WO2016137303A1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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WO2016137303A1
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양세우
조윤경
배경열
양재훈
임경빈
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LG Chem Ltd
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present application relates to a battery module.
  • the secondary battery includes a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery or a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery is typical.
  • Lithium secondary batteries mainly use lithium oxide and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • the lithium secondary battery includes a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with a positive electrode active material and a negative electrode active material respectively, and an electrode assembly disposed with a separator interposed therebetween, and an exterior member sealingly storing the electrode assembly together with an electrolyte solution.
  • pouch type secondary batteries In the present specification, a single secondary battery may be referred to as a battery cell.
  • a large number of battery cells When used in medium and large devices such as automobiles and power storage devices, a large number of battery cells may be electrically connected to each other to increase capacity and output, thereby forming a battery module or a battery pack.
  • the present application can provide a battery module.
  • the battery module of the present application includes a module case and a battery cell.
  • the battery cell may be stored in the module case.
  • One or more battery cells may exist in the module case, and a plurality of battery cells may be stored in the module case.
  • the number of battery cells housed in the module case is not particularly limited to be adjusted according to the use. Battery cells stored in the module case may be electrically connected to each other.
  • the module case may include at least a side wall and a bottom plate forming an inner space in which the battery cells can be stored.
  • the module case may further include a top plate for sealing the inner space.
  • the side wall, the lower plate and the upper plate may be integrally formed with each other, or separate sidewalls, the lower plate and / or the upper plate may be assembled to form the module case.
  • the shape and size of the module case is not particularly limited and may be appropriately selected according to the use, the shape and number of battery cells housed in the internal space, and the like.
  • FIG. 1 is a diagram showing an exemplary module case 10 and is an example of a box-shaped case 10 including one bottom plate 10a and four sidewalls 10b.
  • the module case 10 may further include a top plate 10c that seals the internal space.
  • FIG. 2 is a schematic view of the module case 10 of FIG. 1 in which the battery cells 20 are housed.
  • a hole may be formed in the lower plate, the side wall, and / or the upper plate (hereinafter, referred to as a lower plate) of the module case.
  • a hole may be formed in a lower plate or the like that is in contact with the resin layer, which will be described later, and may be formed in a lower plate or the like, which is in contact with the resin layer with a contact area of 80% or more, as described later.
  • the hole may be an injection hole for injecting a forming material (resin composition) of the resin layer when the resin layer is formed by an injection process as described below. At this time, the shape, number and position of the holes can be adjusted in consideration of the injection efficiency of the material forming the resin layer.
  • the hole may be formed in at least the lower plate.
  • the hole may be formed at about 1/4 to 3/4 or about 3/8 to 7/8 of the entire length of the side wall, the bottom plate or the top plate, or about the middle portion.
  • the 1/4, 3/4, 3/8 or 7/8 point is the total length measured based on any one end surface E of the lower plate or the like, as shown in FIG. L) is the ratio of the distance A to the formation position of the hole.
  • the terminal (E) in which the length (L) and the distance (A) are formed in the above may be any terminal (E) as long as the length (L) and the distance (A) are measured from the same terminal (E). have.
  • the injection hole 50a is located at an approximately middle portion of the lower plate 10a.
  • the size and shape of the injection hole are not particularly limited and can be formed in consideration of the injection efficiency of the resin layer material described later.
  • the hole may be polygonal or amorphous, such as a circle, an oval, a triangle or a rectangle.
  • the number and spacing of the injection holes are not particularly limited, and as described above, the resin layer may be adjusted to have a wide contact area with the lower plate.
  • Observation holes may be formed at the end of the lower plate on which the injection hole is formed.
  • the observation hole may be for observing whether the injected material is well injected to the end of the side wall, the lower plate or the upper plate when the resin layer material is injected through the injection hole.
  • the position, shape, size, and number of the observation holes are not limited as long as they are formed to confirm that the injected material is properly injected.
  • the module case may be a thermally conductive case.
  • thermally conductive case means a case in which the thermal conductivity of the entire case is 10 W / mk or more, or at least includes a portion having such thermal conductivity.
  • at least one of the above-described sidewalls, bottom plate and top plate may have the thermal conductivity described above.
  • at least one of the sidewall, the bottom plate, and the top plate may include a portion having the thermal conductivity.
  • the thermal conductivity is, in another example, 20 W / mk or more, 30 W / mk or more, 40 W / mk or more, 50 W / mk or more, 60 W / mk or more, 70 W / mk or more, 80 W / mk or more , 90 W / mk or more, 100 W / mk or more, 110 W / mk or more, 120 W / mk or more, 130 W / mk or more, 140 W / mk or more, 150 W / mk or more, 160 W / mk or more, 170 W / mk or more, 180 W / mk or more, 190 W / mk or more, or 195 W / mk or more.
  • the thermal conductivity is about 1,000 W / mK or less, 900 W / mk or less, 800 W / mk or less, 700 W / mk or less, 600 W / mk or less, 500 W / mk or less, 400 W / mk or less, It may be 300 W / mk or 250 W / mK or less, but is not limited thereto.
  • the kind of the material which exhibits the above thermal conductivity is not particularly limited, and examples thereof include metal materials such as aluminum, gold, pure silver, tungsten, copper, nickel or platinum.
  • the module case may be entirely made of such a thermally conductive material, or at least a part of the module case may be a portion of the thermally conductive material. Accordingly, the module case may have a thermal conductivity in the above-mentioned range, or may include at least a portion having the above-mentioned thermal conductivity.
  • a portion having thermal conductivity in the above range may be a portion in contact with a resin layer and / or an insulating layer, which will be described later.
  • the portion having the thermal conductivity may be a portion in contact with a cooling medium such as cooling water. According to this structure, a structure capable of effectively dissipating heat generated from the battery cell to the outside may be implemented.
  • the physical properties may be physical properties measured at room temperature.
  • room temperature may refer to any temperature in the range of about 10 ° C. to 30 ° C., for example, about 25 ° C., about 23 ° C., or about 20 ° C.
  • the type of battery cell accommodated in the module case is not particularly limited, and various known battery cells may be applied.
  • the battery cell may be a pouch type.
  • the pouch-type battery cell 100 may typically include an electrode assembly, an electrolyte, and a pouch sheath.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view schematically illustrating the configuration of an exemplary pouch-type cell
  • FIG. 5 is a combined perspective view of the configuration of FIG. 4.
  • the electrode assembly 110 included in the pouch-type cell 100 may have a form in which one or more positive electrode plates and one or more negative electrode plates are disposed between the separators.
  • the electrode assembly 110 may be divided into a winding type in which one positive electrode plate and one negative electrode plate are wound together with a separator, or a plurality of positive electrode plates and a plurality of negative electrode plates alternately stacked with a separator interposed therebetween.
  • the pouch packaging material 120 may be configured to include, for example, an outer insulating layer, a metal layer, and an inner adhesive layer.
  • the exterior member 120 may include a metal thin film such as aluminum in order to protect internal elements such as the electrode assembly 110 and the electrolyte, and to compensate for the electrochemical properties of the electrode assembly 110 and the electrolyte and to provide heat dissipation. Can be.
  • the metal thin film may be interposed between an insulating layer formed of an insulating material in order to ensure electrical insulation between the electrode assembly 110 and other elements such as an electrolyte or other elements outside the battery 100.
  • the exterior member 120 may include an upper pouch 121 and a lower pouch 122, and at least one of the upper pouch 121 and the lower pouch 122 may have a concave inner space I. This can be formed.
  • the electrode assembly 110 may be accommodated in the internal space I of the pouch. Sealing portions S may be provided on the outer circumferential surfaces of the upper pouch 121 and the lower pouch 122, and the sealing portions S may be adhered to each other to seal an inner space in which the electrode assembly 110 is accommodated.
  • Each electrode plate of the electrode assembly 110 includes an electrode tab, and one or more electrode tabs may be connected to the electrode lead.
  • the electrode lead is interposed between the sealing portion S of the upper pouch 121 and the lower pouch 122 to be exposed to the outside of the exterior member 120, thereby functioning as an electrode terminal of the secondary battery 100.
  • the shape of the pouch-type cell is one example, and the battery cell applied in the present application is not limited to the above kind. In the present application, various well-known pouch-type cells or other types of batteries may be applied as battery cells.
  • the battery module of the present application may further include a resin layer.
  • the term resin layer is a layer containing a resin component, and in one example, the resin layer may be an adhesive layer.
  • the battery module includes the case and the battery cell, and may be in contact with any one of the side wall, the bottom plate or the top plate of the case. At this time, the side wall, the bottom plate or the top plate which is in contact with the resin layer may be the above-described heat conductive side wall, the bottom plate or the top plate.
  • the contact means thermal contact, wherein the resin layer is in direct contact with the lower plate or the like, or other elements between the resin layer and the lower plate, for example, insulation described later.
  • the other element may mean the state which does not prevent the transfer of heat from the said resin layer to the said lower board etc. In the above, not impeding the transfer of heat, even if there is another element (eg an insulating layer or a guiding part described later) between the resin layer and the lower plate, the overall thermal conductivity of the other element and the resin layer.
  • another element eg an insulating layer or a guiding part described later
  • the thermal conductivity of the thermal contact is 50 W / mK or less, 45 W / mk or less, 40 W / mk or less, 35 W / mk or less, 30 W / mk or less, 25 W / mk or less, 20 W / mk or less, 15 W / mk or less, 10 W / mK or less, 5 W / mK or less, 4.5 W / mK or less, or about 4.0 W / mK or less.
  • Such thermal contact can be achieved by controlling the thermal conductivity and / or thickness of the other element, if such other element is present.
  • the resin layer may be in contact with the lower plate or the like and may also be in contact with the battery cell.
  • the contact between the battery cell and the resin layer is also the thermal contact described above.
  • a module may be configured to accommodate more battery cells per unit volume. Accordingly, in the present application, it is possible to provide a battery module having a smaller size, light weight, and high power.
  • the module may include a case 10 including a side wall 10b and a bottom plate 10a as shown in 6 and 7; It may have a form including a plurality of battery cells 20 stored in the case and the resin layer 30 in contact with (thermally contacted) both the battery cell 20 and the case 10.
  • the lower plate and the like contacting with the resin layer 30 may be a thermally conductive lower plate and the like as described above.
  • the contact area of the resin layer and the lower plate may be about 70% or more, about 75% or more, about 80% or more, about 85% or more, about 90% or more or about 95% or more relative to the total area of the lower plate or the like.
  • the upper limit of the contact area is not particularly limited, and may be, for example, 100% or less or less than about 100%.
  • the contact area may be a ratio of the contact area with respect to the thermally conductive portion, that is, the total area of the thermally conductive portion.
  • the thermally conductive portion or the thermally conductive bottom plate may be a portion contacting a cooling medium such as cooling water. That is, as shown schematically in FIG. 6, heat (H) can be easily discharged to the lower plate by the above structure, and by contacting the lower plate or the like with the cooling medium (CW), even in a more simplified structure The heat can be released easily.
  • a cooling medium such as cooling water
  • the resin layer 30 may be in the form of a relatively thin layer, or may fill the inner space of the case 10 as shown in FIG. 7.
  • the battery cell 20 may exist in a state of being inserted into the resin layer.
  • the thickness of the resin layer may be, for example, in the range of about 100 ⁇ m to 5 mm or in the range of about 200 ⁇ m to 5 mm.
  • an appropriate thickness can be set in consideration of this point.
  • the thickness may be the thickness of the thinnest portion, the thickness of the thickest portion, or the average thickness of the resin layer.
  • the surface 10a in contact with the resin layer 30 may guide the battery cell 20 stored therein.
  • the guiding part 10d may exist.
  • the shape of the guiding part 10d is not particularly limited, and an appropriate shape may be adopted in consideration of the shape of the battery cell to be applied, and the guiding part 10d is integrally formed with the lower plate. Or may be attached separately.
  • the guiding part 10d may be formed using a thermally conductive material, for example, a metal material such as aluminum, gold, pure silver, tungsten, copper, nickel or platinum in consideration of the thermal contact described above.
  • a gap sheet or an adhesive layer may exist between the battery cells 20 to be accommodated.
  • the interleaver may serve as a buffer when charging and discharging the battery cell.
  • the resin layer or the battery module to which the resin layer is applied may have at least one or more of physical properties described below. Each physical property mentioned later is independent and does not give priority to the physical property of any one, and the resin layer can satisfy
  • the resin layer is a thermally conductive resin layer, the thermal conductivity of about 1.5 W / mK or more, about 2 W / mK or more, 2.5 W / mK or more, 3 W / mK or more, 3.5 W / mK or more or 4 It may be at least W / mK.
  • the thermal conductivity is 50 W / mK or less, 45 W / mk or less, 40 W / mk or less, 35 W / mk or less, 30 W / mk or less, 25 W / mk or less, 20 W / mk or less, 15 W / mk Or less, 10 W / mK or less, 5 W / mK or less, 4.5 W / mK or less, or about 4.0 W / mK or less.
  • the resin layer is a thermally conductive resin layer as described above, the lower plate, etc., to which the resin layer is attached, may have the above-described thermal conductivity of 10 W / mK or more.
  • the portion of the module case showing the thermal conductivity may be a portion in contact with a cooling medium, for example, cooling water.
  • the thermal conductivity of a resin layer is a numerical value measured according to ASTMD5470 standard or ISO 22007-2 standard, for example.
  • the manner in which the thermal conductivity of the resin layer is in the above range is not particularly limited.
  • the thermal conductivity of the resin layer can be adjusted through the use of the type and / or filler of the resin used in the resin layer.
  • acrylic resins, urethane resins, and silicone resins have similar thermal conductivity to each other, and epoxy resins have superior thermal conductivity
  • olefin resins are epoxy resins.
  • the thermal resistance of the resin layer or the battery module to which the resin layer is applied in the battery module is 5 K / W or less, 4.5 K / W or less, 4 K / W or less, 3.5 K / W or less, 3 K / W or less, or about 2.8 K / W or less.
  • the method of measuring the thermal resistance is not particularly limited. For example, it can measure according to ASTM D5470 standard or ISO 22007-2 standard.
  • the resin layer may have an appropriate adhesive force in consideration of effective fixing of the battery cell, impact resistance and vibration resistance in the process of using the module.
  • the resin layer has an adhesive force of about 1,000 gf / 10 mm or less, about 950 gf / 10 mm or less, about 900 gf / 10 mm or less, about 850 gf / 10 mm or less, about 800 gf / 10 mm or less, about 750 gf / 10 mm Or about 700 gf / 10 mm or less, about 650 gf / 10 mm or less, or about 600 gf / 10 mm or less.
  • the adhesive force of the resin layer may be about 50 or more, about 70 gf / 10 mm or more, about 80 gf / 10 mm or more, or about 90 gf / 10 mm or more.
  • the adhesive force may be a value measured at a peel rate of about 300 mm / min and a peel angle of 180 degrees.
  • the adhesive force may be adhesive force to the module case that the resin layer is in contact. For example, when an insulating layer is formed between the lower plate and the resin layer in contact with the resin layer in the module case as described below, the adhesive force to the module case is the module case in which the insulating layer is formed. May be adhesion to.
  • the adhesive force as described above can be secured, excellent adhesion to various materials, for example, a case or a battery cell included in the battery module may appear excellent.
  • the battery module may be prevented from being peeled off due to volume change, change in the use temperature of the battery module, or curing shrinkage of the resin layer, etc. at the time of charging and discharging the battery cell, thereby ensuring excellent durability.
  • Such adhesive force can be ensured by, for example, configuring the resin layer with an adhesive layer. That is, the adhesive force which a well-known adhesive material can exhibit is well known, What is necessary is just to select a material in consideration of such adhesive force.
  • the resin layer is also subjected to a thermal shock test, for example, after a thermal shock test in which the cycle is repeated 100 times with one cycle of maintaining the temperature at 80 ° C. for 30 minutes and then maintaining the temperature at 80 ° C. for 30 minutes. It may be required to be formed so as not to be peeled or peeled from the module case or the battery cell of the module. For example, when the battery module is applied to a product that requires a long warranty period (about 15 years or more in the case of an automobile) such as an automobile, the above level of performance may be required to ensure durability.
  • the resin layer may be an electrically insulating resin layer.
  • the electrically insulating resin layer has an insulation breakdown voltage measured according to ASTM D149 of about 3 kV / mm or more, about 5 kV / mm or more, about 7 kV / mm or more, 10 kV / mm or more, 15 kV / mm or more 20 kV / mm or more.
  • the resin layer is not particularly limited to exhibit excellent insulating properties, but considering the composition of the resin layer, it is about 50 kV / mm or less, 45 kV / mm or less, 40 kV / mm or less. , 35 kV / mm or less, 30 kV / mm or less.
  • the dielectric breakdown voltage as described above can also be controlled by controlling the insulation of the resin component of the resin layer.
  • the dielectric breakdown voltage can be adjusted by applying an insulating filler in the resin layer.
  • the ceramic filler as described later is known as a component capable of ensuring insulation.
  • a flame retardant resin layer may be applied in consideration of stability.
  • the term flame retardant resin layer may refer to a resin layer having a V-0 rating in a UL 94 V Test (Vertical Burning Test). This ensures stability against fire and other accidents that may occur in the battery module.
  • the resin layer may have a specific gravity of 5 or less.
  • the specific gravity may be 4.5 or less, 4 or less, 3.5 or less, or 3 or less.
  • the resin layer exhibiting specific gravity in this range is advantageous for the production of a lighter battery module.
  • the specific gravity may be about 1.5 or more or 2 or more.
  • components added to the resin layer may be adjusted. For example, when the thermally conductive filler is added, a filler capable of securing the desired thermal conductivity even at the lowest specific gravity, that is, a filler having a low specific gravity or a surface-treated filler may be used. have.
  • the resin layer does not contain a volatile substance if possible.
  • the resin layer may have a ratio of nonvolatile content of 90 wt% or more, 95 wt% or more, or 98 wt% or more.
  • the nonvolatile component and its ratio may be defined in the following manner. That is, the non-volatile portion may be defined as the non-volatile content of the remaining portion after maintaining the resin layer at 100 ° C for about 1 hour, and thus the ratio is maintained for about 1 hour at the initial weight of the resin layer and the 100 ° C It can measure based on a later ratio.
  • the resin layer may have excellent resistance to deterioration as necessary, but stability may be required in which the surface of the module case or the battery cell does not react as chemically as possible.
  • the resin layer also has a low shrinkage rate after curing or after curing. Through this, it is possible to prevent peeling or the generation of voids that may occur during the manufacture or use of the module.
  • the shrinkage rate may be appropriately adjusted in a range capable of exhibiting the above-described effects, for example, may be less than 5%, less than 3% or less than about 1%. Since the said shrinkage rate is so advantageous that the numerical value is low, the minimum in particular is not restrict
  • the resin layer also has a low coefficient of thermal expansion (CTE).
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • the coefficient of thermal expansion can be appropriately adjusted in a range capable of exhibiting the above-described effects, for example, less than 300 ppm / K, less than 250 ppm / K, less than 200 ppm / K, less than 150 ppm / K or about 100 may be less than ppm / K. Since the said coefficient of thermal expansion is so advantageous that the numerical value is low, the minimum in particular is not restrict
  • Tensile strength of the resin layer can be appropriately adjusted, through which excellent impact resistance and the like can be secured to provide a module showing appropriate durability.
  • Tensile strength can be adjusted, for example, in the range of about 1.0 MPa or more.
  • Elongation of the resin layer can be appropriately adjusted, through which excellent impact resistance and the like can be secured, it is possible to provide a module showing appropriate durability. Elongation can be adjusted, for example, in the range of at least about 10% or at least about 15%.
  • the resin layer also exhibits an appropriate hardness. For example, if the hardness of the resin layer is too high, the resin layer may be too brittle and adversely affect the reliability. In addition, by controlling the hardness of the resin layer it is possible to ensure impact resistance, vibration resistance, and ensure the durability of the product.
  • the resin layer may, for example, have a hardness in Shore A type of less than 100, 99 or less, 98 or less, 95 or less, or 93 or less, or hardness in Shore D type of less than about 80, about 70 or less, or about 65 or less or about 60 or less.
  • the lower limit of the hardness is not particularly limited.
  • the hardness may be about 60 or more in Shore A type, or about 5 or about 10 or more in Shore OO type.
  • the hardness of a resin layer is normally influenced by the kind or ratio of the filler contained in the resin layer, and when an excess filler is included, hardness will usually become high.
  • the resin component contained in the resin layer also affects the hardness, as silicone-based resins generally exhibit lower hardness than other resins such as epoxy or urethane.
  • the resin layer may also have a 5% weight loss temperature in the thermogravimetric analysis (TGA) of at least 400 ° C., or a residual amount of 800 ° C. at least 70% by weight. This characteristic can further improve stability at high temperatures of the battery module.
  • the remaining 800 ° C. may be at least about 75 wt%, at least about 80 wt%, at least about 85 wt%, or at least about 90 wt%, in another example.
  • the residual amount of 800 ° C. may be about 99 wt% or less in another example.
  • the thermogravimetric analysis (TGA) can be measured within a range of 25 ° C. to 800 ° C.
  • thermogravimetric analysis (TGA) results can also be achieved through control of the composition of the resin layer.
  • the residual amount of 800 ° C is usually influenced by the type or proportion of the filler contained in the resin layer, and when the excess filler is included, the remaining amount increases.
  • the silicone resin generally has higher heat resistance than other resins such as epoxy or urethane, the remaining amount is higher, and thus the resin component contained in the resin layer also affects its hardness.
  • the type of the resin layer is not particularly limited as long as it can effectively fix the battery cell, and the above-mentioned physical properties can be imparted as necessary, and all known curable resin materials can be used.
  • the material that can be used include acrylic resins, epoxy resins, urethane resins, olefin resins, urethane resins, EVA (Ethylene vinyl acetate) resins, silicone resins, and the like, and thus the resin layer includes the resins. can do.
  • the said resin layer can contain the said resin as a main component in a resin component.
  • the acrylic resin about 70% of the acrylic resin, epoxy resin, urethane resin, olefin resin, urethane resin, EVA (Ethylene vinyl acetate) resin or silicone resin among the total resin components included in the resin layer. At least about 75%, at least about 80%, at least about 85%, or at least about 90%. The ratio may be about 99% or less or about 95% or less.
  • the material for forming the resin layer may be an adhesive material as described above, and may be a solvent type, an aqueous type, or a solventless type, but may be appropriately a solventless resin layer in consideration of convenience of the manufacturing process described later. Can be.
  • the resin layer material may be an active energy ray curing type, a moisture curing type, a thermosetting type or a room temperature curing type, or the like, and may be appropriate to be a room temperature curing type in consideration of the convenience of the manufacturing process described later.
  • the resin layer may include a filler in consideration of the above-described thermal conductivity, insulation, heat resistance (TGA analysis) or specific gravity.
  • the filler may be a thermally conductive filler.
  • thermally conductive filler means a material having a thermal conductivity of about 1 W / mK or more, about 5 W / mK or more, about 10 W / mK or more, or about 15 W / mK or more.
  • the thermal conductivity of the thermally conductive filler may be about 400 W / mK or less, about 350 W / mK or less or about 300 W / mK or less.
  • thermally conductive filler that can be used is not particularly limited, but a ceramic filler may be applied in consideration of insulation properties and the like.
  • ceramic particles such as alumina, aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN), silicon nitride, ZnO, SiC, or BeO may be used.
  • carbon fillers such as graphite can also be considered.
  • the form or ratio of the filler contained in the resin layer is not particularly limited and is selected in consideration of the viscosity of the resin composition, the possibility of sedimentation in the resin layer, the desired thermal resistance or thermal conductivity, insulation, filling effect or dispersibility, and the like.
  • the resin layer may include a thermally conductive filler having an average particle diameter in the range of 0.001 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the average particle diameter of the filler may be 0.01 ⁇ m or more, 0.1 or more, 0.5 ⁇ m or more, 1 ⁇ m or more, 2 ⁇ m or more, 3 ⁇ m or more, 4 ⁇ m or more, 5 ⁇ m or more, or about 6 ⁇ m or more.
  • the average particle diameter of the filler is, in another example, about 75 ⁇ m or less, about 70 ⁇ m or less, about 65 ⁇ m or less, about 60 ⁇ m or less, about 55 ⁇ m or less, about 50 ⁇ m or less, about 45 ⁇ m or less, about 40 ⁇ m or less, about 35 ⁇ m or less, about 30 ⁇ m or less, about 25 ⁇ m or less, about 20 ⁇ m or less, about 15 ⁇ m or less, about 10 ⁇ m or less, or about 5 ⁇ m or less.
  • the ratio of the filler contained in the resin layer may be selected in consideration of the properties of the resin layer so that the above-described properties, for example, thermal conductivity, insulation, and the like can be secured.
  • the filler may be included in the range of about 50 to 2,000 parts by weight relative to 100 parts by weight of the resin component of the resin layer.
  • the weight part of the filler in another example is about 100 parts by weight or more, about 150 parts by weight or more, about 200 parts by weight or more, about 250 parts by weight or more, about 300 parts by weight or more, about 350 parts by weight or more, about 400 parts by weight or more, At least about 500 parts by weight, at least about 550 parts by weight, at least about 600 parts by weight or at least about 650 parts by weight.
  • the resin layer may be a viscosity modifier such as a thixotropic agent, a diluent, a dispersant, a surface treatment agent or a coupling agent to adjust the viscosity as necessary, for example to increase or decrease the viscosity or to adjust the viscosity according to shear force. And the like may be further included.
  • a viscosity modifier such as a thixotropic agent, a diluent, a dispersant, a surface treatment agent or a coupling agent to adjust the viscosity as necessary, for example to increase or decrease the viscosity or to adjust the viscosity according to shear force. And the like may be further included.
  • the thixotropic agent may adjust the viscosity according to the shear force of the resin composition so that the manufacturing process of the battery module is effectively performed.
  • examples of the thixotropic agent that can be used include fumed silica and the like.
  • Diluents or dispersants are generally used for lowering the viscosity of the resin composition, and any one of various kinds known in the art can be used without limitation as long as the diluent or dispersant is capable of exhibiting the above functions.
  • the surface treating agent is for surface treatment of the filler introduced into the resin layer, and various kinds known in the art can be used without limitation as long as it can exhibit the above-described action.
  • the coupling agent for example, it can be used to improve the dispersibility of a thermally conductive filler such as alumina, and various kinds known in the art can be used without limitation as long as it can exhibit the above action.
  • the resin layer may further include a flame retardant or a flame retardant aid.
  • a resin layer can form a flame-retardant resin layer.
  • various flame retardants known in the art may be applied without particular limitation.
  • a solid filler type flame retardant or a liquid flame retardant may be applied.
  • Flame retardants include, for example, organic flame retardants such as melamine cyanurate, inorganic flame retardants such as magnesium hydroxide, and the like, but is not limited thereto.
  • a liquid type flame retardant material TEP, Triethyl phosphate or TCPP, tris (1,3-chloro-2-propyl) phosphate, etc.
  • TEP Triethyl phosphate
  • TCPP tris (1,3-chloro-2-propyl) phosphate
  • silane coupling agent may be added that can act as a flame retardant synergist.
  • the resin layer may contain any one or two or more of the above components.
  • the battery module may further include an insulating layer between the module case and the battery cell or between the resin layer and the module case.
  • FIG. 8 shows an example in which the insulating layer 40 is formed between the resin layer 30 and the guiding portion 10d formed on the lower plate 10c of the case.
  • the insulating layer may be formed using an insulating sheet having high insulation and thermal conductivity, or may be formed by coating or injecting a material exhibiting insulation. For example, in the method of manufacturing a battery module described below, a process of forming an insulating layer may be performed before the injection of the resin composition.
  • the insulating layer may be formed of an adhesive material, and for example, the insulating layer may be formed using a resin layer having little or no filler such as a thermally conductive filler.
  • the resin component that can be used to form the insulating layer include acrylic resins, olefin resins such as PVC (poly (vinyl chloride)) and PE (polyethylene), epoxy resin, silicone, and EPDM rubber (ethylene propylene diene monomer rubber). Rubber components, such as, but not limited to, etc.
  • the insulating layer has an insulation breakdown voltage measured in accordance with ASTM D149 of about 5 kV / mm or more, about 10 kV / mm or more, about 15 kV / kmm or more, 20 kV / mm or more, 25 kV / mm or more or 30 kV / mm or more
  • the breakdown voltage is not particularly limited as the value shows higher insulation.
  • the dielectric breakdown voltage of the insulating layer may be about 100 kV / mm or less, 90 kV / mm or less, 80 kV / mm or less, 70 kV / mm or less, or 60 kV / mm or less. It can be set in an appropriate range in consideration of insulation and thermal conductivity.
  • it may be about 5 ⁇ m or more, about 10 ⁇ m or more, 20 ⁇ m or more, 30 ⁇ m or more, 40 ⁇ m or more, 50 ⁇ m or more, 60 ⁇ m or more, 70 ⁇ m or more, 80 ⁇ m or more or 90 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the thickness is not particularly limited, and may be, for example, about 1 mm or less, about 200 ⁇ m or less, 190 ⁇ m or less, 180 ⁇ m or less, 170 ⁇ m or less, 160 ⁇ m or less, or 150 ⁇ m or less.
  • the present application also relates to a method for manufacturing a battery module, for example the battery module mentioned above.
  • Manufacturing method of the present application the step of injecting the resin composition in the above-described module case; And storing the battery cell in the module case and curing the resin composition to form the resin layer.
  • the order of injecting the resin composition into the module case and accommodating the battery cells in the module case are not particularly limited.
  • the resin composition may be first injected into the module case, and the battery cell may be stored in that state, or the resin composition may be injected after the battery cell is first stored inside the module case.
  • resin composition in this application means the state of the resin layer before hardening
  • resin layer can mean the state of the resin layer after hardening
  • the method of injecting the resin composition into the module case is not particularly limited, and a known method may be applied.
  • the resin composition is poured into the opening of the module case to inject the resin composition, or the resin composition is injected through the above-described injection hole formed in the module case, and the resin composition is injected into both the battery cell and the battery module.
  • the method of coating may be applied.
  • the implantation process may be performed while constantly vibrating the battery module or battery cell for proper fixation.
  • the kind of resin composition injected above is not restrict
  • the resin composition injected above may be a resin composition capable of satisfying the above-described physical properties such as thermal conductivity or forming a resin layer containing a component therefor.
  • Such a resin composition may be the above-described solvent type, aqueous or solvent-free resin composition, and may be suitably a solvent-free resin composition.
  • the resin composition may be an active energy ray-curable, moisture-curable, thermosetting or room temperature curing type resin composition, or the like, and may be suitably room temperature curing type resin composition.
  • the resin composition may be a resin composition including at least one of various additives such as the above-described thermal conductive filler.
  • Such a resin composition may be composed of one-component, two-component, or three-component.
  • the manner in which the battery cells are housed in the module case in which the resin composition is injected or in the module case before the composition is injected is not particularly limited.
  • the storage of the battery cells can be performed by arranging the battery cells at suitable positions in the module case in consideration of the desired arrangement and the like.
  • the above steps may be performed by positioning the battery cell at a proper position of the cartridge structure, or inserting the cartridge structure in which the battery cell is located in the module case.
  • the adhesion between the battery cells or the adhesion between the battery cells and the module case may be formed by curing the injected resin composition.
  • the manner of curing the resin composition is not particularly limited.
  • the resin composition is an active energy ray-curable type
  • a method of irradiating active energy rays such as ultraviolet rays to the resin composition a method of keeping it under appropriate moisture when it is a moisture curable type, and applying appropriate heat in the case of a thermosetting type.
  • the above steps may be performed by maintaining the resin composition at room temperature.
  • a short time heat may be applied to a temperature of about 40 ° C. to about 50 ° C. under conditions that do not affect the stability of the battery cell in terms of tack time and fairness before curing or before storage or storage of the battery cell. It may be.
  • the present application also relates to a resin composition that can be used to form the above manufacturing method or the battery module of the aforementioned structure.
  • the resin composition is not particularly limited as long as it can effectively fix the battery cell to the module case, and if the above-mentioned physical properties can be imparted as necessary, all known resin compositions can be used. .
  • Such resin compositions include, but are not limited to, acrylic resin compositions, epoxy resin compositions, urethane resin compositions, olefin resin compositions, urethane resin compositions, EVA (Ethylene vinyl acetate) resin compositions or silicone resin compositions. .
  • the resin composition may be a solvent-type resin composition, an aqueous resin composition or a solvent-free resin composition, and may be a solvent-free resin composition as appropriate.
  • the resin composition may be an active energy ray curable resin composition, a moisture curable resin composition, a thermosetting resin composition, a room temperature curable resin composition, or the like, and may be an ambient temperature curable resin composition.
  • the additives such as the above-mentioned filler
  • the resin composition which can form a well-known acrylic adhesive, an epoxy adhesive, a urethane adhesive, an olefin adhesive, an EVA (Ethylene vinyl acetate) adhesive, or a silicone adhesive.
  • a suitable amount can be applied to the above-described method.
  • the resin composition as described above may include a radical initiator and a catalyst thereof in consideration of room temperature curability and the like.
  • the resin composition may comprise an acyl peroxide initiator such as benzoyl peroxide and the like and a catalyst for such an initiator such as a toluidine compound, whereby a suitable curing system can be implemented.
  • the resin composition may further include various components as necessary in addition to the above components.
  • the present application also relates to a battery pack, for example, a battery pack including two or more battery modules described above.
  • the battery modules may be electrically connected to each other.
  • the method of configuring the battery pack by electrically connecting two or more battery modules is not particularly limited, and all known methods may be applied.
  • the present application also relates to a device including the battery module or the battery pack.
  • a device including the battery module or the battery pack examples include, but are not limited to, automobiles such as electric vehicles, and may include all applications requiring a secondary battery as an output.
  • a method of configuring the vehicle using the battery module or the battery pack is not particularly limited, and a general method may be applied.
  • the present application may provide a battery module having excellent output to volume, excellent heat dissipation characteristics, etc. while being manufactured at a simple process and low cost, a manufacturing method thereof, and a resin composition applied to the manufacturing method.
  • FIG. 1 is a view showing an exemplary module case that can be applied in the present application.
  • FIG. 2 is a view illustrating a battery cell housed in a module case.
  • FIG 3 is a view of an exemplary bottom plate in which an injection hole and an observation hole are formed.
  • FIGS. 4 and 5 illustrate exemplary battery pouches that can be used as battery cells.
  • 6 to 8 show the structure of an exemplary battery module.
  • the thermal conductivity of the resin layer was measured according to the ASTM D5470 standard. That is, after placing the resin layer between two copper bars according to the specification of ASTM D 5470, one of the two copper bars is in contact with the heater and the other is in contact with the cooler. The heater was kept at a constant temperature and the capacity of the cooler was adjusted to create a thermal equilibrium (state showing a temperature change of about 0.1 ° C. or less in 5 minutes). The temperature of each copper rod was measured in the thermal equilibrium state, and thermal conductivity (K, unit: W / mK) was evaluated according to the following formula. When the thermal conductivity was evaluated, the pressure applied to the resin layer was adjusted to about 11 Kg / 25 cm 2, and the thermal conductivity was calculated based on the final thickness when the thickness of the resin layer was changed during the measurement.
  • K thermal conductivity (W / mK)
  • Q heat transferred per unit time (unit: W)
  • dx thickness of resin layer (unit: m)
  • A is cross-sectional area of resin layer (unit: m2)
  • dT is the temperature difference (unit: K) of the copper rod.
  • Specific gravity of the resin layer was measured according to the ASTM D792 standard. For example, after weighing the resin layer in accordance with the standard, and weighed again in water, the density and specific gravity are calculated from the measured weight difference, or a predetermined amount of powder or pellet (ex. About 5 g ) Into the already measured volume in the pyrometer and the specific gravity can be calculated from the difference in weight and volume at 73.4 F °.
  • Thermogravimetric analysis was performed using TA Instrument's TA400 instrument. The analysis was performed using about 10 mg of the resin layer, and the analysis was performed under a nitrogen (N 2) atmosphere of a temperature range of 25 ° C. to 800 ° C., a heating rate of 20 ° C./min, and 60 cm 3 / min.
  • N 2 nitrogen
  • the dielectric breakdown voltage of the resin layer was evaluated according to ASTM D149 standard.
  • the dielectric breakdown voltage refers to a voltage applied to the moment when the material loses insulation, and at high voltages above a certain level, the conductivity rapidly increases and loses insulation.
  • the minimum voltage required to cause dielectric breakdown is called the breakdown voltage, and insulation is created through the arc through the specimen.
  • the voltage gradient can be obtained by dividing the voltage at the instant of breakdown by the insulation thickness.
  • the breakdown voltage was measured using the Backman Industrial PA70-1005 / 202 instrument. At this time, the thickness of the specimen (resin layer) was about 2 mm and the diameter was about 100 mm.
  • the attachment is performed by curing the uncured resin composition after loading between the insulating film and the PET film. Thereafter, the adhesive force is measured while peeling the PET film from the insulating side at a speed of about 300 mm / min and a peel angle of 180 degrees.
  • the hardness of the resin layer was measured in accordance with ASTM D 2240 and JIS K 6253 standards. ASKER, durometer hardness was performed using the instrument, the initial hardness was measured by applying a load (about 1.5 Kg) of more than 1 Kg to the surface of the flat sample (resin layer), and after 15 seconds confirmed by the stabilized measured value hardness Was evaluated.
  • the reliability of the battery module was evaluated by measuring the thermal resistance and withstand voltage strength of the module. Withstand voltage strength is a test to see how much voltage is applied to the battery module without damage. In the following examples and comparative examples, the breakdown voltage strength was measured while increasing the magnitude of the applied voltage starting at about 1.2 kV.
  • the thermal resistance of the battery module is input by placing the module between the upper and lower blocks of the measuring device, running the DynTIM Tester software of the controlling computer, and determining the heating current and the measuring time on the software. After setting the parameters such as measurement pressure and thermal resistance measurement conditions, the T3Ster and DynTIM tester controlled by software were measured for the thermal resistance value for each measurement condition, and the thermal resistance was evaluated. Reliability according to each evaluation result was classified by the following criteria.
  • Alumina particle size distribution: 1 ⁇ m to 60 ⁇ m
  • a two-component urethane adhesive composition (subject: HP-3753 (KPX Chemical), a curing agent: TLA-100 (made by Asaika)), and the cured adhesive composition was about 3 after the two-component urethane adhesive composition was cured.
  • a resin composition having a room temperature viscosity of about 250,000 cP is prepared, and the following battery It was applied to the manufacture of the module.
  • a module case having a shape as shown in FIG. 1 a module case having a lower plate, a side wall, and an upper plate made of aluminum was used.
  • the inner surface of the lower plate of the module case is formed with a guiding part for guiding the mounting of the battery cell, the injection hole for the injection of the resin composition is formed at a predetermined interval in the center of the lower plate of the module case, An observation hole is formed at the end.
  • a bundle of pouches in which a plurality of battery pouches were stacked was stored in the module case.
  • the top plate was then covered on the upper surface of the module case. Thereafter, the prepared resin composition was injected into the injection hole until it was confirmed that the injected composition reached the observation hole, and then cured to prepare a battery module.
  • Alumina particle size distribution: 1 ⁇ m to 60 ⁇ m
  • a two-component silicone adhesive composition subject: SL5100A (manufactured by KCC) and a curing agent: SL5100B (manufactured by KCC)
  • SL5100A manufactured by KCC
  • SL5100B manufactured by KCC
  • thermal conductivity within the range of about 800 to 1200 parts by weight relative to 100 parts by weight of the total amount of two liquids
  • a resin composition having a room temperature viscosity of about 130,000 cP is prepared, which is used to prepare the following battery module. Applied.
  • a case having the same structure as that used in Example 1 but not having an injection hole and an observation hole for injection of the resin composition was used.
  • the prepared resin composition is coated on the entire inner surface of the lower plate of the case to a thickness of about 500 ⁇ m, and the same battery cell as in Example 1 is stored, and after the top plate is covered, the layer of the resin composition is cured to form a battery module. Prepared.
  • Alumina particle size distribution: 1 ⁇ m to 60 ⁇ m
  • a two-component urethane adhesive composition subject: PP-2000 (KPX Chemical), a curing agent: TLA-100 (manufactured by Asaika)
  • PP-2000 KPX Chemical
  • TLA-100 manufactured by Asaika
  • Alumina particle size distribution: 1 ⁇ m to 60 ⁇ m
  • the adhesive composition exhibited a thermal conductivity of about 3 W / mK after curing (2 liquid total solids 100
  • Battery modules were prepared in the same manner as in Example 1, except that a resin composition prepared in a range of about 600 to 900 parts by weight relative to parts by weight was used so that the room temperature viscosity was about 500,000 cP.
  • Graphite was added to the two-component silicone adhesive composition (subject: SL5100A (manufactured by KCC), the curing agent: SL5100B (manufactured by KCC)), and the amount of thermal conductivity of about 1.5 W / mK after the two-component silicone adhesive composition was cured.
  • the battery module was prepared in the same manner as in Example 2 except that the resin composition was prepared by mixing in a range of about 100 to 300 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total of 2 liquid solids, and having a room temperature viscosity of about 2,000,000 cP.) Prepared.
  • Alumina particle size distribution: 1 ⁇ m to 60 ⁇ m
  • a two-component silicone adhesive composition subject: SL5100A (manufactured by KCC), a curing agent: SL5100B (manufactured by KCC)
  • the thermal conductivity about 1.5 W / mK after the adhesive composition was cured.
  • a resin composition prepared by mixing in an amount that can be represented (in the range of about 300 to 500 parts by weight relative to 100 parts by weight of the total amount of two liquids) to have a room temperature viscosity of about 100,000 cP.
  • Alumina particle size distribution: 1 ⁇ m to 60 ⁇ m
  • a two-component urethane adhesive composition subject: PP-2000 (KPX Chemical), a curing agent: TLA-100 (manufactured by Asaika)
  • PP-2000 KPX Chemical
  • TLA-100 curing agent
  • a resin composition prepared by mixing in an amount capable of exhibiting thermal conductivity of W / mK (within a range of about 400 to 900 parts by weight relative to 100 parts by weight of 2 liquid total solids) to have a room temperature viscosity of about 150,000 cP.
  • a battery module in the same manner as in Example 1.
  • a battery module was manufactured in the same manner as in Example 2, except that no adhesive composition was used, that is, no resin layer was formed.
  • Example Comparative example One 2 3 4 5 6 7 One Resin layer Thermal Conductivity (W / mK) 3 3 3.5 3 1.5 1.5 2 - importance 3.1 3.1 3.2 3.2 2 2 2.6 - Residue at 800 ° C (% by weight) > 80 > 80 > 80 > 80 > 80 About 60 About 60 About 50 - Adhesive force (gf / 10mm) 500 100 450 600 80 90 500 - Hardness (shore A) 90 60 90 100 40 40 70 - Breakdown voltage (kV / mm) 15 11 10 ⁇ 8 2 5 4 - Reliability (withstand voltage strength) Prize Prize Prize medium medium medium medium medium Ha Reliability (thermal resistance) Prize Prize Prize medium medium medium medium Ha
  • Example 7 when comparing the results of Examples 2, 5 and 6 or the results of Examples 1, 3, 7, when the same series of resins were used, the thermal conductivity, specific gravity and heat resistance (TGA analysis) As a result, it can be confirmed that hardness and the like change. For example, in Example 7, a smaller amount of filler was applied as compared to Examples 1 and 3, resulting in somewhat lower thermal conductivity and specific gravity, lower thermal resistance (TGA analysis), and similar adhesion strength. However, the hardness was slightly lowered, and the dielectric breakdown voltage was lowered, in particular, due to the decrease in the proportion of the fillers that influenced to ensure insulation. Accordingly, it can be confirmed that Example 7 is somewhat inferior in the reliability evaluation results compared to Examples 1 and 3.

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Abstract

본 출원은 배터리 모듈, 그 제조 방법 및 상기 제조 방법에 적용되는 수지 조성물을 제공할 수 있다. 본 출원에서는 간단한 공정과 저비용으로 제조되면서도 부피 대비 출력이 우수한 배터리 모듈, 그 제조 방법 및 상기 제조 방법에 적용되는 수지 조성물을 제공할 수 있다.

Description

배터리 모듈
본 출원은 2015년 2월 27일자 제출된 대한민국 특허출원 제10-2015-0028505호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은, 배터리 모듈에 대한 것이다.
이차 전지에는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 또는 리튬 이차 전지 등이 있고, 대표적인 것은 리튬 이차 전지이다.
리튬 이차 전지는 주로 리튬 산화물과 탄소 소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재를 포함하는데, 외장재의 형상에 따라 캔형 이차 전지와 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다. 본 명세서에서는 단일의 이차 전지를 배터리셀로 호칭할 수 있다.
자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 배터리셀이 서로 전기적으로 연결되어 배터리 모듈 또는 배터리팩이 구성될 수 있다.
배터리 모듈 또는 그러한 배터리 모듈이 복수 연결된 배터리팩을 구성하기 위해서는, 다양한 체결 부품이나 냉각 장비 등이 요구되는데, 이러한 체결 부품 또는 냉각 장비 등은 배터리 모듈 또는 배터리팩의 제조 비용의 상승을 유발하고, 부피 및 무게를 증가시키며, 증가된 부피 및 무게 대비 출력도 떨어지게 한다.
본 출원은, 배터리 모듈을 제공할 수 있다.
본 출원의 배터리 모듈은 모듈 케이스 및 배터리셀을 포함한다. 배터리셀은 상기 모듈 케이스 내에 수납되어 있을 수 있다. 배터리셀은 모듈 케이스 내에 하나 이상 존재할 수 있으며, 복수의 배터리셀이 모듈 케이스 내에 수납되어 있을 수 있다. 모듈 케이스 내에 수납되는 배터리셀의 수는 용도 등에 따라 조절되는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 모듈 케이스에 수납되어 있는 배터리셀들은 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
모듈 케이스는, 배터리셀이 수납될 수 있는 내부 공간을 형성하는 측벽과 하부판을 적어도 포함할 수 있다. 모듈 케이스는, 상기 내부 공간을 밀폐하는 상부판을 추가로 포함할 수 있다. 상기 측벽, 하부판 그리고 상부판은 서로 일체형으로 형성되어 있거나, 혹은 각각 분리된 측벽, 하부판 및/또는 상부판이 조립되어 상기 모듈 케이스가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 모듈 케이스의 형태 및 크기는 특별히 제한되지 않으며, 용도, 상기 내부 공간에 수납되는 배터리셀의 형태 및 개수 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
도 1은, 예시적인 모듈 케이스(10)를 보여주는 도면이고, 하나의 하부판(10a)과 4개의 측벽(10b)을 포함하는 상자 형태의 케이스(10)의 예시이다. 모듈 케이스(10)는 내부 공간을 밀폐하는 상부판(10c)을 추가로 포함할 수 있다.
도 2는, 배터리셀(20)이 수납되어 있는 도 1의 모듈 케이스(10)를 상부에서 관찰한 모식도이다.
모듈 케이스의 상기 하부판, 측벽 및/또는 상부판(이하, 하부판 등으로 호칭할 수 있다.)에는 홀이 형성되어 있을 수 있다. 이러한 홀은 후술하는 수지층과 접촉하고 있는 하부판 등에 형성되어 있을 수 있고, 후술하는 바와 같이 상기 수지층과 80% 이상의 접촉 면적으로 접촉하고 있는 하부판 등에 형성될 수 있다. 상기 홀은 후술하는 바와 같이 수지층을 주입 공정에 의해 형성하는 경우에 상기 수지층의 형성 재료(수지 조성물)를 주입하는 주입홀일 수 있다. 이 때 상기 홀의 형태, 개수 및 위치는 상기 수지층의 형성 재료의 주입 효율을 고려하여 조정될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 홀은 적어도 상기 하부판에 형성되어 있을 수 있다.
하나의 예시에서 상기 홀은 상기 측벽, 하부판 또는 상부판의 전체 길이의 약 1/4 내지 3/4 지점 또는 약 3/8 내지 7/8 지점 또는 대략 중간부에 형성되어 있을 수 있다. 이 지점에 형성된 주입홀을 통해 수지 조성물을 주입함으로써 수지층을 넓은 접촉 면족을 가지도록 주입할 수 있다. 상기의 1/4, 3/4, 3/8 또는 7/8 지점은, 예를 들면, 도 3에 나타난 바와 같이, 하부판 등의 어느 하나의 말단면(E)을 기준으로 측정한 전체 길이(L) 대비 상기 홀의 형성 위치까지의 거리(A)의 비율이다. 또한, 상기에서 길이(L) 및 거리(A)가 형성되는 말단(E)은, 상기 길이(L)와 거리(A)를 동일한 말단(E)으로부터 측정하는 한 임의의 말단(E)일 수 있다. 도 3에서 주입홀(50a)은 하부판(10a)의 대략 중간부에 위치하는 형태이다.
주입홀의 크기 및 형상은 특별히 제한되지 않고, 후술하는 수지층 재료의 주입 효율을 고려하여 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 홀은, 원형, 타원형, 삼각형이나 사각형 등의 다각형 또는 무정형일 수 있다. 주입홀의 개수 및 그 간격도 크게 제한되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이 수지층이 하부판 등과 넓은 접촉 면적을 가질 수 있도록 조절될 수 있다.
상기 주입홀이 형성되어 있는 하부판 등의 말단에는 관찰홀(예를 들면, 도면 3의 50b)이 형성될 수 있다. 이러한 관찰홀은, 예를 들어, 상기 주입홀을 통해 수지층 재료를 주입할 때에, 주입된 재료가 해당 측벽, 하부판 또는 상부판의 말단까지 잘 주입되는 것인지를 관찰하기 위한 것일 수 있다. 상기 관찰홀의 위치, 형태, 크기 및 개수는 상기 주입되는 재료가 적절하게 주입되었는지를 확인할 수 있도록 형성되는 한 제한되지 않는다.
모듈 케이스는 열전도성 케이스일 수 있다. 용어 열전도성 케이스는, 케이스 전체의 열전도도가 10 W/mk 이상이거나, 혹은 적어도 상기와 같은 열전도도를 가지는 부위가 포함되어 있는 케이스를 의미한다. 예를 들면, 전술한 측벽, 하부판 및 상부판 중 적어도 하나는 상기 기술한 열전도도를 가질 수 있다. 다른 예시에서 상기 측벽, 하부판 및 상부판 중 적어도 하나가 상기 열전도도를 가지는 부위를 포함할 수 있다. 상기에서 열전도도는, 다른 예시에서 20 W/mk 이상, 30 W/mk 이상, 40 W/mk 이상, 50 W/mk 이상, 60 W/mk 이상, 70 W/mk 이상, 80 W/mk 이상, 90 W/mk 이상, 100 W/mk 이상, 110 W/mk 이상, 120 W/mk 이상, 130 W/mk 이상, 140 W/mk 이상, 150 W/mk 이상, 160 W/mk 이상, 170 W/mk 이상, 180 W/mk 이상, 190 W/mk 이상 또는 195 W/mk 이상일 수 있다. 상기 열전도도는 그 수치가 높을수록 모듈의 방열 특성 등의 측면에서 유리하므로, 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 열전도도는 약 1,000 W/mK 이하, 900 W/mk 이하, 800 W/mk 이하, 700 W/mk 이하, 600 W/mk 이하, 500 W/mk 이하, 400 W/mk 이하, 300 W/mk 또는 250 W/mK 이하일 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 열전도도를 나타내는 재료의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 알루미늄, 금, 순은, 텅스텐, 구리, 니켈 또는 백금 등의 금속 소재 등이 있다. 모듈 케이스는 전체가 상기와 같은 열전도성 재료로 이루어지거나, 적어도 일부의 부위가 상기 열전도성 재료로 이루어진 부위일 수 있다. 이에 따라 상기 모듈 케이스는 상기 언급된 범위의 열전도도를 가지거나, 혹은 상기 언급된 열전도도를 가지는 부위를 적어도 포함할 수 있다.
모듈 케이스에서 상기 범위의 열전도도를 가지는 부위는 후술하는 수지층 및/또는 절연층과 접촉하는 부위일 수 있다. 또한, 상기 열전도도를 가지는 부위는, 냉각수와 같은 냉각 매체와 접하는 부위일 수 있다. 이러한 구조에 의하면 배터리셀로부터 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있는 구조가 구현될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 그 물성에 영향을 미치는 경우, 특별히 달리 언급하지 않는 한, 그 물성은 상온에서 측정한 물성일 수 있다. 본 명세서에서 용어 상온은 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 예를 들면, 약 25℃, 약 23℃ 또는 약 20℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다.
모듈 케이스 내에 수납되는 배터리셀의 종류도 특별히 제한되지 않으며, 공지의 다양한 배터리셀이 모두 적용될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 배터리셀은 파우치형일 수 있다. 도 4를 참조하여 설명하면, 파우치형 배터리셀(100)는 통상적으로 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 포함할 수 있다.
도 4는, 예시적인 파우치형셀의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이고, 도 5는 도 4의 구성의 결합 사시도이다.
파우치형셀(100)에 포함되는 전극 조립체(110)는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태일 수 있다. 전극 조립체(110)는, 하나의 양극판과 하나의 음극판이 세퍼레이터와 함께 권취된 권취형이거나, 다수의 양극판과 다수의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 스택형 등으로 구분될 수 있다.
파우치 외장재(120)는, 예를 들면, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 외장재(120)는, 전극 조립체(110)와 전해액 등 내부 요소를 보호하고, 전극 조립체(110)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 감안하여 알루미늄 등의 금속 박막을 포함할 수 있다. 이러한 금속 박막은, 전극 조립체(110) 및 전해액 등의 요소나 전지(100) 외부의 다른 요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연 물질로 형성된 절연층 사이에 개재될 수 있다.
하나의 예시에서 외장재(120)는, 상부 파우치(121)와 하부 파우치(122)를 포함할 수 있고, 상부 파우치(121)와 하부 파우치(122) 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 내부 공간(I)이 형성될 수 있다. 이러한 파우치의 내부 공간(I)에는 전극 조립체(110)가 수납될 수 있다. 상부 파우치(121)와 하부 파우치(122)의 외주면에는 실링부(S)가 구비되고, 이러한 실링부(S)가 서로 접착되어, 전극 조립체(110)가 수용된 내부 공간이 밀폐될 수 있다.
전극 조립체(110)의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드와 연결될 수 있다. 전극 리드는 상부 파우치(121)와 하부 파우치(122)의 실링부(S) 사이에 개재되어 외장재(120)의 외부로 노출됨으로써, 이차 전지(100)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
파우치형 셀의 형태는 하나의 예시이며, 본 출원에서 적용되는 배터리셀이 상기와 같은 종류에 제한되는 것은 아니다. 본 출원에서는 공지된 다양한 형태의 파우치형셀 또는 기타 다른 형태의 전지가 모두 배터리셀로서 적용될 수 있다.
본 출원의 배터리 모듈은, 수지층을 추가로 포함할 수 있다. 본 출원에서 용어 수지층은, 수지 성분을 포함하는 층이고, 하나의 예시에서 상기 수지층은, 접착제층일 수도 있다. 하나의 예시에서 상기 배터리 모듈은, 상기 케이스 및 배터리셀을 포함하고, 상기 케이스의 측벽, 하부판 또는 상부판 중 어느 하나와 접촉하고 있을 수 있다. 이 때 상기 수지층과 접촉하고 있는 측벽, 하부판 또는 상부판은 전술한 열전도성의 측벽, 하부판 또는 상부판일 수 있다. 한편, 상기에서 접촉은, 열적 접촉을 의미하는 것으로, 상기 접촉에는 상기 수지층이 상기 하부판 등과 직접 접촉하고 있거나, 혹은 상기 수지층과 상기 하부판 등의 사이에 다른 요소, 예를 들면, 후술하는 절연층 등이 존재하지만, 그 다른 요소가 상기 수지층으로부터 상기 하부판 등으로의 열의 전달을 방해하고 있지 않은 상태를 의미할 수 있다. 상기에서 열의 전달을 방해하지 않는다는 것은, 상기 수지층과 상기 하부판 등의 사이에 다른 요소(ex. 절연층 또는 후술하는 가이딩부)가 존재하는 경우에도, 그 다른 요소와 상기 수지층의 전체 열전도도가 약 1.5 W/mK 이상, 약 2 W/mK 이상, 2.5 W/mK 이상, 3 W/mK 이상, 3.5 W/mK 이상 또는 4 W/mK 이상이 되거나, 혹은 상기 수지층 및 그와 접촉하고 있는 하부판 등의 전체 열전도도가 상기 다른 요소가 있는 경우에도 상기 범위 내에 포함되는 경우를 의미한다. 상기 열적 접촉의 열전도도는 50 W/mK 이하, 45 W/mk 이하, 40 W/mk 이하, 35 W/mk 이하, 30 W/mk 이하, 25 W/mk 이하, 20 W/mk 이하, 15 W/mk 이하, 10W/mK 이하, 5 W/mK 이하, 4.5 W/mK 이하 또는 약 4.0 W/mK 이하일 수 있다. 이러한 열적 접촉은, 상기 다른 요소가 존재하는 경우에, 그 다른 요소의 열전도도 및/또는 두께를 제어하여 달성할 수 있다.
수지층은, 상기 하부판 등과 접촉하고 있고, 또한 상기 배터리셀과도 접촉하고 있을 수 있다. 상기 배터리셀과 수지층의 접촉도 전술한 열적 접촉이다. 본 출원에서는 상기와 같은 구조의 채용을 통해 일반적인 배터리 모듈 또는 그러한 모듈의 집합체인 배터리팩의 구성 시에 기존에 요구되던 다양한 체결 부품이나 모듈의 냉각 장비 등을 대폭적으로 감소시키면서도, 방열 특성을 확보하면서, 단위 부피 당 보다 많은 배터리셀이 수납되는 모듈을 구현할 수 있다. 이에 따라서, 본 출원에서는 보다 소형이고, 가벼우면서도 고출력의 배터리 모듈을 제공할 수 있다.
도 6 및 7은, 상기 배터리 모듈의 예시적인 단면도이고, 예를 들면, 상기 모듈은, 6 및 7과 같이 측벽(10b)과 하부판(10a)을 포함하는 케이스(10); 상기 케이스의 내부에 수납되어 있는 복수의 배터리셀(20) 및 상기 배터리셀(20)과 케이스(10) 모두와 접촉(열적 접촉)하고 있는 수지층(30)을 포함하는 형태일 수 있다.
상기 구조에서 상기 수지층(30)과 접촉하고 있는 하부판 등은 전술한 것과 같이 열전도성의 하부판 등일 수 있다.
상기 수지층과 하부판 등의 접촉 면적은, 상기 하부판 등의 전체 면적 대비 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상 또는 약 95% 이상일 수 있다. 상기 접촉 면적의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 100% 이하 또는 약 100% 미만일 수 있다.
상기 접촉 면적은, 하부판 등이 열전도성 부위를 포함하는 경우에는 상기 열전도성 부위에 대한 접촉 면적, 즉 상기 열전도성 부위 전체 면적 대비 비율일 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 열전도성 부위 또는 열전도성 하부판 등은 냉각수와 같은 냉각 매체와 접하는 부위일 수 있다. 즉, 도 6에 모식적으로 나타난 바와 같이, 상기와 같은 구조에 의해 열(H)이 하부판 등으로 쉽게 배출될 수 있고, 이러한 하부판 등을 냉각 매체(CW)와 접촉시킴으로서, 보다 간소화된 구조에서도 열의 방출이 쉽게 이루어지도록 할 수 있다.
수지층(30)은, 도면 6과 같이, 상대적으로 얇은 층의 형태이거나, 혹은 도면 7과 같이 케이스(10)의 내부 공간을 충전하고 있을 수 있다. 상기의 경우, 상기 배터리셀(20)은 수지층 내에 삽입되어 있는 상태로 존재할 수 있다. 도면 6과 같은 구조인 경우에 수지층의 두께는 예를 들면, 약 100 ㎛ 내지 5 mm의 범위 내 또는 약 200㎛ 내지 5 mm의 범위 내일 수 있다. 본 출원의 구조에서는 상기 수지층이 얇으면, 방열 특성에서 유리하고, 두꺼우면 후술하는 절연 특성에서 유리하기 때문에, 이러한 점을 고려하여 적정 두께를 설정할 수 있다. 상기 두께는, 수지층의 가장 얇은 부위의 두께, 가장 두꺼운 부위의 두께 또는 평균 두께일 수 있다.
도 6 또는 7에 나타난 바와 같이, 상기 모듈 케이스(10)의 내부의 적어도 일면, 예를 들면, 수지층(30)과 접촉하는 면(10a)에는 수납되는 배터리셀(20)을 가이드할 수 있는 가이딩부(10d)가 존재할 수도 있다. 이 때 가이딩부(10d)의 형상은 특별히 제한되지 않고, 적용되는 배터리셀의 형태 등을 고려하여 적정한 형상이 채용될 수 있으며, 상기 가이딩부(10d)는, 상기 하부판 등과 일체로 형성되어 있는 것이거나, 혹은 별도로 부착된 것일 수 있다. 상기 가이딩부(10d)는 전술한 열적 접촉을 고려하여 열전도성 소재, 예를 들면, 알루미늄, 금, 순은, 텅스텐, 구리, 니켈 또는 백금 등의 금속 소재를 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 수납되는 배터리셀(20)의 사이에는 간지 또는 접착제층이 존재할 수도 있다. 상기에서 간지는 배터리셀의 충방전 시에 버퍼 역할을 할 수 있다.
상기 수지층 또는 그 수지층이 적용된 배터리 모듈은, 후술하는 물성 중 적어도 하나 이상의 물성을 가질 수 있다. 후술하는 각 물성은 독립적인 것으로 어느 하나의 물성이 다른 물성을 우선하는 것이 아니며, 수지층은, 하기 기술하는 물성 중 적어도 하나 또는 2개 이상을 만족할 수 있다.
예를 들면, 상기 수지층은 열전도성 수지층으로서, 열전도도가 약 1.5 W/mK 이상, 약 2 W/mK 이상, 2.5 W/mK 이상, 3 W/mK 이상, 3.5 W/mK 이상 또는 4 W/mK 이상일 수 있다. 상기 열전도도는 50 W/mK 이하, 45 W/mk 이하, 40 W/mk 이하, 35 W/mk 이하, 30 W/mk 이하, 25 W/mk 이하, 20 W/mk 이하, 15 W/mk 이하, 10W/mK 이하, 5 W/mK 이하, 4.5 W/mK 이하 또는 약 4.0 W/mK 이하일 수 있다. 상기와 같이 수지층이 열전도성 수지층인 경우에 상기 수지층이 부착되어 있는 하부판 등은 전술한 열전도도가 10 W/mK 이상 부위일 수 있다. 이 때 상기 열전도도를 나타내는 모듈 케이스의 부위는 냉각 매체, 예를 들면, 냉각수 등과 접하는 부위일 수 있다. 수지층의 열전도도는, 예를 들면, ASTM D5470 규격 또는 ISO 22007-2 규격에 따라 측정된 수치이다. 수지층의 열전도도를 상기와 같은 범위로 하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 수지층의 열전도도는 수지층에 사용되는 수지의 종류 및/또는 필러의 사용을 통해 조절할 수 있다. 예를 들어, 접착제로 일반적으로 사용될 수 있는 것으로 알려진 수지 성분 중에서 아크릴계 수지, 우레탄계 수지 및 실리콘계 수지는 서로 유사한 열전도 특성을 가지고, 에폭시계 수지가 그에 비하여 열전도성이 우수하며, 올레핀계 수지는 에폭시 수지에 비하여 높은 열전도성을 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서, 필요에 따라 수지 중 우수한 열전도도를 가지는 것을 선택할 수 있다. 다만, 일반적으로 수지 성분만으로는 목적하는 열전도도가 확보되기 어렵고, 후술하는 바와 같이 열전도성이 우수한 필러 성분을 적정 비율로 수지층에 포함시키는 방식도 적용할 수 있다.
배터리 모듈에서 상기 수지층 또는 그 수지층이 적용된 배터리 모듈의 열저항이 5 K/W 이하, 4.5 K/W 이하, 4 K/W 이하, 3.5 K/W 이하, 3 K/W 이하 또는 약 2.8 K/W 이하일 수 있다. 이러한 범위의 열저항이 나타나도록 수지층 또는 그 수지층이 적용된 배터리 모듈을 조절할 경우에 우수한 냉각 효율 내지는 방열 효율이 확보될 수 있다. 상기 열저항은 측정하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, ASTM D5470 규격 또는 ISO 22007-2 규격에 따라 측정할 수 있다.
수지층은, 배터리셀의 효과적인 고정, 모듈의 사용 과정에서의 내충격성 및 내진동성을 고려하여 적절한 접착력을 가질 수 있다. 하나의 예시에서 상기 수지층은 접착력이 약 1,000 gf/10mm 이하, 약 950 gf/10mm 이하, 약 900 gf/10mm 이하, 약 850 gf/10mm 이하, 약 800 gf/10mm 이하, 약 750 gf/10mm 이하, 약 700 gf/10mm 이하, 약 650 gf/10mm 이하 또는 약 600 gf/10mm 이하일 수 있다. 상기 수지층의 접착력은 다른 예시에서 약 50 이상, 약 70 gf/10mm 이상, 약 80 gf/10mm 이상 또는 약 90 gf/10mm 이상일 수 있다. 상기 접착력은, 약 300 mm/min의 박리 속도 및 180도의 박리 각도로 측정한 수치일 수 있다. 또한, 상기 접착력은 수지층이 접촉하고 있는 모듈 케이스에 대한 접착력일 수 있다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이 모듈 케이스에서 수지층과 접촉하고 있는 하부판 등과 상기 수지층과의 사이에 절연층이 형성되는 경우에는, 상기 모듈 케이스에 대한 접착력은 상기 절연층이 형성되어 있는 모듈 케이스에 대한 접착력일 수 있다. 상기와 같은 접착력이 확보될 수 있다면, 다양한 소재, 예를 들면, 배터리 모듈에 포함되는 케이스 내지는 배터리셀 등의 다양한 소재에 대하여 우수한 접착력이 나타날 수 있다. 이러한 범위의 접착력이 확보되면, 배터리 모듈에서 배터리셀의 충방전시에 부피 변화, 배터리 모듈의 사용 온도의 변화 또는 수지층의 경화 수축 등에 의한 박리 등이 방지되어 우수한 내구성이 확보될 수 있다. 이러한 접착력은, 예를 들면, 상기 수지층을 접착제층으로 구성함으로써 확보할 수 있다. 즉, 공지된 접착 소재가 나타낼 수 있는 접착력은 잘 알려져 있고, 그러한 접착력을 고려하여 소재를 선택하면 된다.
수지층은 또한 열충격 시험, 예를 들면, 약 -40℃의 저온에서 30분 유지한 후 다시 온도를 80℃로 올려서 30분 유지하는 것을 하나의 사이클로 하여 상기 사이클을 100회 반복하는 열충격 시험 후에 배터리 모듈의 모듈 케이스 또는 배터리셀로부터 떨어지거나 박리되거나 혹은 크렉이 발생하지 않을 수 있도록 형성되는 것이 요구될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈이 자동차 등과 같이 오랜 보증 기간(자동차의 경우, 약 15년 이상)이 요구되는 제품에 적용되는 경우에 내구성이 확보되기 위해서는 상기와 같은 수준의 성능이 요구될 수 있다.
수지층은, 전기 절연성 수지층일 수 있다. 전술한 구조에서 수지층이 전기 절연성을 나타내는 것에 의해 배터리 모듈의 성능을 유지하고, 안정성을 확보할 수 있다. 전기절연성 수지층은, ASTM D149에 준거하여 측정한 절연파괴전압이 약 3 kV/mm 이상, 약 5 kV/mm 이상, 약 7 kV/mm 이상, 10 kV/mm 이상, 15 kV/mm 이상 또는 20 kV/mm 이상일 수 있다. 상기 절연파괴전압은 그 수치가 높을수록 수지층이 우수한 절연성을 보이는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니나, 수지층의 조성 등을 고려하면 약 50 kV/mm 이하, 45 kV/mm 이하, 40 kV/mm 이하, 35 kV/mm 이하, 30 kV/mm 이하일 수 있다. 상기와 같은 절연 파괴 전압도 수지층의 수지 성분의 절연성을 조절하여 제어할 수 있으며, 예를 들면, 수지층 내에 절연성 필러를 적용함으로써 상기 절연 파괴 전압을 조절할 수 있다. 일반적으로 열전도성 필러 중에서 후술하는 바와 같은 세라믹 필러는 절연성을 확보할 수 있는 성분으로 알려져 있다.
수지층으로는, 안정성을 고려하여 난연성 수지층이 적용될 수 있다. 본 출원에서 용어 난연성 수지층은 UL 94 V Test (Vertical Burning Test)에서 V-0 등급을 보이는 수지층을 의미할 수 있다. 이를 통해 배터리 모듈에서 발생할 수 있는 화재 및 기타 사고에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
수지층은 비중이 5 이하일 수 있다. 상기 비중은 다른 예시에서 4.5 이하, 4 이하, 3.5 이하 또는 3 이하일 수 있다. 이러한 범위의 비중을 나타내는 수지층은 보다 경량화된 배터리 모듈의 제조에 유리하다. 상기 비중은 그 수치가 낮을수록 모듈의 경량화에 유리하므로, 그 하한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 비중은 약 1.5 이상 또는 2 이상일 수 있다. 수지층이 상기와 같은 범위의 비중을 나타내기 위하여 수지층에 첨가되는 성분이 조절될 수 있다. 예를 들어, 열전도성 필러의 첨가 시에 가급적 낮은 비중에서도 목적하는 열전도성이 확보될 수 있는 필러, 즉 자체적으로 비중이 낮은 필러를 적용하거나, 표면 처리가 이루어진 필러를 적용하는 방식 등이 사용될 수 있다.
수지층은 가급적 휘발성 물질을 포함하지 않는 것이 적절하다. 예를 들면, 상기 수지층은 비휘발성분의 비율이 90 중량% 이상, 95 중량% 이상 또는 98 중량% 이상일 수 있다. 상기에서 비휘발성분과 그 비율은 다음의 방식으로 규정될 수 있다. 즉, 상기 비휘발부은 수지층을 100℃에서 1 시간 정도 유지한 후에 잔존하는 부분을 비휘발분으로 정의할 수 있고, 따라서 상기 비율은 상기 수지층의 초기 중량과 상기 100℃에서 1 시간 정도 유지한 후의 비율을 기준으로 측정할 수 있다.
또한, 수지층에는 필요에 따라서 열화에 대하여 우수한 저항성을 가질 것이나, 모듈 케이스 또는 배터리셀의 표면가 가능한 화학적으로 반응하지 않는 안정성이 요구될 수 있다.
수지층은 또한 경화 과정 또는 경화된 후에 낮은 수축률을 가지는 것이 유리할 수 있다. 이를 통해 모듈의 제조 내지는 사용 과정에서 발생할 수 있는 박리나 공극의 발생 등을 방지할 수 있다. 상기 수축률은 전술한 효과를 나타낼 수 있는 범위에서 적절하게 조절될 수 있고, 예를 들면, 5% 미만, 3% 미만 또는 약 1% 미만일 수 있다. 상기 수축률은 그 수치가 낮을수록 유리하므로, 그 하한은 특별히 제한되지 않는다.
수지층은 또한 낮은 열팽창 계수(CTE)를 가지는 것이 유리할 수 있다. 이를 통해 모듈의 제조 내지는 사용 과정에서 발생할 수 있는 박리나 공극의 발생 등을 방지할 수 있다. 상기 열팽창 계수는 전술한 효과를 나타낼 수 있는 범위에서 적절하게 조절될 수 있고, 예를 들면, 300 ppm/K 미만, 250 ppm/K 미만, 200 ppm/K 미만, 150 ppm/K 미만 또는 약 100 ppm/K 미만일 수 있다. 상기 열팽창계수는 그 수치가 낮을수록 유리하므로, 그 하한은 특별히 제한되지 않는다.
수지층은 인장 강도가 적절하게 조절될 수 있고, 이를 통해 우수한 내충격성 등이 확보되어 적절한 내구성을 보이는 모듈의 제공이 가능할 수 있다. 인장 강도(tensile strength)는, 예를 들면, 약 1.0 MPa 이상의 범위에서 조절될 수 있다.
수지층은 연신율(elongation)이 적절하게 조절될 수 있고, 이를 통해 우수한 내충격성 등이 확보되어 적절한 내구성을 보이는 모듈의 제공이 가능할 수 있다. 연신율은, 예를 들면, 약 10% 이상 또는 약 15% 이상의 범위에서 조절될 수 있다.
수지층은 또한 적절한 경도를 나타내는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 수지층의 경도가 지나치게 높으면, 수지층이 지나치게 브리틀(brittle)하게 되어 신뢰성에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 또한, 수지층의 경도의 조절을 통해 내충격성, 내진동성을 확보하고, 제품의 내구성을 확보할 수 있다. 수지층은, 예를 들면, 쇼어(shore) A 타입에서의 경도가 100 미만, 99 이하, 98 이하, 95 이하 또는 93 이하이거나, 쇼어 D 타입에서의 경도가 약 80 미만, 약 70 이하 또는 약 65 이하 또는 약 60 이하일 수 있다. 상기 경도의 하한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 경도는 쇼어(shore) A 타입에서 경도가 60 이상이거나, 쇼어(shore) OO 타입에서의 경도가 5 이상 또는 약 10 이상 정도일 수 있다. 수지층의 경도는 통상 그 수지층에 포함되는 필러의 종류 내지 비율에 의해 좌우되고, 과량의 필러를 포함하면, 통상 경도가 높아진다. 다만, 실리콘계 수지가 일반적으로 에폭시 또는 우레탄 등 다른 수지에 비하여 낮은 경도를 나타내는 것처럼 수지층에 포함되는 수지 성분도 그 경도에 영향을 준다.
수지층은, 또한 열중량분석(TGA)에서의 5% 중량 손실(5% weight loss) 온도가 400℃ 이상이거나, 800℃ 잔량이 70 중량% 이상일 수 있다. 이러한 특성에 의해 배터리 모듈의 고온에서의 안정성이 보다 개선될 수 있다. 상기 800℃ 잔량은 다른 예시에서 약 75 중량% 이상, 약 80 중량% 이상, 약 85 중량% 이상 또는 약 90 중량% 이상일 수 있다. 상기 800℃ 잔량은 다른 예시에서 약 99 중량% 이하일 수 있다. 상기 열중량 분석(TGA)은, 60 cm3/분의 질소(N2) 분위기 하에서 20℃/분의 승온 속도로 25℃ 내지 800℃의 범위 내에서 측정할 수 있다. 상기 열중량분석(TGA) 결과도 수지층의 조성의 조절을 통해 달성할 수 있다. 예를 들어, 800℃ 잔량은, 통상 그 수지층에 포함되는 필러의 종류 내지 비율에 의해 좌우되고, 과량의 필러를 포함하면, 상기 잔량은 증가한다. 다만, 실리콘계 수지가 일반적으로 에폭시 또는 우레탄 등 다른 수지에 비하여 내열성이 높기 때문에 상기 잔량은 더욱 높고, 이처럼 수지층에 포함되는 수지 성분도 그 경도에 영향을 준다.
수지층의 종류는 배터리셀의 효과적인 고정이 가능하고, 필요에 따라 상기 언급된 물성이 부여될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 공지의 경화성 수지 소재가 모두 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 소재로는, 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 우레탄계 수지, 올레핀계 수지, 우레탄계 수지, EVA(Ethylene vinyl acetate)계 수지 또는 실리콘계 수지 등을 들 수 있고, 따라서 상기 수지층은 상기 수지를 포함할 수 있다. 상기 수지층은, 상기 수지를 수지 성분 중에서 주성분으로 포함할 수 있다. 즉, 상기 수지층에 포함되는 전체 수지 성분 중에서 상기 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 우레탄계 수지, 올레핀계 수지, 우레탄계 수지, EVA(Ethylene vinyl acetate)계 수지 또는 실리콘계 수지 등은 중량을 기준으로 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상 또는 약 90% 이상 포함될 수 있다. 상기 비율은 약 99% 이하 또는 약 95% 이하일 수 있다.
수지층을 형성하는 재료, 즉 수지 조성물은, 전술한 바와 같이 접착 재료일 수 있고, 또한 용제형, 수계 또는 무용제형일 수 있으나, 후술하는 제조 공정의 편의 등을 고려하여 무용제형 수지층인 것이 적절할 수 있다.
수지층 재료는 활성 에너지선 경화형, 습기 경화형, 열 경화형 또는 상온 경화형 등일 수 있고, 역시 후술하는 제조 공정의 편의성 등을 고려하여 상온 경화형인 것이 적절할 수 있다.
수지층은 전술한, 열전도성, 절연성, 내열성(TGA 분석) 또는 비중 등을 고려하여 필러를 포함할 수 있다. 적절한 필러의 사용을 통해 전술한 범위의 열전도도 등을 확보할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 필러는 열전도성 필러일 수 있다. 본 출원에서 용어 열전도성 필러는, 열전도도가 약 1 W/mK 이상, 약 5 W/mK 이상, 약 10 W/mK 이상 또는 약 15 W/mK 이상인 소재를 의미한다. 상기 열전도성 필러의 열전도도는 약 400 W/mK 이하, 약 350 W/mK 이하 또는 약 300 W/mK 이하일 수 있다. 사용될 수 있는 열전도성 필러의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 절연성 등을 고려하여 세라믹 필러를 적용할 수 있다. 예를 들면, 알루미나, AlN(aluminum nitride), BN(boron nitride), 질화 규소(silicon nitride), ZnO, SiC 또는 BeO 등과 같은 세라믹 입자가 사용될 수 있다. 또한, 수지층의 절연 특성이 확보될 수 있다면, 그래파이트(graphite) 등의 탄소 필러의 적용도 고려할 수 있다. 수지층 내에 포함되는 상기 필러의 형태나 비율은 특별히 제한되지 않으며, 수지 조성물의 점도, 수지층 내에서의 침강 가능성, 목적하는 열저항 내지는 열전도도, 절연성, 충진 효과 또는 분산성 등을 고려하여 선택될 수 있다. 일반적으로 필러의 사이즈가 커질수록 수지 조성물의 점도가 높아지고, 수지층 내에서 필러가 침강할 가능성이 높아진다. 또한 사이즈가 작아질수록 열저항이 높아지는 경향이 있다. 따라서 상기와 같은 점을 고려하여 적정 종류의 필러가 선택될 수 있고, 필요하다면 2종 이상의 필러를 사용할 수도 있다. 또한, 충진되는 양을 고려하면 구형의 필러를 사용하는 것이 유리하지만, 네트워크의 형성이나 전도성 등을 고려하여 침상이나 판상 등과 같은 형태의 필러도 사용될 수 있다. 하나의 예시에서 상기 수지층은 평균 입경이 0.001 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위 내에 있는 열전도성 필러를 포함할 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 0.01 ㎛ 이상, 0.1 이상, 0.5㎛ 이상, 1 ㎛ 이상, 2㎛ 이상, 3㎛ 이상, 4㎛ 이상, 5㎛ 이상 또는 약 6㎛ 이상일 수 있다. 상기 필러의 평균 입경은 다른 예시에서 약 75㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 65㎛ 이하, 약 60㎛ 이하, 약 55㎛ 이하, 약 50㎛ 이하, 약 45㎛ 이하, 약 40㎛ 이하, 약 35㎛ 이하, 약 30㎛ 이하, 약 25㎛ 이하, 약 20㎛ 이하, 약 15㎛ 이하, 약 10㎛ 이하 또는 약 5㎛ 이하일 수 있다.
수지층에 포함되는 필러의 비율은, 전술한 특성, 예를 들면, 열전도도, 절연성 등이 확보될 수 있도록 수지층의 특성을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 필러는, 수지층의 수지 성분 100 중량부 대비 약 50 내지 2,000 중량부의 범위 내에서 포함될 수 있다. 상기 필러의 중량부는 다른 예시에서 약 100 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 200 중량부 이상, 약 250 중량부 이상, 약 300 중량부 이상, 약 350 중량부 이상, 약 400 중량부 이상, 약 500 중량부 이상, 약 550 중량부 이상, 약 600 중량부 이상 또는 약 650 중량부 이상일 수 있다.
수지층은, 필요하다는 점도의 조절, 예를 들면 점도를 높이거나 혹은 낮추기 위해 또는 전단력에 따른 점도의 조절을 위하여 점도 조절제, 예를 들면, 요변성 부여제, 희석제, 분산제, 표면 처리제 또는 커플링제 등을 추가로 포함하고 있을 수 있다.
요변성 부여제는 수지 조성물의 전단력에 따른 점도를 조절하여 배터리 모듈의 제조 공정이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다. 사용할 수 있는 요변성 부여제로는, 퓸드 실리카 등이 예시될 수 있다.
희석제 또는 분산제는 통상 수지 조성물의 점도를 낮추가 위해 사용되는 것으로 상기와 같은 작용을 나타낼 수 있는 것이라면 업계에서 공지된 다양한 종류의 것을 제한 없이 사용할 수 있다.
표면 처리제는 수지층에 도입되어 있는 필러의 표면 처리를 위한 것이고, 상기와 같은 작용을 나타낼 수 있는 것이라면 업계에서 공지된 다양한 종류의 것을 제한 없이 사용할 수 있다.
커플링제의 경우는, 예를 들면, 알루미나와 같은 열전도성 필러의 분산성을 개선하기 위해 사용될 수 있고, 상기와 같은 작용을 나타낼 수 있는 것이라면 업계에서 공지된 다양한 종류의 것을 제한 없이 사용할 수 있다.
수지층은 난연제 또는 난연 보조제 등을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 수지층은 난연성 수지층을 형성할 수 있다. 난연제로는 특별한 제한 없이 공지의 다양한 난연제가 적용될 수 있으며, 예를 들면, 고상의 필러 형태의 난연제나 액상 난연제 등이 적용될 수 있다. 난연제로는, 예를 들면, 멜라민 시아누레이트(melamine cyanurate) 등과 같은 유기계 난연제나 수산화 마그네슘 등과 같은 무기계 난연제 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
수지층에 충전되는 필러의 양이 많은 경우 액상 타입의 난연 재료(TEP, Triethyl phosphate 또는 TCPP, tris(1,3-chloro-2-propyl)phosphate 등)를 사용할 수도 있다. 또한, 난연상승제의 작용을 할 수 있는 실란 커플링제가 추가될 수도 있다.
수지층은 상기 성분 중 어느 하나 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 배터리 모듈은 상기 모듈 케이스와 상기 배터리셀의 사이 또는 상기 수지층과 상기 모듈 케이스의 사이에 절연층을 추가로 포함할 수 있다. 도 8은, 수지층(30)과 케이스의 하부판(10c)상에 형성된 가이딩부(10d)와의 사이에 절연층(40)이 형성되어 있는 경우의 예시이다. 절연층을 추가함으로써 사용 과정에서 발생할 수 있는 충격에 의한 셀과 케이스의 접촉에 따른 전기적 단락 현상이나 화재 발생 등의 문제를 방지할 수 있다. 상기 절연층은 높은 절연성과 열전도성을 가지는 절연 시트를 사용하여 형성하거나, 혹은 절연성을 나타내는 물질의 도포 내지는 주입에 의해 형성할 수 있다. 예를 들면, 후술하는 배터리 모듈의 제조 방법에서 수지 조성물의 주입 전에 절연층을 형성하는 과정이 수행될 수 있다. 절연층의 형성에는 소위 TIM(Thermal Interface Material) 등이 적용될 수도 있다. 다른 방식에서 절연층은 접착성 물질로 형성할 수 있으며, 예를 들면, 열전도성 필러 등의 필러의 함량이 적거나 없는 수지층을 사용하여 절연층을 형성할 수도 있다. 절연층의 형성에 사용될 수 있는 수지 성분으로는, 아크릴 수지, PVC(poly(vinyl chloride)), PE(polyethylene) 등의 올레핀 수지, 에폭시 수지, 실리콘이나, EPDM 러버((ethylene propylene diene monomer rubber) 등의 러버 성분 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 절연층은, ASTM D149에 준거하여 측정한 절연파괴전압이 약 5 kV/mm 이상, 약 10 kV/mm 이상, 약 15 kV/mm 이상, 20 kV/mm 이상, 25 kV/mm 이상 또는 30 kV/mm 이상일 수 있다. 상기 절연파괴전압은 그 수치가 높을수록 우수한 절연성을 보이는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 절연층의 절연파괴전압은 약 100 kV/mm 이하, 90 kV/mm 이하, 80 kV/mm 이하, 70 kV/mm 이하 또는 60 kV/mm 이하일 수 있다. 상기 절연층의 두께는 그 절연층의 절연성이나 열전도성 등을 고려하여 적정 범위로 설정할 수 있으며, 예를 들면, 약 5㎛ 이상, 약 10㎛ 이상, 20㎛ 이상, 30㎛ 이상, 40㎛ 이상, 50㎛ 이상, 60㎛ 이상, 70㎛ 이상, 80㎛ 이상 또는 90㎛ 이상 이상 정도일 수 있다. 또한, 두께의 상한도 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 1 mm 이하, 약 200㎛ 이하, 190㎛ 이하, 180㎛ 이하, 170㎛ 이하, 160㎛ 이하 또는 150㎛ 이하일 수 있다.
본 출원은 또한 배터리 모듈, 예를 들면, 상기 언급된 배터리 모듈의 제조 방법에 대한 것이다.
본 출원의 제조 방법은, 전술한 모듈 케이스 내 수지 조성물을 주입하는 단계; 상기 모듈 케이스 내에 배터리셀을 수납하는 단계 및 상기 수지 조성물을 경화시켜 상기 수지층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
모듈 케이스 내부에 수지 조성물을 주입하는 단계와 모듈 케이스 내에 배터리셀을 수납하는 단계의 순서는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 모듈 케이스 내에 수지 조성물을 먼저 주입하고, 그 상태에서 배터리셀을 수납하거나, 혹은 배터리셀을 먼저 모듈 케이스 내부에 수납한 후에 수지 조성물을 주입할 수 있다.
본 출원에서 용어 수지 조성물은, 경화 전의 수지층의 상태를 의미하고, 용어 수지층은 경화 후의 수지층의 상태를 의미할 수 있다.
모듈 케이스 내에 수지 조성물을 주입하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 방식이 적용될 수 있다. 예를 들면, 모듈 케이스의 개구부에 수지 조성물을 부어서 수지 조성물을 주입하거나, 모듈 케이스에 형성되어 있는 전술한 주입구에 의해 수지 조성물을 주사(injection)하는 방식, 배터리셀과 배터리 모듈 양자에 수지 조성물을 도포하는 방식 등이 적용될 수 있다. 적절한 고정을 위해 상기 주입 공정은 배터리 모듈 또는 배터리셀을 일정하게 진동시키면서 수행될 수도 있다.
상기에서 주입되는 수지 조성물의 종류는 특별히 제한되지 않고, 목적하는 물성을 나타낼 수 있는 종류의 적절한 수지 조성물을 선택할 수 있다.
예를 들면, 상기에서 주입되는 수지 조성물은, 전술한 열전도성 등의 물성을 만족하거나, 그를 위한 성분을 포함하는 수지층을 형성할 수 있는 수지 조성물일 수 있다.
이러한 수지 조성물은, 전술한 용제형, 수계 또는 무용제형 수지 조성물일 수 있으며, 적절하게는 무용제형 수지 조성물일 수 있다.
또한, 수지 조성물은 활성 에너지선 경화형, 습기 경화형, 열 경화형 또는 상온 경화형 수지 조성물 등일 수 있고, 적절하게는 상온 경화형 수지 조성물일 수 있다.
상기 수지 조성물은, 전술한 열전도성 필러 등의 다양한 첨가제를 하나 이상 포함하는 수지 조성물일 수 있다.
이러한 수지 조성물은 일액형, 이액형 또는 삼액형 등으로 조성될 수 있다.
수지 조성물이 주입된 모듈 케이스 또는 상기 조성물이 주입되기 전의 모듈 케이스에 배터리셀을 수납하는 방식은 특별히 제한되지 않는다.
배터리셀의 수납은 목적하는 배치 등을 감안하여 배터리셀을 모듈 케이스 내의 적합한 위치에 배치함으로써 수행될 수 있다. 또한, 카트리지 구조체가 존재하는 경우, 상기 카트리지 구조체의 적정 위치에 배터리셀을 위치시키거나, 배터리셀이 위치된 카트리지 구조체를 모듈 케이스 내에 삽입하여 상기 단계를 수행할 수 있다.
배터리셀을 수납한 후에 배터리셀간의 접착 또는 배터리셀과 모듈 케이스간의 접착은 주입된 수지 조성물을 경화시켜서 형성할 수 있다. 수지 조성물을 경화시키는 방식은 특별히 제한되지 않는다.
예를 들어, 수지 조성물이 활성 에너지선 경화형인 경우에는 수지 조성물에 자외선 등의 활성 에너지선을 조사하는 방식, 습기 경화형인 경우에는 적절한 습기 하에 유지하는 방식, 열 경화형인 경우에는 적절한 열을 인가하는 방식 또는 상온 경화형인 경우에는 상온에서 수지 조성물을 유지하는 방식 등에 의해 상기 단계를 수행할 수 있다.
또한, 경화 전 또는 경화 과정이나 배터리셀의 수납 전 또는 수납 과정 등에서 택 타임 및 공정성 측면에서 배터리셀의 안정성에 영향을 미치지 않은 조건에서 예를 들면 약 40℃ 내지 50℃ 정도가 되도록 단시간 열을 가할 수도 있다.
본 출원은 또한 상기 제조 방법 또는 상기 언급한 구조의 배터리 모듈을 형성하는 것에 사용될 수 있는 수지 조성물에 대한 것이다.
전술한 바와 같이 상기 수지 조성물로는, 배터리셀의 모듈 케이스로의 효과적인 고정이 가능하고, 필요에 따라 상기 언급된 물성이 부여될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 공지의 수지 조성물이 모두 사용될 수 있다.
이러한 수지 조성물은, 아크릴계 수지 조성물, 에폭시계 수지 조성물, 우레탄계 수지 조성물, 올레핀계 수지 조성물, 우레탄계 수지 조성물, EVA(Ethylene vinyl acetate)계 수지 조성물 또는 실리콘계 수지 조성물 등을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 수지 조성물은, 용제형 수지 조성물, 수계 수지 조성물 또는 무용제형 수지 조성물일 수 있고, 적절하게는 무용제형 수지 조성물일 수 있다.
상기 수지 조성물은, 활성 에너지선 경화형 수지 조성물, 습기 경화형 수지 조성물, 열 경화형 수지 조성물 또는 상온 경화형 수지 조성물 등일 수 있고, 적절하게는 상온 경화형 수지 조성물일 수 있다.
예를 들면, 공지의 아크릴계 접착제, 에폭시계 접착제, 우레탄계 접착제, 올레핀계 접착제, EVA(Ethylene vinyl acetate)계 접착제 또는 실리콘계 접착제를 형성할 수 있는 수지 조성물에 전술한 필러 등의 첨가제를 목적 물성을 고려하여 적정량 첨가하여 제조된 수지 조성물을 전술한 방법에 적용할 수 있다.
상기와 같은 수지 조성물은, 상온 경화성 등을 고려하여, 라디칼 개시제 및 그에 대한 촉매를 포함할 수 있다. 예를 들면, 수지 조성물은, 벤조일 퍼옥시드 등과 같은 아실 퍼옥시드 개시제 및 톨루이딘(toluidine) 화합물과 같은 상기 개시제에 대한 촉매를 포함할 수 있고, 이에 의해 적절한 경화 시스템이 구현될 수 있다.
수지 조성물은 상기 성분에 추가로 필요에 따라 다양한 성분을 포함할 수 있다.
본 출원은 또한, 배터리팩, 예를 들면, 전술한 배터리 모듈을 2개 이상 포함하는 배터리팩에 대한 것이다. 배터리팩에서 상기 배터리 모듈들은 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 2개 이상의 배터리 모듈을 전기적으로 연결하여 배터리팩을 구성하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 공지의 방식이 모두 적용될 수 있다.
본 출원은 또한 상기 배터리 모듈 또는 상기 배터리팩을 포함하는 장치에 대한 것이다. 상기 장치의 예로는 전기 자동차와 같은 자동차를 들 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 2차 전지를 출력으로 요구하는 모든 용도가 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 모듈 또는 배터리팩을 사용하여 상기 자동차를 구성하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 일반적인 방식이 적용될 수 있다.
본 출원에서는 간단한 공정과 저비용으로 제조되면서도 부피 대비 출력이 우수하고, 방열 특성 등이 우수한 배터리 모듈, 그 제조 방법 및 상기 제조 방법에 적용되는 수지 조성물을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 출원에서 적용될 수 있는 예시적인 모듈 케이스를 나타내는 도면이다.
도 2는, 모듈 케이스 내에 배터리셀이 수납되어 있는 형태를 보여주는 도면이다.
도 3은, 주입홀과 관찰홀이 형성된 예시적인 하부판의 도면이다.
도 4 및 5는, 배터리셀로 사용될 수 있는 예시적인 배터리 파우치를 보여주는 도면이다.
도 6 내지 8은, 예시적인 배터리 모듈의 구조를 보여주는 도면이다.
[부호의 설명]
10: 모듈 케이스
10a: 하부판
10b: 측벽
10c: 상부판
10d: 가이딩부
20: 배터리셀
30: 수지층
50a: 주입홀
50b: 관찰홀
40: 절연층
100: 파우치형셀
110: 전극 조립체
120: 외장재
121: 상부 파부치
122: 하부 파우치
S: 실링부
이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 출원의 배터리 모듈을 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 범위에 의해 제한되는 것은 아니다.
1. 수지층의 열전도도 평가 방법
수지층의 열전도도는 ASTM D5470 규격에 따라 측정하였다. 즉, ASTM D 5470의 규격에 따라 2개의 구리 막대(copper bar) 사이에 수지층을 위치시킨 후에 상기 2개의 구리 막대 중 하나는 히터와 접촉시키고, 다른 하나는 쿨러(cooler)와 접촉시킨 후에 상기 히터가 일정 온도를 유지하도록 하고, 쿨러의 용량을 조절하여 열평형 상태(5분에 약 0.1℃ 이하의 온도 변화를 보이는 상태)를 만들었다. 열평형 상태에서 각 구리 막대의 온도를 측정하고, 하기 수식에 따라서 열전도도(K, 단위: W/mK)를 평가하였다. 열전도도 평가 시에 수지층에 걸리는 압력은 약 11 Kg/25 cm2 정도가 되도록 조절하였으며, 측정 과정에서 수지층의 두께가 변화된 경우에 최종 두께를 기준으로 열전도도를 계산하였다.
<열전도도 수식>
K = (Q×dx)/(A×dT)
상기 수식에서 K는 열전도도(W/mK)이고, Q는 단위 시간당 이동한 열(단위: W)이며, dx는 수지층의 두께(단위: m)이고, A는 수지층의 단면적(단위: m2)이며, dT는 구리 막대의 온도차(단위: K)이다.
2. 비중 평가 방법
수지층의 비중은 ASTM D792 규격에 따라 측정하였다. 예를 들면, 상기 규격에 따라 수지층의 무게를 잰 후에 물속에서 다시 무게를 잰 후 상기 측정된 무게 차이를 통해 밀도와 비중을 계산하거나, 분말이나 펠릿(pellet) 소정량(ex. 약 5 g)을 고온계 속의 이미 측정된 용적에 넣고, 73.4F°에서 무게와 용적의 차이를 통해 비중을 계산할 수 있다.
3. 열중량 분석(TGA, Thermogravimetric Analysis) 방법
TA Instrument사의 TA400 기기를 사용하여 열중량 분석을 수행하였다. 수지층 약 10 mg을 사용하여 분석을 수행하였고, 분석은 25℃ 내지 800℃의 온도 범위, 가열 속도 20℃/분 및 60 cm3/분의 질소(N2) 분위기 하에서 분석을 수행하였다.
4. 절연파괴전압 측정
수지층의 절연 파괴 전압은 ASTM D149 규격에 따라 평가하였다. 절연 파괴 전압은 물질이 절연성을 잃는 순간까지 가해지는 전압을 의미하고, 일정 수준 이상의 고전압에서 도전성이 급속히 증가하여 절연성을 잃게 된다. 절연 파괴를 일으키는데 필요한 최소의 전압을 파괴 전압이라 하고, 절연성은 시편을 통해 아크가 완전히 통하여 생기게 된다. 전압이 변화율(voltage gradient)은 파괴되는 순간의 전압을 절연두께로 나누어 얻을 수 있다. Backman Industrial PA70-1005/202 기기를 이용하여 절연파괴 전압을 측정하였고, 이 때 시편(수지층)의 두께는 약 2mm 정도로 하고, 지름이 약 100mm 정도가 되도록 하였다.
5. 접착력 측정
절연막(에폭시 및/또는 폴리에스터계 절연층)이 형성되어 있는 알루미늄제 모듈 케이스의 하부판과 PET(poly(ethylene terephthalate)) 필름을 수지층을 사용하여 부착하였으며, 이 때 부착되는 폭은 약 10 mm 정도가 되도록 하였다. 이 때 수지층의 두께는 약 1 mm 정도로 하였다. 상기 부착은 미경화된 수지 조성물을 상기 절연막과 PET 필름의 사이에 로딩(loading) 후에 이를 경화시켜서 수행한다. 그 후, 약 300 mm/min의 속도 및 180도의 박리 각도로 상기 PET 필름을 절연측으로부터 박리하면서 접착력을 측정한다.
6. 경도의 측정
수지층의 경도는, ASTM D 2240, JIS K 6253 규격에 따라 측정하였다. ASKER, durometer hardness 기기를 사용하여 수행하였으며, 평평한 상태의 샘플(수지층)의 표면에 1 Kg 이상의 하중(약 1.5 Kg)을 가하여 초기 경도를 측정하고, 15초 후에 안정화된 측정값으로 확인하여 경도를 평가하였다.
7. 배터리 모듈의 신뢰성 평가
배터리 모듈의 신뢰성은 모듈의 열저항 및 내전압 강도를 측정하여 평가하였다. 내전압 강도는, 배터리 모듈에 얼마만한 전압이 인가되어도 파손되지 않고 견디는지를 알아보는 시험이다. 하기 실시예 및 비교예에서는, 약 1.2 kV에서 시작하여 가해지는 전압의 크기를 크게 하면서 내전압 강도를 측정하였다. 배터리 모듈의 열저항은, 측정 기기의 상부 및 하부 블록의 사이에 모듈을 위치시키고, 컴퓨터(controlling computer)의 DynTIM Tester software를 실행하고, Software상에서 히팅(heating) 전류 및 측정 시간 등을 결정하여 입력하고, 측정 압력, 열 저항 측정 조건 등의 파라미터의 setting을 완료하고, software로 제어되는 T3Ster와 DynTIM tester가 측정 조건별로 열 저항값을 측정하게 하여 열저항을 평가하였다. 각 평가 결과에 따른 신뢰성은 하기 기준으로 분류하였다.
<내전압 저항에 따른 신뢰성 평가 기준>
상: 내전압 강도가 2kV 이상인 경우
중: 내전압 강도가 2kV 미만 내지 0.5 kV 이상
하: 내전압 강도가 0.5 kV 미만
<열저항 평가에 따른 신뢰성 평가 기준>
상: 열저항이 2 K/W 이하인 경우
중: 열저항이 2 K/W 초과 내지 6 K/W 이하인 경우
하: 열저항이 6 K/W 초과인 경우
실시예 1.
수지 조성물의 제조
2액형 우레탄계 접착제 조성물(주제: HP-3753(KPX케미칼), 경화제: TLA-100(아사이카제))에 알루미나(입도 분포: 1㎛ 내지 60㎛)를 상기 2액형 우레탄계 접착제 조성물이 경화 후에 약 3 W/mK의 열전도도를 나타낼 수 있는 양(2액 합계 고형분 100 중량부 대비 약 600 내지 900 중량부의 범위 내)로 혼합하여, 상온 점도가 약 250,000 cP 정도인 수지 조성물을 제조하고, 이를 하기 배터리 모듈의 제조에 적용하였다.
배터리 모듈의 제조
도 1과 같은 형상의 모듈 케이스로서, 알루미늄으로 제조된 하부판, 측벽 및 상부판을 가지는 모듈 케이스를 사용하였다. 상기 모듈 케이스의 하부판의 내측면에는 배터리셀의 장착을 가이딩하는 가이딩부가 형성되어 있고, 상기 모듈 케이스의 하부판의 중심부에는 수지 조성물의 주입을 위한 주입홀이 일정 간격으로 형성되어 있으며, 하부판의 말단에는 관찰홀이 형성되어 있다. 상기 모듈 케이스 내에 배터리 파우치를 복수개 적층한 파우치의 묶음을 수납하였다. 이어서 상기 모듈 케이스의 상면에 상부판을 덮었다. 그 후, 상기 주입홀로 상기 제조된 수지 조성물을 주입되는 조성물이 관찰홀까지 도달하는 것이 확인될 때까지 주입한 후에 경화시켜서 배터리 모듈을 제조하였다.
실시예 2.
수지 조성물의 제조
2액형 실리콘계 접착제 조성물(주제: SL5100A(KCC제), 경화제: SL5100B(KCC제))에 알루미나(입도 분포: 1㎛ 내지 60㎛)를 상기 2액형 실리콘계 접착제 조성물이 경화 후에 약 3 W/mK의 열전도도를 나타낼 수 있는 양(2액 합계 고형분 100 중량부 대비 약 800 내지 1200 중량부의 범위 내)로 혼합하여, 상온 점도가 약 130,000 cP 정도인 수지 조성물을 제조하고, 이를 하기 배터리 모듈의 제조에 적용하였다.
배터리 모듈의 제조
실시예 1에서 사용한 것과 동일한 구조를 가지고, 다만 수지 조성물의 주입을 위한 주입홀과 관찰홀이 형성되어 있지 않은 케이스를 사용하였다. 해당 케이스의 하부판 내측면 전면에 상기 제조된 수지 조성물을 약 500 ㎛ 정도의 두께로 코팅하고, 실시예 1과 동일한 배터리셀을 수납하고, 상부판을 덮은 후에 수지 조성물의 층을 경화시켜 배터리 모듈을 제조하였다.
실시예 3.
2액형 우레탄계 접착제 조성물(주제: PP-2000(KPX케미칼), 경화제: TLA-100(아사이카제))에 알루미나(입도 분포: 1㎛ 내지 60㎛)를 상기 2액형 우레탄계 접착제 조성물이 경화 후에 약 3.5 W/mK의 열전도도를 나타낼 수 있는 양(2액 합계 고형분 100 중량부 대비 약 600 내지 900 중량부의 범위 내)으로 혼합하여, 상온 점도가 약 350,000 cP 정도가 되도록 제조한 수지 조성물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 배터리 모듈을 제조하였다.
실시예 4.
국도 화학에서 입수한 상온 경화형의 에폭시계 접착제 조성물에 알루미나(입도 분포: 1㎛ 내지 60㎛)를 상기 접착제 조성물이 경화 후에 약 3 W/mK의 열전도도를 나타낼 수 있는 양(2액 합계 고형분 100 중량부 대비 약 600 내지 900 중량부의 범위 내)으로 혼합하여, 상온 점도가 약 500,000 cP 정도가 되도록 제조한 수지 조성물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 배터리 모듈을 제조하였다.
실시예 5.
2액형 실리콘계 접착제 조성물(주제: SL5100A(KCC제), 경화제: SL5100B(KCC제))에 그래파이트(graphite)를 상기 2액형 실리콘계 접착제 조성물이 경화 후에 약 1.5 W/mK의 열전도도를 나타낼 수 있는 양(2액 합계 고형분 100 중량부 대비 약 100 내지 300 중량부의 범위 내)로 혼합하여, 상온 점도가 약 2,000,000 cP 정도가 되도록 제조한 수지 조성물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 배터리 모듈을 제조하였다.
실시예 6.
2액형 실리콘계 접착제 조성물(주제: SL5100A(KCC제), 경화제: SL5100B(KCC제))에 알루미나(입도 분포: 1㎛ 내지 60㎛)를 상기 접착제 조성물이 경화 후에 약 1.5 W/mK의 열전도도를 나타낼 수 있는 양(2액 합계 고형분 100 중량부 대비 약 300 내지 500 중량부의 범위 내)으로 혼합하여, 상온 점도가 약 100,000 cP 정도가 되도록 제조한 수지 조성물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 배터리 모듈을 제조하였다.
실시예 7.
2액형 우레탄계 접착제 조성물(주제: PP-2000(KPX케미칼), 경화제: TLA-100(아사이카제))에 알루미나(입도 분포: 1㎛ 내지 60㎛)를 상기 2액형 우레탄계 접착제 조성물이 경화 후에 약 2 W/mK의 열전도도를 나타낼 수 있는 양(2액 합계 고형분 100 중량부 대비 약 400 내지 900 중량부의 범위 내)으로 혼합하여, 상온 점도가 약 150,000 cP 정도가 되도록 제조한 수지 조성물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 배터리 모듈을 제조하였다.
비교예 1.
접착제 조성물을 사용하지 않고, 즉 수지층을 형성하지 않은 것을 제외하면, 실시예 2와 동일하게 배터리 모듈을 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 대하여 측정한 수지층의 물성과 배터리 모듈의 신뢰성을 정리하여 하기 표 1에 기재하였다.
실시예 비교예
1 2 3 4 5 6 7 1
수지층 열전도도(W/mK) 3 3 3.5 3 1.5 1.5 2 -
비중 3.1 3.1 3.2 3.2 2 2 2.6 -
Residue at 800℃(중량%) >80 >80 >80 >80 약60 약60 약50 -
접착력(gf/10mm) 500 100 450 600 80 90 500 -
경도(shore A) 90 60 90 100 40 40 70 -
절연파괴전압(kV/mm) 15 11 10 < 8 2 5 4 -
신뢰성(내전압 강도) 상 상 상 중 중 중 중 하
신뢰성(열저항) 상 상 상 중 중 중 중 하
표 1의 결과로부터, 수지층에 사용되는 수지의 종류와 필러의 종류, 비율에 의해 수지층의 물성이 변화되고, 그에 따라 모듈의 신뢰성도 영향을 받는 것을 확인할 수 있다.
예를 들어, 실시예 1, 2 및 4의 결과를 비교하여 보면, 동일 수준의 열전도도의 확보를 위하여 알루미나를 첨가하였을 때에 접착력은 에폭시계, 우레탄계 및 실리콘계의 순으로 높고, 경도는 에폭시, 우레탄 및 실리콘계 순으로 높은 것을 알 수 있으며, 비중 및 내열성(TGA 분석 결과)는 유사한 수준으로 조정되는 것을 확인할 수 있다. 실시예 4의 경우가 경도가 실시예 1 및 2에 비하여 다소 높고, 그에 따라 신뢰성 평가 결과가 다소 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 2, 5 및 6의 결과 또는 실시예 1, 3, 7의 결과를 비교하면, 동일한 계열의 수지가 사용되었을 때에, 필러의 종류, 함량에 의해 열전도도, 비중, 내열성(TGA 분석 결과), 경도 등이 변화되는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 실시예 7의 경우, 실시예 1 및 3에 비하여 적은 양의 필러가 적용됨으로써, 열전도도 및 비중이 다소 낮은 수치를 보였고, 내열성(TGA 분석)도 다소 떨어졌으며, 접착력은 유사 수준이나, 경도가 다소 떨어졌으며, 특히 절연성을 확보하는 것에 영향을 주는 필러의 비율의 저하에 따라 절연 파괴 전압이 떨어졌다. 그에 따라, 실시예 7은 실시예 1 및 3에 비하여 신뢰성 평가 결과가 다소 떨어지는 것을 확인할 수 있다.

Claims (20)

  1. 내부 공간을 형성하는 하부판과 측벽을 가지는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스의 내부 공간에 존재하는 복수의 배터리셀; 및 상기 모듈 케이스의 내부 공간에 존재하는 수지층을 포함하고,
    상기 수지층은, 상기 복수의 배터리셀과 접촉하고 있고, 또한 상기 모듈 케이스의 하부판 또는 측벽과 접촉하고 있는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 수지층과 접촉하고 있는 하부판 또는 측벽에는 수지 조성물 주입홀이 형성되어 있는 배터리 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 주입홀이 형성되어 있는 측벽 또는 하부판에는 관찰홀이 형성되어 있는 배터리 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 수지층과 접촉하고 있는 측벽 또는 하부판은 열전도성 영역을 포함하는 배터리 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서, 수지층과 열전도성 영역의 접촉 비율은, 상기 열전도성 영역의 전체 면적 대비 80% 이상인 배터리 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 수지층은 열전도도가 1.5 W/mK 이상인 배터리 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 수지층은 절연 파괴 전압이 10 kV/mm 이상인 배터리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 수지층은, 접착력이 1,000 gf/10mm 이하인 배터리 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 수지층은, 비중이 5 이하인 배터리 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 수지층은 쇼어 A 경도가 100 미만이거나, 쇼어 D 경도가 70 이하인 배터리 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 수지층은, 열중량분석(TGA)에서 800℃ 잔량이 70 중량% 이상인 배터리 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 수지층은, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 올레핀 수지, EVA 수지 또는 실리콘 수지를 포함하는 배터리 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서, 수지층은 필러를 포함하는 배터리 모듈.
  14. 제 13 항에 있어서, 필러는, 세라믹 입자 또는 탄소계 필러인 배터리 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 수지층은, 요변성 부여제, 희석제, 분산제, 표면 처리제, 난연제 또는 커플링제를 포함하는 배터리 모듈.
  16. 제 1 항에 있어서, 수지층은, 두께가 100㎛ 내지 5 mm의 범위 내인 배터리 모듈.
  17. 내부 공간을 형성하는 하부판과 측벽을 가지는 모듈 케이스 내에 수지 조성물을 주입하는 단계; 상기 모듈 케이스 내에 배터리셀을 수납하는 단계 및 상기 수지 조성물을 경화시켜 수지층을 형성하는 단계를 포함하는 배터리 모듈의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 하부판 또는 측벽에는 수지 조성물 주입홀이 형성되어 있고, 수지 조성물은, 배터리셀을 수납한 후에 상기 주입홀로 주입하는 배터리 모듈의 제조 방법.
  19. 서로 전기적으로 연결되어 있는, 제 1 항의 배터리 모듈을 2개 이상 포함하는 배터리팩.
  20. 제 1 항에 배터리 모듈 또는 제 20 항의 배터리팩을 포함하는 자동차.
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