KR102149993B1 - 적층체 및 이를 이용한 배터리 셀 모듈 - Google Patents

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Abstract

구현예는 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함함으로써, 배터리 셀 모듈의 경량성, 방열성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 적층체 및 이를 이용한 배터리 셀 모듈에 관한 것이다.

Description

적층체 및 이를 이용한 배터리 셀 모듈{LAMINATE AND BATTERY CELL MODULE USING SAME}
구현예는 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함함으로써, 배터리 셀 모듈의 경량성, 방열성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 적층체 및 이를 이용한 배터리 셀 모듈에 관한 것이다.
전기 자동차는 배터리 시스템의 신뢰성과 안정성이 상품성을 결정짓는 가장 중요한 요소로 작용하므로, 온도의 다양한 변화에 따른 배터리의 성능 저하를 방지하기 위하여 배터리 시스템의 적정 온도 범위인 20℃ 내지 40℃가 유지되어야 한다. 따라서, 복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 시스템은 배터리 셀의 충전 또는 방전시 발생되는 열을 냉각시키기 위한 냉각 구조가 필요하다.
종래에는 알루미늄 또는 구리 등의 금속 재질로 이루어지는 방열판 등의 내부에 냉각수를 흐르게 하는 배터리 시스템이 사용되어 왔다. 그러나, 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 재질은 열전도도가 높기 때문에 냉각 효과가 저하되는 것은 물론, 부피 및 중량이 크다는 단점이 있다.
일례로, 대한민국 공개특허 제2018-0080614호에서는 냉각 매체가 유통되는 열교환 패드가 열전달 효율이 높은 소재(세라믹 파우더)로 이루어져 냉각 효율을 향상시킨 배터리 모듈이 기재되어 있으나, 상기 열교환 패드의 냉각 파이프는 알루미늄 또는 구리 재질로 이루어짐으로써, 충분한 방열성, 공간성 및 경량성을 얻기 어렵다.
대한민국 공개특허 제2018-0080614호
따라서, 구현예는 우수한 방열성은 물론, 경량성 및 안정성이 향상시킬 수 있는 적층체 및 이를 이용한 된 배터리 셀 모듈을 제공하고자 한다.
일 구현예에 따른 적층체는 제1 접착층; 그라파이트 시트; 제2 접착층; 및 탄성 시트를 포함하고, 상기 그라파이트 시트의 표면적이 상기 제1 접착층의 표면적보다 작다.
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 하우징; 상기 하우징 내에 병렬로 배치되는 복수의 배터리셀; 및 상기 복수의 배터리 셀 사이에 개재되는 방열 시트;를 포함하고, 상기 방열 시트가 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함한다.
구현예에 따른 적층체는 그라파이트 시트의 표면적이 제1 접착층의 표면적보다 작음으로써, 그라파이트 시트를 외부에 노출시키기 않아, 안정성을 향상시킬 수 있다.
구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함하는 방열 시트를 포함함으로써, 방열성, 경량성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 배터리 셀 모듈의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 다른 배터리 셀 모듈의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 구현예에 따른 적층체의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 7은 구현예에 따른 배터리 셀 모듈의 단면도를 나타낸 것이다.
도 8은 구현예에 따른 그라파이트 시트의 표면의 개략도를 나타낸 것이다.
도 9는 구현예에 따른 그라파이트 시트의 표면 사진을 나타낸 것이다.
도 10은 구현예에 따른 그라파이트 시트의 표면을 원자간력 현미경(AFM)으로 관찰한 사진이다.
이하, 구현예를 통해 발명을 상세하게 설명한다. 구현예는 이하에서 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
도 1은 종래의 배터리 셀 모듈의 단면도를 나타낸 것이다. 도 1에는 하우징 내에 복수의 배터리 셀이 구비되고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 각각 완충 패드 및 냉각핀이 개재되며, 이러한 하우징의 하부에 열전도성 물질(TIM) 및 방열판이 구비된 배터리 셀 모듈이 예시되어있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 종래의 배터리 셀 모듈은 배터리 셀에서 발생되는 열을 방열판으로 이동시키기 위해 복수의 배터리 셀 사이에 냉각핀이 개재되고, 상기 냉각핀을 따라 이동되는 열은 내부에 냉각수가 흐르는 방열판으로 이동됨으로써 배터리 셀 모듈의 관리 온도(20℃ 내지 40℃)를 유지할 수 있다. 복수의 배터리 셀 사이에 개재되는 완충 패드는 관리 온도를 넘어가면 팽창되는 배터리를 보호하는 역할을 할 수 있다. 또한, 열전달 물질층은 배터리 셀로부터 이동되는 열이 방열판으로 잘 전달될 수 있도록 방열판과 하우징 사이에 개재될 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 배터리 셀 모듈은 하우징, 냉각핀 및 방열판이 알루미늄 또는 구리와 같이 열전도도가 높은 금속으로 이루어지므로, 충분한 방열성을 얻을 수 없었다. 또한, 금속으로 이루어지므로, 배터리 셀 모듈 내에서 부피가 크고, 무게가 무거운 단점이 있었다.
도 2는 종래의 다른 배터리 셀 모듈의 단면도를 나타낸 것이다. 도 2에는 하우징 내에 복수의 배터리 셀이 구비되고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 완충 패드가 개재되며, 이러한 하우징의 하부에 갭 필러(Gap Filler), 열전달 물질층 및 방열판이 구비된 배터리 셀 모듈이 예시되어 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 종래에는 무게를 감소시키고자, 복수의 배터리 셀 사이에 개재되는 냉각핀을 제외한 배터리 셀 모듈이 사용되기도 했다.
그러나, 이러한 종래의 배터리 셀 모듈은 복수의 배터리 셀의 하부에 공극을 제거함으로써 방열 효과를 상승시킬 수 있는 갭 필러를 더 포함하고 있음에도 불구하고, 충분한 방열 효과를 얻을 수 없으므로, 관리 온도를 벗어나 배터리가 팽창하거나 폭발할 수 있는 위험성이 커지는 단점이 있었다.
적층체
일 구현예에 따른 적층체는 제1 접착층; 그라파이트 시트; 제2 접착층; 및 탄성 시트를 포함하고, 상기 그라파이트 시트의 표면적이 상기 제1 접착층의 표면적보다 작다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트의 표면적은 상기 제2 접착층 및 상기 탄성 시트의 표면적보다 작다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄성 시트의 표면적은 상기 그라파이트 시트 및 상기 제2 접착층의 표면적보다 작을 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트가 상기 제1 접착층, 상기 제2 접착층, 및 상기 탄성 시트에 의해 밀봉되어 외부로 노출되지 않는다. 구체적으로, 상기와 같이 그라파이트 시트가 외부로 노출되지 않음으로써, 방열효과를 향상시킬 수 있음은 물론, 시간이 지남에 따라 발생되는 그라파이트 분진에 의한 배터리 셀의 충전 및 방전 효율 저하를 방지할 수 있다.
도 3은 구현예에 따른 적층체의 단면도를 나타낸 것이다. 도 3에는 탄성 시트 상에 제2 접착층이 구비되고, 상기 제2 접착층 상에 상기 제2 접착층 및 상기 탄성 시트의 표면적 보다 작은 그라파이트 시트가 구비되며, 상기 그라파이트 시트 상에 상기 그라파이트 시트의 표면적보다 큰 제1 접착층이 구비됨으로써, 상기 그라파이트 시트가 밀봉되어 외부로 노출되지 않는 적층체가 예시되어 있다.
제1 및 제2 접착층
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층은 일면 또는 양면 접착층일 수 있고, 상기 제2 접착층이 양면 접착층일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 접착층은 상기 그라파이트 시트의 상면에 적층되며, 상기 제1 접착층의 표면적이 상기 그라파이트 시트의 표면적보다 넓으므로, 상기 그라파이트 시트의 측면 두께부도 제1 접착층에 의해 밀봉될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층이 서로 접착되어 상기 그라파이트 시트를 완전히 밀봉시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 접착층은 양면 접착층으로서, 상기 그라파이트 시트 및 상기 탄성 시트를 고정시킬 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층의 두께는 0.005 mm 내지 1 mm일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 접착층의 두께는 0.005 mm 내지 0.9 mm, 0.005 mm 내지 0.5 mm 또는 0.005 mm 내지 0.015 mm일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 제1 접착층이 상기 그라파이트 시트의 방열 효과를 저감시키지 않으면서도 요구되는 부착 성능을 구현할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제2 접착층의 두께는 0.005 mm 내지 1 mm일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 접착층의 두께는 0.005 mm 내지 0.9 mm, 0.005 mm 내지 0.5 mm 또는 0.005 mm 내지 0.015 mm일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 제2 접착층이 상기 그라파이트 시트의 방열 효과를 저감시키지 않으면서도 요구되는 부착 성능을 구현할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 각각은 아크릴계 접착제, 실리콘계 접착제, 우레탄계 접착제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함할 수 있다. 예를 들어, 아크릴계 접착제 또는 실리콘계 접착제를 포함할 수 있고, 열전도성 측면에서 실리콘계 접착제를 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그라파이트 시트
알루미늄이나 구리와 같은 금속 소재의 열전도도는 등방성인 반면, 그라파이트 시트는 이방성(異方性) 배열을 갖는 그라파이트 입자의 구조로 인해 두께 방향과 면 방향의 열전도도가 상이하다.
구체적으로, 그라파이트 시트는 일반적으로 면 방향으로는 100 W/mk 이상의 열전도도를 갖고, 수평 방향으로는 20 W/mk 이하의 열전도도를 갖는다. 따라서, 구현예의 배터리 모듈은 그라파이트 시트를 포함함으로써, 복수의 배터리 셀에서 발생하는 열을 하부의 방열판으로 빠르게 이동시킬 수 있으므로, 방열성을 향상시킬 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트의 두께 방향의 열전도도에 대한 면 방향의 열전도도의 비는 300 이상이다. 구체적으로, 상기 그라파이트 시트의 두께 방향의 열전도도는 1 W/mK 내지 20 W/mK일 수 있고, 면 방향의 열전도도는 800 W/mK 내지 2,000 W/mK일 수 있다. 예를 들어, 상기 두께 방향의 열전도도는 1 W/mK 내지 18 W/mK, 3 W/mK 내지 20 W/mK 또는 5 W/mK 내지 20 W/mK일 수 있고, 상기 면 방향의 열전도도는 900 W/mK 내지 2,000 W/mK, 1,000 W/mK 내지 1,800 W/mK, 1,200 W/mK 내지 2,000 W/mK 또는 1,200 W/mK 내지 1,800 W/mK 일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트는 위사와 경사가 직조된 직물 형태의 표면 구조를 갖는다. 구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 흑연화된 섬유를 포함하는 내층과 흑연 외층을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 흑연화된 섬유를 포함하는 내층 및 상기 내층의 단면 또는 양면을 덮는 흑연 외층을 포함할 수 있다.
상기 그라파이트 시트의 표면 구조는, 내층을 이루는 섬유의 표면과 동일할 수 있다. 상기 섬유는 직물 기재로서, 이를 이용해 제조된 상기 그라파이트 시트의 표면 구조가 전술한 구조를 갖게 하는 직조 구조의 기재일 수 있다.
상기 내층은 복수의 흑연 섬유를 포함하는 섬유 다발을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 내층은 복수의 흑연 섬유를 포함하는 섬유 다발로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 섬유 다발은 복수의 흑연 섬유 사이에 형성된 공극을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 내층은 흑연 섬유 또는 흑연 섬유 다발로 이루어진, 위사와 경사가 직조된 직물 형태를 포함할 수 있다.
상기 내층은 천연 섬유 또는 인조 섬유가 흑연화된 섬유를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 내층은 천연 섬유 또는 인조 섬유가 탄화 및 흑연화된 섬유일 수 있다.
상기 천연 섬유는 셀룰로오스 섬유, 단백질 섬유 및 광물성 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 셀룰로오스 섬유는, 예를 들어, (i) 면 또는 케이폭 등과 같은 종자섬유, (ii) 아마, 저마, 대마, 또는 황마 등과 같은 줄기섬유, (iii) 야자섬유와 같은 과실섬유, 및 (iv) 마닐라마, 아바카 또는 사이잘마와 같은 잎섬유를 들 수 있다. 또한, 상기 단백질 섬유는, 예를 들어, (i) 양모 섬유, (ii) 견 섬유 및 (iii) 헤어 섬유를 들 수 있다. 상기 광물성 섬유는, 예를 들어, (i) 글라스울 및 미네라울과 같은 인조광물섬유, 및 (ii) 유리, 암석, 기타 광물질이 고온에서 액화시켜 섬유화된 석면을 들 수 있다. 구체적으로, 상기 천연 섬유는 면, 마, 모 및 견으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 인조 섬유는 유기질 섬유 및 무기질 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 유기질 섬유는, 예를 들어, (i) 레이온, 텐셀(라이오셀), 모달 등과 같은 셀룰로오스계 섬유, 또는 단백질계 섬유를 포함하는 재생 섬유, (ii) 아세테이트, 트리아세테이트 등과 같은 셀룰로오스계 섬유를 포함하는 반합성 섬유, 또는 (iii) 폴리아미드계 섬유, 폴리에스테르계 섬유, 폴리우레탄계 섬유, 폴리에틸렌계 섬유, 폴리염화비닐계 섬유, 폴리플루오르에틸렌계 섬유, 폴리비닐알코올계 섬유, 아크릴계 섬유 또는 폴리프로필렌계 섬유와 같은 합성 섬유를 들 수 있다. 구체적으로, 상기 인조 섬유는 나일론, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리플루오로에틸렌, 폴리비닐알코올, 아크릴 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합성 섬유; 또는 레이온, 아세테이트 및 트리아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 셀룰로오스계 섬유를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 내층은 피치 20 ㎛ 내지 200 ㎛ 및 폭 60 ㎛ 내지 200 ㎛의 격자구조를 포함할 수 있다.
상기 흑연 외층은 상기 내층의 단면 또는 양면을 덮을 수 있다. 구체적으로, 상기 흑연 외층은 흑연 내층의 일면에 피복되는 제1 흑연 외층과 상기 흑연 내층의 다른 일면에 피복되는 제2 흑연 외층으로 이루어지며, 상기 제1 흑연 외층과 제2 흑연 외층의 일부가 서로 연결될 수 있다.
상기 흑연 외층은 고분자 수지가 흑연화된 것일 수 있다. 또한, 상기 흑연 외층은 천연 흑연 또는 팽창 흑연을 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 폴리이미드, 폴리아믹산, 폴리염화비닐, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리플루오르에틸렌, 폴리비닐알코올, 아크릴 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 수지는 중량평균분자량 200,000 g/mol 내지 300,000 g/mol인 폴리이미드, 폴리아믹산 및 폴리염화비닐로 이루어진 군 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 섬유 기재 및 상기 섬유 기재의 일면 또는 양면에 고분자 코팅층을 포함하는 다층체를 제조한 후, 상기 다층체를 일체로 탄화 및 흑연화시켜 제조될 수 있다. 소정의 온도에서 탄화 및 흑연화시키는 공정을 진행함으로써, 상기 다층체를 이루는 섬유 기재 및 고분자 코팅층은 모두 흑연화되며, 이로써 그라파이트 시트가 제조될 수 있다.
상기 그라파이트 시트를 상술한 바와 같은 다층체를 흑연화시켜 제조할 경우, 비교적 두꺼운 두께 및 우수한 열전도도를 갖는 그라파이트 시트를 저렴하게 제조할 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 고분자 코팅층 하나의 두께는 30 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 코팅층을 상기 섬유 기재의 양면에 형성하는 경우, 이층의 고분자 코팅층의 총 두께는 60 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 고분자 코팅층의 두께가 상기 두께 범위로 형성될 때, 상기 적층체는 탄화 및 흑연화된 이후 상기 그라파이트 시트의 표면 상에 상기 섬유 기재로부터 유래된 직조 구조가 드러날 수 있다.
상기 섬유 기재는 천연 섬유 및 인조 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 천연 섬유 및 인조 섬유는 상기 내층에서 설명한 바와 같다.
상기 고분자 코팅층은 상기 외층의 고분자 수지에서 설명한 바와 같다.
또한, 상기 그라파이트 시트는 피치 20 ㎛ 내지 200 ㎛ 및 폭 60 ㎛ 내지 200 ㎛의 격자 구조를 포함할 수 있다.
도 8 및 9를 참조하면, 상기 그라파이트 시트는 위사와 경사가 직조된 직물 형태의 표면 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 위사(A) 및 상기 경사(B)는 그 폭(d1, d2)이 각각 20 ㎛ 내지 200 ㎛, 30 ㎛ 내지 170 ㎛, 또는, 50 ㎛ 내지 170 ㎛일 수 있다. 또한, 상기 위사(A) 및 상기 경사(B)는 그 피치(P1, P2)가 각각 20 ㎛ 내지 200 ㎛, 30 ㎛ 내지 170 ㎛, 또는 50 ㎛ 내지 170 ㎛일 수 있다.
또한, 상기 그라파이트 시트의 표면 구조는 위사(A) X 경사(B)가 80 내지 130 X 100 내지 150 count/inch를 만족할 수 있다. 예를 들어, 상기 그라파이트 시트의 표면 구조는 위사(A) X 경사(B)가 130 X 150 count/inch, 100 × 120 count/inch, 또는 80 X 100 count/inch를 만족할 수 있다.
상기 그라파이트 시트는 전술한 표면 구조를 가짐으로써 표면에 소정의 조도를 가질 수 있다. 구체적으로, 도 8을 참조할 때, 상기 그라파이트 시트의 표면은 상기 위사(A) 및 상기 경사(B)가 중첩되는 부분(C)과 중첩되지 않는 부분(D) 사이의 단차가 발생하게 된다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트의 표면 조도(Ra)는 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다(도 10 참조). 보다 구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 표면 조도(Ra)가 1㎛ 내지 8㎛, 또는 2㎛ 내지 6㎛일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트의 두께는 0.01 mm 내지 1 mm이다. 구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 두께가 0.01 mm 내지 0.5 mm, 0.01 mm 내지 0.2 mm, 0.01 mm 내지 0.1 mm, 또는 0.05 mm 내지 0.1 mm일 수 있다. 그라파이트 시트의 두께가 상기 범위 내일 때, 열용량 측면에서 유리할 수 있다.
상기 그라파이트 시트는 5 mm의 곡률 반경(R), 180도의 절곡 각도, 0.98 N의 하중 및 90 회/분의 절곡 속도 조건에서 수행한 MIT 굴곡성 시험 결과, 파단되기까지의 왕복 절곡 횟수가 10,000회 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 상기 MIT 굴곡성 시험 결과, 파단되기까지의 왕복 절곡 횟수가 10,000 내지 20,000 회, 10,000 내지 18,000 회, 또는 10,000 내지 15,000 회일 수 있다.
상기 그라파이트 시트는 50℃에서의 비열이 0.5 J/gK 내지 1.0 J/gK, 0.5 J/gK 내지 0.9 J/gK, 0.6 J/gK 내지 0.9 J/gK, 또는 0.7 J/gK 내지 0.9 J/gK일 수 있다. 상기 그라파이트 시트의 밀도는 0.5 g/㎤ 내지 2.5 g/㎤, 0.5 g/㎤ 내지 2.0 g/㎤, 또는 0.8 g/㎤ 내지 2.0 g/㎤일 수 있다.
탄성 시트
상기 탄성 시트는 고분자 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄성 시트는 비닐계 고분자를 포함할 수 있다.
상기 비닐계 고분자는 폴리비닐 부티랄 및 에틸렌-비닐 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 비닐계 고분자는 폴리비닐 부티랄 또는 에틸렌-비닐 아세테이트일 수 있다.
상기 고분자 수지는 중량평균분자량이 100,000 g/mol 내지 500,000 g/mol, 100,000 g/mol 내지 300,000 g/mol, 또는 100,000 g/mol 내지 200,000 g/mol일 수 있다.
상기 탄성 시트의 두께는 0.5 mm 내지 1 mm, 1 mm 내지 3 mm, 또는 3 mm 내지 5 mm일 수 있다. 탄성 시트의 두께가 상기 범위 내일 때, 배터리 셀의 충전 및 방전시 발생하는 수축 및 팽창을 완충하여 배터리의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 탄성 시트는 0℃ 내지 50℃ 에서의 열팽창계수가 0.1 ppm/℃ 내지 0.5 ppm/℃이고, 온도 20℃ 및 주파수 50 ㎐ 내지 100 ㎐에서 동적 저장탄성률이 1 X 106 Pa 내지 3 X 107 Pa일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄성 시트는 0℃ 내지 50℃에서의 열팽창계수가 0.1 ppm/℃ 내지 0.3 ppm/℃, 또는 0.15 ppm/℃ 내지 0.3 ppm/℃이고, 온도 20℃ 및 주파수 50 ㎐ 내지 100 ㎐에서 동적 저장탄성률이 1 X 106 Pa 내지 2 X 107 Pa, 또는 1 X 106 Pa 내지 5 X 106 Pa일 수 있다.
상기 탄성 시트는 인장 강도(tensile strength)가 10 ㎫ 내지 50 ㎫, 10 ㎫ 내지 40 ㎫, 또는 10 ㎫ 내지 30 ㎫이고, 상기 파단 신도가 150% 내지 400%, 150% 내지 350%, 또는 200% 내지 300%일 수 있다. 또한, 상기 탄성 시트는 면 방향 및 두께 방향의 열전도도가 0.01 W/mK 내지 0.8 W/mK, 0.1 W/mK 내지 0.8 W/mK, 0.1 W/mK 내지 0.6 W/mK, 또는 0.1 W/mK 내지 0.5 W/mK일 수 있다.
상기 인장 강도 및 파단 신도는 JIS K 6771에 기재된 방법으로 측정된 것일 수 있다. 또한, 상기 열전도도는 ASTM F 433에 기재된 방법으로 측정된 것일 수 있다.
상기 방열 시트와 탄성 시트가 가열 및 가압에 의해 접착되어 층 간에 물리적 경계가 없을 수 있다. 상기 가열 및 가압은 100℃ 내지 150℃로 가열 및 0.1 ㎫ 내지 0.5 ㎫로 가압할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트는 I자형일 수 있다(도 4 및 도 7참조).
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트가 적어도 하나의 만곡부를 갖는 형태일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트는 L자형 또는 U자형일 수 있다(도 5 및 도 6 참조).
배터리 셀 모듈
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 하우징; 상기 하우징 내에 병렬로 배치되는 복수의 배터리 셀; 및 상기 복수의 배터리 셀 사이에 개재되는 방열 시트;를 포함하고, 상기 방열 시트가 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함한다.
하우징
하우징은 복수의 배터리 셀 및 방열시트를 고정시키기 위한 것이다. 예를 들어, 상기 하우징은 알루미늄과 같은 금속 소재 또는 PC+ABS, PA, PP 등의 플라스틱 소재로서, 난연성, 내화학성, 절연성, 내구성 등의 기능이 있는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
배터리 셀
일 구현예에 따르면, 복수의 배터리 셀은 하우징 내에 병렬로 배치된다. 구체적으로, 요구되는 전력의 크기에 따라 배터리 셀의 개수가 결정되므로, 배터리 셀이 많이 배치될수록 많은 전력량을 공급할 수 있다.
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 종래의 금속 소재가 아닌 그라파이트 시트를 포함함으로써, 금속 소재에 비하여 부피가 작다. 따라서, 종래의 배터리 셀 모듈과 동일한 공간에서 배터리 셀의 장착수량을 늘릴 수 있으므로, 배터리 셀 모듈의 전력량을 증가시킬 수 있다. 나아가, 금속 소재에 비하여, 가볍고 유연한 장점이 있다.
방열 시트
상기 방열 시트는 상기 복수의 배터리 셀 사이에 개재되며, 그라파이트 시트 및 탄성 시트를 포함한다.
상기 그라파이트 시트 및 탄성 시트에 대한 설명은 전술한 바와 동일하다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층은 일면 또는 양면 접착층이고, 상기 제2 접착층이 양면 접착층일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층에 의해 상기 배터리 셀과 상기 방열 시트가 접착될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층이 절연성 및 방열성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 접착층이 절연성 및 방열성을 가질 경우, 방열 시트의 방열성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 접착층은 AC 2.0 kV 내지 3.5 kV에서 0.04 mA 이하의 누설전류를 견딜 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 상기 방열 시트의 면 방향의 열 전도도는 800 W/mK 내지 2,000 W/mK이다. 구체적으로, 900 W/mK 내지 2,000 W/mK, 1,000 W/mK 내지 1,800 W/mK, 1,200 W/mK 내지 2,000 W/mK 또는 1,200 W/mK 내지 1,800 W/mK일 수 있다.
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 상기 하우징의 적어도 일면에 방열판을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 배터리 셀 모듈은 상기 하우징의 하부에 방열판을 더 포함할 수 있고, 상기 방열 시트는 상기 방열판에 고정될 수 있다.
상기 방열판은 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 소재를 사용한 것으로, 내부에 냉각수가 흐르는 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 상기 하우징과 상기 방열판 사이에 열전달 물질층을 더 포함할 수 있다.
상기 열전달 물질층은 하우징의 하부에 위치하며, 배터리 셀로부터 이동된 열을 하부의 방열판으로 이동시키는데 효과적이다. 예를 들어, 상기 열전달 물질층은 아크릴계 수지, 실리콘계 수지 또는 우레탄계 수지를 포함할 수 있고, 방열 성능 측면에서 볼 때, 실리콘계 수지가 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 상기 방열판이 복수의 오목부를 포함하며, 상기 오목부에 상기 방열 시트가 위치할 수 있다(도 7 참조). 구체적으로 상기 오목부에 상기 방열 시트의 제1 접착층, 그라파이트 시트 및 제2 접착층이 위치할 수 있다.
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 상기 하우징 내부에 갭 필러(gap filler)를 더 포함할 수 있다(도 4 내지 7 참조).
도 4 내지 도 7은 구현예에 따른 배터리 셀 모듈의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4에는 상기 하우징 내부에 복수의 배터리 셀이 병렬로 배치되고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 I자형의 방열 시트가 개재되며, 상기 방열 시트는 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함하고, 상기 방열 시트 및 배터리 셀의 하부에 공극을 제거해주는 갭 필러가 구비되며, 상기 하우징의 하부에 열전달 물질층 및 방열판이 구비된 배터리 셀 모듈이 예시되어 있다.
도 5에는 상기 하우징 내부에 복수의 배터리 셀이 병렬로 배치되고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 L자형의 방열 시트가 개재되며, 상기 방열 시트는 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함하고, 상기 방열 시트 중 탄성 시트의 하부에 공극을 제거해주는 갭 필러가 구비되며, 상기 하우징의 하부에 열전달 물질층 및 방열판이 구비된 배터리 셀 모듈이 예시되어 있다.
도 6은 상기 하우징 내부에 복수의 배터리 셀이 병렬로 배치되고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 U자형의 방열 시트가 개재되며, 상기 방열 시트는 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함하고, 상기 방열 시트 중 탄성 시트의 하부에 공극을 제거해주는 갭 필러가 구비되며, 상기 하우징의 하부에 열전달 물질층 및 방열판이 구비된 배터리 셀 모듈이 예시되어 있다.
도 7은 상기 하우징 내부에 복수의 배터리 셀이 병렬로 배치되고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 I자형의 방열 시트가 개재되며, 상기 방열 시트는 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함하고, 상기 방열 시트 및 배터리 셀의 하부에 공극을 제거해주는 갭 필러가 구비되며, 상기 방열판에 구비된 오목부에 상기 상기 방열 시트의 제1 접착층, 그라파이트 시트 및 제2 접착층이 위치한 배터리 셀 모듈이 예시되어 있다.

Claims (18)

  1. 탄성 시트;
    상기 탄성 시트 상에 구비된 제2 접착층;
    상기 제2 접착층 상에 구비된 그라파이트 시트; 및
    상기 그라파이트 시트 상에 구비된 제1 접착층;을 포함하고,
    상기 그라파이트 시트의 표면적이 상기 제1 접착층의 표면적보다 작고,
    상기 그라파이트 시트가 흑연화된 섬유를 포함하는 내층과 흑연 외층을 포함하고,
    상기 탄성 시트가 폴리비닐 부티랄 및 에틸렌-비닐 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 비닐계 고분자를 포함하는, 적층체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트의 표면적이 상기 제2 접착층 및 상기 탄성 시트의 표면적보다 작은, 적층체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트가 상기 제1 접착층, 상기 제2 접착층 및 상기 탄성 시트에 의해 밀봉되어 외부로 노출되지 않는, 적층체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접착층이 일면 또는 양면 접착층이고, 상기 제2 접착층이 양면 접착층인, 적층체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접착층 및 제2 접착층의 두께가 각각 0.005 mm 내지 0.1 mm인, 적층체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트의 두께가 0.5 mm 내지 1 mm인, 적층체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트의 표면 조도(Ra)가 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛인, 적층체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트가 I자형인, 적층체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트가 적어도 하나의 만곡부를 갖는 형태인, 적층체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트가 L자형 또는 U자형인, 적층체.
  11. 하우징;
    상기 하우징 내에 병렬로 배치되는 복수의 배터리 셀; 및
    상기 복수의 배터리 셀 사이에 개재되는 방열 시트;를 포함하고,
    상기 방열 시트가 탄성시트, 상기 탄성 시트 상에 구비된 제2 접착층, 상기 제2 접착층 상에 구비된 그라파이트 시트 및 상기 그라파이트 시트 상에 구비된 제1 접착층을 포함하는 적층체를 포함하고,
    상기 그라파이트 시트의 표면적이 상기 제1 접착층의 표면적보다 작고,
    상기 그라파이트 시트가 흑연화된 섬유를 포함하는 내층과 흑연 외층을 포함하고,
    상기 탄성 시트가 폴리비닐 부티랄 및 에틸렌-비닐 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 비닐계 고분자를 포함하는, 배터리 셀 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 접착층에 의해 상기 배터리 셀과 상기 방열 시트가 접착되는, 배터리 셀 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 접착층이 절연성 및 방열성을 갖는, 배터리 셀 모듈.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 방열 시트의 면 방향의 열전도도가 800 W/mK 내지 2,000 W/mK 인, 배터리 셀 모듈.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 하우징의 적어도 일면에 방열판을 더 포함하는, 배터리 셀 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하우징과 상기 방열판 사이에 열전달 물질층을 더 포함하는, 배터리 셀 모듈.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 방열판이 복수의 오목부를 포함하며, 상기 오목부에 상기 방열 시트가 위치하는, 배터리 셀 모듈.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 하우징 내부에 갭 필러(gap filler)를 더 포함하는, 배터리 셀 모듈.
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