KR102389851B1 - 침지배터리 및 이를 포함하는 배터리 모듈 - Google Patents

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배준호
김영진
전민우
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은 유체에 침지되어 배터리의 손상시에도 폭발요인에 노출되지 않도록 하는 침지배터리에 관한 것으로서, 양 극이 전로에 의해 각각 연결된 전지부; 전로의 적어도 일부 및 전지부를 피복하는 실링부; 실링부에 의해 피복된 전지부를 수용하는 하우징; 및 하우징에 충진되어 전지부를 침지시키는 침지유체;를 포함하는, 침지배터리가 제공된다.

Description

침지배터리 및 이를 포함하는 배터리 모듈{WATER IN BATTERY AND BATTERY MODULE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 침지배터리 및 이를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소화 약제인 침지유체에 침지되어 배터리의 손상시에도 폭발요인에 노출되지 않도록 하는 침지배터리에 관한 것이다.
일반적으로 배터리는 전극을 연결하여 전기에너지를 공급하는 구성으로 효율을 증대하기 위한 연구가 개발되어 오고 있다. 배터리와 관련한 다양한 개발중에 안전성 문제는 지속적으로 중요하게 다루어지고 있으며, 특히 사용중 폭발하는 문제점이 가장 위험한 것으로 알려지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 폭발시 피해를 감소하기 위해 하우징에 기 결정된 구조를 갖추는 방식이나 폭발시에 불안정한 배터리 상태를 화학적인 수단으로 안정화 시키는 방법이 이용되기도 한다. 그러나 이는 폭발 후의 사후대책에 불과하며 폭발자체를 방지하는데에는 어려움이 있었다.
따라서, 배터리의 운용 환경을 폭발을 방지할 수 있는 환경에 노출시킴으로써 외력이나 내부적인 문제에 의해 손상의 발생 또는 내압의 증가에 따른 폭발시점에 도달하는 것을 방지하는 기술이 요구되고 있고 이에 대한 다양한 기술이 지속적으로 개발되는 것이 현실이다.
일반적인 금속재료들은 표면이 불연성 금속산화물로 덮여 있고 또한 열전도율과 열용량이 커서 그 일부가 가열되어도 산소 등의 지연성 가스 중이 아니면 발화하는 경우는 없으나, 일부 금속은 미분말(finepowder) 상태에서는 공기 중에서 가연성이 된다.
일반적으로 금속화재는 가연성 금속인 알류미늄(Al), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li) 등이 연소하여 화재가 발생하여 발생하는 것으로, 금속화재의 경우 지속되는 반응 및 물과의 상성으로 인하여 일반적인 방식으로 화재를 진압하기는 어려움이 존재한다.
금속화재를 진화하기 위해서는 금속화재용 소화약제(dry powder)를 사용해야 하며, 분말(dry chemical powder), 할론(halon), 물(water), 이산화탄소(carbon dioxide) 등의 소화약제는 금속화재의 적응성이 없다. 또한, 화재 발생 초기 화재 진화가 이루어지지 않을 경우 높은 화염 온도로 인해 접근이 어려워 화재 진화가 매우 어렵다. 특히, 물(water)계 소화약제 및 이산화탄소 소화약제는 연소 확대 및 폭발로 이어질 수 있어 사용을 금지하고 있다.
금속화재에 사용되는 분말 소화약제(Dry Powder)는 도포 시 금속 표면을 덮어서 산소의 공급을 차단하거나 온도를 낮추는 원리이다.　이러한 소화 원리를 만족시키기 위해서 금속화재용 소화약제는 고온에 견딜 수 있으면서도 냉각 효과가 있어야 하며, 요철 있는 금속 표면을 피복할 수 있어야 한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2021-0015328호 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0119548호
본 발명의 목적은 배터리에 노출되는 환경으로부터 산소를 차단하고 배터리가 내외부적인 요인에 의해 발생하는 열을 냉각하여 발화점에 도달하는 것을 방지함으로써 화재 및 폭발을 예방하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 침지배터리는 양 극이 전로에 의해 각각 연결된 전지부; 상기 전로의 적어도 일부를 피복하는 전로실링부 및 전지부 전체를 피복하는 전지실링부를 포함하는 실링부; 상기 실링부에 의해 피복된 상기 전지부를 수용하는 하우징; 및 상기 하우징에 충진되어 상기 전지부를 침지시키는 소화약제형 침지유체를 포함한다.
상기 하우징은, 상기 하우징 내부의 압력이 증가되는 경우, 기체가 상기 하우징 외측으로 배출될 수 있도록 하는 유출벤트를 더 포함할 수 있다.
상기 실링부는 수밀을 유지하고 기밀을 허용하여 상기 전지부 내부에서 발생하는 기체를 상기 침지유체 측으로 배기할 수 있는 것일 수 있다.
상기 침지유체는 수용액; 및 고분자 중합체를 포함할 수 있다.
상기 고분자 중합체는 수용성 고분자를 포함할 수 있다.
상기 고분자 중합체는 수용성 고분자를 기반으로 하여 망상 구조를 갖는 가교 결합된 폴리머일 수 있다.
상기 수용액은 상기 고분자 중합체 상에 흡수된 것일 수 있다.
상기 침지유체는 고체 분말 소화약제를 더 포함할 수 있으며, 열전도성 소재를 더 포함할 수 있으며, 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 첨가제는 가교제(corss-linking agent), 활성화제, 수분증발억제제 및 분사제 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리모듈은 상기의 침지배터리가 복수개 마련되고, 상기 전로에 의해 각각의 상기 침지배터리 간의 연결이 직렬로 구성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리모듈은 상기의 침지배터리가 복수개 마련되고, 상기 전로에 의해 각각의 상기 침지배터리 간의 연결이 병렬로 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리를 유체에 침지함으로써 배터리에 노출되는 환경을 무산소 환경으로 조성하여 화재 및 폭발을 예방하는 침지배터리를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체에 배터리가 침지됨으로써 내외부적인 요인에 의해 발생하는 열을 냉각하여 배터리가 발화점에 도달하는 것을 방지하는 침지배터리를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소화약제형 침지유체는 물을 포함하는 폴리머를 기반으로 하며, 화재진압에 이용가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 금속화재에 있어서, 안정적으로 금속화재를 진화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 침지배터리를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 침지배터리를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 침지배러리에 손상부가 발생한 상태를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 침지배터리 간 직렬연결이 이루어진 배터리 모듈을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수 개의 침지배터리 간 병렬연결이 이루어진 배터리 모듈을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체의 개략도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체을 이용한 금속 화재 진압 과정을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체의 금속 화재 진압 사진 이미지를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체에 금속을 침지하였을 때의 사진 이미지를 도시한 것이다.
도 10a는 본 발명의 대조군으로서 어떠한 처리도 하지 않은 일반 종이에 대한 화염방사에 따른 결과 사진 이미지를 도시한 것이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체를 코팅한 종이에 대한 화염방사에 따른 결과 사진 이미지를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체의 배터리 화재 모사 시험에서의 진압 결과 사진 이미지를 도시한 것이다
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하에서는 유체에 침지되어 배터리의 손상시에도 폭발요인에 노출되지 않도록 하는 침지배터리(100)인 본 발명에 대하여 설명하기 위해 다양한 실시예를 통해 설명하기로 한다. 그리고 각 실시예의 기본적인 구성인 도 1에 도시한 실시예를 기준으로 도 2 내지 도 5와 같이 변형실시예를 설명하기로 한다. 따라서, 별도의 설명을 생략한 경우에도 도 1에 표시된 실시예에 기재된 특징을 그 외 실시예에도 적용됨은 당연하다.
또한, 이하의 실시예는 실링부(110) 내에 전지부(140)가 하나 마련된 예시를 통해 설명하고 있으나, 이는 일 예일뿐이며, 실링된 전지부(140)는 하나 이상일 수 있다. 즉, 실링부(110)는 복수개의 전지부(140) 간 연결된 상태를 침치유체(130)로부터 수밀을 유지하면 수용할 수 있다. 이하의 도 1 내지 도 5를 통해 전술한 실시예를 대표하여 구체적인 본 발명의 실시예를 후술하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 침지배터리(100)를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 침지배터리(100)는 양 극이 전로(101)에 의해 각각 연결된 전지부(140), 전로(101)의 적어도 일부 및 전지부(140)를 피복하는 실링부(110), 실링부(110)에 의해 피복된 전지부(140)를 수용하는 하우징(120) 및 하우징(120)에 충진되어 전지부(140)를 침지시키는 침지유체(130)를 포함한다. 여기서 하우징(120)은 하우징(120)의 내외부를 구획하는 구성으로 독립적인 공간을 마련하고 하우징(120)은 기밀 및 수밀을 유지할 수 있다. 여기서 실링부(110)는 전로(101)의 적어도 일부를 피복하는 전로실링부(111) 및 전지부(140) 전체를 피복하는 전지실링부(112)로 구분할 수 있다. 이는 본 발명이 전지부(140)가 침지유체(130)에 완전침지되는 것을 전제로 하기 때문에 침지유체(130)에 접촉되는 전장인 전지부(140)는 물론이고, 하우징(120) 내로 인입되는 전로(101)의 일부도 실링되는 것이 유리하기 때문이다. 이하에서는 전로실링부(111)와 전지실링부(112)를 구분하지 않고 이를 포함하는 개념으로 실링부(110)로 통칭하여 표현하도록 한다.
실링부(110)는 수밀을 유지하고 기밀을 허용하는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로 평상시에는 전지부(140)의 수밀을 유지하고 기밀을 허용하는 것일 수 있다. 또한, 실링부(110)는 전지부(140) 내부에 발생되는 발생하는 기체(가스)를 침지유체(130) 측으로 배기할 수 있는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로 전지부(140)의 팽장 내지 열화 등과 같은 비상시에 전지부(140) 내부에서 발생된 기체(가스)를 하우징(120) 내 침지유제(130) 측으로 배출하는 것일 수 있다.
하우징(120) 내부에는 전지부(140)를 침지시키는 침지유체(130)가 수용될 수 있다. 침지유체(130)는 전지가 내외부의 요인에 의해 발열되는 경우 냉각시켜 전지부(140)의 안정화를 지속시키는 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 보다 비열이 높은 유체가 유리하며 열과 반응해도 연소위험이 없는 유체가 적용될 수 있다. 구체적인 예로, 침지유체(130)는 소화약제형 침지유체일 수 있다. 따라서, 발열되는 전지부(140)의 열을 냉각시키는데 적합하며, 용존산소량도 극미량에 해당하여 발화요건을 갖추는 것은 불가능하다고 할 수 있다.
한편, 연소가 성립하기 위해서는 탈물질, 발화점이상의 온도 및 산소가 요구된다. 여기서 전술한 침지유체(130)는 발화점이상의 온도를 제거함으로써 전지부(140)의 연소 즉, 폭발을 예방할 수 있다. 나아가. 침지유체(130)는 전지부(140)가 팽창하여 일방이 개방되는 경우에도 개방부를 통해 침지유체(130)가 유입되어 전지부(140) 내부에서 발생된 기체(가스)를 배출시키고, 증가되는 온도를 냉각시킬 수 있다. 이는 연소가 성립하기 위한 요건 중 산소의 차단으로서, 개방즉시 침지유체(130)가 유입되어 산소와의 접촉을 차단하게 된다.
또한, 전지부(140)가 원기둥의 형태를 가지고 있는 경우에 내압에 의해 일방이 개방되면 상기 일방은 구조적으로 원기둥의 높이방향 즉, 측방일 수 있다. 상기 측방이 개방된 형태로 원기둥의 높이방향을 따라 상기 측방이 개방될 수 있다. 따라서, 전지부(140)의 측면에는 전지부(140) 내측으로 유입될 수 있는 침지유체(130)가 위치되도록 하우징(120)의 중앙에 전지부(140)가 위치되어 하우징(120)의 내표면과 기 결정된 거리 이격되는 것이 바람직하다.
한편, 실링부(110)는 전지부(140)의 표면과 접하여 감싸도록 마련되는 것은 물론이고 소정길이만큼 전로(101)로 피복할 수 있다. 여기서 실링부(110)는 전지부(140)의 팽창에 의해 개방되는 방향과 함께 개방될 수 있다. 이는 전지부(140)의 개방에도 불구하고 실링부(110)의 개방이 미수행되면, 전지 내부의 팽창와 발열은 침지유체(130)의 유입없이 지속되므로, 전지부(140)는 과열될 수 있다. 극단적으로는 전지부(140) 내부에서 발생한 기체(가스)에 의해 팽창 및 발열이 지속되어 열폭주가 발생할 가능성이 있어, 이를 방지하기 위해 전지부(140)를 피복하는 실링부(110)는 전지부(140)의 팽창에 의한 개방과 함께 절개되어 개방되도록 한다.
이러한 효과를 보다 증대하기 위해 피복은 결방향을 가지는 소재로 마련되어 결과 수직방향으로 팽창되는 힘의 작용에 의해 개방될 수도 있다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니고 소재 또는 구조적으로 기 결정된 시점에 개방을 도모할 수 있도록 설계변경될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 침지배터리(100a)를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 하우징(120)은, 하우징(120) 내부의 압력이 증가되는 경우, 기체가 하우징(120) 외측으로 배출될 수 있도록 하는 유출벤트(121)를 더 포함할 수 있다. 상기 유출벤트(121)는 하우징(120)의 일측에 마련될 수 있고, 하우징(120) 내의 내압이 증가하면 하우징(120) 외부 압력에 대응되도록 개방되어 기체를 배출할 수 있다. 물론, 내압의 증가는 전지부(140)가 팽창하여 발생하는 기체에 의한 것일 수 있다.
여기서 팽창은 전지부(140)에 의한 것일 수 있고, 구체적으로 전지부(140)의 내부에서 기체가 생성되어 배출되면 배출되는 순간 하우징(120) 내부 체적이 증가되어 침지유체(130)가 유출벤트(121)로 배출될 수 있다. 침지유체(130)의 하우징(120) 외부로의 배출은 하우징(120) 외측의 주변 전장으로 영향을 미칠 수 있으므로, 액체상태의 침지유체(130)는 배출되지 않도록 한다.
또한, 유출벤트(121)는 침지배터리의 손상에 따른 폭발시 초기 압력을 분산하여 하우징(120)의 파손을 방지함과 동시에, 하우징(120) 외부로의 압력배출을 유도하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 유출벤트(121)는 복수 개가 마련되는 것일 수 있으며, 복수 개의 유출벤트(121)을 마련함으로써 압력을 분산시킬 수 있다. 유출벤트(121)는 폴리머 소재 또는 플라스틱 소재로 밀폐되는 것일 수 있으며, 이러한 밀폐를 통하여 정상적인 작동상태인 일반 운전 조건 하에서 수밀상태를 유지하는 것이며, 폭발시에는 유출벤트(121)가 개방되어 압력을 분산하는 것일 수 있다.
또한, 기체(131)가 하우징(120) 내에 수용되는 경우에도 전지부(140)는 침지유체(130)에 의해 침지되는 상태를 유지할 수 있고, 기체(131)는 하우징(120) 내부 상방의 일부체적만 차지할 수 있다.
앞서 설명한 도 1 및 도 2와 같은 예시에서, 본 발명의 실시예에 포함된 실링부(110)는 수밀을 유지하고 기밀을 허용하여 전지부(140) 내부에서 전지의 정상범주 내에서 이용되는 중에 발생하는 미량의 기체(가스)는 침지유체(130) 측으로 배기될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 침지배터리(100)에 손상부(S)가 발생한 상태를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 전지부(140)의 내외부 요인에 의해 전지부(140)에 손상이 발생하는 경우 전지부(140)는 내부가 개방됨으로써 외측으로 노출될 수 있다. 이때 전술한 바와 같이 실링부(110)도 전지부(140)의 표면과 함께 개방되어, 전지 내부는 외측으로 노출되고, 노출된 내부로 침지유체(130)가 유체유입방향(F1)으로 유입될 수 있다. 물론, 개방시에는 기체배출방향(F2)으로 기체(가스)의 배출이 발생하므로, 발생된 기체는 유체 내에서 비중에 의해 상방으로 이동될 수 있다. 상방으로 이동된 기체는 도 2를 통해 설명한 예시에 의하면 유출벤트(121)에 의해 하우징(120) 외측으로 배출될 수 있다. 이러한 메커니즘을 통해 전지는 냉각 및 산소의 차단이 이루어지면서 연소조건을 불충족하여 열폭주 현상은 물론, 폭발이 방지될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 침지배터리(100) 간 직렬연결이 이루어진 배터리 모듈(10)을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 제2태양의 다른 실시예에 따른 복수 개의 침지배터리(100) 간 병렬연결이 이루어진 배터리 모듈(10a)을 나타낸 도면이다. 본 예시는 도 1을 통해 설명한 예시로 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 앞서 도 1 및 도 2를 통해 설명한 침지배터리(100)가 복수개 마련되고, 전로(101)에 의해 각각의 침지배터리(100) 간의 연결이 직렬로 구성된 배터리 모듈(10)이 마련될 수 있다. 또한, 상기에 기재된 침지배터리(100)가 전로(101)에 의해 병렬로 연결이 구성되는, 배터리 모듈(10a)이 마련될 수 있다. 여기서 병렬로 연결되는 구성은 복수 개의 침지배터리 중 하나 이상(예를 들어, 100)이 정상적으로 운용되면 전력의 공급중에도 나머지 침지배터리(예를 들어, 200, 300, 400)를 교환 및 수리를 할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 침지유체(130)은 수용액; 및 고분자 중합체를 포함한다.
상기 수용액은 상기 고분자 중합체에 흡수되는 것일 수 있으며, 상기 고분자 중합체의 망상 구조 상에 위치하는 것일 수 있다. 상기 수용액은 상기 고분자 중합체의 고분자 사슬의 친수성 작용기와 결합되는 것일 수 있으며, 일례로서, 상기 고분자 사슬의 친수성 작용기와 수소 결합하는 것일 수 있다.
상기 수용액은 물(water)을 기반으로 하는 용액일 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 수용액은 증류수(DI water), 해수, 소금물 또는 식염수일 수 있으며, 상기 수용액은 높은 비열로 인하여 냉각 효과를 제공하여 화재 진압을 용이하게 하며, 본 발명의 화재 소화약제 조성물의 다른 구성요소(고분자 중합체, 분말소화약제, 첨가제 등) 들이 화재에 의하여 타는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 수용액은 연소물(ex: 금속 등)과의 높은 반응성으로 인하여 연소에 필요한 물질을 제거할 수 있다.
특히, 상기 수용액으로 물(water)(증류수(DI water), 해수, 소금물 또는 식염수)은 상온에서 끓는점까지 도달 시, 온도변화에 필요한 열에너지(418 J/g)뿐 아니라 상변이에 필요한 에너지(2,257 J/g) 또한 매우 커 냉각제로서의 효과가 뛰어나다.
상기 고분자 중합체는 연소물(화재 발생 물질)에 대하여 피복을 형성하며, 연소에 필요한 외부 산소를 차단시키는 것과 동시에, 상기 수용액의 침투를 지연시켜 연소물의 폭발 속도를 완화시킬 수 있다.
상기 고분자 중합체는 수용성 고분자를 포함할 수 있으며, 상기 수용성 고분자는 상기 수용성 고분자는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리아크릴산나트륨(Sodium polyacrylate), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide), 폴리(에틸렌 말레산 무수물)(Poly(ethylene/maleic anhydride)), 폴리에닐렌글리콜(polyethylene oxide) 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 고분자 중합체는 가교 결합된 폴리머(crosslink polymer)일 수 있으며, 보다 상세하게는 상기 수용성 고분자를 기반으로 하는 망상 구조를 갖는 가교 결합된 폴리머일 수 있다.
상기 고분자 중합체는 망상 구조(network structure)를 가지는 것일 수 있으며, 상기 망상 구조는 상기 수용액과 같은 극성 용액(용매)(ex: 증류수)을 흡수할 수 있는 구조일 수 있다. 상기 망상 구조는 빈 공간(empty)을 형성하여 상기 수용액이 빈 공간에 위치하도록 하는 것일 수 있다.
이를 통하여, 상기 고분자 중합체는 연소물에 피복을 코팅하여 연소에 필요한 외부 산소를 차단함과 동시에, 수용액의 침부 속도를 지연시켜서 연소물과의 반응속도를 완화시킬 수 있다.
상기 고분자 중합체는 고분자 사슬 및 가교분자에 의하여 상기 망상 구조를 형성하는 것일 수 있으며, 상기 고분자 사슬은 친수성 작용기(functional group)를 포함하는 것일 수 있다. 일례로서, 상기 친수성 작용기는 물(water)과의 수소 결합(hydrogen bonding)를 형성하는 것일 수 있으며, 상기 친수성 작용기는 -CN, -COOH 또는 -OH일 수 있다. 상기 고분자 사슬은 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리아크릴산나트륨(Sodium polyacrylate), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide), 폴리(에틸렌 말레산 무수물)(Poly(ethylene/maleic anhydride)), 폴리에닐렌글리콜(polyethylene oxide) 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 중 어느 하나 이상일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)의 개략도를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)는 고분자 중합체(131)가 가교 결합된 폴리머(crosslink polymer)로서 구성되며, 고분자 중합체(131) 내 망상 구조의 빈 공간에 수용액(ex: 물)(132)이 존재하는 것일 수 있다. 고분자 중합체(131)는 복수 개의 고분자 사슬(131a)과 가교 분자(131b)에 의하여 가교 결합을 형성하며, 이를 통하여 망상 구조를 형성하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)는 분말소화약제를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 분말소화약제는 높은 중량으로 외부의 산소 차단 및 냉각이 가능하며, 녹는점이 높으므로 상기 고분자 중합체 대비 연소물 표면에 흡착되는 것이 용이하다. 이를 통하여, 고온에서 융용되어 연소물에 피막을 형성하여 산소를 차단시킬 수 있다.
상기 분말소화약제는 고체 분말 소화약제일 수 있으며, 상기 고체 분말 소화약제는 흄드 실리카(Fuemd Silica) 분말, 질석(vermiculite) 분말, 팽창 글라스 분말 또는 염화소듐(NaCl) 분말일 수 있다. 상기 흄드 실리카는 친수성(Hydrophilic) 흄드 실리카 또는 소수성(Hydrophobic) 흄드 실리카일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)은 열전도성 소재를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 열전도성 소재는 흑연(graphite) 또는 염화나트륨(NaCl)을 포함하는 것일 수 있다. 상기 열전도성 소재는 화재 소화약제 조성물의 열전도성을 높여 온도 감소에 유리하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제 조성물은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 가교제(corss-linking agent), 활성화제, 수분증발억제제 및 분사제중 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 가교제는 화재 진압시 폭발의 규모를 감소시킴과 동시에, 상기 고분자 중합체를 고정하는 것일 수 있으며, 상기 가교제는 붕산(Boric Acid) 또는 붕사(Borax)일 수 있다.
상기 활성화제는 상기 가교제의 가교역할을 촉진하는 것으로, 상기 활성화제는 탄산수소나트륨(Sodium Hydrogen Carbonate)일 수 있다.
상기 수분증발억제제는 수용액(증류수, 소금물 또는 식염수)의 기화를 억제하는 것으로, 상기 수분증발억제제는 글리세린(Glycerin)일 수 있다.
상기 분사제는 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)을 폼(foam) 형태로 분사하기 위한 것으로, 상기 분사제는 비활성 물질일 수 있으며, 상기 분사제는 Ar 및/또는 N2 일 수 있다.
일례로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제 침지유체(130)를 이용한 화재 진압 모식도를 도 7에 도시하였다.
도 7을 참조하면, 금속 물질(1) 표면에서 화재(2)가 발생(S100)된 이후, 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)을 발생된 화재(22) 위에 분사시킨다(S200).
이후, 침지유체(130)의 상의 고분자 중합체(131) 내 망상 구조의 빈 공간에 위치하는 수용액(ex: 물)(132) 중 화재(2)와 가까운 쪽에 위치하는 수용액(132)은 화재(2)의 열기에 의하여 증발된다(S300).
수용액(132)의 증발에 따라 화재(2)와 가까운 쪽의 고분자 중합체(131)의 고분자 사슬(131a)은 화재(2) 상부를 덮어 산소의 접촉을 차단시킨다(S400).
고분자 중합체(131) 내 잔류하고 있는 수용액(132)은 화재(2) 상부를 덮고있는 고분자 사슬(131a) 쪽으로 이동하여 고분자 사슬(131a)이 연소되는 것을 방지하고 동시에 화재(2)의 온도를 낮추는 역할을 한다(S500).
이후 최종적으로, 고분자 중합체(131) 내 수용액(132)이 모두 증발되면 화재(2)는 모두 진압되고, 고분자 중합체(131)가 금속(1) 표면 상부에 피복형태로 코팅되어 잔류한다(S600).
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 실시예는 본 발명의 이해를 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예 1. 화재 소화약제형 침지유체의 제조방법
증류수(Distilled Water) 4.25 g(4.25 mL, 밀도 1 g/mL 기준)에 폴리비닐알코올(PVA) 분말 0.75 g을 투입하여 50 ℃에서 6 시간(hr) 이상 교반시켜 제1 용액을 제조한다.
증류수(Distilled Water) 25 g(25 mL, 밀도 1 g/mL 기준)에 탄산수소나트륨(Sodium Bicarbonate) 0.1 g, 흄드 실리카(Fumed Silica; SiO2)(Hydrophilic) 1 g, 붕산(Boric Acid) 0.1 g을 투입하여 혼합한 제2 용액을 제조한다.
제1 용액과 제2 용액을 혼합하여 2 분(min) 동안 교반하여 화재 소화약제형 침지유체(130) 조성물을 제조한다.
실험예 1. 화재 소화약제형 침지유체(130)의 분무 시험
리튬 금속(Li Metal)에 화재를 발생시킨 후, 리튬 금속 상에 상기 실시예 1에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)을 분무하였을 때, 화재가 진압된 결과를 확인하였으며, 확인 결과를 도 8에 도시하였다.
도 8의 (a)를 참조하면, 화재 진압 직후의 사진 이미지이며, 리튬 금속(Li Metal) 상에 상기 실시예 1에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)의 고분자 중합체인 PVA가 고분자 코팅층(Polymer Coating)을 형성하였을 확인할 수 있으며, 리튬 금속(Li Metal) 표면에 고분자 코팅층(하얀색)이 형성되어 산소를 차단하여 화재 및 격렬한 반응을 억제시키는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8의 (a)를 참조하면, 리튬 금속(Li Metal) 주변으로 상기 실시예 1에 따른 화재 소화약제 조성물의 물(Water)(증류수)이 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 고분자 중합체의 유동성을 제공하고 동시에 고분자 중합체의 온도를 낮추어 고분자 중합체가 연소되는 것을 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 8의 (b)를 참조하면, 화재 진압 이후 소정의 시간이 경과한 이후의 사진 이미지이며, 리튬 금속(Li Metal)이 천천히 물과 반응하여, 모든 물이 증발하였을 때 리튬 금속 전체가 반응되어 없어지며, 코팅된 고분자만 잔류하게 되는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2. 소화약제 침지 시험
대조군으로서 일반적인 물(증류수)과, 상기 실시예 1에 따른 화재 소화약제 조성물 각각에 대하여 리튬(Li) 금속을 침지하였을 때의 반응 결과를 확인하였으며, 반응 결과를 도 9에 도시하였다.
도 9의 (a)는 대조군으로서 일반적인 물(증류수)에 리튬(Li) 금속을 침지한 경우이며, 도 9의 (b)는 상기 실시예 1에 따른 화재 소화약제 조성물 각각에 대하여 리튬(Li) 금속을 침지한 경우이다.
도 9의 (a)를 참조하면, 리튬(Li) 금속을 물(증류수)에 침지하는 즉시 격렬히 반응하는 것을 확인할 수 있다.
이에 비하여, 도 9의 (b)를 참조하면, 리튬(Li) 금속을 상기 실시예 1에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)에 침지하는 경우, 리튬(Li) 금속 표면에 폴리머와 세라믹(SiO2)이 피막이 코팅(형성)되어 반응이 저하됨(도 9의 (b) 삽도)을 확인할 수 있으며, 이를 일반적인 물(증류수)에 침지시에도 형성된 피막에 의하여 격렬한 반응이 발생되지 않는다.
실험예 3. 화재 소화약제형 침지유체 코팅에 따른 화재 시험
대조군으로 어떠한 처리도 하지 않은 일반 종이와, 상기 실시예 1에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)를 코팅한 종이에 대하여 화염방사에 따른 화재 발생여부를 확인하였으며, 확인 결과를 도 10a 및 도 10b에 도시하였다.
도 10a는 대조군으로서 어떠한 처리도 하지 않은 일반 종이에 대한 화염방사에 따른 결과 사진 이미지이며, 도 10b는 상기 실시예 1에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)를 코팅한 종이에 대한 화염방사에 따른 결과 사진 이미지이다.
도 10a를 참조하면, 화염 방사 즉시 화재가 발생되며, 종이 모양이 변형되며 검정색의 그을림(scorch) 또는 재(ashes)가 발생되고 주변 영역으로 화재가 전이되는 것을 확인할 수 있다(도 5a의 오른쪽 이미지).
도 10b를 참조하면, 상기 실시예 1에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)를 코팅 내지 도포함에 따라 화재가 발생이 잘 일어나지 않으며, 주변 영역으로 화재가 전이되지 않고 진화되는 것을 확인할 수 있으며, 연소 반응속도가 현저히 저하됨을 확인할 수 있다(도 5b의 오른쪽 이미지 빨간 원).
실험예 4. 금속 화재진압 시험
전해액(1.2M LiPF6 in DEGDME 3mL), 분리막(PP Separator 0.1g), 금속(Li Metal 0.12g)으로 침지배터리(battery)의 화재 상황를 모사하였으며, 이에 대하여 각각 일반적인 물(증류수)와 상기 실시예 1에 따른 화재 소화약제형 침지유체(130)을 분사하여 화재진압을 확인하였으며, 확인 결과를 도 11에 도시하였다.
도 11의 (a)는 침지배터리 화재 상황을 모사하여 화재를 발생시킨 이미지이며, 도 11의 (b)는 일반적인 물(증류수) 5 mL 분사(왼쪽 시료)하고 상기 실시예 1에 따른 소화약제형 침지유체(130) 5 mL(오른쪽 시료)를 분사하는 이미지이며, 도 11의 (c)는 일반적인 물(증류수)의 분사후 화재 진압정도(왼쪽 시료)와 상기 실시예 1에 따른 소화약제형 침지유체(130)의 분사후 화재 진압정도(오른쪽 시료)를 도시한 이미지이다.
도 11을 참조하면, 일반적인 물(증류수)를 분사하는 경우 화재가 더 크게 발생되었으며(도 11의 (c) 왼쪽 시료), 상기 실시예 1에 따른 소화약제형 침지유체(130)를 분사하는 경우 화재가 즉시 진압되는 것(도 11의 (c) 오른쪽 시료)을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10, 10a : 배터리 모듈
100, 100a, 200, 300, 400 : 배터리
101 : 전로
110 : 실링부
120 : 하우징
121 : 유출벤트
130 : 침지유체
131 : 이종유체
140 : 전지부
F1 : 유체유입방향
F2 : 기체배출방향
S : 손상부

Claims (13)

  1. 양 극이 전로에 의해 각각 연결된 전지부;
    상기 전로의 적어도 일부를 피복하는 전로실링부 및 전지부 전체를 피복하는 전지실링부를 포함하는 실링부;
    상기 실링부에 의해 피복된 상기 전지부를 수용하는 하우징; 및
    상기 하우징에 충진되어 상기 전지부를 완전침지시키는 소화약제형 침지유체를 포함하는,
    침지배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 하우징 내부의 압력이 증가되는 경우, 기체가 상기 하우징 외측으로 배출될 수 있도록 하는 유출벤트를 더 포함하는 것인,
    침지배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실링부는 수밀을 유지하고 기밀을 허용하여 상기 전지부 내부에서 발생하는 기체를 상기 침지유체 측으로 배기할 수 있는 것인,
    침지배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 침지유체는 수용액; 및 고분자 중합체를 포함하는 것인,
    침지배터리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 중합체는 수용성 고분자를 포함하는 것인,
    침지배터리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고분자 중합체는 수용성 고분자를 기반으로 하여 망상 구조를 갖는 가교 결합된 폴리머인 것이며,
    상기 고분자 중합체의 고분자 사슬은 상기 수용액과 수소 결합을 형성하는 친수성 작용기를 포함하며,
    상기 수용액은 상기 고분자 중합체의 망상 구조 상에 위치하는 것인,
    침지배터리.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 수용액은 상기 고분자 중합체 상에 흡수된 것인,
    침지배터리.
  8. 제4항에 있어서,
    고체 분말 소화약제를 더 포함하는 것인,
    침지배터리.
  9. 제4항에 있어서,
    열전도성 소재를 더 포함하는 것인,
    침지배터리.
  10. 제4항에 있어서,
    첨가제를 더 포함하는 것인,
    침지배터리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 첨가제는 가교제(corss-linking agent), 활성화제, 수분증발억제제 및 분사제 중 어느 하나 이상을 포함하는 것인,
    침지배터리.
  12. 제1항에 기재된 침지배터리가 복수개 마련되고, 상기 전로에 의해 각각의 상기 침지배터리 간의 연결이 직렬로 구성되는, 배터리모듈.
  13. 제1항 기재된 침지배터리가 복수개 마련되고, 상기 전로에 의해 각각의 상기 침지배터리 간의 연결이 병렬로 구성되는, 배터리모듈.
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