KR20210060865A - 금속 입자가 분산된 열전도성 수지를 포함하는 전지 모듈, 이를 검사하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자상 금속이 분산된 열전도성 수지를 포함하는 전지 모듈, 이를 검사하는 방법과 시스템에 관한 것으로, 비파괴적인 방법으로 상기 수지의 분산 정도를 효과적으로 검사하고 불량 여부를 검출할 수 있다.

Description

금속 입자가 분산된 열전도성 수지를 포함하는 전지 모듈, 이를 검사하는 방법 및 시스템{Battery Module Comprising Metal Nanoparticle Dispersed Thermal Conductive Resin and Testing Method Thereof}
본 발명은 금속 입자가 분산된 열전도성 수지를 포함하는 전지 모듈, 이를 검사하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도, 리튬 이차전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하다는 점에서, 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자 제품들의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로 주목받고 있다. 전기자동차의 에너지원으로 적용하기 위해서는 고출력의 전지가 필요하다.
그러나, 고출력의 전지를 구현하기 위해서는, 충방전 과정에서 전지에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하는 요소에 대한 필요성이 있다. 전지에서 발생되는 열을 충분히 방출하지 못하면, 전지의 열화 내지 발화의 위험성이 증가하게 된다.
다수의 전지를 포함하는 전지 모듈 혹은 전지팩의 경우에는, 전지의 충방전 과정에서 발생되는 열을 방출하기 위해 방열판 등을 구비하거나 열전도성이 우수한 수지를 적용하기도 한다. 열 방출을 위해 열전도성 수지를 적용하는 경우에는, 설계 자유도가 우수하다는 장점이 있으나, 전지 모듈 내에 수지가 고루 분산되었는지 여부에 대한 검사가 요구된다.
기존에는 이를 확인하기 위해서 CT(Computerized Tomography) 장비를 이용하거나, 제조된 전지 모듈 중에서 일부를 분해하여 검사하는 방법을 채택하고 있다. 그러나, CT 장비를 이용하는 방법은 장비가 고가이고 해상도가 좋지 못하다는 한계가 있고, 전지 모듈을 분해하는 방법은 전지 모듈을 파괴해야 하므로 전수 검사가 불가능하고 검사 비용 및 시간이 증가한다는 한계가 있다.
한국공개특허공보 제2013-0136157호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 본 발명은 금속 입자가 분산된 열전도성 수지를 포함하는 전지 모듈, 이를 검사하는 방법 및 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은, 하나 또는 둘 이상의 전지셀; 상기 전지셀이 수납되는 모듈 케이스; 및 전지셀들이 부분적으로 함침되도록 상기 모듈 케이스 내에 수납되는 열전도성 수지를 포함하고, 상기 열전도성 수지는 수지 매트릭스 내에 분산된 입자상 금속을 포함한다.
하나의 예에서, 상기 입자상 금속은 전지셀에 함유된 금속 성분 보다 원자번호가 큰 것이다. 예를 들어, 상기 입자상 금속은 주석 및 납 중 1 종 이상이다.
하나의 예에서, 상기 열전도성 수지는 폴리아미드(Polyamide; PA), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene sulfide; PPS), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate; PBT) 및 폴리에테르이미드(Polyetherimide; PEI) 중 1 종 이상이다.
구체적인 예에서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지이다. 예를 들어, 상기 전지셀은 파우치형 전지이다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 모듈에 대한 검사 방법을 제공한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈 검사 방법은, 앞서 설명한 전지 모듈에 대해 엑스선을 조사하여 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계를 포함한다.
하나의 예에서, 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계는, 엑스선 조사를 통해 열전도성 수지 내에 분사된 입자상 금속을 검출하고, 검출된 입자상 금속의 분산을 통해 열전도성 수지의 분산 정도를 산출하는 것을 포함한다.
구체적인 예에서, 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계는, 이중 에너지 엑스선 (Dual Energy X-ray) 장치에 의해 수행한다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈 검사 방법은, 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계 이후에, 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계를 더 포함한다. 상기 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계는, 검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 둘 이상의 영역을 분할하고, 어느 하나의 영역 내의 검출된 입자상 금속의 분산 정도와 다른 하나의 영역 내의 검출된 입자상 금속의 분산 정도를 대비하여 수행한다.
또 다른 하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈 검사 방법은, 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계 이후에, 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며, 상기 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계는, 검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 둘 이상의 영역을 분할하고, 어느 하나의 영역 내의 검출된 입자상 금속의 분산 정도를 미리 설정된 입자상 금속의 분산 정도와 대비하여 수행한다.
하나의 예에서, 상기 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계는, 다수의 전지 모듈에 대해 엑스선을 연속적으로 또는 순차적으로 조사하여 수행한다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 모듈에 대한 검사 시스템을 제공한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 포함하는 전지 모듈 검사 시스템은, 검사 대상이 되는 둘 이상의 전지 모듈; 상기 전지 모듈을 연속적으로 또는 순차적으로 이송하는 이송부; 상기 전지 모듈의 이송 중 특정 위치에 도달한 전지 모듈에 대해 엑스선을 조사하고 그 결과를 수신하는 엑스선 검사부; 및 전지 모듈에 대한 엑스선 조사 결과를 출력하는 출력부를 포함한다.
구체적인 예에서, 상기 엑스선 검사부는 이중 에너지 엑스선(Dual Energy X-ray) 장치를 포함한다.
하나의 예에서, 상기 출력부는 검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 둘 이상의 영역을 분할하고, 각 영역별 검출된 입자상 금속의 분산 정도를 산출하는 데이터 처리부를 더 포함한다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 입자상 금속이 분산된 열전도성 수지를 포함하며, 이를 통해 비파괴적인 방법으로 상기 수지의 분산 정도를 검사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈 검사 과정을 도시한 모식도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 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.
본 발명에 따른 전지 모듈은, 하나 또는 둘 이상의 전지셀; 상기 전지셀이 수납되는 모듈 케이스; 및 전지셀들이 부분적으로 함침되도록 상기 모듈 케이스 내에 수납되는 열전도성 수지를 포함한다. 또한, 상기 열전도성 수지는 수지 매트릭스 내에 분산된 입자상 금속을 포함한다.
본 발명에서 전지팩은 하나 또는 둘 이상의 전지셀이 조합된 패키지를 총칭하는 의미이다. 상기 전지팩은 복수의 전지셀이 모듈화된 전지 모듈을 포함하는 개념이며, 경우에 따라서는 개별 전지 모듈을 지칭하는 것도 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 상기 전지팩에 포함되는 전지셀의 수는, 적용되는 제품 또는 기술분야에 따라 다양하게 적용 가능하며, 예를 들어 10 내지 200 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 전지팩 내부에 열이 축적되는 것을 방지하기 위해 열전도성 수지를 포함한다. 상기 열전도성 수지는 전지셀과 접촉하는 형태로 위치하며, 전지셀에서 발생되는 열이 외부로 방출되도록 전달하는 역할을 수행한다. 상기 열전도성 수지는 전지셀을 부분 함침하는 형태이므로, 전지셀의 위치를 고정하는 역할도 함께 수행한다.
더불어, 상기 열전도성 수지는 수지 매트릭스 내에 분산된 입자상 금속을 포함한다. 상기 금속 입자는 엑스선(X-ray) 조사시 위치 검출이 가능하다. 따라서, 본 발명에서는 수지 매트릭스 내에 분산된 입자상 금속의 위치 내지 분산 정도를 검출함으로써, 상기 열전도성 수지의 위치 내지 분산 정도를 산출할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 입자상 금속은 전지셀에 함유된 금속 성분 보다 원자번호가 큰 금속이다. 예를 들어, 리튬 이차전지에 함유된 금속 성분은 리튬, 탄소, 니켈, 망간 및 알루미늄 등이며, 이 중에서 원자번호가 가장 큰 금속은 니켈이다. 본 발명에서는 수지 매트릭스 내에 분산된 입자상 금속으로, 리튬 이차전지에 함유된 금속 성분 보다 원자번호가 큰 금속을 사용함으로써, 엑스선 분석시 검출 효율을 높일 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 입자상 금속은 리튬 이차전지에 함유된 금속 성분 보다 원자번호가 큰 경우라면 다양하게 적용 가능하나, 제조 단가 내지 소재의 확보 용이성 등에서 주석(Sn) 및 납(Pb) 중 1 종 이상을 사용할 수 있다. 상기 입자상 금속의 함량은, 열전도성 수지 100 중량부를 기준으로, 0.5 내지 10 중량부 범위, 구체적으로는 1 내지 10 중량부 또는 3 내지 8 중량부 범위이다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 열전도성 수지는 전지셀에서 발생되는 열을 외부로 방출되도록 전달하는 역할을 수행하며, 예를 들어, 폴리아미드(Polyamide; PA), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene sulfide; PPS), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate; PBT) 및 폴리에테르이미드(Polyetherimide; PEI) 중 1 종 이상을 포함한다. 예를 들어, 상기 열전도성 수지는 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC) 수지이다.
구체적으로, 상기 열전도성 수지는 도전재를 더 포함할 수 있다. 수지 매트릭스 내에 도전재가 분산된 형태이며, 상기 도전재로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상이 사용될 수 있다. 상기 도전재의 함량은 열전도성 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 40 중량부 범위이고, 구체적으로는 5 내지 30 중량부 또는 10 내지 30 중량부 범위이다. 하나의 실시예에서, 상기 열전도성 수지는 수지 100 중량부 대비 흑연 입자가 30 중량비 혼합된 구조이다.
하나의 실시예에서, 상기 열전도성 수지는, 수지 100 중량부, 도전재 1 내지 40 중량부 및 입자상 금속 0.5 내지 10 중량부를 포함한다. 보다 구체적인 실시예에서, 상기 열전도성 수지는 수지 100 중량부, 도전재 10 내지 40 중량부 및 입자상 금속 3 내지 10 중량부를 포함한다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 하나 또는 둘 이상의 전지셀이 집합된 구조를 포함한다. 상기 전지셀은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전극 조립체; 상기 전극 조립체를 함침시키는 비수 전해액; 및 상기 전극 조립체와 상기 비수 전해액을 내장하는 전지 케이스를 포함한다. 구체적인 실시예에서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지이다. 또한, 상기 전지셀은 파우치형 전지이다. 파우치형 전지는 금속층(포일)과 상기 금속층의 상면과 하면에 코팅되는 합성수지층의 다층막으로 구성되는 파우치 외장재를 사용하여 외관을 구성하기 때문에, 금속 캔을 사용하는 원통형 또는 각형보다 전지의 무게를 현저히 줄일 수 있어 전지의 경량화가 가능하며, 다양한 형태로의 변화가 가능하다는 장점이 있다. 예를 들어, 상기 전지셀은 파우치형 리튬 이차전지이다.
리튬 이차전지는 이차전지 내에 리튬을 함유하는 경우를 총칭하는 의미이며, 구체적으로는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함한다.
양극은, 양극 집전제의 일면 또는 양면에 양극 합제층이 적층된 구조이다. 양극 활물질은 각각 독립적으로, 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다. 하나의 예에서, 양극 합제층은 양극 활물질 외에 도전재 및 바인더 고분자 등을 포함되며, 필요에 따라, 당업계에서 통상적으로 사용되는 양극 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 양극 활물질은 리튬 함유 산화물일 수 있으며, 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 리튬 함유 산화물로는, 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은, LixCoO2(0.5<x<1.3), LixNiO2(0.5<x<1.3), LixMnO2(0.5<x<1.3), LixMn2O4(0.5<x<1.3), Lix(NiaCobMnc)O2(0.5<x<1.3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1-yCoyO2(0.5<x<1.3, 0<y<1), LixCo1-yMnyO2(0.5<x<1.3, 0≤y<1), LixNi1-yMnyO2(0.5<x<1.3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0.5<x<1.3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2-zNizO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixMn2-zCozO4(0.5<x<1.3, 0<z<2), LixCoPO4(0.5<x<1.3) 및 LixFePO4(0.5<x<1.3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 중 1 종 이상이 사용될 수 있다.
상기 양극 활물질은 양극 활물질층 중에 90 내지 99 중량% 범위로 포함될 수 있다. 양극 활물질의 함량이 상기 범위를 만족할 때 고용량 전지의 제작, 그리고 충분한 양극의 도전성이나 전극재간 접착력을 부여하는 면에서 유리하다.
상기 양극에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 양극 활물질 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속이면서, 이차전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 양극용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다.
양극 활물질층은 도전재를 더 포함한다. 상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 이차전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전재로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 및 폴리페닐렌 유도체 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상이 사용될 수 있다.
바인더 성분으로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 바인더 고분자가 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 스티렌-부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose, CMC) 등의 다양한 종류의 바인더가 사용될 수 있다.
상기 분리막은 리튬 이차전지에서 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide) 또는 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50 ㎛일 수 있고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50 ㎛ 및 10 내지 95 %일 수 있다.
한편, 상기 다공성 기재로 구성된 분리막의 기계적 강도 향상 및 양극과 음극 사이의 단락 억제를 위해, 상기 다공성 기재의 적어도 일면에, 무기물 입자와 바인더 고분자를 포함하는 다공성 코팅층을 더 포함할 수 있다.
상기 전해액은 유기용매 및 전해질 염을 포함할 수 있으며, 상기 전해질 염은 리튬염이다. 상기 리튬염은 리튬 이차전지용 비수 전해액에 통상적으로 사용되는 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 리튬염의 음이온으로는 F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함할 수 있다.
전술한 전해액에 포함되는 유기용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트 또는 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트는 고점도의 유기용매로서 유전율이 높아 전해질 내의 리튬염을 보다 더 잘 해리시킬 수 있으며, 이러한 환형 카보네이트에 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트와 같은 저점도, 저유전율 선형 카보네이트를 적당한 비율로 혼합하여 사용하면 보다 높은 전기 전도율을 갖는 전해액을 만들 수 있다.
또한, 상기 유기용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 유기용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오 네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 비수 전해액의 주입은 최종 제품의 제조 공정 및 요구 물성에 따라, 전지셀의 제조 공정 중 적절한 단계에서 행해질 수 있다. 즉, 전지셀 조립 전 또는 전지셀 조립 최종 단계 등에서 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 다양한 형태 내지 용량으로 적용 가능하다. 예를 들어, 상기 전지 모듈은 자동차용 혹은 대용량 에너지 저장 장치 등으로 적용 가능하다. 본 발명에 따른 전지 모듈은 내부에 열전도성 수지를 포함함으로써, 전지셀에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있다. 특히, 상기 열전도성 수지의 분산 형태를 효과적으로 검출하고 불량 여부를 비파괴적인 방법으로 검수할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전지 모듈은 엑스선 조사라는 간편한 공정만으로 열전도성 수지의 분산 형태를 확인할 수 있으며, 이를 통해 검사 비용을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 전지 모듈에 대한 검사 방법을 제공한다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈 검사 방법은, 전지 모듈에 대해 엑스선을 조사하여 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계를 포함한다. 상기 전지 모듈은 앞서 설명한 바와 같다.
본 발명에서 검사 대상이 되는 전지 모듈은 내부에 열이 축적되는 것을 방지하기 위해 열전도성 수지를 포함한다. 상기 열전도성 수지는 전지셀과 접촉하는 형태로 위치하며, 전지셀에서 발생되는 열이 외부로 방출되도록 전달하는 역할을 수행한다. 더불어, 상기 열전도성 수지는 수지 매트릭스 내에 분산된 입자상 금속을 포함한다. 상기 금속 입자는 엑스선(X-ray) 조사시 위치 검출이 가능하다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈 검사 방법에서, 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계는, 엑스선 조사를 통해 열전도성 수지 내에 분사된 입자상 금속을 검출하고, 검출된 입자상 금속의 분산을 통해 열전도성 수지의 분산 정도를 산출하는 것을 포함한다. 상기 입자상 금속은 열전도성 수지 내에 균일하게 분산된 형태이다. 따라서, 입자상 금속의 위치 내지 분산을 검출함으로써 열전도성 수지의 분포를 추정하는 것이 가능하다. 전지 모듈에 조사된 엑스선은 수지 매트릭스 내에 분산된 입자상 금속과 충돌하면서 다른 영역과 투과도가 달라지게 된다. 하나의 실시예에서, 상기 입자상 금속은 전지셀에 함유된 금속 성분 보다 원자번호가 큰 금속이다. 이를 통해, 이차전지 내부의 다른 영역과 대비하여 엑스선 투과도에 차이가 발생하고, 검출 효율을 높일 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 입자상 금속은 주석(Sn) 및 납(Pb) 중 1 종 이상을 포함한다.
또 다른 하나의 실시예에서, 상기 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계는, 이중 에너지 엑스선(Dual Energy X-ray) 장치에 의해 수행 가능하다. 구체적으로, 상기 이중 에너지 엑스선 장치는, 이중 에너지 엑스선 흡수기(Dual Energy X-ray Absorptiometry; DXA)이다. 이중 에너지 엑스선 흡수기는 에너지 수준이 다른 두 개의 엑스선 빔이 대상체에 조사된다. 조사된 엑스선은 대상체의 밀도 등에 따라 각 빔의 흡수 내지 불투과로부터 결과를 산출하게 된다. 이중 에너지 엑스선 흡수기는 기존의 엑스선 대비 보다 높은 해상도와 분해능을 구현하며, 분석 정밀도를 현저히 높일 수 있다.
구체적인 실시예에서, 본 발명은, 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계 이후에, 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계를 더 포함한다. 여기서, 상기 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계는, 검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 둘 이상의 영역을 분할하고, 어느 하나의 영역 내의 검출된 입자상 금속의 분산 정도와 다른 하나의 영역 내의 검출된 입자상 금속의 분산 정도를 대비하여 수행한다. 구체적으로, 상기 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계는, 전지 모듈 내에 포함된 열전도성 수지가 고루 분산되었는지 여부를 판단하는 것을 포함한다. 열전도성 수지는 전지셀의 방열을 위한 것으로, 상기 열전도성 수지가 전지 모듈 일면에 고루 분산되어 있어야 전지 모듈에 수납된 전지셀에 대한 균일한 방열이 가능하다. 구체적으로, 상기 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계를 수행할 때, 전지 모듈의 검사면을 복수의 영역으로 분할하고, 각 영역별로 열전도성 수지가 균등하게 분산되어 있는지를 확인하는 것이다. 예를 들어, 검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 6 내지 25개의 영역으로 균등 분할한 후, 각 영역별로 열전도성 수지의 분포량을 대비함으로써 전지 모듈의 불량 여부를 판단할 수 있다.
또 다른 구체적인 실시예에서, 본 발명은 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계 이후에, 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계를 더 포함한다. 여기서, 상기 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계는, 검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 둘 이상의 영역을 분할하고, 어느 하나의 영역 내의 검출된 입자상 금속의 분산 정도를 미리 설정된 입자상 금속의 분산 정도와 대비하여 수행한다. 예를 들어, 검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 16개의 영역으로 균등 분할한 후, 각 영역별로 열전도성 수지의 분포량을 미리 설정된 기준치와 대비함으로써 전지 모듈의 불량 여부를 판단할 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명의 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계는, 다수의 전지 모듈에 대해 엑스선을 연속적으로 또는 순차적으로 조사하여 수행한다. 본 발명은 전지 모듈이 이송 수단을 따라 이송되는 경로 상에 엑스선을 조사함으로써, 검사 효율을 높이고 공정 단계를 절감할 수 있다.
또한 본 발명은 앞서 설명한 전지 모듈에 대한 검사 시스템을 제공한다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈 검사 시스템은, 검사 대상이 되는 둘 이상의 전지 모듈; 상기 전지 모듈을 연속적으로 또는 순차적으로 이송하는 이송부; 상기 전지 모듈의 이송 중 특정 위치에 도달한 전지 모듈에 대해 엑스 레이를 조사하고 그 결과를 수신하는 엑스 레이 검사부; 및 전지 모듈에 대한 엑스 레이 조사 결과를 출력하는 출력부를 포함한다. 전지 모듈 제조 라인에서, 조립된 전지 모듈은 이송 수단을 따라 다음 공정 단계로 이동하게 된다. 본 발명은 전지 모듈이 이송 수단을 따라 이송되는 경로 상에 엑스 레이 검사부를 설치함으로써, 전지 모듈 검사를 위하여 제조 라인을 멈추거나 별도의 공정 라인을 형성할 필요가 없다.
하나의 실시예에서, 상기 엑스 레이 검사부는 이중 에너지 엑스선(Dual Energy X-ray) 장치를 포함한다. 구체적으로, 상기 이중 에너지 엑스선 장치는, 이중 에너지 엑스선 흡수기(Dual Energy X-ray Absorptiometry; DXA)이며, 기존의 엑스선 조사 장비 대비 보다 높은 해상도와 분해능을 구현하며, 분석 정밀도를 현저히 높일 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 출력부는 검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 둘 이상의 영역을 분할하고, 각 영역별 검출된 입자상 금속의 분산 정도를 산출하는 데이터 처리부를 더 포함한다. 예를 들어, 검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 9 내지 16개의 영역으로 균등 분할한 후, 각 영역별로 열전도성 수지의 분포량을 대비함으로써 전지 모듈의 불량 여부를 판단할 수 있다. 이 때, 각 영역별로 검출된 입자상 금속을 산출하는 데이터 처리부를 포함함으로써, 보다 빠르고 정확한 검사가 가능하다.
이하, 실시예 및 도면 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면과 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 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.
(제1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 구조를 모식적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 전지 모듈(100)은 다수의 단위 전지셀(110)이 집합되어 수납된 형태이다. 상기 전지 모듈(100) 내에는 단위 전지셀(110)의 일부가 함침되도록 열전도성 수지(120)가 위치한다. 상기 열전도성 수지(120)는 폴리카보네이트 수지로 형성되며, 수지 매트릭스 내에 흑연 입자와 주석(Sn) 입자가 분산된 형태이다. 구체적으로, 상기 열전도성 수지(120)는 수지 100 중량부, 흑연 입자 30 중량부 및 주석 입자 5 중량부를 포함하는 조성이다.
충방전 과정에서 단위 전지셀(110)에서 열이 발생되며, 발생된 열은 열전도성 수지(120)를 통해 방출된다. 따라서, 열전도성 수지(120)가 전지 모듈(100)의 일면에 고루 분산되어야 단위 전지셀(110)에 대한 균일한 방열이 이루어진다.
더불어, 상기 열전도성 수지(120)는 폴리카보네이트 수지로 형성되며, 수지 매트릭스 내에 주석(Sn) 입자가 분산된 형태이다. 패키징 작업이 완료된 전지 모듈(100)에 대하여 열전도성 수지(120)의 분산 여부를 확인하는 것은 용이하지 않다. 종래에는, 고가의 CT 촬영 장비를 도입하여 전지 모듈(100)을 촬영하거나, 조립된 전지 모듈(100)을 다시 분해하여 확인하여야 한다. 그러나, 이러한 종래의 기술들은 장비가 고가이거나 파괴적 검사 방법이므로 공정 비용이 증가하고 효율이 좋지 않다는 한계가 있다. 본 발명에서는, 수지 매트릭스 내에 주석(Sn) 입자가 분산된 열전도성 수지(120)를 구비함으로써, 상대적으로 저렴한 엑스선 조사 장비를 통해 비파괴적인 방식으로 열전도성 수지의 분산 여부를 확인할 수 있다.
(제2 실시 형태)
또 다른 일 실시예에서, 상기 전지 모듈(100)에 수지 매트릭스 내에 납(Pb) 입자가 분산된 열전도성 수지(120)를 구비하였다. 납(Pb)는 상대적으로 원자번호가 크며, 이는 엑스선 조사 방식을 적용시 금속 입자의 검출 해상도가 증가함을 확인하였다. 다만, 납(Pb)을 적용함에 따라 전지 모듈(100)의 무게가 다소 증가하게 된다.
(제3 실시 형태)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 검사 과정을 나타낸 모식도이다. 도 2를 참조하면, 조립이 완료된 전지 모듈(100)이 컨베이어 벨트(200)에 의해 순차적으로 이송된다. 이송 경로 상에 이중 에너지 엑스선(Dual Energy X-ray) 장치를 위치함으로써, 이송 중에 전지 모듈(100)에 대한 검사를 수행한다. 구체적으로는, 컨베이어 벨트(200)에 의해 이송되는 전지 모듈(100)에 대해 이중 에너지 엑스선 장치를 통해 엑스선을 조사하고, 그 결과를 디스플레이 장치(300)를 통해 확인하게 된다. 필요에 따라, 상기 디스플레이 장치(300)는 검사 결과를 출력할 때, 화면을 16개 영역으로 구분하고, 각 영역별로 검사결과를 기준치와 대비하여 불량 여부를 검출하는 것이 가능하다.
100: 전지 모듈
110: 단위 전지셀
120: 열전도성 수지
121: 검출된 금속 입자
200: 컨베이어 벨트
300: 디스플레이 장치

Claims (15)

  1. 하나 또는 둘 이상의 전지셀;
    상기 전지셀이 수납되는 모듈 케이스; 및
    전지셀들이 부분적으로 함침되도록 상기 모듈 케이스 내에 수납되는 열전도성 수지를 포함하고,
    상기 열전도성 수지는 수지 매트릭스 내에 분산된 입자상 금속을 포함하는 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자상 금속은 전지셀에 함유된 금속 성분 보다 원자번호가 큰 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자상 금속은 주석 및 납 중 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도성 수지는 폴리아미드(Polyamide; PA), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene sulfide; PPS), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate; PBT) 및 폴리에테르이미드(Polyetherimide; PEI) 중 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지셀은 파우치형 전지인 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  7. 제 1 항에 따른 전지 모듈에 대해 엑스선을 조사하여 열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계를 포함하는 전지 모듈 검사 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계는,
    엑스선 조사를 통해 열전도성 수지 내에 분사된 입자상 금속을 검출하고, 검출된 입자상 금속의 분산을 통해 열전도성 수지의 분산 정도를 산출하는 것을 포함하는 전지 모듈 검사 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계는,
    이중 에너지 엑스선 (Dual Energy X-ray) 장치에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 검사 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계 이후에,
    전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며,
    상기 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계는,
    검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 둘 이상의 영역을 분할하고, 어느 하나의 영역 내의 검출된 입자상 금속의 분산 정도와 다른 하나의 영역 내의 검출된 입자상 금속의 분산 정도를 대비하여 수행하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 검사 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계 이후에,
    전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며,
    상기 전지 모듈의 불량 여부를 판단하는 단계는,
    검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 둘 이상의 영역을 분할하고, 어느 하나의 영역 내의 검출된 입자상 금속의 분산 정도를 미리 설정된 입자상 금속의 분산 정도와 대비하여 수행하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 검사 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    열전도성 수지의 분산 정도를 검출하는 단계는,
    다수의 전지 모듈에 대해 엑스선을 연속적으로 또는 순차적으로 조사하여 수행하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 검사 방법.
  13. 검사 대상이 되는 둘 이상의 제 1 항에 따른 전지 모듈;
    상기 전지 모듈을 연속적으로 또는 순차적으로 이송하는 이송부;
    상기 전지 모듈의 이송 중 특정 위치에 도달한 전지 모듈에 대해 엑스선을 조사하고 그 결과를 수신하는 엑스선 검사부; 및
    전지 모듈에 대한 엑스선 조사 결과를 출력하는 출력부를 포함하는 전지 모듈 검사 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 엑스선 검사부는 이중 에너지 엑스선(Dual Energy X-ray) 장치를 포함하는 전지 모듈 검사 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 출력부는 검사 대상이 되는 전지 모듈의 검사면을 둘 이상의 영역을 분할하고, 각 영역별 검출된 입자상 금속의 분산 정도를 산출하는 데이터 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈 검사 시스템.
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