KR20150114862A - 압력 감응 열 제어 소재를 구비한 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20150114862A
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Abstract

본 발명은 평상시 열 차단 시트의 역할을 하다 일정 이상의 압력이나 충격이 가해질 경우 열전도성 시트로 바뀌어 방열 기능을 하게 되는 압력 감응 열전도성 시트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

압력 감응 열 제어 소재를 구비한 배터리 모듈 {A battery module having a pressure sensitive thermal controlling material}
본 발명은 평상시 열 차단 시트의 역할을 하다가 일정 이상의 압력이나 충격이 가해질 경우 열전도성 시트로 바뀌어 방열 기능을 하게 되는 압력 감응 열전도성 시트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
열 전도성 시트는, 종래에 일반 열가소성 플라스틱 조성물에 금속 분말이나 흑연, 카본 나노튜브 등과 같은 열전도성 필러 입자를 분산한 후 압축성형이나 사출 등의 공법으로 제조한다. 이러한 전도성 필름은 그 자체가 처음부터 열전도성을 갖는 것으로, 충격과 같은 특정한 압력에 의해 절연막이 전도성막으로 전환되는 기능을 갖는 것은 아니다. 열전도성 시트는 EV, HEV, FCEV 등의 모터를 이용하여 구동하는 차량의 배터리 모듈 제조할 때 배터리 셀과 셀 사이에 위치하여 단순히 셀의 온도 증가 시에 발생하는 열을 모두 흡수하여 외부의 냉각 장치로 열을 전달시키는데 널리 사용되는 소재이다.
그러나, 배터리의 셀 사이에 부착되어 평상시 열 절연막의 기능을 하다가 일정 이상의 압력이 가해질 경우에는 방열 기능을 갖는 "압력감응 열 전도성 필름"은 아직 보고되어 있지 않다.
그러나, 상기 단순 방열 또는 전열 소재로는 해결할 수 없었던, 차량의 배터리 모듈 내부의 배터리 셀 사이에 부착되거나 조립되어 차량 시동 정지 시에는 단열 시트의 기능을 하여 배터리 내부의 온도 하강을 최소화 하여 냉시동 성능을 유지시키는 한편, 차량 시동 시에는 배터리의 온도 상승으로 인한 부피 팽창으로 시트에 일정 이상의 압력이나 충격이 가해지게 되면 열전도성 시트로서 방열 기능을 가지는 소재가 요구되고 있다.
본 발명은,
열전도성 필러, 엘라스토머 및 폴리머 비드를 포함하는 압력감응 열 제어 소재에 있어서, 통전 압력 이하의 조건에서는 단열 소재이고 통전 압력 이상의 조건에서는 방열 소재인 것인 압력감응 열 제어 소재를 제공한다.
또한 본 발명은,
압력 감응 열제어 소재를 적용한 배터리의 제조방법에 있어서,
(a) 열전도성 필러, 폴리머 비드 및 엘라스토머를 혼합 압출 또는, 용매에 녹여 균일 분산되게 혼합하는 단계;
(b) (a)에서 준비된 혼합물을 롤 성형, 압축성형 또는 사출성형의 방법을 이용하여 시트를 제조하는 단계;
(c) 원통형 배터리 셀 외부에 시트를 감싸는 단계; 및
(d) (c)에서 준비된 배터리/압력감응 시트 외부를 금속 방열판으로 감싸는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명의 엘라스토머, 열전도성 필러, 폴리머 비드를 포함한 압력 감응 열 제어 소재를 포함함으로써 일정 이상의 압력이 가해지기 전까지는 단열막으로 작용하다가 그 이상의 압력이 가해지면 엘라스토머 소재 내 필러의 직접적인 접촉을 형성하여 열전도성 시트가 되는, 압력감응 열 제어 소재는 주어진 통전압력조건에 따라 “단열-방열"의 특성변화 가 요구되는 모든 분야에서 사용이 가능하며, 특히 배터리 셀 외부의 보호 시트로서 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 압력 감응 열제어 소재에 압력이 가해지지 않았을 때, 열 전도성 필러가 상호 연결되지 않아 단열막으로서의 기능을 발휘하는 것에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 압력 감응 열제어 소재에 압력이 가해지는 경우 열 전도성 필러가 상호 접촉함으로서 방열막으로서의 기능을 발휘하는 것에 대한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 압력 감응 열제어 소재를 배터리에 적용하여 배터리가 발열하지 않는 경우 열전도성 필러가 상호 연결되지 않아 단열막으로서의 기능을 발휘하여 차량의 냉시동 성능을 유지하는 것에 대한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 압력감응 열제어 소재를 배터리에 적용하여 배터리가 발열하는 경우 압력이 가해져 열 전도성 필러가 상호 접촉함으로서 방열막으로서의 기능을 발휘하는 것에 대한 모식도이다.
본 발명은 EV, HEV FCEV (electric vehicle, hybrid electric vehicle, fuel cell electric vehicle)등의 차량의 배터리의 셀 사이에 적층되어 평상시 절연막으로 기능하다 배터리 셀 내부에 일정 이상의 압력이나 충격이 가해질 경우 전도성막으로 바뀌어 방열 기능을 하게 되는 압력 감응 열 전도성 계면소재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는, (열)전도성 필러, 엘라스토머 및 (선택적으로) 폴리머 비드가 혼합된 소재로 형성된 계면소재를 포함하며, 제품에 부착되어 주어진 통전 압력조건 이하의 압력에서는 절연 시트로 기능하고 통전압력조건 이상의 압력이 가해지면 상기 시트 내 열 전도성 필러간의 거리가 가까워져 배터리 셀과 계면층 사이에 통전 접점이 형성되어 통전기능을 하게 되는 압력 감응 전도성 필름이 제공된다.
본 발명의 계면소재는, 열 전도성 필러의 충진량에 따라 손쉽게 통전압력조건의 제어가 가능하고, 차량의 시동 정지 시 절연 시트역할을 하게 되어 배터리의 냉시동 성능을 적정수준 유지시키는 역할을 하며, 차량 시동 시 배터리의 온도 상승으로 인한 부피 팽창 시에는 계면소재에 압력이 가해지게 되며, 상기 압력으로 계면 소재의 변형이 일어나 전도성 소재의 역할을 한다. 상기 소재는 "절연성-전도성"의 특성변화가 요구되는 모든 분야에서 사용이 가능하며, 특히 특정 압력에 대한 센서로서 사용될 수 있을 뿐 아니라, 파괴로부터 보호되어야 하는 배터리 셀의 계면층에 사용되어 모듈의 손상이나 더 나아가서는 인명사고를 방지하는 용도로 사용될 수 있다.
본 발명에서는, 차량의 배터리 모듈 내부의 배터리 셀 사이에 부착되거나 조립되어 차량 시동 정지 시에는 단열 시트의 기능을 하여 배터리 내부의 온도 하강을 최소화 하여 냉시동 성능을 유지시키는 기능을 한다.
한편, 차량 시동 시에는 배터리의 온도 상승으로 인한 부피 팽창으로 시트에 일정 이상의 압력이나 충격이 가해지게 되며 이 경우 열전도성 시트로 바뀌게 되고 방열 기능을 하게 되는 압력 감응 열전도성 시트의 제조 방법 및 그 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명에서는 압력 감응 열전도성 시트를 구성하는 필러나 고분자 물질의 종류와 크기 등과 같은 물리적 특성을 제어함으로써 손쉽게 방열 압력 조건의 조절이 가능한 방열 시트를 제공하고자 한다.
또한, 상기의 압력 감응 방열 시트의 단열/방열 특성을 최적화 할 수 있는 배터리 모듈 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명에서 제공하고자 하는 압력 감응 방열 시트는 배터리의 셀 사이에 적용 후 바로 열전달 특성을 나타내는 일반 열전도성 시트와 달리 배터리 셀의 온도 특성에 따라 부피가 변화하게 되며 상기 부피 변화로 인가된 압력 변화의 특성에 따라 주어진 수kg/㎠ 로 부터 수백 kg/㎠ 까지의 방열압력을 경계로 단열성 시트가 방열 시트로 전환되게 되므로, 외부 충격에 의한 배터리 셀 내부의 과부하로 인한 Thermal runway 현상을 방지할 수 있고 배터리 셀의 손상을 방지하게 되며 경우에 따라서는 폭발과 화재를 미리 감지하고 예방하는 역할을 하게 된다.
본 발명에서는 열전도성 필러, 엘라스토머, 폴리머 비드로 형성된 단열/방열 시트로 구성되어 주어진 통전압력조건 이하의 압력에서는 단열 시트의 기능을 하고 방열압력조건 이상의 압력이 가해지면 상기 단열 시트 내의 열전도성 필러간의 거리가 가까워지게 되고 더 나아가 필러끼리 직접적인 접촉을 이루게 되어 시트 내부에 방열 접점이 형성되어 방열기능을 하게 되는 압력 감응 방열 시트가 제공된다.
상기 열전도성 필러는, 0차원 구조를 갖는 카본 블랙 또는 금속 나노입자, 1차원 구조를 갖는 카본 나노튜브, 금속 나노와이어, 2차 차원 구조를 갖는 그라파이트 및 판상 구조를 갖는 소재로 구성될 수 있다. 또, 상기 열전도성 필러의 충진량 및 종횡비는 특별히 정해진 것은 아니며 원하는 압력 감응 용도에 따라 10~70wt%, 및 수 nm에서 수 mm 까지 적당히 선택할 수 있다.
상기 엘라스토머는 바람직하게는 탄성을 갖는 고분자 엘라스토머 수지로 이루어진다. 이때 엘라스토머 물질로는, 예를 들어 SBR (styrene-butadiene rubber), SEBS (styrene-ethylene-butadiene-styrene), PDMS(Polydimethylsiloxane)등의 천연고무; 합성고무 등의 고분자 물질과 이들의 혼합물질 등이 사용될 수 있다. 상기 폴리머 비드는 주로 열 경화성 및/또는 열 가소성 폴리머 비드가 사용될 수 있으며 가압 특성 및 방열 특성을 조절하기 위하여 폴리머 비드가 사용되는데 목적이 있다.
이러한 물질들로 구성되는 방열 소재의 표면은 매끄러울 수도 있으나 용도에 따라서 의도적으로 표면 조도를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 열전도성 필러, 엘라스토머, 폴리머 비드를 함께 포함하는 압력 감응 방열 시트의 구성이 제공된다. 이때 열전도성 필러는 폴리머 비드 보다 크기가 작은 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는, 배터리 모듈 내부에 위치하여 방열 및 단열 특성을 최적화 시킬 수 있는 상기 압력 감응 방열 시트 및 배터리 셀의 구성이 제공된다. 이에 더욱 바람직하게는 원통형 모양(배터리 모듈을 감싸는 외부 하우징이 압력 변화가 없을 경우, 판상 셀이 적층되는 형태에서도 적용될 수 있다)으로 배터리의 셀이 구성되며 그 외부에 압력 감응 방열 시트가 포함될 수 있다. 또한 압력 감응 시트 외부에는 단단한 지지층으로 구성이 될 수 있다. 이 경우 배터리의 온도가 상승하여 팽창하게 되면 외부에 있는 압력 감응 방열 시트에 압력이 가해지게 되고 방열 시트는 수축을 하게 된다. 그 결과 시트 내부의 열전도성 필러의 거리는 결국 가까워 지고 맞닿게 되어 방열 특성이 발현되게 된다.
통전 압력을 정하는 인자는 고분자 엘라스토머 수지의 부피 수축이 될 수 있다. 예를 들면, 셀의 온도가 증가하는 경우 셀의 부피 팽창이 발생하게 되며 셀 사이에 끼워지는 고분자 엘라스토머 수지의 부피 수축이 발생한다.
통전 압력이 정해지면, 통전 압력 이하의 조건에서는 엘라스토머와 폴리머 비드의 함량이 열전도성 필러간의 직접적인 접촉 확률이 전체의 10% 하회하도록 조성하고, 통전 압력 이상의 조건에서는 엘라스토머와 폴리머 비드의 함량이 열전도성 필러간의 직접적인 접촉 확률이 10% 이상(겹침)이 되도록 조성되어야 한다.
본 발명의 압력 감응 열제어 소재를 적용한 배터리는,
(a) 열전도성 필러, 폴리머 비드, 엘라스토머 를 혼합 압출 또는 용매에 녹여 균일 분산되게 혼합하는 단계;
(b) (a)에서 준비된 혼합물을 롤 성형, 압축성형 또는 사출성형 등의 방법을 이용하여 시트를 제조하는 단계;
(c) 원통형 배터리 셀 외부에 시트를 감싸는 단계;
(d) (c)에서 준비된 배터리/압력감응 소재 외부를 금속 방열판으로 감싸는 단계로 구성할 수 있다.
이때 엘라스토머 소재의 선택 시 유연성 등의 물리적 특성을 선택함으로써 주어진 통전압력 조건에 적합한 압력 감응 소재를 제조할 수 있다. 또, (a)의 혼합단계에 물성조절을 위한 각종 첨가제를 부가할 수 있다. 한편 압력 감응 소재의 제조시 가장 중요한 사항은 열전도성 입자 및 폴리머 비드의 고른 분산인데, 엘라스토머 내부에 상기 입자 및 비드가 고르게 분산되지 않으면 물성이 저하될 뿐만 아니라 원하는 압력에서 통전이 이루어지지 않는 경우가 생길 수 있다.
상기 단계 (c) 원통형 배터리 셀 외부에 시트를 감싸는 단계에서 외부 하우징이 부피변화에 대해서 단단하게 고정이 가능하다면 원통형 대신 판상형 셀 사이사이에 끼워지는 형상에도 적용이 가능하다.
본 발명의 구체예로는 도면을 참조하여 본 발명의 압력 감응 소재 및 그것을 포함한 배터리 모듈의 바람직한 형태를 보여준다. 이는 본 발명의 일례일 뿐 본 명세서로 청구하고자 하는 발명의 범위를 제한하거나 한정하고자 하는 것은 아니며, 발명의 범위는 명세서로 설명된 범위에서 당해 기술분야의 통상의 기술자가 구현 가능한 범위 및/또는 이의 균등물을 포괄한다.
본 발명에 따르면 엘라스토머, 열전도성 필러, 폴리머 비드를 포함한 압력 감응 열 제어 소재를 포함함으로써 일정 이상의 압력이 가해지기 전까지는 단연막으로 작용하다가 그 이상의 압력이 가해지면 엘라스토머 소재 내 필러의 직접적인 접촉을 형성하여 열전도성 시트가 되는, 압력감응 열 제어 소재를 제조할 수 있다. 상기 도면으로부터 확인되는 바와 같이 주어진 통전압력조건에 따라 “단열-방열"의 특성변화가 요구되는 모든 분야에서 사용이 가능하며, 특히 배터리 셀 외부의 보호 시트로서 사용될 수 있다,
(a) 원통형 배터리
(b) 압력감응 소재
(c) 배터리 지지체

Claims (23)

  1. 열전도성 필러, 엘라스토머 및 폴리머 비드를 포함하는 압력감응 열 제어 소재에 있어서, 통전 압력 이하의 조건에서는 단열 소재이고 통전 압력 이상의 조건에서는 방열 소재인 것인 압력감응 열 제어 소재.
  2. 제1항에 있어서, 열전도성 필러는 0차원 구조를 갖는 카본 블랙 또는 금속 나노입자, 1차원 구조를 갖는 카본 나노튜브 또는 금속 나노와이어, 또는 2차 차원 구조를 갖는 그라파이트인 것인 압력감응 열 제어 소재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 엘라스토머는 천연고무, 합성고무 또는 이들의 혼합된 엘라스토머 수지인 것인 압력감응 열 제어 소재.
  4. 제3항에 있어서, 천연고무는 SBR (styrene-butadiene rubber), SEBS (styrene-ethylene-butadiene-styrene)또는 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것인 압력감응 열 제어 소재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 비드는 열경화성 폴리머 비드, 열가소성 폴리머비드 또는 이들의 혼합물인 것인 압력감응 열 제어 소재.
  6. 제1항에 있어서, 통전 압력 이하의 조건에서는 엘라스토머와 폴리머 비드의 함량이 열전도성 필러간의 거리가 0을 초과하도록 포함되는 것인 압력감응 열 제어 소재.
  7. 제1항에 있어서, 통전 압력 이상의 조건에서는 엘라스토머와 폴리머 비드의 함량이 열전도성 필러간의 거리가 0이하(필러간 겹침) 되도록 포함되는 것인 압력감응 열 제어 소재.
  8. 제1항에 있어서, 열전도성 필러는 폴리머 비드보다 크기가 작은 것인 압력감응 열 제어 소재.
  9. 제1항에 있어서, 분산제를 더욱 포함하는 압력감응 열 제어 소재.
  10. 제1항에 있어서 통전 압력을 정하는 인자는 고분자 엘라스토머 수지의 온도에 따른 부피 수축률이며, 통전 압력 이하의 온도에서는 열전도성 필러간의 직접적인 접촉 확률이 전체의 접촉 확률의 10% 이하가 되도록 엘라스토머와 폴리머 비드의 함량이 조성된 것이고, 통전 압력 이상의 온도에서는 열전도성 필러간의 직접적인 접촉 확률이 10% 이상 되도록 엘라스토머와 폴리머 비드의 함량이 조성된 것인 압력감응 열 제어 소재.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 압력 감응 열 제어 소재를 셀의 계면 시트로서 포함하는 배터리 모듈.
  12. 제11항의 배터리 모듈을 포함하는 EV, HEV 또는 FCEV 차량.
  13. 압력 감응 열제어 소재를 적용한 배터리의 제조방법에 있어서,
    (a) 열전도성 필러, 폴리머 비드 및 엘라스토머를 혼합 압출 또는, 용매에 녹여 균일 분산되게 혼합하는 단계;
    (b) (a)에서 준비된 혼합물을 롤 성형, 압축성형 또는 사출성형의 방법을 이용하여 시트를 제조하는 단계;
    (c) 원통형 배터리 셀 외부에 시트를 감싸는 단계; 및
    (d) (c)에서 준비된 배터리/ 압력감응 시트 외부를 금속 방열판으로 감싸는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 열전도성 필러, 엘라스토머 및 폴리머 비드를 포함하는 시트는 압력감응 열 제어 소재로서 통전 압력 이하의 조건에서는 단열 소재이고 통전 압력 이상의 조건에서는 방열 소재인 것인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 열전도성 필러는 0차원 구조를 갖는 카본 블랙 또는 금속 나노입자, 1차원 구조를 갖는 카본 나노튜브 또는 금속 나노와이어, 또는 2차 차원 구조를 갖는 그라파이트인 것인 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 엘라스토머는 천연고무, 합성고무 또는 이들의 혼합된 엘라스토머 수지인 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 천연고무는 SBR (styrene-butadiene rubber), SEBS (styrene-ethylene-butadiene-styrene)또는 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것인 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 폴리머 비드는 열경화성 폴리머 비드, 열가소성 폴리머비드 또는 이들의 혼합물인 것인 방법.
  19. 제14항에 있어서, 통전 압력 이하의 조건에서는 엘라스토머와 폴리머 비드의 함량이 열전도성 필러간의 거리가 0을 초과하도록 포함되는 것인 방법.
  20. 제14항에 있어서, 통전 압력 이상의 조건에서는 엘라스토머와 폴리머 비드의 함량이 열전도성 필러간의 거리가 0이하(필러간 겹침) 되도록 포함되는 것인 방법.
  21. 제13항에 있어서, 열전도성 필러는 폴리머 비드보다 크기가 작은 것인 방법.
  22. 제13항에 있어서, 단계 (a)는 분산제를 더욱 포함하는 것인 방법.
  23. 제14항에 있어서, 통전 압력을 정하는 인자는 고분자 엘라스토머 수지의 온도에 따른 부피 수축률이며, 통전 압력 이하의 온도에서는 열전도성 필러간의 직접적인 접촉 확률이 전체의 접촉 확률의 10% 이하가 되도록 엘라스토머와 폴리머 비드의 함량이 조성된 것이고, 통전 압력 이상의 온도에서는 열전도성 필러간의 직접적인 접촉 확률이 10% 이상 되도록 엘라스토머와 폴리머 비드의 함량이 조성된 것인 방법.
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