KR102619038B1 - 갭 필러 조성물 및 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 갭 필러 조성물은 실록산계 수지, 25oC에서 50 cps 내지 80 cps의 점도를 갖는 보조 실록산계 수지, 촉매 및 충전재를 포함한다. 조성물 총 중량 중 보조 실록산계 수지의 함량은 0.02중량% 내지 0.2중량%이다. 보조 실록산계 수지를 포함하는 갭 필러 조성물을 사용하여 적절한 경화 속도 및 탄성률을 갖는 배터리 팩 용 갭 필러가 형성될 수 있다.

Description

갭 필러 조성물 및 배터리 팩{GAP FILLER COMPOSITION AND BATTERY PACK}
본 발명은 갭 필러 조성물 및 배터리 팩에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 실록산계 수지를 포함하는 갭 필러 조성물 및 이를 사용하여 형성된 갭 필러를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
이차 전지는 충전 및 방전이 반복 가능한 전지로서, 휴대폰, 노트북 PC 등과 같은 휴대용 전자 기기의 동력원으로 널리 적용되고 있다. 예를 들면, 리튬 이차 전지는 높은 작동 전압, 에너지 밀도, 율 특성을 가지며, 최근에는 전기 자동자의 동력원으로 활용되고 있다.
예를 들면, 리튬 이차 전지에 의해 배터리 셀이 정의되며, 복수의 베터리 셀들이 집합되어 배터리 모듈이 형성된다. 상기 배터리 모듈들이 집합되어 전기 자동차에 적용가능한 고용량/고출력의 배터리 팩이 형성될 수 있다.
배터리 팩을 전기 자동차와 같은 차량 내에 적용하기 위해 배터리 지지판에 배터리 팩을 안착시키고, 갭 필러 조성물을 사용하여 배터리 팩을 고정시킬 수 있다.
상기 갭 필러 조성물 적용 공정은 전기 자동차 전체 생산 플랫폼에 포함될 수 있다. 따라서, 자동차 공정 효율/신뢰성 유지를 위해 소정의 시간 내 경화되어 원하는 물성을 제공하는 갭 필러 조성물이 필요할 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩의 반복적인 충전/방전에 따른 열에 향상된 강도를 가지며, 외부 충격에 대한 적절한 흡수성/탄성을 갖는 갭 필러를 형성할 수 있는 조성물의 설계가 필요하다.
예를 들면, 한국등록특허공보 제10-2402503호는 배터리 모듈 및 갭 필러를 포함하는 배터리 팩 구조를 개시하고 있다. 그러나, 갭 필러의 구체적인 물성 및 조성물에 대해서는 개시하고 있지 않다.
한국등록특허공보 제10-2402503호
본 발명의 일 과제는 향상된 경화 특성 및 기계적 특성을 제공하는 갭 필러 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 과제는 상기 갭 필러 조성물로 형성된 갭 필러를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
1. 실록산계 수지; 25oC에서 50 cps 내지 80 cps의 점도를 갖는 보조 실록산 수지; 촉매; 및 충전재를 포함하며, 조성물 총 중량 중 상기 보조 실록산 수지의 함량은 0.02중량% 내지 0.2중량%인, 갭 필러 조성물.
2. 위 1에 있어서, 상기 보조 실록산계 수지 비가교성 말단기를 갖는 실록산계 수지인, 갭 필러 조성물.
3. 위 1에 있어서, 상기 보조 실록산 수지의 점도는 55 cps 내지 75 cps인, 갭 필러 조성물.
4. 위 1에 있어서, 조성물 총 중량 중 상기 보조 실록산 수지의 함량은 0.02중량% 내지 0.1중량%인, 갭 필러 조성물.
5. 위 1에 있어서, 상기 실록산계 수지는 가교성 말단기를 갖는 제1 실록산계 수지; 및 가교성 말단 실록산 수지 및 비가교성 말단 실록산 수지를 포함하는 제2 실록산계 수지를 포함하는, 갭 필러 조성물.
6. 위 5에 있어서, 상기 제2 실록산계 수지의 상기 가교성 말단 실록산 수지는 25oC에서의 800 cps 내지 1,200 cps 범위의 점도를 갖는, 갭 필러 조성물.
7. 위 6에 있어서, 상기 제2 실록산계 수지 총 중량 중, 상기 가교성 말단 실록산 수지의 함량은 75중량% 내지 95 중량%인, 갭 필러 조성물.
8. 위 5에 있어서, 상기 갭 필러 조성물은 주제 조성물 및 가교 조성물로 분리된 2액형 조성물로 제조되며, 상기 제1 실록산계 수지는 상기 주제 조성물에 포함되며, 상기 제2 실록산계 수지는 상기 가교 조성물에 포함되는, 갭 필러 조성물.
9. 위 8에 있어서, 상기 촉매는 상기 주제 조성물에 포함되며, 상기 충전재는 상기 주제 조성물 및 상기 가교 조성물에 분할되어 포함되는, 갭 필러 조성물.
10. 위 8에 있어서, 상기 보조 실록산 수지는 상기 가교 조성물에 포함되는, 갭 필러 조성물.
11. 위 1에 있어서, 상기 촉매는 백금(Pt) 및 Si2O 기를 포함하는 유기-무기 하이브리드 화합물을 포함하는, 갭 필러 조성물.
12. 위 11에 있어서, 조성물 총 중량 중 상기 촉매의 함량은 0.01중량% 내지 0.05중량%인, 갭 필러 조성물.
13. 위 1에 있어서, 상기 충전재는 실란제로 표면 처리된 알루미나 입자들을 포함하는, 갭 필러 조성물,
14. 위 1에 있어서, 상기 알루미나 입자들은 서로 다른 입경 범위의 복수 종의 알루미나 입자들을 포함하는, 갭 필러 조성물.
15. 위 1에 있어서, 23oC 및 상대습도 50% 조건에서 도포 후, 60분 방치 후 측정된 Shore 00 경도 및 120분 방치 후 측정된 Shore 00 경도는 각각 40 내지 70 범위 내인, 갭 필러 조성물.
16. 위 1에 있어서, 23oC 및 상대습도 50% 조건에서 도포 후, 90분 방치 후 측정된 탄성률은 1.35MPa 내지 2.60MPa 범위 내인, 갭 필러 조성물.
17. 복수의 배터리 모듈들; 지지판; 및 상기 배터리 모듈들 및 상기 지지판 사이에 상술한 실시예들에 따른 갭 필러 조성물을 사용하여 형성된 갭 필러를 포함하는, 배터리 팩.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르는 갭 필러 조성물은 상대적으로 낮은 점도의 보조 실록산 수지를 미량으로 포함할 수 있다. 상기 보조 실록산 수지는 조성물의 흐름성을 증진하며 실록산계 수지들의 경화/가교 반응을 촉진할 수 있다.
이에 따라, 원하는 타겟 경도에 빠르게 도달하여 갭 필러 조성물의 경화 시간을 단축시키면서, 갭 필러의 연성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 상기 갭 필러 조성물은 차량용 배터리 팩에 적용되어 외부 충격에 대한 향상된 내구성을 제공할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 갭 필러 조성물은 상이한 점도 범위를 갖는 복수종의 실록산계 수지들을 포함할 수 있다. 따라서, 갭 필러 조성물의 경화 속도를 보다 증진시키며 소정의 시간 범위에서 타겟 경도를 확보할 수 있다.
따라서, 상기 갭 필러 조성물은 차량용 배터리 팩에 적용되어 자동차 공정 경제성, 효율성을 증진시킬 수 있다. 또한, 배터리 팩의 충/방전 반복에 따른 온도 증가에도 안정적인 경도/탄성 특성을 제공할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 배터리 팩을 나타내는 개략적인 사시도이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 실록산계 수지, 촉매 및 충전재를 포함하며, 향상된 열 전도 특성 및 물리적 특성을 갖는 갭 필러 조성물이 제동된다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 갭 필러 조성물이 사용된 배터리 팩이 제공된다.
<갭 필러 조성물>
예시적인 실시예들에 따르는 갭 필러 조성물은 실록산계 수지, 촉매 및 충전재를 포함할 수 있다.
상기 실록산계 수지는 상기 갭 필러 조성물의 경화성을 제공하는 베이스 성분으로 제공될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 실록산계 수지는 주제 조성물에 포함되는 제1 실록산계 수지 및 가교 조성물에 포함되는 제2 실록산계 수지를 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 갭 필러 조성물은 상기 주제 조성물 및 상기 가교 조성물을 혼합하여 제조되는 2액형 타입의 조성물일 수 있다.
상기 제1 실록산계 수지는 가교성 말단기를 함유한 실록산계 수지일 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 제1 실록산계 수지는 분자의 양 말단에 비닐기를 함유한 실록산계 수지일 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 실록산계 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 실록산계 수지의 중량 평균 분자량은 10,000 내지 50,000, 바람직하게는 10,000 내지 30,000, 보다 바람직하게는 10,000 내지 25,000일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 실록산계 수지의 25oC에서 점도는 500 cps 내지 1,500 cps, 바람직하게는 700 cps 내지 1,500 cps, 보다 바람직하게는 800 cps 내지 1,200 cps일 수 있다.
상기 분자량 및 점도 범위 내에서 후술하는 경화 특성 및 경화 속도를 보다 용이하게 확보할 수 있으며, 갭 필러 조성물의 적절한 도포 특성 및 흐름성을 확보할 수 있다.
화학식 1 중, n은 상기 분자량 및 점도 범위를 고려하여 조절될 수 있다. 예를 들면, n은 80 내지 800 범위의 자연수, 100 내지 800 범위의 자연수, 130 내지 800 범위의 자연수, 150 내지 800 범위의 자연수, 또는 200 내지 800 범위의 자연수일 수 있다.
갭 필러 조성물 총 중량 중(예를 들면, 고형분) 상기 제1 실록산계 수지의 함량은 2중량% 내지 15중량%, 바람직하게는 4중량% 내지 10중량%일 수 있다. 상기 함량 범위에서, 적절한 경도 및 탄성을 갖는 갭 필러가 효과적으로 형성될 수 있다.
상기 제2 실록산계 수지는 상기 제1 실록산계 수지와 다른 구조의 실록산계 수지를 포함할 수 있다. 상기 제2 실록산계 수지는 비가교성 말단 실록산 수지를 포함할 수 있다.
상기 비가교성 말단 실록산 수지는 상기 갭 필러 조성물의 체인 연장제 혹은 체인 조절제로 포함되어, 조성물의 전체적인 점도, 흐름성, 가교성 등을 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 비가교성 말단 실록산 수지의 양 말단은 수소(H) 캡핑될 수 있다.
예를 들면, 상기 비가교성 말단 실록산 수지는 하기의 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
일부 실시예들에 있어서, 상기 비가교성 말단 실록산 수지의 중량 평균 분자량은 10,000 내지 50,000, 바람직하게는 10,000 내지 30,000, 보다 바람직하게는 10,000 내지 25,000일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 비가교성 말단 실록산 수지의 25oC에서 점도는 100 cps 내지 1,500 cps, 바람직하게는 200 cps 내지 1,500 cps, 보다 바람직하게는 300 cps 내지 1,200 cps일 수 있다.
상기 분자량 및 점도 범위 내에서 후술하는 경화 특성 및 경화 속도를 보다 용이하게 확보할 수 있으며, 갭 필러 조성물의 적절한 도포 특성 및 흐름성을 확보할 수 있다.
화학식 2 중, m은 상기 분자량 및 점도 범위를 고려하여 조절될 수 있다. 예를 들면, m은 20 내지 700 범위의 자연수, 100 내지 700 범위의 자연수, 또는 130 내지 700 범위의 자연수일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 제2 실록산 수지는 가교성 말단 실록산 수지를 더 포함할 수 있다. 상기 가교성 말단 실록산 수지는 예를 들면, 비닐 말단기를 함유할 수 있다.
상기 가교성 말단 실록산 수지는 상기 비가교성 말단 실록산 수지보다 높은 점도를 가지며, 상기 비가교성 말단 실록산 수지보다 큰 함량으로 포함될 수 있다. 이에 따라, 상기 가교 조성물은 가교성 말단 실록산 수지 및 비가교성 말단 실록산 수지의 블렌드를 포함할 수 있으며, 상기 주제 조성물과 혼합되어 보다 신속한 경화 속도를 제공할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가교성 말단 실록산 수지는 25oC에서 800 cps 내지 1,200 cps 범위의 점도를 가질 수 있다. 상기 범위에서 상기 가교 조성물의 적절한 흐름성이 유지되어 상기 주제 조성물과 용이하게 혼합될 수 있다. 또한, 상기 가교 조성물 내에서 적절한 가교점들의 수가 제공되어 경화 속도를 증가시키며 적절한 연성을 유지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 가교성 말단 실록산 수지의 점도는 900 cps 내지 1,100 cps, 보다 바람직하게는 950 cps 내지 1,050 cps일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 실록산계 수지 총 중량 중, 상기 가교성 말단 실록산 수지의 함량은 75중량% 내지 95 중량%, 바람직하게는 80중량% 내지 90중량%일 수 있다.
상술한 범위 내에서 수지의 분산성, 흐름성을 유지하면서, 갭 필러 조성물의 경화 속도를 촉진할 수 있다. 따라서, 소정의 원하는 타겟 경도를 제한된 공정 시간 내에 확보할 수 있으며, 열적 안정성을 빠르게 획득할 수 있다.
갭 필러 조성물 총 중량 중(예를 들면, 고형분) 상기 제2 실록산계 수지의 함량은 2중량% 내지 15중량%, 바람직하게는 4중량% 내지 10중량%일 수 있다. 상기 함량 범위에서, 적절한 경도 및 탄성을 갖는 갭 필러가 효과적으로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 갭 필러 조성물은 상대적으로 낮은 점도를 갖는 보조 실록산 수지를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 보조 실록산 수지는 비가교성 말단기를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 보조 실록산 수지의 말단은 수소(H)로 캡핑될 수 있다.
상기 보조 실록산 수지는 25oC에서 50 cps 내지 80 cps의 점도를 가질 수 있다. 상기 보조 실록산 수지의 점도가 50cps 미만인 경우 경화 시간이 지나치게 감소되어 갭 필러의 연성을 저하시킬 수 있다. 상기 보조 실록산 수지의 점도가 80 cps를 초과하는 경우, 점도 증가로 인해 갭 필러의 연성을 저하시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 보조 실록산 수지의 점도는 55 cps 내지 75 cps, 보다 바람직하게는 60 cps 내지 70 cps일 수 있다.
상기 보조 실록산 수지의 함량은 상기 갭 필러 조성물 총 중량 중 0.02중량% 내지 0.2중량%일 수 있다. 상기 보조 실록산 수지의 함량이 0.02중량% 미만인 경우, 갭 필러 조성물의 경화 시간이 지나치게 증가하여, 배터리 팩 갭 필러로서 용이하게 적용되지 않을 수 있다. 상기 보조 실록산 수지의 함량이 0.2중량%를 초과하는 경우, 갭 필러 조성물의 경화 속도가 지나치게 증가하여, 갭 필러의 적절한 연성이 확보되지 않을 수 있다.
바람직하게는, 상기 보조 실록산 수지의 함량은 0.02 중량% 내지 0.15중량%, 보다 바람직하게는 0.02중량% 내지 0.1중량%일 수 있다.
상기 촉매는 갭 필러 조성물의 제1 실록산계 수지 및/또는 제2 실록산계 수지의 가교작용 및/또는 상호작용을 촉진하여 후술하는 경화 특성 및 경화 속도 획득을 위한 조절제로서 사용될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 촉매는 백금 및 규소를 함유하는 유-무기 하이브리드 촉매를 포함할 수 있다.
상기 촉매는 분자 내 Pt 원자 및 Si2O 그룹(-Si-O-Si-)을 함유할 수 있다. 예를 들면, 상기 Si2O 그룹의 규소(Si) 원자들은 비닐기와 결합되며, 상기 비닐기들에 의해 Pt 원자가 배위 혹은 캡쳐될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 조성물 총 중량 중 상기 촉매의 함량은 0.01중량% 내지 0.05중량%일 수 있다. 상기 범위 내에서 갭 필러의 지나친 경도/탄성 증가를 방지하면서 적절한 경화 속도를 구현할 수 있다.
상기 충전재는 갭 필러의 열전도성을 증가시켜, 배터리 팩의 방열 특성을 향상시키는 성분으로 포함될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 충전재는 알루미나(Al2O3), AlN(aluminum nitride), BN(boron nitride), 질화 규소(silicon nitride), SiC, ZnO, 수산화알루미늄(Al(OH)3), 보헤마이트, BeO 등과 같은 세라믹 입자를 포함할 수 있다.
바람직한 실시예들에 있어서, 상기 충전재는 알루미나를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 충전재는 실란제로 표면처리된 알루미나를 포함할 수 있다. 상기 실란제는 알루미나 입자 표면에 화학결합 또는 부착되어 상술한 실록산계 수지와 상호작용을 통해 충전재를 안정화시킬 수 있다.
따라서, 상기 충전재가 갭 필러 조성물 내에 균일하게 분산되어, 배터리 팩 내에서의 균일한 열 전도 특성을 구현할 수 있다.
상기 실란제는 규소 원자에 직접 결합된 3개의 알콕시기 및 하나의 알킬기를 포함할 수 있다. 상기 알콕시기는 메톡시기일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 실란제에 포함된 상기 알킬기의 탄소수는 8 이상일 수 있다. 이 경우, 상기 실록산계 수지와의 상호 작용을 효과적으로 촉진할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 실란제에 포함된 상기 알킬기의 탄소수는 8 내지 16, 바람직하게는 8 내지 12일 수 있다. 이 경우, 탄소수의 지나친 증가에 따른 분산성 저하를 방지할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 충전재는 서로 다른 평균 입경을 갖는 복수 종의 알루미나 입자들을 포함할 수 있다. 이에 따라, 알루미나 입자의 조성물 내 패킹 특성 및 분포 특성을 향상시킬 수 있으며, 열전도 특성을 증진시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 알루미나 입자들은 순차적으로 평균 입경이 증가하는 제1 알루미나 입자들, 제2 알루미나 입자들 및 제3 알루미나 입자들를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 알루미나 입자들의 평균 입경(D50)은 15㎛ 미만일 수 있다. 상기 제2 알루미나 입자들의 평균 입경(D50)은 15㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 상기 제3 알루미나 입자들의 평균 입경(D50)은 50㎛ 이상일 수 있다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 제1 알루미나 입자들의 평균 입경(D50)은 5㎛ 내지 13㎛일 수 있다. 상기 제2 알루미나 입자들의 평균 입경(D50)은 15㎛ 내지 25㎛일 수 있다. 상기 제3 알루미나 입자들의 평균 입경(D50)은 60㎛ 내지 80㎛일 수 있다.
본 출원에 사용된 용어 "평균 입경(D50)"은 해당 입자들을 크기 순서로 나열한 누적 분포(개수 기준 분포)에서 50%에 해당하는 중간 입경을 지칭할 수 있다.
상기 충전재는 상기 갭 필러 조성물 중 가장 많은 함량으로 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 충전재는 상기 갭 필러 조성물 중 상술한 상기 실록산계 수지 및 상기 촉매를 제외한 잔량으로 포함될 수 있다.
본 출원에 사용된 용어 "잔량"은 상기 갭 필러 조성물이 상기 실록산계 수지, 상기 촉매 및 상기 충전재 외에 다른 첨가제를 포함하는 경우, 상기 첨가제의 양에 따라 변화하는 가변적인 양으로 사용된다. 예를 들면, 상기 잔량은 조성물 총 중량 중 상기 실록산계 수지, 상기 촉매 및 상기 첨가제를 제외한 양일 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 충전재의 함량은 조성물 총 중량 중(예를 들면, 고형분) 80중량% 내지 95중량%일 수 있다. 상기 범위에서 갭 필러의 충분한 열 전도성이 확보하면서 상기 갭 필러 조성물 및 갭 필러의 비중(specific graivity) 및 취성 증가를 방지할 수 있다.
바람직하게는 상기 충전재의 함량은 85중량% 내지 95중량%, 보다 바람직하게는 87중량% 내지 91중량%일 수 있다. 상기 충전재의 양은 표면처리된 실란제의 양까지 포함하는 양으로 계산된다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 충전재 중 제3 알루미나 입자들이 가장 많은 양으로 포함될 수 있다. 이에 따라, 상기 충전재를 통한 열전도 효율을 충분히 증가시킬 수 있다.
예를 들면, 상기 충전재 총 중량 중, 제3 알루미나 입자들의 함량은 50중량% 내지 70중량%, 제2 알루미나 입자들의 함량은 10중량% 내지 30중량%, 제1 알루미나 입자들의 함량은 10중량% 내지 30중량%일 수 있다.
바람직하게는, 상기 충전재 총 중량 중, 대입경 입자로 제공되는 제3 알루미나 입자들의 함량은 55중량% 내지 65중량%, 제2 알루미나 입자들의 함량은 15중량% 내지 25중량%, 제1 알루미나 입자들의 함량은 15중량% 내지 25중량%일 수 있다.
상술한 바와 같이, 중입경 입자 및 소입경 입자로 제공되는 상기 제2 알루미나 입자들 및 제1 알루미나 입자들이 유사 혹은 동등한 양으로 함께 분포하여, 충전재로 인한 갭 필러의 취성 증가를 방지하며 열 전도 특성을 유지시킬 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 갭 필러 조성물은 상술한 실록산계 수지, 상기 촉매 및 상기 충전재의 작용을 저해하지 않는 범위 내에서 조성물의 전도성, 경화성을 증진하기 위한 첨가제를 더 포함할 수도 있다. 예를 들면, 상기 첨가제는 난연제, 계면 활성제, 실란 커플링제, 착색제, 산화 방지제, 가소제 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 난연제의 예로서 멜라민 시아누레이트(melamine cyanurate) 등과 같은 유기계 난연제, 수산화 마그네슘 등과 같은 무기계 난연제 등을 들 수 있다. 일 실시예에 있어서, 액상 타입의 난연 재료(triethyl phosphate(TEP) 또는 tris(1,3-chloro-2-propyl)phosphate(TCPP) 등)가 사용될 수도 있다.
예를 들면, 상기 계면 활성제의 예로서 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 올레산 에톡실레이트, 알킬페놀 에톡실레이트, 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드의 코폴리머, 실리콘계 고분자 등을 들 수 있다.
상기 실란 커플링제의 예로서 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, γ-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-메르캅토 프로필 트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란, γ-아세토아세테이트프로필트리메톡시실란 등을 들 수 있다.
상기 산화 방지제로서 페놀계 화합물, 퀴논계 화합물, 아민계 화합물, 인계 화합물, 포스파이트계 화합물, 티오에테르계 화합물 등이 사용될 수 있다.
상기 가소제로서 테트라에틸렌글리콜모노부틸에테르(3,6,9,12-테트라옥사헥사데칸올), 트리에틸렌글리콜모노부틸에테르(3,6,9-트리옥사트리데칸올), 디에틸렌글리콜모노부틸에테르(2-(2-부톡시에톡시)에탄올), 프로필렌글리콜모노부틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르(1-메톡시-2-프로판올), 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 폴리에틸렌글리콜, 글리세린 등을 들 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 갭 필러 조성물은 2액형 조성물로 준비될 수 있다. 예를 들면, 상기 갭 필러 조성물은 주제 조성물 및 가교 조성물을 별도로 준비한 후, 상기 주제 조성물 및 상기 가교 조성물을 혼합하여 제조될 수 있다.
상기 주제 조성물은 상기 제1 실록산계 수지, 상기 촉매 및 상기 충전재를 포함할 수 있다. 상기 가교 조성물은 상기 제2 실록산계 수지 및 상기 충전재를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 주제 조성물에 상기 촉매가 상기 제1 실록산계 수지가 분포한 상태에서 상기 제2 실록산계 수지가 혼합될 수 있다. 따라서, 주제 조성물 내 가교점이 분포한 상태에서 상기 제2 실록산계 수지가 도입되므로, 경화 효율성을 증진할 수 있다.
상기 충전재는 상기 주제 조성물 및 상기 가교 조성물에 분할되어 포함될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 가교 조성물에 포함된 상기 충전재의 양 대비 상기 주제 조성물에 포함된 충전재의 양의 비율은 0.4 내지 0.6, 바람직하게는 0.45 내지 0.55일 수 있다. 상기 비율 범위에서 충전재의 균일한 분포를 통한 열 전도 효율성을 증진시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 가교 조성물에 상기 보조 실록산 수지가 더 포함되어 주제 조성물과 혼합 시 보다 빠르게 상호 가교를 유도할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 갭 필러 조성물 도포 후 23oC 및 상대습도 50% 조건에서 60분 방치 후 측정된 Shore 00 경도 및 120분 방치 후 측정된 Shore 00 경도는 각각 40 내지 70일 수 있다.
상기 60분 방치 후 및 120분 방치 후 경도가 각각 40 미만인 경우, 배터리 팩을 전기 자동차에 적용하는 공정 시간에 증가하여 전체적인 생산 효율을 저하시킬 수 있다. 또한, 갭 필러의 경화성이 지나치게 낮아 배터리 팩의 기계적인 안정성이 저하될 수 있다.
상기 60분 방치 후 및 120분 방치 후 경도가 각각 70을 초과하는 경우, 경화 속도의 지나친 증가에 따라 배터리 팩에 대한 충분한 충격 흡수 특성이 갭 필러로부터 구현되지 않을 수 있다. 또한, 충전재를 통한 열 전도 특성이 지나친 가교도에 의해 저해될 수 있다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 60분 방치 후 및 120분 방치 후 경도는 각각 50 내지 70, 보다 바람직하게는 50 내지 65일 수 있다.
상기 Shore 00 경도는 ASTM D 2240 규격에 따라 측정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 갭 필러 조성물 도포 후 23oC 및 상대습도 50% 조건에서 90분 방치 후 측정된 탄성률(Elastic Modulus, 영률)은 1.35MPa 내지 2.60MPa일 수 있다.
상기 90분 방치 후 탄성률이 각각 1.35MPa 미만인 경우, 갭 필러의 연성이 지나치게 증가하여 배터리 팩의 기계적인 안정성이 저하될 수 있다.
상기 90분 방치 후 탄성률이 각각 2.60MPa를 초과하는 경우, 탄성률의 지나친 증가에 따라 배터리 팩에 대한 충분한 충격 흡수 특성이 갭 필러로부터 구현되지 않을 수 있다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 90분 방치 후 탄성률은 1.50MPa 내지 2.60MPa일 수 있다.
예를 들면, 상기 Shore 00 경도 및 탄성률은 상기 갭 필러 조성물을 6mm의 두께로 도포후 경화시킨 경화필름에 대해 측정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 갭 필러 조성물은 보조 실록산 수지 및 실록산계 수지들의 상호 작용에 의해 향상된 경화 속도 및 연성을 제공할 수 있다. 또한, 서로 다른 입경 범위의 알루미나 입자들을 소정의 함량 범위로 포함하며, 상대적으로 낮은 비중으로 높은 열 전도도를 구현할 수 있다.
<배터리 팩>
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 배터리 팩을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(100)은 배터리 모듈(110) 및 지지판(130)을 포함하며, 배터리 모듈(110) 및 지지판(130)에 형성된 갭 필러(120)을 포함할 수 있다.
배터리 모듈(110)은 복수의 배터리 셀들(112)을 포함할 수 있다. 배터리 셀들(112) 각각 교대로 반복 적층된 양극 및 음극을 포함하는 전극 조립체를 포함할 수 있다. 상기 양극 및 음극은 분리막을 사이에 두고 교대로 반복 적층될 수 있다. 상기 양극은 리튬 금속 산화물을 양극 활물질로서 포함하며, 배터리 셀(112)은 리튬 이차 전지로서 제공될 수 있다.
복수의 배터리 셀들(112)은 각각 양극 리드 및 음극 리드를 포함하며, 상기 양극 리드들 및 상기 음극 리드들이 버스 바를 통해 서로 병합되어 배터리 모듈(110)을 정의할 수 있다.
배터리 모듈(110)은 지지판(130) 상에 고정될 수 있다. 배터리 모듈(110) 및 지지판(130) 사이에는 상술한 실시예들에 따른 갭 필러 조성물이 도포 및 경화되어 갭 필러(120)가 형성될 수 있다.
갭 필러(120)에 의해 배터리 모듈(110)이 지지판(130) 상에 안정적으로 고정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 갭 필러(120)는 안정적인 경화 특성을 가지며, 향상된 열 전도 특성을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 갭 필러 조성물은 소정의 시간 범위에서 타겟 경도 범위를 유지할 수 있다. 따라서, 전체 전기 자동차 공정 효율성 저해하거나, 배터리 팩의 중량을 증가시키지 않으면서 안정적인 경도 특성을 유지할 수 있다.
따라서, 고온 조건에서도 배터리 모듈(110) 보호를 위한 내충격성, 내열성을 가지며, 충분한 방열 특성을 제공할 수 있다.
갭 필러(120)는 열전도층으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 갭 필러(120)의 열 전도도는 약 3 W/mK일 수 있다. 예를 들면, 갭 필러(120)의 열 전도도는 10 W/mk 이하일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 갭 필러(120)의 열 전도도는 3 W/mK 내지 5 W/mK일 수 있다.
예를 들면, 상기 열 전도도는 ASTM D5470 규격에 따라 측정될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예들 및 비교예들을 포함하는 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 및 비교예들
하기 표 1 및 표 2에 기재된 성분 및 함량(중량부)을 갖는 주제 조성물 및 가교 조성물을 각각 제조하였다. 충전재로서 아래 화학식 3의 실란제로 표면처리된 알루미나 입자들이 사용되었다.
[화학식 3]
상기 충전재는 주제 조성물 및 가교 조성물에 각각 표 1 및 표 2에 기재된 양으로 동일하게 포함되었다.
구체적으로, 주제 조성물 및 가교 조성물 각각 표 1 및 표 2의 성분들을 페이스트 믹서에 투입하고 공전 600rpm/자전 500rpm으로 3분간 혼합 및 교반한 후, 진공상태에서 공전 1000rpm/자전 100rpm으로 10분 탈포하여 제조되었다.
구분 실시예
1		 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6
주제
조성물		 제1 실록산계
수지(A)		 13.35 13.35 13.35 13.35 13.35 13.35
촉매 B-1 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
가교
조성물		 제2 실록산계
수지		 C-1 2.00 1.74 3.34 2.67 1.33 0.66
C-2 11.39 11.25 10.05 10.72 12.06 12.73
보조실록산
수지		 C-3 0.14 0.40 0.14 0.14 0.14 0.14
C-4 - - - - - -
충전재 D-1 72.36 72.36 72.36 72.36 72.36 72.36
D-2 24.12 24.12 24.12 24.12 24.12 24.12
D-3 24.12 24.12 24.12 24.12 24.12 24.12
구분 실시예
7		 실시예
8		 비교예
1		 비교예
2		 비교예
3
주제
조성물		 제1 실록산계
수지(A)		 13.35 13.35 13.35 13.35 13.35
촉매 B-1 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
가교
조성물		 제2 실록산계
수지		 C-1 3.74 0.53 1.61 2.00 2.00
C-2 9.64 12.86 11.12 11.39 11.39
보조실록산
수지		 C-3 0.14 0.14 0.67 - -
C-4 - - - 0.14 -
C-5 - - 0.14
충전재 D-1 72.36 72.36 72.36 72.36 72.36
D-2 24.12 24.12 24.12 24.12 24.12
D-3 24.12 24.12 24.12 24.12 24.12
표 1 및 표 2에 기재된 구체적인 성분들은 하기와 같다.
(1) 제1 실록산계 수지(A): 양 말단 비닐기 처리된 폴리디메틸실록산 수지(중량평균 분자량: 25,000, 점도 중간 값: 1,000 cpm)(Sigma-Aldrich 제품)
(2) 촉매(B): Pt/Si2O 결합 촉매(DW134, 다미폴리켐)
(3) 제2 실록산계 수지
C-1) 비가교성 말단 실록산 수지(양 말단 수소처리된 폴리디메틸실록산 수지)(점도 500cps, 제품명: RF-HD0050, 바이오젠)
C-2) 가교성 말단 실록산 수지(양 말단 비닐기 처리된 폴리디메틸실록산 수지)(점도 1,000cps, 제품명: DW100, 다미폴리켐 제조)
(4) 보조 실록산 수지
C-3) 양 말단 수소처리된 폴리디메틸실록산 수지(점도 65cps)(제품명: DW520, 다미 폴리켐)
C-4) 양 말단 수소처리된 폴리디메틸실록산 수지(점도 85cps)(제품명: DW522, 다미 폴리켐)
C-5) 양 말단 수소처리된 폴리디메틸실록산 수지(점도 40cps)(제품명: XL-02, 바이오젠)
(4) 충전재(알루미나 입자)
D-1) 평균 입경(D50) 74.6㎛ (DAM-70, 덴카)
D-2) 평균 입경(D50) 24.6㎛ (DAM-20, 덴카)
D-3) 평균 입경(D50) 12.5㎛ (DAM-07, 덴카)
실험예
(1) 경도 측정
실시예 및 비교예의 주제 조성물 및 가교 조성물을 2액형 카트리지를 이용하여 1:1의 질량 비율로 혼합하여 충전하고, 6 mm 두께를 가지는 JIG에 도포한 후, 23oC 상대습도 50% 조건에서 6mm 두께로 형성된 경화물 표면의 경도를 ASTM D 2240 규격에 따라 측정하였다. 경도 측정 시에는 ASKER Durometer 기기를 사용하였다. 상기 경화는 0.5kg 정도의 하중을 가한 상태로 수행하였으며, 매 10분마다 하중 제거 후 15초 후에 안정화된 측정값으로 확인하여 Shore00/A경도를 평가하였다.
상기 조건에서 경화 시작 후 60분 후 및 120분 후 경도를 각각 측정하였다. 또한, 경도 55에 도달하는 시간을 기록하였다.
(2) 탄성률 측정
실시예 및 비교예의 주제 조성물 및 가교 조성물을 2액형 카트리지를 이용하여 1:1의 질량 비율로 혼합하여 충전하고, 5 mm 두께를 가지는 JIG에 도포한 후, 23oC 상대습도 50% 조건에서 6mm 두께로 형성된 경화물 표면의 탄성률을 측정하였다.
구체적으로, 구체적으로, 상기 경화물의 탄성률은 UNHT (Anton-Paar) 시험기를 이용하여 측정되었다. 나노 인덴터를 사용해서 23℃에서 30mN의 힘을 10초 동안 가하고(loading), 60초 동안 크립(creep) 후, 10초 동안 상기 힘을 제거하여(unloading) 탄성률을 측정하였다.
상기 조건에서 경화 시작 90분 후 탄성률을 측정하였다.
평가결과는 하기 표 3 및 표 4에 나타낸다.
실시예
1		 실시예
2		 실시예
3		 실시예
4		 실시예
5		 실시예
6
60분후
경도		 56 61 40 44 58 64
120분후경도 62 66 46 50 61 69
경도 55도달시간
(분)		 92 78 115 92 88 72
90분후탄성률
(MPa)		 2.11 2.34 1.44 1.59 2.13 2.52
실시예
7		 실시예
8		 비교예
1		 비교예
2		 비교예
3
60분후
경도		 41 68 68 67 65
120분후경도 45 75 79 77 74
경도 55도달시간
(분)		 135 58 57 87 56
90분후탄성률
(MPa)		 1.44 2.83 2.96 2.86 2.69
표 3 및 표 4를 참조하면, 50 cps 내지 80 cps 범위의 점도를 갖는 보조 실록산 수지를 소정의 함량 범위 내로 포함하는 실시예들에서 적절한 경도, 경화 속도 및 탄성률이 제공되었다.
가교성 말단 실록산 수지의 함량이 감소한 실시예 7에서는 경화 속도가 상대적으로 저하되었다. 가교성 말단 실록산 수지의 함량이 증가된 실시예 8에서는 상대적으로 갭 필러의 연성이 저하되었다.
보조 실록산 수지의 함량이 지나치게 증가한 비교예 1에서는 경화속도가 지나치게 증가하면서, 갭 필러의 연성이 열화되었다. 보조 실록산 수지의 점도가 실시예의 범위를 벗어난 비교예 2 및 비교예 3에서도 갭 필러의 연성이 열화되었다.
100: 배터리 팩 110: 배터리 모듈
112: 배터리 셀 120: 갭 필러
130: 지지판

Claims (17)

  1. 실록산계 수지;
    25oC에서 55 cps 내지 75 cps의 점도를 가지며 비가교성 말단기를 갖는 보조 실록산 수지;
    촉매; 및
    충전재를 포함하며,
    조성물 총 중량 중 상기 보조 실록산 수지의 함량은 0.02중량% 내지 0.2중량%이고,
    상기 실록산계 수지는
    가교성 말단기를 함유한 제1 실록산계 수지; 및
    25oC에서 100 cps 내지 1,500 cps 점도를 갖는 비가교성 말단 실록산 수지를 포함하는 제2 실록산계 수지를 포함하는, 갭 필러 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 조성물 총 중량 중 상기 보조 실록산 수지의 함량은 0.02중량% 내지 0.1중량%인, 갭 필러 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 실록산계 수지는, 가교성 말단 실록산 수지를 더 포함하는, 갭 필러 조성물.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제2 실록산계 수지의 상기 가교성 말단 실록산 수지는 25oC에서의 800 cps 내지 1,200 cps 범위의 점도를 갖는, 갭 필러 조성물.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제2 실록산계 수지 총 중량 중, 상기 가교성 말단 실록산 수지의 함량은 75중량% 내지 95 중량%인, 갭 필러 조성물.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 갭 필러 조성물은 주제 조성물 및 가교 조성물로 분리된 2액형 조성물로 제조되며,
    상기 제1 실록산계 수지는 상기 주제 조성물에 포함되며, 상기 제2 실록산계 수지는 상기 가교 조성물에 포함되는, 갭 필러 조성물.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 촉매는 상기 주제 조성물에 포함되며, 상기 충전재는 상기 주제 조성물 및 상기 가교 조성물에 분할되어 포함되는, 갭 필러 조성물.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 보조 실록산 수지는 상기 가교 조성물에 포함되는, 갭 필러 조성물.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매는 백금(Pt) 및 Si2O 기를 포함하는 유기-무기 하이브리드 화합물을 포함하는, 갭 필러 조성물.
  12. 청구항 11에 있어서, 조성물 총 중량 중 상기 촉매의 함량은 0.01중량% 내지 0.05중량%인, 갭 필러 조성물.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 충전재는 실란제로 표면 처리된 알루미나 입자들을 포함하는, 갭 필러 조성물,
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 알루미나 입자들은 서로 다른 입경 범위의 복수 종의 알루미나 입자들을 포함하는, 갭 필러 조성물.
  15. 청구항 1에 있어서, 23oC 및 상대습도 50% 조건에서 도포 후, 60분 방치 후 측정된 Shore 00 경도 및 120분 방치 후 측정된 Shore 00 경도는 각각 40 내지 70 범위 내인, 갭 필러 조성물.
  16. 청구항 1에 있어서, 23oC 및 상대습도 50% 조건에서 도포 후, 90분 방치 후 측정된 탄성률은 1.35MPa 내지 2.60MPa 범위 내인, 갭 필러 조성물.
  17. 복수의 배터리 모듈들;
    지지판; 및
    상기 배터리 모듈들 및 상기 지지판 사이에 청구항 1의 갭 필러 조성물을 사용하여 형성된 갭 필러를 포함하는, 배터리 팩.
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KR20220043776A (ko) * 2020-09-29 2022-04-05 주식회사 엘지에너지솔루션 수지 조성물
KR102402503B1 (ko) 2022-02-17 2022-05-26 주식회사 서연이화 갭필러 두께 가변 적용을 통한 배터리팩 냉각구조

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