KR20240050401A - 배터리 및 전기 장치 - Google Patents

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KR20240050401A
KR20240050401A KR1020247009935A KR20247009935A KR20240050401A KR 20240050401 A KR20240050401 A KR 20240050401A KR 1020247009935 A KR1020247009935 A KR 1020247009935A KR 20247009935 A KR20247009935 A KR 20247009935A KR 20240050401 A KR20240050401 A KR 20240050401A
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엔동 쉬
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컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드
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Abstract

본 출원의 실시예는 배터리 및 전기 장치를 제공한다. 상기 배터리는, 제1 방향으로 배열된 인접한 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 셀; 및 상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀 사이에 설치되고, 고분자 매트릭스 복합 섬유판인 제1 단열층을 포함하는 단열판; 을 포함한다. 본 출원의 실시예에 따른 기술적 해결수단은, 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시켜, 배터리의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

배터리 및 전기 장치
본 출원은 배터리 기술분야에 관한 것으로, 특히 배터리 및 전기 장치에 관한 것이다.
본 출원은 2022년 04월 29일 중국에 제출한 발명의 명칭이 “배터리 및 전기 장치”인, 중국 특허 출원 제 202210467669.6호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용을 본 출원에 원용한다.
에너지 절약 및 오염물의 배출 감소는 자동차 산업의 지속 가능한 발전의 핵심이다. 이 경우, 전기 자동차는 에너지 절약 및 환경 보호 이점으로 인해 자동차 산업의 지속 가능한 발전의 중요한 구성 부분으로 되고 있다. 전기 자동차의 경우, 배터리 기술은 또한 이의 발전에 관련된 중요한 요소이다.
배터리 기술의 발전에서, 배터리의 성능 향상 외에, 배터리의 열폭주 문제도 무시할 수 없는 문제이다. 배터리의 열폭주 확산은, 아주 큰 안전상의 위험을 초래한다. 따라서, 어떻게 배터리 내 열폭주 확산 위험을 감소시킬 것인가는 배터리 기술에서 시급히 해결해야 할 기술적 과제이다.
본 출원의 실시예는 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시켜, 배터리의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 배터리 및 전기 장치를 제공한다.
제1 양태에 따르면, 배터리를 제공하고, 상기 배터리는, 제1 방향으로 배열된 인접한 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 셀; 및 상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀 사이에 설치되고, 고분자 매트릭스 복합 섬유판인 제1 단열층을 포함하는 단열판; 을 포함한다.
본 출원의 실시예에서, 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 사이에 단열판을 설치하여, 배터리 내의 일부 배터리 셀에서 열폭주가 발생할 경우, 상기 단열판은 열폭주가 발생한 배터리 셀이 인접한 배터리 셀로 열을 전달할 위험을 감소시켜, 배터리 내 열폭주 확산 위험을 감소시킬 수 있다. 종래 기술에서는 에어로젤 펠트 또는 구조적 강도를 갖지 않는 다른 판재를 단열판으로 사용하였는데, 에어로젤 펠트 또는 구조적 강도를 갖지 않는 다른 판재는 배터리 셀 사이에서 압착을 받을 때 변형되어, 두께가 얇아지고, 단열효과도 크게 감소한다. 본 출원 방안에 따른 단열판은 고분자 매트릭스 복합 섬유판인 제1 단열층을 포함하고, 고분자 매트릭스 복합 섬유판은 내열 및 고강도의 경질 보호판재로, 고온에서도 쉽게 변형되지 않으며, 배터리 셀 사이에 설치하면, 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시켜, 배터리의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 고분자 매트릭스 복합 섬유판은 섬유강화수지 복합판이다.
고분자 재료 중의 수지를 매트릭스로 하여 섬유강화수지 복합판을 보호판으로 제조하는데, 다른 고분자 재료 매트릭스에 비해, 섬유강화수지 복합판은 내열성이 비교적 우수하고, 더 높은 강도를 가져, 쉽게 변형되지 않는다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 단열판은 상기 제1 배터리 셀의 제1 벽과 상기 제2 배터리 셀의 제2 벽 사이에 설치되며, 상기 제1 벽은 상기 제1 배터리 셀에서 표면적이 가장 크고 상기 제2 배터리 셀에 가장 가까운 벽이고, 상기 제2 벽은 상기 제2 배터리 셀에서 표면적이 가장 크고 상기 제1 배터리 셀에 가장 가까운 벽이다.
단열판은 인접한 2개의 배터리 셀의 표면적이 가장 큰 벽 사이에 설치되므로, 배터리 셀의 열폭주 확산을 방지하는 단열판의 범위가 더 넓어져, 배터리 내 열폭주 확산 위험을 감소시키는 데 더 유리하다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 단열판은, 상기 제1 방향으로 배열되는 제2 단열층 및 2개의 상기 제1 단열층을 포함하고, 상기 제2 단열층은 2개의 상기 제1 단열층 사이에 위치한다.
제1 단열층은 섬유강화수지 복합판으로, 강도가 높아, 고온에서 변형되지 않고, 파손되지 않는 등의 장점이 있으며, 제2 단열층을 2개의 제1 단열층 사이에 설치하여, “샌드위치” 구조를 형성함으로써, 제1 단열층은 배터리 셀에 의해 압착 변형되지 않도록 제2 단열층을 보호하여, 제2 단열층이 단열효과를 더 우수하게 발휘하도록 하고, 단열판이 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킬 수 있도록 한다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향에서 2개의 상기 제1 단열층의 단부는 서로 연결된다.
2개의 제1 단열층의 단부는 서로 연결되어, 제2 단열층을 2개의 제1 단열층 사이에 패키징하여, 배터리 셀에 의해 압착 변형되지 않도록 제2 단열층을 보호한다. 또한, 2개의 제1 단열층의 단부는 서로 연결되어, 외부 제1 단열층의 구조적 강도를 향상시킨다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 제2 방향에서, 2개의 상기 제1 단열층은 단부를 제외한 다른 위치 중 적어도 하나의 위치에서 서로 연결된다.
2개의 제1 단열층 사이에는 여러 곳이 서로 연결되어, 제1 단열층의 구조적 강도를 향상시키고, 2개의 제1 단열층 사이에 설치된 제2 단열층을 더 우수하게 지지하여, 제2 단열층이 배터리 셀에 의해 압착 변형되지 않도록 한다.
하나의 가능한 실시형태에서, 2개의 상기 제1 단열층의 연결 위치는, 상기 제2 방향에서 균일하게 분포된다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 제1 방향에서 상기 단열판의 크기(L1)는 0.2 mm~5 mm이다.
제1 방향에서 단열판의 크기(L1)가 너무 작을 경우, 단열판의 단열효과가 떨어지고 단열판의 강도가 비교적 낮아, 양쪽의 배터리 셀에 의해 쉽게 압착 변형되어, 단열효과가 떨어지며; 제1 방향에서 단열판의 크기(L1)가 너무 클 경우, 배터리 내에서 과도한 공간을 차지하여, 배터리의 에너지 밀도를 감소시킨다. 따라서, 제1 방향에서 단열판의 크기(L1)를 0.2 mm~5 mm로 설정하면, 단열판의 비교적 높은 강도와 우수한 단열효과를 보장함과 동시에, 배터리의 비교적 높은 에너지 밀도를 보장한다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 제1 방향에서 상기 단열판의 크기(L1)는 3 mm이다.
제1 방향에서 단열판의 크기(L1)를 3 mm로 설정하면, 단열판은 고강도를 가져, 쉽게 압착 변형되지 않고, 고온에서도 변형되지 않아, 단열효과가 우수하고, 배터리의 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킴과 동시에, 배터리 내에서 과도한 공간을 차지하지 않아, 배터리의 비교적 높은 에너지 밀도를 보장할 수 있다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 제1 방향에서 상기 단열판의 크기(L1)와 상기 배터리 셀의 에너지(Q)는, 2*10-3 mm/Wh≤L1/Q≤10-2 mm/Wh를 충족시킨다.
제1 방향에서 단열판의 크기(L1)와 배터리 셀의 에너지(Q)의 비율이 너무 작을 경우, 즉 제1 방향에서 배터리 셀의 단위 에너지에 대응하는 단열판의 크기(L1)가 너무 작을 경우, 단열판의 단열효과가 비교적 떨어지며; 배터리 셀의 에너지(Q)가 일정할 때, L1/Q가 클수록, 즉 L1이 클수록, 배터리 내에서 과도한 공간을 차지하여, 배터리의 에너지 밀도를 감소시킨다. 따라서, 제1 방향에서 단열판의 크기(L1)와 배터리 셀의 에너지(Q)의 비율이 2*10-3 mm/Wh≤L1/Q≤10-2 mm/Wh를 충족시키도록 설정하면, 단열판의 우수한 단열효과를 보장함과 동시에, 배터리의 비교적 높은 에너지 밀도를 보장한다.
하나의 가능한 실시형태에서, L1/Q는 8*10-3 mm/Wh이다.
제1 방향에서 단열판의 크기(L1)와 배터리 셀의 에너지(Q)의 비율을 8*10-3 mm/Wh로 설정하면, 단열판은 우수한 단열효과를 가져, 배터리의 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킴과 동시에, 배터리 내에서 과도한 공간을 차지하지 않아, 배터리의 비교적 높은 에너지 밀도를 보장할 수 있다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 제1 방향에서 상기 제2 단열층의 크기(L2)와 상기 제1 방향에서 상기 단열판의 크기(L1)는, 0.2≤L2/L1≤0.6을 충족시킨다.
L2가 L1보다 훨씬 작을 경우, 즉 L2/L1이 너무 작을 경우, 제2 단열층은 제1 단열층보다 얇아, 제2 단열층이 발휘하는 단열효과가 비교적 떨어지며; L2/L1이 너무 클 경우, 제2 단열층은 제1 단열층보다 두꺼워, 즉, 제2 단열층이 단열판의 대부분을 차지하여, 단열판의 강도가 비교적 낮아, 배터리 셀에 의해 쉽게 압착 변형되어, 단열효과에 영향을 미치므로, 0.2≤L2/L1≤0.6으로 설정하면, 단열판의 단열효과를 보장하고, 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 제1 방향에서 상기 제1 단열층의 크기(L3)는 1 mm이고, 상기 제1 방향에서 상기 제2 단열층의 크기(L2)는 1 mm이다.
이와 같이, 제1 방향에서 1개의 제1 단열층과 2개의 제2 단열층의 조립으로 형성된 단열판의 총 크기는 3 mm로, 단열판의 고강도와, 쉽게 변형되지 않고 우수한 단열효과를 보장하는 한편, 배터리 내에서 단열판이 과도한 공간을 차지하지 않도록 보장하여, 배터리의 비교적 높은 에너지 밀도를 보장한다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 제2 단열층은 에어로젤 펠트이다.
에어로젤 펠트는 경량, 쉬운 절단, 저밀도, 무기 화재 방지, 전반적인 소수성 및 친환경 등의 특성을 가지고 있으며, 에어로젤 펠트의 단열효과는 종래의 단열재의 2-5배이다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 제2 단열층은 공기 샌드위치층이다.
이 경우, 2개의 제1 단열층 사이에 공간이 형성되는데, 이러한 구조의 단열판은 일정한 구조적 강도를 가져, 쉽게 압착 변형되지 않고, 고온에서도 쉽게 변형되지 않을 뿐만 아니라, 일정한 단열효과를 더 가져, 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 제1 단열층은 다층 섬유강화수지층을 포함하고, 상기 섬유강화수지층은 섬유 재료와 수지 재료가 복합되어 형성된다.
섬유강화수지 복합재료는 경량, 고강도, 고강성 및 내열의 특성을 가지고 있으며, 다층 섬유강화수지층이 제1 단열층을 형성하므로, 제1 단열층은 고강도 및 내열의 특성을 가져, 단열판이 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소하거나 방지하도록 보장한다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 수지 재료는 실리콘계 에어로젤 변성수지 또는 내열 난연성 수지이다.
실리콘계 에어로젤 변성수지는 열전도율이 낮은 특성을 가지고, 내열 난연성 수지는 내열성이 높고 및 열전도율이 낮은 특성을 가지며, 일반 수지 재료에 비해 실리콘계 에어로젤 변성수지 및 내열 난연성 수지는 섬유 재료와 복합되어, 섬유강화수지 복합재료를 형성하면, 더 우수한 내열 및 고강도의 특성을 가지며, 섬유강화수지 복합재료로 형성된 제1 단열층은 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 섬유 재료는 유리 섬유, 세라믹 섬유, 탄소 섬유, 석영 섬유, 고실리카 섬유, 규산알루미늄 섬유, 멀라이트 섬유, 탄화규소 섬유, 질화규소 섬유, 산화알루미늄 섬유, 질화붕소 섬유, 현무암 섬유, 브루사이트 섬유, 아타풀자이트 섬유, 붕소 섬유, 탄소나노튜브 섬유, 아라미드 섬유, 폴리이미드 섬유 및 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 등 섬유 중 적어도 하나이다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 섬유 재료는 세라믹 섬유 재료이다.
세라믹 섬유 재료는 다른 섬유 재료보다 더 우월한 내열성을 가지며, 세라믹 섬유 재료와 수지 재료를 복합하여 형성된 재료는 더 우수한 내열 및 고강도 특성을 가지며, 상기 복합재료로 형성된 제1 단열층은 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
하나의 가능한 실시형태에서, 상기 세라믹 섬유 재료는 산화규소 또는 산화알루미늄이다.
산화규소 또는 산화알루미늄을 사용한 세라믹 섬유 재료와 수지 재료를 복합하여 제조된 제1 단열층은, 내열성이 가장 우수하다.
제2 양태에 따르면, 전기 장치를 제공하고, 상기 전기 창치는, 상기 제1 양태 또는 제1 양태의 임의의 가능한 구현 방식의 배터리를 포함하되, 상기 배터리는 전기 에너지를 공급하기 위해 사용된다.
본 출원의 실시예에 따른 기술적 해결수단에서, 인접한 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 사이에 단열판을 설치하여, 배터리 내의 일부 배터리 셀에서 열폭주가 발생할 경우, 상기 단열판은 열폭주가 발생한 배터리 셀이 인접한 배터리 셀로 열을 전달할 위험을 감소시켜, 배터리 내 열폭주 확산 위험을 감소시킬 수 있다. 종래 기술에서는 에어로젤 펠트 또는 구조적 강도를 갖지 않는 다른 판재를 단열판으로 사용하였는데, 에어로젤 펠트 또는 구조적 강도를 갖지 않는 다른 판재는 배터리 셀 사이에서 압착을 받을 때 변형되어, 두께가 얇아지고, 단열효과도 크게 감소한다. 본 출원 방안에 따른 단열판은 고분자 매트릭스 복합 섬유판인 제1 단열층을 포함하고, 고분자 매트릭스 복합 섬유판은 내열 및 고강도의 경질 보호판재로, 고온에서도 쉽게 변형되지 않으며, 배터리 셀 사이에 설치하면, 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시켜, 배터리의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 실시예에 따른 기술적 해결수단을 더 명확하게 설명하기 위하여, 아래에서는 본 출원의 실시예에 사용되어야 할 도면들을 간단하게 소개하기로 하며, 하기 설명에서의 도면들은 단지 본 출원의 일부 실시예들인 것으로, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 있어서, 창조적 노동을 하지 않는다는 전제 하에, 이러한 도면들에 의해 기타 도면들을 더 얻을 수 있음은 자명한 것이다.
도 1은 본 출원의 일 실시예에 개시된 차량의 구조 모식도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시예에 개시된 배터리의 분해 구조 모식도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시예에 개시된 배터리 셀의 분해 구조 모식도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시예에 개시된 배터리의 분해 구조 개략도이다.
도 5는 본 출원의 일 실시예에 개시된 배터리의 부분 구조 개략도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시예에 개시된 배터리 셀 및 단열판의 단면도이다.
도 7은 본 출원의 일 실시예에 개시된 배터리 셀 및 단열판의 단면도이다.
도 8은 본 출원의 일 실시예에 개시된 단열판의 분해 구조 개략도이다.
도 9는 본 출원의 일 실시예에 개시된 단열판의 분해 구조 개략도이다.
도 10은 본 출원의 일 실시예에 개시된 배터리 셀 및 단열판의 단면도이다.
도 11은 본 출원의 일 실시예에 개시된 배터리 셀 및 단열판의 단면도이다.
도 12는 본 출원의 일 실시예에 개시된 섬유강화수지층의 구조 개략도이다.
이하 도면 및 실시예에 결부하여 본 출원의 실시 형태를 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 이하 실시예의 상세한 설명 및 도면은 본 출원의 원리를 예시적으로 설명하고자 하는 것이나, 본 출원의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니며, 즉, 본 출원은 설명한 실시예에 한정되지 않는다.
본 출원의 설명에서, 달리 명시되지 않는 한, “복수”의 의미는 둘 이상임에 유의해야 한다. 용어 "위”, “아래”, “왼쪽”, “오른쪽”, “내부” 또는 "외부” 등으로 표시된 방향 또는 위치 관계는 단지 본 출원을 설명하고 설명을 단순화하기 위한 것이며, 언급된 장치 또는 소자가 특정 방향을 가져야 하고 특정 방향으로 구성 및 작동해야 함을 나타내거나 암시하는 것이 아니며, 따라서 본 출원을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한 "제1", “제2", “제3" 등의 용어는 설명의 목적으로만 사용되며 상대적인 중요성을 나타내거나 암시하는 것으로 이해되어서는 안 된다. “수직”은 엄격한 의미의 수직이 아니라 오차 허용 범위 내의 수직이다. “평행”은 엄격한 의미의 평형이 아니라 오류 허용 범위 내의 평형이다.
이하 설명에서 언급되는 방위 용어는 모두 도면에서 보여주는 방향이고, 본 출원의 구체적인 구조를 한정하고자 하는 것이 아니다. 더 설명해야 할 부분으로는, 본 출원의 설명에 있어서, 달리 명시적으로 지정되고 한정되지 않는 한, 용어 "장착”, “서로 연결”, “연결”은 넓은 의미로 이해되어야 하며, 예를 들어, 고정 연결일 수 있고, 탈착 가능한 연결일 수도 있거나, 일체로 연결되며; 직접적으로 연결될 수 있고, 중간 매체를 통해 간접적으로 연결될 수도 있다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 구체적인 상황에 따라 본 출원에서의 상술한 용어의 구체적인 의미를 이해할 수 있다.
본 출원의 실시예에서, 동일한 도면 부호는 동일한 부재를 표시하며, 간결성을 위해, 서로 다른 실시예에서, 동일한 부재에 대해 상세하게 설명하지 않기로 한다. 이해해야 할 것은, 도면에 도시된 본 출원의 실시예의 각 부재의 두께, 길이와 폭 등 사이즈, 및 집적 장치의 전체 두께, 길이와 폭 등 사이즈는 예시적 설명일 뿐이고, 본 출원에 대한 어떠한 한정으로도 구성되지 않아야 한다.
본 출원에서, 배터리 셀은 리튬 이온 2차 배터리, 리튬 이온 1차 배터리, 리튬-황 배터리, 나트륨-리튬 이온 배터리, 나트륨 이온 배터리 또는 마그네슘 이온 배터리 등을 포함할 수 있으며, 본 출원의 실시예는 이에 대해 한정하지 않는다. 배터리 셀은 원기둥체, 편평체, 직육면체 또는 다른 형상 등으로 이루어질 수 있으며, 본 출원의 실시예는 이에 대해서도 한정하지 않는다. 배터리 셀은 일반적으로 패키징 방식에 따라, 원통형 배터리 셀, 각형 배터리 셀 및 소프트 팩 배터리 셀로 구분되고, 본 출원의 실시예는 이에 대해 한정하지 않는다.
본 출원의 실시예에서 언급된 배터리는 더 높은 전압과 용량을 제공하기 위한 하나 또는 복수의 배터리 셀을 포함하는 단일한 물리적 모듈을 의미한다. 예를 들어, 본 출원에서 언급한 배터리는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 등을 포함할 수 있다. 배터리는 일반적으로 하나 또는 다수의 배터리 셀을 패킹하기 위한 케이스를 포함한다. 케이스는 액체 또는 기타 이물질이 배터리 셀의 충전 또는 방전에 영향주는 것을 방지할 수 있다.
배터리 셀은 전극 어셈블리와 전해액을 포함하고, 전극 어셈블리는 양극 극판, 음극 극판 및 분리막으로 구성된다. 배터리 셀은 주로 양극 극판과 음극 극판 사이에서 금속 이온의 이동에 의해 작동된다. 양극 극판은 양극 집전체 및 양극 활물질층을 포함하고, 양극 활물질층은 양극 집전체의 표면에 도포되며, 양극 활물질층이 도포되지 않은 양극 집전체는 양극 활물질층이 도포된 양극 집전체보다 돌출되고, 양극 활물질층이 도포되지 않은 양극 집전체를 양극 탭으로 사용한다. 리튬 이온 배터리를 예로 들면, 양극 집전체의 재질은 알루미늄일 수 있고, 양극 활물질은 코발트산 리튬, 인산철 리튬, 삼원 리튬 또는 망간산 리튬 등일 수 있다. 음극 극판은 음극 집전체 및 음극 활물질층을 포함하고, 음극 활물질층은 음극 집전체의 표면에 도포되며, 음극 활물질층이 도포되지 않은 음극 집전체는 음극 활물질층이 코팅된 음극 집전체보다 돌출되고, 음극 활물질층이 도포되지 않은 음극 집전체를 음극 탭으로 사용한다. 음극 집전체의 재질은 구리일 수 있고, 음극 활물질은 탄소 또는 규소 등일 수 있다. 퓨즈 없이 큰 전류가 흐를 수 있도록, 양극 탭은 여러 개 적층되며, 음극 탭이 여러 개 적층된다. 분리막의 재질은 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 또는 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 등일 수 있다. 또한, 전극 어셈블리는 와인딩 구조일 수 있고, 라미네이션 구조일 수도 있으며, 본 출원의 실시예는 이에 한정되지 않는다.
다양한 전력 수요를 충족시키기 위해, 배터리는 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있고, 여기서, 복수의 배터리 셀 사이는 직렬 연결 또는 병렬 연결 또는 혼합 연결될 수 있으며, 혼합 연결은 직렬 연결 및 병렬 연결의 혼합을 의미한다. 선택적으로, 복수의 배터리 셀은 먼저 직렬 연결 또는 병렬 연결 또는 혼합 연결되어 배터리 모듈을 구성하고, 복수의 배터리 모듈이 다시 직렬 연결 또는 병렬 연결 또는 혼합 연결되어 배터리를 구성한다. 다시 말해서, 복수의 배터리 셀은 직접 배터리를 구성할 수 있고, 먼저 배터리 모듈을 구성한 후 배터리 모듈이 다시 배터리를 구성할 수도 있다. 배터리는 추가로 전기 장치에 설치되어, 전기 장치에 전기 에너지를 공급한다.
현재, 시장 형세의 발전으로 보면, 동력 배터리의 응용이 갈수록 광범위해지고 있다. 동력 배터리는 수력, 화력, 풍력 및 태양광 발전소 등 에너지 저장 전원 시스템에 응용될 뿐만 아니라 전기 자전거, 전기 오토바이, 전기 자동차 등 전기 교통수단 및 군사 장비와 항공 우주 등 다양한 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 동력 배터리가 응용되고 있는 분야가 끊임없이 확장됨에 따라, 시장 수요도 끊임없이 늘어나고 있다.
배터리 기술의 발전에서, 배터리의 성능 향상 외에, 배터리의 열폭주 문제도 무시할 수 없는 문제이다. 배터리 사용 과정에서, 배터리의 열폭주 위험은 아주 높고, 열폭주의 확산은 아주 큰 안전상의 위험을 초래할 수 있으므로, 어떻게 배터리 내 열폭주 확산 위험을 감소시킬 것인가가 연구자들의 관심의 중점이 되었다.
이를 감안하여, 본 출원의 실시예는, 인접한 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 사이에 단열판을 설치하여, 배터리 중의 일부 배터리 셀에서 열폭주가 발생할 경우, 상기 단열판은 열폭주가 발생한 배터리 셀이 인접한 배터리 셀로 열을 전달할 위험을 감소시켜, 배터리 내 열폭주 확산 위험을 감소시킬 수 있는 기술적 해결수단을 제공한다. 본 출원 방안에 따른 단열판은 고분자 매트릭스 복합 섬유판인 제1 단열층을 포함하고, 고분자 매트릭스 복합 섬유판은 내열 및 고강도의 경질 보호판재로, 고온에서도 쉽게 변형되지 않으며, 배터리 셀 사이에 설치하면, 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시켜, 배터리의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 실시예에서 설명되는 기술적 해결수단은 모두 배터리를 사용하는 다양한 장치, 예를 들어, 휴대폰, 휴대용 기기, 노트북, 배터리 자동차, 전동 장난감, 전동 공구 및 전기 자동차, 선박 및 항공기 등에 적용되며, 예를 들어, 항공기는, 비행기, 로켓, 우주 왕복선 및 우주선 등을 포함한다.
이해해야 할 것은, 본 출원의 실시예가 설명하는 기술적 해결수단은 상술한 장치에 한정되지 않고 배터리를 사용하는 모든 장치에 적용될 수 있으나, 간결한 설명을 위해, 이하의 실시예는 모두 전기 자동차를 예시로 설명을 진행한다.
예를 들어, 도 1에서 도시한 바와 같이, 도 1은 본 출원의 일 실시예의 차량(1)의 구조 모식도이고, 차량(1)은 연료 자동차, 가스 자동차 또는 신에너지 자동차일 수 있으며, 신에너지 자동차는 순수 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 주행거리 연장형 자동차 등일 수 있다. 차량(1)의 내부에는 모터(40), 제어기(30) 및 배터리(10)가 설치될 수 있고, 제어기(30)는 배터리(10)가 모터(40)에 전력을 제공하도록 제어한다. 예를 들어, 차량(1)의 하부 또는 전면 또는 후면에 배터리(10)를 설치할 수 있다. 배터리(10)는 차량(1)의 전력 공급에 사용될 수 있고, 예를 들어, 차량(1)의 시동, 네비게이션 및 운행 시의 작동 전력 요구와 같은, 차량(1)의 회로 시스템에 대한 동작 전원으로 사용될 수 있다. 본 출원의 다른 실시예에 있어서, 배터리(10)는 차량(1)의 동작 전원으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 차량(1)의 구동 전원으로 사용될 수도 있으며, 가솔린 또는 천연가스를 대체하거나 또는 부분적으로 대체하여 차량(1)에 구동 동력을 제공할 수 있다.
다양한 사용 전력 수요를 만족시키기 위해, 배터리(10)는 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 이는 본 출원의 일 실시예의 배터리(10)의 구조 모식도이고, 배터리(10)는 복수의 배터리 셀(20)을 포함할 수 있다. 배터리(10)는 박스 바디 본체(11)를 포함할 수도 있으며, 박스 바디 본체(11)의 내부는 중공의 구조이며, 복수의 배터리 셀(20)이 박스 바디 본체(11) 내부에 수용된다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀(20)은 서로 병렬 연결 또는 직렬 연결 또는 혼합 연결되어 조합된 후 박스 바디 본체(11) 내에 배치된다.
선택적으로, 배터리(10)는 다른 구조물을 더 포함할 수 있으나, 여기서 더 이상 상세한 설명은 생략한다. 예를 들어, 상기 배터리(10)는 버스 부재를 더 포함할 수 있고, 상기 버스 부재는 복수의 배터리 셀들(20) 사이의 병렬 연결 또는 직렬 연결 또는 혼합 연결과 같은 전기적 연결을 구현하기 위해 사용된다. 구체적으로, 상기 버스 부재는 배터리 셀(20)의 전극 단자들을 연결시킴으로써 배터리 셀(20)들 사이의 전기적 연결을 구현할 수 있다. 나아가, 상기 버스 부재는 용접에 의해 배터리 셀(20)의 전극 단자에 고정될 수 있다. 복수의 배터리 셀(20)의 전기 에너지는 전도성 기구를 통해 박스 바디 본체를 통과하여 추가로 유도될 수 있다. 선택적으로, 전도성 기구도 버스 부재에 속할 수 있다.
다양한 전력 수요에 따라, 배터리 셀(20)의 수량은 임의의 수로 설정될 수 있다. 복수의 배터리 셀(20)은 직렬 연결, 병렬 연결 또는 혼합 연결 방식으로 연결되어 큰 용량 또는 전력을 구현할 수 있다. 각각의 배터리(10)에 포함된 배터리 셀(20)의 수량이 많을 수 있으므로, 설치에 편리하도록, 배터리 셀(20)을 그룹화하여 설치할 수 있으며, 각 그룹의 배터리 셀(20)은 배터리 모듈을 구성한다. 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀(20)의 수량은 제한되지 않으며, 수요에 따라 설정할 수 있다. 배터리는 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있고, 이러한 배터리 모듈은 직렬 연결, 병렬 연결 또는 혼합 연결의 형태를 통해 연결될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 출원의 일 실시예에 따른 배터리 셀(20)의 구조 모식도이고, 배터리 셀(20)은 하나 이상의 전극 어셈블리(22), 케이스(211) 및 커버 플레이트(212)를 포함한다. 케이스(211) 및 커버 플레이트(212)는 케이스 바디 또는 배터리 박스(21)를 형성한다. 케이스(211)의 벽 및 커버 플레이트(212)는 모두 배터리 셀(20)의 벽으로 칭하고, 여기서 직육면체 형상의 배터리 셀(20)에 있어서, 케이스(211)의 벽은 바닥벽 및 네 개의 측벽을 포함한다. 케이스(211)은 하나 이상의 전극 어셈블리(22) 조합 후의 형상에 따라 결정되고, 예를 들어, 케이스(211)은 중공의 직육면체 또는 정육면체 또는 원기둥체일 수 있고, 케이스(211)의 한 쪽 면에 개구부를 구비하여, 하나 이상의 전극 어셈블리(22)를 케이스(211) 내에 안착시킬 수 있다. 예를 들어, 케이스(211)이 중공의 직육면체 또는 정육면체인 경우, 케이스(211)의 한 평면은 개구면이고, 즉 해당 평면은 벽체를 구비하지 않아 케이스(211) 내부와 외부가 서로 통한다. 케이스(211)이 중공의 원기둥체인 경우, 케이스(211)의 단면은 개구면이고, 즉 해당 단면은 벽체를 구비하지 않아 케이스(211) 내부와 외부가 서로 통한다. 커버 플레이트(212)는 개구부를 커버하되 케이스(211)에 연결되어, 전극 어셈블리(22)가 안착되는 밀폐된 캐비티를 형성한다. 케이스(211) 내에 전해액과 같은 전해질이 충진되어 있다.
해당 배터리 셀(20)은 두개의 전극 단자(214)를 더 포함할 수 있고, 상기 두개의 전극 단자(214)는 커버 플레이트(212)에 마련될 수 있다. 커버 플레이트(212)는 통상적으로 평평한 판 형상이고, 두개의 전극 단자(214)는 커버 플레이트(212)의 평평한 표면에 고정되며, 두개의 전극 단자(214)는 각각 양극 단자(214a) 및 음극 단자(214b)이다. 각 전극 단자(214)에 각각 대응하는 하나의 연결부재(23)가 구비되고, 이는 집전 부재(23)로 칭할 수도 있으며, 커버 플레이트(212)와 전극 어셈블리(22) 사이에 위치하여, 전극 어셈블리(22) 및 전극 단자(214)의 전기적으로 연결하는 데 사용된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 전극 어셈블리(22)는 제1 탭(221a) 및 제2 탭(222a)을 구비한다. 제1 탭(221a) 및 제2 탭(222a)의 극성은 반대된다. 예를 들어, 제1 탭(221a)이 양극탭인 경우, 제2 탭(222a)은 음극탭이다. 하나 이상의 전극 어셈블리(22)의 제1 탭(221a)은 하나의 연결부재(23)를 통해 하나의 전극 단자에 연결되고, 하나 이상의 전극 어셈블리(22)의 제2 탭(222a)은 다른 연결부재(23)를 통해 다른 전극 단자에 연결된다. 예를 들어, 양극 단자(214a)는 하나의 연결부재(23)를 통해 양극탭에 연결되고, 음극 단자(214b)는 다른 연결부재(23)를 통해 음극탭에 연결된다.
해당 배터리 셀(20)에서, 실제 사용 수요에 따라, 전극 어셈블리(22)는 하나 또는 복수로 설치될 수 있고, 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(20) 내에 4 개의 독립적인 전극 어셈블리(22)가 설치된다.
배터리 셀(20)에 압력 완화 기구(213)를 더 설치할 수 있다. 압력 완화 기구(213)는 배터리 셀(20)의 내부 압력 또는 온도가 임계값에 도달할 경우 내부 압력 또는 온도를 완화하도록 작동된다.
압력 완화 기구(213)는 각종 가능한 감압 구조일 수 있고, 본 출원의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 압력 완화 기구(213)는 감온형 압력 완화 기구일 수 있고, 상기 감온형 압력 완화 기구는 압력 완화 기구(213)가 설치되어 있는 배터리 셀(20)의 내부 온도가 임계값에 도달할 경우 융해될 수 있도록 구성되고; 및/또는, 압력 완화 기구(213)는 감압형 압력 완화 기구일 수 있고, 상기 감압형 압력 완화 기구는 압력 완화 기구(213)가 설치되어 있는 배터리 셀(20)의 내부 기압이 임계값에 도달할 경우 파열될 수 있도록 구성된다.
도 4는 본 출원의 일 실시예의 배터리(10)의 구조 모식도를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리(10)는, 제1 방향(x)으로 배열된 인접한 제1 배터리 셀(21)과 제2 배터리 셀(22)을 포함하는 복수의 배터리 셀(20)을 포함하고, 배터리(10)는, 제1 배터리 셀(21)과 제2 배터리 셀(22) 사이에 설치되고, 고분자 매트릭스 복합 섬유판인 제1 단열층(1011)을 포함하는 단열판(101)을 더 포함한다.
고분자 매트릭스 복합 섬유판은 고분자 재료를 매트릭스로, 섬유를 강화제로 복합하여 형성된 것으로, 내열, 고강도, 쉽게 변형되지 않는 등의 장점이 있다.
제1 배터리 셀(21)과 제2 배터리 셀(22) 사이에 단열판(101)을 설치하여, 배터리(10) 내의 일부 배터리 셀(20)에서 열폭주가 발생할 경우, 상기 단열판(101)은 열폭주가 발생한 배터리 셀(20)이 인접한 배터리 셀(20)로 열을 전달할 위험을 감소시켜, 열폭주 확산 위험을 감소시킬 수 있다. 단열판(101)은 고분자 매트릭스 복합 섬유판인 제1 단열층(1011)을 포함하고, 고분자 매트릭스 복합 섬유판은 배터리 셀(20) 사이에 설치되어, 배터리(10) 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시켜, 배터리(10)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 고분자 매트릭스 복합 섬유판은 섬유강화수지 복합판이다.
섬유강화수지 복합판은 고강도의 내열 단열판재로, 1500℃의 고온을 견딜 수 있고, 동시에 압착을 받을 때, 판재가 파쇄되지 않고, 100 MPa의 응력을 견딜 수 있으며, 열전도계수는 0.2 W/(K·m)~1 W/(K·m)이다.
고분자 재료 중의 수지를 매트릭스로 하여 섬유강화수지 복합판을 보호판으로 제조하는데, 다른 고분자 재료 매트릭스에 비해, 섬유강화수지 복합판은 내열성이 비교적 우수하고, 더 높은 강도를 가져, 쉽게 변형되지 않는다.
본 출원의 실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 단열판(101)은 제1 배터리 셀(21)의 제1 벽(211)과 제2 배터리 셀(22)의 제2 벽(221) 사이에 설치되며, 제1 벽(211)은 제1 배터리 셀(21)에서 표면적이 가장 큰 벽이고, 제2 벽(221)은 제2 배터리 셀(22)에서 표면적이 가장 큰 벽이다.
단열판(101)은 인접한 2개의 배터리 셀(20)의 표면적이 가장 큰 벽 사이에 설치되어, 배터리 셀(20)의 열폭주 확산을 방지하는 단열판(101)의 범위가 더 넓어져, 배터리(10) 내 열폭주 확산 위험을 감소시키는 데 더 유리하다.
단열판(101)은 또한 인접한 2개의 배터리 셀(20)의 다른 벽 사이에 설치될 수 있으며, 하나의 배터리 셀(20)의 주위에 모두 인접한 배터리 셀(20)이 있으면, 4개의 측벽에 모두 측벽과 대향하는 단열판(101)을 설치할 수 있고, 배터리(10) 내의 배터리 셀(20)의 배열 상황과 공간 수요에 따라 설치할 수도 있음을 이해해야 하며, 본 출원은 이에 대해 한정하지 않는다.
본 출원의 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 단열판(101)은, 제1 방향(x)으로 배열되는 제2 단열층(1012) 및 2개의 제1 단열층(1011)을 포함하고, 제2 단열층(1012)은 상기 2개의 제1 단열층(1011) 사이에 위치한다.
제1 단열층(1011)은 섬유강화수지 복합판으로, 강도가 높고, 고온에서 변형되지 않고, 파손되지 않는 등의 장점이 있으며, 제2 단열층(1012)을 2개의 제1 단열층(1011) 사이에 설치하여, “샌드위치” 구조를 형성함으로써, 제1 단열층(1011)은 배터리 셀(20)에 의해 압착 변형되지 않도록 제2 단열층(1012)을 보호하여, 제2 단열층(1012)이 단열효과를 더 우수하게 발휘하도록 하고, 단열판(101)이 배터리(10) 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킬 수 있도록 한다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 방향(x)에 수직인 제 2 방향(y)에서 2개의 제1 단열층(1011)의 단부는 서로 연결되고, 도 7의 (a)에는 하나의 개략적인 방향만을 나타내지만, 제 2 방향(y)은 이에 한정되지 않는다.
2개의 제1 단열층(1011)의 단부는 서로 연결되어, 제2 단열층(1012)을 2개의 제1 단열층(1011) 사이에 패키징하여, 배터리 셀(20)에 의해 압착 변형되지 않도록 제2 단열층(1012)을 보호한다. 또한, 2개의 제1 단열층(1011)의 단부는 서로 연결되어, 외부 제1 단열층(1011)의 구조적 강도를 향상시킨다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 방향(y)에서, 2개의 제1 단열층(1011)은 단부를 제외한 다른 위치 중 적어도 하나의 위치에서 서로 연결된다.
본 출원의 실시예에서, 제3 방향에서, 2개의 제1 단열층(1011)은 또한 단부를 제외한 다른 위치에서 서로 연결될 수 있고, 적어도 하나의 위치에서 서로 연결될 수 있으며, 제3 방향은 제1 방향(x) 및 제2 방향(y)에 수직임을 이해해야 한다.
2개의 제1 단열층(1011) 사이에는 여러 곳이 서로 연결되어, 제1 단열층(1011)의 구조적 강도를 향상시키고, 2개의 제1 단열층(1011) 사이에 설치된 제2 단열층(1012)을 더 우수하게 지지하여, 제2 단열층(1012)이 배터리 셀(20)에 의해 압착 변형되지 않도록 한다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 도 7의 (b)를 계속 참조하면, 2개의 제1 단열층(1011)의 연결 위치는, 제2 방향(y)에서 균일하게 분포된다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 제3 방향(z)에서 2개의 제1 단열층(1011)의 단부는 서로 연결된다.
구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 단열층은 주위가 볼록하고, 중앙부위가 오목한 구조로, 제2 방향(y)에서 2개의 제1 단열층(1011)의 단부는 서로 연결되고, 제3 방향(z)에서 2개의 제1 단열층(1011)의 단부도 서로 연결된다. 즉, 2개의 제1 단열층(1011)의 4개의 단부는 각각 연결되어, 밀폐된 캐비티를 형성한다. 제2 단열층(1012)을 상기 캐비티에 설치하면, 즉 제2 단열층(1012)이 제1 단열층(1011)에 의해 완전히 감싸지면, 외부와 차단되어, 제2 단열층(1012)이 압착되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 2개의 제1 단열층(1011)과 1개의 제 2 단열층(1012)은 제 2 방향(y)으로 배열되고, 제 2 단열층(1012)은 2개의 제1 단열층(1011) 사이에 위치하며, 제 3 방향(z)에서 2개의 제1 단열층(1011)의 단부는 서로 연결된다.
구체적으로, 2개의 제1 단열층(1011)은 제2 방향(y)으로 배열되고, 제3 방향(z)에서 2개의 제1 단열층(1011)의 단부는 서로 연결되며, 이렇게, 2개의 제1 단열층(1011)은 "口"자형으로 둘러싸고, 제2 단열층(1012)은 2개의 제1 단열층(1011) 사이에 위치하며, 즉 제2 방향(y)과 제3 방향(z)에서 제2 단열층(1012)은 모두 2개의 제1 단열층(1011)에 의해 둘러싸여 있으며, 이 경우, 배터리 셀(20)이 제1 단열층(1011)과 제2 단열층(1012)을 압착할 때, 제1 단열층(1011)은 강도가 높아, 쉽게 변형되지 않고, 제1 방향(x)에서 크기가 기본적으로 변하지 않기 때문에, 인접한 2개의 배터리 셀(20)은 중앙의 제2 단열층(1012)에 가까이 하기 어려워, 제2 단열층(1012)을 압착하지 않아, 제2 단열층(1012)이 단열효과를 효과적으로 발휘할 수 있도록 보장한다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 2개의 제1 단열층(1011)은 일체로 성형되어 "口"자형 구조를 형성할 수 있으며, 본 출원은 이에 대해 한정하지 않는다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 제 3 방향(z)에서, 2개의 제1 단열층(1011)은 단부를 제외한 다른 위치 중 적어도 하나의 위치에서 서로 연결된다.
제2 방향(y)에서, 2개의 제1 단열층(1011)은 또한 단부를 제외한 다른 위치에서 서로 연결될 수 있고, 적어도 하나의 위치에서 연결될 수 있음을 이해해야 한다.
2개의 제1 단열층(1011) 사이에는 여러 곳이 서로 연결되어, 제1 단열층(1011)의 구조적 강도를 향상시키고, 2개의 제1 단열층(1011) 사이에 설치된 제2 단열층(1012)을 더 우수하게 지지하여, 제2 단열층(1012)이 배터리 셀(20)에 의해 압착 변형되지 않도록 한다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 2개의 제1 단열층(1011)의 연결 위치는, 제3 방향(z)에서 균일하게 분포되며; 또는, 2개의 제1 단열층(1011)의 연결 위치는, 제2 방향(y)에서 균일하게 분포된다.
본 출원의 실시예에서, 도 6, 도 7 및 도 9-11에 도시된 바와 같이, 제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)는 0.2 mm~5 mm이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 단열판(101)이 제1 단열층(1011)만을 포함하는 경우, 제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)는 바로 제1 방향(x)에서 제1 단열층(1011)의 크기(L3)이다.
제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)가 너무 작을 경우, 단열판(101)의 단열효과가 비교적 떨어지고, 단열판(101)의 강도가 비교적 낮아, 양측의 배터리 셀(20)에 의해 쉽게 압착 변형되어, 단열효과가 떨어지며; 제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)가 너무 클 경우, 배터리(10) 내에서 과도한 공간을 차지하여, 배터리(10)의 에너지 밀도를 감소시킨다. 따라서, 제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)를 0.2mm~5mm로 설정하면, 단열판(101)의 비교적 높은 강도와 우수한 단열효과를 보장함과 동시에, 배터리(10)의 비교적 높은 에너지 밀도를 보장한다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)는 3mm이다.
제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)를 3mm로 설정하면, 단열판(101)은 고강도를 가져, 쉽게 압착 변형되지 않고, 고온에서도 변형되지 않아, 단열효과가 우수하며, 배터리(10)의 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킴과 동시에, 배터리(10) 내에서 과도한 공간을 차지하지 않아, 배터리(10)의 비교적 높은 에너지 밀도를 보장할 수 있다.
본 출원의 실시예에서, 제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)와 배터리 셀(20)의 에너지(Q)는, 2*10-3 mm/Wh≤L1/Q≤10-2 mm/Wh를 충족시킨다.
배터리 셀의 에너지는 배터리 셀이 에너지를 저장하는 크기를 의미하며, 배터리 셀의 에너지는 배터리 셀의 성능을 측정하는 중요한 성능 지표 중 하나이다.
제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)와 배터리 셀(20)의 에너지(Q)의 비율이 너무 작을 경우, 즉 제1 방향(x)에서 배터리 셀(20)의 단위 에너지에 대응하는 단열판(101)의 크기(L1)가 너무 작을 경우, 단열판(101)의 단열효과가 비교적 떨어지며; 배터리 셀(20)의 에너지(Q)가 일정할 때, L1/Q가 클수록, 즉 L1이 클수록, 배터리(10) 내에서 과도한 공간을 차지하여, 배터리(10)의 에너지 밀도를 감소시킨다. 따라서, 제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)와 배터리 셀(20)의 에너지(Q)의 비율이 2*10-3 mm/Wh≤L1/Q≤10-2 mm/Wh를 충족시키도록 설정하면, 단열판(101)의 우수한 단열효과를 보장함과 동시에, 배터리(10)의 비교적 높은 에너지 밀도를 보장한다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, L1/Q는 8*10-3 mm/Wh이다.
제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)와 배터리 셀(20)의 에너지(Q)의 비율을 8*10-3 mm/Wh로 설정하면, 단열판(101)은 우수한 단열효과를 가져, 배터리(10)의 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킴과 동시에, 배터리(10) 내에서 과도한 공간을 차지하지 않아, 배터리(10)의 비교적 높은 에너지 밀도를 보장할 수 있다.
본 출원의 실시예에서, 제1 방향(x)에서 제2 단열층(1012)의 크기(L2)와 제1 방향(x)에서 단열판(101)의 크기(L1)는, 0.2≤L2/L1≤0.6을 충족시킨다.
L2가 L1보다 훨씬 작을 경우, 즉 L2/L1이 너무 작을 경우, 제2 단열층(1012)은 제1 단열층(1011)보다 얇아, 제2 단열층(1012)이 발휘하는 단열효과가 비교적 떨어지며; L2/L1이 너무 클 경우, 제2 단열층(1012)은 제1 단열층(1011)보다 두꺼워, 즉 제2 단열층(1012)이 단열판(101)의 대부분을 차지하여, 단열판(101)의 강도가 비교적 낮아, 배터리 셀(20)에 의해 쉽게 압착 변형되어, 단열효과에 영향을 미치므로, 0.2≤L2/L1≤0.6으로 설정함으로써, 단열판(101)의 단열효과를 보장하고, 배터리(10) 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 방향(x)에서 제1 단열층(1011)의 크기(L3)는 1 mm이고, 제1 방향(x)에서 제 2 단열층(1012)의 크기(L2)는 1 mm이다.
이렇게, 제1 방향(x)에서 1개의 제1 단열층(1011)과 2개의 제2 단열층(1012)의 조립으로 형성된 단열판(101)의 총 크기는 3 mm로, 단열판(101)의 고강도와, 쉽게 변형되지 않고 우수한 단열효과를 보장하는 한편, 배터리(10) 내에서 단열판(101)이 과도한 공간을 차지하지 않도록 보장하여, 배터리(10)의 비교적 높은 에너지 밀도를 보장한다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 제2 단열층(1012)은 에어로젤 펠트이다.
에어로젤 펠트는 경량, 쉬운 절단, 저밀도, 무기 화재 방지, 전반적인 소수성 및 친환경 등의 특성을 가지고 있으며, 에어로젤 펠트의 단열효과는 종래의 단열재의 2-5배이다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 제2 단열층(1012)은 공기 샌드위치층이다.
이 경우, 2개의 제1 단열층(1011) 사이에 캐비티가 형성되는데, 이러한 구조의 단열판(101)은 일정한 구조적 강도를 가져, 쉽게 압착 변형되지 않고, 고온에서도 쉽게 변형되지 않을 뿐만 아니라, 일정한 단열효과를 더 가져, 배터리(10) 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 제1 단열층(1011)은 다층 섬유강화수지층(1013)을 포함하고, 섬유강화수지층(1013)은 섬유 재료와 수지 재료를 복합하여 형성된다.
본 출원은 섬유 재료와 수지 재료 사이의 복합과정에 대해 어떠한 제한도 하지 않는다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 단일 섬유 재료층(1013a)을 수지 재료 슬러리에 침지하여, 수지 재료 슬러리가 단일 섬유 재료층(1013a)의 섬유 기공(1013b)에 충분히 침투되도록 한 다음, 60℃-120℃의 온도에서 3-30분 동안 베이킹하여, 섬유강화수지층(1013)을 제조할 수 있다. 1-20층의 섬유강화수지층(1013)을 적층하고, 0.1-10 Mpa의 압력조건, 100℃-200℃의 온도조건에서 열압착 성형하여, 제1 단열층(1011)을 제조한다.
본 출원은 또한 수지 재료 슬러리의 제조 방법에 대해 어떠한 제한도 하지 않는다. 예를 들어, 본 출원의 실시예에서, 수지 재료 슬러리는 (35-55): (15-34): (15-20): (1-3): (0.5-3): (1-3): (0.5-3)의 질량비의 수성 탄성 코팅, 수지 재료, 난연제, 분산제, 커플링제, 실리카 분말 및 단섬유로 구성될 수 있다.
본 출원의 실시예에서 섬유강화수지재는 암갈색 색상이고, 우수한 내산성, 기계적 물성, 내열성을 가진 재료로, 아주 높은 온도에서도, 구조적 무결성과 크기 안정성을 유지할 수 있어, 부식방지공정, 접착제 및 난연제에 널리 사용된다.
섬유강화수지 복합재료는 경량, 고강도, 고강성 및 내열의 특성을 가지고 있으며, 다층 섬유강화수지층이 제1 단열층(1011)을 형성하므로, 제1 단열층(1011)은 고강도 및 내열의 특성을 가져, 단열판(101)이 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시키도록 보장한다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 수지 재료는 실리콘계 에어로젤 변성수지 또는 내열 난연성 수지이다.
실리콘계 에어로젤 변성수지는 열전도율이 낮은 특성을 가지고, 내열 난연성 수지는 내열 및 열전도율이 낮은 특성을 가지며, 일반 수지 재료에 비해, 실리콘계 에어로젤 변성수지 및 내열 난연성 수지와 섬유 재료를 복합하여, 섬유강화수지 복합재료를 형성하면, 더 우수한 내열 및 고강도의 특성을 가지며, 섬유강화수지 복합재료로 형성된 제1 단열층(1011)은 배터리(10) 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 섬유 재료는 세라믹 섬유 재료이다.
구체적으로, 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 석영 섬유, 고실리카 섬유, 규산알루미늄 섬유, 멀라이트 섬유, 탄화규소 섬유, 질화규소 섬유, 산화알루미늄 섬유, 질화붕소 섬유, 현무암 섬유 및 브루사이트 섬유 등 섬유 중 하나일 수 있다. 세라믹 섬유는 다양한 섬유 재료에서 내열성이 비교적 뛰어나다.
세라믹 섬유 재료는 다른 섬유 재료보다 더 우월한 내열성을 가지며, 세라믹 섬유 재료와 수지 재료를 복합하여 형성된 재료는 더 우수한 내열 및 고강도 특성을 가지며, 상기 복합재료로 형성된 제1 단열층은 배터리 내 열폭주 확산 위험을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
선택적으로, 본 출원의 실시예에서, 세라믹 섬유 재료는 산화규소 또는 산화알루미늄이다.
산화규소 또는 산화알루미늄을 사용한 세라믹 섬유 재료와 수지 재료를 복합하여 제조된 제1 단열층은, 내열성이 가장 우수하다.
본 출원의 실시예는 또한 전술한 실시예에 따른 배터리(10)를 포함할 수 있는 전기 장치를 제공한다. 선택적으로, 상기 전기 장치는 차량(1), 선박 또는 항공기 등일 수 있으나, 본 출원의 실시예는 이에 대해 한정하지 않는다.
이하, 본 출원의 실시예에 대하여 설명한다. 후술하는 실시예는 예시적인 것으로, 단지 본 출원을 해석하기 위해 사용된 것으로, 본 출원을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 실시예에서 구체적인 기술이나 조건이 밝혀지지 않은 경우 본 분야 내의 문헌에 설명된 기술 또는 조건 또는 제품 설명서에 따라 수행된다.
GB/T 1447-2005 섬유강화플라스틱의 인장성능 시험 방법의 테스트 기준에 따라, 섬유강화수지재로 제조된 제1 단열층에 대해 인장성능 테스트를 수행하였으며, 테스트 결과는 표 1에 도시된 바와 같으며; GB/T 5258-2008 섬유강화플라스틱의 면내 압축성능 시험 방법의 테스트 기준에 따라, 제1 단열층에 대해 압축성능 테스트를 수행하였으며, 테스트 결과는 표2에 도시된 바와 같으며; GB/T 1449-2005 섬유강화플라스틱의 굽힘성능 시험 방법의 테스트 기준에 따라, 제1 단열층에 대해 굽힘성능 테스트를 수행하였으며, 테스트 결과는 표 3에 도시된 바와 같으며; GB/T 30969-2014 폴리머 기반 복합재료 단보전단강도 시험 방법의 테스트 기준에 따라, 제1 단열층에 대해 단보전단성능 테스트를 수행하였으며, 테스트 결과는 표 4에 도시된 바와 같으며; GB/T 1843-2008 플라스틱 캔틸레버 빔의 충격 강도 측정을 위한 테스트 기준에 따라, 제1 단열층에 대해 충격성능 테스트를 수행하였으며, 테스트 결과는 표 5에 도시된 바와 같다.
두께별 제1 단열층의 인장성능 테스트
번호 최대 힘(N) 인장강도(Mpa)
3 mm 판재 3 mm 판재 2 mm 판재 0.5 mm 판재
1 7754.87 103.40 132.84 119.39
2 8067.78 107.57 150.31 130.16
3 8015.57 106.87 133.03 129.64
4 7273.17 96.98 141.91 132.23
5 8286.20 110.24 150.52 126.72
평균값 7875.92 105.01 141.72 127.63
표준편차 383.46 5.11 8.74 5.01
두께별 제1 단열층의 압축성능 테스트
번호 압축강도(Mpa)
3 mm 판재 2 mm 판재 0.8 mm 판재
1 83.74 166.02 133.19
2 83.91 177.34 124.68
3 84.13 171.78 133.99
4 84.69 153.86 154.05
5 84.61 167.63 122.91
6 85.47 136.05 133.71
7 85.95 175.54 128.99
8 84.49 166.40 99.25
9 85.61 154.28 152.93
10 85.56 176.49 /
평균값 84.22 165.54 131.52
표준편차 0.42 13.02 15.45
두께별 제1 단열층의 굽힘성능 테스트
번호 굽힘강도(Mpa)
3 mm 판재 2 mm 판재 0.7 mm 판재
스팬 48 mm 32 mm 12 mm
1 194.56 205.16 409.64
2 202.92 213.53 386.62
3 179.18 199.12 294.71
4 182.51 206.87 270.57
5 193.07 199.02 289.38
6 191.84 242.03 284.79
7 186.25 200.38 290.59
8 188.25 218.99 271.47
9 196.04 189.23 381.78
10 / 208.67 377.86
평균값 190.51 208.30 325.74
표준편차 6.87 14.48 55.57
두께별 제1 단열층의 단보전단성능 테스트
번호 3 mm 판재(스팬 12 mm) 2 mm 판재(스팬 8 mm)
최대 힘(N) 전단강도(Mpa) 최대 힘(N) 전단강도(Mpa)
1 474.12 2.33 375.87 23.49
2 479.32 2.33 280.14 17.51
3 403.36 2.34 287.46 17.97
4 464.32 2.35 297.60 18.60
5 440.18 2.35 302.00 18.88
6 442.98 2.37 310.98 19.44
7 447.58 2.39 309.42 19.34
8 368.74 2.35 311.45 19.47
9 514.51 2.38 346.08 21.63
10 428.17 2.38 / /
평균값 446.328 2.35 313.45 19.59
표준편차 40.93 0.02 29.9 1.87
두께별 제1 단열층의 충격성능 테스트
번호 충격강도(KJ/m2)
3 mm 판재 2 mm 판재
1 67.69 45.3
2 70.23 48.5
3 63.07 42.2
4 77.60 46.2
5 67.60 51.1
6 68.22 43.9
7 71.29 41.4
8 61.34 50
9 / 51.1
10 / 46.3
평균값 68.38 46.6
표준편차 5.01 3.5
또한, 3 mm 두께의 제1 단열층에 대해 경도 테스트를 수행하였으며, 테스트 결과는 쇼어D 경도가 87이고, 바콜 경도가 46이다.바람직한 실시예를 참조하여 본 출원을 설명하였으나, 본 출원의 범위를 이탈하지 않는 상황에서, 이에 대해 개선을 진행할 수 있고, 등가물로 그 중 부재를 대체할 수 있다. 특히 구조적인 충돌이 존재하지 않는 한 각 실시예에서 언급한 각 기술 특징은 임의의 방식으로 조합할 수 있다. 본 출원은 본 명세서에서 개시한 특정 실시예에 한정되지 않고, 특허청구범위 내에 속하는 모든 기술적 해결수단을 포함한다.

Claims (21)

  1. 배터리(10)로서,
    제1 방향(x)으로 배열된 인접한 제1 배터리 셀(21)과 제2 배터리 셀(22)을 포함하는 복수의 배터리 셀(20); 및
    상기 제1 배터리 셀(21)과 상기 제2 배터리 셀(22) 사이에 설치되고, 고분자 매트릭스 복합 섬유판인 제1 단열층(1011)을 포함하는 단열판(101);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스 복합 섬유판은 섬유강화수지 복합판인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단열판(101)은 상기 제1 배터리 셀(21)의 제1 벽(211)과 상기 제2 배터리 셀(22)의 제2 벽(221) 사이에 설치되는 것으로,
    상기 제1 벽(211)은 상기 제1 배터리 셀(21)에서 표면적이 가장 크고 상기 제2 배터리 셀(22)에 가장 가까운 벽이고, 상기 제2 벽(221)은 상기 제2 배터리 셀(22)에서 표면적이 가장 크고 상기 제1 배터리 셀(21)에 가장 가까운 벽인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단열판(101)은, 상기 제1 방향(x)으로 배열되는 제2 단열층(1012) 및 2개의 상기 제1 단열층(1011)을 포함하고,
    상기 제2 단열층(1012)은 2개의 상기 제1 단열층(1011) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 방향(x)에 수직인 제2 방향(y)에서 2개의 상기 제1 단열층(1011)의 단부는 서로 연결되는 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 방향(y)에서, 2개의 상기 제1 단열층(1011)은 단부를 제외한 다른 위치 중 적어도 하나의 위치에서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  7. 제6항에 있어서,
    2개의 상기 제1 단열층(1011)의 연결 위치는, 상기 제2 방향(y)에서 균일하게 분포되는 것을 특징으로, 하는 배터리(10).
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 방향(x)에서 상기 단열판(101)의 크기(L1)는 0.2 mm~5 mm인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 방향(x)에서 상기 단열판(1011)의 크기(L1)는 3 mm인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 방향(x)에서 상기 단열판(101)의 크기(L1)와 상기 배터리 셀의 에너지(Q)는,
    2*10-3 mm/Wh≤L1/Q≤10-2 mm/Wh
    를 충족시키는 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  11. 제10항에 있어서,
    L1/Q는 8*10-3 mm/Wh인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 방향(x)에서 상기 제2 단열층(1012)의 크기(L2)와 상기 제1 방향(x)에서 상기 단열판(101)의 크기(L1)는, 0.2≤L2/L1≤0.6을 충족시키는 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 방향(x)에서 상기 제1 단열층(1011)의 크기(L3)는 1 mm이고, 상기 제1 방향(x)에서 상기 제2 단열층(1012)의 크기(L2)는 1 mm인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  14. 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 단열층(1012)은 에어로젤 펠트인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  15. 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 단열층(1012)은 공기 샌드위치층인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 단열층(1011)은 다층 섬유강화수지층을 포함하고,
    상기 섬유강화수지층은 섬유 재료와 수지 재료를 복합하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  17. 제16항에 있어서,
    상기 수지 재료는 실리콘계 에어로젤 변성수지 또는 내열 난연성 수지인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 섬유 재료는 유리 섬유, 세라믹 섬유, 탄소 섬유, 석영 섬유, 고실리카 섬유, 규산알루미늄 섬유, 멀라이트 섬유, 탄화규소 섬유, 질화규소 섬유, 산화알루미늄 섬유, 질화붕소 섬유, 현무암 섬유, 브루사이트 섬유, 아타풀자이트 섬유, 붕소 섬유, 탄소나노튜브 섬유, 아라미드 섬유, 폴리이미드 섬유 및 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 등의 섬유 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유 재료는 세라믹 섬유 재료인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  20. 제19항에 있어서,
    상기 세라믹 섬유 재료는 산화규소 또는 산화알루미늄인 것을 특징으로 하는, 배터리(10).
  21. 전기 장치로서,
    제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 배터리(10)를 포함하되, 상기 배터리(10)는 전기 에너지를 공급하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는, 전기 장치.
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