KR20130005128U - 복합재 열 확산기 및 그에 합체된 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 가요성 제 1 흑연 층, 가요성 제 2 흑연 층, 및 상기 가요성 제 1 흑연 층 및 상기 가요성 제 2 흑연 층 사이에 위치된 가스 배출 층을 포함하며, 임계 온도에 도달할 때, 상기 가스 배출 층의 열 전도도가 적어도 1/5만큼 감소되는, 복합재 열 확산기에 관한 것이다.

Description

복합재 열 확산기 및 그에 합체된 배터리 모듈 {COMPOSITE HEAT SPREADER AND BATTERY MODULE INCORPORATING THE SAME}
본 고안은 복합재 열 확산기 및 그에 합체되는 배터리 모듈에 관한 것이다.
열 폭주(thermal runaway)는 리튬 이온 배터리 셀 내의 불꽃 또는 고열 이벤트(event)가 인접 리튬 이온 배터리들로 전파되어 사용자의 안전 및/또는 특성의 파괴 우려가 있을 수 있는 연쇄 반응을 초래하는 현상이다. 열 폭주 이벤트는 예를 들어, 셀의 과충전, 셀의 기계적 손상 또는 고온으로의 셀의 노출에 의해 유발될 수 있다. 전기 차량 분야를 위한 파워 및 에너지 밀도 목표치들을 만족시키기 위해, 리튬 이온 셀들은 미사용 공간을 최소화하는 방식으로 패키지화되어야 한다. 불행히도, 이러한 밀집 공간은 셀들 사이의 열 전달을 증가시키며 따라서 팩 내의 하나의 셀이 손상되는 경우에 열 폭주 위험을 악화시킬 수 있다.
따라서, 당 분야에서는 고 에너지 밀도 배터리 모듈들에 호환 가능한 폼-팩터(form-factor)로 열 폭주의 효과를 최소화하기 위한 개선된 기구들에 대한 요구가 있다.
일 양태에 따라서, 복합재 열 확산기는 가요성 제 1 흑연 층, 가요성 제 2 흑연 층, 및 가요성 제 1 흑연 층과 가요성 제 2 흑연 층 사이에 위치되는 가스 배출 층을 포함한다. 임계 온도에 도달할 때, 가스 배출 층의 열 전도도는 적어도 1/5 만큼 감소된다.
다른 양태에 따라서, 배터리 팩은 적층형 구성으로 배열되는 복수의 셀들을 포함한다. 배터리 셀들 각각은 대향하는 주 표면을 포함한다. 하나 이상의 복합재 열 확산기는 두 개의 인접한 배터리 셀들 사이에 위치되며 각각의 인접 배터리 셀의 주 표면과 접촉한다. 복합재 열 확산기는 가요성 제 1 흑연 층, 가요성 제 2 흑연 층, 및 가요성 제 1 흑연 층과 가요성 제 2 흑연 층 사이에 위치되는 가스 배출 층을 포함한다. 임계 온도에 도달할 때, 가스 배출 층의 열 전도도는 적어도 1/5 만큼 감소된다.
도 1은 복합재 열 확산기의 평면도이며,
도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 취한 복합재 열 확산기의 단면도이며,
도 3은 복합재 열 확산기가 가스 배출 임계 온도에 도달한 이후에 도 1의 A-A 선을 따라 취한 단면도이며,
도 4는 복합재 열 확산기와 합체되는 배터리 팩의 등각도이며,
도 5는 도 4의 배터리 팩의 측면도이며,
도 6은 하나 또는 그 초과의 배터리 셀들이 열 폭주 이벤트를 체험하는 도 4의 배터리 팩의 측면도이며,
도 7은 복합재 열 확산기에 인접하고 전기 리드에 전기 접속되는 배터리 셀의 확대 측면도이며,
도 8은 복합재 열 확산기가 초과 임계 온도를 가지며 배터리 셀이 전기 리드로부터 배터리 셀을 전기적으로 분리시키기 위해 평면 관통(thru-plane) 방향으로 변위된, 도 7의 배터리 셀 및 복합재 열 확산기의 확대 측면도이다.
이후, 도 1 및 도 2를 참조하면, 복합재 열 확산기가 도시되며 도면 부호 10으로 총칭되어 있다. 복합재 열 확산기(10)는 전체 길이 및 폭에 대해 일반적으로 평면이고, 직사각형이며 얇은 것이 유리할 수 있다. 이러한 직사각형 구성은 직사각형의 다면(prismatic) 리튬 이온 배터리들과 관련하여 사용될 때 유리한데, 이는 리튬 이온 배터리들이 유사한 폼 팩터를 갖기 때문이다. 일 실시예에서, 복합재 열 확산기(10)는 일반적으로 시트 형상이며 두 개의 대향하는 주 표면(11)들을 포함한다. 아래에서 더 상세히 설명하는 바와 같이, 복합재 열 확산기(10)의 주 표면(11)들은 배터리 셀로부터 열의 확산뿐만 아니라 열의 전달을 위해서 배터리 셀들의 주 표면들과 결합한다. 일 실시예에서, 상기 주 표면은 약 25 ㎟ 내지 약 1 ㎡의 면적을 포함한다. 다른 실시예들에서, 주 표면의 표면적은 약 4 ㎠ 내지 약 900 ㎠이다. 이러한 또는 다른 실시예들에서, 복합재 열 확산기(10)는 약 0.025 mm 내지 약 5 mm의 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 두께는 약 0.25 mm 내지 약 2 mm일 수 있다. 또한 추가 실시예들에서, 상기 두께는 약 0.5 mm 내지 약 1 mm일 수 있다. 그러나, 비록 도 1의 예시적인 실시예는 형상이 직사각형이지만, 다른 형상들이 구상될 수 있다는 것이 상정되어야 한다. 예를 들면, 복합재 열 확산기(10)는 접촉되도록 구성되는 대응하는 배터리 셀의 폼 팩터에 따라 정사각형, 원형, 또는 임의의 다른 형상을 가질 수 있다.
복합재 열 확산기(10)는 가요성 제 1 흑연 층(14) 및 가요성 제 2 흑연 층(16) 사이에 위치되는 중앙의 가스 배출 층(12)을 포함한다. 선택적으로, 가스 배출 층(12) 및 가요성 흑연 층들(14 및 16)은 구속 쉘(containment shell)(18)에 의해 캡슐화된다. 가스 배출 층(12)은 유리하게는 약 0.005 mm 내지 약 5 mm, 더 유리하게는 약 0.025 mm 내지 약 1 mm, 및 훨씬 더 유리하게는 약 0.125 mm 내지 약 0.5 mm의 두께를 가질 수 있다. 가요성 흑연 층(들)(14 및 16)은 각각 유리하게는 약 0.01 mm 내지 약 2 mm, 더 유리하게는 약 0.125 mm 내지 약 1 mm, 및 훨씬 더 유리하게는 약 0.25 mm 내지 약 0.5 mm의 두께를 가질 수 있다. 구속 쉘(18)은 유리하게는 약 0.001 mm 내지 약 1 mm, 더 유리하게는 약 0.002 mm 내지 약 0.1 mm, 및 훨씬 더 유리하게는 약 0.005 mm 내지 약 0.02 mm의 두께를 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은, 용어 "가스 배출(gas evolving)"은 임계 온도에 도달될 때 시작되는 화학적 변화(더 간단한 가스 분자들로의 열 분해) 또는 상 변화(예를 들면, 승화 또는 비등)를 겪는 임의의 물질, 고체, 반고체, 또는 액체를 기준으로 한다(reference). 가스 배출 층은 균일 성분, 이종의 혼합물, 또는 계층화(layered) 구조물일 수 있다. 일 실시예에서, 가스 배출 층은 탄화수소 폴리머이다. 저온 가스 배출 특성(즉, 150 ℃ 미만)들을 개선하도록, 일 실시예에서, 가스 배출 층은 열이 가해질 때 응축 반응을 겪는 성분들의 혼합물들을 포함할 수 있다. 응축 반응에서, 반응물들의 혼합물은 (100 ℃의 비등점을 가지는) 물 또는 (119 ℃의 비등점을 가지는) 아세트산을 방출하도록 조합될 수 있다. 다른 실시예에서, 가스 배출 층은 가열될 때 탈수되는(즉, 물을 방출하는) 수화 구조물 또는 매트릭스(유기 또는 무기)를 포함할 수 있다. 이러한 또는 다른 실시예들에서, 더 높은 온도들(즉, 150 ℃ 초과)에서, 가스 배출 층은 가스가 되는 물을 방출할, 예를 들면 아크릴 접착제와 같은 감압(pressure sensitive) 접착제의 형태의 폴리머를 포함할 수 있다.
유리하게는, 가스 배출 층(12)의 재료는 약 100 ℃ 미만의 온도에서 가요성 흑연 층들(14 및 16)을 함께 유지하기 위한 접착제로서 기능한다. 다른 실시예들에서, 가스 배출 층(12)은 약 125 ℃ 미만의 온도에서 접착제로서 기능한다. 또한 다른 실시예들에서, 가스 배출 층(12)은 약 150 ℃ 미만의 온도에서 접착제로서 기능한다. 일 실시예에서, 가스 배출 임계 온도는 약 95 ℃ 또는 그 초과 온도이다. 또한 다른 실시예들에서, 가스 배출 임계 온도는 약 125 ℃ 또는 그 초과 온도이다. 또한 추가 실시예에서, 가스 배출 임계 온도는 약 150 ℃ 또는 그 초과 온도이다. 상기 논의된 바와 같이, 임계 온도에 도달하면, 가스 배출 층은 상 변화, 열 분해, 또는 이들의 조합을 통하여 가스를 배출하기 시작한다. 유리하게는, 배출된 가스는 무독성 및 비인화성이다. 심지어 더욱 유리하게는, 산소 및/또는 수소는 C02 및/또는 H2O를 생성하기 위해 가스 배출 프로세스 동안 소비된다.
지금부터 도 3을 참조하면, 볼 수 있는 바와 같이, 배출된 가스로부터 초래되는 증가된 압력은 가스 배출 층(12)의 팽창을 일으킨다. 이러한 팽창은 따라서 가요성 제 2 흑연 층(16)으로부터 멀어지게 가요성 제 1 흑연 층(14)을 가압한다. 다른 방식에서(put another way), 임계 온도에 도달한 후, 복합재 열 확산기는 적층분리되어(delaminated) 평면 관통(thru-plane) 방향으로 팽창하기 시작한다. 일 실시예에서, (가요성 제 1 흑연 층(14)과 가요성 제 2 흑연 층(16) 사이의 평균 거리로서 규정된) 가스 배출 층 평균 두께는 유리하게는 약 10% 이상, 더 유리하게는 약 50% 이상, 더욱더 유리하게는 약 100% 이상 및 훨씬 더 유리하게는 약 200% 이상만큼 증가한다.
가스 배출 층 평균 두께를 증가시킴으로써(뿐만 아니라 가스 배출 층의 밀도를 감소시킴으로써) 열 임계치를 초과한 후, 복합재 열 확산기는 열 퓨즈로서 기능할 수 있다. 열 퓨즈에 의해, 이는 과열되는 셀에 의해 발생된 열로부터 인접한 배터리 셀들을 효과적으로 차폐하기 위해 복합재 열 확산기의 두께 관통(thru-thickness) 열 전도도가 감소되는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 열 임계치를 초과한 후, 복합재 열 확산기의 두께 관통 열 전도도는 약 1/10 내지 약 1/100 만큼 감소된다. 다른 실시예들에서, 두께 관통 전도도는 1/5 이상, 더 유리하게는 1/10 이상, 더욱더 유리하게는 1/50 이상 및 훨씬 더 유리하게는 1/100 이상만큼 감소된다. 이러한 또는 다른 실시예들에서, 열 임계치를 초과한 후 가스 배출 층의 두께 관통 열 전도도는 약 0.5 W/mK 미만이고, 더 유리하게는 약 0.1 W/mK 미만이고, 더욱더 유리하게는 약 0.05 W/mK 미만이고, 훨씬 더 유리하게는 약 0.01 W/mK 미만이다.
일 실시예에서, 가스 배출 층(12)은 주 가스 배출 물질에 부가하여 열 폭주의 경우 발생된 가스의 용적을 증가시키고/증가시키거나, 열 에너지를 흡수하는 첨가제를 포함할 수 있다. 이 같은 첨가제의 일 예는 물인데, 물은 가스로서 유리(liberated)될 때 가스 배출 층(12)을 향하는 가요성 흑연 층들(14 및 16)의 표면들 상에서 기포화(blistering)를 일으키는 경향이 있을 수 있다. 이러한 기포화는 가요성 흑연 층들의 평면 관통 열 저항을 증가시키는 경향이 있다. 다른 첨가제들, 예를 들면 확대가능한 흑연과 같은 팽창성(intumescent) 화합물들 또는 왁스와 같은 상 변화 재료들이 적용될 수 있다는 것이 상정되어야 한다. 이러한 또는 다른 첨가제들은 선택적으로 마이크로캡슐화될 수 있어 첨가제들이 내부 층의 접착 기능을 방해하지 않는다.
두 개의 마주하는 주 표면들을 가지는, 가요성 제 1 및 제 2 흑연 층(14 및 16)은 각각 얇게 되고 시트형이 될 수 있다. 일 실시예에서, 가요성 흑연 층들(14 및 16)은 각각 두께가 약 2 mm 미만일 수 있다. 다른 실시예들에서, 가요성 흑연 층들(14 및 16)은 각각 두께가 약 1 mm 미만일 수 있다. 또한 다른 실시예에서, 가요성 흑연 층들(14 및 16)은 각각 두께가 약 0.5 mm 미만일 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따라, 가요성 흑연 층들(14 및 16)은 박리된 흑연 입자들의 압축된 질량의 시트, 흑연화된 폴리이미드의 시트 또는 이들의 조합물일 수 있다.
각각의 가요성 흑연 층은 배터리 셀에 의해 발생된 열을 확산하고/확산하거나 열을 전도하기 위한 기능을 한다. 따라서, 각각의 가요성 흑연 층은 거의 상온에서 약 250 W/mK 초과의 평면 내(in-plane) 열 전도도를 가질 수 있다(약 25 ℃가 되는 상온에서 테스트하기 위한 옹스트롬 방법을 이용함). 다른 실시예에서, 각각의 가요성 흑연 층의 평면 내 열 전도도는 약 400 W/mK 이상이다. 또한 추가의 실시예에서, 가요성 흑연 층들의 평면 내 열 전도도는 약 550 W/mK 이상일 수 있다. 부가 실시예들에서, 평면 내 열 전도도는 250 W/mK 이상 내지 약 1500 W/mK의 범위를 가질 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 평면 내 열 전도도는 약 250 W/mK 내지 약 700 W/mK 일 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 가요성 흑연 층의 평면 통과 열 전도도는 약 1 W/mK 내지 약 20 W/mK 일 수 있다. 이러한 또는 다른 실시예들에서, 평면 통과 열 전도도는 약 2 W/mK 내지 약 6 W/mK 이다. 다른 실시예들에서, 평면 통과 열 전도도는 약 14 W/mK 내지 약 18 W/mK 이다. 가요성 흑연 층들이 알루미늄의 열 전도도의 약 2 배 이상의 평면 내 열 전도도를 갖는 것이 또한 바람직하다. 또한, 각각의 가요성 흑연 층(14 및 16)은 동일한 또는 상이한 평면 내 열 전도도들을 가질 수 있다. 상기 평면 내 열 전도도들의 임의의 조합들이 실행될 수 있다. 적절한 흑연 시트들 및 시트를 만드는 프로세스들이, 예컨대 U.S. 특허 제 5,091,025 호 및 제 3,404,061 호에 개시되며, 그 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
최적의 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 가요성 흑연 층들은 수지 보강될 수 있다. 수지는, 예컨대 가요성 흑연 층들의 강성 및/또는 가요성 흑연 층들의 불투과성을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 수지 보강재와의 조합에서, 또는 대안에서, 하나 또는 그 초과의 가요성 흑연 층들은 탄소 및/또는 흑연 섬유 보강재를 포함할 수 있다.
가요성 흑연은 열 확산을 위한 배터리 팩에 사용되는 종래의 재료들(예컨대 알루미늄)보다 더 적합한 재료이다. 가요성 흑연의 사용은 배터리 셀 및 열 전달을 위한 종래의 재료(예컨대, 알루미늄)와 비교할 때 가요성 흑연과 인접한 배터리 셀 사이의 계면 열 전달 저항의 감소를 제공한다. 가요성 흑연 층들이 더 적합하기 때문에, 비평면식 주 표면들을 갖는 배터리 셀(즉, 다면 리튬 이온 배터리들)들 사이의 계면 열 전달은 종래의 재료들보다 양호하다. 계면 열 전달 저항에서의 적합성 및 결과적인 감소는, 종래의 재료들의 계면 저항을 극복하기 위해 실행될 수 있는 것과 같은, 복합재 열 확산기(10)의 표면으로의 열 전도성 그리스 또는 페이스트를 도포할 필요를 감소시키거나 또는 심지어 없앨 수 있다.
상기 논의된 것과 같이, 복합재 열 확산기(10)는 선택적으로는 구속(containment) 쉘(18)을 포함할 수 있다. 구속 쉘(18)은 유리하게는 약 150℃ 초과, 더 유리하게는 약 200℃ 초과 그리고 더욱더 유리하게는 약 250℃ 초과의 융점을 갖는 재료로 만들어질 수 있다. 구속 쉘(18)은 유리하게는, 가열될 때, 점화 대신 비전도성 탄소성 챠르(carbonaceous char)를 생성하는 분자 조성물이다. 하나의 특히 바람직한 실시예에서, 구속 쉘(18)은 플라스틱 재료로 만들어진다. 적절한 플라스틱 재료들의 예들은 PET 필름들, 또는 Dupont Company 에 의해 판매되는 Kapton® 과 같은 폴리이미드를 포함할 수 있다.
구속 쉘(18)은 가스 배출 층(12)으로부터 배출된 임의의 가스들을 보유하는 기능을 할 수 있다. 온도가 구속 쉘(18)이 파열(용융, 챠링(charring) 또는 내부 압력)되는 것을 야기하기에 충분히 높게 상승한다면, 유리하게는 주로 CO2 및/또는 H2O 인, 배출된 가스들은 배터리 팩 엔클로져 내에 방출될 수 있다. 당업계에 공지된 것과 같이, CO2 및/또는 H2O 의 방출은 배터리 팩 엔클로져 내의 과열 및/또는 화재에 대한 대책으로서 기능하는 경향이 있을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복합재 열 확산기(10)는 가스 배출 및 가요성 흑연 층들을 프레싱 또는 캘린더링(calendaring) 함으로써 조립될 수 있다. 이러한 실시예에서, 접착제들은 접착을 촉진시키기 위해 선택적으로는 가요성 흑연 및 가스 배출 층들 사이에 이용될 수 있다. 이러한 또는 다른 실시예들에서, 접착제는 임계 온도에 도달된 이후 적어도 일시적으로는 보유되는 가스의 포켓의 형성을 촉진하기 위해 에지들에 근접하여 도포될 수 있다. 다른 실시예들에서, 가스 배출 및 가요성 흑연 층들은 가스 배출 층의 접착 특성에 의해 함께 유지된다. 구속 쉘은 가스 배출 및 가요성 흑연 층들로서 동시에 캘린더링되거나 또는 프레스될 수 있다. 다른 실시예에서, 구속 쉘은 복합재 열 확산기가 형상으로 절단된 이후 도포될 수 있다. 이러한 예에서 구속 쉘은 부품 주위에 적층되거나 진공 밀봉될 수 있으며, 이는 결국 정상 작동 조건들 동안 다양한 층들을 함께 유지하기 위해 추가적인 힘을 제공할 것이다.
이제 도 4 및 도 5 를 참조하면, 다중 셀 배터리 팩이 나타나 있고 일반적으로 참조 부호 30 으로 표시된다. 배터리 팩(30)은 적층된 배열체에 위치되는 복수의 다면 리튬 이온 셀(32)들을 포함한다. 당업계에서 공지된 것과 같이, 배터리 스택은 그 후 셀(32)들의 물리적 배열을 유지하고 뿐만 아니라 열, 진동, 충격 등을 포함하는 외부 유발 손상으로부터 배터리 팩을 보호하기 위해 엔클로져(도시되지 않음) 내에 포함될 것이다. 일 실시예에서, 다면 리튬 이온 셀은 일반적으로 직사각형 또는 정사각형 형상이고 약 1 ㎜ 내지 약 10 ㎜ 의 두께를 갖는다. 더 바람직하게는, 셀은 약 3 ㎜ 내지 약 6 ㎜ 의 두께를 갖는다. 배터리 팩의 일 실시예에서, 다면 리튬 이온 셀은 반대편의 주 표면들을 갖고, 각각의 주 표면 자국(footprint)은 8 제곱 인치 이상, 더 바람직하게는 약 16 제곱 인치의 자국이다. 하나의 실시예에서, 자국은 약 49 제곱 인치 내지 약 400 제곱 인치이다. 다른 실시예에서, 자국은 약 16 제곱 인치 내지 약 2500 제곱 인치이고 가장 바람직하게는 자국은 약 400 제곱 인치 내지 약 1600 제곱 인치이다.
각각의 배터리 셀의 케이스는 강화된 금속 및/또는 플라스틱 케이싱으로 만들어질 수 있다. 대안적으로는, 케이스는 알루미늄 포일 적층식 플라스틱 필름일 수 있다. 배터리 셀 케이스는 바람직하게는 알루미늄 포일 적층식 플라스틱 필름으로 만들어지고, 약 20 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 의 두께를 갖는다. 더 바람직하게는, 알루미늄 포일 적층식 플라스틱 필름은 약 30 ㎛ 내지 약 100 ㎛ 의 두께를 갖는다. 가장 바람직하게는, 알루미늄 포일 적층식 플라스틱 필름은 약 40 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 의 두께를 갖는다. 양의 전극은 리튬 이온 양의 전극일 수 있고, 음의 전극은 리튬 이온 음의 전극일 수 있고 전해질은 리튬 이온 전해질일 수 있다. 또한, 전해질은 액체 리튬 이온 전해질 또는 폴리머 리튬 이온 전해질일 수 있다.
바람직하게는, 리튬 이온 셀은 200 wh/㎏ 초과, 더 바람직하게는 210 wh/㎏ 초과 및 가장 바람직하게는 약 220 wh/㎏ 이상의 특정한 에너지 밀도를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 대형 리튬 이온 셀은 450 wh/L 이상, 바람직하게는 500 wh/L 이상, 더 바람직하게는 510 wh/L 이상 및 가장 바람직하게는 520 wh/L 이상의 에너지 밀도를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 대형 리튬 이온 배터리 팩은 0.25 ㎾h 이상, 더 바람직하게는 16 ㎾h 이상, 더 바람직하게는 24 ㎾h 이상, 더 바람직하게는 53 ㎾h 이상 및 가장 바람직하게는 100 ㎾h 이상의 에너지 저장 용량을 갖는다.
대형 다면 셀들은 유리하게는 적층식 형상의 배터리 팩들로 조립되고, 각각의 셀(32)의 주 표면들은 인접한 셀(32)들의 주 표면들에 마주한다. 이러한 적층식 배열체는 에너지 밀도를 최대화하지만, 셀들로부터 열을 멀리 전달하는데 도움이 되지 않는다. 이는 배터리 팩(30)의 외부 표면들 중 하나로부터 비교적 멀리 위치된 배터리 팩의 내부 셀들에서 특히 그러하다. 열 전달을 용이하게 하기 위해, 복합재 열 확산기(10)들이 적층된 다면 셀들 사이의 공간들에 삽입될 수 있다. 복합재 열 확산기(10)들은, 시트의 평면에서의 열적 구배들을 감소시키고 팩의 주위들에 또는 히트 싱크에 직접 열을 전달함으로써 셀들의 성능 및 수명을 개선한다.
복합재 열 확산기(10)들의 대향하는 주 표면(22)들이 인접한 셀(32)들의 주 표면들과 맞물림하도록, 복합재 열 확산기(10)들은 스택에서 인접한 셀(32)들 중 하나 이상의 쌍들 사이에 삽입된다. 복합재 열 확산기(10)들은 유리하게는 스택에서 매 세번째 셀(32)들 사이에, 더 유리하게는 매 두번째 셀(32)들 사이에, 그리고 더욱 더 유리하게는 각각의 셀(32)들 사이에 삽입된다. 복합재 열 확산기(10)들은 주로 셀(32)들에서 생성되는 열을 확산시키는 기능을 한다. 게다가, 복합재 열 확산기(10)들은 하나 또는 그 초과의 히트 싱크들(도시 생략)에 열을 전도하는 기능을 할 수 있다.
이제, 도 6을 참조하면, 복합재 열 확산기(10)들이 매 다른 셀(32) 사이에 (즉, 스택에서 매 두번째의 셀들 이후에) 위치되는 것을 특징으로 하는 예시적 실시예가 개시되어 있다. 도 6은 열 폭주 이벤트인 경우(즉, 하나 또는 그 초과의 복합재 열 확산기(10)들의 가스 배출 층이 가스 배출 임계 온도보다 높은 온도로 가열되는 경우)의 복합재 열 확산기(10)의 기능(functionality)을 나타낸다. 셀(32a, 32b)들 중 하나 또는 양자가 고장(failure)을 유발하는 열 폭주를 겪게 된다면, 이는 인접한 복합재 열 확산기(10a, 10b)들을 가열한다. 열 확산기(10a, 10b)들의 가스 배출 층(12)이 가스 배출 임계 온도를 초과하여 가열된다면, 이는 도 6에 도시된 바와 같이 복합재 열 확산기(10a, 10b)들의 팽창을 유발할 것이다. 상기 논의된 바와 같이, 이러한 팽창은 평면 관통 열전도를 효과적으로 감소시키며, 이에 의해 인접한 배터리 셀들로의 열전달을 최소화한다. 이에 의해, 인접한 셀들이 보호되고, 열 폭주를 겪는 셀들이 포함된다.
상기 논의된 바와 같이, 가스 배출 임계 온도를 초과하여 가열되는 경우, 복합재 열 확산기는 평면 관통 방향으로 팽창될 것이다. 배터리 팩으로 구성되는 경우, 팽창은 나머지 복합재 열 확산기들의 압축을 유발할 것이다. 본 실시예 또는 다른 실시예에서, 복합재 열 확산기의 이러한 팽창은 스택에서의 그의 위치를 물리적으로 변환(shifting)시킴으로써 셀이 전기 시스템으로부터 접속해제되는 것을 유발할 수 있다. 예컨대, 도 7을 참조하면, 배터리 셀(32) 및 복합재 열 확산기(10)의 확대도가 도시되어 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 배터리 셀(32)은 배터리 팩 전기 리드(36)에 전기적으로 접속된 전기 리드(34)를 포함한다. 따라서, 리드(36)는 전기 시스템의 나머지에 접속된다. 열 폭주 이벤트가 발생한다면, 유리하게는, 전기 시스템의 나머지로부터 과열된 셀들이 전기적으로 접속 해제될 수 있다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 일 실시예에서, 배터리 셀(32)은 배터리 셀이 평면 관통 방향으로 움직일 수 있도록 배터리 팩에 위치된다. 이에 의해, 임계 온도가 인접한 복합재 열 확산기(10)에 도달되면, 팽창 가스는 복합재 열 확산기(10)가 확대(enlarge)되는 것을 유발하며, 이에 따라 전기 리드(34)가 맞물림 해제되도록 전기 리드(34)를 강제하게 된다. 이러한 방식으로, 전기 접속이 파괴된다.
볼 수 있는 바와 같이, 본 고안에 따른 복합재 열 확산기는 배터리 팩의 정상적인 작동 중 배터리 셀들에 의해 발생된 열의 확산과 전도를 촉진시킨다. 복합재 열 확산기는, 인접한 배터리 셀들로부터 열 폭주를 겪는 배터리 셀들을 차단(isolate)시키는 경향이 있는 열 휴즈(thermal fuse)로서 추가로 기능한다. 상기 설명이 다면 리튬 이온 배터리들과 함께 복합재 열 확산기의 사용에 촛점을 맞추고 있지만, 다른 유형의 배터리들, 그리고 사실상, 높은 열 이벤트가 발생할 때 평면 관통 방향으로의 절연(thermal isolation)을 제외하고, 정상적인 작동 상태들 하에서 평면 내 방향으로의 열 확산 및 전도를 요구하는 임의의 시스템이 사용될 수 있음이 상정되어야 한다.
본원에 개시된 다양한 실시예들은 그의 임의의 조합으로 실행될 수 있다. 전술한 설명은 본 고안의 실현을 위해서 당업자에게서 가능한 것으로 의도된다. 이는 상세한 설명을 판독하면 당업자에게 명확해질 가능한 변형예들 및 수정예들의 모든 상세로 의도되는 것은 아니다. 그러나, 이러한 모든 수정예들 및 변형예들은 하기 청구항들에 의해 규정되는 본 고안의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다. 문맥이 상세하게 반대로 나타내지 않는 한 본 고안을 위해 의도된 대상물들에 들어맞도록 작용하는 임의의 배열체 또는 시퀀스에서 지시된 요소들 및 단계들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 가요성 제 1 흑연 층,
    가요성 제 2 흑연 층, 및
    상기 가요성 제 1 흑연 층 및 상기 가요성 제 2 흑연 층 사이에 위치된 가스 배출 층을 포함하며,
    임계 온도에 도달할 때, 상기 가스 배출 층의 열 전도도가 적어도 1/5 만큼 감소되는,
    복합재 열 확산기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 제 1 및 제 2 흑연 층은 박리된(exfoliated) 천연 흑연 입자들의 압축 질량의 시트를 포함하는,
    복합재 열 확산기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 제 1 및 제 2 흑연 층은 흑연화된 폴리이미드의 시트를 포함하는,
    복합재 열 확산기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 제 1 및 제 2 흑연 층은 약 250 W/mK 내지 약 700 W/mK의 평면내 열 전도도를 갖는,
    복합재 열 확산기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가요성 제 1 및 제 2 흑연 층은 적어도 약 400 W/mK 를 초과하는 평면내 열 전도도를 갖는,
    복합재 열 확산기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 배출층은 탄화수소 폴리머를 포함하는,
    복합재 열 확산기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 약 95℃ 이상인,
    복합재 열 확산기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 약 150℃ 이상인,
    복합재 열 확산기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계 온도에 도달된 후에, 상기 가스 배출 층의 평균 두께는 약 10% 이상 증가하는,
    복합재 열 확산기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계 온도에 도달된 후에, 상기 가스 배출 층의 평균 두께는 약 50% 이상 증가하는,
    복합재 열 확산기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    구속 쉘을 더 포함하는,
    복합재 열 확산기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 구속 쉘은 상기 가요성 제 1 흑연 층, 상기 가요성 제 2 흑연 층 및 상기 가스 배출 층을 둘러싸는,
    복합재 열 확산기.
  13. 적층식(stacked) 구성으로 배열되며 대향된 주 표면들을 각각 갖는 복수 개의 배터리 셀들,
    2 개의 인접한 셀들 사이에 위치되어 상기 인접한 셀들 각각의 주 표면에 접촉하는 하나 이상의 복합재 열 확산기를 포함하며,
    상기 복합재 열 확산기는, 가요성 제 1 흑연 층, 가요성 제 2 흑연 층, 및 상기 가요성 제 1 흑연 층 및 상기 가요성 제 2 흑연 층 사이에 위치된 가스 배출 층을 포함하며, 임계 온도에 도달할 때, 상기 가스 배출 층의 열 전도도가 적어도 1/5 만큼 감소되는,
    배터리 팩.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 가요성 제 1 및 제 2 흑연 층은 박리된 천연 흑연 입자들의 압축 질량의 시트 또는 흑연화된 폴리이미드의 시트 중 어느 하나를 포함하는,
    배터리 팩.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 가요성 제 1 및 제 2 흑연 층은 약 250 W/mK 이상의 평면내 열 전도도를 갖는,
    배터리 팩.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 가스 배출층은 탄화수소 폴리머를 포함하는,
    배터리 팩.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 약 95℃ 이상인,
    배터리 팩.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 임계 온도는 약 150℃ 이상인,
    배터리 팩.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 임계 온도에 도달된 후에, 상기 가스 배출 층의 평균 두께는 약 10% 이상 증가하는,
    배터리 팩.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 각각의 배터리 셀은 전기 시스템에 접속되고, 상기 임계 온도에 도달된 후에, 하나 이상의 배터리가 상기 전기 시스템에서 전기 접속 해제되는,
    배터리 팩.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 가요성 제 1 흑연 층, 상기 가요성 제 2 흑연 층 및 상기 가스 배출 층을 둘러싸는 구속 쉘을 더 포함하는,
    배터리 팩.
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