WO2014098348A1 - 배터리 모듈용 발열시트 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

배터리 모듈용 발열시트 및 이를 포함하는 배터리 모듈 Download PDF

Info

Publication number
WO2014098348A1
WO2014098348A1 PCT/KR2013/007635 KR2013007635W WO2014098348A1 WO 2014098348 A1 WO2014098348 A1 WO 2014098348A1 KR 2013007635 W KR2013007635 W KR 2013007635W WO 2014098348 A1 WO2014098348 A1 WO 2014098348A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heating element
planar heating
battery cell
battery module
area
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/007635
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
예성훈
이종훈
송예리
신창학
박구일
황덕율
박환석
Original Assignee
(주)엘지하우시스
(주)엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)엘지하우시스, (주)엘지화학 filed Critical (주)엘지하우시스
Priority to US14/652,638 priority Critical patent/US9742046B2/en
Priority to JP2015549239A priority patent/JP2016507861A/ja
Priority to EP13864336.6A priority patent/EP2937931B1/en
Priority to CN201380067690.6A priority patent/CN104871640B/zh
Publication of WO2014098348A1 publication Critical patent/WO2014098348A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/615—Heating or keeping warm
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/657—Means for temperature control structurally associated with the cells by electric or electromagnetic means
    • H01M10/6571—Resistive heaters
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/013—Heaters using resistive films or coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2214/00—Aspects relating to resistive heating, induction heating and heating using microwaves, covered by groups H05B3/00, H05B6/00
    • H05B2214/04—Heating means manufactured by using nanotechnology
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • a heating module for a battery module and a battery module including the same.
  • Batteries used in solar power and electric vehicles have a problem that the discharge efficiency is lowered in winter because the temperature is lowered. That is, when the external air temperature is lowered to about -20 ° C or lower, the discharge efficiency of the battery is lowered to about 50% or lower, and in an environment where the ambient temperature is about -10 ° C or lower, the battery has a low mobility of ions in the electrolyte, resulting in a flow of current. It gets worse and at the same time the output of the battery drops. In particular, in the case of an EV car, when the vehicle is parked outside in a fully charged state, the electrolyte becomes hard due to the external temperature, which causes a problem in the long life of the battery. Therefore, in order to maintain a constant battery life and efficiency, it is necessary to keep the battery temperature constant even in winter.
  • thermoelectric element As a method of heating a battery, a method of heating air with a thermoelectric element or a positive temperature coefficient (PTC) heater has been proposed, but research on a method of directly heating the battery in a more effective and efficient manner has been continued.
  • PTC positive temperature coefficient
  • One embodiment of the present invention provides a heat generating sheet for a battery module capable of heating the battery cells uniformly and effectively with a minimum heat generating area.
  • Another embodiment of the present invention provides a battery module including the heating sheet and the battery cell for the battery module.
  • the planar heating element; An insulating layer on one surface of the planar heating element; And an insulating adhesive layer on the other surface of the planar heating element, and a heat generation area of the planar heating element is about 40% to about 90% of the entire area of the battery cell to which the planar heating element is attached.
  • the area of the heat generating portion of the planar heating element may include an area in which the temperature is increased by about 30 ° C. to about 50 ° C. compared to the initial temperature of the planar heating element.
  • the planar heating element may generate heat only by the heat generating area of the planar heating element.
  • Exothermic temperature of the planar heating element may be from about 20 °C to about 80 °C.
  • the planar heating element may include a base film, a heating layer, and an electrode layer.
  • the heating layer may include one or more selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon black, graphene, graphite, and combinations thereof.
  • the heat generating layer may have a thickness of about 2 ⁇ m to about 10 ⁇ m.
  • the insulating adhesive layer may have a thickness of about 25 ⁇ m to about 75 ⁇ m.
  • the insulating layer may have a thickness of about 50 ⁇ m to about 100 ⁇ m.
  • a battery module including the heat generating sheet and the battery cell for the battery module, wherein the heat generating portion of the battery cell is about 40% to about 90% of the entire area of the battery cell.
  • the area of the heat generating portion of the battery cell may include an area in which the temperature rises from about 30 ° C. to about 50 ° C. relative to the initial temperature of the battery cell.
  • the heating sheet for the battery module may increase the internal electrolyte temperature of the battery cell by about 20 ° C. or more within 200 seconds of starting to generate heat.
  • the surface temperature of the battery cell may be about 20 ° C to about 80 ° C.
  • the internal electrolyte temperature of the battery cell may be about ⁇ 10 ° C. to about 35 ° C.
  • the heating sheet for the battery module can effectively increase the temperature of the winter battery cell in a short time, thereby extending the life of the battery.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a heating sheet for a battery module which is an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a heating sheet for a battery module including a planar heating element which is another embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a schematic view showing a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing a correlation between time vs. heat generating area vs. surface temperature.
  • 5 to 7 are the heating element area of the planar heating element and the heat generating part area of the battery cell is 40%, 70%, 90%, according to the surface heating element heating temperature of 20 °C, 40 °C, 60 °C, 80 °C It is a graph showing the temperature of the electrolyte inside the battery cell rising within 200 seconds.
  • the planar heating element; An insulating layer on one surface of the planar heating element; And an insulating adhesive layer on the other surface of the planar heating element, and a heat generation area of the planar heating element is about 40% to about 90% of the entire area of the battery cell to which the planar heating element is attached.
  • lithium-ion batteries with high energy directivity are growing.
  • lithium-ion batteries have poor low-temperature output characteristics, so when the temperature in winter decreases, the voltage drop increases, which may cause the electric vehicle to stop operating.
  • a heating device to the cooling water for cooling or by adding a PTC heater used in diesel vehicles, the medium is first heated by the heating device. Since the battery was heated once, the efficiency of heat transfer could be reduced.
  • the planar heating element provides a heating sheet capable of improving heat transfer efficiency by heating the heating element directly rather than indirectly by heating the medium. Specifically, by directly attaching the heating sheet to the surface of the battery cell can be aimed to raise the winter output of the battery by a predetermined level or more by a direct heating method.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a heating sheet for a battery module, which is an embodiment of the present invention, and may include an insulating layer 30, a planar heating element 20, and an insulating adhesive layer 10 from above.
  • An area of the heat generating portion of the planar heating element may be about 40% to about 90% of the entire area of the battery cell to which the planar heating element is attached.
  • the heat generating area refers to an area where heat is generated in the planar heating element by the heat generating layer of the planar heating element when an applied voltage is applied to the electrode layer of the planar heating element, and the heat generating area is the entire area of the battery cell to which the planar heating element is attached. It can be local to, for example, to generate heat for about 40% to about 90% of the battery cell front surface to which the planar heating element is attached.
  • the electrolyte temperature inside the battery to which the planar heating element is attached does not heat up more than -10 ° C within about 200 seconds to secure the output of the battery. Can not.
  • the temperature difference between the heating part and the non-heating part of the electrolyte inside the battery may occur, which may shorten the life of the battery.
  • the electrolyte temperature inside the battery may be heated in a shorter time, but after about 200 seconds, the temperature is 35 ° C. or more.
  • the battery may be damaged, and consumable power may be formed by unnecessarily heating all of the battery peripheral parts.
  • the heat generating area of the planar heating element maintains about 40% to about 90%, specifically about 50% to about 80% of the entire area of the battery cell to which the planar heating element is attached, thereby producing an output of 85% or more within 200 seconds. It is possible to efficiently improve the electrolyte temperature inside the battery.
  • the area of the heat generating portion of the planar heating element may include an area in which the temperature is increased by about 30 ° C. to about 50 ° C. compared to the initial temperature of the planar heating element.
  • the rising temperature which forms the heating element area of the planar heating element is the temperature of the planar heating element attached to the surface of the battery when the global average temperature is about -30 ° C to about -10 ° C in winter, and the center temperature of the heating element area.
  • the difference between and the edge temperature may be about 5 ° C to about 10 ° C.
  • the area of the heat generating portion of the planar heating element means an area of about 30 ° C. to about 50 ° C. after the heat generation of the planar heating element rises from the initial temperature before the heat generation of the planar heating element when a constant voltage is applied to the electrode layer of the planar heating element. If the temperature of the planar heating element does not rise within the above range after heat generation, the mobility of the lithium ion may be reduced in the electrolyte of lithium ions, and thus the output of the electric current may not be constant, which may cause the start of the electric vehicle to be turned off, compared with the initial temperature of the planar heating element. As the temperature of the surface heating element rises within this time, it is possible to easily realize the effect of stable driving and increasing the life cycle of the battery.
  • An area of the heat generating portion of the planar heating element may extend from the center of the front surface area of the battery cell to which the planar heating element is attached.
  • the cross section of the horizontal plate-shaped heating element of the rectangular plate-shaped planar heating element refers to the center of the entire area of the battery cell to which the planar heating element is attached. It can be secured, and the heat generation area of the planar heating element can also be expanded as the heat generation from the central portion to the peripheral portion.
  • An area of the heat generating portion of the planar heating element may be generated by applying a voltage of about 24 volts or less to the electrode layer of the planar heating element.
  • the heat generating area refers to an area where heat is generated in the planar heating element by the heat generating layer of the planar heating element, and the voltage applied to the electrode layer of the planar heating element is About 24 volts or less.
  • the target heat generating area may be maintained within a faster time, but may cause damage to the heat generating sheet including the planar heating element and the battery to which the same is applied.
  • the planar heating element may generate heat only by the heat generating area of the planar heating element. For example, by applying a voltage of about 24 volts or less to the electrode layer of the planar heating element, the area of the heat generating portion of the planar heating element may be about 40% to about 90% of the entire area of the battery cell to which the planar heating element is attached. Only the heat generating area of the planar heating element can control the calorific value of the entire planar heating element.
  • the calorific value refers to the amount of heat generated when current flows through the wire, and means the amount of heat generated in the planar heating element generated when the current flows for an applied voltage of 24 volts or less.
  • the calorific value of the planar heating element when a voltage of 24 volts or less is applied to the electrode layer of the planar heating element, the calorific value of the planar heating element may be about 37.5W to about 150W.
  • the driving efficiency of the battery can be realized at 100% within a short time and about 2 minutes.
  • the driving efficiency of the electric vehicle battery in which the discharge occurs when the vehicle is driven and the charge occurs when the vehicle is controlled by the heat generation amount of the planar heating element may be increased by 100%.
  • the heat generating temperature of the planar heating element is about 20 °C To about 80 ° C, specifically about 40 ° C to about 60 ° C.
  • the exothermic temperature of the planar heating element means a temperature for heating the battery cell to be attached to the insulating adhesive layer, and directly affects the surface temperature of the battery cell adhered by the exothermic temperature of the planar heating element and the electrolyte temperature inside the battery cell. According to the heat generating area of the planar heating element, the heating temperature, that is, the heating temperature of the battery cell may be appropriately adjusted.
  • the surface temperature of the planar heating element By ensuring the surface temperature of the planar heating element from about 20 °C to about 80 °C it can be implemented to the charge and discharge efficiency of the battery to 100%. More specifically, in order to operate the battery of the electric vehicle in winter, the output of the battery should be about 85% or more, and for this purpose, the electrolyte temperature inside the battery should be about -10 ° C to about 35 ° C. By ensuring the surface temperature of about 20 °C to about 80 °C can implement the battery of the winter electric vehicle.
  • FIG. 2 is a diagram showing a heat generating sheet for a battery module including a planar heating element which is another embodiment of the present invention, wherein the planar heating element 20 has a base film 21, a heating layer 22, and an electrode layer 23 in this order. It may have a stacked structure.
  • the base film 21 is biaxiallyoriented polyethylene terephthalate (BOPET), PI (polyimide), OPS (Oriented Polystyrene), OPP (oriented polypropylene), PEI (polyethyleneimine), PPS (Polyphenylene sulfide), It may include one or more selected from the group consisting of polyethylene naphthalate (PEN), poly (ether sulfones) (PES), and combinations thereof, and has insulation.
  • BOPET biaxiallyoriented polyethylene terephthalate
  • PI polyimide
  • OPS Oriented Polystyrene
  • OPP oriented polypropylene
  • PEI polyethyleneimine
  • PPS Polyphenylene sulfide
  • the base film 21 may have a thickness of about 10 ⁇ m to about 100 ⁇ m. By maintaining the thickness of the base film in the above range, the flatness of the film layer can be maintained due to lack of thermal stability in the drying process after printing the heating layer to be laminated thereon, and the efficiency of transferring the heat of the heating layer to the heat transfer layer. Can be secured.
  • the heat generating layer 22 includes one or more selected from the group consisting of carbon nanotubes (CNT), carbon black, graphene, graphite, and combinations thereof, and may be used by mixing two or more thereof.
  • CNT carbon nanotubes
  • a heat generating layer woven from carbon fiber, a heat generating layer impregnated with CNT or graphene on the nonwoven fabric, a heat generating layer impregnated with conductive carbon on the nonwoven fabric, and a heat generated by coating CNT or graphene paste or ink on the base film Layers can be used. Gravure method may be used for the coating.
  • the heating layer 22 may have a thickness of about 2 ⁇ m to about 10 ⁇ m.
  • the thickness of the heat generating layer can be maintained uniformly, and the operation as the heat generating element can be facilitated due to the low resistance value when voltage is applied to the electrode layer.
  • the heat generating layer within the thickness range may be easy to mass production in a thickness that can be implemented only by printing by a rotary screen without cracking by improving adhesion to the substrate.
  • the electrode layer 23 may adjust the resistance of the final product by adjusting the distance between the electrodes.
  • the distance between the electrodes may be about 4mm to about 16mm, and by maintaining the distance between the electrodes in the above range, it becomes like a wire heater to avoid the case of being a line heating element rather than a heating element, the battery cell
  • the increased localized heat supply to the surface can reduce the likelihood of explosion of the battery cells.
  • by increasing the temperature of the battery cell surface uniformly it is possible to reduce the risk of explosion of the battery cell.
  • the electrode layer 23 may be formed by patterning the heating layer 22 using screen printing. Ag, Cu, or the like can be used as a material of the electrode layer 23.
  • the insulating layer 30 is a layer formed on one surface of the planar heating element 20 and may be formed in a thin film form.
  • the insulating layer may include an insulator which prevents heat generated from the planar heating element from escaping to the outside, and does not pass through electricity or heat.
  • the insulating layer 30 is biaxially oriented polyethylene terephthalate (BOPET), stretched polystyrene (OPS), stretched polypropylene (OPP), polyether teretone (PEEK), polyethylene terephthalate glycol (PETG), polyethylene imide ( PEI) may include any one selected from the film.
  • the thickness of the insulating layer may be about 50 ⁇ m to about 100 ⁇ m.
  • the insulating adhesive layer 10 is a layer formed on the other surface of the planar heating element 20 in which the insulating layer 30 is not formed, and maintains adhesive force with a battery to be attached later, and is generated in the planar heating element 20. Serves to transfer heat to the battery.
  • the insulating adhesive layer 10 may be manufactured using an acryl-based, silicon-based, or EVA (EthyleneVinyl Acetate) -based compound.
  • the acryl-based compound may be an acryl-based compound, an acryl-based polymer, an acryl-based copolymer, and the like, and may be, for example, (meth) acrylate, bisacrylate, and the like, a polymer, a copolymer thereof, and the like, but is not limited thereto. Any acrylic compound having tackiness can be used without limitation.
  • the silicone compound may be a poly dimethyl siloxane compound, but is not limited thereto. Any silicone compound may be used without limitation as long as it is a silicone compound having insulation and adhesion. EVA-based compound is also not particularly limited, it will be apparent to those skilled in the art that any EVA-based compound having insulating and adhesive properties can be used without limitation.
  • the insulating adhesive layer 10 may have a thickness of about 25 ⁇ m to about 75 ⁇ m.
  • the adhesive strength may be about 1 Kgf / cm 2 or more, so that it is easy to maintain the adhesive force of a predetermined level or more, and exhibits the effect of moisture permeability through the side of the insulating adhesive layer.
  • the thickness range of the insulating adhesive layer 10 since the heat generated in the heat generating layer 22 of the planar heating element 20 is transmitted late, a short time to the surface of the battery cell to be attached to the insulating adhesive layer later Can't rise inside.
  • a planar heating element In another embodiment of the present invention, a planar heating element; An insulating layer on one surface of the planar heating element; And an insulating adhesive layer on the other surface of the planar heating element, wherein a heat generating area of the planar heating element is 40% to 90% of the entire area of the battery cell to which the planar heating element is attached;
  • the battery module provides a battery module in which an area to be heated of the battery cell is 40% to 90% of the entire area of the battery cell.
  • the battery cell is a known battery cell, and can be applied without limitation of structure.
  • the battery cell may be a solar cell battery or an automotive battery cell, and more specifically, may be an electric vehicle battery cell.
  • the heat generating area of the planar heating element included in the heating sheet may be about 40% to about 90% of the entire area of the battery cell to which the planar heating element is attached.
  • the heating elements that are directly contacted and affected by the heating of the planar heating element may be a battery cell, wherein the area of the heating portion of the battery cell is also about 40% to about 90% of the entire surface of the battery cell. Can be%.
  • the area of the heat generating portion of the battery cell may include an area in which the temperature rises from about 30 ° C. to about 50 ° C. relative to the initial temperature of the battery cell.
  • the area of the heat generating part of the battery cell may be generated by the area of the heat generating part of the planar heating element, and the area of the heat generating part temperature of the battery cell is increased by about 30 ° C. to about 50 ° C. compared to the initial temperature before the heat generation of the battery cell. Means. After the heating of the planar heating element, the generated heat temperature of the battery cell rises within the above range, thereby realizing the charging and discharging efficiency of the battery at 100%.
  • the heating sheet for the battery module may increase the internal electrolyte temperature of the battery cell by about 20 ° C. or more within about 200 seconds from the start of heat generation by the heating temperature of the planar heating element, that is, the heating temperature applied to the battery cell.
  • the surface temperature of the battery cell may be increased by about 20 ° C within a shorter time after the start of heating.
  • it is not necessary to form all of the peripheral parts of the battery unnecessarily to consume power.
  • the surface temperature of the battery cell is increased to less than about 20 ° C., so that the output of the battery cannot be secured, and thus it may be difficult to drive the battery in the winter. have. Therefore, it is possible to provide a battery module with improved efficiency economically by having a heat generating portion area in the above range.
  • the exothermic temperature of the planar heating element is about 20 ° C. to about 80 ° C.
  • the surface temperature of the battery cell heated by being directly affected by the exothermic temperature of the planar heating element is about 20 ° C. to about 80 ° C.
  • the internal electrolyte temperature of the battery cell may be about ⁇ 10 ° C. to about 35 ° C.
  • the internal electrolyte temperature of the battery cell can be increased, and the battery output during winter can be more than 85% exhibited by the increased electrolyte temperature.
  • the carbon nanotube paste was coated to a thickness of 5 ⁇ m on a BOPET substrate film having a thickness of 100 ⁇ m on both sides of the primer.
  • the carbon nanotube-coated base films were printed on the Ag electrode layer at a time so that the carbon nanotube-coated base films were connected to each other to prepare a planar heating element.
  • an aluminum thin film (foil) was laminated on one surface of the planar heating element, and an acrylic pressure-sensitive adhesive was applied on the other surface of the planar heating element to a thickness of 25 ⁇ m to prepare a heating sheet.
  • the adhesive was attached to a battery cell to manufacture a battery module for an electric vehicle.
  • the temperature of the internal electrolyte of the battery cell is improved to -10 ° C. or more within 100 seconds, 120 seconds, 150 seconds, 180 seconds, and 200 seconds after the start of heating.
  • the heat generating area area that can ensure the heating temperature applied to the battery cell by the heat generating temperature of the planar heating element or the heat generating of the planar heating element to 40 °C.
  • the heating temperature of the planar heating element included in the heating sheet that is, the heating temperature applied to the battery cell by the heating of the planar heating element is 40 ° C.
  • the electrolyte temperature inside the battery cell starts heating 200 seconds.
  • the area of the heat generating portion of the planar heating element and the area of the heat generating portion of the battery cell for the internal electrolyte temperature of the battery to be -10 ° C or more within 40% to 90%. More specifically, within 120 seconds, which is the limit time that a person can wait after starting, it is preferable that the area of the heat generating portion of the planar heating element and the area of the heat generating portion of the battery cell is about 70% to about 90%.
  • 5 to 7 are the heating element area of the planar heating element and the heat generating part area of the battery cell is 40%, 70%, 90%, according to the surface heating element heating temperature of 20 °C, 40 °C, 60 °C, 80 °C It is a graph showing the temperature of the electrolyte inside the battery cell rising within 200 seconds of the heat generation.
  • the area of the heat generating portion of the planar heating element and the area of the heat generating part of the battery cell is 40%, in order for the electrolyte temperature inside the battery cell to be -10 ° C. or more within 200 seconds, that is, the heat generating temperature of the planar heating element, that is, The temperature applied to the battery cell should be at least 40 °C.
  • the area of the heat generating portion of the planar heating element and the area of the heat generating portion of the battery cell is 70%, in order for the electrolyte temperature inside the battery cell to be -10 ° C. or more within 200 seconds, that is, the heat generating temperature of the planar heating element, that is, This is possible when the temperature applied to the battery cell is 20 ° C or higher.
  • the heating temperature of the planar heating element that is, the temperature applied to the battery cell is only 20 ° C. within 120 seconds shorter than 200 seconds. Even if it was maintained, the electrolyte temperature inside the battery cell was found to be -10 ° C or more.
  • the temperature at which the electrolyte inside the battery cell rises within 200 seconds varies depending on the heat generating area of the planar heating element and the area of the heat generating part of the battery cell, and the planar heating element is considered in consideration of the rising temperature of the electrolyte. It was confirmed that the heating temperature of, that is, the temperature applied to the battery cell should be appropriately designed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)
  • Surface Heating Bodies (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

면상발열체; 상기 면상발열체 일면에 절연층; 및 상기 면상발열체의 다른 일면에 절연점착층을 포함하고, 상기 면상발열체의 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 40% 내지 90%인 배터리 모듈용 발열시트를 제공한다. 상기 배터리 모듈용 발열시트 및 배터리 셀을 포함하고, 상기 배터리 셀의 피발열부 면적이 상기 베터리 셀 전면적의 40% 내지 90%인 배터리 모듈을 제공한다.

Description

배터리 모듈용 발열시트 및 이를 포함하는 배터리 모듈
배터리 모듈용 발열시트 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.
태양광 발전 및 전기 자동차에 사용되는 배터리는 기온이 낮아져 동절기에는 방전 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 즉, 외부기온이 약 -20℃ 이하로 낮아지면 배터리의 방전 효율이 약 50% 이하로 낮아지며, 주위 온도가 약 -10℃ 이하인 환경에서 배터리는 전해질 내 이온의 이동도가 낮아져, 전류의 흐름이 나빠지고 동시에 배터리의 출력이 떨어지게 된다. 특히, 전기 자동차(EV car)의 경우 완전 충전된 상태에서 외부에 주차하게 되면, 외부 기온에 의해 전해질이 딱딱해지는데, 이는 배터리의 장기 수명에도 문제를 일으키게 된다. 그러므로 배터리의 수명과 효율이 일정하게 유지되기 위해서는 겨울에도 배터리의 온도를 일정하게 유지시켜줄 필요가 있다.
배터리를 가열하기 위한 방법으로 열전소자나 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터로 공기를 가열하는 방법들이 제안되고 있기는 하나, 보다 효과적이고 효율적인 방법으로 배터리를 직접 가열하는 방법에 대한 연구가 계속되고 있다.
본 발명의 일 구현예는 최소한의 발열부 면적으로 배터리 셀들을 균일하고, 효과적이게 가열시킬 수 있는 배터리 모듈용 발열시트를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 배터리 모듈용 발열시트 및 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 면상발열체; 상기 면상발열체 일면에 절연층; 및 상기 면상발열체의 다른 일면에 절연점착층을 포함하고, 상기 면상발열체의 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 40% 내지 약 90%인 배터리 모듈용 발열시트를 제공한다.
상기 면상발열체의 발열부 면적은 면상발열체의 최초온도에 비해 온도가 약 30℃ 내지 약 50℃ 상승한 면적을 포함할 수 있다.
상기 면상발열체의 발열부 면적만으로 상기 면상발열체가 발열할 수 있다.
상기 면상발열체의 발열온도가 약 20℃인 내지 약 80℃일 수 있다.
상기 면상 발열체는 기재필름, 발열층 및 전극층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 발열층은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀, 그래파이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 발열층의 두께는 약 2㎛ 내지 약 10㎛일 수 있다.
상기 절연 점착층의 두께는 약 25㎛ 내지 약 75㎛일 수 있다.
상기 절연층의 두께는 약 50㎛ 내지 약 100㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 배터리 모듈용 발열시트 및 배터리 셀을 포함하고, 상기 배터리 셀의 피발열부 면적이 상기 베터리 셀 전면적의 약 40% 내지 약 90%인 배터리 모듈을 제공한다.
상기 베터리 셀의 피발열부 면적은 베터리 셀의 최초온도에 비해 온도가 약 30℃ 내지 약 50℃ 상승한 면적을 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈용 발열시트는 배터리 셀의 내부 전해질 온도를 발열 시작 200초 이내에 약 20℃이상 상승시킬 수 있다.
상기 배터리 셀의 표면온도는 약 20℃인 내지 약 80℃일 수 있다.
상기 배터리 셀의 내부 전해질 온도는 약 -10℃인 내지 약 35℃일 수 있다.
상기 배터리 모듈용 발열시트를 배터리 셀 표면에 부착하여 발열시트의 발열로 인해 배터리를 직접적으로 가열하는 방식을 통해 배터리 동절기 출력을 일정수준으로 향상시킬 수 있다.
상기 배터리 모듈용 발열시트는 짧은 시간 내에 겨울철 배터리 셀의 온도를 효과적으로 상승 시킬 수 있어, 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예인 배터리 모듈용 발열시트를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예인 면상발열체를 포함하는 배터리 모듈용 발열시트를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또다른 구현예인 배터리 모듈을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 4는 시간 vs 발열부 면적 vs 표면온도의 상관관계를 그래프로 나타낸 것이다.
도 5 내지 도 7은 면상발열체의 발열부 면적 및 배터리 셀의 피발열부 면적이 40%, 70%, 90%인 경우, 20℃, 40℃, 60℃, 80℃의 면상발열체 발열온도에 따라 발열시작 200초 이내에 상승하는 배터리 셀 내부 전해질의 온도를 그래프로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
배터리 모듈용 발열시트
본 발명의 일 구현예에서, 면상발열체; 상기 면상발열체 일면에 절연층; 및 상기 면상발열체의 다른 일면에 절연점착층을 포함하고, 상기 면상발열체의 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 40% 내지 약 90%인 배터리 모듈용 발열시트를 제공한다.
현재 전기 자동차 시장의 확대로 에너지 직접도가 높은 리튬-이온 배터리가 성장하고 있다. 하지만, 리튬-이온 배터리는 저온 출력 특성이 좋지 못하여 겨울철 온도가 낮아지면 전압 강하가 커져, 이로 인해 전기 자동차의 운행을 멈추게 할 수 있다. 종래에는 이를 개선하기 위해 냉각을 위한 냉각수에 가열장치를 부착하거나 경유자동차에 사용하던 PTC 히터를 부착하여 보완하고 있기는 하나, 상기 가열장치등에 의해 매체를 1차적으로 가열한 후, 그 매체가 다시 한 번 배터리를 가열하는 방식으로 되어 있어서 열 전달의 효율이 떨어질 수 있었다.
이에, 상기 면상발열체는 매체를 가열하는 간접적인 방식이 아닌 직접적으로 피발열체를 가열함으로써 열전달 효율을 개선시킬 수 있는 발열시트를 제공한다. 구체적으로, 배터리 셀의 표면에 발열시트를 직접적으로 부착함으로써 직접적인 가열 방식으로 배터리의 동절기 출력을 일정수준이상 올리는 것을 목적으로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예인 배터리 모듈용 발열시트를 도식화하여 나타낸 것으로, 위로부터 절연층(30), 면상발열체(20), 절연점착층(10)을 포함할 수 있다. 상기 면상발열체의 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 40% 내지 약 90%이 될 수 있다.
상기 발열부 면적은 면상발열체의 전극층에 인가전압을 가한 경우, 면상발열체의 발열층에 의해 면상발열체에 열이 발생하는 면적을 일컫는바, 상기 발열부 면적은 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적에 대해 국부적일 수 있고, 예를 들어 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 40% 내지 약 90%에 대해 열을 발생하게 할 수 있다.
상기 면상발열체의 발열부 면적이 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 40% 미만인 경우, 면상발열체가 부착되는 배터리 내부의 전해질 온도가 약 200초 이내에 -10℃ 이상 가열되지 못하여 배터리의 출력을 확보할 수 없다. 또한 배터리 내부 전해질의 가열 부위와 비가열 부위의 온도편차가 발생하게 되어 배터리의 수명 단축을 유발시킬 수 있다.
또한, 상기 발열부 면적이 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 90%를 초과하는 경우, 보다 빠른 시간 내에 배터리 내부의 전해질 온도를 가열시킬 수는 있지만, 약 200초 이후에 온도가 35℃이상으로 올라가 배터리에 손상을 줄 수 있고, 배터리 주변부를 모두 불필요하게 가열시켜 소모성 전력이 형성될 수 있다.
그러므로, 면상발열체의 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 40% 내지 약 90%, 구체적으로는 약 50% 내지 약 80%를 유지함으로써, 200초 이내 85% 이상의 출력을 내기 위한 배터리 내부의 전해질 온도를 효율적으로 향상시킬 수 있다.
상기 면상발열체의 발열부 면적은 면상발열체의 최초온도에 비해 온도가 약 30℃ 내지 약 50℃ 상승한 면적을 포함할 수 있다. 상기 면상발열체의 발열부 면적을 형성하는 상승온도는 동절기 세계적인 평균기온을 약 -30℃ 내지 약 -10℃로 하는 경우, 배터리 표면에 부착되어 상승된 면상발열체의 온도로써, 발열부 면적의 중심온도와 가장자리 온도의 차이가 약 5℃ 내지 약10℃일 수 있다.
상기 면상발열체의 발열부 면적은 상기 면상발열체의 전극층에 일정한 전압을 가하는 경우 면상발열체의 발열전 최초온도에 비해 면상발열체의 발열후 온도가 약 30℃ 내지 약 50℃가 상승한 면적을 의미한다. 발열후 면상발열체의 온도가 상기 범위내로 상승하지 않는 경우 리튬이온의 전해질 내에서 이동성이 떨어져 전류의 출력이 일정하지 못하게 되어 전기자동차의 시동이 꺼질 염려가 있고, 면상발열체의 최초온도에 비해 상기 범위이내로 면상발열체의 온도가 상승함으로써 안정적인 운행과 배터리의 수명 싸이클을 높여주는 효과를 용이하게 구현할 수 있다.
상기 면상발열체의 발열부 면적은 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 중심부에서 주변부로 확장될 수 있다. 직사각형 판 형상의 면상발열체의 가로 1/2영역, 세로 1/2영역이 교차하는 부분이 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 중심부를 일컫는바, 상기 중심부가 가장 먼저 발열이 일어나 일정한 발열부 면적을 확보할 수 있고, 상기 중심부에서 주변부로 발열이 확장되면서 상기 면상발열체의 발열부 면적 또한 확장될 수 있다.
상기 면상발열체의 발열부 면적은 상기 면상발열체의 전극층에 약 24볼트 이하의 전압을 인가하여 발생할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 발열부 면적은 면상발열체의 전극층에 인가전압을 가한 경우, 면상발열체의 발열층에 의해 면상발열체에 열이 발생하는 면적을 일컫는바, 상기 면상발열체의 전극층에 인가하는 전압은 약 24볼트 이하일 수 있다. 상기 전극층에 약 24볼트를 초과하는 전압을 가하는 경우, 보다 빠른 시간 이내에 목표하는 발열부 면적의 수준을 유지할 수 있으나 상기 면상발열체를 포함하는 발열시트 및 이를 적용하는 배터리에 손상을 발생시킬 수 있다.
상기 면상발열체의 발열부 면적만으로 상기 면상발열체가 발열할 수 있다. 예를 들어, 상기 면상발열체의 전극층에 약 24볼트 이하의 전압을 가함으로써 상기 면상발열체의 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 40% 내지 약 90%가 될 수 있고, 상기 면상발열체의 발열부 면적만으로 면상발열체 전체의 발열량을 조절할 수 있다. 상기 발열량은 도선에 전류가 흐를 때 발생하는 열의 양을 일컫는바, 24볼트 이하의 인가전압에 대해 전류가 흐르는 경우 이때 발생하는 면상발열체의 열의 양을 의미한다.
구체적으로, 상기 면상발열체의 전극층에 24볼트 이하의 전압인가시 상기 면상발열체의 발열량은 약 37.5W 내지 약 150W일 수 있다. 상기 면상발열체의 발열량을 확보함으로써 짧은 시간, 약 2분 이내에 배터리의 구동 효율을 100%로 구현할 수 있다. 예를 들어, 상기 면상발열체의 발열량으로 차량 구동시 방전이 일어나고, 차량 제어시 충전이 일어나는 전기자동차 배터리의 구동 효율을 100% 상승시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈용 발열시트가 포함하는 면상발열체의 발열부 면적을 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 40% 내지 약 90%로 유지함으로써, 상기 면상발열체의 발열온도가 약 20℃인 내지 약 80℃, 구체적으로는 약 40℃인 내지 약 60℃가 될 수 있다. 상기 면상발열체의 발열온도는 절연점착층에 부착할 배터리 셀을 가열하는 온도를 의미하는바, 면상발열체의 발열온도에 의해 접착되는 배터리 셀의 표면온도, 배터리 셀 내부의 전해질 온도에 직접적인 영향을 미치며, 상기 면상발열체의 발열부 면적에 따라 발열온도, 즉, 배터리 셀에 가열온도를 적절하게 조절할 수 있다.
상기 면상발열체의 표면온도를 약 20℃ 내지 약 80℃ 확보함으로써 배터리의 충전 및 방전효율을 100%로 구현할 수 있다. 보다 구체적으로, 동절기에 전기자동차의 배터리가 구동되기 위해서는 배터리의 출력이 약 85% 이상이 되어야 하고, 이를 위해 배터리 내부의 전해질 온도가 약 -10℃ 내지 약 35℃가 되어야 하는바, 상기 면상발열체의 표면온도를 약 20℃ 내지 약 80℃ 확보함으로써 동절기 전기자동차의 배터리를 구현시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예인 면상발열체를 포함하는 배터리 모듈용 발열시트를 도식화하여 나타낸 것으로, 상기 면상 발열체(20)는 기재필름(21), 발열층(22) 및 전극층(23)이 순서대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
기재필름(21)은 양면에 프라이머(Primer)가 처리된 BOPET(Biaxiallyoriented polyethylene terephthalate), PI(polyimide), OPS(Oriented Polystyrene), OPP(oriented polypropylene), PEI(polyethyleneimine), PPS(Polyphenylene sulfide), PEN(Polyethylene naphthalate), PES(Poly(ether sulfones)) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, 절연성을 갖는다.
상기 기재필름(21)은 약 10㎛ 내지 약 100㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 기재필름의 두께가 상기 범위를 유지함으로써, 그 위에 적층될 발열층을 인쇄 후 건조 과정에서 열안정성 부족으로 필름층의 평할도를 유지할 수 있고, 발열층의 열을 열 전달층에 전달하는 효율을 확보할 수 있다.
상기 발열층(22)은 탄소나노튜브(CNT), 카본 블랙, 그래핀, 그래파이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하며, 이들을 둘 이상 혼합하여 사용할 수도 있다. 구체적으로, 카본섬유로 직조된 발열층, 부직포에 CNT나 그래핀을 함침시킨 발열층, 부직포에 전도성 카본을 함침시킨 발열층, 기재필름 상에 CNT나 그래핀 페이스트 또는 잉크를 코팅하여 제조한 발열층을 사용할 수 있다. 상기 코팅에는 그라비에(Gravure) 방식을 이용할 수 있다.
상기 발열층(22)의 두께는 약 2㎛ 내지 약 10㎛ 일 수 있다. 상기 발열층의 두께가 상기 범위를 유지함으로써, 발열층의 두께를 균일하게 유지할 수 있고, 전극층에 전압인가시 낮은 저항값으로 인해 발열체로써의 작동을 용이하게 할 수 있다. 또한 상기 두께 범위 내의 발열층은 기재와의 접착력을 향상시킴으로 크랙(crack)이 발생하지 않고, 로터리 스크린에 의한 인쇄만으로도 구현할 수 있는 두께로 대량생산에 용이할 수 있다.
상기 전극층(23)은 전극 간의 간격을 조절함으로써, 최종 제품의 저항을 조절할 수 있다. 이때 전극 간의 간격은 약 4mm 내지 약 16mm이 될 수 있고, 상기 범위의 전극 간의 간격을 유지함으로써, 마치 와이어 히터(wire heater)처럼 되어 면 발열체가 아닌 선 발열체처럼 되는 경우를 피할 수 있고, 배터리 셀 표면에 국부적인 열 공급이 증가하게 되어 배터리 셀의 폭발 가능성을 감소시킬 수 있다. 또한 배터리 셀 표면의 온도를 균일하게 상승시키는바, 배터리 셀의 폭발 위험을 줄일 수 있다.
상기 전극층(23)은 스크린 프린팅을 이용하여 발열층(22)에 패터닝하여 형성할 수 있다. 전극층(23)의 소재로는 Ag, Cu 등을 사용할 수 있다.
상기 절연층(30)은 상기 면상발열체(20)의 일면에 형성된 층으로, 박막형태로 형성될 수 있다. 상기 절연층은 면상발열체에서 발생한 열이 외부 등으로 빠져나가지 않게 하며, 전기 또는 열을 통하지 않게 하는 부도체를 포함하여 형성될 수 있다. 상기 절연층(30)은 이축배향 폴리에틸렌테레프탈레이트(BOPET), 연신 폴리스틸렌(OPS), 연신 폴리프로필렌(OPP), 폴리에테레테르케톤(PEEK), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG), 폴리에틸렌이미드(PEI) 중 선택된 어느 하나의 필름을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 절연층의 두께는 약 50㎛ 내지 약 100㎛일 수 있다. 상기 범위의 절연층의 두께를 유지함으로써 발열층을 포함하는 면상발열체를 인쇄한 후에도 건조시 주름이 발생하지 않으며, 구체적으로 약 10KV에서 내전압을 견딜 수 있으며 절연파괴가 일어나지 않는 발열시트를 제공할 수 있다.
상기 절연 점착층(10)은 상기 절연층(30)이 형성되지 않는 면상발열체(20)의 다른 일면에 형성된 층으로, 추후 부착될 배터리와의 점착력을 유지함과 동시에, 면상발열체(20)에서 발생한 열을 상기 배터리에 전달하는 역할을 한다. 상기 절연 점착층(10)은 아크릴계, 실리콘(Silicone)계 또는 EVA(EthyleneVinyl Acetate)계 화합물을 이용하여 제조할 수 있다.
상기 아크릴계 화합물은 아크릴계 화합물, 아크릴계 중합체, 아크릴계 공중합체 등이 될 수 있으며, 예컨대, (메트)아크릴레이트, 비스아크릴레이트 등 및 이의 중합체, 공중합체 등이 될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 절연성 및 점착성을 갖는 아크릴계 화합물이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 실리콘계 화합물은 폴리디메틸실록산(poly dimethyl siloxane)계 화합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 절연성 및 점착성을 갖는 실리콘계 화합물이라면 제한 없이 사용할 수 있다. EVA계 화합물 역시 특별히 제한되지 않으며, 절연성 및 점착성을 갖는 EVA계 화합물이라면 제한 없이 사용할 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다.
상기 절연 점착층(10)의 두께는 약 25㎛ 내지 약 75㎛일 수 있다. 상기 절연 점착층의 두께를 유지함으로써 접착강도가 약 1Kgf/cm2 이상이 될 수 있어, 일정수준이상의 점착력을 유지하는데 용이하며, 상기 절연 점착층의 측면을 통한 내수분 침투성의 효과를 발휘할 수 있다. 구체적으로, 상기 절연 점착층(10)의 두께 범위를 벗어나는 경우, 면상발열체(20)의 발열층(22)에서 발생한 열이 늦게 전달되기 때문에 추후 절연 점착층에 부착될 배터리 셀의 표면을 짧은 시간 내에 상승시킬 수 없다.
배터리 모듈
본 발명의 다른 구현예에서, 면상발열체; 상기 면상발열체 일면에 절연층; 및 상기 면상발열체의 다른 일면에 절연점착층을 포함하고, 상기 면상발열체의 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 40% 내지 90%인 배터리 모듈용 발열시트 및 배터리 셀을 포함하고, 상기 배터리 셀의 피발열부 면적이 상기 베터리 셀 전면적의 40% 내지 90%인 배터리 모듈을 제공한다.
상기 배터리 셀은 공지된 배터리 셀로, 구조의 제한 없이 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 배터리 셀은 태양광 발전용 배터리 셀 또는 자동차용 배터리 셀이며, 더욱 구체적으로는 전기 자동차용 배터리 셀일 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 발열시트가 포함하는 상기 면상발열체의 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 약 40% 내지 약 90%일 수 있다. 상기 면상발열체의 발열로 인해 직접적으로 접촉되어 영향을 받아, 함께 가열되는 피발열체는 배터리 셀이 될 수 있고, 이때, 상기 배터리 셀의 피발열부 면적 역시 상기 배터리 셀 전면적의 약 40% 내지 약 90%이 될 수 있다.
상기 베터리 셀의 피발열부 면적은 베터리 셀의 최초온도에 비해 온도가 약 30℃ 내지 약 50℃ 상승한 면적을 포함할 수 있다. 상기 면상발열체의 발열부 면적에 의하여 상기 베터리 셀의 피발열부 면적이 발생할 수 있는바, 베터리 셀의 피발열전 최초온도에 비해 베터리 셀의 피발열부 온도가 약 30℃ 내지 약 50℃가 상승한 면적을 의미한다. 면상발열체의 발열 후 베터리 셀의 피발열온도가 상기 범위 이내로 상승함으로써 배터리의 충전 및 방전 효율을 100%로 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 배터리 모듈용 발열시트는 면상발열체의 발열온도, 즉 배터리 셀에 가해지는 가열온도에 의하여, 배터리 셀의 내부 전해질 온도를 발열 시작 약 200초 이내에 약 20℃이상 상승시킬 수 있다. 상기 면상발열체의 발열에 의해 가열된 상기 배터리 셀의 피발열부 면적이 상기 배터리 셀 전면적의 약 90%를 초과하는 경우 발열시작 후 더 짧은 시간 이내에 배터리 셀의 표면온도를 약 20°C 상승시킬 수는 있으나, 배터리의 주변부를 모두 불필요하게 가열시켜 소모성 전력을 형성할 필요가 없다.
또한, 상기 배터리 셀의 피발열부 면적이 상기 배터리 셀 전면적의 약 40% 미만인 경우 배터리 셀의 표면온도를 약 20℃미만으로 상승시킴으로써 배터리의 출력량을 확보할 수 없어, 동절기 배터리의 구동이 어려울 수 있다. 그러므로, 상기 범위의 피발열부 면적을 가짐으로써 경제적으로, 효율이 향상된 배터리 모듈을 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 면상발열체의 발열온도가 약 20℃인 내지 약 80℃인바, 상기 면상발열체의 발열온도에 직접적인 영향을 받아 가열되는 상기 배터리 셀의 표면온도는 약 20℃인 내지 약 80℃일 수 있고, 구체적으로, 상기 배터리 셀의 내부 전해질 온도는 약 -10℃인 내지 약 35℃일 수 있다.
상기 배터리 셀의 표면온도를 상기 범위로 유지함으로써, 상기 베터리 셀의 내부 전해질 온도를 높일 수 있고, 높아진 전해질 온도에 의해 동절기 때의 배터리 출력을 85%이상 발휘하게 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
실시예
양면이 프라이머 처리된 100㎛ 두께의 BOPET 기재필름에 카본나노튜브 페이스트를 5㎛ 두께로 코팅하였다. 그 위에 상기 카본나노튜브 코팅된 기재 필름들이 전극에 의하여 연결되도록 한 번에 Ag 전극층을 스크린 프린팅하여 면상 발열체를 제조하였다. 그리고, 상기 면상 발열체의 일면에 알루미늄 박막(호일)을 적층하였고, 상기 면상 발열체의 다른 일면에 아크릴계 점착제를 25㎛ 두께로 도포하여 발열 시트를 제조하였다. 상기 제조된 발열 시트에 있어서, 상기 점착제를 배터리 셀에 부착하여 전기 자동차용 배터리 모듈을 제조하였다.
<실험예> - 시간 VS 발열부 면적 VS 표면온도의 상관관계 분석
도 4는 상기 실시예의 면상발열체 전극층에 24V의 인가전압을 가한 경우, 발열시작 100초, 120초, 150초, 180초, 200초 이내에 배터리 셀의 내부 전해질의 온도를 -10℃이상으로 향상시키고, 면상발열체의 발열온도 또는 면상발열체의 발열에 의해 배터리 셀에 가해지는 가열온도를 40℃로 확보할 수 있는 발열부 면적 범위를 나타낸 것이다.
구체적으로, 도 4를 살펴보면 상기 발열시트가 포함하는 면상발열체의 발열온도, 즉 면상발열체의 발열에 의해 배터리 셀에 가해지는 가열온도가 40℃일 때, 배터리 셀 내부의 전해질 온도가 발열시작 200초 이내에 배터리 내부 전해질 온도가 -10℃이상이 되기 위한 면상발열체의 발열부 면적 및 배터리 셀의 피발열부 면적이 40% 내지 90%가 됨을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 사람이 시동 후 기다릴 수 있는 한계 시간인 120초 이내에는 면상발열체의 발열부 면적 및 배터리 셀의 피발열부 면적은 약 70% 내지 약 90%가 됨이 바람직하다.
도 5 내지 도 7은 면상발열체의 발열부 면적 및 배터리 셀의 피발열부 면적이 40%, 70%, 90%인 경우, 20℃, 40℃, 60℃, 80℃의 면상발열체 발열온도에 따라 발열시작 200초 이내에 상승하는 배터리 셀 내부 전해질의 온도를 나타내는 그래프이다.
도 5을 참고하면, 면상발열체의 발열부 면적 및 배터리 셀의 피발열부 면적이 40%인 경우, 200초 이내에 배터리 셀 내부의 전해질 온도가 -10℃이상이 되기 위해서는 면상발열체의 발열온도, 즉 배터리 셀에 가해지는 온도가 40℃이상이어야 한다.
도 6을 참고하면, 면상발열체의 발열부 면적 및 배터리 셀의 피발열부 면적이 70%인 경우, 200초 이내에 배터리 셀 내부의 전해질 온도가 -10℃이상이 되기 위해서는 면상발열체의 발열온도, 즉 배터리 셀에 가해지는 온도가 20℃이상인 경우 가능하다.
도 7을 참고하면, 면상발열체의 발열부 면적 및 배터리 셀의 피발열부 면적이 90%인 경우, 200초 보다 짧은 120초 이내에 면상발열체의 발열온도, 즉 배터리 셀에 가해지는 온도가 20℃만으로 유지된다 하더라도, 배터리 셀 내부의 전해질 온도가 -10℃이상이 됨을 알 수 있었다.
그러므로, 도 5 내지 도 7에 의하여 면상발열체의 발열부 면적 및 배터리 셀의 피발열부 면적에 따라, 200초 이내에 배터리 셀 내부 전해질이 상승하는 온도가 달라, 상기 전해질의 상승온도를 고려하여 면상발열체의 발열온도, 즉 배터리 셀에 가해지는 온도를 적절하게 설계하여야 함을 확인하였다.

Claims (14)

  1. 면상발열체;
    상기 면상발열체 일면에 절연층; 및
    상기 면상발열체의 다른 일면에 절연점착층을 포함하고,
    상기 면상발열체의 발열부 면적이 상기 면상발열체가 부착된 배터리 셀 전면적의 40% 내지 90%인
    배터리 모듈용 발열시트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 면상발열체의 발열부 면적은 면상발열체의 최초온도에 비해 온도가 30℃ 내지 50℃ 상승한 면적을 포함하는
    배터리 모듈용 발열시트.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 면상발열체의 발열부 면적만으로 상기 면상발열체가 발열하는
    배터리 모듈용 발열시트.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 면상발열체의 발열온도가 20℃인 내지 80℃인
    배터리 모듈용 발열시트.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 면상 발열체는 기재필름, 발열층 및 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 모듈용 발열시트.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 발열층은 탄소나노튜브, 카본 블랙, 그래핀, 그래파이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는
    배터리 모듈용 발열시트.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 발열층의 두께는 2㎛ 내지 10㎛인
    배터리 모듈용 발열시트.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 점착층의 두께는 25㎛ 내지 75㎛인
    배터리 모듈용 발열시트.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 절연층의 두께는 50㎛ 내지 100㎛인
    배터리 모듈용 발열시트.
  10. 제 1항 내지 9항 중 어느 하나에 기재된 배터리 모듈용 발열시트 및 배터리 셀을 포함하고,
    상기 배터리 셀의 피발열부 면적이 상기 베터리 셀 전면적의 40% 내지 90%인
    배터리 모듈.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 베터리 셀의 피발열부 면적은 베터리 셀의 최초온도에 비해 온도가 30℃ 내지 50℃ 상승한 면적을 포함하는
    배터리 모듈.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 배터리 모듈용 발열시트는 배터리 셀의 내부 전해질 온도를 발열 시작 200초 이내에 20℃이상 상승시키는
    배터리 모듈.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 표면온도는 20℃인 내지 80℃인
    배터리 모듈.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 내부 전해질 온도는 -10℃인 내지 35℃인
    배터리 모듈.
PCT/KR2013/007635 2012-12-21 2013-08-26 배터리 모듈용 발열시트 및 이를 포함하는 배터리 모듈 WO2014098348A1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/652,638 US9742046B2 (en) 2012-12-21 2013-08-26 Heating sheet for battery module and battery module including same
JP2015549239A JP2016507861A (ja) 2012-12-21 2013-08-26 バッテリーモジュール用発熱シート及びこれを含むバッテリーモジュール
EP13864336.6A EP2937931B1 (en) 2012-12-21 2013-08-26 Heating sheet for battery module and battery module including same
CN201380067690.6A CN104871640B (zh) 2012-12-21 2013-08-26 电池模块用发热片及包括其的电池模块

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120151062A KR101663855B1 (ko) 2012-12-21 2012-12-21 배터리 모듈용 발열시트 및 이를 포함하는 배터리 모듈
KR10-2012-0151062 2012-12-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014098348A1 true WO2014098348A1 (ko) 2014-06-26

Family

ID=50978630

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2013/007635 WO2014098348A1 (ko) 2012-12-21 2013-08-26 배터리 모듈용 발열시트 및 이를 포함하는 배터리 모듈

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9742046B2 (ko)
EP (1) EP2937931B1 (ko)
JP (1) JP2016507861A (ko)
KR (1) KR101663855B1 (ko)
CN (1) CN104871640B (ko)
WO (1) WO2014098348A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016119237A (ja) * 2014-12-22 2016-06-30 日精株式会社 面状発熱体
EP3098897A1 (en) * 2015-05-26 2016-11-30 Lou Senliao Device and method for warming lithium batteries

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101428383B1 (ko) * 2013-04-26 2014-08-08 현대자동차주식회사 친환경 차량의 배터리모듈 간접 냉각장치
EP3188341A4 (en) * 2014-09-01 2018-07-25 Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp., Ltd. Terminal
JP2017168225A (ja) * 2016-03-14 2017-09-21 藤森工業株式会社 加熱放熱シート及び加熱放熱システム
WO2017176462A1 (en) 2016-04-03 2017-10-12 Brammo, Inc. Battery pack and method of manufacture
JP6872319B2 (ja) * 2016-05-10 2021-05-19 藤森工業株式会社 発熱シート及び放熱シートを有するシステム
JP6460066B2 (ja) * 2016-08-25 2019-01-30 トヨタ自動車株式会社 電池パック
KR102158257B1 (ko) * 2016-09-23 2020-09-21 주식회사 엘지화학 탄소 발열체를 포함하는 전지팩
US10644364B2 (en) * 2016-10-17 2020-05-05 David Fortenbacher Self-heating cells and self-heating batteries including the self-heating cells
JP6174223B1 (ja) * 2016-10-24 2017-08-02 イシイ株式会社 面状発熱体
CN106785114B (zh) * 2016-12-21 2019-04-09 常州普莱德新能源电池科技有限公司 一种确定加热装置功率密度的模拟分析方法及系统
KR101878834B1 (ko) 2017-04-12 2018-07-17 (주)영민하이테크 전기차용 배터리 히터
KR20190000048U (ko) 2017-06-27 2019-01-04 태형산전 주식회사 면상발열체가 구비된 배터리 모듈
RU2692694C1 (ru) * 2018-07-25 2019-06-26 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Рязанское высшее воздушно-десантное ордена Суворова дважды Краснознаменное командное училище имени генерала армии В.Ф. Маргелова" Министерства обороны Российской Федерации Нагреваемая аккумуляторная батарея
CN111556597A (zh) * 2020-05-27 2020-08-18 安徽宇航派蒙健康科技股份有限公司 在聚酰亚胺绝缘基材表面制备电池用石墨烯加热膜的方法
KR20220019157A (ko) 2020-08-06 2022-02-16 현대자동차주식회사 발열시트를 내장한 배터리 셀
KR102348683B1 (ko) * 2021-09-07 2022-01-07 노진호 이차전지 배터리 팩
CN115884451A (zh) * 2021-09-27 2023-03-31 宁德时代新能源科技股份有限公司 加热膜、电池、用电装置、制造方法以及制造设备
CN114899532A (zh) * 2022-06-16 2022-08-12 昀迪新能源科技(苏州)有限公司 一种用于电池热管理的复合垫片及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070254137A1 (en) * 2004-08-13 2007-11-01 Kerafol Keramische Folien Gmbh Thermally Conducting Multi-Layer Film
KR20090102253A (ko) * 2008-03-25 2009-09-30 지에스나노텍 주식회사 발열체, 열 스위치 및 전지를 구비하는 전지 시스템
KR20100113996A (ko) * 2010-09-08 2010-10-22 주식회사 엘지화학 향상된 열 안정성의 전지셀 및 이를 포함하는 중대형 전지모듈
US20120107665A1 (en) * 2009-07-03 2012-05-03 Panasonic Corporation Heater and battery unit provided therewith
KR20120053476A (ko) * 2010-11-17 2012-05-25 (주)엘지하우시스 방열과 발열 기능을 가지는 전지 조립체

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02312180A (ja) * 1989-05-25 1990-12-27 Midori Mark Seisakusho:Kk 遠赤外線放出面状発熱体
US5198638A (en) * 1991-11-22 1993-03-30 Reliance Comm/Tec Corporation Retractable battery tray
US5948298A (en) * 1996-04-26 1999-09-07 Ford Global Technologies, Inc. Battery heating system
JP2004127679A (ja) * 2002-10-01 2004-04-22 Kazuharu Nakamura 面状発熱体及びその利用方法
KR100659499B1 (ko) 2006-01-27 2006-12-20 주식회사 디에스티 면상발열체
US8758924B2 (en) * 2007-06-18 2014-06-24 Tesla Motors, Inc. Extruded and ribbed thermal interface for use with a battery cooling system
KR101328353B1 (ko) * 2009-02-17 2013-11-11 (주)엘지하우시스 탄소나노튜브 발열시트
DE102009052508A1 (de) * 2009-11-11 2011-05-12 Carl Freudenberg Kg Mechanisch flexibles und poröses Ausgleichselement zur Temperierung elektrochemischer Zellen
JP2011165391A (ja) * 2010-02-05 2011-08-25 Panasonic Corp 電池ユニット
WO2012105636A1 (ja) * 2011-02-02 2012-08-09 株式会社Ｇｓユアサ 電池システム
DE102011104000A1 (de) * 2011-06-10 2012-12-13 Daimler Ag Vorrichtung zum Heizen einer Batterie sowie Batterie mit einer Vorrichtung zum Heizen
WO2013065285A1 (ja) * 2011-10-31 2013-05-10 パナソニック株式会社 二次電池ユニット

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070254137A1 (en) * 2004-08-13 2007-11-01 Kerafol Keramische Folien Gmbh Thermally Conducting Multi-Layer Film
KR20090102253A (ko) * 2008-03-25 2009-09-30 지에스나노텍 주식회사 발열체, 열 스위치 및 전지를 구비하는 전지 시스템
US20120107665A1 (en) * 2009-07-03 2012-05-03 Panasonic Corporation Heater and battery unit provided therewith
KR20100113996A (ko) * 2010-09-08 2010-10-22 주식회사 엘지화학 향상된 열 안정성의 전지셀 및 이를 포함하는 중대형 전지모듈
KR20120053476A (ko) * 2010-11-17 2012-05-25 (주)엘지하우시스 방열과 발열 기능을 가지는 전지 조립체

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016119237A (ja) * 2014-12-22 2016-06-30 日精株式会社 面状発熱体
EP3098897A1 (en) * 2015-05-26 2016-11-30 Lou Senliao Device and method for warming lithium batteries

Also Published As

Publication number Publication date
KR101663855B1 (ko) 2016-10-10
CN104871640A (zh) 2015-08-26
US9742046B2 (en) 2017-08-22
CN104871640B (zh) 2017-03-15
EP2937931A4 (en) 2015-11-11
KR20140083080A (ko) 2014-07-04
JP2016507861A (ja) 2016-03-10
EP2937931A1 (en) 2015-10-28
US20150325892A1 (en) 2015-11-12
EP2937931B1 (en) 2017-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014098348A1 (ko) 배터리 모듈용 발열시트 및 이를 포함하는 배터리 모듈
WO2012067432A2 (ko) 방열과 발열 기능을 가지는 전지 조립체
WO2022177318A2 (ko) 리튬이온 배터리 모듈
WO2016032092A1 (ko) 전지모듈
CN207282674U (zh) 一种带加热膜的电池模组
WO2011059154A1 (ko) 리튬 이차전지용 분리막 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2023221329A1 (zh) 加热膜、电池模组、电池及用电装置
KR101943507B1 (ko) 전극 건조장치 및 이에 따라 제조된 전극을 포함하는 배터리 셀
CN206532849U (zh) 一种导热硅胶硫化硅胶蚀刻芯片电池加热片
KR101481222B1 (ko) 배터리 모듈용 발열 시트
KR101550488B1 (ko) 배터리 모듈용 면상발열체 및 이를 포함하는 배터리 모듈
CN204908027U (zh) 护膝
CN204838098U (zh) 护腰
CN105433722B (zh) 晾衣架
CN105451380B (zh) 加热垫
CN105433464B (zh) 护腰
CN108075210B (zh) 一种自加热电池及其自加热方法
CN214898596U (zh) 一种具有分区加热功能的电池热管理系统
CN105433493A (zh) 帽子
CN108054469A (zh) 电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑及方法
CN204812948U (zh) 椅垫
CN110911782A (zh) 一种动力电池低温加热系统
CN105433466A (zh) 护膝
CN207038561U (zh) 一种电动轿车及电池组
WO2014046403A1 (ko) 이차전지의 전극조립체

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13864336

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14652638

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015549239

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2013864336

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013864336

Country of ref document: EP