KR20180112630A - 안전성이 향상된 셀 모듈의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 셀 모듈 케이스 내에 정해진 간격으로 복수개의 셀을 배치하는 단계; 및 (b) 상기 셀 모듈 케이스의 내부로 실리카 에어로겔을 함유한 충전제를 주입하여 셀들 사이의 공간을 실리카 에어로겔로 채우는 발포처리를 수행하는 단계;를 포함하고, 상기 단계 (b)에서, 실리카 에어로겔을 폴리머에 분산시킨 후 분산액을 상기 셀들 사이의 공간에 주입하여 발포처리하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈의 제조방법을 개시한다.

Description

안전성이 향상된 셀 모듈의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING CELL MODULE IMPROVED IN CHARACTERISTICS OF SAFETY}
본 발명은 셀 모듈의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화재 발생 시 셀 간의 화재 전파를 차단하기 위한 수단을 구비하여 안전성이 향상된 셀 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
리튬 이차전지는 여러 개의 단위 셀들이 묶여서 하나의 모듈을 이룸으로써 자동차 배터리나 전력저장장치 등과 같이 고에너지를 필요로 하는 분야에 널리 적용된다.
그런데, 여러 개의 단위 셀들로 이루어진 셀 모듈은 어느 하나의 셀이 발화되면 그에 인접한 다른 셀로 화재가 전파되면서 큰 화재가 발생하는 문제가 있다.
대안으로, 셀 모듈 내에 화재 발생 시 전류의 흐름을 차단하는 회로를 구비하는 방안이 제시되었으나, 화재 발생 시에는 고온의 열이 급격히 이동하여 회로의 작동오류 상황이 발생될 수 있는 취약점이 있다.
다른 대안으로는, 셀들 사이마다 얇은 두께의 패드를 각각 삽입하여 셀간 화재의 전파를 차단하는 기술이 제시된 바 있다. 이와 관련하여, 특허문헌 1에는 실리카 에어로겔 재료로 이루어진 열절연체를 구비한 배터리가 개시되어 있으며, 특허문헌 2에는 복수개의 배터리 셀 사이에 개재되어 배터리 셀들의 열을 제어하는 단열부재를 구비한 배터리 모듈이 개시되어 있다.
하지만, 기존의 화재 전파 차단 기술들은 단열을 위한 패드 형태의 부품을 각각의 셀 사이마다 일일이 배치해야 하므로 공수가 많이 들고 생산성이 낮은 취약점이 있다.
또한, 단열을 위한 패드가 배치되더라도 셀과 패드 사이에 존재하는 소정의 틈을 통해 인접한 셀로 화재가 전파될 수 있는 단점이 있다.
특허문헌 1: 미국 특허등록 제8,993,145호 특허문헌 2: 공개특허공보 제2014-0089456호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 셀들 간에 화재의 전파를 차단할 수 있는 구조를 일괄적으로 형성할 수 있는 공정을 수행하여 생산성과 안전성을 모두 개선할 수 있는 셀 모듈의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 (a) 셀 모듈 케이스 내에 정해진 간격으로 복수개의 셀을 배치하는 단계; 및 (b) 상기 셀 모듈 케이스의 내부로 실리카 에어로겔을 함유한 충전제를 주입하여 셀들 사이의 공간을 실리카 에어로겔로 채우는 발포처리를 수행하는 단계;를 포함하고, 상기 단계 (b)에서, 실리카 에어로겔을 폴리머에 분산시킨 후 분산액을 상기 셀들 사이의 공간에 주입하여 발포처리하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 (b)는, 폴리프로필렌그리콜 90중량% 이상과, 물 5~6중량%로 이루어진 폴리올 성분과, 디소시아네이트 성분을 1000~2000rpm으로 교반하여 얻어진 용액에 에어로겔 1~2중량%를 투입한 후 1000~2000rpm으로 교반하여 상기 분산액을 준비할 수 있다.
상기 셀 모듈 케이스에는 내부공간과 통하는 적어도 하나 이상의 통공이 형성되어 있고, 상기 통공으로 상기 분산액을 주입하는 것이 바람직하다.
상기 단계 (b)는, 셀들 사이에 두께가 6~10mm인 발포체를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 단계 (b)는, 상기 셀 모듈 케이스의 내부 온도를 30~45℃로 유지한 상태에서 상기 발포처리를 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 상기 셀 모듈의 제조방법에 의해 제조된 셀 모듈이 제공된다.
본 발명에 따르면 셀 모듈 케이스와 셀 사이의 공간을 비롯하여 셀들 사이의 간극에 실리카 에어로겔을 충전하여 화재의 전파를 차단하여 셀의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 발포 공정으로 실리카 에어로겔을 셀 모듈 내에 일괄적으로 충전함으로써 작업 효율을 높일 수 있으므로 생산성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
본 발명을 적용할 경우 실리카 에어로겔 발포체에 의해 셀들 사이에 빈틈이 존재하지 않으며, 각 셀의 평면 부분이 실리카 에어로겔과 면접촉을 이룸으로써 효과적으로 셀들 간 화재 전파를 차단할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 모듈의 제조방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2는 도 1에서 실리카 에어로겔 분산액의 주입 및 발포 공정을 보여주는 단면도이다.
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 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 모듈의 제조방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 어셈블리는 셀 배치 공정(단계 S10)과, 실리카 에어로겔 분산액 준비 공정(단계 S20)과, 분산액 주입 및 발포 공정(단계 S30 및 단계 S40)을 포함한다.
셀 배치 공정(단계 S10)에서는 각형의 셀 모듈 케이스 내에 정해진 간격으로 복수개의 셀을 배치한다.
각각의 셀은, 바람직하게 파우치형 셀과 같이 전체적으로 사각형을 이루고 두께가 얇은 판상의 몸체를 가진 전지가 채용된다. 복수개의 셀은 일방향으로 배열되고 전기적으로 서로 연결되어 셀 어셈블리를 이룬다.
파우치형 셀은 파우치 케이스에 내장되고 양극, 세퍼레이터 및 음극이 교대로 적층되어 있는 전극조립체를 포함한다. 상기 양극 및 음극은 집전체의 적어도 한면에 전극 활물질, 바인더 수지, 도전제 및 기타 첨가제 등의 슬러리를 도포함으로써 제조된다. 상기 전극 활물질은, 양극의 경우, 리튬 함유 전이금속 산화물과 같은 통상의 양극 활물질이 사용되고, 음극의 경우에는 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 리튬 금속, 탄소재 및 금속 화합물 또는 이들의 혼합물과 같은 통상의 음극 활물질이 사용될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터로는 리튬 이차전지에 사용되는 통상의 다공성 고분자 필름이 채용 가능하다.
전극조립체와 함께 파우치 케이스 내에 수용되는 전해액으로는 통상의 리튬 이차전지용 전해액이 채용될 수 있다. 파우치 케이스는 시트 소재로 형성되는 것으로서, 전극조립체를 수용하기 위한 수납부를 구비한다. 바람직하게, 파우치 케이스는 시트 소재가 소정 형상으로 가공되어 형성된 제1 케이스와 제2 케이스가 결합되어 형성된다. 파우치 케이스를 이루는 시트 소재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET)나 나일론(Nylon) 등의 절연물질로 이루어진 최외곽의 외부수지층과, 기계적 강도를 유지하고 수분 및 산소의 침투를 막아주는 알루미늄 소재의 금속층과, 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 폴리올레핀(Polyolepin)계 재료로 이루어진 내부수지층이 적층된 다층 구조로 구성되어 있다.
상기 파우치 케이스를 이루는 시트 소재는 필요에 따라 상기 내부 수지층과 금속층, 상기 외부 수지층과 금속층 사이에는 소정의 접착수지층이 개재될 수 있다. 상기 접착 수지층은 이종 재료 간의 원활한 부착을 위한 것으로서 단층 또는 다층으로 형성되고, 그 재료는 통상적으로 폴리올레핀계 수지가 사용되거나 원활한 가공을 위해 폴리우레탄 수지가 사용될 수 있으며, 이들의 혼합물도 채용 가능하다.
파우치형 셀의 가장자리 부분은 열압착 등에 의해 실링이 이루어진 부분이다. 따라서, 파우치형 셀의 가장자리 부분은 몸체 부분에 비해 두께가 상대적으로 매우 얇게 구성된다.
복수개의 셀들은 셀 모듈 케이스 내에 간극을 두고 배치되고 병렬 혹은 직렬 방식으로 상호 전기적으로 연결된다.
실리카 에어로겔 분산액 준비 공정(단계 S20)은 셀 모듈 케이스 내에 충전될 실리카 에어로겔 함유 충전제를 제조하는 공정이다. 구체적으로, 실리카 에어로겔 분산액 준비 공정에서는, 폴리프로필렌그리콜(Polypropylene glycol, PPG) 90중량% 이상과, 물 5~6중량%로 이루어진 폴리올(polyol) 성분과, 디이소시아네이트(Diisocyanate) 성분을 1000~2000rpm으로 교반하고, 그에 따라 얻어진 용액에 에어로겔 1~2중량%를 투입한 후 1000~2000rpm으로 교반하여 분산액을 제조한다. 여기서, 디이소시아네이트(Diisocyanate) 성분은 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트(Diphenylmetane-4,4'-Diisocyanate) 87중량% 이상의 조성으로 이루어지는 것이 바람직하다.
분산액 주입 공정(단계 S30) 및 발포 공정(단계 S40)은 도 2에 도시된 바와 셀 모듈 케이스(100)의 내부로 상기 실리카 에어로겔을 함유한 분산액에 해당하는 충전제를 주입하여 발포함으로써 셀 모듈 케이스(100) 내부의 빈 공간을 실리카 에어로겔로 채우는 일련의 공정이다.
분산액 주입 및 발포 공정(단계 S30 및 단계 S40)에서는 셀 모듈 케이스(100)의 일부에 내부공간과 통하도록 형성된 적어도 하나 이상의 통공(101)을 통하여 실리카 에어로겔 분산액을 주입하여(화살표 참조) 발포 처리를 수행한다. 여기서, 통공(101)은 분산액의 주입을 위해 셀 모듈 케이스(100)의 일측에 전용의 홀이 형성되어 제공될 수 있다. 대안으로, 통공(101)은 셀 모듈의 제조공정 중 가스 배출을 위해 셀 모듈 케이스(100)에 구비되는 소정의 가스 배출홀을 활용해도 무방하다. 발포 공정이 완료된 이후에 셀 모듈 제조공정의 마무리 작업 시 상기 통공(101)은 실링되어 폐쇄된다.
셀 모듈 케이스(100)의 내부로 주입된 실리카 에어로겔을 함유한 분산액은 셀 모듈 케이스(100)와 셀(110) 간의 공간을 비롯하여 셀(110)들 사이의 공간에 채워져서 발포처리가 된다. 이때, 셀(110)들 사이에는 두께가 6~10mm, 열전도율이 14.0mW/mK 이상, 밀도가 0.17g/cc이고, 최저 사용온도가 -200℃, 최고 사용온도가 650℃인 발포체가 형성되는 것이 바람직하다.
셀(110)들 사이에 채워지는 실리카 에어로겔 발포체(120)의 두께가 6mm 미만의 범위에서는 화염에 대한 차단 성능이 급격히 저하되고, 실리카 에어로겔 발포체(120)의 두께가 10mm를 초과하는 범위에서는 셀(110)들 사이에 개재되는 실리카 에어로겔 발포체(120)의 점유공간을 많이 차지하고 발포 공정에 지나치게 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.
실리카 에어로겔 발포체(120)의 열전도율이 14.0mW/mK 미만일 경우에는 셀(110)과 면접촉을 이루고 있는 부분에 열이 축적되어 셀(110)의 성능을 현저히 저하시키는 문제가 발생한다.
발포 공정 시에는 셀 모듈 케이스(100)의 내부 온도를 30~45℃로 유지한 상태에서 24시간 이상의 시간 동안 발포처리를 수행하는 것이 바람직하다. 셀 모듈 케이스(100)의 내부 온도가 30℃ 미만인 경우에는 실리카 에어로겔을 함유한 분산액의 발포가 제대로 이루어지지 않아 작업성이 좋지 않고, 내부 온도가 40℃를 초과하는 경우에는 셀(110)의 온도가 지나치게 상승하여 셀(110)의 성능이 저하될 수 있다. 이러한 점들을 고려할 때 셀 모듈 케이스(100)의 내부 온도는 40℃로 유지되는 것이 가장 바람직하다.
발포 공정에 의해 셀(110)들 사이에 개재된 실리카 에어로겔 발포체(120)는 인접한 셀(110)들과 긴밀히 면접촉을 이룸으로써 실질적으로 빈틈이 존재하지 않으므로 셀(110)들 간 화재의 전파가 효과적으로 차단될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 모듈의 제조방법은 셀 모듈 케이스(100)를 통하여 내부공간에 실리카 에어로겔 분산액을 주입하는 발포 공정을 진행하여 셀 모듈 케이스(100)와 셀(110) 사이의 공간을 비롯하여 각 셀(110)들 사이의 틈을 일괄적으로 실리카 에어로겔 발포체(120)로 채움으로써 화재 전파 방지 구조가 완성된다.
이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이 셀 모듈 케이스(100) 내에 복수개의 셀(110)이 배열되고, 셀 모듈 케이스(100)의 내부공간과 셀(110)들 사이의 간극에 실리카 에어로겔 발포체(120)가 일체로 채워진 구조를 가진 셀 모듈이 제공된다. 전술한 바와 같이 발포 공정 시 분산액의 주입에 사용된 통공(101)은 후속 공정에서 실링되어 폐쇄된다.
냉각 효율을 더욱 높이기 위해 셀 모듈 케이스(100)의 바닥면과 셀(110)들 사이에는 열전달 물질(TIM)로 이루어진 열전달부(102)가 부가될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 셀 모듈의 제조방법에 따르면 실리카 에어로겔을 셀 모듈의 내부에 발포 공정으로 일괄적으로 충전할 수 있으므로 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명을 적용할 경우 어느 하나의 셀(110)이 발화되었을 때 실리카 에어로겔 발포체(120)에 의해 인접한 셀(110)들로 화재가 전파되는 것을 차단할 수 있으며, 특히 각 셀(110)의 평면 부분이 실리카 에어로겔 발포체(120)와 면접촉을 이룸으로써 고효율로 셀(110)들 간 화재 전파를 차단할 수 있다. 또한, 최적화된 발포 공정 조건에 의해 셀 모듈 케이스(100) 내부에 대한 실리카 에어로겔 발포 공정을 효과적으로 수행할 수 있으며, 발포체에 대한 두께, 열전도율, 밀도 등의 물성이 최적화되어 셀(110)의 성능 저하없이 셀(110)들 간 화재의 전파를 차단할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 셀 모듈 케이스 101: 통공
110: 셀 120: 실리카 에어로겔 발포체

Claims (6)

  1. (a) 셀 모듈 케이스 내에 정해진 간격으로 복수개의 셀을 배치하는 단계; 및
    (b) 상기 셀 모듈 케이스의 내부로 실리카 에어로겔을 함유한 충전제를 주입하여 셀들 사이의 공간을 실리카 에어로겔로 채우는 발포처리를 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 단계 (b)에서,
    실리카 에어로겔을 폴리머에 분산시킨 후 분산액을 상기 셀들 사이의 공간에 주입하여 발포처리하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)는,
    폴리프로필렌그리콜 90중량% 이상과, 물 5~6중량%로 이루어진 폴리올 성분과, 디소시아네이트 성분을 1000~2000rpm으로 교반하여 얻어진 용액에 에어로겔 1~2중량%를 투입한 후 1000~2000rpm으로 교반하여 상기 분산액을 준비하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 모듈 케이스에는 내부공간과 통하는 적어도 하나 이상의 통공이 형성되어 있고,
    상기 통공으로 상기 분산액을 주입하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 단계 (b)는,
    셀들 사이에 두께가 6~10mm인 발포체를 형성하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 단계 (b)에서,
    상기 셀 모듈 케이스의 내부 온도를 30~45℃로 유지한 상태에서 상기 발포처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈의 제조방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 셀 모듈.
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