KR20140082032A - 배터리 모듈용 면상발열체 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

배터리 모듈용 면상발열체 및 이를 포함하는 배터리 모듈 Download PDF

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KR20140082032A
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Abstract

기재필름, 발열층 및 전극층의 적층구조이고, 상기 발열층은 패턴형상의 발열부를 포함하는 배터리 모듈용 면상발열체를 제공한다.
또한, 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀의 일면 또는 양면에 상기 면상발열체를 포함하는 배터리 모듈을 제공한다.

Description

배터리 모듈용 면상발열체 및 이를 포함하는 배터리 모듈{HEATING PLATE FOR BATTERY MODULE AND BATTERY MODULE INCLUDING THE SAME}
배터리 모듈용 면상발열체 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
태양광 발전 및 전기 자동차에 사용되는 배터리는 기온이 낮아져 동절기에는 방전 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 즉, 외부기온이 약 -20℃ 이하로 낮아지면 배터리의 방전 효율이 약 50 % 이하로 낮아지며, 주위 온도가 약 -10 ℃ 이하인 환경에서 배터리는 전해질 내 이온의 이동도가 낮아져, 전류의 흐름이 나빠지고 동시에 배터리의 출력이 떨어지게 된다. 특히, 전기 자동차(EV car)의 경우 완전 충전된 상태에서 외부에 주차하게 되면, 외부 기온에 의해 전해질이 딱딱해지는데, 이는 배터리의 장기 수명에도 문제를 일으키게 된다. 그러므로 배터리의 수명과 효율이 일정하게 유지되기 위해서는 겨울에도 배터리의 일정 온도를 유지시켜줄 필요가 있다.
배터리를 가열하기 위한 방법으로 열전소자나 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터로 공기를 가열하는 방법들이 제안되고 있기는 하나, 보다 효과적이고 효율적인 방법으로 배터리를 직접 가열하는 방법에 대한 연구는 계속되고 있다.
본 발명의 일 구현예는 일정한 패턴형상을 가지는 발열부를 포함함으로써 균일한 배터리 표면온도를 유지하는 배터리 모듈용 면상발열체를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 면상발열체 및 배터리 셀을 포함하고, 최적의 발열부를 확보하는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 기재필름, 발열층 및 전극층의 적층구조이고, 상기 발열층은 패턴형상의 발열부를 포함하는 배터리 모듈용 면상발열체를 제공한다.
상기 전극층은 (+) 메인 전극부와 (-) 메인 전극부를 서로 이격된 형태로 포함할 수 있다.
상기 전극층은 상기 (+) 메인 전극부, 상기 (-) 메인 전극부가 서로 마주보는 방향으로 (+) 서브 전극부 및 (-) 서브 전극부를 포함할 수 있다.
상기 발열부의 패턴형상은 병렬 패턴 또는 직렬 패턴을 포함할 수 있다.
상기 병렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부가 하나 이상의 직선패턴으로 연결될 수 있다.
상기 직선패턴은 약 5mm 내지 약 15mm의 폭을 가질 수 있다.
상기 직렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부가 하나의 지그재그패턴으로 연결될 수 있다.
상기 지그재그패턴은 약 5mm 내지 약 15mm의 폭을 가질 수 있다.
상기 발열층은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀, 그래파이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 발열층의 두께는 약 2㎛ 내지 약 10㎛일 수 있다.
상기 발열부의 면적은 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 20% 내지 약 80%일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀의 일면 또는 양면에 상기 면상발열체를 포함하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 면상발열체는 상기 배터리 셀의 내부 전해질온도를 발열 시작 약 2분 이내에 약 20℃이상 상승시킬 수 있다.
상기 배터리 셀의 표면온도는 약 20℃인 내지 약 80℃일 수 있다.
상기 배터리 셀의 내부 전해질 온도는 약 -10℃인 내지 약 35℃일 수 있다.
상기 배터리 모듈용 면상발열체는 균일한 발열로 배터리를 가열시킬 수 있고, 여름철에는 방열효과, 겨울철에는 발열효과에 탁월하다.
또한, 상기 배터리 모듈은 최소의 에너지를 사용함으로써 고효율을 발휘하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 배터리 모듈용 면상발열체를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 전극층의 평면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예인 발열부의 병렬패턴 평면도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예인 발열부의 직렬패턴 평면도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 또다른 일실시예인 발열부의 병렬패턴을 (a) 20%, (b) 50%, (c) 80%인 발열부의 면적에 따라 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 또다른 일실시예인 발열부의 직렬패턴을 (a) 20%, (b) 50%, (c) 80%인 발열부의 면적에 따라 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
배터리 모듈용 면상발열체
본 발명의 일 구현예에서, 기재필름, 발열층 및 전극층의 적층구조이고, 상기 발열층은 패턴형상의 발열부를 포함하는 배터리 모듈용 면상발열체를 제공한다.
전기 자동차에 사용되는 배터리의 온도는 주행 중 약 1시간의 방전 동안에 약 5℃ 내지 약 10℃ 상승하는데, 여름철 배터리에서 방출되는 열을 효과적으로 방출시키기 위해 알루미늄 방열 플레이트를 접촉시키는 방열구조가 적용되고 있다.
그러나, 상기 방열 구조는 높은 방열성을 발휘하기는 하나, 동절기 외기가 배터리 내부로 전달되는 문제점이 발생하게 하였으며, 이를 해결하기 위해 공랭식 방열구조에 고전력의 발열체(Heater)를 장착하여 더운 공기를 불어넣는 방식이 전기자동차에 적용되었다. 이때, 상기 발열체는 대류에너지로 전환하여 가열하는 방식으로 배터리를 균일하고 천천히 가열시키는 것으로, 배터리 온도 제어의 안전성은 우수하지만 배터리 용량의 약 50%를 발열체에 사용한다는 문제점이 있었고, 이에 최소 에너지 사용만으로 구동이 가능한 고효율의 발열체 개발이 계속되어 왔다.
상기 배터리 모듈용 면상발열체는 전달에너지를 이용한 발열체로써 기존 발열체에 비해 효율이 우수할 뿐만 아니라, 발열층이 일정한 패턴형상의 발열부를 포함함으로써 배터리의 온도의 균일성을 확보할 수 있게 했다. 또한, 발열층이 패턴형상의 발열부를 포함함으로써, 배터리의 온도 균일성을 확보할 수 있고, 배터리 내부 전해질의 국부적인 가열로 인한 폭발을 방지할 수 있다. 아울러, 패턴형상 사이 사이에 펀칭(Punching)이 되어 있어서 여름철 배터리의 방열 성능을 추가적으로 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예인 배터리 모듈용 면상발열체를 도식화하여 나타낸 것으로, 상기 면상발열체(100)는 기재필름(10), 발열층(20) 및 전극층(30)이 순서대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
기재필름(10)은 양면에 프라이머(Primer)가 처리된 BOPET(Biaxiallyoriented
polyethylene terephthalate), PI(polyimide), OPS(Oriented Polystyrene), OPP(oriented polypropylene), PEI(polyethyleneimine), PPS(Polyphenylene sulfide), PEN(Polyethylene naphthalate), PES(Poly(ether sulfones)) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, 절연성을 갖는다.
상기 기재필름(10)은 약 10㎛ 내지 약 100㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 기재필름의 두께가 약 10 ㎛ 미만인 경우, 그 위에 적층될 발열층을 인쇄 후 건조 과정에서 열안정성 부족으로 필름층의 평할도를 유지하기 어렵다. 또한 기재필름의 두께가 약 100㎛를 초과할 경우, 발열층의 열을 열 전달층에 전달하는 효율이 낮아질 수 있다.
상기 전극층(30)은 전극 간의 간격을 조절함으로써, 최종 제품의 저항을 조절할 수 있다. 상기 전극층(30)은 스크린 프린팅을 이용하여 발열층(22)에 패터닝하여 형성 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 전극층의 평면도를 나타낸 것으로, 상기 전극층은 (+) 메인 전극부(31)와 (-) 메인 전극부(32)를 서로 이격된 형태로 포함할 수 있다. 상기 (+) 메인 전극부와 (-) 메인 전극부는 일정거리로 이격되어 서로 평행하게 형성될 수 있고, Ag 또는 Cu와 같은 고전도성 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 전극층의 (+) 메인 전극부와 (-) 메인 전극부 사이의 간격은 약 150mm 내지 약 210mm일 수 있다. 상기 전극부 간 사이의 간격이 약 150mm미만인 경우 전극부로 인한 발열부 면적 구현시, 서브전극 간의 거리가 멀어져 발열층이 균일하게 가열되지 않으며, 메인 전극부에만 열이 적층될 수 있고, 약 210mm를 초과하는 경우 전극층을 포함하는 면상발열체의 배터리 부착시 규격초과의 문제점이 있다. 그러므로, 상기 범위의 간격을 유지함으로써, 발열층 또는 패턴형상과의 관계에서도 발열부의 면적을 효율적으로 제어하여 열에너지 전달을 확보할 수 있는바, 배터리 표면 및 내부 전해질의 온도를 균일하게 높이는 효과를 구현할 수 있다.
또한, 상기 전극층의 상기 (+) 메인 전극부(31), 상기 (-) 메인 전극부(32)가 서로 마주보는 방향으로 (+) 서브 전극부(33) 및 (-) 서브 전극부(34)를 포함할 수 있다. 이때 상기 (+) 서브 전극부와 (-) 서브 전극부의 간격은 약 3mm 내지 약 10mm이 될 수 있고, 상기 간격이 약 3mm 미만인 경우 마치 와이어 히터(wire heater)처럼 되어 면 발열체가 아닌 선 발열체처럼 될 수 있고, 원하는 발열량을 얻을 수 없다. 또한, 이 경우, 배터리 셀 표면에 국부적으로 열 공급이 증가하게 되어 배터리 셀의 폭발 가능성이 생기게 될 수 있다.
또한 상기 간격이 약 10mm를 초과할 경우, 배터리 셀 표면의 온도를 균일하게 상승시키기 어렵게 되고, 저전압 작동이 불안전하게 일어날 수 있어, 역시 배터리 셀이 폭발할 위험이 있다. 그러므로, 상기 범위의 간격을 유지함으로써, 발열층 또는 패턴형상과의 관계에서도 폭발가능성을 줄이고, 전극층에 전압인가시 발열부 면적을 확보할 수 있고, 베터리 셀 표면온도 또는 내부 전해질 온도의 균일성을 높일 수 있다.
상기 발열층(20)은 탄소나노튜브(CNT), 카본 블랙, 그래핀, 그래파이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하며, 이들을 둘 이상 혼합하여 사용할 수도 있다. 구체적으로, 카본섬유로 직조된 발열층, 부직포에 CNT나 그래핀을 함침시킨 발열층, 부직포에 전도성 카본을 함침시킨 발열층, 기재필름 상에 CNT나 그래핀 페이스트 또는 잉크를 코팅하여 제조한 발열층을 사용할 수 있다. 상기 코팅에는 그라비에(Gravure) 방식을 이용할 수 있다.
상기 발열층(20)의 두께는 약 2㎛ 내지 약 10㎛ 일 수 있다. 상기 발열층의 두께가 약 2㎛ 미만일 경우 발열층의 균일한 두께 유지가 어렵고, 전극층에 전압인가시 높은 저항값으로 인해 발열체로써 작동하기 어렵다. 또한 두께가 약 10㎛를 초과하는 경우는 단단한 발열층에 크랙(crack)이 발생하게 될 수 있다.
그러므로, 상기 발열층의 두께를 상기 범위내로 유지함으로써, 전극층 또는 기재필름층과의 접착력을 유지한 상태에서 크랙이 가지 않게 발열층을 인쇄할 수 있으며, 상기 두께로의 균일한 양산을 가능하게 한다.
상기 발열층은 패턴형상의 발열부를 포함할 수 있다. 상기 발열부는 면적을 가진 패턴형상이 배열된 부분으로, 즉 상기 패턴형상에 의해 발열하는 부분을 일컫는다. 구체적으로, 상기 패턴형상은 일정면적을 가진 도형 패턴이 서로 이격된 형태로 배열된 패턴을 의미하는 바, 상기 패턴형상은 병렬 패턴 또는 직렬 패턴을 포함할 수 있고, 상기 패턴형상의 도형패턴을 조절하여 발열부의 면적을 설정할 수 있다.
상기 발열층은 상기 기재필름의 상부에 전도성 물질을 도포 및 코팅함으로써, 일정면적을 가지는 도형패턴을 포함할 수 있는바, 상기 도형패턴은 단일의 직사각형 판을 포함하는 것이 보통이나, 하나 또는 그 이상의 직사각형 판이 다양한 도형패턴을 형성함으로써, 전반적인 발열부의 온도가 균일하게 상승하게 되어 면상발열체의 발열을 균일하게 할 수 있고, 이로 인하여 가열되는 배터리 셀의 표면온도가 전반적으로 균일하게 상승할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예인 발열층의 병렬패턴 평면도를 나타낸 것으로, 상기 병렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부가 하나 이상의 직선패턴(21)으로 연결될 수 있다.
상기 병렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부를 연결하는 직선패턴(21)을 포함할 수 있고, 상기 병렬패턴은 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부에 대해 직교하고 일정면적을 가진 하나 이상의 직선패턴(21)을 포함할 수 있다.
상기 하나이상의 직선패턴은 서로 평행한 패턴으로, 면상발열체의 가공 및 설치시에 가해지는 외부충격에 의해 열점(hot spot)이 발생하는 경우, 하나 이상의 직선패턴 중 실제로 열점이 발생한 어느 하나의 직선패턴에만 전류변화가 일어나기 때문에, 패턴형상으로 인한 이상여부를 쉽게 확인할 수 있고, 신속하게 대응할 수 있어, 이로 인한 발열저해가 보다 덜 발생할 수 있다.
또한, 상기 직선패턴(21)은 상기 (+) 서브 전극부 및 상기 (-) 서브 전극부와 나란한 방향으로 형성될 수 있는 것으로, 하나의 직선패턴에 (+) 서브 전극부 및 상기 (-) 서브 전극부를 포함하는 것이 보통이다. 이 때, 상기 (+) 서브 전극부와 상기 (-) 서브 전극부 사이와의 간격에 의해 상기 직선패턴의 폭을 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 직선패턴(21)의 폭은 약 5mm 내지 약 15mm일 수 있는바, 병렬패턴에서 상기 직선패턴의 폭 범위를 유지함으로써 발열부의 면적을 용이하게 확보할 수 있고, 패턴형상에 따른 발열부 면적을 쉽게 변화시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예인 발열부의 직렬패턴 평면도를 나타낸 것으로, 상기 직렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부가 하나의 지그재그패턴(22)으로 연결될 수 있다. 상기 직렬패턴은 상기 도 4와 같이 상기 (+) 메인 전극부 및 상기 (-) 메인 전극부에 대하여 수평하는 방향의 지그재그패턴을 포함하거나, 도시하지 않았으나 상기 (+) 메인 전극부 및 상기 (-) 메인 전극부에 대하여 수직하는 방향의 지그재그패턴을 포함할 수 있다.
상기 직렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부를 직렬로 연결하는 패턴으로, 일정면적을 가지는 지그재그패턴이 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부를 하나의 패턴으로 연결할 수 있다.
상기 발열층(20)이 포함하는 패턴형상이 상기 지그재그패턴인 경우, 두께 및 폭이 일정한 하나의 직사각형 판이 지그재그패턴을 형성할 수 있고, 상기 전극층(30)에 전압인가시 발열층에 전달되는 전류흐름이 보다 빨라져 면상발열체 발열온도, 이로 인해 가열되는 배터리 셀의 표면온도 또는 내부 전해질 온도를 신속하게 상승하게 할 수 있다.
상기 지그재그 패턴(22)이 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부에 대해서 수평하는 방향인 경우(도4), 상기 (+) 서브 전극부와 상기 (-) 서브 전극부에 대해서는 수직하는 방향으로 형성되며, 상기 지그재그패턴(22)이 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부에 대해서 수직하는 방향인 경우(미도시), 상기 (+) 서브 전극부와 상기 (-) 서브 전극부에 대해서는 수평하는 방향으로 형성될 수 있다.
후자의 경우 상기 지그재그 패턴 중 하나의 가로 패턴에 상기 (+) 서브 전극부 및 상기 (-) 서브 전극부를 포함할 수 있고, 상기 (+) 서브 전극부와 상기 (-) 서브 전극부와의 간격에 따라 상기 지그재그 패턴의 폭을 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 지그재그 패턴(22)의 폭은 약 5mm 내지 약 15mm일 수 있는바, 상기 지그재그 패턴이 상기 범위의 폭를 유지함으로써 (+) 메인 전극부 및 (-) 메인 전극부와의 접촉면적을 확보함으로써 전압에 전류가 흐를 수 있고, 국부적인 가열을 방지함으로써 직렬패턴에 의한 발열면적을 용이하게 구현할 수 있다.
상기 발열부의 면적은 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 20% 내지 약 80%일 수 있다. 상기 발열부는 면적을 가진 패턴형상이 배열된 부분으로, 즉 상기 패턴형상에 의해 발열하는 부분을 일컫는바, 발열부의 면적은 전극층(30)에 전압인가시 발열층(20)에서 발열되는 면적을 의미한다. 상기 발열부 면적은 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 20% 내지 약 80%가 될 수 있는바, 상기 발열부의 발열로 인해 배터리 셀을 약 20% 내지 약 80% 범위로 가열하여 배터리를 효과적으로 작동하게 할 수 있고, 상기 가열되는 면적 외의 공간은 펀칭(Punching)되어 있어 여름철에 외부로 열을 방출하는데 활용될 수 있다.
이 때, 도 5는 본 발명의 또다른 일실시예인 발열부의 병렬패턴을 (a) 20%, (b) 50%, (c) 80%의 발열부의 면적에 따라, 도 6은 본 발명의 또다른 일실시예인 발열부의 직렬패턴을 (a) 20%, (b) 50%, (c) 80%의 발열부의 면적에 따라 나타낸 것이다.
구체적으로, 상기 발열부의 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 20%미만인 경우 패턴형상에 모두 균일하게 온도를 가해주기 어렵고, 온도를 가하기 위해서는 패턴형상에 약 60℃ 이상의 온도를 가해줘야 하는바, 이로 인해, 배터리 셀 내부 전해질의 온도가 약 60℃에 도달하는 경우 배터리 효율이 0%가 될 수 있다. 또한, 작은 발열부 면적에 높은 열을 가함으로써 배터리를 불안정하게 할 수 있다.
또한, 상기 발열부의 면적이 약 80%를 초과하는 경우 보다 빠른 시간 내에 배터리 내부의 전해질 온도를 가열시킬 수는 있지만, 약 200초 이후에 온도가 35℃이상으로 올라가 배터리에 손상을 줄 수 있고, 배터리 주변부를 모두 불필요하게 가열시켜 소모성 전력이 형성될 수 있다. 그러므로, 상기 발열부의 면적범위를 유지함으로써, 배터리의 안정성 확보와 동시에 겨울철의 발열 및 여름철의 방열을 탁월하게 할 수 있다.
배터리 모듈
본 발명의 다른 구현예에서, 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀의 일면 또는 양면에 기재필름, 발열층 및 전극층의 적층구조이고, 상기 발열층은 패턴형상의 발열부를 포함하는 배터리 모듈용 면상발열체를 포함하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 배터리 셀은 일반적인 배터리 셀이다. 구체적으로, 상기 배터리 셀은 태양광 발전용 배터리 셀 또는 자동차용 배터리 셀이며, 더욱 구체적으로는 전기 자동차용 배터리 셀이다.
전술한 바와 같이, 상기 배터리 모듈용 면상발열체의 발열층이 일정한 발열부를 포함함으로써 배터리 온도의 균일성을 확보할 수 있다. 상기 발열부를 포함하는 발열층으로 인해 배터리 표면을 균일하게 가열할 수 있고, 배터리 내부 전해질의 국부적인 가열로 인한 폭발을 방지할 수 있다. 상기 발열부는 면적을 가진 패턴형상 배열되어 있는 것으로, 상기 패턴형상 사이 사이에 펀칭(Punching)이 되어 있어 겨울철의 배터리의 발열성능과 동시에 여름철에는 배터리의 방열 성능을 확보할 수 있다.
예를 들어, 상기 면상발열체는 패턴형상의 발열부를 포함하는바, 상기 발열부의 면적은 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 20% 내지 약 80%일 수 있다. 상기 면상발열체의 발열부에 의해 가열되는 배터리셀의 피발열부 또한 패턴형상을 포함할 수 있고, 상기 피발열부의 면적 또한 상기 범위일 수 있다. 그러므로, 배터리셀의 피발열부의 피발열면적으로 인하여, 베터리셀의 피발열부 주변온도 또한 상승될 수 있고, 이로 인해 배터리셀의 전면적이 균일하게 가열될 수 있다.
상기 면상발열체는 배터리 셀의 내부 전해질온도를 발열 시작 2분 이내에 20℃이상을 상승시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 면상발열체의 발열온도, 즉 배터리 셀에 가해지는 가열온도에 의해, 배터리 셀의 내부 전해질온도를 상승하게 할 수 있다.
예를 들어, 상기 면상발열체가 포함하는 발열부의 패턴형상이 병렬패턴이고, 상기 발열부의 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 20% 미만인 경우, 배터리 셀의 내부 전해질 온도를 2분 이내에 약 20℃이상을 상승시킬 수 없고, 이로 인해 배터리의 출력량을 확보할 수 없어, 동절기 배터리의 구동이 어려워 질 수 있다. 또한, 상기 발열부의 패턴형상이 병렬패턴이고, 상기 발열부의 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 80%를 초과하는 경우, 배터리 셀의 내부 전해질 온도를 2분 보다 적은 시간에 약 20℃ 이상을 상승시킬 수 있으나 배터리 셀의 과도한 표면온도 상승으로 배터리에 손상을 줄 염려가 있다.
상기 배터리 셀의 표면온도는 약 20℃인 내지 약 80℃일 수 있다. 즉, 상기 면상발열체의 발열로 인한 발열온도가 약 20℃인 내지 약 80℃인바, 상기 면상발열체의 발열온도에 직접적인 영향을 받아 가열되는 상기 배터리 셀의 표면온도는 약 20℃인 내지 약 80℃일 수 있고, 구체적으로, 상기 배터리 셀의 내부 전해질 온도는 약 -10℃인 내지 약 35℃일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예 1-1
양면이 프라이머 처리된 100㎛ 두께의 BOPET 기재필름에 카본나노튜브 페이스트를 5㎛ 두께로 코팅하여 발열층을 형성하였다. 그 위에 상기 발열층 및 상기 기재필름들이 전극에 의하여 연결되도록 한 번에 Ag로 형성된 (+) 메인 전극부 및 (-) 메인 전극부를 포함하는 전극층을 스크린 프린팅하여 면상 발열체를 제조하였다. 상기 제조된 면상발열체를 아크릴계 점착제로 배터리 셀의 일면 또는 양면에 부착하여 전기 자동차용 배터리 모듈을 제조하였다.
이 때, 상기 발열층은 상기 (+) 메인 전극부 및 상기 (-) 메인 전극부를 폭이 5mm인 하나이상의 직선패턴으로 연결한 병렬패턴을 포함하였고, 상기 병렬 패턴에 의한 발열부의 면적은 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 20%를 차지하였다.
실시예 1-2 및 1-3
상기 직선패턴의 폭이 10mm, 15mm이고, 상기 직선패턴에 의한 발열부의 면적이 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 50%, 80%를 차지하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전기 자동차용 배터리 모듈을 제조하였다.
실시예 2-1
양면이 프라이머 처리된 100㎛ 두께의 BOPET 기재필름에 카본나노튜브 페이스트를 5㎛ 두께로 코팅하여 발열층을 형성하였다. 그 위에 상기 발열층 및 상기 기재필름들이 전극에 의하여 연결되도록 한 번에 Ag로 형성된 (+) 메인 전극부 및 (-) 메인 전극부를 포함하는 전극층을 스크린 프린팅하여 면상 발열체를 제조하였다. 상기 제조된 면상발열체를 아크릴계 점착제로 배터리 셀의 일면 또는 양면에 부착하여 전기 자동차용 배터리 모듈을 제조하였다.
이 때, 상기 발열층은 상기 (+) 메인 전극부 및 상기 (-) 메인 전극부에 대해 수평하는 방향으로 폭이 5mm인 하나의 지그재그패턴으로 연결한 직렬패턴을 포함하였고, 이 때, 상기 지그재그 패턴에 의한 발열부의 면적은 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 20%를 차지하였다.
실시예 2-2 및 2-3
상기 지그재그패턴 폭이 8mm, 12mm이고, 상기 지그재그패턴에 의한 발열부의 면적이 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 50%, 80%를 차지하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일한 방법으로 전기 자동차용 배터리 모듈을 제조하였다.
비교예1
양면이 프라이머 처리된 100㎛ 두께의 BOPET 기재필름에 카본나노튜브 페이스트를 5㎛ 두께로 코팅하여 발열층을 형성하였다. 그 위에 상기 발열층 및 상기 기재필름들이 전극에 의하여 연결되도록 한 번에 Ag로 형성된 (+) 메인 전극부 및 (-) 메인 전극부를 포함하는 전극층을 스크린 프린팅하여 면상 발열체를 제조하였다. 상기 제조된 면상발열체에 있어서, 아크릴계 점착제를 배터리 셀의 일면 또는 양면에 부착하여 전기 자동차용 배터리 모듈을 제조하였다. 이 때, 상기 발열층의 발열면적은 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적에 대해서 20%를 차지하였다.
비교예2 및 3
상기 발열층의 발열면적이 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 50% 및 80%인 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 전기 자동차용 배터리 모듈을 제조하였다.
패턴형상 폭(mm) 면적(%)
실시예1-1 병렬패턴 직선패턴, 5 패턴형상, 20
실시예1-2 병렬패턴 직선패턴, 10 패턴형상, 50
실시예1-3 병렬패턴 직선패턴, 15 패턴형상, 80
실시예2-1 직렬패턴 지그재그패턴, 5 패턴형상, 20
실시예2-2 직렬패턴 지그재그패턴, 8 패턴형상, 50
실시예2-3 직렬패턴 지그재그패턴, 12 패턴형상, 80
비교예1 패턴X - 발열층, 20
비교예2 패턴X - 발열층, 50
비교예3 패턴X - 발열층, 80
< 실험예 > 면상발열체에 따른 배터리 표면온도의 상승
상기 각각의 실시예 및 비교예의 면상발열체를 영하 30 ℃ 항온항습기에 넣고, 상기 면상발열체의 전극층에 전압을 인가하여 발열층을 약 60 ℃까지 상승시켰다. 그 후, 상기 가열된 면상발열체를 배터리 셀 양면에 부착하여 배터리 셀의 표면온도가 약 60 ℃까지 가열되었고, 면상발열층의 발열부에 의해 피발열된 배터리 셀의 온도 및 면상발열층의 발열부 외 부분에 의해 피발열된 배터리 셀의 온도를 100초간, 200초간 유지하여 온도를 측정해 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
배터리 셀 표면온도
60 ℃ 100초 유지 시 		배터리 셀 표면온도
60 ℃ 200초 유지 시
피발열부 온도(℃) 피발열부 외 온도(℃) 피발열부 온도 (℃) 피발열부 외 온도(℃)
실시예1-1 60 24.3 60 60
실시예1-2 60 30.7 60 60
실시예1-3 60 48.4 60 60
실시예2-1 60 20.1 60 49.6
실시예2-2 60 24.6 60 60
실시예2-3 60 30.5 60 60
비교예1 60 -30 60 -30
비교예2 60 -30 60 8.3
비교예3 60 4.2 60 32.2
상기 실시예 1-1 내지 2-3의 배터리 모듈용 면상발열체는 패턴형상의 발열부를 포함하는 발열층을 포함하는바, 면상발열체를 배터리 셀의 양면에 부착 후 약 60℃로 가열된 면상발열체로 배터리 셀을 가열시, 면상발열체 발열층이 포함하는 발열부에 의해 가열된 배터리 셀의 피발열부 온도는 약 60℃로 유지되었다. 또한, 상기 발열부 외 부분에 의해 가열된 배터리 셀의 피발열부 온도는 약 20℃ 내지 약 60℃의 분포를 보이는 것을 확인하였다. 이로써 면상발열체 발열층이 포함하는 패턴형상의 발열부에 따라 배터리 셀의 피발열부 온도뿐 아니라, 피발열부 외 온도 또한 일정 수준 이상까지 배터리 셀을 가열할 수 있음을 확인하였다.
반면에 패턴형상을 포함하지 않는 발열층으로 구성된 면상발열체를 사용하는 비교예 1 내지 3 배터리 모듈의 경우, 면상발열체를 배터리 셀의 양면에 부착시키는 경우에도 발열층의 균일 하지 않은 국소적인 부분에서만 약 60 ℃를 유지할 뿐, 그 외의 가열되지 않은 부분에는 면상발열체의 가열 및 이로 인한 배터리 셀의 가열이 유용하게 일어나지 않음을 알 수 있었다.
100: 배터리 모듈용 면상발열체
10: 기재필름
20: 발열층 21: 직선패턴 22: 지그재그 패턴
30: 전극층
31: (+) 메인 전극부 32: (-) 메인 전극부
33: (+) 서브 전극부 34: (-) 서브 전극부

Claims (15)

  1. 기재필름, 발열층 및 전극층의 적층구조이고,
    상기 발열층은 패턴형상의 발열부를 포함하는
    배터리 모듈용 면상발열체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전극층은 (+) 메인 전극부와 (-) 메인 전극부를 서로 이격된 형태로 포함하는
    배터리 모듈용 면상발열체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전극층은 상기 (+) 메인 전극부, 상기 (-) 메인 전극부가 서로 마주보는 방향으로 (+) 서브 전극부 및 (-) 서브 전극부를 포함하는
    배터리 모듈용 면상발열체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발열부의 패턴형상은 병렬 패턴 또는 직렬 패턴을 포함하는
    배터리 모듈용 면상발열체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 병렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부가 하나 이상의 직선패턴으로 연결된
    배터리 모듈용 면상발열체.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 직선패턴은 5mm 내지 15mm의 폭을 갖는
    배터리 모듈용 면상발열체.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 직렬패턴은 상기 (+) 메인 전극부와 상기 (-) 메인 전극부가 하나의 지그재그패턴으로 연결된
    배터리 모듈용 면상발열체.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 지그재그패턴은 5mm 내지 15mm의 폭을 갖는
    배터리 모듈용 면상발열체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 발열층은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀, 그래파이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는
    배터리 모듈용 면상발열체.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 발열층의 두께는 2㎛ 내지 10㎛인
    배터리 모듈용 면상발열체.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 발열부의 면적은 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 20% 내지 80%인
    배터리 모듈용 면상발열체.
  12. 배터리 셀; 및
    상기 배터리 셀의 일면 또는 양면에 제 1항에 기재된 면상발열체를 포함하는
    배터리 모듈.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 면상발열체는 상기 배터리 셀의 내부 전해질 온도를 발열 시작 2분 이내에 20℃이상 상승시키는
    배터리 모듈.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 표면온도는 20℃인 내지 80℃인
    배터리 모듈.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 내부 전해질 온도는 -10℃인 내지 35℃인
    배터리 모듈.
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