KR20230132800A - 단열 다층 시트, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 물품 - Google Patents

단열 다층 시트, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 물품 Download PDF

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KR20230132800A
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flame retardant
insulating multilayer
layer
rubber
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맥스 더블유. 크리스티
케네스 에이. 마지치
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Abstract

열 폭주를 방지하기 위한 단열 다층 시트는 제1 및 제2 대향 표면(opposed surface)을 갖는 비다공성 엘라스토머 배리어층(barrier layer); 상기 배리어층의 제1 표면 상에 배치된 연질 폼 층(flexible foam layer); 및 난연(flame retardant) 성분을 포함하고, 여기서 상기 난연 성분은 연질 폼 층 내에 분포되거나, 연질 폼 층의 표면과 접촉되거나, 또는 둘 다인 것이다.

Description

단열 다층 시트, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 물품
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2021년 1월 15일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/137,838호의 이익을 주장하고, 본 명세서에서 이의 전체가 참조로 포함된다.
본 발명은 배터리에 사용하기 위한, 특히 배터리에서 열 폭주(thermal runaway)를 지연시키거나 방지하는데 사용하기 위한 단열 다층 시트(thermally insulating multilayer sheet)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 단열 다층 시트의 제조 방법, 및 단열 다층 시트를 포함하는 배터리 구성요소 및 배터리에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리와 같은 전기화학적 에너지 저장 장치에 대한 수요는 전기 자동차 및 그리드(grid) 에너지 저장 시스템과 같은 응용분야의 성장과 전기 자전거, 무정전 전원 배터리 시스템(uninterrupted power battery system), 및 납산 배터리에 대한 교체(replacements for lead acid batteries)와 같은 기타 다중-셀 배터리(multi-cell battery) 응용분야의 성장으로 인해 계속 증가하고 있다. 이들의 사용이 증가함에 따라 열 관리 방법이 필요하다. 그리드 저장 장치 및 전기 자동차와 같은 대형 응용분야의 경우, 직렬 및 병렬 어레이로 연결된 다중 전기화학 셀이 자주 사용되고, 이는 열 폭주로 이어질 수 있다. 셀이 열 폭주 모드에 있으면, 셀에 의해 생성된 열은 인접 셀에 열 폭주 전파 반응을 유도하여 잠재적으로 전체 배터리를 점화할 수 있는 계단 효과(cascading effect)를 일으킬 수 있다.
배터리의 열 폭주를 줄이기 위한 시도가 고려되었지만 많은 단점이 있다. 예를 들어, 난연 첨가제를 첨가하여 전해질을 개질하거나, 본질적으로 불연성 전해질을 사용하는 것이 고려되었지만, 이러한 접근 방식은 리튬 이온 셀의 전기화학적 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 열 관리용 또는 연속되는(cascading) 열 폭주를 방지하기 위한 다른 접근 방식에는 열 현상(event) 동안 열 전달의 양을 줄이기 위해 셀들 사이에 또는 셀들의 무리(cluster) 사이에 증가된 양의 단열재를 혼입하는 것이 포함된다. 그러나 이러한 접근 방식은 달성될 수 있는 에너지 밀도의 상한을 제한할 수 있다.
열 관리가 개선되거나 열 폭주 위험이 감소된 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라 열, 에너지 또는 둘 다 주변 셀로 확산되는 것을 방지하거나 지연시키는 배터리용 제조방법 및 구성성분이 필요하다.
일 측면에서, 열 폭주를 방지하기 위한 단열 다층 시트는 제1 및 제2 대향 표면(opposed surface)을 갖는 비다공성 엘라스토머 배리어층(barrier layer); 상기 배리어층의 제1 표면 상에 배치된 연질 폼 층(flexible foam layer); 및 난연(flame retardant) 성분을 포함하고, 여기서 상기 난연 성분은 연질 폼 층 내에 분포되거나, 연질 폼 층의 표면과 접촉하거나, 또는 둘 다인 것이다.
상술한 단열 다층 시트를 포함하는 전기화학 셀, 비연결 어레이(unconnected array), 및 배터리에 대해서도 기재된다.
상기 기술된 및 기타 특징들은 하기 도면, 상세한 설명, 실시예, 및 청구범위로 예시된다.
다음은 도면에 대한 간략한 설명이며, 본 명세서에 개시된 예시적인 구현예를 설명하기 위한 목적으로 제시된 것이고, 이를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1a는 파우치 셀(pouch cell)의 외부에 단열 다층 시트가 부착된 파우치 셀의 개략도이고; 도 1b는 전기화학 셀 및 단열 다층 시트의 다른 측면의 개략도이다.
도 2는 2개의 셀 사이에 위치하는 단열 다층 시트의 측면의 예시이다.
도 3은 2개의 셀 사이에 위치하는 단열 다층 시트의 측면의 예시이다.
도 4는 셀의 어레이(array) 사이에 위치된 단열 다층 시트의 측면의 예시이다.
도 5는 상기 단열 다층 시트를 포함하는 배터리의 측면의 예시이다.
도 6은 연질 폼 층 내에 분포된 난연 성분의 측면의 개략 단면도이다.
도 7은 핫 플레이트 시험 장치의 개략도이다.
도 8은 실시예 1 내지 3의 모의 열폭주 시험 결과를 나타내는 온도(℃) 대 시간(분(min))의 그래프이다.
배터리, 특히 다수의 전기화학 셀들을 포함하는 배터리에서 열 폭주를 방지하는 것은, 열 폭주가 발생하는 셀에 인접한 셀이 상기 현상으로부터 충분한 에너지를 흡수하여 설계한 작동 온도 이상으로 상승하여 인접한 셀들도 열 폭주에 들어가게 하기 때문에 어려운 문제이다. 개시된 열 폭주 현상의 이러한 전파는 셀이 인접한 셀을 발화시키면서 셀은 연속되는 일련의 열 폭주에 들어가는 연쇄 반응을 초래할 수 있다. 이러한 연속되는 열 폭주 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해 단열 다층 시트를 사용할 수 있다. 그러나 매우 얇은 다층 시트, 예를 들어 총 두께가 30 mm 이하, 또는 20 mm 이하, 또는 15 mm 이하, 또는 10 mm 이하, 또는 8 mm 이하, 또는 6 mm 이하인 시트에서 효과적인 열 폭주 특성을 달성하는 것이 특히 어려웠다. 물품의 크기와 무게를 줄이고 물질을 보존하기 위해 얇은 다층 시트가 점점 더 요구되고 있다.
배터리에서 열 폭주를 방지하기 위한 단열 다층 시트는 제1 및 제2 대향 표면(opposed surface)을 갖는 비다공성 엘라스토머 배리어층(barrier layer); 상기 배리어층의 제1 표면 상에 배치된 연질 폼 층(flexible foam layer); 및 난연 성분을 포함하고, 여기서 상기 난연 성분은 연질 폼 층 내에 분포되거나, 연질 폼 층의 표면과 접촉하거나, 또는 둘 다인 것이다. 수증기 투과율이 낮은 고체 비다공성 엘라스토머 배리어층을 사용하는 것이 매우 얇은, 즉 30 mm 이하, 또는 20 mm 이하, 또는 15 mm 이하, 또는 10 mm 이하, 또는 8 mm 이하, 또는 6 mm 이하이고, 우수한 단열 특성을 갖는 다층 시트의 제조에 특히 유용하다는 것이 예상외로 발견되었다. 단열 다층 시트는 추가적인 유리한 특성, 예를 들어 우수한 내천공성(puncture resistance)을 가질 수 있다. 단열 다층 시트는 여러 번의 가열 및 냉각 주기를 거칠 수 있으며 여전히 우수한 단열성을 제공한다. 단열 다층 시트는 전기화학 셀 및 배터리에 대한 압력 관리를 추가로 제공할 수 있다. 단열 다층 시트에 의해 제공되는 열 장벽은 열 폭주를 방지하기 위해 배터리의 다양한 위치들에서 사용될 수 있다. 단열 다층 시트는 배터리의 난연성을 더욱 향상시킬 수 있다.
단열 다층 시트는 23℃에서 0.01 내지 0.09 와트/미터 켈빈(W/m*K)의 열전도도; 0.2 내지 30 mm, 또는 0.2 내지 20 mm, 또는 0.2 내지 15 mm, 또는 0.2 내지 10 mm, 또는 0.5 내지 10 mm, 또는 0.5 내지 8 mm, 또는 1 내지 6 mm의 두께; 또는 입방피트당 6 내지 30 파운드(lb/ft3)(입방미터당 96 내지 481 킬로그램(kg/m3)), 10 내지 25 lb/ft3(160 내지 400 kg/m3), 또는 15 내지 20 lb/ft3(240 내지 320 kg/m3)의 밀도; 또는 이들의 조합을 가질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단열 다층 시트(100)는 미리 형성된 배터리 셀의 외부 표면, 예를 들어 파우치 셀(200)의 외부 표면에 직접 배치되거나 접착될 수 있다. 도시된 바와 같이, 파우치 셀(200) 상에 비다공성 엘라스토머 배리어층(10)이 배치되고, 비다공성 엘라스토머 배리어층(10) 상에 연질 폼 층(22)이 배치되며, 난연 성분은 연질 폼 층(22)의 표면과 접촉하는 난연층(24)이다. 바람직하게는, 엘라스토머 배리어층(10)은 단순히 폼의 윤곽을 따르는 폼의 표면에 부착된 코팅이 아니라 매끄러운 외부 표면을 제공하기에 충분한 두께를 갖는다.
도 1에 도시된 바와 같은 측면에서, 난연층(24)은 연질 폼 층(22)의 외부 표면과 접촉한다. 대안적으로 또는 추가로, 난연층은 연질 폼 층 내의 기공의 내부 표면과 접촉할 수 있다. 예를 들어, 난연층(24)은 연질 폼 층(22)의 표면 상에 코팅될 수 있다. 이러한 코팅은 기공이 채워지거나(즉, 완전히 함침됨) 난연층으로 부분적으로 코팅될 수 있다. 바람직하게는 기공의 내부 표면은 압력 관리를 제공하기 위해 빈 기공 체적을 유지하기에 효과적인 소정량의 난연 성분으로 코팅된다. 일 측면에서, 기공의 일부는 난연층으로 완전히 채워질 수 있다. 또 다른 측면에서, 난연층은 오직 기공의 일부, 예를 들어 난연층(24)에 인접한 기공의 일부의 내부 표면과 접촉한다. 상기 측면에서, 난연층은 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 바람직하게는, 난연층은 연속적이며 적어도 연질 폼 층(22)의 외부 표면 상에 존재한다.
단열 다층 시트(100)는 접착층에 의해 파우치 셀(200)에 부착될 수 있다. 또한 도 1에 도시된 바와 같이, 접착층(30)은 파우치 셀과 비다공성 엘라스토머 배리어층(10) 사이에 배치된다. 일 측면에서 접착제는 존재하지 않으며, 연질 폼 층은 셀, 예를 들어 파우치 셀(200)에 직접 배치될 수 있다. 선택적으로, 하나 이상의 접착제 층이 각 개별 층 사이에 배치될 수 있다. 다수의 접착 층들(adhesive layers)이 존재할 수 있다. 이러한 각 층들은 하기에서 더 상세히 설명된다.
이론에 얽매이지 않고 서로 다른 메커니즘이 함께 작동하기 때문에 우수한 결과가 제공되는 것으로 여겨진다. 첫째, 각각의 연질 폼 및 난연층은 열 전도에 대한 장벽을 제공한다. 난연층의 열용량과 난연층에서 생성되는 수증기 열로 인해 열이 추가로 흡수된다. 그러나 수증기 생성으로 인해 연질 폼 층을 통한 열 대류가 증가한다. 비다공성 엘라스토머 배리어층은 수증기와 뜨거운 가스를 차단하여 단열 다층 시트에 향상된 내열성을 제공한다. 특히, 단열 다층 시트의 가열된 표면에서 생성된 수증기는 비다공성 엘라스토머 배리어층에 의해 제한된다(constrained).
일 측면에서, 하나 초과의 비다공성 엘라스토머 배리어층, 연질 폼 층 또는 난연층이 존재할 수 있다. 예를 들어, 도 1b는 비다공성 엘라스토머 배리어층(10) 상에 배치된 제1 연질 폼 층(22a) 상에 직접 배치된 제1 난연층(24a)을 도시한다. 추가의 제2 난연층(24b)은 제1 연질 폼 층(22a) 및 제1 난연층(24a) 반대편의 비다공성 엘라스토머 배리어층(10) 상에 배치된 제2 연질 폼 층(22b) 상에 직접 배치된다. 단열 다층 시트(102)는 셀(202) 상에 배치된다. 각각의 연질 폼 층 및 각각의 난연층은 동일하거나 상이할 수 있다. 다시, 하나 이상의 접착층이 각각의 층 사이 또는 층과 전기화학 셀 사이에 존재할 수 있다. 다른 측면에서와 같이, 하나 이상의 접착층이 임의의 2개의 층 사이 또는 층과 전기화학 셀 사이에 존재할 수 있다.
도 2는 다중-셀(multi-cell) 배열(1000)에서 단열 다층 시트의 배치의 비제한적인 예를 도시한다. 도 3은 다중-셀 배열(2000)에서 단열 다층 시트의 배치의 비제한적 예를 도시하고, 도 4는 다중-셀 배열(3000)에서 단열 다층 시트의 배치의 비제한적 예를 도시한다. 도 2 및 도 3에서는 단열 다층 시트(100)가 제1 셀(300)과 제2 셀(400) 사이에 위치할 수 있음을 도시한다. 도 2는 단열 다층 시트(100)가 셀(300, 400)의 높이 및 폭과 거의 동일한 크기일 수 있음을 도시한다. 도 3은 단열 다층 시트(100)가 각각의 셀(300, 400)보다 작을 수 있음을 도시한다.
도 4는 다중-셀 배열(3000)이 각각의 셀(300, 400) 사이에 위치한 단열 다층 시트(100)와 함께 2개 이상의 셀(예를 들어, 300, 400)을 포함할 수 있음을 도시한다. 상기 셀은 리튬 이온 셀, 특히 파우치 셀(pouch cell)일 수 있다.
일 측면에서, 2개 내지 10개의 단열 다층 시트가 셀 제조 동안 셀 상에/내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 2 내지 10개의 단열 다층 시트는 내부에, 예를 들어, 전극을 향하도록 배치될 수 있거나, 또는 배터리 외부를 향하는 외부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 2개 내지 10개의 단열 다층 시트가 파우치 셀에 배치되거나(접착제가 바깥쪽으로 향함) 부착될 수 있거나, 또는 둘 다 일 수 있다. 일 측면에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 단열 다층 시트(100)는 배터리(4000)에서 압력 또는 열 관리를 제공할 수 있다. 예를 들어 배터리(4000)는 하우징 또는 셀 운반체(600) 내부에 복수의 비연결 어레이(500)들을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "비연결 어레이(unconnected array)"라는 구문은 배터리의 단자에 비연결 셀 그룹을 의미한다. 단열 다층 시트(100)는 비연결 어레이에서 개별 셀들 사이에 배치될 수 있다. 단열 다층 시트(100)는 배터리(4000) 내에서 비연결 어레이(500)의 측면, 이의 일부, 또는 비연결 어레이의 선택된 셀의 상부에, 사이에, 아래에, 인접하게 또는 이들의 조합에 배치, 접착되거나 또는 이들의 조합일 수 있다. 단열 다층 시트(100)는 배터리(4000) 아래, 각 셀 또는 비연결 어레이의 일부, 또는 셀 또는 비연결 어레이의 선택된 세트에 배치, 접착되거나 또는 이들의 조합일 수 있다. 전면 또는 후면을 포함하는, 하나 이상의 측면에 대한 배치 또는 접착도 가능하다. 다시말해, 단열 다층 시트(100)는 하나 이상의 측면의 일부 또는 전체에 배치, 접착되거나 또는 이들의 조합일 수 있다.
일 측면에서, 배터리는 하나 이상의 셀 또는 비연결 어레이를 수용하는 배터리 케이스를 포함한다. 단열 다층 시트는 배터리내의 개별 셀 또는 비연결 어레이 사이에 배치될 수 있다. 단열 다층 시트는, 배터리의 셀들 또는 비연결 어레이들의 측면들, 이의 일부, 또는 배터리의 셀들 또는 비연결 어레이들의 선택된 세트 상부에, 사이에, 아래에, 인접하게, 또는 이들의 조합에 배치될 수 있다. 예를 들어, 노출된 접착제가 없는 단열 다층 시트는 복수의 파우치 셀들, 압력 관리 패드들, 냉각판들, 또는 기타 내부 배터리 구성요소들에 배치되거나 부착될 수 있다. 배터리의 조립 압력은 적층된 구성요소들을 제자리로 고정할 수 있다.
상기 단열 다층 시트는 비연결 어레이, 즉 복수의 전기화학 셀들을 포함하는 배터리에 사용될 수 있다. 셀은 각기둥형 셀, 파우치 셀, 원통형 셀 등을 포함한다.
단열 다층 시트(100)의 개별 층 및 구성요소는 다음에 설명될 것이다.
비다공성 엘라스토머 배리어층
비다공성 엘라스토머 배리어층은 특히 매우 얇은 다층 구조에서 열 폭주를 지연시키거나 방지하도록 구성된다. 비다공성 엘라스토머 배리어층은 각각 25℃ 및 1 기압에서 측정된 20 g-mm/m2/day 미만, 또는 10 g-mm/m2/day 미만, 또는 5 g-mm/m2/day 미만의 물에 대한 투과성 계수(permeability coefficient); 또는 ASTM 412에 따라 21℃에서 측정된 0.5 내지 15 메가파스칼의 100% 연신율에서의 인장 응력; 또는 이들의 조합을 갖는 엘라스토머를 포함한다. 비다공성 엘라스토머 배리어층은 0.25 내지 1 mm 또는 0.4 내지 0.8 mm의 두께를 가질 수 있다.
비다공성 엘라스토머 배리어층은 물 또는 수증기 투과를 방지하기 위해 소수성인 엘라스토머 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 엘라스토머 배리어층은 열가소성 엘라스토머(TPE)를 포함할 수 있으며, 이는 바람직한 소수성(물 또는 수증기 투과 부족)을 갖는다. TPE 계열에는 스티렌계 블록 공중합체(TPS 또는 TPE-s), (TPO 또는 TPE-o), 열가소성 가황물(TPV 또는 TPE-v), 열가소성 폴리우레탄, 열가소성 코폴리에스테르(TPC 또는 TPE-E), 열가소성 폴리아미드(TPA 또는 TPE-A) 및 기타가 포함된다.
바람직한 소수성(물 또는 수증기 투과성 결여)을 가질 수 있는 엘라스토머 물질의 특정 예는 아크릴 고무, 부틸 고무, 할로겐화 부틸 고무, 코폴리에스터, 에피클로로히드린 고무, 에틸렌-아크릴 고무, 에틸렌-부틸 아크릴 고무, 에틸렌-프로필렌 고무와 같은 에틸렌-디엔 고무(EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무(EPDM), 에틸렌-비닐 아세테이트, 플루오로엘라스토머, 퍼플루오로엘라스토머, 폴리아미드, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리올레핀 고무, 폴리이소프렌, 폴리설파이드 고무, 천연 고무, 니트릴 고무, 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(TPU), 실리콘 고무, 플루오르화 실리콘 고무, 스티렌-부타디엔, 스티렌-이소프렌, 비닐 고무, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일 측면에서 배리어층은 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무, 폴리클로로프렌 또는 이들의 조합을 포함한다.
연질 폼 층
연질 폼 층은 압력 관리를 제공하고, 셀 확장을 허용하는 저밀도의 셀 물질일 수 있다. 연질 폼 층은 또한 우수한 압축 변형 저항(compression set resistance) 및 최소한의 응력 완화, 바람직하게는 10% 미만의 압축 및 50% 초과의 힘 유지를 가질 수 있다. 연질 폼 층은 열 전도성일 수 있다. 예를 들어, 연질 폼 층은 낮은 열 전도도(Tc), 예를 들어 23℃에서 0.01 내지 0.5 W/m*K 또는 23℃에서 0.01 내지 0.09 W/m*K의 Tc를 가질 수 있다. 연질 폼 층은 폴리머 폼 또는 연질 에어로겔 일 수 있다.
일 측면에서, 각각의 연질 폼 층은 독립적으로, 각각 25% 편향(deflection)에서 ASTM D3574-17에 따라 측정된, 0.2 내지 125 파운드/제곱인치(psi)(1 내지 862 킬로파스칼(kPa)), 또는 0.25 내지 20 psi(1.7 내지 138 kPa), 또는 0.5 내지 10 psi(3.4 내지 68.90.5 kPa)의 압축력 편향(compression force deflection); 70℃에서 ASTM D 3574-95 테스트 D에 따라 측정된 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%의 압축 변형; 또는 5 내지 65 lb/ft3(80 내지 1,041 kg/m3), 또는 6 내지 20 lb/ft3(96 내지 320 kg/m3), 또는 8 내지 15 lb/ft3(128 내지 240 kg/m3)의 밀도를 갖는다.
각각의 연질 폼 층은 독립적으로 0.1 내지 5 mm, 1 내지 3 mm, 또는 1.5 내지 2.5 mm의 두께를 가질 수 있다. 각각의 연질 폼 층은 독립적으로 실리콘, 폴리우레탄, 에어로겔, 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌-메틸 아크릴레이트(EMA), 에틸렌-부틸 아크릴레이트(EBA), 또는 이들의 조합일 수 있다. 예시적인 연질 폼 층은 폴리우레탄 폼 또는 실리콘 폼과 같은 폴리머 폼, 또는 비닐 아세테이트(EVA), 열가소성 엘라스토머(TPE), EPM(에틸렌-프로필렌 고무) 또는 EPDM(에틸렌 -프로필렌-디엔 모노머) 고무와 같은 엘라스토머 폴리머를 포함한다. 예를 들어, 연질 폼 층은 예를 들어 광범위한 온도에 걸쳐 신뢰할 수 있는 압축 변형 저항(compression set resistance)(c-set) 및 응력 완화 성능을 갖는 PORON® 폴리우레탄 폼 또는 BISCO® 실리콘 폼을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "폼(foam)"은 영구적인, 예를 들어 열경화성 셀룰러 구조(cellular structure)를 갖는 물질을 의미한다. 폼은 단단하지 않고 유연하다. 연질 폼 층에 사용하기 위한 예시적인 폼은 65 lb/ft3 (1,041 kg/m3) 미만, 바람직하게는 55 lb/ft3 (881kg/m3) 이하, 더 바람직하게는 25 lb/ft3 (400 kg/m3) 이하의 밀도, 폼의 총 체적을 기준으로 5 내지 99% 이상, 바람직하게는 30% 이상의 공극 체적 함량, 또는 이들의 조합을 갖는다. 일 측면에서, 폼은 5 내지 30 lb/ft3 (80 내지 481 kg/m3)의 밀도를 갖는다.
폼으로 사용하기 위한 폴리머는 하나 이상의 다양한 품종의 열가소성 수지, 열가소성 수지 혼합물(blends) 또는 열경화성 수지일 수 있다. 사용될 수 있는 열가소성 수지의 예는 폴리아세탈(polyacetals), 폴리아크릴(polyacrylics), 스티렌 아크릴로니트릴(styrene acrylonitrile), 폴리올레핀(polyolefins), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(acrylonitrile-butadiene-styrene), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리스티렌(polystyrenes), 에스테르 예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalates) 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalates), 폴리아미드(polyamides), 예컨대 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 6,10, 나일론 6,12, 나일론 11 또는 나일론 12, 폴리아미드이미드(polyamideimides), 폴리아릴레이트(polyarylates), 폴리우레탄(polyurethanes), 에틸렌 프로필렌 고무 (EPR), 폴리아릴설폰(polyarylsulfones), 폴리에테르설폰(polyethersulfones), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfides), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chlorides), 폴리설폰(polysulfones), 폴리에테르이미드(polyetherimides), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylenes), 플루오르화 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylenes), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylenes), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluorides), 폴리비닐 플루오라이드(polyvinyl fluorides), 폴리에테르케톤(polyetherketones), 폴리에테르 에테르케톤(polyether etherketones), 폴리에테르 케톤 케톤(polyether ketone ketones), 등을 포함한다.
폴리머 폼에 사용될 수 있는 열가소성 폴리머의 혼합물의 예는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌/나일론, 폴리카보네이트/아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌/폴리비닐 클로라이드, 폴리페닐렌 에테르/폴리스티렌, 폴리페닐렌 에테르/나일론, 폴리설폰/ 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리카보네이트/열가소성 우레탄, 폴리카보네이트/폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트/폴리부틸렌 테레프탈레이트, 열가소성 엘라스토머 합금, 폴리에틸렌 테레프탈레이트/폴리부틸렌 테레프탈레이트, 스티렌-말레산 무수물/아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리에테르 에테르케톤/폴리에테르설폰, 스티렌-부타디엔 고무, 폴리에틸렌/나일론, 폴리에틸렌/폴리아세탈, 에틸렌 프로필렌 고무(EPR) 등 또는 이들의 조합을 포함한다.
폴리머 폼에 사용될 수 있는 중합체성 열경화성 수지의 예로는 폴리우레탄, 에폭시, 페놀계, 폴리에스테르, 폴리아미드, 실리콘 등, 또는 이들의 조합이 포함된다. 열경화성 수지들의 혼합물뿐만 아니라 열가소성 수지와 열경화성 수지의 혼합물이 사용될 수 있다.
폴리실록산 폴리머를 포함하는 실리콘 폼이 또한 사용될 수 있다. 일 측면에서, 실리콘 폼은 폴리실록산 폴리머 전구체 조성물 내의 하이드라이드 기(hydride group)와 물 사이의 반응 결과로서 생성되며 결과적으로 수소 가스가 방출된다. 이 반응은 귀금속, 바람직하게는 백금 촉매에 의해 촉매될 수 있다. 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 말단기는 하이드라이드, 하이드록실, 비닐, 비닐 디오르가노실록시, 알콕시, 아실옥시, 알릴, 옥심, 아미노옥시, 이소프로펜옥시, 에폭시, 메르캅토기, 또는 다른 반응성 말단기일 수 있다. 또한, 실리콘 폼은 조합물의 점도가 명시된 값들 내에 있는 한, 각각 서로 다른 분자량(예를 들어, 이중모드(bimodal) 또는 삼중모드(trimodal) 분자량 분포)을 갖는 몇몇 폴리실록산 폴리머들을 사용하여 생성될 수 있다. 또한, 목적하는 폼을 제조하기 위해 반응성 기 또는 다른 작용기를 갖는 몇 개의 폴리실록산 기반 폴리머(polysiloxane base polymer)를 갖는 것이 가능하다. 일 측면에서, 폴리실록산 폴리머는 물 1몰당 0.2몰의 하이드라이드(Si-H) 기를 포함한다.
사용되는 폴리실록산 폴리머의 화학적 성질에 따라 달라지는 촉매, 예를들어, 플래티넘 또는 플래티넘-함유 촉매는 블로잉 및 경화 반응을 촉매화 하기 위해 사용될 수 있다. 촉매는 실리카 겔, 알루미나, 또는 카본 블랙과 같은 불활성 담체 상에 적층될 수 있다. 일 측면에서, 클로로백금산, 이의 헥사하이드레이트 형태, 이의 알칼리 금속염, 및 이의 유기 유도체와의 복합체일 수 있는 지지되지 않은 촉매(unsupported catalyst)가 사용된다.
특정 에어로겔이 연질 폼 층으로 사용될 수 있다. 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 에어로겔은 폴리(비닐 알코올), 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리이미드, 레조르시놀-포름알데히드 폴리머, 폴리이소시아네이트, 에폭시 및 폴리아크릴아미드 에어로겔과 같은 폴리머 에어로겔; 키틴 및 키토산 에어로겔을 포함하는 다당류 에어로겔; 및 무기 에어로겔, 예를 들어 탄소(예를 들어, 그래핀) 에어로겔, 세라믹 에어로겔(예를 들어, 질화붕소 에어로겔), 및 금속 산화물 및 준금속 산화물 에어로겔(예를 들어, 산화알루미늄, 산화바나듐 및 실리카 에어로겔)을 포함한다. 예를 들어 유기 디이소시아네이트에 의해 가교결합된 실리카 에어로겔과 같은 상기 물질의 조합이 사용될 수 있다.
에어로겔은 ASTM D3574-17에 따라 측정된 각각 25% 편향에서 0.2 내지 150 psi (1.4 내지 1,034 kPa), 바람직하게는 2 내지 25 psi (13.8 내지 172 kPa)의 압축력 편향을 가질 수 있다. 에어로겔의 밀도는 1 내지 20 lb/ft3 (16 내지 320 kg/m3), 바람직하게는 2 내지 15 lb/ft3 (32 내지 240 kg/m3), 보다 바람직하게는, 2 내지 10 lb/ft3 (32 내지 160 kg/m3)일 수 있다. 에어로겔의 두께는 0.5 내지 10 mm, 바람직하게는 1 내지 6 mm, 더욱 바람직하게는 1 내지 3 mm일 수 있다.
일 측면에서, 에어로겔은 강화 섬유를 포함하는 실리카 에어로겔일 수 있다. 강화 섬유는 폴리에스테르, 산화된 폴리아크릴로니트릴, 탄소, 실리카, 폴리아라미드, 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 레이온, 나일론, 유리 섬유, 고밀도 폴리올레핀, 세라믹, 아크릴, 플루오로폴리머, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
선택적 첨가제는 엘라스토머 폴리머, 폴리머 폼 또는 에어로겔에 존재할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 강화 입자 물질 또는 강화 섬유 물질과 같은 강화 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 강화 입자 물질은 리그닌, 카본 블랙, 활석, 운모, 실리카, 석영, 금속 산화물, 유리 미소구체, 다면체 올리고머 실세스퀴옥산, 치환된 다면체 올리고머 실세스퀴옥산 또는 이들의 조합을 포함한다. 예시적인 강화 섬유 물질은 강화 섬유 물질의 섬유가 폴리에스테르, 산화된 폴리아크릴로니트릴, 탄소, 실리카, 폴리아라미드, 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 레이온, 나일론, 유리 섬유, 고밀도 폴리올레핀, 세라믹, 아크릴, 플루오로폴리머, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리이미드, 또는 섬유가 직포 또는 부직포 매트(mat)와 같은 임의의 형태일 수 있는 이들의 조합을 포함하는 섬유 물질을 포함한다. 강화 입자 물질과 강화 섬유 물질의 조합이 사용될 수 있다. 첨가제는 충전제(예를 들어, 탄산칼슘 또는 점토), 염료, 안료(예를 들어, 이산화티타늄 또는 산화철), 항산화제, 산화방지제, 자외선 안정제, 열전도성 입자 물질(예를 들어, 질화붕소 또는 알루미나), 또는 전기 전도성 충전제(예를 들어 입자성 전기 전도성 폴리머)를 포함할 수 있다. 첨가제의 조합을 사용할 수 있다.
예시적인 유리 섬유는 펠트(felt)와 같이 직포 또는 부직포일 수 있다. 유리 섬유는 예를 들어 E 유리 섬유, S 유리 섬유, D 유리 섬유, L 유리 섬유, 석영 섬유 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 유리 섬유는 예를 들어 0.005 내지 10 mm, 0.05 내지 5 mm, 0.25 내지 3 mm, 0.005 내지 0.05 mm, 0.05 내지 0.5 mm, 0.5 내지 3 mm, 0.25 내지 10 mm, 0.5 내지 5 mm, 또는 1 내지 3 mm의 두께를 가질 수 있다. 유리 섬유는 선택적으로 열경화성 또는 열가소성 폴리머로 함침되거나 코팅될 수 있다. 예시적인 열경화성 폴리머는 에폭시, 폴리에스테르 및 비닐에스테르를 포함한다.
예시적인 마이크로스피어(microsphere)는 세노스피어, 유리 마이크로스피어, 예를 들어 보로실리케이트 마이크로스피어, 또는 이들의 조합을 포함한다. 마이크로스피어는 평균 직경이 300 마이크로미터(㎛) 미만, 예를 들어 15 내지 200 ㎛, 또는 20 내지 100 ㎛인 중공(hollow) 구형이다. 중공 마이크로스피어의 밀도는 0.1 g/cc 이상, 예를 들어 0.2 내지 0.6 g/cc, 또는 0.3 내지 0.5 g/cc 범위일 수 있다.
중공 마이크로스피어는, 예를 들어 Trelleborg Offshore(보스턴), 이전에 Emerson and Cuming, Inc., W.R. Grace and Company(매사추세츠주 캔톤) 및 3M Company(미네소타주 세인트폴)로부터의 여러 상업적 구입처에서 구할 수 있다. 이러한 중공 마이크로스피어는 미세 풍선(microballoon), 유리 버블(glass bubble), 미세 버블 등이라고도 하며, 예를 들어 밀도, 크기, 코팅, 표면 처리 또는 이들의 조합에 따라 달라질 수 있는 다양한 등급으로 판매된다.
예를 들어, 마이크로스피어는 유리 표면에 존재하는 하이드록실기와 반응할 수 있는 커플링제로 처리하여 화학적으로 변형된 외부 표면을 가질 수 있다. 일 측면에서, 커플링제는 실란 또는 에폭시, 예를 들어 한쪽 말단에 유리 마이크로스피어의 외부 표면에 존재하는 하이드록실기와 반응할 수 있는 기를 갖고, 다른 쪽 말단에 극성이 낮은 폴리머 매트릭스에서 마이크로스피어의 분산성을 돕는 유기 기를 갖는 유기실란이다. 이작용성 실란 커플링은 비닐, 하이드록시 및 아미노 기, 예를 들어 3-아미노-프로필트리에톡시 실란에서 선택된 기의 조합을 가질 수 있다. 실란 코팅은 또한 수분 흡수를 최소화할 수 있다.
보로실리케이트(borosilicate) 마이크로스피어는 알칼리 보로실리케이트 유리로 만들 수 있다. 알칼리 보로실리케이트의 예시적인 산화물 조성은 76.6 중량%(wt%) SiO2, 21.3 wt% Na2O, 1.9 wt% B2O3 및 0.2 wt% 기타 성분을 포함할 수 있다. 예시적인 소다-석회(soda-lime) 보로실리케이트는 80.7 wt% SiO2, 6.9 wt% Na2O, 10.3 wt% CaO, 2.1 wt% B2O3 및 1.9 wt%의 불순물을 포함할 수 있다. 따라서, 조성(대부분 SiO2 및 적어도 1% B2O3 포함)은 시작 물질에 따라 어느 정도 달라질 수 있다.
마이크로스피어의 크기와 그것의 크기 분포는 다양할 수 있다. 예시적인 측면에서, 보로실리케이트 마이크로스피어는 20 내지 100 마이크로미터(㎛), 예를 들어 20 내지 75 ㎛, 25 내지 70 ㎛, 30 내지 65 ㎛, 35 내지 60 ㎛, 또는 40 내지 55 ㎛의 평균 입자 직경을 나타낸다. 크기 분포는 이중모드(bimodal), 삼중모드(trimodal) 등일 수 있다.
강화 입자 물질은 다면체 올리고머 실세스퀴옥산 (통상적으로 "POSS"로 지칭, 본 명세서에서 "실세스퀴옥산"이라고도 함), 치환된 다면체 올리고머 실세스퀴옥산, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 실세스퀴옥산을 포함하면 산화 환경에서 연질 폼 층의 내구성을 개선하는 추가적인 이점을 가질 수 있다. 실세스퀴옥산은 표면에 반응성 작용기를 가질 수 있는 실리카 코어를 가진 나노 크기의 무기 재료이다. 실세스퀴옥산은 정점에 실리콘 원자를 포함하고 산소 원자를 상호 연결하는 큐브 또는 큐브 형 구조를 가질 수 있다. 각각의 실리콘 원자는 펜던트 R 기에 공유 결합될 수 있다. 화학식 I (R8Si8O12)의 실세스퀴옥산은 8개의 펜던트 R 기를 갖는 코어 주위에 규소 및 산소 원자의 케이지(cage)를 포함한다.
[화학식 I]
실세스퀴옥산은 각각의 R기가 독립적으로 수소, 하이드록시기, 알킬기, 아릴기, 또는 알케닐기일 수 있도록 치환 또는 비치환될 수 있으며, 여기서 R기는 1 내지 12개의 탄소원자 및 하나 이상의 헤테로원자를 포함할 수 있다(예를 들어, 산소, 질소, 인, 규소, 또는 할로겐 중 적어도 하나). 각각의 R기는 독립적으로 알코올, 에폭시 기, 에스테르, 아민, 케톤, 에테르, 할라이드 또는 이들의 조합 중 적어도 하나와 같은 하나 이상의 반응성 기를 포함할 수 있다. 각각의 R기는 독립적으로 실라놀, 알콕시드, 또는 클로라이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실세스퀴옥산의 예는 옥타(디메틸실록시)실세스퀴옥산이다.
연질 폼 층, 예를 들어 실리콘 연질 폼 층은 실리콘 연질 폼 층에 물을 흡수시키기 위해 일정 기간 동안, 예를 들어 24시간 동안 용매, 예를 들어 물에 침지될 수 있다. 액체 물의 높은 열용량은 연질 폼 층의 한 표면에서 연질 폼 층의 다른 표면으로의 열 전달을 상당히 지연시키는 데 기여할 수 있다.
난연 성분
난연 성분은 팽창성 물질, 난연 무기 물질, 예를 들어 보헤마이트(boehmite), 수산화알루미늄, 수산화마그네슘 등 또는 추가로 하기에 기재된 바와 같이, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 난연 성분은 연질 폼의 표면과 접촉하는 난연층으로서 존재할 수 있다. 각각의 난연층은 특히 연질 폼 층의 외부 표면과 접촉할 때 0.1 내지 2 mm, 또는 0.5 내지 1.5 mm, 또는 0.8 내지 1.1 mm의 두께를 가질 수 있다. 기공의 내부 표면과 접촉하는 난연층은 예를 들어 0.01 내지 1 mm, 0.01 내지 0.8 mm, 또는 0.01 내지 0.8 mm로 더 얇을 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 난연 성분은 연질 폼 층 자체의 매트릭스 내에 분포된 난연 물질일 수 있다. 도 6은 연질 폼 층(12)의 매트릭스 내에 분포된 난연 성분의 양태를 도시한다. 연질 폼 층(12)은 제1 외부 표면(14) 및 대향하는 제2 외부 표면(16)을 갖는다. 평평하게 도시되어 있지만, 외부 표면 중 하나 또는 둘 다 또는 모두는 전기화학 셀의 표면과 더 잘 맞도록 윤곽이 형성될 수 있다.
연질 폼 층(12)은 복수의 기공(18)들을 추가로 포함한다. 기공은 폴리머 폼 매트릭스에 있는 기공의 내부 표면(20)에 의해 정의된다. 기공은 서로 연결되거나 불연속될 수 있다. 상호 연결된 기공과 불연속 기공의 조합이 존재할 수 있다. 기공은 시트 내에 완전히 포함될 수 있거나, 기공의 적어도 일부가 개방되어 주변 환경과 소통할 수 있다. 일 측면에서, 기공의 적어도 일부는 상호 연결되고 기공의 적어도 일부는 개방되어 공기, 물, 수증기 등이 제1 외부 표면(14)에서 대향하는 제2 외부 표면(16)으로 통과할 수 있게 하고, 본원에서는 "개방 셀 폼(open-celled foam)"이라고 한다. 또 다른 측면에서, 기공은 서로 연결되지 않고, 하나의 외부 표면에서 다른 외부 표면으로 공기, 물, 수증기 등의 통과를 허용하지 않는다.
도 6을 더 참조하면, 난연 성분은 연질 폼 층(12)의 매트릭스 내에 분포된 2개 이상의 상이한 난연 성분(23, 25)을 포함할 수 있다. 난연 성분은 본질적으로 균일하게 분포되거나, 예를 들어 제1 외부 표면(14)으로부터 제2 외부 표면(16) 방향으로 증가하는 구배로서 분포될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 난연 성분은 입자 형태로 연질 폼 층 매트릭스 내에 분포될 수 있다. 입자 형태의 난연 성분은 이의 제조 중에 연질 폼 층으로의 용이한 혼입을 허용할 수 있다.
대안으로, 또는 추가적으로, 입자 형태의 난연 성분은 연질 폼 층의 기공 내에 있을 수 있다. 연질 폼 층의 다수의 기공들의 일부는 입자성 난연 성분을 함유할 수 있거나, 본질적으로 전부 또는 모든 기공들이 입자성 난연 성분을 함유할 수 있다. 입자성 난연 성분을 함유하는 각각의 기공은 독립적으로 부분적으로 채워지거나, 본질적으로 완전히 채워지거나, 완전히 채워질 수 있다. 입자성 난연제 입자들이 기공의 직경에 비해 크거나, 기공이 본질적으로 또는 완전히 복수의 더 작은 입자들로 채워진 측면에서, 기공 내에서 난연제 입자의 이동이 제한될 수 있다. 이 측면에서, 입자성 난연 성분은 (예를 들어, 연질 폼 층을 형성하기 위해 사용되는 조성물에 입자성 난연 성분을 포함함으로써) 층의 제조 동안 기공에 위치할 수 있거나, 입자성 난연 성분은 적절한 액상 담체, 진공 또는 기타 공지된 방법을 사용하여 연질 폼 층 제조 후 기공에 함침될 수 있다.
다양한 유형, 형태 또는 배치를 포함하여 다양한 난연 성분의 조합을 사용할 수 있다. 예를 들어, 난연층은 연질 폼 매트릭스 내에 분포된 난연제 입자 물질과 함께 사용될 수 있거나; 또는 난연층은 연질 폴리머 층의 기공 내에 배치된 입자성 난연 성분과 함께 사용될 수 있다. 일 측면에서, 연질 폼 매트릭스 내에 분포된 난연제 입자 물질과 조합된 난연 팽창성 층이 사용된다. 바람직한 측면에서, 난연 팽창성 층은 제조 용이성을 위해 그리고 연질 폴리머 폼의 원하는 두께 및 유연성을 유지하기 위해 단독으로 사용된다.
팽창성 물질은 산 공급원, 발포제, 및 탄소 공급원을 포함할 수 있다. 각각의 성분들은 개별 층들로 또는 혼합물, 바람직하게는 친밀한 혼합물(intimate admixture)로 존재할 수 있다. 예를 들어, 팽창성 물질은 폴리포스페이트 산 공급원, 발포제 및 펜타에리트리톨 탄소 공급원을 포함할 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 팽창성 물질은 차르(char)를 형성한 다음 차르를 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 탄소 공급원(예를 들어, 펜타에리트리톨)과 반응하여 차르를 형성할 수 있다. 예를 들어, 온도가 280 내지 350℃로 증가하면, 발포제가 분해되어 차르를 팽창시키는 가스상 제품을 생성할 수 있다.
산 공급원은 예를 들어 유기 또는 무기 인 화합물, 유기 또는 무기 황산염(예를 들어 황산암모늄) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 유기 또는 무기 인 화합물은 오르가노포스페이트 또는 오르가노포스포네이트(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, 트리페닐 포스페이트, 또는 구아닐우레아 포스페이트); 오르가노포스파이트 에스테르(예를 들어 트리메틸 포스파이트, 또는 트리페닐 포스파이트); 포스파젠(예를 들어, 헥사페녹시사이클로트리포스파젠); 인 함유 무기 화합물(예를 들어, 인산, 아인산, 포스파이트, 인산 요소, 인산 암모늄(예를 들어, 인산 1수소 암모늄, 인산 2수소 암모늄, 또는 폴리인산 암모늄)); 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
발포제는 120℃ 이상의 온도, 예를 들어 120 내지 200℃, 또는 130 내지 200℃에서 (예를 들어, 암모니아 또는 이산화탄소와 같은 더 작은 화합물로) 분해하는 제제를 포함할 수 있다. 발포제는 디시안디아미드, 아조디카본아미드, 멜라민, 구아니딘, 글리신, 우레아(예를 들어, 우레아-포름알데히드 수지 또는 메틸올화 구아닐우레아 포스페이트), 할로겐화 유기 물질(예를 들어, 염소화 파라핀), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
팽창성 물질은 탄소 공급원을 포함할 수 있다. 연질 폼 층은 탄소 공급원으로 기능할 수 있다. 탄소 공급원은 덱스트린, 페놀-포름알데히드 수지, 펜타에리트리톨(예를 들어, 이의 이량체 또는 삼량체), 점토, 폴리머(예를 들어, 폴리아미드 6, 아미노-폴리(이미다졸린-아미드) 또는 폴리우레탄), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 아미노-폴리(이미다졸린-아미드)는 반복되는 아미드 결합 및 이미다졸린기를 포함할 수 있다.
팽창성 물질은 선택적으로 결합제를 추가로 포함할 수 있다. 결합제는 에폭시, 폴리설파이드, 폴리실록산, 폴리실라릴렌 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 결합제는 팽창성 물질의 총 중량을 기준으로 50 wt% 이하, 또는 5 내지 50 wt%, 또는 35 내지 45 wt%의 양으로 팽창성 물질에 존재할 수 있다. 결합제는 팽창성 물질의 총 중량을 기준으로 5 내지 95 wt%, 또는 40 내지 60 wt%의 양으로 팽창성 물질에 존재할 수 있다.
팽창성 물질은 팽창성 물질의 난연성을 추가로 개선하기 위해 상승작용 화합물을 선택적으로 포함할 수 있다. 상승작용(synergistic) 화합물은 붕소 화합물(예를 들어, 붕산아연, 인산붕소 또는 산화붕소), 규소 화합물, 알루미노실리케이트, 금속 산화물(예를 들어, 산화마그네슘, 산화철 또는 산화알루미늄 수화물(보헤마이트)), 금속 염(예를 들어, 유기설폰산 또는 알칼리 토금속 탄산염의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직한 상승작용 조합은 전술한 것 중 하나 이상과 함께 인-함유 화합물을 포함한다.
난연층은 차르-형성제(char-forming agent), 바람직하게는 리그닌, 보헤마이트, 점토 나노복합재, 팽창성 흑연, 펜타에리트리톨, 셀룰로오스, 나노실리카, 암모늄 폴리포스페이트, 리그노설포네이트, 멜라민, 시아누레이트, 아연 붕산염, 헌타이트(huntite), 하이드로마그네사이트, 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 팽창성 물질과 유사하게, 차르 형성제는 차르를 형성한 다음 차르를 팽창시키는 것을 포함하는 두 가지 에너지 흡수 메커니즘을 사용하여 화염의 확산을 줄일 수 있다고 여겨진다.
난연 성분은 멜라민, 트리아진, 포스포나미데이트, 아릴 또는 알킬 포스페이트, 아릴 또는 알킬 포스포네이트, 아릴 또는 알킬 포스피네이트, 아릴 또는 알킬 포스핀 또는 이들의 상응하는 산화물, 포스파젠 등 또는 이들의 조합과 같은 유기 난연 화합물을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 할로겐, 예를 들어 브롬 또는 염소를 포함하는 난연 화합물은 존재하지 않는다. 난연 성분은 무기 난연제, 예를 들어 수산화알루미늄(본원에서 사용되는 바와 같이 알루미늄 삼수화물 및 산화알루미늄의 다양한 수화물을 포함함), 보헤마이트, 붕사(사붕산나트륨 오수화물), 수화 규산나트륨(hydrous sodium silicate), 수산화마그네슘, 탄산마그네슘 수산화물 오수화물, 인산마그네슘 삼염기 팔수화물, 또는 붕산아연, 바람직하게는 알루미늄 삼수화물, 붕사, 수화 규산나트륨, 수산화마그네슘, 탄산마그네슘 수산화물 오수화물, 인산마그네슘 삼염기 팔수화물 또는 붕산아연 중 적어도 2개를 포함할 수 있다. 예를 들어, 난연 성분은 삼수화알루미늄 및 붕산아연을 포함할 수 있거나; 또는 붕사 및 수화 규산나트륨; 또는 삼수화알루미늄, 붕산아연 및 수화 규산나트륨; 또는 붕사 및 붕산아연; 또는 붕사, 붕산아연 및 삼수화 알루미늄을 포함할 수 있다.
일 측면에서, 유기 난연제 및 무기 난연제가 난연 성분에 존재하고, 또 다른 측면에서, 무기 난연제만이 난연 성분에 존재한다. 무기 난연제는 일반적으로 입자 형태로 입수할 수 있다. 입자는 임의의 형상, 불규칙하거나 규칙적일 수 있으며, 예를 들어 대략 구형, 구형 또는 판형일 수 있다. 중요한 특징에서, 입자의 대부분, 본질적으로 전부 또는 전부는 층에 매끄러운 표면을 제공하기 위해 입자가 위치하는 층 또는 기공의 두께보다 작은 최대 치수를 갖는다. 따라서 사용되는 특정 직경은 입자의 위치에 따라 다르다. 이중, 삼중 또는 더 높은 다중 모드(multimodal) 분포의 입자가 사용될 수 있다. 예를 들어, 난연제 입자가 연질 폼 층의 매트릭스 내에 그리고 연질 폼 층의 기공 내에 존재할 때, 입자의 이중 모드 분포가 존재할 수 있다.
전술한 바와 같이, 난연 성분, 예를 들어 팽창성 물질, 차르 형성제 및 난연제(바람직하게는 무기 난연제)는 층의 형태일 수 있다. 난연층은 난연 성분을 위한 폴리머 결합제를 추가로 포함할 수 있다. 연질 폼 층과 유사하게, 난연층의 폴리머 결합제는 예를 들어 실리콘, 폴리우레탄, 에틸렌-비닐 아세테이트, 에틸렌-메틸 아크릴레이트, 에틸렌 부틸 아크릴레이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 물질에 대한 설명은 반복되지 않는다. 팽창성 물질, 차르 형성제 및 난연제(바람직하게는 무기 난연제)의 양에 대한 결합제의 양은 난연층의 원하는 특성 및 층 형성에 사용되는 조성물의 가공성과 같은 요인에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 결합제는 난연층을 형성하기 위해 사용된 조성물의 총 부피를 기준으로 각각 20 내지 80 부피% (vol.%) 또는 40 내지 70 부피%의 양으로 존재할 수 있다.
일 측면에서, 난연 성분은 연질 폼 층의 매트릭스 내에 분포될 수 있다. 바람직하게는 난연 성분이 연질 폼 층의 매트릭스 내에 분포될 때, 전술한 바와 같은 난연층도 존재하는데, 이는 연질 폼 층과 비다공성 엘라스토머 층만 사용하여 원하는 난연제 및 폼 특성을 달성하는 것이 더 어려울 수 있기 때문이다. 이 측면에서, 난연 성분은 팽창성 조성물, 차르 형성제, 유기 난연 화합물, 무기 난연제, 또는 이들의 조합, 예를 들어 유기 및 무기 난연제의 조합을 포함할 수 있다. 대안적으로 연질 폼 층의 매트릭스 내에 분포된 난연 성분은 유기 난연제만을 포함한다. 또 다른 측면에서, 난연 성분은 전술한 바와 같은 무기 난연제만을 포함한다. 예를 들어, 난연 성분은 본원에 개시된 바와 같이 연질 폼 층 내에 분포된 알루미늄 삼수화물, 붕사, 수화 규산나트륨, 수산화마그네슘, 탄산마그네슘 수산화물 오수화물, 인산마그네슘 삼염기 팔수화물 또는 붕산아연을 포함할 수 있다.
난연 성분, 예를 들어 알루미늄 삼수화물, 붕사(borax), 수화 규산나트륨, 수산화마그네슘, 탄산마그네슘 수산화물 오수화물, 인산마그네슘 삼염기 팔수화물 또는 붕산아연은 폼 형성 조성물이 발포되고 경화되기 전에 연질 폼 층의 폼 형성 조성물에 혼입될 수 있다. 난연 성분, 예를 들어 알루미늄 삼수화물, 붕사, 수화 규산나트륨, 수산화마그네슘, 탄산마그네슘 수산화물 오수화물, 인산마그네슘 삼염기 팔수화물 또는 붕산아연은 필수적으로 균일하게 분포되거나, 예를 들어 난연 성분이 분포되는 연질 폼 층의 두께 방향으로 증가하는 구배로서 분포될 수 있다.
팽창성 물질, 차르 형성제 및 난연제(바람직하게는 무기 난연제)의 양에 대한 연질 폼 층을 형성하는 데 사용되는 조성물의 양은 난연층의 원하는 특성 및 층 형성에 사용되는 조성물의 가공성과 같은 요인에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 무기 난연제가 존재하는 경우, 난연 성분은 연질 폼 층을 형성하기 위해 사용되는 조성물의 총 부피를 기준으로 각각 10 내지 90 부피%(vol.%) 또는 20 내지 80 vol.%의 양으로 존재할 수 있다. 유기 난연제 또는 차르 형성제만 존재하는 경우, 난연 성분은 연질 폼 층을 형성하기 위해 사용된 조성물의 총 중량을 기준으로 각각 0.1 내지 15 중량%(wt.%) 또는 1 내지 10 wt.%의 양으로 존재할 수 있다.
접착제 층
당업계에 공지된 매우 다양한 접착제가 단열 다층 시트에 사용될 수 있다. 접착제는 배터리 작동 조건에서 적용 용이성과 안정성을 위해 선택할 수 있다. 각각의 접착층은 동일하거나 상이할 수 있고, 동일하거나 상이한 두께일 수 있다. 적합한 접착제는 페놀 수지, 에폭시 접착제, 폴리에스테르 접착제, 폴리비닐 플루오라이드 접착제, 아크릴 또는 메타크릴 접착제, 또는 실리콘 접착제, 바람직하게는 아크릴 접착제 또는 실리콘 접착제를 포함한다. 일 측면에서, 상기 접착제는 실리콘 접착제이다. 용매-주조(solvent-cast) 접착제, 핫멜트(hot-melt) 접착제 및 이액형 접착제(two-part adhesive)가 사용될 수 있다. 각각의 접착층은 독립적으로 0.00025 내지 0.010인치(0.006 내지 0.25 mm), 또는 0.0005 내지 0.003인치(0.01 내지 0.08 mm)의 두께를 가질 수 있다.
추가 층
제조, 취급, 성능 또는 기타 원하는 특성을 개선하기 위해 단열 다층 시트에 추가 층이 존재할 수 있다. 예를 들어, 취급 용이성을 개선하기 위해 지지층이 연질 폼 층 상에 또는 바로 위에 배치될 수 있다. 이러한 층은 폴리머 층, 예를 들어 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에스테르(예를 들어, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트) 등일 수 있다.
상기 단열 다층 시트가 접착층을 포함하는 경우, 상기 단열 다층 시트는 이형층(release layer)을 더 포함할 수 있다. "이형층(release layer)"은 이형 코팅을 포함하는 임의의 단일 또는 복합재층을 의미하며, 선택적으로 이형 라이너를 포함하는 하나 이상의 추가층에 의해 지지된다. 각각의 이형층의 두께는 5 내지 150 ㎛, 10 내지 125 ㎛, 20 내지 100 ㎛, 40 내지 85 ㎛ 또는 50 내지 75 ㎛일 수 있다.
단열 다층 시트는 당업계에 공지된 방법에 의해 조립될 수 있다. 시트는 셀의 표면 또는 배터리의 다른 구성요소(예를 들어, 배터리 케이스의 벽)에 조립될 수 있다. 일 측면에서, 시트는 개별적으로 조립된 다음 셀, 구성 요소 또는 둘 다에 배치되거나 부착된다. 각각의 시트는 개별적으로 제조된 후 원하는 순서로 적층(예를 들어, 하나 이상의 접착층을 사용하여 배치 또는 접착)될 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 개별 층은 예를 들어 열 및 압력을 사용하여 코팅, 주조 또는 라미네이팅에 의해 또 다른 개별 층 상에 제조될 수 있다. 예를 들어, 일 측면에서, 연질 폼 층은 비다공성 엘라스토머 배리어층 상에 직접 주조될 수 있다. 라미네이션 및 직접 코팅 또는 주조는 접착층을 제거하여 두께를 줄이고 난연성을 향상시킬 수 있다.
단열 다층 시트는 배터리, 특히 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 그리드 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 배터리 시스템 및 납산 배터리 교체와 같은 기타 다중 셀 배터리 적용을 포함하는 다양한 분야의 리튬 이온 배터리에 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "차량"은 자동차, 버스, 오토바이, 스쿠터, 자전거, 기차, 선박 등을 포함한다. 다른 분야에는 휴대용 단말기 장치를 포함한 모든 유형의 전자 장치가 포함된다.
전술한 바와 같이, 단열 다층 시트는 낮은 중량 또는 적은 두께가 요구되는 곳에 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 배터리에서 열 폭주를 방지하기 위한 단열 다층 시트는 제1 및 제2 대향 표면(opposed surface)을 갖는 비다공성 엘라스토머 배리어층(barrier layer); 상기 배리어층의 제1 표면 상에 배치된 연질 폼 층(flexible foam layer); 및 난연 성분을 포함하고, 여기서 상기 난연 성분은 연질 폼 층의 매트릭스 내에 분포되고, 연질 폼 층의 표면과 접촉하거나, 또는 둘 다이고, 여기서, 단열 다층 시트의 두께가 30 mm 이하, 또는 20 mm 이하, 또는 15 mm 이하, 또는 10 mm 이하, 또는 8 mm 이하, 또는 6 mm 이하이다. 이 측면에서, 비다공성 엘라스토머 배리어층은 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무 또는 폴리클로로프렌일 수 있고, 연질 폼 층은 실리콘 폼, 폴리우레탄 폼 또는 에어로겔일 수 있다.
다음의 실시예는 본 개시내용을 설명하기 위해 제공된다. 실시예는 단지 예시적이고, 본 발명에 따라 제조된 장치를 본 명세서에 설명된 재료, 조건 또는 공정 파라미터로 제한하려는 의도가 아니다.
실시예
실시예에서는 표 1에 기재된 물질을 사용하였다.
실시예 1
2개의 실리콘 연질 폼 층의 표면을 실리콘 엘라스토머에 66 중량% 수산화알루미늄을 포함하는 코팅으로 5.8 mm 두께로 코팅하고 대류 오븐에서 85℃에서 15분 동안 경화시켰다. 각각의 실리콘 연질 폼 층을 아크릴 접착제로 폴리클로로프렌 층의 대향 표면에 접착하여 실리콘 연질 폼 층의 코팅된 표면이 바깥쪽을 향하는 단열 다층 층을 형성했다.
실시예 2
폴리우레탄 연질 폼 층 표면에 파이로겔 층을 다목적 접착제로 접착하였다.
실시예 3
실리콘 연질 폼 층을 폴리클로로프렌 층의 반대쪽 표면에 부착하고 적층 복합재를 70℃의 물에 24시간 동안 담가 물을 실리콘 연질 폼 층에 흡수시키는데, 액체 물의 높은 열용량은 한 표면에서 다른 표면으로의 열 전달을 상당히 지연시키는 데 도움이 되기 때문이다.
열 폭주 시뮬레이션
실시예 1 내지 3 각각의 샘플은 열 폭주 현상의 고온을 시뮬레이션하도록 설계된 테스트에서 평가되었다. 도 7은 사용된 핫 플레이트 테스트 장치(5000)를 도시한 것이다. 단열 다층 시트(102)는 550℃로 설정된 핫 플레이트(700) 상에 직접 배치되었다. 실시예 2의 파이로겔 표면을 핫 플레이트 위에 놓았다. 12.7 mm 운모 판 셀 아날로그(900)를 단열 다층 시트(102)의 상부 표면에 놓았다. 운모 판 셀 아날로그(900)에 뚫린 구멍에 열전대 센서(800)를 삽입하여 열전대 센서(800)를 단열 다층 시트(102)의 상면에 배치하였다. 핫 플레이트의 열이 샘플로 확산되고 약 220℃에 도달하면 수증기가 생성된다.
도 8은 시간 경과에 따라 측정된 각 샘플에 대해 열전대에 의해 감지된 온도 증가를 보여준다. 실시예 1의 단열 다층 시트는 실시예 2 및 3에 비해 대향 표면에 더 우수한 열 보호를 제공하였다. 10분 후, 실시예 1의 측정된 온도는 각각 실시예 2 및 3보다 낮았다. 전기 자동차 배터리 응용 분야의 경우, 기술적 실현 가능성은 150℃에 도달하는 시간으로 결정될 수 있으며, 이는 바람직하게는 가능한 한 길며, 예를 들어 최소 10분이다. 20분간의 장시간 노출에도 실시예 1의 단열 다층 시트의 대향면 온도는 140℃에 불과하여 150℃에 도달하지 않았다.
이론에 얽매이지 않고, 실시예 1에 의해 생성된 우수한 결과는 협력하여 작동하는 상이한 메커니즘에 기인한 것으로 여겨진다. 첫째, 모든 실시예에서 수산화알루미늄, 폴리클로로프렌, 실리콘 폼, 폴리우레탄 폼 및 파이로겔 층은 모두 열 전도에 대한 장벽을 제공한다. 열전도는 실시예 3보다 실시예 2에서 더 느리다. 난연층(즉, 수산화알루미늄)이 존재하는 경우, 수산화알루미늄의 열용량 및 수산화알루미늄으로부터의 수증기 생성 열로 인해 열이 추가로 흡수된다. 그러나 수증기 생성은 다공성 물질(즉, 폼)을 통해 열 대류를 증가시킨다. 비다공성 폴리클로로프렌 층은 수증기와 뜨거운 가스를 차단하여 다층 시트에 향상된 내열성을 제공한다. 특히, 실시예 1의 단열 다층 시트의 가열된 표면에서 생성된 수증기는 폴리클로로프렌 층에 의해 제한된다.
하기 설명되는 것은 본 개시내용의 비제한적인 측면에 해당한다.
측면 1: 열 폭주를 방지하기 위한 단열 다층 시트는 제1 및 제2 대향 표면(opposed surface)을 갖는 비다공성 엘라스토머 배리어층(barrier layer); 상기 배리어층의 제1 표면 상에 배치된 연질 폼 층(flexible foam layer); 및 난연(flame retardant) 성분을 포함하고, 여기서 상기 난연 성분은 연질 폼 층 내에 분포되어 있거나, 연질 폼 층의 표면과 접촉되거나, 또는 둘 다인 것이다.
측면 2: 측면 1에 있어서, 비다공성 엘라스토머 배리어층의 제2 표면 상에 배치된 추가의 연질 폼 층을 추가로 포함하는, 단열 다층 시트.
측면 3: 측면 1 또는 측면 2에 있어서, 비다공성 엘라스토머 배리어층은 각각 25℃ 및 1기압에서 측정된 20 g-mm/m2/day 미만, 또는 10 g-mm/m2/day 미만, 또는 5 g-mm/m2/day 미만의 물에 대한 투과성 계수; ASTM 412에 따라 21℃에서 측정된 0.5 내지 15 메가파스칼의 100% 연신율에서의 인장 응력; 또는 이들의 조합을 갖는 엘라스토머를 포함하는, 단열 다층 시트.
측면 4: 측면 1 내지 측면 3 중 어느 하나에 있어서, 비다공성 엘라스토머 배리어층의 두께가 0.25 내지 1 밀리미터 또는 0.4 내지 0.8 밀리미터인, 단열 다층 시트.
측면 5: 측면 1 내지 측면 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 비다공성 엘라스토머 배리어층은 아크릴 고무, 부틸 고무, 할로겐화 부틸 고무, 에피클로로히드린 고무, 에틸렌-아크릴 고무, 에틸렌-부틸 아크릴 고무, 에틸렌-디엔 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무, 에틸렌-비닐 아세테이트, 플루오로엘라스토머, 퍼플루오로엘라스토머, 폴리아미드, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리올레핀 고무, 폴리이소프렌, 폴리설파이드 고무, 천연 고무, 니트릴 고무, 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머, 실리콘 고무, 플루오르화 실리콘 고무, 스티렌-부타디엔, 스티렌-이소프렌, 비닐 고무, 또는 이들의 조합을 포함한다.
측면 6: 측면 1 내지 측면 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 비다공성 엘라스토머 배리어층이 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무, 폴리클로로프렌, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
측면 7: 측면 1 내지 측면 6 중 어느 하나에 있어서, 각각의 연질 폼 층은 각각 독립적으로, 25% 편향(deflection)에서 ASTM D3574-17에 따라 측정된, 0.2 내지 125 파운드/제곱인치(1 내지 862 킬로파스칼), 또는 0.25 내지 20 파운드/제곱인치(1.7 내지 138 킬로파스칼), 또는 0.5 내지 10 파운드/제곱인치(3.4 내지 68.90.5 킬로파스칼)의 압축력 편향(compression force deflection); 70℃에서 ASTM D3574-95 테스트 D에 따라 측정된 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%의 압축 변형; 입방피트당 5 내지 65파운드(입방미터당 80 내지 1,041킬로그램) 또는 입방피트당 6 내지 20파운드(입방미터당 96 내지 320킬로그램) 또는 입방피트당 8 내지 15파운드(입방미터당 128 내지 240 킬로그램)의 밀도; 또는 이들의 조합을 갖는 것인, 단열 다층 시트.
측면 8: 측면 1 내지 측면 7 중 어느 하나에 있어서, 각각의 연질 폼 층의 두께가 독립적으로 0.1 내지 5 mm, 또는 1 내지 3 mm, 또는 1.5 내지 2.5 mm인 것인, 단열 다층 시트.
측면 9: 측면 1 내지 측면 8 중 어느 하나에 있어서, 각각의 연질 폼 층은 독립적으로 실리콘, 폴리우레탄, 에어로겔, 에틸렌-비닐 아세테이트, 에틸렌-메틸 아크릴레이트, 에틸렌-부틸 아크릴레이트, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
측면 10: 측면 1 내지 측면 9 중 어느 하나에 있어서, 각각의 연질 폼 층이 독립적으로 보강재를 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
측면 11: 측면 9에 있어서, 상기 보강재(reinforcing material)는 카본 블랙, 유리, 유리 마이크로스피어, 리그닌, 입자성 금속 산화물, 다면체 올리고머 실세스퀴옥산, 운모, 석영, 실리카, 탈크, 다면체 올리고머 실세스퀴옥산, 또는 이들의 조합을 포함하는 강화 입자성 물질; 폴리에스테르, 산화 폴리아크릴로니트릴, 카본, 실리카, 폴리아라미드, 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 레이온, 나일론, 유리섬유, 고밀도 폴리올레핀, 세라믹, 아크릴, 플루오로폴리머, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리이미드, 또는 이들의 조합을 포함하는, 강화 섬유 물질; 또는 강화 입자성 물질과 강화 섬유 물질의 조합인 것인, 단열 다층 시트.
측면 12: 측면 1 내지 측면 11 중 어느 하나에 있어서, 상기 난연 성분이 연질 폼 층의 기공 내의 입자인 것인, 단열 다층 시트.
측면 13: 측면 1 내지 측면 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 난연 성분이 상기 연질 폼 층의 표면과 접촉하는 난연층인 것인, 단열 다층 시트.
측면 14: 측면 13에 있어서, 상기 난연층의 두께가 0.1 내지 2 밀리미터, 또는 0.5 내지 1.5 밀리미터, 또는 0.8 내지 1.1 밀리미터인 것인, 단열 다층 시트.
측면 15: 측면 13 또는 측면 14에 있어서, 상기 난연층이 보헤마이트, 수산화알루미늄, 삼수화물알루미늄, 수산화마그네슘, 팽창성 물질 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
측면 16: 측면 13 내지 측면 15 중 어느 하나에 있어서, 상기 난연층이 차르 형성제, 바람직하게는 암모늄 폴리포스페이트, 보헤마이트, 셀룰로오스, 점토 나노복합재, 시아누레이트, 팽창성 흑연, 헌타이트, 하이드로마그네사이트, 리그닌, 리그노설포네이트, 멜라민, 나노실리카, 펜타에리트리톨, 붕산아연 또는 이들의 조합을 추가로 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
측면 17: 측면 13 내지 측면 16 중 어느 하나에 있어서, 상기 난연층이 폴리머 결합제, 바람직하게는 실리콘, 폴리우레탄, 에틸렌-비닐 아세테이트, 에틸렌-메틸 아크릴레이트, 에틸렌-부틸 아크릴레이트 또는 이들의 조합을 추가로 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
측면 18: 측면 1 내지 측면 17 중 어느 하나에 있어서, 상기 난연 성분은 상기 연질 폼 층 내에 분포되어 있고, 상기 난연 성분이 알루미늄 삼수화물, 붕사, 수화 규산나트륨, 수산화마그네슘, 탄산마그네슘 수산화물 오수화물, 인산마그네슘 삼염기 팔수화물, 또는 붕산아연, 바람직하게는 알루미늄 삼수화물, 붕사, 수화 규산나트륨, 수산화마그네슘, 탄산마그네슘 수산화물 오수화물, 인산마그네슘 삼염기 팔수화물 또는 붕산아연 중 적어도 2개를 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
측면 19: 측면 18에 있어서, 상기 연질 폼 층의 매트릭스 내에 분포된 난연 성분이 유기 난연제를 추가로 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
측면 20: 측면 1 내지 측면 19 중 어느 하나에 있어서, 23℃에서 0.01 내지 0.09 와트/미터 켈빈의 열전도도; 0.2 내지 30 mm, 또는 0.2 내지 20 mm, 또는 0.2 내지 15 mm, 또는 0.2 내지 10 mm, 또는 0.5 내지 10 mm, 또는 0.5 내지 8 mm, 또는 1 내지 6 mm의 두께; 입방피트(cubic foot)당 6 내지 30파운드(입방미터당 96 내지 481킬로그램) 또는 입방피트당 10 내지 25파운드(입방미터당 160 내지 400킬로그램) 또는 입방피트당 15 내지 20파운드(입방 미터당 240 내지 320 킬로그램)의 밀도; 또는 이들의 조합을 갖는 것인, 단열 다층 시트.
측면 21: 전기화학 셀의 표면의 적어도 일부에 배치된 상기 측면 1 내지 측면 20 중 어느 하나의 단열 다층 시트를 포함하는, 전기화학 셀.
측면 22. 측면 21에 있어서, 상기 단열 다층 시트가 상기 전기화학 셀의 적어도 두개의 면에 배치되는 것인, 전기화학 셀.
측면 23: 측면 21 또는 측면 22에 있어서, 상기 전기화학 셀은 각형 셀, 파우치 셀, 또는 원통형 셀을 포함하고, 바람직하게는 파우치 셀을 포함하는 것인, 전기화학 셀.
측면 24: 측면 21 내지 23 중 어느 하나의 전기화학 셀 중 적어도 2개를 포함하는, 비연결 어레이.
측면 25: 측면 21 내지 23 중 어느 하나의 전기화학 셀 또는 측면 24의 비연결 어레이를 포함하는, 배터리.
측면 26: 측면 25에 있어서, 전기화학 셀 또는 비연결 어레이를 적어도 부분적으로 둘러싸는 배터리 케이스를 추가로 포함하는, 배터리.
조성물, 방법 및 물품은 본원에 기재된 임의의 적절한 물질, 단계, 또는 구성요소를 대안적으로 포함하거나, 구성되거나, 필수적으로 포함하여 구성되는 것일 수 있다. 상기 조성물, 방법 및 물품은 추가적으로, 또는 대안적으로 상기 조성물, 방법 및 물품의 기능 또는 목적을 달성하는 데 필요하지 않은 임의의 재료(또는 종), 단계 또는 구성요소가 없거나, 또는 실질적으로 없도록 제형화될 수 있다.
용어 "단수(a 및 an)"는 수량의 제한을 나타내는 것이 아니라, 언급된 항목 중 적어도 하나의 존재를 나타낸다. 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 측면에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있음을 이해해야 한다.
층, 필름, 영역, 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "상에" 있는 것으로 언급될 때, 다른 요소에 직접 있을 수 있거나 중간 요소가 존재할 수도 있다. 이와 달리, 요소가 다른 요소 "바로 위에" 있는 것으로 언급되는 경우, 중간 요소가 존재하지 않는다. 요소가 다른 요소에 "접촉" 또는 "접촉하다"라고 언급되는 경우, 중간에 요소가 존재하지 않는다.
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. 예를 들어, "25 중량% 이하 또는 5 내지 20 중량%"의 범위는 종점 및 "5 내지 25 중량%" 범위의 모든 중간 값, 예를 들어 10 내지 23 중량% 등을 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)"이라는 용어는 개방적이며, 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 측면이 설명되지만, 현재 예상하지 못하거나 예상할 수 없는 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 균등물이 출원인 또는 당업자에게 발생할 수 있다. 따라서, 출원되고 보정될 수 있는 첨부된 청구범위는 이러한 모든 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 동등물을 포함하도록 의도된다.

Claims (26)

  1. 배터리에서 열 폭주(thermal runaway) 방지용 단열(thermally insulating) 다층 시트에 있어서, 상기 다층 시트는,
    제1 및 제2 대향 표면(opposed surface)을 갖는 비다공성 엘라스토머 배리어층(elastomeric barrier layer);
    상기 배리어층의 제1 표면 상에 배치된 연질 폼 층(flexible foam layer); 및
    난연 성분을 포함하고,
    여기서 상기 난연 성분은, 상기 연질 폼 층 내에 분포되어 있거나, 상기 연질 폼 층의 표면에 접촉되거나, 또는 둘 다인 것인, 단열 다층 시트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비다공성 엘라스토머 배리어층의 제2 표면 상에 배치된 추가의 연질 폼 층을 추가로 포함하는, 단열 다층 시트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비다공성 엘라스토머 배리어층이,
    25℃ 및 1기압에서 측정된 물에 대한 투과성 계수(permeability coefficient)가 20 g-mm/m2/day 미만, 또는 10 g-mm/m2/day 미만, 또는 5 g-mm/m2/day 미만임;
    ASTM 412에 따라 21℃에서 측정된 100% 연신율에서의 인장 응력이 0.5 내지 15 메가파스칼임; 또는
    이들의 조합;을 갖는 엘라스토머를 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비다공성 엘라스토머 배리어층의 두께가 0.25 내지 1 밀리미터 또는 0.4 내지 0.8 밀리미터인 것인, 단열 다층 시트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비다공성 엘라스토머 배리어층이 아크릴 고무, 부틸 고무, 할로겐화 부틸 고무, 에피클로로히드린 고무, 에틸렌-아크릴 고무, 에틸렌-부틸 아크릴 고무, 에틸렌-디엔 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무, 에틸렌-비닐 아세테이트, 플루오로엘라스토머, 퍼플루오로엘라스토머, 폴리아미드, 폴리부타디엔, 폴리클로로프렌, 폴리올레핀 고무, 폴리이소프렌, 폴리설파이드 고무, 천연 고무, 니트릴 고무, 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머, 실리콘 고무, 플루오르화 실리콘 고무, 스티렌-부타디엔, 스티렌-이소프렌, 비닐 고무, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비다공성 엘라스토머 배리어층이 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무, 폴리클로로프렌, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 연질 폼 층이 각각 독립적으로,
    25% 편향(deflection)에서 ASTM D3574-17에 따라 측정된 압축력 편향(compression force deflection)이 0.2 내지 125 파운드/제곱인치(1 내지 862 킬로파스칼), 또는 0.25 내지 20 파운드/제곱인치(1.7 내지 138 킬로파스칼), 또는 0.5 내지 10 파운드/제곱인치(3.4 내지 68.90.5 킬로파스칼)임;
    70℃에서 ASTM D3574-95 테스트 D에 따라 측정된 압축 변형(compression set)이 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%임;
    밀도가 입방피트당 5 내지 65파운드(입방미터당 80 내지 1,041킬로그램) 또는 입방피트당 6 내지 20파운드(입방미터당 96 내지 320킬로그램) 또는 입방피트당 8 내지 15파운드(입방미터당 128 내지 240 킬로그램)임; 또는
    이들의 조합;을 갖는 것인, 단열 다층 시트.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 연질 폼 층의 두께가 독립적으로 0.1 내지 5 mm, 또는 1 내지 3 mm, 또는 1.5 내지 2.5 mm인 것인, 단열 다층 시트.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 연질 폼 층이 독립적으로 실리콘, 폴리우레탄, 에어로겔, 에틸렌-비닐 아세테이트, 에틸렌-메틸 아크릴레이트, 에틸렌-부틸 아크릴레이트, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 연질 폼 층이 독립적으로 보강재를 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
  11. 제9항에 있어서, 상기 보강재가 카본 블랙, 유리, 유리 마이크로스피어(glass microspheres), 리그닌, 입자성 금속 산화물, 다면체 올리고머 실세스퀴옥산, 운모, 석영, 실리카, 탈크, 다면체 올리고머 실세스퀴옥산, 또는 이들의 조합을 포함하는, 강화 입자성 물질; 폴리에스테르, 산화 폴리아크릴로니트릴, 카본, 실리카, 폴리아라미드, 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 레이온, 나일론, 유리섬유, 고밀도 폴리올레핀, 세라믹, 아크릴, 플루오로폴리머, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리이미드, 또는 이들의 조합을 포함하는, 강화 섬유 물질; 또는 상기 강화 입자성 물질과 상기 강화 섬유 물질의 조합인 것인, 단열 다층 시트.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 난연 성분이 상기 연질 폼 층의 기공 내의 입자인 것인, 단열 다층 시트.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 난연 성분이 상기 연질 폼 층의 표면과 접촉하는 난연층인 것인, 단열 다층 시트.
  14. 제13항에 있어서, 상기 난연층의 두께가 0.1 내지 2 밀리미터, 또는 0.5 내지 1.5 밀리미터, 또는 0.8 내지 1.1 밀리미터인 것인, 단열 다층 시트.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 난연층이 수산화알루미늄, 삼수화물알루미늄, 보헤마이트, 수산화마그네슘, 팽창성 물질 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 난연층이 차르(char) 형성제, 바람직하게는 암모늄 폴리포스페이트, 보헤마이트, 셀룰로오스, 점토 나노복합재, 시아누레이트, 팽창성 흑연, 헌타이트(huntite), 하이드로마그네사이트, 리그닌, 리그노설포네이트, 멜라민, 나노실리카, 펜타에리트리톨, 붕산아연 또는 이들의 조합을 추가로 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 난연층이 폴리머 결합제, 바람직하게는 실리콘, 폴리우레탄, 에틸렌-비닐 아세테이트, 에틸렌-메틸 아크릴레이트, 에틸렌-부틸 아크릴레이트 또는 이들의 조합을 추가로 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 난연 성분이 상기 연질 폼 층의 매트릭스 내에 분포되어 있고, 상기 난연 성분이 알루미늄 삼수화물, 붕사(borax), 수화 규산나트륨(hydrous sodium silicate), 수산화마그네슘, 탄산마그네슘 수산화물 오수화물, 인산마그네슘 삼염기 팔수화물, 또는 붕산아연, 바람직하게는 알루미늄 삼수화물, 붕사, 수화 규산나트륨, 수산화마그네슘, 탄산마그네슘 수산화물 오수화물, 인산마그네슘 삼염기 팔수화물 또는 붕산아연 중 적어도 2개를 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
  19. 제18항에 있어서, 상기 연질 폼 층의 매트릭스 내에 분포된 난연 성분이 유기 난연제를 추가로 포함하는 것인, 단열 다층 시트.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 23℃에서 0.01 내지 0.09 와트/미터 켈빈의 열전도도; 0.2 내지 30 mm, 또는 0.2 내지 20 mm, 또는 0.2 내지 15 mm, 또는 0.2 내지 10 mm, 또는 0.5 내지 10 mm, 또는 0.5 내지 8 mm, 또는 1 내지 6 mm의 두께; 입방피트(cubic foot)당 6 내지 30파운드(입방미터당 96 내지 481킬로그램) 또는 입방피트당 10 내지 25파운드(입방미터당 160 내지 400킬로그램) 또는 입방피트당 15 내지 20파운드(입방 미터당 240 내지 320 킬로그램)의 밀도; 또는 이들의 조합을 갖는, 단열 다층 시트.
  21. 전기화학 셀의 표면의 적어도 일부에 배치된 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항의 단열 다층 시트를 포함하는, 전기화학 셀.
  22. 제21항에 있어서, 상기 단열 다층 시트가 상기 전기화학 셀의 적어도 두개의 면에 배치되는 것인, 전기화학 셀.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 전기화학 셀이 각형 셀, 파우치 셀, 또는 원통형 셀을 포함하고, 바람직하게는 파우치 셀을 포함하는 것인, 전기화학 셀.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항의 전기화학 셀 중 적어도 2개를 포함하는, 비연결 어레이(unconnected array).
  25. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항의 전기화학 셀 또는 제24항의 비연결 어레이를 포함하는, 배터리.
  26. 제25항에 있어서, 상기 전기화학 셀 또는 비연결 어레이를 적어도 부분적으로 둘러싸는 배터리 케이스를 추가로 포함하는, 배터리.
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