WO2024106893A1 - 모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈 - Google Patents

모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈 Download PDF

Info

Publication number
WO2024106893A1
WO2024106893A1 PCT/KR2023/018218 KR2023018218W WO2024106893A1 WO 2024106893 A1 WO2024106893 A1 WO 2024106893A1 KR 2023018218 W KR2023018218 W KR 2023018218W WO 2024106893 A1 WO2024106893 A1 WO 2024106893A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
secondary battery
heat absorbing
battery module
pack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2023/018218
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
황원필
이용호
이진규
윤두한
손창근
김선재
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Energy Solution Ltd
Original Assignee
LG Energy Solution Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Energy Solution Ltd filed Critical LG Energy Solution Ltd
Priority to JP2024557182A priority Critical patent/JP7765151B2/ja
Priority to EP23891960.9A priority patent/EP4489185A4/en
Priority to US18/860,610 priority patent/US20250293347A1/en
Priority to CN202380034140.8A priority patent/CN119054135A/zh
Publication of WO2024106893A1 publication Critical patent/WO2024106893A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6569—Fluids undergoing a liquid-gas phase change or transition, e.g. evaporation or condensation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/653—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by electrically insulating or thermally conductive materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6551—Surfaces specially adapted for heat dissipation or radiation, e.g. fins or coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6554—Rods or plates
    • H01M10/6555—Rods or plates arranged between the cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6556—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange
    • H01M10/6557—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange arranged between the cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/659—Means for temperature control structurally associated with the cells by heat storage or buffering, e.g. heat capacity or liquid-solid phase changes or transition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/673—Containers for storing liquids; Delivery conduits therefor
    • H01M50/682—Containers for storing liquids; Delivery conduits therefor accommodated in battery or cell casings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/64—Heating or cooling; Temperature control characterised by the shape of the cells
    • H01M10/647—Prismatic or flat cells, e.g. pouch cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6552—Closed pipes transferring heat by thermal conductivity or phase transition, e.g. heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/35—Gas exhaust passages comprising elongated, tortuous or labyrinth-shaped exhaust passages
    • H01M50/358—External gas exhaust passages located on the battery cover or case
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention provides a heat absorbing pack for a secondary battery module that can uniformly absorb heat energy and control the internal temperature change so that when the temperature inside the secondary battery module rises, and a secondary battery module including the same, which has improved stability against temperature changes inside the module. It concerns battery modules.
  • secondary batteries have been widely applied not only to small devices such as portable electronic devices, but also to medium-to-large devices such as battery packs of hybrid vehicles or electric vehicles or power storage devices.
  • a secondary battery includes an electrode assembly including an anode, a cathode, and a separator, an electrolyte, and a multilayer exterior material that protects them as a body. These secondary batteries can be used in the form of a battery module equipped with a plurality of cells.
  • an electrode assembly provided in a secondary battery generates heat while going through a charging and discharging process.
  • This heat generation not only reduces the performance of the secondary battery cell, but also increases the temperature of the secondary battery cell itself, which can lead to the cell exploding.
  • the explosion of a cell can cause problems by providing high temperature and pressure to other secondary battery cells around it, leading to a series of explosions of secondary battery cells.
  • a thermal runaway prevention sheet In order to suppress heat conduction to adjacent cells in a thermal runaway situation of a secondary battery, technology for a thermal runaway prevention sheet has been developed. As an example, a technology has been developed to improve heat transfer efficiency by providing a cartridge containing a thermally conductive additive in a battery module. However, since this prior art is intended to cool the heat generated during battery operation, there is a problem in that it cannot function in a thermal runaway situation such as a cell explosion. As another example, a technology has been developed that includes a cooling member that absorbs heat generated inside a secondary battery module and lowers the surrounding temperature. However, actual thermal runaway often occurs due to heat generation from specific cells mounted on the module. In this case, since it is difficult for the cooling member to uniformly absorb the heat generated in the cell, damage to the cooling member is induced during the heat absorption process, and as a result, there is a limitation in that it cannot sufficiently absorb internal heat.
  • the surrounding temperature of the secondary battery when the temperature inside the module, that is, the surrounding temperature of the secondary battery, is a high temperature/heat generation condition that induces thermal runaway of the battery, the surrounding temperature is effectively and uniformly absorbed to reduce the temperature inside the module.
  • the surrounding temperature is effectively and uniformly absorbed to reduce the temperature inside the module.
  • the purpose of the present invention is to provide a technology that can suppress rapid temperature changes inside the module by uniformly absorbing the heat generated when heat is generated inside the secondary battery module.
  • the present invention in one embodiment, the present invention
  • thermoelectric substrate disposed on at least one side of the superabsorbent matrix
  • It includes a pouch into which the high-absorbency matrix in which the heat dissipation substrate is disposed is inserted,
  • the highly absorbent matrix is impregnated with water
  • the heat dissipation substrate provides a heat absorbing pack for a secondary battery module including a plurality of pinholes at one edge.
  • the pouch may include a venting guide portion at one edge, and the heat dissipation substrate may be inserted so that a pinhole of the heat dissipation substrate is disposed on the same side as the venting guide portion.
  • the heat dissipation substrate may have an average thickness of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m and may include a metal having a thermal conductivity of 50 kcal/°C or more.
  • the superabsorbent matrix may be in the form of superabsorbent polymer (SAP) or superabsorbent fiber (SAF).
  • the highly absorbent matrix includes polyacrylic acid, polyacrylate, polyacrylate graft polymer, starch, cross-linked carboxymethylated cellulose, acrylic acid copolymer, hydrolyzed starch-acrylnitrile graft copolymer, starch-acrylic acid graft copolymer.
  • the highly absorbent matrix may further include a thermally conductive filler therein along with the resin.
  • This highly absorbent matrix may contain from 10 g/g to 500 g/g of water.
  • a secondary battery module including a heat absorbing pack according to the present invention that absorbs heat generated from the plurality of battery cells is provided.
  • the plurality of battery cells may be arranged in n rows (where n ⁇ 2), and in this case, the heat absorbing pack may be placed between the rows formed by the arranged battery cells, and/or the arranged batteries It may be placed in the space between the outer surface of the row of cells and the housing member.
  • the heat absorbing pack may be inserted so that the surface of the heat absorbing pack is perpendicular to the bottom surface of the secondary battery module, and the venting guide portion of the heat absorbing pack may be positioned at the top.
  • the heat absorbing pack for a secondary battery module has a structure that includes a high-absorbent matrix impregnated with water inside a pouch, and a heat dissipation substrate with a pinhole is inserted between the high-absorbent matrix and the pouch. Accordingly, the heat absorbing pack can absorb a large amount of surrounding heat when heat is generated inside the module, and therefore, when provided in a secondary battery module, the surrounding temperature of the secondary battery can be prevented from rapidly changing.
  • the heat absorbing pack includes a heat dissipation substrate with a pinhole, so that a filtering effect on water vapor can be implemented when venting the heat absorbing pack, and the latent heat of water vapor in the module can be increased, so it has the advantage of good heat absorbing efficiency.
  • the heat absorbing pack has a heat dissipation substrate that exposes the highly absorbent matrix to surrounding heat energy uniformly, thereby preventing damage to the heat absorbing pack due to heat generation inside the module. Accordingly, the heat absorbing pack can more stably control the temperature inside the module, thereby improving the performance and stability of the secondary battery depending on the surrounding temperature.
  • Figure 1 is a perspective view showing the structure of a secondary battery module according to the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view showing the structure of a heat absorbing pack according to the present invention.
  • Figures 3 and 4 are perspective views showing the shape of the heat dissipation substrate and the highly absorbent matrix built into the heat absorbing pack.
  • Figure 4 is a graph showing the temperature change at each position of the heating surface and back over time when one side of the heat absorbing pack of Example 1 and Comparative Example 2 is heated with a torch, respectively.
  • Figure 5 is a graph showing the temperature change at each location on the back of the heat absorbing pack of Example 1 and Comparative Example 2 over time when one side is heated with a torch.
  • Figure 6 is an image taken of the inside of the heat absorbing pack of Example 1, which was disassembled after heating one side with a torch.
  • Figures 7 and 9 are images taken of the inside of the heat absorbing packs of Comparative Examples 1 and 2, which were disassembled after heating one side with a torch.
  • the present invention in one embodiment, the present invention
  • thermoelectric substrate disposed on at least one side of the superabsorbent matrix
  • a heat absorbing pack for a secondary battery module including a pouch into which a high-absorbent matrix in which the heat dissipation substrate is disposed is inserted.
  • the heat absorbing pack (30, 30a, 30b) according to the present invention is a component inserted into the secondary battery module (1) and has a structure in which a highly absorbent matrix impregnated with water is inserted into a pouch. .
  • the highly absorbent matrix since the highly absorbent matrix is impregnated with water, it can absorb a large amount of heat energy depending on the temperature conditions around the heat absorption pack, that is, the internal temperature conditions of the secondary battery module on which the heat absorption pack is mounted. Specifically, the water is impregnated inside the superabsorbent matrix, and when the temperature outside the pouch increases, it is vaporized and separated from the superabsorbent matrix. At this time, the water requires a large amount of heat to be evaporated, and in order to meet this requirement, it absorbs the amount of heat around the pouch, thereby preventing the internal temperature from rapidly rising when heat is generated inside the module.
  • a heat dissipation substrate may be disposed on at least one side of the superabsorbent matrix so that water impregnated in the superabsorbent matrix can uniformly absorb heat.
  • the heat dissipation substrate may have a sheet shape and be disposed on each side to cover the surface of the superabsorbent matrix, or may have a rectangular sheet shape and be arranged to wrap around the superabsorbent matrix.
  • the heat dissipation substrate 320 may itself have the form of a pouch or bag so as to surround the entire surface of the superabsorbent matrix 330, as shown in FIGS. 2 and 3. At this time, the heat dissipation substrate 320 may be inserted into the pouch 310, which is the exterior material of the heat absorbing pack 30, with the highly absorbent matrix 330 stored therein. In this case, the heat dissipation substrate 320 has the advantage of good heat absorption efficiency because it can increase the latent heat of water vapor in the module and have a filtering effect on water vapor evaporated when the heat absorbing pack 30 is vented.
  • the heat dissipation substrate 320 may include a plurality of pinholes 325 at one edge of the substrate.
  • the pinhole 325 provides a path through which vaporized water passes when the external temperature of the heat absorbing pack 30 rises, while components other than water vapor, such as a highly absorbent matrix partially dissolved in water, when the heat absorbing pack 30 is vented. (330) It can perform a filter function to prevent components, etc. from leaking to the outside.
  • the pinhole 325 can increase the amount of latent heat due to water vapor by performing a filter function to prevent components other than water from being released to the outside when the heat absorbing pack 30 is vented, thereby improving the heat absorbing performance of the heat absorbing pack.
  • a plurality of pinholes 325 may be provided in a line at a predetermined interval at one edge of the heat dissipation substrate 320.
  • one or more lines of these pinholes 325 may be introduced, for example, 1 to 5 lines or 2 to 4 lines.
  • the present invention can increase the discharge of water vapor and filter efficiency when venting the heat absorbing pack 30 by introducing the pinholes 325 introduced into the heat dissipation substrate 320 in the form of a plurality of rows as described above.
  • a pinhole 325 is provided in the insertion portion 323 into which the superabsorbent matrix 330 is inserted, and a heat dissipation substrate (325) is provided to prepare the interior. It may be provided at a location adjacent to the sealing portion 324 joined at the edge of 320. At this time, the pinholes 325 are provided in one row at each edge of the first substrate surface 321 and the second substrate surface 322 of the pouch-shaped heat dissipation substrate 320, and are used to seal the heat dissipation substrate 320. It may be positioned on both sides around the rear sealing portion 324.
  • the pinhole 325 may be arranged to be located on the same side as the venting guide portion 313 of the pouch 310 in which the heat dissipation substrate 320 is embedded.
  • a high venting pressure can be applied to the venting guide portion 313 provided in the pouch 310, thereby improving the heat absorbing performance of the heat absorbing pack 30. It can be raised.
  • the pinhole 325 can be formed by punching one edge of the heat dissipation substrate.
  • the punching may be applied in a manner commonly applied in the art.
  • the pinhole 325 may be formed by drilling a hole on the pinhole formation surface using a molding die to form a circular hole without forming additional irregularities.
  • it may be formed by penetrating one edge of the heat dissipation base 320 using a perforating means such as a heated needle to induce a flow of fluid from the inside to the outside of the heat dissipation base 320.
  • the outer surface of the heat dissipation substrate 320 may have a partially protruding shape in the penetrating direction around the pinhole 325.
  • the thermal spray substrate 320 is arranged so that the protrusions of the pinholes 325 are located along the path where the water impregnated in the highly absorbent matrix 330 is vaporized and moves to the venting guide portion 313 of the pouch 310. It can be.
  • the heat dissipation substrate 320 uniformly transfers the heat outside the heat absorbing pack 30 to the highly absorbent matrix 330, thereby preventing the generated heat from being concentrated in a part of the heat absorbing pack 30 and damaging the heat absorbing pack. It can play a preventive role.
  • the heat dissipation substrate 320 may include a metal sheet with high thermal conductivity, and the metal sheet may include a metal with a thermal conductivity of 50 kcal/°C or higher. More specifically, the metal sheet has a temperature of 70 kcal/°C or higher, 80 kcal/°C or higher, 90 kcal/°C or higher, 100 kcal/°C or higher, 50 kcal/°C to 400 kcal/°C, 70 kcal/°C to 370 kcal/°C.
  • °C 70 kcal/°C to 150 kcal/°C, 100 kcal/°C to 370 kcal/°C, 150 kcal/°C to 200 kcal/°C, or 250 kcal/°C to 350 kcal/°C. can do.
  • the metal sheet is aluminum with a thermal conductivity of 196 ⁇ 3 kcal/°C; Tungsten with a thermal conductivity of 170 ⁇ 3 kcal/°C; Copper with a thermal conductivity of 320 ⁇ 3 kcal/°C; Nickel, etc., which has a thermal conductivity of 77 ⁇ 3 kcal/°C, may be included alone or used in combination.
  • the heat dissipation substrate 320 includes a metal sheet with high thermal conductivity, but the heat transmitted to the superabsorbent matrix 330 through the actual metal sheet must be distributed and transferred over the entire surface of the superabsorbent matrix 330. It can have a high dependence on the thickness of the metal sheet. Therefore, the heat dissipation substrate 320 is a highly absorbent matrix 330 that transfers heat around the pouch 310 (i.e., outside the pouch) with high efficiency, but has a predetermined thickness in order to distribute and transfer heat more uniformly. Considering the reduction in the energy density of the secondary battery module 1 due to the heat absorbing pack 30 and the heat conduction efficiency of the metal sheet itself included in the heat dissipation substrate, a certain thickness condition with the heat absorbing pack 30 can be satisfied. .
  • the heat dissipation substrate 320 may have an average thickness of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m, and the following formula represents the thickness ratio with the average thickness of the heat absorption pack 30 including the heat dissipation substrate 320 1 can be satisfied from 10 to 500:
  • T pack represents the average thickness of the heat absorbing pack (unit: ⁇ m),
  • T sheet represents the average thickness of the metal sheet (unit: ⁇ m).
  • Equation 1 is the ratio of the average thickness of the heat absorbing pack 30 and the average thickness of the heat dissipation substrate 320, and the energy density of the secondary battery module 1 is reduced by ensuring that the ratio satisfies a predetermined range. While preventing this, heat energy can be efficiently dispersed and absorbed into the heat absorbing pack 30 without damaging the heat absorbing pack 30 when a high internal temperature occurs.
  • the heat dissipation substrate 320 of the present invention can satisfy the above equation 1 as 10 to 500, specifically 10 to 400; 10 to 300; 10 to 200; 10 to 100; 10 to 50; 100 to 300; Alternatively, you may be satisfied with 100 to 200.
  • the heat dissipation substrate satisfies Equation 1 at 10 or more to prevent the heat absorption efficiency from being reduced due to a decrease in the content of the superabsorbent matrix 330, while satisfying Equation 1 at 500 or less, the heat dissipation substrate 320 Due to the thin thickness, heat around the pouch 310 is not uniformly distributed to the high-absorbency matrix 330 and the heat absorbing pack 30 can be prevented from being damaged.
  • the heat dissipation substrate 320 may have an average thickness of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m, more specifically 5 ⁇ m to 75 ⁇ m; 5 ⁇ m to 50 ⁇ m; 5 ⁇ m to 30 ⁇ m; 10 ⁇ m to 30 ⁇ m; Alternatively, it may have an average thickness of 15 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the present invention adjusts the average thickness of the heat dissipation substrate 320 to the above range, thereby preventing the heat around the pouch 310 from being uniformly transferred to the high-absorbency matrix 330 due to the thin thickness of less than 5 ⁇ m, so that the heat absorbing pack 30 ) can be prevented from being damaged during heat absorption, and the thermal conductivity of the heat dissipation substrate 320 can be prevented from being reduced due to excessive thickness exceeding 100 ⁇ m.
  • the highly absorbent matrix 330 can arrange a heat dissipation substrate 320 on the surface in direct contact with the pouch 310 to satisfy a predetermined area ratio. there is.
  • the heat dissipation substrate 320 may be arranged to cover more than 70% of the entire surface of the superabsorbent matrix 330, and more specifically, more than 75% of the entire surface of the superabsorbent matrix 330, 80% or more of the entire surface of the superabsorbent matrix 330. It can be placed to cover more than %, more than 85%, or more than 90%. In some cases, the heat dissipation substrate 320 may be disposed on the front of the superabsorbent matrix 330 so that the area in direct contact between the superabsorbent matrix 330 and the pouch may be 0%.
  • the present invention allows the heat around the pouch 310 to be more uniformly distributed to the superabsorbent matrix 330 by adjusting the area ratio of the heat dissipation base 320 covering the surface of the superabsorbent matrix 330 to the above range. there is.
  • the superabsorbent matrix 330 may have a fiber form such as a cube or non-woven fabric before being impregnated with water, and after being impregnated with water, it may be formed into a slurry or suspension depending on the amount of impregnated water. It can have the same form.
  • the heat absorbing pack 30 is exposed to high temperature conditions, the water-impregnated superabsorbent matrix 330 may have a separated form due to vaporization of the water impregnated therein. Accordingly, the superabsorbent matrix 330 The pouch into which the is inserted may have an expanded shape.
  • the super absorbent matrix 330 may include super absorbent polymer (SAP) or super absorbent fiber (SAF) to absorb water with high efficiency.
  • the super absorbent polymer (SAP) and super absorbent fiber (SAF) can be distinguished by their shape.
  • superabsorbent polymer (SAP) may have a powder shape
  • the superabsorbent fiber (SAF) may have a linear shape.
  • the components constituting the superabsorbent polymer (SAP) and superabsorbent fiber (SAF) may be the same or different.
  • the highly absorbent matrix is polyacrylic acid, polyacrylate, polyacrylate graft polymer, starch, cross-linked carboxymethylated cellulose, acrylic acid copolymer, hydrolyzed starch-acrylnitrile graft copolymer, starch-acrylic acid graft copolymer.
  • the superabsorbent matrix 330 may include, but is not limited to, one or more selected from the group consisting of crosslinked polyacrylic acid salts, crosslinked polyacrylic acid, and crosslinked acrylic acid copolymers. .
  • the type of acrylic acid copolymer used as the superabsorbent matrix 330 in the present invention is not particularly limited, but is preferably acrylic acid monomer, maleic acid, itaconic acid, acrylamide, 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid, It may be a copolymer containing one or more comonomers selected from the group consisting of 2-(meth)acryloylethanesulfonic acid, 2-hydroxyethyl(meth)acrylate, and styrenesulfonic acid.
  • the above ingredients are substances having a network structure with a hydrophilic functional group and can absorb water with high efficiency, so the effect of the heat absorbing pack absorbing or generating heat can be uniformly implemented.
  • the highly absorbent matrix 330 may satisfy a certain range in water absorption capacity.
  • the highly absorbent matrix may have a water absorption of 10 g/g to 500 g/g, specifically 50 g/g to 200 g/g, but is not limited thereto. This means that 10 g to 500 g of water, preferably 50 g to 200 g, can be absorbed per 1 g of the superabsorbent matrix. The higher the amount of water absorbed by the superabsorbent matrix 330, the longer the cooling effect can be improved. However, if it exceeds 500 g/g, the fluidity of the superabsorbent matrix 330 increases, making it difficult to maintain its shape, making it effective. Cooling cannot be achieved.
  • the water absorption amount of the highly absorbent matrix 330 is less than 10 g/g, the amount of heat absorbed significantly decreases depending on the external temperature of the pouch, so the effect of suppressing rapid changes in the internal temperature of the module is low, which may be inefficient. there is.
  • the highly absorbent matrix 330 may further include a thermally conductive filler therein to better transfer heat to the water impregnated within the matrix.
  • the thermally conductive filler may be used without limitation as long as it has excellent heat transfer properties, but specifically, one or more selected from the group consisting of inorganic oxide filler, metal hydroxide filler, inorganic carbide filler, nitride filler, metal filler, and carbon filler may be used. You can.
  • examples of the inorganic oxide filler include aluminum oxide, magnesium oxide, zinc oxide, or silicon oxide;
  • examples of the metal hydroxide filler include aluminum hydroxide or magnesium hydroxide;
  • examples of the inorganic carbide filler include silicon carbide;
  • examples of the nitride filler include aluminum nitride, boron nitride, or silicon nitride;
  • Examples of the metal filler include silver, copper, zinc, iron, aluminum, nickel, tin, and alloys thereof;
  • Examples of the carbon filler include carbon or graphite.
  • the thermally conductive filler is not particularly limited in shape, but may have a spherical shape with a high specific surface area to effectively transfer heat inside the high-absorbent matrix, or may form a thermal network with adjacent thermally conductive fillers. It may have a needle-like or fibrous form.
  • the pouch 310 can be applied without particular restrictions as long as it can well transfer external heat to the highly absorbent matrix 330 inserted therein.
  • the pouch 310 may be composed of a metal layer, and an internal resin layer containing a cross-linked polyolefin resin is provided on the inner side of the metal layer, and an external layer for protecting the heat absorbing pack 30 is provided on the outer side of the metal layer.
  • a resin layer may be provided.
  • the metal layer may include an aluminum layer that can well transfer heat from the outside of the heat absorbing pack 30 to the inside and has a strength of a certain level or higher to resist external force.
  • the internal resin layer is located on the inner side of the metal layer and can function to prevent the metal layer of the pouch from reacting with the water impregnated in the superabsorbent matrix 330.
  • the internal resin layer may include a crosslinked polyolefin-based resin.
  • the cross-linked polyolefin resin has low hygroscopicity and can suppress the intrusion of water impregnated into the highly absorbent matrix, so expansion or erosion of the internal resin layer may not occur.
  • the polyolefin-based resin may have a crosslinking degree of 10 to 70%, and specifically, may have a crosslinking degree of 30 to 50%.
  • the polyolefin-based resin may be any one or more selected from the group consisting of polypropylene (PP) and polyethylene (PE), and the cross-linked polyolefin-based resin is specifically cross-linked polyethylene, cross-linked polypropylene, Or it may include a mixture thereof, and more specifically, it may be crosslinked polypropylene.
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • the external resin layer must have excellent resistance to the external environment in order to protect the heat absorption pack 30 from the outside, and excellent tensile strength and weather resistance relative to the thickness are required.
  • polyethylene terephthalate polyethyleneterephthalate
  • PET polybutyleneterephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • polyolefin resins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene Polystyrene-based resins, polyvinyl chloride-based resins, polyvinylidene chloride-based resins, etc.
  • These materials can be used alone or in combination of two or more, and ONy (stretched nylon film) can be used additionally.
  • the pouch 310 when the water impregnated in the superabsorbent matrix 330 is vaporized by external heat, a difference is generated between the gas pressure inside the pouch and the gas pressure outside the pouch. It includes a venting guide portion 313 that discharges the vaporized water vapor to the outside. To this end, the venting guide portion 313 may be provided on one edge of the pouch 310 to facilitate the discharge of water vapor, and specifically, may be provided adjacent to the pouch sealing portion 314.
  • the venting guide unit 313 does not discharge gas (i.e., discharge water vapor) when there is no or small difference between the pressure inside the heat absorption pack 30 and the pressure outside the heat absorbing pack 30; Although the inflow of external substances into the heat absorbing pack 30 is blocked, if the pressure difference between the inside and outside of the heat absorbing pack 30 is more than 0.1 atm, water vapor flows through the venting guide 313 due to the air pressure difference. is discharged. Thereafter, when the pressure difference between the inside and outside of the heat absorbing pack 30 is less than or equal to 0.1 atm as the discharge is achieved to a certain extent, the process in which water vapor discharge is blocked again may proceed reversibly.
  • gas i.e., discharge water vapor
  • venting guide portion 313 may have a structure in which a first layer with pores and a second layer without pores are stacked, and the first layer and the second layer include polytetrafluoroethylene (PTFE). It may be composed of the same material. Polytetrafluoroethylene (PTFE) has excellent heat resistance and hydrophobic properties, making it suitable as a venting guide material.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the first layer may have a structure in which pores are formed, while the second layer may have a structure in which pores are not formed.
  • the first layer may have a structure in which open pores communicate with the inside and the outside, and the second layer may have a shape in which the surface is curved but no pores are formed. Since it is made of PTFE material, gas can be discharged through minute gaps formed between polymers.
  • the outer resin layer, metal layer, and inner resin layer of the pouch 310 have the area where the venting guide part 313 is disposed penetrated, and the venting guide part 313 is placed at this part and the edge of the venting guide part is heated at a high temperature.
  • the venting guide portion 313 can be stably attached to the inner surface of the pouch 310. More specifically, when the venting guide portion 313 is placed in the penetration area of the pouch 310 and the edge of the venting guide portion 313 is pressed at high temperature, the inner resin layer of the pouch 310 melts into the pores of the first layer of the venting guide portion.
  • the venting guide 313 can be stably attached to the inner surface of the pouch, and thus the gas (e.g., water vapor) formed inside the pouch 310 is absorbed into the first and second layers of the venting guide 313. It can pass through and be discharged to the outside. To this end, the penetration portion of the pouch 310 may have an area smaller than the area of the venting guide portion 313.
  • the gas e.g., water vapor
  • polytetrafluoroethylene has a melting point of 327°C, which is significantly different from the melting point of polypropylene (PP), which is mainly used as the inner resin layer of pouches, which has a melting point of about 160°C. Therefore, when heating and pressing the venting guide portion 313 made of polytetrafluoroethylene (PTFE) to attach it to the inner resin layer made of polypropylene (PP), the heating temperature is such that the polytetrafluoroethylene (PTFE) melts. If the temperature is high enough, polypropylene (PP) may be damaged. On the other hand, polypropylene (PP) is not damaged, but when heated to a temperature that melts polypropylene (PP), it is difficult to bond with polytetrafluoroethylene (PTFE) because it does not melt.
  • PP polytetrafluoroethylene
  • a structure in which the venting guide portion 313 is attached to the pouch so that the first layer with pores is in contact with the inner resin layer of the pouch.
  • the pouch When the portion where 310) and the venting guide portion 313 overlap are heated and pressed at a high temperature, a portion of the internal resin layer is melted into the pores of the first layer and hardened, forming an internal resin layer with respect to the first layer. Bonding takes place in this anchoring form.
  • the heat absorbing pack 30 can satisfy a certain thickness condition in order to effectively control changes in the internal temperature of the module 1.
  • the heat absorption pack 30 may have a thickness of 0.1 mm to 50 mm, more specifically 0.1 mm to 30 mm; 0.1 mm to 15 mm; 0.1 mm to 10 mm; 1 mm to 20 mm; 5 mm to 10 mm; 10 mm to 20 mm; Alternatively, it may have a thickness of 1 mm to 5 mm.
  • the present invention adjusts the thickness of the heat absorbing pack 30 to the above range, so that if it is less than 0.1 mm, the heat energy entering and exiting around the heat absorbing pack is not sufficient due to the thickness of the heat absorbing pack 30 being too thin, and the internal temperature of the module may change rapidly. If it exceeds 50 mm, the thickness of the battery module may increase and the energy density may be significantly reduced.
  • the heat absorbing pack 30 according to the present invention can not only absorb a large amount of heat from the surrounding area when heat is generated inside the module, but also can uniformly supply the amount of heat to the highly absorbent matrix 330. Therefore, damage to the heat absorbing pack 30 due to heat generation inside the module can be prevented. Therefore, when this is provided in a secondary battery module, the surrounding temperature of the secondary battery can be prevented from rapidly changing, and through this, the performance and stability of the secondary battery according to the surrounding temperature can be improved.
  • a secondary battery module including a secondary battery and a heat absorbing pack for a secondary battery according to the above-described present invention is provided.
  • Figure 1 is a perspective view showing the structure of the secondary battery module 1 according to the present invention, which will be described in more detail with reference to Figure 1.
  • the secondary battery module 1 includes a housing member 10; a plurality of battery cells 20 inserted into the housing member; and a heat absorbing pack 30 that absorbs heat generated from the plurality of battery cells.
  • the secondary battery module 1 includes a plurality of battery cells 20, and is provided with the heat absorbing pack 30 of the present invention described above along with these battery cells, so that the temperature inside the module rises rapidly. Since this can be prevented, there is an advantage in that the temperature stability of the battery cell 20 is excellent.
  • the housing member 10 serves as the body of the battery module in which the plurality of secondary battery cells 20 are accommodated.
  • the housing member 10 is a member that accommodates a plurality of battery cells 20, and protects the battery cells 20 while transmitting electrical energy generated by the battery cells 20 to the outside.
  • the housing member 10 may be composed of a bottom member 11 and a side wall member 12.
  • the bottom member 11 supports the plurality of battery cells 20 on which the plurality of battery cells 20 are seated.
  • a heat sink 40 may be disposed between the bottom member 11 and the battery cell 20, and the heat sink 40 transfers heat generated from the battery cell 20 to the bottom member 11.
  • the floor member 11 may be configured to cool the heat received from the heat sink 40 by transferring it to the outside.
  • the side wall member 12 forms a side part of the housing member 10 and may discharge heat generated in the battery cell 20 to the outside.
  • the housing member 10 may further include a cover member 13 provided on the top of the side wall member 12 to protect the upper end of the battery cell 20.
  • a gas venting member 17 is included between the cover member 13 and the upper end of the battery cell 20, so that gases generated from the battery cell 20 during charging and discharging can be discharged to the outside.
  • the housing member 10 may include a front member 14 and a rear member 15 adjacent to the side wall member 12, thereby surrounding the sides of the plurality of battery cells 20. It can be configured in the form
  • the housing member 10 may be provided with additional components such as a bus bar member (not shown) that electrically connects the battery cell 20 to the outside.
  • the type of the battery cell 20 is not particularly limited as long as it can be applied as a lithium secondary battery, but specifically, it may have a shape such as a square shape, a pouch shape, or a cylindrical shape.
  • the battery cell 20 may be a prismatic or pouch-type lithium secondary battery.
  • the battery cells 20 may be inserted into the housing member 10 and arranged in n rows (where n ⁇ 2) to face the side members 12 of the housing member 10. Specifically, the battery cells 20 may be arranged in two or more rows, three or more rows, or two to four rows to face the side members 12.
  • the battery cells 20 arranged in this way can have heat absorbing packs 30 placed adjacent to them.
  • the heat absorbing pack 30a may be placed on the outer surface of the aligned battery cells 20, that is, in the space between the housing member 10 and the battery cells 20.
  • a heat absorbing pack 30b may be inserted between the battery cells 20.
  • the heat absorption pack 30b may be disposed between individual battery cells 20 constituting one row, and in some cases, the first row 21a composed of battery cells aligned as shown in FIG. 1. ) and the second row (21b).
  • the heat absorbing pack 30 may be arranged so that the venting guide portion is exposed at the top of the module so that water vapor vaporized inside the heat absorbing pack 30 can be easily vented when exposed to high temperatures.
  • the heat absorbing pack 30 may be inserted into the module so that the surface is perpendicular to the bottom surface of the module, that is, the floor member 11, and at this time, the venting guide provided on one edge of the heat absorbing pack is connected to the upper part of the module. , for example, can be arranged adjacent to the cover element 13 and/or the gas venting element 17 of the module.
  • a rectangular aluminum (Al) sheet was prepared as a heat dissipation substrate.
  • the prepared aluminum sheet was folded in half at 1/2 the length direction of the long axis, and among the three open sides of the folded aluminum sheet, two sides adjacent to the half-folded side were sealed. Then, on the remaining unsealed side, two pinhole lines were formed along the edge, with 10 pinholes forming one line.
  • the superabsorbent fiber was inserted into the sealed aluminum (Al) sheet, and water was injected to impregnate the superabsorbent fiber. At this time, 10 g of water was impregnated per 1 g of superabsorbent fiber (ingredient: acrylic acid copolymer).
  • the inside is vacuumed and the open side of the aluminum (Al) sheet is sealed so that the pinhole is located inside the sealing part (e.g., unsealed area), and the inside of the bag formed of the aluminum sheet is impregnated with water to create a highly absorbent product.
  • An aluminum bag containing fibers was manufactured.
  • a 9 cm wide and 12 cm long layer comprising an aluminum layer, a polypropylene (PP) layer located on the outside of the aluminum layer, and a polyethylene (PE) layer with a cross-linking degree of 40 ⁇ 2% on the inside of the aluminum layer.
  • An aluminum pouch was prepared. The aluminum bag (Al bag) manufactured previously was inserted into the prepared aluminum pouch, the inside of the pouch was changed to a vacuum state, and the inlet of the pouch was sealed to produce an endothermic pack.
  • the pouch is provided with a venting guide at one edge, and the venting guide has a two-layer structure made of polytetrafluoroethylene (PTFE), and the first layer has an open structure in which pores are formed and the inside and outside communicate. , the second layer had a structure in which no pores were formed, and the second layer was arranged to face the inside of the pouch.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the pinhole of the aluminum bag and the venting guide part of the pouch were placed adjacent to each other by being located on the same side.
  • a pouch identical to the pouch used in Example 1 was prepared. Separately, two aluminum (Al) sheets measuring 8.5 cm wide and 11.5 cm long were prepared as heat dissipation substrates, and these were inserted into the prepared pouch. Then, the superabsorbent fiber was inserted between the two inserted aluminum (Al) sheets, and water was injected to impregnate the superabsorbent fiber. At this time, 10 g of water was impregnated per 1 g of superabsorbent fiber (ingredient: acrylic acid copolymer). Afterwards, the inside of the pouch was changed to a vacuum state and the inlet of the pouch was sealed to produce an endothermic pack.
  • the aluminum (Al) sheet is formed with two pinhole lines on one edge of which 10 pinholes form one line, and the pinhole lines are located on the same side as the venting guide part of the pouch. They were placed adjacent to each other.
  • a heat absorbing pack was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a rectangular aluminum (Al) sheet as a heat dissipation substrate was not used and heat-absorbing fibers were directly inserted into the pouch.
  • a heat absorbing pack was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a pinhole was not provided in an aluminum bag (Al bag) manufactured using a rectangular aluminum (Al) sheet as a heat dissipation substrate.
  • each heat absorbing pack manufactured in Examples and Comparative Examples was fixed vertically, and three temperature sensors were attached to both sides of the fixed heat absorbing pack. At this time, three temperature sensors attached to each side were placed at the top, center, and bottom of the vertically fixed heat absorbing pack surface.
  • the center of one side of the heat absorbing pack was heated for 10 minutes using a torch made of butane gas, and during heating, the temperatures of the side heated by the torch (i.e., the heating surface) and the back side were measured, respectively.
  • the heat absorbing pack was cooled, the cooled heat absorbing pack was disassembled, and damage to the superabsorbent fiber inserted into the pouch inside the heat absorbing pack was visually evaluated.
  • the heat absorbing pack of the embodiment according to the present invention stably suppresses a rapid increase in temperature inside the battery module.
  • the center directly heated by the torch has the highest temperature, followed by the top and bottom in that order, while for the back side, the temperature is highest>center>bottom. It was confirmed that the temperature was high in that order. This means that the heat transferred to the back of the heat absorbing pack is reduced by absorbing the energy needed to evaporate the water contained inside the heat absorbing pack and separate it from the superabsorbent fiber.
  • the temperature of the heating surface and back of the heat absorbing pack of the example was confirmed to be lower overall than that of the heat absorbing pack of the comparative example. This means that when a heat dissipation material is introduced inside the pouch, external heat can be better dispersed in the high-absorbent fibers, and when a pinhole is introduced into the heat dissipation material, evaporated water vapor is selectively released to the outside, thereby reducing the latent heat of water. It means increasing it further.
  • the heat absorbing pack of Comparative Example 1 did not have a heat dissipation substrate, that is, an aluminum (Al) sheet disposed between the pouch and the high-absorbent fiber, or did not meet the thickness conditions of the present invention, so the module Not only does it not sufficiently absorb internal heat energy, but also internal damage to both the high-absorbency fiber and the pouch occurs when heat is absorbed, making it difficult for the heat absorbing pack to absorb heat stably.
  • a heat dissipation substrate that is, an aluminum (Al) sheet disposed between the pouch and the high-absorbent fiber, or did not meet the thickness conditions of the present invention, so the module Not only does it not sufficiently absorb internal heat energy, but also internal damage to both the high-absorbency fiber and the pouch occurs when heat is absorbed, making it difficult for the heat absorbing pack to absorb heat stably.
  • the heat absorption pack according to the present invention can prevent the temperature inside the module from rapidly changing by absorbing a large amount of heat inside the module under high temperature conditions, and the heat absorption pack is uniformly absorbed inside the heat absorption pack, so during the heat absorption process. Since damage to the heat absorbing pack can be prevented, the temperature inside the module can be controlled more stably.
  • Battery cell 21 Column with battery cells sorted
  • Heat absorbing pack 30a Heat absorbing pack disposed on the outer side of the battery cell

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 이차전지 모듈용 흡열팩 및 이를 포함하는 이차전지 모듈에 관한 것이다. 상기 흡열팩은 파우치 내부에 물이 함침된 고흡수성 매트릭스를 포함하고 상기 고흡수성 매트릭스와 파우치 사이에 열분산 기재가 삽입된 구조를 갖는다. 이에 따라, 상기 흡열팩은 모듈 내부에서 발열이 발생하는 경우 주변의 많은 열량을 흡수할 수 있으므로, 이를 이차전지 모듈에 구비하는 경우 이차전지의 주변 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 흡열팩의 고흡수성 매트릭스는 주변의 열 에너지에 균일하게 노출되어 모듈 내부의 발열로 인한 흡열팩의 손상을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 흡열팩은 모듈 내부 온도 제어를 보다 안정적으로 수행할 수 있으며, 이를 통해 주변 온도에 따른 이차전지의 성능 및 안정성을 개선할 수 있다.

Description

모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈
본 출원은 2022. 11. 17일자 대한민국 특허 출원 제10-2022-0154484호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 이차전지 모듈 내부의 온도가 상승하는 경우 열 에너지를 균일하게 흡수하여 내부 온도 변화가 크지 않도록 조절할 수 있는 이차전지 모듈용 흡열팩 및 이를 포함하여 모듈 내부의 온도 변화에 대한 안정성이 향상된 이차전지 모듈에 관한 것이다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 적용되고 있다.
이차전지는 양극, 음극, 분리막을 포함하는 전극 조립체와 전해액을 포함하고, 이들을 보호하는 다층 외장재를 몸체로 포함한다. 이러한 이차전지는 복수의 셀을 장착한 전지 모듈 형태로 사용될 수 있다.
그러나, 이러한 이차전지는 주변의 온도 변화에 민감하여 전기적 성능과 안전성이 많이 좌우될 수 있다.
하나의 예로서, 이차전지에 구비된 전극 조립체는 충전 및 방전의 과정을 거치면서 발열이 발생하게 된다. 이러한 발열은 이차전지 셀의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 이차전지 셀 자체의 온도를 상승시켜 셀의 폭발을 유도할 수 있다. 셀의 폭발은 주변의 다른 이차전지 셀에 높은 온도와 압력을 제공하여 연쇄적인 이차전지 셀의 폭발로 이어지는 문제가 야기시킬 수 있다.
이차전지의 열 폭주 상황에서 인접 셀로의 열전도를 억제하기 위하여 종래 열 폭주 방지시트에 대한 기술이 개발되었다. 그 예로서, 열 전도성 첨가제를 포함하는 카트리지를 배터리 모듈 내에 구비함으로써 열 전달 효율을 향상시키는 기술이 개발된 바 있다. 그러나, 이와 같은 종래기술은 전지 구동 시에 발생되는 열의 냉각을 위한 것이므로, 셀 폭발과 같은 열 폭주 상황에서는 기능하지 못하는 문제가 있다. 다른 예로서, 이차전지 모듈 내부에서 발생된 열을 흡수하여 주변 온도는 낮추는 냉각 부재를 포함하는 기술이 개발된 바 있다. 그러나, 실제 열 폭주는 모듈에 장착된 특정 셀의 발열로 인해 발생하는 경우가 많다. 이 경우 상기 냉각 부재는 셀에서 발생된 열을 균일하게 흡수하지 어려우므로 열 흡수 과정에서 냉각 부재의 손상이 유도되고, 이에 따라 내부 열을 충분히 흡열하지 못하는 한계가 있다.
따라서, 이차전지를 포함하는 이차전지 모듈에 있어서, 모듈 내부의 온도, 즉 이차전지의 주변 온도가 전지의 열 폭주를 유도하는 고온/발열 조건일 때는 주변 온도를 효과적으로 균일하게 흡수하여 모듈 내부의 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0000725호
이에, 본 발명의 목적은 이차전지 모듈 내부의 발열 발생 시 발생된 열을 균일하게 흡수함으로써, 모듈 내부의 급격한 온도 변화를 억제할 수 있는 기술을 제공하는데 있다.
상술된 문제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
고흡수성 매트릭스;
상기 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 배치되는 열분산 기재; 및
상기 열분산 기재가 배치된 고흡수성 매트릭스가 삽입되는 파우치를 포함하고,
상기 고흡수성 매트릭스는 물에 함침된 상태이며,
상기 열분산 기재는 일측 가장자리에 복수의 핀홀을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩을 제공한다.
이때, 상기 파우치는 일측 가장자리에 벤팅 유도부를 포함하고, 상기 열분산 기재는 열분산 기재는 핀홀이 벤팅 유도부와 동일 측면에 배치되도록 삽입될 수 있다.
또한, 상기 열분산 기재는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 가질 수 있으며, 50 kcal/℃ 이상의 열 전도율을 갖는 금속을 포함할 수 있다.
아울러, 상기 고흡수성 매트릭스는 고흡수성 수지(SAP) 또는 고흡수성 섬유(SAF)의 형태를 가질 수 있다.
이와 더불어, 상기 고흡수성 매트릭스는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드 및 폴리비닐구아니딘 중 하나 이상의 수지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고흡수성 매트릭스는 경우에 따라서 상기 수지와 함께 내부에 열 전도성 필러를 더 포함할 수 있다.
이러한 고흡수성 매트릭스는 10 g/g 내지 500 g/g의 물을 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
하우징 부재;
상기 하우징 부재 내에 삽입되는 복수의 전지 셀; 및
상기 복수의 전지 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 본 발명에 따른 흡열팩을 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.
여기서, 상기 복수의 전지 셀은 n열(단, n≥2)로 정렬 배치될 수 있으며, 이 경우, 흡열팩은 배치된 전지 셀들이 이루는 열들 사이에 배치될 수 있고, 및/또는 배치된 전지 셀들이 구성하는 열의 외측면과 하우징 부재 사이 공간에 배치될 수 있다.
또한, 상기 흡열팩은 이차전지 모듈의 바닥면을 기준으로 흡열팩의 표면이 수직이 되도록 삽입되되, 흡열팩의 벤팅 유도부가 상부에 위치하도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈용 흡열팩은 파우치 내부에 물이 함침된 고흡수성 매트릭스를 포함하고 상기 고흡수성 매트릭스와 파우치 사이에 핀홀이 마련된 열분산 기재가 삽입된 구조를 갖는다. 이에 따라, 상기 흡열팩은 모듈 내부에서 발열이 발생하는 경우 주변의 많은 열량을 흡수할 수 있으므로, 이를 이차전지 모듈에 구비하는 경우 이차전지의 주변 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 흡열팩은 핀홀을 구비한 열분산 기재를 포함하여 흡열팩 벤팅 시 수증기에 대한 필터링 효과가 구현할 수 있어 모듈 내 수증기의 잠열을 증가시킬 수 있으므로 흡열 효율이 좋은 이점이 있다.
나아가, 상기 흡열팩은 열분산 기재에 의해 고흡수성 매트릭스가 주변의 열 에너지에 균일하게 노출되므로 모듈 내부의 발열로 인한 흡열팩의 손상을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 흡열팩은 모듈 내부 온도 제어를 보다 안정적으로 수행할 수 있으며, 이를 통해 주변 온도에 따른 이차전지의 성능 및 안정성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지 모듈의 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 흡열팩의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4는 흡열팩에 내장되는 열 분산 기재 및 고흡수성 매트릭스의 형태를 나타낸 사시도이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 2의 흡열팩 일면을 각각 토치로 가열하는 경우 가열면과 후면의 위치별 온도 변화를 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 2의 흡열팩 일면을 각각 토치로 가열하는 경우 후면의 위치별 온도 변화를 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.
도 6은 토치로 일면을 가열한 후 분해된 실시예 1의 흡열팩 내부를 촬영한 이미지이다.
도 7 및 도 9는 토치로 일면을 가열한 후 분해된 비교예 1 및 비교예 2의 흡열팩 내부를 촬영한 이미지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부 뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이차전지용 흡열팩
본 발명은 일실시예에서,
고흡수성 매트릭스;
상기 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 배치되는 열분산 기재; 및
상기 열분산 기재가 배치된 고흡수성 매트릭스가 삽입되는 파우치를 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩을 제공한다.
본 발명에 따른 흡열팩(30, 30a, 30b)은 도 1에 나타낸 바와 같이 이차전지 모듈(1)의 내부에 삽입되는 부품으로써 물이 내부에 함침된 고흡수성 매트릭스가 파우치에 삽입된 구조를 갖는다.
이때, 상기 고흡수성 매트릭스는 물이 함침된 상태를 가짐으로써 흡열팩 주변의 온도 조건, 즉 흡열팩이 장착되는 이차전지 모듈의 내부 온도 조건에 따라 다량의 열 에너지를 흡수할 수 있다. 구체적으로, 상기 물은 고흡수성 매트릭스 내부에 함침되어 있다가 파우치 외부 온도가 상승하면, 기화되면서 고흡수성 매트릭스와 분리된다. 이때, 상기 물은 기화되기 위하여 많은 열량이 요구되는데, 이를 충족시키기 위하여 파우치 주변의 열량을 흡수하게 되고, 이에 따라 모듈 내부의 발열 발생 시 내부 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 흡열팩(30)은 고흡수성 매트릭스에 함침된 물이 균일하게 열량을 흡수할 수 있도록 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 열분산 기재가 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 열분산 기재는 시트 형태를 가져 고흡수성 매트릭스의 표면을 덮도록 각 면에 배치되거나, 장방형(rectangle) 시트 형태를 가져 고흡수성 매트릭스를 감도록 배치될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 열분산 기재(320)는 도 2 및 도 3과 같이 고흡수성 매트릭스(330)의 전면을 둘러쌀 수 있도록 그 자체가 하나의 파우치 또는 백(bag) 형태를 가질 수 있다. 이때, 상기 열분산 기재(320)는 내부에 고흡수성 매트릭스(330)를 수납한 상태로 흡열팩(30)의 외장재인 파우치(310) 내측에 삽입될 수 있다. 이 경우, 상기 열분산 기재(320)는 흡열팩(30)의 벤팅 시 기화된 수증기에 대한 필터링 효과를 모듈 내 수증기의 잠열을 증가시킬 수 있으므로 흡열 효율이 좋은 이점이 있다.
상기 열분산 기재(320)는 기재의 일측 가장자리에 복수의 핀홀(325)을 포함할 수 있다. 상기 핀홀(325)은 흡열팩(30) 외부 온도의 상승 시 기화된 물이 통과하는 경로를 제공하는 한편, 흡열팩(30)의 벤팅 시 수증기 이외의 성분, 예컨대 물에 일부 용해된 고흡수성 매트릭스(330) 성분 등이 외부로 누출되는 것을 방지하는 필터 기능을 수행할 수 있다. 상기 핀홀(325)은 흡열팩(30)의 벤팅 시 물 이외의 성분이 외부로 방출되는 것을 막는 필터 기능을 수행함으로써 수증기로 인한 잠열량을 높일 수 있으므로 흡열팩의 흡열 성능을 보다 높일 수 있다.
이때, 상기 핀홀(325)은 도 4에 나타낸 바와 같이 열분산 기재(320)의 일측 가장자리에 소정의 간격으로 복수 개가 줄(line)을 이루며 마련될 수 있다. 구체적으로, 이러한 핀홀(325)의 줄(line)은 하나 이상, 예를 들어 1~5줄 또는 2~4줄 도입될 수 있다. 본 발명은 열분산 기재(320)에 도입되는 핀홀(325)을 상기와 같이 복수개의 줄 형태로 도입함으로써 흡열팩(30)의 벤팅 시 수증기의 배출 및 필터 효율을 높일 수 있다.
하나의 예로서, 열분산 기재(320)가 파우치 형태를 갖는 경우 고흡수성 매트릭스(330)가 삽입되는 삽입부(323)에 핀홀(325)이 마련되되, 상기 내부를 마련하기 위하여 열분산 기재(320)의 가장자리에서 접합되는 실링부(324)에 인접한 위치에 마련될 수 있다. 이때, 상기 핀홀(325)은 파우치 형태의 열분산 기재(320)의 제1 기재면(321)과 제2 기재면(322) 일측 가장자리에 각각 1열씩 마련되되, 열분산 기재(320)의 실링 후 실링부(324)를 중심으로 양측으로 위치하도록 될 수 있다.
또한, 상기 핀홀(325)은 도 2에 나타낸 바와 같이 열분산 기재(320)가 내장되는 파우치(310)의 벤팅 유도부(313)와 동일 측면에 위치되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 고흡수성 매트릭스에 함침되었던 물의 기화 후 흡열팩(30)의 벤팅 시 파우치(310)에 마련된 벤팅 유도부(313)에 높은 벤팅 압력을 부여할 수 있으므로 흡열팩(30)의 흡열 성능을 보다 높일 수 있다.
아울러, 상기 핀홀(325)은 열분산 기재의 일측 가장자리를 펀칭하여 형성할 수 있다. 상기 펀칭은 당업계에서 통상적으로 적용되는 방식으로 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 핀홀(325)은 원형의 홀(hole)을 형성하기 위한 성형 다이를 이용하여 핀홀 형성 면에 별도의 요철 형성없이 천공함으로써 형성될 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 열분산 기재(320)의 내측에서 외측으로 유체의 흐름을 유도하기 위하여 가열된 니들 등의 천공 수단을 이용하여 열분산 기재(320)의 일측 가장자리를 관통시킴으로써 형성될 수 있으며, 이에 따라 핀홀(325) 주변이 관통 방향으로 열분산 기재(320)의 외측면이 일부 돌출된 형태를 가질 수 있다. 또한, 이 경우 열분사 기재(320)는 고흡수성 매트릭스(330)에 함침되었던 물이 기화되어 파우치(310)의 벤팅 유도부(313)로 이동하는 경로를 따라 핀홀(325)의 돌출부가 위치하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 열분산 기재(320)는 흡열팩(30) 외부의 열을 고흡수성 매트릭스(330)로 균일하게 전달함으로써 발생된 열이 흡열팩(30)의 일부분에 집중되어 흡열팩이 손상되는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
이를 위하여, 상기 열분산 기재(320)는 열 전도율이 높은 금속 시트를 포함할 수 있으며, 상기 금속 시트는 50 kcal/℃ 이상의 열 전도율을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 금속 시트는 70 kcal/℃ 이상, 80 kcal/℃ 이상, 90 kcal/℃ 이상, 100 kcal/℃ 이상, 50 kcal/℃ 내지 400 kcal/℃, 70 kcal/℃ 내지 370 kcal/℃, 70 kcal/℃ 내지 150 kcal/℃, 100 kcal/℃ 내지 370 kcal/℃, 150 kcal/℃ 내지 200 kcal/℃, 또는 250 kcal/℃ 내지 350 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 금속을 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 금속 시트는 196±3 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 알루미늄; 170±3 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 텅스텐; 320±3 kcal/℃의 열전도율을 갖는 구리; 77±3 kcal/℃의 열 전도율을 갖는 니켈 등을 단독으로 포함하거나 병용할 수 있다.
또한, 상기 열분산 기재(320)는 열 전도율이 높은 금속 시트를 포함하나, 실제 금속 시트를 통해 고흡수성 매트릭스(330)에 전달되는 열은 고흡수성 매트릭스(330) 표면 전반에 분산되어 전달되어야 하므로 금속 시트의 두께에 높은 의존성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 열분산 기재(320)는 고흡수성 매트릭스(330)로 파우치(310) 주변(즉, 파우치 외부)의 열을 높은 효율로 전달하되, 보다 균일하게 분산시켜 전달하기 위하여 소정의 두께를 가질 수 있으며, 흡열팩(30)으로 인한 이차전지 모듈(1)의 에너지 밀도 저감과 열분산 기재에 포함된 금속 시트 자체의 열 전도 효율을 고려할 때 흡열팩(30)과 일정한 두께 조건을 만족할 수 있다.
그 예로서, 상기 열분산 기재(320)는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 가질 수 있으며, 열분산 기재(320)를 포함하는 흡열팩(30)의 평균 두께와의 두께 비율을 나타내는 하기 식 1을 10 내지 500으로 만족할 수 있다:
[식 1]
Tpack/Tsheet
상기 식 1에서,
Tpack는 흡열팩의 평균 두께(단위: ㎛)를 나타내고,
Tsheet는 금속 시트의 평균 두께(단위: ㎛)를 나타낸다.
구체적으로, 상기 식 1은 흡열팩(30)의 평균 두께와 열분산 기재(320)의 평균 두께의 비율로서 상기 비율을 소정의 범위를 만족하도록 함으로써 이차전지 모듈(1)의 에너지 밀도가 저감되는 것을 방지하면서 내부의 고온 발생 시 흡열팩(30)의 손상없이 효율적으로 열 에너지를 흡열팩(30)으로 분산 및 흡수할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명의 열분산 기재(320)는 상기 식 1을 10 내지 500으로 만족할 수 있으며, 구체적으로는 10 내지 400; 10 내지 300; 10 내지 200; 10 내지 100; 10 내지 50; 100 내지 300; 또는 100 내지 200으로 만족할 수 있다. 상기 열분산 기재는 식 1을 10 이상으로 만족함으로써 고흡수성 매트릭스(330)의 함량이 저감되어 열 흡수 효율이 저감되는 것을 방지하는 한편, 식 1을 500 이하로 만족함으로써 열분산 기재(320)의 얇은 두께로 인해 파우치(310) 주변의 열이 고흡수성 매트릭스(330)에 균일하게 분산되지 않고 흡열팩(30)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 상기 열분산 기재(320)는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 5㎛ 내지 75㎛; 5㎛ 내지 50㎛; 5㎛ 내지 30㎛; 10㎛ 내지 30㎛; 또는 15㎛ 내지 25㎛의 평균 두께를 가질 수 있다.
본 발명은 열분산 기재(320)의 평균 두께를 상기 범위로 조절함으로써 5㎛ 미만의 얇은 두께로 인해 파우치(310) 주변의 열을 고흡수성 매트릭스(330)에 균일하게 전달하지 못하여 흡열팩(30)이 흡열 도중에 손상되는 것을 방지하는 한편, 100 ㎛를 초과하는 과도한 두께로 인해 열분산 기재(320)의 열 전도율이 저감되는 것을 예방할 수 있다.
또한, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 파우치(310) 주변의 열을 보다 균일하게 흡수하기 위하여 파우치(310)와 직접 맞닿는 표면에 소정의 면적률을 만족하도록 열분산 기재(320)를 배치할 수 있다.
구체적으로, 상기 열분산 기재(320)는 고흡수성 매트릭스(330)의 전체 표면을 70% 이상 커버하도록 배치될 수 있으며, 보다 구체적으로, 고흡수성 매트릭스(330)의 전체 표면을 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상 또는 90% 이상 커버하도록 배치될 수 있다. 경우에 따라서, 상기 열분산 기재(320)는 고흡수성 매트릭스(330) 전면에 배치되어 고흡수성 매트릭스(330)와 파우치가 직접 맞닿는 면적이 0%일 수 있다. 본 발명은 열분산 기재(320)가 고흡수성 매트릭스(330)의 표면을 커버하는 면적률을 상기 범위로 조절함으로써 파우치(310) 주변 열이 고흡수성 매트릭스(330)로 보다 균일하게 분산되게 할 수 있다.
한편, 앞서 언급된 바와 같이 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 물에 함침되기 이전에는 큐브나, 부직포와 같은 섬유 형태를 가질 수 있으며, 물에 함침된 이후에는 함침된 물의 양에 따라 슬러리 내지 현탁액과 같은 형태를 가질 수 있다. 이와 같이 물이 함침된 고흡수성 매트릭스(330)는 흡열팩(30)이 고온 조건에 노출되는 경우 내부에 함침된 물이 기화되어 분리된 형태를 가질 수 있으며, 이에 따라 상기 고흡수성 매트릭스(330)가 삽입된 파우치는 팽창된 형태를 가질 수 있다.
이때, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 물을 높은 효율로 흡수하기 위해 고흡수성 수지(super absorbent polymer, SAP) 또는 고흡수성 섬유(super absorbent fiber, SAF)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 고흡수성 수지(SAP)와 고흡수성 섬유(SAF)는 그 형태에 의해 구분될 수 있다. 예컨대, 고흡수성 수지(SAP)는 분말 형상을 가지며, 상기 고흡수성 섬유(SAF)는 선형을 가질 수 있다.
아울러, 상기 고흡수성 수지(SAP)와 고흡수성 섬유(SAF)는 이들을 구성하는 성분을 동일하거나 상이할 수 있다. 구체적으로, 상기 고흡수성 매트릭스는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드, 폴리비닐구아니딘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있다.
하나의 예로서, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 가교화된 폴리아크릴산 염, 가교화된 폴리아크릴산 및 가교화된 아크릴산 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 고흡수성 매트릭스(330)로 사용되는 아크릴산 공중합체의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 아크릴산 단량체와 말레산, 이타콘산, 아크릴아미드, 2-아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산, 2-(메타)아크릴로일에탄술폰산, 2-히드록시에틸(메타)아크릴레이트 및 스티렌술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 공단량체를 포함하는 공중합체일 수 있다.
상기 성분은 친수성 관능기를 갖는 망상 구조를 갖는 물질들로서 물을 높은 효율로 흡수할 수 있으므로, 흡열팩이 흡열 또는 발열하는 효과가 균일하게 구현될 수 있다.
아울러, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 물에 대한 흡수력이 일정 범위를 만족할 수 있다. 구체적으로, 상기 고흡수성 매트릭스는 물에 대한 흡수량이 10 g/g 내지 500 g/g, 구체적으로는 50 g/g 내지 200 g/g일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이는 상기 고흡수성 매트릭스 1 g당 물 10 g 내지 500 g, 바람직하게는 50 g 내지 200 g을 흡수할 수 있음을 의미하는 것이다. 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 물에 대한 흡수량이 많을수록 냉각 효과의 지속 시간을 향상시킬 수 있으나, 500 g/g을 초과하면 고흡수성 매트릭스(330)의 유동성이 증가하여 형태를 유지하기 어려우므로 효과적인 냉각을 발휘할 수 없다. 또한, 상기 고흡수성 매트릭스(330)의 물에 대한 흡수량이 10 g/g 미만이면, 파우치 외부 온도에 따라 흡수하는 열량이 현저히 낮아지므로 모듈 내부 온도가 급격히 변화하는 것을 억제하는 효과가 낮아 비효율적일 수 있다.
이와 더불어, 상기 고흡수성 매트릭스(330)는 매트릭스 내부에 함침된 물에 열을 보다 잘 전달하기 위하여 내부에 열 전도성 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 열 전도성 필러는 열 전달 특성이 우수한 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 구체적으로는 무기 산화물 필러, 금속 수산화물 필러, 무기 탄화물 필러, 질화물 필러, 금속 필러 및 탄소 필러로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
여기서, 상기 무기 산화물 필러의 예로는 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 산화 아연 또는 산화 규소 등을 들 수 있고; 상기 금속 수산화물 필러의 예로는 수산화 알루미늄 또는 수산화 마그네슘 등을 들 수 있으며; 상기 무기 탄화물 필러의 예로는 탄화 규소 등을 들 수 있고; 상기 질화물 필러의 예로는 질화알루미늄, 질화붕소 또는 질화규소 등을 들 수 있으며; 상기 금속 필러의 예로는 은, 구리, 아연, 철, 알루미늄, 니켈, 주석 또는 이들의 합금 등을 들 수 있고; 상기 탄소 필러의 예로는 카본 또는 그라파이트 등을 들 수 있다.
아울러, 상기 열전도성 필러는 그 형상이 특별히 제한되는 것은 아니나, 고흡수성 매트릭스 내부에 열을 효과적으로 전달하기 위하여 비표면적이 높은 구상의 형태를 갖거나, 인접한 열 전도성 필러들과 열 네트워크를 형성할 수 있도록 침상 또는 섬유상의 형태를 가질 수 있다.
나아가, 상기 파우치(310)는 내부에 삽입된 고흡수성 매트릭스(330)로 외부 열을 잘 전달할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 파우치(310)는 금속층으로 구성될 수 있고, 금속층 내측면에는 가교된 폴리올레핀계 수지를 포함하는 내부 수지층이 마련되며, 금속층 외측면에는 흡열팩(30)을 보호하기 위한 외부 수지층이 마련될 수 있다.
상기 금속층은 흡열팩(30) 외부의 열을 내부로 잘 전달할 수 있으면서 일정 이상의 강도를 가져 외력에 대한 저항성을 가질 수 있는 알루미늄 층 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부 수지층은 금속층 내측면에 위치하여 고흡수성 매트릭스(330)에 함침된 물과 파우치의 금속층이 반응하는 것을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 이를 위하여, 상기 내부 수지층은 가교된 폴리올레핀계 수지를 포함할 수 있다. 가교된 폴리올레핀계 수지는 낮은 흡습성을 가져 고흡수성 매트릭스에 함침된 물의 침입을 억제할 수 있으므로 이로 인한 내부 수지층의 팽창이나 침식이 발생되지 않을 수 있다. 여기서, 상기 폴리올레핀계 수지는 10~70%의 가교도를 가질 수 있으며, 구체적으로는 30~50%의 가교도를 가질 수 있다. 아울러, 상기 폴리올레핀계 수지는 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 및 폴리에틸렌 (Polyethylene, PE)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있고, 상기 가교된 폴리올레핀계 수지는 구체적으로 가교된 폴리에틸렌, 가교된 폴리프로필렌, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 가교된 폴리프로필렌일 수 있다.
아울러, 상기 외부 수지층은 외부로부터 흡열팩(30)을 보호하기 위하여 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하는 바, 두께 대비 우수한 인장강도와 내후성 등이 요구되며, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate; PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (polybuthyleneterephthalate; PBT), 폴리에틸렌 나프탈레이트 (polyethylenenaphthalate; PEN) 등의 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌(polyetheylene; PE), 폴리프로필렌 (polypropylene; PP) 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리스티렌 등의 폴리스티렌계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리염화비닐리덴계 수지 등이 사용될 수 있다. 이러한 소재는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 추가적으로 ONy(연신 나일론 필름)이 사용될 수 있다.
또한, 상기 파우치(310)는 외부의 열에 의해 고흡수성 매트릭스(330)에 함침되었던 물이 기화되면, 파우치 내부의 가스 압력과 파우치 외부의 가스 압력의 차이가 발생되는데, 이렇게 발생된 압력의 차이에 의해 기화된 수증기를 외부로 배출하는 벤팅 유도부(313)를 포함한다. 이를 위하여, 상기 벤팅 유도부(313)는 수증기의 배출이 용이하도록 파우치(310)의 일측 가장자리에 마련될 수 있으며, 구체적으로는 파우치 실링부(314)에 인접하게 마련될 수 있다.
아울러, 상기 벤팅 유도부(313)는 흡열팩(30) 내부의 압력과 외부의 압력 차이가 없거나 적은 경우에는 가스 배출(즉, 수증기 배출)이 이루어지지 않고; 흡열팩(30) 내부로 외부 물질이 유입되는 것을 차단한 상태이나, 흡열팩(30)의 내부와 외부 간의 압력 차이가 0.1atm 이상 발생하면, 기압차에 의해 수증기가 벤팅 유도부(313)를 통해 배출된다. 이후, 배출이 어느 정도 이루어짐에 따라 흡열팩(30)의 내부와 외부 간의 압력 차이가 0.1atm 이하이거나 없어지는 경우에는, 다시 수증기 배출이 차단된 상태가 되는 과정이 가역적으로 진행될 수 있다.
또한, 상기 벤팅 유도부(313)는 기공이 형성된 제1층과 기공이 없는 제2층이 적층된 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 제1층과 제2층은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 동일 소재로 구성될 수 있다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 내열성 및 소수성이 우수한 특성이 있으므로 벤팅 유도부 소재로 적합한 이점이 있다.
아울러, 상기 벤팅 유도부(313)에 있어서, 제1층은 기공이 형성된 구조를 갖는 반면, 제2층은 기공이 형성되지 않는 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1층은 내부 및 외부가 연통되는 개방형 기공이 형성된 구조를 가질 수 있으며, 상기 제2층은 표면에 굴곡이 형성되나 기공은 형성되지 않은 형태를 가질 수 있으며, 제2층의 경우 PTFE소재로 이루어지기 때문에 폴리머 사이에 형성되는 미세한 틈을 통해 가스가 배출될 수 있다.
또한, 상기 파우치(310)의 외부 수지층, 금속층 및 내부 수지층은 벤팅 유도부(313)가 배치되는 부위가 관통된 상태를 가지며, 이 부위에 벤팅 유도부(313)를 배치하고 벤팅 유도부 가장자리를 고온 가압함으로써 파우치(310) 내측면에 벤팅 유도부(313)가 안정적으로 부탁될 수 있다. 보다 구체적으로, 파우치(310)의 관통 부위에 벤팅 유도부(313)를 배치하고 벤팅 유도부(313)의 가장자리를 고온 가압하면 파우치(310)의 내부 수지층이 벤팅 유도부 제1층의 기공 내부로 녹아 들어가서 상기 벤팅 유도부(313)가 파우치 내측면에 안정적으로 부착될 수 있으며, 이에 따라 파우치(310)의 내부에 형성된 가스(예컨대, 수증기)는 상기 벤팅 유도부(313)의 제1층 및 제2층을 통과하여 외부로 배출될 수 있다. 이를 위하여, 파우치(310)의 관통 부위는 벤팅 유도부(313)의 면적보다 작은 면적을 가질 수 있다.
한편, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 녹는점이 327 ℃인 바, 파우치의 내부 수지층으로 주로 사용되는 폴리프로필렌(PP)의 녹는점이 약 160 ℃인 것과 차이가 크다. 따라서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 소재의 벤팅 유도부(313)를 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 내부 수지층에 부착하기 위하여 가열 가압하는 경우, 가열 온도가 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 녹을 정도의 온도인 경우에는 폴리프로필렌(PP)이 손상될 수 있다. 반면에, 폴리프로필렌(PP)이 손상되지 않지만 폴리프로필렌(PP)이 녹을 수 있는 정도의 온도로 가열하는 경우에는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 녹지 않기 때문에 서로 결합하기 어렵다.
이에, 본 발명에서는 기공이 형성된 제1층이 파우치의 내부 수지층에 접촉하도록 벤팅 유도부(313)를 파우치에 부착시키는 구조를 사용하고 있는 바, 벤팅 유도부(313)를 파우치에 부착하기 위하여 파우치(310)와 벤팅 유도부(313)가 중첩되는 부분을 고온으로 가열 및 가압하는 경우, 내부 수지층의 일부가 상기 제1층의 기공 내부로 녹아 들어간 상태로 경화되면서, 제1층에 대해 내부 수지층이 앵커링(anchoring)되는 형태로 결합이 이루어진다.
나아가, 상기 흡열팩(30)은 모듈(1) 내부 온도가 변화하는 것을 효과적으로 제어하기 위하여 일정한 두께 조건을 만족할 수 있다. 구체적으로, 상기 흡열팩(30)은 0.1 mm 내지 50 mm의 두께를 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.1 mm 내지 30 mm; 0.1 mm 내지 15 mm; 0.1 mm 내지 10 mm; 1 mm 내지 20 mm; 5 mm 내지 10 mm; 10 mm 내지 20 mm; 또는 1 mm 내지 5 mm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명은 흡열팩(30)의 두께를 상기 범위로 조절함으로써 0.1mm 미만인 경우에는 지나치게 얇은 흡열팩(30)의 두께로 인해 흡열팩 주변의 열 에너지 출입이 충분하지 않아 모듈 내부 온도가 급격히 변화될 수 있으며, 50 mm를 초과하는 경우에는 전지 모듈의 두께가 증가하여 에너지 밀도가 현저히 저감될 수 있다.
본 발명에 따른 흡열팩(30)은 상술된 구성을 가짐으로써 모듈 내부에서 발열이 발생하는 경우 주변의 많은 열량을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 열량을 고흡수성 매트릭스(330)에 균일하게 공급할 수 있으므로 모듈 내부의 발열로 인한 흡열팩(30)의 손상을 방지할 수 있다. 따라서, 이를 이차전지 모듈에 구비하는 경우 이차전지의 주변 온도가 급격하게 변화되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 주변 온도에 따른 이차전지의 성능 및 안정성을 개선할 수 있다.
이차전지 모듈
나아가, 본 발명은 일실시예에서,
이차전지와 상술된 본 발명에 따른 이차전지용 흡열팩을 포함하는 이차전지 모듈을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지 모듈(1)의 구조를 나타낸 사시도로서, 도 1을 참고하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈(1)은 하우징 부재(10); 상기 하우징 부재 내에 삽입되는 복수의 전지 셀(20); 및 상기 복수의 전지 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 흡열팩(30)을 포함한다.
본 발명에 따른 이차전지 모듈(1)은 복수의 전지 셀(20)을 포함하고, 이들 전지 셀과 함께 앞서 설명된 본 발명의 흡열팩(30)을 구비하여, 모듈 내부의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지할 수 있으므로 전지 셀(20)의 온도에 대한 안정성이 우수한 이점이 있다.
여기서, 상기 하우징 부재(10)는 복수의 상기 이차전지 셀(20)이 수용되는 배터리 모듈의 바디 역할을 수행하는 것이다. 또한, 상기 하우징 부재(10)는 복수의 전지 셀(20)이 수용되는 부재로서, 상기 전지 셀(20)을 보호하면서도 전지 셀(20)이 생성한 전기 에너지를 외부로 전달한다.
이를 위해서, 상기 하우징 부재(10)는 바닥부재(11) 및 측벽부재(12) 등으로 구성될 수 있다. 상기 바닥부재(11)는 상기 복수의 전지 셀(20)이 안착되며, 이렇게 안착된 상기 복수의 전지 셀(20)을 지지한다. 또한, 상기 바닥부재(11)와 전지 셀(20) 사이에는 히트 싱크(40)가 배치될 수 있으며, 상기 히트 싱크(40)는 전지 셀(20)에서 발생한 열을 바닥부재(11)로 전달하고, 바닥부재(11)는 히트 싱크(40)로부터 전달받은 열을 외부로 전달하여 냉각시키도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기 측벽부재(12)는 상기 하우징 부재(10)의 측부를 형성하는 것으로서, 상기 전지 셀(20)에서 발생한 열을 외부로 배출할 수도 있다.
상기 하우징 부재(10)는 추가로 상기 측벽부재(12)의 상단에 구비되는 커버부재(13)를 포함하여 전지 셀(20)의 상단부를 보호하게 구성될 수 있다. 또한, 상기 커버부재(13)와 전지 셀(20) 상단부 사이에는 가스 벤팅 부재(17)를 포함하여 충방전 시 전지 셀(20)로부터 발생된 가스들을 외부로 배출시킬 수 있다.
이와 더불어, 상기 하우징 부재(10)는 상기 측벽부재(12)와 이웃한 전방부재(14) 및 후방부재(15)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 복수의 전지 셀(20)의 측면을 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
나아가, 상기 하우징 부재(10)는 전지 셀(20)을 외부와 전기적으로 연결하는 버스바 부재(미도시) 등의 부가 구성을 구비할 수도 있다.
한편, 전지 셀(20)은 리튬 이차전지로서 적용될 수 있는 형태라면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로는 각형, 파우치형, 원통형 등의 형태를 가질 수 있다. 하나의 예로서, 상기 전지 셀(20)은 각형 또는 파우치형 리튬 이차전지일 수 있다.
또한, 상기 전지 셀(20)은 하우징 부재(10) 내에 삽입되되, 하우징 부재(10)의 측변 부재(12)와 대향하도록 n열(단, n≥2)로 정렬 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 전지 셀(20)은 측변 부재(12)와 대향하도록 2열 이상, 3열 이상 또는 2~4열로 정렬 배치될 수 있다.
이렇게 정렬 배치된 전지 셀(20)은 인접한 위치에 흡열팩(30)이 배칭될 수 있다. 하나의 예로서, 상기 흡열팩(30a)은 정렬 배치된 전지 셀(20)들의 외측면, 즉 하우징 부재(10)와 전지 셀(20)의 사이 공간에 배치될 수 있다.
다른 하나의 예로서, 전지 셀(20)들 사이에는 흡열팩(30b)이 삽입될 수 있다. 구체적으로, 상기 흡열팩(30b)은 하나의 열을 구성하는 개별 전지 셀(20)들 사이에 배치될 수 있으며, 경우에 따라서는 도 1에 나타낸 바와 같이 정렬된 전지 셀로 구성된 제1열(21a)과 제2열(21b)의 사이에 배치될 수 있다.
이와 같이, 전지 셀(20)에 인접한 위치에 흡열팩(30)이 배치됨으로써, 전지 셀(20)에 열이 발생하는 경우, 즉각적으로 열을 흡수할 수 있으므로 모듈 내부의 급격한 온도 변화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 흡열팩(30)은 고온 노출 시 내부에서 기화된 수증기가 용이하게 벤팅될 수 있도록 벤팅 유도부가 모듈 상부에 노출되도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 흡열팩(30)은 모듈의 바닥면, 즉 바닥부재(11)를 기준으로 표면이 수직이 되도록 모듈 내에 삽입될 수 있으며, 이때 흡열팩의 일측 가장자리에 마련된 벤팅 유도부는 모듈의 상부, 예컨대 모듈의 커버부재(13) 및/또는 가스 벤팅 부재(17)에 인접하게 배치될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 흡열팩의 제조
열분산 기재로서 장방형의 알루미늄(Al) 시트를 준비하였다. 준비된 알루미늄 시트의 장축 길이 방향을 기준 1/2 되는 지점에서 반으로 접고, 접힌 알루미늄 시트의 개방된 3면 중 반으로 접힌 면과 인접한 2면을 실링하였다. 그런 다음, 실링되지 않은 나머지 면에는 가장자리를 따라 10개의 핀홀이 하나의 줄(line)을 이루도록 2줄의 핀홀 줄(pinhole line)을 형성하였다. 그 후, 고흡수성 섬유를 실링된 알루미늄(Al) 시트 내측에 삽입하고, 물을 주입하여 고흡수성 섬유에 물을 함침시켰다. 이때, 상기 물은 고흡수성 섬유(성분: 아크릴산 공중합체) 1g 당 10g씩 함침되었다. 이후 내부를 진공 상태로 만들고 핀홀이 실링부 내측(예컨대, 미실링 영역)에 위치하도록 알루미늄(Al) 시트의 개방된 면을 실링하여 알루미늄 시트로 형성된 백(bag) 내부에 물이 함침된 고흡수성 섬유가 수납된 형태의 알루미늄 백(Al bag)을 제작하였다.
이와 별도로, 알루미늄층, 상기 알루미늄층의 외측에 위치하는 폴리프로필렌(PP)층 및 상기 알루미늄층의 내측에 가교도 40±2%의 폴리에틸렌(PE)층을 포함하는 가로 9㎝ 및 세로 12㎝인 알루미늄 파우치를 준비하였다. 앞서 제작된 알루미늄 백(Al bag)을 준비된 알루미늄 파우치에 삽입하고, 파우치 내부를 진공 상태로 바꾼 후 파우치의 투입구를 실링하여 흡열팩을 제작하였다.
이때, 상기 파우치는 일측 가장자리에 벤팅 유도부가 마련되었으며, 상기 벤팅 유도부는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 구성된 2층 구조를 갖되, 제1층은 기공이 형성되어 내외부가 연통되는 개방형 구조를 갖고, 제2층은 기공이 형성되지 않은 구조를 가지며, 상기 제2층에 파우치의 내측을 향하도록 배치되는 구조를 갖도록 하였다.
또한, 파우치 내부에 알루미늄 백(Al bag)의 삽입 시 알루미늄 백의 핀홀과 파우치의 벤팅 유도부를 동일 측면에 위치시킴으로써 서로 인접하게 배치하였다.
실시예 2. 흡열팩의 제조
실시예 1에서 사용된 파우치와 동일한 파우치를 준비하였다. 이와 별도로, 열분산 기재로서 가로 8.5㎝ 및 세로 11.5㎝인 알루미늄(Al) 시트 2장을 준비하고, 이를 준비된 파우치 내측에 삽입하였다. 그런 다음, 삽입된 2장의 알루미늄(Al) 시트 사이에 고흡수성 섬유를 삽입하고, 물을 주입하여 고흡수성 섬유에 물을 함침시켰다. 이때, 상기 물은 고흡수성 섬유(성분: 아크릴산 공중합체) 1g 당 10g씩 함침되었다. 그 후, 파우치 내부를 진공 상태로 바꾼 후 파우치의 투입구를 실링하여 흡열팩을 제작하였다.
이때, 상기 알루미늄(Al) 시트는 일측 가장자리에 10개의 핀홀이 하나의 줄(line)을 이루도록 2줄의 핀홀 줄(pinhole line)이 형성되었으며, 상기 핀홀 줄은 파우치의 벤팅 유도부와 동일한 측면에 위치시킴으로써 서로 인접하게 배치되었다.
비교예 1. 흡열팩의 제조
열분산 기재인 장방형의 알루미늄(Al) 시트가 사용되지 않고 파우치 내부에 열흡수성 섬유가 직접 삽입되는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 흡열팩을 제조하였다.
비교예 2. 흡열팩의 제조
열분산 기재인 장방형의 알루미늄(Al) 시트를 이용하여 제작되는 알루미늄 백(Al bag)에 핀홀이 마련되지 않는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 흡열팩을 제조하였다.
실험예.
본 발명에 따른 흡열팩에 따른 흡열 효과를 평가하였다.
구체적으로, 실시예 및 비교예에서 제조된 각 흡열팩을 수직으로 고정시키고, 고정된 흡열팩의 양면에 온도 센서를 3개씩 부착하였다. 이때, 각 면에 부착된 3개의 온도 센서는 수직으로 고정된 흡열팩 표면에서 상부, 중앙 및 하부에 배치하였다.
그런 다음, 부탄가스를 원료로 하는 토치를 이용하여 흡열팩의 일면 중앙을 10분간 가열하였으며, 가열하는 동안 토치로 가열된 면(즉, 가열면)과 이의 후면의 온도를 각각 측정하였다.
또한, 토치를 이용한 가열이 완료되면 흡열팩을 냉각시키고, 냉각된 흡열팩을 분해하여 흡열팩 내부의 파우치에 삽입되었던 고흡수성 섬유의 손상 여부를 육안으로 평가하였다.
각 결과는 하기 표 1과 도 5 내지 도 9에 나타내었으며, 고흡수성 섬유의 손상 여부는 손상이 있는 경우는 ○, 손상이 없는 경우는 X로 표시하였다.
후면의 최종 온도 고흡수성 섬유의 손상여부
상부 중앙 하부
실시예 1 260±1℃ 240±1℃ 210±1℃ X
실시예 2 289±1℃ 275±1℃ 260±1℃ X
비교예 1 365±1℃ 346±1℃ 311±1℃ ○
비교예 2 302±1℃ 295±1℃ 285±1℃ X
상기 표 1 및 도 5 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 흡열팩은 전지 모듈 내부의 급격한 온도 상승을 안정적으로 억제하는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 표 1과 도 5 및 도 6을 살펴보면, 실시예의 흡열팩은 가열면의 경우 토치로 직접 가열되는 중앙이 가장 온도가 높고 이후 상부 및 하부 순으로 높게 나타내는 반면 후면의 경우 상부>중앙>하부의 순으로 온도가 높은 것으로 확인되었다. 이는 흡열팩 내부에 포함된 물이 기화되어 고흡수성 섬유로부터 분리되는데 필요한 에너지를 흡수함으로써 흡열팩의 후면에 전달되는 열이 감소됨을 의미한다.
또한, 실시예의 흡열팩은 가열면과 후면의 온도가 전반적으로 비교예의 흡열팩보다 낮은 것으로 확인되었다. 이는 파우치 내부에 열분산 기재를 도입하는 경우 고흡수성 섬유에 외부의 열을 보다 잘 분산시킬 수 있고, 이러한 열분산 기재에 핀홀을 도입하는 경우 기화된 수증기를 외부로 선택적으로 방출하여 물의 잠열량을 보다 증가시킴을 의미한다.
나아가, 도 7에 나타낸 바와 같이 실시예의 흡열팩은 파우치 내부에 삽입된 고흡수성 섬유가 파우치 주변의 열량을 균일하게 흡수하여 고흡수성 섬유의 내부 손상이 발생되지 않는 것으로 확인되었다. 이에 반해, 도 8 및 도 9를 참고하면, 비교예 1의 흡열팩은 파우치와 고흡수성 섬유 사이에 열분산 기재, 즉 알루미늄(Al) 시트가 배치되지 않거나 본 발명의 두께 조건을 만족하지 않아 모듈 내부의 열 에너지를 충분히 흡수하지 못할 뿐만 아니라, 열량 흡수 시 고흡수성 섬유와 파우치의 내부 손상이 모두 발생되어 흡열팩의 열 흡수가 안정적으로 수행되지 못하는 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 흡열팩은 고온 조건에서 모듈 내부의 열량을 다량 흡수하여 모듈 내부의 온도가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있으며, 상기 열량을 흡열팩 내부에 균일하게 흡수하므로 흡열 과정에서 흡열팩 손상을 방지할 수 있으므로 보다 안정적으로 모듈 내부의 온도를 제어할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
[부호의 설명]
1: 이차전지 모듈
10: 하우징 부재 11: 바닥부재
12: 측벽부재 13: 커버부재
14: 전방부재 15: 후방부재
16: 격벽부재 17: 가스 벤팅 부재
20: 전지 셀 21: 전지셀이 정렬된 열
21a: 전지 셀이 정렬된 제1열
21b: 전지 셀이 정렬된 제2열
30: 흡열팩 30a: 전지 셀의 외측면에 배치된 흡열팩
30b: 전지 셀이 정렬된 복수의 열 사이에 배치된 흡열팩
40: 히트 싱크

Claims (12)

  1. 고흡수성 매트릭스;
    상기 고흡수성 매트릭스의 적어도 1면에 배치되는 열분산 기재; 및
    상기 열분산 기재가 배치된 고흡수성 매트릭스가 삽입되는 파우치를 포함하고,
    상기 고흡수성 매트릭스는 물에 함침된 상태이며,
    상기 열분산 기재는 일측 가장자리에 복수의 핀홀을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파우치는 일측 가장자리에 벤팅 유도부를 포함하고,
    상기 열분산 기재는 핀홀이 벤팅 유도부와 동일 측면에 배치되도록 삽입되는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열분산 기재는 5㎛ 내지 100㎛의 평균 두께를 갖는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열분산 기재는 50 kcal/℃ 이상의 열 전도율을 갖는 금속을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고흡수성 매트릭스는 고흡수성 수지(SAP) 또는 고흡수성 섬유(SAF)인 이차전지 모듈용 흡열팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고흡수성 매트릭스는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리아크릴산염 그래프트 중합체, 전분, 가교된 카르복시메틸화 셀룰로오스, 아크릴산 공중합체, 가수분해된 전분-아크릴니트릴 그래프트 공중합체, 전분-아크릴산 그래프트 공중합체, 비누화 비닐 아세테이트-아크릴산 에스테르 공중합체, 가수분해된 아크릴로니트릴 공중합체, 가수분해된 아크릴아미드 공중합체, 에틸렌-말레산 무수물 공중합체, 이소부틸렌-말레산 무수물 공중합체, 폴리비닐술폰산, 폴리비닐포스폰산, 폴리비닐인산, 폴리비닐황산, 술폰화 폴리스티렌, 폴리비닐아민, 폴리디알킬아미노알킬(메타)아크릴아미드, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리알릴구아니딘, 폴리디메틸디알릴암모늄 히드록시드, 4차화 폴리스티렌 유도체, 구아니딘-변성 폴리스티렌, 4차화 폴리(메타)아크릴아미드 및 폴리비닐구아니딘 중 1종 이상을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고흡수성 매트릭스는 내부에 열 전도성 필러를 더 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고흡수성 매트릭스는 10 g/g 내지 500 g/g의 물을 포함하는 이차전지 모듈용 흡열팩.
  9. 하우징 부재;
    상기 하우징 부재 내에 삽입되는 복수의 전지 셀; 및
    상기 복수의 전지 셀에서 발생되는 열을 흡수하는 제1항에 따른 흡열팩을 포함하는 이차전지 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 전지 셀은 n열(단, n≥2)로 정렬 배치되고, 배치된 전지 셀들이 이루는 열들 사이에 흡열팩이 배치되는 이차전지 모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 전지 셀은 n열(단, n≥2)로 정렬 배치되고, 배치된 전지 셀들이 구성하는 열의 외측면과 하우징 부재 사이 공간에 흡열팩이 배치되는 이차전지 모듈.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 흡열팩은 이차전지 모듈의 바닥면을 기준으로 흡열팩의 표면이 수직이 되도록 삽입되되, 흡열팩의 벤팅 유도부가 상부에 위치하도록 배치되는 이차전지 모듈.
PCT/KR2023/018218 2022-11-17 2023-11-14 모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈 Ceased WO2024106893A1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2024557182A JP7765151B2 (ja) 2022-11-17 2023-11-14 モジュール内部の温度安定性が改善された二次電池モジュール
EP23891960.9A EP4489185A4 (en) 2022-11-17 2023-11-14 Secondary battery module with improved module interior temperature stability
US18/860,610 US20250293347A1 (en) 2022-11-17 2023-11-14 Secondary battery module with improved module interior temperature stability
CN202380034140.8A CN119054135A (zh) 2022-11-17 2023-11-14 具有改进的模块内部温度稳定性的二次电池模块

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220154484A KR20240072645A (ko) 2022-11-17 2022-11-17 모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈
KR10-2022-0154484 2022-11-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024106893A1 true WO2024106893A1 (ko) 2024-05-23

Family

ID=91084863

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2023/018218 Ceased WO2024106893A1 (ko) 2022-11-17 2023-11-14 모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20250293347A1 (ko)
EP (1) EP4489185A4 (ko)
JP (1) JP7765151B2 (ko)
KR (1) KR20240072645A (ko)
CN (1) CN119054135A (ko)
WO (1) WO2024106893A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7655637B2 (ja) * 2022-04-18 2025-04-02 エルジー エナジー ソリューション リミテッド バッテリーパック
KR20240052339A (ko) * 2022-10-14 2024-04-23 주식회사 엘지에너지솔루션 모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010153394A (ja) * 2010-03-26 2010-07-08 Casio Computer Co Ltd 電源システム
US20110274951A1 (en) * 2009-02-24 2011-11-10 Shunsuke Yasui Battery module and battery module assembly using same
KR20150000725A (ko) 2013-06-25 2015-01-05 주식회사 엘지화학 방열부가 형성되어 있는 전지셀 케이스를 포함하는 전지모듈
KR20180048293A (ko) * 2016-10-31 2018-05-10 도요타 지도샤（주） 황화물 전고체 전지
KR20190082974A (ko) * 2016-11-29 2019-07-10 베이징 키 파워 테크놀로지스 컴퍼니 리미티드 배터리 모듈의 흡열 및 단열 구조
JP2020170711A (ja) * 2014-05-21 2020-10-15 カデンツァ イノベーション，インコーポレイテッド 熱暴走の保護を備えたリチウムイオン電池
KR20220154484A (ko) 2021-05-13 2022-11-22 한국전력공사 송전선로 현수형 작업용 사다리

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100028758A1 (en) * 2008-08-04 2010-02-04 Eaves Stephen S Suppression of battery thermal runaway
JP5395765B2 (ja) 2010-08-25 2014-01-22 株式会社日立製作所 冷却材を備える電池、並びに冷却材を備える組電池
JP2013131428A (ja) 2011-12-22 2013-07-04 Panasonic Corp 冷却部付き電池
KR101305122B1 (ko) * 2012-02-08 2013-09-12 현대자동차주식회사 배터리 셀 모듈용 열 제어 파우치 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈
WO2017000293A1 (zh) * 2015-07-02 2017-01-05 微宏动力系统（湖州）有限公司 电池组
JP7027768B2 (ja) 2017-09-29 2022-03-02 株式会社Ｇｓユアサ 蓄電モジュール及び蓄電パック
EP3719922B1 (en) 2017-11-30 2026-04-08 Mitsubishi Chemical Corporation Partition member and assembled battery
JP2020064755A (ja) 2018-10-17 2020-04-23 株式会社日立製作所 電池パック
WO2021183493A1 (en) * 2020-03-12 2021-09-16 Rogers Corporation Thermal management multilayer sheet for a battery

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110274951A1 (en) * 2009-02-24 2011-11-10 Shunsuke Yasui Battery module and battery module assembly using same
JP2010153394A (ja) * 2010-03-26 2010-07-08 Casio Computer Co Ltd 電源システム
KR20150000725A (ko) 2013-06-25 2015-01-05 주식회사 엘지화학 방열부가 형성되어 있는 전지셀 케이스를 포함하는 전지모듈
JP2020170711A (ja) * 2014-05-21 2020-10-15 カデンツァ イノベーション，インコーポレイテッド 熱暴走の保護を備えたリチウムイオン電池
KR20180048293A (ko) * 2016-10-31 2018-05-10 도요타 지도샤（주） 황화물 전고체 전지
KR20190082974A (ko) * 2016-11-29 2019-07-10 베이징 키 파워 테크놀로지스 컴퍼니 리미티드 배터리 모듈의 흡열 및 단열 구조
KR20220154484A (ko) 2021-05-13 2022-11-22 한국전력공사 송전선로 현수형 작업용 사다리

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4489185A4

Also Published As

Publication number Publication date
EP4489185A1 (en) 2025-01-08
JP7765151B2 (ja) 2025-11-06
CN119054135A (zh) 2024-11-29
KR20240072645A (ko) 2024-05-24
EP4489185A4 (en) 2025-03-12
US20250293347A1 (en) 2025-09-18
JP2025511625A (ja) 2025-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2024106893A1 (ko) 모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈
WO2020091487A1 (ko) 전해액 보충용 홈이 형성된 파우치형 이차전지
EP4325635A1 (en) Battery pack with enhanced cooling performance
WO2023132504A1 (ko) 이차전지
WO2022220626A1 (ko) 이차전지
WO2024080683A1 (ko) 모듈 내부의 온도 안정성이 개선된 이차전지 모듈
WO2022220651A1 (ko) 이차전지
WO2022220653A1 (ko) 이차전지
WO2024112151A1 (ko) 파우치형 이차 전지
WO2022220627A1 (ko) 이차전지
WO2023204549A1 (ko) 전지셀 및 그 제조 방법
WO2023054993A1 (ko) 이차전지용 리드 필름 및 이를 구비하는 이차전지
WO2023204523A1 (ko) 배터리 팩
WO2022220652A1 (ko) 이차전지
WO2023171917A1 (ko) 배터리 팩 및 이를 포함하는 전력 저장 장치
WO2022220657A1 (ko) 이차전지
WO2022220629A1 (ko) 이차전지
WO2024136416A1 (ko) 파우치 필름 적층체 및 이차 전지
WO2024112147A1 (ko) 파우치형 이차 전지
WO2022220656A1 (ko) 이차전지
WO2025063500A1 (ko) 배터리 셀 및 이를 포함하는 자동차
WO2026054477A1 (ko) 이차 전지
WO2025023590A1 (ko) 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2024136212A1 (ko) 파우치 필름 적층체 및 이차 전지
WO2026019142A9 (ko) 커버-셀 어셈블리, 이를 포함하는 배터리 셀 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23891960

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2024557182

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023891960

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202417077772

Country of ref document: IN

Ref document number: 202380034140.8

Country of ref document: CN

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023891960

Country of ref document: EP

Effective date: 20241003

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18860610

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 18860610

Country of ref document: US