バッテリケース用複合素材及びその製造方法

【課題】
放熱性フィラーが充填された放熱層を層間に挿入することにより、放熱層を通してバッテリから発生した熱を効果的に放出し、バッテリパッケージの長寿命化と安定性を確保できるバッテリケース用複合素材及びその製造方法を提供する。
【解決方法】
放熱性フィラーが充填されていないニット層を層間に挿入することにより、従来の放熱性複合素材の場合に発生した放熱性フィラーの高充填による機械的物性の低下を防止する特徴を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリケース用複合素材及びその製造方法に係り、より詳しくは、バッテリの長寿命化と安定性を確保できるバッテリケース用複合素材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウム二次電池は、外付けケースの種類に応じて、金属カンの容器を溶接密封して使用するカンタイプ二次電池と、フィルムで作ったパウチに電極組立体（２つの電極、セパレータ、及び電解質で構成）を入れて密封して使用するパウチタイプ二次電池と、で区分される。
【０００３】
最近、リチウム二次電池を柔軟なパウチタイプにして車両用バッテリとして用いており、パウチタイプ二次電池（以下、パウチセル）は、その形状が比較的自由な形状で、軽いため、複数のセルを積層しなければならない電気自動車用バッテリに効果的である。
【０００４】
しかし、電気自動車用バッテリは、高速充填、高出力、複数回繰り返す充填及び放電により熱が発生し、これによってバッテリに局所的な温度差が発生したり、高熱の発生によりバッテリの効率低下及び安定性を阻害する熱暴走（ｔｈｅｒｍａｌｒｕｎａｗａｙ）が発生したりする。（特許文献１）
【０００５】
したがって、車両用パウチセルのバッテリケースの場合、バッテリの内部で発生した熱を外部に拡散させる放熱特性が要求される。
【０００６】
また、従来技術による車両用パウチセルのバッテリケースは、アルミニウムケースやＰＣ＋ＡＢＳ、ＰＡ、ＰＰなどのプラスチック基質に難燃性フィラーのミネラルフィラーを充填した複合材により難燃性、耐化学性、絶縁性、及び耐久性などの性質を有するが、放熱特性はない。
【０００７】
さらに、従来の高分子基盤の放熱性複合素材をバッテリケースに高充填することにより、熱伝達経路を確保して熱伝導度を向上させることができるが、強度などの機械的物性が低下する問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特願２００１−５２０５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、放熱性フィラーが充填された放熱層を層間に挿入することにより、放熱層を通してバッテリから発生した熱を効果的に放出してバッテリパッケージの長寿命化と安定性を確保できるバッテリケース用複合素材及びその製造方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明は、放熱性フィラーが充填されていないニット層を層間に挿入することにより、従来の放熱性複合素材の場合に発生した放熱性フィラーの高充填による機械的物性の低下を防止できるバッテリケース用複合素材及びその製造方法を提供することに目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するための本発明のバッテリケース用複合素材は、放熱性フィラーが充填された高分子基盤の放熱層と、放熱性フィラーが充填されていない高分子基盤のニット層と、が連続して接するように交互に配列されて一体化された平板構造であり、前記放熱層を通して熱源から発生した熱を効果的に放出し、バッテリパッケージの長寿命化と安定性を確保することを特徴とする。
【００１２】
前記放熱性フィラーは、放熱層における複合素材の厚さ方向に配向されることにより、スループレーン方向への熱伝導性を向上させることを特徴とする。
【００１３】
前記放熱層及びニット層は、パウチタイプのバッテリを固定するためのバッテリケースまたはバッテリケースを締結するためのハウジングに適用可能なものであることを特徴とする。
【００１４】
前記放熱層は、放熱性フィラーが充填されたフィラー充填部と、放熱性フィラーが充填されていない樹脂充填部と、が複合素材の長手方向に沿って連続して接するように交互に配列した構造に形成されることにより、放熱層のデラミネーション現象を防止するだけでなく、軽量化の効果を増加させることを特徴とする。
【００１５】
前記フィラー充填部は、ニット層を挟んで互い違いに配列することにより、従来の放熱特性を維持し、方向性を考慮しない単純なフィラーの高充填を行うことで、従来の放熱性複合素材よりも軽量化を増加させるだけでなく、特定方向への効率的な熱伝達特性を達成することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明によるバッテリケース用複合素材の製造方法は、放熱性フィラーが充填された高分子樹脂を押し出して放熱層を製造し、他の高分子樹脂を押し出して放熱性フィラーが充填されていないニット層を製造する段階と、前記放熱層とニット層を交互に積層する段階と、前記積層された放熱層及びニット層を圧着して一体化する段階と、前記圧着された放熱層及びニット層を幅方向に沿って機械的に切断またはウォータージェットにより一定の厚さに切断する段階と、で構成され、前記放熱層及びニット層は押出方向に対して垂直方向に切断してスループレーン方向への熱伝導性を向上させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によるバッテリケース用複合素材及びその製造方法の長所を説明する。
【００１８】
１．放熱性フィラーを有する放熱層と放熱性フィラーのないニット層を交互に積層することにより、バッテリから発生した熱を効果的に放出して高容量の電気自動車用バッテリパッケージの長寿命化及び安定性を確保することができる。
【００１９】
２．数千層が積層された放熱層とニット層をオーブンを通過させた後、圧着器により上下方向に圧着し、押出工程により製造される放熱層及びニット層の押出方向に対して垂直方向に切断することにより、スループレーン（ｔｈｒｏｕｇｈｐｌａｎｅ）方向への熱伝達及び熱伝導の特性を向上させることができる。
【００２０】
３．放熱性フィラーが充填されていないニット層を層間挿入することにより、従来の放熱性複合素材の場合に発生した高充填による機械的物性の低下を防止して切断作業性を向上させることができ、複合素材を熱源の平板、例えば電気自動車用バッテリケースなどに付着する場合、熱源から発生した熱を均一に効果的に放出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施例によるバッテリケース用複合素材を示す斜視図である。
【図２】図１の複合素材の製造方法を説明するための工程図である。
【図３】図１の複合素材の製造方法を説明するための工程図である。
【図４】図１の複合素材の製造方法を説明するための工程図である。
【図５】図１の複合素材の製造方法を説明するための工程図である。
【図６】本発明の第２実施例による複合素材の製造方法を説明するための工程図である。
【図７】本発明の第２実施例による複合素材の製造方法を説明するための工程図である。
【図８】本発明の第２実施例による複合素材の製造方法を説明するための工程図である。
【図９】図８の視方向Ａから見た平面図である。
【図１０】図８の視方向Ｂから見た側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者（以下、当業者）が容易に実施できるように詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の第１実施例によるバッテリケース用複合素材を示す斜視図であり、図２から図５は、図１の複合素材の製造方法を説明するための工程図である。
【００２４】
本発明は、ラミネーティングによりフィラーが充填されていないニット層１１を層間挿入することにより、従来の放熱性複合素材の機械的物性の低下を防止すると共に、熱伝導性を向上させることができるバッテリケース用複合素材及びその製造方法に関する。
【００２５】
本発明の第１実施例によるバッテリケース用複合素材は、図１に示すように、高分子基盤の放熱層１０とニット層１１が交互に配列された平板構造を有する。
【００２６】
放熱層１０とニット層１１は、両方とも高分子基盤の素材を用いて製造され、それぞれの厚さが、例えば数十μｍで薄く、それぞれの長さが幅に比べて相対的に長い平板構造である。
【００２７】
上記のように長さが幅よりも相対的に長い平板構造の放熱層１０とニット層１１を交互に積層結合し、積層結合された放熱層１０及びニット層１１を図２の矢印で示した押出方向１８に対して垂直方向に切断することにより、平板構造のバッテリケース用複合素材を提供する。
【００２８】
ここで、放熱層１０は、放熱性フィラー１２を高分子基盤の平板に充填した高分子層であり、ニット層１１は、高分子基盤の平板に放熱性フィラー１２を充填しない高分子層である。
【００２９】
例えば、前記放熱層１０及びニット層１１は、前記高分子基盤の素材としてポリカーボネート（ＰＣ）平板を用いて製造され、それぞれ１０〜３０μｍの厚さを有する。
【００３０】
また、前記放熱層１０は、ポリカーボネートなどのプラスチック基質に放熱性フィラー１２、例えばセラミックフィラーを８０重量％程度充填し、プラスチック基質の平板におけるインプレーン（ＩＮ−ＰＬＡＮＥ）方向に配向することにより製造される。
【００３１】
前記第１実施例による構造を有するバッテリケース用複合素材の製造方法を説明する。
【００３２】
図２に示すように、押出機１３のフィーダ１４を介して高分子基盤のポリカーボネート粉末と放熱性セラミックフィラーを投入し、押出機１３によりポリカーボネート粉末とセラミックフィラーを溶融し、図２に示した押出方向１８に押し出して１０〜３０μｍの厚さを有する平板形態の放熱層１０を製造する。
【００３３】
この時、押出機１３から排出されたポリカーボネート樹脂は、平板用ダイ１５により一定の厚さを有する平板形態に成形され、冷却ローラー１９により冷却されてラミネーティングされることにより、放熱層１０を製造することができる。
【００３４】
そして、押出工程により放熱層１０を製造する場合、セラミックフィラーを８０重量％充填し、図３に示すように、せん断力によりポリカーボネート平板にセラミックフィラーをインプレーン方向に配向する。
【００３５】
また、図２に示すように、押出機１３のフィーダ１４を介してポリカーボネート粉末を投入し、押出機１３によりポリカーボネート粉末を溶融し、押し出して１０〜３０μｍの厚さを有する平板形態のニット層１１を製造する。
【００３６】
次に、上記のように製造された放熱層１０とニット層１１を、図４に示すように交互に積層し、２００℃に予熱したオーブンを通過させた後、積層された放熱層１０とニット層１１を圧着器により約１０トン程度の圧力で圧着して１００ｍｍの厚さ（全体厚さ）を有する複合素材を製造することができる。
【００３７】
このように製造された複合素材は、図５に示すように数千層の放熱層１０とニット層１１で積層される。
【００３８】
次に、積層結合された複合素材を機械的に切断またはウォータージェット工程により放熱層１０及びニット層１１の押出方向１８に対して垂直方向に切断することにより、２〜３ｍｍ程度の厚さを有する平板形態に製造することができる。
【００３９】
このような方法で製造された複合素材は、同一平面上に素材の幅方向に沿って放熱層１０とニット層１１を連続して接するように交互に配列することにより、複合素材を熱源の平板に付着する時、熱源から発生した熱を図１に示すようにインプレーン方向（射出／押出方向１８）に伝達し、図１の拡大図に示すように、放熱性フィラー１２を通して放熱層１０の平面に対して厚さ方向に効果的に均一に放出することができる。
【００４０】
また、放熱性フィラー１２を充填しないニット層１１を繰り返し層間挿入してフィラーの充填率を、例えば５０％以下に下げることにより、単純に放熱性フィラー１２を高充填して製造された平板に比べて、切断作業性を向上させるだけでなく、複合材レイヤにおけるフィラーの高密度化により熱伝達特性を極大化できる。
【００４１】
前記第１実施例のように放熱層１０とニット層１１の厚さを１：１（同一の厚さ）にして製造してもよいが、これに限定されることではなく、ニット層１１の厚さを調節して複合素材のフィラー充填率を調節してもよい。
【００４２】
図６から図８は、本発明の第２実施例による複合素材の製造方法を説明するための工程図であり、図９及び図１０は、図８の視方向Ａ及びＢから見た平面図及び側面図である。
【００４３】
本発明の第２実施例によるバッテリケース用複合素材は、上下方向に沿って放熱層１０とニット層１１を交互に積層した構造を有し、前記放熱層１０は、素材の長手方向に沿ってフィラー充填部１６と樹脂充填部１７を連続して接するように交互に配列した構造を有することにより、軽量化の効果を極大化することができる。
【００４４】
前記フィラー充填部１６は、図９に示すように、ニット層１１を挟んで互い違いに配列することにより、従来の放熱特性を維持し、方向性を考慮しない単純なフィラーの高充填を行って、従来の放熱性複合素材よりも軽量化を増加させるだけでなく、特定方向への効率的な熱伝達特性を達成できる。
【００４５】
また、フィラー充填部１６は、その長さが幅に比べて相対的に長いリボン構造であり、高分子基盤の樹脂に放熱性フィラー１２を、例えば８０重量％程度充填することにより、複合素材を熱源の平板に付着させる時、熱源から発生した熱を図９に示すように、放熱層１０の平面に対して厚さ方向に配列されたフィラーを通して外部に効果的に均一に放出することができる。
【００４６】
樹脂充填部１７は、フィラー充填部１６の間に満たされることにより、放熱層１０のデラミネーション現象を防止することができる。
【００４７】
前記第２実施例による構造を有するバッテリケース用複合素材の製造方法を説明する。
【００４８】
図６に示すように、放熱性フィラー１２が充填されたリボン（長さが幅に比べて長くて薄い厚さの平板）形態のフィラー充填部１６を、放熱性フィラー１２が充填されていないニット層１１の上に長手方向に沿って一定の間隔をおいて平行に配置し、フィラー充填部１６の間に樹脂充填部１７（高分子樹脂）を満たすことにより、放熱層１０のデラミネーション現象を防止でき、軽量化の効果を得ることができる。
【００４９】
次に、上面にフィラー充填部１６を有するニット層１１を上下方向に積層するが、上下方向に隣接したフィラー充填部１６が互い違いに配列されるように積層する。
【００５０】
積層された複合素材を２００℃に予熱したオーブンを通過させた後、積層された放熱層１０とニット層１１を圧着器により約１０トン程度の圧力で圧着して１００ｍｍの厚さ（全体厚さ）を有する複合素材を製造する。
【００５１】
このように製造された複合素材は、図７に示すように、数千層の放熱層１０とニット層１１で積層される。
【００５２】
次に、図８に示すように、積層結合された複合素材を機械的に切断またはウォータージェットの工程により放熱層１０とニット層１１の押出方向１８に対して垂直方向に切断することにより、２〜３ｍｍ程度の厚さを有する平板形態に製造する。
【００５３】
このような方法で製造されたラミネーティングによる高分子基盤の複合素材は、パウチタイプのバッテリを固定するパウチセルのバッテリケースと、それぞれのバッテリケースを効果的に締結して耐久性を確保する上板及び下板カバー（または、ハウジング）として使用される。
【００５４】
したがって、本発明によれば、放熱性フィラー１２を有する放熱層１０と放熱性フィラー１２のないニット層１１を交互に積層することにより、バッテリから発生した熱を効果的に放出して高容量の電気自動車用バッテリパッケージの長寿命化及び安定性を確保できる。
【００５５】
また、数千層が積層された放熱層１０とニット層１１をオーブンを通過させた後、圧着器により上下方向に圧着し、押出工程により製造される放熱層１０及びニット層１１の押出方向１８に対して垂直方向に放熱層１０及びニット層１１を切断することにより、スループレーン（ｔｈｒｏｕｇｈｐｌａｎｅ）方向への熱伝達と熱伝導の特性を向上させることができる。
【００５６】
さらに、放熱性フィラー１２が充填されていないニット層１１を層間挿入してフィラーの充填率を低減することにより、従来の放熱性複合素材の場合に発生した高充填による機械的物性の低下を防止する。また、切断作業性を向上させ、複合素材を熱源の平板、例えば電気自動車用バッテリケースに付着する場合、熱源から発生した熱を均一に効果的に放出することができる。
【００５７】
以上においては、本発明による高分子樹脂としてポリカーボネートを例に挙げたが、熱可塑性、熱硬化性の樹脂及び熱可塑性のエラストマ樹脂を適用してもよい。
【００５８】
尚、本発明は、ラミネーティングされた平板構造の放熱層１０及びニット層１１を押出方向１８に対して垂直方向に切断して平板を製造することにより、押出方向１８における相対的に長い区間に充填されたフィラーがネットワーク化される場合に発生するパーコレイション断絶現象を最小化することができる。
【００５９】
また、本発明は、全複合材に４０重量％のフィラーが充填される場合に比して、複合素材の実際使用環境に対応してフィラーの方向性を効果的に制御でき、放熱性フィラー１２が層間に繰り返し積層されるため、複合材レイヤにおけるフィラーの高密度化により効果的な熱伝達を実現することができる。
【００６０】
また、２種の平板の厚さを最小化して数千層で構成される平板として製造する時、熱源から発生した熱を均一に接触してスループレーン方向に放熱することにより、方向性を考慮しない単純な高充填による平板サンプルに比べて、製品の軽量化に有効で、効率的な熱伝達特性を達成することができる。
【００６１】
このように本発明による複合素材を用いる場合、従来の素材に比して軽量化の効果と特定方向への効率的な熱伝達性を達成するため、車両のバッテリシステムに活用する場合、優れた放熱特性を有する、コンパクト化及び軽量化を実現したバッテリシステムが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、バッテリケース用複合素材及びその製造方法に関する分野に適用できる。
【符号の説明】
【００６３】
１０放熱層
１１ニット層
１２放熱性フィラー
１３押出機
１４フィーダ
１５平板用ダイ
１６フィラー充填部
１７樹脂充填部
１８押出方向
１９冷却ローラー

【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱性フィラー１２が充填された高分子基盤の放熱層１０と、放熱性フィラー１２が充填されていない高分子基盤のニット層１１と、が交互に配列されて一体化された構造で形成され、前記放熱層１０を通して熱源から発生した熱を放熱することを特徴とするバッテリケース用複合素材。
【請求項２】
前記放熱性フィラー１２は、厚さ方向に配向されることにより、スループレーン方向に熱を伝達することを特徴とする請求項１に記載のバッテリケース用複合素材。
【請求項３】
前記放熱層１０及びニット層１１は、パウチタイプのバッテリを固定するためのバッテリケースまたはバッテリケースを締結するためのハウジングに適用可能なものであることを特徴とする請求項１に記載のバッテリケース用複合素材。
【請求項４】
前記放熱層１０は、放熱性フィラー１２が充填されたフィラー充填部１６と、放熱性フィラー１２が充填されていない樹脂充填部１７と、が長手方向に沿って交互に配列した構造に形成されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリケース用複合素材。
【請求項５】
前記フィラー充填部１６は、ニット層１１を挟んで互い違いに配列されることを特徴とする請求項４に記載のバッテリケース用複合素材。
【請求項６】
放熱性フィラー１２が充填された高分子樹脂を押し出して放熱層１０を製造し、他の高分子樹脂を押し出して放熱性フィラー１２が充填されていないニット層１１を製造する段階と、
前記放熱層１０とニット層１１を交互に積層する段階と、
前記積層された放熱層１０及びニット層１１を圧着して一体化する段階と、
前記圧着された放熱層１０及びニット層１１を幅方向に沿って機械的に切断またはウォータージェットにより一定の厚さに切断する段階と、
で構成され、前記放熱層１０及びニット層１１がバッテリケースまたはこれを締結するためのハウジングに付着される場合、バッテリから発生した熱を放熱層１０を通して放熱することを特徴とするバッテリケース用複合素材の製造方法。
【請求項７】
前記放熱性フィラー１２は、高分子樹脂基盤の平板におけるインプレーン方向に配向されることを特徴とする請求項６に記載のバッテリケース用複合素材の製造方法。
【請求項８】
前記放熱層１０及びニット層１１は、その押出方向１８に対して垂直方向に切断されることを特徴とする請求項６に記載のバッテリケース用複合素材の製造方法。
【請求項９】
前記放熱層１０及びニット層１１を製造する段階は、ニット層１１の上に放熱性フィラー１２が充填されたフィラー充填部１６を長手方向に沿って間隔をおいて配置した後、前記フィラー充填部１６の間に高分子樹脂を充填させる段階で形成されることを特徴とする請求項６に記載のバッテリケース用複合素材の製造方法。

【図１】