KR20240051265A

KR20240051265A - 열 배리어 재료를 캡슐화하기 위한 재료, 시스템, 및 방법

Info

Publication number: KR20240051265A
Application number: KR1020247010947A
Authority: KR
Inventors: 존 윌리엄스; 영규 남; 브라이언 케이힐; 로버트 헤네무스
Original assignee: 아스펜 에어로겔, 인코포레이티드
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2024-04-19
Also published as: EP4369476A2; EP4364232A2; CN118056317A; CN116998045A; WO2023100117A3; WO2023100117A2; DE202022002839U1

Abstract

본 개시는 에너지 저장 시스템에서 열 폭주 이슈를 관리하기 위한 재료 및 시스템에 관한 것이다. 예시적인 실시예들은 단열 배리어를 형성하기 위해 라미네이트 막에 의해 캡슐화된 단열층을 포함한다. 지지 부재는 단열층의 적어도 일부분 주위에 배치된다. 지지 부재는 단열층에 대한 지지부를 제공하여, 단열층이 쉽게 캡슐화되고 전지 모듈 또는 팩에 설치될 수 있게 한다.

Description

열 배리어 재료를 캡슐화하기 위한 재료, 시스템, 및 방법

관련 출원 교차 참조

본 출원은 "Materials, Systems, and Methods for Encapsulating Materials"라는 명칭으로 2021년 12월 1일에 출원된 미국 가 특허 출원 제63/284,917호의 이익 및 이에 대한 우선권을 주장한다.

기술분야

본 개시는 일반적으로 재료를 캡슐화하기 위한 재료, 시스템, 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 에너지 저장 시스템에서 전지 셀들 또는 전지 모듈들 사이에 사용되는 열 배리어들의 캡슐화를 위한 재료, 시스템, 및 방법에 관한 것이다. 본 개시는 에어로겔 열 배리어들의 캡슐화에 관한 것이다. 또한, 본 개시는 캡슐화된 열 배리어 재료를 포함하는 하나 이상의 전지 셀을 갖는 전지 모듈 또는 팩뿐만 아니라, 이러한 전지 모듈들 또는 팩들을 포함하는 시스템들에 관한 것이다.

리튬 이온 전지 등의 이차 전지는 전력 구동 및 에너지 저장 시스템에서 많은 용도를 발견하고 있다. 리튬 이온 전지(LIB)는 전통적인 전지들과 비교하여 높은 작동 전압, 낮은 메모리 효과, 및 높은 에너지 밀도로 인해 셀폰, 태블릿, 랩탑, 전력 툴 및 전기 차량과 같은 다른 고전류 디바이스들에 전력을 공급하는 데 널리 사용된다. 그러나, LIB는 재충전 가능 전지가 과충전(설계된 전압을 초과하여 충전)되거나, 과방전되거나, 고온 및 고압에서 작동되거나 이에 노출될 때와 같은 "남용 조건" 하에서 치명적인 장애에 취약하기 때문에 안전성이 우려된다. 결과적으로, 좁은 가동 온도 범위들 및 충전/방전 레이트들은 LIB의 사용에 대한 제한인데, 이는 LIB들이 그 설계 윈도우 밖의 조건들을 겪을 때 급격한 자가 가열 또는 열 폭주(thermal runaway) 이벤트를 통해 작동이 되지 않을 수 있기 때문이다.

열 폭주는 내부 반응 레이트가 인출될 수 있는 것보다 더 많은 열이 발생되는 지점까지 증가할 때 발생할 수 있으며, 이는 반응 레이트와 열 발생 둘 다의 추가적인 증가를 초래한다. 열 폭주 동안, 고온은 전지에서 발열 반응의 체인을 트리거하여, 전지의 온도가 급격하게 증가하게 한다. 많은 경우들에서, 하나의 전지 셀에서 열 폭주가 발생할 때, 발생된 열은 열 폭주를 겪는 셀에 근접하여 셀들을 빠르게 가열한다. 열 폭주 반응에 추가되는 각 셀은 반응을 계속하기 위해 추가적인 에너지를 포함하여, 전지 팩 내에서 열 폭주 전파를 야기하여, 결과적으로 화재 또는 폭발로 인한 재해를 초래한다. 신속한 열 방출 및 열 전달 경로의 효과적인 차단은 열 폭주 전파에 의해 야기되는 위험을 감소시키기 위한 효과적인 대책이 될 수 있다.

전지 열 폭주를 초래하는 메커니즘의 이해에 기초하여, 전지 구성요소들의 합리적인 설계를 통해 안전 위험을 감소시키는 것을 목표로 많은 접근법들이 연구되고 있다. 이러한 연속적인 열 폭주 이벤트가 발생하는 것을 방지하기 위해, LIB는 전형적으로, 저장된 에너지를 충분히 낮게 유지하도록, 또는 전지 모듈 또는 팩 내의 셀들 사이에 충분한 단열 재료를 채용하여 셀들을 인접한 셀에서 발생할 수 있는 열 이벤트로부터 단열시키도록, 또는 이들의 조합으로 설계된다. 전자는 이러한 디바이스에 잠재적으로 저장될 수 있는 에너지의 양을 극심하게 제한한다. 후자는 얼마나 근접한 셀들이 배치될 수 있는지를 제한하고, 이에 의해 유효 에너지 밀도를 제한한다.

현재, 연속적인 열 폭주에 대해 보호하면서 에너지 밀도를 최대화하기 위해 채용되는 다수의 상이한 방법론들이 있다. 하나의 접근법은 셀들 또는 셀들의 클러스터들 사이에 충분한 양의 단열체를 혼입하는 것이다. 이 접근법은 일반적으로 안전 관점에서 바람직한 것으로 생각되지만, 이 접근법에서 단열 재료가 열을 함유하는 능력은 필요한 단열 체적과 조합되어 달성될 수 있는 에너지 밀도의 상한을 결정한다.

다른 접근법은 상 변화 재료의 사용을 통한다. 이들 재료들은 특정 상승된 온도에 도달할 시 흡열 상 변화를 겪는다. 흡열 상 변화는 발생되는 열의 일부를 흡수하고, 이에 의해 국부화된 영역을 냉각시킨다. 전형적으로, 전기 저장 디바이스들에 대해, 이러한 상 변화 재료들은 예를 들어, 왁스 및 지방산과 같은 탄화수소 재료에 의존한다. 이들 시스템들은 냉각에 효과적이지만, 그 자체는 가연성이고, 이에 따라 저장 디바이스 내의 점화가 발생하면 열 폭주를 방지하는 데 유익하지 않다.

팽창성 재료들의 혼입은 연속적인 열 폭주를 방지하기 위한 또 다른 전략이다. 이러한 재료들은 특정 온도 위로 팽창하여, 경량이고, 필요할 때 단열을 제공하도록 설계된 차(char)를 생성한다. 이러한 재료들은 단열 이점을 제공하는 데 효과적일 수 있지만, 재료의 팽창은 저장 디바이스의 설계에서 고려되어야 한다.

에어로겔 재료들은 또한 열 배리어 재료들로서 사용되었다. 에어로겔 열 배리어들은 다른 열 배리어 재료들에 비해 많은 장점들을 제공한다. 이러한 이점들 중 일부는 사용되는 재료들의 두께 및 중량을 최소화하면서 열 전파 및 화재 전파에 유리한 내성을 포함한다. 에어로겔 열 배리어들은 또한 압축성, 압축 탄성, 및 순응성에 대해 유리한 속성들을 갖는다. 일부 에어로겔 기반 열 배리어들은 그 경량 및 낮은 강도로 인해, 특히 대량 생산 환경에서, 전지 셀들 사이에 설치하기가 어려울 수 있다. 또한, 에어로겔 열 배리어들은 전기 저장 시스템들에 해로울 수 있는 미립자 물질(먼지)을 생성하는 경향이 있어, 제조 문제들을 일으킨다.

양호하고 그 외 많은 상이한 속성들을 각각 갖는 많은 상이한 재료가 이용가능하면, 전지 셀들과 열 배리어 둘 다에 대한 추가적인 보호를 제공하기 위해 열 배리어 재료를 캡슐화하는 것이 바람직할 것이며, 또한 제조 프로세스를 단순화하는 것이 바람직할 것이다.

본 개시의 목적은 위에서 언급된 종래의 방법들 및 재료들의 적어도 하나의 단점을 제거하거나 완화하는 것이다. 본 명세서에서 제공되는 지지 부재 및 캡슐화 재료는 전지 모듈들 또는 전지 팩들에 사용되는 열 배리어들의 캡슐화 및 취급을 개선하도록 설계된다.

본 개시의 양태에서, 전기 에너지 저장 시스템에 사용하기 위한 단열 배리어는 적어도 하나의 단열층, 단열층의 적어도 일부분을 둘러싸는 지지 부재; 및 단열층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 캡슐화 층을 포함한다. 캡슐화 층은 지지 부재의 적어도 일부분과 접촉한다. 캡슐화 층은 외측 중합체 층, 강성 층, 및 내측 중합체 층을 포함하며, 내측 중합체 층은 단열층과 접촉하고, 강성 층은 외측 중합체 층과 내측 중합체 층 사이에 배치된다.

지지 부재는 재료의 단일 피스로 구성된 단일 지지 부재일 수 있거나, 지지 부재를 형성하기 위해 함께 결합되는 두 개 이상의 지지 피스들로 구성될 수 있다. 실시예에서, 지지 부재는 단열층의 양측 상에 위치되는 두 개의 지지 부재들을 포함한다. 다른 실시예에서, 지지 부재는 단열층의 둘레를 둘러싼다. 다른 실시예에서, 지지 부재는 실질적으로 U자형이다.

단열층에 대한 지지를 제공하기 위해, 지지 부재는 단열층의 굴곡 탄성률보다 더 큰 굴곡 탄성률을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 본 개시의 양태에서, 지지 부재는 100 MPa보다 더 큰 굴곡 탄성률을 가져야 한다. 실시예에서, 지지 부재는 단열층에 사용되는 재료와 상이한 재료로 구성된다. 바람직한 실시예에서, 지지 부재는 중합체 재료로 구성된다. 일부 실시예들에서, 지지 부재는 팽창성 재료를 포함할 수 있다. 실시예에서, 지지 부재는 단열층의 두께보다 더 작은 두께를 갖는다.

단열층은 전지 셀들 사이의 열 전달을 감소시키는 데 유용한 임의의 재료로 구성될 수 있다. 일반적으로, 단열층은 25℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 단열층의 두께 치수를 통한 열전도도를 가질 것이다. 바람직한 실시예에서, 단열층은 에어로겔을 포함한다.

캡슐화 층은 지지 부재에 부착될 수 있다. 대안적으로, 캡슐화 층은 단열층 및 지지 부재를 둘러싼다. 그런 다음, 캡슐화 층은 단열층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 인클로저를 형성하기 위해 자체적으로 실링된다.

본 개시의 양태에서, 단열 배리어는 캡슐화 층에 결합되는 하나 이상의 접착 패드를 포함한다. 접착 패드들은 인접한 전지 셀들 사이에 쿠션을 제공할 수 있다. 또한, 접착 패드들은 인접한 전지 셀들에 접착될 수 있어, 제조 및 사용 동안 단열 배리어의 전지 셀들과의 오정렬을 방지할 수 있다.

외측 중합체 층은 전기 에너지 저장 시스템 내의 유전성 열 전달 유체에 저항하는 중합체를 포함한다. 예를 들어, 외측 중합체 층은 탄화수소 유체, 에스테르 유체, 실리콘 유체, 플루오로에테르 유체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 열 전달 유체에 저항하는 중합체를 포함한다. 본 개시의 일 양태에서, 외측 중합체 층은 폴리옥시메틸렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리아미드-이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리스티렌, 폴리설폰, 폴리이미드, 및 테레프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 중합체로 제조된다.

내측 중합체 층은 그 자체로 열 용접될 수 있는 중합체를 포함한다. 예를 들어, 내측 중합체 층은 폴리올레핀 중합체를 포함한다. 일부 양태들에서, 내측 중합체는 외측 중합체 층 내의 중합체와 상이한 중합체로 구성된다.

본 개시의 특정 양태에서, 외측 중합체 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET") 또는 나일론 중합체로 구성되고, 내측 중합체 층은 폴리프로필렌("PP") 또는 폴리에틸렌("PE")으로 구성된다.

강성 층은 일부 양태들에서, 금속 포일을 포함한다. 강성 층으로서 사용될 수 있는 특정 금속 포일은 알루미늄, 구리, 스틸, 및 티타늄을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

일부 양태들에서, 강성 층은 중합체를 포함한다. 강성 층으로서 사용될 수 있는 특정 중합체는 폴리벤지이미다졸 섬유(PBI 섬유), 나일론, 멜라민, 모다크릴, 및 방향족 폴리아미드(아라미드)를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

강성 층에 사용될 수 있는 다른 재료들은 탄소 섬유, 그래파이트, 실리콘 탄화물, 및 미카를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

본 개시의 양태에서, 캡슐화 층은 외측 중합체 층과 강성 층 및/또는 내측 중합체 층과 강성 층 사이에 배치된 접착제를 더 포함한다.

본 개시의 양태에서, 외측 중합체 층은 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 두께를 갖는다. 본 개시의 양태에서, 강성 층은 약 50 ㎛ 내지 약 150 ㎛의 두께를 갖는다. 본 개시의 양태에서, 내측 중합체 층은 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 두께를 갖는다. 본 개시의 양태에서, 캡슐화 층은 약 70 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 사이의 전체 두께를 갖는다.

본 개시의 양태에서, 캡슐화 층은 지지 부재에 부착된다. 캡슐화 층은 하나 이상의 접착 패드를 사용하여 지지 부재에 결합될 수 있다.

본 개시의 다른 양태에서, 단열층을 캡슐화하는 방법은: 단열층의 적어도 일부분을 지지 부재로 둘러싸는 단계; 및 단열층 및 지지 부재의 적어도 일부분 위에 캡슐화 층을 형성하는 단계를 포함한다. 캡슐화 층은 지지 부재의 적어도 일부분과 접촉한다. 특정 실시예에서, 캡슐화 층의 적어도 일부분은 지지 부재의 적어도 일부분에 부착된다. 실시예에서, 캡슐화 층은 캡슐화 층이 지지 부재와 접촉하는 동안 캡슐화 층을 가열함으로써 지지 부재의 적어도 일부분에 부착된다. 이 프로세스 동안, 캡슐화 층은 가열된 요소에 의해 지지 부재와 접촉하여 홀딩된다. 대안적으로, 캡슐화 층은 접착제에 의해 지지 부재에 부착될 수 있다.

다른 실시예에서, 캡슐화 층을 형성하는 단계는: 캡슐화 층으로 단열층 및 지지 부재의 적어도 일부분을 덮는 단계; 및 단열층 및 지지 부재의 적어도 일부분을 둘러싸는 인클로저를 형성하기 위해 캡슐화 층의 두 개 이상의 별개의 부분들을 함께 연결하는 단계를 포함한다. 이 프로세스 동안, 캡슐화 층의 두 개 이상의 별개의 부분들은 두 개 이상의 별개의 부분들이 접촉하는 동안 두 개 이상의 별개의 부분들을 가열함으로써 함께 부착된다. 단열층 위에 캡슐화 층을 형성하는 어느 하나의 실시예에서, 캡슐화 층은 단열층 및 지지 부재들을 부분적으로, 또는 완전히 둘러쌀 수 있다.

본 개시의 양태에서, 캡슐화 층의 두 개 이상의 별개의 부분들 사이에 적어도 하나의 강성 층이 배치된다. 적어도 하나의 강성 층은 실시예에서, 캡슐화 층의 두 개 이상의 별개의 부분들 사이에 매립될 수 있다. 실시예에서, 이 프로세스는 단열층으로부터 연장되는 연장부분을 제공하기 위해 적어도 하나의 강성 층에 벤드를 형성하는 단계를 포함한다. 실시예에서, 두 개 이상의 별개의 부분들은 두 개 이상의 별개의 부분들의 양측 상의 요소들의 쌍에 의해 함께 홀딩되되, 요소들 중 적어도 하나는 가열된다.

본 개시의 다른 양태에서, 전지 모듈은 복수의 전지 셀들 및 인접한 전지 셀들 사이에 배치되는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 단열 배리어를 포함한다.

다른 양태에서, 본 명세서에서는 상기한 양태들 중 어느 하나에 따른 전지 모듈 또는 팩을 포함하는 디바이스 또는 차량이 제공된다. 일부 실시예들에서, 디바이스는 랩탑 컴퓨터, PDA, 모바일 폰, 태그 스캐너, 오디오 디바이스, 비디오 디바이스, 디스플레이 패널, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 데스크탑 컴퓨터 군용 휴대용 컴퓨터 군용 전화 레이저 거리 측정기 디지털 통신 디바이스, 지능형 수집 센서, 전자 일체형 의류, 암시 장비, 전동 공구, 계산기, 라디오, 원격 제어 기기, GPS 디바이스, 핸드헬드 및 휴대용 텔레비전, 자동차 시동기, 플래시라이트, 음향 디바이스, 휴대용 가열 디바이스, 휴대용 진공 청소기 또는 휴대용 의료 도구이다. 일부 실시예들에서, 차량은 전기 차량이다.

하나 이상의 실시예에서, 상기한 양태들 중 임의의 양태에 따른 단열 배리어는 압축되지 않은 상태에서 약 2 mm 내지 약 10 mm 사이의 범위 내의 평균 두께를 갖는다.

본 명세서에서 설명되는 단열 배리어는 기존의 열 폭주 완화 전략에 비해 하나 이상의 장점을 제공할 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 단열 배리어는 전지 모듈 또는 팩의 에너지 밀도 및 조립 비용에 큰 영향을 미치지 않으면서 셀 열 폭주 전파를 최소화 또는 제거할 수 있다. 본 개시의 단열 배리어는 정상적인 동작 조건뿐만 아니라 열 폭주 조건 하에서도 유리한 열 속성을 보유하면서 셀의 수명 동안 계속되는 셀의 팽윤을 수용하기 위해 압축성, 압축 탄력성 및 순응성에 대한 유리한 속성을 제공할 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 단열 배리어들은 내구성이 있고 취급하기 용이하고, 사용되는 재료의 두께 및 중량을 최소화하면서 열 전파 및 화재 전파에 유리한 내성을 가지며, 압축성, 압축 탄력성, 및 순응성에 유리한 속성을 또한 갖는다.

이에 따라, 본 개시를 일반적인 용어로 설명하면, 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아닌 첨부된 도면들을 참조할 수 있고, 첨부된 도면들에서:
도 1은 본 개시의 예시적인 단열 배리어의 분해도이다.
도 2는 지지 부재에 의해 완전히 둘러싸인 단열층의 측면도이다.
도 3은 U자형 지지 부재에 의해 둘러싸인 단열층의 측면도이다.
도 4는 두 개의 별개의 지지 부재들에 결합된 단열층의 측면도이다.
도 5a는 조립 전의 전지 셀 및 배리어를 개략적으로 예시한다.
도 5b는 조립 후의 전지 셀 및 배리어를 개략적으로 예시한다.
도 5c는 전지 셀 수명의 끝에서의 전지 셀 및 배리어를 개략적으로 예시한다.
도 6은 라미네이트 캡슐화 층을 만드는 데 사용되는 제조 프로세스를 개략적으로 예시한다.
도 7은 전지 셀 인클로저의 내부 표면으로 시일을 형성하는 연장 부분을 갖는 캡슐화 층을 개략적으로 예시한다.
도 8은 접착 패드들을 갖는 단열 배리어를 개략적으로 예시한다.
도 9a는 두 개의 전지 셀들 사이에 배치된 단열 배리어의 평면도를 도시한다.
도 9b는 지지 부재를 갖는 도 9a의 상세도를 도시한다.
도 9c는 지지 부재가 없는 도 9a의 상세도를 도시한다.
도 10은 단열 배리어들의 전지 셀들과의 정렬을 위한 정합 가이드들을 갖는 전지 모듈의 평면도를 도시한다.
도 11은 팽창성 재료 및 열 전도성 캡슐화 층으로 구성된 단열 배리어의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 12는 단열층에 결합된 지지 부재의 확대도를 도시한다.
도 13은 고온 이벤트 전후의 팽창성 지지 부재의 개략도를 도시한다.
도 14는 단열층을 실질적으로 둘러싸는 U자형 지지 부재를 포함하는 단열층의 실시예를 도시한다.
도 15는 지지 부재에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 단열층을 갖는 단열 배리어의 실시예를 도시한다.
도 16은 지지 부재들의 코너들에 형성된 개구들 내로 통합된 입자 포획 부재들을 갖는 지지 부재의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 17은 단열층 및 캡슐화 층에 결합된 팽창성 지지 부재를 갖는 단열 배리어의 측면도를 도시한다.
도 18은 캡슐화 층의 에지 주위에 감싸진 팽창성 지지 부재를 갖는 단열 배리어의 측면도를 도시한다.
도 19는 U자형 캡슐화 층의 에지 주위에 감싸진 팽창성 지지 부재를 갖는 단열 배리어의 측면도를 도시한다.
도 20은 U자형 캡슐화 층을 갖는 팽창성 지지 부재를 갖는 단열 배리어의 측면도를 도시한다.
도 21은 실링 탭들을 갖는 단열층들을 갖는 전지 모듈/팩의 개략도를 도시한다.
도 22는 쌍을 이루는 실링 탭들을 갖는 단열층들을 갖는 전지 모듈/팩의 개략도를 도시한다.
도 23은 팽창성 재료 위에 배치된 실링 탭들을 갖는 전지 모듈/팩의 개략도를 도시한다.
도 24는 인클로저에 결합된 실링 탭들을 갖는 전지 모듈의 개략도를 도시한다.
도 25는 라미네이팅된 단열층을 갖는 단열 배리어의 개략도를 도시한다.
도 26a는 단열층의 개략도를 도시한다.
도 26b는 지지 부재에 의해 완전히 둘러싸인 단열층을 도시한다.
도 26c는 지지 부재에 의해 부분적으로 둘러싸인 단열층을 도시한다.
도 26d는 지지 부재 상에 거친 표면을 갖는 지지 부재에 의해 둘러싸인 단열층을 도시한다.
도 27a는 지지 부재에 배치된 단열층을 갖는 단열 배리어를 도시한다.
도 27b는 중합체 막 캡슐화 층을 갖는 단열 배리어를 도시한다.
도 27c는 강성 층에 의해 캡슐화된 단열층을 갖는 단열 배리어를 도시한다.
도 28a는 강성 층 및 중합체 막에 의해 캡슐화된 단열층을 갖는 단열 배리어를 도시한다.
도 28b는 라미네이트 막에 의해 캡슐화된 단열층을 갖는 단열 배리어를 도시한다.
도 29a는 복수의 전지 셀들, 및 전지 셀들 사이에 위치된 복수의 캡슐화된 단열 배리어들을 갖는 전지 모듈의 분해도를 도시한다.
도 29b는 단열 배리어들에 의해 분리된 전지 셀들을 홀딩하는 케이싱을 포함하는 전지 모듈을 도시한다.
도 30은 단열 배리어들 및 강성 층들에 의해 분리된 전지 셀들을 홀딩하는 케이싱을 포함하는 전지 모듈의 분해도를 도시한다.
도 31은 단열 배리어들에 의해 분리된 전지 셀들을 홀딩하는 케이싱을 포함하는 대안적인 전지 모듈을 도시한다.

바람직한 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명에서, 상세한 설명의 일부를 형성하고, 본 개시가 실시될 수 있는 구체적인 실시예들을 예로서 도시한 첨부 도면들을 참조한다. 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않고 구조적 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

본 개시는 에너지 저장 시스템에서 열 폭주 이슈를 관리하기 위해 단열 배리어 및 단열 배리어들을 포함하는 시스템에 관한 것이다. 예시적인 실시예들은 적어도 하나의 단열층, 단열층의 적어도 일부분을 둘러싸는 지지 부재, 및 단열층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 캡슐화 층을 포함하는 단열 배리어를 포함한다. 캡슐화 층은 실시예에서, 지지 부재 각각의 적어도 일부분과 접촉한다.

단열층은 전지 셀들 또는 전지 모듈들을 분리하기 위해 통상적으로 사용되는 임의의 종류의 단열층을 포함할 수 있다. 예시적인 단열층들은 중합체계 열 배리어(예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리이미드, 및 방향족 폴리아미드(아라미드)), 상 변화 재료, 팽창성 재료, 에어로겔 재료, 미네랄계 배리어(예를 들어, 미카), 및 무기 열 배리어(예를 들어, 유리 섬유 함유 배리어)를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

바람직한 실시예에서, 단열층은 에어로겔 재료를 포함한다. 에어로겔 단열층에 대한 설명은 미국 특허 출원 공보 제2021/0167438호 및 미국 가특허 출원 제63/218,205호에 기재되어 있으며, 이들 둘 모두는 본 명세서에 참조로 통합된다.

본 개시의 단열층은 약 5 MPa 이하의 하중 하에서 25℃에서 약 50 mW/mK 이하, 약 40 mW/mK 이하, 약 30 mW/mK 이하, 약 25 mW/mK 이하, 약 20 mW/mK 이하, 약 18 mW/mK 이하, 약 16 mW/mK 이하, 약 14 mW/mK 이하, 약 12 mW/mK 이하, 약 10 mW/mK 이하, 약 5 mW/mK 이하, 또는 이들 값들 중 임의의 두 값들 사이의 범위 내의 상기의 단열층의 두께 지수를 통한 열전도도를 갖는다.

단열층들은 단열층들을 전지 모듈 또는 전지 팩 내로 통합하는 것을 어렵게 만드는 다수의 상이한 물리적 속성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 단열층들은 매우 낮은 굴곡 탄성률(예를 들어, 10 MPa 미만)을 가져, 재료들을 취급하고 전지 셀들 사이에 위치시키기 어렵게 만든다. 추가적으로, 낮은 굴곡 탄성률 재료는 특히 자동화된 캡슐화 프로세스를 사용하는 경우, 조작하기 어려울 수 있다. 다른 단열층들은 더 높은 굴곡률을 가질 수 있지만, 취성일 수 있어, 전지 모듈 또는 전지 팩의 제조 동안 단열층이 쉽게 깨지게 만들 수 있다.

본 개시는 단열층의 적어도 일부분을 둘러싸는 지지 부재를 사용함으로써 이러한 문제들을 완화하도록 돕는다. 지지 부재는 단열층의 주연부에 위치되고 단열층에 대한 지지를 제공한다. 추가적으로, 캡슐화 층은 지지 부재에 부착될 수 있다. 지지 부재가 단열층의 주연부를 따라 위치된 상태에서, 지지 부재에 대한 캡슐화 층의 부착부는 캡슐화 층 내의 단열층을 적어도 부분적으로 둘러싼다.

단열 배리어의 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 단열 배리어(100)는 단열층(110)을 포함한다. 단열층(110)은 지지 부재(120)에 의해 둘러싸인다. 실시예에서, 지지 부재(120)는 단열층의 주연부와 형상이 상보적인 개구(125)를 포함한다. 개구(125)는 단열층과 대략 동일한 크기로 크기가 정해질 수 있다. 조립 동안, 단열층(110)은 개구(125)에 배치될 수 있고, 지지 부재(120)에 의해 제자리에 홀딩될 수 있다. 예를 들어, 지지 부재(120)는 단열층의 대응하는 치수들보다 동일한 치수(길이 x 폭)이거나 약간 더 작은 개구를 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 단열층(110)은 지지 부재(120)의 개구(125) 내에 피팅(fitting)되고, 마찰 피팅(friction fit)에 의해 제자리에 홀딩된다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 단열층은 단열층을 지지 부재에 고정시키는 접착제(예를 들어, 글루 또는 테이프)를 사용하여 지지 부재에 본딩될 수 있다. 지지 부재(120)의 개구 내에 배치된 캡슐화된 단열층(110)의 측면도가 도 2에 도시되어 있다.

캡슐화 층(130)은 지지 부재(120)에 부착되어, 단열층(110)의 적어도 일측을 캡슐화 재료로 덮는다. 바람직하게는, 캡슐화 층(130)은 단열층(110)의 양측을 덮는다. 본 개시의 양태에서, 캡슐화 층(130)은 캡슐화 재료의 두 개의 시트들(130a 및 130b)로 구성된다. 실시예에서, 캡슐화 층(들)은 단열층의 적어도 일부분을 에워싸기 위해 지지 부재에 부착된다. 실시예에서, 두 개의 시트들이 사용될 때, 캡슐화 시트들은 단열 재료를 에워싸기 위해 지지 부재에 부착된다.

대안적인 실시예에서, 캡슐화 층은 백(bag)으로서 형성될 수 있다(도 6 참조). 단열층을 포함하는 지지 부재는 백 형상의 캡슐화 층 내부에 배치될 수 있다. 그런 다음, 캡슐화 층(들)은 단열층의 적어도 일부분을 에워싸기 위해 지지 부재에 부착된다.

실시예에서, 지지 부재는 재료의 단일 피스로서 형성된다. 예를 들어, 지지 부재는 단일 피스 재료로 형성될 수 있으며, 재료의 중간에 개구가 형성된다. 재료의 단일 피스 내의 개구는 재료 내의 개구를 (예를 들어, 레이저 커터를 사용하여) 절단함으로써 형성될 수 있다. 대안적으로, 지지 부재는 사출 성형(injection molding) 프로세스에 의해 형성될 수 있으며, 이 프로세스에서 지지 부재의 형상은 지지 부재를 형성하는 데 사용되는 주형의 선택을 통해 제어될 수 있다. 다른 실시예에서, 지지 부재는 지지 부재를 형성하기 위해 함께 결합되는 두 개 이상의 지지 피스들로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 직사각형 지지 부재는 지지 부재를 형성하기 위해 함께 결합되는 네 개의 별개의 지지 피스들로 형성될 수 있다. 지지 부재들은 함께 접착 또는 용접될 수 있다.

도 1 및 도 2의 실시예는 지지 부재를 직사각형 프레임으로서 도시하지만, 지지 부재가 효과를 내는 데 단열층을 완전히 둘러쌀 필요는 없다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 도 3은 실질적으로 U자형인 지지 부재(320)를 갖는 단열 배리어(300)를 도시한다. 따라서, 지지 부재는 단열층(310)의 3면만을 덮는다. U자형 지지 부재는 단열층의 부분적인 또는 완전한 캡슐화를 가능하게 하는 표면을 제공한다. 단열층은 마찰 피팅에 의해 또는 접착제(글루 또는 테이프)의 사용에 의해 U자형 개구에 배치될 수 있다.

도 4에 도시된 다른 실시예에서, 단열 배리어(400)는 단열층(410)의 에지들 상에 배치된 두 개의 별개의 지지 부재들(420a 및 420b)을 포함한다. 두 개의 별개의 지지 부재들은 단열층의 대향 에지들 상에(도 4에 도시된 바와 같이) 또는 단열층의 두 개의 인접한 측부들을 따라(도시되지 않음) L자형으로 배치될 수 있다. 지지 부재들은 접착제(글루 또는 테이프)를 사용하여 단열층에 부착될 수 있다.

실시예에서, 지지 부재는 단열층을 형성하는 데 사용되는 재료와 상이한 재료로 형성된다. 바람직한 실시예에서, 지지 부재는 단열층의 굴곡 탄성률보다 더 큰 굴곡 탄성률을 갖는다. 예를 들어, 많은 상이한 유형들의 단열층들이 낮은 굴곡 탄성률을 갖는 재료로 형성된다. 본 명세서에서 사용될 때, "낮은 굴곡 탄성률"이라는 어구는 약 10 MPa 미만인 굴곡 탄성률을 지칭한다. 바람직한 실시예에서, 지지 부재의 굴곡 탄성률은 100 MPa보다 크다.

지지 부재들을 형성하는 데 중합체 및 금속을 포함하는 다양한 재료들이 사용될 수 있다. 중합체는 제조 용이성, 경량, 유전 속성, 및 내열성 및 난연성으로 인해, 지지 부재들을 형성하기 위한 재료로서 바람직하다. 실시예에서, 지지 부재를 형성하도록 선택되는 중합체는 약 100 MPa보다 큰 굴곡 탄성률을 갖는다. 지지 부재를 형성하기 위한 재료로서 사용될 수 있는 예시적인 중합체는 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 및 방향족 폴리아미드를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 굴곡 탄성률을 개선하고 열전도도를 감소시키며 가연성을 감소시키거나, 이러한 특징들의 임의의 조합을 수정하기 위해 지지 부재를 형성하는 데 사용되는 중합체에 첨가제가 존재할 수 있다.

실시예에서, 본 개시의 지지 부재는 25℃에서 약 50 mW/mK 이하, 약 40 mW/mK 이하, 약 30 mW/mK 이하, 약 25 mW/mK 이하, 약 20 mW/mK 이하, 약 18 mW/mK 이하, 약 16 mW/mK 이하, 약 14 mW/mK 이하, 약 12 mW/mK 이하, 약 10 mW/mK 이하, 약 5 mW/mK 이하, 또는 이들 값들 중 임의의 두 값들 사이의 범위 내의 상기의 단열층의 두께 지수를 통한 열전도도를 갖는다.

소정 실시예들에서, 본 개시의 지지 부재는 약 750 cal/g 이하, 약 717 cal/g 이하, 약 700 cal/g 이하, 약 650 cal/g 이하, 약 600 cal/g 이하, 약 575 cal/g 이하, 약 550 cal/g 이하, 약 500 cal/g 이하, 약 450 cal/g 이하, 약 400 cal/g 이하, 약 350 cal/g 이하, 약 300 cal/g 이하, 약 250 cal/g 이하, 약 200 cal/g 이하, 약 150 cal/g 이하, 약 100 cal/g 이하, 약 50 cal/g 이하, 약 25 cal/g 이하, 약 10 cal/g 이하, 또는 이들 값들 중 임의의 두 값들 사이의 범위 내의 연소열(heat of combustion, "HOC")을 가질 수 있다. 본 개시의 맥락 내에서, 제2 재료의 HOC보다 더 낮은 연소열을 갖는 제1 재료는 제2 재료에 비한 제1 재료의 개선으로 간주될 것이다. 본 개시의 소정 실시예들에서는, 지지 부재로 화재 등급 첨가제를 혼입함으로써 단열층의 HOC가 개선된다.

소정 실시예들에서, 본 개시의 지지 부재는 약 300℃ 이상, 약 320℃ 이상, 약 340℃ 이상, 약 360℃ 이상, 약 380℃ 이상, 약 400℃ 이상, 약 420℃ 이상, 약 440℃ 이상, 약 460℃ 이상, 약 480℃ 이상, 약 500℃ 이상, 약 515℃ 이상, 약 550℃ 이상, 약 600℃ 이상, 또는 이들 값들 중 임의의 두 값들 사이의 범위 내의 열 분해 개시를 갖는다. 본 개시의 맥락 내에서, 예를 들어, 제2 조성물의 열 분해 개시보다 더 높은 열 분해 개시를 갖는 제1 조성물은 제2 조성물에 비해 제1 조성물의 개선으로 고려될 것이다. 본 명세서에서는 어떠한 화재 등급 첨가제도 포함하지 않는 조성물과 비교하여, 하나 이상의 화재 등급 첨가제를 첨가할 때 조성물 또는 재료의 열 분해 개시가 증가되는 것으로 고려된다.

실시예에서, 지지 부재는 팽창성 재료로 형성될 수 있다. 팽창성 재료는 열에 노출될 때 팽윤하는 재료이다. 전지 모듈들의 맥락에서, 전지 셀이 작동되지 않기 시작함에 따라, 전지 셀의 온도가 급격하게 증가하며, 이는 모듈 내부의 온도를 증가시킬 수 있다. 이러한 온도의 증가는 지지 부재를 형성하는 데 사용되는 팽창성 재료의 열 유발 팽윤을 야기할 수 있어, 인접한 전지 셀들 사이에 시일을 생성할 수 있다. 지지 부재들의 이러한 팽윤은 전지 셀이 개열되는 경우 방출되는 고압 가스 및 미립자 물질에 대한 증가된 내성을 제공할 수 있다. 예시적인 팽창성 재료들이 미국 특허 제3,513,114호(Hahn 외); 미국 특허 제5,487,946호(McGinniss 외); 미국 특허 제5,591,791호(Deogon); 미국 특허 제5,723,515호(Gottfried); 미국 특허 제6,790,893호(Nguyen 외); PCT 특허 출원 공보 제WO 94/17142호(Buckingham 외); PCT 특허 출원 공보 제WO 98/04639호(Janci); 및 PCT 특허 출원 공보 제WO 2020/077334호(Fleetwood 외)에서 개시되며, 이들 모두는 전문이 본 명세서에 참조로 통합된다.

실시예에서, 지지 부재는 단열층의 두께보다 더 작은 두께를 갖는다. 도 5a는 지지 부재(520)에 결합된 단열층(510)의 측면도를 도시한다. 보여지는 바와 같이, 사전 조립 스테이지(단열층 상에 압축 없음)에서, 지지 부재(520)는 단열층(510)의 두께보다 더 작은 두께를 갖는다. 이에 따라, 도시된 바와 같이, 단열층은 지지 부재로부터 돌출된다. 설치 동안, 전지 셀 수명 사이클의 처음에, 단열층은 도 5b에 도시된 바와 같이, 전지 셀과 접촉하게 되고 약간 압축된다. 일부 경우들에서, 지지 부재가 단열층의 두께보다 더 크거나 동일한 두께를 갖는 경우, 지지 부재가 전지 셀과 접촉하여, 단열층이 전지 셀과 접촉하지 못하게 할 것이라는 것이 밝혀졌다. 단열층보다 더 얇은 지지 부재의 사용은 이러한 이슈를 극복할 수 있다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 전지 셀 수명의 끝에서, 전지 셀은 팽윤하기 시작할 것이다. 단열층의 주연부 주위에 위치된 지지 부재의 구성은 본 개시에서, 지지 부재보다 더 압축가능한 전지 셀이 팽윤하고 단열층에 맞닿아 압축될 수 있게 한다. 전지 셀이 노후됨에 따라 전지 셀이 팽윤할 수 있게 하는 것은 전지 셀 인클로저의 치명적인 장애를 방지하는 데 도움이 될 것이다.

캡슐화 층은 재료의 단일 층 또는 다수의 층들이다. 캡슐화 층은 막, 엔벨럽, 또는 백의 형태일 수 있다. 캡슐화 층은 단열층을 에워싸기에 적합한 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 캡슐화 층을 형성하는 데 사용되는 재료는 중합체, 탄성중합체 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리이미드(PI), 고무, 폴리프로필렌, 폴리아미드 및 나일론과 같은 적합한 중합체의 예는 매우 낮은 열전도도(1 W/m 미만)를 가지며, 이는 전체 시스템의 평면을 통한 열전도도를 낮추는 효과를 갖는다. 일 실시예에서, 캡슐화 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중합체를 포함한다.

다른 실시예에서, 캡슐화 층은 다수의 재료층들로 구성된다. 예를 들어, 파우치 전지 셀 케이스를 형성하는 데 사용되는 재료와 유사한 다층 재료가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 캡슐화 층은 세 개의 층들: 제1 중합체 층, 제2 열 전도성 층, 및 제3 중합체 층을 포함하는 라미네이트를 포함하며, 열 전도성 층은 제1 중합체 층과 제3 중합체 층 사이에 샌드위치된다. 제1 및 제3 중합체 층들은 바람직하게는 매우 낮은 열전도도(1 W/m 미만)를 갖는 중합체로 형성된다. 제1 및 제3 중합체 층들에 사용될 수 있는 중합체의 예는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌, 폴리아미드, 및 나일론을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 제2 층에 사용될 수 있는 열 전도성 재료들의 예는 금속(예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 또는 알루미늄), 탄소 섬유, 그래파이트, 및 실리콘 탄화물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 금속 열 전도성 층이 사용될 때, 금속은 중합체 층들 사이에 샌드위치되는 포일의 형태일 수 있다.

다른 실시예에서, 캡슐화 층은 세 개의 층들: 제1 중합체 층, 제2 난연층, 및 제3 중합체 층을 포함하는 라미네이트를 포함하며, 난연층은 제1 중합체 층과 제3 중합체 층 사이에 샌드위치된다. 제1 및 제3 중합체 층들은 전술된 바와 같이 바람직하게는 매우 낮은 열전도도(1 W/m 미만)를 갖는 중합체로 형성된다. 제2 층에 사용될 수 있는 난연 재료의 예는 금속(예를 들어, 구리, 스테인리스 스틸, 또는 알루미늄), 미카, 폴리벤지미다졸 섬유(PBI 섬유), 코팅된 나일론, 멜라민, 모다크릴, 및 방향족 폴리아미드(아라미드)를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 금속 열 전도성 층이 사용될 때, 금속은 중합체 층들 사이에 샌드위치되는 포일의 형태일 수 있다.

금속은 라미네이트 캡슐화 층에 사용하기에 바람직한 재료이다. 금속은 캡슐화 층에 열 전도성 속성과 난연성 둘 다를 제공한다. 난연성과 열 전도성 둘 다를 제공하는 데 단일 재료를 사용함으로써, 캡슐화 층의 두께는 최소화될 수 있다.

단일 층(중합체 또는 금속)이 사용되든 또는 라미네이트 층이 사용되든, 단열층은 지지 부재의 적어도 일부분에 캡슐화 층을 부착함으로써 캡슐화 층에 의해 캡슐화될 수 있다. 캡슐화 층은 열 융착(heat staking)에 의해 부착될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "열 융착"이라는 용어는 열과 융합함으로써 중합체 재료들의 두 개의 별개의 피스들을 연결하는 프로세스를 지칭한다. 열 융착 프로세스에서, 중합체 피스들 중 하나, 또는 둘 모두는 중합체 피스들 중 하나, 또는 둘 모두를 형성하는 데 사용되는 재료의 유리 전이 온도 위로 가열된다. 중합체 피스들을 유리 전이 온도 위로 가열하는 것은 하나 또는 둘 다의 피스들의 재료가 연화되고 다른 피스와 융합되게 한다. 일 실시예에서, 캡슐화 층은 열 융착 프로세스를 사용하여 지지 부재의 적어도 일부분에 부착된다.

대안적인 실시예에서, 캡슐화 층은 그 자체로 실링된다. 이 대안적인 실시예에서, 캡슐화 층은 지지 부재들을 넘어 연장되고 자체적으로 접촉하여 배치된다. 다시 한 번, 캡슐화 층들을 함께 융합시키기 위해 열 융착 프로세스가 사용될 수 있어, 두 개의 층들 사이에 시일을 형성한다. 일 실시예에서, 단열층을 캡슐화하기 위해 단일 캡슐화 시트가 사용된다. 이 실시예에서, 캡슐화 시트는 단열층의 일측을 덮고, 그런 다음 단열층의 타측을 덮기 위해 위로 폴딩된다. 캡슐화 시트의 단부들은 캡슐화 층 내의 단열층을 에워싸기 위해 서로 위아래로 배치되고 열 융착된다. 캡슐화 시트의 하나, 두 개, 또는 세 개의 에지들은 캡슐화 층을 형성하기 위해 함께 결합될 수 있다.

다른 실시예에서는, 단열층을 캡슐화하기 위해 두 개의 별개의 캡슐화 시트들이 사용될 수 있다. 지지 부재와 접촉하여 단열층의 일측을 덮는 제1 시트가 배치될 수 있다. 그런 다음, 또한 지지 부재의 반대 측과 접촉하여, 단열층의 반대 측을 덮는 제2 시트가 배치된다. 그런 다음, 제1 시트와 제2 시트는 지지 부재의 양측의 적어도 일부분에 시트들을 부착하기 위해 열 융착된다. 다른 실시예에서, 제1 시트 및 제2 시트는 단열층의 양측 상에 이전에 논의된 바와 같이 위치된다. 제1 시트와 제2 시트는 지지 부재를 넘어 연장되어 시트들이 서로 접촉할 수 있게 한다. 캡슐화 시트의 단부들은 두 개의 캡슐화 시트들로 구성된 캡슐화 층 내의 단열층을 에워싸기위해 서로 위아래로 배치되고 열 융착된다.

도 6은 라미네이트 캡슐화 층을 생성하는 시스템 및 방법을 도시한다. 도 6에 도시된 실시예에서, 라미네이트는 라미네이트 시트의 외측 표면들로서의 역할을 하는 두 개의 중합체 막들로 만들어진다. 금속 포일이 열 전도성/난연성 층으로서 사용된다. 막의 두 개의 별개의 중합체 롤들이 두 개의 별개의 금속 포일 시트들과 함께 라미네이터에 공급된다. 시트들은 라미네이션 단계에서 조합 및 실링되며, 금속 포일은 두 개의 중합체 시트들 사이에 샌드위치된다. 금속 포일 시트들은 라미네이트에서 폴드가 만들어질 수 있도록 공간에 의해 분리된다.

라미네이팅된 시트는 주름 디바이스(creasing device)로 운반되며, 이는 라미네이트 시트에 주름을 배치하여 라미네이트 시트를 엔벨럽 형태로 폴딩할 수 있게 한다. 라미네이트 시트에 주름이 배치된 후, 시트는 연장되고 단열층의 캡슐화에 적절한 크기로 절단된다. 절단 후, 라미네이트 시트는 엔벨럽 형상으로 폴딩되고, 엔벨럽 형상의 캡슐화 층 내에 단열층 및 주변 지지 부재들이 배치된다. 라미네이트 시트 내의 단열층 및 지지 부재를 실링하기 위해 라미네이트 시트의 에지에 형성된 플랩이 위로 폴딩된다. 최종 단계에서, 라미네이트 시트는 가열되어, 중합체 층들이 용융되고 함께 융합되게 한다. 대안적으로, 최종 가열 단계 동안, 라미네이트 시트는 용융되고 지지 부재와 융합될 수 있다. 최종 실링 단계를 위해 열 융착 프로세스가 사용될 수 있다. 열 융착 프로세스에서, 금속 융착 디바이스가 중합체의 유리 전이 온도를 초과하는 온도로 가열된다. 금속 융착 디바이스는 라미네이트 시트에 맞닿아 가압되어, 라미네이트 시트의 접촉된 부분들이 용융되고 냉각 시 융합되게 한다. 바람직한 실시예에서, 중합체는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)이고, 금속 포일은 스테인리스 스틸이다.

캡슐화 부재는 단열층으로부터 떨어진 먼지 또는 미립자 물질의 발생을 감소시키거나 제거할 수 있다. 추가적으로, 캡슐화 층은 단열 배리어 상에 마킹 또는 인쇄된 기록이 만들어질 수 있게 하는 재료로 형성될 수 있다. 단열층의 마킹이 항상 가능한 것은 아니다.

캡슐화 층은 공기가 패널 내외로 흐를 수 있게 하는 적어도 하나의 통기구를 포함할 수 있다. 캡슐화 부재는 미립자 물질을 필터링하는 적어도 하나의 필터를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 캡슐화 층은 공기가 패널 내외로 흐를 수 있게 하는 통기구, 및 캡슐화 부재 내에 미립자 물질을 유지하는 통기구 위의 미립자 필터를 포함한다. 다른 실시예에서, 캡슐화 층은 적어도 하나의 통기구 및 적어도 하나의 미립자 필터를 포함하는 에지 시일들을 포함한다. 추가 실시예에서, 캡슐화 층은 적어도 하나의 통기구 및 적어도 하나의 미립자 필터를 포함하는 에지 시일들을 포함하되, 에지 시일들에서의 통기구들은 캡슐화 부재 에지들 내외로 공기가 흐를 수 있게 하고, 필터들은 흐르는 공기 내의 미립자 물질을 포획 및 보유하여, 캡슐화 층 외부의 공기가 미립자 물질로 오염되는 것을 방지한다.

다른 실시예에서, 캡슐화 층은 연장 부분을 포함할 수 있다. 캡슐화 층은 금속 포일, 금속 포일을 포함하는 라미네이트 또는 탄성 속성들을 갖는 중합체로 구성될 수 있거나, 캡슐화 층은 탄성 속성들을 갖는 중합체로 구성될 수 있다. 캡슐화 층의 두 개의 시트들이 지지 부재와 접촉하여, 단열층의 양측 상에 배치될 수 있다. 도 7은 양측 상의 캡슐화 층(720)에 의해 덮이는 단열층(710)의 측면도를 도시한다. 캡슐화 층들은 부분적으로, 또는 바람직하게는 완전히, 단열층을 캡슐화하고 지지 부재들(730)에 부착된다. 금속 포일 층들이 캡슐화 층으로서 사용되는 경우, 금속 포일은 크림핑 또는 용접에 의해 지지 부재에 부착될 수 있다.

도 7에 도시된 실시예에서, 캡슐화 층들 중 하나 또는 둘 다는 전지 셀들을 포함하는 인클로저의 내부 표면(750)(예를 들어, 측벽 또는 상단)을 향해 지지 부재들의 일부분을 넘어 연장되는 연장 부분(740)을 포함한다. 조립 동안, 내부 표면은 위치 755a에서 시작한다. 이 위치에서, 내부 표면(755a)은 연장 부분(740a)과 접촉한다. 전지 셀들 또는 모듈들을 홀딩하는 인클로저가 (예를 들어, 상단을 인클로저 상으로 배치함으로써) 조립됨에 따라, 내부 표면(755a)은 위치 755b로 이동한다. 이 조립 프로세스 동안, 연장 부분(740a)은 위치 740b로 굽어진다. 실시예에서, 연장 부분은 연장 부분이 인클로저의 내부와 접촉하게 될 때, 연장 부분이 시일을 형성할 수 있게 하기 위한 정확한 위치에서 연장 부분이 자동으로 굽어지도록 사용 전에 주름질 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 위치 740b에서의 연장 부분과 위치 755b에서의 인클로저의 내부 표면의 접촉은 전지 셀들(760) 사이에 시일을 형성한다. 단열 배리어와 인클로저의 내부 표면 사이의 시일의 형성은 전지 셀을 인접한 전지 셀들로부터 열적으로 격리하도록 도울 수 있다. 이는 열 폭주를 겪는 전지 셀이 인접한 전지들에서 열 폭주 이벤트를 야기하는 것을 방지하는 데 특히 유용하다.

실시예에서, 단열 배리어는 캡슐화 층에 결합되는 하나 이상의 접착 패드를 갖는다. 도 8은 접착 패드(840)를 갖는 단열 배리어(800)의 평면도 및 측면도를 도시한다. 단열층(810)은 캡슐화 층(830)에 의해 캡슐화된다. 전술된 바와 같이, 단열층의 캡슐화를 지지하고 가능하게 하기 위해 지지 부재(820)가 사용된다. 캡슐화 층에 더하여, 캡슐화 층의 외측 표면에 하나 이상의 접착 패드(840)(예를 들어, 한 개, 두 개, 세 개, 네 개, 또는 더 많은 접착 패드들)가 부착된다. 바람직하게는, 접착 패드들은 도 8에 도시된 바와 같이, 지지 부재들에 근접하여 캡슐화 층에 결합된다. 도 1이 또한 접착 패드(140)를 갖는 단열 배리어의 실시예를 도시한다.

도 9a는 두 개의 전지 셀들 사이에 배치된 단열 배리어의 평면도를 도시한다. 도 9b에서, 단열 배리어와 전지 셀 사이에 쿠션을 제공하기 위해 단열 배리어와 전지 셀들 사이에 접착 패드들이 위치된다. 접착 패드들은 단면 접착 패드들 또는 양면 접착 패드들일 수 있다. 접착 패드들이 단면인 실시예에서, 접착 패드들을 캡슐화 층에 접착시키기 위해 접착제가 사용된다. 접착 패드들의 반대편에 있는 비접착성 부분은 인접한 전지 셀에 맞닿아 놓여, 단열 배리어와 전지 셀 사이에 쿠션을 제공할 것이다. 바람직한 실시예에서, 접착 패드들은 양면 접착제로 형성된다. 단면 접착 패드들과 유사하게, 양면 접착 패드들의 일측이 캡슐화 층에 부착된다. 양면 접착 패드들의 반대 측은 접착 패드를 전지 셀에 접착시키는 데 사용되는 접착 표면을 포함한다. (접착 패드들을 통해) 단열 배리어를 전지 셀에 접착되게 하는 것은 전지 모듈(또는 전지 팩)이 조립됨에 따라 단열 배리어를 전지와 정렬되게 유지함으로써 제조에 도움이 될 수 있다. 접착제가 없을 시, 단열 배리어는 전지 셀과의 정렬에서 벗어날 수 있어, 제조사에는 단열 배리어들을 전지 셀들과 주기적으로 재정렬할 것이 요구된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 양면 접착 패드들은 단열 배리어의 양측 상에 배치된다. 반대편에 있는 접착 패드들의 사용은 단열 배리어가 인접한 전지 셀들 둘 다에 접착될 수 있게 한다. 이는 전지 셀들과 단열 배리어 사이의 적절한 정렬이 제조 프로세스 전반에 걸쳐 유지되도록 보장한다. 접착제의 사용은 전지 셀들의 사용 동안 전지 셀들과 단열 배리어의 정렬을 유지하는 데 또한 도움이 될 수 있다. 전술된 바와 같이, 전지 셀들은 에너지 저장 시스템의 수명 동안 팽윤할 것이다. 패킹된 전지 모듈 또는 전지 팩 내부의 타이트한 허용오차를 고려해 볼 때, 전지 셀들의 팽윤은 단열 배리어들이 정렬된 위치로부터 변위되게 할 수 있다. 접착 패드가 단열 배리어를 전지 셀에 접착시키게 하는 것은 에너지 저장 시스템의 정상 동작 동안 단열 배리어의 전지 셀에 대한 변위를 억제하거나 방지하도록 도울 수 있다.

전지 셀들을 단열 배리어들과 정렬되게 유지하는 데 접착제를 사용하는 것에 대안적으로, 또는 추가적으로, 정렬을 보조하기 위해 정합 시스템이 사용될 수 있다. 도 10에 도시된 실시예에서, 전지 모듈(또는 전지 팩) 인클로저(1000) 내부에 하나 이상의 정합 가이드(1040)가 위치된다. 정합 가이드는 일 실시예에서, 인클로저의 일단부로부터 인클로저의 타단부까지, 전지 셀들 및 단열 배리어의 종축에 실질적으로 수직하여 연장되는 로드일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 정합 요소(145)는 지지 부재 내에 형성될 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 정합 요소는 지지 부재에 형성되는 개구이다. 개구는 정합 가이드의 직경과 동일하거나, 약간 더 큰 직경을 갖는다. 조립 동안, 단열 배리어는 단열 배리어를 정합 가이드들(예를 들어, 로드)을 따라 제 위치로 이동시키기 위해 정합 요소들(예를 들어, 개구들)을 사용함으로써 전지 셀들과 정렬될 수 있다. 정합 가이드들/요소들로서 돌출부들/만입부들을 사용하는 정합 시스템들을 포함하는 다른 유형들의 정합 시스템들이 사용될 수 있다. 정합 시스템에는 트레이들 또는 채널들이 또한 사용될 수 있다.

도 9는 단열층과 지지 프레임을 사용하는 것의 장점을 또한 예시한다. 도 9c는 두 개의 전지 셀들 사이에 위치된 단열층을 도시한다. 도 9c에서, 단열층에는 어떠한 지지 부재도 부착되지 않는다. 전지 셀들이 팽윤함에 따라, 단열층은 압축된다. 이는 도 9c에 도시된 바와 같이, 단열층에 전단 변형을 일으켜, 단열층이 변위되게 하고 전지 셀로부터 멀리 연장되게 한다. 대조적으로, 도 9b에서, 단열층의 측부들을 지지 부재가 둘러싼다. 전지 셀들이 팽창하기 시작할 때, 단열층의 팽창은 지지 프레임에 의해 포함되며, 이는 단열층이 전지 셀들을 넘어 연장되는 것을 방지한다. 이는 특히 전지 셀들이 타이트한 인클로저 내로 패킹될 때 유용할 수 있고, 단열층의 변위는 인클로저 및 인클로저의 측벽들과 연관된 전자 기기의 무결성에 영향을 미칠 수 있다.

도 11은 팽창성 재료 및 열 전도성 캡슐화 층으로 구성된 단열 배리어의 대안적인 실시예를 도시한다. 단열 배리어(1100)는 캡슐화 층(1130)에 의해 캡슐화된 단열층(1110)을 포함한다. 전술된 바와 같이, 단열층의 캡슐화를 지지하고 가능하게 하기 위해 지지 부재(1120)가 사용된다. 이 실시예에서, 지지 부재(1120)는 단열층을 부분적으로 둘러싸기 위해 함께 결합되는 세 개의 세그먼트들(1120a, 1120b, 및 1120c)를 포함한다.

도 12는 단열층에 결합된 지지 부재의 확대도를 도시한다. 지지 부재(1120)는 도 11에 도시된 바와 같이 단열층(1110)을 적어도 부분적으로 둘러싼다. 캡슐화 층(1130)은 시일(1135)을 사용하여 지지 부재에 부착된다. 시일은 캡슐화 층을 지지 부재에 맞닿아 배치하고 캡슐화 층을 용융시켜 본드를 형성함으로써 생성될 수 있다. 대안적으로, 실링 재료(예를 들어, 접착제 또는 용융 중합체)가 실링 재료 상으로 가압된 캡슐화 층과 지지 부재에 적용될 수 있다. 캡슐화 층을 지지 부재에 맞닿아 실링하는 것은 전지 인클로저 내의 단열층으로부터의 미립자 물질의 양을 최소화할 수 있다.

도 13은 고온 이벤트(예를 들어, 열 폭주 이벤트) 전후의 팽창성 지지 부재(1120)의 개략도를 도시한다. (좌측에 도시된) 정상적인 사용 동안, 지지 부재(1120)는 최소 두께를 갖고, 전지 셀/모듈 인클로저의 벽(1140)과 지지 부재 사이에 갭이 존재한다. 본 명세서에서 사용될 때, 온도가 90℃ 초과, 130℃ 초과, 또는 180℃ 초과에 도달할 때 고온 이벤트가 발생한다. 고온 이벤트가 발생할 때, 전지 셀 구성요소들은 저하되기 시작하여, 다른 전지 셀들로 전파되는 폭주 조건을 야기할 것이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 고온 이벤트가 발생할 때, 팽창성 지지 부재는 팽창하여, 단열층(1110)과 인클로저 벽(1140) 사이의 갭을 채울 것이다. 갭을 채우는 것은 단열층과 인클로저 벽 사이에 열적 및 물리적 배리어를 생성하여, 열 및 미립자 물질이 인접한 전지 셀들과 접촉하는 것을 방지한다.

도 14는 단열층(1110)을 실질적으로 둘러싸는 U자형 지지 부재(1120)를 포함하는 단열층(1110)의 실시예를 도시한다. 단열층의 하부 측은 이 실시예에서 개방된 채로 있고, 일반적으로 인클로저의 하단과 접촉한다.

단열층들, 특히 에어로겔을 포함하는 단열층들은 전기 저장 시스템들에 해로울 수 있는 미립자 물질(먼지)을 생성하는 경향이 있어, 제조 문제들을 일으킨다. 미립자 물질의 방출은 위에서 논의된 바와 같이, 캡슐화 층을 사용함으로써 완화될 수 있다. 캡슐화 층은 전형적으로, 입자들 및 가스가 캡슐화 층에 들어가거나 캡슐화 층을 나갈 수 없도록 단열층 주위에 실링된다. 캡슐화 층의 압축 동안, 캡슐화 층은 방출 입자 및 가스를 전지 모듈 내로 파열시킬 수 있다. 이 문제를 완화시키기 위해, 지지 부재에 입자 포획 부재가 추가될 수 있다. 단열체의 압축 동안 생성된 입자들은 포획될 수 있고, 입자 포획 부재 내에 적어도 부분적으로 보유될 수 있다. 입자 포획 부재는 본 명세서에서 사용될 때 재료 상에 충돌하는 입자들을 트랩할 수 있는 재료층을 지칭한다. 입자 포획 부재에 사용되는 재료의 예는 폼(개방 셀 또는 폐쇄 셀), 직조재, 부직재(예를 들어, 펠트, 배팅, 매트 패브릭), 또는 웹 재료를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일반적으로, 입자 포획 부재는 입자가 입자 포획 부재 내에 보유되는 동안, 가스가 재료를 통과할 수 있게 하는 재료로 만들어진다.

도 15는 지지 부재(1120)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 단열층(1110)을 갖는 단열 배리어의 실시예를 도시한다. 단열 배리어는 압축 동안 단열층 밖으로 공기 흐름을 허용하기 위해 지지 부재가 없는 하나 이상의 코너에 개구들을 더 포함한다. 개구들은 입자들(예를 들어, 에어로겔)이 단열 배리어 밖으로 빠져나가는 것을 억제하거나 방지하기 위해 입자 포획 부재들(1150)로 채워질 수 있다. 도 15에 도시된 실시예에서, 입자 포획 부재들(1150)은 지지 부재보다 더 클 수 있고, 지지 부재와 부분적으로 중첩될 수 있다. 도 16은 지지 부재들의 코너들에 형성된 개구들 내로 통합된 입자 포획 부재들을 갖는 지지 부재의 대안적인 실시예를 도시한다. 도 16에서, 입자 포획 부재들은 지지 부재와 실질적으로 동일한 크기를 갖는다.

도 17은 단열층(1110) 및 캡슐화 층(1130)에 결합된 팽창성 지지 부재(1120)를 갖는 단열 배리어의 측면도를 도시한다. 팽창성 지지 부재는 단열층과 전지 모듈 하우징 사이의 갭의 더 나은 실링을 위해 T자형일 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 캡슐화 층(1130)은 캡슐화 층의 일부분을 용융시킴으로써 또는 접착제의 사용을 통해 T자형 팽창성 지지 부재에 접착될 수 있다.

도 18은 단열 배리어의 대안적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, T자형 팽창성 지지 부재(1120)는 단열층(1110) 및 캡슐화 층(1130)에 결합된다. 이 실시예는 팽창성 지지 부재(1120)가 캡슐화 층(1130)의 에지 주위에 감싸진다는 점에서, 도 17에 도시된 실시예와 상이하다. 캡슐화 부재의 에지 주위에 지지 부재를 감싸는 것은 팽창성 지지 부재가 열 폭주 이벤트에 의해 트리거될 때 전지 셀의 개선된 격리를 제공하도록 도울 것이다.

도 19는 단열 배리어의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 캡슐화 층(1130)은 열 교환 요소(1170)와 캡슐화 층의 표면적을 증가시키기 위해 U자형이다. 지지 부재(1120)는 캡슐화 층(1130)의 에지 주위에 감싸질 수 있다. 사용 동안, 인접한 전지 셀들에 의해 발생되는 열은 열 전도성 캡슐화 층(1130)을 통해 열 교환 요소(1170)로 전달된다. 그런 다음, 열은 열 교환 요소를 통해 전지 셀로부터 멀리 전달된다.

도 20은 단열 배리어의 대안적인 실시예를 도시한다. 도 19의 단열 배리어와 유사하게, 도 20의 단열 배리어는 열 교환 요소(1170)와 캡슐화 층(1130)의 증가된 접촉을 위해 넓어진 표면적을 포함한다. 캡슐화 층은 두 개의 L자형 피스들로 구성된다. L자형 피스들은 단열 배리어(1110)의 대향하는 면들 상에 배치된다. 사용 동안, L자형 캡슐화 피스들의 단부들에는 약간의 갭이 존재할 수 있다. 이 갭은 캡슐화 층에 약간의 유연성을 허용한다. 사용 동안 전지 셀이 팽창됨에 따라, 도 20에 도시된 바와 같이, L자형 캡슐화 피스들의 하단 아암들은 서로를 향해 이동하고 최종적으로 서로 접촉한다.

실시예에서, 전기 에너지 저장 시스템에 사용하기 위한 단열 배리어는 단열층 및 단열층의 적어도 일부분을 둘러싸는 지지 부재를 포함한다. 단열층은 단열층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 캡슐화 층을 또한 포함한다. 지지 부재에 하나 이상의 실링 탭이 결합된다. 실링 탭은 형상 기억 재료로 만들어지고, 열에 노출될 때 실링 탭들이 지지 부재로부터 멀리 연장되도록 위치된다. 예를 들어, 정상적인 전지 사용 동안, 실링 탭은 제1 위치에 있다. 제1 위치에서, 실링 탭은 실질적으로 지지 부재에 맞닿아 놓인다. 가열될 때 실링 탭은 제2 위치로 이동한다, 제2 위치에서, 실링 탭은 지지 부재로부터 멀리 연장되어 인클로저와 접촉한다.

도 21은 전지 인클로저(예를 들어, 전지 모듈 인클로저 또는 전지 팩 인클로저)의 개략도를 도시한다. 단열 배리어(1200)가 각 전지 셀(또는 전지 모듈)(1260) 사이에 위치된다. 단열 배리어는 본 명세서에서 설명된 바와 같은 단열층 및 캡슐화 층을 포함한다. 단열 배리어(1200)는 단열층과 전지 모듈/팩 인클로저(1240) 사이에 위치되는 실링 탭(1280)을 또한 포함한다. 전지 모듈/팩의 정상 사용 동안, 실링 탭들은 "개방" 위치에 유지되며, 실링 탭은 도면의 우측에 도시된 바와 같이 단열 배리어 위로 폴딩된다. 열 폭주 이벤트가 발생할 때, 이벤트로부터의 열이 실링 탭들에 도달하고, 도면의 우측 부분에 도시된 바와 같이, 위치 변화를 유발할 것이다.

열 폭주 이벤트 동안, 작동이 되지 않는 전지 셀/모듈로부터의 열은 도 21에 도시된 바와 같은 실링 탭들의 변화를 유발할 것이다. (예를 들어, 작동이 되지 않는 전지 셀 또는 모듈로부터의) 고온 공기가 실링 탭들에 도달할 때, 열은 실링 탭들이 형상이 변하게 하고 인클로저의 일부분과 접촉되게 할 것이다. 인클로저와 접촉하는 실링 탭들은 열 폭주 이벤트 동안 배출될 수 있는 입자들 및 열에 대한 추가적인 배리어를 형성한다. 전지 모듈을 손상으로부터 또한 보호하는 추가적인 탭들(1265)이 또한 존재할 수 있다. 추가적인 탭들(1265)은 팽창성 재료로 만들어질 수 있다. 가열될 때, 추가적인 탭들(1265)은 팽창되어 인클로저(1240)와 접촉한다.

실링 탭들(1280)은 형상 기억 합금으로 만들어질 수 있다. 형상 기억 합금은 가열될 때 두 개의 별개의 상태들을 갖는 합금이다. 제1 상태에서, 실링 탭들은 이완된 위치에서 단열층에 맞닿아 있다. 가열될 때, 실링 탭들은 실링 탭이 인클로저와 접촉하는 제2 위치로 이동한다. 실링 탭을 형성하는 데 사용될 수 있는 예시적인 형상 기억 합금은 니켈-티타늄 합금이며, 통상적으로 니티놀로 알려져 있다.

도 22는 전지 인클로저의 대안적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 모듈의 중간에 있는 전지 셀들을 보호하기 위해 실링 탭들 두 개의 피스들이 떨어져 배치된다. 열에 의해 활성화될 때, 형상 기억 실링 탭들은, 서로 나란히 배치되기 때문에, 양 방향으로부터의 열 및 질량 전달(예를 들어, 파열된 전지 셀로부터의 입자들)을 차단한다.

도 23 및 도 24는 실링 탭들(1265)의 대안적인 배열들을 도시한다. 이러한 실시예들에서, 실링 탭들은 인클로저 위에 그리고/또는 지지 부재 상에 위치될 수 있다. 도 23에서, 실링 탭들은 팽창성 재료 위에 배치되고, 모듈 하우징을 향해 굽어진다. 실링 탭들의 이러한 배향으로의 배치는 열 폭주 동안 추가적인 열 및 미립자 차단을 제공한다. 열 폭주 이벤트 동안, 실링 탭들은 도면들에 도시된 바와 같이, 전지 셀들 사이의 시일을 팽창시키고 형성함으로써 열에 반응한다. 도 24에서, 실링 탭들은 지지 부재 및 인클로저에 결합된다. 인클로저에 부착된 실링 탭들은 아래로 팽창되는 한편, 지지 부재 상의 실링 탭들은 위로 팽창된다. 인접한 전지 셀들의 쌍과 연관된 단일 분리 탭을 갖는 디바이스들에서, 분리 탭들은 일 방향으로의 열 및 질량 전달을 차단하기 위해 사용될 수 있다. 두 개의 실링 탭들은 양방향으로부터의 열 및 질량 전달을 차단하기 위해 서로 나란히 배치될 수 있다.

도 25는 캡슐화된 단열층을 포함하는 단열 배리어의 실시예의 개략도를 도시한다. 단열층은 본 명세서에서 전술된 바와 같은 단열층을 포함한다. 단열층의 적어도 일부분을 지지 부재가 둘러싼다. 캡슐화 층은 세 개의 층들: 즉 외측 중합체 층; 강성 층; 및 내측 중합체 층으로 구성된 라미네이트 막이다. 일반적으로, 지지 부재는 단열층에 사용되는 재료와 상이한 재료로 구성된다.

외측 중합체 층은 단열층에 마모 보호를 제공한다. 사용 동안, 외부 스트레스는 단열층을 손상시킬 수 있다. 단열층에 대한 손상은 단열층의 단열 속성들을 손상시킬 수 있다. 보호되지 않은 단열층에 발생할 수 있는 외부 스트레스는 전지 셀들의 팽창에 의해 야기되는 스트레스, 주변 온도의 변화, 외부 충격, 외부 파열, 및 단열층의 외부 스크래칭을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 본 개시의 일부 양태들에서, 외측 중합체 층은 외부 스트레스로부터 단열층을 보호하는 재료로부터 선택된다. 외측 중합체 층으로서 사용될 수 있는 예시적인 중합체는 폴리옥시메틸렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리아미드-이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리스티렌, 폴리설폰, 폴리이미드, 및 테레프탈레이트를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 외측 중합체 층에 사용될 수 있는 특정 중합체는 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET") 및 배향된 나일론("ONy")을 포함한다.

단일 외측 중합체 층이 위에서 설명되지만, 외측 중합체 층은 두 개 이상의 중합체 층들로 구성될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 다수의 외측 중합체 층들이 사용될 때, 추가적인 외측 중합체 층들은 동일한 중합체 또는 상이한 중합체로 형성될 수 있다. 본 발명의 양태에서, 외측 중합체 층은 위에 놓인 PET 중합체 층을 갖는 ONy 중합체 층으로 구성된다.

도 25에 도시된 바와 같이, 내측 중합체 층(126)은 단열층(110)과 접촉한다. 내측 중합체 층(110)은 단열층을 적어도 부분적으로 둘러싸, 단열층을 외부 화학적 및 기계적 손상으로부터 보호한다. 내측 중합체 층은 또한 캡슐화 층 내에 포함된 단열층으로부터의 미립자 물질을 유지하는 배리어로서 작용하여, 손상을 주는 입자들이 전기 에너지 저장 시스템에서 분산되는 것을 억제하거나 방지한다. 내측 중합체 층은 폴리올레핀 중합체로 구성될 수 있다. 사용될 수 있는 예시적인 폴리올레핀 중합체는 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE)을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

특정 실시예에서, 외측 중합체 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET") 또는 나일론 중합체로 구성된다. 단열층은 에어로겔 재료로 구성된다, 내측 중합체 층은 폴리프로필렌("PP") 또는 폴리에틸렌("PE")으로 구성된다. 지지 부재는 팽창성 재료로 구성된다.

도 25에 도시된 바와 같이, 캡슐화 층은 단열층 주위에 시일을 형성하기 위해 서로 연결되는 두 개의 별개의 라미네이트 막들(예를 들어, 상단 라미네이트 막 및 하단 라미네이트 막)로 구성될 수 있다. 대안적인 양태에서, 캡슐화 층은 단열층을 캡슐화하기 위해 위로 폴딩되고 자체적으로 실링되는 단일 라미네이트 막으로 형성될 수 있다.

일 양태에서, 내측 중합체 층은 지지 부재에 열 용접될 수 있는 재료를 포함한다. 도 25에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 단열층의 상단면 상에 배치된 내측 중합체 층은 단열층 주위에 시일을 형성하기 위해 지지 부재의 상단면에 열 용접될 수 있다. 단열층 외부에 있는 위치에서, 가열된 객체를 상단 라미네이트 막 및/또는 하단 라미네이트 막에 적용함으로써 열 시일이 형성될 수 있다. 가열된 객체로부터의 열은 중합체의 온도를 내측 중합체 층과 지지 부재에 사용되는 중합체가 적어도 부분적으로 함께 융합될 수 있는 지점까지 상승시킬 것이다. 대안적으로, 내측 중합체는 접착 재료를 사용하여 지지 부재에 접착될 수 있다. 예를 들어, 라미네이트 막의 내측 중합체 층을 지지 부재에 결합시키기 위해 글루 또는 접착 테이프가 사용될 수 있다.

내측 중합체 층은 또한 단열층에 화학적 저항 및/또는 열 저항을 제공할 수 있다. 사용 동안, 전지 모듈의 전기적 요구로 인해 전지 셀들의 온도가 증가할 수 있다. 마찬가지로, 전지 모듈들은 전지 팩에 대한 전기적 요구가 증가함에 따라 온도가 증가할 수 있다. 단열층들에 의해 분리되는 구성요소들의 온도의 증가는 단열층에 스트레스를 줄 수 있다. 추가적으로, 전지 셀들로부터의 화학적 누설은 단열층을 화학적으로 손상시켜, 단열층의 열 속성들을 손상시킬 수 있다. 본 발명의 일부 양태들에서, 내측 중합체 층은 화학적 및 열 손상으로부터 단열층을 보호하는 재료로부터 선택된다. 폴리올레핀 중합체는 단열층에 우수한 화학적 및 열 저항을 제공한다.

일 양태에서, 내측 중합체 층과 외측 중합체 층 사이에 강성 층이 배치된다. 강성 층은 일부 양태들에서, 단열 배리어의 지지 및 보호를 제공하기 위해 사용된다. 예를 들어, 단열층은 직조 또는 부직포 섬유질 보강 지지부를 포함한다. 이러한 지지 기반 단열층들은 그 경량 및 낮은 강성으로 인해, 전기 에너지 저장 시스템 내에, 특히 전지 셀들 사이에 설치하기 어려울 수 있다. 이러한 어려움은 대량 생산 환경에서 악화된다. 캡슐화 층에 강성 층을 배치하는 것은 제조 동안 단열 배리어가 더 쉽게 조작될 수 있게 하는 지지부로서 작용할 수 있다.

강성 층은 전지 모듈들에 사용될 때 추가적인 열 및 기계적 보호를 또한 제공할 수 있다. 본 개시의 일부 양태들에서, 단열 배리어는 전지 모듈 내의 전지 셀들 사이에 배치된다. 열 폭주 이벤트 동안, 전지 셀들은 폭발적으로 파열되어, 모듈 전체에 걸쳐 고온 입자들 및 가스가 배출되게 할 수 있다. 이러한 방출된 재료는 인접한 전지 셀 케이싱들이 손상되게 하여, 때로는 인접한 전지 셀들이 폭주 상태로 들어가게 할 수 있다. 강성 층을 포함하는 단열 배리어는 미립자 물질 및 가스가 인접한 전지 셀을 손상시키는 것을 억제하거나 방지할 수 있다. 가단성 층은 또한 수분 및 공기로부터 단열층을 보호할 수 있다.

일 양태에서, 강성 층은 금속 포일 또는 중합체일 수 있다. 알루미늄이 라미네이트 캡슐화 층에 사용되는 가장 통상적인 금속이지만, 스테인리스 스틸, 티타늄, 및 구리 포일과 같은 다른 강성 금속 포일이 사용될 수 있다.

금속 포일의 사용은 또한 단열 배리어에 열 전달 속성들을 추가할 수 있다. 전지 셀들의 열 폭주가 발생할 때, 전지 셀은 매우 높은 온도로 가열된다. 이러한 열은 인접한 전지 셀들로 방사되어, 인접한 전지 셀들이 폭주 상태에 진입할 가능성을 증가시킬 수 있다. 금속 포일의 사용은 단열층에 열 전도성 금속 포일을 제공함으로써 단열 배리어의 열 속성들을 개선할 수 있다. 인접한 폭주 전지 셀에 의해 생성되는 열은 금속 포일 층으로 전달될 수 있다. 금속 포일층은 열이 금속 포일을 통해 전지 셀들로부터 멀리 전달될 수 있게 하는 케이싱의 일부분(예를 들어, 냉각 플레이트)에 연결될 수 있다.

강성 층은 또한 중합체로 구성될 수 있다. 라미네이트 막에 강성 층으로서 사용될 수 있는 예시적인 중합체는 폴리벤지이미다졸 섬유(PBI 섬유), 나일론, 멜라민, 모다크릴, 및 방향족 폴리아미드(아라미드)를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 다른 재료들이 또한 강성 층으로서 사용될 수 있다. 다른 재료들은 탄소 섬유, 그래파이트, 실리콘 탄화물, 및 미카를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

캡슐화 층으로서 사용되는 라미네이트 막은 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 다수의 층들로 구성된 단일 막으로서 구성될 수 있다. 양태에서, 라미네이트 막은 두 개의 중합체 층들 사이에 강성 층을 배치하고 열 및/또는 압력을 사용하여 내측 및 외측 중합체 층을 함께 융합함으로써 형성될 수 있다. 다른 양태에서, 층들을 함께 홀딩하기 위해 접착 글루 또는 테이프가 사용될 수 있다. 예를 들어, 접착제는 외측 중합체 층과 강성 층 그리고/또는 내측 중합체 층과 강성 층 사이에 배치될 수 있다.

양태에서, 캡슐화 층의 두께는 약 30 ㎛ 내지 약 300 ㎛ 또는 약 70 ㎛ 내지 약 200 ㎛이다. 캡슐화 층은 최대 약 30 ㎛, 최대 약 40 ㎛, 최대 약 50 ㎛, 최대 약 60 ㎛, 최대 약 70 ㎛, 최대 약 80 ㎛, 최대 약 90 ㎛, 최대 약 100 ㎛, 최대 약 120 ㎛, 최대 약 150 ㎛, 최대 약 200 ㎛, 최대 약 250 ㎛, 또는 최대 약 300 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 캡슐화 층이 라미네이트 막일 때, 내측 중합체 층은 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 두께를 가질 수 있고; 강성 층은 약 50 ㎛ 내지 약 150 ㎛의 두께를 가질 수 있으며; 외측 중합체 층은 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다.

도 26a는 단열 배리어(1300)의 단열층(1310)을 도시한다. 도 26b는 단열층을 완전히 둘러싸는 지지 부재(1320)에 배치된 단열층(1310)을 도시한다. 도 26c는 단열층의 하단 에지(1325)를 덮이지 않은 채로 남기면서, 지지 부재(1320)가 단열층(1310)을 부분적으로 둘러싸는 대안적인 실시예를 도시한다.

도 26d는 지지 부재(1320)에 의해 완전히 둘러싸인 단열층(1310)을 도시한다. 지지 부재(1320)에 대한 캡슐화 층의 접착을 개선하기 위해, 지지 부재의 표면(1327)이 거칠어질 수 있다.

도 27a는 지지 부재(1420)에 배치된 단열층(1410)을 갖는 단열 배리어(1400)를 도시한다. 이러한 실시예는 단열층에 대한 지지를 제공하는 가장 간단한 방법을 나타낸다.

도 27b는 중합체 막 캡슐화 층을 갖는 단열 배리어(1401)의 대안적인 실시예를 도시한다. 단열 배리어(1401)는 지지 부재(1420)에 배치된 단열층(1410)을 갖는다. 중합체 막을 지지 부재에 접착시킴으로써 단열층을 캡슐화하기 위해 중합체 막(1430)이 사용된다. 이 실시예에서, 중합체 막(1430)은 지지 부재 내의 단열층을 캡슐화하기 위해 지지 부재의 상단 및 하단 측들에 적용된다.

도 27c는 캡슐화 층으로서 강성 층을 포함하는 단열 배리어(1402)의 대안적인 실시예를 도시한다. 단열 배리어(1402)는 지지 부재(1420)에 배치된 단열층(1410)을 갖는다. 강성 층을 지지 부재에 접착시킴으로써 단열층을 캡슐화하기 위해 강성 층(1440)이 사용된다. 강성 층은 글루 또는 접착 테이프와 같은 접착제를 사용하여 지지 부재에 접착될 수 있다. 강성 층(1440)은 지지 부재 내의 단열층을 캡슐화하기 위해 지지 부재의 상단 및 하단 측들에 적용된다.

도 28a는 캡슐화 층으로서 강성 배리어 및 중합체 막을 포함하는 단열 배리어(1500)의 대안적인 실시예를 도시한다. 단열 배리어(1500)는 지지 부재(1520)에 배치된 단열층(1510)을 갖는다. 중합체 막을 지지 부재에 접착시킴으로써 단열층을 캡슐화하기 위해 중합체 막(1530)이 사용된다. 이 실시예에서, 중합체 막(1530)은 지지 부재 내의 단열층을 캡슐화하기 위해 지지 부재의 상단 및 하단 측들에 적용된다. 강성 층을 중합체 층에 접착시킴으로써 단열층을 캡슐화하기 위해 강성 층(1540)이 사용된다. 강성 층은 열 융착에 의해 또는 글루 또는 접착 테이프와 같은 접착제를 사용하여 중합체 층에 접착될 수 있다. 강성 층(1540)은 지지 부재 내의 단열층을 보호하기 위해 지지 부재의 상단 및 하단 측들에 적용된다.

도 28b는 라미네이트 막에 의해 캡슐화된 단열층을 포함하는 단열 배리어(1502)의 대안적인 실시예를 도시한다. 단열 배리어(1502)는 지지 부재(1520)에 배치된 단열층(1510)을 갖는다. 라미네이트 막은 본 명세서에서 전술된 바와 같이, 내측 중합체 층(1530), 강성 층(1540), 및 외측 중합체 층(1550)으로 구성된다. 이 실시예에서, 라미네이트 막은 지지 부재 내의 단열층을 캡슐화하기 위해 지지 부재의 상단 및 하단 측들에 적용된다.

본 개시의 다양한 실시예들에 따른 단열 배리어는 복수의 전지 셀들을 갖는 전지 모듈 또는 복수의 전지 모듈들을 갖는 전지 팩에 사용될 수 있다. 단열 배리어는 단일 전지 셀들 또는 전지 셀들의 모듈들을 서로 열적으로 분리하기 위해 사용될 수 있다. 전지 팩은 다수의 전지 모듈들로 구성된다. 도 29a는 복수의 전지 셀들(1610), 및 전지 셀들 사이에 위치된 복수의 캡슐화된 단열 배리어들(1620)을 갖는 전지 모듈(1600)의 분해도를 도시한다. 모듈 내의 전지 셀들을 분리하는 맥락에서 설명되지만, 본 명세서에서 설명된 단열 배리어들은 또한 전지 팩 내의 전지 모듈들을 분리하기 위해 사용될 수 있다. 도 29b에 도시된 바와 같이, 전지 모듈은 전지 셀들이 저장되는 케이싱(1630)을 포함한다. 케이싱은 리드(1632) 및 케이스(1635)를 포함할 수 있다. 전지 셀들은 전지 셀들 사이의 간격이 존재하도록 케이싱 내에 조직된다. 전지 셀들(1610) 사이에 캡슐화된 단열 배리어들(1620)이 위치된다. 캡슐화된 단열 배리어는 전지 셀이 열 폭주 또는 임의의 다른 치명적인 전지 셀 장애를 겪을 때 인접한 전지 셀들의 손상을 억제 또는 방지할 수 있다.

전지 셀들 사이의 열 전달을 또한 억제하기 위해, 캡슐화된 단열 배리어들은 전지 셀들의 표면적보다 더 큰 표면적을 가질 수 있다. 도 29b에 도시된 바와 같이, 캡슐화된 단열 배리어(1620)는 전지 셀들로부터 멀리 연장되고 케이싱의 리드와 접촉하게 된다. 이는 열 폭주 이벤트 동안 열과 입자들이 이웃하는 전지 셀들로 전달되는 것을 억제하는 배리어를 전지 셀들 사이에 형성한다.

도 30은 복수의 전지 셀들(1710), 및 전지 셀들 사이에 위치된 복수의 캡슐화된 단열 배리어들(1720)을 갖는 전지 모듈(1700)의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 캡슐화 배리어들(1720)은 단열층 및 지지 부재를 포함한다. 단열층은 선택적으로, 도 27b에서 전술된 바와 같이, 중합체 층에 의해 덮일 수 있다. 중합체 캡슐화된 단열 배리어에 더하여, 전지 셀들 사이에 강성 층(1730)이 배치될 수 있다. 이전에 논의된 바와 같이, 강성 층은 전지 셀들을 열 및 미립자 물질로부터 보호할 수 있다. 강성 층들은 단열층들과 전지 셀들 사이에 배치될 수 있다. 도 30에 도시된 바와 같이, 강성 층들은 전지 셀들의 표면적보다 더 큰 표면적을 가질 수 있다. 강성 층(1730)은 전지 셀들(1710)로부터 멀리 연장되고, 케이스(1735)의 리드(1732)와 접촉하게 된다. 이는 열 폭주 이벤트 동안 열과 입자들이 이웃하는 전지 셀들로 전달되는 것을 억제하는 배리어를 전지 셀들 사이에 형성한다.

도 31은 복수의 전지 셀들(1810), 및 전지 셀들 사이에 위치된 복수의 캡슐화된 단열 배리어들(1820)을 갖는 전지 모듈(1800)의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 캡슐화된 단열 배리어(1820)는 적어도 단열층 및 지지 부재를 포함한다. 단열층은 선택적으로, 전술한 바와 같이, 캡슐화될 수 있다. 도 31에 도시된 바와 같이, 전지 모듈은 전지 셀들이 저장되는 케이싱(1830)을 포함한다. 케이싱은 리드(1832) 및 케이스(1835)를 포함할 수 있다. 전지 셀들은 전지 셀들 사이의 간격이 존재하도록 케이싱 내에 조직된다. 전지 셀들(1810) 사이에 캡슐화된 단열 배리어들(1820)이 위치된다. 도 31에 도시된 바와 같이, 단열층들은 전지 셀들의 표면적과 실질적으로 동일한 표면적을 가질 수 있다. 단열층들은 이웃하는 전지 셀들과 실질적으로 매칭되고 정렬된다.

본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용될 때, 단수 형태들은 내용이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상들을 포함한다. 본 명세서서 및 첨부된 청구범위에서 사용될 때, 용어 "또는"은 맥락이 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 일반적으로 "및/또는"을 포함하는 의미로 채용된다.

본 명세서에서 사용될 때, "약"은 대략 또는 거의 의미하고, 수치 값 또는 범위가 제시되는 상황에서 수치의 ±5%를 의미한다. 실시예에서, 용어 "약"은 수치 값의 유효 숫자들에 따른 전통적인 반올림을 포함할 수 있다. 또한, 어구 "약 'x' 내지 'y'"는 "약 'x" 내지 약 'y'"를 포함한다.

본 개시의 맥락 내에서, 용어 "에어로겔", "에어로겔 재료" 또는 "에어로겔 매트릭스"는 상호연결된 구조체들의 프레임워크를 포함하며, 프레임워크 내에 혼입되는 상호연결된 공극들의 상응하는 네트워크를 갖고, 분산 간극 매체로서 공기와 같은 기체를 함유하는 겔을 지칭하고; 이는 에어로겔에 기인하는 (질소 다공도 측정 시험에 따른) 다음의 물리적 및 구조적 속성들을 특징으로 한다: (a) 약 2 nm 내지 약 100 nm 범위의 평균 공극 직경, (b) 적어도 80% 이상의 다공도, 및 (c) 질소 수착 분석에 의한 약 100 m²/g 이상의 표면적.

이에 따라, 본 개시의 에어로겔 재료는 제로겔, 크리겔, 앰비겔, 마이크로다공성 재료 등으로 달리 분류될 수 있는 재료를 포함하여, 이전 단락들에서 제시된 정의 요소들을 만족시키는 임의의 에어로겔 또는 다른 개방 셀 재료를 포함한다.

본 개시의 맥락 내에서, "열 폭주"에 대한 언급은 일반적으로 다양한 작동 요인으로 인한 셀 온도 및 압력의 갑작스런 급격한 증가를 지칭하고, 이는 결과적으로 관련 모듈 전반에 걸쳐 과도한 온도의 전파를 초래할 수 있다. 이러한 시스템에서의 열 폭주의 잠재적인 원인은 예를 들어, 셀 결함 및/또는 단락 회로(내부 및 외부 둘 모두), 과충전, 사고의 경우와 같은 셀 천공 또는 파열, 및 과도한 주위 온도(예를 들어, 전형적으로 55℃보다 높은 온도)를 포함할 수 있다. 정상적인 사용에 있어서, 내부 저항의 결과로서 셀이 가열된다. 정상적인 전력/전류 부하 및 주위 작동 조건 하에서, 대부분의 Li 이온 셀 내의 온도는 20℃ 내지 55℃의 범위 내에서 유지되도록 비교적 용이하게 제어될 수 있다. 그러나, 개별 셀의 결함뿐만 아니라 높은 셀/주위 온도에서의 높은 전력 인출과 같은 스트레스가 많은 조건은 국부적 발열을 가파르게 증가시킬 수 있다. 특히, 임계 온도 이상에서는, 셀 내에서의 발열 화학 반응이 활성화된다. 더욱이, 화학적 발열은 전형적으로 온도에 따라 지수적으로 증가한다. 그 결과, 발열이 이용 가능한 열 소산보다 훨씬 더 커지게 된다. 열 폭주는 200℃를 초과하는 내부 온도와 셀 벤팅으로 이어질 수 있다.

본 개시의 맥락 내에서, "유연한" 및 "유연성"이라는 용어들은 거시구조적 파손 없이 구부러지거나 휘어지는 재료 또는 조성물의 능력을 의미한다. 본 개시의 단열층은 거시적 파단 없이, 적어도 5°, 적어도 25°, 적어도 45°, 적어도 65°, 또는 적어도 85°를 굽힐 수 있고/거나, 거시적 파단 없이, 4 피트 미만, 2 피트 미만, 1 피트 미만, 6 인치 미만, 3 인치 미만, 2 인치 미만, 1 인치 미만, 또는 U 인치 미만의 굽힘 반경을 갖는다. 마찬가지로, "고도로 유연한" 또는 "고유연성"이라는 용어들은 거시적 파손 없이 적어도 90°로 구부릴 수 있고/거나 U 인치 미만의 굽힘 반경을 갖는 재료를 지칭한다. 뿐만 아니라, "유연한 것으로 분류됨" 및 "유연성으로 분류됨"이라는 용어들은 ASTM Cl 101(ASTM International, West Conshohocken, PA)에 따라 유연한 것으로서 분류될 수 있는 재료 또는 조성물을 지칭한다.

본 개시의 단열층은 유연한, 고도로 유연한, 및/또는 유연한 것으로 분류될 수 있다. 본 개시의 에어로겔 조성물은 또한 드레이프 가능할 수 있다. 본 개시의 맥락 내에서, "드레이프 가능한" 및 "드레이프성"이라는 용어들은 거시적 파손 없이 곡률 반경이 약 4 인치 이하로 90° 이상으로 굽혀지거나 휘어지는 재료의 능력을 지칭한다. 본 개시의 소정 실시예들에 따른 단열층은 가요성이어서 조성물이 비강성이 되고 3차원 표면 또는 객체에 적용 및 순응될 수 있거나, 설치 또는 적용을 단순화하기 위해 다양한 형상 및 구성으로 미리 형성될 수 있다.

본 개시의 맥락 내에서, 용어 "열전도도" 및 "TC"는 재료 또는 조성물의 양측 상의 두 개의 표면들 간에 온도차를 두고, 재료 또는 조성물이 두 개의 표면들 사이에서 열을 전달하는 능력의 측정치를 지칭한다. 구체적으로, 열전도도는 단위 시간당 및 단위 표면적당 전달되는 열 에너지를 온도차로 나눈 값으로서 측정된다. 전형적으로 SI 단위로 mW/m*K(미터당 밀리와트 * 켈빈)로 기록된다. 재료의 열전도도는 Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus(ASTM C518, ASTM International, West Conshohocken, PA); Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus(ASTM C177, ASTM International, West Conshohocken, PA); Test Method for Steady-State Heat Transfer Properties of Pipe Insulation(ASTM C335, ASTM International, West Conshohocken, PA); Thin Heater Thermal Conductivity Test(ASTM C1114, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials(ASTM D5470, ASTM International, West Conshohocken, PA); Determination of thermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow meter methods(EN 12667, British Standards Institution, United Kingdom); or Determination of steady-state thermal resistance and related properties ― Guarded hot plate apparatus(ISO 8203, International Organization for Standardization, Switzerland)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 알려져 있는 시험 방법으로 결정될 수 있다. 상이한 결과들을 가져올 수 있는 상이한 방법들로 인해, 본 개시의 맥락 내에서, 달리 명시적으로 언급하지 않는 한, 열전도도 측정은 ASTM C518 표준(Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus)에 따라 주위 환경에서 대기압에서 약 37.5℃의 온도 및 약 2 psi의 압축 하중 하에서 이루어진 것으로 이해되어야 한다. ASTM C518에 따라 기록된 측정은 전형적으로 압축 하중에 대한 임의의 관련 조정으로 EN 12667에 따라 이루어진 임의의 측정과 잘 상관된다.

열전도도 측정은 또한 압축 하에서 대기압에서 약 10℃의 온도에서 이루어질 수 있다. 10℃에서의 열전도도 측정치들은 37.5℃에서의 대응하는 열전도도 측정치보다 일반적으로 0.5~0.7mW/mK 더 낮다. 소정 실시예들에서, 본 개시의 단열층은 10℃에서 약 40 mW/mK 이하, 약 30 mW/mK 이하, 약 25 mW/mK 이하, 약 20 mW/mK 이하, 약 18 mW/mK 이하, 약 16 mW/mK 이하, 약 14 mW/mK 이하, 약 12 mW/mK 이하, 약 10 mW/mK 이하, 약 5 mW/mK 이하, 또는 이들 값들 중 임의의 두 값들 사이의 범위 내의 열전도도를 갖는다.

용어 "굴곡 탄성률" 또는 "탄성의 굽힘 탄성률"은 3 지점 굽힘 시험으로서 알려져 있는 샘플의 긴 에지에 수직으로 힘이 가해질 때 재료가 구부러지는 스티프니스/저항의 척도이다. 굴곡 탄성률은 재료가 구부러지는 능력을 나타낸다. 굴곡 탄성률은 응력-변형률 곡선의 초기 직선 부분의 기울기로 나타내어지고, 응력의 변화를 이에 상응하는 변형률의 변화로 나누어 계산된다. 이로 인해, 응력 대 변형률의 비는 굴곡 탄성률의 척도이다. 굴곡 탄성률의 국제 표준 단위는 파스칼(Pa 또는 N/m2 또는 m-1.kg.s-2)이다. 사용되는 실제 단위는 메가파스칼(MPa 또는 N/ mm2) 또는 기가파스칼(GPa 또는 kN/mm2)이다. 미국의 관례적 단위에서, 이는 제곱인치당 파운드(힘)(psi)로 표현된다. 소정 실시예들에서, 본 개시의 단열층은 약 8 MPa 이하, 약 7 MPa 이하, 약 6 MPa 이하, 약 5 MPa 이하, 약 4 MPa 이하, 약 3 MPa 이하의 굴곡 탄성률을 갖는다. 바람직하게는 본 개시의 단열층, 예를 들어, 에어로겔은 약 2 MPa 내지 약 8 MPa의 굴곡 탄성률을 갖는다.

본 개시의 맥락 내에서, 용어 "연소열", "HOC" 및 "ΔHC"는 재료 또는 조성물의 연소 또는 발열 열분해에서 방출되는 열에너지의 양을 측정하는 것을 지칭한다. 연소열은 전형적으로 에어로겔 재료 또는 조성물의 그램당 방출되는 열에너지의 칼로리(cal/g), 또는 재료 또는 조성물 1 킬로그램당 방출되는 열에너지의 메가줄(MJ/kg)로 기록된다. 재료 또는 조성물의 연소열은 Reaction to fire tests for products - Determination of the gross heat of combustion(calorific value)(EN ISO 1716, International Organization for Standardization, Switzerland; EN adopted)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 알려져 있는 방법으로 결정될 수 있다. 본 개시의 맥락 내에서, 연소열 측정은 달리 언급되지 않는 한, EN ISO 1716 standards (Reaction to fire tests for products - Determination of the gross heat of combustion (calorific value))에 따라 이루어진다.

본 개시의 맥락 내에서, 모든 열분석 및 관련 정의는 25℃에서 시작하여 주위 압력에서 공기 중에서 분당 20℃의 속도로 최대 1000℃까지 승온하여 수행된 측정을 참조한다. 이에 따라, 이러한 파라미터의 임의의 변화는 열분해 개시, 피크 열 방출 온도, 피크 흡열 온도 등을 측정하고 계산하는 데 있어서 고려되어야(또는 이러한 조건 하에서 재수행되어야) 할 것이다.

본 개시의 맥락 내에서, 용어 "열분해 개시" 및 "TD"는 재료 또는 조성물 내에서 유기물의 분해로부터 급격한 발열 반응이 나타나는 환경열의 최저 온도의 측정을 지칭한다. 재료 또는 조성물 내 유기물의 열분해 개시는 열중량 분석(thermo-gravimetric analysis, TGA)을 사용하여 측정될 수 있다. 재료의 TGA 곡선은 주변 온도 증가에 노출되는 재료의 중량 손실(%질량)을 나타내며, 이에 따라 열분해를 나타낸다. 재료의 열분해 개시는 TGA 곡선의 다음의 접선들의 교차점과 상관될 수 있다: TGA 곡선의 기준선에 접하는 선과, 유기물의 분해와 관련된 급격한 발열 분해 이벤트 동안 최대 기울기의 지점에서 TGA 곡선에 접하는 선. 본 개시의 맥락 내에서, 유기물의 열분해 개시의 측정은 달리 언급하지 않는 한, 본 단락에서 제공한 바와 같은 TGA 분석을 사용하여 이루어진다.

재료의 열분해 개시는 또한 시차 주사 열량계(differential scanning calorimetry, DSC) 분석을 사용하여 측정될 수 있다. 재료의 DSC 곡선은 주변 온도의 점진적 증가에 노출되는 재료가 방출하는 열 에너지(mW/mg)를 나타낸다. 재료의 열분해 개시 온도는 Δ mW/mg(열에너지 출력의 변화)가 최대로 증가하는 DSC 곡선에서의 지점과 상관될 수 있으며, 이에 따라 에어로겔 재료로부터의 발열 열 생성을 나타낸다. 본 개시의 맥락 내에서, DSC, TGA 또는 둘 다를 사용한 열분해 개시의 측정은 달리 명시적으로 언급하지 않는 한, 이전 단락에서 더 정의한 바와 같이 20℃/min의 온도 상승률을 사용하여 이루어진다. DSC 및 TGA는 각각 이러한 열 분해 개시에 대해 유사한 값을 제공하고, 여러 번 시험을 동시에 시행하여서, 둘 다로부터 결과를 얻는다.

본 개시의 맥락 내에서, 용어 "화염 시간(flame time)" 및 "TFLAME"은 열 분해 조건 하에서의 재료 또는 조성물의 일관된 화염의 측정을 지칭하며, 여기서 "일관된 화염"은 5초 이상 지속되는 시편의 가시광선 부분의 임의의 부분에서의 화염의 지속성이다. 화염 시간은 전형적으로 초 또는 분 단위로 기록된다. 재료 또는 조성물의 화염 시간은 건축 및 운송 제품에 대한 화재 반응 시험: 비가연성 시험(EN ISO 1182, International Organization for Standardization, Switzerland; EN adopted)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 알려져 있는 방법에 의해 결정될 수 있다. 본 개시의 맥락 내에서, 화염 시간 측정은 달리 언급하지 않는 한 EN ISO 1182 표준(건축 및 운송 제품에 대한 화재 반응 시험: 비가연성 시험)과 비교할 수 있는 조건에 따라 획득된다. 소정 실시예들에서, 본 개시의 에어로겔 조성물은 약 30초 이하, 약 25초 이하, 약 20초 이하, 약 15초 이하, 약 10초 이하, 약 5초 이하, 약 2초 이하, 또는 이들 값들 중 임의의 두 값들 사이의 범위 내의 화염 시간을 갖는다. 본 명세서의 맥락 내에서, 예를 들어, 제2 조성물의 화염 시간보다 낮은 화염 시간을 갖는 제1 조성물은 제2 조성물에 비해 제1 조성물의 개선으로 간주될 것이다. 본 명세서에서는 화재 등급 첨가제를 포함하지 않는 조성물과 비교하여, 하나 이상의 임의의 화재 등급 첨가제를 첨가할 때 조성물의 화염 시간이 감소하는 것으로 고려된다.

본 개시의 맥락 내에서, "질량 손실" 및 "ΔM"이라는 용어들은 열 분해 조건 하에서 손실되거나 연소되는 재료, 조성물, 또는 복합체의 양의 측정을 지칭한다. 질량 손실은 전형적으로 중량 백분율 또는 wt%로서 기록된다. 재료, 조성물, 또는 복합체의 질량 손실은 건축 및 운송 제품에 대한 화재 반응 시험: 비가연성 시험(EN ISO 1182, International Organization for Standardization, Switzerland; EN adopted)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 알려져 있는 방법에 의해 결정될 수 있다. 본 개시의 맥락 내에서, 질량 손실 측정은 달리 언급하지 않는 한 EN ISO 1182 표준(건축 및 운송 제품에 대한 화재 반응 시험: 비가연성 시험)과 비교할 수 있는 조건에 따라 이루어진다. 소정 실시예들에서, 본 개시의 단열층 또는 에어로겔 조성물은 약 50% 이하, 약 40% 이하, 약 30% 이하, 약 28% 이하, 약 26% 이하, 약 24% 이하, 약 22% 이하, 약 20% 이하, 약 18% 이하, 약 16% 이하, 또는 이들 값들 중 임의의 두 값들 사이의 범위 내의 질량 손실을 갖는다. 본 명세서의 맥락 내에서, 예를 들어, 제2 조성물의 질량 손실보다 낮은 질량 손실을 갖는 제1 조성물은 제2 조성물에 비해 제1 조성물의 개선으로 간주될 것이다. 본 명세서에서는 화재 등급 첨가제를 포함하지 않는 조성물과 비교하여, 하나 이상의 임의의 화재 등급 첨가제를 첨가할 때 조성물의 질량 손실이 감소하는 것으로 고려된다.

본 개시의 맥락 내에서, "피크 열 방출 온도"라는 용어는 분해로부터의 발열 열 방출이 최대가 되는 환경 열의 온도를 측정하는 것을 지칭한다. 재료 또는 조성물의 피크 열 방출 온도는 TGA 분석, 시차 주사 열량계(DSC) 또는 이들의 조합을 사용하여 측정할 수 있다. DSC 및 TGA는 각각 피크 열 방출 온도에 대해 유사한 값을 제공할 것이고, 여러 번 시험을 동시에 시행하여서, 둘 다로부터 결과를 얻는다. 전형적인 DSC 분석에서 열 흐름은 상승하는 온도에 대해 플롯팅되고, 피크 열 방출의 온도는 이러한 곡선에서의 가장 높은 피크가 발생하는 온도이다. 본 개시의 맥락 내에서, 재료 또는 조성물의 피크 열 방출 온도의 측정은 달리 언급하지 않는 한, 본 단락에서 제공한 바와 같은 TGA 분석을 사용하여 이루어진다.

흡열 재료의 맥락 내에서, "피크 열 흡수 온도"라는 용어는 분해로부터의 흡열 열 흡수가 최소가 되는 환경 열의 온도를 측정하는 것을 지칭한다. 재료 또는 조성물의 피크 열 흡수 온도는 TGA 분석, 시차 주사 열량계(DSC) 또는 이들의 조합을 사용하여 측정할 수 있다. 전형적인 DSC 분석에서 열 흐름은 상승하는 온도에 대해 플롯팅되고, 피크 열 흡수의 온도는 이러한 곡선에서의 가장 낮은 피크가 발생하는 온도이다. 본 개시의 맥락 내에서, 재료 또는 조성물의 피크 열 흡수 온도의 측정은 달리 언급하지 않는 한, 본 단락에서 제공한 바와 같은 TGA 분석을 사용하여 이루어진다.

본 개시의 맥락 내에서, "저가연성" 및 "낮은 가연성"이라는 용어들은 다음과 같은 속성들의 조합을 만족시키는 재료 또는 조성물을 지칭한다: i) 50℃ 이하의 노 온도 상승; ii) 20초 이하의 화염 시간; 및 iii) 50 중량% 이하의 질량 손실. 본 개시의 맥락 내에서, "비가연성" 및 "가연성이 아닌"이라는 용어들은 다음과 같은 속성들의 조합을 만족시키는 재료 또는 조성물을 지칭한다: i) 40℃ 이하의 노 온도 상승; ii) 2초 이하의 화염 시간; 및 iii) 30 중량% 이하의 질량 손실. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 조성물의 가연성(예를 들어, 노 온도 상승, 화염 시간 및 질량 손실의 조합)은 하나 이상의 화재 등급 첨가제의 포함 시에 감소되는 것으로 고려된다.

본 개시의 맥락 내에서, "저연소성" 및 "연소성이 낮은"이라는 용어들은 3 MJ/kg 이하의 총 연소열(heat of combustion, HOC)을 갖는 저연소성 재료 또는 조성물을 지칭한다. 본 개시의 맥락 내에서, "비연소성" 및 "연소성이 아닌"이라는 용어들은 2 MJ/kg 이하의 연소열(HOC)을 갖는 비연소성 재료 또는 조성물을 지칭한다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 하나 이상의 화재 등급 첨가제의 포함 시에 조성물의 HOC가 감소되는 것으로 고려된다.

전지 모듈 또는 팩 내의 단열 배리어의 사용

리튬 이온 전지(LIB)는 전통적인 전지에 비해 높은 작동 전압, 낮은 메모리 효과 및 높은 에너지 밀도로 인해 가장 중요한 에너지 저장 기술 중 하나로 고려된다. 그러나, 안전 우려는 LIB의 대규모 적용을 방해하는 상당한 장애이다. 남용 조건들 하에서, 발열 반응은 후속의 안전하지 못한 반응을 일으킬 수 있는 열 방출을 초래할 수 있다. 이러한 상황이 악화되면 남용 셀로부터의 방출된 열이 반응 사슬을 활성화시켜, 치명적인 열 폭주를 초래할 수 있다.

LIB의 에너지 밀도의 지속적인 개선으로, 전기 디바이스, 예를 들어, 전기 차량의 개발에 대한 안전성 향상이 점점 긴급해지고 있다. 안전 문제 기저의 메커니즘은 전지 화학에 따라 다양하다. 본 기술은 유리한 열적 및 기계적 속성들을 획득하기 위해 단열 배리어 및 이러한 맞춤화된 배리어들의 대응하는 구성들을 맞춤화하는 것에 중점을 둔다. 본 기술의 단열 배리어는 정상적인 작동 모드(예를 들어, 가해진 압축 응력을 견딤) 하에서 LIB의 안정성을 보장하면서, 정상적인 조건뿐만 아니라 열 폭주 조건 하에서도 효과적인 열 방출 전략을 제공한다.

본 명세서에서 개시되는 단열 배리어들은 임의의 이러한 셀을 통합 또는 포함하는 팩 및 모듈뿐만 아니라, 임의의 구성의 전지 셀 또는 전지의 전지 구성요소, 예를 들어, 파우치 셀, 원통형 셀, 각기둥형 셀을 분리, 단열 및 보호하는 데 유용하다. 본 명세서에서 개시되는 전지는 이차 전지, 예를 들어, 리튬 이온 전지, 고체 상태 전지, 및 분리, 단열 및 보호가 필요한 다른 에너지 저장 디바이스 또는 기술 유용하다.

냉각 시스템들과 같은 수동 디바이스들은 전지 모듈 또는 전지 팩 내의 본 개시의 단열 배리어들과 함께 사용될 수 있다.

전지 팩에서의 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 단열 배리어는 복수의 단일 전지 셀들 또는 전지 셀들의 모듈들을 서로 열적으로 분리하기 위해 복수의 단일 전지 셀들 또는 전지 셀들의 모듈들을 포함한다. 전지 모듈은 단일 인클로저에 배치된 다수의 전지 셀들로 구성된다. 전지 팩은 다수의 전지 모듈들로 구성된다.

전지 모듈들 및 전지 팩들은 디바이스 또는 차량들에 전기 에너지를 공급하기 위해 사용될 수 있다. 전지 모듈들 또는 전지 팩들을 사용하는 디바이스는 랩탑 컴퓨터, PDA, 모바일 폰, 태그 스캐너, 오디오 디바이스, 비디오 디바이스, 디스플레이 패널, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 데스크탑 컴퓨터 군용 휴대용 컴퓨터 군용 전화 레이저 거리 측정기 디지털 통신 디바이스, 지능형 수집 센서, 전자 일체형 의류, 암시 장비, 전동 공구, 계산기, 라디오, 원격 제어 기기, GPS 디바이스, 핸드헬드 및 휴대용 텔레비전, 자동차 시동기, 플래시라이트, 음향 디바이스, 휴대용 가열 디바이스, 휴대용 진공 청소기 또는 휴대용 의료 도구를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 차량에 사용될 때, 전지 팩은 모든 전기 차량, 또는 하이브리드 차량에 사용될 수 있다.

Claims

전기 에너지 저장 시스템에 사용하기 위한 단열 배리어로서,
적어도 하나의 단열층;
상기 단열층의 적어도 일부분을 둘러싸는 지지 부재, 및
상기 단열층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 캡슐화 층 ― 상기 캡슐화 층은 외측 중합체 층, 강성 층, 및 내측 중합체 층을 포함하며, 상기 내측 중합체 층은 상기 단열층과 접촉하고, 상기 강성 층은 상기 외측 중합체 층과 상기 내측 중합체 층 사이에 배치됨 ― 을 포함하는, 반도체 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 지지 부재는 상기 단열층에 사용되는 재료와 상이한 재료로 구성된 것인, 단열 배리어.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단열 배리어는 상기 단열층의 양측 상에 위치된 두 개의 지지 부재들을 포함하는 것인, 단열 배리어.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단열 배리어는 U자형 지지 부재를 포함하는 것인, 단열 배리어.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단열 배리어는 상기 단열 배리어의 둘레를 둘러싸는 지지 부재를 포함하는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 부재는 중합체 재료로 구성 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 부재는 팽창성(intumescent) 재료를 포함하는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단열층은 25℃에서 약 50 mW/m-K 미만 및 600℃에서 약 60 mW/m-K 미만의 상기 단열층의 두께 치수를 통한 열전도도를 갖는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단열층은 에어로겔을 포함하는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 중합체 층은 폴리옥시메틸렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리아미드-이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리스티렌, 폴리설폰, 폴리이미드, 및 테레프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 중합체로 제조된 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 중합체 층은 폴리올레핀 중합체로 구성된 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 중합체 층은 상기 외측 중합체 층 내의 상기 중합체와 상이한 중합체로 구성된 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 중합체 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET") 또는 나일론 중합체로 구성되고, 상기 내측 중합체 층은 폴리프로필렌("PP") 또는 폴리에틸렌("PE")으로 구성된 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강성 층은 금속을 포함하는 것인, 단열 배리어.
제14항에 있어서, 상기 금속은 알루미늄, 구리, 스틸, 및 티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강성 층은 중합체를 포함하는 것인, 단열 배리어.
제16항에 있어서, 상기 중합체는 폴리벤지미다졸 섬유(PBI 섬유), 나일론, 멜라민, 모다크릴, 및 방향족 폴리아미드(아라미드)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강성 층은 탄소 섬유, 그래파이트, 실리콘 탄화물, 및 미카로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료를 포함하는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡슐화 층은 상기 외측 중합체 층과 상기 강성 층 및/또는 상기 내측 중합체 층과 상기 강성 층 사이에 배치된 접착제를 더 포함하는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 중합체 층은 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 두께를 갖는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강성 층은 약 50 ㎛ 내지 약 150 ㎛의 두께를 갖는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 중합체 층은 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 두께를 갖는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡슐화 층은 약 70 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 사이의 전체 두께를 갖는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡슐화 층은 상기 지지 부재에 부착되는 것인, 단열 배리어.
제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡슐화 층을 상기 지지 부재에 결합시키는 하나 이상의 접착 패드를 더 포함하는, 단열 배리어.
전기 에너지 저장 시스템에 사용하기 위한 단열 배리어로서,
적어도 하나의 단열층;
상기 단열층의 적어도 일부분을 둘러싸는 지지 부재, 및
상기 단열층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 강성 층을 포함하는, 단열 배리어.
전지 모듈로서,
복수의 전지 셀들, 및
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 단열 배리어를 포함하되, 적어도 하나의 단열 배리어가 인접한 전지 셀들 사이에 배치되는 것인, 전지 모듈.
제27항에 있어서, 상기 전지 셀들은 인클로저 내에 배치되는 것인, 전지 모듈.
제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 단열 배리어는 상기 전지 셀의 표면적보다 더 큰 표면적을 갖고, 상기 단열 배리어의 일부분이 상기 인클로저의 내부 표면과 접촉하는 것인, 전지 모듈.
제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 하나 이상의 전지 모듈을 포함하는 전력 시스템.
제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 따른 전지 모듈을 포함하는 디바이스 또는 차량.
제31항에 있어서, 상기 디바이스는 랩탑 컴퓨터, PDA, 모바일 폰, 태그 스캐너, 오디오 디바이스, 비디오 디바이스, 디스플레이 패널, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 데스크탑 컴퓨터 군용 휴대용 컴퓨터 군용 전화 레이저 거리 측정기 디지털 통신 디바이스, 지능형 수집 센서, 전자 일체형 의류, 암시 장비, 전동 공구, 계산기, 라디오, 원격 제어 기기, GPS 디바이스, 핸드헬드 및 휴대용 텔레비전, 자동차 시동기, 플래시라이트, 음향 디바이스, 휴대용 가열 디바이스, 휴대용 진공 청소기 또는 휴대용 의료 도구인 것인, 차량.
제31항에 있어서, 상기 차량은 전기 차량인 것인, 차량.