KR20240016290A - 배터리의 다층 보호 소자 - Google Patents

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KR20240016290A
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카스텐 스톡맨
울리히 스터드
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에이취.케이.오. 아이소리에르-운드 텍스틸테크니크 게엠베하
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Abstract

배터리의 단열을 위한 다층 보호 소자, 이러한 보호 소자를 갖는 배터리, 및 이러한 보호 소자의 용도가 제안된다. 상기 보호 소자는 폼 층, 재봉된 부직포 플리스 형태의 압축성 섬유 층, 및 바람직하게는 운모를 함유하는 1개 또는 2개의 보호 층들을 포함한다. 이는 높은 압축성 뿐만 아니라 우수한 절연 특성을 가능케 한다.

Description

배터리의 다층 보호 소자
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 배터리의 단열을 위한 다층 보호 소자, 청구항 21의 전제부에 따른 다층 보호 소자를 갖는 배터리, 및 청구항 24의 전제부에 따른 다층 보호 소자의 용도에 관한 것이다.
본 발명에서, 용어 “보호 소자”는 층상 구조를 갖는 편평한 구성요소, 특히, 층 패키지로 이해되어야 하고, 이는 배터리 및/또는 이의 셀들의 단열 및/또는 임의의 다른 차폐(shielding)를 위해 설계 및/또는 사용되는 것이다. 특히, 보호 소자는 환경으로, 특히, 차량 내부로 열이 방출되는 것을 감소 및/또는 지연시키도록 구성되고, 및/또는 배터리 내 제어되지 않고/않거나 과도한 열이 발생되는 경우에 배터리 내 열의 확산을 억제(contain) 및/또는 감소 및/또는 지연시키도록 구성된다.
본 발명에서, 용어 “배터리”는 화학 에너지를 변환함으로써 전기 에너지를 제공하기 위한, 저장 소자 또는 2차 소자, 특히, 재충전 가능한 저장 소자로 이해되어야 한다. 배터리는 바람직하게는 여러 개의 상호 연결된 누적 셀(accumulator cell)들 및/또는 셀 블록(cell block)들, 즉, 배터리 셀들로 구성된다.
특히, 배터리는 트랙션 배터리로서 및/또는 전기 자동차의 구동을 위해 및/또는 리튬-이온 배터리로서 구성된다. 여기서, 예를 들면 교통 사고의 결과로서 배터리 과열의 경우에는, 차량 탑승자를 보호하기 위해 적어도 구조 서비스가 도착할 때까지, 예를 들어, 적어도 5분은 신뢰가능한 및/또는 효율적인 단열이 중요하다.
리튬-이온 배터리들의 화학적 조성으로 인해, 리튬-이온 배터리들은 특히 비교적 높은 불안정성을 나타낸다. 예를 들면, 포획된 외부 입자들에 의한 전극을 분리하는 세퍼레이터의 오염 및/또는 기계적 작용 또는 손상으로 인해, 배터리 셀에서 내부 전극의 국부 단락(short-circuit)이 일어나는 경우, 강한 단락 전류가 배터리 셀을 단시간에 800℃까지, 때때로 1300℃까지 가열시킨다. 이 과정은 열 폭주(thermal runaway)로 알려져 있다. 특히, 세퍼레이터는 상대적으로 낮은 온도에서, 예를 들면 120℃를 초과하면, 안정성을 잃기 때문에, 하나의 배터리 셀의 열 폭주는 다른 인접한 배터리 셀들로 쉽게 및/또는 빠르게 확산될 수 있고, 그 결과 단락은 인접한 배터리 셀에서 빠르게 일어날 수 있다. 이는 멈출 수 없는 연쇄 반응으로 이어지고, 이때, 배터리에 저장된 에너지는 단시간 내에 방출되고, 일반적으로 폭발적으로 및/또는 유독 기체의 방출과 함께 그리고 화염 및/또는 스파크의 형성과 함께 단시간 내에 방출된다. 이에 따라 내부 압력이 상승하면 배터리가 파열될 위험도 있다.
따라서, 배터리 셀을 가능한 특정 한계 온도 미만으로, 바람직하게는 120℃ 미만으로, 특히 80℃ 미만으로 유지하는 것이 바람직하다. 80℃를 초과하는 경우, 배터리 셀의 노화(aging) 과정이 상당히 가속화되고 120℃를 초과하는 경우 배터리 셀에서 세퍼레이터는 흔히 녹기 시작하여 돌이킬 수 없는 손상 및/또는 단락이 동반된다.
마찬가지로, 배터리에서 제어되지 않는 열 발생에 대하여, 인접한 영역 및/또는 공간, 특히 차량 내부에서의 효율적이고/이거나 오래 지속되는 열 보호(heat protection)에 대한 요구가 높다. 특히, 탑승자 및/또는 물체는 구조 및/또는 복구 조치가 완전히 완료될 때까지 열로부터 보호되어야 한다.
또한, 구조 작업 동안에, 구조자 역시 배터리가 열 폭주를 겪을 때 제어되지 않는 폭발로부터 보호되어야 하고 유독 기체(예를 들면, 기체 플루오린화 수소산), 스파크 및 화염 누출의 위험이 감소되어야 한다. 특히, 배터리가 폭주를 겪을 때, 배터리에서 전기 아크가 일어나 일반적으로 금속 하우징(metallic housing)을 매우 빠르게 녹일 위험이 있으며, 이 경우에 화염 등이 예를 들면, 위쪽을 향해 차량 내부로 누출될 위험이 매우 높다.
제WO 2019/121641 A1호는 단열을 위한 배터리용 다층 보호 소자를 개시한다. 이 보호 소자는 운모(mica)의 외부 보호 층들과 그 층들 사이에 압축성을 갖는 니들링된 부직포 플리스를 포함한다.
제CN 110641101 A호는 열 확산을 지연시키는 전기 자동차 배터리용 단열 복합재를 개시한다. 이 복합재는 실리콘 고무 층과 무기 섬유 층을 포함한다. 이 섬유 층은 캐리어 층을 형성하며 실리콘 고무 층을 갖는 양쪽 면 상에 제공될 수 있다. 이 섬유 층은 접착제와 수분 손실 흡열 충전제를 함유한다.
제US 2020/0062920 A1호는 실리콘 고무 신택틱 폼(syntactic foam)이 배터리 케이싱(casing) 내 빈 공간을 채우고/채우거나 배터리 셀들을 덮는 배터리 팩(battery pack)에 관한 것이다. 이 폼은 실리콘 고무 바인더와 중공 유리 비드들을 포함한다.
제EP 3 395 872 A1호는 플라스틱, 종이, 부직포, 금속 호일, 금속 메쉬, 유리, 또는 유리 섬유(glass cloth)로 만들어진 지지체를 갖는 한쪽 면 또는 양쪽 면상에 덮인 실리콘 폼 시트의 복합체를 개시한다. 이 복합체는 -30 ℃ 내지 150 ℃에서 우수한 탄성 및 압축 특성을 가지므로, 태양광 패널 등에 유용하다.
제US 2011/0192564 A1호는 폼 층과 섬유 층을 갖는, 배터리용 시트 재료를 개시하며, 이때, 섬유 층은 부직(non-woven) 재료일 수 있다. 이 시트 재료는 접착층 상에 배열된 이형 라이너(release liner)를 갖는다. 섬유 층의 압축성이나, 광물 보호 재료, 예컨대, 필로실리케이트, 운모 또는 플로고파이트(phlogopite)를 포함하는 보호 층 중 어느 것도 개시되어 있지 않았다.
제WO 2021/019495 A1호는 전기 자동차 배터리 모듈용 방화벽에 관한 것이며 부직 섬유 층일 수 있는 무기 섬유 층과 폼 층을 갖는 재료를 개시한다. 수성계 실리콘 엘라스토머로 만들어진 화재 방지 코팅(fire protection coating) 또한 개시된다. 다른 층들의 압축성이나 광물 보호 재료들 중 어느 것도 개시되어 있지 않다.
제WO 2021/022130 A1호는 재충전가능한 전기 에너지 저장 시스템용 열 차단 재료에 관한 것이다. 제공된 차단 물품들은 일반적으로 복수의 섬유들을 함유하는 코어 층을 포함하거나 보조 층(supplementary layer)에 커플링되거나 보조 층을 갖는 난연성 폼을 포함한다. 폼 층 및 섬유 층 둘 모두를 갖는 재료는 개시되어 있지 않다.
배터리 셀들, 특히 파우치형 셀들 또는 각형(prismatic) 셀들은 온도가 증가함에 따라 및/또는 충전 또는 방전될 때 팽창하거나 크기가 변한다. 따라서, 매우 상승된 온도에서도 높은 열 안정성과 단열 특성을 가지면서 압축성이 큰 보호 소자에 대한 요구가 있다. 선행 기술 제품들은 이러한 요구 사항들을 충족하지 못한다.
본 발명의 일 목적은 배터리의 단열을 위한 다층 보호 소자, 이러한 보호 소자를 갖는 배터리 및 상기 보호 소자의 용도를 제공하는 것이며, 이때, 개선된 단열 뿐만 아니라 개선된 압축성 또한 달성될 수 있다.
상기 목적은 청구항 1에 따른 다층 보호 소자, 청구항 21에 따른 배터리, 청구항 24에 따른 용도에 의해 달성된다. 유리한 구현예들은 종속항들의 대상이다.
본 발명에 따르면, 보호 소자는 폼 층 및 섬유 층을 포함한다. 따라서, 최적화된 절연 및 압축성 특징들이 달성될 수 있다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 상기 섬유 층은 부직포 니들링된 플리스(non-woven needled fibre fleece)를 포함하거나 부직포 니들링된 플리스로 형성된다. 이러한 플리스는 매우 효과적인 단열뿐만 아니라 우수한 압축성을 가능케 한다. 특히, 감소된 절연 또는 압축성을 유발하는 임의의 바인더, 접착제 등을 첨가하는 것이 방지될 수 있다.
독립적으로 구현 가능한 본 발명의 제2 측면에 따르면, 상기 섬유 층은 250 kPa의 압력에서 압축성이 있으며, 특히 20% 초과, 바람직하게는 30% 초과의 압축성이 있다. 이는 특히 폼 층이 250 kPa에서 30%보다 높은 압축성을 갖고/갖거나 섬유 층보다 높은 압축성을 가질 때, 보호 소자의 매우 우수한 압축성을 일으킨다.
바람직하게는, 상기 폼 층은 심지어 100 또는 250 kPa에서, 50% 초과, 바람직하게는 60% 초과, 특히 70% 초과의 압축성을 갖는다.
바람직하게는, 상기 섬유 층의 상대적 또는 절대적 압축성은, 특히 100 또는 250 kPa에서, 상기 폼 층의 압축성보다 낮거나 상기 폼 층의 상대적 또는 절대적 압축성의 20% 초과, 특히, 약 30% 이상 또는 40% 이상, 특히, 약 45% 이상, 및/또는 60% 미만 또는 70% 미만이다.
바람직하게는, 상기 섬유 층은 특히, 유리 스레드(glass thread)에 의해 재봉된다. 이는 개선된 응집력을 가능하고/하거나 달성하도록 하고, 및/또는 가공, 제조, 조립 및/또는 사용을 단순화시킨다.
섬유 층은 30 mm를 초과하는 길이를 갖는 장섬유 및/또는 니들링된 및/또는 본딩된 부직포로 형성되는 것이 특히 바람직하다. 섬유 층의 장섬유 및/또는 니들링 및/또는 본딩은 또 다른 섬유 층에 비해 기계적 저항성을 상당히 증가시킨다. 그 결과, 섬유 층은 특히 신축성이 있고 압력-탄성이 있어, 높은 압력의 힘을(high-pressure forces) 흡수하는 것을 가능케 한다. 동시에, 섬유 층은, 얽힌 섬유들이 섬유 층을 통한 열 에너지의 통과를 효율적으로 감소시키기 때문에 높은 단열 용량을 갖는다. 이는 배터리 내의 제어되지 않는 열 생성의 경우에, 예를 들면, 배터리 셀의 열 폭주가 일어날 때 특히 유리한데, 이는 배터리의 완전한 파괴 및/또는 폭발을 상당히 지연시키기 때문이다. 마지막으로, 니들링된 부직포는 낮은 단위 면적당 질량을 가져, 취급이 용이하다.
바람직하게는, 상기 섬유 층은 유리 섬유 또는 실리케이트 섬유 또는 이들의 혼합물로 만들어진다. 따라서, 높은 열 저항성(thermal resistance)이 달성될 수 있다.
독립적으로 구현 가능한 본 발명의 제3 측면에 따르면, 상기 섬유 층은 바람직하게는 바인더를 함유하지 않는다. 임의의 바인더 대신에, 섬유들은 오직 기계적으로, 바람직하게는 니들링에 의해 상호 연결된다. 따라서, 높은 열 저항성이 달성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 섬유는 용융 비드들을 함유하지 않는다. 이는 우수한 압축성을 뒷받침한다.
독립적으로 구현 가능한 본 발명의 제4 측면에 따르면, 상기 보호 소자는 바람직하게는 폼 층 및 섬유 층에 더하여 적어도 하나의 보호 층을 포함한다. 특히, 상기 보호 층은 광물 보호 재료, 예컨대, 필로실리케이트, 바람직하게는 운모, 특히 플로고파이트를 포함한다. 상기 보호 층은 바람직하게는 상기 보호 소자의 외측면 및/또는 양쪽 면 상에 제공된다. 상기 보호 층은 보호 소자 및/또는 이의 구성요소의 열 저항성 및 안정성을 증가시키고/시키거나 폼 층 및/또는 섬유 층보다 높은 열 전도율을 제공하여 국부적 과열을 최소화하거나 지체시킬 수 있다. 이는 특히 운모, 보다 바람직하게는, 플로고파이트가 보호 층을 형성하기 위한 필수적 또는 주요 구성요소로 사용되는 경우에 적용된다.
상기 보호 소자 또는 보호 층은 캐리어 층, 특히 직조 섬유 또는 스크림(scrim), 바람직하게는 유리 섬유를 대안적으로 또는 추가적으로 포함할 수 있다. 따라서, 더 높은 열 또는 기계적 저항성이 달성될 수 있다.
특히, 상기 보호 소자는 적어도 하나의 편평한 면 상에 접착 층을 포함하거나 - 특히, 이를 부분적으로만 덮음 -, 하나의 편평한 면 상에 적어도 일부분이 자가-접착성을 갖도록 설계된다. 이는 보호 소자가 배터리 및/또는 추가 보호 소자들 내 쉽게 배열되고/되거나 배터리 및/또는 추가 보호 소자들에 쉽게 부착되도록 한다.
제안된 배터리, 바람직하게는 리튬-이온 축전지는 하우징과 단열을 위해 하우징 내에 배열된 적어도 하나의 다층 보호 소자를 포함하는데, 이때, 상기 제안된 배터리의 보호 소자는 바람직하게는 앞서 언급된 측면들 중 하나에 따라 설계된다. 이는 상기 설명된 배터리의 유사한 이점들을 일으킨다.
바람직하게는, 상기 보호 소자는 2개의 이웃한 배터리 셀들, 특히 파우치형 또는 각형 셀들 사이에 배열되며, 서로 단열할 수 있다. 이러한 방식으로, 하나의 배터리 셀로부터 다음 및/또는 이웃 배터리 셀로의 열 또는 열 폭주의 확산이 효과적으로 지연 및/또는 억제 및/또는 심지어 방지되어, 배터리로부터 열 및/또는 파편들의 폭발적인 방출을 방지하거나 적어도 상당히 지연시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 측면들 중 하나에 따른 다층 보호 소자는 배터리의 단열에 사용되며, 이때, 보호 소자는 특히 배터리의 하우징 내에서, 하우징과 배터리의 적어도 하나의 배터리 셀 사이 및/또는 이웃한 배터리 셀들 사이에 배열되고/되거나 적어도 하나의 배터리 셀을 부분적으로 또는 완전히 덮고, 또는 한 쪽의 하나 이상의 배터리 셀과 다른 쪽의 배터리의 제어 장치 및/또는 제어 전자 장치들 사이의 절연에 사용된다. 이는 다시 유사한 이점들을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 상기 언급된 측면들 및 특징들 뿐만 아니라 청구범위 및 하기 발명의 설명으로부터 도출되는 본 발명의 측면들 및 특징들은 기본적으로 서로 독립적으로 구현되지만, 임의의 조합 및/또는 순서로 구현될 수 있다. 본 발명의 추가 이점들, 특징들, 특성들 및 측면들은 청구 범위 및 도면에 기초한 하기 바람직한 구현예들의 설명으로부터 도출된다. 도면은 다음을 도시한다:
도 1 제안된 다층 보호 소자의 개략적인 단면도;
도 2 보호 소자를 갖는 제안된 배터리의 개략적인 단면도;
도 3 제안된 배터리를 갖는 자동차의 개략적인 단면도; 및
도 4 보호 소자의 압축성 측정을 나타내는 다이어그램.
도 1은 제안된 다층 보호 소자 (1)의 실제 치수에 따르지 않은 (not to scale) 개략적인 단면도를 도시한다. 보호 소자 (1)는 도 2에서 개략적으로 실제 치수가 아닌 단면도로 나타낸 제안된 배터리 (8)를 단열, 특히 및/또는 차폐하는데 사용된다. 배터리 (8) (축전지)는 특히 리튬-이온 축전지로 설계되고, 및/또는 도 3에 나타낸 바와 같이 자동차 (12)를 위한 것이다.
가장 바람직하게는, 배터리 (8)는 바람직하게는 전기 차량 및/또는 전기 자동차로 설계된 자동차 (12)를 위한 구동 배터리 또는 트랙션 배터리로 역할을 한다.
하지만, 보호 소자 (1) 및/또는 본 발명은 또한 일반적으로, 배터리들, 특히, 리튬-이온 축전지들 등의 보호에 적용 및/또는 사용가능하며, 예를 들면, 의료 분야에서, 고정형 저장 배터리로서, 군대에서 배터리-작동 전자 기기 용으로 또는 다른 목적을 위한 배터리 용으로 적용 및/또는 사용가능하다.
하기에서, 제안된 보호 소자 (1)의 바람직한 구조가 더 상세히 설명된다.
보호 소자 (1)는 폼 층 (2) 및 섬유 층 (3)을 포함한다.
상기 층들 (2 및 3)은 바람직하게는 서로 연결되어 있으며, 특히, 접착 본딩되며, 즉, 상기 층들 사이에 형성 및/또는 배열된 연결 또는 본딩 층 (4)에 의해 접착 본딩된다. 따라서, 복합체가 형성된다. 이는 특히 취급 및 설치 및/또는 조립을 용이하게 한다.
폼 층 (2)은 또한 섬유 층 (3) 상에 형성되거나 직접 발포(foaming)될 수 있으므로 임의의 추가적인 또는 이후의 본딩이 필요하지 않다.
폼 층 (2)은 바람직하게는 실리콘 또는 폴리우레탄으로 만들어진다.
폼 층 (2)은 바람직하게는 빈 공극 (2A)을 포함한다.
바람직하게는, 폼 층 (2)은 100 또는 250 kPa의 압력에서, 50% 초과, 바람직하게는 약 60% 이상, 특히 65% 초과의 압축성을 갖는다.
바람직하게는, 폼 층 (2)은 1 mm 초과, 특히 약 2 mm, 및/또는 6 mm 미만, 특히 5 mm 미만의 두께를 갖는다.
섬유 층 (3)은 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 바람직하게는 부직포, 특히 니들링된 부직 매트(needled non-woven mat) 또는 니들링된 부직포 플리스를 형성하는 섬유들 (3A)을 포함하거나 이로 형성되거나 이로 이루어진다.
섬유 층 (3)은 바람직하게는 니들링된 및/또는 본딩된 섬유 플리스/부직포로부터 형성된다. 본 발명의 목적을 위해, 용어 “니들링된 부직포(needled non-woven)”는 바람직하게는, 섬유가 무작위로 서로 얽혀 있어 이로 인해 바인더 및/또는 용융 비드 없이 건식 니들링 및/또는 니들링으로 본딩되는 섬유 패브릭(textile fabric)으로 이해되어야 한다.
바람직하게는, 섬유 층 (3)은 - 적어도 필수적으로(at least essentially) - 결합제(binding agent) 및/또는 용융 비드를 함유하지 않는다.
섬유 층 (3)은 특히 유리 섬유 또는 실리케이트 섬유 또는 이들의 혼합물로 만들어진다. 예를 들면, 유리 섬유, 특히 A-, C-, D-, E-, ECR-, S2- 또는 R-유리 또는 이들의 혼합물들의 유리 섬유들, 및/또는 다른 내열성(heat-resistant) 섬유가 사용될 수 있다.
섬유들 (3A)은 바람직하게는 적어도 4 μm, 특히 적어도 5 또는 6 μm, 가장 바람직하게는 필수적으로 6 내지 15 μm의 평균 직경을 갖는다.
섬유들 (3A)의 길이는 바람직하게는 30 mm 초과, 바람직하게는 40 mm 초과, 특히 필수적으로 50 내지 60 mm이다. 하지만, 원칙적으로 섬유들의 길이는 더 클 수 있고, 예를 들면, 최대 약 120 mm이다.
섬유 층 (3) 또는 섬유 플리스는 가장 바람직하게는, 도 1의 스레드(thread)(3B)에 표시된 바와 같이 재봉된다. 이는 섬유 층 (3) 및/또는 보호 소자 (1)의 안정성 및/또는 가공성(processability)을 개선할 수 있다.
선택적인 재봉은 바람직하게는 상대적으로 느슨하게(loosely) 및/또는 1 mm 이상의 상대적으로 큰 거리에서 수행된다.
재봉은 바람직하게는 다른 층들을 도포(application) 및/또는 라미네이션(lamination)하기 전에 수행되며, 즉, 특히 다른 층들 없이 및/또는 오직 이의 자체 안정화를 위해 수행된다.
가장 바람직한 것은 유리 섬유로 재봉하는 것이며, 즉 유리 섬유(들)의 스레드 (3B)로 재봉하는 것이다.
테스트 결과 부직포 플리스가 적어도 필수적으로 실리케이트 섬유로 만들어지고 가장 바람직하게는 유리 섬유(들)로 만들어진 스레드 (3B)로 재봉되는 경우에 매우 우수한 안정성 및 이상적인 특성들이 달성될 수 있음을 나타냈다.
섬유 층 (3)은 또한 다층/다중-플라이 설계를 가질 수 있고 선택적으로는 중간 층 및/또는 중간 플라이로 재봉 및/또는 제공된다.
바람직하게는, 섬유 층 (3)의 단위 면적당 질량은 1800 또는 1500 g/m2 미만, 바람직하게는 1300 g/m2 미만, 및/또는 150 g/m2 초과, 바람직하게는 200 g/m2 초과, 특히 300 또는 400 g/m2 초과이다.
바람직하게는, 섬유 층 (3)은 배터리 (8) 내 설치될 때, 1 mm 초과, 특히 약 2mm, 및/또는 4 mm 미만, 특히 3 mm 미만이다.
전달 상태(delivery state)에서 또는 설치 전에, 섬유 층 (3)은 바람직하게는 2 mm 초과, 특히 약 3 mm 이상의 두께, 및/또는 6 mm 미만, 특히 5 mm의 두께를 갖는다.
바람직하게는, 섬유 층 (3)은 폼 층 (2)보다 더 큰 두께를 갖는다.
대안적으로는, 폼 층 (2)은 섬유 층 (3)과 유사하거나 섬유 층 (3)보다 큰 두께를 갖는다.
바람직하게는, 섬유 층 (3)은 압축성이 있으며, 특히 100 또는 250 kPa의 압력에서 20% 초과, 바람직하게는 30% 초과의 압축성이 있다. 이는 특히, 폼 층 (2)이 100 또는 250 kPa에서 30%보다 높은 압축성을 갖고/갖거나 섬유 층 (3)보다 높은 압축성을 가질 때, 보호 소자 (1)의 매우 우수한 압축성을 일으킨다.
바람직하게는, 섬유 층 (3)의 상대적 또는 절대적 압축성은 특히 100 또는 250 kPa에서 또는 100 내지 200 kPa의 범위에서, 폼 층 (2)의 상대적 또는 절대적 압축성보다 낮다.
바람직하게는, 폼 층 (2)의 절대적 압축(absolute compression)은 섬유 층 (3)의 잠재적으로 더 높은 두께를 고려할 때, 소정의 압축 강도, 즉 압력에서, 바람직하게는 100 또는 250 kPa에서 섬유 층 (3)의 절대적 압축보다 더 크다.
바람직하게는, 본 출원에서 언급된 압축성은 각각의 프로브(probe) 또는 층 상에서 50 x 50 mm의 플레이트를 압축(pressing)하고 압력을 계산하기 위한 힘을 측정함으로써 측정된다. 또한, 두께 변화 또는 압흔(indentation)이 측정된다.
절대적 압축 또는 압축성은 압흔, 예를 들면, 초기 두께에서 최종 두께를 뺀 차이에 해당한다.
상대적 압축 또는 압축성은 초기 두께를 기준으로 한 백분율로 계산될 수 있으며, 예를 들면, 하기와 같다: 100ㆍ(초기 두께 - 최종 두께) / 초기 두께.
도 4는 보호 소자 (1)의 상기 설명된 압축성의 측정을 나타내며, 이때, x-축은 N/m2 단위의 가해진 압력 p이고 y-축은 mm 단위의 두께 t를 나타낸다.
측정된 보호 소자 (1)는 각 면 상에 보호 층 (5)을 갖는 섬유 층 (3)의 복합체를 포함한다. 섬유 층 (3)의 두께 t는 약 3.3 mm이다. 2개의 보호 층들 (5)과 함께 섬유 층 (3)의 두께는 약 3.5 mm이다. 폼 층 (2)의 두께는 약 2 mm이다.
선 L1은 압력 p에 대한 폼 층 (2)의 두께 t를 나타낸다.
선 L2는 압력 p에 대한 섬유 층 (2) 및 보호 층들 (5)의 복합체의 두께 t를 나타낸다. 선 L2는 보호 층 (5)이 매우 얇고 필수적으로 비압축성(incompressible)이기 때문에 필수적으로 섬유 층 (3)의 압축성 거동을 나타낸다.
선 L3은 압력 p에 대한 측정된 보호 소자 (1)의 두께를 나타낸다.
측정된 데이터는 100 kPa에서 폼 층 (2)의 절대적 압축이 약 1.13 mm이고 250 kPa에서 폼 층 (2)의 상대적 압축이 약 56%이고, 100 kPa에서 섬유 층 (3)의 절대적 압축이 약 1.26 mm이고 250 kPa에서 섬유 층 (3)의 상대적 압축이 약 38%임을 나타낸다 (측정된 압흔 또는 절대적 압축은 상대적 압축을 계산하기 위한 약 3,3 mm의 초기 두께에 관한 것이었음).
폼 층 (2)은 바람직하게는 섬유 층 (3)보다 낮은 밀도 및/또는 면적 중량을 갖는다. 따라서, 보호 소자 (1)는 상대적으로 낮은 총 중량을 가지면서 우수한 압축성 특징들을 제공한다.
도 4는 폼 층(2)이 특히 초기에 또는 최대 250 kPa 또는 500 kPa의 매우 낮은 압력 범위에서 매우 우수하거나 관련된 압축성을 제공하며, 특히 다른 층들 및/또는 섬유 층 (3) 보다 높은 절대적 및/또는 상대적 압축성을 제공하는 것을 나타낸다.
바람직하게는, 폼 층 (2) 및 섬유 층 (3)은 특히, 적어도 100 내지 200 kPa, 특히 적어도 50 내지 250 kPa 및/또는 100 내지 500 kPa의 범위에서 적어도 필수적으로는 탄성 압축성이 있다.
도 1에 나타낸 순서는 측정된 보호 소자 (1)의 경우에 해당하는 것일 뿐이므로, 보호 소자 (1)는 도 1에 나타낸 순서와 다른 임의의 순서로 층들 (2, 3 및 5) (특히 1개 또는 2개의 층들 (5)을 가짐)을 포함할 수 있다.
또한, 보호 소자 (1)는 1개 대신에 2개의 폼 층들 (2)을 포함할 수 있으며, 즉, 1개의 추가 폼 층 (2)을 포함할 수 있다.
선택적으로는, 보호 소자 (1)는 추가의 섬유 층 (3) (나타내지 않음)을 포함하여 폼 층(2)이 섬유 층 (3)에 의해 양쪽/반대쪽 면들이 덮이도록 포함할 수 있다.
보호 소자 (1) 또는 섬유 층(들) (3)은 추가적으로 또는 대안적으로 직조 패브릭 또는 임의의 다른 섬유 보강재를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 패브릭 또는 섬유 보강재는 보호 소자 (1)의 추가 소자, 보호 소자 (1)의 섬유 층 (3), 폼 층 (2), 또는 추가 보호 층 (5)일 수 있다.
용어 “패브릭"/"직조 패브릭"은 특히 서로 교차하는 복수의 스레드들에 의해 형성된 편평한 제품을 지칭한다. 상기 스레드들은 특히 반복적인 순서로 십자형 스레드들의 위 및 아래로 안내된다.
보호 층 (5)은 바람직하게는 보호 소자 (1)의 기계적 강도 및/또는 전기 절연 및/또는 단열, 및/또는 내열성을 위한 것이다.
바람직하게는, 보호 소자 (1)는 폼 층 (2) 및 섬유 층 (3)에 더하여 1개 또는 2개의 보호 층들 (5)을 포함한다.
보호 층 (5)은 바람직하게는 보호 소자 (1) 및/또는 층들 (2 및/또는 3)의 외측면에 배열되며, 예를 들면, 폼 층 (2) 또는 섬유 층 (3)의 반대쪽 면들 상에 배열된다.
특히, 2개의 보호 층들 (5)은 보호 소자 (1)의 반대쪽 면들 및/또는 폼 층 (2) 및 섬유 층 (3)을 포함하는 복합체의 양쪽 면 상에 배열된다.
상기 2개의 보호 층들 (5)은 동일하거나 상이할 수 있다.
보호 층 (5)은 바람직하게는 폼 층 (2), 섬유 층 (3) 및/또는 보호 소자 (1)의 커버 층(cover layer) 또는 외부 층을 형성한다.
바람직하게는, 보호 층 (5)은 광물 보호 재료 (6), 특히, 운모, 가장 바람직하게는 플로고파이트를 포함하거나 이로 필수적으로 만들어진다. 이는 높은 열 저항성을 가능케하면서, 표면에 걸친 어느 정도의 열 분산을 가능케 한다.
바람직하게는, 보호 층 (5) 또는 각각의 보호 층 (5)은 m2 당 100 g 초과의 운모 또는 플로고파이트를 포함한다.
보호 층 (5)은 바람직하게는 섬유 보강재 또는 스크림 (7)으로 제공 또는 강화되고/되거나 상기 언급된 패브릭에 의해 제공되거나 강화되며, 특히 바람직하게는 폼 층 (2) 및/또는 섬유 층 (3)으로부터 외측을 향하거나 반대쪽을 향하는 면 상에 제공되거나 강화된다.
특히, 스크림 (7)은 보호 재료 (6)를 위한 지지체로 제공되거나 형성된다.
예를 들면, 1개의 보호 층 (5)은 내열성 또는 고유전(high dielectric) 층 및/또는 운모 층으로 설계될 수 있고, 다른 및/또는 보호 층 (5)은 패브릭 또는 섬유 보강재 (7)로 설계 또는 제공될 수 있고, 선택적으로 운모가 없을 수 있다.
상이한 층들 (2, 3, 및 5)은 바람직하게는 서로 연결되며, 특히 접착식으로 및/또는 본딩 층들 (4)에 의해 서로 연결된다. 상이한 본딩 층들 (4)은 연결되는 재료에 따라 동일하거나 상이할 수 있다.
연결 및/또는 접착 본딩에 대안적으로 또는 추가적으로, 열적으로 불안정한 접착제 및/또는 열적으로 불안정한 연결 및/또는 연결 호일 또한 사용될 수 있다.
층들 (2, 3 및/또는 5)은 특히 접착 본딩에 의해 연결된다. 하지만, 다른 접합 기술들, 예컨대, 재봉 또는 용접(welding) 또한 가능하다.
바람직하게는, 보호 소자 (1)는 오직 2개의 기능성 층들 (2 및 3) 또는 3개의 기능성 층들 (2, 3 및 5) (1개 또는 2개의 층들 (5)을 포함)로 이루어진다. 이러한 문맥에서, "기능성 층”은 각 층이 보호 소자 (1)의 기능성과 관련된 중요한 기능을 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 이는 보호 소자 (1)가 추가로 비-기능성 층들, 예컨대, 본딩 층(들) (4), 직조 패브릭 등을 추가로 포함할 수 있는 것을 배제하지 않는다.
예를 들면, 절연 기능이 온도에 따라 또는 상이한 온도까지 모든 층들 (2, 3, 및 5)에 의해 제공될 수 있다. 바람직하게는, 층들 (3 및 5)은 폼 층 (2)보다 상당히 높은 내열성을 갖는다.
보호 소자 (1)의 원하는 압축성은 바람직하게는 필수적으로는 폼 층 (2)에 의해 특히 최대 100 또는 250 kPa에서 제공되거나, 섬유 층 (3)이 바람직하게는 폼 층 (2)보다 상당히 낮은 (상대적 및/또는 절대적) 압축성을 갖지만, 전체 압축성에 현저히 기여할 수 있으므로 층들 (2 및 3)에 의해 제공될 수 있다.
보호 소자 (1) 및/또는 층들 (2, 3 및/또는 5)은 바람직하게는 내열성을 갖도록 설계되며, 특히, 최대 적어도 200 ℃, 가장 바람직하게는 250 ℃ 초과에서 내열성을 갖도록 설계된다.
층들 (3 및/또는 5)은 바람직하게는 600 ℃, 800 ℃ 또는 1000 ℃ 초과에서 내열성을 갖도록 설계되며, 이때, 폼 층 (2), 본딩 층 (4), 이러한 층들의 연결 및/또는 접착 본딩은 이러한 내열성을 포함할 필요가 없다.
본 발명의 의미에서 용어 "내열성"은 바람직하게는 높은 온도 또는 언급된 온도에 대한 재료 또는 구성요소의 저항성 또는 내구성을 설명하는데 사용된다.
특히, 내열성을 위해 지정된 온도들은 용융 온도의 바람직한 최소 값들, 또는 용융 온도의 0.8 또는 0.9배의 특히 바람직한 하한 값들, 및/또는 하기에 설명된 의미에서 및/또는 기본 재료(base material), 예를 들면, 섬유 층 (3)의 경우에 특히 이의 섬유들 (3A)에 대하여 또는 폼 층 (2)의 경우에 예를 들면, 폼에 대하여 바람직한 상한 적용 온도(upper application temperatures)를 나타낸다.
본 발명의 의미에서 재료 또는 구성요소, 특히 보호 소자 (1) 및/또는 층들 (2, 3, 5) 중 하나는 내열성 (상한 적용 온도까지)이며, 특히, 이 적용 온도까지, 재료 또는 구성요소는 이의 특성들 - 예를 들면, 이의 유전 강도, 이의 기계적 안정성 또는 형태, 이의 강도 또는 변형성(deformability) 등- 을 유지하거나, 원하는 적용 (이 경우에 특히 사고 또는 열 폭주시 배터리 또는 배터리 셀들의 밀봉 또는 절연 및/또는 전기 절연 또는 단열)에 적합하지 않을 정도 이러한 특성들을 변경하지 않는다.
특히, 층 (5)은 운모 또는 플로고파이트 및/또는 유리, 실리케이트 및/또는 세라믹의 섬유들, 또는 이들의 혼합물을 함유하거나 이로 만들어지는 경우에 본 발명의 의미 내에서 내열성인 것으로 여겨져야 한다.
특히, 섬유 층 (3)은 유리, 실리케이트, 및/또는 세라믹 섬유들 또는 이들의 혼합물을 함유하거나 이로 만들어지는 경우에 본 발명의 의미 내에서 내열성인 것으로 여겨져야 한다.
바람직하게는, 재료 또는 구성요소, 특히 보호 소자 (1) 및/또는 층들 (2, 3, 또는 5) 중 하나가 DIN EN 60085:2008-08에 따라 절연 재료 등급들 중 하나, 특히 이 표준의 절연 재료 등급 F, H, N 또는 R의 요구사항들을 만족하는 경우에 내열성이다.
보호 소자 (1)는 특히 편평한 층 패키지로 설계되고/되거나 특히 압축성 및 휨성(pliable)을 갖도록 설계된다.
용어 “휨성”은 바람직하게는 보호 소자 (1)의 충분히 낮은 굽힘 강성을 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 이때, 굽힘 강성은 구성요소 및/또는 보호 소자 (1)의 굽힘 변형(bending deformation)에 대한 작용력(acting force)의 저항성의 척도이다. 굽힘 강성은 ISO 5628, 바람직하게는 ISO 5628:2019에 따라 바람직하게는 결정된다. 이를 위해, 바람직하게는, 특정 수치, 예를 들면, 6 mm 두께 및 60 mm x 40 mm 크기를 갖는 플레이트-형태의 보호 소자 (1)가 회전식 클램핑 장치 (clamping device)에 클램핑된다. 보호 소자 (1)의 자유 말단은 로드 셀(load cell)의 센서에 접촉하고, 이를 통해 클램핑 장치가 회전할 때 대응하는 접촉력 (contact force)이 기록된다. 특히, 센서는 클램핑 지점으로부터 50 mm의 거리에서 열 보호 소자 (1)의 자유 말단과 접촉한다. 굽힘 강성은 특히 보호 소자가 15°로 굽혀졌을 때 센서에서 측정되는 힘으로 결정된다.
바람직하게는, 보호 소자 (1)는 이러한 방식으로 결정된 10 N 미만, 바람직하게는 5 N 미만, 특히 1 N 미만의 굽힘 강성(bending stiffness)을 갖는다.
제안된 보호 소자 (1) 및/또는 섬유 층 (3)은 바람직하게는 압축성이며, 그 결과 설치 조건, 특히 개별 배터리 셀들 (8A) 사이 및/또는 배터리 셀들 (8A)과 하우징 (9) 사이에서 적합하도록 한다.
가장 바람직한 것은 설치된 조건에서 보호 소자 (1) 및/또는 보호 소자들 (1)의 특정 프리텐션(pretension) 및/또는 압축을 갖는 설치이다. 바람직한 압축은 설치시 적어도 20 kPa 및/또는 25 kPa 초과이다.
일부 배터리 셀들 (8A)은 충전 및 노화(agening)의 상태의 결과로서 팽창 및 수축한다. 보호 소자 (1)는 특히 배터리 셀들 (8A)의 이러한 “브리딩(breathing)”이 셀들 (8A)의 수명에 걸쳐 보상될 수 있도록 설계된다.
특히, 보호 소자 (1)는 적어도 300 kPa, 가장 바람직하게는 적어도 450 kPa 또는 그 이상의 압축 압력을 견디도록 설계된다. 이는 화재, 단락, 사고 등의 경우에 가능한 배터리 셀 (8A)의 “브리딩” 및/또는 고 부하 용량에 유익하다. 이러한 압축성 및/또는 이러한 탄성은 배터리 (8)의 수명에 걸쳐 가능해야만 한다.
바람직하게는, 보호 소자 (1), 폼 층 (2) 및/또는 섬유 층 (3)은 압축성이 있다.
용어 "압축성(compressible)"은 바람직하게는 - 특히 본 맥락에서 - 보호 소자 (1)의 충분히 낮은 압축 경도(compression hardness)를 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 압축 경도는 시험편 및/또는 보호 소자 (1)를 이의 원래 두께의 40%로 압축시키는데 필요한 압력을 나타낸다. 압축 경도는 바람직하게는, 5 mm 두께 및 300 mm x 200 mm 크기를 갖는 플레이트-형태의 열 보호 소자 (1)를 시험편으로, 20 mm 두께 및 190 x 80 mm 크기를 갖는 알루미늄 플레이트를 압자(indenter)로 사용하여, DIN EN ISO 3386, 바람직하게는 ISO 3386-1:1986에 따라 결정된다.
바람직하게는, 보호 소자 (1) 및/또는 섬유 층 (3)은 전술한 방식으로 결정된 40 kPa 미만, 바람직하게는 30 kPa 미만, 특히 20 kPa 미만의 압축 경도(compression hardness)를 갖는다.
바람직하게는 보호 소자 (1) 및/또는 섬유 층 (3)은 매우 탄성 압축성(elastically compressible)이 있으며 (두께 방향으로, 즉, 표면 연장부에 수직인 방향으로), 가장 바람직하게는 적어도 설치되지 않은 상태에서의 두께에 비해 적어도 90% 내지 50%의 범위이다.
바람직하게는, 보호 소자 (1)의 단위 면적당 질량은 3000 또는 2700 g/m2 미만, 바람직하게는 2100 g/m2 미만, 및/또는 550 g/m2 초과, 바람직하게는 200 g/m2 초과, 특히 700 또는 800 g/m2 초과이다.
보호 소자 (1)는 특히, 압축되지 않은 상태 또는 전달 상태에서, 바람직하게는 15 mm 미만, 바람직하게는 10 mm 미만, 특히 3 내지 9 mm이다.
특히, 보호 소자 (1)는 - 바람직하게는 설치될 때 - 7 mm 미만, 바람직하게는 6 mm 미만, 특히 2 내지 5 mm의 두께이다. 이는 심지어 좁은 설치 간격에서도, 배터리 (8) 내 플렉서블하고 용이한 설치를 가능케 한다.
특히 바람직하게는, 보호 소자 (1)는 2.5 kV/mm 초과, 바람직하게는 2.9kV/mm 초과, 특히 3 내지 20 kV/mm의 유전 강도를 갖는다. 이는 아크 또는 스파크의 형성을 방지 및/또는 지연시킨다.
유전 강도는 전압 돌파(voltage breakthrough) (전기 아크 또는 전기 스파크)가 일어나지 않는 재료 내 전기장의 한계(limit)를 정의한다.
유전 강도는 바람직하게는 IEC 60243-1:2013에 따라 측정된다.
이 측정은 바람직하게는 20 ℃ 내지 25 ℃, 바람직하게는 약 50%의 상대 습도 및/또는 압축된 상태의 보호 소자 (1)를 갖는 정상 조건 하에서 수행된다.
25 ℃ 실온에서 보호 소자 (1), 폼 층 (2) 및/또는 섬유 층 (3)의 열 전도율은 0.13 W/mK 미만, 바람직하게는 0.08 또는 0.09 W/mK 미만, 특히 0.05 W/mK 미만이다.
보호 소자 (1) 또는 보호 층 (5)은 선택적으로는 접착 층 (도시하지 않음)을 포함하며, 특히 부분적으로 또는 정확하게(punctually) 도포되고/되거나 배터리 (8) 및/또는 이의 하우징 (9)에 보호 소자 (1)의 고정 및/또는 조립을 용이 및/또는 가능하게 하기 위해 자가-접착식으로 설계된다.
하기에서, 제안된 배터리 (8) 및 제안에 따른 보호 소자 (1), 특히 제안에 따른 보호 소자들 (1A 및 1B) 및 선택적으로는 제안에 따른 추가의 열 보호 소자들 (1C 및 1C) 또는 배터리 (8) 내 유사한 보호 소자들 (1)의 배열 및/또는 용도가 도 2를 기반으로 더 상세히 설명된다.
보호 소자들 (1A 내지 1D)은 동일하게 또는 상이하게 설계될 수 있다.
하기에서, 보호 소자들 (1A 내지 1D)은 또한 구별을 위해 제1 보호 소자 (1A), 제2 보호 소자 (1B), 제3 보호 소자 (1C) 및 제4 보호 소자 (1D)로 지칭된다. 하지만, 이는 단지 상이한 보호 소자들 (1)을 구별하기 위한 것이며, 예를 들면, 제3 보호 소자 (1C)가 제공되는 경우, 제2 보호 소자 (1B) 또한 반드시 존재함을 의미하는 것은 아니다.
전원 공급을 위해 배터리 (8)가 개략적으로 도시된 자동차 (12), 특히 전기 자동차에 배열 및/또는 설치되는 것이 바람직하다. 특히, 설치될 때, 배터리 (8)는 자동차 내부 (12A) 아래, 예를 들면, 승객 또는 자동차 (12)의 다른 내부 영역 아래에 위치한다.
배터리 (8)는 바람직하게는 하우징 상단부 및/또는 하우징 리드 (9A) 및 하우징 하단부를 갖는 하우징 (9)을 갖는다. 여기서, 하우징 (9) 및/또는 하우징 하단부는 적어도 하나의 하우징 측벽 (9B) 및 하우징 바닥 (9C)을 포함한다.
하우징 (9)은 바람직하게는 비-전도성 재료, 예를 들면, 플라스틱, 또는 금속으로 이루어진다.
배터리 (8)는 바람직하게는 재충전가능한 축전지, 특히 리튬-이온 축전지로 설계된다. 대안적으로는, 이는 리튬 철 포스페이트, 리튬 코발트 산화물, 리튬 금속 산화물, 리튬 이온 폴리머, 니켈 아연, 니켈 금속, 니켈 카드뮴, 니켈 수소, 니켈 은, 니켈 금속 하이브리드, 전고체 상태, 리튬 공기(lithium air), 리튬 황 및 유사한 시스템들 및/또는 재료들로 구성 또는 설계될 수 있다.
특히, 배터리 (8)는 특히 하우징 (9), 바람직하게는 하우징 하단부 (10)에 전기적으로 배선된 및/또는 하우징된 배터리 셀들 (8A)의 적어도 하나의 그룹을 갖는다.
바람직하게는, 보호 소자(들)는 배터리 셀들 (8A)을 수용하는 하우징 (9)의 내부 공간에 배열된다.
적어도 하나의 보호 소자 (1), 특히 제1 보호 소자 (1A)가 바람직하게는 배터리 셀들 (8A) 위에 및/또는 특히 하우징 (9) 및/또는 하우징 리드(9A) 상에, 접착 및/또는 고정, 바람직하게는 접착 본딩되는 것이 바람직하다. 제1 보호 소자 (1A)는 하우징 하단부 및/또는 배터리 (8) 또는 이의 셀들을 바람직하게는 최상단 면(top side)에서 폐쇄 및/또는 절연한다.
이러한 방식으로, 자동차 내부 (12A)에 대해 특히 효율적인 최상단면 단열 및 화재 방지가 달성되며, 배터리 (8) 내 제어되지 않은 열 발생으로부터 내부의 사람들 또는 물체들을 효율적으로 및/또는 충분히 오랫동안 보호한다.
배터리 (8) 및/또는 하우징 (9)은 바람직하게는 적어도 하나의 출구 (10)를 포함하며, - 적어도 배터리 (8) 내부에서 화재 및/또는 과도한 가열 또는 강력한 압력 증가의 경우에 - 기체가 배터리 (8) 및/또는 하우징 (9)에서 외부로 유출되어 압력 보상이 이루어지도록 한다. 이는 배터리 (8)가 특히 화재 및/또는 단락 및/또는 과열의 경우에 폭발 및/또는 파열되는 것을 방지한다.
출구 (10)는 바람직하게는 하우징 리드 (9A)에 및/또는 배터리 (8) 및/또는 하우징 (9)의 최상단면 상에 배열된다.
배터리 (8) 및/또는 하우징 (9)은 바람직하게는 기체 누출 및/또는 압력 보상을 위해 여러 개의 출구들 (10)을 포함한다.
바람직하게는, 출구 (10) 및 각각의 출구 (10)는 기본적으로 및/또는 전달되는 대로 및/또는 정상 사용 동안 또는 필요한 한, 열적으로 불안정하고/하거나 압력-안정하지 않은 소자 (11)에 의해, 가장 바람직하게는 파열 디스크 등에 의해 폐쇄 또는 폐쇄 가능하다.
파열 디스크 대신에, 또 다른 소자 또는 밸브가 폐쇄 소자 (11)로 사용될 수 있으며, 에를 들면, 이는 기본적으로 출구 (10)를 폐쇄하고 화재의 경우 및/또는 단락 또는 과열의 경우에 - 바람직하게는 압력 및/또는 온도에 따라 자동적으로 - 개방한다. 하지만, 다른 설계 해결책 또한 가능하다.
하우징 (9) 내 화재, 단락, 과열 또는 다른 압력 증가의 경우에, 압력 보상이 출구 (10)를 통해 달성될 수 있는데, 특히, 이는 디스크 파열 및/또는 밸브 개방 후에 기체가 출구 (10)를 통해 하우징 (9) 바깥으로 흘러 나가게 함으로써 달성될 수 있다. 보호 소자 (1) 및/또는 이의 섬유 층 (3)은 필터로 작용하여, 원하지 않은 독소 및 기체를 여과 및/또는 보유할 수 있다. 또한, 보호 소자 (1)는 개방 출구 (10)를 통해 화염 또는 스파크 누출에 대한 장벽으로 역할을 하고/하거나 출구 (10)가 갑자기 개방되거나 배터리가 열 폭주를 겪을 때 갑작스럽게 일어날 수 있는 기계적 부하를 회복시켜, 특히 출구 (10)를 통해 기체가 바깥으로 흘러나오는 전술한 경우에 보호 소자 (1)가 화재 누출에 대한 원하는 필터 기능 및 안전 기능을 보유하게 된다.
예시된 실시예에서, 하우징 (9)은 특히 하우징 리드 (9A)에서 하나 이상의 출구 (10)를 포함하며, 이는 보호 소자 (1) 및/또는 제1 보호 소자 (1A)에 의해 내부가 덮여 있다.
대안적으로는 또는 추가적으로, 배터리 (8) 및/또는 하우징 (9) 및/또는 적어도 하나의 하우징 측면 패널 (9B)은 또한 도 2에 도시된 바와 같이 하나 이상의 측면 출구 (10)를 포함한다. 이 경우에, 특히, 제1 보호 소자 (1A)에 추가적으로 또는 대안적으로, 추가 및/또는 제2 보호 소자 (1B)가 또한 제공되어, 각각의 측벽 (9B) 및/또는 각각의 측면 출구들 (10)을 덮는다.
특히, 적어도 하나의 제1 보호 소자 (1A) 및 적어도 하나의 제2 보호 소자 (1B)가 사용되며, 이때, 제1 보호 소자 (1A)는 최상단면 상에서 하우징의 내부를 폐쇄 및/또는 단열시키고 제2 보호 소자 (1B)는 하우징 측벽 (9B) 상에서 측면으로 배열된다.
바람직하게는 제2 보호 소자 (1B)는 제1 보호 소자 (1A)에 대해 특히 가로지르는 방향(crosswise) 및/또는 수직으로 부착되며, 바람직하게는 접착 본딩, 니들링 또는 용접된다.
바람직하게는, 배터리 (8) 및/또는 하우징 (9)의 모든 측벽들 (9B)은 내부에 제2 보호 소자들(1B)로 제공되거나 덮여 있으며, 바람직하게는 또한 그 내부에 형성된 출구들 (10)과 독립적이다.
제2 보호 소자 (1B)는 또한 바람직하게는 관련된 측벽 (9B)에 고정 및/또는 접착 본딩된다.
하나 이상의 보호 소자 (1)에 의한 출구 또는 출구들 (10)의 바람직한 제안된 배열 및 내부 덮임은 배터리 (8)의 매우 용이한 조립 및 구성을 가능케 하여, 화재 및/또는 단락 또는 과열의 경우에 원하는 압력 보상을 제공하면서, 자동차 (12)에 사용하기 위한 출구 (10)에서 원하는 필터링 및 보호 특성을 보장한다.
제1 보호 소자 (1A) 및/또는 제2 보호 소자 (1B)에 대안적으로 또는 추가적으로, 배터리 (8)는 도 2에서 예시로 도시한 바와 같이, 추가 및/또는 제3 보호 소자 (1C)를 포함할 수 있다.
제3 보호 소자 (1C)는 바람직하게는 제1 보호 소자 (1A)의 반대편 및/또는 하우징 내부에서 하부면 및/또는 바닥 (9C) 상에 배열된다. 바람직하게는 하부면 및/또는 바닥 (9C)은 제3 보호 소자 (1C)로 완전히 및/또는 완전히 덮여 있다.
제3 보호 소자 (1C)는 바람직하게는 바닥 (9C)에 고정 및/또는 접착 본딩된다. 하지만, 다른 구성적 해결책 또한 가능하다.
보호 소자들 (1A 내지 1C)은 바람직하게는 배터리 셀 (8A) 사이 및/또는 배터리 셀 (8A)과 하우징 (9) 사이에 각각 배열된다.
보호 소자들 (1A 내지 1C)에 대안적으로 또는 추가적으로, 바람직하게는 적어도 하나 (추가 및/또는 제4) 보호 소자 (1D)가 배터리 셀(들) (8A) 사이에 제공 및 배열되어, 이로 인해 이러한 셀들 (8A) 또는 셀 그룹들은 서로 단열 및/또는 분리된다. 보호 소자 (1D)는 가장 바람직하게는 배터리 셀들 (8A) 사이에 임의의 다른 방식으로 삽입, 압축 또는 제공된다.
바람직하게는, 본 발명의 보호 소자 (1/1D)는 도 2에 표시된 바와 같이, 모든 배터리 셀들 (8A) 사이에 배열된다. 도 3은 단지 개략적이기 때문에 이러한 바람직한 측면을 나타내지 않는다.
배터리 셀 (8A)은 바람직하게는 하나 이상의 보호 소자 (1D)에 의해 적어도 실질적으로 완전히 및/또는 모든 면들이 둘러싸인다.
바람직하게는, 보호 소자(들) (1)는 충전 동안 셀들 (8A)의 임의의 가능한 팽창을 완벽히 보상하고/하거나 배터리 (8) 서비스 수명에 걸쳐 가능한 한 정의된 기계적 프리텐션(pretension)을 보장할 수 있다. 전달 조건에서 적어도 대략 25 kPa가 필요하다. 서비스 수명에 걸쳐, 설치된 조건에서 압력은 셀들 (8A)의 팽창 (스웰링)으로 인해 최대 250 kPa 또는 심지어 500 kPa까지 증가할 수 있다. 이 값들은 셀 유형 (원형 셀, 파우치형 셀 및 각형 셀)에 따라 다르며, 소비자 요구 사항에 맞게 조정될 수 있다.
특히, 보호 소자들 (1D)은 특히 배터리 셀들 (8A)이 서로 절연, 차폐 및/또는 감쇠(damping)되는 방식으로 하우징 (9) 내에 지지 및/또는 배열되도록 여러 또는 모든 배터리 셀들 (8A)을 폐쇄하고/하거나 둘러싼다. 따라서, 보호 소자 (1)는 바람직하게는 배터리 셀(들) (8A)을 위한 저장 매트(storage mat)를 형성한다. 이는 특히 모든 면 상에서 효과적인 단열에 더하여, 임의의 충격 및/또는 진동이 압축성 보호 소자 (1)에 의해 감쇠 및/또는 흡수되기 때문에 배터리 셀들 (8A)의 견고하고/하거나 저항성이 있는 저장을 또한 가능케 한다.
배터리 셀 (8A)은 바람직하게는 - 그룹으로 또는 개별적으로 - 하나 이상의 보호 소자 (1A 내지 1D)에 의해 적어도 실질적으로 완전히 및/또는 모든 면들이 폐쇄 및/또는 둘러싸이며, 즉, 배터리 (8)에서 서로 절연 및/또는 차폐된다.
배터리 셀 (8A)의 실린더형 설계의 경우에, 제4 보호 소자들 (1D)은, 예를 들면, 중공 실린더로 설계되어 배터리 셀 (8A)을 방사상으로(radially) 둘러싸고 - 특히 개별적으로 - 이때 추가 보호 소자들 (1), 예컨대, 제1 보호 소자 (1A) 및 제3 보호 소자 (1C)는 예를 들면, 배터리 셀 (8A)을 축 방향으로(axially) 덮거나 밀봉할 수 있다.
셀 스택(cell stack)들의 경우에, 보호 소자들 (1)로부터 배터리 셀 (8A)을 축 방향으로 분리(axial separation)하기 위해 중간 층들이 또한 형성될 수 있다.
보호 소자 (1 및/또는 1D)는 원칙적으로 및 특히 배터리 셀 (8A) 사이에 배열될 때 - 즉, 특히 배터리 셀 (8A) 및 하우징 (9) 사이의 외측면에 배열되지 않을 때 - 필요에 따라 추가 층들, 예컨대, 추가 섬유 층 및/또는 또 다른 중간 층을 포함하여 층을 분리하거나 층을 절연시키고 그 결과 더 낮은 기체-투과성을 가질 수 있음에 유의해야 한다.
테스트 결과, 제안된 보호 소자 (1)는 배터리 (8) 내에서 열을 억제하고, 최상단 면 및/또는 측면 배열 및/또는 절연, 즉, 특히 인접한 자동차 내부들 (12A)의 열 보호에 모두 적합한 것으로 나타났다.
대안적으로 또는 추가로, 도 2의 오른쪽에서 개략적으로 나타낸 바와 같이 제어 장치 (8B)가 예를 들면, 배터리 (8) 및/또는 하우징 (9)에서 1개의 셀 (8A) 대신에 배치될 수 있는 경우에, 제안된 보호 소자 (1)는 특히 배터리의 하우징 (9) 내에서 배터리 (8)의 제어, 제어 장치 및/또는 제어 전자장치 (8B)를 절연시키도록, 특히 이를 하나 이상의 배터리 셀 (8A)로부터 절연시키도록 사용 및/또는 배열될 수 있다. 이러한 사용 및 배열은 또한 예를 들면, 배터리 셀 (8A)의 고장 및/또는 열 폭주의 경우에, 배터리 (8) 내에서 열을 억제하고/하거나 절연을 제공하는 역할을 하여 궁극적으로 특히 이전보다 더 오랜 시간 배터리 (8)를 안정화할 수 있다.
독립적으로 또는 상기 설명된 측면들 및 특성들 중 하나 이상과 임의의 조합으로 실현될 수 있는 본 발명의 추가 측면들은 특히 다음과 같다:
1. 배터리의 단열을 위한 다층 보호 소자 (1)로서,
폼 층 (2) 및 섬유 층 (3)을 가지며,
상기 섬유 층 (3)은 바람직하게는 니들링된 부직포 플리스를 포함하거나 니들링된 부직포 플리스로 형성되고, 및/또는 압축성이 있으며, 바람직하게는 100 또는 250 kPa에서 30% 초과의 압축성이 있고, 및/또는 적어도 필수적으로 바인더를 함유하지 않고, 및/또는
상기 보호 소자 (1)는 보호 층 (5)을 더 포함하고, 바람직하게는 상기 보호 층 (5)은 광물 보호 재료 (6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
2. 제1 측면에 있어서, 상기 섬유 층 (3)은 유리 섬유들, 세라믹 섬유들, 또는 실리케이트 섬유들 (3A), 또는 이들의 혼합물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
3. 제1 측면 또는 제2 측면에 있어서, 상기 섬유 층 (3)의 섬유들 (3A)은 금속 산화물, 특히 알루미늄 산화물을 함유하는 마감재(finish)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
4. 제1 측면 내지 제3 측면 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 섬유 층 (3) 또는 섬유 플리스는 스레드 (3B), 바람직하게는 유리 섬유(들)의 스레드로 재봉되는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
5. 제1 측면 내지 제4 측면 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 폼 층 (2)은 실리콘으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
6. 제1 측면 내지 제5 측면 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 폼 층 (2)은 폴리우레탄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
7. 제1 측면 내지 제6 측면 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 섬유 층 (3) 및/또는 폼 층 (2)은 - 바람직하게는 탄성적으로 - 압축성이 있으며, 특히 100 또는 250 kPa에서 30% 초과의 압축성이 있는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
8. 제1 측면 내지 제7 측면 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 폼 층 (2)은 섬유 층 (3) 보다 더 연성(softer)이 있거나 더 압축성이 있는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
9. 제1 측면 내지 제8 측면 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 폼 층 (2) 및 상기 섬유 층 (3)은 본딩(bonding)되고, 바람직하게는 본딩 층 (4) 또는 접착제에 의해 본딩되고, 보호 층 (5)에 의해 외측면, 바람직하게는 양쪽 면이 덮여 있는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
10. 제9 측면에 있어서, 상기 섬유 층 (3)은 니들링된 부직포 플리스를 포함하거나 니들링된 부직포 플리스로 형성되며, 상기 보호 층 (5)은 광물 보호 재료 (6)로서 운모를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
11. 제1 측면 내지 제10 측면 중 어느 한 측면에 있어서, 상기 광물 보호 재료 (6)는 하나 이상의 필로실리케이트, 바람직하게는 운모, 특히 플로고파이트이거나, 하나 이상의 필로실리케이트, 바람직하게는 운모, 특히 플로고파이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 보호 소자.
12. 배터리 (8), 바람직하게는 리튬-이온 배터리로서,
하우징 (9), 및 단열을 위해 상기 하우징 (9) 내에 배열된 적어도 하나의 다층 보호 소자 (1)를 가지며,
이때, 상기 보호 소자 (1)는 폼 층 (2) 및 섬유 층 (3)을 포함하고,
상기 보호 소자 (1)는 제1 측면 내지 제11 측면 중 어느 한 측면에 기재된 것임을 특징으로 하는 것인, 배터리.
13. 제12 측면에 있어서, 상기 배터리 (8)는 각형 또는 파우치형 셀들 (8A)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리.
14. 제12 측면 또는 제13 측면에 있어서, 상기 보호 소자 (1) 또는 추가 보호 소자 (1D)는 상기 배터리 (8)의 2개의 인접한 배터리 셀들 (8A) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 것인, 배터리.
15. 배터리 (8)에서 단열을 위해 폼 층 (2) 및 섬유 층 (3)을 갖는 다층 보호 소자 (1)의 용도로서,
상기 보호 소자 (1)는 제1 측면 내지 제11 측면 중 어느 한 측면에 기재된 것임을 특징으로 하는 것인, 용도.
앞서 언급된 본 발명의 개별 측면들은 원하는 대로 조합될 수 있지만, 서로 독립적으로 실현될 수도 있다.
1(A, B, C, D) 보호 소자
2 폼 층
2A 공극
3 섬유 층
3A 섬유
3B 스레드
4 본딩 층
5 보호 층
6 광물 보호 재료
7 캐리어 층
8 배터리
8A 배터리 셀
8B 제어 / 제어 장치
9 하우징
9A 하우징 리드
9B 하우징 측벽
9C 하우징 바닥
10 출구
11 (폐쇄) 소자
12 자동차
12A 자동차 내부

Claims (24)

  1. 배터리의 단열을 위한 다층 보호 소자 (1)로서,
    폼 층 (2) 및 섬유 층 (3)을 가지며,
    상기 섬유 층 (3)은 100 또는 250 kPa에서 30% 초과의 압축성이 있고, 및/또는
    상기 보호 소자 (1)는 보호 층 (5)을 더 포함하고, 상기 보호 층 (5)은 광물 보호 재료 (6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유 층 (3)은 부직포 플리스를 포함하거나 부직포 플리스로 형성되는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 부직포 플리스는 니들링된 부직포 플리스인 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 층 (3)은 적어도 필수적으로 바인더를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 층 (3)은 유리 섬유들, 세라믹 섬유들, 또는 실리케이트 섬유들 (3A), 또는 이들의 혼합물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 층 (3)의 섬유들 (3A)은 금속 산화물을 함유하는 마감재(finish)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 금속 산화물은 알루미늄 산화물인 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 층 (3) 또는 섬유 플리스는 스레드(thread)(3B)로 재봉되는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  9. 제8항에 있어서, 상기 스레드 (3B)는 유리 섬유 또는 섬유들로 만들어지는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폼 층 (2)은 실리콘으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폼 층 (2)은 폴리우레탄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 층 (3) 및/또는 상기 폼 층 (2)은 - 바람직하게는 탄성적으로 - 압축성이 있고, 특히 100 또는 250 kPa에서 30% 초과의 압축성이 있는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 층 (3) 및/또는 상기 폼 층 (2)은 탄성 압축성인 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 섬유 층 (3) 및/또는 상기 폼 층 (2)은 100 또는 250 kPa에서 30% 초과의 압축성이 있는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폼 층 (2)은 상기 섬유 층 (3)보다 더 연성이 있거나 더 압축성이 있는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폼 층 (2) 및 상기 섬유 층 (3)은 본딩되고 상기 보호 층 (5)에 의해 외측면이 덮여 있는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  17. 제16항에 있어서, 상기 폼 층 (2) 및 상기 섬유 층 (3)은 본딩 층 (4) 또는 접착제에 의해 본딩되는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  18. 제16항에 있어서, 상기 폼 층 (2) 및 상기 섬유 층 (3)은 상기 보호 층 (5)에 의해 양쪽 면이 덮여 있는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  19. 제18항에 있어서, 상기 섬유 층 (3)은 니들링된 부직포 플리스를 포함하거나 니들링된 부직포 플리스로 형성되고, 상기 보호 층 (5)은 광물 보호 재료 (6)로서 운모(mica)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광물 보호 재료 (6)는 하나 이상의 필로실리케이트, 바람직하게는 운모, 특히 플로고파이트이거나, 하나 이상의 필로실리케이트, 바람직하게는 운모, 특히 플로고파이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 다층 보호 소자.
  21. 배터리 (8), 바람직하게는 리튬-이온 배터리로서,
    하우징 (9), 및 단열을 위해 상기 하우징 (9) 내에 배열된 적어도 하나의 다층 보호 소자 (1)를 가지며,
    이때 상기 보호 소자 (1)는 폼 층 (2) 및 섬유 층 (3)을 포함하고,
    상기 보호 소자 (1)는 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 기재된 것임을 특징으로 하는 것인, 배터리.
  22. 제21항에 있어서, 상기 배터리 (8)는 각형(prismatic) 또는 파우치형 셀들 (8A)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 보호 소자 (1) 또는 추가 보호 소자 (1D)는 상기 배터리 (8)의 2개의 인접한 배터리 셀들 (8A) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 것인, 배터리.
  24. 배터리 (8)에서 단열을 위해 폼 층 (2) 및 섬유 층 (3)을 갖는 다층 보호 소자 (1)의 용도로서,
    상기 보호 소자 (1)는 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 기재된 것임을 특징으로 하는 것인, 용도.
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