WO2020116784A1 - 적층체 및 이를 이용한 배터리 셀 모듈 - Google Patents

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WO2020116784A1
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sheet
battery cell
graphite sheet
cell module
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서정두
백종갑
김성동
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에스케이씨 주식회사
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Definitions

  • the embodiment relates to a stacked body capable of improving light weight, heat dissipation and stability of a battery cell module by including a first adhesive layer, a graphite sheet, a second adhesive layer, and an elastic sheet, and a battery cell module using the same.
  • a battery system composed of a plurality of battery cells needs a cooling structure for cooling heat generated when charging or discharging the battery cells.
  • a battery system has been used to allow cooling water to flow inside a heat sink made of a metal material such as aluminum or copper.
  • a metal material such as aluminum or copper has a high thermal conductivity, so that the cooling effect is lowered and volume and weight are large.
  • Korean Patent Publication No. 2018-0080614 discloses a battery module in which a heat exchange pad through which a cooling medium is distributed is made of a material having high heat transfer efficiency (ceramic powder) to improve cooling efficiency, but the cooling pipe of the heat exchange pad Since it is made of aluminum or copper, it is difficult to obtain sufficient heat dissipation, space and lightness.
  • the embodiment is intended to provide a stacked body that can improve excellent heat dissipation, light weight and stability, and a battery cell module using the same.
  • the laminate according to the embodiment includes a first adhesive layer; Graphite sheet; A second adhesive layer; And an elastic sheet, wherein the surface area of the graphite sheet is smaller than that of the first adhesive layer.
  • a battery cell module includes a housing; A plurality of battery cells arranged in parallel in the housing; And a heat dissipation sheet interposed between the plurality of battery cells, wherein the heat dissipation sheet includes a first adhesive layer, a graphite sheet, a second adhesive layer, and an elastic sheet.
  • the graphite sheet since the surface area of the graphite sheet is smaller than the surface area of the first adhesive layer, the graphite sheet is not exposed to the outside, thereby improving stability.
  • the battery cell module according to the embodiment may include a first adhesive layer, a graphite sheet, a second adhesive layer, and a heat dissipation sheet including an elastic sheet, thereby improving heat dissipation, light weight, and stability.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a conventional battery cell module.
  • FIG. 2 is a sectional view showing another conventional battery cell module.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a laminate according to an embodiment.
  • 4 to 7 are cross-sectional views of a battery cell module according to an embodiment.
  • FIG. 8 shows a schematic view of the surface of a graphite sheet according to an embodiment.
  • FIG 10 is a photograph of the surface of the graphite sheet according to the embodiment observed with an atomic force microscope (AFM).
  • AFM atomic force microscope
  • FIG. 1 is a sectional view showing a conventional battery cell module 100.
  • a plurality of battery cells 120 are provided in the housing 110, and a buffer pad 130 and a cooling fin 140 are interposed between the plurality of battery cells 120, respectively.
  • a battery cell module equipped with a thermally conductive material (TIM) and a heat sink 160 is illustrated at the lower portion.
  • TIM thermally conductive material
  • cooling fins 140 are interposed between the plurality of battery cells 120 to move heat generated from the battery cells 120 to the heat sink 160.
  • the heat moved along the cooling fins 140 may be moved to the heat sink 160 through which cooling water flows to maintain the management temperature (20°C to 40°C) of the battery cell module 100.
  • the direction of heat movement is indicated by arrows.
  • the buffer pads 130 interposed between the plurality of battery cells 120 may serve to protect the battery from expanding when the management temperature is exceeded.
  • the heat transfer material layer 150 may be interposed between the heat sink 160 and the housing 110 so that heat transferred from the battery cell 120 is well transferred to the heat sink 160.
  • the housing 110, the cooling fins 140, and the heat sink 160 are made of a metal having high thermal conductivity such as aluminum or copper, sufficient heat dissipation properties cannot be obtained.
  • the battery cell module 100 is bulky and heavy.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of another conventional battery cell module 200.
  • a plurality of battery cells 220 are provided in the housing 210, a buffer pad 230 is interposed between the plurality of battery cells 220, and a gap filler (Gap) is provided at the bottom of the housing 210.
  • Gap gap filler
  • a battery cell module 200 having a filler 270, a heat transfer material layer 250, and a heat sink 260 is illustrated.
  • a battery cell module 200 other than the cooling fins 140 interposed between the plurality of battery cells 220 is used.
  • the conventional battery cell module 200 further includes a gap filler 270 capable of increasing the heat dissipation effect by removing voids at the bottom of the plurality of battery cells 220, sufficient heat dissipation effect is obtained. Since it could not be obtained, there was a disadvantage in that the risk that the battery could expand or explode outside the management temperature increased.
  • the laminate according to the embodiment includes a first adhesive layer; Graphite sheet; A second adhesive layer; And an elastic sheet, wherein the surface area of the graphite sheet is smaller than that of the first adhesive layer.
  • the surface area of the graphite sheet is smaller than that of the second adhesive layer and the elastic sheet.
  • the surface area of the elastic sheet may be smaller than the surface area of the graphite sheet and the second adhesive layer.
  • the graphite sheet is sealed by the first adhesive layer, the second adhesive layer, and the elastic sheet and is not exposed to the outside. Specifically, by not exposing the graphite sheet as described above, it is possible to improve the heat dissipation effect, as well as to prevent degradation of charging and discharging efficiency of the battery cell due to graphite dust generated over time. .
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a laminate 300 according to an embodiment.
  • a second adhesive layer 304 is provided on the elastic sheet 301, and a graphite sheet smaller than the surface area of the second adhesive layer 304 and the elastic sheet 301 on the second adhesive layer 304 ( 303) is provided, by providing a first adhesive layer 302 larger than the surface area of the graphite sheet 303 on the graphite sheet 303, the graphite sheet 303 is sealed and not exposed to the outside 300 is illustrated.
  • the first adhesive layer may be a single-sided or double-sided adhesive layer
  • the second adhesive layer may be a double-sided adhesive layer
  • the first adhesive layer is laminated on the top surface of the graphite sheet, and since the surface area of the first adhesive layer is larger than the surface area of the graphite sheet, the side thickness portion of the graphite sheet may also be sealed by the first adhesive layer. More specifically, the first adhesive layer and the second adhesive layer may be adhered to each other to completely seal the graphite sheet.
  • the second adhesive layer is a double-sided adhesive layer, and can fix the graphite sheet and the elastic sheet.
  • the thickness of the first adhesive layer may be 0.005 mm to 1 mm.
  • the thickness of the first adhesive layer may be 0.005 mm to 0.9 mm, 0.005 mm to 0.5 mm, 0.005 mm to 0.015 mm or 0.005 mm to 0.1 mm.
  • the required adhesion performance can be achieved without reducing the heat dissipation effect of the graphite sheet by the first adhesive layer.
  • the thickness of the second adhesive layer may be 0.005 mm to 1 mm.
  • the thickness of the second adhesive layer is 0.005 mm to 0.9 mm, 0.005 mm to 0.5 mm, 0.005 mm to 0.015 mm or 0.005 mm to 0.1 mm.
  • the second adhesive layer can implement the required adhesion performance without reducing the heat dissipation effect of the graphite sheet.
  • each of the first adhesive layer and the second adhesive layer may include one selected from the group consisting of acrylic adhesives, silicone adhesives, urethane adhesives, and combinations thereof.
  • it may include an acrylic adhesive or a silicone adhesive, it is preferable to include a silicone adhesive in terms of thermal conductivity, but is not limited thereto.
  • the graphite sheet While the thermal conductivity of a metal material such as aluminum or copper is isotropic, the graphite sheet has a different thermal conductivity in the thickness direction and in the plane direction due to the structure of the graphite particles having an anisotropic arrangement.
  • the graphite sheet generally has a thermal conductivity of 100 W/mk or more in the plane direction, and a thermal conductivity of 20 W/mk or less in the horizontal direction. Therefore, the battery module of the embodiment includes a graphite sheet, so that heat generated in a plurality of battery cells can be quickly moved to a lower heat sink, thereby improving heat dissipation.
  • the ratio of the thermal conductivity in the surface direction to the thermal conductivity in the thickness direction of the graphite sheet is 300 or more.
  • the thermal conductivity in the thickness direction of the graphite sheet may be 1 W/mK to 20 W/mK, and the thermal conductivity in the surface direction may be 800 W/mK to 2,000 W/mK.
  • the thermal conductivity in the thickness direction may be 1 W/mK to 18 W/mK, 3 W/mK to 20 W/mK, or 5 W/mK to 20 W/mK
  • the thermal conductivity in the plane direction May be 900 W/mK to 2,000 W/mK, 1,000 W/mK to 1,800 W/mK, 1,200 W/mK to 2,000 W/mK, or 1,200 W/mK to 1,800 W/mK.
  • the graphite sheet has a surface structure in the form of a woven weft and warp.
  • the graphite sheet may include an inner layer including graphitized fibers and an outer layer of graphite. More specifically, the graphite sheet may include an inner layer containing graphitized fibers and an outer graphite layer covering one or both sides of the inner layer.
  • the surface structure of the graphite sheet may be the same as the surface of the fibers forming the inner layer.
  • the fiber may be a woven structure base material having the above-described structure in the surface structure of the graphite sheet manufactured using the fiber base material.
  • the inner layer may include a fiber bundle comprising a plurality of graphite fibers.
  • the inner layer may be made of a fiber bundle including a plurality of graphite fibers.
  • the fiber bundle may include voids formed between a plurality of graphite fibers.
  • the inner layer may include a fabric form made of graphite fibers or bundles of graphite fibers, in which weft and warp are woven.
  • the inner layer may include fibers in which natural fibers or artificial fibers are graphitized.
  • the inner layer may be a fiber in which natural fibers or artificial fibers are carbonized and graphitized.
  • the natural fiber may be at least one selected from the group consisting of cellulose fiber, protein fiber and mineral fiber.
  • the cellulose fibers include, for example, (i) seed fibers such as cotton or kapok, (ii) stem fibers such as flax, hemp, hemp, or jute, (iii) fruit fibers such as palm fiber, and (iv) And leaf fibers such as manila (abaca) or sisalma.
  • the protein fibers include, for example, (i) wool fibers, (ii) silk fibers, and (iii) hair fibers.
  • the mineral fiber may include, for example, (i) artificial mineral fibers such as glass wool and minera wool, and (ii) asbestos fiberized by liquefying glass, rock, and other minerals at high temperatures.
  • the natural fiber may include one or more selected from the group consisting of cotton, hemp, wool and silk.
  • the artificial fiber may be at least one selected from the group consisting of organic fibers and inorganic fibers.
  • the organic fiber may include, for example, (i) cellulosic fibers such as rayon, tencel (lyocell), modal or the like, or regenerated fibers including protein fibers, and (ii) cellulose fibers such as acetate and triacetate.
  • the artificial fiber is at least one synthetic fiber selected from the group consisting of nylon, polyester, polyurethane, polyethylene, polyvinyl chloride, polyfluoroethylene, polyvinyl alcohol, acrylic and polypropylene; Or it may include one or more cellulose-based fibers selected from the group consisting of rayon, acetate and triacetate.
  • the inner layer may include a lattice structure having a pitch of 20 ⁇ m to 200 ⁇ m and a width of 60 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the graphite outer layer may cover one or both sides of the inner layer.
  • the graphite outer layer is composed of a first graphite outer layer coated on one surface of the graphite inner layer and a second graphite outer layer coated on the other surface of the graphite inner layer, and a portion of the first graphite outer layer and the second graphite outer layer are part of each other. Can be connected.
  • the graphite outer layer may be a polymer resin graphitized. Further, the graphite outer layer may include natural graphite or expanded graphite.
  • the polymer resin may include one or more of the group consisting of polyimide, polyamic acid, polyvinyl chloride, polyester, polyurethane, polyethylene, polyfluorethylene, polyvinyl alcohol, polyacrylic and polypropylene.
  • the polymer resin may include one or more of the group consisting of polyimide, polyamic acid and polyvinyl chloride having a weight average molecular weight of 200,000 g/mol to 300,000 g/mol.
  • the graphite sheet may be manufactured by preparing a multilayer body including a fiber substrate and a polymer coating layer on one or both sides of the fiber substrate, and then carbonizing and graphitizing the multilayer body integrally. By performing the process of carbonization and graphitization at a predetermined temperature, both the fiber substrate and the polymer coating layer forming the multilayer body are graphitized, whereby a graphite sheet can be produced.
  • the thickness of one polymer coating layer may be 30 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the total thickness of the polymer coating layer of the two layers may be 60 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the woven structure derived from the fiber substrate may be exposed on the surface of the graphite sheet after carbonization and graphitization.
  • the fiber substrate may be at least one selected from the group consisting of natural fibers and artificial fibers.
  • the natural fibers and artificial fibers are as described in the inner layer.
  • the polymer coating layer is as described in the polymer resin of the outer layer.
  • the graphite sheet may include a lattice structure having a pitch of 20 ⁇ m to 200 ⁇ m and a width of 60 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the graphite sheet may have a surface structure in the form of a fabric in which weft and warp are woven.
  • the weft yarn (A) and the warp (B) may have a width (d1, d2) of 20 ⁇ m to 200 ⁇ m, 30 ⁇ m to 170 ⁇ m, or 50 ⁇ m to 170 ⁇ m, respectively. Further, the weft yarn (A) and the warp yarn (B) may have pitches P1 and P2 of 20 ⁇ m to 200 ⁇ m, 30 ⁇ m to 170 ⁇ m, or 50 ⁇ m to 170 ⁇ m, respectively.
  • the surface structure of the graphite sheet may satisfy 80 to 130 X 100 to 150 counts/inch of weft yarns (A) and X warps (B).
  • the weft yarn (A) X slope (B) may satisfy 130 X 150 count/inch, 100 ⁇ 120 count/inch, or 80 X 100 count/inch.
  • the graphite sheet may have a predetermined roughness on the surface by having the above-described surface structure. Specifically, referring to FIG. 8, the surface of the graphite sheet has a step between the part (C) where the weft yarn (A) and the warp (B) overlap and the part (D) that does not overlap.
  • the surface roughness (Ra) of the graphite sheet may be 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m (see FIG. 10 ). More specifically, the graphite sheet may have a surface roughness (Ra) of 1 ⁇ m to 8 ⁇ m, or 2 ⁇ m to 6 ⁇ m.
  • the thickness of the graphite sheet is from 0.01 mm to 1 mm.
  • the graphite sheet may have a thickness of 0.5 mm to 1 mm, 0.01 mm to 0.5 mm, 0.01 mm to 0.2 mm, 0.01 mm to 0.1 mm, or 0.05 mm to 0.1 mm.
  • the thickness of the graphite sheet is within the above range, it may be advantageous in terms of heat capacity.
  • the graphite sheet has a radius of curvature (R) of 5 mm, a bending angle of 180 degrees, a load of 0.98 N, and a MIT flexural test performed under a bending speed of 90 times/min.
  • R radius of curvature
  • the graphite sheet may be 10,000 to 20,000 times, 10,000 to 18,000 times, or 10,000 to 15,000 times as a result of the MIT flexural test.
  • the graphite sheet has a specific heat at 50°C of 0.5 J/gK to 1.0 J/gK, 0.5 J/gK to 0.9 J/gK, 0.6 J/gK to 0.9 J/gK, or 0.7 J/gK to 0.9 J/gK Can be
  • the density of the graphite sheet may be 0.5 g/cm 3 to 2.5 g/cm 3, 0.5 g/cm 3 to 2.0 g/cm 3, or 0.8 g/cm 3 to 2.0 g/cm 3.
  • the elastic sheet may include a polymer resin.
  • the elastic sheet may include a vinyl-based polymer.
  • the vinyl-based polymer may include at least one selected from the group consisting of polyvinyl butyral and polyethylene-vinyl acetate. Specifically, the vinyl-based polymer may be polyvinyl butyral or polyethylene-vinyl acetate.
  • the polymer resin may have a weight average molecular weight of 100,000 g/mol to 500,000 g/mol, 100,000 g/mol to 300,000 g/mol, or 100,000 g/mol to 200,000 g/mol.
  • the thickness of the elastic sheet may be 0.5 mm to 1 mm, 1 mm to 3 mm, or 3 mm to 5 mm.
  • the thickness of the elastic sheet is within the above range, it is possible to improve the stability of the battery by buffering the shrinkage and expansion that occurs during charging and discharging of the battery cells.
  • the elastic sheet has a coefficient of thermal expansion at 0°C to 50°C of 0.1 ppm/°C to 0.5 ppm/°C, and a dynamic storage modulus of 1 X 10 6 Pa to 3 X 10 7 at a temperature of 20°C and a frequency of 50 Hz to 100 Hz. It can be Pa.
  • the elastic sheet has a thermal expansion coefficient at 0°C to 50°C of 0.1 ppm/°C to 0.3 ppm/°C, or 0.15 ppm/°C to 0.3 ppm/°C, at a temperature of 20°C and a frequency of 50 kHz to 100 kHz.
  • the dynamic storage modulus may be 1 X 10 6 Pa to 2 X 10 7 Pa, or 1 X 10 6 Pa to 5 X 10 6 Pa.
  • the elastic sheet has a tensile strength of 10 MPa to 50 MPa, 10 MPa to 40 MPa, or 10 MPa to 30 MPa, and the elongation at break is 150% to 400%, 150% to 350%, or 200% To 300%.
  • the elastic sheet has thermal conductivity in the plane direction and thickness direction of 0.01 W/mK to 0.8 W/mK, 0.1 W/mK to 0.8 W/mK, 0.1 W/mK to 0.6 W/mK, or 0.1 W/mK To 0.5 W/mK.
  • the tensile strength and elongation at break may be measured by the method described in JIS K 6771.
  • the thermal conductivity may be measured by the method described in ASTM F 433.
  • the heat dissipation sheet and the elastic sheet may be adhered by heating and pressing, so that there is no physical boundary between layers.
  • the heating and pressing can be heated to 100 °C to 150 °C and pressurized to 0.1 MPa to 0.5 MPa.
  • the graphite sheet may be I-shaped (see FIGS. 4 and 7).
  • the graphite sheet may have a shape having at least one curved portion.
  • the graphite sheet may be L-shaped or U-shaped (see FIGS. 5 and 6).
  • a battery cell module includes a housing; A plurality of battery cells arranged in parallel within the housing; And a heat dissipation sheet interposed between the plurality of battery cells, wherein the heat dissipation sheet includes a first adhesive layer, a graphite sheet, a second adhesive layer, and an elastic sheet.
  • the housing is for fixing a plurality of battery cells and a heat dissipation sheet.
  • the housing is a metal material such as aluminum or a plastic material such as PC+ABS, PA, PP, and is preferably flame retardant, chemical resistant, insulating, and durable, but is not limited thereto.
  • the plurality of battery cells are arranged in parallel within the housing. Specifically, since the number of battery cells is determined according to the size of the required power, the larger the number of battery cells, the more power can be supplied.
  • the battery cell module according to one embodiment includes a graphite sheet that is not a conventional metal material, and thus has a smaller volume than a metal material. Therefore, since the number of installations of the battery cells can be increased in the same space as the conventional battery cell module, the amount of power of the battery cell modules can be increased. Furthermore, compared to metal materials, it has the advantage of being lightweight and flexible.
  • the heat dissipation sheet is interposed between the plurality of battery cells, and includes a graphite sheet and an elastic sheet.
  • the first adhesive layer may be a single-sided or double-sided adhesive layer
  • the second adhesive layer may be a double-sided adhesive layer
  • the battery cell and the heat dissipation sheet may be adhered by the first adhesive layer.
  • the first adhesive layer may have insulation and heat dissipation. Specifically, when the first adhesive layer has insulation and heat dissipation, heat dissipation of the heat dissipation sheet may be improved.
  • the first adhesive layer may withstand a leakage current of 0.04 mA or less at AC 2.0 kV to 3.5 kV, but is not limited thereto.
  • the thermal conductivity in the surface direction of the heat dissipation sheet is 800 W/mK to 2,000 W/mK. Specifically, it may be 900 W/mK to 2,000 W/mK, 1,000 W/mK to 1,800 W/mK, 1,200 W/mK to 2,000 W/mK or 1,200 W/mK to 1,800 W/mK.
  • the battery cell module may further include a heat sink on at least one surface of the housing.
  • the battery cell module may further include a heat sink in the lower portion of the housing, and the heat dissipation sheet may be fixed to the heat sink.
  • the heat sink is made of a metal material such as aluminum or copper, and may have a structure in which cooling water flows, but is not limited thereto.
  • the battery cell module according to an embodiment may further include a heat transfer material layer between the housing and the heat sink.
  • the heat transfer material layer is located at the bottom of the housing, and is effective in moving heat transferred from the battery cell to the heat sink at the bottom.
  • the heat transfer material layer may include an acrylic resin, a silicone resin or a urethane resin, and in view of heat dissipation performance, a silicone resin is preferred, but is not limited thereto.
  • the heat sink includes a plurality of recesses, and the heat dissipation sheet may be located in the recess (see FIG. 7 ). Specifically, a first adhesive layer, a graphite sheet, and a second adhesive layer of the heat dissipation sheet may be located in the recess.
  • the battery cell modules 400, 500, 600, and 700 may further include a gap filler inside the housing (see FIGS. 4 to 7 ).
  • 4 to 7 are cross-sectional views of a battery cell module according to an embodiment.
  • a plurality of battery cells 420 are disposed in parallel within the housing 410, an I-shaped heat dissipation sheet 480 is interposed between the plurality of battery cells 420, and the heat dissipation sheet 480 ) Includes a first adhesive layer 482, a graphite sheet 483, a second adhesive layer 484, and an elastic sheet 481, and removes voids under the heat dissipation sheet 480 and the battery cell 420.
  • a gap filler 470 is provided, and a battery cell module 400 having a heat transfer material layer 450 and a heat sink 460 under the housing 410 is illustrated.
  • a plurality of battery cells 520 are disposed in parallel within the housing 510, an L-shaped heat dissipation sheet 580 is interposed between the plurality of battery cells 520, and the heat dissipation sheet 580 ) Includes a first adhesive layer 582, a graphite sheet 583, a second adhesive layer 584, and an elastic sheet 581, and removes voids under the elastic sheet 581 among the heat dissipation sheets 580.
  • a gap filler 570 is provided, and a battery cell module 500 having a heat transfer material layer 550 and a heat sink 560 under the housing 510 is illustrated.
  • a plurality of battery cells 620 are disposed in parallel within the housing 610, and a U-shaped heat radiation sheet 680 is interposed between the plurality of battery cells 620, and the heat radiation sheet 680 ) Includes a first adhesive layer 682, a graphite sheet 683, a second adhesive layer 684, and an elastic sheet 681, and removes voids under the elastic sheet 681 among the heat dissipation sheets 680.
  • a gap filler 670 is provided, and a battery cell module 600 having a heat transfer material layer 650 and a heat sink 660 under the housing 610 is illustrated.
  • a plurality of battery cells 720 are disposed in parallel within the housing 710, and an I-shaped heat radiation sheet 780 is interposed between the plurality of battery cells 720, and the heat radiation sheet 780 ) Includes a first adhesive layer 782, a graphite sheet 783, a second adhesive layer 784 and an elastic sheet 781, and removes voids under the heat dissipation sheet 780 and the battery cell 720.
  • a battery cell in which a gap filler 770 is provided, and a first adhesive layer 782, a graphite sheet 783, and a second adhesive layer 784 of the heat dissipation sheet 780 are located in a recess provided in the heat sink 760.
  • Module 700 is illustrated.

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Abstract

구현예는 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함함으로써, 배터리 셀 모듈의 경량성, 방열성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 적층체 및 이를 이용한 배터리 셀 모듈에 관한 것이다.

Description

적층체 및 이를 이용한 배터리 셀 모듈
구현예는 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함함으로써, 배터리 셀 모듈의 경량성, 방열성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 적층체 및 이를 이용한 배터리 셀 모듈에 관한 것이다.
전기 자동차는 배터리 시스템의 신뢰성과 안정성이 상품성을 결정짓는 가장 중요한 요소로 작용하므로, 온도의 다양한 변화에 따른 배터리의 성능 저하를 방지하기 위하여 배터리 시스템의 적정 온도 범위인 20℃ 내지 40℃가 유지되어야 한다. 따라서, 복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리 시스템은 배터리 셀의 충전 또는 방전시 발생되는 열을 냉각시키기 위한 냉각 구조가 필요하다.
종래에는 알루미늄 또는 구리 등의 금속 재질로 이루어지는 방열판 등의 내부에 냉각수를 흐르게 하는 배터리 시스템이 사용되어 왔다. 그러나, 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 재질은 열전도도가 높기 때문에 냉각 효과가 저하되는 것은 물론, 부피 및 중량이 크다는 단점이 있다.
일례로, 대한민국 공개특허 제2018-0080614호에는 냉각 매체가 유통되는 열교환 패드가 열전달 효율이 높은 소재(세라믹 파우더)로 이루어져 냉각 효율을 향상시킨 배터리 모듈이 기재되어 있으나, 상기 열교환 패드의 냉각 파이프는 알루미늄 또는 구리 재질로 이루어짐으로써, 충분한 방열성, 공간성 및 경량성을 얻기 어렵다.
따라서, 구현예는 우수한 방열성은 물론, 경량성 및 안정성이 향상시킬 수 있는 적층체 및 이를 이용한 된 배터리 셀 모듈을 제공하고자 한다.
일 구현예에 따른 적층체는 제1 접착층; 그라파이트 시트; 제2 접착층; 및 탄성 시트를 포함하고, 상기 그라파이트 시트의 표면적이 상기 제1 접착층의 표면적보다 작다.
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 하우징; 상기 하우징 내에 병렬로 배치되는 복수의 배터리셀; 및 상기 복수의 배터리 셀 사이에 개재되는 방열 시트;를 포함하고, 상기 방열 시트가 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함한다.
구현예에 따른 적층체는 그라파이트 시트의 표면적이 제1 접착층의 표면적보다 작음으로써, 그라파이트 시트를 외부에 노출시키기 않아, 안정성을 향상시킬 수 있다.
구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함하는 방열 시트를 포함함으로써, 방열성, 경량성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 배터리 셀 모듈의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 다른 배터리 셀 모듈의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 구현예에 따른 적층체의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 7은 구현예에 따른 배터리 셀 모듈의 단면도를 나타낸 것이다.
도 8은 구현예에 따른 그라파이트 시트의 표면의 개략도를 나타낸 것이다.
도 9는 구현예에 따른 그라파이트 시트의 표면 사진을 나타낸 것이다.
도 10은 구현예에 따른 그라파이트 시트의 표면을 원자간력 현미경(AFM)으로 관찰한 사진이다.
이하, 구현예를 통해 발명을 상세하게 설명한다. 구현예는 이하에서 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
도 1은 종래의 배터리 셀 모듈(100)의 단면도를 나타낸 것이다. 도 1에는 하우징(110) 내에 복수의 배터리 셀(120)이 구비되고, 상기 복수의 배터리 셀(120) 사이에 각각 완충 패드(130) 및 냉각핀(140)이 개재되며, 이러한 하우징(110)의 하부에 열전도성 물질(TIM) 및 방열판(160)이 구비된 배터리 셀 모듈이 예시되어있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 종래의 배터리 셀 모듈(100)은 배터리 셀(120)에서 발생되는 열을 방열판(160)으로 이동시키기 위해 복수의 배터리 셀(120) 사이에 냉각핀(140)이 개재되고, 상기 냉각핀(140)을 따라 이동되는 열은 내부에 냉각수가 흐르는 방열판(160)으로 이동됨으로써 배터리 셀 모듈(100)의 관리 온도(20℃ 내지 40℃)를 유지할 수 있다. 열 이동 방향은 화살표로 표시하였다. 복수의 배터리 셀(120) 사이에 개재되는 완충 패드(130)는 관리 온도를 넘어가면 팽창되는 배터리를 보호하는 역할을 할 수 있다. 또한, 열전달 물질층(150)은 배터리 셀(120)로부터 이동되는 열이 방열판(160)으로 잘 전달될 수 있도록 방열판(160)과 하우징(110) 사이에 개재될 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 배터리 셀 모듈(100)은 하우징(110), 냉각핀(140) 및 방열판(160)이 알루미늄 또는 구리와 같이 열전도도가 높은 금속으로 이루어지므로, 충분한 방열성을 얻을 수 없었다. 또한, 금속으로 이루어지므로, 배터리 셀 모듈(100) 내에서 부피가 크고, 무게가 무거운 단점이 있었다.
도 2는 종래의 다른 배터리 셀 모듈(200)의 단면도를 나타낸 것이다. 도 2에는 하우징(210) 내에 복수의 배터리 셀(220)이 구비되고, 상기 복수의 배터리 셀(220) 사이에 완충 패드(230)가 개재되며, 이러한 하우징(210)의 하부에 갭 필러(Gap Filler)(270), 열전달 물질층(250) 및 방열판(260)이 구비된 배터리 셀 모듈(200)이 예시되어 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 종래에는 무게를 감소시키고자, 복수의 배터리 셀(220) 사이에 개재되는 냉각핀(140)을 제외한 배터리 셀 모듈(200)이 사용되기도 했다.
그러나, 이러한 종래의 배터리 셀 모듈(200)은 복수의 배터리 셀(220)의 하부에 공극을 제거함으로써 방열 효과를 상승시킬 수 있는 갭 필러(270)를 더 포함하고 있음에도 불구하고, 충분한 방열 효과를 얻을 수 없으므로, 관리 온도를 벗어나 배터리가 팽창하거나 폭발할 수 있는 위험성이 커지는 단점이 있었다.
적층체
일 구현예에 따른 적층체는 제1 접착층; 그라파이트 시트; 제2 접착층; 및 탄성 시트를 포함하고, 상기 그라파이트 시트의 표면적이 상기 제1 접착층의 표면적보다 작다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트의 표면적은 상기 제2 접착층 및 상기 탄성 시트의 표면적보다 작다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄성 시트의 표면적은 상기 그라파이트 시트 및 상기 제2 접착층의 표면적보다 작을 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트가 상기 제1 접착층, 상기 제2 접착층, 및 상기 탄성 시트에 의해 밀봉되어 외부로 노출되지 않는다. 구체적으로, 상기와 같이 그라파이트 시트가 외부로 노출되지 않음으로써, 방열효과를 향상시킬 수 있음은 물론, 시간이 지남에 따라 발생되는 그라파이트 분진에 의한 배터리 셀의 충전 및 방전 효율 저하를 방지할 수 있다.
도 3은 구현예에 따른 적층체(300)의 단면도를 나타낸 것이다. 도 3에는 탄성 시트(301) 상에 제2 접착층(304)이 구비되고, 상기 제2 접착층(304) 상에 상기 제2 접착층(304) 및 상기 탄성 시트(301)의 표면적 보다 작은 그라파이트 시트(303)가 구비되며, 상기 그라파이트 시트(303) 상에 상기 그라파이트 시트(303)의 표면적보다 큰 제1 접착층(302)이 구비됨으로써, 상기 그라파이트 시트(303)가 밀봉되어 외부로 노출되지 않는 적층체(300)가 예시되어 있다.
제1 및 제2 접착층
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층은 일면 또는 양면 접착층일 수 있고, 상기 제2 접착층이 양면 접착층일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 접착층은 상기 그라파이트 시트의 상면에 적층되며, 상기 제1 접착층의 표면적이 상기 그라파이트 시트의 표면적보다 넓으므로, 상기 그라파이트 시트의 측면 두께부도 제1 접착층에 의해 밀봉될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층이 서로 접착되어 상기 그라파이트 시트를 완전히 밀봉시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 접착층은 양면 접착층으로서, 상기 그라파이트 시트 및 상기 탄성 시트를 고정시킬 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층의 두께는 0.005 mm 내지 1 mm일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 접착층의 두께는 0.005 mm 내지 0.9 mm, 0.005 mm 내지 0.5 mm, 0.005 mm 내지 0.015 mm 또는 0.005 mm 내지 0.1 mm 일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 제1 접착층이 상기 그라파이트 시트의 방열 효과를 저감시키지 않으면서도 요구되는 부착 성능을 구현할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제2 접착층의 두께는 0.005 mm 내지 1 mm일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 접착층의 두께는 0.005 mm 내지 0.9 mm, 0.005 mm 내지 0.5 mm, 0.005 mm 내지 0.015 mm 또는 0.005 mm 내지 0.1 mm 일 수 있다. 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 제2 접착층이 상기 그라파이트 시트의 방열 효과를 저감시키지 않으면서도 요구되는 부착 성능을 구현할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층 각각은 아크릴계 접착제, 실리콘계 접착제, 우레탄계 접착제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함할 수 있다. 예를 들어, 아크릴계 접착제 또는 실리콘계 접착제를 포함할 수 있고, 열전도성 측면에서 실리콘계 접착제를 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그라파이트 시트
알루미늄이나 구리와 같은 금속 소재의 열전도도는 등방성인 반면, 그라파이트 시트는 이방성(異方性) 배열을 갖는 그라파이트 입자의 구조로 인해 두께 방향과 면 방향의 열전도도가 상이하다.
구체적으로, 그라파이트 시트는 일반적으로 면 방향으로는 100 W/mk 이상의 열전도도를 갖고, 수평 방향으로는 20 W/mk 이하의 열전도도를 갖는다. 따라서, 구현예의 배터리 모듈은 그라파이트 시트를 포함함으로써, 복수의 배터리 셀에서 발생하는 열을 하부의 방열판으로 빠르게 이동시킬 수 있으므로, 방열성을 향상시킬 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트의 두께 방향의 열전도도에 대한 면 방향의 열전도도의 비는 300 이상이다. 구체적으로, 상기 그라파이트 시트의 두께 방향의 열전도도는 1 W/mK 내지 20 W/mK일 수 있고, 면 방향의 열전도도는 800 W/mK 내지 2,000 W/mK일 수 있다. 예를 들어, 상기 두께 방향의 열전도도는 1 W/mK 내지 18 W/mK, 3 W/mK 내지 20 W/mK 또는 5 W/mK 내지 20 W/mK일 수 있고, 상기 면 방향의 열전도도는 900 W/mK 내지 2,000 W/mK, 1,000 W/mK 내지 1,800 W/mK, 1,200 W/mK 내지 2,000 W/mK 또는 1,200 W/mK 내지 1,800 W/mK 일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트는 위사와 경사가 직조된 직물 형태의 표면 구조를 갖는다. 구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 흑연화된 섬유를 포함하는 내층과 흑연 외층을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 흑연화된 섬유를 포함하는 내층 및 상기 내층의 단면 또는 양면을 덮는 흑연 외층을 포함할 수 있다.
상기 그라파이트 시트의 표면 구조는, 내층을 이루는 섬유의 표면과 동일할 수 있다. 상기 섬유는 직물 기재로서, 이를 이용해 제조된 상기 그라파이트 시트의 표면 구조가 전술한 구조를 갖게 하는 직조 구조의 기재일 수 있다.
상기 내층은 복수의 흑연 섬유를 포함하는 섬유 다발을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 내층은 복수의 흑연 섬유를 포함하는 섬유 다발로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 섬유 다발은 복수의 흑연 섬유 사이에 형성된 공극을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 내층은 흑연 섬유 또는 흑연 섬유 다발로 이루어진, 위사와 경사가 직조된 직물 형태를 포함할 수 있다.
상기 내층은 천연 섬유 또는 인조 섬유가 흑연화된 섬유를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 내층은 천연 섬유 또는 인조 섬유가 탄화 및 흑연화된 섬유일 수 있다.
상기 천연 섬유는 셀룰로오스 섬유, 단백질 섬유 및 광물성 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 셀룰로오스 섬유는, 예를 들어, (i) 면 또는 케이폭 등과 같은 종자섬유, (ii) 아마, 저마, 대마, 또는 황마 등과 같은 줄기섬유, (iii) 야자섬유와 같은 과실섬유, 및 (iv) 마닐라마(아바카) 또는 사이잘마와 같은 잎섬유를 들 수 있다. 또한, 상기 단백질 섬유는, 예를 들어, (i) 양모 섬유, (ii) 견 섬유 및 (iii) 헤어 섬유를 들 수 있다. 상기 광물성 섬유는, 예를 들어, (i) 글라스울 및 미네라울과 같은 인조광물섬유, 및 (ii) 유리, 암석, 기타 광물질이 고온에서 액화시켜 섬유화된 석면을 들 수 있다. 구체적으로, 상기 천연 섬유는 면, 마, 모 및 견으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 인조 섬유는 유기질 섬유 및 무기질 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 유기질 섬유는, 예를 들어, (i) 레이온, 텐셀(라이오셀), 모달 등과 같은 셀룰로오스계 섬유, 또는 단백질계 섬유를 포함하는 재생 섬유, (ii) 아세테이트, 트리아세테이트 등과 같은 셀룰로오스계 섬유를 포함하는 반합성 섬유, 또는 (iii) 폴리아미드계 섬유, 폴리에스테르계 섬유, 폴리우레탄계 섬유, 폴리에틸렌계 섬유, 폴리염화비닐계 섬유, 폴리플루오르에틸렌계 섬유, 폴리비닐알코올계 섬유, 아크릴계 섬유 또는 폴리프로필렌계 섬유와 같은 합성 섬유를 들 수 있다. 구체적으로, 상기 인조 섬유는 나일론, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리플루오로에틸렌, 폴리비닐알코올, 아크릴 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 합성 섬유; 또는 레이온, 아세테이트 및 트리아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 셀룰로오스계 섬유를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 내층은 피치 20 ㎛ 내지 200 ㎛ 및 폭 60 ㎛ 내지 200 ㎛의 격자구조를 포함할 수 있다.
상기 흑연 외층은 상기 내층의 단면 또는 양면을 덮을 수 있다. 구체적으로, 상기 흑연 외층은 흑연 내층의 일면에 피복되는 제1 흑연 외층과 상기 흑연 내층의 다른 일면에 피복되는 제2 흑연 외층으로 이루어지며, 상기 제1 흑연 외층과 제2 흑연 외층의 일부가 서로 연결될 수 있다.
상기 흑연 외층은 고분자 수지가 흑연화된 것일 수 있다. 또한, 상기 흑연 외층은 천연 흑연 또는 팽창 흑연을 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 폴리이미드, 폴리아믹산, 폴리염화비닐, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리플루오르에틸렌, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 수지는 중량평균분자량 200,000 g/mol 내지 300,000 g/mol인 폴리이미드, 폴리아믹산 및 폴리염화비닐로 이루어진 군 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 섬유 기재 및 상기 섬유 기재의 일면 또는 양면에 고분자 코팅층을 포함하는 다층체를 제조한 후, 상기 다층체를 일체로 탄화 및 흑연화시켜 제조될 수 있다. 소정의 온도에서 탄화 및 흑연화시키는 공정을 진행함으로써, 상기 다층체를 이루는 섬유 기재 및 고분자 코팅층은 모두 흑연화되며, 이로써 그라파이트 시트가 제조될 수 있다.
상기 그라파이트 시트를 상술한 바와 같은 다층체를 흑연화시켜 제조할 경우, 비교적 두꺼운 두께 및 우수한 열전도도를 갖는 그라파이트 시트를 저렴하게 제조할 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 고분자 코팅층 하나의 두께는 30 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 코팅층을 상기 섬유 기재의 양면에 형성하는 경우, 이층의 고분자 코팅층의 총 두께는 60 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 고분자 코팅층의 두께가 상기 두께 범위로 형성될 때, 상기 적층체는 탄화 및 흑연화된 이후 상기 그라파이트 시트의 표면 상에 상기 섬유 기재로부터 유래된 직조 구조가 드러날 수 있다.
상기 섬유 기재는 천연 섬유 및 인조 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 천연 섬유 및 인조 섬유는 상기 내층에서 설명한 바와 같다.
상기 고분자 코팅층은 상기 외층의 고분자 수지에서 설명한 바와 같다.
또한, 상기 그라파이트 시트는 피치 20 ㎛ 내지 200 ㎛ 및 폭 60 ㎛ 내지 200 ㎛의 격자 구조를 포함할 수 있다.
도 8 및 9를 참조하면, 상기 그라파이트 시트는 위사와 경사가 직조된 직물 형태의 표면 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 위사(A) 및 상기 경사(B)는 그 폭(d1, d2)이 각각 20 ㎛ 내지 200 ㎛, 30 ㎛ 내지 170 ㎛, 또는, 50 ㎛ 내지 170 ㎛일 수 있다. 또한, 상기 위사(A) 및 상기 경사(B)는 그 피치(P1, P2)가 각각 20 ㎛ 내지 200 ㎛, 30 ㎛ 내지 170 ㎛, 또는 50 ㎛ 내지 170 ㎛일 수 있다.
또한, 상기 그라파이트 시트의 표면 구조는 위사(A) X 경사(B)가 80 내지 130 X 100 내지 150 count/inch를 만족할 수 있다. 예를 들어, 상기 그라파이트 시트의 표면 구조는 위사(A) X 경사(B)가 130 X 150 count/inch, 100 × 120 count/inch, 또는 80 X 100 count/inch를 만족할 수 있다.
상기 그라파이트 시트는 전술한 표면 구조를 가짐으로써 표면에 소정의 조도를 가질 수 있다. 구체적으로, 도 8을 참조할 때, 상기 그라파이트 시트의 표면은 상기 위사(A) 및 상기 경사(B)가 중첩되는 부분(C)과 중첩되지 않는 부분(D) 사이의 단차가 발생하게 된다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트의 표면 조도(Ra)는 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다(도 10 참조). 보다 구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 표면 조도(Ra)가 1 ㎛ 내지 8 ㎛, 또는 2 ㎛ 내지 6 ㎛일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트의 두께는 0.01 mm 내지 1 mm이다. 구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 두께가 0.5 mm 내지 1 mm, 0.01 mm 내지 0.5 mm, 0.01 mm 내지 0.2 mm, 0.01 mm 내지 0.1 mm, 또는 0.05 mm 내지 0.1 mm일 수 있다.
그라파이트 시트의 두께가 상기 범위 내일 때, 열용량 측면에서 유리할 수 있다.
상기 그라파이트 시트는 5 mm의 곡률 반경(R), 180도의 절곡 각도, 0.98 N의 하중 및 90 회/분의 절곡 속도 조건에서 수행한 MIT 굴곡성 시험 결과, 파단되기까지의 왕복 절곡 횟수가 10,000회 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 그라파이트 시트는 상기 MIT 굴곡성 시험 결과, 파단되기까지의 왕복 절곡 횟수가 10,000 내지 20,000 회, 10,000 내지 18,000 회, 또는 10,000 내지 15,000 회일 수 있다.
상기 그라파이트 시트는 50℃에서의 비열이 0.5 J/gK 내지 1.0 J/gK, 0.5 J/gK 내지 0.9 J/gK, 0.6 J/gK 내지 0.9 J/gK, 또는 0.7 J/gK 내지 0.9 J/gK일 수 있다. 상기 그라파이트 시트의 밀도는 0.5 g/㎤ 내지 2.5 g/㎤, 0.5 g/㎤ 내지 2.0 g/㎤, 또는 0.8 g/㎤ 내지 2.0 g/㎤일 수 있다.
탄성 시트
상기 탄성 시트는 고분자 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄성 시트는 비닐계 고분자를 포함할 수 있다.
상기 비닐계 고분자는 폴리비닐 부티랄 및 폴리에틸렌-비닐 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 비닐계 고분자는 폴리비닐 부티랄 또는 폴리에틸렌-비닐 아세테이트일 수 있다.
상기 고분자 수지는 중량평균분자량이 100,000 g/mol 내지 500,000 g/mol, 100,000 g/mol 내지 300,000 g/mol, 또는 100,000 g/mol 내지 200,000 g/mol일 수 있다.
상기 탄성 시트의 두께는 0.5 mm 내지 1 mm, 1 mm 내지 3 mm, 또는 3 mm 내지 5 mm일 수 있다. 탄성 시트의 두께가 상기 범위 내일 때, 배터리 셀의 충전 및 방전시 발생하는 수축 및 팽창을 완충하여 배터리의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 탄성 시트는 0℃ 내지 50℃ 에서의 열팽창계수가 0.1 ppm/℃ 내지 0.5 ppm/℃이고, 온도 20℃ 및 주파수 50 ㎐ 내지 100 ㎐에서 동적 저장탄성률이 1 X 106 Pa 내지 3 X 107 Pa일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄성 시트는 0℃ 내지 50℃에서의 열팽창계수가 0.1 ppm/℃ 내지 0.3 ppm/℃, 또는 0.15 ppm/℃ 내지 0.3 ppm/℃이고, 온도 20℃ 및 주파수 50 ㎐ 내지 100 ㎐에서 동적 저장탄성률이 1 X 106 Pa 내지 2 X 107 Pa, 또는 1 X 106 Pa 내지 5 X 106 Pa일 수 있다.
상기 탄성 시트는 인장 강도(tensile strength)가 10 ㎫ 내지 50 ㎫, 10 ㎫ 내지 40 ㎫, 또는 10 ㎫ 내지 30 ㎫이고, 상기 파단 신도가 150% 내지 400%, 150% 내지 350%, 또는 200% 내지 300%일 수 있다. 또한, 상기 탄성 시트는 면 방향 및 두께 방향의 열전도도가 0.01 W/mK 내지 0.8 W/mK, 0.1 W/mK 내지 0.8 W/mK, 0.1 W/mK 내지 0.6 W/mK, 또는 0.1 W/mK 내지 0.5 W/mK일 수 있다.
상기 인장 강도 및 파단 신도는 JIS K 6771에 기재된 방법으로 측정된 것일 수 있다. 또한, 상기 열전도도는 ASTM F 433에 기재된 방법으로 측정된 것일 수 있다.
상기 방열 시트와 탄성 시트가 가열 및 가압에 의해 접착되어 층 간에 물리적 경계가 없을 수 있다. 상기 가열 및 가압은 100℃ 내지 150℃로 가열 및 0.1 ㎫ 내지 0.5 ㎫로 가압할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트는 I자형일 수 있다(도 4 및 도 7참조).
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트가 적어도 하나의 만곡부를 갖는 형태일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 그라파이트 시트는 L자형 또는 U자형일 수 있다(도 5 및 도 6 참조).
배터리 셀 모듈
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 하우징; 상기 하우징 내에 병렬로 배치되는 복수의 배터리 셀; 및 상기 복수의 배터리 셀 사이에 개재되는 방열 시트;를 포함하고, 상기 방열 시트가 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함한다.
하우징
하우징은 복수의 배터리 셀 및 방열시트를 고정시키기 위한 것이다. 예를 들어, 상기 하우징은 알루미늄과 같은 금속 소재 또는 PC+ABS, PA, PP 등의 플라스틱 소재로서, 난연성, 내화학성, 절연성, 내구성 등의 기능이 있는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
배터리 셀
일 구현예에 따르면, 복수의 배터리 셀은 하우징 내에 병렬로 배치된다. 구체적으로, 요구되는 전력의 크기에 따라 배터리 셀의 개수가 결정되므로, 배터리 셀이 많이 배치될수록 많은 전력량을 공급할 수 있다.
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 종래의 금속 소재가 아닌 그라파이트 시트를 포함함으로써, 금속 소재에 비하여 부피가 작다. 따라서, 종래의 배터리 셀 모듈과 동일한 공간에서 배터리 셀의 장착수량을 늘릴 수 있으므로, 배터리 셀 모듈의 전력량을 증가시킬 수 있다. 나아가, 금속 소재에 비하여, 가볍고 유연한 장점이 있다.
방열 시트
상기 방열 시트는 상기 복수의 배터리 셀 사이에 개재되며, 그라파이트 시트 및 탄성 시트를 포함한다.
상기 그라파이트 시트 및 탄성 시트에 대한 설명은 전술한 바와 동일하다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층은 일면 또는 양면 접착층이고, 상기 제2 접착층이 양면 접착층일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층에 의해 상기 배터리 셀과 상기 방열 시트가 접착될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 제1 접착층이 절연성 및 방열성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 접착층이 절연성 및 방열성을 가질 경우, 방열 시트의 방열성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 접착층은 AC 2.0 kV 내지 3.5 kV에서 0.04 mA 이하의 누설전류를 견딜 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 상기 방열 시트의 면 방향의 열 전도도는 800 W/mK 내지 2,000 W/mK이다. 구체적으로, 900 W/mK 내지 2,000 W/mK, 1,000 W/mK 내지 1,800 W/mK, 1,200 W/mK 내지 2,000 W/mK 또는 1,200 W/mK 내지 1,800 W/mK일 수 있다.
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 상기 하우징의 적어도 일면에 방열판을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 배터리 셀 모듈은 상기 하우징의 하부에 방열판을 더 포함할 수 있고, 상기 방열 시트는 상기 방열판에 고정될 수 있다.
상기 방열판은 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 소재를 사용한 것으로, 내부에 냉각수가 흐르는 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈은 상기 하우징과 상기 방열판 사이에 열전달 물질층을 더 포함할 수 있다.
상기 열전달 물질층은 하우징의 하부에 위치하며, 배터리 셀로부터 이동된 열을 하부의 방열판으로 이동시키는데 효과적이다. 예를 들어, 상기 열전달 물질층은 아크릴계 수지, 실리콘계 수지 또는 우레탄계 수지를 포함할 수 있고, 방열 성능 측면에서 볼 때, 실리콘계 수지가 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면, 상기 방열판이 복수의 오목부를 포함하며, 상기 오목부에 상기 방열 시트가 위치할 수 있다(도 7 참조). 구체적으로 상기 오목부에 상기 방열 시트의 제1 접착층, 그라파이트 시트 및 제2 접착층이 위치할 수 있다.
일 구현예에 따른 배터리 셀 모듈(400, 500, 600, 700)은 상기 하우징 내부에 갭 필러(gap filler)를 더 포함할 수 있다(도 4 내지 7 참조).
도 4 내지 도 7은 구현예에 따른 배터리 셀 모듈의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4에는 상기 하우징(410) 내부에 복수의 배터리 셀(420)이 병렬로 배치되고, 상기 복수의 배터리 셀(420) 사이에 I자형의 방열 시트(480)가 개재되며, 상기 방열 시트(480)는 제1 접착층(482), 그라파이트 시트(483), 제2 접착층(484) 및 탄성 시트(481)를 포함하고, 상기 방열 시트(480) 및 배터리 셀(420)의 하부에 공극을 제거해주는 갭 필러(470)가 구비되며, 상기 하우징(410)의 하부에 열전달 물질층(450) 및 방열판(460)이 구비된 배터리 셀 모듈(400)이 예시되어 있다.
도 5에는 상기 하우징(510) 내부에 복수의 배터리 셀(520)이 병렬로 배치되고, 상기 복수의 배터리 셀(520) 사이에 L자형의 방열 시트(580)가 개재되며, 상기 방열 시트(580)는 제1 접착층(582), 그라파이트 시트(583), 제2 접착층(584) 및 탄성 시트(581)를 포함하고, 상기 방열 시트(580) 중 탄성 시트(581)의 하부에 공극을 제거해주는 갭 필러(570)가 구비되며, 상기 하우징(510)의 하부에 열전달 물질층(550) 및 방열판(560)이 구비된 배터리 셀 모듈(500)이 예시되어 있다.
도 6에는 상기 하우징(610) 내부에 복수의 배터리 셀(620)이 병렬로 배치되고, 상기 복수의 배터리 셀(620) 사이에 U자형의 방열 시트(680)가 개재되며, 상기 방열 시트(680)는 제1 접착층(682), 그라파이트 시트(683), 제2 접착층(684) 및 탄성 시트(681)를 포함하고, 상기 방열 시트(680) 중 탄성 시트(681)의 하부에 공극을 제거해주는 갭 필러(670)가 구비되며, 상기 하우징(610)의 하부에 열전달 물질층(650) 및 방열판(660)이 구비된 배터리 셀 모듈(600)이 예시되어 있다.
도 7에는 상기 하우징(710) 내부에 복수의 배터리 셀(720)이 병렬로 배치되고, 상기 복수의 배터리 셀(720) 사이에 I자형의 방열 시트(780)가 개재되며, 상기 방열 시트(780)는 제1 접착층(782), 그라파이트 시트(783), 제2 접착층(784) 및 탄성 시트(781)를 포함하고, 상기 방열 시트(780) 및 배터리 셀(720)의 하부에 공극을 제거해주는 갭 필러(770)가 구비되며, 상기 방열판(760)에 구비된 오목부에 상기 방열 시트(780)의 제1 접착층(782), 그라파이트 시트(783) 및 제2 접착층(784)이 위치한 배터리 셀 모듈(700)이 예시되어 있다.
[부호의 설명]
100, 200, 400, 500, 600, 700: 배터리 셀 모듈
110, 210, 410, 510, 610, 710: 하우징
120, 220, 420, 520, 620, 720: 배터리 셀
130, 230: 완충 패드
140: 냉각핀
150, 250, 450, 550, 650: 열전달 물질층
160, 260, 460, 560, 660, 760: 방열판
270, 470, 570, 670, 770: 갭 필러
300: 적층체
301, 481, 581, 681, 781: 탄성시트
302, 482, 582, 682, 782: 제1 접착층
303, 483, 583, 683, 783: 그라파이트 시트
304, 484, 584, 684, 784: 제2 접착층
480, 580, 680, 780: 방열시트
A: 위사 B: 경사
d1: 위사의 폭 d2: 경사의 폭
P1: 위사의 피치 P2: 경사의 피치
C: 위사 및 경사가 중첩되는 부분 D: 위사 및 경사가 중첩되지 않는 부분

Claims (18)

  1. 제1 접착층; 그라파이트 시트; 제2 접착층; 및 탄성 시트를 포함하고,
    상기 그라파이트 시트의 표면적이 상기 제1 접착층의 표면적보다 작은, 적층체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트의 표면적이 상기 제2 접착층 및 상기 탄성 시트의 표면적보다 작은, 적층체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트가 상기 제1 접착층, 상기 제2 접착층 및 상기 탄성 시트에 의해 밀봉되어 외부로 노출되지 않는, 적층체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접착층이 일면 또는 양면 접착층이고, 상기 제2 접착층이 양면 접착층인, 적층체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접착층 및 제2 접착층의 두께가 각각 0.005 mm 내지 0.1 mm인, 적층체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트의 두께가 0.5 mm 내지 1 mm인, 적층체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트의 표면 조도(Ra)가 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛인, 적층체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트가 I자형인, 적층체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트가 적어도 하나의 만곡부를 갖는 형태인, 적층체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트가 L자형 또는 U자형인, 적층체.
  11. 하우징;
    상기 하우징 내에 병렬로 배치되는 복수의 배터리 셀; 및
    상기 복수의 배터리 셀 사이에 개재되는 방열 시트;를 포함하고,
    상기 방열 시트가 제1 접착층, 그라파이트 시트, 제2 접착층 및 탄성 시트를 포함하는, 배터리 셀 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 접착층에 의해 상기 배터리 셀과 상기 방열 시트가 접착되는, 배터리 셀 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 접착층이 절연성 및 방열성을 갖는, 배터리 셀 모듈.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 방열 시트의 면 방향의 열전도도가 800 W/mK 내지 2,000 W/mK 인, 배터리 셀 모듈.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 하우징의 적어도 일면에 방열판을 더 포함하는, 배터리 셀 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하우징과 상기 방열판 사이에 열전달 물질층을 더 포함하는, 배터리 셀 모듈.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 방열판이 복수의 오목부를 포함하며, 상기 오목부에 상기 방열 시트가 위치하는, 배터리 셀 모듈.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 하우징 내부에 갭 필러(gap filler)를 더 포함하는, 배터리 셀 모듈.
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