KR101121544B1 - Insulation Assembly for Thermal Battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학열원을 이용하여 짧은 시간에 높은 출력을 제공하는 열전지를 고온 상태로 장시간 동안 유지시키기 위한 열전지의 단열구조에 관한 것으로서,
열에 의해 활성화되는 복수 개의 단위전지(11)가 직렬 또는 병렬로 적층되어 형성되는 전지적층부(10)와; 전지적층부(10)의 상부 및 하부에 각각 위치되어 외부로의 열방출을 차단하는 상부단열부(20) 및 하부단열부(20');를 포함하고, 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')에서 발생한 열충격이 상기 전지적층부(10)로 전달되는 것을 차단하는 방파층(50)이 상기 전지적층부(10)의 상부와 하부에 각각 배치된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열전지의 단열구조에 의하면, 전지적층부의 상부와 하부에 각각 배치된 방파층이 상부 및 하부단열부에서 발생한 열충격이 전지적층부로 전파되는 것을 차단하여, 전지적층부의 단위전지에 변형이 발생하지 않음은 물론 열전지의 성능이 일정하게 유지되고, 열전지가 주로 장착되는 유도무기 등에 있어서 열전지로 인한 작전 실패를 최소화할 수 있게 된다.The present invention relates to a heat insulating structure of a thermo battery for maintaining a thermo battery providing a high output in a short time using a chemical heat source for a long time in a high temperature state,
A battery stack 10 formed by stacking a plurality of unit cells 11 activated by heat in series or in parallel; Located at the top and bottom of the battery laminated portion 10, respectively, the upper heat insulating portion 20 and the lower heat insulating portion 20 'to block heat discharge to the outside; including, the upper heat insulating portion 20 and the lower insulation The breakthrough layer 50 which blocks the thermal shock generated from the unit 20 ′ from being transmitted to the battery stacking unit 10 is disposed on the upper and lower portions of the battery stacking unit 10, respectively.
According to the thermal insulation structure of the thermal cell according to the present invention, the breakdown layer disposed on the upper and lower portions of the battery laminated portion prevents the thermal shock generated in the upper and lower thermal insulation portions from propagating to the battery laminated portion, thereby deforming the unit cell of the battery laminated portion. Not only does not occur, the performance of the thermoelectric cell is kept constant, it is possible to minimize the operational failure due to the thermoelectric cell in the induction weapons mainly equipped with the thermoelectric cell.
Description
본 발명은 화학열원을 이용하여 짧은 시간에 높은 출력을 제공하는 열전지를 고온 상태로 장시간 동안 유지시키기 위한 열전지의 단열구조에 관한 것으로서, 특히 전지의 상측과 하측에 각각 배치되는 단열부에서의 열충격으로 인해 단위전지가 파손되는 것을 방지할 수 있도록 한 열전지의 단열구조에 관한 것이다.The present invention relates to a heat insulating structure of a thermo battery for maintaining a high temperature in a short time using a chemical heat source in a high temperature state, in particular a thermal shock in the heat insulating portion disposed on the upper and lower sides of the battery, respectively. The present invention relates to a thermal insulation structure of a thermal cell so as to prevent the unit cell from being damaged.
열전지(Thermal Battery, 熱電池)란, 상온에서는 이온전도성이 없는 고체상태를 이루고 있는 무기염 전해질(Inorganic Salt Eletrolyte)을 화학열원으로 1초 이하의 짧은 시간에 액화시켜 높은 이온전도성을 가지게 함으로써 전지가 작동되도록 하여 비교적 짧은 시간에 높은 출력을 제공하는 1차 비축전지(Primary Battery)를 의미한다. 이러한 열전지는 상온에서 전지의 활성이 없는 상태로 저장되어 있다가 400℃의 열을 받으면 활성화되면서 전원을 공급하는 기능을 수행한다. 그리고, 열전지는 10년 이상 보관할 수 있는 등 장기보관 특성이 매우 우수하고, 가속도나 진동 및 충격에 의한 영향을 거의 받지 않는 등 전지의 신뢰성이 탁월하며, 높은 온도에서만 활성화가 가능하여 안전성이 높고, 유지 및 보수활동이 불필요한 특성이 있으며, 이러한 특징을 효과적으로 이용할 수 있도록 주로 군사적 응용분야에 널리 이용되고 있다.Thermal battery is an organic salt electrolyte, which forms a solid state without ion conductivity at room temperature, by liquefying it as a chemical heat source in a short time of 1 second or less to have high ion conductivity. Primary primary battery that can be operated to provide high power in a relatively short time. The thermo battery is stored at room temperature with no activity of the battery and is activated when it receives heat of 400 ° C. and serves to supply power. In addition, thermo batteries have excellent long-term storage characteristics, such as storage for more than 10 years, and are excellent in reliability of batteries such as they are hardly affected by acceleration, vibration, and shock, and can be activated only at high temperatures, thus providing high safety. There are characteristics that do not require maintenance and repair activities, and are widely used in military applications mainly to effectively use these characteristics.
그런데, 열전지의 작동 온도는 매우 고온이고, 작동 온도가 낮아지면 무기염 전해질이 다시 고체로 변화되어 전지의 기능을 수행할 수 없는 단점이 있다. 이에 따라 열전지는 활성화된 상태에서는 무기염 전해질이 계속해서 액체 상태를 유지할 수 있도록 고온의 상태를 장시간 유지시킬 수 있는 단열구조가 매우 중요하다.However, the operating temperature of the thermal cell is very high, and when the operating temperature is low, the inorganic salt electrolyte is changed back to a solid, which may not perform the function of the battery. Accordingly, it is very important that the thermal cell has an insulating structure capable of maintaining a high temperature state for a long time so that the inorganic salt electrolyte can be maintained in a liquid state in an activated state.
일반적인 열전지의 방열구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 열에 의해 활성화되는 복수 개의 단위전지(11)가 직렬 또는 병렬로 적층되어 형성되는 전지적층부(10)와; 상기 전지적층부(10)의 상부 및 하부에 각각 위치되어 외부로의 열방출을 차단하는 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')와; 상기 상부단열부(20)의 상측에 위치되고 양극단자(31)와 음극단자(32)가 구비된 전극부(30)와; 내부에 상기 전지적층부(10)와 상부단열부(20), 하부단열부(20') 및 전극부(30)가 설치되며 그 내측과 외부를 밀폐시키는 케이스(40);를 포함하고 있다.As shown in FIG. 1, a heat dissipation structure of a general thermal battery includes: a
여기서, 상기 단위전지(11)는, 리튬(Li)이나 칼슘(Ca) 등 산화반응을 일으키는 음극 활물질로 구성되어 전자와 이온을 형성하는 음극부(11a)와, 황화철(FeS2)이나 황화코발트(CoS2) 등 환원반응을 일으키는 양극 활물질로 구성되어 상기 음극부(11a)로부터 이동된 이온 및 전자와 반응하는 양극부(11b)와, 상기 음극부(11a)와 양극부(11b) 사이에 위치하며 열에 의해 활성화되는 고체 전해질(11c)과, 상기 음극부(11a)와 양극부(11b) 중 어느 일측의 바깥쪽에 배치되며 열을 발생하여 상기 고체 전해질(11c)을 활성화시키는 발열재(Heat Pellet, 11d)로 이루어져 있다. 그리고 상기 양극부(11b)와 음극부(11a), 고체 전해질(11c) 및 발열재(11d) 등의 각 구성품은 프레스 등에 의해 디스크 형태로 성형된 후, 전기적 규격에 맞춰 직렬 또는 병렬로 적층되며, 상기한 각 단위전지(11)는 상기 전지적층부(10)의 상단과 하단에 각각 위치하는 음극집전체(12) 및 양극집전체(13)를 통해 전극부(40)에 연결된다.Here, the
이에 따라 상기 발열재(11d)를 활성화, 즉 연소시키면 열이 발생하게 되고, 이 열에 의해 고체 전해질(11c)이 액화됨과 아울러 상기 음극부(11a)에서 산화반응이 일어나 전자와 이온을 생성하게 된다. 이때, 이온은 액화된 전해질을 통해 상기 양극부(11b)로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 양극부(11b)로 이동하게 되며, 상기 양극부(11b)에서는 상기 음극부(11a)로부터 이동된 이온 및 전자의 환원반응이 일어나게 된다. 이와 같이 외부회로를 통해 전자가 이동하게 되면, 외부회로에는 전기가 흐르게 되어 필요한 위치로 전기를 공급할 수 있게 된다.Accordingly, when the
또, 상기 상부 및 하부단열부(20)(20')는 도 2에 도시된 바와 같이, 열이 상기 상부 및 하부단열부(20)(20')의 외부로 방출되어 상기 전지적층부(10)의 온도가 감소하는 것을 보상하기 위하여 상기 전지적층부(10)보다 더 높은 온도를 형성하도록 배치되는 복수 개의 발열재(21)과, 상기 발열재(21)에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 차단하는 BF 페이퍼(Binder Free Paper)와 같은 단열재(23)와, 상기 발열재(21)과 발열재(21) 사이 및 상기 발열재(21)와 단열재(23) 사이에 각각 배치되어 열용량을 증가시키는 스테인리스 스틸(Stainless Steel; STS) 또는 니켈(Ni) 소재의 금속 차단재(22)로 이루어진 세트가 1~3개 적층되어 형성된다. 다만, 상기 상부단열부(20)의 최상단 및 상기 하부단열부(20')의 최하단에 위치한 세트의 단열재(23)는 2중 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 상기 단열재(23)의 두께를 균일하게 유지하면서도 최외각에서의 단열효과를 향상시키기 위한 것이다.In addition, as illustrated in FIG. 2, the upper and lower
다음의 표 1은 상기 전지적층부(10)에 적층되는 단위전지의 수가 17개이고, 상기 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')에 각각 2개의 세트가 적층된 경우의 적층 구조를 표로 나타낸 것이다.Table 1 shows a stacked structure in which the number of unit cells stacked in the
그리고, 상기 단열재(23)로 사용되는 BF 페이퍼는, 카오울(Caowool) 섬유와 산화알루미늄(Al2O3) 및 이산화규소(SiO2) 등을 원료로 하며, 바인더(Binder)를 사용하지 않고 0.5~1.5㎜ 두께를 갖는 디스크 형태로 제작하여 사용하고 있다. 이는 열전지가 500℃ 이상의 고온 환경에서 작동됨으로 인해, 고온에 노출된 바인더가 연소하면서 열전지 내부에 불필요한 압력을 형성할 수 있기 때문이다.The BF paper used as the
그러나, 상기한 종래의 열전지의 단열구조는 금속차단재가 열충격에 따른 응력 불균형으로 물결모양으로 변형되면서 인접한 단위전지에 물리적 변형을 야기하여 열전지의 안정성이 저하되는 문제점이 있다.However, the thermal insulation structure of the conventional thermal battery has a problem that the metal barrier material is deformed into a wave shape due to stress imbalance due to thermal shock, causing physical deformation in adjacent unit cells, thereby degrading stability of the thermal battery.
즉, 열전지의 내부온도는 평상시에는 상온으로 유지되지만, 작동 신호에 따라 발열재가 급속하게 연소되면, 0.1 내지 0.3초 이내에 약 500℃로 급격하게 상승하게 된다. 이에 따라 두께가 0.1~0.2㎜에 불과한 금속차단재에 열충격이 가해지게 되고, 이러한 열충격에 따른 응력 불균형으로 인해 금속차단재에는 도 3에 도시된 바와 같이 물결모양의 변형이 발생하게 된다. 이러한 물결모양의 변형은 상부 및 하부단열부와 전지적층부의 경계면에 위치한 단열재를 거쳐 인접한 단위전지에까지 영향을 주게 되므로, 전지적층부의 상단과 하단에 각각 위치된 단위전지에 물리적 변형이 야기되어 열전지의 안정성이 저하된다.That is, the internal temperature of the thermo battery is normally maintained at room temperature, but if the heating material is rapidly burned according to the operation signal, the temperature rises rapidly to about 500 ° C. within 0.1 to 0.3 seconds. Accordingly, the thermal shock is applied to the metal barrier material having a thickness of only 0.1 to 0.2 mm, and the wave barrier deformation occurs in the metal barrier material as shown in FIG. 3 due to the stress imbalance caused by the thermal shock. Since the wavy deformation affects the adjacent unit cells through the heat insulating material located at the interface between the upper and lower heat insulating parts and the battery stack, physical deformation occurs in the unit cells located at the top and bottom of the battery stack, respectively. Stability is lowered.
특히, 단위전지의 물리적 파손으로 인해 전해질이 누액되는 경우, 전지적층부의 내부에서 단락이 일어날 수 있고, 단위전지의 물리적 파손은 방전 도중의 방전실패로 연결된 가능성이 있기 때문에, 열전지가 주로 장착되는 유도무기 등의 발사 실패와 같이 작전 신뢰성을 저하시키는 요인이 된다.In particular, when the electrolyte leaks due to physical breakage of the unit cell, a short circuit may occur in the battery stacking portion, and the physical breakage of the unit cell may lead to a discharge failure during discharge. It is a factor that lowers operational reliability, such as the failure to fire weapons.
또, 상기한 종래의 열전지의 단열구조는, 금속차단재에 발생하는 물결모양의 변형 정도를 제어할 수 없기 때문에, 제조된 열전지의 성능에 편차가 발생하고 제품의 신뢰도가 저하되는 문제점이 있다.In addition, since the heat insulation structure of the conventional thermal battery cannot control the degree of deformation of the wave shape generated in the metal barrier material, there is a problem in that the performance of the manufactured thermal battery is uneven and the reliability of the product is lowered.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상부 및 하부단열부에서 발생한 열충격이 전지적층부쪽으로 전달되지 않도록 방파층을 배치함으로써 전지적층부의 단위전지가 변형되는 것을 차단하여 열전지의 성능을 균일하게 유지할 수 있게 한 열전지의 단열구조를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, by arranging the break-proof layer so that the thermal shock generated in the upper and lower insulation portion is not transmitted to the battery laminated portion to block the deformation of the unit cell of the battery laminated portion to uniform the performance of the thermal cell It is an object of the present invention to provide a heat insulating structure of a thermal cell that can be maintained easily.
또, 본 발명은 상부 및 하부단열부의 단열재 대신에 설치된 방파층이 열충격은 물론 열전달까지 모두 차단하도록 함으로써 기존의 열전지 구조에도 적용할 수 있는 열전지의 단열구조를 제공하는데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a thermal insulation structure of a thermal cell that can be applied to a conventional thermal cell structure by blocking the thermal shock as well as the heat transfer layer installed in place of the insulation of the upper and lower insulation.
또한, 본 발명은, 상부단열부 및 하부단열부에서 발생한 열충격을 차단하는 방파층을 전지적층부에 가깝게 배치하여 단위전지의 변형을 최소화할 수 있는 열전지의 단열구조를 제공하는데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a thermal insulation structure of a thermal cell that can minimize the deformation of the unit cell by arranging a shield layer close to the battery laminated portion to block the thermal shock generated in the upper and lower insulation.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 열에 의해 활성화되는 복수 개의 단위전지가 직렬 또는 병렬로 적층되어 형성되는 전지적층부와; 상기 전지적층부의 상부 및 하부에 각각 위치되어 외부로의 열방출을 차단하는 상부단열부 및 하부단열부;를 포함하고, 상기 상부단열부 및 하부단열부에서 발생한 열충격이 상기 전지적층부로 전달되는 것을 차단하는 방파층이 상기 전지적층부의 상부와 하부에 각각 배치된 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a battery laminated portion formed by stacking a plurality of unit cells activated by heat in series or in parallel; Located at the top and bottom of the battery laminated portion, respectively, the upper heat insulating portion and the lower heat insulating portion to block the heat discharge to the outside; and wherein the thermal shock generated in the upper and lower heat insulating portion is transferred to the battery laminated portion Blocking layer is characterized in that disposed on the upper and lower portions of the battery laminated portion, respectively.
또, 본 발명의 열전지의 단열구조에 따르면, 상기 방파층은, 경질 마이카나이트(Micanite)를 재료로 하여 디스크 형상으로 형성되며, 두께는 0.1~1㎜인 것을 특징으로 한다.In addition, according to the heat insulating structure of the thermal battery of the present invention, the break-proof layer is formed in the shape of a disk using a hard micanite (Macanite) material, characterized in that the thickness is 0.1 ~ 1mm.
또한, 본 발명의 열전지의 단열구조에 따르면, 상기 단위전지는, 산화반응을 일으키는 음극 활물질로 구성되어 전자와 이온을 형성하는 음극부와, 환원반응을 일으키는 양극 활물질로 구성되어 상기 음극부로부터 이동된 이온 및 전자와 반응하는 양극부와, 상기 음극부와 양극부 사이에 위치하며 열에 의해 활성화되는 고체 전해질과, 상기 음극부 및 양극부의 외측에 각각 배치되며 열을 발생하여 상기 고체 전해질을 활성화시키는 발열재로 이루어지며, 각 단위전지는 상기 전지적층부의 상단과 하단에 각각 위치하는 음극집전체 및 양극집전체를 통해 외부회로에 연결된 것을 특징으로 한다.In addition, according to the thermal insulation structure of the thermal cell of the present invention, the unit cell is composed of a negative electrode active material that causes an oxidation reaction to form electrons and ions, and a positive electrode active material that causes a reduction reaction is moved from the negative electrode part And a solid electrolyte positioned between the anode portion and the cathode portion and the anode portion and activated by heat, and disposed outside the cathode portion and the anode portion, respectively, to generate heat to activate the solid electrolyte. It is made of a heat generating material, each unit cell is characterized in that connected to the external circuit through the negative electrode current collector and the positive electrode current collector which are respectively located at the top and bottom of the battery laminated portion.
또, 본 발명의 열전지의 단열구조에 따르면, 상기 상부단열부 및 하부단열부는, 상기 전지적층부보다 더 높은 온도를 형성하도록 배치되는 복수 개의 발열재와, 상기 발열재에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 차단하는 단열재와, 상기 발열재와 발열재 사이 및 상기 발열재와 단열재 사이에 각각 배치되어 열용량을 증가시키는 스테인리스 스틸(Stainless Steel; STS) 또는 니켈(Ni) 소재의 금속 차단재로 이루어진 세트가 1~3개 적층되어 형성되고, 상기 상부단열부의 최상단 및 상기 하부단열부의 최하단에 위치한 세트의 단열재는 2중 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, according to the heat insulating structure of the thermal cell of the present invention, the upper heat insulating portion and the lower heat insulating portion, a plurality of heat generating material disposed to form a higher temperature than the battery laminated portion, and the heat generated from the heat generating material is discharged to the outside A set made of a metal barrier material of stainless steel (STS) or nickel (Ni) which is disposed between the heat insulating material and the heat generating material and the heat generating material and between the heat generating material and the heat insulating material, respectively, to increase the heat capacity. It is formed by stacking one to three, the heat insulating material of the set located at the top end of the upper heat insulating portion and the bottom end of the lower heat insulating portion is characterized in that consisting of a double structure.
또한, 본 발명의 열전지의 단열구조에 따르면, 상기 방파층은, 상기 상부단열부 및 하부단열부에 구비된 금속차단재에 비해 상기 전지적층부에 가까운 곳에 배치되며, 상기 전지적층부를 기준으로, 발열재-방파층-금속차단재 또는 방파층-발열재-금속차단재의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the thermal insulation structure of the thermal cell of the present invention, the breakthrough layer is disposed closer to the battery laminated portion than the metal barrier material provided in the upper and lower insulation portion, based on the battery laminated portion, the heat generation It is characterized by having a structure of a re-breaking layer-metal barrier material or a break-proof layer-heating material-metal barrier material.
본 발명에 의한 열전지의 단열구조는, 전지적층부의 상부와 하부에 각각 배치된 방파층이 상부 및 하부단열부에서 발생한 열충격이 전지적층부로 전파되는 것을 차단하게 되므로, 전지적층부의 단위전지에 변형이 발생하지 않음은 물론 열전지의 성능이 일정하게 유지되도록 하는 효과가 있다.In the thermal insulation structure of the thermal battery according to the present invention, since the thermal shock generated in the upper and lower thermal insulation parts respectively disposed at the upper and lower portions of the battery laminated portion prevents propagation of the thermal shock generated by the battery laminated portion, the unit cell of the battery laminated portion is deformed. Of course, there is an effect to maintain a constant performance of the thermal cell does not occur.
또, 본 발명의 열전지의 단열구조에 따르면, 상부 및 하부단열부와 전지적층부 사이에 위치하는 단열재 대신에 방파층이 설치되어 열충격은 물론 열전달을 차단하게 되므로, 기존의 열전지에도 적용할 수 있음은 물론 별도의 단열재 설치가 필요하지 않은 효과가 있다.In addition, according to the heat insulating structure of the thermal cell of the present invention, instead of the heat insulating material located between the upper and lower heat insulating portion and the battery laminated portion is provided with a barrier layer to block heat transfer as well as thermal shock, it can be applied to the existing thermal battery. Of course, there is no need to install a separate insulation.
또한, 본 발명의 열전지의 단열구조에 따르면, 방파층이 상부 및 하부단열부의 금속 단열재보다 전지적층부에 가깝게 배치되어 금속단열재의 변형이 전지적층부로 전달되는 것을 차단하므로 전지적층부의 변형이 최소화되고 열전지의 성능을 균일하게 유지할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the thermal insulation structure of the thermal cell of the present invention, since the break-proof layer is disposed closer to the battery laminated portion than the metal insulating material of the upper and lower insulation portion to prevent the deformation of the metal insulation material is transferred to the battery laminated portion, the deformation of the battery laminated portion is minimized and There is an effect that can maintain the performance of the thermal battery uniformly.
또, 본 발명의 열전지의 단열구조에 따르면, 열전지의 성능이 일정하게 유지됨에 따라 제품의 신뢰도가 향상되고, 열전지를 구성하는 단위전지에서의 누액으로 인한 단락이 방지되어 열전지가 장착되는 유도무기 등의 장치에서 열전지로 인해 야기되는 작동불능 사태가 방지됨은 물론 해당 무기를 이용한 작전의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.In addition, according to the thermal insulation structure of the thermal cell of the present invention, as the performance of the thermal cell is maintained constant, the reliability of the product is improved, and a short circuit due to leakage from the unit cell constituting the thermal cell is prevented, induction weapons, etc. to which the thermal cell is mounted. In addition to preventing the inoperable situation caused by the thermal cell in the device of the operation has the effect of improving the reliability of the operation using the weapon.
도 1은 종래의 열전지의 단열구조가 도시된 적층구조도.
도 2는 종래의 상부단열부가 도시된 단면도.
도 3은 종래 단열구조가 적용된 열전지의 방전 후 분해된 단위전지의 사진.
도 4는 본 발명에 따른 열전지의 단열구조가 도시된 적층구조도.
도 5는 본 발명에 따른 상부단열부와 전지적층부의 경계부가 도시된 단면도.
도 6은 본 발명의 요부 구성인 방파층의 사진.
도 7은 본 발명의 단열구조가 적용된 열전지의 방전 후 분해된 단위전지의 사진.1 is a laminated structure diagram showing a heat insulation structure of a conventional heat cell.
Figure 2 is a cross-sectional view of a conventional upper insulation.
3 is a photograph of a unit cell decomposed after discharging a conventional thermal cell is applied thermal insulation structure.
Figure 4 is a laminated structure diagram showing the heat insulation structure of the thermal cell according to the present invention.
5 is a cross-sectional view showing a boundary portion of the upper insulation portion and the battery laminated portion according to the present invention.
6 is a photograph of a breakwater layer which is a main component of the present invention.
Figure 7 is a photograph of a unit cell decomposed after discharging the thermal cell to which the insulating structure of the present invention is applied.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 열전지의 단열구조를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the heat insulating structure of the thermal cell of the present invention.
본 발명에 따른 열전지의 단열구조는, 도 4에 도시된 바와 같이, 열에 의해 활성화되는 복수 개의 단위전지(11)가 직렬 또는 병렬로 적층되어 형성되는 전지적층부(10)와; 상기 전지적층부(10)의 상부 및 하부에 각각 위치되어 외부로의 열방출을 차단하는 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')와; 상기 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')에서 발생한 열충격이 상기 전지적층부(10)로 전달되는 것을 차단하도록 상기 전지적층부(10)의 상부와 하부에 각각 배치되는 디스크 형상의 방파층(50);을 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 4, a heat insulating structure of a thermal battery includes: a
상기 방파층(50)은, 두께가 얇으면서도 열충격에 의해 변형이 되지 않을 뿐만 아니라 열전달이 잘 이루어지지 않는 소재로 형성하게 되는데, 산업용 단열재로 주요 사용되는 경질 마이카나이트(Micanite)가 적당하다. 경질 마이카나이트를 이용하여 상기 방파층(50)을 제작하는 경우, 상기 상부 및 하부단열부(20)(20')에서의 열충격을 차단하는 기계적 지지대의 역할과 단열재 역할을 동시에 수행할 수 있도록 0.1~1㎜ 정도의 두께로 형성한다.The
경질 마이카나이트로 상기 방파층(50)을 제작하는 과정은 다음과 같다. 먼저, 경질 마이카나이트 판을 열전지의 내부 공간에 적층될 수 있도록 설계 치수에 맞게 기계 가공한다. 그리고, 디스크(Disc) 모양으로 가공된 마이카나이트 판을 온도 150℃ 이상의 전기로에 넣고 24시간 이상 건조시켜 수분을 완전히 제거한다. 건조를 마친 마이카나이트 판은 압축 질소를 이용하여 표면에 흡착된 이물질을 제거한다. 이에 따라 도 5의 사진과 같이 깨끗한 방파층(50)의 제작이 완료된다. 제작이 완료된 방파층(50)은 열전지 조립 작업에서 사용할 수 있도록 밀폐된 케이스에 보관한다.The process of manufacturing the
여기서, 상기 단위전지(11)는, 리튬(Li)이나 칼슘(Ca) 등 산화반응을 일으키는 음극 활물질로 구성되어 전자와 이온을 형성하는 음극부(11a)와, 황화철(FeS2)이나 황화코발트(CoS2) 등 환원반응을 일으키는 양극 활물질로 구성되어 상기 음극부(11a)로부터 이동된 이온 및 전자와 반응하는 양극부(11b)와, 상기 음극부(11a)와 양극부(11b) 사이에 위치하며 열에 의해 활성화되는 고체 전해질(11c)과, 상기 음극부(11a)와 양극부(11b) 중 어느 일측의 바깥쪽에 배치되며 열을 발생하여 상기 고체 전해질(11c)을 활성화시키는 발열재(11d)로 이루어진다. 그리고 상기한 각 단위전지(11)는 상기 전지적층부(10)의 상단과 하단에 각각 위치하는 음극집전체(12) 및 양극집전체(13)에 연결되며, 케이스(40) 외부로 노출된 전극부(30)의 양극단자(31)와 음극단자(32)를 통해 외부회로에 연결된다.Here, the
또, 상기 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')는, 상기 전지적층부(10)보다 더 높은 온도를 형성하도록 배치되는 복수 개의 발열재(21)과, 상기 발열재(21)에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 차단하는 BF 페이퍼(Binder Free Paper)와 같은 단열재(23)와, 상기 발열재(21)과 발열재(21) 사이 및 상기 발열재(21)와 단열재(23) 사이에 각각 배치되어 열용량을 증가시키는 스테인리스 스틸(Stainless Steel; STS) 또는 니켈(Ni) 소재의 금속 차단재(22)로 이루어진 세트가 1~3개 적층되어 형성된다. 다만, 상기 상부단열부(20)의 최상단 및 상기 하부단열부(20')의 최하단에 위치한 세트의 단열재(23)는 2중 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 상기 단열재(23)의 두께를 균일하게 유지하면서도 최외각에서의 단열효과를 향상시키기 위한 것이다.In addition, the
한편, 상기 방파층(50)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상부 및 하부단열부(20)(20')에 구비된 금속차단재(22)에 비해 상기 전지적층부(10)에 가까운 곳에 배치된다. 다음의 표 2는 본 발명에서 상기 전지적층부(10)에 적층되는 단위전지의 수가 17개이고, 상기 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')에 각각 2개의 세트가 적층된 경우의 적층 구조를 표로 나타낸 것이다. 구체적으로 상기 상부 및 하부단열부(20)(20')와 전지적층부(10)의 경계부는, 도 5 및 표 2의 (a)와 같이 상기 전지적층부(10)를 기준으로 발열재(21)-방파층(50)-금속차단재(22)의 구조를 갖거나, 도 5 및 표 2의 (b)와 같이 상기 전지적층부(10)를 기준으로 방파층(50)-발열재(21)-금속차단재(22)의 구조를 갖게 된다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 5, the
상기와 같이 구성된 본 발명의 열전지의 단열구조는 상부 및 하부단열부에서 발생하는 열충격을 방파층이 차단하게 되므로, 전지적층부의 단위전지들이 외부영향에 의해 물리적으로 변형되는 일이 최소화된다.Since the insulating layer of the thermal cell of the present invention configured as described above blocks the thermal shock generated at the upper and lower thermal insulation parts, the unit cells of the battery laminated part are physically minimized from external deformation.
열전지에 작동개시 신호를 입력하면, 전지적층부(10)의 각 단위전지(11)에 구비된 발열재(11d)가 연소되면서 열이 발생하여 열전지의 내부 온도가 순간적으로 500℃ 정도로 상승하게 된다. 이에 따라 양극부(11b)와 음극부(11a) 사이에 위치한 고체 전해질(11c)이 액화되고, 음극부(11a)에서는 산화반응이 일어남과 아울러 양극부(11b)에서는 환원반응이 일어나게 되므로, 상기 양극부(11b)와 음극부(11a) 사이에 전기가 흐르게 되어 열전지가 활성화된다. 이때, 각 단위전지(11)의 양극부(11b)는 양극집전체(13)에 연결되어 있고, 음극부(11a)는 음극집전체(12)에 연결되어 있으므로, 상기 양극집전체(13) 및 음극집전체(12)와 연결된 전극부(30)의 양극단자(31) 및 음극단자(32)를 통해 열전지가 장착된 유도무기 등에 전원이 공급된다.When the operation start signal is input to the thermo battery, heat is generated as the
한편, 상기 단위전지(11)의 발열재(11d)가 연소되는 동안 전지적층부(10)의 상부와 하부에 각각 위치된 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')의 발열재(21) 역시 연소되어 상기 상부단열부(20)와 하부단열부(20')의 온도를 상승시킴으로써 상기 전지적층부(10)의 온도를 일정하게 유지시키게 된다. 이때, 상기 발열재(21)의 연소에 의해 발생한 열충격은 상기 발열재(21) 사이에 위치한 금속차단재(22)에 물결모양의 변형을 야기할 수 있다. 그러나, 상기 금속차단재(22)와 전지적층부(10) 사이에 방파층(50)이 설치되어 있으므로, 상기 방파층(50)에 의해 열충격이 상기 전지적층부(10)로 전파되거나 금속차단재(22)의 변형이 상기 전지적층부(10)의 단위전지(11)로 전달되지 않게 된다.On the other hand, while the
따라서, 상기 전지적층부(10)의 단위전지(11)는 변형없이 안정적으로 작동하게 되고, 그에 따라 열전지의 성능이 균일하게 유지된다. 이는 도 7에 도시된 단위전지의 사진에서 단위전지의 어디에도 물결 모양의 변형이 발생하지 않은 것으로부터 확인할 수 있다.Therefore, the
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Changes will be possible.
10: 전지적층부
11: 단위전지
11a: 음극부
11b: 양극부
11c: 고체 전해질
11d: 발열재
12: 음극집전체
13: 양극집전체
20: 상부단열부
20': 하부단열부
21: 발열재
22: 금속차단재
23: 단열재
30: 전극부
31: 양극단자
32: 음극단자
40: 케이스
50: 방파층10: battery laminated part
11: unit cell
11a: cathode
11b: anode
11c: solid electrolyte
11d: heating material
12: negative electrode current collector
13: positive electrode current collector
20: upper insulation
20 ': Lower insulation
21: heating material
22: metal barrier material
23: insulation
30: electrode portion
31: positive terminal
32: negative electrode terminal
40: case
50: breakwater layer
Claims (5)
상기 전지적층부(10)의 상부 및 하부에 각각 위치되어 외부로의 열방출을 차단하는 상부단열부(20) 및 하부단열부(20');를 포함하고,
상기 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')에서 발생한 열충격이 상기 전지적층부(10)로 전달되는 것을 차단하는 방파층(50)이 상기 전지적층부(10)의 상부와 하부에 각각 배치된 것을 특징으로 하는 열전지의 단열구조.A battery stack 10 formed by stacking a plurality of unit cells 11 activated by heat in series or in parallel;
And an upper insulation portion 20 and a lower insulation portion 20 'positioned at upper and lower portions of the battery stack 10 to block heat release to the outside.
The upper and lower portions of the battery laminated portion 10 have a breakthrough layer 50 which prevents the thermal shock generated from the upper and lower insulation portions 20 and 20 'from being transferred to the battery laminated portion 10. Insulation structure of a thermo-cell characterized in that each disposed.
상기 방파층(50)은, 경질 마이카나이트(Micanite)를 재료로 하여 디스크 형상으로 형성되며, 두께는 0.1~1㎜인 것을 특징으로 하는 열전지의 단열구조.The method of claim 1,
The breakthrough layer 50 is formed in the shape of a disc using hard micaite (Micanite) as a material, the heat insulating structure of a thermal cell, characterized in that the thickness is 0.1 ~ 1mm.
상기 단위전지(11)는, 산화반응을 일으키는 음극 활물질로 구성되어 전자와 이온을 형성하는 음극부(11a)와, 환원반응을 일으키는 양극 활물질로 구성되어 상기 음극부(11a)로부터 이동된 이온 및 전자와 반응하는 양극부(11b)와, 상기 음극부(11a)와 양극부(11b) 사이에 위치하며 열에 의해 활성화되는 고체 전해질(11c)과, 상기 음극부(11a)와 양극부(11b) 중 어느 일측의 바깥쪽에 배치되며 열을 발생하여 상기 고체 전해질(11c)을 활성화시키는 발열재(11d)로 이루어지며,
각 단위전지(11)는 상기 전지적층부(10)의 상단과 하단에 각각 위치하는 음극집전체(12) 및 양극집전체(13)를 통해 외부회로에 연결된 것을 특징으로 하는 열전지의 단열구조.The method of claim 1,
The unit cell 11 is composed of a negative electrode active material that causes an oxidation reaction to form electrons and ions, and an ion active material that comprises a positive electrode active material that generates a reduction reaction and is moved from the negative electrode part 11a, and The positive electrode portion 11b reacting with the electrons, the solid electrolyte 11c positioned between the negative electrode portion 11a and the positive electrode portion 11b and activated by heat, and the negative electrode portion 11a and the positive electrode portion 11b. Is disposed on the outside of any one of the side is made of a heat generating material (11d) to generate heat to activate the solid electrolyte (11c),
Each unit cell (11) is a heat insulating structure of the thermal cell, characterized in that connected to the external circuit through the negative electrode collector 12 and the positive electrode collector (13) located at the top and bottom of the battery laminated portion 10, respectively.
상기 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')는, 복수 개의 발열재(21)와, 상기 발열재(21)에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 차단하는 단열재(23)와, 상기 발열재(21)과 발열재(21) 사이 및 상기 발열재(21)과 단열재 사이에 각각 배치되어 열용량을 증가시키는 스테인리스 스틸(Stainless Steel; STS) 또는 니켈(Ni) 소재의 금속 차단재(22)로 이루어진 세트가 1~3개 적층되어 형성되고,
상기 상부단열부(20)의 최상단 및 상기 하부단열부(20')의 최하단에 위치한 세트의 단열재(23)는 2중 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전지의 단열구조.The method of claim 1,
The upper insulation portion 20 and the lower insulation portion 20 ′, a plurality of heat generating material 21, the heat insulating material 23 to block the heat generated from the heat generating material 21 to the outside, and The metal block 22 made of stainless steel (STS) or nickel (Ni), which is disposed between the heat generating material 21 and the heat generating material 21 and between the heat generating material 21 and the heat insulating material, respectively, to increase the heat capacity. The set consists of one to three are laminated,
Insulation structure of the thermal cell, characterized in that the heat insulating material 23 of the set located at the uppermost end of the upper heat insulating portion 20 and the lower end of the lower heat insulating portion 20 '.
상기 방파층(50)은, 상기 상부단열부(20) 및 하부단열부(20')에 구비된 금속차단재(22)에 비해 상기 전지적층부(10)에 가까운 곳에 배치되며,
상기 전지적층부(10)를 기준으로, 발열재(21)-방파층(50)-금속차단재(22) 또는 방파층(50)-발열재(21)-금속차단재(22)의 배치구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열전지의 단열구조.
The method of claim 4, wherein
The breakwater layer 50 is disposed closer to the battery stacking portion 10 than the metal blocking material 22 provided in the upper insulation portion 20 and the lower insulation portion 20 '.
On the basis of the battery laminated portion 10, the arrangement structure of the heat generating material 21, the breakthrough layer 50, the metal barrier material 22 or the barrier layer 50, the heat generator material 21-the metal barrier material 22 Insulating structure of a thermo-cell characterized in that it has.
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