KR20190031854A - 배터리 팩 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 배터리 팩 제조방법에 관한 것이다. 본 출원에서는 배터리 모듈 내부에 포함된 배터리 셀을 고정시키기 위하여 배터리 모듈에 주입되는 접착제가 충분히 경화되기 전에 배터리 모듈의 품질 검사를 수행할 수 있는 배터리 팩 제조방법이 제공될 수 있다.

Description

배터리 팩 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING BATTERY PACK}
본 출원은 배터리 팩의 제조방법에 관한 것이다.
이차전지는 휴대폰, PDA 및 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 에너지 저장 시스템(ESS), 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 자동차(HEV) 등의 동력원으로 사용되고 있다.
전기 자동차의 모터 구동 등과 같은 큰 전력을 필요로 하는 경우에는, 다수 개의 고출력 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈이 연결되어 구성되는 대용량의 모듈형　배터리팩이 사용되는 것이 일반적이다.
상기 배터리 셀은 이차전지로 기능할 수 있는 단위를 의미할 수 있다. 배터리 모듈은 전기적으로 연결된 상기 복수의 배터리 셀을 모듈 케이스에 수납하고 있는 것을 의미할 수 있다. 상기 배터리 팩은 복수개의 배터리 모듈을 탈착이 가능하도록 기재에 부착하고, 상기 복수개의 배터리 모듈을 전기적으로 연결하여 제조될 수 있다.
모듈 케이스 내에 수납된 배터리 셀을 고정시키기 위하여, 배터리 셀이 구비된 모듈 케이스 내로 접착제 조성물이 주입될 수 있다. 상기 접착제 조성물은 배터리 셀을 모듈 케이스 내에 고정하는 한편 배터리 셀로부터 발생하는 열을 외부로 방출시키기 위하여, 방열 접착제를 사용할 수 있다. 상기 접착제 조성물의 점도가 높을 경우 접착제 조성물의 주입 과정에서 주입 장치에 과부하가 발생하므로, 상기 접착제 조성물은 저점도 특성이 요구된다.
그러나, 배터리 모듈로 배터리 팩을 조립하기 전에 엔드 오브 라인(end of line, EOL) 상에서 배터리 모듈에 수행되는 품질검사, 예를 들면, 엔진 핫 테스트는 배터리 모듈의 하부가 중력 방향을 향하도록 배터리 모듈을 거치한 상태에서 수행될 수 있다. 이 과정에서 배터리 모듈의 하부에 마련된 주입구를 통하여 주입된 저점도 특성을 가지는 접착제 조성물이 주입구를 통하여 흘러나올 수 있으며, 이를 방지하기 위해서는 상기 EOL 품질검사 전에 배터리 모듈에 주입된 접착제 조성물이 충분히 경화될 때까지 약 3시간 내지 4시간을 기다려야 한다는 문제점이 있다.
본 출원은 배터리 팩 제조방법을 제공할 수 있다.
본 출원은 배터리 팩 제조방법에 관한 것이다. 예시적인 배터리 팩 제조방법은 상부판, 하부판 및 측벽을 가지고, 내부 공간이 형성되어 있으며, 상기 하부판에 접착제 조성물의 주입구가 형성되어 있는 모듈 케이스 및 상기 내부 공간에 존재하는 배터리셀을 포함하는 배터리 모듈을 상기 하부판이 상부 방향을 향하도록 위치시킨 상태에서 상기 하부판의 주입구를 통하여 접착제 조성물을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
배터리셀은 상기 모듈 케이스 내에 수납되어 있을 수 있다. 배터리셀은 모듈 케이스 내에 하나 이상 존재할 수 있으며, 복수의 배터리셀이 모듈 케이스 내에 수납되어 있을 수 있다. 모듈 케이스 내에 수납되는 배터리 셀의 수는 용도 등에 따라 조절되는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 모듈 케이스에 수납되어 있는 배터리셀들은 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
모듈 케이스에는 배터리셀이 수납될 수 있는 내부 공간을 형성되어 있으며, 모듈 케이스는 적어도 내부 공간을 형성하는 측벽과 하부판을 포함할 수 있다. 모듈 케이스는, 상기 내부 공간을 밀폐하는 상부판을 추가로 포함할 수 있다. 상기 측벽, 하부판 그리고 상부판은 서로 일체형으로 형성되어 있거나, 혹은 각각 분리된 측벽, 하부판 및/또는 상부판이 조립되어 상기 모듈 케이스가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 모듈 케이스의 형태 및 크기는 특별히 제한되지 않으며, 용도, 상기 내부 공간에 수납되는 배터리셀의 형태 및 개수 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
본 명세서에서 용어 상부판과 하부판은, 모듈 케이스를 구성하고 있는 판을 구별하기 위해 사용하는 상대적인 개념의 용어이다. 상기 하부판은 배터리 모듈이 배터리 팩의 기재에 부착되어 배터리 팩으로 조립될때, 중력방향으로 대향되어 있는 판을 의미할 수 있다.
도 1은 예시적인 모듈 케이스(10)를 도시한 도면이다. 예시적인 모듈 케이스(10)는 하나의 하부판(10a)과 4개의 측벽(10b)을 포함하는 상자 형태의 케이스(10)일 수 있다. 모듈 케이스(10)는 내부 공간을 밀폐하는 상부판(10c)을 추가로 포함할 수 있다.
도 2는 배터리셀(20)이 수납되어 있는 도 1의 모듈 케이스(10)를 상부에서 관찰한 모식도이다.
모듈 케이스의 상기 하부판, 측벽 및/또는 상부판에는 구멍이 형성되어 있을 수 있다. 이러한 구멍은 후술하는 접착제층과 접촉하고 있는 상부판과 하부판 등에 형성되어 있을 수 있다. 상기 구멍은 후술하는 바와 같이 접착제층을 주입 공정에 의해 형성하는 경우에 상기 접착제층의 형성 재료인 접착제 조성물을 주입하는 주입구일 수 있다. 상기 주입구의 형태, 개수 및 위치는 상기 접착제층의 형성 재료의 주입 효율을 고려하여 조정될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 주입구는 상기 하부판에 형성되어 있을 수 있다.
하나의 예시에서 상기 주입구는 상기 측벽, 하부판 또는 상부판의 전체 길이의 약 1/4 내지 3/4 지점 또는 약 3/8 내지 7/8 지점 또는 대략 중간부에 형성되어 있을 수 있다. 이 지점에 형성된 주입구를 통해 접착제 조성물을 주입함으로써 넓은 접촉 면족을 가지는 접착제층이 형성되도록 주입할 수 있다. 상기의 1/4, 3/4, 3/8 또는 7/8 지점은, 예를 들면, 도 3에 나타난 바와 같이, 하부판 등의 어느 하나의 말단면(E)을 기준으로 측정한 전체 길이(L) 대비 상기 구멍의 형성 위치까지의 거리(A)의 비율이다. 또한, 상기에서 길이(L) 및 거리(A)가 형성되는 말단(E)은, 상기 길이(L)와 거리(A)를 동일한 말단(E)으로부터 측정하는 한 임의의 말단(E)일 수 있다. 도 3에서 주입구(50a)는 하부판(10a)의 대략 중간부에 위치하는 형태이다.
주입구의 크기 및 형상은 특별히 제한되지 않고, 후술하는 접착제층 재료의 주입 효율을 고려하여 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 주입구는, 원형, 타원형, 삼각형이나 사각형 등의 다각형 또는 무정형일 수 있다. 주입구의 개수 및 그 간격도 크게 제한되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이 접착제층이 하부판 등과 넓은 접촉 면적을 가질 수 있도록 조절될 수 있다.
상기 주입구가 형성되어 있는 상부판과 하부판 등의 말단에는 관찰구(예를 들면, 도면 3의 50b)가 형성될 수 있다. 이러한 관찰구는, 예를 들어, 상기 주입구를 통해 접착제층 재료를 주입할 때에, 주입된 재료가 해당 측벽, 하부판 또는 상부판의 말단까지 잘 주입되는 것인지를 관찰하기 위한 것일 수 있다. 상기 관찰구의 위치, 형태, 크기 및 개수는 상기 주입되는 재료가 적절하게 주입되었는지를 확인할 수 있도록 형성되는 한 제한되지 않는다.
모듈 케이스는 열전도성 케이스일 수 있다. 용어 열전도성 케이스는, 케이스 전체의 열전도도가 10 W/mk 이상이거나, 혹은 적어도 상기와 같은 열전도도를 가지는 부위가 포함되어 있는 케이스를 의미한다. 예를 들면, 전술한 측벽, 하부판 및 상부판 중 적어도 하나는 상기 기술한 열전도도를 가질 수 있다. 다른 예시에서 상기 측벽, 하부판 및 상부판 중 적어도 하나가 상기 열전도도를 가지는 부위를 포함할 수 있다.
본 출원의 일 예시에 따른 배터리 모듈의 구조에서는 후술하는 바와 같이 하부판 및 배터리셀과 접촉하는 필러 함유 경화 접착제층이 포함되어 있다. 이러한 구조에서 적어도 상기 필러 함유 경화 접착제층은, 열전도성 접착제층일 수 있고, 이에 따라서 적어도 상기 하부판은 열전도성이거나, 열전도성 부위를 포함할 수 있다.
상기에서 열전도성인 상부판, 하부판 또는 측벽 또는 열전도성 부위의 열전도도는, 다른 예시에서 20 W/mk 이상, 30 W/mk 이상, 40 W/mk 이상, 50 W/mk 이상, 60 W/mk 이상, 70 W/mk 이상, 80 W/mk 이상, 90 W/mk 이상, 100 W/mk 이상, 110 W/mk 이상, 120 W/mk 이상, 130 W/mk 이상, 140 W/mk 이상, 150 W/mk 이상, 160 W/mk 이상, 170 W/mk 이상, 180 W/mk 이상, 190 W/mk 이상 또는 195 W/mk 이상일 수 있다. 상기 열전도도는 그 수치가 높을수록 모듈의 방열 특성 등의 측면에서 유리하므로, 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 열전도도는 약 1,000 W/mK 이하, 900 W/mk 이하, 800 W/mk 이하, 700 W/mk 이하, 600 W/mk 이하, 500 W/mk 이하, 400 W/mk 이하, 300 W/mk 또는 250 W/mK 이하일 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 열전도도를 나타내는 재료의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 알루미늄, 금, 순은, 텅스텐, 구리, 니켈 또는 백금 등의 금속 소재 등이 있다. 모듈 케이스는 전체가 상기와 같은 열전도성 재료로 이루어지거나, 적어도 일부의 부위가 상기 열전도성 재료로 이루어진 부위일 수 있다. 이에 따라 상기 모듈 케이스는 상기 언급된 범위의 열전도도를 가지거나, 혹은 상기 언급된 열전도도를 가지는 부위를 적어도 포함할 수 있다.
모듈 케이스에서 상기 범위의 열전도도를 가지는 부위는 후술하는 접착제층 및/또는 절연층과 접촉하는 부위일 수 있다. 또한, 상기 열전도도를 가지는 부위는, 냉각수와 같은 냉각 매체와 접하는 부위일 수 있다. 이러한 구조에 의하면 배터리 셀로부터 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있는 구조가 구현될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 그 물성에 영향을 미치는 경우, 특별히 달리 언급하지 않는 한, 그 물성은 상온에서 측정한 물성일 수 있다. 본 명세서에서 용어 상온은 약 10°C 내지 30°C의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 25°C, 약 23°C 또는 약 20°C 정도의 온도를 의미할 수 있다.
모듈 케이스 내에 수납되는 배터리 셀의 종류도 특별히 제한되지 않으며, 공지의 다양한 배터리 셀이 모두 적용될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 배터리 셀은 파우치형일 수 있다. 도 4를 참조하여 설명하면, 파우치형 배터리 셀(100)는 통상적으로 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 포함할 수 있다.
파우치형셀(100)에 포함되는 전극 조립체(110)는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태일 수 있다. 전극 조립체(110)는, 하나의 양극판과 하나의 음극판이 세퍼레이터와 함께 권취된 권취형이거나, 다수의 양극판과 다수의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 스택형 등으로 구분될 수 있다.
파우치 외장재(120)는, 예를 들면, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 외장재(120)는, 전극 조립체(110)와 전해액 등 내부 요소를 보호하고, 전극 조립체(110)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 감안하여 알루미늄 등의 금속 박막을 포함할 수 있다. 이러한 금속 박막은, 전극 조립체(110) 및 전해액 등의 요소나 전지(100) 외부의 다른 요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연 물질로 형성된 절연층 사이에 개재될 수 있다.
하나의 예시에서 외장재(120)는, 상부 파우치(121)와 하부 파우치(122)를 포함할 수 있고, 상부 파우치(121)와 하부 파우치(122) 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 내부 공간(I)이 형성될 수 있다. 이러한 파우치의 내부 공간(I)에는 전극 조립체(110)가 수납될 수 있다. 상부 파우치(121)와 하부 파우치(122)의 외주면에는 실링부(S)가 구비되고, 이러한 실링부(S)가 서로 접착되어, 전극 조립체(110)가 수용된 내부 공간이 밀폐될 수 있다.
전극 조립체(110)의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드와 연결될 수 있다. 전극 리드는 상부 파우치(121)와 하부 파우치(122)의 실링부(S) 사이에 개재되어 외장재(120)의 외부로 노출됨으로써, 이차 전지(100)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
파우치형 셀의 형태는 하나의 예시이며, 본 출원에서 적용되는 배터리셀이 상기와 같은 종류에 제한되는 것은 아니다. 본 출원에서는 공지된 다양한 형태의 파우치형셀 또는 기타 다른 형태의 전지가 모두 배터리셀로서 적용될 수 있다.
본 출원의 배터리 팩 제조방법에서 주입되는 접착제 조성물은 필러 함유 접착제 조성물일 수 있다. 본 명세서에서 용어 필러 함유 접착제 조성물은 접착제 성분과 필러를 포함하는 조성물이다. 상기 접착제 조성물은 주입 장치에 과부하가 걸리는 것을 예방하기 위하여 충분한 유동성을 가질 수 있다. 상기에서 충분한 유동성을 가진다는 것은, 점도가 약 400 cP 이하 또는 100 내지 400 cP의 범위(상온, 2.5/s 전단 속도 기준)를 의미할 수 있다. 상기 점도의 하한은, 수지 조성물이 충분한 저점도를 가진다면 특별히 제한되지 않으나, 일반적으로 약 10Pas 이상일 수 있다.
상기 접착제 조성물은 접착제로 일반적으로 사용될 수 있는 것으로 알려진 수지 성분 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 수지로는, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 실리콘계 수지 및 에폭시계 수지 등을 예로 들 수 있다. 상기 수지 성분 중에서 아크릴계 수지, 우레탄계 수지 및 실리콘계 수지는 서로 유사한 열전도 특성을 가지고, 에폭시계 수지가 그에 비하여 열전도성이 우수하며, 올레핀계 수지는 에폭시 수지에 비하여 높은 열전도성을 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서, 필요에 따라 수지 중 우수한 열전도도를 가지는 것을 선택할 수 있다. 다만, 일반적으로 수지 성분만으로는 목적하는 열전도도가 확보되기 어렵고, 후술하는 바와 같이 열전도성이 우수한 필러 성분을 적정 비율로 접착제 조성물에 포함시키는 방식도 적용할 수 있다.
상기 접착제 조성물은 열전도성 접착제 조성물일 수 있고, 열전도성 접착제 조성물의 경화물의 열 전도도는 약 1.5 W/mK 이상, 약 2 W/mK 이상, 2.5 W/mK 이상, 3 W/mK 이상, 3.5 W/mK 이상 또는 4 W/mK 이상일 수 있다. 상기 열전도도는 50 W/mK 이하, 45 W/mk 이하, 40 W/mk 이하, 35 W/mk 이하, 30 W/mk 이하, 25 W/mk 이하, 20 W/mk 이하, 15 W/mk 이하, 10W/mK 이하, 5 W/mK 이하, 4.5 W/mK 이하 또는 약 4.0 W/mK 이하일 수 있다. 상기와 같이 접착제 조성물이 열전도성 접착제 조성물인 경우에 상기 접착제 조성물이 주입된 하부판 등은 전술한 열전도도가 10 W/mK 이상 부위일 수 있다. 이 때 상기 열전도도를 나타내는 모듈 케이스의 부위는 냉각 매체, 예를 들면, 냉각수 등과 접하는 부위일 수 있다. 열전도성 접착제 조성물의 열전도도는, 예를 들면, ASTM D5470 규격 또는 ISO 22007-2 규격에 따라 측정된 수치이다. 열전도성 접착제 조성물의 열전도도를 상기와 같은 범위로 하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 열전도성 접착제 조성물의 열전도도는 접착제 조성물에 포함되는 필러로서, 열전도성을 가지는 필러를 사용하여 조절할 수 있다.
상기 접착제 조성물은, 예를 들면, 우레탄계 접착제 조성물일 수 있다. 상기 우레탄계 접착제 조성물은 적어도 폴리올 등을 포함하는 주제 조성물부; 및 적어도 이소시아네이트 화합물을 포함하는 경화제 조성물부를 포함하는 이액형일 수 있으며, 이를 경화시켜 접착제 조성물층을 형성할 수 있다.
우레탄계 접착제 조성물로서는, 상기 물성의 확보를 위해서 적어도 주제 조성물에 포함되는 폴리올로서, 비결정성이거나, 충분히 결정성이 낮은 폴리올을 포함하는 수지 조성물이 적용될 수 있다.
상기에서 용어 비결정성은, DSC(Differential Scanning　calorimetry) 분석에서 결정화 온도(Tc)와 용융 온도(Tm)가 관찰되지 않는 경우를 의미하고, 이 때 상기 DSC 분석은 10°C/분의 속도로 -80°C 내지 60°C의 범위 내에서 수행할 수 있고, 예를 들면, 상기 속도로 25°C에서 60°C로 승온 후 다시 -80°C로 감온하고, 다시 60°C로 승온하는 방식으로 측정할 수 있다. 또한, 상기에서 충분히 결정성이 낮다는 것은, 상기 DSC 분석에서 관찰되는 용융점(Tm)이 약 20°C 이하, 약 15°C 이하, 약 10°C 이하, 약 5°C 이하, 약 0°C 이하, 약 -5°C 이하, 약 -10°C 이하 또는 약 -20°C 이하 정도인 경우를 의미한다. 상기에서 용융점의 하한은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 상기 용융점은, 약 -80°C 이상, 약 -75°C 이상 또는 약 -70°C 이상 정도일 수 있다.
상기와 같은 폴리올로는 카복실산계 폴리올이나 카프로락톤계 폴리올 및 구체적으로는 후술할 구조의 폴리올이 예시될 수 있다.
일반적으로 카복실산계 폴리올은, 디카복실산과 폴리올(ex. 디올 또는 트리올 등)을 포함하는 성분을 우레탄 반응시켜서 형성하고, 카프로락톤계 폴리올은 카프로락톤과 폴리올(ex. 디올 또는 트리올 등)을 포함하는 성분을 우레탄 반응시켜서 형성하는데, 이 때 각 성분의 종류 및 비율의 조절을 통해 전술한 물성을 만족하는 폴리올을 구성할 수 있다.
일 예시에서 상기 폴리올은, 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 폴리올일 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
[화학식 2]
Figure pat00002
화학식 1 및 2에서 X는 디카복실산 유래 단위며, Y는 폴리올 유래 단위, 예를 들면, 트리올 또는 디올 단위이고, n 및 m은 임의의 수이다.
상기에서 디카복실산 유래 단위는 디카복실산이 폴리올과 우레탄 반응하여 형성된 단위이고, 폴리올 유래 단위는 폴리올이 디카복실산 또는 카프로락톤과 우레탄 반응하여 형성된 단위이다.
즉, 폴리올의 히드록시기와 디카복실산의 카복실기가 반응하면, 축합 반응에 의해 물(HO2) 분자가 탈리되면서, 에스테르 결합이 형성되는데, 상기 화학식 1의 X는 상기 디카복실산이 상기 축합 반응에 의해 에스테르 결합을 형성한 후에 상기 에스테르 결합 부분을 제외한 부분을 의미하고, Y는 역시 상기 축합 반응에 의해 폴리올이 에스테르 결합을 형성한 후에 그 에스테르 결합을 제외한 부분이며, 상기 에스테르 결합은 화학식 1에 표시되어 있다.
또한, 화학식 2의 Y 역시 폴리올이 카프로락톤과 에스테르 결합을 형성한 후에 그 에스테르 결합을 제외한 부분을 나타낸다.
한편, 상기에서 Y의 폴리올 유래 단위가 트리올 단위와 같이 3개 이상의 히드록시기를 포함하는 폴리올로부터 유래된 단위인 경우에는 상기 화학식의 구조에서 Y 부분이 분지가 형성된 구조가 구현될 수 있다.
상기 화학식 1의 X의 디카복실산 유래 단위의 종류는 특별히 제한되지 않지만 단위, 목적하는 물성의 확보를 위해서 프탈산 단위, 이소프탈산 단위, 테레프탈산 단위, 트리멜리트산 단위, 테트라히드로프탈산 단위, 헥사히드로프탈산 단위, 테트라클로로프탈산 단위, 옥살산 단위, 아디프산 단위, 아젤라산 단위, 세박산 단위, 숙신산 단위, 말산 단위, 글라타르산 단위, 말론산 단위, 피멜산 단위, 수베르산 단위, 2, 2-디메틸숙신산 단위, 3,, 3-디메틸글루타르산 단위, 2,2-디메틸글루타르산 단위, 말레산 단위, 푸마루산 단위, 이타콘산 단위 및 지방산 단위로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단위일 수 있고, 경화 수지층의 유리전이온도를 고려하여 방향족 디카복실산 유래 단위보다는 지방족 디카복실산 유래 단위가 유리하다.
한편, 화학식 1 및 2에서 Y의 폴리올 유래 단위의 종류는 특별히 제한되지 않지만 단위, 목적하는 물성의 확보를 위해서, 에틸렌글리콜 단위, 프로필렌글리콜 단위, 1,2-부틸렌글리콜 단위, 2,3-부틸렌글리콜 단위, 1,3-프로판디올 단위, 1,3-부탄디올 단위, 1,4-부탄디올 단위, 1,6-헥산디올 단위, 네오펜틸글리콜 단위, 1,2-에틸헥실디올 단위, 1,5-펜탄디올 단위, 1,10-데칸디올 단위, 13-시클로헥산디메탄올 단위, 1,4-시클로헥산디메탄올 단위, 글리세린 단위 및 트리메틸롤프로판 단위로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2개 이상일 수 있다.
한편, 상기 화학식 1에서 n은 임의의 수이며, 그 범위는 목적하는 물성을 고려하여 선택될 수 있고, 예를 들면, 약 2 내지 10 또는 2 내지 5일 수 있다.
또한, 상기 화학식 2에서 m은 임의의 수이며, 그 범위는 목적하는 물성을 고려하여 선택될 수 있고, 예를 들면, 약 1 내지 10 또는 1 내지 5일 수 있다.
화학식 1 및 2에서 n과 m이 지나치게 커지면, 폴리올의 결정성의 발현이 강해질 수 있다.
상기와 같은 폴리올의 분자량은 목적하는 저점도 특성이나, 내구성 또는 접착성 등을 고려하여 조절될 수 있으며, 예를 들면, 약 300 내지 2000의 범위 내일 수 있다. 본 명세서에서 언급하는 분자량은, 예를 들면 GPC(Gel Permeation Chromatograph)를 사용하여 측정한 중량평균분자량일 수 있고, 본 명세서에서 특별히 달리 규정하지 않는 한, 고분자의 분자량은 중량평균분자량을 의미한다.
우레탄계 접착제 조성물의 경화제 조성물부에 포함되는 폴리이소시아네이트의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 목적하는 물성의 확보를 위해 지환족 계열인 것이 유리할 수 있다.
즉, 상기 폴리이소시아네이트는, 톨리렌 디이소시아네이트, 디페닐메탄 디이소시아네이트, 페닐렌 디이소시아네이트, 폴리에틸렌페닐렌 폴리이소시아네이트, 크실렌 디이소시아네이트, 테트라메틸크실렌 디이소시아네이트, 트리진 디이소시아네이트, 나프탈렌 디이소시아네이트 및 트리페닐메탄 트리이소시아네이트 등과 같은 방향족 폴리이소시아네이트 화합물이나, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트, 리신 디이소시아네이트, 노르보르난 디이소시아네이트 메틸, 에틸렌 디이소시아네이트, 프로필렌 디이소시아네이트 또는 테트라메틸렌 디이소시아네이트 등의 지방족 폴리이소시아네이트 또는 트랜스사이클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 이소보론 디이소시아네이트, 비스(이소시아네이트메틸)사이클로헥산 디이소시아네이트 또는 디사이클로헥실메탄 디이소시아네이트 등의 지환족 폴리이소시아네이트 등이나 상기 중 어느 하나 또는 2개 이상의 카르보디이미드 변성 폴리이소시아네이트 또는 이소시아누레이트 변성 폴리이소시아네이트 등을 사용할 수 있지만, 방향족 이외의 폴리이소시아네이트의 적용이 적절하다.
접착제 조성물 내에서 상기 폴리올과 폴리이소시아네이트의 비율은 특별히 제한되지 않고, 그들의 우레탄 반응이 가능하도록 적절하게 제어된다.
접착제 조성물에 후술하는 필러, 난연제 등 기타 성분을 포함시키기 위해서는, 상기 접착제 조성물의 주제 및/또는 경화제 조성물부에 목적하는 첨가제를 배합하여 경화시키면 된다.
접착제 조성물은 전술한, 열전도성, 절연성, 내열성(TGA 분석) 또는 비중 등을 고려하여 필러를 포함할 수 있다. 필요한 경우에 적절한 필러의 사용을 통해 전술한 범위의 열전도도 등을 확보할 수 있다. 하나의 예시에서 접착제 조성물에 포함되는 상기 필러는 열전도성 필러일 수 있다. 본 출원에서 용어 열전도성 필러는, 열전도도가 약 1 W/mK 이상, 약 5 W/mK 이상, 약 10 W/mK 이상 또는 약 15 W/mK 이상인 소재를 의미한다. 상기 열전도성 필러의 열전도도는 약 400 W/mK 이하, 약 350 W/mK 이하 또는 약 300 W/mK 이하일 수 있다. 사용될 수 있는 열전도성 필러의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 절연성 등을 고려하여 세라믹 필러를 적용할 수 있다. 예를 들면, 알루미나, AlN(aluminum nitride), BN(boron nitride), 질화 규소(silicon nitride), SiC 또는 BeO 등과 같은 세라믹 입자가 사용될 수 있다. 또한, 접착제 조성물층의 절연 특성이 확보될 수 있다면, 그래파이트(graphite) 등의 탄소 필러의 적용도 고려할 수 있다. 접착제 조성물에 포함되는 상기 필러의 형태나 비율은 특별히 제한되지 않으며, 접착제 조성물의 점도, 접착제 조성물층 내에서의 침강 가능성, 목적하는 열저항 내지는 열전도도, 절연성, 충진 효과 또는 분산성 등을 고려하여 선택될 수 있다. 일반적으로 필러의 사이즈가 커질수록 수지 조성물의 점도가 높아지고, 접착제 조성물층 내에서 필러가 침강할 가능성이 높아진다. 또한 사이즈가 작아질수록 열저항이 높아지는 경향이 있다. 따라서 상기와 같은 점을 고려하여 적정 종류의 필러가 선택될 수 있고, 필요하다면 2종 이상의 필러를 사용할 수도 있다. 또한, 충진되는 양을 고려하면 구형의 필러를 사용하는 것이 유리하지만, 네트워크의 형성이나 전도성 등을 고려하여 침상이나 판상 등과 같은 형태의 필러도 사용될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 접착제 조성물은 평균 입경이 0.001 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위 내에 있는 열전도성 필러를 포함할 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 0.01 ㎛ 이상, 0.1 이상, 0.5㎛ 이상, 1 ㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상 또는 약 6㎛ 이상일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 약 75㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 65㎛ 이하, 약 60㎛ 이하, 약 55㎛ 이하, 약 50㎛ 이하, 약 45㎛ 이하, 약 40㎛ 이하, 약 35㎛ 이하, 약 30㎛ 이하, 약 25㎛ 이하, 약 20㎛ 이하, 약 15㎛ 이하, 약 10㎛ 이하 또는 약 5㎛ 이하일 수 있다.
열전도성인 접착제 조성물에 포함되는 필러의 비율은, 전술한 특성, 예를 들면, 열전도도, 절연성 등이 확보될 수 있도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 필러는, 접착제 조성물의 접착제 성분 100 중량부 대비 약 50 내지 2,000 중량부의 범위 내에서 포함될 수 있다. 상기 필러의 중량부는 다른 예시에서 약 100 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 200 중량부 이상, 약 250 중량부 이상, 약 300 중량부 이상, 약 350 중량부 이상, 약 400 중량부 이상, 약 500 중량부 이상, 약 550 중량부 이상, 약 600 중량부 이상 또는 약 650 중량부 이상일 수 있다.
본 출원의 배터리 팩 제조방법은 배터리 모듈의 하부판상에 방열 접착층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 방열 접착층을 배터리 모듈의 하부판상에 형성한다는 것은 상기 배터리 모듈이 배터리 팩의 기재에 부착되어 배터리 팩으로 조립될 때, 중력방향으로 대향되는 측에 마련된 판 상에 형성한다는 것을 의미할 수 있다.
따라서, 접착제 조성물이 주입된 배터리 모듈의 주입구가 형성된 하부판상에 방열 접착층을 형성할 경우, 배터리 팩의 조립 과정에서 주입구를 통하여 접착제 조성물이 흘러나오는 것을 예방할 수 있으므로 배터리 모듈에 주입된 접착제 조성물이 경화될 때까지 약 3시간 내지 4시간을 기다리지 않고도 후술할 검사 공정을 수행할 수 있다.
상기 방열 접착층의 열전도도는 약 2 W/mK 이상, 2.5 W/mK 이상, 3 W/mK 이상, 3.5 W/mK 이상 또는 4 W/mK 이상일 수 있다. 상기 열전도도는 50 W/mK 이하, 45 W/mk 이하, 40 W/mk 이하, 35 W/mk 이하, 30 W/mk 이하, 25 W/mk 이하, 20 W/mk 이하, 15 W/mk 이하, 10W/mK 이하, 5 W/mK 이하, 4.5 W/mK 이하 또는 약 4.0 W/mK 이하일 수 있다. 방열 접착층의 상기 열전도도는, 예를 들면, ASTM D5470 규격 또는 ISO 22007-2 규격에 따라 측정된 수치이다. 방열 접착층의 열전도도를 상기와 같은 범위로 하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 방열 접착층의 열전도도는 방열 접착층에 포함되는 필러로서, 열전도성을 가지는 필러를 사용하여 조절할 수 있다.
상기 방열 접착층을 형성하는 단계는, 예를 들면, 배터리 모듈의 하부판상에 이형층 및 방열 접착층을 순차 포함하는 방열 접착시트의 상기 방열 접착층을 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방열시트는 이형층 및 방열 접착층을 순차 포함할 수 있다. 상기 이형층은 배터리 모듈을 배터리 팩에 조립하는 단계에서 제거될 수 있으며, 배터리 모듈이 배터리 팩에 조립될 때까지 방열 접착시트에 포함된 방열 접착층을 보호하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 방열 접착층은 필러 함유 접착층일 수 있다. 상기 방열 접착층은 일반적으로 사용될 수 있는 것으로 알려진 수지 성분 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 수지로는, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 실리콘계 수지 및 에폭시계 수지 등을 예로 들 수 있다. 상기 수지 성분 중에서 아크릴계 수지, 우레탄계 수지 및 실리콘계 수지는 서로 유사한 열전도 특성을 가지고, 에폭시계 수지가 그에 비하여 열전도성이 우수하며, 올레핀계 수지는 에폭시 수지에 비하여 높은 열전도성을 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서, 필요에 따라 수지 중 우수한 열전도도를 가지는 것을 선택할 수 있다. 다만, 일반적으로 수지 성분만으로는 목적하는 열전도도가 확보되기 어렵고, 후술하는 바와 같이 열전도성이 우수한 필러 성분을 적정 비율로 방열 접착층에 포함시키는 방식도 적용할 수 있다.
상기 방열 접착층의 열전도도는 약 1.5 W/mK 이상, 약 2 W/mK 이상, 2.5 W/mK 이상, 3 W/mK 이상, 3.5 W/mK 이상 또는 4 W/mK 이상일 수 있다. 상기 열전도도는 50 W/mK 이하, 45 W/mk 이하, 40 W/mk 이하, 35 W/mk 이하, 30 W/mk 이하, 25 W/mk 이하, 20 W/mk 이하, 15 W/mk 이하, 10W/mK 이하, 5 W/mK 이하, 4.5 W/mK 이하 또는 약 4.0 W/mK 이하일 수 있다. 방열 접착층의 열전도도는, 예를 들면, ASTM D5470 규격 또는 ISO 22007-2 규격에 따라 측정된 수치이다. 방열 접착층의 열전도도를 상기와 같은 범위로 하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 방열 접착층의 열전도도는 접착층에 포함되는 필러로서, 열전도성을 가지는 필러를 사용하여 조절할 수 있다.
상기 방열 접착층은, 예를 들면, 폴리올 유래 단위와 폴리이소시아네이트 유래 단위를 포함할 수 있다. 이러한 경우에 상기 폴리올 유래 단위는, 상기 폴리올이 상기 폴리이소시아네이트와 우레탄 반응하여 형성되는 단위이고, 폴리이소시아네이트 유래 단위는 상기 폴리이소시아네이트가 상기 상기 폴리올과 우레탄 반응하여 형성되는 단위일 수 있다.
상기와 같은 폴리올로는 후술하는 에스테르계 폴리올이 예시될 수 있다. 즉, 에스테르계 폴리올 중에서 카복실산계 폴리올이나 카프로락톤계 폴리올, 구체적으로는 후술하는 구조의 폴리올은 전술한 특성을 효과적으로 충족시킨다.
일반적으로 카복실산계 폴리올은, 디카복실산과 폴리올(ex. 디올 또는 트리올 등)을 포함하는 성분을 우레탄 반응시켜서 형성하고, 카프로락톤계 폴리올은 카프로락톤과 폴리올(ex. 디올 또는 트리올 등)을 포함하는 성분을 우레탄 반응시켜서 형성하는데, 이 때 각 성분의 종류 및 비율의 조절을 통해 전술한 물성을 만족하는 폴리올을 구성할 수 있다.
우레탄계 방열 접착층에 포함되는 폴리이소시아네이트의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 목적하는 물성의 확보를 위해 지환족 계열인 것이 유리할 수 있다.
즉, 상기 폴리이소시아네이트는, 톨리렌 디이소시아네이트, 디페닐메탄 디이소시아네이트, 페닐렌 디이소시아네이트, 폴리에틸렌페닐렌 폴리이소시아네이트, 크실렌 디이소시아네이트, 테트라메틸크실렌 디이소시아네이트, 트리진 디이소시아네이트, 나프탈렌 디이소시아네이트 및 트리페닐메탄 트리이소시아네이트 등과 같은 방향족 폴리이소시아네이트 화합물이나, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트, 리신 디이소시아네이트, 노르보르난 디이소시아네이트 메틸, 에틸렌 디이소시아네이트, 프로필렌 디이소시아네이트 또는 테트라메틸렌 디이소시아네이트 등의 지방족 폴리이소시아네이트 또는 트랜스사이클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 이소보론 디이소시아네이트, 비스(이소시아네이트메틸)사이클로헥산 디이소시아네이트 또는 디사이클로헥실메탄 디이소시아네이트 등의 지환족 폴리이소시아네이트 등이나 상기 중 어느 하나 또는 2개 이상의 카르보디이미드 변성 폴리이소시아네이트 또는 이소시아누레이트 변성 폴리이소시아네이트 등을 사용할 수 있지만, 방향족 이외의 폴리이소시아네이트의 적용이 적절하다.
방열 접착층은 열전도성, 절연성, 내열성(TGA 분석) 또는 비중 등을 고려하여 필러를 포함할 수 있다. 필요한 경우에 적절한 필러의 사용을 통해 전술한 범위의 열전도도 등을 확보할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 필러는 열전도성 필러일 수 있다. 본 출원에서 용어 열전도성 필러는, 열전도도가 약 1 W/mK 이상, 약 5 W/mK 이상, 약 10 W/mK 이상 또는 약 15 W/mK 이상인 소재를 의미한다. 상기 열전도성 필러의 열전도도는 약 400 W/mK 이하, 약 350 W/mK 이하 또는 약 300 W/mK 이하일 수 있다. 사용될 수 있는 열전도성 필러의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 절연성 등을 고려하여 세라믹 필러를 적용할 수 있다. 예를 들면, 알루미나, AlN(aluminum nitride), BN(boron nitride), 질화 규소(silicon nitride), SiC 또는 BeO 등과 같은 세라믹 입자가 사용될 수 있다. 또한, 방열 접착층의 절연 특성이 확보될 수 있다면, 그래파이트(graphite) 등의 탄소 필러의 적용도 고려할 수 있다. 방열 접착층 내에 포함되는 상기 필러의 형태나 비율은 특별히 제한되지 않으며, 방열 접착층의 점도, 수지층 내에서의 침강 가능성, 목적하는 열저항 내지는 열전도도, 절연성, 충진 효과 또는 분산성 등을 고려하여 선택될 수 있다. 일반적으로 필러의 사이즈가 커질수록 방열 접착층 내에서 필러가 침강할 가능성이 높아진다. 또한 사이즈가 작아질수록 열저항이 높아지는 경향이 있다. 따라서 상기와 같은 점을 고려하여 적정 종류의 필러가 선택될 수 있고, 필요하다면 2종 이상의 필러를 사용할 수도 있다. 또한, 충진되는 양을 고려하면 구형의 필러를 사용하는 것이 유리하지만, 네트워크의 형성이나 전도성 등을 고려하여 침상이나 판상 등과 같은 형태의 필러도 사용될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 접착층은 평균 입경이 0.001 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위 내에 있는 열전도성 필러를 포함할 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 0.01 ㎛ 이상, 0.1 이상, 0.5㎛ 이상, 1 ㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상 또는 약 6㎛ 이상일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 약 75㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 65㎛ 이하, 약 60㎛ 이하, 약 55㎛ 이하, 약 50㎛ 이하, 약 45㎛ 이하, 약 40㎛ 이하, 약 35㎛ 이하, 약 30㎛ 이하, 약 25㎛ 이하, 약 20㎛ 이하, 약 15㎛ 이하, 약 10㎛ 이하 또는 약 5㎛ 이하일 수 있다.
방열 접착층에 포함되는 필러의 비율은, 전술한 특성, 예를 들면, 열전도도, 절연성 등이 확보될 수 있도록 방열 접착층의 특성을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 필러는, 방열 접착층의 접착제 성분 100 중량부 대비 약 50 내지 2,000 중량부의 범위 내에서 포함될 수 있다. 상기 필러의 중량부는 다른 예시에서 약 100 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 200 중량부 이상, 약 250 중량부 이상, 약 300 중량부 이상, 약 350 중량부 이상, 약 400 중량부 이상, 약 500 중량부 이상, 약 550 중량부 이상, 약 600 중량부 이상 또는 약 650 중량부 이상일 수 있다.
상기 이형층은 상술한 방열 접착층이 배터리 모듈의 하부판상에 부착된 후, 후술할 배터리 팩 제조 단계에서 용이하게 박리될 수 있으면서 배터리 팩 제조 단계까지 상술한 방열 접착층을 보호할 수 있는 것이라면 그 재질이 특별히 제한되지는 않는다. 하나의 예시에서, 상기 이형층으로는 폴리에스테르(POET) 필름의 단면 또는 양면에 표면처리한 것을 사용할 수 있다. 이형층이 마련된 방열 접착시트를 사용함으로써, 방열 접착시트의 방열 접착층이 배터리 모듈의 하부판상에 부착되어 후술할 품질 검사 공정에서 배터리 모듈의 하부판이 중력 방향으로 대향되도록 배터리 모듈이 거치되더라도, 품질 검사 공정 중 상술한 방열 접착층이 바닥과 접촉하여 손상되는 것을 예방할 수 있다.
상기 방열 접착층을 형성하는 단계는 방열 접착제를 배터리 모듈의 주입구가 형성된 상기 일면에 도포하는 단계를 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 방열 접착제를 도포하는 단계는 배터리 모듈의 하부판상에 방열 접착제 조성물을 도포하는 단계일 수 있다.
상기 방열 접착제 조성물은 경화시 열전도성 방열 접착제 조성물층을 형성할 수 있다. 이러한 경우 열전도성 방열 접착제 조성물층의 열전도도는 약 1.5 W/mK 이상, 약 2 W/mK 이상, 2.5 W/mK 이상, 3 W/mK 이상, 3.5 W/mK 이상 또는 4 W/mK 이상일 수 있다. 상기 열전도도는 50 W/mK 이하, 45 W/mk 이하, 40 W/mk 이하, 35 W/mk 이하, 30 W/mk 이하, 25 W/mk 이하, 20 W/mk 이하, 15 W/mk 이하, 10W/mK 이하, 5 W/mK 이하, 4.5 W/mK 이하 또는 약 4.0 W/mK 이하일 수 있다. 방열 접착제 조성물층의 열전도도는, 예를 들면, ASTM D5470 규격 또는 ISO 22007-2 규격에 따라 측정된 수치이다. 방열 접착제 조성물층의 열전도도를 상기와 같은 범위로 하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 방열 접착제 조성물층의 열전도도는 방열 접착제 조성물에 포함되는 필러로서, 열전도성을 가지는 필러를 사용하여 조절할 수 있다.
상기 방열 접착제 조성물은 요변성이 우수한 접착제를 사용할 수 있다. 본 명세서에서 요변성이란 정지 상태에서는 유동성이 없으나 진동시키면 유동성을 갖는 성질을 의미한다. 요변성을 측정하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 당업계에서 공지된 유변물성 기기를 통해 측정할 수 있다. 예를 들면, 유변물성 기기로서 브룩필드 점도계인 DV-Ⅱ+Pro를 사용할 수 있다. 요변성이 우수한 접착제 조성물을 사용함으로써, 방열 접착제에 의해 형성된 방열 접착층에 기포가 발생하는 것을 억제하여 방열 성능이 우수한 방열 접착층을 형성할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 방열 접착제 조성물은 하기 일반식 1에 따른 요변성 지수(T)가 1 내지 8의 범위 내일 수 있다.
[일반식 1]
T = V0.5　/ V5
상기 일반식 1에서, V0.5는 25℃의 온도, 0.5 rpm의 회전속도 및 CPA-52Z 스핀들에서 브룩필드 점도계로 측정한 상기 접착제 조성물의 점도이고, V5는 25℃의 온도, 5 rpm의 회전속도 및 CPA-52Z 스핀들에서 브룩필드 점도계로 측정한 상기 접착제 조성물의 점도를 나타낸다.
하나의 예시에서, 상기 방열 접착제 조성물의 요변성 지수의 하한은 1.5 이상 또는 2 이상일 수 있다. 상기 방열 접착제 조성물의 요변성 지수의 상한은, 예를 들면, 6 이하 또는 4 이하일 수 있다.
상기 방열 접착제 조성물이 상술한 요변성 지수를 갖게 하는 방법으로는, 예를 들면, 요변성 부여제를 방열 접착제 조성물에 첨가하는 것을 들 수 있다. 상기 요변성 부여제로는 탄산칼슘(CaCO3), 알루미나, 탈크 및 퓸드 실리카 등을 예로 들 수 있다.
상기 방열 접착제 조성물은 전술한 물성을 만족할 수 있는 것이라면 그 종류는 특별히 제한되지 않는다. 하나의 예시에서, 상기 물성을 만족하는 방열 접착제 조성물은 우레탄계 접착제 조성물일 수 있다.
우레탄계 방열 접착제 조성물은, 적어도 폴리올 등을 포함하는 주제 조성물부; 및 적어도 이소시아네이트 화합물을 포함하는 경화제 조성물부를 포함하는 이액형일 수 있고, 이러한 이액형을 배합하여 방열 접착제 조성물을 조제하고, 이를 경화시켜서 상기 방열 접착층을 형성할 수 있다.
방열 접착제 조성물은 전술한, 열전도성, 절연성, 내열성(TGA 분석) 또는 비중 등을 고려하여 필러를 포함할 수 있다. 필요한 경우에 적절한 필러의 사용을 통해 전술한 범위의 열전도도 등을 확보할 수 있다. 하나의 예시에서 방열 접착제 조성물에 포함되는 상기 필러는 열전도성 필러일 수 있다. 본 출원에서 용어 열전도성 필러는, 열전도도가 약 1 W/mK 이상, 약 5 W/mK 이상, 약 10 W/mK 이상 또는 약 15 W/mK 이상인 소재를 의미한다. 상기 열전도성 필러의 열전도도는 약 400 W/mK 이하, 약 350 W/mK 이하 또는 약 300 W/mK 이하일 수 있다. 사용될 수 있는 열전도성 필러의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 절연성 등을 고려하여 세라믹 필러를 적용할 수 있다. 예를 들면, 알루미나, AlN(aluminum nitride), BN(boron nitride), 질화 규소(silicon nitride), SiC 또는 BeO 등과 같은 세라믹 입자가 사용될 수 있다. 또한, 방열 접착제 조성물층의 절연 특성이 확보될 수 있다면, 그래파이트(graphite) 등의 탄소 필러의 적용도 고려할 수 있다. 방열 접착제 조성물에 포함되는 상기 필러의 형태나 비율은 특별히 제한되지 않으며, 방열 접착제 조성물의 점도, 방열 접착층 내에서의 침강 가능성, 목적하는 열저항 내지는 열전도도, 절연성, 충진 효과 또는 분산성 등을 고려하여 선택될 수 있다. 일반적으로 필러의 사이즈가 커질수록 수지 조성물의 점도가 높아지고, 접착제 조성물층 내에서 필러가 침강할 가능성이 높아진다. 또한 사이즈가 작아질수록 열저항이 높아지는 경향이 있다. 따라서 상기와 같은 점을 고려하여 적정 종류의 필러가 선택될 수 있고, 필요하다면 2종 이상의 필러를 사용할 수도 있다. 또한, 충진되는 양을 고려하면 구형의 필러를 사용하는 것이 유리하지만, 네트워크의 형성이나 전도성 등을 고려하여 침상이나 판상 등과 같은 형태의 필러도 사용될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 접착제 조성물은 평균 입경이 0.001 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위 내에 있는 열전도성 필러를 포함할 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 0.01 ㎛ 이상, 0.1 이상, 0.5㎛ 이상, 1 ㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상 또는 약 6㎛ 이상일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 약 75㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 65㎛ 이하, 약 60㎛ 이하, 약 55㎛ 이하, 약 50㎛ 이하, 약 45㎛ 이하, 약 40㎛ 이하, 약 35㎛ 이하, 약 30㎛ 이하, 약 25㎛ 이하, 약 20㎛ 이하, 약 15㎛ 이하, 약 10㎛ 이하 또는 약 5㎛ 이하일 수 있다.
방열 접착제 조성물에 포함되는 필러의 비율은, 전술한 특성, 예를 들면, 열전도도, 절연성 등이 확보될 수 있도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 필러는, 방열 접착제 조성물의 접착제 성분 100 중량부 대비 약 50 내지 2,000 중량부의 범위 내에서 포함될 수 있다. 상기 필러의 중량부는 다른 예시에서 약 100 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 200 중량부 이상, 약 250 중량부 이상, 약 300 중량부 이상, 약 350 중량부 이상, 약 400 중량부 이상, 약 500 중량부 이상, 약 550 중량부 이상, 약 600 중량부 이상 또는 약 650 중량부 이상일 수 있다.상기 방열 접착제 조성물을 배터리 모듈의 하부판상에 도포하는 단계는 방열 접착제 조성물이 도포된 면적의 비율이 배터리 모듈의 하부판상의 면적에 대해 70% 내지 99%가 되도록 수행될 수 있다. 방열 접착제 조성물이 도포되는 면적의 비율을 상기와 같이 조절함으로써, 배터리 모듈로 배터리 팩을 조립한 후에 배터리 모듈의 분리가 용이하도록 할 수 있으며, 후술할 검사 공정에서 도포된 방열 접착제가 오염되는 것을 예방할 수 있다. 상기 면적 비율의 하한은, 예를 들면, 75% 이상, 80% 이상 또는 85% 이상일 수 있다. 상기 면적 비율의 상한은, 예를 들면, 95% 이하 또는 90% 이하일 수 있다.
상기와 같이 배터리 모듈의 일면상, 예를 들면, 하부판상의 일부분에 방열 접착제가 도포될 경우, 본 출원의 배터리 모듈의 품질을 검사하는 단계는 일면에 방열 접착제가 도포된 배터리 모듈을 지지부재 상에 지지부재와 도포된 방열 접착제가 접촉하지 않고, 배터리 모듈의 상기 일면의 노출된 배터리 모듈을 지지하도록 거치하는 단계를 포함할 수 있다. 상기와 같이 배터리 모듈을 거치함으로써, 배터리 모듈의 일면상에 도포된 방열 접착제가 손상되는 것을 예방할 수 있다.
방열 접착제가 상기와 같이 배터리 모듈의 주입구가 형성된 일면의 일부 면적에 도포될 경우, 방열 접착제가 도포된 면적의 형상은 사각형, 원형, 스트라이프 형상 등일 수 있다.
본 출원의 배터리 팩 제조방법은 배터리 모듈의 방열 접착층이 형성된 면이 하부에 위치한 상태에서 배터리 모듈의 품질을 검사하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 검사단계는, 배터리 모듈의 하부판이 하부 방향을 향하도록 한 상태에서 검사 공정을 수행하는 단계일 수 있다. 본 명세서에서 하부판이 하부 방향을 향하도록 한 상태라는 것은 배터리 모듈의 하부판이 중력 방향을 대향하도록 배터리 모듈이 거치된 상태를 의미할 수 있다. 배터리 모듈이 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 자동차(HEV) 등에 적용될 때 배터리 모듈이 상기와 같은 상태로 적용되므로, 상기 EOL 테스트 또한 배터리 모듈을 상기와 같은 상태로 거치하여 수행되게 된다.
하나의 예시에서, 본 출원의 배터리 팩 제조방법은 배터리 모듈의 하부판상에 방열 접착층을 방열 접착제 조성물을 도포하여 형성하는 단계 및 상기 방열 접착제 조성물이 하부판상에 도포된 배터리 모듈을 지지부재 상에 하부판이 하부 방향을 향하도록 위치시킨 상태에서 수행하는 검사 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 배터리 모듈의 하부판상에 방열 접착층을 방열 접착제를 도포하여 형성할 경우, 상기와 같이 방열 접착제 조성물이 도포된 면적의 비율이 배터리 모듈의 하부판상의 면적에 대해 70% 내지 99%가 되도록 할 수 있으며, 하부판의 일부분은 방열 접착제 조성물이 도포되지 않고 노출될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈을 지지부재 상에 하부판이 하부 방향을 향하도록 위치시킬 때, 도포된 방열 접착제 조성물이 상기 지지부재와 접촉하지 않을 수 있다.
상기 지지부재의 소재 및 형상은 검사 공정에서 배터리 모듈을 지지할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 내구성 및 배터리 모듈과의 접촉면적을 고려하여 선택될 수 있다.본 출원의 배터리 팩 제조방법은 상기 배터리 모듈의 하부판을 히트싱크에 부착하는 조립 단계를 포함할 수 있다. 상기 배터리 팩은 용도에 따라 복수개의 배터리 모듈을 포함할 수 있으며, 상기 배터리 모듈은 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 히트싱크는 배터리 모듈에서 발생하는 열의 방출을 촉진할 수 있는 수단을 의미할 수 있으며, 예를 들면, 냉각 매체가 흐르는 유로를 구비한 파이프일 수 있다. 상기 냉각 매체는 배터리 모듈에서 발생하는 열을 흡수할 수 있는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 물을 사용할 수 있다.
상기 조립 단계에서 배터리 모듈의 하부판을 히트 싱크에 부착함으로써, 배터리 셀에서 발생한 열이 배터리 모듈의 하부판 측에 형성된 열전도성 접착제 조성물층을 통하여 배터리 모듈의 하부판상에 형성된 방열 접착층으로 전달될 수 있으며, 상기 열은 배터리 모듈의 하부판상에 형성된 방열 접착층으로부터 히트 싱크로 전달될 수 있다.
도 7은 본 출원의 배터리 팩 제조방법에 의해 제조된 예시적인 배터리 팩의 모식도이다. 도 7에 따르면, 배터리 팩(700)은 히트싱크(730)를 포함하며, 상기 히트싱크 상에 하부판상에 방열 접착층(720)이 형성된 배터리 모듈(710)이 부착될 수 있다.
본 출원에서는 효율적으로 배터리 팩을 제조할 수 있는 배터리 팩 제조방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 출원의 예시적인 모듈 케이스를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 모듈 케이스 내에 배터리셀이 수납되어 있는 형태를 보여주는 도면이다.
도 3은 주입구와 관찰구가 형성된 예시적인 하부판의 도면이다.
도 4는 본 출원의 예시적인 배터리 파우치를 보여주는 도면이다.
도 5은 본 발명의 배터리 팩의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 방열 접착시트에 의해 방열 접착층을 형성하는 단계를 포함하는 배터리 팩 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7는 본 발명의 방열 접착제에 의해 방열 접착층을 형성하는 단계를 포함하는 배터리 팩 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
이하 첨부된 도면 및 실시예를 통하여 상기 배터리 팩 제조방법을 상세히 설명하지만, 상기 배터리 팩 제조방법의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실험예 1. 요변성 지수의 측정
제조예 2에서 사용된 방열 접착제의 요변성 지수는 하기 일반식 1에 따라 측정되었다.
[일반식 1]
T = V0.5　/ V5
상기 일반식 1에서, V0.5는 25℃의 온도, 0.5 rpm의 회전속도 및 CPA-52Z 스핀들에서 브룩필드 점도계로 측정한 상기 접착제 조성물의 점도이고, V5는 25℃의 온도, 5 rpm의 회전속도 및 CPA-52Z 스핀들에서 브룩필드 점도계로 측정한 상기 접착제 조성물의 점도를 나타낸다.
제조예 1. 방열 접착시트를 이용한 배터리 팩 제조방법
도 5에 나타낸 과정에 따라 배터리 팩을 제조하였다. 도 1에 도시한 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈의 도 3과 같이 주입구 및 관찰구가 형성된 하부판상의 주입구를 통하여 세라믹 필러가 충진된 우레탄 계열의 2액형 접착제 조성물을 주입하였다. 접착제 조성물 주입 후 20분이 경과한 후에 상기 배터리 모듈의 주입구가 형성된 하부판상에 이형층 및 열전도도가 2.0 W/mK인 방열 접착층을 순차로 포함하는 방열시트의 방열 접착층을 부착하여 주입구를 밀봉하였다. 상기 배터리 모듈의 하부판이이 하부를 향하도록 한 후 배터리 모듈의 품질검사를 실시하였다. 배터리 모듈에 접착제 조성물을 주입한 지 불과 20분이 경과한 후에 배터리 모듈의 하부판이 하부 방향을 향하도록 배터리 모듈을 위치시킨 후에 품질검사를 실시하였음에도, 주입구를 통하여 배터리 모듈에 주입된 접착제가 흘러나오지 않았다.
제조예 2. 방열 접착제를 이용한 배터리 팩 제조방법
도 6에 나타낸 과정에 따라 배터리 팩을 제조하였다. 도 1에 도시한 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈의 도 3과 같이 주입구 및 관찰구가 형성된 하부판상의 주입구를 통하여 세라믹 필러가 충진된 우레탄 계열의 2액형 접착제 조성물을 주입하였다. 접착제 조성물 주입 후 20분이 경과한 후에 상기 배터리 모듈의 주입구가 형성된 하부판상에 요변성 지수가 3이고, 열전도도가 3 W/mK인 우레탄 계열의 2액형 방열 접착제 조성물을 도포하여 주입구를 밀봉하였다. 상기 방열 접착제 조성물의 도포는 후술할 배터리 모듈의 거치과정에서 핀이 배터리 모듈을 지지하면서 접촉하게 되는 부분을 제외하고 수행되었다. 방열 접착제 조성물을 도포한 면적은 방열 접착제가 도포된 배터리 모듈 하부판의 전체 면적에 대하여 약 85% 였다. 4개의 핀 위에 상기 배터리 모듈을 하부판이 하부 방향을 향하도록 거치한 후 배터리 모듈의 품질검사를 실시하였다. 배터리 모듈에 접착제 조성물을 주입한 지 불과 20분이 경과한 후에 배터리 모듈의 하부판이 하부 방향을 향하도록 배터리 모듈을 위치시킨 후에 품질검사를 실시하였음에도, 주입구를 통하여 배터리 모듈에 주입된 접착제가 흘러나오지 않았다.
10: 모듈 케이스
10a: 하부판
10b: 측벽
10c: 상부판
20: 배터리 셀
50a: 주입구
50b: 관찰구
100: 파우치형셀
110: 전극 조립체
120: 외장재
121: 상부 파우치
122: 하부 파우치
S: 실링부
500, 600: 배터리 팩 제조방법
510, 610: 배터리 모듈
520: 방열 접착층
530: 이형층
620: 방열 접착제 조성물
640: 지지부재
700: 배터리 팩
710: 배터리 모듈
720: 방열 접착층
730: 히트싱크

Claims (8)

  1. 배터리 모듈의 일면에 형성된 주입구를 통하여 접착제를 주입하는 단계;
    배터리 모듈의 상기 일면상에 방열 접착층을 형성하는 단계; 및
    일면상에 방열 접착층이 형성된 배터리 모듈의 방열 접착층이 형성된 면이 하부에 위치한 상태에서 배터리 모듈의 품질을 검사하는 단계를 포함하는 배터리 팩 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 방열 접착층을 형성하는 단계는 배터리 모듈의 주입구가 형성된 상기 일면에 이형층 및 방열 접착층을 포함하는 방열 접착시트를 부착하는 단계를 포함하는 배터리 팩 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 방열 접착층은 열전도도가 2.5W/mK 이상인 배터리 팩 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 방열 접착층을 형성하는 단계는 방열 접착제를 배터리 모듈의 주입구가 형성된 상기 일면에 도포하는 단계를 포함하는 배터리 팩 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 방열 접착제는 열전도도가 2 W/mK 이상인 배터리 팩 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서, 방열 접착층을 형성하는 단계는 하기 일반식 1에 따른 요변성 지수(T)가 1 내지 8의 범위 내인 방열 접착제를 배터리 모듈의 상기 일면에 도포하는 단계를 포함하는 배터리 팩 제조방법:
    [일반식 1]
    T = V0.5　/ V5
    상기 일반식 1에서, V0.5는 25℃의 온도, 0.5 rpm의 회전속도 및 CPA-52Z 스핀들에서 브룩필드 점도계로 측정한 상기 접착제 조성물의 점도이고, V5는 25℃의 온도, 5 rpm의 회전속도 및 CPA-52Z 스핀들에서 브룩필드 점도계로 측정한 상기 접착제 조성물의 점도를 나타낸다.
  7. 제 4항에 있어서, 방열 접착제가 도포된 면적의 비율이 배터리 모듈의 주입구가 형성된 상기 일면의 면적에 대해 70% 내지 99%인 배터리 팩 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 배터리 모듈의 품질을 검사하는 단계는 일면에 방열 접착제가 도포된 배터리 모듈을 지지부재 상에 지지부재와 도포된 방열 접착제가 접촉하지 않고, 배터리 모듈의 상기 일면의 노출된 배터리 모듈을 지지하도록 거치하는 단계를 포함하는 배터리 팩 제조방법.
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