KR20220143100A - 배터리용 열 관리 다층 시트 - Google Patents

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KR20220143100A
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heat
insulating layer
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브렛 킬헤니
로버트 씨. 데이글
크리스토퍼 처칠
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로저스코포레이션
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Abstract

전기화학 셀의 표면에 배치된 열 관리 다층 시트를 포함하는 배터리용 어셈블리로서, 상기 열 관리 다층 시트는 단열 층, 상기 단열 층의 제1 면에 배치된 제1 열 확산 층, 및 상기 단열 층의 제2 면에 배치된 제2 열 확산 층을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.

Description

배터리용 열 관리 다층 시트
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2020년 2월 18일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/977,904호, 2020년 3월 12일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/988,664호, 및 2020년 10월 1일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/086,269호의 우선권 및 이익을 주장하며, 각 출원의 전체 내용은 본원에 참조로 포함되어 있다.
본 발명은 배터리에 사용하기 위한, 특히 리튬 이온 배터리에서 열 폭주(thermal runaway)를 지연시키거나 방지하는 데 사용하기 위한 열 관리 다층 시트(thermal management multilayer sheet)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 열 관리 다층 시트의 제조 방법, 배터리용 어셈블리, 및 열 관리 다층 시트를 포함하는 배터리에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리와 같은 전기화학적 에너지 저장 장치에 대한 수요는 전기 자동차 및 그리드 에너지 저장 시스템과 같은 애플리케이션의 성장과 전기 자전거, 무정전 전원 배터리 시스템(uninterrupted power battery system), 및 납산 교체 배터리(lead acid replacement battery)와 같은 기타 다중 셀 배터리 애플리케이션의 성장으로 인해 계속 증가하고 있다. 그리드 저장 장치(grid storage) 및 전기 자동차와 같은 대형 애플리케이션의 경우, 직렬 및 병렬 어레이로 연결된 다중 전기화학 셀이 자주 사용된다. 셀이 열 폭주 모드에 있으면, 셀에서 생성된 열은 인접 셀에 열 폭주 전파 반응을 유도하여 잠재적으로 전체 배터리를 점화할 수 있는 계단 효과(cascading effect)를 일으킬 수 있다.
이러한 배터리의 가연성을 줄이기 위한 시도가 고려되었지만, 많은 부분 단점을 가질 수 있다. 예를 들어, 난연성 첨가제를 첨가하여 전해질을 수정하거나 본질적으로 불연성 전해질을 사용하는 것이 고려되었지만, 이러한 접근 방식은 리튬 이온 전지의 전기화학적 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 계단식 열 폭주를 방지하기 위한 다른 접근 방식에는 열 이벤트 동안 열 전달의 양을 줄이기 위해 셀들 사이에 또는 셀들의 그룹들 사이에 증가된 양의 단열재를 혼입하는 것이 포함된다. 그러나 이러한 접근 방식은 달성될 수 있는 에너지 밀도의 상한을 제한할 수 있다.
열 폭주 위험이 감소된 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라, 주변 셀들로의 열, 에너지 또는 둘 모두의 확산을 방지하거나 지연시키는 배터리에 사용하기 위한 재료가 필요하다.
본 명세서에는 전기화학 셀의 표면에 배치된 열 관리 다층 시트를 포함하는 배터리용 어셈블리(assembly for a battery)가 개시되어 있으며, 상기 열 관리 다층 시트는 단열 층, 상기 단열 층의 제1 면에 배치된 제1 열 확산 층(heat-spreading layer), 및 상기 단열 층의 제2 면에 배치된 제2 열 확산 층을 포함한다.
상기 기재된 어셈블리를 포함하는 배터리도 개시되어 있다.
또한, 본 명세서에는 압축성 단열 층의 제1 면에 부착된 제1 고온 라미네이트 필름; 및 상기 압축성 단열 층의 반대쪽 제2 면에 부착된 제2 고온 라미네이트 필름을 포함하는 열 관리 다층 시트가 개시되어 있으며, 이때 상기 제1 고온 라미네이트 필름은 제1 무결성 층(integrity layer)의 제1 면에 배치된 제1 열 확산 층, 및 상기 제1 무결성 층의 반대쪽 제2 면에 배치된 제1 접착제 층(adhesive layer)을 포함하고, 이때 상기 제1 접착제 층은 상기 제1 고온 라미네이트 필름을 상기 압축성 단열 층의 제1 면에 부착시키고, 상기 제2 고온 라미네이트 필름은 제2 무결성 층의 제1 면에 배치된 제2 열 확산 층, 및 상기 제2 무결성 층의 반대쪽 제2 면에 배치된 제2 접착제 층을 포함하고, 이때 상기 제2 접착제 층은 상기 제2 고온 라미네이트 필름을 상기 압축성 단열 층의 제2 면에 부착시킨다.
상기 기재된 특징들 및 다른 특징들은 하기 도면, 상세한 설명, 실시예, 및 청구범위에 의해 예시된다.
하기 도면들은 예시적인 측면들로, 본 발명을 예시하기 위해 제공된다. 도면들은 예시를 설명하는 것으로, 본 발명에 따라 제조된 장치를, 본 명세서에 기재된 재료, 조건 또는 공정 파라미터로 제한하려는 것은 아니다.
도 1은 전기화학 셀 및 냉각 핀(cooling fin)을 포함하는, 종래 기술의 배터리용 어셈블리를 도시한 것이고;
도 2는 래핑된 전기화학 셀의 일 측면을 도시한 것이며;
도 3은 래핑된 전기화학 셀을 포함하는 배터리용 어셈블리의 일 측면을 도시한 것이고;
도 4는 냉각제 채널(coolant channel)들을 포함하는 냉각 핀의 일 측면의 개략도이며;
도 5는 래핑된 전기화학 셀을 포함하는 배터리용 어셈블리의 일 측면을 도시한 것이고;
도 6은 열 관리 다층 시트의 일 측면을 도시한 것이며;
도 7은 열 관리 다층 시트의 일 측면을 도시한 것이고;
도 8은 2개의 전기화학 셀들 사이에 위치한 열 관리 다층 시트의 일 측면을 도시한 것이며;
도 9는 2개의 전기화학 셀들 사이에 위치한 열 관리 다층 시트의 일 측면을 도시한 것이고;
도 10은 셀 어레이에 위치한 열 관리 다층 시트의 일 측면을 도시한 것이며;
도 11은 파우치 셀 배터리(pouch cell battery)의 일 측면을 도시한 것이고;
도 12는 열 관리 다층 시트를 포함하는 배터리용 어셈블리의 일 측면을 예시한 것이며;
도 13은 화염 시험 장치의 개략도이고;
도 14는 화염 시험 결과를 나타내는 온도(℃) 대 시간(분(min))의 그래프이며;
도 15는 열판(hot plate-testing) 시험 장치의 개략도이고;
도 16은 열판 시험 결과를 나타내는 온도(℃) 대 시간(분)의 그래프이며;
도 17은 열판 시험 결과를 나타내는 온도(℃) 대 시간(분)의 그래프이다.
다수의 셀들을 포함하는 배터리에서 열 폭주를 방지하는 것은, 열 폭주가 발생하는 셀에 인접한 셀들이 상기 이벤트로부터 충분한 에너지를 흡수하여 설계한 작동 온도 이상으로 상승하여 인접한 셀들도 열 폭주에 들어가게 하기 때문에 어려운 문제이다. 열 폭주 이벤트를 개시하는 이러한 전파는 셀들이 인접 셀들로 열을 전달함에 따라 저장 장치가 일련의 계단식 열 폭주에 진입하는 연쇄 반응을 일으킬 수 있다.
이러한 계단식 열 폭주 이벤트가 발생하는 것을 방지하기 위한 한 가지 접근 방식은 셀 작동 중 열 관리를 위해 인접 셀들 또는 셀들의 그룹들 사이에 바람직하게는 인접 셀들 또는 셀들의 그룹들과 접촉하게 냉각 핀을 배치하는 것이다. 배터리 설계에서, 냉각 핀은 셀(들)로부터의 에너지를, 셀 및 냉각 핀에 수직으로 작동하는 냉각판으로 전달할 수 있다. 그러나, 전형적으로 알루미늄으로 제조되는 종래 기술의 냉각 핀은 또한 셀, 예를 들어, 파우치 셀로부터 이웃 셀로 열을 전달할 수 있는 높은 Z-방향 열 전도율을 갖는다. 냉각판(300)과 조립된 종래 기술의 알루미늄 냉각 핀(200)을 통해 셀(100)로부터 이웃 셀(101)로의 이러한 열 전달이 도 1에 도시되어 있다. 화살표는 셀(100)에서 이웃 셀(101)로의 Z-방향 열 전달을 나타낸다.
계단식 열 폭주 이벤트가 발생하는 것을 방지하기 위해, 열 관리 다층 시트를 냉각 핀 대신 사용하거나 이에 추가로 사용하여 Z-방향 열 전도율을 줄일 수 있으며, 따라서 셀에서 이웃 셀로의 열 전달을 줄일 수 있다. 열 관리 다층 시트에 의해 제공되는 열 장벽은 또한 열 폭주를 방지하기 위해 배터리의 다양한 위치들에서 사용될 수 있다. 따라서, 열 관리 다층 시트의 사용은 임의의 하나 이상의 방향에서 열 전도율을 감소시킬 수 있다. 열 관리 다층 시트는 배터리의 내화성을 더욱 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 명세서에는 열 관리 다층 시트를 포함하는 전기화학 셀 또는 전기화학 셀 어레이를 포함하는 배터리 및 배터리들을 위한 어셈블리가 기재되어 있으며, 이때 상기 열 관리 다층 시트는 전기화학 셀의 표면 바로 위에 배치된다(즉, 적어도 하나의 표면의 적어도 일부와 접촉함). 본 명세서에 사용된 바와 같이, 전기화학 셀(또는 "셀")은 애노드, 캐소드 및 전해질을 포함하는 배터리의 기본 단위이다. "셀 어레이"는 2개 이상, 예를 들어, 2개, 5개, 20개, 50개 또는 그 이상의 전기화학 셀들의 어셈블리를 의미한다. 열 관리 다층 시트 및 선택적으로 다른 배터리 구성요소, 예를 들어 분리기, 집전체, 가요성 파우치와 같은 하우징(housing) 등과 결합된 셀 또는 셀 어레이가 본 명세서에서 "배터리용 어셈블리"로 지칭된다. 배터리 및 배터리용 어셈블리는 단일 전기화학 셀, 단일 셀 어레이, 또는 다수의 셀 어레이들을 포함할 수 있다.
파우치 셀, 각형 셀(prismatic cell), 또는 원통형 셀(cylindrical cell)을 비롯한 다양한 전기화학 셀 유형들이 사용될 수 있다. 단일 셀 또는 셀 어레이는 파우치 셀과 같은 가요성 인클로저(enclosure)에 있을 수 있다. 일 측면에서, 셀은 리튬 이온 셀, 예를 들어 리튬 철 포스페이트, 리튬 코발트 산화물, 또는 다른 리튬 금속 산화물 셀이다. 사용될 수 있는 다른 유형의 셀에는 니켈 금속 수소화물, 니켈 카드뮴, 니켈 아연, 또는 은 아연이 포함된다.
일 측면에서, 배터리용 어셈블리는 전기화학 셀 또는 셀 어레이의 표면 상에 배치된 열 관리 다층 시트를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 열 관리 다층 시트(400)는 래핑된 셀(500)을 제공하기 위해 셀(102)의 적어도 두 표면 상에 배치될 수 있다. 열 관리 다층 시트는 3개 이상의 층을 포함하며, 이하에서 상세히 설명된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 열 관리 다층 시트(400)는 중간 층 없이 셀(102)의 적어도 2개, 바람직하게는 2개의 표면 바로 위에 있으며, 즉 직접 접촉한다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 열 관리 다층 시트(400)는 셀(102)의 적어도 2개, 바람직하게는 2개의 표면 전체를 덮으며, 즉 완전히 접촉한다. 열 관리 다층 시트(400)가 배터리의 표면들 중 하나 이상과 부분적으로 접촉하는 것도 가능하다. 따라서, 용어 "래핑된(wrapped)"은 본 명세서에서 편의상 사용되며, 셀(102)의 모든 표면들 사이에 완전한 접촉을 요구하지 않는다. 또한, 열 관리 다층 시트(400)는 배터리 배치 형태(configuration)에 적합한 임의의 배치 형태로 있을 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 용어 "시트"는 도시된 바와 같은 평평한 층, 뿐만 아니라 프로파일을(profile) 갖거나, 예를 들어, 열성형에 의해 성형된 층을 포함한다. 래핑된 셀을 제공하기 위해 열 관리 다층 시트를 사용하면 임의의 하나 이상의 방향에서 열 전도율을 줄일 수 있다. 일 측면에서, 열 관리 다층 시트는 Z-방향 열 전도율을 감소시키고, 따라서 셀에서 이웃 셀로의 열 전달을 감소시킨다.
도 3은 래핑된 셀(500)을 포함하는 배터리용 어셈블리(1000)의 일 측면을 도시한 것이다. 래핑된 셀(500)은 셀(102)의 맞은편에 있는 열 관리 다층 시트(400)의 제1 표면(400a)은 냉각 핀(200)과 열 접촉하고 있으며, 셀(102)의 맞은편에 있는 열 관리 다층 시트(400)의 제2 표면(400b)은 냉각판(300)과 열 접촉한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 냉각 핀(200) 및 래핑된 셀(500)은 도 1에 도시된 Z 방향에 대해 Y 방향 또는 수직 방향으로 배터리에 제공된다. 냉각 핀(200)은 냉각 핀(200)의 넓은 표면이 래핑된 셀(500)의 래핑된 표면을 향하도록 배치될 수 있다. 래핑된 셀(500)에서 냉각 핀(200)으로 전달된 열은 냉각 핀(200)의 하단부를 통해 냉각판(300)으로 직접 전도될 수 있다.
냉각판(300)의 예시적인 재료로는 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금이 포함된다. 냉각 핀은 평균 두께가 0.0005 인치(12.7 μm) 내지 0.0200 인치(508 μm), 바람직하게는 0.001 인치(25.4 μm) 내지 0.005 인치(127 μm)일 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 냉각 핀은 냉각제(coolant)가 냉각 채널을 통해 흐를 수 있도록 다수의 채널들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 선택적으로 제2 호일 시트(foil sheet) 또는 플레이트 상에 홈(groove)이 스탬핑(stamping)될 수 있으며, 이후 냉각 채널을 제공하기 위해, 예를 들어, 니켈 브레이징(brazing) 공정에 의해 연결된다. 도 4는 냉각제 채널들을 포함하는 예시적인 냉각 핀의 개략도이다.
배터리용 어셈블리는 하나 이상의 셀과 하나 이상의 냉각 핀을 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리용 어셈블리(1001)의 일 측면은 셀 어레이, 즉, 적어도 2개의 래핑된 셀들을 포함한다. 배터리용 어셈블리(1001)는 배터리에 있을 때 압축 패드 또는 배터리 패드라고도 하는 압력 패드(600)를 더 포함하고, 본 명세서에서는 모든 경우에 편의상 "압력 패드(pressure pad)"로 지칭된다. 압력 패드(600)는 두 개의 래핑된 셀들 사이에 배치된다. 상기 패드는 도 5에 도시된 바와 같이 인접한 셀들 사이에 배치되거나, 특히 셀 팽창 동안 압축 변화를 다루기 위해 셀 어레이들 사이에 배치될 수 있다. 상기 패드는 셀에 실질적으로 일정한 압력이 유지되도록 할 수 있다.
래핑된 셀의 맞은편에는 냉각 핀(200)이 배치된다. 냉각판(300)은 냉각 핀(200)과 열 소통된다. 추가 냉각 핀이 존재할 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 셀 어레이의 셀들은 각형 셀, 파우치 셀, 원통형 셀 등일 수 있으며, 바람직하게는 파우치 셀이다. 일 측면에서, 상기 셀은 리튬 이온 셀이다. 또 다른 측면에서, 상기 셀은 리튬 이온 파우치 셀이다.
열 관리 다층 시트의 일 측면이 도 6에 도시되어 있으며, 여기서 열 관리 다층 시트(401)는 단열 층(62)의 제1 면(62a)에 배치된 제1 열 확산 층(61)을 포함한다. 단열 층(62)의 제2 면(62b)에는 제2 열 확산 층(63)이 배치된다. 두 개의 열 확산 층들을 사용하면 다층 시트의 열 관리 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
제1 및 제2 열 확산 층들(61, 63)은 각각 독립적으로, 각각 23℃에서 측정될 때, 10 W/m*K(Watts per meter-Kelvin) 초과, 바람직하게는 50 W/m*K 초과, 또는 보다 바람직하게는 100 W/m*K 초과와 같은 높은 열 전도율(Tc)을 갖는 재료를 포함한다. 예를 들어, 상기 재료는, 각각 23℃에서 측정될 때, 23℃에서 10 내지 6,000 W/m*K, 또는 23℃에서 50 내지 6,000 W/m*K, 또는 100 내지 6,000 W/m*K, 또는 100 내지 1,000 W/m*K, 또는 100 내지 500 W/m*K의 열 전도율을 나타낼 수 있다. 이러한 재료에는 구리, 알루미늄, 은 또는 구리, 알루미늄 또는 은의 합금과 같은 금속; 질화붕소, 질화알루미늄, 탄화규소, 또는 산화베릴륨과 같은 세라믹; 또는 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연과 같은 탄소질 재료가 포함될 수 있다. 예를 들어, 열 확산 층은 상표명 MIRALON으로 Huntsman으로부터 입수 가능한 것과 같은 탄소 섬유 또는 탄소 나노튜브를 포함하는 테이프 또는 시트일 수 있다. 다른 측면에서, 열 확산 층은 금속 또는 금속 합금 호일, 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이다. 일 측면에서, 제1 및 제2 열 확산 층들은 각각 독립적으로 호일, 직조 또는 부직 섬유 매트, 또는 폴리머 폼(polymer foam)이다.
제1 및 제2 열 확산 층들의 두께는 사용된 재료, 원하는 열 전도도, 비용, 원하는 두께, 또는 배터리의 무게 등의 고려 사항에 따라 달라진다. 예를 들어, 열 확산 층은 두께가 5 내지 1,000 마이크로미터(μm), 예를 들어 0.0005 내지 0.039 인치(12.7 내지 991 μm), 0.001 내지 0.005 인치(25.4 내지 127 μm), 또는 0.002 내지 0.039 인치(51 내지 991 마이크로미터)일 수 있다. 금속 호일은 각각 독립적으로 두께가 0.0005 내지 0.020 인치(12.7 내지 508 μm), 또는 0.001 내지 0.005 인치(25.4 내지 127 μm)일 수 있다.
열 폭주를 지연시키기 위해 단열 층(62)이 선택된다. 단열 층(62)은 열 폭주를 지연시키기 위해, 각각 23℃에서 측정된 0.01 내지 1.0 W/m*K(Watts per meter-Kelvin), 바람직하게는 0.01 내지 0.09 W/m*K와 같은 낮은 열 전도율; 70 내지 350 줄/그램(J/g)과 같은 높은 융해 잠열(latent heat of fusion) 중 하나 이상; 또는 둘 다를 나타낼 수 있다. 단열 층은 단열 특성을 증가시킬 수 있는 다공성인 것이 바람직하다. 다공도(porosity)는 층의 총 부피의 2 내지 98%, 또는 층의 총 부피의 2 내지 50%, 또는 층의 총 부피의 5 내지 50%, 또는 층의 총 부피의 50 내지 95%로 광범위하게 달라질 수 있다. 단열 층(62)의 기공들(62d)은 개방(open) 기공, 폐쇄(closed) 기공 또는 이들의 조합일 수 있다. 기공들(62d)은 규칙적인 형태, 불규칙한 형태, 또는 이들의 조합을 나타낼 수 있다.
단열 층(62)은 일반적으로 비금속 재료를 포함하며, 이는 본 명세서에 사용된 바와 같이 재료가 오로지 금속 또는 금속 합금만, 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금만을 포함하지 않는다는 것을 의미한다. 그러나, 일부 비금속 재료는 다른 구성요소에 추가하여 금속 또는 금속 이온을 함유할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 비금속 재료에는 실리콘 이온의 일부가 알루미늄 이온으로 대체될 수 있는 실리카로 구성된 광물인 운모가 포함된다. 단열 층에 사용하기 위한 예시적인 재료로는 운모, 질석(vermiculite), 제올라이트, 에어로겔, 폴리머 폼, 폴리머 섬유, 코르크, 또는 유리섬유(fiberglass)가 포함된다. 다른 재료들의 조합을 사용할 수 있다.
일 측면에서, 열 관리 다층 시트에서의 폴리머 폼, 특히 엘라스토머성 폴리머 폼의 사용은 임의의 하나 이상의 방향에서 열 전도율을 감소시키는 데 있어 극적인 개선을 제공할 수 있다. 일 측면에서, 이러한 개선은 본 명세서에 기재된 바와 같이, 예를 들어, 23℃에서 측정된 0.01 내지 0.09 W/m*K와 같은 특히 낮은 열 전도율; 70 내지 350 줄/그램(J/g)과 같은 높은 융해 잠열; 또는 둘 다에 의해 제공될 수 있다. 일 측면에서, 열 전도율 감소에서의 개선은 또한 본원에 기재된 바와 같이, 단열 특성을 증가시킬 수 있는 폴리머 폼의 기공들에 의해 제공될 수 있다.
운모, 질석, 제올라이트, 또는 기타 미립자 물질들이 사용되는 경우, 층은 미립자 물질 및 바인더(binder)를 포함하는 조성물을 포함할 수 있다. 바인더는 상기 기재된 층의 낮은 열 전도율, 높은 융해 잠열, 또는 둘 다를 유지하도록 선택된다. 바인더는 미립자 층의 강도를 향상시킬 수 있다. 예시적인 바인더는 에폭시, 페놀 수지, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에스테르, 예를 들어 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리설폰, 폴리우레탄, 실리콘 등을 포함한다. 에폭시 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 또는 기타 열경화성 수지가 미립자 층에 결합하여 미립자 층의 강도를 높이는 데 바람직하다. 바인더의 양은 최적의 열 전도율 및 기계적 특성(예를 들어, 고강도)을 달성하도록 선택된다. 예를 들어, 상기 조성물은 20 내지 90 중량%(wt%)의 미립자 충전제 및 10 내지 80 중량%의 바인더, 또는 20 내지 80 중량%의 미립자 충전제 및 20 내지 80 중량%의 바인더를 포함할 수 있으며, 각각은 상기 조성물의 총 중량을 기준으로 하며, 총 합계는 100 중량%이다.
에어로겔은 50 부피%(vol%) 초과, 보다 바람직하게는 90 부피% 초과의 다공도를 갖는 상호 연결된 나노구조들의 네트워크를 포함하는 개방 셀형 고체 매트릭스(open-celled solid matrix)이다. 에어로겔은 겔의 액체 성분을 기체로 대체하거나 초임계 건조와 같은 습식 겔을 건조시킴으로써 겔에서 파생될 수 있다. 예시적인 에어로겔로는 폴리(비닐 알코올), 우레탄, 폴리이미드, 또는 폴리아크릴아미드 에어로겔을 포함하는 폴리머 에어로겔; 키틴 및 키토산 에어로겔을 포함하는 다당류 에어로겔; 또는 산화알루미늄 또는 실리카 에어로겔과 같은 무기 세라믹 에어로겔이 포함된다.
폴리머 섬유 또는 폼은 다양한 열가소성 수지들, 열가소성 수지들의 블렌드, 또는 열경화성 수지들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 열가소성 수지의 예로는 폴리아세탈, 폴리아크릴계, 폴리아미드 예를 들어, 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 6,10, 나일론 6,12, 나일론 11 또는 나일론 12, 폴리아미드이미드, 폴리아릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리에스테르, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에테르케톤, 폴리에테르 에테르케톤, 폴리에테르 케톤 케톤, 폴리에테르이미드, 폴리올레핀, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌의 코폴리머, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리스티렌, 폴리설폰 예를 들어, 폴리아릴설폰 및 폴리에테르설폰, 폴리우레탄, 폴리비닐 클로라이드, 플루오르화 폴리머 예를 들어, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 퍼플루오로메틸 비닐에테르, 플루오르화 폴리에틸렌-프로필렌(FEP), 또는 테트라플루오로에틸렌-비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(HFP), 에틸렌 프로필렌 고무(EPR), 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(EPDM), 스티렌-아크릴로니트릴(SAN), 스티렌-말레산 무수물(SMA), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 천연 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 사이클릭 올레핀 코폴리머, 폴리디사이클로펜타디엔 고무, 스티렌-에틸렌/프로필렌-스티렌 블록 코폴리머(SEPS), 스티렌-부타디엔 블록 코폴리머(SB), 스티렌-부타디엔-스티렌) 코폴리머(SBS), 스티렌-에틸렌/부틸렌-스티렌 블록 코폴리머(SEBS), 폴리부타디엔, 이소프렌, 폴리부타디엔-이소프렌 코폴리머 등, 또는 이들의 조합이 포함된다.
폴리머 섬유 또는 폼에 사용될 수 있는 열가소성 폴리머의 블렌드의 예로는 ABS/나일론, 폴리카보네이트/ABS, ABS/폴리비닐 클로라이드, 폴리페닐렌 에테르/폴리스티렌, 폴리페닐렌 에테르/나일론, 폴리설폰/ABS, 폴리카보네이트/열가소성 우레탄, 폴리카보네이트/PET, 폴리카보네이트/PBT, 열가소성 엘라스토머 합금, PET/PBT, SMA/ABS, 폴리에테르 에테르케톤/폴리에테르설폰, 스티렌-부타디엔 고무, 폴리에틸렌/나일론, 폴리에틸렌/폴리아세탈 등, 또는 이들의 조합이 포함된다.
폴리머 섬유 또는 폼에 사용될 수 있는 열경화성 수지의 예로는 폴리우레탄, 에폭시, 페놀계, 폴리에스테르, 폴리아미드, 실리콘 등, 또는 이들의 조합이 포함된다. 열경화성 수지들의 블렌드뿐만 아니라 열가소성 수지와 열경화성 수지의 블렌드가 사용될 수 있다.
단열 층에 사용될 수 있는 바람직한 폴리머 섬유 또는 폼으로는 에폭시, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에스테르 예를 들어, PBT, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리설폰, 폴리우레탄, 실리콘, 비닐에스테르 등, 또는 이들의 조합이 포함된다. 일 측면에서, 폴리머 섬유는 내열성 폴리머, 예를 들어, Tg가 180℃ 이상인 폴리머, 예를 들어, 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리프탈아미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리에테르 에테르 케톤 등, 또는 이들의 조합을 포함한다. 폴리머 섬유는 직조 또는 부직 매트 또는 테이프의 형태일 수 있다. 폴리우레탄 또는 실리콘 폼, 특히 압축성 폴리우레탄 또는 실리콘 폼이 바람직하며, 하기에 더 자세히 설명되어 있다. 폴리머 폼 또는 섬유는 당업계에 공지된 것과 같은 다른 첨가제들, 예를 들어, 가공 조제(processing aid), 난연제, 충전제, 산화방지제, 오존방지제(antiozonant), 자외선(UV) 또는 열 안정제, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 충전제는 추가적인 단열, 열 흡수 또는 열 편향(heat deflection) 특성을 제공하도록 선택될 수 있다. 예시적인 충전제로는 세라믹, 예를 들어, 실리카, 활석, 탄산칼슘, 점토, 운모, 질석 등, 또는 이들의 조합이 포함된다.
단열 층에 사용될 수 있는 코르크 재료에는 천연 코르크와 인공 코르크 둘 다가 포함된다.
예시적인 유리섬유 층으로는 A-유리, C-유리, D-유리, 또는 이들의 조합이 포함된다. D-유리 또는 E-유리가 바람직하다. 유리섬유 층은 폴리머 매트릭스에 배치되거나 폴리머로 코팅될 수 있다. 에폭시, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에스테르, 예를 들어, 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리설폰, 폴리우레탄, 실리콘, 비닐 에스테르 등이 사용될 수 있다. 바람직한 바인더로는 에폭시, 폴리에스테르 및 비닐에스테르가 포함된다.
단열 층(62)의 두께는 사용된 재료, 원하는 열 전도도, 비용, 배터리의 원하는 두께 또는 무게 등의 고려 사항에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 단열 층(62)은 두께가 50 내지 15,000 μm, 예를 들어 50 내지 5,000, 또는 50 내지 4,000 μm, 또는 0.002 내지 0.118 인치(51 내지 2,997 μm), 바람직하게는 0.006 내지 0.020 인치(152 내지 508 μm)일 수 있다. 일 측면에서, 상기 단열 층은 운모, 제올라이트, 폴리머 섬유, 또는 유리섬유를 포함할 수 있으며, 두께가 50 내지 5,000 μm일 수 있다. 또 다른 측면에서, 단열 층은 폴리머 폼을 포함할 수 있으며, 두께가 250 내지 10,000 μm, 또는 500 내지 10,000 μm일 수 있다.
제1, 제2, 또는 두 열 확산 층 및 단열 층은 서로 직접적으로 배치될 수 있거나, 또는 서로 배치되고 하나 이상의 접착제 층을 사용하여 부착될 수 있다. 접착제 층이 사용될 때, 접착제 층은 두께가 0.00025 내지 0.010 인치(6 내지 254 μm), 또는 0.0005 내지 0.003 인치(12.7 내지 76 μm)일 수 있다. 매우 다양한 접착제가 당업계에 공지되어 있고 사용될 수 있다. 예를 들어, 접착제 층은 각각 독립적으로 폴리에스테르 접착제, 폴리비닐 플루오라이드 접착제, 아크릴 또는 메타크릴 접착제, 또는 실리콘 접착제를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 접착제는 실리콘 접착제이다. 솔벤트 캐스트(solvent-cast), 핫멜트(hot-melt) 및 2액형 접착제(two-part adhesive)가 사용될 수 있다. 일 측면에서, 각각의 접착제 층은 독립적으로 열 확산되거나 단열될 수 있는 무기 충전제를 포함할 수 있다.
선택적으로, 각각의 접착제 층은 독립적으로 열 확산(열 전도)되거나 단열될 수 있는 충전제를 포함할 수 있다. 예시적인 충전제로는 에어로겔 충전제, 유리 마이크로벌룬(glass microballoon), 가스 충전된 중공 폴리머 미소구체, 질화붕소, 질화알루미늄, 운모, 활석, 탄소 나노튜브, 흑연, 또는 이들의 조합이 포함된다. 상기 첨가제는 원하는 특성을 제공하기 위해 표면 코팅될 수 있으며, 예를 들어 상기 충전제는 분산 또는 부착을 개선하기 위해 실란으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 각 접착제 층은 운모 또는 활석과 같은 고 종횡비 판상 충전제를 포함할 수 있다. 일 측면에서는 충전제가 존재하지 않는다.
단열 층이 압축될 수 없거나, 신뢰할 수 있거나 충분한 압축 변형 값(compression-set value)을 갖지 않는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 열 관리 다층과 함께 압력 패드를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 물론, 압력 패드는 배터리 내의 다른 위치에 위치할 수 있다. 일 측면에서, 압력 패드는 0.010 내지 0.500 인치(254 내지 12,700 μm)의 두께를 가질 수 있고, 광범위한 온도에 걸쳐 신뢰할 수 있고 일관된 압축 변형 저항(c-set) 및 응력 완화 성능을 갖는 압축성 재료를 포함한다. 이러한 유형의 재료의 예로는 폴리우레탄 또는 실리콘 폼(예를 들어, Rogers Corporation으로부터 입수 가능한 PORON® 폴리우레탄 폼 또는 BISCO® 실리콘 폼)이 포함된다. 압력 패드로 사용될 수 있는 다른 압축성 재료는 본 명세서에 설명된 것들이다.
또 다른 측면에서, 도 7은 압축성 단열 층(83)을 포함하는 열 관리 다층 시트(402)를 도시한 것이다. 다층 시트(402)는 제1 및 제2 고온 라미네이트(81, 82)를 추가로 포함한다. 제1 및 제2 고온 라미네이트(81, 82) 각각은 압축성 단열 층(83)의 제1 면(83a) 및 반대편에 있는 제2 면(83b)에 각각 배치된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "압축성"은 재료가 가압 하에 압축되고, 압력이 해제되면 원래 상태로 되돌아가는 엘라스토머 특성을 지칭한다.
압축성 단열 층은 배터리에 압력 관리를 제공하고, 상기 기재된 바와 같이 패드를 교체하거나 보충할 수 있도록 하는 특성을 갖도록 선택될 수 있다. 특히 압축성 단열 층은 광범위한 온도, 예를 들어, -15 내지 120℃에 걸쳐 신뢰할 수 있고 일관된 c-set 저항 및 응력 완화 성능 중 하나 이상을 제공하도록 선택된다. 압축성 단열 층은 ASTM D 3574-95 테스트 D에 따라 측정된 158℉(70℃)에서의 압축 변형률(compression set)이 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만일 수 있다. 일부 측면에서, 압축성 단열 층은 ISO 3384에 따라 70℉(21℃)에서 168시간 동안 측정된 힘 보유력(force retention)이 50% 초과일 수 있다. 압축성 단열 층은 원하는 압력 관리를 제공하기에 효과적인 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 압축성 단열 층은 비압축 두께가 250 내지 15,000 μm, 0.020 내지 0.500 인치(508 내지 12,700 μm), 0.040 내지 0.157 인치(1,016 내지 3.988 μm)일 수 있다.
일 측면에서, 단열 층(62)(도 5) 또는 압축성 단열 층(83)(도 7)은 압축성 재료 예를 들어, 엘라스토머 또는 상기 기재된 고무, 특히 비닐 아세테이트(EVA), 열가소성 엘라스토머(TPE), EPR 또는 EPDM; 또는 폴리머 폼이다.
일 측면에서 상기 압축성 단열 층은 압축성 폴리머 폼이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "폼"은 다공성(즉, 다공질(cellular)) 구조를 갖는 물질을 지칭한다. 예시적인 압축성 폼은 밀도가 65 pcf(파운드/입방 피트)(1,041 kg/m3(킬로그램/입방 미터)) 미만, 바람직하게는 55 pcf(881 kg/m3) 이하, 또는 바람직하게는 25 pcf(400 kg/m3) 이하이다. 압축성 폴리머 폼은 폼의 총 부피를 기준으로 적어도 5 내지 99%, 바람직하게는 30% 이상의 공극 부피 함량(void volume content)을 가질 수 있다.
상기 기재된 폴리머 재료는 압축성 폴리머 폼으로 사용될 수 있다. 폴리머 섬유 및 폼과 관련하여 상기 기재된 바와 같이 선택적 첨가제가 압축성 폴리머 폼의 제조를 위한 조성물에 존재할 수 있다. 일 측면에서, 상기 압축성 폴리머 폼은 밀도가 5 내지 30 파운드/입방 피트(lb/ft3)(80 내지 481 kg/m3)이고, ASTM D 3574-95 테스트 C에 따라 측정된 25% 압축력 편향(compression force deflection: CFD)이 0.5 내지 100 lb/in2(351.5 내지 70,307 킬로그램/제곱 미터(kg/m2))이며, ASTM D 3574-95 테스트 D에 따라 측정된 158℉(70℃)에서의 압축 변형률이 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만이다. 바람직하게는 상기 압축성 폴리머 폼은 전술한 특성들을 갖는 폴리우레탄 또는 실리콘 폼이다.
일 측면에서, 압축성 폴리머 폼은, 예를 들어, ASTM D 3574-95에 따라 측정될 수 있는 평균 기포 크기(average cell size)가 50 내지 250 μm이고; 밀도가 5 내지 50 lb/ft3(80 내지 800.9 kg/m3), 바람직하게는 6 내지 25 lb/ft3(96 내지 400 kg/m3)이며, ASTM D 3574-95 테스트 D에 따라 측정된 158℉(70℃)에서의 압축 변형률이 10% 미만이고, 힘 편향(force-deflection)이 1 내지 250 파운드/제곱 인치(psi)(7 내지 1724 킬로파스칼(kPa))일 수 있는 개방 기포, 저 모듈러스 폴리우레탄 폼이다. 압축성 폴리우레탄 폼은 당업계에 공지된 조성물로부터 제조될 수 있다. 적합한 압축성 폴리우레탄 폼은 PORON® EVExtend 4701-43RL과 같이 Rogers Corporation(Woodstock, Conn)에 의해 상표명 PORON® 4700으로 시판되고 있다. 이러한 압축성 폴리우레탄 폼은 압축 변형 저항을 포함하는 우수한 범위의 특성을 제공하도록 포뮬레이팅될 수 있다. 압축 변형 저항이 우수한 폼은 완충 작용(cushioning)을 제공하며, 장시간 하중을 가해도 이의 원래 모양 또는 두께를 유지한다.
또 다른 측면에서, 압축성 폴리머 폼은 폴리실록산을 포함하는 실리콘 폼이다. 일 측면에서, 실리콘 폼은 폴리실록산 폴리머 전구체 조성물 내의 하이드라이드 기와 물 사이의 반응 결과로서 생성되며 결과적으로 수소 가스가 방출된다. 이 반응은 일반적으로 귀금속, 바람직하게는 백금 촉매에 의해 촉매된다. 촉매는 실리카겔, 알루미나, 또는 카본 블랙과 같은 불활성 담체 상에 침착될 수 있다. 또한, 실리콘 폼의 다공도 및 밀도를 조절하기 위해 다양한 백금 촉매 억제제를 사용하여 발포 및 경화 반응의 동역학을 제어할 수 있다. 이러한 억제제의 예로는 폴리메틸비닐실록산 사이클릭 화합물 및 아세틸렌계 알코올이 포함된다. 이러한 억제제는 폼을 파괴하는 방식으로 발포 및 경화를 방해해서는 안 된다.
일 측면에서, 폴리실록산 폴리머는 25℃에서 점도가 100 내지 1,000,000 poise이고, 하이드라이드, 메틸, 에틸, 프로필, 비닐, 페닐, 및 트리플루오로프로필과 같은 사슬 치환체를 갖는다. 폴리실록산 폴리머 상의 말단 기는 하이드라이드, 하이드록실, 비닐, 비닐 디오르가노실록시, 알콕시, 아실옥시, 알릴, 옥심, 아미노옥시, 이소프로페녹시, 에폭시, 머캅토 기, 또는 기타 공지된 반응성 말단 기일 수 있다. 또한, 실리콘 폼은 조합물의 점도가 상기 명시된 값들 내에 있는 한, 각각 서로 다른 분자량(예를 들어, 바이모달(bimodal) 또는 트리모달(trimodal) 분자량 분포)을 갖는 몇몇 폴리실록산 폴리머들을 사용하여 생성될 수 있다. 또한, 원하는 폼을 생성하기 위해 서로 다른 작용기 또는 반응성 기를 갖는 몇몇 폴리실록산 기반 폴리머(polysiloxane base polymer)를 갖는 것도 가능하다. 일 측면에서, 폴리실록산 폴리머는 물 1몰당 0.2몰의 하이드라이드(Si-H) 기를 포함한다.
압축성 폴리머 폼을 제조하는 방법은 일반적으로 알려져 있다. 폼은 기계적으로 거품을 내거나, 물리적으로 또는 화학적으로 발포되거나, 둘 다 일어날 수 있다. 폴리우레탄 폼은 기계적으로 거품을 낸 조성물을 캐스팅하여 만들어질 수 있다. 특히, 폴리우레탄의 반응성 전구체들을 혼합하고, 기계적으로 거품을 낸 다음 캐스팅하여 층을 형성하고, 이를 경화시킬 수 있다. 실리콘 폼의 생산에서, 전구체 조성물의 반응성 성분들은 2개의 패키지에 저장될 수 있는데, 하나는 백금 촉매를 함유하고, 다른 하나는 조기 반응을 방지하는 하이드라이드 기를 함유하는 폴리실록산 폴리머를 함유한다. 또 다른 생산 방법에서, 폴리실록산 폴리머는 전기 전도성 입자, 물, 필요한 경우 물리적 발포제, 및 기타 바람직한 첨가제와 함께 압출기로 도입된다. 이후, 백금 촉매를 압출기로 계량하여 넣어 발포 및 경화 반응을 시작한다. 액체 이산화탄소 또는 초임계 이산화탄소와 같은 물리적 발포제를 물과 같은 화학적 발포제와 함께 사용하면 훨씬 더 낮은 밀도를 갖는 폼이 생성될 수 있다. 또 다른 방법에서, 액체 실리콘 성분들을 계량하고, 혼합하고, 몰드 또는 연속 코팅 라인과 같은 장치 내로 분배한다. 그때 몰드 또는 연속 코팅 라인에서 발포가 발생한다.
압축성 단열 층은 이의 강도를 강화하기 위한 보강재(reinforcement material)를 포함할 수 있다. 단열 층을 위한 보강재는 섬유질일 수 있으며, 예를 들어 두께가 20 내지 600 μm, 또는 0.001 내지 0.020 인치(25.4 내지 508 μm), 바람직하게는 0.001 내지 0.005 인치(25.4 내지 127 μm)일 수 있는 직조 또는 부직 섬유 매트 형태의 연속 섬유일 수 있다. 단열 층을 위한 보강재는 고내열성 직조 또는 부직 폴리머 섬유 매트, 예를 들어, 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리프탈아미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리에테르 에테르 케톤 등; 또는 상기 기재된 유리섬유와 같은 직조된 부직 유리 섬유 매트를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 단열 층을 위한 보강재는 평직(plain weave) 1080 E-유리를 포함한다.
다시 도 7을 참조하면, 제1 고온 라미네이트(81)는 제1 무결성 층(84)의 제1 면(84a)에 배치된 제1 열 확산 층(61)을 포함한다. 제1 무결성 층(84)의 제2 면(84b)은 제1 접착제 층(85)에 배치된다. 제1 접착제 층(85)은 압축성 단열 층(83)의 제1 면(83a)에 제1 무결성 층(84)을 접착시킨다. 제2 고온 라미네이트 필름(82)은 제2 무결성 층(86)의 제1 면(86a)에 배치된 제2 열 확산 층(63)을 포함한다. 제2 무결성 층(86)의 제2 면(86b)은 압축성 단열 층(83)의 제2 면(83b)에 제2 무결성 층(86)을 접착시키는 제2 접착제 층(87)에 배치된다.
제1 및 제2 열 확산 층(61, 63)은 동일하거나 상이할 수 있으며, 본 명세서에 기재된 바와 같다.
제1 및 제2 무결성 층(84, 86)은 열 관리 다층의 강도를 강화하기 위한 보강재이다. 각각은, 예를 들어, 두께가 20 내지 600 μm, 또는 0.001 내지 0.020 인치(25.4 내지 508 μm), 바람직하게는 0.001 내지 0.005 인치(25.4 내지 127 μm)일 수 있는 직조 또는 부직 섬유 매트 형태의 연속 섬유를 독립적으로 포함할 수 있다. 제1 및 제2 무결성 층은 고내열성 직조 또는 부직 폴리머 매트, 예를 들어, 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리프탈아미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리에테르 에테르 케톤 등; 또는 상기 기재된 유리섬유와 같은 직조된 부직 유리 매트를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 각각의 제1 및 제2 무결성 층은 평직 1080 E-유리를 포함한다.
제1 및 제2 접착제 층은 효과적인 접착을 제공하기에 적합한 임의의 두께를 가질 수 있으며, 바람직하게는 두께가 또한 접착 재료를 낭비하지 않거나 열 관리 다층 시트의 원하는 특성에 유의한 악영향을 미치지 않도록 조정된다. 예를 들어, 제1 및 제2 접착제 층은 두께가 0.00025 내지 0.010 인치(6.35 내지 254 μm), 또는 0.0005 내지 0.003 인치(12.7 내지 76.2 μm)일 수 있다. 제1 및 제2 접착제 층(85, 87)은 동일하거나 상이할 수 있으며, 본 명세서에 기재된 바와 같다. 예를 들어, 제1 및 제2 접착제 층은 각각 독립적으로 폴리에스테르 접착제, 폴리비닐 플루오라이드 접착제, 아크릴계 또는 메타크릴계 접착제, 또는 실리콘 접착제를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 상기 접착제는 실리콘 접착제이다. 또한 상기 기재된 바와 같이, 각각의 접착제 층은 독립적으로 열 확산되거나 단열될 수 있는 무기 충전제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 접착제는 운모 또는 활석과 같은 고 종횡비 판상 충전제를 포함할 수 있다. 일 측면에서는 충전제가 존재하지 않는다.
열 관리 다층 및 열 관리 다층의 하위 조합(예를 들어, 고온 라미네이트)은 열 확산, 단열, 및 선택적 접착제 층에 사용되는 재료에 따라 당업계에 공지된 방법에 의해 제조될 수 있다. 제조는, 예를 들어, 접착제를 사용하거나 사용하지 않고 층들을 개별적으로 적층하고 라미네이팅하여; 단열 층 상에 열 확산 층을 위한 조성물을 코팅 또는 캐스팅하여; 열 확산 층을 형성하기 위한 조성물에 단열 층을 침지하여; 또는 단열 층을 형성하기 위한 조성물을 열 확산 층 또는 열 확산 층 상에 배치된 접착제 층에 직접 코팅 또는 캐스팅하여 이루어질 수 있다. 롤 오버 롤(roll over roll), 나이프 오버 롤(knife over roll), 리버스 롤(reverse roll), 슬롯 다이(slot die), 또는 그라비어 코팅(gravure coating)과 같은 공정을 사용할 수 있다. 일 측면에서, 단열 층이 폴리머 폼을 포함하는 경우, 폼 형성 조성물은 금속 호일과 같은 제1 열 확산 층 상에 캐스팅되고, 발포되고 제2 호일 층으로 피복되어 폼의 두께를 제어한 다음 가열되어 폼을 경화시킬 수 있다. 접착제 층은 호일 층들 중 하나 또는 둘 모두에 존재할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 단열 층 또는 고온 라미네이트와 같은 하위 조합은 상업적으로 입수한 다음 하나 이상의 추가 층과 조립하여 열 관리 다층을 형성할 수 있다. 상업적으로 입수 가능한 고온 라미네이트의 예로는 플라즈마 테이프(plasma tape), 예를 들어, 유리 직물 상에 배치된 고온 실리콘 접착제를 추가로 포함하는 알루미늄 호일/유리 직물 라미네이트가 있다. 이러한 라미네이트는 DW 407 플라즈마 테이프와 같이, 상표명 DW 시리즈 플라즈마 테이프로 DeWAL에서 상업적으로 입수할 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 측면들은 예시일 뿐이며, 원하는 특성에 따라 다양한 조합 및 하위 조합이 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같은 열 관리 다층 시트는 단일 무결성 층만을 포함할 수 있다. 추가적인 열 확산 층, 접착제 층 또는 단열 층이 존재할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같은 열 관리 다층 시트는 열 확산 층의 측면에 추가적인 단열 층을 포함할 수 있으며, 그 사이에는 추가적인 접착제 층을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
열 관리 다층 시트에 존재할 수 있는 또 다른 층 또는 구성요소에는 상변화 물질이 포함된다. 구체적으로, 단열 층은 상변화(phase-change) 물질을 포함할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로 상변화 물질을 포함하는 층이 단열 층 상에 배치될 수 있다. 상변화 물질은 융해열이 높은 물질로, 용융과 고화(solidification)와 같은 상전이 과정에서 다량의 잠열을 각각 흡수하고 방출할 수 있는 물질이다. 상변화 동안, 상변화 물질의 온도는 거의 일정하게 유지된다. 상변화 물질은 상변화 물질이 열을 흡수하거나 방출하는 시간 동안, 통상적으로 물질의 상 변화 동안, 물질을 통한 열 에너지의 흐름을 억제하거나 중지한다. 일부 경우에, 상변화 물질은 상변화 물질이 열을 흡수하거나 방출하는 기간 동안, 통상적으로 상변화 물질이 두 상태 사이에서 전이를 겪을 때 열 전달을 억제할 수 있다. 이 작용은 통상적으로 일시적이며, 가열 또는 냉각 과정 동안 상변화 물질의 잠열이 흡수되거나 방출될 때까지 일어날 것이다. 열은 상변화 물질로부터 저장되거나 제거될 수 있고, 상변화 물질은 통상적으로 열원 또는 냉원에 의해 효과적으로 재충전될 수 있다.
적합한 상변화 물질은, 예를 들어, WO2020/227201에 기재되어 있다. 여기에 기재된 바와 같이, 상변화 물질은 캡슐화되거나 캡슐화되지 않을 수 있거나, 조합이 사용될 수 있다. 상 변화 물질은 상기 기재된 바와 같은 폴리머를 추가로 포함하는 조성물에 사용될 수 있다. 상기 폴리머는 상기 기재된 바와 같이 하나 또는 조합을 포함할 수 있으며, 예를 들어 폴리비닐 클로라이드, 폴리스티렌, 폴리에테르 설폰, ABS, SAN, PEN, PBT, PET, PVDF, 퍼플루오로메틸비닐에테르, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌의 코폴리머, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), FEP, 비닐리덴 플루오라이드, HFP, EPR, EPDM, 천연 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 사이클릭 올레핀 코폴리머, 폴리디사이클로펜타디엔 고무, 열가소성 폴리우레탄, SEPS, 폴리(스티렌-부타디엔-스티렌)(SBS), SEBS, 폴리부타디엔, 이소프렌, 폴리부타디엔-이소프렌 코폴리머, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상변화 물질의 양은, 상변화 조성물의 총 중량을 기준으로, 20 내지 98 중량%, 또는 40 내지 97 중량%, 또는 50 내지 96 중량%, 또는 50 내지 95 중량%, 또는 40 내지 95 중량%, 또는 50 내지 90 중량%, 또는 60 내지 85 중량%, 또는 75 내지 85 중량%일 수 있다.
일 측면에서, 단열 층은 팽창성 조성물을 포함할 수 있거나, 열 관리 다층 시트는 팽창성 조성물을 포함하는 층을 포함할 수 있다. 층은 단열 층의 반대편에 있는 열 확산 층 상에 배치될 수 있거나, 또는 열 확산 층과 단열 층 사이에 배치될 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 팽창성 물질은 숯을 형성한 다음 숯을 팽창시키는 것을 포함하는 두 가지 에너지 흡수 메커니즘을 사용하여 화염의 확산을 감소시킬 수 있다고 여겨진다. 예를 들어, 온도가, 예를 들어, 200 내지 280℃의 값에 도달하면, 산성 종(예를 들어, 폴리포스페이트 산)이 탄소원(예를 들어, 펜타에리트리톨)과 반응하여 숯을 형성할 수 있다. 예를 들어, 온도가 280 내지 350℃로 증가하면, 발포제가 분해되어 숯을 팽창시키는 가스상 제품을 생성할 수 있다. 팽창성 물질은 공지되어 있으며, 예를 들어, WO2020/251825에 기재되어 있다. 팽창성 물질은 산 공급원, 발포제, 및 탄소 공급원을 포함할 수 있다. 이들 성분들 각각은 개별 층들로 또는 혼합물, 바람직하게는 친밀한 혼합물(intimate admixture)로 존재할 수 있다. 예를 들어, 팽창성 물질은 폴리포스페이트 산 공급원 예를 들어 트리스(2,3-디브로모프로필)포스페이트, 트리스(2-클로로에틸)포스페이트, 트리스(2,3-디클로로프로필)포스페이트, 트리스(1-클로로-3-브로모이소프로필) 포스페이트, 비스(1-클로로-3-브로모이소프로필)-1-클로로-3-브로모이소프로필 포스포네이트, 폴리아미노트리아진 포스페이트, 멜라민 포스페이트, 구아닐우레아 포스페이트, 또는 이들의 조합; 탄소 공급원, 예를 들어, 덱스트린, 페놀-포름알데히드 수지, 펜타에리트리톨, 점토, 폴리머, 또는 이들의 조합; 및 발포제 예를 들어 디시안디아미드, 아조디카본아미드, 멜라민, 구아니딘, 글리신, 우레아, 할로겐화 유기 물질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
열 관리 다층 시트는 배터리용 셀 어셈블리를 제공하기 위해 전기화학 셀, 예를 들어, 적어도 하나의 전기화학 셀의 적어도 일부 상에 배치된다. 예를 들어, 도 8은 배터리용 어셈블리(1002)에서 열 관리 다층 시트의 위치를 설정하는 일 측면을 도시한 것이고, 도 9는 배터리용 어셈블리(1003)에서 열 관리 다층 시트의 위치를 설정하는 일 측면을 도시한 것이다. 상기 셀은 리튬 이온 셀, 특히 파우치 셀일 수 있다. 도 8 및 도 9는 제1 셀(103)과 제2 셀(104) 사이에 열 관리 다층 시트(403)가 위치할 수 있음을 보여준다. 도 8은 열 관리 다층 시트(403)가 셀(103, 104)의 높이 및 폭과 대략 동일한 크기일 수 있음을 보여준다. 도 9는 열 관리 다층 시트(403)가 각각의 셀(103, 104)보다 작을 수 있음을 보여준다. 도 5에 도시된 바와 같이, 열 관리 다층 시트는 셀 표면의 적어도 일부 또는 전부를 덮기 위해 전기화학 셀의 에지를 지나 연장되는 것이 또한 가능하다.
도 10은 배터리용 어셈블리(1004)가, 각각의 셀들(103, 104) 및 각각의 다른 셀들 사이에 열 관리 다층 시트(403)가 있는 2개 이상의 셀들(예를 들어, 103, 104)을 포함할 수 있음을 보여준다. 일 측면에서, 2 내지 10개의 내화성 열 관리 다층 시트는 배터리용 어셈블리(1004)를 제조하는 동안 셀 상에 또는 셀 어레이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 2 내지 10개의 열 관리 다층 시트는 내부에, 예를 들어, 전극을 향하도록 배치될 수 있거나, 또는 배터리 외부를 향하는 외부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 2 내지 10개의 내화성 열 관리 다층 시트는 셀 또는 파우치 셀의 파우치, 또는 둘 모두에 배치되거나 부착될 수 있다. 물론, 셀들 및 셀 어레이들의 수에 따라 열 관리 다층 시트가 1개 또는 10개 이상 존재할 수 있다. 도 10은 배터리의 외부를 향하도록 배터리용 어셈블리(1004)의 외부에 배치된 열 관리 다층 시트(403a)를 추가로 도시한다.
일 측면에서, 열 관리 다층 시트의 노출된 외부 에지의 적어도 일부는 열 관리 다층 시트의 본체로부터 열을 끌어당기는 재료(88)를 포함할 수 있다. 열 관리 다층 시트의 노출된 에지에 적용되는 예시적인 재료로는 세라믹, 예를 들어, 질화붕소 또는 질화알루미늄, 금속, 예를 들어, 알루미늄, 고 열용량 왁스, 상변화 재료 등, 또는 이들의 조합이 포함된다.
셀 어셈블리는 배터리에 사용된다. 배터리는 하나 이상의 전기화학 셀 또는 셀 어레이를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징을 포함한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 예시적인 배터리(2000)는 전극 어셈블리(52)를 둘러싸고 밀봉하는 가요성 하우징, 예를 들어, 파우치(51)를 포함할 수 있다. 도 11의 파우치 셀 또는 배터리용 인클로저는 일반적으로 금속 호일 층을 포함하는 라미네이트 소재이다. 예를 들어, 라미네이트 파우치 셀 재료는 2개의 폴리머 층들 사이에 알루미늄 호일과 같은 금속 호일을 포함할 수 있다. 금속 호일은 수분 확산을 포함하여, 배터리 셀 안팎으로 모든 침투에 대한 장벽 역할을 하도록 의도된다. 따라서, 라미네이트는 전기화학 셀 또는 셀 어레이를 완전히 둘러싸서 셀 또는 셀 어레이를 밀봉한다. 열 관리 다층 시트는 하우징, 즉, 파우치(51)에 추가된다.
전극 어셈블리(52)는 애노드, 세퍼레이터(separator), 캐소드, 및 전해질을 포함할 수 있다. 배터리(2000)는 또한 애노드에 연결된 음극 집전체(53) 및 캐소드에 연결된 양극 집전체(54)를 포함한다. 음극 집전체(53) 및 양극 집전체(54)는 배터리용 제어 전자 장치를 포함하는 제어 전자 시스템(control electronic system)(55)에 전기적으로 연결될 수 있다. 배터리(2000)는 또한 회로 또는 장치에 배터리(2000)의 연결을 가능하게 하는 음극 외부 리드(negative outside lead)(56) 및 양극 외부 리드(positive outside lead)(57)를 포함한다.
열 관리 다층 시트는 배터리에서 임의의 배치 형태로 셀 또는 셀 어레이 상에 배치되거나 바로 위에 배치될 수 있다. 열 관리 다층 시트는 배터리의 개별 셀들 또는 셀 어레이들 사이에 배치될 수 있다. 열 관리 다층 시트는, 예를 들어, 배터리의 셀들 또는 셀 어레이들의 측면들, 이의 일부, 또는 배터리의 셀들 또는 셀 어레이들의 선택된 세트 상에, 예를 들어, 위쪽에, 사이에, 아래에, 인접하게, 또는 이들의 조합에 배치될 수 있다. 예를 들어, 노출된 접착제가 없는 열 관리 다층 시트는 다수의 파우치 셀들, 압력 관리 패드들, 냉각판들, 또는 기타 내부 배터리 구성요소들에 배치되거나 부착될 수 있다. 배터리의 조립 압력은 적층된 구성요소들을 제자리로 고정할 수 있다.
예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 배터리(2001)는 하우징(800) 내부의 다수의 셀 어레이들(700)에 다수의 셀들을 포함할 수 있다. 열 관리 다층 시트(403)는 두 개의 셀 어레이들(700) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 열 관리 다층 시트(403)는 셀 어레이의 다수의 셀들을 따라 하우징(800)의 측면과 셀 어레이(700)의 측면 사이에 배치될 수 있다. 또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 열 관리 다층 시트(403)는 하우징(800)의 단부와 하나 이상의 셀 어레이들(700)의 단부 사이에 배치될 수 있다.
하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위해 제공된다. 실시예는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명에 따라 제조된 장치를, 본 명세서에 기재된 재료, 조건, 또는 공정 파라미터로 제한하려는 의도가 아니다.
실시예
실시예에서는 표 1에 기재된 재료를 사용하였다.
Figure pct00001
실험실에서 가중 롤러(weighted roller)를 사용하여 폴리우레탄 폼 시트의 반대쪽에 플라즈마 테이프를 접착하여 샘플을 형성했다. 샘플을 12.7 밀리미터(mm) 두께의 파우치 셀 아날로그(analog)에 인접하게 배치하고 연소 테스트(burn testing) 또는 핫 플레이트 테스트를 거쳤다.
비교 실시예
폴리우레탄 폼 시트만을 사용하였다.
실시예 1
열 관리 다층 시트는 폴리우레탄 폼 시트의 양면에 플라즈마 테이프 1을 포함했다.
실시예 2
열 관리 다층 시트는 폴리우레탄 폼 시트의 양면에 플라즈마 테이프 2를 포함했다.
실시예 3
열 관리 다층 시트는 폴리우레탄 폼 시트의 양면에 플라즈마 테이프 3을 포함했다.
실시예 4
열 관리 다층 시트는 실리콘 폼의 양면에 플라즈마 테이프 1을 포함했다.
도 13은 연소 테스트 장치(1300)를 도시한 것이다. 파우치 셀 아날로그를 통해 구멍을 뚫고 열전대 프로브(131)를 삽입했다. 프로판 토치(132)를 사용하여 파우치 셀 아날로그(133)의 맞은편에 있는 샘플(404)의 측면에서 100 mm 화염을 발생시켰다. 프로판 토치(132)는 샘플(404) 표면으로부터 25 mm 떨어진 곳에 위치하였다. 온도는 0.5, 1, 2, 3, 5, 7, 및 10분 간격으로 프로브로부터 기록되었다.
도 14에 도시된 바와 같이, 프로판 토치로부터 직접 화염을 뿜은 지 10분 후, 비교 실시예는 최고 온도인 604℃에 도달하였다. 실시예 1은 도 14에 도시된 바와 같이 난연성이 개선되었다. 실시예 1은 화염에 직접 노출된 지 10분 후에 222℃의 최고 온도에 도달하여 우수한 난연성을 제공하였다.
도 15는 핫 플레이트 테스트 장치(1500)를 도시한 것이다. 샘플(405)은 파우치 셀 아날로그(153)(예를 들어, 0.025 mm 폴리아미드, 4 내지 5 그램/제곱 미터(g/m2) 접착제, 0.040 mm 알루미늄 호일, 2-3 g/m2 접착제, 0.040 mm 폴리프로필렌을 포함하는 파우치 셀 필름 합성물이 있는 12.7 mm 두께 운모 판)의 맞은편에 배치된다. 샘플(405)의 맞은편 면에 있는 파우치 셀 아날로그(153)에 관통 구멍을 뚫고, 온도 센서, 예를 들어, 열전대 프로브(92)를 삽입한다. 샘플(405)과 핫 플레이트(152) 사이에는, 핫 플레이트(152) 표면을 보호하기 위해 0.001 인치(25.4 μm) 알루미늄 호일(154)이 배치되었다. 핫 플레이트(152)는 550℃의 온도에 도달하도록 하였다. 파우치 셀 아날로그(153) 및 샘플(405)은 핫 플레이트(152) 상에 배치되며, 샘플(405)이 핫 플레이트(152)에 가장 근접하다. 온도 센서(151)는 0, 0.5, 1, 2, 3, 5, 7, 10분과 같은 시간 간격으로 온도를 측정하는 데 사용된다.
도 16에 도시된 바와 같이, 실시예 1은 비교 실시예와 비교하여 150℃에 도달하는 데 100초가 지연되었고, 최고 온도는 비교 실시예의 경우 273℃에 비해 239℃였다. 실시예 2 및 3은 비교 실시예와 비교하여 유사한 성능 개선을 나타낸다. 도 17에 도시된 바와 같이, 실시예 4는 비교 실시예에 비해 150℃에 도달하는데 142초가 지연되었고, 최고 온도는 199℃였다.
본 발명의 비제한적인 측면들이 하기에 기재되어 있다.
측면 1: 전기화학 셀의 표면에 배치된 열 관리 다층 시트를 포함하는 배터리용 어셈블리로서, 상기 열 관리 다층 시트는 단열 층, 상기 단열 층의 제1 면에 배치된 제1 열 확산 층, 및 상기 단열 층의 제2 면에 배치된 제2 열 확산 층을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 2: 측면 1에 있어서, 상기 열 관리 다층 시트는 전기화학 셀의 적어도 2개의 표면에 직접 배치되고, 바람직하게는 상기 다층 시트는 상기 셀의 적어도 두 표면 전체에 추가로 배치되는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 3: 측면 1 또는 측면 2에 있어서, 상기 전기화학 셀은 각형 셀, 파우치 셀, 또는 원통형 셀을 포함하고, 바람직하게는 파우치 셀을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 4: 측면 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 제1 및 제2 열 확산 층은 각각 독립적으로 5 내지 1,000 마이크로미터의 두께를 갖는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 5: 측면 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 및 제2 열 확산 층은 각각 독립적으로 구리, 알루미늄, 은, 구리 합금, 알루미늄 합금, 은 합금, 질화붕소, 질화알루미늄, 탄화규소, 산화베릴륨, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 6: 측면 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열 층은 50 내지 15,000 마이크로미터, 또는 50 내지 5,000 마이크로미터의 두께를 갖는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 7: 측면 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열 층은 23℃에서 0.01 내지 1.0 W/m*K의 열 전도율, 또는 70 내지 350 J/g의 융해열을 나타내거나, 또는 둘 다를 나타내고, 바람직하게는 상기 단열 층은 23℃에서 0.01 내지 0.09 W/m*K의 열 전도율, 또는 70 내지 350 J/g의 융해열을 나타내거나, 또는 둘 다를 나타내는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 8: 측면 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열 층은 운모, 질석, 제올라이트, 에어로겔, 폴리머 폼, 폴리머 섬유, 코르크, 유리섬유, 또는 이들의 조합을 포함하고, 바람직하게는 상기 단열 층은 제올라이트, 에어로겔, 폴리머 폼, 폴리머 섬유, 코르크, 유리섬유, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 9: 측면 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 단열 층은 압축 가능하고, ASTM D 3574-95 테스트 D에 따라 측정된 158℉(70℃)에서의 압축 변형률이 10% 미만인 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 10: 측면 9에 있어서, 상기 단열 층은 압축성 엘라스토머 폴리머를 포함하고, 바람직하게는 상기 압축성 엘라스토머 폴리머는 비닐 아세테이트, 열가소성 엘라스토머, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 11: 측면 9에 있어서, 상기 단열 층은 압축성 폴리머 폼, 바람직하게는 폴리우레탄 폼 또는 실리콘 폼을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 12: 측면 11에 있어서, 상기 압축성 폴리머 폼은 밀도가 80 내지 481 kg/m3이고, ASTM D 3574-95 테스트 C에 따라 측정된 25% 압축력 편향이 351.5 내지 70,307 kg/m2이며, ASTM D 3574-95 테스트 D에 따라 측정된 158℉(70℃)에서의 압축 변형률이 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만인 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 13: 측면 11 또는 12에 있어서, 상기 압축성 폴리머 폼은 비압축 두께가 250 내지 15,000 마이크로미터인 층 형태인 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 14: 측면 1 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 상기 배터리용 어셈블리는 제1 열 확산 층과 단열 층 사이에 배치된 접착제 층을 추가로 포함하는, 배터리용 어셈블리.
측면 15: 측면 14에 있어서, 상기 접착제 층은 미립자 충전제를 추가로 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 16: 측면 1 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 상기 배터리용 어셈블리는 제1 열 확산 층과 단열 층 사이에 배치된 내열성 보강재를 포함하는 무결성 층을 추가로 포함하는, 배터리용 어셈블리.
측면 17: 측면 16에 있어서, 상기 내열성 보강재는 고내열성 폴리머 또는 유리를 포함하는 직조 또는 부직 매트를 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 18: 측면 16 또는 17에 있어서, 상기 무결성 층은 20 내지 600 마이크로미터의 두께를 갖는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 19: 측면 1 내지 18 중 어느 하나에 있어서, 상기 열 관리 다층 시트는 제1 열 확산 층; 제1 무결성 층; 제1 접착제 층; 단열 층; 제2 접착제 층; 제2 무결성 층; 및 제2 열 확산 층을 순서대로 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
측면 20: 측면 1 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 상기 어셈블리는 적어도 2개의 전기화학 셀들을 포함하는, 배터리용 어셈블리.
측면 21: 측면 1 내지 20 중 어느 한 측면에 기재된 배터리용 어셈블리; 및 상기 배터리용 어셈블리를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징을 포함하는 배터리.
측면 22: 압축성 단열 층의 제1 면에 부착된 제1 고온 라미네이트; 및 상기 압축성 단열 층의 반대쪽 제2 면에 부착된 제2 고온 라미네이트를 포함하는 열 관리 다층 시트로서, 상기 제1 고온 라미네이트 필름은 제1 무결성 층의 제1 면에 배치된 제1 열 확산 층, 및 상기 제1 무결성 층의 반대쪽 제2 면에 배치된 제1 접착제 층을 포함하고, 이때 상기 제1 접착제 층은 상기 제1 고온 라미네이트 필름을 상기 압축성 단열 층의 제1 면에 부착시키고, 상기 제2 고온 라미네이트 필름은 제2 무결성 층의 제1 면에 배치된 제2 열 확산 층, 및 상기 제2 무결성 층의 반대쪽 제2 면에 배치된 제2 접착제 층을 포함하고, 이때 상기 제2 접착제 층은 상기 제2 고온 라미네이트 필름을 상기 압축성 단열 층의 제2 면에 부착시키는 것인, 열 관리 다층 시트.
측면 23: 전기화학 셀 상에 배치된, 측면 22의 단열 다층 시트를 포함하는 배터리용 어셈블리.
측면 24: 측면 23에 있어서, 상기 어셈블리는 적어도 2개의 전기화학 셀들을 포함하는, 배터리용 어셈블리.
측면 25: 측면 23 또는 24 중 어느 한 측면에 기재된 배터리용 어셈블리; 및 상기 배터리용 어셈블리를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징을 포함하는 배터리.
측면 26: 전기화학 셀의 적어도 두 표면에 인접하게 배치된 열 관리 다층 시트, 상기 전기화학 셀의 반대편에 있는 열 관리 다층 시트의 표면과 접촉하고 있는 냉각 핀, 및 상기 냉각 핀에 수직이고 상기 냉각 핀과 열 접촉하고 있는 냉각판을 포함하는 배터리로서, 상기 열 관리 다층 시트는 단열 층의 제1 면에 배치된 제1 열 확산 층, 및 상기 단열 층의 제2 면에 배치된 제2 열 확산 층을 포함하는 것인, 배터리.
측면 27: 측면 26에 있어서, 상기 열 관리 다층 시트는 전기화학 셀의 두 표면을 덮는 것인, 배터리.
측면 28: 측면 26 또는 27에 있어서, 상기 전기화학 셀은 각형 셀, 파우치 셀, 또는 원통형 셀을 포함하고, 바람직하게는 파우치 셀을 포함하는 것인, 배터리.
측면 29: 측면 26 내지 28 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 제1 및 제2 열 확산 층은 각각 독립적으로 0.0005 인치(12.7 마이크로미터) 내지 0.0200 인치(508 마이크로미터), 바람직하게는 0.001 인치(25.4 마이크로미터) 내지 0.005 인치(127 마이크로미터)의 두께를 갖는 것인, 배터리.
측면 30: 측면 26 내지 29 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 제1 및 제2 열 확산 층은 각각 독립적으로 구리, 알루미늄, 구리 또는 알루미늄의 합금, 질화붕소, 질화알루미늄, 부직 탄소 나노튜브 시트 또는 테이프, 탄소 나노튜브 필름, 또는 흑연 필름을 포함하고, 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 것인, 배터리.
측면 31: 측면 26 내지 30 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 단열 층은 0.002 인치(51 마이크로미터) 내지 0.039 인치(991 마이크로미터), 바람직하게는 0.006 인치(152 마이크로미터) 내지 0.020인치(508 마이크로미터)의 두께를 갖는 것인, 배터리.
측면 32: 측면 26 내지 31 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 단열 층은 23℃에서 0.01 내지 0.09 W/m*K의 열 전도율, 또는 70 내지 350 J/g의 융해열을 나타내거나, 또는 둘 다를 나타내는 것인, 배터리.
측면 33: 측면 26 내지 32 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 단열 층은 에어로겔, 운모, 폼, 예를 들어 폴리우레탄 또는 실리콘 폼, 코르크, 또는 유리섬유를 포함하는 것인, 배터리.
측면 34: 측면 26 내지 33 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 단열 층은 충전제를 추가로 포함하는 것인, 배터리.
측면 35: 측면 26 내지 34 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 냉각 핀은 냉각제 채널들을 포함하는 것인, 배터리.
측면 36: 측면 26 내지 35 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 배터리는 압력 패드를 추가로 포함하고, 상기 압력 패드는 폴리우레탄 폼, 또는 실리콘 폼을 포함하는 것인, 배터리.
본 명세서에 기재된 조성물, 방법 및 물품은 본 명세서에 개시된 임의의 적절한 재료, 단계 또는 구성요소를 대안적으로 포함하거나, 이들로 이루어지거나, 필수적으로 이루어질 수 있다. 상기 조성물, 방법, 및 물품은 추가적으로, 또는 대안적으로 상기 조성물, 방법, 및 물품의 기능 또는 목적을 달성하는데 필요하지 않은 임의의 재료(또는 종), 단계 또는 구성요소가 없거나, 또는 실질적으로 없도록 포뮬레이팅될 수 있다.
용어 "a" 및 "an"은 수량의 제한을 의미하지 것이 아니라 언급된 항목 중 적어도 하나의 존재를 의미하는 것이다. 용어 "또는"은 문맥상 달리 명확하게 표시되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 "일 측면(an aspect)", "또 다른 측면(another aspect)" 등에 대한 언급은, 상기 측면과 관련하여 설명된 특정 요소(예를 들어, 특징, 구조, 단계 또는 특성)가 본 명세서에 기재된 적어도 하나의 측면에 포함되고, 다른 측면들에 존재하거나 존재하지 않을 수 있음을 의미한다. 또한, 기재된 요소들은 다양한 측면들에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있음을 이해해야 한다.
층, 필름(단열 다층 필름 포함), 영역 또는 기판과 같은 요소가 또 다른 요소 "위에" 있는 것으로 언급되는 경우, 이는 다른 요소에 인접하고, 다른 요소 바로 위에 있을 수 있거나 중간 요소가 존재할 수도 있다. 이와 달리, 요소가 다른 요소 "바로 위에" 있는 것으로 언급되는 경우, 중간 요소가 존재하지 않는다. 또한, 층, 필름(단열 다층 필름 포함), 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위에" 또는 "바로 위에" 있는 것으로 언급되는 경우, 요소의 전체 또는 일부가 다른 요소의 전체 또는 일부에 인접할 수 있다.
본 명세서에서 달리 명시되지 않는 한, 모든 테스트 표준은 본 출원의 출원일 또는, 우선권이 주장되는 경우, 테스트 표준이 나타나는 최우선 출원의 출원일을 기준으로 유효한 가장 최근의 표준이다.
동일한 구성요소 또는 특성에 대한 모든 범위의 종점은 그 종점을 포함하고, 독립적으로 조합될 수 있으며, 모든 중간점 및 중간 범위를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "제1(first)", "제2(second)" 등, "1차(primary)", "2차(secondary)" 등은 임의의 순서, 수량, 또는 중요도를 나타내는 것이 아니라 한 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. "이들의 조합(combination thereof)" 또는 "적어도 하나(at least one of)"라는 용어는 목록이 각 요소를 개별적으로 포함할 뿐만 아니라 목록에 있는 둘 이상의 요소들의 조합, 및 목록에 있는 적어도 하나의 요소와 명명되지 않은 유사한 요소들의 조합을 포함하는 것을 의미한다. 또한, "조합"이라는 용어는 블렌드, 혼합물, 합금, 반응 생성물 등을 포함한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에 사용되는 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련가에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
인용된 모든 특허, 특허 출원, 및 기타 참고문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함되어 있다. 그러나, 본 출원의 용어가 포함된 참고문헌의 용어와 모순되거나 상충되는 경우, 본 출원의 용어가, 포함된 참고문헌의 상충되는 용어보다 우선한다.
도면에서는 설명의 편의와 명세서의 명확성을 위하여 층들 및 영역들의 폭 및 두께를 과장하여 나타내었다. 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
예시적인 구현예는 이상적인 구현예를 개략적으로 예시하는 단면도를 참조하여 본 명세서에서 설명된다. 따라서, 예를 들어, 제조 기술 및/또는 허용 오차(tolerance)의 결과로 도면의 형상에서 변형이 예상된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 구현예는 본 명세서에 예시된 영역들의 특정 형상으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 예를 들어, 제조로부터 초래되는 형상의 편차를 포함해야 한다. 예를 들어, 평평한 것으로 예시되거나 설명된 영역은 통상적으로 거친 및/또는 비선형 특징을 나타낼 수 있다. 또한, 뾰족한 각도로 예시된 것은 둥글 수 있다. 따라서, 도면에 도시된 영역들은 본질적으로 개략적이며, 이들의 형상은 영역의 정확한 형상을 예시하기 위한 것이 아니며, 본 청구범위의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
특정 측면들이 설명되었지만, 현재 예측되지 않거나 예측할 수 없는 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 등가물이 출원인 또는 당업자에게 발생할 수 있다. 따라서, 출원되고 보정될 수 있는 첨부된 청구범위는 이러한 모든 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 등가물을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (25)

  1. 전기화학 셀의 표면에 배치된 열 관리 다층 시트(thermal management multilayer sheet)를 포함하는 배터리용 어셈블리(assembly for a battery)로서,
    상기 열 관리 다층 시트는
    단열 층(62),
    상기 단열 층의 제1 면에 배치된 제1 열 확산 층(heat-spreading layer)(61), 및
    상기 단열 층의 제2 면에 배치된 제2 열 확산 층(63)
    을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 관리 다층 시트는 상기 전기화학 셀의 적어도 두 표면에 배치되는 것인, 배터리용 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 각형 셀(prismatic cell), 파우치 셀(pouch cell), 또는 원통형 셀(cylindrical cell)을 포함하고, 바람직하게는 파우치 셀을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열 확산 층은 각각 독립적으로 5 내지 1,000 마이크로미터의 두께를 갖는 것인, 배터리용 어셈블리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열 확산 층은 각각 독립적으로 구리, 알루미늄, 은, 구리 합금, 알루미늄 합금, 은 합금, 질화붕소, 질화알루미늄, 탄화규소, 산화베릴륨, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단열 층은 50 내지 15,000 마이크로미터, 또는 50 내지 5,000 마이크로미터의 두께를 갖는 것인, 배터리용 어셈블리.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 층은 23℃에서 0.01 내지 1.0 W/m*K의 열 전도율, 또는 70 내지 350 J/g의 융해열을 나타내거나, 또는 둘 다를 나타내고,
    바람직하게는 상기 단열 층은 23℃에서 0.01 내지 0.09 W/m*K의 열 전도율, 또는 70 내지 350 J/g의 융해열을 나타내거나, 또는 둘 다를 나타내는 것인, 배터리용 어셈블리.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열 층은 운모, 질석(vermiculite), 제올라이트, 에어로겔, 폴리머 폼, 폴리머 섬유, 코르크, 또는 유리섬유(fiberglass), 또는 이들의 조합을 포함하고,
    바람직하게는 상기 단열 층은 제올라이트, 에어로겔, 폴리머 폼, 폴리머 섬유, 코르크, 유리섬유, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단열 층은 압축 가능하고, ASTM D 3574-95 테스트 D에 따라 측정된 158℉(70℃)에서의 압축 변형률(compression set)이 10% 미만인 것인, 배터리용 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서, 상기 단열 층은 압축성 엘라스토머 폴리머를 포함하고, 바람직하게는 상기 압축성 엘라스토머 폴리머는 비닐 아세테이트, 열가소성 엘라스토머, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
  11. 제9항에 있어서, 상기 단열 층은 압축성 폴리머 폼, 바람직하게는 폴리우레탄 폼 또는 실리콘 폼을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서, 상기 압축성 폴리머 폼은 밀도가 80 내지 481 kg/m3이고, ASTM D 3574-95 테스트 C에 따라 측정된 25% 압축력 편향(compression force deflection)이 351.5 내지 70,307 kg/m2이며, ASTM D 3574-95 테스트 D에 따라 측정된 158℉(70℃)에서의 압축 변형률이 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만인 것인, 배터리용 어셈블리.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 압축성 폴리머 폼은 비압축 두께가 250 내지 15,000 마이크로미터인 층 형태인 것인, 배터리용 어셈블리.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리용 어셈블리는 상기 제1 열 확산 층과 상기 단열 층 사이에 배치된 접착제 층을 추가로 포함하는, 배터리용 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서, 상기 접착제 층은 미립자 충전제를 추가로 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리용 어셈블리는 상기 제1 열 확산 층과 상기 단열 층 사이에 배치된 내열성 보강재(heat resistant reinforcement material)를 포함하는 무결성 층(integrity layer)을 추가로 포함하는, 배터리용 어셈블리.
  17. 제16항에 있어서, 상기 내열성 보강재는 고내열성 폴리머 또는 유리를 포함하는 직조 또는 부직 매트를 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 무결성 층은 20 내지 600 마이크로미터의 두께를 갖는 것인, 배터리용 어셈블리.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 다층 시트는 순서대로
    상기 제1 열 확산 층;
    제1 무결성 층;
    제1 접착제 층;
    상기 단열 층;
    제2 접착제 층;
    제2 무결성 층; 및
    상기 제2 열 확산 층을 포함하는 것인, 배터리용 어셈블리.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어셈블리는 적어도 2개의 전기화학 셀들을 포함하는, 배터리용 어셈블리.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 기재된 배터리용 어셈블리; 및
    상기 배터리용 어셈블리를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징(housing)
    을 포함하는 배터리.
  22. 압축성 단열 층의 제1 면에 부착된 제1 고온 라미네이트; 및
    상기 압축성 단열 층의 반대쪽 제2 면에 부착된 제2 고온 라미네이트
    를 포함하는, 열 관리 다층 시트로서,
    상기 제1 고온 라미네이트 필름은
    제1 무결성 층의 제1 면에 배치된 제1 열 확산 층, 및
    상기 제1 무결성 층의 반대쪽 제2 면에 배치된 제1 접착제 층을 포함하고, 이때 상기 제1 접착제 층은 상기 제1 고온 라미네이트 필름을 상기 압축성 단열 층의 제1 면에 부착시키며,
    상기 제2 고온 라미네이트 필름은
    제2 무결성 층의 제1 면에 배치된 제2 열 확산 층, 및
    상기 제2 무결성 층의 반대쪽 제2 면에 배치된 제2 접착제 층을 포함하고, 이때 상기 제2 접착제 층은 상기 제2 고온 라미네이트 필름을 상기 압축성 단열 층의 제2 면에 부착시키는 것인, 열 관리 다층 시트.
  23. 전기화학 셀 상에 배치된, 제22항에 기재된 단열 다층 시트를 포함하는, 배터리용 어셈블리.
  24. 제23항에 있어서, 상기 어셈블리는 적어도 2개의 전기화학 셀들을 포함하는, 배터리용 어셈블리.
  25. 제23항 또는 제24항에 기재된 배터리용 어셈블리; 및
    상기 배터리용 어셈블리를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하우징
    을 포함하는 배터리.
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