KR20230148338A - 전기 에너지 저장 열 현상 완화를 위한 재료, 시스템 및 방법 - Google Patents

전기 에너지 저장 열 현상 완화를 위한 재료, 시스템 및 방법 Download PDF

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오웬 에반스
데이비드 바우어
조지 굴드
캐서린 덱크래프트
데이비드 미할식
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아스펜 에어로겔, 인코포레이티드
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Abstract

본 개시는 에너지 저장 시스템의 열 폭주 문제를 관리하기 위한 재료 및 시스템에 관한 것이다. 예시적인 실시예는 다중 층을 포함하는 열 장벽 재료를 포함한다. 다층 열 장벽 재료는 적어도 하나의 절연 층, 적어도 하나의 압축가능 패드, 및 유리한 방열 특성을 갖고, 유리한 화재, 화염 및/또는 내마모성을 갖고, 열 장벽으로 사용하기 위한 유리한 성능을 갖는 선택적인 하나 이상의 층을 포함한다. 본 발명은 또한 하나 이상의 배터리 셀과 배터리 셀과 열 연통하도록 배치된 다층 열 장벽 재료를 갖는 배터리 모듈 또는 팩에 관한 것이다.

Description

전기 에너지 저장 열 이벤트의 완화를 위한 재료, 시스템, 및 방법
관련 출원의 교차 참조
이 출원은 "전기 에너지 저장 열 이벤트의 완화를 위한 재료, 시스템, 및 방법"이라는 명칭의 2021년 7월 2일자 출원된 미국 가출원 제63/218,205호의 이득 및 우선권을 주장하고, 이들의 각각은 본원에서 그 전체가 참조로 통합된다.
본 발명은 일반적으로 에너지 저장 시스템에서 열 폭주 문제와 같은 열 이벤트를 방지하거나 완화하기 위한 재료 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 적어도 하나의 절연 층, 적어도 하나의 압축가능 패드, 및 선택적으로 유리한 방열 특성을 가지며 유리한 화재, 화염 및/또는 마모 방지 특성을 가지며 및/또는 열 장벽으로 사용하기 위한 유리한 성능을 갖는 하나 이상의 층을 포함하는 다층 열 장벽 재료를 제공한다. 본 발명은 추가로 다층 열 장벽 재료를 포함하는 하나 이상의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈 또는 팩, 뿐만 아니라 이러한 배터리 모듈 또는 팩을 포함하는 시스템에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리와 같은 재충전가능 배터리는 전력 구동 및 에너지 저장 시스템에서 폭넓게 응용되고 있다. 리튬-이온 배터리(LIB)는 종래의 배터리에 비해 이의 높은 작동 전압, 저 메모리 효과 및 높은 에너지로 인해 휴대폰, 태블릿, 랩탑, 전동 공구 및 전기 자동차와 같은 다른 고전류 장치와 같은 휴대용 전자 장치에 전원을 공급하는 데 널리 사용된다. 그러나 재충전가능 배터리가 과충전(설계된 전압 이상으로 충전됨), 과방전, 작동 또는 고온 및 고압에 노출되는 경우와 같은 "남용 조건"에서 LIB는 치명적인 고장에 취약하기 때문에 안전성이 우려된다. 결과적으로 좁은 작동 온도 범위와 충전/방전 속도는 LIB 사용에 제한이 되며 이는 LIB가 설계 범위를 벗어난 조건에 노출될 때 빠른 자체 발열 또는 열 폭주 이벤트를 통해 고장날 수 있기 때문이다.
도 1에 도시된 바와 같이, LIB의 전기화학 셀은 주요하게 양극, 음극, 리튬 이온을 전도할 수 있는 전극, 양극과 음극을 분리하는 분리막, 집전체로 구성된다. LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, Li2TiO3, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA) 및 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NMC)는 리튬-이온 배터리에 널리 사용되는 6가지 유형의 음극 재료이다. 이 6가지 종류의 배터리는 오늘날 배터리 시장에서 대부분의 시장 점유율을 차지하고 있다. 전해질은 특정 용매(주로 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 프로필렌 카보네이트(PC))에 용해된 리튬염으로 구성된다. 리튬염은 전형적으로 LiClO4, LiPF6, LiBF4, LiBOB 등에서 선택된다. 분리막 재료는 일반적으로 폴리올레핀계 수지 재료이다. 상용 리튬-이온 배터리의 분리막으로는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 미세다공성 멤브레인이 통상적으로 사용된다. 알루미늄 호일은 주로 양극용 집전체 및 음극용 구리 호일로 사용된다. 하드 카본, 탄소 나노튜브 및 그래핀을 포함한 탄소 기반 재료는 현재 상용 리튬-이온 배터리의 대부분의 음극에서 주요 선택이며 티타늄 기반 산화물, 합금/탈합금 재료 및 변환 재료와 같은 다른 새로운 음극 재료도 조사되었으며 우수한 열적 및 전기화학적 성능을 보여준다.
정상 조건에서 LIB 작동
정상 작동 시 리튬 이온은 전해질과 분리막을 통해 한 전극에서 다른 전극으로 확산 및 이동을 통해 이동한다.
LIB를 충전하면 전해질 용액의 리튬 이온이 분리막을 통해 음극으로부터 이동하여 양극에 이들을 삽입한다(도 2). 전하 균형 전자도 또한 양극으로 이동하지만 충전기의 외부 회로를 통해 이동한다. 방전 시 역 공정이 수행되고 전자는 전원이 공급되는 장치를 통해 흐른다(도 2). 이 공정 중에 세 가지 기본 메커니즘을 통해 셀 내에서 열이 발생한다. 첫 번째는 리튬화 공정(방전) 및 탈리튬화 공정(충전 공정) 중에 발생하는 산화환원 반응과 관련된 엔트로피 변화로 인해 발생하는 가역적 열입니다. 가역적 열은 엔트로피 열이라고도 지칭된다. 두 번째 메커니즘은 셀의 과포텐셜로 인한 전극 분극과 관련된 비가역적 열이다. 마지막으로, 줄 가열로 불리는 옴 손실과 관련된 비가역적 열이 있다. 줄 가열은 셀 내에서 리튬 이온과 전자의 이동으로 인해 발생한다. 정상적인 조건에서 자체 생성 열은 매우 낮고 전형적으로 중요하지 않으며 우수한 배터리 설계 또는 배터리 열 관리 시스템을 통해 쉽게 소실될 수 있다. 그러나 남용 조건에서는 열 폭주를 유발하는 몇 가지 부반응이 발생할 수 있다. 열 폭주의 원인을 이해하면 LIB의 안전성과 신뢰성을 개선하기 위한 기능성 재료 설계를 안내할 수 있다.
열 폭주 및 열 폭주 전파 개요
열 폭주는 내부 반응 속도가 회수할 수 있는 것보다 더 많은 열이 발생하는 지점까지 증가할 때 발생할 수 있으며 이에 따라 반응 속도와 발열이 모두 더 증가한다. 열 폭주 동안 고온은 배터리에서 일련의 발열 반응을 유발하여 배터리 온도를 급격히 증가시킨다. 많은 경우에 하나의 배터리 셀에서 열 폭주가 발생하면 발생된 열이 열 폭주가 발생한 셀에 근접한 셀을 빠르게 가열한다. 열 폭주 반응에 추가되는 각 셀은 반응을 계속하기 위한 추가 에너지를 포함하여 배터리 팩 내에서 열 폭주 전파를 야기하고(도 3) 결국 화재나 폭발과 같은 재앙으로 이어진다. 신속한 방열과 효과적인 열 전달 경로 차단은 열 폭주 전파로 인한 위험을 줄이기 위한 효과적인 대책이 될 수 있다.
열 폭주 유도 - 남용 조건
열 폭주는 기계적 남용, 전기적 남용 및 열 남용을 포함한 다양한 종류의 남용에 의해 유발될 수 있다(도 3). 각 유형의 남용은 배터리에 내부 단락(ISC)을 유발하여 온도를 상승시킬 수 있다. 남용 조건은 외부 또는 내부적으로 개시될 수 있다. 예를 들어 서비스로 인한 스트레스, 노후화, 설계 오류 예를 들어, 셀 간격, 셀 상호연결 스타일, 셀 폼 팩터, 제조, 작동 및 유지 관리와 같은 구성 매개 변수는 다양한 종류의 남용을 유발할 수 있는 내부 요인이다. 외부 요인은 셀의 낙하 또는 셀 침투와 같은 LIB의 손상 또는 상해가 포함된다.
기계적 남용
기계적 남용은 주로 기계적 힘에 의해 발생하며 통상적으로 충돌, 압착, 관통 및 굽힘을 포함한 심각한 자동차 충돌과 같은 외부 요인으로 인해 발생한다. 배터리 또는 배터리 팩이 충격을 받거나 충돌할 경우 분리막의 파열 및 가연성 전해질의 누출을 포함하여 배터리 내부의 잠재적 손상이 발생할 수 있으며 ISC가 개시되어 열 폭주가 야기될 수 있다. 적용된 힘으로 인한 파괴적인 변형과 변위는 기계적 남용의 두 가지 통상적인 특징이다. 차량 충돌 시 배터리 팩이 변형될 수 있다. 전기 자동차에 탑재된 배터리 팩의 레이아웃은 배터리 팩의 충돌 반응에 영향을 미친다. 배터리 팩의 변형은 위험한 결과를 초래할 수 있고 배터리 분리막이 찢어지고 내부 단락(ISC)이 발생할 수 있고 가연성 전해질이 누출되어 잠재적으로 화재가 발생할 수 있다. 침투는 차량 충돌 중에 발생할 수 있는 또 다른 통상적인 현상이다. 크러시 조건과 비교하여 침투가 시작되면 치열한 ISC가 순간적으로 트리거링될 수 있다. 기계적 파손과 전기적 단락이 동시에 발생하며 침투의 남용 조건은 단순한 기계적 또는 전기적 남용보다 더 심할 수 있다.
전기적 남용
전기적 남용은 주로 LIB의 내부 또는 외부 단락, 과충전 및 과방전을 포함한다.
내부 단락은 남용 조건의 90% 초과에서 발생한다. 대체로 내부 단락은 배터리 분리막의 고장으로 인해 양극과 음극이 마주칠 때 발생한다. 내부 단락은 (1) 기계적 남용으로 인해 분리막이 침투 또는 크러시에 의해 파손될 때; (2) 전기적 남용에 의해 분리막이 덴드라이트 성장에 의해 천공될 때(도 4); 및 (3) 열 남용에 의해 분리막이 고온에서 붕괴될 때 야기될 수 있다.
전압차가 있는 전극이 도체로 연결될 때 외부 단락이 형성된다. 배터리 팩의 외부 단락은 차량 충돌 시 변형, 침수, 도체 오염, 유지보수 시 감전 등에 의해 발생할 수 있다. 침투와 비교하여 일반적으로 외부 단락의 회로에서 방출되는 열은 셀을 가열하지 않는다. 외부 단락은 배터리에 큰 전류와 높은 열을 발생시킬 수 있으며, 이는 주로 옴 열 발생으로 인해 야기된다. 온도가 약 70 ℃를 초과하기 시작하면 셀이 파열되기 시작한다. 결과적으로 배기 및 전해질 누출이 트리거링될 수 있다.
과충전은 설계 전압 초과로 배터리를 충전하는 것으로 정의될 수 있다. 과충전은 높은 특정 전류 밀도, 공격적인 충전 프로파일 등에 의해 유발될 수 있으며, 이는 배터리의 전기화학적 성능 및 안전성에 심각한 영향을 미치는 양극에 Li 금속 침착; 산소를 방출하는 음극 재료의 분해; 및 열 및 기체 생성물(H2, 탄화수소, CO 등)을 방출하는 유기 전해질의 분해를 포함하는 일련의 문제를 발생시킬 수 있다. 과충전 공정은 세 상태로 나눌 수 있다. 제1 상태에서, (1) 전압과 온도가 영향을 받지 않고 실질적으로 변하지 않는다. 제2 상태에서, (2) 리튬 덴드라이트 증착은 전압 플랫폼에서 발생한다. 제3 상태에서, (3) 열과 가스가 발생하면서 전압이 급격하게 떨어져 배터리에 열 폭주가 발생한다.
과방전은 또 다른 가능한 전기적 남용 조건이다. 일반적으로 배터리 팩 내의 셀 간 전압 불일치는 피할 수 없다. 따라서 배터리 관리 시스템이 임의의 단일 셀의 전압을 모니터링하지 못하면 전압이 가장 낮은 셀이 과방전된다. 과방전 남용의 메커니즘은 다른 메커니즘과 상이하며 잠재적인 위험이 과소 평가될 수 있다. 배터리 팩에서 전압이 가장 낮은 셀은 과방전 시 직렬로 연결된 다른 셀에 의해 강제로 방전될 수 있다. 강제 방전 시 극이 반전되어 셀의 전압이 음이 되어 과방전된 셀에서 비정상적인 발열이 발생한다.
열 남용
열 남용은 전형적으로 과열로 인해 트리거링된다. 리튬 이온 배터리의 과열은 기계적 남용, 전기적 남용 및 커넥터의 접촉 손실로 인해 발생할 수 있다. 전형적으로 정상적인 작동 온도에서 LIB는 안정적이지만 특정 온도 초과에서는 LIB 안정성을 예측할 수 없고 상승된 온도에서 배터리 케이스 내 화학 반응은 가스를 생성하여 배터리 케이스 내부 압력이 증가한다. 이들 가스는 음극과 추가로 반응하여 더 많은 열을 방출하고 산소가 있는 상태에서 전해질을 점화할 수 있는 배터리 내부 또는 배터리에 인접하여 온도를 생성한다. 전해질이 연소될 때 산소가 생성되어 추가 연료 연소가 야기된다. 일부 시점에서 배터리 케이스 내부에 압력이 가해지면 배터리 케이스가 파열된다. 배출되는 가스는 발화하여 연소할 수 있다.
기계적, 전기적, 열 남용 조건에 의한 열 폭주는 지속적인 열 발생을 유도하여 결과적으로 배터리 내부 온도에서 발생할 수 있다. 온도가 증가함에 따라 일련의 연쇄 반응이 여러 상태에서 발생할 수 있다. 열 폭주는 연쇄 반응의 메커니즘을 따르고 예를 들어, 물리적 및/또는 화학적 공정 동안 배터리 구성요소 재료의 분해 반응이 차례로 발생된다(도 3).
열 폭주 중 연쇄 반응 개요
이러한 물리적 및/또는 화학적 공정의 진화를 이해하면 LIB의 열 폭주에 대한 완화 전략을 개발하는 데 도움이 된다. LIB는 상태 I: 저온(<0 ℃), 상태 II: 정상 온도(0~90 ℃) 및 상태 III: 고온(>90 ℃)을 포함하는 상이한 온도 상태 또는 체제(도 5)에서 열 폭주에 대해 서로 다른 유도를 가질 수 있다.
상태 I에서, LIB는 저온으로 인해 전기화학 반응 속도가 감소하므로 효율적으로 작동할 수 없다. 더 낮은 온도에서, 전극 재료의 활동성 감소와 전해질 내 리튬-이온 확산 속도로 인해 배터리 성능이 급격히 저하된다. 저온에서 감속된 화학 반응의 결과에는 원치 않는 Li 증착, 도금 및 덴드라이트 성장이 포함된다. 덴드라이트는 배터리의 리튬 도금에 형성될 수 있는 트리형 구조이다. 이들은 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 다공성 플라스틱 필름인 배터리 분리막을 빠르게 관통할 수 있다(도 4). 셀 내에서 Li 증착 및 덴드라이트 성장은 저온에서 열 폭주를 유발하는 주요 원인으로 간주된다. 이론에 얽매이지 않고 원치 않는 Li 증착물 및 덴드라이트가 배터리에서 ISC를 유발하여 열 폭주로 이어질 수 있다고 여겨진다.
상태 Ⅱ(상온 작동)에서, 열 폭주 공정에서 발생하는 열에 비해 발열이 최소이다. 이 작동 상태에서 발생하는 열은 주로 고체 및 액체 상태의 Li 이온 확산, 고체-액체 계면에서의 전기화학 반응 및 부반응에 의해 야기된다. 발열은 배터리 내부의 온도 상승 및 온도 차이를 유발할 수 있으며, 이러한 온도 차이는 리튬 이온 배터리의 수명 및 안전에 영향을 미칠 수 있다. 상태 II 동안, 초기 과열은 배터리 과충전, 과도한 온도 노출, 잘못된 배선으로 인한 외부 단락 또는 셀 결함으로 인한 내부 단락과 같은 전술된 적어도 하나의 내부 또는 외부 유도의 결과로 발생할 수 있다. 초기 과열이 시작되면 온도가 90 ℃를 향해 상승함에 따라 배터리 작동이 정상에서 비정상 상태로 변경된다. 온도가 40 ℃를 초과함에 따라 부반응 속도가 빨라져 리튬 이온 배터리의 수명이 단축될 수 있으며, 온도가 90 ℃ 이상에 근접할 때 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 필름의 분해가 유발될 수 있으며, 이는 열 폭주의 시작으로 정의된다. SEI는 처음 몇 번의 충전 사이클 동안 리튬 이온 배터리의 양극에서 생성된다. SEI는 양극 표면에 패시베이션 층을 제공하여 추가 전해질 분해를 억제하고 많은 응용 분야에 필요한 긴 캘린더 수명을 제공한다. SEI의 초기 분해는 전체 열 폭주 공정에서 발생하는 제1 부반응으로 간주된다. SEI의 초기 분해는 80~120 ℃에서 발생되며 피크는 약 100 ℃에 위치한다. 개시 온도는 SEI 분해가 57 ℃만큼 낮은 온도에서 시작될 수 있는 것으로 보고되는 왕(Wang) 등의 (Thermochim. Acta 437 (2005) 12-16)와 같이 80 ℃ 미만일 수 있다.
SEI의 분해
상태 III가 시작되면 내부 온도가 빠르게 상승하여 SEI 필름이 분해된다. SEI 층은 주로 안정한(예컨대 LiF 및 Li2CO3) 및 준안정적(예컨대 폴리머, ROCO2Li, (CH2OCO2Li)2 및 ROLi) 구성요소로 구성된다. 그러나 준안정 구성요소는 대략 >90 ℃에서 발열 분해되어 인화성 가스와 산소를 방출할 수 있다. SEI 필름의 분해는 열 폭주(thermal runaway)의 시작으로 간주되며, 이후 일련의 발열 반응이 트리거링된다.
SEI의 분해와 함께 온도가 상승하고 양극의 리튬 금속 또는 삽입된 리튬이 전해질의 유기 용매와 반응하여 인화성 탄화수소 가스(에탄, 메탄 등)를 방출한다. 이는 온도를 더 높이는 발열 반응이다.
분리막의 분해
T > ~130 ℃일 때 폴리에틸렌(PE)/폴리프로필렌(PP) 분리막이 녹기 시작하여 상황이 더욱 악화되고 음극과 양극 사이에 단락이 발생한다. PE/PP 분리막의 용융은 열 흡착 공정이지만 분리막 용융으로 인한 ISC는 열 폭주 공정을 더욱 악화시킨다.
가스 배출 및 전해질 분해
T > ~180 ℃일 때, ISC에 의해 발생된 열은 리튬 금속 산화물 음극 재료의 분해를 유발하고 결과적으로 산소를 방출한다. 음극의 분해는 또한 매우 발열성이어서 온도와 압력을 더욱 증가시키고 결과적으로 반응 속도를 더욱 높인다. 열 축적 및 가스 방출(산소 및 가연성 가스)은 리튬 이온 배터리의 연소 및 폭발을 유발한다.
열 폭주 공정에서 ISC에 의한 발열은 2%에 불과하고 SEI층 분해, 전해질 분해 등을 포함하는 화학 반응이 98%이다. 음극과 양극 사이의 신속한 산화-환원 반응에 의해 발열의 최대 비율이 야기되고(약 48%) 반면 양극, 음극 및 전해질에서 다른 화학 반응의 발열은 훨씬 더 작다. 가장 작은 발열은 SEI 필름의 분해이다.
열 폭주에 대한 완화 전략의 필요성
배터리 열 폭주로 이어지는 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 배터리 구성요소의 합리적인 설계를 통해 안전 위험을 줄이는 것을 목표로 많은 접근 방식이 연구되고 있다. 이러한 계단식 열 폭주 이벤트가 발생하지 않도록 LIB는 전형적으로 저장된 에너지를 충분히 낮게 유지하거나 또는 배터리 모듈 또는 팩 내의 셀들 사이에 충분한 절연 재료를 이용하여 인접한 셀에서 발생할 수 있는 열 이벤트로부터 셀을 절연하거나 또는 이들의 조합을 위해 설계된다. 전자는 이러한 장치에 잠재적으로 저장될 수 있는 에너지의 양을 심각하게 제한한다. 후자는 셀을 얼마나 가깝게 배치할 수 있는지를 제한하여 유효 에너지 밀도를 제한한다. LIB의 열 폭주 가능성을 완화하기 위해 효과적인 절연 및 방열 전략이 필요하다.
LIB에 사용되는 현재 방열 방법론
계단식 열 폭주를 방지하면서 에너지 밀도를 최대화하기 위해 현재 다양한 방법론이 사용되고 있다. 한 가지 접근 방식은 셀들 또는 셀 클러스터 사이에 충분한 양의 절연을 통합하는 것이다. 이 접근 방식은 일반적으로 안전 측면에서 바람직하다고 고려되지만 이 접근 방식에서는 필요한 절연 재료의 부피와 결합된 열을 포함하는 절연 재료의 능력이 달성할 수 있는 에너지 밀도의 상한을 결정한다. 또 다른 접근 방식은 상 변화 재료를 사용하는 것이다. 이러한 재료는 특정 고온에 도달하면 흡열 상변화를 겪는다. 흡열 상변화는 생성되는 열의 일부를 흡수하여 국부적인 영역을 냉각한다. 전형적으로 전기 저장 장치의 경우 이러한 상 변화 재료는 예를 들어 왁스 및 지방산과 같은 탄화수소 재료에 의존한다. 이러한 시스템은 냉각에 효과적이지만 자체적으로 가연성이 있으므로 저장 장치 내에서 점화가 발생하면 열 폭주를 방지하는 데 도움이 되지 않는다. 팽창성 재료의 통합은 계단식 열 폭주를 방지하기 위한 또 다른 전략이다. 이러한 재료는 지정된 온도 초과에서 팽창하여 경량이고 필요할 때 단열 기능을 제공하도록 설계된 숯을 생성한다. 이러한 재료는 절연 이점을 제공하는 데 효과적일 수 있지만 저장 장치 설계 시 재료의 팽창을 고려해야 한다.
LIB의 시스템의 기계적 요구 사항을 충족하는 신규한 열 장벽의 필요성
충전 및 방전 동안 양극 및 음극의 팽윤은 셀의 치수 변화(팽윤)를 초래할 수 있다. 예를 들어, 실리콘은 층간삽입 동안 최대 300%의 전형적인 부피 변화가 있고 흑연은 약 10%의 부피 팽창이 있다. 이 변화는 가역적 구성요소와 비가역적 구성요소를 모두 가지고 있으며 크기는 정확한 셀 화학에 의존된다. 셀 두께의 가역적 변화는 셀의 충전 상태(SOC)에만 의존하며 두께가 2% 초과로 증가할 수 있다. 셀의 비가역적 팽윤은 셀 내부의 압력 증가와 관련이 있으며 SEI의 형성으로 인해 발생한다. 이 변화의 최대 구성요소는 SEI가 초기에 형성되는 제1 충전 사이클 동안 발생하지만 팽윤은 셀 수명 동안 지속된다.
열 폭주 문제를 방지하기 위해 유리한 열 특성을 가진 신규한 재료를 제조하기 위해 광범위한 연구가 수행되었지만 이러한 재료의 중요성에도 불구하고 이러한 재료의 기계적 특성은 그다지 주목받지 못했다. 예를 들어, 셀 수명 동안 계속되는 셀의 팽윤을 수용하기 위해 압축 변형에 대한 저항을 제공할 수 있는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 내의 셀들 사이에 사용되는 효과적인 열 장벽이 필요하다. 추가로 배터리 모듈의 초기 조립 시 전형적으로 셀들 사이의 재료에 1MPa 이하의 비교적 낮은 하중이 가해진다. 배터리 모듈 또는 배터리 팩 내의 셀이 충전/방전 사이클 동안 팽창하거나 팽윤될 때 셀들 사이의 재료에 최대 약 5 MPa의 하중이 가해질 수 있다. 따라서 재료의 압축성, 압축 탄성 및 컴플라이언스(예를 들어, 셀들 사이의 열 장벽)는 중요한 특성이다.
따라서 열 폭주 조건에서 효과적인 단열을 제공하고 정상적인 조건에서 효과적인 열 방출을 제공하려면 LIB 시스템의 기계적 요구 사항을 충족하는 새로운 열 장벽이 필요하다.
본 개시의 목적은 재충전가능 배터리, 예를 들어 리튬-이온 배터리에서 열 폭주를 방지하거나 완화하기 위한 상기 언급된 이전의 방법 및 재료의 적어도 하나의 단점을 제거하거나 완화하는 것이다. 본원에 제공된 다층 재료는 리튬-이온 배터리의 안정성을 향상시키도록 설계된다.
특히, 본 발명의 목적은 배터리 모듈 또는 배터리 팩에서 열 전파 문제를 해결하고, 하나의 셀이 열 폭주가 있을 때 열 전파를 중지 또는 완화하기 위해 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용되는 다층 재료를 제공하는 것이다. 본 발명의 다층 재료의 고유한 구성은 셀들 사이의 열 전파 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다.
완화 전략은 재료 수준, 셀 수준 및 시스템 수준에서 작동하여 리튬-이온 배터리와 같은 충전가능 배터리를 사용하는 에너지 저장 시스템의 전반적인 안전을 보장할 수 있다. 본 발명에 따른 다층 재료는 다음 완화 단계 중 적어도 하나를 수행할 수 있다: (1) 남용 조건의 가능성 감소, (2) 일단 발생하는 남용 조건 제거, (3) 남용 조건에 대해 배터리 셀의 열 안정성 향상, (4) 정상 작동 조건 및 열 폭주 경우에 방출되는 에너지의 감소, 및 (5) 전파 위험을 완화하고 제한된 영역에서 손상의 제한.
본 발명의 다른 목적은 하나의 셀의 열 폭주에 의한 열 손상으로부터 배터리 팩을 보호하고 배터리 팩 또는 모듈의 안전한 설계를 보장할 수 있는 본 발명에 따른 다층 재료를 포함하는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
일 일반적인 양태에서, 본 개시는 에어로겔 조성물, 예를 들어, 내구성이며 다루기에 용이하고, 사용되는 재료의 두께 및 중량을 최소화하면서, 열 전파 및 화재 전파에 대한 유리한 내성을 지니고 있고, 또한 압축성, 압축 탄성, 및 컴플라이언스를 갖는 강화 에어로겔 조성물을 포함하는 신규한 다층 재료를 제공한다. 예를 들어, 본원에 개시된 양태에 따른 다층 재료는 에어로겔 조성물 또는 강화 에어로겔 조성물을 포함하는 적어도 하나의 절연 층을 포함할 수 있다.
일 일반적인 양태에서, 본원에 기재된 다층 재료는 배터리 셀 또는 임의의 구성의 배터리의 배터리 구성요소, 예를 들어, 파우치 셀, 실린더형 셀, 프리즘 셀, 뿐만 아니라, 임의의 이러한 셀을 통합하고 있거나 이를 포함하는 팩 및 모듈을 분리시키고, 절연시키고, 보호하기에 유용하다. 본원에 개시된 다층 재료는 리튬 이온 배터리, 전고체 배터리, 및 임의의 다른 에너지 저장 장치 또는 분리, 절연 및 보호가 필요한 기술과 같은 재충전가능 배터리에서 유용하다.
일 일반적인 양태에서, 본 발명은 파워 배터리의 방열 성능과 열 폭주 보호 성능을 동시에 개선하기 위해 사용되는 배터리 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다. 도 6을 언급하면, 전력 구동 및 에너지 저장 시스템에서, 배터리 모듈(200)을 형성하기 위해 미리 선택된 구성(예를 들어, 병렬, 직렬 또는 조합)으로 다수의 셀(100)이 함께 포장되는 것이 통상적이다. 다수의 이러한 배터리 모듈은 차례로 조합되거나 결합되어 당업계에 공지된 것과 같은 다양한 배터리 팩(300)을 형성할 수 있다. 작동 및 방전 중에 이러한 전지, 배터리 모듈 또는 배터리 팩은 통상적으로 그 결과로 발생하는 성능에 심각한 악영향을 미칠 수 있는 양의 열을 생성하거나 발생시킨다. 따라서, 이러한 셀 또는 생성된 배터리 모듈 또는 배터리 팩에 의해 원하는 또는 최적의 성능을 유지하기 위해, 일반적으로 상당히 좁은 규정 범위 내에서 이러한 셀, 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 온도를 유지하는 것이 중요하다. 이러한 셀, 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 온도를 최적 범위 내에서 유지하는 것이 본 발명의 목적이다.
규정된 범위 내에서 셀의 온도를 유지하는 것에 추가로 셀의 구조적 무결성을 유지하는 것이 목적이다. 셀 내의 재료는 배터리 작동 중 부피 변화를 수용할 수 있도록 유연하고 탄력적이어야 한다. 일부 실시예에서, 재료는 열 이벤트 후 또는 동안에 구조적 무결성을 유지하기 위해 난연성 또는 내화성이어야 한다.
일 양태에서, 전기 에너지 저장 시스템 내에 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료가 본원에 제공되며, 이는 적어도 하나의 절연 층과 적어도 하나의 열 용량 층의 적층 조립체를 포함하는 코어 부분을 포함하고, 상기 층들은 이의 최대 표면에 수직한 방향으로 교대로 적층되고 이는 코어 부분의 외부에 배치된 외부 부분을 포함하고, 외부 부분은 압축가능 패드를 포함하는 적어도 하나의 희생 재료 층 및 폴리머, 엘라스토머 또는 이들의 조합으로부터 선택된 적어도 하나의 캡슐화 재료 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 희생 재료 층은 약 20kPa 내지 약 100kPa, 예를 들어, 약 27kPa 내지 약 55kPa에서 25% 압축력 편향(CFD)을 갖는다.
또 다른 양태에서, 전기 에너지 저장 시스템 내에 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료가 본원에 제공되며, 이는 적어도 하나의 절연 층과 적어도 하나의 열 용량 층의 적층 조립체를 포함하는 코어 부분을 포함하고, 상기 층들은 이의 최대 표면에 수직한 방향으로 교대로 적층되고 이는 코어 부분의 외부에 배치된 외부 부분을 포함하고, 외부 부분은 적어도 하나의 희생 재료 층 및 폴리머, 엘라스토머 또는 이들의 조합으로부터 선택된 적어도 하나의 캡슐화 재료 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 희생 재료 층은 약 20kPa 내지 약 100kPa, 예를 들어, 약 27kPa 내지 약 55kPa에서 25% 압축력 편향(CFD)을 갖는다.
일 양태에서, 전기 에너지 저장 시스템 내에 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료가 본원에 제공되며, 이는 적어도 하나의 절연 층을 포함하는 코어 부분 및 코어 부분의 외부에 배열된 외부 부분을 포함하고, 외부 부분은 약 1 MPa 내지 약 12 MPa의 압축 계수를 갖는 압축가능 패드를 포함하는 적어도 하나의 희생 금속 층 및 폴리머, 엘라스토머 또는 이들의 조합으로부터 선택된 적어도 하나의 캡슐화 재료 층을 포함하고, 캡슐화 재료 층은 외부 부분의 희생 재료 층과 코어 부분 사이에 개재된다. 일부 실시예에서, 코어 부분은 적어도 약 200 J/(kg-K)의 비열 용량을 갖는 적어도 하나의 열 용량성 층을 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 코어 부분은 이의 최대 표면에 수직한 방향으로 교대로 적층되는 적어도 하나의 열 용량성 층 및 적어도 하나의 절연 층의 적층 조립체를 포함한다. 일부 실시예에서, 코어 부분은 상기 열 전도성 층의 면내 치수를 따라 적어도 약 200 mW/m-K의 열 전도율을 갖는 적어도 하나의 열 전도성 층을 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 코어 부분은 이의 최대 표면에 수직한 방향으로 교대로 적층되는 적어도 하나의 열 용량성 층 및 적어도 하나의 절연 층의 적층 조립체를 포함한다
또 다른 양태에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료가 본원에 제공되며, 상기 다층 재료는 약 1MPa 내지 약 12MPa의 압축 계수를 갖는 적어도 하나의 압축가능 패드를 포함하는 2개의 측면을 갖는 코어 층 및 선택적으로 적어도 하나의 열 전도성 층 및/또는 적어도 하나의 열 용량성 층을 갖는 코어 층을 포함하고, 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 열 전도율을 갖는 2개의 절연 층을 포함하고, 코어 층은 2개의 절연 층에 의해 개재되고, 선택적으로 적어도 하나의 열 전도성 층은 적어도 약 200 mW/m-K의 평면 내 열 전도율을 가지며, 선택적으로 적어도 하나의 열 용량성 층은 적어도 약 200 J/(kg-K)의 비열 용량을 가지며, 다층 재료는 폴리머, 엘라스토머 또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택되는 캡슐화 재료에 선택적으로 캡슐화된다. 일부 실시예에서, 코어 층은 화염 저항 층을 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 코어 층은 선택적으로 적어도 하나의 열 전도성 층 및 선택적으로 적어도 하나의 열 용량성 층이 없다. 일부 실시예에서, 코어 층은 2개의 열 전도성 층을 포함하고, 하나의 압축가능 재료 층을 포함하며, 압축가능 재료 층은 2개의 열 전도성 층에 의해 개재된다. 일부 실시예에서, 코어 층은 선택적으로 적어도 하나의 열 용량성 층 및 적어도 하나의 열 전도성 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 코어 층은 2개의 열 용량성 층 및 하나의 압축가능 재료 층을 포함하고, 압축가능 재료 층은 2개의 열 용량성 층에 의해 개재된다. 일부 실시예에서, 코어 층은 하나의 열 용량성 층 및 2개의 압축가능 재료 층을 포함하고, 열 용량성 층은 2개의 압축가능 재료 층에 의해 개재된다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 2개의 열 용량성 층을 추가로 포함하고, 각각의 열 용량성 층은 각각의 절연 층의 외부 표면 상에 배열된다.
임의의 상기 양태의 실시예는 하나 이상의 다음의 특징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 캡슐화 재료 층은 코어 부분과 희생 재료 층 사이에 개재된다. 일부 실시예에서, 희생 재료 층은 코어 부분과 캡슐화 재료 층 사이에 개재된다. 일부 실시예에서, 희생 재료 층은 실록산, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 페놀, 멜라민, 셀룰로오스 아세테이트 및 폴리스티렌으로 구성된 그룹에서 선택된 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 희생 재료 층은 발포체의 형태이다. 하나 이상의 실시예에서, 희생 재료 층의 화학적 분해 개시 온도는 약 200 ℃ 내지 약 400 ℃ 범위이다.
일부 실시예에서, 외부 부분은 내마모성 재료, 팽창성 재료, 난연성 재료, 화염 방지 재료 또는 이들의 조합의 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 층을 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 열 용량성 층은 적어도 약 200 J/(kg-K)의 비열 용량을 갖는다. 일부 실시예에서, 열 용량성 층은 상 변화 재료이다. 일부 실시예에서, 열 용량성 층은 스테인리스 스틸을 포함한다.
일부 실시예에서, 캡슐화 재료 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 층이다.
일부 실시예에서, 캡슐화 재료 층은 캡슐화 층과 코어 부분 사이에 배열된 금속 층을 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 절연 층은 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 상기 절연 층의 두께 치수를 통한 열 전도성을 갖는다. 일부 실시예에서, 절연 층은 에어로겔을 포함한다. 일부 실시예에서, 절연 층은 운모, 미세다공성 실리카, 세라믹 섬유, 광물 울 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 일부 경우에, 절연 층에 에어로겔이 부족하고, 절연 층은 운모, 미세다공성 실리카, 세라믹 섬유, 광물 울 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, 열 전도성 층은 적어도 약 200 mW/m-K의 상기 열 전도성 층의 평면 내 열 전도율을 갖는다. 일부 실시예에서, 열 전도성 재료는 금속, 탄소, 전도성 폴리머 또는 이들의 조합을 포함하는 적어도 하나의 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층은 상 변화 재료이다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층은 알루미늄, 구리 및 스틸로부터 선택된 금속이다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층은 바람직하게는 환경에 대한 국부적 열 하중으로부터 열을 전도한다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층은 메시, 시트, 천공 시트, 호일 및 천공 호일로 구성된 그룹으로부터 선택된 형태이다. 일부 실시예에서, 절연 층, 예를 들어 25 ℃에서 에어로겔의 두께 치수를 통한 열 전도율은 최대 약 5 MPa의 하중 하에서 미미한 양을 증가시키거나 동일하게 유지한다. 일부 실시예에서, 상기 절연 층의 두께 치수를 통한 열 전도율은 최대 약 5 MPa의 하중 하에서 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만이다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층은 알루미늄을 포함한다.
일부 실시예에서, 에어로겔을 포함하는 절연 층은 강화 재료를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 강화 재료는 유기 폴리머 기반 섬유, 무기 섬유, 탄소 기반 섬유 또는 이들의 조합으로부터 선택된 섬유이다. 일부 실시예에서, 섬유는 이산 섬유, 직포 재료, 건식 부직포 재료, 습식 부직포 재료, 바느질된 부직포, 탄 솜(batting), 웹, 매트, 펠트, 및/또는 이들의 조합물의 형태이다. 일부 실시예에서, 무기 섬유는 유리 섬유, 암석 섬유, 금속 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유, 현무암 섬유 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 하나 이상의 실시예에서, 에어로겔은 실리카-기반 에어로겔을 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 에어로겔은 하나 이상의 첨가제를 포함하고, 첨가제는 에어로겔의 적어도 약 5 내지 40 중량%, 바람직하게는 적어도 약 5 내지 20 중량%의 수준, 보다 바람직하게는 에어로겔의 적어도 약 5 내지 20 중량%의 수준, 더욱 바람직하게는 에어로겔 중량의 적어도 약 10 내지 20 중량%의 수준으로 존재한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 첨가제는 화재-등급 첨가제를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 첨가제는 B4C, 규조토, 망간 페라이트, MnO, NiO, SnO, Ag2O, Bi2O3, TiC, WC, 카본 블랙, 티타늄 옥사이드, 아이언 티타늄 옥사이드, 지르코늄 실리케이트, 지르코늄 옥사이드, 아이언(I) 옥사이드, 아이언(III) 옥사이드, 망간 디옥사이드, 아이언 티타늄 옥사이드(일메나이트), 크롬 옥사이드 또는 이의 혼합물로부터 선택된 혼탁화제를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 첨가제는 실리콘 카바이드를 포함하는 혼탁화제를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 첨가제는 화재-등급 첨가제 및 혼탁화제의 조합을 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 에어로겔은 약 0.25 g/cc 내지 약 1.0 g/cc 범위의 밀도를 갖는다. 일부 실시예에서, 에어로겔은 약 2MPa 내지 약 8MPa의 굽힘 계수를 갖는다. 일부 실시예에서, 약 70 ℃에서 약 10% 내지 약 25% 범위의 압축 세트를 갖는다. 일부 실시예에서, 에어로겔은 압축 저항을 나타내고, 25% 변형에서의 압축 저항은 약 40 kPa 내지 약 180 kPa 사이이다. 하나 이상의 실시예에서, 에어로겔은 단일체, 비드, 입자, 과립, 분말, 박막, 시트 또는 이들의 조합의 형태이다.
일부 실시예에서, 열 전도성 재료는 금속, 탄소, 전도성 폴리머 또는 이들의 조합을 포함하는 적어도 하나의 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층은 상 변화 재료이다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층은 알루미늄, 구리 및 스틸로부터 선택된 금속이다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층은 바람직하게는 환경에 대한 국부적 열 하중으로부터 열을 전도한다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층은 메시, 시트, 천공 시트, 호일 및 천공 호일로 구성된 그룹으로부터 선택된 형태이다. 일부 실시예에서, 절연 층, 예를 들어 25 ℃에서 에어로겔의 두께 치수를 통한 열 전도율은 최대 약 5 MPa의 하중 하에서 미미한 양을 증가시키거나 동일하게 유지한다. 일부 실시예에서, 상기 절연 층의 두께 치수를 통한 열 전도율은 최대 약 5 MPa의 하중 하에서 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만이다.
다른 양태에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료가 본원에 제공된다. 다층 재료는 적층 조립체를 포함하는 코어 부분을 포함하고, 적층 조립체는 적어도 하나의 열 용량성 층 및 적어도 하나의 절연 층을 포함한다. 외부 부분은 코어 부분의 외측에 배열되고 외부 부분은 적어도 하나의 희생 재료 층을 포함하고, 희생 재료 층은 약 20kPa 내지 약 100kPa에서, 예를 들어, 약 27kPa 내지 약 55kPa에서 25% 압축력 편향(CFD)을 갖는 압축가능 패드를 포함한다. 열 용량성 층은 적어도 약 200 J/(kg-K)의 비열 용량을 가지며, 절연 층은 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 열 전도율을 갖는다.
다른 양태에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료가 본원에 제공된다. 다층 재료는 적층 조립체를 포함하는 코어 부분을 포함하고, 적층 조립체는 적어도 하나의 열 용량성 층 및 적어도 하나의 절연 층을 포함한다. 외부 부분은 코어 부분의 외측에 배열되고 외부 부분은 적어도 하나의 희생 재료 층을 포함하고, 희생 재료 층은 약 20kPa 내지 약 100kPa에서, 예를 들어, 약 27kPa 내지 약 55kPa에서 25% 압축력 편향(CFD)을 갖는다. 열 전도성 층은 적어도 약 200 mW/m-K의 열 전도성 층의 평면 내 치수를 따라 열 전도율을 갖는다. 열 전도성 층은 적어도 약 200 mW/m-K의 열 전도성 층의 평면 내 치수를 따라 열 전도율을 가지며, 절연 층은 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 열 전도율을 갖는다.
일 양태에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료는 적어도 하나의 열 전도성 층 및/또는 적어도 하나의 열 용량성 층 및 약 1 MPa 내지 약 12 MPa의 압축 계수를 갖는 적어도 하나의 압축가능 재료 층을 포함하는 코어 층을 포함한다. 다층 재료는 또한 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 상기 절연 층의 두께 치수를 통한 열 전도율을 갖는 2개의 절연 층을 또한 포함한다. 코어 층은 2개의 절연 층에 의해 개재된다. 다층 재료는 캡슐화 재료 내에 선택적으로 캡슐화된다.
일 양태에서, 단일 배터리 셀 또는 배터리 셀 모듈을 서로 열적으로 분리하기 위한 복수의 단일 배터리 셀 또는 배터리 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩에서 상기 양태 중 임의의 것의 다양한 실시예에 따른 다층 재료의 용도가 본원에 제공된다. 일부 실시예에서, 배터리의 한 부분의 하나 이상의 배터리 셀 또는 배터리 셀 모듈에서 발생하는 폭주 이벤트는 배터리의 일부로부터 상기 양태들 중 임의의 하나의 양태에 따라 다층 재료에 의해 분리되는 상기 배터리의 일부에서 배터리 셀 또는 모듈에 손상을 야기하지 않는 배터리의 하나의 부분의 하나 이상의 배터리 셀 또는 배터리 셀의 그룹에서 폭주 이벤트가 발생되고, 폭주 이벤트가 발생된다.
또 다른 양태에서, 단일 배터리 셀 또는 배터리 셀 그룹을 서로 열적으로 분리하기 위한 복수의 단일 배터리 셀 또는 배터리 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩에서 상기 양태 중 임의의 것의 다양한 실시예에 따른 다층 재료의 용도가 본원에 제공된다.
일 양태에서, 본원에는 배터리 모듈이 제공되고, 배터리 모듈은 제1 표면을 갖는 제1 배터리 셀, 제1 표면에 대해 대면하고 제2 표면을 갖는 제2 배터리 셀, 및 제1 표면과 제2 표면 사이에 배열된 임의의 상기 양태의 다양한 실시예에 따른 다층 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 대면하는 제1 및 제2 표면의 표면적의 적어도 약 80%를 덮는다.
또 다른 양태에서, 본원에는 배터리 모듈이 제공되고, 배터리 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀 및 임의의 상기 양태의 다양한 실시예에 따른 다층 재료를 포함하고, 다층 재료는 배터리 모듈의 표면 또는 적어도 하나의 배터리 셀의 표면에 배열된다.
일 양태에서, 본원에는 2개의 인접한 셀 또는 2개의 인접한 모듈 사이에 배열된 복수의 셀 및 스페이서를 포함하는 배터리 팩이 제공되고, 스페이서는 임의의 상기 양태의 다양한 실시예에 따른 다층 재료를 포함한다.
임의의 상기 양태에 따른 배터리 모듈 또는 팩은 배터리 팩으로부터 열을 제거하도록 구성된 냉각 시스템을 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 다층 재료의 적어도 하나의 층은 냉각 시스템과 열 연통한다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층은 냉각 시스템과 열 연통한다.
또 다른 양태에서, 본원에는 임의의 상기 양태에 따른 배터리 모듈 또는 팩을 포함하는 장치 또는 차량이 제공된다. 일부 실시예에서, 상기 장치는 랩탑 컴퓨터, PDA, 휴대폰, 태그 스캐너, 오디오 장치, 비디오 장치, 디스플레이 패널, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 데스크톱 컴퓨터 군용 휴대용 컴퓨터 군용 전화기 레이저 거리 측정기 디지털 통신 장치, 정보 수집 센서, 전자 통합 의류, 야간 투시 장비, 전동 공구, 계산기, 라디오, 원격 제어 기기, GPS 장치, 휴대용 및 포터블 텔레비전, 자동차 시동 장치, 손전등, 음향 장치, 휴대용 난방 장치, 휴대용 진공 청소기 또는 휴대용 의료 도구를 포함한다. 일부 실시예에서, 차량은 전기차이다.
하나 이상의 실시예에서, 임의의 상기 양태에 따른 다층 재료는 압축되지 않은 상태에서 약 2 mm 내지 약 10 mm 범위의 평균 두께를 갖는다.
본원에 기재된 다층 재료는 기존의 열폭주 완화 전략에 비해 하나 이상의 이점을 제공할 수 있다. 본원에 기재된 다층 재료는 배터리 모듈 또는 팩의 에너지 밀도 및 조립 비용에 상당한 영향을 미치지 않으면서 셀 열 폭주 전파를 최소화하거나 제거할 수 있다. 본 개시의 다층 재료는 열 폭주 조건뿐만 아니라 정상 작동 조건 하에서 유리한 열적 특성을 보유하면서 셀의 수명 동안 계속되는 셀의 팽윤을 수용하기 위한 압축성, 압축 탄성 및 컴플라이언스에 대해 유리한 특성을 제공할 수 있다. 본원에 기술된 다층 재료는 내구성이며 다루기에 용이하고, 사용되는 재료의 두께 및 중량을 최소화하면서, 열 전파 및 화재 전파에 대한 유리한 내성을 지니고 있고, 또한 압축성, 압축 탄성, 및 컴플라이언스에 대한 유리한 특성을 갖는다.
따라서 일반적인 용어로 개시가 설명되었고, 이제 반드시 일정한 비율로 도시될 필요는 없는 첨부 도면을 참조할 것이다:
도 1은 Li-이온 배터리의 전기화학 셀의 개략도이다.
도 2는 Li-이온 배터리의 충전-방전 공정의 개략도이다.
도 3은 배터리 모듈 내의 열 폭주 남용 조건 및 열 폭주 전파 공정을 개략적으로 도시한다.
도 4는 배터리의 리튬 도금 상의 덴드라이트 성장의 개략도이다.
도 5는 열 폭주 공정으로 이어지는 3개의 단계를 개략적으로 도시한다.
도 6은 배터리 셀, 배터리 모듈 및 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 7은 본원에 개시된 특정 실시예에 따른 다층 재료를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본원에 개시된 특정 실시예에 따른 다층 재료를 개략적으로 도시한다.
도 9a-e는 본원에 개시된 특정 실시예에 따른 다층 재료를 개략적으로 도시한다.
바람직한 실시예에 대한 이하 상세한 설명에서, 이러한 실시예의 일부를 형성하며, 본 발명이 실행될 수 있는 특정의 실시예를 예를 들어 나타내고 있는 첨부된 도면이 참조된다. 다른 실시예가 이용될 수 있으며, 구조적인 변경이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 에너지 저장 시스템에서 열 폭주 문제를 관리하기 위해 다층 재료 및 상기 다층 재료를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 예시적인 실시예는 적어도 하나의 절연 층, 적어도 하나의 압축가능 패드, 및 유리한 방열 특성을 갖고, 유리한 화재, 화염 및/또는 내마모성을 갖고, 열 장벽으로 사용하기 위한 유리한 성능을 갖는 선택적인 하나 이상의 층을 포함하는 다층 재료를 포함한다. 본 개시는 또한 하나 이상의 배터리 셀 및 배터리 셀과 열 연통하도록 배치된 다층 열 장벽 재료를 갖는 배터리 모듈 또는 팩에 관한 것이다.
본원에 개시된 다층 재료의 하나 이상의 절연 층은 에어로겔 조성물 또는 강화된 에어로겔 조성물을 포함할 수 있다. 에어로겔 재료는 다른 일반적인 절연 유형, 예를 들어, 발포체, 유리 섬유 등의 내열성의 약 2 내지 6배의 내열성을 보유하는 것으로 공지되어 있다. 에어로겔은 절연의 두께를 실질적으로 증가시키거나 추가 중량을 부가하지 않으면서 효과적인 차폐 및 단열을 증가시킬 수 있다. 에어로겔은 낮은 밀도를 갖는 구조, 개방 셀 구조, 큰 표면적, 및 나노미터 규모 기공 크기의 부류인 것으로 공지되어 있다.
본 개시의 실시예에 따른 에어로겔 조성물을 포함하는 다층 재료 및 다층 재료는 압축성, 압축 탄성, 및 컴플라이언스에 유리한 특성을 제공한다. 배터리 모듈 내의 셀들 사이의 열 장벽으로서 사용되는 때에, 다층 재료는 압축 변형에 대한 내성을 제공하여 배터리에 대한 충전/방전 사이클 동안에 활재료의 분해 및 팽윤(swelling)으로 인한 셀의 팽창을 수용할 수 있다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 배터리 셀 및 배터리 셀 상에 또는 배터리 모듈 상에, 예를 들어 적어도 하나의 배터리 셀의 표면 상에 배치된 본원에 개시된 실시예에 따른 다층 재료를 포함하는 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 제공한다. 예를 들어, 배터리 모듈 또는 배터리 팩은 내부 표면 및 외부 표면을 갖는다. 특정 실시예에서, 다층 재료는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 내면 상에 있다. 특정 실시예에서, 다층 재료는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 외부 표면 상에 있다.
본 개시의 다층 재료는 열적 및/또는 기계적으로 유리한 특성을 갖는 하나 이상의 층이 특정 방식으로 배열되는 다양한 독특한 구성을 가질 수 있다. 도 7은 본원에 개시된 실시예에 따른 예시적인 다층 재료(400)를 도시한다. 일 실시예에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료(400)는 절연 층(470, 480) 및 열 용량성 층(430, 440 및/또는 450)의 적층 조립체를 포함하는 코어 부분(700)을 포함하고, 상기 층들은 이의 최대 표면에 수직한 방향으로 교대로 적층되고 이는 코어 부분(700)의 외부에 배치된 외부 부분(600)을 포함하고, 외부 부분(600)은 압축가능 패드를 포함하는 희생 재료 층을 각각 갖는다. 압축가능 패드(410/460)는 약 1 MPa 내지 약 12 MPa의 압축 계수를 갖는다. 캡슐화 재료 층(420)은 폴리머, 엘라스토머 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 열 용량성 층(430, 440, 및 450)은 적어도 약 200 J/(kg-K)의 비열 용량을 갖는다. 절연 층(470, 480)은 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 상기 절연 층의 두께 치수를 통한 열 전도율을 갖는다.
일부 실시예에서, 절연 층(470, 480)은 동일한 재료로 제조된다. 일부 실시예에서, 절연 층(470, 480)은 상이한 열적 및/또는 기계적 특성을 갖는 상이한 재료로 제조된다. 일부 실시예에서, 열 용량성 층(430, 440 및 450)은 동일한 재료로 제조된다. 일부 실시예에서, 열 용량성 층(430, 440, 450)은 상이한 열적 및/또는 기계적 특성을 갖는 상이한 재료로 제조된다. 압축가능 패드(410 및 460)는 또한 상이한 또는 동일한 재료로 제조될 수 있다.
도 8은 본원에 개시된 실시예에 따른 다층 재료(500)를 도시한다. 일 실시예에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료(500)는 적어도 하나의 절연 층(470, 480) 및 적어도 하나의 열 전도성 층(530, 540, 550)의 적층 조립체를 포함하는 코어 부분(700)을 포함하고, 상기 층들은 가장 큰 표면에 수직인 방향으로 교대로 적층된다. 외부 부분(600)은 코어 부분(700)의 외부에 배치된다. 외부 부분(600)는 압축가능 패드를 포함하는 희생 재료 층을 각각 갖는다. 압축가능 패드(410/460)는 약 1 MPa 내지 약 12 MPa의 압축 계수를 갖는다. 캡슐화 재료 층(420)은 폴리머, 엘라스토머 또는 이의 조합으로부터 선택된다. 열 용량성 층(530, 540, 및 550)은 적어도 약 200 mW/m-K의 상기 열 전도성 층의 평면 내 치수를 따라 열 전도율을 갖는다. 절연 층(470 및/또는 480)은 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 상기 절연 층의 두께 치수를 통한 열 전도율을 갖는다.
일부 실시예에서, 열 전도성 층(530, 540, 550)은 동일한 재료로 제조된다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층(530, 540, 550)은 상이한 열적 및/또는 기계적 특성을 갖는 상이한 재료로 제조된다.
일부 실시예에서, 캡슐화 재료 층(420)은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 압축가능 패드(410 및/또는 460)를 갖는 희생 재료 층과 코어 부분(700) 사이에 개재된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 압축가능 패드(410 및/또는 460)를 갖는 희생 재료 층은 코어 부분(700)과 캡슐화 재료 층(420) 사이에 개재된다.
본원에 개시된 실시예에 따른 다층 재료는 압축되지 않은 상태에서 약 2mm 내지 약 10mm 범위의 평균 두께를 가질 수 있다. 다층 재료의 평균 두께는 배터리 모듈의 초기 조립 동안 셀 간 재료에 가해지는 예를 들어 1 MPa 이하의 외부 기계적 하중에 노출되면 감소할 수 있다.
도 9a에 도시된 다층 재료의 예시적인 구성에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료(800)는 약 1MPa 내지 약 12MPa의 압축 계수(예를 들어, 1.5MPa, 2MPa, 4MPa, 5MPa, 6MPa, 8MPa, 9MPa, 10MPa, 11MPa, 11.5MPa)를 갖는 압축가능 패드(410)를 포함하는 2개의 측면을 갖는 코어 층 및 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 열 전도율을 갖는 2개의 절연 층(470 및 480)을 포함한다. 코어 층은 2개의 절연 층(470, 480)에 의해 개재되고, 다층 재료는 폴리머, 엘라스토머 또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택되는 캡슐화 재료(420)에 선택적으로 캡슐화된다.
도 9b에 도시된 다층 재료의 예시적인 구성에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료(810)는 약 1MPa 내지 약 12MPa의 압축 계수를 갖는 적어도 하나의 압축가능 패드(410)를 포함하는 코어 층 및 2개의 열 전도성 층(530, 540)을 포함한다. 다층 재료(801)는 또한 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 열 전도율을 갖는 2개의 절연 층(470 및 480)을 포함하고 코어 층은 2개의 절연 층(470, 480)에 의해 개재되고, 적어도 하나의 열 전도성 층은 약 200 mW/m-K 미만의 평면 내 열 전도율을 가지며, 다층 재료는 폴리머, 엘라스토머 또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택되는 캡슐화 재료(420)에 선택적으로 캡슐화된다.
도 9c에 도시된 예시적인 구성에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료(820)는 약 1MPa 내지 약 12MPa의 압축 계수를 갖는 압축가능 패드(410)를 포함하는 코어 층 및 2개의 열 용량성 층(430, 440)을 포함한다. 코어 층은 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 열 전도율을 갖는 2개의 절연 층(470 및 480)에 의해 개재된다. 열 용량성 층은 적어도 약 200 J/(kg-K)의 비열 용량을 갖는다. 다층 재료는 폴리머, 엘라스토머 또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택되는 캡슐화 재료(420)에 선택적으로 캡슐화된다.
도 9d에 도시된 예시적인 구성에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료(830)는 약 1MPa 내지 약 12MPa의 압축 계수를 갖는 압축가능 패드(410)를 포함하는 코어 층 및 2개의 열 용량성 층(430, 440)을 포함한다. 2개의 절연 층(470, 480)은 코어 층이 개재된, 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 열 전도율을 갖는다. 적어도 하나의 열 용량성 층은 적어도 약 200 J/(kg-K)의 비열 용량을 갖는다. 다층 재료(830)는 각각의 절연 층(470, 480)의 외부 표면 상에 배열된 2개의 추가 열 용량성 층(435, 445)을 추가로 포함한다. 다층 재료는 폴리머, 엘라스토머 또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택되는 캡슐화 재료(420)에 선택적으로 캡슐화된다.
도 9e에 도시된 다층 재료의 예시적인 구성에서, 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료(840)는 약 1MPa 내지 약 12MPa의 압축 계수를 각각 갖는 2개의 압축가능 패드(410, 460)를 포함하는 코어 층 및 하나의 열 용량성 층(430)을 포함한다. 2개의 절연 층(470, 480)은 코어 층이 개재된, 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 열 전도율을 갖는다. 열 용량성 층은 적어도 약 200 J/(kg-K)의 비열 용량을 갖는다. 다층 재료는 폴리머, 엘라스토머 또는 이들의 조합 중 적어도 하나로부터 선택되는 캡슐화 재료(420)에 선택적으로 캡슐화된다. 열 용량성 층(430)은 2개의 압축가능 패드(410, 460)에 의해 개재된다.
절연 층
본원에 기술된 다층 재료의 절연 층은 작은 공간에서 발열 부품으로부터의 열 흐름을 안정적으로 제어하고 전자, 산업 및 자동차 기술 분야에서 이러한 제품에 대한 안전 및 화재 전파 방지를 제공하는 역할을 한다. 압축 특성이 우수한 절연 층은 이러한 요구 사항을 해결하는 데 유용할 수 있다. 본 개시의 많은 실시예에서, 절연 층은 또한 그 자체로 또는 다층 재료의 다른 층과 조합하여 화염/화재 디플렉터 층으로서 기능한다. 예를 들어 절연 층, 예를 들어 에어로겔 층은 금속 또는 운모 층과 같은 난연성 층과 조합하여 미립자 동반된 재료를 갖는 화염/고온 가스로부터 하부 층에 대해 보호를 제공할 수 있다. 다른 예로서, 절연 층 자체는 화염 및/또는 고온 가스뿐만 아니라 미립자 동반된 재료를 갖는 화염/고온 가스에 내성이 있을 수 있다. 난연성 층과 조합된 운모, 미세다공성 실리카, 에어로겔과 같은 절연 층은 화염/화재 디플렉터 층으로 기능할 수 있다. 본원의 실시예에 개시된 것과 같은 에어로겔을 포함하는 절연 층은 내구성이며 다루기에 용이하고, 사용되는 재료의 두께 및 중량을 최소화하면서, 열 전파 및 화재 전파에 대한 유리한 내성을 지니고 있고, 또한 압축성, 압축 탄성, 및 컴플라이언스(compliance)에 대한 유리한 특성을 갖는다.
에어로겔은 상호 연결된 구조의 골격을 포함하는 개방-셀, 골격 내에 통합된 기골의 상응하는 네트워크, 및 공기와 같은 가스를 주로 포함하는 기공의 네트워크 내의 중간 상을 갖는 다공성 재료 부류이다. 에어로겔은 전형적으로는 저밀도, 고 다공성, 큰 표면적 및 작은 기공 크기를 특징으로 한다. 에어로겔은 이들의 물리적 및 구조적 특성에 의해서 다른 다공성 재료와는 차별될 수 있다.
따라서, 일부 실시예에서, 본 개시의 다층 재료의 절연 층은 에어로겔을 포함한다. 일부 실시예에서, 절연 층은 운모, 미세다공성 실리카, 세라믹 섬유, 광물 울 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 더 포함할 수 있다. 일부 경우에, 절연 층에 에어로겔이 부족하다. 일부 실시예에서, 절연 층은 운모, 미세다공성 실리카, 세라믹 섬유, 광물 울 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 본 개시의 절연 층은 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/mK 이하, 약 40 mW/mK 이하, 약 30 mW/mK 이하, 약 25 mW/mK 이하, 약 20 mW/mK 이하, 약 18 mW/mK 이하, 약 16 mW/mK 이하, 약 14 mW/mK 이하, 약 12 mW/mK 이하, 약 10 mW/mK 또는 약 5 mW/mK 이하 또는 이들 값 중 임의의 두 값 사이의 범위의 열 전도율을 갖는다. 특정 실시예에서, 본 개시의 절연 층은 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 600 ℃에서 약 60 mW/mK 이하, 약 50 mW/mK 이하, 약 40 mW/mK 이하, 약 30 mW/mK 이하, 약 25 mW/mK 이하, 약 20 mW/mK 이하, 약 18 mW/mK 이하, 약 16 mW/mK 이하, 약 14 mW/mK 이하, 약 12 mW/mK 이하, 약 10 mW/mK 또는 약 5 mW/mK 이하 또는 이들 값 중 임의의 두 값 사이의 범위의 열 전도율을 갖는다.
본원의 절연 층, 예를 들어 에어로겔을 포함하는 절연 층은 최대 약 5 MPa의 하중 하에서 열 전도율(일반적으로 mW/m-k로 측정됨)의 미미한 양을 유지하거나 증가시킬 수 있다. 특정 실시예에서, 본 개시의 절연 층은 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 최대 약 5 MPa의 하중 하에서 25 ℃에서 약 50 mW/mK 이하, 약 40 mW/mK 이하, 약 30 mW/mK 이하, 약 25 mW/mK 이하, 약 20 mW/mK 이하, 약 18 mW/mK 이하, 약 16 mW/mK 이하, 약 14 mW/mK 이하, 약 12 mW/mK 이하, 약 10 mW/mK 또는 약 5 mW/mK 이하 또는 이들 값 중 임의의 두 값 사이의 범위의 열 전도율을 갖는다. 에어로겔 절연 층이 받는 하중의 결과로 에어로겔 절연 층의 두께가 감소될 수 있다. 예를 들어, 에어로겔 절연 층의 두께는 약 0.50 MPa 내지 5 MPa의 범위에서 하중 하에서 50% 이하, 40% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하, 5% 이하 또는 이들 값 중 임의의 두 값 사이의 범위로 감소될 수 있다. 에어로겔을 포함하는 절연 층의 내열성은 두께가 감소함에 따라 감소할 수 있지만, 열 전도율은 미미하게 유지되거나 증가될 수 있다.
특정의 실시예에서, 본 개시의 절연 층은 약 750 cal/g 이하, 약 717 cal/g 이하, 약 700 cal/g 이하, 약 650 cal/g 이하, 약 600 cal/g 이하, 약 575 cal/g 이하, 약 550 cal/g 이하, 약 500 cal/g 이하, 약 450 cal/g 이하, 약 400 cal/g 이하, 약 350 cal/g 이하, 약 300 cal/g 이하, 약 250 cal/g 이하, 약 200 cal/g 이하, 약 150 cal/g 이하, 약 100 cal/g 이하, 약 50 cal/g 이하, 약 25 cal/g 이하, 약 10 cal/g 이하, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 연소열을 가질 수 있다. 또 다른 에어로겔 조성물에 비해서 개선된 연소열을 갖는 절연 층은 기준 에어로겔 조성물에 비해서 더 낮은 연소열 값을 가질 것이다. 본 개시의 특정의 실시예에서, 절연 층의 HOC는 화재-등급 첨가제를 절연 층 내로 통합시킴으로써 개선된다.
특정의 실시예에서, 본 개시의 절연 층은 약 300 ℃ 이상, 약 320 ℃ 이상, 약 340 ℃ 이상, 약 360 ℃ 이상, 약 380 ℃ 이상, 약 400 ℃ 이상, 약 420 ℃ 이상, 약 440 ℃ 이상, 약 460 ℃ 이상, 약 480 ℃ 이상, 약 500 ℃ 이상, 약 550 ℃ 이상, 약 600 ℃ 이상, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 열 분해의 개시를 갖는다. 본원에서의 문맥 내에서, 예를 들어, 제2 조성물의 열 분해의 개시보다 더 높은 열 분해의 개시를 갖는 제1 조성물은 제2 조성물에 비한 제1 조성물의 개선으로 여겨질 수 있다. 본원에서는, 조성물 또는 재료의 열 분해의 개시는, 하나 이상의 화재-등급 첨가제를 첨가하는 때에, 임의의 화재-등급 첨가제를 포함하지 않는 조성물에 비해서 증가되는 것으로 여겨진다.
"굽힘 계수" 또는 "굽힘 탄성 계수"라는 용어는 3점 굽힘 시험으로 알려진 샘플의 긴 에지에 수직으로 힘이 가해질 때 굽힘에 대한 재료 강성/저항의 척도이다. 굽힘 계수는 재료가 구부러지는 능력을 나타낸다. 굽힘 계수는 응력-변형 곡선의 초기 직선 부분의 기울기로 표시되며 응력 변화를 해당 변형률 변화로 나누어 계산한다. 따라서 변형률에 대한 응력의 비율은 굽힘 계수의 척도이다. 굽힘 계수의 국제 표준 단위는 파스칼(Pa 또는 N/m2 또는 m-1.kg.s-2)이다. 실제 사용되는 단위는 메가파스칼(MPa 또는 N/mm2) 또는 기가파스칼(GPa 또는 kN/mm2)이다. 미국 관습 단위에서는 제곱인치(psi)당 파운드(힘)로 표시된다. 특정 실시예에서, 본 개시의 절연 층은 약 8MPa 이하, 약 7MPa 이하, 약 6MPa 이하, 약 5MPa 이하, 약 4MPa 이하, 약 3MPa 이하의 굽힘 계수를 갖는다. 바람직하게는, 본 발명의 절연 층은 예를 들어 에어로겔은 약 2MPa 내지 약 8MPa의 굽힘 계수를 갖는다.
전술된 바와 같이, 셀 또는 배터리 모듈과 팩 사이의 재료의 압축 및 탄성 특성은 이의 수명 사이클 동안 셀의 팽창을 수용하기 위해 중요하다. 특정 실시예에서, 절연 층 또는 절연 층을 포함하는 다층 재료는 (i) 이의 최초 또는 비압출된 두께의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 65% 및 가장 바람직하게는 적어도 80%까지 압축 가능하고, (ii) 몇 초 동안 압축 후에, 그것이 최초 또는 비압축된 두께의 적어도 70%, 바람직하게는 적어도 75%, 및 가장 바람직하게는 적어도 80%까지 회복될 수 있는 정도로 충분히 탄성이다.
특정 실시예에서, 절연 층(예를 들어, 에어로겔을 포함하는 층), 절연 층을 포함하는 다층 재료의 압축성 구성요소, 또는 다층 재료 전체의 압축 계수는 약 1 MPa, 약 2 MPa, 약 3 MPa, MPa, 약 4MPa, 약 5MPa, 약 6MPa, 약 7MPa, 약 8MPa, 약 9MPa, 약 10MPa, 약 11MPa, 약 12MPa 또는 이들 값 중 임의의 두 값 사이의 범위이다.
에어로겔
본 발명의 에어로겔은 유기, 무기 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 일부 실시예에서, 에어로겔은 실리카 기반 에어로겔을 포함한다. 에어로겔을 포함하는 다층 재료의 절연 층은 강화 재료를 추가로 포함한다. 강화 재료는 에어로겔 재료에 증가된 가요성, 탄성, 순응성(conformability), 또는 구조적 안정성을 제공하는 어떠한 재료일 수 있다. 잘 공지된 강화 재료의 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 개방-셀 거대기공 골격 강화 재료, 폐쇄-셀 거대기공 골격 강화 재료, 개방-셀 막, 벌집 모양 강화 재료, 폴리머 강화 재료, 및 섬유 강화 재료, 예컨대, 이산 섬유, 직포 재료, 부직포 재료, 바느질된 부직포, 탄 솜(batting), 웹, 매트, 및 펠트를 포함한다.
강화 재료는 유기 폴리머 기반 섬유, 무기 섬유, 탄소 기반 섬유 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 무기 섬유는 유리 섬유, 암석 섬유, 금속 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유, 현무암 섬유 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 강화 재료는 복수의 재료 층을 포함하는 강화제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 재료 층이 함께 결합될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 복수의 층 중 적어도 하나는 제1 재료를 포함할 수 있고 복수의 층 중 적어도 하나의 다른 층은 제2 재료를 포함할 수 있다. 제1 재료 및 제2 재료는 동일하거나 상이한 재료 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 재료는 제2 재료보다 더 압축 가능할 수 있다. 다른 예로서, 제1 재료는 폐쇄 셀을 포함할 수 있고 제2 재료는 개방 셀을 포함할 수 있다.
에어로겔은, 가장 일반적으로는 상호연결된 올리고머, 폴리머, 또는 콜로이드성 입자로 구성되는, 상호연결된 구조의 골격으로서 기재된다. 에어로겔 골격은 무기 전구체 재료(예컨대, 실리카-기반 에어로겔을 제조하는데 사용되는 전구체); 유기 전구체 재료(예컨대, 탄소-기반 에어로겔을 제조하는데 사용되는 전구체); 하이브리드 무기/유기 전구체 재료; 및 이들의 조합물을 포함하는, 전구체 재료들의 범위로부터 제조될 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 용어 "아말감 에어로겔"은 둘 이상의 상이한 겔 전구체의 조합으로부터 생산되는 에어로겔을 나타내며; 상응하는 전구체가 "아말감 전구체"로서 일컬어진다.
무기 에어로겔
무기 에어로겔은 일반적으로는 금속 옥사이드 또는 금속 알콕사이드 재료로부터 형성된다. 금속 옥사이드 또는 금속 알콕사이드 재료는 옥사이드를 형성시킬 수 있는 어떠한 금속의 옥사이드 또는 알콕사이드를 기반으로 할 수 있다. 이러한 금속은, 이로 형성되는 것은 아니지만, 규소, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 이트륨, 바나듐, 및 세륨 등을 포함한다. 무기 실리카 에어로겔은 통상적으로는 실리카-기반 알콕사이드(예컨대, 테트라에톡시실란)의 가수분해 및 축합을 통해서, 또는 규산 또는 물 유리(water glass)의 겔화를 통해서 제조된다. 실리카 기반 에어로겔 합성을 위한 다른 관련 무기 전구체 재료는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 금속 실리케이트, 예컨대, 소듐 실리케이트 또는 포타슘 실리케이트, 알콕시실란, 부분적으로 가수분해된 알콕시실란, 테트라에톡시실란(TEOS), 부분적으로 가수분해된 TEOS, TEOS의 축합된 폴리머, 테트라메톡실실란(TMOS), 부분적으로 가수분해된 TMOS, TMOS의 축합된 폴리머, 테트라-n-프로폭시실란, 테트라-n-프로폭시실란의 부분적으로 가수분해된 및/또는 축합된 폴리머, 폴리에틸실리케이트, 부분적으로 가수분해된 폴리에틸실리케이트, 모노머 알킬알콕시 실란, 비스-트리알콕시 알킬 또는 아릴 실란, 다면체 실세스퀴옥산 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 개시의 특정의 실시예에서, 사전-가수분해된 TEOS, 예컨대, 약 1.9-2의 물/실리카 비율로 가수분해되는, Silbond H-5(SBH5, Silbond Corp)가 상업적으로 이용 가능한 것으로서 사용될 수 있거나, 겔화 공정에 통합되기 전에 추가로 가수분해될 수 있다. 부분적으로 가수분해된 TEOS 또는 TMOS, 예컨대, 폴리에틸실리케이트(Silbond 40) 또는 폴리메틸실리케이트가 또한 상업적으로 이용 가능한 것으로서 사용될 수 있거나, 겔화 공정에 통합되기 전에 추가로 가수분해될 수 있다.
무기 에어로겔은 또한 적어도 하나의 소수성 기를 포함하는 겔 전구체, 예컨대, 겔에서의 특정의 특성, 예컨대, 안정성 및 소수성에 영향을 주거나 이를 개선시킬 수 있는, 알킬 금속 알콕사이드, 사이클로알킬 금속 알콕사이드, 및 아릴 금속 알콕사이드를 포함할 수 있다. 무기 실리카 에어로겔은 구체적으로는 소수성 전구체, 예컨대, 알킬실란 또는 아릴실란을 포함할 수 있다. 소수성 겔 전구체가 주요 전구체 재료로서 사용되어 겔 재료의 골격을 형성시킬 수 있다. 그러나, 소수성 겔 전구체는 더욱 일반적으로는 아말감 에어로겔의 형성에서 간단한 금속 알콕사이드와 함께 공-전구체로서 사용된다. 실리카 기반 에어로겔 합성을 위한 소수성 무기 전구체 재료는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 트리메틸 메톡시실란(TMS), 디메틸 디메톡시실란(DMS), 메틸 트리메톡시실란(MTMS), 트리메틸 에톡시실란, 디메틸 디에톡시실란(DMDS), 메틸 트리에톡시실란(MTES), 에틸 트리에톡시실란(ETES), 디에틸 디에톡시실란, 디메틸 디에톡시실란(DMDES), 에틸 트리에톡시실란, 프로필 트리메톡시실란, 프로필 트리에톡시실란, 페닐 트리메톡시실란, 페닐 트리에톡시실란(PhTES), 헥사메틸디실라잔 및 헥사에틸디실라잔 등을 포함한다. 상기 전구체 중 어떠한 것의 어떠한 유도체가 사용될 수 있고, 구체적으로는 다른 화학적 기의 특정의 폴리머가 하나 이상의 상기 전구체에 첨가되거나 그에 가교될 수 있다.
에어로겔은 또한 소수성에 영향을 주거나 그를 개선시키기 위해서 처리될 수 있다. 소수성 처리는 졸-겔 용액에, 액체 추출 전의 습윤-겔에, 또는 액체 추출 후의 에어로겔에 적용될 수 있다. 소수성 처리는 금속 옥사이드 에어로겔, 예컨대, 실리카 에어로겔의 생산에서 특히 일반적이다. 겔의 소수성 처리의 예는 이하, 구체적으로는 실리카 습윤-겔을 처리하는 문맥에서, 더욱 상세히 논의된다. 그러나, 본원에서 제공된 특정의 실시예 및 예시는 본 개시의 범위를 어떠한 특정의 유형의 소수성 처리 절차 또는 에어로겔 기재로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 개시는 본 기술분야에서의 통상의 기술자에게 공지된 어떠한 겔 또는 에어로겔뿐만 아니라, 습윤-겔 형태 또는 건조된 에어로겔 형태 중 어느 하나에서의 에어로겔의 소수성 처리의 관련된 방법을 포함할 수 있다.
소수성 처리는 겔 상에 존재하는 하이드록시 모이어티(hydroxy moiety), 예컨대, 실리카 겔의 골격 상에 존재하는 실라놀기(Si-OH)를 소수화제의 작용기와 반응시킴으로써 수행된다. 결과 반응은 실라놀기와 소수화제를 실리카 겔의 골격 상의 소수성 기로 전환시킨다. 소수화제 화합물은 이하 반응에 따라서 겔 상의 하이드록실기와 반응할 수 있다: RNMX4-N (소수화제) + MOH (실라놀) → MOMRN(소수성 기) + HX. 소수성 처리는 실리카 겔의 외부 거대-표면 상에서뿐만 아니라, 겔의 다공성 네트워크 내의 내부-기공 표면 상의 둘 모두에서 수행될 수 있다.
겔은 소수화제 및 소수화제가 가용성인 임의의 소수성-처리 용매로서, 습윤-겔 내의 겔 용매와 또한 혼화성인 임의의 소수성-처리 용매의 혼합물에 침지될 수 있다. 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 디메틸포름아미드, 및 헥산과 같은 용매를 포함한, 광범위한 범위의 소수성-처리 용매가 사용될 수 있다. 액체 또는 기체 형태의 소수화제가 또한 겔과 직접적으로 접촉되어 소수성에 영향을 줄 수 있다.
소수성 처리 공정은 습윤-겔을 투과시키기 위해서 소수화제를 돕기 위해 혼합 또는 교반시킴을 포함할 수 있다. 소수성 처리 공정은 또한 다른 조건, 예컨대 온도 및 pH를 변화시켜서 처리 반응을 추가로 향상시키고 최적화시킴을 포함할 수 있다. 반응이 완료된 후에, 습윤-겔은 세척되어 미반응된 화합물 및 반응 부산물을 제거한다.
에어로겔의 소수성 처리를 위한 소수화제는 일반적으로는 화학식 RNMX4-N의 화합물이고, 여기에서, M은 금속이고; R은 소수성 기, 예컨대, CH3, CH2CH3, C6H6, 또는 유사한 수소성 알킬, 사이클로알킬, 또는 아릴 모이어티이고; X는 할로겐, 일반적으로는 Cl이다. 소수화제의 특이적 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 트리메틸클로로실란(TMCS), 트리에틸클로로실란(TECS), 트리페닐클로로실란(TPCS), 디메틸클로로실란(DMCS), 및 디메틸디클로로실란(DMDCS) 등을 포함한다. 소수화제는 또한 화학식 Y(R3M)2일 수 있으며, 여기에서, M은 금속이고; Y는 가교 기, 예컨대, NH 또는 O이고; R은 소수성 기, 예컨대, CH3, CH2CH3, C6H6, 또는 유사한 소수성 알킬, 사이클로알킬, 또는 아릴 모이어티이다. 이러한 소수화제의 특이적 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 헥사메틸디실라잔[HMDZ] 및 헥사메틸디실록산[HMDSO]를 포함한다. 소수화제는 추가로 화학식 RNMV4-N의 화합물을 추가로 포함할 수 있고, 여기에서, V는 할로겐이 아닌 반응성 기 또는 이탈기이다. 이러한 소수화제의 특이적 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 비닐트리에톡시실란 및 비닐트리메톡시실란을 포함한다.
본 개시의 소수성 처리는 또한 겔 내의 액체의 제거, 교환 또는 건조 동안에 수행될 수 있다. 특정의 실시예에서, 소수성 처리는 초임계 유체 환경(예컨대, 이로 형성되는 것은 아니지만, 초임계 이산화탄소)에서 수행될 수 있으며, 건조 또는 추출 단계와 조합될 수 있다.
유기 에어로겔
유기 에어로겔은 일반적으로는 탄소-기반 폴리머 전구체로부터 형성된다. 이러한 폴리머 재료는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 레조르시놀 포름알데하이드(RF), 폴리이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸 메타크릴레이트, 아크릴레이트 올리고머, 폴리옥시알킬렌, 폴리우레탄, 폴리페놀, 폴리부타디엔, 트리알콕시실릴-말단 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리푸르푸랄, 멜라민-포름알데하이드, 크레졸 포름알데하이드, 페놀-푸르푸랄, 폴리에테르, 폴리올, 폴리이소시아네이트, 폴리하이드록시벤젠, 폴리비닐 알코올 디알데하이드, 폴리시아누레이트, 폴리아크릴아미드, 다양한 에폭시, 한천(agar), 아가로스(agarose), 키토산, 및 이들의 조합을 포함한다. 일 예로서, 유기 RF 에어로겔은 전형적으로는 알칼리 조건 하에 포름알데하이드와의 레조르시놀 또는 멜라민의 졸-겔 중합으로부터 제조된다.
유기/무기 하이브리드 에어로겔
유기/무기 하이브리드 에어로겔은 주로 유기적으로 변형된 실리카("오르모실(ormosil)") 에어로겔로 구성된다. 이들 오르모실 재료는 실리카 네트워크에 공유결합되는 유기 성분을 포함한다. 오르모실은 전형적으로는, 통상의 알콕사이드 전구체, Y(OX)4와의, 유기적으로 변형된 실란, R--Si(OX)3의 가수분해 및 축합을 통해서 형성된다. 이들 화학식에서, X는, 예를 들어, CH3, C2H5, C3H7, C4H9를 나타낼 수 있고; Y는, 예를 들어, Si, Ti, Zr, 또는 Al을 나타낼 수 있고; R은 어떠한 유기 단편, 예컨대, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 이소프로필, 메타크릴레이트, 아크릴레이트, 비닐, 및 에폭사이드 등일 수 있다. 오르모실 에어로겔 중의 유기 성분은 또한 실리카 네트워크 전체에 걸쳐서 분산되거나 그에 화학적으로 결합될 수 있다.
특정의 실시예에서, 본 개시의 에어로겔은, 바람직하게는 올리고머로서의 전중합된 실리카 전구체, 또는 알코올 용매중의 실리콘 알콕사이드로부터 형성된 가수분해된 실리케이트 에스테르로부터 주로 형성된 무기 실리카 에어로겔이다. 특정의 실시예에서, 이러한 전중합된 실리카 전구체 또는 가수분해된 실리케이트 에스테르는 다른 전구체 또는 실리케이트 에스테르, 예컨대, 알콕시 실란 또는 물 유리로부터 동일반응계 내에서 형성될 수 있다. 그러나, 전체로서의 본 개시는 본 기술분야에서의 통상의 기술자에게는 공지된 어떠한 다른 에어로겔 조성물로 실행될 수 있으며, 어떠한 한 가지 전구체 재료 또는 전구체 재료들의 아말감 혼합물로 제한되지 않는다.
거대 기공
상기 논의된 바와 같이, 본 개시의 실시예에 따른 에어로겔 조성물은 거대 기공을 포함하는 에어로겔 골격을 포함할 수 있다. 어떠한 특정의 작업 이론으로 형성되는 것은 아니지만, 에어로겔 골격 내의 거대 기공의 존재는, 열적 특성을 유지시키거나 심지어 개선시키면서, 예를 들어, 열 전도율을 감소시키면서, 에어로겔 조성물, 예를 들어, 강화된 에어로겔 조성물의 압축을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 거대 기공은 조성물의 압축에 의해서 변형되거나, 파쇄되거나, 달리 크기가 감소되어, 조성물의 두께가 하중 하에 감소되게 할 수 있다. 그러나, 거대 기공이 변형됨에 따라서, 이들은 효과적으로 더 작은 기공이 되게 한다. 그 결과, 에어로겔 골격 내의 열 전달을 위한 경로는, 거대 기공이 변형됨에 따라서, 더욱 구불구불하여, 열적 특성을 개선시키고, 예를 들어, 열 전도율을 감소시킬 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, "메소기공"은 평균 기공 직경이 약 2 nm 내지 약 50 nm의 범위에 있는 기공이다. 에어로겔 골격은 전형적으로는 메소기공(즉, 약 2 nm 내지 약 50 nm의 범위의 평균 직경을 갖는 기공을 주로 함유함)이다. 특정의 실시예에서, 본 개시의 에어로겔 조성물의 에어로겔 골격은 거대 기공을 포함할 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, "거대 기공"은 평균 기공 직경이 약 50 nm보다 더 큰 기공이다. 에어로겔 골격은 거대 기공 및 메소기공 둘 모두를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에어로겔 골격의 기공 부피의 적어도 10%는 거대 기공으로 구성되거나, 에어로겔 골격의 기공 부피의 적어도 5%는 거대 기공으로 구성되거나, 에어로겔 골격의 기공 부피의 적어도 75%는 거대 기공으로 구성되거나, 에어로겔 골격의 기공 부피의 적어도 95%는 거대 기공으로 구성되거나, 에어로겔 골격의 기공 부피의 적어도 100%는 거대 기공으로 구성될 수 있다. 일부 특정의 실시예에서, 에어로겔 골격은 메소기공이어서, 그것의 기공 부피의 대부분이 거대 기공으로 이루어지게 할 수 있다. 일부 예에서, 메소기공 에어로겔 골격은 또한 미세기공 및/또는 메소기공을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 에어로겔 골격 내의 기공의 평균 기공 크기(직경)는 50 nm 초과, 50 nm 초과 내지 5000 nm, 250 nm 내지 2000 nm, 500 nm 내지 2000 nm, 500 nm 내지 1400 nm, 또는 1200 nm일 수 있다. 특정의 실시예에서, 평균 기공 크기는 직경이 50 nm 초과, 50 nm 초과 내지 1000 nm, 바람직하게는 100 nm 내지 800 nm, 더욱 바람직하게는 250 nm 내지 750 nm일 수 있다.
동종 및 이종 기공 크기 분포
일부 실시예에서, 에어로겔 골격 내의 기공 크기에서의 변화는 에어로겔 골격 전체에 걸쳐서 균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 평균 기공 크기는 에어로겔 골격 전체에 걸쳐서 실질적으로 동일할 수 있다.
다른 실시예에서, 에어로겔 골격 내의 기공 크기에서의 변화는 에어로겔 골격 전체에 걸쳐서 불균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 평균 기공 크기는 에어로겔 골격의 특정의 영역에서 상이할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 평균 기공 크기는 에어로겔 골격의 상부 표면, 하부 표면 또는 상부 표면과 하부 표면 둘 모두의 영역에서 더 클 수 있다. 예를 들어, 거대 기공은, 메소기공에 대한 거대 기공의 비율이 하부 표면에서보다 상부 표면에서 더 크거나, 상부 표면에서보다 하부 표면에서 더 크거나, 상부 표면과 하부 표면 사이의 중간 영역에서보다 상부 표면과 하부 표면 둘 모두에서 더 크도록, 조성물 내에 분포될 수 있다. 또 다른 예로, 거대 기공은, 메소기공에 대한 거대 기공의 비율이 하부 표면 근처에서 보다 상부 표면 근처에서 더 크거나, 상부 표면 근처에서 보다 하부 표면 근처에서 더 크거나, 상부 표면과 하부 표면 사이의 중간 영역에서보다 상부 표면과 하부 표면 둘 모두의 근처에서 더 크도록, 조성물 내에 분포될 수 있다. 다른 실시예에서, 평균 기공 크기는 에어로겔 골격의 상부 표면과 하부 표면 사이의 중간 영역에서 더 클 수 있다.
거대 기공 형성
거대 기공은 에어로겔 조성물의 생산 동안에 형성될 수 있다. 예를 들어, 거대 기공의 형성은 겔 조성물 내로의 전이 동안에 겔 전구체 재료에서 유도될 수 있다. 일부 실시예에서, 거대 기공의 형성은, 예를 들어, 겔 전구체 용액의 스피노달 분해(spinodal decomposition)를 포함함을 통해서 이루어질 수 있다. 또 다른 예로, 거대 기공의 형성은 하나 이상의 발포제의 첨가에 의해서 유도될 수 있다.
생성되는 에어로겔 골격에 존재하는 거대 기공은 거대 기공 대 메소기공 및/또는 미세기공의 형성에 유리한 공정 조건을 선택함으로써 형성될 수 있다. 거대 기공의 양은 이하 변수들 중 어느 하나, 이들의 어떠한 조합, 또는 이들의 모두를 실행함으로써 조절될 수 있다: (1) 중합 용매; (2) 중합 온도; (3) 폴리머 분자량; (4) 분자량 분포; (5) 코폴리머 조성물; (6) 분지화의 양; (7) 가교의 양; (8) 분지화 방법; (9) 가교 방법; (10) 겔의 형성에 사용되는 방법; (11) 겔을 형성시키기 위해서 사용된 촉매의 유형; (12) 겔을 형성시키기 위해서 사용되는 촉매의 화학적 조성; (13) 겔을 형성시키기 위해서 사용되는 촉매의 양; (14) 겔 형성 온도; (15) 겔 형성 동안의 재료 상에 흐르는 가스의 유형; (16) 겔 형성 동안의 재료 상에 흐르는 가스의 속도; (17) 겔 형성 동안의 대기의 압력; (18) 겔 형성 동안의 용존 가스의 제거; (19) 겔 형성 동안의 수지 내의 고형 첨가제의 존재; (20) 겔 형성 공정의 시간의 양; (21) 겔 형성에 사용되는 기재; (22) 용매 교환 공정의 각각의 단계에서 사용되는 용매 또는 용매들의 유형; (23) 용매 교환 공정의 각각의 단계에서 사용되는 용매 또는 용매들의 조성; (24) 용매 교환 공정의 각각의 단계에서 사용되는 시간의 양; (25) 용매 교환 공정의 각각의 단계에서 부분의 체류 시간; (26) 용매 교환 용매의 흐름 속도; (27) 용매 교환 용매의 흐름 유형; (28) 용매 교환 용매의 교반 속도; (29) 용매 교환 공정의 각각의 단계에서 사용된 온도; (30) 부분의 부피에 대한 용매 교환 용매의 부피의 비율; (31) 건조 방법; (32) 건조 공정에서의 각각의 단계의 온도; (33) 건조 공정의 각각의 단계에서의 압력; (34) 건조 공정의 각각의 단계에서 사용된 가스의 조성; (35) 건조 공정의 각각의 단계 동안의 가스 흐름 속도; (36) 건조 공정의 각각의 단계 동안의 가스의 온도; (37) 건조 공정의 각각의 단계 동안의 부분의 온도; (38) 건조 공정의 각각의 단계 동안의 부분 둘레의 인클로저(enclosure)의 존재; (39) 건조 동안의 부분을 둘러싸는 인클로저의 유형; 및/또는 (40) 건조 공정의 각각의 단계에서 사용되는 용매. 다작용성 아민 및 디아민 화합물이 고형물로서, 순수하게 하나 초과의 분획들로 별도로 또는 함께 첨가되거나 적절한 용매에 용해될 수 있다. 다른 양태에서, 에어로겔을 제조하는 방법은 (a) 다작용성 아민 화합물 및 적어도 하나의 디아민 화합물을 용매에 제공하여 용액을 형성시키는 단계; (b) 분지된 폴리머 매트릭스 용액을 형성시키기에 충분한 조건 하에 적어도 하나의 디알데하이드 화합물을 단계(a)의 용액에 제공하는 단계로서, 분지된 폴리머 매트릭스가 용액에 가용화되는, 단계; (c) 분지된 폴리머 매트릭스 용액을 개방셀 구조를 갖는 에어로겔을 형성시키기에 충분한 조건에 가하는 단계를 포함한다. 생성되는 에어로겔 골격에 존재하는 거대 기공은 상기 나타낸 방식으로 형성될 수 있다. 한 가지 바람직한 및 비-제한 양태에서, 거대 기공 대 더 작은 메소기공 및 미세기공의 형성은 주로 겔 형성 동안의 폴리머/용매 역학을 제어함으로써 제어될 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 본 개시의 실시예에 따른 에어로겔 조성물은 에어로겔 골격 및 강화 재료를 포함할 수 있고, 여기에서, 강화 재료의 적어도 일부는 에어로겔을 함유하지 않는다. 예를 들어, 에어로겔 골격은 강화 재료의 두께를 통해서 부분적으로 연장된다. 이러한 실시예에서, 강화 재료, 예를 들어, OCMF, 섬유, 또는 이들의 조합물의 일부는 에어로겔 재료를 포함할 수 있고, 일부는 에어로겔을 함유할 수 없다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 에어로겔은 강화 재료의 두께의 약 90%를 통해서, 강화 재료의 두께의 약 50% 내지 약 90%의 범위를 통해서, 강화 재료의 두께의 약 10% 내지 약 50%의 범위를 통해서, 또는 강화 재료의 두께의 약 10%를 통해서 연장된다.
어떠한 특정의 작동 이론으로 형성되는 것은 아니지만, 강화 재료의 적어도 일부가 에어로겔을 함유하지 않는 에어로겔 조성물이 압축성, 압축 탄성, 및 컴플라이언스에 유리한 특성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 강화 재료의 특성은, 에어로겔을 함유하는 영역에서 열적 특성에 대한 충분한 강화 및 지지를 제공하고, 또한 에어로겔이 없는 영역에서 충분한 압축성, 압축 탄성, 및/또는 컴플라이언스를 제공하도록 선택될 수 있다. 강화된 에어로겔 조성물의 에어로겔-함유 부분은, 예를 들어, 약 25 mW/m*K 미만의 요망되는 열 전도율을 제공할 수 있는 반면에, 에어로겔 없는 강화 부분은 요망되는 물리적인 특성, 예를 들어, 압축성을 제공하거나 이를 개선시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 강화 재료의 적어도 일부가 에어로겔을 함유하지 않는 강화된 에어로겔 조성물은, 강화 재료가 강화 재료를 전구체 용액으로 부분적으로 충전시키기에 충분한 양의 전구체 용액과 조합되는, 본원에서 개시된 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 전구체의 부피는 강화 재료의 부피보다 적어서, 전구체가 강화를 통해서 단지 부분적으로 연장되게 할 수 있다. 건조되는 때에, 생성되는 강화된 에어로겔 조성물은 상기 논의된 바와 같은 강화 재료의 전체 두께 미만을 통해서 연장되는 에어로겔 골격을 포함할 것이다. 다른 실시예에서, 강화 재료의 적어도 일부가 에어로겔을 함유하지 않는 강화된 에어로겔 조성물은 강화된 에어로겔 조성물로부터 표면 에어로겔 층을 제거함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 강화 재료의 적어도 일부가 에어로겔을 함유하지 않는 강화된 에어로겔 조성물은 강화의 두께를 통해서 혼합된 특성을 갖는 강화 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 강화는 복수의 층을 포함할 수 있고, 여기에서, 각각의 층은 다양한 특성, 예를 들어, 평균 기공/셀 크기에서의 차이, 재료 조성, 폐쇄 셀, 개방 셀, 표면 처리, 또는 이들의 조합을 갖는다. 복수의 층은, 예를 들어, 접착제를 사용하여, 화염 결합(flame bonding)에 의해서 또는 다른 적합한 방법 또는 메커니즘, 예컨대, 본원에서 논의된 것들에 의해서 서로 결합될 수 있다. 강화 재료의 상이한 특성은 층을 통한 다양한 에어로겔의 분포를 제공할 수 있다. 예를 들어, 강화 재료의 개방 셀 부분은 에어로겔 골격을 포함할 수 있는 반면에, 폐쇄 셀 부분은 에어로겔을 실질적으로 함유하지 않고 유지된다. 유사하게, 강화 재료 또는 이의 층들의 다른 재료 특성은 강화 내 그리고 그에 따라서 강화된 에어로겔 조성물 내 에어로겔의 분포를 결정할 수 있다.
일부 예시적인 실시예에서, 강화 재료의 적어도 일부가 에어로겔을 함유하지 않는 강화된 에어로겔 조성물은, 강화 재료 또는 층의 특성 또는 강화 재료가, 예를 들어, 캐스팅 공정(casting process) 동안에, 전구체 용액에 의한 강화 재료의 부분적 충전을 제공하도록, 이러한 재료 또는 층을 충전시키는 전구체 용액의 양을 제어하거나 그에 영향을 주는, 본원에서 개시된 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 강화의 하나 이상의 층은 개방 셀을 가질 수 있고, 보장의 또 다른 층은 폐쇄 셀을 가질 수 있다. 전구체 용액이 이러한 강화와 조합되는 때에, 겔 전구체 용액이 이러한 층의 개방 셀에 침윤되면서, 다른 층의 폐쇄 셀에는 실질적으로 침윤되지 않을 수 있다. 이러한 조성물이 건조되는 때에, 생성되는 강화된 에어로겔 조성물은 에어로겔을 함유하지 않는 부분, 예를 들어, 폐쇄 셀 층을 포함할 수 있는 반면에, 다른 부분, 예를 들어, 개방 셀 층은 에어로겔을 함유한다.
일부 실시예에서, 본원에서 개시된 첨가제(예, 흡열성 첨가제, 혼탁화 첨가제, 화재-등급 첨가제 또는 다른 첨가제)가 강화된 에어로겔 조성물 내에 불균일하게 분산될 수 있다. 예를 들어, 첨가제 재료는 에어로겔 조성물의 두께를 통해서, 또는 그 길이 및/또는 폭을 따라서 다양할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 에어로겔 조성물의 한 측에 축적될 수 있다. 일부 실시예에서, 첨가제 재료(들)는 에어로겔 복합체의 한 층에 집중될 수 있거나, 복합체에 인접하거나 그에 부착되어 실질적으로 첨가제로 이루어진 별도의 층으로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 열 제어 부재는 흡열성 재료, 예컨대, 석고, 소듐 바이카르보네이트, 마그네시아-기반 시멘트로 기본적으로 이루어진 층을 포함할 수 있다. 추가의 예시적인 실시예에서, 에어로겔 조성물은 또한 추가의 재료의 적어도 하나의 층을 조성물 내에 또는 대면 층으로서 포함할 수 있다. 예를 들어, 층은 폴리머 시트, 금속 시트, 섬유 시트, 고도로 배향된 그라파이트 재료, 예를 들어, 열분해성 그라파이트 시트, 및 직물 시트로 이루어진 군으로부터 선택된 층일 수 있다. 일부 실시예에서, 대면 층은, 예를 들어, 에어로졸 접착제, 우레탄-기반 접착제, 아크릴레이트 접착제, 핫 멜트 접착제, 에폭시, 고무 수지 접착제; 폴리우레탄 복합체 접착제, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 접착제 메커니즘에 의해서, 조성물에 부착될 수 있다. 일부 실시예에서, 대면 층은 비-접착제 메커니즘, 예를 들어, 화염 결합(flame bonding), 바느질, 스티칭(stitching), 밀봉 백(sealing bag), 리벳(rivet), 버튼, 클램프, 랩(wrap), 브레이스(brace), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 메커니즘에 의해서 조성물에 부착될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 언급된 접착제 및 비-접착제 메커니즘 중 어느 메커니즘의 조합이 사용되어 대면 층을 조성물에 부착시킬 수 있다.
분말 에어로겔 조성물
본원에서 논의된 바와 같이, 에어로겔 조성물 또는 복합체는 에어로겔 미립자, 입자, 과립, 비드 또는 분말을 고체 또는 반-고체 재료 내로, 예컨대, 바인더, 예컨대, 접착제, 수지, 시멘트, 발포체, 폴리머, 또는 유사한 고체 또는 고형화 재료와 함께 통합시키는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에어로겔 조성물은 강화제, 에어로겔 입자, 및 임의로 바인더를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 에어로겔 입자와 적어도 하나의 유형의 습윤제를 함유하는 슬러리가 제공될 수 있다. 예를 들어, 에어로겔 입자는 적어도 하나의 습윤제, 예컨대, 계면활성제 또는 분산제로 코팅되거나 습윤화될 수 있다. 에어로겔 입자는 완전히 습윤화되거나, 부분적으로 습윤화되거나(예, 표면 습윤화), 슬러리에 존재할 수 있다. 바람직한 습윤제는 소수성 에어로겔 입자의 소수성의 적합한 회수를 가능하게 하기 위해서 휘발할 수 있다. 습윤제가 에어로겔 입자의 표면 상에 잔류하면, 잔류 습윤제는 복합체 재료의 전체 열 전도율에 기여할 수 있다. 따라서, 바람직한 습윤제는 예컨대, 분해 또는 다른 수단에 의해서 또는 그 것들 없이, 제거 가능한 것이다. 일반적으로는, 에어로겔과 상용성인 어떠한 습윤제가 사용될 수 있다.
습윤제
습윤제로 코팅된 슬러리 또는 에어로겔은 소수성 에어로겔을 다양한 재료, 예컨대, 다른 수성-함유 유체, 슬러리, 접착제, 임의로 경화되어 고체 재료를 형성시키는 바인더 재료, 섬유, 금속화된 섬유, 이산 섬유, 직포 재료, 부직포 재료, 바느질된 부직포, 탄 솜, 웹, 매트, 펠트 및 이들의 조합물로 용이하게 도입시키는 방법으로서 유용할 수 있다. 적어도 하나의 습윤제로 습윤화된 에어로겔 또는 적어도 하나의 습윤제와 함께 에어로겔을 함유하는 슬러리는 소수성 에어로겔의 용이한 도입 및 균일한 분포를 허용한다. 미국특허 제9,399,864호; 제8,021,583호; 제7,635,411호; 및 제5,399,422호(이들 각각은 그 전체 내용이 본원에서 참조로 통합된다)에 기재된 것들과 같은 웨트 레이드 공정(wet laid process)는 에어로겔 입자, 섬유 및 그 밖의 첨가제를 분산시키기 위해서 수성 슬러리를 사용한다. 이어서, 슬러리는 탈수되어, 에어로겔 복합체를 생성시키기 위해서 건조되고 임으로 캘린더링(calendaring)될 수 있는 에어로겔 입자, 섬유 및 첨가제의 층을 형성시킨다.
에어로겔 입자 및 첨가제
다른 실시예에서, 에어로겔 조성물은 에어로겔 입자, 적어도 하나의 무기 매트릭스 재료 및, 임의로, 섬유, 보조 재료, 첨가제, 및 추가로 무기 바인더를 포함할 수 있다. 무기 매트릭스 재료는, 일부 실시예에서, 필로실리케이트(phyllosilicate), 예를 들어, 천연 필로실리케이트, 예컨대, 카올린, 점토 또는 벤토나이트(bentonite), 합성 필로실리케이트, 예컨대, 마가디이트(magadiite) 또는 케냐이트(kenyaite), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 필로실리케이트는 재료를 건조시키고 결정화 물을 제거하기 위해서 파이어링(firing)되거나 비파이어링될 수 있다. 무기 매트릭스 재료는 또한, 일부 실시예에서, 무기 바인더, 예컨대, 시멘트, 석회, 석고 또는 이들의 적합한 혼합물을 필로실리케이트와 함께 포함할 수 있다. 무기 매트릭스 재료는 또한, 일부 실시예에서, 다른 무기 첨가제, 예컨대, 본원에서 개시된 화재-등급 첨가제, 유백제, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 예시적인 공정 및 무기 매트릭스 재료를 포함하는 에어로겔 조성물은 미국특허 제6,143,400호; 제6,083,619호(이들 각각은 본원에서 그 전체내용이 참조로 통합된다)에 개시되어 있다. 일부 실시예에서, 에어로겔 조성물은 직포 재료, 부직포 재료, 바느질된 부직포, 탄 솜, 웹, 매트, 펠트, 및 이들의 조합물 상에 코팅되거나 그 내로 흡수된 에어로겔 입자를 포함할 수 있다. 접착제 바인더가 조성물에 포함될 수 있다. 첨가제, 예컨대, 본원에서 개시된 바와 같은 화재-등급 첨가제, 유백제 또는 이들의 조합물이 또한 포함될 수 있다. 예시적인 공정 및 직물 상에 코팅되거나 그 내로 흡수된 에어로겔 조성물은 미국특허 공보 제2019/0264381A1호(이는 본원에서 그 전체내용이 참조로 통합된다)에 개시되어 있다.
본원에서 논의된 바와 같이, 에어로겔 복합체는 다른 재료, 예컨대, 강화 재료의 강화 층에 라미네이팅(laminating)되거나 그와 대면할 수 있다. 일 실시예에서, 본 개시는 강화된 에어로겔 조성물을 포함하는 적어도 하나의 기본 층 및 적어도 하나의 대면 층을 포함하는 다층 적층체를 제공한다. 일 실시예에서, 대면 층은 강화제를 포함한다. 일 실시예에서, 강화된 에어로겔 조성물은 섬유 강화 층 또는 개방-셀 발포체 강화 층으로 강화된다. 일 실시예에서, 본 개시는 강화된 에어로겔 조성물을 포함하는 기본 층 및 강화제를 포함하는 적어도 두 대면 층을 포함하는 다층 적층체로서, 두 대면 층이 기본 층의 양면에 있는, 다층 적층체를 제공한다. 예를 들어, 다층 에어로겔 적층체 복합체는 미국 특허 출원 제2007/0173157호에 기재된 방법 및 재료에 따라서 생산될 수 있다.
대면 층은 최종 복합체 구조에 특이적 특성, 예컨대, 개선된 가요성 또는 감소된 더스팅(dusting)을 제공하는 것을 도울 재료를 포함할 수 있다. 대면 재료는 강직성이거나 가요성일 수 있다. 대면 재료는 전도성 층 또는 반사성 호일을 포함할 수 있다. 예를 들어, 대면 재료는 금속성 또는 금속화된 재료를 포함할 수 있다. 대면 재료는 부직포 재료를 포함할 수 있다. 대면 층은 복합체 구조, 또는 복합체 구조를 형성시키는 강화된 에어로겔 복합체, 예를 들어, 열 제어 부재의 표면상에 배치될 수 있다. 대면 층은 복합체 구조, 또는 복합체 구조를 형성시키는 강화된 에어로겔 복합체, 예를 들어, 열 제어 부재 둘레의 연속적인 코팅 또는 백을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 대면 층 또는 층들은 복합체 구조, 또는 복합체 구조를 형성시키는 강화된 에어로겔 복합체를 캡슐화할 수 있다.
일 실시예에서, 대면 층은 복합체 구조를 둘러싸는 폴리머 시트; 더욱 구체적으로는, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 아라미드를 포함하는 폴리머 재료; 및 더욱 구체적으로는, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 저밀도 폴리에틸렌, 에틸렌-프로필렌 코폴리머, 폴리(4-메틸-펜탄), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리(1-부텐), 폴리스티렌, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 폴리비닐아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리옥시메틸렌, 폴리페닐렌설폰, 셀룰로오스트리아세테이트, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리카프로락탐, 폴리헥사메틸렌아디프아미드, 폴리운데카노아미드, 폴리이미드, 또는 이들의 조합물와 같은 폴리머를 포함한다. 일 실시예에서, 폴리머 시트는 팽창된 폴리머 재료; 더욱 구체적으로는 PTFE(ePTFE), 팽창된 폴리프로필렌(ePP), 팽창된 폴리에틸렌(ePE), 팽창된 폴리스티렌(ePS), 또는 이들의 조합물을 포함한 팽창된 폴리머 재료를 포함하거나, 이를 기본으로 하여 이루어진다. 바람직한 일 실시예에서, 대면 재료는 팽창된 폴리머 재료를 기본으로 하여 이루어진다. 일 실시예에서, 폴리머 시트는 0.1 μm 내지 210 μm, 0.1 μm 내지 115μm, 0.1 μm 내지 15μm, 또는 0.1 μm 내지 0.6μm의 범위의 기공 크기를 특징으로 하는 미세기공 폴리머 재료를 포함하거나, 이를 기본으로 하여 이루어진다.
일 실시예에서, 대면 층 재료는 플루오로폴리머 재료를 포함하거나, 이를 기본으로 하여 이루어진다. 본 개시의 문맥 내에서, 용어 "플루오로폴리머" 또는 "플루오로폴리머 재료"는 폴리머 플루오로카본으로 주로 구성되는 재료를 나타낸다. 적합한 플루오로폴리머 대면 층 재료는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 미국특허 제5,814,405호에 기재된 미세기공 PTFE 및 팽창된 PTFE(ePTFE), 예컨대, Gore-Tex® (W.L. Gore로부터 구입 가능)를 포함한, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE); 폴리비닐플루오라이드(PVF); 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF); 퍼플루오로알콕시(PFA); 불소화된 에틸렌-프로필렌(FEP); 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE); 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE); 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF); 에틸렌 클로로트리플루오로에틸렌(ECTFE); 및 이들의 조합을 포함한다. 바람직한 일 실시예에서, 대면 재료는 플루오르폴리머 재료를 기본으로 하여 이루어진다. 바람직한 일 실시예에서, 대면 재료는 팽창된 PTFE(ePTFE) 재료를 기본으로 하여 이루어진다.
일 실시예에서, 대면 층 재료는 비-플루오르폴리머 재료를 기본으로 하여 이루어진다. 본 개시의 문맥 내에서, 용어 "비-플루오로폴리머" 또는 "비-플루오로폴리머 재료"는 플루오르폴리머 재료를 포함하지 않는 재료를 나타낸다. 적합한 비-플루오로폴리머 대면 층 재료는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 알루미늄화된 Mylar; 저밀도 폴리에틸렌, 예컨대 Tyvek®(DuPont으로부터 구입 가능); 고무 또는 고무 복합체; 부직포 재료, 탄성 섬유, 예컨대, 스판덱스(spandex), 나일론, 라이크라(lycra) 또는 엘라스탄(elastane); 및 이들의 조합물을 포함하다. 일 실시예에서, 대면 재료는 가요성 대면 재료이다.
일부 실시예에서, 대면 층 재료는 자동차용 수지 및 폴리머, 예컨대, 최대 약 100 ℃, 최대 약 120 ℃ 또는 최대 약 150 ℃의 최대 사용 온도를 갖는 것들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 대면 층 재료는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 폴리카르보네이트 ABS, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리카르보네이트, 폴리아미드, PVC, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본원에 개시된 실시예에 따른 에어로겔 복합체 및 열 제어 부재는 자동차용 수지 또는 자동차용 폴리머의 층, 금속 또는 금속화된 층, 및 에어로겔 층을 포함할 수 있다.
대면 층은 기본 층의 강화제에 무기 또는 유기 대면 재료를 고정시키기에 적합한 접착제를 사용함으로써 기본층에 부착될 수 있다. 본 개시에서 사용될 수 있는 접착제의 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 시멘트-기반 접착체, 소듐 실리케이트, 라텍스, 감압 접착체, 실리콘, 폴리스티렌, 에어로졸 접착체, 우레탄, 아크릴레이트 접착체, 핫 멜트 본딩 시스템(hot melt boding system), 3M으로부터 상업적으로 구입 가능한 본딩 시스템, 에폭시, 고무 수지 접착체, 폴리우레탄 접착제 혼합물, 예컨대, 미국특허 제4,532,316호에 기재된 것들을 포함한다.
대면 층은 또한 기본 층의 강화제에 무기 또는 유기 대면 재료를 고정시키기에 적합한 비-접착제 재료 또는 기술을 사용함으로써 기본층에 부착될 수 있다. 본 개시에서 사용될 수 있는 비-접착제 재료 또는 기술의 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 가열 밀봉(heat sealing), 초음파 스티칭(ultrasonic stitching), RF 밀봉, 스티치 또는 스레딩(threading), 바느질, 밀봉 백, 리벳 또는 버튼, 클램프, 랩, 또는 다른 비-접착제 적층 재료를 포함한다.
대면 층은 에어로겔 복합체 재료의 어떠한 생산 단계에서 기본 층에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 대면 층은, 기본 강화 재료 내로의 졸 겔 용액의 주입 후에, 그러나, 겔화 전에, 기본 층에 부착된다. 또 다른 실시예에서, 대면 층은, 기본 강화 재료 내로의 졸 겔 용액의 주입 후에 그리고 후속 겔화 후에, 그러나, 겔 재료의 에이징(aging) 또는 건조 전에, 기본 층에 부착된다. 또 다른 실시예에서, 대면 층은 겔 재료를 에이징 및 건조시킨 후에 기본 층에 부착된다. 바람직한 실시예에서, 대면 층은 기본 강화 재료 내로의 졸 겔 용액의 주입 전에 기본 층의 강화 재료에 부착된다. 대면 층은 다공성 및 유체 투과성일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 대면 층은 다공성 및 유체 투과성이며, 유체가 대면 재료를 통해서 확산되게 하기에 충분히 큰 직경을 갖는 기공 또는 구멍을 함유한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 대면 층은 기본 강화 재료 내로의 졸 겔 용액의 주입 전에 기본 층의 강화 재료에 부착되고, 여기에서, 대면 층은 다공성 및 유체 투과성이며, 유체가 대면 재료를 통해서 확산되게 하기에 충분히 큰 직경을 갖는 기공 또는 구멍을 함유한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 대면 층은 발포체 강화 재료 내로의 졸 겔 용액의 주입 전에 개방-셀 발포체 강화 재료에 부착되며, 여기에서, 대면 층은 다공성 및 유체 투과성이며, 유체가 대면 재료를 통해서 확산되게 하기에 충분히 큰 직경을 갖는 기공 또는 구멍을 포함한다.
유백제
에어로겔 조성물은 유백제를 포함하여 방사성 열전달 성분을 감소시킬 수 있다. 겔 형성 전의 어떠한 시점에서, 혼탁화 화합물 또는 이의 전구체가 겔 전구체를 포함하는 혼합물 내로 분산될 수 있다. 혼탁화제 화합물의 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 보론 카바이드(B4C), 규조토, 망간 페라이트, MnO, NiO, SnO, Ag2O, Bi2O3, 카본 블랙, 그라파이트, 티타늄 옥사이드, 아이언 티타늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 지르코늄 실리케이트, 지르코늄 옥사이드, 아이언(II) 옥사이드, 아이언(III) 옥사이드, 망간 디옥사이드, 아이언 티타늄 옥사이드(ilmenite), 크롬 옥사이드, 카바이드(예컨대, SiC, TiC 또는 WC), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 혼탁화 화합물 전구체의 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, TiOSO4 또는 TiOCl2를 포함한다. 일부 실시예에서, 첨가제로서 사용되는 혼탁화제 화합물은 실리콘 카바이드의 휘스커 또는 섬유를 배제할 수 있다. 에어로겔 조성물이 전기 장치에서, 예를 들어, 배터리에서 장벽 층 또는 다른 관련된 적용으로서 사용하기 위해서 의도되는 경우에, 유백제를 포함하는 조성물은 바람직하게는 높은 부피 및 표면 저항과 함께 높은 유전 강도를 보유할 수 있다. 이러한 실시예에서, 유백제로서의 카본 첨가제는 비-전도성일 수 있거나, 전기 전도성을 감소시키기 위해서 변화될 수 있다. 예를 들어, 유백제는 전기 전도성을 감소시키기 위해서 표면 산화될 수 있다. 일부 실시예에서, 고유한 전기 전도성을 갖는 탄소질 첨가제는 전기 장치에서 사용하도록 의도된 에어로겔 조성물에 유백제로서 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 전도성 탄소질 첨가제는, 전기 장치에서 사용하기에 적합한 유전 강도를 갖는 조성물을 제공하기 위해서, 퍼콜레이션 임계치(percolation threshold) 미만의 농도로 사용될 수 있다.
화재 등급 첨가제
에어로겔 조성물은 하나 이상의 화재-등급 첨가제를 포함할 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 용어 "화재-등급 첨가제"는 화재에 대한 반응의 상황에서 흡열 효과를 가지며 에어로겔 조성물 내로 통합될 수 있는 재료를 나타낸다. 더욱이, 특정의 실시예에서, 화재-등급 첨가제는, 화재-등급 첨가제가 존재하는 에어로겔 조성물의 열 분해(thermal decomposition: Td)의 개시보다 100 ℃ 이하만큼 더 큰 흡열 분해(endothermic decomposition: ED)의 개시, 및 특정의 실시예에서, 화재-등급 첨가제가 존재하는 에어로겔 조성물의 Td보다 50 ℃ 이하만큼 낮은 ED를 갖는다. 달리 설명하면, 화재-등급 첨가제의 ED가 (T d -50 ℃) 내지 (T d +100 ℃)의 범위를 갖는다:
졸(예, 종래 기술에서 이해되는 바와 같은 다양한 방식으로 알킬 실리케이트 또는 물 유리로부터 제조된 실리카 졸)과의 통합 또는 혼합 전에, 그와 동시에, 또는 심지어 그 후에, 화재-등급 첨가제가 에탄올을 포함하는 매질 및 임의로 최대 10 부피%의 물과 혼합되거나 달리 그에 분산될 수 있다. 혼합물은 혼합되고 및/또는 필요에 따라 교반되어 매질 중의 실질적으로 균일한 첨가제의 분산을 달성할 수 있다. 이론으로 형성하고자 하는 것은 아니지만, 수화된 형태의 상기 참조된 점토 및 다른 화재-등급 첨가제를 사용하는 것은 추가의 흡열 효과를 제공한다. 예를 들어, 할로이사이트 점토(halloysite clay)(Applied Minerals, Inc.로부터의 상품명 DRAGONITE 하에 또는 간단히 할로이사이트로서 Imerys로부터 상업적으로 구입 가능함), 카올리나이트 점토는, 수화된 형태에서, 상승된 온도에서 수화 물을 배출(가스 희석)시킴으로써 흡열 효과를 갖는, 알루미늄 실리케이트 점토이다. 또 다른 예로서, 수화된 형태의 카르보네이트는 가열 시에 또는 상승된 온도에서 이산화탄소를 배출할 수 있다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "탈수열"은 상승된 온도에 노출되지 않는 때의 수화된 형태에 있는 재료로부터 물을 증발(및 적용 가능한 경우, 디하이드록실화)시키는데 요구되는 열의 양을 의미한다. 탈수열은 전형적으로는 단위 중량 기준으로 표현된다.
특정의 실시예에서, 본 개시의 화재-등급 첨가제는 약 100 ℃ 이상, 약 130 ℃ 이상, 약 200 ℃ 이상, 약 230 ℃ 이상, 약 240 ℃ 이상, 약 330 ℃ 이상, 350 ℃ 이상, 약 400 ℃ 이상, 약 415 ℃ 이상, 약 425 ℃ 이상, 약 450 ℃ 이상, 약 500 ℃ 이상, 약 550 ℃ 이상, 약 600 ℃ 이상, 약 650 ℃ 이상, 약 700 ℃ 이상, 약 750 ℃ 이상, 약 800 ℃ 이상, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 열분해의 개시를 갖는다. 특정의 실시예에서, 본 개시의 화재-등급 첨가제는 약 440 ℃ 또는 570 ℃의 열 분해 개시를 갖는다. 특정의 실시예에서, 본 개시의 화재-등급 첨가제는, 화재-등급 첨가제가 통합되는 에어로겔 조성물의 Td(화재-등급 첨가제 없이)보다 약 50 ℃ 이하, 약 40 ℃ 이하, 약 30 ℃ 이하, 약 2 ℃ 이하, 약 10 ℃ 이하, 약 5 ℃ 이하, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위인 열 분해의 개시를 갖는다.
본 개시의 화재-등급 첨가제는 점토 재료, 예컨대, 이로 형성되는 것은 아니지만, 필로실리케이트 점토(예컨대, 일라이트(illite)), 카올린 또는 카올리나이트(알루미늄 실리케이트; Al2Si2O5(OH)4), 메타카올린, 할로이사이트(알루미늄 실리케이트; Al2Si2O5(OH)4), 엔델라이트(endellite)(알루미늄 실리케이트; Al2Si2O5(OH)4), 운모(실리카 광물), 다이어스포어(diaspore)(알루미늄 옥사이드 하이드록사이드; α-AlO(OH)), 깁사이트(gibbsite)(알루미늄 하이드록사이드), 베마이트(boehmite)(알루미늄 옥사이드 하이드록사이드; γ-AlO(OH)), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 바이델라이트(beidellite), 피로필라이트(pyrophyllite)(알루미늄 실리케이트; Al2Si4O10(OH)2), 논트로나이트(nontronite), 브라베사이트(bravaisite), 스멕타이트(smectite), 리베어리어라이트(leverrierite), 렉토라이트(rectorite), 셀라도나이트(celadonite), 애터펄자이트(attapulgite), 클로로팔(chloropal), 볼콘스코아이트(volkonskoite), 앨러페인(allophane), 라시위나이트(racewinite), 딜나이트(dillnite), 세베라이트(severite), 밀로쉬트(miloschite), 콜리라이트(collyrite), 시몰라이트(cimolite) 및 뉴토나이트(newtonite), 소듐 바이카르보네이트(NaHCO3), 마그네슘 하이드록사이드(또는 마그네슘 디하이드록사이드, "MDH"), 알루미나 트리하이드레이트("ATH"), 석고(칼슘 설페이트 디하이드레이트; CaSO4·2H2O), 바링토나이트(barringtonite)(MgCO3·2H2O), 네스퀘호나이트(nesquehonite)(MgCO3·3H2O), 랜스포어다이트(lansfordite)(MgCO3·5H2O), 하이드로마그네사이트(수화된 마그네슘 카르보네이트; Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O), 그 밖의 카르보네이트, 예컨대, 이로 형성되는 것은 아니지만, 돌로마이트 및 리튬 카르보네이트를 포함한다. 점토 재료 중에, 본 개시의 특정의 실시예는 적어도 부분적으로 층화된 구조를 갖는 점토 재료를 사용한다. 본 개시의 특정의 실시예에서, 에어로겔 조성물에서 화재-등급 첨가제로서 점토 재료는 적어도 일부의 물, 예컨대, 수화된 형태를 갖는다. 첨가제는 수화된 결정형일 수 있거나, 본 개시의 조성물의 제조/처리에서 수화될 수 있다. 특정의 실시예에서, 화재-등급 첨가제는 또한 화학적 조성물에서 변화 없이 열을 흡수하는 낮은 용융 첨가제를 포함한다. 이러한 부류의 예는 낮은 용융 유리, 예컨대, 불활성 유리 비드이다. 본 개시의 조성물에서 유용할 수 있는 다른 첨가제는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 규회석(칼슘 실리케이트) 및 티타늄 디옥사이드(TiO2)를 포함한다. 특정의 실시예에서, 다른 첨가제는 적외선 유백제, 예컨대, 이로 형성되는 것은 아니지만, 티타늄 디옥사이드 또는 실리콘 카바이드, 세라미파이어(ceramifier), 예컨대, 이로 형성되는 것은 아니지만, 낮은 융점 유리 프릿(glass frit), 칼슘 실리케이트 또는 챠르포머(charformer), 예컨대, 이로 형성되는 것은 아니지만, 포스페이트 및 설페이트를 포함할 수 있다. 특정의 실시예에서, 첨가제는 특수 처리 고려, 예컨대, 첨가제가 균일하게 분배되게 하고 심하게 응집되지 않아서 제품 성능 변화를 유발시키지 않게 하는 기술을 필요로 할 수 있다. 처리 기술은 추가의 정적 및 동적 믹서, 안정화제, 공정 조건의 조절 및 본 기술분야에서 공지된 다른 것들을 포함할 수 있다.
첨가제의 양
본원에서 개시된 에어로겔 조성물에서의 첨가제의 양은 조성물의 요망되는 성질에 좌우될 수 있다. 졸 겔 조성물의 제조 및 처리 동안에 사용되는 첨가제의 양은 전형적으로는 졸의 실리카 함량에 비한 중량 백분율로 표현된다. 졸 중의 첨가제의 양은 실리카 함량에 대해서 약 5 중량% 내지 약 70 중량%로 다양할 수 있다. 특정의 실시예에서, 졸 중의 첨가제의 양은 실리카 함량에 대해서 10 중량% 내지 60 중량%이고, 특정의 바람직한 실시예에서, 그것은 실리카 함량에 대해서 20 중량% 내지 40 중량%이다. 예시적인 실시예에서, 실리카 함량에 대한 졸 중의 첨가제의 양은 실리카 함량에 대해서 약 5 중량% 내지 약 20 중량%, 약 10 중량% 내지 약 20 중량%, 약 10 중량% 내지 약 30 중량%, 약 10% 내지 약 20%, 약 30 중량% 내지 약 50 중량%, 약 35 중량% 내지 약 45중량%, 또는 약 35 중량% 내지 약 40 중량%의 범위에 있다. 일부 실시예에서, 졸 중의 첨가제의 양은 실리카 함량에 대해서 적어도 약 10 중량% 또는 실리카 함량에 대해서 약 10 중량%이다. 일부 실시예에서, 첨가제의 양은 실리카 함량에 대해서 약 5 중량% 내지 약 15 중량%의 범위에 있다. 특정의 실시예에서, 첨가제는 하나 초과의 유형일 수 있다. 하나 초과의 화재-등급 첨가제가 또한 최종 에어로겔 조성물에 존재할 수 있다. 알루미늄 실리케이트 화재-등급 첨가제를 포함하는 일부 바람직한 실시예에서, 첨가제는 실리카 함량에 대해서 약 60-70 중량%로 에어로겔 조성물에 존재한다. 예를 들어, 알루미늄 실리케이트 화재-등급 첨가제, 예컨대, 카올린 또는 알루미늄 실리케이트 화재-등급 첨가제, 예컨대, 카올린과의 알루미나 트리하이드레이트("ATH")의 조합물을 포함하는 일부 바람직한 실시예에서, 에어로겔 조성물에 존재하는 첨가제의 전체 양은 실리카 함량에 대해서 약 30-40중량%이다. 또 다른 예로, 첨가제가 실리콘 카바이드를 포함하는 일부 바람직한 실시예에서, 에어로겔 조성물에 존재하는 첨가제의 전체 양은 실리카 함량에 대해서 약 30-40 중량%, 예를 들어, 35 중량%이다. 또 다른 예로, 첨가제가 실리콘 카바이드를 포함하는 일부 바람직한 실시예에서, 에어로겔 조성물에 존재하는 첨가제의 전체 양은 실리카 함량에 대해서 약 5-15 중량%, 예를 들어, 10 중량%이다.
최종 강화된 에어로겔 조성물을 참조하면, 첨가제의 양은 전형적으로는 최종 강화된 에어로겔 조성물의 중량 백분율로 표현된다. 최종 강화된 에어로겔 조성물에서의 첨가제의 양은 강화된 에어로겔 조성물의 약 1 중량% 내지 약 50 중량%, 약 1 중량% 내지 약 25 중량%, 또는 약 10 중량% 내지 약 25중량%로 다양할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 최종 강화된 에어로겔 조성물에서의 첨가제의 양은 강화된 에어로겔 조성물의 약 10 중량% 내지 약 20 중량%의 범위에 있다. 예시적인 실시예에서, 조성물의 중량 백분율로서의 최종 강화된 에어로겔 조성물에서의 첨가제의 양은 약 1%, 약 2%, 약 3%, 약 4%, 약 5%, 약 6%, 약 7%, 약 8%, 약 9%, 약 10%, 약 11%, 약 12%, 약 13%, 약 14%, 약 15%, 약 16%, 약 17%, 약 18%, 약 19%, 약 20% 또는 상기 언급된 백분율들 중 어느 백분율 사이의 범위이다. 특정의 실시예에서, 최종 강화된 에어로겔 조성물에서의 첨가제의 양은 강화된 에어로겔 조성물의 약 15 중량%이다. 특정의 실시예에서, 최종 강화된 에어로겔 조성물에서의 첨가제의 양은 강화된 에어로겔 조성물의 약 13 중량%이다. 예를 들어, 실리콘 카바이드와 같은 첨가제를 포함하는 일부 바람직한 실시예에서, 에어로겔 조성물에 존재하는 첨가제의 전체 양은 강화된 에어로겔 조성물의 약 10-20 중량%, 예를 들어, 약 15 중량%이다. 또 다른 예로, 첨가제가 실리콘 카바이드를 포함하는 일부 바람직한 실시예에서, 에어로겔 조성물에 존재하는 첨가제의 전체 양은 강화된 에어로겔 조성물의 약 3 내지 5 중량%, 예를 들어, 약 4 중량%이다.
열분해의 화재-등급 첨가제 개시
특정의 실시예에서, 화재-등급 첨가제는 이들의 열 분해 개시 온도를 기준으로 하여 분류되거나 그룹화될 수 있다. 예를 들어, 화재-등급 첨가제는 약 200 ℃ 미만, 약 400 ℃ 미만, 또는 약 400 ℃ 초과의 열 분해 개시 온도를 갖는 것으로 분류되거나 그룹화될 수 있다. 예를 들어, 약 200 ℃ 미만의 열 분해 개시 온도를 갖는 첨가제는 소듐 바이카르보네이트(NaHCO3), 네스퀘호나이트(nesquehonite (MgCO3·3H2O), 및 석고(칼슘 설페이트 디하이드레이트; CaSO4·2H2O)를 포함한다. 또 다른 예로, 약 400 ℃ 미만의 열 분해 개시 온도를 갖는 첨가제는 알루미나 트리하이드레이트("ATH"), 하이드로마그네사이트(수화된 마그네슘 카르보네이트; Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O), 및 마그네슘 하이드록사이드(또는 마그네슘 디하이드록사이드, "MDH")를 포함한다. 또 다른 예로, 약 400 ℃ 미만의 열 분해 개시 온도를 갖는 첨가제는 할로이사이트(알루미늄 실리케이트; Al2Si2O5(OH)4), 카올린 또는 카올리나이트(알루미늄 실리케이트; Al2Si2O5(OH)4), 베마이트(알루미늄 옥사이드 하이드록사이드; γ-AlO(OH)) 또는 고온 상 변화 재료(PCM)를 포함한다.
본 개시의 특정의 실시예에서, 에어로겔 조성물 중의 첨가제로서, 점토 재료, 예를 들어, 알루미노실리케이트 점토, 예컨대, 할로이사이트 또는 카올리나이트는 수화된 형태, 예를 들어, 메타-할로이사이트 또는 메타카올린이다. 본 개시의 조성물에 유용할 수 있는 다른 첨가제는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 규회석(칼슘 실리케이트) 및 티타늄 디옥사이드(TiO2)을 포함한다. 특정의 실시예에서, 다른 첨가제는 적외선 유백제, 예컨대, 이로 형성되는 것은 아니지만, 티타늄 디옥사이드 또는 실리콘 카바이드, 세라미파이어(ceramifier), 예컨대, 이로 형성되는 것은 아니지만, 낮은 융점 유리 프릿, 칼슘 실리케이트 또는 챠르포머(charformer), 예컨대, 이로 형성되는 것은 아니지만, 포스페이트 및 설페이트를 포함할 수 있다. 특정의 실시예에서, 첨가제는 특수 처리 고려, 예컨대, 첨가제가 균일하게 분배되게 하고 심하게 응집되지 않아서 제품 성능 변화를 유발시키지 않게 하는 기술을 필요로 할 수 있다. 처리 기술은 추가의 정적 및 동적 믹서, 안정화제, 공정 조건의 조절 및 본 기술분야에서 공지된 다른 것들을 포함할 수 있다. 하나 초과의 화재-등급 첨가제는 또한 최종 에어로겔 조성물에 존재할 수 있다.
특정의 실시예에서, 본 개시의 에어로겔 재료 및 조성물에의 첨가제, 예를 들어, 알루미노실리케이트 점토-기반 재료, 예컨대, 할로이사이트 또는 카올린의 포함은 개선된 고온 수축 특성을 제공할 수 있다. 고온 수축에 대한 예시적인 시험 방법은 "Standard Test Method for Linear Shrinkage of Preformed High-Temperature Thermal Insulation Subjected to Soaking Heat"(ASTM C356, ASTM International, West Conshohocken, PA)이다. "열 소크(thermal soak)"로 일컬어지는 이러한 시험에서, 재료는 1000 ℃ 초과의 온도에 최대 60분 동안 노출된다. 특정의 예시적인 실시예에서, 본 개시의 에어로겔 재료 또는 조성물은 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 6% 이하, 약 5% 이하, 4% 이하, 3% 이하, 2% 이하, 1% 이하, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 고온 수축, 즉, 선형 수축, 폭 수축, 두께 수축, 또는 치수 수축의 어떠한 조합을 가질 수 있다.
일부 예시적인 실시예에서, 전구체 반응을 촉매작용시키기 위해서 사용되는 특정의 염기성 촉매는 에어로겔 조성물에서 미량의 알칼리 금속을 생성시킬 수 있다. 에어로겔 재료 중의 미량, 예를 들어, 100 내지 500 ppm의 알칼리, 예를 들어, 소듐 또는 포타슘은 고온 수축 및 열적 내구성에 유해한 영향을 줄 수 있다. 그러나, 어떠한 특정의 메커니즘 또는 이론으로 형성되는 것은 아니지만, 알루미노실리케이트 점토-기반 재료, 예컨대, 할로이사이트 또는 카올린은 발산성 알칼리, 예를 들어, 소듐 또는 포타슘을 격리시켜서, 수축 및 열적 내구성에 대한 알칼리의 영향을 감소시키거나 제거할 수 있다. 본 개시의 특정의 실시예에서, 알루미노실리케이트 점토 재료는, 탈수된 형태로, 예를 들어, 메타-할로이사이트 또는 메타카올린이다. 예를 들어, 실리카 함량에 대해서 약 0.5 중량% 초과의 메타카올린 또는 메타-할로이사이트의 양을 포함하는 에어로겔 재료 또는 조성물은 열적 수축 및 열적 내구성을 유의미하게 감소시킬 수 있다. 예시적인 실시예에서, 에어로겔 재료 또는 조성물은 실리카 함량에 대해서 약 0.5 중량% 내지 약 3.0 중량%의 범위의 메타카올린 또는 메타-할로이사이트의 양을 포함할 수 있다.
캡슐화 층 또는 캡슐화 재료 층
일부 실시예에서, 본원에 개시된 다층 재료의 코어 부분 또는 다층 재료는 캡슐화 층에 의해 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 캡슐화 층은 다층 재료를 둘러싸는 재료의 층 또는 층들 및/또는 다층 재료 및/또는 다층 재료의 코어 부분을 둘러싸는 재료의 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들어, 캡슐화 층은 필름, 층, 엔벨로프 또는 코팅을 포함할 수 있다. 캡슐화 부재는 복합체 구조 또는 복합체 구조를 형성하는 강화된 에어로겔 복합체를 둘러싸기에 적합한 임의의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 캡슐화 부재는 복합체 구조로부터 떨어지는 먼지 또는 미립자 재료의 생성을 감소시키거나 제거할 수 있다. 캡슐화 재료 층은 폴리머, 엘라스토머 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리이미드(PI) 및 나일론과 같은 적합한 폴리머의 예는 열 전도율이 매우 낮아(1 W/m 미만) 전체 시스템의 평면 통과 열 전도율을 낮추는 효과가 있다. 일 실시예에서, 캡슐화 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 층을 포함한다.
캡슐화 층은 공기가 패널 내외로 흐르도록 허용하는 적어도 하나의 벤트를 포함할 수 있다. 캡슐화 부재는 미립자 물질을 필터링하는 적어도 하나의 필터를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 캡슐화 층은 공기가 패널 내외로 흐르게 하는 벤트, 및 캡슐화 부재 내에 미립자 물질을 유지하는 벤트 위의 미립자 필터를 포함한다. 다른 실시예에서, 캡슐화 층은 적어도 하나의 벤트 및 적어도 하나의 미립자 필터를 포함하는 에지 밀봉부를 포함한다. 추가 실시예에서, 캡슐화 층은 적어도 하나의 벤트 및 적어도 하나의 미립자 필터를 포함하는 에지 밀봉부를 포함하고, 에지 밀봉부의 벤트는 공기가 캡슐화 부재 에지 내외로 흐르게 하고, 필터는 캡슐화 층 외부의 공기가 미립자 물질로 오염되는 것을 방지하기 위해 흐르는 공기에 미립자 물질을 유지한다.
열 용량성 층
예시적인 실시예에서, 다층 재료는 열 용량(즉, 열 용량성 재료)을 제공하는 재료 또는 재료의 층, 예를 들어 적어도 약 0.2 J/(g-C)의 비열 용량을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열 용량을 제공하는 재료는 적어도 약 0.5 J/(g-C)의 비열 용량을 갖는다. 예를 들어, 열 용량을 제공하는 재료는 알루미늄, 티타늄, 니켈, 스틸, 스테인리스 스틸, 철 또는 이들의 조합과 같은 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 열 용량을 제공하는 재료의 층 또는 코팅을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 다층 재료의 층 내에, 예를 들어 에어로겔 조성물의 층 내에 배치된 열 용량을 제공하는 재료의 입자를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 다층 재료는 에어로겔 조성물에 인접하게 배치된 열 용량을 제공하는 재료의 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 다층 재료는 에어로겔 조성물의 복수의 층 중 2개 이상의 층 사이에 배치된 열 용량을 제공하는 재료의 1개 이상의 층을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 다층 재료는 열 전도성 및 열 용량성 재료를 모두 포함할 수 있다.
예를 들어, 다층 재료는 열 용량과 열 전도성을 모두 제공하는 재료, 예를 들어 알루미늄, 티타늄, 니켈, 스틸, 철 또는 이들의 조합과 같은 금속을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 다층 재료는 각각 열 용량, 열 전도성 또는 이들의 조합을 제공하는 하나 이상의 상이한 재료 또는 재료의 층, 예를 들어 금속을 포함하는 층 및 열 전도성 폴리머를 포함하는 층을 포함할 수 있다. 바람직하게는 열 전도성 층은 적어도 300 ℃, 더 바람직하게는 적어도 600 ℃, 더욱 더 바람직하게는 적어도 1000 ℃, 더욱 더 바람직하게는 적어도 1500 ℃의 용융 온도를 갖는다.
일부 실시예에서, 열 용량성 재료는 상 변화 재료로부터 선택될 수 있다. 상변화 재료가 에너지 저장 시스템의 광범위한 응용 분야에 적합하려면 재료가 상변화 동안 상대적으로 높은 열 용량을 가져야 할뿐만 아니라 상대적으로 비용이 저렴하고 자체적으로 수용되어야 하고, 즉, 장치, 예를 들어, 패키징되는 배터리 모듈의 작동 온도 범위에 걸쳐 임의의 밀봉 또는 특수 격리를 필요로 하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 에너지 저장 응용에 바람직한 추가 특성에는 발열 구성요소에서 열을 신속하게 멀리 전달하는 높은 열 전도율과 상 변화가 발생하는 온도를 맞춤화할 수 있는 기능이 포함된다.
일부 실시예에서, 열 용량성 재료는 평면내 치수를 따라 적어도 약 200 mW/m-K의 열 전도율을 갖는다.
열 전도성 층
본원에 개시된 열 전도성 층은 다층 재료의 x-y 평면 전체에 걸쳐 신속하게 열을 발산하여 높은 열 하중 하에서 내구성을 추가로 개선하는 상당히 향상된 능력을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 높은 열 전도성 재료의 예는 탄소 섬유, 그라파이트, 탄화규소, 구리, 스틸, 스테인리스 스틸, 알루미늄 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 금속 및 이들의 조합을 포함한다.
예시적인 실시예에서, 다층 재료는 열 전도성 재료 또는 열 전도성을 제공하는 재료의 층을 포함할 수 있다. 본 발명의 열 전도성 층은 배터리 모듈 또는 팩 내의 국부적 열 하중으로부터 열을 분산시키는 것을 돕는다. 예를 들어, 열 전도성 층은 적어도 약 200 mW/m-K의 평면 내 치수를 따라 열 전도율을 가질 수 있다. 열 전도성 재료는 금속, 탄소, 전도성 폴리머 또는 이들의 조합을 포함하는 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다.
상기 양태의 일부 실시예에서, 다층 재료는 하나 또는 복수의 열 전도성 층, 즉 50 W/mK 초과, 더 바람직하게는 100 W/mK 초과, 더욱 더 바람직하게는 200 W/mK 초과(모두 25 ℃에서 측정됨)의 열 전도율을 갖는다. 예를 들어, 다층 재료는 열 전도성 재료의 적어도 하나의 층을 포함하거나 이를 포함할 수 있으며, 예를 들어 금속, 탄소, 열 전도성 폴리머 또는 이들의 조합을 포함하는 층을 포함할 수 있다. 이들 실시예의 맥락에서 사용되는 바와 같이, 열 전도성 재료는 절연 재료, 예를 들어 에어로겔 조성물의 열 전도율보다 더 큰 열 전도율을 갖는 재료를 지칭한다. 특정 실시예에서, 열 전도성 재료는 에어로겔 조성물의 열 전도율보다 적어도 약 10배 더 큰 열 전도율을 갖는다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 에어로겔 조성물의 복수의 층을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 다층 재료는 에어로겔 조성물에 인접하게 배치된 전도성 재료의 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 다층 재료는 에어로겔 조성물의 복수의 층 중 적어도 2개 사이에 배치된 전도성 재료의 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 다층 재료의 층 내에, 예를 들어 에어로겔 조성물의 층 내에 배치된 전도성 재료의 입자를 포함할 수 있다.
열의 분배 및 제거를 돕기 위해, 적어도 하나의 실시예에서 열 전도성 층은 히트 싱크에 결합된다. 다양한 히트 싱크 유형 및 구성뿐만 아니라 히트 싱크를 열 전도성 층에 결합하기 위한 상이한 기술이 있으며, 본 발명은 임의의 한 유형의 히트 싱크/커플링 기술의 사용에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 본원에 개시된 다층 재료의 적어도 하나의 열 전도성 층은 냉각 시스템의 냉각 플레이트 또는 냉각 채널과 같은 배터리 모듈 또는 팩의 냉각 시스템의 요소와 열 연통할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 본원에 개시된 다층 재료의 적어도 하나의 열 전도성 층은 배터리 팩, 모듈 또는 시스템의 벽과 같은 히트 싱크로서 기능할 수 있는 배터리 팩, 배터리 모듈 또는 배터리 시스템의 다른 요소 또는 배터리 셀들 사이에 배치된 다층 재료 중 다른 것들과 함께 열 연통할 수 있다. 다층 재료의 열 전도성 층과 배터리 시스템 내의 히트 싱크 요소 사이의 열 전달을 통해 다층 재료에 인접한 셀 또는 셀들로부터 히트 싱크로 과도한 열을 제거하여 예를 들어, 본원에 더 상세히 기술된 바와 같이 과도한 열을 생성할 수 있는 열 이벤트의 영향, 심각도 또는 전파를 줄일 수 있다.
바람직하게는 열 전도성 층은 적어도 300 ℃, 더 바람직하게는 적어도 600 ℃, 더욱 더 바람직하게는 적어도 1000 ℃, 더욱 더 바람직하게는 적어도 1500 ℃의 용융 온도를 갖는다.
열 전도성 층의 두께는 조성물, 압축 패드와 같은 다층의 다른 요소의 특성, 다층 재료에 포함된 열 전도의 수 및 조성물의 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다. 기능적으로 말하자면, 열 전도성 층은 원하는 평면내 열 전도율을 제공하기에 충분히 두꺼워야 한다.
일부 실시예에서, 열 전도성 재료, 예를 들어 열분해 그라파이트 시트(PGS)는 약 0.010mm, 0.025mm, 0.05mm, 0.07mm, 0.10mm 또는 약 600 내지 약 1950 W/mK 범위에서 평면 내 열 전도율과 이들 값 중 임의의 두 값 사이의 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 열 전도성 재료, 예를 들어 금속 시트는 약 0.05mm, 약 0.07mm, 약 0.10mm, 약 0.20mm, 약 0.25mm, 약 0.30mm, 약 0.5mm, 약 0.75mm, 약 1mm, 약 1.5mm, 약 2mm, 약 3mm, 약 4mm, 약 5mm, 또는 이들 값 중 임의의 두 값 사이의 범위의 두께를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 열 전도성 재료는 상변화 재료로부터 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 열적 페이스트(thermal paste)가 다층 재료의 층들 사이에 사용되어 이러한 층들 사이의 고르고 일정한 열 전도를 보장할 수 있다. 본원에서 사용된 용어, 열적 페이스트는 열적 화합물(thermal compound), 열적 그리즈(thermal grease), 열 계면 재료(thermal interface material: TIM), 열적 겔(thermal gel), 히트 페이스트(heat paste), 히트 싱크 화합물(heat sink compound) 및 히트 싱크 페이스트(heat sink paste)로도 공지된 다양한 재료를 나타낸다. 예를 들어, 열적 페이스트의 층은 에어로겔 조성물과 임의의 다른 층, 예컨대, 열 전도성 또는 열 용량성 재료를 포함하는 층 또는 층들, 대면 층 또는 층들 또는 캡슐화 층 사이에 배치될 수 있다.
희생 재료 층
예시적인 실시예에서, 다층 재료는 희생 재료 또는 희생 재료의 층을 포함할 수 있다. 본 발명의 맥락에서, "희생 재료" 또는 "희생 층"이라는 용어는 층에 의해 경험한 기계적, 열적, 화학적 및/또는 전자기 조건에 응답하여 희생되거나 또는 적어도 부분적으로 제거되도록 의도된 재료 또는 층을 지칭한다. 예를 들어, 희생 재료 또는 희생 층은 배터리 열 폭주 이벤트 이전 또는 도중에 발생하는 것과 같은 고온에 노출될 때 분해될 수 있다. 일부 실시예에서, 희생 재료 층은 외부 표면, 예를 들어 다층 재료의 코어 부분의 외부 표면 또는 외측 표면, 예를 들어 다층 재료의 외부 표면 상에 배치될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 본 개시의 희생 재료 또는 층은 약 1MPa, 약 2MPa, 약 3MPa, 약 4MPa, 약 5MPa, 약 6MPa, 약 7MPa, 약 8MPa, 약 9MPa, 약 10MPa, 약 11MPa, 약 12MPa 또는 이들 값 중 임의의 두 값 사이의 범위의 압축 계수를 갖는 압축가능 패드를 포함할 수 있다. 희생 재료 층은 실록산, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 페놀, 멜라민, 셀룰로오스 아세테이트 및 폴리스티렌으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. 일부 경우에는 재료 층이 발포체 형태이다. 일부 실시예에서, 압축가능 패드 또는 발포체는 기계적(예컨대, 주기적인) 하중에 대한 노출로 인해 마모될 수 있다. 일부 실시예에서, 압축가능 패드 또는 발포체는 단일 기계적, 화학적 및/또는 열 이벤트에 노출된 후에 분해된다.
일부 실시예에서, 희생 재료 층의 화학적 분해 개시 온도는 약 200 ℃ 내지 약 400 ℃ 범위이다.
본원에 개시된 실시예에서 압축가능 패드로서 사용하기에 적합한 발포체는 약 1.0g/cc 이하, 약 0.90g/cc 이하, 약 0.80g/cc 이하, 약 0.70g/cc 이하, 약 0.60g/cc 이하, 약 0.50g/cc 이하, 약 0.40g/cc 이하, 약 0.30g/cc 이하, 약 0.20g/cc 이하, 약 0.16g/cc, 약 0.10g/cc 이하, 약 0.08g/cc 이하, 또는 이들 값 중 임의의 두 값 사이의 범위의 밀도 및/또는 발포체의 총 부피를 기초로 적어도 약 20 내지 약 99%, 구체적으로 약 30% 이상의 공극 부피를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 발포체는 약 0.08g/cc 내지 약 0.50g/cc의 밀도, 약 27kPa 내지 약 55kPa에서 25% 압축력 편향(CFD), 및 약 70 ℃에서 약 10% 미만, 구체적으로 5% 미만의 압축 세트를 갖는다. CFD는 ASTM D1056에 따라 샘플을 원래 두께의 25%로 압축하는 데 필요한 힘(kPa)을 계산하여 측정된다.
발포체에 사용하기 위한 폴리머는 다양한 열가소성 수지, 열가소성 수지의 블렌드 또는 열경화성 수지에서 선택할 수 있다. 사용될 수 있는 열가소성 수지의 예는 폴리아세탈, 폴리아크릴, 스티렌 아크릴로니트릴, 폴리올레핀, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 예컨대 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 6,10, 나일론 6,12, 나일론 11 또는 나일론 12, 폴리아미드이미드, 폴리아릴레이트, 폴리우레탄, 에틸렌 프로필렌 고무(EPR), 폴리아릴술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌 황화물, 폴리염화비닐, 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 불소화 에틸렌 프로필렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르 에테르케톤, 폴리에테르 케톤 케톤 등, 또는 전술한 열가소성 수지 중 하나 이상을 포함하는 조합을 포함한다.
폴리머 발포체에 사용될 수 있는 열가소성 수지의 블렌드의 예는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌/나일론, 폴리카보네이트/아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌/폴리비닐 클로라이드, 폴리페닐렌 에테르/폴리스티렌, 폴리페닐렌 에테르/나일론, 폴리술폰/ 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/폴리에테르술폰, 스티렌-부타디엔 고무, 폴리에틸렌/나일론, 폴리에틸렌/폴리아세탈, 에틸렌 프로필렌 고무(EPR) 등, 또는 전술한 블렌드 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함한다.
폴리머 발포체에 사용될 수 있는 폴리머 열경화성 수지의 예는 폴리우레탄, 에폭시, 페놀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 실리콘 등, 또는 전술한 열경화성 수지 중 하나 이상을 포함하는 조합을 포함한다. 열경화성 수지의 블렌드뿐만 아니라 열가소성 수지와 열경화성 수지의 블렌드가 사용될 수 있다.
다층 재료
상기 논의된 바와 같이, 본 개시의 실시예에 따른 다층 재료는 압축성, 압축 탄성, 및 컴플라이언스에 유리한 특성을 제공한다. 배터리 모듈 내의 셀들 사이의 단열재로서 사용되는 때에, 에어로겔 조성물을 사용하여 형성된 단열 시트는 압축 변형에 대한 내성을 제공하여 배터리에 대한 충전/방전 사이클 동안에 활물질의 분해 및 팽윤으로 인한 셀의 팽창을 수용할 수 있다. 배터리 모듈의 초기 조립 동안에, 1 MPa 이하의 비교적 낮은 하중이 전형적으로는 단열재, 예를 들어, 본원에서 개시된 다층 재료에 인가된다. 사용 시에, 예를 들어, 배터리 모듈 내의 셀이 충전/방전 사이클 동안에 팽창 또는 팽윤되는 때에, 최대 약 5 MPa의 하중이 본원에서 개시된 강화된 다층 재료에 인가될 수 있다.
예시적인 양태에서, 본 개시는 다층 재료를 제공하고, 여기에서, 다층 재료는 약 25 kPa에서 약 25% 미만의 압축성을 나타낸다. 임의로, 압축의 해제 시에, 다층 재료는 그 것의 최초 두께의 적어도 약 80%, 75%, 65%, 60% 또는 50%로 되돌아오기에 충분하게 탄성일 수 있다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 약 25 kPa 내지 약 35 kPa의 범위에서 약 25% 미만의 압축성 및 바람직하게는 약 50 kPa에서 약 50% 미만의 압축성을 나타낸다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 약 50 kPa에서 약 25% 내지 약 50%의 범위의 압축성을 나타낸다. 예시적인 실시예에서, 다층 재료는 약 245 kPa에서 약 80% 미만, 예를 들어, 약 235 kPa에서 약 70% 미만의 압축성을 나타낸다. 예시적인 실시예에서, 다층 재료 약 345 kPa에서 약 70% 미만의 압축성을 나타낸다. 강화된 에어로겔 조성물을 포함하는 다층 재료의 열 전도율은 바람직하게는, 열 제어 부재가 압축되는 때에, 약 25 mW/m*K 미만 또는 이들 값 사이의 범위에서 유지된다.
본원에서 논의된 바와 같이, 다층 재료는 복수의 재료 층, 예컨대, 절연 층, 열 전도성 층, 열 용량성 층, 캡슐화 재료 층, 내마모성 층, 화재/화염 저항 층, 열 반사 층, 압축성 층, 예를 들어, 압축가능 패드, 희생 층 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다층 재료 내의 층들의 조합은 특성들, 예를 들어, 압축성, 탄성, 열 성능, 화재 반응(fire reaction), 및 다른 특성의 요망되는 조합을 얻도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 강화된 에어로겔 조성물의 적어도 두 층 사이에 배치된 적어도 하나의 압축가능 패드를 포함한다. 예를 들어, 압축가능 패드는 발포체 또는 다른 압축성 재료, 예컨대, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 페놀류, 멜라민, 셀룰로오스 아세테이트, 또는 폴리스티렌일 수 있다. 특정의 실시예에서, 다층 재료는 또한 열 전도성 층 또는 열 용량성 층 중 적어도 하나의 층 및 강화된 에어로겔 조성물의 복수의 층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 유연성 부재와 강화된 에어로겔 조성물의 복수의 층 중 적어도 하나 사이에 배치된 열 전도성 재료 또는 열 용량성 재료의 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 열 전도성 재료 또는 열 용량성 재료는 다층 재료 내의 열을 흡수하고 및/또는 분산시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 열 반사 층을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 반사 층은 금속성 호일 또는 시트를 포함할 수 있다.
몇 개의 층을 포함하는 다층 재료의 실시예에서, 층들은, 예를 들어, 에어로졸 접착제, 우레탄-기반 접착제, 아크릴레이트 접착제, 핫 멜트 접착제, 에폭시, 고무 수지 접착제; 폴리우레탄 복합체 접착제, 및 이들의 조합으로 이루어진 것으로부터 선택된 접착제 메커니즘에 의해서, 다른 층들에 부착될 수 있다. 일부 실시예에서, 층들은, 비-접착제 메커니즘, 예를 들어, 화염 결합, 바느질, 스티칭(stitching), 밀봉 백(sealing bag), 리벳(rivet), 버튼, 클램프, 랩(wrap), 브레이스(brace), 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 메커니즘에 의해서 부착될 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 언급된 접착제 및 비-접착제 메커니즘 중 어느 것의 조합이 층들을 함께 부착시키기 위해서 사용될 수 있다.
다층 재료의 최종 제품
본 개시의 실시예에 따른 다층 재료는 다양한 최종 제품으로 형성될 수 있다. 가장 간단한 형태로, 다층 재료는 시트의 형태로 존재할 수 있다. 시트가, 예를 들어, 롤링된 제품으로서 연속적으로 또는 반-연속적으로 형성될 수 있거나, 요망되는 크기 및 형상의 시트들이 더 큰 시트로부터 절단되거나 달리 형성될 수 있다. 시트 재료는 배터리 셀들 사이의 열 장벽을 형성시키기 위해서 사용될 수 있다. 다른 형태로, 강화된 에어로겔 조성물은, 예를 들어, 배터리의 파우치 셀(pouch cell)을 함유시키기 위한, 파우치로 형성될 수 있거나, 실린더형 배터리 셀을 함유시키기 위한 실린더로 형성될 수 있다.
본 개시의 다층 재료는, 패널링(paneling), 파이프 프리폼(pipe preform), 하프-쉘 프리폼(half-shell preform), 엘보우(elbow), 조인트(joint), 파우치, 실린더 및 산업적 및 상업적 적용에의 절연 재료의 적용에 규칙적으로 요구되는 다른 형상을 포함한, 3-차원 형태의 범위로 성형될 수 있다
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 단수의 표현은, 내용이 달리 명확히 나타내지 않는 한, 복수의 지시대상을 포함한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 용어 "또는"은 일반적으로는, 문맥이 달리 명확하게 나타내지 않는 한, "및/또는"을 포함한 의미로 사용될 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "약"은 대략적이거나 근사치를 의미하며, 기재된 수치 값 또는 범위의 문맥에서 수치의 ±5%를 의미한다. 실시예에서, 용어 "약"은 수치값의 유의미한 수치에 따른 통상의 반올림을 포함한다. 또한, 구절 "약 'x' 내지 'y'"는 "약 'x' 내지 약 'y'"를 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "조성물" 및 "복합체"는 상호 교환적으로 사용된다.
본원에 사용된 용어 "압축가능 패드" 및 "압축성 층"은 상호 교환적으로 사용된다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "에어로겔" 또는 "에어로겔 재료" 또는 "에어로겔 매트릭스"는, 골격 내의 통합된 상호 연결된 기공의 상응하는 네트워크 및 산재된 틈새 매질로서의 공기와 같은 함유된 가스와 함께, 상호 연결된 구조의 골격을 포함하는 겔을 나타내며; 이는 에어로겔에 기인한 이하 물리적 및 구조적 특성(Nitrogen Porosimetry Testing에 따름)을 특징으로 한다: (a) 약 2 nm 내지 약 100 nm의 범위의 평균 기공 직경, (b) 적어도 80% 이상의 기공률, 및 (c) 약 100 m2/g 이상의 표면적.
따라서, 본 개시의 에어로겔 재료는, 달리 크세로겔(xerogel), 크리오겔(cryogel), 엠비겔(ambigel), 및 미세기공 재료 등으로 분류될 수 있는 재료를 포함한, 앞선 문단에서 기재된 정의 요소를 충족시키는 어떠한 에어로겔 또는 그 밖의 개방-셀 형성된 물질을 포함한다.
에어로겔 재료는 또한 추가로 (d) 약 2.0 mL/g 이상, 특히 약 3.0 mL/g 이상의 기공 부피; (e) 약 0.50 g/cc 이하, 특히 약 0.3 g/cc 이하, 더욱 특히 약 0.25 g/cc 이하의 밀도; 및 (f) (비록, 본원에서 개시된 실시예는, 이하 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 50 nm 초과의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 에어로겔 골격 및 조성을 포함하지만) 2 내지 50 nm의 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 전체 기공 부피의 적어도 50%;를 포함하는 추가의 물리적인 특성을 특징으로 할 수 있다. 그러나, 이들 추가의 특성의 충족은 에어로겔 재료로서의 화합물의 특성화를 필요로 하지 않는다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "에어로겔 조성물"은 복합체의 성분으로서 에어로겔을 포함하는 어떠한 복합체 재료를 나타낸다. 에어로겔 조성물의 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 섬유-강화된 에어로겔 복합체; 유백제와 같은 첨가제 요소를 포함하는 에어로겔 복합체; 개방-셀 거대기공 골격에 의해서 강화된 에어로겔 복합체; 에어로겔-폴리머 복합체; 및 예컨대, 바인더, 수지, 시멘트, 발포체, 폴리머, 또는 유사한 고체 재료와 함께 고체 또는 반-고체 재료 내로 에어로겔 미립자, 입자, 과립, 비드(bead) 또는 분말을 통합시키는 복합체 재료를 포함한다. 에어로겔 조성물은 일반적으로는 본원에서 개시된 다양한 겔 재료로부터 용매를 제거한 후에 얻어진다. 그렇게 얻은 에어로겔 조성물은 추가의 공정 또는 처리에 추가로 주어질 수 있다. 다양한 겔 재료가 또한 용매 제거(또는 액체 추출 또는 건조)에 주어지기 전에 달리 본 기술분야에서 공지되거나 유용한 추가의 공정 또는 처리에 주어질 수 있다.
본 개시의 에어로겔 조성물은 강화된 에어로겔 조성물을 포함할 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 용어 "강화된 에어로겔 조성물"은 에어로겔 재료 내의 강화 상을 포함하는 에어로겔 조성물을 나타내며, 여기에서, 강화 상은 에어로겔 골격 자체의 일부가 아니다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "섬유-강화된 에어로겔 조성물"은 강화 상으로서 섬유 강화 재료를 포함하는 강화된 에어로겔 조성물을 나타낸다. 섬유 강화 재료의 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 이산 섬유, 직포 재료, 건식 부직포 재료, 습식 부직포 재료, 바느질된 부직포, 탄 솜(batting), 웹, 매트, 펠트, 및/또는 이들의 조합을 포함한다.
섬유 강화 재료는 유기 폴리머 기반 섬유, 무기 섬유, 탄소 기반 섬유 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 섬유 강화 재료는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 폴리에스테르, 폴리올레핀 테레프탈레이트, 폴리(에틸렌) 나프탈레이트, 폴리카르보네이트(예를 들어, 레이온(Rayon), 나일론(Nylon)), 면화(예, DuPont에 의해서 제조된 라이크라(lycra)), 탄소(예, 그라파이트), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 산화된 PAN, 비탄화된 열처리된 PAN(예컨대, SGL carbon에 의해서 제조된 것들), 유리 또는 유리 섬유 기반 재료(예, S-유리, 901 유리, 902 유리, 475 유리, E-유리), 석영과 같은 실리카 기반 섬유(예, Saint-Gobain에 의해서 제조된 Quartzel), Q-펠트(Johns Manville에 의해서 제조됨), Saffil(Saffil에 의해서 제조됨), Durablanket(Unifrax에 의해서 제조됨) 및 그 밖의 실리카 섬유, Duraback(Carborundum에 의해서 제조됨), 폴리아라미드 섬유, 예컨대, Kevlar, Nomex, Sontera (모두 DuPont에 의해서 제조됨), Conex(Taijin), 폴리올레핀, 예컨대, Tyvek(DuPont에 의해서 제조됨), Dyneema(DSM에 의해서 제조됨), Spectra (Honeywell에 의해서 제조됨), 그 밖의 폴리프로필렌 섬유 예컨대, Typar, Xavan (둘 모두 DuPont에 의해서 제조됨), 플루오로폴리머, 예컨대, Teflon (DuPont에 의해서 제조됨)으로의 상품명을 갖는 PTFE, Goretex(W.L. GORE에 의해서 제조됨), 실리콘 카바이드 섬유, 예컨대, Nicalon(COI Ceramics에 의해서 제조됨), 세라믹 섬유, 예컨대, Nextel(3M에 의해서 제조됨), 아크릴계 폴리머; 울(wool), 실크, 헴(hemp), 레더(leather), 스웨드(suede)의 섬유; PBO-Zylon 섬유(Tyobo에 의해서 제조됨), 액정 재료, 예컨대, Vectan(Hoechst에 의해서 제조됨), Cambrelle 섬유(DuPont에 의해서 제조됨), 폴리우레탄, 폴리아미드, 목질 섬유, 보론(Boron), 알루미늄, 철, 스테인리스 스틸 섬유 및 그 밖의 열가소성물질, 예컨대, PEEK, PES, PEI, PEK, PPS를 포함한 재료의 범위를 포함할 수 있다.
섬유 강화 재료는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 폴리에스테르, 폴리올레핀 테레프탈레이트, 폴리(에틸렌) 나프탈레이트, 폴리카르보네이트(예를 들어, 레이온(Rayon), 나일론(Nylon)), 면화(예, DuPont에 의해서 제조된 라이크라(lycra)), 탄소(예, 그라파이트), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 산화된 PAN, 비탄화된 열처리된 PAN(예컨대, SGL carbon에 의해서 제조된 것들), 유리 또는 유리 섬유 기반 재료(예, S-유리, 901 유리, 902 유리, 475 유리, E-유리), 석영과 같은 실리카 기반 섬유(예, Saint-Gobain에 의해서 제조된 Quartzel), Q-펠트(Johns Manville에 의해서 제조됨), Saffil(Saffil에 의해서 제조됨), Durablanket(Unifrax에 의해서 제조됨) 및 그 밖의 실리카 섬유, Duraback(Carborundum에 의해서 제조됨), 폴리아라미드 섬유, 예컨대, Kevlar, Nomex, Sontera (모두 DuPont에 의해서 제조됨), Conex(Taijin), 폴리올레핀, 예컨대, Tyvek(DuPont에 의해서 제조됨), Dyneema(DSM에 의해서 제조됨), Spectra (Honeywell에 의해서 제조됨), 그 밖의 폴리프로필렌 섬유 예컨대, Typar, Xavan (둘 모두 DuPont에 의해서 제조됨), 플루오로폴리머, 예컨대, Teflon (DuPont에 의해서 제조됨)으로의 상품명을 갖는 PTFE, Goretex(W.L. GORE에 의해서 제조됨), 실리콘 카바이드 섬유, 예컨대, Nicalon(COI Ceramics에 의해서 제조됨), 세라믹 섬유, 예컨대, Nextel(3M에 의해서 제조됨), 아크릴계 폴리머; 울(wool), 실크, 헴(hemp), 레더(leather), 스웨드(suede)의 섬유; PBO-Zylon 섬유(Tyobo에 의해서 제조됨), 액정 재료, 예컨대, Vectan(Hoechst에 의해서 제조됨), Cambrelle 섬유(DuPont에 의해서 제조됨), 폴리우레탄, 폴리아미드, 목질 섬유, 보론(Boron), 알루미늄, 철, 스테인리스 스틸 섬유 및 그 밖의 열가소성물질, 예컨대, PEEK, PES, PEI, PEK, PPS를 포함한 재료의 범위를 포함할 수 있다. 유리 또는 유리 섬유-기반 섬유 강화 재료는 하나 이상의 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 특정의 실시예에서, 이들을 카딩(carding) 및 크로스-래핑(cross-lapping) 또는 에어-레이드(air-laid) 공정을 사용하여 제조하는 것이 바람직하다. 예시적인 실시예에서, 카딩된 및 크로스 래핑된 유리 또는 유리 섬유-기반 섬유 강화 재료는 에어-레이드 재료에 비해서 특정의 이점을 제공한다. 예를 들어, 카딩된 및 크로스 래핑된 유리 또는 유리 섬유-기반 섬유 강화 재료는 강화 재료의 주어진 기본 중량에 대해서 일정한 재료 두께를 제공할 수 있다. 특정의 추가의 실시예에서, 최종 에어로겔 조성물에서의 향상된 기계적인 및 다른 특성을 위해서, 섬유 강화 재료를 필요에 따라서 바느질하여 섬유들을 z-방향으로 엮는 것이 바람직하다.
본 개시의 맥락 내에서, "열 폭주"에 대한 언급은 일반적으로 다양한 작동 요인으로 인한 셀 온도 및 압력의 갑작스럽고 빠른 증가를 지칭하며, 이는 차례로 관련 모듈 전체에 과도한 온도의 전파를 초래할 수 있다. 이러한 시스템에서 열 폭주에 대한 잠재적인 원인은 예를 들어 셀 결함 및/또는 단락(내부 및 외부 모두), 과충전, 사고 발생 시와 같은 셀 천공 또는 파열, 과도한 주변 온도(예를 들어, 전형적으로 55 ℃ 초과의 온도)를 포함한다. 정상 사용 시 내부 저항으로 인해 셀이 가열된다. 정상적인 전력/전류 하중 및 주변 작동 조건에서 대부분의 리튬 이온 셀 내부 온도는 20 ℃ 내지 55 ℃ 범위를 유지하도록 비교적 쉽게 제어할 수 있다. 그러나, 개별 셀의 결함뿐만 아니라 높은 셀/주위 온도에서 높은 전력 소비와 같은 스트레스 조건은 국부적 열 생성을 급격히 증가시킬 수 있다. 특히, 임계 온도 초과에서는 셀 내에서 발열 화학 반응이 활성화된다. 더욱이 화학적 열 발생은 전형적으로 온도에 따라 기하급수적으로 증가한다. 결과적으로 열 생성은 사용 가능한 열 발산보다 훨씬 더 커진다. 열 폭주는 셀 환기 및 내부 온도가 200 ℃를 초과할 수 있다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "발포체"은 실질적으로 균일한 조성의 상호연결된 폴리머 구조의 골격을 포함하는 재료로서, 이러한 골격 내에 통합된 기공들의 상응하는 네트워크 또는 집합체를 가지며, 버블 형태의 일정한 비율의 가스를 액체 또는 수지 발포체 재료에 분산시켜서 발포체 재료로서의 기공이 고체 구조 내로 고형화됨에 따라서 가스 버블이 보유되게 함으로써 형성되는, 재료를 나타낸다. 일반적으로는, 발포체는 광범위하게 다양한 공정을 사용하여 제조될 수 있고 참조예, 미국 특허 제6,147,134호; 제5,889,071호; 제6,187,831호; 및 제5,229,429호. 따라서, 본 개시의 발포체 재료는, 달리 OCMF 재료, 거대기공 재료 등으로 분류될 수 있는 화합물을 포함한, 본 문단에서 기재된 정의 요소를 충족시키는 어떠한 재료를 포함한다. 본 개시에서 정의된 바와 같은 발포체는 열가소성 물질, 엘라스토머(elastomer) 및 열경화성 수지(듀로머(duromer))의 형태로 존재할 수 있다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "가요성의" 및 "가요성"은 거대 구조 결함 없이 굽혀지거나 휘어지는 재료 또는 조성물의 능력을 나타낸다. 본 개시의 절연 층은 거시적 결함 없이 적어도 5°, 적어도 25°, 적어도 45°, 적어도 65°, 또는 적어도 85°굽혀질수 있고 및/또는; 거시적 결함 없이 4 피트 미만, 2 피트 미만, 1 피트 미만, 6 인치 미만, 3 인치 미만, 2 인치 미만, 1 인치 미만, 또는 ½ 인치 미만의 곡률 반경을 갖는다. 유사하게, 용어 "고도로 가요성의" 또는 "높은 가요성"은 적어도 90°로 굽혀질 수 있고 및/또는 거시적 결함 없이 ½ 미만의 곡률 반경을 갖는 재료를 나타낸다. 더욱이, 용어 "가요성으로 분류된" 및 "가요성으로서 분류된"은 ASTM C1101(ASTM International, West Conshohocken, PA)에 따라 가요성으로 분류될 수 있는 재료 또는 조성물을 나타낸다.
본 개시의 절연 층은 가요성이고 및/또는, 고도로 가요성이고 및/또는, 가요성으로 분류될 수 있다. 본 개시의 에어로겔 조성물은 또한 드레이프성(drapable)일 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 용어 "드레이프성인" 및 "드레이프성(drapability)"은 거시적인 결함 없이 약 4 인치 이하의 곡률 반경으로 90° 이상로 굽혀지거나 휘어지는 재료의 능력을 나타낸다. 본 개시의 특정의 실시예에 따른 절연 층은 조성물이 비-견고성이고 3-차원 표면 또는 물건에 적용되고 그에 순응될 수 있거나, 다양한 형상 및 구성으로 사전 형성되어 설치 또는 적용을 단순화시킬 수 있도록 가요성이다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "첨가제" 또는 "첨가제 요소"는 에어로겔의 생산 전에, 그 동안에 또는 그 후에 에어로겔 조성물에 첨가될 수 있는 재료를 나타낸다. 첨가제는 에어로겔 내의 요망되는 특성을 변경하거나 개선시키기 위해서 또는 에어로겔 내의 바람직하지 않은 특성을 저하시키지 않기 위해서 첨가될 수 있다. 첨가제는 전형적으로는 전구체 액체에 대한 겔화 전에, 전이 상태 재료에 대한 겔화 동안에, 또는 고체 또는 반고체 재료에 대한 겔화 후에 에어로겔 재료에 첨가된다.
첨가제의 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 마이크로섬유, 충전제, 강화제, 안정화제, 증량제, 탄성 화합물, 유백제, 착색 또는 색소침착 화합물, 방사선 흡수 화합물, 방사선 반사 화합물, 화재-등급 첨가제, 부식 억제제, 열 전도성 성분, 열 용량을 제공하는 성분, 상 변화 재료, pH 조절제, 레독스 조절제(redox adjustor), HCN 완화제(HCN mitigator), 오프-가스 완화제(off-gas mitigator), 전기 전도성 화합물, 전기적 유전성 화합물, 자성 화합물, 레이더 차단 성분, 경화제, 방축제(anti-shrinking agent), 및 본 기술분야에서 통상의 기술자에게는 공지된 다른 에어로겔 첨가제를 포함한다. 일부 실시예에서, 열 용량을 제공하는 성분은 적어도 약 0.3 J/(g-C)의 비열 용량을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열 용량을 제공하는 재료는 적어도 약 0.5 J/(g-C)의 비열 용량을 갖는다. 예를 들어, 열 용량을 제공하는 재료는 금속, 예컨대, 알루미늄, 티타늄, 니켈, 스틸, 철, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 열 용량을 제공하는 재료의 하나 이상의 층 또는 코팅을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 다층 재료는 에어로겔 조성물을 포함하는 하나 이상의 절연 층 내에 배열된 열 용량을 제공하는 재료의 입자를 포함할 수 있다.
특정의 실시예에서, 본원에서 개시된 에어로겔 조성물, 강화된 에어로겔 조성물, 및 다층 재료는 고온 이벤트 동안에 수행될 수 있고, 예를 들어, 본원에서 개시된 바와 같은 고온 이벤트 동안에 열적 보호를 제공한다. 고온 이벤트는 적어도 약 1 cm2 의 면적에 걸쳐서 적어도 2 초 동안의 적어도 약 25 kW/m2, 적어도 약 30 kW/m2, 적어도 약 35 kW/m2 또는 적어도 약 40 kW/m2 의 지속된 열 유속(heat flux)을 특징으로 한다. 약 40 kW/m2의 열 유속은 전형적인 화재로부터 발생하는 것과 연관되었다(Behavior of Charring Solids under Fire-Level Heat Fluxes; Milosavljevic, I., Suuberg, E.M.; NISTIR 5499; September 1994). 특정한 경우에, 고온 이벤트는 적어도 약 10 cm2의 면적에 걸쳐서 적어도 1분 기간 동안의 약 40 kW/m의 열 유속의 열 유속이다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "열 전도율" 및 "TC"는 재료 또는 조성물의 어느 측 상에서 두 표면 사이에서 두 표면 사이의 온도 차이에 의해서 열을 전달하는 재료 또는 조성물의 능력의 측정을 나타낸다. 열 전도율은 구체적으로는 온도 차이로 나눈 단위 시간 당 및 단위 표면적 당 전달된 열 에너지로서 측정된다. 그것은 전형적으로는 mW/m*K (미터 당 밀리와트 * 켈빈(Kelvin))으로서 SI 단위로 기록된다. 재료의 열 전도율은, 이로 형성되는 것은 아니지만, Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus (ASTM C518, ASTM International, West Conshohocken, PA); Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus (ASTM C177, ASTM International, West Conshohocken, PA); Test Method for Steady-State Heat Transfer Properties of Pipe Insulation(ASTM C335, ASTM International, West Conshohocken, PA); Thin Heater Thermal Conductivity Test(ASTM C1114, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials(ASTM D5470, ASTM International, West Conshohocken, PA); Determination of thermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow meter methods(EN 12667, British Standards Institution, United Kingdom); 또는 Determination of steady-state thermal resistance and related properties - Guarded hot plate apparatus (ISO 8203, International Organization for Standardization, Switzerland)을 포함한, 본 기술분야에서 공지된 시험 방법에 의해서 측정될 수 있다. 가능하게는 상이한 결과를 생성시키는 상이한 방법으로 인해서, 본 개시의 문맥 내에서 그리고 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 열 전도율 측정은 주위 환경 하에 약 37.5 ℃의 온도에서 대기압에서 그리고 약 2 psi의 압축 하중 하에 ASTM C518 표준(Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus)에 따라서 획득된다. ASTM C518에 따라 보고된 측정은 전형적으로는 압축 하중에 대한 어떠한 관련 조절 하에 EN 12667에 따라 이루어진 어떠한 측정과 잘 상호관련된다.
열 전도율 측정은 또한 압축 하에 대기압에서 약 10 ℃의 온도에서 획득될 수 있다. 10 ℃에서의 열 전도율 측정은 일반적으로는 37.5 ℃에서의 상응하는 열 전도율 측정보다 0.5-0.7 mW/mK 더 낮다. 특정의 실시예에서, 본 개시의 절연 층은 약 40 mW/mK 이하, 약 30 mW/mK 이하, 약 25 mW/mK 이하, 약 20 mW/mK 이하, 약 18 mW/mK 이하, 약 16 mW/mK 이하, 약 14 mW/mK 이하, 약 12 mW/mK 이하, 약 10 mW/mK 이하, 약 5 mW/mK 이하, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 10 ℃에서의 열 전도율을 갖는다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "밀도"는 재료 또는 조성물의 단위 부피 당 질량의 측정을 나타낸다. 용어 "밀도"는 일반적으로는 재료의 겉보기 밀도뿐만 아니라, 조성물의 부피 밀도를 나타낸다. 밀도는 전형적으로는 kg/m3 또는 g/cc로서 기록된다. 재료 또는 조성물, 예를 들어 에어로겔의 밀도는, 이로 형성되는 것은 아니지만, Standard Test Method for Dimensions and Density of Preformed Block and Board-Type Thermal Insulation(ASTM C303, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard Test Methods for Thickness and Density of Blanket or Batt Thermal Insulations(ASTM C167, ASTM International, West Conshohocken, PA); Determination of the apparent density of preformed pipe insulation(EN 13470, British Standards Institution, United Kingdom); 또는 Determination of the apparent density of preformed pipe insulation(ISO 18098, International Organization for Standardization, Switzerland)를 포함한, 본 기술분야에서 공지된 방법에 의해서 측정될 수 있다. 가능하게는 상이한 결과를 생성시키는 상이한 방법으로 인해서, 본 개시의 문맥 내에서 밀도 측정은, 달리 언급되지 않는 한, 두께 측정을 위한 2 psi 압축에서 ASTM C167 표준(Standard Test Methods for Thickness and Density of Blanket or Batt Thermal Insulations)에 따라서 획득된다. 특정의 실시예에서, 본 개시의 에어로겔 재료 또는 조성물은 약 0.60 g/cc 이하, 약 0.50 g/cc 이하, 약 0.40 g/cc 이하, 약 0.30 g/cc 이하, 약 0.25 g/cc 이하, 약 0.20 g/cc 이하, 약 0.18 g/cc 이하, 약 0.16 g/cc 이하, 약 0.14 g/cc 이하, 약 0.12 g/cc 이하, 약 0.10 g/cc 이하, 약 0.05 g/cc 이하, 약 0.01 g/cc 이하, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 밀도를 갖는다.
에어로겔 재료 또는 조성물의 소수성은 수증기 흡수 면에서 표현될 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 용어 "수증기 흡수"는 수증기를 흡수하기 위해 보유하는 에어로겔 재료 또는 조성물의 잠재력의 측정을 나타낸다. 수증기 흡수는, 특정의 측정 조건 하에 수증기에 노출되는 때에, 에어로겔 재료 또는 조성물에 의해서 흡수되거나 달리 보유되는 물의 백분율(중량 기준 또는 부피 기준)로서 표현될 수 있다. 에어로겔 재료 또는 조성물의 수증기 흡수는, 이로 형성되는 것은 아니지만, Standard Test Method for Determining the Water Vapor Sorption of Unfaced Mineral Fiber Insulation (ASTM C1104, ASTM International, West Conshohocken, PA); Thermal insulating products for building applications: Determination of long term water absorption by diffusion (EN 12088, British Standards Institution, United Kingdom)를 포함한 본 기술분야에서 공지된 방법에 의해서 측정될 수 있다. 가능하게는 상이한 결과를 생성시키는 상이한 방법으로 인해서, 본 개시의 문맥 내에서 수증기 흡수의 측정은, 달리 언급되지 않는 한, 주위 압력 하에, 24시간 동안 95% 습도 및 49 ℃에서(ASTM C1104 표준에 따라 96 시간 동안 개질됨) ASTM C1104 표준 (Standard Test Method for Determining the Water Vapor Sorption of Unfaced Mineral Fiber Insulation)에 따라서 획득된다. 특정의 실시예에서, 본 개시의 에어로겔 재료 또는 조성물은 약 50 중량% 이하, 약 40 중량% 이하, 약 30 중량% 이하, 약 20 중량% 이하, 약 15 중량% 이하, 약 10 중량% 이하, 약 8 중량% 이하, 약 3 중량% 이하, 약 2 중량% 이하, 약 1 중량% 이하, 약 0.1 중량% 이하, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 수증기 흡수를 가질 수 있다. 또 다른 에어로겔 재료 또는 조성물에 비한 개선된 액체 물 흡수를 갖는 에어로겔 재료 또는 조성물은 참조 에어로겔 재료 또는 조성물에 비해서 더 낮은 수증기 흡수/보유 백분율을 가질 것이다.
에어로겔 재료 또는 조성물의 소수성은 재료의 표면과의 계면에서의 물 방울의 평형 접촉 각을 측정함으로써 표현될 수 있다. 본 개시의 에어로겔 재료 또는 조성물은 약 90° 이상, 약 120° 이상, 약 130° 이상, 약 140° 이상, 약 150° 이상, 약 160° 이상, 약 170° 이상, 약 175° 이상, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 물 접촉 각을 가질 수 있다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "연소열(heat of combustion)", "HOC" 및 "ΔHC"는 재료 또는 조성물의 연소 또는 발열성 열적 분해에서 배출되는 열 에너지의 양의 측정을 나타낸다. 연소열은 전형적으로는 에어로겔 재료 또는 조성물의 그램 당 배출된 열 에너지의 칼로리(cal/g)로 또는 재료 또는 조성물의 킬로그램 당 배출된 열 에너지의 메가주울(MJ/kg)로서 기록된다. 재료 또는 조성물의 연소열은, 이로 형성되는 것은 아니지만, Reaction to fire tests for products - Determination of the gross heat of combustion (calorific value)(EN ISO 1716, International Organization for Standardization, Switzerland; EN adopted)를 포함한 본 기술분야에서 공지된 방법에 의해서 측정될 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 연소열 측정은, 달리 언급되지 않는 한, EN ISO 1716 표준(Reaction to fire tests for products - Determination of the gross heat of combustion (calorific value))에 따라서 획득된다.
본 개시의 문맥 내에서, 모든 열적 분석 및 관련된 정의는 주위 압력의 공기 중에서 25 ℃에서 시작하여 분 당 20 ℃의 속도로 최대 1000 ℃까지 상승시킴으로써 수행되는 측정으로 참조된다. 따라서, 이들 파라미터의 어떠한 변화는 열 분해의 개시, 피크 열 배출의 온도, 및 피크 열 흡수의 온도 등을 측정하고 계산하는데 있어서 고려되어야(또는 이들 조건 하에 재-수행되어야) 할 것이다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "열 분해의 개시(onset of thermal decomposition)" 및 "TD"는, 유기 재료의 분해로부터의 신속한 발열 반응이 재료 또는 조성물에서 나타나는, 환경적 열의 최저 온도의 측정을 나타낸다. 재료 또는 조성물 내의 유기 재료의 열 분해의 개시는 열 중량 분석(TGA)을 사용하여 측정될 수 있다. 재료의 TGA 곡선은, 재료가 주변 온도의 증가에 노출되고 그에 따라서 열 분해됨에 따른, 재료의 중량 손실(질량%)을 도시하고 있다. 재료의 열 분해의 개시는 TGA 곡선의 이하 접선(tangent line), 즉, TGA 곡선의 기준선에 접한 선 및 유기 재료의 분해와 관련된 신속한 발열 분해 이벤트 동안의 최대 경사 지점에서의 TGA에 접한 선의 교차점과 상호 관련될 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 유기 재료의 열 분해의 개시의 측정은, 달리 언급되지 않는 한, 본 문단에 제공된 바와 같은 TGA 분석을 이용하여 획득된다.
재료의 열 분해의 개시는 또한 시차 주사 열량 측정(differential scanning calorimetry: DSC) 분석을 이용하여 측정될 수 있다. 재료의 DSC 곡선은, 재료가 주변 온도의 점진적인 증가에 노출됨에 따른, 재료에 의해서 배출되는 열 에너지(mW/mg)를 도시하고 있다. 재료의 열 분해 온도의 개시는 ΔmW/mg(열 에너지 출력에서의 변화)가 최대로 증가하여, 에어로겔 재료로부터 발열성 열 생성을 나타내는, DSC 곡선 중의 지점과 상호 관련될 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, DSC, TGA, 또는 이들 둘 모두를 이용한 열 분해의 개시의 측정은, 달리 명확하게 언급되지 않는 한, 앞선 문단에서 추가로 정의된 바와 같은 20 ℃/min의 온도 상승 속도를 시용하여 획득된다. DSC 및 TGA는 각각 이러한 열 분해의 개시에 대한 유사한 값들을 제공하고, 여러번, 시험이 동시에 수행되어, 결과는 둘 모두로부터 얻어지게 한다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "흡열 분해의 개시(onset of endothermic decomposition)" 및 "TED"는, 분해 또는 탈수로부터의 흡열 반응이 재료 또는 조성물 내에서 나타나는, 환경적 열의 최저 온도의 측정을 나타낸다. 재료 또는 조성물의 흡열 분해의 개시가 열 중량 분석(TGA)을 사용하여 측정될 수 있다. 재료의 TGA 곡선은, 재료가 주변 온도의 증가에 노출됨에 따른, 재료의 중량 손실(질량%)을 도시하고 있다. 재료의 열적 분해의 개시는 TGA 곡선의 이하 접선, 즉, TGA 곡선의 기준선에 접한 선 및 재료의 신속한 흡열 분해 또는 탈수 동안의 최대 경사 지점에서의 TGA에 접한 선의 교차점과 상호 관련될 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 재료 또는 조성물의 흡열 분해의 개시의 측정은, 달리 언급되지 않는 한, 본 문단에서 제공된 바와 같은 TGA 분석을 사용하여 획득된다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "노 온도 상승(furnace temperature rise)" 및 "ΔTR"은 열 분해 조건(일반적으로는 최종 온도 또는 TFIN) 하에 그 재료 또는 조성물의 기준선 온도에 비한 열 분해 조건 하의 재료 또는 조성물의 최대 온도(TMAX) 사이의 차이의 측정을 나타낸다. 노 온도 상승은 전형적으로는 섭씨 온도 또는 ℃로 기록된다. 재료 또는 조성물의 노 온도 상승은, 이로 형성되는 것은 아니지만, Reaction to fire tests for building and transport products: Non-combustibility test(EN ISO 1182, International Organization for Standardization, Switzerland; EN adopted)를 포함한, 본 기술분야에서 공지된 방법에 의해서 측정될 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 노 온도 상승 측정은, 달리 언급되지 않는 한, EN ISO 1182 standard (Reaction to fire tests for building and transport products: Non-combustibility test)에 비견되는 조건에 따라서 획득된다. 특정의 실시예에서, 본 개시의 에어로겔 조성물은 약 100 ℃ 이하, 약 90 ℃ 이하, 약 80 ℃ 이하, 약 70 ℃ 이하, 약 60 ℃ 이하, 약 50 ℃ 이하, 약 45 ℃ 이하, 약 40 ℃ 이하, 약 38 ℃ 이하, 약 36 ℃ 이하, 약 34 ℃ 이하, 약 32 ℃ 이하, 약 30 ℃ 이하, 약 28 ℃ 이하, 약 26 ℃ 이하, 약 24 ℃ 이하, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 노 온도 상승을 가질 수 있다. 상승된 온도에서 조성 안정성의 문맥 내에서, 예를 들어, 제2 조성물의 노 온도 상승보다 낮은 노 온도 상승을 갖는 제1 조성물은 제2 조성물에 비한 제1 조성물의 개선으로 여겨질 수 있다. 본원에서는, 조성물의 노 온도 상승은, 하나 이상의 화재-등급 첨가제를 첨가하는 때에, 어떠한 화재-등급 첨가제를 포함하지 않는 조성물에 비해서 감소되는 것으로 여겨진다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "화염 시간(flame time) 및 "TFLAME"은 열 분해 조건 하에 재료 또는 조성물의 지속된 화염의 측정을 나타내며, 여기에서, "지속된 화염"은 5초 이상 지속되는 시험편의 가시 부분 상의 어떠한 부분에서의 화염의 지속이다. 화염 시간은 전형적으로는 초 또는 분으로 기록된다. 재료 또는 조성물의 화염 시간은, 이로 형성되는 것은 아니지만, Reaction to fire tests for building and transport products: Non-combustibility test (EN ISO 1182, International Organization for Standardization, Switzerland; EN adopted)를 포함한, 본 기술분야에서 공지된 방법에 의해서 측정될 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 화염 시간 측정은, 달리 언급되지 않는 한, EN ISO 1182 표준(Reaction to fire tests for building and transport products: Non-combustibility test)에 비견되는 조건에 따라서 획득된다. 특정의 실시예에서, 본 개시의 에어로겔 조성물은 약 30 초 이하, 약 25 초 이하, 약 20 초 이하, 약 15 초 이하, 약 10 초 이하, 약 5 초 이하, 약 2 초 이하, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 화염 시간을 갖는다. 본원에서의 문맥 내에서, 예를 들어, 제2 조성물의 화염 시간보다 짧은 화염 시간을 갖는 제1 조성물은 제2 조성물에 비한 제1 조성물의 개선으로 여겨질 것이다. 본원에서는, 조성물의 화염 시간은, 하나 이상의 화재-등급 첨가제를 첨가하는 때에, 어떠한 화재-등급 첨가제를 포함하지 않는 조성물에 비해서 감소되는 것으로 여겨진다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "질량 손실" 및 "ΔM"은 열 분해 조건 하에 손실되거나 타버리는 재료, 조성물, 또는 복합체의 양의 측정을 나타낸다. 질량 손실은 전형적으로는 중량 퍼센트 또는 중량%로서 기록된다. 재료, 조성물, 또는 복합체의 질량 손실은, 이로 형성되는 것은 아니지만, Reaction to fire tests for building and transport products: Non-combustibility test (EN ISO 1182, International Organization for Standardization, Switzerland; EN adopted)를 포함한, 본 기술분야에서 공지된 방법에 의해서 측정될 수 있다. 본 개시의 문맥 내에서, 질량 손실 측정은, 달리 언급되지 않는 한, EN ISO 1182 표준(Reaction to fire tests for building and transport products: Non-combustibility test)에 비교되는 조건에 따라서 획득된다. 특정의 실시예에서, 본 개시의 절연 층 또는 에어로겔 조성물은 약 50% 이하, 약 40% 이하, 약 30% 이하, 약 28% 이하, 약 26% 이하, 약 24% 이하, 약 22% 이하, 약 20% 이하, 약 18% 이하, 약 16% 이하, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 질량 손실을 가질 수 있다. 본원에서의 문맥 내에서, 예를 들어, 제2 조성물의 질량 손실보다 적은 질량 손실을 갖는 제1 조성물은 제2 조성물에 비한 제1 조성물의 개선으로 여겨질 것이다. 본원에서는, 조성물의 질량 손실은, 하나 이상의 화재-등급 첨가제를 첨가하는 때에, 어떠한 화재-등급 첨가제를 포함하지 않는 조성물에 비해서 감소되는 것으로 여겨진다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "피크 열 배출의 온도(temperature of peak heat release)"는 분해로부터의 발열성 열 배출이 최대인 환경 열의 온도의 측정을 나타낸다. 재료 또는 조성물의 피크 열 배출의 온도는 TGA 분석, 시차 주사 열량 분석(DSC) 또는 이들의 조합을 사용하여 측정될 수 있다. DSC 및 TGA의 각각은 피크 열 배출의 온도에 대한 유사한 값을 제공할 것이고, 여러번, 시험이 동시에 진행되어, 결과가 둘 모두로부터 얻어지게 한다. 전형적인 DSC 분석에서, 열 흐름이 상승하는 온도에 대해서 플롯팅되며, 피크 열 배출의 온도는, 이러한 곡선에서의 가장 높은 피크가 발생하는, 온도이다. 본 개시의 문맥 내에서, 재료 또는 조성물의 피크 열 배출의 온도의 측정은, 달리 언급되지 않는 한, 본 문단에서 제공되는 바와 같은 TGA 분석을 사용하여 획득된다.
흡열 재료의 문맥에서, 용어 "피크 열 흡수의 온도"는, 분해로부터의 흡열 열 흡수가 최소인, 환경 열의 온도의 측정을 나타낸다. 재료 또는 조성물의 피크 열 흡수의 온도는 TGA 분석, 시차 주사 열량 분석(DSC) 또는 이들의 조합을 사용하여 측정될 수 있다. 전형적인 DSC 분석에서, 열 흐름이 상승하는 온도에 대해서 플롯팅되며, 피크 열 흡수의 온도는, 이러한 곡선에서의 최저 피크가 발생하는, 온도이다. 본 개시의 문맥 내에서, 재료 또는 조성물의 피크 열 흡수의 온도의 측정은, 달리 언급되지 않는 한, 본 문단에서 제공되는 바와 같은 TGA 분석을 사용하여 획득된다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "낮은-가연성(low-flammability)" 및 "낮은-가연성의"는 다음 특성, 즉, i) 50 ℃ 이하의 노 온도 상승; ii) 20 초 이하의 화염 시간; 및 iii) 50 중량% 이하의 질량 손실의 조합을 충족시키는 재료 또는 조성물을 나타낸다. 본 개시의 문맥 내에서, 용어 "비-가연성" 및 "비-가연성의"는 다음 특성, 즉, i) 40 ℃ 이하의 노 온도 상승; ii) 2 초 이하의 화염 시간; 및 iii) 30 중량% 이하의 질량 손실의 조합을 충족시키는 재료 또는 조성물을 나타낸다. 조성물의 가연성(예, 노 온도 상승, 화염 시간, 및 질량 손실의 조합)은 본원에서 기재된 바와 같이 하나 이상의 화재-등급 첨가제의 포함시에 감소되는 것으로 여겨진다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "낮은-연소성" 및 "낮은-연소성의"는 3 MJ/kg 이하의 전체 연소열(heat of combustion: HOC)을 갖는 낮은-연소성의 재료 또는 조성물을 나타낸다. 본 개시의 문맥 내에서, 용어 "비-연소성" 및 "비-연소성의"는 2 MJ/kg 이하의 연소열(HOC)을 갖는 비-가연성의 재료 또는 조성물을 나타낸다. 조성물의 HOC는 본원에서 기재된 바와 같이 하나 이상의 화재-등급 첨가제의 포함시에 감소되는 것으로 여겨진다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "소수성-결합된 규소"는 규소 원자에 공유 결합된 적어도 하나의 소수성 기를 포함하는 겔 또는 에어로겔의 골격 내의 규소 원자를 나타낸다. 소수성-결합된 규소의 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 적어도 하나의 소수성 기(예컨대, MTES 또는 DMDS)를 포함하는 겔 전구체로부터 형성되는 겔 골격 내의 실리카 기에서의 규소 원자를 포함한다. 소수성-결합된 규소는 또한, 이로 형성되는 것은 아니지만, 추가의 소수성 기를 조성물 내로 통합시킴으로써 소수성에 영향을 주거나 그것을 개선시키는 소수화제(예컨대, HMDZ)로 처리되는 겔의 표면 상의 또는 겔 골격 내의 규소 원자를 포함할 수 있다. 본 개시의 소수성 기는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, 3차-부틸기, 옥틸기, 페닐기, 또는 본 기술분야에서의 통상의 기술자에게는 공지된 그 밖의 치환 또는 비치환된 소수성 유기 기를 포함한다. 본 개시의 문맥 내에서, 용어 "소수성 기", "소수성 유기 재료" 및 "소수성 유기물 함량"은 구체적으로는, 유기 용매와 실라놀기 사이의 반응 생성물인, 겔 재료의 골격 상의 용이하게 가수분해 가능한 유기 규소-결합된 알콕시 기를 배제한다. 이러한 배제된 기는 NMR 분석을 통한 이의 소수성 유기물 함량과 차별 가능하다. 에어로겔에 함유되는 소수성-결합된 규소의 양은 NMR 분광분석, 예컨대, CP/MAS 29Si Solid State NMR을 사용하여 분석될 수 있다. 에어로겔의 NMR 분석은 M-형 소수성-결합된 규소(일작용성 실리카, 예컨대, TMS 유도체); D-형 소수성-결합된 규소(이작용성 실리카, 예컨대, DMDS 유도체); T-형 소수성-결합된 규소(삼작용성 실리카, 예컨대, MTES 유도체); 및 Q-형 규소(사작용성 실리카, 예컨대, TEOS 유도체)의 특성화 및 상대적인 정량화를 가능하게 한다. NMR 분석은 또한 소수성-결합된 규소의 특이적 유형의 서브-유형으로의 분류(예컨대, T-형 소수성-결합된 규소의 T1 종, T2 종, 및 T3 종으로의 분류)를 가능하게 함으로써 에어로겔에 함유된 소수성-결합된 규소의 결합 화학을 분석하기 분석하기 위해서 사용될 수 있다. 실리카 재료의 NMR 분석과 관련된 특정의 상세사항은, 구체적으로 인용된 페이지에 따라서 본원에서 참조로 통합되는, 논문["Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/Inorganic Multicomponent Materials" by Geppi et al., specifically pages 7-9 (Appl. Spec. Rev. (2008), 44-1: 1-89)]에서 찾아볼 수 있다.
CP/MAS 29Si NMR 분석에서의 소수성-결합된 규소의 특성화는 이하 화학적 이동 피크를 기반으로 할 수 있다: M1 (30 내지 10 ppm); D1 (10 내지 -10 ppm), D2 (-10 내지 -20 ppm); T1 (-30 내지 -40 ppm), T2 (-40 내지 -50 ppm), T3 (-50 내지 -70 ppm); Q2 (-70 내지 -85 ppm), Q3 (-85 내지 -95 ppm), Q4 (-95 내지 -110 ppm). 이들 화학적 이동 피크는 근사치이며 예시적이고, 제한적이거나 결정적인 것으로 의도되지 않는다. 재료 내의 다양한 규소 종에 기인한 정확한 화학적 이동 피크는 재료의 특이적 화학적 성분에 좌우될 수 있으며, 일반적으로는 본 기술분야에서의 통상의 기술자에 의한 통상의 실험 및 분석을 통해서 판독될 수 있다.
본 개시의 문맥 내에서, 용어 "소수성 유기물 함량" 또는 "소수성 물질 함량" 또는 "소수성 함량"은 에어로겔 재료 또는 조성물 내의 골격에 결합된 소수성 유기 재료의 양을 나타낸다. 에어로겔 재료 또는 조성물의 소수성 유기물 함량은 에어로겔 재료 또는 조성물 내의 재료의 전체 양이 비한 에어로겔 골격 상의 소수성 유기 재료의 양의 중량 백분율로서 표현될 수 있다. 소수성 유기물 함량은 에어로겔 재료 또는 조성물을 제조하는데 사용되는 재료의 본질 및 상대적인 농도를 기반으로 하여 본 기술분야에서의 통상의 기술자에 의해서 계산될 수 있다. 소수성 유기물 함량은 또한, 산소 대기(대안적인 가스 환경 하의 TGA가 또한 유용하기는 하지만) 중에서, 대상 재료의 열 중량 분석(TGA)을 사용하여 측정될 수 있다. 구체적으로는, 에어로겔 내의 소수성 유기 재료의 백분율은 TGA 분석 동안 연소열 온도에 주어지는 때의 소수성 에어로겔 재료 또는 조성물에서의 중량 손실의 백분율과 관련이 있을 수 있으며, 조절은 TGA 분석 동안 수분의 손실, 잔류 용매의 손실, 및 용이하게 가수분해 가능한 알콕시기의 손실에 대해서 이루어진다. 다른 대안적인 기술, 예컨대, 본 기술분야에서의 통상의 기술자에게는 공지된 시차 주사 열량 분석, 원소 분석(특히, 탄소), 크로마토그래피 기술, 핵 자기 공명 스펙트럼 및 다른 분석 기술이 본 개시의 에어로겔 조성물 내의 소수성 물질 함량을 측정하고 결정하기 위해서 사용될 수 있다. 특정의 예에서, 공지된 기술들의 조합이 본 개시의 에어로겔 조성물의 소수성 물질 함량을 측정하는데 유용하거나 필요할 수 있다.
본 개시의 에어로겔 재료 또는 조성물은 50 중량% 이하, 40 중량% 이하, 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량% 이하, 10 중량% 이하, 8 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하, 1 중량% 이하, 또는 이들 값들 중 어떠한 두 값 사이의 범위의 소수성 유기물 함량을 가질 수 있다.
용어 "연료 함량"은, TGA 또는 TG-DSC 분석 동안에 연소열 온도에 주어지는 때의 에어로겔 재료 또는 조성물에서의 중량 손실의 전체 백분율과 관련될 수 있는, 에어로겔 재료 또는 조성물에서의 가연성 재료의 전체 양을 나타내며, 조절은 수분 손실에 대해서 이루어진다. 에어로겔 재료 또는 조성물의 연료 함량은 소수성 유기물 함량뿐만 아니리, 다른 연소 가능항 잔류 알코올계 용매, 충전제 재료, 강화제, 및 용이하게 가수분해 가능한 알콕시기를 포함할 수 있다.
본 개시의 문맥 내에서, "오르모실"은 상기 재료뿐만 아니라, 때로는 "오르모서(ormocer)"로 일컬어지는 다른 유기적으로 변형된 재료를 포함한다. 오르모실은 흔히 코팅으로서 사용되며, 여기에서, 오르모실 필름은, 예를 들어, 졸-겔 공정을 통해서 기재 재료 상에 캐스팅된다. 본 개시의 다른 유기-무기 하이브리드 에어로겔의 예는, 이로 형성되는 것은 아니지만, 실리카-폴리에테르, 실리카-PMMA, 실리카-키토산, 카바이드, 니트라이드, 및 상기 언급된 유기 및 무기 에어로겔 형성 화합물들의 다른 조합을 포함한다. 공개된 미국특허 출원 제20050192367호(문단번호[0022]-[0038] 및 [0044]-[0058])는 이러한 하이브리드 유기-무기 재료의 교시를 포함하고 있으며, 본원에서 개별적인 인용된 부분 및 단락에 따라서 참조로 통합된다.
배터리 모듈 또는 팩 내의 다층 재료의 사용
리튬 이온 배터리(LIB)는 기존 배터리에 비해 높은 작동 전압, 낮은 메모리 효과 및 높은 에너지 밀도로 인해 가장 중요한 에너지 저장 기술 중 하나로 간주된다. 그러나 안전 문제는 LIB의 대규모 적용을 방해하는 중요한 장애물이다. 남용 조건에서 발열 반응은 이후의 안전하지 않은 반응을 유발할 수 있는 열 배출로 이어질 수 있다. 남용된 셀에서 배출된 열이 일련의 반응을 활성화하여 치명적인 열 폭주를 일으킬 수 있으므로 상황은 더욱 악화된다.
LIB의 에너지 밀도가 지속적으로 향상됨에 따라 전기 장치, 예를 들어, 전기 차량의 개발을 위해 이의 안전성 향상이 점점 더 시급해지고 있다. 안전 문제의 근본적인 메커니즘은 각각의 상이한 배터리 화학에 따라 변화한다. 현재 기술은 유리한 열적 및 기계적 특성을 얻기 위해 다층 재료 및 해당 재료의 해당 구성을 조정하는 데 중점을 둔다. 본 기술의 다층 재료는 정상적인 작동 모드(예를 들어, 적용된 압축 응력을 견디는)에서 LIB의 안정성을 보장하면서 정상 및 열 폭주 조건에서 효과적인 방열 전략을 제공한다.
본원에 기재된 다층 재료는 배터리 셀 또는 임의의 구성의 배터리의 배터리 구성요소, 예를 들어, 파우치 셀, 실린더형 셀, 프리즘 셀,뿐만 아니라, 임의의 이러한 셀을 통합하고 있거나 이를 포함하는 팩 및 모듈을 분리시키고, 절연시키고, 보호하기에 유용하다. 본원에 개시된 다층 재료는 리튬 이온 배터리, 전고체 배터리, 및 임의의 다른 에너지 저장 장치 또는 분리, 절연 및 보호가 필요한 기술과 같은 재충전가능 배터리에서 유용하다.
냉각 시스템과 같은 수동 장치는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 내에서 본 개시의 다층 재료와 함께 사용될 수 있다.
복수의 단일 배터리 셀 또는 배터리 셀 모듈을 포함하는 배터리 팩에서 본 개시의 다양한 실시예에 따른 다층 재료는 상기 단일 배터리 셀 또는 배터리 셀 모듈을 서로로부터 열적으로 분리한다.

Claims (59)

  1. 전기 에너지 저장 시스템 내에 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료로서, 상기 다층 재료는
    적층 조립체를 포함하는 코어 부분 - 적층 조립체는 적어도 하나의 열 용량성 층 및 적어도 하나의 절연 층을 포함함 - ,
    코어 부분의 외측에 배열된 외부 부분 - 외부 부분은 적어도 하나의 희생 재료 층을 포함하고, 희생 재료 층은 암축가능 패드를 포함함 - , 을 포함하고,
    열 용량성 층은 적어도 약 200 J/(kg-K)의 비열 용량을 가지며, 절연 층은 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 열 전도율을 갖는 다층 재료.
  2. 전기 에너지 저장 시스템 내에 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료로서, 상기 다층 재료는
    적층 조립체를 포함하는 코어 부분 - 적층 조립체는 적어도 하나의 열 전도성 층 및 적어도 하나의 절연 층을 포함함 - ,
    코어 부분의 외측에 배열된 외부 부분 - 외부 부분은 적어도 하나의 희생 재료 층을 포함함 - , 을 포함하고,
    열 전도성 층은 상기 열 전도성 층의 평면 내 치수를 따라 적어도 약 200 mW/m-K의 열 전도율을 가지며, 절연 층은 상기 절연 층의 두께 치수를 통해 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 열 전도율을 갖는 다층 재료.
  3. 제1항 및 제2항에 있어서, 코어 부분과 외부 부분 사이에 개재된 캡슐화 재료 층을 추가로 포함하는 다층 재료.
  4. 제1항 및 제2항에 있어서, 캡슐화 재료 층을 추가로 포함하고, 외부 부분은 코어 부분과 캡슐화 재료 층 사이에 개재되는 다층 재료.
  5. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 다층 재료는 비압축 상태에서 약 2 mm 내지 약 10 mm의 평균 두께를 갖는 다층 재료.
  6. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 절연 층은 에어로겔을 포함하는 다층 재료.
  7. 제6항에 있어서, 에어로겔은 강화 재료를 포함하는 다층 재료.
  8. 제7항에 있어서, 강화 재료는 유기 폴리머 기반 섬유, 무기 섬유, 탄소 기반 섬유 또는 이들의 조합으로부터 선택된 섬유를 포함하는 다층 재료.
  9. 제8항에 있어서, 섬유는 이산 섬유, 직포 재료, 건식 부직포 재료, 습식 부직포 재료, 바느질된 부직포, 탄 솜, 웹, 매트, 펠트, 및/또는 이들의 조합의 형태인 다층 재료.
  10. 제8항에 있어서, 유기 섬유는 유리 섬유, 암석 섬유, 금속 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유, 현무암 섬유 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 다층 재료.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 에어로겔은 실리카-기반 에어로겔을 포함하는 다층 재료.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 에어로겔은 하나 이상의 첨가제를 포함하고, 하나 이상의 첨가제는 에어로겔의 적어도 약 5 중량% 내지 20 중량%의 수준으로 존재하는 다층 재료.
  13. 제12항에 있어서, 하나 이상의 첨가제는 에어로겔의 적어도 약 10 중량% 내지 20 중량%의 수준으로 존재하는 다층 재료.
  14. 제12항에 있어서, 하나 이상의 첨가제는 화재-등급 첨가제를 포함하는 다층 재료.
  15. 제12항에 있어서, 하나 이상의 첨가제는 B4C, 규조토, 망간 페라이트, MnO, NiO, SnO, Ag2O, Bi2O3, TiC, WC, 카본 블랙, 티타늄 옥사이드, 아이언 티타늄 옥사이드, 지르코늄 실리케이트, 지르코늄 옥사이드, 아이언(I) 옥사이드, 아이언(III) 옥사이드, 망간 디옥사이드, 아이언 티타늄 옥사이드(일메나이트), 크롬 옥사이드 또는 이의 혼합물로부터 선택된 혼탁화제를 포함하는 다층 재료.
  16. 제12항에 있어서, 하나 이상의 첨가제는 실리콘 카바이드를 포함하는 혼탁화제를 포함하는 다층 재료.
  17. 제12항에 있어서, 하나 이상의 첨가제는 화재-등급 첨가제 및 혼탁화제의 조합을 포함하는 다층 재료.
  18. 제6항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 에어로겔은 약 0.25 g/cc 내지 약 1.0 g/cc 범위의 밀도를 갖는 다층 재료.
  19. 제6항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 에어로겔은 약 2MPa 내지 약 8MPa의 굽힘 계수를 갖는 다층 재료.
  20. 제6항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 에어로겔은 압축 저항을 나타내고, 25% 변형에서의 압축 저항은 약 40 kPa 내지 약 180 kPa 사이인 다층 재료.
  21. 제6항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 에어로겔은 단일체, 비드, 입자, 과립, 분말, 박막, 시트 또는 이들의 조합의 형태인 다층 재료.
  22. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 캡슐화 재료 층을 추가로 포함하고, 캡슐화 재료 층은 금속 층 및 하나 이상의 폴리머 층을 포함하고, 캡슐화 층은 코어 부분과 외부 부분 사이에 배열되는 다층 재료.
  23. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 희생 재료 층은 실록산, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 페놀, 멜라민, 셀룰로오스 아세테이트 및 폴리스티렌으로 구성된 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 다층 재료.
  24. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 희생 재료 층은 발포체의 형태인 다층 재료.
  25. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 희생 재료 층의 화학적 분해 개시 온도는 약 200 ℃ 내지 약 400 ℃ 범위인 다층 재료.
  26. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 절연 층은 운모, 미세다공성 실리카, 세라믹 섬유, 광물 울 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 추가로 포함하는 다층 재료.
  27. 제2항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 층은 다층 재료.금속, 탄소, 전도성 폴리머 또는 이들의 조합을 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는 다층 재료.
  28. 제2항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 층은 상 변화 재료를 포함하는 다층 재료.
  29. 제2항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 층은 알루미늄, 구리 및 스틸을 포함하는 금속인 다층 재료.
  30. 제2항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 층은 국부적 열 하중으로부터 열을 전도하는 다층 재료.
  31. 제30항에 있어서, 열 전도성 층은 환경에 대한 국부적 열 하중으로부터 열을 방출하는 다층 재료.
  32. 제2항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 층은 메시, 시트, 천공 시트, 호일 및 천공 호일로 구성된 그룹으로부터 선택된 형태인 다층 재료.
  33. 제1항 및 제3항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 열 용량성 층은 상 변화 재료인 다층 재료.
  34. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 외부 부분은 내마모성 재료, 팽창성 재료, 난연성 재료, 화염 방지 재료 또는 이들의 조합의 그룹으로부터 선택된 재료로 제조된 층을 포함하는 다층 재료.
  35. 제1항 내지 제5항 및 제22항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 절연 층은 운모, 미세다공성 실리카, 세라믹 섬유, 광물 울 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 다층 재료.
  36. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 25 ℃에서 상기 절연 층의 두께 치수를 통한 열 전도율은 최대 약 5 MPa의 하중 하에서 미미한 양을 증가시키거나 또는 동일하게 유지하는 다층 재료.
  37. 단일의 배터리 셀 또는 배터리 셀의 모듈을 서로 열적으로 분리하기 위하여 복수의 단일 배터리 셀 또는 배터리 셀의 모듈을 포함하는 배터리 팩 내에 전항들 중 어느 한 항의 다층 재료의 용도.
  38. 제37항에 있어서, 배터리의 한 부분의 하나 이상의 배터리 셀 또는 배터리 셀 모듈에서 발생하는 폭주 이벤트는 폭주 이벤트가 발생하는 배터리의 일부로부터 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따라 다층 재료에 의해 분리되는 상기 배터리의 일부에서 배터리 셀 또는 모듈에 손상을 야기하지 않는 용도.
  39. 배터리 모듈로서,
    제1 표면을 갖는 제1 배터리 셀;
    제2 표면을 갖는 제2 배터리 셀 - 제2 표면은 제1 표면에 대면함 - ; 및
    제1 표면과 제2 표면 사이에 배열된 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따른 다층 재료를 포함하는 배터리 모듈.
  40. 제39항에 있어서, 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따른 다층 재료는 대면하는 제1 및 제2 표면의 표면적의 적어도 약 80%를 덮는 배터리 모듈.
  41. 배터리 모듈로서,
    적어도 하나의 배터리 셀, 및
    제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따른 다층 재료를 포함하고, 다층 재료는 배터리 모듈의 표면 상에 또는 적어도 하나의 배터리 셀의 표면 상에 배열되는 배터리 모듈.
  42. 제39항 및 제41항에 있어서, 배터리 팩으로부터 열을 제거하도록 구성된 냉각 시스템을 추가로 포함하는 배터리 모듈.
  43. 제42항에 있어서, 다층 재료의 적어도 하나의 층은 냉각 시스템과 열 연통하는 배터리 모듈.
  44. 제43항에 있어서, 열 전도성 층은 냉각 시스템과 열 연통하는 배터리 모듈.
  45. 2개의 인접한 셀 또는 2개의 인접한 모듈 사이에 배열된 복수의 셀 및 스페이서를 포함하는 배터리 팩으로서, 스페이서는 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 따른 다층 재료를 포함하는 배터리 팩.
  46. 제45항에 있어서, 배터리 팩으로부터 열을 제거하도록 구성된 냉각 시스템을 추가로 포함하는 배터리 팩.
  47. 제46항에 있어서, 다층 재료의 적어도 하나의 층은 냉각 시스템과 열 연통하는 배터리 팩.
  48. 제47항에 있어서, 열 전도성 층은 냉각 시스템과 열 연통하는 배터리 팩.
  49. 제45항 내지 제48항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 장치 또는 차량.
  50. 제49항에 있어서, 상기 장치는 랩탑 컴퓨터, PDA, 휴대폰, 태그 스캐너, 오디오 장치, 비디오 장치, 디스플레이 패널, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 데스크톱 컴퓨터 군용 휴대용 컴퓨터 군용 전화기 레이저 거리 측정기 디지털 통신 장치, 정보 수집 센서, 전자 통합 의류, 야간 투시 장비, 전동 공구, 계산기, 라디오, 원격 제어 기기, GPS 장치, 휴대용 및 포터블 텔레비전, 자동차 시동 장치, 손전등, 음향 장치, 휴대용 난방 장치, 휴대용 진공 청소기 또는 휴대용 의료 도구인 장치.
  51. 제49항에 있어서, 차량은 전기차인 차량.
  52. 전기 에너지 저장 시스템에서 열 장벽으로 사용하기 위한 다층 재료로서, 상기 다층 재료는
    적어도 하나의 열 전도성 층 및/또는 적어도 하나의 열 용량성 층 및 약 1 MPa 내지 약 12 MPa의 압축 계수를 갖는 적어도 하나의 압축가능 재료 층을 포함하는 코어 층;
    25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 상기 절연 층의 두께 치수를 통한 열 전도율을 갖는 2개의 절연 층을 포함하고,
    코어 층은 2개의 절연 층에 의해 개재되고, 및
    다층 재료는 캡슐화 재료 내에 선택적으로 캡슐화되는 다층 재료.
  53. 제52항에 있어서, 코어 층은 화염 저항 층을 추가로 포함하는 다층 재료.
  54. 제52항에 있어서, 코어 층은 적어도 하나의 열 전도성 층을 포함하는 다층 재료.
  55. 제52항에 있어서, 코어 층은 적어도 하나의 열 용량성 층을 포함하는 다층 재료.
  56. 제52항에 있어서, 코어 층은 2개의 열 전도성 층 및 하나의 압축가능 재료 층을 포함하고, 압축가능 재료 층은 2개의 열 전도성 층에 의해 개재되는 다층 재료.
  57. 제52항에 있어서, 코어 층은 2개의 열 용량성 층 및 하나의 압축가능 재료 층을 포함하고, 압축가능 재료 층은 2개의 열 용량성 층에 의해 개재되는 다층 재료.
  58. 제52항에 있어서, 코어 층은 하나의 열 용량성 층 및 2개의 압축가능 재료 층을 포함하고, 열 용량성 층은 2개의 압축가능 재료 층에 의해 개재되는 다층 재료.
  59. 제52항에 있어서, 다층 재료는 2개의 열 용량성 층을 추가로 포함하고, 각각의 열 용량성 층은 각각의 절연 층의 외부 표면 상에 배열되는 다층 재료.
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