KR102213758B1 - 복합 방열재를 적용한 고온 고율용 리튬이차전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 겹쳐 놓는 전지셀의 사이사이에 배치할 방열구조체의 두께, 중량, 열전도율 및 강도를 최적값으로 갖게 되어, 전지셀의 부위별 온도차 및 전지셀 간의 온도차를 신속하게 감소시키면서, 효과적으로 방열시키고, 그러면서도 저부피 및 저중량으로 적절한 강도를 갖게 구성할 수 있고, 전지셀과의 전기 절연성도 확보하여 안정적으로 방열 기능을 수행할 수 있는 복합 방열재를 적용한 고온 고율용 리튬이차전지에 관한 것으로서, 전지셀에 밀착시킬 열전도성 절연재로 구성한 1차 방열층(110); 0.01~0.2mm의 두께와, 160~250W/mK의 열전도율과, 2.5~2.8g/cm³의 밀도와, 200~300MPa의 항복강도를 갖는 알루미늄 합금으로 구성되어 1차 방열층(110)을 통해 전지셀의 열을 흡수하게 할 2차 방열층(120); 및 전기 절연을 위한 전기 절연층(130);의 순서로 적층한 방열구조체(100)를 복수 전지셀의 사이사이에 배치되게 구성된다.

Description

복합 방열재를 적용한 고온 고율용 리튬이차전지{High power Lithium Ion Battery at elevated temperature with composite heat dissipated material}

본 발명은 겹쳐 놓는 전지셀의 사이사이에 배치할 방열구조체의 두께, 중량, 열전도율 및 강도를 최적값으로 갖게 되어, 전지셀의 부위별 온도차 및 전지셀 간의 온도차를 신속하게 감소시키면서, 효과적으로 방열시키고, 그러면서도 저부피 및 저중량으로 적절한 강도를 갖게 구성할 수 있고, 전지셀과의 전기 절연성도 확보하여 안정적으로 방열 기능을 수행할 수 있는 복합 방열재를 적용한 고온 고율용 리튬이차전지에 관한 것이다.

일반적으로 리튬이차전지는 복수의 단위 전지셀을 직렬, 병렬 또는 직병렬 연결하여 구성한 전지팩으로 제조하여 전기차, 드론, 전동 퍼스널모빌리트 등에 장착 사용되며, 다양한 환경과 사용조건에서 충전 및 방전을 반복하게 되므로, 높은 작동 신뢰성이 요구된다.

예를 들어, 출발하거나 급가속할 시에 고율 방전해야 하고, 완속 충전보다 급속 충전을 자주 하기도 하며, 특히 여름철 고온 환경에서도 고율 방전 또는 급속 충전할 수도 있다.

이럴 경우, 각 전지셀에서 발생하는 열에 의해서 온도가 급격하게 상승하는 데, 발생한 열을 적절하게 방출하지 않으면, 임계온도(전지 발화점)에 도달하는 과열에 의한 손상뿐만 아니라 전지셀 간의 불균일 현상이 발생하여서, 전지수명을 단축시키고, 전지 사용시간도 단축시키며, 안정성도 저하된다.

특히, 전지팩을 소형 경량으로 제조하면서 에너지 밀도를 높이기 위해서, 전지셀 간의 간격을 매우 좁게 하므로, 전지셀 간의 온도차가 심하게 되고, 결국 배치한 위치에 따라 일부 전지셀부터 손상을 입게 된다.

이러한, 전지셀 간의 온도차 및 과열 문제를 해결하기 위해서, 종래에는 전지셀 사이사이에 방열판을 설치하고, 각 방열판의 단부에서 열 방출하게 하였다. 그리고, 방열판을 가능하면 얇게 하고 열전도율을 높게 제작하여서, 방열 효율을 높이기도 하였고, 전지셀과의 전기 절연을 위해서 두께 증가를 최소화할 수 있는 절연 피막을 조성하기도 하였다.

하지만, 전지셀 사이에 배치하는 방열판은 열전도율 및 두께에 의해서 방열 성능이 좌우되므로, 슬림화 및 방열 성능을 모두 만족하는 열전도율 및 두께로 설계하는 것이 바람직하고, 더욱이, 전지팩에 가해지는 충격 또는 진동에서 의해서 전지셀과의 마찰에 의한 손상을 입을 수 있고, 전지팩과의 전기 절연성도 확보하여야 하므로, 열전도, 전기 절연 및 완충 기능을 할 층을 추가 구비하는 것이 바람직하지만, 종래 기술에서는 그렇게 하지 아니하고, 방열 성능 아니면 두께 최소화에만 중시하며 설계되었다.

더욱이, 열을 외부로 전도하기 위한 층은 열전도, 전기 절연 및 완충 기능을 수행하는 층을 고려하여 적절하게 구성하여야 한다.

KR 10-1256063 B1 2013.04.12. KR 10-1731337 B1 2017.04.24. KR 20-2017-0000125 A 2017.01.10.

따라서 본 발명은 두께, 열전도율, 강도, 절연 및 중량을 종합적으로 고려한 최적의 방열구조체를 사용하여, 전지셀의 부위별 온도차 및 전지셀 간의 온도차를 신속하게 낮추면서 외부로 열 방출하여, 높은 신뢰성을 갖고 충방전할 수 있으며, 더불어, 전기 절연성 및 강도까지도 확보하여 안전하면서 내구성을 갖는 복합 방열재를 적용한 고온 고율용 리튬이차전지를 제공하는 데 목적을 둔다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 복합 방열재를 적용한 고온 고율용 리튬이차전지에 있어서, 복수 전지셀의 사이사이에 방열구조체(100)를 개재하며 복수 전지셀을 순차적으로 겹쳐 놓아 방열구조체(100)의 양 단부를 통해 방열하게 하되, 상기 방열구조체(100)는 열전도성 절연재로 구성되어 전지셀에 밀착되는 1차 방열층(110); 0.01~0.2mm의 두께와, 160~250W/mK의 열전도율과, 2.5~2.8g/cm³의 밀도와, 200~300MPa의 항복강도를 갖는 알루미늄 합금으로 구성되어 1차 방열층(110)을 통해 전지셀의 열을 흡수하게 한 2차 방열층(120); 및 전기 절연을 위한 전기 절연층(130);의 순서로 적층되게 구성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 1차 방열층(110)은 0.1~0.5mm의 두께와, 3~15W/mK의 열전도율과, 2.5~3.5g/cm³의 밀도와, 0.2~1N/mm²의 인장강도와, 10¹²Ωcm 이상의 전기 비저항을 갖는 실리콘 계열의 고무로 구성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 2차 방열층(120)은 망간, 규소, 마그네슘 및 아연으로 이루어진 첨가물 그룹 중에 하나 이상을 선택하여 이루어진 첨가물이 1~10중량% 포함되고 잔부 90~99%가 알루미늄으로 이루어진 알루미늄 합금이고, 0.01~0.2mm 두께로 형성되어 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 1차 방열층(110)은 실리콘 고무 20~30중량%, 실리카 5~10중량% 및 산화알루미늄 60~70중량%의 조성을 갖고, 0.1~0.5mm의 두께로 형성되어 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 방열구조체(100)의 2차 방열층(120) 양 단부는 인접한 서로 다른 방열구조체(100)의 2차 방열층(120)의 단부에 이어지게 하여, 복수의 상기 방열구조체(100)가 연달아 연결되게 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마지막 연결된 방열구조체(100)의 2차 방열층(120) 양 단부 중에 다른 방열구조체(100)에 연결되지 아니한 일측 단부를 방열판(200)에 이어지게 하여 방열판(200)으로 방열하게 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 전지셀은 각형 전지셀(1)이고, 상기 방열구조체(100)는 상기 1차 방열층(110), 2차 방열층(120) 및 전기 절연층(130)을 각각 판상으로 형성하여, 전체적으로 판상의 형태를 갖춘다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 전지셀은 원통형 전지셀(2)이고, 복수 원통형 전지셀(2)을 일렬로 나열한 전지셀 병렬군(2') 다수 개가 순차적으로 겹쳐 있으며, 상기 방열구조체(100)는 전지셀 병렬군(2')의 사이사이에 개재되되, 상기 2차 방열층(120) 및 전기 절연층(130)은 각각 판상으로 형성하고, 상기 1차 방열층(110)은 판상에서 원통형 전지셀(2)의 외주면 곡률반경을 갖는 원호형 홈(111)이 전지셀 병렬군(2')의 원통형 전지셀(1) 간격으로 연속 형성되어 있게 하여, 원통형 전지셀(2)에 면접촉되게 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 방열을 위한 2차 방열층(120)을 1차 방열층(110) 및 전기 절연층(130)으로 감싸게 구성한 방열구조체(100)를 전지셀 사이에 개재하므로, 전지셀의 열을 흡수하여 방열함은 물론이고 전기적 안정성 및 내구성을 갖추고, 요구되는 방열 성능에 적절한 부피, 중량 및 강도를 갖추도록 설계한 두께, 열전도율, 밀도 및 항복강도를 갖는 2차 방열층(120)을 구비하므로, 전지팩 내의 국부적 온도 상승 및 과도한 온도차 발생을 억제하고, 동작 신뢰성을 확보할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 1차 방열층(110)은 2차 방열층(120)을 향한 열전도 기능, 전지셀과의 밀착 기능, 방열구조체(100) 전체의 안정적 층 유지 기능 및 전지셀과 2차 방열층(120) 간의 전기 절연 기능 모두를 충실하게 수행할 수 있는 두께, 열전도율, 밀도 및 인장강도를 갖추므로, 방열 성능은 물론이고 내구성도 더욱 높다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전지셀 사이사이에 개재된 각 방열구조체(100)를 순차적으로 연결하여, 전지셀 간의 온도차를 신속하게 억제하면서, 전지팩 외부로 열 방출하기 위한 구성도 간소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 리튬이차전지의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 리튬이차전지의 내부 상면도.
도 3은 방열구조체(100)의 변형 실시 예 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 리튬이차전지의 개략 구성도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 리튬이차전지의 내부 상면도.
도 6은 방열구조체(100)를 장착하기 전후의 리튬이차전지를 1C 전류로 방전하는 중에 전지셀 적층제의 내외부 온도를 측정한 결과 그래프.
도 7은 방열구조체(100)를 장착하기 전후의 리튬이차전지를 2C 전류로 방전하는 중에 전지셀 적층제의 내외부 온도를 측정한 결과 그래프.

본 발명에 따른 리튬이차전지는 복수 전지셀을 사이사이에 판상의 방열구조체(100)를 개재하며 순차적으로 겹쳐 놓아, 각 방열구조체(100)의 양 단부를 통해 방열하게 한 전지팩이다.

본 발명에 따르면, 상기 방열구조체(100)는 전지팩의 부피 및 중량 증가를 최소화하면서, 관리 온도 이하의 온도를 유지하도록 적절하게 방열하고, 특히, 각 전지셀의 부위별 온도차는 물론이고 전지셀 간의 온도차도 충분히 낮추며, 외부 충격 또는 진동을 감수할 적절한 강도를 갖추어서 내구성을 보장한다.

상기 방열구조체(100)는 방열 성능을 높일수록 부피 및 중량 증가를 피할 수 없고, 내구성을 높게 하려는 경우에도 부피 및 중량 증가를 피할 수 없다.

그런데, 복수 전지셀을 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결하여 구성한 전지팩은 사용 환경의 최고 온도 하에서 적절한 방열 성능을 유지하면 충분하고, 내구성도 리튬이차전지로 구성한 전기팩이 사용되는 전기차, 드론, 퍼스널모빌리티 등에 장착한 상황에서 적절한 내구성 이상을 충족하면 된다.

이에, 본 발명에서는 병존할 수 없는 부피 및 중량 최소화와 방열 성능 및 내구성 향상을 사용 환경의 요구에 부합할 수 있는 정도로 만족하게 한다.

이를 위해서, 상기 방열구조체(100)는 전지셀에 밀착시킨 열전도성의 1차 방열층(110); 0.01~0.2mm의 두께와, 160~250W/mK의 열전도율과, 2.5~2.8g/cm³의 밀도와, 200~300MPa의 항복강도를 갖는 알루미늄 합금으로 구성되어 1차 방열층(110)을 통해 전지셀의 열을 흡수하게 한 2차 방열층(120); 및 2차 방열층(120)의 전기 절연을 위한 전기 절연층(130);의 순서로 적층된 구조를 갖는다.

이에, 2차 방열층(120)은 전후면 측의 전지셀 중에, 전면에 형성된 1차 방열층(110)에 밀착 접촉된 전지셀의 열을 흡수하여, 양단을 통해 방열할 수 있고, 후면에 형성된 전기 절연층(130)에 접촉된 전지셀과는 전기적으로 절연된다.

여기서, 상기 2차 방열층(120)의 열전도율 및 두께는 열용량을 결정짓게 되므로 방열 열량도 결정짓게 되는데, 본 발명의 출원인은 통상적으로 사용하는 리튬이차전지의 전지셀 크기 및 그 전지셀로 구성한 전지팩의 크기 등을 고려하여, 전지팩에 요구되는 관리 온도 및 관리 온도차를 충족하는 방열 성능을 갖추면서, 두께는 가능하면 얇고, 내구성도 충족할 수 있는 최적의 값을 갖게 하였다.

즉, 열전도율은 160W/mK 이상 250W/mK 이하의 값을 갖고, 두께는 0.01mm 이상 0.2mm 이하의 값을 갖도록 알루미늄 합금으로 상기 2차 방열층(120)을 제작하여, 2.5~2.8g/cm³의 밀도를 갖춤으로써 중량 증가도 최소화하고, 200~300MPa의 항복강도를 갖춤으로써 내구성도 충분히 갖게 하였다.

이와 같이 구성한 상기 2차 방열층(120)은 실제품의 전지팩에 요구되는 관리 온도 및 관리 온도차를 충족하면서, 부피 및 중량 증가도 최소화하고 내구성도 충족함을 확인하였다.

만약, 열전도율이 160W/mK 미만이면 전도되는 열량을 분산시켜 전체적으로 균일할 온도를 갖게 하는 데 소요되는 시간이 늘어나고, 결국, 양 단부를 향한 열전도 속도가 낮아지고, 충분한 열전달을 위해서 0.2mm를 초과하는 두께로 제작하여야만 하므로, 기능상 어느 정도의 두께를 갖추어야 하는 1차 방열층(110) 및 전기 절연층(130)의 두께를 더하면, 전지팩의 부피 증가에 따른 에너지 밀도 저하 및 공간 활용도가 낮아진다.

반대로, 열전도율이 250W/mK를 초과하면, 필요 이상으로 열전도가 빨라지고, 두께를 0.01mm 미만으로 할 수 있겠지만, 강도의 저하에 따른 내구성이 문제가 된다.

따라서, 상기 2차 방열층(120)은 두께를 0.01~0.2mm 범위 내로 제한하면서 열전도율을 160~250W/mK의 범위 내 값을 갖게 구성함으로써, 전지팩의 부피 증가에 따른 전지팩의 에너지 밀도를 감소시키더라도 그 에너지 밀도의 감소폭을 최대한 낮추고, 최소한의 강도도 보장하며, 방열 특성도 충족하게 하는 것이다.

또한, 항복강도의 범위 200~300MPa는 0.01~0.2mm의 두께를 갖는 재질로서 항복점에 도달하지 않기 위한 최소한의 내구성을 충족하면서, 필요 이상의 강도를 갖지 않아도 되는 범위라 할 수 있고, 전지팩 내에 장착한 후 외력을 가하여 응력을 발생시켜서 그 내구성을 확인할 수 있었으며, 밀도의 범위 2.5~2.8g/cm³는 0.01~0.2mm의 두께에 따른 전체 중량을 결정짓게 되는데, 이 또한 전지팩의 중량 증가량을 최대한 줄이면서 0.01~0.2mm의 두께와, 160~250W/mK의 열전도율과, 200~300MPa의 항복강도를 갖는 재질로서 제작할 수 있는 최소한 값을 갖는 범위라 할 수 있다.

이와 같이 0.01~0.2mm의 두께와, 160~250W/mK의 열전도율과, 2.5~2.8g/cm³의 밀도와, 200~300MPa의 항복강도를 갖는 상기 2차 방열층(120)은 망간, 규소, 마그네슘 및 아연으로 이루어진 첨가물 그룹 중에 하나 이상을 선택하여 이루어진 첨가물이 1~10중량% 포함되고 잔부(90~99중량%)가 알루미늄으로 이루어진 알루미늄 합금으로 제작할 수 있었다. 여기서, 첨가물은 1중량% 미만이거나 아니면 10중량%를 초과하면, 상기한 상기 2차 방열층(120)의 두께, 열전도율, 밀도 및 항복강도를 모두 갖추게 제작할 수 없음을 확인할 수 있었으며, 이에, 첨가물은 1중량% 이상 10중량% 이하의 범위를 갖게 하여야만 하였다.

상기 1차 방열층(110)은 전지셀에서 발생한 열을 상기 2차 방열층(110)에 전도시키는 열전도 기능, 외부 충격 또는 진동이 가해지더라도 유연성을 갖추어 전지셀에 밀착된 상태를 유지함으로써 열전도 기능을 안정적으로 수행하게 하는 밀착 기능, 외부 충격 또는 진동이 가해지더라도 2차 방열층(120)으로부터 이탈하지 않게 2차 방열층(120)에 고정된 상태를 유지하며 균열 및 파괴되지 않는 강도를 갖는 층 유지 기능 및 전지셀과 상기 2차 방열층(120) 사이를 전기적으로 절연시키는 절연 기능을 갖춘다.

그런데, 열전도 기능, 밀착 기능, 층 유지 기능 및 절연 기능을 모두 최상으로 수행할 수 있게 하는 것은 불가능하므로, 본 발명의 실시 예에서는 상기 1차 방열층(110)이 전지팩 내에서 각 기능을 충분히 발휘하여 제 역할을 수행할 수 있게 한다.

이를 위한 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 1차 방열층(110)은 0.1~0.5mm의 두께와, 3~15W/mK의 열전도율과, 2.5~3.5g/cm³의 밀도와, 0.2~1N/mm²의 인장강도와, 10¹²Ωcm 이상의 전기 비저항을 갖는 실리콘 계열의 고무로 구성된다.

상기 1차 방열층(110)은 부피 증가를 최소화하기 위해서 얇은 두께로 제작하여, 2차 방열층(120)에 비해 상대적으로 낮은 열전도율이어도 되지만, 너무 얇으면 전기 절연성 및 밀착성도 낮아지고, 충격 또는 진동에 의해 파손되기 쉽고, 더욱이, 열전도율이 높으면 전기 절연성은 낮아진다.

이에, 밀착할 시에 수축함을 감안하여 최대 0.5mm 두께를 초과하지 아니하도록 제한하고, 전기 절연성을 과도하게 저해하지 않으면서 열전도율을 필요 이상으로 높게 하지 않도록 최대 15W/mK의 열전도율을 갖게 하여, 두께 및 열전도율의 상한치를 정하였다.

그리고, 충분한 밀착 기능 및 층 유지 기능을 갖게 하기 위해서 두께는 0.1mm를 하한치로 하고, 상대적으로 얇은 만큼 3W/mK의 열전도율이면 충분하여, 이 값을 열전도율의 하한치로 정하였다. 이에, 얇은 두께일 때에 열전도율을 적절한 값만큼 낮춤으로써, 전기 절연성을 높게 책정할 수 있었으며, 적어도 10¹²Ωcm 이상의 전기 비저항을 갖게 함으로써, 전기 절연성을 확보할 수 있게 되었다.

결국, 상기 1차 방열층(110)은 0.1~0.5mm의 두께와, 3~15W/mK의 열전도율과, 10¹²Ωcm 이상의 전기 비저항을 갖게 하면서, 두께 범위를 감안하여 0.2~1N/mm²의 인장강도를 갖게 하고, 실리콘 계열의 고무로 제작함에 따라 2.5~3.5g/cm³의 밀도를 갖게 구성함으로써, 열전도 기능, 밀착 기능, 층 유지 기능 및 절연 기능을 모두 충실히 수행할 수 있게 되었다.

이러한 상기 1차 방열층(110)은 실리콘 고무 20~30중량%, 보강재 5~10중량%, 열전도재 60~70중량%의 조성으로 제조할 수 있었다. 여기서, 보강재는 실리카로 할 수 있고, 열전도재는 산화알루미늄으로 할 수 있다.

상기 전기 절연층(130)은 판상의 2차 방열층(120)의 양면 중에 1차 방열층(110)으로 절연되는 면과 반대되는 면을 전기적으로 절연하기 위한 층으로서, 가능하면 얇으면서 전기 절연성을 확보하면 만족한다.

다만, 상기 전기 절연층(130)을 2차 방열층(120)의 표면 처리에 의해 형성할 수도 있으나, 상기 전기 절연층(130)도 전지셀과 접촉하여 마모될 수 있음을 감안하여 실리콘 계열의 고무로 구성하는 것이 좋다. 예를 들어, 순수하게 전기 절연성만 확보하려 한다면, 상기 전기 절연층(130)은 열전도재는 첨가하지 아니하여도 좋으므로, 상기 1차 방열층(110)에 비해 상대적으로 얇은 두께를 갖게 할 수 있다. 그렇지만, 상기 전기 절연층(130)이 방열에 기여하게 구성할 수 있으며, 이럴 경우에는 상기 1차 방열층(110)과 동일하게 구성하거나, 또는 열전도재를 포함하여 열 전도성을 높이되 함량을 상대적으로 적게 하여 상기 1차 방열층(110)보다 상대적으로 얇게 할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 상기 1차 방열층(110), 2차 방열층(120) 및 전기 절연층(130)을 갖는 상기 방열구조체(100)는 전지셀의 사이사이에 개재되되, 2차 방열층(120)의 양단을 연장시켜, 연장 부위로 방열하게 한다.

이때, 전지팩을 구성하는 모든 전지셀이 누락 없이 상기 1차 방열층(110)에 밀착되게 하여야 하므로, 모든 방열구조체(100)는 상기 1차 방열층(110)이 향하는 방향이 동일하도록 전지셀 사이사이에 개재되게 하여야 한다.

그런데, 복수 전지셀 간의 온도차를 줄이면서 방열시키는 것이 바람직하고, 실제로 전지팩 외부로의 방열이 더디더라도 전지셀 간의 온도차를 신속하게 줄여 전지셀 간의 불평형을 해소하는 것만으로도 고온 환경 하에 고율 충방전할 시에 과열 및 불평형에 따라 발생하는 안정성 저하, 전지수명 단축 및 시용가능시간 감소 문제를 해소하기도 한다.

이에, 전지셀 사이사이에 개재한 상기 방열구조체(100)의 2차 방열층(120) 양 단부는 인접한 서로 다른 방열구조체(100)의 2차 방열층(120)의 단부에 이어지게 한다. 즉, 복수의 상기 방열구조체(100)는 구비된 2차 방열층(120)을 직렬 연결하여 연달아 이어지게 한다.

그리고, 마지막 연결된 방열구조체(100)의 2차 방열층(120) 양 단부 중에 다른 방열구조체(100)에 연결되지 아니한 일측 단부를 방열판(200)에 이어지게 하여 방열판(200)으로 방열하게 한다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 리튬이차전지의 구조적 특징에 대해 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

<본 발명의 제1 실시 예>

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 리튬이차전지의 개략 구성도이다. 도 1을 도시할 시에는 케이스(10)에 내장한 각형 전지셀(1)를 투시하여 보여주고, 방열구조체(100)에 대해서는 각형 전지셀(1)에 가려진 부분 중 상부 측만 투시하여 보여줌으로써, 각형 전지셀(1)의 배치와 각형 전지셀(1)의 연속 이어진 상태를 쉽게 알아볼 수 있게 하였다.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 리튬이차전지의 투시하여 도시한 상면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 리튬이차전지는 케이스(10) 내에서 각형 전지셀(1) 복수 개를 사이사이에 상기 방열구조체(100)를 개재하며 겹쳐 놓아 구성한 전지팩이다.

또한, 각형 전지셀(1) 중에 첫번째 아니면 마지막번째 배치한 것은 1차 방열층(110)을 접촉시키는 방열구조체(100)가 없게 되므로, 방열구조체(100)를 외곽측에 추가 설치하게 하였다.

각형 전지셀(1)은 직육면체 형상을 갖추고, 겹쳐 놓는 면이 아닌 면 중 일 면(도면에서는 상면)에 단자를 구비하게 하여 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직병렬 연결할 수 있게 되어 있으므로, 상기 방열구조체(100)는 상기 1차 방열층(110), 2차 방열층(120) 및 전기 절연층(130)을 각각 판상으로 형성하여, 전체적으로 판상의 형태를 갖추면 된다.

이에, 각각의 방열구조체(100)는 각형 전지셀(1) 두께만큼 간격을 두고 상호 평행하게 순차적으로 적층된 배치를 갖는다.

그리고, 각각의 방열구조체(100)는 각형 전지셀(1)의 적층체 외측 중에 전지셀 전극이 형성되지 아니한 면(도면에서는 측면)의 외측으로 2차 방열층(120)이 돌출되게 되어 있다. 그리고, 2차 방열층(120)의 돌출된 부위를 절곡하여, 인접한 방열구조체(100)의 2차 방열층(120)과 이어지게 하되, 양측 돌출된 부위가 서로 다른 방열구조체(100)의 2차 방열층(120)과 이어지게 함은 물론이고 상호 연결된 것에는 다른 것이 연결되지 아니하게 하여서, 모든 방열구조체(100)가 2차 방열층(120)을 상호 직렬 연결하는 방식으로 이어지게 하였다.

물론, 모든 각형 전지셀(1)은 양 면 중에 어느 한쪽 면이 방열구조체(100)의 1차 방열층(110)에 밀착되므로, 방열구조체(100)에 의한 신속한 열적 방열 경로에 닿게 되어 있다.

한편, 마주하는 2차 방열층(120)의 돌출부를 상호 연결함으로써, 그 돌출부가 각형 전지셀(1)에 접촉될 우려가 있다. 이에, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 전기 절연층(130)은 양단 중에 일측 단부를 2차 방열층(120)의 돌출부까지 연장되게 형성하여서, 각형 전지셀(1)의 측면을 덮게 하는 것이 좋다.

여기서, 2차 방열층(120) 간의 연결 방식은 도시한 바와 같이 겹쳐 접착하는 방식 외에도, 예를 들어, 대칭적으로 절곡하여 맞닿게 한 후 용접하거나 아니면 볼트로 관통시킨 후 너트를 체결하여 압착하는 방식으로 할 수도 있다.

그리고, 복수의 방열구조체(100) 중에 마지막 배치된 것의 2차 방열층(120)은 양 단부 중에 다른 방열구조체(100)의 2차 방열층(120)과 연결되지 아니한 일측 단부를 케이스(10) 외측으로 연장되게 하여서, 케이스(10) 외측에 설치한 방열판(200)에 이어지게 하였다. 여기서, 방열판(200)은 예시적으로 외부 공기와의 접촉 면적을 크게 하는 냉각핀(210)을 갖는 것으로 도시하여서, 자연적인 공기 대류에 의해 냉각되게 하거나 또는 팬에 의해 강제 냉각하는 등의 공냉식으로 냉각할 수 있다. 물론, 상기 방열판(200)은 수냉식으로 냉각할 수도 있다.

상기한 바와 같이 각형 전지셀(1)를 내장한 전지팩으로 구성한 리튬이차전지는 상기한 바와 같이 열전도 기능, 밀착 기능, 층 유지 기능 및 절연 기능 모두를 충실히 수행할 수 있는 1차 방열층(110)에 의해서 각형 전지셀(1)과 방열구조체(100)의 밀착 상태 및 절연 상태를 안정적으로 유지하며 파손되지 아니하고, 전지셀(1)에서 발생하는 열을 2차 방열층(120)으로 흡수한다. 그리고, 2차 방열층(120)에 흡수되는 열은 2차 방열층(120)에 분산되어 국부적 과열을 방지함으로써, 각 전지셀(1) 내의 부위 온도차 및 전지셀(1) 간의 온도차도 신속하게 감소시켜서 불평형 문제를 해소하고, 방열판(200)으로 열을 방출하여, 전지팩 내의 총 열량도 감소시켜서, 국부적 과열에 따른 전지수명 감소, 사용시간 단축 및 안정성 저하 문제도 해소한다.

<본 발명의 제1 실시 예의 변형>

도 3은 방열구조체(100)의 변형 실시 예 단면도이다.

먼저, 도 3(a)을 참조하면, 2차 방열층(120)은 길게 형성된 판상의 형태를 갖추고, 1차 방열층(110)은 2차 방열층(120)의 길이 방향을 따라가며 각형 전지셀(1)의 두께만큼 간격(d)을 두고 2차 방열층(120)에 형성되되, 2차 방열층(120)의 양면을 번갈아가며 선택한 면에 형성되어 있다.

전기 절연층(130)은 2차 방열층(120)를 사이에 두고 1차 방열층(110)와 마주하도록 형성되되, 각형 전지셀(1)의 두께만큼 연장하여서, 동일한 면에 조성된 인접 1차 방열층(110)과 연접하게 한다. 이와 같이 전기 절연층(130)의 연장된 면은 도 1에 도시한 바와 같이 각형 전지셀(1)의 측면을 덮기 위한 면이다.

다시 말해서, 2차 방열층(120)의 상하면 중에 상면에 1차 방열층(110)를 형성하고, 하면에는 전기 절연층(130)을 형성하되 각형 전지셀(1)의 두께만큼 연장 형성하며, 형성한 1차 방열층(110)과 이어서 각형 전지셀(1)의 두께만큼 간격(d)을 두고 다음번 1차 방열층(110)를 형성할 시에는 하면에 형성하고, 전기 절연층(130)은 상면에 형성하되 각형 전지셀(1)의 두께만큼 연장 형성하는 방식으로, 상면과 하면에 형성하는 1차 방열층(110)과 전기 절연층(130)의 쌍을 2차 방열층(120)에 길이 방향을 따라 순차적으로 형성한다.

이와 같이 구성한 방열구조체(100)를 각 1차 방열층(110)의 양단 경계선을 따라 절곡함으로써, 도 1에 도시한 바와 같이 1차 방열층(110) 및 전기 절연층(130)을 각형 전지셀(1)에 접촉되도록 각형 전지셀(1)의 사이사이에 배치되게 설치할 수 있다. 이에 따라, 도 1을 참조하며 설명한 바와 같이 각형 전지셀(1)의 사이사이에 개재되게 분리된 방열구조체(100)를 서로 이어지게 하는 작업은 필요 없게 된다. 또한, 연결하기 위한 공간도 필요 없어서 전지팩의 부피도 그만큼 줄일 수 있다.

다음으로, 도 3(b)를 참조하면, 전기 절연층(130)을 각형 전지셀(1)의 두께만큼 연장시키는 방향이 직전에 조성한 1차 방열층(110)을 향하는 방향이라는 점에서 도 3(a)에 도시한 것과 차이 난다.

도 3(a) 및 도 3(b)의 차이점은, 1차 방열층(110)의 끝단에서 2차 방열층(120)을 90°각도로 절곡하는 방향에 따라 발생한다. 즉, 1차 방열층(110)을 향해 절곡하여 설치할 경우, 그 1차 방열층(110)의 끝단부터 전기 절연층(130)을 형성하고, 1차 방열층(110)과 반대되는 방향으로 절곡하여 설치할 경우, 1차 방열층(110)의 반대측 면에 전기 절연층(130)을 연장 형성한다.

<본 발명의 제2 실시 예>

도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 리튬이차전지의 개략 구성도이다. 도 4를 도시할 시에는 리튬이차전지의 내부를 투시한 도면으로 도시하였다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 리튬이차전지의 내부를 상부에서 투시하여 도시한 도면이다.

도 4 및 도 5에 도시한 리튬이차전지에 따르면, 복수의 원통형 전지셀(2)을 일렬로 나열한 전지셀 병렬군(2')이 복수 개 마련되어 전지팩 케이스(10) 내에서 순차적으로 겹쳐지게 놓여 있다. 즉, 도 1에 도시한 리튬이차전지와 대비하면, 각형 전지셀(1)이 놓이는 위치에 원통형 전지셀(2)의 전지셀 병렬군(2')이 놓이는 것으로 볼 수 있다.

이에 따라, 방열구조체(100)는 전지셀 병렬군(2')의 사이사이에 개재하면 된다.

그런데, 방열구조체(110)의 1차 방열층(110), 2차 방열층(120) 및 전기 절연층(130)을 각각 판상으로 구성하는 경우, 1차 방열층(110)이 전지셀 병렬군(2')의 각 원통형 전지셀(2)에 선접촉하게 되어서, 방열이 잘 안된다.

이에, 1차 방열층(110)에는 원호형 홈(111)을 갖게 하였다.

상기 원호형 홈(111)은 상기한 바와 같이 0.1~0.5mm 범위의 두께를 갖는 판상의 구조에 돌출부를 갖게 하여 조성한 것으로서, 원통형 전지셀(2)의 외주면 곡률반경을 갖게 조성되고, 전지셀 병렬군(2')의 원통형 전지셀(1) 간격으로 연속 조성되어 있다.

이와 같이 구성한 방열구조체(100)는 전지셀 병렬군(2')의 사이사이에 개재된 상태에서 1차 방열층(110)을 전지셀 병렬군(2')과 면접촉되게 하므로, 원통형 전지셀(2)에서 발생하는 열을 신속하게 흡수할 수 있다.

또한, 도 3을 참조하며 설명한 바와 같이 도 4 및 도 5에 도시한 실시 예는 전지셀 병렬군(2')의 사이사이에 개재하는 방열구조체(100)을 상호 이어지게 일체형으로 구성하므로, 설치하기 용이하고, 전지팩의 크기도 줄여 제작할 수 있다. 그렇지만, 전지셀 병렬군(2')의 사이사이에 개재한 부위를 서로 이어주는 부위는 원통형 전지셀(2)을 접촉하며 감싸게 할 수 있으며, 이 경우에 1차 방열층(110) 간의 이격 거리는 원통형 전지셀(2)의 외주면 둘레 길이(외주면 직경에 따른 원둘레)의 절반으로 하고, 그 절반 길이만큼 전기 절연층(130)도 연장하여야 한다.

<온도 균일화 1차 검증>

본 발명에 따른 리튬이차전지의 전지셀 간 온도 균일화를 검증하기 위해서, 평균전압이 3.7V이고 용량이 22AH인 각형 전지셀(1)을 12개 준비한 후, 방열구조체(100)가 각형 전지셀(1)의 사이사이를 지나가며 밀착되도록 12개 각형 전지셀(1)을 평행하게 배치하고, 12개 각형 전지셀(1)을 전기적으로 직렬 연결하여서, 정격 44V 전지팩을 구성하였다.

그리고, 방열구조체(100)를 장착하기 전후의 리튬이차전지에서 나타나는 각형 전지셀(1) 간의 온도차를 1차 검증하였다.

먼저, 장착하였던 방열구조체(100)를 분리하여, 방열구조체(100)가 장착되지 않게 된 전지팩을 준비하였다.

방열구조체(100)를 장착하기 전의 전지팩을 상온에서 만충전한 후, 고온 50℃의 환경 하에서 일정시간 동안 정치하고, 이후 고온 50℃를 유지하면서 1C(22A) 전류로 41V까지 고율 방전시켰다. 고율 방전시키는 중에, 전지셀 적층체의 중앙부와 바깥쪽 표면부에서 온도를 측정하여, 도 6(a)의 그래프를 얻었다.

여기서, 온도 측정한 중앙부는 가장 안쪽에 적층된 전지셀이고, 온도 측정한 바깥쪽 표면부는 가장 바깥쪽에 적층된 전지셀이다.

도 6(a)의 그래프를 살펴보면, 중앙부 온도와 표면부 온도 사이의 온도차는 방전 시간이 경과함에 따라 점차 증가하고, 1시간쯤 경과한 시점에는 대략 12℃에 이르렀다. 1C(22A) 전류로 방전하였으므로 이후에는 방전 전류가 감소하여 온도가 점차 하강하고, 온도차도 약간 감소하는 추세를 보였다.

다음으로, 방열구조체(100)를 장착한 전지팩을 준비하였다.

방열구조체(100)를 장착하기 이전 전지팩과 동일하게 방열구조체(100)를 장착한 전지팩을 만충전하고, 고온 50℃에서 일정시간 정치한 후, 고온 50℃ 환경 하에서 1C(22A) 전류로 41V 까지 고율 방전시켰다. 방열판(200)은 고온 50℃의 환경에 노출시킨 상태이다.

고율 방전시키는 중에 중앙부 온도와 표면부 온도를 검출하여서, 도 6(b)의 그래프를 얻었다.

도 6(b)의 그래프를 살펴보면, 중앙부 온도와 표면부 온도 사이의 온도차는 방전 시간이 경과함에 따라 점차 증가하되, 방열구조체(100) 장착 전에 비해 증가 속도가 늦고, 1시간쯤 경과한 시점에는 대략 7℃에 이르렀다. 즉, 방열구조체(100) 장착 전에 비해 대략 5℃ 감소하였다. 또한, 온도차는 온도가 점차 하강할 시에도 방열구조체(100) 장착 전에 비해 낮았다.

비교 결과, 방열구조체(100)를 장착함으로써, 전지셀 간의 온도차를 현저하게 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다.

표면부 온도가 높게 나오고, 중앙부 온도를 충분히 낮추지 못하게 된 이유는 고온 환경 하에 노출시킨 방열판(200)을 방열함으로써 전지팩 외부로의 방열량이 적기 때문이다. 그렇지만, 전지셀 간의 온도차를 현저하게 줄일 수 있으므로, 방열판(200)을 통해 충분히 방열할 수 있게 한다면, 중앙부 온도와 표면부 온도도 현저하게 감소시킬 수 있다.

한편, 방열구조체(100)를 장착하는 경우가 방전시간이 길어지는 것을 도 6(a)와 도 6(b)를 비교하여 확인할 수 있으며, 이에, 사용 시간을 연장하는 효과를 얻게 되고, 방열판(200)을 통한 방열량을 높이면, 사용 시간을 더욱 연장할 수 있다.

<온도 균일화 2차 검증>

본 2차 검증은 방전 전류를 1C(22A) 전류에서 2C(44A)로 상향 조절한 것 외에는 1차 검증과 동일하게 수행하였다.

도 7(a)는 방열구조체(100) 장착 전의 리튬이차전지를 방전시키는 중에 중앙부 온도와 바깥쪽 표면부 온도를 검출하여 얻은 그래프이다.

도 7(a)의 그래프를 살펴보면, 중앙부 온도와 바깥쪽 표면부 온도는 1C(22A) 전류로 방전하는 경우보다 더욱 빠르게 상승하고, 온도차도 좀 더 빠르게 증가하여, 30여분이 지나서 13℃의 온도차에 이르렀다. 이후, 온도가 하강하면서 온도차도 다시 줄어드는 경향을 보였다.

도 7(b)는 방열구조체(100) 장착 후의 리튬이차전지를 방전시키는 중에 중앙부 온도와 바깥쪽 표면부 온도를 검출하여 얻은 그래프이다.

도 7(b)의 그래프를 살펴보면, 중앙부 온도와 바깥쪽 표면부 온도는 방열구조체(100) 장착 전에 비해 좀 더딘 속도로 상승하고, 온도차는 증가하기는 하지만 방열구조체(100) 장착 전에 비해 눈에 띄게 증가속도가 낮으며, 방열구조체(100) 장착 전에 비해 더 늦은 시점에 온도가 정점에 이르고, 이때의 온도차가 8℃로 나타났다. 즉, 방열구조체(100)를 장착하기 이전보다 대략 5℃를 낮출 수 있었다. 이후, 온도는 하강하면서 온도차는 거의 유지하고 있는 것으로 나타났다.

비교 결과, 2C(44A)의 고율 방전에서도 방열구조체(100)를 장착함으로써, 전지셀 간의 온도차를 현저하게 줄일 수 있고, 온도 상승 속도도 늦추어서, 전지셀 간의 온도차는 줄이고, 사용 시간은 늘릴 수 있음을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명이 구비한 방열구조체(100)는 전지셀에서 발생한 열을 신속하게 흡수하고, 흡수한 열을 전 부위에 고르게 분산시켜 온도 균일화하게 한다고 볼 수 있다. 또한, 방열판(200)을 통해 신속하게 열 방출할 수 있다. 열 방출에 따라 전 부위의 온도를 신속하게 낮출 수 있으므로, 전지셀 간의 온도차를 현저하면서 신속하게 감소시켜, 전지셀의 위치별 불균형 현상을 해결하고, 전지셀에서 발생한 열도 신속하게 방출하여, 과열을 방지할 수 있으며, 결국, 리튬이차전지를 안정성, 전지수명 및 사용시간을 보장한다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1 : 각형 전지셀
2 : 원통형 전지셀 2' : 전지셀 병렬군
10 : 케이스
100 : 방열구조체
110 : 1차 방열층 111 : 원호형 홈
120 : 2차 방열층
130 : 전기 절연층
200 : 방열판
210 : 냉각핀

Claims (8)

1. 복수 전지셀의 사이사이에 방열구조체(100)를 개재하며 복수 전지셀을 순차적으로 겹쳐 놓아 방열구조체(100)의 양 단부를 통해 방열하게 하되,
   상기 방열구조체(100)는
   실리콘 고무 20~30중량%, 실리카 5~10중량% 및 산화알루미늄 60~70중량%의 조성을 갖는 실리콘 계열의 고무로 0.1~0.5mm의 두께와, 3~15W/mK의 열전도율과, 2.5~3.5g/cm³의 밀도와, 0.2~1N/mm²의 인장강도와, 절연성을 위해 10¹²Ωcm 이상의 전기 비저항을 갖도록 구성되어 전지셀에 밀착되는 1차 방열층(110);
   망간, 규소, 마그네슘 및 아연으로 이루어진 첨가물 그룹 중에 하나 이상을 선택하여 이루어진 첨가물이 1~10중량% 포함되고 잔부 90~99%가 알루미늄으로 이루어진 알루미늄 합금으로 0.01~0.2mm의 두께와, 160~250W/mK의 열전도율과, 2.5~2.8g/cm³의 밀도와, 200~300MPa의 항복강도를 갖도록 구성되어 1차 방열층(110)을 통해 전지셀의 열을 흡수하게 한 2차 방열층(120); 및
   전기 절연을 위한 전기 절연층(130);
   의 순서로 적층되고,
   모든 상기 방열구조체(100)에서 상기 1차 방열층(110)이 향하는 방향이 동일하게 하고, 복수 전지셀 중에 첫번째 아니면 마지막번째에 배치되어 1차 방열층(110)과 접촉되지 아니하는 전지셀의 외곽측에 상기 방열구조체(100)를 추가 설치하여 1차 방열층(110)과 접촉되게 하는 방열구조체(100)를 갖게 하며,
   상기 방열구조체(100)의 2차 방열층(120) 양 단부는 인접한 서로 다른 방열구조체(100)의 2차 방열층(120)의 단부에 이어지게 하여, 복수의 상기 방열구조체(100)가 연달아 연결되게 한
   리튬이차전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   마지막 연결된 방열구조체(100)의 2차 방열층(120) 양 단부 중에 다른 방열구조체(100)에 연결되지 아니한 일측 단부를 방열판(200)에 이어지게 하여 방열판(200)으로 방열하게 한
   리튬이차전지.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 전지셀은 각형 전지셀(1)이고,
   상기 방열구조체(100)는 상기 1차 방열층(110), 2차 방열층(120) 및 전기 절연층(130)을 각각 판상으로 형성하여, 전체적으로 판상의 형태를 갖추는
   리튬이차전지.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 전지셀은 원통형 전지셀(2)이고,
   복수 원통형 전지셀(2)을 일렬로 나열한 전지셀 병렬군(2') 다수 개가 순차적으로 겹쳐 있으며,
   상기 방열구조체(100)는 전지셀 병렬군(2')의 사이사이에 개재되되, 상기 2차 방열층(120) 및 전기 절연층(130)은 각각 판상으로 형성하고, 상기 1차 방열층(110)은 판상에서 원통형 전지셀(2)의 외주면 곡률반경을 갖는 원호형 홈(111)이 전지셀 병렬군(2')의 원통형 전지셀(1) 간격으로 연속 형성되어 있게 하여, 원통형 전지셀(2)에 면접촉되게 한
   리튬이차전지.

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