KR101308592B1 - 방열특성을 갖는 전지용 포장재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 최외층, 배리어층 및 최내층으로 구성된 적층체를 구비하는 전지용 포장재에 있어서, 상기 포장재에 방열성뿐만 아니라 슬립성, 난연성, 인쇄성 등의 성능을 부여하기 위해 탄소소재 또는 탄소소재와 수지의 혼합물로 구성된 방열층이 형성된 전지용 포장재에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 층들의 적어도 1개 층 이상에 탄소소재가 함유된 방열기능을 포함한 전지용 포장재에 관한 것이다.

Description

방열특성을 갖는 전지용 포장재 {PACKAGING MATERIAL FOR BATTERY WITH THERMAL DISSIPATION PROPERTIES}
본 발명은 방열특성을 갖는 전지용 포장재에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 포장재의 적어도 하나 이상의 구성층에 탄소소재가 첨가된 방열층, 또는 탄소소재와 바인더 수지를 함유하는 별도의 추가 방열층을 포함하는 전지용 포장재에 관한 것이다.
리튬이온 이차 전지는 액체 전해질을 사용하기 때문에 리튬이온 이차 전지는 전해액이 새어 나오는 것을 막고 폭발의 위험성을 감소시키기 위해 알루미늄 캔을 포장 재료로 사용한다. 따라서, 리튬이온 이차 전지는 포장 재료로 사용되는 알루미늄 캔으로 인해 무게가 무겁고 부피가 클 수 밖에 없고, 이러한 알루미늄 캔을 사용한다고 하더라도 이온상태의 액체 전해질을 사용하기 때문에 폭발의 위험이 상존하고 있어 안전성이 낮은 단점이 있다. 그에 따라, 이러한 안전성 향상과 부피를 감소시키면서 에너지 밀도를 더욱 높이기 위한 업체들의 연구개발을 끊임없이 이어지고 있다.
최근 이러한 리튬이온 이차 전지의 단점을 개선 보완한 전지로서 리튬 폴리머 이차 전지가 개발되고 있다. 리튬 폴리머 이차 전지는 외장재를 파우치 형태로 할 수 있어 전지를 경량화 할 수 있고, 이를 통해 전지를 생산할 때 생산단가를 절감할 수 있으며, 전지의 형상을 다양하게 할 수 있어 제품경쟁력을 한 차원 끌어 올릴 수 있다. 리튬 폴리머 이차 전지는 포장재로 라미네이트 파우치를 사용하기 때문에 리튬폴리머 이차 전지를 박형화할 수 있다. 이러한 폴리머 전지는, 노트북, 휴대단말장치(휴대전화, PDA 등), 비디오카메라, 전기자동차, 에너지저장용 축전지, 로봇, 위성 등에 사용된다.
종래 전지 포장재의 경우, 소형 전지에만 적용되어 왔기 때문에, 전지 자체에서 발생되는 열에 의한 문제가 무시할만한 수준이었으나, 전지의 응용분야가 확대되고, 전지 크기가 커짐에 따라 전지가 발생하는 열, 및 외부 열에 의해 노출이 그만큼 많아짐에 따라 전지의 안정성에 문제가 대두되고 있다.
기존의 전지 외포장재의 경우, 폴리에스테르계 수지 또는 폴리아마이드 수지로 구성된 기재필름/알루미늄 합금재질의 배리어층/폴리올레핀계 수지의 최내층으로 되어있다.
한국 공개특허 제2008-0078160호의 경우, 전지의 내부온도 및 외부온도 변화에 따른 포장재의 색이 변색됨에 따라 그 위험성을 알리는 목적이 있고, 실질적으로 비정상적인 온도에 노출되었을 때 열을 차단하거나 배출할 수 있는 기능이 없어 위험을 지연하거나 억제할 수 있는데 한계가 있다.
한국 공개특허 제2006-0034130호 및 일본 등록특허 제4541961호 에서 기재하고 있는 방열층, 금속층, 폴리프로필렌층 구성의 포장재 경우, 3년 이상 내구성, 내후성, 기계적 강도, 내식성 등의 포장재로서 장기신뢰성 물성을 확보해야 하는 상황에서 알루미늄의 기능성 코팅층, 산소, 수분에 대한 배리어층, 기계적 강도를 보강해주는 필름층 등이 구비되지 않아 포장재로서 한계가 있을 수 있고, 일정 넓이 및 깊이를 갖는 드로잉 작업이 병행될 때 포장재 내외면에 마찰계수 영향을 줄 수 있는 기능성 첨가제의 미비로 넓은 범위의 드로잉 작업을 행하는데 한계가 있을 수 있다. 전지는 그 크기가 다양해지고 응용범위가 넓어지고 있는 상황에 있어, 상기 위험요소를 줄일 수 있는 다기능 포장재가 필요하다.
이에, 본 발명에서는 광범위한 연구를 수행한 결과, 리튬 2차 전지나 휴대용 축전지 등의 폴리머 전지 내부의 이상 반응에 의한 과충전이나 내부 쇼트에 따라 전지 내부 온도가 급격 상승 또는 열과 같은 가혹한 외부환경에 노출되었을 시, 탄소소재가 전지 포장재의 열을 분산시킴으로써 전지 내부 온도상승을 1차적으로 지연 및 억제할 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 성형성 및 내약품성이 우수할 뿐만 아니라 특히 방열특성이 우수하여 전지의 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있는 폴리머 전지용 포장재를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 내열성 수지 최외층, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함유하는 배리어층, 및 열가소성 수지 최내층을 포함하는 파우치형 전지용 포장재로서, 상기 전지용 포장재는 상기 포장재의 적어도 하나 이상의 구성층에 탄소소재가 첨가된 방열층, 또는 탄소소재와 바인더 수지를 함유하는 별도의 추가 방열층을 포함하는, 파우치형 전지용 포장재에 관한 것이다.
이하 본 발명은 더욱 자세히 설명하고자 한다.
본 발명은 최외층, 배리어층 및 최내층으로 구성된 적층체를 구비하는 전지용 포장재에 있어서, 상기 포장재에 방열성뿐만 아니라 슬립성, 난연성, 인쇄성 등의 성능을 부여하기 위해 상기 구성층에 탄소소재을 첨가하거나, 또는 탄소소재와 바인더 수지를 함유하는 별도의 추가 방열층을 포함하는 전지용 포장재에 관한 것이다.
본 발명에 사용되는 탄소소재는 흑연(graphite), CNT(carbon nanotube), SWNT(Single-Walled Carbon Nanotube), 그래핀(Graphene) 및 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber-ACF)로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된다.
본 발명의 일예에서, 상기 방열층이 별개 층으로 추가되는 것이 아니라 포장재의 구성층중 하나 이상에 탄소소재를 첨가제로 첨가하여 제조될 수 있다. 상기 방열층을 별개의 층으로 추가하는 경우에는 코팅, 스프레이, 또는 롤압착의 방법으로 형성할 수 있으며, 기존 층에 탄소소재를 첨가하여 제조하는 경우에는 층구성 성분과 함께 컴파운드 또는 혼합공정으로 첨가될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 전지용 포장재는 최외층(22), 접착제층(23), 제1 화성처리층(24), 배리어층(25), 제2 화성처리층(26), 내전해액층(27) 및 최내층(28)이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 상기 최외층(22), 접착제층(23), 제1 화성처리층(24), 배리어층(25), 제2 화성처리층(26), 내전해액층(27) 및/또는 최내층(28)에 탄소소재(또는 방열소재)가 첨가되어 방열특성을 부여한 것이다.
이 경우, 상기 탄소소재의 함량은 각 층에 대하여 1 내지 40중량%로 더욱 바람직하게는 5 중량% 내지 10중량%로 함유될 수 있다. 1중량%미만으로 첨가되는 경우 탄소입자간 접촉간격이 멀어지므로 열전달 기능을 발휘할 수 없고, 40중량%를 초과하여 투입하면 각각의 층이 가지고 있는 고유의 기능이 저하되는 단점이 있다. 또한, 상기 탄소소재의 물성, 예를 들면 MFR(melt flow rate), 및 밀도 등에 의해 탄소입자들의 분산차이가 발생하여 기능이 저하될 수 있는 부분을 최소화할 수 있는 함량을 더욱 바람직한 범위로 선정할 수 있다.
본 발명의 일예에서, 포장재의 구성층중 하나 이상에 탄소소재를 첨가하여 방열성능을 부여된 포장재를 제조할 수 있다. 일예로서, 포장재의 각 구성층에 사용되는 원료들과 탄소소재를 마스터배치함으로써 얻을 수 있다. 마스터배치는 PVC, PP, PE, PS, ABS, PC등의 플라스틱 수지를 사용하여 압출, 사출성형 시에 Powder형태의 첨가제를 사용할 때의 문제점, 즉 혼련성이 나빠져서 분산불량이 발생하는 문제점등을 해결하기 위해 기본 수지에 첨가제를 고농도로 농축하여 분산시켜 원료를 제조하는 방법이다. 제조된 마스터배치 원료를 이용하여 각각의 제조방법(extrusion coating, cast film, Blown Film등)으로 필름을 제조하면 된다.
방열성 접착제층은 사용될 접착제의 원료(주제, 경화제)와 탄소소재, 용제를 배합하고 믹싱작업을 통해 충분히 분산시킨 후 피착제에 코팅, 건조 공정을 거쳐 제조할 수 있다.
방열기능을 갖는 화성처리층과 내전해액층의 제조는 접착제층과 동일한 방법으로 해당 원료에 탄소소재를 균일하게 분산시켜 코팅, 건조공정을 통해 확보할 수 있다.
상기 포장재에 방열층이 별도의 추가층으로 포함되는 경우에는, 상기 방열층에 포함되는 바인더 수지는 페놀계 수지, 멜라민계 수지, 폴리우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 비닐계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리에스테르계 수지 및 폴리올레핀계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이다. 상기 추가 방열층의 두께는 1 내지 10㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 5㎛일 수 있다. 방열성능 및 제품의 특성에 맞게 1 내지 10㎛가 바람직하며, 이때 1㎛ 미만이면 방열성능이 떨어지고, 10㎛를 초과하면 구부렸을 때 층이 깨지는 경향이 있다.
상기 추가 방열층은, 전지형 포장재의 최외층 상부, 상기 최외층과 배리어층 사이, 및 배리어층과 최내층 사이로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 위치에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일예에서, 상기 전지용 포장재가 순차적으로 적층된 최외층, 접착제층, 배리어층, 잡착층, 및 최내층을 포함하고, 상기 추가 방열층은, 최외층 상부, 상기 최외층과 접착층사이, 상기 접착층과 배리어층 사이, 배이어층과 접착제층 상이, 및 접착제층과 최내층 사이로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 위치에 형성될 수 있다.
또한, 전지용 포장재가 순차적으로 적층된 최외층, 접착제층, 제1화성처리층, 배리어층, 제2 화성처리층, 내전해액층, 및 최내층을 포함하고, 상기 별도의 추가 방열층은, 최외층 상부, 상기 최외층과 접착층사이, 상기 접착층과 제1 화성처리층 사이, 상기 제1화성처리층과 배리어층 사이, 상기 배리어층과 제2 화성처리층 사이, 상기 제2화성처리층과 내전해액층 사이, 및 내전해액층과 최내층 사이로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 위치에 형성될 수 있다.
상기 배리어층에 접촉하여 형성되는 화성처리층은, 양극산화처리에 의한 산화알루미늄 피막층, 전해 도금층, 무전해 도금층, 크로메이트층, 배마이트층, 또는 인산염 처리층일 수 있다.
양극산화처리에 의한 산화알루미늄 피막층은 상기 다공성 피막층은 배리어층의 적어도 일 표면에 양극산화처리(anodizing)로 형성된 다공성 산화알루미늄 피막일 수 있으며, 바람직하게는 상기 피막층은 두께 0.2㎛ 내지 10㎛, 기공입경 1㎚ 내지 1,000nm인 기공을 가지며, 비표면적은 0.5㎡/g 내지 100 ㎡/g의 범위인 것이다. 양극산화처리는 당 업계에 알려진 황산법, 수산법, 크롬산법, 인산법 또는 붕산법 등의 방법이 다양하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 양극산화처리는 황산, 크롬산, 붕산, 옥산산 또는 그들의 혼합물을 포함하는 약 10℃ 내지 30℃의 전해질 용액을 사용하여 0.5A/d㎡ 내지 50A/d㎡의 전류밀도에서 반응이 이루어질 수 있으며, 상기 공정은 약 5초에서 60분 정도가 수행할 수 있다. 이렇게 처리된 산화피막층은 다공성의 산화물(Al2O3) 층으로서, 배리어층의 고유의 기능과 함께 전기절연성, 내산성, 금속 접착성, 내마모성 등이 향상된다.
본 발명의 내전해액층(17)은 배리어층(15)과 최내층(18) 사이의 접착이 용이한 접착성 수지로, 전해액에 대해 내화학성을 가진다. 보통 폴리 올레핀계 수지인 폴리프로필렌계 또는 폴리에틸렌계 수지를 사용하는데, 아크릴계, 우레탄계, 에폭시계, 페놀계 수지 등과 같은 수지를 이용하기도 한다. 본 발명의 내전해액층(17)은 1 내지 10㎛의 두께가 우수한 접착력, 코팅층의 유연성, 생산성 측면에서 바람직하고, 코팅방법은 스프레이, 롤코팅 등과 같은 방법을 사용한다.
본 발명에 따른 전지용 포장재의 구체적인 예는, 도 1에 도시된 바와 같이, 방열층(11), 최외층(12), 접착제층(13), 제1 화성처리층(14), 배리어층(15), 제2 화성처리층(16), 내전해액층(17) 및 최내층(18)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 전지용 포장재의 다른 형태는, 도 2에 도시된 바와 같이, 최외층(12), 방열층(11), 접착제층(13), 제1 화성처리층(14), 배리어층(15), 제2 화성처리층(16), 내전해액층(17) 및 최내층(18)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 전지용 포장재의 또 다른 형태는, 도 3에 도시된 바와 같이, 최외층(12), 접착제층(13), 방열층(11), 제1 화성처리층(14), 배리어층(15), 제2 화성처리층(16), 내전해액층(17) 및 최내층(18)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 전지용 포장재의 또 다른 형태는, 도 4에 도시된 바와 같이, 최외층(12), 접착제층(13), 제1 화성처리층(14), 방열층(11), 배리어층(15), 제2 화성처리층(16), 내전해액층(17) 및 최내층(18)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 전지용 포장재의 또 다른 형태는, 도 5에 도시된 바와 같이, 최외층(12), 접착제층(13), 제1 화성처리층(14), 배리어층(15), 방열층(11), 제2 화성처리층(16), 내전해액층(17) 및 최내층(18)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 전지용 포장재의 또 다른 형태는, 도 6에 도시된 바와 같이, 최외층(12), 접착제층(13), 제1 화성처리층(14), 배리어층(15), 제2 화성처리층(16), 방열층(11), 내전해액층(17) 및 최내층(18)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 전지용 포장재의 또 다른 형태는, 도 7에 도시된 바와 같이, 최외층(12), 접착제층(13), 제1 화성처리층(14), 배리어층(15), 제2 화성처리층(16), 내전해액층(17), 방열층(11) 및 최내층(18)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
본 발명에 있어서, 최외층(12), 배리어층(15) 및 최내층(18)은 전지용 포장재 분야에서 알려진 모든 성분을 포함할 수 있지만, 상기 최외층(12)은 포장재의 내후성, 내화학성, 성형성을 등을 감안하여 연신 폴리에스테르계 수지 또는 연신 폴리아미드계 수지로 구성된 것이 좀 더 바람직하다.
상기 폴리에스테르계 수지의 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리부틸렌나프탈레이트(PBN), 공중합폴리에스테르, 또는 폴리카보네이트(PC) 필름 등이 있고, 상기 이축 연신된 폴리아마이드 필름 수지로서 나일론(nylon) 6, 나일론 6.6, 나일론 6과 나일론 6.6과의 공중합체, 나일론 6.10 및 폴리메타키실릴렌 아미파미드(MXD 6)등으로 구성되는 군으로부터 하나 이상 선택된 성분으로 단일 또는 복합층 구성할 수 있다. 또한, 내열성, 내후성, 내화학성이 개선된 폴리올레핀계 수지가 있다면, 그것을 적용하여 층 구성해도 무방하다.
상기 최외층(12)은 드라이 라미네이션, 압출 라미네이션 등의 방법으로 배리어층(15)과 접착된다.
상기 최내층의 열가소성 수지는 폴리올레핀계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 폴리부틸렌계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아마이드계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 불소계 수지, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 수지를 포함하다.
상기 배리어층(15)은, 외부로부터 리튬전지의 내부에 특히 수증기가 침투하는 것을 방지하기 위한 층으로, 배리어층 단체의 핀홀, 및 가공적성 (파우치화, 엠보스 형성)을 안정화하고, 또한, 내핀홀을 갖게 하기 위하여 두께 약 15㎛ 이상의 알루미늄, 니켈 등의 금속, 또는 무기화합물, 예를 들면 산화규소, 알루미나 등을 들 수 있지만, 배리어층(15)으로서 바람직한 두께가 15㎛ 내지 200㎛의 알루미늄막이다.
상기 배리어층(15)은 철을 함유하고 있는 알루미늄이 절연성이 좋고, 적층제로서 굽힘에 의한 핀홀의 발생이 적게 되며, 엠보싱 타입의 외장체를 성형할 때에 측벽의 형성도 용이하게 할 수 있는 것으로 알려져 있다. 알루미늄의 성형성은 신장율에 좌우되므로 물리적 방법, 알루미늄 이외 첨가성분 조절을 통한 방법 등을 통해 신장율을 향상된 재질을 사용함이 바람직하다. 따라서, 상기 배리어층(15)으로 알루미늄의 두께가 약 20㎛이상 때, 연신율이 15% 이상인 재질이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 최내층(18)은 폴리올레핀계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 폴리부틸렌계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아마이드계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 불소계 수지, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 성분들이 개별 층으로 구성된 다층으로도 형성될 수 있다. 층 형성 방법은 나노(nano) 압출, 공압출, 탄뎀(tandem) 압출, 라미네이션 방법을 이용할 수 있고, 두께는 10㎛ 내지 100㎛가 우수한 열봉합성, 전기절연성, 차단성 확보 측면에서 바람직하다. 상기 최내층(18)은 기능에 따라 PET, 폴리올레핀 필름, 나일론 등과 같은 필름을 이용한 복합층으로 구성해도 무방하다. 아울러, 배리어층(15)과 최내층(18)의 접착력을 향상시키기 위해 오존처리, 플라즈마처리, 감마선처리, 열처리 등의 방법도 사용 가능하다.
한편, 본 발명에 있어서, 접착제층(13)은 내열성이 우수한 접착제를 사용함이 바람직하며, 종류로는 폴리우레탄 접착제, 바람직하게는 우레탄 베이스(Base) 2액형 접착제를 사용하여 합지된 것을 특징으로 한다. 전지의 내외부 환경에 의해 고온이 발생하게 될 때, 내열성이 약한 접착제의 경우, 최외층(12)과 배리어층(15)이 분리되는 현상이 발생하기 때문에 내열성이 우수한 접착제를 사용하는 것이다. 일반적으로 상기 접착제의 내열성은 약 150℃에서 약 5분 이상 경과한 후에도 층 분리가 발생되지 않아야 한다. 층 형성 방법은 그라비아 코팅, 스프레이 등의 롤코팅 방법을 이용할 수 있고, 두께는 1㎛ 내지 5㎛가 우수한 접착력과 생산성 측면 이유에서 바람직하다.
한편, 본 발명에 따라 방열층에 슬립제를 첨가함으로써 필름과 필름, 필름과 성형기와의 마찰력을 줄여줌으로써 방열기능뿐 아니라 슬립성을 확보할 수 있다. 상기 슬립제는 금속비누, 지방산과 그 유도체, 지방산 아미드, 고급알콜, 불소-우레탄 고분자, 실리콘, 실록산, 실란, 왁스계, 스테아르산 모노머 등을 포함하며, 슬립성을 부여하는 물질이면 특별히 제한없이 사용가능하다. 또한 방열층에 연신성이 양호한 알루미늄을 사용함으로써, 두꺼운 두께 성형에 따른 연신성 문제를 해결함으로써 우수한 성형성을 갖춘 포장재를 제조할 수 있다. 또한, 최외층에 폴리에스테르계 수지를 사용함으로써 유기용제, 산, 알칼리, 전해액 등의 약품에 우수한 포장재를 제조 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 전지 내부 온도가 급격 상승 또는 열과 같은 가혹한 외부환경에 노출되었을 시, 전지 내부 온도상승을 1차적으로 지연 및 억제시키는 방열특성이 우수하여 전지 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 본 발명에 따른 전지용 포장재는 성형성 및 내약품성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따라 방열층을 갖는 전지용 포장재의 적층 구조의 일 실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따라 방열층을 갖는 전지용 포장재의 적층 구조의 다른 실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따라 방열층을 갖는 전지용 포장재의 적층 구조의 또 다른 실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따라 방열 기능을 갖는 전지용 포장재의 적층 구조의 또 다른 실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따라 방열층을 갖는 전지용 포장재의 적층 구조의 또 다른 실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따라 방열층을 갖는 전지용 포장재의 적층 구조의 또 다른 실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따라 방열층을 갖는 전지용 포장재의 적층 구조의 또 다른 실시 형태를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따라 탄소소재가 첨가된 전지용 포장재의 적층 구조의 일 실시 형태를 나타낸 개략도이다.
[실시예]
이하 실시 예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
탄소소재인 흑연(graphite), CNT(carbon nanotube), SWNT(Single-Walled Carbon Nanotube), 그래핀(Graphene), 및 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber-ACF)로 각각 형성된 방열층이 있는 도 1과 같은 구조를 갖는 포장재를 준비하였다. 방열층 두께는 약 5㎛로 하고, 방열층은 포장재의 최외층 위에 형성하였다
포장재의 최외층은 PET(약 6㎛)/O-나일론(약 15㎛)으로 구성하고, 접착제층은 우레탄 베이스 2액형 접착제 약 3㎛를 사용하며, 배리어층으로는 약 40㎛의 두께를 갖는 탈지처리한 연질 알루미늄박을 황산을 포함하는 약 20℃의 전해질 용액을 사용하여 20A/d㎡의 전류밀도에서 약 10분간 반응시키는 양극 산화처리를 통해서 알루미늄의 양 표면에 약 1㎛의 두께를 갖는 산화알루미늄(Al2O3)의 피막을 형성한 산화알루미늄 형성 연질 알루미늄박을 사용하였다. 내전해액층 폴리프로필렌 수지(약 5㎛)를 사용하였고, 최내층은 에틸렌 함유 폴리프로필렌 수지(약 80㎛)를 사용하였다.
상기 각각의 층은 롤코팅, 용융압출 방법으로 적층시켜 전지용 포장재를 제조하였다.
각 포장재의 일정부분에 약 90℃로 열을 가하고, 약 1시간이 경과하는 동안 시료에 측정되는 온도 값을 열화상 카메라를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
경과시간 흑연 CNT SWNT 그래핀 ACF 방열층 없음
10분 90℃ 90℃ 90℃ 90℃ 90℃ 90℃
20분 80℃ 80℃ 80℃ 80℃ 80℃ 90℃
30분 80℃ 80℃ 80℃ 80℃ 80℃ 90℃
40분 80℃ 80℃ 80℃ 80℃ 80℃ 90℃
60분 80℃ 80℃ 80℃ 80℃ 80℃ 90℃
*참고: 흑연(graphite), CNT(carbonnanotube), SWNT(Single-WalledCarbon Nanotube), 그래핀(Graphene), 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber-ACF)
<실시예 2>
상기 실시예 1에서 약 5㎛의 방열층 두께를 하기 표 2에 기재된 방열층의 층두께로 변경한 것을 제외하고는 실질적으로 동일한 방법으로 실시하였다.
방열층의 두께별 방열성능은, 각 포장재의 일정부분에 약 90℃로 열을 가하고, 약 1시간이 경과하는 동안 시료에 측정되는 온도 값을 열화상 카메라를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
코팅두께 흑연 CNT SWNT 그래핀 ACF
1㎛ 88℃ 88℃ 88℃ 88℃ 88℃
3㎛ 85℃ 85℃ 85℃ 85℃ 85℃
5㎛ 80℃ 80℃ 80℃ 80℃ 80℃
10㎛ 78℃ 78℃ 78℃ 78℃ 78℃
상기 표 1 및 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 각각의 탄소소재가 방열성능이 있음을 확인할 수 있었고, 특히 두께를 10㎛까지 증가시킨 결과, 방열성능이 더욱 상승됨을 확인할 수 있다. 본 발명은 전지 내부 온도가 급격 상승 또는 열과 같은 가혹한 외부환경에 노출되었을 시, 전지 내부 온도상승을 1차적으로 지연 및 억제시키는 방열특성을 확보할 수 있다.
<실시예 3>
상기 실시예 1에서 배리어층의 양면에 양극산화처리를 수행하여 산화알루미늄 피막을 형성하는 대신에, 화성처리를 베마이트 처리 및 크로메이트 처리 방법으로 수행하는 것을 제외하고는 실질적으로 동일한 방법으로 실시하여, 탄소소재는 흑연을 사용하고, 방열층 두께는 약 5㎛로 하고, 방열층은 포장재의 최외층 위에 형성하여 도 1과 같은 구조를 갖는 포장재를 제조하였다.
구체적으로 베마이트 처리는 중량비 6:1로 혼합된 7% 황산알루미늄 용액 및 25% 암모니아수의 혼합액을 이용하여 pH4를 유지하게 하였다. 용액은 180℃를 유지하게 하고 알루미늄 박을 2시간 함침하여 제조하였다.
크로메이트 처리는 pH4의 고형분 10% 3가 크로메이트 용액을 이용하여 50℃ 조건하에서 10분 동안 알루미늄 박을 함침하여 처리를 수행하였다.
상기 포장재의 방열여부 확인은 최외층 일정부분에 약 90℃로 열을 가하고, 약 1시간이 경과하는 동안 시료에 측정되는 온도 값을 열화상 카메라를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 기재하였다.
상기 제조된 포장재 포장재의 시편(5×5㎝)에 대해 최내층과 알루미늄의 필(Peel) 테스트 방법으로 접착력을 시험하였고, 그 결과를 하기 표 3에 기재하였다.
화성처리방법 접착력 (gf/15mm)
나일론 필름/알루미늄 접착력		 방열특성
0시간
경과		 0.5시간
경과		 1.0시간
경과
무처리 650 90℃ 80℃ 80℃
실시예 1의 양극산화처리 800 90℃ 80℃ 80℃
베마이트 처리 800 90℃ 80℃ 80℃
크로메이트 처리 800 90℃ 80℃ 80℃
<실시예 4>
본 실시예에서는 탄소소재를 포장재를 구성하는 각 구성층에 직접 첨가하여 방열특성을 갖는 구성층을 제조하여 전지용 포장재를 제조하였다. 본 실시예에서는 최외층 /접착제층 /제1화성처리층 /배리어층 /제2화성처리층 /내전해액층 /최내층으로 구성된 전지용 포장재로서, 각 구성층은 실시예 1과 동일한 물질로 동일한 두께로 제조하였다. 하기 표 3에 기재된 대로 방열층의 구성을 달리하여 3가지 종류의 포장재를 제조하였다. 탄소소재가 첨가된 구성층에는 흑연을 각층의 주원료 대비 5중량%로 첨가하였다.
방열성 최외층 및 최내층은 각 구성층에 사용되는 수지들과 탄소소재를 마스터배치함으로써 얻을 수 있다. 제조된 마스터배치 원료를 이용하여 각각의 제조방법(extrusion coating, cast film, Blown Film)으로 필름을 제조하였다.
방열성 접착제층은 우레탄 베이스 2액형 접착제와 탄소소재, 용제를 중량비 10: 1: 0.3: 15로 배합하고 기계적인 교반기로 30분간 혼합작업을 수행하여 충분히 분산시킨 후 피착제에 그라비아 코팅법으로 코팅하고, 60℃에서 1분간 열풍건조하였다. 화성처리층 또는 산화알루미늄 피막층과 내전해액층의 제조는 접착제층과 동일한 방법으로 해당 원료에 탄소소재를 Mechanical Stirrer로 30분간 균일하게 분산시켜 함침법으로 코팅하고 170℃에서 1분간 열풍건조하여 제조하였다. 내전해액층은 원료수지와 탄소소재를 기계적 교반기로 30분 교반하여 혼합하고 그리비아코팅법으로 피착제에 코팅하고, 170℃에서 1분간 열풍건조하였다.
열여부 확인은 최외층 일정부분에 약 90℃로 열을 가하고, 약 1시간이 경과하는 동안 시료에 측정되는 온도 값을 열화상 카메라를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 기재하였다.
층구성 포장재 A 포장재 B 포장재 C 포장재 D
최외층 O O x O
접착제층 O O x x
제1화성처리층
(또는 산화알루미늄 피막층)		 O O x X
배리어층 O x x x
제2화성처리층
(또는 산화알루미늄 피막층)		 O x O x
내전해액층 O x O x
최내층 O x O x
방열특성(0 시간 경과) 90℃ 90℃ 90℃ 90℃
방열특성(0.5 시간 경과) 85℃ 85℃ 90℃ 87℃
방열특성(1.0 시간 경과) 80℃ 80℃ 90℃ 85℃
<실시예 5>
실시예 4의 방열특성을 갖는 구성층 제조에서 최외층에만 탄소소재를 포함하는 포장재 D의 제조방법과 실질적으로 동일하게 제조하되, 다만 실시예 4에서 최외층의 원료대비 흑연 첨가량이 5중량%으로 사용하는 대신에, 0.5 중량%, 10중량% 및 45중량%로 첨가하여 최외층을 제조하고, 이를 포함하는 전지용 포장재를 제조하였다.
방열여부 확인은 최외층 일정부분에 약 90℃로 열을 가하고, 약 1시간이 경과하는 동안 시료에 측정되는 온도 값을 열화상 카메라를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 5에 기재하였다.
흑연함량
0.5 w/w%		 흑연함량
5 w/w%		 흑연함량
10w/w%		 흑연함량
45w/w%
방열특성(0 시간 경과) 90℃ 90℃ 90℃ 90℃
방열특성(0.5 시간 경과) 88℃ 87℃ 85℃ 85℃
방열특성(1.0 시간 경과) 88℃ 85℃ 80℃ 80℃
10: 포장재 11: 방열층
12 및 22: 최외층 13 및 23: 접착제층
14 및 24: 제1 화성처리층 15 및 25: 배리어층
16 및 26: 제2 화성처리층 17 및 27: 내전해액층
18 및 28: 최내층

Claims (15)

  1. 내열성 수지 최외층, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함유하는 배리어층 및 열가소성 수지 최내층을 포함하고,
    상기 최외층, 배리어층 및 최내층으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 구성층은 탄소소재 0.5 내지 45 중량%를 포함하는, 전지용 포장재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소소재는 흑연(graphite), CNT(carbon nanotube), SWNT(Single-Walled Carbon Nanotube), 그래핀(Graphene) 및 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber-ACF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 전지용 포장재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 최외층, 배리어층 및 최내층으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 구성층에 탄소소재가 첨가된 제1방열층, 또는 탄소소재와 바인더 수지를 함유하는 제2방열층을 더 포함하는, 전지용 포장재.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2방열층은 코팅, 스프레이 또는 롤압착의 방법으로 형성된 것인 전지용 포장재.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2방열층의 바인더 수지는 페놀계 수지, 멜라민계 수지, 폴리우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 비닐계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리에스테르계 수지 및 폴리올레핀계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 전지용 포장재.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2방열층의 두께는 1㎛ 내지 10㎛인 전지용 포장재.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2방열층은, 전지형 포장재의 최외층 상부, 상기 최외층과 배리어층 사이, 및 배이어층과 최내층 사이로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 위치에 형성된 것인 파우치형 전지용 포장재.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 전지용 포장재가 순차적으로 적층된 최외층, 접착제층, 배리어층, 접착층 및 최내층을 포함하고,
    상기 제2방열층은, 최외층 상부, 상기 최외층과 접착층사이, 상기 접착층과 배리어층 사이, 배이어층과 접착제층 사이, 및 접착제층과 최내층 사이로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 위치에 형성된 것인 전지용 포장재.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 전지용 포장재가 순차적으로 적층된 최외층, 접착제층, 제1화성처리층, 배리어층, 제2 화성처리층, 내전해액층 및 최내층을 포함하고,
    상기 별도의 제2방열층은, 최외층 상부, 상기 최외층과 접착층사이, 상기 접착층과 제1 화성처리층 사이, 상기 제1화성처리층과 배리어층 사이, 상기 배리어층과 제2 화성처리층 사이, 상기 제2화성처리층과 내전해액층 사이 및 내전해액층과 최내층 사이로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 위치에 형성된 것인 전지용 포장재.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 화성처리층은 양극산화처리로 형성된 산화알루미늄 피막층, 전해 도금층, 무전해 도금층, 크로메이트층, 배마이트층, 또는 인산염 처리층인 전지용 포장재.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 산화알루미늄 피막층은 상기 배리어층의 표면에 양극산화처리(anodizing)로 형성된 두께 0.2㎛ 내지 10㎛ 및 입경 1㎚ 내지 1,000nm인 기공을 갖는 것인 전지용 포장재.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 최외층의 내열성 수지는 연신 폴리에스테르계 수지, 연신 폴리아미드계 수지 또는 이들의 혼합수지를 포함하는 전지용 포장재.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 최내층의 열가소성 수지는 폴리올레핀계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 폴리부틸렌계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아마이드계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 불소계 수지, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 수지를 포함하는 것인 전지용 포장재.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 내전해액층은 1㎛ 내지 10㎛의 두께를 가지며, 폴리올레핀계 수지를 포함하는 것인 전지용 포장재.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 배리어층은 15㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지면, 연신율이 15% 이상인 전지용 포장재.
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