WO2020130721A1 - 방열 유체 조성물 및 이를 포함하는 전지 모듈 - Google Patents

방열 유체 조성물 및 이를 포함하는 전지 모듈 Download PDF

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권경안
전문석
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a heat dissipation fluid composition, a method for manufacturing the same, and a battery module and a battery pack including the heat dissipation fluid composition.
  • Secondary batteries can be said to be the core technology of a smart grid that can store and charge and discharge large amounts of electricity by connecting several types of battery cells in series and in parallel. Studies to further increase the electric capacity of the battery are being actively conducted in each institution, which increases the operational mileage of the electric vehicle and makes it possible to utilize the stored electric energy in homes and industries to provide a rich life.
  • the heat dissipation fluid when materials such as water or ethylene glycol are used as the heat dissipation fluid, the electrical conductivity of the fluid is high, which may lead to a risk of explosion of the battery cell, and thus there is an oil fluid having high electrical insulation properties.
  • conventional engine oil, gear oil, silicone oil, mineral oil, etc. are known as heat transfer oils.
  • such a fluid has a problem of insufficient heat dissipation satisfactorily to generate heat due to repeated high-speed charge/discharge of the battery.
  • Patent Document 0001 Korean Patent Publication No. 10-2017-0051024
  • the present specification is intended to provide a heat dissipation fluid composition that is excellent in heat dissipation properties and at the same time maintains excellent heat dissipation properties after long-term use because the used inorganic particles do not precipitate.
  • the present invention is to provide a method for producing the heat dissipation fluid composition.
  • the present invention is to provide a battery module, including the heat dissipation fluid composition.
  • the present invention is to provide a battery pack, including the battery module.
  • the dielectric constant is 45 or less, 5 to 200 parts by weight of the first fluid
  • the non-conductive oil and the first fluid are phase separated
  • thermoplastic material composition Provided is a heat dissipating fluid composition.
  • the present invention also relates to the present invention.
  • the non-conductive oil and the first fluid are phase-separated, and provides a method for producing a heat dissipating fluid composition.
  • the present invention is also a module case; A battery cell mounted inside the module case; And the heat dissipation fluid composition filled inside the module case.
  • the present invention also provides a battery pack comprising two or more battery modules and a pack case accommodating the battery modules.
  • the heat dissipation fluid composition according to the present invention specifically, the heat dissipation fluid composition for a battery module, has excellent heat dissipation properties, and at the same time, has excellent heat dissipation properties even during repeated charge and discharge cycles because inorganic particles contained regardless of the viscosity of the composition do not precipitate Can be maintained.
  • 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 cross-sectional view illustrating a side surface of a battery module according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a graph schematically showing a temperature change of a battery cell during charging and discharging according to an embodiment.
  • Figure 4 is a photograph of the heat dissipation fluid composition prepared in Example 1.
  • first and second are used to describe various components, and the terms are used only to distinguish one component from other components.
  • each layer or element when each layer or element is referred to as being formed “on” or “above” each layer or element, it means that each layer or element is formed directly on top of each layer or element, or other It means that a layer or element can be additionally formed between each layer, on an object or substrate.
  • the dielectric constant is A first fluid of 45 or less, 5 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of the nonconductive oil;
  • the non-conductive oil and the first fluid are characterized in that they are phase separated.
  • inorganic particles have been used to improve heat dissipation properties, but there has been a problem that these inorganic particles are precipitated in the composition and do not contribute to improvement of heat dissipation properties over time. .
  • the heat dissipation fluid composition according to the present invention includes two types of liquid, non-conductive oil and a first fluid, which are immiscible with each other.
  • the non-conductive oil and the first fluid are phase-separated' means that the two liquids are not mixed with each other and are divided into two layers, and after a certain time has elapsed after mixing the two liquids, For example, after about 5 minutes, it can be confirmed that 90% or more, or 95 to 100% of the two liquid layers are separated into separate layers.
  • the first fluid is located in the upper layer of the heat dissipating fluid composition, and the non-conductive oil is located in the lower layer.
  • the hollow inorganic particles present in the phase-separated composition do not precipitate even after a long period of time, regardless of the viscosity of the fluid used, thereby contributing to the improvement of the heat dissipation properties. Accordingly, the heat dissipation fluid composition is repetitive of the secondary battery. It can maintain excellent heat dissipation properties even during charging and discharging, and is suitable for use in a battery module for secondary batteries.
  • the heat dissipation fluid composition may further include a second fluid miscible with the first fluid.
  • the fact that the first and second fluids are miscible means that after mixing the two fluids for a certain period of time, for example, after about 5 minutes, 50% or more of the two fluid layers, or 80 to 100%, are separate. It can be confirmed that it does not separate into a layer of, but remains as a single fluid layer.
  • the second fluid may be located in the hollow of the hollow inorganic particles.
  • the hollow inorganic particles including the second fluid are impregnated into the hollow interior of the hollow inorganic particles in the process of pre-mixing the hollow inorganic particles and the second fluid before being mixed with the non-conductive oil and the first fluid. It may be manufactured, it will be described later in detail.
  • the second fluid is present in the hollow of the hollow inorganic particles, unlike the hollow inorganic particles in which the second fluid is not present in the hollow, the density of the hollow inorganic particles is lowered so that precipitation in the heat dissipating fluid composition can be prevented. have.
  • the second fluid is miscible with the first fluid, but since it is not miscible with the non-conductive oil, the hollow inorganic particles are present in the upper portion of the heat dissipating fluid composition due to the second fluid. Since it tends to be located on the fluid side, precipitation can be further prevented.
  • the non-conductive oil according to the present invention combines the hollow inorganic particles and the fluid, and at the same time, phase-separates from the fluid to suppress precipitation of the hollow inorganic particles, thereby maintaining excellent heat dissipation performance.
  • the non-conductive oil an oil having high electrical insulation property that does not pose a risk of cell explosion due to lack of electrical conductivity may be used. Therefore, the non-conductive oil may be a non-polar material having a relative dielectric constant of 5 or less.
  • the non-conductive oil is at least one selected from the group consisting of mineral oil, silicone oil and vegetable oil.
  • the mineral oil may be an aliphatic mineral oil or an aromatic mineral oil.
  • the silicone oil may be a silicone oil having no hydroxyl group at the molecular end.
  • the vegetable oil may be soybean oil, palm oil, palm oil, cottonseed oil, camellia oil, or hydrogenated oil.
  • silicone oil or vegetable oil is used as the non-conductive oil.
  • the non-conductive oil is soybean oil that can maintain excellent heat dissipation performance while having excellent insulation properties.
  • the first fluid according to the present invention has a relative dielectric constant value of 45 or less, and does not cause electrical problems at the same time,
  • a thermally conductive fluid having a thermal conductivity value of at least 0.10 W/m ⁇ K, preferably 0.12 W/m ⁇ K to 0.3 W/m ⁇ K at 20° C., and showing excellent thermal conductivity may be used.
  • the relative dielectric constant of the first fluid is 5 or more, or 10 or more, or 15 or more, and may be 45 or less, or 35 or less, or 30 or less.
  • the relative dielectric constant of the first fluid exceeds 45, it is irrelevant to heat dissipation performance or physical properties, but when included in the battery module, it may cause an electrical problem such as an explosion of the cell.
  • the relative dielectric constant value of the first fluid is too low, it may not be phase-separated from the non-conductive oil, which is not suitable. For example, phase separation may occur effectively when the difference in relative dielectric constant between the non-conductive oil and the first fluid is 10 or more.
  • the difference in Hansen solubility parameter between the non-conductive oil and the first fluid is 4.5 Mpa 1/2 or more, preferably 5 Mpa 1/2 or more, and is phase-separable, which is preferable to prevent precipitation of hollow inorganic particles.
  • the relative dielectric constant may be measured under a condition of a liquid volume of 42 ml and a temperature of 25° C. using a dielectric constant measuring instrument (Sun Ray Tech, model name 871) as a ratio of the dielectric constant of the medium and the dielectric constant of the vacuum.
  • the first fluid may be ethanol, 2-propanol, or 2-methylpropanol (iso-butanol).
  • the relative dielectric constants of ethanol, 2-propanol and 2-methylpropanol measured using the dielectric constant meter under the above-described conditions are 24.6, 18.3 and 17.3, respectively, and are suitable for use in the heat dissipating fluid composition.
  • the first fluid may have a lower density value than the non-conductive oil.
  • the first fluid may have a density value of 0.6 to 0.85 g/mol at 25°C
  • the non-conductive oil may have a density value of 0.86 to 0.95 g/mol at 25°C.
  • a first fluid may be located in an upper layer portion of the heat dissipating fluid composition, and a non-conductive oil may be placed in a lower layer portion.
  • the first fluid may be included in the heat dissipating fluid composition with respect to 100 parts by weight of the non-conductive oil, 5 to 200 parts by weight, or 5 to 150 parts by weight, or 10 to 100 parts by weight.
  • content of the first fluid is less than 5 parts by weight, there may be a problem that the heat dissipation performance is lowered, and when it is contained in excess of 200 parts by weight, the hollow inorganic particles may be precipitated, which is not preferable.
  • the hollow (hollow) inorganic particles As the hollow (hollow) inorganic particles according to the present invention, silica (however, fumed silica (excluding fumed silica)), alumina (however, except for fumed alumina), alumino silicate, aluminum nitride (AIN), silicon nitride One or more selected from the group consisting of (Si 3 N 4 ) and boron nitride (BN) may be used.
  • the hollow inorganic particles are hollow silica or hollow alumina. At this time, in the case of fumed silica and fumed alumina, the hollow particle size is very small as less than a few nm, so the second fluid is difficult to penetrate into the hollow and thus is excluded.
  • the hollow inorganic particles have a primary average particle diameter of 300 nm to 5 ⁇ m, or 500 nm to 5 ⁇ m, or 500 nm to 3 ⁇ m, and a hollow particle size of 50 nm to 4 ⁇ m, or 100 nm to 2 It is preferable from the viewpoint of improving heat dissipation properties.
  • the primary average particle diameter and the hollow particle size of the hollow inorganic particles mean the average particle diameter and the hollow particle diameter of the primary particles that are not aggregated between the hollow inorganic particles, and the scanning electron microscope (SEM). Can be measured using. Specifically, after 20 particles are selected using a scanning electron microscope, the particle diameter and the hollow particle diameter of each of these particles are measured using an icon bar capable of measuring the diameter, and then each particle diameter is determined using an arithmetic mean. Can be obtained.
  • the hollow inorganic particles may be included in the heat dissipating fluid composition with respect to 100 parts by weight of the non-conductive oil, 5 to 50 parts by weight, or 5 to 40 parts by weight, or 5 to 30 parts by weight.
  • the content of the hollow inorganic particles is contained less than 5 parts by weight
  • the heat dissipation performance is lowered, and when it is contained in an amount exceeding 50 parts by weight, the hollow inorganic particles may precipitate, which is not preferable.
  • the heat dissipation fluid composition according to the present invention may further include a second fluid miscible with the first fluid, and at least a portion of the second fluid or all of the second fluid It may be located in the hollow of the hollow inorganic particles.
  • a second fluid miscible with the first fluid means that the second fluid is not phase-separated from the first fluid and is mixed with the non-conductive oil.
  • the second fluid has a relative dielectric constant of 45 or less, or 15 to 45, and at the same time, a difference in Hansen solubility parameter from the first fluid is less than 4.5 Mpa 1/2, preferably less than 4 Mpa 1/2. It is desirable to be miscible with the first fluid without causing electrical problems to prevent precipitation of hollow inorganic particles.
  • the second fluid may have a relative dielectric constant difference of 10 or more and a Hansen solubility parameter difference of 4.5 Mpa 1/2 or more, and preferably 5 Mpa 1/2 or more, with respect to the non-conductive oil.
  • Hansen solubility parameter is a value calculated in consideration of interactions between molecules as a criterion for determining whether substances are miscible, and a total solubility parameter (Hildebrand solubility parameter, ⁇ ) of Equation 1 below.
  • ⁇ total solubility parameter
  • Equation 1 ⁇ d is a dispersion component according to van der Waals forces, ⁇ P is a polar component related to a dipole moment, and ⁇ h is a hydrogen bonding component. .
  • the second fluid is a thermally conductive fluid, and may have a thermal conductivity value of 0.10 W/m ⁇ K or higher, preferably 0.12 W/m ⁇ K to 0.3 W/m ⁇ K at 20°C.
  • the heat dissipation properties of the composition of the heat dissipation fluid composition in the above-described range may be further improved.
  • the second fluid for example, Acetonitrile, propane-1,2-diol, or 1-octanol can be used.
  • first fluid and the second fluid may be the same or different. Specifically, it is preferable that the first fluid and the second fluid are different in terms of minimizing the movement of the second fluid from inside the hollow particle to the first fluid.
  • the sum of the hollow inorganic particles and the second fluid is 10 to 100 parts by weight, or 10 to 80 parts by weight, or 10 to 60 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the non-conductive oil in the heat dissipating fluid composition. to be. That is, in the heat dissipating fluid composition, the second fluid may be included in an amount of 5 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the non-conductive oil. Precipitation of the hollow inorganic particles is suppressed by the tendency to be miscible with the first fluid of the second fluid in the above-described range, and excellent heat dissipation performance can be maintained.
  • the above-described heat dissipation fluid composition may have a dispersion stability of 90% or more measured to confirm the degree of precipitation of inorganic particles over time.
  • the dispersion stability is expressed as a percentage by measuring the highest height of the particle layer that has sunk after 30 days compared to the highest height of the particle layer at that time after containing a certain amount in the mass cylinder, preferably 95% or more, more preferably It may be 99% or more, and most preferably 100% or more.
  • the heat dissipation fluid composition having the dispersion stability in the above-described range is prevented from sedimentation of inorganic particles even after a long period of time, so that excellent heat dissipation properties can be maintained even during repeated charge and discharge of the battery.
  • a method of making a heat dissipating fluid composition is provided.
  • the non-conductive oil and the first fluid are phase-separated, and at least a portion of the second fluid is located in the hollow of the hollow inorganic particles, so that the As the precipitation of the hollow inorganic particles in the heat dissipating fluid composition is prevented, the electrical insulation and heat dissipation properties are excellent, and these excellent heat dissipation properties can be maintained even for long-term use.
  • the step (a) is a step of mixing the non-conductive oil and the first fluid in advance, and mixing in the step may be performed without limitation by a method commonly known for mixing liquid phases.
  • the step (b) is a step of preparing a second mixture comprising hollow inorganic particles in which at least a portion of the second fluid is located in the hollow, wherein stirring in the step is performed by a ball mill, and the By stirring, at least a portion of the second fluid may be introduced into the hollow of the hollow inorganic particles.
  • Stirring by the ball mill is a method of mixing the hollow inorganic particles and the second fluid by mechanical friction, while effectively decomposing hollow inorganic particles that are aggregated and present in the form of secondary particles into primary particles. Since it is in contact with the second fluid, it is possible to effectively impregnate the second fluid into the hollow of the hollow inorganic particles and improve the dispersibility of the hollow inorganic particles in the heat dissipation fluid composition.
  • the ball mill used in the step may be, for example, a cylindrical container containing a metal ball, preferably a rotatable cylindrical container containing a metal ball.
  • the type of the metal ball is not limited, but may be preferably a zirconia ball.
  • the particle diameter of the metal ball used may be 0.5 to 2 mm, or 0.5 to 1.5 mm, and the stirring speed of the metal ball is preferably in the range of 100 to 200 rpm.
  • the second mixture 10 to 100 parts by weight of at least a portion of the second fluid is introduced into the hollow of the hollow inorganic particles, the hollow inorganic particles and the second fluid are respectively 5 to 100 parts by weight of the non-conductive oil 50 parts by weight may be included.
  • steps (a) and (b) may be performed by changing the order.
  • the step (c) is a step of mixing the obtained first mixture and the second mixture to obtain a heat dissipating fluid composition in which the non-conductive oil and the first fluid are phase-separated, and mixing in the step is performed in the art. It can be made without limitation by a commonly used method. Specifically, the second mixture is mixed with the first mixture such that the sum of the hollow inorganic particles and the second fluid is 10 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the non-conductive oil.
  • the hollow inorganic particles are contained in 5 to 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the non-conductive oil, and the hollow inorganic particles are not precipitated while exhibiting excellent heat dissipation performance. It is possible to produce a heat dissipating fluid composition.
  • the module case A battery cell mounted inside the module case; And it is provided with a battery module including the above-described heat dissipation fluid composition filled in the module case.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a battery module including a module case and a battery cell according to an embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a side surface of a battery module according to an embodiment.
  • a battery module according to the present invention includes a battery cell inside a module case and an external plate electrically connecting the battery cell and an external device (not shown), illustrated in the drawing
  • the heat dissipation fluid composition according to the present invention has a structure filled to a certain height as required within a range of 90% or less compared to the inner height of the module case.
  • temperature lines may be attached to several locations of the module case and the battery cell to measure the temperature inside the module during charge and discharge.
  • the module case aluminum, plastic, stainless steel, or a combination of two or more of them may be used.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the heat dissipation fluid composition may be filled up to 90% or less, or 30% to 80% of the total height inside the module case.
  • the battery module according to the present invention is mounted in a module case in which a battery cell as a heating element is an enclosure, and has a structure in which the above-described heat dissipation fluid composition is filled.
  • the arrow direction in this drawing It means the direction of heat that is generated.
  • the battery cell may have a maximum voltage of less than 65 V, or 20 V to 55 V, and when the above-described range is satisfied, an electrical problem due to the high voltage may not be caused.
  • the battery pack according to the present invention has excellent internal electrical insulation, and heat that causes a battery explosion is rapidly released.
  • the hollow inorganic particles of the heat-dissipating fluid composition contained in the battery module are not precipitated even after repeated charge and discharge. Heat dissipation characteristics can be maintained.
  • the battery pack may include 2 to 30 or 5 to 20 battery modules as described above, and may have excellent electrical characteristics and heat generation performance within the range.
  • Phase separation occurs in a separate layer after about 5 minutes after 50 parts by weight of ethanol compared to 100 parts by weight of soybean oil is added to soybean oil (Snow White Soybean Oil, manufactured by CJ CheilJedang) in a 1L capacity cylindrical reactor. Upon confirmation, a first mixture was prepared. In another cylinder of 1L capacity containing 1 kg of zirconia balls with a diameter of 1 mm, hollow silica particles (manufactured by LG Chem) having a primary average particle diameter of 1 ⁇ m and a hollow particle diameter of 600 nm were added to the soybean oil.
  • the prepared heat dissipation fluid composition is ethanol (density: 0.789 g/ml, Hansen solubility parameter: 26.5 MPa 1/2 ) in the upper part, soybean oil (density: 0.917 g/ml, Hansen solubility parameter in the lower part) : 16 MPa 1/2 ).
  • the viscosity of the composition was 500 cP at 20°C and 320 cP at 30°C. At this time, the viscosity of 15.5 g of the sample was measured at 50 rpm using spindle SC4-27 using a DV-II+Pro, RV model equipment from Brookfield.
  • Example 1 instead of the hollow silica, except for using a hollow alumina (manufactured by LG Chem, Inc.) having a primary average particle size of 1 ⁇ m and a hollow particle size of 500 nm, a heat dissipating fluid was used in the same manner as in Example 1.
  • the composition was prepared.
  • the prepared heat dissipation fluid composition had a viscosity of 470 cP at 20°C and 300 cP at 30°C.
  • a heat dissipating fluid composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that 2-propanol was used instead of ethanol in Example 1.
  • the prepared heat dissipation fluid composition was phase-separated with 2-propanol (density: 0.786 g/ml, Hansen solubility parameter: 23.6 MPa 1/2 ) in the upper part, and soybean oil (density: 0.917 g/ml) in the lower part, and the viscosity of the composition was 530 cP at 20°C and 460 cP at 30°C.
  • a heat dissipating fluid composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that silicone oil (DMX 200F, manufactured by Saehan silichem) was used instead of soybean oil in Example 1.
  • the prepared heat dissipation fluid composition was phase-separated with ethanol (density: 0.789 g/ml) in the upper layer, and silicone oil (density: 0.917 g/ml, Hansen solubility parameter: 16 MPa 1/2 ) in the lower layer, and the viscosity of the composition was 20°C. At 450 cP, it was 300 cP at 30°C.
  • a heat radiation fluid composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that propane-1,2-diol (Hansen solubility parameter: 30.2 MPa 1/2 ) was used instead of acetonitrile in Example 1.
  • the prepared heat dissipation fluid composition had a viscosity of 520 cP at 20°C and 400 cP at 30°C.
  • Example 1 instead of 50 parts by weight of ethanol, 70 parts by weight of ethanol, a primary average particle diameter of 1 ⁇ m, a hollow silica particle having a hollow particle diameter of 600 nm, a primary average particle diameter of 2 ⁇ m, and a hollow particle diameter of 800 nm
  • a heat radiation fluid composition was prepared using the same method as in Example 1, except that silica particles (manufactured by LG Chem) were used in 50 parts by weight of acetonitrile instead of 30 parts by weight of acetonitrile.
  • the viscosity of the prepared heat dissipating fluid composition was 400 cP at 20°C and 250 cP at 30°C.
  • a heat dissipation fluid composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that 300 parts by weight of ethanol was used instead of 50 parts by weight of ethanol in Example 1 and 150 parts by weight of acetonitrile in place of 30 parts by weight of acetonitrile.
  • a heat radiation fluid composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 parts by weight of ethanol was used instead of 50 parts by weight of ethanol in Example 1 and 5 parts by weight of acetonitrile in place of 30 parts by weight of acetonitrile.
  • Example 1 instead of 30 parts by weight of the hollow silica particles having a primary average particle diameter of 1 ⁇ m and a hollow particle diameter of 600 nm, the primary average particle diameter is 100 nm and hollow silica particles having a hollow particle diameter of 50 nm (manufactured by LG Chem) )
  • a heat radiation fluid composition was prepared using the same method as in Example 1, except that 70 parts by weight of acetonitrile was used instead of 30 parts by weight of acetonitrile.
  • Example 1 except for using 30 parts by weight of ordinary silica particles (7000GR, manufactured by JSI Silicone) having no hollow instead of 30 parts by weight of hollow silica particles having a primary average particle size of 1 ⁇ m and a hollow particle size of 600 nm. , Using the same method as in Example 1 to prepare a heat radiation fluid composition.
  • ordinary silica particles 7000GR, manufactured by JSI Silicone
  • a heat dissipating fluid composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that 50 parts by weight of t-butanol, which was not phase separated from soybean oil, was used instead of 50 parts by weight of ethanol in Example 1.
  • Example 1 Pyridine immiscible with ethanol instead of 30 parts by weight of acetonitrile in Example 1 (Hansen solubility parameter: 21.8 MPa 1/2 )
  • a heat radiation fluid composition was prepared using the same method as in Example 1, except that 30 parts by weight was used.
  • a heat dissipation fluid composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 parts by weight of silica was used in Example 1 instead of 30 parts by weight.
  • FIG. 3 the temperature change inside the battery cell during charging and discharging of the battery module is schematically illustrated in FIG. 3.
  • the battery cell when charging, the battery cell is heated to reach a maximum charging temperature, and then the battery cell is cooled in a resting period during which charging and discharging does not occur. It can be seen that the temperature is reached. Therefore, it is possible to determine whether the heat dissipation fluid composition rapidly discharges heat generated from the battery cell during charging and discharging by checking the maximum temperature inside the battery cell, such as the maximum charging temperature and the maximum charging temperature. Thus, in this experimental example, the maximum discharge temperature was measured to confirm the heat dissipation characteristics.
  • the battery module of the embodiment in which the heat dissipation fluid composition according to the present invention is used the battery modules of Comparative Example 1 in which the conventional heat dissipation fluid is used, and Comparative Examples 2 to 2 in which the composition outside the scope of the present invention is used Compared to the battery module of 8, it can be seen that the dispersion stability is excellent, and the heat dissipation characteristics are excellent.

Abstract

본 발명은 방열 유체 조성물, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 우수한 방열 특성이 유지되는 방열 유체 조성물 및 이로부터 제조되는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다.

Description

방열 유체 조성물 및 이를 포함하는 전지 모듈
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2018년 12월 20일자 한국 특허 출원 제10-2018-0166727호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 방열 유체 조성물, 이의 제조 방법 및 상기 방열 유체 조성물을 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다.
이차 전지는 여러 종류의 전지셀을 직병렬로 연결시켜 대용량의 전기를 저장 및 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 이차 전지의 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 손실 등의 문제를 갖는다.
이에 따라 공냉식 방법을 대체하기 위해, 전지 셀이 포함된 모듈 내 부에 팬을 설치하지 않고 대신에 전지 셀을 유체에 함침시킴으로 방열 특성을 높이는 방법이 시도되고 있다.
그러나, 방열 유체로서 물이나 에틸렌 글리콜 등과 같은 물질들을 사용하는 경우에는 유체의 전기 전도도가 높아 전지 셀의 폭발 등의 위험을 초래할 수 있으므로, 높은 전기 절연성을 나타내는 오일류의 유체가 있으며. 현재까지는 기존의 엔진오일, 기어오일, 실리콘 오일, 광유 등이 열전달 오일로 알려져 있다. 그러나, 이러한 유체는 전지의 반복적인 고속 충방전에 따른 열발생을 만족스러울 정도로 방열시키기에는 미흡하다는 문제가 있었다.
이에 따라, 방열 특성을 보다 높이기 위해 열전도성 무기 입자를 방열 유체와 혼합하는 방법이 시도되었으나, 무기 입자의 무게에 의해 장시간이 지나면 무기 입자가 침전하게 되어 방열 특성이 현저히 저하되는 문제가 발생하였다.
따라서, 방열 특성이 우수하면서 동시에 이러한 방열 특성이 유지될 수 있도록 첨가된 무기 입자가 침전되지 않는, 방열 유체 조성물에 대한 연구가 절실히 요구되는 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 0001) 한국특허 공개번호 제10-2017-0051024호
본 명세서는, 방열 특성이 우수하면서 동시에, 사용된 무기 입자가 침전되지 않아 장기간 사용 후에도 우수한 방열 특성이 유지되는 방열 유체 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 방열 유체 조성물의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 방열 유체 조성물을 포함하는, 전지 모듈을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 전지 모듈을 포함하는, 배터리 팩을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은,
비전도성 오일;
상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여,
비유전율(dielectric constant)이 45 이하인, 제1 유체 5 내지 200 중량부; 및
중공 무기 입자 5 내지 50 중량부를 포함하고,
상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체는 상분리되어 있는,
방열 유체 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한,
(a) 비전도성 오일 및 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여 비유전율이 45 이하인 제1 유체 5 내지 200 중량부를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계;
(b) 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 중공 무기 입자 5 내지 50 중량부 및 상기 제1 유체와 혼화 가능한 제2 유체 10 내지 100 중량부를 교반하여 제2 혼합물을 제조하는 단계;
(c) 상기 제1 혼합물에 상기 제2 혼합물을 혼합하는 단계로, 상기 제2 혼합물은 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 상기 중공 무기 입자 및 상기 제2 유체의 합이 10 내지 100 중량부가 되도록 혼합되는 단계를 포함하고,
상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체는 상분리되어 있는, 방열 유체 조성물의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내부에 장착된 전지 셀; 및 상기 모듈 케이스 내부에 채워진 상기 방열 유체 조성물을 포함하는, 전지 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전지 모듈 두 개 이상 및 상기 전지 모듈을 수용하는 팩 케이스를 포함하는, 배터리 팩을 제공한다.
본 발명에 따른 방열 유체 조성물, 구체적으로 전지 모듈용 방열 유체 조성물은, 방열 특성이 우수하면서 동시에, 상기 조성물의 점도와 무관하게 포함되어 있는 무기 입자가 침전되지 않아 반복 충방전 사이클에도 우수한 방열 특성이 유지될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 모듈 케이스 및 전지 셀로 구성된 전지 모듈의 분해사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전지 모듈의 측면에 관한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 충방전 시 전지 셀의 온도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에서 제조한 방열 유체 조성물의 사진이다.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에 있어서, 각 층 또는 요소가 각 층들 또는 요소들의 "상에" 또는 "위에" 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층 또는 요소가 직접 각 층들 또는 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 층 또는 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
(방열 유체 조성물)
발명의 일 구현예에 따른 방열 유체 조성물은,
비전도성 오일;
비유전율(dielectric constant)이 45 이하인 제1 유체, 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여 5 내지 200 중량부; 및
중공 무기 입자, 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여 5 내지 50 중량부를 포함하고,
상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체는 상분리되어 있는 것을 특징으로 한다.
종래 전지 냉각 방식에서 사용된 방열 유체 조성물에는 방열 특성의 향상을 위해 무기 입자가 사용되어 왔으나, 시간이 경과됨에 따라 이러한 무기 입자가 조성물 내에서 침전되어 방열 특성 향상에 기여하지 못한다는 문제가 있어 왔다.
상기 문제점의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 방열 유체 조성물은 서로 혼화되지 않아(immiscible) 상분리되는 2종의 액체, 비전도성 오일과 제1 유체를 포함한다. 본 명세서에서 '상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체가 상분리되어 있다'는 것은 두 액체가 서로 혼화되지 않고 두 층으로 나누어 위치함을 것을 의미하는 것으로, 두 액체를 혼합한 후 일정 시간 경과 후, 예를 들어 5 분 정도 경과 후, 두 액체 층의 90% 이상, 혹은 95 내지 100%가 별도의 층으로 분리되는 것으로 확인 가능하다.
바람직하게는, 상기 방열 유체 조성물의 상층부에 제1 유체가 위치하고, 하층부에 비전도성 오일이 위치한다. 이렇게 상분리된 조성물 내에 존재하는 중공 무기 입자는 사용된 유체의 점도와는 무관하게 오랜 시간이 경과된 후에도 침전되지 않아 방열 특성의 향상에 기여할 수 있고, 이에 따라 상기 방열 유체 조성물은 이차 전지의 반복적인 충방전에도 우수한 방열 특성을 유지할 수 있어, 이차 전지용 전지 모듈에 사용되기에 적합하다.
또한, 상기 방열 유체 조성물은 상기 제1 유체와 혼화 가능한(miscible) 제2 유체를 더 포함할 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 유체가 혼화 가능하다 함은, 두 유체를 혼합한 후 일정 시간 경과 후, 예를 들어 5 분 정도 경과 후에도, 두 유체 층의 50% 이상, 혹은 80 내지 100%가 별도의 층으로 분리되지 않고, 단일 유체층으로 유지된 것으로 확인 가능하다.
특히, 상기 제2 유체 중 적어도 일부는 상기 중공 무기 입자의 중공 내에 위치할 수 있다. 이러한 제2 유체를 포함하는 중공 무기 입자는 비전도성 오일 및 제1 유체와 혼합되기 전, 중공 무기 입자와 제2 유체를 사전 혼합하는 과정에서 중공 무기 입자의 중공 내부에 상기 제2 유체가 스며들게 함으로써 제조될 수 있으며, 자세한 내용은 후술하도록 한다.
상기 중공 무기 입자의 중공 내에 제2 유체가 존재함에 따라, 중공 내 제2 유체가 존재하지 않는 중공 무기 입자와는 달리, 중공 무기 입자의 밀도가 낮아져 상기 방열 유체 조성물 내에서의 침전이 방지될 수 있다. 또한, 상기 제2 유체는 상기 제1 유체와는 혼화 가능하지만, 상기 비전도성 오일과는 혼화되지 않으므로, 상기 중공 무기 입자는 상기 제2 유체로 인하여 상기 방열 유체 조성물의 상층부에 존재하는 상기 제1 유체 쪽에 위치하려는 경향을 나타내게 되어, 침전이 더욱 방지될 수 있다.
이하, 발명의 일 구현 예에 따른 방열 유체 조성물에 대하여 구성 별로 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 비전도성 오일은 상술한 바와 같이 중공 무기 입자와 유체는 결합시키면서 동시에 상기 유체와는 상분리되어 중공 무기 입자의 침전을 억제시켜 우수한 방열 성능을 지속시키는 역할을 한다. 이러한 비전도성 오일로는 전기 전도성이 없어 셀의 폭발 등의 위험을 초래하지 않는 높은 전기 절연성을 나타내는 오일이 사용될 수 있다. 따라서, 상기 비전도성 오일은 비유전율이 5 이하인 비극성 물질일 수 있다.
구체적으로, 상기 비전도성 오일은 미네랄 오일, 실리콘 오일 및 식물성 오일로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이다. 상기 미네랄 오일은 지방족 광유, 또는 방향족 광유일 수 있다. 또한, 상기 실리콘 오일은 분자 말단에 수산화기가 없는 실리콘 오일일 수 있다. 또한, 상기 식물성 오일은 소이빈 오일(soybean oil), 야자유, 팜유, 면실유, 동백유, 또는 경화유일 수 있다.
바람직하게는, 상기 비전도성 오일로 실리콘 오일 또는 식물성 오일이 사용된다. 예를 들어, 상기 비전도성 오일은 절연성이 우수하면서 우수한 방열 성능을 지속시킬 수 있는 소이빈 오일이다.
또한, 본 발명에 따른 제1 유체로는, 45 이하의 비유전율 값을 가져 전기적 문제를 야기시키지 않으면서 동시에, 20℃ 에서 0.10 W/m·K 이상, 바람직하게는 0.12 W/m·K 내지 0.3 W/m·K의 열전도도 값을 가져 우수한 열전도성을 나타내는 열전도성 유체가 사용될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 유체의 비유전율은 5 이상, 또는 10 이상, 또는 15 이상이고, 45 이하, 또는 35 이하, 또는 30 이하일 수 있다. 상기 제1 유체의 비유전율이 45를 초과하는 경우 방열 성능 또는 물성과는 무관하나 전지 모듈에 포함 시 셀의 폭발과 같은 전기적 문제를 야기시킬 수 있다. 또한, 상기 제1 유체의 비유전율 값이 지나치게 낮은 경우 상기 비전도성 오일과 상분리되지 않을 수 있어 적합하지 않다. 예를 들어, 상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체의 비유전율 차이가 10 이상인 경우에 효과적으로 상분리가 일어날 수 있다. 동시에, 상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체와의 Hansen solubility parameter 차이가 4.5 Mpa1/2 이상, 바람직하게는 5 Mpa1/2 이상인 것이 상분리 가능하여 중공 무기 입자의 침전을 방지하기에 바람직하다.
상기 비유전율은 매질의 유전율과 진공의 유전율의 비로 유전율 측정기(선레이텍, 모델명 871)를 이용하여 액체 부피 42 ml 및 온도 25℃의 조건에서 측정될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 유체는 에탄올, 2-프로판올, 또는 2-메틸프로판올(iso-부탄올)일 수 있다. 상술한 조건으로 유전율 측정기를 이용하여 측정한 에탄올, 2-프로판올 및 2-메틸프로판올의 비유전율은 각각 24.6, 18.3 및 17.3으로, 상기 방열 유체 조성물에 사용하기에 적합하다.
또한, 상기 제1 유체는 상기 비전도성 오일보다 낮은 밀도 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 유체는 25℃에서의 밀도 값이 0.6 내지 0.85 g/mol이고, 상기 비전도성 오일은 25℃에서의 밀도 값이 0.86 내지 0.95 g/mol일 수 있다. 이에 따라, 상기 방열 유체 조성물의 상층부에 제1 유체가 위치하고, 하층부에 비전도성 오일이 위치할 수 있다.
이러한 제1 유체는 상기 방열 유체 조성물 내에 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 5 내지 200 중량부, 또는 5 내지 150 중량부, 또는 10 내지 100 중량부 포함될 수 있다. 상기 제1 유체의 함량이 5 중량부 미만으로 포함되는 경우 방열성능이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 200 중량부 초과하여 포함되는 경우 중공 무기 입자가 침전될 수 있어 바람직하지 않다.
또한, 본 발명에 따른 중공(hollow) 무기 입자로는 실리카(단, 흄드 실리카(fumed silica)는 제외됨), 알루미나(단, 흄드 알루미나는 제외됨), 알루미노 실리케이트, 질화 알루미늄(AIN), 질화실리콘(Si3N4) 및 질화붕소(BN)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 중공 무기 입자는 중공 실리카 또는 중공 알루미나이다. 이때, 흄드 실리카와 흄드 알루미나의 경우 중공 입경이 수 nm 미만으로써 매우 작아 제2유체가 중공 내부로 스며들기 어려워 제외된다.
또한, 상기 중공 무기 입자는 1차(primary) 평균 입경이 300 nm 내지 5 ㎛, 또는 500 nm 내지 5 ㎛, 또는 500 nm 내지 3 ㎛이고, 중공 입경이 50 nm 내지 4 ㎛, 또는 100 nm 내지 2 ㎛인 것이 방열 특성 향상 측면에서 바람직하다.
본 명세서에서 중공 무기 입자의 1차 평균 입경 및 중공 입경이라는 것은, 중공 무기 입자들끼리 뭉쳐지지 않은 1차 입자들(primary particles)의 평균 입경 및 중공 입경을 의미하는 것으로, 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 주사전자현미경을 이용하여 입자 20 개를 선출한 후, 직경을 잴 수 있는 아이콘 바(bar)를 이용하여 이들 입자 각각의 입경 및 중공 입경을 잰 다음, 산술 평균을 이용하여 각각의 입경을 구할 수 있다.
이러한 중공 무기 입자는 상기 방열 유체 조성물 내에 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 5 내지 50 중량부, 또는 5 내지 40 중량부, 또는 5 내지 30 중량부 포함될 수 있다. 상기 중공 무기 입자의 함량이 5 중량부 미만으로 포함되는 경우 방열 성능이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 50 중량부 초과하여 포함되는 경우 중공 무기 입자가 침전될 수 있어 바람직하지 않다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방열 유체 조성물은 상기 제1 유체와 혼화 가능한(miscible) 제2 유체를 더 포함할 수 있고, 이러한 제2 유체 중 적어도 일부, 또는 제2 유체의 전부가 상기 중공 무기 입자의 중공 내에 위치할 수 있다. 본 명세서에서 '상기 제1 유체와 혼화 가능하다'는 것은 상기 제2 유체가 상기 제1 유체와는 상분리되지 않고 섞이면서, 상기 비전도성 오일과는 혼화되지 않음을 의미한다.
따라서, 상기 제2 유체는 45 이하, 또는 15 내지 45의 비유전율을 가지면서, 동시에 상기 제1 유체와의 Hansen solubility parameter 차이가 4.5 Mpa1/2 미만 바람직하게는 4 Mpa1/2 미만인 것이 전기적 문제를 야기시키지 않으면서, 제1 유체와 혼화가능하여 중공 무기 입자의 침전을 방지하기에 바람직하다. 또한, 상기 제2 유체는 상기 비전도성 오일과는 비유전율 차이가 10 이상이면서, 동시에 Hansen solubility parameter 차이가 4.5 Mpa1/2 이상, 바람직하게는 5 Mpa1/2 이상인 것이 혼화되지 않을 수 있다.
여기서, Hansen solubility parameter라 함은 물질간의 혼화성 여부를 판단할 수 있는 기준으로 분자들 사이의 상호 작용을 고려하여 계산된 값으로, 하기 식 1의 Total solubility parameter(Hildebrand solubility parameter, δ) 값으로 나타낼 수 있다:
[식 1]
Figure PCTKR2019018229-appb-I000001
상기 식 1에서, δd는 반 데르 발스 힘에 따른 분산성 성분(Dispersion component)이고, δP는 쌍극자 모멘트와 관련된 극성 성분(Polar component)이며, δh 는 수소 결합 성분(Hydrogen bonding component)이다.
따라서, 상기 식 1로 계산되는 Hansen solubility parameter의 차이가 작을수록 혼화가 용이한 것으로 볼 수 있고, 그 차이가 클수록 혼화되지 않아 상분리가 가능한 것으로 볼 수 있다.
또한, 상기 제2 유체는 열전도성 유체로 20℃ 에서 0.10 W/m·K 이상, 바람직하게는 0.12 W/m·K 내지 0.3 W/m·K의 열전도도 값을 가질 수 있다. 상술한 범위에서 방열 유체 조성물의 조성물의 방열 특성이 더욱 향상될 수 있다.
이러한 제2 유체로는, 예를 들어 아세토니트릴, 프로판-1,2-디올, 또는 1-옥탄올이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체는 동일하거나, 또는 상이할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체는 제2 유체가 중공입자 내부에서 제1유체로의 이동을 최소화 한다는 측면에서 상이한 것이 바람직하다.
그리고, 상기 중공 무기 입자 및 상기 제2 유체의 합은, 상기 방열 유체 조성물 내에 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 10 내지 100 중량부, 또는 10 내지 80 중량부, 또는 상기 10 내지 60 중량부이다. 즉, 상기 방열 유체 조성물에서 상기 제2 유체는 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 5 내지 50 중량부 포함되어 있을 수 있다. 상술한 범위에서 상기 제2 유체의 상기 제1 유체와 혼화되려는 경향에 의해 중공 무기 입자의 침전이 억제되어, 우수한 방열 성능이 유지될 수 있다.
한편, 상술한 방열 유체 조성물은 시간 경과에 따른 무기 입자의 침전 정도를 확인하기 위해 측정한 분산 안정성이 90% 이상일 수 있다. 이때, 분산 안정성은 일정량을 매스 실린더에 담은 후 그 때의 입자 층의 최고 높이 대비 30일 이후 가라앉은 입자 층의 최고 높이를 측정하여 퍼센트로 나타낸 것으로, 바람직하게는 95% 이상, 보다 바람직하게는 99% 이상, 가장 바람직하게는 100% 이상일 수 있다. 상술한 범위의 분산 안정성을 갖는 방열 유체 조성물은, 장기간 후에도 무기 입자의 침전이 방지되어, 전지의 반복적인 충방전에도 우수한 방열 특성이 유지될 수 있다.
(방열 유체 조성물의 제조 방법)
한편, 발명의 다른 구현예에 따르면,
(a) 비전도성 오일 및 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여 비유전율이 45 이하인 제1 유체 5 내지 200 중량부를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계;
(b) 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 중공 무기 입자 5 내지 50 중량부 및 상기 제1 유체와 혼화 가능한 제2 유체 10 내지 100 중량부를 교반하여 제2 혼합물을 제조하는 단계;
(c) 상기 제1 혼합물에 상기 제2 혼합물을 혼합하는 단계로, 상기 제2 혼합물은 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 상기 중공 무기 입자 및 상기 제2 유체의 합이 10 내지 100 중량부가 되도록 혼합되는 단계를 포함하는,
방열 유체 조성물의 제조 방법이 제공된다.
상기의 제조 방법에 따라 제조된 방열 유체 조성물은, 상술한 바와 같이 상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체는 상분리되어 있으면서, 상기 제2 유체 중 적어도 일부가 상기 중공 무기 입자의 중공 내에 위치하여, 상기 방열 유체 조성물 내에서의 상기 중공 무기 입자의 침전이 방지됨에 따라, 전기 절연성 및 방열 특성이 우수하고 이러한 우수한 방열 특성이 장기간 사용에도 유지될 수 있다.
이하 각 단계 별로 상세히 설명한다. 이때, 상기 제조 방법에서 각 구성요소에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
상기 (a) 단계는, 상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체를 미리 혼합하는 단계로, 상기 단계에서 혼합은 액상을 혼합하는 데 통상적으로 알려진 방법으로 제한 없이 이루어질 수 있다.
상기 (b) 단계는, 중공 내에 제2 유체 중 적어도 일부가 위치하는 중공 무기 입자를 포함하는 제2 혼합물을 제조하는 단계로, 상기 단계에서의 교반은 볼밀(ball mill)에 의해 수행되고, 상기 교반에 의해 상기 제2 유체 중 적어도 일부가 상기 중공 무기 입자의 중공 내로 투입될 수 있다.
이러한 볼밀에 의한 교반은 상기 중공 무기 입자와 제2 유체를 기계적 마찰에 의해 혼합시키는 방법으로, 응집되어 2차 입자(secondary particle)의 형태로 존재하는 중공 무기 입자를 1차 입자로 효과적으로 분해시키면서 상기 제2 유체와 접촉시키기 때문에, 상기 제2 유체를 상기 중공 무기 입자의 중공으로 효과적으로 스며들게 함과 동시에 방열 유체 조성물 내의 중공 무기 입자의 분산성을 향상시킬 수 있다.
상기 단계에서 사용되는 볼밀은 일례로 금속 볼(ball)이 담겨있는 실린더형 용기, 바람직하게는 금속 볼이 담겨있는 회전 가능한 실린더형 용기일 수 있다. 상기 금속 볼로는 그 종류가 제한되지는 않으나, 바람직하게는 지르코니아 볼일 수 있다. 또한, 사용되는 금속 볼의 입경은 0.5 내지 2 mm, 또는 0.5 내지 1.5 mm일 수 있으며, 상기 금속 볼의 교반 속도는 100 내지 200 rpm의 범위인 것이 바람직하다. 상기와 같은 볼밀로 교반이 이루어지는 경우에, 응집체인 2차 입자의 중공 무기 입자가 1차 입자의 형태로 용이하게 분해될 수 있다.
다음으로, 교반에 사용된 볼밀을 제거하기 위하여, 상기 교반 후 일반적으로 알려진 방법을 통해 필터링하여 원하는 양의 제2 혼합물을 얻을 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 유체 중 적어도 일부가 상기 중공 무기 입자의 중공 내로 투입된 제2 혼합물 10 내지 100 중량부에는 상기 중공 무기 입자 및 상기 제2 유체는 각각 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여 5 내지 50 중량부로 포함되어 있을 수 있다.
이때, 상기 (a) 단계와 (b) 단계는 순서를 바꾸어 실시하여도 무관하다.
상기 (c) 단계는, 얻어진 상기 제1 혼합물과 상기 제2 혼합물을 혼합하여 상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체가 상분리된 방열 유체 조성물을 얻는 단계로, 상기 단계에서의 혼합은 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 방법으로 제한 없이 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 혼합물은 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 상기 중공 무기 입자 및 상기 제2 유체의 합이 10 내지 100 중량부가 되도록 상기 제1 혼합물에 혼합된다. 이때, 상기 중공 무기 입자 및 상기 제2 유체의 합에서, 상기 중공 무기 입자는 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여 5 내지 50 중량부로 포함되어 있어, 우수한 방열 성능을 나타내면서 중공 무기 입자가 침전되지 않은 방열 유체 조성물의 제조가 가능하다.
(전지 모듈)
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스 내부에 장착된 전지 셀; 및 상기 모듈 케이스 내부에 채워진 상술한 방열 유체 조성물을 포함하는 전지 모듈이 제공된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전지 모듈을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 모듈 케이스 및 전지 셀로 구성된 전지 모듈의 분해 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 전지 모듈의 측면에 대한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈은 모듈 케이스 내부에 전지 셀 (battery) 및 상기 전지 셀과 외부 기기(미도시)를 전기적으로 연결해주는 외부 단자(plate)를 구비하고, 도면에 도시되지는 않았으나, 본 발명에 따른 방열 유체 조성물이 상기 모듈 케이스의 내부 높이 대비 90% 이하의 범위 내에서 필요에 따라 일정 높이까지 채워져 있는 구조를 갖는다. 또한, 후술하는 실시예에 따라 방열 유체 조성물의 방열 특성을 확인하기 위해, 충방전시 모듈 내부의 온도를 측정하고자 모듈 케이스와 전지 셀의 몇몇 위치에 온도선이 부착될 수 있다.
이때, 상기 모듈 케이스로는 알루미늄, 플라스틱, 스테인리스 스틸, 또는 이들의 2종 이상의 접합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 방열 성능이 우수한 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 또는 내구성이 우수하고 운반이 용이한 알루미늄 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 방열 유체 조성물은 상기 모듈 케이스 내부의 전체 높이 중 90% 이하, 또는 30% 내지 80% 높이까지 채워져 있을 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈은 발열체인 전지 셀이 외함인 모듈 케이스 내에 장착되어 있고, 나머지 공간에 상술한 방열 유체 조성물이 채워져 있는 구조를 갖는다. 본 도면에서 화살표 방향은 발열되는 열의 방향을 의미한다.
상기 전지 셀은 최고 전압이 65V 미만, 또는 20V 내지 55V일 수 있고, 상술한 범위를 만족하는 경우 높은 전압으로 인한 전기적 문제가 야기되지 않을 수 있다.
(배터리 팩)
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상술한 전지 모듈 두 개 이상; 및 상기 전지 모듈을 수용하는 팩 케이스를 포함하는 배터리 팩이 제공된다. 본 발명에 따른 배터리 팩은 내부 전기절연성이 우수하고, 전지 폭발의 원인이 되는 열이 빠르게 방출되면서, 특히 전지 모듈 내 포함된 방열 유체 조성물의 중공 무기 입자가 충방전이 반복되더라도 침전되지 않아, 우수한 방열 특성이 유지될 수 있다.
상기 배터리 팩은 상술한 전지 모듈을 2 개 내지 30 개, 또는 5 개 내지 20개 포함할 수 있고, 상기 범위 내에서 전기적 특성 및 발열 성능이 모두 우수할 수 있다.
이하, 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들이 제시된다. 그러나 하기의 실시예들은 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1
1L 용량의 실린더형 반응기에 소이빈 오일(백설 콩기름, CJ 제일제당 社 제조)에, 소이빈 오일 100 중량부 대비 에탄올 50 중량부를 상온에서 투입한 후 5 분 정도 경과 후 별도의 층으로 상분리가 일어나는 것을 확인하여, 제1 혼합물을 제조하였다. 1 mm 입경의 지르코니아 볼 1 kg이 담겨 있는 또 다른 1L 용량의 실린더형 반응기에, 1차 평균 입경이 1 ㎛이고, 중공 입경이 600 nm인 중공 실리카 입자(LG Chem 社 제조)를 상기 소이빈 오일 100 중량부 대비 30 중량부 및 아세토니트릴(Hansen solubility parameter: 24.4 MPa1/2), 을 30 중량부 첨가 후 볼밀로 200 rpm에서 2 시간 동안 교반하였다. 교반 후, 필터링을 통해 제2 혼합물을 얻은 후, 상기 제1 혼합물과 혼합하여 방열 유체 조성물을 제조하였고, 제조된 조성물의 사진을 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면, 제조된 방열 유체 조성물은 상층부에는 에탄올(밀도: 0.789 g/ml, Hansen solubility parameter: 26.5 MPa1/2), 하층부에는 소이빈 오일(밀도: 0.917 g/ml, Hansen solubility parameter: 16 MPa1/2)로 상분리되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 조성물의 점도는 20℃에서 500 cP, 30℃에서 320 cP였다. 이때, 점도는 시료 15.5 g에 대하여 Brookfield사의 DV-Ⅱ+Pro, RV 모델 장비를 이용하여, spindle SC4-27로 50 rpm 조건에서 측정되었다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 중공 실리카 대신, 1차 평균 입경이 1 ㎛이고, 중공 입경이 500 nm인 중공 알루미나(LG Chem 社 제조)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다. 제조된 방열 유체 조성물의 점도는 20℃에서 470 cP, 30℃에서 300 cP이었다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 에탄올 대신 2-프로판올을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다. 제조된 방열 유체 조성물은 상층부에는 2-프로판올(밀도: 0.786 g/ml, Hansen solubility parameter: 23.6 MPa1/2), 하층부에는 소이빈 오일(밀도: 0.917 g/ml)로 상분리되었으며, 조성물의 점도는 20℃에서 530 cP, 30℃에서 460 cP이었다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 소이빈 오일 대신에 실리콘 오일(DMX 200F, Saehan silichem 社 제조)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다. 제조된 방열 유체 조성물은 상층부에는 에탄올(밀도: 0.789 g/ml), 하층부에는 실리콘 오일(밀도: 0.917 g/ml, Hansen solubility parameter: 16 MPa1/2)로 상분리되었으며, 조성물의 점도는 20℃에서 450 cP, 30℃에서 300 cP이었다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 아세토니트릴 대신에 프로판-1,2-디올(Hansen solubility parameter: 30.2 MPa1/2)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다. 제조된 방열 유체 조성물의 점도는 20℃에서 520 cP, 30℃에서 400 cP이었다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 에탄올 50 중량부 대신 에탄올 70 중량부를, 1차 평균 입경이 1 ㎛이고, 중공 입경이 600 nm인 중공 실리카 입자 대신 1차 평균 입경이 2 ㎛이고, 중공 입경이 800 nm인 중공 실리카 입자(LG Chem 社 제조)를, 아세토니트릴 30 중량부 대신 아세토니트릴 50 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다. 제조된 방열 유체 조성물의 점도는 20℃에서 400 cP, 30℃에서 250 cP이었다.
비교예 1
일반 방열 유체와 비교 실험을 진행하기 위해, 상기 실시예 1의 방열 유체 조성물 대신 절연유로서 많이 사용되는 식물성 오일(V-오일)을 주성분으로 하는 FR-3(Cargill 사 제조)를 사용하였으며, 중공 무기입자 및 제 1,2 유체를 사용하지 않았다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 에탄올 50 중량부 대신에 에탄올 300 중량부를, 아세토니트릴 30 중량부 대신에 아세토니트릴 150 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1에서 에탄올 50 중량부 대신에 에탄올 3 중량부를, 아세토니트릴 30 중량부 대신에 아세토니트릴 5 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다.
비교예 4
상기 실시예 1에서 1차 평균 입경이 1 ㎛이고, 중공 입경이 600 nm인 중공 실리카 입자 30 중량부 대신 1차 평균 입경이 100 nm이고, 중공 입경이 50 nm인 중공 실리카 입자(LG Chem 社 제조) 70 중량부를, 아세토니트릴 30 중량부 대신 아세토니트릴 70 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다.
비교예 5
상기 실시예 1에서 1차 평균 입경이 1 ㎛이고, 중공 입경이 600 nm인 중공 실리카 입자 30 중량부 대신 중공을 갖지 않는 일반 실리카 입자(7000GR, JSI Silicone 社 제조) 30 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다.
비교예 6
상기 실시예 1에서 에탄올 50 중량부 대신에 소이빈 오일과 상분리되지 않는 t-부탄올 50 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다.
비교예 7
상기 실시예 1에서 아세토니트릴 30 중량부 대신에 에탄올과 혼화되지 않는 피리딘(Hansen solubility parameter: 21.8 MPa1/2) 30 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다.
비교예 8
상기 실시예 1에서 실리카 30 중량부 대신에 3중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 방열 유체 조성물을 제조하였다.
<실험예>
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 7에서 준비된 방열 유체 조성물의 분산안정성 및 방열 특성을 하기의 방법으로 각각 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 하기 표 1에 기재된 각 물질들의 함량은 비전도성 오일 100 중량부 대비이다.
1) 분산안정성(%): 준비된 방열 유체 조성물 150 g을 매스 실린더에 담은 후, 그 때의 입자 층의 최고 높이를 100으로 하고, 상기 최고 높이 대비 30일 이후 가라앉은 입자 층의 최고 높이를 측정하여 퍼센트로 나타내었다.
2) 방열 특성: 도 1과 같이 전지 모듈의 케이스 및 전지 셀 내부에 온도선을 부착한 후 준비된 방열 유체 조성물을 모듈 케이스의 내부 높이 대비 80%까지 채운 다음, 25℃에서 0.5 시간 동안 전압이 50 V에 이를 때까지 정전류 충전한 후, 2 시간의 휴지기를 거쳐 다시 0.5 시간 동안 전압이 50 V에 이를 때까지 정전류 방전하여, 전지 모듈 내부의 온도를 기록하였다. 이 중 측정된 전지 모듈 내부의 최고온도를 표 1에 나타내었다.
또한, 전지 모듈에 준비된 방열 유체 조성물을 모듈 케이스의 내부 높이 대비 30%까지 채운 다음, 상기와 동일한 방법으로 충방전 후 전지 모듈 내부의 최고온도 표 1에 나타내었다.
이때, 전지 모듈의 충방전 시 전지 셀 내부의 온도 변화를 도 3에 개략적으로 나타내었다. 도 3을 참조하면, 충전 시 전지 셀이 가열되어 충전최고온도에 도달하게 되고, 이후 충방전이 일어나지 않는 휴지기에 전지 셀이 냉각되며, 방전 시 다시 전지 셀의 온도가 상승하여 소정 시간 후에 방전최고온도에 도달함을 알 수 있다. 따라서, 충전최고온도 및 방전최고온도와 같은 전지 셀 내부의 최고 온도를 확인하여 방열 유체 조성물이 충방전시 전지 셀에서 발생되는 열을 빠르게 방출시켰는지 여부를 알 수 있다. 이에, 본 실험예에서는 방전최고온도를 측정하여 방열 특성을 확인하였다.
Figure PCTKR2019018229-appb-T000001
Figure PCTKR2019018229-appb-I000002
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 방열 유체 조성물이 사용된 실시예의 전지 모듈은, 종래의 방열 유체가 사용된 비교예 1의 전지 모듈 및 본 발명의 범위를 벗어나는 조성물이 사용된 비교예 2 내지 8의 전지 모듈에 비하여, 분산 안정성이 우수할 뿐 아니라, 방열 특성이 우수함을 확인할 수 있다.

Claims (16)

  1. 비전도성 오일;
    상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여,
    비유전율(dielectric constant)이 45 이하인, 제1 유체 5 내지 200 중량부; 및
    중공 무기 입자 5 내지 50 중량부를 포함하고,
    상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체는 상분리되어 있는,
    방열 유체 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체와 혼화 가능한(miscible) 제2 유체를 더 포함하고,
    상기 제2 유체 중 적어도 일부는 상기 중공 무기 입자의 중공 내에 위치하는방열 유체 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비전도성 오일은 미네랄 오일, 실리콘 오일 및 식물성 오일로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인,
    방열 유체 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체는 에탄올, 2-프로판올, 또는 2-메틸프로판올인,
    방열 유체 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체는 상기 비전도성 오일보다 낮은 밀도 값을 갖는,
    방열 유체 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중공 무기 입자는 실리카(단, 흄드 실리카(fumed silica)는 제외됨), 알루미나(단, 흄드 알루미나는 제외됨), 알루미노 실리케이트, 질화알루미늄(AIN), 질화실리콘(Si3N4) 및 질화붕소(BN)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인,
    방열 유체 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중공 무기 입자는 1차 평균 입경이 300 nm 내지 5 ㎛이고, 중공 입경이 50 nm 내지 4 ㎛인,
    방열 유체 조성물.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2 유체는 아세토니트릴, 프로판-1,2-디올, 또는 1-옥탄올인,
    방열 유체 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 방열 유체 조성물은 분산 안정성이 90% 이상이고,
    상기 분산 안정성은 일정량을 매스 실린더에 담은 후 그 때의 입자 층의 최고 높이 대비 30일 이후 가라앉은 입자 층의 최고 높이를 측정하여 퍼센트로 나타낸 것인,
    방열 유체 조성물.
  10. (a) 비전도성 오일 및 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여 비유전율이 45 이하인 제1 유체 5 내지 200 중량부를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계;
    (b) 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 중공 무기 입자 5 내지 50 중량부 및 상기 제1 유체와 혼화 가능한 제2 유체 10 내지 100 중량부를 교반하여 제2 혼합물을 제조하는 단계;
    (c) 상기 제1 혼합물에 상기 제2 혼합물을 혼합하는 단계로, 상기 제2 혼합물은 상기 비전도성 오일 100 중량부에 대하여, 상기 중공 무기 입자 및 상기 제2 유체의 합이 10 내지 100 중량부가 되도록 혼합되는 단계를 포함하고,
    상기 비전도성 오일과 상기 제1 유체는 상분리되어 있는,
    방열 유체 조성물의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서, 상기 교반은 볼밀(ball mill)에 의해 수행되고, 상기 교반에 의해 상기 제2 유체 중 적어도 일부가 상기 중공 무기 입자의 중공 내로 투입되는,
    방열 유체 조성물의 제조 방법.
  12. 모듈 케이스;
    상기 모듈 케이스 내부에 장착된 전지 셀; 및
    상기 모듈 케이스 내부에 채워진 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방열 유체 조성물을 포함하는,
    전지 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 방열 유체 조성물은 상기 모듈 케이스 내부의 전체 높이 중 90% 이하의 높이까지 채워져 있는,
    전지 모듈.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는 알루미늄, 플라스틱, 스테인리스 스틸, 또는 이들의 2종 이상의 접합인,
    전지 모듈.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 전지 셀은 최고 전압이 65 V 미만인,
    전지 모듈.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 전지 모듈 두 개 이상; 및
    상기 전지 모듈을 수용하는 팩 케이스를 포함하는,
    배터리 팩.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230094520A (ko) * 2021-12-21 2023-06-28 주식회사 엘지에너지솔루션 직접 수냉용 배터리 모듈, 배터리셀과 배터리셀의 제조방법
CN116716087B (zh) * 2023-08-10 2023-11-03 南方电网调峰调频(广东)储能科技有限公司 电子元器件的基于白油的浸没式冷却液
CN116731689B (zh) * 2023-08-14 2023-10-27 南方电网调峰调频(广东)储能科技有限公司 电子元器件的基于硅油的浸没式冷却液
CN116742210B (zh) * 2023-08-14 2023-12-05 南方电网调峰调频(广东)储能科技有限公司 电子元器件的基于植物绝缘油的浸没式冷却液

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004307643A (ja) * 2003-04-07 2004-11-04 Fuji Polymer Industries Co Ltd 熱伝導性組成物
JP2007039621A (ja) * 2005-08-02 2007-02-15 Nippon Handa Kk 熱伝導性シリコーンオイル組成物、放熱剤および電子機器
KR101435608B1 (ko) * 2013-04-19 2014-08-28 (주) 유진에너팜 열전달오일이 포함된 에너지 저장장치
CN106433903A (zh) * 2016-09-19 2017-02-22 铜陵日科电子有限责任公司 一种具有良好导热散热性能的变压器植物绝缘油及其制备方法
KR20170051024A (ko) 2015-11-02 2017-05-11 주식회사 엘지화학 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
KR20170117680A (ko) * 2016-04-14 2017-10-24 주식회사 영일프레시젼 아연알루미늄산화염을 포함하는 방열 컴파운드 조성물의 제조 방법

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE457828T1 (de) 2004-07-02 2010-03-15 Univ Edinburgh Fluid-bikontinuierliche teilchenstabilisierte gele
JP5098284B2 (ja) 2006-10-16 2012-12-12 富士電機株式会社 半導体装置
JP5577067B2 (ja) * 2009-10-02 2014-08-20 シーシーアイ株式会社 熱輸送媒体組成物
JP5627515B2 (ja) 2011-03-15 2014-11-19 株式会社トクヤマ 窒化アルミニウム粉末およびその製造方法
CN102304351B (zh) * 2011-07-07 2013-09-18 中山大学 水溶性环保型导热油的制备方法和应用
WO2014171651A1 (ko) 2013-04-19 2014-10-23 (주)유진에너팜 열전달오일이 포함된 에너지 저장장치
CN105518100B (zh) 2013-08-23 2019-06-21 国立大学法人神户大学 硬壳微胶囊化潜热传输材料及其制备方法
KR101599784B1 (ko) 2014-12-04 2016-03-04 한국과학기술원 절연 냉각 유체 및 이의 제조 방법
WO2017109525A1 (en) 2015-12-22 2017-06-29 Arcelormittal A method of a heat transfer of a non-metallic or metallic item
KR102319263B1 (ko) 2017-11-30 2021-10-29 주식회사 엘지화학 방열 유체 조성물, 이의 제조방법, 이를 포함하는 전지 모듈 및 배터리 팩

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004307643A (ja) * 2003-04-07 2004-11-04 Fuji Polymer Industries Co Ltd 熱伝導性組成物
JP2007039621A (ja) * 2005-08-02 2007-02-15 Nippon Handa Kk 熱伝導性シリコーンオイル組成物、放熱剤および電子機器
KR101435608B1 (ko) * 2013-04-19 2014-08-28 (주) 유진에너팜 열전달오일이 포함된 에너지 저장장치
KR20170051024A (ko) 2015-11-02 2017-05-11 주식회사 엘지화학 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
KR20170117680A (ko) * 2016-04-14 2017-10-24 주식회사 영일프레시젼 아연알루미늄산화염을 포함하는 방열 컴파운드 조성물의 제조 방법
CN106433903A (zh) * 2016-09-19 2017-02-22 铜陵日科电子有限责任公司 一种具有良好导热散热性能的变压器植物绝缘油及其制备方法

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