KR20240072645A - 모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈 - Google Patents

모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈 Download PDF

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윤두한
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Abstract

본 발명은 이차전지 모듈용 흡열팩 및 이를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것으로, 상기 흡열팩은 파우치 내부에 물이 함침된 고흡수성 매트릭스를 포함하고 상기 고흡수성 매트릭스와 파우치 사이에 열분산 기재가 삽입된 구조를 가짐으로써, 모듈 내부에서 발열이 발생하는 경우 주변의 많은 열량을 흡수할 수 있으므로, 이를 이차전지 모듈에 구비하는 경우 이차전지의 주변 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 흡열팩의 고흡수성 매트릭스는 주변의 열 에너지에 균일하게 노출되어 모듈 내부의 발열로 인한 흡열팩의 손상을 방지할 수 있으므로 상기 흡열팩은 모듈 내부 온도 제어를 보다 안정적으로 수행할 수 있으며, 이를 통해 주변 온도에 따른 이차전지의 성능 및 안정성을 개선할 수 있다.

Description

모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE IMPROVED WITH SATABILITY OF TEMPERATURE IN BATTERY MODULE}
본 발명은 이차전지 모듈 내부의 온도가 상승하는 경우 열 에너지를 균일하게 흡수하여 내부 온도 변화가 크지 않도록 조절할 수 있는 이차전지 모듈용 흡열팩 및 이를 포함하여 모듈 내부의 온도 변화에 대한 안정성이 향상된 이차전지 모듈에 관한 것이다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 적용되고 있다.
이차전지는 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극 조립체와 전해액을 포함하고, 이들을 보호하는 다층 외장재를 몸체로 포함하고, 이러한 이차전지는 복수의 셀을 장착한 전지 모듈 형태로 사용될 수 있다.
그러나, 이러한 이차전지는 주변의 온도 변화에 민감하여 전기적 성능과 안전성이 많이 좌우될 수 있다.
하나의 예로서, 이차전지에 구비된 전극 조립체는 충전 및 방전의 과정을 거치면서 발열이 발생하게 되는데, 이러한 발열은 이차전지 셀의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 이차전지 셀 자체의 온도를 상승시켜 셀의 폭발을 유도할 수 있다. 셀의 폭발은 주변의 다른 이차전지 셀에 높은 온도와 압력을 제공하여 연쇄적인 이차전지 셀의 폭발로 이어지는 문제가 야기시킬 수 있다.
이차전지의 열 폭주 상황에서 인접 셀로의 열전도를 억제하기 위하여 종래 열 폭주 방지시트에 대한 기술이 개발되었다. 그 예로서, 열 전도성 첨가제를 포함하는 카트리지를 배터리 모듈 내에 구비함으로써 열 전달 효율을 향상시키는 기술이 개발된 바 있다. 그러나, 이와 같은 종래기술은 전지 구동 시에 발생되는 열의 냉각을 위한 것으로서, 셀 폭발과 같은 열 폭주 상황에서는 기능하지 못하는 문제가 있다. 다른 예로서, 이차전지 모듈 내부에서 발생된 열을 흡수하여 주변 온도는 낮추는 냉각 부재를 포함하는 기술이 개발된 바 있다. 그러나, 실제 열 폭주는 모듈에 장착된 특정 셀의 발열로 인해 발생하는 경우가 많은데, 이 경우 상기 냉각 부재는 셀에서 발생된 열을 균일하게 흡수하지 어려우므로 열 흡수 과정에서 냉각 부재의 손상이 유도되고, 이에 따라 내부 열을 충분히 흡열하지 못하는 한계가 있다.
따라서, 이차전지를 포함하는 이차전지 모듈에 있어서, 모듈 내부의 온도, 즉 이차전지의 주변 온도가 전지의 열 폭주를 유도하는 고온/발열 조건일 때는 주변 온도를 효과적으로 균일하게 흡수하여 모듈 내부의 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0000725호
이에, 본 발명의 목적은 이차전지 모듈 내부의 발열 발생 시 발생된 열을 균일하게 흡수함으로써 모듈 내부의 급격한 온도 변화를 억제할 수 있는 기술을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
고흡수성 매트릭스;
상기 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 배치되는 열분산 기재; 및
상기 열분산 기재가 배치된 고흡수성 매트릭스가 삽입되는 파우치를 포함하고,
상기 고흡수성 매트릭스는 물에 함침된 상태이며,
상기 열분산 기재는 일측 가장자리에 복수의 핀홀을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩을 제공한다.
이때, 상기 파우치는 일측 가장자리에 벤팅 유도부를 포함하고, 상기 열분산 기재는 열분산 기재는 핀홀이 벤팅 유도부와 동일 측면에 배치되도록 삽입될 수 있다.
또한, 상기 열분산 기재는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 가질 수 있으며, 50 kcal/℃ 이상의 열 전도율을 갖는 금속을 포함할 수 있다.
아울러, 상기 고흡수성 매트릭스는 고흡수성 수지(SAP) 또는 고흡수성 섬유(SAF)의 형태를 가질 수 있다.
이와 더불어, 상기 고흡수성 매트릭스는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리비닐구아니딘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수지를 포함할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 수지와 함께 내부에 열 전도성 필러를 더 포함할 수 있다.
이러한 고흡수성 매트릭스는 10 g/g 내지 500 g/g의 물을 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
하우징 부재;
상기 하우징 부재 내에 삽입되는 복수의 전지 셀; 및
상기 복수의 전지 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 본 발명에 따른 흡열팩을 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.
여기서, 상기 복수의 전지 셀은 n열(단, n≥2)로 정렬 배치될 수 있으며, 이 경우, 흡열팩은 배치된 전지 셀들이 이루는 열들 사이에 배치될 수 있고, 및/또는 배치된 전지 셀들이 구성하는 열의 외측면과 하우징 부재 사이 공간에 배치될 수 있다.
또한, 상기 흡열팩은 이차전지 모듈의 바닥면을 기준으로 흡열팩의 표면이 수직이 되도록 삽입되되, 흡열팩의 벤팅 유도부가 상부에 위치하도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈용 흡열팩은 파우치 내부에 물이 함침된 고흡수성 매트릭스를 포함하고 상기 고흡수성 매트릭스와 파우치 사이에 핀홀이 마련된 열분산 기재가 삽입된 구조를 가짐으로써, 모듈 내부에서 발열이 발생하는 경우 주변의 많은 열량을 흡수할 수 있으므로, 이를 이차전지 모듈에 구비하는 경우 이차전지의 주변 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 흡열팩은 핀홀을 구비한 열분산 기재를 포함하여 흡열팩 벤팅 시 수증기에 대한 필터링 효과가 구현할 수 있어 모듈 내 수증기의 잠열을 증가시킬 수 있으므로 흡열 효율이 좋은 이점이 있다.
나아가, 본 발명에 따른 흡열팩은 열분산 기재에 의해 고흡수성 매트릭스가 주변의 열 에너지에 균일하게 노출되므로 모듈 내부의 발열로 인한 흡열팩의 손상을 방지할 수 있으므로 모듈 내부 온도 제어를 보다 안정적으로 수행할 수 있으며, 이를 통해 주변 온도에 따른 이차전지의 성능 및 안정성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지 모듈의 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 흡열팩의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4는 흡열팩에 내장되는 열 분산 기재 및 고흡수성 매트릭스의 형태를 나타낸 사시도이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 2의 흡열팩 일면을 각각 토치로 가열하는 경우 가열면과 후면의 위치별 온도 변화를 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 2의 흡열팩 일면을 각각 토치로 가열하는 경우 후면의 위치별 온도 변화를 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.
도 6은 토치로 일면을 가열한 후 분해된 실시예 1의 흡열팩 내부를 촬영한 이미지이다.
도 7 및 도 9는 토치로 일면을 가열한 후 분해된 비교예 1 및 비교예 2의 흡열팩 내부를 촬영한 이미지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이차전지용 흡열팩
본 발명은 일실시예에서,
고흡수성 매트릭스;
상기 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 배치되는 열분산 기재; 및
상기 열분산 기재가 배치된 고흡수성 매트릭스가 삽입되는 파우치를 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩을 제공한다.
본 발명에 따른 흡열팩(30, 30a, 30b)은 도 1에 나타낸 바와 같이 이차전지 모듈(1)의 내부에 삽입되는 부품으로써 물이 내부에 함침된 고흡수성 매트릭스가 파우치에 삽입된 구조를 갖는다.
이때, 상기 고흡수성 매트릭스는 물이 함침된 상태를 가짐으로써 흡열팩 주변의 온도 조건, 즉 흡열팩이 장착되는 이차전지 모듈의 내부 온도 조건에 따라 다량의 열 에너지를 흡수할 수 있다. 구체적으로, 상기 물은 고흡수성 매트릭스 내부에 함침되어 있다가 파우치 외부 온도가 상승하면, 기화되면서 고흡수성 매트릭스와 분리된다. 이때, 상기 물은 기화되기 위하여 많은 열량이 요구되는데, 이를 충족시키기 위하여 파우치 주변의 열량을 흡수하게 되고, 이에 따라 모듈 내부의 발열 발생 시 내부 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 흡열팩(30)은 고흡수성 매트릭스에 함침된 물이 균일하게 열량을 흡수할 수 있도록 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 열분산 기재가 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 열분산 기재는 시트 형태를 가져 고흡수성 매트릭스의 표면을 덮도록 각 면에 배치되거나, 장방형(rectangle) 시트 형태를 가져 고흡수성 매트릭스를 감도록 배치될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 열분산 기재(320)는 도 2 및 도 3과 같이 고흡수성 매트릭스(330)의 전면을 둘러쌀 수 있도록 그 자체가 하나의 파우치 또는 백(bag) 형태를 가져 내부에 고흡수성 매트릭스(330)를 수납한 상태로 흡열팩(30)의 외장재인 파우치(310) 내측에 삽입될 수 있다. 이 경우, 상기 열분산 기재(320)는 흡열팩(30)의 벤팅 시 기화된 수증기에 대한 필터링 효과를 모듈 내 수증기의 잠열을 증가시킬 수 있으므로 흡열 효율이 좋은 이점이 있다.
이를 위하여, 상기 열분산 기재(320)는 기재의 일측 가장자리에 복수의 핀홀(325)을 포함할 수 있다. 상기 핀홀(325)은 흡열팩(30) 외부 온도의 상승 시 기화된 물이 통과하는 경로를 제공하는 한편, 흡열팩(30)의 벤팅 시 수증기 이외의 성분, 예컨대 물에 일부 용해된 고흡수성 매트릭스(330) 성분 등이 외부로 누출되는 것을 방지하는 필터 기능을 수행할 수 있다. 상기 핀홀(325)은 흡열팩(30)의 벤팅 시 물 이외의 성분이 외부로 방출되는 것을 막는 필터 기능을 수행함으로써 수증기로 인한 잠열량을 높일 수 있으므로 흡열팩의 흡열 성능을 보다 높일 수 있다.
이때, 상기 핀홀(325)은 도 4에 나타낸 바와 같이 열분산 기재(320)의 일측 가장자리에 소정의 간격으로 복수 개가 줄(line)을 이루며 마련될 수 있다. 구체적으로, 이러한 핀홀(325)의 줄(line)은 하나 이상, 예를 들어 1~5줄 또는 2~4줄 도입될 수 있다. 본 발명은 열분산 기재(320)에 도입되는 핀홀(325)을 상기와 같이 복수개의 줄 형태로 도입함으로써 흡열팩(30)의 벤팅 시 수증기의 배출 및 필터 효율을 높일 수 있다.
하나의 예로서, 열분산 기재(320)가 파우치 형태를 갖는 경우 고흡수성 매트릭스(330)가 삽입되는 삽입부(323)에 핀홀(325)이 마련되되, 상기 내부를 마련하기 위하여 열분산 기재(320)의 가장자리에서 접합되는 실링부(324)에 인접한 위치에 마련될 수 있다. 이때, 상기 핀홀(325)은 파우치 형태의 열분산 기재(320)의 제1 기재면(321)과 제2 기재면(322) 일측 가장자리에 각각 1열씩 마련되되, 열분산 기재(320)의 실링 후 실링부(324)를 중심으로 양측으로 위치하도록 될 수 있다.
또한, 상기 핀홀(325)은 도 2에 나타낸 바와 같이 열분산 기재(320)가 내장되는 파우치(310)의 벤팅 유도부(313)와 동일 측면에 위치되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 고흡수성 매트릭스에 함침되었던 물의 기화 후 흡열팩(30)의 벤팅 시 파우치(310)에 마련된 벤팅 유도부(313)에 높은 벤팅 압력을 부여할 수 있으므로 흡열팩(30)의 흡열 성능을 보다 높일 수 있다.
아울러, 상기 핀홀(325)은 열분산 기재의 일측 가장자리를 펀칭하여 형성할 수 있다. 상기 펀칭은 당업계에서 통상적으로 적용되는 방식으로 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 핀홀(325)은 원형의 홀(hole)을 형성하기 위한 성형 다이를 이용하여 핀홀 형성 면에 별도의 요철 형성없이 천공함으로써 형성될 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 열분산 기재(320)의 내측에서 외측으로 유체의 흐름을 유도하기 위하여 가열된 니들 등의 천공 수단을 이용하여 열분산 기재(320)의 일측 가장자리를 관통시킴으로써 형성될 수 있으며, 이에 따라 핀홀(325) 주변이 관통 방향으로 열분산 기재(320)의 외측면이 일부 돌출된 형태를 가질 수 있다. 또한, 이 경우 열분사 기재(320)는 고흡수성 매트릭스(330)에 함침되었던 물이 기화되어 파우치(310)의 벤팅 유도부(313)로 이동하는 경로를 따라 핀홀(325)의 돌출부가 위치하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 열분산 기재(320)는 흡열팩(30) 외부의 열을 고흡수성 매트릭스(330)로 균일하게 전달함으로써 발생된 열이 흡열팩(30)의 일부분에 집중되어 흡열팩이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
이를 위하여, 상기 열분산 기재(320)는 열 전도율이 높은 금속 시트를 포함할 수 있으며, 상기 금속 시트는 50 kcal/℃ 이상의 열 전도율을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 금속 시트는 70 kcal/℃ 이상, 80 kcal/℃ 이상, 90 kcal/℃ 이상, 100 kcal/℃ 이상, 50 kcal/℃ 내지 400 kcal/℃, 70 kcal/℃ 내지 370 kcal/℃, 70 kcal/℃ 내지 150 kcal/℃, 100 kcal/℃ 내지 370 kcal/℃, 150 kcal/℃ 내지 200 kcal/℃, 또는 250 kcal/℃ 내지 350 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 금속을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 금속 시트는 196±3 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 알루미늄; 170±3 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 텅스텐; 320±3 kcal/℃의 열전도율을 갖는 구리; 77±3 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 니켈 등을 단독으로 포함하거나 병용할 수 있다.
또한, 상기 열분산 기재(320)는 열 전도율이 높은 금속 시트를 포함하나, 실제 금속 시트를 통해 고흡수성 매트릭스(330)에 전달되는 열은 고흡수성 매트릭스(330) 표면 전반에 분산되어 전달되어야 하므로 금속 시트의 두께에 높은 의존성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 열분산 기재(320)는 고흡수성 매트릭스(330)로 파우치(310) 주변(즉, 파우치 외부)의 열을 높은 효율로 전달하되, 보다 균일하게 분산시켜 전달하기 위하여 소정의 두께를 가질 수 있으며, 흡열팩(30)으로 인한 이차전지 모듈(1)의 에너지 밀도 저감과 열분산 기재에 포함된 금속 시트 자체의 열 전도 효율을 고려할 때 흡열팩(30)과 일정한 두께 조건을 만족할 수 있다.
그 예로서, 상기 열분산 기재(320)는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 가질 수 있으며, 열분산 기재(320)를 포함하는 흡열팩(30)의 평균 두께와의 두께 비율을 나타내는 하기 식 1을 10 내지 500으로 만족할 수 있다:
[식 1]
Tpack/Tsheet
상기 식 1에서,
Tpack는 흡열팩의 평균 두께(단위: ㎛)를 나타내고,
Tsheet는 금속 시트의 평균 두께(단위: ㎛)를 나타낸다.
구체적으로, 상기 식 1은 흡열팩(30)의 평균 두께와 열분산 기재(320)의 평균 두께의 비율로서 상기 비율을 소정의 범위를 만족하도록 함으로써 이차전지 모듈(1)의 에너지 밀도가 저감되는 것을 방지하면서 내부의 고온 발생 시 흡열팩(30)의 손상없이 효율적으로 열 에너지를 흡열팩(30)으로 분산 및 흡수할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명의 열분산 기재(320)는 상기 식 1을 10 내지 500으로 만족할 수 있으며, 구체적으로는 10 내지 400; 10 내지 300; 10 내지 200; 10 내지 100; 10 내지 50; 100 내지 300; 또는 100 내지 200으로 만족할 수 있다. 상기 열분산 기재는 식 1을 10 이상으로 만족함으로써 고흡수성 매트릭스(330)의 함량이 저감되어 열 흡수 효율이 저감되는 것을 방지하는 한편, 식 1을 500 이하로 만족함으로써 열분산 기재(320)의 얇은 두께로 인해 파우치(310) 주변의 열이 고흡수성 매트릭스(330)에 균일하게 분산되지 않고 흡열팩(30)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 상기 열분산 기재(320)는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 5㎛ 내지 75㎛; 5㎛ 내지 50㎛; 5㎛ 내지 30㎛; 10㎛ 내지 30㎛; 또는 15㎛ 내지 25㎛의 평균 두께를 가질 수 있다.
본 발명은 열분산 기재(320)의 평균 두께를 상기 범위로 조절함으로써 5㎛ 미만의 얇은 두께로 인해 파우치(310) 주변의 열을 고흡수성 매트릭스(330)에 균일하게 전달하지 못하여 흡열팩(30)이 흡열 도중에 손상되는 것을 방지하는 한편, 100 ㎛를 초과하는 과도한 두께로 인해 열분산 기재(320)의 열 전도율이 저감되는 것을 예방할 수 있다.
또한, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 파우치(310) 주변의 열을 보다 균일하게 흡수하기 위하여 파우치(310)와 직접 맞닿는 표면에 소정의 면적률을 만족하도록 열분산 기재(320)를 배치할 수 있다.
구체적으로, 상기 열분산 기재(320)는 고흡수성 매트릭스(330)의 전체 표면을 70% 이상 커버하도록 배치될 수 있으며, 보다 구체적으로, 고흡수성 매트릭스(330)의 전체 표면을 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상 또는 90% 이상 커버하도록 배치될 수 있다. 경우에 따라서, 상기 열분산 기재(320)는 고흡수성 매트릭스(330) 전면에 배치되어 고흡수성 매트릭스(330)와 파우치가 직접 맞닿는 면적이 0%일 수 있다. 본 발명은 열분산 기재(320)가 고흡수성 매트릭스(330)의 표면을 커버하는 면적률을 상기 범위로 조절함으로써 파우치(310) 주변 열이 고흡수성 매트릭스(330)로 보다 균일하게 분산되게 할 수 있다.
한편, 앞서 언급된 바와 같이 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 물에 함침되기 이전에는 큐브나, 부직포와 같은 섬유 형태를 가질 수 있으며, 물에 함침된 이후에는 함침된 물의 양에 따라 슬러리 내지 현탁액과 같은 형태를 가질 수 있다. 이와 같이 물이 함침된 고흡수성 매트릭스(330)는 흡열팩(30)이 고온 조건에 노출되는 경우 내부에 함침된 물이 기화되어 분리된 형태를 가질 수 있으며, 이에 따라 상기 고흡수성 매트릭스(330)가 삽입된 파우치는 팽창된 형태를 가질 수 있다.
이때, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 물을 높은 효율로 흡수하기 위해 고흡수성 수지(super absorbent polymer, SAP) 또는 고흡수성 섬유(super absorbent fiber, SAF)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 고흡수성 수지(SAP)와 고흡수성 섬유(SAF)는 그 형태에 의해 구분될 수 있다. 예컨대, 고흡수성 수지(SAP)는 분말 형상을 가지며, 상기 고흡수성 섬유(SAF)는 선형을 가질 수 있다.
아울러, 상기 고흡수성 수지(SAP)와 고흡수성 섬유(SAF)는 이들을 구성하는 성분을 동일하거나 상이할 수 있다. 구체적으로, 상기 고흡수성 매트릭스는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리비닐구아니딘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있다.
하나의 예로서, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 가교화된 폴리아크릴산 염, 가교화된 폴리아크릴산 및 가교화된 아크릴산 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 고흡수성 매트릭스(330)로 사용되는 아크릴산 공중합체의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 아크릴산 단량체와 말레산, 이타콘산, 아크릴아미드, 2-아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산, 2-(메타)아크릴로일에탄술폰산, 2-히드록시에틸(메타)아크릴레이트 및 스티렌술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 공단량체를 포함하는 공중합체일 수 있다.
상기 성분은 친수성 관능기를 갖는 망상 구조를 갖는 물질들로서 물을 높은 효율로 흡수할 수 있으므로, 흡열팩이 흡열 또는 발열하는 효과가 균일하게 구현될 수 있다.
아울러, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 물에 대한 흡수력이 일정 범위를 만족할 수 있다. 구체적으로, 상기 고흡수성 매트릭스는 물에 대한 흡수량이 10 g/g 내지 500 g/g, 구체적으로는 50 g/g 내지 200 g/g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이는, 상기 고흡수성 매트릭스 1 g당 물 10 g 내지 500 g, 바람직하게는 50 g 내지 200 g을 흡수할 수 있음을 의미하는 것으로서, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 물에 대한 흡수량이 많을수록 냉각 효과의 지속 시간을 향상시킬 수 있으나, 500 g/g을 초과하면, 고흡수성 매트릭스(330)의 유동성이 증가하여 형태를 유지하기 어려워 효과적인 냉각을 발휘할 수 없다. 또한, 상기 고흡수성 매트릭스(330)의 물에 대한 흡수량이 10 g/g 미만이면, 파우치 외부 온도에 따라 흡수하는 열량이 현저히 낮아지므로 모듈 내부 온도가 급격히 변화하는 것을 억제하는 효과가 낮아 비효율적일 수 있다.
이와 더불어, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 매트릭스 내부에 함침된 물에 열을 보다 잘 전달하기 위하여 내부에 열 전도성 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 열 전도성 필러는 열 전달 특성이 우수한 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 구체적으로는 무기 산화물 필러, 금속 수산화물 필러, 무기 탄화물 필러, 질화물 필러, 금속 필러 및 탄소 필러로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
여기서, 상기 무기 산화물 필러의 예로는 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 아연 또는 산화 규소 등을 들 수 있고; 상기 금속 수산화물 필러의 예로는 수산화 알루미늄 또는 수산화 마그네슘 등을 들 수 있으며; 상기 무기 탄화물 필러의 예로는 탄화 규소 등을 들 수 있고; 상기 질화물 필러의 예로는 질화알루미늄, 질화붕소 또는 질화규소 등을 들 수 있으며; 상기 금속 필러의 예로는 은, 구리, 아연, 철, 알루미늄, 니켈, 주석 또는 이들의 합금 등을 들 수 있고; 상기 탄소 필러의 예로는 카본 또는 그라파이트 등을 들 수 있다.
아울러, 상기 열전도성 필러는 그 형상이 특별히 제한되는 것은 아니나 고흡수성 매트릭스 내부에 열을 효과적으로 전달하기 위하여 비표면적이 높은 구상의 형태를 갖거나, 인접한 열 전도성 필러들과 열 네트워크를 형성할 수 있도록 침상 또는 섬유상의 형태를 가질 수 있다.
나아가, 상기 파우치(310)는 내부에 삽입된 고흡수성 매트릭스(330)로 외부 열을 잘 전달할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 파우치(310)는 금속층으로 구성될 수 있고, 금속층 내측면에는 가교된 폴리올레핀계 수지를 포함하는 내부 수지층이 마련되며, 금속층 외측면에는 흡열팩(30)을 보호하기 위한 외부 수지층이 마련될 수 있다.
상기 금속층은 흡열팩(30) 외부의 열을 내부로 잘 전달할 수 있으면서 일정 이상의 강도를 가져 외력에 대한 저항성을 가질 수 있는 알루미늄 층 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부 수지층은 금속층 내측면에 위치하여 고흡수성 매트릭스(330)에 함침된 물과 파우치의 금속층이 반응하는 것을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 이를 위하여, 상기 내부 수지층은 가교된 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있다. 가교된 폴리올레핀계 수지는 낮은 흡습성을 가져 고흡수성 매트릭스에 함침된 물의 침입을 억제할 수 있으므로 이로 인한 내부 수지층의 팽창이나 침식이 발생되지 않을 수 있다. 여기서, 상기 폴리올레핀계 수지는 10~70%의 가교도를 가질 수 있으며, 구체적으로는 30~50%의 가교도를 가질 수 있다. 아울러, 상기 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 및 폴리에틸렌 (Polyethylene, PE)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있고, 상기 가교된 폴리올레핀계 수지는 구체적으로 가교된 폴리에틸렌, 가교된 폴리프로필렌, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 가교된 폴리프로필렌일 수 있다.
아울러, 상기 외부 수지층은 외부로부터 흡열팩(30)을 보호하기 위하여 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하는 바, 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate; PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (polybuthyleneterephthalate; PBT), 폴리에틸렌 나프탈레이트 (polyethylenenaphthalate; PEN) 등의 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌 (PP) 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리스티렌 등의 폴리스티렌계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리염화비닐리덴계 수지 등이 사용될 수 있다. 이러한 소재는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 추가적으로 ONy(연신 나일론 필름)이 사용될 수 있다.
또한, 상기 파우치(310)는 외부의 열에 의해 고흡수성 매트릭스(330)에 함침되었던 물이 기화되면, 파우치 내부의 가스 압력과 파우치 외부의 가스 압력의 차이가 발생되는데, 이렇게 발생된 압력의 차이에 의해 기화된 수증기를 외부로 배출하는 벤팅 유도부(313)를 포함한다. 이를 위하여, 상기 벤팅 유도부(313)는 수증기의 배출이 용이하도록 파우치(310)의 일측 가장자리에 마련될 수 있으며, 구체적으로는 파우치 실링부(314)에 인접하게 마련될 수 있다.
아울러, 상기 벤팅 유도부(313)는 흡열팩(30) 내부의 압력과 외부의 압력 차이가 없거나 적은 경우에는 가스 배출(즉, 수증기 배출)이 이루어지지 않고; 흡열팩(30) 내부로 외부 물질이 유입되는 것을 차단한 상태이나, 흡열팩(30)의 내부와 외부 간의 압력 차이가 0.1atm 이상 발생하면, 기압차에 의해 수증기가 벤팅 유도부(313)를 통해 배출된다. 이후, 배출이 어느 정도 이루어짐에 따라 흡열팩(30)의 내부와 외부 간의 압력 차이가 0.1atm 이하이거나 없어지는 경우에는, 다시 수증기 배출이 차단된 상태가 되는 과정이 가역적으로 진행될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 유도부(313)는 기공이 형성된 제1층과 기공이 없는 제2층이 적층된 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 제1층과 제2층은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 동일 소재로 구성될 수 있다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 내열성 및 소수성이 우수한 특성이 있으므로 벤팅 유도부 소재로 적합한 이점이 있다.
아울러, 상기 벤팅 유도부(313)에 있어서, 제1층은 기공이 형성된 구조를 갖는 반면, 제2층은 기공이 형성되지 않는 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1층은 내부 및 외부가 연통되는 개방형 기공이 형성된 구조를 가질 수 있으며, 상기 제2층은 표면에 굴곡이 형성되나 기공은 형성되지 않은 형태를 가질 수 있으며, 제2층의 경우 PTFE소재로 이루어지기 때문에 폴리머 사이에 형성되는 미세한 틈을 통해 가스가 배출될 수 있다.
또한, 상기 파우치(310)의 외부 수지층, 금속층 및 내부 수지층은 벤팅 유도부(313)가 배치되는 부위가 관통된 상태를 가지며, 이 부위에 벤팅 유도부(313)를 배치하고 벤팅 유도부 가장자리를 고온 가압함으로써 파우치(310) 내측면에 벤팅 유도부(313)가 안정적으로 부탁될 수 있다. 보다 구체적으로, 파우치(310)의 관통 부위에 벤팅 유도부(313)를 배치하고 벤팅 유도부(313)의 가장자리를 고온 가압하면 파우치(310)의 내부 수지층이 벤팅 유도부 제1층의 기공 내부로 녹아 들어가서 상기 벤팅 유도부(313)가 파우치 내측면에 안정적으로 부착될 수 있으며, 이에 따라 파우치(310)의 내부에 형성된 가스(예컨대, 수증기)는 상기 벤팅 유도부(313)의 제1층 및 제2층을 통과하여 외부로 배출될 수 있다. 이를 위하여, 파우치(310)의 관통 부위는 벤팅 유도부(313)의 면적보다 작은 면적을 가질 수 있다.
한편, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 녹는점이 327 ℃인 바, 파우치의 내부 수지층으로 주로 사용되는 폴리프로필렌(PP)의 녹는점이 약 160 ℃인 것과 차이가 크다. 따라서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 소재의 벤팅 유도부(313)를 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 내부 수지층에 부착하기 위하여 가열 가압하는 경우, 가열 온도가 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 녹을 정도의 온도인 경우에는 폴리프로필렌(PP)이 손상될 수 있다. 반면에, 폴리프로필렌(PP)이 손상되지 않지만 폴리프로필렌(PP)이 녹을 수 있는 정도의 온도로 가열하는 경우에는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 녹지 않기 때문에 서로 결합하기 어렵다.
이에, 본 발명에서는 기공이 형성된 제1층이 파우치의 내부 수지층에 접촉하도록 벤팅 유도부(313)를 파우치에 부착시키는 구조를 사용하고 있는 바, 벤팅 유도부(313)를 파우치에 부착하기 위하여 파우치(310)와 벤팅 유도부(313)가 중첩되는 부분을 고온으로 가열 및 가압하는 경우, 내부 수지층의 일부가 상기 제1층의 기공 내부로 녹아 들어간 상태로 경화되면서, 제1층에 대해 내부 수지층이 앵커링(anchoring)되는 형태로 결합이 이루어진다.
나아가, 상기 흡열팩(30)은 모듈(1) 내부 온도가 변화하는 것을 효과적으로 제어하기 위하여 일정한 두께 조건을 만족할 수 있다. 구체적으로, 상기 흡열팩(30)은 0.1 mm 내지 50 mm의 두께를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.1 mm 내지 30 mm; 0.1 mm 내지 15 mm; 0.1 mm 내지 10 mm; 1 mm 내지 20 mm; 5 mm 내지 10 mm; 10 mm 내지 20 mm; 또는 1 mm 내지 5 mm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명은 흡열팩(30)의 두께를 상기 범위로 조절함으로써 0.1mm 미만인 경우에는 지나치게 얇은 흡열팩(30)의 두께로 인해 흡열팩 주변의 열 에너지 출입이 충분하지 않아 모듈 내부 온도가 급격히 변화될 수 있으며, 50 mm를 초과하는 경우에는 전지 모듈의 두께가 증가하여 에너지 밀도가 현저히 저감될 수 있다.
본 발명에 따른 흡열팩(30)은 상술된 구성을 가짐으로써 모듈 내부에서 발열이 발생하는 경우 주변의 많은 열량을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 열량을 고흡수성 매트릭스(330)에 균일하게 공급할 수 있으므로 모듈 내부의 발열로 인한 흡열팩(30)의 손상을 방지할 수 있다. 따라서, 이를 이차전지 모듈에 구비하는 경우 이차전지의 주변 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 주변 온도에 따른 이차전지의 성능 및 안정성을 개선할 수 있다.
이차전지 모듈
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
이차전지와 상술된 본 발명에 따른 이차전지용 흡열팩을 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지 모듈(1)의 구조를 나타낸 사시도로서, 도 1을 참고하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈(1)은 하우징 부재(10); 상기 하우징 부재 내에 삽입되는 복수의 전지 셀(20); 및 상기 복수의 전지 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 흡열팩(30)을 포함한다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈(1)은 복수의 전지 셀(20)을 포함하고, 이들 전지 셀과 함께 앞서 설명된 본 발명의 흡열팩(30)을 구비하여, 모듈 내부의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지할 수 있으므로 전지 셀(20)의 온도에 대한 안정성이 우수한 이점이 있다.
여기서, 상기 하우징 부재(10)는 복수의 상기 이차전지 셀(20)이 수용되는 배터리 모듈의 바디 역할을 수행하는 것이다. 또한, 상기 하우징 부재(10)는 복수의 전지 셀(20)이 수용되는 부재로서, 상기 전지 셀(20)을 보호하면서도 전지 셀(20)이 생성한 전기 에너지를 외부로 전달한다.
이를 위해서, 상기 하우징 부재(10)는 바닥부재(11) 및 측벽부재(12) 등으로 구성될 수 있다. 상기 바닥부재(11)는 상기 복수의 전지 셀(20)이 안착되며, 이렇게 안착된 상기 복수의 전지 셀(20)을 지지한다. 또한, 상기 바닥부재(11)와 전지 셀(20) 사이에는 히트 싱크(40)가 배치될 수 있으며, 상기 히트 싱크(40)는 전지 셀(20)에서 발생한 열을 바닥부재(11)로 전달하고, 바닥부재(11)는 히트 싱크(40)로부터 전달받은 열을 외부로 전달하여 냉각시키도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기 측벽부재(12)는 상기 하우징 부재(10)의 측부를 형성하는 것으로서, 상기 전지 셀(20)에서 발생한 열을 외부로 배출할 수도 있다.
상기 하우징 부재(10)는 추가로 상기 측벽부재(12)의 상단에 구비되는 커버부재(13)를 포함하여 전지 셀(20)의 상단부를 보호하게 구성될 수 있다. 또한, 상기 커버부재(13)와 전지 셀(20) 상단부 사이에는 가스 벤팅 부재(17)를 포함하여 충방전 시 전지 셀(20)로부터 발생된 가스들을 외부로 배출시킬 수 있다.
이와 더불어, 상기 하우징 부재(10)는 상기 측벽부재(12)와 이웃한 전방부재(14) 및 후방부재(15)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 복수의 전지 셀(20)의 측면을 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
나아가, 상기 하우징 부재(10)는 전지 셀(20)을 외부와 전기적으로 연결하는 버스바 부재(미도시) 등의 부가 구성을 구비할 수도 있다.
한편, 전지 셀(20)은 리튬 이차전지로서 적용될 수 있는 형태라면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 각형, 파우치형, 원통형 등의 형태를 가질 수 있다. 하나의 예로서, 상기 전지 셀(20)은 각형 또는 파우치형 리튬 이차전지일 수 있다.
또한, 상기 전지 셀(20)은 하우징 부재(10) 내에 삽입되되, 하우징 부재(10)의 측변 부재(12)와 대향하도록 n열(단, n≥2)로 정렬 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 전지 셀(20)은 측변 부재(12)와 대향하도록 2열 이상, 3열 이상 또는 2~4열로 정렬 배치될 수 있다.
이렇게 정렬 배치된 전지 셀(20)은 인접한 위치에 흡열팩(30)이 배칭될 수 있다. 하나의 예로서, 상기 흡열팩(30a)은 정렬 배치된 전지 셀(20)들의 외측면, 즉 하우징 부재(10)와 전지 셀(20)의 사이 공간에 배치될 수 있다.
다른 하나의 예로서, 전지 셀(20)들 사이에는 흡열팩(30b)이 삽입될 수 있다. 구체적으로, 상기 흡열팩(30b)은 하나의 열을 구성하는 개별 전지 셀(20)들 사이에 배치될 수 있으며, 경우에 따라서는 도 1에 나타낸 바와 같이 정렬된 전지 셀로 구성된 제1열(21a)과 제2열(21b)의 사이에 배치될 수 있다.
이와 같이, 전지 셀(20)에 인접한 위치에 흡열팩(30)이 배치됨으로써, 전지 셀(20)에 열이 발생하는 경우, 즉각적으로 열을 흡수할 수 있으므로 모듈 내부의 급격한 온도 변화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 흡열팩(30)은 고온 노출 시 내부에서 기화된 수증기가 용이하게 벤팅될 수 있도록 벤팅 유도부가 모듈 상부에 노출되도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 흡열팩(30)은 모듈의 바닥면, 즉 바닥부재(11)를 기준으로 표면이 수직이 되도록 모듈 내에 삽입될 수 있으며, 이때 흡열팩의 일측 가장자리에 마련된 벤팅 유도부는 모듈의 상부, 예컨대 모듈의 커버부재(13) 및/또는 가스 벤팅 부재(17)에 인접하게 배치될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 흡열팩의 제조
열분산 기재로서 장방형의 알루미늄(Al) 시트를 준비하였다. 준비된 알루미늄 시트의 장축 길이 방향을 기준 1/2 되는 지점에서 반으로 접고, 접힌 알루미늄 시트의 개방된 3면 중 2면을 실링한 후 실링되지 않은 나머지 면에 10개의 핀홀이 하나의 줄(line)을 이루도록 2줄의 핀홀 줄(pinhole line)을 형성하였다. 그 후, 고흡수성 섬유를 실링된 알루미늄(Al) 시트 내측에 삽입하고, 물을 주입하여 고흡수성 섬유에 물을 함침시켰다. 이때, 상기 물은 고흡수성 섬유(성분: 아크릴산 공중합체) 1g 당 10g씩 함침되었다. 이후 내부를 진공 상태로 만들고 핀홀이 실링부 내측(예컨대, 미실링 영역)에 위치하도록 알루미늄(Al) 시트의 개방된 면을 실링하여 알루미늄 시트로 형성된 백(bag) 내부에 물이 함침된 고흡수성 섬유가 수납된 형태의 알루미늄 백(Al bag)을 제작하였다.
이와 별도로, 알루미늄층, 상기 알루미늄층의 외측에 위치하는 폴리프로필렌(PP)층 및 상기 알루미늄층의 내측에 가교도 40±2%의 폴리에틸렌(PE)층을 포함하는 가로 9㎝ 및 세로 12㎝인 알루미늄 파우치를 준비하고, 앞서 제작된 알루미늄 백(Al bag)을 삽입하고, 내부를 진공 상태로 바꾼 후 파우치의 투입구를 실링하여 흡열팩을 제작하였다.
이때, 상기 파우치는 일측 가장자리에 벤팅 유도부가 마련되었으며, 상기 벤팅 유도부는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 구성된 2층 구조를 갖되, 제1층은 기공이 형성되어 내외부가 연통되는 개방형 구조를 갖고, 제2층은 기공이 형성되지 않은 구조를 가지며, 상기 제2층에 파우치의 내측을 향하도록 배치되는 구조를 갖도록 하였다.
또한, 파우치 내부에 알루미늄 백(Al bag)의 삽입 시 알루미늄 백의 핀홀과 파우치의 벤팅 유도부를 동일 측면에 위치시킴으로써 서로 인접하게 배치하였다.
실시예 2. 흡열팩의 제조
실시예 1에서 사용된 파우치와 동일한 파우치를 준비하고, 상기 파우치 내측에 가로 8.5㎝ 및 세로 11.5㎝인 알루미늄(Al) 시트 2장을 삽입하였다. 그런 다음, 삽입된 알루미늄(Al) 시트 사이에 고흡수성 섬유를 삽입하고 물을 주입하여 고흡수성 섬유에 물을 함침시켰다. 이때, 상기 물은 고흡수성 섬유(성분: 아크릴산 공중합체) 1g 당 10g씩 함침되었다. 그런 다음, 내부를 진공 상태로 바꾼 후 파우치의 투입구를 실링하여 흡열팩을 제작하였다.
이때, 상기 알루미늄(Al) 시트는 일측 가장자리에 10개의 핀홀이 하나의 줄(line)을 이루도록 2줄의 핀홀 줄(pinhole line)이 형성되었으며, 상기 핀홀 줄은 파우치의 벤팅 유도부와 동일한 측면에 위치시킴으로써 서로 인접하게 배치되었다.
비교예 1. 흡열팩의 제조
열분산 기재인 장방형의 알루미늄(Al) 시트가 도입되지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 흡열팩을 제조하였다.
비교예 2. 흡열팩의 제조
열분산 기재인 장방형의 알루미늄(Al) 시트를 이용하여 제작되는 알루미늄 백(Al bag)에 핀홀이 마련되지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 흡열팩을 제조하였다.
실험예.
본 발명에 따른 흡열팩에 따른 흡열 효과를 평가하였다.
구체적으로, 실시예 및 비교예에서 제조된 각 흡열팩을 수직으로 고정시키고, 고정된 흡열팩의 양면에 온도 센서를 3개씩 부착하였다. 이때, 각 면에 부착된 3개의 온도 센서는 수직으로 고정된 흡열팩 표면에서 상부, 중앙 및 하부에 배치하였다.
그런 다음, 부탄가스를 원료로 하는 토치를 이용하여 흡열팩의 일면 중앙을 10분간 가열하였으며, 가열하는 동안 토치로 가열된 면(즉, 가열면)과 이의 후면의 온도를 각각 측정하였다.
또한, 토치를 이용한 가열이 완료되면 흡열팩을 냉각시키고, 냉각된 흡열팩을 분해하여 흡열팩 내부의 파우치에 삽입되었던 고흡수성 섬유의 손상 여부를 육안으로 평가하였다.
각 결과는 하기 표 1과 도 5 내지 도 9에 나타내었으며, 고흡수성 섬유의 손상 여부는 손상이 있는 경우는 ○, 손상이 없는 경우는 X로 표시하였다.
후면의 최종 온도 고흡수성 섬유의 손상여부
상부 중앙 하부
실시예 1 260±1℃ 240±1℃ 210±1℃ X
실시예 2 289±1℃ 275±1℃ 260±1℃ X
비교예 1 365±1℃ 346±1℃ 311±1℃ ○
비교예 2 302±1℃ 295±1℃ 285±1℃ X
상기 표 1 및 도 5 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 흡열팩은 전지 모듈 내부의 급격한 온도 상승을 안정적으로 억제하는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 표 1과 도 5 및 도 6을 살펴보면, 실시예의 흡열팩은 가열면의 경우 토치로 직접 가열되는 중앙이 가장 온도가 높고 이후 상부 및 하부 순으로 높게 나타내는 반면 후면의 경우 상부>중앙>하부의 순으로 온도가 높은 것으로 확인되었다. 이는 흡열팩 내부에 포함된 물이 기화되어 고흡수성 섬유로부터 분리되는데 필요한 에너지를 흡수함으로써 흡열팩의 후면에 전달되는 열이 감소됨을 의미한다.
또한, 실시예의 흡열팩은 가열면과 후면의 온도가 전반적으로 비교예의 흡열팩보다 낮은 것으로 확인되었다. 이는 파우치 내부에 열분산 기재를 도입하는 경우 고흡수성 섬유에 외부의 열을 보다 잘 분산시킬 수 있고, 이러한 열분산 기재에 핀홀을 도입하는 경우 기화된 수증기를 외부로 선택적으로 방출하여 물의 잠열량을 보다 증가시킴을 의미한다.
나아가, 도 7에 나타낸 바와 같이 실시예의 흡열팩은 파우치 내부에 삽입된 고흡수성 섬유가 파우치 주변의 열량을 균일하게 흡수하여 고흡수성 섬유의 내부 손상이 발생되지 않는 것으로 확인되었다. 이에 반해, 도 8 및 도 9를 참고하면, 비교예 1의 흡열팩은 파우치와 고흡수성 섬유 사이에 열분산 기재, 즉 알루미늄(Al) 시트가 배치되지 않거나 본 발명의 두께 조건을 만족하지 않아 모듈 내부의 열 에너지를 충분히 흡수하지 못할 뿐만 아니라, 열량 흡수 시 고흡수성 섬유와 파우치의 내부 손상이 모두 발생되어 흡열팩의 열 흡수가 안정적으로 수행되지 못하는 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 흡열팩은 고온 조건에서 모듈 내부의 열량을 다량 흡수하여 모듈 내부의 온도가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있으며, 상기 열량을 흡열팩 내부에 균일하게 흡수하므로 흡열 과정에서 흡열팩 손상을 방지할 수 있으므로 보다 안정적으로 모듈 내부의 온도를 제어할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
1: 이차전지 모듈
10: 하우징 부재 11: 바닥부재
12: 측벽부재 13: 커버부재
14: 전방부재 15: 후방부재
16: 격벽부재 17: 가스 벤팅 부재
20: 전지 셀 21: 전지셀이 정렬된 열
21a: 전지 셀이 정렬된 제1열
21b: 전지 셀이 정렬된 제2열
30: 흡열팩
30a: 전지 셀의 외측면에 배치된 흡열팩
30b: 전지 셀이 정렬된 복수의 열 사이에 배치된 흡열팩
40: 히트 싱크

Claims (12)

  1. 고흡수성 매트릭스;
    상기 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 배치되는 열분산 기재; 및
    상기 열분산 기재가 배치된 고흡수성 매트릭스가 삽입되는 파우치를 포함하고,
    상기 고흡수성 매트릭스는 물에 함침된 상태이며,
    상기 열분산 기재는 일측 가장자리에 복수의 핀홀을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  2. 제1항에 있어서,
    파우치는 일측 가장자리에 벤팅 유도부를 포함하고,
    열분산 기재는 핀홀이 벤팅 유도부와 동일 측면에 배치되도록 삽입되는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  3. 제1항에 있어서,
    열분산 기재는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 갖는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  4. 제1항에 있어서,
    열분산 기재는 50 kcal/℃ 이상의 열 전도율을 갖는 금속을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  5. 제1항에 있어서,
    고흡수성 매트릭스는 고흡수성 수지(SAP) 또는 고흡수성 섬유(SAF)인 이차전지 모듈용 흡열팩.
  6. 제1항에 있어서,
    고흡수성 매트릭스는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리비닐구아니딘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 수지를 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  7. 제1항에 있어서,
    고흡수성 매트릭스는 내부에 열 전도성 필러를 더 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  8. 제1항에 있어서,
    고흡수성 매트릭스는 10 g/g 내지 500 g/g의 물을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  9. 하우징 부재;
    상기 하우징 부재 내에 삽입되는 복수의 전지 셀; 및
    상기 복수의 전지 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 제1항에 따른 흡열팩을 포함하는 이차전지 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    복수의 전지 셀은 n열(단, n≥2)로 정렬 배치되고, 배치된 전지 셀들이 이루는 열들 사이에 흡열팩이 배치되는 이차전지 모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    복수의 전지 셀은 n열(단, n≥2)로 정렬 배치되고, 배치된 전지 셀들이 구성하는 열의 외측면과 하우징 부재 사이 공간에 흡열팩이 배치되는 이차전지 모듈.
  12. 제9항에 있어서,
    흡열팩은 이차전지 모듈의 바닥면을 기준으로 흡열팩의 표면이 수직이 되도록 삽입되되, 흡열팩의 벤팅 유도부가 상부에 위치하도록 배치되는 이차전지 모듈.
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