KR20240052339A - 모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈 - Google Patents
모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 이차전지 모듈용 흡열팩 및 이를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것으로, 상기 흡열팩은 파우치 내부에 물이 함침된 고흡수성 매트를 포함하고 상기 고흡수성 매트와 파우치 사이에 열분산 기재가 삽입된 구조를 가짐으로써, 모듈 내부에서 발열이 발생하는 경우 주변의 많은 열량을 흡수할 수 있으므로, 이를 이차전지 모듈에 구비하는 경우 이차전지의 주변 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 흡열팩의 고흡수성 매트릭스는 주변의 열 에너지에 균일하게 노출되어 모듈 내부의 발열로 인한 흡열팩의 손상을 방지할 수 있으므로 상기 흡열팩은 모듈 내부 온도 제어를 보다 안정적으로 수행할 수 있으며, 이를 통해 주변 온도에 따른 이차전지의 성능 및 안정성을 개선할 수 있다.
Description
본 발명은 이차전지 모듈 내부의 온도가 상승하는 경우 열 에너지를 균일하게 흡수하여 내부 온도 변화가 크지 않도록 조절할 수 있는 이차전지 모듈용 흡열팩 및 이를 포함하여 모듈 내부의 온도 변화에 대한 안정성이 향상된 이차전지 모듈에 관한 것이다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 적용되고 있다.
이차전지는 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극 조립체와 전해액을 포함하고, 이들을 보호하는 다층 외장재를 몸체로 포함하고, 이러한 이차전지는 복수의 셀을 장착한 전지 모듈 형태로 사용될 수 있다.
그러나, 이러한 이차전지는 주변의 온도 변화에 민감하여 전기적 성능과 안전성이 많이 좌우될 수 있다.
하나의 예로서, 이차전지에 구비된 전극 조립체는 충전 및 방전의 과정을 거치면서 발열이 발생하게 되는데, 이러한 발열은 이차전지 셀의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 이차전지 셀 자체의 온도를 상승시켜 셀의 폭발을 유도할 수 있다. 셀의 폭발은 주변의 다른 이차전지 셀에 높은 온도와 압력을 제공하여 연쇄적인 이차전지 셀의 폭발로 이어지는 문제가 야기시킬 수 있다.
이차전지의 열 폭주 상황에서 인접 셀로의 열전도를 억제하기 위하여 종래 열 폭주 방지시트에 대한 기술이 개발되었다. 그 예로서, 열 전도성 첨가제를 포함하는 카트리지를 배터리 모듈 내에 구비함으로써 열 전달 효율을 향상시키는 기술이 개발된 바 있다. 그러나, 이와 같은 종래기술은 전지 구동 시에 발생되는 열의 냉각을 위한 것으로서, 셀 폭발과 같은 열 폭주 상황에서는 기능하지 못하는 문제가 있다. 또한, 이차전지 모듈 내부에서 발생된 열을 흡수하여 주변 온도는 낮추는 냉각 부재를 포함하는 기술이 개발된 바 있다. 그러나, 실제 열 폭주는 모듈에 장착된 특정 셀의 발열로 인해 발생하는 경우가 많은데, 이 경우 상기 냉각 부재는 셀에서 발생된 열을 균일하게 흡수하지 어려우므로 열 흡수 과정에서 냉각 부재의 손상이 유도되고, 이에 따라 내부 열을 충분히 흡열하지 못하는 한계가 있다.
따라서, 이차전지를 포함하는 이차전지 모듈에 있어서, 모듈 내부의 온도, 즉 이차전지의 주변 온도가 전지의 열 폭주를 유도하는 고온/발열 조건일 때는 주변 온도가 효과적으로 균일하게 흡수하여 모듈 내부의 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
이에, 본 발명의 목적은 이차전지 모듈 내부의 발열 발생 시 발생된 열을 균일하게 흡수함으로써 모듈 내부의 급격한 온도 변화를 억제할 수 있는 기술을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
고흡수성 매트릭스;
상기 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 배치되는 열분산 기재; 및
상기 열분산 기재가 배치된 고흡수성 매트릭스가 삽입되는 파우치를 포함하고,
상기 고흡수성 매트릭스는 물에 함침된 상태이며,
상기 열분산 기재는 하기 식 1을 10 내지 500으로 만족하는 금속 시트를 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩을 제공한다:
[식 1]
Tpack/Tsheet
상기 식 1에서,
Tpack는 흡열팩의 평균 두께(단위: ㎛)를 나타내고,
Tsheet는 금속 시트의 평균 두께(단위: ㎛)를 나타낸다.
이때, 상기 금속 시트는 5㎛ 내지 30㎛의 평균 두께를 가질 수 있으며, 50 kcal/℃ 이상의 열 전도율을 갖는 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 열분산 기재는 고흡수성 매트릭스의 표면을 70% 이상 커버할 수 있다.
아울러, 상기 고흡수성 매트릭스는 표면에 열분산 기재가 배치되어 파우치와 직접 맞닿는 면적이 고흡수성 매트릭스 전체 면적의 30% 이하일 수 있다.
또한, 상기 고흡수성 매트릭스는 고흡수성 수지(SAP) 또는 고흡수성 섬유(SAF)의 형태를 가질 수 있다.
이와 더불어, 상기 고흡수성 매트릭스는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리비닐구아니딘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수지를 포함할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 수지와 함께 내부에 열 전도성 필러를 더 포함할 수 있다.
이러한 고흡수성 매트릭스는 10 g/g 내지 500 g/g의 물을 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
하우징 부재;
상기 하우징 부재 내에 삽입되는 복수의 전지 셀; 및
상기 복수의 전지 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 본 발명에 따른 흡열팩을 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.
여기서, 상기 복수의 전지 셀은 n열(단, n≥2)로 정렬 배치될 수 있으며, 이 경우, 흡열팩은 배치된 전지 셀들이 이루는 열들 사이에 배치될 수 있고, 및/또는 배치된 전지 셀들이 구성하는 열의 외측면과 하우징 부재 사이 공간에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈용 흡열팩은 파우치 내부에 물이 함침된 고흡수성 매트를 포함하고 상기 고흡수성 매트와 파우치 사이에 열분산 기재가 삽입된 구조를 가짐으로써, 모듈 내부에서 발열이 발생하는 경우 주변의 많은 열량을 흡수할 수 있으므로, 이를 이차전지 모듈에 구비하는 경우 이차전지의 주변 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 흡열팩의 고흡수성 매트릭스는 주변의 열 에너지에 균일하게 노출되어 모듈 내부의 발열로 인한 흡열팩의 손상을 방지할 수 있으므로 상기 흡열팩은 모듈 내부 온도 제어를 보다 안정적으로 수행할 수 있으며, 이를 통해 주변 온도에 따른 이차전지의 성능 및 안정성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지 모듈의 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 이차전지 모듈의 내부 가열 후 분해된 실시예의 흡열팩을 촬영한 이미지이다.
도 3은 이차전지 모듈의 내부 가열 후 분해된 비교예의 흡열팩을 촬영한 이미지이다.
도 2는 이차전지 모듈의 내부 가열 후 분해된 실시예의 흡열팩을 촬영한 이미지이다.
도 3은 이차전지 모듈의 내부 가열 후 분해된 비교예의 흡열팩을 촬영한 이미지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이차전지용 흡열팩
본 발명은 일실시예에서,
고흡수성 매트릭스;
상기 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 배치되는 열분산 기재; 및
상기 열분산 기재가 배치된 고흡수성 매트릭스가 삽입되는 파우치를 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩을 제공한다.
본 발명에 따른 흡열팩은 이차전지 모듈의 내부에 삽입되는 부품으로써 물이 내부에 함침된 고흡수 매트릭스가 파우치에 삽입된 구조를 갖는다.
이때, 상기 고흡수성 매트릭스는 물이 함침된 상태를 가짐으로써 흡열팩 주변의 온도 조건, 즉 흡열팩이 장착되는 이차전지 모듈의 내부 온도 조건에 따라 다량의 열 에너지를 흡수할 수 있다. 구체적으로, 상기 물은 고흡수성 매트릭스 내부에 함침되어 있다가 파우치 외부 온도가 상승하면, 기화되면서 고흡수성 매트릭스와 분리된다. 이때, 상기 물은 기화되기 위하여 많은 열량이 요구되는데, 이를 충족시키기 위하여 파우치 주변의 열량을 흡수하게 되고, 이에 따라 모듈 내부의 발열 발생 시 내부 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 흡열팩은 고흡수성 매트릭스에 함침된 물이 균일하게 열량을 흡수할 수 있도록 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 열분산 기재가 배치될 수 있다.
상기 열분산 기재는 파우치 외부의 열을 고흡수성 매트릭스로 균일하게 전달함으로써 발생된 열이 흡열팩의 일부분에 집중되어 흡열팩이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
이를 위하여, 상기 열분산 기재는 열 전도율이 높은 금속 시트를 포함할 수 있으며, 상기 금속 시트는 50 kcal/℃ 이상의 열 전도율을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 금속 시트는 70 kcal/℃ 이상, 80 kcal/℃ 이상, 90 kcal/℃ 이상, 100 kcal/℃ 이상, 50 kcal/℃ 내지 400 kcal/℃, 70 kcal/℃ 내지 370 kcal/℃, 70 kcal/℃ 내지 150 kcal/℃, 100 kcal/℃ 내지 370 kcal/℃, 150 kcal/℃ 내지 200 kcal/℃, 또는 250 kcal/℃ 내지 350 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 금속을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 금속 시트는 196±3 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 알루미늄; 170±3 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 텅스텐; 320±3 kcal/℃의 열전도율을 갖는 구리; 77±3 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 니켈 등을 단독으로 포함하거나 병용할 수 있다.
또한, 상기 열분산 기재는 열 전도율이 높은 금속 시트를 포함하나, 실제 금속 시트를 통해 고흡수성 매트릭스에 전달되는 열은 고흡수성 매트릭스 표면 전반에 분산되어 전달되어야 하므로 금속 시트의 두께에 높은 의존성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 열분산 기재는 고흡수성 매트릭스로 파우치 주변(즉, 파우치 외부)의 열을 높은 효율로 전달하되, 보다 균일하게 분산시켜 전달하기 위하여 소정의 두께를 가질 수 있으며, 흡열팩으로 인한 이차전지 모듈의 에너지 밀도 저감과 열분산 기재에 포함된 금속 시트 자체의 열 전도 효율을 고려할 때 흡열팩과 일정한 두께 조건을 만족할 수 있다.
그 예로서, 상기 열분산 기재는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 가질 수 있으며, 열분산 기재를 포함하는 흡열팩의 평균 두께와의 두께 비율을 나타내는 하기 식 1을 10 내지 500으로 만족할 수 있다:
[식 1]
Tpack/Tsheet
상기 식 1에서,
Tpack는 흡열팩의 평균 두께(단위: ㎛)를 나타내고,
Tsheet는 금속 시트의 평균 두께(단위: ㎛)를 나타낸다.
구체적으로, 상기 식 1은 흡열팩의 평균 두께와 열분산 기재의 평균 두께의 비율로서 상기 비율을 소정의 범위를 만족하도록 함으로써 이차전지 모듈의 에너지 밀도가 저감되는 것을 방지하면서 내부의 고온 발생 시 흡열팩의 손상없이 효율적으로 열 에너지를 흡열팩으로 분산 및 흡수할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명의 열분산 기재는 상기 식 1을 10 내지 500으로 만족할 수 있으며, 구체적으로는 10 내지 400; 10 내지 300; 10 내지 200; 10 내지 100; 10 내지 50; 100 내지 300; 또는 100 내지 200으로 만족할 수 있다. 상기 열분산 기재는 식 1을 10 이상으로 만족함으로써 고흡수성 매트릭스의 함량이 저감되어 열 흡수 효율이 저감되는 것을 방지하는 한편, 식 1을 500 이하로 만족함으로써 열분산 기재의 얇은 두께로 인해 파우치 주변의 열이 고흡수성 매트릭스에 균일하게 분산되지 않고 흡열팩이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 상기 열분산 기재는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 5㎛ 내지 75㎛; 5㎛ 내지 50㎛; 5㎛ 내지 30㎛; 10㎛ 내지 30㎛; 또는 15㎛ 내지 25㎛의 평균 두께를 가질 수 있다.
본 발명은 열분산 기재의 평균 두께를 상기 범위로 조절함으로써 5㎛ 미만의 얇은 두께로 인해 파우치 주변의 열을 고흡수성 매트릭스에 균일하게 전달하지 못하여 흡열팩이 흡열 도중에 손상되는 것을 방지하는 한편, 100 ㎛를 초과하는 과도한 두께로 인해 열분산 기재의 열 전도율이 저감되는 것을 예방할 수 있다.
나아가, 상기 고흡수성 매트릭스는 파우치 주변의 열을 보다 균일하게 흡수하기 위하여 파우치와 직접 맞닿는 표면에 소정의 면적률을 만족하도록 열분산 기재를 배치할 수 있다.
구체적으로, 상기 열분산 기재는 고흡수성 매트릭스의 전체 표면을 70% 이상 커버하도록 배치될 수 있으며, 보다 구체적으로, 고흡수성 매트릭스의 전체 표면을 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상 또는 90% 이상 커버하도록 배치될 수 있다. 경우에 따라서, 상기 열분산 기재는 고흡수성 매트릭스 전면에 배치되어 고흡수성 매트릭스와 파우치가 직접 맞닿는 면적이 0%일 수 있다. 본 발명은 열분산 기재가 고흡수성 매트릭스의 표면을 커버하는 면적률을 상기 범위로 조절함으로써 파우치 주변 열이 고흡수성 매트릭스로 보다 균일하게 분산되게 할 수 있다.
한편, 앞서 언급된 바와 같이 상기 고흡수성 매트릭스는 흡열팩이 고온 조건에 노출되는 경우 내부에 함침된 물이 기화되어 분리된 형태를 가질 수 있으며, 이에 따라 상기 고흡수성 매트릭스가 삽입된 파우치는 팽창된 형태를 가질 수 있다.
이때, 상기 고흡수성 매트릭스는 물을 높은 효율로 흡수하기 위해 고흡수성 수지(super absorbent polymer, SAP) 또는 고흡수성 섬유(super absorbent fiber, SAF)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 고흡수성 수지(SAP)와 고흡수성 섬유(SAF)는 그 형태에 의해 구분될 수 있다. 예컨대, 고흡수성 수지(SAP)는 분말 형상을 가지며, 상기 고흡수성 섬유(SAF)는 선형을 가질 수 있다.
아울러, 상기 고흡수성 수지(SAP)와 고흡수성 섬유(SAF)는 이들을 구성하는 성분을 동일하거나 상이할 수 있다. 구체적으로, 상기 고흡수성 매트릭스는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리비닐구아니딘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있다.
하나의 예로서, 상기 고흡수성 매트릭스는 가교화된 폴리아크릴산 염, 가교화된 폴리아크릴산 및 가교화된 아크릴산 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 고흡수성 매트릭스로 사용되는 아크릴산 공중합체의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 아크릴산 단량체와 말레산, 이타콘산, 아크릴아미드, 2-아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산, 2-(메타)아크릴로일에탄술폰산, 2-히드록시에틸(메타)아크릴레이트 및 스티렌술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 공단량체를 포함하는 공중합체일 수 있다.
상기 성분은 친수성 관능기를 갖는 망상 구조를 갖는 물질들로서 물을 높은 효율로 흡수할 수 있으므로, 흡열팩이 흡열 또는 발열하는 효과가 균일하게 구현될 수 있다.
아울러, 상기 고흡수성 매트릭스는 물에 대한 흡수력이 일정 범위를 만족할 수 있다. 구체적으로, 상기 고흡수성 매트릭스는 물에 대한 흡수량이 10 g/g 내지 500 g/g, 구체적으로는 50 g/g 내지 200 g/g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이는, 상기 고흡수성 매트릭스 1 g당 물 10 g 내지 500 g, 바람직하게는 50 g 내지 200 g을 흡수할 수 있음을 의미하는 것으로서, 상기 고흡수성 매트릭스는 물에 대한 흡수량이 많을수록 냉각 효과의 지속 시간을 향상시킬 수 있으나, 500 g/g을 초과하면, 고흡수성 매트릭스의 유동성이 증가하여 형태를 유지하기 어려워 효과적인 냉각을 발휘할 수 없다. 또한, 상기 고흡수성 매트릭스의 물에 대한 흡수량이 10 g/g 미만이면, 파우치 외부 온도에 따라 흡수하는 열량이 현저히 낮아지므로 모듈 내부 온도가 급격히 변화하는 것을 억제하는 효과가 낮아 비효율적일 수 있다.
이와 더불어, 상기 고흡수성 매트릭스는 매트릭스 내부에 함침된 물에 열을 보다 잘 전달하기 위하여 내부에 열 전도성 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 열 전도성 필러는 열 전달 특성이 우수한 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 구체적으로는 무기 산화물 필러, 금속 수산화물 필러, 무기 탄화물 필러, 질화물 필러, 금속 필러 및 탄소 필러로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
여기서, 상기 무기 산화물 필러의 예로는 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 아연 또는 산화 규소 등을 들 수 있고; 상기 금속 수산화물 필러의 예로는 수산화 알루미늄 또는 수산화 마그네슘 등을 들 수 있으며; 상기 무기 탄화물 필러의 예로는 탄화 규소 등을 들 수 있고; 상기 질화물 필러의 예로는 질화알루미늄, 질화붕소 또는 질화규소 등을 들 수 있으며; 상기 금속 필러의 예로는 은, 구리, 아연, 철, 알루미늄, 니켈, 주석 또는 이들의 합금 등을 들 수 있고; 상기 탄소 필러의 예로는 카본 또는 그라파이트 등을 들 수 있다.
아울러, 상기 열전도성 필러는 그 형상이 특별히 제한되는 것은 아니나 고흡수성 매트릭스 내부에 열을 효과적으로 전달하기 위하여 비표면적이 높은 구상의 형태를 갖거나, 인접한 열 전도성 필러들과 열 네트워크를 형성할 수 있도록 침상 또는 섬유상의 형태를 가질 수 있다.
나아가, 상기 파우치는 내부에 삽입된 고흡수성 매트릭스로 외부 열을 잘 전달할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 파우치는 금속층으로 구성될 수 있고, 금속층 내측면에는 가교된 폴리올레핀계 수지를 포함하는 내부층을 포함할 수 있다.
상기 금속층은 흡열팩 외부의 열을 내부로 잘 전달할 수 있으면서 일정 이상의 강도를 가져 외력에 대한 저항성을 가질 수 있는 알루미늄 층 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부층은 금속층 내측면에 위치하여 고흡수성 매트릭스에 함침된 물과 파우치의 금속층이 반응하는 것을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 이를 위하여, 상기 내부층은 가교된 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있다. 가교된 폴리올레핀계 수지는 낮은 흡습성을 가져 고흡수성 매트릭스에 함침된 물의 침입을 억제할 수 있으므로 이로 인한 내부층의 팽창이나 침식이 발생되지 않을 수 있다. 여기서, 상기 폴리올레핀계 수지는 10~70%의 가교도를 가질 수 있으며, 구체적으로는 30~50%의 가교도를 가질 수 있다. 아울러, 상기 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 및 폴리에틸렌 (Polyethylene, PE)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있고, 상기 가교된 폴리올레핀계 수지는 구체적으로 가교된 폴리에틸렌, 가교된 폴리프로필렌, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 가교된 폴리프로필렌일 수 있다.
나아가, 상기 흡열팩은 모듈 내부 온도가 변화하는 것을 효과적으로 제어하기 위하여 일정한 두께 조건을 만족할 수 있다. 구체적으로, 상기 흡열팩은 0.1 mm 내지 50 mm의 두께를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.1 mm 내지 30 mm; 0.1 mm 내지 15 mm; 0.1 mm 내지 10 mm; 1 mm 내지 20 mm; 5 mm 내지 10 mm; 10 mm 내지 20 mm; 또는 1 mm 내지 5 mm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명은 흡열팩의 두께를 상기 범위로 조절함으로써 0.1mm 미만인 경우에는 지나치게 얇은 흡열팩의 두께로 인해 흡열팩 주변의 열 에너지 출입이 충분하지 않아 모듈 내부 온도가 급격히 변화될 수 있으며, 50 mm를 초과하는 경우에는 전지 모듈의 두께가 증가하여 에너지 밀도가 현저히 저감될 수 있다.
본 발명에 따른 흡열팩은 상술된 구성을 가짐으로써 모듈 내부에서 발열이 발생하는 경우 주변의 많은 열량을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 열량을 고흡수성 매트릭스에 균일하게 공급할 수 있으므로 모듈 내부의 발열로 인한 흡열팩의 손상을 방지할 수 있다. 따라서, 이를 이차전지 모듈에 구비하는 경우 이차전지의 주변 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 주변 온도에 따른 이차전지의 성능 및 안정성을 개선할 수 있다.
이차전지 모듈
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
이차전지와 상술된 본 발명에 따른 이차전지용 흡열팩을 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.
도 3은 본 발명에 따른 이차전지 모듈(1)의 구조를 나타낸 사시도로서, 도 3을 참고하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈(1)은 하우징 부재(10); 상기 하우징 부재 내에 삽입되는 복수의 전지 셀(20); 및 상기 복수의 전지 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 흡열팩(30)을 포함한다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈(1)은 복수의 전지 셀(20)을 포함하고, 이들 전지 셀과 함께 앞서 설명된 본 발명의 흡열팩(30)을 구비하여, 모듈 내부의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지할 수 있으므로 전지 셀(20)의 온도에 대한 안정성이 우수한 이점이 있다.
여기서, 상기 하우징 부재(10)는 복수의 상기 이차전지 셀(20)이 수용되는 배터리 모듈의 바디 역할을 수행하는 것이다. 또한, 상기 하우징 부재(10)는 복수의 전지 셀(20)이 수용되는 부재로서, 상기 전지 셀(20)을 보호하면서도 전지 셀(20)이 생성한 전기 에너지를 외부로 전달한다.
이를 위해서, 상기 하우징 부재(10)는 바닥부재(11) 및 측벽부재(12) 등으로 구성될 수 있다. 상기 바닥부재(11)는 상기 복수의 전지 셀(20)이 안착되며, 이렇게 안착된 상기 복수의 전지 셀(20)을 지지한다. 또한, 상기 바닥부재(11)와 전지 셀(20) 사이에는 히트 싱크(40)가 배치될 수 있으며, 상기 히트 싱크(40)는 전지 셀(20)에서 발생한 열을 바닥부재(11)로 전달하고, 바닥부재(11)는 히트 싱크(40)로부터 전달받은 열을 외부로 전달하여 냉각시키도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기 측벽부재(12)는 상기 하우징 부재(10)의 측부를 형성하는 것으로서, 상기 전지 셀(20)에서 발생한 열을 외부로 배출할 수도 있다.
상기 하우징 부재(10)는 추가로 상기 측벽부재(12)의 상단에 구비되는 커버부재(13)를 포함하여 전지 셀(20)의 상단부를 보호하게 구성될 수 있다. 또한, 상기 커버부재(13)와 전지 셀(20) 상단부 사이에는 가스 벤팅 부재(17)를 포함하여 충방전 시 전지 셀(20)로부터 발생된 가스들을 외부로 배출시킬 수 있다.
이와 더불어, 상기 하우징 부재(10)는 상기 측벽부재(12)와 이웃한 전방부재(14) 및 후방부재(15)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 복수의 전지 셀(20)의 측면을 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
나아가, 상기 하우징 부재(10)는 전지 셀(20)을 외부와 전기적으로 연결하는 버스바 부재(미도시) 등의 부가 구성을 구비할 수도 있다.
한편, 전지 셀(20)은 리튬 이차전지로서 적용될 수 있는 형태라면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 각형, 파우치형, 원통형 등의 형태를 가질 수 있다. 하나의 예로서, 상기 전지 셀(20)은 각형 또는 파우치형 리튬 이차전지일 수 있다.
또한, 상기 전지 셀(20)은 하우징 부재(10) 내에 삽입되되, 하우징 부재(10)의 측변 부재(12)와 대향하도록 n열(단, n≥2)로 정렬 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 전지 셀(20)은 측변 부재(12)와 대향하도록 2열 이상, 3열 이상 또는 2~4열로 정렬 배치될 수 있다.
이렇게 정렬 배치된 전지 셀(20)은 인접한 위치에 흡열팩(30)이 배칭될 수 있다. 하나의 예로서, 상기 흡열팩(30a)은 정렬 배치된 전지 셀(20)들의 외측면, 즉 하우징 부재(10)와 전지 셀(20)의 사이 공간에 배치될 수 있다.
다른 하나의 예로서, 전지 셀(20)들 사이에는 흡열팩(30b)이 삽입될 수 있다. 구체적으로, 상기 흡열팩(30b)은 하나의 열을 구성하는 개별 전지 셀(20)들 사이에 배치될 수 있으며, 경우에 따라서는 도 1에 나타낸 바와 같이 정렬된 전지 셀로 구성된 제1열(21a)과 제2열(21b)의 사이에 배치될 수 있다.
이와 같이, 전지 셀(20)에 인접한 위치에 흡열팩(30)이 배치됨으로써, 전지 셀(20)에 열이 발생하는 경우, 즉각적으로 열을 흡수할 수 있으므로 모듈 내부의 급격한 온도 변화를 방지할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 한정되는 것은 아니다.
실시예 1~4 및 비교예 1~3. 흡열팩의 제조
물을 고흡수성 섬유(성분: 아크릴산 공중합체) 1g 당 10g씩 함침시켰다. 그 후, 고흡수성 섬유의 양면에 열분산 시트로서 알루미늄(Al) 시트를 배치시켰다.
이와 별도로, 알루미늄층 및 상기 알루미늄층의 내측에 가교도 40±2%의 폴리에틸렌(PE)층을 포함하는 가로 10㎝ 및 세로 35㎝인 알루미늄 파우치를 준비하고, 준비된 알루미늄 파우치에 앞서 알루미늄(Al) 시트가 양면에 배치된 고흡수성 매트릭스를 삽입하고, 내부를 진공 상태로 바꾼 후 파우치의 투입구를 실링하여 흡열팩을 제작하였다.
이때, 금속 시트의 ① 평균 두께, ② 흡열팩의 평균 두께와 금속 시트의 평균 두께의 비율(Tpack/Tsheet) 및 ③ 금속 시트가 고흡수성 섬유의 전체 면적을 커버하는 비율(즉, 면적률)을 하기 표 1에 나타내었다.
| ① 평균 두께 [㎛] | ② Tpack/Tsheet | ③ 면적률 | |
| 실시예 1 | 20 | 150 | 100% |
| 실시예 2 | 20 | 150 | 80% |
| 실시예 3 | 20 | 150 | 50% |
| 실시예 4 | 100 | 30 | 100% |
| 비교예 1 | - | - | - |
| 비교예 2 | 1 | 3000 | 100% |
| 비교예 3 | 20 | 5 | 100% |
실험예.
본 발명에 따른 흡열팩에 따른 이차전지 모듈 내부의 온도 조절 효과를 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
가) 이차전지 모듈의 제작
이때, 상기 이차전지 모듈은 도 1에 나타낸 바와 같이 각 열당 10개의 이차전지 셀이 2열로 하우징 부재에 삽입하고, 전지 셀의 외측면과 각 열들 사이에 실시예 및 비교예에서 제조된 각각 흡열팩을 배치하였다.
또한, 상기 이차전지 모듈은 실험을 위한 모듈 내부의 온도를 조절하기 위하여, 이차전지 셀이 삽입된 2열 중 임의의 1열 하부에 히트 싱크 대신에 가열 수단인 히팅 패드를 도입하였으며, 모듈 측면 중 1면과 상면에 각각 온도 센서를 장착시켰다.
아울러, 모듈에 삽입되는 전지 셀은 양극 및 음극을 각각 40개씩 준비하고, 분리막으로서 상기 양극 및 음극보다 넓은 다공성 폴리에틸렌 분리막(가로 9.5㎝ Х 세로 34.5㎝, 평균 두께: 약 20㎛)을 120개 준비한 다음, 분리막-음극-분리막-양극-분리막의 스택용 단위셀을 40개 적층하여 가로 10㎝ × 세로 35㎝ Х 두께 1.6㎝의 각형 형태로 제작하였다. 이때, 각 전지 셀에 주입된 전해액은 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate, EC)와 에틸메틸 카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate, EMC)가 3:7의 부피비로 혼합된 유기 용매에 리튬 염으로서 LiPF6가 1M 농도로 첨가된 액상 전해질을 사용하였으며, 제작된 각 전지 셀은 만충된 상태로 하우징 부재에 삽입되었다.
나) 고온 조건에서의 안전성 평가
고온 조건에서의 안전성을 평가하기 위하여, 이차전지 모듈에 장착된 히팅 패드를 이용하여 5℃/min의 속도로 30분 동안 내부 온도를 상승시켰다. ⓐ 30분 동안 모듈 내부를 가열한 후 모듈 내부에 장착된 2개의 온도 센서를 이용하여 내부 온도를 측정하여 이들의 평균 온도를 모듈 내부 온도로 산출하였다. 또한, ⓑ 온도 측정이 완료되면 히팅 패드의 작동을 멈추고 모듈 내부를 상온으로 냉각시킨 다음, 모듈에 장착되었던 흡열팩을 분해하여 파우치에 삽입되었던 고흡수성 섬유의 손상 여부를 육안으로 평가하였다. 각 결과는 하기 표 2와 도 2 및 도 3에 나타내었으며, 고흡수성 섬유의 손상 여부는 손상이 있는 경우는 ○, 손상이 없는 경우는 X로 표시하였다.
| 모듈 내부 평균 온도 | 고흡수성 섬유의 손상여부 | |
| 실시예 1 | 105±1℃ | X |
| 실시예 2 | 110±1℃ | X |
| 실시예 3 | 125±1℃ | X |
| 실시예 4 | 115±1℃ | X |
| 비교예 1 | 150±1℃ | ○ |
| 비교예 2 | 140±1℃ | ○ |
| 비교예 3 | 145±1℃ | X |
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 흡열팩은 전지 모듈 내부의 급격한 온도 상승을 안정적으로 억제하는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 실시예의 흡열팩은 모듈 내부에 장착된 히팅 패드에 의한 내부 가열이 진행되면 그 열량을 흡수하여 모듈 내부의 온도가 약 130℃ 미만으로 유지시키는 것으로 확인되었다. 또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 실시예의 흡열팩은 파우치 내부에 삽입된 고흡수성 섬유가 파우치 주변의 열량을 균일하게 흡수하여 고흡수성 섬유의 내부 손상이 발생되지 않는 것으로 확인되었다.
이에 반해, 비교예의 흡열팩은 파우치와 고흡수성 섬유 사이에 금속 시트, 즉 알루미늄(Al) 시트가 배치되지 않거나 본 발명의 두께 조건을 만족하지 않아 모듈 내부의 열 에너지를 충분히 흡수하지 못할 뿐만 아니라, 도 3에 나타낸 바와 같이 열량 흡수 시 고흡수성 섬유와 파우치의 내부 손상이 모두 발생되어 흡열팩의 열 흡수가 안정적으로 수행되지 못하는 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 흡열팩은 고온 조건에서 모듈 내부의 열량을 다량 흡수하여 모듈 내부의 온도가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있으며, 상기 열량을 흡열팩 내부에 균일하게 흡수하므로 흡열 과정에서 흡열팩 손상을 방지할 수 있으므로 보다 안정적으로 모듈 내부의 온도를 제어할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
1: 이차전지 모듈
10: 하우징 부재 11: 바닥부재
12: 측벽부재 13: 커버부재
14: 전방부재 15: 후방부재
16: 격벽부재 17: 가스 벤팅 부재
20: 전지 셀 21: 전지셀이 정렬된 열
21a: 전지 셀이 정렬된 제1열
21b: 전지 셀이 정렬된 제2열
30: 흡열팩
30a: 전지 셀의 외측면에 배치된 흡열팩
30b: 전지 셀이 정렬된 복수의 열 사이에 배치된 흡열팩
40: 히트 싱크
10: 하우징 부재 11: 바닥부재
12: 측벽부재 13: 커버부재
14: 전방부재 15: 후방부재
16: 격벽부재 17: 가스 벤팅 부재
20: 전지 셀 21: 전지셀이 정렬된 열
21a: 전지 셀이 정렬된 제1열
21b: 전지 셀이 정렬된 제2열
30: 흡열팩
30a: 전지 셀의 외측면에 배치된 흡열팩
30b: 전지 셀이 정렬된 복수의 열 사이에 배치된 흡열팩
40: 히트 싱크
Claims (11)
- 고흡수성 매트릭스;
상기 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 배치되는 열분산 기재; 및
상기 열분산 기재가 배치된 고흡수성 매트릭스가 삽입되는 파우치를 포함하고,
상기 고흡수성 매트릭스는 물에 함침된 상태이며,
상기 열분산 기재는 하기 식 1을 10 내지 500으로 만족하는 금속 시트를 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩:
[식 1]
Tpack/Tsheet
상기 식 1에서,
Tpack는 흡열팩의 평균 두께(단위: ㎛)를 나타내고,
Tsheet는 금속 시트의 평균 두께(단위: ㎛)를 나타낸다.
- 제1항에 있어서,
금속 시트는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 갖는 이차전지 모듈용 흡열팩.
- 제1항에 있어서,
금속 시트는 50 kcal/℃ 이상의 열 전도율을 갖는 금속을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
- 제1항에 있어서,
열분산 기재는 고흡수성 매트릭스의 표면을 70% 이상 커버하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
- 제1항에 있어서,
고흡수성 매트릭스는 고흡수성 수지(SAP) 또는 고흡수성 섬유(SAF)인 이차전지 모듈용 흡열팩.
- 제1항에 있어서,
고흡수성 매트릭스는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리비닐구아니딘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수지를 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
- 제1항에 있어서,
고흡수성 매트릭스는 내부에 열 전도성 필러를 더 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
- 제1항에 있어서,
고흡수성 매트릭스는 10 g/g 내지 500 g/g의 물을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
- 하우징 부재;
상기 하우징 부재 내에 삽입되는 복수의 전지 셀; 및
상기 복수의 전지 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 제1항에 따른 흡열팩을 포함하는 이차전지 모듈.
- 제9항에 있어서,
복수의 전지 셀은 n열(단, n≥2)로 정렬 배치되고, 배치된 전지 셀들이 이루는 열들 사이에 흡열팩이 배치되는 이차전지 모듈.
- 제9항에 있어서,
복수의 전지 셀은 n열(단, n≥2)로 정렬 배치되고, 배치된 전지 셀들이 구성하는 열의 외측면과 하우징 부재 사이 공간에 흡열팩이 배치되는 이차전지 모듈.
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