KR20200144381A - 전지셀 열전도도 측정장치 및 이를 이용한 전지셀 열전도도 측정 방법 - Google Patents

전지셀 열전도도 측정장치 및 이를 이용한 전지셀 열전도도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파우치형 전지셀의 열 특성, 구체적으로는 전지셀의 열전도도를 측정하기 위한 장치 및 이를 이용한 열전도도 측정방법에 관한 것으로, 본 발명의 전지셀 열전도도 측정장치를 이용하면 비등방성 열전도 특성이 나타나는 파우치형 전지셀의 열전도도를 각 방향에 따라 분리하여 측정이 가능하며, 이를 통해 이차전지용 전지셀을 사용하는 제품의 열 특성에 따른 안정성 평가를 효율적으로 수행할 수 있다

Description

전지셀 열전도도 측정장치 및 이를 이용한 전지셀 열전도도 측정 방법{Apparatus and Method for Measuring Thermal Conductivity of Battery Cell}
본 발명은 파우치형 전지셀의 열 특성, 구체적으로는 전지셀의 열전도도를 측정하기 위한 장치 및 이를 이용한 열전도도 측정방법에 관한 것이다.
화석연료의 에너지 가격이 상승하고, 환경오염에 대한 관심이 증폭되면서 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있고, 특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지에 대해 수요가 급격히 증가하고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께로 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성의 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
최근에는 스택형 또는 스택/폴딩형 전극조립체를 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스에 내장한 구조의 파우치형 전지가 낮은 제조비, 적은 중량, 용이한 형태 변형 등을 이유로, 많은 관심을 모으고 있으며, 사용량도 점차적으로 증가하고 있다.
파우치형 전지셀은 양극, 분리막, 음극을 적층하여 제조되는 스택형 또는 스택-폴딩형 전극조립체가 수납된다. 각각의 양극 및 음극은 전극 탭들에 의하여 전기적으로 연결되고, 전극 탭들에 외부로 인출되는 전극 리드가 연결된다.
상기 전극 탭 및 전극 리드가 연결된 전극조립체를 파우치 형태의 전지케이스에 수납한 다음 전해액을 주입하고. 전극 리드의 일부가 외부로 노출된 상태에서 전지케이스를 밀봉하여 파우치형 전지셀을 제조한다.
한편, 파우치형 전지셀의 전지케이스는 파우치 형태로 이루어져 가공이 용이하여, 전극조립체의 크기나 형태에 따른 제약이 적으며, 전지셀 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 있다. 따라서, 파우치형 전지셀은 에너지 밀도가 높으며, 다양한 형태로 가공이 가능하여, 최근에는 다양한 형태로 이루어진 모바일기기 및 자동차 전지에도 사용되고 있다. 그런데, 파우치형 전지셀은 소형 기기부터 대형 기기에 이르기까지 높은 에너지 집적도로 적용되기 때문에, 기기 내부에서 온도 상승을 유발할 수 있다. 이러한 온도 상승은 기기 자체의 성능에 영향을 주거나 화재, 폭발 등의 위험을 유발하기 때문에, 전지셀에서 배출되는 열의 흐름, 즉 전지셀의 열전도도(Thermal conductivity)를 파악하는 것이 중요하다.
열전도도(Thermal conductivity)는 물체 속을 열이 전도하는 정도를 나타내는 수치를 의미하며, 열의 흐름에 수직인 단위 면적을 지나서 단위 시간에 흐르는 열량을 단위 길이당 온도의 차이로 나눈 값이다. 따라서 열전도도가 높을수록 상대적으로 열을 잘 통과시킨다는 것을 의미하며, 일반적으로 금속은 열전도도가 높다.
이러한 열전도도 측정방법으로는 열선법(Hot wire method), 열유속법 (Guarded Heat flow method), 보호열판법(Guarded Hot plate method)이 알려져 있다. 이 중, 보호열판법(Guarded Hot plate method)은 고체 시료(specimen)의 열전도도를 측정하는 방법으로, 시료 양면의 온도를 정확히 측정하면서 높은 온도 쪽 면으로부터 낮은 온도 쪽 면으로 흘러들어가는 열량을 측정함으로써 열전도도를 측정하는 원리이다. 즉, 시료 내에서 정확히 일차원적으로 열류가 형성될 수 있도록 열판(hot plate) 주변에 보호열판(guard plate)이라는 보조적인 열판을 배치시켜, 열판(hot plate)이 일정한 온도를 갖도록 하고 있다. 또한 판의 표면에 수직 방향으로 열이 이동하도록 하여야 정확한 열전도도를 계산할 수 있다.
따라서, 열판과 보호열판은 일정 거리로 이격된 상태로 배치되며, 때로는 그 사이를 열전도도가 낮은 소재로 채우기도 한다.
이러한 보호열판법에도 다양한 구조가 연구되어 왔으며, 열판과 냉각판을 각각 1개씩 구비하여 그 사이에 시험편을 두고 열 흐름을 계산하여 측정하는 통상적인 방법 외에, 열판을 중심으로 상하 대칭적인 구조를 이루는 소위 2장법이라는 구조도 사용되고 있다.
그러나, 종래의 보호열판법의 경우, 단일 소재로 이루어진 단순한 형태의 시험편의 측정만을 위해 설계된 것이다. 2장법의 경우도 2개의 시험편을 이용하여 상방향과 하방향의 열 흐름을 측정한다는 점에서 차이가 있으나, 상방향과 하방향의 열전도도의 평균을 내는 것으로 정확도를 올렸다는 점을 제외하고는 종래의 방법과 동일하며, 기본적으로 열전도도가 일방성을 가지는 단일 소재를 대상으로 한다는 점에서는 종래의 방법과 차이가 없다.
그런데, 파우치형 전지셀의 경우 단일 소재의 시험편과는 달리 양극 및 음극 집전체, 분리막, 전극합제, 전지케이스 등 물성이 상이한 다양한 소재들을 포함하고 있으며, 각 소재들의 배치가 균일하게 분산된 것도 아니므로 단일재료의 시편과는 다르게 나타난다.
따라서, 종래의 보호열판법 장치 및 방법으로는 전지셀의 열 특성에 대한 평가를 하기 어려우므로, 이를 측정하기 위해 새로운 장치 및 방법이 필요한 실정이다.
일본특허공개공보 제2012-032231호 일본특허공개공보 제2013-011563호
본 발명은 전지셀 열 특성을 측정하기 곤란한 종래의 열전도도 측정 장치 및 측정 방법을 개선하여, 이방성이 나타나는 전지셀의 열전도도를 각 방향에 따라 독립적으로 측정하기 위한 장치 및 이를 이용한 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 전지셀 열전도도 측정장치는 발열체를 포함하는 열판; 상기 열판의 측면에서 이격된 상태로 열판을 둘러싸는 보호열판;을 포함할 수 있다,
또한 상기 열판에 대하여 수직하는 방향으로 상부 및 하부에 각각 측정판, 냉각판, 냉각유닛을 순차적으로 포함할 수 있으며, 상기 열판의 상방향과 하방향에 각각 배치되는 측정판, 냉각판, 냉각유닛은 열판을 중심으로 대칭 구조를 이루고 있다.
이때, 상기 상부 및 하부의 측정판과 냉각판 사이에는 열전도도 측정을 위하여 각각 전지셀이 1개씩 배치될 수 있다.
한편, 상기 보호열판은 열판의 열 전달 방향을 열판을 중심으로 수직인 상하 방향의 선형으로 1차원적으로 유도하기 위한 것으로, 열판으로부터 발생하는 열이 측면으로 이동하지 않도록 상기 열판과 같거나 더 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 측정판의 두께는 열판에서 발생하는 열량의 크기에 비례하여 커지는 것을 특징으로 한다. 측정판은 열판에 가까운 고온면과 냉각판에 더 가까운 저온면으로 열 성향이 나타날 수 있는데, 고온면과 저온면의 거리가 멀수록 열 흐름이 균일하게 나타나는 경향이 있다. 그러나, 두께가 증가할수록 열손실도 커지므로, 열량의 크기에 따라 적절한 두께로 조절할 필요가 있다.
상기 측정판은 열전도도가 우수하고 레퍼런스 값이 잘 알려진 금속재료를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 측정판은 열전도도가 50W/m·K 이상인 금속 또는 금속 합금인 것이 바람직하며, 더욱 구체적으로 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금인 금속소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또다른 일 실시형태에 의하면 상기 측정판의 측면에 측정판과 이격된 위치에서 측정판을 둘러싸는 보호 측정판을 추가로 더 포함할 수 있으며, 이 경우 측정판에서의 열손실을 더욱 줄일 수 있다.
한편, 열전도도 측정장치의 측면으로 손실되는 열을 더욱 줄이기 위하여, 상기 전지셀 열전도도 측정장치의 측면에는 단열성 소재로 이루어진 단열부재가 구비될 수 있다. 상기 단열부재는 이를 통해 직접적인 열전달이 이루어지지 않도록 열전도도 측정장치로부터 이격되어 구비되는 것이 바람직하다.
상기 열판은 원기둥 또는 직육면체 형태일 수 있다. 열판의 형태에는 제한이 없으나, 측면 방향으로의 열손실을 억제하고 상하 방향으로 일차원적인 열량 전달을 도모하기 위해, 직사각형 형태 또는 정사각형 형태, 가장 바람직하게는 원형일 수 있다.
본 발명의 전지셀 열전도도 측정장치를 이용하면, 전지셀의 상방향과 하방향에서 각각 다른 열 특성이 나타나는 전지셀 열전도도를 각각 분리하여 측정할 수 있다. 구체적으로 하기와 같은 단계를 거쳐 수직 방향으 상방향과 하방향을 각각 분리 측정이 가능하다.
열판에 대하여 수직인 상부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량을 산출하는 단계;
열판에 대하여 수직인 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량을 산출하는 단계;
상기 상부 방향으로 인가되는 열량과 하부 방향으로 인가되는 열량을 이용하여 전지셀의 열전도도를 산출하는 단계.
이때, 상기 열판에 수직인 상부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량은 하기 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
(상기 수학식 1에서 Pup은 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, T1은 열판 상부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T2는 열판 상부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 타면의 온도, T3는 열판 하부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T4는 열판 하부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 일면의 온도, i는 열판에 인가되는 전류, V는 열판에 인가되는 전압을 의미한다.)
또한, 열판에 수직인 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량은 하기 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
(상기 수학식 2에서 Pdown은 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, T1은 열판 상부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T2는 열판 상부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 타면의 온도, T3는 열판 하부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T4는 열판 하부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 일면의 온도, i는 열판에 인가되는 전류, V는 열판에 인가되는 전압을 의미한다.)
상기 상부 방향으로 인가되는 열량 값을 이용하여, 상기 전지셀의 상부 방향 열전도도는 하기 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
(상기 수학식 3에서, kup은 전지셀 하면에서 상면으로의 수직 방향 열전도도, Pup은 상부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, Ltop은 냉각판의 두께, A는 열량을 측정하는 단위면적, TH는 전지셀 열판에 가까운 전지셀 하면의 온도, TC는 냉각판에 가까운 전지셀 상면의 온도를 의미한다)
한편 상기 하부 방향으로 인가되는 열량 값을 이용하여, 상기 전지셀의 하부 방향 열전도도는 하기 수학식 4에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
(상기 수학식 4에서, kdown은 전지셀 상면에서 하면으로의 수직 방향 열전도도, Pdown은 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, Lbottom은 냉각판의 두께, A는 열량을 측정하는 단위면적, T'H는 전지셀 열판에 가까운 전지셀 상면의 온도, T'C는 냉각판에 가까운 전지셀 하면의 온도를 의미한다)
본 발명은 전지셀 열전도도 측정장치 및 이를 이용한 열전도도 측정방법에 관한 것으로, 비등방성 열전도 특성이 나타나는 파우치형 전지셀의 열전도도를 각 방향에 따라 분리하여 측정이 가능하며, 이를 통해 이차전지용 전지셀을 사용하는 제품의 열 특성에 따른 안정성 평가를 효율적으로 수행할 수 있다.
도 1은 종래의 열전도도 측정장치의 측면에서 본 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 또다른 열전도도 측정장치의 측면에서 본 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 의한 열전도도 측정장치의 측면에서 본 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 의한 열전도도 측정장치의 구조를 입체적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 또다른 일 실시형태에 의한 열전도도 측정장치의 측면에서 본 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 또다른 일 실시형태에 의한 열전도도 측정장치의 구조를 입체적으로 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시형태들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용된 용어들은 이해를 돕기 위한 것이며, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소가 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 발명의 명세서에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 명세서 전체에서는 "상부", "하부", "상방향", "하방향", "상면", "하면"는 모두 본 발명의 열전도도 측정장치의 열판을 기준으로 하여 수직 방향으로의 상대적인 위치를 의미한다. 예를 들어 "상방향"으로의 열량 전달이라 함은 열판을 기준으로 수직방향으로 위쪽 방향을 의미한며, 전지셀의 "상면"이라고 함은 파우치형 전지셀을 열전도도 측정장치에 수평으로 배치하였을 시, 상기 "상방향"을 향하는 일면을 의미한다. 따라서 전지셀의 "하면"은 상기 "상면"의 반대편인 타면을 의미한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
최근 모바일기기부터 전기자동차에 이르기까지 다양한 제품군에서 고에너지의 고집적 이차전지를 필요로 하고 있다. 파우치형 이차전지는 공간 활용도가 우수하여 에너지 집적도가 높은 이차전지 제조에 적합하다. 그런데, 이러한 직접도에 비례하여 사용 시 발생하는 열량도 증가한다. 이차전지 내에서 높은 열이 발생할 때 이를 효율적으로 배출하지 못하면, 이차전지 자체에서 열폭주 현상이 발생할 수 있으며, 이차전지가 포함된 전자기기의 열 특성에 따라서도 좋이 않은 영향을 줄 수 있다. 따라서, 파우치형 전지셀의 열 특성을 측정하는 것은 매우 중요하다.
그런데, 전지셀의 경우 단일재료로 이루어진 소재와는 달리 비등방성으로 열전도가 일어나므로 종래의 열전도도 측정장치로 특성을 파악하기에는 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 열전도도 측정장치는 파우치형 전지셀의 하면으로부터 상면으로의 수직방향 열전도도 및 상면으로부터 하면으로의 수직방향 열전도도를 분리하여 각각 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이를 통해 전지셀 내부에서 발생하는 열이 전지셀 상면과 하면으로 어떤 비율로 전달되는지 정확히 판별하는 것이 가능하며, 전자제품의 내부 부품의 열 특성을 고려하여 이차전지의 배치 위치 및 방향을 최적화하여 설계하는 것이 가능하다.
본 발명의 열전도도 측정장치는 발열체를 포함하는 열판; 상기 열판의 측면에서 이격된 상태로 열판을 둘러싸는 보호열판;을 포함할 수 있다,
또한 상기 열판에 대하여 수직하는 방향으로 상부 및 하부에 각각 측정판, 냉각판, 냉각유닛을 순차적으로 포함할 수 있으며, 상기 열판의 상방향과 하방향에 각각 배치되는 측정판, 냉각판, 냉각유닛은 열판을 중심으로 대칭 구조를 이루고 있다. 이러한 구조로 인하여 열판에서 발생한 열이 열판으로부터 상하의 냉각판을 향에 수직 방향으로 이동하게 된다.
이때, 상기 상부 및 하부의 측정판과 냉각판 사이에는 열전도도 측정을 위하여 각각 전지셀이 1개씩 배치될 수 있다.
한편, 상기 보호열판은 열판의 열 전달 방향을 열판을 중심으로 수직인 상하 방향의 선형으로 1차원적으로 유도하기 위한 것으로, 열판으로부터 발생하는 열이 측면으로 이동하지 않도록 상기 열판과 같거나 더 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 한다. 만약 보호열판이 열판보다 낮은 온도로 떨어지게 된다면, 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하는 특성 상 측면으로도 열 이동이 발생하게 되므로, 정확한 열전도도 측정이 어렵게 된다.
상기 측정판의 두께는 열판에서 발생하는 열량의 크기에 비례하여 커지는 것을 특징으로 한다. 측정판은 열판에 가까운 고온면과 냉각판에 더 가까운 저온면으로 열 성향이 나타날 수 있는데, 고온면과 저온면의 거리가 멀수록 열 흐름이 균일하게 나타나는 경향이 있다. 즉 측정판의 두께가 두꺼울수록 더욱 정교하게 열 특성 측정이 가능하다. 그러나, 두께가 증가할수록 열손실도 커지므로, 열판으로부터 발생하는 열량의 크기에 따라 적절한 두께로 조절할 필요가 있다.
상기 측정판은 열전도도가 우수하고 레퍼런스 값이 잘 알려진 금속재료를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 측정판의 소재로는 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금을 선택하여 사용할 수 있다. 열전도도가 낮으면 그만큼 열손실이 커지므로 정확한 열량 측정이 어렵게 된다.
한편, 측정판은 열전도도 측정의 기준이 되는 구성 요소로서, 열전도도 계산 시 열판에 가까운 일면과 냉각판에 가까운 타면의 온도를 각각 측정하게 된다.
또한, 측정판의 두께 증가로 인한 열손실을 최소화하기 위하여, 열판과 유사한 구조로 측정판을 설계할 수 있다. 본 발명의 또다른 일 실시형태에 의하면 상기 측정판의 측면에 측정판과 이격된 위치에서 측정판을 둘러싸는 보호 측정판을 추가로 더 포함할 수 있으며, 이러한 경우 측정판에서의 열손실을 더욱 줄일 수 있다.
열전도도 측정장치의 측면으로 손실되는 열을 더욱 줄이기 위하여, 상기 전지셀 열전도도 측정장치의 측면에는 단열성 소재로 이루어진 단열부재가 구비될 수 있다. 상기 단열부재는 이를 통해 직접적인 열전달이 이루어지지 않도록 열전도도 측정장치로부터 이격되어 구비되는 것이 바람직하다.
상기 열판은 원기둥 또는 직육면체 형태일 수 있다. 열판의 형태에는 제한이 없으나, 측면 방향으로의 열손실을 억제하고 상하 방향으로 일차원적인 열량 전달을 도모하기 위해, 직사각형 형태 또는 정사각형 형태, 가장 바람직하게는 원형일 수 있다.
본 발명의 전지셀 열전도도 측정장치를 이용하면, 전지셀의 상방향과 하방향에서 각각 다른 열 특성이 나타나는 전지셀 열전도도를 각각 분리하여 측정할 수 있다. 구체적으로 하기와 같은 단계를 거쳐 수직 방향으 상방향과 하방향을 각각 분리 측정이 가능하다.
열판에 대하여 수직인 상부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량을 산출하는 단계;
열판에 대하여 수직인 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량을 산출하는 단계;
상기 상부 방향으로 인가되는 열량과 하부 방향으로 인가되는 열량을 이용하여 전지셀의 열전도도를 산출하는 단계.
종래의 보호열판법 중 2장법은 주열판과 보조열판의 온도를 동일하게 한 상태에서 주열판의 수직한 방향으로 일정한 열 유속을 형성하는 원리이다. 이에 따라 보조열판의 크기가 매우 커야 하며, 보조열판은 열판과 완전히 동일한 온도로 유지하여야 한다. 또한, 상하의 시험편이 동일한 재료료 전도도가 같다고 가정하여 상방향과 하방향의 전도도의 평균으로 열량을 구한다. 따라서, 열전도도가 균일한 등방성 재료나 단열재의 열 특성 측정에는 적합하나, 파우치형 전지셀의 열전도도는 이러한 방법으로는 측정이 불가능하다.
따라서, 본 발명의 열전도도 측정장치는 열판의 상하에 측정판을 배치하여 상방향의 열량과 하방향의 열량을 각각 분리하여 별도로 측정한다. 또한, 전지셀의 크기에 대응하여 열판을 크게 제작하여야 하나, 측정판을 배치함에 따라 보호열판은 상대적으로 작게 제작하여도 되며, 보호열판의 온도도 열판보다 높은 상태에서 유지하면 되므로 조절이 용이하다.
본 열전도도 측정장치의 측정원리는 다음과 같다.
열판으로부터 발생하는 총 열량은 전류와 전압의 곱으로로 나타낼 수 있으며, 이는 상방향의 열량과 하방향의 열량을 더한 값과 같다.
한편 상부 측정판과 하부 측정판의 표면 온도를 이용하면 상하 방향으로 각각 인가되는 열량의 비율을 구할 수 있다. 이를 이용하여, 전지셀의 상방향과 하방향으로의 열전도도를 각각 구할 수 있으며, 그 비율 또한 용이하게 산출이 가능하다.
먼저 상기 열판에 수직인 상부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량은 하기 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00005
(상기 수학식 1에서 Pup은 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, T1은 열판 상부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T2는 열판 상부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 타면의 온도, T3는 열판 하부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T4는 열판 하부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 일면의 온도, i는 열판에 인가되는 전류, V는 열판에 인가되는 전압을 의미한다.)
다음으로, 열판에 수직인 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량은 하기 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00006
(상기 수학식 2에서 Pdown은 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, T1은 열판 상부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T2는 열판 상부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 타면의 온도, T3는 열판 하부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T4는 열판 하부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 일면의 온도, i는 열판에 인가되는 전류, V는 열판에 인가되는 전압을 의미한다.)
상기 각각 계산한 열량 값을 이용하여, 전지셀의 열전도도를 계산할 수 있다. 하기 수학식 3, 4에 의한 열전도도 계산 인자들은 하기에 도시되어 있다.
먼저 상기 상부 방향으로 인가되는 열량 값을 이용하여, 상기 전지셀의 상부 방향 열전도도는 하기 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00007
(상기 수학식 3에서, kup은 전지셀 하면에서 상면으로의 수직 방향 열전도도, Pup은 상부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, Ltop은 냉각판의 두께, A는 열량을 측정하는 단위면적, TH는 전지셀 열판에 가까운 전지셀 하면의 온도, TC는 냉각판에 가까운 전지셀 상면의 온도를 의미한다)
상기 하부 방향으로 인가되는 열량 값을 이용하여, 상기 전지셀의 하부 방향 열전도도는 하기 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00008
(상기 수학식 4에서, kdown은 전지셀 상면에서 하면으로의 수직 방향 열전도도, Pdown은 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, Lbottom은 냉각판의 두께, A는 열량을 측정하는 단위면적, T'H는 전지셀 열판에 가까운 전지셀 상면의 온도, T'C는 냉각판에 가까운 전지셀 하면의 온도를 의미한다)
상기 kup과 kdown 값으로 이방성이 나타나는 전지셀의 열전도도를 각 방향 별로 분리하여 계산할 수 있으며, 각 방향으로 열이 전달되는 비율도 쉽게 알 수 있다.
이하 각 도면을 참고하여 본 발명의 열전도도 측정장치의 구조를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 열전도도 측정장치(10)로서, 열판(11), 보호열판(12), 측정판(13), 보호판(14), 냉각판(16), 단열재(17), 보호판(18)을 구비하고 있으며, 시험편(15)는 냉각판(16) 상에 배치된다. 열판(11)으로부터 발생한 열은 냉각판(16)의 방향으로 수직으로 이동하므로, 시험편(15)의 상부에서 하부로의 열 이동이 일어난다. 따라서, 이러한 방법은 등방성 재료에만 적용할 수 있다. 또한, 측면으로의 열손실이 크게 나타나므로 대략적인 열 특성을 파악하는 것은 가능하나, 정밀한 측정은 불가능하다. 또한, 상기 측정판(13)은 열판(11)에서 발생된 열량을 직접 측정하는 것이 아니라, 열량 측정에 있어서 열의 손실을 방지하기 위한 단열재의 역할을 한다. 따라서, 상기 도 1의 측정장치(10)에서는 측정판(13)의 상하 방향 표면 온도를 측정하지 않는다. 이에 비하여 본 발명의 측정장치에 구비된 측정판은 종래의 측정장치와는 달리, 상하 대칭 구조로 존재하며, 단열재 역할을 하는 것이 아니라 측정판의 표면 온도를 직접 측정함에 따라 열판의 상하 방향으로 이동하는 열량을 산출하는 용도로 이용된다.
도 2는 종래의 또다른 열전도도 측정장치(20)로서 상기 도 1의 열전도도 측정장치(10)을 더욱 개선한 것이다. 이는 열판(21), 측정판(22), 측정기(23), 보호판(24), 보호열판(25), 냉각판(27), 냉각유닛(28) 및 단열재(29)를 포함하고 있으며, 시험편(26)은 냉판(27) 상에 배치되고, 열 이동은 상방향에서 하방향으로 발생한다. 도 1의 열전도도 측정장치(10)에서 열손실이 더욱 억제되어 있는 구조이나, 마찬가지로 일방향의 열전도도만 측정이 가능하므로 전지셀의 열전도도 측정에는 적합하지 않다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 열전도도 측정장치(100)의 일 실시형태이다. 중앙에 있는 열판(110)으로부터 열이 수직방향으로 상방향과 하방향으로 이동하게 되며, 측방향으로의 손실을 방치하기 위해 열판(110)의 측면에는 보호열판(120)이 이격되어 배치된다. 또한 열판에 상하 방향으로 인접하여 상부 측정판(131) 및 하부 측정판(132)가 존재하며, 상부 측정판(131)과 하부 측정판(132)의 각 면의 온도를 측정하여, 상하 방향으로 전달되는 열량 비율을 알 수 있다. 그 다음으로 상부 냉각판(141)과 하부 냉각판(142)이 배치되는데 이와 인접하여 상부 냉각유닛(151)과 하부 냉각유닛(152)가 배치되어, 냉각판의 낮은 온도를 유지하게 된다. 전지셀은 상방향과 하방향에 각각 배치되며(101, 102) 하면에서 상면 방향으로의 열전도도 및 상면에서 하면 방향으로의 열전도도를 각각 분리하여 계산하기 위해 동일한 종류의 전지셀이 동일한 방향으로 배치되어야 한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 열전도도 측정장치(200)의 또다른 일 실시형태이다. 중앙에 있는 열판(210)으로부터 열이 수직방향으로 상방향과 하방향으로 이동하게 되며, 측방향으로의 손실을 방치하기 위해 열판(210)의 측면에는 보호열판(220)이 이격되어 배치된다. 또한 열판에 상하 방향으로 인접하여 상부 측정판(131) 및 하부 측정판(132)가 존재하며, 상부 측정판(131)과 하부 측정판(132)의 각 면의 온도를 측정하여, 상하 방향으로 전달되는 열량 비율을 알 수 있다. 또한, 상기 상부측정판(131)과 하부 측정판(132)의 측변에는 각각 보호측정판(241, 242)가 이격되어 배치된다. 이를 통해 측정판에서의 열손실을 더욱 줄일 수 있으면서도, 열 전달 특성을 균일하게 유지하는 것이 가능하다. 그 다음으로 상부 냉각판(251)과 하부 냉각판(252)이 배치되는데 이와 인접하여 상부 냉각유닛(261)과 하부 냉각유닛(262)가 배치되어, 냉각판의 낮은 온도를 유지하게 된다. 전지셀은 상방향과 하방향에 각각 배치되며(201, 202) 하면에서 상면 방향으로의 열전도도 및 상면에서 하면 방향으로의 열전도도를 각각 분리하여 계산하기 위해 동일한 종류의 전지셀이 동일한 방향으로 배치되어야 한다.
10 : 열전도도 측정장치
11 : 열판
12 : 보호열판
13 : 측정판
14 : 보호판
15 : 시험편
16 : 냉판
17 : 단열재
18 : 보호판
20 : 열전도도 측정장치
21 : 열판
22 : 측정판
23 : 측정기
24 : 보호판
25 : 보호열판
26 : 시험편
27 : 냉판
28 : 냉각유닛
29 : 단열재
100 : 열전도도 측정장치
101 : 상부 전지셀
102 : 하부 전지셀
110 : 열판
120 : 보호열판
131 : 상부 측정판
132 : 하부 측정판
141 : 상부 냉각판
142 : 하부 냉각판
151 : 상부 냉각유닛
152 : 하부 냉각유닛
150 : 단열재
200 : 열전도도 측정장치
201 : 상부 전지셀
202 : 하부 전지셀
210 : 열판
220 : 보호열판
231 : 상부 측정판
232 : 하부 측정판
241 : 상부 보호측정판
242 : 하부 보호측정판
251 : 상부 냉각판
252 : 하부 냉각판
261 : 상부 냉각유닛
262 : 하부 냉각유닛
270 : 단열재

Claims (12)

  1. 발열체를 포함하는 열판;
    상기 열판의 측면에서 이격된 상태로 열판을 둘러싸는 보호열판;을 포함하고,
    상기 열판에 대하여 수직하는 방향으로 상부 및 하부에 각각 측정판, 냉각판, 냉각유닛을 순차적으로 포함하여 대칭 구조를 이루고 있으며,
    상기 상부 및 하부의 측정판과 냉각판 사이에는 각각 전지셀이 배치되는 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보호열판은 상기 열판과 같거나 더 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정판의 두께는 열판에서 발생하는 열량의 크기에 비례하여 커지는 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정판은 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 측정판의 측면에 측정판과 이격된 위치에서 측정판을 둘러싸는 보호 측정판을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열판은 원기둥 또는 직육면체 형태인 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전지셀 열전도도 측정장치의 측면에 단열성 소재로 이루어진 단열부재가 열전도도 측정장치로부터 이격되어 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 열전도도 측정장치.
  8. 제1항의 전지셀 열전도도 측정장치를 이용하여 전지셀의 열전도도를 측정하는 방법으로서,
    열판에 대하여 수직인 상부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량을 산출하는 단계;
    열판에 대하여 수직인 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량을 산출하는 단계;
    상기 상부 방향으로 인가되는 열량과 하부 방향으로 인가되는 열량을 이용하여 전지셀의 열전도도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열판에 수직인 상부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량은 하기 수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00009

    (상기 수학식 1에서 Pup은 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, T1은 열판 상부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T2는 열판 상부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 타면의 온도, T3는 열판 하부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T4는 열판 하부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 일면의 온도, i는 열판에 인가되는 전류, V는 열판에 인가되는 전압을 의미한다.)
  10. 제8항에 있어서,
    상기 열판에 수직인 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량은 하기 수학식 2에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정방법.
    [수학식 2]
    Figure pat00010

    (상기 수학식 2에서 Pdown은 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, T1은 열판 상부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T2는 열판 상부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 타면의 온도, T3는 열판 하부에 배치되는 측정판의 열판과 대면하는 일면의 온도, T4는 열판 하부에 배치되는 측정판의 전지셀과 대면하는 일면의 온도, i는 열판에 인가되는 전류, V는 열판에 인가되는 전압을 의미한다.)
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전지셀의 상부 방향 열전도도는 하기 수학식 3에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00011

    (상기 수학식 3에서, kup은 전지셀 하면에서 상면으로의 수직 방향 열전도도, Pup은 상부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, Ltop은 냉각판의 두께, A는 열량을 측정하는 단위면적, TH는 전지셀 열판에 가까운 전지셀 하면의 온도, TC는 냉각판에 가까운 전지셀 상면의 온도를 의미한다)
  12. 제8항에 있어서,
    상기 전지셀의 하부 방향 열전도도는 하기 수학식 4에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 전지셀 열전도도 측정방법.
    [수학식 4]
    Figure pat00012

    (상기 수학식 4에서, kdown은 전지셀 상면에서 하면으로의 수직 방향 열전도도, Pdown은 하부 방향으로 전지셀에 인가되는 열량, Lbottom은 냉각판의 두께, A는 열량을 측정하는 단위면적, T'H는 전지셀 열판에 가까운 전지셀 상면의 온도, T'C는 냉각판에 가까운 전지셀 하면의 온도를 의미한다)
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