KR20220022900A

KR20220022900A - 배터리 모듈

Info

Publication number: KR20220022900A
Application number: KR1020217039297A
Authority: KR
Inventors: 모토키 오자와; 가쿠 기타다
Original assignee: 세키수이 폴리머텍 가부시키가이샤
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2022-02-28
Also published as: WO2020261940A1; EP3993083A4; CN113906611A; JP7001297B2; JPWO2020261940A1; US20220238939A1; JP7513236B2; CN113906611B; EP3993083A1; JP2022027981A

Abstract

본 발명은, 케이스와, 상기 케이스 내에 배치된 에너지 밀도가 200Wh/L 이상인 복수의 셀과, 상기 케이스와 셀의 사이, 및 복수의 셀의 사이 중 적어도 일방에 흡열 부재가 마련된 배터리 모듈로서, 상기 흡열 부재의 150℃에서부터 350℃까지의 흡열량 Q가 500J/cm³ 이상이고, 또한 상기 흡열 부재의 열전도율 λ가 0.8W/mK 이상인, 배터리 모듈이다. 본 발명에 의하면, 셀의 이상 초기 및 이상 발생으로부터 일정 기간의 동안에 있어서, 온도 상승하기 어려운 배터리 모듈을 제공할 수 있다.

Description

배터리 모듈

본 발명은, 특정한 흡열 부재를 구비하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

최근, 환경 문제 등의 관점에서 전기 자동차가 보급되고 있다. 전기 자동차에는, 리튬 이온 이차 전지 등의 배터리가 탑재되어 있다. 전기 자동차에 사용되는 배터리는, 고출력, 대용량이 필요하며, 배터리 셀 단독으로는 충분하지 않아, 복수의 배터리 셀을 조합한 배터리 모듈, 그리고, 당해 배터리 모듈을 복수 조합한 배터리 팩이 이용되고 있다.

배터리 셀은, 내부 단락이나 외부로부터 손상을 받는 등의 이상이 발생한 경우에 발열하고, 이것이 인접하는 배터리 셀에 전해지는 등 하여, 온도 상승하여, 배터리 전체의 열폭주가 발생해버리는 문제가 있다.

이것을 개선하는 관점에서, 특허 문헌 1에서는, 광물계 분체 및 난연제 중 적어도 일방을 함유하고, 100~1000℃에서 흡열 반응을 개시하고, 당해 흡열 반응에 의해 특정한 구조 변화가 일어나는, 열폭주 방지 시트가 기재되어 있으며, 당해 열폭주 방지 시트에 의해, 단열 성능이 발현되어, 인접하는 셀의 연속적인 열폭주를 방지할 수 있는 것이 기재되어 있다.

일본공개특허 특개2018-206605호 공보

그러나, 상기한 열폭주 방지 시트에서는, 단열 성능에 의해, 인접하는 셀로의 열의 전달을 일정 정도 억제할 수 있지만, 이상 초기의 급격한 발열을 충분히 냉각하는 관점에서 개선의 여지가 있다. 또한, 시트가 단열 성능을 가지는 경우에는, 흡열제 등을 소비한 후에, 큰 온도 상승을 초래하는 경우가 있다.

따라서, 본 발명의 과제는, 배터리 셀에 이상이 발생한 경우에 있어서도, 이상 초기 및 이상 발생으로부터 일정 기간의 동안에 있어서, 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명자는, 예의 검토한 결과, 흡열량 및 열전도율이 특정한 범위에 있는 흡열 부재를 구비한 배터리 모듈에 의해 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 찾아내어, 본 발명을 완성시켰다.

본 발명은, 이하의 [1]~[8]을 제공한다.

[1] 케이스와, 상기 케이스 내에 배치된 에너지 밀도가 200Wh/L 이상인 복수의 셀과, 상기 케이스와 셀의 사이, 및 복수의 셀의 사이 중 적어도 일방에 흡열 부재가 마련된 배터리 모듈로서, 상기 흡열 부재의 150℃에서부터 350℃까지의 흡열량 Q가 500J/cm³이상이고, 또한 상기 흡열 부재의 열전도율 λ가 0.8W/mK 이상인, 배터리 모듈.

[2] 상기 흡열 부재가, 셀 표면에 대하여 단위 면적당의 흡열량 Qs가 50J/cm² 이상이 되도록 마련하고 있는, 상기 [1]에 기재된 배터리 모듈.

[3] 상기 열전도율 λ와 흡열량 Q와의 곱(λ×Q)이, 1000W·J/mK·cm³ 이상인 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 배터리 모듈.

[4] 상기 흡열 부재가, 수지와 충전제를 함유하는 상기 [1]~[3] 중 어느 것에 기재된 배터리 모듈.

[5] 상기 수지가 실리콘 고무인, 상기 [4]에 기재된 배터리 모듈.

[6] 상기 충전제가, 적어도 수산화 알루미늄을 함유하는, 상기 [4] 또는 [5]에 기재된 배터리 모듈.

[7] 상기 수산화 알루미늄은, 평균 입자경이 2㎛ 이하의 소입경 수산화 알루미늄과, 평균 입자경이 2㎛ 초과의 대입경 수산화 알루미늄을 함유하는, 상기 [6]에 기재된 배터리 모듈.

[8] 상기 흡열 부재가, 수지 100질량부에 대하여, 수산화 알루미늄을 100질량부 이상 포함하는, 상기 [6] 또는 [7]에 기재된 배터리 모듈.

본 발명에 의하면, 이상 초기 및 이상 발생으로부터 일정 기간의 동안에 있어서, 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있는 배터리 모듈을 제공할 수 있다.

도 1은 배터리 모듈의 흡열 부재의 배치의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 셀의 일 실시 형태의 사시도이다.
도 3은 배터리 모듈의 흡열 부재의 배치의 다른 예를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 배터리 모듈의 흡열 부재의 배치의 다른 예를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 배터리 모듈의 흡열 부재의 배치의 다른 예를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 배터리 모듈을 조립하는 상태의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 7은 배터리 모듈을 조립하는 상태의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 8은 배터리 팩을 조립하는 상태의 일례를 나타내는 설명도이다.

본 발명은, 케이스와, 상기 케이스 내에 배치된 에너지 밀도가 200Wh/L 이상인 복수의 셀과, 상기 케이스와 셀의 사이, 및 복수의 셀의 사이 중 적어도 일방에 특정한 흡열 부재가 마련된 배터리 모듈이다. 상기 흡열 부재의 150℃에서부터 350℃까지의 흡열량 Q가 500J/cm³ 이상이고, 또한 상기 흡열 부재의 열전도율 λ가 0.8W/mK 이상이다.

본 발명의 실시 형태를 도면에 있어서 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 각 도면의 내용에 한정되는 것은 아니다.

도 1은, 본 발명의 배터리 모듈의 흡열 부재의 배치의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 배터리 모듈(10)은, 케이스(11)와, 케이스(11) 내에 배치된 복수의 셀(12)과, 케이스(11)와 셀(12)의 사이에 마련된 흡열 부재(13)를 구비한다.

셀(12)은, 리튬 이온 이차 전지 등의 구성 단위이며, 일반적으로, 외장 필름과, 외장 필름 내에 봉입된 도면에 나타내지 않은 전지 요소로 구성되어 있다. 전지 요소로서는, 정극, 부극, 세퍼레이터, 전해액 등을 들 수 있다. 셀(12)은 도 2에 나타내는 바와 같이, 폭의 크기에 비해 두께가 얇은 편평체이며, 정극(12a), 부극(12b)이 외부에 나타나고, 편평면(12c)은, 압착된 단부(12d)보다 두껍게 형성되어 있다.

셀(12)의 에너지 밀도는 200Wh/L 이상이다. 이와 같이, 에너지 밀도가 높은 것에 의해, 셀(12)은 소형화시키는 것이 가능해진다. 한편, 에너지 밀도가 높은 것에 의해 단락 등의 이상이 발생한 경우에, 고온이 되기 쉬운 점이 우려되지만, 후술하는 바와 같이, 흡열 부재(13)는, 흡열량 Q 및 열전도율 λ가 일정 이상이기 때문에, 셀(12)의 온도 상승을 억제하기 쉽다. 셀(12)의 에너지 밀도는 높으면 높을수록 좋지만, 통상은 700WL/L 이하이다.

케이스(11) 내에서, 복수의 셀(12)은, 서로의 편평면이 접촉하도록 적층되어 있으며, 각각의 셀(12)은, 그 길이 방향이 케이스(11)의 상하 방향이 되도록 배치되어 있다. 케이스(11)는, 셀(12)을 한꺼번에 덮는 부재이다. 케이스(11)는, 복수의 셀(12)을 지지할 수 있는 강도가 있고, 셀(12)로부터 발생하는 열에 의해 변형되지 않는 재질이 이용되고, 강도나 중량, 내열성 등의 밸런스를 고려하여, 알루미늄을 이용하는 것이 바람직하다.

흡열 부재(13)는, 케이스의 하면(11a)과, 셀(12)의 하부 단면(12a)과의 사이에 마련되어 있다. 흡열 부재(13)에 의해, 셀(12)에 내부 단락이나 외부로부터의 손상 등에 의한 이상이 발생한 경우에 있어서, 이상 초기 및 이상 발생으로부터 일정 기간의 동안에 있어서, 배터리 모듈의 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있다. 이것은, 흡열 부재(13)는, 150~350℃로 가열하였을 때의 흡열량 Q가 일정 이상이기 때문에, 셀(12)의 온도 상승을 억제하고, 또한 열전도율 λ가 일정 이상이기 때문에, 셀(12)로부터 발생한 열을, 케이스(11)에 효과적으로 전달하기 쉽기 때문이라고 추측된다. 또한, 열전도율 λ가 일정 이상인 것이, 특히, 이상 초기의 온도 상승을 억제하고, 흡열량 Q가 일정 이상인 것이, 이상 초기 및 이상 발생으로부터 일정 기간의 동안의 계속적인 온도 상승을 억제하고 있는 것이라고 추측하고 있다.

도 1에 있어서는, 흡열 부재(13)가 케이스(11)의 하면(11a)과, 셀(12)의 하부 단면(12a)과의 사이에 마련되어 있는 양태에 대하여 나타냈지만, 흡열 부재(13)의 배치는 이 양태에만 한정되지 않고, 케이스(11)의 임의의 면과, 이 면에 근접하는 셀(12)의 면과의 사이 중 적어도 어느 공간에 마련하면 된다. 구체적으로는, 흡열 부재(13)는, 케이스의 측면(11c)과, 셀(12)의 편평면(12c)과의 사이, 케이스의 상면(11b)과 셀(12)의 상부 단면(12b)과의 사이 등에 마련해도 된다.

또한, 케이스(11)의 모든 면과, 이 면에 근접하는 셀(12)의 면과의 사이의 모든 공간(즉, 케이스(11) 내부의 전체 공간)에 흡열 부재(13)를 마련해도 되고, 도 3에 나타내는 바와 같이, 복수의 셀(12) 전체를 감싸도록, 흡열 부재(13)를 배치해도 된다. 이 경우에는, 셀(12)로부터 발생하는 열을 보다 효과적으로 저감하는 것이 가능해진다.

상기 도 1 및 3에서는, 흡열 부재(13)가 케이스(11)와 셀(12)의 사이에 마련되는 양태를 나타냈지만, 도 4에 나타내는 바와 같이, 흡열 부재(13)는, 복수의 셀(12)의 사이(셀 사이(14))에 마련되어도 된다. 이 경우, 흡열 부재(13)에 의해, 이상이 발생한 셀(12)의 온도 상승을 억제할 수 있고, 또한 인접하는 셀(12)로의 고온에서의 열 전달이 발생하기 어려워져, 이상의 확산을 억제할 수 있다. 이에 따라, 이상 초기 및 이상 발생으로부터 일정 기간의 동안에 있어서, 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 흡열 부재(13)를 케이스(11)와 셀(12)의 사이에 마련함과 함께, 복수의 셀(12)의 사이에 마련해도 된다. 도 5에서는, 복수의 셀(12)의 사이와, 케이스(11)의 모든 면과, 이 면에 근접하는 셀(12)의 면과의 사이의 모든 공간에 흡열 부재(13)가 마련되어 있으며(바꿔 말하면, 케이스(11) 내부의 모든 공간에 흡열 부재(13)가 마련되어 있으며), 셀(12)의 온도 상승을 특히 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다.

도 1 등에 있어서는, 셀(12)은 외장 필름을 이용한 라미네이트형의 셀을 기재하고 있지만, 라미네이트형의 셀 이외에도, 각형(角型)의 셀이나 원통형의 셀을 이용해도 된다.

또한, 도 1 등에 있어서는, 복수의 셀(12)이 접촉하여 적층되는 양태를 나타냈지만, 셀(12)과 셀(12)의 사이에, 흡수재, 냉각 핀 등의 기능성 부재를 마련해도 된다.

예를 들면, 도 6에 나타내는 바와 같이, 셀(12)과 셀(12)과의 사이에 시트상의 흡수재(15)을 마련해도 된다. 흡수재(15)를 마련함으로써, 충격 흡수성이 향상되어, 외부 충격 등에 의한 셀(12)의 이상 발생을 저감할 수 있다. 또한, 도시하지 않지만, 복수의 셀(12)을 적층한 서브 모듈, 바람직하게는 2개의 셀(12)을 적층한 서브 모듈을 제작하고, 서브 모듈과 서브 모듈의 사이에 흡열재(15)를 마련해도 된다.

흡수재(15)로서는, 구체적으로는, 발포체, 저경도 고무 등을 들 수 있다. 흡수재(15)는, 1개만 마련해도 되고, 2 이상 마련해도 된다.

또한, 셀(12)과 셀(12)과의 사이에는 흡수재(15)와 흡열 부재(13)를 나열하여 배치하는 형태, 또는 흡수재(15)와 셀(12)과의 사이에 흡열 부재(13)를 배치하는 형태가 바람직하다. 이에 따라, 셀(12)의 이상 발생을 저감시킬 수 있음과 함께, 이상이 발생한 경우에도 셀(12)의 온도 상승을 억제할 수 있어, 배터리 모듈의 안전성이 높아진다.

셀(12)과 셀(12)과의 사이에는 흡수재(15)와 흡열 부재(13)를 나열하여 배치하는 경우에는, 파손의 우려가 큰 개소에 흡열 부재(13)를 배치하고, 다른 부분에 흡수제(15)를 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 셀(12)의 중앙 부근에는 흡수제(15)를 배치하고, 셀(12)의 외연이나 모서리 부근에 흡열 부재(13)를 배치하는 형태가 일례이다.

또한, 도 7에 나타내는 바와 같이, 셀(12)과 셀(12)과의 사이에 냉각 핀(16)을 마련해도 된다. 냉각 핀(16)은, 시트와, 당해 시트의 양단부에 길이 방향을 따른 계지부(係止部)가 마련된 부재이며, 단면이 H 형상의 부재이다. 또한, 도시하지 않지만, 복수의 셀(12)을 적층한 서브 모듈, 바람직하게는 2개의 셀(12)을 적층한 서브 모듈을 제작하여, 서브 모듈과 서브 모듈의 사이에 냉각 핀(16)을 마련해도 된다.

또한, 냉각 핀(16)은, 금속제인 것이 바람직하고, 알루미늄제인 것이 보다 바람직하다. 당해 냉각 핀(16)에 의해, 셀(12)의 온도 상승을 억제하기 쉬워진다.

냉각 핀(16)은, 1개만 마련해도 되고, 2 이상 마련해도 된다.

냉각 핀(16)과 셀(12)의 사이에, 방열성의 접착제나, 방열성 시트를 마련해도 된다. 그 중에서도, 냉각 핀(16)과 셀(12)과의 사이에, 흡열 부재(13)를 배치하는 것이 바람직하다. 이에 따라 셀(12)에서 발생한 열이, 흡열 부재(13) 및 냉각 핀(16)에 의해 효과적으로 냉각된다. 또한, 셀(12)에서 발생한 열이, 흡열 부재(13) 및 냉각 핀(16)의 계지부를 지나, 케이스면에 전해져, 보다 효과적으로 방열되고, 냉각된다. 또한, 냉각 핀(16)의 구조는, 상기 양태에 한정되지 않는다.

(흡열 부재)

본 발명에 있어서의 흡열 부재는, 150℃에서부터 350℃까지의 흡열량 Q가 500J/cm³이상이다. 흡열량 Q는, 흡열 부재를 일정한 승온 속도로 가열하였을 때의, 150℃에서부터 350℃까지의 흡열량이다. 흡열량 Q가 500J/cm³ 미만이면, 배터리 모듈의 온도 상승을 억제하는 것이 어려워진다. 흡열량 Q는, 바람직하게는 1000J/cm³ 이상이며, 보다 바람직하게는 1500J/cm³ 이상이고, 더 바람직하게는 2000J/cm³ 이상이다. 흡열량 Q는 높으면 높은 쪽이 좋지만, 통상은 4000J/cm³ 이하이다.

또한, 흡열 부재의 흡열량 Q는, 흡열 부재에 포함되는 후술하는 충전제의 흡열량 Qf(J/cm³)와, 흡열 부재에 있어서의 충전제의 체적 비율로부터 산출할 수 있다. 당해 충전제의 흡열량 Qf는, 150℃에서부터 350℃까지의 충전제의 흡열량이다. 흡열 부재 전체에 대한 충전제의 체적의 비율을 X 체적%로 한 경우, 흡열 부재의 흡열량 Q=충전제의 흡열량 Qf×X/100이 되는 식에 의해 구할 수 있다. 충전제의 흡열량 Qf는 TG-DTA 측정에 의해 구해진다.

흡열량 Qf는, TG-DTA 장치에 의해 측정할 수 있고, 그 측정 조건은, φ5㎜의 알루미늄 팬을 이용하여, 질소 분위기하(유량 50ml/min)에서, 25℃에서부터 승온 속도 5℃/분으로 측정하는 것으로 한다.

또한, 충전제의 흡열량 Qf의 측정이 곤란한 경우에는, 흡열 부재의 흡열량 Q를 TG-DTA로 직접 측정할 수도 있다. 이 경우에는, φ5㎜로 두께가 2㎜의 원판 형상의 흡열 부재의 시험편을 만들고, 이 시험편을 φ5㎜의 알루미늄 팬 내의 바닥면에 밀착하도록 배치하여, 질소 분위기하(유량 50ml/min)에서, 25℃에서부터 승온 속도 5℃/분으로 측정하는 것으로 한다.

흡열 부재의 열전도율 λ는, 0.8W/mK 이상이다. 열전도율이 0.8W/mK 미만이면, 흡열 부재로부터 케이스 등으로의 열전달이 일어나기 어렵고, 이 때문에, 이상이 발생한 배터리 모듈의 온도 상승이 커지기 쉽다. 흡열 부재의 열전도율 λ는, 바람직하게는 1.0W/mK 이상이며, 보다 바람직하게는 1.5W/mK 이상이다. 또한, 열전도율의 상한에 대해서는, 바람직하게는 4.0W/mK 이하이며, 보다 바람직하게는 3.4W/mK 이하이고, 더 바람직하게는 2.8W/mK 이하이다.

열전도율 λ는, ASTM D5470-06에 준거한 방법으로 측정할 수 있다.

구체적으로는, 흡열 부재에 대하여 두께가 0.5㎜~5.0㎜의 범위 내(바람직하게는 1.0㎜~3.0㎜)의 시료를 준비하여, 상이한 3개의 두께로 열저항을 측정하여, 열전도율을 산출한다. 상이한 두께의 시료는, 두께가 상이한 시료를 각각 준비해도 되고, 단일의 시료에 대하여 압축율을 변화시킨 측정이어도 된다.

열전도율 λ와 흡열량 Q와의 곱(λ×Q)은, 1000W·J/mK·cm³ 이상인 것이 바람직하고, 2000W·J/mK·cm³ 이상인 것이 보다 바람직하며, 3000W·J/mK·cm³ 이상인 것이 더 바람직하고, 그리고 16000W·J/mK·cm³ 이하인 것이 바람직하다.

흡열 부재의 흡열량 Q 및 열전도율 λ가 모두 큰 값인 경우에는, 배터리 모듈의 온도 상승을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 흡열량 Q가 큰 것에 의해, 셀의 온도가 저감되고, 또한 열전도율 λ가 큰 것에 의해, 셀로부터 발생한 열을, 케이스 등으로 전달하기 쉬워지기 때문에, 이들 각 작용의 상승 효과에 의해, 배터리 모듈의 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있다고 생각된다.

흡열 부재는, 셀 표면에 대하여 단위 면적당의 흡열량 Qs가 바람직하게는 50J/cm² 이상, 보다 바람직하게는 100J/cm² 이상, 더 바람직하게는 200J/cm² 이상이 되도록 마련되면 된다. 이와 같이 흡열량 Qs가 일정 이상이면, 셀의 온도 상승이 억제되기 쉬워진다. 흡열량 Qs의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 1000J/cm²이다. 상기 단위 면적당의 흡열량 Qs는, 셀 표면에 배치되어 있는 흡열 부재의 최대의 두께를 Y(cm)로 한 경우에, Qs=Q×Y에 의해 산출된다. 또한, 흡열 부재가 셀 표면에 대하여, 균일한 두께로 마련되어 있는 경우에는, 흡열 부재의 평균 두께 및 임의의 두께가 최대 두께 Y와 같아진다.

(흡열 부재)

본 발명의 흡열 부재는, 수지 및 충전제를 함유한다. 이들, 흡열 부재의 각 성분에 대하여 이하 설명한다.

<수지>

흡열 부재에 함유되는 수지는, 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 고무, 엘라스토머 등을 들 수 있다.

고무로서는, 예를 들면, 실리콘 고무, 아크릴 고무, 니트릴 고무, 이소프렌 고무, 우레탄 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 스티렌·부타디엔 고무, 부타디엔 고무, 불소 고무, 부틸 고무 등을 들 수 있다. 이들 고무를 사용하는 경우, 가교되어도 되고, 미가교(즉, 미경화)인 채여도 된다.

또한, 엘라스토머로서는, 폴리에스테르계 열가소성 엘라스토머, 폴리우레탄계 열가소성 엘라스토머 등 열가소성 엘라스토머나, 주제와 경화제로 이루어지는 혼합계의 액상의 고분자 조성물을 경화하여 형성하는 열경화형 엘라스토머도 사용 가능하다. 예를 들면, 수산기를 가지는 고분자와 이소시아네이트를 포함하는 고분자 조성물을 경화하여 형성하는 폴리우레탄계 엘라스토머를 예시할 수 있다.

흡열 부재에 함유되는 수지는, 상기한 중에서도, 실리콘 고무인 것이 바람직하다. 실리콘 고무를 이용함으로써, 충전제를 고충전하기 쉬워져, 열전도율 및 흡열량을 원하는 값으로 조정하기 쉬워진다. 실리콘 고무는 액상 실리콘으로부터 형성되는 것이 바람직하고, 구체적으로는, 흡열 부재는, 액상 실리콘 및 충전제를 함유하는 흡열 조성물에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

액상 실리콘은, 경화성을 가지지 않는 실리콘이어도 되고, 반응 경화형 실리콘이어도 되지만, 반응 경화형 실리콘을 이용하는 것이 바람직하다. 여기서, 액상이란, 실온(25℃)에 있어서 액체상인 것을 의미한다.

반응 경화형 실리콘으로서는, 예를 들면, 부가 반응 경화형 실리콘, 라디칼 반응 경화형 실리콘, 축합 반응 경화형 실리콘, 자외선 또는 전자선 경화형 실리콘, 및 습기 경화형 실리콘을 들 수 있다. 상기의 중에서도, 반응 경화형 실리콘이 부가 반응 경화형 실리콘인 것이 바람직하다. 부가 반응 경화형 실리콘으로서는, 알케닐기 함유 오르가노폴리실록산(주제)과 하이드로젠오르가노폴리실록산(경화제)을 포함하는 것이 보다 바람직하다.

흡열 부재에 포함되는 수지 전량 기준에 있어서의, 상기 실리콘 고무의 함유량은, 바람직하게는 80질량% 이상이며, 보다 바람직하게는 95질량% 이상이고, 더 바람직하게는 100질량%이다.

<충전제>

본 발명에 있어서의 흡열 부재는, 충전제를 함유한다. 충전제는, 흡열 부재의 흡열량 Q, 열전도율 λ를 상기한 소정의 범위로 하는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다.

후술하는 충전제의 종류에 따라서도 다르지만, 수지 100질량부에 대하여, 충전제의 함유량은 바람직하게는 50~1500질량부, 보다 바람직하게는 100~1000질량부이다.

상기 충전제로서는, 예를 들면, 산화 알루미늄, 질화 붕소, 질화 알루미늄, 탄화 규소, 수산화 알루미늄, 및 수산화 마그네슘 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 흡열 부재의 흡열량 Q 및 열전도율 λ를 원하는 범위로 조정하기 쉬운 관점에서, 충전제는, 수산화 알루미늄을 적어도 함유하는 것이 바람직하다.

수산화 알루미늄은, 1종류를 단독으로 이용해도 되지만, 흡열 부재 중의 충전량을 높이는 것에 의해, 흡열량 Q 및 열전도율 λ를 크게 하기 때문에, 평균 입자경이 상이한 2종 이상의 수산화 알루미늄을 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 관점에서, 수산화 알루미늄으로서는, 평균 입자경이 2㎛ 이하의 소입경 수산화 알루미늄과, 평균 입자경이 2㎛ 초과의 대입경 수산화 알루미늄을 함유하는 것이 바람직하다. 상기 소입경 수산화 알루미늄으로서는, 평균 입자경이 1㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 평균 입자경은 전자 현미경 등에 의해 측정할 수 있다.

대입경 수산화 알루미늄에 대한 소입경 수산화 알루미늄의 양(소입경 수산화 알루미늄/대입경 수산화 알루미늄)은, 흡열 부재로의 충전량을 높이는 관점에서, 0.1~2인 것이 바람직하고, 0.1~0.8인 것이 보다 바람직하며, 0.2~0.5인 것이 더 바람직하다.

또한, 상기 대입경 수산화 알루미늄은, 흡열 부재로의 충전량을 높이는 관점에서, 평균 입자경이 2㎛ 초과 20㎛ 이하의 제 1 대입경 수산화 알루미늄과, 평균 입자경이 20㎛ 초과 100㎛ 이하의 제 2 대입경 수산화 알루미늄을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 제 2 대입경 수산화 알루미늄에 대한 제 1 대입경 수산화 알루미늄의 양(제 1 대입경 수산화 알루미늄/제 2 대입경 수산화 알루미늄)은, 0.1~2인 것이 바람직하고, 0.2~1.5인 것이 보다 바람직하며, 0.3~1인 것이 더 바람직하다.

흡열 부재의 흡열량 Q, 및 열전도율 λ를 향상시키는 관점에서, 수지 100질량부에 대한 수산화 알루미늄의 양은, 바람직하게는 50질량부 이상, 보다 바람직하게는 100질량부 이상, 더 바람직하게는 300질량부 이상, 보다 더 바람직하게는 500질량부 이상이며, 그리고 바람직하게는 1500질량부 이하이다.

충전제 전량 기준에 있어서의 수산화 알루미늄의 함유량은, 흡열량 Q와 열전도율 λ를 높이는 관점에서, 바람직하게는 10질량% 이상, 보다 바람직하게는 70질량% 이상, 더 바람직하게는 100질량%이다. 또한, 충전제로서, 수산화 알루미늄과 수산화 알루미늄 이외의 충전제를 병용하는 경우에는, 열전도율 λ를 높게 조정하는 관점에서, 충전제는 수산화 알루미늄 및 산화알루미늄을 포함하는 것이 바람직하고, 수산화 알루미늄 및 산화알루미늄만으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우, 산화알루미늄에 대한 수산화 알루미늄의 양(수산화 알루미늄/산화 알루미늄)은, 바람직하게는 0.05~7, 보다 바람직하게는 0.1~5의 범위로 하면 된다.

산화 알루미늄의 평균 입자경은, 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 0.5~150㎛, 보다 바람직하게는 1~100㎛이다.

상기한 충전제는, 실란커플링제 등에 의해 표면 처리가 되어 있어도 된다. 표면 처리된 충전제를 이용함으로써, 흡열 부재에 대한 충전율을 높일 수 있다. 실란커플링제로서는, 공지의 것이 특별히 제한 없이 사용되고, 예를 들면, 디메틸디메톡시실란, 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, n-데실트리메톡시실란, 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란, 3-(2-아미노에틸)아미노프로필트리메톡시실란, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란, 글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-페닐아미노프로필트리메톡시실란 등을 들 수 있다.

흡열 부재는, 수지 및 충전제를 함유하는 흡열 조성물에 의해 형성되고, 상기한 바와 같이, 액상 실리콘 및 충전제를 함유하는 흡열 조성물에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 액상 실리콘에 대한 충전제의 양은, 상기한 수지에 대한 충전제의 양과 마찬가지이다.

또한, 흡열 조성물에는, 상기한 실란커플링제를 포함해도 되고, 분산제, 난연제, 가소제, 경화 지연제, 산화 방지제, 착색제, 촉매 등의 첨가제를 포함해도 된다.

(배터리 팩)

상기한 흡열 부재가 마련된 배터리 모듈을 복수 이용하여 배터리 팩으로 할 수 있다.

도 8은, 배터리 팩을 조립하는 상태의 일례를 나타내는 설명도이다. 배터리 팩(20)은, 복수의 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)을 저장하는 배터리 팩 하우징(19)과, 배터리 모듈(10)과 배터리 팩 하우징(19)과의 사이에 마련되는 방열성 재료(18)를 구비하고 있다. 배터리 모듈(10)은, 방열성 재료(18)를 통하여, 배터리 팩 하우징(19)에 고정되어 있다.

배터리 팩 하우징(19)은, 상기한 케이스(11)와 마찬가지의 재료에 의해 형성할 수 있다. 배터리 팩(20)에서는, 배터리 모듈(10)로부터 발생하는 열을, 방열성 재료(18)를 통하여, 배터리 팩 하우징(19)으로 빠져나가게 할 수 있다. 이와 같이 하여, 셀(12)에서 발생하는 열은, 흡열 부재(13), 케이스(11), 방열성 재료(18), 배터리 팩 하우징(19)으로 전해져, 외부로의 방열을 효율적으로 행할 수 있다. 상기 방열성 재료(18)로서는, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 질화 붕소 등의 열전도성 충전제를 포함하는 실리콘 고무 등의 공지의 재료를 이용할 수 있지만, 본 발명에 있어서의 흡열 부재를 이용해도 된다. 흡열 부재를 이용하면, 흡열량 Q와 열전도율 λ가 일정 이상인 것에 의해, 효과적으로 온도를 저감시키는 것이 가능해진다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 보다 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들의 예에 의해 전혀 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에서는, 이하의 방법에 의해 평가했다.

[열전도율]

흡열 부재의 열전도율은 ASTM D5470-06에 준거한 측정 장치를 이용하여 열저항을 측정하는 방법으로 구했다.

두께 1.0㎜의 흡열 부재를 이용하여, 압축율이 10%(두께 0.9㎜), 20%(두께 0.8㎜), 30%(두께 0.7㎜)가 되도록 압축하여, 각 압축율(10~30%)에 있어서의 열저항을 측정했다. 이들 3개의 열저항의 값에 대하여, 횡축이 두께, 종축이 열저항값인 그래프를 작성하고, 최소 제곱법에 의해 3점의 근사 직선을 구했다. 그리고, 그 근사 직선의 기울기가 열전도율이 된다.

열저항의 측정은, 80℃에서 행하고, Long Win Science and Technology Corporation제의 LW-9389에 의해 행했다.

[흡열량 Q]

흡열 부재의 흡열량 Q는, 명세서 중에 기재된 바와 같이, 흡열 부재에 함유되는 충전제의 150℃에서부터 350℃까지의 흡열량 Qf를 구한 후, Qf의 값으로부터 계산으로 구했다.

흡열량 Qf는, TG-DTA 장치(시마즈제작소제, 시차열·열중량 동시 측정 장치「DTG-60」)에 의해 측정했다. 질소 분위기하에서, 25℃에서부터, 승온 속도 5℃/분으로, 600℃까지 가열하여, 150~350℃까지의 흡열량을 구했다.

[실시예 1]

(1) 흡열 조성물의 조제

주제 및 경화제로 이루어지는 부가 반응 경화형 실리콘 100질량부, 평균 입경이 1㎛의 수산화 알루미늄 150질량부, 평균 입경이 10㎛의 수산화 알루미늄 150질량부, 평균 입경이 54㎛의 수산화 알루미늄 300질량부, 실란커플링제 1질량부로 이루어지는 흡열 조성물을 조제했다.

(2) 못 관통 시험

(사용한 셀의 상세)

·종류: 94Ah 리튬 이온 이차 전지

·형상: 각형 셀, 세로 125㎜, 가로 173㎜, 두께 70㎜,

·중량: 2kg

·출력 전압: 4V

·에너지 밀도: 355Wh/L

(시험)

상기한 각형 셀의 표면에, 경화 후에 표 2에서 기재되어 있는 평균 두께(Y)의 흡열 부재가 되도록, 흡열 조성물을 도포했다. 이 때, 셀의 일면(윗면(70㎜×173㎜)) 이외의 모든 표면에 흡열 조성물을 도포했다. 도포 후, 25℃에서, 24시간 경과시키고, 흡열 조성물을 경화시켜, 흡열 부재로 했다. 이와 같이 제작된 흡열 부재를 구비하는 셀의 양면(셀 표면 중 면적이 최대의 2개의 면)을 인접 셀에 상당하는 2개의 알루미늄판(125㎜×210㎜×10㎜)으로 사이에 끼워, 단부를 볼트로 고정하여, 못 관통 시험용의 시료로 했다. 당해 시료의 못 관통 시험에 있어서의 온도 변화를 측정했다. 온도 변화는, 열전대를 이상이 발생한 셀의 온도를 측정하기 위해 "셀과 흡열 부재와의 사이"에 배치하여 「50초 경과 후까지의 최대 셀 온도」를 측정했다. 또한, 추가로 당해 셀이 인접 셀에 접하는 표면에 상당하는 "알루미늄판과 흡열 부재와의 사이"에 다른 열전대를 배치하여 300초 경과 후의 외부 온도를 측정했다.

또한, 이 때 「50초 경과 후까지의 최대 셀 온도」를, 셀과 흡열 부재와의 사이에 배치한 열전대로 측정한 이유는, 이하와 같다. 본 내화 시험에서는 못을 박은 직후에, 셀의 온도가 급격하게 상승하고, 그 후 온도는 내려가는 경향이 있는 것을 알고 있다. 이 초기의 온도 상승은 매우 빠르기 때문에, 흡열 부재의 외측의 온도로는, 열의 전달의 시간차에 더해, 흡열 부재의 흡열량이나 열전도율이 영향을 미치기 때문에, 실제의 최고 온도보다 낮은 온도가 검출되어버려 이상 셀의 온도를 정확하게 파악할 수 없기 때문에, 흡열 부재의 내측의 온도를 측정할 필요가 있다. 이상 셀의 초기의 온도 상승을 낮게 억제할 수 있으면, 예를 들면 버스 바 등의 흡열 부재를 개재시키는 것이 어려운 경로를 통한 열전도에 의한 주위로의 영향을 저감할 수 있는 것을 기대할 수 있다.

한편, 「300초 경과 후의 외부 온도」를 알루미늄판과 흡열 부재와의 사이에 배치한 열전대로 측정한 이유는, 300초 정도 경과하면 열적으로는 안정된 상태가 되고, 흡열 부재의 내측과 외측과의 온도차는, 열전도율이나 흡열량 등의 영향을 받은 소정의 온도가 된다. 이 때, 인접 셀의 폭주를 억제한다고 하는 관점에서, 인접 셀 온도에 접하는 표면에 상당하는 흡열 부재의 외측의 온도(외부 온도)를 평가하는 것이 유용하기 때문이다.

못 관통 시험은, 못(φ6㎜, 선단 각도 30℃)을 20㎜/초의 속도로, 셀의 측면(면적이 70㎜×125㎜의 면)으로부터 셀 중앙부까지 찔러 넣음으로써 행했다.

셀에 못을 박은 후부터 50초 경과 후까지의 최대 셀 온도와, 300초 후의 외부 온도를 열전대에 의해 측정하고, 이하의 기준으로 평가했다. 결과를 표 2에 나타냈다.

≪초기의 온도 상승 억제 효과≫

A··50초 경과 후까지의 최대 셀 온도가 200℃ 이하

B··50초 경과 후까지의 최대 셀 온도가 200℃ 초과 300℃ 이하

C··50초 경과 후까지의 최대 셀 온도가 300℃ 초과 350℃ 이하

D··50초 경과 후까지의 최대 셀 온도가 350℃ 초과

≪통기(通期)의 온도 상승 억제 효과≫

A··300초 경과 후의 외부 온도가 270℃ 이하

B··300초 경과 후의 외부 온도가 270℃ 초과 300℃ 이하

D··300초 경과 후의 외부 온도가 300℃ 초과

≪종합 평가≫

A··초기 및 통기의 결과가 모두 A

B··초기 및 통기의 결과의 일방이 B, 타방이 A 또는 B

C··초기 및 통기의 결과 중 적어도 일방이 C, 타방이 A, B, C 중 어느 것

D··초기 및 통기의 결과 중 적어도 일방이 D

[실시예 2~5, 비교예 3]

흡열 조성물의 조성을 표 1과 같이 변경한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 흡열 조성물을 조제하여, 못 관통 시험을 행했다. 결과를 표 2에 나타냈다.

[비교예 1]

실시예 1에서 이용한 흡열 조성물 대신에 에어로겔(두께 10㎜, 열전도율 0.017W/mK)을 이용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 못 관통 시험을 행했다. 결과를 표 2에 나타냈다.

[비교예 2]

실시예 1에 있어서, 흡열 조성물을 이용하지 않은 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 못 관통 시험을 행했다.

이상의 실시예의 결과로부터 명백한 바와 같이, 흡열량 Q 및 열전도율 λ가 일정 이상인 흡열 부재를 이용하면, 셀에 이상이 발생한 경우라도, 이상 초기 및 이상 발생으로부터 일정 기간의 동안, 온도 상승이 억제되는 것을 알 수 있었다. 한편, 비교예의 결과로부터, 흡열 부재의 흡열량 Q 및 열전도율 λ가 일정 이상이 아닌 경우에는, 셀의 온도 상승이 억제되기 어려운 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, 비교예 3에서는, 흡열량 Q는 본 발명에서 규정하는 소정 이상의 값이지만, 열전도율 λ가 낮아, 종합 평가 「D」로 나쁜 결과가 되었다. 이에 따라, 흡열량 Q 및 열전도율 λ의 쌍방이 소정 이상의 값일 필요가 있는 것을 알 수 있다.

또한, 실시예 1~5 중에서도, 흡열량 Q가 1000J/cm³ 이상으로 높은 값을 나타내는 실시예 1, 3~5는 종합 평가가 「B」 이상이며, 흡열량이 500 이상 1000J/cm³ 미만의 실시예 2는 종합 평가가 「C」가 되고, 흡열량 Q를 바람직한 범위로 조정함으로써, 셀의 온도 상승이 보다 억제되는 것을 알 수 있다.

실시예 1과 실시예 3은, 흡열 부재의 조성은 동일하지만, 단위 면적당의 흡열량 Qs가 상이하다. 즉, 실시예 1의 쪽이 Qs가 높은 값이며, 바람직한 범위로 되어 있어, 종합 평가가 높고, 셀의 온도 상승이 억제되기 쉬운 것을 알 수 있다.

10 배터리 모듈
11 케이스
11a 하면
11b 상면
12 셀
12a 정극
12b 부극
12c 편평면
12d 단부
13 흡열 부재
14 셀간
15 흡수재
16 냉각 핀
18 방열성 재료
19 배터리 팩 하우징
20 배터리 팩

Claims

케이스와,
상기 케이스 내에 배치된 에너지 밀도가 200Wh/L 이상인 복수의 셀과,
상기 케이스와 셀의 사이, 및 복수의 셀의 사이 중 적어도 일방에 흡열 부재가 마련된 배터리 모듈로서,
상기 흡열 부재의 150℃에서부터 350℃까지의 흡열량 Q가 500J/cm³ 이상이고, 또한 상기 흡열 부재의 열전도율 λ가 0.8W/mK 이상인, 배터리 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 흡열 부재가, 셀 표면에 대하여 단위 면적당의 흡열량 Qs가 50J/cm² 이상이 되도록 마련되어 있는, 배터리 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 열전도율 λ와 흡열량 Q와의 곱(λ×Q)이, 1000W·J/mK·cm³ 이상인 배터리 모듈.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 흡열 부재가, 수지와 충전제를 함유하는 배터리 모듈.
제 4 항에 있어서,
상기 수지가 실리콘 고무인, 배터리 모듈.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 충전제가, 적어도 수산화 알루미늄을 함유하는, 배터리 모듈.
제 6 항에 있어서,
상기 수산화 알루미늄은, 평균 입자경이 2㎛ 이하의 소입경 수산화 알루미늄과, 평균 입자경이 2㎛ 초과의 대입경 수산화 알루미늄을 함유하는, 배터리 모듈.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 흡열 부재가, 수지 100질량부에 대하여, 수산화 알루미늄을 100질량부 이상 포함하는, 배터리 모듈.