KR20130115989A - 배터리 셀과 배터리 셀을 포함하는 배터리의 보호 방법 및 보호된 배터리 셀과 배터리 셀을 포함하는 배터리 - Google Patents

배터리 셀과 배터리 셀을 포함하는 배터리의 보호 방법 및 보호된 배터리 셀과 배터리 셀을 포함하는 배터리 Download PDF

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Abstract

배터리 셀, 또는 배터리 셀 어셈블리 또는 배터리 내의 적어도 하나의 배터리 셀을 내화 피복으로 코팅하거나, 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 어셈블리 또는 그러한 어셈블리를 포함하는 배터리를 내화 피복으로 코팅하는 것이 셀, 어셈블리 및 배터리를 보호하고 화재 전파를 지연시키는데 효과적이다.

Description

배터리 셀과 배터리 셀을 포함하는 배터리의 보호 방법 및 보호된 배터리 셀과 배터리 셀을 포함하는 배터리{METHOD OF PROTECTING BATTERY CELLS AND BATTERIES WHICH CONTAIN BATTERY CELLS AND PROTECTED BATTERY CELLS AND BATTERIES WHICH CONTAIN BATTERY CELLS}
본 발명은 셀과 셀을 포함하는 배터리의 보호 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 보호된 셀과 셀을 포함하는 보호된 배터리, 그리고, 그와 같이 보호된 셀과 배터리의 제조 방법에 관한 것이다.
배터리는 모든 재충전식 (2차) 셀에 최고 에너지 밀도를 제공할 수 있는 리튬계 전지를 포함한다. 셀은 일정 범위의 에너지 밀도, 전력 밀도 및 패키징 옵션(packaging options)에서 이용가능하다. 그러나, 셀이 오용되면 화재 위험을 초래하는 것으로 알려졌기 때문에, 이 강력한 배터리 기술은 상당한 대가를 치루고 있다.
오늘날의 배터리는 리튬 폴리머 파우치 셀들을 사용하여 제조될 수 있다. 이 파우치 셀들은 함께 용접되어 가끔 브릭(bricks), 어셈블리(assemblies) 또는 콴타(quanta)라고 불리우는 것들을 형성한다. 콴타는 캡슐화된 다음, 기계적으로 전기적으로 배열되어 배터리 팩을 생성한다.
최근, 리튬계 배터리 백에 의해 유발된 화재들은 그러한 배터리의 본질 안전 및 안전 시험에 대해 의문을 제기하였다. 현재, 에너지 밀도가 높고 수명이 길며 안전한 배터리에 대한 대안이 없다.
우수한 전자공학적 패키징 디자인을 통해, 리튬 배터리 팩의 화재 가능성이 적정 수준으로 저감될 수 있다. 그러나, 최상의 디자인에서도, 셀 내부에서의 화재가 발생할 수 있으며 발생하고 있다. 많은 경우들에서, 단일 셀에서의 화재는 견딜수 있으나, 단일 셀에 의해 유발된 다중 셀 팩에서의 화재는 소화하기 어려운 고에너지의 대화재로 급변할 수 있다.
1차(일회용) 배터리와 2차(재충전식) 배터리는 셀의 대화재를 초래하는 내적 및 외적 고장이 겪는다. 이 대화재는 셀에서 셀로 그리고 배터리에서 배터리로 급속하게 전파하여, 사람의 생명, 설비 및 차량 플랫폼을 위협하는 엄청난 양의 열 에너지를 방출하는 것으로 나타났다.
따라서, 전술한 문제점들이 실질적으로 없는 리튬계 셀과 배터리가 요구된다. 특히, 셀 또는 배터리의 고장 가능성을 없애거나 현저히 줄이고, 고장 발생까지의 시간을 연장시키며, 고전력 밀도와 고에너지를 가진 안전한 배터리 시스템이 요구된다.
따라서, 본 발명의 일 목적은 신규한 배터리 셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대화재를 초래하거나 고장 발생의 경향이 적은 신규한 배터리 셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대화재를 초래하거나 고장 발생의 경향이 적은 신규한 리튬계 배터리 셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하나 이상의 그러한 배터리 셀을 포함하는 신규한 배터리 셀 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하나 이상의 리튬계 배터리 셀을 포함하는 신규한 배터리 셀 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하나 이상의 그러한 배터리 셀 또는 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 신규한 배터리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하나 이상의 리튬계 배터리 셀 또는 리튬계 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 신규한 배터리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그러한 배터리 셀의 신규한 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그러한 리튬계 배터리 셀의 신규한 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그러한 배터리 셀 어셈블리의 신규한 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그러한 리튬계 배터리 셀 어셈블리의 신규한 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그러한 배터리의 신규한 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 배터리 셀의 신규한 보호 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 리튬계 배터리 셀의 신규한 보호 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 배터리 셀 어셈블리의 신규한 보호 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 리튬계 배터리 셀 어셈블리의 신규한 보호 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하나 이상의 배터리 셀 또는 하나 이상의 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 배터리의 신규한 보호 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하나 이상의 리튬계 배터리 셀 또는 하나 이상의 리튬계 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 배터리의 신규한 보호 방법을 제공하는 것이다.
여타 목적들은 배터리 셀, 배터리 셀 어셈블리 및/또는 하나 이상의 배터리 셀 또는 하나 이상의 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 배터리를 내화 피복으로 코팅하는 것이 셀, 어셈블리 및 배터리를 보호하는데 효과적임을 본 발명자가 발견함으로써 달성되었으며, 하기된 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
따라서, 본 발명은 이하의 사항을 제공한다.
(1) 배터리 셀로서, 상기 배터리 셀의 외부의 적어도 일부가 내화 피복으로 코팅된 배터리 셀.
(2) (1)에 따른 배터리 셀에 있어서, 상기 내화 피복은 융식성(ablative) 피복이다.
(3) (1)에 따른 배터리 셀에 있어서, 상기 내화 피복은 발포성(intumescent) 피복이다.
(4) (1)에 따른 배터리 셀에 있어서, 상기 내화 피복은 흡열성(endothermic) 피복이다.
(5) (1)에 따른 배터리 셀을 적어도 하나 포함하는 배터리 셀 어셈블리.
(6) (1)에 따른 배터리 셀을 적어도 하나 포함하는 배터리.
(7) (5)에 따른 배터리 셀 어셈블리를 적어도 하나 포함하는 배터리.
(8) 배터리 셀의 제조 방법으로서, 상기 배터리 셀의 외부의 적어도 일부를 내화 피복으로 코팅하는 단계를 포함하는 배터리 셀의 제조 방법.
(9) (8)에 따른 배터리 셀의 제조 방법에 있어서, 상기 내화 피복은 융식성 피복이다.
(10) (8)에 따른 배터리 셀의 제조 방법에 있어서, 상기 내화 피복은 발포성 피복이다.
(11) (8)에 따른 배터리 셀의 제조 방법에 있어서, 상기 내화 피복은 흡열성 피복이다.
(12) 배터리 셀 어셈블리의 제조 방법으로서, 상기 어셈블리의 외부의 적어도 일부를 내화 피복으로 코팅하는 단계를 포함하는 배터리 셀 어셈블리의 제조 방법.
(13) (12)에 따른 배터리 셀 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 내화 피복은 융식성 피복이다.
(14) (12)에 따른 배터리 셀 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 내화 피복은 발포성 피복이다.
(15) (12)에 따른 배터리 셀 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 내화 피복은 흡열성 피복이다.
(16) 적어도 하나의 배터리 셀 또는 적어도 하나의 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 배터리의 제조 방법으로서, 상기 배터리의 외부의 적어도 일부를 내화 피복으로 코팅하는 단계를 포함하는 배터리의 제조 방법.
(17) (16)에 따른 배터리의 제조 방법에 있어서, 상기 내화 피복은 융식성 피복이다.
(18) (16)에 따른 배터리의 제조 방법에 있어서, 상기 내화 피복은 발포성 피복이다.
(19) (16)에 따른 배터리의 제조 방법에 있어서, 상기 내화 피복은 흡열성 피복이다.
(20) (8)에 따른 배터리 셀의 제조 방법에 있어서, 상기 배터리 셀은 재충전식 2차 배터리 셀이다.
(21) (8)에 따른 배터리 셀의 제조 방법에 있어서, 상기 배터리 셀은 1회용 1차 배터리 셀이다.
(22) (8)에 따른 배터리 셀의 제조 방법에 있어서, 상기 피복은 화재 전파를 지연시키는 역할을 한다.
(23) (8)에 따른 배터리 셀의 제조 방법에 있어서, 상기 피복은 방화인 경우를 알려주는 역할을 한다.
(24) (1)에 따른 배터리 셀에 있어서, 상기 배터리 셀은 리튬계 배터리 셀이다.
(25) (8)에 따른 배터리 셀의 제조 방법에 있어서, 상기 배터리 셀은 리튬계 배터리 셀이다.
따라서, 본 발명은, 융식성, 발포성 및/또는 흡열성 피복을 도포함으로써, 배터리 팩 내부에서의 화재 확산을 저감하거나 없애는데 있어서 현저히 개선된 셀 또는 콴타(또는 브릭) 또는 배터리를 제공한다.
배터리 셀, 어셈블리 및 그러한 리튬계 셀을 포함하는 배터리의 디자인과 제조는 당업계에 공지되어 있으며, Kirk - Othmer , Encyclopedia of Chemical Technology, Fifth Edition, Wiley Interscience, NY, NY, vol. 3, pp. 407-561 (2004), 및 David Linden, Handbook of Batteries, McGraw Hill, Inc, ISBN 0-07-037921-1에 개시되어 있으며, 이들은 인용에 의해 본 명세서에 통합되어 있다.
본 발명의 배터리 셀에서, 외부의 적어도 일부가 내화 피복으로 코팅된다. 바람직하게, 실질적으로 전체 외부가 내화 피복으로 코팅된다. 마찬가지로, 본 발명에 따른 어셈블리와 배터리의 실질적으로 전체 외부가 내화 피복으로 코팅되는 것이 바람직하다. "실질적으로 전체 외부"라는 용어는 설치 및/또는 적절한 기능, 유지보수 및 검사를 위해 셀, 어셈블리 또는 배터리의 전기적 및/또는 기계적 접속이 가능하도록 코팅되지 않아야 하는 영역을 제외한 외부 전체를 의미한다.
상기 내화 피복은 융식성 피복, 발포성 피복 또는 흡열성 피복 중 어느 하나일 수 있다. 융식성 피복의 예는 극한의 온도에 노출되었을 때 냉각 가스를 형성하는 열활성 물질로 충진된 개질 에폭시 바인더와, 고온에서 액체 필름을 형성하는 활성 필러를 포함하는 폴리우레탄계 피복을 포함한다. 그러한 피복들은 상업적으로 이용가능하며, "MINTEQ International Inc."에서 "FIREXTM 2373", "FIREXTM 2376" 및 "FIREXTM 23903"이란 상품명으로 판매하고 있다.
발포성 피복은 열 노출의 결과로서 팽창하여 체적이 증가하고 밀도가 감소하는 물질이다.
흡열성 피복의 예는 콘크리트와 석고를 포함한다.
피복들은 분무, 침지 코팅 또는 주조와 같은 임의의 적당한 기술로 도포될 수 있다.
피복의 두께는 내화 피복의 종류와 보호하고자 하는 정도에 따라 좌우될 것이다. 일반적으로, 피복의 두께 범위는 1 내지 25㎜, 바람직하게는 1.5 내지 20㎜, 더 바람직하게는 2 내지 15㎜일 것이다.
어셈블리의 경우, 어셈블리 내부의 셀들 중 하나 이상의 셀들이 코팅될 수 있다. 대안적으로, 어셈블리의 외부만 코팅될 수 있다. 다른 실시예에서, 어셈블리 내부의 셀들 중 하나 이상의 셀들이 코팅될 수 있으며, 어셈블리의 외부도 코팅될 수 있다.
배터리의 경우, 배터리 내부의 셀들 또는 어셈블리들 중 하나 이상의 셀들 또는 어셈블리들이 코팅될 수 있다. 대안적으로, 배터리의 외부만 코팅될 수 있다. 다른 실시예에서, 배터리 내부의 셀들 또는 어셈블리들 중 하나 이상의 셀들 또는 어셈블리들이 코팅될 수 있으며, 배터리의 외부도 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 배터리 셀은 리튬계 배터리 셀이다.
본 발명을 한정하고자 의도한 것이 아니라 단지 설명하기 위해 제시한 예시적 실시예들에 대한 하기의 설명으로부터, 본 발명의 다른 특징들이 명확해질 것이다.
실시예
비교예 1
첫 번째 실험에서, MAPP 가스 토치로 가열된 플레이트 상에 셀을 직접 배치하였다. 약 24초 후에 셀이 화염을 분출하였고 320℃의 최고 온도에 도달하였다.
실시예 1
두 번째 실험에서, FIREX로 코팅된 셀을 금속 플레이트 상에 배치하고, 비교예 1에서와 동일한 조건하에서 가열하였다. 이 셀은 3분이 경과할 때까지 착화되지 않았다. 대신에, 열이 셀을 손상시키는 것을 코팅이 방지하였고, 발화 후 셀을 검사한 결과, 가시적인 물리적 손상의 증후가 없었다.
본 명세서에 수치적 한계 또는 범위가 언급된 경우, 종점들이 포함된다. 또한, 수치적 한계 또는 범위 내의 모든 값들과 소범위들도, 명시적으로 적시한 것과 같이, 명확하게 포함된다.
명백하게, 본 발명의 많은 변형들과 변경들이 전술한 교시들에 비추어 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구범위 내에서, 본 발명이 본 명세서에 구체적으로 개시된 것과는 다르게 실시될 수 있음을 이해하여야 한다.
전술한 모든 특허들과 다른 참조물들은 상세하게 개시한 바와 같이 인용에 의해 그 전체가 본 명세서에 통합되었다.

Claims (25)

  1. 배터리 셀이며,
    상기 배터리 셀의 외부의 적어도 일부가 내화 피복으로 코팅된,
    배터리 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 융식성 피복인,
    배터리 셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 발포성 피복인,
    배터리 셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 흡열성 피복인,
    배터리 셀.
  5. 제 1 항에 따른 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는,
    배터리 셀 어셈블리.
  6. 제 1 항에 따른 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는,
    배터리.
  7. 제 5 항에 따른 적어도 하나의 배터리 셀 어셈블리를 포함하는,
    배터리.
  8. 배터리 셀의 제조 방법이며,
    상기 배터리 셀의 외부의 적어도 일부를 내화 피복으로 코팅하는 단계를 포함하는,
    배터리 셀의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 융식성 피복인,
    배터리 셀의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 발포성 피복인,
    배터리 셀의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 흡열성 피복인,
    배터리 셀의 제조 방법.
  12. 배터리 셀 어셈블리의 제조 방법이며,
    상기 어셈블리의 외부의 적어도 일부를 내화 피복으로 코팅하는 단계를 포함하는,
    배터리 셀 어셈블리의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 융식성 피복인,
    배터리 셀 어셈블리의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 발포성 피복인,
    배터리 셀 어셈블리의 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 흡열성 피복인,
    배터리 셀 어셈블리의 제조 방법.
  16. 적어도 하나의 배터리 셀 또는 적어도 하나의 배터리 셀 어셈블리를 포함하는 배터리의 제조 방법이며,
    상기 배터리의 외부의 적어도 일부를 내화 피복으로 코팅하는 단계를 포함하는,
    배터리의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 융식성 피복인,
    배터리의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 발포성 피복인,
    배터리의 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 내화 피복은 흡열성 피복인,
    배터리의 제조 방법.
  20. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 재충전식 2차 배터리 셀인,
    배터리 셀의 제조 방법.
  21. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 1회용 1차 배터리 셀인,
    배터리 셀의 제조 방법.
  22. 제 8 항에 있어서,
    상기 피복은 화재 전파를 지연시키는 역할을 하는,
    배터리 셀의 제조 방법.
  23. 제 8 항에 있어서,
    상기 피복은 방화인 경우를 알려주는 역할을 하는,
    배터리 셀의 제조 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 리튬계 배터리 셀인,
    배터리 셀.
  25. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 리튬계 배터리 셀인,
    배터리 셀의 제조 방법.
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