WO2024014638A1 - 리튬이온 배터리 화재 억제제 및 이를 포함하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트 - Google Patents

리튬이온 배터리 화재 억제제 및 이를 포함하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트 Download PDF

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이상철
오재성
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Definitions

  • the present invention relates to a lithium-ion battery fire suppressant and a lithium-ion battery fire suppression sheet containing the same, and more specifically, to a lithium-ion battery fire suppressant that can effectively suppress a lithium-ion battery fire and a lithium-ion battery fire suppressant containing the same. It's about restraint sheets.
  • Batteries with a high degree of electrical energy integration may be vulnerable to lightning strikes.
  • Batteries instantaneously release high energy accumulated due to internal defects or external shocks, causing thermal runaway within a short period of time and accompanying fire, making it very difficult to respond to accidents.
  • Lithium liquefies at its melting point of 108.5°C and vaporizes rapidly above 500°C.
  • the white gas generated during thermal runaway is mainly lithium vapor.
  • the pressure of the battery cell increases and completely vaporizes at 1337°C.
  • lithium gas rapidly reacts with oxygen, generating flame and heat, and causes thermal runaway.
  • lithium or lithium nitride reacts rapidly with water vapor or oxygen and burns into lithium peroxide or lithium oxide while generating strong heat.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a lithium-ion battery fire suppressant that can effectively suppress fire in a lithium-ion battery and a lithium-ion battery fire suppression sheet containing the same.
  • one embodiment of the present invention is a lithium ion battery fire suppressant for suppressing a fire in a lithium ion battery, comprising: an extinguishing powder; and an organic binder mixed with the extinguishing powder.
  • the extinguishing powder is sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium bicarbonate (NaHCO 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), potassium bicarbonate (KHCO 3 ), and magnesium hydrogen carbonate (Mg(HCO 3 ) 2 ), magnesium carbonate (MgCO 3 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), calcium bicarbonate (Ca(HCO 3 ) 2 ), ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ) and ammonium bicarbonate (NH 4 HCO 3 ). It may include one or more of the following.
  • the organic binder may include one or more of an organic adhesive and an elastomer.
  • the lithium-ion battery fire suppressant may be formed in a paste form and applied to the inner surface of a case accommodating the lithium-ion battery.
  • the lithium-ion battery fire suppressant is molded in the form of an elastic pad, and when a plurality of lithium-ion batteries are provided, it can be provided between at least one of the plurality of lithium-ion batteries.
  • one embodiment of the present invention includes a pair of fiber sheets; and a lithium-ion battery fire suppressant provided between a pair of the fiber sheets.
  • the lithium-ion battery fire suppression sheet may be provided to cover at least a portion of the lithium-ion battery.
  • a heating wire disposed on one of the pair of fiber sheets and connected to a lithium ion battery; And a switch connected to the heating wire and configured to apply a current from the lithium ion battery to the heating wire disposed on the fiber sheet to heat the heating wire when the sensed temperature exceeds a preset allowable temperature.
  • a lithium-ion battery fire suppressant or a lithium-ion battery fire suppression sheet may be provided covering or adjacent to the lithium-ion battery. Accordingly, in the event of a fire, the carbonate powder decomposes to release carbon dioxide, and access to oxygen can be blocked due to the asphyxiation effect caused by the carbon dioxide. Through this, combustion caused by a lithium-ion battery fire can be effectively alleviated or effectively suppressed.
  • Figure 1 is an exemplary diagram showing a process for manufacturing a lithium-ion battery fire suppressant according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a photograph showing the paste phase of a lithium-ion battery fire suppressant according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is an exemplary diagram showing a lithium-ion battery fire suppression sheet according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an exemplary diagram for explaining an example of use of a lithium-ion battery fire suppression sheet according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is an exemplary diagram for explaining another use of a lithium-ion battery fire suppression sheet according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 1 is an exemplary diagram showing a process for manufacturing a lithium-ion battery fire suppressant according to an embodiment of the present invention.
  • the lithium-ion battery fire suppressant 100 is intended to suppress fire in a lithium-ion battery and may include extinguishing powder 110 and an organic binder 120.
  • the extinguishing powder 110 may be a combination of carbonate ions, which have fire asphyxiation properties and reactivity with lithium, and monovalent or divalent cations.
  • the extinguishing powder 110 may be an inorganic salt powder. Additionally, the inorganic salt powder may include alkali metals, alkaline earth metals, and ammonium-based materials on the periodic table with strong oxygen radical absorption.
  • the alkali metal series may include one or more of sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium bicarbonate (NaHCO 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and potassium bicarbonate (KHCO 3 ).
  • the alkaline earth metals may include one or more of magnesium bicarbonate (Mg(HCO 3 ) 2 ), magnesium carbonate (MgCO 3 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), and calcium bicarbonate (Ca(HCO 3 ) 2 ). .
  • Mg(HCO 3 ) 2 magnesium bicarbonate
  • MgCO 3 magnesium carbonate
  • CaCO 3 calcium carbonate
  • Ca(HCO 3 ) 2 calcium bicarbonate
  • ammonium-based material may include one or more of ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ) and ammonium bicarbonate (NH 4 HCO 3 ).
  • the extinguishing powder 110 may specifically be an inorganic carbonate powder.
  • reactive decomposition gas and cationic metal ions can be automatically ejected.
  • the reactive decomposition gas emitted can decombust the combustible gas (lithium gas) emitted from a lithium-ion battery.
  • the reactive decomposition gas emitted when carbonate powder is decomposed by heat may be carbon dioxide (CO 2 ).
  • cationic metal ions can absorb radicals generated from electrical sparks or flames to block chain combustion reactions.
  • radical ions are generated by sparks generated inside a lithium-ion battery.
  • cationic metal ions for example, alkali metal or alkaline earth metal
  • Radical ions can be absorbed by cationic metal ions. Through this, spark generation can be suppressed and ignition of the lithium-ion battery can be prevented. In other words, this subcatalytic effect can suppress the chain combustion reaction of a lithium-ion battery. Therefore, initial suppression of a lithium-ion battery fire is possible, and the spread of the fire can be suppressed.
  • Carbonate powder can be decomposed according to its decomposition onset temperature as shown in Table 2 below.
  • the decomposition start temperature may be the temperature at which decomposition of the carbonate fraction begins.
  • each carbonate powder may have a unique decomposition onset temperature.
  • carbonate powder with an appropriate decomposition start temperature may be selected and mixed (111).
  • An example of mixing carbonate powder can be performed as shown in Table 3 below.
  • Decomposition onset temperature 60°C 100°C 150°C ammonium carbonate 55% by weight 10% by weight potassium bicarbonate 20% by weight 60% by weight 10% by weight Magnesium Carbonate 5% by weight 10% by weight 70% by weight
  • the decomposition onset temperature can be selected by the user.
  • the user may be a producer of a lithium-ion battery, or a producer of a product equipped with a lithium-ion battery.
  • the temperature range that is considered dangerous when using a lithium-ion battery may differ for each user. For example, a user may judge that there is a risk of fire in a lithium-ion battery at temperatures above 60°C or that a fire has occurred. Some users may judge that there is a risk of fire in a lithium-ion battery above 100°C or that a fire has occurred.
  • the temperature range that is judged to be a dangerous temperature when using a lithium-ion battery may vary from user to user. Therefore, if a user determines that a certain temperature range is a dangerous temperature, it must have a decomposition onset temperature that is included in that dangerous temperature range, or a decomposition onset temperature that is lower or higher than the dangerous temperature even if it is not included in that dangerous temperature range.
  • Some of the branched carbonate powders can be appropriately selected and blended.
  • the carbonate powder may include 55% by weight ammonium carbonate, 20% by weight potassium bicarbonate, and 5% by weight magnesium carbonate. Carbonate powders can be formed from these combinations.
  • ammonium carbonate which accounts for the largest weight percent, decomposes first at a dangerous temperature of 60°C, allowing the fire extinguishing process to proceed first.
  • potassium bicarbonate which accounts for the next largest weight percent, is decomposed and the secondary digestion process may proceed.
  • the carbonate powder is composed only of substances having a decomposition start temperature within the hazardous temperature range, all substances are decomposed at the decomposition start temperature and a fire extinguishing process is carried out. However, if complete extinguishment is not achieved despite this fire extinguishing process, it is impossible to prevent a rapid increase in the subsequent fire temperature and thus cannot delay the occurrence of thermal runaway. This may result in the driver of the vehicle not having time to evacuate the vehicle.
  • the organic binder 120 may be mixed 121 with carbonate powder.
  • carbonate powder may be included in an amount of 60 to 95% by weight, and the organic binder 120 may be included in an amount of 5 to 40% by weight.
  • the carbonate powder may be included at 80% by weight, and the organic binder 120 may be included at 20% by weight.
  • the organic binder 120 may include one or more of an organic adhesive and an elastomer.
  • the lithium-ion battery fire suppressant 100 can have any shape.
  • Figure 2 is a photograph showing the paste phase of a lithium-ion battery fire suppressant according to an embodiment of the present invention.
  • the lithium-ion battery fire suppressant may be mixed with an organic binder 120 containing one or more of organic adhesives and rubbers to form a paste.
  • the lithium ion battery fire suppressant of FIG. 2 is a mixture of 80% by weight of carbonate powder and 20% by weight of soft polyurethane as an organic binder (120).
  • This paste-like lithium-ion battery fire suppressant can be applied or coated on the inner surface of a case accommodating a lithium-ion battery (corresponding to the battery pack cover 20, when referring to FIG. 4).
  • each carbonate powder may decompose sequentially according to the decomposition start temperature, spewing out carbon dioxide and cationic metal ions.
  • lithium which can be an ignition source, can be converted to lithium carbonate to make it non-combustible, and radicals generated by sparks can be absorbed to suppress the spread of fire.
  • Lithium-ion battery fire suppressants may be mixed with an organic binder containing rubber to form an elastomer. Additionally, the elastomer-like lithium-ion battery fire suppressant may be molded into an elastic pad.
  • a lithium ion battery fire suppressant pad molded into a pad shape may be provided between at least one of the plurality of lithium ion batteries.
  • each carbonate powder in the lithium-ion battery fire suppressant pad decomposes sequentially according to the decomposition start temperature to produce carbon dioxide and cationic metal ions. can erupt. Through this, the spread of fire can be suppressed or extinguished.
  • the lithium ion battery fire suppressant 100 may further include solid powder.
  • Figure 3 is an illustration showing a lithium-ion battery fire suppression sheet according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is an illustration showing an example of use of a lithium-ion battery fire suppression sheet according to an embodiment of the present invention. .
  • the lithium ion battery fire suppressant sheet 1000 may include a pair of fiber sheets 210 and 220 and a lithium ion battery fire suppressant 100.
  • the pair of fiber sheets 210 and 220 may be non-flammable fiber sheets.
  • the lithium ion battery fire suppressant 100 may be provided between a pair of fiber sheets 210 and 220.
  • the lithium-ion battery fire suppressant sheet 1000 is formed by first applying the lithium-ion battery fire suppressant 100 in a paste state to one fiber sheet 220, and then applying another fiber sheet 210 on top thereof. can be formed by being covered.
  • a coater may be used to coat the lithium-ion battery fire suppressant 100 in a paste state.
  • the lithium ion battery fire suppressant sheet 1000 is a lithium ion battery fire suppressant pad in which the lithium ion battery fire suppressant 100 is first formed into a pad shape, and then a pair of fiber sheets 210 and 220 are formed into a pad shape. It may be formed by attaching it to both sides.
  • the lithium-ion battery fire suppression sheet 1000 may be provided to cover at least a portion of the lithium-ion battery. Referring to FIG. 4 , a lithium-ion battery fire suppression sheet 1000 may be provided to cover the battery pack 10 on the inside of the battery pack cover 20 .
  • the lithium-ion battery fire suppression sheet 1000 can be formed to correspond to the shape of the battery pack 10, it can stably cover the entire battery pack 10.
  • the carbonate powder of the lithium-ion battery fire suppression sheet 1000 decomposes sequentially according to the decomposition start temperature, producing carbon dioxide and cations. Metal ions may be ejected. Through this, the spread of the fire can be suppressed or extinguished.
  • Figure 5 is an exemplary diagram for explaining another use of a lithium-ion battery fire suppression sheet according to an embodiment of the present invention.
  • the lithium-ion battery fire suppressant sheet 1000 may include a pair of fiber sheets 210 and 220, a lithium-ion battery fire suppressant 100, a heating wire 300, and a switch 400.
  • the pair of fiber sheets 210 and 220 and the lithium ion battery fire suppressant 100 may be the same as those described in FIGS. 3 and 4 .
  • the heating wire 300 may be disposed on any one fiber sheet 220 of the pair of fiber sheets 210 and 220.
  • the heating wire 300 may be in direct contact with the lithium ion battery fire suppressant 100. And, the heating wire 300 may be connected to the lithium ion battery 11.
  • the switch 400 may be connected to the heating wire 300.
  • the switch 400 may be connected to the heating wire 300 on the outside of the fiber sheet 220.
  • the switch 400 may cause the current of the lithium-ion battery 11 to be applied to the heating wire 300 disposed on the fiber sheet 220, and the heating wire 300 It can be heated.
  • the heating element 300 can be heated in Joules.
  • the allowable temperature may be a dangerous temperature requested by the user.
  • the current from the lithium-ion battery 11 may be applied to the heating element 300 to heat the heating element 300.
  • the carbonate powder may be decomposed by the heat of the heating wire 300.
  • the heating wire 300 may be heated to correspond to the lowest decomposition start temperature among the powders included in the extinguishable powder, and through this, the powder with the lowest decomposition start temperature can be decomposed primarily. If the fire is not extinguished through the first fire extinguishing process, the temperature will rise, and then the second and third fire extinguishing processes may proceed.
  • the switch 400 may be configured so that the allowable temperature can be set according to the dangerous temperature requested by the user. Through this, the start temperature of the fire extinguishing process of the lithium-ion battery fire suppression sheet 1000 can be easily and accurately set according to the dangerous temperature required by each user.
  • the switch 400 may be configured to include a bimetal that can automatically implement a switching operation depending on temperature.
  • the lithium-ion battery fire suppression sheet 1000 may further include a temperature sensor unit 500 for detecting temperature.
  • the switch 400 may be configured to perform a switching operation based on the temperature detected by the temperature sensor unit 500.
  • the lithium-ion battery fire suppression sheet 1000 is not limited to sensing temperature, and may also detect other things.
  • the lithium-ion battery fire suppression sheet 1000 may detect pressure.
  • the lithium-ion battery fire suppression sheet 1000 may further include a pressure sensor unit (not shown).
  • the pressure sensor unit can detect the internal pressure of the lithium-ion battery 11. When a fire occurs and the internal pressure of the lithium-ion battery 11 increases, and the detected pressure exceeds the preset allowable pressure, the switch 400 switches the lithium ion battery 11 to the heating wire 300 disposed on the fiber sheet 220. Current from the battery 11 can be applied, and the heating element 300 can be heated.
  • the present invention can effectively alleviate and effectively suppress combustion caused by a lithium-ion battery fire, so it can be applied to electric vehicles using batteries with a high degree of electrical energy integration.

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Abstract

본 발명의 일실시예는 리튬이온 배터리의 화재를 효과적으로 억제할 수 있는 리튬이온 배터리 화재 억제제 및 이를 포함하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트를 제공한다. 여기서, 리튬이온 배터리 화재 억제제는 리튬이온 배터리의 화재를 억제하기 위한 것으로서, 소화성 분말 및 소화성 분말과 혼합되는 유기 바인더를 포함한다.

Description

리튬이온 배터리 화재 억제제 및 이를 포함하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트
본 발명은 리튬이온 배터리 화재 억제제 및 이를 포함하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리튬이온 배터리의 화재를 효과적으로 억제할 수 있는 리튬이온 배터리 화재 억제제 및 이를 포함하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트에 관한 것이다.
높은 전기에너지의 집적도를 갖는 배터리는 층격에 취약할 수 있다.
배터리는 내부결함이나 외부충격에 의해 집적된 고에너지를 순간적으로 방출하면서 짧은 시간 안에 열폭주를 유발하고, 화재를 동반하기 때문에, 사고에 대한 대처가 매우 어려운 상황을 유발하고 있다.
배터리 화재에 대한 통상적인 종래의 대처방법은 화재가 발생하면 진화하는 것에 역점을 두고 있다.
리튬은 녹는점인 108.5℃에서 액화하고, 500℃ 이상에서 빠르게 기화한다. 리튬이온 배터리의 경우 열폭주 시 발생하는 흰색의 가스는 주성분이 리튬 증기이다. 리튬이 기화하면 배터리 셀의 압력은 상승되며, 1337℃에서 완전히 기체화한다. 배터리 셀이 터지면, 리튬 가스가 급격히 산소와 반응하면서 화염과 열을 발생하고, 열폭주하게 된다.
압력(기압) 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1
온도(℃) 524 612 722 871 1064 1337
이러한 현상은 배터리 셀 내부의 유기물의 영향도 있으나 무엇보다 큰 요인은 아래 (식 1) 및 (식2)에서 보는 바와 같이, 리튬이온이 전자를 얻어 리튬금속이 되어 그 자체로 기화하거나, 공기 중 질소와 결합하여 질화리튬을 형성하는데 있다.
Figure PCTKR2023000780-appb-img-000001
(식1)
Figure PCTKR2023000780-appb-img-000002
(식2)
그리고, 아래 (식 3) 내지 (식 5)에서 보는 바와 같이, 리튬이나 질화리튬은 수증기나 산소와 급격히 반응하여 강한 열을 내면서 과산화리튬 또는 산화리튬으로 연소하게 된다.
Figure PCTKR2023000780-appb-img-000003
(식3)
Figure PCTKR2023000780-appb-img-000004
(식4)
Figure PCTKR2023000780-appb-img-000005
(식5)
따라서, 리튬이온 배터리의 화재에 대처하는 방법이 종래의 대처방법과 같이 화재가 발생하고 나서 진화하는 방식이 되는 것은 적절하지 않다.
즉, 배터리의 열폭주를 사전에 차단하거나 열폭주가 발생하여도 신속하게 억제할 수 있는 기술이 요구된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 리튬이온 배터리의 화재를 효과적으로 억제할 수 있는 리튬이온 배터리 화재 억제제 및 이를 포함하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 리튬이온 배터리의 화재를 억제하기 위한 리튬이온 배터리 화재 억제제로서, 소화성 분말; 및 상기 소화성 분말과 혼합되는 유기 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 억제제를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 소화성 분말은 탄산나트륨(Na2CO3), 중탄산나트륨(NaHCO3), 탄산칼륨(K2CO3), 중탄산칼륨(KHCO3), 탄산수소마그네슘(Mg(HCO3)2), 탄산마그네슘(MgCO3), 탄산칼슘(CaCO3), 중탄산칼슘(Ca(HCO3)2), 탄산암모늄((NH4)2CO3) 및 중탄산암모늄(NH4HCO3) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유기 바인더는 유기계 접착제 및 엘라스토머 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 리튬이온 배터리 화재 억제제는 페이스트 상으로 형성되고, 상기 리튬이온 배터리를 수용하는 케이스의 내부면에 도포될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 리튬이온 배터리 화재 억제제는 탄성을 가지는 패드 형태로 성형되고, 상기 리튬이온 배터리가 복수 개가 마련되면, 복수 개의 상기 리튬이온 배터리의 적어도 어느 사이에 마련될 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 한 쌍의 섬유 시트; 및 한 쌍의 상기 섬유 시트의 사이에 마련되는 리튬이온 배터리 화재 억제제를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 리튬이온 배터리 화재 억제 시트는 리튬이온 배터리의 적어도 일부를 덮도록 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 한 쌍의 상기 섬유 시트 중 어느 하나의 섬유 시트에 배치되고, 리튬이온 배터리에 연결되는 전열선; 및 상기 전열선에 연결되고, 감지되는 온도가 미리 설정된 허용 온도를 초과하면 상기 섬유 시트에 배치되는 전열선에 상기 리튬이온 배터리의 전류가 인가되도록 하여 상기 전열선이 가열되도록 하는 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 리튬이온 배터리 화재 억제제 또는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트가 리튬이온 배터리를 덮거나 이웃하게 마련될 수 있다. 이에 따라, 화재 시 탄산염 분말이 분해되면서 이산화탄소를 방출하고, 이산화탄소에 의한 질식 효과로 산소의 접근이 차단되도록 할 수 있다. 이를 통해, 리튬이온 배터리 화재로 인한 연소가 효과적으로 완화되거나, 또는 효과적으로 억제될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 억제제를 제조하는 공정을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 억제제의 페이스트 상을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 억제 시트를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 억제 시트의 사용예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 억제 시트의 다른 사용예를 설명하기 위한 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 억제제를 제조하는 공정을 나타낸 예시도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 리튬이온 배터리 화재 억제제(100)는 리튬이온 배터리의 화재를 억제하기 위한 것으로, 소화성 분말(110) 및 유기 바인더(120)를 포함할 수 있다.
소화성 분말(110)은 화재에 대한 질식성과 리튬과의 반응성을 갖는 탄산이온과, 1가 또는 2가 양이온이 결합한 것일 수 있다.
소화성 분말(110)은 무기염 분말일 수 있다. 그리고, 무기염 분말은 산소라디칼 흡수력이 강한 주기율표 상의 알칼리금속, 알칼리토금속 및 암모늄계 물질을 포함할 수 있다.
알칼리금속 계열로는 탄산나트륨(Na2CO3), 중탄산나트륨(NaHCO3), 탄산칼륨(K2CO3) 및 중탄산칼륨(KHCO3) 중 하나 이상이 포함될 수 있다.
그리고, 알칼리토금속류로는 탄산수소마그네슘(Mg(HCO3)2), 탄산마그네슘(MgCO3), 탄산칼슘(CaCO3) 및 중탄산칼슘(Ca(HCO3)2) 중 하나 이상이 포함될 수 있다.
또한, 암모늄계 물질로는 탄산암모늄((NH4)2CO3) 및 중탄산암모늄(NH4HCO3) 중 하나 이상이 포함될 수 있다.
소화성 분말(110)은 구체적으로는 무기탄산염 분말일 수 있다.
탄산염 분말이 열에 의해 분해되면, 반응성 분해가스 및 양이온성 금속이온이 자동으로 분출될 수 있다.
분출되는 반응성 분해가스는 리튬이온 배터리에서 분출되는 가연성 가스(리튬가스)를 비가연화할 수 있다. 탄산염 분말이 열에 의해 분해되어 분출되는 반응성 분해가스는 이산화탄소(CO2)일 수 있다.
그리고, 양이온성 금속이온은 전기적 스파크나 불꽃으로부터 발생하는 라디칼을 흡수하여 연쇄적인 연소반응이 차단되도록 할 수 있다.
아래 (식 6) 및 (식 7)에서 보는 바와 같이, 리튬이온 배터리에 화재가 발생하게 되면, 발생하는 열에 의해 탄산염 분말이 분해되어 이산화탄소가 방출될 수 있다. 그러면, 기화하는 리튬은 탄산염으로 전환되어 비가연화될 수 있다.
이와 같이, 탄산염 분말이 분해되면서 이산화탄소를 방출하고, 이산화탄소에 의한 질식 효과로 산소의 접근이 차단되면, 리튬이온 배터리 화재로 인한 연소가 효과적으로 완화되거나, 또는 효과적으로 소화될 수 있다.
Figure PCTKR2023000780-appb-img-000006
(식6)
Figure PCTKR2023000780-appb-img-000007
(식7)
한편, 리튬이온 배터리 내부에서 발생하는 스파크에 의해 라디칼 이온이 발생하게 된다. 그리고, 탄산염 분말이 열에 의해 분해될 때에는 양이온성 금속이온(예를 들면, 알카리금속 또는 알카리토금속)이 분출될 수 있다.
라디칼 이온은 양이온성 금속이온에 흡수될 수 있다. 이를 통해, 스파크 발생은 억제될 수 있으며, 리튬이온 배터리의 착화는 차단될 수 있다. 즉, 이러한 부촉매 효과에 의하면 리튬이온 배터리의 연쇄적인 연소반응이 억제되도록 할 수 있다. 따라서, 리튬이온 배터리의 화재의 초기 진압이 가능하고, 화재 확산이 억제될 수 있다.
탄산염 분말은 아래 표 2에서와 같은 분해 개시 온도에 따라
탄산나트륨(Na2CO3), 중탄산나트륨(NaHCO3), 탄산칼륨(K2CO3), 중탄산칼륨(KHCO3), 탄산수소마그네슘(Mg(HCO3)2), 탄산마그네슘(MgCO3), 탄산칼슘(CaCO3), 중탄산칼슘(Ca(HCO3)2), 탄산암모늄((NH4)2CO3) 및 중탄산암모늄(NH4HCO3) 중 하나 이상이 배합되어 형성될 수 있다.
구분 화학식 분자량 분해 개시 온도(℃)
중탄산암모늄 NH4HCO3 79.06 41~45
탄산암모늄 (NH4)2CO3 96.09 60
중탄산나트륨 NaHCO3 84 80
탄산나트륨 Na2CO3 105.99 100
중탄산칼륨 KHCO3 100.1 100~120
탄산칼륨 K2CO3 138.2 850
탄산마그네슘 MgCO3 84.3 350(무수물)
165(삼수화물)
여기서, 분해 개시 온도는 탄산염 분발의 분해가 시작되는 온도일 수 있다. 포 2에서 보는 바와 같이, 각각의 탄산염 분말은 고유한 분해 개시 온도를 가질 수 있다. 사용자의 요구에 따라, 그에 맞는 분해 개시 온도의 탄산염 분말이 선정되어 배합(111)될 수 있다. 탄산염 분말의 배합 예는 아래 표 3에서와 같이 실시될 수 있다.
분해 개시 온도 60℃ 100℃ 150℃
탄산암모늄 55 중량% 10 중량%
중탄산칼륨 20 중량% 60 중량% 10 중량%
탄산마그네슘 5 중량% 10 중량% 70 중량%
분해 개시 온도는 사용자에 의해 선정될 수 있다. 사용자는 리튬이온 배터리의 생산자, 또는, 리튬이온 배터리가 장착되는 제품의 생산자일 수 있을 것이다.사용자마다 리튬이온 배터리를 사용함에 있어 위험 온도라고 판단하는 온도범위가 다를 수 있다. 예를 들면, 어떠한 사용자는 60℃ 이상에서는 리튬이온 배터리의 화재 위험이 있다고 판단하거나, 화재가 발생한 것이라고 판단할 수 있을 것이다. 어떠한 사용자는 100℃ 이상에서는 리튬이온 배터리의 화재 위험이 있다고 판단하거나, 화재가 발생한 것이라고 판단할 수 있을 것이다.
이와 같이, 사용자마다 리튬이온 배터리 사용에 있어 위험 온도라고 판단하는 온도범위는 다를 수 있다. 따라서, 어떤 사용자가 어떤 특정 온도범위를 위험 온도라고 판단하면, 그 위험 온도 범위에 포함되는 분해 개시 온도를 가지거나, 또는 그 위험 온도 범위에는 포함되지 않더라도 그 위험 온도보다 낮거나 높은 분해 개시 온도를 가지는 탄산염 분말 중 일부가 적절하게 선정되고, 배합될 수 있다.
예를 들어, 사용자가 판단하는 위험 온도가 60℃인 경우, 탄산염 분말은 55 중량%의 탄산암모늄, 20중량%의 중탄산칼륨 및 5 중량%의 탄산마그네슘을 포함할 수 있다. 탄산염 분말은 이들의 배합으로 형성될 수 있다. 이렇게 되면, 가장 많은 중량%를 차지하는 탄산암모늄이 위험 온도인 60℃에서 먼저 분해되어 1차로 소화 공정이 진행될 수 있다. 그런데 만일 1차 소화 작용으로도 소화가 되지 않고, 온도가 더욱 증가하여 100~120℃가 되면, 그 다음으로 많은 중량%를 차지하는 중탄산칼륨이 분해되어 2차로 소화 공정이 진행될 수 있다. 그럼에도 불구하고 온도가 더욱 증가하게 되어 탄산마그네슘의 분해 개시 온도까지 온도가 오른다면, 탄산마그네슘에 의한 3차 소화 공정이 진행될 수 있다. 즉, 온도가 증가하게 되면, 단계별로 소화 공정이 진행될 수 있다.
만일, 탄산염 분말이 위험 온도 범위에 포함되는 분해 개시 온도를 가지는 물질만으로 이루어지는 경우, 해당 분해 개시 온도에서 모든 물질의 분해가 이루어지고 소화 공정이 이루어지게 된다. 그러나, 이러한 소화 공정에도 불구하고 완전한 소화가 되지 못하면, 이후 화재 온도의 급격한 상승을 막지 못해 열폭주 발생을 지연시킬 수 없다. 이는 차량의 운전자가 차량에서 대피할 시간을 제공하지 못하게 되는 결과를 초래할 수도 있다.
그러나, 본 발명과 같이, 단계별로 소화 공정이 진행되면, 화재 온도의 급격한 상승을 막을 수 있고, 열폭주 발생을 지연시킬 수 있다. 그리고 이는 차량의 운전자가 대피할 수 있는 시간을 제공하는 등의 긍정적인 효과를 가져올 수도 있다.
한편, 유기 바인더(120)는 탄산염 분말과 혼합(121)될 수 있다.
리튬이온 배터리 화재 억제제(100)에서 탄산염 분말은 60 이상 95 이하 중량% 가 포함될 수 있고, 유기 바인더(120)는 5 이상 40 이하 중량% 가 포함될 수 있다. 바람직하게는, 탄산염 분말은 80 중량% 가 포함될 수 있고, 유기 바인더(120)는 20 중량% 가 포함될 수 있다.
그리고, 유기 바인더(120)는 유기계 접착제 및 엘라스토머(Elastomer) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이를 통해, 리튬이온 배터리 화재 억제제(100)는 임의의 형태를 이룰 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 억제제의 페이스트 상을 나타낸 사진이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 리튬이온 배터리 화재 억제제는 유기계 접착제 및 고무류 중 하나 이상을 포함하는 유기 바인더(120)와 혼합되어 페이스트 상태로 형성될 수 있다.
구체적인 예로, 도 2의 리튬이온 배터리 화재 억제제는 80 중량%의 탄산염 분말과 유기 바인더(120)로 20중량%의 연질 폴리우레탄이 혼합된 것이다.
이와 같은 페이스트 상태의 리튬이온 배터리 화재 억제제는 리튬이온 배터리를 수용하는 케이스(도 4를 참조했을 때, 배터리 팩 커버(20)에 대응)의 내부면에 도포 또는 코팅될 수 있다.
리튬이온 배터리에 화재가 발생하고, 온도가 증가하여 위험 온도라 판단되는 온도 범위에 도달하면, 각 탄산염 분말은 분해 개시 온도에 따라 순차적으로 분해되어 이산화탄소 및 양이온성 금속이온을 분출할 수 있다.
이를 통해, 리튬이온 배터리로부터 발생하는 가연가스에 이산화탄소에 의한 질식효과로 산소의 접근이 차단되도록 할 수 있다. 그리고, 착화원이 될 수 있는 리튬이 탄산리튬으로 전환되도록 하여 비가연화되도록 하고, 스파크에 의해 발생하는 라디칼이 흡수되도록 하여 화재의 확산이 억제되도록 할 수 있다.
리튬이온 배터리 화재 억제제는 고무류를 포함하는 유기 바인더와 혼합되어 엘라스토머 상태로 형성될 수도 있다. 그리고, 엘라스토머 상태의 리튬이온 배터리 화재 억제제는 탄성을 가지는 패드 형태로 성형될 수도 있다.
리튬이온 배터리가 복수 개가 마련되면, 패드 형태로 성형된 리튬이온 배터리 화재 억제제 패드는 복수 개의 리튬이온 배터리의 적어도 어느 사이에 마련될 수 있다.
리튬이온 배터리에 화재가 발생하고, 열이 증가하여 위험 온도라 판단되는 온도 범위가 도달하면, 리튬이온 배터리 화재 억제제 패드의 각 탄산염 분말은 분해 개시 온도에 따라 순차적으로 분해되어 이산화탄소 및 양이온성 금속이온을 분출할 수 있다. 이를 통해, 화재의 확산이 억제되거나 소화되도록 할 수 있다.
한편, 필요시에는 리튬이온 배터리 화재 억제제(100)에는 고체 분말이 더 포함될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 억제 시트를 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 억제 시트의 사용예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는 한 쌍의 섬유 시트(210,220) 및 리튬이온 배터리 화재 억제제(100)를 포함할 수 있다.
한 쌍의 섬유 시트(210,220)는 비가연성의 섬유 시트일 수 있다.
그리고, 리튬이온 배터리 화재 억제제(100)는 한 쌍의 섬유 시트(210,220)의 사이에 마련될 수 있다.
본 실시예에서 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는, 페이스트 상태의 리튬이온 배터리 화재 억제제(100)가 어느 하나의 섬유 시트(220)에 먼저 도포되고, 이후 그 상부에 다른 섬유 시트(210)가 덮어져서 형성될 수 있다. 페이스트 상태의 리튬이온 배터리 화재 억제제(100)의 코팅을 위해, 코터(Coater)가 사용될 수 있다.
또는, 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는, 리튬이온 배터리 화재 억제제(100)가 먼저 패드 형태로 성형되고, 이후 한 쌍의 섬유 시트(210,220)가 패드 형태로 성형된 리튬이온 배터리 화재 억제제 패드의 양면에 부착되어 형성될 수도 있다.
리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는 리튬이온 배터리의 적어도 일부를 덮도록 구비될 수 있다. 도 4를 참조하면, 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는 배터리 팩 커버(20)의 내측에서 배터리 팩(10)을 덮도록 구비될 수 있다.
리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는 배터리 팩(10)의 형상에 대응되도록 형성될 수 있기 때문에, 배터리 팩(10) 전체를 안정적으로 덮을 수 있다.
리튬이온 배터리에 화재가 발생하고, 온도가 증가하여 위험 온도라 판단되는 온도 범위에 도달하면, 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)의 탄산염 분말은 분해 개시 온도에 따라 순차적으로 분해되고, 이산화탄소 및 양이온성 금속이온이 분출될 수 있다. 이를 통해, 화재의 확산이 억제되거나, 소화될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 억제 시트의 다른 사용예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는 한 쌍의 섬유 시트(210,220), 리튬이온 배터리 화재 억제제(100), 전열선(300) 및 스위치(400)를 포함할 수 있다.
한 쌍의 섬유 시트(210,220) 및 리튬이온 배터리 화재 억제제(100)는 도 3 및 도 4에서 설명한 것과 동일할 수 있다.
전열선(300)은 한 쌍의 섬유 시트(210,220) 중 어느 하나의 섬유 시트(220)에 배치될 수 있다. 전열선(300)은 리튬이온 배터리 화재 억제제(100)와 직접 접촉될 수 있다. 그리고, 전열선(300)은 리튬이온 배터리(11)에 연결될 수 있다.
그리고, 스위치(400)는 전열선(300)에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 스위치(400)는 섬유 시트(220)의 외측에서 전열선(300)에 연결될 수 있다.
감지되는 온도가 미리 설정된 허용 온도를 초과하면, 스위치(400)는 섬유 시트(220)에 배치된 전열선(300)에 리튬이온 배터리(11)의 전류가 인가되도록 할 수 있고, 전열선(300)은 가열될 수 있다. 전열선(300)은 줄(Joule) 가열될 수 있다. 여기서, 허용 온도는 사용자가 요구하는 위험 온도일 수 있다.
따라서, 화재가 발생하고, 온도가 위험 온도를 초과하면, 리튬이온 배터리(11)의 전류가 전열선(300)으로 인가되어 전열선(300)이 가열될 수 있다. 그리고, 전열선(300)의 열에 의해 탄산염 분말은 분해될 수 있다.
이때, 전열선(300)은 소화성 분말에 포함되는 분말 중 가장 낮은 분해 개시 온도에 대응되도록 가열될 수 있으며, 이를 통해, 가장 낮은 분해 개시 온도의 분말이 1차로 분해되도록 할 수 있다. 만일, 1차 소화 공정으로 화재가 진압되지 못하면, 온도가 상승될 것이고, 이후에는 2차, 3차의 소화 공정이 진행될 수 있을 것이다.
스위치(400)는 사용자가 요구하는 위험 온도에 따라 허용 온도가 설정될 수 있도록 형성될 수 있다. 이를 통해, 사용자별로 다양하게 요구되는 위험 온도에 맞춰서, 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)의 소화 공정 개시 온도가 용이하고, 정확하게 설정될 수 있다.
일 예로, 스위치(400)는 온도에 따라 자동으로 스위칭 동작이 구현될 수 있는 바이메탈을 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고, 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는 온도 감지를 위한 온도 센서부(500)를 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 스위치(400)는 온도 센서부(500)에서 감지하는 온도를 기초로 스위칭 동작하도록 구성될 수 있다.
한편, 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는 온도를 감지 대상으로 하는 것으로 한정되지 않고, 다른 것을 감지 대상으로 할 수도 있다. 예를 들면, 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는 압력을 감지 대상으로 할 수도 있다.
압력을 감지 대상으로 하는 경우, 리튬이온 배터리 화재 억제 시트(1000)는 압력 센서부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
압력 센서부는 리튬이온 배터리(11)의 내부 압력을 감지할 수 있다. 화재가 발생하여 리튬이온 배터리(11)의 내부 압력이 증가하게 되고, 감지되는 압력이 미리 설정된 허용 압력을 초과하면, 스위치(400)는 섬유 시트(220)에 배치되는 전열선(300)에 리튬이온 배터리(11)의 전류가 인가되도록 할 수 있고, 전열선(300)은 가열될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 리튬이온 배터리 화재로 인한 연소가 효과적으로 완화되고, 효과적으로 억제할 수 있어 높은 전기에너지의 집적도를 갖는 배터리를 사용하는 전기자동차 등에 적용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 리튬이온 배터리의 화재를 억제하기 위한 리튬이온 배터리 화재 억제제로서,
    소화성 분말; 및
    상기 소화성 분말과 혼합되는 유기 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 억제제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소화성 분말은
    탄산나트륨(Na2CO3), 중탄산나트륨(NaHCO3), 탄산칼륨(K2CO3), 중탄산칼륨(KHCO3), 탄산수소마그네슘(Mg(HCO3)2), 탄산마그네슘(MgCO3), 탄산칼슘(CaCO3), 중탄산칼슘(Ca(HCO3)2), 탄산암모늄((NH4)2CO3) 및 중탄산암모늄(NH4HCO3) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 억제제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유기 바인더는 유기계 접착제 및 엘라스토머 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 억제제.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리튬이온 배터리 화재 억제제는 페이스트 상으로 형성되고,
    상기 리튬이온 배터리를 수용하는 케이스의 내부면에 도포되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 억제제.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리튬이온 배터리 화재 억제제는 탄성을 가지는 패드 형태로 성형되고,
    상기 리튬이온 배터리가 복수 개가 마련되면, 복수 개의 상기 리튬이온 배터리의 적어도 어느 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 억제제.
  6. 한 쌍의 섬유 시트; 및
    한 쌍의 상기 섬유 시트의 사이에 마련되는 제1항에 기재된 리튬이온 배터리 화재 억제제를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 리튬이온 배터리 화재 억제 시트는
    리튬이온 배터리의 적어도 일부를 덮도록 구비되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트.
  8. 제6항에 있어서,
    한 쌍의 상기 섬유 시트 중 어느 하나의 섬유 시트에 배치되고, 리튬이온 배터리에 연결되는 전열선; 및
    상기 전열선에 연결되고, 감지되는 온도가 미리 설정된 허용 온도를 초과하면 상기 섬유 시트에 배치되는 전열선에 상기 리튬이온 배터리의 전류가 인가되도록 하여 상기 전열선이 가열되도록 하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트.
PCT/KR2023/000780 2022-07-15 2023-01-17 리튬이온 배터리 화재 억제제 및 이를 포함하는 리튬이온 배터리 화재 억제 시트 WO2024014638A1 (ko)

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