KR20230157289A

KR20230157289A - 리튬 이온 배터리의 열적 보호

Info

Publication number: KR20230157289A
Application number: KR1020237017592A
Authority: KR
Inventors: 마크 엘. 로빈
Original assignee: 더 케무어스 컴퍼니 에프씨, 엘엘씨
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-11-16
Also published as: JP2024512173A; EP4308256A1; WO2022197333A1; CN116547043A; CA3200715A1; US20230398386A1; TW202239046A

Abstract

리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법. 본 발명은 또한 열 폭주를 나타내는 리튬 이온 배터리에 의해 생성된 화재를 소화하기 위한 시스템을 제공한다.

Description

리튬 이온 배터리의 열적 보호

본 발명은 화염 소화 및 열 폭주(thermal runaway) 종료를 비롯하여, 열적 이벤트(event)로부터 리튬 이온 배터리를 보호하는 데 관한 것이다.

1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF₃CHFCF₃, ASHRAE 명칭 HFC-227ea로도 알려져 있으며 FM-200™ 화재 진압제로 판매됨) 및 도데카플루오로-2-메틸펜탄-3-온(이는 1,1,1,2,2,4,5,5,5-노나플루오로-4-(트라이플루오로메틸)-3-펜타논 CF₃CF₂C(=O)CF(CF₃)₂이며, ASHRAE 명칭 FK-5-1-12로도 알려져 있고, Novec™ 1230 방화 유체로 판매됨과 같은 기체 청정 소화제(fire extinguishing agent)는, 현재 이용가능한 방법 및 시스템에서 열 폭주, 특히 리튬 이온 배터리(LIB)와 연관된 캐스케이딩 열 폭주를 종료할 수 없으며, LIB와 관련된 액체 전해질 화재의 소화에만 제한된다는 것이 특수 화재 진압 산업에서 일반적으로 받아들여지고 있다. 예를 들어, 잉그램(Ingram)은 문헌["Lithium-Ion Batteries: A Potential Fire Hazard" (Data Center Journal, 2013)]에서 "기체 제제는 누출된 전해질의 연소로 인한 화염을 소화할 것이지만, Li-이온 전지 내에서 발생하는 열 폭주를 완화하거나 예방하는 데 거의 또는 전혀 효과를 갖지 않는다"고 개시하였다. 더 최근에, 잉그램은 문헌["Fire Suppression for Lithium Ion Battery Fires" presented at the Fire Suppression System Association's Annual Meeting in 2019]에서, "열 폭주는 .... 어떠한 진압 시스템에 의해서도 제어될 수 없다"고 개시하였다.

미국 특허 출원 공개 제2010/0078182호는 연료 전지, 일반 배터리 또는 충전식 배터리와 같은 전기적 또는 기계적 에너지를 생성 및 저장하는 장치, 및 화재 회피 방법을 개시한다. 전기적 또는 기계적 에너지를 생성 또는 저장하는 역할을 하는 장치의 적어도 하나의 요소가 캡슐화재(encapsulation) 내에 배치된다. 난연성 물질을 저장하는 용기는 캡슐화재와 접촉한다. 다수의 전지가 존재하는 경우, 이 시스템은 다른 전지에 대한 손상을 방지하기 위해 전지들을 서로 분리하지 않는다. 또한, 이 시스템은 개방 화염의 존재 하에서의 활성화 방법을 갖지 않는다. 미국 특허 출원 공개 제2010/0078182호는 화염 소화를 언급하지만 열 폭주의 종료를 다루지는 못한다.

중국 특허 제206167681호는, 배터리를 둘러싸는 배터리 케이스 내에 위치한 화재 감지/전달 튜브를 사용하는 것을 포함하는, 자동차 내의 리튬 이온 배터리를 화재로부터 보호하는 장치를 개시한다. 소화제는 헵타플루오로프로판일 수 있다. 배터리 케이스 내부의 소화제 이송 및 화재 감지 튜브에 압력 신호 센서가 설치된다. 중국 특허 제206167681호는 소화를 언급하지만, 열 폭주의 종료를 다루지는 못한다.

미국 특허 제7823650호는 화재와 같은 위험의 감지에 반응하여 소화제를 전달하기 위한 위험 제어 시스템을 개시한다. 이 시스템은 열에 대한 노출에 반응하여 누출되도록 구성된 압력 튜브를 사용할 수 있다. 이 시스템의 요소는 (1) 제어 유닛, (2) 소화제, (3) 위험 감지 시스템 및 (4) 위험 영역 및 (5) 소화제를 위험 영역에 전달하는 전달 시스템을 포함한다. 위험 감지 시스템은 압력 튜브에서의 압력의 변화와 같은 위험을 감지하는 것에 반응하여 신호를 생성한다. 미국 특허 제7823650호는 화재 제어 시스템을 언급하지만, 화재를 소화하는 방법 또는 열 폭주를 종료하는 방법을 다루지는 못한다.

열 폭주 종료 및 화염 소화뿐만 아니라 소화된 화재의 재점화 방지를 포함하여, 리튬 이온 배터리와 관련된 열적 보호 필요성을 다루는 것이 여전히 필요하다. 본 발명은 이들 필요성을 충족시킨다.

본 발명은 리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법을 제공한다. 이 방법은 (a) 인클로저를 제공하는 단계; (b) 인클로저 내에 위치된 장치를 제공하는 단계 - 장치는 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받음 -; (c) 열 폭주 종료제의 공급원을 제공하는 단계 - 공급원은 용기 및 양방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 양방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 불연성 할로올레핀을 포함함 -; (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브를 제공하는 단계 - 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 양방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치됨 -; 및 (e) 화염을 생성하고 열 폭주를 개시하는 열 자극을 제공하는 단계 - 이때 감온 튜브가 파열되어, 감온 튜브에 개구("열 자극-생성된 개구")를 생성하고 감온 튜브의 열 자극-생성된 개구를 통해 감온 튜브 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제가 인클로저 내로 방출되게 하여 감온 튜브 내의 압력 강하를 초래하고, 이는 양방향 제어 밸브를 가동시켜 열 폭주 종료제를 저장 용기로부터 양방향 제어 밸브를 통해 감온 튜브로 그리고 감온 튜브의 열 자극-생성된 개구로부터 인클로저 내로 전달하고, 열 폭주 종료제의 전달은 배출 시간, 열 폭주 종료제 농도, 및 유지 시간을 특징으로 함 - 를 포함하여, 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하고 화염의 소화 후 재점화를 방지한다.

리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법이 또한 제공되며, 이 방법은 (a) 인클로저를 제공하는 단계; (b) 인클로저 내에 위치된 장치를 제공하는 단계 - 장치는 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받음 -; (c) 열 폭주 종료제의 공급원을 제공하는 단계 - 공급원은 용기 및 3방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 3방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 불연성 폴리올레핀을 포함함 -; (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브를 제공하는 단계 - 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치됨 -; (e) 하나의 단부에서 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부에서 리튬 이온 배터리에 근접한 노즐에서 종결되는 노즐 연결 튜브를 제공하는 단계; 및 (f) 화염을 생성하고 열 폭주를 개시하는 열 자극을 제공하는 단계 - 이때 감온 튜브가 파열되어, 감온 튜브에 개구("열 자극-생성된 개구")를 생성하고 감온 튜브의 열 자극-생성된 개구를 통해 감온 튜브 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제가 인클로저 내로 방출되게 하여 감온 튜브 내의 압력 강하를 초래하고, 이는 3방향 제어 밸브를 가동시켜 열 폭주 종료제를 저장 용기로부터 3방향 제어 밸브를 통해 노즐 연결 튜브로 전달하여 열 폭주 종료제가 노즐로부터 인클로저 내로 방출되도록 하고, 열 폭주 종료제의 전달은 배출 시간, 열 폭주 종료제 농도, 및 유지 시간을 특징으로 함 - 를 포함하여, 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하고 화염의 소화 후 재점화를 방지한다.

인클로저 내에서 열 폭주 종료제의 농도, 배출 시간 및 유지 시간은 기존 시스템에 비해 다음과 같은 이점을 제공한다: (1) 일단 화염이 발생하면 화염을 소화하고; (2) 단일 전지 리튬 이온 배터리 또는 다중 전지 리튬 이온 배터리 또는 리튬 이온 배터리 뱅크에서 발생하는 열 폭주를 종료하고, (3) 화염이 소화된 후 발생하는 재점화를 방지한다.

(a) 인클로저; (b) 인클로저 내에 위치되고 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받는 장치; (c) 열 폭주 종료제의 공급원 - 공급원은 용기 및 양방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 양방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 하나 이상의 불연성 할로올레핀을 포함함 -; 및 (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브 - 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 양방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치되고, 튜브는 임계 온도를 감지하면 파열가능함 - 를 포함하는, 방화 시스템이 또한 제공된다.

(a) 인클로저; (b) 인클로저 내에 위치되고 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받는 장치; (c) 열 폭주 종료제의 공급원 - 공급원은 용기 및 3방향 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 3방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 하나 이상의 불연성 할로올레핀을 포함함 -; 및 (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브 - 감온 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 감온 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 감온 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치되고, 감온 튜브는 임계 온도를 감지하면 파열가능함 -; 및 (e) 하나의 단부에서 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부에서 리튬 이온 배터리에 근접한 노즐에서 종결되는 노즐 연결 튜브를 포함하는, 방화 시스템이 또한 제공된다.

다른 특징들은 본 개시내용에 기초하여 당업자에게 명백할 것이다.

본 발명에 따르면, 리튬 이온 배터리의 문제는 소화제가 열 폭주를 종결시킬 수 없으며 어떠한 진압 시스템에 의해서도 열 폭주가 종결될 수 없다는 점이다. 특정 열 폭주 종료제를 선택하고, 리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치 내에서 특정 배출 시간 동안, 특정 농도 및 유지 시간으로 해당 제제를 투여함으로써, 장치 내에서 화염을 소화할 뿐만 아니라(초기 소화), 열 폭주를 종료하고 화염의 초기 소화 후의 재점화를 방지한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 LIB 보호 시스템의 일 실시 형태의 예시이다.
도 2는 본 발명의 LIB 보호 시스템의 제2 실시 형태의 예시이다.
도 3은 본 발명의 LIB 보호 시스템의 제3 실시 형태의 예시이다.
도 4는 본 발명의 LIB 보호 시스템의 제4 실시 형태의 예시이다.
도 5는 전형적인 리튬 이온 배터리(LIB)의 예시이다.

화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법

실시 형태 1

본 발명의 소정 실시 형태에서, 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법이 제공되며, 이 방법은 (a) 인클로저를 제공하는 단계; (b) 인클로저 내에 위치된 장치를 제공하는 단계 - 장치는 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받음 -; (c) 열 폭주 종료제의 공급원을 제공하는 단계 - 공급원은 용기 및 양방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 양방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 하나 이상의 불연성 할로올레핀을 포함함 -; (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브를 제공하는 단계 - 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 양방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치됨 -; 및 (e) 화염을 생성하고 열 폭주를 개시하는 열 자극을 제공하는 단계 - 이때 감온 튜브가 파열되어, 튜브에 개구(열 자극-생성된 개구)를 생성하고 감온 튜브의 열 자극-생성된 개구를 통해 감온 튜브 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제가 인클로저 내로 방출되게 하여 감온 튜브 내의 압력 강하를 초래하고, 이는 양방향 제어 밸브를 가동시켜 열 폭주 종료제를 저장 용기로부터 양방향 제어 밸브를 통해 감온 튜브로 그리고 감온 튜브의 열 자극-생성된 개구로부터 인클로저 내로 전달하고, 열 폭주 종료제의 전달은 배출 시간, 열 폭주 종료제 농도, 및 유지 시간을 특징으로 함 - 를 포함하여, 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하고 화염의 소화 후 재점화를 방지한다.

양방향 제어 밸브는 감온 튜브와 센서 통신한다. 이 실시 형태에서, 감온 튜브는 양방향 제어 밸브가 가동될 때 열 폭주 종료제가 감온 튜브로 전달되도록 양방향 제어 밸브를 통해 공급원과 유체 연통한다. 이 실시 형태에서, 감온 튜브는 열 자극을 감지하고 열 폭주 종료제를 인클로저 내로 전달하는 역할을 둘 다 한다.

실시 형태 1의 한 가지 방법에서, 단계 (d)에서, 감온 튜브는 불활성 가스를 수용한다. 실시 형태 1의 대안적인 방법에서, 단계 (d)에서, 감온 튜브는 열 폭주 종료제를 수용한다.

실시 형태 2

리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법이 또한 제공되며, 이 방법은 (a) 인클로저를 제공하는 단계; (b) 인클로저 내에 위치된 장치를 제공하는 단계 - 장치는 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받음 -; (c) 열 폭주 종료제의 공급원을 제공하는 단계 - 공급원은 용기 및 3방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 3방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 불연성 할로올레핀을 포함함 -; (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브를 제공하는 단계 - 감온 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 감온 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 감온 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치됨 -; (e) 하나의 단부에서 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부에서 리튬 이온 배터리에 근접한 노즐에서 종결되는 노즐 연결 튜브를 제공하는 단계; 및 (f) 화염을 생성하고 열 폭주를 개시하는 열 자극을 제공하는 단계 - 이때 감온 튜브가 파열되어, 감온 튜브에 개구(열 자극-생성된 개구)를 생성하고 감온 튜브의 열 자극-생성된 개구를 통해 감온 튜브 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제가 인클로저 내로 방출되게 하여 감온 튜브 내의 압력 강하를 초래하고, 이는 3방향 제어 밸브를 가동시켜 열 폭주 종료제를 저장 용기로부터 3방향 제어 밸브를 통해 노즐 연결 튜브로 전달하여 열 폭주 종료제가 노즐로부터 인클로저 내로 방출되도록 하고, 열 폭주 종료제의 전달은 배출 시간, 열 폭주 종료제 농도, 및 유지 시간을 특징으로 함 - 를 포함하여, 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하고 화염의 소화 후 재점화를 방지한다.

3방향 제어 밸브는 감온 튜브와 센서 통신한다. 이 실시 형태에서, 감온 튜브는, 3방향 제어 밸브가 가동될 때, 열 폭주 종료제가 리튬 이온 배터리에 근접한 노즐에서 종결되는 노즐 연결 튜브를 통해 전달되어, 노즐을 통해 인클로저 내로 열 폭주 종료제를 방출하도록, 공급원과 유체 연통한다. 이 실시 형태에서, 감온 튜브는 열 자극을 감지하는 역할을 하고, 노즐 연결 튜브는 열 폭주 종료제를 인클로저 내로 전달하는 역할을 한다.

실시 형태 2의 한 가지 방법에서, 단계 (d)에서, 감온 튜브는 불활성 가스를 수용한다. 실시 형태 2의 대안적인 방법에서, 단계 (d)에서, 감온 튜브는 열 폭주 종료제를 수용한다.

리튬 이온 배터리용 방화 시스템

실시 형태 3

본 발명의 소정 실시 형태에서, (a) 인클로저; (b) 인클로저 내에 위치되고 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받는 장치; (c) 열 폭주 종료제의 공급원 - 공급원은 용기 및 양방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 양방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 불연성 할로올레핀을 포함함 -; (c) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브 - 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 양방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 감온 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치되고, 감온 튜브는 임계 온도를 감지하면 파열가능함 - 를 포함하는, 방화 시스템이 제공된다.

이 실시 형태에서 양방향 제어 밸브는 감온 튜브와 센서 통신한다. 또한, 이 실시 형태에서, 감온 튜브는 양방향 제어 밸브가 가동될 때 열 폭주 종료제가 감온 튜브로 전달되도록 공급원과 유체 연통한다. 이 실시 형태에서, 감온 튜브는 열 자극을 감지하고 열 폭주 종료제를 인클로저 내로 전달하는 역할을 둘 다 한다.

실시 형태 3의 한 가지 방화 시스템에서, 구성요소 (c)의 감온 튜브는 불활성 가스를 수용한다. 실시 형태 3의 대안적인 방화 시스템에서, 구성요소 (c)의 감온 튜브는 열 폭주 종료제를 수용한다.

실시 형태 4

(a) 인클로저; (b) 인클로저 내에 위치되고 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받는 장치; (c) 열 폭주 종료제의 공급원 - 공급원은 용기 및 3방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 3방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 불연성 할로올레핀을 포함함 -; (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브 - 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 감온 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치되고, 감온 튜브는 임계 온도를 감지하면 파열가능함 -; 및 (e) 하나의 단부에서 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부에서 리튬 이온 배터리에 근접한 노즐에서 종결되는 노즐 연결 튜브를 포함하는, 방화 시스템이 또한 제공된다.

이 실시 형태에서 3방향 제어 밸브는 감온 튜브와 센서 통신한다. 또한, 이 실시 형태에서, 3방향 제어 밸브는, 3방향 제어 밸브가 가동될 때 열 폭주 종료제가 노즐 연결 튜브로 전달되도록 노즐 연결 튜브와 유체 연통한다. 이 실시 형태에서, 감온 튜브는 온도 센서의 기능 및 3방향 제어 밸브의 액추에이터 또는 가동(활성화) 장치의 기능을 수행하지만, 인클로저 내로의 열 폭주 종료제를 위한 전달 튜브로서의 기능을 수행하지는 않는다. 노즐 연결 튜브는 이 실시 형태에서 전달 튜브의 기능을 수행한다.

실시 형태 4의 한 가지 방화 시스템에서, 구성요소 (c)의 감온 튜브는 불활성 가스를 수용한다. 실시 형태 4의 대안적인 방화 시스템에서, 구성요소 (c)의 감온 튜브는 열 폭주 종료제를 수용한다.

특정 의미로 본 명세서에 사용되는 용어가 하기에 제공된다.

"불연성 할로올레핀" 또는"불연성 할로올레핀 혼합물"은 할로올레핀 또는 할로올레핀 혼합물이 ASTM E681 - 09 (2015) '화학물질(증기 및 기체)의 가연성의 농도 한계에 대한 표준 시험 방법'(Standard Test Method for Concentration Limits of Flammability of Chemicals (Vapors and Gases))에 따라 불연성임을 의미한다. E681은 특정 온도에서의 시험을 명시하지 않고, 가연성 한계는 시험 온도 및 압력에 의존한다는 것이 당업자에 의해 이해되지만, 본 발명의 범주 내에서 불연성인 할로올레핀의 경우, 시험은 100℃의 온도 및 대기압에서 수행된다.

본 명세서에서 "센서 통신"이란 제어 밸브가 감온 튜브에 의해 생성된 신호를 수신할 수 있음을 의미하며, 이러한 신호는 제어 밸브를 가동시켜 용기를 개방하여 열 폭주 종료제를 용기로부터 방출하게 한다. 제어 밸브는 실시 형태에 따라 양방향 제어 밸브 또는 3방향 제어 밸브이다. 신호는 예를 들어 공압식 또는 전자식일 수 있다.

실시 형태 1 및 실시 형태 3에서, 양방향 제어 밸브는 감온 튜브와 센서 통신한다. 실시 형태 2 및 실시 형태 4에서, 3방향 제어 밸브는 감온 튜브와 센서 통신한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 양방향 제어 밸브는 적어도 2개의 포트를 갖는 제어 밸브이다. 따라서, 양방향 제어 밸브가 2개 초과의 포트를 가질 수 있음이 당업자에 의해 이해된다. 실시 형태 1 및 실시 형태 3에서, 양방향 제어 밸브는 적어도 3개의 포트를 갖는 제어 밸브를 포함하는 것을 의미한다. 예를 들어, 제3 포트를 갖는 양방향 제어 밸브가 사용될 수 있으며, 여기서 제3 포트는 용기 내용물의 샘플을 인출하기 위한 옵션(option)을 제공한다.

유사하게, 3방향 제어 밸브는 적어도 3개의 포트를 갖는 제어 밸브이다. 따라서, 3방향 제어 밸브가 3개 초과의 포트를 가질 수 있음이 당업자에 의해 이해된다. 실시 형태 2 및 실시 형태 4에서, 3방향 제어 밸브는 적어도 4개의 포트를 갖는 제어 밸브를 포함하는 것을 의미한다. 예를 들어, 제4 포트를 갖는 3방향 제어 밸브가 사용될 수 있으며, 여기서 제4 포트는 용기 내용물의 샘플을 인출하기 위한 옵션을 제공한다.

"유체 연통"이란 유체가 용기로부터 제어 밸브를 통해 중단 없이 감온 튜브 또는 노즐 연결 튜브로 유동할 수 있음을 의미한다.

실시 형태 1 및 실시 형태 3에서, 양방향 제어 밸브는 용기 및 감온 튜브와 유체 연통한다. 실시 형태 2 및 실시 형태 4에서, 3방향 제어 밸브는 용기 및 노즐 연결 튜브와 유체 연통한다.

더 구체적으로, 실시 형태 1에서, 단계 (e)에서의 감온 튜브의 파열은 열 폭주 종료제를 용기로부터 양방향 제어 밸브를 통해 감온 튜브로 그리고 인클로저 내로 유동시킨다. 더 구체적으로, 실시 형태 2에서, 단계 (f)에서의 감온 튜브의 파열은 열 폭주 종료제를 용기로부터 3방향 제어 밸브를 통해 노즐 연결 튜브로, 리튬 이온 배터리에 근접한 노즐을 통해 인클로저 내로 유동시킨다.

센서 통신 및 유체 연통은 공급원이 인클로저의 내부에 위치되는지 또는 외부에 위치되는지 여부에 관계없이 발생한다.

장치

실시 형태 1, 실시 형태 2, 실시 형태 3 또는 실시 형태 4 중 임의의 것에 언급/제공된 바와 같이, 리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치는 하나 이상의 리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 임의의 장치이다. 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템에 적합한 리튬 이온 배터리 전력 공급식 장치의 예에는 데이터로거(datalogger), 통신 장비, 개인용 전자 장비, 전동 공구, 에너지 저장 시스템, 데이터 센터, 전기 자동차, 및 전기 자전거가 포함된다. 개인용 전자 장비는 휴대 전화, 랩톱 컴퓨터 및 게임 시스템을 포함한다.

배터리

본 명세서에 사용되는 바와 같이 "배터리"는 화학 에너지가 전기로 변환되고 전력원으로서 사용되는, 적어도 하나의 전지를 포함하는 용기를 의미한다. "전지"는 전압과 전류를 생성하는 데 사용되는 전해질에 의해 분리된 단일 애노드 및 캐소드를 포함한다. "배터리 뱅크" 또는 "배터리 팩"에서는 2개 이상의 배터리가 병렬로, 직렬로, 또는 3개 이상의 배터리가 존재하는 경우 둘 모두의 조합으로 배열될 수 있다.

리튬 이온 배터리

실시 형태 1, 실시 형태 2, 실시 형태 3 또는 실시 형태 4 중 임의의 것에 언급/제공된 바와 같이, 본 명세서에 사용되는 바와 같이 "리튬 이온 배터리" 또는 "LIB"는, 리튬 이온 화학을 사용하며 리튬 염 전해질을 갖는 전해 전지를 포함하는 배터리를 의미한다. 리튬 이온 배터리는 단일 전지 배터리 또는 다중 전지 배터리, 또는 2개 이상의 리튬 이온 배터리를 포함하는 배터리 뱅크일 수 있다.

LIB는 애노드를 포함하는 애노드 챔버, 캐소드를 포함하는 캐소드 챔버, 및 애노드 챔버를 캐소드 챔버로부터 분리하는 반투과성 막을 포함한다. 애노드는 고체 전해질 중간상(SEI) 층으로 보호된 흑연으로 구성된다. 캐소드는 LiCoO₂, LiFePO₄, LiMn₂O₄ 또는 LiNiMnCoO₂와 같은 리튬 금속 산화물로 구성된다. 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 각각 액체 전해질로 충전된다. 액체 전해질은 전형적으로 에틸렌 카르보네이트 또는 다이에틸 카르보네이트와 같은 가연성 유기 카르보네이트이다. 액체 전해질은 LiPF₆, LiAsF₆, LiClO₄, LiBF₄, 또는 LiCF₃SO₃과 같은 리튬 염을 함유한다.

인클로저

리튬 이온 배터리 전력 공급식 장치는 인클로저 내에 위치한다. 인클로저는 배터리로부터 발생된 화염을 인클로저 내에 수용하기에 충분한 온도 저항성 및 압력 저항성의 재료로 구성된다. 인클로저는 LIB 전력 공급식 장치와 인클로저를 둘러싸는 영역 사이에 물리적 장벽을 생성한다.

열 폭주 종료제의 공급원

열 폭주 종료제의 공급원이 제공된다. 공급원은 정상 작동 동안 열 폭주 종료제를 저장하는 저장 용기를 포함한다. 공급원은 용기 상에 장착된 제어 밸브를 추가로 포함한다. 제어 밸브는 실시 형태에 따라 양방향 제어 밸브 또는 3방향 제어 밸브일 수 있다.

본 명세서에 개시된 임의의 실시 형태에서, 공급원은 인클로저 내부에 위치할 수 있다.

대안적으로, 본 명세서에 개시된 임의의 실시 형태에서, 공급원은 인클로저 외부에 위치할 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 인클로저는 감온 튜브와 제어 밸브 사이의 센서 통신을 제공하기 위한 개구를 갖는다. 이 실시 형태가 실시 형태 1 또는 실시 형태 3인 경우, 인클로저는 또한 열 폭주 종료제를 인클로저 내로 전달하기 위한 감온 튜브와 양방향 제어 밸브 사이의 유체 연통을 제공하기 위한 개구를 갖는다. 이 실시 형태가 실시 형태 2 또는 실시 형태 4인 경우, 인클로저는 또한 3방향 제어 밸브와 노즐 연결 튜브 사이의 유체 연통을 제공하기 위한 개구를 갖는다. 인클로저에서의 센서 통신 및 유체 연통을 위한 개구들은 열 자극의 경우에 인클로저의 완전성(integrity)을 유지하기 위해 밀봉된다.

제어 밸브

실시 형태 1 및 실시 형태 3을 포함하는 소정 실시 형태에서, LIB 화재로부터의 화염에 의해 야기된 과도한 열로 인한 감온 튜브의 파열 시, 양방향 제어 밸브는 용기로부터 감온 튜브를 통해 인클로저 내로 열 폭주 종료제가 배출되게 한다.

양방향 제어 밸브는 감온 튜브와 센서 통신한다. 양방향 제어 밸브는, 감온 튜브로부터 신호를 수신할 수 있으며 신호에 의해 가동될 수 있는 임의의 유형의 밸브일 수 있다. 신호는 열 자극에 의한 파열 시 감온 튜브 내에서 생성된다. 가동 시, 양방향 제어 밸브는 용기로부터 밸브를 통해 감온 튜브로의 유체 연통을 개방하여, 리튬 이온 배터리에 근접하게 열 폭주 종료제를 전달한다.

이러한 실시 형태에서, 열 폭주 종료제는 감온 튜브에 형성된 열 자극-생성된 개구를 통해 인클로저 내로 전달된다. 이러한 실시 형태에서, 양방향 제어 밸브는 감온 튜브와 센서 통신하고 유체 연통한다.

실시 형태 2 및 실시 형태 4를 포함하는 소정 실시 형태에서, LIB 화재로부터의 화염에 의해 야기된 과도한 열로 인한 감온 튜브의 파열 시, 3방향 제어 밸브는 용기로부터 밸브를 통해, 인클로저 내로의 노즐 연결 튜브로 열 폭주 종료제가 배출되게 한다.

3방향 제어 밸브는 감온 튜브와 센서 통신한다. 3방향 제어 밸브는, 감온 튜브로부터 신호를 수신할 수 있으며 신호에 의해 가동될 수 있는 임의의 유형의 밸브일 수 있다. 신호는 열 자극에 의한 파열 시 감온 튜브 내에서 생성된다. 가동 시, 3방향 제어 밸브는 용기로부터 밸브를 통해 노즐 연결 튜브로의 유체 연통을 개방하여, 리튬 이온 배터리에 근접한 노즐을 통해 열 폭주 종료제를 전달한다.

이러한 실시 형태에서, 열 폭주 종료제는 노즐 연결 튜브를 통해 인클로저 내로 전달된다. 이러한 실시 형태에서, 3방향 제어 밸브는 감온 튜브와 센서 통신하고 노즐 연결 튜브와 유체 연통한다.

불활성 가스

본 명세서에 사용되는 바와 같이 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 가스를 포함한다. 선택적으로, 불활성 가스는 열 폭주 종료제를 추가로 포함한다.

열 폭주 종료제

열 폭주 종료제는 불연성 할로올레핀을 포함하거나 이로 이루어지거나 이로 본질적으로 이루어진다. 불연성 할로올레핀은 E-1,1,1,4,4,4-헥사플루오로-2-부텐(E-HFO-1336mzz, E-CF₃CH=CHCF₃), Z-1,1,1,4,4,4-헥사플루오로-2-부텐(Z-HFO-1336mzz, Z-CF₃CH=CHCF₃), E-1-클로로-3,3,3-트라이플루오로프로펜(E-HCFO-1233zd, E-CF₃CH=CHCl), Z-1-클로로-3,3,3-트라이플루오로프로펜(Z-HCFO-1233zd, Z-CF₃CH=CHCl), 2-클로로-3,3,3-트라이플루오로프로펜(HCFO-1233xf, CF₃CCl=CH₂), Z-1-클로로-2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(Z-HCFO-1224yd, Z-CF₃CF=CHCl), E-1-클로로-2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(E-HCFO-1224yd, E-CF₃CF=CHCl), E-1,3,4,4,4-펜타플루오로-3-(트라이플루오로메틸)부텐(E-HFO-1438ezy, E-(CF₃)₂CFCH=CHF), Z-1,3,4,4,4-펜타플루오로-3-(트라이플루오로메틸)부텐(Z-HFO-1438ezy, Z-(CF₃)₂CFCH=CHF) 및 2-브로모-1,1,1-트라이플루오로프로펜(HBFO-1233xfB, CF₃CBr=CH₂) 중 하나 이상으로 이루어질 수 있거나, 그로 본질적으로 이루어질 수 있거나, 그로부터 선택될 수 있다.

열 폭주 종료제가 하나 초과의 불연성 할로올레핀을 포함하는 경우, 열 폭주 종료제는 본 명세서에서 불연성 할로올레핀 혼합물을 포함하는 것으로 지칭된다.

일 실시 형태에서, 불연성 할로올레핀 혼합물은 E-HFO-1336mzz, Z-HFO-1336mzz, E-HCFO-1233zd, Z-HCFO-1224yd, E-HFO-1438ezy, 및 HBFO-1233xfB 중 둘 이상을 포함하거나 이로 이루어지거나 이로 본질적으로 이루어진다. 혼합물은 E-HFO-1336mzz 및 Z-HFO-1336mzz, 또는 E-HFO-1336mzz, Z-HFO-1336mzz와, E-HCFO-1233zd, Z-HCFO-1224yd, E-HFO-1438ezy, 및 HBFO-1233xfB 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 대안적으로, 혼합물은 E-HFO-1336mzz, Z-HFO-1336mzz 및 E-HCFO-1233zd 또는 E-HFO-1336mzz, Z-HFO-1336mzz 및 Z-HCFO-1224yd, 또는 E-HFO-1336mzz, Z-HFO-1336mzz 및 E-HFO-1438ezy, 또는 E-HFO-1336mzz, Z-HFO-1336mzz 및 HBFO-1233xfB, 또는 E-HCFO-1233zd 및 Z-HCFO-1224yd, 또는 E-HCFO-1233zd 및 E-HFO-1438ezy, 또는 E-HCFO-1233zd 및 HBFO-1233xfB, 또는 Z-HCFO-1224yd 및 E-HFO-1438ezy, 또는 Z-HCFO-1224yd 및 HBFO-1233xfB, 또는 E-HFO-1438ezy, 및 HBFO-1233xfB를 포함하거나 이로 이루어지거나 이로 본질적으로 이루어진다.

불연성 할로올레핀 또는 불연성 할로올레핀 혼합물은, 실시 형태 1 또는 실시 형태 2에 대해 인클로저로 전달될 때, 13% v/v(부피/부피) 이상의 불연성 할로올레핀 또는 불연성 할로올레핀 혼합물 농도를 제공하기에 충분한 양으로 열 폭주 종료제에 존재한다.

바람직한 실시 형태에서, 열 폭주 종료제는, 실시 형태 1 또는 실시 형태 2에 대해 인클로저로 전달될 때, 18% v/v 이상의 할로올레핀 또는 할로올레핀 혼합물 농도를 제공하기에 충분한 양으로 불연성 할로올레핀 또는 불연성 할로올레핀 혼합물을 포함한다.

실시 형태 1, 실시 형태 2, 실시 형태 3 또는 실시 형태 4 중 임의의 것에 대해 열 폭주 종료제는 하나 이상의 불활성 가스를 추가로 포함할 수 있다. 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다.

실시 형태 1, 실시 형태 2, 실시 형태 3 또는 실시 형태 4 중 임의의 것에 대해 불활성 가스와 조합된 불연성 할로올레핀 또는 불연성 할로올레핀 혼합물의 총 압력은 70°F에서 120 내지 600 psig(21℃에서 0.8 내지 4 MPa)인 것이 바람직하다. 다른 이유 중에서도 실용성에 기초한 상한으로, 더 높은 압력이 사용될 수 있다.

열 폭주 종료제는 실시 형태 1, 실시 형태 2, 실시 형태 3 또는 실시 형태 4 중 임의의 것에 대해 하나 이상의 할로카본 가스를 추가로 포함할 수 있다. 할로카본 가스는 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(HFC-227ea), 펜타플루오로에탄(HFC-125), 요오도트라이플루오로메탄(CF₃I), 트라이플루오로메탄(CHF₃), 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로에탄(HFC-236fa), E- 또는 Z-1,3,3,3-테트라플루오로프로펜(E- 또는 Z-HFO-1234ze), 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(HFO-1234yf) 또는 도데카플루오로-2-메틸펜탄-3-온(FK-5-1-12)으로부터 선택될 수 있다.

감온 튜브

감온 튜브는 인클로저 내에 위치한다. 감온 튜브는 압력 튜브이며, 이는 튜브가 미리 결정된 압력으로 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 함유하거나 그로 충전된다는 것을 의미한다. 감온 튜브는, 예를 들어, 룩셈부르크 소재의 로타렉스(Rotarex)로부터 구매가능하다.

감온 튜브 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제에 제공되는 미리 결정된 압력은 상이한 튜브 파열 온도를 제공하도록 변할 수 있다. 더 높은 압력은 더 낮은 온도에서 튜브 파열을 초래할 것인 반면, 더 낮은 압력은 더 높은 온도에서 튜브 파열을 초래할 것이다.

"튜브 파열"이란, 열 자극의 발생 시 튜브 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제의 압력 증가가 튜브의 파열을 유발함을 의미한다. 다시 말해, 감온 튜브는 임계 온도를 감지할 때 "파열가능"하다.

임계 온도는 감온 튜브가 파열될 온도이다. 임계 온도는 감온 튜브 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제에 제공되는 미리 결정된 압력 및 감온 튜브의 특정 제형에 의해 결정된다. 즉, 감온 튜브의 상세한 조성은 튜브 파열에 대해 상이한 임계 온도를 제공하도록 변경될 수 있다.

하기 본 명세서에서 추가로 기재되는 바와 같이, 실시 형태 1 또는 실시 형태 2의 방법에서의 열 자극은 외부 열원으로부터 또는 내부 열원으로부터 인클로저에 열을 가한 결과일 수 있다.

외부 열원은 물리적으로 인클로저의 외부에 위치한 뜨거운 엔진 또는 외부 화염과 같은 임의의 열원이다.

내부 열원은, 발생 시, 인클로저 내에서 열을 생성하는 기계적 이벤트 또는 전기적 이벤트 또는 결함 이벤트로 인한 LIB 자체의 과열일 수 있다. 더 많은 정보가 하기에 제공되어 있다.

일단 튜브가 파열되면, 튜브는 이전에 내부에 수용하고 있던 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 방출한다. 또한, 일단 튜브가 파열되면, 감온 튜브 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제가 인클로저 내로 방출될 것이라는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

감온 튜브는, 열 자극으로부터 방출된 열이 튜브의 파열을 초래하도록, 인클로저 내의 장치 내의 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치된다.

감온 튜브의 파열은 감온 튜브에 개구를 형성하여, 정상 작동 동안 감온 튜브 내에 유지되는 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 인클로저 내로 방출한다. 파열은 예컨대 감온 튜브 내의 압력 손실로부터 기인한 신호를 또한 생성하며, 이는 제어 밸브로 전달된다.

실시 형태 1에서, 신호는 양방향 제어 밸브를 가동시켜 저장 용기로부터, 양방향 제어 밸브를 통해, 감온 튜브 내로, 그리고 감열 튜브의 열 자극-생성된 개구를 통해 열 폭주 종료제를 방출하여, 화염 소화 및 열 폭주 종료를 제공하고, 화염의 초기 소화 후 재점화를 방지한다. 이 실시 형태에서, 감온 튜브는 온도 센서, 양방향 제어 밸브의 액추에이터 또는 가동 장치, 및 인클로저 내로의 열 폭주 종료제를 위한 전달 튜브의 기능을 수행한다.

실시 형태 2에서, 튜브의 파열에 의해 생성된 신호는 3방향 제어 밸브로 중계되며, 이는 3방향 제어 밸브를 가동시켜 용기로부터 3방향 제어 밸브를 통해 노즐 연결 튜브로 열 폭주 종료제를 방출한다. 노즐 연결 튜브는 감온 튜브와는 별개이다. 이 실시 형태에서, 노즐 연결 튜브는 인클로저 내부의 3방향 제어 밸브에 대해 원위에 있는 단부에 노즐을 갖는다. 이 실시 형태에서, 감온 튜브는 온도 센서 및 3방향 제어 밸브의 액추에이터 또는 가동 장치의 기능을 수행하지만, 인클로저 내로의 열 폭주 종료제를 위한 전달 튜브로서의 기능을 수행하지는 않는다. 노즐 연결 튜브는 이 실시 형태에서 전달 튜브의 기능을 수행한다.

정상 작동 조건

본 명세서에서 "정상 작동 조건"이란 리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치가 감온 튜브 파열을 야기하지 않는 온도, 압력 및 환경 요인의 조건에서 작동하고 있음을 의미한다.

열 자극

실시 형태 1 및 실시 형태 2에 언급/제공된 바와 같이 열 자극은, LIB가 점화되어 장치 내에서 화염 및 열 폭주를 초래하도록, 인클로저 내에서 열을 발생시키는 이벤트이다. 열 자극은 기계적 이벤트, 열적 이벤트, 전기적 이벤트 또는 결함 이벤트일 수 있다.

전형적인 LIB 열 폭주 이벤트의 설명은 문헌[Chapter 3.9.3 of "Lithium-Ion Battery Chemistries," John T. Warner [Elsevier 2019]]에서 찾을 수 있다. 정확한 온도는 전지 설계 및 화학에 따라 좌우되기 때문에 이 설명에 표시된 온도는 정확한 수치가 아니지만, 열 폭주와 관련된 일련의 이벤트는 하기에 논의된 바와 같이 상이한 LIB 설계에 대해 유사하다는 것이 당업자에 의해 이해된다.

열 폭주는 제어되지 않은 온도 증가 및 산소 발생으로 인해 자가-지속되는 연쇄 반응이 전지 내에서 개시되도록 LIB 전지 내의 온도가 정상 작동 조건의 온도를 넘어 상승하였을 때 발생한다.

워너(Warner)에 따르면, 일단 전지의 온도가 약 80℃에 도달하면, 애노드 상의 보호 고체 전해질 중간상(SEI) 층이 리튬과 전해질 용매의 반응으로 인해 (열을 발생시키는) 발열 반응에서 분해 및 파괴되기 시작한다. 약 100℃ 내지 120℃에서, 전해질(전형적으로, 가연성인 유기 카르보네이트)은 다른 발열 반응에서 파괴되기 시작하며, 이는 결국 전지 내에서 CO₂ 및 탄화수소와 같은 다양한 가스를 생성한다. 온도가 120℃ 내지 130℃에 가까워짐에 따라, 애노드와 캐소드 사이의 분리막이 녹아서 애노드와 캐소드 사이의 접촉을 허용하여 내부 단락을 야기하고 더 많은 열을 발생시킨다. 온도가 계속 상승함에 따라, 약 130℃ 내지 150℃에서, 캐소드는 산소를 또한 발생시키는 전해질과의 다른 발열 화학 반응에서 파괴되기 시작한다.

캐소드의 파괴로 인한 산소의 방출 및 가연성 전해질과의 접촉은 전지에서 화재(화염)를 발생시킨다. 또한, 캐소드의 파괴는, 상당한 양의 열을 발생시키고 계속해서 전지를 궁극적으로 고장나게 하며 전지에서 화재를 더욱 증강시키는 고도의 발열 반응이다.

온도가 150℃ 내지 180℃를 초과하여 상승할 때, 연쇄 반응은 발생되는 열을 전지가 신속하게 소산시킬 수 없는 경우 자가-지속될 수 있다. 이 시점에, 온도 증가 및 산소 발생으로 인해 화재가 자가-지속되기 때문에 전지는 "열 폭주"로 지칭되는 상태가 된다. 가스가 전지 내에서 계속 축적되면, 전지는 파열되거나 안전 밸브를 통해 통기될 수 있다. 전지는 이 시점에 파열되거나 가연성 탄화수소 가스 및 하이드로플루오로카본 전해질을 통기시킬 수 있다. 스파크의 도입은 전해질 및 가스를 점화시켜 화염, 화재 및 잠재적으로 폭발을 유발할 수 있다.

"기계적 이벤트"란, 날카롭거나 무딘 물체에 의한 관통, 가중 물체에 의한 분쇄, 자동차 충돌과 같은 LIB에 대한 물리적 손상이 있음을 의미한다.

"열적 이벤트"란, LIB가 LIB의 열화를 유발하는 온도에 노출됨을 의미한다. 온도의 공급원은 LIB가 내부로부터 과열되게 하는 느슨한 연결(loose connection)과 같이 내부적일 수 있거나, 근처의 열원, 외부의 화염 또는 기후-제어 영역에서의 기후 제어의 상실과 같이 외부적일 수 있다.

"전기적 이벤트"란, LIB가 단락 또는 과충전으로 인한 것과 같이, LIB를 통한 전자의 정상적인 흐름을 간섭하거나 방해하는 문제를 경험하는 것을 의미한다.

"결함 이벤트"란, LIB의 설계 또는 제조(예컨대, 불충분한 품질 관리, 불량한 절연, 느슨한 연결)가 정상 작동 동안 단락 또는 발열로부터 LIB를 보호하지 못하는 결함을 유도하였음을 의미한다.

기계적 이벤트, 열적 이벤트, 전기적 이벤트 또는 결함 이벤트 중 둘 이상이 결합되어 열 자극을 유발할 수 있다. 예를 들어, 일 실시 형태에서, 단락(전기적 이벤트)은 LIB가 과열(열적 이벤트)되게 하여, 열 자극으로서의 결합된 이벤트를 초래할 수 있다. 다른 실시 형태에서, LIB의 천공 또는 관통과 같은 기계적 이벤트는 열 자극으로서의 급속한 가열(열적 이벤트)로 이어지는 단락(전기적 이벤트)을 유발할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 느슨한 연결(결함 이벤트)은 열 자극으로서의 과열(열적 이벤트)로 이어질 수 있다. 전술한 실시 형태들은 단지 예일 뿐이며 총망라하는 것으로 의도되지 않는다.

열 자극의 발생 시, 감온 튜브는 파열되므로, 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 인클로저 내로 방출한다.

열 폭주 종료제는 명시된 배출 시간, 제제 농도, 및 유지 시간으로 방출되어, 화염과 열 폭주 둘 모두를 종료하고, 화염의 초기 소화 후 재점화를 방지한다. 제제 농도, 배출 시간, 및 유지 시간의 일반적으로 허용되는 정의는 https://www.nfpa.org/codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/detail?code=2001에서 이용가능한, 청정 제제 방화 시스템을 위한 NFPA 2001 표준(NFPA 2001 Standard for Clean Agent Fire Protection Systems)에서 제공되는 바와 같이 당업자에 의해 이해된다.

열 폭주 종료제는, 각각 존재할 수 있는 임의의 화염뿐만 아니라 열 폭주를 소화하기에 충분한, 명시된 배출 시간, 제제 농도 및 유지 시간으로 인클로저 내로 방출된다. 열 폭주 종료제 방출은 또한 유지 시간이 재점화를 방지하기에 충분한 온도로 인클로저 및 LIB를 냉각시키기에 충분하도록 제공된다.

실시 형태 1 또는 실시 형태 2 중 어느 하나에 대한 바람직한 실시 형태에서, 열 폭주 종료제는, 인클로저로 전달될 때, 13% 내지 30% v/v의 농도를 제공하기에 충분한 양의 불연성 할로올레핀 또는 둘 이상의 불연성 할로올레핀의 혼합물을 포함한다. 실시 형태 1 또는 실시 형태 2 중 어느 하나에 대한 대안적인 실시 형태에서, 열 폭주 종료제는 18% 내지 28% v/v의 농도를 제공하기에 충분한 양의 불연성 할로올레핀 또는 둘 이상의 불연성 할로올레핀의 혼합물을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 열 폭주 종료제는 20% 내지 25% v/v의 농도를 제공하기에 충분한 양의 불연성 할로올레핀 또는 둘 이상의 불연성 할로올레핀의 혼합물을 포함한다.

실시 형태 1 또는 실시 형태 2 중 어느 하나에 대한 바람직한 실시 형태에서, 배출 시간은 18초 내지 180초, 또는 25 내지 120초, 및 또는 45 내지 120초의 범위이다. 본 명세서에서 "배출 시간"이란, 인클로저 내로의 제제 전달 시작부터 제제의 95%가 인클로저 내로 전달된 시점까지의 시간을 의미한다.

실시 형태 1 또는 실시 형태 2 중 어느 하나에 대한 바람직한 실시 형태에서, 유지 시간은 10 내지 15분, 또는 15 내지 30분, 또는 30 내지 60분의 범위이다. 본 명세서에서 "유지 시간"이란, 인클로저 내의 제제 농도가 원하는 농도로 유지되는 기간(시간 경과에 따라, 제제가 인클로저의 작은 개구, 예를 들어 통풍구, 루버 등으로부터 천천히 누출될 수 있음)을 의미한다.

실시 형태 1 또는 실시 형태 2 중 어느 하나의 일 실시 형태에서, 배출 시간은 18초 이상이고, 열 폭주 종료제는 화염 소화, 단일 또는 다중 전지 구성에서 열 폭주의 종료, 및 재점화를 방지하기에 충분한 냉각을 제공하기 위해 13% v/v 이상의 할로올레핀을 포함한다. 다른 이유 중에서도 실용성에 기초한 상한으로, 더 긴 배출 시간 및 더 높은 농도가 사용될 수 있다.

도면의 상세한 설명

도 1a 및 도 1b는 본 명세서에 개시된 바와 같은 리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법에 사용되는 본 명세서에 개시된 LIB 보호 시스템의 예시이다. 인클로저(101)는 LIB 전력 공급식 장치(103) 내에 위치한 LIB(102)에서 유래하는 리튬 이온 배터리(LIB) 화재를 경험할 수 있는 위험 영역이다. LIB 방화 시스템은 열 폭주 종료제 용기(105) 및 열 폭주 종료제 용기(105)와 감온 튜브에 연결된 양방향 제어 밸브(106)를 포함하는 열 폭주 종료제의 공급원(104)을 포함한다. 감온 튜브(107)는 튜브 단부 밀봉부(108)를 통해 밀봉된 단부를 갖는다. 감온 튜브(107)는 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제로 원하는 압력까지 가압된다. LIB-전력 공급식 장치(103)에서 유래하는 화재(109)의 경우에, 최대 열(임계 온도)이 감지되는 감온 튜브(107)의 부분이 파열되어(도 1b 참조), 열 자극-생성된 개구(110)를 형성하여, 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 감온 튜브(107) 내부로부터 인클로저(101) 내로 방출하고, 동시에 감온 튜브(107) 내의 압력 강하를 초래하며, 이는 제어 밸브(106)를 활성화하여 열 폭주 종료제를 열 폭주 종료제 저장 용기(105)로부터 제어 밸브(106)를 통해 감압 튜브(107) 내로, 감온 튜브(107)의 열 자극-생성된 개구(110) 밖으로(도 1b 참조) 그리고 인클로저(101) 내로 전달한다. 인클로저(101) 내로의 열 폭주 종료제의 방출은 LIB-전력 공급식 장치(103)에서 화염 소화 및 열 폭주 종료를 초래하고 화염의 초기 소화 후 재점화를 방지한다.

도 1b는 도 1b에서 화염(109)으로 인해 감온 튜브(107)가 파열되고 열 자극-생성된 개구(110)가 나타난 것을 제외하고는 도 1a와 동일하다.

도 1a 및 도 1b에 예시된 LIB 방화 시스템에서, 감온 튜브(107)는 온도 센서(화재 감지 장치로도 간주됨), 양방향 밸브의 액추에이터 또는 가동 장치(시스템 활성화 장치로도 간주됨) 및 인클로저 내로의 열 폭주 종료제를 위한 전달 튜브의 기능을 수행한다.

도 2는 본 명세서에 개시된 바와 같은 리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법에 사용되는 본 명세서에 개시된 LIB 보호 시스템의 예시이다. 인클로저(201)는 LIB 전력 공급식 장치(203) 내부에 위치한 LIB(202)에서 유래하는 리튬 이온 배터리(LIB) 화재를 경험할 수 있는 위험 영역이다. LIB 방화 시스템은 열 폭주 종료제 용기(205) 및 열 폭주 종료제 용기(205)와 감온 튜브(207) - 이의 단부는 튜브 단부 밀봉부(208)를 통해 밀봉됨 - 에 연결된 3방향 제어 밸브(206)를 포함하는 열 폭주 종료제의 공급원(204)을 포함한다. 감온 튜브(207)는 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제로 원하는 압력까지 가압된다. 노즐 연결 튜브(211)는 3방향 제어 밸브(206)에 연결되며 전달 노즐(212)에서 종결된다. LIB-전력 공급식 장치(203)에서 유래하는 화재의 경우에, 최대 열(임계 온도)이 감지되는 감온 튜브(207)의 부분이 파열되어, 감온 튜브(207) 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 인클로저(201) 내로 방출하고, 동시에 감온 튜브(207) 내의 압력 강하를 초래하며, 이는 3방향 제어 밸브(206)를 활성화하여 감온 감지 튜브(207)로부터 노즐 연결 튜브(211)로 유동을 우회시켜, 열 폭주 종료제를 열 폭주 종료제 저장 용기(205)로부터 3방향 제어 밸브(206)를 통해 노즐 연결 튜브(211) 내로 그리고 전달 노즐(212) 밖으로 전달한다. 인클로저(201) 내로의 열 폭주 종료제의 방출은 LIB-전력 공급식 장치(203)에서 화염 소화 및 열 폭주 종료를 초래하고 화염의 초기 소화 후 재점화를 방지한다.

도 2에 예시된 LIB 방화 시스템에서, 감온 튜브(207)는 온도 센서(화재 감지 장치로도 간주됨), 제어 밸브(206)의 액추에이터 또는 가동 장치(시스템 활성화 장치로도 간주됨)의 기능을 수행하지만, 인클로저(201) 내로의 열 폭주 종료제를 위한 전달 튜브로서의 기능을 수행하지는 않는다. 노즐 연결 튜브(211)는 전달 노즐(212)을 갖는 전달 튜브의 기능을 수행한다.

도 3는 본 명세서에 개시된 바와 같은 리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법에 사용되는 본 명세서에 개시된 LIB 보호 시스템의 예시이며, 여기서, 열 폭주 종료 용기는 인클로저 외부에 위치하는 것과 반대로 인클로저(301) 내부에 위치한다. 인클로저(301)는 LIB 전력 공급식 장치(303) 내부에 위치한 LIB(302)에서 유래하는 리튬 이온 배터리(LIB) 화재를 경험할 수 있는 위험 영역이다. LIB 방화 시스템은 열 폭주 종료제 용기(305) 및 열 폭주 종료제 용기(305)와 감온 튜브(307) - 이의 단부는 튜브 단부 밀봉부(308)를 통해 밀봉됨 - 에 연결된 양방향 제어 밸브(306)를 포함하는 열 폭주 종료제의 공급원(304)을 포함한다. 감온 튜브(307)는 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제로 원하는 압력까지 가압된다. LIB-전력 공급식 장치(303)에서 유래하는 화재의 경우에, 최대 열(임계 온도)이 감지되는 감온 튜브(307)의 부분이 파열되어, 개구를 형성하여, 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 감온 튜브(307) 내부로부터 인클로저(301) 내로 방출하고, 동시에 감온 튜브(307) 내의 압력 강하를 초래하며, 이는 양방향 제어 밸브(306)를 활성화하여 열 폭주 종료제를 열 폭주 종료제 저장 용기(305)로부터 양방향 제어 밸브(306)를 통해 감압 튜브(307) 내로, 감온 튜브의 열 자극-생성된 개구 밖으로 그리고 인클로저(301) 내로 전달한다. 인클로저(301) 내로의 열 폭주 종료제의 방출은 LIB-전력 공급식 장치(303)에서 화염 소화 및 열 폭주 종료를 초래하고 화염의 초기 소화 후 재점화를 방지한다.

도 3은 도 1a 및 도 1b와 유사하다. 도 3에 예시된 LIB 방화 시스템에서, 감온 튜브(307)는 온도 센서(화재 감지 장치로도 간주됨), 밸브의 액추에이터 또는 가동 장치(시스템 활성화 장치로도 간주됨) 및 인클로저 내로의 열 폭주 종료제를 위한 전달 튜브의 기능을 수행한다.

도 4는 본 명세서에 개시된 바와 같은 리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법에 사용되는 본 명세서에 개시된 LIB 보호 시스템의 예시이며, 여기서, 열 폭주 종료 용기는 인클로저 외부에 위치하는 것과 반대로 인클로저(401) 내부에 위치한다.

인클로저(401)는 LIB 전력 공급식 장치(403) 내부에 위치한 LIB(402)에서 유래하는 리튬 이온 배터리(LIB) 화재를 경험할 수 있는 위험 영역이다. LIB 방화 시스템은 열 폭주 종료제 용기(405) 및 열 폭주 종료제 용기(405)와 감온 튜브(407) - 이의 단부는 튜브 단부 밀봉부(408)를 통해 밀봉됨 - 에 연결된 3방향 제어 밸브(406)를 포함하는 열 폭주 종료제의 공급원(404)을 포함한다. 감온 튜브(407)는 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제로 원하는 압력까지 가압된다. 노즐 연결 튜브(411)는 3방향 제어 밸브(406)에 연결되며 전달 노즐(412)에서 종결된다. LIB-전력 공급식 장치(403)에서 유래하는 화재의 경우에, 최대 열(임계 온도)이 감지되는 감온 튜브(407)의 부분이 파열되어, 감온 튜브(407) 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 인클로저(401) 내로 방출하고, 동시에 감온 튜브(407) 내의 압력 강하를 초래하며, 이는 3방향 제어 밸브(406)를 활성화하여 감온 감지 튜브(407)로부터 노즐 연결 튜브(411)로 유동을 우회시켜, 열 폭주 종료제를 열 폭주 종료제 저장 용기(405)로부터 3방향 제어 밸브(406)를 통해 노즐 연결 튜브(411) 내로 그리고 전달 노즐(412) 밖으로 전달한다. 인클로저(401) 내로의 열 폭주 종료제의 방출은 LIB-전력 공급식 장치(403)에서 화염 소화 및 열 폭주 종료를 초래하고 화염의 초기 소화 후 재점화를 방지한다.

도 4는 도 2와 유사하다. 도 4에 예시된 LIB 방화 시스템에서, 감온 튜브(407)는 온도 센서(화재 감지 장치로도 간주됨), 제어 밸브(406)의 액추에이터 또는 가동 장치(시스템 활성화 장치로도 간주됨)의 기능을 수행하지만, 인클로저(401) 내로의 열 폭주 종료제를 위한 전달 튜브로서의 기능을 수행하지는 않는다. 노즐 연결 튜브(411)는 전달 노즐(412)을 갖는 전달 튜브의 기능을 수행한다.

도 5는 전형적인 리튬-이온 배터리(LIB)의 개략도이다. LIB는 LIB의 애노드 챔버(522)에 위치한 애노드(521) 및 LIB의 캐소드 챔버(524)에 위치한 캐소드(523)가 내부에 위치한 외부 케이싱(520)으로 구성된다. 애노드 챔버(522) 및 캐소드 챔버(524)는 반투과성 막 분리막(525)에 의해 분리된다. 애노드(521)는 애노드-로드 연결(527)을 통해 로드(526)에 연결되고, 캐소드(523)는 캐소드-로드 연결(528)을 통해 로드(526)에 연결된다. 애노드(521)는 고체 전해질 중간상(SEI) 층(529)으로 보호된다. 애노드 챔버(522) 및 캐소드 챔버(524)는 둘 다 액체 전해질(예시되지 않음)로 채워진다.

실시예

재료

6700 mAh 리튬 이온 파워 팩 및 알루미늄-케이스 3.2 V DC LiFePO₄ 리튬 이온 중합체 배터리는 듀라셀(Duracell), 라브파워(Ravpower), 및 테너지(Tenergy)를 포함하는 다수의 공급처로부터 구매가능하다. 로타렉스 직접 저압 밸브, 로타렉스 압력 스위치, 로타렉스 FireDETEC 감온 튜브 및 로타렉스 엔드-오프-라인(end-of-line) 어댑터는 모두 룩셈부르크 소재의 로타렉스 에스.에이.(Rotarex S.A.)로부터 입수가능하다. 하얼빈 코스라이트(Harbin Coslight) 모델 GYFP4875T 데이터로거는 중국 헤이룽장성 소재의 하얼빈 코스라이트 스토리지 배터리 컴퍼니, 리미티드(Harbin Coslight Storage Battery Co., Ltd.)로부터 입수가능하다.

E-1336mzz(E-1,1,1,4,4,4-헥사플루오로-2-부텐)은, 예를 들어, 국제특허 공개 WO 2015/142981호, WO 2019/051389호, 및 WO 2019/113052호와 같이 당업계에 공지된 방법에 의해 제조될 수 있다.

예 1 (비교예) 프리번(Freeburn) 시험: 기계적 파괴를 통한 파워 팩의 열 폭주의 개시

기계적 손상을 통해 플라스틱 케이스 6700 mAh 리튬 이온 파워 팩에서 열 폭주를 개시하였다. 관통 팁이 장착된 가중 플런저를, 가이드 파이프를 통해, 관측창과 폐쇄 회로 텔레비전(CCTV)이 장착된 1.15 ㎥ 강철 시험 인클로저 내에 위치한 파워 팩 상에 떨어뜨렸다. 배터리의 관통 후에, 화염 및 열 폭주가 발생하였고, 이는 대략 15분 동안 지속되었다.

예 2 (비교예) 프리번 시험: 기계적 파괴를 통한 3.2 V DC LiFePO ₄ 배터리에서의 열 폭주의 개시

예 1의 절차를 반복하여, 알루미늄 케이스 3.2 V DC LiFePO₄ 리튬 이온 중합체 배터리에서 열 폭주를 개시하였다. 배터리의 관통 후에, 화염 및 열 폭주가 발생하였고, 이는 대략 15분 동안 지속되었다.

예 3. 리튬 이온 배터리 화재 및 열 폭주의 진압: 기계적 손상

시험 인클로저에 설치된 보호 시스템을 추가하여 예 2의 절차를 반복한다. 보호 시스템은 (1) 2.5 ㎏의 E-HFO-1336mzz(% 23.6% v/v E-HFO-1336mzz의 전달), (2) 저장 실린더 상에 위치한 로타렉스 직접 저압 밸브, (3) 저압 밸브 상에 위치한 로타렉스 압력 스위치, (4) 리튬 이온 배터리에서 대략 6 인치 위에 위치한, 질소로 15 바로 가압된, 소정 길이의 로타렉스 FireDETEC 감온 튜브, 및 (5) 열 감지 튜브의 단부에 부착된 로타렉스 엔드 오브 라인 어댑터로 구성된다. 가중 플런저 장치에 의한 배터리의 관통 시, 화염에 의해 입증된 바와 같이 열 폭주가 발생한다. 열 폭주의 개시 후에, 시스템은 자가-활성화되어 E-HFO-1336mzz를 방출하고 모든 화염이 소화된다. 15분의 유지 시간 후에 재점화가 발생하지 않으며, 시험 인클로저를 열고 시험 인클로저 내용물을 공기에 노출시켰을 때에도 재점화가 발생하지 않는다.

예 4. 리튬 이온 배터리 화재 및 열 폭주의 진압: 과충전/과열된 배터리

직렬로 연결된 12개의 알루미늄 케이스 3.2 V DC LiFePO₄ 리튬 이온 중합체 배터리로 이루어진 배터리 팩에 의해 전력을 공급받는 하얼빈 코스라이트 모델 GYFP4875T 데이터로거에서 발생하는 리튬 이온 배터리 화재에 대한 진압 시험을 수행한다. 데이터로거를 보호 시스템 및 관측창이 장착된 1 ㎥ 2 베이 실외 캐비닛(ODC)에 위치시킨다. 보호 시스템은 (1) 3.0 ㎏의 E-HFO-1336mzz(27.1% v/v E-HFO-1336mzz의 전달), (2) 저장 실린더 상에 위치한 로타렉스 직접 저압 밸브, (3) 저압 밸브 상에 위치한 로타렉스 압력 스위치, (4) 리튬 이온 배터리에서 대략 6 인치 위에 위치한, 질소로 15 바로 가압된, 소정 길이의 로타렉스 FireDETEC 열 감지 튜브, 및 (5) 열 감지 튜브의 단부에 부착된 로타렉스 엔드 오브 라인 어댑터로 구성된다. 11개의 배터리를 100% 충전 상태로 충전하고, 1개의 배터리를 3.4 내지 3.6 볼트(100 내지 110 A)의 적용을 통해 과충전하고; 11분 후의 과충전 후에, 과충전된 전지 상에 위치한 히터를 켜서, 화염에 의해 입증되는 바와 같이 열 폭주가 시작될 때까지 추가적인 가열을 제공한다. 2분 후에, 시스템은 자가-활성화되어 E-HFO-1336mzz를 방출하고 모든 화염이 소화된다. 15분의 유지 시간 후에 재점화가 발생하지 않으며, 시험 인클로저를 열고 시험 인클로저 내용물을 공기에 노출시켰을 때에도 재점화가 발생하지 않는다.

Claims

리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주(thermal runaway)를 종료하는 방법으로서, (a) 인클로저를 제공하는 단계; (b) 인클로저 내에 위치된 장치를 제공하는 단계 - 장치는 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받음 -; (c) 열 폭주 종료제의 공급원을 제공하는 단계 - 공급원은 용기 및 양방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 양방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 불연성 할로올레핀을 포함함 -; (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브를 제공하는 단계 - 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치됨 -; 및 (e) 화염을 생성하고 열 폭주를 개시하는 열 자극을 제공하는 단계 - 이때 감온 튜브가 파열되어, 감온 튜브에 개구를 생성하고 감온 튜브의 열 자극-생성된 개구를 통해 감온 튜브 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제가 인클로저 내로 방출되게 하여 감온 튜브 내의 압력 강하를 초래하고, 이는 제어 밸브를 가동시켜 열 폭주 종료제를 저장 용기로부터 제어 밸브를 통해 감온 튜브로 그리고 감온 튜브의 열 자극-생성된 개구로부터 인클로저 내로 전달하고, 열 폭주 종료제의 전달은 배출 시간, 열 폭주 종료제 농도, 및 유지 시간을 특징으로 함 - 를 포함하여, 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하고 화염의 소화 후 재점화를 방지하는, 방법.
제1항에 있어서, 불연성 할로올레핀은 E-HFO-1336mzz, Z-HFO-1336mzz, E-HCFO-1233zd, Z-HCFO-1233zd, HCFO-1233xf, Z-HCFO-1224yd, E-HCFO-1224yd, E-HFO-1438ezy, Z-HFO-1438ezy, HBFO-1233xfB 중 하나 이상으로부터 선택되는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 감온 튜브는 단계 (d)에서 불활성 가스를 수용하는, 방법.
제3항에 있어서, 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는, 방법.
제4항에 있어서, 불활성 가스는 열 폭주 종료제를 추가로 포함하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 감온 튜브는 단계 (d)에서 열 폭주 종료제를 수용하는, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 양방향 제어 밸브는 적어도 3개의 포트를 갖는, 방법.
제7항에 있어서, 양방향 제어 밸브는 용기 내용물로부터 샘플을 인출하기 위한 옵션(option)을 제공하는 제3 포트를 갖는, 방법.
리튬 이온 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치에서 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하는 방법으로서, (a) 인클로저를 제공하는 단계; (b) 인클로저 내에 위치된 장치를 제공하는 단계 - 장치는 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받음 -; (c) 열 폭주 종료제의 공급원을 제공하는 단계 - 공급원은 용기 및 3방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 3방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 불연성 할로올레핀을 포함함 -; (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브를 제공하는 단계 - 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치됨 -; (e) 하나의 단부에서 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부에서 리튬 이온 배터리에 근접한 노즐에서 종결되는 노즐 연결 튜브를 제공하는 단계; 및 (f) 화염을 생성하고 열 폭주를 개시하는 열 자극을 제공하는 단계 - 이때 감온 튜브가 파열되어, 감온 튜브에 개구("열 자극-생성된 개구")를 생성하고 감온 튜브의 열 자극-생성된 개구를 통해 감온 튜브 내의 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제가 인클로저 내로 방출되게 하여 감온 튜브 내의 압력 강하를 초래하고, 이는 3방향 제어 밸브를 가동시켜 열 폭주 종료제를 저장 용기로부터 3방향 제어 밸브를 통해 노즐 연결 튜브로 전달하여 열 폭주 종료제가 노즐로부터 인클로저 내로 방출되도록 하고, 열 폭주 종료제의 전달은 배출 시간, 열 폭주 종료제 농도, 및 유지 시간을 특징으로 함 - 를 포함하여, 화염을 소화하고 열 폭주를 종료하고 화염의 소화 후 재점화를 방지하는, 방법.
제9항에 있어서, 불연성 할로올레핀은 E-HFO-1336mzz, Z-HFO-1336mzz, E-HCFO-1233zd, Z-HCFO-1233zd, HCFO-1233xf, Z-HCFO-1224yd, E-HCFO-1224yd, E-HFO-1438ezy, Z-HFO-1438ezy, HBFO-1233xfB 중 하나 이상으로부터 선택되는, 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 감온 튜브는 단계 (d)에서 불활성 가스를 수용하는, 방법.
제11항에 있어서, 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는, 방법.
제12항에 있어서, 불활성 가스는 열 폭주 종료제를 추가로 포함하는, 방법.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 감온 튜브는 단계 (d)에서 열 폭주 종료제를 수용하는, 방법.
제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 3방향 제어 밸브는 적어도 4개의 포트를 갖는, 방법.
제15항에 있어서, 3방향 제어 밸브는 용기 내용물로부터 샘플을 인출하기 위한 옵션을 제공하는 제4 포트를 갖는, 방법.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 장치는 데이터로거(datalogger), 통신 장비, 개인용 전자 장비, 전동 공구, 에너지 저장 시스템, 데이터 센터, 전기 자동차, 및 전기 자전거로부터 선택되는, 방법.
제17항에 있어서, 장치는 휴대 전화, 랩톱 컴퓨터 및 게임 시스템으로부터 선택되는 개인용 전자 장비인, 방법.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 리튬 이온 배터리는 애노드를 포함하는 애노드 챔버, 캐소드를 포함하는 캐소드 챔버, 및 애노드 챔버를 캐소드 챔버로부터 분리하는 반투과성 막을 포함하며, 애노드는 고체 전해질 중간상 층으로 보호된 흑연으로 구성되고, 캐소드는 LiCoO₂, LiFePO₄, LiMn₂O₄ 또는 LiNiMnCoO₂로부터 선택되는 리튬 금속 산화물로 구성되는, 방법.
제19항에 있어서, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 LiPF₆, LiAsF₆, LiClO₄, LiBF₄, 또는 LiCF₃SO₃로부터 선택되는 리튬 염을 함유하는, 에틸렌 카르보네이트 또는 다이에틸 카르보네이트로부터 선택되는 가연성 유기 카르보네이트인 액체 전해질로 각각 충전되는, 방법.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 열 폭주 종료제는 인클로저로 전달될 때 13% v/v(부피/부피) 이상의 불연성 할로올레핀 농도를 제공하기에 충분한 양의 불연성 할로올레핀을 포함하는, 방법.
제21항에 있어서, 열 폭주 종료제는 인클로저로 전달될 때 18% v/v 이상의 불연성 할로올레핀 농도를 제공하기에 충분한 양의 불연성 할로올레핀을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 열 폭주 종료제는 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 하나 이상의 불활성 가스를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 열 폭주 종료제는 하나 이상의 할로카본 가스를 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 할로카본 가스는 HFC-227ea, HFC-125, CF₃I, CHF₃, HFC-236fa, E- 또는 Z-HFO-1234ze, HFO-1234yf 또는 FK-5-1-12로부터 선택되는, 방법.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 열 자극은 외부 공급원으로부터 인클로저에 열을 가한 결과인, 방법.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 열 자극은 내부 공급원으로부터 인클로저에 열을 가한 결과인, 방법.
제27항에 있어서, 내부 공급원은 기계적 이벤트(event) 또는 전기적 이벤트 또는 결함 이벤트로 인한 LIB 과열에 기인한 것인, 방법.
제28항에 있어서, 기계적 이벤트, 열적 이벤트, 전기적 이벤트 또는 결함 이벤트 중 둘 이상이 결합되어 열 자극을 유발하는, 방법.
제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 열 폭주 종료제는 인클로저로 전달될 때 13% 내지 30% v/v의 불연성 할로올레핀 농도를 제공하기에 충분한 양의 불연성 할로올레핀을 포함하는, 방법.
제30항에 있어서, 열 폭주 종료제는 인클로저로 전달될 때 18% 내지 28% v/v의 불연성 할로올레핀 농도를 제공하기에 충분한 양의 불연성 할로올레핀을 포함하는, 방법.
제28항에 있어서, 열 폭주 종료제는 인클로저로 전달될 때 20% 내지 25% v/v의 불연성 할로올레핀 농도를 제공하기에 충분한 양의 불연성 할로올레핀을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 시간은 18초 내지 180초의 범위인, 방법.
제31항에 있어서, 배출 시간은 25 내지 120초의 범위인, 방법.
제31항에 있어서, 배출 시간은 45 내지 120초의 범위인, 방법.
제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 유지 시간은 10 내지 15분의 범위인, 방법.
제34항에 있어서, 유지 시간은 15 내지 30분의 범위인, 방법.
제34항에 있어서, 유지 시간은 30 내지 60분의 범위인, 방법.
제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 배출 시간은 18초 이상이고, 열 폭주 종료제는 화염 소화, 단일 또는 다중 전지 구성에서 열 폭주의 종료, 및 재점화를 방지하기에 충분한 냉각을 제공하기 위해 13% v/v 이상의 할로올레핀을 포함하는, 방법.
(a) 인클로저; (b) 인클로저 내에 위치되고 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받는 장치; (c) 열 폭주 종료제의 공급원 - 공급원은 용기 및 양방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 양방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 불연성 할로올레핀을 포함함 -; 및 (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브 - 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 양방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치되고, 튜브는 임계 온도를 감지하면 파열가능함 - 를 포함하는, 방화 시스템.
제40항에 있어서, 불연성 할로올레핀은 E-HFO-1336mzz, Z-HFO-1336mzz, E-HCFO-1233zd, Z-HCFO-1233zd, HCFO-1233xf, Z-HCFO-1224yd, E-HCFO-1224yd, E-HFO-1438ezy, Z-HFO-1438ezy, HBFO-1233xfB 중 하나 이상으로부터 선택되는, 방화 시스템.
제41항에 있어서, 구성요소 (c)의 감온 튜브는 불활성 가스를 수용하는, 방화 시스템.
제42항에 있어서, 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는, 방화 시스템.
제42항에 있어서, 불활성 가스는 열 폭주 종료제를 추가로 포함하는, 방화 시스템.
제41항에 있어서, 구성요소 (c)의 감온 튜브는 열 폭주 종료제를 수용하는, 방화 시스템.
(a) 인클로저; (b) 인클로저 내에 위치되고 리튬 이온 배터리를 포함하며 그에 의해 전력을 공급받는 장치; (c) 열 폭주 종료제의 공급원 - 공급원은 용기 및 3방향 제어 밸브를 포함하고, 용기는 열 폭주 종료제를 수용하고, 3방향 제어 밸브는 용기의 개구에 부착되고, 열 폭주 종료제는 불연성 할로올레핀을 포함함 -; 및 (d) 장치의 정상 작동 조건에 적합한 미리 결정된 압력 및 온도에서 불활성 가스 또는 열 폭주 종료제를 수용하는 감온 튜브 - 감온 튜브는 2개의 단부를 가지며, (i) 하나의 단부는 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부는 캡핑되고, (ii) 감온 튜브는 인클로저 내에 위치하며 임계 온도의 감지를 위한 온도 센서를 포함하고, (iii) 감온 튜브는 리튬 이온 배터리에 근접하게 배치되고, 감온 튜브는 임계 온도를 감지하면 파열가능함 -; 및 (e) 하나의 단부에서 3방향 제어 밸브와 연통하고 다른 단부에서 리튬 이온 배터리에 근접한 노즐에서 종결되는 노즐 연결 튜브를 포함하는, 방화 시스템.
제46항에 있어서, 불연성 할로올레핀은 E-HFO-1336mzz, Z-HFO-1336mzz, E-HCFO-1233zd, Z-HCFO-1233zd, HCFO-1233xf, Z-HCFO-1224yd, E-HCFO-1224yd, E-HFO-1438ezy, Z-HFO-1438ezy, HBFO-1233xfB 중 하나 이상으로부터 선택되는, 방화 시스템.
제46항에 있어서, 구성요소 (c)의 감온 튜브는 불활성 가스를 수용하는, 방화 시스템.
제48항에 있어서, 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는, 방화 시스템.
제48항에 있어서, 불활성 가스는 열 폭주 종료제를 추가로 포함하는, 방화 시스템.
제46항에 있어서, 구성요소 (c)의 감온 튜브는 열 폭주 종료제를 수용하는, 방화 시스템.
제40항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 장치는 데이터로거, 통신 장비, 개인용 전자 장비, 전동 공구, 에너지 저장 시스템, 데이터 센터, 전기 자동차, 및 전기 자전거로부터 선택되는, 방화 시스템.
제52항에 있어서, 장치는 휴대 전화, 랩톱 컴퓨터 및 게임 시스템으로부터 선택되는 개인용 전자 장비인, 방화 시스템.