KR20210106994A - 전원 장치 및 전원 장치용 단열 시트 - Google Patents

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KR20210106994A
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테루아키 나가노
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아와 세이시 가부시키가이샤
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Abstract

변형에 대한 추종성을 높인 단열 시트를 제공한다. 전원 장치용 단열 시트는, 서로 직렬 및/또는 병렬로 접속되어서 적층된 복수의 이차전지 셀(20)을 단열하기 위한 단열 시트이며, 절연성을 갖는 고무 조성물로 구성되고, 압축 탄성률이 4000~10000kPa이다. 이에 따라, 이차전지 셀(20)이 열팽창이나 수축이 발생했을 때에도 압축 탄성률이 낮고, 압축 복원율이 높은 단열 시트를 이차전지 셀(20) 사이에 개재시킴으로써 변형에 대해서 추종성을 발휘하여 원래의 형상으로 복원하기 쉬운 특징이 있다.

Description

전원 장치 및 전원 장치용 단열 시트
본 발명은, 전원(電源) 장치 및 전원 장치용 단열 시트에 관한 것이다.
각형(角形)이나 원통형의 이차전지 셀을 복수 적층한 전원 장치가, 전기 자동차나 하이브리드 자동차, 전동 버스, 전차 등의 전동 차량의 구동용 전원으로서, 혹은 공장이나 기지국의 백업 전원용, 게다가 가정용 축전지로 이용되고 있다. 최근에는 전원 장치의 경량화 및 고용량화가 요구되고 있고, 이차전지 셀로는 리튬 이온 이차전지와 같은 고용량 유형이 이용되고 있다.
한편, 리튬 이온 이차전지와 같은 고용량의 이차전지 셀을 다수 이용한 경우, 어떤 이유로 하나의 이차전지 셀이 과열되어 열 폭주(暴走)하여 인접한 다른 이차전지 셀에 악영향을 미칠 것이 우려된다. 따라서, 인접한 이차전지 셀끼리 열적으로 단열될 것이 요구된다.
종래부터, 이차전지 셀들 사이에 스페이서나 세퍼레이터 등으로 불리는 세피 오라이트 분말체를 굳힌 판재나 절연성 수지판 등을 배치해서, 인접하는 이차전지 셀끼리의 절연과 단열을 도모하였다. 그러나, 이들 판재는 경질로서 거의 변형되지 않기 때문에 이차전지 셀의 변형에 추종하지 못하는 문제가 있었다. 즉, 각형의 이차전지 셀은 충방전에 의해 외장케이스(缶)가 팽창, 수축하는 것으로 알려져 있다. 특히, 이차전지 셀들 사이에 삽입되는 판재는, 양쪽에 배치된 이차전지 셀이 각각 변형하기 때문에 판재의 양면에서 개별로 변형에 추종할 필요가 있는데다가 원래 형상으로 복원하는 것도 요구된다. 또 이차전지 셀의 고용량화에 따라 각 외장케이스의 변형량도 커지는 경향이 있다.
일본 특허공개공보 제2016-152138호
토미오카 준이치 외 「자동차용 리튬 이온 전지의 열 폭주 발생 방법의 조사」 JARI Research Journal 20140606
본 발명은, 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적 중 하나는, 변형에 대한 추종성을 높인 전원 장치용 단열 시트를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 서로 직렬 및/또는 병렬로 접속되어서 적층된 복수의 이차전지 셀을 단열하기 위한 단열 시트이며, 절연성을 갖는 고무 조성물로 구성되고, 압축 탄성률이 4000~10000kPa이다. 상기 구성에 의해 이차전지 셀이 열팽창이나 수축이 발생했을 때에도 압축 탄성률이 낮고, 압축 복원율이 높은 단열 시트를 이차전지 셀 사이에 개재시킴으로써 변형에 대해서 추종성을 발휘하여 원래의 형상으로 복원하기 쉬운 특징이 있다.
또한, 제2의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 구성에 더하여, 상기 단열 시트를, 물에 10분간 침지시켰을 때의 중량 변화가 120중량% 이하로 할 수 있다. 상기 구성에 의해, 소수성이 높고, 흡습에 의해 열전도율이 변화하는 것을 억제한 안정성이 높은 전원 장치용 단열 시트가 얻어진다.
그리고 또한, 제3의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 단열 시트의 열전도율을, 0.03~0.30W/mK로 할 수 있다.
그리고 또한, 제4의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 단열 시트의 흡수성을, 120%이하로 할 수 있다.
그리고 또한, 제5의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 단열 시트의 내열 온도를 400℃ 이상으로 할 수 있다.
그리고 또한, 제6의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 단열 시트의 막 두께를 0.1mm~1.9mm로 할 수 있다.
그리고 또한, 제7의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 단열 시트가, 섬유 기재와, 충전재와, 결합재를 포함할 수 있다.
그리고 또한, 제8의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 단열 시트가, 상기 섬유 기재로서 천연 펄프와 무기 섬유, 상기 충전재로서 규산염 광물, 상기 결합재로서 고무 조성물을 포함할 수있다.
그리고 또한, 제9의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 단열 시트의 압축 복원율을, 1.0~5.0%로 할 수 있다.
그리고 또한, 제10의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 복수의 이차전지 셀의, 인접한 이차전지 셀들 사이에 개재시킬 수 있다.
그리고 또한, 제11의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 복수의 이차전지 셀 중 어느 것에서, 그 이차전지의 외장케이스의 내압이 높아진 것을 검출해서 밸브 개방되는 방폭(防爆)밸브와, 상기 방폭밸브에서 배출되는 고온 고압 가스를 외부로 안내하기 위한 가스 덕트와의 사이에 개재되는 완충 시트로서 사용할 수 있다.
그리고 또한, 제12의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 복수의 이차전지 셀 중 어느 것에서, 그 이차전지셀의 외장케이스의 내압이 높아진 것을 검출해서 밸브 개방되는 방폭밸브로부터 배출된 고압·고온 가스나 전해질이 내부 뚜껑, 또는 회로 기판으로 비산하는 것을 방지하기 위해, 방폭밸브와 회로기판 사이에 개재된 단열재로서 사용할 수 있다.
그리고 또한, 제13의 형태에 따른 전원 장치용 단열 시트에 의하면, 상기 어느 하나의 구성에 더하여, 상기 복수의 이차전지 셀을 적층한 전지 적층체 모듈에있어서, 인접한 모듈 사이에서 열 전파를 방지하기 위해, 그 사이에 개재되는 단열재로서 사용할 수 있다.
그리고 또한, 제14의 형태에 따른 전원 장치에 의하면, 서로 직렬 및/또는 병렬로 접속되어서 적층된 복수의 이차전지 셀과, 인접한 이차전지 셀들 사이에 개재되는 절연성의 단열 시트를 구비하는 전원 장치이며, 상기 단열 시트는, 고무 조성물로서, 내열 온도를 400℃ 이상으로 할 수 있다. 상기 구성에 의해 이차전지 셀이 열팽창이나 수축이 발생했을 때에도 압축 탄성률이 낮고, 압축 복원률이 높은 단열 시트를 이차전지 셀 사이에 개재시킴으로써 변형에 대해 추종성을 발휘하고, 원래의 형상으로 복원하기 쉬운 특징이 있다.
그리고 또한, 제15의 형태에 따른 전원 장치에 의하면, 서로 직렬 및/또는 병렬로 접속되어서 적층된 복수의 이차전지 셀과, 상기 복수의 이차전지 셀이 각각 구비되는, 상기 이차전지 셀의 외장케이스의 내압이 높아진 것을 검출해서 밸브 개방되는 방폭밸브와 접속되어, 상기 방폭밸브로부터 배출되는 고압 가스를 외부로 안내하기 위한 가스 덕트와, 상기 가스 덕트와 각 이차전지 셀의 방폭밸브와의 사이에 개재되어 이들을 기밀하게 접속하는 단열 시트를 구비하고, 상기 단열 시트는 고무 조성물로서, 내열 온도를 400℃ 이상으로 할 수 있다. 상기 구성에 의해, 단열성을 발휘시키면서 고압 가스를 방폭밸브에서 가스 덕트로 기밀하게 안내시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 따른 전원 장치를 나타내는 분해 사시도이고,
도 2는, 실시 예 1~2, 비교 예 1~6에 따른 각 단열 시트의 샘플에 대해서 흡수성 평가 시험을 실시한 결과를 나타낸 그래프이고,
도 3은, 실시 예 1~2, 비교 예 1~2, 4~6에 따른 각 단열 시트의 샘플에 대해서 압축·복원성 평가 시험을 실시한 결과를 나타낸 그래프이고,
도 4는, 본 발명의 실시형태 2에 따른 전원 장치를 나타내는 분해 사시도이고,
도 5는, 본 발명의 실시형태 3에 따른 전원 장치를 나타내는 분해 사시도이고,
도 6은, 본 발명의 실시형태 4에 따른 전원 장치를 나타내는 사시도이고,
도 7A는 본 발명의 실시형태 5에 따른 전원 장치를 나타내는 사시도, 도 7B는 이차전지 셀을 가로로 둔 자세로 한 전원 장치를 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면을 참조하여 설명한다. 다만, 이하에 나타내는 실시의 형태는, 본 발명의 기술 사상을 구체화하기 위한 예시로서, 본 발명은 이하의 것에 한정되지 않는다. 또한, 본 명세서는 특허청구의 범위에 나타내는 부재를, 실시의 형태의 부재로 특정하는 것은 결코 아니다. 특히 실시의 형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 특정적인 기재가 없는 한은, 본 발명의 범위를 그것에만 한정하는 취지가 아니라, 단순한 설명 예에 불과하다. 또한, 각 도면이 나타내는 부재의 크기나 위치 관계 등은, 설명을 명확하게 하기 위해 과장될 수 있다. 그리고 또한, 이하의 설명에 있어서 동일한 명칭, 부호에 대해서는 동일 혹은 동질의 부재를 나타내고 있으며, 상세한 설명을 적절히 생략한다. 그리고 또한, 본 발명을 구성하는 각 요소는, 복수의 요소를 동일한 부재로 구성해서 하나의 부재로 여러 요소를 겸용하는 양태로도 좋고, 반대로 하나의 부재의 기능을 여러 부재로 분담해서 실현할 수도 있다.
[실시형태 1]
실시형태 1에 따른 전원 장치를, 도 1의 분해 사시도에 나타낸다. 이 도면에 나타내는 전원 장치(100)는, 복수의 이차전지 셀(20)과, 이차전지 셀(20)들 사이에 개재되는 단열 시트(10)를 구비한다. 이차전지 셀(20)은, 외장케이스(21)를 바닥이 있는 통형상의 각형으로 구성하고 있고, 여러 장을 주면(主面)끼리 대향하는 자세로 적층되어 있다. 적층은, 예를 들면 이차전지 셀(20)을 적층한 전지 적층체(25)의 양단면을, 각각 단면판(端面板)(30)으로 덮으면서 동시에 단면판(30)끼리를 체결부재로 체결한다. 또한, 전지 적층체(25)는, 필요에 따라서 기초판(40) 위에 고정된다. 기초판(40)은, 예를 들면 내부에 냉매를 순환시켜서 냉각판으로서 기능시킬 수 있다.
각 이차전지 셀(20)은, 외장케이스(21)의 내부에 전극체를 수납하고, 개구단을 봉구판(封口板)(22)으로 봉지하고 있다. 도 1에 있어서 외장케이스(21)의 상면에 위치하는 봉구판(22)에는, 한쌍의 전극(23)과 방폭밸브(24)가 설치된다. 복수의 이차전지 셀(20)은, 전극(23)끼리를 버스 바로 접속함으로써 서로 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 접속된다. 또한, 방폭밸브(24)는 외장케이스(21)의 내압이 높아진 것을 검출해서 밸브 개방되고, 외장케이스(21) 내부의 고압 가스를 배출하기 위한 부재이다. 각 방폭밸브(24)는 필요에 따라서 고압 가스를 외부로 안내하기 위한 가스 덕트와 연결된다.
(단열 시트(10))
인접한 이차전지 셀(20)들 사이에는, 단열 시트(10)가 개재된다. 단열 시트(10)는, 스페이서나 세퍼레이터 등이라 불리고, 인접한 이차전지 셀(20) 사이에서 외장케이스(21)가 단락하지 않도록 절연한다. 절연성을 갖춘 절연 시트는, 고무 조성물로 구성된다.
절연 시트의 압축 탄성률은, 4000kPa~10000kPa로 한다. 이 구성에 의해, 이차전지 셀(20)이 열팽창이나 수축이 발생했을 때에도 압축 탄성률이 높은 단열 시트(10)를 이차전지 셀(20) 사이에 개재시킴으로써 변형에 대해서 추종성을 발휘하고 원래의 형상으로 복원하기 쉬운 특징이 있다.
또한 단열 시트(10)는, 내열성을 구비하는 것이 바람직하다. 이차전지 셀(20)이 고온이 되어도 변형이나 용융되기 어려운 재질로 함으로써 단열 성능을 유지하는 것이 가능해진다. 바람직하게는, 단열 시트(10)의 용융 온도를 400℃ 이상으로 한다. 보다 바람직하게는 600℃ 이상으로 한다.
또한 단열 시트(10)의 막 두께는, 얇게 하는 것이 바람직하다. 후막화(厚膜化)함으로써 단열 성능은 향상되지만, 전원 장치가 후막화되어 대형화한다. 특히 여러 개의 이차전지 셀을 적층하는 전원 장치에 있어서는, 이차전지 셀의 수에 따라서 스페이서의 수도 많아지기 때문에, 단열 시트가 얇은 것이 요구된다. 그리고 또한 단열 시트가 후막화되면 중량도 무거워지기 때문에 연비를 중시하는 차량용으로는 경량화의 요구도 높기 때문에 박막화(薄膜化)가 요구된다. 한편, 단열 성능도 유지시킬 필요가 있다. 실시형태 1에 따른 단열 시트(10)에서는, 이러한 특성이나 재질의 단열 성능을 고려해서, 그 막 두께를 0.1mm~1.9mm로 하고 있다.
단열 시트(10)는, 열전도율을 낮게 억제함으로써 단열 시트(10)의 일면에 밀착된 이차전지 셀(20)이 만일 열 폭주해도, 반대면에 있는 이차전지 셀(20)에 발열이 미치는 것을 억제한다. 단열 시트(10)의 열전도율은, 0.03~0.30W/mK로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 열전도율을 0.05~0.25W/mK로 한다.
그리고 또한 열전도율이 주위 환경에 의해 변동하지 않도록 안정시키는 것이 바람직하다. 종래의 무기 분체(粉體)와 폴리아미드계 수지나 아크릴산 에스테르 등의 약품으로 구성된 단열 시트는 흡습성을 가지기 때문에 고온 다습 환경이나 결로 등에 의해 수분을 많이 포함함으로써 열전도율이 변화하는 문제가 있었다. 이에 대해 실시형태 1에 따른 단열 시트에 의하면, 흡습성이 낮은 소재를 채용함으로써 수분에 의한 열전도율의 변화를 억제할 수 있다. 구체적으로는, 단열 시트를 물에 10분간 침지시켰을 때의 중량 변화를 120중량% 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 이에 따라 소수성이 높고, 흡습에 의해 열전도율이 변화하는 것을 억제한 안정적인 전원 장치용 단열 시트가 얻어진다.
이상과 같은 특성을 충족하기 위해, 단열 시트(10)는, 섬유 기재와 충전재와 결합재를 포함한다. 적합하게는, 섬유 기재로서 천연 펄프와 무기 섬유, 충전재로서 규산염 광물, 결합재로서 고무 조성물을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 실시형태 1에 따른 단열 시트(10)는, 섬유 기재로서 마(麻)펄프와 마이크로 유리, 충전재로서 활석과 세피올라이트, 결합재로서 NBR을 포함한다.
섬유 기재(기재 섬유라고도 함)는, 유리 섬유, 카본 섬유, 세라믹 섬유 등의 무기 섬유나, 혹은 방향족 폴리아미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유 등의 유기 섬유를 이용할 수 있다. 여기에서는, 섬유 기재로서 유기 섬유의 천연 펄프를 이용하고 있다. 천연 펄프에는 마 펄프가 적합하게 이용할 수 있다.
마 펄프의 배합 비율은, 예를 들어 5중량%~20중량%, 바람직하게는 10중량%로 한다. 또한 섬유 기재로서 무기 섬유를 포함할 수 있다. 무기 섬유의 배합 비율은, 5중량%~20중량%, 바람직하게는 8중량%~15중량%로 한다. 실시형태 1에 있어서는, 무기 섬유로서 마이크로 유리를 12중량% 첨가한다.
충전재는, 무기의 충전재를 이용할 수 있다. 무기 충전재로서는, 세피올라이트, 활석, 카올린, 마이카, 세리사이트 등의 규산염 광물, 탄산 마그네슘, 탄산 칼슘, 하드 클레이, 소성 클레이, 황산 바륨, 규산 칼슘, 월라스토나이트, 중탄산 나트륨, 화이트 카본·용융 실리카 등의 합성 실리카, 규조토 등의 천연 실리카, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 유리 비즈 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 복수를 조합해서 이용된다. 이들 무기 충전재의 첨가는, 고온 분위기하의 형상 유지와 단열성 향상이라는 효과를 나타낸다. 실시형태 1에 있어서는, 가요성이 높은 활석을 사용하였다. 충전재의 배합량은 절연 시트 중, 5중량%~65중량%가 바람직하다. 실시형태 1에서는, 충전재로서 규산 마그네슘을 이용하고, 활석을 58중량%, 세피올라이트를 14중량% 첨가한다.
결합재에는, 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 아크릴산 수지, 우레탄 수지, 초산비닐 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지, 아크릴로부타디엔스티렌 수지, 아크릴로니트릴스티렌 수지, 불소 수지, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지 등의 합성수지 외에, 아크릴니트릴부타디엔 고무, 수소화 아크릴니트릴부타디엔 고무, 아크릴 고무, 아크릴니트릴 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 스티렌부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 부타디엔 고무, 부틸 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 불화 실리콘 고무, 클로로술폰화 고무, 에틸렌초산비닐 고무, 염화폴리에틸렌, 염화부틸 고무, 에피클로로히드린 고무, 니트릴이소프렌 고무, 천연 고무, 이소프렌 고무 등을 이용할 수 있다. 그중에서도, 아크릴니트릴부타디엔 고무(NBR)가, 내수성, 내유성이 높은 점에서 바람직하다. 이들 고무는 1종 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다. 또한, 보다 높은 내수성, 내유성을 목적으로 알킬케텐 다이머 등의 사이징제나 불소계, 실리콘계의 발수제를 조합해서 사용할 수도 있다. 결합재에 고무 조성물을 이용하는 경우, 고무의 배합량은 절연 시트 중, 5.0~40중량%가 바람직하다. 여기에서는 NBR인 니폴1562를 6.0중량% 첨가하고 있다.
그리고 또한 첨가제로서, 지력제나 정착제(定着劑), 소포제 등의 약품을 더한다. 여기에서는 지력제로서 WS4030을 0.5중량%, 지력제로서 코검15H를 0.3중량%, 정착제로서 황산 밴드를 1.9중량%, 소포제로서 KM-70를 적당량 첨가한다.
(단열 시트의 제조 방법)
이러한 단열 시트의 제조 방법으로서는, 예를 들면 기재 섬유에 결합재, 충전재를 혼련해서 단열 시트 형성용 조성물을 조제하고, 이 조성물을, 열(熱)롤과 냉(冷)롤로 이루어진 한쌍의 롤 사이에 가열·압연·가황해서 열 롤 측에 적층시키고, 이어서 적층한 시트형상물을 박리함으로써 제조할 수 있다. 혹은 초지(抄紙)법를 이용해서 단열 시트를 제조할 수도 있다. 이 경우는, 펄퍼로 원료로서 기재 섬유, 충전재를 투입하여 수중에서 혼합한다. 이어서 이들 혼합 원료 슬러리를 체스트로 보내 결합재, 약품류를 첨가한다. 그리고 또한, 약품 첨가된 혼합 원료 슬러리를 와이어(網) 공정으로 흘려서 시트화 하고, 프레스 공정에서 착수(搾水) 및 두께 조정을 한다. 마지막으로 드럼식 건조기로 건조시켜 원단을 완성시킨다. 이렇게 얻어진 원단을, 다른 공정에서 제품 치수로 재단한다. 또 NBR 등의 고무는 함침법이나 내첨법(內添法) 등의 방법으로 시트재에 첨가된다.
이렇게 해서 얻어진 실시형태 1에 따른 단열 시트(10)의 물성은, 평량(坪量)이 554g/㎤, 두께 0.699mm, 밀도 0.793g/㎤, 인장 강도 5.7kgf/15mm, 강열(强熱) 감량 22.7중량%, 열전도율 0.19W/mK였다.
(흡수성 평가 시험 결과)
이상과 같이 해서 얻어진 단열 시트(10)의 흡수성을 종래의 것과 비교하는 평가 시험을 실시했다. 여기에서는 실시 예 1로서 두께 0.3mm의 단열 시트, 실시 예 2로서 두께 0.7mm의 단열 시트를 작성했다. 또 비교 예로서 타이거렉스 주식회사의 막두께 0.25mm의 세퍼레이터를 비교 예 1, 막두께 0.5mm의 세퍼레이터를 비교 예 2, 막두께 1.2mm의 세퍼레이터를 비교 예 3으로 하였다. 마찬가지로, 프로매트 ·재팬 주식회사의 막두께 1.2mm의 세퍼레이터를 비교 예 4, 막두께 2.2mm의 세퍼레이터를 비교 예 5, 막두께 3.0mm의 세퍼레이터를 비교 예 6으로 해서, 각각 이용하였다. 이들에 대해서, 각각 5cm 사각형으로 잘라낸 각 샘플의 중량을 측정하였다(풍건(風乾)중량). 이어서 각 샘플을 135℃ 건조기에서 1시간 동안 건조시켰다. 그 후 데시케이터에 넣고서 30분 방랭(放冷)하여 무게를 측정하였다(절건(絶乾)중량). 그리고 또한 각 샘플을 물에 10분간 침지하고, 그 후 흡묵지(吸取紙)로 여분의 수분을 흡수하여, 중량을 측정하였다(물침지후 중량). 이 결과를 도 2의 그래프에 나타낸다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 실시 예 1, 2에서는, 비교 예 1~6에 비하여 물을 흡습, 흡수하기 어렵다는 것을 알았다. 이때문에 외부 요인 즉 수분에 기인하는 단열 특성, 바꾸어 말하면 열전도율의 변화는, 비교 예 1~6에 비해 작은 것으로 생각된다. 이것은, 예를 들면 단열 시트를 리튬 이온 이차전지 셀(20) 사이에 개재시켜서 열 폭주시의 유소(類燒)를 방지하는 스페이서로서 이용하는 경우, 온도나 습도 등의 사용 환경이나, 수냉(水冷)에 의해 결로되는 등 해서 전원 장치 내에 발생한 수분을 스페이서가 흡수해서, 단열 성능이 저하되는 사태를 효과적으로 억제하여 주변 환경에 관계없이 안정적으로 소기의 열전도율을 유지할 수 있어, 신뢰성을 높이는 것으로 이어질 것으로 생각된다.
(압축·복원성 평가 시험)
이어서, 단열 시트의 압축·복원성의 평가 시험을 실시했다. 여기서도 상술 한 실시 예 1~2, 비교 예 1~2, 4~6의 단열 시트를 이용하였다. 이들에 대해서, 각각 10cm 사각형으로 잘라낸 각 샘플의 두께를 측정하였다(프레스 전 두께). 그리고 프레스기를 이용하여서 각 샘플을 30, 75, 150[kgF/㎠]의 압력으로 60초간 가압하고, 그 직후에 두께를 측정하였다(프레스 직후 두께). 그리고 또한 23℃, 50%의 항온 항습실에 2시간 이상 방치하고 그 후 두께를 측정하였다(프레스 후 두께). 이 결과를 도 3의 그래프에 나타낸다. 이 도면에서 나타내는 바와 같이, 실시 예 1, 2에서는 비교 예 1~2, 4~6에 비해 프레스에 의한 찌그러짐이 크지만, 압축 후는 2%전후의 복원이 보였다. 한편, 비교 예 1~2, 4~6의 단열 시트에서는, 단단해서 찌그러지기 어렵지만, 압축 후의 복원은 1%이하로 멈춰 복원이 거의 작용하지 않았다는 것을 알았다. 이와 같이, 비교 예 1~2, 4~6에서는 강성은 높지만, 일단 변형되어 찌그러지면 원래의 상태로는 돌아오지 않는 상태가 된다. 예를 들면, 단열 시트를 리튬 이온 이차전지 셀의 스페이서에 이용하는 경우, 통상 사용시에 리튬 이온 이차전지가 팽창, 수축을 반복할 때, 팽창에 의해 한번 단열 시트가 찌그러져 버리면 그 후에 리튬 이온 이차전지가 수축해도 단열 시트는 복원되지 않고, 이 결과 리튬 이온 이차전지들 사이에서 단열 시트가 밀착하지 못하여 틈새가 발생되어 덜컹거림의 원인이 되어서 적층 상태를 적절하게 유지할 수 없게 된다. 이에 대해 실시 예 1, 2에 따른 단열 시트에서는, 비교 예에 비해 2배 정도의 복원이 가능하기 때문에 이러한 리튬 이온 이차전지의 팽창 후의 수축에 있어서도 외장케이스의 변형에 추종하는 것이 가능해져, 보다 안정적이고 신뢰할 수 있는 스페이서로서 이용할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 단열 시트는, 높은 신뢰성을 가지고 안정적으로 사용할 수 있는 이점을 얻을 수 있다. 특히 이차전지 셀의 스페이서로서 사용하는 용도로는, 종래의 스페이서에서는 이차전지 셀의 팽창이나 수축에 의해 판재의 표면이 마찰되어 미세한 분말체가 벗겨져 떨어질 우려도 있었다. 특히 차량용에서는 전원 장치에 반복적인 진동이나 충격이 인가되기 때문에 무기 분말체 배합을 늘려 바인더를 줄인 구성의 판재에서는 지분(紙紛) 등의 발생이 불가피하다. 또한 나노 실리카 에어로젤을 이용한 판재도 제안되고 있지만, 고가인데다 마찬가지로 지분의 발생이 불가피하다. 이때문에 표면을 라미네이팅 가공하는 등, 지분이 발생되기 어렵도록 표면 처리가 필요해져, 제조 공정이 복잡해지는데다 비용도 든다. 덧붙여, 표면을 라미네이팅 가공이나 파우치 가공하는 등, 표면 처리로 지분이 발생되기 어렵게 하는 일도 이루어지고 있지만, 상기 전원 장치로의 진동이나 충격에 의해 파손될 우려가 있다. 이에 대해서 실시형태 1에 따른 단열 시트에서는, 고무 조성물로 함으로써 이와 같은 표면 처리를 거치지 않고도 지분의 발생을 억제할 수 있는 이점이 있다. 또한, 종래의 스페이서에서는, 타발 가공 등을 실시해도 마찬가지로 지분의 발생을 수반했는데, 실시형태 1에 따른 단열 시트(10)에서는 그와 같은 지분의 발생도 마찬가지로 억제할 수 있기 때문에, 가공성이 높고 공정 적성이 뛰어난 부재로서 적용할 수 있다.
덧붙여, 종래의 판재에 의한 스페이서는, 흡습성을 갖기 때문에 수분을 흡수함으로써 열전도율이 환경에 따라 변화한다는 문제도 있었다. 스페이서의 단열성을 안정적으로 발휘시키기 위해서는 열전도율이 환경에 따라 변화하는 것도 억제할 필요가 있는데, 종래의 스페이서는 고온 다습 환경이나 결로 등에 의해 발생한 수분을 흡수해서 열전도율이 변화하는 것을 피할 수 없었다. 아크릴산 수지 등의 수지 재료를 사용한 시트는 흡습성이 높기 때문에 환경에 따라서는 단열성이 저하될 수 있었다. 이에 대해 실시형태 1에 따른 단열 시트(10)에서는 고무 조성물로 구성함으로써 소수성(疏水性)을 발휘할 수 있다. 또한 내수성에도 뛰어나고, 흡습을 억제해서 수분율에 기인하는 열전도율의 변화를 줄일 수 있고, 주변 환경에 의존하지 않고 안정적으로 이용할 수 있는 뛰어난 장점을 얻을 수 있다.
[실시형태 2]
이상은, 내열 시트를 리튬이온 이차전지 셀간의 스페이서로서 이용하는 예를 설명했다. 다만 본 발명은, 단열 시트의 용도를 전지의 단열용 스페이서에 한정하는 것이 아니며 다른 용도로도 이용할 수 있다. 본 발명은 내열성을 구비하면서 그 열전도율의 변동이 적은 특성을 살려서 신뢰성이 요구되는 용도에 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 압축 탄성률이 낮기 때문에 변형이 요구되는 용도에도 적합하게 이용할 수 있다. 예를 들면, 이차전지 셀의 방폭밸브와 가스 덕트 사이의 완충재나, 회로 기판의 보호 단열재, 모듈간의 단열재 등의 용도로도 이용할 수 있다. 일례로서, 단열 시트를 이차전지 셀의 방폭밸브와 가스 덕트 사이의 완충재로서 이용한 예를, 실시형태 2에 따른 전원 장치로 해서 도 4의 분해 사시도에 나타낸다. 이 도면에 나타내는 전원 장치(200)는, 복수의 이차전지 셀(20)을 적층한 전지 적층체(25)의 상면에, 가스 덕트(50)를 설치한다. 가스 덕트(50)는, 각 이차전지 셀(20)이 갖는 방폭밸브(24)와 연통되어 있다. 각 방폭밸브(24)와 가스 덕트(50)를 기밀하게 연결하기 위해 완충 시트(12)를 개재시킨다. 이 완충 시트(12)로서, 실시형태에 따른 단열 시트를 적용하고 있다. 또한 도 4에 있어서, 상술한 실시형태 1에서 설명한 부재와 같은 부재에 관해서는, 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 적절히 생략한다. 완충 시트(12)로서 기능하는 단열 시트는, 각 방폭밸브(24)와 가스 덕트(50)의 연결 구멍과 연결한다. 열 폭주시에, 방폭밸브(24)와 가스 덕트(50) 사이에서 고압 가스가 새지않도록 단열 시트를 이용해서 기밀하게 연결시킬 수 있다. 특히 실시형태에 따른 단열 시트는, 높은 압축 탄성률에 따라서 적절하게 변형할 수 있다. 덧붙여, 고온 고압의 가스에 견딜 수 있는 높은 내열성도 구비하고 있어서, 이러한 용도에 있어서도 바람직하게 사용할 수 있으며, 만일의 열 폭주시에 있어서도 안정적으로 고압 가스를 가스 덕트(50)로 안내해서, 전원 장치의 외부로 배출할 수 있어서 안전성을 높이는 것이 가능해진다.
또한, 도 5에 나타낸 실시형태 3에 따른 전원 장치(300)는, 단열 시트를 회로 기판의 보호 단열재로 이용한 예를 보여주고 있다. 이 도면에 나타내는 전원 장치(300)는, 복수의 이차전지 셀(20)을 적층한 전지 적층체(25)의 상면에 회로 기판 (60)이 설치되어 있다. 회로 기판(60)을, 각 이차전지 셀(20)의 봉구판에 형성된 방폭밸브(24)에서 방출되는 고온 가스나 전해액의 비산으로부터 방지하기 위해, 회로 기판(60)과의 사이에 단열 시트(10)를 개재시킨다. 이에 따라 회로 기판(60)을 고온 고압의 가스로부터 보호한다.
그리고 또한 단열 시트는, 이차전지 셀간의 단열뿐만 아니라 복수의 이차전지 셀로 구성된 전지 모듈들간의 단열에 이용할 수도 있다. 이러한 예를 실시형태 4에 따른 전원 장치로서, 도 6에 나타낸다. 이 도면에 나타낸 전원 장치(400)는, 복수의 이차전지 셀(20)을 적층한 전지 적층체(25)로 전지 모듈을 구성한다. 이들 전지 모듈 사이에 단열재(10X)를 설치함으로써 인접한 전지 모듈간의 열 전파를 억제할 수 있다.
이상의 예에서는, 이차전지 셀로서 각형(角形)의 외장케이스를 이용한 이차전지 셀에 대한 단열재로서 적용한 예를 설명했다. 다만, 본 발명은, 이차전지 셀의 외형을 각형에 한정하지 않고, 원통형이나 파우치형 등 다른 형상의 이차전지 셀에 대해서도 적용할 수 있다. 일례로서, 원통형의 이차전지 셀에 적용한 예를, 실시형태 5에 따른 전원 장치로서 도 7A에 나타낸다. 이 도면에 나타내는 전원 장치(500A)는, 원통형의 이차전지 셀(20B)을 여러 개 늘어 놓은 상태에서, 인접한 이차전지 셀들 사이에 단열 시트(10)를 개재시킨다. 이에 따라, 어떤 이차전지 셀(20B)이 고온이 되어도 단열 시트(10)에 의해 열 전파를 억제할 수 있다. 이 예에서는, 각 이차전지 셀(20B)을 구획하기 위해서 한 단열 시트(10A)에 일단에서 노치를 형성하고, 다른 다른 단열 시트(10B)에 타단에서 노치를 형성해서, 이들 노치끼리 결합시킴으로써 단열 시트끼리 교차하도록 하고 있다. 또한, 도 7A의 예에서는 이차전지 셀(20B)을 세로로 놓은 자세하고 있는데, 도 7B와 같이 가로로 두는 자세로 해도 될 수 있음은 물론이다.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 전원 장치용 단열 시트 및 전원 장치는, 이차전지 셀들 사이에 개재되는 단열용의 스페이서나, 방폭밸브와 가스 덕트 사이에 개재되는 완충 시트, 혹은 ECU 등의 구동 회로를 보호하는 단열재 등에 적합하게 이용할 수 있다.
100,200,300,400,500A, 500B; 전원 장치
10,10X,10A,10B; 단열 시트
12; 완충 시트
20,20B; 이차전지 셀
21; 외장케이스
22; 봉구판(封口板)
23; 전극
24; 방폭밸브
25; 전지 적층체
30; 단면판(端面板)
40; 기초판
50; 가스 덕트
60; 회로 기판

Claims (15)

  1. 서로 직렬 및/또는 병렬로 접속되어서 적층된 복수의 이차전지 셀을 단열하기 위한 단열 시트이며,
    절연성을 갖는 고무 조성물로 구성되며,
    압축 탄성률이 4000~10000kPa인 전원 장치용 단열 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단열 시트는, 물에 10분간 침지시켰을 때의 중량 변화가 120중량% 이하인 전원 장치용 단열 시트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단열 시트는, 열전도율이 0.03~0.30W/mK인 전원 장치용 단열 시트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 시트는, 흡수성이 120% 이하인 전원 장치용 단열 시트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 시트는, 내열 온도가 400℃ 이상인 전원 장치용 단열 시트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 시트는, 막 두께가 0.1mm~1.9mm인 전원 장치용 단열 시트.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 시트는, 섬유 기재와 충전재와 결합재를 포함하는 전원 장치용 단열 시트.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단열 시트는, 상기 섬유 기재로서 천연 펄프와 무기 섬유, 상기 충전재로서 규산염 광물, 상기 결합재로서 고무 조성물을 포함하는 전원 장치용 단열 시트.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 시트는, 압축 복원율이 1.0~5.0%인 전원 장치용 단열 시트.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 이차전지 셀의, 인접한 이차전지 셀들 사이에 개재되는 전원 장치용 단열 시트.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 이차전지 셀 중 어느 것에서, 그 이차전지 셀의 외장케이스의 내압이 높아진 것을 검출해서 밸브 개방되는 방폭(防爆)밸브와, 상기 방폭밸브에서 배출되는 고온 고압 가스를 외부로 안내하기 위한 가스 덕트와의 사이에 개재되는 완충 시트로서 이용되는 전원 장치용 단열 시트.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 이차전지 셀 중 어느 것에서, 그 이차전지 셀의 외장케이스의 내압이 높아진 것을 검출해서 밸브 개방되는 방폭밸브에서 배출된 고압·고온 가스나 전해액이 내부 뚜껑, 또는 회로 기판으로 비산하는 것을 방지하기 위해 방폭밸브와 회로 기판의 사이에 개재되는 단열재로서 이용되는 전원 장치용 단열 시트.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 이차전지 셀을 적층한 전지 적층체 모듈에 있어서, 인접한 모듈 사이에서 열 전파(傳搬)를 방지하기 위해, 그 사이에 개재되는 단열재로서 이용되는 전원 장치용 단열 시트.
  14. 서로 직렬 및/또는 병렬로 접속되어서 적층된 복수의 이차전지 셀과,
    인접한 이차전지 셀들 사이에 개재되는 절연성의 단열 시트를 구비하는 전원 장치이며,
    상기 단열 시트는, 고무 조성물로서, 내열 온도가 400℃ 이상인 전원 장치.
  15. 서로 직렬 및/또는 병렬로 접속되어서 적층된 복수의 이차전지 셀과,
    상기 복수의 이차전지 셀이 각각 구비하는, 그 이차전지 셀의 외장케이스의 내압이 높아진 것을 검출해서 밸브 개방되는 방폭밸브와 접속되고, 상기 방폭밸브에서 배출되는 고압 가스를 외부로 안내하기 위한 가스 덕트와,
    상기 가스 덕트와, 각 이차전지 셀의 방폭밸브와의 사이에 개재되고, 이들을 기밀하게 접속하는 단열 시트를 구비하고,
    상기 단열 시트는, 고무 조성물로서, 내열 온도가 400℃ 이상인 전원 장치.
KR1020217017268A 2018-12-21 2019-04-25 전원 장치 및 전원 장치용 단열 시트 KR20210106994A (ko)

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