KR20120101026A

KR20120101026A - 전기화학 에너지 저장체, 및 전기화학 에너지 저장체를 열적으로 안정화하는 방법

Info

Publication number: KR20120101026A
Application number: KR20127013626A
Authority: KR
Inventors: 팀 쇠퍼; 안드레아스 구트쉬
Original assignee: 리-텍 배터리 게엠베하
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-09-12
Also published as: BR112012010076A2; JP2013509674A; CN102612777A; WO2011050930A1; EP2494640A1; US20120308854A1; DE102009051216A1

Abstract

적어도 하나의 갈바니 셀(1, 1a, 1b, 1c)를 포함하는 전기화학 에너지 저장체에서, 상기 갈바니 셀은, 갈바니 셀 내부의 임계 온도가 적어도 국부적으로 초과된 경우 갈바니 셀 내부에 생성된 열 수준(2, 2a, 2b, 2c)이 갈바니 셀의 공간적 경계들을 넘어 갈바니 셀로부터 방산된 열 수준(3, 4, 5)까지 하강하거나 그 수준 아래로 하강하도록 야기하는, 컴포넌트 또는 디바이스를 포함한다.

Description

전기화학 에너지 저장체, 및 전기화학 에너지 저장체를 열적으로 안정화하는 방법{ELECTROCHEMICAL ENERGY STORE, AND METHOD FOR THERMALLY STABILIZING AN ELECTROCHEMICAL ENERGY STORE}

본 발명은 전기화학 에너지 저장체, 및 전기화학 에너지 저장체, 특히 리튬 이온 재충전가능한 배터리를 열적으로 안정화하기 위한 방법에 관한 것이다.

전기화학 에너지 저장체를 열적으로 안정화시키는 문제점을 해결하기 위한 다양한 접근법들이 종래기술로부터 공지되어 있다. 미국 특허번호 US 5,574,355 A는 배터리들을 충전할 때 사용을 위한 "열 폭주(thermal runaway)" 를 검출하는 디바이스를 설명한다. 이 디바이스는 배터리의 내부 저항 또는 컨덕턴스를 결정하는 스위칭 회로를 포함한다. 스위칭 회로는 배터리의 내부 컨덕턴스에서의 상승 또는 그 내부 저항에서의 하강을 검출하며, 대응하는 출력 신호를 생성한다. 이 출력 신호는 열 폭주 조건이 이 배터리에 존재하거나 임박하다는 것을 표시한다. 스위칭 회로는 배터리를 위한 충전 동작을 제어하는 데 사용될 수도 있다.

미국 특허번호 US 5,642,100 A는 에너지 관리 시스템, 통신 스위칭 스테이션의 배터리 또는 그와 연결된 배터리 충전 시스템에서 열 폭주를 제어하는 방법 및 디바이스를 설명한다. 그러한 시스템은 전원 장치로부터 전류를 수신하고 정류기를 통해 배터리 또는 부하로 전류를 전달한다. 그 시스템은 저전압 단절 스위치(low-voltage disconnect switch)를 가지며, 그러한 스위치로 배터리가 전류로부터 단절될 수도 있다. 저항 센서는, 정류기를 통한 전류 흐름을 나타내는 제1 신호를 생성하도록 기능한다. 제2 저항 센서는, 부하를 통한 전류 흐름을 나타내는 제2 신호를 생성하는 데 사용된다. 제3 값은 마이크로프로세서를 이용하여 생성되고, 이 값은 제1 신호와 제2 신호 사이의 차이점을 나타낸다. 마이크로프로세서는 또한, 제3 값이 미리정해진 임계값을 초과할 때 열 폭주 조건을 경고하는 신호를 생성하는 데 사용된다. 이러한 경우에, 배터리가 전류로부터 단절될 수도 있다.

미국 특허번호 US 5,710,507 A는 스위칭 회로 및 배터리를 보유하기 위한 충전 회로의 동작 모드를 선택하는 데 그 회로를 사용하는 방법을 설명한다. 동작 모드를 선택하기 위한 회로는, 보유 배터리의 온도를 측정하기 위해 보유 배터리에 연결되어 있는, 온도 값을 전환하기 위한 변환기(온도 변환기)를 포함한다. 회로는 또한, 가열 모드와 충전 모드 사이에 선택이 이루어지는 것이 허용되도록 온도 변환기에 결합된 모드 변경 회로를 포함한다. 가열 모드에서, 보유 배터리는 외부 전원 장치에 의해 가열된다. 충전 모드에서, 에너지원이 배터리를 충전하기 위해 사용된다.

미국 특허번호 US 7,061,208 B2는 스토리지 배터리의 온도를 조절하기 위한 온도 조절기(temperature regulator)를 설명한다. 이 조절기는 두 개의 접촉 포인트들을 갖는 열전기 변환기(thermoelectric transducer)를 포함한다. 제1 접촉 포인트는 한 개 이상의 스토리지 배터리와 열적으로 결합되어 있으며, 제2 계면은 제2 계면의 열적인 작용을 가속화하는 열 작용 가속화 매체(thermal action accelerating medium)과 열적으로 결합된다. 제1 계면 및 제2 계면은 서로 반대 기능들을 수행하며, 즉 그들은 배터리의 극성에 따라 열 방산 또는 열 흡수를 수행한다. 이러한 구조는 온도 조절기가 스토리지 배터리를 냉각하거나 가열할 수 있도록 한다.

이러한 다양하고 공지된 제품 및 방법들은 각각 다양한 단점들과 연관된다.

본 발명의 근본적인 목적은 전기화학 에너지 저장체 및 대응 에너지 저장체를 열적으로 안정화시키기 위한 가장 효과적인 가능한 방법을 제안하는 것이다.

이것은 독립항들의 목적들에 의해 본 발명에 따라 달성된다.

본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장체는, 갈바니 셀 내부의 한계 온도를 적어도 국부적으로 초과하는 경우 갈바니 셀 내부의 열 생성이 적어도 일시적으로 감소되거나 갈바니 셀로부터 주변 대기로의 열 방출이 적어도 일시적으로 증가되도록 야기하는, 컴포넌트 또는 디바이스를 포함하는 적어도 하나의 갈바니 셀(galvanic cell)을 포함한다.

본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장체를 열적으로 안정화시키는 방법에서, 갈바니 셀 내부의 한계 온도를 적어도 국부적으로 초과하는 경우, 이 갈바니 셀에 포함된 컴포넌트 또는 디바이스가 갈바니 셀 내부의 열 생성이 적어도 일시적으로 감소되거나, 및/또는 이 셀로부터 주변 대기로의 열 방출이 적어도 일시적으로 증가되는 것을 야기한다.

갈바니 셀 내부의 한계 온도를 적어도 국부적으로 초과하는 경우 갈바니 셀 내부의 열 생성이 적어도 일시적으로 감소되거나, 및/또는 갈바니 셀에서 주변 대기로의 열 방출이 적어도 일시적으로 감소되도록 야기하는, 본 발명에 따라 제공되는 컴포넌트 또는 디바이스는 예컨대 용해되거나 용해되지 않은 상태로 갈바니 셀 내부에 위치되는 화학 물질 또는 물질들의 혼합물일 수 있으며, 바람직하게는 예컨대 전극들, 분리기들, 또는 전해질 내에서와 같이, 그들 자신들이 전기화학적으로 활성이거나 전기화학 프로세스들을 지지하거나 가능하게 하는 갈바니 셀의 컴포넌트들을 구성하는 구조들 중 하나에 배열된다. 그러나, 이것은 또한, 셀의 온도를 위한 측정 신호에 의해 바람직하게 제어되고 예컨대 물질을 방출할 수 있거나 예컨대 셀 내에 물질들을 수송하기 위한 수송 채널들을 개방 또는 폐쇄하며 이러한 방식으로 또는 일부 다른 방식으로 갈바니 셀 내부의 열 생성이 그 공간적 경계들 이상으로 이 갈바니 셀로부터 방출된 열의 수준까지 하락하거나 그 수준이하로 하락하도록 야기하는, 바람직하게는 전기화학적, 전자적, 또는 메카트로닉스 컴포넌트 또는 디바이스와 같이 구조적 컴포넌트 또는 디바이스일 수 있다.

본 발명의 설명에 관하여, 전기화학 에너지 저장체라는 용어는 전기화학 에너지를 그로부터 끌어낼 수 있는 임의의 종류의 에너지 저장체를 의미하는 것으로 의도되며, 전기화학 반응은 에너지 저장체 내부에 발생된다. 이 용어는 특히 모든 종류의 갈바니 셀들, 특히 일차 셀들, 2차 셀들, 및 셀들이 배터리들을 형성하도록 연결되는 장치들을 포함한다. 그러한 유형의 에너지 저장체들은 통상적으로 "분리기(separator)"에 의해 분리된 음의 전극들 및 양의 전극들이 구비된다. 이온들이 전해질을 통해 전극들 사이에서 수송된다. 그러나, 전기화학 저장소라는 용어는 또한 연료 전지들을 지칭하는 것으로 의도된다.

이 문맥에서, 전기화학적 에너지 저장체의 열적 안정화는, 전기화학 저장소 내부의 한계 온도를 적어도 국부적으로 초과하는 경우 야기될 수 있는 장애 또는 손상으로부터 전기화학 저장소를 보호하도록 설계된 임의의 수단 또는 모든 수단을 의미하는 것으로 의도된다. 적어도 국부적으로 한계 온도를 초과한다는 것은, 한 위치에서 또는 전기화학 저장소 내부의 공간적인 서브 영역에서 한계 온도가 일시적으로 또는 영구적으로 초과되도록 야기하는 시간에 대한 온도 또는 온도 분포에서의 경향을 의미하는 것으로 이해되어진다.

이 문맥에서, 갈바니 셀 또는 전기화학 저장소 내부의 열 생성은, 예컨대 화학 반응 또는 다른 방산(dissipative) 프로세스들로 인한 열로서, 갈바니 셀 또는 전기화학 저장소 내부에 생성된 시간의 유닛 당 열의 양을 지칭하는 것으로 의도된다. 열 생성은 갈바니 셀 또는 전기화학 에너지 저장체로부터 주변 대기로의 열 배출의 방산(dissipation)과 혼동되지 말아야 한다. 이것은 갈바니 셀 또는 전기화학 에너지 저장체의 외부 경계들을 넘는 열 유속(heat flux)들에 의해 야기된다.

특정 환경들하에서, 예컨대 갈바니 셀 또는 전기화학 에너지 저장체 내부에 흡열 반응이 발생하는 경우 또는 갈바니 셀 또는 전기화학 에너지 저장체 내부에 열 싱크(heat sink)가 존재하는 경우, 열 생성은 음의 값들임을 추정할 수 있다. 이상과 관계없이, 열 생성이라는 용어는 이러한 값에 선행하는 신호에 관계없이 사용된다. 유사하게, 열은, 예컨대 갈바니 셀이 인접한 갈바니 셀로부터 열을 흡수하는 상황들에서, 갈바니 셀 또는 전기화학 에너지 저장체 내부로부터 바깥쪽으로 뿐 아니라 반대 방향으로도 수송될 수 있다. 이러한 경우에, 열 방산은 음의 값으로 측정되며, 이것은 열이 흡수되고 있다는 것을 명백하게 표시한다. 그러므로, 열 방산이라는 용어는 또한 열 흡수의 경우를 포함하는 것으로 이해되어진다.

본 발명의 이익이 되는 실시예들과 개선들은 종속항들의 목적들을 나타낸다.

바람직한 전기화학 에너지 저장체, 또는 전기화학 에너지 저장체를 열적으로 안정화하는 바람직한 방법에서, 전기화학 에너지 저장체의 갈바니 셀 내부의 적어도 하나의 화학 반응 또는 적어도 하나의 물질 수송 작용은, 갈바니 셀 내부의 열 생성이 그 공간적 경계들 이상으로 이 셀로부터의 열 방산의 수준까지 하락하거나 그 수준 아래로 하락하는 방식으로 적어도 국부적으로 영향을 받는다. 열 생성의 제어는 종종, 전기화학 에너지 저장체의 급속하고 효과적인 열 안정화를 초래하는, 화학 반응들 또는 물질 수송 흐름들에 영향을 끼침으로써 상대적으로 신속하게 수행될 수도 있다. 이러한 방식으로, 예컨대 전기화학 에너지 저장체 내부의 온도에서의 자기 가속(self-accelerating) 증가가 열 안정화를 깨도록 위협하는 "열 폭주" 조건이 급박하고 실제로 진행중인 경우에, 열 안정화는 심지어 극한 상황들에서도 가능해 진다.

추가의 바람직한 전기화학 에너지 저장체, 또는 전기화학 에너지 저장체를 열적으로 안정화하는 추가의 바람직한 방법에서, 갈바니 셀 내부에서의 적어도 하나의 화학 반응 또는 적어도 하나의 물질 수송 작용이 적어도 국부적으로 억제되고, 다시 말해 진압되거나, 제한되거나, 방지된다. 화학 반응의 상기 적어도 국부적인 진압, 제한 또는 방지는, 특히 문제되는 반응이 발열 화학 반응, 또는 갈바니 셀 내부에서 발생하는 발열 반응 내의 반응물이 되는 산물을 갖는 화학 반응인 경우, 특히 전기화학 에너지 저장체의 효과적인 열 안정화를 초래한다.

갈바니 셀 내부의 화학 반응 또는 물질 수송 작용은 바람직하게는 적절한 분리기 물질들 및/또는 분리 구조들에 의해 억제되며, 이 분리기 물질들 및/또는 분리기 구조들은 예컨대 국부적인 이온 흐름의 강도 또는 국부적인 온도에 따른 이온들의 흐름에 영향을 미친다. 그러한 분리기 물질들 또는 분리기 구조들은 바람직하게는, 한계 온도 이상에서 기공(pore)들을 통한 이온들의 수송을 저하시키는 물질의 코팅을 갖는 다공성(porous) 또는 미소공성(microporous) 캐리어로 이루어진다.

또다른 해결책으로서, 또한 그러한 수단에 대안적으로 또는 결합하여, 전극들, 다시 말해서 음극들 또는 양극들에 코팅을 인가하는 것을 생각할 볼 수 있으며, 코팅은 한계 온도 이상에서 기공들을 통한 이온들의 수송을 저하시키는 물질들로 구성된다.

본 발명의 그러한 실시예들은 바람직하게는, 과열이 급박하게 되는 경우 온도 퓨즈(thermal fuse)들이 그 주변으로부터 갈바니 셀을 전기적으로 절연시키는 데 사용되거나, 예컨대 펠티에 유형 열 펌프(Peltier type heat pump)들과 같이, 한 개의 온열 전달점(hot heat transfer point) 및 한 개의 냉열 전달점(cold heat tranfer point) 및 바람직하게는 두 개의 열 전달점들 사이에 열 에너지를 수송하는 하나의 반도체 요소를 갖는 열 펌프를 가지는, 또다른 실시예들과 결합될 수 있다. 대안적으로 또는 결합하여 실행되는 다른 바람직한 수단들은 배터리 전류를 측정하기 위한 전류 센서들을 이용하는 전력 단락기(disconnector)들 또는 전력 리미터(limiter)들일 수 있다. 이들 또는 유사한 디바이스들의 결합으로, 개별적으로 사용되는 대응 수단들과 비교하여 전기화학 에너지 저장체의 열적 안정화가 상당히 개선될 수 있다.

추가의 바람직한 전기화학 에너지 저장체, 또는 전기화학 에너지 저장체를 열적으로 안정화하는 추가의 바람직한 방법에서, 갈바니 셀 내부의 열 전도도는 적어도 국부적으로 일시적으로 또는 영구적으로 증가된다. 이것은 또한 바람직하게는, 예컨대 펠티에 유형 열 펌프들과 같은 열 펌프들로 초래될 수 있으며, 열 펌프들은 효과적인 열 수송이 가능해지고 동시에 이 열 펌프들이 다른 셀 컴포넌트들과 물질을 교환하는 것이 대부분 또는 완전히 방지되는 방식으로 갈바니 셀에 배열된다. 그러한 수단에 의해 - 바람직하게는, 또한 본 발명의 다른 실시예와 결합하여 - 갈바니 셀의 내부로부터 그 공간적 경계들로의 열 수송이 증가될 수 있으며, 따라서 또한 이 셀로부터 주변 대기로의 열의 방산이 증가한다.

추가의 바람직한 전기화학 에너지 저장체, 또는 전기화학 에너지 저장체를 열적으로 안정화하는 추가의 바람직한 방법에서, 셀의 공간적 경계들 이상으로의 이 셀로부터의 열 방산이 적어도 국부적으로, 일시적으로 또는 영구적으로 증가된다. 이러한 경우에 역시, 바람직하게는 열 펌프들, 예컨대 펠티에 유형 열 펌프들이 이익이 되도록 사용될 수 있다.

그러한 열 펌프들은 바람직하게는 마이크로프로세서들과 결합된 센서 신호들에 의해, 예컨대 온도 센서들로부터의 신호들 또는 에너지 저장체 또는 그 셀들에 의해 전달되거나 소비된 전류를 측정하기 위한 신호들에 의해, 이상에서 설명된 본 발명의 모든 실시예들과 결합하여 제어될 수도 있다.

본 기술분야의 지식을 가진 사람들은 이러한 기술적 지식에 기초하여 본 발명의 설명된 실시예들을 결합하는 것을 알 수 있을 것이다; 여기에서 철저하게 설명되지 못한 다른 실시예들은 본 기술분야의 지식을 가진 사람들에 의해 그들의 기술적 지식에 기초하고 본 발명의 설명을 참조하여 쉽게 발견될 수 있을 것이다. 본 발명은 본 명세서에서 설명된 실시예에 한하지 않는다.

도 1은 갈바니 셀 및 그로부터의 열 방산을 갖는 전기화학 에너지 저장체 내부의 열 생성의 개략적인 도시이다.
도 2는 복수의 갈바니 셀 및 그 내부의 열 수송 조건들을 갖는 전기화학 에너지 저장체 내부의 열 생성의 개략적인 도시이다.
도 3은 분리기에 의해 분리된 복수의 전극들의 스택(stack)을 갖는 전기화학 에너지 저장체의 개략적인 도시이다.
도 4는 통상적인 동작에서 전기화학 에너지 저장체 내부의 이온 수송 프로세스들 및 열 수송 프로세스들의 개략적인 도시이다.
도 5는 국부적으로 증가된 이온 수송을 갖는 동작 모드에서 전기화학 에너지 저장체 내부의 이온 수송 프로세스들 및 열 수송 프로세스들의 개략적인 도시이다.
도 6은 국부적으로 억제된 이온 수송 및/또는 국부적으로 억제된 화학 반응을 갖는 본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장체의 바람직한 실시예의 개략적인 도시이다.
도 7은 갈바니 셀 내부의 국부적으로 증가되는 열 전도도를 갖는 본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장체의 바람직한 실시예의 개략적인 도시이다.
도 8은 갈바니 셀의 외부 경계들을 통한 국부적으로 증가된 열 방산 및 갈바니 셀 내부의 국부적으로 증가된 열 전도도를 갖는 본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장체의 바람직한 실시예의 개략적인 도시이다.

이하에서, 본 발명은 바람직한 실시예들에 기초하고 도면을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다.

도 1에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 열 생성(2)은, 생성된 열이 충분히 큰 열 싱크(3)를 경유하여 갈바니 셀의 외부 경계들(1)을 통해 방산되지 않는 경우, 발열 화학 반응으로부터의 열 또는 다른 방산 프로세스들에 기인한 열로서 갈바니 셀(1) 내부에 생성되며, 갈바니 셀 내부의 온도 상승과 연관된다. 그러한 환경에서, 열이 방산되는 것보다 더 빨리 생성되는 한 온도는 상승한다. 열이 방산되는 것보다 더 천천히 생성되는 한 온도는 하강하며, 이것은 열 생성 및 방산 속도들이 동일한 한 일정하게 유지된다.

그 외부 경계들을 통한 갈바니 셀로부터의 열 방산(3)은 근본적으로 외부 경계들의 영역에서 갈바니 셀의 온도에 의해 결정되며, 다시 말해 예컨대 패키징으 온도 또는 하우징의 온도에 의해 결정된다. 그러나, 갈바니 셀의 내부에서의 열 생성(2)은 초기에 그 갈바니 셀 내부의 온도를 상승시킨다. 갈바니 셀 내부의 열 수송 프로세스들 (그 범위 및 크기는 근본적으로 열 전도도에 의해 결정되고 일부 경우들에서 또한 대류 흐름들과 같은 다른 현상에 의해 결정됨)은 갈바니 셀 내부의 온도 균등화를 야기하며, 그 결과 갈바니 셀의 내부 온도가 셀의 경계의 온도에 도달한다. 그러나, 이 프로세스는 순간적으로 발생하지 않으며, 통상적으로 지연들과 연관되고, 그 지연 기간들은 갈바니 셀 내부의 물질의 열전도 특성에 의존한다.

특히 "열 폭주" 조건이 급박하거나 진행중인 경우, 다시 말해 예컨대 급속한 발열 화학 반응들이 셀 내부에서 발생하는 경우, 갈바니 셀 내부의 열 수송 프로세스들은 종종 갈바니 셀 내부 온도가 임계 한계 온도 이상으로 상승하는 것을 방지하는데 충분하지 않다.

도 2에서 개략적으로 표시되는 복수의 갈바니 셀들을 포함하는 배터리들에서, 이러한 상황은 셀들이 인접한 셀 경계들을 통해 열 유속들(4, 5)을 교환한다는 사실에 의해 더 복잡하게 된다. 예컨대, 인접 셀(1a, 1c)을 갖는 갈바니 셀(1b) 내부의 열 생성(2b)이 인접 셀들에서의 열 생성(2a, 2c)보다 큰 경우, 더 뜨거운 셀(1b)로부터 더 차가운 셀들(1a, 1c)로의 열 흐름들(4)은 결국 더 차가운 셀들로부터 더 따뜻한 셀로의 열 흐름들을 적어도 초과할 것이다. 결과적으로, 열은 인접 셀들(1a, 1c)로 전달되며, 이것은 또한, 비록 인접 셀들에서의 열 생성(2a, 2c)이 그 자체로는 이 셀들에서의 과열을 야기할 정도로 충분하지 않을지라도 인접 셀들(1a, 1c)이 과열되는 것을 초래한다. 그 결과, 과열 셀이 그 주변 셀들을 과열하도록 야기할 수 있으며, 그로 인해 열 폭주 상태의 단일 셀이 또한 캐스케이드(cascade) 효과를 통해 몇몇의 인접 셀들에 열 폭주 상태를 유도할 수도 있다.

이러한 현상에 연관된 전기화학 에너지 저장체내의 과열된 갈바니 셀의 위험성을 피하기 위해, 본 발명은, 갈바니 셀 내부에서 한계온도가 적어도 국부적으로 초과될 때 그 공간적 경계들을 통해 이 셀 내의 열 방산의 수준까지 또는 그 수준 이하로 갈바니 셀 내부의 열 생성이 하락하도록 야기하는 컴포넌트 또는 디바이스를 포함하는 적어도 하나의 공간적으로 한계가 설정된 갈바니 셀을 구비하는, 전기화학 에너지 저장체를 제공한다.

도 3은 갈바니 셀 내부에 단락(short circuit)을 방지하기 위해 양의 전극들(8) 및 음의 전극들(9) 사이에 배치된 분리기들(10)을 갖는 양의 전극들(8) 및 음의 전극들(9)의 전극 스택을 갖는 갈바니 셀의 개략적인 도시이다. 이온들의 스트림(stream)(11)은 분리기들을 통해 흐르며 전류 콜렉터들(collectors)(6, 7) 사이에 흐르는 전자드르이 스트림에 의해 매칭(matching)된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 분리기들(10)를 통한 전극들 사이의 이 이온 스트림(11)은 내부로부터 갈바니 셀의 경계들로 열 생성 및 대응하는 열 수송 프로세스들(12)을 초래한다. 갈바니 셀이 통상적으로 동작하고 있을때, 열 방산(3), 다시 말해서 내부로부터 외부 대기로의 갈바니 셀의 외부 경계들을 통한 열 유속들은 셀 내의 온도가 임계값들로 상승하지 않도록 보장할 만큼 충분하다.

그러나, 이온 스트림의 밀도의 국부적인 증가(13) 또는 전기화학 반응들의 속도의 국부적인 가속들(13)이 갈바니 내부의 다양한 장애들에 의해 야기될 수 있으며, 영향을 받은 지점(14)에서 온도의 국부적인 증가가 초래될 수도 있다. 이러한 상황이 연장된 기간들동안 지속되고 열 방산(12)이 대응하여 증가하지 않는 경우, 영향을 받은 지점(14)에서의 온도는 계속 상승할 것이며, 결과적으로 마찬가지로 그 셀의 다른 영역들에서도 온도가 상승할 것이다. 이점에서, 온도가 임계 한계 이상으로 상승할 지 여부는 관련 방산 프로세스들의 속도에 의존한다.

도 6은 국부적으로 억제된 이온 수송(15) 및/또는 국부적으로 억제된 화학 반응(15)을 갖는 본 발명에 따른 전기화학 에너지 저장체의 바람직한 실시예의 개략적인 도시이다. 이러한 정도로, 도 6은, 화학 반응 또는 수송 프로세스를 억제하기 위해 채용되는 메카니즘에서 서로 상이한 본 발명의 실시예들의 전체 유형을 예시한다. 이러한 억제는 폭넓게 상이한 방식으로 보장될 수 있다.

첫번째 옵션은 정규 동작 동안 물질이 효과적이지 않은 방식으로 갈바니 셀의 적절한 셀 반응을 방해하기 위한 물질을 수용하는 것에 있다. 이것은, 예컨대 배터리 전극에 근접하게 또는 분리기 구조물 내에 배치되는 열가소성 캡슐화 물질(thermoplastic encapsulating material) 내에 이러한 시약을 두름으로써, 초래될 수도 있다. 열가소성 캡슐화 물질의 녹는점을 적절히 선택함으로써, 셀 내부의 온도가 소정의 한계값, 즉 그 물질의 녹는점을 초과하는 경우 전기화학 셀 반응을 방해하기 위한 시약이 열가소성 물질이 녹음으로써 방출되는 것을 보장한다.

또다른 옵션은 이온 스트림의 크기에 의존하는 방해 시약을 방출하는 데 있다. 본 발명의 이러한 실시예는. 이러한 온도 증가가 임계값에 도달하기 전에도 온도가 상승하도록 야기하는 화학 반응을 억제할 수 있다는 이점이 있다. 이런 방식으로, 셀 내의 지연된 온도 균등화의 문제가 회피되거나 경감된다. 본 발명의 이러한 실시예는, 이 전극 위로의 이온 스트림이 소정 값을 초과하는 경우 방해 시약을 포함하는 캡슐들을 갖는 코팅이 전극들에 적용되고 이 캡슐들은 시약을 방출한다.

셀 반응을 국부적으로 억제하는 또다른 옵션은, 액체 형태가 아니라 예컨대 젤(gel) 형태인 전해질의 사용에 있다. 그러한 젤 상(gel-phase) 전해질들의 화학적 조성을 적절히 선택함으로써, 그러한 전해질의 이온 전도도가 한계 온도 아래에서 높게 유지될 수 있으며, 한계 온도(이 온도에 도달되거나 초과되면 전해질이 실제적으로 절연체로서 기능함)에 도달되거나 초과할 때 어느 정도 전해질의 이온 전도도가 하락하도록 할 수 있다. 그러한 젤 상 또는 다른 비액체 또는 점성 전해질이 사용되는 경우, 열이 셀을 통해 더 이상 퍼지는 것이 방지되는 정도로 국부적으로 전기화학 셀 반응을 억제할 수 있다. 이러한 목적들을 위해 특히 적절한 물질들의 예들은, 이온 수송을 방지하는 비활성 물질의 분산을 포함하는 비액체 또는 점성 전해질이다. 유기 중합체들이 그러한 예들로 바람직하다.

갈바니 셀에서의 셀 반응을 억제하기 위한 추가적인 옵션은, 다공성 기판으로서 분리기를 구성하고, 열 효과들 하에서 녹는 물질이 분리기의 표면들 중 바람직하게는 하나에 공급하는 데 있다. 열로 녹기쉬운 물질은 바람직하게는 개방 영역들이 남겨지는 방식으로 분리기의 표면에 적용되며, 여기에서 이온 수송이 발생할 수도 있다. 이것은 예컨대 매트릭스형 방식으로 열적으로 녹기쉬운 물질을 분리기에 적용함으로써 달성될 수도 있다. 이러한 열적으로 녹기쉬운 물질은 그후 미리정해진 한계 온도에서 또는 그에 근접하여 녹으며, 그 결과 분리기 상의 기판의 이온 투과성이 상당히 감소하고, 따라서 갈바니 셀의 셀 반응을 효과적으로 억제한다.

도 7은 본 발명의 예시적인 실시예들의 추가적인 유형을 예시하며, 그 특징들은 또한 다른 실시예들의 특징들과 결합하여 실행될 수도 있다. 이러한 유형의 실시예들에서, 생성된 열 에너지의 국부적으로 증가된 양이 갈바니 셀의 내부에서 국부적으로 증가된 열 전도도를 사용하여 증가된 속도로 국부적으로 방산된다.

본 발명의 이러한 실시예들을 생성하는 한 옵션은, 셀 내부에 물질들을 위치시키는 데 있으며, 그 물질의 열 전도도는 온도가 상승함에 따라서 증가한다. 상대적으로 많은 수의 그러한 물질들이 공지되어 있으며 완전히 연구되어 왔다. 이러한 문맥에서, 선택된 물질들은 바람직하게는, 갈바니 셀의 활성 컴포넌트들에 관해 화학적으로 비활성인 것들이다. 그러한 물질들은 바람직하게는 분산 또는 용액으로서 갈바니 셀의 다른 컴포넌트들과 혼합될 수도 있다. 그러나, 또한 예컨대 이러한 방식으로 준비된 분리기의 열 전도도가 온도가 상승함에 따라 증가하도록, 분리기 구조물에 그러한 물질을 혼합할 수 있다. 이러한 방식으로, 온도가 상승함에 따라 갈바니 셀의 열 방산 및 열 수송을 증가시킬 수 있으며, 그로 인해 셀 내부의 온도의 계속적인 상승에 반작용(counteracting) 할 수 있다.

온도가 상승함에 따라 갈바니 셀 내부의 열 전도도를 증가시키는 또다른 옵션은, 셀에서 열을 활발하게 수송할 수 있는 적절한 방식으로, 예컨대 펠티에 유형 열 펌프들과 같은 적절한 열 펌프들을 배치하는 것에 있다. 그러한 유형의 열 펌프들은 마이크로프로세서들을 사용하여 센서 신호들에 의한 제어기가 될 수도 있으며, 이러한 센서 신호들은 바람직하게는 셀 내부에 측정된 온도들을 바람직하게 나타낸다, 그러한 열 펌프들을 위한 전력 공급은 바람직하게는 그 전극들 또는 그 전기 연결 단자들을 통해 그 자체가 안정화되도록 갈바니 셀로부터 제거될 수도 있다.

열 펌프들, 특히 펠티에 유형의 열 펌프들은, 바람직하게는 셀의 외부 경계들을 통해 열 방산을 개선하기 위해 사용될 수도 있다. 본 발명의 그러한 실시예는, 다른 실시예들의 특징들과 결합하여 사용될 수도 있으며, 도 8의 다이아그램에 의해 예시된다. 상승된 온도(13)의 영역에서, 예컨대 이 지점에서 증가된 이온 수송에 의해 야기된 셀 내부의 열 수송(16)은 셀의 외부 경계들을 향해 증가된다. 본 발명의 이러한 실시예들에서, 셀의 외부 경계들로 수송된 열의 점점 더 많은 부분이 적절한 수단에 의해 외부 경계들을 통해 방산(17)된다. 이러한 방식으로, 셀 경계들(18)의 다른 영역들에서 보다 셀의 외부 경계들에서 열 방산(17)이 실현된다.

이를 성취하기 위한 한 가능한 방법은, 셀 경계들에서 열 수송을 개선하기 위해, 열 펌프들, 특히 펠티에 유형의 열 펌프들을 사용하는 것이다. 또다른 가능성이, 더 많은 열이 이 물질에 방산될 수 있고 그에 따라 주변 대기에 방산되는 방식으로, 냉각 물질들이 외부 경계들의 외부 영역들에서 국부적으로 새어나오도록 허용하는 것에 있다. 높은 열 용량 및 바람직하게는 높은 증발 속도를 갖는 젤형(Gel-like) 물질들이 특히 이 목적에 적절한 것으로 보인다. 젤형 농도(gel-like consistency)가 냉각 액체 성분들이 너무 빨리 흘러나가지 않도록 방지하기 때문에 젤들은 특히 이 실시예들을 실현하는 데 적절하다. 갈바니 셀의 컴포넌트들과의 강력한 화학 반응과 같이, 그러한 사용을 배제할 어떠한 고려사항도 없다고 가정하면, 물의 높은 열 용량 때문에, 수성 젤들(water-based gels)은 이 실시예들을 실현하기 위한 바람직한 옵션이다.

Claims

적어도 하나의 갈바니 셀(1, 1a, 1b, 1c)을 포함하는 전기화학 에너지 저장체로서,
이 갈바니 셀은, 상기 갈바니 셀 내부의 한계 온도를 적어도 국부적으로 초과한 경우 상기 갈바니 셀 내부의 열 생성(2, 2a, 2b, 2c)이 적어도 일시적으로 감소되도록 야기하거나, 및/또는 상기 갈바니 셀로부터 그 주변 대기로의 열 방산(3, 4, 5)이 적어도 일시적으로 증가되도록 하는 컴포넌트 또는 디바이스를 포함하는, 전기화학 에너지 저장체.
제1항에 있어서,
상기 갈바니 셀 내부의 열 생성(2, 2a, 2b, 2c)에서의 적어도 일시적인 감소, 및/또는 상기 갈바니 셀로부터 그 주변 대기로의 열 방산(3, 4, 5)에서의 적어도 일시적인 증가는, 상기 컴포넌트 또는 디바이스에 의해 상기 갈바니 셀 내부에서의 적어도 하나의 화학 반응 및/또는 적어도 하나의 물질 수송 작용의 적어도 국부적인 영향에 의해 발생하는, 전기화학 에너지 저장체.
제2항에 있어서,
상기 갈바니 셀 내부의 적어도 하나의 화학 반응 및/또는 적어도 하나의 물질 수송 작용은 적어도 국부적으로 억제되는(15), 전기화학 에너지 저장체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 갈바니 셀의 내부의 열 전도도는 적어도 국부적으로, 일시적으로 또는 영구적으로 증가되는(16), 전기화학 에너지 저장체.
제4항에 있어서,
온도가 상승함에 따라 열 전도도가 증가하는 물질들이 상기 갈바니 셀 내부에 배치되는, 전기화학 에너지 저장체.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 갈바니 셀 내부의 열 전도도는 상기 갈바니 셀 내부에 배치된 적어도 하나의 열 펌프에 의해 적어도 국부적으로, 일시적으로 또는 영구적으로 증가되는, 전기화학 에너지 저장체.
제6항에 있어서,
상기 갈바니 셀의 내부에서 측정된 온도들을 나타내는 센서 신호들에 의해 열 펌프가 제어되는, 전기화학 에너지 저장체.
적어도 하나의 갈바니 셀을 포함하는 전기화학 에너지 저장체를 열적으로 안정화시키는 방법으로서,
상기 갈바니 셀의 적어도 하나의 컴포넌트 또는 적어도 하나의 디바이스가, 상기 갈바니 셀 내부의 한계 온도를 적어도 국부적으로 초과하는 경우, 상기 갈바니 셀 내부의 열 생성(2, 2a, 2b, 2c)이 적어도 일시적으로 감소되도록 야기하거나, 및/또는 상기 갈바니 셀로부터 그 주변 대기로의 열 방산(3, 4, 5)이 적어도 일시적으로 증가되도록 야기하는, 전기화학 에너지 저장체.
제8항에 있어서,
상기 갈바니 셀 내부의 열 생성(2, 2a, 2b, 2c)의 적어도 일시적인 감소, 및/또는 상기 갈바니 셀로부터 그 주변으로의 열 방산(3, 4, 5)에서의 적어도 일시적인 증가가, 상기 컴포넌트 또는 디바이스에 의해 상기 갈바니 셀 내부에서의 적어도 하나의 화학 반응 및/또는 적어도 하나의 물질 수송 작용에 의해 발생되는, 전기화학 에너지 저장체.
제8항 또는 제9항에 있어서,
적어도 하나의 화학 반응 및/또는 적어도 하나의 물질 수송 작용이 상기 갈바니 셀의 내부에서 적어도 국부적으로 억제되는(15), 전기화학 에너지 저장체.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 갈바니 셀의 내부에서의 열 전도도는 적어도 국부적으로, 일시적으로 또는 영구적으로 증가되는(16), 전기화학 에너지 저장체.
제11항에 있어서,
상기 갈바니 셀 내부의 열 전도도는 상기 갈바니 셀 내부의 물질에 의해 적어도 국부적으로, 일시적으로 또는 영구적으로 증가되며(16), 그 열 전도도는 온도가 상승함에 따라 증가되는, 전기화학 에너지 저장체.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 갈바니 셀 내부의 열 전도도는 상기 갈바니 셀 내부에서의 열 펌프에 의해 적어도 국부적으로, 일시적으로 또는 영구적으로 증가되는(16), 전기화학 에너지 저장체.
제13항에 있어서,
상기 열 펌프는 상기 갈바니 셀 내부에서 측정된 온도들을 나타내는 센서 신호들에 의해 제어되는, 전기화학 에너지 저장체.