WO2024106923A1 - 배터리 화재진화장치 - Google Patents

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WO2024106923A1
WO2024106923A1 PCT/KR2023/018309 KR2023018309W WO2024106923A1 WO 2024106923 A1 WO2024106923 A1 WO 2024106923A1 KR 2023018309 W KR2023018309 W KR 2023018309W WO 2024106923 A1 WO2024106923 A1 WO 2024106923A1
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battery
electric field
fire extinguishing
extinguishing device
fire
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PCT/KR2023/018309
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Inventor
윤성환
박주원
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한국해양대학교 산학협력단
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    • A62C3/00—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places
    • A62C3/16—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places in electrical installations, e.g. cableways
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    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
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    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/20—Pressure-sensitive devices

Definitions

  • the present invention relates to a battery fire extinguishing device, and to a device that prevents, delays, or extinguishes a battery fire by applying an electric field to the battery when there is a sign of a battery fire.
  • Korean Patent No. 10-1424704, 'Battery Pack Fire Suppression Device' is used to inject the extinguishing agent from the extinguishing agent holding tank into the battery pack when a fire is detected by a fire detection sensor, thereby extinguishing the battery pack.
  • a device for extinguishing a fire has been disclosed, and
  • Korean Patent No. 10-2452775, 'Battery fire suppression system with chemical cooling function' is a system that supplies fire extinguishing agent and fire extinguishing gas to quickly extinguish a fire in a battery. This is disclosed.
  • lithium-ion batteries have battery cells densely packed in a module form, it is difficult for general gas chemicals or solid fire extinguishing powder to penetrate into the battery module, and the fire extinguishing agent is not adaptable, making initial fire extinguishing virtually impossible even if the automatic fire extinguishing equipment is activated. there is.
  • the submersion method has the problem of causing material damage because not only the battery cell in which the fire occurred but also the battery module itself cannot be reused.
  • the present invention was invented to solve the above problems, and provides a battery fire extinguishing device to minimize battery damage by detecting the internal temperature of the battery to prevent, delay, or extinguish thermal runaway. This is considered a technical solution.
  • the present invention includes a battery;
  • An electric field application device is formed on both poles of the battery and applies an electric field to the battery when there is a sign of a fire in the battery, and is configured to include a device to prevent, delay, or extinguish a battery fire by applying an electric field to the battery when there is a sign of a fire in the battery.
  • the technical point is a battery fire extinguishing device characterized by this.
  • the electric field application device is preferably a battery fire extinguishing device characterized in that it is an electrode plate formed on both poles of the battery.
  • the electric field application device includes an electrode plate formed on one pole of the battery; It is desirable to use a battery fire extinguishing device characterized in that an electrode is in contact with the other pole of the battery.
  • the other electrode of the battery is the negative electrode
  • the electric field application device is preferably a battery fire extinguishing device that grounds the positive side of the battery and applies a positive voltage to the negative side of the battery.
  • the electric field application device is preferably a battery fire extinguishing device that applies a negative voltage to the positive side of the battery and grounds the negative side of the battery.
  • the electric field application device is preferably a battery fire extinguishing device that grounds the negative side of the battery and applies a positive voltage to the positive side of the battery.
  • the electric field application device is preferably a battery fire extinguishing device that applies a negative voltage to the negative side of the battery and grounds the positive side of the battery.
  • the battery be a battery fire extinguishing device characterized in that the battery is in an upright or inverted state with respect to the ground.
  • the battery fire extinguishing device includes a control unit that receives a battery fire sign detection signal and applies power to the electrode plate; It is preferable that the battery fire extinguishing device further comprises a battery fire extinguishing device.
  • control unit is preferably a battery fire extinguishing device that converts battery discharge energy into power of the electric field when a fire appears, so that the charging energy inside the battery is consumed by generating an electric field.
  • the battery is a battery fire extinguishing device that is installed with a safety venting device facing the ground, and when the safety venting device is activated as a precursor to a battery fire, the internal electrolyte is discharged by its own weight through the safety venting device. It is desirable to be
  • a battery fire extinguishing device characterized in that a dielectric layer is included between the electric field application device and the battery.
  • the battery fire extinguishing device as a means of solving the above problem, it is possible to prevent, delay, or extinguish thermal runaway by detecting the internal temperature of the battery, so that the fire can be quickly extinguished during the fire growth period and minimize battery damage. It works.
  • FIG. 1 is a simplified diagram illustrating the battery fire extinguishing device of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram of the experiment of the present inventor's battery fire extinguishing device using an electric field.
  • Figure 3 is a graph showing whether thermal runaway occurs depending on the presence or absence of an electric field in the experiment of Figure 2.
  • Figure 4(a) is a photograph showing the occurrence of thermal runaway depending on the presence or absence of an electric field in the experiment of Figure 2.
  • Figure 4(b) is a photograph showing the suppression of thermal runaway depending on the presence or absence of an electric field in the experiment of Figure 2.
  • Figure 5(a) is a graph of whether thermal runaway occurs due to oxidant suppression.
  • Figure 5(b) is a photo of thermal runaway occurring due to oxidant suppression.
  • Figure 6 is a schematic diagram of a battery fire simulation experiment according to the location of the safety venting device of the present invention.
  • Figure 7 is a graph showing whether thermal runaway occurred depending on the location of the safety venting device in the experiment of Figure 6
  • FIGS 8 to 11 are exemplary diagrams of the electric field application device of the present invention.
  • Figures 12 to 17 are graphs showing whether thermal runaway occurs under various conditions for the present invention.
  • the battery fire extinguishing device of the present invention includes a battery 10, a dielectric layer 20, an electric field application device 30, a power source 40, It is configured to include a control unit 50.
  • the battery 10 applied to the present invention consists of a battery module including a battery cell, a separator, an electrolyte, and a battery case.
  • Battery cells are formed in the internal space of the battery case, and it consists of a battery module (battery pack) in which a plurality of battery cells are stacked.
  • the type of battery cell may be a cylindrical secondary battery, a pouch-shaped secondary battery, or a prismatic secondary battery, and embodiments may be appropriately modified and applied depending on the cell type.
  • Battery cells are filled with electrolyte, and the electrolyte allows lithium ions in the battery to move between the anode and cathode and plays a role in improving battery cell characteristics when charging.
  • the separator serves as a passage for lithium ions to pass through and prevents fire by preventing direct contact between the anode and cathode.
  • thermal runaway occurs by providing a heat source.
  • Battery (10) thermal runaway is a phenomenon in which the internal temperature rises instantly and a fire spreads, making it difficult to extinguish the fire and very likely to lead to casualties.
  • the technical gist of the present invention is that an electric field application device 30 is formed at both poles of the battery 10, and an electric field is applied to the battery 10 when there is a sign of a battery fire.
  • the electric field application device 30 includes an electrode for applying a non-contact electric field or an electrode for applying a direct voltage in a contact manner.
  • the electric field application device 30 consists of a pair of electrode plates 300 facing each other in parallel with the battery 10 in between, as shown in the embodiment of FIG. 8, and is an electric field application device. (30) It forms a uniform electric field between the two and can be made of various alloy/metal materials such as copper, copper, silver, platinum, tungsten, and chromium.
  • both electrodes of the battery 10 face the electric field application device 30, but this is not necessarily limited.
  • an electric field may be applied inside the battery by directly applying voltage to the electrodes 320 in contact with both electrodes of the battery.
  • a dielectric layer 310 may be included between the battery and the electrode plate 300, as shown in FIG. 1.
  • a dielectric layer 310 may be included between the electrode plate 300 and the battery 10, but is omitted for description of the invention.
  • Another embodiment of the electric field application device is formed of an electrode plate 300 formed on one pole of the battery 10 and an electrode 320 in contact with the other pole of the battery 10, as shown in FIGS. 9 and 10. You can.
  • the electrode plate is spaced apart from the battery, and the electrode is in contact with the battery.
  • the arrangement of the electrode plate and the electrode includes a case where the electrode plate is disposed on the lower side as shown in FIG. 9 and a case where the electrode plate is disposed on the upper side as shown in FIG. 10.
  • the electrode when the other electrode of the battery is a negative electrode, the electrode is not limited to the negative terminal exposed to the battery, and may be in contact with a can formed inside the outer skin of the battery.
  • the electric field applied by the electric field application device applies a negative voltage to the positive side of the battery and grounds the negative side of the battery, as shown in FIG. 11a, or grounds the positive side of the battery as shown in FIG. 11b.
  • a positive voltage can be applied to the negative side of the battery.
  • the battery of the present invention can be formed in an upright or inverted state with respect to the ground, as shown in FIGS. 8 to 11.
  • the direction of power application of the electric field application device 30 to the battery within the electric field application device 30 was tested so that a negative electric field was applied to the battery anode and a positive electric field was applied to the battery cathode. , but is not necessarily limited to this.
  • the electric field application device 30 grounds the negative side of the battery and applies a positive voltage to the positive side of the battery, or applies a negative voltage to the negative side of the battery and applies a negative voltage to the positive side of the battery. It can also be done by grounding it.
  • the battery fire extinguishing device of the present invention configured as described above can prevent, delay, or extinguish a battery fire by applying an electric field to the battery when there is a sign of fire in the battery 10.
  • one of the pair of electric field application devices 30 is grounded, and the other electric field application device 30 is connected to the control unit 50 that supplies power 40, and the electric field application device 30 is connected to the control unit 50 that supplies power 40. It is preferable that a dielectric layer 20 is included between 30 and the battery 10 to ensure insulation between the electric field application device 30 and the battery 10.
  • a dielectric layer (Dielectric barrier) is formed, but when a low voltage is applied, the dielectric layer does not need to be included.
  • the battery fire extinguishing device of the present invention is preferably configured to further include a control unit 50 that receives a fire sign detection signal from the battery 10 and applies power to the electric field application device 30. do.
  • control unit 50 can convert battery discharge energy into power so that the charging energy inside the battery is consumed by generating an electric field.
  • a sensor may be further included to receive a fire sign detection signal from the battery 10, and the sensor may utilize devices such as a heat sensor, an infrared sensor, and a pressure sensor.
  • the battery 10 of the present invention has poles arranged perpendicular to the ground, and the electric field application device 30 may be formed of electrode plates formed above and below the battery 10.
  • the safety venting device of the battery 10 is installed facing the ground, and when the safety venting device is activated as a precursor to a battery fire, the internal electrolyte can be discharged under its own weight through the safety venting device.
  • the internal electrolyte is discharged easily and quickly using gravity, and the internal electrolyte is sufficiently discharged before damage to the separator occurs, thereby suppressing collision of charges, thereby suppressing thermal runaway due to internal short circuit.
  • the safety venting device of the cylindrical battery 10 is formed on the anode side, so in this case, the safety venting device of the battery 10 is installed facing the ground in the battery inverted state.
  • Figure 2 is a schematic diagram of the present inventor's experiment with a battery fire extinguishing device using an electric field.
  • a ceramic honeycomb was installed at the bottom of the reactor to create a system that uniformly supplies high-temperature gas, and air and nitrogen were supplied as high-temperature gas according to the experimental conditions.
  • the battery was placed in the center of the reactor, and electrodes to apply an electric field were installed in a mesh form on the top and bottom of the battery.
  • thermocouple was attached between the battery and the honeycomb to measure the internal temperature, and the experimental data was stored through a data logger.
  • the battery fire extinguishing device experiment method using an electric field supplies high temperature air at a constant flow rate into the reactor to increase the temperature inside the reactor.
  • venting electrostatic discharge
  • the injection of high-temperature air is stopped, and off-gas emission and thermal runaway occur due to an internal short circuit of the battery, ultimately causing heat to be released depending on the presence or absence of an electric field. Observe whether or not a runaway occurs.
  • Figure 3 is a graph showing whether thermal runaway occurs depending on whether an electric field is formed in the experiment of Figure 2, and shows the temperature distribution inside the reactor over time.
  • test results for the battery without applying an electric field are shown as a solid line (a), and the test results for the battery supplied with +8 kV are shown as a solid line (b).
  • Figure 6 is a schematic diagram of a battery fire simulation experiment according to the location of the safety venting device of the present invention.
  • the lithium battery heating test standards of UL 1642 (standard for lithium batteries) (14) and KS C 8541 are to heat from an initial temperature of 20 ⁇ 5 °C to 130 °C at a rate of 5 ⁇ 2 °C/min and then maintain at 130 °C for 60 minutes. It is stipulated that there will be no ignition or explosion.
  • Batteries with the battery positive terminal facing upward are indicated with a solid line (c), and batteries with the positive terminal facing downward are indicated with a solid line (d).
  • a short circuit inside the battery was induced by continuously raising the temperature of the electric heater, but most of the liquid electrolyte inside the battery was discharged downward, so off-gas emission and thermal runaway did not occur.
  • Figures 12 to 14 are graphs of experiments conducted with a battery capacity of 2200 mAh and a heat source of Saturation-350°C according to heating conditions and upright and inverted states.
  • Figures 15 and 16 are graphs of experiments conducted in upright and inverted states with a battery capacity of 2600 mAh and a saturation-300°C heat source with a heating time of 20 m.
  • Figure 17 is a graph of an experiment in upright and inverted states with a battery capacity of 2600 mAh and a heat source of Saturation-300°C with a heating time of 30 m.

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Abstract

본 발명은 배터리 화재진화장치에 관한 것으로서, 배터리 화재 징후시 배터리에 전기장을 인가하여 배터리 화재를 방지, 지연, 또는 진화시키는 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 배터리와 상기 배터리의 양측 극에 형성되며 상기 배터리의 화재 징후시 상기 배터리에 전기장을 인가시키는 극판을 포함하여 구성되어, 배터리 화재 징후시 배터리에 전기장을 인가하여 배터리 화재를 방지, 지연, 또는 진화시키는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 화재진화장치
본 발명은 배터리 화재진화장치에 관한 것으로서, 배터리 화재 징후시 배터리에 전기장을 인가하여 배터리 화재를 방지, 지연, 또는 진화시키는 장치에 관한 것이다.
스마트폰과 전기자동차의 보급이 본격적으로 활발해지면서, 리튬 배터리(셀, 모듈 혹은 팩) 화재사고와 관련하여 안전성 문제가 주목받고 있다.
리튬 배터리는 인화성과 발화성을 동시에 내재한 특성으로 인해서, 배터리 화재발생시 온도 변화가 그 온도 변화를 더욱 가속시켜 순식간에 열폭주가 발생하고, 특히 화재 진압 후에도 내부 에너지로 인해 재발화가 일어날 수 있음에 따라 화재 원인 규명이 매우 어려운 문제점이 있다.
현재 배터리 화재 진압을 위해서, 한국등록특허 제10-1424704호 '배터리 팩 화재진압 장치'는 화재감지 센서에 의해 화재가 발생이 감지된 경우 소화제 보유 탱크의 소화제가 배터리 팩 내부로 주입되어 배터리 팩의 화재를 진압하는 장치가 개시되어 있고, 한국등록특허 제10-2452775호 '약제 냉각 기능을 갖는 배터리 화재 진압 시스템'은 배터리에 발생한 화재를 진속하게 진압할 수 있도록 소화약제와 소화가스를 공급하는 시스템이 개시되어 있다.
종래기술에는 소화약제를 활용하여 배터리 화재를 진압하는 방식이 대다수를 차지하며, 소화약제 외 질식소화덮개 및 침수방식으로 배터리 화재를 진압할 수 있다.
그러나 소화약제나 질식소화덮개를 활용하는 방식은 재발화 현상으로 인해 배터리가 전소될 때까지 기다려야 하므로, 화재진압까지 상당한 시간이 소요되는 문제점과 다른 곳으로 화염이 옮겨붙지 않도록 유의해야하는 문제점이 있다.
또한, 리튬이온 배터리는 배터리 셀이 모듈형태로 밀집되어 이루어져 있으므로, 일반 가스계 약제나 고체 소화분말이 배터리 모듈 내로 침투하는데 어렵고 소화약제 적응성이 없어 자동소화설비가 작동하더라도 초기 진화가 사실상 불가능한 문제점이 있다.
그리고 침수방식은 화재가 발생한 배터리 셀 뿐만 아니라 배터리 모듈 자체를 재사용할 수 없으므로 물적 피해가 발생하게 되는 문제점이 있다.
즉, 배터리 열폭주가 일어나면 화재 진압에 상당한 어려움을 겪게 되기 때문에 배터리 화재 성장기에 화재를 진압할 수 있는 구조나 수단이 마련되어야 한다.
이에 따라, 배터리 화재가 발생할 경우를 대비하여 안전장치를 갖춰놓고 피해를 최소화할 수 있는 방법을 물색하여 소중한 생명과 안전을 지킬 수 있는 기술개발이 이루어져야 할 필요성이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 배터리 내부 온도를 감지하여 열폭주를 방지, 지연, 또는 진화를 할 수 있음에 따라, 배터리 손상을 최소화할 수 있도록 배터리 화재진화장치를 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 배터리; 상기 배터리의 양측 극에 형성되며 상기 배터리의 화재 징후시 상기 배터리에 전기장을 인가시키는 전기장 인가장치;를 포함하여 구성되어 배터리 화재 징후시 배터리에 전기장을 인가하여 배터리 화재를 방지, 지연, 또는 진화시키는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치를 기술적 요지로 한다.
본 발명에서 상기 전기장 인가장치는 배터리 양측 극에 형성되는 극판인 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전기장 인가장치는 배터리 일측 극에 형성되는 극판과; 배터리 타측 극에 접촉되는 전극;인 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리 타측 극이 음극인 경우, 배터리 캔에 접촉된 전극인 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전기장 인가장치는 배터리 양극측을 접지시키고, 배터리 음극측에 양전압을 인가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전기장 인가장치는 배터리 양극측에 음전압을 인가시키고, 배터리 음극측을 접지시키는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전기장 인가장치는 배터리 음극측을 접지시키고, 배터리 양극측에 양전압을 인가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전기장 인가장치는 배터리 음극측에 음전압을 인가시키고, 배터리 양극측을 접지시키는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리는 지면에 대하여 정립 또는 도립 상태인 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리 화재진화장치는 배터리 화재 징후 감지 신호를 전달받아 상기 극판에 전원을 인가시키는 제어부를; 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 화재 징후시 배터리 방전 에너지를 상기 전기장의 전원으로 전환시켜 배터리 내부 충전에너지가 전기장 발생으로 소진되게 하는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리는 안전벤팅장치가 지면을 향하게 설치되어 배터리 화재 전조로 상기 안전벤팅장치가 작동되면, 내부 전해액이 상기 안전벤팅장치를 통해 자중에 의해 배출되게 하는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전기장 인가장치와 배터리 사이에는 유전체층이 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치로 되는 것이 바람직하다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 배터리 화재진화장치에 따르면, 배터리 내부 온도를 감지하여 열폭주를 방지, 지연, 또는 진화를 할 수 있으므로, 화재 성장기에서 화재를 조속히 진압할 수 있고, 배터리 손상을 최소화시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명인 배터리 화재진화장치를 설명하기 위한 간략도
도 2는 본 발명인 전기장을 활용한 배터리 화재진화장치 실험의 개략도
도 3은 도 2의 실험에서 전기장 형성 유무에 따른 열폭주 발생 여부를 나타내는 그래프
도 4(a)는 도 2의 실험에서 전기장 형성 유무에 따른 열폭주 발생을 나타내는 사진
도 4(b)는 도 2의 실험에서 전기장 형성 유무에 따른 열폭주 억제를 나타내는 사진
도 5(a)는 산화제 억제에 따른 열폭주 발생 여부 그래프
도 5(b)는 산화제 억제에 따른 열폭주 발생 사진
도 6은 본 발명인 안전벤팅장치 위치에 따른 배터리 화재모사 실험의 개략도
도 7은 도 6의 실험에서 안전벤팅장치 위치에 따른 열폭주 발생 여부를 나타내는 그래프
도 8 내지 도 11은 본 발명의 전기장 인가장치의 실시예시도
도 12 내지 도 17은 본 발명에 대해 다양한 조건하의 열폭주 발생 여부 그래프
이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 살펴보면 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명인 배터리 화재진화장치는 배터리(10), 유전체층(20), 전기장 인가장치(30), 전원(40), 제어부(50)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 적용되는 배터리(10)는 배터리 셀, 분리막, 전해액 및 배터리 케이스를 포함하는 배터리 모듈로 이루어진다. 배터리 케이스 내부 공간에 배터리 셀이 형성되고, 배터리 셀이 복수개로 적층되어 있는 배터리 모듈(배터리 팩)로 이루어진다.
여기서, 배터리 셀의 타입은 원통형 이차전지, 파우치형 이차전지 또는 각형 이차전지로 구비될 수 있으며, 실시 예에는 셀 타입에 따라 적절히 변형 및 응용이 가능하다.
즉, 이하의 도면에서는 본 발명의 설명을 위하여 원통형 배터리가 예시적으로 설명되고 있으나, 본 발명의 기술적 취지는 이에 한정되지 않는다.
배터리 셀에는 전해액이 채워져 있으며, 전해액은 배터리 내 리튬이온이 양극과 음극 사이를 잘 이동할 수 있도록 하며, 충전 시 배터리 셀 특성을 향상시키는 역할을 한다.
또한, 분리막은 리튬이온이 지나가는 통로역할로서, 양극과 음극이 직접적으로 접촉하지 않도록 하여 화재를 예방하는 역할을 한다.
종래 배터리(10)의 화재 발생 시, 배터리(10) 내부 온도가 상승하게 되면 분리막이 녹기 시작하고, 배터리(10)의 양극과 음극 내에 존재하는 전하(Electric charge)들로 인해 내부 단락이 일어나 고온의 열원을 제공하여 열폭주가 발생하게 된다. 배터리(10) 열폭주는 내부온도가 순식간에 높아져 불이 번지는 현상으로, 화재 진압이 어려워 인명피해로 이어질 가능성이 매우 크다.
이에 대하여 본 발명은 배터리(10)의 양측 극에 전기장 인가장치(30)가 형성되며, 배터리 화재 징후시 상기 배터리(10)에 전기장을 인가시키는 것을 기술적 요지로 한다.
본 발명은 상기 전기장 인가장치(30)를 통해서 배터리(10)에 전기장을 인가함으로써 양극과 음극내에 존재하는 전하들의 충돌을 근본적으로 차단하여 내부 단락을 억제시킬 수 있다.
이하 본 발명의 전기장 인가장치(30)에 대하여 도 8 내지 도 11과 함께 살펴보기로 한다.
본 발명에서 상기 전기장 인가장치(30)는 비접촉식 전기장을 인가시키는 극판이나 접촉식으로 직접적인 전압을 인가시키는 전극 포함한다.
예를 들어, 본 발명에서 상기 전기장 인가장치(30)는 도 8의 실시예에서 보여지는 바와 같이 배터리(10)를 사이에 두고 평행하게 마주보는 한 쌍의 극판(300)으로 이루어져, 전기장 인가장치(30)사이에 균일한 전기장을 형성하고, 구리, 동, 은, 백금, 텅스텐, 크롬과 같은 다양한 합금/금속 재질로 이루어질 수 있다.
이때, 배터리(10)는 양측극이 전기장 인가장치(30)를 향하는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 8의 실시예와 달리 배터리 양측극에 접촉하는 전극(320)으로 직접적 전압을 인가시켜 배터리 내부에 전기장을 인가시킬 수도 있다.
이와 같은 극판의 경우 메쉬(mesh)형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 전기장 인가장치(30)가 극판으로 이루어지는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 배터리와 극판(300) 사이에는 유전체층(310)을 포함할 수 있다.
도 8 내지 도 12의 실시예에서 극판(300)과 배터리(10) 사이에는 유전체층(310)이 포함될 수 있으나, 발명의 설명을 위하여 생략 도시되어 있다.
상기 전기장 인가장치의 또 다른 실시예는 도 9와 도 10에서 보여지는 바와 같이 배터리(10) 일측 극에 형성되는 극판(300)과 배터리(10) 타측 극에 접촉되는 전극(320)으로 형성될 수 있다.
상기 극판은 배터리와 이격 배치되며, 전극은 배터리에 접촉된다.
상기 극판과 전극의 배치는 도 9에 도시된 바와 같이 극판이 하측에 배치되는 경우, 도 10에 도시된 바와 같이 극판이 상측에 배치되는 경우 등을 포함한다.
도 9a와 도 10b의 실시예에서 보여지는 바와 같이 상기 배터리 타측 극이 음극인 경우, 상기 전극은 배터리에 노출된 음극 단자에 한정되는 것이 아니라, 배터리 표피 내부에 형성된 캔에 접촉되어도 무방하다.
본 발명에서 상기 전기장 인가장치로 인가되는 전기장은 도 11a에서 보여지는 바와 같이 배터리 양극측에 음전압을 인가시키고, 배터리 음극측을 접지시키거나, 도 11b에서 보여지는 바와 같이 배터리 양극측을 접지시키고, 배터리 음극측에 양전압을 인가시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리는 도 8 내지 도 11에서 보여지는 바와 같이 지면에 대하여 정립 또는 도립 상태로 형성될 수 있다.
이와 같은 정립 또는 도립 상태의 정의는 현재 배터리의 사용예시가 정립 또는 도립 상태이어서 지정하는 것에 불과할 뿐, 배터리가 수평으로 누은 상태에서도 본 발명의 기술적 취지는 유효하다.
또한, 도 11의 실시예에서 전기장 인가장치(30) 내에서 배터리에 대한, 전기장 인가장치(30)의 전원 인가 방향은 배터리 양극에 음의 전기장이, 배터리 음극에 양의 전기장이 인가되도록 실험하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 도 11의 전기장 인가 방향과 반대로 상기 전기장 인가장치(30)는 배터리 음극측을 접지시키고, 배터리 양극측에 양전압을 인가시키거나, 배터리 음극측에 음전압을 인가시키고, 배터리 양극측을 접지시키는 것으로 실행할 수도 있다.
이상과 같이 구성되는 본 발명의 배터리 화재진화장치는 배터리(10) 화재 징후시 배터리에 전기장을 인가하여 배터리 화재를 방지, 지연, 또는 진화시킬 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 한 쌍의 전기장 인가장치(30) 중 하나는 접지되고, 다른 전기장 인가장치(30)는 전원(40)을 공급하는 제어부(50)가 연결되게 형성되며, 상기 전기장 인가장치(30)과 배터리(10) 사이에는 유전체층(20)이 포함되어, 전기장 인가장치(30)과 배터리(10) 사이의 절연이 보장되게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에 따라, 전기장 인가장치(30)를 통해 고전압 인가 시에 유전체층(Dielectric barrier)을 포함하여 형성시키되, 저전압 인가 시에는 유전체층을 포함하지 않아도 무방하다.
본 발명의 배터리 화재진화장치는 도 1에 도시된 바와 같이 배터리(10) 화재 징후 감지 신호를 전달받아 상기 전기장 인가장치(30)에 전원을 인가시키는 제어부(50)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
즉, 배터리(10)의 내부 온도가 향상됨에 따라 제어부(50)에서 화재 징후 감지 신호를 전달받으면 화재가 발생된 것으로 판단하고, 전기장 인가장치(30)에 전원을 인가하여 배터리 내부 불안정한 전하들을 제어하여 전하들의 충돌을 억제시킬 수 있다.
제어부(50)는 화재 징후시 배터리 방전 에너지를 전원으로 전환시켜 배터리 내부 충전에너지가 전기장 발생으로 소진되게 할 수 있다.
또한, 상기 배터리(10)의 화재 징후 감지 신호를 전달받기 위해서 센서를 더 포함할 수 있으며, 상기 센서는 열 센서, 적외선 센서, 압력 센서 등의 장치를 활용할 수 있다.
본 발명의 배터리(10)는 지면에 수직하게 극 배열이 되고, 상기 전기장 인가장치(30)는 상기 배터리(10) 상하에 형성되는 극판으로 형성될 수 있다.
종래 배터리(10) 내부 온도 상승 시, 전해액이 끓어오르게 되어 일정 압력에 도달하게 되면 안전벤팅장치가 장착된 부근(원통형 배터리의 경우, 양극단자가 됨)에서 벤팅이 발생하여 내부의 액체, 기체 및 오프가스가 배출된다.
본 발명에서는 배터리(10)의 안전벤팅장치가 지면을 향하게 설치되어, 배터리 화재 전조로 상기 안전벤팅장치가 작동되면, 내부 전해액이 상기 안전벤팅장치를 통해 자중 배출될 수 있다.
즉, 중력을 이용하여 내부 전해액을 쉽고 빠르게 배출하도록 하며, 분리막 손상이 발생하기 전 내부 전해액이 충분히 배출되어 전하들의 충돌을 억제할 수 있으므로 내부 단락으로 인한 열폭주를 억제할 수 있다.
공지기술방식에서 원통형 배터리(10)의 안전벤팅장치는 양극측에 형성되므로, 이 경우 배터리 도립상태에서 배터리(10)의 안전벤팅장치가 지면을 향하게 설치된다.
이하, 전기장 인가장치(30)를 통해 전기장을 인가함에 따른 배터리 화재진화장치 실험을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명인 전기장을 활용한 배터리 화재진화장치 실험의 개략도이다.
전기장을 활용한 배터리 화재진화장치 실험을 수행하기 위해서, 반응기 하부에는 세라믹 허니컴이 설치되어 고온의 가스가 균일하게 공급되는 시스템으로 제작하고, 고온의 가스는 공기와 질소를 실험조건에 따라 각각 공급하였고, 배터리는 반응기 중앙에 위치시키고, 배터리 상ㆍ하부에 전기장을 인가하기 위한 전극을 메쉬(Mesh)형태로 설치하였다.
반응기 상부에는 하부에서 공급되는 고온의 가스가 원활히 배출시키기 위한 출구를 설치하여 일정한 유량(120L/min)으로 고온의 가스를 반응기 내부에 공급하였다. 반응기 내부에 배터리와 허니컴 사이에 열전대를 부착하여 내부온도를 측정하였고, 실험 데이터는 데이터 로거를 통해 저장하였다.
전기장을 인가하기 위해서 고전압은 함수발생기와 전원공급기를 통해 메쉬 전극에 공급하였으며, 배터리는 원통형 리튬이온 배터리(18650 LIB)를 채택하였다.
전기장을 활용한 배터리 화재진화장치 실험 방법은 고온의 공기를 일정한 유량을 반응기 내부에 공급하여 반응기 내부를 승온한다.
이후 배터리 양극단자에 안전벤팅장치로 인해 벤팅(전해액 배출)이 시작되면 고온의 공기 주입을 중지하고, 배터리 내부단락으로 인한 오프가스 방출 및 열폭주가 발생하도록 유도함으로써, 최종적으로 전기장 유무에 따라 열폭주 발생 유무를 관찰하도록 한다.
도 3은 도 2의 실험에서 전기장 형성 유무에 따른 열폭주 발생 여부를 나타내는 그래프로서, 시간에 따른 반응기 내부 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 3에서 전기장을 인가하지 않은 배터리에 대한 실험 결과는 (a)실선으로 나타내었고, +8kV를 공급한 배터리에 대한 실험 결과는 (b)실선으로 나타내었다.
전기장을 활용한 배터리 화재진화장치 실험 결과로서, 전기장을 인가하지 않은 배터리의 경우 전해액 배출이 1303s에 발생하였고 이때 반응기 내부의 온도는 257℃를 나타내었다.
약 4분 후 고온 공기 주입을 중단하고 배터리 내부 단락을 유도한 결과, 도 4(a)와 같이 1728s에 오프가스 방출 및 열폭주가 발생되었다.
반면, 전기장을 인가한 배터리의 경우 전해액 배출이 1301s에 발생하였고 이때 반응기 내부의 온도는 250℃를 나타내었다.
약 4분 후 고온 공기 주입을 중단하고 배터리 내부 단락을 유도한 결과, 도 4(b)와 같이 오프가스 및 열폭주는 관측되지 않았다.
이후 270℃까지 재승온하였으나 이미 이전 단계에서 전해액이 액체 상태로 모두 배출되어 고온으로 인한 오프가스 방출 및 열폭주는 관측되지 않았다.
즉, 상기 실험을 통해서 전기장을 인가하지 않은 배터리와 달리 전기장을 인가한 배터리에서는 오프가스 및 열폭주가 발생되지 않음을 확인할 수 있다.
이하, 산화제 억제에 따른 배터리 화재진화장치 실험을 설명하도록 한다.
종래 기술 중 하나인 외부 환경 내 산화제 억제에 따른 열폭주 효과를 평가하기 위해 고온 반응기 내 산화제가 결여된 고온의 질소로만 공급(100L/min)하고, 가스 공급 중단 없이 지속적으로 고온의 환경을 형성하였다.
그 결과 산화제가 부재한 경우에 있어서도 열폭주는 도 5와 같이 발생하는 것을 확인하였고, 전기장을 인가한 경우에는 산화제가 결여된 환경에서도 열폭주는 관측되지 않았다.
즉, 상기 실험을 통해서 산화제 억제 유무에 상관없이 전기장을 인가한 배터리에서는 오프가스 및 열폭주가 발생되지 않음을 확인할 수 있다.
이하, 안전벤팅장치 위치에 따른 배터리 화재진화장치 실험을 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명인 안전벤팅장치 위치에 따른 배터리 화재모사 실험의 개략도이다.
UL 1642(standard for lithium batteries)(14) 및 KS C 8541의 리튬배터리 가열시험기준은 초기온도 20 ±5℃에서 5±2℃/min 속도로 130℃까지 가열한 후 130℃에서 60분간 유지하였을 때 발화 및 폭발이 없을 것으로 규정하고 있다.
본 실험에서는 배터리 내부단락으로 인한 오프가스 방출 및 열폭주를 유도하기 위하여 전기히터를 배터리 옆에 부착 고정시켰고, 전기히터와 배터리 표면에 열전대를 설치하여 표면온도를 측정하고, 안전벤팅장치 위치에 따른 열폭주 여부를 평가하기 위하여 배터리의 양극단자가 위쪽 그리고 아래쪽으로 향하도록 각각 설치하여 실험을 진행하였다.
도 7은 도 6의 실험에서 안전벤팅장치 위치에 따른 열폭주 발생 여부를 나타내는 그래프로서, 시간에 따른 배터리 표면 온도 분포를 나타내었다.
배터리 양극단자가 위쪽으로 향하는 배터리는 (c)실선으로 표시하였고, 아래쪽으로 향하는 배터리는 (d)실선으로 표시하였다.
우선 양극단자가 위쪽으로 향하는 배터리의 경우 전해액 배출이 1017 s에 발생하였고, 이때 배터리 표면 온도는 252.7℃에 해당하였다.
약 13초 후 배터리 표면온도 248℃에서 오프가스 방출 및 열폭주가 발생하였다.
반면, 양극단자가 아래쪽으로 향하는 배터리의 경우 전해액 배출이 902 s에 발생하였고, 이때 배터리 표면 온도는 197℃에 해당하였다.
전기히터를 지속적으로 승온하여 배터리 내부 단락을 유도하였으나, 배터리 내부의 액체 상태의 전해액 대부분이 아래쪽으로 배출되어 오프가스 방출 및 열폭주는 발생하지 않았다.
즉, 상기 실험을 통해서 양극단자가 아래쪽(지면)으로 향하는 배터리에서는 오프가스 및 열폭주가 발생되지 않음을 확인할 수 있다.
상기 실험은 원통형 배터리의 안전벤팅장치가 양극단에 설치되는 것을 기준으로 한 것이며, 파우치 타입 등과 같은 경우에도 안전벤팅장치의 설치 위치를 지면으로 향하게 하면 동일 효과가 발생될 것이다.
이하, 본 발명의 효과에 대하여 살펴보기로 한다.
도 12 내지 도 14는 배터리 용량 2200mAh에 Saturation-350°C 열원을 가열조건과 정립 및 도립 상태에 따라 실험한 그래프이다.
도 12 내지 도 14에서 보여지는 바와 같이 실험에서는 공통적으로 정립상태에 대해 도립상태의 오프가스 발생 시간이 현저하게 낮아지고, 정립 상태에서는 열폭주가 발생하였으나, 도립상태에서는 열폭주가 차단되었음을 알 수 있다.
도 15와 도 16은 배터리 용량 2600mAh에 Saturation-300°C 열원을 가열시간 20m으로 하여 정립 및 도립 상태에 따라 실험한 그래프이다.
도 15와 도 16에서는 공통적으로 정립상태에 대해 도립상태의 오프가스 발생 시간이 현저하게 낮아지고, 정립 상태와 도립상태에서는 열폭주가 차단되었음을 알 수 있다.
도 17은 배터리 용량 2600mAh에 Saturation-300°C 열원을 가열시간 30m으로 하여 정립 및 도립 상태에 따라 실험한 그래프이다.
이와 같이 조건을 달리하였을 때, 정립상태에 대해 도립상태의 오프가스 발생 시간이 현저하게 낮아지고, 정립 상태에서는 열폭주가 발생하였으나, 도립상태에서는 열폭주가 차단되었음을 알 수 있다.
이상의 본 발명의 실험에서 보여지는 바와 같이 배터리가 발열하는 때에 전기장을 인가시키면, 배터리 오프가스의 발생시간을 지연시키고, 열폭주를 차단시켜 배터리 화재진화에 큰 도움을 줄 수 있음을 알 수 있다.
이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 배터리;
    상기 배터리의 양측 극에 형성되며 상기 배터리의 화재 징후시 상기 배터리에 전기장을 인가시키는 전기장 인가장치;
    를 포함하여 구성되어
    배터리 화재 징후시 배터리에 전기장을 인가하여 배터리 화재를 방지, 지연, 또는 진화시키는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  2. 제1항에 있어서 상기 전기장 인가장치는
    배터리 양측 극에 형성되는 극판인 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  3. 제1항에 있어서 상기 전기장 인가장치는
    배터리 일측 극에 형성되는 극판과;
    배터리 타측 극에 접촉되는 전극;인 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  4. 제3항에 있어서
    상기 배터리 타측 극이 음극인 경우,
    배터리 캔에 접촉된 전극인 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  5. 제1항에 있어서 상기 전기장 인가장치는
    배터리 양극측을 접지시키고, 배터리 음극측에 양전압을 인가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  6. 제1항에 있어서 상기 전기장 인가장치는
    배터리 양극측에 음전압을 인가시키고, 배터리 음극측을 접지시키는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  7. 제1항에 있어서 상기 전기장 인가장치는
    배터리 음극측을 접지시키고, 배터리 양극측에 양전압을 인가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  8. 제1항에 있어서 상기 전기장 인가장치는
    배터리 음극측에 음전압을 인가시키고, 배터리 양극측을 접지시키는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  9. 제1항에 있어서 상기 배터리는
    지면에 대하여 정립 또는 도립 상태인 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 배터리 화재진화장치는
    배터리 화재 징후 감지 신호를 전달받아 상기 극판에 전원을 인가시키는 제어부를;
    더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  11. 제10항에 있어서 상기 제어부는
    화재 징후시 배터리 방전 에너지를 상기 전기장의 전원으로 전환시켜
    배터리 내부 충전에너지가 전기장 발생으로 소진되게 하는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  12. 제1항에 있어서 상기 배터리는
    안전벤팅장치가 지면을 향하게 설치되어
    배터리 화재 전조로 상기 안전벤팅장치가 작동되면, 내부 전해액이 상기 안전벤팅장치를 통해 자중에 의해 배출되게 하는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
  13. 제1항에 있어서 상기 전기장 인가장치와 배터리 사이에는 유전체층이 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 화재진화장치.
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