KR20220046992A - 방열 실란트 필름, 이를 포함하는 셀 파우치 및 그 제조 방법 - Google Patents

방열 실란트 필름, 이를 포함하는 셀 파우치 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20220046992A
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Abstract

그라파이트 또는 개질 그라파이트를 포함하는 셀 파우치용 방열 실란트 필름, 이를 포함하는 셀 파우치 및 그 제조 방법이 개시된다. 이에 따르면, 셀 파우치의 실란트 필름에 요구되는 물성인 내전해액성, 내불산성, 성형성, 박리강도 물성을 유지하면서도 전기절연성을 부여하면서 전지에서 발생되는 열을 효과적으로 떨어뜨려 전지의 안정성 및 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

방열 실란트 필름, 이를 포함하는 셀 파우치 및 그 제조 방법 {Heat dissipation sealant film, cell pouch including the same and method for manufacturing the same}
본 명세서는 방열 실란트 필름, 이를 포함하는 셀 파우치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
리튬이차전지(LiB)는 높은 에너지밀도와 우수한 출력을 갖는 등 다양한 장점을 바탕으로 많은 어플리케이션에 적용되고 있다.
셀 파우치는 이러한 이차전지의 전극군과 전해액을 감싸는 외장재로서, 금속 박막과 고분자로 이루어지는 층간의 접착력, 열융착 강도, 내전해액성, 기밀성, 수분 침투성, 성형성 등의 요구 특성을 만족하여야 한다.
도 1a는 종래의 셀 파우치 층의 주요 구성을 나타내는 개략도이고, 도 1b는 종래 셀 파우치 층의 실란트 층 구성을 나타내는 개략도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 셀 파우치는 크게 외층, 금속 배리어층, 내층의 실란트층으로 구성되어 있다. 통상 외층 또는 최외층은 나일론이나 나일론과 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)의 혼합 소재, OPP (연신 폴리프로필렌), 폴리에틸렌 등으로 구성되고 있다. 이러한 외층 또는 최외층의 요구 특성으로서는 내열성, 내핀홀성, 내화학성, 성형성 및 절연성 등이 요구된다.
금속 배리어층은 수증기나 기타 기체에 대한 배리어성과 함께 성형성이 요구된다. 이러한 측면에서 배리어층에는 성형 가능한 금속 예컨대 알루미늄(Al), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등이 사용되며, 현재 알루미늄이 가장 많이 사용되고 있다.
내층의 실란트층은 열접착성, 성형성과 함께 전해액과 접촉하는 층이라는 점에서 내전해액성, 절연저항성 등이 요구되며 흔히 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE)이 사용되고 있고, 도 1b에 도시된 바와 같이, 양 측의 스킨층과 코어층의 다층 구조로 적용할 수 있다.
한편, 최근 노트북이나 휴대전화 등의 각종 전자제품은 고성능화와 소형화가 현저한 속도로 진행되고 있다. 전자제품의 고성능화 및 소형화에 수반하여, 그 내부에 내장된 전지 부품은 대용량화와 고집적화가 진행되고 있으며, 이에 의해 전자 제품에서는 많은 열이 발생하고 있다.
특히 리튬이온전지의 적용 분야가 소형 분야에서 자동차 등 중대형으로 확대되고 있는데, 전기자동차(EV) 및 에너지 저장 장치(ESS)에 쓰이는 파우치 타입 전지의 대형화 및 고성능화에 따른 열 발생 문제가 점차 대두 되고 있는 상황이다. 배터리에서 발생한 열은 제품의 수명을 단축하거나 고장, 오작동을 유발하며, 심한 경우에는 폭발이나 화재의 원인이 되기도 한다.
특허출원공개 제2019-37922호 공보
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 일 측면에서, 셀 파우치의 실란트 필름에 요구되는 물성인 내전해액성, 내불산성, 성형성, 박리강도 물성을 유지하면서도 전기절연성을 부여하면서 전지에서 발생되는 열을 효과적으로 떨어뜨려 전지의 안정성 및 전지의 효율을 향상시킬 수 있는, 방열 실란트 필름, 이를 포함하는 셀 파우치 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 그라파이트 또는 개질 그라파이트를 포함하는 셀 파우치용 실란트 필름을 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 상기 실란트 필름을 포함하는 셀 파우치를 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 실란트 층 제조 시 그라파이트 또는 개질 그라파이트를 포함시키는 단계;를 포함하는 셀파우치용 실란트 필름 제조 방법 또는 셀 파우치 방열성 향상 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에 의하면 셀 파우치의 실란트 필름에 요구되는 물성인 내전해액성, 내불산성, 성형성, 박리강도 물성을 유지하면서도 전기절연성을 부여하면서 전지에서 발생되는 열을 효과적으로 떨어뜨려 전지의 안정성 및 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 종래의 셀 파우치 층의 주요 구성을 나타내는 개략도이다.
도 1b는 종래 셀 파우치 층의 실란트 층 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 방열 실란트 필름 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2b는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 방열 실란트 필름이 적용된 셀 파우치 구조를 나타내는 개략도이다.
용어 정의
본 명세서에서 개질 그라파이트란 실리카 코팅을 한 그라파이트를 의미한다. 즉, 예컨대 화학적 방법인 졸겔법으로 그라파이트에 박막의 실리카 코팅을 하여 개질할 수 있다. 이에 따라 그라파이트의 높은 열전도성의 고유 성질은 그대로 갖고 있으며 전기가 통하지 않는 비전도성 특성을 부가할 수 있다.
본 명세서에서 방열 실란트 필름이란 전지에서 발생하는 열을 외부로 확산 및/또는 발열시킬 수 있는 방열 성능이 셀 파우치의 실란트 필름에 부여된 것을 의미한다.
본 명세서에서 실란트 필름의 코어 층이란 중심이 되는 층(즉, 코어 층) 및 그 양측의 하나 이상의 스킨 층으로 이루어지는 다층 구조의 실란트 필름에 있어서 그 중심이 되는 층을 의미한다.
예시적인 구현예들의 설명
이하 본 발명의 예시적인 구현예들을 상술한다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 방열 실란트 필름 구조를 나타내는 개략도이고, 도 2b는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 방열 실란트 필름이 적용된 셀 파우치 구조를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 셀 파우치에 사용되는 실란트 필름에 방열 성능을 가지는 그라파이트, 바람직하게는 이에 실리카가 코팅되어 비전도성 및 방열 성능을 가지는 개질 그라파이트가 포함되도록 한다.
예시적인 일 구현예서, 상기 실란트 필름은 다층 실란트 층의 코어 층인 것이 바람직하다. 그라파이트 또는 개질 그라파이트가 스킨 층에 적용된 경우 스킨층의 두께가 얇기 때문에 그라파이트 입자 크기의 제한이 있을 수 있고, 스킨층과 배리어층 사이의 박리강도 저하가 이루어 질 수 있다. 또한, 박리강도가 저하되면 파우치의 요구 물성인 내전해액성, 내불산성, 성형성의 전반적인 물성 모두가 저하 될 수 있다. 따라서, 그라파이트 또는 개질 그라파이트는 다층 실란트 층의 코어 층에만 적용되도록 한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 실란트 필름의 상기 그라파이트 또는 개질 그라파이트가 적용된 코어 층, 양 측의 스킨 층의 3층 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 상기 스킨 층에는 그라파이트 또는 개질 그라파이트가 적용되지 않도록 한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 배리어 측 스킨 층 두께 : 코어 층의 두께 : 실링되는 내측 스킨 층 두께 비율은 5~10um : 20~100 um : 5-10 um인 것이 바람직하다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 그라파이트 또는 개질 그라파이트는 파우더 형태인 것이 바람직하다. 이와 같이 파우더 형태로 하여야 마스터 배치 공정에 적용할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 그라파이트 또는 개질 그라파이트의 평균 입자 사이즈는 500나노미터 내지 5마이크로미터가 바람직하고, 특히 500나노미터 내지 1마이크로미터가 바람직하다.
즉, 그라파이트 또는 개질 그라파이트의 입자 사이즈는 그라파이트의 입자 크기가 2배가 되면 고분자와의 계면의 수는 1/2이 될 수 있으므로 입자가 크면 클수록 좋으나 필름을 압출 하는 과정에서 필름 형성(필름화)이 저조하게 되거나 압출 기기의 T-die 부분에 그라파이트 또는 개질 그라파이트 입자가 끼여 장비가 파손 될 수 있다. 또한, 열융착 강도, 내전해액성, 기밀성, 수분 침투성, 성형성 등의 물성 저하가 발생할 수 있다.
이러한 관점에서 상기 그라파이트 또는 개질 그라파이트의 평균 입자 사이즈는 500나노미터 내지 5마이크로미터, 바람직하게는 500나노미터 내지 3마이크로미터, 특히 500나노미터 내지 1마이크로미터가 되도록 하는 것이 바람직하다. 참고로, 평균 입자 사이즈는 SEM 사진을 통하여 측정될 수 있다.
한편, 충진되는 그라파이트 또는 개질 그라파이트의 첨가량에 따라서 필름화 할 수 있는 여부가 결정 되므로 첨가량이 증가 할수록 방열성능은 좋아지나 필름화가 어렵게 되고, 열융착 강도, 내전해액성, 기밀성, 수분 침투성, 성형성 등의 물성 저하가 발생할 수 있다.
이와 같이 방열성능과 필름화, 전반적인 물성을 고려하여, 예시적인 일 구현예에서, 충진되는 그라파이트 또는 개질 그라파이트 함량은 총 실란트 필름 조성물 100 중량 중 20 내지 60 중량%, 또는 바람직하게는 20중량% 내지 60중량% 미만, 또는 20중량% 이상 50중량% 이하일 수 있다. 예컨대, 20중량% 이상, 25중량% 이상, 30중량% 이상, 35 중량% 이상, 40중량% 이상, 45중량% 이상일 수 있으며, 60중량% 미만, 55중량% 이하, 50중량% 이하, 45중량% 이하, 40중량% 이하일 수 있다. 예컨대, 20 내지 55중량%, 20 내지 50중량%, 20 내지 45 중량%, 20 내지 40중량%, 25 내지 55 중량%, 또는 25 내지 50 중량%, 또는 25 내지 45중량%, 또는 25 내지 40중량%, 또는 30 내지 55중량%, 또는 30 내지 50중량%, 또는 30 내지 45중량%, 또는 30 내지 40중량%, 또는 35 내지 55중량%, 또는 35 내지 50중량%, 또는 35 내지 45중량%, 또는 35 내지 40중량%일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 그라파이트는 개질된 그라파이트가 바람직하다. 즉, 기존 열전도율이 높은 전도성 물질인 그라파이트를 예컨대 화학적 방법인 졸겔법으로 그라파이트에 표면처리를 하고 박막의 실리카 코팅을 하여 높은 열전도성의 고유 성질은 그대로 갖고 있으며 전기가 통하지 않는 비전도성을 부여하도록 할 수 있다. 참고로, 셀파우치의 요구 물성 중에 절연저항 및 파괴전압 물성이 중요한데, 전기가 통하는 물질을 사용하면 절연 저항 및 파괴전압이 저하되므로 비전도성을 부여할 필요가 있다
한편, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 상기 실란트 필름으로 이루어지는 실란트 층을 포함하는 셀 파우치를 제공한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 예시적인 일 구현예에서, 상기 셀 파우치는 적어도 외층, 배리어층, 실란트층을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 실란트 층 제조 시 그라파이트 또는 개질 그라파이트를 포함시키는 단계;를 포함하는 셀파우치용 실란트 필름 제조 방법을 제공한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 실란트 층으로서는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌, 바람직하게는 폴리프로필렌을 사용할 수 있다.
구체적으로, 예컨대 그라파이트 또는 개질 그라파이트 파우더를 호모 폴리프로필렌 레진과 마스터배치 후 3-Layer T-Die 압출 설비를 이용 각각의 스킨층, 코어층이 포함된 3층의 실란트 필름을 압출한다. 이때 그라파이트 또는 개질 그라파이트가 포함되는 층은 코어층으로 한다.
한편, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 실란트 층 제조 시 그라파이트 또는 개질 그라파이트를 포함시키는 단계;를 포함하는 셀 파우치 방열 성능 향상 방법을 제공한다.
이하의 실시예를 통하여 본 발명의 예시적인 구현예들을 더욱 상세하게 설명된다. 본 명세서에 개시된 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
[실험 1]
<실시예>
실리카 코팅된 개질 그라파이트 파우더를 호모 폴리프로필렌 레진과 마스터배치 후 3-Layer T-Die 압출 설비를 이용 각각의 스킨층, 코어층, 스킨층이 포함된 3층의 실란트 필름을 압출한다. 그라파이트 또는 개질 그라파이트가 포함되는 층이 코어층이다. 스킨층은 통상적인 조성 예컨대 랜덤 폴리프로필렌, 첨가제 및 고무를 사용할 수 있다.
한편, 위 방열 실란트 필름으로 셀 파우치를 구성하였다. 구체적인 사양 및 두께는 PET12㎛//NY15㎛//AL40㎛//PP80㎛(방열 실란트 필름)이다.
<비교예>
비교예로서, 그라파이트 또는 개질 그라파이트를 넣지 않은 일반 셀 파우치 필름을 구성하였다. 구체적인 사양 및 두께는 PET12㎛//NY15㎛//AL40㎛//PP80㎛이다.
특성 평가
<방열성능 평가>
방열성능은 60℃열원을 기준으로 하여 열원에 실시예 및 비교예로 제조된 셀 파우치를 붙이고 시간에 따른 온도변화의 실험을 하여 하강된 온도를 확인하였다.
<열확산성 평가>
열확산성은 미국, 플루크 사의 VT-04 모델을 사용하여 가하였다. 즉, 60℃열원을 기준으로 하여 열원에 실시예 및 비교예로 제조된 셀 파우치를 붙이고 1시간이 지난 후 열 화상카메라를 이용 각 셀파우치 필름 표면의 열 확산성을 확인하였다.
<박리강도 평가>
박리강도는 박리강도 측정기로서: 일본, SHIMADZU 사의 AGS-1kNX 모델을 사용하여 평가하였다. 즉, 각 실시예, 비교예 파우치 시료를 길이방향으로 폭 15mm로 절단하여 AL과 PP필름의 계면을 분리하여 두 층간의 접착 박리강도를 측정하였다.
<절연성 평가>
절연 저항 측정기(멀티 미터기)로서 일본, 히오키 사의 IR4051-10 모델을 사용하여 평가하였다. 즉, 파우치의 단면과 파우치의 표면에 전압을 인가하여 절연저항 값을 측정하였다.
표 1은 비교예 및 실시예의 특성 평가 결과를 나타낸 것이다.
비교예(기존 제품) 실시예(방열 파우치)
방열성능
(60℃ 열원
기준)		 60℃ 55℃
열확산성 X(열확산성 30% 이하) ○
(열확산성 60% 이상)
박리강도(AL//PP) ◎(20N/15mm) ◎
(20N/15mm)
절연성 ◎4kV ◎
4kV
-물성 관련 테스트 결과: 우수(◎), 양호(○), 보통(△) 불만족(X)
이상에서 보듯이, 실시예의 방열 실란트 필름이 적용된 방열 파우치는 방열 성능이 부여되어 열확산성이 우수하면서도 박리강도나 절연성 측면에서 비교예와 동일한 특성을 나타내었다.
[실험 2]
한편, 개질 그라파이트의 입자 사이즈에 따른 필름 압출 공정 시 필름화가 가능한지 여부를 확인 하기 위해서 개질 그라파이트의 입자 사이즈를 각각 다르게 제조 한 후 다른 레진 및 첨가제들과 배합을 통해 필름을 압출 하였다.
3-Layer 필름을 압출 하였고 셀파우치 실란트 필름 두께 중 범용적으로 가장 많이 쓰이는 50um 두께의 필름을 제조하였다.
압출 공정 시 코어층에 개질 그라파이트를 첨가 (코어 층 전체 조성물 중 40중량%)하여 필름을 압출 하였고 3-Layer 중 코어 층의 두께는 40um로 제조하였다. 개질 그라파이트 입자 사이즈에 따른 압출 공정 시 필름화 가능 여부를 제조된 필름의 신율을 측정 하여 평가하였고 그 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다.
아래 결과로부터 알 수 있듯이, 그라파이트 입자 사이즈는 7마이크로미터 이상부터는 필름 압출이 어려우며, 이러한 측면에서 5마이크로미터 이하, 바람직하게는 3마이크로미터 이하, 더욱 바람직하게는 1마이크로미터 이하로 한다.
개질그라파이트 입자 사이즈 실시예 1
(500 나노미터)		 실시예 2
(1 마이크로)		 실시예 3
(3 마이크로)		 실시예 4
(5 마이크로)		 실시예 5
(7 마이크로)
필름화 ◎ ◎ ○ △ X
-필름화 관련 테스트 결과: 우수(◎, 신율 150% 이상), 양호(○, 신율 100% 이상), 보통(△, 신율 50% 이상), 불만족(X, 신율 50% 미만)
-필름화 : 필름의 신율 평가
-측정 장비 : 일본, SHIMADZU 사의 AGS-1kNX 모델
[실험 3]
개질 그라파이트 첨가량에 따른 필름 압출 공정 시 필름화가 가능한지 및 방열성능은 어떠한지 그 여부를 확인 하기 위해서 개질 그라파이트의 첨가량을 각각 다르게 해서 필름을 압출 하였다.
3-Layer 필름을 압출 하였고 셀파우치 실란트 필름 두께 중 범용적으로 가장 많이 쓰이는 50um 두께의 필름을 제조하였다.
압출 공정 시 코어 층 전체 조성물 중 개질 그라파이트 (개질 그라파이트 입자 사이즈 1마이크로미터) 첨가량을 각각 다르게 첨가하여 필름 압출 하였고 코어 층의 두께는 40um 로 제조하였다. 개질 그라파이트 첨가량에 따른 압출 공정 시 필름화 가능 여부 및 첨가량에 따른 방열성능을 관찰 하였고 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.　
아래 결과로부터 알 수 있듯이, 그라파이트 함량이 증가할수록 방열 성능을 좋아지지만 60% 이상이면 필름 압출이 어려우며, 이러한 측면 즉 방열 성능과 필름화를 고려하여 20중량% 이하 50중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
개질그라파이트 첨가량 (중량%)　 비교예 1
(20중량%) 		비교예 2
(30중량%) 		비교예 3
(40중량%) 		비교예 4
(50중량%) 		비교예 5
(60중량%)
필름화 ◎ ◎ ◎ ○ X
방열성능 60 ℃ 57 ℃ 55 ℃ 53 ℃ 51 ℃
-물성 관련 테스트 결과: 우수(◎, 신율 150% 이상), 양호(○, 신율 100% 이상), 보통(△, 신율 50% 이상), 불만족(X, 신율 50% 미만)
-필름화 : 필름의 신율 평가
-측정 장비 : 일본, SHIMADZU 사의 AGS-1kNX 모델
-방열성능은 60℃열원을 기준으로 하여 열원에 실시예 및 비교예로 제조된 셀 파우치를 붙이고 시간에 따른 온도변화의 실험을 하여 하강된 온도를 확인함
이상에서 본 발명의 비제한적이고 예시적인 구현예들을 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상은 첨부 도면이나 상기 설명 내용에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하며, 또한, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 셀 파우치용 실란트 필름으로서,
    그라파이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라파이트는 그라파이트에 실리카가 코팅된 개질 그라파이트인 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 그라파이트는 그라파이트에 졸겔법으로 그라파이트에 실리카가 코팅된 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 실란트 필름은 다층 실란트 층의 코어 층에만 그라파이트가 포함되는 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 실란트 필름은 그라파이트가 적용된 코어 층, 양 측의 스킨 층의 3층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 그라파이트는 파우더 형태인 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 그라파이트의 평균 입자 사이즈는 500nm 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 그라파이트의 평균 입자 사이즈는 500nm 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 그라파이트의 함량은 총 실란트 필름 조성물 100 중량 중 20 내지 60 중량% 미만인 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 그라파이트의 함량은 총 실란트 필름 조성물 100 중량 중 20중량% 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 실란트 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치.
  12. 실란트 층 제조 시 그라파이트를 포함시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀파우치용 실란트 필름 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 그라파이트로서 개질 그라파이트를 사용하는 것이며,
    상기 개질 그라파이트는 그라파이트에 졸겔법으로 그라파이트에 실리카 코팅하는 것을 특징으로 하는 셀 파우치용 실란트 필름의 제조 방법.
  14. 셀 파우치의 방열 성능 향상 방법으로서,
    실란트 층 제조 시 그라파이트를 포함시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀파우치의 방열 성능 향상 방법.
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