KR20240057657A - 배터리 팩, 배터리 팩의 제조 방법 및 자동차 - Google Patents
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Abstract
배터리 셀의 측부 파열 방지 및 배터리 모듈내 구조적 강성을 확보함으로써 연쇄 발화 가능성 및 공간 효율성 저하가 감소된 배터리 팩을 제공한다. 본 발명의 배터리 팩은 팩 케이스; 상기 팩 케이스에 수납된 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 어셈블리; 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이 공간 중 상대적 하부를 채우는 레진층; 및 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이 공간 중 상대적 상부를 채우는 무기피막을 포함한다.
Description
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이고, 특히 배터리 팩, 배터리 팩의 제조 방법 및 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 배터리 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 따라서, 기존의 배터리 팩은 복수 개의 배터리 셀과, 모듈 단위의 배터리 셀을 수납한 모듈 케이스와, 이들을 모두 수납하는 팩 케이스를 포함하고 있다.
이러한 종래 배터리 팩에서, 예를 들어 원통형 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩을 살펴 보면, 모듈 케이스에 수납된 배터리 셀 사이에는 갭(gap)이 존재하며 모듈 케이스에는 배터리 셀을 고정해 주는 프레임(frame)이 존재한다. 배터리 셀 사이의 갭은 프레임의 리브(rib)로 채워지거나 빈 공간으로 남아 있게 되고, 배터리 셀과 프레임이 결합된 복수개의 배터리 모듈이 모여 배터리 팩을 구성하고 있다.
그러나, 종래 배터리 팩의 경우, 원통형 배터리 셀 발화시 벤트(vent)부 발화 및 인접 배터리 셀의 측부 파열(side rupture)로 인한 연쇄 발화 가능성이 존재한다. 또한, 배터리 팩 케이스 이외에도 모듈 케이스가 필요하고 각 배터리 모듈내 개별 프레임이 다수 존재하기 때문에, 배터리 팩의 무게가 무거워지고 배터리 팩내 공간 효율성이 저하되는 문제가 있다. 즉, 같은 크기의 배터리 팩이라도 배터리 셀을 적게 담게 되는 문제가 있다.
그러므로, 연쇄 발화 가능성을 감소시키고 공간 효율성 저하 문제가 개선된 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 배터리 셀의 측부 파열 방지 및 배터리 모듈내 구조적 강성을 확보함으로써 연쇄 발화 가능성 및 공간 효율성 저하가 감소된 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이러한 배터리 팩을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명의 배터리 팩은 팩 케이스; 상기 팩 케이스에 수납된 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 어셈블리; 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이 공간 중 상대적 하부를 채우는 레진층; 및 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이 공간 중 상대적 상부를 채우는 무기피막을 포함한다.
상기 무기피막은 상기 레진층에 비하여 난연성을 가진 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 셀은 원통형 배터리 셀이며, 상기 배터리 셀들은 상기 팩 케이스에 직립 수납되며, 상기 레진층과 무기피막은 상기 배터리 셀들의 측면을 둘러쌀 수 있다.
상기 레진층과 무기피막은 베이스 레진과 무기필러를 포함하는 조성물이 경화되면서 강제 상분리되어 형성된 이중층이다.
상기 무기필러는 상기 베이스 레진에 비하여 저밀도이다.
상기 무기필러는 중공 유리 비드일 수 있다.
상기 베이스 레진의 초기 점도는 1000cp 이하임이 바람직하다.
상기 조성물에서 상기 무기필러의 함량은 10% 이상일 수 있다.
상기 베이스 레진은 경화 후 쇼어 경도 A가 80 이상이고 쇼어 경도 D가 30 이상일 수 있다.
상기 베이스 레진은 30분 이상의 초기 경화 시간을 갖는 것임이 바람직하다.
상기 팩 케이스 내면과 상기 배터리 셀의 하단부 사이에 접착제를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀은 상부 또는 하부에 벤트부를 포함하고, 상기 무기피막은 상기 벤트부를 둘러싸는 것일 수 있다.
바람직한 일 예에서, 상기 팩 케이스는 상기 배터리 셀의 하단부를 수용하는 바텀 프레임 또는 팩 트레이를 포함한다.
그리고, 상기 팩 케이스는 상기 배터리 셀의 상단부를 덮는 커버 프레임을 더 포함할 수도 있다.
바람직한 다른 예에서, 상기 팩 케이스는 상기 배터리 셀 어셈블리를 지지하는 베이스 케이스; 및 상기 베이스 케이스의 양측에 구비되며, 상기 배터리 셀 어셈블리의 상단부와 결합되는 크로스 빔을 포함한다.
상기 베이스 케이스의 내면에 소정 높이로 채워진 접착제를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 배터리 팩 제조 방법은, 팩 케이스에 복수 개의 배터리 셀들을 수납하는 단계; 베이스 레진과 무기필러를 포함하는 조성물을 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이 공간에 채우는 단계; 및 상기 조성물을 경화시키되, 경화시키는 동안 밀도차에 따라 상기 베이스 레진과 무기필러를 강제 상분리시킴으로써 상기 복수 개의 배터리 셀 사이 공간 중 상대적 하부를 채우는 레진층과 상기 복수 개의 배터리 셀 사이 공간 중 상대적 상부를 채우는 무기피막을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자동차는 본 발명에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함한다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀의 측부 파열 방지 및 배터리 모듈내 구조적 강성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀들 사이 공간을 레진층으로 채워 모듈 케이스를 생략할 수 있게 하면서도, 베이스 레진과 무기필러를 포함하는 조성물을 경화시키면서 강제 상분리하는 방법에 의해 배터리 셀들 사이 공간 중 상대적 하부는 레진층으로, 배터리 셀들 사이 공간 중 상대적 상부는 무기피막으로 형성할 수가 있다. 무기피막은 난연성을 확보하여 연쇄 발화 가능성을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 연쇄 발화 가능성 및 공간 효율성 저하가 감소된 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공할 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 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개념도이다.
도 2는 상분리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3의 배터리 팩의 이상 상황 발생 시 안전성 확보 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 7는 도 6의 배터리 팩의 배터리 셀 어셈블리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 6의 팩 케이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는 비교예 1의 경화 후 상태 사진이고, 도 10b는 비교예 1의 난연성 테스트 사진이다.
도 11a는 비교예 2의 경화 후 상태 사진이고, 도 11b는 비교예 2의 난연성 테스트 사진이다.
도 12a는 실시예의 경화 후 상태 사진이고, 도 12b는 실시예의 난연성 테스트 사진이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개념도이다.
도 2는 상분리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3의 배터리 팩의 이상 상황 발생 시 안전성 확보 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 7는 도 6의 배터리 팩의 배터리 셀 어셈블리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 6의 팩 케이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는 비교예 1의 경화 후 상태 사진이고, 도 10b는 비교예 1의 난연성 테스트 사진이다.
도 11a는 비교예 2의 경화 후 상태 사진이고, 도 11b는 비교예 2의 난연성 테스트 사진이다.
도 12a는 실시예의 경화 후 상태 사진이고, 도 12b는 실시예의 난연성 테스트 사진이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(A)은 하나 이상의 배터리 모듈(B)로 구성될 수 있고, 배터리 모듈(B)은 다시 복수 개의 배터리 셀(C)로 구성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 배터리 팩(A), 배터리 모듈(B) 및 배터리 셀(C)의 종류나 구조는 특별히 제한되지 않는다. 본 실시예의 배터리 팩(A)은 소정의 정형화된 구조나 형상을 갖고, 차량의 하부에 결합되는 것이면, 다양한 종류나 구조의 배터리 팩을 포함할 수 있다. 한편 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 "배터리 팩"의 용어를 사용하지만 이는 반드시 전형적인 의미의 배터리 팩만을 지칭하는 것은 아니다. 예컨대 본 실시예의 배터리 팩(A)은 배터리 셀투팩(cell to pack)이나 배터리 셀투섀시(cell to chassis) 등의 기술적 개념을 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예에서 배터리 팩(A)의 용어는 소정의 정형화된 구조나 형상을 갖고 차량에 결합되어, 구동수단으로 전력을 공급하는 에너지 저장 수단을 넓게 포함하는 의미로 해석될 수 있다.
배터리 팩(A)은 팩 케이스(A1)를 포함한다. 팩 케이스(A1) 내부에 배터리 모듈(B)을 수납한다. 팩 케이스(A1)는 후술하는 다른 실시예에서 보는 바와 같이 다양하게 구성할 수 있다.
배터리 모듈(B)은 복수 개의 배터리 셀(C)을 직렬 및/또는 병렬로 전기적 연결한 배터리 셀 어셈블리의 개념일 수 있다. 또는 배터리 셀 모듈 어셈블리에 BMS 등의 기타 전장품까지 포함한 개념일 수 있다. 기존의 배터리 모듈은 배터리 셀을 수납하여 기계적 강성을 가지기 위해 금속 재질의 모듈 케이스와 배터리 셀을 담아 고정하는 프레임을 포함하였다. 본 실시예의 배터리 팩(A)에 포함되는 배터리 모듈(B)은 종래와 달리 모듈 케이스와 프레임 등이 생략되거나 최소화된 것일 수 있다.
팩 케이스(A1)에 수납된 복수 개의 배터리 셀(C) 사이에는 배터리 셀(C)의 형태나 수납하는 방식에 따라 공간이 있기 마련이다. 본 실시예에서, 배터리 셀(C) 사이의 공간 중 상대적 하부에는 레진층(D)을 포함한다. 바람직하게 레진층(D)은 배터리 셀(C) 사이의 공간 중 상대적 하부를 채워, 배터리 셀(C)과 레진층(D) 사이에 빈 공간이 없게 한다. 배터리 셀(C) 사이의 공간 중 상대적 상부에는 무기피막(E)을 포함한다. 바람직하게 무기피막(E)은 배터리 셀(C) 사이의 공간 중 상대적 상부를 채워, 배터리 셀(C)과 무기피막(E) 사이에 빈 공간이 없게 한다.
레진층(D)은 팩 케이스(A1)의 바닥에서부터 형성되어 있을 수 있다. 레진층(D)은 배터리 셀(C)의 바닥면과 측면을 둘러쌀 수 있다. 다른 예로 레진층(D)은 배터리 셀(C)의 하단에서부터 형성되어 있을 수 있다. 레진층(D)은 배터리 셀(C)의 바닥면을 제외하고 측면을 둘러쌀 수 있다. 레진층(D)은 기존 배터리 모듈의 모듈 케이스와 프레임을 대신하여 배터리 셀(C)을 지지하고 특히 배터리 셀(C)의 측면을 기계적으로 보호하는 역할을 할 수 있다. 배터리 셀(C)의 측부 파열을 방지할 수 있다.
예를 들어 배터리 셀(C)은 원통형 배터리 셀일 수 있다. 배터리 셀(C)들은 팩 케이스(A1)에 직립 수납될 수 있다. 레진층(D)과 무기피막(E)은 배터리 셀(C)들의 측면을 둘러싸 기계적으로 지지할 수 있다.
무기피막(E)은 레진층(D)보다 상부에 형성되어 있을 수 있다. 무기피막(E)은 배터리 셀(C)의 상면과 측면을 둘러쌀 수 있다. 다른 예로 무기피막(E)은 배터리 셀(C)의 측면만 둘러쌀 수도 있다. 무기피막(E)은 팩 케이스(A1)의 상면으로까지 꽉 차게 형성되어 있을 수도 있다. 레진층(D)은 배터리 셀(C)의 바닥면을 제외하고 측면을 둘러쌀 수 있다. 레진층(D)은 기존 배터리 모듈의 모듈 케이스와 프레임을 대신하여 배터리 셀(C)을 지지하고 특히 배터리 셀(C)의 측면을 기계적으로 보호하는 역할을 할 수 있다. 무기피막(E)은 레진층(D)에 비하여 난연성을 가진 것일 수 있다. 무기피막(E)은 배터리 팩(A) 내부를 레진층으로 전부 채우는 경우에 비하여 배터리 팩(A)의 난연성을 확보하게끔 할 수 있다.
상대적이라는 개념은 기준에 따라 달라진다. 본 실시예에서는 팩 케이스(A1)의 바닥면을 기준으로 한다. 즉, 상대적 하부는 팩 케이스(A1)의 바닥에 보다 가까운 쪽을 가리킨다. 복수 개의 배터리 셀(C)들 사이에는 팩 케이스(A1)의 바닥면에 수직인 상방을 따르는 높이 방향으로 레진층(D)과 무기피막(E)이 형성되어 있다. 높이 방향으로 배터리 셀(C)들 사이 공간은 빈 틈 없이 레진층(D)과 무기피막(E)으로 채워질 수 있다. 높이 방향으로 배터리 셀(C)들 사이 공간을 채우는 재료간에는 불연속성이 존재한다. 높이 방향을 따라 일측에는 레진층(D)이, 타측에는 무기피막(E)을 포함한다.
팩 케이스(A1)에 복수 개의 배터리 셀(C)을 먼저 수납한 다음, 배터리 셀(C) 사이 공간에 레진층(D)과 무기피막(E)을 형성할 수 있다. 그러한 경우 도 1에 도시한 바와 같이 팩 케이스(A1)의 바닥면에 가까운 쪽에 레진층(D)이 형성되고 높이 방향으로 레진층(D)의 상부에 무기피막(E)이 형성될 수 있다.
다른 예로, 복수 개의 배터리 셀(C)은 그 사이의 공간에 레진층(D)과 무기피막(E)을 팩 케이스(A1) 바깥에서 먼저 형성한 다음 팩 케이스(A1)에 수납이 될 수 있다. 이 경우에는 팩 케이스(A1)에 복수 개의 배터리 셀(C)을 수납하는 방향에 따라 레진층(D)과 무기피막(E)의 높이 방향 위치가 달라질 수 있다. 예를 들어 레진층(D)이 형성된 쪽을 바닥으로 하여 팩 케이스(A1)에 수납하는 경우, 도 1에 도시한 바와 같이 팩 케이스(A1)의 바닥면에 가까운 쪽에 레진층(D)이 위치하고 높이 방향으로 레진층(D)의 상부에 무기피막(E)이 위치할 수 있다. 반대로 무기피막(E)이 형성된 쪽을 바닥으로 하여 팩 케이스(A1)에 수납하는 경우, 팩 케이스(A1)의 바닥면에 가까운 쪽에 무기피막(E)이 위치하고 높이 방향으로 무기피막(E)의 상부에 레진층(D)이 위치하는 형태가 된다.
특히 레진층(D)과 무기피막(E)은 베이스 레진과 무기필러를 포함하는 조성물이 경화되면서 강제 상분리되어 형성된 이중층이다. 레진층(D)을 형성하는 공정과 무기피막(E)을 형성하는 공정을 따로 따로 수행하지 않아도 되는 이점이 있다. 또한 무기필러가 포함되어 있어 배터리 팩(A)의 경량화가 가능할 뿐만 상대적으로 고가인 베이스 레진을 적게 사용할 수 있어 제조 비용 절감에도 기여할 수 있다는 이점이 있다.
상기 조성물의 강제 상분리를 이용하여 높이 방향으로 난연성이 더욱 필요한 부분에 무기피막(E)이 위치하도록 할 수 있다. 예를 들어 배터리 셀(C)의 상단에 벤트부를 형성한 경우, 무기피막(E)은 이러한 벤트부를 둘러쌀 수 있도록 배터리 셀(C)의 상단부에 위치하게 형성할 수 있다. 반대로 배터리 셀(C)의 하단에 벤트부를 형성한 경우, 무기피막(E)은 이러한 벤트부를 둘러쌀 수 있도록 배터리 셀(C)의 하단부에 위치하게 형성할 수 있다. 배터리 셀(C)의 하단이 상부를 향하게 배치한 상태에서 상기 조성물의 강제 상분리를 이용하면 배터리 셀(C)의 하단 쪽에 무기피막(E)을 형성할 수 있다. 무기피막(E)은 배터리 셀(C)의 이상 상황 발생 시 주변 열 전달 등을 보다 더 효과적으로 차단할 수 있다.
레진층(D)은 배터리 셀(C)의 높이를 기준으로 1/2 이하의 두께로 형성되고 무기피막(E)은 1/2 이상의 두께로 형성될 수 있다. 다른 예로 레진층(D)은 배터리 셀(C)의 높이를 기준으로 2/3 이하의 두께로 형성되고 무기피막(E)은 1/3 이상의 두께로 형성될 수 있다. 또 다른 예로 레진층(D)은 배터리 셀(C)의 높이를 기준으로 4/5 이하의 두께로 형성되고 무기피막(E)은 1/5 이상의 두께로 형성될 수 있다. 배터리 셀(C)의 높이를 기준으로 레진층(D)의 두께가 무기피막(E)의 두께보다 클수록 기계적 강성 확보 측면에서 유리하다. 무기피막(E)의 두께는 레진층(D)의 두께보다 작게 하되, 난연성의 효과를 볼 수 있는 최소 두께 이상으로 하는 것이 바람직하다.
상기 베이스 레진은 경화 후 쇼어 경도 A가 80 이상이고 쇼어 경도 D가 30 이상인 것이 바람직하다. 쇼어 경도 A는 연질 고무의 경도를, 쇼어 경도 D는 경질 고무의 경도를 측정하여 나타내는 수단으로서 잘 알려져 있다. 쇼어 경도 A와 쇼어 경도 D는 0에서부터 100 사이의 값을 가진다. 쇼어 경도 A가 80 이상이고 쇼어 경도 D가 30 이상인 것은, 잘 알려진 쇼어 경도 스케일상 하드(hard)와 익스트라 하드(extra hard)의 범주의 것이다. 예를 들면 타이어, 구두굽, 카트 휠이 하드의 범주에, 안전모가 익스트라 하드의 범주에 속한다. 상기 베이스 레진으로서 경화 후 쇼어 경도 A가 80 이상이고 쇼어 경도 D가 30 이상인 것을 이용하면 레진층(D)의 강성을 확보하여 배터리 셀(C)을 기계적으로 충분히 지지할 수 있으며, 모듈 케이스나 프레임이 없이도 배터리 팩(A)의 기계적 강성을 확보할 수 있다.
상기 베이스 레진의 예로는 에폭시, 우레탄 등이 가능하며, 강성 확보 목적으로는 에폭시가 바람직할 수 있다.
에폭시, 우레탄 등은 난연성이 없기 때문에 난연성 추가 보완이 필요하다. 기존에 배터리 팩 분야에서 에폭시나 우레탄을 포팅재로 사용하는 경우 인계 난연제나 난연 필러를 추가해 고르게 분산시켜 사용하는 예가 더러 있다. 하지만 이러한 인계 난연제나 난연 필러는 가격 상승 및 무게 상승의 위험이 있다.
상기 무기필러는 중공 유리 비드임이 바람직하다. 중공 유리 비드는 인계 난연제나 난연 필러에 비해 밀도가 작은 편이고 난연성을 가진다. 경량화에 이롭고 가격도 저렴하다.
본 발명에서는 베이스 레진에 무기필러를 고르게 분산시킨 상태로 경화시키지 않고, 밀도차에 따른 혼합물의 강제 상분리를 이용해, 일측에 베이스 레진을 모으고 타측에 무기필러를 모아 경화시키는 점이 특징이다.
도 2는 상분리를 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)에서는 베이스 레진(F1)과 무기필러(F2)를 포함하는 조성물(F)의 경화 전 상태를 도시한다. 베이스 레진(F1)과 무기필러(F2)를 혼합해 조성물(F)을 제조하면, 경화 전에는 베이스 레진(F1) 내에 무기필러(F2)가 고르게 분산되어 있다.
도 2의 (b)는 밀도차에 의해 밀도가 작은 무기필러(F2)가 상대적으로 상부에 모이고 그 하부에 베이스 레진(F1)이 주로 위치하는 상태를 도시한다.
베이스 레진(F1)과 무기필러(F2)를 포함하는 조성물(F)은 시간이 흐르면서 밀도차에 의해 상분리가 일어난다. 밀도가 작은 무기필러(F2)는 상대적으로 상부에 모여 상층부를 이루고 베이스 레진(F1)은 상대적으로 하부에 모여 하층부를 이룬다. 이 상태로 경화를 시키면 상대적으로 하부에 모인 베이스 레진(F1)으로부터 레진층(D)이 형성되고, 상대적으로 상부에 모인 무기필러(F2)로부터 무기피막(E)이 형성된다. 경화는 베이스 레진의 성질에 따라 열경화, UV 경화, 자연경화일 수 있다.
이처럼, 베이스 레진(F1)이 완전히 경화된 후에는 상대적으로 상부에 무기필러(F2)를 주로 포함하는 무기피막(E)이 형성된다. 상대적으로 하부에 베이스 레진(F1)을 주로 포함하는 레진층(D)이 형성된다.
이러한 상분리를 이용해 본 발명에 따른 배터리 팩(A)을 제조할 수 있다.
배터리 팩(A)의 제조 방법은 다음과 같이 수행될 수 있다.
먼저 팩 케이스(A1)에 복수 개의 배터리 셀(C)들을 수납한다. 베이스 레진(F1)과 무기필러(F2)를 포함하는 조성물(F)을 복수 개의 배터리 셀(C)들 사이 공간에 채운다.
조성물(F)을 경화시키되, 도 2에 설명한 바에 따라 경화시키는 동안 밀도차에 따라 베이스 레진(F1)과 무기필러(F2)를 강제 상분리시킴으로써 복수 개의 배터리 셀(C) 사이 공간 중 상대적 하부를 채우는 레진층(D)과 복수 개의 배터리 셀(C) 사이 공간 중 상대적 상부를 채우는 무기피막(E)을 형성할 수 있다.
베이스 레진(F1)에 무기필러(F2)를 고르게 분산시킨 상태 그대로 경화시킨다면 원하는 정도의 난연성을 확보하기 위해 무기필러(F2)의 함량이 높아야 할 것이다. 무기필러(F2)의 함량을 높이는 만큼 베이스 레진(F1)의 함량을 줄여야 하므로 강성 확보 측면에서 바람직하지 않다.
본 발명에서는 난연성을 가지는 무기필러(F2)를 일측에 모아 무기피막(E)을 형성하며, 무기피막(E)이 위치하는 부분의 난연성을 특히 확보할 수 있다. 베이스 레진(F1)에 무기필러(F2)를 고르게 분산시킨 상태로 경화시키는 경우보다 적은 양의 무기필러(F2)를 가지고도 원하는 정도의 난연성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
배터리 팩(A)을 제조하기 위해, 상분리 가능 용이한 베이스 레진(F1)의 초기 점도, 초기 경화 시간 선정이 필요하다. 그리고, 난연성 확보 가능한 무기필러(F2)의 함량(이것은 무기피막의 두께를 결정하게 됨)을 정해져야 한다.
상기 베이스 레진(F1)의 초기 점도는 1000cp 이하임이 바람직하다. 초기 점도는 겔화가 시작되기 전의 점도이다. 초기 점도가 1000cp보다 크면 저밀도의 무기필러(F2)를 이용한다고 해도 무기필러(F2)가 베이스 레진(F1)보다 상부로 이동하기 힘들어 완전한 상분리를 일으키기 어려워지고, 베이스 레진(F1) 안에 무기필러(F2)가 고르게 분산된 상태로 경화될 가능성이 커진다. 초기 점도가 너무 낮으면 경화에 오랜 시간이 걸리거나 레진층(D)의 경도가 충분하지 않을 수 있다. 상기 베이스 레진(F1)의 초기 점도는 이러한 점들을 고려하여 결정한다. 상기 베이스 레진(F1)의 초기 점도는 상기 베이스 레진(F1)의 종류나 상기 베이스 레진(F1)의 분자량이나 점도 조절제와 같은 첨가물 등을 통하여 조절할 수 있다.
상기 베이스 레진(F1)은 30분 이상의 초기 경화 시간을 갖는 것임이 바람직하다. 초기 경화 시간은 겔화가 시작되기까지의 시간이다. 초기 경화 시간동안 무기필러(F2)가 상부로 이동하여 충분히 상분리가 일어나게 된다. 초기 경화 시간이 너무 짧으면 상분리가 완전히 일어나지 못할 수 있다. 초기 경화 시간이 너무 길면 전체적인 공정 시간이 길어져서 생산성 관점에서 좋지 않다. 상기 베이스 레진(F1)의 초기 경화 시간은 이러한 점들을 고려하여 결정한다. 상기 베이스 레진(F1)의 초기 경화 시간은 상기 베이스 레진(F1)의 종류나 상기 베이스 레진(F1)의 분자량이나 겔화를 보조하는 경화제와 같은 첨가물 등을 통하여 조절할 수 있다.
상기 조성물(F)에서 상기 무기필러(F2)의 함량은 10% 이상일 수 있다. 이러한 함량은 조성물(F) 전체 부피에 대한 무기필러(F2)의 부피 비율을 백분율로 나타낸 것이다. 10%는 난연성 확보 가능한 최소의 함량일 수 있다. 무기필러(F2)의 함량이 높을수록 난연성은 더욱 좋아지고 베이스 레진(F1)의 함량을 줄일 수 있어 가격적으로는 유리하다. 하지만 무기필러(F2)의 함량이 너무 높으면 완전한 상분리가 저해될 수 있고 기계적 강성 확보 측면에서 불리할 수 있다. 상기 무기필러(F2)의 함량은 이러한 점들을 고려하여 결정한다.
이상 설명한 바에 따르면, 배터리 팩(A)에서 배터리 셀(C)들 사이의 공간을 하드한 물성을 가진 레진층(D)으로 채워 구조적 강성을 확보하도록 할 수 있다. 레진층(D)은 리브를 구비한 프레임이나 모듈 케이스를 대체할 수 있다. 따라서, 배터리 팩(A)의 경량화에 유리하고 배터리 팩(A)내 공간 효율성이 저하되지 않는다. 즉, 같은 크기의 배터리 팩이라도 종래보다 더 많은 배터리 셀을 담아 에너지 밀도를 높일 수 있다.
레진층(D)을 형성할 수 있는 베이스 레진(F1)에 무기필러(F2)를 혼합한 조성물(F)의 강제 상분리를 이용하면 레진층(D)과 무기피막(E)을 동일 공정 단계에서 형성할 수 있다. 무기피막(E)은 상기 조성물(F)의 강제적 상분리를 통해 형성되며, 난연성을 확보하도록 한다. 무기피막(E)은 레진층(D)의 난연성을 보완한다.
앞서 언급한 바와 같이 팩 케이스(A1)의 종류는 다양하게 구현이 될 수 있다. 이하 실시예들에서 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 배터리 팩(10)은, 배터리 셀 어셈블리(100), 레진층(200), 무기피막(250), 팩 케이스(300) 및 접착제(400)를 포함할 수 있다.
배터리 셀 어셈블리(100)는 복수 개의 배터리 셀(110)들을 포함할 수 있다.
도 4는 도 3의 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
배터리 셀(110)들은, 이차 전지로서, 원통형, 파우치형, 또는 각형으로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 배터리 셀(110)들이 원통형 배터리 셀인 것으로 한정하여 설명한다.
각각의 배터리 셀(110)의 상부에는 가스나 화염 등을 내보내기 위한 벤트부(115)가 구비될 수 있다. 이러한 벤트부(115)는 배터리 셀(110)의 상부에서 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께로 형성될 수 있다. 이는 배터리 셀(110)의 이상 상황 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면 파단되어 배터리 셀(110) 밖으로 상기 가스나 화염을 보다 용이하게 배출하기 위함이다.
벤트부(115)는 소정 크기의 개구 또는 노치 형상으로 구비되는 것도 가능할 수 있다. 아울러, 벤트부(115)는 상기 소정 크기의 개구에 일정 수준 이상의 압력에서 파단되는 필름 등을 더 부가하는 구조로 형성되는 것도 가능할 수 있다.
각각의 배터리 셀(110)의 외주면에는 절연 튜브(118)가 구비될 수 있다. 절연 튜브(118)는 배터리 셀(110)들의 절연을 위한 것으로서, 배터리 셀(110)들의 외주면을 커버할 수 있다. 이에 따라, 절연 튜브(118)는 배터리 셀(110)들의 개수에 대응되게 복수 개로 구비될 수 있다. 이러한 절연 튜브(118)는 수축 튜브로 구비될 수 있다.
배터리 셀(110)들은 예를 들어 와이어(112) 본딩 등으로 연결될 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 배터리 셀 어셈블리(100)는 팩 케이스(300)에 수납되어 있다. 레진층(200)은 배터리 셀 어셈블리(100)의 복수 개의 배터리 셀(110)들 사이에 채워질 수 있다. 이러한 레진층(200)은 앞서 설명한 실시예의 레진층(D)과 동일할 수 있으므로, 중복 설명은 하지 않는다. 레진층(200)은 복수 개의 배터리 셀(110)들 사이 공간 중 상대적 하부를 채운다. 레진층(200)은 구조적 강성을 확보하도록 할 수 있다. 리브를 구비한 프레임이나 모듈 케이스를 사용할 필요가 없어진다. 따라서, 배터리 팩(10)의 경량화에 유리하고 배터리 팩(10) 내 공간 효율성이 저하되지 않는다.
무기피막(250)도 배터리 셀 어셈블리(100)의 복수 개의 배터리 셀(110)들 사이에 채워질 수 있다. 이러한 무기피막(250)은 앞서 설명한 실시예의 무기피막(E)과 동일할 수 있으므로, 중복 설명은 하지 않는다. 무기피막(250)은 복수 개의 배터리 셀(110)들 사이 공간 중 상대적 상부를 채운다. 무기피막(250)은 벤트부(115)를 둘러싸고 있다. 무기피막(250)은 배터리 셀(110)의 높이를 기준으로 벤트부(115) 아래에까지 형성되는 두께로 되어 있다. 무기피막(250)은 난연성을 가진 것이므로 벤트부(115)에서 화염 분출시 대응할 수 있다.
팩 케이스(300)는 배터리 셀 어셈블리(100)와 레진층(200)과 무기피막(250)을 수용할 수 있다. 이를 위해, 팩 케이스(300)에는 배터리 셀 어셈블리(100), 레진층(200) 및 무기피막(250)을 수용할 수 있는 수용 공간이 마련될 수 있다.
구체적으로 본 실시예의 팩 케이스(300)는 배터리 셀(110)의 하단부를 수용하는 바텀 프레임(305, 또는 팩 트레이)을 포함한다. 그리고, 배터리 셀(110)의 상단부를 덮는 커버 프레임(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
바텀 프레임(305)은 배터리 셀 어셈블리(100)를 지지할 수 있다. 이를 위해, 바텀 프레임(305)은 배터리 셀 어셈블리(100)를 지지할 수 있는 소정의 면적을 가질 수 있다. 또한, 배터리 셀(110)의 하단부가 삽입될 수 있게 홈(305a)이 형성되어 있을 수 있다. 바텀 프레임(305)에 배터리 셀(110)을 바로 담음으로써 프레임을 최소화하여 공간적 효율을 상승케 하고 에너지 밀도 향상에 유리하다. 셀투팩 구조를 구현할 수 있다.
도 3을 참조하면, 접착제(400)는 팩 케이스(300) 내에 소정 높이로 구비되며, 홈(305a)에 일부 높이로 채워져 있다. 접착제(400)는 홈(305a)에 삽입된 배터리 셀(110)을 더욱 견고하게 고정해준다. 접착제(400)는 배터리 셀 어셈블리(100)의 하단부를 적어도 부분적으로 커버할 수 있다.
이하에서는 이러한 배터리 팩(10)의 제조 방법에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
제조자 등은 팩 케이스(300) 내에 배터리 셀(110)들을 수납시킬 수 있다. 예를 들면 접착제(400)가 채워진 팩 케이스(300) 내에 배터리 셀 어셈블리(100)를 고정시킬 수 있다. 그런 다음, 배터리 셀(110)들을 와이어(112) 본딩 등을 통해 상호 전기적으로 연결할 수 있다.
다른 예로, 팩 케이스(300) 외부에서 배터리 셀(110)들을 먼저 전기적 연결한 다음, 접착제(400)가 채워진 팩 케이스(300) 내에 배터리 셀 어셈블리(100)를 수납할 수도 있다.
앞선 실시예에서 설명한 바와 같이, 베이스 레진과 무기필러를 포함하는 조성물을 배터리 셀(110)들 사이 공간에 채운다.
상기 조성물을 경화시키되, 경화시키는 동안 밀도차에 따라 베이스 레진과 무기필러를 강제 상분리시킴으로써 레진층(200)과 무기피막(250)을 형성한다.
이처럼, 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 레진층(200), 무기피막(250) 및 접착제(400) 등을 통한 접착 결합을 통해 난연 및 기계적 지지 구조를 구현하는 바, 공정을 보다 더 단순화할 수 있다. 배터리 셀(110)들을 프레임이나 모듈 케이스에 개별적으로 억지 끼워 결합하는 구조가 아니고 배터리 셀(110)들의 통합적인 접착 결합 구조를 통해 구현하므로, 조립 공정 효율을 현저히 높일 수 있음과 아울러 개별 배터리 셀 결합 구조보다 누설(leak) 발생 가능성을 현저히 낮출 수 있다.
이하에서는 이러한 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)에서, 과열 등에 따른 이상 상황 발생 시 안전성 확보 매커니즘에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
도 5는 도 3의 배터리 팩의 이상 상황 발생 시 안전성 확보 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 배터리 팩(10)에서, 어느 하나의 배터리 셀(110)에서 과열 등에 따른 이상 상황이 발생하여 가스나 화염 등이 발생할 수 있다. 이때, 상기 이상 상황이 발생한 배터리 셀(110)의 벤트부(115)를 통해, 가스나 화염(405) 등이 신속히 빠져나갈 수 있다.
아울러, 본 실시예의 경우, 배터리 셀(110)들의 벤트부(115)를 둘러싸면서 무기피막(250)이 충진되어 있는 바, 무기피막(250)을 통해 이상 상황이 발생하여 벤트부(115)가 개구된 배터리 셀(110)과 인접한 배터리 셀(110)들 측으로의 화염(405) 등의 전파를 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 연쇄 발화 가능성을 감소시킨다.
한편, 무기피막(250)은 기본적으로 취성이 있기 때문에, 상기 화염(405) 등의 발생 시, 상기 화염(405) 등이 상기 이상 상황이 발생한 배터리 셀(110) 주변의 인접한 배터리 셀(110)들 측으로 전파되기 전에 배터리 팩(10)의 밖으로 보다 더 신속히 빠져나갈 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 이상 상황 발생 시 연쇄 발화를 통한 열폭주와 같은 폭발 등을 방지하여 배터리 팩(10)의 안전성을 보다 더 확보할 수 있다.
뿐만 아니라, 배터리 셀(110)들 측면에서 이상 상황(410)이 발생하는 경우에는, 측면에 위치한 레진층(200)이 측부 파열을 억제할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 배터리 팩(20)은, 배터리 셀 어셈블리(100), 레진층(200), 무기피막(250), 팩 케이스(310) 및 접착제(420)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 배터리 팩(20)은, 앞선 실시예의 배터리 팩(10)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 7은 도 6의 배터리 팩의 배터리 셀 어셈블리를 설명하기 위한 도면이다.
배터리 셀 어셈블리(100)는 복수 개의 배터리 셀(110)들 및 버스바 어셈블리(150)를 포함할 수 있다.
배터리 셀 어셈블리(100)는 배터리 셀(110)들의 일측, 예를 들면 상측을 지지하는 제1 케이스(미도시)를 포함할 수 있다. 배터리 셀 어셈블리(100)는 배터리 셀(110)들의 타측, 예를 들면 하측을 지지하는 제2 케이스(미도시)를 포함할 수도 있다. 제1 케이스와 제2 케이스가 포함되지 않을 수도 있다.
제1 케이스와 제2 케이스가 포함되는 경우, 이들은 플라스틱 재질로 마련될 수 있다. 제1 케이스와 제2 케이스가 포함되는 경우, 이들은 팩 케이스(310)와 결합될 수도 있다. 예를 들어 조립 공정의 단순화 등을 위해 접착제 등을 통한 접착 결합으로 결합될 수 있다.
버스바 어셈블리(150)는 배터리 셀(110)들과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 버스바 어셈블리(150)는 배터리 셀(110)들과 레이저 용접 또는 와이어 본딩 등으로 연결될 수 있다. 버스바 어셈블리(150)는 배터리 셀 어셈블리(100)의 상측 또는 하측에서 배터리 셀(110)들과 전기적으로 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 배터리 셀 어셈블리(100)의 하측에서 연결되는 예를 들고 있다.
팩 케이스(310)는 배터리 셀 어셈블리(100)와 레진층(200)과 무기피막(250)을 수용할 수 있다. 이를 위해, 팩 케이스(310)에는 배터리 셀 어셈블리(100), 레진층(200) 및 무기피막(250)을 수용할 수 있는 수용 공간이 마련될 수 있다.
도 8은 도 6의 팩 케이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 팩 케이스(310)는 베이스 케이스(320) 및 크로스 빔(330)을 포함할 수 있다.
베이스 케이스(320)는 배터리 셀 어셈블리(100)를 지지할 수 있다. 이를 위해, 베이스 케이스(320)는 배터리 셀 어셈블리(100)를 지지할 수 있는 소정의 면적을 가질 수 있다.
크로스 빔(330)은 베이스 케이스(320)의 양측에 구비되며, 배터리 셀 어셈블리(100)의 상단부와 결합될 수 있다. 예를 들어 상기 제1 케이스를 포함하는 경우라면, 크로스 빔(330)은 상기 제1 케이스의 양단부와 결합될 수 있다.
크로스 빔(330)은, 팩 케이스(310) 외부에서 인가되는 외부 충격 등을 흡수하거나 또는 완충시켜, 팩 케이스(310) 내부의 배터리 셀(110)들 측으로의 충격 전달을 방지할 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 접착제(420)는 팩 케이스(310) 내에 소정 높이로 구비되며, 배터리 셀 어셈블리(100)의 하단부를 적어도 부분적으로 커버할 수 있다.
구체적으로, 접착제(420)는 베이스 케이스(320)의 내면에 소정 높이로 채워지게 구비될 수 있다. 이러한 접착제(420) 내에는 배터리 셀 어셈블리(100)의 배터리 셀(110)들의 하측부와 버스바 어셈블리(150)가 잠길 수 있다.
본 실시예의 경우, 접착제(420)를 통해, 팩 케이스(310) 내에 배터리 셀 어셈블리(100)를 고정할 수 있고, 접착제(420)로서 방수 접착제를 사용하면 방수 공정을 보다 더 단순화시킬 수 있으며, 제조 원가를 절감하면서 방수 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 이러한 배터리 팩(20)의 제조 방법에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
제조자 등은 배터리 셀(110)들을 배열한 다음 버스바 어셈블리(150)를 결합시켜 배터리 셀 어셈블리(100)를 먼저 제조할 수 있다. 예를 들어 버스바 어셈블리(150)와 배터리 셀(110)들을 레이저 용접 또는 와이어 본딩 등을 통해 상호 전기적으로 연결할 수 있다.
그런 다음, 접착제(420)가 채워진 팩 케이스(310) 내에 배터리 셀 어셈블리(100)를 고정시켜, 팩 케이스(310) 내에 배터리 셀(110)들을 수납시킬 수 있다.
앞선 실시예에서 설명한 바와 같이, 베이스 레진과 무기필러를 포함하는 조성물을 배터리 셀(110)들 사이 공간에 채우고, 경화시키는 동안 밀도차에 따라 베이스 레진과 무기필러를 강제 상분리시킴으로써 레진층(200)과 무기피막(250)을 형성한다.
이처럼, 본 실시예에 따른 배터리 팩(20)은, 레진층(200), 무기피막(250) 및 접착제(420) 등을 통한 접착 결합을 통해 방수, 난연 및 기계적 지지 구조를 구현하는 바, 공정을 보다 더 단순화할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 자동차(1)는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로서, 앞선 실시예의 적어도 하나의 배터리 팩(A, 10, 20)을 에너지원으로서, 포함할 수 있다. 이러한 본 실시예에 따른 자동차(1)는 배터리 팩(A, 10, 20)을 포함하므로, 배터리 팩(A, 10, 20)의 장점을 모두 포함할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 연쇄 발화 가능성 및 공간 효율성 저하가 감소된 배터리 팩(A, 10, 20) 및 이를 포함하는 자동차(1)를 제공할 수 있다.
이하, 실험예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
베이스 레진의 점도에 따른 상분리 가능 여부 및 난연성 확인을 실시하였다, 상분리가 충분히 일어날 수 있는 30분 이상의 초기 경화 시간 보유한 베이스 레진으로 실험하였다.
도 10a는 비교예 1의 경화 후 상태 사진이고, 도 10b는 비교예 1의 난연성 테스트 사진이다. 도 11a는 비교예 2의 경화 후 상태 사진이고, 도 11b는 비교예 2의 난연성 테스트 사진이다.
비교예 1과 비교예 2는 초기 점도 2000cp인 에폭시 레진을 베이스 레진으로 하였다.
비교예 1은 저밀도 필러 없이 베이스 레진만 경화시킨 것이다. 도 10a에서와 같이 레진층으로만 이루어진 샘플이 된다. 도 10b를 참조하면, 이러한 샘플은 난연 테스트시 화염이 꺼지지 않고 지속 유지됨을 확인할 수 있다. 베이스 레진만으로는 난연성을 기대하기 어렵다.
비교예 2는 베이스 레진에 10%의 중공 유리 비드를 혼합해 경화시킨 것이다. 도 11a를 참조하면, 샘플의 바깥면이나 단면에서 상분리가 진행되지 않았음이 확인된다. 도 11b에서와 같이 이러한 샘플은 난연 테스트시 화염이 꺼지지 않고 지속 유지되었다. 따라서, 중공 유리 비드를 포함해도 상분리가 진행되지 않으면 적절한 난연성이 확보되지 못한 것을 알 수 있다. 상분리가 진행되지 않은 이유는 베이스 레진의 초기 점도가 높았기 때문이다.
도 12a는 실시예의 경화 후 상태 사진이고, 도 12b는 실시예의 난연성 테스트 사진이다.
실시예는 초기 점도 1000cp인 에폭시 레진을 베이스 레진으로 하고, 10%의 중공 유리 비드를 혼합해 경화시킨 것이다. 도 12a를 참조하면, 샘플의 바깥면과 단면에서 완전한 상분리가 진행됨이 확인된다. 상층부에 상분리되어 모인 중공 유리 비드의 층(F2')을 확인할 수 있다. 또한, 중공 유리 비드의 층(F2')은 샘플의 수직 방향 및 수평 방향으로 연속성을 가져 무기피막이라고 부를 수 있음을 확인할 수 있다. 상분리된 부분, 즉 중공 유리 비드의 층(F2')을 토치로 가열한 결과, 도 12b에서 보는 바와 같이 가열 종료 후 10초 이내 불이 꺼졌다. 충분한 난연성 확보됨을 알 수 있다.
1000cp 이하의 특정 초기 점도 및 30분 이상의 초기 경화 시간을 확보한 베이스 레진에 무기필러를 혼합시 경화가 되기 전 밀도차에 의한 혼합물 분리가 진행됨을 확인하였다(상분리). 10% 이상의 무기필러 혼합시 상분리로 인한 상부 무기피막은 더 두껍게 형성될 수 있으므로 난연성 확보에 이점이 있다. 조성물 중 무기필러의 함량은 배터리 팩 구조에 따라 다를 수 있으며 무기필러 함량이 높을수록 난연성 확보 및 가격 경쟁력에 이점이 있을 것이다. 현재 실험실 수준에서는 무기필러 10% 수준으로도 난연성 확보 가능함을 확인하였다.
이상과 같이, 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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
A, 10, 20: 배터리 팩
A1, 300, 310: 팩 케이스
B: 배터리 모듈 C, 배터리 셀: 배터리 셀
D, 200: 레진층 E, 250: 무기피막
F: 조성물 F1: 베이스 레진
F2: 무기필러 F2': 중공 유리 비드의 층
1: 자동차 100: 배터리 셀 어셈블리
115: 벤트부 150: 버스바 어셈블리
305: 바텀 프레임 320: 베이스 케이스
330: 크로스 빔 400, 420: 접착제
B: 배터리 모듈 C, 배터리 셀: 배터리 셀
D, 200: 레진층 E, 250: 무기피막
F: 조성물 F1: 베이스 레진
F2: 무기필러 F2': 중공 유리 비드의 층
1: 자동차 100: 배터리 셀 어셈블리
115: 벤트부 150: 버스바 어셈블리
305: 바텀 프레임 320: 베이스 케이스
330: 크로스 빔 400, 420: 접착제
Claims (23)
- 팩 케이스;
상기 팩 케이스에 수납된 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 어셈블리;
상기 복수 개의 배터리 셀들 사이 공간 중 상대적 하부를 채우는 레진층; 및
상기 복수 개의 배터리 셀들 사이 공간 중 상대적 상부를 채우는 무기피막을 포함하는 배터리 팩. - 제1항에 있어서, 상기 무기피막은 상기 레진층에 비하여 난연성을 가진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀은 원통형 배터리 셀이며, 상기 배터리 셀들은 상기 팩 케이스에 직립 수납되며, 상기 레진층과 무기피막은 상기 배터리 셀들의 측면을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제1항에 있어서, 상기 레진층과 무기피막은 베이스 레진과 무기필러를 포함하는 조성물이 경화되면서 강제 상분리되어 형성된 이중층임을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제4항에 있어서, 상기 무기필러는 상기 베이스 레진에 비하여 저밀도인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제4항에 있어서, 상기 무기필러는 중공 유리 비드인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제4항에 있어서, 상기 베이스 레진의 초기 점도는 1000cp 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제4항에 있어서, 상기 조성물에서 상기 무기필러의 함량은 10% 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제4항에 있어서, 상기 베이스 레진은 경화 후 쇼어 경도 A가 80 이상이고 쇼어 경도 D가 30 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제4항에 있어서, 상기 베이스 레진은 30분 이상의 초기 경화 시간을 갖는 것임을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제1항에 있어서, 상기 팩 케이스 내면과 상기 배터리 셀 사이에 접착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리 셀은 상부 또는 하부에 벤트부를 포함하고, 상기 무기피막은 상기 벤트부를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제1항에 있어서, 상기 팩 케이스는 상기 배터리 셀의 하단부를 수용하는 바텀 프레임 또는 팩 트레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제13항에 있어서, 상기 팩 케이스는 상기 배터리 셀의 상단부를 덮는 커버 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 제1항에 있어서, 상기 팩 케이스는
상기 배터리 셀 어셈블리를 지지하는 베이스 케이스; 및
상기 베이스 케이스의 양측에 구비되며, 상기 배터리 셀 어셈블리의 상단부와 결합되는 크로스 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩. - 제15항에 있어서, 상기 베이스 케이스의 내면에 소정 높이로 채워진 접착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 팩 케이스에 복수 개의 배터리 셀들을 수납하는 단계;
베이스 레진과 무기필러를 포함하는 조성물을 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이 공간에 채우는 단계; 및
상기 조성물을 경화시키되, 경화시키는 동안 밀도차에 따라 상기 베이스 레진과 무기필러를 강제 상분리시킴으로써 상기 복수 개의 배터리 셀 사이 공간 중 상대적 하부를 채우는 레진층과 상기 복수 개의 배터리 셀 사이 공간 중 상대적 상부를 채우는 무기피막을 형성하는 단계를 포함하는 배터리 팩 제조 방법. - 제17항에 있어서, 상기 무기피막은 상기 레진층에 비하여 난연성을 가진 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 베이스 레진의 초기 점도는 1000cp 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 조성물에서 상기 무기필러의 함량은 10% 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 베이스 레진은 경화 후 쇼어 경도 A가 80 이상이고 쇼어 경도 D가 30 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 베이스 레진은 30분 이상의 초기 경화 시간을 갖는 것임을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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