KR20190064209A

KR20190064209A - 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩

Info

Publication number: KR20190064209A
Application number: KR1020170163595A
Authority: KR
Inventors: 권경안; 전문석
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-10
Also published as: CN110100350B; US20200020998A1; JP2020515652A; KR102319263B1; JP6852160B2; EP3531499A4; PL3531499T3; WO2019107722A1; US11101510B2; EP3531499A1; CN110100350A; EP3531499B1

Abstract

본 발명은 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 1 내지 30 중량부 및 무기 침전방지제 1 내지 30 중량부를 포함하되, 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 하는 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다.
본 기재에 따르면, 전기절연성 및 열전도성이 우수하고, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 장기간 사용 후에도 방열 성능이 뛰어난 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 효과가 있다.

Description

방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩{HEAT TRANSFER FLUID COMPOSITION, METHOD FOR PREPARING THE SAME, BATTERY MODULE AND BATTERY PACK CONTAINING THE SAME}

본 기재는 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기절연성 및 열전도성이 우수하고, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 전지 모듈에서 장기간 사용 후에도 방열 성능이 뛰어난 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다.

2차전지는 여러 종류의 전지셀을 직병렬로 연결시켜 대용량의 전기를 저장하거나 충방전을 실시할 수 있는 스마트 그리드의 핵심 기술이라 할 수 있다. 전지의 전기 용량을 더욱 높이기 위한 연구들이 각 기관에서 활발하게 이루어지고 있으며, 이것은 전기자동차의 운행 가능한 주행거리를 높이고 가정과 산업에서 저장된 전기에너지를 활용할 수 있도록 하여 윤택한 삶을 제공한다.

그러나 2차전지의 전기 용량을 높이기 위해 전지 모듈 내부의 전력 밀도를 높이면서 대용량 에너지의 고속 충방전에 따라 발생하는 열적 문제가 대두되고 있다. 전지 모듈 내부의 열을 제어하지 못하면 전지의 수명이 급격히 감소함과 동시에 폭발 및 화재 발생의 위험을 가지게 된다.

이를 해결하기 위해 전지 모듈 내부의 열을 밖으로 빠르게 배출시킬 수 있는 높은 방열 특성이 요구된다. 그 방법으로 팬을 구동하여, 대기로부터의 공기를 전지 셀을 가로질러 전지 모듈 밖으로 배출시켜 열을 제어하는 공냉식 방법이 있으나 팬을 사용하기 때문에 모듈 부피가 극대화 되고, 소음 문제와 원가 상승문제, 그리고 팬을 구동시키기 위한 전력 손실의 문제를 갖는다.

이에 따라 공냉식 방법을 대체하기 위해, 전지 셀이 포함된 모듈 내부에 팬을 설치하지 않고 대신에 전지 셀을 유체에 함침시킴으로 방열 특성을 높이는 방법이 시도되고 있다.

상기 유체로서 물이나 에틸렌 글리콜 등과 같은 물질들은 전기 전도도가 높아 전지 셀의 폭발 등의 위험을 초래할 수 있다. 유체가 전지 내부에 적용되기 위해서는 높은 전기 절연성이 필수이고 따라서 오일류의 유체가 냉매로서 많이 시도되고 있다. 현재까지 알려진 열전달 오일로는 기존의 엔진오일, 기어오일 및 웜오일에서 전기 전도도가 낮은 제품이나 실리콘 오일유, 광유 등이 알려져 있다. 그러나 상기와 같은 유체는 고속 충방전에 따른 열발생을 만족스러울 정도로 방열시키기에는 미흡하며 더욱 높은 방열 특성이 요구된다.

방열 성능이 우수한 유체를 제조하기 위해 열전도도가 높은 CNT를 활용하는 방안도 개시되었으나, 이는 전기절연성의 문제를 야기할 수 있다. 이러한 전기절연성의 문제를 해결하기 위해 전기절연성 무기입자를 방열 유체와 혼합하는 방법도 시도되었으나 무기입자의 무게에 의해 장기간이 지나면 침전하여 방열 특성이 현저히 떨어지는 문제가 있다.

상기와 같은 침전 문제를 해결하기 위해 계면활성제 등의 분산제를 도입하는 기술이 개시되었으나, 방열 유체 자체의 전기절연성이 낮아지는 문제점이 있다. 계면활성제를 대신하여 올레산(oleic acid)으로 알루미나, 질화 알루미늄 등의 무기입자 표면을 처리하는 방법이 알려져 있으나(Choi C, Yoo HS, Oh JM. Preparation and heat transfer properties of nanoparticle-in-transformer oil dispersions as advanced energy efficient coolants. Curr Appl Phys 2008; 8:710-2), 올레산의 산성에 따른 전지 모듈의 부식 문제와 더불어 뭉쳐 있는 무기입자에 표면처리가 고르게 되지 않아 일부 입자만이 안정하게 되어, 지금까지 침전 문제는 여전히 해결되지 않는 숙제로 남아 있다.

한국 공개특허 제2017-0051024호

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 기재는 유체 냉각방식에서 전기절연성 및 열전도성이 우수하고, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 전지 모듈에서 장기간 사용한 후에도 방열 성능이 뛰어난 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 기재의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 본 기재에 의하여 모두 달성될 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 기재는 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 1 내지 30 중량부 및 무기 침전방지제 1 내지 30 중량부를 포함하되, 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 방열 유체 조성물을 제공한다.

또한, 본 기재는 a) 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 5 내지 50 중량부 및 무기 침전방지제 5 내지 50 중량부를 포함하는 혼합물을 볼밀로 교반하는 단계; b) 교반된 혼합물을 필터링하는 단계; 및 c) 필터링한 혼합물에서 진공 펌프를 사용하여 기포를 제거하는 단계를 포함하되,

상기 기포가 제거된 혼합물은 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 하는 방열 유체 조성물의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 기재는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내부에 장착된 전지 셀; 및 상기 모듈 케이스 내부에 채워지는 상기 방열 유체 조성물을 포함하는 전지 모듈을 제공한다.

또한, 본 기재는 상기 전지 모듈 두개 이상; 및 상기 전지 모듈을 내부에 수용하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.

본 기재에 따르면, 유체를 이용한 전지 냉각방식에서 종래에 침전 방지를 위해 사용하던 유기물을 사용하지 않으면서도 전기절연성이 우수하고 폭발의 원인이 되는 열을 빠르게 방출시키며, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 장기간 사용에도 뛰어난 방열 성능을 그대로 유지하는 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 실시예에 따른, 모듈 케이스 및 전지 셀로 구성된 전지 모듈의 분해사시도로, 충방전 시 온도 변화를 측정하기 위해 일정한 위치에 온도선이 부착되어 있다.
도 2는 실시예에 따른 전지 모듈의 측면에 관한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 충방전 시 전지 셀의 온도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.

본 발명자들은 유체를 이용한 전지 냉각방식에서 장기간 사용시 무기입자가 침전되는 문제점을 최소화하기 위해 부단히 연구한 결과, 충방전 시 발열이 생길 경우에는 점도가 급격히 낮아져 액체와 같이 거동하고, 충방전이 일어나지 않는 휴지기에는 점도가 급상승하여 고체와 같이 거동하는 방열 유체에 열전도성이 좋은 무기입자를 분산시키는 경우 무기입자의 침전이 일어 나지 않아 우수한 방열 특성을 유지하는 것을 확인하고, 이를 토대로 더욱 연구에 매진하여 본 발명을 완성하였다.

이하 본 기재의 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩을 각각 나누어 상세하게 설명한다.

방열 유체 조성물

본 기재의 방열 유체 조성물은 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 1 내지 30 중량부 및 무기 침전방지제 1 내지 30 중량부를 포함하되, 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 한다. 이러한 경우 전지 모듈에서 발생하는 열을 제어하는 방열 성능뿐만 아니라 전기 절연성 및 가격 경쟁력까지 뛰어나 시장에서 요구하는 방열 유체의 모든 조건을 만족시키게 된다. 더욱이 종래에는 열전도성 무기입자가 매질에 분산된 뒤 수 개월이 지나면 대개 침전이 일어나는데, 본 기재의 방열 유체 조성물은 온도에 따라 점도가 급격히 변화하도록 설계되어 상온에서는 고점도 상태로 수년이 지나도 무기입자의 침전이 발생하지 않고 고온에서는 저점도 상태가 되어 빠르게 열을 전도하므로 열전도성이 오랫동안 지속된다. 즉, 본 기재의 방열 유체 조성물은 전지의 충방전 휴지기에는 점도를 높여 유체 내 무기 입자의 침전을 막고 전지의 충방전이 일어나는 동안에는 전지 셀에서 발산되는 열에 의해 방열 유체의 점도가 낮아지게 되어 그 결과로 유동성이 높아져 높은 열전도성을 나타내도록 만들어졌다.

이러한 목적에 맞는 방열 유체의 제조를 위하여 유체의 밀도와 비슷하거나 낮은 무기 입자를 매질에 투입하여 방열 유체의 점도를 조절하였다. 여기에 더하여 열전도성이 좋은 무기 입자를 추가 투입하여 방열 유체의 열전도율을 더욱 높였다. 이렇게 제조한 방열 유체는 상온에서 고점도이기 때문에 방열 유체 내 무기 입자들은 장시간이 지나도 침전이 일어나지 않는다.

상기 20 ℃에서의 점도는 일례로 850 내지 2000 cP, 또는 850 내지 1,500 cP, 바람직하게는 850 내지 1,200 cP, 또는 860 내지 1,100 cP이고, 이 범위 내에서 유동성이 낮아 열전도성 무기입자의 침전을 억제하는 효과가 뛰어나다.

상기 30 ℃에서의 점도는 일례로 750 cP 이하, 또는 150 내지 750 cP, 바람직하게는 300 내지 750 cP, 또는 510 내지 740 cP이고, 이 범위 내에서 유동성이 우수하여 열전도성이 뛰어난 효과가 있다.

상기 무기 침전방지제의 밀도는 일례로 상기 비전도성 오일의 밀도와 같거나 낮고, 바람직하게는 상기 비전도성 오일의 밀도 보다 낮으며, 이 경우 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전이 발생하지 않아 우수한 방열 성능이 지속되는 효과가 있다.

상기 방열 유체 조성물은 일례로 전지 모듈에 채워지는 열전달 오일로, 충방전 시 발산되는 열에 의해 온도가 높아지면 점도가 낮아져 유동성이 증가되고, 충방전이 끝나 냉각되면 다시 점도가 높아져 상기 열전도성 무기입자의 침전이 방지되는 거동을 갖고, 이 경우 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전이 발생하지 않아 우수한 방열 성능이 지속되는 효과가 있다.

상기 열전도성 무기입자는 일례로 2 내지 25 중량부, 바람직하게는 3 내지 22 중량부, 가장 바람직하게는 5 내지 20 중량부일 수 있고, 이 범위 내에서 분산 안정성 및 방열 성능이 우수한 효과가 있다.

상기 열전도성 무기입자는 일례로 실리카(단, 흄드 실리카는 제외됨), 알루미나(단, 흄드 알루미나는 제외됨), 알루미노 실리케이트, 질화알루미늄(AlN), 질화실리콘(Si₃N₄) 및 질화붕소(BN)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 이 경우 방열 성능이 우수한 효과가 있다.

상기 열전도성 무기입자는 일례로 1차(primary) 평균입경이 5 내지 900 nm, 또는 10 내지 500 nm이고, 바람직하게는 20 내지 350 nm이며, 보다 바람직하게는 30 내지 300 nm일 수 있고, 이 범위 내에서 방열 특성이 우수하다.

본 기재에서 1차 평균입경은 뭉쳐지지 않은 하나 하나의 입자들(primary particles)의 평균입경을 의미하고, 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 측정할 수 있으며, 구체적으로는 주사전자현미경을 이용하여 입자 20개를 선출하고, 직경을 잴 수 있는 아이콘 바(bar)를 이용하여 입경을 잰 다음, 산술평균을 이용하여 평균입경을 구한다.

상기 열전도성 무기입자는 상기 무기 침전방지제 보다 무거우며, 구체적인 예로 벌크 밀도가 0.2 g/cm³ 내지 10 g/cm³, 또는 0.2 g/cm³ 내지 7 g/cm³, 바람직하게는 0.2 g/cm³ 내지 5 g/cm³이며, 이 범위 내에서 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전이 발생하지 않아 우수한 방열 성능이 지속되는 효과가 있다.

본 기재에서 벌크 밀도는 정용량법으로 측정할 수 있다.

상기 무기 침전방지제는 일례로 2 내지 25 중량부, 바람직하게는 3 내지 22 중량부, 가장 바람직하게는 5 내지 20 중량부일 수 있고, 이 범위 내에서 분산 안정성 및 방열 성능이 우수한 효과가 있다.

상기 무기 침전방지제는 일례로 에어로젤(aerogel), 흄드(fumed) 실리카 및 흄드 알루미나로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 이 경우 열전도성 무기입자의 침전을 효과적으로 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과가 있다.

상기 에어로젤은 통상적으로 제조, 사용 또는 입수 가능한 에어로젤인 경우 특별히 제한되지 않고, 일례로 규소 에어로젤, 실리카 에어로젤 또는 이들의 혼합일 수 있고, 이 경우 열전도성 무기입자의 침전을 효과적으로 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과와 전기절연성이 우수한 효과가 있다.

상기 흄드 실리카는 일례로 규소의 염화물을 불꽃(flame) 안에서 연소시켜 만들어질 수 있고, 통상적으로 제조, 사용 또는 상업적으로 입수 가능한 흄드 실리카인 경우 특별히 제한되지 않으며, 구체적인 예로 CAS Number 112945-52-5에 해당하는 물질일 수 있다.

상기 흄드 알루미나는 통상적으로 제조, 사용 또는 상업적으로 입수 가능한 흄드 알루미나인 경우 특별히 제한되지 않고, 구체적인 예로 AEROXIDE® fumed alumina 시리즈, SpectrAl® fumed alumina 시리즈 또는 이들과 동등하다고 인정되는 물질일 수 있다.

상기 무기 침전방지제는 일례로 1차(primary) 평균입경이 5 내지 900 nm, 또는 10 내지 500 nm이고, 바람직하게는 20 내지 250 nm이며, 보다 바람직하게는 30 내지 200 nm일 수 있고, 이 범위 내에서 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전을 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과가 있다.

상기 무기 침전방지제는 일례로 벌크 밀도가 0.2 g/cm³ 이하, 또는 0.0005 g/cm³ 내지 0.2 g/cm³이고, 바람직하게는 0.001 내지 0.2 g/cm³ 이며, 이 범위 내에서 열전도성 무기입자의 침전을 효과적으로 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과가 있다.

상기 열전도성 무기입자와 상기 무기 침전방지제의 중량의 합은 일례로 5 내지 50 중량부, 5 내지 40 중량부, 바람직하게는 10 내지 30 중량부이고, 이 범위 내에서 분산 안정성 및 방열 성능이 우수한 효과가 있다.

상기 열전도성 무기입자와 상기 무기 침전방지제의 중량비는 일례로 5:1 내지 1:5, 또는 3:1 내지 1:3이고, 바람직하게는 2:1 내지 1:2이며, 이 범위 내에서 분산 안정성 및 방열 성능이 우수한 효과가 있다.

상기 비전도성 오일은 일례로 광유(mineral oil), 실리콘 오일 및 식물성 오일로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 바람직하게는 실리콘 오일 또는 식물성 오일이며, 이 경우 절연성이 우수하고 본 기재의 전도성 무기입자 및 무기 침전방지제와 결합되어 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전을 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과가 있다. 전기 전도성이 낮은 물질로 실리콘 오일, 광유 또는 식물성 오일만 사용하는 경우에는 열전도 특성이 낮아 전지 모듈에서 발생하는 열을 제어하는 데 한계가 있으나, 여기에 본 기재에 따른 열전도성 무기입자 등이 더해지면 열전도성은 높아지고, 전지 모듈에 적용 시 전지 모듈의 방열 특성을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 식물성 오일은 일례로 소이빈 오일(soybean oil)이고, 이 경우 절연성이 우수하고 본 기재의 전도성 무기입자 및 무기 침전방지제와 결합되어 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전을 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과가 있다.

상기 비전도성 오일은 일례로 점도가 150 내지 600 cP, 또는 200 내지 550 cP (20℃)일 수 있고, 이 경우 절연성이 우수하고 본 기재의 전도성 무기입자 및 무기 침전방지제와 결합되어 열전도성 무기입자의 침전을 억제하여 우수한 방열 성능을 갖는다.

상기 비전도성 오일은 일례로 밀도가 0.8 내지 1.2 g/cm³, 또는 0.9 내지 1g/cm³일 수 있고, 이 경우 절연성이 우수하고 본 기재의 전도성 무기입자 및 무기 침전방지제와 결합되어 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 우수한 방열 성능이 지속되는 효과가 있다.

상기 방열 유체 조성물은 일례로 방열유체를 매스 실린더(mass cylinder)에 붓고 그 때의 입자 층의 높이를 100으로 하고 30일간 체류 후 액면의 최고 높이로부터 가라앉은 입자 층의 최고 높이를 퍼센트로 나타낸 분산 안정성이 90 % 이상, 바람직하게는 95 % 이상, 더욱 바람직하게는 99 % 이상, 가장 바람직하게는 100 %이고, 이 범위 내에서 장기간의 충방전 시에도 우수한 방열 특성이 유지되는 효과가 있다.

상기 방열 유체 조성물은 일례로 방열유체 42 ml 및 25 ℃ 조건 하 전기절연성(dielectric constant)이 3.2 이상, 3.2 내지 4.5, 또는 3.23 내지 4.13일 수 있고, 이 범위 내에서 방열 특성, 전기절연성 및 경제성이 모두 우수한 효과가 있다.

방열 유체 조성물의 제조방법

본 기재의 방열 유체 조성물의 제조방법은 a) 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 5 내지 50 중량부 및 무기 침전방지제 5 내지 50 중량부를 포함하는 혼합물을 볼밀로 교반하는 단계; b) 교반된 혼합물을 필터링하는 단계; 및 c) 필터링한 혼합물에서 진공 펌프를 사용하여 기포를 제거하는 단계를 포함하되, 상기 기포가 제거된 혼합물은 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 하고, 이 범위 내에서 유체를 이용한 전지 냉각방식에서 전기절연성이 우수하고, 폭발의 원인이 되는 열을 빠르게 방출시키며, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 장기간 사용에도 뛰어난 방열 성능을 유지하는 효과가 있다.

상기 a) 단계의 비전도성 오일, 열전도성 무기입자 및 무기 침전방지제 등은 앞서 방열 유체 조성물에서 상술한 내용과 동일하므로 생략한다.

상기 a) 단계의 볼밀은 일례로 금속 볼(ball)이 담겨 있는 회전 가능한 실린더형 용기일 수 있고, 또 다른 예로 금속 볼이 담겨 있는 실린더형 반응기일 수 있으며, 이 경우 방열 유체 조성물 내 무기입자의 분산성이 향상되는 효과가 있다.

상기 금속 볼은 일례로 입경이 0.5 내지 2 mm, 또는 0.5 내지 1.5 mm일 수 있고, 이 범위 내에서 응집체인 2차 무기입자가 1차 무기입자로 효과적으로 분해되어 방열 유체 조성물 내 무기입자의 분산성이 개선되는 효과가 있다.

상기 금속 볼은 일례로 이 기술분야에서 사용되는 금속 볼인 경우 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 지르코니아 볼일 수 있고, 이 경우 방열 유체 조성물 내 무기입자의 분산성이 향상되는 효과가 있다.

상기 b) 단계의 필터링이나 상기 c) 단계의 기포 제거는 통상의 기술자가 자명하게 처리할 수 있는 것으로, 이 기술분야에서 통상적으로 이용되는 방법인 경우 특별히 제한되지 않는다.

전지 모듈

본 기재의 전지 모듈은 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내부에 장착된 전지 셀; 및 상기 모듈 케이스 내부에 채워진 본 기재의 방열 유체 조성물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이하에 본 기재와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 요지를 흐리지 않기 위해 설명을 생략하나, 통상의 기술자가 적절히 적용할 수 있음은 자명한 사항이다.

상기 방열 유체 조성물은 일례로 모듈 케이스 내부의 높이 대비 90 % 이하, 80 %, 또는 30 내지 80 %의 높이까지 채워질 수 있고, 이 범위 내에서 방열 성능이 우수하다.

본 기재에서 모듈 케이스 내부의 높이는 모듈 케이스를 밀봉했을 때 내부의 바닥에서부터 상부까지 가장 짧은 공간 내 거리를 의미한다.

상기 모듈 케이스는 일례로 플라스틱, 알루미늄, 스테인레스 스틸 또는 이들 중 2종 이상의 접합으로 이루어질 수 있고, 이 경우 방열 성능이 우수하다.

상기 플라스틱은 일례로 PET(PolyEthylene Terephtalate)일 수 있고, 이 경우 방열 성능이 우수하다.

상기 전지 셀은 일례로 최고 전압이 65 V 미만, 또는 20V 내지 55 V일 수 있고, 이 범위 내에서 전기절연성 및 방열 성능이 우수하다.

이하 도면을 참조하여 본 기재의 전지 모듈을 예시적으로 보다 자세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 이것에 의하여 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다.

하기 도 1은 실시예에 따른, 모듈 케이스 및 전지 셀로 구성된 전지 모듈의 분해사시도이고, 하기 도 2는 실시예에 따른 전지 모듈의 측면에 관한 단면도이며, 하기 도 3은 실시예에 따른 충방전 시 전지 셀의 온도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.

하기 도 1을 참조하면, 모듈 케이스 내부에 전지 셀이 장착되고, 그 다음 방열 유체 조성물이 모듈 케이스의 내부 높이 대비 90 % 이하 범위 내에서 필요에 따라 일정 높이까지 채워진다. 실시예에서는 모듈 케이스 내부 높이 대비 30 % 또는 80 % 높이까지 방열 유체 조성물을 채웠다. 충방전 시 전지 모듈 내부의 온도를 측정하여 방열 유체 조성물의 방열 특성을 알아보고자 모듈 케이스와 전지 셀의 몇몇 위치에 별도로 온도선을 부착하였고, 전지 셀의 양 측면에는 외부 단자(plate)가 결합되어 있다. 상기 외부 단자는 외부 기기(미도시)와 전지 셀 사이를 전기적으로 연결해 주는 역할을 한다.

하기 도 2를 참조하면, 전지 셀(Cell)이 모듈 케이스 내에 장착되어 있고, 나머지 공간에 방열 유체 조성물이 채워져 있다. 상기 모듈 케이스의 외함은 알루미늄이고, 화살표 방향은 모듈 케이스와 전지(battry) 및 외부 단자(plate)를 의미한다.

하기 도 3을 참조하면, 충전 시 전지 셀이 가열되어 충전최고온도에 도달하게 되고, 이후 충방전이 일어나지 않는 휴지기에 전지 셀이 냉각되며, 방전 시에는 다시 전지 셀이 가열되어 소정 시간 후에 방전최고온도에 도달한다. 충전최고온도와 방전최고온도를 살펴보면 방열 유체 조성물의 방열 특성의 정도를 측정할 수 있는데, 충전최고온도와 방전최고온도가 낮은 경우 방열 유체 조성물이 충방전 시 전지 셀에서 발생되는 열을 빠르게 전도했음을 알 수 있다. 본 기재의 방열 유체 조성물을 전지 모듈에 적용했을 때 충전최고온도와 방전최고온도가 크게 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.

배터리 팩

본 기재의 배터리 팩은 본 기재의 전지 모듈 두개 이상; 및 상기 전지 모듈을 수용하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하고, 이러한 배터리 팩은 내부 전기절연성이 우수하고, 폭발의 원인이 되는 열을 빠르게 방출시키며, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 장기간 사용에도 뛰어난 방열 성능을 그대로 유지하는 효과를 가진다.

이하에 본 기재와 직접적으로 관련이 없는 기술에 대해서는 요지를 흐리지 않기 위해 설명을 생략하나, 통상의 기술자가 필요에 따라 부가할 수 있음은 자명한 사항이다.

본 기재의 배터리 팩은 일례로 본 기재의 전지 모듈을 2 내지 30개, 또는 5 내지 20개로 포함할 수 있고, 이 범위 내에서 전기적 특성 및 발열 성능이 모두 우수한 효과가 있다.

이하, 본 기재의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

[실시예]

실시예 1

1mm 입경의 지르코니아 볼 1kg이 담겨 있는 1리터 용량의 실린더형 반응기에 프라이머리(primary) 평균입경 30nm의 흄드 실리카를 20g 첨가하고 30nm 알루미나를 20g 추가 투입하였다. 이후 소이빈(Soybean) 오일 400g을 첨가하여 볼밀로 2시간 동안 교반하였다. 2시간 교반 후, 지르코니아 볼을 제외한 유체를 필터링하고 진공 펌프를 통해 2시간 동안 유체 내에 존재하는 기포를 제거하여 방열 유체 조성물을 제조하였다. 이렇게 만든 방열 유체 조성물을 전지의 하우징 내부, 즉 모듈 케이스에 높이 30% 혹은 80%까지 투입하여 하기 측정 방법에서 기술한 바와 같이 충전과 방전을 교대하며 전지 셀의 발열 온도를 측정하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 910 cP, 30℃ 조건에서 600 cP였다.

실시예 2

상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 흄드 실리카 대신에 평균입경 200nm의 흄드 알루미나를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 880 cP, 30℃ 조건에서 550 cP였다.

실시예 3

상기 실시예 1에서 흄드 실리카 대신에 에어로젤(실리카 에어로젤, LG Chem)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 1080cP, 30℃ 조건에서 720 cP였다.

실시예 4

상기 실시예 1에서 소이빈 오일(Soybean oil) 대신에 실리콘 오일을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 860 cP, 30℃ 조건에서 510 cP였다.

실시예 5

상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 알루미나 대신에 평균입경 300nm의 알루미나를 사용하고 흄드 실리카와 알루미나의 양을 각각 비전도성 오일 100 중량부를 기준으로 15 중량부 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 900 cP, 30℃ 조건에서 580 cP였다.

실시예 6

상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 알루미나 대신에 평균입경 300nm의 알루미나를 사용하고 평균입경 30nm의 흄드 실리카 대신에 평균입경 200nm의 흄드 알루미나를 사용하며 그 양은 비전도성 오일 100 중량부를 기준으로 평균입경 300nm의 알루미나는 20 중량부, 평균입경 200nm의 흄드 알루미나는 10 중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 1050cP, 30℃ 조건에서 710 cP였다.

실시예 7

상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 알루미나 대신에 평균입경 300nm의 알루미나를 사용하고 평균입경 30nm의 흄드 실리카 대신에 평균입경 200nm의 흄드 알루미나를 사용하며 그 양은 비전도성 오일 100 중량부를 기준으로 평균입경 300nm의 알루미나는 10 중량부, 평균입경 200nm의 흄드 알루미나는 20 중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 1100cP, 30℃ 조건에서 740 cP였다.

비교예 1

상기 실시예 1의 방열 유체 조성물 대신 절연유로서 베지터블 오일(vegetable oil)을 주성분으로 하는 Cargill사의 FR-3 절연유를 사용하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 250 cP, 30℃ 조건에서 110 cP였다.

비교예 2

상기 실시예 1에서 전체 무기입자의 함량이 비전도성 오일 100 중량부를 기준으로 2 중량부(흄드 실리카:알루미나 중량비=1:1) 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 310 cP, 30℃ 조건에서 120 cP였다.

비교예 3

상기 실시예 1에서 전체 무기입자의 함량이 비전도성 오일 100 중량부를 기준으로 70 중량부(흄드 실리카:알루미나 중량비=30:40) 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 2350 cP, 30℃ 조건에서 1720 cP였다.

비교예 4

상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 흄드 실리카 대신에 프라이머리 입자의 평균입경 1㎛의 에어로젤(실리카에어로젤, LG Chem)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 1200 cP, 30℃ 조건에서 930 cP였다.

비교예 5

상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 알루미나 대신에 프라이머리 입자 평균입경 2㎛의 알루미나를 사용하고 평균입경 30nm의 흄드 실리카 대신에 평균입경 3nm의 에어로젤(실리카에어로젤, LG Chem)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 980 cP, 30℃ 조건에서 890 cP였다.

비교예 6

상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 알루미나 대신에 프라이머리 입자 평균입경 3nm의 알루미나를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 1000 cP, 30℃ 조건에서 870 cP였다.

[시험예]

상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 6에서 준비된 방열 유체 조성물의 특성을 하기의 방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.

* 전지 방열 시험 방법: 전지셀을 포함하고 있는 전지 모듈의 하우징과 전지 셀 등 각 부분에 온도선을 부착하고 상기 비전도성 유체를 내부에 투입하되 내부 높이 대비 30%, 혹은 80% 레벨(Level)로 투입하였고, 0.5시간 동안 충전한 후 2시간의 휴지기를 거쳐서 다시 0.5시간 동안 방전하여 하우징 내부의 온도를 기록하였다. 특히 전지 셀 최고 온도를 표 1에 비교하였다.

* (분산)안정성: 제조한 방열유체를 매스 실린더(mass cylinder)에 붓고 그 때의 입자 층의 높이를 100으로 하고 30일간 체류 후 액면의 최고 높이로부터 가라앉은 입자 층의 최고 높이를 퍼센트로 비교하였다.

* 점도: 점도는 브룩필드 점도계(모델명: DV-Ⅱ+Pro,RV)를 이용하여 rpm=50, 온도= 20℃ and 30℃, 스핀들=SC4 27의 조건에서 샘플의 양을 15.5g으로 고정하여 측정하였다.

* 전기절연성(Dielectric constant): 유전율 측정기(선레이텍, 모델 871)를 이용하여 액체 부피 42ml 및 온도 25℃의 조건으로 측정하였다.

구분	비전도성 오일	열전도성 무기입자	무기침전 방지제	안정성	전기절연성	Cell 최고온도(절연유 80% 투입시)	Cell 최고온도(절연유 30% 투입시)
실시예1	soybean oil	30nm Alumina	30nm Fumed silica	100	3.25	50.25	52.7
실시예2	soybean oil	30nm Alumina	200nm Fumed Alumina	100	3.37	49	50.85
실시예3	soybean oil	30nm Alumina	30nm Aerogel	100	3.29	52	54.5
실시예4	실리콘오일	30nm Alumina	30nm Fumed silica	95	4.13	51	53
실시예5	soybean oil	300nm Alumina	30nm Fumed silica	95	3.27	50.5	53
실시예6	soybean oil	300nm Alumina	200nm Fumed Alumina	100	3.25	49	50.90
실시예7	soybean oil	300nm Alumina	200nm Fumed Alumina	100	3.23	51	53.5
비교예1	V-Oil only	-	-	-	3.13	57	60
비교예2	soybean oil	30nm Alumina	30nm Fumed silica	50	3.28	54	57
비교예3	soybean oil	30nm Alumina	30nm Fumed silica	100	3.25	54	56.4
비교예4	soybean oil	30nm Alumina	1㎛의 Aerogel	60	3.31	55	57
비교예5	soybean oil	2㎕의 Alumna	3nm의 Aerogel	30	3.32	56	57.5
비교예6	soybean oil	3nm의 Alumina	30nm Fumed silica	70	3.26	56	57

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 기재의 방열 유체 조성물이 적용된 전지 모듈(실시예 1 내지 7)은 종래의 방열 유체(비교예 1)나 본 기재의 방열 유체 조성물의 범위를 벗어나는 경우(비교예 2 내지 6) 대비 충방전 시 전지 셀의 최고 온도가 크게 저하되어 열전도성이 뛰어날 뿐만 아니라, 침전 안정성 및 전기절연성도 우수함을 확인할 수 있었다.

덧붙여, 30 ℃에서의 점도가 본 기재와 같이 750 cP 이하이나 20 ℃에서의 점도가 본 기재와는 달리 850 cP 미만인 방열 유체 조성물의 경우(비교예 1 및 2) 열전도성 및 안정성이 크게 떨어지고, 반대로 20 ℃에서의 점도가 본 기재와 같이 850 cP 이상이나 30 ℃에서의 점도가 본 기재와는 달리 750 cP를 초과하는 방열 유체 조성물의 경우(비교예 3 및 6) 또한 전기절연성에는 큰 문제가 없으나 열전도성 및 안정성이 크게 저하됨을 확인할 수 있었다.

Claims

비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 1 내지 30 중량부 및 무기 침전방지제 1 내지 30 중량부를 포함하되,
20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 무기 침전방지제의 밀도는 상기 비전도성 오일의 밀도와 같거나 낮은 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 방열 유체 조성물은 전지 모듈에 채워지는 열전달 오일로, 충방전 시 발산되는 열에 의해 온도가 높아지면 점도가 낮아져 유동성이 증가되고, 충방전이 끝나 냉각되면 다시 점도가 높아져 상기 열전도성 무기입자의 침전이 방지되는 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 열전도성 무기입자는 실리카(단, 흄드 실리카는 제외됨), 알루미나(단, 흄드 알루미나는 제외됨), 알루미노 실리케이트, 질화알루미늄(AlN), 질화실리콘(Si₃N₄) 및 질화붕소(BN)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 열전도성 무기입자는 1차(primary) 평균입경이 5 내지 900 nm인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 열전도성 무기입자는 벌크 밀도가 0.2g/cm³ 내지 5 g/cm³인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 무기 침전방지제는 에어로젤, 흄드 실리카 및 흄드 알루미나로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 무기 침전방지제는 1차(primary) 평균입경이 5 내지 900 nm인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 무기 침전방지제는 벌크 밀도가 0.2 g/cm³ 이하인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 비전도성 오일은 광유(mineral oil), 실리콘 오일 및 식물성 오일로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 10항에 있어서,
상기 식물성 오일은 소이빈 오일(soybean oil)인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 방열 유체 조성물은 매스 실린더(mass cylinder)에 붓고 그 때의 입자 층의 높이를 100으로 하고 30일간 체류 후 액면의 최고 높이로부터 가라앉은 입자 층의 최고 높이를 퍼센트로 나타낸 분산 안정성이 90% 이상인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물.
a) 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 5 내지 50 중량부 및 무기 침전방지제 5 내지 50 중량부를 포함하는 혼합물을 볼밀로 교반하는 단계; b) 교반된 혼합물을 필터링하는 단계; 및 c) 필터링한 혼합물에서 진공 펌프를 사용하여 기포를 제거하는 단계를 포함하되,
상기 기포가 제거된 혼합물은 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 하는
방열 유체 조성물의 제조방법.
모듈 케이스;
상기 모듈 케이스 내부에 장착된 전지 셀; 및
상기 모듈 케이스 내부에 채워진 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 방열 유체 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는
전지 모듈.
제 14항에 있어서,
상기 방열 유체 조성물은 모듈 케이스 내부의 높이 90 % 이하의 높이까지 채워진 것을 특징으로 하는
전지 모듈.
제 13항에 있어서,
상기 모듈 케이스는 플라스틱, 알루미늄, 스테인레스 스틸 또는 이들 중 2종 이상의 접합으로 이루어진 것을 특징으로 하는
전지 모듈.
제 14항에 있어서,
상기 전지 셀은 최고 전압이 65 V 미만인 것을 특징으로 하는
전지 모듈.
제 14항에 따른 전지 모듈 두개 이상; 및 상기 전기 모듈을 수용하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.