KR20240037986A - 배터리 시스템용 단열 매트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 섬유-엘라스토머 복합체로 이루어진 탄성 변형 가능한 베이스 플레이트(7)를 포함하며, 배터리 시스템에서 인접한 배터리 셀들(2), 특히, 각형 배터리 셀을 절연하기 위한 단열 매트(1)에 관한 것이다. 베이스 플레이트(7)의 양측 주 표면에는 서로 평행하게 연장되고, 베이스 플레이트(7)의 양 주면들 위에 가로로 서로 이격된 소정 수의 리브(8)가 마련된다. 2개의 주면들의 리브들의 배열은 경계 프레임(10)으로 둘러싸여 있고, 리브들(8)과 경계 프레임(10) 사이에는 간극(11)이 존재한다. 베이스 플레이트(7)의 섬유-엘라스토머 복합체는 내부에 광물 섬유로 이루어진 적어도 하나의 중간층을 매립하는 엘라스토머 매트릭스로 형성된다. 단열 매트는 셀 구성 요소의 화학적 노화와 충전 및 방전 시 셀들의 주기적인 팽창 및 수축의 결과로 배터리 셀들의 시스템-고유 변화를 동시에 보상할 수 있다.
Description
본 발명은 배터리 시스템용 단열 매트에 관한 것으로, 특히 리튬 이온 배터리 시스템에서, 예를 들면, 배터리 셀의 과열로 인한 배터리 셀의 고장의 경우 인접한 배터리 셀들에 대한 과열 진행을 방지하도록 배터리 시스템의 개별 셀들 사이에 마련되는 단열 매트에 관한 것이다.
본 발명에 따른 단열 매트는 전기 이동장치 분야에 사용되는 것과 같은 배터리 시스템에 유용하게 사용될 수 있다.
배터리 시스템은 보통 필요한 고에너지 밀도를 얻을 수 있도록 복수의 개별 셀로 구성된다. 여기서, 소정 수의 개별 셀이 결합되어 하나의 모듈을 형성하고, 개별 모듈들이 결합되어 하나의 스택을 형성하며 서로 전기적으로 연결된다. 획득된 배터리 시스템은 외부 영향으로부터 보호하기 위해 기밀하게 밀봉된 하우징에 수용된다.
원칙적으로, 배터리의 종류는 원통형 셀, 각형 셀, 및 파우치 셀로 구분된다. 각형 셀은 단단한 하우징(셀 컵이라고도 함)을 가진 정육면체 형상을 가지는 반면, 커피 백 셀이라고도 하는 파우치 셀은 필름으로 되어 있는 유연한 외부 커버를 가진다.
본 발명은 특히, 소위 2차 셀들 또는 축전지들로서 지칭되는 재충전 가능한 배터리들을 가지는 배터리 시스템들에 관한 것이다. 전기 이동장치 분야에 종종 사용되는 배터리 시스템은, 예를 들면, 리튬 이온 배터리들을 기반으로 한다.
복수의 개별 셀로 구성된 배터리 시스템의 작동 안전성을 확보하기 위해, 예를 들면, 과열로 인해 배터리 셀에 화재가 발생한 경우 인접 셀로 셀 화재가 확산되어 결국 배터리 시스템 전체가 연소(열 폭주)되는 것을 방지하는 것이 절대적으로 필요하다.
배터리 셀은 연소하면 불과 몇 초 안에 600℃ 이상의 고온에 도달한다. 과열과 인접 셀들로의 화재 확산을 방지하기 위해 인접 셀들의 온도가 상승하여 임계값을 초과하지 않도록 하는 조치를 취하는 것이 필요하다.
리튬 이온 셀들의 경우 임계 온도를 결정하는 요소들은 특히, 전해질 또는 그 조성과, 셧다운 분리기(shutdown separator)의 트리거 범위이다.
리튬 이온 셀들은 비등점이 100℃ 전후이고 가연성이 강한 성분을 포함하는 액체 전해질을 사용한다. 따라서, 기밀하게 밀봉된 셀에서 압력이 높아지는 것을 방지하기 위해 셀 온도를 비등점 이하로 유지해야 한다. 만일 셀 내부 압력이 너무 높으면, 안전밸브가 열려서 형성된 가스가 빠져나가게 되고, 일반적으로 이 조건에서는 반응성이 높은 전해질은 곧바로 발화하게 된다.
셧다운 분리기들은 임계 온도를 초과하면 분리기의 미세기공이 폐쇄되어 이온 수송을 억제하고 전류 흐름을 차단하기 위한 안전 장치이다. 공지된 셧다운 분리기들은 서로 다른 융점을 가지는 2개의 폴리머 필름으로 구성된 적층판(laminate)으로 구성된다.
예를 들면, 종종 사용되는 셧다운 분리기들은 각각 융점이 120℃/170℃인 폴리에틸렌/폴리프로필렌 적층판으로 구성된다. 저융점을 가지는 폴리머 필름(이 경우, 폴리에틸렌)은 융점을 초과하면 용융되어 고융점 폴리머 필름(이 경우, 폴리프로필렌)의 공극을 폐쇄한다.
배터리 셀의 과열 및 이와 관련된 안전 위험을 방지하기 위해 셀 온도를 절대적으로 150℃ 이하, 특히 120℃ 이하, 바람직하게는 100℃ 이하로 유지할 필요가 있다는 것은 앞의 논의로부터 명백하다.
임계 온도 이상의 인접 셀들의 가열 및 그에 따른 셀 화재 유발을 방지하기 위해 인접 셀들 사이에 단열 고정물을 마련하는 것은 공지되어 있다.
배터리 시스템의 안전한 작동을 위해 단열 외 다른 추가적인 측면이 고려되어야 한다.
그러므로 단열체는 셀들의 전기 절연을 위한 전기 절연체의 기능 또는 모듈의 셀들 사이의 셀 하우징에 전위차를 부가하는 기능을 동시에 보유해야 한다.
리튬 이온 배터리 시스템의 설계에서 추가 중요 측면은 시스템에 따라 결정되는 배터리 셀의 부피 변화(스웰링이라고도 함)이다. 부피 변화 원인은 한편으로는 셀 구성 요소들의 화학적 노화로 인한 지속적인 셀 팽창과 다른 한편으로는 충전 및 방전 시 셀들의 주기적인 팽창 및 수축이다.
이러한 시스템-고유 부피 변화는, 특히 그 영구 셀 하우징에 기인하는 각형 셀에 기초한 배터리 시스템의 제조에 고려되어야 한다. 이 경우, 셀 구성요소들의 부피 증가는 큰 주면들의 중간 영역에서 팽창을 야기한다. 대조적으로, 가장자리 영역은 코너들을 통해 경계 면들로 기계적으로 안정화된다.
자동차 적용 영역에 있어서, 길이 236 mm, 높이 115 mm, 두께 32 mm의 각형 셀의 통상적인 치수의 경우, 노화된 각형 셀의 충전 동안, 0.2 mm 내지 1 mm 미만으로 주면들이 팽창될 수 있고, 그 결과, 통상적인 10 내지 14 개의 개별 셀을 갖는 모듈의 경우, 2 mm 내지 10 mm 미만의 총 팽창이 발생될 수 있다.
따라서, 단열 매트는, 셀의 수명에 걸쳐 셀들의 부피 팽창을 보상하는 데 추가하여 충전 및 방전 과정에서 발생하는 부피의 주기적 변화와 부피의 지속적인 증가 모두를 보상할 수 있어야 하는 것이 유리하다.
이 외에 단열 매트는 가능한 한 무게가 적어야 하고, 공간을 절약하는 방식으로 장착되어야 하며, 비용이 저렴해야 한다.
단열이란 30초 이내에 600℃ 이상의 열이 전달되는 셀 화재의 경우 인접 셀로의 열 전달을 100℃ 이하로 제한하는 것이 유리하다는 것을 의미한다.
사용 수명 동안 셀들의 부피 변화의 보상을 보장하기 위해서는 재료가 압축 응력 및 온도 변동하에서 설정되지 않도록 탄성 변형 가능하고 적절하게 낮은 압축 설정을 가져야 한다.
또한, 모듈 조립의 경우, 소정 스택 형상을 얻기 위해, 원하는 개수의 개별 셀들, 통상적으로 12 내지 14 개의 유닛들이 조합되어 스택을 형성하고, 예를 들면, 5 내지 19 kN의 소정 프리텐셔닝 힘(pretensioning force)으로 가압되어 이 프리텐셔닝 힘 하에서 고정되는 것이 고려되어야 한다.
단열 매트는 모듈의 치수 안정성을 보장하기 위해 전체 사용 수명 동안 이 예비하중을 유지할 수 있어야 한다.
위에서 설명한 문제들은 본 발명에 따른 단열 매트에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 단열 매트는, 섬유-엘라스토머 복합체로 이루어진 탄성 변형 가능한 베이스 플레이트를 포함하며, 상기 베이스 플레이트의 양 주면들에는 서로 평행하게 연장되고, 상기 베이스 플레이트의 양 주면들 위에 가로로 서로 이격된 복수의 리브들이 마련되고, 상기 2개의 양 주면들의 리브들은 서로 어긋나게 오프셋 배열되고, 상기 리브 구조를 가지는 베이스 플레이트는 경계 프레임에 의해 둘러싸이고, 상기 리브들은 상기 경계 프레임으로부터 분리되어 있다.
상기 경계 프레임은 엘라스토머 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 리브들의 "오프셋 배열"은 상기 베이스 플레이트의 하나의 주면의 리브들이 상기 베이스 플레이트의 다른 주면의 2개의 리브들 사이의 이격부 내에 연장되는 것을 의미한다.
상기 리브들 사이의 이격부는 위에 연장되는 상기 리브들이 상기 이격부 내부로 압축될 수 있도록 하기 위해 위에 연장되는 리브들의 폭보다 더 넓어야 한다.
상기 "분리되어 있다"는 의미는 상기 리브들이 상기 경계 프레임에 결합되지 않는다는 것, 즉, 상기 리브들의 앞쪽 면들이나 또는 각각의 최외곽 리브들의 외곽 측면들이 상기 경계 프레임에 접촉되지 않는 것을 의미한다.
본 발명은 실제 적용을 위한 모든 바람직한 요구조건들을 충족시킬 수 있는 단열 매트를 제공한다.
소재 두께가 약 1.5mm이고 고온면의 온도가 700℃ 인 경우 냉각면의 온도가 100℃ 미만인 단열 용량을 보여준다.
섬유-엘라스토머 복합체로 만들어진 상기 베이스 플레이트는 셀 노화 및 충전 사이클들에 따른 상기 배터리 셀의 팽창을 보상할 수 있도록 최소한 0.4mm 압축될 수 있다.
압축 설정은 작은 크기에 불과하므로, 배터리 모듈의 전체 수명 동안 프리텐셔닝 압력의 유지로 경로 보상의 기능을 보장할 수 있다.
필요한 전기 절연 용량과 관련하여 항복 전압 강도는 적어도 3 kV로 유리하게 조정될 수 있다.
배터리 시스템들에 대해 필요한 낮은 패킹 밀도와 관련하여 공간 요구조건을 최소화할 수 있다.
그리고 간단하고 저렴한 방법으로 생산이 가능하다.
본 발명에 따른 셀 단열 매트는 각형 배터리 셀에 적합한 본 발명에 따른 단열 매트의 실시예를 개략적으로 도시하는 첨부된 다음 도면에 기초하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 네 개의 각형 배터리 셀들 사이에 본 발명에 따른 셀 단열 매트가 배열되는 사시도를 도시한다.
도 2는 팽창된 상태의 각형 배터리 셀의 사시도를 도시한다.
도 3 본 발명에 따른 단열 매트를 위에서 본 도면을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 도 3에 도시된 단열 매트의 사시도를 도시한다.
도 5a는 언로딩 상태에서 본 발명에 따른 도 4에 도시된 단열 매트의 리브와 경계 프레임을 통해 세로로 절개한 도면을 도시한다.
도 5b는 압력-로딩 상태에서 도 5a에 따른 단열 매트의 도면을 도시한다.
도 6은 경계 프레임이 없는 본 발명에 따른 단열 매트의 개략적인 분해도를 도시한다.
도 7은 로딩(압축) 상태에서 리브들이 오프셋(offset) 배치된 베이스 플레이트의 개략도를 도시한다.
도 8a는 언로딩 상태에서 섬유-엘라스토머 복합체로 이루어진 본 발명에 따른 베이스 플레이트의 기본 구조를 위에서 본 도면을 도시한다.
도 8b는 로딩(압축) 상태에서 도 8a에 따른 구조를 도시한다.
도 9a는 섬유-엘라스토머로 이루어지고 언로딩 상태에서 충전제가 추가된 베이스 플레이트의 기본 구조에 대한 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9b는 로딩(압축) 상태에서 도 9a에 따른 구조를 개략적으로 도시한다.
도 10은 가스 배출을 위한 채널 구조에 대한 실시예와 함께 본 발명에 따른 단열 매트의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따라 제조된 시험 샘플에 대한 열전달 측정 결과를 나타낸 다이어그램을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따라 제조된 시험 샘플의 스프링 특성 곡선을 리브 이격부의 함수로 나타낸 다이어그램을 도시한다.
도 13은 본 발명에 따라 준비된 시험 샘플의 스프링 특성 곡선을 실리콘 엘라스토머의 경도(쇼어 A)의 함수로서 나타낸 다이어그램을 도시한다.
도 14는 리브 이격부의 함수로서 본 발명에 따라 제조된 시험 샘플들의 변형 거동을 비교한 다이어그램을 도시한다.
도 1은 네 개의 각형 배터리 셀들 사이에 본 발명에 따른 셀 단열 매트가 배열되는 사시도를 도시한다.
도 2는 팽창된 상태의 각형 배터리 셀의 사시도를 도시한다.
도 3 본 발명에 따른 단열 매트를 위에서 본 도면을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 도 3에 도시된 단열 매트의 사시도를 도시한다.
도 5a는 언로딩 상태에서 본 발명에 따른 도 4에 도시된 단열 매트의 리브와 경계 프레임을 통해 세로로 절개한 도면을 도시한다.
도 5b는 압력-로딩 상태에서 도 5a에 따른 단열 매트의 도면을 도시한다.
도 6은 경계 프레임이 없는 본 발명에 따른 단열 매트의 개략적인 분해도를 도시한다.
도 7은 로딩(압축) 상태에서 리브들이 오프셋(offset) 배치된 베이스 플레이트의 개략도를 도시한다.
도 8a는 언로딩 상태에서 섬유-엘라스토머 복합체로 이루어진 본 발명에 따른 베이스 플레이트의 기본 구조를 위에서 본 도면을 도시한다.
도 8b는 로딩(압축) 상태에서 도 8a에 따른 구조를 도시한다.
도 9a는 섬유-엘라스토머로 이루어지고 언로딩 상태에서 충전제가 추가된 베이스 플레이트의 기본 구조에 대한 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9b는 로딩(압축) 상태에서 도 9a에 따른 구조를 개략적으로 도시한다.
도 10은 가스 배출을 위한 채널 구조에 대한 실시예와 함께 본 발명에 따른 단열 매트의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따라 제조된 시험 샘플에 대한 열전달 측정 결과를 나타낸 다이어그램을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따라 제조된 시험 샘플의 스프링 특성 곡선을 리브 이격부의 함수로 나타낸 다이어그램을 도시한다.
도 13은 본 발명에 따라 준비된 시험 샘플의 스프링 특성 곡선을 실리콘 엘라스토머의 경도(쇼어 A)의 함수로서 나타낸 다이어그램을 도시한다.
도 14는 리브 이격부의 함수로서 본 발명에 따라 제조된 시험 샘플들의 변형 거동을 비교한 다이어그램을 도시한다.
본 발명에 따른 단열 매트의 치수는 각각의 경우에 제안된 용도에 의해 관리된다.
여기에 서술된 형태에서, 상기 단열 매트의 치수는 특히 각형 셀들 사이에 사용하도록 설계되어 있다. 그러나 다른 종류의 배터리들에 사용하기 위해 간단하게 변경될 수 있다.
상기 각형 배터리 셀들의 중간 절연체로서 사용하는 경우, 상기 단열 매트는 본질적으로 직사각형의 기본 형상을 갖는다. 설치된 상태에서, 상기 단열 매트의 둘레는 상기 배터리 셀들의 둘레와 평행하게 배열될 수 있다. 선택적으로, 상기 경계 프레임 또는 상기 경계 프레임의 가장자리는 상기 배터리 셀들의 둘레에 대해 긴 변 또는 짧은 변, 또는 양쪽 변에서 돌출될 수 있다.
상기 탄성 변형이 가능한 베이스 플레이트는 2개의 주면들을 갖는 평평한 직사각형 형상으로 되어 있다. 각각의 주면에는 서로 평행하게 이격되어 배치되고, 주면들 위에서 가로로 연장되는 복수의 리브가 존재하며, 상기 2개의 주면들의 리브들은 서로 어긋나게 오프셋 배열된다.
상기 리브 배열을 갖는 베이스 플레이트는 경계 프레임에 의해 둘러싸여 있다.
본 발명에 따른 단열 매트는 경계하는 각형 배터리 셀들 사이에서 다른 주면에 하나의 주면과 함께 배열된다. 설치된 상태에서, 상기 경계 프레임의 자유 상면 측은 인접한 배터리 셀 또는 배터리 셀들에 받쳐져 있다.
따라서, 조립된 상태에서, 상기 단열 매트의 경계 프레임은 상기 배터리 셀들의 치수 강성 가장자리들을 따라 연장되고 상기 가장자리들에 대해 지지될 수 있다.
이와 같이, 상기 모듈의 구성 시, 상기 배터리 셀들 및 상기 단열 매트의 경계 프레임에 가해지는 프리텐셔닝 압력(pretensioning pressure)은 상기 경계 프레임을 통해 흡수되어 보상될 수 있다.
상기 경계 프레임은 어떤 경우에도 상기 프리텐셔닝 압력으로 인해 약간의 변형만 있어야 하고 상응하게 작은 압축성을 나타내야 한다.
상기 경계 프레임의 압축 강도는 재료의 탄성, 프레임 폭, 및 프레임 구조를 통하여 다양한 방식으로 영향을 받고 조절될 수 있다.
예를 들면, 상기 경계 프레임의 제조를 위해 사용되는 엘라스토머 재료의 압축 계수에 따라, 프레임 높이는 상기 모듈의 구성 시 프리텐셔닝 후 원하는 프레임 두께가 얻어지도록 선택될 수 있다.
셀 노화에 의한 부피 증가의 결과 및 충전 공정에 기인하는 상기 셀들의 주면들의 팽창은 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이 상기 탄성 변형된 베이스 플레이트와 관련하여 상기 리브들 상에서 보상된다.
하나의 배터리 셀의 하나의 주면의 팽창으로 인해 본 발명에 따른 인접한 그 다음 단열 매트의 상기 리브들에 압력이 가해지면, 상기 베이스 플레이트의 변형으로 인해 상기 베이스 플레이트의 타측에 배치된 상기 리브들 사이에서 각각의 리브 아래쪽 이격부로 상기 리브들을 압축하게 된다. 예를 들어 방전의 결과로 상기 팽창의 수축 시 상기 압력이 완화되면, 상기 리브들은 상기 베이스 플레이트의 탄성에 의해 다시 초기 상태로 복원될 수 있다.
상기 리브들이 배치된 상기 탄성 변형 가능한 베이스 플레이트는 스프링 소자로 작용하여 압력 인가 시 압축되고, 압력 해제 시 초기 상태로 복원된다.
일 실시예에 따르면, 그 위에 상기 리브들이 배치되는 상기 베이스 플레이트가 스프링 소자로 작용하여, 이를 통해 셀 표면들에 추가적으로 조절 가능한 압력을 가하므로, 상기 프리텐셔닝 압력에 추가하여, 상기 셀 스택이 약간 압축되는 것이 가능하다. 이에 의해 얻어지는 추가적인 압력은 상기 스택의 셀들의 사이클 안정성에 긍정적으로 작용할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
상기 압축의 범위는 개별적으로 또는 둘 이상을 조합하여 수행될 수 있는 일련의 다양한 방법들에 의해 제어될 수 있다.
상기 압축의 범위는 적어도 리브 폭의 1.5배 내지 2배여야 하는 상기 리브들 사이의 이격부에 의해 기하학적으로 제어될 수 있다.
상기 리브 폭과 관련하여 상기 이격부가 넓어질수록 상기 베이스 플레이트와 리브로 이루어진 구조의 변형성이 더 높아진다. 즉, 상기 리브는 상기 베이스 플레이트와 함께 상기 이격부 내로 더 깊게 압축된다.
또한, 상기 압축의 범위는 상기 베이스 플레이트를 위한 구성 및 재료에 의해 결정된다.
상기 베이스 플레이트는, 엘라스토머릭 플라스틱(엘라스토머)으로 이루어지는 매트릭스와 그 내부에 섬유로 이루어진 적어도 하나의 중간층(또한 섬유 중간층이라고도 함)을 가지는 섬유-엘라스토머 복합체로 만들어 진다.
상기 엘라스토머는 필요한 탄성 외에 셀 화재 시 고온에 견딜 수 있도록 하기 위해 적절한 온도 저항성을 가져야 한다.
고온에 저항하는 적합한 엘라스토머의 예로는 실리콘 엘라스토머로, 가령, 페닐메틸실리콘고무(phenyl methyl silicone rubber; PMQ), 페닐비닐메틸실리콘고무(phenyl vinyl methyl silicone rubber; PVMQ), 메틸실리콘고무(methyl silicone rubber), 비닐메틸실리콘고무(vinyl methyl silicone rubber; VMQ), 불소비닐메틸실리콘고무(fluorine vinyl methyl silicone rubber; FVMQ), 에틸렌 프로필렌디엔고무(ethylene propylene diene rubber; EPDM), 스티렌부타디엔고무(styrene butadiene rubber; SBR), 아크릴로니트릴부타디엔고무(acrylonitrile butadiene rubber; NBR), 천연고무(natural rubber; NR), 부틸고무(butyl rubber), 이소부텐이소프렌고무(isobutene isoprene rubber; IIR) 및 이소프렌고무(isoprene rubber; IR) 그 외 폴리우레탄(polyurethane; PUR)이 있다.
상기 엘라스토머의 탄성은 쇼어 A 경도 20 내지 80, 특히, 45 내지 75, 더 구체적으로, 50 내지 60인 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
필요한 온도 저항과 관련하여, 섬유로 이루어진 중간층에는, 예를 들면, 유리 섬유(glass fibers), 현무암 섬유(basalt fibers), 규산염 섬유(silicate fibers), 산화물 세라믹 섬유(oxide ceramic fibers)와 같은 광물 섬유(mineral fibers)가 사용된다.
상기 광물 섬유는 직물 또는 부직포(woven or nonwoven fabric)와 같은 평면 구조의 형태로 존재할 수 있고, 여기서, 평면 구조 자체는 로빙(rovings) 또는 얀(yarns)으로부터 생성될 수 있다.
대표적으로, 20 g/m2 내지 200 g/m2의 면적 중량을 갖는 섬유가 사용된다. 예를 들면, 2개 이상의 섬유 중간층이 제공되는 경우, 상기 개별 층의 면적 중량은 상대적으로 하위의 범위에 있거나 그보다 더 하위의 범위에 있을 수 있다.
상기 섬유들은 상기 엘라스토머 매트릭스 내에 보강 중간층으로 매립된다. 2개 이상의 섬유 중간층들의 경우, 상기 개별 섬유 중간층들 사이의 바인더 즉 결합제로 엘라스토머로 이루어진 얇은 층을 제공하는 것이 가능하다.
상기 베이스 플레이트에 대한 바람직한 재료 조합은 유리섬유 직물로 이루어진 하나 또는 2개의 중간층을 가지는 실리콘 엘라스토머이다.
엘라스토머의 종류 이외에, 상기 베이스 플레이트의 변형가능성 및 그에 따른 압축의 범위는 상기 섬유들의 배향에 의해 결정된다.
상기 변형가능성이 가장 적은 것은 0°/90° 배향에 의해 나타나므로, 이 경우, 전혀 압축이 발생하지 않거나 또는 기껏해야 약간의 압축만이 발생한다. 대조적으로, ± 45° 배향의 경우, 상기 섬유들은 상기 리브들의 상호 압축이 최대인 최대 변위성을 보여준다.
이러한 값들 사이에 있는 적합한 배향의 예는 30°/120° 정렬이다.
압축 시, 상기 베이스 플레이트는 길이 방향으로 팽창되고, 이에 의해, 섬유들 사이의 각도가 감소된다. 즉, 상기 매트릭스와 상기 섬유들 사이에 상호작용이 존재한다.
더욱이, 상기 탄성은 상기 엘라스토머 매트릭스에 무기 충전제들(inorganic fillers)을 추가하는 것에 의해 변경될 수 있다. 상기 충전제들은 순수하게 기계적인 기능을 수행할 수 있다. 상기 엘라스토머의 변형 시, 충전제 입자들 사이의 이격이 점차 감소하여, 그 결과 충전제 입자들이 상호 접촉하면 상기 엘라스토머의 추가적인 변형이 차단된다.
상기 차단 효과의 발생은, 예를 들면, 충전 정도, 입자 크기와 입자 형상, 및 입경 분포(모노 모들(monomodal), 바이 모들(bimodal) 또는 다른 트라이 모들(trimodal))와 같은 일련의 파라미터들에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들면, 원형 또는 날카로운 입자와 같은 입자 형상은 상기 입자들의 서로 및 매트릭스에 대한 유동학적 거동 및 차단 거동에 영향을 미친다.
상기 충전제들은 본질적으로 세라믹, 탄소계 또는 천연 금속인 것이 가능하다. 상기 충전제를 선택함에 있어서, 본 발명에 따른 단열 매트의 기본적인 열적 및 전기적 절연 기능에 비추어 그 열적 및 전기적 특성을 고려해야 한다.
예를 들면, 세라믹 충전제와 같이, 가능한 한 작은 전기 전도도를 가지는 충전제들이 바람직하다.
기계적 및 전기적 특성의 조정 외에, 상기 엘라스토머의 열 거동의 개선을 위해 충전제들이 추가될 수도 있다.
예를 들면, 열전도를 감소시키는 충전제들이 사용될 수 있다. 이들은 예를 들면, 중공 유리 비드(hollow glass beads)와 같은 중공체와 같이 절연성 공기 또는 가스 쿠션을 생성하는 물질들, 또는 예를 들면, 에어로겔(aerogels), 에어로실(aerosils) 또는 팽창된 물질과 같은 높은 공극률을 가지는 물질들일 수 있다.
또한, 화재 온도에서 내열 반응을 일으켜서 열 에너지를 시스템 밖으로 빼내는 충전제들을 사용할 수도 있다. 이들은 예를 들면, 화재 온도에서 세라믹화(ceramization), 유리화(vitrification) 또는 탄화(carbonization)를 거치는 물질들, 냉각 효과를 가지는 물질들, 및 기본적으로 알려진, 플라스틱들을 위한 난연제와 같은 산소를 흡수하는 물질들이다.
적절한 예들은 금속 수산화물(metal hydroxides) 또는 금속 옥시 수산화물(metal oxi hydroxides)로서, 가열 시 물을 분리하고 보호 세라믹 층을 형성하는, 예를 들면, 약 200℃ 이상에서 반응하여 Al2O3 및 물을 형성하는 수산화 알루미늄(aluminum hydroxides)(삼수화 알루미늄(aluminum trihydrate; ATH)) 또는 약 300℃ 이상에서 반응하여 MgO 및 물을 형성하는 수산화 마그네슘(magnesium hydroxides)이다.
적절한 열-흡수성 충전제에 대한 추가 예는 예를 들면, 팽창(intumescent or expanding) 방식으로 암모니아(NH3)를 손실하고 암모니아의 반응을 통해 질소 및 물을 형성하여 산소를 흡수하는 암모늄 폴리포스페이트(ammonium polyphosphate) 또는 멜라민 폴리포스페이트(melamine polyphosphate)와 같은 폴리포스페이트 기반 물질들이다.
상기 충전제들의 변화와 충전 정도의 변화는 원칙적으로 재료 특성을 특정 방식으로 유리하게 조절 및 변경하는 것을 가능하게 한다. 이에 따라 얻어지는 충전 정도는 상기 충전제 입자들의 입경 분포, 입경 및 표면 반응성에 따라 달라진다. 예를 들면, 10 내지 100 μm 크기의 입자들을 주 비율로 가지는 입자들의 충전 정도는 60 중량%까지 가능하며, 나노 크기의 입자들의 경우 100 부피%를 훨씬 초과할 수 있다.
모든 충전제들의 전제 조건은 상기 엘라스토머의 탄성 거동에 부정적인 영향을 미치지 않는다는 것이다.
일 실시예에 따라, 필요에 따라, 본 발명에 따른 단열 매트 내에 상기 충전제의 반응 및 상기 엘라스토머의 열 분해에 의해 형성되는 방전 가스를 위한 통로들을 마련하는 것이 가능하다. 이러한 통로들에 의해, 기본적으로 상기 프리텐셔닝 압력에 의해 기밀 밀봉되는 모듈 내의 상기 배터리 셀의 벽들과 상기 단열 매트 사이의 영역에 과압이 생성되는 것에 대항할 수 있다.
이러한 목적을 위해, 상기 경계 프레임에서 가로로 연장되는 파단부들(breaks) 및/또는 배출구들을 마련할 수 있다.
이에 따라, 일부 상황들에서 형성되는 반응 가스들은 상기 베이스 플레이트의 표면 위에서 상기 파단부들을 따라 분배되어 상기 배출구를 통해 배출될 수 있다.
상기 파단부들은 연속적인 배열을 가질 때 특히 유리하다. 인접한 리브들 내의 상기 파단부들은 서로 연장되어 제공되고, 이에 의해, 상기 리브들 사이의 상기 이격부들에 의해 중단되는 연속적인 채널을 형성한다. 상기 가스들은 상기 파단부들의 연속적인 배열 때문에 방향성 있게 배출될 수 있다.
이미 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 단열 매트의 치수 및 그 구조의 치수는 특정 용도의 요구조건들에 의해 결정된다. 예를 들면, 배터리 모듈들에서와 같이, 각형 배터리 셀로 구성된 배터리 시스템들에서 중간 단열재로 활용을 위해, 이들은 가능한 작은 총 두께를 가져야 한다.
언로딩 상태에서, 두께는 3 mm 이내로 리브 높이 0.4 내지 0.5 mm이고, 리브 폭은 1.0 내지 3.0 mm의 범위, 리브들 사이의 이격부는 상기 리브 폭의 1.5 내지 3.0 배 범위, 및 경계 프레임 폭은 5 내지 10 mm인 것이 바람직하다.
5 kN의 배터리 모듈의 프리텐셔닝 압력 하에서 상기 단열 매트의 총 두께는 1.5 mm 이하, 특히 1 mm 이하인 것이 바람직하다.
이러한 값들은 예로 제공되며, 각각의 요구조건들에 따라 간단한 방법으로 변경될 수 있음은 자명하다.
다른 일 실시예에 따르면, 예를 들면, 알루미늄 호일과 같은 적외선을 반사하는 금속 필름으로 구성된 중간층을 상기 베이스 플레이트에 추가로 마련하는 것이 가능하다. 공간-절약 요구조건의 관점에서, 상기 필름은, 예를 들면, 대략 0.1 mm와 같이 가능한 한 얇은 두께여야 한다.
본 발명에 따른 단열 매트의 제조를 위해, 섬유 강화 플라스틱으로 만들어진 구성요소들의 제조를 위해 공지된 것과 같은 통상적인 제조 방법을 채용하는 것이 가능하다. 일 예는 구성요소들의 필요한 구조에 대응하여 설계되는 금형을 이용한 프레스 공법 또는 주조 공법이다. 따라서, 예를 들면, 처음에 상기 리브 구조 및 필요에 따라 상기 경계 프레임을 위한 구조의 생성을 위해 제1 엘라스토머 층을 몰드에 배치하고, 상기 섬유 중간층을 위한 섬유 재료를 도입하고, 후속하여 상기 추가 리브 구조 및 필요에 따라 상기 경계 프레임 구조의 형성뿐만 아니라 섬유들의 주입을 위해 추가 엘라스토머 재료로 몰드를 충전하는 것이 가능하다.
도 1에 도시된 것은 각각의 경우에 인접한 2개의 셀(2) 사이에 본 발명에 따른 단열 매트(1)가 제공되는 종래 기술에 따른 4개의 각형 배터리 셀(2)을 구비하는 배터리 배열이다.
배터리 셀(2)의 내부 구조물은 좁은 측면에 2개의 연결단자(3, 4)와 안전 밸브(5)를 가지는 고정 정육면체 형상 또는 각형 셀 하우징에 의해 기밀하게 둘러싸여 있다.
안전 밸브(5)는 셀의 내부 압력이 온도 상승에 따라 형성되는 반응가스로 인해 임계값을 초과할 때 가스가 빠져나가 셀의 폭발을 방지할 수 있도록 개방된다.
도 2는 셀 하우징의 팽창된 주면들(6)을 가지는 각형 배터리 셀(2)을 도시한다. 변형은 본질적으로 주면들(6)의 중간 영역에서만 발생한다. 이는 셀 하우징의 가장자리들이 코너들을 통해 경계를 이루는 더 작은 측면들로 기계적으로 안정되어 정상적인 작동에서 변형되지 않기 때문이다.
도 3은 베이스 플레이트(7), 및 서로 평행하게 연장되고 베이스 플레이트(7) 위에서 이격부(9) 사이에 가로로 연장되는 리브들(8)의 열을 가지는 본 발명에 따른 단열 매트(1)를 위에서 본 도면으로, 이에 의해, 본 발명에 따른 단열 매트의 리브 배열을 명확히 알수 있다. 여기서, 이격부(9)는 리브들(8) 보다 더 넓다.
리브들의 배열은 경계 프레임(10)에 의해 둘러싸이고, 리브들(8)은 경계 프레임(10)으로부터 분리되며, 즉 리브들(8)은 경계 프레임(10)과 접촉되지 않는다. 리브들(8)의 앞쪽 면들이나 외곽에 있는 리브들의 측면들의 어느 것도 경계 프레임(10)에 결합되지 않고, 리브들(10)의 앞쪽 면들과 경계 프레임(8) 사이에는 간극(11)이 존재한다.
이 경우, 경계 프레임(10)은 설치된 상태에서 배터리 셀의 주변 가장자리에 받쳐져 있는 평면상의 자유 상부면을 가진다. 또한, 도시된 경계 프레임(10)은 리브들(8)보다 넓으므로, 리브들보다 변형에 대해 더 높은 저항성을 가진다. 설치된 로딩 상태에서, 경계 프레임(10)은 리브들에 대한 프리텐셔닝 압력의 영향 없이 프리텐셔닝 압력을 보상할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 단열 매트(1)를 비스듬히 위에서 바라본 예시도이다. 도면에서 리브들의 상단 및 바닥 배열 주위에 연장되는 경계 프레임(10) 뿐 아니라 리브들의 상단 및 바닥 배열 사이에 베이스 플레이트(7)를 배열하고 베이스 플레이트(7)의 상단 주면 상에 리브들(8)를 배열하는 것이 명확하게 나타나 있다.
베이스 플레이트(7)는 섬유(fiber) 소재로 구성된 중간층(12)을 구비한다.
도 5a 및 도 5b에 예시된 것은 배터리 모듈의 조립 시 인가되는 프리텐셔닝 압력의 결과로서 경계 프레임(10)에 압력이 인가되는 동안 로딩 상태 뿐 아니라 언로딩 상태(도 5a)에서 경계 프레임(10)과 리브(8)를 관통하여 세로로 절개한 도면이다.
언로딩 상태에서 경계 프레임(10)의 높이는 리브들(8)의 높이보다 더 높다. 리브들(8)의 앞쪽 면과 경계 프레임(10) 사이에는 리브들의 전체 배열 둘레에 간극(11)이 존재한다.
도 5b는 조립 시 배터리 모듈에 가해지는 프리텐셔닝 압력으로 인한 압력 인가 동안의 상태를 도시한다. 경계 프레임(10)은 프리텐셔닝 압력의 결과로 그 높이에서 압축되고, 이에 의해, 경계 프레임(10)의 높이와 리브들(8)의 높이가 일치된다. 또한, 간극(11)은 경계 프레임(10)에 대한 압력의 인가 동안 여전히 유지되므로, 리브들(8)은 경계 프레임(10)에 대한 압력의 인가 동안에도 경계 프레임(10)과 분리된다.
변형에 대해 원하는 저항의 조정은 경계 프레임의 폭에 의해 영향을 받을 수 있고, 변형에 대한 저항은 폭에 따라 증가한다. 또한, 변형에 대한 저항은 재료의 선택, 엘라스토머의 가교도, 압축 계수 등을 통해 조정될 수 있다.
따라서, 2개의 배터리 셀들(2) 사이에 배열된 단열 매트(1)를 구비한 조립 모듈에서, 경계 프레임(10)은 프리텐셔닝 압력에 의해 로딩되는 반면, 리브들(8)은 기본적으로 언로딩된 상태로 유지된다.
도 6은 본 발명에 따른 구조를 부각시키기 위해 경계 프레임(10)이 생략된 단열 매트(1)의 일 실시예의 분해도를 도시한다.
도시된 것은 베이스 플레이트(7)의 주면들 상의 리브들(8)의 배열로서, 각각의 주면 상의 리브들(8)이 서로 평행하게 그리고 이격부(9) 사이에 배열되고, 리브들(8)이 주면 위에서 가로로 연장된다.
하나의 주면의 리브들(8) 사이의 이격부(9)는 리브들(8)의 폭 보다 더 크다. 이격부(9)는 적어도 리브들(8)의 폭의 1.5배 내지 2배인 것이 바람직하다.
2개의 주면들의 리브들(8)은 하나의 주면의 리브(8)가 다른 주면의 이격부(9)를 따라 연장되면서 서로에 대해 어긋나게 오프셋 배열된다.
베이스 플레이트(7)는 광물 섬유(mineral fiber)(12)로 이루어진 중간층을 가지는 엘라스토머 소재로 형성된다.
추가적인 실시예들에 따라, 섬유 소재로 구성된 1개 또는 2개의 추가 중간층들(12)이 제공되는 경우, 섬유 소재로 구성된 2개의 중간층들 사이에 추가 엘라스토머 소재를 바인더 즉 결합제로 마련하는 것이 가능하다.
섬유 소재(12)로 이루어진 중간층을 가지는 베이스 플레이트(7)의 제조 및 리브들(8)을 위해 동일한 엘라스토머 소재를 사용할 수 있고, 이에 의해, 리브들(8)은 베이스 플레이트(7)의 일체적인 구성요소로서 형성될 수 있다. 경계 프레임(10) 역시 동일한 엘라스토머 소재로 형성되어 베이스 플레이트(7)와 함께 일체적인 구성요소로 형성될 수 있다.
배터리 셀들(여기에 도시되지 않음)의 주면들이 증가하는 팽창의 과정에서, 리브들(8)에 압력이 인가되고, 리브들(8)은 아래의 베이스 플레이트(7)와 함께, 도 7에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(7)의 대향하는 주면의 리브들(8)의 오프셋 배열의 이격부들(9) 내로 압축된다.
이러한 압축된 상태에서, 베이스 플레이트(7)는 각각의 이격부들(9) 내로 위와 아래로 교대로 돌출되는 곡률들을 갖는 지그재그 곡선을 형성한다. 배터리 셀들을 방전하는 과정에서 압력 인가가 감소함에 따라, 예를 들면, 이들 변형들은 베이스 플레이트(7)의 탄성에 의해 상응하게 복원된다.
변형의 범위는 본질적으로 이격부(9)의 폭 뿐만 아니라, 특히 도 8a, 도 8b, 도 9a, 및 도 9b에 예로 예시된 바와 같이, 엘라스토머의 경도(탄성) 및 섬유의 배향에 의해 영향을 받는 베이스 플레이트의 변형가능성에 의해 결정된다.
도 8a, 도 8b, 도 9a, 및 도 9b는 각각, 언로딩 상태(도 9a 및 도 10a) 및 압축 상태(도 9b 및 도 10b)에서의 내부 구조를 도식화한 섬유 중간층(12)을 가지는 베이스 플레이트(7)의 평면도이다.
섬유 중간층(12)의 섬유들은 각각 ±45°배향을 가지므로, 서로 다른 ± 부호를 가진 섬유들은 90°각도(14a)로 교차한다. 섬유들이 매립되는 엘라스토머 매트릭스(13)는 회색면으로 표시된다. 또한, 표면 위에 가로로 연장되는 리브(8)들이 예시된다. 리브들(8)을 따라 좌우로 연장되는 가장자리들은 베이스 플레이트(7)의 저면 측에 배열되어 오프셋 배열로 마련된 리브들(8) 사이의 아래쪽 이격부(9)를 표시한다.
여기에 도시된 언로딩 상태에서, 상이한 부호를 가진 섬유들은 90° 각도(14a)로 교차한다.
단열 매트(1)에 압력이 가해질 경우, 도 8b에 도시된 바와 같이, 폭(도면에서 상단 가장자리 및 바닥 가장자리에 화살표로 표시됨)의 감소와 함께 베이스 플레이트(7)의 섬유 매트릭스 복합체를 따라 리브들(8)의 압축(좌측 및 우측 화살표로 표시됨)이 발생한다. 그 결과, 섬유들 사이의 교차각(14b)은 60°로 감소된다.
충전제 입자(15)가 첨가된 베이스 플레이트의 리브들(8)의 가압 및 압축 시 변형은, 언로딩 상태의 도 9a 및 압축 상태의 도 9b에 도시된 바와 같이, 유사한 방식으로 발생한다.
이 경우에도 90° 교차각(14a)을 가지는 섬유 중간층(12) 내의 섬유들의 ± 45° 배향이 존재한다.
이 예의 경우 크기가 다른 충전제 입자(15)가 사용된다.
인접한 배터리 셀(도시하지 않음)에 의해 가해진 압력의 결과로서 압축되는 동안, 베이스 플레이트(7)(좌우 화살표) 및 베이스 플레이트(7)의 폭은 감소한다(위아래 화살표). 이와 동시에, 상이한 부호를 갖는 섬유들의 교차각(14b)은 60°로 감소한다.
이 경우, 도 8a 및 도 8b와 대조적으로, 변형의 정도는, 압축으로 인해 충전제 입자들(15) 사이의 이격이 감소하기 때문에, 충전제 입자들(15)에 의해 추가적으로 제어된다. 일단 이격이 너무 많이 감소하여 입자들(15)이 서로 접촉하여 맞물리게 되면, 섬유들이 더 이상 서로에 대해 이동할 수 없기 때문에, 더 이상의 변형은 차단된다.
도 10은 본질적으로 파단부들(breaks)(16)이 리브들(8) 상에 가로로 연장되는 구조를 가지고 평행하게 배열된 리브들(8), 경계 프레임(10), 및 리브들(8)과 경계 프레임(10) 사이의 간극(11)을 포함하는 본 발명에 따른 단열 매트(1)의 평면도이다.
이러한 파단부들(16) 및 배출구들(17, 18)은 특히 과열 시 충전제의 상전이 및 분해로 인해 형성될 수 있는 반응 가스를 배출하는 역할을 한다. 이와 같이 형성된 가스 상(gas phase)은 엘라스토머의 열분해로 인해 발생하는 가스 상과 함께 경계 프레임(10)에 의해 밀봉되는 베이스 플레이트(7)와 셀 벽들 사이의 영역에서 매우 높은 가스압을 유도할 수 있다. 이러한 압력을 완화하기 위해, 예를 들면, 도 10에 예시된 바와 같이, 단열 매트(1) 내의 파단부들(16)과 배출구들(17, 18)을 탈기 보조구로 일체화하는 것이 유리할 수 있다.
이 경우, 파단부들(16)은 연속적인 구조로 연이어진 리브들(8) 내에 형성된다. 한 리브(8)의 옆의 좌우에 배치된 리브 내의 파단부들(16)은 이로써 리브 사이에 놓여있는 리브(8) 내의 파단부(16)와 연속성을 형성한다. 그 결과, 가스의 배출을 위한 연속적인 채널이 얻어진다. 도 10에 도시된 구체 예에서, 파단부들(16)은 전체적으로 보아 각각 베이스플레이트의 중앙으로부터 시작하여 4개의 모서리의 방향으로 사선으로 연장되고, 그 결과, 넓은 X의 형상이 된다.
또한, 경계 프레임(8)의 짧은 변들에는 셀 벽과 단열 매트(1) 사이에 위치하는 중간 공간으로부터 반응 가스의 배출을 위한 배출구들(17, 18)이 마련된다.
본 발명에 따른 단열 매트의 단열 효과 및 연신 거동에 대한 조사가 수행되었다. 그 결과는 도 11 내지 도 14의 다이어그램에 제시되어 있다.
생산 테스트 샘플들은 실온에서 가교하는 쇼어 A 경도가 다른 상용 2성분 액상 실리콘을 실리콘 엘라스토머로 사용하였다. 제품 데이터 및 제조사는 표 1에 제시되어 있다.
| 제조사/ 배급자 |
D&G Faserverbund Werkstoffe GmbH | ELANTAS | ELANTAS | ELANTAS | ACC Silicones | ACC Silicones | Shenzhen Hongyejie Co. Ltd. | Donguan Gangtian Polymer Materials Co. Ltd. |
| 제품명 | ADDV42 | SK85L7-45/ SH89L1-45 |
Bectron SK75V2-65/ SH79V2-65 |
Bectron SK76V2-75/ SH79V5-75 |
QsiI 550 | Silcoest 101 | HY E660 | SP 3060 |
| 혼합 | 1:1 | 10:1 | 1:1 | 100:2.5 | 1:1 | 100:1 | 1:1 | 1:1 |
| 가교 | Addition | Addition | Addition | Condensation | Addition | Condensation | Addition | Addition |
| 쇼어 A [°] | 45 | 45 | 65 | 75 | 55 | 61 | 60 | 60 |
| 점성 [mPas] |
9000 | 25000 | 3500 | 7500 | 4000 | 40000 | 10000 | 25000 |
| 열전도율 [W/mK] |
0.54 | 0.45 | 0.42 | 0.37 | 0.37 | 0.25 | 0.1 |
셀 단열 매트에서 실시한 열전달 측정 결과는 도 11에 예로 제시된다. 조사는 스웰링 공정의 시뮬레이션을 위해 1.9 bar의 인가 압력에서 열전달 측정 스탠드에서 수행되었다. 테스트 샘플 편은 각각 163 g/m2의 면적 중량을 갖는 E-유리섬유 직물의 두 개의 층으로 제조된 쇼어 A 45를 가지는 ELANTAS사의 실리콘 엘라스토머 SK85L7로부터 마련되었다. 테스트 샘플 편의 치수는 일반적인 각형 셀의 치수에 해당하는 235 mm x 113.5 mm x 2.0 mm였다. 리브 높이는 0.4 mm, 리브 폭은 1.0 mm, 리브 이격부는 2.0 mm였다.
측정을 위해 테스트 샘플은 초기에 균질한 온도 분포를 위해 50℃ 에서 5분 동안 유지되었으며, 이 기간 동안 압력이 조절되었다.
그 후, (압력의 재조절 없이) 700℃ 로 200초 내에서 가열되었다. 전면 및 후면의 온도 증가는 발열량계(pyrometer)에 의해 측정되었다.
그 결과, 앞면의 온도가 50℃ 에서 700℃ 로 상승한 후에도 뒷면의 온도는 100℃ 미만에 불과하다는 것이 확인되었다. 따라서, 뒷면의 온도는 분명히 실제 적용에 필요한 범위 내에 있었다.
도 12 및 도 13에 제시된 것은 본 발명에 따른 셀 단열 매트에 대한 일반적인 재료 테스트 샘플들의 스프링 특성 곡선을 가지는 응력-연신 다이어그램들이다.
테스트 샘플 편의 치수는 40 mm x 40 mm 크기로, 리브 높이 0.4 mm, 리브 폭 2 mm, 총 두께 2 mm 였다. 섬유 중간층의 두께는 0.8mm과 0.9 mm 사이였다.
이 경우, 도 12에는 동일한 조건에서 리브 이격부에 대한 스프링 거동의 의존성이 제시되어 있고, 도 13에는 동일한 조건에서 유리섬유 직물을 가지는 실리콘 엘라스토머의 경도의 함수로서 스프링 거동의 변화가 제시되어 있다.
도 12에 따른 테스트를 위해, 쇼어 A 경도가 45인 실리콘 엘라스토머 ADDV-42와, 면적 중량이 25g/m2이고 배향이 ±45°인 린넨 직조형의 E-유리섬유 직물로 이루어진 섬유 중간층으로 구성된 테스트 샘플 편들이 사용되었다.
도 13에 제시된 테스트들의 경우, 재료 테스트 샘플들의 리브 이격부는 균일하게 2 mm였다.
각 경우에 있어서, 섬유 중간층은 린넨 직조형의 E-유리섬유 직물로서, 면적 중량이 80 g/m2이고, 배향이 0 °/90 °였다.
이 경우, 모든 테스트 샘플들은 균일한 거동에 대해 최대 40%의 연신율을 보이며, 테스트 샘플들의 곡선들(7, 8)은 각각 SK85 L7-45와 QSiI 550으로 구성되며 쇼어 A 경도가 각각 45와 55로 가장 작은 증가를 나타낸다.
도 14에는 프리텐셔닝 로드 및 만재 로드 하에서 리브 이격부의 함수로서 다양한 두께의 테스트 샘플들의 변형 거동이 제시된다. 테스트 샘플 편들의 치수는 리브 이격부들의 변화가 있지만 위에 서술된 도 12 및 도 13에 따른 테스트들을 위한 치수들과 동일하였다.
재료 구조는 면적 중량이 80g/m2이고 배향이 ±45°인 린넨 직조형의 E-유리섬유 직물로 구성된 두 개의 섬유 중간층을 가지는 표 1에 따른 실리콘 엘라스토머 SK85 L7-45가 사용되었다.
압력을 가하지 않은 개별 테스트 샘플들의 초기 두께는 1.860mm에서 1.530mm까지 다양했다. 테스트 샘플들은 0.186 N/mm2의 프리텐셔닝 로드와 1.115 N/mm2의 최대 표면 압력이 가해져서 변형 정도가 측정되었다. 이에 따른 프리텐셔닝 힘은 일반적으로 사용되는 5 kN의 프리텐셔닝 힘에 해당하였다. 현재 일반적으로 각형 배터리 셀에 적용하는 경우에 많이 사용되는 것으로, 프리텐셔닝 로드 하에서 1.4 mm의 목표 두께 부근에서 변형 변화가 측정되어야 한다.
이에 따라, 리브 이격부가 1.5 mm와 2.5 mm인 테스트 샘플과 리브 이격부가 2 mm인 테스트 샘플에서 가장 좋은 결과가 나타났고, 프리텐셔닝 두께가 원하는 값인 1.4 mm를 약간 초과하는 수준에 불과했다.
본 발명은 섬유-엘라스토머 복합체로 이루어진 탄성 변형 가능한 베이스 플레이트(7)로 이루어진 배터리 시스템에서 인접한 배터리 셀들(2), 특히 각형 배터리 셀들의 절연을 위한 단열 매트(1)에 관한 것으로, 베이스 플레이트(7)의 양 주면들에는 서로 평행하게 연장되고 베이스 플레이트(7)의 양 주면들 위에서 가로로 서로 이격된 소정 개수의 리브들(8)이 마련되고, 2개의 주면들의 리브 배열은 경계 프레임(10)에 의해 둘러싸이고, 리브들(8)과 경계 프레임(10) 사이에는 간극(11)이 존재하고, 베이스 플레이트(7)의 섬유-엘라스토머 복합체는 내부에 광물 섬유로 이루어진 적어도 하나의 중간층을 내장하는 엘라스토머 매트릭스로 형성되고, 단열 매트는 셀 구성 요소의 화학적 노화와 충전 및 방전 시 셀들의 주기적인 팽창 및 수축의 결과로 배터리 셀들의 시스템-고유 변화를 보상할 수 있다.
1: 단열 매트
2: 배터리 셀
3,4: 연결단자
5: 열 안전밸브
6: 배터리 셀의 팽창된 주면들
7: 베이스 플레이트
8: 리브들
9: (두 리브들 사이의) 이격부
10: 주변 또는 경계 프레임
11: (리브들과 경계 프레임 사이의) 간극
12: 섬유로 이루어지는 중간층
13: 엘라스토머 매트릭스
14a,b: 교차각
15: 충전제 입자
16: 파단부
17,18: 경계 프레임(11) 내 배출구
2: 배터리 셀
3,4: 연결단자
5: 열 안전밸브
6: 배터리 셀의 팽창된 주면들
7: 베이스 플레이트
8: 리브들
9: (두 리브들 사이의) 이격부
10: 주변 또는 경계 프레임
11: (리브들과 경계 프레임 사이의) 간극
12: 섬유로 이루어지는 중간층
13: 엘라스토머 매트릭스
14a,b: 교차각
15: 충전제 입자
16: 파단부
17,18: 경계 프레임(11) 내 배출구
Claims (15)
- 배터리 시스템에서 인접한 배터리 셀들(2) 사이를 절연하고, 섬유-엘라스토머 복합체로 이루어진 탄성 변형 가능한 베이스 플레이트(7)를 포함하는 단열 매트(1)에 있어서,
상기 베이스 플레이트(7)의 양 주면들에는 서로 평행하게 연장되고, 상기 베이스 플레이트(7)의 상기 양 주면들 위에 가로로 서로 이격된 복수의 리브(8)가 마련되고,
상기 2개의 주면들의 리브 배열은 경계 프레임(10)으로 둘러싸여 있고, 상기 리브들(8)과 상기 경계 프레임(10) 사이에는 간극(11)이 존재하며,
상기 베이스 플레이트(7)의 상기 섬유-엘라스토머 복합체는 광물 섬유로 이루어진 적어도 하나의 중간층을 가지는 엘라스토머 매트릭스로 형성되는 단열 매트(1). - 제1항에 있어서,
상기 엘라스토머는 실리콘 엘라스토머, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(NBR), 천연고무(NR), 부틸고무(NR), 이소부텐 이소프렌 고무(IR), 이소프렌 고무(IR) 및 폴리우레탄(PUR) 중에서 선택되는 단열 매트(1). - 제2항에 있어서,
상기 엘라스토머는 실리콘 엘라스토머 및 폴리우레탄 중에서 선택되는 단열 매트(1). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간층용 광물 섬유는 유리섬유, 현무암 섬유, 규산염 섬유 및 산화물 세라믹 섬유 중에서 선택되는 단열 매트(1). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
압력 언로딩 상태에서, 상기 경계 프레임(10)의 높이는 상기 리브들(8)의 높이보다 크고, 상기 경계 프레임(10)의 변형에 대한 저항은 상기 리브들(8)의 변형에 대한 저항보다 큰 단열 매트(1). - 제5항에 있어서,
상기 경계 프레임(10)의 폭은 상기 리브들(8)의 폭 보다 큰 단열 매트(1). - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
2개의 인접한 리브들(8) 사이의 이격부(9)의 폭은 적어도 상기 리브들(8)의 폭의 1.5배 내지 2배인 단열 매트(1). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리브들(8)과 상기 경계 프레임(10)은 엘라스토머 소재로 형성되는 단열 매트(1). - 제8항에 있어서,
상기 리브들(8), 또는 상기 리브들(8)과 상기 경계 프레임(10)의 모두는 상기 베이스 플레이트와 동일한 엘라스토머 소재로 형성되는 단열 매트(1). - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스 플레이트(7)는 광물 섬유로 이루어진 2개 또는 복수의 중간층(12)을 구비하는 단열 매트(1). - 제10항에 있어서,
상기 광물 섬유로 이루어진 2개의 중간층(12) 사이에는 결합제로 엘라스토머 소재가 마련되는 단열 매트(1). - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스 플레이트(7)에는 적외(IR) 방사선을 반사하는 금속 호일이 마련되는 단열 매트(1). - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스 플레이트(7), 상기 리브들(8) 및 상기 경계 프레임(10)은 일체로 구성되는 단열 매트(1). - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리브들(8)이 가로로 연장된 파단부(16)를 가지는 것 또는 적어도 하나의 배출구(17, 18)가 반응 가스의 배출을 위해 경계 프레임(10)에 마련되는 것 중 적어도 하나의 구성을 포함하는 단열 매트(1). - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 단열 매트를 사용하는 각형 배터리 셀들을 가지는 배터리 시스템.
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