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관리번호, 제목(한글), 제목(영문), 저자명(한글), 저자명(영문), 주관연구기관(한글), 주관연구기관(영문), 발행일자, 총페이지수, 주관부처명, 과제시작일, 보고서번호, 과제종료일, 주제분류, 키워드(한글), 전자원문, 키워드(영문), 입수제어번호, 초록(한글), 초록(영문), 목차 열폭주 과정을 겪는 전지는 전지에서 높은 국소 온도를 특징으로 한다. 열 절연체는 고온이 인접 전지로 소산되어 인접 전지에서 열폭주가 촉발되는 것을 방지한다. 또한, 열폭주를 겪는 전지로부터 열을 유인하고, 고장난 전지 근처에 있는 전지에서 열폭주가 촉발되지 않도록 하는 방식으로 그 열을 다른 전지로 분포시키는 전도 경로를 형성하는 열 전도체를 제공한다. 고장난 전지로부터 열이 충분히 멀리 유인되면, 고장난 전지의 주변 전지는 충분히 낮은 온도를 유지하여 주변 전지가 열폭주
과정을 겪는 것을 방지한다. 배터리 내 전지의 열폭주 전파 방지{PREVENTING CELL THERMAL RUNAWAY PROPAGATION WITHIN A BATTERY} 본 발명은 일반적으로 배터리에 관한 것이고, 구체적으로 배터리 내에서 열폭주 전파를 방지하는 것에 관한 것이다. 배터리의 전지(cell)는 열폭주라고 불리는 발열 과정의 형식으로 고장이 날 수
있다. 전지에서 열폭주 과정은 제조 결함, 전지의 잘못된 취급이나 오용, 또는 전지의 온도를 상승시키거나 외부 출처로부터 고온에 전지를 노출시키는 요인에 의해서 야기될 수 있다. 고온은 전지에서 반응 속도의 증가를 야기함으로써 전지의 온도를 더욱 증가시키고, 이로써 반응 속도는 더욱 증가하게 된다. 이런 폭주 과정의 결과, 배터리의 전지는 전지 주변 영역에 다량의 열을 방출한다. 복수개의 전지는 보통 보다 높은 전압에 도달하고, 배터리가 의도된 용도에 효과적이도록 충분한 에너지를 저장할 것이 요구된다. 배터리의 전지들은 주로 함께 매우 밀착하여 담겨지므로, 전지 어셈블리 일부의 하나의 전지에서 열폭주가 일어나면 그 고장난 전지의 고온이 인접 전지의 열폭주를 촉발할 수 있다. 이러한 과정은 인접 전지가 열을 방출하도록 하여 배터리에 있는 나머지 전지들 전체로 열폭주 과정이 전파되도록 할 수 있고, 이는 배터리의 단계적 고장 및 다량의 에너지의 방출을 야기한다. 본 발명의 일실시예는 배터리의 구성요소가 열폭주가 발생된 전지로부터 열을 멀리 분포시키는 것을 가능케 한다. 본 발명의 일실시예에서, 배터리는 열폭주가 발생된 전지로부터 열을 멀리 유인하는 열 전도체 및 다른 전지를 열 노출로부터 보호하는 열 절연부를 포함한다. 열 전도체와 열 절연체는 열폭주가 발생된 전지로부터 열을 유인하는 전도 경로(conduction path)를 형성하고, 열 전도체와 접촉하는 다른 전지들을 가로질러 열을 분포시킨다. 고장난 전지로부터 열을 유인함으로써 주변 전지의 온도는 주변 전지가 열폭주 과정을 겪는 것을 방지할 만큼 충분히 낮게 유지된다. 열폭주가 발생된 전지로부터 열을 멀리 유인하는 전도 경로의 구성은 다양할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 2개의 열 버스가 사용되고, 버스는
하나씩 전지 조립체의 각 측면에 위치된다. 조립체에서 각 전지는 이웃 전지와 결합된 버스의 반대편 버스와 직접 접촉하는데, 즉 인접 전지들은 교대로 있는 버스와 직접 접촉한다. 전지들의 사이와 주변 영역은 절연 재료를 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 절연체가 각 전지를 둘러싸고, 단일 열 버스가 폭주 전지로부터 열을 멀리 전도해서 그 열을 나머지 전지들 각각을 가로질러 분배시킨다. 이러한 구성은 고장난 전지로부터 열 버스로 그리고 열 버스로부터 고장난 전지의 주변 전지로의 열 전도 속도를 늦춘다. 도 1은 열폭주 과정 동안 고장난 전지로부터 열을 소산시키도록 구성된 배터리를 도시한다. 배터리는 하나 이상의 전기화학적 전지를 수용하는 전지 조립체를 포함한다. 각 전지는 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 전환한다. 배터리는 고 전압 및/또는 큰 용량이 배터리에 의해서 출력될 수 있도록 둘 이상의 전지를 함께
연결하는 전기 접속부를 포함한다. 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 과정 동안 전지는 열을 발생시킬 수 있고, 충분히 많은 양의 열은 전지를 고장나게 하여 열폭주 과정을 촉발할 수 있다. 본 발명의 일실시예는 열폭주를 방지하기 위하여 배터리의 전지 조립체의 전지로부터 열을 멀리 소산시키는 메커니즘을 제공한다. 도 1은 열폭주 과정 동안 고장난 전지로부터 열을 소산시키고, 열폭주 과정의 전파를 방지하도록 구성된 배터리를 도시한다. 도시된 배터리(100)는 다수의 전지 조립체(102)를 포함하고, 각 전지 조립체는 다수의 전지(106), 전도체(108) 및 절연체(110)를 포함한다. 배터리(100)는 배터리에 연결된 하나 이상의 장치에 전기 신호를 출력하며, 이로써 배터리는 장치에 전력을 제공할 수 있다. 각 전지(106)는 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 전환한다. 전지(106)는 화학 에너지를 전기 에너지로 비가역적으로 변형하는 1차 전지이거나, 또는 재충전가능한 2차 전지일 수 있다. 전지 종류는 리튬, 리튬-이온, 리튬-황, 니켈-금속 수소화물, 니켈-카드뮴, 알칼리성 재료를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일실시예에서 전지(106)는 중합체 전해질을 포함하는 리튬-이온 전지이고, 다른 일실시예에서는 액체 전해질이 사용된다. 전지의 기계적 포장은 파우치, 금속 캔 또는 플라스틱이나 복합체 구조일 수 있다. 전지의 화학은 전기 에너지를 생성할 수 있는 어떤 조합을 포함할 수 있다. 각 전지는 또한 다양한 화학의 캐소드와 애노드를 포함하는 전극을 포함할 수 있다. 캐소드는 제한은 없으나 리튬 코발트-산화물, 리튬 니켈 망간 코발트, 리튬 철 포스페이트를 포함할 수 있다. 애노드 재료는 제한은 없으나 탄소, 규소 등을 포함할 수 있다. 열 전도체(108)는 열폭주 과정을 겪는 전지로부터 열을 멀리 전도하고, 전도체(108)와 접촉하는 나머지 전지들을 가로질러 열을 확산시킨다. 하기 더 상세히 설명된 대로, 열 전도체(108)는 채용된 구성에 기초하여 특정 전지(106)와 접촉할 수도 있고 접촉하지 않을 수도 있다. 열 전도체(108)의 재료는 제한은 없으나 금속의 열 전도도, 금속의 용융점, 전지 화학의 특징, 전지 내 전극의 재료 특성, 중량, 제조 비용 및 제조 용이성을 포함하는 여러 요인들에 기초하여 선택될 수 있다. 열 전도체(108)는 열을 전도할 수 있는 다양한 재료들로 이루어질 수 있다. 일실시예에서, 열 전도체(108)는 열폭주 과정 동안 발생될 여지가 있는 피크 온도보다 높은 용융점을 가진다. 예를 들어, 만일 열폭주를 겪는 전지의 예상된 최대 온도가 섭씨 160도라고 예상된다면 섭씨 160도보다 높은 용융점을 가진 전도체 재료가 사용될 수 있다. 일실시예에서, 열 전도체(108)는 상업적 등급 알루미늄 1100-O을 포함하며, 이것은 유연하며 내부식성이지만, 구조적 강도를 제공하지는 않는다. 다른 일실시예에서, 열 전도체(108) 재료는 제한은 없으나 흑연, 그래핀, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 구리, 알루미늄 합금 또는 은을 포함할 수 있다. 일실시예에서, 열 전도체(108)는 각 전지 조립체(102)의 단부에서 끝나거나, 이와 달리, 다른 전지 조립체에 연결된 추가적 열 버스 또는 열 교환기와 연결된다. 일실시예에서, 2개 전지 사이에서 열 전도체(108)의 길이는 전지에서 열폭주를 촉발하는 온도에 따라서 결정된다. 예를 들어, 만일 전지에서 열폭주가 고온에서 촉발된다면 해당 전지에서 폭주가 촉발되기 전에 각 전지가 고온에 도달할 수 있으므로 2개 전지 사이의 열 전도체(108)의 길이는 더 짧을 수 있다. 반대로, 만일 전지가 저온에서 열폭주를 경험한다면 2개 전지 사이의 열 전도체(108)의 길이는 더 길 수 있다. 열 전도체(110)는 다른 전지에 의해서 발생된 열로부터 전지(106)를 절연한다. 전지 주변에서 열 전도체(110)의 구성은 하기 설명된 대로 다양할 수 있다. 추가로, 열 전도체(110)에 사용된 재료는 산화알루미늄 섬유와 같은 세라믹 섬유를 포함할 수 있다. 다른 일실시예에서, 실리카 에어로젤 재료 또는 섬유유리 직물이 배터리(100)에서 열 전도체(110)로서 사용될 수 있다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 제1 구성에서 열폭주 과정 동안 고장난 전지로부터 열을 소산시키기 위한 열 전도체 및 절연체의 구성을 도시한다. 도 2의 전지 조립체(200)는 전지(206a-206e), 2개의 열 전도체 버스(208a 및 208b) 및 열 절연체(210)를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 각 열 전도체 버스(208a, 208b)는 전지 조립체(200)에 수용된 교대하는 전지(206)와 접촉한다. 예를 들어, 전도체 버스(208a)는 전지(206b 및 206d)와 연결되고 접촉된다. 유사하게, 전도체 버스(208b)는 전지(206a, 206c 및 206e)와 연결되고 접촉된다. 전도체 버스(208)와 전지(206) 사이의 직접 접촉은 전도체 버스(208)가 열폭주를 경험하는 전지로부터 열을 더 빨리 전도하도록 한다. 각 버스(208a, 208b)와 교대하는 전지(206)의 연결은 폭주를 경험하는 전지와 바로 인접한 전지로부터 멀리에서 더 고온을 유지하는데 도움을 준다. 예를 들어, 만일 전지(206c)가 열폭주를 경험하고 있다면 열 버스(208b)는 전지(206c)뿐만 아니라 인접 전지(206b 및 206d)로부터 열을 멀리 전도한다. 도 2에 도시된 구성에서 열 전도체(210)는 각 전지(206)와 전도체 버스(208)를 절연한다. 절연체는 열폭주를 경험하는 전지에서 발생된 열이 인접 전지로 소산되는 것을 방지한다. 예를 들어, 만일 전지(206a)가 열폭주를 경험하고 있다면 전도체(210)는 열이 전지(206b)로 소산되는 것을 방지한다. 절연체(210)는 이와 같이 전지(206a)에서 발생된 열의 더 많은 부분이 전도체 버스(208b)에 의해서 제공된 전도 경로를 따라 소산되도록 할 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 제2 구성에서 열폭주 과정 동안 고장난 전지로부터 열을 소산시키는 열 전도체 및 절연체의 구성을 도시한다. 도 3의 전지 조립체(300)는 전지(306a-306e), 1개의 열 전도체 버스(308) 및 열 절연체(310)를 포함한다. 이런 도시된 구성에서, 열 전도체 버스(308)는 전지 조립체(300)에 수용된 전지(306)와 직접 접촉하지 않는다. 열 절연체(310)는 고장난 전지에서의 열폭주 사건 동안 발생된 열이 고장난 전지 근처의 지점에 있는 전도체 버스(308)로 서서히 전도되고, 다음에 전체 버스를 가로질로 소산되어 절연체(310) 및 추가의 전지에 의해서 흡수되는 방식으로 각 전지(306)를 절연한다. 열 버스와 열 절연체를 포함하는 시스템의 열 질량을 가로질러 열폭주의 열을 분포시킴으로써 나머지 전지들의 온도는 상승되지만, 나머지 전지들에서 열폭주를 촉발하는 임계값보다 낮은 수준으로 상승된다. 임계 온도값은 당업자에 의해서 이해되는 대로 전지 화학에 의존한다. 이와 같이, 열 전도체 버스(308)의 길이 및 재료와 열 절연체(310)의 양 및 재료는 전지 조립체의 각 하나 이상의 전지의 임계 온도에 기초하여 선택된다. 도 1을 참조하여 설명된 대로, 열 절연체와 열 전도체의 길이 및 재료는 임계 온도에 대응하여 변화될 수 있다. 상기 설명된 구성에서는 전지(306)와 전도체 버스(308) 사이에 직접적인 전도 경로가 없다. 그러나, 이러한 구성은 전도가 전도체 버스(308)에서 더 느린 속도로 발생하도록 한다. 이러한 구성의 이점은 단일 전도체 버스(308)가 고장나지 않은 전지들 사이에 더욱 동등하게 열을 소산시킨다는 것이다. 도 4는 도 2에 도시된 구성을 갖는 일실시예에 따라서, 열폭주를 경험하는 제1 전지(T1)와 그것의 이웃 전지(T2, T3, T4 및 T5) 사이에서 시간에 따른 온도 변화를 도시한 그래프이다. 도 4의 예에서, 각 전지는 0.31" 두께였으며, 알루미늄 열 전도체가 0.005" 두께, 전지들 사이의 세라믹 절연부가 0.1" 두께였다. 0.005" 두께 알루미늄 전도체는 0.015" 두께 열 버스에 부착되었다. 그래프에 도시된 대로, 고장난 전지(T1)은 섭씨 400도 근처의 온도를 경험했지만 그것의 이웃 전지들은 100도의 온도에도 도달하지 않았다. 도 4에서, 전지(T2 및 T3)는 고장난 전지(T1)과 이웃하고, 전지(T4 및 T5)는 전지(T2 및 T3)와 이웃하지만 고장난 전지(T1)와는 이웃하지 않는다. 도 4에 도시된 대로, 이웃 전지(T2 및 T3)는 고장난 전지(T1)로부터 이들 전지로 열이 소산됨에 따라 섭씨 100도 근처의 온도를 경험한다. 그러나, 열 버스는 전지(T2 및 T3)로부터 열을 효과적으로 방출함으로써 이들 전지에서 열폭주 전파를 방지한다. 추가로, 전지(T4 및 T5)는 고장난 전지(T1)로부터 더 멀리 있고 섭씨 50도 근처의 온도에 도달한다. 열 버스는 이와 같이 고장난 전지(T1)로부터 열을 전지 조립체에서 더 먼 곳으로 효과적으로 소산시킨다. 본 발명의 실시예의 전술한 설명은 예시의 목적을 위해서 제시되었으며, 본 발명을 개시된 정확한 형태에 철저히 맞추거나 제한하려는 의도는 아니다. 당업자는 많은 변형 및 변화가 상기 개시에 비추어 가능하다는 것을 인정할 수 있다. 이 설명의 일부 부분은 정보에 기초한 작업의 알고리즘 및 기호적 표시의 측면에서 본 발명의 실시예를 설명한다. 이런 알고리즘적 설명 및 표시는 데이터 프로세싱 분야의 전문가에게 효과적으로 작업의 내용을 이송하기 위하여 데이터 프로세싱 분야의 당업자에 의해서 통상 사용된다. 이런 작업들은 기능적으로, 컴퓨터 기반으로, 또는 논리적으로 설명되며, 컴퓨터 프로그램 또는 동등한 전기 회로, 마이크로코드 등에 의해서 실시되는 것으로 이해된다. 또한, 보편성을 유지하면서 작업들의 이런 배치를 모듈이라고 언급하는 것이 때로 편리한 것으로 입증되었다. 설명된 작업 및 이들의 관련된 모듈은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 이들의 임의의 조합에서 구현될 수 있다. 본 발명에서 설명된 단계, 작업 또는 과정 중 어느 것은 단독으로 또는 다른 장치와 조합해서 하나 이상의 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈에 의해서 수행되거나 또는 실시될 수 있다. 일실시예에서, 소프트웨어 모듈은 컴퓨터 프로그램 코드를 함유하는 컴퓨터-판독가능한 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 산물에 의해서 실시되며, 컴퓨터 프로그램 코드는 설명된 단계, 작업 또는 과정 중 어느 것 또는 전부를 수행하기 위한 컴퓨터 프로세서에 의해서 실행될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 본원에서 작업을 수행하기 위한 장치에 관한 것일 수 있다. 이 장치는 요구된 목적을 위해서 특별히 구성될 수 있고, 및/또는 그것은 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해서 선택적으로 활성화되거나 재구성된 다목적 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 유형의 컴퓨터 판독가능한 저장 매체 또는 전자적 명령을 저장하는데 적합한 어떤 종류의 매체에 저장될 수 있고, 컴퓨터 시스템 버스에 연결될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 언급된 어떤 컴퓨팅 시스템은 단일 프로세서를 포함할 수 있거나, 또는 증가된 컴퓨팅 능력을 위해서 다수의 프로세서 디자인을 채용한 구조일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 반송파에서 구현된 컴퓨터 데이터 신호에 관한 것일 수 있으며, 여기서 컴퓨터 데이터 신호는 컴퓨터 프로그램 산물 또는 본원에 설명된 다른 데이터 조합의 어떤 실시예를 포함한다. 컴퓨터 데이터 신호는 유형의 매체 또는 반송파에서 제시되고, 유형의 것이며 어떤 적합한 전송 방법에 따라서 전송되는 반송파에서 변조되거나 부호화된 산물이다. 마지막으로, 본 명세서에서 사용된 언어는 가독성 및 교육적 목적을 위해 원칙적으로 선택되었으며, 본 발명의 주제를 묘사하거나 제한하려고 선택된 것은 아닐 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 상세한 설명에 의해서 제한되지 않고, 거기에 기초하여 출원이 제출된 청구항들에 의해서 제한되는 것으로 의도된다. 따라서, 본 발명의 실시예의 개시는 예시이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않고, 본 발명의 범위는 이후의 청구항들에 제시된다. Claims (15)
Priority Applications (3)
Publications (2)
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Country Status (11)
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