WO2019107722A1 - 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩 - Google Patents

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heat
heat dissipating
oil
battery
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권경안
전문석
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(주) 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a heat dissipating fluid composition, a method of manufacturing the same, a battery module including the same, and a battery pack. More particularly, the present invention relates to a heat dissipating fluid composition having excellent electrical insulation and thermal conductivity, To a heat dissipating fluid composition excellent in heat radiation performance even after long-term use in a battery module, a method for manufacturing the same, a battery module including the battery module, and a battery pack.
  • the secondary battery is a key technology of the smart grid that can store and charge / discharge a large amount of electricity by connecting several types of battery cells in series and parallel. Researches for increasing the electric capacity of the battery are being actively conducted by the respective institutions. This provides a healthy lifestyle by increasing the travel distance of the electric vehicle and utilizing electric energy stored in the home and industry.
  • the thermal density inside the battery module is increased, and thermal problems caused by high-speed charging and discharging of large-capacity energy are emerging. If the heat inside the battery module can not be controlled, the lifetime of the battery is rapidly reduced, and there is a risk of explosion and fire.
  • a high heat dissipation characteristic capable of rapidly discharging the heat inside the battery module is required.
  • the fan since the fan is used, the module volume is maximized, And has a problem of power loss for driving the fan.
  • the fluid materials such as water, ethylene glycol and the like have high electrical conductivity, which may lead to explosion of the battery cell and the like.
  • high electrical insulation is required, and thus fluid of oil flow is often tried as a refrigerant.
  • heat transfer oils there are known low electric conductivity products such as silicone oil oil and mineral oil in engine oil, gear oil and worm oil.
  • silicone oil oil and mineral oil in engine oil, gear oil and worm oil.
  • such a fluid is insufficient to dissipate heat generated by high-speed charge and discharge satisfactorily, and a higher heat radiation characteristic is required.
  • a method of using a CNT having a high thermal conductivity for manufacturing a fluid having excellent heat dissipation has also been disclosed, but this may cause a problem of electric insulation.
  • a method of mixing the electrically insulating inorganic particles with a heat dissipating fluid has been attempted, but there is a problem that the heat dissipating property remarkably deteriorates due to precipitation after a long period of time due to the weight of the inorganic particles.
  • Patent Literature Korean Patent Publication No. 2017-0051024
  • the present invention has an excellent electrical insulation and thermal conductivity in the fluid cooling system, and in particular, the thermally conductive inorganic particles in the heat dissipation fluid do not settle permanently, An excellent heat dissipation fluid composition, a method of manufacturing the same, a battery module including the same, and a battery pack.
  • the present invention provides a nonaqueous electrolyte secondary battery comprising 100 parts by weight of nonconductive oil, 1 to 30 parts by weight of thermally conductive inorganic particles and 1 to 30 parts by weight of an inorganic precipitation inhibitor, And a viscosity at 30 DEG C of not more than 750 cP.
  • the present disclosure also relates to a method of manufacturing a fuel cell, comprising: a) ball milling a mixture comprising 100 parts by weight of nonconductive oil, 5 to 50 parts by weight of thermally conductive inorganic particles and 5 to 50 parts by weight of an inorganic precipitation inhibitor; b) filtering the stirred mixture; And c) removing bubbles in the filtered mixture using a vacuum pump,
  • the bubble-free mixture has a viscosity of 850 cP or more at 20 ° C and a viscosity of less than 750 cP at 30 ° C.
  • the present invention relates to a module case; A battery cell mounted inside the module case; And a heat dissipating fluid composition filled in the module case.
  • the present invention is a battery pack comprising at least two battery modules; And a pack case for accommodating the battery module therein.
  • the present invention in the battery cooling method using a fluid, it is possible to rapidly discharge heat that causes explosion, and excellent electrical insulation without using an organic material conventionally used for precipitation prevention.
  • the heat- The present invention provides a heat dissipating fluid composition that maintains excellent heat dissipation performance even when used for a long period of time without being permanently settled, a method for manufacturing the same, a battery module including the same, and a battery pack.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a battery module constituted by a module case and a battery cell according to an embodiment, and a temperature line is attached at a predetermined position in order to measure a temperature change during charging and discharging.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a side surface of a battery module according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a graph schematically illustrating a temperature change of the battery cell during charge and discharge according to the embodiment.
  • the present inventors have made intensive studies to minimize the problem of precipitation of inorganic particles during long-term use in a battery-cooling system using a fluid.
  • the viscosity is rapidly lowered and behaves like a liquid.
  • inorganic particles with good thermal conductivity are dispersed in a heat dissipation fluid that behaves like a solid due to a sharp increase in viscosity at the resting period, precipitation of inorganic particles does not occur and excellent heat dissipation characteristics are maintained. Thereby completing the invention.
  • the heat radiation fluid composition of the present invention comprises 100 parts by weight of nonconductive oil, 1 to 30 parts by weight of thermally conductive inorganic particles and 1 to 30 parts by weight of an inorganic precipitation inhibitor, wherein the viscosity at 20 DEG C is 850 cP or more, And a viscosity of 750 cP or less.
  • the viscosity at 20 DEG C is 850 cP or more
  • a viscosity of 750 cP or less not only heat dissipation performance for controlling heat generated in the battery module but also electric insulation and price competitiveness are satisfied, thereby satisfying all conditions of heat dissipation fluid required in the market.
  • precipitation usually occurs when the thermally conductive inorganic particles are dispersed in the medium for several months.
  • the heat-radiating fluid composition of the present invention is designed so that the viscosity changes rapidly with temperature, Since the precipitate does not occur and the low viscosity state occurs at high temperature and the heat is conducted rapidly, the thermal conductivity continues for a long time. That is, the heat dissipating fluid composition of the present invention increases the viscosity at the resting period of the battery to prevent precipitation of inorganic particles in the fluid, and the viscosity of the heat dissipating fluid is lowered due to the heat radiated from the battery cell during charging / discharging of the battery, And the heat conductivity is increased.
  • the viscosity of the heat dissipation fluid was controlled by injecting inorganic particles having a density equal to or lower than the density of the fluid into the medium.
  • the thermal conductivity of the heat dissipating fluid is further increased by additionally injecting inorganic particles having good thermal conductivity. Since the manufactured heat dissipating fluid has a high viscosity at room temperature, the inorganic particles in the heat dissipating fluid do not settle even after a long period of time.
  • the viscosity at 20 DEG C is 850 to 2000 cP, or 850 to 1,500 cP, preferably 850 to 1,200 cP, or 860 to 1,100 cP, for example.
  • the viscosity is low in this range to suppress the precipitation of the thermally conductive inorganic particles .
  • the viscosity at 30 ° C is 750 cP or less, or 150 to 750 cP, preferably 300 to 750 cP or 510 to 740 cP, for example.
  • the density of the inorganic precipitation inhibitor is, for example, equal to or lower than the density of the nonconductive oil, preferably lower than the density of the nonconductive oil. In this case, even when used as a heat- There is no sedimentation and excellent heat radiation performance is maintained.
  • the heat radiating fluid composition is a heat transfer oil filled in a battery module, for example.
  • the viscosity is lowered to increase the fluidity, and when the battery is charged and discharged, In this case, there is an effect that the heat-dissipating performance of the thermally conductive inorganic particles is maintained without causing precipitation of the thermally conductive inorganic particles even when the heat-dissipating fluid is used for a long time in the battery module.
  • the thermally conductive inorganic particles may be used in an amount of 2 to 25 parts by weight, preferably 3 to 22 parts by weight, and most preferably 5 to 20 parts by weight, and the dispersion stability and heat radiation performance are excellent within this range.
  • the thermally conductive inorganic particles include, for example, silica (except for fumed silica), alumina (except for fumed alumina), aluminosilicate, aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and boron nitride BN). In this case, the heat radiation performance is excellent.
  • the thermally conductive inorganic particles may have a primary average particle size of 5 to 900 nm, or 10 to 500 nm, preferably 20 to 350 nm, more preferably 30 to 300 nm, for example. Excellent heat dissipation properties within the range.
  • the primary average particle diameter means an average particle diameter of each unified primary particle, and can be measured using a scanning electron microscope (SEM). Specifically, a scanning electron microscope 20 particles are selected, the particle diameter is measured using an icon bar capable of measuring the diameter, and the average particle diameter is obtained using an arithmetic mean.
  • SEM scanning electron microscope
  • the thermally conductive inorganic particles are heavier than the inorganic precipitation inhibitor. Specific examples thereof include a bulk density of 0.2 g / cm 3 to 10 g / cm 3 , or 0.2 g / cm 3 to 7 g / cm 3 , preferably 0.2 g / and cm 3 to 5 g / cm 3, the battery module in the range not a precipitation of thermal conductive inorganic particles occurs even during long-term use as the fluid within the heat has an effect that lasts a superior heat radiation performance.
  • the bulk density can be measured by a constant capacity method.
  • the inorganic precipitation preventing agent may be, for example, 2 to 25 parts by weight, preferably 3 to 22 parts by weight, and most preferably 5 to 20 parts by weight, and the dispersion stability and heat radiation performance are excellent within this range.
  • the inorganic precipitation preventing agent may be at least one selected from the group consisting of aerogels, fumed silica and fumed alumina. In this case, it is possible to effectively suppress the precipitation of the thermally conductive inorganic particles, .
  • the aerogels are not particularly limited in the case of aerogels that are conventionally produced, used or obtained.
  • the aerogels may be silicon airgel, silica airgel or a mixture thereof. In this case, precipitation of the thermally conductive inorganic particles is effectively suppressed, There is an effect of sustaining and excellent electrical insulation.
  • the fumed silica can be produced, for example, by firing a chloride of silicon in a flame, and is not particularly limited when it is a fumed silica that is usually prepared, used, or commercially available. Specific examples thereof include CAS Number 112945-52-5 Or the like.
  • the fumed alumina is not particularly limited as long as it is a fumed alumina that is conventionally produced, used or commercially available, and specific examples thereof include AEROXIDE® fumed alumina series, SpectrAl fumed alumina series, or materials equivalent thereto.
  • the inorganic precipitating inhibitor may be, for example, a primary average particle diameter of 5 to 900 nm, or 10 to 500 nm, preferably 20 to 250 nm, more preferably 30 to 200 nm,
  • the present invention has the effect of suppressing the precipitation of the thermally conductive inorganic particles even when used for a long period of time with the heat dissipation fluid in the battery module, thereby maintaining the excellent heat radiation performance.
  • the inorganic precipitation inhibitor may have a bulk density of 0.2 g / cm 3 or less, or 0.0005 g / cm 3 to 0.2 g / cm 3 , preferably 0.001 to 0.2 g / cm 3 , The effect of effectively suppressing the precipitation of the particles and continuing the excellent heat radiation performance.
  • the sum of the weight of the thermally conductive inorganic particles and the inorganic precipitation inhibitor is, for example, 5 to 50 parts by weight, 5 to 40 parts by weight, and preferably 10 to 30 parts by weight, and the dispersion stability and heat radiation performance It is effective.
  • the weight ratio of the thermally conductive inorganic particles to the inorganic precipitation inhibitor is, for example, 5: 1 to 1: 5, or 3: 1 to 1: 3, preferably 2: 1 to 1: Stability and heat dissipation performance.
  • the nonconductive oil is at least one selected from the group consisting of mineral oil, silicone oil and vegetable oil, and is preferably a silicone oil or a vegetable oil.
  • the nonconductive oil is excellent in insulating properties, And an inorganic precipitation preventing agent, thereby suppressing the precipitation of the thermally conductive inorganic particles even when used for a long time as a heat dissipating fluid in the battery module, thereby maintaining an excellent heat radiation performance.
  • the thermal conductivity is low so that there is a limit in controlling the heat generated in the battery module.
  • the thermally conductive inorganic particles according to the present invention are added thereto The thermal conductivity is increased and the heat dissipation characteristics of the battery module can be greatly improved when applied to the battery module.
  • the vegetable oil is, for example, soybean oil.
  • the vegetable oil is excellent in insulating properties and is combined with the conductive inorganic particles and the inorganic precipitation inhibitor of the present invention to form precipitates of thermally conductive inorganic particles So that an excellent heat radiation performance can be maintained.
  • the nonconductive oil may have a viscosity of 150 to 600 cP or 200 to 550 cP (20 ° C), for example.
  • the nonconductive oil is excellent in insulation and is combined with the conductive inorganic particles and the inorganic precipitation inhibitor of the present invention, And has excellent heat radiation performance.
  • the nonconductive oil may have a density of 0.8 to 1.2 g / cm 3 , or 0.9 to 1 g / cm 3 , for example.
  • the nonconductive oil is excellent in insulation and is combined with the conductive inorganic particles and inorganic precipitation inhibitor The heat radiation performance is maintained even when the heat radiation fluid is used for a long period of time.
  • the heat dissipating fluid composition may be prepared by pouring a heat dissipating fluid into a mass cylinder and setting the height of the particle layer at that time to 100, And the stability is 90% or more, preferably 95% or more, more preferably 99% or more, and most preferably 100%. In this range, excellent heat radiation characteristics are maintained even during prolonged charging and discharging.
  • the heat-radiating fluid composition is, for example,
  • the dielectric constant can be 3.2 or more, 3.2 to 4.5, or 3.23 to 4.13 under the condition of 42 ml and 25 ⁇ ⁇ , and the heat radiation property, the electric insulation, and the economical efficiency are all excellent within this range.
  • the method of manufacturing a heat dissipating fluid composition comprises the steps of: a) agitating a mixture comprising a nonconductive oil 100 parts by weight, thermally conductive inorganic particles 5 to 50 parts by weight and an inorganic precipitation inhibitor 5 to 50 parts by weight with a ball mill; b) filtering the stirred mixture; And c) removing the bubbles from the filtered mixture using a vacuum pump, wherein the bubbled mixture has a viscosity at 20 ° C of at least 850 cP and a viscosity at 30 ° C of less than 750 cP
  • the battery cooling method using a fluid within this range it is excellent in electrical insulation and rapidly discharges heat that causes explosion.
  • thermally conductive inorganic particles in a heat dissipating fluid are not permanently settled, It has the effect of maintaining performance.
  • the nonconductive oil, the thermally conductive inorganic particles and the inorganic precipitation inhibitor in step a) are the same as those described above in the heat-radiating fluid composition, and thus will not be described.
  • the ball mill in step a) may be a rotatable cylindrical vessel containing a metal ball, for example, a cylindrical reactor containing a metal ball. In this case, The dispersibility is improved.
  • the metal balls may be 0.5 to 2 mm or 0.5 to 1.5 mm in diameter, for example.
  • the secondary inorganic particles which are agglomerates, are effectively decomposed into primary inorganic particles, There is an effect to be improved.
  • the metallic ball is not particularly limited in the case of a metal ball used in the technical field, but it may preferably be a zirconia ball. In this case, the dispersibility of the inorganic particles in the heat radiating fluid composition is improved.
  • the filtration of the step b) or the bubbling of the step c) can be carried out by a person skilled in the art, and the method is not particularly limited as long as it is a method commonly used in this technical field.
  • the battery module of the present invention comprises a module case; A battery cell mounted inside the module case; And a heat dissipating fluid composition of the base material filled in the module case.
  • a heat dissipating fluid composition of the base material filled in the module case is omitted so as not to obscure the gist, but it is obvious that a normal technician can appropriately apply it.
  • the heat radiating fluid composition can be filled up to 90% or less, 80% or 30 to 80% of the height of the inside of the module case, and the heat radiation performance is excellent within this range.
  • the height inside the module case means the shortest space distance from the bottom to the top when the module case is sealed.
  • the module case may be made of plastic, aluminum, stainless steel or a combination of two or more thereof, and in this case, heat dissipation performance is excellent.
  • the plastic may be, for example, PET (PolyEthylene Terephtalate), and in this case, the heat radiation performance is excellent.
  • the battery cell may have a maximum voltage of, for example, less than 65 V or 20 V to 55 V, and has excellent electrical insulation and heat dissipation performance within this range.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a battery module composed of a module case and a battery cell according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view of a side surface of a battery module according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a cross- FIG. 3 is a graph schematically showing the temperature change of the battery cell.
  • a battery cell is mounted in a module case, and then the heat-radiating fluid composition is filled up to a predetermined height as required within a range of 90% or less of the internal height of the module case.
  • the heat-radiating fluid composition is filled up to 30% or 80% height relative to the inside height of the module case.
  • a temperature line was separately attached to several positions of the module case and the battery cell, and an external terminal plate was coupled to both sides of the battery cell. have. The external terminal electrically connects an external device (not shown) and the battery cell.
  • a battery cell is mounted in a module case, and the remaining space is filled with a heat-radiating fluid composition.
  • the enclosure of the module case is made of aluminum, and the arrow direction means a module case, a battry, and an external terminal.
  • the battery cell is heated during charging to reach a maximum charging temperature. After that, the battery cell is cooled in a resting period in which charge and discharge are not caused. When the battery cell is discharged, Temperature is reached. When the maximum charge temperature and the maximum discharge temperature are examined, it is possible to measure the degree of heat dissipation characteristics of the heat dissipating fluid composition. When the maximum charge temperature and the maximum discharge temperature are low, Able to know. When the heat dissipating fluid composition of the present invention was applied to a battery module, it was confirmed that the maximum charging temperature and the maximum discharging temperature were significantly lowered.
  • the battery pack of the present invention comprises two or more battery modules of the present invention; And a pack case for accommodating the battery module.
  • the battery pack is excellent in internal electrical insulation, rapidly discharges heat that causes explosion, and in particular, thermally conductive inorganic particles in a heat- So that it has an effect of maintaining the heat radiation performance that is excellent even for long-term use without sedimentation.
  • the battery pack of the present invention may include, for example, 2 to 30 or 5 to 20 battery modules of the present invention, and within this range, the battery pack has an excellent electrical characteristic and heat generation performance .
  • the heat radiation fluid composition thus prepared was charged into the housing of the battery, that is, the module case to a height of 30% or 80%, and the heat generation temperature of the battery cell was measured alternately by charging and discharging as described in the following measurement method.
  • the viscosity of the heat radiation fluid composition measured using the Brookfield viscometer under the following conditions was 900 cP at 20 ° C and 600 cP at 30 ° C.
  • Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, except that fumed alumina having an average particle diameter of 200 nm was used instead of the fumed silica having an average particle diameter of 30 nm.
  • the viscosity of the heat-radiating fluid composition measured using the Brookfield viscometer under the following conditions was 550 cP at 880 cP and 30 ° C at 20 ° C.
  • Example 1 The procedure of Example 1 was repeated except that airgel (silica airgel, LG Chem) was used in place of the fumed silica in Example 1.
  • the viscosity of the heat radiation fluid composition measured using the Brookfield viscometer under the following conditions was 720 cP at 1080 cP and 30 ° C at 20 ° C.
  • Example 1 The procedure of Example 1 was repeated except that silicone oil was used instead of soybean oil.
  • Example 1 alumina having an average particle diameter of 300 nm was used instead of alumina having an average particle diameter of 30 nm, and 15 parts by weight of fumed silica and alumina were used in an amount of 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the nonconductive oil, .
  • the viscosity of the heat-radiating fluid composition measured using a Brookfield viscometer under the following conditions was 580 cP at 20 ° C and 900 cP at 30 ° C.
  • Example 1 alumina having an average particle diameter of 300 nm was used instead of alumina having an average particle diameter of 30 nm, and fumed alumina having an average particle diameter of 200 nm was used instead of the fumed silica having an average particle diameter of 30 nm. Except that 20 parts by weight of alumina and 10 parts by weight of fumed alumina having an average particle diameter of 200 nm were used.
  • the viscosity of the heat-radiating fluid composition measured using a Brookfield viscometer under the following conditions was 710 cP at 1050 cP and 30 ° C at 20 ° C.
  • Example 1 alumina having an average particle diameter of 300 nm was used instead of alumina having an average particle diameter of 30 nm, and fumed alumina having an average particle diameter of 200 nm was used instead of the fumed silica having an average particle diameter of 30 nm. 10 parts by weight of alumina and 20 parts by weight of fumed alumina having an average particle diameter of 200 nm were used.
  • the viscosity of the heat-radiating fluid composition measured using the Brookfield viscometer under the following conditions was 740 cP at 1100 cP and 30 ° C at 20 ° C.
  • FR-3 insulating oil of Cargill Co., Ltd. which is a vegetable oil-based material, was used as the insulating oil.
  • the viscosity of the heat-radiating fluid composition measured using the Brookfield viscometer under the following conditions was 250 cP at 20 ° C and 110 cP at 30 ° C.
  • the viscosity of the heat radiation fluid composition measured using the Brookfield viscometer under the following conditions was 310 cP at 20 ° C and 120 cP at 30 ° C.
  • Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, except that airgel (silica airgel, LG Chem) having an average primary particle diameter of 1 ⁇ ⁇ was used instead of the fumed silica having an average particle diameter of 30 nm.
  • the viscosity of the heat-radiating fluid composition measured using the Brookfield viscometer under the following conditions was 1,230 cP at 20 ° C and 930 cP at 30 ° C.
  • Example 1 Except that alumina having an average primary particle diameter of 2 ⁇ was used instead of alumina having an average particle diameter of 30 nm and an airgel (silica airgel, LG Chem) having an average particle diameter of 3 nm was used in place of the fumed silica having an average particle diameter of 30 nm The procedure of Example 1 was repeated.
  • the viscosity of the heat-radiating fluid composition measured using a Brookfield viscometer under the following conditions was 890 cP at 980 cP and 30 ° C at 20 ° C.
  • Example 1 The procedure of Example 1 was repeated, except that alumina having an average primary particle diameter of 3 nm was used instead of alumina having an average particle diameter of 30 nm in Example 1.
  • the viscosity of the heat-radiating fluid composition measured using the Brookfield viscometer under the following conditions was 870 cP at 20 ° C and 1000 cP at 30 ° C.
  • Battery heat dissipation test method A temperature line is attached to each part of the battery module including the battery cell, such as the housing and the battery cell, and the nonconductive fluid is introduced into the battery module, , Charged for 0.5 hour, discharged for 2 hours again, and discharged again for 0.5 hour to record the temperature inside the housing.
  • the maximum cell temperature of the battery was compared in Table 1.
  • the prepared heat dissipation fluid was poured into a mass cylinder, and the height of the particle layer at that time was set at 100. Then, after staying for 30 days, the maximum height of the particle layer settled from the maximum height of the liquid surface was compared with a percentage Respectively.
  • Dielectric constant Measured under the conditions of a liquid volume of 42 ml and a temperature of 25 ° C using a dielectric constant measuring instrument (Sun Ray Tek, Model 871).
  • Nonconductive oil Thermally conductive inorganic particles Inorganic precipitation inhibitor stability Electrical insulation Cell maximum temperature (when 80% insulation oil is supplied) Cell maximum temperature (when 30% insulation oil is supplied)
  • Silicone oil 30nm Alumina 30 nm Fumed silica 95 4.13 51 53
  • Example 5 soybean oil 300 nm Alumina 30 nm Fumed silica 95 3.27 50.5 53
  • the battery modules (Examples 1 to 7) to which the heat radiation fluid composition of the present invention was applied differed from the conventional heat radiation fluid (Comparative Example 1) or the heat radiation fluid composition of the present invention 2 to 6), the maximum temperature of the battery cell is largely lowered during charging / discharging, so that not only the thermal conductivity is excellent, Stability and electrical insulation were also excellent.

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Abstract

본 발명은 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 1 내지 30 중량부 및 무기 침전방지제 1 내지 30 중량부를 포함하되, 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 하는 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다. 본 기재에 따르면, 전기절연성 및 열전도성이 우수하고, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 장기간 사용 후에도 방열 성능이 뛰어난 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 효과가 있다.

Description

방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩
〔출원(들)과의 상호 인용〕
본 출원은 2017년 11월 30일자 한국특허출원 제10-2017-0163595호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 기재는 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기절연성 및 열전도성이 우수하고, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 전지 모듈에서 장기간 사용 후에도 방열 성능이 뛰어난 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다.
2차전지는 여러 종류의 전지셀을 직병렬로 연결시켜 대용량의 전기를 저장하거나 충방전을 실시할 수 있는 스마트 그리드의 핵심 기술이라 할 수 있다. 전지의 전기 용량을 더욱 높이기 위한 연구들이 각 기관에서 활발하게 이루어지고 있으며, 이것은 전기자동차의 운행 가능한 주행거리를 높이고 가정과 산업에서 저장된 전기에너지를 활용할 수 있도록 하여 윤택한 삶을 제공한다.
그러나 2차전지의 전기 용량을 높이기 위해 전지 모듈 내부의 전력 밀도를 높이면서 대용량 에너지의 고속 충방전에 따라 발생하는 열적 문제가 대두되고 있다. 전지 모듈 내부의 열을 제어하지 못하면 전지의 수명이 급격히 감소함과 동시에 폭발 및 화재 발생의 위험을 가지게 된다.
이를 해결하기 위해 전지 모듈 내부의 열을 밖으로 빠르게 배출시킬 수 있는 높은 방열 특성이 요구된다. 그 방법으로 팬을 구동하여, 대기로부터의 공기를 전지 셀을 가로질러 전지 모듈 밖으로 배출시켜 열을 제어하는 공냉식 방법이 있으나 팬을 사용하기 때문에 모듈 부피가 극대화 되고, 소음 문제와 원가 상승문제, 그리고 팬을 구동시키기 위한 전력 손실의 문제를 갖는다.
이에 따라 공냉식 방법을 대체하기 위해, 전지 셀이 포함된 모듈 내부에 팬을 설치하지 않고 대신에 전지 셀을 유체에 함침시킴으로 방열 특성을 높이는 방법이 시도되고 있다.
상기 유체로서 물이나 에틸렌 글리콜 등과 같은 물질들은 전기 전도도가 높아 전지 셀의 폭발 등의 위험을 초래할 수 있다. 유체가 전지 내부에 적용되기 위해서는 높은 전기 절연성이 필수이고 따라서 오일류의 유체가 냉매로서 많이 시도되고 있다. 현재까지 알려진 열전달 오일로는 기존의 엔진오일, 기어오일 및 웜오일에서 전기 전도도가 낮은 제품이나 실리콘 오일유, 광유 등이 알려져 있다. 그러나 상기와 같은 유체는 고속 충방전에 따른 열발생을 만족스러울 정도로 방열시키기에는 미흡하며 더욱 높은 방열 특성이 요구된다.
방열 성능이 우수한 유체를 제조하기 위해 열전도도가 높은 CNT를 활용하는 방안도 개시되었으나, 이는 전기절연성의 문제를 야기할 수 있다. 이러한 전기절연성의 문제를 해결하기 위해 전기절연성 무기입자를 방열 유체와 혼합하는 방법도 시도되었으나 무기입자의 무게에 의해 장기간이 지나면 침전하여 방열 특성이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
상기와 같은 침전 문제를 해결하기 위해 계면활성제 등의 분산제를 도입하는 기술이 개시되었으나, 방열 유체 자체의 전기절연성이 낮아지는 문제점이 있다. 계면활성제를 대신하여 올레산(oleic acid)으로 알루미나, 질화 알루미늄 등의 무기입자 표면을 처리하는 방법이 알려져 있으나(Choi C, Yoo HS, Oh JM. Preparation and heat transfer properties of nanoparticle-in-transformer oil dispersions as advanced energy efficient coolants. Curr Appl Phys 2008; 8:710-2), 올레산의 산성에 따른 전지 모듈의 부식 문제와 더불어 뭉쳐 있는 무기입자에 표면처리가 고르게 되지 않아 일부 입자만이 안정하게 되어, 지금까지 침전 문제는 여전히 해결되지 않는 숙제로 남아 있다.
〔선행기술문헌〕
〔특허문헌〕한국 공개특허 제2017-0051024호
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 기재는 유체 냉각방식에서 전기절연성 및 열전도성이 우수하고, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 전지 모듈에서 장기간 사용한 후에도 방열 성능이 뛰어난 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 기재의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 본 기재에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 기재는 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 1 내지 30 중량부 및 무기 침전방지제 1 내지 30 중량부를 포함하되, 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 방열 유체 조성물을 제공한다.
또한, 본 기재는 a) 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 5 내지 50 중량부 및 무기 침전방지제 5 내지 50 중량부를 포함하는 혼합물을 볼밀로 교반하는 단계; b) 교반된 혼합물을 필터링하는 단계; 및 c) 필터링한 혼합물에서 진공 펌프를 사용하여 기포를 제거하는 단계를 포함하되,
상기 기포가 제거된 혼합물은 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 하는 방열 유체 조성물의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 기재는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내부에 장착된 전지 셀; 및 상기 모듈 케이스 내부에 채워지는 상기 방열 유체 조성물을 포함하는 전지 모듈을 제공한다.
또한, 본 기재는 상기 전지 모듈 두개 이상; 및 상기 전지 모듈을 내부에 수용하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
본 기재에 따르면, 유체를 이용한 전지 냉각방식에서 종래에 침전 방지를 위해 사용하던 유기물을 사용하지 않으면서도 전기절연성이 우수하고 폭발의 원인이 되는 열을 빠르게 방출시키며, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 장기간 사용에도 뛰어난 방열 성능을 그대로 유지하는 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 실시예에 따른, 모듈 케이스 및 전지 셀로 구성된 전지 모듈의 분해사시도로, 충방전 시 온도 변화를 측정하기 위해 일정한 위치에 온도선이 부착되어 있다.
도 2는 실시예에 따른 전지 모듈의 측면에 관한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 충방전 시 전지 셀의 온도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
본 발명자들은 유체를 이용한 전지 냉각방식에서 장기간 사용시 무기입자가 침전되는 문제점을 최소화하기 위해 부단히 연구한 결과, 충방전 시 발열이 생길 경우에는 점도가 급격히 낮아져 액체와 같이 거동하고, 충방전이 일어나지 않는 휴지기에는 점도가 급상승하여 고체와 같이 거동하는 방열 유체에 열전도성이 좋은 무기입자를 분산시키는 경우 무기입자의 침전이 일어 나지 않아 우수한 방열 특성을 유지하는 것을 확인하고, 이를 토대로 더욱 연구에 매진하여 본 발명을 완성하였다.
이하 본 기재의 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩을 각각 나누어 상세하게 설명한다.
방열 유체 조성물
본 기재의 방열 유체 조성물은 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 1 내지 30 중량부 및 무기 침전방지제 1 내지 30 중량부를 포함하되, 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 한다. 이러한 경우 전지 모듈에서 발생하는 열을 제어하는 방열 성능뿐만 아니라 전기 절연성 및 가격 경쟁력까지 뛰어나 시장에서 요구하는 방열 유체의 모든 조건을 만족시키게 된다. 더욱이 종래에는 열전도성 무기입자가 매질에 분산된 뒤 수 개월이 지나면 대개 침전이 일어나는데, 본 기재의 방열 유체 조성물은 온도에 따라 점도가 급격히 변화하도록 설계되어 상온에서는 고점도 상태로 수년이 지나도 무기입자의 침전이 발생하지 않고 고온에서는 저점도 상태가 되어 빠르게 열을 전도하므로 열전도성이 오랫동안 지속된다. 즉, 본 기재의 방열 유체 조성물은 전지의 충방전 휴지기에는 점도를 높여 유체 내 무기 입자의 침전을 막고 전지의 충방전이 일어나는 동안에는 전지 셀에서 발산되는 열에 의해 방열 유체의 점도가 낮아지게 되어 그 결과로 유동성이 높아져 높은 열전도성을 나타내도록 만들어졌다.
이러한 목적에 맞는 방열 유체의 제조를 위하여 유체의 밀도와 비슷하거나 낮은 무기 입자를 매질에 투입하여 방열 유체의 점도를 조절하였다. 여기에 더하여 열전도성이 좋은 무기 입자를 추가 투입하여 방열 유체의 열전도율을 더욱 높였다. 이렇게 제조한 방열 유체는 상온에서 고점도이기 때문에 방열 유체 내 무기 입자들은 장시간이 지나도 침전이 일어나지 않는다.
상기 20 ℃에서의 점도는 일례로 850 내지 2000 cP, 또는 850 내지 1,500 cP, 바람직하게는 850 내지 1,200 cP, 또는 860 내지 1,100 cP이고, 이 범위 내에서 유동성이 낮아 열전도성 무기입자의 침전을 억제하는 효과가 뛰어나다.
상기 30 ℃에서의 점도는 일례로 750 cP 이하, 또는 150 내지 750 cP, 바람직하게는 300 내지 750 cP, 또는 510 내지 740 cP이고, 이 범위 내에서 유동성이 우수하여 열전도성이 뛰어난 효과가 있다.
상기 무기 침전방지제의 밀도는 일례로 상기 비전도성 오일의 밀도와 같거나 낮고, 바람직하게는 상기 비전도성 오일의 밀도 보다 낮으며, 이 경우 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전이 발생하지 않아 우수한 방열 성능이 지속되는 효과가 있다.
상기 방열 유체 조성물은 일례로 전지 모듈에 채워지는 열전달 오일로, 충방전 시 발산되는 열에 의해 온도가 높아지면 점도가 낮아져 유동성이 증가되고, 충방전이 끝나 냉각되면 다시 점도가 높아져 상기 열전도성 무기입자의 침전이 방지되는 거동을 갖고, 이 경우 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전이 발생하지 않아 우수한 방열 성능이 지속되는 효과가 있다.
상기 열전도성 무기입자는 일례로 2 내지 25 중량부, 바람직하게는 3 내지 22 중량부, 가장 바람직하게는 5 내지 20 중량부일 수 있고, 이 범위 내에서 분산 안정성 및 방열 성능이 우수한 효과가 있다.
상기 열전도성 무기입자는 일례로 실리카(단, 흄드 실리카는 제외됨), 알루미나(단, 흄드 알루미나는 제외됨), 알루미노 실리케이트, 질화알루미늄(AlN), 질화실리콘(Si3N4) 및 질화붕소(BN)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 이 경우 방열 성능이 우수한 효과가 있다.
상기 열전도성 무기입자는 일례로 1차(primary) 평균입경이 5 내지 900 nm, 또는 10 내지 500 nm이고, 바람직하게는 20 내지 350 nm이며, 보다 바람직하게는 30 내지 300 nm일 수 있고, 이 범위 내에서 방열 특성이 우수하다.
본 기재에서 1차 평균입경은 뭉쳐지지 않은 하나 하나의 입자들(primary particles)의 평균입경을 의미하고, 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 측정할 수 있으며, 구체적으로는 주사전자현미경을 이용하여 입자 20개를 선출하고, 직경을 잴 수 있는 아이콘 바(bar)를 이용하여 입경을 잰 다음, 산술평균을 이용하여 평균입경을 구한다.
상기 열전도성 무기입자는 상기 무기 침전방지제 보다 무거우며, 구체적인 예로 벌크 밀도가 0.2 g/cm3 내지 10 g/cm3, 또는 0.2 g/cm3 내지 7 g/cm3, 바람직하게는 0.2 g/cm3 내지 5 g/cm3이며, 이 범위 내에서 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전이 발생하지 않아 우수한 방열 성능이 지속되는 효과가 있다.
본 기재에서 벌크 밀도는 정용량법으로 측정할 수 있다.
상기 무기 침전방지제는 일례로 2 내지 25 중량부, 바람직하게는 3 내지 22 중량부, 가장 바람직하게는 5 내지 20 중량부일 수 있고, 이 범위 내에서 분산 안정성 및 방열 성능이 우수한 효과가 있다.
상기 무기 침전방지제는 일례로 에어로젤(aerogel), 흄드(fumed) 실리카 및 흄드 알루미나로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 이 경우 열전도성 무기입자의 침전을 효과적으로 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과가 있다.
상기 에어로젤은 통상적으로 제조, 사용 또는 입수 가능한 에어로젤인 경우 특별히 제한되지 않고, 일례로 규소 에어로젤, 실리카 에어로젤 또는 이들의 혼합일 수 있고, 이 경우 열전도성 무기입자의 침전을 효과적으로 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과와 전기절연성이 우수한 효과가 있다.
상기 흄드 실리카는 일례로 규소의 염화물을 불꽃(flame) 안에서 연소시켜 만들어질 수 있고, 통상적으로 제조, 사용 또는 상업적으로 입수 가능한 흄드 실리카인 경우 특별히 제한되지 않으며, 구체적인 예로 CAS Number 112945-52-5에 해당하는 물질일 수 있다.
상기 흄드 알루미나는 통상적으로 제조, 사용 또는 상업적으로 입수 가능한 흄드 알루미나인 경우 특별히 제한되지 않고, 구체적인 예로 AEROXIDE® fumed alumina 시리즈, SpectrAl® fumed alumina 시리즈 또는 이들과 동등하다고 인정되는 물질일 수 있다.
상기 무기 침전방지제는 일례로 1차(primary) 평균입경이 5 내지 900 nm, 또는 10 내지 500 nm이고, 바람직하게는 20 내지 250 nm이며, 보다 바람직하게는 30 내지 200 nm일 수 있고, 이 범위 내에서 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전을 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과가 있다.
상기 무기 침전방지제는 일례로 벌크 밀도가 0.2 g/cm3 이하, 또는 0.0005 g/cm3 내지 0.2 g/cm3이고, 바람직하게는 0.001 내지 0.2 g/cm3 이며, 이 범위 내에서 열전도성 무기입자의 침전을 효과적으로 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과가 있다.
상기 열전도성 무기입자와 상기 무기 침전방지제의 중량의 합은 일례로 5 내지 50 중량부, 5 내지 40 중량부, 바람직하게는 10 내지 30 중량부이고, 이 범위 내에서 분산 안정성 및 방열 성능이 우수한 효과가 있다.
상기 열전도성 무기입자와 상기 무기 침전방지제의 중량비는 일례로 5:1 내지 1:5, 또는 3:1 내지 1:3이고, 바람직하게는 2:1 내지 1:2이며, 이 범위 내에서 분산 안정성 및 방열 성능이 우수한 효과가 있다.
상기 비전도성 오일은 일례로 광유(mineral oil), 실리콘 오일 및 식물성 오일로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 바람직하게는 실리콘 오일 또는 식물성 오일이며, 이 경우 절연성이 우수하고 본 기재의 전도성 무기입자 및 무기 침전방지제와 결합되어 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전을 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과가 있다. 전기 전도성이 낮은 물질로 실리콘 오일, 광유 또는 식물성 오일만 사용하는 경우에는 열전도 특성이 낮아 전지 모듈에서 발생하는 열을 제어하는 데 한계가 있으나, 여기에 본 기재에 따른 열전도성 무기입자 등이 더해지면 열전도성은 높아지고, 전지 모듈에 적용 시 전지 모듈의 방열 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 식물성 오일은 일례로 소이빈 오일(soybean oil)이고, 이 경우 절연성이 우수하고 본 기재의 전도성 무기입자 및 무기 침전방지제와 결합되어 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 열전도성 무기입자의 침전을 억제하여 우수한 방열 성능을 지속시키는 효과가 있다.
상기 비전도성 오일은 일례로 점도가 150 내지 600 cP, 또는 200 내지 550 cP (20℃)일 수 있고, 이 경우 절연성이 우수하고 본 기재의 전도성 무기입자 및 무기 침전방지제와 결합되어 열전도성 무기입자의 침전을 억제하여 우수한 방열 성능을 갖는다.
상기 비전도성 오일은 일례로 밀도가 0.8 내지 1.2 g/cm3, 또는 0.9 내지 1g/cm3일 수 있고, 이 경우 절연성이 우수하고 본 기재의 전도성 무기입자 및 무기 침전방지제와 결합되어 전지 모듈 내 방열 유체로 장기간 사용 시에도 우수한 방열 성능이 지속되는 효과가 있다.
상기 방열 유체 조성물은 일례로 방열유체를 매스 실린더(mass cylinder)에 붓고 그 때의 입자 층의 높이를 100으로 하고 30일간 체류 후 액면의 최고 높이로부터 가라앉은 입자 층의 최고 높이를 퍼센트로 나타낸 분산 안정성이 90 % 이상, 바람직하게는 95 % 이상, 더욱 바람직하게는 99 % 이상, 가장 바람직하게는 100 %이고, 이 범위 내에서 장기간의 충방전 시에도 우수한 방열 특성이 유지되는 효과가 있다.
상기 방열 유체 조성물은 일례로 방열유체 42 ml 및 25 ℃ 조건 하 전기절연성(dielectric constant)이 3.2 이상, 3.2 내지 4.5, 또는 3.23 내지 4.13일 수 있고, 이 범위 내에서 방열 특성, 전기절연성 및 경제성이 모두 우수한 효과가 있다.
방열 유체 조성물의 제조방법
본 기재의 방열 유체 조성물의 제조방법은 a) 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 5 내지 50 중량부 및 무기 침전방지제 5 내지 50 중량부를 포함하는 혼합물을 볼밀로 교반하는 단계; b) 교반된 혼합물을 필터링하는 단계; 및 c) 필터링한 혼합물에서 진공 펌프를 사용하여 기포를 제거하는 단계를 포함하되, 상기 기포가 제거된 혼합물은 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 하고, 이 범위 내에서 유체를 이용한 전지 냉각방식에서 전기절연성이 우수하고, 폭발의 원인이 되는 열을 빠르게 방출시키며, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 장기간 사용에도 뛰어난 방열 성능을 유지하는 효과가 있다.
상기 a) 단계의 비전도성 오일, 열전도성 무기입자 및 무기 침전방지제 등은 앞서 방열 유체 조성물에서 상술한 내용과 동일하므로 생략한다.
상기 a) 단계의 볼밀은 일례로 금속 볼(ball)이 담겨 있는 회전 가능한 실린더형 용기일 수 있고, 또 다른 예로 금속 볼이 담겨 있는 실린더형 반응기일 수 있으며, 이 경우 방열 유체 조성물 내 무기입자의 분산성이 향상되는 효과가 있다.
상기 금속 볼은 일례로 입경이 0.5 내지 2 mm, 또는 0.5 내지 1.5 mm일 수 있고, 이 범위 내에서 응집체인 2차 무기입자가 1차 무기입자로 효과적으로 분해되어 방열 유체 조성물 내 무기입자의 분산성이 개선되는 효과가 있다.
상기 금속 볼은 일례로 이 기술분야에서 사용되는 금속 볼인 경우 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 지르코니아 볼일 수 있고, 이 경우 방열 유체 조성물 내 무기입자의 분산성이 향상되는 효과가 있다.
상기 b) 단계의 필터링이나 상기 c) 단계의 기포 제거는 통상의 기술자가 자명하게 처리할 수 있는 것으로, 이 기술분야에서 통상적으로 이용되는 방법인 경우 특별히 제한되지 않는다.
전지 모듈
본 기재의 전지 모듈은 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내부에 장착된 전지 셀; 및 상기 모듈 케이스 내부에 채워진 본 기재의 방열 유체 조성물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이하에 본 기재와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 요지를 흐리지 않기 위해 설명을 생략하나, 통상의 기술자가 적절히 적용할 수 있음은 자명한 사항이다.
상기 방열 유체 조성물은 일례로 모듈 케이스 내부의 높이 대비 90 % 이하, 80 %, 또는 30 내지 80 %의 높이까지 채워질 수 있고, 이 범위 내에서 방열 성능이 우수하다.
본 기재에서 모듈 케이스 내부의 높이는 모듈 케이스를 밀봉했을 때 내부의 바닥에서부터 상부까지 가장 짧은 공간 내 거리를 의미한다.
상기 모듈 케이스는 일례로 플라스틱, 알루미늄, 스테인레스 스틸 또는 이들 중 2종 이상의 접합으로 이루어질 수 있고, 이 경우 방열 성능이 우수하다.
상기 플라스틱은 일례로 PET(PolyEthylene Terephtalate)일 수 있고, 이 경우 방열 성능이 우수하다.
상기 전지 셀은 일례로 최고 전압이 65 V 미만, 또는 20V 내지 55 V일 수 있고, 이 범위 내에서 전기절연성 및 방열 성능이 우수하다.
이하 도면을 참조하여 본 기재의 전지 모듈을 예시적으로 보다 자세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 이것에 의하여 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다.
하기 도 1은 실시예에 따른, 모듈 케이스 및 전지 셀로 구성된 전지 모듈의 분해사시도이고, 하기 도 2는 실시예에 따른 전지 모듈의 측면에 관한 단면도이며, 하기 도 3은 실시예에 따른 충방전 시 전지 셀의 온도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
하기 도 1을 참조하면, 모듈 케이스 내부에 전지 셀이 장착되고, 그 다음 방열 유체 조성물이 모듈 케이스의 내부 높이 대비 90 % 이하 범위 내에서 필요에 따라 일정 높이까지 채워진다. 실시예에서는 모듈 케이스 내부 높이 대비 30 % 또는 80 % 높이까지 방열 유체 조성물을 채웠다. 충방전 시 전지 모듈 내부의 온도를 측정하여 방열 유체 조성물의 방열 특성을 알아보고자 모듈 케이스와 전지 셀의 몇몇 위치에 별도로 온도선을 부착하였고, 전지 셀의 양 측면에는 외부 단자(plate)가 결합되어 있다. 상기 외부 단자는 외부 기기(미도시)와 전지 셀 사이를 전기적으로 연결해 주는 역할을 한다.
하기 도 2를 참조하면, 전지 셀(Cell)이 모듈 케이스 내에 장착되어 있고, 나머지 공간에 방열 유체 조성물이 채워져 있다. 상기 모듈 케이스의 외함은 알루미늄이고, 화살표 방향은 모듈 케이스와 전지(battry) 및 외부 단자(plate)를 의미한다.
하기 도 3을 참조하면, 충전 시 전지 셀이 가열되어 충전최고온도에 도달하게 되고, 이후 충방전이 일어나지 않는 휴지기에 전지 셀이 냉각되며, 방전 시에는 다시 전지 셀이 가열되어 소정 시간 후에 방전최고온도에 도달한다. 충전최고온도와 방전최고온도를 살펴보면 방열 유체 조성물의 방열 특성의 정도를 측정할 수 있는데, 충전최고온도와 방전최고온도가 낮은 경우 방열 유체 조성물이 충방전 시 전지 셀에서 발생되는 열을 빠르게 전도했음을 알 수 있다. 본 기재의 방열 유체 조성물을 전지 모듈에 적용했을 때 충전최고온도와 방전최고온도가 크게 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
배터리 팩
본 기재의 배터리 팩은 본 기재의 전지 모듈 두개 이상; 및 상기 전지 모듈을 수용하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하고, 이러한 배터리 팩은 내부 전기절연성이 우수하고, 폭발의 원인이 되는 열을 빠르게 방출시키며, 특히 방열 유체 내 열전도성 무기입자가 영구적으로 침전하지 않아 장기간 사용에도 뛰어난 방열 성능을 그대로 유지하는 효과를 가진다.
이하에 본 기재와 직접적으로 관련이 없는 기술에 대해서는 요지를 흐리지 않기 위해 설명을 생략하나, 통상의 기술자가 필요에 따라 부가할 수 있음은 자명한 사항이다.
본 기재의 배터리 팩은 일례로 본 기재의 전지 모듈을 2 내지 30개, 또는 5 내지 20개로 포함할 수 있고, 이 범위 내에서 전기적 특성 및 발열 성능이 모두 우수한 효과가 있다.
이하, 본 기재의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예]
실시예 1
1mm 입경의 지르코니아 볼 1kg이 담겨 있는 1리터 용량의 실린더형 반응기에 프라이머리(primary) 평균입경 30nm의 흄드 실리카를 20g 첨가하고 30nm 알루미나를 20g 추가 투입하였다. 이후 소이빈(Soybean) 오일 400g을 첨가하여 볼밀로 2시간 동안 교반하였다. 2시간 교반 후, 지르코니아 볼을 제외한 유체를 필터링하고 진공 펌프를 통해 2시간 동안 유체 내에 존재하는 기포를 제거하여 방열 유체 조성물을 제조하였다. 이렇게 만든 방열 유체 조성물을 전지의 하우징 내부, 즉 모듈 케이스에 높이 30% 혹은 80%까지 투입하여 하기 측정 방법에서 기술한 바와 같이 충전과 방전을 교대하며 전지 셀의 발열 온도를 측정하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 910 cP, 30℃ 조건에서 600 cP였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 흄드 실리카 대신에 평균입경 200nm의 흄드 알루미나를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 880 cP, 30℃ 조건에서 550 cP였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 흄드 실리카 대신에 에어로젤(실리카 에어로젤, LG Chem)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 1080cP, 30℃ 조건에서 720 cP였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 소이빈 오일(Soybean oil) 대신에 실리콘 오일을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 860 cP, 30℃ 조건에서 510 cP였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 알루미나 대신에 평균입경 300nm의 알루미나를 사용하고 흄드 실리카와 알루미나의 양을 각각 비전도성 오일 100 중량부를 기준으로 15 중량부 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 900 cP, 30℃ 조건에서 580 cP였다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 알루미나 대신에 평균입경 300nm의 알루미나를 사용하고 평균입경 30nm의 흄드 실리카 대신에 평균입경 200nm의 흄드 알루미나를 사용하며 그 양은 비전도성 오일 100 중량부를 기준으로 평균입경 300nm의 알루미나는 20 중량부, 평균입경 200nm의 흄드 알루미나는 10 중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 1050cP, 30℃ 조건에서 710 cP였다.
실시예 7
상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 알루미나 대신에 평균입경 300nm의 알루미나를 사용하고 평균입경 30nm의 흄드 실리카 대신에 평균입경 200nm의 흄드 알루미나를 사용하며 그 양은 비전도성 오일 100 중량부를 기준으로 평균입경 300nm의 알루미나는 10 중량부, 평균입경 200nm의 흄드 알루미나는 20 중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 1100cP, 30℃ 조건에서 740 cP였다.
비교예 1
상기 실시예 1의 방열 유체 조성물 대신 절연유로서 베지터블 오일(vegetable oil)을 주성분으로 하는 Cargill사의 FR-3 절연유를 사용하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 250 cP, 30℃ 조건에서 110 cP였다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 전체 무기입자의 함량이 비전도성 오일 100 중량부를 기준으로 2 중량부(흄드 실리카:알루미나 중량비=1:1) 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 310 cP, 30℃ 조건에서 120 cP였다.
비교예 3
상기 실시예 1에서 전체 무기입자의 함량이 비전도성 오일 100 중량부를 기준으로 70 중량부(흄드 실리카:알루미나 중량비=30:40) 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 2350 cP, 30℃ 조건에서 1720 cP였다.
비교예 4
상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 흄드 실리카 대신에 프라이머리 입자의 평균입경 1㎛의 에어로젤(실리카에어로젤, LG Chem)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 1200 cP, 30℃ 조건에서 930 cP였다.
비교예 5
상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 알루미나 대신에 프라이머리 입자 평균입경 2㎛의 알루미나를 사용하고 평균입경 30nm의 흄드 실리카 대신에 평균입경 3nm의 에어로젤(실리카에어로젤, LG Chem)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 980 cP, 30℃ 조건에서 890 cP였다.
비교예 6
상기 실시예 1에서 평균입경 30nm의 알루미나 대신에 프라이머리 입자 평균입경 3nm의 알루미나를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 브룩필드 점도계를 이용해 하기와 같은 조건으로 측정한 방열 유체 조성물의 점도는 20℃ 조건에서 1000 cP, 30℃ 조건에서 870 cP였다.
[시험예]
상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 6에서 준비된 방열 유체 조성물의 특성을 하기의 방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
* 전지 방열 시험 방법: 전지셀을 포함하고 있는 전지 모듈의 하우징과 전지 셀 등 각 부분에 온도선을 부착하고 상기 비전도성 유체를 내부에 투입하되 내부 높이 대비 30%, 혹은 80% 레벨(Level)로 투입하였고, 0.5시간 동안 충전한 후 2시간의 휴지기를 거쳐서 다시 0.5시간 동안 방전하여 하우징 내부의 온도를 기록하였다. 특히 전지 셀 최고 온도를 표 1에 비교하였다.
* (분산)안정성: 제조한 방열유체를 매스 실린더(mass cylinder)에 붓고 그 때의 입자 층의 높이를 100으로 하고 30일간 체류 후 액면의 최고 높이로부터 가라앉은 입자 층의 최고 높이를 퍼센트로 비교하였다.
* 점도: 점도는 브룩필드 점도계(모델명: DV-Ⅱ+Pro,RV)를 이용하여 rpm=50, 온도= 20℃ and 30℃, 스핀들=SC4 27의 조건에서 샘플의 양을 15.5g으로 고정하여 측정하였다.
* 전기절연성(Dielectric constant): 유전율 측정기(선레이텍, 모델 871)를 이용하여 액체 부피 42ml 및 온도 25℃의 조건으로 측정하였다.
구분 비전도성오일 열전도성무기입자 무기침전방지제 안정성 전기절연성 Cell 최고온도(절연유 80% 투입시) Cell 최고온도(절연유 30% 투입시)
실시예1 soybean oil 30nm Alumina 30nm Fumed silica 100 3.25 50.25 52.7
실시예2 soybean oil 30nm Alumina 200nm Fumed Alumina 100 3.37 49 50.85
실시예3 soybean oil 30nm Alumina 30nm Aerogel 100 3.29 52 54.5
실시예4 실리콘오일 30nm Alumina 30nm Fumed silica 95 4.13 51 53
실시예5 soybean oil 300nm Alumina 30nm Fumed silica 95 3.27 50.5 53
실시예6 soybean oil 300nm Alumina 200nm Fumed Alumina 100 3.25 49 50.90
실시예7 soybean oil 300nm Alumina 200nm Fumed Alumina 100 3.23 51 53.5
비교예1 V-Oil only - - - 3.13 57 60
비교예2 soybean oil 30nm Alumina 30nm Fumed silica 50 3.28 54 57
비교예3 soybean oil 30nm Alumina 30nm Fumed silica 100 3.25 54 56.4
비교예4 soybean oil 30nm Alumina 1㎛의 Aerogel 60 3.31 55 57
비교예5 soybean oil 2㎕의 Alumna 3nm의 Aerogel 30 3.32 56 57.5
비교예6 soybean oil 3nm의 Alumina 30nm Fumed silica 70 3.26 56 57
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 기재의 방열 유체 조성물이 적용된 전지 모듈(실시예 1 내지 7)은 종래의 방열 유체(비교예 1)나 본 기재의 방열 유체 조성물의 범위를 벗어나는 경우(비교예 2 내지 6) 대비 충방전 시 전지 셀의 최고 온도가 크게 저하되어 열전도성이 뛰어날 뿐만 아니라, 침전 안정성 및 전기절연성도 우수함을 확인할 수 있었다.
덧붙여, 30 ℃에서의 점도가 본 기재와 같이 750 cP 이하이나 20 ℃에서의 점도가 본 기재와는 달리 850 cP 미만인 방열 유체 조성물의 경우(비교예 1 및 2) 열전도성 및 안정성이 크게 떨어지고, 반대로 20 ℃에서의 점도가 본 기재와 같이 850 cP 이상이나 30 ℃에서의 점도가 본 기재와는 달리 750 cP를 초과하는 방열 유체 조성물의 경우(비교예 3 및 6) 또한 전기절연성에는 큰 문제가 없으나 열전도성 및 안정성이 크게 저하됨을 확인할 수 있었다.

Claims (18)

  1. 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 1 내지 30 중량부 및 무기 침전방지제 1 내지 30 중량부를 포함하되,
    20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 침전방지제의 밀도는 상기 비전도성 오일의 밀도와 같거나 낮은 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 방열 유체 조성물은 전지 모듈에 채워지는 열전달 오일로, 충방전 시 발산되는 열에 의해 온도가 높아지면 점도가 낮아져 유동성이 증가되고, 충방전이 끝나 냉각되면 다시 점도가 높아져 상기 열전도성 무기입자의 침전이 방지되는 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도성 무기입자는 실리카(단, 흄드 실리카는 제외됨), 알루미나(단, 흄드 알루미나는 제외됨), 알루미노 실리케이트, 질화알루미늄(AlN), 질화실리콘(Si3N4) 및 질화붕소(BN)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도성 무기입자는 1차(primary) 평균입경이 5 내지 900 nm인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도성 무기입자는 벌크 밀도가 0.2g/cm3 내지 5 g/cm3인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 침전방지제는 에어로젤, 흄드 실리카 및 흄드 알루미나로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 침전방지제는 1차(primary) 평균입경이 5 내지 900 nm인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 침전방지제는 벌크 밀도가 0.2 g/cm3 이하인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 비전도성 오일은 광유(mineral oil), 실리콘 오일 및 식물성 오일로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 식물성 오일은 소이빈 오일(soybean oil)인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 방열 유체 조성물은 매스 실린더(mass cylinder)에 붓고 그 때의 입자 층의 높이를 100으로 하고 30일간 체류 후 액면의 최고 높이로부터 가라앉은 입자 층의 최고 높이를 퍼센트로 나타낸 분산 안정성이 90% 이상인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물.
  13. a) 비전도성 오일 100 중량부, 열전도성 무기입자 5 내지 50 중량부 및 무기 침전방지제 5 내지 50 중량부를 포함하는 혼합물을 볼밀로 교반하는 단계; b) 교반된 혼합물을 필터링하는 단계; 및 c) 필터링한 혼합물에서 진공 펌프를 사용하여 기포를 제거하는 단계를 포함하되,
    상기 기포가 제거된 혼합물은 20 ℃에서의 점도가 850 cP 이상이고, 30 ℃에서의 점도가 750 cP 이하인 것을 특징으로 하는
    방열 유체 조성물의 제조방법.
  14. 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스 내부에 장착된 전지 셀; 및
    상기 모듈 케이스 내부에 채워진 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 방열 유체 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는
    전지 모듈.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 방열 유체 조성물은 모듈 케이스 내부의 높이 90 % 이하의 높이까지 채워진 것을 특징으로 하는
    전지 모듈.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는 플라스틱, 알루미늄, 스테인레스 스틸 또는 이들 중 2종 이상의 접합으로 이루어진 것을 특징으로 하는
    전지 모듈.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 전지 셀은 최고 전압이 65 V 미만인 것을 특징으로 하는
    전지 모듈.
  18. 제 14항에 따른 전지 모듈 두개 이상; 및 상기 전기 모듈을 수용하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
PCT/KR2018/011214 2017-11-30 2018-09-21 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩 WO2019107722A1 (ko)

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