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KR20200060609A - 배터리 팩의 외장재 - Google Patents

배터리 팩의 외장재 Download PDF

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KR20200060609A
KR20200060609A KR1020180145004A KR20180145004A KR20200060609A KR 20200060609 A KR20200060609 A KR 20200060609A KR 1020180145004 A KR1020180145004 A KR 1020180145004A KR 20180145004 A KR20180145004 A KR 20180145004A KR 20200060609 A KR20200060609 A KR 20200060609A
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South Korea
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sheet
airgel
battery pack
polymer sheet
exterior material
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KR1020180145004A
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이명기
권판중
김현
유광호
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명의 실시예는 내부에 셀 어셈블리가 수납되는 배터리 팩 외장재를 제공한다. 본 발명의 실시예에 의한 배터리 팩 외장재는, 페이스트 및 보강재를 함유하는 폴리머시트; 상기 폴리머시트에 적층되는 에어로겔시트;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 폴리머 재질의 시트를 외장재로 사용하여 배터리 팩의 경량화를 도모할 수 있으며, 폴리머 재질 외에 에어로갤 시트를 개재함으로써 열적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.

Description

배터리 팩의 외장재{CASE OF BATTERY PACK}
본 발명은 경량화 및 화재 확산 방지에 기여할 수 있는 배터리 팩의 외장재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충전 및 방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재 즉, 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 특히, 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 세간의 이목이 집중되고 있다.
하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서 가장 중요한 부품 중 하나는 차량 모터로 구동력을 부여하는 배터리 팩이다.
하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충전 및 방전을 통해 차량의 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있는 등 여러 측면에서 장점이 많아 사용자들이 점차 늘어나고 있는 실정이다.
하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩에는 보통 다수의 이차 전지가 포함되며, 다수의 이차 전지들은 서로 직렬 또는 병렬로 연결됨으로써 용량 및 출력을 향상시킨다.
자동차용 배터리 팩을 포함한 일반적인 배터리 팩은, 다수의 이차 전지가 적층된 형태로 구비된 셀 어셈블리를 포함한 내부모듈과, 내부모듈을 내부 공간에 수납하는 팩 외장재를 포함한다.
팩 외장재는 내부모듈을 안정적으로 수용하기 위해 충분한 강도를 갖는 재질로 형성될 필요가 있다. 또한, 배터리 셀 중 어느 하나가 발화되면 인접한 배터리 셀에게 전이되면서 큰 화재를 일으킬 수 있다. 이러한 발화 상태가 배터리 팩 외부로 확산되지 않아야 한다. 이러한 강도 및 화재 확산 방지 성능 확보를 위해 팩 하우징은 대부분 금속 재질로 제작되고 있다.
이와 같이, 기존에는 기계적 물성 및 화재 확산 방지 특성(열적 안정성)을 위해 배터리 팩의 외장재로서 금속 재질을 사용하였으나, 금속 재질은 배터리 팩의 경량화를 저해할 수 있다. 즉, 금속 재질의 팩 외장재는 차량 무게를 증가시키는 요인으로 작용하게 되며, 결국 차량의 연비를 저하시킬 수 있다. 이에 따라 최근에는 배터리 팩을 경량화시키면서 열적 안정성을 확보하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
한국공개특허 10-2010-0106707
본 발명의 실시예는 배터리 팩의 경량화 및 열적 안정성을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 외장재를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 배터리 팩의 경량화 및 열적 안정성을 향상시킴과 동시에 기계적 강도를 확보할 수 있는 배터리 팩 외장재를 제공한다.
본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 배터리 팩 외장재는, 내부에 셀 어셈블리가 수납되는 배터리 팩 외장재로서, 페이스트 및 보강재를 함유하는 폴리머시트; 폴리머시트에 합착되는 에어로겔시트;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 에어로겔시트는 실리카 에어로겔, 알루미나 에어로겔, 탄소 에어로겔, 타이타니아 에어로겔 및 지르코니아 에어로겔로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 보강재는 유리섬유 또는 탄소섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 폴리머시트는 제1폴리머시트와 제2폴리머시트를 포함하고, 에어로겔시트는 제1폴리머시트와 제2폴리머시트 사이에 개재될 수 있다. 또는, 에어로겔시트는 제1에어로겔시트와 제2에어로겔시트를 포함하고, 폴리머시트는 제1에어로겔시트와 제2에어로겔시트 사이에 개재될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 배터리 팩 외장재의 제조방법은, 페이스트 및 보강재가 함유된 폴리머시트를 제조하는 단계; 실리카 전구체가 함침된 섬유시트 표면에 겔화용 촉매를 분사하고, 실리카 전구체를 겔화시켜 에어로겔시트를 제조하는 단계; 상기 폴리머시트와 상기 에어로겔시트를 적층하고, 상호 간에 열과 압력을 가하여 합착하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 폴리머시트와 에어로겔시트의 적층 시, 폴리머시트와 에어로겔시트를 니들링하여 임시 고정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 폴리머시트 및 에어로겔시트를 열압착한 합착시트를 팩 외장재로 사용함으로써, 배터리 팩의 경량화를 도모할 수 있으며, 충분한 열적 안정성을 확보할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 폴리머시트에 유리섬유 또는 탄소섬유 등의 보강재를 포함시킴으로써, 배터리 팩을 경량화시키면서도 충분한 기계적 강도를 확보할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 적용되는 배터리 셀을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 배터리 팩 외장재의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 배터리 팩 외장재의 제조 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 의한 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 본 발명의 본질과 관계없는 부분은 그에 대한 상세한 설명을 생략할 수 있으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여할 수 있다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 여기서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것으로서 본 발명을 한정하도록 의도되지 않으며, 본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되는 개념으로 해석될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 배터리 팩을 도시한 것이다.
도 1을 참고하면, 배터리 팩(10)은 팩 외장재(100) 내에 복수의 배터리 셀(200)이 수납되어 구성된다.
팩 외장재(100)는 배터리 팩(10)의 외관을 형성하며, 외부의 충격 또는 진동 등으로부터 내부에 수납된 배터리 셀(200) 등을 보호한다. 팩 외장재(100)는 하측 방향으로 개방된 상부 하우징(101)과, 상측 방향으로 개방되며 상부 하우징(101)의 하측에 대응 결합되는 하부 하우징(102)을 포함할 수 있다. 상부 하우징(101)과 하부 하우징(102)은 직육면체 형상으로 제공되며, 그 중 적어도 하나는 내부에 수납공간을 가질 수 있다.
팩 외장재(100)의 상부 하우징(101)과 하부 하우징(102)은 폴리머시트(110), 에어로겔시트(120)를 포함한다. 즉, 팩 외장재(100)는 배터리 팩(10)의 경량화를 위해 금속재 대신 폴리머 재질의 시트가 적용된다. 또한, 팩 외장재(100)는 배터리 팩(10)의 열적 안정성을 위해 에어로겔시트(120)를 포함한다. 즉, 에어로겔시트(120)는 팩 외장재(100) 내에 수납된 배터리 셀(200)이 발화되었을 때 팩 외장재(100) 외부로 화염이 확산되는 것을 차단할 수 있다.
폴리머시트(110)는 SMC(Sheet Molding Compounds) 제작 공정을 통해 제조될 수 있다. 예를 들면, 공정을 진행하고자 하는 원료들을 계량한 후 혼합물로 만든다. 혼합물 및 보강재를 캐리어 필름 상에 전송한다. 캐리어 필름 상에 또 다른 캐리어 필름을 적층하고, 이를 압출 또는 사출하여 폴리머시트를 제조할 수 있다.
에어로겔시트(120)는 높은 기공율을 갖는 고다공성 물질로서, 실리카 에어로겔, 알루미나 에어로겔, 탄소 에어로겔, 타이타니아 에어로겔 및 지르코니아 에어로겔로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리카 에어로겔은 실리카 전구체 용액을 졸-겔 중합반응시켜 겔을 만든 후, 초임계조건 혹은 상압조건 하에서 건조함에 따라 얻을 수 있다.
에어로겔(Aerogel)은 에어로졸 입자가 침강하여 서로 접촉되고 그 틈새에 기체를 함유한　다공질의 고체 나노구조를 말한다. 에어로겔은 1~15nm 크기의 입자로 이루어져 있는 다공성 구조로, 에어로겔의 밀도는 공기 밀도(0.001g/㎤)에 비해 3배인 0.003g/㎤에 불과하다. 즉, 에어로겔은 매우 가볍다. 에어로겔은 내열성이 뛰어나서 섭씨 1,100°C에서도 타지 않고 견딜 수 있다. 즉, 에어로겔은 높은 기공률로 인해 높은 방음력, 충격완화, 단열 등의 장점이 있다.
에어로겔시트(120)는 두께가 6~10mm, 열전도율이 14.0mW/mK 이상, 밀도가 0.17g/cc, 최저 사용온도가 -200℃, 최고 사용온도가 650℃인 것이 바람직하다.
에어로겔시트(120)의 두께가 6mm 미만일 경우 화염에 대한 차단 성능이 저하될 수 있고, 에어로겔시트(120)의 두께가 10mm를 초과할 경우 점유공간을 많이 차지하여 공간 활용성이 저하될 수 있다.
배터리 셀(200)은 팩 외장재(100) 내에 복수 구비된다. 복수의 배터리 셀(200)은 팩 외장재(100) 내부에 상하로 적층 배치되거나 수평으로 병렬 배치될 수 있다. 각각의 배터리 셀(200)은 인접한 배터리 셀(200)과 접촉 배치되거나 또는 소정 간격으로 상호 간에 이격 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 적용된 배터리 셀의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 배터리 셀(200)은 전극 조립체(210)와 전해액이 파우치 외장재(230)에 수납된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들면, 배터리 셀(200)은 파우치형 배터리 셀일 수 있다. 또한, 배터리 셀(200)은 충전 및 방전 동작을 수행하는 이차 전지일 수 있다.
전극 조립체(210)는 양극판, 음극판, 세퍼레이터를 포함한다. 즉, 전극 조립체(210)는 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 각 전극판에는 외부로 돌출된 형태로 전극 탭(도시 생략)이 구비될 수 있다. 전극 탭은 각 전극판에 금속판이 별도로 부착된 형태로 구성될 수 있다. 또는, 전극 탭은 각 전극판의 일부가 절취되고 남겨진 형태로 구성될 수 있다.
전극 탭의 일단에는 전극 리드(220)가 연결될 수 있다. 전극 리드(220)는 일단이 전극 탭과 연결되고 타단이 파우치 외장재(230) 외부로 노출됨으로써 배터리 셀(200)의 전극 단자로서 기능할 수 있다. 전극 리드(220)는 한 쌍으로 구비될 수 있으며, 한 쌍의 전극 리드(220)들은 각각 양극 리드 및 음극 리드로 이루어질 수 있다. 전극 리드(220)는 전극 탭에 연결됨으로써 전극 조립체(210)와 전기적으로 연결될 수 있다. 전극 리드(220)는 전극 탭과 고정될 수 있도록 전극 탭의 단부에 용접될 수 있다. 전극 조립체(210)는 복수의 양극판 및 복수의 음극판을 구비하고, 각각의 양극판 및 각각의 음극판마다 별도로 전극 탭이 구비될 수 있다. 이 경우, 하나의 전극 리드(220)에는 복수의 전극 탭이 연결될 수 있다.
파우치 외장재(230)는 전극 조립체(210)를 패키징하기 위한 것으로서, 외부 절연층, 금속층, 내부 접착층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다. 외부 절연층은 외부의 수분, 가스 등이 내부로 침투되는 것을 방지할 수 있다. 금속층은 파우치 외장재(230)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 금속층은 철, 탄소, 크롬, 망간의 합금, 철 니켈 및 니켈의 합금, 알루미늄 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나로 제공될 수 있다. 금속층이 철이 함유된 재질을 사용하는 경우, 기계적 강도가 강해질 수 있다. 금속층이 알루미늄 재질로 사용하는 경우 연성이 좋을 수 있다. 외부 절연층 및 내부 접착층은 폴리머 재질로 제공될 수 있다.
파우치 외장재(230)의 내부에는 전극 조립체(210)와 전해액이 수납되고, 테두리에는 실링부(234)가 형성될 수 있다. 파우치 외장재(230)는 제1파우치(231)와 제2파우치(232)를 포함할 수 있다. 제1파우치(231)와 제2파우치(232) 중 적어도 하나에는 수납부(233)가 형성될 수 있다. 수납부(233)에는 전극 조립체(210)와 전해액이 수납될 수 있다. 제1파우치(231)와 제2파우치(232)의 테두리에는 각각 수납부(233)를 감싸는 형태로 실링부(234)가 형성될 수 있다. 제1파우치(231)의 실링부(234)와 제2파우치(232)의 실링부(234)는 각각의 내부 접착층이 서로 마주보는 형태로 제공될 수 있다. 제1파우치(231)의 실링부(234)와 제2파우치(232)의 실링부(234)는 열융착 등의 방식으로 서로 접착됨으로써, 전극 조립체(210) 및 전해액이 수납된 상태로 수납부(233)를 밀봉할 수 있다.
팩 외장재(100)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 폴리머시트(110)를 제조하는 단계(S10), 에어로겔시트(120)를 제조하는 단계(S20), 제조 완료된 폴리머시트(110)와 에어로겔시트(120)를 열압착하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
에어로겔시트(120)로는 실리카 에어로겔시트가 적용된 것을 일 예로 설명한다. 실리카 에어로겔시트는 실리카 전구체가 함침된 섬유시트 표면에 겔화용 촉매를 분사하고, 실리카 전구체를 겔화시켜 제조될 수 있다.
폴리머시트 제조
폴리머시트(110)는 SMC(Sheet Molding Compounds) 제작 공정을 통해 제조될 수 있다.
폴리머시트(110)는 한 쌍의 캐리어 필름(Carrier film)을 이용하여 제조될 수 있다. 캐리어 필름으로는 폴리에틸렌 재질의 필름이 사용될 수 있다.
한 쌍의 캐리어 필름의 사이에는 페이스트가 제공될 수 있다. 페이스트로는 여러 가지 수지가 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리머시트(110)가 팩 외장재(100)의 내면을 이룰 경우, 전해액에 대한 내화학적 특성, 스웰링(Sweling)에 반응이 낮은 연성이 우수한 특성 및 절연 특성이 높은 수지가 사용될 수 있다. 이때, 페이스트로 사용되는 수지로는 폴리프로필렌(Polyproptlene), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 이의 등가재료가 될 수 있다. 반면, 폴리머시트가 팩 외장재의 외면을 이룰 경우, 외부 환경에 의한 손상을 방지하기 위해서 내스크래치 및 내마모성의 특성이 높은 수지가 사용될 수 있다. 이때, 페이스트로 사용되는 수지로는 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenlene sulfide), 모디파이드 페닐렌 에테르(Modified phenylene ether), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리프로필렌(Polypropylene) 및 이의 등가재료가 될 수 있다. 후술하는 보강재를 제외한 모든 재료는 페이스트를 생성하기 위해 함께 혼합될 수 있다.
한 쌍의 캐리어 필름의 사이에는 보강재가 더 제공될 수 있다. 예를 들어, 폴리머시트(110)가 수지만으로 제조된다면, 기계적 물성을 충족하지 못할 수 있다. 즉, 수지만으로 제조된 폴리머시트(110)는 매우 낮은 강도를 가질 수 있다. 따라서, 폴리머시트(110)의 강도를 높이기 위해 보강재가 필요하다. 보강재의 체적 함유률은 25~40%일 수 있다.
보강재로는 유리섬유(Glass fiber)나 탄소섬유(Carbon fiber)가 사용될 수 있다. 유리섬유는 규산염을 주성분으로 하는 유리를 용융 및 가공하여 섬유 모양으로 가공한 것이다. 유리섬유는 주로 단열재와 고강도 소재에 이용될 수 있다. 탄소섬유는 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유이다. 탄소섬유는 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하고 해충에 대한 저항성이 크다. 탄소섬유는 가열 과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로 금속(알루미늄)보다 가볍고, 반면에 금속(철)에 비해 탄성과 강도가 뛰어나다.
팩 외장재(100)의 제조 시, 폴리머시트(110)는 캐리어 필름이 제거된 상태에서 에어로겔시트(120)와 합착될 수 있다.
에어로겔시트 제조
1. 섬유시트 준비단계
전처리된 섬유시트를 준비하기 위한 것으로, 산 처리, 바인더 공급 및 바인더 건조 단계를 포함할 수 있다.
산액이 섬유시트에 공급되면, 섬유시트 표면의 식각을 유도하여 표면을 활성화시키고, 기공율을 증대시키며, 이에 실리카 전구체의 부착성능을 증대시킬 수 있다.
산 처리된 섬유시트에 바인더 용액이 공급되면, 섬유시트의 흡착력을 향상시키며, 향상된 섬유시트의 흡착력을 통해 실리카 전구체의 함침력을 더욱 높일 수 있다.
바인더 용액은 폴리비닐알콜(PVA:Poly Vinyl Alcohol) 및 폴리비닐부티랄(PVB: Poly vinyl Butyral)인 유기 함침액 또는 실리카졸인 무기 함침액을 사용할 수 있다.
바인더 용액이 함침된 섬유시트는 건조부재를 통과하면서 고온의 열에 의해 건조될 수 있다.
2. 실리카 전구체 함침단계
섬유시트의 표면에 실리카졸을 공급하여 함침시킨다. 예를 들면, 이송부재에 의해 섬유시트가 공정 진행 방향을 따라 이송되면, 실리카졸 공급노즐을 통해 실리카졸을 분사하여 섬유시트의 표면에 함침시킬 수 있다.
실리카 전구체는 TEOS(Tetraethly orthosilicate)와 에탄올을 혼합하여 제조한다. TEOS는 물과의 반응성이 뛰어난 용매로, 가수분해된 것을 사용하며, 이에 반응성을 더욱 높일 수 있다. 즉, 가수분해된 TEOS와 에탄올을 혼합함에 따라 반응성이 우수한 실리카 졸을 얻을 수 있다.
3. 실리카 전구체 겔화단계
실리카졸이 함침된 섬유시트의 표면에 겔화용 촉매를 분사하여 실리카졸을 겔화시킨다. 예를 들면, 이송부재에 의해 섬유시트가 공정 진행 방향을 따라 이송되면, 촉매 공급부재를 통해 겔화용 촉매를 분사하여 섬유시트의 표면에 분사하여 실리카졸을 겔화 시킬 수 있다.
촉매 공급부재는 섬유시트에 함침된 실리카졸의 밀도에 따라 겔화용 촉매의 분사속도를 달리하여 실리카졸의 겔화를 균일하게 조절할 수 있다. 예를 들면, 실리카졸의 밀도가 증가할수록 겔화용 촉매의 분사속도를 감소시키며, 이에 따라 실리카졸의 안정된 겔화를 유도할 수 있다.
이후, 겔화가 이루어진 섬유시트는 조직을 균일화시키는 에이징 단계, 코팅액을 분사하여 표면을 개질하는 표면개질 단계, 표면이 개질된 시트를 건조하는 건조 단계 등을 거치면서 에어로겔시트(120)로 제조될 수 있다.
복합시트 제조
폴리머시트(110)와 에어로겔시트(120)를 적층시킨다. 폴리머시트(110)와 에어로겔시트(120)의 적층이 완료되면, 열과 압력을 가하여 복합시트를 제조한다.
구체적으로, 제조 완료된 폴리머시트(110)를 제1이송유닛(115)을 통해 공정 진행 방향으로 제공한다. 에어로겔시트(120) 역시 제2이송유닛(125)을 통해 공정 진행 방향으로 제공한다. 에어로겔시트(120)는 건조유닛(300)을 통해 고온의 열로 건조시켜서 건조율을 높인 상태로 이송될 수 있다.
에어로겔시트(120)는 폴리머시트(110)의 상측에 적층되도록 배치될 수 있다. 이때, 적층된 폴리머시트(110)와 에어로겔시트(120)를 니들링하여 임시 고정할 수 있다. 즉, 적층된 폴리머시트(110)와 에어로겔시트(120)를 압착할 시 어느 하나의 시트가 유동함으로써 합착의 정확성이 감소되는 것을 방지하기 위해 니들링유닛(400)을 통해 폴리머시트(110)와 에어로겔시트(120)를 니들링하여 임시 고정할 수 있다.
공정 진행 방향에는 압착유닛(500)이 구비된다. 압착유닛(500)은 상부금형(510) 및 하부금형(520)을 포함할 수 있다. 상부금형(510)과 하부금형(520)이 충분한 간격으로 이격된 상태에서, 적층된 폴리머시트(110)와 에어로겔시트(120)는 하부금형(520) 상에 안착될 수 있다. 이후, 상부금형(510)이 하강하거나 하부금형(520)이 상승하여 그 내부에 위치한 폴리머시트(110)와 에어로겔시트(120)를 압착함으로써 복합시트를 제조한다.
복합시트는 절단유닛(600)에 의해 설정 길이로 절단될 수 있다. 절단유닛(600)은 열압착된 복합시트를 팩 외장재(100)로서 사용하기 위한 설정 길이로 절단한다. 설정 길이로 절단된 복합시트는 성형 공정으로 이송될 수 있다. 성형 공정에서는 압축, 사출, 압출 등의 공정을 통해 복합시트를 배터리 셀 등을 수용하기 위한 적합한 형태로 성형할 수 있다. 복합시트는 폴리머시트(110)와 에어로겔시트(120)로 이루어짐으로써 경량화가 가능하고, 성형 공정 시 형상 자유도를 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 의한 배터리 팩을 도시한 단면도이다.
도 5를 참고하면, 팩 외장재(100)는 에어로겔시트(120)의 양면에 폴리머시트(110)가 적층되어 구성될 수 있다.
폴리머시트(110)는 제1폴리머시트(111) 및 제2폴리머시트(112)를 포함할 수 있다. 제1폴리머시트(111)와 제2폴리머시트(112)는 동일한 재질로 형성될 수 있다. 즉, 제1폴리머시트(111)와 제2폴리머시트(112)는 각각 한 쌍의 캐리어 필름 사이에 제공되는 페이스트, 보강재를 포함할 수 있다.
제1폴리머시트(111) 및 제2폴리머시트(112)는 SMC(Sheet Molding Compounds) 제작 공정을 통해 제조될 수 있다.
제1폴리머시트(111)는 팩 외장재(100)의 내면을 이룰 수 있다. 제1폴리머시트(111)는 전해액에 대한 내화학적 특성, 스웰링(Sweling)에 반응이 낮은 연성이 우수한 특성 및 절연 특성이 높은 수지가 사용될 수 있다. 예를 들면, 제1폴리머시트(111)에 적용되는 수지로는 폴리프로필렌(Polyproptlene), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 이의 등가재료가 될 수 있다.
제2폴리머시트(112)는 팩 외장재(100)의 외면을 이룰 수 있다. 제2폴리머시트(112)는 외부 환경에 의한 손상을 방지하기 위해서 내스크래치 및 내마모성의 특성이 높은 수지가 사용될 수 있다. 예를 들면, 제2폴리머시트(112)에 적용되는 수지로는 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenlene sulfide), 모디파이드 페닐렌 에테르(Modified phenylene ether), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리프로필렌(Polypropylene) 및 이의 등가재료가 될 수 있다.
에어로겔시트(120)는 제1폴리머시트(111)와 제2폴리머시트(112) 사이에 개재될 수 있다. 즉, 제1폴리머시트(111), 에어로겔시트(120) 및 제2폴리머시트(112)가 차례로 적층될 수 있다. 적층된 제1폴리머시트(111), 에어로겔시트(120) 및 제2폴리머시트(112)는 열압착되어 팩 외장재(100)로서 하나의 복합시트로 제조될 수 있다.
에어로겔시트(120)의 양면에 제1 및 제2폴리머시트(112)가 압착될 경우, 원하는 두께를 쉽게 확보할 수 있고, 충분한 강도를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 의한 배터리 팩을 도시한 단면도이다.
도 6을 참고하면, 팩 외장재(100)는 폴리머시트(110)의 양면에 에어로겔시트(120)가 적층되어 구성될 수 있다.
에어로겔시트(120)는 제1에어로겔시트(121)와 제2에어로겔시트(122)를 포함할 수 있다. 폴리머시트(110)는 SMC(Sheet Molding Compounds) 제작 공정을 통해 제조될 수 있다. 폴리머시트(110)는 제1에어로겔시트(121)와 제2에어로겔시트(122) 사이에 개재될 수 있다. 즉, 제1에어로겔시트(121), 폴리머시트(110) 및 제2에어로겔시트(122)가 차례로 적층될 수 있다. 적층된 제1에어로겔시트(121), 폴리머시트(110) 및 제2에어로겔시트(122)는 열압착되어 팩 외장재(100)로서 하나의 복합시트로 제조될 수 있다.
폴리머시트(110)의 양면에 제1 및 제2에어로겔시트(122)가 압착될 경우, 열적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 팩 외장재(100) 내에 수납된 배터리 셀(200)에서 발화가 발생하더라도 팩 외장재(100)의 외부로 화염이 확산되는 것을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은, 배터리 팩을 전원으로 포함하는 디바이스에 적용될 수 있다.
예를 들면, 디바이스는 컴퓨터, 휴대폰, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle: EV), 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전기 이륜차, 전기 골프카트, 또는 전력저장장치일 수 있다. 전력저장장치는 전력 수급 조절을 위한 스마트 그리드 시스템이나 전기 자동차의 충전소 등 여러 분야 및 장소에 적용될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10; 배터리 팩
100; 팩 외장재
101; 상부 하우징
102; 하부 하우징
110, 111, 112; 폴리머시트
120, 121, 122; 에어로겔시트
200; 배터리 셀

Claims (10)

  1. 내부에 셀 어셈블리가 수납되는 배터리 팩 외장재로서,
    페이스트 및 보강재를 함유하는 폴리머시트;
    상기 폴리머시트에 적층되는 에어로겔시트;
    를 포함하는 배터리 팩 외장재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔시트는 실리카 에어로겔, 알루미나 에어로겔, 탄소 에어로겔, 타이타니아 에어로겔 및 지르코니아 에어로겔로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 배터리 팩 외장재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보강재는 유리섬유 또는 탄소섬유를 포함하는 배터리 팩 외장재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머시트는 제1폴리머시트와 제2폴리머시트를 포함하고, 상기 에어로겔시트는 상기 제1폴리머시트와 상기 제2폴리머시트 사이에 개재되는 배터리 팩 외장재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에어로겔시트는 제1에어로겔시트와 제2에어로겔시트를 포함하고, 상기 폴리머시트는 상기 제1에어로겔시트와 상기 제2에어로겔시트 사이에 개재되는 배터리 팩 외장재.
  6. 페이스트 및 보강재가 함유된 폴리머시트를 제조하는 단계;
    실리카 전구체가 함침된 섬유시트 표면에 겔화용 촉매를 분사하고, 실리카 전구체를 겔화시켜 에어로겔시트를 제조하는 단계;
    상기 폴리머시트와 상기 에어로겔시트를 적층하고, 상호 간에 열과 압력을 가하여 합착하는 단계;
    를 포함하는 배터리 팩 외장재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 폴리머시트와 상기 에어로겔시트의 적층 시, 상기 폴리머시트와 상기 에어로겔시트를 니들링하여 임시 고정하는 단계를 포함하는 배터리 팩 외장재의 제조방법.
  8. 셀 어셈블리;
    상기 셀 어셈블리를 수용하는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 팩 외장재;
    를 포함하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 따른 배터리 팩을 전원으로서 포함하는 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 디바이스는 컴퓨터, 휴대폰, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle: EV), 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전기 이륜차, 전기 골프카트, 또는 전력저장장치인 디바이스.
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Patent event date: 20181122

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