包括膨胀减轻单元的电池模块的制作方法

1.本技术要求于2021年1月11日提交的韩国专利申请no.2021-0003604的优先权权益，该韩国专利申请的公开内容的全文以引用方式并入本文中。
2.本发明涉及包括膨胀减轻单元的电池模块。更具体地，本发明涉及包括能够对电池电芯施压的膨胀减轻单元的电池模块，其中，膨胀减轻单元设置在模块壳体的壳体处和/或模块壳体的壳体中以便缓和锂镀的行为，由此防止电池电芯的寿命缩短。


背景技术：

3.随着对诸如智能手机这样的移动装置的需求增加，对用作其能源的二次电池的需求也增加。另外，二次电池用于电动车辆(ev)、混合动力车辆(hev)、插电式混合动力车辆(p-hev)、储能系统(ess)等。
4.对作为二次电池之一的锂二次电池的需求势不可挡地高。锂二次电池由于锂离子被反复地插入负极和正极中并从负极和正极脱插而进行操作。在含有锂盐的电解液中，锂离子可以在电极之间移动，但电子不能在电极之间移动。
5.锂析出(即，所谓的锂镀(li-plating))引起与电解液的副反应，并改变二次电池的动力学平衡。结果，电池的容量和循环寿命减少，并且出现过度充电控制功能丧失的安全相关问题。在反复充电和放电期间，锂金属在一个电极的表面上树枝状析出，从而严重地威胁电池的安全性。在树枝状析出的金属锂穿透隔膜并与另一电极接触的情况下，发生内部短路，并且由于快速的化学反应，导致电池的温度升高。结果，电池电芯或模块可能着火，这可能造成诸如爆炸这样的危险后果。锂镀更频繁地发生在电池电芯的电极接头从其突出的位置周围，并且随着充电和放电的次数和循环次数的增加，电池电芯在电池电芯的电极接头从其突出的位置处膨胀。这种现象在包括多个堆叠的电池电芯的电池模块中比在单元电池电芯中更显著地发生。构成电池模块的电池电芯的循环寿命可以比单元电池电芯的循环寿命短，并且事故的规模可能由于多个电池电芯而增加。
6.图1至图3示出了常规电池模块100。参照图1至图3，电池模块100被配置为使得由多个堆叠的电池电芯21、22、
…
、n-1和n构成的电芯堆叠200被容纳在模块壳体(附图标记未示出)中。设置在电芯堆叠200最外侧的两个电池电芯21和n的宽的外表面可以分别面对模块壳体的第一侧盖130和第二侧盖140，膨胀减轻控制垫180可以位于最外侧电池电芯中的每一个和模块壳体的侧盖中的对应一个之间，并且被配置为固定电芯堆叠200的树脂层400可以被插置在电芯堆叠200和下盖120之间。为了保证构成电芯堆叠200的电池电芯21、22、...、n-1和n的稳定性，可以在预定区域处的面对的电池电芯之间插置粘合剂300。
7.常规电池模块100中的电池电芯21、22、...、n-1和n在充电和放电期间反复地膨胀和收缩，电极活性材料可能由于电池电芯的这种变形而分离或劣化，并且可能发生副反应，由此电池性能可能下降。为了解决上述问题，膨胀减轻垫180通常设置在模块壳体和最外侧电池电芯中的每一个之间或者在电池电芯之间，其中，当电池电芯膨胀时，膨胀减轻垫被压缩以执行缓冲操作，由此控制电池电芯的膨胀。
8.如图3中所示，当电池电芯膨胀时，电池电芯的中部部分的体积增量与电池电芯的边缘的体积增量彼此不同。即，当电池电芯的体积膨胀时，与电池电芯的边缘相比，电池电芯的中部部分膨胀成盆形(pot shape)。如果膨胀的电池电芯的整个表面被均匀地支承，则电池电芯因电池电芯中产生的气体和由于此发生的锂镀而变形。
9.图4是例示了举例来说使用常规电池电芯21、22、...、n-1和n当中的一个最外侧电池电芯21的电池电芯在其变形之前和之后的示意图。在包括最外侧电池电芯的所有电池电芯中都可能发生这样的膨胀。参照图4，电池电芯21的与电极接头和电极引线2相邻的部分相对显著地膨胀。由于中部部分的膨胀被抑制，因此由于在电池电芯中产生的气体，导致电极接头所处的电池电芯的左侧部分和右侧部分膨胀。随着连续地执行充电和放电，电池电芯更显著地变形。每个电池电芯都膨胀，并且其中多个电池电芯彼此联接的电芯堆叠200更显著地变形，这使电池模块100的寿命缩短，此外引起了诸如火灾这样的事故。
10.为了延长电池模块100中的电池电芯21、22、
…
、n-1和n的寿命并提高电池模块的稳定性，必须减轻电池模块100中的电池电芯由于锂镀而膨胀。然而，由于电池电芯的电化学机制，在抑制锂镀现象方面存在限制。
11.专利文献1公开了一种锂二次电池，该锂二次电池被配置为使得在负极和隔膜之间形成微胶囊，微胶囊包括被配置为在二次电池过充电时使从负极析出的锂稳定的稳定化材料，并且微胶囊的表面被形成为热塑性树脂层，该热塑性树脂层被配置为当二次电池过充电时坍塌以便排放稳定化材料。
12.专利文献2公开了一种锂析出检测方法，该锂析出检测方法基于电池充电时的soc来观察二次电池的电压变化，以实时地检测来自负极的锂析出，其特征在于，电池电压上升速率减慢的点被确定为发生锂析出的点。
13.专利文献1和2公开了用于确保锂二次电池的针对锂析出的安全性的技术，但没有公开包括膨胀减轻单元的电池模块，该膨胀减轻单元能够减轻在电池模块的充电和放电期间发生的电池模块中设置的电池电芯的膨胀。
14.在包括由多个堆叠的电池电芯构成的电芯堆叠的电池模块中，尚未提出能够解决由于电池电芯的变形而导致的问题的有效手段。
15.(专利文献1)韩国专利申请公开no.2017-0111566
16.(专利文献2)韩国专利申请公开no.2017-0023583


技术实现要素：

17.技术问题
18.本发明是鉴于以上问题完成的，并且本发明的目的是提供包括膨胀减轻单元的电池模块，所述膨胀减轻单元能够在无改变地使用常规电池模块和电池电芯的同时防止电池模块中的电池电芯寿命缩短。
19.本发明的另一目的是提供包括膨胀减轻单元的电池模块，该膨胀减轻单元能够将在使用电池模块期间产生的气体快速移动到电池电芯的外周而不是停留在电池电芯的电极组件中。
20.技术方案
21.为了实现以上目的，根据本发明的一种电池模块包括：电芯堆叠，所述电芯堆叠由
一个或更多个堆叠的电池电芯构成；以及模块壳体，所述模块壳体被配置为在其中容纳所述电芯堆叠，其中，膨胀减轻单元被设置为面对设置在所述电芯堆叠最外侧的最外侧电池电芯，所述膨胀减轻单元具有被配置为对所述电池电芯的至少部分施压的凸部。
22.所述膨胀减轻单元可以位于设置在所述电芯堆叠最外侧的最外侧电池电芯和所述模块壳体之间。
23.所述膨胀减轻单元可以被设置为面对设置在所述电芯堆叠最外侧的两个最外侧电池电芯。
24.所述膨胀减轻单元的所述凸部可以仅位于所述最外侧电池电芯的中部部分的预定区域处。
25.所述膨胀减轻单元的所述凸部可以由弹性材料制成。
26.所述膨胀减轻单元的所述凸部可以在其被施加预定压力或更高压力时变形为凹形。
27.可以在所述电池电芯的面对表面之间插置粘合剂。
28.所述粘合剂可以被涂覆到所述电池电芯的整个面对表面。
29.膨胀减轻单元可以一体地形成在模块壳体的侧盖处。
30.另外，本发明提供了包括电池模块的电池组和包括电池组的装置。
31.在本发明中，可以从以上构造当中选择并组合彼此不冲突的一个或更多个构造。
32.有益效果
33.在根据本发明的电池模块中，为了根据充电和放电的次数抑制电池电芯和电池模块的异常膨胀，在每个最外侧电池电芯处设置膨胀减轻单元，由此可以防止电池电芯的寿命缩短并提高电池电芯的稳定性。
34.膨胀减轻单元的凸部在其被施加预定压力或更高压力时变形为凹形，由此施加到电池电芯和电池模块的中部部分的压力减小。结果，电极接头的外周没有膨胀，由此可以减轻锂镀的发生，因此，可以防止电池电芯的内部温度升高以及取决于此的诸如火灾这样的与电池模块相关的事故。
35.由于根据本发明的膨胀减轻单元容易设置在没有改变的常规电池模块中，因此不必改变电池模块制作过程，这在经济上是有利的。
36.由于粘合剂层被涂覆到电池模块中的相邻电池电芯的面对表面中的每一个的整体，所以在充电和放电期间在电池电芯中产生的气体可以移动到电池电芯的外周，由此可以防止电池电芯的不均匀劣化。
附图说明
37.图1是常规电池模块的示意图。
38.图2是沿着图1的线a-a’截取的截面图。
39.图3是图1中示出的电池模块的分解立体图。
40.图4是例示了常规电池电芯在其变形之前和之后的示意图。
41.图5是根据本发明的第一实施方式的电池模块的分解立体图。
42.图6是沿着图5的线a-a’截取的截面图。
43.图7是根据本发明的第二实施方式的电池模块的分解立体图。
具体实施方式
44.在本技术中，应该理解，术语“包括”、“具有”、“包含”等指明存在所述特征、数字、步骤、操作、元件、组件或其组合，但并不排除存在或添加一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或其组合。
45.另外，将在附图中始终使用相同的附图标记来表示执行类似功能或操作的部件。在说明书中一个部件被称为连接到另一部件的情况下，不仅这个部件可以直接连接到另一部件，而且这个部件可以经由其它部件而间接连接到另一部件。另外，除非另有说明，否则包括特定元件并不意味着不包括其它元件，而是意味着可以进一步包括这些元件。
46.下文中，将参考附图来描述根据本发明的电池模块。
47.图5是根据本发明的第一实施方式的电池模块的分解立体图，并且图6是沿着图5的线a-a’截取的截面图。
48.参照图5和图6，根据本发明的第一实施方式的电池模块1000可以包括由多个堆叠的电池电芯(附图标记未示出)构成的电芯堆叠1200和设置在具有大致六面体外形的模块壳体(附图标记未示出)中的膨胀减轻单元1500。
49.模块壳体可以包括上盖1110、下盖1120、彼此面对以便朝向电芯堆叠1200的侧表面(即宽表面)定位的第一侧盖1130和第二侧盖1140以及电芯堆叠的设置有电极接头的表面处的前盖1150和后盖1160。
50.这里，前盖1150和后盖1160被设置为面对电池电芯的电极引线定位的方向，以便保护电极引线和汇流条1170，并且一对侧盖1130和1140保护容纳在模块壳体中的电芯堆叠1200的侧表面(xz平面)。
51.上盖1110和下盖1120分别保护电芯堆叠1200的上部部分和下部部分。
52.上盖1110、下盖1120、一对侧盖1130和1140、前盖1150和后盖1160可以被独立地制造，然后可以彼此组装。另选地，盖中的一些可以按需要一体地形成。
53.具有以上构造的电池电芯在电池电芯的侧表面(xz平面)平行于模块壳体的第一侧盖1130和第二侧盖1140竖立的状态下彼此紧密接触地设置在模块壳体中。
54.容纳在模块壳体的内部空间中的电芯堆叠1200被配置为使得多个电池电芯在电池电芯的宽表面彼此紧密接触的状态下堆叠，并且电池电芯中的每一个包括被配置为容纳电极组件(未示出)和电极引线(未示出)的电芯壳体(未示出)。
55.电芯壳体是袋形电芯壳体(由层压片制成)，其中，至少一个电极组件被容纳在容纳部分中，并且容纳部分的边缘熔融，由此容纳部分被气密性密封，并且一对电极引线连接到电极组件的相对侧部或一个侧部，以便从电芯壳体向外突出。当然，电极组件的正极接头和负极接头可以分别彼此电连接，并可以从电芯壳体向外暴露，或者电极引线可以在没有接头的情况下直接连接到电极组件。
56.电极组件可以是果冻卷型电池组件、堆叠型电极组件、堆叠和折叠型电极组件或层压和堆叠型电极组件，果冻卷型电池组件被配置为具有长片型正极和长片型负极被缠绕成使隔膜插置在其间的状态的结构，堆叠型电极组件被配置为具有矩形正极和矩形负极被堆叠成隔膜插置在其间的结构，堆叠和折叠型电极组件被配置为具有使用长分离膜缠绕单元电芯的结构，层压和堆叠型电极组件被配置为具有电池电芯被堆叠成隔膜插置在其间然后彼此附接的状态的结构。然而，本发明不限于此。
57.显而易见，除了常用的液体电解液之外，电池电芯中的电解液还可以被固体电解液或通过向固体电解液加添加剂而获得的凝胶型准固体电解液取代，凝胶型准固体电解液具有介于液体和固体之间的中间相。
58.电极组件被容纳在电芯壳体中，并且电芯壳体通常被配置为具有包括内层、金属层和外层的层压片结构。内层被设置为与电池组件直接接触，因此内层必须表现出高绝缘性质和高耐电解质溶液性。另外，内层必须表现出高密封性，以便将电芯壳体相对于外部气密性密封，即，内层之间的热结合密封部分必须表现出优异的热结合强度。内层可以由从诸如表现出优异的耐化学性和高密封性的聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯酸乙酯、或聚丁烯这样的聚烯烃类树脂、聚氨酯树脂和聚酰亚胺树脂当中选择的材料制成。然而，本发明不限于此，并且最优选的是使用表现出诸如拉伸强度、刚度、表面硬度和抗冲击强度这样的优异机械物理性质和优异的耐化学性的聚丙烯。
59.设置为与内层邻接的金属层对应于阻挡层，该阻挡层被配置为防止湿气或各种气体从外部渗透到电池中。可以使用轻质且可易于成形的铝薄膜作为金属层的优选材料。
60.外层设置在金属层的另一表面上。外层可以由表现出优异的拉伸强度、抗湿气渗透性和耐空气透过性使得外层表现出高耐热性和耐化学性同时保护电极组件的耐热聚合物制成。作为示例，外层可以由尼龙或聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。然而，本发明不限于此。
61.根据本发明的第一实施方式的膨胀减轻单元1500可以位于模块壳体的一对侧盖1130和1140与电芯堆叠1200之间。
62.膨胀减轻单元1500可以包括大致平坦的平坦部分1520以及被形成为基于平坦部分1520的宽表面(xz平面)朝向电芯堆叠1200突出的凸部1510。具体地，凸部1510可以在纵向方向(x轴方向)上位于平坦部分1520的中部部分处，并且凸部1510可以被定位为与位于电芯堆叠1200最外侧的电池电芯的最外侧表面(xz平面中的x轴方向)的中部部分紧密接触。另外，凸部1510的被设置为与电芯堆叠1200的最外侧电池电芯的最外侧表面紧密接触的部分可以是平坦的或弧形的。
63.在充电和放电的初始阶段中，电池电芯的中部部分膨胀。因此，如上所述，膨胀减轻单元1500的凸部1510可以被设置为与电池电芯的中部部分的预定区域紧密接触，以便在其被施加预定压力时通过其变形来减轻膨胀，这有利于延长寿命。在本发明中，膨胀减轻单元1500的凸部1510被定位为与电芯堆叠1200的最外侧电池电芯紧密接触或与电芯堆叠1200的最外侧电池电芯相邻从而面对电芯堆叠的最外侧电池电芯。当在电池电芯充电期间电池电芯膨胀并且电池电芯中的压力达到预定压力或更高时，凸部1510的凸表面在朝向模块壳体的侧盖1130和1140中的每一个的方向上变形。在电池电芯放电期间，电池电芯收缩，并且变形后的凸部1510返回到与其对应的最外侧电池电芯。此时，平坦部分1520不变形，即，保持平坦部分的初始形状。
64.当在电池电芯的充电和放电期间电池电芯膨胀了预定体积或更大，由此施加到凸部1510的压力等于或高于预定压力时，凸部1510通常变形为凹形。凸部1510的凸表面通常在朝向模块壳体的侧盖1130和1140中的每一个的方向上永久地变形，由此凸部1510具有凹形。结果，没有压力被施加到已膨胀到预定或更大水平的电池电芯。凸部1510变形从而与平坦部分1520相比更靠近模块壳体的侧盖1130和1140中的每一个。在本发明中，在电池电芯充电和放电期间变形的膨胀减轻单元1500可以用于调节在电池电芯充电和放电期间施加
到电池电芯的压力的程度。电池电芯由于其充电和放电而自然地膨胀，因此可以提供最适于提高电池电芯的安全性和寿命的压力。
65.在本发明中，膨胀减轻单元1500可以由弹性材料制成，以便在初始阶段中抑制电池电芯的膨胀。当电池电芯膨胀时，电池电芯的膨胀压力被施加到定位为与电池电芯紧密接触的膨胀减轻单元1500的凸部1510。朝向电池电芯的侧表面凸出的凸部1510可以因电池电芯的膨胀而变形。如果凸部1510由非弹性材料制成，则凸部可能因电池电芯的膨胀压力而破裂，由此电池电芯可能损坏，这可能造成诸如火灾这样的事故。因此，当膨胀减轻单元1500由弹性材料制成时，膨胀减轻单元在电池电芯膨胀时容易变形，这有利于防止事故。另外，不管电池电芯由于其膨胀和/或收缩而如何变形，膨胀减轻单元1500的平坦部分1520保持平坦，这有利于减轻由于在电池电芯中产生的气体移动到电池电芯的相对端部而发生的锂镀而导致的电池电芯变形。
66.可以使凸部1510在高度方向(z轴方向)上与电池电芯的整体或一部分紧密接触。具体地，凸部可以在高度方向上从电池电芯的中心到相对侧以对称的方式设置。结果，使凸部1510在相对容易膨胀的高度方向上从电池电芯的中心到电池电芯的相对端与电芯壳体的外部紧密接触，这有利于减轻膨胀。
67.这里，膨胀减轻单元1500可以由弹性金属或合成树脂制成。具体地，膨胀减轻单元可以由诸如聚氨酯(pu)或三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,epdm)这样的柔软弹性材料制成。由于以上弹性材料具有优异的振动吸收和压缩排斥，因此即使多个电池电芯膨胀，电池模块100也可以具有优异的尺寸稳定性。在本发明中，用于膨胀减轻单元的材料不限于以上材料，只要膨胀减轻单元能够抑制电池电芯的膨胀且同时在膨胀减轻单元的形状一直保持直到电池电芯中的压力达到预定压力之后变形即可。
68.虽然在图5中未示出，但根据本发明的第一实施方式的膨胀减轻单元1500可以被配置为使得凸部1510形成在平坦部分1520的中部部分处，并且可以形成一个或更多个凸部150。然而，凸部1510的数量不受特别限制，只要可以减轻由于锂镀导致的电池电芯膨胀即可。
69.此外，如图6中所示，可以在相邻电池电芯的侧表面(xz平面)之间涂覆粘合剂1300，以便将电池电芯彼此粘合。优选的是，粘合剂1300被涂覆到相邻电池电芯的整个侧表面。
70.粘合剂1300可以被涂覆到彼此紧密接触地设置从而构成电芯堆叠1200的电池电芯121、122、...和m的所有侧表面，由此相邻的电池电芯可以彼此紧密接触地稳定地彼此联接，因此，电芯堆叠1200可以具有更稳定的结构。因此，可以将电芯堆叠1200稳定地容纳在模块壳体中，而无需在下盖1120上设置用于常规电池模块中的树脂层400。
71.不使用常规电池模块中的被配置为将堆叠的电池电芯固定到模块壳体下表面的树脂层，这有利于在每个电池电芯中产生的气体朝向电池电芯的所有外周移动。结果，在电池电芯中产生的气体可以快速且有效地扩散，由此气体没有停留在电极组件中，这有利于减轻电池电芯的膨胀并防止寿命缩短。
72.粘合剂1300可以由诸如聚乙烯(pe)、流延聚丙烯(cpp)或聚丙烯(pp)这样的聚烯烃或其共聚物制成。
73.图7是根据本发明的第二实施方式的电池模块2000的分解立体图。
74.除了在模块壳体的一对侧盖2130和2140中的每一个处一体地形成膨胀减轻单元2500以外，第二实施方式与第一实施方式相同。因此，下文中将仅描述膨胀减轻单元2500。
75.在本发明的第二实施方式中，膨胀减轻单元2500可以在纵向方向(x轴方向)上形成在模块壳体的第一侧盖2130和第二侧盖2140中的每一个的中部部分处。这里，每个侧盖可以构成膨胀减轻单元2500的平坦部分，并且侧盖的部分可以弯曲从而朝向电芯堆叠2200凸出。
76.图7示出了膨胀减轻单元2500在高度方向(z轴方向)上位于模块壳体的侧盖2130和2140中的每一个的中部部分处。然而，本发明不限于此，只要膨胀减轻单元在高度方向(z轴方向)上设置在整个侧盖上方并且侧盖2130和2140、上盖2110和下盖2120彼此联接以构成模块壳体即可。另外，如图7中所示，膨胀减轻单元2500可以是四边形。另选地，膨胀减轻单元可以是多边形、圆形或椭圆形。然而，膨胀减轻单元的形状不受特别限制，只要膨胀减轻单元可由于电池电芯的膨胀而弹性变形即可。
77.上述根据本发明的电池模块适用于各种装置或诸如电动车辆或混合动力车辆这样的车辆。
78.尽管已详细描述了本发明的具体细节，但本领域的技术人员将理解，对其的详细描述仅公开了本发明的优选实施方式，因此并没有限制本发明的范围。因此，本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范畴和技术思想的情况下，可以进行各种改变和修改，并且显而易见的是，这种改变和修改落入所附权利要求书的范围内。
79.(对参考符号的描述)
80.1:电池电芯的侧表面
81.2:电极引线
82.21、22、121、122、m、n-1、n：电池电芯
83.100:常规电池模块
84.110、1110、2110：上盖
85.120、1120、2120：下盖
86.130、1130、2130：第一侧盖
87.140、1140、2140：第二侧盖
88.150、1150、2150：前盖
89.160、1160、2160：后盖
90.170、1170、2170：汇流条
91.180:膨胀控制垫
92.200、1200、2200：电芯堆叠
93.300、1300:粘合剂
94.400:树脂层
95.1500、2500、3500：膨胀减轻单元
96.1510、2510:凸部
97.1520、2520:平坦部分
98.100：常规电池模块
99.1000:根据本发明的第一实施方式的电池模块
100.2000:根据本发明的第二实施方式的电池模块
101.工业实用性
102.本发明涉及包括由一个或更多个堆叠的电池电芯构成的电芯堆叠和被配置为在其中容纳电芯堆叠的模块壳体的电池模块，其中，膨胀减轻单元被设置为面对设置在电芯堆叠最外侧的最外侧电池电芯，膨胀减轻单元具有被配置为对电池电芯的至少部分施压的凸部，因此，本发明具有工业实用性。