KR20170072000A - 방열성 및 절연성이 우수한 복합소재 - Google Patents

방열성 및 절연성이 우수한 복합소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지 모듈, 전지 팩 등의 방열성과 절연성을 개선하기 위한 것으로, 기재; 및 상기 기재에 분산된 다공성 탄소재;를 포함하고, 상기 다공성 탄소재의 기공에 탄소나노튜브가 흡착되어 있고, 상기 다공성 탄소재의 표면에 무기물층이 형성되어 있는 복합소재를 제공한다.

Description

방열성 및 절연성이 우수한 복합소재{Composite with enhanced heat releasing property and insulation}
본 발명은 복합소재에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 방열성 및 절연성이 우수한 복합소재에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다. 소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재(전지케이스)로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고 출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다. 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다.
따라서, 중대형 전지 모듈에는 고분자 수지 및 알루미늄과 같은 금속으로 구성되며, 고분자 수지은 모듈을 구성하는 전지셀들을 지지해 주는 역할을 하고, 알루미늄은 열을 방출하는 역할을 한다. 고분자 수지는 통상 PP나 PE등이 사용되지만, 열 전도도가 낮아 방열특성이 낮으며, 알루미늄의 경우 비용적인 측면과 절연성의 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 방열성과 절연성이 우수한 복합소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기재; 및 상기 기재에 분산된 다공성 탄소재;를 포함하고, 상기 다공성 탄소재의 기공에 탄소나노튜브가 흡착되어 있고, 상기 다공성 탄소재의 표면에 무기물층이 형성되어 있는 복합소재가 제공된다.
바람직하게는, 상기 다공성 탄소재의 기공은 500 ㎚ 내지 5 ㎛ 크기를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 탄소나노튜브는 작용기를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 작용기는 -COOH, -CHO 또는 -OH일 수 있다.
바람직하게는, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 다공성 탄소재의 표면과 상기 무기물층 사이에 접착층을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 접착층은 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 (acrylonitrilestyrene-butadiene copolymer), 및 폴리이미드(polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기재는 에폭시 수지로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 탄소나노튜브는 다공성 탄소재 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부로 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 다공성 탄소재는 천연 흑연, 인조 흑연 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 다공성 탄소재는 상기 기재 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부로 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 무기물층은 실리카, 질화붕소, 산화아연 및 산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 무기물층은 상기 다공성 탄소재 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 0.1 중량부로 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 무기물층의 두께는 10 내지 100 nm일 수 있다.
바람직하게는, 상기 복합소재는 0.3 W/mK 이상의 열전도율 및 9.6*1012 ohm/sq 이상의 면저항을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 복합소재는 전지 팩 외장재, 전지 모듈 외장재에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 다공성 탄소재를 준비하는 단계; 상기 다공성 탄소재의 기공에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계; 상기 다공성 탄소재의 표면에 무기물층을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 탄소재를 기재에 분산시키는 단계;를 포함하는 복합소재의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 종래의 고분자 수지와 알루미늄으로 이루어진 하우징과는 달리 방열성과 절연성이 우수한 복합소재를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 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 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 명세서에서 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 나타내는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 복합소재는 기재; 및 상기 기재에 분산된 다공성 탄소재;를 포함하고, 상기 다공성 탄소재의 기공에 탄소나노튜브가 흡착되어 있고, 상기 다공성 탄소재의 표면에 무기물층이 형성되어 있다. 본 발명은 다공성 탄소재의 기공에 탄소나노튜브를 흡착시킴으로써, 열전도성을 향상시키며, 상기 다공성 탄소재의 표면에 무기물층을 형성함으로써, 절연성을 향상시킬 수 있다.
상기 다공성 탄소재는 구형의 입자상의 형태일 수 있으며, 상기 다공성 탄소재의 기공은 500 ㎚ 내지 5 ㎛ 크기를 가질 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 작용기를 가질 수 있으며, 상기 작용기는 -COOH, -CHO 또는 -OH일 수 있으며, 바람직하게는 상기 작용기는 -COOH일 수 있다. 상기 탄소나노튜브가 작용기를 가짐으로써, 상기 다공성 탄소재에 대한 흡착성을 개선시킬 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 복합소재는 상기 다공성 탄소재의 표면과 상기 무기물층 사이에 접착층을 더 포함하여, 무기물층의 탈리를 방지할 수 있다.
상기 접착층은 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 (acrylonitrilestyrene-butadiene copolymer), 및 폴리이미드(polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 기재는 매트릭스 형태로, 전지팩에 적용될 수 있다.
또한, 상기 기재는 에폭시 수지일 수 있으며, 전지 팩의 내부 또는 외부에 코팅되는 방식으로 적용될 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 다공성 탄소재 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부로 포함될 수 있다.
상기 다공성 탄소재는 천연 흑연, 인조 흑연 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 다공성 탄소재는 상기 기재 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.
상기 무기물층은 실리카, 질화붕소, 산화아연 및 산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다. 상기 무기물층은 졸-겔(sol-gel)법이나 용액 주조(solution casting)을 사용하여 코팅될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
상기 무기물층은 상기 다공성 탄소재 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 0.1 중량부로 포함될 수 있으며, 10 내지 100 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 복합소재는 0.3 W/mK 이상의 열전도율 및 9.6*1012 ohm/sq 이상의 면저항을 가질 수 있다. 열전도율이 0.1 내지 1.0 W/mK인 것이 바람직하며, 열 전도율이 지나치게 작은 경우, 냉각 효율성을 발휘 할 수 없으므로 바람직하지 않다.
상기 복합소재는 전지 팩 외장재, 전지 모듈 외장재 등에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 복합소재의 제조방법은
다공성 탄소재를 준비하는 단계; 상기 다공성 탄소재의 기공에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계; 상기 다공성 탄소재의 표면에 무기물층을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 탄소재를 기재에 분산시키는 단계;를 포함한다.
상기 다공성 탄소재는 기존의 활성탄을 이용하거나, 템플릿(template)을 사용하여, 고분자로부터 제조된 것을 사용할 수 있다. 상기 다공성 탄소재는 기공의 기공의 크기에 따라 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 일례로, 템플릿을 사용하는 방법은, PMMA나 PS 등의 고분자를 페놀-포름알데히드, 레조시놀-포름알데히드 등의 탄소 전구체에 분산시킨 후, 불활성 가스 분위기 분위기 하에서 800 내지 1000℃에서 탄화시키는 방법으로 제조가 될 수 있다.
상기 무기물층은 졸-겔법이나 용액 주조(solution casting)를 사용하여 형성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 기재; 및 상기 기재에 분산된 다공성 탄소재;를 포함하고,
    상기 다공성 탄소재의 기공에 탄소나노튜브가 흡착되어 있고,
    상기 다공성 탄소재의 표면에 무기물층이 형성되어 있는 복합소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 탄소재의 기공은 500 ㎚ 내지 5 ㎛ 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 작용기를 갖는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 작용기는 -COOH, -CHO 또는 -OH인 것을 특징으로 하는 복합소재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합소재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 탄소재의 표면과 상기 무기물층 사이에 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접착층은 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리클로로에틸렌(polyvinylidene fluoride-co-trichloroethylene), 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate), 폴리부틸아크릴레이트(polybutylacrylate), 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리비닐아세테이트 (polyvinylacetate), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (polyethylene-co-vinyl acetate), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide), 셀룰로오스 아세테이트 (cellulose acetate), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 (cellulose acetate butyrate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 (cellulose acetate propionate), 시아노에틸풀루란(cyanoethylpullulan), 시아노에틸폴리비닐알콜 (cyanoethylpolyvinylalcohol), 시아노에틸셀룰로오스 (cyanoethylcellulose), 시아노에틸수크로오스(cyanoethylsucrose), 풀루란 (pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스 (carboxyl methyl cellulose), 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체 (acrylonitrilestyrene-butadiene copolymer), 및 폴리이미드(polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 에폭시 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합소재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 다공성 탄소재 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 탄소재는 천연 흑연, 인조 흑연 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복합소재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 탄소재는 상기 기재 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 무기물층은 실리카, 질화붕소, 산화아연 및 산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 무기물층은 상기 다공성 탄소재 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 0.1 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 무기물층의 두께는 10 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 복합소재.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 복합소재는 0.3 W/mK 이상의 열전도율 및 9.6*1012 ohm/sq 이상의 면저항을 갖는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 복합소재는 전지 팩 외장재, 전지 모듈 외장재에 사용되는 것을 특징으로 하는 복합소재.
  17. 다공성 탄소재를 준비하는 단계; 상기 다공성 탄소재의 기공에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계; 상기 다공성 탄소재의 표면에 무기물층을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 탄소재를 기재에 분산시키는 단계;를 포함하는 복합소재의 제조방법.
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