KR20240051880A - 전기 배터리 폭발에 강한 플렉서블 다층 재료 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 n개의 베이스 유닛을 포함하는 다층 재료에 관한 것으로서, n은 0이 아닌 자연 정수이고, 베이스 유닛은 순서대로 하기를 포함하는 라미네이트로 구성되고:
- 가교된 실리콘 수지 층(7)으로서, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창 가능한 흑연 입자를 포함하는, 가교된 실리콘 수지 층(7),
- 함침된 실리카 또는 알루미나 직물 또는 니트 층(5)으로서, 상기 직물 또는 니트는 모두 가교 실리콘 수지로 함침된 갭(gap)을 가지고, 상기 수지의 가교 온도보다 큰 온도에서 팽창 가능한 흑연 입자를 포함하는, 함침된 실리카 또는 알루미나 직물 또는 니트 층(5),
여기서:
- 베이스 유닛의 개수 n은 1 내지 5 이고,
- 제n 번째 베이스 유닛은 상기 수지의 가교 온도보다 큰 온도에서 팽창 가능한 흑연 입자를 포함하는 다른 가교 실리콘 수지 층(7')으로 덮여, 교대로 수지 층과 직물 또는 니트 층으로 형성된 라미네이트를 형성한다.
- 가교된 실리콘 수지 층(7)으로서, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창 가능한 흑연 입자를 포함하는, 가교된 실리콘 수지 층(7),
- 함침된 실리카 또는 알루미나 직물 또는 니트 층(5)으로서, 상기 직물 또는 니트는 모두 가교 실리콘 수지로 함침된 갭(gap)을 가지고, 상기 수지의 가교 온도보다 큰 온도에서 팽창 가능한 흑연 입자를 포함하는, 함침된 실리카 또는 알루미나 직물 또는 니트 층(5),
여기서:
- 베이스 유닛의 개수 n은 1 내지 5 이고,
- 제n 번째 베이스 유닛은 상기 수지의 가교 온도보다 큰 온도에서 팽창 가능한 흑연 입자를 포함하는 다른 가교 실리콘 수지 층(7')으로 덮여, 교대로 수지 층과 직물 또는 니트 층으로 형성된 라미네이트를 형성한다.
Description
본 발명은 전기 배터리 분야에 관한 것이다.
본 발명은 보다 구체적으로 전기 배터리 적용을 위한 기계적 및 열적 실드(shield) 역할을 할 수 있는 다층 재료에 관한 것이다.
다양한 분야에서 기계적 및 열적 보호의 사용이 요구된다.
특히, 배터리, 특히 리튬 이온 배터리의 보호는 현재 분야 (자동차, 특히 경차, 대형차, 버스 또는 코치(coach), 항공, 철도, 해군 등)에 관계없이 전기 또는 하이브리드 운송 차량의 안전과 신뢰성을 위한 주요 과제이다.
실제로 전기 자동차 배터리는 특정 조건 하에 제어할 수 없는 열적 폭주 현상을 겪어 몇 초 만에 배터리 폭발로 이어질 수 있다.
이 폭발은 폭파 효과에 더해 1500 ℃를 초과할 수 있는 온도를 갖는 입자의 방사를 동반한다. 이것은 "폭파"현상이다.
이것이 배터리를 구성하는 어셈블리 상에 및/또는 주변에 폭발의 폭파 및 뜨거운 입자의 방사를 제한하기 위해 기계적 및 열적 실드를 배치하는 이유이다.
대부분의 기존 실드는 현재 운모판(mica board) 기반이다.
이러한 운모판은 실제로 실드의 기계적 및 열적 무결성을 보장하고, 결과적으로 실드 주변의 모든 것을 보호하는 것을 가능하게 한다.
그러나 운모판은 기계적으로 단단하다.
따라서, 특히, 배터리의 형상이 복잡하거나 곡선이나 각진 부분이 많은 경우에는, 운모판을 적당한 크기로 절단한 후, 배터리의 서로 다른 캐비티 및 돌출부에 조립하고 함께 접합하여 실드를 형성한다.
배터리 형상의 절단된 운모판에 실드를 적용하는 이러한 공정은 시간이 걸린다는 사실 외에도 각각의 운모판 사이의 접합부에 기계적 및 열적 보호와 관련하여 취약한 부분이 있을 수 있다.
약한 영역의 존재를 피하기 위한 목적으로, 수지에 침지된 운모 소판(platelet)을 포함하는 복합 재료의 실드를 형성하는 데 사용되는 배터리 형상의 몰드를 제조하는 것이 이미 제안되었다. 수지의 경화로 인해 견고한 운모 실드를 형성할 수 있다.
그러나 실드 제작에는 여전히 시간이 많이 걸리고, 특히 배터리 형태별로 전용 몰드를 제작해야 한다.
또한, 다층 재료가 열 보호를 위해 알려져 있다. 이러한 다층 재료는 플렉서블하고, 사물이든 사람이든 어떤 형태에도 적용할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 목적으로 일반적으로 사용되는 다층 재료는 실리카 직물로 형성되며, 그 표면 중 적어도 하나가 가교된 실리콘 수지로 코팅된다.
예를 들어, 문헌 KR102349628B1를 참조할 수 있으며, 이는 수산화 알루미나, 수산화 마그네슘, 실리카, 인계(phosphorous-based), 세라믹 입자 또는 이들의 혼합물과 같은 난연제로 선택적으로 실리콘 수지 층이 코팅된 실리카 직물을 포함하는 다층 재료를 포함하는 내화성 실드를 기술하고 있다.
그러나, 이러한 다층 재료는 전기 배터리 "폭파" 현상의 매우 제한적인 기계적 및 열적 조건을 견디지 못한다.
본 발명의 목적은 위에서 언급한 단점 중 적어도 하나를 해결하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 전기 배터리의 "폭파" 현상에 저항할 수 있고, 다른 어려움 없이 임의의 배터리 기하학적 구조에 사용될 수 있는 기계적 및 열적 실드를 형성할 수 있는 해결책을 제안하는 것이다.
이들 목적 중 적어도 하나를 달성하기 위해, 본 발명은 n개의 베이스 유닛을 포함하는 다층 재료를 제안하며, 여기서 n이 0이 아닌 자연 정수이고, 베이스 유닛은 순서대로 하기를 포함하는 라미네이트로 구성되고:
- 가교된 실리콘 수지 층으로서, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창가능한 흑연 입자를 포함하는, 가교된 실리콘 수지 층,
- 함침된 실리카 또는 알루미나 직물 또는 니트 층으로서, 상기 직물 또는 니트는 모두 가교된 실리콘 수지로 함침된 갭(gap)을 가지고, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창가능한 흑연 입자를 포함하는, 함침된 실리카 또는 알루미나 직물 또는 니트 층,
여기서:
- 베이스 유닛의 수 n은 1 내지 5 이고,
- 제n 번째 베이스 유닛은, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창가능한 흑연 입자를 포함하는 다른 가교된 실리콘 수지 층으로 덮여, 교대로 수지 층과 직물 또는 니트 층으로 형성된 라미네이트를 형성함.
본 발명은 개별적으로 또는 조합하여 다음 특징 중 적어도 하나를 포함할 수 있다:
- 베이스 유닛의 두께가 900 내지 1150μm임;
- 베이스 유닛의 수 n이 1 내지 3이고, 바람직하게는 2 또는 3임;
- 다층 재료는 1100 내지 5950μm의 총 두께를 가짐;
- 2000 내지 2500μm의 총 두께에 대해, n = 2의 베이스 유닛을 포함함;
- 다층 재료는 2900 내지 3650μm의 총 두께에 대해, n = 3의 베이스 유닛을 포함함;
- 실리콘 수지는 단(short) 실리카 또는 알루미나 섬유, 발열성(pyrogenic) 실리카 입자, 수산화 마그네슘 입자, 또는 질석(vermiculite), 점토 입자, 산화 티타늄 입자, 탄화 규소 (SiC) 입자, 및 이들 중 둘 이상의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 추가 부하(load)를 포함함;
- 가교된 또는 가교되지 않은 실리콘 수지는, 수지 전체 질량에 대해, 5 내지 15 질량%의 팽창된 흑연 입자, 및 수지 전체 질량에 대해, 4 내지 7 질량%의 발열성 실리카를 포함함;
- 팽창가능한 흑연 입자는 80 내지 110μm의 최대 치수, 바람직하게는 90μm의 더 큰 치수를 가짐;
도 1은 구현예의 실시예에 따른, 본 발명에 따른 다층 재료를 나타낸다.
도 2는 구현예의 또 다른 실시예에 따른, 본 발명에 따른 다층 재료를 나타낸다.
도 3은 도 1의 다층 재료를 얻기 위해 고려될 수 있는 제조 방법의 다양한 단계를 나타낸다.
도 4는 도 2의 다층 재료를 얻기 위해 고려될 수 있는 제조 방법의 다양한 단계를 나타낸다.
도 5는 전기 배터리의 "폭파" 테스트에서 청구항 1의 다층 재료의 성능을 테스트하도록 적용된 실험 설비의 다이어그램이다.
도 2는 구현예의 또 다른 실시예에 따른, 본 발명에 따른 다층 재료를 나타낸다.
도 3은 도 1의 다층 재료를 얻기 위해 고려될 수 있는 제조 방법의 다양한 단계를 나타낸다.
도 4는 도 2의 다층 재료를 얻기 위해 고려될 수 있는 제조 방법의 다양한 단계를 나타낸다.
도 5는 전기 배터리의 "폭파" 테스트에서 청구항 1의 다층 재료의 성능을 테스트하도록 적용된 실험 설비의 다이어그램이다.
본 발명은 n개의 베이스 유닛을 포함하는 다층 재료를 제안하며, 여기서 n이 0이 아닌 자연 정수이고, 베이스 유닛은 순서대로 하기를 포함하는 라미네이트로 구성되고:
- 가교된 실리콘 수지 층으로서, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창가능한 흑연 입자를 포함하는, 가교된 실리콘 수지 층,
- 함침된 실리카 또는 알루미나 직물 또는 니트 층으로서, 상기 직물 또는 니트는 모두 가교된 실리콘 수지로 함침된 갭을 가지고, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창가능한 흑연 입자를 포함하는, 함침된 실리카 또는 알루미나 직물 또는 니트 층,
여기서:
- 베이스 유닛의 수 n은 1 내지 5 이고,
- 제n 번째 베이스 유닛은, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창가능한 흑연 입자를 포함하는 다른 가교된 실리콘 수지 층으로 덮여, 교대로 수지 층과 직물 또는 니트 층으로 형성된 라미네이트를 형성함.
도 1에서, 베이스 유닛 (n = 1)을 제공하는 본 발명에 따른 다층 재료 M1의 실시예가 나타나 있다. 유사하게, 도 2에서, 2개의 베이스 유닛 (n = 2)을 제공하는 본 발명에 따른 다층 재료 M2의 실시예가 나타나 있다.
실리카 또는 알루미나 직물 층(5, 5')은 일반적으로 420 내지 460μm의 두께를 갖는다. 직물은 예를 들어 평직(plain weave)으로 짜여진 실로 형성된 실리카 또는 알루미나 섬유로 형성된다.
본 발명의 다층 물질을 형성하는 데 사용되는 실리카 직물의 실시예는 참조 Valmiera® Glass, KA-300 으로 상품화된 실리카 직물이다. 이 제품의 기술 시트를 참조하면, 이 직물의 모든 특징을 알 수 있다. 그러나, 이 실리카 직물은 다음과 같은 주요 특징을 가지고 있다: 직경 6μm의 필라멘트를 갖고 34x6 (체인/위사(weft)) 또는 68x3 (체인/위사)의 실로 구성된 직물, 전체 깃(feather) 길이가 5 내지 8mm인 평직, 아미노실란 마감으로 열적 처리됨, 체인 방향의 인장 저항: 700N/25mm 이상, 및 위사 방향의 인장 저항: 600N/25mm 이상, 평량(base weight) 300g/m2, 두께 약 440μm.
본 발명의 다층 재료를 형성하는데 사용될 수 있는 알루미나 직물의 예는 3M사에서 참조 Nextel® 440 으로 상품화된 알루미나 직물이다.
실리카 또는 알루미나 직물의 사용은 뛰어난 유연성을 제공하는 동시에, 전기 배터리 "폭파" 테스트에 대한 기계적 및 열적 강도 요구 사항에 기여한다.
이 직물의 갭은 모두 가교된 실리콘 수지로 함침된다.
결과적으로, 팽창가능한 흑연 입자는 실리카 또는 알루미나 직물의 갭의 일부에만 존재하는 것이 아니라, 모든 갭에 존재한다.
따라서, 실리카 또는 알루미나 직물의 모든 갭에 함침을 얻기 위해 제조 과정에서 액체 비가교된 실리콘 수지가 사용된다.
"액체 수지"는 겉보기 점도가 20 내지 35 Pa.s인 수지를 의미한다.
이러한 점도는 특히 다음과 같은 구현 조건에서, Brookfield 방법 (NF EN ISO 2555 - 플라스틱 - 액체 상태 수지 또는 에멀젼 또는 분산액 - 실린더형 회전 점도계 방법으로 겉보기 점도 결정)으로 측정할 수 있다.
[표 1]
일반적으로, 액체 비가교된 실리콘 수지를 생산하기 위해 하기 조성이 제공될 수 있다:
- 디메틸실록산: 65 내지 75 질량부,
- 비닐실록산 : 0 내지 7 질량부 (선택적)
- 메틸하이드로노실록산: 15 내지 25 질량부
- 추가 부하: 0 내지 10 질량부 (선택적)
- 백금 촉매 : 0.3 내지 1 질량부
- 팽창가능한 흑연 : 4 내지 14 질량부
따라서, 선택적으로, 실리콘 수지는 실리카 또는 알루미나, 발열성 실리카 입자, 수산화 마그네슘 입자, 질석, 몬모릴로나이트와 같은 점토 입자, 산화 티타늄 입자, 탄화규소 (SiC) 입자, 및 이들 중 둘 이상의 혼합물의 단섬유 (즉, 길이가 6 mm 이하인 섬유)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 추가 부하를 함유할 수 있다.
따라서, 예를 들어, 가교된 또는 가교되지 않은 실리콘 수지는 특히 하기를 포함할 수 있다:
- 수지 전체 질량에 대해, 5 내지 15 질량%, 특히 5 질량% 내지 10 질량%의 팽창 흑연 입자, 및
- 수지 전체 질량에 대하여, 4 내지 7 질량%의 발열성 실리카.
제조 중에, 디메틸-실록산, 메틸하이드로게노실록산 및 비닐실록산 단량체가 존재하는 경우, 비닐실록산 단량체가 함께 가교된다.
팽창가능한 흑연 입자는 산소가 없는 상태에서 1500 ℃ 이상의 온도에 저항하는 특성을 갖고 있으며, 이는 가교된 실리콘 수지에 침지될 때 발생한다.
코어 실리카 직물을 함침시키는 실리콘 수지에 혼입되어 팽창하는 동안 실리카 섬유와 밀접하게 혼합되고, 이러한 실리카 섬유와 함께 실리카 직물의 기계적 저항성을 강화함으로써, 적어도 1500 ℃에 저항하는 물질의 실제 완전한 장벽을 형성한다.
이를 위해서는 가교된 실리콘에서 흑연 입자가 팽창되지 않은 상태, 즉, 실리콘 수지의 가교 온도는 흑연 입자가 팽창하기 시작하는 온도보다 낮다는 것으로 이해되어야 한다. 흑연 입자가 팽창하기 시작하는 이 온도는 흑연 입자의 강력하고 빠른 팽창이 관찰되는 온도와 같다는 것으로 이해되어야 하지만, 약간의 팽창은 허용될 수 있다.
일반적으로, 팽창가능한 흑연 입자는 160 ℃ 내지 220 ℃, 때로는 그 이상의 온도에서 강하고 빠르게 팽창 (부피 증가)하기 시작하는 특성을 갖는다. 따라서 가교 온도가 적합한 실리콘 수지를 선택해야 한다.
바람직하게는, 팽창가능한 흑연 입자는 80 내지 110 μm 의 최대 치수를 갖는 입자인데, 이는 이것이 실리콘 수지 내 입자의 보다 균일한 분포를 가능하게 하기 때문이다. 본 발명에 사용될 수 있는 팽창가능한 흑연 입자의 예는 NEOGRAF® Solutions사에서 GrafGuard® 브랜드로 상품화한 등급 210-200 N의 흑연 입자이다 (첫 번째 숫자, 즉 210은 흑연이 팽창하기 시작하는 임계 온도, 즉 210 ℃를 의미하고, 두 번째 숫자인 200은 기준이며, 자격을 갖춘 작은 입자, 즉 80~110μm 범위를 의미한다).
다층 재료의 베이스 유닛의 수 n이 증가할수록, 전기 배터리의 "폭파" 현상에 대한 저항성이 증가하는 것으로 이해된다.
그러나, 다층 재료의 베이스 유닛의 수 n이 증가할수록 유연성도 떨어지게 된다. 실제로, 직물이 뛰어난 유연성을 제공하더라도, 전체 두께와 실제로 사용되는 가교 수지의 양이 이러한 유연성에 영향을 미친다.
이러한 이유로, 베이스 유닛의 수 n은 5 이하인 것이 바람직하다.
배터리에 매우 밀접한 환경을 추구하는 경우, 베이스 유닛의 수 n은 1 내지 3인 것이 바람직하다. 그리고, 또한, 전기 배터리의 "폭파" 현상에 대한 저항성도 더욱 향상시키고자 하는 경우에는, n=2 또는 3 의 베이스 유닛을 선택하는 것이 바람직하다.
실리콘 수지에 관해 위에 언급된 모든 설명은 실리카 직물에 함침된 수지뿐만 아니라 다른 층을 형성하는 데 사용할 수 있는 수지에도 관련된다.
나아가, 다층 재료의 모든 제조에 사용되는 실리콘 수지가 동일한 것이 유리하다. 이는 제조를 용이하게 한다. 그러나, 비가교된 상태에서 이들 수지는 실리카 또는 알루미나 직물의 모든 갭을 함침시킬 수 있을 만큼 액체라는 조건 하에, 자연적으로 다른 조성을 갖는 것이 절대적으로 가능하다.
1 내지 5의 베이스 유닛 수, 및 다층 재료 층들 중 각 층에 대한 선택 사항 (직물의 두께, 증착된 수지의 양)에 따라, 후자는 일반적으로 1100 내지 5950μm의 총 두께를 갖는다.
마지막으로 직물을 니트로 대체하여 실리카 또는 알루미나 니트를 구현할 수 있다는 점에 유의해야 한다.
본 발명의 구현예의 실시예 1
이제 본 발명에 따른 다층 재료를 제조하는 방법이 도 3을 참조하여 설명될 것이며, 보다 구체적으로 도 1에 나타낸 다층 재료 (n = 1 베이스 유닛)가 설명될 것이다.
사용된 직물은 참조 Valmiera® Glass KA-300으로 상품화된 실리카 직물이며, 그 특성 원리는 위에 제공되었다. 직물(1)은 도 2의 단계 a)에서 볼 수 있다.
이어서, 이 직물을 직물(1)의 코팅 롤러(2)에 노출된 면(3)에 350 g/m2의 비가교된 실리콘 수지로 코팅하여 함침시킨다 (직물(1)의 면(4) 자체는 코팅 롤러(2)에 노출되지 않음). 코팅 자체 전 코팅 롤러의 위치 지정은 도 2의, 단계 a)에 표시된다.
액체 비가교된 실리콘 수지를 얻기 위해, 하기 조성이 제공된다:
- 디메틸실록산: 69 질량부,
- 비닐실록산 : 6 질량부,
- 메틸하이드로노실록산: 20 질량부,
- 발열성 실리카: 4.5 질량부,
- 백금촉매: 0.5 질량부,
- 팽창가능한 흑연: 7 질량부.
용매나 희석제는 사용하지 않는다.
점도는 위에 명시된 조건 하에서 Brookfield 방법으로 측정되었으나 하기 사항이 상기된다.
[표 2]
실리콘 수지의 양은 직물(5)의 모든 갭을 함침시키는 것을 가능하게 하고, 또한 동시에 직물을 초과하는 실리콘 수지 층(7)을 형성하는 것을 가능하게 한다.
이렇게 수득된 조립체를 200 ℃에서 노(furnace)에 통과시켜 수지를 가교시킨다. 수지는 가교 중에 제거되지 않는다. 도 2, 단계 b)는 가교된 실리콘 수지가 함침되고, 층(7) 상에 실리콘 수지가 함침된 직물(5)을 나타낸다.
따라서, 도 2의 단계 b)는 다층 재료의 베이스 유닛을 나타낸다.
따라서 이 베이스 유닛은 코팅될 준비가 된 상태로 돌아간다. 이것이 도 2의 단계 c)에 나타나 있다.
이어서, 동일한 비가교된 실리콘 수지를 베이스 유닛의 직물 층(5) 반대편 면(4)에 700g/m2의 속도로 코팅한다. 이 단계에서, 층들(7, 5 및 7'')을 갖는 조립체가 수득된다.
따라서, 수득된 조립체를 다시 200 ℃의 노에 통과시켜 모든 비가교된 실리콘 수지를 가교시킨다. 이는 도 2의 단계 d)에 나타낸 바와 같이 원하는 다층 재료(M1)를 생성한다. 다층 재료(M1)는 수지 층과 직물 층이 교대로 형성된 라미네이트 형태로 제공된다.
최종적으로 수득된 다층 재료(M1) (n = 1 베이스 유닛)의 총 두께는 1100 내지 1350μm이다.
본 발명의 구현예의 실시예 2
이 경우, 도 4 (n = 2 베이스 유닛)의 단계 a), b) 및 c) 는 도 3 (n = 1 베이스 유닛)의 단계 a), b) 및 c)로 돌아간다.
이어서, 추가 단계가 제공된다.
따라서, 동일한 비가교된 실리콘 수지의 코팅이 700 g/m²의 속도로 직물(5) 반대쪽 면(4)에 수행된다. 그러나 가교는 수행되지 않는다. 따라서, 도 4의 단계 d')에 표시된 조립체에 도달한다.
이어서, 단계 b)에서 수득된 조립체의 일부를 회수한다.
따라서 후자는 단계 b)에서 얻은 조립체의 층(7')에 부착된다.
따라서 수득된 조립체를 다시 200 ℃의 노에 통과시켜 모든 비가교된 실리콘 수지를 가교시킨다.
따라서, 도 4, 단계 e')에 나타낸 다층 재료(M2)가 얻어지며, 하부에서 시작하여 상부로 하기와 같이 구성된다:
- 가교된 실리콘 수지가 함침된 실리카 직물(5)로 코팅된 가교된 수지 층(7)으로 형성된 제1 베이스 유닛;
- 가교된 실리콘 수지가 함침된 실리카 직물(5')로 코팅된 가교된 수지층(7')으로 형성된 제2 베이스 유닛; 및
- 또 다른 가교된 수지 층 7''.
다층 재료(M2)는 수지 층과 직물 층이 교대로 형성된 라미네이트 형태로 제공된다.
이 다층 재료 (n = 2 베이스 유닛)의 총 두께는 2000 내지 2500μm이다.
본 발명의 구현예의 다른 실시예
n = 3, 4 또는 5의 베이스 유닛을 포함하는 다층 재료를 제조하기 위해, 본 발명의 실시예 2를 뒷받침하기 위해 설명된 추가 단계를 필요한 만큼 여러 번, 즉 연속으로 1, 2 또는 3회 반복해야 한다는 점에 유의해야한다.
일반적으로, n = 3의 베이스 유닛을 갖는 본 발명에 따른 다층 재료는 2900 내지 3650μm의 총 두께를 가질 것이다.
일반적으로, n = 4의 베이스 유닛을 갖는 본 발명에 따른 다층 재료는 3800 내지 4800μm의 총 두께를 가질 것이다.
일반적으로, n = 5의 베이스 유닛을 갖는 본 발명에 따른 다층 재료는 4700 내지 5950μm의 총 두께를 가질 것이다.
폭파 테스트
본 명세서에서 "폭파 테스트"는 리튬 이온 배터리의 폭발 중에 발생할 수 있는 최악의 조건, 즉 1500 ℃의 온도에서 용융되는 입자의 방사를 재현하는 극한 조건 하에서 수행되는 테스트이다.
"폭파 테스트"를 수행하는 데 사용된 실험 설비의 단순화된 다이어그램이 도 5의 대상을 형성한다.
도 3에서 볼 수 있듯이, 테스트할 재료의 250mm x 250mm 샘플(20)이 EN AW-5182 알루미늄 프레임(10)에 배치된다. 입자를 방사하는 시스템(30)은 30mm 거리(충격 거리)에 배치되고 원하는 충격 영역(40)을 중심으로 "폭파" 현상을 재현한다. 입자를 방사하는 시스템(30)은 불꽃(pyrotechnic) 로켓으로서 그 특징은 하기와 같다: 효과 거리 4 내지 5m, 측면 도달 거리 1.5 내지 2.5m, 3m에서 음압 레벨 94dB (Almax), 1500 ℃에서 백열 입자를 형성할 수 있는 입자를 포함함. 음압 수준은 3 m에서 입자의 속도를 고려할 수 있게 하고, 따라서 충격 거리 (30mm)에서 이 속도로부터 간접적으로 고려할 수 있게 한다.
입자를 방사하는 시스템(1)이 시작된다. 백열 입자의 방사 기간은, 샘플이 이전에 천공되지 않은 경우, 시스템이 자동으로 중지되는 시간이 20초로 제한된다.
방사 시간이 20초가 되기 전에 샘플이 천공되면, 천공이 발생한 시간을 기록한다. 이 경우, 샘플은 "폭파"에 대해 원하는 저항에 도달하지 못한 것으로 간주된다.
20초가 지나도 샘플이 천공되지 않으면, 샘플은 "폭파"에 대해 원하는 저항에 도달한 것으로 간주된다.
폭파 테스트 결과
도 1에 표시된 다층 재료 (n = 1 베이스 유닛)는 "폭파 테스트"의 대상을 형성했으며 성공적으로 통과되었다. 또한, 전기 배터리와 동일한 복잡한 형상이나 곡선을 성형할 수 있을 만큼 충분히 플렉서블한 것으로 입증되었다.
도 2에 표시된 다층 재료 (n = 2 베이스 유닛)도 "폭파 테스트"의 대상이 되어 성공적으로 통과했다. 또한, 전기 배터리와 동일한 복잡한 형상이나 곡선을 성형할 수 있을 만큼 충분히 플렉서블한 것으로 입증되었다.
비교예 (비교예 1 내지 5)로서, 다른 재료를 시험하였다.
비교예 1
다층 재료는 "본 발명의 구현예의 실시예 1" (1개의 단일 베이스 유닛)과 같이 진행하되 팽창가능한 흑연 입자를 함유하지 않는 실리콘 수지를 사용하여 제조되었다.
따라서 구현예의 실시예 1과 관련된 유일한 차이점은 흑연 입자가 부재한다는 것이다.
폭파 테스트는 실패하였다.
비교예 2
다층 재료는 "본 발명의 구현예의 실시예 2" (2개의 베이스 유닛)과 같이 진행하되 팽창가능한 흑연 입자를 함유하지 않는 실리콘 수지를 사용하여 제조되었다.
따라서 구현예의 실시예 2와 관련된 유일한 차이점은 흑연 입자가 부재한다는 것이다.
폭파 테스트는 실패하였다.
비교예 3
다층 재료는 "본 발명의 구현예의 다른 실시예" (3개의 베이스 유닛)과 같이 진행하되 팽창가능한 흑연 입자를 함유하지 않는 실리콘 수지를 사용하여 제조되었다.
여기에서도 폭파 테스트는 실패하였다.
비교예 4
VonRoll사가 상품화한 "운모판 Vonroll 실드 T18®"형 운모판으로 구성된 선행 기술의 다층 재료가 고려되었다.
폭파 테스트는 실패하였다.
또한, 이 판은 너무 단단해서 자르거나 몰드를 수반하는 방법을 적용하는 것 없이는 전기 배터리의 복잡한 형상이나 곡선을 성형할 수 없다.
비교예 5
이 경우, 각각 VonRoll사가 상품화한 "운모판 Vonroll 실드 T18®"형인 2개의 운모판으로 구성된 선행 기술의 다층 재료가 고려되었다.
폭파 테스트는 성공적으로 패스하였다.
그러나, 2개의 판을 조립한 이 조립체는 자연적으로 너무 단단해서 자르거나 몰드를 수반하는 방법을 적용하는 것 없이는, 전기 배터리의 복잡한 형상이나 곡선을 성형할 수 없다.
비교예 1 내지 3은 실제로 실리콘 수지 내 팽창된 흑연 입자의 존재, 나아가 균질한 존재, 특히 실리카 직물의 전체 두께에 대한 관심을 보여준다. 이것이 없으면 폭발 테스트를 성공적으로 통과할 수 없다.
또한, 본 발명에 따른 다층 재료가 이미 베이스 유닛을 사용하여 이미 폭파 테스트를 성공적으로 통과하고, 그 성능이 추가적인 베이스 유닛을 통해서만 개선될 수 있는 경우, 비교예에서 베이스 유닛의 수의 증가가 폭파 테스트를 성공적으로 통과하는 것은 아니라는 것도 알 수 있다.
운모판 해결책의 경우 폭파 테스트를 성공적으로 통과하려면 최소한의 두께가 필요한 것으로 나타났다.
Claims (9)
- n개의 베이스 유닛을 포함하는 다층 재료로서,
n이 0이 아닌 자연 정수이고,
베이스 유닛 B는 순서대로 하기를 포함하는 라미네이트로 구성되고:
- 가교된 실리콘 수지 층으로서, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창가능한 흑연 입자를 포함하는, 가교된 실리콘 수지 층 (7),
- 함침된 실리카 또는 알루미나 직물 또는 니트 층으로서, 상기 직물 또는 니트는 모두 가교된 실리콘 수지로 함침된 갭(gap)을 가지고, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창가능한 흑연 입자를 포함하는, 함침된 실리카 또는 알루미나 직물 또는 니트 층 (5),
여기서:
- 베이스 유닛의 수 n은 1 내지 5 이고,
- 제n 번째 베이스 유닛은, 상기 수지의 가교 온도보다 높은 온도에서 팽창가능한 흑연 입자를 포함하는 다른 가교된 실리콘 수지 층(7')으로 덮여, 교대로 수지 층과 직물 또는 니트 층으로 형성된 라미네이트를 형성하는, 다층 재료. - 제1항에 있어서,
상기 베이스 유닛의 두께가 900 내지 1150μm인, 다층 재료. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 베이스 유닛의 수 n이 1 내지 3이고, 바람직하게는 2 또는 3인, 다층 재료. - 제3항에 있어서,
상기 다층 재료는 1100 내지 5950μm의 총 두께를 갖는, 다층 재료. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다층 재료는 2000 내지 2500μm의 총 두께에 대해, n = 2의 베이스 유닛을 포함하는, 다층 재료. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다층 재료는 2900 내지 3650μm의 총 두께에 대해, n = 3의 베이스 유닛을 포함하는, 다층 재료. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
실리콘 수지는 단(short) 실리카 또는 알루미나 섬유, 발열성 실리카 입자, 수산화 마그네슘 입자, 또는 질석, 점토 입자, 산화 티타늄 입자, 탄화 규소 (SiC) 입자, 및 이들 중 둘 이상의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 추가 부하(load)를 포함하는, 다층 재료. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
가교된 또는 가교되지 않은 실리콘 수지는,
- 수지 전체 질량에 대해, 5 내지 15 질량%의 팽창된 흑연 입자, 및
- 수지 전체 질량에 대해, 4 내지 7 질량%의 발열성 실리카
를 포함하는, 다층 재료. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팽창가능한 흑연 입자는 80 내지 110μm의 최대 치수, 바람직하게는 90μm의 더 큰 치수를 갖는, 다층 재료.
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