KR100740126B1 - 이차 전지 모듈용 격벽 및 이를 포함하는 이차 전지 모듈 - Google Patents

이차 전지 모듈용 격벽 및 이를 포함하는 이차 전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차 전지 모듈용 격벽 및 이를 포함하는 이차 전지 모듈에 관한 것으로서, 본 발명의 이차 전지 모듈용 격벽은 단위 전지 사이에 배치되어 단위 전지 사이를 전기적으로 절연시키며, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 본체 및 상기 금속 본체의 표면에 형성된 절연막을 포함한다. 상기 절연막은 수지 피막, 무기 산화물 피막, 양극 산화(anodizing) 피막 및 이들의 복합 피막으로 이루어진 군에서 선택된다.
본 발명의 이차 전지 모듈용 격벽은 열 전도도가 뛰어나 냉각 성능이 우수하고, 절연성이 우수한 절연막을 포함하여 단위 전지 사이의 단락을 방지할 수 있으며, 경도, 내식성 및 내마모성 등 기계적 강도가 우수한 장점이 있다.
이차 전지, 케이스, 절연막, 양극산화피막

Description

이차 전지 모듈용 격벽 및 이를 포함하는 이차 전지 모듈{CELL BARRIER FOR SECONDARY BATTERY MODULE AND SECONDARY BATTERY MODULE}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 격벽을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지 모듈이 모터와 연결된 상태를 도시한 개략적인 블록도이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 격벽의 양극 산화 피막의 두께에 따른 파단 전압(Breakdown voltage)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 격벽의 두께에 따른 파단 전압을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 이차 전지 모듈용 격벽 및 이를 포함하는 이차 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절연성 및 냉각 성능이 우수하고, 내식성, 내마모성, 경도 등 기계적 강도가 향상된 이차 전지 모듈용 격벽 및 이를 포함하는 이차 전지 모듈에 관한 것이다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수 전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 상기한 고출력 이차 전지는 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 하이브리드 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 복수 개의 전지를 직렬로 연결하여 모듈을 구성한다.
상기 이차 전지(이하 설명의 편의상 단위 전지라 칭한다.)는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형 등의 형상이 있다. 단위 전지는 통상 직렬로 연결되어 복수개의 이차 전지로 구성된 모듈을 형성한다.
상기 각각의 단위 전지는 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극군, 상기 전극군이 내장되는 공간을 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로부터 돌출되고 상기 전극군에 구비된 양, 음극의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.
일반적으로 상기 케이스는 단위 전지에서 발생되는 열을 효율적으로 방출시킬 수 있는 금속으로 이루어지고, 이러한 금속은 열 전도도가 우수할 뿐 아니라 전기 전도도 역시 우수하다.
그리고 각각의 단위 전지는 나사 가공된 양극 단자와 음극 단자 사이에 너트를 매개로 연결구를 설치하여 전기적으로 연결된다.
전지 모듈에 있어서 각각의 단위 전지 사이에는 열 전달 매체의 유동 통로가 되는 격벽이 개재되며, 이러한 격벽을 통해서 공기를 유통시킴으로써 상기 단위 전 지들을 냉각시키게 된다.
본 발명의 목적은 냉각 성능, 절연 성능 및 기계적 강도가 우수한 이차 전지 모듈용 격벽을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한, 상기의 이차 전지 모듈용 격벽을 포함하는 이차 전지 모듈을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 본체 및 상기 금속 본체의 표면에 형성된 절연막을 포함하고, 단위 전지 사이에 배치되어 단위 전지 사이를 전기적으로 절연시키는 이차 전지 모듈용 격벽을 제공한다. 상기 절연막은 수지 피막, 무기 산화물 피막, 양극 산화(anodizing) 피막 및 이들의 복합 피막으로 이루어진 군에서 선택된다.
본 발명은 또한, 간격을 두고 배열되어, 전기적으로 연결된 복수개의 단위 전지 및 상기 격벽을 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
이차 전지 모듈에 있어서, 단위 전지가 충전과 방전을 되풀이하는 동안 많은 열이 발생하는데, 단위 전지들에서 발생된 열이 제대로 방출되지 않으면 단위 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 상기 격벽은 이러한 열을 효율적으로 방출하기 위해서 냉각 성능이 우수하여야 하며, 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 격벽 재료 및 격벽의 구성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
또한, 상기 단위 전지들은 이웃하는 단위 전지의 케이스와 서로 전기적으로 연결되면 단락될 위험이 있기 때문에, 연결구를 통해서만 전기적으로 연결되어야 한다.
이를 위하여 종래에는 단위 전지 사이에 절연 필름 등을 개재하여 절연하는 방법 등이 적용되었지만, 이러한 종래의 구조는 절연 필름을 부가적으로 설치해야 하는 불편이 있으며, 절연 필름의 열 전도도가 낮아서 격벽을 통한 열의 방출이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있었다.
본 발명의 이차 전지 모듈용 격벽은 냉각 성능과 절연성을 향상시키기 위해 안출된 것으로, 단위 전지 사이에 배치되어 열 전달 매체의 유통로를 제공하고, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 본체 및 상기 금속 본체의 표면에 형성된 절연막을 포함한다. 상기 절연막은 수지 피막, 무기 산화물 피막, 양극 산화(anodizing) 피막 및 이들의 복합 피막으로 이루어진 군에서 선택된다.
상기 금속 본체로 사용되는 알루미늄은 연전성이 우수하여 성형, 절삭가공이 용이하며, 열 전도도가 우수하여 격벽의 재료로 사용될 경우 격벽의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 알루미늄과 다른 금속과의 합금은 기계적 강도 또한 우수하여 격벽 재료로 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 알루미늄과 합금이 가능한 금속으로는 바람직한 합금의 예로는 알루미늄-크롬(Cr), 알루미늄-마그네슘(Mg), 알루미늄-티타늄(Ti), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 실리콘(Si), 아연(Zn), 이들의 합금 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 알루미늄 합금은 시판되고 있는 Al30, Al50, Al60 등을 사용할 수도 있다.
다만, 알루미늄은 전기 전도도가 우수하므로, 본 발명의 이차 전지 모듈용 격벽은 절연성 향상을 위해 수지 피막, 무기 산화물 피막, 양극 산화(anodizing) 피막 및 이들의 복합 피막으로 이루어진 군에서 선택되는 절연막을 포함한다. 상기 수지 피막은 불소계 수지, 에폭시 수지 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 상기 무기 산화물로는 산화 알루미늄 등이 사용될 수 있다.
상기 양극 산화 피막은 양극 산화 처리(anodizing)에 의해 형성될 수 있다. 상기 양극 산화 처리에 의하여 알루미늄의 표면에 산화 알루미늄을 형성하는 데, 이러한 산화 알루미늄은 절연성 및 표면의 경도, 내식성, 내마모성 등의 기계적 강도가 우수하여 절연막으로 바람직하게 사용될 수 있다.
양극 산화 처리(anodizing)는 일반적으로 알려진 양극 산화 처리 공정에 따라 실시할 수 있다. 즉, 양극과 음극을 산 전해액을 함유하는 전해조에 담그고 전기분해를 실시하여 양극에 산화 피막을 형성한다. 상기 양극에 알루미늄을 사용하고 음극에는 상기 알루미늄보다 산화전위가 낮은 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 알루미늄보다 산화전위가 낮은 금속으로는 Zn, Fe, Ni, Cu, Pb 등이 사용가능하며, 이중 Pb가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 산 전해액으로는 황산 용액, 수산 용액 또는 이들의 혼합산 용액을 사용할 수 있다.
또한 본 발명에서는 수지 피막, 무기 산화물 피막, 양극 산화(anodizing) 피 막에서 선택되는 절연막을 2층 이상 적층하여 복합막을 형성할 수도 있다. 예를 들어 산화 알루미늄 피막을 형성한 다음 절연 수지막을 형성하여 격벽을 제조할 수도 있다.
상기 절연막의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 그 기능을 발휘할 수 있는 범위에서 적절한 두께로 형성될 수 있다. 다만, 10 내지 60㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 20 내지 50㎛의 두께로 형성되는 것이 더욱 바람직하며, 30 내지 45㎛의 두께로 형성되는 것이 더욱 더 바람직하다. 절연막의 두께가 10㎛ 미만인 경우 충분한 절연 성능을 발휘하기 어려우며, 60㎛를 초과하는 경우 공정 비용이 증가하고 격벽의 열변형을 가져올 수 있어 바람직하지 못하다. 또한 60㎛를 초과하는 양극 산화 피막을 형성하는 경우 전류의 크기가 커야 하고 시간이 오래 걸려 바람직하지 않다.
상기 절연막의 파단 전압은 격벽의 절연성을 확보할 수 있는 적절한 범위로 형성될 수 있는데, 800V 내지 1500V인 것이 바람직하고 800 내지 1200V이다. 상기 파단 전압이 800V 미만인 경우는 격벽에 요구되는 정도의 충분한 절연 성능을 발휘할 수 없으며, 1500V를 초과하는 경우는 절연막의 두께가 과도하게 두꺼워져야 하는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 격벽(26)을 도시한 사시도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 격벽(26)은 요철 형태로 이루어지고, 전극 단자가 설치되지 않은 단위 전지의 측방향으로 열 전달 매체가 유통되도록 유통로를 형성한다.
다만 본 실시예에 따른 상기 격벽(26)의 구조는 예시적인 것이며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 상기 격벽(26)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 소재로 하여 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
알루미늄은 열 전도성이 뛰어나, 상기 격벽(26)이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 경우, 단위 전지들을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
상기 격벽(26)의 표면(262)에는 절연막(263)이 형성되어, 격벽의 전기적 절연성을 향상시켜 각 단위 전지들이 연결구를 통해서만 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
상기 절연막(263)은 수지 피막, 무기 산화물 피막, 양극 산화(anodizing) 피막 및 이들의 복합 피막으로 이루어진 군에서 선택된다. 본 발명은 또한, 상기 설명한 바와 같은 이차 전지 모듈용 격벽을 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 이차 전지 모듈은 간격을 두고 배열되는 다수개의 단위 전지, 상기 단위 전지에 설치된 전극 단자들을 전기적으로 연결하는 연결구 및 상기 단위 전지 사이에 배치되어 열 전달 매체의 유통로를 제공하는 격벽을 포함하며, 상기 격벽은 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 절연막을 포함한다.
상기 단위 전지는 세퍼레이터와 상기 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극과 음극을 포함하는 전극군 및, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트, 및 상기 전극군과 전기적으로 연결되며 상기 캡 플레이트의 외측으로 돌출되는 전극 단자를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지(10)를 도시한 단면도이고, 도 3는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈(100)을 도시한 사시도이다.
상기한 도면을 참조하여 먼저 대용량의 전지 모듈(100)을 이루는 각 단위 전지(10)의 구조를 살펴보면, 상기 단위 전지(10)는 양극(11)과 음극(12)이 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 위치하는 전극군(15)과, 상기 전극군(15)이 내장되는 공간을 갖는 케이스(14), 상기 케이스(14)와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 플레이트(17), 및 상기 양극(11)과 음극(12)과 전기적으로 연결되고 상기 캡 플레이트(17)의 외측으로 돌출되는 양극 단자(221) 및 음극 단자(22)를 포함한다.
그리고 상기 양극(11)은 금속박, 예컨대 알루미늄 호일 등으로 된 양극 집전체와 상기 양극 집전체의 적어도 일면에 코팅된 양극 활물질을 포함하고 있으며, 상기 양극 활물질은 리튬계 산화물을 주성분으로 이루어진다.
상기 음극(12)은 금속박, 이를테면 구리 호일 등으로 된 음극 집전체와 상기 음극 집전체의 적어도 일면에 코팅되는 음극 활물질을 포함하고 있으며, 상기 음극 활물질은 탄소재를 주성분으로 이루어진다.
또한, 상기 양극(11) 및 음극(12)은 상기 집전체에 활물질이 코팅되는 영역인 코팅부와 활물질이 코팅되지 않는 무지부(11a, 12a)를 포함한다.
그리고 상기 무지부(11a, 12a)는 고출력 이차전지의 경우 양극(11) 및 음극(12)의 길이방향을 따라 양극(11) 및 음극(12)의 측면에 형성된다. 그리고 상기 양극(11) 및 음극(12)은 절연체인 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 적층되하거나, 적층한 후 권취하여 젤리-롤 형태의 전극군(15)을 이루게 된다. 또한, 상기 전극군 (15)은 케이스(14)에 내장될 수 있도록 프레스 등으로 가압될 수도 있다.
그리고 상기 케이스(14)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극군(14)이 위치하는 내부 공간을 가진 육면체의 각형 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.
그리고 상기 단위 전지(10)들이 복수개 적층되어 이차 전지 모듈(100)을 형성하는데, 상기 전지 모듈(100)은 간격을 두고 배열되는 복수개의 단위 전지(10), 상기 단위 전지(10) 사이에 배치되어 열 전달 매체의 유통로를 제공하는 격벽(26), 상기 단위 전지(10)에 설치된 전극 단자(21,22)들을 전기적으로 연결하는 연결구(24)를 포함한다.
상기 격벽(26)은 열 전도도가 우수하여 각 단위 전지를 효율적으로 냉각시킬수 있으며, 절연성이 뛰어나 각 단위 전지가 연결구(24)를 통해서만 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
본 발명의 이차 전지 모듈은 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로 사용될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이차 전지 모듈(100)은 모터(50)에 연결되어 에너지원으로 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
도 1에 도시한 바와 같은 요철 형태의 알루미늄 전지 격벽을 제조한 후, 산화물 등의 불순물 제거를 위해 후처리를 하였다. 그런 다음 17wt% 황산 수용액이 담겨진 전해조에 상기 알루미늄 격벽을 양극에 위치시키고 음극으로 구리를 사용하여 전기분해를 실시하여 알루미늄 격벽에 양극 산화 피막을 형성하였다. 실시한 전기 분해시간에 따라 29㎛, 32㎛, 46㎛(2회), 49㎛, 50㎛, 61㎛(2회) 및 72.5㎛의 두께로 양극 산화 피막이 형성되었다.
(실시예 2)
도 1에 도시한 바와 같은 요철 형태의 알루미늄 전지 격벽을 제조한 후, 산화물 등의 불순물 제거를 위해 후처리를 하였다. 그런 다음 격벽 위에 28㎛, 34㎛ 및 41㎛의 두께로 산화알루미늄 코팅층을 형성하였다.
(실시예 3)
도 1에 도시한 바와 같은 요철 형태의 알루미늄 전지 격벽을 제조한 후, 산화물 등의 불순물 제거를 위해 후처리를 하였다. 그런 다음 테프론 용액을 도포한 후 건조하여 격벽 위에 45㎛, 50㎛ 및 61㎛의 두께로 테프론 수지 코팅층을 형성하였다.
상기 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 절연막이 형성된 격벽의 절연 성능을 확인하기 위해 100mA의 조건에서 전압을 증가시키면서 파단 전압(Breakdown Voltage)를 측정하였다. 파단 전압은 통전에 의한 표면 쇼트 유무 및 표면 절연 피막 손실을 확인하여 측정하였다. 그 결과를 도 5 및 도 6에 도시하였다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 격벽의 양극 산화 피막의 파단 전압을 나타낸 그래프이다. 그래프를 통해 양극 산화 피막의 두께가 50㎛일 때, 1200V의 파단 전압을 얻을 수 있음을 알 수 있으며, 산화 피막의 두께가 40㎛을 넘어서면서 1000V 이상의 파단 전압을 얻을 수 있음을 예상할 수 있다. 또한, 양극 산화 피막의 두께를 더욱 증가시킴으로써, 더욱 높은 파단 전압을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이를 통해 양극 산화 피막은 매우 우수한 절연 성능을 가짐을 확인하였다.
도 6은 실시예 2 및 실시예 3에 따라 제조된 격벽의 파단 전압을 나타낸 그래프이다. 무기 산화물 코팅층의 두께가 34㎛일 때, 1000V의 파단 전압을 나타내었으며, 41㎛일 때 1200V의 파단 전압을 나타내었다. 다만, 무기 산화물 코팅층을 코팅한 실시예 2의 전지 격벽은 41㎛보다 더 두껍게 형성하는 것은 불가능하여 1200V 이상의 파단 전압을 얻을 수는 없었다.
테프론 수지 코팅한 실시예 3의 전지 격벽은 최대 61㎛까지 테프론 코팅이 가능하였으며, 두께가 61㎛일 때, 900V의 파단 전압을 보였다.
상기 측정 결과를 통해 실시예 1 내지 실시예 3 모두 절연성이 우수하였으나실시예 1의 양극 산화 피막을 형성한 전지 격벽이 실시예 2와 실시예 3에 비하여 훨씬 우수한 절연 성능을 가짐을 알 수 있다.
본 발명의 이차 전지 모듈용 격벽은 열 전도도가 뛰어나 냉각 성능이 우수하고, 절연성이 우수한 절연막을 포함하여 단위 전지 사이의 단락을 방지할 수 있으며, 경도, 내식성 및 내마모성 등 기계적 강도가 우수한 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및
    수지 피막, 무기 산화물 피막, 양극 산화(anodizing) 피막 및 이들의 복합 피막으로 이루어진 군에서 선택되는 절연막
    을 포함하고,
    단위 전지 사이에 배치되어 단위 전지 사이를 전기적으로 단절시키는, 이차 전지 모듈용 격벽.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수지는 불소계 수지, 에폭시 수지 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서선택되는 것인 이차 전지 모듈용 격벽.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무기 산화물은 산화 알루미늄인 이차 전지 모듈용 격벽.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연막은 10 내지 60㎛의 두께를 갖는 것인 이차 전지 모듈용 격벽.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연막은 20 내지 50㎛의 두께를 갖는 것인 이차 전지 모듈용 격벽.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연막은 30 내지 45㎛의 두께를 갖는 것인 이차 전지 모듈용 격벽.
  7. 간격을 두고 배열되어, 전기적으로 연결된 복수개의 단위 전지; 및
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 격벽
    을 포함하는 이차 전지 모듈.
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