KR20240000444A - 실리콘 적층체 및 배터리 - Google Patents

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KR20240000444A
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silicone rubber
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마사카즈 핫토리
유코 기무라
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후지고분시고오교오가부시끼가이샤
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Abstract

실리콘 고무층 (A)(2)와, 실리콘 고무층(2)보다 경도가 낮은 실리콘층 (B)(3)를 포함하는 층이 적층된 실리콘 적층체(1)이고, 실리콘층 (B)(3)는, 실리콘 스펀지층 (B1) 및 실리콘 겔층 (B2)로부터 선택되는 적어도 하나의 층이며, 실리콘 고무층 (A)(2) 및 실리콘층 (B)(3)는 모두 연소 시에 세라믹스화하여, 소결체가 됨으로써 형상 유지하는 재료로 형성되어 있고, 실리콘 적층체(1)는 내화성을 갖는다. 실리콘 고무층 (A)(2) 및 상기 실리콘층 (B)(3)는 번갈아 적층되며, 각각의 층을 2층 이상, 합계 4층 이상으로 적층되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 배터리의 완충재의 내화성 및 내압축성이 높은 실리콘 적층체를 제공한다.

Description

실리콘 적층체
본 발명은, 배터리 셀 사이의 완충재 등에 유용한 실리콘 적층체에 관한 것이다.
근년, 수요와 생산량이 증가하고 있는 전기 자동차(electric vehicle : EV), 플러그인 하이브리드 차(PHEV), 하이브리드 차(HEV) 등은, 배터리로부터의 전기를 에너지원으로 하여, 전동기(모터)를 이용하여 주행한다. 배터리는 복수의 배터리 셀을 배열하며, 셀 케이스에 수용하여 사용하는 것이 일반적이다. 배터리는 다양한 이상 사태를 상정하여 만들어져 있는데, 그 중 하나로 열폭주 반응 등의 이상 발열이 있다. 이상 발열이 발생하면, 셀의 팽창에 의해 셀 재료가 변형 혹은 파손될 우려가 있다.
특허 문헌 1에는, 80℃ 이하에서는 열전도율이 1W/m·K 이상이고, 80℃를 초과하면 열전도율은 0.5W/m·K 이하가 되며, 난연성의 열팽창성 부재가 제안되어 있다. 특허 문헌 2에는, 실리콘 고무 바인터와 중공 유리 비즈를 포함하는 발포체로 전지 모듈 용기의 오픈 스페이스를 채우는 것이 제안되어 있다. 특허 문헌 3에는, 배터리의 열을 방열하기 위해서, 통 형상, 단면 U자 형상 혹은 스파이럴 형상의 열전도 시트와 쿠션재와 점착층을 포함하는 방열체가 제안되어 있다.
일본국 특허공개 2019-172762호 공보 일본국 특허공표 2020-507194호 공보 일본국 특허공개 2021-015696호 공보
그러나, 상기 종래 기술은, 배터리의 완충재의 내화성 및 내압축성에는 아직도 문제가 있어, 개선이 요구되고 있었다.
본 발명은 상기 종래의 문제를 해결하기 위해, 배터리의 완충재의 내화성 및 내압축성이 높은 실리콘 적층체를 제공한다.
본 발명의 실리콘 적층체는, 실리콘 고무층 (A)와, 상기 실리콘 고무층보다 경도가 낮은 실리콘층 (B)를 포함하는 층이 적층된 실리콘 적층체로서, 상기 실리콘층 (B)는, 실리콘 스펀지층 (B1) 및 실리콘 겔층 (B2)로부터 선택되는 적어도 하나의 층이고, 상기 실리콘 고무층 (A) 및 상기 실리콘층 (B)는 모두 연소 시에 세라믹스화하여, 소결체가 됨으로써 형상 유지하는 재료로 형성되어 있으며, 상기 실리콘 적층체는 내화성을 갖는다.
본 발명은, 실리콘 고무층 (A)와, 상기 실리콘 고무층보다 경도가 낮은 실리콘층 (B)를 포함하는 층이 적층된 실리콘 적층체로서, 상기 실리콘층 (B)는, 실리콘 스펀지층 (B1) 및 실리콘 겔층 (B2)로부터 선택되는 적어도 하나의 층이고, 상기 실리콘 고무층 (A) 및 상기 실리콘층 (B)는 모두 연소 시에 세라믹스화하여, 소결체가 됨으로써 형상 유지하는 재료로 형성되어 있으며, 상기 실리콘 적층체는 내화성을 가짐으로써, 배터리의 완충재의 내화성 및 내압축성이 높은 실리콘 적층체를 제공할 수 있다. 상기 특성은, 배터리가 이상 발열했을 때에도 재료의 변형을 막을 수 있다.
도 1의 A는, 본 발명의 일 실시 형태의 배터리 셀 사이에 실리콘 적층체를 배치한 모식적 단면도이고, 도 1의 B는 그것의, 이상 발열이 발생했을 때의 모식적 단면도이다.
도 2의 A는, 비교예의 배터리 셀 사이에 실리콘 재료를 배치한 모식적 단면도이고, 도 2의 B는 그것의, 이상 발열이 발생했을 때의 모식적 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태의 복수의 배터리 셀 사이에 실리콘 적층체를 배치한 배터리의 모식적 단면도이다.
본 발명은 실리콘 고무층 (A)와, 상기 실리콘 고무층보다 경도가 낮은 실리콘층 (B)를 포함하는 층이 적층된 실리콘 적층체이다. 실리콘 고무층 (A)의 아스카 A 경도는 40~80, 실리콘층 (B)의 아스카 C 경도는 30~70이 바람직하고, 경도의 관계는 A＞B이다. 이에 의해, 경도가 높은 실리콘 고무층 (A)가 심이 되어, 내화성 및 단열성을 유지하면서, 셀의 팽창에 의한 변형이 적은 재료가 된다.
실리콘층 (B)는, 실리콘 스펀지층 (B1) 및 실리콘 겔층 (B2)로부터 선택되는 적어도 하나의 층이다. 이에 의해, 실리콘 고무층 (A)에 비해 경도가 낮은 실리콘층이 된다. 상기 실리콘 고무층 (A) 및 상기 실리콘층 (B)는 모두 연소 시에 세라믹스화하여, 소결체가 됨으로써 형상 유지하는 재료로 형성되어 있다. 이러한 실리콘 원료로서는, 예를 들면 시판품인 신에쓰화학사 제조의 실리콘 베이스 KE-1734-U가 있다. 이러한 실리콘 원료를 사용함으로써, 상기 실리콘 적층체는 내화성을 갖는다. 내화성이 있으면 배터리 셀이 이상 발열해도 연소의 우려는 낮다.
실리콘 고무층 (A) 및 실리콘층 (B)는, 번갈아 적층되며, 각각의 층을 2층 이상, 합계 4층 이상으로 적층하는 것이 바람직하다. 실리콘 고무층 (A) 및 실리콘층 (B)는 소정의 두께, 예를 들면 각 1~100mm의 두께로 하고, 배터리 셀의 크기에 맞추어 적층 수를 선택할 수 있다.
상기 실리콘 고무층 (A)의 적층 방향의 두께는 1~100mm이고, 상기 실리콘층 (B)의 적층 방향의 두께는 1~100mm이며, 상기 실리콘 고무층 (A)의 두께에 대해서 상기 실리콘층 (B)의 두께는 0.1~10배의 범위로 하는 것이 바람직하다. 상기의 범위이면, 제조하기 쉽다.
상기 실리콘 적층체의 내화성은, 가스 버너로 5분간 연소했을 때에 형상을 유지하는 내화성인 것이 바람직하다. 가스 버너는 UL94 규격으로 규정되어 있는 것을 사용한다. 이 내화성이면, 배터리 셀이 이상 발열해도 연소의 우려는 낮다.
상기 실리콘 적층체는, 내화성과 함께 UL94 규격, 수직 연소 시험에서 5VB를 만족하는 난연성이 있는 것이 바람직하다. 난연성을 내려면 상기의 내화성 실리콘 원료를 사용한다. UL94 규격의 수직 연소 시험은, 위로부터 5VA, 5VB, V-0, V-1, V-2로 순위가 매겨지며, 5VB는 V-0, V-1, V-2와 마찬가지로 수직 연소 시험으로 판정하는데, 시험에는 10배의 연소 에너지의 가스 버너를 이용하며, 이하의 3개의 조건을 만족하면 합격이다.
(1) 어느 시험편도 5회의 접염(接炎) 후의 연소는 60초를 초과하지 않는 것.
(2) 드립(시험편으로부터 낙하하는 입자)이 없는 것.
(3) 어느 시험편도 불꽃에 접한 부분에 현저한 손상이 없는 것.
실리콘 스펀지층 (B1)은, 발포 배율 1.2~3배의 독립 발포체인 것이 바람직하다. 이 발포 배율이면, 배터리 셀이 이상 발열했을 때에, 실리콘 스펀지층은 소실 또는 발포하며, 내화성을 갖는 고무층이 잔존하기 때문에 단열성도 발휘할 수 있다.
실리콘 적층체의 50% 압축 시의 압축 강도는 1~30N/mm2가 바람직하다. 이에 의해, 배터리 셀이 이상 발열했을 때에, 셀의 변형 및 손상을 방지할 수 있다. 이 기능 때문에, 실리콘 적층체는, 배터리의 셀 사이에 개재시키는 완충재로서 유용하다.
상기 실리콘 고무층 (A)와 상기 실리콘층 (B)는 모두 과산화물 가황 타입인 것이 바람직하다. 과산화물 가황 타입은, 부가 가황의 경우와 비교하여, 가공성이 양호하다.
유기 과산화물은, 예를 들면, 벤조일퍼옥사이드, 2,4-디클로로벤조일퍼옥사이드, (비스(2,4-디클로로벤조일)퍼옥사이드), p-메틸벤조일퍼옥사이드, o-메틸벤조일퍼옥사이드, 2,4-디큐밀퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, t-부틸퍼벤조에이트, 1,6-헥산디올-비스-t-부틸퍼옥시카보네이트 등을 들 수 있다. 유기 과산화물의 첨가량은, 실리콘 고무 성분 100질량부에 대해서 0.1~15질량부 첨가하는 것이 바람직하고, 0.2~10질량부가 보다 바람직하다. 첨가량이 너무 적으면 가교 반응이 충분히 진행되지 않고, 경도 저하나 고무 강도 부족, 압축 영구 변형 증대 등의 물성 악화를 발생시키는 경우가 있고, 너무 많으면 경화제의 분해물이 많이 발생하여, 압축 영구 변형 증대 등의 물성 악화나 얻어진 시트의 변색을 증대시키는 경우가 있다.
이하 도면을 이용하여 설명한다. 이하의 도면에 있어서는, 동일 부호는 동일물을 의미한다. 도 1의 A는 본 발명의 일 실시 형태의 배터리 셀(4a, 4b) 사이에 실리콘 적층체(1)를 배치한 모식적 단면도이다. 실리콘 적층체(1)는, 실리콘 고무층 (A)(2)와, 상기 실리콘 고무층보다 경도가 낮은 실리콘층 (B)(3)의 실리콘 적층체이다. 실리콘층 (B)(3)는, 실리콘 스펀지층 (B1) 또는 실리콘 겔층 (B2)이다. 도 1의 B는 이상 발열이 발생했을 때의 모식적 단면도이다. 실리콘 고무층 (A)(2)는 내화성을 갖는 경도가 높은 실리콘 고무층이므로, 심이 되어, 내화성 및 단열성을 유지하면서, 셀의 팽창에 의한 셀(4a, 4b) 사이의 변형을 방지한다.
도 2의 A는 비교예의 배터리 셀(4a, 4b) 사이에 실리콘 재료(5)를 배치한 모식적 단면도이고, 도 2의 B는 그것의, 이상 발열이 발생했을 때의 모식적 단면도이다. 이상 발열이 발생하면, 예를 들면 배터리 셀(4b)이 변형을 일으켜, 팽창부(6)가 되어, 옆의 배터리 셀(4a)이 손상된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태의 복수의 배터리 셀(4a, 4b …) 사이에 실리콘 적층체(1)를 배치한 배터리의 모식적 단면도이다. 이 배터리 셀은 쿨링 유닛(7)의 위에 열전도성 시트(TIM)(8)가 얹히고, 그 위에 배터리 셀(4a, 4b …)이 배치되며, 각 배터리 셀(4a, 4b …) 사이에 실리콘 적층체(1)가 배치되어 있다. 상부는 완충재 시트(9)와 셀 케이스(10)에 의해 덮이고, 배선(11)이 배터리 셀(4a)로부터 인출되어 있다.
실시예
이하 실시예를 이용하여 설명한다. 본 발명은 실시예에 한정되는 것은 아니다. 각종 파라미터에 대해서는 하기 방법으로 측정했다.
＜내화성＞
UL94 규격, 수직 연소 시험의 V-0, V-1, V-2에서 사용하는 열 에너지의 가스 버너를 이용하여 5분간 연소했을 때에 형상을 유지하는지 아닌지를 판단했다.
＜난연성＞
UL94 규격, 수직 연소 시험에서 5VB를 만족하는 난연성이 있는지 아닌지를 측정했다.
＜경도＞
JIS K 7312에 규정되어 있는 고무 경도계를 사용하여 아스카 A 경도 및 아스카 C 경도를 측정했다.
＜압축 강도 측정 방법＞
·측정 방법 : ASTM D575-91에 준거했다.
·시료 사이즈 : 세로 10mm, 가로 10mm(두께는 실시예의 표 중에 기재)
·상하 가압판 사이즈 : 세로 30mm, 가로 30mm, 두께 4mm
·압축 속도 : 5mm/min
·압축률 : 10~50%
·시험 방법
(1) 적층한 시료를 상하 가압판으로 협지(挾持)한다.
(2) 하중을 감지한 위치를 측정 개시 위치로 하여 10~50%까지 압축한다.
(3) 압축량별 하중치를 기록한다.
(실시예 1~4, 비교예 1~5)
1 원료 성분
(1) 실리콘 고무층 (A)
(a) 신에쓰화학사 제조의 실리콘 베이스 KE-1734-U:100중량부에 대해서 가황제(비스(2,4-디클로로벤조일)퍼옥사이드)를 2.5중량부 첨가하고, 2개 롤로 혼합했다.
(b) 혼합물을 프레스기로 120℃에서 5분간 프레스 성형했다.
(c) 얻어진 시트를 200℃에서 4시간 2차 가황했다.
(2) 실리콘 스펀지층 (B1)
(a) 신에쓰화학사 제조의 실리콘 베이스 KE-1734-U:100중량부에 대해서 가황제(비스(2,4-디클로로벤조일)퍼옥사이드)를 2.9중량부, 발포제를 4중량부 첨가하고, 2개 롤로 혼합했다.
(b) 혼합물을 프레스기로 150℃에서 10분간 프레스 성형을 행했다. 이 프레스 성형 시에, 혼합물은 발포하며(독립 발포), 발포 배율은 2배가 되었다.
(c) 얻어진 시트를 200℃에서 4시간 2차 가황했다.
(3) 내화성이 없는 실리콘 고무층
(a) 다우·도레이사 제조의 실리콘 베이스 SH502UA/B:100중량부에 대해서 가황제(비스(2,4-디클로로벤조일)퍼옥사이드)를 2.5중량부 첨가하고, 2개 롤로 혼합했다.
(b) 혼합물을 프레스기로 120℃에서 5분간 프레스 성형했다.
(c) 얻어진 시트를 200℃에서 4시간 2차 가황했다.
(d) 얻어진 시트의 Asker A의 경도는 50이었다.
(4) 적층 방법
경화 후의 시트 표면에 코로나 처리를 행하고, 80℃에서 1시간 가열하여, 접착했다.
얻어진 적층체의 각종 물성을 표 1 및 2에 정리하여 나타낸다.
표 1 및 2에 나타내는 바와 같이, 각 실시예는 각 비교예 1에 비해, 내화성 및 내압축성이 높은 실리콘 적층체인 것을 확인할 수 있었다. 이들의 특성은, 배터리가 이상 발열했을 때에도 재료의 변형을 막을 수 있다.
(실시예 5~8)
시판의 부가 반응형 실리콘 겔 원료인 오르가노폴리실록산(A제와 B제로 한쪽에는 가교제가, 다른 쪽에는 백금계 촉매가 배합되어 있다) 100중량부에 대해서, 가교제를 2중량부, 백금 촉매를 1중량부 혼합하고, 혼합물을 프레스기로 100℃, 10분간 프레스 성형했다. 조건 및 결과를 표 3에 정리하여 나타낸다.
표 3에 나타내는 바와 같이, 실시예 5~8도 내화성, 난연성 및 내압축성이 높은 실리콘 적층체인 것을 확인할 수 있었다. 이들 특성은, 배터리가 이상 발열했을 때에도 재료의 변형을 막을 수 있다.
본 발명의 실리콘 적층체는, 배터리 셀의 완충재로서 유용한 한편, 다양한 완충재로서도 유용하다.
1: 실리콘 적층체
2: 고경도 실리콘 고무층 (A)
3: 저경도 실리콘층 (B)
4a, 4b: 배터리 셀
5: 실리콘 재료
6: 팽창부
7: 쿨링 유닛
8: 열전도성 시트(TIM)
9: 완충재 시트
10: 셀 케이스
11: 배선

Claims (10)

  1. 실리콘 고무층 (A)와, 상기 실리콘 고무층보다 경도가 낮은 실리콘층 (B)를 포함하는 층이 적층된 실리콘 적층체로서,
    상기 실리콘층 (B)는, 실리콘 스펀지층 (B1) 및 실리콘 겔층 (B2)로부터 선택되는 적어도 하나의 층이고,
    상기 실리콘 고무층 (A) 및 상기 실리콘층 (B)는 모두 연소 시에 세라믹스화하여, 소결체가 됨으로써 형상 유지하는 재료로 형성되어 있으며,
    상기 실리콘 적층체는 내화성을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 적층체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘 고무층 (A) 및 상기 실리콘층 (B)는 번갈아 적층되며, 각각의 층을 2층 이상, 합계 4층 이상으로 적층되어 있는, 실리콘 적층체.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 실리콘 고무층 (A)의 아스카 A 경도는 40~80, 상기 실리콘층 (B)의 아스카 C 경도는 30~70인, 실리콘 적층체.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 고무층 (A)의 적층 방향의 두께는 1~100mm이고, 상기 실리콘층 (B)의 적층 방향의 두께는 1~100mm이며, 상기 실리콘 고무층 (A)의 두께에 대해서 상기 실리콘층 (B)의 두께는 0.1~10배의 범위인, 실리콘 적층체.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 적층체의 내화성은, 가스 버너로 5분간 연소했을 때에 형상을 유지하는 내화성인, 실리콘 적층체.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 적층체는, 내화성과 함께 UL94 규격, 수직 연소 시험에서 5VB를 만족하는 난연성이 있는, 실리콘 적층체.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 스펀지층 (B1)은, 발포 배율 1.2~3배의 독립 발포체인, 실리콘 적층체.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 적층체의 50% 압축 시의 압축 강도는 1~30N/mm2인, 실리콘 적층체.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 고무층 (A)와 상기 실리콘층 (B)는 모두 과산화물 가황 타입인, 실리콘 적층체.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 적층체는, 배터리의 셀 사이에 개재시키는 완충재인, 실리콘 적층체.
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