WO2026005266A1 - 배터리 열폭주 방지용 시트 및 이를 포함하는 배터리 셀 조립체 - Google Patents

배터리 열폭주 방지용 시트 및 이를 포함하는 배터리 셀 조립체

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WO2026005266A1
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sheet
thermal runaway
fiber
battery thermal
weight
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PCT/KR2025/006036
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정유석
강경훈
박희원
천명수
최석현
김윤찬
이경환
이소연
조재원
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KCC Corp
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a sheet for preventing thermal runaway of a battery and a battery cell assembly including the same, and more particularly, to a sheet for preventing thermal runaway of a battery including a flame-retardant composite sheet manufactured by impregnating a fiber-reinforced core material with an impregnating liquid containing silica, and a battery cell assembly including the same.
  • Patent Document 1 discloses a battery module including a plurality of battery cells, a module case, a polymer member, and a filler.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2022-0048433 (April 19, 2022)
  • One object of the present invention is to provide a sheet for preventing battery thermal runaway, which can effectively ensure safety against heat or fire, etc.
  • Another object of the present invention is to provide a battery cell assembly to which a sheet for preventing battery thermal runaway is applied, which can effectively ensure safety against heat or fire, etc.
  • the present invention provides a sheet for preventing battery thermal runaway (100), wherein the sheet for preventing battery thermal runaway (100) includes a flame-retardant composite sheet (110), the flame-retardant composite sheet (110) has an upper surface and a lower surface and includes a fiber-reinforced core and silica, the flame-retardant composite sheet (110) is manufactured by impregnating the fiber-reinforced core with an impregnation liquid containing silica, and has a compression force deflection (CFD) of 0 to 15% at a pressure of 1.0 to 2.0 MPa, wherein the compression force deflection (CFD) is calculated by the following mathematical expression 1:
  • the battery thermal runaway prevention sheet according to the present invention reflects the battery operating environment, and the thermal runaway prevention sheet is compressed under the high pressure state generated by cell swelling, and sufficiently delays the high heat generated when cell thermal runaway occurs from being transmitted to adjacent cells, thereby securing time for vehicle occupants to escape from a fire.
  • the thermal runaway prevention sheet is normally subjected to the pressure generated by cell swelling, so it must have excellent compression/recovery efficiency, and is in an environment where it may be exposed to high pressure of 2.0 MPa or more due to the gas generated when thermal runaway occurs in a battery cell.
  • the thermal runaway prevention sheet delays the time for the internal temperature of an exploded cell of 600°C to be transferred to the opposite side under a pressure of 1.0 to 2.0 MPa or more and for the opposite side (the reverse side of the thermal runaway prevention sheet surface that has ignited) to reach 250°C by 5 minutes or more or 10 minutes or more, thereby efficiently ensuring safety against heat or fire, etc., and ensuring time for vehicle occupants to safely escape from the vehicle.
  • Figure 1 schematically shows the structure of a sheet for preventing battery thermal runaway according to the present invention.
  • Figure 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a sheet for preventing battery thermal runaway according to the present invention.
  • Figure 3 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the raw material, silica.
  • Fig. 4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of particles impregnated in a sheet for preventing battery thermal runaway of the present invention.
  • the particles of Fig. 4 include silica, silane, and silica sol.
  • Figure 5 is a graph of stress versus strain (in percent (%)) representing a compression rate curve.
  • the present invention provides a battery thermal runaway prevention sheet (100) that can effectively secure safety against heat or fire so as to prevent chain fire throughout the entire cell assembly when a fire occurs in a battery cell within the battery cell assembly.
  • Figure 1 schematically shows the structure of a sheet for preventing battery thermal runaway according to the present invention.
  • the battery thermal runaway prevention sheet (100) includes a flame retardant composite sheet (110).
  • the flame-retardant composite sheet (110) of the present invention has an upper surface and a lower surface and includes a fiber-reinforced core material and silica.
  • the flame-retardant composite sheet (110) is manufactured by impregnating the fiber-reinforced core material with an impregnation solution containing silica.
  • the flame retardant composite sheet (110) has a cushioning function to assist in the swelling phenomenon of the battery cell and acts as an insulating layer to delay heat transfer when thermal runaway occurs.
  • the sheet (100) for preventing battery thermal runaway of the present invention has a compression strain of 0 to 15% points at a pressure of 1.0 to 2.0 MPa, and the compression strain is calculated by the following [Mathematical Formula 1].
  • the flame-retardant coating layer (120) effectively blocks dust generated from the flame-retardant composite sheet (110), protects the flame-retardant composite sheet (110) from external flames when thermal runaway occurs, and also contributes to some delay in heat transfer.
  • the fiber-reinforced core material was cut into a size of 300 mm x 300 mm x 4 mm, immersed in a bath containing an impregnating solution for 5 seconds, and then dried in a 150°C oven for 60 minutes to harden.
  • the amount of impregnating solution impregnated in the fiber-reinforced core material is the ratio of the increased weight of the fiber-reinforced core material after impregnation, drying, and hardening to the weight of the fiber-reinforced core material before impregnation.
  • a flame-retardant coating layer was formed by coating the manufactured flame-retardant coating solution on both sides of the manufactured flame-retardant composite sheet.
  • the thermal transfer delay time and compression ratio of the battery thermal runaway prevention sheet manufactured in the experimental example were measured and presented in Table 4 below.
  • the manufactured battery thermal runaway prevention sheet was inserted into a measuring device, and the entire electric furnace inlet heated to 600°C was shielded after applying a pressure of 1.5 MPa, and the time it took for the temperature of the opposite side to reach 250°C was measured, and the value obtained by subtracting the time it took to reach 250°C when there was no battery thermal runaway prevention sheet was recorded.
  • the delay time is calculated to be 5 minutes (300 seconds).
  • the evaluation criterion is that a thermal transfer delay time of 5 minutes or longer is judged to be excellent.
  • the compression ratio of the manufactured battery thermal runaway prevention sheet was measured according to mathematical formula 1.
  • the evaluation criteria were judged to be excellent if the room temperature compressibility was 40 to 75% under 1.5 MPa conditions and the high temperature compressibility at 600°C or higher was 40 to 85%.
  • the heat transfer times were 145 seconds, 150 seconds, 130 seconds, and 240 seconds, respectively, which were less than the standard time of 5 minutes, and the high-temperature compressibility was also 91%, 94%, 97%, and 90%, respectively, which was less than the standard compressibility of 85% or less. Moreover, it was confirmed that the compressive strain was not effective for heat delay, as it was 16% points, 16% points, and 17% points, which is more than 15 percentage points in Experimental Examples 20 to 22.
  • the sheet (100) for preventing battery thermal runaway has a room temperature compression ratio of 40 to 75% at 25°C and a high temperature compression ratio of 40 to 85% at 600°C or higher.
  • the fiber-reinforced core contains 30 to 100 wt% of oxidized polyacrylonitrile fiber (OPF) based on the total weight of the fiber-reinforced core, and a sheet for preventing battery thermal runaway having voids inside.
  • OPF oxidized polyacrylonitrile fiber
  • a sheet for preventing battery thermal runaway wherein in Specific example 1, the fiber-reinforced core material and the impregnating liquid have a weight ratio of 1:0.3 to 1:3 based on the solid content of the impregnating liquid.
  • a sheet for preventing battery thermal runaway wherein in Specific example 1, the fiber-reinforced core has a density of 80 to 250 kg/m3, and the flame-retardant composite sheet (110) has a density of 100 to 1,100 kg/m2.
  • Specific example 7 A sheet for preventing battery thermal runaway, wherein the impregnating liquid according to Specific example 1 contains 100 parts by weight of a solvent and 3 to 20 parts by weight of the silica.
  • the impregnating liquid further comprises at least one of 0.1 to 15 parts by weight of a silane compound, 0.01 to 10 parts by weight of an organic resin, and more than 0 to 15 parts by weight of silica sol.
  • a sheet for preventing thermal runaway of a battery wherein in Specific example 7, the solvent is water, and the silica includes at least one selected from fumed silica, precipitated silica, silica glass, and silicon ester.
  • a sheet for preventing battery thermal runaway further comprising a flame-retardant coating layer (120) coated with a flame-retardant coating liquid on the upper or lower surface of the flame-retardant composite sheet (110) in Specific example 1.
  • a sheet for preventing battery thermal runaway wherein the flame retardant coating liquid of Specific example 9 comprises 15 to 45 parts by weight of a water-soluble resin, 35 to 85 parts by weight of a flame retardant, 0.1 to 12 parts by weight of an additive, and 0.1 to 15 parts by weight of a solvent.
  • the water-soluble resin includes at least one selected from the group consisting of ethylene vinylacetate (EVA) resin, polyvinylchloride resin, water-soluble acrylic resin, polyvinylacetate (PVAC) resin, polybutadiene resin, polyvinylidene chloride resin, and polyurethane (PU) resin
  • EVA ethylene vinylacetate
  • PVAC polyvinylacetate
  • PU polyurethane
  • the flame retardant includes at least one of a phosphorus flame retardant and an inorganic flame retardant
  • the additive includes at least one of an aqueous dispersant and a pigment
  • the solvent includes water.
  • the sheet for preventing battery thermal runaway is a sheet for preventing battery thermal runaway, wherein the time for the temperature of the opposite side to reach 250°C is 5 minutes or more when exposed to a pressure of 1.0 to 2.0 MPa and a high temperature of 600°C.
  • a battery cell assembly comprising a plurality of battery cells each wrapped by a battery thermal runaway prevention sheet (100) according to any one of Specific examples 1 to 13, characterized in that when a fire occurs in at least one battery cell, a chain fire of the plurality of battery cells is prevented.

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Abstract

본 발명은 배터리 열폭주 방지용 시트(100)에 있어서, 상기 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 방염 복합체 시트(110)를 포함하며, 상기 방염 복합체 시트(110)는 상면 및 하면을 갖고 섬유 보강 심재 및 실리카를 포함하며, 상기 방염 복합체 시트(110)는 상기 섬유 보강 심재를 상기 실리카가 함유된 함침액에 함침시켜 제조되며, 1.0 내지 2.0 MPa의 압력에서 압축 변형률(Compression Force Deflection, CFD)이 0 내지 15 %포인트이며, 여기서 상기 압축 변형률(CFD)은 수학식 l고온(600℃이상) 압축률-상온(25℃압축률l 에 의해 산출되는, 배터리 열폭주 방지용 시트에 관한 것이다.

Description

배터리 열폭주 방지용 시트 및 이를 포함하는 배터리 셀 조립체
본 발명은 배터리 열폭주 방지용 시트 및 이를 포함하는 배터리 셀 조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 섬유 보강 심재를 실리카가 함유된 함침액에 함침시켜 제조되는 방염 복합체 시트를 포함하는 배터리 열폭주 방지용 시트 및 이를 포함하는 배터리 셀 조립체에 관한 것이다.
현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있다. 최근 전자 디바이스, 자동차 등에 적용되는 대용량의 배터리 모듈의 수요가 증가하고 있다. 이러한 대용량의 배터리 모듈은 복수의 전지 셀을 구비한다.
이러한 배터리 모듈은, 복수의 전지 셀의 일부에 열 폭주나 화재, 폭발 등이 발생될 경우, 전극조립체의 파편, 화염, 및 가스 등이 배출되어 인접한 다른 전지 셀의 온도를 상승시킬 수 있었다. 이에 따라, 인접한 다른 전지 셀로 열폭주나 화재 등이 전파되어, 보다 큰 2차 화재나 폭발이 발생됨으로써, 그 피해가 가중될 수 있는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2022-0048433호(특허문헌 1)는 복수의 전지 셀, 모듈 케이스, 고분자 부재, 및 충진재를 포함하는 배터리 모듈을 개시한다.
종래 배터리 모듈의 경우, 내부의 열 내지 화염 전파의 방지를 위해 특정 재료를 투입하는 구성도 시도되고 있으나, 충분한 내열 특성을 확보하기 위해서는 많은 양이 투입되어야 하나 이러한 특정 재료의 비용이 고가라는 문제도 있다.
또한, 비용적인 부분을 고려하지 않더라도 투입량 증가에 따라 소재가 탄성을 잃어 셀 스웰링(Swelling)을 충분히 보완할 수 없는 문제가 발생된다. 이는 배터리의 효율을 떨어뜨리기에 부정적인 영향을 준다.
이에 따라, 종래 배터리 모듈은, 열이나 화재 등에 대한 안전성을 효율적으로 확보하는데 많은 어려움이 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허 제10-2022-0048433호(2022.04.19)
본 발명은 열 또는 화재 등에 대한 안전성이 효율적으로 확보될 수 있는 배터리 열폭주 방지용 시트를 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.
본 발명은 열 또는 화재 등에 대한 안전성이 효율적으로 확보될 수 있는 배터리 열폭주 방지용 시트가 적용된 배터리 셀 조립체를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 배터리 열폭주 방지용 시트(100)에 있어서, 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 방염 복합체 시트(110)를 포함하며, 방염 복합체 시트(110)는 상면 및 하면을 갖고 섬유 보강 심재 및 실리카를 포함하며, 방염 복합체 시트(110)는 섬유 보강 심재를 실리카가 함유된 함침액에 함침시켜 제조되며, 1.0 내지 2.0 MPa의 압력에서 압축 변형률(Compression Force Deflection, CFD)이 0 내지 15 %이며, 여기서 압축 변형률(CFD)은 아래 수학식 1에 의해 산출되는 배터리 열폭주 방지용 시트를 제공한다:
[수학식 1]
｜고온(600℃ 이상) 압축률 - 상온(25℃) 압축률｜
본 발명에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트는 배터리 동작 환경을 반영하여 셀 스웰링(Swelling)으로 발생되는 고압 상태에서 압축된 열폭주 방지용 시트가 셀 열폭주 발생시 생성된 고열이 인접 셀로 전달되는 것을 충분히 지연시켜 화재로부터 차량 탑승자가 대피할 수 있는 시간을 확보해 줄 수 있다. 구체적으로, 열폭주 방지용 시트는 평소 셀 스웰링(Swelling)으로 발생되는 압력을 받고 있어 압축/복원 효율이 우수해야 되며, 배터리 셀에서 열폭주 발생시 생성되는 가스로 인해 2.0 MPa 이상의 고압에 노출될 수 있는 환경에 있다. 셀 열폭주로 셀 내부 온도가 600℃로 상승되었을 때, 인근 셀로 열이 전이되어 인근 셀의 온도가 250℃에 도달하면 연속적인 열폭주가 발생된다. 본 발명에 따르는 열폭주 방지용 시트는 1.0 내지 2.0 MPa 이상 압력 하에서 폭발된 셀 내부온도 600℃가 반대편으로 전이되어 반대면(발화가 된 열폭주 방지용 시트 면의 이면)이 250℃까지 도달하는 시간을 5분 이상 또는 10분 이상 지연함으로써, 열 또는 화재 등에 대한 안전성을 효율적으로 확보할 수 있으며, 차량 탑승자가 안전하게 차량으로부터 빠져나갈 수 있는 시간을 확보해 준다.
또한, 반복되는 셀 스웰링(Swelling) 환경에서도 90% 수준의 높은 복원능력을 가지고 있어 셀 스웰링(Swelling) 현상을 보조하여 배터리의 성능이 충분히 구현될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 원료인 실리카의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트 내 함침된 입자의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 4의 입자는 실리카, 실란, 및 실리카졸을 포함한다.
도 5는 압축률 곡선을 나타내는 응력(stress) 대 변형률(strain)(백분율(%))의 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 형태를 상세하게 설명한다.
본 발명은 하나의 양상에서, 배터리 셀 조립체 내의 배터리 셀에서 발화 발생시 셀 조립체 전체로의 연쇄 발화를 방지할 수 있도록 열이나 화재에 대한 안전성이 효율적으로 확보될 수 있는 배터리 열폭주 방지용 시트(100)를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 방염 복합체 시트(110)를 포함한다.
본 발명의 방염 복합체 시트(110)는 상면 및 하면을 갖고 섬유 보강 심재 및 실리카를 포함한다. 여기서 방염 복합체 시트(110)는 섬유 보강 심재를 실리카가 함유된 함침액에 함침시켜 제조된다.
방염 복합체 시트(110)는 쿠션기능을 가져 배터리 셀의 스웰링 현상을 보조하며, 열폭주 발생시 열전이를 지연시키는 단열층 역할을 한다.
본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 1.0 내지 2.0 MPa의 압력에서 압축 변형률이 0 내지 15 %포인트이고, 압축 변형률은 아래 [수학식 1]로 산출된다.
[수학식 1]
｜고온(600℃ 이상) 압축률 - 상온(25℃) 압축률｜
하나의 구체예에서, 본 발명에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 방염 복합체 시트(110)의 상면 또는 하면에 방염 코팅액으로 코팅된 방염 코팅층(120)을 더욱 포함한다.
방염 코팅층(120)은 방염 복합체 시트(110)에서 발생하는 분진을 효과적으로 차단시키며, 열폭주 발생시 외부 화염으로부터 방염 복합체 시트(110)를 보호하고, 일부 열전이 지연에도 기여한다.
섬유 보강 심재
본 발명의 섬유 보강 심재는, 예컨대, 이산 섬유, 직포 재료, 부직포 재료, 배트(batts), 탄 솜(batting), 웹, 매트, 펠트, 또는 이들의 조합을 포함하며, 여기에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 본 발명의 섬유 보강 심재는, 섬유 보강 심재의 섬유가 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 산화된 폴리아크릴로니트릴, 비탄화된 열처리된 PAN, 탄소, 실리카, 폴리아라미드, 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 레이온, 나일론, 유리 섬유(glass wool), 고밀도 폴리올레핀, 세라믹, 아크릴, 플루오로폴리머, 폴리우레탄, 폴리아미드, 및 폴리이미드에서 선택되는 1종 이상을 포함하며, 여기에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 섬유 보강 심재는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 산화된 폴리아크릴로니트릴, 비탄화된 열처리된 PAN, 또는 유리 섬유일 수 있다.
하나의 구체예에서, 본 발명의 섬유 보강 심재는 섬유 보강 심재 총중량을 기준으로 30 내지 100 중량%의 산화된 폴리아크릴로니트릴 섬유(OPF, Oxidized Polyacrylonitrile Fiber)를 함유한다. 여기서 섬유 보강 심재는 내부에 공극이 존재할 수 있다.
예컨대, 섬유 보강 심재는 산화된 폴리아크릴로니트릴 섬유(OPF, Oxidized Polyacrylonitrile Fiber)를 함유하고 내부에 공극이 존재하는 다공성의 부직포일 수 있다.
본 발명의 OPF는 산화된 폴리아크릴로니트릴(Oxi-PAN)을 포함하는 섬유로서, 다공성의 무기섬유 심재 중 하나이다.
본 발명의 섬유 보강 심재는 열전도율이 예컨대 0.1 W/m·K 이하일 수 있다. 섬유 보강 심재의 열전도율이 0.1 W/m·K를 초과하면 수십초 사이에 열폭주 셀의 열이 인근 셀로 전이되어 빠른 시간 내에 열폭주 발생 온도에 도달함에 따라 사람이 차에서 빠져나올 수 있는 충분한 시간을 확보하기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 섬유 보강 심재는 또한 두께가 10 mm 이하, 또는 6 ㎜ 이하, 또는 0.1 ~ 4 ㎜일 수 있다. 섬유 보강 심재의 두께가 0.1 ㎜ 이하이면 단열성을 충분히 발휘하기 어려울 수 있으며, 두께가 10 ㎜를 초과하면 단열 효과는 우수하나 배터리 내부 공간 부족으로 배터리의 용량이 줄어드는 문제가 있어 현실적으로 적용이 어려운 한계가 있다.
한편 섬유 보강 심재는 밀도가 80 내지 250 Kg/㎥, 또는 85 내지 230 Kg/㎥이다. 섬유 보강 심재가 상기 밀도 범위를 만족할 경우, 후술되는 함침액 및 그에 포함되는 입자들이 섬유 보강 심재 표면에 적절히 분포된 상태로 공극을 충진할 수 있다.
함침액
하나의 구체예에서, 본 발명의 함침액은 실리카를 함유한다.
실리카는 섬유 보강 심재의 원사 표면에 분포된 상태로 부착되어 공극을 충진하는 역할을 한다. 본 발명에서 섬유 보강 심재를 실리카가 함유된 함침액에 함침시켜, 실리카가 섬유 보강 심재의 공극을 소정의 수준으로 충진할 수 있도록 한다. 이에 의해 섬유 보강 심재의 열전도도를 소정의 수준으로 조절하여 바람직한 열 전달 지연 효과를 얻을 수 있다.
하나의 구체예에서, 함침액은 용제 100 중량부 및 실리카 3 내지 20 중량부를 포함한다.
상기 용제는 물이며, 바람직하게는 증류수 또는 탈이온수일 수 있다. 용제는 함침액에 100 중량부의 함량으로 포함된다.
그리고, 상기 용제는 첨가제의 혼용성 및 저장 안정성을 목적으로 알코올류와 같은 유기 용제와 일부 혼용될 수 있다.
본 발명에서 실리카는 무기 실리카일 수 있다. 무기 실리카는, 예컨대, 퓸드 실리카(fumed silica), 침강 실리카(precipitated silica), 실리카 글라스, 광섬유(silicon ester) 등에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 하나의 구체예에서 퓸드 실리카 또는 침강 실리카일 수 있으며, 퓸드 실리카일 수 있다.
상기 퓸드 실리카는 사염화 실란을 사용하여 1000℃ 이상의 고온의 불꽃으로 가수분해하여 제조한 것으로, 분말의 밀도가 0.05g/mL 정도로 낮고 실리카의 순도가 매우 높다. 퓸드 실리카는 입자간의 공간이 많아 기체에 의한 열의 이동을 최소화할 수 있고, 열전도도가 낮기 때문에 자체에 의한 열 전달도 작다. 또한 퓸드 실리카는 고온에서도 안정하고 난연성을 갖고 있으므로 열 지연 효과가 우수하다.
도 3은 원료인 실리카의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 구체적으로, 도 3a는 흄드실리카의 입도 및 분포를 보여준다. 도 3b의 입자는 실리카, 실란, 및 실리카졸을 포함한다. 도3b는 흄드실리카 입자들 사이에 메소-공극(Meso-pore) 구조가 형성된 것을 보여준다. 메소-공극(Meso-pore)의 분포는 대류에 의한 열전이를 효과적으로 차단시킬 수 있어, 열전이 지연효과를 높일 수 있다.
실리카는 용제 100 중량부를 기준으로 함침액에 3 내지 20 중량부, 또는 5 내지 15 중량부의 함량으로 포함된다. 실리카의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우 열 지연 효과가 감소될 수 있다.
하나의 구체에에서, 함침액은 실란계 화합물, 유기계 수지, 및 실리카졸 중 1종 이상을 더욱 포함할 수 있다.
용제 100 중량부를 기준으로, 실란계 화합물 0.1 내지 15 중량부, 또는 유기계 수지 0.01 내지 10 중량부, 또는 실리카졸 0 초과 내지 15 중량부가 함침액에 1종 이상 포함될 수 있다.
본 발명에서 실란계 화합물은 섬유 보강 심재의 하이드록실기와 반응하여 섬유 보강 심재를 더욱 결속시키고, 실리카를 섬유 보강 심재의 원사 표면에 부착시키는 역할을 한다.
본 발명에서 실란계 화합물은 2관능 이상, 또는 3관능 또는 4관능의 알콕시 실란을 포함하거나, 또는 실리콘 원자 1개당 결합된 산소 원자의 수가 1 내지 4로 구성된 실리콘 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 실란계 화합물은 화학식 (RaSiO3/2)a(Rb 2SiO2/2)b(Rc 3SiO1/2)c의 평균 단위를 갖는 분지쇄 오가노폴리실록산을 포함할 수 있다. 여기서 Ra, Rb, 및 Rc는 각각 동일하거나 상이하고 치환되거나 치환되지 않은 1가 탄화수소 그룹이며, a는 양의 수이며, b는 0 또는 양의 수이며, c는 0 또는 양의 수이다.
구체적으로, 실란계 화합물은 테트라메톡시 실란, 테트라에톡시 실란, 테트라-n-프로폭시 실란, 테트라이소프로폭시 실란, 테트라-n-부톡시 실란, 테트라이소부톡시 실란, 메틸트리메톡시 실란, 메틸트리에톡시 실란, 에틸트리메톡시 실란, 이소부틸트리메톡시 실란, 비닐트리메톡시 실란, 비닐트리에톡시 실란, γ-메타크릴록시프로필트리메톡시 실란, γ-메타크릴록시프로필트리에톡시 실란, γ-아크릴록시프로필트리메톡시 실란, γ-아크릴록시프로필트리에톡시 실란, β-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시 실란, γ-글리시독시프로필트리메톡시 실란, γ-아미노프로필트리메톡시 실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리에톡시 실란, 디메틸디메톡시 실란, 비닐메틸디메톡시 실란, γ-메타크릴록시프로필메틸디메톡시 실란, γ-아크릴옥시프로필메틸디메톡시 실란, γ-글리시독시프로필메틸디메톡시 실란, γ-글리시독시프로필메틸디에톡시 실란, γ-아미노프로필메틸디메톡시 실란, γ-이소시아네이토프로필트리메톡시 실란, γ-이소시아네이토프로필트리에톡시 실란, 페닐트리에톡시 실란, 및 페닐트리메톡시 실란으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
실란계 화합물은 함침액에 0.1 내지 15 중량부, 또는 0.1 내지 10 중량부의 함량으로 포함된다. 실란계 화합물의 함량이 상기 범위 미만인 경우 제조된 제품의 강도 및 내수성 등의 물성을 확보하기 어렵고, 상기 범위 초과인 경우, 함침액의 안정성이 감소되고 제조된 제품의 강도가 저하될 수 있다.
본 발명에서 유기계 수지는 배터리 셀 스웰링(Swelling)에 대한 탄성 수지의 역할을 한다. 유기계 수지는 예컨대 아크릴 수지를 포함할 수 있다.
유기계 수지는 용제 100 중량부를 기준으로 함침액에 0.01 내지 10 중량부, 또는 0.1 내지 5 중량부, 또는 0.1 내지 3 중량부의 함량으로 포함된다. 유기계 수지의 함량이 상기 범위 미만인 경우 탄성 효과가 저감되며, 상기 범위 초과인 경우 열 지연 효과가 감소될 수 있다.
본 발명에서 실리카졸은 실란계 화합물과 함께 섬유 보강 심재를 더욱 결속시키고, 실리카를 섬유 보강 심재의 원사 표면에 부착시키는 역할을 한다.
실리카졸은 용제 100 중량부를 기준으로 함침액에 0 초과 내지 15 중량부, 또는 0.1 내지 10 중량부의 함량으로 포함된다. 실리카졸의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우 제조된 제품의 강도가 저하될 수 있다.
방염 코팅층(120)
하나의 구체예에서, 본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 방염 복합체 시트(110)의 상면 또는 하면에 방염 코팅액으로 코팅된 방염 코팅층(120; 121, 122)을 더욱 포함한다. 방염 코팅층(120; 121, 122)은 화재 또는 열로부터 방염 복합체 시트(110)를 보호하고 열 지연 효과를 증대시키는 역할을 하며, 방염 복합체 시트(110)에서 발생하는 분진을 효과적으로 차단할 수 있다.
하나의 구체예에서, 본 발명의 방염 코팅액은 수용성 수지 15 내지 45 중량부, 난연제 35 내지 85 중량부, 첨가제 0.1 내지 12 중량부, 및 용제 0.1 내지 15 중량부를 포함한다.
수용성 수지는 에틸렌 비닐 아세테이트(ethylene vinylacetate, EVA) 수지, 폴리염화비닐(polyvinylchloride) 수지, 수용성 아크릴 수지, 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate, PVAC) 수지, 폴리부타디엔 수지, 폴리염화비닐리덴 수지, 및 폴리우레탄(polyurethane, PU) 수지로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다. 수용성 수지로서 에틸렌 비닐 아세테이트 수지가 적용되는 경우, 응집력이 강하여 방염 코팅액의 강도를 일정 수준 이상으로 유지할 수 있어 효과적이다.
수용성 수지는 방염 코팅액에 15 내지 45 중량부 또는 18 내지 32 중량부의 함량으로 포함된다.
본 발명의 방염 코팅액은, 섬유 보강 심재의 결합력, 인장력, 유연성, 및 강인함을 향상시키고 내수성, 내열성, UV 안정성으로 내후성과 내구성도 증진시키기 위하여 열가소성 수지를 더욱 포함할 수 있다. 열가소성 수지는 예컨대 폴리비닐 부티랄(PVB) 수지일 수 있다.
난연제는 인계 난연제 및 무기계 난연제 중 적어도 1종을 포함한다.
인계 난연제는 암모늄 폴리포스페이트(ammonium polyphosphate, APP), 트리페닐 포스페이트(triphenyl phosphate, TPP), 트리크레실 포스페이트(tricresyl phosphate, TCP), 트리에틸 포스페이트(triethyl phosphate, TEP), 이소프로필 페닐 디페닐 포스페이트(isopropyl phenyl diphenyl phosphate), 적인(red phousphours, CG-P), 트리스(2-클로로에틸)포스페이트(tris(2-chloroethyl)phosphate, TCEP), 산화인(Phosphorus oxide), 테트라페닐 레조르시놀 비스(디페닐포스페이트)( Tetraphenyl resorcinol bis(diphenylphosphate), TR) 및 레조르시놀 디 포스페이트(resorcinol di phosphate, RDP)로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다.본 발명의 인계 난연제는 고분자로서 열분해할 때 탄소성 재(char)를 형성한다. 이러한 재(char)의 생성으로 연소가능한 연료가 줄어들게 되고, 연소하는 분자의 표면에 두꺼운 장벽을 만들어 열을 차단함으로써, 불이 꺼지게 한다. 이러한 작용은 응축상에서 일어나는데 인은 중요한 응축상 난연제이다. 인은 열분해되어 인산을 만들고 인산은 연소하는 물질에서 탈수 촉매로 작용하여 재(char)의 양을 증가시킨다. 재(char)를 형성하는 기구는 매우 복잡하나 인화합물은 PC(Poly Carbonate)나 PPO(Poly Phenylene Oxide)와 같이 고분자 구조 내에 산소원자를 포함하고 있으며 연소과정에서 재(char)를 형성하는 고분자에는 매우 효과적인 난연제이다. 특히, 인(P)계 난연제는 발암물질인 다이옥신(Dioxins)이 발생되지 않는 친환경 소재이다.
무기계 난연제는 수산화알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)2), 탄산칼슘(CaCO3), 탄산마그네슘(MgHCO3), 징크 보레이트(zinc borate), 실리카로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 무기계 난연제는 인계 난연제에 대한 시너지 효과를 위해 포함될 수 있다. 예컨대, 징크 보레이트, 수산화 알루미늄은 연기 제거에 더욱 효과적일 수 있다.
난연제는 방염 코팅액에 35 내지 85 중량부, 또는 40 내지 75 중량부, 또는 48 내지 70 중량부의 함량으로 포함된다. 구체적으로, 난연제는 무기계 난연제 10 내지 79 중량부, 및 인계 난연제 1 내지 25 중량부를 포함할 수 있다.
첨가제는 수계분산제 및 안료에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 첨가제는 방염 코팅액에 0.1 내지 12 중량부, 또는 0.1 내지 10 중량부의 함량으로 포함될 수 있다.
용제는 물을 포함한다. 용제는 바람직하게는 물일 수 있으며, 방염 코팅액에 0.1 내지 15 중량부의 함량으로 포함될 수 있다.
배터리 열폭주 방지용 시트(100)
하나의 구체예에서, 본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 방염 복합체 시트(110)를 포함한다. 여기서 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 방염 복합체 시트(110) 단독으로 구성될 수 있다.
또 다른 구체예에서, 본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 방염 복합체 시트(110) 및 방염 코팅층(120; 121, 122)을 포함한다.
본 발명의 방염 복합체 시트(110)는 섬유 보강 심재를 실리카가 함유된 함침액에 함침시켜 제조된다.
방염 복합체 시트(110)에 있어서, 섬유 보강 심재와 함침액은, 함침액의 고형분 기준으로, 1:0.3 내지 1:3, 또는 1:0.6 내지 1:2, 또는 1:0.8 내지 1:1.5의 중량비일 수 있다.
심재의 함침비(심재와 함침액 고형분의 비)가 1:0.3 미만에서는 내압특성이 감소되어 열폭주 발생시 상승되는 고압상태에서 단열 효과가 현저하게 떨어질 수 있다. 심재의 함침비가 1:3 초과에서는 시트가 단단해져 셀 스웰링 현상을 보조할 수 없으며, 취성이 증가하여 깨질 우려가 있다.
하나의 구체예에서, 섬유 보강 심재는 밀도가 80 내지 250 Kg/㎥이다. 한편 섬유 보강 심재가 함침액에 함침되어 제조된 방염 복합체 시트(110)는 밀도가 100 내지 1,100 Kg/㎡이다. 구체적으로, 밀도가 80 내지 250 Kg/㎥인 섬유 보강 심재를 함침액에 함침시켜 제조된 방염 복합체 시트(110)의 밀도는 100 내지 1,100 Kg/㎡이다.
하나의 구체예에서, 본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 1.0 내지 2.0 MPa 압력과 600℃의 고온에 노출된 상태에서 반대면의 온도가 250℃까지 도달하는 시간이 5분 이상, 또는 7분 이상, 또는 9분 이상, 또는 10분 이상이다.
하나의 구체예에서, 본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 1.0 내지 2.0 MPa의 압력 및 600℃의 온도에서 40 내지 85 %의 고온 압축률을 가진다. 고온 압축률이 낮을수록 열폭주 발생시 단열에 유리하며, 고온 압축률의 최소값은 배터리셀 스웰링(Swelling) 특성에 따라 결정될 수 있다.
따라서, 섬유 보강 심재 및 실리카가 포함된 본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 1.0 내지 2.0 MPa의 압력에서, 상온(25℃) 압축률과 고온(600℃ 이상) 압축률의 차이인 압축 변형률(Compression Force Deflection, CFD)이 0 내지 15 %포인트, 또는 0 내지 10%포인트, 또는 0 내지 7%포인트 이다. 배터리 열폭주 방지용 시트(100)의 압축 변형률이 상기 범위를 벗어나는 경우에, 열 지연 시간이 감소되는 문제점이 있다.
압축 변형률(CFD)은 1.0 내지 2.0 MPa의 압력에서 하기 [수학식 1]에 의해 산출되며, 배터리 열폭주 방지용 시트(100)의 단열 특성은 상온 압축률 값과 고온 압축률 값의 차이가 클수록 단열 효과가 감소된다.
[수학식 1]
｜고온(600℃ 이상) 압축률 - 상온(25℃) 압축률｜
여기서 본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 25℃에서의 상온 압축률이 40 내지 75 %이고, 600℃ 이상(예를 들어, 600 내지 1,200℃, 또는 600 내지 800℃)의 고온 압축률이 40 내지 85%이다.
이에 따라, 본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 압축 변형률(CFD) 값이 작아 600℃ 이상 고온과 1.0 MPa 이상 고압에 노출되어도 상온에서의 모양 또는 두께를 유지하여, 열 지연에 효과적이다.
본 발명에서 배터리 열폭주 방지용 시트(100)의 압축률은 ISO3386 규격에 따라 측정하고 아래 [수학식 2]에 의하여 산출된다.
[수학식 2]
도 2는 본 발명에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 구체적으로 도 2는 본 발명의 방염 복합체 시트(110)의 SEM 사진으로 실제 섬유 사이에 함침 소재가 분포된 형태를 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 배터리 열폭주 방지용 시트 내 함침된 입자의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 4는 흄드실리카, 실리카졸이 실란계 화합물과 경화되며 형성된 입자의 형상을 보여준다.
배터리 셀 조립체
본 발명은 또 다른 양상에서 본 발명에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트(100)가 적용된 배터리 셀 조립체를 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 배터리 셀 조립체는 본 발명에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트(100)에 의해 각각 감싸진 복수의 배터리 셀을 포함한다. 이러한 구성으로 인하여, 본 발명의 배터리 셀 조립체는 적어도 하나의 배터리 셀에서 발화 발생 시 복수의 배터리 셀 전체로의 연쇄 발화가 방지될 수 있다.
[실시예]
1. 섬유 보강 심재 준비
실시예의 섬유 보강 심재로서 상업적으로 구입 가능한 OPF(산화된 폴리아크릴로니트릴 섬유)를 준비하고, 비교예의 섬유 보강 심재로서 상업적으로 구입 가능한 세라믹페이퍼를 준비하였다.
사용된 OPF는 TFJ회사의 제품이고, 세라믹페이퍼는 KCC사의 Bio 세라크울 페이퍼이다.
2. 함침액 제조
반응 용기에 각 성분을 넣고 혼합하여 함침액을 제조하였다. 각 성분의 조성은 [표 1]에 제시한다.
- MTMS: 메틸트리메톡시 실란
3. 방염 코팅액 제조
반응 용기에 각 성분을 넣고 혼합하여 방염 코팅액을 제조하였다. 각 성분의 조성은 [표 2]에 제시한다.
- TR: Tetraphenyl resorcinol bis(disphenyl phosphate)
4. 배터리 열폭주 방지용 시트(100) 제조
4-1. 방염 복합체 시트(110) 제조
준비된 섬유 보강 심재에 제조된 함침액을 함침시켜 방염 복합체 시트를 제조하였다.
구체적으로 섬유 보강 심재를 300㎜ x 300㎜ x 4㎜ 크기로 잘라서, 함침액이 담긴 욕조에 5초간 담근 후 150℃ 오븐에 60분간 건조하여 경화시켰다. 섬유 보강 심재에 함침된 함침액의 양은 함침되기 전의 섬유 보강 심재 무게 대비 함침, 건조 및 경화 후 섬유 보강 심재의 증량된 무게의 비율이다.
4-2. 배터리 열폭주 방지용 시트(100) 제조
제조된 방염 복합체 시트의 양면에 제조된 방염 코팅액을 코팅하여 방염 코팅층을 형성하였다.
함침액의 함침 함량을 변화시키면서 실험예의 방염 복합체 시트(110) 및 배터리 열폭주 방지용 시트(100)를 제조하고, 이를 표 3에 제시한다.
[배터리 열폭주 방지용 시트 성능 평가]
실험예에서 제조된 배터리 열폭주 방지용 시트에 대하여 열전이 지연 시간, 압축률을 측정하고 아래 표 4에 제시한다.
(i) 열전이 지연 시간
제조된 배터리 열폭주 방지용 시트를 측정 장치에 삽입하여 1.5 MPa 압력 인가 후 600℃로 승온된 전기로 입구 전체를 차폐하여, 반대면의 온도가 250℃에 도달하는 시간을 측정하여 배터리 열폭주 방지용 시트가 없을 때 250℃까지 도달하는 시간을 뺀 값을 기록하였다.
예를 들어 배터리 열폭주 방지용 시트가 없는 상태에서 측정 장치의 반대면 온도가 250℃까지 도달하는 시간이 5분이고, 배터리 열폭주 방지용 시트가 삽입된 상태에서 측정 장치의 반대면 온도가 250℃까지 도달하는 시간이 10분이면, 지연 시간은 5분(300초)으로 산정하였다. 평가 기준은 열전이 지연 시간이 5분 이상이면 우수한 것으로 판정하였다.
(ii) 화염 발생 여부
화염 발생 여부를 육안으로 확인하였다.
(iii) 압축률
제조된 배터리 열폭주 방지용 시트의 압축률을 수학식 1에 따라 측정하였다.
평가 기준은 1.5MPa 조건에서 상온 압축률이 40 내지 75 %이고, 600℃ 이상의 고온 압축률이 40 내지 85%이면 우수한 것으로 판정하였다.
표 4에 따르면, 실험예 20 내지 23의 경우, 열전이 시간이 각각 145초, 150초, 130초, 및 240초로써 기준시간 5분에 미달하였으며, 고온 압축률 또한 각각 91%, 94%, 97%, 및 90%로 기준 압축률 85% 이하에 미달하였다. 더욱이, 압축 변형률은 실험예 20 내지 22에서 15%포인트 초과인 16%포인트, 16%포인트, 및 17%포인트로 열 지연에 효과적이지 않음을 확인하였다. 즉, 실리카가 포함되지 않은 함침액을 섬유 보강 심재에 적용하거나, 함침액 없이 섬유 보강 심재만 적용한 경우, 압축 변형률이 15%포인트를 초과하여 열 지연 효과가 떨어짐을 확인하였다.
이하 본 발명의 다양한 실시 형태를 설명한다.
구체예 1. 배터리 열폭주 방지용 시트(100)에 있어서, 상기 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 방염 복합체 시트(110)를 포함하며, 상기 방염 복합체 시트(110)는 상면 및 하면을 갖고 섬유 보강 심재 및 실리카를 포함하며, 상기 방염 복합체 시트(110)는 상기 섬유 보강 심재를 상기 실리카가 함유된 함침액에 함침시켜 제조되며, 1.0 내지 2.0 MPa의 압력에서 압축 변형률(Compression Force Deflection, CFD)이 0 내지 15 %포인트이며, 여기서 상기 압축 변형률(CFD)은 아래 수학식 1에 의해 산출되는, 배터리 열폭주 방지용 시트:
[수학식 1]
｜고온(600℃ 이상) 압축률 - 상온(25℃) 압축률｜
구체예 2. 구체예 1에 있어서, 상기 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 25℃에서의 상온 압축률이 40 내지 75 %이고, 600℃ 이상의 고온 압축률이 40 내지 85%인, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 3. 구체예 1에 있어서, 상기 섬유 보강 심재는, 섬유 보강 심재의 섬유가 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 산화된 폴리아크릴로니트릴, 비탄화된 열처리된 PAN, 탄소, 실리카, 폴리아라미드, 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 레이온, 나일론, 유리 섬유(glass wool), 고밀도 폴리올레핀, 세라믹, 아크릴, 플루오로폴리머, 폴리우레탄, 폴리아미드, 및 폴리이미드에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 4. 구체예 3에 있어서, 상기 섬유 보강 심재는 섬유 보강 심재 총중량을 기준으로 30 내지 100 중량%의 산화된 폴리아크릴로니트릴 섬유(OPF, Oxidized Polyacrylonitrile Fiber)를 함유하고 내부에 공극이 존재하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 5. 구체예 1에 있어서, 상기 섬유 보강 심재와 상기 함침액은, 함침액의 고형분 기준으로, 1:0.3 내지 1:3의 중량비인, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 6. 구체예 1에 있어서, 상기 섬유 보강 심재는 밀도가 80 내지 250 Kg/㎥이며, 상기 방염 복합체 시트(110)는 밀도가 100 내지 1,100 Kg/㎡인, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 7. 구체예 1에 있어서, 상기 함침액은 용제 100 중량부 및 상기 실리카 3 내지 20 중량부를 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 8. 구체예 7에 있어서, 상기 함침액은 실란계 화합물 0.1 내지 15 중량부, 유기계 수지 0.01 내지 10 중량부, 및 실리카졸 0 초과 내지 15 중량부 중 1종 이상을 더 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 9. 구체예 7에 있어서, 상기 용제는 물이며, 상기 실리카는 퓸드 실리카(fumed silica), 침강 실리카(precipitated silica), 실리카 글라스, 및 광섬유(silicon ester) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 10. 구체예 1에 있어서, 상기 방염 복합체 시트(110)의 상면 또는 하면에 방염 코팅액으로 코팅된 방염 코팅층(120)을 더욱 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 11. 구체예 9에 있어서, 상기 방염 코팅액은 수용성 수지 15 내지 45 중량부, 난연제 35 내지 85 중량부, 첨가제 0.1 내지 12 중량부, 및 용제 0.1 내지 15 중량부를 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 12. 구체예 11에 있어서, 상기 수용성 수지는 에틸렌 비닐 아세테이트(ethylene vinylacetate, EVA) 수지, 폴리염화비닐(polyvinylchloride) 수지, 수용성 아크릴 수지, 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate, PVAC) 수지, 폴리부타디엔 수지, 폴리염화비닐리덴 수지, 및 폴리우레탄(polyurethane, PU) 수지로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며, 상기 난연제는 인계 난연제 및 무기계 난연제 중 적어도 1종을 포함하며, 상기 첨가제는 수계분산제 및 안료 중 적어도 1종을 포함하며, 상기 용제는 물을 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 13. 구체예 1에 있어서, 상기 배터리 열폭주 방지용 시트는 1.0 내지 2.0 MPa 압력과 600℃의 고온에 노출된 상태에서 반대면의 온도가 250℃까지 도달하는 시간이 5분 이상인, 배터리 열폭주 방지용 시트.
구체예 14. 구체예 1 내지 구체예 13 중 어느 하나의 구체예에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트(100)에 의해 각각 감싸진 복수의 배터리 셀을 포함하며, 적어도 하나의 배터리 셀에서 발화 발생 시 복수의 배터리 셀 전체로의 연쇄 발화를 방지하는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀 조립체.
[부호의 설명]
100: 배터리 열폭주 방지용 시트
110: 방염 복합체 시트
120, 121, 122: 방염 코팅층

Claims (15)

  1. 배터리 열폭주 방지용 시트(100)에 있어서,
    상기 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 방염 복합체 시트(110)를 포함하고, 1.0 내지 2.0 MPa의 압력에서 압축 변형률(Compression Force Deflection, CFD)이 0 내지 15 %포인트이며,
    상기 방염 복합체 시트(110)는 상면 및 하면을 갖고 섬유 보강 심재 및 실리카를 포함하며,
    여기서 상기 압축 변형률(CFD)은 아래 수학식 1에 의해 산출되는, 배터리 열폭주 방지용 시트:
    [수학식 1]
    ｜고온(600℃ 이상) 압축률 - 상온(25℃) 압축률｜.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방염 복합체 시트(110)는 상기 섬유 보강 심재를 상기 실리카가 함유된 함침액에 함침시켜 제조되는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 25℃에서의 상온 압축률이 40 내지 75 %이고, 600℃ 이상의 고온 압축률이 40 내지 85%인, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유 보강 심재는, 섬유 보강 심재의 섬유가 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 산화된 폴리아크릴로니트릴, 비탄화된 열처리된 PAN, 탄소, 실리카, 폴리아라미드, 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 레이온, 나일론, 유리 섬유(glass wool), 고밀도 폴리올레핀, 세라믹, 아크릴, 플루오로폴리머, 폴리우레탄, 폴리아미드, 및 폴리이미드에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 섬유 보강 심재는 섬유 보강 심재 총중량을 기준으로 30 내지 100 중량%의 산화된 폴리아크릴로니트릴 섬유(OPF, Oxidized Polyacrylonitrile Fiber)를 함유하고 내부에 공극이 존재하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유 보강 심재와 상기 함침액은, 함침액의 고형분 기준으로, 1:0.3 내지 1:3의 중량비인, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유 보강 심재는 밀도가 80 내지 250 Kg/㎥이며,
    상기 방염 복합체 시트(110)는 밀도가 100 내지 1,100 Kg/㎡인, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 함침액은 용제 100 중량부 및 상기 실리카 3 내지 20 중량부를 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 함침액은 실란계 화합물 0.1 내지 15 중량부, 유기계 수지 0.01 내지 10 중량부, 및 실리카졸 0 초과 내지 15 중량부 중 1종 이상을 더 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 용제는 물이며,
    상기 실리카는 퓸드 실리카(fumed silica), 침강 실리카(precipitated silica), 실리카 글라스, 및 광섬유(silicon ester) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 방염 복합체 시트(110)의 상면 또는 하면에 방염 코팅액으로 코팅된 방염 코팅층(120)을 더욱 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 방염 코팅액은 수용성 수지 15 내지 45 중량부, 난연제 35 내지 85 중량부, 첨가제 0.1 내지 12 중량부, 및 용제 0.1 내지 15 중량부를 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 수용성 수지는 에틸렌 비닐 아세테이트(ethylene vinylacetate, EVA) 수지, 폴리염화비닐(polyvinylchloride) 수지, 수용성 아크릴 수지, 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate, PVAC) 수지, 폴리부타디엔 수지, 폴리염화비닐리덴 수지, 및 폴리우레탄(polyurethane, PU) 수지로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며,
    상기 난연제는 인계 난연제 및 무기계 난연제 중 적어도 1종을 포함하며,
    상기 첨가제는 수계분산제 및 안료 중 적어도 1종을 포함하며,
    상기 용제는 물을 포함하는, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 열폭주 방지용 시트(100)는 1.0 내지 2.0 MPa 압력과 600℃의 고온에 노출된 상태에서 반대면의 온도가 250℃까지 도달하는 시간이 5분 이상인, 배터리 열폭주 방지용 시트.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 하나의 청구항에 따르는 배터리 열폭주 방지용 시트(100)에 의해 각각 감싸진 복수의 배터리 셀을 포함하며,
    적어도 하나의 배터리 셀에서 발화 발생 시 복수의 배터리 셀 전체로의 연쇄 발화를 방지하는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀 조립체.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109053131A (zh) * 2018-08-01 2018-12-21 苏州天脉导热科技股份有限公司 预氧丝气凝胶毡及其制备方法
JP2019083150A (ja) * 2017-10-31 2019-05-30 イビデン株式会社 組電池用断熱シートおよび組電池
KR20220069627A (ko) * 2020-11-20 2022-05-27 광성기업 주식회사 난연성 코팅층이 형성된 플라스틱 복합재
KR20220143100A (ko) * 2020-02-18 2022-10-24 로저스코포레이션 배터리용 열 관리 다층 시트
KR102560446B1 (ko) * 2023-03-03 2023-07-27 카본텍(주) 배터리셀 열폭주 확산 지연이 가능한 복합패드

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12586830B2 (en) 2020-10-12 2026-03-24 Lg Energy Solution, Ltd. Battery module, battery pack, and vehicle

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019083150A (ja) * 2017-10-31 2019-05-30 イビデン株式会社 組電池用断熱シートおよび組電池
CN109053131A (zh) * 2018-08-01 2018-12-21 苏州天脉导热科技股份有限公司 预氧丝气凝胶毡及其制备方法
KR20220143100A (ko) * 2020-02-18 2022-10-24 로저스코포레이션 배터리용 열 관리 다층 시트
KR20220069627A (ko) * 2020-11-20 2022-05-27 광성기업 주식회사 난연성 코팅층이 형성된 플라스틱 복합재
KR102560446B1 (ko) * 2023-03-03 2023-07-27 카본텍(주) 배터리셀 열폭주 확산 지연이 가능한 복합패드

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