KR20230148461A - 수지 성형 방식을 적용한 배터리 팩의 제조방법 - Google Patents

수지 성형 방식을 적용한 배터리 팩의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수지 성형 방식을 적용한 배터리 팩의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 셀이 포함되지 않은 상태에서 수지를 경화하기 때문에 배터리의 열화현상을 막을 수 있고, 모델별로 제조 방법이 구분되지 않고 하나의 공정 흐름을 가져 생산 안정화가 가능하며, 수지를 금형에 성형하여 미주입부를 방지하기 위한 노력이 줄어주는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리 팩의 구조가 복잡한 경우, 방열수지를 성형하여 셀을 조립하는 방식으로 안정적인 품질로 제품의 대량생산이 가능하다는 장점이 있다.

Description

수지 성형 방식을 적용한 배터리 팩의 제조방법{Manufacturing method of battery pack applying resin molding method}
본 발명은 수지 성형 방식을 적용한 배터리 팩의 제조방법에 관한 것이다.
최근 친환경, 경량화 등에 대한 관심이 높아지면서 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등 친환경적인 자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
전기자동차에 대한 연구는 전기자동차의 동력원인 대용량 배터리에 대한 관심이 집중되고 있다. 리튬 이온 배터리는 1990년부터 상용화가 된 이후로 휴대용 전자기기 등에 많이 사용되고 있고, 다른 이차전지에 비해 가벼운 무게 및 높은 에너지 밀도, 전압을 나타낸다. 리튬 이온 배터리는 그 목적에 따라 전지의 형태와 재료의 최적화가 용이하므로, 최근 차세대 에너지원으로서 사용되는 것은 물론 하이브리드자동차 등의 대용량 에너지원으로 사용되고 있다.
그러나 차량동력원으로서의 대용량 리튬 이온 배터리는 단위전지를 복수로 포함하며, 단위 전지가 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 팩 형태로 사용된다.
배터리 팩은 복수의 단위 전지가 포함되어 부피가 증가하므로, 크기를 최소화하기 위해서, 복수의 단위 전지를 밀집하여 배치하는데, 단위 전지들은 충전 또는 방전 과정에서 열이 발생하는데, 밀집된 상태에서 이러한 열이 신속하게 배출되지 않을 경우 단위 전지의 열화가 촉진되고, 각각의 단위 전지에서 발생하는 열로 국부적인 온도 차이가 발생하거나 고출력 주행 시 고열 발생의 가능성이 높다. 이는 배터리의 효율 및 안정성을 저해하는 열폭주 현상의 발생으로 배터리의 성능 및 수명에 큰 영향을 미치게 되므로 배터리 충방전 및 고출력 시에 발생되는 열을 효율적으로 관리할 수 있는 시스템이 필요하다.
또한, 종래의 방열수지를 적용한 배터리 팩을 제조하는 경우는 배터리 셀을 케이스 안에 정렬시킨 후 수지를 주입하여 제조한다. 그러나, 방열수지를 주입 및 경화한 후에는 추가 가공이 불가능하여 셀의 배열에 따라 전극을 접합하는 단계의 결정이 필요하여 작업 모델별로 공정 변화가 필요하며 수지 주입 시 미주입부를 방지하기 위한 여러 장치가 필요하다는 단점을 가지고 있다. 또한 배터리 셀이 경화로에 들어가기 때문에 경화 온도에 열화 현상이 발생하여 배터리의 수명이 단축되는 단점이 있다.
따라서, 방열수지를 주입 및 경화시켜 배터리 팩을 제조하는 방법과 달리 배터리의 열화현상을 방지하고, 모델별로 제조방법이 구분되지 않고 하나의 공정 흐름을 갖는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2019-0000210호 (2019.01.02. 공개)
본 발명의 목적은 수지 성형 방법을 이용하여 방열수지를 형성하여 배터리의 열화현상을 방지하고, 모델별로 하나의 공정 흐름을 가져 생산 안정성을 향상시킬 수 있는 배터리 팩의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 방열수지 조성물을 금형에 주입하고 성형하여 배터리 셀의 상부, 하부 및 바디부에 각각 구비되는 상부, 하부 및 바디부의 성형수지를 제조하는 단계; 상기 성형수지와 배터리 셀을 조립하는 단계; 상기 성형수지가 결합된 배터리 셀에 전극을 접합하는 단계; 및 케이스를 조립하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 셀이 포함되지 않은 상태에서 수지를 경화하기 때문에 배터리의 열화현상을 막을 수 있고, 모델별로 제조 방법이 구분되지 않고 하나의 공정 흐름을 가져 생산 안정화가 가능하며, 수지를 금형에 성형하여 미주입부를 방지하기 위한 노력이 줄어주는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리 팩의 구조가 복잡한 경우, 방열수지를 성형하여 셀을 조립하는 방식으로 안정적인 품질로 제품의 대량생산이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩의 제조방법에서 제조된 성형수지의 형태를 나타낸 모식도이다: (a)는 단면도이고, (b)는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 팩의 제조방법에 의해 제조된 배터리 팩을 촬영한 이미지이다:(a)는 제조된 바디부 성형수지의 이미지이고, (b)는 배터리 셀 조립 후의 이미지이고, (c)는 상/하부수지와 케이스를 조립한 후의 이미지이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본 발명은 방열수지 조성물을 금형에 주입하고 성형하여 성형수지를 제조하는 단계; 상기 성형수지와 배터리 셀을 조립하는 단계; 상기 성형수지가 결합된 배터리 셀에 전극을 접합하는 단계; 및 상기 전극이 접합된 배터리 셀에 케이스를 조립하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 배터리 팩의 제조방법을 나타낸 순서도이다. 도 1을 살펴보면, 본 발명의 배터리 팩의 제조방법은 방열수지 조성물을 금형에 주입하고 성형하여 배터리 셀의 상부, 하부 및 바디부에 각각 구비되는 상부, 하부 및 바디부의 성형수지를 제조하는 단계(S100); 상기 바디부 성형수지와 배터리 셀을 조립하는 단계(S200); 상기 바디부 성형수지가 결합된 배터리 셀에 전극을 접합하는 단계(S300); 및 상부 및 하부 성형수지와 케이스를 조립하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
상기 금형은 배터리 팩의 형태에 맞춰서 제작한 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 금형은 배터리 팩의 바디부에 맞는 제1 금형(바디부 금형), 배터리 팩의 상부에 맞는 제2 금형(상부 금형) 및 배터리 팩의 하부에 맞는 제3 금형(하부 금형)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 내지 제3 금형은 독립적으로 배터리 팩의 모양에 따라 원형 또는 다각형의 형태일 수 있다.
상기 방열수지 조성물은 폴리올 및 용매를 혼합하여 폴리올 용액을 형성하는 단계; 상기 폴리올 용액에 열전도성 필러를 첨가하는 단계; 및 상기 혼합물에 이소시아네이트를 첨가하여 조성물을 제조하는 단계;를 통해 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 방열수지 조성물은 20℃ 내지 40℃ 또는 20℃ 내지 30℃의 온도에서 제조될 수 있다.
상기 폴리올 용액을 형성하는 단계에서, 상기 폴리올은 폴리에테르계 또는 에스테르계 폴리올을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 폴리올은 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리프로필렌글리콜(PPG), 폴리테트라메틸렌에테르글리콜(PTMG), 폴리헥사메틸렌에테르글리콜(PHMG), 폴리에틸렌아디페이트글리콜, 폴리프로필렌 아디페이트글리콜, 폴리부틸렌아디페이트글리콜, 폴리헥사메틸렌아디페이트글리콜, 및 폴리카프로락톤폴리올 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 용매는 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 아세톤 및 에틸아세테이트 중 적어도 하나 이상을 포함한다. 구체적으로, 상기 용매는 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 아세톤 또는 에틸아세테이트일 수 있다. 상기와 같이 용매를 사용함으로써 조성물의 점도를 제어할 수 있다.
상기 폴리올 용액에 열전도성 필러를 첨가하는 단계는 폴리올 용액에 열전도성 필러를 투입하는 단계이다.
상기 열전도성 필러는 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN), 질화규소(Si3N4), 탄화규소(SiC) 산화베릴륨(BeO), 산화아연(ZnO) 및 수산화알루미늄(Al(OH)3) 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
구체적으로, 상기 열전도성 필러의 평균 직경은 1 내지 120 ㎛일 수 있고, 보다 구체적으로, 1 내지 100 ㎛, 1 내지 80 ㎛ 또는 5 내지 30 ㎛일 수 있다. 상기와 같은 크기의 직경을 가짐으로써 방열수지의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 열전도성 필러는 코팅물질과 전처리 반응을 통해 코팅층을 형성된 것으로, 상기 코팅물질은 상기 열전도성 필러의 상에 형성되되, 커플링제, 고분자 수지 및 흑연질 탄소 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 코팅물질은 열전도성 필러 대비 0.1 내지 1.0wt%, 0.2 내지 1.0wt% 또는 0.2 내지 0.5wt%로 포함할 수 있다. 상기와 같은 열전도성 필러를 포함하여 폴리우레탄 수지와 열전도성 필러 간의 밀착성을 증가시켜 결합력을 향상시킬 수 있다.
상기 코팅층의 두께는 1 Å 내지 50 ㎛, 1 nm 내지 50 ㎛, 10 nm 내지 10 ㎛ 또는 10 nm 내지 1 ㎛로 형성될 수 있다.
상기 커플링제는 (3-글리시딜옥시프로필기)트리메톡시실란((3-Glycidyloxypropyl)trimethoxysilane), (3-글리시딜옥시프로필기)트리에톡시실란((3-Glycidyloxypropyl)triethoxysilane), 디에톡시(3-글리시딜옥시프로필기)메틸실란(Diethoxy(3-glycidyloxypropyl)methylsilane) 및 3-글리시독시프로필디메톡메틸실란(3-Glycidoxypropyldimethoxymethylsilane) 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 커플링제를 코팅하는 전처리 방법은 상기 커플링제를 에탄올에 0.5~3중량% 혼합한 용액에 열전도성 필러를 함침시켜 표면을 처리하여 수행할 수 있다.
상기 고분자 수지는 실란, 우레탄, 실리콘 및 에폭시 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 금속산화물은 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN) 및 산화베릴륨(BeO) 중 적어도 하나 이상을 포함하고, 상기 금속산화물의 평균 직경은 10 nm 내지 100㎛일 수 있다.
상기 고분자 수지와 금속산화물을 코팅하는 전처리 방법은 습식코팅 방법으로 고분자 수지와 금속산화물을 혼합한 용액에 혼합 및 함침시킨 후 60~120℃의 온도에서 열처리하고 건조시켜 수행할 수 있다. 이 경우 마이크로캡슐화가 되어 금속에 의한 전기전도도를 최대한 차단하고 열전도성을 향상시킬 수 있다.
상기 흑연질 탄소는 활성탄, 흑연, 산화그래핀 및 탄소나노튜브 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 흑연질 탄소는 흑연 또는 산화그래핀일 수 있다.
상기 흑연질 탄소를 코팅하는 전처리 방법은 건식코팅 방법 또는 습식코팅 방법일 수 있다. 상기 건식코팅 방법은 열전도성 필러와 흑연질 탄소를 단순 혼합한 후 60~150℃에서 열처리를 수행할 수 있다. 상기 습식코팅 방법은 열전도성 필러를 흑연질 탄소가 분산된 용액에 혼합 및 함침시킨 후 60~120℃의 온도에서 열처리하고 건조시켜 수행할 수 있다.
상기 폴리올 용액에 열전도성 필러를 첨가하는 단계는 상기 혼합물에 첨가제를 더 추가할 수 있다. 상기 첨가제는 분산제, 소포제 및 레벨링제 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 분산제는 나프탈렌술폰산나트륨, 페놀술폰산나트륨, 알킬 디페닐 에테르 디술폰산 나트륨, 알킬벤젠 술폰산염, 폴리아크릴산나트륨 및 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 소포제는 실리콘 계열 소포제, 고급 지방산 계열의 소포제 및 저급알코올 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
구체적으로, 상기 실리콘 계열의 소포제는 폴리디메틸실록산(PDMS), Poly(Alkylene Oxide)와의 공중합체 및 Polytrifluoro propylmethylsiloxanes 중 적어도 하나 이상을 포함하고, 상기 지방산 계열의 소포제는 이소아밀 스테아린산, 디글리콜 라우린산, 디스테아릴 호박산, 솔비탄 모노 라우린산 및 폴리옥시에틸렌 솔비탄 중 적어도 하나 이상을 포함하고, 상기 저급 알코올 계열 소포제는 메탄올, 옥탄올, 3-헵탄올, 2-에틸헥산올 및 de-tetra-아밀페녹시에탄올 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 레벨링제는 폴리아크릴산알킬, 폴리아킬비닐에테르, 셀룰로오즈 아세테이트 부틸레이트, 디메틸 폴리실록산 및 메틸페닐 폴리실록산 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기 조성물을 제조하는 단계는 폴리올 20중량%~40중량%, 용매 5중량%~15중량%, 열전도성 필러 30중량%~60중량%, 이소시아네이트 5중량%~15중량% 및 첨가제 0.1중량%~2.0중량%의 비율로 혼합하여 조성물을 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 조성물을 제조하는 단계는 폴리올 25중량%~35중량%, 용매 5중량%~10중량%, 열전도성 필러 45중량%~55중량%, 이소시아네이트 8중량%~10중량% 및 첨가제 0.7중량%~1.5중량%의 비율로 혼합하여 조성물을 제조할 수 있다.
상기 이소시아네이트는 폴리올과 반응하여 폴리우레탄을 형성시키는 것이라면 특별히 제한하지 않는다. 구체적으로, 상기 이소시아네이트는 메틸렌 디페닐 다이이소시아네이트(MDI) 및 톨루엔 다이이소시아네이트(TDI) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 성형수지를 제조하는 단계(S100)는 (a) 배터리 셀 바디부에 구비되는 바디부 성형수지를 제조하는 단계; (b) 배터리 셀의 하부에 구비되는 하부 성형수지를 제조하는 단계; 및 (c) 배터리 셀의 상부에 구비되는 상부 성형수지를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (a)단계는 상기 배터리 팩의 모양에 맞도록 제조된 제1 금형에 방열수지 조성물을 주입하고 경화시켜 바디부 성형수지를 제조할 수 있다. 상기 경화는 60 내지 80℃의 온도, 3 내지 6 bar의 압력 조건에서 30 분 내지 8시간 동안 가압하여 수행할 수 있다. 상기 (a)단계를 통해 제조된 성형수지는 도 2 및 도 3의 (a)와 같이 배터리 팩 모양에 맞추어 원형 또는 다각형으로 제조할 수 있고, 배터리 셀이 구비될 수 있는 공간이 형성될 수 있다.
구체적으로, (a)단계에서 제1 금형은 셀 사이의 간격이 1 내지 15 mm 또는 1 내지 10 mm일 수 있고, 셀과 벽 사이의 간격이 1 내지 15 mm 또는 1 내지 10 mm일 수 있다.
또한, (a)단계에서 바디부 성형수지의 높이는 배터리 셀과 같거나 0.1 내지 3 mm 또는 0.1 내지 1 mm 짧게 할 수 있고, 이를 통해 전극 접착 공정을 용이하게 할 수 있다.
상기 (b)단계는 상기 배터리 팩의 하부에 맞도록 제조된 제2 금형에 방열수지 조성물을 주입하고 경화시켜 시트 형태의 하부 성형수지를 제조할 수 있다. 상기 경화는 60 내지 80℃의 온도, 3 내지 6 bar의 압력 조건에서 30 분 내지 8시간 동안 가압하여 수행할 수 있다.
상기 (c)단계는 상기 배터리 팩의 상부에 맞도록 제조된 제3 금형에 방열수지 조성물을 주입하고 경화시켜 시트 형태의 상부 성형수지를 제조시킬 수 있다. 상기 경화는 60 내지 80℃의 온도, 3 내지 6 bar의 압력 조건에서 30 분 내지 8시간 동안 가압하여 수행할 수 있다.
또한, 상기 (b)단계와 (c) 단계의 순서는 서로 바뀌어도 무방하다.
상기 (b) 및 (c) 단계에서 상기 제2 및 제3 금형은 독립적으로 1 내지 15 mm 또는 1 내지 10 mm의 두께의 시트 형태이고, 상기 시트 형태는 전극 모양에 따른 패턴이 형성된 것일 수 있다.
상기와 같이, 방열수지 조성물을 금형에 주입 및 경화시켜 성형수지를 제조함으로써, 경화를 위해 배터리 셀에 직접적으로 열을 가하지 않기 때문에 배터리의 열화 현상을 방지할 수 있고, 모델별로 제조방법을 구분하지 않고 하나의 공정 흐름을 가져 안정적인 품질로 제품의 대량생산이 가능한 이점이 있다.
상기 성형수지와 배터리 셀을 조립하는 단계(S200)는 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이 상기 바디부 성형수지에 배터리 셀을 조립하여 셀 번들을 제조할 수 있다.
상기 배터리 셀에 전극을 접합하는 단계(S300)는 상기 배터리 셀 또는 셀 번들의 일측 또는 양측에 전극을 접합할 수 있다.
상기 케이스를 조립하는 단계(S400)는 도 3의 (c)에 나타낸 바와 같이 상기 상부 및 하부 성형수지를 배터리 팩 상부 및 하부에 조립하고 케이스를 조립할 수 있다. 상기 상부 및 하부 성형수지는 시트 형태로 전극 모양의 패턴이 구비되어 밀착도를 높일 수 있다. 이때 성형수지의 접착은 성형수지 끼리 접착되거나, 케이스 조립시에 뚜껑 압착 방식을 통해 접착될 수 있다.
상기 배터리 팩의 제조방법은 케이스를 조립하는 단계 이후에 부속품을 조립하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 부속품은 하네스, BMS 보드, 케이블 터미널, 콘넥터로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 방열수지 조성물을 금형에 주입하고 성형하여 배터리 셀의 상부, 하부 및 바디부에 각각 구비되는 상부, 하부 및 바디부의 성형수지를 제조하는 단계; 상기 성형수지와 배터리 셀을 조립하는 단계; 상기 성형수지가 결합된 배터리 셀에 전극을 접합하는 단계; 및 케이스를 조립하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열수지 조성물은 폴리올 및 용매를 혼합하여 폴리올 용액을 형성하는 단계; 상기 폴리올 용액에 열전도성 필러를 첨가하는 단계; 및 상기 혼합물에 이소시아네이트를 첨가하여 조성물을 제조하는 단계;를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형수지를 제조하는 단계는,
    (a) 배터리 셀 바디부에 구비되는 바디부 성형수지를 제조하는 단계;
    (b) 배터리 셀의 하부에 구비되는 하부 성형수지를 제조하는 단계; 및
    (c) 배터리 셀의 상부에 구비되는 상부 성형수지를 제조하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 (a)단계는 상기 배터리 팩의 모양에 맞도록 제조된 제1 금형에 방열수지 조성물을 주입하고 경화시켜 바디부 성형수지를 제조하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 제1 금형은 셀 사이의 간격이 1 내지 15 mm이고, 셀과 벽 사이의 간격이 1 내지 15mm인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 바디부 성형수지의 높이는 배터리 셀과 같거나 0.1 내지 3 mm 짧은 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 (b)단계는 상기 배터리 팩의 하부에 맞도록 제조된 제2 금형에 방열수지 조성물을 주입하고 경화시켜 시트 형태의 하부 성형수지를 제조하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 (c)단계는 상기 배터리 팩의 상부에 맞도록 제조된 제3 금형에 방열수지 조성물을 주입하고 경화시켜 시트 형태의 상부 성형수지를 제조하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 금형은 독립적으로 1 내지 15 mm의 두께의 시트 형태이고,
    상기 시트 형태는 전극 모양에 따른 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형수지와 배터리 셀을 조립하는 단계는 상기 바디부 성형수지에 배터리 셀을 조립하여 셀 번들을 제조하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀에 전극을 접합하는 단계는 상기 배터리 셀의 일측 이상에 전극을 접합하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스를 조립하는 단계는 상기 상부 및 하부 성형수지를 배터리 팩 상부 및 하부에 조립하고 케이스를 조립하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 제조방법은 케이스를 조립하는 단계 이후에 부속품을 조립하는 단계를 더 포함하는 배터리 팩의 제조방법.
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