KR20130117591A - 우수한 냉각 효율성의 전지모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 둘 이상의 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있고, 상기 전지셀들은 양극 활물질로서 리튬 니켈 망간 복합 산화물(Lithium Nickel Manganese Mixed Oxide: LNMO)을, 음극 활물질로서 리튬 티타늄 산화물(Lithium Titanium Oxide: LTO)을 각각 포함하고, 상기 전지셀들의 적어도 일면에 냉각을 위한 열전도성 물질이 도포되어 있거나 또는 열전도성 부재가 부착되어 있는 전지모듈을 제공한다.

Description

우수한 냉각 효율성의 전지모듈 {Battery Module of Cooling Efficiency}
본 발명은 우수한 냉각 효율성의 전지모듈로서, 더욱 상세하게는, 둘 이상의 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있고, 상기 전지셀들은 양극 활물질로서 리튬 니켈 망간 복합 산화물(Lithium Nickel Manganese Mixed Oxide: LNMO)을, 음극 활물질로서 리튬 티타늄 산화물(Lithium Titanium Oxide: LTO)을 각각 포함하고, 상기 전지셀들의 적어도 일면에 냉각을 위한 열전도성 물질이 도포되어 있거나 또는 열전도성 부재가 부착되어 있는 전지모듈을 제공한다.
가솔린, 경유 등의 화석 연료를 사용하는 차량의 가장 큰 문제점 중의 하나는 대기오염을 유발한다는 점이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 차량의 동력원을 충방전이 가능한 이차전지로 사용하는 기술이 관심을 끌고 있다. 따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 리튬 이온전지 등의 사용도 시도되고 있다.
이러한 이차전지가 EV, HEV 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 요구되는 바, 이를 위하여 다수의 소형 이차전지(단위전지)들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 전지군을 형성하고 이러한 전지군을 다수 병렬 또는 직렬로 연결하여 하나의 전지팩으로 형성하여 사용하고 있다.
그러나, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다는 문제점을 가지고 있다. 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효율적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 초래한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지의 경우 발열현상을 막기 위해 냉각장치가 필요하다.
그러나, 점점 고용량의 전지를 필요로 함에 따라 같은 부피당 더 많은 전지를 수용하기 위해 많은 발전이 이뤄지고 있는 추세로 인해, 냉각장치 역시 전지 시스템을 크게 만드는 요인으로 작용하고 있다.
따라서, 냉각장치를 최소화하여 전체적인 전지 시스템의 크기를 줄일 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 음극 활물질로 리튬 티타늄 산화물을 포함하고 양극 활물질로 리튬 니켈 망간 복합 산화물을 포함하는 경우, 별도의 냉각장치을 사용하지 않거나 최소한의 냉각장치 만을 사용하고도 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은, 둘 이상의 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있고, 상기 전지셀들은 양극 활물질로서 리튬 니켈 망간 복합 산화물(Lithium Nickel Manganese Mixed Oxide: LNMO)을, 음극 활물질로서 리튬 티타늄 산화물(Lithium Titanium Oxide: LTO)을 각각 포함하고, 상기 전지셀들의 적어도 일면에 냉각을 위한 열전도성 물질이 도포되어 있거나 또는 열전도성 부재가 부착되어 있는 전지모듈을 제공한다.
상기 전지모듈은 자연 순환식 또는 자연 대류식 냉매 유로를 포함하는 비강제 방식의 냉각 구조로 이루어져 있고, 상기 냉매 유로 상의 냉매가 열전도성 물질 또는 부재와 접촉하면서 냉각을 수행한다.
상기 열전도성 부재는, 예를 들어, 필름, 시트 또는 판재의 형태로 전지에 부착될 수 있다.
상기 리튬 티타늄 산화물은 바람직하게는 하기 화학식 1로 표현될 수 있고, 구체적으로, Li0.8Ti2.2O4, Li2.67Ti1.33O4, LiTi2O4, Li1.33Ti1.67O4, Li1.14Ti1.71O4 등 일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 더욱 바람직하게는, 충방전시 결정 구조의 변화가 적고 가역성이 우수한 스피넬 구조를 갖는 것으로서 Li1.33Ti1.67O4일 수 있다.
LixTiyO4 (0.5≤x≤3; 1≤y≤2.5) (1)
상기 리튬 니켈 망간 복합 산화물은 바람직하게는 하기 화학식 2로 표현될 수 있으며, 더욱 바람직하게는, LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4일 수 있다.
LiNixMn2-xO4 (0<x<2) (2)
본 발명에 따른 전지모듈은, 바람직하게는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템의 동력원인 전지 시스템에 사용될 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 냉각장치의 최소화로 원가절감 뿐만 아니라 전체 전지 시스템의 부피 및 무게 감소의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전지모듈의 일측면의 측면 모식도이다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 둘 이상의 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있고, 상기 전지셀들은 양극 활물질로서 리튬 니켈 망간 복합 산화물(Lithium Nickel Manganese Mixed Oxide: LNMO)을, 음극 활물질로서 리튬 티타늄 산화물(Lithium Titanium Oxide: LTO)을 각각 포함하고, 상기 전지셀들의 적어도 일면에 냉각을 위한 열전도성 물질이 도포되어 있거나 또는 열전도성 부재가 부착되어 있는 전지모듈을 제공한다.
대부분의 상용화된 이차전지의 경우, 극심한 발열 현상으로 인해 냉각장치가 필요한 반면, 본 발명의 LNMO-LTO 전지에 기반한 전지모듈의 경우, 발열량이 크지 않으므로, 냉매의 유동 구동력을 제공하기 위한 냉각팬, 펌프 등의 장치와 냉매의 유출을 막기 위한 밀폐식 유로 등을 필요로 하지 않는다. 따라서, 냉각장치를 최소화하여 원가를 절감할 수도 있고 보다 작은 크기로 전지모듈을 제조할 수도 있다.
다만, LNMO-LTO 전지에서도 발생하는 소량의 열을 효과적으로 방출하기 위해서, 바람직하게는, 전지의 상부 또는 하부에 열전도성이 우수한 물질 또는 부재를 위치시키고, 자연 순환식 또는 자연 대류식 냉매 유로를 포함하는 비강제 방식의 냉각 구조로 이루어질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 냉매가 공기인 공냉식 냉각 구조일 수 있다. 예를 들어, 송풍 팬, 흡입 팬, 펌프 등의 냉각장치가 없이도 자동차 주행 중 차량 내부로 유입되는 공기를 이용하여 자연적인 냉각이 가능하다.
상기 열전도성 물질은 예를 들어 코팅의 형태로 전지의 표면에 피복될 수 있다.
상기 열전도성 부재는 필름, 시트 또는 판재의 형태로 전지에 부착될 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다. 더욱이, 이러한 열전도성 부재는 전지모듈의 용도와 구조 등에 따라 적절하게 선택 또는 변형될 수 있다.
상기 전지셀은, 양극, 음극 및 분리막으로 이루어진 전극조립체에 전극 리튬염 함유 전해액이 함침되어 있는 구조로 이루어져 있다.
상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라서는 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
반면에, 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 음극 활물질은 리튬 티타늄 산화물(LTO)이고, 양극 활물질은 리튬 니켈 망간 복합 산화물(LNMO)일 수 있다.
상기 리튬 티타늄 산화물은 바람직하게는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물일 수 있다.
LixTiyO4 (0.5≤x≤3; 1≤y≤2.5) (1)
그 중에서도 Li1.33Ti1.67O4이 특히 바람직할 수 있다.
상기 리튬 니켈 망간 복합 산화물(LNMO)은 바람직하게는 하기 화학식 2로 표현되는 화합물일 수 있다.
LiNixMn2-xO4 (0<x<2) (2)
상기 리튬 니켈 망간 복합 산화물(LNMO)은 특히 LTO의 높은 전위로 인하여 상대적으로 고전위를 가지는 스피넬 구조의 복합 산화물이며, 3.5 ~ 4.3V의 전압특성을 갖는 기존의 양극과 비교해 보았을 때 4.7V라는 고전압 특성을 갖는 물질이다.
바람직하게는 원소들의 함량이 0.1≤x≤0.9의 범위일 수 있으며, 그 중에서도 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4이 특히 바람직할 수 있다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 전지모듈은, 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 또는 전력저장용 시스템의 동력원인 전지 시스템에 사용될 수 있다.
그 밖에도 전지적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 전지모듈의 일측면이 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지의 하부에 열전도성 물질 또는 부재가 부착되어 있고, 공기의 유입과 배출이 가능한 냉매 유로가 상기 열전도성 물질 또는 부재와 접촉하면서 냉각이 수행되는 구조로 이루어져 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕을 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 둘 이상의 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있고,
    상기 전지셀들은 양극 활물질로서 리튬 니켈 망간 복합 산화물(Lithium Nickel Manganese Mixed Oxide: LNMO)을, 음극 활물질로서 리튬 티타늄 산화물(Lithium Titanium Oxide: LTO)을 각각 포함하며,
    상기 전지셀들의 적어도 일면에 냉각을 위한 열전도성 물질이 도포되어 있거나 또는 열전도성 부재가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 자연 순환식 또는 자연 대류식 냉매 유로를 포함하는 비강제 방식의 냉각 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 냉매 유로 상의 냉매가 열전도성 물질 또는 부재와 접촉하면서 냉각을 수행하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 열전도성 물질 또는 부재는 필름, 시트 또는 판재의 형태로 전지에 부착된 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 리튬 티타늄 산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물인 것을 특징으로 하는 전지모듈:
    LixTiyO4 (1)
    상기 식에서, 0.5≤x≤3, 1≤y≤2.5 이다.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 리튬 니켈 망간 복합 산화물은 하기 화학식 2로 표현되는 화합물인 것을 특징으로 하는 전지모듈:
    LiNixMn2-xO4 (2)
    상기 식에서, 0<x<2 이다.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 리튬 니켈 망간 복합 산화물은 LiNi0.5Mn1.5O4 또는 LiNi0.4Mn1.6O4인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장용 시스템의 동력원인 전지 시스템에 사용되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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