KR20230037869A - Thermal battery case with low thermal conductivity - Google Patents

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KR20230037869A
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thermal
battery case
thermal battery
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metal
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김고운
이상진
이형채
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국방과학연구소
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Abstract

The present invention relates to a thermal cell case and a thermal cell including the same. One aspect of the present invention provides the thermal cell case including: a metal substrate; and a coating layer laminated on one or both surfaces of the metal substrate. The coating layer includes a metal oxide. The present invention can improve the operating life of the thermal cell by delaying heat release.

Description

낮은 열전도도의 열전지용 케이스{THERMAL BATTERY CASE WITH LOW THERMAL CONDUCTIVITY}Case for thermal battery with low thermal conductivity {THERMAL BATTERY CASE WITH LOW THERMAL CONDUCTIVITY}

본 발명은 낮은 열전도도의 열전지용 케이스 및 이를 포함하는 열전지에 관한 것이다.The present invention relates to a case for a thermal cell having low thermal conductivity and a thermal cell including the same.

열전지(thermal battery)란 상온에서 이온전도도가 없는 고상 무기염 전해질(inorganic salt electrolyte)을 화학열원을 사용하여 즉각적으로 액체로 녹여 높은 이온전도성을 가지게 함과 동시에 전지가 작동되어 비교적 짧은 시간에 높은 출력을 제공하는 1차 비축전지(primary battery)를 말한다. A thermal battery is a solid-state inorganic salt electrolyte with no ionic conductivity at room temperature that is instantly melted into a liquid using a chemical heat source to have high ion conductivity and at the same time the battery operates, resulting in high output in a relatively short time. refers to the primary battery that provides

열전지는 상온에서 전해질이 이온전도성이 없는 고체로 존재하기 때문에 자가방전(self-discharge)이 없어 우수한 장기 보관 특성을 가지고 있으며, 구조가 간단하여 신뢰성이 탁월하고 사용 온도 범위가 넓다. 비교적 짧은 시간에 높은 출력을 제공하는 열전지는 비출력(specific power)이 크고, 보수 유지가 불필요하며, 긴 저장 수명, 넓은 작동 온도 및 높은 신뢰도 등의 장점으로 추진제, 로켓, 어뢰, 미사일용 전원 및 항공기의 비상 전원 등과 같은 다양한 특수 목적의 군사용 전원으로 널리 사용되고 있다.Since the electrolyte exists as a solid with no ionic conductivity at room temperature, the thermal battery has excellent long-term storage characteristics without self-discharge, has a simple structure, has excellent reliability, and has a wide operating temperature range. Thermal cells, which provide high output in a relatively short time, have large specific power, require no maintenance, have long shelf life, wide operating temperature, and high reliability. It is widely used as a military power source for various special purposes, such as emergency power for aircraft.

열전지는 양극, 음극, 전해질 및 열원으로 구성된다. 양극은 환원반응을 음극은 산화반응을 일으키는 활물질로 구성되어 있으며, 방전 중 음극에서 발생한 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동한다. 열전지의 전해질은 각각의 전극을 분리시켜 주는 역할을 하며, 상온에서 고체상태로 이온의 이동이 없는 불활성 상태이므로, 이를 녹여 활성화시킬 수 있는 열원인 발열재가 필요하다.A thermal battery consists of an anode, a cathode, an electrolyte and a heat source. The positive electrode is composed of an active material that causes a reduction reaction and the negative electrode causes an oxidation reaction, and ions generated from the negative electrode during discharge move to the positive electrode through the electrolyte. Since the electrolyte of a thermal battery serves to separate each electrode and is in an inactive state in which ions do not move in a solid state at room temperature, a heating material, which is a heat source that can melt and activate it, is required.

열전지의 용량 및 작동 시간은 유도무기의 사거리 및 작동 수명에 직접적인 영향을 미치는데, 현재 국내 기술의 열전지는 대체로 1,000초 미만의 작동 시간을 보유하고 있다. 따라서 장거리 유도무기 개발을 위해서는 작동시간 1,500초 이상의 장수명 열전지의 개발이 필요하다.The capacity and operating time of the thermal cell directly affect the range and operating life of the guided weapon, and currently, the thermal cell of domestic technology generally has an operating time of less than 1,000 seconds. Therefore, in order to develop long-range guided weapons, it is necessary to develop a long-life thermal battery with an operating time of more than 1,500 seconds.

열전지 작동 수명의 한계 요소 중 하나는 전해질의 응고로, 전해질 응고에 따른 이온전도도로 감소로 작동 수명은 짧아지게 된다. 따라서 열전지의 작동 수명을 향상시키기 위해서는 전해질의 응고를 억제할 필요가 있다. 전해질은 열전지의 활성화 후 즉각적으로 냉각이 시작되므로, 전해질의 응고를 억제하기 위해서는 열손실을 최소화하고 전지 내부의 온도를 전해질의 용융점인 300 ℃ 내지 450 ℃ 이상으로 안정적으로 유지시킬 수 있는 단열 기술이 매우 중요하다. One of the limiting factors in the working life of a thermal cell is the solidification of the electrolyte, and the working life is shortened due to the decrease in ionic conductivity due to the solidification of the electrolyte. Therefore, in order to improve the operating life of the thermal cell, it is necessary to suppress the solidification of the electrolyte. Since the electrolyte starts to cool immediately after activation of the thermal cell, in order to suppress the solidification of the electrolyte, an insulation technology capable of minimizing heat loss and stably maintaining the temperature inside the cell at 300 ℃ to 450 ℃ or higher, the melting point of the electrolyte is required. very important.

이와 관련하여, 종래의 열전지는 단열 케이스에 진공 단열 기술 및 다층 단열재를 각각 또는 동시에 적용하여 단열 성능을 향상시켜 왔으나, 장시간 작동 시간을 확보하기에는 한계가 있었다. In this regard, conventional thermal cells have improved insulation performance by applying vacuum insulation technology and multi-layer insulation individually or simultaneously to an insulation case, but there is a limit to securing a long operating time.

따라서, 종래의 열전지 케이스의 단열 성능을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a technology capable of improving the thermal insulation performance of a conventional thermal cell case.

전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.The above background art is possessed or acquired by the inventor in the process of deriving the disclosure of the present application, and cannot necessarily be said to be known art disclosed to the general public prior to the present application.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 열전지 케이스의 단열 성능을 향상시켜 열원으로부터 발생되는 열의 방출을 최대한 지연시킴으로써, 열전지의 작동시간을 향상시킬 수 있는, 열전지 케이스를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a thermal battery case, which can improve the operating time of a thermal battery by maximally delaying the release of heat generated from a heat source by improving the thermal insulation performance of the thermal battery case. is to provide

또한, 열전지 케이스의 단열 성능 향상을 통해 작동시간이 향상된 장수명 열전지를 제공하는 것이다.In addition, it is to provide a long lifespan thermal cell with improved operation time by improving the thermal insulation performance of the thermal cell case.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명의 일 측면은, 금속 기재; 및 상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 적층된 코팅층;을 포함하고, 상기 코팅층은 금속산화물을 포함하는 것인, 열전지 케이스를 제공한다.One aspect of the present invention, a metal substrate; and a coating layer laminated on one or both surfaces of the metal substrate, wherein the coating layer includes a metal oxide.

일 실시형태에 따르면, 상기 금속 기재는, 철, 스테인리스 스틸, 주철, 탄소강, 청동, 납, 백금, 니켈 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal substrate may include one or more selected from the group consisting of iron, stainless steel, cast iron, carbon steel, bronze, lead, platinum, nickel, and aluminum.

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅층은, 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the coating layer includes one or more metals selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), aluminum (Al), titanium (Ti), silicon (Si), and magnesium (Mg). It may contain an oxide or a mixture thereof.

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅층은, 이트리아 안정화 지르코니아((Yttria-stabilized zirconia, YSZ) 및 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the coating layer may include one or more selected from the group consisting of yttria-stabilized zirconia (Yttria-stabilized zirconia, YSZ) and silicon carbide (SiC).

일 실시형태에 따르면, 상기 금속 기재는 복수 개이고, 상기 복수 개의 금속 기재들 사이에 단열재를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the number of metal substrates may be plural, and an insulating material may be included between the plurality of metal substrates.

일 실시형태에 따르면, 상기 단열재는, 운모, 지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 이트리아(Y2O3), 유리섬유, 에어로겔 및 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the heat insulating material is made of mica, zirconium (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), yttria (Y 2 O 3 ), glass fiber, airgel, and carbon fiber. It may include one or more selected from the group consisting of

일 실시형태에 따르면, 상기 단열재는, 단일층 또는 다중층인 것일 수 있다.According to one embodiment, the heat insulating material may be a single layer or multiple layers.

일 실시형태에 따르면, 상기 금속 기재는 복수 개이고, 상기 복수 개의 금속 기재들 사이는 진공 상태 또는 불활성 상태인 것일 수 있다.According to one embodiment, there may be a plurality of metal substrates, and a vacuum state or an inactive state may exist between the plurality of metal substrates.

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅층의 두께는, 20 ㎛ 내지 500 ㎛인 것일 수 있다.According to one embodiment, the coating layer may have a thickness of 20 μm to 500 μm.

본 발명에 따른 열전지 케이스는 낮은 열전도도를 가져 열전지 내부에서 발생된 열이 외부로 방출되는 것을 최소화하고, 열 방출을 지연시킴으로써, 열전지의 작동 수명을 향상시킬 수 있다. The thermal cell case according to the present invention has low thermal conductivity, thereby minimizing the heat generated inside the thermal cell and delaying heat release, thereby improving the operating life of the thermal cell.

본 발명에 따른 열전지는, 단열 성능이 향상된 열전지 케이스를 통해 작동 수명이 현저히 증가된 효과가 있으며, 장거리 유도무기에 적용 가능하다.The thermal cell according to the present invention has an effect of remarkably increasing the operating life through a thermal cell case with improved insulation performance, and can be applied to long-range guided weapons.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전지의 전극 구성도다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전지의 내부 구조를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전지 케이스와 비교예 1 및 비교예 2 열전지 케이스를 사용한 경우의 열전도도를 비교한 개략도이다.1 is an electrode configuration diagram of a thermal battery according to an embodiment of the present invention.
2 shows the internal structure of a thermal battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram comparing thermal conductivities in the case of using a thermo cell case according to an embodiment of the present invention and a thermo cell case of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. FIG.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes can be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all changes, equivalents or substitutes to the embodiments are included within the scope of rights.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the examples are used only for descriptive purposes and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components regardless of reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description will be omitted.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being “connected,” “coupled to,” or “connected” to another element, that element may be directly connected or connected to the other element, but there may be another element between the elements. It should be understood that may be "connected", "coupled" or "connected".

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components having common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless stated to the contrary, descriptions described in one embodiment may be applied to other embodiments, and detailed descriptions will be omitted to the extent of overlap.

본 발명의 일 측면은, 금속 기재; 및 상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 적층된 코팅층;을 포함하고, 상기 코팅층은 금속산화물을 포함하는 것인, 열전지 케이스를 제공한다.One aspect of the present invention, a metal substrate; and a coating layer laminated on one or both surfaces of the metal substrate, wherein the coating layer includes a metal oxide.

본 발명에 따른 열전지 케이스는, 금속 기재의 일면 또는 양면에 적층된 금속 산화물 코팅층을 통해 열전도도를 낮춤으로써, 열전지 내부에서 발생된 열이 열전지 외부로 방출되는 것을 최소화하고, 열 방출 시간을 지연시켜 열전지의 작동 수명 또는 작동 시간을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.The thermal battery case according to the present invention reduces thermal conductivity through a metal oxide coating layer laminated on one or both surfaces of a metal substrate, thereby minimizing the heat generated inside the thermal cell from being discharged to the outside of the thermal cell and delaying the heat dissipation time. There are features that can improve the operating life or operating time of a thermal cell.

상기 열전지 케이스는, 열전지의 구성 재료(양극, 전해질, 음극, 열원 등)를 내부에 수용하고 밀봉하는 기능을 수행한다.The thermal battery case performs a function of accommodating and sealing constituent materials of the thermal battery (anode, electrolyte, cathode, heat source, etc.) therein.

종래 열전지 케이스는, 금속 케이스(일례로, 금속 캔) 또는 금속과 금속 사이에 단열재를 삽입하고 진공 상태를 유지하는 형태의 금속 케이스가 사용되어왔다. 그러나 이와 같은 종래 열전지 케이스는 단열 성능이 좋지 않아 열전지 활성화 후 내부에 발생된 열이 빠르게 방출되어 열전지 내부의 온도가 급속히 낮아지며, 이로 인해 전해질 응고가 빠르게 일어나 열전지의 수명이 짧아지는 한계점이 존재하였다.Conventionally, a metal case (for example, a metal can) or a metal case in which a heat insulating material is inserted between metals and maintained in a vacuum state has been used as a thermal battery case. However, such a conventional thermal cell case has poor insulation performance, so heat generated therein is rapidly released after activating the thermal cell, and the temperature inside the thermal cell rapidly decreases.

본 발명에 따른 열전지 케이스는, 케이스 자체의 단열 성능을 향상시킴으로써, 열전지 활성화 후 발생된 내부 열의 방출을 최소화하고, 열의 방출 속도를 지연시킴으로써, 종래 기술의 한계점을 극복하고 열전지의 작동 수명을 향상시킨 특징을 갖는다.The thermal cell case according to the present invention improves the thermal insulation performance of the case itself, minimizes the release of internal heat generated after activation of the thermal cell, and delays the release rate of heat, thereby overcoming the limitations of the prior art and improving the operating life of the thermal cell. have a characteristic

일 실시형태에 따르면, 상기 금속 기재는, 철, 스테인리스 스틸, 주철, 탄소강, 청동, 납, 백금, 니켈 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal substrate may include one or more selected from the group consisting of iron, stainless steel, cast iron, carbon steel, bronze, lead, platinum, nickel, and aluminum.

상기 금속 기재는, 내부식성이 우수하고 가벼우면서 열전도도가 높지 않은 금속을 포함하는 것이 바람직할 수 있고, 비용 측면에서 저가의 금속을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.The metal substrate may preferably include a metal having excellent corrosion resistance, light weight, and low thermal conductivity, and may preferably include a low-cost metal in terms of cost.

상기 열전지 케이스는, 상기 금속 기재의 일면 또는 양면에는 금속 산화물을 포함하는 코팅층이 적층된다.In the thermal battery case, a coating layer including a metal oxide is laminated on one or both surfaces of the metal substrate.

상기 금속 산화물을 포함하는 코팅층은, 열전지 내부에서 생성되는 열이 금속 기재에 전달되는 것을 지연시킴과 동시에 내부 생성 열이 열전지 외부로 방출되는 것을 최소화한다. The coating layer including the metal oxide delays the transfer of heat generated inside the thermal cell to the metal substrate and minimizes the release of internally generated heat to the outside of the thermal cell.

즉, 상기 금속 산화물을 포함하는 코팅층은, 열전지 케이스의 열차폐 성능을 향상시키며, 열전지 케이스의 열전도도를 감소시키는 기능을 수행한다.That is, the coating layer including the metal oxide serves to improve thermal shielding performance of the thermal battery case and reduce thermal conductivity of the thermal battery case.

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅층은, 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the coating layer includes one or more metals selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), aluminum (Al), titanium (Ti), silicon (Si), and magnesium (Mg). It may contain an oxide or a mixture thereof.

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅층은, 이트리아 안정화 지르코니아((Yttria-stabilized zirconia, YSZ) 및 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the coating layer may include one or more selected from the group consisting of yttria-stabilized zirconia (Yttria-stabilized zirconia, YSZ) and silicon carbide (SiC).

상기 금속 산화물은, 코팅층에 열차폐 성능을 부여하며, 낮은 열전도도를 통해 금속 기재로 전달된 열의 전달이 최소화되고 지연되도록 하는 기능을 수행한다.The metal oxide imparts heat shielding performance to the coating layer and performs a function of minimizing and delaying the transfer of heat transferred to the metal substrate through low thermal conductivity.

일 실시형태에 따르면, 상기 금속 기재는 복수 개이고, 상기 복수 개의 금속 기재들 사이에 단열재를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the number of metal substrates may be plural, and an insulating material may be included between the plurality of metal substrates.

상기 단열재는 열전지 케이스의 단열 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.The heat insulating material has an effect of further improving the heat insulating performance of the thermal battery case.

상기 단열재는, 단열 성능이 우수한 성분들을 포함할 수 있으며, 열전지 케이스의 측면부, 상단부 또는 하단부에 포함될 수 있다.The heat insulating material may include components having excellent heat insulating performance, and may be included in a side surface, an upper part, or a lower part of the thermal battery case.

일 실시형태에 따르면, 상기 단열재는, 운모, 지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 이트리아(Y2O3), 유리섬유, 에어로겔 및 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the heat insulating material is made of mica, zirconium (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), yttria (Y 2 O 3 ), glass fiber, airgel, and carbon fiber. It may include one or more selected from the group consisting of

일 실시형태에 따르면, 상기 단열재는, 단일층 또는 다중층인 것일 수 있다.According to one embodiment, the heat insulating material may be a single layer or a multi-layer.

상기 단열재가 다중층인 경우, 각 층의 성분은 동일하거나 상이할 수 있으며, 목표 열전도도 및 사용 목적에 따라 조합될 수 있다.When the heat insulating material is a multi-layer, the components of each layer may be the same or different, and may be combined according to the target thermal conductivity and purpose of use.

일 실시형태에 따르면, 상기 금속 기재는 복수 개이고, 상기 복수 개의 금속 기재들 사이는 진공 상태 또는 불활성 상태인 것일 수 있다.According to one embodiment, there may be a plurality of metal substrates, and a vacuum state or an inactive state may exist between the plurality of metal substrates.

이는, 복수 개의 금속 기재들 사이의 공간에서 열전도도를 최소화하여 단열성능을 향상시키기 위함이다.This is to improve thermal insulation performance by minimizing thermal conductivity in the space between the plurality of metal substrates.

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅층의 두께는, 20 ㎛ 내지 500 ㎛인 것일 수 있다.According to one embodiment, the coating layer may have a thickness of 20 μm to 500 μm.

만일, 상기 코팅층의 두께가 상기 범위 미만인 경우, 열전지 케이스의 열차폐 효과가 충분히 일어나지 않을 수 있다. 반면, 상기 범위를 초과할 경우 열전지의 무게와 부피를 증가시킬 수 있다.If the thickness of the coating layer is less than the above range, the heat shielding effect of the thermal battery case may not sufficiently occur. On the other hand, when the above range is exceeded, the weight and volume of the thermal battery may be increased.

일 실시형태에 따르면, 상기 코팅층의 열전도도는, 0.1 W/mK 내지 2 W/mK인 것일 수 있다.According to one embodiment, the thermal conductivity of the coating layer may be 0.1 W/mK to 2 W/mK.

바람직하게는, 0.5 W/mK 내지 1.5 W/mK인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 0.8 W/mK 내지 1.2 W/mK인 것일 수 있다.Preferably, it may be 0.5 W/mK to 1.5 W/mK, and more preferably, it may be 0.8 W/mK to 1.2 W/mK.

만일, 상기 코팅층의 열전도도 범위가 상기 범위를 초과하는 경우 열차폐 성능이 저하될 수 있다.If the thermal conductivity range of the coating layer exceeds the above range, heat shielding performance may be deteriorated.

반면, 상기 범위 미만일 경우 내부 열이 적정 수준으로 방출되지 않아 내부 온도 상승으로 인한 문제점들이 발생할 수 있으며, 이는 열전지 작동 신뢰성을 저하시킬 수 있다.On the other hand, when the temperature is less than the above range, internal heat is not discharged at an appropriate level, and problems due to an increase in internal temperature may occur, which may deteriorate the operation reliability of the thermal cell.

본 발명의 다른 측면은, 양극, 전해질 및 음극을 포함하는 단위전지; 열원; 양극 집전체; 음극 집전체; 및 상기 열원을 점화하는 착화기;를 케이스 내부에 포함하고, 상기 케이스는, 금속 기재; 및 상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 적층된 코팅층;을 포함하고, 상기 코팅층은 금속산화물을 포함하는 것인, 열전지를 제공한다.Another aspect of the present invention is a unit cell including a positive electrode, an electrolyte and a negative electrode; heat source; positive current collector; negative current collector; and an initiator for igniting the heat source inside the case, wherein the case includes a metal substrate; and a coating layer laminated on one or both surfaces of the metal substrate, wherein the coating layer includes a metal oxide.

상기 금속 기재 및 상기 코팅층은, 앞서 기재된 것과 동일한 특징을 포함할 수 있다. The metal substrate and the coating layer may include the same features as described above.

일 실시형태에 따르면, 상기 양극은, 황화철(FeS2), 황화코발트(CoS2) 및 황화니켈(NiS2)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the positive electrode may include at least one selected from the group consisting of iron sulfide (FeS 2 ), cobalt sulfide (CoS 2 ), and nickel sulfide (NiS 2 ).

상기 양극(Cathode, 환원 전극)은, 열적 안정성이 우수하고, 계면 안정성을 확보할 수 있는 활물질을 포함하는 것이 바람직하다.The cathode (reduction electrode) preferably contains an active material that has excellent thermal stability and can secure interfacial stability.

상기 황화철(FeS2)은, 상온에서 반도체이지만 고온에서는 전도성이 우수하고, 공기 중의 산소와 수분에 대한 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 가격이 저렴한 장점을 갖는다.The iron sulfide (FeS 2 ) is a semiconductor at room temperature, but has excellent conductivity at high temperatures, excellent stability against oxygen and moisture in the air, and a low price.

상기 황화코발트(CoS2) 및 상기 황화니켈(NiS2)은, 고온에서의 전도성, 공기 중 산소와 수분에 대한 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 열적 안정성 또한 우수한 효과가 있다.The cobalt sulfide (CoS 2 ) and the nickel sulfide (NiS 2 ) not only have excellent conductivity at high temperatures and stability against oxygen and moisture in the air, but also have excellent thermal stability.

일 실시형태에 따르면, 상기 음극은, 리튬, 리튬-실리콘(Li-Si) 합금, 리튬-알루미늄(Li-Al) 합금, 리튬-철(Li-Fe) 합금 및 리튬-붕소(Li-B) 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the negative electrode may include lithium, a lithium-silicon (Li-Si) alloy, a lithium-aluminum (Li-Al) alloy, a lithium-iron (Li-Fe) alloy, and a lithium-boron (Li-B) alloy. It may include one or more selected from the group consisting of alloys.

일 실시형태에 따르면, 상기 전해질은, LiCl-KCl 공융염, LiCl-LiF 공융염, LiF-LiCl-L:iBr 공융염, LiF-CaF2 공융염, LiF-KF 공융염 및 LiF-NaF 공융염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the electrolyte is LiCl-KCl eutectic salt, LiCl-LiF eutectic salt, LiF-LiCl-L:iBr eutectic salt, LiF-CaF 2 eutectic salt, LiF-KF eutectic salt and LiF-NaF eutectic salt It may include one or more selected from the group consisting of.

일 실시형태에 따르면, 상기 열원은, Fe 분말 및 KClO4 분말으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the heat source may include at least one selected from the group consisting of Fe powder and KClO 4 powder.

일 실시형태에 따르면, 상기 열전지는, 작동 시간이 1,500초 이상인 것일 수 있다.According to one embodiment, the thermal battery may have an operating time of 1,500 seconds or more.

본 발명에 따른 열전지는, 종래 열전지 수명이 1,000초 미만인 것과 비교하여 열전지 수명이 현저히 향상된 효과를 가지며, 이를 통해 장거리 유도무기에 적용 가능한 장점을 갖는다.The thermocell according to the present invention has an effect of remarkably improving the lifespan of the thermoelectric battery compared to a conventional thermoelectric battery having a lifespan of less than 1,000 seconds, and thus has an advantage of being applicable to long-range guided weapons.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전지의 전극 구성도다.1 is an electrode configuration diagram of a thermal battery according to an embodiment of the present invention.

도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전지의 내부 구조를 나타낸 것이다.2 shows the internal structure of a thermal battery according to an embodiment of the present invention.

도 2의 열전지 구조를 참조하여 열전지의 작동 원리를 살펴보면, 외부의 전기적 펄스가 가해지면 착화기가 작동하게 되고, 착화기에서 분사된 불꽃이 내부 열원을 점화시켜 열을 발생시키며, 발생한 열에 의해 고체 전해질이 용융되면서 기전력이 발생하게 됨을 이해할 수 있다. Referring to the thermal cell structure of FIG. 2, the operating principle of the thermal cell is described. When an external electric pulse is applied, the igniter operates, and the spark injected from the igniter ignites an internal heat source to generate heat, and the generated heat generates a solid electrolyte. It can be understood that electromotive force is generated as this melting.

상기 모든 과정은 수초 이내에 진행되는데, 소형 열전지는 수백 ms 이하, 대형 열전지는 수초 이상 소요되는 경우도 있다. 활성화된 열전지는 활물질이 소진되거나, 용융된 전해질이 응고되면 전지로서의 수명이 다하게 된다. 따라서, 적정량의 활물질 설계, 전기화학 반응에 의한 내부 가스발생의 최소화 설계 및 최적의 열균형(heat balance) 설계 등이 매우 중요한 설계 인자로 작용한다.All of the above processes are performed within a few seconds, and in some cases, it may take several hundred ms or less for a small thermocouple and several seconds or more for a large thermocouple. The activated thermal cell ends its lifespan when the active material is exhausted or the molten electrolyte is solidified. Therefore, the design of an appropriate amount of active material, the design of minimizing internal gas generation by electrochemical reaction, and the design of optimal heat balance act as very important design factors.

이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and comparative examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1> 단열 성능이 향상된 열전지 케이스<Example 1> Thermal battery case with improved insulation performance

금속 기재의 내부 및 외부(또는 내부 또는 외부)를 금속 산화물(Al2O3 또는 YSZ)로 코팅하고, 금속 산화물 코팅층이 형성된 금속 기재 사이에 단열재를 삽입하여 열전지 케이스를 제조하였다.A thermal battery case was manufactured by coating the inside and outside (or inside or outside) of a metal substrate with metal oxide (Al 2 O 3 or YSZ), and inserting an insulator between the metal substrates having the metal oxide coating layer formed thereon.

이 때, 상기 금속 기재 사이의 공간은 진공 상태를 유지하였다.At this time, the space between the metal substrates was maintained in a vacuum state.

<비교예 1><Comparative Example 1>

단열 성능 비교를 위해, 실시예 1과 동일한 금속 기재만으로 구성된 동일 구조의 열전지 케이스를 제조하였다.For comparison of thermal insulation performance, a thermal cell case having the same structure as Example 1 and composed of only the same metal substrate was manufactured.

<비교예 2><Comparative Example 2>

단열 성능 비교를 위해, 금속 기재 상에 코팅층이 형성되지 않을 것을 제외하고 동일한 구성 및 조건으로 열전지 케이스를 제조하였다.For comparison of thermal insulation performance, a thermal cell case was manufactured with the same configuration and conditions except that the coating layer was not formed on the metal substrate.

<실험예 1> 열전도도의 비교<Experimental Example 1> Comparison of thermal conductivity

단열 성능 비교를 위해, 상기 실시예 1, 비교예 1 및 2의 열전지 케이스 내부에 동일한 온도로 동일 시간 동안 열을 가한 후, 외부 온도와의 온도차를 구하였다.For comparison of insulation performance, heat was applied to the inside of the thermal cell case of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 at the same temperature for the same time, and then the temperature difference with the external temperature was obtained.

도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전지 케이스와 비교예 1 및 비교예 2 열전지 케이스를 사용한 경우의 열전도도를 비교한 개략도이다.FIG. 3 is a schematic diagram comparing thermal conductivities in the case of using a thermo cell case according to an embodiment of the present invention and a thermo cell case of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. FIG.

도 3을 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2 대비 실시예 1의 열전지 케이스의 경우 열전도도가 감소되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that the thermal conductivity of the thermal cell case of Example 1 is reduced compared to Comparative Examples 1 and 2.

즉, 비교예 1 및 비교예 2 대비 실시예 1의 열전지 케이스는 열전지 내부 및 외부의 온도차가 가장 적게 나타난 것을 확인할 수 있다. That is, compared to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it can be confirmed that the thermal cell case of Example 1 showed the smallest temperature difference between the inside and outside of the thermal cell.

실시예 1의 경우, 산화물계 코팅층으로 인해 열전지 내부에서 발생되는 열의 금속 모재로의 전달이 지연되면서, 내부에서 발생된 열이 외부로 방출되는 것을 최소화할 수 있는 효과를 가짐을 알 수 있다.In the case of Example 1, it can be seen that the transfer of heat generated inside the thermal cell to the metal base material is delayed due to the oxide-based coating layer, thereby minimizing the heat generated inside the thermal cell from being discharged to the outside.

또한, 산화물계 코팅층은 열차폐층(Thermal Barrier)의 기능을 수행하여 열 손실을 최소화할 수 있음을 이해할 수 있다.In addition, it can be understood that the oxide-based coating layer can minimize heat loss by performing a function of a thermal barrier.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.

1 : TIG 용접부
2 : 유리-금속 밀봉부
3 : 리드선
4 : 착화기
5 : 측면 단열재
6 : 적층 단열판
7 : 하부 단열판
8 : 음극 집전체
9 : 양극 집전체
10 : 전극부
11 : 단열재
12 : 케이스
13 단자핀1: TIG welding part
2: glass-metal seal
3: lead wire
4 : initiator
5: side insulation
6: laminated insulation board
7: lower insulation plate
8: negative current collector
9: positive current collector
10: electrode part
11: insulation
12 : case
13 terminal pin

Claims (9)

금속 기재; 및
상기 금속 기재의 일면 또는 양면에 적층된 코팅층;을 포함하고,
상기 코팅층은 금속산화물을 포함하는 것인,
열전지 케이스.
metal base; and
Including; a coating layer laminated on one or both sides of the metal substrate,
The coating layer includes a metal oxide,
thermal battery case.
 제1항에 있어서,
상기 금속 기재는,
철, 스테인리스 스틸, 주철, 탄소강, 청동, 납, 백금, 니켈 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
열전지 케이스.
According to claim 1,
The metal substrate,
Containing at least one selected from the group consisting of iron, stainless steel, cast iron, carbon steel, bronze, lead, platinum, nickel and aluminum,
thermal battery case.
 제1항에 있어서,
상기 코팅층은,
지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인,
열전지 케이스.
According to claim 1,
The coating layer,
An oxide containing one or more metals selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), aluminum (Al), titanium (Ti), silicon (Si) and magnesium (Mg), or a mixture thereof ,
thermal battery case.
 제1항에 있어서,
상기 코팅층은,
이트리아 안정화 지르코니아((Yttria-stabilized zirconia, YSZ) 및 실리콘카바이드(SiC)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
열전지 케이스.
According to claim 1,
The coating layer,
Including at least one selected from the group consisting of yttria-stabilized zirconia (Yttria-stabilized zirconia, YSZ) and silicon carbide (SiC),
thermal battery case.
 제1항에 있어서,
상기 금속 기재는 복수 개이고,
상기 복수 개의 금속 기재들 사이에 단열재를 포함하는 것인,
열전지 케이스.
According to claim 1,
The metal substrate is plural,
To include a heat insulating material between the plurality of metal substrates,
thermal battery case.
 제5항에 있어서,
상기 단열재는,
운모, 지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 이트리아(Y2O3), 유리섬유, 에어로겔 및 탄소섬유로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
열전지 케이스.
According to claim 5,
The insulation material is
At least one selected from the group consisting of mica, zirconium (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), yttria (Y 2 O 3 ), glass fiber, airgel, and carbon fiber. will,
thermal battery case.
 제5항에 있어서,
상기 단열재는,
단일층 또는 다중층인 것인,
열전지 케이스.
According to claim 5,
The insulation material is
which is single-layer or multi-layer,
thermal battery case.
 제1항에 있어서,
상기 금속 기재는 복수 개이고,
상기 복수 개의 금속 기재들 사이는 진공 상태 또는 불활성 상태인 것인,
열전지 케이스.
According to claim 1,
The metal substrate is plural,
In a vacuum or inactive state between the plurality of metal substrates,
thermal battery case.
 제1항에 있어서,
상기 코팅층의 두께는,
20 ㎛ 내지 500 ㎛인 것인,
열전지 케이스.According to claim 1,
The thickness of the coating layer is
20 μm to 500 μm,
thermal battery case.
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