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KR101752865B1 - 복합경도를 갖는 써멀패드 - Google Patents

복합경도를 갖는 써멀패드 Download PDF

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KR101752865B1
KR101752865B1 KR1020150031134A KR20150031134A KR101752865B1 KR 101752865 B1 KR101752865 B1 KR 101752865B1 KR 1020150031134 A KR1020150031134 A KR 1020150031134A KR 20150031134 A KR20150031134 A KR 20150031134A KR 101752865 B1 KR101752865 B1 KR 101752865B1
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positive electrode
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Abstract

본 발명은 접촉면이 굴곡이 있더라도 완전히 접촉될 수 있으며, 두께 및 형상이 유지되고 열전달 능력이 우수하여, 열원과 냉각 시스템간의 열교환을 잘 이루어질 수 있는 이차전지용 써멀패드를 제공한다. 본 발명에 따른 이차전지용 써멀패드는 고경도층 및 상기 고경도층의 일면 또는 양면에 적층된 저경도층을 포함한다.

Description

복합경도를 갖는 써멀패드{Thermal pad having multiple hardness}
본 발명은 써멀패드에 관한 것으로, 두께 및 형상이 유지되며 열전달 능력이 우수한 써멀패드에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 각광받고 있다.
자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지모듈 및 이를 단위모듈로 포함하는 중대형 전지팩이 사용된다. 이러한 전지모듈 및 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 밀집도로 적층할 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 전지모듈의 단위전지로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 많은 관심을 모으고 있다.
전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 고출력 대용량의 전지모듈 및 전지팩에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어렵다. 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지모듈 및 그것이 장착된 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각부재가 반드시 필요하다.
전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다.
적층된 전지셀에 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 전지셀들과 열적으로 접촉하는 전열부재와, 상기 전열부재가 흡열한 열을 제거하는 수냉식 또는 공랭식 냉각부가 사용되고 있다. 상기 전열부재는 전지셀과 냉각부를 연결하는 열교(heat bridge)로서 전지셀의 열을 냉각부로 이동시켜 전지셀의 열을 낮추는 것이다.
한편, 상기 냉각부, 전열부재, 전지셀들 적층 구조에 형성되는 열적 계면을 개선하기 위한 것으로서, 써멀패드(thermal pad)가 사용되고 있다. 상기 써멀패드는 양면에 접착면이 형성되어 있는 일정 두께의 시트형 부재로서, 전열부재와 전지셀의 사이, 또는 전열부재와 냉각부의 사이에 개재되어 사용될 수 있다.
효과적인 냉각을 위해서는 써멀패드가 개재되는 열적계면이 써멀패드에 의해 완전히 접촉이 되어야 한다. 써멀패드를 접착시키기 위해서는 접착 대상면, 보통 전열부재의 넓은 면에 써멀패드를 펼친 상태로 소정의 압력을 인가해 눌러 붙인다. 그런데 상기한 접착 대상면이 평활하지 않거나 압력 인가가 고르지 않을 경우 써멀패드와 접착 대상면의 사이가 제대로 접착이 되지 않아 기포 등이 형성되면 써멀패드와 접착 대상면이 벌어져 열전달이 제대로 이루어지지 않게 됨은 물론, 전열부재에 대한 전지셀의 물리적 고정력이 약해, 이를테면 외부로부터 가해지는 충격이나 진동에 의해 전열부재가 전지셀로부터 쉽게 탈락될 수 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 써멀패드가 부착될 때 두께 및 형상이 유지되며, 접착 대상면이 평활하지 않아도 접착을 용이하게 하여 열전달 능력이 우수한 써멀패드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 써멀패드는 고경도층 및 상기 고경도층의 일면 또는 양면에 적층된 저경도층을 포함한다.
바람직하게는, 상기 고경도층의 50 이상의 쇼어 00 경도를 갖고, 상기 저경도층은 40 이하의 쇼어 00 경도를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 써멀패드는 아크릴계 또는 실리콘계의 열전도성 물질일 수 있다.
바람직하게는, 상기 고경도층 및 저경도층은 라미네이션 방식에 의해 적층될 수 있다.
바람직하게는, 상기 써멀패드의 두께는 3 mm 이하일 수 있다.
바람직하게는, 상기 저경도층과 고경도층의 두께비는 1:1 내지 2:1일 수 있다.
바람직하게는, 상기 써멀패드는 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체와 상기 전지셀들에서 방출되는 열을 배출하는 전열부재 사이 또는 상기 전열부재와 전지셀들을 냉각시키는 냉각부 사이에 개재될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지용 써멀패드는 접촉면이 굴곡이 있더라도 완전히 접촉될 수 있으며, 두께 및 형상이 유지되고 열전달 능력이 우수하여, 열원과 냉각 시스템간의 열교환을 잘 이루어질 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 이차전지용 써멀패드는 물리적 고정력이 확보되어 외부로부터 가해지는 충격이나 진동에 의해서 써멀패드가 탈락되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 써멀패드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 써멀패드가 적용된 전지모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 써멀패드를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 써멀패드(100)는 고경도층(101) 및 상기 고경도층의 일면 에 적층된 저경도층(102)를 포함한다. 또한, 상기 써멀패드(100)는 고경도층(101)의 양면에 저경도층(102)를 포함할 수 있다. 써멀패드(100)는 굴곡된 형태를 갖는 전지셀(110)과 상기 전지셀을 냉각시키는 냉각부(120)의 사이에 개재될 수 있다. 본 발명에 따른 써멀패드는 저경도층(102)을 구비함으로써, 전지셀(110)과 같이 접촉면이 굴곡이 있더라도 완전히 접촉될 수 있으며, 고경도층(101)을 구비함으로써 두께 및 형상을 유지할 수 있다.
상기 저경도층과 고경도층은 볼트에 의해 고정되거나 바인더로 고정될 수 있고, 라미네이션 방식에 의해 고정될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
상기 고경도층(101)은 50 이상의 쇼어 00 경도(Shore 00 hardness)를 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 고경도층은 50 내지 80 범위의 쇼어 00 경도를 가질 수 있다. 상기 저경도층(102)은 40 이하의 쇼어 00 경도를 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 저경도층은 10 내지 40 범위의 쇼어 00 경도를 가질 수 있다.
상기 써멀패드는 아크릴계 또는 실리콘계의 열전도성 물질일 수 있다. 바람직하게는, 상기 써멀패드는 카본블랙(Carbon Black)과, 공중합체(Copolymer)와, 흑연과, 난연제 및 안정제를 포함할 수 있다. 상기 공중합체는 도전성 고분자와 비도전성 고분자를 혼합하여 된 것으로, 상기 도전성 고분자에는 폴리아세틸렌, 폴리티오펜(polythiophene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리페닐렌비닐렌(poly(phenylenevinylene)), 폴리(페닐렌설파이드) (poly(phenylenesulfide)), 및 폴리아닐린(polyaniline) 중 어느 하나임이 바람직하고, 비도전성 고분자에는 EVA(Ethylene vinyl acetate), Acrylic, 부타디엔계열(BR(POLYBUTADIENE RUBBER), NBR(ACRYLONITRILE BUTADIENE RUBBER), SBR(Styrene Butadiene Rubber)등), 실리콘 계열, 실록산 계열 등이 있다. 상기 난연제는 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 또는 수산화알루미늄(Al(OH)3) 중 어느 하나일 수 있다. 상기 안정제는 산화마그네슘(MgO), 또는 산화아연(ZnO) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 써멀패드(100)의 두께는 3 mm 이하일 수 있다. 바람직하게는, 상기 써멀패드의 두께는 1 내지 3 mm일 수 있다. 상기 고경도층과 저경도층은 두께비는 1:1 내지 2:1 일 수 있다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 써멀패드가 적용된 전지모듈을 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명에 따른, 써멀패드(100)는 전지셀들이 적층되어 있는 전지셀 적층체(110)와 상기 전지셀들을 냉각시키는 냉각부(120) 사이에 개재될 수 있다. 상기 써멀패드는 고경도층(101) 및 상기 고경도층의 일면 또는 양면에 형성된 저경도층(102)을 포함한다. 또한, 상기 전지셀들에서 방출되는 열을 배출하는 전열부재가 상기 써멀패드(100)와 전지셀 적층체(110) 사이 또는 상기 냉각부(120)와 상기 써멀패드(100) 사이에 개재될 수 있다. 또한, 써멀패드(100)는 냉각부(120), 전열부재(도시되지 않음), 전지셀 적층체(110) 적층 구조에 형성되는 열적 계면 중 어느 한 곳 이상에 위치할 수 있다.
상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀이고, 일면 또는 양면이 인접한 전지셀에 대면하도록 적층 배열되어 전지셀 적층체를 형성할 수 있다. 상기 전지셀은 양극판, 분리막 및 음극판으로 구성된 전극조립체를 포함하며, 각 전지셀의 양극판과 음극판으로부터 돌출된 다수의 양극 탭 및 음극 탭에 각각 양극 리드 및 음극 리드가 전기적으로 접속된 것일 수 있다.
상기 양극판의 재질은 알루미늄이 주로 이용된다. 대안적으로, 상기 양극판은 스테인리스 스틸, 니켈, 티탄 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있다. 나아가, 이차전지의 화학적 변화를 야기하지 않고 높은 도전성을 갖는 재질이라면 양극판으로 사용하는데 제한이 없다.
상기 양극판의 일부 영역에는 양극 탭이 구비되는데 양극 탭은 상기 양극판이 연장되는 형태로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 양극판의 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접 등을 통하여 접합하는 형태로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 양극 재료를 상기 양극판 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하여 양극 탭을 형성하여도 무방하다.
상기 양극판에 대응되는 음극판은 주로 구리 재질이 이용된다. 대안적으로, 음극판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 구리나 스테인리스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것이 사용될 수 있고, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다.
상기 음극판 또한 일부 영역에 음극 탭이 구비되며, 앞서 설명된 양극 탭과 같이 상기 음극판에서 연장되는 형태로 구현될 수 있음은 물론, 음극판 소정 부위에 도전성 재질의 부재를 용접하는 등의 방법으로 접합할 수도 있으며, 음극 재료를 상기 음극판 외주면의 일부 영역에 도포 및 건조하는 방식 등으로 형성하는 것도 가능하다.
상기 양극 리드는 상기 양극판에 구비된 양극 탭에, 음극 리드는 상기 음극판에 구비된 음극 탭에 전기적으로 접속된다. 바람직하게, 상기 양극 리드 및 상기 음극 리드는 각각 복수의 양극 탭 및 복수의 음극 탭과 접합된다.
상기 양극판과 상기 음극판에는 각각 양극 활물질과 음극 활물질이 코팅되어 있다. 일 예로, 상기 양극 활물질은 리튬 계열의 활물질이고, 대표적인 예로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4 또는 Li1+zNi1-x-yCoxMyO2(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1, 0≤z≤1, M은 Al, Sr, Mg, La, Mn 등의 금속) 등의 금속 산화물이 사용될 수 있다. 상기 음극 활물질은 탄소 계열의 활물질이고, 상기 음극 활물질로는 결정질 탄소, 비정질 탄소, 탄소 복합체, 탄소 섬유 등의 탄소 재료, 리튬 금속, 리튬 합금 등이 사용될 수 있다. 상기 양극 활물질과 음극 활물질의 종류와 화학적 조성은 이차전지의 종류에 따라 얼마든지 달라질 수 있으므로 상기에서 열거한 구체적인 예는 하나의 예시에 불과하다는 것을 이해하여야 한다.
상기 분리막은 다공성 재질을 가진 것이라면 특별히 제한이 없다. 상기 분리막은 다공성이 있는 고분자막, 예컨대 다공성 폴리올레핀막, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-헥사풀루오로 프로필렌, 폴리비닐리덴 풀루오라이드-트리클로로에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 시아노에틸풀루란, 시아노에틸폴리비닐알콜, 시아노에틸셀룰로오스, 시아노에틸수크로오스, 풀루란, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 아크릴로니트릴스티렌부타디엔 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌, 부직포막, 다공성 웹(web) 구조를 가진 막 또는 이들의 혼합체 등으로 이루어질 수 있다. 상기 분리막의 단면 또는 양면에는 무기 입자가 결착되어 있을 수 있다.
상기 무기 입자는 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자가 바람직하며, 10 이상의 유전율 상수를 가지며 밀도가 낮은 무기 입자가 더욱 바람직하다. 이는 전지내에서 이동하는 리튬 이온을 용이하게 전달할 수 있기 때문이다. 5 이상의 고유전율 상수를 갖는 무기 입자의 비제한적인 예로는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3(PLZT), Pb(Mg3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT), BaTiO3, HfO2, SrTiO3, TiO2, Al2O3, ZrO2, SnO2, CeO2, MgO, CaO, ZnO, Y2O3 또는 이들의 혼합체 등이 있다.
상기 전지셀 적층체는 전지셀들 사이에 절연막을 개재시키면서 복수의 전지셀을 단순 적층한 구조를 가질 수 있다. 다른 예로, 상기 전지셀 적층체는 절연막의 상부 및/또는 하부에 전지셀을 적절한 간격으로 배열한 후 절연막을 전지셀과 함께 한쪽 방향으로 폴딩하여 폴딩된 절연막 사이 사이에 전지셀이 삽입되어 있는 스택 폴딩 구조를 가질 수 있다. 또 다른 예로, 상기 전지셀 적층체는 파우치형 전지 조립체일 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 : 써멀패드
101 : 고경도층
102 : 저경도층
110 : 전지셀 적층체
120 : 냉각부

Claims (7)

  1. 고경도층 및
    상기 고경도층의 일면 또는 양면에 적층된 저경도층을 포함하며,
    전지셀 적층체와 상기 전지셀 적층체를 냉각시키는 냉각부 사이에 굴곡된 형태를 갖는 열적 계면에 개재되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 써멀패드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고경도층의 50 이상의 쇼어 00 경도를 갖고, 상기 저경도층은 40 이하의 쇼어 00 경도를 갖는 것을 특징으로 하는, 이차전지용 써멀패드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 써멀패드는 아크릴계 또는 실리콘계의 열전도성 물질인 것을 특징으로 하는, 이차전지용 써멀패드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고경도층 및 저경도층은 라미네이션 방식에 의해 적층되는 것을 특징으로 하는, 이차전지용 써멀패드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 써멀패드의 두께는 3 mm 이하인 것을 특징으로 하는, 이차전지용 써멀패드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저경도층과 고경도층의 두께비는 1:1 내지 2:1인 것을 특징으로 하는, 이차전지용 써멀패드.
  7. 삭제
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