KR20240034997A - 화재 안전 전기 이중층 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 누전이나 과부하 또는 충격 등으로 전기에너지모듈(70)에서 과열[낮게는 90℃의 온도에서 화재가 발생될 우려가 있고 높게는 120℃ 이상의 온도에서 전해액(76)이 분해되기 시작하면서 200℃에 이르러 열폭주와 더불어 폭발로 이어짐 - 이에 따라 기준온도를 대략 90℃로 설정]에 의해 화재가 발생될 경우 팽창방염도료층(90)으로 하여금 부풀어 오르면서 팽창압력을 주어 화재를 적극적으로 진압할 수 있도록 한 화재 안전 전기 이중층 소자에 관한 발명이다.

Description

화재 안전 전기 이중층 소자{FIRE SAFETY ELECTRONIC DOUBLE LAYER DEVICE}
본 발명은 화재 안전 전기 이중층 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 누전이나 과부하, 과충전 또는 충격 등으로 전기에너지모듈에서 과열에 의한 열폭주 및 화재 발생시 팽창방염도료층의 팽창압력으로 화재를 적극적으로 진압할 수 있도록 한 화재 안전 전기 이중층 소자에 관한 것이다.
일반적으로 전기 이중층 소자는 전지(Battery), 캐패시터(Capacitor) 또는 전해 콘덴서(Electrolytic Condenser)와 같이 전기 에너지를 저장하는 소자로서 통전이 가능한 전극을 사용하여 전기적인 충전과 방전을 행하며, 휴대폰, GPS수신기, MP3 플레이어 또는 메모리 백업의 용도로 사용되거나 풍력, 쏠라(Solar), 전기자동차 혹은 하이브리드(hybrid)자동차의 모터 구동 등의 목적으로 사용되고 있다.
전기 이중층 소자로서 캐패시터를 하나의 예로 들 수 있다.
구체적으로, 전기 이중층 캐패시터는 활성탄 전극과 유기계 전해질의 경계면에 정전층을 만들어 전기 이중층 상태를 유전체의 기능으로 이용해 전지와 마찬가지로 전기를 축적시키는 기능을 한다.
특히, 고체전극과 고체 또는 액체상태의 전해질 사이에 발생하는 전기 이중층에 축적되는 전하를 이용한다.
캐패시터의 경우는 전지와 비교해 에너지 밀도가 낮지만 순간적으로 높은 출력을 나타내는 파워밀도 면에서 우수한 특성을 보이고 있으며, 수십만 회를 웃도는 반영구적인 수명 등으로 여러 분야에 응용되고 있다.
전기 이중층 캐패시터의 원리로서는 한 쌍의 고체전극을 전해질이온 용액 속에 넣어서 직류전압을 걸어주면 양극으로 분극된 전극에는 음이온이, 음극으로 분극된 전극에는 양이온이 정전적으로 유도되어 전극과 전해질 계면에 전기 이중층을 형성하게 된다. 특히, 활성탄의 경우에는 무수히 많은 세공이 분포해 전기 이중층이 자연스럽게 형성된다.
이때, 전기 이중층 캐패시터의 구성은 전극, 세퍼레이터, 전해질, 집전체와 케이스로 구성된다.
이중에서 캐패시터의 가장 핵심이 되는 부분은 전극에 사용되는 재료의 선택이라 할 수 있으나, 여러 다른 구성 요소들에 의해 정전용량 역시 변하게 된다.
그리고, 전극재료는 전기전도성이 크고 비표면적이 높아야 하며 전기화학적으로 안정되어야 한다.
다음으로, 전기 이중층 소자로서 전지(Battery)를 하나의 예로 들 수 있다.
구체적으로, 전지는 그 내부에 들어있는 화학물질(활물질; active material)의 화학 에너지를 전기 화학적 산화-환원반응(redox reaction)을 통하여 전기 에너지(electrical energy)로 변환하는 소자를 말한다.
전지는 두 개 이상의 전기 화학적 셀(cell)의 집합체를 나타내지만, 보통 단위 전지(single cell)에도 사용되고 있다. 이러한 전지는 화학반응 대신 전기 화학반응이 일어나 전자가 도선을 통하여 외부로 흐를 수 있도록 이루어져 있으며, 도선을 통하여 흐르는 전자는 전기 에너지의 원천이 되어 전기적인 유용함을 제공한다.
더욱 구체적으로, 전지는 집전체 위에 씌워진 양극(cathode or positive electrode)과 음극(anode or negative electrode)이라는 활물질 들을 가지고 있고, 세퍼레이터에 의해 서로 떨어져 있으며, 또한 두 전극사이의 이온전달을 가능하게 하는 전해질(electrolyte)에 담겨져 있다.
전등, 기계 및 기구 등을 작동하기 위해서는 전지의 두 전극 사이에 충분한 전압과 전류가 생성될 수 있도록 적절한 전극물질과 전해질이 선정되어 특별한 구조로 배열되어져야 한다.
예를 들어, 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 양극과, 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 음극, 그리고 양극의 환원반응 및 음극의 산화반응이 화학적 조화를 이루도록 물질의 이동을 가능하게 하는 전해질, 더불어 양극과 음극의 물리적 접촉 방지를 위한 세퍼레이터 등이 상호 작용되어 화학적 에너지를 전기적 에너지로 제공할 수 있도록 배열되어야 하는 것이다.
이와 같이 배열된 전지의 음극은 기본적으로 전자를 내어주고 자신은 산화되며, 양극은 전자를 받아(양이온과 함께) 자신은 환원되어 전지가 외부 부하와 연결되어 작동할 때 두 전극은 각각 전기 화학적으로 변화를 일으켜 전기적인 일을 하게 된다.
이때, 음극의 산화반응에 의해 생성된 전자는 외부 부하를 경유하여 양극으로 이동하고 양극에 이르러 양극 물질과 환원반응을 일으켜, 전해질 내에서 음극과 양극 방향으로의 anion(negative ion)과 cation(positive ion)의 물질이동에 의한 전하의 흐름을 완성한다.
이렇게 전해질 내부에서는 외부도선에서 계속해서 전하가 흐르도록 반응을 일으키고, 이에 힘입어 그 전하로의 전기적인 일을 하게 되는 것이다.
전지는 전해액의 종류에 따라 액체 전해질 전지와 고분자 전해질 전지로 분류할 수 있으며, 일반적으로는 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 배터리, 고분자 전해질을 사용하는 경우는 리튬 폴리머 배터리라고 한다.
도 1a는 일반적인 전기 이중층 소자의 구조를 나타내는 개념도이고, 도 1b는 일반적인 전기 이중층 소자에 응용된 전기 이중층 캐패시터의 충전원리를 설명하기 위한 개념도이며, 도 1c는 일반적인 전기 이중층 소자에 응용된 전기 이중층 캐패시터의 충방전원리를 설명하기 위한 회로도이다.
일반적인 전기 이중층 소자(100)는 도 1a에 도시된 바와 같이 전극(10), 전해액(20), 집전체(30), 세퍼레이터(40), 제 1 리드단자(61) 및 제 2 리드단자(62)를 포함한다.
이때, 전기 이중층 소자(100)를 전지로 비유할 경우, 그 내부에 들어있는 화학물질(활물질; active material)의 화학 에너지를 전기 화학적 산화-환원반응을 통하여 전기 에너지로 변환시키게 될 것이고, 집전체(30) 위에 씌워진 전극(10)은 양극과 음극이라는 활물질을 갖게 된다.
반면, 전기 이중층 소자(100)를 캐패시터로 비유하면서 그 특성을 더욱 구체적으로 설명하면, 서로 다른 두 전극(10) 사이에 존재하는 계면에서 +, - 전하가 단거리에 접하여 배열된 분포를 이용하여 에너지를 저장하고, farad 단위의 높은 정전용량 특성을 나타내며 충·방전 사이클에 의한 성능변화 및 열화가 극히 작은 특성을 가지게 된다.
그리고, 전극(10)은 비표면적이 큰 활성탄(activated carbon)을 사용하여 전해액(20)과의 계면에서 형성된 전기 이중층에 의한 전하를 저장하고, 이러한 전극(10)은 전기적 특성 중 정전용량(capacitance)과 내부저항 특성이 성능평가의 가장 중요한 기준이 되므로 그 소재의 자체 비저항이 낮아야 하고 다공질 구조체이어야 하며, 다공질 구조 중 세공크기 및 분포가 단순하고 일정범위에 편중되어야 한다. 이러한 전극(10) 소재의 특성은 전기 이중층 캐패시터의 고유 충·방전 특성을 지배한다.
따라서, 현재 전극(10)으로 비표면적이 넓고 가격이 저렴한 활성탄소계를 많이 사용하고 있으며 에너지 밀도를 높이기 위하여 금속산화물 및 전도성고분자를 이용한 연구가 증가되고 있다.
한편, 전해액(20)은 유기용매와 4급 암모늄염(유기계), 황산수용액(수용액계) 등을 사용한다. 유기용매 전해액 중에서 PC와 ethylmethyl carbonate(EMC) 그리고 PC와 dimethoxyethane(DME)을 일정비율 혼합시켜 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.
유기계 전해액을 사용한 전기 이중층 캐패시터(100)의 면적당 정전용량은 4∼6㎌/㎠이며, 유기계보다 수용액계의 전기 전도도가 높기 때문에 수용액계 전해액의 경우에는 5∼10㎌/㎠으로 수용액계 전해액이 우수한 특성을 나타내기도 하나 potential window가 좁고 분해가 일어나는 등의 단점이 있기도 한다.
세퍼레이터(40)는 부직포, 다공질 polyethylene(PE), 다공질 polypropylene(PP) film 등을 사용한다.
전기 이중층 캐패시터의 충전원리는 도 1a에 도시된 바와 같이 세퍼레이터(40)를 사이에 두고 두 전극(10)과 전해액(20)이 대립하고 있는 상황에서 도 1b의 전기 이중층 캐패시터의 충전원리를 설명하기 위한 개념도에 도시된 바와 같이 외부로부터 전기 에너지의 공급이 없는 상태에서는 내부의 전하분포가 불균일한 bulk 상태가 되어 전극(10)간 전위차가 0이 되고, 도 1c의 전기 이중층 캐패시터의 충방전원리를 설명하기 위한 회로도에 도시된 바와 같이 외부로부터 전기 에너지가 공급되면 내부의 전하분포가 균일하게 형성되어 도 1b에 도시된 바와 같이 두 전극(10) 사이에 전위차 2Φ1 전압의 에너지가 충전된다.
이때, 전기 에너지의 공급이 중단되더라도 이미 형성된 전기 이중층은 소멸되지 않으며 충전된 전기 에너지는 그대로 유지 보존된다.
도 2a는 선행기술문헌 1(대한민국 공개특허공보 제2018-0045667호)의 종래 기술로 소개된 파우치형 배터리 셀을 나타내는 평면도이고, 도 2b는 선행기술문헌 1에 따른 종래 기술로 소개된 파우치형 배터리 셀을 나타내는 단면도이다.
전기 이중층 소자로서 배터리, 즉 이차전지는 산화, 환원의 화학반응을 통해 화학에너지와 전기에너지가 상호 변환되어 충전과 방전을 반복하는 전지이다.
이중에서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 파우치형 배터리 셀(100)을 서로 연결하여, 배터리 팩을 제조하는데, 배터리 셀(100)은 외장재(114)의 내부에 양극(111), 음극(112), 분리막(113) 및 전해질을 포함하고 있다. 즉, 분리막을 기준으로 양측에 각각 양극(111)와 음극(112)이 배치되고, 그 외부가 외장재(114)로 둘러싸인다.
양극(111)과 음극(112)은 각각 다른 배터리 셀(100)과 연결되거나 외부의 회로와 연결될 수 있도록 탭(115)(116)이 연결되고, 양극탭(115)과 음극탭(116)은 실런트(117) 등에 의해 배터리 셀(100)의 내부가 밀봉되면서 절연된 상태이다.
배터리 셀(100)은 액체전해질 및 액체를 포함하는 전해질이 사용되고 있는데, 액체전해질은 휘발성이 있어 폭발의 위험이 존재하고 열적 안정성이 떨어지는 단점이 있으며, 화재에 취약한 문제점을 안고 있다.
도 3a는 선행기술문헌 2(대한민국 공개특허공보 제2017-0130999호)에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터의 사시도이고, 도 3b는 선행기술문헌 2에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터의 단면도이다.
선행기술문헌 2에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터(100)는 파우치(110), 소자(120), 전해액(130), 리드탭(140) 및 가스흡수층(150)을 포함한다.
파우치(pouch, 110)는 전기이중층 커패시터(100)를 둘러싸도록 배치되어 내부에 소자(120), 전해액(130), 리드탭(140) 및 가스흡수층(150)을 포함하는 것으로, 내부에 존재하는 전해액(130)이 외부로 배출되지 않으면서 외부에 존재하는 공기 또는 수분이 파우치(110) 내부로 유입되지 않도록 밀봉된다. 이와 같은 파우치(110)는 알루미늄 라미네이트 파우치(aluminum laminate pouch)가 가장 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.
파우치(110) 내부에 배치되는 소자(120)는 전기가 충방전되는 것으로 전극(121), 집전체(122) 및 격리막(123)을 포함한다.
그런데, 선행기술문헌 2에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터 역시 화재에 취약한 단점을 안고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2018-0045667호 대한민국 공개특허공보 제2017-0130999호
본 발명의 목적은 누전이나 과부하, 과충전 또는 충격 등으로 전기에너지모듈에서 과열에 의한 열폭주 및 화재 발생시 팽창방염도료층의 팽창압력으로 화재를 적극적으로 진압할 수 있도록 한 화재 안전 전기 이중층 소자를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 전기에너지모듈로부터 화재가 발생될 경우 팽창방염도료층이 고온의 열기 및 화염에 의해 부풀어 오르면서 팽창흑연의 흑연층간화합물이 빠르게 분해되어 많은 양의 탄소를 발생시켜 주변의 산소와 결합되어 산소결핍을 유도함과 동시에 팽창된 만큼 전기에너지모듈에 압력을 주어 화재를 초기에 진압하면서 화염전이를 차단할 수 있도록 한 화재 안전 전기 이중층 소자를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
양극단자 및 음극단자에 각각 접속된 집전체 사이에서 세퍼레이터에 의해 격리된 전극 및 전해액의 전기 화학적 산화환원반응으로 전기에너지를 충전 및 소모토록하는 전기에너지모듈을 내장한 파우치를 포함하는 화재 안전 전기 이중층 소자에 있어서,
상기 파우치의 내측면에 마련되어 상기 전기에너지모듈의 상승온도가 기준온도 이상일 경우 팽창압력을 주어 화재를 진압토록 하는 팽창방염도료층을 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
본 발명은 누전이나 과부하, 과충전 또는 충격 등으로 전기에너지모듈에서 과열에 의한 열폭주 및 화재 발생시 팽창방염도료층의 팽창압력으로 화재를 적극적으로 진압할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 전기에너지모듈로부터 화재가 발생될 경우 팽창방염도료층이 고온의 열기 및 화염에 의해 부풀어 오르면서 팽창흑연의 흑연층간화합물이 빠르게 분해되어 많은 양의 탄소를 발생시켜 주변의 산소와 결합되어 산소결핍을 유도함과 동시에 팽창된 만큼 전기에너지모듈에 압력을 주어 화재를 초기에 진압하면서 화염전이를 차단할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 팽창방염도료층이 제1파우치 및 제2파우치의 중심으로부터 외곽으로 갈수록 점점 더 두껍게 도포되어 전기에너지모듈의 외곽에서부터 내부를 향하여 팽창방염도료층의 팽창압력이 집중되도록 하여 화염의 외부발산 및 전해액의 외부누유를 최소화시키면서 화재의 진압을 적극적으로 실현할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 알루미늄포일에 의한 전해액의 누액 방지를 실현하면서도 폴리에스테르필름으로 된 외층필름 및 내층필름 사이에 팽창방염도료층이 내재되어 평상시 전기에너지모듈에 어떠한 화학적 영향을 주지 않으면서도 화재 발생시 팽창압력의 극대화로서 화재진압의 효율을 적극적으로 보장토록 하는 효과가 있다.
도 1a는 일반적인 전기 이중층 소자의 구조를 나타내는 개념도.
도 1b는 일반적인 전기 이중층 소자에 응용된 전기 이중층 캐패시터의 충전원리를 설명하기 위한 개념도.
도 1c는 일반적인 전기 이중층 소자에 응용된 전기 이중층 캐패시터의 충방전원리를 설명하기 위한 회로도.
도 2a는 선행기술문헌 1의 종래 기술로 소개된 파우치형 배터리 셀을 나타내는 평면도.
도 2b는 선행기술문헌 1에 따른 종래 기술로 소개된 파우치형 배터리 셀을 나타내는 단면도.
도 3a는 선행기술문헌 2에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터의 사시도.
도 3b는 선행기술문헌 2에 따른 파우치형 전기이중층 커패시터의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자를 나타내는 표면도.
도 5는 본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자에 적용된 전기에너지모듈을 나타내는 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자를 나타내는 분해사시도.
도 7은 본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자의 작용을 설명하기 위한 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자에 적용된 파우치를 나타내는 단면도.
본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명하기로 하고, 그 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이러한 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 더욱 잘 이해할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자를 나타내는 표면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자에 적용된 전기에너지모듈(70)을 나타내는 개념도이며, 도 6은 본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자를 나타내는 분해사시도이다.
본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 양극단자(71) 및 음극단자(72)에 각각 접속된 집전체(73) 사이에서 세퍼레이터(74)에 의해 격리된 전극(75) 및 전해액(76)의 전기 화학적 산화환원반응으로 전기에너지를 충전 및 소모토록 하는 전기에너지모듈(70)을 내장한 파우치(80)를 포함한다.
전기에너지모듈(70)은 전지(Battery), 캐패시터(Capacitor) 또는 전해 콘덴서(Electrolytic Condenser)와 같이 전기 에너지를 저장하는 소자(구체적인 예를 들면 리튬이온전지)로서 통전이 가능한 전극(75)을 사용하여 전기적인 충전과 소모를 행하며, 휴대단말기, 스마트폰, 전기자동차 등에 사용되거나 풍력, 쏠라(Solar), 하이브리드(hybrid)자동차의 모터 구동 등의 목적으로 사용될 수 있으며, 이러한 동작 및 기능은 종래 설명한 바와 같다.
그런데, 전기에너지모듈(70)은 각종 산업분야에 사용될 때 과부하, 과충전, 충격 등으로 인하여 열폭주(Thermal runaway)가 발생되어 대형 화재 사고로 이어지고 있는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 이러한 전기에너지모듈(70)의 열폭주 현상이 발생될 경우 자체 진압할 수 있도록 제안된 것으로, 파우치(80)의 내측면에 마련되어 전기에너지모듈(70)의 상승온도가 기준온도 이상일 경우 팽창압력을 주어 화재를 진압토록 하는 팽창방염도료층(90)을 핵심 구성으로 제안한다.
도 7은 본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자의 작용을 설명하기 위한 단면도이다.
전기에너지모듈(70)은 예를 들어 전기자동차에 사용될 때 누전이나 과부하 또는 충격 등으로 과열[낮게는 90℃의 온도에서 화재가 발생될 우려가 있고 높게는 120℃ 이상의 온도에서 전해액(76)이 분해되기 시작하면서 200℃에 이르러 열폭주와 더불어 폭발로 이어짐 - 이에 따라 기준온도를 대략 90℃로 설정]에 의해 화재가 발생될 수 있고, 이러할 경우 팽창방염도료층(90)이 부풀어 오르면서 팽창압력을 주어 화재를 적극적으로 진압할 수 있도록 한 것이다.
이때, 팽창방염도료층(90)은 팽창흑연(Expandable Graphite) 20∼25wt％, 암모늄 폴리 포스테이트(Ammonium PolyPhosphate) 2∼10wt％, 펜타에리트리톨(Pentaerythritol) 5∼15wt％, 실리콘수지(Silicone Resin) 3∼10wt％, 멜라민수지(Melamine Resin) 5∼15wt％, 물성의 유연함이 높은(신율이 하기 실리콘고무 B보다 상대적으로 높은) 실리콘고무 A(Silicone Rubber A) 15∼25wt％, 물성의 유연함이 낮은(신율이 상기 실리콘고무 A보다 상대적으로 낮은) 실리콘고무 B(Silicone Rubber B) 15∼25wt％, 자일렌(Xylene) 15∼25wt％를 포함할 수 있다.
전기에너지모듈(70)로부터 화재가 발생될 경우 도 7에 도시된 바와 같이 팽창방염도료층(90)이 고온의 열기 및 화염에 의해 부풀어 오르면서 팽창흑연의 흑연층간화합물이 빠르게 분해되어 많은 양의 탄소를 발생시켜 주변의 산소와 결합되어 산소결핍을 유도함과 동시에 팽창된 만큼 전기에너지모듈(70)에 압력을 주어 화재를 초기에 진압하면서 화염전이를 차단할 수 있도록 한 것이다.
팽창흑연(Expandable Graphite)은 산, 알칼리 및 염 등의 화학물질을 천연 인상흑연에 혼합시키면서 탄소원자를 결합시켜 제조된 흑연층간화합물(Graphite Intercalation on Compounds)로서 가열될 경우 흑연층간화합물이 빠르게 분해되면서 많은 양의 탄소를 발생시켜 주변의 산소와 결합함으로써 화재시 산소결핍을 유도하여 화재를 진압함과 동시에 화염전이를 차단할 수 있도록 한다. 이때, 팽창흑연의 사이즈는 20∼50Mesh(20Mesh 이하일 경우 팽창율이 떨어지고 50Mesh 이상일 경우 가열시 탄소의 배출량이 작아 바람직하지 않다)로서 팽창효율 및 방염효율( 20wt％ 이하일 경우 팽창효율 및 방열효율이 떨어지고 25wt％ 이상일 경우 팽창효율 및 방열효율이 그 이상 기대할 수 없어 바람직하지 않다)을 극대화시킬 수 있도록 한다.
암모늄 폴리 포스테이트(Ammonium PolyPhosphate)는 인-질소 난연제이며 백색 결정체로서 열소멸, 분해물의 희석 및 용융 점도의 감소 등의 작용으로 난연제의 역할을 하고, 특히 인 함유량이 높아 난연 특성이 높으며, 팽창흑연과 결합하여 화재시 화염전이의 차단을 극대화시키고, 특히 플라스틱과 고무, 코팅, 종이, 목재, 페인트 등에 대한 비할로겐 및 무독성 난연 기능을 수행하면서 화열에 의하여 부풀어 오를 때 난연역할을 극대화시킬 수 있도록 한다(2wt％ 이하일 경우 난연의 효과가 떨어지고 10wt％ 이상일 경우 팽창흑연의 포션을 상대적으로 작게 하여 바람직하지 않다).
펜타에리트리톨(Pentaerythritol)은 무취, 백색의 결정형 분말로써 알키드 레진, 가소제, 합성 윤활유로 활용되어 팽창흑연 및 암모늄 폴리 포스테이트 상호간의 결합을 용이하게 하며, 5wt％ 이하일 경우 팽창흑연 및 암모늄 폴리 포스테이트 상호간의 결합을 원할치 않도록 하고 15wt％ 이상일 경우 팽창흑연 및 암모늄 폴리 포스테이트 상호간의 결합을 무르게 하여 바람직하지 않다.
실리콘수지(Silicone Resin)는 유기유도체가 중합되어 만들어지는 열경화성 합성수지로서 규소와 산소가 번갈아 있는 실록세인결합의 형태를 취하고, 실리콘(규소)를 뼈대로 하여 여기에 메틸기, 페닐기 및 하이드록시기 등이 첨가되어 펜타에리트리톨에 의해 결합된 팽창흑연 및 암모늄 폴리 포스테이트를 유연하게 혼합시키면서 화재시 고온에 의한 팽창흑연 및 암모늄 폴리 포스테이트의 이탈을 방지하여 파우치(80)의 내측면에 도포될 경우 쿠션을 유지하면서 달라붙게 하여 화재시 팽착흑연의 팽창력을 보장할 수 있도록 한다(실리콘수지는 3wt％ 미안일 경우 쿠션력을 유지할 수 없어 바람직하지 않고 10wt％ 이상일 경우 팽창흑연의 팽창력을 상쇄시켜 바람직하지 않다)
멜라민수지(Melamine Resin)는 멜라민과 폼알데하이드 사이에 축합 반응으로 생성되는 열경화성 플라스틱 물질로서 실리콘수지의 무른 물성을 보완할 수 있도록 견고함을 부여하면서 열에 강하며, 스크래치 및 화학작용에 대한 안정성이 뛰어나고, 높은 내마찰성과 열안정성을 가지고 있어 5∼15wt％로 포함한다(5wt％ 이하일 경우 실리콘수지의 무른 물성을 보완할 수 없고 15wt％ 이상일 경우 실리콘수지의 물성을 지나치게 단단하게 하여 바람직하지 않게 된다)
실리콘고무(Silicone Rubber)는 고중합도 곧은사슬 모양의 디올가노폴리실록산에 미분 실리카 등을 보강제로 혼합하여 가교시킨 고무 탄성체로서 내후성, 전기적 특성이 우수하고, 이 중 물성의 유연함이 높은 것(보통적으로 신율 280％)을 실리콘고무 A라 하고, 물성의 유연함이 낮은 것(보통적으로 신율 230％)을 실리콘고무 B라 하며, 이러한 물성의 유연함을 고려하여 실리콘고무 A와 B를 동일 중량비율인 15∼25wt％로 혼합한다(실리콘고무 A와 B를 동일 비율인 15wt％ 이하로 할 경우 팽창흑연 및 암모늄 폴리 포스테이트 상호간의 결합에 의한 유연성이 떨어져 바람직하지 않고, 실리콘고무 A와 B를 동일 비율인 25wt％ 이상으로 할 경우 팽창흑연 및 암모늄 폴리 포스테이트 상호간의 결합에 의한 물성이 무르게 되어 바람직하지 않다).
자일렌(Xylene)은 특유의 용해력으로 팽창흑연, 암모늄 폴리 포스테이트, 펜타에리트리톨, 실리콘수지, 멜라민수지, 실리콘고무 A 및 실리콘고무 B를 서로 용이하게 혼합되도록 하며, 15wt％ 이하일 경우 용해력이 떨어지고 25wt％ 이상일 경우 상대적으로 팽창흑연, 암모늄 폴리 포스테이트, 펜타에리트리톨, 실리콘수지, 멜라민수지, 실리콘고무 A 및 실리콘고무 B의 상호간의 물성을 무르게 하여 바람직하지 않게 된다.
한편, 전기에너지모듈(70)은 면상으로 이루어지고, 파우치(80)는 전기에너지모듈(70)을 중심에 두고 외곽을 따라 라이네이팅되어 실링시키는 제1파우치(80a) 및 제2파우치(80b)로 이루어지며, 팽창방염도료층(90)은 전기에너지모듈(70)에 대향되는 제1파우치(80a) 및 제2파우치(80b)의 내측면에 각각 도포된다.
전기에너지모듈(70)의 과열로 열폭주 및 화재가 발생될 때 제1파우치(80a) 및 제2파우치(80b)의 내측면에 도포된 팽창방염도료층(90)의 팽창압력이 전기에너지모듈(70)의 표면 및 이면으로 집중될 수 있도록 하여 화재진압을 더욱 효과적으로 실현할 수 있도록 하는 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 화재 안전 전기 이중층 소자에 적용된 파우치(80)를 나타내는 단면도이다.
본 발명에 따라 팽창방염도료층(90)은 제1파우치(80a) 및 제2파우치(80b)의 중심으로부터 외곽으로 갈수록 점점 더 두껍게 도포되어 전기에너지모듈(70)의 외곽에서부터 내부를 향하여 팽창방염도료층(90)의 팽창압력이 집중되도록 하여 화염의 외부발산 및 전해액(76)의 외부누유를 최소화시키면서 화재의 진압을 적극적으로 실현할 수 있도록 한다.
한편, 파우치(80)는 외부로 노출되는 외층필름(81)과, 외층필름(81)에 접착되어 전해액(76)의 누액을 방지하는 알루미늄포일(82)과, 알루미늄포일(82)에 도포되어 경화된 팽창방염도료층(90)과, 팽창방염도료층(90)에 접착된 내층필름(83)을 포함할 수 있고, 이때 외층필름(81) 및 내층필름(83)은 폴리에스테르필름일 수 있다.
알루미늄포일(82)에 의한 전해액(76)의 누액 방지를 실현하면서도 폴리에스테르필름으로 된 외층필름(81) 및 내층필름(83) 사이에 팽창방염도료층(90)이 내재되어 평상시 전기에너지모듈(70)에 어떠한 화학적 영향을 주지 않으면서도 화재 발생시 팽창압력의 극대화로서 화재진압의 효율을 적극적으로 보장토록 한 것이다.
본 발명은 전지(Battery), 캐패시터(Capacitor) 또는 전해 콘덴서(Electrolytic Condenser)와 같이 전기 에너지를 저장하는 산업분야에 이용 가능하다.
70 : 전기에너지모듈 71 : 양극단자
72 : 음극단자 73 : 집전체
74 : 세퍼레이터 75 : 전극
76 : 전해액 80 : 파우치
80a : 제1파우치 80b : 제2파우치
81 : 외층필름 82 : 알루미늄포일
83 : 내층필름 90 : 팽창방염도료층

Claims (5)

  1. 양극단자(71) 및 음극단자(72)에 각각 접속된 집전체(73) 사이에서 세퍼레이터(74)에 의해 격리된 전극(75) 및 전해액(76)의 전기 화학적 산화환원반응으로 전기에너지를 충전 및 소모토록하는 전기에너지모듈(70)을 내장한 파우치(80)를 포함하는 화재 안전 전기 이중층 소자에 있어서,
    상기 파우치(80)의 내측면에 마련되어 상기 전기에너지모듈(70)의 상승온도가 기준온도 이상일 경우 팽창압력을 주어 화재를 진압토록 하는 팽창방염도료층(90)을 포함하는 것을 특징으로 하는 화재 안전 전기 이중층 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기에너지모듈(70)은 면상으로 이루어지고,
    상기 파우치(80)는 상기 전기에너지모듈(70)을 중심에 두고 외곽을 따라 라이네이팅되어 실링시키는 제1파우치(80a) 및 제2파우치(80b)로 이루어지며,
    상기 팽창방염도료층(90)은 상기 전기에너지모듈(70)에 대향되는 상기 제1파우치(80a) 및 제2파우치(80b)의 내측면에 각각 도포되는 것을 특징으로 하는 화재 안전 전기 이중층 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 팽창방염도료층(90)은 상기 제1파우치(80a) 및 제2파우치(80b)의 중심으로부터 외곽으로 갈수록 점점 더 두껍게 도포되는 것을 특징으로 하는 화재 안전 전기 이중층 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파우치(80)는
    외부로 노출되는 외층필름(81)과,
    상기 외층필름(81)에 접착되어 전해액(76)의 누액을 방지하는 알루미늄포일(82)과,
    상기 알루미늄포일(82)에 도포되어 경화된 상기 팽창방염도료층(90)과,
    상기 팽창방염도료층(90)에 접착된 내층필름(83)을 포함하는 것을 특징으로 하는 화재 안전 전기 이중층 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외층필름(81) 및 내층필름(83)은 폴리에스테르필름인 것을 특징으로 하는 화재 안전 전기 이중층 소자.
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