KR20230048757A - 전기 자동차의 배터리 케이스 제조방법 및 이에 의해 제조된 배터리 케이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 원통형 코어재 및 상기 원통형 코어재의 외주면을 둘러싸는 중공 원통형 케이스를 포함하는 압출용 빌렛을 제조하는 단계 및 (b) 상기 압출용 빌렛을 압출해 배터리 케이스 형상의 압출재를 제조하는 단계를 포함하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 배터리 케이스에 대한 것이다.
Description
본 발명은 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법 및 이에 의해 제조된 배터리 케이스에 대한 것이다.
내연기관 자동차에서 전기 자동차로의 전환은 전세계 자동차 메이커들에게 절대적으로 요구되는 시대적 이슈이다.
전기 자동차의 핵심 부품 중 하나로서 운행 중에 충전과 방전을 반복하면서 전기 모터에 구동 전력을 제공하는 배터리는 충전과 방전시의 발열현상에 의해 온도가 지속적으로 상승하게 되는데, 배터리의 온도가 과도하게 상승하면 배터리의 성능 저하 및 수명을 단축시키는 원인이 되고, 심한 경우 화재가 발생할 우려가 있다.
따라서, 전기 자동차를 안전하고 효율적으로 사용하기 위해서는 배터리 케이스 소재 역시 우수한 물성이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 간단하고 양산에 적합한 제조 공정을 통해 우수한 물성을 가지는 전기 자동차용 배터리 케이스를 제조할 수 있는 방법 및 이에 의해 제조된 전기 자동차용 배터리 케이스를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 원통형 코어재 및 상기 원통형 코어재의 외주면을 둘러싸는 중공 원통형 케이스를 포함하는 압출용 빌렛을 제조하는 단계, 및 (b) 상기 압출용 빌렛을 압출해 배터리 케이스 형상의 압출재를 제조하는 단계를 포함하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 원통형 코어재는 구리(Cu)로 이루어지고, 상기 중공 원통형 케이스는 알루미늄(Al)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 원통형 코어재는 알루미늄(Al)로 이루어지고, 상기 중공 원통형 케이스는 구리(Cu)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 원통형 코어재는 알루미늄 및 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 포함하고, 상기 중공 원통형 케이스는 알루미늄(Al)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 원통형 코어재는, 알루미늄(Al)으로 이루어진 코어층 및 상기 코어층의 외주면을 둘러싸며 알루미늄 및 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 포함하는 피복층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (b)에서 간접 압출법(indirect extrusion process), 직접 압출법(direct extrusion process), 정수압 압출법(hydrostatic extrusion process) 또는 충격 압출법(impact extrusion process)을 이용해 빌렛을 압출하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법을 제안한다.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 전기 자동차용 배터리 케이스를 제안한다.
본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리 케이스 제조방법에 의하면, 2종의 금속(알루미늄 및 구리) 또는 이종(異種) 소재(알루미늄 및 탄소나노튜브) 등을 포함하는 압출용 빌렛을 압출해 간단하고 양산에 적합한 제조 공정을 통해 우수한 물성을 가지는 전기 자동차용 배터리 케이스를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조에 사용되는 압출용 빌렛의 일례를 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조에 사용되는 압출용 빌렛의 또 다른 일례를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조에 사용되는 압출용 빌렛의 일례를 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조에 사용되는 압출용 빌렛의 또 다른 일례를 도시한 모식도이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법은, (a) 원통형 코어재 및 상기 원통형 코어재의 외주면을 둘러싸는 중공 원통형 케이스를 포함하는 압출용 빌렛을 제조하는 단계, 및 (b) 상기 압출용 빌렛을 압출해 배터리 케이스 형상의 압출재를 제조하는 단계를 포함해 이루어진다(도 1).
상기 단계 (a)에서는 도 2에 도시한 바와 같이 원통형 코어재(11) 및 이를 둘러싸는 중공 원통형 케이스(12)을 포함하는 압출용 빌렛을 준비한다.
본 단계 (a)에서 상기 원통형 코어재 및 중공 원통형 케이스는 서로 다른 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 원통형 코어재는 구리(Cu) 이루어지고, 상기 중공 원통형 케이스는 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있고, 이와 반대로 상기 원통형 코어재는 알루미늄(Al)로 이루어지고, 상기 중공 원통형 케이스는 구리(Cu)로 이루어질 수도 있다.
이때, 상기 중공 원통형 케이스의 두께는 6인치 빌렛을 가정할 경우 0.5 mm 내지 150 mm일 수 있지만 반드시 해당 범위로 제한되는 것은 아니며, 빌렛의 크기에 따라 상기 범위와 다른 다양한 두께 범위를 가질 수 있다.
또한, 상기 중공 원통형 케이스는 한쪽 입구가 막힌 캔(can) 형상이거나, 양쪽 입구가 뚫린 중공 원통 형상일 수 있으며, 금속 모재를 용융시킨 후, 주형에 주입하여 속이 빈 원통 형상으로 제조하거나 기계 가공하여 제조할 수 있다.
본 단계 (a)에서 상기와 같이 2종의 서로 다른 금속으로 각각 이루어진 원통형 코어재 및 중공 원통형 케이스를 포함하는 빌렛을 제조하기 위한 방법으로서, 상기 원통형 코어재를 상기 중공 원통형 케이스 내부에 끼워 맞춤하여 원통형 코어재와 그 외주면을 둘러싸는 중공 원통형 케이스를 포함하는 빌렛을 제조하는 방법은 물론, 상기 중공 원통형 케이스 내부에 원통형 코어재를 형성할 금속의 분말을 장입한 후 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 등의 급속 소결 공정을 이용해 소결시켜 원통형 코어재와 그 외주면을 둘러싸는 중공 원통형 케이스를 포함하는 빌렛을 제조하는 방법도 가능하다.
나아가, 본 단계 (a)에서는 이종(異種) 소재, 대표적으로 알루미늄과 탄소나노튜브를 포함하는 압출용 빌렛을 제조할 수 있다.
알루미늄과 탄소나노튜브를 포함하는 압출용 빌렛은 알루미늄과 탄소나노튜브를 포함하는 원통형 코어재와 알루미늄으로 이루어진 중공 원통형 케이스를 포함할 수 있다.
이때, 빌렛 제조에 앞서 알루미늄과 탄소나노튜브를 포함하는 원통형 코어재를 얻기 위한 알루미늄/탄소나노튜브 복합 분말의 제조 공정이 선행한다.
알루미늄/탄소나노튜브 복합 분말은 알루미늄 분말 및 탄소나노튜브 분말을 볼밀링해 제조될 수 있으며, 상기 알루미늄/탄소나노튜브 복합 분말을 포함하는 빌렛은 탄소나노튜브를 포함함에 따라 압출, 압연, 단조 등의 소성 가공을 통해 클래드재 등과 같은 복합재료를 제조할 경우 해당 복합재료는 고열전도성, 고강도, 경량화 특성을 가질 수 있다.
한편, 마이크로 사이즈의 알루미늄 입자는 나노 사이즈의 탄소나노튜브와 입경 차이가 커서 분산이 어렵고, 탄소나노튜브는 강한 반데르발스 힘에 의해서 응집되기 쉬워 탄소나노튜브를 알루미늄 분말과 균일하게 분산시키기 위해서 분산 유도제가 더 첨가될 수 있다.
상기 분산 유도제로는 SiC, SiO2, Al2O3, TiO2, Fe3O4, MgO, ZrO2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 세라믹으로 이루어진 나노 입자를 사용할 수 있다.
상기 나노 세라믹 입자는 상기 탄소나노튜브를 상기 알루미늄 입자 사이에 균일하게 분산시키는 작용을 하며, 특히 상기 나노 SiC(나노 실리콘카바이드, nano Silicon carbide)는 인장 강도가 높고 날카로우며 일정한 전기전도성과 열전도성을 갖고 있으며, 높은 경도, 고내화성과 열충격에 강하며 고온 성질과 화학적 안정성이 우수하여 연마재, 내화재로서 사용된다. 또한, 상기 알루미늄 입자 표면에 존재하는 상기 나노 SiC 입자는 상기 탄소나노튜브와 상기 알루미늄 입자의 직접적인 접촉을 억제하여 일반적으로 알려져 있는 상기 탄소나노튜브와 상기 알루미늄의 반응에 의해서 생성될 수 있는 불건전상의 알루미늄 카바이드의 생성을 억제하는 역할도 수행한다.
또한, 상기 복합 분말은 상기 알루미늄 분말 100 부피부, 및 상기 탄소나노튜브 0.01 부피부 내지 10 부피부를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 함량이 상기 알루미늄 분말 100 부피부에 대하여 0.01 부피부 미만인 경우 복합재료의 강도는 알루미늄과 비슷하게 나타나므로 강화재로서 충분한 역할을 하지 못할 수 있고, 반대로 상기 탄소나노튜브의 함량이 10 부피부를 초과하는 경우 강도는 알루미늄 대비 증가하지만 반대로 연신율이 떨어질 수 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브의 함량이 극단적으로 많아지면 오히려 분산이 어려워지고 결함으로 작용하여 기계적 물리적 특성을 떨어뜨릴 수도 있다.
또한, 상기 복합 분말이 상기 분산 유도제를 더 포함하는 경우, 상기 복합 분말은 상기 알루미늄 분말 100 부피부에 대하여 상기 분산 유도제 0.1 부피부 내지 10 부피부를 더 포함할 수 있다.
상기 분산 유도제의 함량이 상기 알루미늄 분말 100 부피부에 대하여 0.1 부피부 미만인 경우 분산 유도 효과가 미미할 수 있고, 10 부피부를 초과하는 경우 탄소나노튜브의 응집으로 분산이 어려워 오히려 결함으로 작용할 있을 수 있다.
한편, 상기 볼 밀은 구체적으로 대기, 불활성 분위기, 예를 들면, 질소 또는 아르곤 분위기 하에서, 150 r/min 내지 300 r/min의 저속 또는 300 r/min의 이상의 고속으로, 12 시간 내지 48 시간 동안 볼밀기, 예를 들어 수평형 또는 유성형 볼밀기를 이용하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 볼 밀은 스테인레스 용기에서, 스테인레스 볼(지름 20 파이 볼, 및 지름 10 파이 볼을 1:1 혼합)을 상기 복합 분말 100 부피부에 대하여 100 부피부 내지 1500 부피부로 장입하여 이루어질 수 있다.
또한, 마찰계수를 감소시키기 위해서 공정 제어제로 헵탄, 헥산 및 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 유기 용제를 상기 복합 분말 100 부피부에 대하여 10 부피부 내지 50 부피부로 사용할 수 있다. 상기 유기 용제는 볼 밀 후 용기를 오픈하여 상기 혼합 분말 회수시 후드에서 모두 증발되고, 회수되는 혼합 분말에는 상기 알루미늄 분말과 상기 탄소나노튜브만 남는다.
이때, 상기 나노 크기의 세라믹인 분산 유도제는, 상기 볼 밀 공정시 발생되는 회전력에 의해 상기 나노 크기의 밀링 볼과 같은 역할을 하여, 물리적으로 응집된 상기 탄소나노튜브를 분리하고 유동성을 촉진시켜 상기 탄소나노튜브를 상기 알루미늄 입자 표면에 더욱 균일하게 분산시킬 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 얻어진 알루미늄/탄소나노튜브 복합 분말을 포함하는 다층 빌렛(billet)을 제조한다.
본 단계에서 제조되는 다층 빌렛은 도 2에 도시한 바와 같이 알루미늄과 탄소나노튜브를 포함하는 원통형 코어재(11)와 이를 둘러싸는 알루미늄으로 이루어진 중공 원통형 케이스(12)만으로 이루어질 수 있음은 물론, 도 3에 도시한 바와 같이 알루미늄 또는 알루미늄/탄소나노튜브 복합 분말을 포함하는 코어층(21)과 상기 코어층의 외주면을 둘러싸며 알루미늄/탄소나노튜브 복합 분말을 포함하는 피복층(22)을 포함하는 원통형 코어재 및 이를 둘러싸며 알루미늄으로 이루어진 중공 원통형 케이스(23)로 이루어질 수 있다.
상기 코어층이 알루미늄/탄소나노튜브 복합 분말로 이루어질 경우에는 코어층과 피복층 각각에 포함되는 복합 분말은 조성이 상이해 알루미늄 분말에 대한 탄소나노튜브의 부피 분율이 서로 다른 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 피복층은 알루미늄 100 부피부에 대하여 탄소나노튜브를 0.09 부피부 내지 10 부피부로 포함하고, 상기 코어층은 알루미늄 분말 100 부피부에 대하여 탄소나노튜브를 0 부피부 초과 0.08 부피부 이하로 포함할 수 있다.
이때, 상기 압출용 빌렛은 빌렛 전체 부피에 대하여 상기 피복층(22)을 0.01 부피% 내지 10 부피% 및 상기 코어층(21)을 0.01 부피% 내지 10 부피%로 포함할 수 있고, 상기 중공 원통형 케이스(23)를 나머지 부피로 포함할 수 있다.
한편, 압출용 빌렛이 알루미늄/탄소나노튜브 복합 분말을 포함하는 코어층(21) 또는 피복층(22)을 포함함에 따라 봉입하기 전에, 10 MPa 내지 100 MPa의 고압으로 압착시키는 공정을 포함할 수 있다. 이와 같이 빌렛을 압착함으로써 이후 빌렛을 압출 다이스를 이용하여 압출하는 것이 가능해진다. 상기 복합 분말을 압착하는 조건이 10 MPa 미만인 경우 제조된 소성 가공 복합재료에 기공이 발생할 수 있고, 상기 복합 분말이 흘러 내릴 수 있으며, 100 MPa를 초과하는 경우 높은 압력으로 인하여 피복층이 팽창할 수 있다.
또한, 상기 빌렛이 상기 알루미늄/탄소나노튜브 복합 분말을 포함하는 코어층 및/또는 피복층을 포함함에 따라 빌렛을 압출 등의 소성 가공 공정에 제공하기 위하여 빌렛을 소결시키는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 소결에는 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 또는 열간 가압 소결 장치를 사용할 수 있지만, 동일한 목적을 달성할 수 있는 한 어떠한 소결 장치를 사용해도 무방하다. 다만, 단시간 내에 정밀하게 소결하는 것이 필요한 경우 방전 플라즈마 소결을 이용하는 것이 바람직하고, 이때 30 MPa 내지 100 MPa의 압력 하에서, 280 ℃ 내지 600 ℃의 온도로, 1 초 내지 30 분 동안 방전 플라즈마 소결시킬 수 있다.
이어서, 상기 단계 (b)에서는 다층 빌렛을 압출해 배터리 케이스 형상의 압출재를 제조한다.
본 단계 (b)에 있어서 압출 공정을 수행하기 위한 구체적인 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 간접 압출법(indirect extrusion process), 직접 압출법(direct extrusion process), 정수압 압출법(hydrostatic extrusion process) 또는 충격 압출법(impact extrusion process)에 의해 압출 공정이 이루어질 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예>
본 실시예에서는 탄소나노튜브는 순도 99.5 %, 직경과 길이는 각각 10 nm 이하와 30 ㎛ 이하이고(룩셈부르크, (주)OCSiAl사 제품), 알루미늄 분말은 평균 입경 45 ㎛, 순도 99.8 %(한국, MetalPlayer 제품)을 사용해, 중공 원통형 케이스에 해당되는 알루미늄 캔 중앙에 원기둥 형상의 코어층이 위치하고, 상기 알루미늄 캔과 코어층 사이에 알루미늄/탄소나노튜브 복합 분말로 이루어진 피복층이 위치하도록 압출용 빌렛을 제조하였다.
상기 피복층은 상기 알루미늄 분말 100 부피부에 대하여 탄소나노튜브를 0.1 부피부로 포함하는 알루미늄-CNT 복합 분말을 포함하였고, 상기 알루미늄 캔은 알루미늄 6063으로 이루어졌고, 상기 코어층은 알루미늄 3003 합금으로 이루어졌다.
상기 피복층은 구체적으로 다음의 방법으로 제조되었다. 알루미늄 분말 100 부피부, 상기 탄소나노튜브 0.1 부피부 비율로 스테인레스 용기에 30 부피%로 채우고, 상기 용기에 스테인레스 볼(지름 20 파이 볼, 및 지름 10 파이 볼을 혼합)을 용기 내부에 30 부피%까지 채우고 헵탄을 50 ml 첨가한 후, 이를 수평형 볼밀기를 이용하여 250 rpm, 24 시간 동안 저속 볼 밀 시켰다. 이후, 상기 용기를 오픈하여 상기 헵탄을 후드에서 모두 증발시키고, 알루미늄-CNT 복합 분말을 회수하였다.
상기 제조된 알루미늄-CNT 복합 분말을 상기 알루미늄 캔과 상기 코어층 사이의 틈 2.5t에 장입시키고, 100 MPa의 압력으로 압착시켜, 상기 압출용 빌렛을 제조하였다.
이어서, 제조한 압출용 빌렛을 직접 압출기를 이용하여 압출비 100, 압출 속도 5 mm/s, 압출 압력 200 kg/cm2, 빌렛 온도 460 ℃인 조건으로 직접 압출하여 배터리 케이스 형상의 압출재를 제조하였다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (7)
- (a) 원통형 코어재 및 상기 원통형 코어재의 외주면을 둘러싸는 중공 원통형 케이스를 포함하는 압출용 빌렛을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 압출용 빌렛을 압출해 배터리 케이스 형상의 압출재를 제조하는 단계;
를 포함하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 원통형 코어재는 구리(Cu)로 이루어지고, 상기 중공 원통형 케이스는 알루미늄(Al)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 원통형 코어재는 알루미늄(Al)로 이루어지고, 상기 중공 원통형 케이스는구리(Cu)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 원통형 코어재는 알루미늄 및 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 포함하고, 상기 중공 원통형 케이스는 알루미늄(Al)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 원통형 코어재는,
알루미늄(Al)으로 이루어진 코어층; 및
상기 코어층의 외주면을 둘러싸며 알루미늄 및 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 포함하는 피복층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 간접 압출법(indirect extrusion process), 직접 압출법(direct extrusion process), 정수압 압출법(hydrostatic extrusion process) 또는 충격 압출법(impact extrusion process)을 이용해 빌렛을 압출하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 케이스의 제조방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 전기 자동차용 배터리 케이스.
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