KR20160088297A - 배터리 전지 코팅 - Google Patents

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헨켈 아이피 앤드 홀딩 게엠베하
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Abstract

배터리 시스템은 배터리 전지의 금속 케이싱에 적용된, 세라믹 입자를 가진 이소시아네이트 성분과 세라믹 입자를 가진 아민 성분의 반응 혼합물로부터 형성되는 폴리요소 코팅을 포함한다. 세라믹 입자-충전 폴리요소 코팅은 배터리 전지로부터 및 배터리 전지로의 열 전달을 위한 열 임피던스를 실질적으로 감소시키기에 적절한 열 전도도 뿐만 아니라 충분한 전기적 절연도 발휘한다.

Description

배터리 전지 코팅 {BATTERY CELL COATINGS}
본원의 발명은 일반적으로 코팅 조성물, 그리고 보다 특히 열 전도성 코팅을 갖는 배터리 시스템과 관련된다.
배터리 동작의 바탕이 되는 발전 반응은, 예컨대 연축 배터리, 리튬이온 배터리, 니켈 금속 수소화물 배터리 등, 일반적으로 잘 알려진 배터리 카테고리에 속한다. 그러나, 적용에 따라, 배터리는 규모 면에서 1 그램 미만에서부터 수 백 킬로그램에 이르기까지 폭넓은 차이가 날 수 있다. 전지 내에 알루미늄 케이싱을 가진 리튬이온 배터리는 단위 중량 적용 당 높은 전기적 출력, 예컨대 항공기 및 전기 자동차에 흔히 사용되는 배터리의 예시적 분류이다. 이러한 적용에서 종종 요구되는 높은 총 출력을 고려할 때, 여러 배터리 전지가 조정 배터리 팩에 사용될 수 있다. 시간에 따른 일관되고 효과적인 배터리 팩의 기능을 보장하기 위하여, 배터리 전지의 부식, 마모, 및 진동뿐만 아니라 배터리 전지 표면상의 수분 응축을 최소화하는 것이 중요하다. 배터리 전지, 특히 전기 생산에 있어서 현저한 열을 발생시키는 복수의 밀접-배치된 배터리 전지를 사용하는 배터리 팩으로부터의 열 발산을 제공하는 것 역시 매우 중요할 수 있다. 따라서 배터리 전지의 부식 및 마모를 억제하고, 배터리 팩 안의 각 배터리 전지를 서로로부터 전기적으로 절연하고자 배터리 전지 코팅을 사용하는 것이 보통이다.
배터리 전지 전기적 절연은 통상적으로 개별 전지를 폴리이미드 필름으로 랩핑(wrapping)함으로써 달성된다. 폴리프로필렌 필름은 상당한 체결력 하에서 배터리 전지의 보호를 위해 이후 폴리이미드 필름 외부에 놓여진다. 그러나, 이러한 필름은, 낮은 열 전도도를 발휘하며, 랩핑 공정을 완료하기 위해 상당한 처리 시간과 비용을 요구한다. 배터리 전지 보호를 위한 파우더 코팅이 시도되었으나, 전형적으로 경화에 상당한 가열을 요구하며, 상승된 온도가, 전해질 로딩 배터리 전지에 허용될 수 없다. 더욱이, 배터리 전지의 전체 에지 커버리지(edge coverage)는 파우더 코팅 적용에 어렵고, 이로써 나쁜 전반적인 전기적 절연 특성을 가져온다. 딥 코팅(Dip coating)은 전형적으로 건조 및 경화를 위한 연장된 시간을 요구하기 때문에 또한 배터리 전지 절연 적용으로 제한된다.
따라서 본원의 발명의 목적은 배터리 전지 코팅이 열 전도도, 전기적 절연뿐만 아니라 마모 및 부식 저항성을 제공하고, 코팅이 상승된 온도의 부재 하에서 빠르게 형성될 수 있는 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
한 실시양태에서, 본원의 발명의 배터리 시스템은 금속 케이싱을 갖는 배터리 전지 및 금속 케이싱 상의 폴리요소 코팅을 포함한다. 폴리요소 코팅은 100 내지 2000 cP의 점도를 갖는 첫 번째 성분을 가지며, 이소시아네이트 및 세라믹 입자를 포함하고, 여기서 이소시아네이트는 이소시아네이트 관능성 예비중합체를 포함하는, 반응 혼합물로부터 형성될 수 있다. 반응 혼합물은 100 내지 2000 cP의 점도를 가지며, 아민 및 세라믹 입자를 포함하는 두 번째 성분을 더 포함한다. 반응 혼합물의 첫 번째 및 두 번째 성분은 압력 하에서 분무가능하고, 0.40 W/m * K 이상의 열 전도도, 및 절연 내력(dielectric strength)이 0.8 kV/코팅 두께 mil 이상인 두께를 갖는 폴리요소 코팅을 형성하도록 서로 반응한다.
또 다른 실시양태에서, 배터리 전지 케이싱에 열 전도성, 유전체 폴리요소 코팅을 적용하는 방법은 각각 100 내지 2000 cP의 점도를 갖는 첫 번째 및 두 번째 성분을 갖는 반응 혼합물을 제조하는 것을 포함한다. 첫 번째 성분은 이소시아네이트 및 세라믹 입자를 포함하고, 여기서 이소시아네이트는 이소시아네이트 관능성 예비중합체를 포함한다. 두 번째 성분은 아민 및 세라믹 입자를 포함한다. 첫 번째 성분이 첫 번째 오리피스를 통해 배터리 전지 케이싱 상에 분무되고, 실질적으로 동시에 이와 함께, 두 번째 성분이 두 번째 오리피스를 통해 배터리 전지 케이싱 상에 분무되어 첫 번째 및 두 번째 성분이 폴리요소 코팅을 형성하도록 서로 반응한다. 코팅은 0.40 W/m * K 이상의 열 전도도, 및 절연 내력이 0.8 kV/코팅 두께 mil 이상인 두께를 나타낸다.
본원의 발명의 추가적인 코팅 조성물은 첫 번째 및 두 번째 성분의 반응 혼합물로부터 형성되는 폴리요소를 포함하고, 여기서 첫 번째 성분은 이소시아네이트 및 세라믹 입자를 포함한다. 이소시아네이트는 이소시아네이트 관능성 예비중합체를 포함할 수 있고, 세라믹 입자는 0.01 내지 100 마이크로미터의 입자 시브(sieve) 사이즈 및 첫 번째 성분 내에 5 내지 400 PHR의 농도를 갖는다. 두 번째 성분은 아민, 및 두 번째 성분 내에 5 내지 400 PHR의 농도 및 0.01 내지 100 마이크로미터의 입자 시브 사이즈를 갖는 세라믹 입자를 포함한다. 첫 번째 및 두 번째 성분은 압력 하에서 분무가능하며 폴리요소 코팅을 형성하도록 서로 반응한다. 코팅은 0.40 W/m * K 이상의 열 전도도, 및 절연 내력이 0.8 kV/코팅 두께 mil 이상인 두께를 나타낸다.
도 1은 본원의 발명의 배터리 시스템의 개략도이다.
본원의 발명에 의해 나타난 다른 목적, 특징 및 진보와 함께 상기에 열거된 목적 및 장점들이 이제 상세한 실시양태의 관점에서 제시될 것이다. 본 발명의 다른 실시양태 및 양상은 당업자의 이해 내에 속한 것으로 인식된다.
본원의 목적을 위하여, 용어 "중합체"는 예비중합체, 올리고머, 단일중합체, 공중합체를 언급하는 것을 의미한다.
본원의 배터리 전지 코팅 조성물은 이소시아네이트를 갖는 첫 번째 성분 ("이소시아네이트 성분"), 및 아민을 갖는 두 번째 성분 ("아민 성분")의 반응 혼합물로부터 형성되는 폴리요소를 포함한다. 이소시아네이트 성분은 이소시아네이트 관능성 예비중합체를 포함하며, 이소시아네이트 관능성 예비중합체를 형성하는 데 사용되지 않는 이소시아네이트 또한 포함할 수 있다. 비-예비중합체 이소시아네이트는 이소시아네이트 관능성 예비중합체를 형성하는 데 사용되는 이소시아네이트와 동일하거나 다를 수 있으며, 이소시아네이트 관능성 예비중합체는 비-예비중합체 이소시아네이트와 실질적으로 양립할 수 있다. 용어 "실질적으로 양립가능"은 다른 물질과 블렌드를 형성하고 시간에 걸쳐 실질적으로 균일하게 유지되는 물질의 능력을 의미하는 것으로 의도된다. 아민 성분은 폴리요소를 형성하도록 이소시아네이트와 반응 또는 경화할 것이므로 본원에서 "경화제"로서 언급될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "이소시아네이트"는 반응성 기, 예컨대 히드록실, 티올 또는 아민 관능성 기와 공유 결합을 형성할 수 있는 블로킹되지 않은 화합물을 포함한다. 따라서, 이소시아네이트는 당업자에 의해 잘 이해될 수 있는 "유리 이소시아네이트"로 언급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원의 발명의 이소시아네이트는 일관능성 (하나의 이소시아네이트 관능성 기(NCO)를 함유하는)일 수 있거나 본원의 발명에 사용된 이소시아네이트는 다관능성 (두 개 이상의 이소시아네이트 관능성 기(NCOs)를 함유하는)일 수 있다.
본원의 발명에 사용되는 적절한 이소시아네이트는 많고 널리 변화될 수 있으며, 당업계에 알려진 것을 포함할 수 있다. 적절한 이소시아네이트의 비제한적인 예시는 단량체성 및/또는 중합체성 이소시아네이트를 포함할 수 있다. 이소시아네이트는 단량체, 예비중합체, 올리고머, 또는 이들의 블렌드로부터 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 이소시아네이트는 C2 내지 C20의 직선, 분지, 고리, 방향족, 또는 이들의 블랜드일 수 있다.
본원의 발명에 사용되는 적절한 이소시아네이트는 3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토-메틸-시클로헥실 이소시아네이트인 이소포론 디이소시아네이트(IPDI); 수소화된 물질 예컨대 시클로헥실렌 디이소시아네이트, 4,4'-메틸렌디시클로헥실 디이소시아네이트(H12MDI); 혼합된 아랄킬 디이소시아네이트 예컨대 테트라메틸크실릴 디이소시아네이트, OCN-C(CH3)2-C6H4C(CH3)2-NCO; 폴리메틸렌 이소시아네이트 예컨대 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,5-펜타메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(HMDI), 1,7-헵타메틸렌 디이소시아네이트, 2,2,4- 및 2,4,4-트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트, 1,10-데카메틸렌 디이소시아네이트 및 2-메틸-1,5-펜타메틸렌 디이소시아네이트; 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본원의 발명에 사용되는 방향족 이소시아네이트의 예시는 페닐렌 디이소시아네이트, 톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 크실렌 디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트, 클로로페닐렌 2,4-디이소시아네이트, 비톨루엔 디이소시아네이트, 디아니시딘 디이소시아네이트, 톨리딘 디이소시아네이트, 알킬화된 벤젠 디이소시아네이트, 메틸렌-개재 방향족 디이소시아네이트 예컨대 메틸렌디페닐 디이소시아네이트, 알킬화된 유사체 예컨대 3,3'-디메틸-4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트를 포함하는 4,4'-이소머(MDI), 중합체성 메틸렌디페닐 디이소시아네이트; 및 이들의 혼합물일 수 있다.
특정 실시양태에서, 이소시아네이트 단량체가 사용될 수 있다. 이소시아네이트 단량체 (즉, 예비중합체의 제조로부터 온 무-잔기(residual-free) 단량체)의 사용이 폴리요소 조성물의 점도를 감소시킴으로써 그의 흐름성을 개선시킬 수 있으며, 이미 도포된 코팅 및/또는 코팅되지 않은 기판에 대한 폴리요소 코팅의 개선된 접착력을 제공할 수 있다고 믿어진다.
이소시아네이트는 올리고머성 이소시아네이트 예컨대, 이량체 예컨대 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트의 우레트디온, 삼량체 예컨대 1,6-헥산디이소시아네이트의 뷰렛 및 이소시아누레이트와, 이소포론 디이소시아네이트, 알로포네이트 및 중합체성 올리고머의 이소시아누레이트를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 개질된 이소시아네이트가 또한 사용될 수 있으며, 카보디이미드 및 우레톤-이민, 및 이들의 혼합물을 포함하나 이에 제한되지 않는다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "예비중합체"는 폴리아민 또는 다른 이소시아네이트 반응성 기, 예컨대 폴리올과 사전 반응하는 이소시아네이트를 의미한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "이소시아네이트 관능성 예비중합체"는 하나 이상의 이소시아네이트 관능성 기(NCO)를 갖는 예비중합체를 의미한다.
본원의 발명의 아민 성분에 사용되는 적절한 아민은 당업계에 공지된 것, 예컨대 일차 및 이차 아민, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 아민은 모노아민, 또는 두 개 이상의 관능성 기, 예컨대 디-, 트리-, 또는 고급 관능성 아민을 갖는 폴리아민; 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 추가의 실시양태에서, 아민은 아민 방향족 또는 지방족 예컨대 고리지방족, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 적절한 모노아민의 예시는 지방족 폴리아민 예컨대 에틸아민, 이성질체 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민, 헥실아민, 시클로헥실아민, 및 벤질아민을 포함한다. 적절한 일차 폴리아민은 에틸렌 디아민, 1,2-디아미노프로판, 1,4-디아미노부탄, 1,3-디아미노펜탄 (다이텍(DYTEK) EP, 인비스타(Invista)), 1,6-디아미노헥산, 2-메틸-1,5-펜탄 디아민 (다이텍 A, 인비스타), 2,5-디아미노-2,5-디메틸헥산, 2,2,4- 및/또는 2,4,4-트리메틸-1,6-디아미노-헥산, 1,11-디아미노운데칸, 1,12-디아미노도데칸, 1,3- 및/또는 1,4-시클로헥산 디아민, 1-아미노-3,3,5-트리메틸-5-아미노메틸-시클로헥산, 2,4- 및/또는 2,6-헥사히드로톨루일렌 디아민, 2,4'-디아미노디시클로헥실 메탄, 4,4'-디아미노디시클로헥실 메탄 (피에이씨엠(PACM)-20, 에어 프로덕츠(Air Products)) 및 3,3'-디알킬-4,4'-디아미노디시클로헥실 메탄 (예컨대 3,3'-디메틸-4,4'-디아미노디시클로헥실 메탄 (디메틸 디시칸(DIMETHYL DICYKAN) 또는 라로민(LAROMIN) C260, 바스프(BASF); 안카민(ANCAMINE) 2049, 에어 프로덕츠) 및 3,3'-디에틸-4,4'-디아미노디시클로헥실 메탄), 2,4- 및/또는 2,6-디아미노톨루엔, 3,5-디에틸톨루엔-2,4-디아민, 3,5-디에틸톨루엔-2,6-디아민, 3,5-디메틸티오-2,4-톨루엔디아민, 3,5-디메틸티오-2,4-톨루엔디아민, 2,4'- 및/또는 4,4'-디아미노디페닐 메탄, 디프로필렌 트리아민, 비스 헥사메틸렌 트리아민, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 폴리옥시알킬렌아민이 또한 적절하다. 폴리옥시알킬렌아민은 골격에 부착되고, 예를 들어 프로필렌 옥시드, 에틸렌 옥시드, 부틸렌 옥시드 또는 이들의 혼합물로부터 유래된, 두 개 이상의 일차 또는 이차 아미노 기를 포함한다. 이러한 아민의 예시는 명칭 제파민(JEFFAMINE) 하에서 이용가능한 것, 예컨대, 제한 없이, 제파민 D-230, D-400, D-2000, HK-511, ED-600, ED-900, ED-2003, T-403, T-3000, T-5000, SD-231, SD-401, SD-2001, 및 ST-404 (헌츠맨 코포레이션(Huntsman Corporation))를 포함한다. 이러한 아민은 200 내지 7500 범위의 대략적인 분자량을 갖는다.
이차 고리지방족 디아민이 또한 본원의 발명에 사용될 수 있다. 적절한 고리지방족 디아민은, 제한 없이, 제플링크(JEFFLINK) 754 (헌츠맨 코포레이션), 클리어링크(CLEARLINK) 1000 (도르프-케탈 케미칼즈, 엘엘씨(Dorf-Ketal Chemicals, LLC)), 및 아스파르트산 에스테르 관능성 아민, 예컨대 명칭 데스모펜(DESMOPHEN) 하에서 이용가능 한 것, 예컨대 데스모펜 NH1220, 데스모펜 NH 1420, 및 데스모펜 NH 1520 (바이엘 머티어리얼스 사이언스 엘엘씨(Bayer Materials Science LLC.))을 포함한다. 본원의 발명에 사용될 수 있는 다른 적절한 이차 아민은 일차 아민 관능기, 예컨대 본원에 기술된 것을 포함하는 물질과 아크릴로니트릴의 반응 생성물을 포함한다. 예를 들어, 이차 아민은 4,4'-디아미노디시클로헥실메탄 및 아크릴로니트릴의 반응 생성물일 수 있다. 대안적으로, 이차 아민은 이소포론 디아민 및 아크릴로니트릴의 반응 생성물, 예컨대 폴리클리어(POLYCLEAR) 136 (한센 그룹 엘엘씨(Hansen Group LLC)로부터 사용 가능하다)일 수 있다.
본원의 발명에 사용될 수 있는 다른 아민은 이소포론 디아민과 카두라(Cardura) E-10P의 반응 생성물과 같은 모노 또는 폴리에폭시와 일차 폴리아민의 부가물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 아민 성분은 일차 및 이차 아민의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 아민 성분은 일차 아민 관능기 (반응하지 않은 일차 아미노 기)가 실질적으로 없을 수 있다. "일차 아민 관능기가 실질적으로 없는"은 이론적으로 일차 아민 관능기가 없음을 의미하지만 일부 일차 아민 관능기가 순수하게 부수적으로, 즉, 다르게는 이차 아민 관능기 및/또는 반응하지 않은 미량 일차 아민 관능기인 아민 내 불순물로 존재할 수 있다.
또 다른 실시양태에서, 아민 성분은 지방족 아민을 포함할 수 있다. 지방족 아민의 존재가 향상된 내구성을 제공할 수 있는 것으로 믿어진다. 본 실시양태에서, 아민은 전형적으로 상대적으로 낮은 점도, 예를 들어, 25 ℃에서 약 100 mPas 미만을 갖는 액체로서 제공된다.
특정 실시양태에서, 본원의 발명에 따라 사용되는 코팅 조성물은 폴리요소 및 폴리우레탄의 블렌드를 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "폴리요소"는 폴리요소 및 폴리요소와 폴리우레탄의 블렌드 모두를 포함한다. 당업자에 의해 폴리우레탄은 본원의 발명에 따른 반응 부산물로서 형성될 수 있음이 이해될 것이다. 대안적 실시양태에서, 폴리우레탄은 동일계내에서(in-situ) 형성될 수 있고(거나) 반응 혼합물에 첨가될 수 있다.
본원의 발명의 폴리요소 코팅 조성물은 업계에 표준적인 물질, 예컨대 접착 촉진제, 촉매, 착색제, 항산화제, UV 흡수제, 희석제, 가소제, 레올로지 개질제(rheology modifier), 흐름 첨가제, 정전기방지제 및 표면 코팅 업계에서 잘 알려진 다른 성능 또는 특성 개질제, 및 이들의 혼합물을 임의로 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 이러한 물질은 이소시아네이트 성분, 아민 성분, 또는 모두와 함께 조합되어 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 본원의 발명의 코팅 조성물은 기판에 대한 코팅 조성물의 접착력을 향상시킬 수 있는 접착 촉진제를 포함할 수 있다. 본원의 발명의 코팅 조성물이 첫 번째 코팅 위에 적용되는 경우, 접착 촉진제는 첫 번째 코팅 조성물에 존재할 수 있거나, 또는 두 번째 코팅 조성물의 이소시아네이트 성분 및/또는 아민 성분에 첨가될 수 있거나, 또는 이에 두 번째 코팅의 적용에 앞서 별도의 층으로서 기판 또는 첫 번째 코팅에 직접적으로 적용될 수 있다. 별도의 층으로서 적용되는 경우, 접착 촉진제가 다양한 통상적인 기술, 예컨대 와이핑(wiping), 딥핑(dipping), 롤 코팅(roll coating), 커튼 코팅(curtain coating), 분무 등을 사용하여, 그러나 이에 제한되지 않고 적용될 수 있다.
본원의 발명에 사용되는 적절한 접착 촉진제의 비제한적인 예시는 아민-관능성 물질, 예컨대 1,3,4,6,7,8-헥사히드로-2H-피리미도-(1,2-A)-피리미딘, 히드록시에틸 피페라진, N-아미노에틸 피페리진, 디메틸아민 에틸에테르, 테트라메틸이미노프로포일아민 (에어 프로덕츠 앤드 케미칼즈, 인코포레이티드(Air Products and Chemicals, Inc.)의 폴리캣(POLYCAT) 15로서 상업적으로 입수 가능하다), 에폭시 기반 물질 (모멘티브 퍼포먼스 머티어리얼스(Momentive Performance materials)의 실란(Silane) A-187로서 입수 가능하다), 블로킹된 아민 예컨대 IPDI 및 디메틸아민의 부가물, 삼차 아민, 예컨대 1,5-디아자비시클로[4.3.0]논-5-엔, 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데크-7-엔, 1,4-디아자비시클로[2.2.2]옥탄, 1,5,7-트리아자비시클로[4.4.0]데크-5-엔, 및 7-메틸-1,5,7-트리아자비시클로[4.4.0]데크-5-엔, 아미노 실란 예컨대 γ-아미노프로필트리에톡시실란 (모멘티브 퍼포먼스 머티어리얼스, 인코포레이티드의 실퀘스트(Silquest) A1100로서 상업적으로 입수 가능하다), 멜라민 또는 아미노 멜라민 수지 (예를 들어, 사이텍 인더스트리즈 인코포레이티드(Cytec Industries Inc.)로부터 입수 가능한 사이멜(Cymel) 220 또는 사이멜 303), 금속 킬레이트 착물 예컨대 알루미늄 킬레이트 착물 (예를 들어, 킹 인더스트리즈(King Industries)로부터 입수 가능한 K-KAT 5218) 또는 주석-함유 조성물 예컨대 주석 옥토에이트 및 유기주석 화합물 예컨대 디부틸주석 디라우레이트 및 디부틸주석 디아세테이트를 포함하는 금속 착물, 우레탄 아크릴레이트 조성물, 염 예컨대 클로린 포스페이트, 부타디엔 수지 예컨대 에폭시화된, 히드록실 종결 폴리부타디엔 수지 (예를 들어, 아토피나 케미칼즈, 인코포레이티드(Atofina Chemicals, Inc.)로부터 입수 가능한 폴리(POLY) BD 605E), 폴리에스테르 폴리올 (예를 들어, 카파(CAPA) 3091, 솔베이 아메리카, 인코포레이티드(Solvay America, Inc.)로부터 입수 가능한 폴리에스테르 트리올, 및 우레탄 아크릴레이트 조성물 예컨대 방향족 우레탄 아크릴레이트 올리고머 (예를 들어, 사토머 컴퍼니, 인코포레이티드(Sartomer Company, Inc.)으로부터 입수 가능한 CN999); 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 코팅은 용매, 예컨대 크실렌을 더 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 그러나, 코팅은 실질적으로 무용매일 수 있다. "실질적으로 무용매"는 코팅이 소량의 용매, 예컨대 5 %, 2 %, 1 % 또는 미만을 함유할 수 있음을 의미한다.
일부 실시양태에서, 본원의 발명의 코팅 조성물은 착색제를 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "착색제"는 색상 및/또는 다른 불투명도 및/또는 다른 시각적 효과를 조성물에 부여하는 임의의 물질을 의미한다. 착색제는 임의의 적절한 형태로, 예컨대 개별 입자, 분산액, 용액 및/또는 플레이크로 코팅에 첨가될 수 있다. 단일 착색제 또는 두 개 이상의 착색제의 혼합물이 본원의 발명의 코팅에 사용될 수 있다.
예시적인 착색제는 안료, 염료 및 틴트(tint), 예컨대 페인트 산업에서 이용되는 것 및/또는 드라이 컬러 제조 협회(Dry Color Manufacturers Association (DCMA))에 등재된 것, 뿐만 아니라 특수 효과 조성물을 포함한다. 착색제는 예를 들어, 사용 조건 하에서 불용성이지만 습윤성인 미분된 고체 파우더를 포함할 수 있다. 착색제는 유기 또는 무기일 수 있고 응집되거나 비응집될 수 있다. 착색제는 그라인딩 또는 단순 혼합에 의해서 코팅 안으로 혼입될 수 있다. 착색제는 그라인드 부형제, 예컨대 당업자에게 익숙할 것인 아크릴 그라인드 부형제의 사용으로서 코팅 안으로 그라인딩에 의해 혼입될 수 있다.
예시적인 안료 및/또는 안료 조성물은 카바졸 디옥사진 조안료, 아조, 모노아조, 디아조, 나프톨 AS, 염 타입 (레이크), 벤즈이미다졸론, 축합, 금속 착물, 이소인돌리논, 이소인돌린 및 다환 프탈로시아닌, 퀴나크리돈, 페릴렌, 페리논, 디케토피롤로 피롤, 티오인디고, 안트라퀴논, 인단트론, 안트라피리미딘, 플라반트론, 피란트론, 안탄트론, 디옥사진, 트리아릴카보늄, 퀴노프탈론 안료, 디케토 피롤로 피롤 레드 ("DPPBO 레드"), 티타늄 디옥시드, 카본 블랙, 카본 파이버, 그라파이트, 다른 전도성 안료 및/또는 충전제 및 이들의 혼합물을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 용어 "안료" 및 "착색된 충전제"는 상호교환적으로 사용될 수 있다.
예시적인 염료는 용매 및/또는 수성 기반인 것 예컨대 산 염료, 아조 염료, 염기성 염료, 직접 염료, 분산 염료, 반응성 염료, 용매 염료, 황 염료, 매염 염료, 예를 들어, 비스무트 바나데이트, 안트라퀴논, 페릴렌, 알루미늄, 퀴나크리돈, 티아졸, 티아진, 아조, 인디고이드, 니트로, 니트로소, 옥사진, 프탈로시아닌, 퀴놀린, 스틸벤, 및 트리페닐 메탄을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
예시적인 틴트는 운반체에 분산된 안료, 예컨대 플라스틱컬러즈(Plasticcolors)의 프탈로 블루를 포함하나 이에 제한되지 않는다.
본원의 발명의 코팅 조성물은 적절한 0.40 W/m * K 이상의 열 전도도를 갖는 코팅을 제공하도록 이소시아네이트 성분 및 아민 성분 모두에 로딩된 열 전도성 세라믹 입자를 더 포함한다. 목적하는 최소 열 전도도 특성을 얻기 위한 이소시아네이트 성분 및 아민 성분 내의 전형적인 세라믹 입자 로딩은 각 성분의 5 내지 400 phr, 및 보다 전형적으로 25 내지 200 phr의 범위이다. 이러한 열 전도성 세라믹 입자의 로딩 농도는, 이러한 로딩 농도가 우발적인 점도 증가의 결과로서 적어도 이소시아네이트 성분을 분무 불가능하게 한다고 일반적으로 생각되었으므로 이전에는 가능한 것으로 여겨지지 않았다. 결과적으로, 폴리요소 코팅은 이전에는, 본 폴리요소 코팅의 목적하는 열 전도도 특성을 실현하기에 충분한 열 전도성 미립자 로딩을 구비하지 않았다.
반응물의 점도 조절을 돕기 위해, 열 전도성 세라믹 입자는 특정 입자 사이즈 분포를 갖고 조절된 가로세로비 범위 내에 있을 수 있다. 입자 시브 사이즈는 따라서 0.01 내지 100 마이크로미터일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 열 전도성 세라믹 입자는 0.01 내지 100 마이크로미터의 평균 입자 사이즈를 가질 수 있거나, 1 내지 25 마이크로미터 내이다. 구형, 막대, 또는 판형 입자의 입자 가로세로비는 바람직하게는 1 내지 50, 또는 1 내지 10 내일 수 있다.
열 전도성 세라믹 입자는 전술한 로딩 농도에서의 열 전도성 특성을 가질 수 있는 다양한 물질들로부터 선택될 수 있다. 예시적인 열 전도성 세라믹 입자 물질은 알루미나, 알루미늄 니트라이드, 붕소 니트라이드, 베릴륨 옥시드, 아연 옥시드, 티타늄 디옥시드, 마그네슘 디옥시드, 및 이들의 조합을 포함한다. 이러한 입자는 본원의 발명의 폴리요소 코팅의 상당한 열 전도도 및 향상된 절연 내력 모두를 부여한다.
열 전도성 세라믹 입자 로딩 농도, 입자 사이즈, 및 가로세로비는 이소시아네이트 성분 및 아민 성분 모두의 완전히 분무가능한 혼합물을 유지하는 것을 돕는다. 특히, 브룩필드(Brookfield) 점도계를 사용하여 50 rpm에서 크로스-타입 B 스핀들로 측정한 이소시아네이트 성분 및 아민 성분 모두는 바람직하게는 100 내지 2000 cP의 동적 점도를 나타낸다. 특정 실시양태에서, 전술한 바와 같이 측정한 이소시아네이트 성분 및 아민 성분의 동적 점도는 100 내지 400 cP 내였다.
본원의 발명은, 도 1에서 보여지는 바와 같이, 배터리 시스템(10), 및 배터리 전지에 열 전도성, 유전체 폴리요소 코팅을 적용하는 방법에 추가적으로 관련된다. 도시된 배터리 시스템(10)은 금속 케이싱(14) 및 제1 및 제2 단자(16, 18)를 갖는 배터리 전지(12)를 포함한다. 배터리 전지(12)는, 열 전도성, 유전체 폴리요소 코팅(20)에 대한 필요성이 확인된, 다양한 배터리 타입 중 임의의 것일 수 있다. 배터리 시스템(10)의 특정 실시양태는 복수의 배터리 전지(12)를 가진 배터리 팩(22)에 사용될 수 있는 리튬이온-타입 배터리 전지(12)를 사용할 수 있다. 배터리 팩(22)은 배터리 팩(22) 내의 배터리 전지(12) 그룹 주위에 위치할 수 있는 외부 클램프(24) 내에 함께 고정될 수 있다.
본원의 발명의 폴리요소 코팅(20)은 배터리 전지(12)의 일부분, 또는 전체에 적용될 수 있다. 코팅(20)은 아래에 기술될 바와 같이 전지 케이싱(14)에 적용될 수 있으며, 일부 실시양태에서는, 완전히 케이싱(14)을 덮거나, 완전히 배터리 전지(12)를 덮을 수 있다. 이 과정에서, 폴리요소 코팅(20)은 전형적으로 배터리 팩(22) 내의 배터리 전지(12)에 적용되는 통상적인 전기적 절연의 필요성을 제거할 수 있다. 일부 실시양태에서, 폴리요소 코팅(20)은 배터리 팩(22)의 클램프(24)의 일부분, 또는 전체에 적용될 수 있다.
본원의 발명의 폴리요소 코팅은 배터리 팩(22) 내의 인접 전지(12) 사이뿐만 아니라 전지(12) 및 배터리 팩(22)의 클램프(24) 사이에도 유전제 장벽을 제공한다. 코팅은 800 V/코팅 두께 mil (또는 0.8 kV/mil) 이상의 최소 임계 전압 파단 강도를 수립하는 방식으로 제공된다. 코팅의 부피 저항률은 108 Ω * 미터의 범위일 수 있다. 코팅(20)의 전기적 절연 특성에 더해, 인접 전지(12) 사이 및/또는 전지(12) 및 열 싱크(heat sink) 사이의 열 임피던스의 감소가 제공된다. 0.40 W/m * K 이상, 및 보다 바람직하게는 0.50 W/m * K 이상의 열 전도도 값은 배터리 전지(12)로의, 또는 배터리 전지(12)로부터의 열 도입 또는 발산을 위한 효율적인 열 경로를 형성한다. 나아가, 본원의 발명의 폴리요소 코팅은 전지(12)에 마모로부터의 보호를 부여한다. 본원의 발명의 폴리요소 코팅은 연장된 사용 주기에 걸쳐 상당한 마모 저항성 및 내구성을 발휘한다.
본원의 발명은 기판, 예컨대 배터리 전지를 코팅하는, 본원에 기술된 임의의 코팅 조성물을 기판의 일부분 이상에 적용하는 것을 포함하는 방법에 추가적으로 관련된다. 한 실시양태에서, 통상적인 분무 기술이 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 이소시아네이트 성분 및 아민 성분이 조합되어 이소시아네이트 기의 당량 대 아민 기의 당량 비가 1 초과이고, 이소시아네이트 및 아민이 1:1의 부피 혼합비로 기판에 적용될 수 있고; 반응 혼합물은 코팅되지 않은 기판 상에 첫 번째 코팅 또는 코팅된 기판 상에 후속 코팅을 형성하도록 코팅되지 않은 또는 코팅된 기판에 적용될 수 있다. 이소시아네이트 기의 당량 대 반응성 아민 기의 당량 비를 결정할 때, 총 아민 기, 즉 임의의 아민 또는 코팅에 사용되는 아민의 아민 기가 고려된다.
본 조성물이 이소시아네이트 성분 및 아민 성분이 적용 직전까지 별도로 유지되는 두 가지 성분 또는 "2K" 조성물이라는 것이 이해될 것이다. 비록 가열된 강제 공기(forced air) 또는 가열 경화가 최종 경화를 가속화하거나 코팅 특성, 예컨대 접착력을 향상시키도록 적용될 수 있지만, 이러한 조성물은 주위 조건 하에서 경화시키는 것으로 이해될 것이다. 한 실시양태에서, 분무가능 코팅 조성물은 이성분 혼합 장치(two-component mixing device)를 사용하여 제조될 수 있다. 이 실시양태에서, 이소시아네이트 및 아민은 고압 충돌 혼합 장치에 첨가된다. 이소시아네이트 성분은 "A-면"에 첨가되고 아민 성분은 "B-면"에 첨가된다. A- 및 B-면 스트림은 서로 충돌하며 코팅되지 않은 또는 코팅된 기판 상의 일부분 이상에 즉시 분무된다. 이소시아네이트 성분 및 아민 성분은 반응하여 코팅되지 않은 또는 코팅된 기판에 적용시 경화되는 코팅 조성물을 생산한다. A- 및/또는 B-면은 적용에 앞서, 예컨대 140 ℉의 온도까지 가열될 수 있다. 가열은 두 성분 간의 더 나은 점도 매치를, 따라서 더 나은 혼합을 촉진할 수 있으나, 경화 반응이 일어나는 데는 필요하지 않다.
이소시아네이트 및 아민의 부피 혼합비는 얻어진 이소시아네이트 성분 및 아민 성분 반응 혼합물이 1:1의 부피 혼합비로 기판에 적용될 수 있도록 할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "부피 혼합비 1:1"은 부피 혼합비가 각 성분에 대해 20 % 이하, 또는 10 % 이하 또는 5 % 이하에서 변화하는 것을 의미한다.
일부 실시양태에서, 퓨전 MP 스프레이 건이 장착된 명칭 그라코(Graco) E-XP 2 반응기 하에서 이용가능한 흔히 이용가능한 혼합 장치가 사용될 수 있다. 이 장치에서, A- 및 B-면 성분의 가압된 스트림은 두 성분이 혼합되어 코팅되지 않은 또는 코팅된 기판에 스프레이 건을 사용하여 적용될 수 있는 코팅 조성물을 형성하도록, 두 개의 별도의 컨테이너로부터 전달되고, 서로 고속으로 충격 또는 충돌한다. 성분 스트림에 의해 가해진 혼합력은 단위 시간 당 혼합 챔버로 진입하는 각 스트림의 부피 및 성분 스트림이 전달되는 압력에 의존할 수 있다. 단위 시간 당 이소시아네이트 성분 및 아민 성분의 1:1 부피비는 이러한 힘을 동등하게 할 수 있다.
업계에 공지된 또 다른 적절한 적용 장치는 "정적 혼합 튜브" 어플리케이터를 포함한다. 이 장치에서, 이소시아네이트 및 아민은 각각 별도의 챔버에 저장된다. 압력이 가해짐에 따라, 각 성분은 1:1의 부피비로 혼합 튜브로 운반된다. 성분의 혼합은 튜브 내의 비틀린 또는 코르크 스크류 경로에 의해 행해진다. 튜브의 출구 단부는 반응 혼합물의 분무 적용에 유용한 원자화 용량을 가질 수 있다. 대안적으로, 유체 반응 혼합물이 비드로서 기판에 적용될 수 있다. 정적 혼합 튜브 어플리케이터는 캄다 코포레이션(Cammda Corporation) 또는 플라스-파크 인더스트리즈, 인코포레이티드(Plas-Pak Industries, Inc.)에서 상업적으로 입수가능하다.
본원의 발명의 코팅 조성물은 매우 다양한 기판에 적용될 수 있다. 비록 배터리 전지의 금속 케이싱이 본원의 발명의 특정한 타겟 적용일지라도, 다른 적절한 기판의 예시는 금속, 천연 및/또는 합성 석재, 세라믹, 유리 등을 포함할 수 있다. 금속은 알루미늄, 냉연 강판(cold rolled steel), 전기아연도금 강판(electrogalvanized steel), 용융 아연도금 강판(hot dipped galvanized steel), 티타늄 및 합금을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 나아가, 본원의 발명의 코팅 조성물은 하나 이상의 매우 다양한 특성, 예컨대 열 컨덕턴스(thermal conductance), 전기적 저항성, 부식 저항성, 및 마모 저항성을 부여하도록 상기 기판에 적용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 폴리요소 코팅은 0.05 내지 1.5 mm (2 내지 60 mil)의 총 코팅 두께를 수립하도록 하나 이상의 층에서 형성될 수 있다.
실시예
2-K 코팅 제제는 파트 A 프리믹스 (이소시아네이트 성분) 및 파트 B 프리믹스 (아민 성분)로부터, 다음의 성분과 함께 제조되었다:
표 1
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다음의 표 2는 물질 설명 및 표 1의 성분의 상업적 공급처를 나타낸다:
표 2
Figure pct00002
공정
파트 A 프리믹스는, 고전단 플래너터리 교반 하에서 약 370 cP의 전형적 점도까지 파트 A 프리믹스 재료를 제1 컨테이너에서 표 1에 따라 혼합하여 제조하였다. 파트 B 프리믹스는, 고전단 플래너터리 교반 하에서 혼합물이 약 280 cP의 전형적 점도로 완전히 균일화 될 때까지 파트 B 프리믹스 재료를 제2 컨테이너에서 표 1에 따라 혼합하여 제조하였다.
파트 A 및 파트 B 프리믹스 컨테이너는 필요한 경우 교반되며, 개별적으로 그라코 E-XP 2 반응기를 향한 호스에 의해 결합된다. 호스를 통해 프리믹스 재료를 충전하고 순환시키는 동안 파트 A 및 파트 B 프리믹스 재료 모두 150 ℉ (65.6 ℃)의 코팅 온도가 설정되었다. 0.5 gal/분의 팁 설정을 가진 퓨전 MP 기계적 퍼지 건이 3500 psi 이하의 (약 3000 psi의 트리거 압력을 발생시키는) 충돌 공기압으로 설정된 그라코 반응기에 연결되었다. 오퍼레이터는 이후 고정물에 의해 세워진 알루미늄 기판에 패스 당 4-8 mil의 분무 코팅을 적용했다. 적용된 코팅은 기판을 완전히 덮었으며, 주위 온도에서 2 분 미만 이내에 무점착(tack-free)이었다.
다음의 표 3은 전술한 바와 같이 적용된 코팅의 테스트 결과를 나타낸다.
표 3
Figure pct00003
본 발명은 특허 법령을 준수하고 당업자에게 새로운 원리를 적용하고 필요에 따라 본 발명의 실시양태를 구성하고 실시하는 데 필요한 정보를 제공하기 위해 본원에 상당히 상세히 기술되었다. 그러나, 다양한 변형이 본 발명 자체의 범주를 벗어남 없이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (15)

  1. 금속 케이싱을 갖는 배터리 전지; 및
    상기 금속 케이싱 상의 폴리요소 코팅을 포함하고, 상기 폴리요소 코팅은:
    (a) 100 내지 2000 cP의 점도를 가지며, 이소시아네이트 및 세라믹 입자를 포함하고, 상기 이소시아네이트는 이소시아네이트 관능성 예비중합체를 포함하는 첫 번째 성분; 및
    (b) 100 내지 2000 cP의 점도를 가지며, 아민 및 세라믹 입자를 포함하는 두 번째 성분
    을 포함하는 반응 혼합물로부터 형성되며,
    상기 첫 번째 및 두 번째 성분은 압력 하에서 분무가능하고, 0.40 W/m * K 이상의 열 전도도, 및 절연 내력이 0.8 kV/코팅 두께 mil 이상인 두께를 갖는 상기 폴리요소 코팅을 형성하도록 반응하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코팅 두께가 0.05 내지 1.5 mm인 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 성분의 상기 세라믹 입자가 0.01 내지 100 마이크로미터의 입자 시브(seive) 사이즈를 가지며, 구형, 막대, 또는 판형 입자 가로세로비 1 내지 50을 갖는 배터리 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 세라믹 입자가 상기 첫 번째 및 두 번째 성분 내에 5 내지 400 phr의 농도로 존재하는 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 성분의 상기 세라믹 입자가 알루미나, 알루미늄 니트라이드, 붕소 니트라이드, 베릴륨 옥시드, 아연 옥시드, 티타늄 디옥시드, 마그네슘 옥시드, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 배터리 시스템.
  6. (a) (i) 100 내지 2000 cP의 점도를 가지며, 이소시아네이트 및 세라믹 입자를 포함하고, 상기 이소시아네이트가 이소시아네이트 관능성 예비중합체를 포함하는 첫 번째 성분; 및
    (ii) 100 내지 2000 cP의 점도를 가지며, 아민 및 세라믹 입자를 포함하는 두 번째 성분
    을 포함하는 반응 혼합물을 제조하는 단계,
    (b) 첫 번째 오리피스를 통해 배터리 전지 케이싱 상에 상기 첫 번째 성분을 분무하는 단계; 및
    (c) 단계 (b)와 실질적으로 동시에, 두 번째 오리피스를 통해 배터리 전지 케이싱 상에 상기 두 번째 성분을 분무하여 상기 첫 번째 및 두 번째 성분을 반응시켜 0.40 W/m * K 이상의 열 전도도, 및 절연 내력이 0.8 kV/코팅 두께 mil 이상인 두께를 갖는 상기 폴리요소 코팅을 형성하는 것을 포함하는, 배터리 전지 케이싱에 열 전도성, 유전체 폴리요소 코팅을 적용하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 폴리요소 코팅 두께가 0.05 내지 1.5 mm인 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 성분의 상기 세라믹 입자가 0.01 내지 100 마이크로미터의 입자 시브 사이즈, 및 구형, 막대, 또는 판형 입자 가로세로비 1 내지 50을 갖는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 세라믹 입자가 상기 첫 번째 및 두 번째 성분 내에 5 내지 400 phr의 농도로 존재하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 성분의 상기 세라믹 입자가 알루미나, 알루미늄 니트라이드, 붕소 니트라이드, 베릴륨 옥시드, 아연 옥시드, 티타늄 디옥시드, 마그네슘 옥시드, 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 것인 방법.
  11. (a) 이소시아네이트 및 세라믹 입자를 포함하고, 상기 이소시아네이트가 이소시아네이트 관능성 예비중합체를 포함하며, 상기 세라믹 입자가 0.01 내지 100 마이크로미터의 입자 시브 사이즈 및 첫 번째 성분 내에서 5 내지 400 phr의 농도를 가지는 첫 번째 성분; 및
    (b) 0.01 내지 100 마이크로미터의 입자 시브 사이즈 및 두 번째 성분 내에서 5 내지 400 phr의 농도를 갖는 세라믹 입자 및 아민을 포함하는 두 번째 성분
    을 포함하고,
    상기 첫 번째 및 두 번째 성분은 압력 하에서 분무가능하고, 0.40 W/m * K 이상의 열 전도도, 및 절연 내력이 0.8 kV/코팅 두께 mil 이상인 두께를 갖는 폴리요소 코팅을 형성하도록 서로 반응하는 반응 혼합물로부터 형성되는 폴리요소를 포함하는, 코팅 조성물.
  12. 제11항에 있어서, 상기 두께가 0.05 내지 1.5 mm인 코팅 조성물.
  13. 제12항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 성분의 상기 미립자 세라믹 충전제가 구형, 막대, 또는 판형 입자 가로세로비 1 내지 50을 갖는 코팅 조성물.
  14. 제13항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 성분의 상기 세라믹 입자가 알루미나, 알루미늄 니트라이드, 붕소 니트라이드, 베릴륨 옥시드, 아연 옥시드, 티타늄 디옥시드, 마그네슘 옥시드, 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 것인 코팅 조성물.
  15. 제11항에 있어서, 상기 첫 번째 성분이 전단 감점성(shear thinning)인 코팅 조성물.
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