KR101305122B1 - 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈 - Google Patents

배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 적정온도를 유지함과 동시에 배터리 셀의 부피변화에 대응 가능한 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 것으로, 밀폐형의 내부공간을 갖는 고열전도성 케이스와 이 케이스의 내부공간에 충진되는 상전이 복합재 및 상기 케이스의 상하 양측표면에 부착되는 탄성시트를 포함하여 구성되고, 상기 탄성시트는 고열전도성 필러를 함유한 열가소성 엘라스토머 복합재로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치를 제공한다.

Description

배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈 {Heat control pouch for battery cell module and battery cell module having the same}
본 발명은 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 적정온도를 유지함과 동시에 배터리 셀의 부피변화에 대응 가능한 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것이다.
전기자동차용 배터리는 고출력, 고속 및 반복 충전 등으로 인하여 발생하는 열로 인해 국부적인 온도 차이나 고열이 발생하게 되고, 이에 배터리의 효율 및 안정성을 저해하는 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생하게 되며, 이는 배터리 내부에서 발생되는 열보다 외부로의 열 방출 및 확산 능력이 부족하여 초래된다.
한편, 리튬이차 배터리는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 또는 수개를 직렬 연결하여 고출력의 하이브리드 자동차에 사용되는데, 니켈-카드뮴 배터리나 니켈-메탈 하이드라이드 배터리에 비하여 작동 전압이 3배 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성이 우수한 이점이 있다.
이러한 리튬이차 배터리는 다양한 형태로 제조 가능하며, 최근 유연성을 지닌 파우치 타입(pouched type)으로 제조되어서 그 형상이 비교적 자유롭다.
종래의 파우치형 리튬이차 배터리를 구성하는 배터리 셀은 배터리부와, 상기 배터리부가 수용되는 공간을 갖는 파우치형 케이스를 포함하고 있다. 상기 배터리부는 보통 양극판, 세퍼레이터(separator), 음극판 순으로 배치되어서 일방향으로 와인딩되거나, 또는 다수 장의 양극판, 세퍼레이터, 음극판이 복층 구조로 적층되어 구성된다. 또한, 상기 케이스는 성형성이 우수하여 자유자재로 구부림이 가능하게 구성된다.
이러한 파우치 타입의 배터리 셀은 충전 및 방전시 리튬 이온의 전극물질로의 인터칼레이션(Intercalation)과 디-인터칼레이션(deintercalation)에 의해 부피가 변화하게 된다(J.H. Lee et al. / Journal of Power Sources 119-121 (2003) 833-837 참조).
배터리 셀 내 전극판의 팽창으로 인한 세퍼레이터의 손상은 내부 저항의 발생과 함께 전압의 증가와 최종 배터리 용량의 심각한 감소 등을 초래하게 되는 문제가 있다.
또한, 종래의 배터리 시스템에서 배터리 셀의 부피가 증가할 경우, 배터리 셀 모듈 내 형성된 공기 냉각 유로가 축소되어 냉각 효과가 감소하게 되고 배터리 셀들이 인접하게 되며, 이에 따른 주변 배터리 셀의 온도 상승으로 배터리 셀 간 발열 현상이 가속화되어 배터리 성능의 급격한 저하를 초래하게 된다.
또한, 배터리 셀의 부피팽창이 심할 경우 배터리 셀의 케이스가 손상되어 내부의 전해액 누수 및 가스 분출 등의 위험이 있다.
또한, 배터리 셀 모듈은 다수의 배터리 셀(혹은 단위셀)을 적층시켜 구성됨으로, 배터리 셀의 부피팽창이나 가스 분출 혹은 폭발이 발생할 경우 인접한 셀에도 직접적인 손상을 가하게 되는 문제점이 있다.
또한, 배터리 셀 모듈의 셀 간 공기 냉각 유로는 효과적인 방열을 위해 필수적으로 형성되어야 하나, 통상 배터리 셀 사이마다 3㎜ 이상의 공간이 확보되어야 하므로 체적 대비 에너지밀도를 향상시키는데 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 파우치 타입 배터리 셀 모듈의 배터리 셀 사이에 개재되는 계면부품으로서 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 적정 온도를 유지함과 동시에 배터리 셀의 부피변화에 대응 가능한 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 것으로, 밀폐형의 내부공간을 갖는 고열전도성 케이스와 이 케이스의 내부공간에 충진되는 상전이 복합재 및 상기 케이스의 상하 양측표면에 부착되는 탄성시트를 포함하여 구성되고, 상기 탄성시트는 고열전도성 필러를 함유한 열가소성 엘라스토머 복합재로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치를 제공한다.
또한 본 발명은, 다수의 배터리 셀 및 상기 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 열 제어 파우치를 포함하여 구성되며, 상기 열 제어 파우치는 밀폐형의 내부공간을 갖는 고열전도성 케이스와 이 케이스의 내부공간에 충진되는 상전이 복합재 및 상기 케이스의 상하 양측표면에 부착되는 탄성시트를 포함하여 구성되고, 상기 탄성시트는 고열전도성 필러를 함유한 열가소성 엘라스토머 복합재로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈을 제공한다.
바람직하게, 상기 상전이 복합재는 상전이 소재에 고열전도성 필러가 분산 함유된 복합소재인 것으로, 상전이 소재 50 ~ 60 중량%와 고열전도성 필러 40 ~ 50 중량%로 혼합 조성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 고열전도성 케이스는 양측 가장자리에 핀 형상으로 가공 형성된 방열핀을 가지며, 상기 방열핀은 배터리 셀 모듈 간에 형성되는 공기유로 측으로 돌출되어 위치하도록 되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 방열핀은 냉각공기와 방열핀 간에 접촉률을 높이기 위해 배터리 셀 모듈 간 공기유로 내 냉각공기의 흐름 방향과 직각을 이루게 되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 탄성시트는 두께방향의 열전도도가 2W/mK 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성시트의 압축영구뒤틀림(compression set)은 10~25% 압축(compression)인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 엘라스토머 복합재는 열가소성 엘라스토머 소재 60 ~ 80 중량%와 고열전도성 필러 20 ~ 40 중량%로 혼합 조성된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 고열전도성 필러로는 그라파이트, 보론나이트라이드, 실리콘 카바이드, 및 알루미늄 나이트라이드 중 어느 하나가 사용되거나 혹은 둘 이상이 혼합 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치는 배터리 셀 사이에 층간 삽입되어, 배터리 셀의 적정한 작동온도 범위를 기준으로 배터리 셀의 온도 상승시 열을 흡수하고 온도 하강시 열을 방출하여 배터리 셀 모듈의 내부 온도를 적정하게 유지할 수 있는 동시에, 배터리 셀의 충전 및 방전시 나타나는 부피변화에 대응할 수 있다.
이에 본 발명에 따른 열 제어 파우치를 갖는 배터리 셀 모듈은 열 제어 성능이 개선됨은 물론, 체적 대비 에너지밀도가 향상된 컴팩트한 방열 시스템의 구현이 가능하며, 배터리 수명 및 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 제어 파우치를 갖는 배터리 셀 모듈을 개략적으로 도시한 사시도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치를 도시한 평면도 및 측면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치의 작동상태를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 모듈 간에 형성되는 공기유로를 나타낸 도면
도 5는 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈을 종래와 비교하여 도시한 개략적인 단면도
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
일반적으로 배터리 셀 모듈은 작동온도가 50℃ 이상으로 지나치게 높거나 0℃ 이하로 지나치게 낮은 경우 배터리의 수명에 악영향을 미치므로 배터리의 성능과 수명을 유지 확보하기 위해서는 적절한 온도 조절이 필수적이다.
본 발명의 열 제어 파우치는 배터리 셀 모듈의 열 제어를 위한 계면부품으로, 배터리 셀 모듈의 성능 저하를 방지하고 수명 및 안정성 확보를 위하여 일반적인 기후 조건에서는 우수한 방열성능을 지니면서 낮은 온도 환경에서는 적정 온도를 유지할 수 있고, 동시에 배터리 셀의 부피변화에 대응할 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치는 배터리의 성능 저하를 방지하기 위한 배터리 셀의 적정한 작동온도 범위를 기준으로, 배터리 셀의 온도 상승시 열을 흡수하고 온도 하강시 열을 방출하여 배터리 셀 모듈의 내부 온도를 적정하게 유지할 수 있는 열제어 성능을 가짐에 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치는 체적 대비 에너지밀도 향상을 위한 컴팩트한 배터리 시스템 설계에 도달하기 위해 충전 및 방전 등에 의해 발생하는 배터리 셀의 부피변화에 대응하기 위한 우수한 탄성 및 방열성능을 가짐에 특징이 있다.
이에, 본 발명의 열 제어 파우치는 파우치 타입의 배터리 셀들 사이에 삽입되어 배터리 셀의 충전 및 방전시 배터리 셀의 부피변화에 대응할 수 있도록 마련되며, 열전도도가 우수한 소재 및 구조를 이용하여 열제어 특성을 극대화시킬 수 있도록 구성된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열 제어 파우치(10)는 배터리 셀(20)들 사이에 층간 삽입되는 것으로, 밀폐형의 내부공간을 갖는 고열전도성 케이스(11)와 이 케이스(11)의 내부공간에 충진되는 상전이 복합재(12) 및 상기 케이스(11)의 상하 양측표면에 부착되는 탄성시트(14)를 포함하여 구성된다.
상기 고열전도성 케이스(11)는 열전도도가 우수한 알루미늄 소재로 된 것으로, 상판(11a)과 하판(11b)을 접합하여 내부공간을 갖는 형태로 형성될 수 있다.
보통 외부 온도가 낮은 환경에서는 배터리의 성능 저하를 방지하기 위해 배터리 시스템의 적정 온도 범위인 35 ~ 40℃를 유지해야 한다.
이에 상기 케이스(11)에는 상전이 특성을 통해 배터리 셀의 온도 상승시 열을 흡수하고 온도 하강시 열을 방출하여 배터리 내부 온도를 적정하게 유지할 수 있는 액상의 상전이 복합재(12)가 주입된다.
상기 상전이 복합재(12)는 상전이 소재(phase change material)에 고열전도성 필러가 분산 함유되어 있는 복합소재로서, 효과적인 상전이 반응을 일으키기 위해 열전도도가 높은 고열전도성 필러를 고충진하여 함유하고 있다.
상기 고열전도성 필러는 상전이 복합재(12)에 분산 함유됨으로써 상전이 복합재(12)의 매트릭스 소재인 상전이 소재 전체로의 열전달이 균일하고 효율적으로 일어나도록 하여 상전이 특성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 상전이 복합재(12)는 상전이 소재 50 ~ 60 중량%와 고열전도성 필러 40 ~ 50 중량%로 혼합하여 조성될 수 있다.
상기 상전이 복합재(12)에 고열전도성 필러가 40 중량% 미만으로 함유되면 효과적인 열전달을 이루지 못해 상전이 반응이 느려지고, 고열전도성 필러가 50 중량% 를 초과하여 함유되면 열용량이 현저히 낮아져 적절한 온도유지 기능을 발휘하기 어려워 바람직하지 못하다.
상기 상전이 소재로는 n-옥타데칸을 사용할 수 있고, 고열전도성 필러로는 열전도도가 우수한 그라파이트, 보론나이트라이드, 실리콘 카바이드, 알루미늄 나이트라이드 중 어느 하나를 사용하거나 혹은 둘 이상을 혼합 사용할 수 있다.
또한, 상기 고열전도성 케이스(11)의 양측표면(배터리 셀의 표면에 접하게 되는 표면임)에는 배터리 셀(20)의 부피변화에 대응하여 압축 및 복원가능한 탄성시트(14)가 적층 가압된다.
상기 탄성시트(14)는 배터리 셀(20)에서 방출되는 열을 케이스(11)에 전달하거나 또는 상전이 복합재(12)에서 방출되는 열을 배터리 셀(20)에 전달하기 위하여, 탄성 및 열전도성을 갖는 열가소성 엘라스토머 복합재로 형성된다.
구체적으로, 상기 탄성시트(14)는 열전도 특성을 향상하기 위해 열전도도가 우수한 고열전도성 필러와 우수한 그립성을 갖는 열가소성 엘라스토머(Thermoplastics Elastomer, TPE) 소재로 이루어진 복합소재 즉, 고열전도성 필러를 함유한 열가소성 엘라스토머 복합재로 형성된다.
상기 열가소성 엘라스토머 복합재는 그립성이 우수한 엘라스토머 소재를 매트릭스 소재로 이용함으로써 배터리 셀(20) 표면과의 계면에서 열전달 저항요인인 공극을 최소화하여 우수한 열전도 특성을 기대할 수 있다.
상기 열가소성 엘라스토머 복합재는 고열전도성 필러를 20 중량% 이상 함유하도록 조성되어 사출을 통해 제조되는 탄성시트(14)의 열전도도 값이 두께방향으로 2W/mK 이상이 되도록 한다.
상기 열가소성 엘라스토머 복합재는 엘라스토머 소재 60 ~ 80 중량%와 고열전도성 필러 20 ~ 40 중량%로 혼합 조성될 수 있다.
상기 엘라스토머 복합재에서 고열전도성 필러가 20 중량% 미만으로 함유되면 두께방향으로의 열전도도가 낮아져 케이스(11)로의 열전달이 어려워지고, 고열전도성 필러가 40 중량% 를 초과하여 함유되면 전체 중량 증가 및 소재의 기계적 물성저하를 야기하여 바람직하지 못하다.
상기 엘라스토머 복합재에 함유되는 고열전도성 필러로는 열전도도가 우수한 그라파이트, 보론나이트라이드, 실리콘 카바이드, 알루미늄 나이트라이드 중 어느 하나가 사용되거나 혹은 둘 이상이 혼합 사용될 수 있다.
상기 탄성시트(14)의 압축영구뒤틀림(compression set)은 10~25% 압축(compression)이다.
압축영구뒤틀림은 압축 응력이 제거된 후 시편에 남아있는 변형량으로 볼 수 있으며, 보통 원래 시편 크기에 대한 퍼센트로 표시된다. 다시 말해, 압축영구뒤틀림은 응력이 제거된 후 압축이 회복되지 않은 정도라고 볼 수 있다.
즉, 상기 탄성시트(14)는 배터리 셀(20)에 의해 가해진 압축 응력이 제거된 후 원래 탄성시트(14)의 75~90% 정도로 회복 가능하며, 이를 통해 배터리 셀(20)의 부피팽창에 대응하게 된다.
또한, 상기 탄성시트(14)는 배터리 셀(20)의 표면과 닿는 부분이 매끄러운 표면을 지니도록 하여 배터리 셀(20)과의 접촉면적을 최대화함으로써 열전달시 계면저항을 최소화하여 전도에 의한 효과적인 열전달 특성을 지닐 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 탄성시트(14)는 바인더(15)를 통해 케이스(11) 상에 부착될 수 있다. 상기 바인더(15)로는 통상의 접착제 등이 사용될 수 있으며, 상기 케이스(11)와 탄성시트(14) 간에 열전달을 방해하지 않는 소재가 사용된다.
한편, 상기 고열전도성 케이스(11)는 탄성시트(14)를 통해 전달된 배터리 셀(20)의 열을 효과적으로 방출하기 위하여, 양측 가장자리에 핀 형상으로 가공 형성되는 방열핀(13)을 갖는다.
상기 방열핀(13)은 일종의 히트싱크로서, 케이스(11)의 양측 가장자리에 비표면적을 증가시켜 공기냉각에 의한 방열성능을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 방열핀(13)은 열 제어 파우치(10)가 배터리 셀(20)들 간에 삽입됨에 있어, 배터리 셀(20)의 전극부(21)를 회피할 수 있도록 케이스(11)의 양측 가장자리에 형성되고, 또한 다수의 단위 배터리 셀 모듈(M1,M2)을 포함하여 구성되는 배터리 팩 단위에서 배터리 셀 모듈(M1,M2) 간에 형성되는 공기유로(F) 측으로 돌출되어 위치하게 된다.
이에 배터리 셀(20) 내부의 열이 탄성시트(14)를 통해 케이스(11)로 전달되고, 다시 온도구배를 따라 방열핀(13)으로 확산되어 배터리 셀 모듈 사이에 냉각풍에 의해 방출 및 냉각 가능하게 된다.
상기 배터리 셀 모듈(M1,M2) 간 공기유로(F)는 탄성시트(14)의 평판방향 및 방열핀(13)의 길이방향과 직각이 되도록 형성된다.
구체적으로는, 단위 배터리 셀 모듈(M1,M2) 사이에 공기유로(F)를 형성함에 있어, 공기유로(F)를 상기 탄성시트(14)의 평판방향과 직각을 이루도록 형성함으로써 공기유로(F) 내 냉각풍의 흐름방향이 탄성시트(14)의 평판방향 및 방열핀(13)의 길이방향과 직각을 이루게 되고, 이에 컨백션에 의한 방열효과를 증대시킬 수 있다.
이와 같이 방열핀(13)을 통해 공냉에 의한 방열효과를 얻음으로써 배터리 셀(20)의 전면적에서 발생하는 열을 케이스(11)의 양방향으로 이동시켜 열 이동 경로를 최소화하여 배터리 셀 모듈 내 국부적인 온도차를 감소시킬 수 있고, 이로써 배터리 셀 모듈 내 국부적인 온도차에 의한 안정성 저하 및 열화현상을 방지할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 열 제어 파우치(10)는 열전도도가 우수한 고열전도성 케이스(11)의 내부공간에 상전이 복합재(12)를 충진하고 탄성이 우수한 엘라스토머 복합재로 케이스(11)의 외층이 형성되어 배터리 셀(20) 사이에 개재됨으로써, 배터리 셀의 충전 및 방전시 부피변화에 대응하는 동시에, 케이스(11) 및 탄성시트(14)의 소재 자체의 우수한 열전도 특성과 고열전도성 필러를 함유한 상전이 복합재(12)의 효과적인 상전이 반응을 통해 배터리 셀 모듈의 적정 온도를 효과적으로 유지할 수 있게 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 열 제어 파우치(10)는 배터리 셀(20)에서 발생한 열원에 의해 온도구배가 발생하여 열 확산이 이루어지는데, 먼저 외층에 탄성시트(14)를 통해 열전달이 이루어지고, 탄성시트(14)를 통해 전달된 열은 케이스(11)에 전달된다.
이때, 케이스(11)에 전달된 일부 열은 열확산을 통해 방열핀(13)으로 이동하여 방출 및 냉각되고, 상기 케이스(11)를 통해 상전이 복합재(12)에 전달된 열은 흡수되어 상전이 복합재(12)를 융점이상으로 승온시켜 상전이 반응을 일으킨다.
상기 상전이 복합재(12)의 상전이 반응 후, 배터리 셀(20)에서 방출되어 열 제어 파우치(10)로 유입되는 열 중 상전이 복합재(12)로 이동되는 열은 흡수되지 못하고 다시 케이스(11)를 통해 방열핀(13)으로 확산 이동되어 방출 및 냉각된다.
그리고, 상기 상전이 복합재(12)에 흡수된 열은 차후 배터리 셀(20)의 작동온도가 적정범위 이하로 낮아지는 경우, 다시 방출되어 배터리 셀(20)이 적정온도를 유지할 수 있도록 배터리 셀(20)의 히팅에 사용된다.
이와 같이 본 발명의 열 제어 파우치(10)는 배터리 셀(20)의 온도 상승시 탄성시트(14) 및 케이스(11)를 통해 전달된 열이 상전이 복합재(12)에 흡수되어 액상의 상전이 복합재(12)를 기상으로 상전이하고, 배터리 셀(20)의 온도 하강시 상기 상전이 복합재(12)에서 방출되는 열을 배터리 셀(20)의 히팅에 사용함으로써 배터리 셀(20)의 내부 온도를 적정수준으로 유지 및 제어할 수 있다.
도 5를 참조하면, 종래의 배터리 셀 모듈(M4)의 공냉식 방열 시스템의 경우 파우치형 배터리 셀(1) 간에 공기냉각을 위한 유로(2) 형성을 위해 보통 3㎜ 이상의 일정 간격을 유지하게 되어 디자인 자유도에 한계가 있는 반면, 본 발명의 열 제어 파우치(10)를 이용한 배터리 셀 모듈(M3)의 방열 시스템의 경우 공기냉각을 위한 별도의 유로 공간 없이 열 제어 파우치(10)의 두께에 해당하는 간격 즉, 약 2.5㎜ 정도로 배터리 셀(20) 사이의 간격을 줄일 수 있어 기존 대비 동일체적 내 에너지 밀도가 향상되는 효과가 있다.
상기와 같은 본 발명의 열 제어 파우치(10)는 다음과 같이 제작될 수 있다.
너비 190㎜, 두께 0.4㎜를 갖는 시트 형상의 알루미늄 플레이트를 280㎜ 길이로 길게 준비한 다음, 스탬핑 공정(stamping process)을 통해 상전이 복합재가 삽입될 수 있는 공간을 형성하고, 그 너비방향의 양측 가장자리를 가공하여 일정 간격으로 핀 형상의 방열핀(도 2의 13 참조)을 형성한다.
상기와 같은 공정을 통해 알루미늄 상판과 하판을 동일 크기로 제작한 후, 상기 상판의 가운데 부분에 니들을 통해 상전이 복합재를 주입할 수 있는 0.5㎜ 이하의 미세홀을 만든 후, 상기 상판과 하판을 용접으로 접합하여 알루미늄 케이스(도 2의 11 참조)를 만든다.
상전이 복합재는 상전이 소재로 n-옥타데칸을 사용하고, 이를 기지로 하여 열전도도가 높은 용융상태의 필러를 30℃ 이상에서 300rpm 이상의 전단을 이용하여 상전이 소재에 균일하게 분산시켜 제조된다.
이때, 상기 필러는 그라파이트의 경우 40 중량%, 실리콘카바이드의 경우 30~40 중량%, 보론 나이트라이드의 경우 40~50 중량%로 사용될 수 있다.
상전이 복합재를 주입하기 위한 상기 미세홀에 슈린지 니들(shringe needle)을 이용하여 용융상태의 상전이 복합재를 케이스(도 2의 11 참조) 내부에 채운다.
다음, 상기 케이스의 표면에 바인더 처리를 하고, 고열전도성 필러가 20 중량% 함유된 SEBS(styrene-ethylene-butylene-styrene) 복합재(SEBS 80 중량%와 필러 20 중량%를 혼합 조성함)로 이루어진 탄성시트(도 2의 14 참조)를 상기 케이스의 표면에 붙여 압착한다. 이때 SEBS 복합재로 이루어진 탄성시트는 0.5㎜의 두께를 갖게 된다.
상기 탄성시트의 두께가 얇을수록 열확산 거리가 단축되어 알루미늄 케이스로의 열전달이 빨라진다.
이와 같이 제작한 열 제어 파우치는 최종 두께가 2.5㎜로, 기존의 배터리 셀 모듈에 형성되는 3㎜ 간격의 공기유로 대비 단위 셀 당 체적이 축소되어 배터리 셀 사이의 간격이 좁아지게 하고, 이에 배터리 셀 모듈의 동일체적 내 장착가능한 배터리 셀의 개수가 늘어나 단위 체적당 에너지밀도가 증대된다.
10 : 열 제어 파우치
11 : 고열전도성 케이스
12 : 상전이 복합재
13 : 방열핀
14 : 탄성시트
15 : 바인더
20 : 배터리 셀
21 : 전극부

Claims (10)

  1. 배터리 셀(20)들 사이에 층간 삽입되는 것으로, 밀폐형의 내부공간을 갖는 고열전도성 케이스(11)와 이 케이스(11)의 내부공간에 충진되는 상전이 복합재(12) 및 상기 케이스(11)의 상하 양측표면에 부착되는 탄성시트(14)를 포함하여 구성되고, 상기 탄성시트(14)는 고열전도성 필러를 함유한 열가소성 엘라스토머 복합재로 이루어고,
    상기 고열전도성 케이스(11)는 양측 가장자리에 핀 형상으로 가공 형성된 방열핀(13)을 가지며, 상기 방열핀(13)은 배터리 셀 모듈(M1,M2) 간에 공기유로(F) 측으로 돌출되어 위치하도록 되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상전이 복합재(12)는 상전이 소재에 고열전도성 필러가 분산 함유된 복합소재인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 상전이 복합재(12)는 상전이 소재 50 ~ 60 중량%와 고열전도성 필러 40 ~ 50 중량%로 혼합 조성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열핀(13)은 배터리 셀 모듈(M1,M2) 간 공기유로(F) 내 냉각공기의 흐름 방향과 직각을 이루도록 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성시트(14)는 두께방향의 열전도도가 2W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성시트(14)의 압축영구뒤틀림(compression set)은 10~25% 압축(compression)인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 엘라스토머 복합재는 열가소성 엘라스토머 소재 60 ~ 80 중량%와 고열전도성 필러 20 ~ 40 중량%로 혼합 조성된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치.
  9. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 고열전도성 필러로는 그라파이트, 보론나이트라이드, 실리콘 카바이드, 및 알루미늄 나이트라이드 중 어느 하나가 사용되거나 혹은 둘 이상이 혼합 사용되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치.
  10. 다수의 배터리 셀(20) 및 상기 배터리 셀(20)들 사이에 층간 삽입되는 열 제어 파우치(10)를 포함하여 구성되며,
    상기 열 제어 파우치(10)는 밀폐형의 내부공간을 갖는 고열전도성 케이스(11)와 이 케이스(11)의 내부공간에 충진되는 상전이 복합재(12) 및 상기 케이스(11)의 상하 양측표면에 부착되는 탄성시트(14)를 포함하여 구성되고, 상기 탄성시트(14)는 고열전도성 필러를 함유한 열가소성 엘라스토머 복합재로 이루어고,
    상기 고열전도성 케이스(11)는 양측 가장자리에 핀 형상으로 가공 형성된 방열핀(13)을 가지며, 상기 방열핀(13)은 배터리 셀 모듈(M1,M2) 간에 공기유로(F) 측으로 돌출되어 위치하도록 되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017150939A3 (ko) * 2016-03-03 2018-09-07 주식회사 엘지화학 완충부재를 구비한 셀 어셈블리

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101609212B1 (ko) 2013-08-28 2016-04-05 주식회사 엘지화학 냉매 및 배기 가스의 혼합을 방지하는 구조를 포함하는 전지모듈
US10094525B2 (en) 2013-11-08 2018-10-09 Philips Lighting Holding B.V. Battery powered lighting system
JP6172016B2 (ja) * 2014-03-26 2017-08-02 株式会社デンソー 電池モジュールおよび電池パック
DE102014209286A1 (de) 2014-05-16 2015-11-19 Robert Bosch Gmbh Batterieeinheit mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen sowie Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batterieeinheiten
JP2015232976A (ja) * 2014-06-10 2015-12-24 Nok株式会社 全固体電池
CN205282607U (zh) * 2014-08-11 2016-06-01 米沃奇电动工具公司 电池组
US10199695B2 (en) 2014-08-18 2019-02-05 Johnson Controls Technology Company Battery module with restrained battery cells utilizing a heat exchanger
CN206301914U (zh) * 2016-11-25 2017-07-04 江西迪比科股份有限公司 一种集水冷散热与加热一体的新能源动力电池
FR3060863A1 (fr) * 2016-12-15 2018-06-22 Valeo Systemes Thermiques Gestion de temperature de batterie
AU2018248396A1 (en) 2017-04-03 2019-10-24 Yotta Solar, Inc. Thermally regulated modular energy storage device and methods
US11791516B2 (en) * 2018-03-23 2023-10-17 Gs Yuasa International Ltd. Energy storage apparatus
WO2021189250A1 (zh) * 2020-03-24 2021-09-30 东莞新能安科技有限公司 散热模块与电池模组
CN111769217A (zh) * 2020-07-10 2020-10-13 梅州市博富能科技有限公司 一种高功率放电锂电池

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200427596Y1 (ko) * 2006-07-05 2006-09-27 (주)데카닉스 상변화 물질을 이용한 열전도 및 흡수 시트
JP2010192333A (ja) * 2009-02-19 2010-09-02 Toyota Motor Corp 電池パック
KR20100109872A (ko) * 2009-04-01 2010-10-11 주식회사 엘지화학 우수한 방열 특성의 전지모듈 및 중대형 전지팩
KR100994509B1 (ko) * 2008-08-14 2010-11-16 주식회사 엑스에프씨 Ｐｃｍ을 포함하는 연료전지 스택

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5020586A (en) * 1989-09-08 1991-06-04 Hewlett-Packard Company Air-cooled heat exchanger for electronic circuit modules
JP4631117B2 (ja) 1999-02-15 2011-02-16 ソニー株式会社 移動体搭載用バッテリ装置
US20020155333A1 (en) 2001-01-19 2002-10-24 Fitts Bruce B. Apparatus and method for electrochemical cell components
WO2003067658A2 (en) * 2002-02-06 2003-08-14 Parker Hannifin Corporation Thermal management materials having a phase change dispersion
US7018701B2 (en) * 2002-06-06 2006-03-28 Fuji Polymer Industries Co., Ltd. Thermally conductive sheet and method for manufacturing the same
KR20050069075A (ko) 2003-12-30 2005-07-05 현대자동차주식회사 하이브리드 전기 자동차의 리튬 전지팩
KR101025394B1 (ko) 2004-10-28 2011-03-28 닛토덴코 가부시키가이샤 다공질 필름
KR100870460B1 (ko) 2006-05-01 2008-11-25 주식회사 엘지화학 프레임 부재의 내면에 경사면이 형성되어 있는 전지팩
US20070292751A1 (en) * 2006-06-15 2007-12-20 Jing-Yih Cherng Battery Apparatus with Heat Absorbing Body
KR20090069467A (ko) 2007-12-26 2009-07-01 백순엽 수중모터펌프
KR101143279B1 (ko) 2009-08-20 2012-05-11 주식회사 엘지화학 신규한 냉각구조를 가진 전지팩

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200427596Y1 (ko) * 2006-07-05 2006-09-27 (주)데카닉스 상변화 물질을 이용한 열전도 및 흡수 시트
KR100994509B1 (ko) * 2008-08-14 2010-11-16 주식회사 엑스에프씨 Ｐｃｍ을 포함하는 연료전지 스택
JP2010192333A (ja) * 2009-02-19 2010-09-02 Toyota Motor Corp 電池パック
KR20100109872A (ko) * 2009-04-01 2010-10-11 주식회사 엘지화학 우수한 방열 특성의 전지모듈 및 중대형 전지팩

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017150939A3 (ko) * 2016-03-03 2018-09-07 주식회사 엘지화학 완충부재를 구비한 셀 어셈블리
KR102060830B1 (ko) 2016-03-03 2019-12-30 주식회사 엘지화학 완충부재를 구비한 셀 어셈블리
US10804580B2 (en) 2016-03-03 2020-10-13 Lg Chem, Ltd. Cell assembly having cushion member

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