KR20210011958A - 용융 유체 전극 장치에서 열 폭주 조건을 완화하기 위한 디바이스, 시스템, 및 방법 - Google Patents

용융 유체 전극 장치에서 열 폭주 조건을 완화하기 위한 디바이스, 시스템, 및 방법 Download PDF

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마노엘 테노리오
다니엘 알. 비저스
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비저스 배터리 코포레이션
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Abstract

열 폭주 완화 시스템(thermal runaway mitigation system)은 열 폭주 트리거(thermal runaway trigger)에 반응하여 열 배터리(thermal battery) 내 열 폭주를 방지하기 위해 열 배터리 내 유체 전극 재료를 냉각하고, 상기 열 폭주 방지 시스템은 유체 양극 재료 및 유체 음극 재료 중 적어도 하나를 냉각한다. 일부 상황에서, 유체 재료 전극 재료는 이 전극 재료를 고체 상태로 배치하기에 충분히 냉각된다.

Description

용융 유체 전극 장치에서 열 폭주 조건을 완화하기 위한 디바이스, 시스템, 및 방법
우선권 주장
본 출원은 대리인 문서 번호 VBC005의, 2018년 5월 17일에 출원된 "용융 유체 전극 장치(apparatus)의 열 폭주(thermal runaway) 조건을 완화하기 위한 디바이스(devices), 시스템, 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제15/982,494호의 우선권의 이익을 주장하며 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 유체 전극이 있는 고온 배터리(high-temperature battery)에 관한 것으로, 더욱 특히 용융 유체 전극이 있는 고온 배터리에서 열 폭주 조건을 완화하기 위한 방법, 디바이스, 및 시스템에 관한 것이다.
배터리는 일반적으로 양극(cathode), 음극(anode) 및 전해질을 포함한다. 배터리는 전형적으로 전류를 배터리의 단자로 전달하는 전극 내의 집전체를 포함한다. 전극 재료를 가열하여 전극 중 하나 또는 둘 모두가 유체 상태로 유지되는 전극용 유체를 사용하려는 시도가 있었다. 이러한 배터리는 가끔 열 배터리 또는 고온 배터리로 불리며, 예를 들어, 때때로 액체 금속 배터리 및 충전식 액체 금속 배터리로 불리는 디바이스를 포함한다. 불행히도 수십 년간의 연구 및 개발은, 예컨대 나트륨과 황 또는 리튬과 황과 같은 높은 중량 에너지 밀도(gravimetric energy density)(kWh/kg) 전기화학 쌍을 사용하는 안전하고 신뢰할 수 있는 열 배터리를 생산하지 못했다.
도면은 오로지 예시를 위한 것이며 첨부된 청구범위의 한계를 정의하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 도면의 구성요소가 반드시 축적인 것은 아니다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 상이한 도면 전체에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
도 1은 열 폭주 방지 시스템과 함께 사용하기에 적합한 배터리 장치의 일례의 블록 다이어그램이다.
도 2는 열 배터리용 열 폭주 방지 시스템의 일례의 블록 다이어그램이다.
도 3a는 열전달 요소(element)가 냉각 코일을 포함하는 튜브형 구조의 배터리의 일례의 측면도의 예시이다.
도 3b는 열전달 요소가 냉각 코일을 포함하는 튜브형 구조의 배터리의 일례의 도 3a에서 라인 A-A를 따라 취한 단면 정면도의 예시이다.
도 3c는 열전달 요소가 냉각 코일을 포함하는 튜브형 구조의 배터리의 일례의 도 3b에서 B-B를 따라 취한 측단면도의 예시이다.
도 4는 열전달 요소가 냉각 코일을 포함하고 가열 시스템이 가열 코일을 포함하는 튜브형 구조의 배터리의 측면도이다.
도 5a는 열전달 요소가 냉각 코일을 포함하는 평면 열 배터리 평면 튜브형 구조의 일례의 사시도 예시이다.
도 5b는 배터리의 단면 정면도의 예시이다.
도 6은 열전달 요소가 냉각 코일을 포함하고 가열 시스템이 가열 코일을 포함하는 평면 구조의 배터리의 사시도의 예시이다.
도 7은 적어도 하나의 전극 재료의 일부가 전극 재료 저장소에 유지되는 일례를 위한 열 폭주 완화 시스템을 포함하는 고온 배터리 시스템의 예시이다.
도 8a는 배터리 하우징이 토로이달 형상(toroidal shape)인 일례를 위한 배터리의 사시도의 예시이다.
도 8b는 배터리 하우징이 토로이달 형상인 일례를 위한 배터리의 단면 정면도의 예시이다.
도 8c는 배터리 하우징이 토로이달 형상인 일례를 위한 배터리의 단면 정면도의 예시이다.
도 9는 열 배터리에서 열 폭주를 완화하기 위한 절차의 일례의 흐름도이다.
열 배터리는 다른 유형의 배터리에 비해 몇 가지 장점이 있다. 상대적으로 저렴한 비용, 높은 에너지 밀도 및 높은 전력 밀도의 열 배터리(고온 배터리)는 이러한 유형의 배터리를 여러 용도에 매우 매력적으로 만든다. 안타깝게도 이러한 장치의 안전 문제로 인해 광범위한 채택이 제한되었다. 고에너지 화학으로 인해, 열 배터리는 화재 및 폭발의 위험이 있다. 기존의 열 배터리 설계는 제3 재료에 의해 분리된 두 개의 유체(즉, 용융된) 재료 풀을 포함한다. 상기 제3 재료가 고장나고 용융된 재료가 혼합되고 반응되면, 단시간에 엄청난 양의 열 에너지가 방출된다. 이러한 조건은 종종 위험한 화재 상태 또는 폭발로 이어진다. 제2차 세계 대전 당시 열 배터리가 등장한 이후로 안전한 열 배터리에 대한 수요가 존재했지만 이 심각한 한계는 오늘날에도 계속되고 있다. 수십 년간의 시도는 문제에 대한 적절한 해결책을 찾지 못하였다. 예를 들어, 일부 시도는 반응 챔버의 벽이 고체 전해질인 작은 반응 챔버 위에 물리적으로 위치한 큰 저장소에 용융된 활성 재료 중 하나가 포함된 중력 흐름 배터리 설계를 사용하는 것을 포함한다. 상기 고체 전해질의 다른 쪽은 다른 용융된 활성 재료의 큰 저장소이다. 상기 고체 전해질이 고장나고 두 개의 용융된 활성 재료가 혼합되면, 두 용융된 활성 재료의 혼합의 화학 반응에 의해 형성된 고체 생성물이 다른 용융된 활성 재료의 다른 큰 저장소와 물리적으로 위에 위치한 큰 저장소로부터 활성 재료의 흐름을 제한할 수 있기를 바란다. 중력 흐름 배터리 설계 시도는 상부 저장소로부터의 흐름을 차단하려는 고체 생성물이 열 배터리의 작동 온도에서 상기 흐름을 차단할 수 있는 응집성 덩어리로 형성되지 않기 때문에 실패한다. 따라서, 두 용융된 활성 재료의 혼합은 이 설계에 의해서는 단지 느려지고 열 폭주 이벤트를 방지하기에 불충분하다. 다른 시도는 용융된 활성 재료의 화학을 금속 할라이드 화학으로 변경하여 고체 전해질 고장으로 인해 열 폭주 이벤트가 발생하지 않도록 하는 것을 포함한다. 안타깝게도 이 기술은 비에너지 밀도(specific energy density)(kWh/kg)와 체적 에너지 밀도(kWh/l)를 열 배터리가 더 이상 많은 응용 분야에서 실행 가능한 해결책이 아닌 지점까지 감소시키는 비용이 발생한다.
열 배터리에 대한 연구는 높은 위험으로 인해 일부에 의해 포기되었다. 예를 들어, 한 주요 자동차 제조업체는 1993년 열 나트륨-황 배터리를 사용하는 전기 자동차를 개발하였다. 테스트 중에 두 대의 차량이 충전 중 화염에 휩싸였다. 이러한 화재의 결과로 상기 제조업체는 열 나트륨-황 배터리 프로그램을 종료하고 미국 에너지부는 열 배터리 연구 자금을 중단하였다. 이것은 안전한 열 배터리가 전기 자동차 산업과 다른 산업에 제공할 수 있는 엄청난 이점에도 불구하고이다. 열 배터리의 상대적으로 가벼운 무게와 낮은 비용은, 화재 위험이 완화된다면, 이들 디바이스를 명백히 전기 자동차에 사용하기 위한 최상의 선택이 되게 한다.
본 명세서에서 논의된 기술에 따르면, 열 폭주 이벤트의 가능성을 방지하거나 적어도 완화하기 위해 배터리의 적어도 일부를 냉각함으로써 열 배터리의 화재 위험이 최소화된다. 잠재적인 열 폭주 상황의 감지에 반응하여, 전극 재료 중 적어도 하나의 융점보다 낮은 온도의 냉각 열 전달 유체는 배터리 내의 하나 이상의 영역으로 향하여 전극 재료 중 적어도 하나를 냉각하거나 적어도 그 온도를 제한한다. 일례에서, 유체 전극 중 적어도 하나는 전극을 동결시키기 위해 유체 전극 재료의 융점 아래로 냉각된다(즉, 전극 재료를 고체 상태로 배치).
성능을 최적화하기 위해 종래의 배터리에 대해 온도 관리 및 냉각 기술이 제안되었다. 그러나 종래의 냉각 기술은 전극 재료가 고체에서 액체 상태로 가열되는 상전이 유체 전극이 있는 장치를 다루지 않았다. 더욱 구체적으로, 종래의 냉각 기술은 상전이 유체 전극을 포함하는 열 배터리에서 열 폭주 이벤트를 방지하거나 중지할 목적으로 구현되지 않는다. 열 배터리의 위험성에 대한 수십 년의 연구와 우려에도, 유체 전극 재료 중 적어도 하나를 냉각하여 열 유체 전극 배터리에서 열 폭주 이벤트를 피할 수 있는 제안은 없었다.
도 1은 열 폭주 방지 시스템(101)과 함께 사용하기에 적합한 배터리 장치(100)의 일례의 블록 다이어그램이다. 배터리 장치(100)는 상기 예에서 고체 전해질(108)에 의해 분리된 유체 전극(104, 106)을 갖는 반응 챔버(102)를 포함한다. 도 1의 예시는 해당 예의 일반적인 원리를 도시하며, 반드시 표현된 구성요소의 특정 형상, 상대적 크기, 거리 또는 기타 구조적 세부 사항을 나타내는 것은 아니다. 일부 상황에서는 두 개 이상의 블록 구조가 단일 구성요소 또는 구조로 구현될 수 있다. 또한, 도 1의 단일 블록에서 수행되는 것으로 기재된 기능이 별도의 구조로 구현될 수 있다. 도 1의 배터리 장치(100)는 열 폭주 방지 시스템(101)과 함께 사용하기에 적합한 배터리의 예이다. 도 1의 예에서는 두 전극이 가열되어 유체 상태로 배치되나, 일부 다른 상황에서는 전극 중 하나만 가열되어 유체 상태가 될 수 있다.
본원에서 논의된 바와 같이, 재료는 이 재료가 한 영역에서 다른 영역으로 유동할 수 있도록 충분히 액화된 조도를 가질 때 유체 상태에 있다. 즉, 유체 재료의 점도는 상기 재료가 향할 수 있거나, 펌핑될 수 있거나, 그렇지 않으면 한 영역에서 다른 영역으로 흐를 수 있도록 한다. 그러나 유체 재료는 적어도 부분적으로 고체인 일부 구성요소를 가질 수 있는 반면 액체 상태인 다른 구성요소를 가질 수 있다. 결과적으로 유체 재료가 반드시 모두 액체 상태인 것은 아니다. 본원에서 논의된 바와 같이, 재료는 유동할 수 없을 정도로 충분히 응고된 경우 비유체 상태에 있다. 즉, 비유체 상태에서 재료의 점도는 이 재료가 방향을 갖거나, 펌핑하거나, 그렇지 않으면 한 영역에서 다른 영역으로 흐르도록 할 수 없다. 그러나 비유체 재료는 액체 상태의 일부 구성요소와 고체 상태의 다른 구성요소를 가질 수 있다. 본원에서 언급된 바와 같이, 고체 전해질은 고체 상태인 전해질 구조를 형성하는 임의의 재료, 혼합물, 화합물 또는 재료의 다른 조합이다. 상기 예는 고체 전해질을 포함하지만, 논의된 기술을 이용하는 일부 상황에서는 다른 유형의 전해질이 사용될 수 있다.
배터리(100)는 적어도 음극 영역(110) 및 고체 전해질(108)에 의해 음극 영역(110)에서 분리된 양극 영역(112)을 갖는 반응 챔버(102)를 포함한다. 음극 영역(110)은 음극 재료(114)를 포함하고 양극 영역(112)은 양극 재료(116)를 포함한다. 가열 시스템(118)은 작동 동안 반응 챔버(102)에서 상기 양극 재료 및 음극 재료를 가열한다. 본 명세서의 예에서, 전극 재료(114, 116)의 가열에 의해 배터리(100)가 작동할 때 전극 재료(114, 116)는 유체 상태로 유지되는 반면, 고체 전해질(108)은 고체 상태로 유지된다. 따라서 상기 반응 챔버의 작동 온도는 본원의 상기 예에서 고체 전해질(108)의 융점보다 낮다. 가열 시스템(118)은 전극 재료(114, 116)를 유체 상태로 배치하기 위해 반응 챔버(102)의 가열을 용이하게 하는 하나 이상의 가열 요소를 포함하는 전기 가열 시스템일 수 있다. 일부 상황에서는 다른 유형의 가열 시스템(118)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 아래에서 논의되는 바와 같이, 가열 열전달 유체를 전달하는 가열 코일이 상기 반응 챔버를 포함하는 배터리 하우징을 가열하기 위해 사용될 수 있다. 따라서 가열 시스템은 음극 재료(114) 및 양극 재료(116)는 유체 상태에 있는 반면 고체 전해질(108)은 고체 상태로 유지되도록 상기 반응 챔버를 가열한다.
고체 전해질(108)은 적어도 음극 재료(114)의 양이온과 음이온을 포함하는데, 상기 음이온은 비교적 크고 반응 챔버(102) 내의 재료와 화학적으로 안정하도록 선택된다. 음극 재료(114)의 일부 예는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 및 세슘을 포함한다. 음이온의 일부 예는 염소, 브롬 및 요오드의 음이온을 포함한다. 일부 상황에서는 음이온이 더 복잡한 베타 알루미나 및 베타" 알루미나와 같은 다른 재료를 사용할 수 있다.
음극 영역(110)의 유체 음극 재료(114)는 배터리(100)의 유체 음극(104)을 형성한다. 양극 영역(112)의 유체 양극 재료(116)는 배터리(100)의 유체 양극(106)을 형성한다. 유체 전극(104, 106) 및 전극 재료는 하나 이상의 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 양극 영역(112)은 또한 배터리(100) 내의 작동으로 인한 일부 반응 생성물을 포함할 수 있다. 제1 집전체(120)는 유체 음극(104) 내에 위치되고 제2 집전체(122)는 양의 유체 전극(106) 내에 위치된다. 각각의 전극(104, 106) 내에 적절하게 배치된 집전체(120, 122)에 의해, 전기 에너지가 고체 전해질(108)을 통해 유체 음극(104)과 유체 양극(106) 사이의 배터리 내에서 발생하는 전기화학 반응으로부터 이용될 수 있다. 따라서 도 1의 예에서 반응 챔버(102)의 작동은 기존의 열 배터리의 작동과 유사하다. 그러나 기존의 열 배터리에 비해 중요한 이점은 배터리가 열 폭주 이벤트에 들어가거나 계속되는 것을 방지하는 열 폭주 방지 시스템(101)을 포함한다. 유체 전극 재료 중 적어도 하나는 방지 온도로 냉각되어 배터리 내의 임의의 재료 사이 또는 전지 내의 임의의 재료와 전지 외부의 임의의 재료 사이의 원치 않는 반응이 안전 임계값에 방해가 되도록 한다. 일례에서, 각각의 전극 재료는 이 전극 재료의 융점 이하로 냉각되어 두 전극 재료를 동결시킨다. 즉, 반응 챔버의 전극 재료는 이 전극 재료를 고체 상태로 배치할 수 있을 정도로 충분히 냉각된다. 일부 상황에서, 상기 전극 재료는 이 전극 재료의 융점 온도보다 높은 온도로 냉각되지만 원치 않는 반응이 발생할 가능성이 적은 방지 온도 미만이다. 배터리 장치(100)가 리튬 유체 전극을 갖는 일례에서, 리튬을 포함하는 전극 재료는 600℉(315.5℃) 미만의 온도로 냉각된다. 600℉(315.5℃) 미만의 온도에서 용융된 리튬은 공기 중에서 연소되지 않으며 600℉(315.5℃) 이상의 온도에서 용융 된 리튬은 공기 중에서 연소된다. 따라서 일부 상황에서 리튬 전극 재료를 600℉(315.5℃) 미만의 온도로 냉각하는 것은 리튬이 공기와 반응하는 것을 방지하기에 충분할 수 있으며 열 폭주 조건을 피하거나 최소한 최소화하기에 충분할 수 있다. 냉각되는 전극 재료는 배터리가 배터리(100)의 다른 구성요소에 유체 전극 재료를 포함하는 경우 반응 챔버뿐만 아니라 배터리 시스템 내의 어느 곳에서나 전극 재료를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 배터리 장치(100)는 상이한 재료 및 전기화학 쌍으로 구현될 수 있다. 일례에서, 음극은 리튬(Li)을 포함하고 양극은 황(S)을 포함한다. 이러한 구현에서 적합한 고체 전해질(108)의 예는 요오드화리튬(LiI)이다. 다른 예에서, 나트륨-황(NaS) 배터리는 나트륨(Na)을 포함하는 유체 음극 및 황(S)을 포함하는 유체 양극을 포함한다. 다른 재료도 전극에 사용될 수 있다. 추기로, 전극 재료는 일부 상황에서 다중 원소를 포함하는 혼합물 또는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 액체 금속 배터리에서는 유체 양극에 황과 인의 용융된 혼합물이 사용될 수 있다.
음극 영역 및 양극 영역의 작동 온도 또는 온도 범위는, 예를 들어, 음극 재료의 융점, 양극 재료의 융점, 음극 재료의 비점, 양극 재료의 비점, 양극 재료 및 생성되는 화학 종의 공융점(eutectic point), 및 고체 전해질의 융점을 포함한 여러 인자에 근거해 선택될 수 있다. 본원에서 논의된 예에서, 가열 시스템(118)은 고체 전해질(108)을 가로지르는 온도 구배를 피하기 위해 반응 챔버(102)의 음극 영역(110) 및 양극 영역(112)을 동일한 온도로 유지한다. 일부 경우에, 상기 반응 챔버의 상기 두 영역은 다른 온도에서 유지될 수 있다.
본원에서 논의된 바와 같이, 열 폭주 이벤트는 배터리 내의 온도를 증가시키기에 충분한 열을 방출하는 배터리 재료 중 적어도 하나와 원치 않는 반응이 발생하여 배터리 재료의 원치 않는 반응 또는 원치 않는 상 변화를 촉진하는 모든 이벤트이다. 예를 들어, 열 폭주로 인해 배터리 구조가 녹아 추가로 원치 않는 반응이 발생할 수 있다. 일부 상황에서는 상기 반응이 매우 빠르게 발생하고 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 열 폭주 이벤트의 한 예에서, 배터리 내 분리 구성요소의 파손은 양극 유체 전극 재료가 음극 유체 전극 재료와 혼합되도록 한다. 예를 들어, 고체 전해질이 파손되면 두 전극 재료가 혼합될 수 있다. 두 재료 사이의 발열 반응은 엄청난 양의 열을 방출하여 종종 화재로 이어진다. 일부 상황에서는 유체 전극이 배터리 외부의 물 또는 산소와 반응하여 열 폭주 이벤트가 발생할 수 있다. 배터리의 작동 동안, 열 폭주 방지 시스템(101)은 열 폭주 방지 조치가 개시되어야 하는지를 결정하기 위해 하나 이상의 매개변수를 모니터링한다. 하나 이상의 매개변수는 측정 및/또는 계산된 매개변수일 수 있고 배터리의 작동 및 환경 매개변수와 관련된 배터리 작동 매개변수일 수 있다. 모니터링할 수 있는 배터리 작동 매개변수의 일부 예는 온도, 전압, 전류, 수분, 압력, 전력 출력은 물론 시간에 따른 또는 배터리 부분에 걸친 이러한 매개변수의 변화를 포함한다. 환경 매개변수의 일부 예는 물의 존재, 외부 온도, 배터리의 감속/가속, 지구(Earth)에 대한 배터리의 방향, 배터리를 함유하는 차량의 차량 시스템과 같이 배터리와 관련된 다른 시스템에 의해 제공되는 외부 매개변수를 포함한다. 예를 들어, 차량 시스템은 차량의 사고 감지 및 급속 감속과 관련된 매개변수를 제공할 수 있다. 열 폭주 이벤트 트리거가 발생했는지를 결정하기 위해 측정된 매개변수 및/또는 계산된 값의 모든 조합과 수치에 기준이 적용된다. 따라서 열 폭주 트리거 이벤트 또는 위험한 이벤트가 발생했는지 확인하기 위해 하나 이상의 매개변수가 평가된다. 비교적 간단한 상황에서, 예를 들어, 열 폭주 방지 시스템(101)은 유체 전극의 온도가 임계값을 초과한 경우 열 폭주 트리거 이벤트가 발생했다고 결정할 수 있다. 열 폭주 트리거 이벤트가 발생했다는 결정에 반응하여, 열 폭주 방지 시스템(101)은 배터리 장치(100)의 적어도 일부를 냉각하는 것을 포함하는 열 방지 절차를 개시한다.
도 2는 열 배터리용 열 폭주 방지 시스템(101)의 일례의 블록 다이어그램이다. 전술한 바와 같이, 열 폭주 방지 시스템(101)은 전극이 배터리의 작동 동안 유체 상태에 있고 가열되어 유체가 되는, 고체 전해질에 의해 분리된 유체 전극을 포함하는 열 배터리와 함께 사용하기에 적합하다. 위에서 논의된 바와 같이, 열 배터리는 전극 재료를 유체 상태로 배치하기에 충분히 높은 온도로 전극 재료를 가열하는 가열 시스템(118)을 포함한다. 열 폭주 이벤트를 방지 또는 반전시키기 위해, 열 폭주 방지 시스템(101)은 유체 전극 재료 중 적어도 하나를 냉각한다. 일부 상황에서, 시스템(101)은 전극 재료를 동결시키기에 충분히 낮은 온도로 전극 재료를 냉각할 수 있다. 따라서, 이러한 구현에서, 열 폭주 방지 시스템(101)은 전극 재료 중 적어도 하나를 전극 재료의 융점 아래로 냉각하여 전극 재료를 고체 상태로 배치한다. 본 명세서에서 논의된 예에서 작동 중에 두 전극은 모두 유체 상태에 있지만, 열 폭주 방지 시스템(101)은 작동 온도에서 단일 액체 전극만을 포함하는 열 배터리와 함께 사용될 수 있다. 도 2의 예에서, 전극 재료(202)는 배터리 내의 모든 유체 전극 재료를 포함하고, 따라서 반응 챔버 내의 두 유체 전극 및 배터리 내에 있을 수 있는 임의의 펌프, 저장소 및 채널 내의 임의의 다른 전극 재료를 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 냉각되는 유체 전극 재료는 배터리 내의 어느 곳에나 있을 수 있다. 비록 도 2는 상기 전극 재료를 단일 블록으로 도시하지만, 상기 전극 재료는 복수의 재료(예를 들어, 양극 재료 및 음극 재료)뿐만 아니라 전극 재료의 별개의 개별 부분을 포함할 수 있다. 그러나 일부 상황에서, 냉각되는 전극 재료(202)는 배터리에 포함된 전체 전극 재료의 일부만을 포함할 수 있다. 따라서 도 2에 도시된 유체 전극 블록은 특정 구현에 따라 배터리 내 단일 위치에 있는 재료의 단일 부분, 상이한 위치에 분포된 재료의 다중 부분, 또는 단일 위치에 있는 전극 재료 모두를 나타낼 수 있다. 가열 시스템(118)이 유체 전극 재료(202)를 나타내는 블록의 한 부분에 도시되어 있지만, 가열 시스템(118)은 배터리 내의 유체 전극 재료(들)에 대해 임의의 많은 위치에 위치될 수 있다.
본원의 예에서, 열 폭주 방지 시스템(101)은 열 전도성 계면(thermally conductive interface)(206)을 통해 전극 재료(202)에 열적으로 결합된 열 전달 요소(204)를 포함한다. 열 폭주 트리거에 반응하여, 냉각 열 전달 유체(208)는 전극 재료(202)를 냉각하기 위해 유체 전극 재료(202)로부터 냉각 열전달 유체(208)로의 열전달을 용이하게 하기 위해 열 전달 요소(204)로 향한다. 열전달 요소(204)는 임의의 다양한 구성 또는 구조를 가질 수 있다. 일부 상황에서, 열전달 요소(204)는 유체 전극 재료(202)와도 열 전도성인 열 전도성 구성요소와 접촉한다. 따라서 열전달 요소(204)는, 예를 들어, 전극 재료(202)를 수용하는 챔버 벽 옆에 위치할 수 있다. 일부 상황에서, 열전달 요소(204)는 전극 재료(202) 내에 위치될 수 있다. 열전달 요소(204)는, 예를 들어, 전극 재료(202)에 매립된 열교환 도관을 포함할 수 있다. 열전달 요소(204)는 유체 전극 재료로부터의 열전달과 관련된 기능에 추가하여 다른 목적으로 사용될 수 있다. 일례에서, 열전달 요소(204)는 냉각 열전달 유체(208)가 열 폭주 트리거에 반응하여 용기 벽 옆 공간으로 주입되는, 유체 전극 재료(202)를 함유하는 하우징(컨테이너)의 벽이다. 따라서 열 폭주 완화 시스템(101)은 냉각 열전달 유체가 유체 전극 재료 중 적어도 하나와 열 전도성이 되도록 하는 배터리(100) 내의 영역으로 냉각 열전달 유체(208)를 지향시킨다.
본원의 예에서, 냉각 열전달 유체(208)는 배터리의 정상 작동 동안 냉각 열전달 유체 저장소(210)에 유지된다. 열 폭주 트리거가 검출될 때, 냉각 열전달 유체(208)는 냉각 열전달 유체 저장소(210)로부터 열전달 요소(204)로 향한다. 도 2의 예에서, 조절기(212)는 열 폭주 트리거 이벤트가 발생했는지를 결정하기 위해 하나 이상의 매개변수를 모니터링한다. 트리거가 발생했다는 결정에 반응하여, 조절기(212)는 냉각 열전달 유체 전달 기구(214)가 냉각 열전달 유체(208)를 열전달 요소(204)로 전달하도록 한다. 본원의 예에서, 조절기(212)는 또한 가열 시스템(118)을 끈다(turn off). 일부 상황에서, 조절기(212)는 또한 배터리를 분리하거나 그렇지 않으면 배터리가 전력을 제공하지 못하도록 할 수 있다. 예를 들어, 조절기(212)는 열 폭주 트리거를 검출하는 것에 반응하여 회로 차단기 또는 스위치를 개방할 수 있다. 조절기(112)는 열 폭주 완화 시스템(101)의 전체 기능을 용이하게 할 뿐만 아니라 본원에 설명된 기능을 관리하는 임의의 조절기, 처리기, 전기 회로, 논리 회로, 처리 회로 또는 처리기 배열이다. 일부 상황에서, 조절기(212)는 또한 다른 열 배터리 구성요소의 기능을 관리한다.
냉각 열전달 유체를 유도하는 적절한 기술의 예는 냉각 열전달 유체를 펌핑하기 위해 하나 이상의 펌프를 사용하는 것을 포함한다. 일부 상황에서, 냉각 열전달 유체는 중력을 사용하여 열전달 요소(204)로 향한다. 예를 들어, 냉각 열전달 유체 저장소는 냉각 열전달 유체(208)가 열전달 요소(204)로 흐르도록 밸브가 개방될 수 있도록 열전달 요소 위에 위치할 수 있다. 따라서 냉각 열전달 유체 전달 기구(214)는 유체 전극 재료(202)를 냉각시키기 위해 냉각 열전달 유체(208)를 열전달 요소에 전달하는 임의의 요소, 디바이스 또는 시스템을 포함한다. 일부 상황에서, 조절기(212)는 생략되거나 통합될 수 있다. 이러한 상황의 일례에서, 냉각 열전달 유체 전달 시스템(214)은 냉각 열전달 유체(208)가 열 전달 요소(204)로 흐를 수 있도록 임계 온도에 도달할 때 개방되는 온도 감지 밸브를 포함한다.
조절기(212)는 열 폭주 트리거가 발생했는지를 결정하기 위해 적어도 하나의 매개변수(216)를 평가한다. 그러나 열 폭주 트리거는 여러 인자, 매개변수 및 기준을 기반으로 할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 하나 이상의 매개변수는 측정 및/또는 계산된 매개변수일 수 있고, 배터리의 작동과 관련된 배터리 작동 매개변수(218) 및 환경 매개변수(220)일 수 있다. 모니터링될 수 있는 배터리 작동 매개변수(218)의 일부 예는 온도, 전압, 전류, 수분, 압력, 전력 출력, 지구에 대한 방향, 시간에 따른 또는 배터리 부분에 걸친 이러한 매개변수의 변화를 포함한다. 따라서 배터리 작동 매개변수는 배터리 구성요소에 연결되거나 배터리 구성요소에 근접한 하나 이상의 센서(222)에 의해 제공되는 값을 포함할 수 있다. 센서(222)는 전압계, 전류계, 습도 센서, 수분 센서, 압력 센서, 열전대(thermal couples), 자이로스코프(gyroscope) 및 가속계와 같은 디바이스를 포함할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이 환경 매개변수(220)는 외부 온도 및 수분 수준, 배터리의 감속/가속, 지구에 대한 배터리의 방향, 및 배터리를 함유하는 차량의 차량 시스템과 같은 배터리와 관련된 다른 시스템에 의해 제공되는 외부 매개변수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 차량 시스템은 차량의 사고 감지 및 급속 감속과 관련된 매개변수를 제공할 수 있다. 열 폭주 이벤트 트리거가 발생했는지를 결정하기 위해 측정된 매개변수 및/또는 계산된 값의 모든 조합과 수치에 기준이 적용된다. 기준은 개별 매개변수 또는 매개변수 조합에서 여러 열 폭주 트리거를 식별할 수 있도록 적용될 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 열 폭주 트리거는 유체 전극 재료의 온도에만 기초할 수 있고, 두 번째 열 폭주 트리거는 온도의 갑작스런 상승과 같은 매개변수 및 수분 임계값을 초과하는 수분 매개변수의 조합에 기초할 수 있다. 일부 매개변수는 둘 이상의 트리거에 적용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 트리거는 최대 임계값을 초과하는 전극 재료의 온도에 의해 충족될 수 있고, 두 번째 트리거는 배터리를 통한 전류가 전류 임계값을 초과할 때 다른 임계값을 초과하는 전극 재료의 온도에 의해 충족될 수 있다. 다른 예에서, 하나의 트리거는 고체 전해질의 파괴를 나타내는 임계값 아래로 떨어지는 전지 양단의 전압에 의해 충족될 수 있다. 따라서 트리거 기준은 배터리 작동 매개변수 및 외부 매개변수를 포함한 매개변수의 임의의 조합 및 수치를 기반으로 할 수 있다.
냉각 열 전달 유체(208)는 유체 상태로 유지될 수 있고 열전달 요소(204)로 전달될 수 있는 임의의 재료이다. 일부 상황에서, 냉각 열전달 유체는 주위 온도에서 유지될 수 있다. 그러나 다른 상황에서는 냉각 열전달 유체가 주위 온도 이하로 냉각된다. 예를 들어, The Dow® Chemical Company에서 제조한 SYLTHERM™ 실리콘 열전달 유체와 같이 일부 실리콘 열전달 유체는 -40℃로 냉각되어도 여전히 액체 상태로 남아 있다. 이러한 상황에서, 냉각 열전달 유체 저장소(210)는 증발기 및 콘덴서를 통해 냉매를 순환시키는 냉동 시스템의 일부인 요소를 포함할 수 있는 냉각 요소를 갖는다. 다른 상황에서는 역 열전대가 냉각 요소를 제공할 수 있다. 냉각 열전달 유체의 선택은 일반적으로 적어도 다른 배터리 구성요소의 열 동적 특성 및 화학적 안정성을 기반으로 한다. 유체 전극 재료 중 하나와 반응하는 재료는 일반적으로 배터리 내에서 파손이 발생할 경우 재료가 혼합될 수 있기 때문에 덜 바람직한 대안이다. 예를 들어, 용융된 리튬과 물은 반응성이 높기 때문에 유체 리튬을 포함하는 전극이 있는 배터리에서는 물을 포함하는 열전달 유체의 냉각을 피할 수 있다.
냉각 열전달 유체 저장소(210)가 냉동 시스템의 일부이거나 그에 연결된 일부 상황에서, 냉각 열전달 유체는 열전달 요소(204)를 통과한 후에 저장소(210)로 회송될 수 있다. 열전달 유체 회송 도관(224)은 도 2에서 점선으로 도시되어 있으며 이는 이러한 회송 경로가 선택 사항임을 나타낸다. 냉각 열전달 유체(208)를 냉각시키는 냉동 시스템은 공지된 기술에 따라 압축기, 증발기 및 콘덴서를 통해 순환되는 냉매를 포함할 수 있다.
열 폭주 완화 시스템(101)은 배터리 구조 및 기타 설계 고려 사항에 의존할 수 있는 임의의 수많은 구조 및 구성을 가질 수 있다. 두 가지 적합한 배터리 구성의 예는 튜브형 구조와 평면 구조를 포함한다. 튜브형 구조의 배터리 반응 챔버는 전형적으로 원통형 고체 전해질에 의해 분리된 유체 전극의 동심원 실린더를 포함한다. 평면 구조의 반응 챔버가 있는 배터리는 일반적으로 평면 고체 전해질에 의해 분리된 유체 전극의 평면 섹션을 포함한다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 냉각 코일 내에 열전달 유체가 있는 열 폭주 완화 시스템(101)은 평면 및 튜브형 배터리 구조 모두에 사용될 수 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 열 전달 요소(204)가 냉각 코일(302)을 포함하는 튜브형 구조의 배터리(300)의 일례의 상이한 도면의 예시이다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 예시는 일반적인 원리를 도시하고, 반드시 축척일 필요는 없으며, 표시된 구성요소의 특정 형상, 상대적 크기, 거리 또는 기타 구조적 세부 사항을 반드시 나타내는 것은 아니다. 배터리(300)는 반응 챔버(102)가 배터리 하우징(306) 내의 튜브형 반응 챔버(304)인 배터리(100)의 예이다. 명확성을 위해, 가열 시스템은 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시하지 않았다. 가열 시스템(118)은 일부 상황에서 배터리 하우징(306) 주위를 둘러싸고 접촉하는 전기 가열 코일을 포함할 수 있다. 도 4를 참조하여 아래에서 논의되는 예에서, 가열 시스템(118)은 가열 열전달 유체가 가열 코일을 통해 흐르는 냉각 코일(302) 옆에 위치된 가열 코일을 포함한다.
도 3a는 측면도의 예시이고, 도 3b는 도 3a에서 라인 A-A를 따라 취한 단면 정면도의 예시이고, 도 3c는 상기 예의 도 3b에서 B-B를 따라 취한 측단면도의 예시이다. 냉각 코일(302)은 냉각 열전달 유체(208)를 포함할 수 있고 유체 전극 재료의 냉각을 용이하게 할 수 있는 튜브, 파이프, 도관 또는 다른 유사한 기구의 임의의 시스템이다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 예에서, 단일 냉각 튜브는 배터리 반응 챔버(304)의 배터리 하우징(306) 주위에 감겨 있고 하우징(306)과 열 전도성이다. 일부 상황에서, 다중 냉각 코일이 사용될 수 있다. 예를 들어, 외부 하우징(308)이 배터리(300) 및 냉각 코일(302)을 둘러싸고 진공(310)이 외부 하우징과 배터리 하우징(306) 사이에 형성된다. 명확성을 위해, 상기 도면에서 냉각 코일(302)은 냉각 코일(302)의 코일 사이에 간격이 있는 것으로 도시된다. 많은 상황에서, 냉각 코일(302)의 코일은 코일 사이의 공간을 배제한 채 서로 인접하게 위치된다. 다른 간격을 사용할 수 있으며 모든 코일 간에 균일하지 않을 수도 있다. 외부 하우징(308)은 도 3a에서 점선으로 도시되어 있는데, 이는 도면이 외부 하우징을 투명한 것으로 보여주고 있음을 나타낸다. 진공(310)은 작동 중에 배터리(300)로부터 열 손실을 감소시키는 배터리(300) 주위에 절연 열 재킷을 제공한다. 따라서 냉각 코일(302)은 외부 하우징(308)과 배터리 하우징(306) 사이의 진공(310) 내에 위치되고 외부 하우징(308)과 물리적으로 접촉하지 않는다. 일부 상황에서, 냉각 코일(302)은 외부 하우징(308)과 접촉할 수 있다. 또 다른 상황에서, 하나 이상의 추가 하우징이 배터리(300) 및/또는 배터리(300)와 관련된 다른 구성요소 주위에 추가 절연 재킷을 형성하는 데 사용될 수 있다. 냉각 코일(302)은 외부 하우징(308)을 지나 연장되고 열 폭주 완화 시스템(101)의 다른 구성요소에 연결되는 입구(input)(312) 및 출구(output)(314)을 포함한다. 집전체(120, 122)는 각각 하우징(306, 308)을 통해 연장되는 단자 연결(316, 318)에 연결된다.
작동 중에, 냉각 열 전달 유체(208)는 냉각 코일(302)의 입구(312)를 통해, 냉각 코일(302)을 통해, 그리고 출구(314)를 통해 펌핑되거나, 흐르거나, 그렇지 않으면 배출된다. 위에서 논의된 바와 같이, 냉각 열 전달 유체(208)는 열 폭주 트리거에 반응하여 냉각 코일(302)로 펌핑된다. 배터리 반응 챔버(304)로부터의 열은 배터리 하우징(306)을 통해, 냉각 코일(302)의 벽을 통해, 그리고 냉각 열전달 유체(208)로 전도된다.
일례에서, 냉각 열전달 유체(208)는 전극 재료(202)가 충분히 냉각될 때까지 트리거에 반응하여 냉각 코일을 통해 순환된다. 이러한 예에서, 냉각 열전달 유체(208)는 냉각 코일(302)을 통해 펌핑되고, 냉각 기구(도시하지 않음)로 회송되고, 냉각 코일(302)의 입구를 통해 다시 펌핑된다. 냉각 열전달 유체(208)는 주위 온도 또는 주위 온도보다 낮은 온도로 냉각될 수 있다. 주위 온도에 노출된 열 교환기는 냉각 열전달 유체(208)를 냉각시키는 데 사용될 수 있다.
다른 예에서, 냉각 열전달 유체(208)는 냉각 열전달 유체(208)의 연속적인 순환 및 냉각 없이 냉각 코일(302) 내로 추진된다. 이러한 기술은 열 용량, 온도 및 냉각 열전달 유체(208)의 용적이 배터리(300)로부터 열을 흡수한 후 냉각 열전달 유체(208)를 재냉각하지 않고 배터리 반응 챔버(304)를 안전한 온도로 냉각하기에 충분할 때 적당할 수 있다. 이러한 상황에서, 배터리 근처의 냉각 코일(302)은 냉각 열전달 유체가 주입되기 전에 비어 있거나 유체를 포함할 수 있다. 냉각 코일(302)이 유체를 포함하는 경우, 냉각 열전달 유체(208)가 입구(312)를 통해 냉각 코일(302)로 펌핑됨에 따라 상기 유체는 출구(314)를 통해 펌핑된다. 냉각 코일(302)이 트리거 전에 비어 있는 경우, 냉각 코일(302) 내에 진공이 형성되어 냉각 열전달 유체(208)가 트리거에 반응하여 냉각 코일(302) 안으로 방출될 때 상기 코일 내의 진공이 상기 냉각 열전달 유체를 냉각 코일(302) 안으로 빨아들일 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 상기 튜브형 구조는 전형적으로 유체 전극 재료 및 고체 전해질의 동심원 원통형 섹션을 포함한다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 예에서, 유체 음극(104)은 튜브형 반응 챔버(304)의 가장 바깥쪽 원통형 부분을 형성한다. 따라서 유체 음극(104)은 배터리 하우징(306)에 가장 가깝고 유체 양극(106)은 상기 원통형 구조의 중심에 가장 가깝다. 이러한 배열은 양극 재료 이전에 음극 재료를 냉각하는 것이 바람직한 경우에 유리할 수 있다.
도 4는 열전달 요소(204)가 냉각 코일(302)을 포함하고 가열 시스템(118)이 가열 코일(402)을 포함하는 튜브형 구조의 배터리(300)의 측면도이다. 도 4에서 냉각 코일(302)은 흰색으로 표시되고 가열 코일(402)은 검은색으로 표시된다. 냉각 코일(302) 및 배터리(300)는 전술한 바와 같이 작동한다. 가열 열전달 유체는 가열 코일(402)을 통해 흘러 배터리(300)를 배터리(300)의 작동 온도로 가열한다. 가열 코일(402)은 배터리 하우징(306) 주위를 감싸는 튜브형 코일, 튜브, 파이프, 도관 또는 다른 유사한 기구이고 가열 열전달 유체로부터 가열 코일(402)의 벽을 통해, 배터리 하우징(306)을 통해 반응 챔버(304)로의 열전달을 용이하게 한다. 도 4의 예에서, 가열 코일(402)의 코일은 냉각 코일(302)의 코일 사이에 위치한다. 일부 상황에서는 다른 배열이 사용될 수 있다.
작동 중에, 가열기(도시하지 않음)는 가열 열전달 유체(403)를 충분히 높은 온도로 가열한다. 이어서 상기 가열 열전달 유체는 가열 코일의 가열 코일 입구(404)를 통해, 그리고 가열 코일(402)의 코일을 통해 펌핑되거나, 그렇지 않으면 흐르게 된다. 가열 열전달 유체(403)는 가열 코일 출구(406)를 빠져나가고 상기 가열기로 되돌아온다. 도 4의 예에서, 가열 코일(402)로, 그리고 가열 코일(402)로부터 상기 가열 열전달 유체를 전달하기 위해 사용되는 채널은 가열 코일(402)과 동일하다. 즉, 상기 가열 코일은 상기 하우징을 통해 가열기로 연장된다. 경우에 따라 다른 유형의 채널을 사용할 수 있다. 열 손실을 줄이기 위해 채널 또는 도관을 절연할 수 있다. 적절한 단열재의 한 가지 예는 추가 진공 재킷을 포함한다. 가열 열전달 유체(403)로부터, 가열 코일(402) 재료를 통해, 배터리 하우징(306)을 통해 하우징(306)이 있는 반응 챔버 재료로 열전달이 발생한다. 가열 코일(402)과 하우징(306) 표면 사이의 계면을 통한 열 전달을 개선하기 위해 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 가열 코일(402)은 상기 하우징 표면과 접촉하는 가열 코일(402)의 표면적이 증가하도록 직사각형 단면일 수 있다. 따라서 그러한 "평탄화된" 가열 코일은 하우징(306)과 더 많이 접촉된다. 상기 계면을 통한 열전달을 증가시키는 기술의 또 다른 예는 하우징(306), 가열 코일(402) 또는 둘 모두에 주름진 표면을 사용하는 것을 포함한다. 또 다른 예에서, 상기 가열 코일의 내부는 상기 열전달 유체와 가열 코일(402) 사이의 접촉 표면적을 증가시키는 상기 열전달 유체 쪽으로 돌출된 요소를 갖도록 구성될 수 있다. 유사한 기술이 하우징(306) 벽과 함께 사용되어 상기 하우징과 상기 반응 챔버 재료 사이의 표면적 접촉을 증가시킬 수 있다.
일부 상황에서, 반응 챔버(102)를 더욱 균일하게 가열하기 위해 다중 가열 코일이 사용될 수 있다. 예를 들어, 한 방향으로(예를 들어, 도 4에서 왼쪽에서 오른쪽으로) 열전달 유체 흐름을 갖는 제1 가열 코일은 반대 방향으로(예를 들어, 도 4에서 오른쪽에서 왼쪽으로) 열전달 유체 흐름을 갖는 제2 가열 코일과 인터레이스(interlace)될 수 있다.
따라서 배터리의 작동 동안, 가열 코일(402)은 상기 반응 챔버를 작동 온도로 가열한다. 조절기(212)는 매개변수(216)를 모니터링하고 열 폭주 트리거가 발생했는지를 결정하기 위해 트리거 기준을 적용한다. 트리거가 발생했다는 결정에 반응하여, 조절기(212)는 가열 코일이 배터리 반응 챔버(304)의 가열을 중지하도록 비활성화하거나, 그렇지 않으면 냉각 코일(302)이 배터리 반응 챔버(304)를 냉각하게 한다. 본원의 예에서, 상기 냉각 코일은 가열 코일(402)과 분리되어 있다. 그러나 일부 상황에서 동일한 코일이 배터리(300)를 가열 및 냉각하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 가열된 열전달 유체는 작동 중에 코일을 통해 흘러 배터리를 가열하고 열 폭주 트리거에 반응하여 가열된 열전달 유체를 냉각 열전달 유체로 교체할 수 있다. 이러한 시스템의 열전달 유체를 관리하는 적절한 기술의 예는 밸브와 펌프를 사용하여 상기 코일을 통해 적절한 열전달 유체의 방향을 바꾸는 것을 포함한다.
도 5a는 열 전달 요소(204)가 냉각 코일(502)을 포함하는 평면 열 배터리(500) 평면 튜브형 구조의 일례의 사시도이다. 도 5b는 배터리(500)의 단면 정면도의 예시이다. 배터리(500)는 반응 챔버(102)가 배터리 하우징(506) 내의 평면 반응 챔버(504)인 배터리(100)의 예이다. 반응 챔버(504)의 평면 구조는 전형적으로 평면 고체 전해질(108)에 의해 분리되는 평면 유체 양극(106) 및 평면 유체 음극(104)을 포함한다. 상기 구성요소는 밀봉된 배터리 하우징(506)에 포함된다. 명확성을 위해, 가열 시스템(118)은 도 5a 및 도 5b에 도시하지 않았다. 가열 시스템(118)은 일부 상황에서 배터리 하우징(506) 주위를 감싸고 이와 접촉하는 전기 가열 코일을 포함할 수 있다. 도 6을 참조하여 아래에서 논의되는 예에서, 가열 시스템은 가열 열전달 유체가 가열 코일을 통해 흐르는 냉각 코일(502) 옆에 위치된 가열 코일을 포함한다.
냉각 코일(502)은 냉각 열전달 유체(208)를 함유하고 유체 전극 재료의 냉각을 용이하게 할 수 있는 튜브, 파이프, 도관 또는 다른 유사한 기구의 임의의 시스템이다. 도 5a, 도 5b의 예에서, 단일 냉각 튜브는 배터리 반응 챔버(504)의 배터리 하우징(506) 주위에 감겨 있고 하우징(506)과 열 전도성이다. 일부 상황에서, 다중 냉각 코일이 사용될 수 있다. 상기 예에서, 외부 하우징(508)이 배터리(500) 및 냉각 코일(502)을 둘러싸고 진공(510)이 외부 하우징(508)과 배터리 하우징(506) 사이에 형성된다. 명확성을 위해, 상기 도면에서 냉각 코일(502)은 냉각 코일(502)의 코일 사이에 간격이 있는 것으로 도시된다. 많은 상황에서, 냉각 코일(502)의 코일은 코일 사이의 공간을 배제한 채 서로 인접하게 위치된다. 다른 간격을 사용할 수 있으며 반드시 균일하지 않을 수 있다. 외부 하우징(508)은 도 5a에서 점선으로 도시되어 있는데 이는 상기 도면이 외부 하우징(508)을 투명한 것으로 보여주고 있음을 나타낸다. 진공(510)은 작동 중에 배터리(500)로부터 열 손실을 감소시키는 배터리(300) 주위에 절연 열 재킷을 제공한다. 따라서 냉각 코일(502)은 외부 하우징(508)과 배터리 하우징(506) 사이의 진공(510) 내에 위치한다. 일부 상황에서, 하나 이상의 추가 하우징이 배터리(500) 주위에 및/또는 배터리(500)와 관련된 다른 구성요소 주위에 추가 절연 재킷을 형성하는 데 사용될 수 있다. 냉각 코일(502)은 외부 하우징(508)을 통해 연장되고 열 폭주 완화 시스템(101)의 다른 구성요소에 연결되는 입구(512) 및 출구(514)를 포함한다. 집전체(120, 122)는 하우징(506, 508)을 통해 연장되는 단자 접속부(516, 518)에 각각 연결된다.
도 5a 및 도 5b를 참조하여 논의된 예에서, 배터리 하우징(504) 및 외부 하우징(508)은 일반적으로 둥근 모서리의 직사각형 프리즘 형상이다. 상황에 따라 다른 모양을 사용할 수 있다. 예를 들어, 외부 하우징(508)은 일부 상황에서 원통형일 수 있다.
작동 중에, 냉각 열전달 유체(208)는 냉각 코일(502)의 입구(512)를 통해, 냉각 코일(502)을 통해, 그리고 출구(514)를 통해 펌핑되거나, 흐르거나, 그렇지 않으면 배출된다. 위에서 논의된 바와 같이, 냉각 열전달 유체(208)는 열 폭주 트리거에 반응하여 냉각 코일(502)로 펌핑된다. 배터리 반응 챔버(504)로부터의 열은 배터리 하우징(506)을 통해, 냉각 코일(502)의 벽을 통해 냉각 열전달 유체(208)로 전도된다.
일례에서, 냉각 열전달 유체(208)는 전극 재료가 충분히 냉각될 때까지 열 폭주 트리거에 반응하여 냉각 코일을 통해 순환된다. 이러한 예에서, 냉각 열전달 유체(208)는 냉각 코일(502)을 통해 펌핑되고, 냉각 기구(도시하지 않음)로 회송되고, 냉각 코일(502)의 입구를 통해 다시 펌핑된다. 냉각 열전달 유체(208)는 주위 온도 또는 주위 온도보다 낮은 온도로 냉각될 수 있다. 열 교환기는 냉각 열전달 유체(208)를 냉각하기 위해 사용될 수 있다.
다른 예에서, 냉각 열전달 유체(208)는 냉각 열전달 유체(208)의 연속적인 순환 및 냉각 없이 냉각 코일(502) 내로 추진된다. 이러한 기술은 열 용량, 온도 및 냉각 열전달 유체의 용적이 배터리(500)로부터 열을 흡수한 후 냉각 열전달 유체(208)를 재냉각하지 않고 배터리 반응 챔버(504)를 안전한 온도로 냉각하기에 충분할 때 적당할 수 있다. 이러한 상황에서, 배터리 근처의 냉각 코일(502)은 비어 있거나 유체를 포함할 수 있다. 냉각 코일(502)이 유체를 함유하는 경우, 냉각 열전달 유체(208)가 입구(512)를 통해 냉각 코일(502)로 펌핑됨에 따라 상기 유체가 출구(514)를 통해 펌핑된다. 냉각 코일(502)이 트리거 전에 비어 있는 경우, 냉각 코일(502) 내에 진공이 형성되어 냉각 열전달 유체(208)가 열 폭주 트리거에 반응하여 냉각 코일(502) 내로 방출될 때 상기 코일 내의 진공이 냉각 열전달 유체를 냉각 코일(502)로 빨아들일 수 있다. 도 2를 참조하여 위에서 논의된 바와 같이, 냉각 열전달 유체 저장소(210)는 냉각 코일(502) 내로 주입될 때까지 상기 냉각 열 전달 유체를 저장하기 위해 사용될 수 있다.
반응 챔버(504)의 평면 구조는 전형적으로 평면 고체 전해질에 의해 분리된 평면 유체 양극 및 평면 유체 음극 두 개를 포함한다. 도 5a 및 도 5c의 예에서, 유체 음극(104)은 평면 반응 챔버(504)의 상부를 형성하고 유체 양극(106)은 평면 반응 챔버(504)의 하부를 형성한다. 두 전극은 일부 상황에서 반대일 수 있다. 또한, 배터리(500)는 작동 중에 두 평면형 전극이 지구에 대해 수직으로 연장되도록 회전될 수 있다.
도 6은 열전달 요소(204)가 냉각 코일(502)을 포함하고 가열 시스템(118)이 가열 코일(602)을 포함하는 평면 구조의 배터리(500)의 사시도의 예시이다. 도 6에서 냉각 코일(502)은 흰색으로 표시되고 가열 코일(602)은 검은색으로 표시된다. 냉각 코일(502) 및 배터리(500)는 전술한 바와 같이 작동한다. 가열 열전달 유체는 배터리(500)를 배터리(500)의 작동 온도로 가열하기 위해 가열 코일(602)을 통해 흐른다. 가열 코일(602)은 배터리 하우징(506)을 둘러싸고 있는 튜브형 코일, 튜브, 파이프 또는 기타 유사한 기구이며 가열 열전달 유체로부터 가열 코일(602)의 벽을 통해, 배터리 하우징(506)을 통해, 그리고 반응 챔버(504)로의 열 전달을 용이하게 한다. 도 6의 예에서, 가열 코일(602)의 코일은 냉각 코일(502)의 코일 사이에 위치한다. 일부 상황에서는 다른 배열이 사용될 수 있다.
작동 중에, 가열기(도시하지 않음)는 가열 열전달 유체를 충분히 높은 온도로 가열한다. 이어서 상기 가열 열전달 유체는 가열 코일의 가열 코일 입구(604)를 통해, 그리고 가열 코일(602)의 코일을 통해 펌핑되거나 흐르게 된다. 가열 열전달 유체는 가열 코일 출구(606)를 빠져나가 가열기로 되돌아간다. 도 6의 예에서, 가열 코일(602)로 및 가열 코일(602)로부터 가열 열전달 유체를 전달하는데 사용되는 채널은 가열 코일(602)과 동일하다. 즉, 상기 가열 코일은 하우징을 통해 가열기로 연장된다. 경우에 따라 다른 유형의 채널을 사용할 수 있다. 위에서 논의한 바와 같이, 단열은 열 손실을 최소화하는 데 유용할 수 있으며 일부 상황에서 열 전달을 증가시키는 기술을 사용할 수 있다.
따라서 배터리의 작동 동안, 가열 코일(602)은 반응 챔버를 작동 온도로 가열한다. 조절기는 매개변수(216)를 모니터링하고 열 폭주 트리거가 발생했는지를 결정하기 위해 트리거 기준을 적용한다. 트리거가 발생했다는 결정에 반응하여, 조절기(212)는 가열 코일이 배터리 반응 챔버(504)의 가열을 중지하도록 비활성화하거나, 그렇지 않으면 냉각 코일(502)이 배터리 반응 챔버(504)를 냉각하게 한다. 본원의 예에서, 상기 냉각 코일은 가열 코일(602)과 분리되어 있다. 그러나 일부 상황에서 동일한 코일이 배터리(500)를 가열 및 냉각하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 가열된 열전달 유체는 작동 중에 코일을 통해 흐를 수 있다. 배터리를 가열하고 열 폭주 트리거에 반응하여 가열된 열전달 유체를 냉각 열전달 유체로 대체 할 수 있다. 이러한 시스템의 열 전달 유체를 관리하는 적절한 기술의 예는 밸브와 펌프를 사용하여 코일을 통해 적절한 열전달 유체의 방향을 바꾸는 것을 포함다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 4, 도 5a, 도 5b 및 도 6을 참조한 설명이 배터리 반응 챔버의 냉각에 관한 것이지만, 이 기술은 전극 재료를 관리하기 위한 펌프, 밸브, 배관 및 저장소를 포함하는 열 배터리의 다른 부분에 적용될 수 있다.
도 7은 적어도 하나의 전극 재료의 일부가 전극 재료 저장소(702)에 유지되는 해당 예를 위한 열 폭주 완화 시스템(101)을 포함하는 고온 배터리 시스템(700)의 예시이다. 도 7의 예시는 일반적인 원리를 나타내며, 표현된 구성요소의 특정 형상, 상대적 크기, 거리 또는 기타 구조적 세부 사항을 반드시 표현하는 것은 아니다. 일부 상황에서는 두 개 이상의 블록 구조가 단일 구성요소 또는 구조로 구현될 수 있다. 또한, 도 7의 단일 블록에서 수행되는 것으로 기재된 기능이 별도의 구조로 구현될 수 있다. 일반적으로, 도 7의 예에서, 상기 전극 재료의 일부는 반응 챔버와 분리된 저장소에 유지되고 전극 재료 분배 기구는 필요에 따라 유체 전극 재료를 반응 챔버로 이동시킨다. 예를 들어, 배터리 내의 음극 재료의 일부는 고체 상태로 저장소(702)에 유지된다. 저장소 내의 음극 재료는 가열되고 필요할 때 반응 챔버(102)로 향한다. 전극 재료 분배 기구는 필요에 따라 유체 전극 재료를 반응 챔버로 이동시킨다. 이러한 기술은 대리인 문서 번호 VBC006의, 2018년 5월 17일에 출원된 "용융 유체 전극 장치 관리를 위한 디바이스, 시스템 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제15/982,497호에 자세히 설명되어 있으며 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다. 도 7의 예에서, 반응 챔버, 전극 재료 분배 기구 및 전극 재료 저장소는 각각 별도의 하우징에 포함되며 독립적으로 가열 및 냉각될 수 있다. 각각의 구성요소에 대한 하우징, 냉각 코일 및 가열 코일이 도 7에서 유사한 크기의 유사한 다이어그램으로 도시되어 있지만, 상기 하우징은 상이한 형상, 크기 및 구성일 수 있다. 상기 구성, 크기 및 기구를 가열 및 냉각 시스템에 사용할 수 있다. 도 7의 예는 단일 전극(즉, 유체 음극)의 일부를 선택적으로 가열하는 것을 논의하지만, 도 7을 참조하여 논의된 기술은 두 전극 재료를 선택적으로 가열하는 데 적용될 수 있다. 또한, 각 유체 전극 재료에 대해 하나 이상의 저장소를 사용하여 유체 상태의 전극 재료의 총량을 추가로 제한할 수 있다.
도 7의 예에서, 반응 챔버(102)는 냉각 코일(302) 및 가열 코일(402)이 배터리 하우징(306)을 둘러싸고 배터리 하우징(306)과 외부 하우징(308) 사이의 진공(310) 내에 위치되는 배터리 하우징(306)에서 유지된다. 냉각 코일 배열을 갖는 반응 챔버가 위에서 논의되었다.
전극 저장소 하우징(704)은 반응 챔버(102)에서 전극 재료와는 별도로 음극 재료를 유지하기 위한 용기를 형성한다. 냉각 코일(706) 및 가열 코일(708)은 전극 저장소 하우징(704) 주위를 감싸고 전극 저장소 하우징(704)과 외부 하우징(710) 사이의 진공 내에 위치한다.
전극 재료 전달 시스템(712)은 전극 재료 저장소(702)와 반응 챔버(102) 사이에 유체 전극 재료의 흐름을 제어하기 위한 펌프 및 밸브와 같은 구성요소를 포함한다. 전극 재료 전달 시스템(712)은 전극 재료 전달 장치에 포함된다. 냉각 코일(716) 및 가열 코일(718)이 전극 재료 전달 하우징(714) 주위를 감싸고 전극 재료 전달 하우징(714)과 외부 하우징(720) 사이의 진공 내에 위치된다. 따라서 하우징(704, 714), 외부 하우징(710, 720), 가열 코일(708, 718) 및 냉각 코일(706, 716)의 구성 및 작동은 반응 챔버와 관련하여 위에서 논의된 기술에 따른다.
가열 열전달 유체 전달 기구(722)는 가열기(724)와 가열 코일(402, 708, 718) 사이의 열 전달 유체의 흐름을 제어한다. 가열 열전달 유체 전달 기구(722)는 임의의 개수의 펌프 및 밸브를 포함할 수 있는데 상기 구성요소는 가열기(724)에 의해 가열된 열전달 유체를 가열 코일(402, 708, 718)의 일부 또는 전부로 유도하도록 조작 및 설정될 수 있다. 가열 열전달 유체 전달 기구(722)는 또한 가열 코일(402, 708, 718)의 일부 또는 전부로의 흐름을 제한할 수 있다. 가열기(724) 및 가열 열전달 유체 전달 기구(722)는 조절기(726)로부터의 제어 신호에 응답한다.
조절기(726)는 본원에 설명된 기능을 수행하고 배터리 시스템(700)의 전체 작동을 용이하게 하기 위해 배터리 구성요소를 조절할 수 있는 임의의 조절기, 처리기, 처리기 배열, 전자 장치 세트, 회로 또는 기타 구성요소의 조합이다. 집전체(726)는 가열 시스템, 열 폭주 완화 시스템(101) 및 전극 재료 전달 시스템(712)을 포함하는 배터리 시스템(700)의 작동을 관리하기 위해 센서 및 다른 장비로부터의 투입을 평가할 수 있다.
열 폭주 완화 시스템(101)의 일부를 제외하고, 배터리 시스템(700)의 모든 구성요소는 해당 예에서 시스템 하우징(728) 내에 포함된다. 적절한 시스템 하우징(728)의 예는 내부 진공 상태(730)의 밀봉된 원통형 탱크 또는 선체(hull)를 포함한다. 진공(730)은 구성요소 사이의 열 전도를 감소시키고 구성요소의 절연을 향상시킨다. 조절기(726)가 배터리 시스템(700) 내의 어느 곳에나 배치 및/또는 분포될 수 있지만, 적절한 위치의 예는 시스템 하우징(728)의 벽 내부를 포함한다. 이러한 배열은 다른 구성요소로부터의 열 전달을 최소화하면서 외부 환경으로부터의 보호를 제공한다.
작동 중에, 가열 시스템(118)은 가열 코일(402)을 통해 가열기 열전달 유체를 전달함으로써 반응 챔버를 적절한 작동 온도로 유지한다. 배터리(700)에 부하할 때, 조절기(726)는 하나 이상의 인자 또는 매개변수를 모니터링하고 저장소 내의 전극 재료가 유체 상태로 유지되어야 하고 반응 챔버(102)에 공급될 준비가 되어야 하는 시기를 결정한다. 유체 전극 재료는 조절기(726)로부터의 조절 신호에 반응하여 전극 재료 전달 시스템(712)에 의해 저장소(704)로부터 반응 챔버(102)로 향한다. 배터리의 충전 사이클 동안, 전극 재료는 저장소(704)로 다시 펌핑된다. 일례에서, 유체 음극 재료는 충전 사이클 동안 저장소로 다시 향하고 유체 양극 재료는 폐쇄 루프를 통해 양극 저장소에서 양극 영역으로, 그리고 저장소로 다시 계속 펌핑된다. 이러한 배열은 리튬 이온이 음극 영역에서 고체 전해질을 통해 방전 중에 양극 영역으로 이동하고 충전 중에 반대 방향으로 이동하는 리튬 황 열 배터리에 적합할 수 있다. 리튬 전극 재료는 방전 중에 저장소에서 음극 영역으로 펌핑되어 리튬을 보충하고 충전 사이클 동안 저장소로 다시 펌핑된다. 리튬 폴리설파이드 생성물(LinSm)은 방전 중에 양극 영역에서 형성되어 양극 재료의 부피를 증가시킨다. 양극 재료 저장소와 양극 영역 사이에서 유체 양극 재료의 연속적인 순환은 리튬 폴리설파이드 생성물의 농도를 감소시켜 성능을 향상시켰다. 충전하는 동안 유체 양극 재료가 저장소를 통해 순환됨에 따라 리튬은 음극 영역으로 되돌아가고 양극 재료의 리튬 폴리설파이드 생성물의 농도가 감소한다.
도 7의 예에서, 조절기(726)는 조절기(212)의 기능을 수행한다. 위에서 논의된 바와 같이, 열 폭주 트리거가 발생했는지를 결정하기 위해 하나 이상의 매개변수가 평가된다. 트리거에 반응하여, 조절기(726)는 적어도 냉각 열전달 유체 전달 기구(732)에 조절 신호를 제공하여 냉각 코일(302)을 통해 냉각 열전달 유체를 지향시킨다. 그러나 상기 예에서, 냉각 열전달 유체는 반응 챔버(102), 전극 재료 저장소(704) 및 전극 재료 전달 시스템(712)을 냉각하기 위해 모든 냉각 코일(302, 706, 716)로 지향된다. 또한, 가열기(724)가 비활성화되고 가열 열전달 유체 전달 기구(722)가 조절되어 가열된 열전달 유체를 가열 코일(402, 708, 718)로 보내는 것을 중단한다. 이 예에서 배터리 내의 모든 전극 재료는 열 폭주 이벤트의 감지에 반응하여 재료를 동결시키기 위해 전극 재료의 융점 미만으로 냉각된다. 일부 상황에서 상기 유체 전극 재료의 일부만 냉각 및/또는 동결될 수 있다.
전체 열 폭주 완화 시스템(101)이 시스템 하우징(728) 내에서 구현될 수 있지만, 열 폭주 완화 시스템(101)은 이 예에서 시스템 하우징(728)의 외부에 위치된 콘덴서(736)가 있는 냉각 시스템(734)을 포함한다. 냉각 시스템(734)은 시스템 하우징(728) 외부에 구현된 콘덴서(736), 압축기(도시하지 않음) 및 열 교환기(738) 내의 증발기(도시하지 않음)를 포함하는 냉동 시스템을 포함할 수 있다. 냉각 열전달 유체는 증발기에 의해 냉각되는 열 교환기(738)를 통해 흐른다. 냉매는 냉각 열전달 유체로부터 열을 흡수하는 열 교환기를 통해 순환되고 냉동 시스템 기술에 따라 콘덴서(736)를 통해 순환된다. 위에서 논의된 바와 같이, 열 폭주 완화 시스템(101)은 열 교환기를 통해 냉각 열전달 유체를 연속적으로 순환시키지 않고 전극 재료를 안전한 온도로 냉각시키기 위해 적절한 부피의 냉각 열전달 유체를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 냉각수 저장소를 사용하여 냉각 열전달 유체를 원하는 온도로 저장하고 유지할 수 있다. 다른 상황에서 냉각 열전달 유체는 열 폭주 트리거에 대한 응답으로 배터리 구성요소의 냉각 공정 동안 순환된다.
일부 상황에서, 열 교환기는 냉동 시스템을 사용하지 않고 시스템 하우징(728) 외부에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 냉각 열전달 유체는 열전달 유체를 냉각시키기 위해 시스템 하우징(728) 외부의 열 교환기를 통해 펌핑될 수 있다.
와이어, 튜브, 코일, 도관 또는 기타 디바이스가 시스템 하우징(728)의 벽을 통해 연장되는 경우, 시스템 하우징(728)은 내부에서 진공을 유지하기 위해 기밀 씰(gas tight seal)을 포함한다. 경우에 따라 동일한 개구와 씰을 통해 여러 개의 와이어, 코일, 도관 등을 통과시켜 씰 수를 최소화하는 것이 비용 효율적일 수 있다. 예를 들어, 냉각 시스템(734), 배터리 접속부(740), 및 조절기(726)에 대한 센서 와이어의 일부는 단일 개구 및 씰을 통과할 수 있다.
도 8a는 배터리 하우징(802)이 토로이달 형상인 일례의 사시도의 예시이다. 도 8b는 배터리(800)의 측단면도의 예시이다. 도 8c는 배터리(800)의 단면 정면도의 예시이다. 도 8a, 도 8b 및 도 8c는 예의 일반적인 원리를 도시하고, 반드시 축척일 필요는 없으며, 표현된 구성요소의 특정 형상, 상대적 크기, 거리 또는 기타 구조적 세부 사항을 반드시 표현하는 것은 아니다. 명확성을 위해, 가열 시스템(118) 및 열 폭주 완화 시스템은 도 8a, 도 8b 및 도 8c에서 생략된다. 일례에서, 이러한 구성요소는 위에서 논의된 기술에 따라 냉각 코일 및 가열 코일로 구현될 수 있다.
배터리 하우징(802)의 토로이달 구조는 하우징(802)의 중공 원통형 중심(804)을 초래한다. 이러한 형상은 일부 상황에서 일부 유익한 특성을 제공할 수 있다. 일부 상황에서, 예를 들어, 배터리(800)는 고체 전해질(108)과 유체 전극(104, 106) 사이의 계면의 표면적을 증가시키는 상대적으로 큰 지름을 가질 수 있다. 또한, 상대적으로 더 큰 구조는 중공 원통형 중심(804) 내에 다른 배터리 구성요소가 위치할 수 있도록 한다. 예를 들어, 저장소(702) 및 전극 재료 이동 기구(712)는 중심(804) 내에 위치할 수 있다. 추가 가열 코일 및 냉각 코일이 또한 중심(804)에 위치할 수 있다. 명확성을 위해 중심(804) 내의 구성요소 사이의 상호 연결 및 이들 구성요소와 반응 챔버 사이의 상호 연결은 도 8c에 도시하지 않았다. 이러한 배열은 반응 챔버(102)와 다른 구성요소 사이를 분리하고 또한 중공 중심 내의 구성요소를 구조적으로 보호한다.
배터리 하우징(802)은 외부 하우징(308) 내에 포함된다. 진공(310)은 외부 하우징(308)의 내부에서 배터리 하우징(802)과 외부 하우징 벽 사이에 유지된다.
도 9는 열 배터리에서 열 폭주를 완화하기 위한 절차의 예의 흐름도이다. 예를 들어, 상기 절차는 위에서 논의된 열 폭주 완화 시스템(101)에 의해 수행된다. 이 방법은 일부 상황에서 다른 디바이스 및 시스템에서 수행될 수 있다. 도 9의 단계는 도시된 것과 다른 순서로 수행될 수 있으며 일부 단계는 단일 단계로 합칠 수 있다. 추가 단계가 수행될 수 있으며 일부 단계는 생략될 수 있다. 예를 들어, 단계(908)과 단계(910)은 많은 상황에서 동시에 수행된다.
단계(902)에서, 전극 재료를 가열하여 전극 재료를 유체 상태에 배치한다. 예를 들어, 배터리의 반응 챔버의 모든 전극 재료는 음극 재료 및 양극 재료를 포함하는 배터리의 작동 온도 내의 온도로 가열된다. 배터리가 리튬 황 열 배터리인 경우 전극 재료는 375℃ 내지 425℃ 범위의 온도로 가열된다.
단계(904)에서, 매개변수가 수신된다. 전술한 바와 같이, 매개변수는 차량 시스템과 같은 다른 시스템으로부터의 매개변수를 포함하는 환경 매개변수 및 배터리 작동 매개변수의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 매개변수는 센서에 의해 제공되는 값, 계산된 매개변수 및 다른 시스템에 의해 제공되는 매개변수일 수 있다. 이 예에서, 조절기가 매개변수를 수신한다.
단계(906)에서, 열 폭주 트리거가 충족되었는지가 결정된다. 이 예에서, 조절기가 매개변수를 평가하고 기준을 적용하여 하나 이상의 열 폭주 트리거가 발생했는지 확인한다. 트리거 이벤트가 배터리가 열 폭주 상태에 있거나 열 폭주 상태에 들어가거나 열 폭주 상태에 들어갈 가능성이 있는 임계값을 초과하는 것을 나타내는 이벤트인 경우 트리거 이벤트를 식별하기 위해 여러 매개변수 및 기준을 평가할 수 있다. 전술한 바와 같이, 하나의 기본 열 폭주 트리거는 전극 재료의 온도가 임계값을 초과했음을 감지하는 것을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 트리거가 충족되었다고 결정되면, 상기 절차는 단계(908)에서 계속된다. 그렇지 않으면, 상기 절차는 전극 재료의 가열이 계속되고 배터리가 작동하는 단계(902)로 돌아간다.
단계(908)에서, 전극 재료의 가열이 중지된다. 예를 들어, 조절기는 가열 시스템(118)을 비활성화한다. 가열 시스템(118)이 전기 가열 코일을 포함하는 경우, 전기 가열 코일을 통한 전류는 꺼진다. 가열 코일을 통해 흐르는 가열 열전달 유체가 전극 재료를 가열하는 데 사용되는 시스템에서는 가열 열전달 유체가 가열 코일을 통해 흐르지 않는다.
단계(910)에서, 냉각 열전달 유체는 전극 재료를 냉각하기 위해 전극 재료 근처의 영역으로 향한다. 위에서 논의된 바와 같이, 전극 재료를 냉각하기 위해 냉각 열전달 유체를 전극 재료에 근접하게 배치하기 위해 임의의 수많은 기술이 사용될 수 있다. 일례에서, 배터리 하우징과 외부 하우징 사이의 진공 재킷은 냉각 열전달 유체로 가득 차 있다. 다른 예에서, 냉각 열전달 유체는 배터리 하우징을 감싸는 냉각 코일을 통해 주입되거나 펌핑된다.
예에 따라, 본원에 설명된 방법 중 임의의 것의 특정 행위 또는 이벤트는 다른 순서로 수행될 수 있고, 추가되거나 병합되거나 모두 생략될 수 있음을 이해해야 한다(예를 들어, 설명된 모든 행위 또는 이벤트가 방법의 실행에 필요한 것은 아님). 더욱이, 특정 예들에서, 행위 또는 이벤트는 순차적으로 보다는 동시에 수행될 수 있거나 심지어 역전될 수 있다. 또한, 본 개시의 특정 측면이 명확성을 위해 단일 모듈 또는 구성요소에 의해 수행되는 것으로 설명되지만, 본 개시에 설명된 기능은 구성요소 또는 무선 데이터 통신 네트워크 또는 시스템과 연관된 모듈의 임의의 적합한 조합에 의해 수행될 수 있음을 이해해야 한다.
명백히, 본 발명의 다른 실시양태 및 수정은 이러한 교시의 관점에서 당업자에게 용이하게 발생할 것이다. 위의 설명은 예시이며 제한적이지 않다. 본 발명은 상기 명세서 및 첨부 도면과 함께 볼 때 그러한 모든 실시양태 및 수정을 포함하는 다음의 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명을 참조하여 결정되어야 하는 것이 아니라, 대신 첨부된 청구범위를 참조하여 이의 균등물의 전체 범위와 함께 결정되어야 한다.
청구되는 것은 다음과 같다:

Claims (32)

  1. 유체 음극 재료 및 유체 양극 재료를 포함하는 유체 전극 재료;
    유체 음극 재료의 적어도 일부로부터 형성된 유체 음극, 유체 양극 재료의 적어도 일부로부터 형성된 유체 양극, 및 상기 유체 음극과 상기 유체 양극 사이의 고체 전해질을 포함하는 반응 챔버;
    유체 음극 및 유체 양극을 유체 상태로 유지하도록 구성된 가열 시스템; 및
    열 폭주 트리거(thermal runaway trigger)에 반응하여 유체 전극 재료의 적어도 일부를 냉각시키도록 구성된 열 폭주 완화 시스템(thermal runaway mitigation system)을 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 폭주 완화 시스템이, 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부를 고체 상태로 배치하기 위해 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부를 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부의 융점 미만의 온도로 냉각하도록 구성된, 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열 폭주 완화 시스템이 상기 유체 음극 재료의 적어도 일부 및 상기 유체 양극 재료의 적어도 일부를 냉각하도록 구성된, 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 열 폭주 완화 시스템이, 상기 유체 음극 재료의 적어도 일부를 상기 유체 음극 재료의 적어도 일부의 융점 미만의 음극 동결 온도로 냉각하고 상기 유체 양극 재료의 적어도 일부를 상기 유체 양극 재료의 적어도 일부의 융점 미만의 양극 동결 온도로 냉각하도록 구성된, 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열 폭주 완화 시스템이, 냉각 열전달 유체가 유체 전극 재료의 적어도 일부와 열 전도성(thermally conductive)이 되도록 하는 영역으로 상기 냉각 열전달 유체가 향하도록 구성된, 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반응 챔버를 함유하고 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부와 열 전도성인 배터리 하우징을 추가로 포함하고, 상기 열 폭주 완화 시스템이 상기 냉각 열전달 유체가 상기 배터리 하우징과 열 전도성이 되는 영역으로 향하도록 구성된, 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열 폭주 완화 시스템이,
    상기 배터리 하우징과 열적으로 전도성인 열전달 요소; 및
    열 폭주 트리거에 반응하여 냉각 열전달 유체가 상기 열전달 요소로 향하도록 구성된 냉각 열전달 유체 이동 메카니즘(cooling heat transfer fluid delivery mechanism)을 포함하는, 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 열 폭주 완화 시스템이,
    적어도 하나의 매개변수에 기초하여 열 폭주 트리거가 발생했다고 결정하도록 구성된 조절기(controller)를 추가로 포함하는, 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 매개변수가 적어도 하나의 배터리 작동 매개변수를 포함하는, 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배터리 작동 매개변수가 온도, 전압, 전류, 수분, 압력, 및 전력 출력 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 매개변수가 적어도 하나의 환경 매개변수를 포함하는, 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 환경 매개변수가 온도, 수분, 압력, 감속, 가속, 지구(Earth)에 대한 배터리의 배향, 및 외부 시스템에 의해 제공된 값 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 열전달 요소가 상기 배터리 하우징과 열 전도성인 냉각 코일을 포함하고, 상기 냉각 열전달 이동 기구가 열 폭주 트리거에 반응하여 상기 열전달 요소를 통해 상기 냉각 열전달 유체가 향하도록 구성된, 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부가 상기 반응 챔버 내에 있는, 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부가 상기 반응 챔버 외부에 있는, 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부가 전극 재료 저장소 내에 있는, 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부가 상기 유체 전극 재료를 상기 전극 재료 저장소로부터 상기 반응 챔버로 이동시키도록 구성된 유체 전극 전달 시스템(fluid electrode delivery system) 내에 있는, 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부가 상기 장치 내의 모든 유체 전극 재료를 포함하는, 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 유체 음극이 리튬을 포함하고 상기 유체 양극 재료가 황을 포함하는, 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 고체 전해질이 요오드화리튬을 포함하는, 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 열 폭주 완화 시스템이 열 폭주 트리거에 반응하여 상기 유체 음극의 적어도 일부를 600℉(315.5℃) 미만의 온도로 냉각하도록 구성된, 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 유체 음극이 나트륨을 포함하고 상기 유체 양극 재료가 황을 포함하는, 장치.
  23. 열 배터리(thermal battery)의 전극 재료를 가열하여 상기 전극 재료를 유체 상태로 배치하도록 구성된 가열 시스템; 및
    열 폭주 트리거에 반응하여 상기 전극 재료의 적어도 일부를 냉각하도록 구성된 열 폭주 완화 시스템을 포함하는, 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 전극 재료가 유체 음극 재료 및 유체 양극 재료를 포함하고, 상기 장치가,
    상기 유체 음극 재료의 적어도 일부로부터 형성된 유체 음극, 상기 유체 양극 재료의 적어도 일부로부터 형성된 유체 양극, 및 상기 유체 음극과 상기 유체 양극 사이의 고체 전해질을 포함하는 반응 챔버를 추가로 포함하는, 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 열 폭주 완화 시스템이, 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부를 고체 상태로 배치하기 위해 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부의 융점 미만의 온도로 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부를 냉각하도록 구성된, 장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 열 폭주 완화 시스템이, 상기 유체 전극 재료가 공기 중에서 가연성인 연소 온도 미만의 온도로 상기 유체 전극 재료의 적어도 일부를 냉각하도록 구성된, 장치.
  27. 전극 재료를 전극 재료 융점 온도 이상의 높은 온도로 가열하는 단계로서, 상기 전극 재료는 상기 전극 재료 융점 이상으로 가열될 때 열 배터리 내에 유체 전극을 형성하는 단계;
    열 폭주 트리거가 충족되었는지 결정하기 위해 적어도 하나의 매개변수를 평가하는 단계; 및
    상기 열 폭주 트리거가 충족되었는지의 결정에 반응하여 상기 전극 재료를 상기 전극 재료 융점 온도 미만으로 냉각하는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 적어도 하나의 매개변수가 적어도 하나의 배터리 작동 매개변수를 포함하는, 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배터리 작동 매개변수가 온도, 전압, 전류, 수분, 압력 및 전력 출력 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 적어도 하나의 매개변수가 적어도 하나의 환경 매개변수를 포함하는, 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 적어도 하나의 환경 매개변수가 온도, 수분, 압력, 감속, 가속, 지구(Earth)에 대한 배터리의 배향, 및 외부 시스템에 의해 제공된 값 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  32. 제27항에 있어서, 상기 전극 재료가 리튬을 포함하는, 방법.
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