０から発生した熱をベースプレート１２０を介して放熱し得るように熱を伝達し、バッテリーパック１００の非正常作動時に、例えば、熱伝導パッド１６０と接触したセルスタック組立体１１０の発熱および／または熱暴走時に気化または昇華してセルスタック組立体１１０とベースプレート１２０との間に離隔空間を形成する機能を果たす。

【0055】

このために、上記熱伝導パッド１６０は、セルスタック組立体１１０の非正常作動時に離隔空間を形成し得るように１００～８００℃で気化または昇華する高分子を含み得る。より具体的には、上記熱伝導パッド１６０に含まれる高分子は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン系樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂などを含み得、これらの樹脂に添加剤を使用するか、または物理・化学的改質により１００～６００℃、１００～４００℃、１００～３００℃、または１５０～３００℃で気化または昇華するものであり得る。本発明は、熱伝導パッドを上記範囲で気化または昇華する高分子で構成することにより、従来単純溶融する高分子で構成された熱伝導パッドと比較して、セルスタック組立体１１０の発熱および／または熱暴走時に熱伝導パッドの気化熱／昇華熱による冷却効果を具現し得、同時にバッテリーパック１００の発火および／または爆発が発生する前に発熱するセルスタック組立体１１０とベースプレート１２０を離隔させ得るので、発熱および／または熱暴走したセルスタック組立体１１０の熱の隣接するセルスタック組立体への伝播を防止し得る。

【0056】

また、上記熱伝導パッド１６０は、１００～８００℃で気化または昇華する高分子を含むマトリックス（以下、「高分子マトリックス」という）自体で高い熱伝導率を具現し得、より高い熱伝導率を具現するために、１００～８００℃で気化または昇華する高分子を含むマトリックスに熱伝導性フィラーが分散された構造を有し得る。

【0057】

このとき、上記熱伝導性フィラーは、当業界でバッテリー、セルスタック組立体、またはバッテリーパックなどで熱伝導効果を具現するために適用されるものであれば、特に制限されずに適用され得るが、具体的にはアルミニウム、銅、亜鉛、マグネシウム、ステンレススチール、銀、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリコーン（ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ_３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、カーボンナノチューブ、黒鉛および活性炭のうち１種以上を含み得る。

【0058】

また、上記熱伝導性フィラーは、高分子マトリックスの気化または昇華後にセルスタック組立体１１０とベースプレート１２０との接触を防止するために、熱伝導パッド全体の重量に対して１～３０重量％で含まれ得、より具体的には、熱伝導パッド全体の重量に対して１～２０重量％、１～１０重量％、１０～３０重量％、１５～３０重量％、または１０～２０重量％で含まれ得る。

【0059】

また、上記熱伝導性フィラーは、少ない量の熱伝導性フィラーを含んでいても、熱伝導パッドの高い熱伝導率を具現するために、針状粒子であるかまたは繊維（ｆｉｂｅｒ）状粒子を適用し得る。この場合、上記熱伝導性フィラーは、少量が分散されても高分子マトリックスの内部にフィラー間熱伝導ネットワークを形成し得るので、高い熱伝導率を具現し得るという利点がある。

【0060】

このとき、上記熱伝導性フィラーの平均サイズは１，０００μｍ以下であり得、具体的には９００μｍ以下、７５０μｍ以下、５００μｍ以下、３００μｍ以下、１００μｍ以下、１～５００μｍ、１０～５００μｍ、５０～５００μｍ、１００～５００μｍ、２００～４００μｍ、または５０～３００μｍであり得る。ここで、「平均サイズ」とは、熱伝導性フィラーにおける「長軸長さ」（粒子中心を通る最長長さ）と「短軸長さ」（粒子中心を通る最短長さ）の平均値を意味し得る。本発明は、熱伝導性フィラーの平均サイズを上記範囲に調節することにより、高分子マトリックスの気化または昇華後のセルスタック組立体１１０とベースプレート１２０との接触を防止する一方、熱伝導パッド１６０の高い伝導率を具現し得る。

【0061】

一方、上記熱伝導パッド１６０は単層構造であってもよく、場合によっては多層構造を有してもよい。多層構造の熱伝導パッドは、各層に異なる種類および／または含有量の熱伝導性フィラーを含み得、これにより、熱伝導パッドの放熱効果をより向上させ得る。

【0062】

一つの例として、上記熱伝導パッド１６０は、下面がベースプレートに相接する第１層と、上記第１層上に形成され、上面がセルスタック組立体に相接する第２層とを含む構造を有し得る。このとき、第１層に含有された熱伝導性フィラーの含有量は、第２層に含有された熱伝導性フィラーの含有量より多いことがあり得る。この場合、熱伝導パッドは、ベースプレート１２０に相接する第１層の熱伝達率が著しく増加するため、バッテリーパック１００の正常作動時の熱伝導パッドの放熱効率を高めることができる。また、第１層と比較して第２層の高分子マトリックスの含有量の割合を高めることにより、バッテリーパック１００の非正常作動時のより速い熱伝導パッド１６０の気化または昇華を誘導し得るので、発熱または熱暴走が発生したセルスタック組立体の熱が隣接するセルスタック組立体に伝達されることをより迅速に防止し得るという利点がある。

【0063】

また、上記熱伝導パッド１６０は、支持部１５０の位置に応じてその構造、高さ（または厚さ）などが制御され得る。

【0064】

一つの例として、図３に示すように、支持部１５０ａおよび１５０ｂが側壁１３０および／または隔壁１４０の内側下端部に位置する場合に、上記支持部１５０ａおよび１５０ｂの高さ（または厚さ）は、セルスタック組立体１１０とベースプレート１２０の離隔距離と同じであり得る。このとき、上記熱伝導パッド１６０は単層構造であって、支持部１５０ａおよび１５０ｂと同じ高さ（または厚さ）を有し得る。

【0065】

他の一つの例として、図４に示すように、支持部１５０ａおよび１５０ｂが側壁１３０および／または隔壁１４０の内側下部の中間に位置する場合に、熱伝導パッド１６０は二層構造を有し得、その高さ（または厚さ）は支持部１５０ａおよび１５０ｂより厚いことがあり得る。具体的には、支持部１５０ａおよび１５０ｂが側壁１３０および／または隔壁１４０の内側下部の中間に位置する場合に、第１層１６１は、ベースプレート１２０のセルスタック組立体領域をすべて満たす形態として支持部１５０の下部に位置し得る。また、第２層１６２は、第１層１６１上に設けられ、支持部１５０ａおよび１５０ｂと同等であるかまたは高い高さ（または厚さ）を有し、支持部１５０ａおよび１５０ｂと共にセルスタック組立体領域を完全に埋める形態を有し得る。このとき、上記第２層１６２は、支持部１５０ａおよび１５０ｂと同等の高さ（または厚さ）を有することが好ましいと言える。

【0066】

また、上記熱伝導パッド１６０は、０．５ｍｍ～５．５ｍｍの平均厚さを有し、かつセルスタック組立体１１０とベースプレート１２０の離隔距離と同等であるかまたは厚い厚さを有し得る。上記熱伝導パッド１６０は、セルスタック組立体１１０とベースプレート１２０の離隔距離と同等であるかまたは厚い平均厚さを有することによって、バッテリーパック１００が正常作動時にセルスタック組立体１１０から発生した熱をベースプレート１２０に、すなわち、熱伝導パッド１６０の上面から下面に容易に放出し得る。また、上記熱伝導パッド１６０は、バッテリーパック１００に外力が加わる場合、特に上部から外力が加わる場合に緩衝作用をし得るので、安全性がより高いという利点がある。

【0067】

さらに、上記熱伝導パッド１６０は、ベースプレート１２０のセルスタック領域全体に配置されてもよく、場合によっては部分的に配置されてもよい。上記熱伝導パッド１６０は、ベースプレート１２０のセルスタック領域に配置され、かつ一定領域において部分的に、具体的には全体面積に対して６０～９９％に形成されることによりセルスタック組立体１１０に相接する面の表面積を増加させ得るので、熱伝導率がより改善され得る。

【0068】

一つの例として、上記セルスタック領域は中央部と外郭部とを含み、熱伝導パッドは中央部に位置し得る。この場合、上記熱伝導パッドは、バッテリーパックの正常作動時に熱発生頻度および程度が高い内部熱をより効果的に放出し得るという利点がある。

【0069】

本発明に係るバッテリーパックは、上述された構成を有することにより内部に備えられた複数のセルスタック組立体のうちいずれか１つに発熱が発生するかまたは熱暴走時に熱伝導パッドの気化によりベースプレートと当該セルスタック組立体との間に離隔空間を形成することにより、当該セルスタック組立体の熱が隣接するセルスタック組立体に伝播することを抑制し得るので、バッテリーパックの発火や爆発に対する安全性が向上するという利点がある。

【0070】

以下、本発明を実施例および実験例によってより詳細に説明する。

【0071】

ただし、下記実施例および実験例は本発明を例示するものであり、本発明の内容が下記実施例および実験例に限定されるものではない。

【0072】

＜比較例＞
１０個のパウチセルを含む８個のセルスタック組立体が、横および縦にそれぞれ２個ずつパックケースに挿入された構造のバッテリーパックを用意した。このとき、上記パックケースは図１と同じ構造を有し、かつ「支持部」と「熱伝導パッド」が排除された構造のものを使用した。

【0073】

＜実施例＞
１０個のパウチセルを含む８個のセルスタック組立体が、横および縦にそれぞれ２個ずつパックケースに挿入された構造のバッテリーパックを用意した。このとき、パックケースは図１と同じ構造を有するものを使用し、かつ支持部および熱伝導パッドは、図３または図４と同じ構造を有するように調節された。

【0074】

ここで、セルスタック組立体とベースプレートの離隔距離は約１．８±０．２ｍｍに調節された。また、熱伝導パッドは、３００±５０℃で気化する高分子を主成分とする高分子マトリックスで構成されるものを用い、熱伝導性フィラーを有する場合は、熱伝導性フィラーとして針状銅粒子を熱伝導パッド全体の重量を基準として約１５重量％となるように適用した。

【0075】

【表1】

【0076】

＜実験例＞
本発明に係るバッテリーパックの安全性を評価するために、バッテリーパックに装着されたセルスタック組立体の１つに熱暴走を誘導し、熱暴走が誘導されたセルスタック組立体およびそれに隣接するセルスタック組立体で発火が発生するのにかかる時間を測定した。

【0077】

具体的には、実施例および比較例で製作されたバッテリーパックをいずれもＳＯＣ１００％となるように充電した。その後、パックケースに収容された８個のセルスタック組立体のうち中央に配置された４個のうち任意の１つのセルスタック組立体の上部にヒーティングパッドを装着し、ヒーティングパッドを３００Ｗ電力で作動させてヒーティングパッドの下部に配置されたセルスタック組立体の熱暴走を誘導した。このとき、ヒーティングパッドの作動時点を基準として１０分間バッテリーパックの内部を観測しながら、i）ヒーティングパッドの下部に配置されたセルスタック組立体が発火するのにかかる時間を測定し、ii）ヒーティングパッドが装着されたセルスタック組立体の隣接する位置に配置されたセルスタック組立体の発火の有無を確認した。その結果を下記表２に示した。

【0078】

【表2】

【0079】

上記表２に示すように、本発明に係るバッテリーパックは高温安全性が向上することが分かる。

【0080】

具体的には、実施例のバッテリーパックは、セルスタック組立体が高温にさらされる場合に、熱伝導パッドが気化してセルスタック組立体とヒートシンクとしての機能を果たすベースプレートとの間に離隔空間を形成することにより、隣接するセルスタック組立体への熱伝播が行われず、バッテリーモジュールの発火が抑制されることが確認された。

【0081】

一方、高温にさらされたセルスタック組立体とベースプレートが相接するように配置された比較例のバッテリーパックは、隣接するセルスタック組立体で発火が発生することが分かった。

【0082】

これらの結果から、本発明に係るバッテリーパックは、セルスタック組立体が高温発熱するかまたは熱暴走時に熱伝導パッドの気化によりベースプレートと当該セルスタック組立体との間に離隔空間を形成することにより、当該セルスタック組立体の熱が隣接するセルスタック組立体に伝播することを抑制し得ることを意味する。

【0083】

以上では、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者または当該技術分野に通常の知識を有する者であれば、後述される特許請求の範囲に記載された本発明の思想および技術領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更させ得ることを理解し得る。

【0084】

したがって、本発明の技術的範囲は、明細書の発明の概要に記載された内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定められる。

【符号の説明】

【0085】

１０：従来のバッテリーパック
１００：本発明のバッテリーパック
１１、１１０：セルスタック組立体
１２、１２０：ベースプレート
１３、１３０：側壁
１４０、１４０ａ：隔壁
１５０、１５０ａ、１５０ｂ：支持部
１６、１６０：熱伝導パッド
１６１：熱伝導パッドの第１層
１６２：熱伝導パッドの第２層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】