KR102627450B1 - 전기 자동차용 배터리 화재 및 열폭주 차단시트 제조방법 및 그 제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 자동차용 배터리 팩에서 화재(열)나 폭발시 탑승객의 대피(또는 탈출) 시간을 확보할 수 있는 항인장 특성과 열차단 특성을 갖춘 가요성 열폭주 방지시트 제조방법 및 그 제품에 관한 것이다.

Description

전기 자동차용 배터리 화재 및 열폭주 차단시트 제조방법 및 그 제품{Manufacturing Method For Battery Fire And Thermal Runaway Blocking Sheet For Electric Vehicle And Product Thereof}

본 발명은 전기 자동차용 배터리 팩에서 화재(열)나 폭발시 탑승객의 대피(또는 탈출) 시간을 확보할 수 있는 방지시트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 항인장(인열) 특성과 열차단(단열) 특성을 갖춘 가요성 열폭주 방지시트 제조방법 및 그 제품에 관한 것이다.

자동차 산업에서는 내연 기관을 전기 모터 또는 전기 모터와 내연 기관의 결합으로 교체함으로써 차량 배출물의 저감 또는 완전히 제거함으로써 자동차의 환경에의 충격을 감소시키는 추세에 있다.

그러나, 전기 모터의 사용은 높은 에너지 밀도, 긴 수명 및 다양한 작동 조건을 구비한 저가의 재충전가능한 배터리(축전기)에 대한 필요성을 증대시키므로 변속기 기술에서의 이러한 이동은 기술적 장애물이 되고 있다.

또한, 차량의 배터리가 차량 운행 중이나 주차 동안 불합리한 건강상의 위험을 초래하거나 이유없는 위해를 발생하지 않는 것이 중요하다.

리튬-이온 셀(cell)과 같은 재충전가능한 배터리는 기본 셀보다 더욱 열적 폭주에 취약하다. 방출될 수 있는 열보다 더 많은 열이 발생되는 지점까지 내부 반응속도가 증대될 때 열 폭주가 발생하여 반응속도와 열 발생을 모두 더욱 증대시킨다.

그 결과 발생된 열이 배터리를 파괴할 정도로 충분히 크게 된다(예컨대, 과도한 압력(폭발)이나 가스 방출에 의해 화재발생으로 심화될 수 있다.

열 폭주는, 예컨대, 셀 내에서의 단락, 셀의 부적절한 사용, 제조 결함 또는 극도의 외부 온도에 의하여 야기될 수 있다. 다수의 배터리 셀들을 채용한 전기 차량에서 배터리 팩이 사용되는 경우, 차량 사고는 배터리 팩 내에서의 다수의 셀들의 동시적인 열 폭주의 원인일 수 있다.

열 폭주 동안, 급속히 다량의 열 에너지가 방출되고, 전체 셀을 850℃ 이상의 온도로 가열되게 된다. 열 폭주된 셀의 증가된 온도는 또한 배터리 팩 내의 인접한 셀의 온도를 증가시키게 되는데 인접 셀들의 온도가 저지되지 않고 증가하면, 인접 셀들도 열 폭주될 수 있다. 이러한 누적 효과에 의하여 단일 셀이 열 폭주를 경험할 때, 전체 배터리 팩 내의 모든 셀이 열 폭주를 경험하게 된다.

열 폭주의 위험을 감소시키거나 열 폭주 전파의 위험을 감소시키기 위해 여러 가지 방안들이 제시된 바 있다.

배터리 팩들은 배터리 셀들을 보호하도록 기능하고 공기 조건에 따라 배터리 셀을 제어하도록 기능하는 장치를 포함하는 인클로져를 가지는 것이다. 특수 디자인된 인클로져를 구비함으로써 주차 및/또는 운행 동안의 단락 위험이 감소될 수 있다.

일 예로, US 2005/01700238 A1은 유리섬유 강화 플라스틱으로 제조된 배터리 하우징을 제안하고 있다.

US 2012/0225331 A1은 안정한 재료의 하우징 내측에 폴리머 코팅된 유리섬유 재료의 보호층이 배치된 배터리 팩을 제안하고 있는데, 배터리가 파손되면 패브릭이 발생되는 가스를 보유하고, 하우징이 생성되는 힘을 흡수한다.

이외에도 US 2011/0192564 A에 의해 배터리를 보호하기 위한 복합 시스템이 제안된바 있다. 복합 시스템은 위 문헌의 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 상부층은 접착층이고 이를 통해 배터리와 같은 전기에너지 저장장치에 복합 시스템이 접합된다. 접착층에 이어서 발포층이 배치되고, 이는 다시 외부층에 연결된다.

전술한 외부층은 비직조 유리섬유일 수 있다. 이러한 배치에서 발포층의 형태로 단열 작용을 수행하는 화합물이 선택적으로 존재할 수 있다.

전술한 US 2016/0192564 A에서 공지된 구조는 가열 효과의 면에서, 단열작용을 수행하는 화합물은 단지 복합 시스템 내에서만 작용할 수 있으므로, 그의 기능이 제한되는 불리함이 있다는 것이다. 그래서 단열 화합물의 배터리에 대한 직접 작용은 화재 방지층과 배터리 사이에 제공된 접착층에 의해 제한된다.

이외에도 US 2011/064997 A에서 하우징 내에 구비된 배터리가 공지되어 있다. 전술한 하우징은 전기화학적 셀에 직접 접촉하는 이오노머층에 의하여 형성되고, 더 외측으로(즉, 전기화학적인 셀의 반대측의 이오노머층 측에) 비직조 유리섬유가 제공된다. 전술한 이오노머층은 그래파이트와 같은 팽창성 성분을 포함할 수 있다.

그리고 전술한 비직조 유리섬유는 이와 같이 지지층으로 사용되고 전기화학적인 셀(배터리)의 하우징에 직접 사용되지 않았다. 종래 기술에서 공지된 이러한 복합 시스템은, 캐리어 재료로 사용된 비직조 유리섬유가 충분한 강성을 가지지 못하므로 구조적으로 안정한 복합 시스템의 엠보싱은 불가능하다는 불리함이 있고, 또한, 팽창성 화합물이 제공된 이오노머층의 제조는 복잡하고 가격이 고가이다.

이외로 WO 2014/018107A는 열적이고 음향 차단에 사용되는 화재 장벽으로서의 라미네이트에 관한 것으로, 이 실시예에서, 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone) 필름에는 일 측에서 면포와 열적인 시일이 제공되고 폴리에테르에테르케톤 필름의 다른 측에는 실리콘 접착층, 유리섬유층 및 화재 방지층이 구비된다.

그러나, 6개 부재의 라미네이트 제조는 특히 실리콘 접착층에 우선 유리섬유 패브릭이 도포되고 이어서 화재 방지층이 별도 공정단계에서 도포되기 때문에 고가이다. 또한 복합 재료는 상기한 층들의 어느 것도 충분한 강성을 가지지 못하므로 소성변형에 적합하지 않다.

이외로, JP H07300912A는 해당 문헌의 도 2에 도시된 바와 같은 복합 시스템을 제안하고 있다. 이에 따르면, 캐리어층을 나타내고 유리섬유 패브릭 층으로 형성되는 하부층에 접착층이 도포되어 있다. 이어서, 접착층 위에 열 감소층이 배치된다. 이러한 열 감소층은 차단제를 포함할 수 있다. 이어서, 비 연소층이 배치된다.

이 같은 복합체는 기판 재료로서 유리섬유 패브릭을 포함하는 데, 이는 일반적으로 소성변형에 대해 충분한 강성을 가지지 못할 뿐만 아니라 더나가 제조가 복잡하고 비용이 고가이다.

US 5,735,098는 단열작용을 수행하는 화합물과 유리 섬유를 포함하는 화재 방지조성물을 제안하고 있으나, 위 화재방지조성물은 비직조 유리섬유를 포함하지 않을 뿐만 아니라 생성되는 복합체를 소성변형시키기 위한 충분한 강성을 지닌 캐리어 재료도 포함하고 있지 않다.

그래서, 배터리 셀을 포함하는 장치의 다른 부품들로 열 및/또는 화재가 전파하는 것을 방지하기 위하여 배터리 팩의 하나 이상의 배터리 셀들의 열 폭주에 기인하여 발생하는 열 및/또는 화재를 감소 또는 제거하기 위한 해결방안을 여전히 필요로 한다. 이를 해결하기 위한 방안으로는 외부 화재가 배터리 팩으로 전파하는 것을 방지하거나 적어도 제한하는 것이다.

전술한 배터리 팩은 하우징, 적어도 하나의 재충전가능한 리튬 이온 배터리, 화재 방지 장치로서,

(a) 복합 시스템으로서,

(a1) 캐리어 층,

(a2) 접착제 층, 및

(a3) 적어도 하나의 내열 화합물을 포함하는 화재 방지층을 포함하는 복합 시스템 및

(b) 내부에 복합 시스템이 배치되는 쉘을 포함하는 화재방지장치를 포함한다.

이외에도 최근에 시도되고 있는 화재방지장치로 상/하층을 구성하는 가요성 그라스 화이버 또는 현무암 화이버 사이에 흑연, 규사, 금속분말 층을 포함하는 열폭주방지시트가 시도되고 있다.

그러나, 열폭주방지시트는 불연특성과 단열특성 및 폭발에 대한 항인열(또는 항인강성) 특성이 요구되고, 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈 사이나 그 둘레 및 배터리 모듈과 차체 사이에 적용할 수 있도록 가요성을 요구한다.

전술한 가요성 열폭주방지시트는, 도 1에 도시된 바와 같이 그라스 화이버 또는 현무암 화이버 중 어느 한 종으로 구성된 가요성 인열시트(12)와 양 인열시트(12) 사이에 흑연분말, 규사분말, 금속분말 또는 이들을 혼용한 열차단재(11)를 포함하는 형태로 제조되어 인열시트(12)에 의해 항 인열특성(또는 항 인장특성)를 구비하고, 열차단재(11)에 의해 열차단특성이 갖는다.

그래서, 배터리와 차량의 탑승자 사이에 전술한 열폭주방지시트(10)는 설치하여 배터리 셀(도면에는 미도시)에서 화재가 발생하더라도 탑승자가 안전하게 차량 밖으로 탈출 할 수 있는 시간동안 화재 및 열을 효과적으로 차단할 수 있다.

그러나, 전술한 양 인열시트(12) 사이에 배치되는 열차단재(11b)는 파우더 형태이므로 접착제로 인열시트(12)와 접합시킬 수 없기 때문에 이를 위해 도 1에 도시된 바와 같이 열차단재 접합을 위하여 시트(11)가 사용되어 왔다.

구체적으로, 열차단재 결합용 시트(11)의 표면을 격자 형태로 구획하고 구획된 격자의 내부에 단열재료(11b, 흑연분말, 규사분말, 금속분말)를 충진한 후 사\하부의 격자의 테두리(11a) 표면에 접착제를 바른 후 양 인열시트(12) 표면에 접착시키는 방법이 시도되었다.

그러나, 위와 같은 방식으로 제조되는 열폭주방지시트(10)는 격자형태의 포켓(도면부호 미표기)을 가로질러 절단하는 경우 단열재료(11b)가 밖으로 유출되기 때문에 그렇게 되지 않도록 실제 사용할 크기 보다 더 크게 격자의 테두리 표면을 따라서 여유 있게 재단하고 시공시 여분를 시접하는 방식으로 적용한다.

이처럼 종래의 열폭주방지시트는 실사용 크기보다 더 크게 재단하여 사용하기 때문에 낭비적 문제가 있을 뿐 아니라 격자형 테두리 표면적 만큼 열차단 효과가 감소되고, 또한 제조공정이 복잡하며, 그라스 화이버 또는 현무암 화이버는 고가인 점에서 채용하기 곤란한 뚜렷한 단점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 창안하기에 이르렀고 관록할 만한 성과가 있어 이를 본 발명을 통해 제안하려고 한다.

본 발명은 전기 자동차용 배터리 팩의 화재나 폭발로부터 탑승객을 보호할 수 있는 열폭주 방지를 위한 방지시트 제조방법을 제공하려는 것으로, 특히 항 인장특성과 열차단 특성을 갖춘 가요성 열폭주 방지시트 제조방법 및 위 방법에 의해 제조된 제품을 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상대적으로 제조가 간소하고 제조가 매우 저렴한 열폭주 방지시트 제조방법과 위 방법에 의해 제조된 제품을 제공하려는 것이다.

바람직한 실시 예에 따른 본 발명의 해결수단은,

가요특성을 지닌 그라스 울 화이버, 부직포 섬유, 아라미드 섬유, 셀룰로스 섬유, 유기 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 탄소 섬유 중 어느 한 종 또는 그 것을 혼용하여 직조된 인열시트와;

흑연분말, 모래분말, 금속 파우더 중 어느 한 종 또는 그 것들을 혼용한 열차단재를 상기 인열시트를 중첩시킨 사이에 내장되도록 한 열폭주 방지시트로서, 열폭주 방지시트(100) 제조방법은 도 4에 도시된 바와 같이 인열시트(101)가 감긴 양 롤러(R1)로부터 배출되는 각각의 인열시트(101) 사이에 열차단재(102) 파우더를 평탄해지도록 살포한 후 후속적으로 양 인열시트(101)를 합체롤러(R2)를 통과하여 합체한 뒤 합체된 인열시트(101)를 연속적으로 니들(120)로 계속 펀칭한다.

이렇게 하면, 양 인열시트(101)의 섬유가 열차단재(102)를 관통하여 대응되는 인열시트(101)의 섬유와 서로 엉키면서 열차단재(102)가 유출되지 않는 열폭주 방지시트(100)로 제조되고, 제조된 시트는 권취롤러에 일괄 권취된다.

본 발명에 따르면, 고가인 탄소 화이버로 제조되는 열폭주 방지시트를 수지 함침 또는 수지 스프레이에 의해 가요특성과 항 인열특성 및 항 단열특성 등 열폭주 방지시트가 요구하는 성능을 갖출 수 있을 뿐 만 아니라 열폭주 방지시트의 제법이 매우 간소하게 제조할 수 있고 제조가 매우 용이하다. 그래서 제조비용을 혁신적으로 줄일 수 있는 열폭주 방지시트를 제공한다.

또한 본 발명에 의해 제조된 열폭주 방지시트는 어느 표면을 재단하더라도 열차단재가 밖으로 유출되는 일이 전혀 없기 때문에 실사용 사이즈로 재단하여 적용할 수 있기 때문에 종래와 같이 여분을 시접처리를 할 필요가 없고 빠른 시공과 깔끔한 시공부위를 제공한다.

또한, 본 발명에 따라 제조되는 인열재는 수지 함침 또는 수지 스프레이에 의해 가요특성과 항인열특성을 확보할 수 있기 때문에 제조비용을 혁신적으로 줄일 수 있을 뿐 아니라 가요특성과 항 인열특성과 항 단열특성이 갖는 열폭주 방지시트를 제공한다.

도 1은 종래의 열폭주 방지시트의 구조를 도시한 분해사사도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열폭주 방지시트의 구조를 도시한 분해사사도이다.
도 3은 본 발명에 따른 니틀 펀칭을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 열폭주 방지시트의 제조하는 과정을 도시한 요부 단면도이다.

본 명세서에서, 포함한다, 구비한다, 갖추고 있다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 결합되어 있다 또는 장착되어 있다고 기술되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.

본 명세서 중 실시 예에 따른 구성요소에 따른 용어는 단지 예시한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 그 용어로 한정하지 않는다. 또한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념을 보다 용이하게 설명하고 이해되도록 기술한 것일 뿐 예시한 실시 예들을 제한하는 것이 아님을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명에 따른 전기 자동차용 배터리 화재 및 열폭주 차단재 제조방법 및 그 제품에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2와 도 3을 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 열폭주 방지시트의 구조를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명에 채용된 니틀 펀칭을 도시한 사시도로, 본 발명에 따른 열폭주 방지시트(100)는 도 3에 도시된 니들(120) 펀칭에 의해 도 2에 도시된 바와 같이 상.하부 양 인열시트(101)의 섬유가 열차단재(102)를 관통하여 서로 엉키게 되므로 양 인열시트(101)는 분리되는 일이 없다.

전술한 열폭주 방지시트(100)는 상/하부에 배치되는 인열시트(101)와, 상기한 양 인열시트(101) 사이에 위치되는 열차단재(102)를 포함한다.

전술한 인열시트(101)는 가요특성을 지니는 부직포 섬유, 아라미드 섬유, 셀룰로스 섬유, 유기 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유 중 어느 한 종 또는 혼용하여 직조된 것을 채용할 수 있다.

전술한 열차단재(102)는 흑연분말, 모래분말, 금속 파우더 중 어느 한 종 또는 그 것들을 혼용하여 채용할 수 있다.

도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명에 따른 열폭주 방지시트 제조방법을 순차적으로 도시한 구성도로, 열폭주 방지시트(100) 제조방법으로는 양 롤러(R1)에서 배출되는 각각의 인열시트(101) 사이에 열차단재(102) 파우더를 평탄해지도록 살포한 후 후속적으로 양 인열시트(101)를 합체롤러(R2)를 통과시켜 합체한 뒤 합체된 인열시트(101)를 연속적으로 니들(120)로 계속 펀칭한다.

이렇게 하면, 양 인열시트(101)의 섬유가 열차단재(102)를 관통하면서 대응되는 인열시트(101)의 섬유와 서로 엉키면서 열차단재(102)가 유출되지 않는 열폭주 방지시트(100)로 제조되고, 제조된 시트는 권취롤러(도면 부호 미표기)에 일괄 권취된다.

도 4에서, 미설명 도면 부호 110은 열차단재 살포기이고, IR은 아이들링 롤러이다.

위와 같이 제조된 열폭주 방지시트(100)는 종래의 열폭주 방지시트(10)에서 와 같이 접착제를 사용하지 않으므로 제조공정이 매우 간소해지고 쉽게 제조할 수 있으며, 또한 폭과 길이에 제한 없이 제조할 수 있을 뿐 아니라 격자형태의 포켓이 아예 없다. 그래서 전술한 방지시트의 어느 부위를 재단하더라도 열차단재(102)가 시트 밖으로 유출되는 일이 없다.

그래서, 열폭주 방지시트(100)를 필요 이상으로 크게 재단할 필요가 없을 뿐 아니라 여분을 시접할 필요도 없고, 열폭주 방지시트의 시공이 빠르며 시공부위를 깔끔하게 마감할 수 있다.

전술한 수지는 페놀 수지, 에폭시 수지, 메랄민 수지 등과 같은 열경화성 수지이면 모두 채용할 수 있다.

이렇게 하면, 배터리에서 과도하게 열이 발생되거나 화재가 발생되더라도 열에 의해 인열시트가 경화되어 항 인열특성이 강화되므로 차량의 탑승자가 차량에서 탈출할 수 있는 시간적 여유를 더 제공할 수 있다.

전술한 인열시트(101)의 항 인열(또는 항인장력)을 증진시키기 위한 또 다른 방법으로는 함침 이외에도 수지를 스프레이 또는 도장하는 방식으로도 제조될 수 있다.

전술한 인열시트(101)는 수지에 함침 또는 스프레이하여 제조함에 있어 가격측면에서 부직포 섬유가 가장 바람직할 수 있다.

부직포 섬유를 함침기법으을 실시할 경우, 함침시간은 1~2분, 경화 온도는 250~300℃. 두께 압축은 인열시트의 원두께 대비 20~50%가 되도록 압축되는 것이 바람직하다.

이상에서, 본 발명에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속한 기술분야에 통상의 지식을 가진 사람이면, 본 발명을 기초로 다양한 응용 예나 변경 예를 실시할 수 있는 것이나, 이러한 응용 예나 변경 예는 본 발명자가 의도하는 진정한 의미의 기술적 사상과 청구범위에서 정의한 권리범위에 포함된다는 것을 미리 밝혀두는 바이다.

100: 열폭주 방지시트
101: 인열시트
102: 열차단재
110: 열차단재 살포기
120: 니들

Claims (8)

1. 가요성 그라스 울 화이버, 부직포 섬유, 아라미드 섬유, 셀룰로스 섬유, 유기 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 탄소 섬유 중 어느 한 종 또는 그 것을 혼용하여 직조하여 페놀 수지, 에폭시 수지, 메랄민 수지 중 어느 한 종의 수지에 함침시간 1~2분, 경화 온도 250~300℃, 원두께 대비 20~50%가 되도록 합체롤러(R2)사이를 통과시켜 압축되는 양 인열시트(101)사이에 흑연분말, 모래분말, 금속 파우더 중 어느 한 종 또는 그 것을 혼용한 열차단재(102)를 배치한 후 중첩된 양 인열시트(101) 표면을 니들(120)로 펀칭하여 양 인열시트(101)의 섬유가 엉킴에 의해 상호 접합되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 배터리 화재 및 열폭주 차단재 제조방법.
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