KR102655719B1 - 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물, 이를 포함하는 냉각재, 및 이의 제조방법 - Google Patents
상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물, 이를 포함하는 냉각재, 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 냉각 효과가 우수하며, 열적 및 기계적 내구성이 우수한 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물, 이를 포함하는 냉각재, 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재조성물은 상변화물질을 기반으로 한 마이크로 입자의 표면에 무기물 산화막이 형성된 마이크로 캡슐을 포함한다.
Description
본 발명은 이차전지용 냉각재 조성물, 이를 포함하는 냉각재, 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각 효과가 우수하며, 열적 및 기계적 내구성이 우수한 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물, 이를 포함하는 냉각재, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이차전지는 제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도를 가져 휴대용 기기 뿐만 아니라 전기차량, 전력 저장 장치 등에 널리 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 충방전 시 셀에서 열이 발생되며, 온도에 따라 이차전지의 충전 및 방전 전력이 달라지기 때문에 이차전지의 내부 온도를 적절한 범위로 유지하는 것이 중요하다.
이차전지의 내부 온도를 제어하기 위한 종래기술로, 공개특허공보 제10-2018-0006780호에는 배터리 냉각수에 분산할 수 있는 형태로 상변화물질(phase change meterial, PCM)을 마이크로 캡슐화한 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 화장품용 마이크로캡슐 제조에 활용되는 소르비탄 세스퀴올리에이트(Sorbitan Sesquioleate)를 계면활성제로 활용하여 마이셀구조를 제조하는 방법으로, 냉각수에 분산효과는 우수하나 유기소재를 기반으로 하여 내구성이 낮다는 한계가 있다.
또한, 등록특허공보 제10-2208720호에는 PCM 유닛을 구성하는 재료의 홀 또는 기공에 PCM 유닛을 함침하거나, 젤라틴이나 지방산 등을 활용한 캡슐화, 옥타데칸(Octadecane)과 HDPE(High density polyethylene)을 섞은 후, 크롬산 처리를 하고 첨가제를 넣은 후 열처리하여 형성하는 마이크로 캡슐화하여 이차전지 냉각에 활용하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 또한 유기소재를 기반으로 하여 고온 안정성이 낮으며, 홀 또는 기공에 PCM을 함침하는 경우 장기적으로 PCM이 홀이나 기공을 통해 유실될 가능성이 있다.
따라서 냉각 효과가 우수하며, 열적 및 기계적 내구성이 우수한 이차전지용 냉각재의 개발이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명의 목적은 냉각 효과가 우수하며, 열적 및 기계적 내구성이 우수한 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물, 이를 포함하는 냉각재, 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물은 상변화물질을 기반으로 한 마이크로 입자의 표면에 무기물 산화막이 형성된 마이크로 캡슐을 포함한다.
본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물은 방열 필러, 및 상기 마이크로 캡슐 및 상기 방열 필러가 분산되는 고분자 매트릭스를 더 포함할 수 있다.
상기 상변화물질은 파라핀계 탄화수소(CnH2n+2, n=18~30)일 수 있다.
상기 무기물 산화막은 SiO2, TiO2, ZnO, 및 MnO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 무기물 산화막의 두께는 10nm 내지 100㎛ 일 수 있다.
상기 방열 필러는 질화알루미늄, 산화알루미늄, 카본나노튜브, 그래핀, 카본블랙, 은나노입자, 은나노와이어, 구리나노입자, 및 구리나노와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 고분자 매트릭스는 실리콘, 우레탄, 및 에폭시 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 냉각재는 필름 형태로 형성되며, 상변화물질을 기반으로 한 마이크로 입자의 표면에 무기물 산화막이 형성된 마이크로 캡슐을 포함한다.
본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재의 제조방법은 상변화물질을 기반으로 마이크로 입자를 합성하는 단계, 금속전구체를 포함하는 용액 및 상기 마이크로 입자를 혼합하여, 상기 마이크로 입자의 표면에 무기물 산화막이 형성된 마이크로 캡슐을 제조하는 단계, 상기 마이크로 캡슐, 방열 필러 및 고분자 매트릭스를 혼합하여, 상기 마이크로 캡슐 및 상기 방열 필러를 상기 고분자 매트릭스에 분산시켜 냉각재 조성물을 제조하는 단계, 및 상기 냉각재 조성물을 성형하여 냉각재를 제조하는 단계를 포함한다.
상기 마이크로 캡슐을 제조하는 단계는, 상기 마이크로 입자 및 상기 금속전구체를 1:1 내지 1:50 중량비로 혼합할 수 있다.
상기 금속전구체는 실리콘, 티타늄, 아연, 및 망간 중 적어도 하나를 포함하는 전구일 수 있다.
상기 냉각재 조성물을 제조하는 단계는, 상기 마이크로 캡슐 10~40 wt%, 상기 방열 필러 10~40 wt%, 및 상기 고분자 매트릭스 20~80 wt%를 혼합할 수 있다.
상기 냉각재를 제조하는 단계는, 상기 냉각재 조성물을 스크린 프린팅(screen printing), 디스펜싱(dispensing), 슬롯다이 코팅(slot die coating), 블레이드 코팅(blade coating), 콤마 코팅(comma coating), 및 압출 공정 중 하나의 방법으로 성형할 수 있다.
본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재는 상변화물질을 무기물 산화막으로 마이크로 캡슐화하여 냉각 효과가 우수하며, 열적 및 기계적 내구성이 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재는 상변화물질의 표면이 무기물 산화막으로 둘러싸인 마이크로 캡슐 외에 방열 필러를 포함하여 냉각 기능 뿐만 아니라 방열 기능을 동시에 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지용 냉각재 조성물을 보여주는 이미지이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 캡슐의 무기물 산화막을 형성하는 단계를 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이차전지용 냉각재의 제조방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 캡슐의 무기물 산화막을 형성하는 단계를 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이차전지용 냉각재의 제조방법을 보여주는 흐름도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지용 냉각재 조성물을 보여주는 이미지이고, 도 2는 본 발명에 따른 마이크로 캡슐의 무기물 산화막을 형성하는 단계를 보여주는 모식도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물(100)은 상변화물질을 기반으로 한 마이크로 입자(11)의 표면에 무기물 산화막(13)이 형성된 마이크로 캡슐(10)을 포함한다.
본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물(100)은 방열 필러(20) 및 고분자 매트릭스(30)를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물(100)의 구성을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
마이크로 캡슐(10)은 상변화물질을 기반으로 한 마이크로 입자(11), 및 마이크로 입자(11)의 표면을 둘러싸고 있는 무기물 산화막(13)을 포함한다.
상변화물질은 특정 온도에서 고체에서 액체로 또는 액체에서 고체로 상이 변화되는 잠열을 이용하여 열에너지를 흡수 또는 방출할 수 있는 물질이다. 즉, 상변화물질은 주변 온도가 높을 때는 주변의 열을 빼앗아 주변을 냉각시킬 수 있으며, 이와 반대로 주변 온도가 낮을 때는 주변에 열을 방출하여 주변 온도를 증가시킬 수 있기 때문에 주변 온도를 유지할 수 있다. 예컨대 상변화물질은 무기수화물, 지방산, 및 PEG(polyethylene Glycol)을 포함하는 고분자 물질일 수 있으며, 바람직하게는 파라핀계 탄화수소(CnH2n+2, n=18~30)일 수 있다.
이때, 상변화물질을 기반으로 한 마이크로 입자(11)의 크기는 100nm 내지 100㎛ 일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
마이크로 입자(11)의 표면에 형성되는 무기물 산화막(13)은 마이크로 입자(11)를 마이크로 캡슐화하여 상변화물질의 상변화에 따른 형상 변화를 방지하고, 상변화물질이 일정한 형태를 유지하도록 할 수 있다.
기존 유기막을 기반으로 한 마이크로 캡슐은 내구성 및 고온 안정성이 다소 낮다는 문제가 있다.
그러나 본 발명에 따른 마이크로 캡슐(10)은 상변화물질을 둘러싸는 무기물 산화막(13)을 포함하여 열적 및 기계적 내구성이 우수하다.
여기서 무기물 산화막(13)은 SiO2, TiO2, ZnO, 및 MnO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 무기물 산화막(13)의 두께는 10nm 내지 100㎛ 일 수 있다.
방열 필러(20)는 이차전지의 과열을 막기 위해 열을 방출하는 방열 소재로, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 카본나노튜브, 그래핀, 카본블랙, 은나노입자, 은나노와이어, 구리나노입자, 및 구리나노와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 방열 필러(20)는 입자 형태의 방열 필러(20a) 및 나노와이어 형태의 방열 필러(20b)를 포함할 수 있다.
고분자 매트릭스(30)는 마이크로 캡슐(10) 및 방열 필러(20)가 분산될 수 있다. 여기서 고분자 매트릭스(30)는 실리콘, 우레탄, 및 에폭시 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물(100)은 상변화물질의 표면이 무기물 산화막(13)으로 둘러싸인 마이크로 캡슐(10) 외에 방열 필러(20)를 포함하여 냉각 기능 뿐만 아니라 방열 기능을 동시에 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 캡슐(10)은 필름 형태의 이차전지용 냉각재로 형성될 수 있다.
이 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 마이크로 캡슐(10)은 냉각수에 투입하여 건축, 전자부품 등 온도 및 발열 제어가 필요한 다양한 분야에서 활용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재의 제조방법을을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명에 따른 이차전지용 냉각재의 제조방법을 보여주는 흐름도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 먼저 S10 단계에서 상변화물질을 기반으로 마이크로 입자(11)를 합성한다.
이때, 상변화물질은 파라핀계 탄화수소(CnH2n+2, n=18~30)일 수 있다.
마이크로 입자(11)의 합성 방법은 일반적으로 사용되는 물리적 방법 또는 화학적 방법이 사용될 수 있다. 예컨대 분쇄, 가스 응축, 전기분무, 리소그라피, 및 열분해와 같은 물리적 방법을 통해 마이크로 입자(11)를 합성할 수 있고, 마이크로에멀젼, 수열분해, 마이크로플루이딕, 화학적 기상, 및 졸겔 공정과 같은 화학적 방법을 통해 마이크로 입자(11)를 합성할 수 있다.
여기서 마이크로 입자(11)의 크기는 100nm 내지 100㎛ 로 합성할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로 S20 단계에서, 금속전구체(15)를 포함하는 용액 및 마이크로 입자(11)를 혼합한다. 이때, 도 2a 내지 도 2c와 같이, 마이크로 입자(11)와 금속전구체(15)는 가수분해 반응을 일으켜 무기물 산화막(13)을 형성함으로써 마이크로 캡슐(10)을 제조할 수 있다.
여기서 금속전구체(15)는 실리콘, 티타늄, 아연, 및 망간 중 적어도 하나의 전구체일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 용액은 금속전구체(15) 뿐만 아니라 할로겐화물, 알콕사이드, 카복실산과 같은 음이온성 물질을 더 포함할 수 있다.
마이크로 입자(11) 및 금속전구체(15)를 1:1 내지 1:50 중량비로 혼합하는 것이 바람직하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
이때 형성되는 무기물 산화막(13)의 두께는 10nm 내지 100㎛인 것이 바람직하다. 무기물 산화막(13)은 마이크로 입자(11) 대비 금속전구체(15)의 양이 많을수록, 용액의 온도가 높을수록 두껍게 형성될 수 있으므로, 금속전구체(15)의 양과 용액의 온도를 필요에 따라 선택적으로 조절할 수 있다. 단, 용액의 온도는 마이크로 입자(11)를 구성하는 상변화물질이 고체 상태를 유지하는 범위 내에서 선택할 수 있다.
이렇게 형성된 무기물 산화막(13)은 SiO2, TiO2, ZnO, 및 MnO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로 S30 단계에서, 마이크로 캡슐(10), 방열 필러(20) 및 고분자 매트릭스(30)를 혼합하여, 마이크로 캡슐(10) 및 방열 필러(20)를 고분자 매트릭스(30)에 분산시켜 냉각재 조성물을 제조한다.
이때, 마이크로 캡슐(10) 10~40 wt%, 방열 필러(20) 10~40 wt%, 및 고분자 매트릭스(30) 20~80 wt%를 혼합할 수 있다. 고분자 매트릭스(30)가 80 wt%를 초과하는 경우, 냉각재가 쉽게 부스러지는 등의 내구성에 문제가 생길 수 있으므로, 고분자 매트릭스(30)가 80wt%를 초과하지 않도록 혼합할 수 있다.
고분자 매트릭스(30)는 실리콘, 우레탄, 및 에폭시 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
마지막으로 S40 단계에서, 냉각재 조성물을 성형하여 냉각재를 제조한다.
이때, 냉각재 조성물은 스크린 프린팅(screen printing), 디스펜싱(dispensing), 슬롯다이 코팅(slot die coating), 블레이드 코팅(blade coating), 콤마 코팅(comma coating), 및 압출 공정 중 하나의 방법으로 성형할 수 있으며, 용도에 따라 필름 형태로 성형할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
100 : 이차전지용 냉각재 조성물
10 : 마이크로 캡슐
11 : 마이크로 입자
13 : 무기물 산화막
15 : 금속전구체
20 : 방열 필러
20a : 입자 형태의 방열 필러
20b : 나노와이어 형태의 방열 필러
30 : 고분자 매트릭스
10 : 마이크로 캡슐
11 : 마이크로 입자
13 : 무기물 산화막
15 : 금속전구체
20 : 방열 필러
20a : 입자 형태의 방열 필러
20b : 나노와이어 형태의 방열 필러
30 : 고분자 매트릭스
Claims (13)
- 상변화물질을 기반으로 한 마이크로 입자의 표면에 ZnO, 및 MnO2 중 적어도 하나를 포함하는 무기물 산화막이 형성된 마이크로 캡슐;
을 포함하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물. - 제1항에 있어서,
방열 필러; 및
상기 마이크로 캡슐 및 상기 방열 필러가 분산되는 고분자 매트릭스;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 상변화물질은 파라핀계 탄화수소(CnH2n+2, n=18~30)인 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 무기물 산화막의 두께는 10nm 내지 100㎛ 인 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물. - 제2항에 있어서,
상기 방열 필러는 질화알루미늄, 산화알루미늄, 카본나노튜브, 그래핀, 카본블랙, 은나노입자, 은나노와이어, 구리나노입자, 및 구리나노와이어 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물. - 제2항에 있어서,
상기 고분자 매트릭스는 실리콘, 우레탄, 및 에폭시 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재 조성물. - 필름 형태로 형성되며, 상변화물질을 기반으로 한 마이크로 입자의 표면에 ZnO, 및 MnO2 중 적어도 하나를 포함하는 무기물 산화막이 형성된 마이크로 캡슐을 포함하는 이차전지용 냉각재.
- 상변화물질을 기반으로 마이크로 입자를 합성하는 단계;
금속전구체를 포함하는 용액 및 상기 마이크로 입자를 혼합하여, 상기 마이크로 입자의 표면에 ZnO, 및 MnO2 중 적어도 하나를 포함하는 무기물 산화막이 형성된 마이크로 캡슐을 제조하는 단계;
상기 마이크로 캡슐, 방열 필러 및 고분자 매트릭스를 혼합하여, 상기 마이크로 캡슐 및 상기 방열 필러를 상기 고분자 매트릭스에 분산시켜 냉각재 조성물을 제조하는 단계; 및
상기 냉각재 조성물을 성형하여 냉각재를 제조하는 단계;
를 포함하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 마이크로 캡슐을 제조하는 단계는,
상기 마이크로 입자 및 상기 금속전구체를 1:1 내지 1:50 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 금속전구체는 실리콘, 티타늄, 아연, 및 망간 중 적어도 하나를 포함하는 전구체인 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 냉각재 조성물을 제조하는 단계는,
상기 마이크로 캡슐 10~40 wt%, 상기 방열 필러 10~40 wt%, 및 상기 고분자 매트릭스 20~80 wt%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 냉각재를 제조하는 단계는,
상기 냉각재 조성물을 스크린 프린팅(screen printing), 디스펜싱(dispensing), 슬롯다이 코팅(slot die coating), 블레이드 코팅(blade coating), 콤마 코팅(comma coating), 및 압출 공정 중 하나의 방법으로 성형하는 것을 특징으로 하는 상변화물질을 이용한 이차전지용 냉각재의 제조방법.
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