KR102442032B1 - 방열 특성이 우수한 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래 공랭식 전지팩의 문제를 해결하기 위하여, 전지모듈의 하우징 내에 높은 전기 절연성을 가지는 비전도성 유체를 냉매로 적용하되, 비전도성 유체의 낮은 열전도율을 보완하기 위하여 표면개질된 무기 세라믹 입자를 비전도성 유체 내에 도입한 방열 특성이 우수한 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공한다.

Description

방열 특성이 우수한 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE WITH EXCELLENT HEAT DISSIPATION PROPERTY AND BATTERY PACK COMPRISING THE SAME}
본 발명은 방열 특성이 우수한 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
리튬 이온 전지를 이용한 최신 전력 저장 장치에서 고속 충전 혹은 고속 방전 시에는 막대한 열이 발생하게 되며, 이 열을 제어하지 못하면 자칫 사고로 이어질 수 있기 때문에, 전지에 있어 방열 성능은 매우 중요하다. 이는 전지 기술의 발달과 함께 전력 밀도가 높아갈수록 더욱 심각한 문제를 가진다. 이에 전지에서 발생하는 열을 신속하게 분산시키고 전력 저장 장치의 외부로 발산하는 열전달 매체가 필요하게 된다.
일반적인 공랭식 전지팩에서는 주변 대기로부터 공기가 전지팩에서 전지셀을 가로질러 향한 뒤에, 전지팩으로부터 배출된다. 그러나 일반적인 공랭식 전지팩은 팬을 구동하는데 필요한 전력 소모가 전력 손실 요인이 되며, 장기간 구동시 소음뿐만 아니라 셀 주변에 먼지 등의 이물질이 유입되어 냉각 효과를 점진적으로 떨어뜨리는 문제가 있을 수 있다. 또한, 전지셀의 하우징내 위치에 따라 온도 편차가 심하여 균일한 온도 관리가 어려운 문제를 가지고 있다.
이러한 공랭식 전지팩의 문제를 해결하고자, 전지모듈의 하우징 내에 높은 전기 절연성을 가지면서 열전도율이 높은 절연유를 냉매로 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 현재까지 알려진 절연유로는 광유(mineral oil) 혹은 실리콘 오일이 있으나, 이들은 냉각 효과가 높지 않고, 전지의 고속 충방전 시 짧은 시간 동안 다량 발생하는 열을 분산시키기에 부족한 점이 있었다. 이에 매질 내에 절연 무기입자를 투입하는 방법이 시도되어 왔으나, 무기입자가 오일 내에 장기간 침전되지 않도록 이를 분산하는 것이 곤란하다는 문제가 있었다. 이에 계면활성제 등의 분산제를 도입하는 경우가 있었는데, 이 경우 전기 절연성이 낮아지는 문제점이 보고되었다.
한편, 알루미나, 질화 알루미나 등의 입자를 올레산(oleic acid)로 표면 처리하여 투입하는 방법이 알려졌으나(Choi C, Yoo HS, Oh JM. Preparation and heat transfer properties of nanoparticle-in-transformer oil dispersions as advanced energy efficient coolants. Curr Appl Phys 2008;8:710-2), 투입 입자 모두 고르게 표면처리가 되지 못하여 대부분 침전되거나, 침전되지 않고 남은 일부 입자들 역시 장시간 안정성을 가지지 못하는 문제가 있었다. 또한 올레산(oleic acid)과 같은 산성의 물질을 전지 내에 함유할 경우 부식의 위험성과, 이로 인한 폭발 위험성이 존재하므로 해당 기술은 리튬 이온 전지에는 적합하지 않은 문제가 있었다.
본 발명은 종래 공랭식 전지팩의 문제를 해결하기 위하여, 전지모듈의 하우징 내에 높은 전기 절연성을 가지는 비전도성 유체를 냉매로 적용하되, 비전도성 유체의 낮은 열전도율을 보완하기 위하여 표면개질된 무기 세라믹 입자를 비전도성 유체 내에 도입한 방열 특성이 우수한 전지모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하고자 하였다.
본 발명의 일실시예에 따른 전지모듈은 하나 이상의 전지셀을 수납하는 하우징을 포함하는 전지모듈에 있어서, 상기 하우징 내에는 비전도성 유체가 소정 높이로 채워지고, 상기 비전도성 유체 내에는 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 전지팩은 상기 전지모듈을 구비한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 하나 이상의 전지셀들이 정렬된 상태로 하우징 내에 수납된 전지모듈로서, 상기 전지셀은 전지케이스 내에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 상기 전지케이스의 외부로 형성된 전극단자들과 연결된 상태로 내장되어 있다. 한편, 상기 하우징 내에는 비전도성 유체가 소정 높이로 채워지되, 상기 비전도성 유체 내에는 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산된다. 본 발명에 따른 전지모듈은 상기와 같은 구성에 의해 전지의 충방전시 상기 전지셀로부터 발생한 열이 비전도성 유체를 통해 전지모듈 외부로 효과적으로 방출되게 된다.
상기 전지셀은 충방전이 가능한 이차전지라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 리튬 이차전지, 니켈-수소(Ni-MH) 이차전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 이차전지일 수 있고, 그 중에서도 중량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이차전지일 수 있다. 한편, 리튬 이차전지는 형태에 따라 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 구분되는데, 그 중 본 발명의 일실시예에 따른 전지셀은 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 가벼운 중량의 파우치형 전지일 수 있다.
한편, 상기 하우징은 하나 이상의 전지셀, 예를 들어 다수 개의 전지셀이 정렬된 형태로 수납될 수 있도록 하는 것으로서, 전지케이스 내에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장된 전지셀을 2차적으로 포장하는 역할을 하는 부재에 해당한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 하우징은 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 재질일 수 있다.
한편, 상기 하우징 내에는 비전도성 유체가 소정 높이로 채워지게 되는데, 상기 비전도성 유체는 높은 전기 절연성을 가진 절연유일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 비전도성 유체는 광유(mineral oil), 실리콘 오일(silicone oil) 및 식물성 오일(vegetable oil)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 위와 같은 비전도성 유체는 높은 전기 절연성을 가지고 있어, 안정성을 확보할 수 있으므로, 전지 분야의 냉매로 사용하기 적합하다. 한편, 열전도율이 높은 물이나 에틸렌 글리콜과 같은 물질은 전기 절연성이 낮아 안정성이 떨어지므로, 전지, 특히 이차전지 분야의 냉매로 사용하기에 적합하지 아니하다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 비전도성 유체는 하우징 전체 높이를 기준으로 30 내지 100% 범위 내의 높이, 상세하게는 30 내지 80% 범위 내의 높이로 하우징 내에 채워지는 것일 수 있으며, 상기 범위 미만으로 채워지는 경우 전지 온도 조절 효과를 장기간 유지하기 어려운 문제점이 있고, 상기 범위를 초과하여 채워지는 경우 전지 구동 시 유체가 팽창하여 넘칠 우려가 있으므로 전지 안정성을 저해할 수 있다는 문제점이 있다.
한편, 상기와 같은 비전도성 유체만으로는 전지, 특히 중대형 디바이스에 전원으로 사용되는 대용량 전지팩 분야에 있어서, 충방전 시 짧은 시간 동안 발생하는 많은 열을 효과적으로 방출시키기에 다소 부족함이 있을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면 상기와 같은 비전도성 유체의 상대적으로 낮은 열전도 특성을 보완하고자, 비전도성 유체 내에 표면개질된 무기 세라믹 입자를 분산시킨다.
본 발명의 일실시예에 따른 표면개질된 무기 세라믹 입자는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 알루미노 실리케이트(AlSi), 질화알루미늄(AlN), 질화실리콘(Si3N4), 질화붕소(BN) 및 질화규소(SiN)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기와 같은 무기 세라믹 입자는 열전도 특성이 높으면서도 높은 전기 절연성을 가지고 있어 비전도성 유체 내에 분산되어 포함되는 경우, 비전도성 유체의 상대적으로 낮은 열전도 특성을 효과적으로 보완할 수 있게 된다. 한편, 상기 무기 세라믹 입자와 달리 무기 금속이나 또는 탄소 소재는 전기 절연성이 나쁘기 때문에, 상기 비전도성 유체 내에 적용하여 전지 분야, 특히 이차전지 분야에서 위와 같은 용도로 활용하기 곤란하다.
한편, 상기와 같은 무기 세라믹 입자가 비전도성 유체의 열전도 특성을 효과적으로 보완하기 위해서는 상기 입자가 비전도성 유체 내에 안정적으로 분산되어야 하고, 유체 내에서 장기간 침전되지 않아야 한다. 이를 위해, 분산제 사용을 고려할 수 있는데, 본 발명의 일실시예에 따라 사용되는 분산제 화합물은 실리콘 원소를 포함하는 분산제 화합물일 수 있고, 이 경우, 무기 세라믹 입자는 표면이 실리콘 원소를 포함하는 분산제 화합물과 물리적 또는 화학적으로 결합되어 표면개질된 형태로 비전도성 유체 내에 존재하게 될 수 있다. 이에 따라 무기 세라믹 입자를 비전도성 유체 내에 안정적으로 분산시킬 수 있게 되어 장기간 안정성이 확보되며, 종래 기술에서 문제되던 계면활성제 분산제 사용에 따른 비전도성 유체의 전기 절연성 저하 문제점을 효과적으로 해결할 수 있게 된다.
구체적으로, 실리콘 원소를 포함하는 분산제 화합물과 무기 세라믹 입자를 비전도성 유체 내에 첨가하고 볼밀 방식으로 약 2시간 교반하게 되면, 상기 입자 표면이 실리콘 원소를 포함하는 분산제 화합물과 물리적 또는 화학적으로 결합된 형태로 얻어진다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 실리콘 원소를 포함하는 분산제 화합물은 분자량이 250이상인 알킬 실록산계 화합물일 수 있고, 예를 들어 4,4,15,15-테트라에톡시-3,16-디옥사-8,9,10,11-테트라싸이아-4,15-디실라옥타데칸(4,4,15,15-tetraethoxy-3,16-dioxa-8,9,10,11-tetrathia-4,15-disilaoctadecane), 8-글리시독시 옥틸트리메톡시실란(8-Glycidoxy octyltrimethoxysilane), 3-글리시독시 프로필트리에톡시실란(3-Glycidoxy octyltriethoxysilane), 8-메타크릴옥시 옥틸트리메톡시실란(8-Methacryloxy octyltrimethoxysilane), 3-메타크릴옥시 프로필트리메톡시실란(3-Methacryloxy propyltrimethoxysilane), N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란(N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane) 및 N-2-(아미노에틸)-8-아미노옥틸트리메톡시실란(N-2-(aminoethyl)-8-aminooctyltrimethoxysilane)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물일 수 있다. 한편, 실리콘 원소를 포함하는 분산제 화합물로서 상기 알킬 실록산계 화합물을 사용하더라도, 분자량이 250 미만인 알킬 실록산계 화합물을 사용하는 경우, 비전도성 유체의 분산 안정성이 떨어지게 되므로, 알킬 실록산계 화합물의 분자량은은 250 이상, 더욱 상세하게는 300 이상인 것이 사용될 수 있다.
한편, 상기 알킬 실록산계 화합물은 무기 세라믹 입자 100중량부를 기준으로 0.1 내지 15중량부로 포함될 수 있다. 상기 알킬 실록산계 화합물이 무기 세라믹 입자 100중량부를 기준으로 0.1 중량부 미만 또는 15 중량부 초과로 포함되는 경우, 무기 세라믹 입자 표면에 효과적인 개질 반응이 일어나지 않아 비전도성 유체 내에서 입자의 분산 특성이 좋지 않고, 열전도 특성이 오히려 떨어지게 될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따라 상기 비전도성 유체 내에 분산되는 표면개질된 무기 세라믹 입자는 10 내지 900㎚ 범위의 평균입경을 가질 수 있다. 상기 표면개질된 무기 세라믹 입자의 평균입경이 10㎚ 미만인 경우 비전도성 유체 내에서 무기 세라믹 입자의 안정성 및 열전도 특성이 오히려 떨어지는 문제점이 있을 수 있고, 상기 표면개질된 무기 세라믹 입자의 평균입경이 900㎚ 초과인 경우 비전도성 유체 내에서 무기 세라믹 입자의 입자의 안정성이 떨어지는 문제가 있을 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시에 따르면, 상기 표면개질된 무기 세라믹 입자는 상기 비전도성 유체 100중량부를 기준으로 1 내지 30중량부로 포함될 수 있다. 상기 표면개질된 무기 세라믹 입자가 비전도성 유체 100중량부를 기준으로 1 중량부 미만으로 포함되는 경우 열전도 특성을 충분히 확보하기 어렵고, 무기 세라믹 입자가 비전도성 유체 100중량부를 기준으로 30중량부를 초과하여 포함되는 경우, 비전도성 유체의 안정성이 매우 떨어질 수 있기 때문에 상기 범위로 포함되는 것이 충분한 열전도 특성 확보 및 비전도성 유체의 안정성 확보 측면에서 효과적일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 이상으로 설명한 전지모듈을 구비한 전지팩을 제공한다. 상기 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 것이 적합할 수 있다. 중대형 전지팩의 경우 고출력, 대용량의 성능 확보를 위해 다수의 전지셀이 사용되는 바, 이러한 전지팩을 구성하는 전지모듈들은 안정성 확보를 위해 더욱 높은 방열 효율성이 요구되기 때문이다.
상기 중대형 디바이스의 구체적인 예로는, 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템 등을 들 수 있다.
한편, 중대형 전지팩의 구체적인 구조 및 제조방법은 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 기술에 의한 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈은 전지모듈의 하우징 내에 높은 전기 절연성을 가지는 비전도성 유체를 냉매로 적용하되, 비전도성 유체의 낮은 열전도율을 보완하기 위하여 표면개질된 무기 세라믹 입자를 비전도성 유체 내에 도입함으로써, 종래 공랭식 전지팩의 문제를 해결한다.
또한, 본 발명에 따른 전지모듈은 상기와 같은 구성에 의해 높은 방열 효율성을 가지게 되므로, 전지셀 내부 온도를 균일하게 하여, 궁극적으로 전지셀의 수명 및 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지모듈을 채택한 전지팩은 높은 방열 효율성과 안정성을 가지므로, 고출력, 대용량 성능 확보가 요구되는 중대형 디바이스에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예의 전지모듈을 이용한 전지 방열 성능 측정 실험에서 온도선을 부착하는 위치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예의 전지모듈을 이용한 전지 방열 성능 측정 실험에서 온도계측시점을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예의 전지모듈을 이용한 전지 방열 성능 측정 실험에서 온도 계측 포인트를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
실시예 1
1리터 용량의 실린더형 반응기에 담겨 있는 1㎜ 입경의 지르코니아 볼 1kg에 분산제 화합물로서 분자량이 478.8인 4,4,15,15-테트라에톡시-3,16-디옥사-8,9,10,11-테트라싸이아-4,15-디실라옥타데칸(4,4,15,15-tetraethoxy-3,16-dioxa-8,9,10,11-tetrathia-4,15-disilaoctadecane) 0.8g을 넣고, 평균입경 300㎚인 알루미나 입자를 20g을 첨가한 다음, 비전도성 유체로서 식물성 오일(vegetable oil) 중 하나인 소이빈 오일(Soybean oil) 400g을 첨가하여 볼밀로 2시간 교반하였다. 2시간 후, 지르코니아 볼을 제외한 유체를 필터링하고 진공펌프를 통해 2시간 동안 기포를 제거하여 표면개질된 알루미나 입자(Al2O3)가 분산된 비전도성 유체를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산된 비전도성 유체를 제조하되, 알루미나 입자 대신 질화알루미늄 입자(AlN)를 사용한 것만 달리하였다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산된 비전도성 유체를 제조하되, 알루미나 입자 대신 건식 실리카(fumed silica)를 사용한 것만 달리하였다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산된 비전도성 유체를 제조하되, 알루미나 입자 대신 나노(nano) 사이즈의 실리카(SiO-2)를 사용한 것만 달리하였다.
실시예 5
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산된 비전도성 유체를 제조하되, 비전도성 유체로서 식물성 오일(vegetable oil) 중 하나인 소이빈 오일(Soybean oil) 대신 실리콘 오일(silicone oil)을 사용한 것만 달리하였다.
실시예 6
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산된 비전도성 유체를 제조하되, 평균입경 300㎚의 알루미나(Al2O3) 입자 대신 평균입경 30㎚의 알루미노 실리케이트(AlSi) 입자를 사용한 것만 달리하였다.
비교예 1
비전도성 유체로서, 식물성 오일(vegetable oil)을 주성분으로 하는 Cargill 社의 FR3를 준비하였다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산된 비전도성 유체를 제조하되, 분산제 화합물로서 분자량이 478.8인 4,4,15,15-테트라에톡시-3,16-디옥사-8,9,10,11-테트라싸이아-4,15-디실라옥타데칸 (4,4,15,15-tetraethoxy-3,16-dioxa-8,9,10,11-tetrathia-4,15-disilaoctadecane)대신 분자량이 180인 3-(트리에톡시실릴)프로판-1-아민(3-(triethoxysilyl)propan-1-amine) 실록산계 화합물을 사용한 것만 달리하였다.
비교예 3
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산된 비전도성 유체를 제조하되, 평균입경 300㎚ 알루미나(Al2O3) 입자 대신 평균입경 5㎚의 알루미나(Al2O3) 입자를 사용한 것만 달리하였다.
실험 1: 방열 성능 측정 실험
상기 실시예 1내지 6 및 비교예 1 내지 3에 따른 비전도성 유체를 준비한 다음, 파우치형 전지셀 14개가 정렬되어 수납된 400㎜ Ⅹ 400㎜ Ⅹ 100㎜ 크기의 알루미늄 하우징 내에 상기 비전도성 유체를 투입하되, 상기 하우징의 전체 높이를 기준으로 30% 및 80% 의 높이 레벨(level)로 각각 채웠다.
다음으로 전지 방열 성능 측정 실험 방법에 따라 전지셀 및 하우징의 복수의 위치에 온도선을 부착하고(도 1 참조), 0.5 시간 동안 충전하고 2시간의 휴지기를 거친 후 다시 0.5시간 동안 방전하여 하우징 내부의 온도를 기록하였으며(도 2 참조), 측정된 전지셀의 최고 온도를 비교하여 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 구체적인 온도 계측 포인트는 도 3과 같다.
실험 2: 안정성 평가 실험
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조한 비전도성 유체를 매스실린더(mass cylinder) 에 붓고, 그 때의 무기 세라믹 입자 층의 높이를 Ho로 하였다. 이 상태로 30일간 체류시킨 후, 재차 측정한 무기 세라믹 입자 층의 높이는 H로 하였다. 다음으로 하기 식 (1)과 같이 안정성 지수를 측정하여 표 1에 나타내었다.
안정성 지수 = H/Ho Ⅹ 100 (%) (1)
　 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1 비교예2 비교예3
안정성( % ) 100 80 100 100 95 30 - 60 30
Cell 최고온도(℃)
(절연유
80% 투입시) 		48.5 48.0 52 51.2 52 50 57 52 54
Cell 최고온도(℃)
(절연유
30% 투입시) 		50.65 50.0 55 53.4 56 54 60 56 56
상기 표 1에 따르면, 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따라 얻어진, 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산된 비전도성 유체를 포함한 전지셀의 경우 비교예 1 내지 3에 따른 비전도성 유체를 포함한 전지셀 대비 방열 성능 및 전지 안정성 측면에서 현저히 향상된 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (13)

  1. 하나 이상의 전지셀을 수납하는 하우징을 포함하는 전지모듈에 있어서,
    상기 하우징 내에는 비전도성 유체가 소정 높이로 채워지고, 상기 비전도성 유체 내에는 표면개질된 무기 세라믹 입자가 분산되며,
    상기 표면개질된 무기 세라믹 입자는 표면이 실리콘 원소를 포함하는 분산제 화합물과 물리적 또는 화학적으로 결합된 것인 전지모듈.
  2. 　제 1 항에 있어서,
    　상기 하우징은 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 재질인 전지모듈.
  3. 　제 1 항에 있어서,
    　상기 비전도성 유체는 광유(mineral oil), 실리콘 오일(silicone oil) 및 식물성 오일(vegetable oil)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상인 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비전도성 유체는 하우징 전체 높이를 기준으로 30 내지 100% 범위 내의 높이로 하우징 내에 채워지는 전지모듈.
  5. 　제 1 항에 있어서,
    　상기 표면개질된 무기 세라믹 입자는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 알루미노 실리케이트(AlSi), 질화알루미늄(AlN), 질화실리콘(Si3N4), 질화붕소(BN) 및 질화규소(SiN)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상인 전지모듈.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 원소를 포함하는 분산제 화합물은 분자량이 250 이상인 알킬 실록산계 화합물인 전지모듈.
  8. 　제 7 항에 있어서,
    　상기 알킬 실록산계 화합물은 상기 무기 세라믹 입자 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 15 중량부로 포함되는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면개질된 무기 세라믹 입자는 10 내지 900㎚ 범위의 평균입경을 가지는 것인 전지모듈.
  10. 　제 1 항에 있어서,
    　상기 표면개질된 무기 세라믹 입자는 상기 비전도성 유체 100 중량부를 기준으로 1 내지 30 중량부로 포함되는 전지모듈.
  11. 　제 1 항의 전지모듈을 구비하는 전지팩.
  12. 　제 11 항의 전지팩은 중대형 디바이스의 전원으로 사용되는 전지팩.
  13. 　제 12 항에 있어서,
    　상기 중대형 디바이스는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; E-bike, E-scooter를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(Electric Golf Cart); 전기 트럭; 전기 상용차 또는 전력 저장용 시스템인 전지팩.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101435608B1 (ko) * 2013-04-19 2014-08-28 (주) 유진에너팜 열전달오일이 포함된 에너지 저장장치
KR101593716B1 (ko) 2008-04-04 2016-02-12 다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨 냉매 조성물

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007039621A (ja) 2005-08-02 2007-02-15 Nippon Handa Kk 熱伝導性シリコーンオイル組成物、放熱剤および電子機器
KR101593716B1 (ko) 2008-04-04 2016-02-12 다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨 냉매 조성물
KR101435608B1 (ko) * 2013-04-19 2014-08-28 (주) 유진에너팜 열전달오일이 포함된 에너지 저장장치

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