TWI713244B - 電池胞元模組 - Google Patents

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TWI713244B TW108140468A TW108140468A TWI713244B TW I713244 B TWI713244 B TW I713244B TW 108140468 A TW108140468 A TW 108140468A TW 108140468 A TW108140468 A TW 108140468A TW I713244 B TWI713244 B TW I713244B
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Abstract

本發明具體實例係關於一種電池胞元模組，其包含一石墨薄片及一彈性薄片，藉此其增進熱散逸、輕量化及穩定性。

Description

電池胞元模組
發明領域 本發明具體實例係關於一種電池胞元模組，其包含一石墨薄片及一彈性薄片，藉此其增進熱散逸、輕量化及穩定性。
發明背景 在電動車中，電池系統的信賴度及穩定性係決定該電動車之可售性的最重要因素。為了防止電池性能由於多種溫度變化而衰退，應該將該電池系統維持在20℃至40℃的適當溫度範圍下。因此，該由複數個電池胞元構成的電池系統需要一冷卻結構，以便冷卻在該電池胞元之充電或放電期間所產生的熱。
習知上，已經使用一種在由金屬諸如鋁或銅製得的熱槽內流動有冷卻水之電池系統。但是，金屬材料諸如鋁或銅具有高導熱度，其不僅會降低該冷卻效應而且亦具有體積大及重量重的缺點。
至於實施例，韓國早期公開專利公告案號2018-0080614揭示出一種電池模組，其藉由一由具有高熱轉移效率的材料(例如，陶瓷粉末)製得之熱交換墊來提高冷卻效率，且在該墊中有一冷卻媒質循環通過其。但是因為該熱交換墊的冷卻管係由鋁或銅製得，此難以保證有足夠的熱散逸、空間性及輕量化。
發明概要 工藝問題 因此，本發明具體實例旨在提供一種電池胞元模組，其增進輕量化、穩定性，同時具有絕佳的熱散逸。 問題之解決
根據具體實例的電池胞元模組包含一外罩；在該外罩中，複數個並列設置的電池胞元；及插在該複數個電池胞元間之熱散逸薄片，其中該熱散逸薄片包含一石墨薄片及一彈性薄片。 本發明的優良效應
因為根據具體實例的電池胞元模組包含一包括石墨薄片及彈性薄片的熱散逸薄片，此可能增進其熱散逸、輕量化及穩定性。
較佳實施例之詳細說明 於此之後，將參照具體實例詳細地描述本發明。該等具體實例不限於下列所描述的那些且可修改成多種形式，只要本發明的主旨未被改變。
遍及本專利說明書，當一部分係指為「包含」一元素時，要了解的是，除非其它方面有特別描述，否則其可包含其它元素而非排除其它元素。
再者，要了解的是，除非其它方面有指示出，否則與於本文中所使用的組分量、反應條件及其類似狀況相關之全部數字及表示係由用語「約」修飾。
圖1顯示出習知電池胞元模組(100)的截面圖。在圖1描繪出的電池胞元模組中，於外罩(110)中提供複數個電池胞元(120)、各別插在該複數個電池胞元(120)間之緩衝墊(130)及散熱片(140)；及在該外罩(110)的底部上提供一熱槽(150)。
於該習知的電池胞元模組(100)中，該散熱片(140)係插在該複數個電池胞元(120)間，以便將該在電池胞元(120)中所產生的熱轉移至熱槽(150)；及該沿著散熱片(140)轉移的熱會被傳送至該有冷卻水流過的熱槽(150)，因此將該電池胞元模組(100)維持在管理溫度(20℃至40℃)下。該熱轉移的方向係由箭號指示出。插在該複數個電池胞元(120)間之緩衝墊(130)可對當超過管理溫度時將膨脹的電池提供保護。
但是，因為在習知的電池胞元模組(100)中，該外罩(110)、散熱片(140)及熱槽(150)係由具有高導熱度的金屬諸如鋁或銅製得，其不可能達成足夠的熱散逸。此外，因為其等係由金屬製得，其等有在該電池胞元模組中體積大及重量重的缺點。
根據具體實例的電池胞元模組包含一外罩；在該外罩中，複數個並列設置的電池胞元；及插在該複數個電池胞元間之熱散逸薄片，其中該熱散逸薄片包含一石墨薄片及一彈性薄片。 外罩
該外罩作用為固定複數個電池胞元及熱散逸薄片。例如，該外罩較佳為由下列製得：金屬材料，諸如鋁；或具有諸如阻燃性、抗化性、絕緣性及耐久性之特徵的塑膠材料，諸如PC+ABS、PA、PP及其類似物，但是其不限於此。 電池胞元
根據具體實例，在該外罩中，並列設置複數個電池胞元。特別是，因為該電池胞元的數目係根據所需要的電力大小而決定，當提供愈多的電池胞元時可供應愈大的電力。
根據具體實例的電池胞元模組包含一石墨薄片而非習知的金屬材料，使得該電池胞元模組具有比由金屬材料製得的那些小之體積。因此，裝配在與習知電池胞元模組相同的空間中之電池胞元數目可增加，使得該電池胞元模組的電力量可增加。再者，與由金屬材料製得的那些比較，其具有輕量化及可撓性的優點。 熱散逸薄片
該熱散逸薄片係插在該複數個電池胞元間及包含一石墨薄片及一彈性薄片。 石墨薄片
金屬材料諸如鋁或銅的導熱度係等向性，然而由於石墨粒子的結構具有各向異性排列，在石墨薄片中於厚度方向上之導熱度係與在平面方向上的導熱度不同。
特別是，該石墨薄片通常在平面方向上具有導熱度100W/mK或更大，及在水平方向上的導熱度係20W/mK或較少。因此，因為該具體實例的電池模組包含一石墨薄片，在複數個電池胞元中所產生的熱可迅速地向下轉移至熱槽，因此改良熱散逸。
根據具體實例，該石墨薄片於平面方向上的導熱度對在厚度方向上的導熱度之比率係300或更大。特別是，該石墨薄片在厚度方向上的導熱度可係1W/mK至20W/mK，及其在平面方向上的導熱度可係800W/mK至2,000W/mK。例如，在厚度方向上的導熱度可係1W/mK至18W/mK、3W/mK至20W/mK、或5W/mK至20W/mK；及在平面方向上的導熱度可係900W/mK至2,000W/mK、1,000W/mK至1,800W/mK、1,200W/mK至2,000W/mK、或1,200W/mK至1,800W/mK。
根據具體實例，該石墨薄片可包含五或更多層的一層合物，其中至少一層第一石墨層與至少一層第二石墨層係交替地層合。
該石墨薄片具有一呈編織有緯紗及經紗的織物形式之表面結構。該石墨薄片可包含一包括石墨化的纖維之第一石墨層及一第二石墨層。更特別是，該石墨薄片可包含一包括石墨化的纖維之第一石墨層及一覆蓋該第一石墨層的一邊或二邊之第二石墨層。
該石墨薄片的表面結構可與構成該第一石墨層的表面纖維相同。該纖維可係一織物基材材料，及該使用織物基材材料所製造的石墨薄片之表面結構可係一允許具有如上所述的結構之編織結構。
該第一石墨層可包含一包括複數條石墨纖維的纖維束。特別是，該第一石墨層可由一包含複數條石墨纖維的纖維束構成。此外，該纖維束可包含在該複數條石墨纖維間所形成之空隙。再者，該第一石墨層可包含一由石墨纖維或石墨纖維束構成且編織有緯紗及經紗的織物形式。
該第一石墨層可包含藉由石墨化一天然纖維或合成纖維所製得之纖維。特別是，該第一石墨層可係藉由碳化及石墨化一天然纖維或合成纖維所製得的纖維。
該天然纖維可係選自於由纖維素纖維、蛋白質纖維及礦物纖維所組成之群的至少一種。該纖維素纖維可包括(i)種子纖維，諸如棉花及木棉；(ii)莖幹纖維，諸如亞麻、苧麻、大麻及黃麻；(iii)果實纖維，諸如椰殼纖維；及(iv)葉纖維，諸如馬尼拉麻、蕉麻及瓊麻。此外，該蛋白質纖維可包括(i)羊毛纖維、(ii)絲纖維及(iii)毛髮纖維。該礦物纖維可包括例如(i)合成的礦物纖維，諸如玻璃絨及礦物綿；及(ii)石棉，其中玻璃、岩石及其它礦物係在高溫下液化及纖維化。特別是，該天然纖維可包含選自於由棉花、麻、羊毛及絲所組成之群的至少一種。
該合成纖維可係選自於由有機纖維及無機纖維所組成之群的至少一種。該有機纖維可包括例如(i)再生纖維，包括纖維素基底的纖維，諸如嫘螢、天絲(tencil)(或萊賽爾(lyocell))及莫代爾(modale)；或蛋白質基底的纖維；(ii)半合成纖維，包括纖維素基底的纖維，諸如醋酸酯及三醋酸酯；及(iii)合成纖維，諸如聚醯胺纖維、聚酯纖維、聚胺基甲酸酯纖維、聚乙烯纖維、聚氯乙烯纖維、聚氟乙烯纖維、聚乙烯醇纖維、丙烯酸纖維及聚丙烯纖維。特別是，該合成纖維可包含至少一種選自於由下列所組成之群的合成纖維：耐綸、聚酯、聚胺基甲酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚乙烯醇、丙烯酸樹脂及聚丙烯；或至少一種選自於由嫘螢、醋酸酯及三醋酸酯所組成之群的纖維素基底的纖維。
例如，該第一石墨層可包含一具有間距20微米至200微米及寬度60微米至200微米的晶格結構。
該第二石墨層可覆蓋該內層的一邊或二邊。特別是，該第二石墨層係由一塗佈在該第一石墨層的一邊上之第一石墨外層及一塗佈在該第一石墨層的另一邊上之第二石墨外層構成，及該第一石墨外層與第二石墨外層可部分彼此連接。
該第二石墨層可係一被石墨化的聚合物樹脂層。此外，該第二石墨層可包含天然石墨或膨脹石墨。
該聚合物樹脂可包含選自於由下列所組成之群的至少一種：聚醯亞胺、聚醯胺酸、聚氯乙烯、聚酯、聚胺基甲酸酯、聚乙烯、聚氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯及聚丙烯。特別是，該聚合物樹脂可包含選自於由下列所組成之群的至少一種：具有重量平均分子量200,000克/莫耳至300,000克/莫耳之聚醯亞胺、聚醯胺酸及聚氯乙烯。
特別是，該石墨薄片可藉由下列來製造：製備一層合物，其中該層合物包含一纖維基材及一在該纖維基材的一邊或二邊上之聚合物塗層；及完整地碳化及石墨化該層合物。當在預定溫度下進行該碳化及石墨化製程時，構成該層合物的纖維基材及聚合物塗層全部會被石墨化，藉此可製造出一石墨薄片。
若該石墨薄片係藉由石墨化如上所述的層合物而製造時，其優點為可以低成本製造出該具有相對厚的厚度及優良的導熱度之石墨薄片。
在此情況下，該聚合物塗層的厚度可係30微米至50微米。例如，若該聚合物塗層係在該纖維基材的二邊上形成時，該聚合物塗層的總厚度可係60微米至100微米。若該聚合物塗層其厚度係在上述範圍內形成時，該層合物可具有一石墨薄片，其表面在碳化及石墨化後顯示出衍生自該纖維基材的編織結構。
該纖維基材可係選自於由天然纖維及合成纖維所組成之群的至少一種。該天然纖維及合成纖維係如所描述般與該第一石墨層相關。
該聚合物塗層係如所描述般與該第二石墨層的聚合物樹脂相關。
此外，該石墨薄片可包含一具有間距20微米至200微米及寬度60微米至200微米的晶格結構。
參照圖4及5，該石墨薄片可具有一呈編織有緯紗及經紗的織物形式之表面結構。
在此情況下中，該緯紗(A)及經紗(B)可各別具有寬度(d1或d2) 20微米至200微米、30微米至170微米、或50微米至170微米。此外，該緯紗(A)及經紗(B)可各別具有間距(P1或P2) 20微米至200微米、30微米至170微米、或50微米至170微米。
此外，該石墨薄片的表面結構可滿足緯紗(A)×經紗(B)係80至130×100至150計數/英吋。例如，該石墨薄片之表面結構可滿足緯紗(A)×經紗(B)係130×150計數/英吋、100×120計數/英吋、或80×100計數/英吋。
因為該石墨薄片具有如上所述的表面結構，其可具有預定的表面粗糙度。特別是，參照圖4，該石墨薄片的表面在緯紗(A)與經紗(B)疊置之部分(C)與其等未疊置的部分(D)間具有一步階(step)。
根據具體實例，該石墨薄片可具有表面粗糙度(Ra) 0.5微米至10微米(參見圖6)。更特別是，該石墨薄片可具有表面粗糙度(Ra)1微米至8微米、或2微米至6微米。
根據具體實例，該石墨薄片具有厚度10微米至500微米。特別是，該石墨薄片可具有厚度50微米至500微米、70微米至500微米、70微米至300微米、10微米至300微米、10微米至250微米、或70微米至250微米。從熱容量的觀點來看，若該石墨薄片的厚度係在上述範圍內時，其可優良。
由於在曲率半徑(R)5毫米、折疊角度180度、負載0.98牛頓及折疊速度每分鐘90循環之條件下進行MIT折疊試驗，該石墨薄片可具有交互折疊(reciprocal folding)數目最高10,000次。特別是，由於該MIT折疊試驗，該石墨薄片可具有交互折疊數目10,000至20,000次、10,000至18,000次、或10,000至15,000次。
該石墨薄片可在50℃下具有比熱0.5J/gK至1.0J/gK、0.5J/gK至0.9J/gK、0.6J/gK至0.9J/gK、或0.7J/gK至0.9J/gK。該石墨薄片可具有密度0.5克/立方公分至2.5克/立方公分、0.5克/立方公分至2.0克/立方公分、或0.8克/立方公分至2.0克/立方公分。
根據具體實例，該第二石墨層可具有密度大於該第一石墨層的密度。特別是，該第一石墨層可具有密度1.3克/立方公分至1.5克/立方公分、或1.5克/立方公分至1.9克/立方公分；及該第二石墨層可具有密度.5克/立方公分至1.8克/立方公分、或1.8克/立方公分至2.1克/立方公分。 彈性薄片
該彈性薄片可包含一聚合物樹脂。特別是，該彈性薄片可包含以乙烯基為基底的聚合物。
該以乙烯基為基底的聚合物可包含選自於由聚乙烯基縮丁醛及聚乙烯-醋酸乙烯酯所組成之群的至少一種。特別是，該以乙烯基為基底的聚合物可係聚乙烯基縮丁醛或聚乙烯-醋酸乙烯酯。
該聚合物樹脂可具有重量平均分子量100,000克/莫耳至500,000克/莫耳、100,000克/莫耳至300,000克/莫耳、或100,000克/莫耳至200,000克/莫耳。
該彈性薄片可具有厚度0.5毫米至1毫米、1毫米至3毫米、或3毫米至5毫米。若該彈性薄片的厚度係在上述範圍內時，其可能緩衝在電池胞元充電及放電那時所發生之收縮及膨脹，因此提高該電池的穩定性。
該彈性薄片可在0℃至50℃下具有熱膨脹係數0.1 ppm/℃至0.5 ppm/℃，及在溫度20℃及頻率50赫茲至100赫茲下的動態儲存模量係1×106 Pa至3×107 Pa。特別是，該彈性薄片可在0℃至50℃下具有熱膨脹係數0.1 ppm/℃至0.3 ppm/℃、或0.15 ppm/℃至0.3 ppm/℃；及在溫度20℃及頻率50赫茲至100赫茲下的動態儲存模量係1×106 Pa至2×107 Pa、或1×106 Pa至5×106 Pa。
該彈性薄片可具有抗拉強度10 MPa至50 MPa、10 MPa至40 MPa、或10 MPa至30 MPa；及斷裂伸張率150%至400%、150%至350%、或200%至300%。此外，該彈性薄片可在平面方向上及在厚度方向上具有導熱度0.01W/mK至0.8W/mK、0.1W/mK至0.8W/mK、0.1W/mK至0.6W/mK、或0.1W/mK至0.5W/mK。
該抗拉強度及斷裂伸張率可藉由在JIS K 6771中所描述的方法測量。此外，該導熱度可藉由在ASTM F 433中所描述的方法測量。
該熱散逸薄片及彈性薄片可藉由加熱及加壓黏合，以便在層間無物理邊界(physical boundary)。該加熱及加壓可在溫度100℃至150℃下藉由加壓至0.1 MPa至0.5 MPa進行。
根據具體實例，該石墨薄片可係I形。
圖2顯示出根據具體實例的層合物(200)之截面圖。在圖2描繪出的電池胞元模組(200)中，熱槽(250)係提供在該外罩(210)的底部上，於外罩(210)中並列提供複數個電池胞元(220)；具有I形的熱散逸薄片(260)係插在該複數個電池胞元(220)間，其中該熱散逸薄片(260)包含彈性薄片(261)及石墨薄片(262)；及該彈性薄片(261)、石墨薄片(262)、電池(220)及熱槽(250)係藉由一絕緣及熱散逸雙邊膠帶(270)黏合。
根據具體實例，該石墨薄片可呈具有至少一個彎曲部分的形式。
根據具體實例，該石墨薄片可係L形。
根據具體實例的電池胞元模組可進一步在該外罩的至少一邊上包含一熱槽。特別是，該電池胞元模組可進一步在該外罩的底部上包含一熱槽，及該熱散逸薄片可固定至該熱槽。
該熱槽可由金屬材料諸如鋁或銅製得及可具有一冷卻水在其中流動的結構，但是其不限於此。
圖3顯示出根據另一個具體實例的層合物(300)之截面圖。在圖3描繪出的電池胞元模組(300)中，熱槽(350)係提供在該外罩(310)的底部上，於外罩(310)中並列提供複數個電池胞元(320)；具有L形的熱散逸薄片(360)係插在該複數個電池胞元(320)間，其中該熱散逸薄片(360)包含彈性薄片(361)及石墨薄片(362)；及彈性薄片(361)、石墨薄片(362)、電池(320)及熱槽(350)係藉由一絕緣及熱散逸雙邊膠帶(370)及一丙烯酸雙邊膠帶(380)黏合。
如在圖2及3中顯示出，根據具體實例的電池胞元模組可進一步包含一絕緣及熱散逸膠帶或丙烯酸膠帶。該絕緣及熱散逸膠帶可由導熱性膠帶置換，及其不特別限制，只要其係典型使用於熱傳導部分的膠帶。
根據具體實例，該熱散逸薄片可在平面方向上具有導熱度800W/mK至2,000W/mK。特別是，該導熱度可係900W/mK至2,000W/mK、1,000W/mK至1,800W/mK、1,200W/mK至2,000W/mK、或1,200W/mK至1,800W/mK。
100、200、300:電池胞元模組 110、210、310:外罩 120、220、320:電池 130:緩衝墊 140:散熱片 150、250、350:熱槽 260、360:熱散逸薄片 261、361:彈性薄片 262、362:石墨薄片 270、370:絕緣及熱散逸雙邊膠帶 380:丙烯酸雙邊膠帶 A:緯紗 B:經紗 d1:緯紗的寬度 d2:經紗的寬度 P1:緯紗的間距 P2:經紗的間距 C:緯紗與經紗疊置的部分 D:緯紗與經紗未疊置的部分
圖1顯示出習知電池胞元模組的截面圖。 圖2顯示出根據具體實例的電池胞元模組之截面圖。 圖3顯示出根據另一個具體實例的電池胞元模組之截面圖。 圖4顯示出根據具體實例的石墨薄片表面之圖式圖。 圖5係根據具體實例的石墨薄片之表面相片。 圖6係以原子力顯微鏡(AFM)觀察根據具體實例的石墨薄片表面之相片。
200:電池胞元模組
210:外罩
220:電池
250:熱槽
260:熱散逸薄片
261:彈性薄片
262:石墨薄片
270:絕緣及熱散逸雙邊膠帶

Claims (11)

  1. 一種電池胞元模組，其包含：一外罩；在該外罩中，複數個並列設置的電池胞元；及插在該複數個電池胞元間之熱散逸薄片；其中該熱散逸薄片包含一石墨薄片及一彈性薄片；其中該彈性薄片在溫度20℃及頻率50赫茲至100赫茲下的動態儲存模量係1×106Pa至3×107Pa。
  2. 如請求項1之電池胞元模組，其中該石墨薄片在平面方向上的導熱度對在厚度方向上的導熱度之比率係300或更大。
  3. 如請求項1之電池胞元模組，其中該石墨薄片包含五或更多層的一層合物，其中至少一層第一石墨層與至少一層第二石墨層係交替地層合。
  4. 如請求項3之電池胞元模組，其中該第二石墨層具有密度大於該第一石墨層的密度。
  5. 如請求項1之電池胞元模組，其中該石墨薄片具有厚度10微米至500微米。
  6. 如請求項1之電池胞元模組，其中該石墨薄片可具有表面粗糙度(Ra)0.5微米至10微米。
  7. 如請求項1之電池胞元模組，其中該石墨薄片係I形。
  8. 如請求項1之電池胞元模組，其中該石墨薄片係呈具有至少一個彎曲部分的形式。
  9. 如請求項8之電池胞元模組，其中該石墨薄片係L形。
  10. 如請求項1之電池胞元模組，其中該石墨薄片在平面方向上具有導熱度800W/mK至2,000W/mK。
  11. 如請求項1之電池胞元模組，其進一步在該外罩的至少一邊上包含一熱槽。
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