KR20220113081A - 배터리용 단열 소자 - Google Patents

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박종철
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에어로젤 알앤디 피티이.엘티디.
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Abstract

일 실시예에 따른 배터리용 단열 소자는, 제1 홀을 포함하는 제1 커버층, 상기 제1 커버층의 일 면에 부착되며 제2 홀을 포함하는 제2 커버층, 그리고 상기 제2 커버층에서 상기 제1 커버층이 부착된 면의 반대면에 위치하는 제3 커버층을 포함하는 단열 소자이되, 상기 단열 소자 내부에 단열부를 포함하고, 상기 단열부는 기능성 충진재를 포함할 수 있다.

Description

배터리용 단열 소자 {THE INSULATION DEVICE FOR BATTERY}
본 발명은 전기자동차에 적용되는 배터리용 단열 소자에 관한 것이다.
최근에는 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 이차 전지를 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 구동용 전원 또는 전력 저장용 전원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이와 같이 하이브리드 자동차나 전기 자동차에는, 전기적으로 직렬 및/또는 병렬된 복수의 이차 전지를 포함하는 배터리 셀과 상기 배터리 셀을 복수 개 포함하는 배터리 모듈을 내부에 수용하는 배터리 팩 형태로 적용된다.
이러한 배터리 팩에서 주요 연구 과제 중의 하나는 배터리 팩의 안전성을 향상시키는데 있다. 예를 들면, 배터리 셀에서 내부 단락, 과충전 및 과방전 등에 의해 이차 전지가 발열되어 전해질 분해 반응과 열폭주 현상이 발생할 경우, 전지 내부의 압력이 급격히 상승하여 배터리 셀의 폭발이 유발될 수 있다.
이와 같이 배터리 셀에서 폭발이 유발되는 경우, 인접한 배터리 셀로 2차 발화 내지 폭발이 발생할 수 있고, 이러한 폭발은 단순히 배터리 셀이 파손되는 것 이외에 사용자에게 치명적인 피해를 가할 수 있다.
따라서, 배터리 모듈 및 배터리 팩의 안전성을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
본 실시예에서는 배터리 모듈 및 배터리 팩에 적용하여 효과적으로 단열 성능을 구현할 수 있는 배터리용 단열 소자를 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 배터리용 단열 소자는, 제1 홀을 포함하는 제1 커버층; 상기 제1 커버층의 일 면에 부착되며 제2 홀을 포함하는 제2 커버층; 그리고 상기 제2 커버층에서 상기 제1 커버층이 부착된 면의 반대면에 위치하는 제3 커버층;을 포함하는 단열 소자이되, 상기 단열 소자는 내부에 단열부를 포함하고, 상기 단열부는 기능성 충진재를 포함할 수 있다.
상기 단열부에 포함되는 기능성 충진재의 충진 밀도는 0.05g/cm3 내지 0.20g/cm3 범위일 수 있다.
상기 제1 커버층의 평균 두께는 10㎛ 내지 50㎛ 범위일 수 있다.
이때, 상기 제1 커버층은, 폴리 이미드(Polyimide, PI) 필름, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthanlate, PET) 필름, 시클로 올레핀 폴리머(Cyclo olefin polymer, COP) 필름, 미연신 폴리프로필렌(casting polypropylene, CPP) 필름 및 나일론 필름 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 커버층의 평균 두께는 10㎛ 내지 50㎛ 범위일 수 있다.
상기 제2 커버층은 알루미늄 및 운모 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제3 커버층의 평균 두께는 0.1mm 내지 1.5mm 범위일 수 있다.
다음, 상기 제3 커버층은 유리 섬유, 실리카 울, 미네랄 울, 세라믹 울, 그리고 직조 섬유 및 부직포 섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제3 커버층은 30g/m2 내지 200g/m2 범위의 밀도를 갖는 소재로 구성될 수 있다.
상기 단열 소자의 평균 두께는 4mm 이하일 수 있다.
본 실시예에서, 상기 단열 소자는, 상기 제1 커버층, 상기 제2 커버층 및 상기 제3 커버층을 포함하는 외장재를 2 이상 포함하고, 상기 2 이상 외장재는 상기 제2 커버층 테두리에 위치하는 밀봉부를 통해 부착된 것일 수 있다.
상기 밀봉부는 아크릴계 접착제, 실리콘계 접착제, 고무계 접착제, 폴리프탈레이트 접착제, PPA 접착제(acid modified polypropylene), 및 PEA 접착제 (acid modified polyethylene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 홀의 평균 직경은 15㎛ 이하일 수 있다.
또한, 상기 제1 커버층은 상기 제1 홀을 복수 개 포함하고, 상기 제1 홀 간의 간격은 0.5cm 이하일 수 있다.
상기 제2 홀의 평균 직경은 15㎛ 이하일 수 있다.
또한, 상기 제2 커버층은 상기 제2 홀을 복수 개 포함하고, 상기 제2 홀 간의 간격은 0.5cm 이하일 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀은 일체로 형성된 것일 수 있다.
한편, 상기 기능성 충진재는 에어로젤 분말, 흄드실리카 및 글라스 버블 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 에어로젤 분말은, 상기 기능성 충진재 100 중량부를 기준으로, 50 중량부 내지 100 중량부 범위로 포함될 수 있다.
상기 기능성 충진재의 평균 입경은 100㎛ 이하일 수 있다.
상기 단열부는 제1 첨가재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 첨가재는 이산화타이타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 수산화철(Fe2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 첨가재의 함량은, 상기 기능성 충진재 100 중량부에 대하여, 1 중량부 내지 20 중량부 범위일 수 있다.
상기 단열부는 제2 첨가재를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 첨가재는 마그네슘 하이드록사이드(Magnesium hydroxide, MDH), 알루미늄 하이드록사이드(Aluminum hydroxide, ATH), 붕산아연(Zinc Borate), GREP-EG(graphite), 및 삼산화안티모니(Antimony Trioxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 첨가재의 함량은, 상기 기능성 충진재 100 중량부에 대하여, 1 중량부 내지 20 중량부 범위일 수 있다.
다른 실시예에 따른 단열 소자는, 상기 제1 커버층, 상기 제2 커버층 및 상기 제3 커버층을 포함하는 외장재를 2 이상 포함하고, 상기 2 이상 외장재는 상기 제2 커버층 및 제3 커버층 사이에 위치하는 접착층을 통해 부착된 것일 수 있다.
이때, 상기 접착층은 폴리에스터 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리우레탄 필름, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 필름, 폴리올레핀 필름, 폴리아마드 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 및 아크릴레이트 필름 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 접착층은 제3 홀을 포함하고, 상기 제3 홀은 상기 제1 및 제2홀과 일체로 형성된 것일 수 있다.
실시예들에 따르면, 본 실시예에 따른 배터리용 단열 소자를 적용하는 경우 우수한 단열 성능을 갖는 배터리 모듈 및 배터리 팩을 구현할 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에서는 단열부에 바인더 없이 기능성 충진재를 고밀도로 충진시킴으로써 기능성 충진재 본연의 높은 단열 효과를 갖는 단열 소자를 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리용 단열 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 배터리용 단열 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 실시예 1에 따라 제조된 단열 소자에 대한 단열 성능 테스트 결과이다.
도 4는 실시예 2에 따라 제조된 단열 소자에 대한 단열 성능 테스트 결과이다.
도 5는 참고예 1에 따라 제조된 단열 소자에 대한 단열 성능 테스트 결과이다.
도 6은 참고예 2에 따라 제조된 단열 소자에 대한 단열 성능 테스트 결과이다.
도 7은 비교예 1에 대한 단열 성능 테스트 결과이다.
도 8은 비교예 2에 대한 단열 성능 테스트 결과이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리용 단열 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 실시예에 따른 배터리용 단열 소자(1000)는, 차례로 적층된 제1 커버층(10), 제2 커버층(30), 및 제3 커버층(30)을 포함한다.
제1 커버층(10)은 제1 홀(11)을 포함한다.
제2 커버층(20)은 상기 제1 커버층(10)의 일 면에 부착되고, 제2 홀(21)을 포함한다.
제3 커버층(30)은 제2 커버층(20)에서 제1 커버층(10)이 부착된 면의 반대 면에 위치한다.
이때 제3 커버층(30)은 제2 커버층(20)에 부착된 구조일 수도 있고, 부착되지 않은 구조일 수도 있다.
상기 단열 소자(1000)는 내부에 단열부(50)를 포함하고, 상기 단열부(50)는 기능성 충진재(60)를 포함한다.
본 실시예에서, 단열부(50)에 포함되는 기능성 충진재(60)의 충진 밀도는, 0.05g/cm3 내지 0.20g/cm3, 보다 구체적으로 0.10 g/cm3 내지 0.15 g/cm3 범위일 수 있다.
기능성 충진재의 충진 밀도가 0.05g/cm3을 만족하는 경우 우수한 단열 성능을 확보할 수 있다. 또한, 기능성 충진재의 충진 밀도가 0.15g/cm3를 초과하는 경우에는 단열 성능 향상 효과는 미미하면서 기능성 충진재의 사용량만 증가시키므로 생산 단가가 증가하여 경제성이 현저하게 떨어지는 문제점이 있다.
상기 제1 커버층(10)의 평균 두께는 10㎛ 내지 50㎛ 범위일 수 있고, 보다 구체적으로, 15㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 제1 커버층의 평균 두께가 50㎛ 를 초과하는 경우, 단열 성능에 더 유리한 효과가 나타나지 않으면서 제품의 두께만 증가시키는 문제점이 있다. 또한, 제1 및 제2 커버층에 형성된 제1 및 제2 홀이 다시 막히는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 제1 커버층의 평균 두께가 10㎛ 이하인 경우, 외부 충격으로부터 제2 커버층을 보호하지 못하는 문제점이 있다.
상기 제1 커버층(10)은, 본 실시예의 단열 소자를 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 하는 외부층일 수 있다. 제1 커버층은 예를 들면, 폴리 이미드(Polyimide, PI) 필름, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthanlate, PET) 필름, 시클로 올레핀 폴리머(Cyclo olefin polymer, COP) 필름, 미연신 폴리프로필렌(casting polypropylene, CPP) 필름, 및 나일론 필름 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 커버층(20)의 평균 두께는 10㎛ 내지 50㎛ 범위, 보다 구체적으로, 20㎛ 내지 40㎛ 범위일 수 있다. 제2 커버층의 평균 두께가 50㎛를 초과하는 경우, 단열 성능에 더 유리한 효과가 나타나지 않으면서 제품의 두께만 증가시키는 문제점이 있다. 또한, 제1 및 제2 커버층에 형성된 제1 및 제2 홀이 다시 막히는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 제2 커버층의 평균 두께가 10㎛ 미만인 경우, 단열 소자의 형태를 유지하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 외부 열로부터 제3 커버층과 기능성 충진재를 보호하기 어렵다.
상기 제2 커버층은 열과 화재를 차단하고, 단열 소자의 형태를 유지하는 역할을 한다. 제2 커버층은 예를 들면, 알루미늄 및 운모(MICA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음, 상기 제3 커버층(30)의 평균 두께는 0.1mm 내지 1.5mm 범위, 보다 구체적으로, 0.2mm 내지 1.0mm 범위일 수 있다. 제3 커버층의 평균 두께가 1.5mm 를 초과하는 경우, 기능성 충진재의 충진 공간이 줄어들어 2.0mm 이하로 평균 두께가 얇은 단열 소자를 구현하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 단열 소자의 전체 밀도가 증가하여, 배터리 팩의 무게를 가중시키게 된다.
또한, 제3 커버층의 평균 두께가 0.1mm 미만인 경우, 단열부에 충진되는 분말 형태의 기능성 충진재가 균등하게 유지되기 어렵다.
상기 제3 커버층은, 기본적으로 단열 성능을 구비하고 있는 소재로 구성된다. 따라서, 제3 커버층은 단열 소자의 단열 성능과 함께 그 형태를 유지하는 역할과 기능성 충진재가 균일하게 분포된 상태를 유지할 수 있는 내부 구조를 형성하는 역할을 한다.
제3 커버층은 예를 들면, 유리 섬유, 실리카울, 미네랄울, 세라믹울, 그리고 직조 섬유 및 부직포 섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이와 같이, 상기 제3 커버층은 내부 공극을 갖는 소재로 구성되는 바, 본 실시예에서 단열부에 충진되는 기능성 충진재는 상기 제3 커버층의 공극 내에 위치할 수 있다.
또한, 상기 제3 커버층은 30g/m2 내지 200g/m2 범위의 밀도, 보다 구체적으로 50g/m2 내지 130g/m2 범위의 밀도를 갖는 소재로 구성될 수 있다. 것일 수 있다. 제3 커버층의 밀도가 200g/m2을 초과하는 경우, 단열 소자의 전체 밀도가 높아져서 열전도가 상승해 단열효과가 저하될 수 있다. 또한, 배터리 팩의 무게를 가중시킬 수 있다.
또한, 제3 커버층의 밀도가 30g/m2 미만인 경우, 단열 소자의 형태를 유지하기에 충분하지 않고, 기능성 충진재가 균일하게 유지하는 역할을 수행하기 어렵다.
본 실시예에서, 상기 단열 소자의 평균 두께는 4mm 이하, 보다 구체적으로 1.0mm 내지 3.5mm 또는 1.5mm 내지 2.0mm 범위일 수 있다. 단열 소자의 평균 두께가 1.0mm 미만인 경우 단열 소자로서의 기능을 수행하기 어렵다. 또한, 단열 소자의 평균 두께가 4mm를 초과하는 경우, 배터리 팩에서 단열 소자가 차지하는 공간이 많아져서 배터리 팩의 에너지 밀도를 저하시키는 문제가 있다.
한편, 상기 단열 소자(1000)는, 상기 제1 커버층(10), 상기 제2 커버층(20) 및 상기 제3 커버층(30)을 포함하는 외장재(100)를 2 이상 포함하고, 상기 2 이상 외장재는 상기 제2 커버층(20) 테두리에 위치하는 밀봉부(40)를 통해 부착될 수 있다.
상기 밀봉부(40)는 예를 들면, 아크릴계 접착제, 실리콘계 접착제, 고무계 접착제, 폴리프탈레이트 접착제, PPA 접착제(acid modified polypropylene), 및 PEA 접착제 (acid modified polyethylene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음, 상기 제1 커버층(10)에서 제1 홀(11)의 평균 직경은 15㎛ 이하, 보다 구체적으로 1㎛ 내지 10㎛ 또는 5㎛ 내지 10㎛ 범위일 수 있다. 제1 홀의 평균 직경이 15㎛ 이하인 경우, 분말 형태의 기능성 충진재가 외부로 유출되는 것을 차단하고 통기성을 확보할 수 있다. 구체적으로 제1 홀은 열이 이동할 수 있는 통로 역할을 하기 때문에 단열 소자의 단열 효과를 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 제1 홀의 평균 직경이 1㎛ 미만인 경우 외부 충격으로 제1 홀이 쉽게 막힐 수 있으며, 통기성을 확보하기가 어려운 문제점이 있다.
상기 제1 커버층(10)은 제1 홀(11)을 복수 개 포함한다.
또한, 상기 제1 홀 간의 간격은 0.5cm 이하, 보다 구체적으로 0.3cm 내지 0.5cm 또는 0.35 cm 내지 0.4cm 범위일 수 있다. 제1 홀 간의 간격이 상기 범위를 만족하는 경우, 통기가 원활하게 되어 단열 소자가 외부 충격에 대해 압축 또는 원복하기가 용이하여 단열부의 형태를 유지하는데 유리하다.
상기 제2 홀의 평균 직경은 15㎛ 이하, 보다 구체적으로 1㎛ 내지 10㎛ 또는 5㎛ 내지 10㎛ 범위일 수 있다. 제2 홀의 평균 직경이 15㎛ 이하인 경우, 분말 형태의 기능성 충진재가 외부로 유출되는 것을 차단하고 통기성을 확보할 수 있다. 구체적으로 제2 홀은 열이 이동할 수 있는 통로 역할을 하기 때문에 단열 소자의 단열 효과를 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 제2 홀의 평균 직경이 1㎛ 미만인 경우 외부 충격으로 제1 홀이 쉽게 막힐 수 있으며, 통기성을 확보하기가 어려운 문제점이 있다.
상기 제2 커버층(20)은 제2 홀(21)을 복수 개 포함한다.
또한, 상기 제2 홀 간의 간격은 0.5cm 이하, 보다 구체적으로 0.3cm 내지 0.5cm 또는 0.35 cm 내지 0.4cm 범위일 수 있다. 제2 홀 간의 간격이 상기 범위를 만족하는 경우, 통기가 원활하게 되어 단열 소자가 외부 충격에 대해 압축 또는 원복하기가 용이하여 단열부의 형태를 유지하는데 유리하다.
본 실시예에서, 상기 제1 홀 및 상기 제2 홀은 일체로 형성된 것일 수 있다.
즉, 제1 커버층 및 제2 커버층이 부착된 상태에서 1회의 공정으로 통공된 제1 및 제2 홀을 형성할 수 있다.
한편, 상기 기능성 충진재(60)는 예를 들면, 에어로젤 분말, 흄드실리카 및 글라스 버블 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기능성 충진재(60)로 상기 에어로젤 분말을 충진하는 경우, 그 함량은 상기 기능성 충진재 100 중량부를 기준으로, 50 중량부 내지 100 중량부, 또는 80 중량부 내지 100 중량부 범위로 포함될 수 있다. 에어로젤 분말의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 단열 성능이 보다 향상된 단열 소자를 구현할 수 있다.
상기 기능성 충진재의 평균 입경은 100㎛ 이하, 보다 구체적으로 10㎛ 내지 80㎛, 또는 20㎛ 내지 50㎛범위일 수 있다. 기능성 충진재의 평균 입경이 상기 범위를 만족하는 경우, 단열부에서 기능성 충진재가 균등하게 분포될 수 있고, 제1 및 제2 커버층에 형성된 제1 및 제2 홀을 통해 외부로 유출되지 않는다.
본 실시예에서 상기 단열부(50)는 제1 첨가재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 첨가재는 이산화타이타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 수산화철(Fe2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 첨가재의 함량은, 상기 기능성 충진재 100 중량부에 대하여, 1 중량부 내지 20 중량부, 또는 5 중량부 내지 15 중량부 범위일 수 있다.
제1 첨가재의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 고온 환경에서도 단열 소자의 열 전도도가 증가되는 것을 억제하여 단열 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 단열부(50)는 제2 첨가재를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 첨가재는 마그네슘 하이드록사이드(Magnesium hydroxide, MDH), 알루미늄 하이드록사이드(Aluminum hydroxide, ATH), 붕산아연(Zinc Borate), GREP-EG(graphite), 및 삼산화안티모니(Antimony Trioxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 첨가재의 함량은, 상기 기능성 충진재 100 중량부에 대하여, 1 중량부 내지 20 중량부, 또는 3 중량부 내지 10 중량부 범위일 수 있다. 제2 첨가재의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우, 배터리 팩에 화재가 발생하는 경우 연소 과정 중에 제2 첨가재가 분해되어 물과 질소, 암모니아 또는 이산화탄소와 같은 비가연성 기체를 방출시켜 냉각 및 산소 희석 작용을 함과 동시에 물을 생성시켜 화재를 지연시킬 수 있다.
도 2에는 다른 실시예에 따른 배터리용 단열 소자를 개략적으로 나타낸 단면도를 나타내었다.
도 2를 참고하면, 다른 실시예에 따른 단열 소자(2000)는 제1 커버층(10), 제2 커버층(20) 및 제3 커버층(30)을 포함하는 외장재(100)를 2 이상 포함하고, 상기 2 이상 외장재(100)는 제2 커버층(20) 및 제3 커버층(30) 사이에 위치하는 접착층(70)을 통해 부착된 것일 수 있다.
이때, 상기 접착층(70)은 폴리에스터 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리우레탄 필름, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 필름, 폴리올레핀 필름, 폴리아마드 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 및 아크릴레이트 필름 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉 본 실시예의 단열 소자(2000)는 상기 접착층(70)을 매개로 열 융착 등의 방법을 이용하여 밀폐될 수 있다.
상기 접착층(70)은 제3 홀(71)을 포함하고, 상기 제3 홀(71)은 상기 제1 홀(11)및 제2 홀(21)과 일체로 형성된 것일 수 있다.
본 실시예에서 상기 접착층(70)을 제외한 다른 구성은 일 실시예에 따른 배터리용 단열 소자에서 도 1을 참고하여 설명한 것과 동일하다.
본 실시예에 따른 배터리용 단열 소자에서 전술한 구성 외의 나머지 구성은, 도 1을 참고하여 설명한 일 실시예의 배터리용 단열 소자에서 설명한 것과 동일하다. 따라서, 도 2에서는 동일한 도면 부호를 사용하였으며, 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
실시예 1
제1 커버층으로 두께 25㎛인 나일론 필름, 제2 커버층으로 두께 40㎛인 알루미늄 층, 제3 커버층으로 120g/m2 밀도 및 0.4mm 두께를 갖는 유리 섬유 매트(glass fiber chopped mat)를 준비하였다.
제1 및 제2 커버층을 부착시킨 후 3.5mm 간격으로 평균 직경이 10㎛인 제1홀 및 제2 홀을 제1 및 제2 커버에 형성하였다.
다음 제2 커버층에서 제1 커버층이 부착된 반대 면에 제3 커버층을 위치시킨 외장재를 두 개를 준비한 후 제2 커버층 테두리에 밀봉부를 형성하여 두 개의 외장재를 밀봉하였다.
다음 밀봉된 외장재 내부의 단열부에 에어로젤 분말의 밀도가 0.114 g/cm3가 되도록 충진하여 평균 두께가 2mm인 단열 소자를 제조하였다. 이때, 상기 에어로젤 분말의 평균 입경은 20㎛였다.
실시예 2
단열부에 에이로젤 분말의 밀도가 0.141 g/cm3가 되도록 충진한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단열 소자를 제조하였다.
참고예 1
단열부에 에이로젤 분말의 밀도가 0.057 g/cm3가 되도록 충진한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단열 소자를 제조하였다.
참고예 2
단열부에 에이로젤 분말의 밀도가 0.171 g/cm3가 되도록 충진한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 단열 소자를 제조하였다.
비교예 1
두께가 2mm인 운모(MICA) 시트를 준비하였다.
비교예 2
두께가 8mm인 유리 매트(E-glass mat)를 준비한 후 두께가 2mm가 되도록 압착하였다.
실험예 1
실시예 1 내지 2, 참고예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에 따라 제조된 단열 소자에 대하여, 단열 성능을 측정하였다.
구체적으로, Dulytek(US)사의 핫프레스(DHP7 V4 HYDRAULIC HEAT PRESS) 장비와 YOKOGAWA(JP)사의 템프레코더(FX1000)를 이용하였다.
상기 장비는 상부 핫 플레이트 및 하부 핫 플레이트를 포함하며, 상부 핫 플레이트는 200℃로 승온 시켜 유지하고, 하부 핫 플레이트는 25℃가 되도록 셋팅하였다.
다음, 상기 상부 플레이트 및 하부 플레이트 사이에 실시예 1 내지 2, 참고예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에 따른 단열 소자를 위치시킨 후 일정 시간이 경과한 다음 하부 핫 플레이트에 위치한 단열 소자의 온도를 측정하였다. 결과는 도 3 내지 도 8에 나타내었다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 실시예 1 및 2에 따른 단열 소자는 10분 후에도 하부 핫 플레이트에 위치한 단열 소자의 온도가 각각 48.9℃ 및 47.4℃로 50℃미만인 것을 확인할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 참고예 1 및 2에 따른 단열 소자는 10분 후 하부 핫 플레이트에 위치한 단열 소자의 온도가 각각 58.1℃ 및 54.7℃ 였다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 비교예 1 및 2에 따른 시트는 10분 후 하부 핫 플레이트에 위치한 단열 소자의 온도가 각각 66.3℃ 및 66.9℃ 였다.
즉, 단열부에 에어로젤 분말을 충진한 실시예 1 내지 2 및 참고예 1 내지 2에 따른 단열 소자는 비교예 1 및 2에 비해 단열 성능이 최소 13% 이상 상승하는 것을 확인할 수 있다.
특히, 에어로젤 분말의 충진 밀도가 0.05g/cm3 내지 0.15g/cm3 범위를 만족하는 실시예 1 내지 2의 경우는 에어로젤 분말이 충진되지 않은 비교예 1 및 2와 비교할 때, 최소 27% 이상 단열 성능이 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 2의 경우, 에어로젤 분말의 충진 밀도가 본 실시예의 범위를 벗어나는 참고예 1 및 2의 경우와 비교하여도 적어도 20% 이상 단열 성능이 향상된 것을 알 수 있다.
본 발명은 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1000, 2000: 배터리용 단열 소자
10: 제1 커버층
20: 제2 커버층
30: 제3 커버층
40: 밀봉부
50: 단열부
60: 기능성 충진재
100: 외장재

Claims (29)

  1. 제1 홀을 포함하는 제1 커버층;
    상기 제1 커버층의 일 면에 부착되며 제2 홀을 포함하는 제2 커버층; 그리고
    상기 제2 커버층에서 상기 제1 커버층이 부착된 면의 반대면에 위치하는 제3 커버층;
    을 포함하는 단열 소자이되,
    상기 단열 소자는 내부에 단열부를 포함하고,
    상기 단열부는 기능성 충진재를 포함하는 배터리용 단열 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단열부에 포함되는 기능성 충진재의 충진 밀도는 0.05g/cm3 내지 0.20g/cm3 범위인 배터리용 단열 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커버층의 평균 두께는 10㎛ 내지 50㎛ 범위인 배터리용 단열 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커버층은, 폴리 이미드(Polyimide, PI) 필름, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthanlate, PET) 필름, 시클로 올레핀 폴리머(Cyclo olefin polymer, COP) 필름, 미연신 폴리프로필렌(casting polypropylene, CPP) 필름 및 나일론 필름 중 적어도 하나를 포함하는 배터리용 단열 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 커버층의 평균 두께는 10㎛ 내지 50㎛ 범위인 배터리용 단열 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 커버층은 알루미늄 및 운모 중 적어도 하나를 포함하는 배터리용 단열 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3 커버층의 평균 두께는 0.1mm 내지 1.5mm 범위인 배터리용 단열 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3 커버층은 유리 섬유, 실리카 울, 미네랄 울, 세라믹 울, 그리고 직조 섬유 및 부직포 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 배터리용 단열 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    제3 커버층은 30g/m2 내지 200g/m2 범위의 밀도를 갖는 소재로 구성된 것인 배터리용 단열 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단열 소자의 평균 두께는 4mm 이하인 배터리용 단열 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 단열 소자는,
    상기 제1 커버층, 상기 제2 커버층 및 상기 제3 커버층을 포함하는 외장재를 2 이상 포함하고,
    상기 2 이상 외장재는 상기 제2 커버층 테두리에 위치하는 밀봉부를 통해 부착된 것인 배터리용 단열 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 밀봉부는 아크릴계 접착제, 실리콘계 접착제, 고무계 접착제, 폴리프탈레이트 접착제, PPA 접착제(acid modified polypropylene), 및 PEA 접착제 (acid modified polyethylene) 중 적어도 하나를 포함하는 배터리용 단열 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홀의 평균 직경은 15㎛ 이하인 배터리용 단열 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 커버층은 상기 제1 홀을 복수 개 포함하고,
    상기 제1 홀 간의 간격은 0.5cm 이하인 배터리용 단열 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 홀의 평균 직경은 15㎛ 이하인 배터리용 단열 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 커버층은 상기 제2 홀을 복수 개 포함하고,
    상기 제2 홀 간의 간격은 0.5cm 이하인 배터리용 단열 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 홀 및 상기 제2 홀은 일체로 형성된 것인 배터리용 단열 소자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 충진재는 에어로젤 분말, 흄드실리카 및 글라스 버블 중 적어도 하나를 포함하는 배터리용 단열 소자.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 에어로젤 분말은,
    상기 기능성 충진재 100 중량부를 기준으로, 50 중량부 내지 100 중량부 범위로 포함되는 것인 배터리용 단열 소자.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 충진재의 평균 입경은 100㎛ 이하인 배터리용 단열 소자.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 단열부는 제1 첨가재를 더 포함하는 배터리용 단열 소자.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 첨가재는 이산화타이타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 수산화철(Fe2O3), 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하는 배터리용 단열 소자.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제1 첨가재의 함량은, 상기 기능성 충진재 100 중량부에 대하여, 1 중량부 내지 20 중량부 범위인 배터리용 단열 소자.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 단열부는 제2 첨가재를 더 포함하는 배터리용 단열 소자.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제2 첨가재는 마그네슘 하이드록사이드(Magnesium hydroxide, MDH), 알루미늄 하이드록사이드(Aluminum hydroxide, ATH), 붕산아연(Zinc Borate), GREP-EG(graphite), 및 삼산화안티모니(Antimony Trioxide) 중 적어도 하나를 포함하는 배터리용 단열 소자.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 제2 첨가재의 함량은, 상기 기능성 충진재 100 중량부에 대하여, 1 중량부 내지 20 중량부 범위인 배터리용 단열 소자.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 단열 소자는,
    상기 제1 커버층, 상기 제2 커버층 및 상기 제3 커버층을 포함하는 외장재를 2 이상 포함하고,
    상기 2 이상 외장재는 상기 제2 커버층 및 제3 커버층 사이에 위치하는 접착층을 통해 부착된 것인 배터리용 단열 소자.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 접착층은 폴리에스터 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리우레탄 필름, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 필름, 폴리올레핀 필름, 폴리아마드 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 및 아크릴레이트 필름 중 적어도 하나를 포함하는 배터리용 단열 소자.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 접착층은 제3 홀을 포함하고,
    상기 제3 홀은 상기 제1 및 제2홀과 일체로 형성된 것인 배터리용 단열 소자.

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