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KR102083748B1 - 미세다공성 절연체 - Google Patents

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KR102083748B1
KR102083748B1 KR1020187017014A KR20187017014A KR102083748B1 KR 102083748 B1 KR102083748 B1 KR 102083748B1 KR 1020187017014 A KR1020187017014 A KR 1020187017014A KR 20187017014 A KR20187017014 A KR 20187017014A KR 102083748 B1 KR102083748 B1 KR 102083748B1
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binder
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inorganic insulating
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스티븐 케이
마리아 엔. 럭키아노바
조세프 엘. 밀러
루크 에이. 빌헬름
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애플 인크.
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Abstract

절연체 및 중합체 코팅된 절연체가 제공된다. 절연체는 단열 나노입자 및 휘발 온도에서 휘발하도록 구성된 바인더를 포함할 수 있다. 절연체는 또한 다공성 구조를 형성하는 무기 단열 재료를 포함할 수 있다. 다공성 구조는 절연체 내의 가스의 평균 자유 경로를 다공성 구조 외부의 가스와 비교하여 감소시키도록 구성될 수 있다. 무기 단열 재료 및 무기 단열 재료의 표면 상에 배치된 중합체 코팅을 포함하는 중합체 코팅된 절연체가 또한 제공된다. 절연체는 또한 단열 나노입자 및 불투명체를 포함할 수 있다. 불투명체는 탄소 산화 온도에서 탄소질 재료의 산화를 억제하는 내화 재료로 코팅된 탄소질 재료를 포함할 수 있다. 절연체 또는 중합체 코팅된 절연체는 장치 내의 배터리 셀들 또는 배터리 셀 블록들 사이에 배치될 수 있다.

Description

미세다공성 절연체
우선권
본 특허 출원은, 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된, 2015년 12월 15일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Microporous Insulators Having Multifunctional Particles"인 미국 가특허 출원 제62/267,447호, 2015년 12월 15일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Microporous Insulators Having Multifunctional Particles"인 미국 가특허 출원 제62/267,455호 및 2016년 6월 29일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Microporous Insulators Having Multifunctional Particles"인 미국 가특허 출원 제62/356,322호의 35 U.S.C. § 119(e)에 따른 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 단열재에 관한 것이다. 단열재는 멀티-셀 배터리 팩의 배터리 셀 사이의 절연체를 비롯한 다양한 응용에 사용될 수 있다.
배터리는 다수의 배터리 셀을 갖는 배터리 팩을 포함할 수 있다. 비정상적인 조건에서 배터리 셀은 일종의 열 이벤트(thermal event) - 열 폭주(thermal runaway)로 지칭됨 - 를 겪을 수 있다. 배터리 셀의 열 폭주는 배터리 셀의 열이 발산될 수 있는 것보다 더 빨리 열이 발생되어 결과적으로 열 발생의 속도를 증가시키는 온도의 상승을 초래하는 조건을 지칭한다.
하나의 양태에서, 본 발명은 단열재(예컨대, 미세다공성 절연체)에 관한 것이다. 절연체는 다공성 구조를 갖는 무기 단열 재료를 포함한다. 바인더가 다공성 구조 내에 배치되고 휘발 온도에서 휘발하도록 구성된다. 특정 변형예들에서, 절연체는 적어도 10 부피%의 바인더를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 절연체는 적어도 5 부피%의 무기 단열 재료를 포함할 수 있다.
일부 양태들에서, 무기 단열 재료는 서로 접촉하게 배치되어 다공성 구조를 한정하는 단열 나노입자를 포함한다. 다양한 양태들에서, 단열 나노입자는 100 nm 미만의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 대안적으로, 무기 단열 재료는 에어로겔 입자를 포함할 수 있다. 비제한적인 변형예들에서, 무기 단열 재료는 실리카, 탄소, 지르코니아, 티타니아 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
일부 양태들에서, 무기 단열 재료는 세라믹 나노입자를 포함한다. 일부 변형예들에서, 세라믹 나노입자는 실리카, 티타니아, 알루미나 또는 지르코니아를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 세라믹 나노입자는 평균 BET 표면적이 적어도 100 m2/g이다. 추가의 변형예들에서, 세라믹 나노입자는 흄드(fumed) 실리카 또는 실리카 에어로겔을 포함한다.
일부 변형예들에서, 바인더 재료는 유기 재료 또는 실록산 재료이다. 추가의 변형예들에서, 바인더는 폴리알킬 카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르, 폴리테트라플루오로펜틸렌(PTFE), 폴리비닐 알코올, 리그노설포네이트, 메틸셀룰로오스, 파라핀, 실리콘, 유기-실란, 전분, 덱스트린 및 왁스 에멀젼으로부터 선택된 재료일 수 있다. 추가의 변형예들에서, 바인더는 폴리프로필렌 카보네이트, 폴리에틸렌 카보네이트 또는 폴리헥산 카보네이트일 수 있다.
추가의 변형예들에서, 바인더는 절연체의 적어도 20 부피%이다. 대안적으로, 바인더는 절연체의 적어도 50 부피%이다. 추가의 대안에서, 바인더는 절연체의 적어도 70 부피%이다.
다른 양태에서, 바인더는 1 기압에서 500℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 하나의 대안에서, 바인더는 1 기압에서 400℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 300℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 250℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 200℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 175℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 150℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다.
추가의 변형예들에서, 절연체는 섬유질 재료를 포함한다. 섬유질 재료의 비제한적인 예들은 유리 섬유, 석영 섬유, 탄화규소 섬유, 알루미나 섬유 섬유 및 세라믹 섬유를 포함할 수 있다.
추가의 변형예들에서, 절연체의 기계적 강도는 바인더의 휘발 후에 보다 바인더의 휘발 전에 더 크다. 예를 들어, 기계적 강도는 굴곡 강도(bend strength)로서 측정될 수 있다. 일부 변형예들에서, 절연체의 굴곡 강도는 바인더의 휘발 후에 보다 바인더의 휘발 전에 적어도 10배 더 클 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 다공성 구조를 형성하는 무기 단열 재료를 포함하는 절연체에 관한 것이다. 다공성 구조는 다공성 구조 외부의 가스와 비교하여 다공성 구조 내부 가스의 평균 자유 경로(mean free path)를 감소시키도록 구성될 수 있다.
일부 변형예들에서, 무기 단열 재료는 서로 접촉하여 배치된 복수의 단열 나노입자를 포함한다. 나노입자 사이의 공간은 절연체 내에 기공을 형성할 수 있다. 일부 변형예들에서, 단열 나노입자는 100 nm 미만의 평균 입자 크기를 갖는다. 대안적으로, 무기 단열 재료는 에어로겔 입자를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 무기 단열 재료는 실리카, 탄소, 지르코니아, 티타니아 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
추가의 변형예들에서, 무기 단열 재료는 다작용성 단열 나노입자를 포함할 수 있다. 다작용성 단열 나노입자는 코어, 코어 위에 배치된 제1 층, 및 제1 층 위에 배치된 제2 층을 포함할 수 있다. 제1 층은 절연층 또는 불투명체(opacifier) 중 어느 하나이고, 제2 층은 절연층 또는 불투명체 중 다른 하나이다.
다작용성 단열 나노입자는 임의의 수의 추가의 절연층 및 불투명체 층을 임의의 순서로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 변형예들에서, 추가의 절연층이 제2 층 상에 배치되고, 추가의 불투명체 층이 추가의 절연층 상에 배치된다. 대안적으로, 추가의 불투명체 층이 제2 층 상에 배치될 수 있고, 추가의 절연층이 추가의 불투명체 층 상에 배치될 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 절연층 및/또는 불투명체 층 각각의 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 그 이상의 층이 추가될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 중합체 코팅된 절연체에 관한 것이다. 중합체 코팅된 절연체는 무기 단열 재료 및 무기 단열 재료의 표면 상에 배치된 중합체 코팅을 포함한다. 일부 비제한적인 변형예들에서, 무기 단열 재료는 서로 접촉하여 다공성 구조를 한정하는 단열 나노입자를 포함할 수 있다. 무기 단열 재료는 에어로겔 입자를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 무기 단열 재료는 실리카, 탄소, 지르코니아, 티타니아 및 세라믹 중에서 선택될 수 있다.
일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 폴리우레탄, 에폭시, 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르 또는 폴리이미드일 수 있다. 중합체 코팅은 다양한 두께를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 중합체 코팅은 500 마이크로미터 이하의 평균 두께를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 중합체 코팅은 400 마이크로미터 이하의 평균 두께를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 중합체 코팅은 300 마이크로미터 이하의 평균 두께를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 중합체 코팅은 200 마이크로미터 이하의 평균 두께를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 중합체 코팅은 100 마이크로미터 이하의 평균 두께를 가질 수 있다.
일부 예들에서, 중합체 코팅은 300 마이크로미터 이하의 두께를 가질 수 있다. 중합체 코팅은 예를 들어, 평균 10 마이크로미터를 초과하여 무기 단열 재료 내로 침투될 수 있다.
추가의 변형예들에서, 절연체 또는 중합체 코팅된 절연체는 하나 이상의 적외선 파장에서 전자기 방사선을 흡수하도록 구성된 불투명체를 포함할 수 있다. 다양한 양태들에서, 불투명체는 250℃ 초과의 온도에서 1×104 m-1 초과의 평균 소광 계수(mean extinction coefficient)를 갖는다. 다양한 비제한적인 변형예들에서, 불투명체는 탄화규소, 티타니아 또는 탄소질 재료일 수 있다. 일부 비제한적인 변형예들에서, 불투명체는 흑연, 카본 블랙, 탄소 나노튜브 또는 그래핀과 같은 탄소질 재료를 포함한다. 탄소질 재료는 탄소 산화 온도에서 산화를 억제하도록 구성된 내화 재료로 코팅될 수 있다. 이러한 내화 재료의 비제한적인 예들은 실리카, 알루미나, 티타니아, 니켈, 질화붕소, 지르코니아 및 AlF3을 포함한다. 일부 변형예들에서, 내화 재료로 코팅된 불투명체의 산화 온도는 800℃ 초과이다. 일부 추가적인 변형예들에서, 탄소질 재료는 5:1 초과의 종횡비를 갖는다. 비탄소질 불투명체가 사용될 수도 있다.
추가의 변형예들에서, 바인더의 휘발 후 절연체의 열전도도는 예를 들어, 800℃에서 0.05 W/m·K 미만이다. 다른 변형예들에서, 바인더의 휘발 전 절연체의 열전도도는 예를 들어, 실온에서 0.1 W/m·K 초과이다.
다른 양태에서, 본 발명은 단열 재료 및 불투명체를 포함하는 절연체에 관한 것이다. 불투명체는 탄소 산화 온도에서 탄소질 재료의 산화를 억제하는 내화 재료로 코팅된 탄소질 재료를 포함한다. 일부 양태들에서, 단열 재료는 다공성 구조를 갖는 무기 단열 재료이다. 단열 재료는 본 명세서에 기술된 무기 단열 재료를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 절연 재료일 수 있다.
일부 변형예들에서, 탄소질 재료는 흑연, 카본 블랙, 탄소 나노튜브 및 그래핀으로부터 선택된다. 일부 변형예들에서, 내화 재료는 실리카, 알루미나, 티타니아, 니켈, 질화붕소, 지르코니아 및 AlF3으로부터 선택된다. 일부 변형예들에서, 내화 재료로 코팅된 불투명체의 산화 온도는 800℃ 초과이다. 일부 변형예들에서, 탄소질 재료는 5:1 초과의 종횡비를 갖는다. 일부 변형예들에서, 탄소질 재료는 내화 재료에 공유 결합된다. 일부 변형예들에서, 절연체는 40 중량% 이하의 불투명체를 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 절연체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 일부 절연체들에서, 바인더는 용매에 용해되어 바인더 용액을 형성한다. 무기 단열 재료는 바인더 용액에 노출되고, 이는 무기 단열 재료의 다공성 구조를 함침시킨다. 바인더는 무기 단열 재료의 다공성 구조 내에 고형화될 수 있다. 일부 변형예들에서, 바인더는 무기 단열 재료의 기공 내에 침전된다.
다른 양태에서, 제조 방법은 다공성 무기 단열 재료를 바인더 전구체 조성물에 노출시키는 단계를 포함한다. 바인더 전구체 조성물은 바인더 단량체를 포함할 수 있다. 이어서 바인더 단량체는 바인더 함침된 무기 단열 재료를 형성하도록 중합된다.
본 명세서에 기술된 절연체에 대해 다양한 추가적인 방법들이 고려된다. 다른 양태에서, 무기 단열 재료는 바인더 용액에 노출되어 다공성 구조를 함침시킨다. 바인더 함침된 재료는 기판 상에 침착된다. 이어서, 바인더는 다공성 구조 내에서 고형화된다. 일부 양태들에서, 바인더 함침된 재료는 가열되어 다공성 구조 내의 바인더를 고형화한다.
다른 양태에서, 바인더 함침된 재료는 다이에 침착될 수 있다. 다이는 가압되어 다공성 구조 내의 바인더를 고형화할 수 있다.
다른 양태에서, 절연체를 제조하는 방법은 바인더 및 무기 단열 재료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 혼합물은 압축되어 다공성 구조를 갖는 무기 단열 재료를 형성할 수 있으며, 바인더는 다공성 구조를 함침시킨다. 대안적으로, 혼합물을 압출하여 다공성 구조를 갖는 무기 단열 재료를 형성할 수 있으며, 바인더는 다공성 구조를 함침시킨다. 방법은 바인더 함침된 무기 단열 재료를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 중합체 코팅된 절연체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 무기 단열 재료의 표면은 코팅 조성물에 노출되어 무기 단열 재료의 표면 상에 중합체 코팅을 형성한다. 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 10 마이크로미터 침투될 수 있다. 이어서, 중합체 코팅은 고형화된다.
일부 변형예들에서, 코팅 조성물은 중합체 코팅의 하나 이상의 전구체(예컨대, 단량체)를 포함할 수 있다. 다양한 양태들에서, 코팅 조성물은 중합체 코팅의 중합체를 포함한다.
일부 변형예들에서, 무기 단열 재료를 중합체 코팅에 노출시키는 단계는 무기 단열 재료 표면을 코팅 조성물로 스프레이 코팅하는 것을 포함한다. 다른 변형예들에서, 노출시키는 단계는 무기 단열 재료의 표면을 코팅 조성물로 딥 코팅하는 단계를 포함한다.
절연체 및 중합체 코팅된 절연체를 제조하는 다양한 방법에서, 섬유질 재료 및 불투명체(코팅된 불투명체 포함)와 같은 추가 성분들이 임의의 방법 단계에 임의의 순서로 추가될 수 있다.
추가의 양태에서, 본 발명은 그들 사이에 절연체 또는 중합체 코팅된 절연체가 배치된 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀을 포함하는 장치에 관한 것이다. 장치는 또한 제1 및 제2 배터리 셀들 사이에 배치된 금속 층을 포함할 수 있다. 일 변형예에서, 장치는 제1 배터리 셀과 열 접촉하는 제1 절연체, 제2 배터리 셀과 열 접촉하는 제2 절연체 및 제1 절연체와 제2 절연체 사이에 배치된 금속 층을 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명에 의해 잘 이해될 것이며, 유사한 도면 부호들은 유사한 구조적 요소들을 가리킨다.
도 1a는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 배터리 셀을 위한 절연된 하우징을 도시하는 단면도이다.
도 1b는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 절연체 및 하부 부분 상의 열전도 층을 포함하는 배터리 셀을 위한 절연된 하우징을 도시하는 단면도이다.
도 1c는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 사이에 배치된 절연체를 갖는 배터리 팩을 도시하는 사시도이다.
도 1d는 일부 예시적인 실시예들에 따른 절연된 하우징의 층들을 도시하는 단면도이다.
도 2는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 열분해 이벤트 전후의 절연체의 일부분을 도시하는 개략도이다.
도 3은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 열 폭주 이벤트로 인한 절연체의 열전도도의 변화를 도시하는 대표적인 그래프이다.
도 4는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 다양한 재료에 대한 열전도도 대 온도의 대표적인 그래프이다.
도 5는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 상이한 바인더 로딩(loading)을 갖는 절연체에 대한 굴곡 강도 대 바인더 로딩을 도시하는 대표적인 그래프이다.
도 6은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 열처리를 거치는 절연체에 대한 질량 손실을 도시하는 대표적인 그래프이다.
도 7은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 바인더가 포함되지 않은 절연체, 바인더가 포함된 절연체 및 바인더가 휘발된 후(즉, 전소(burn-out) 후)의 절연체에 대한 열전도도를 도시하는 대표적인 그래프이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른, 개개의 단열 다작용성 나노입자(800)의 단면도를 도시한다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 절연체의 일부분의 단면도를 도시한다.
첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예들에 대한 설명이 이루어질 것이다. 하기의 설명이 실시예들을 하나의 바람직한 실시예로 한정하고자 하는 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다. 반대로, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 기술된 실시예들의 기술적 사상 및 범주 내에 포함될 수 있는 대안예들, 수정예들 및 등가물들을 포함하고자 한다.
리튬 이온 배터리의 배터리 셀들 간에 열이 전파될 수 있다. 이러한 조건 하에서, 배터리 셀 온도는 내부 자기 발열로 인해 배터리 셀이 고장 나서 열과 기화된 전해질이 방출될 때까지 상승할 수 있다. 멀티-셀 배터리 팩에서, 이러한 열 폭주 이벤트로 생성된 열은 인접한 배터리 셀의 열 폭주를 유도할 수 있으며 궁극적으로 전체 배터리 팩으로 전파될 수 있다. 이러한 전파 위험은 예를 들어 Li(Ni,Co,Al)O2, LiCoO2, 또는 니켈-풍부 Li(Ni,Co,Mn)O2 음극 재료를 함유하는 것들과 같은 고에너지 열 민감형 배터리 셀의 사용을 제한하므로 전체 팩 에너지 밀도를 제한한다.
열 폭주의 전파 위험을 줄이는 한 가지 방법은 배터리 셀들 사이에 단열재를 개재하는 것으로, 이는 배터리 셀 사이에 시트 또는 다른 평면 구조화된 몸체를 배치하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 단열재는 열 폭주 이벤트 중에 인접한 셀로의 열전달 속도를 감소시킨다. 또한, 이러한 단열재가 평면-관통(through-plane) 열전도도보다 큰 평면-내(in-plane) 열전도도를 갖는다면, 열은 인접한 배터리 셀로부터 멀리 전도될 수 있고, 그 대신 배터리 팩 냉각 시스템 또는 다른 비민감형 축열체로 지향될 수 있다. 본 발명은 절연체 및 이를 제조하는 방법을 제공한다. 다양한 양태들에서, 절연체는 멀티-셀 배터리 팩의 개별 배터리 셀 또는 셀 블록 사이에 배치될 수 있다.
I. 배터리 셀 간의 절연된 하우징의 절연체
도 1a 및 도 1b는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 배터리 셀을 위한 절연된 하우징(100)의 단면도를 나타낸다. 절연된 하우징(100)은 내부 금속 층(102), 절연체(104) 및 외부 금속 층(106)을 포함한다. 내부 금속 층(102) 및 외부 금속 층(106)은 알루미늄 재료 또는 스테인레스강 재료로 형성될 수 있다. 절연체(104)는 본 명세서에 기술된 임의의 절연체로부터 선택될 수 있다. 절연체(104)는 도 2 내지 도 7과 관련하여 기술된 것과 같은 무기 단열 재료로 형성될 수 있다. 외부 금속 층(106)은 절연된 하우징(100)을 위한 열 도전체의 역할을 하여, 절연체로부터의 열을 하우징 외부로 전도한다. 절연체(104)는 도 1a에 도시된 바와 같이, 절연된 하우징(100)의 모든 벽과 그 덮개 내에 배치될 수 있다.
대안적으로, 절연체(104)는 일부 벽 내에만 있을 수 있으며, 비절연된 벽은 열이 배터리 셀 내외로 전도되도록 허용한다. 도 1b에 도시된 것과 같은 일부 실시예들에서, 절연체(104)에는 절연된 하우징(100)의 하부 부분(108)이 부재한다. 하부 부분(110)은 열이 배터리 셀을 빠져 나가게 허용하는 열전도 층(예컨대, 금속 층 또는 플레이트)을 포함한다. 일부 변형예들에서, 열은 열 폭주 오류 이벤트 중에 전달될 수 있다. 이러한 열유동의 방향은 도 1b에서 화살표(112)로 도시된다.
도 1c는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 제1 배터리 셀(124)과 제2 배터리 셀(126) 사이에 배치된 절연체(122)(예컨대, 미세다공성 절연체)의 사시도를 나타낸다. 도 1c는 배터리 팩(120)이 2개의 배터리 셀(124, 126)을 갖는 것으로 도시하지만, 이러한 변형은 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 2개 초과의 배터리 셀은 각각 사이에 배치된 절연체를 가지고 배열될 수 있다. 절연체(122)는 이러한 배터리 셀들 사이에서 임의의 구성으로 배치될 수 있다.
도 1d는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 절연체들(148 및 156) 및 금속 층(152)에 의해 분리된 2개의 배터리 셀(140 및 142)의 사시도를 나타낸다. 도 1d의 실시예에서, 배터리 셀(140 및 142) 각각은 절연체(148 또는 156)와 각각 열 접촉한다. 금속 층(152)은 절연체들(148 및 156)을 분리한다. 보다 구체적으로, 절연체(148)는 배터리 셀(140)과 열 접촉한다. 금속 층(152)은 배터리 셀(140)에 대향하는 절연체(148)와 열 접촉한다. 금속 층(152)은 절연체(148)에 대향하는 절연체(156)와 열 접촉한다. 절연체(156)는 절연체(148)에 대향하는 금속 층(152)과 열 접촉한다. 절연체(156)는 또한 금속 층(152)에 대향하는 배터리 셀(142)과 열 접촉한다. 다양한 양태들에서, 서로 열 접촉하는 컴포넌트들은 접착제 등을 통해 서로 접착될 수 있다.
금속 층(152)은 알루미늄 합금 또는 스테인리스강을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 금속일 수 있다. 절연체(148)는 본 명세서에 기술된 절연체의 임의의 변형예일 수 있다. 다양한 양태들에서, 금속 층(152)은 배터리로부터 멀리 열을 전도시키기 위한 열전도체로서의 역할을 할 수 있다.
절연체 및 금속 층의 두께가 축적에 맞지 않는다는 것이 인식될 것이다. 도 1d는 배터리 팩(120)이 2개의 배터리 셀(124, 126)을 갖는 것으로 도시하지만, 이러한 변형은 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 배터리 팩(120)은 2개 초과의 배터리 셀을 가질 수 있다.
절연체들, 금속 층들 또는 다른 컴포넌트들은 임의의 순서 또는 배열로 이러한 배터리 셀들 사이에 임의의 구성으로 배치될 수 있다. 또한, 도 1c 또는 1d에 도시된 절연체는 본 명세서에 기술되거나 당업계에 공지된 임의의 절연체일 수 있다. 상이한 변형예들에서, 절연체는 본 명세서에 기술된 바와 같이 절연체 또는 중합체 코팅된 절연체일 수 있다.
다양한 양태들에서, 절연체 두께는 0.05 mm 내지 50 mm 범위일 수 있다. 일부 변형예들에서, 절연체 두께는 1 mm 내지 15 mm이다. 일부 변형예들에서, 절연체 두께는 1 mm 내지 10 mm이다. 마찬가지로, 금속이 절연체와 연관되어 있을 때, 금속의 두께는 0.001 내지 2 mm이다. 일부 변형예들에서, 금속 두께는 0.01 내지 1.0 mm 두께일 수 있다. 일부 변형예들에서, 금속 두께는 0.05 내지 0.5 mm 두께일 수 있다. 금속 층은 알루미늄, 강 또는 이들의 합금을 포함하는 당업계에 공지된 임의의 금속일 수 있다.
II. 절연체
다양한 절연체가 본 명세서에 기술되어 있다. 다양한 양태들에서, 절연체는 다공성 구조를 형성하는 무기 단열 재료 및 본 명세서에 개시된 바인더를 포함하는 절연체일 수 있다. 대안적으로, 절연체는 다공성 구조 외부의 가스와 비교하여 절연체 내의 가스의 평균 자유 경로(mean free path)를 감소시키도록 구성된 다공성 구조를 갖는 무기 단열 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 양태들에서, 절연체는 중합체 코팅된 절연체이다. 이러한 경우에, 중합체 코팅은 무기 단열 재료의 표면 상에 배치되고, 단열 재료 내로 침투한다.
위의 변형예들이 본 명세서에 상세히 설명되었지만, 당업계에 공지된 다른 절연체가 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 절연체는 배터리 기술에 사용될 수 있지만, 절연체는 다른 용도로도 사용될 수 있다.
II. A. 열 셧다운 절연체(Thermal Shutdown Insulators)
일부 변형예들에서, 절연체는 다공성 구조를 형성하는 무기 단열 재료 및 다공성 구조 내에 배치된 바인더를 가질 수 있다. 무기 단열 재료는 다공성 구조의 무기 단열 나노입자로 형성될 수 있다. 일부 변형예들에서, 무기 단열 재료는 기공을 함유하는 입자(예컨대, 에어로겔)로 형성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 다공성 구조는 평균 기공 직경(mean pore diameter)을 가질 수 있다. 일부 변형예들에서, 평균 기공 직경은 500 nm 이하이다. 추가의 변형예들에서, 평균 기공 직경은 200 nm 이하이다. 추가의 변형예들에서, 평균 기공 직경은 100 nm 이하이다. 추가의 변형예들에서, 평균 기공 직경은 50 nm 이하이다. 추가의 변형예들에서, 평균 기공 직경은 20 nm 이하이다.
바인더가 무기 단열 재료 내에 배치되면, 절연체는 바인더 없는 절연체에 비해 향상된 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 향상된 기계적 특성은 향상된 인장 강도, 향상된 압축 강도, 향상된 굴곡 강도, 향상된 전단 강도 및 향상된 피로 강도(예컨대, 내진동성(vibration resistance))를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
바인더는 휘발 온도에서 휘발하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 휘발 온도는 직경 1 mm의 바인더 입자가 10분의 휘발 시간 내에 휘발하는 온도이다. 일부 대안들에서, 휘발 온도는 직경 1 mm의 바인더 입자가 5분의 휘발 시간 내에 휘발하는 온도이다. 추가의 대안들에서, 휘발 온도는 직경 1 mm의 바인더 입자가 1분의 휘발 시간 내에 휘발하는 온도이다. 바인더의 휘발 후, 무기 단열 재료는 낮은 열대류(thermal convection) 및 낮은 열전도도를 갖는다.
무기 단열 재료는 당업계에 공지된 임의의 단열 재료일 수 있다. 일부 변형예들에서, 무기 단열 재료는 다공성 재료일 수 있다. 이러한 다공성 재료의 일부 예들은 단열 입자 또는 에어로겔로 형성된 재료를 포함한다. 예시적인 재료는 실리카, 탄소, 지르코니아 및 티타니아를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
도 2는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 열 이벤트 이전 시간(202) 및 열 이벤트 이후 시간(204)에서의 절연체(200)의 일부분의 개략도를 도시한다. 열 이벤트는 배터리 셀의 열 폭주에 대응될 수 있다. 도 2의 실시예에서, 절연체(200)는 치수가 나노-규모(즉, <100 nm)일 수 있는 단열 나노입자(206)를 포함한다. 절연체(200)에서, 개개의 단열 나노입자(206)가 응집하여 셀(208)을 형성하며, 이는 개방 셀, 폐쇄 셀 또는 이들의 조합일 수 있다. 이들 셀(208)은 기공을 한정하고, 조합으로서 다공성 구조를 형성한다. 셀(208)은 사실상 임의의 크기 및 형상의 고형체를 수득하도록 치수적으로 확장될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
절연체(200)는 또한 내부에 배치된 바인더(210)를 포함한다. 바인더(210)는 도 2의 바인더-함유 절연체(202)에 도시된 바와 같이, 다공성 구조의 실질적으로 모든 기공을 충전할 수 있다. 바인더(210)는 보다 낮은 온도(예컨대, 200℃ 미만)에서 절연체(200)의 기계적 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 바인더(210)는 또한 이러한 보다 낮은 온도에서 절연체(200)의 전체 열전도도를 증가시킬 수 있다. 휘발 온도(예컨대, 200℃ 초과)에서, 바인더(210)는 휘발되어 고 절연성 재료, 액체, 가스 또는 이들의 일부 조합을 형성한다. 이러한 휘발은 흡열성일 수 있다. 휘발 온도를 초과하면 바인더는 상변화, 분해, 또는 둘 모두를 거칠 수 있다.
열 이벤트 후에, 절연체(200)는 도 2의 비-바인더 함유 절연체(204)에 도시된 바와 같이, 실질적으로 바인더(210)를 포함하지 않는다. 휘발 온도는 절연체(200)를 충전하도록 선택된 바인더(210)의 유형에 의존할 수 있다.
바인더(210)는 절연체(200)가 배터리 셀의 정상 동작 온도 하에서 보다 더 열전도성이 되게 한다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 열 이벤트 중이나 후에, 절연체(200)는 보다 더 단열성이 된다. 다양한 양태들에서, 열 이벤트로부터의 열은 절연체(200)의 휘발 이벤트를 트리거한다.
게다가 단열 나노입자(206) 사이의 접촉의 표면적 감소는 전도를 통한 열유동을 방해할 수 있다. 단열 나노입자는 인접한 입자들 사이의 접촉의 표면적을 감소시키기 위해 높은 구형도(sphericity)를 가질 수 있다. 접촉의 표면적 감소는 열이 입자들 사이에서 유동하도록 이용가능한 계면을 낮추고, 이에 따라 절연체(200)의 전체 열전도도를 저하시킨다. 따라서, 대류 열전달 및 전도성 열전달을 감소시킴으로써, 절연체(200)는 종래의 절연체에 비해 열적 열유동에 대한 개선된 저항성을 제공한다.
도 1c로 되돌아가서, 절연체(122)는 다공성 구조를 갖는 절연층을 포함할 수 있다. 절연체(122)는 예를 들어, 서로 접촉하게 배치되어 다공성 구조를 한정하는 단열 나노입자로 형성될 수 있다. 대안적으로, 절연체는 에어로겔 입자로 형성될 수 있다. 휘발 온도에서 휘발하도록 구성된 바인더가 다공성 구조 내에 배치될 수 있다. 휘발 온도는 배터리 셀(124, 126)의 열 폭주의 개시 온도 미만이다. 절연체(122)의 일부의 온도가 휘발 온도에 도달하면, 바인더는 휘발되어 절연체(122)에서 나오게 된다. 휘발 후, 절연체(122)의 열전도도는 감소된다. 일부 변형예들에서, 바인더는 배터리 셀로부터 열을 흡수할 수 있다. 이러한 열 흡수는 열 폭주가 다른 배터리 셀로 확산되는 것을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 다른 변형예들에서, 바인더는 배터리 셀로 열을 방출할 수 있다. 절연체(122)의 기계적 강도 또한 감소될 수 있다.
마찬가지로, 도 1d로 되돌아가서, 절연체들(148 및 156)은 다공성 구조를 갖는 무기 단열 재료를 갖는 절연체들일 수 있다. 무기 단열 재료는 단열 나노입자 또는 에어로겔로 형성될 수 있다. 휘발 온도에서 휘발하도록 구성된 바인더가 다공성 구조 내에 배치될 수 있다. 어느 하나의 절연체(148 또는 156) 내의 바인더가 휘발될 때, 절연체의 열전도도는 감소한다. 열은 금속 층(152)으로 전도될 수 있고, 이어서 금속 층을 따라 배터리로부터 멀리 이동한다. 금속 층은 배터리로부터 멀리 열을 전도시킬 수 있다.
도 1c 및 도 1d의 층들이 축척에 맞을 필요는 없다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 다양한 양태들에서, 다양한 금속 층들이 무기 단열 재료보다 실질적으로 더 얇을 수 있다. 마찬가지로, 다양한 무기 단열 재료, 금속 층 및 배터리 셀은 무기 단열 재료 또는 금속 층의 두께 미만의 또는 초과의 두께를 가질 수 있는 접착제와 접촉하도록 유지될 수 있다.
도 3은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 열 폭주 이벤트로 인한 절연체의 열전도도 변화의 그래프(300)를 나타낸다. 열 폭주 이벤트까지 이어지는 열은 도 3에 실선(302)으로 도시된 바와 같이 열전도도의 급격한 저하를 유도한다. 정상 동작과 연관된 온도에서, 절연체는 0.1 W/m·K 초과의 실온 열전도도 및 향상된 기계적 강도를 갖는다. 열 폭주와 연관된 온도(즉, > 80℃)에서, 절연체는 바인더가 휘발된 후 낮은 열전도도(즉, < 0.05 W/m·K)를 갖는다. 도 3에서, 절연체는 약 120℃의 휘발 온도를 갖는 것으로 도시되며, 이는 열 폭주의 개시 온도(즉, 약 190℃)보다 낮다. 도 3에 도시된 휘발 온도 및 개시 온도는 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 다른 휘발 온도 및 개시 온도가 가능하지만, 여전히 본 개시의 범위 내에 유지된다.
일부 변형예들에서, 절연체는 바인더가 휘발된 후 25℃에서 0.5 W/(m*K) 이하의 열전도도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더가 휘발된 후 25℃에서 0.4 W/(m*K) 이하의 열전도도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더가 휘발된 후 25℃에서 0.35 W/(m*K) 이하의 열전도도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더가 휘발된 후 25℃에서 0.3 W/(m*K) 이하의 열전도도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더가 휘발된 후 25℃에서 0.2 W/(m*K) 이하의 열전도도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더가 휘발된 후 25℃에서 0.1 W/(m*K) 이하의 열전도도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더가 휘발된 후 25℃에서 0.05 W/(m*K) 이하의 열전도도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더가 휘발된 후 25℃에서 0.03 W/(m*K) 이하의 열전도도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더가 휘발된 후 25℃에서 0.02 W/(m*K) 이하의 열전도도를 갖는다.
단열 나노입자의 예들에는 실리카(예컨대, 흄드 실리카), 지르코니아, 세라믹(예컨대, 이산화 티타늄), 단열 섬유 제품 및 운모가 포함된다. 다른 재료들도 가능하다. 일부 양태들에서, 무기 단열 재료는 세라믹 나노입자를 포함한다. 일부 변형예들에서, 세라믹 나노입자는 실리카, 티타니아, 알루미나 또는 지르코니아를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 세라믹 나노입자는 평균 BET 표면적이 적어도 100 m2/g이다. 추가의 변형예들에서, 세라믹 나노입자는 흄드 실리카 또는 실리카 에어로겔을 포함한다.
일부 변형예들에서, 단열 나노입자는 600 내지 1000℃의 온도에서 이산화규소의 벌크 열전도도 이하의 벌크 열전도도를 갖는 재료로 형성된다. 일부 변형예들에서, 단열 나노입자는 Y-안정화된 ZrO2, Gd3Zr2O7 및 이들 벌크 조성물의 도핑된 버전으로 형성될 수 있다. 일부 변형예들에서, 단열 나노입자 재료는 이산화규소를 포함할 수 있다.
도 4는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 다양한 무기 단열 재료에 대한 열전도도 대 온도의 그래프(400)를 나타낸다. 그래프(400)에 표시된 온도는 대략적으로 100℃ 내지 1500℃에 걸쳐 있다. 이산화규소의 벌크 열전도도는 일점 쇄선(402)으로 도시되어 있다. 단열 나노입자에 대해 적용가능한 재료는 600℃ 내지 1000℃의 온도 범위에서 일점 쇄선(402) 아래의 벌크 열전도도를 갖는 재료를 포함한다. 그러나, 도 4에 명시적으로 도시되지 않은 재료 또한 본 발명의 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다.
일부 양태들에서, 단열 나노입자는 나노미터 치수(즉, 1 마이크로미터 미만의 적어도 하나의 치수)에서 적어도 하나의 직경을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 단열 나노입자의 평균 직경은 500 nm 이하이다. 일부 실시예들에서, 단열 나노입자의 평균 직경은 100 nm 이하이다. 일부 실시예들에서, 단열 나노입자의 평균 직경은 50 nm 이하이다. 일부 실시예들에서, 단열 나노입자의 평균 직경은 20 nm 이하이다.
이러한 변형예들에서, 평균 단열 나노입자 직경은 적어도 100 nm일 수 있다. 이러한 변형예들에서, 평균 단열 나노입자 직경은 적어도 250 nm일 수 있다. 이러한 변형예들에서, 평균 단열 나노입자 직경은 적어도 400 nm일 수 있다.
일부 양태들에서, 세라믹 나노입자는 적어도 100 m2/g의 평균 BET 표면적을 갖는다. 일부 양태들에서, 세라믹 나노입자는 적어도 150 m2/g의 평균 BET 표면적을 갖는다. 일부 양태들에서, 세라믹 나노입자는 적어도 200 m2/g의 평균 BET 표면적을 갖는다. 일부 양태들에서, 무기 단열 재료는 적어도 5 부피%의 절연체를 갖는다. 일부 양태들에서, 무기 단열 재료는 적어도 10 부피%의 절연체를 갖는다. 일부 양태들에서, 무기 단열 재료는 적어도 15 부피%의 절연체를 갖는다. 일부 양태들에서, 무기 단열 재료는 적어도 20 부피%의 절연체를 갖는다. 일부 양태들에서, 무기 단열 재료는 적어도 25 부피%의 절연체를 갖는다. 일부 양태들에서, 무기 단열 재료는 적어도 30 부피%의 절연체를 갖는다.
절연체는 바인더 휘발 후의 밀도를 가질 수 있다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더 휘발 후에 적어도 0.1 g/mL의 밀도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더 휘발 후에 적어도 0.15 g/mL의 밀도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더 휘발 후에 적어도 0.2 g/mL의 밀도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더 휘발 후에 적어도 0.3 g/mL의 밀도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더 휘발 후에 적어도 0.35 g/mL의 밀도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더 휘발 후에 적어도 0.4 g/mL의 밀도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더 휘발 후에 적어도 0.5 g/mL의 밀도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더 휘발 후에 적어도 0.6 g/mL의 밀도를 갖는다. 일부 변형예들에서, 절연체는 바인더 휘발 후에 적어도 0.7 g/mL의 밀도를 갖는다.
일부 변형예들에서, 단열 나노입자의 평균 직경은 약 13 nm이다. 일부 양태들에서, 단열 나노입자의 입자 크기 분포는 다중 크기 분포를 갖는 멀티 모달(multi-modal)일 수 있다. 예를 들어, 단열 입자는 본 명세서에 기술된 바와 같이 제1 평균 직경 및 제2 평균 직경을 가질 수 있다.
절연체는 무기 단열 재료(예컨대, 단열 나노입자) 내에 배치된 바인더를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 바인더는 목표 온도에서 휘발성이 되는 중합체, 분자 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 이러한 휘발성은 상변화(예컨대, 승화, 용융, 비등 등), 분해(예컨대, 화학적 해리, 연소 등) 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 바인더로서 사용될 수 있는 중합체의 비제한적인 예들은 폴리알킬 카보네이트(예컨대, 폴리프로필렌 카보네이트 및 폴리에틸렌 카보네이트), 시아노아크릴레이트 및 폴리부틸아크릴레이트), 폴리에테르(예컨대, 폴리에틸렌 글리콜), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐 알콜, 리그노설포네이트, 메틸셀룰로오스, 파라핀, 폴리아크릴레이트(예컨대, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)), 실리콘, 유기 실란, 전분, 덱스트린 및 왁스 에멀젼을 포함한다. 다른 양태들에서, 바인더는 나프탈렌, 페로센 또는 사이클로도데칸을 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 바인더는 주위 온도 열전도도를 향상시키기 위해 열전도성 첨가제로 충전될 수 있다. 이러한 첨가제는 탄소 섬유, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 고배향 중합체(예컨대, 폴리에틸렌) 또는 금속 나노와이어를 포함할 수 있다.
휘발 시, 바인더는 무기 단열 재료에서 나오는 가스, 액체 또는 이들의 조합을 형성한다. 바인더는 배터리의 정상 동작 조건과 같은 보다 낮은 온도에서 휘발하지 않는다. 절연체는 바인더의 휘발 전에 휘발 후의 열전도도보다 큰 열전도도를 갖는다는 것을 이해할 것이다. 일부 변형예들에서, 절연체는 또한 바인더의 휘발 전에 보다 큰 기계적 강도를 가질 수 있다. 기계적 강도의 비제한적인 예들은 인장 강도, 압축 강도, 굴곡 강도, 전단 강도 및 피로 강도(예컨대, 내진동성)를 포함한다. 다른 유형의 기계적 강도가 가능하다.
다른 양태에서, 바인더는 1 기압에서 500℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 하나의 대안에서, 바인더는 1 기압에서 400℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 300℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 250℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 200℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 175℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 150℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다. 다른 대안에서, 바인더는 1 기압에서 100℃ 이하의 휘발 온도를 갖는다.
일부 실시예들에서, 바인더는 적어도 60℃까지 열적으로 안정하다. 일부 실시예들에서, 바인더는 적어도 75℃까지 열적으로 안정하다. 일부 실시예들에서, 바인더는 적어도 90℃까지 열적으로 안정하다. 정상 동작 조건 중에 바인더는 최첨단의 다공성 단열재에 걸쳐 절연체에서 우수한 기계적 특성을 가능하게 한다는 것을 이해할 것이다.
일부 변형예들에서, 휘발 온도는 80℃ 내지 250℃의 범위를 가질 수 있다. 일부 변형예들에서, 휘발 온도는 120℃ 내지 160℃의 범위를 가질 수 있다. 일부 변형예들에서, 휘발 온도는 150℃ 내지 220℃의 범위를 가질 수 있다. 온도의 변화는 설계 또는 재료의 차이에 기초하여 선택될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
바인더가 절연체에 존재할 때, 절연체는 비충전된 변형에 비해 향상된 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 향상된 기계적 특성은 향상된 인장 강도, 향상된 압축 강도, 향상된 굴곡 강도, 향상된 전단 강도 및 향상된 피로 강도(예컨대, 향상된 내진동성)를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 절연체는 열전달을 지원할 수 있는 고형 물질 증가로 인해 더 높은 열전도도를 나타낼 수 있다. 바인더는 바인더가 상변화되거나, 분해되거나, 또는 둘 모두가 되는 휘발 온도를 결정하도록 선택될 수 있다. 바인더는 또한 절연체의 기계적 특성 및 열전도도를 결정하도록 일정 유형 및 부피 분율로 선택될 수 있다.
바인더가 휘발된 후와 같이 바인더가 절연체에 존재하지 않을 때, 가스 분자(예컨대, 공기 분자)는 그 내부의 기공을 통한 확산에 의해 절연체를 횡단할 수 있다. 그러나 가스 분자의 평균 자유 경로는 장애물이 없는 개방 부피(예컨대, 주위 공간 내의 공기)에 비해 감소된다. 이 감소된 평균 자유 경로는 다공성 구조 내에 절연체를 통한 열전달을 지연시키는 낮은 열대류를 생성한다. 무기 단열 재료가 단열 나노입자로 형성되는 경우, 단열 나노입자는 접촉 면적이 작은 지점에서 만난다. 이러한 작은 접촉 면적은 절연체를 통한 열전달을 방해하여 열전도가 낮아질 수 있다. 낮은 열대류와 낮은 열전도의 조합은 절연체가 매우 효과적인 단열재로 기능하도록 한다.
도 5는 일부 예시적인 실시예들에 따른, 상이한 바인더 로딩을 갖는 절연체에 대한 굴곡 강도 대 바인더 로딩의 대표적인 그래프(500)를 나타낸다. 세로 좌표(502)는 약 0 내지 1500 kN/m2의 굴곡 강도에 걸쳐 있는 한편, 가로 좌표(504)는 0 내지 약 0.85의 부피 분율의 바인더 로딩에 걸쳐 있다. 쇄선 수직선(506)은 절연체 내의 기공의 총 부피에 의해 결정되는 바인더 로딩에 대한 이론상의 최대값을 예시한다. 그래프(500) 내의 각각의 데이터 포인트(508)는 3점 로딩(three-point load) 하에 테스트된 단일 시편에 대응된다. 바인더는 PMMA이고, 이는 단열 재료의 기공 내에서 인시츄(in-situ) 중합되거나 무기 단열 재료 내로 흡수된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 절연체의 굴곡 강도는 바인더 로딩에 따라 증가된다. 0.6 초과의 바인더 로딩은 굴곡 강도를 비충전된 절연체(즉, 바인더 로딩이 0)의 거의 30배로 증가시킬 수 있다. 도 5는 대표적인 기계적 특성으로서 굴곡 강도를 나타내지만, 이 제시는 단지 예시를 위한 것이다. 절연체 내의 바인더의 존재는 인장 강도, 압축 강도, 굴곡 강도, 전단 강도, 피로 강도(예컨대, 내진동성) 등과 같은 다른 기계적 특성을 증가시키거나 향상시킬 수 있다.
도 6은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 열처리를 거치는 절연체에 대한 질량 손실의 대표적인 그래프(600)를 나타낸다. 절연체는 0.72에서 로딩된 PMMA의 바인더를 포함한다. 세로 좌표(602)는 약 30% 내지 100%의 질량 퍼센트에 걸쳐 있으며, 가로 좌표(604)는 약 0 내지 750℃의 온도 범위에 걸쳐 있다. 도식된 곡선(606)은 온도가 점진적으로 증가함에 따른 절연체의 질량을 도시한다. 절연체 내에 배치된 바인더는 대략적으로 178℃에서 휘발되기 시작하고(화살표 608 참조), 약 425℃가 되면 완전히 휘발된다. 일반적으로, 바인더는 열유도 휘발에 대한 프로파일(예컨대, 시작 및 종료 온도, 곡선 형상 등)을 결정하기 위해 조성물을 선택할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 6은 PMMA와 연관된 질량 손실을 도시하며, 이 도시는 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 다른 바인더들과 바인더들의 조합이 사용될 수 있다.
도 7은 일부 예시적인 실시예들에 따른, 바인더가 충전되지 않은 절연체, 바인더가 충전된 절연체 및 바인더 전소 이후의 절연체의 시편에 대한 열전도도의 대표적인 그래프(700)를 나타낸다. 바인더로 충전된 절연체의 시편은 PMMA를 바인더로 활용하며, 이는 가열 중에 후속적으로 휘발되어 전소 이후 절연체의 시편을 생성한다. 세로 좌표(702)는 대수 스케일을 사용하고 약 0.01 내지 0.5 W/m·K의 범위를 갖는다. 열전도도의 값들은 시편의 각각의 유형에 대해 하나씩 세 그룹으로 나뉘어 제시된다(즉, 가로 좌표(704) 참조). 박스 플롯(box plot)(706)은 데이터 포인트들의 각 그룹에 걸쳐 놓이고 최대값(708) 및 최소값(710)을 표시한다. 박스 플롯(704)은 또한 중앙값(712), 제1 사분위수(quartile)(714) 및 제3 사분위수(716)를 나타낸다.
박스 플롯(706)에 의해 입증된 바와 같이, 비충전된 절연체의 시편과 연관된 열전도도는 절연체 휘발후(post-volatilization) 시편과 연관된 것과 유사하다. 따라서, 가열 중의 바인더의 휘발은 절연체 휘발후 시편을 그들의 원래의 열전도도로 회복시킨다. 또한, 그렇지 않으면 충전되지 않았을 절연체의 시편에서의 바인더의 존재는 열전도도를 증가시킬 수 있다. 도 7에 도시된 대표적인 예에 대하여, 이 증가는 한 자릿수(order of magnitude)보다 더 크다.
절연체는 다양한 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 하나의 옵션에서, 절연체를 제조하는 것은 기판(예컨대, 금속 호일) 상에 절연체를 습식 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 절연체는 기판에 도포될 수 있고, 기판은 여전히 유연한 상태로 용기 주위에 감겨질 수 있다. 절연체는 용기에 직접 도포될 수 있다. 습식 코팅 적용 단계는 딥 코팅, 스프레이 코팅, 다이 코팅, 나이프 코팅, 잉크젯 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 스크린 인쇄를 포함할 수 있다. 바인더는 절연체의 열 특성에 대한 부정적인 영향을 최소화하는 방식으로 절연체와 금속 호일 사이의 접착력을 향상시키는 데 사용될 수 있다.
대안적으로, 습식 코팅은 세라믹, 불투명체, 섬유질 재료, 및 용해 또는 현탁된 바인더를 포함할 수 있다. 이러한 습식 코팅 방법들은 딥 코팅, 스프레이 코팅, 다이 코팅, 나이프 코팅, 잉크젯 인쇄, 그라비어 인쇄 또는 스크린 인쇄를 포함할 수 있다. 절연체를 제조하기 위한 방법은 또한 절연 세라믹, 불투명체, 세라믹 섬유 및 바인더를 포함하는 혼합물의 압출; 절연 세라믹, 불투명체, 세라믹 섬유 및 바인더를 포함하는 혼합물의 사출 성형; 미리 형성된 다공성 무기 단열 재료 내에 용해된 바인더의 함침; 및 미리 형성된 다공성 무기 단열 재료 내에 바인더 전구체를 함침시킨 후에 전구체를 중합을 포함할 수 있다. 전술한 제조 방법들의 임의의 조합이 가능하다는 것을 이해할 것이다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 배터리 셀 주위와 같은 기판 상에 절연체를 제조하기 위한 방법은, 기판 표면 상에 절연체를 스프레이 코팅하고(예컨대, 배터리 셀이 표면화될 수 있음), 이어서 스프레이된 상태의 절연체를 건조시킴으로써 달성될 수 있다. 절연체는 현탁된 입자를 포함하는 유체를 사용하여 스프레이될 수 있다. 유체는 또한 불투명체를 포함할 수 있다. 유체는 배터리 셀에 대한 절연체의 접착력을 향상시키기 위한 화합물을 함유할 수 있다. 방법은 또한 절연체를 금속 호일로 감싸는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 방법은 스프레이된 절연체를 후속적으로 압축하는 단계를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 기판(예컨대, 배터리 셀) 주위에 절연체를 제조하기 위한 방법은 절연체 전구체의 슬러리를 기판(예컨대, 셀) 주위의 벽 내에 부은 다음, 부어진 상태의 절연체를 건조시킴으로써 달성될 수 있다. 건조된 절연체의 벽 두께는, 배터리 셀들과 같은 컴포넌트들의 부피 팽창이 건조된 절연체를 미리 결정된 밀도로 압축하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방법은 2개의 벽을 사용할 수 있으며, 각각의 벽은 강성이다. 이들 실시예들에서, 절연체는 기판(예컨대, 배터리 셀)과 접촉할 수 있는 내측벽과 외측벽 사이에 배치될 수 있다. 방법은 또한 건조된 절연체를 등방적으로 열간 압착(hot-pressing)하여 고밀화된 절연체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
표 1은 슬러리 코팅에 의한 절연체의 제조 예를 도시한다. 흄드 SiO2 무기 단열 재료, SiC 불투명체 및 유리 섬유를 포함하는 기판을 SiO2:SiC:유리 섬유:: 0.55:0.40:0.05의 비율로 조합하였다. 용매에 200 kDa 폴리프로필렌 카보네이트(PPC) 바인더 60 중량%를 첨가하였다. 성분들을 씽키(thinky) 믹서(즉, 유성 원심분리형 믹서)에서 혼합하였다. 혼합 후, 조합된 성분들을 기판 상에 코팅하였다. 용매가 증발되게 두었다. SiO2, 유리 섬유, SiC 및 PPC 함유 절연체를 기판 상에 코팅하였다.
[표 1]
Figure 112018058700700-pct00001
PPC 바인더는 절연체에서 전소되었다. 생성된 혼합물의 열전도도는 100℃에서 0.020 W/m-K로 측정되었다.
일부 변형예들에서, 바인더는 용매에 바인더를 용해시켜 용액을 형성하고, 절연체를 용액에 노출시키며(예컨대, 침지시킴), 절연체의 기공 내에 바인더를 침전시킴으로써 절연체에 혼입될 수 있다. 이러한 침전은 용액으로부터 용매를 증발시키고, 용액에 침전제를 첨가하는(예컨대, 바인더에 대한 용해도가 낮은 제2 용매를 첨가함) 등에 의해 유도될 수 있다.
표 2는 바인더를 무기 단열 재료 내에 흡수시킴으로써 제조된 절연체를 도시한다. PMMA 또는 PPC 바인더는 SiO2 무기 단열 재료, SiC 불투명체 및 유리 섬유 내로 흡수되었다. SiO2(무기 단열 재료)의 혼합물:SiC(불투명체):유리 섬유를 60:38:2의 비율로 0.4 g/mL의 밀도에서 사용하였다. 바인더를 상이한 조합들로 조합하였다. 일부 경우들에서, 계면 활성제(BYK-333, 독일 게레트스리트 소재의 BYK 애디티브즈 앤드 인스트루먼츠(Additives & Instruments, Geretsried, Germany))를 첨가하였다.
생성된 절연체의 균열 및 굴곡 강도를 측정하였다. 일반적으로, 증가된 바인더 로딩은 무기 단열 재료 기판의 균열을 증가시켰다. 바인더가 없거나 매우 낮은 바인더 중량%에서, 3점 굴곡 강도 시험을 사용하여 측정된 굴곡 강도는 없거나 매우 적었다.
[표 2]
Figure 112018058700700-pct00002
또 다른 예에서, 절연체는 인시츄 중합에 의해 무기 단열 재료를 바인더와 결합시킴으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연체의 샘플은 바인더 단량체(예컨대, 메틸 메타크릴레이트(MMA)), 바인더(예컨대, PMMA) 및 하나 이상의 개시제(예컨대, DMT 또는 BPO)의 혼합물에 침지될 수 있다. 혼합물은 중합될 수 있다. 생성된 재료의 표면으로부터 앤드-밀(end-mill)을 사용하여 잉여 바인더를 제거하여 바인더 함침된 절연체를 수득할 수 있다.
표 3은 인시츄 중합에 의해 형성된 절연체의 예들을 도시한다. SiO2(무기 단열 재료)의 기판:SiC(불투명체):유리 섬유를 60:38:2의 비율로 0.4 g/mL의 밀도로 사용하였다. MMA, PMMA 및 하나 이상의 개시제의 혼합물을 디클로로메탄 또는 아세톤과 같은 용매에 용해시켜 용액을 형성시켰다. 개시제들(BPO 및 DMT)을 용액에 첨가하였다.
최대 5회의 분리된 기간 동안 0.16시간 내지 16시간 범위의 시간에 걸쳐 용액을 20℃, 70℃ 또는 120℃의 온도에서 침지시켰다. 조합된 SiO2, SiC 및 유리 섬유를 20℃에서 바인더, 용매 및 개시제에 1.16 내지 0.33시간, 1.5시간 또는 16시간의 침지 시간 동안 침지시켰다. 조성물을 20℃ 또는 70℃에서 0.16 내지 0.83시간, 1시간 또는 16시간 동안 두 번째로 침지시켰다. 조성물을 20℃, 70℃ 또는 120℃에서 1시간, 12시간 또는 16시간 동안 제3 기간 동안 침지시켰다. 일부 조성물은 20℃, 70℃ 또는 120℃에서 1시간 또는 16시간 동안 제4 기간 동안 침지시켰다. 일부 조성물은 조성물을 20℃, 70℃ 또는 120℃에서 1시간, 12시간 또는 16시간 동안 제5 기간 동안 침지시켰다.
바인더가 휘발되기 전후의 굴곡 강도 및 열전도도를 측정하였다. 생성된 절연체의 굴곡 강도, 제조된 상태의 열전도도 및 전소 후 열전도도를 측정하였다. 일반적으로, 바인더가 부재하거나 또는 매우 낮은 바인더 중량%에서, 측정된 굴곡 강도는 없거나 매우 적었다. 78 중량%의 바인더 로딩에서, 제조된 상태의 화합물의 열전도도는 0.37 W/m-K이었고, 이는 바인더 전소 후에 0.031 W/m-K로 떨어졌다.
[표 3]
Figure 112018058700700-pct00003
다른 예에서, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)는 디클로로메탄(즉, CH2Cl2)에 용해되어 용액을 형성할 수 있다. 이어서, 절연체를 용액에 침지시켜 용액이 절연체의 기공 내로 습식 함침되도록 할 수 있다. 침지된 절연체를 2시간 동안 건조시킨 다음, 50℃에서 3시간 동안 진공 하에 가열하였다.
다른 예에서, 절연체는 무기 단열 재료를 바인더 슬러리로 코팅함으로써 형성될 수 있다(즉, 슬러리 코팅). SiO2, SiC 또는 유리 섬유와 같은 무기 단열 재료는 바인더 및 용매와 조합되어 혼합된다. 혼합물은 기판(예컨대, 알루미늄 호일과 같은 호일)에 코팅한 다음, 진공 하에서 가열하여 용매를 제거하고 절연체를 생성시킬 수 있다.
구체적으로, 다른 예에서, 바인더는 중합체 함침 기술에 의해 절연체에 첨가될 수 있다. 일례에서, PMMA 및 MMA 단량체를 디클로로메탄 또는 아세톤에 용해시켜 용액을 형성하였다. 이어서, 절연체를 용액에 침지시켜 용액이 절연체의 기공 내로 습식 함침되도록 할 수 있다. 벤조일 퍼옥사이드(BPO) 및 n,n-디메틸-p-톨루이딘(DMT)과 같은 개시제를 용액에 첨가하고 절연체를 다시 침지시킨다. 절연체를 용액으로부터 제거하고 실온에서 1시간 내지 16시간 동안 경화시킨다. 절연체는 후속적으로 50℃ 초과의 온도에서 추가적인 기간 동안(예컨대, 70℃에서 1시간 동안) 경화될 수 있다.
추가의 예에서, 절연체는 압축 성형의 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다. 하나의 압축 성형 방법에서 흄드 SiO2, SiC, 유리 섬유, 폴리프로필렌 카보네이트 및 메틸-에틸 케톤을 조합하여 균일하게 될 때까지 혼합할 수 있다. 혼합물은 기판(예컨대, 마일라) 상에 침착시키고 건조(예컨대, 1시간 내지 12시간)되게 둘 수 있다. 건조된 재료를 다이 내에 배치하고 가열하고(예컨대, 70℃) 가압하여(예컨대, ~5톤의 압력) 절연체를 수득하였다.
표 4는 흄드 실리카를 함유하는 절연체 및 압축 성형에 의해 제조된 200 kDa 및 10 kDa PPC 바인더의 중량% 조합을 도시한다. 흄드 SiO2, SiC, 유리 섬유, 200 kDa PPC의 상이한 조합들을 조합하여 밴버리(banbury) 믹서 또는 이축 스크류 압출을 사용하여 혼합하였다. 패들 믹서(paddle mixer) 실시예들에서, 10 kDa PPC 및 메틸-에틸 케톤을 첨가하였다. 조합된 성분들을 균질해질 때까지 혼합하였다. 패들 믹서 실시예들에서, 혼합물을 마일라 기판 상에 침착시키고 하룻밤 건조되게 두었다. 건조된 재료를 50×50×5 mm 다이 내에 배치하고 70℃로 가열하고, ~5 톤의 압력으로 가압하여 바인더 함침된 절연체를 수득하였다.
[표 4]
Figure 112018058700700-pct00004
다양한 샘플에 대해 바인더 전소의 전소전 및 전소후의 절연체 밀도를 측정하였다. 패들 혼합물 또는 밴버리 믹서를 사용하여 혼합된 절연체들에 대한 열전도도는 0.028 내지 0.125 W/m-K 범위였다. 일반적으로 더 높은 열전도도는 재료 밀도가 증가함에 따라 증가한다.
압축 성형의 추가의 변형예에서, 흄드 SiO2, TiO2, 유리 섬유 및 폴리프로필렌 카보네이트를 (예컨대, 밴버리 혼합기 내에서) 승온(예컨대, 70℃)에서 혼합물이 균질해질 때까지 혼합하였다. 혼합물을 다이에 첨가하고 (예컨대, 70℃로) 가열하고 (예컨대, ~5톤의 압력으로) 가압하여 절연체를 수득하였다.
II. B. 감소된 평균 자유 경로를 갖는 절연체
다른 양태들에서, 절연체는 다공성 구조 외부의 가스와 비교하여 절연체 내의 가스의 평균 자유 경로를 감소시키도록 구성된 다공성 구조를 형성하는 무기 단열 재료를 포함하는 절연체이다. 일부 양태들에서, 무기 단열 재료는 다공성 구조를 형성하는 나노입자일 수 있다. 나노입자 사이의 공간은 주위 가스와 비교하여 절연체 내의 가스의 평균 자유 경로를 감소시키기 위해 절연체 내에 기공을 형성한다. 다공성 구조에는 가스가 통과하는 평균 자유 경로가 감소된다. 다양한 양태들에서, 절연체는 제1 및 제2 배터리 셀 및/또는 셀 블록들 사이에 배치될 수 있지만, 다른 비-배터리 관련 응용들이 고려된다. 절연체는 배터리 응용에 제한되지 않고 임의의 응용에 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 또한, 무기 단열 재료는 본 명세서에 기재된 임의의 무기 단열 재료일 수 있다는 것이 인식될 것이다.
특정 메카니즘 또는 작용 방식을 고수하기를 바라지 않으면서, 무기 단열 재료는 보다 고온(hotter)인 표면에서 보다 저온(cooler)인 표면으로 이동하는 열유동에 대한 저항성을 제공한다. 이러한 열저항은 절연체의 경로들을 따라 반복적인 수축을 일으키는 감소된 접촉 면적으로부터 기인할 수 있다. 단열 나노입자로 형성된 절연체의 벌크 열전도도(λsolid)는 약 10-2 W/m·K 이하일 수 있다. 예를 들어, 단열 이산화규소 입자로 형성된 절연체는 10-3 W/m·K의 벌크 열전도도를 가질 수 있고, 이에 제한되지 않는다. 대조적으로, 석영(즉, 단결정 또는 다결정 이산화규소)은 100 W/m·K 정도, 또는 약 세 자릿수 정도 더 높은 벌크 열전도도를 가질 수 있다.
또한, 어떠한 과학적 원리 또는 작용 방식에 제한되기를 바라지 않으면서, 절연체는 전체 유효 열전도도(λ)를 나타낸다.λ는 열전도, 열대류 및 열방사의 모드에서의 열유동에 대한 저항을 나타낸다. 열전도는 다른 고체들과 접촉하는 고체들을 비롯한, 주로 고체들을 통한 열전달을 포함한다. 열전도는 벌크 열전도도(λsolid 또는 λbulk)로 정량화될 수 있다. 열대류는 주로 유체(예컨대, 가스, 액체 등)를 통한 열전달을 포함하고, 가스의 경우, 벌크 열대류(λgas)로 정량화될 수 있다. 유사하게, 열방사는 상이한 온도들에서 물질 사이의 전자기 방사의 순수 교환(net exchange)을 포함하며 벌크 열방사(λrad)로 정량화될 수 있다. 따라서, 전체 유효 열전도도(λ)는 벌크 열전도도(λsolid 또는 λbulk), 벌크 열대류(λgas) 및 벌크 열방사(λrad)의 기여도에 의한 영향을 받는다.
일부 양태들에서, 절연체는 구형 코어가 본 명세서에 기술된 바와 같이, 절연체 및 불투명체의 층으로 교번하여 코팅되는 코어-쉘 형태를 갖는 다기능의 단열 나노입자를 포함한다. 이러한 다기능 나노입자는 높은 구형도를 제공할 수 있으며 제조 중에 크기를 조절할 수 있다. 다기능 나노입자가 존재하기 때문에, 절연체는 벌크 열전도도의 감소(즉, λsolid의 감소)를 나타낼 수 있으며, 이는 균일한 나노입자를 갖는 절연체의 1/10보다 우수할 수 있다. 또한, 절연체는 λsolid와 λgas 및 λrad의 변형들 사이의 우수한 절충안을 제공한다.
일부 양태들에서, 절연체는 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 선택적으로 압축된 단열 나노입자 또는 대안적으로 에어로겔을 포함할 수 있다. 다공성 구조는 그 내부의 공기 대 주위 공기의 평균 자유 경로를 감소시킨다. 절연체에서, 절연성 입자 사이의 높은 다공성 및 결과적으로 낮은 접촉 면적은 열적 열유동을 지연시켜 보다 큰 고형체가 낮은 열전도도를 가질 수 있게 된다. 또한, 구조 내의 단단한 경계들은 낮은 열대류를 생성한다.
일부 변형예들에서, 절연체는 복수의 단열 나노입자를 포함하며, 각각은 구조적으로 상이한 재료의 교번 층들을 갖는다. 예를 들어, 구조적으로 상이한 재료의 교번 층들은 텅스텐 및 알루미늄 산화물의 교번 층들을 포함할 수 있고, 이에 제한되지 않는다. 복수의 단열 나노입자에서, 효과적인 열저항은 교번 층들 사이의 계면 저항으로부터 유래한다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른, 개개의 다작용성 단열 나노입자(800)의 단면도를 도시한다. 다작용성 단열 나노입자(800)는 코어(802)를 포함하며, 코어(802) 상에는 구조적으로 상이한 재료들의 교번 층들이 동심원 쉘들을 형성한다. 코어(802)는 구형을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 다른 형상들도 가능하다. 일부 실시예들에서, 코어(802)는 산화규소 재료(예컨대, SiO2)와 같은 무기 단열 재료로 형성될 수 있다. 교번 층들은 각각이 절연체 층(예컨대, 산화 알루미늄) 또는 불투명체 층(예컨대, 텅스텐) 중 하나일 수 있는 제1 층들(804a, 804b, 804c 및 804d) 및 절연체 층 불투명체 층 중 다른 하나인 제2 층들(806a, 806b, 806c 및 806d)을 포함한다. 도 8에 도시된 경우에서, 절연체 층은 집합적으로 제1 층(804)으로 지칭된다. 불투명체 층은 집합적으로 제2 층(806)으로 지칭된다. 각각의 유형의 층 중 하나 이상의 층이 다기능 단열 나노입자에 포함될 수 있다. 입자는 절연체 층 또는 불투명체 층으로 종단될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 일부 변형예들에서, 최외층은 접촉 중에 입자간 전도성을 감소시키기 위해 보다 낮은 열전도도를 가질 수 있다.
제1 층(804) 및 제2 층(806)의 재료는 층 계면들에서의 포논 분산(phonon dispersion)을 최대화하기 위해 상이한 원자 구조, 경도, 디바이(Debye) 온도 또는 이들의 일부 조합을 가질 수 있다. 제1 층(804) 및 제2 층(806)의 재료와 연관된 디바이 온도는 2 초과인 비율을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 이론에 의해 제한되지 않고, 2.6의 비율은 알루미늄 산화물(T D = 1047K) 및 텅스텐(T D = 400K)의 교번 층들에 대응된다. 또한, 일부 실시예들에서, 층들(804, 806)은 비정질일 수 있다. 이들 실시예들에서, 층들(804, 806)의 비정질 성질은 더 낮은 열전도도에 기여할 수 있다. 재료 및 그의 연관된 디바이 온도의 대표적인 예들이 표 5에 나타나 있다.
[표 5]
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제1 층(804) 및 제2 층(806)에 대한 다른 재료 조합들은 각각 실리카 및 탄소, 실리카 및 탄화규소, 실리카 및 산화티타늄, 실리카 및 알루미늄, 실리카 및 질화 알루미늄을 포함한다.
추가적인 인자들이 제1 층(804) 및 제2 층(806)에 대한 재료의 선택에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 제1 층(804) 및 제2 층(806)의 재료들은 -70℃ 내지 100℃의 열 사이클링에 대한 교번 층 구조의 견고성을 향상시키도록 선택될 수 있고, 이에 제한되지 않는다. 제1 층(804) 및 제2 층(806)의 재료는 또한 서로 화학적으로 불활성을 나타내도록 선택될 수 있다. 이러한 불활성은 가열 중에 낮은 반응성을 부여할 수 있다.
단열 나노입자(800)는 당업자에게 공지된 코어-쉘 유형의 입자를 제조하기 위한 공정들을 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 공정들은 원자층 증착, 화학 증착, 현탁액으로부터의 용액-코팅 등을 포함한다. 이러한 공정들에서, 코어(802)는 원하는 최종 입자보다 직경이 작다는 것을 이해할 것이다.
일부 실시예들에서, 단열 나노입자(800)의 전체 입자 크기는 50 nm 미만이다. 일부 실시예들에서, 전체 입자 크기는 40 nm 미만이다. 일부 실시예들에서, 전체 입자 크기는 20 nm 미만이다. 일부 실시예들에서, 전체 입자 크기는 10 nm 미만이다. 일부 실시예들에서, 단열 나노입자는 입자 크기의 멀티 모달 분포를 나타낸다.
층들(804, 806)의 두께는 0.5nm 내지 5nm의 범위일 수 있고, 보다 얇은 층들은 교번 구조를 통해 포논 전파를 방해하는 것이 바람직하다. 일부 실시예들에서, 제1 층(804)의 두께는 1 nm 미만이다. 일부 실시예들에서, 제2 층(806)의 두께는 1 nm 미만이다. 일부 실시예들에서, 제1 층(804) 및 제2 층(806)의 두께는 둘 모두 1 nm 미만이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른, 단열 나노입자(902)를 사용하여 형성된 다기능 절연체(900)의 일부분의 단면도를 도시한다. 절연체(900)에서, 개개의 단열 나노입자(902)가 응집하여 셀(904)을 형성하며, 이는 개방 셀, 폐쇄 셀 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 실시예들에서, 셀(904)은 실질적으로 모두 폐쇄 셀이다. 셀(904)은 사실상 임의의 크기 및 형상의 고형체를 수득하기 위해 치수적으로 확장될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 비고체(non-solid) 셀 부피로 인해, 이들 몸체는 절연체(900)로서 역할을 할 수 있고, 좀 더 상세하게는, 배터리 셀을 위한 절연체(900)로서 역할을 할 수 있다.
단열 나노입자(902)는 인접한 입자들 사이의 접촉의 표면적을 감소시키기 위해 높은 구형도를 갖는다. 접촉의 감소된 표면적은 열이 입자들 사이에서 유동하도록 이용가능한 계면을 낮추고, 이에 따라 절연체(900)의 전체 열전도도를 저하시킨다. 예를 들어, 이산화규소의 구형 나노입자는 감소된 접촉 영역에서 응집 및 접촉될 수 있고, 이는 점접촉을 수반할 수 있고, 이에 제한되지 않는다. 이러한 응집체들은 상이한 온도의 2개 이상의 표면을 가교하는 절연체 몸체들을 형성할 수 있다. 내부의 나노입자는 보다 고온의 표면에서 보다 저온의 표면으로 이동하는 열유동에 대한 저항성을 제공한다. 이러한 열저항은 절연체 몸체 내의 입자간 경로들을 따라 반복적인 수축을 일으키는 감소된 접촉 면적으로부터 기인한다. 이산화규소의 구형 나노입자로 형성된 절연체 몸체의 벌크 열전도도(λsolid)는 약 10-3 W/m·K 이하일 수 있다. 대조적으로, 석영(즉, 단결정 또는 다결정 이산화규소)은 100 W/m·K 정도, 또는 약 세 자릿수 정도 더 높은 벌크 열전도도를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 절연체(900)는 밀봉되고 셀(904)을 포함할 수 있으며, 셀의 단열 나노입자(902)가 (예컨대, 가열을 통해) 접촉점에서 결합되어 폐쇄 셀이 생성되었다. 밀봉부는 800℃ 초과에서 안정한 금속 또는 세라믹 본드로 형성될 수 있다. 이들 실시예들 중 일부 실시예들에서, 폐쇄 셀은 101 토르 미만의 공기 압력으로 소기된다. 이들 실시예들 중 다른 실시예들에서, 공기는 공기보다 열전도도가 낮고 진공보다 낮은 누출율을 갖는 Ar, Kr 또는 Xe로 대체될 수 있다.
일부 양태들에서, 열 이벤트 후에, 절연체(910)의 다공성 구조는 자유로운 제한되지 않은 공간에 비해 가스 분자들의 평균 자유 경로를 억제할 수 있다. 이것은, 예를 들어, 다공성 구조가 폐쇄 셀을 포함하는 경우에 발생할 수 있다. 이러한 경우, 대류를 통한 열전달이 억제된다. 예로서, 공기 중의 분자의 평균 자유 경로는 대략적으로 200℃ 초과하여 증가하며, 선형적으로 증가할 수 있고, 이에 제한되지 않는다. 그러나 단열 나노입자(예컨대, 이산화규소의 구형 입자)로 형성된 절연체의 경우, 절연체를 통과하는 공기의 평균 자유 경로는 주어진 온도, 예를 들어, 대략적으로 200℃ 위에서 대략 일정하게 유지될 수 있다. 온도는 기공 구조 및 기공 크기에 의존하여 변할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 절연체(900)는 단열 나노입자(902)를 용해성, 승화성 또는 달리 제거가능한 "충전제" 재료와 블렌딩하여 밀집된 컴팩트로 형성(예컨대, 가압)함으로써 제조될 수 있다. "충전제" 재료를 제거하면 셀(904)이 남을 것이다. 그러나, 절연체(900)에 대한 다른 제조 방법들이 가능하다.
일부 실시예들에서, 단열 나노입자(902)는 층들의 교번하는 시퀀스를 포함할 수 있으며, 여기서 두 층 중 하나는 적외선 방사를 강하게 흡수하는 재료로 형성된다. 다양한 양태들에서, 불투명체 층은 250℃ 초과의 온도에서 1×104 m-1 초과의 평균 소광 계수를 갖는다. 이들 실시예들에서, 절연체(900)는 내부에 별도의 적외선 흡수 재료를 필요로 하지 않을 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 배터리 셀 주위에 절연체를 제조하는 방법은 절연체 전구체의 슬러리를 셀 주위의 벽 내에 부어 넣는 단계 및 부어진 상태의 절연체를 건조시키는 단계를 포함한다. 방법은 셀을 형성하는 단계를 더 포함한다. 건조된 절연체의 벽 두께는 셀의 부피 팽창이 건조된 절연체를 미리 결정된 밀도로 압축하도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 방법은 2개의 벽을 사용할 수 있으며, 각각의 벽은 강성이다. 이들 실시예들에서, 절연체는 배터리 셀과 접촉할 수 있는 내측벽과 외측벽 사이에 배치될 수 있다.
절연체의 변형예들은 다공성 구조를 형성하는 무기 단열 재료를 포함한다. 흄드 이산화규소 섬유의 단열 나노입자를 함유하는 절연체를 제조하였다. 절연체를 SiC 불투명체와 조합시켰다. 섬유 중량%, SiC 불투명체 중량% 및 밀도를 측정하였다. 440℃에서 절연체의 열전도도를 일부 샘플에 대해 측정했다.
II. C. 중합체 코팅된 절연체
추가의 변형예들에서, 본 발명은 무기 단열 재료 및 무기 단열 재료의 표면 상에 배치된 중합체 코팅을 포함하는 중합체 코팅된 절연체에 관한 것이다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 무기 단열 재료 "상에 배치된" 중합체 코팅은 중합체 코팅의 적어도 일부분이 무기 단열 재료에 매립되는 실시예들을 포함한다. 이러한 변형예들에서, 중합체 코팅과 무기 단열 재료 사이의 접착력이 증가될 수 있다.
다양한 양태들에서, 무기 단열 재료는 실리카계일 수 있다. 실리카계 무기 단열 재료는 실리카계 재료, 섬유, 융합 실리카(fused silica), 에어로겔 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 일부 변형예들에서, 실리카계 무기 단열 재료는 흄드 실리카, SiC 및 SiO2 섬유를 포함할 수 있다. 다른 변형예들에서, 무기 단열 재료는 세라믹 재료일 수 있다. 일부 변형예들에서, 재료는 적어도 500℃ 이하의 온도에서 분해되지 않는다.
중합체 코팅은 무기 단열 재료의 표면 상에 배치될 수 있다. 다양한 비제한적인 실시예들에서, 중합체는 당업계에 공지된 임의의 유기계 또는 실리콘계 중합체일 수 있다. 예시적인 중합체는 폴리우레탄, 에폭시, 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르 및 폴리이미드를 포함할 수 있다.
중합체 코팅은 무기 단열 재료에 접착되는 중합체로 형성될 수 있다. 또한, 중합체 코팅은 높은 열 안정성을 갖는 재료들로 형성될 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 최대 80℃의 온도에서 분해되지 않는다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 최대 120℃의 온도에서 분해되지 않는다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 최대 160℃의 온도에서 분해되지 않는다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 최대 200℃의 온도에서 분해되지 않는다. 또한, 중합체 코팅은 100℃ 내지 900℃의 온도 범위 내에서 가열 시 독성 화합물을 생성하지 않는다.
중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 평균 침투 깊이를 가질 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 1 마이크로미터만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 5 마이크로미터만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 10 마이크로미터만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 25 마이크로미터만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 50 마이크로미터만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 100 마이크로미터만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 200 마이크로미터만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 300 마이크로미터만큼 침투할 수 있다.
일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 평균 300 마이크로미터 미만만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 평균 200 마이크로미터 미만만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 평균 100 마이크로미터 미만만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 평균 75 마이크로미터 이하만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 평균 50 마이크로미터 이하만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 평균 25 마이크로미터 이하만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 평균 10 마이크로미터 이하만큼 침투할 수 있다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 평균 5 마이크로미터 이하만큼 침투할 수 있다.
중합체 코팅의 두께는 무기 단열 재료 상에 중합체 코팅을 침착시키는 중에 제어될 수 있다. 중합체 코팅의 두께를 제어함으로써, 무기 단열 재료의 기계적 특성이 제어될 수 있다. 이와 같이, 무기 단열 재료 상에 배치된 중합체 코팅의 내스크래치성 및 접착성은 무기 단열 재료 단독에 대한 그의 내스크래치성 및 접착성보다 향상될 수 있다.
일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 300 마이크로미터 이하이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 250 마이크로미터 이하이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 200 마이크로미터 이하이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 150 마이크로미터 이하이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 100 마이크로미터 이하이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 50 마이크로미터 이하이다.
일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 적어도 25 마이크로미터이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 적어도 50 마이크로미터이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 적어도 75 마이크로미터이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 적어도 100 마이크로미터이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 적어도 125 마이크로미터이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 적어도 140 마이크로미터이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 적어도 150 마이크로미터이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 적어도 175 마이크로미터이다. 일부 변형예들에서, 중합체 코팅의 두께는 평균 적어도 200 마이크로미터이다.
중합체 코팅은 무기 단열 재료로 코팅된 세라믹에 추가로 개선된 내마모성, 인장 강도 및 전단 강도를 제공할 수 있다. 하나의 실시예에서, ~70 마이크로미터의 코팅 두께를 갖는 폴리우레탄 중합체가 흄드 실리카, SiC 및 SiO2 섬유의 조합으로 형성된 무기 단열 재료에 도포된다. 조합은 우수한 내스크래치성, 취급 용이성 및 접착성을 제공할 수 있다. ~140 마이크로미터의 측정된 중합체 코팅 두께는 내마모성을 제공할 수 있다.
일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료의 모든 측면과 영역에서 동일한 두께이다. 다른 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료의 상이한 측면 또는 영역에서 상이한 두께를 갖는다. 예를 들어, 중합체 코팅은 대략적으로 140 마이크로미터의 두께로 무기 단열 재료의 하나 이상의 면 상에 배치될 수 있는 한편, 중합체 코팅은 대략적으로 70 마이크로미터의 두께로 무기 단열 재료의 에지들 상에 배치될 수 있다. 무기 단열 재료의 면들 상의 보다 두꺼운 중합체 코팅(예컨대, 140 마이크로미터)은 내마모성을 제공할 수 있다. 무기 단열 재료의 에지들 상의 보다 얇은 중합체 코팅(예컨대, 70 마이크로미터)은 재료의 에지들을 통한 열전달을 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 중합체 코팅은 무기 단열 재료의 상이한 측면 상에 상이한 두께를 가질 수 있다.
다양한 양태들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료에 다른 성분들의 접착을 제공할 수 있다. 예를 들어, 중합체 코팅은 무기 단열 재료의 표면에 보호 시트를 접착할 수 있다. 당업계에 공지된 다른 컴포넌트들이 또한 사용될 수 있다.
다양한 양태들에서, 무기 단열 재료의 표면 상에 배치된 중합체 코팅은 무기 단열 재료의 인장 강도에 비해 개선된 인장 강도를 제공할 수 있다. 중합체 코팅은 또한 무기 단열 재료의 에지들로부터의 미세다공성 재료의 재료 손실을 감소시킬 수 있다.
중합체 코팅은 당업계에 공지된 다양한 방법을 사용하여 무기 단열 재료에 적용될 수 있다. 비제한적인 방법은 스프레이 코팅, 딥 코팅, 유동 코팅 및 나이프 코팅 방법을 포함한다.
다양한 비제한적인 방법에서, 무기 단열 재료의 표면은 코팅 조성물에 노출되어 무기 단열 재료의 표면 상에 중합체 코팅을 형성할 수 있다. 중합체 코팅은 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 10 마이크로미터 침투될 수 있다. 이어서, 중합체 코팅은 고형화된다. 섬유질 재료 및 불투명체와 같은 다른 성분들은 본 명세서에 기술된 임의의 변형예에서 중합체 코팅제를 첨가하기 전에 무기 단열 재료에 첨가될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
다양한 양태들에서, 코팅 조성물은 중합체를 형성하는 데 사용되는 화합물들을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 코팅 조성물은 단량체와 같은 중합체 전구체를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 코팅 조성물은 중합체를 포함할 수 있다. 코팅 조성물은 조성물을 제조하는데 사용된 임의의 화합물들을 포함할 수 있음이 당업자에 의해 인식될 것이다. 코팅 조성물은 또한 코팅 조성물의 점도를 변경할 수 있는 첨가제들을 비롯한 첨가제들을 포함할 수 있다.
일부 변형예들에서, 무기 단열 재료는 코팅 조성물로 스프레이 코팅될 수 있다. 스프레이 코팅은 다양한 방법 중 임의의 방법에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 1개, 2개 또는 그 이상의 저용적 고압력(low volume high pressure, LVHP) 또는 고용적 저압력(high volume low pressure, HVLP) 스프레이 소스(예컨대, 스프레이 건)를 사용할 수 있다. 스프레이 소스는 무기 단열 재료로부터 일정 거리에 배치될 수 있다. 일부 경우들에서, 스프레이 소스는 30 내지 40 cm의 거리에 있다. 일부 경우들에서, 스프레이 소스는 10 내지 15 cm의 거리에 있다. 선택적으로, 코팅 표면은 주위 온도 및 압력에서 일정 기간(예컨대, 10 내지 20분) 동안 설정되도록 할 수 있다.
일부 변형예들에서, 코팅 표면은 경화된다. 중합체 코팅에 따라, 중합체 코팅은 실온에서 또는 열경화에 의해 경화될 수 있다. 또한, 선택적으로 부피 및 압력의 상이한 조합 및/또는 상이한 점도를 갖는 다수의 스프레이 코팅이 적용될 수 있다.
무기 단열 재료의 상이한 표면들이 코팅 조성물에 의해 코팅될 수 있다. 이미 코팅된 표면을 마스킹하여 상이한 표면이 코팅되게 할 수 있다. 또한, 상이한 표면들을 상이한 평균 침투 깊이로 코팅하거나, 심지어 상이한 중합체 코팅으로 코팅할 수 있다.
스프레이 소스들, 코팅 조성물의 양, 코팅 조성물의 점도 및 다른 인자들이 중합체 코팅의 다양한 양상을 제어하도록 조절될 수 있다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다. 예를 들어, 코팅 조성물의 증가된 양은 일반적으로 무기 단열 재료의 표면 상의 중합체 코팅의 평균 두께를 증가시킨다. 코팅 조성물의 점도를 증가시키는 것은 무기 단열 재료 내로의 중합체 코팅의 침투 깊이를 감소시킬 수 있다. 경화 시간과 온도는 조절될 수 있다.
일부 변형예들에서, 천, 유리 섬유 또는 플라스틱 덮개가 중합체 코팅된 절연체 위에 배치될 수 있다. 중합체 코팅된 절연체에 (예컨대, 진공 밀봉에 의해) 단단히 고정될 수 있다. 밀봉을 허용하기 위해 이음매들에 추가 피복 재료가 사용될 수 있다.
일부 변형예들에서, 중합체 코팅은 무기 단열 재료에 대한 수분 장벽으로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 물 불투과성(water impermeable) 중합체 코팅이 사용될 수 있다. 이로써 물 불투과성 중합체 코팅은 무기 단열 재료로부터 물을 밀어낼 수 있다. 무기 무기 단열 재료 재료들이 물 민감성 또는 수용성인 경우, 중합체 코팅은 물이 물 민감성인 무기 단열 재료에 진입하는 것을 억제할 수 있다.
일부 추가의 변형예들에서, 중합체 코팅은 취성(brittle) 절연체 재료 또는 부서지기 쉬운(friable) 절연체 재료와 같은 다른 절연체 재료 상에 배치될 수 있다. 중합체 코팅은 무기 단열 재료에 대해 본 명세서에 기술된 다른 절연체 상에 배치될 수 있다. 절연체는 배터리 응용들에 제한되지 않고 임의의 응용에 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 또한, 무기 단열 재료 및 다른 컴포넌트들은 본 발명에 기술된 임의의 무기 단열 재료일 수 있음을 인식할 것이다.
III. 섬유질 재료
다양한 양태들에서, 절연체는 섬유질 재료를 포함할 수 있다. 다양한 양태들에서, 섬유질 재료는 유리 섬유, 세라믹 섬유, 실리카 섬유, 탄화규소 섬유, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브 및 당업계에 공지된 다른 섬유질 재료를 포함할 수 있다. 섬유질 재료는 무기 단열 재료와 연관될 수 있다. 대안적으로, 섬유질 재료는 제형 중에 불투명체(아래에 기술됨)와 연관될 수 있다. 특정 메카니즘 또는 작용 방식을 고수하기를 바라지 않으면서, 섬유질 재료는 무기 단열 재료에 기계적 강도를 부여할 수 있다.
일부 실시예들에서, 불투명체는 섬유질 재료를 포함할 수 있다. 이들 실시예들에서, 섬유질 재료는 방사성 열전달을 감소시킬 수 있다. 섬유질 재료는 또한 절연체에 기계적 강도를 부여할 수 있다. 섬유질 재료의 비제한적인 예들로는 탄화규소 섬유, 탄소 섬유 및 탄소 나노튜브가 포함된다. 다른 섬유질 재료가 가능하다.
IV. 불투명체
다양한 양태들에서, 불투명체는 근적외선 내지 장파 적외선 파장(즉, 약 0.7 내지 15 μm)에서 전자기 방사선을 흡수 또는 산란시켜 절연체가 복사열의 전파를 방해하게 한다. 불투명체는 250℃ 초과의 온도에서 1×104 m-1 초과의 평균 소광 계수를 가질 수 있다.
예로서, 단열 재료는 방사성 열전달을 감소시키기 위해 탄소질의 불투명체와 혼합될 수 있고, 이에 제한되지 않는다. 본 명세서에 기술된 임의의 무기 단열 재료들을 포함하여 임의의 단열 재료가 사용될 수 있다. 이와 같이 절연체는 약 100℃ 초과의 온도에서 방사성 열전달의 감소를 겪을 수 있다. 열전도도의 대응되는 감소는 100℃에서 0.01 W/(m·K)를 초과할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 탄소질 불투명체는 산소가 탄소질 불투명체와 접촉하는 것을 방지하기 위해 내화성 재료로 코팅되고 이에 의해, 탄소질 재료의 산화를 억제한다.
일부 변형예들에서, 불투명체는 흑연과 같은 탄소질 재료이다. 탄소질 재료는 SiC, TiO2, 또는 Al2O3과 같이, 적외선 영역에서 다른 불투명체보다 단위 질량 당 한 자릿수 더 높은 소광 계수를 가질 수 있다. 탄소질 재료를 사용하면 절연체의 열전도도를 개선시킬 수 있다. 예를 들어, SiC 대신 흑연을 사용하면 800℃에서 열전도도를 50%까지 감소시킬 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
일부 변형예들에서, 탄소질 재료는 적어도 80%의 탄소를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 탄소질 재료는 적어도 85%의 탄소를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 탄소질 재료는 적어도 90%의 탄소를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 탄소질 재료는 적어도 95%의 탄소를 포함할 수 있다.
추가의 변형예들에서, 예시로서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 적어도 20 nm의 평균 입자 크기를 가질 수 있고, 이에 제한되지 않는다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 적어도 50 nm의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 적어도 100 nm의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 적어도 200 nm의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 적어도 500 nm의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 적어도 1 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 적어도 5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 적어도 10 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 적어도 15 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
추가의 변형예들에서, 예시로서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 20 마이크로미터 이하의 평균 입자를 가질 수 있고, 이에 제한되지 않는다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 15 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 10 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 5 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 1 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 500 nm 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 200 nm 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 100 nm 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 50 nm 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 탄소질 재료는 임의의 한 치수로 20 nm 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
일부 변형예들에서, 불투명체는 탄소질 재료를 포함한다. 탄소질 재료는 탄소 산화 온도에서 탄소질 재료의 산화를 억제하기 위해 내화 재료로 코팅될 수 있다. 내화 재료가 없는 경우, 탄소 산화 온도는 400℃ 초과일 수 있다. 내화 재료로 코팅된 경우, 탄소 산화 온도는 600℃ 초과일 수 있다. 내화 재료로 코팅된 경우, 탄소 산화 온도는 800℃ 초과일 수 있다. 내화 재료로 코팅된 경우, 탄소 산화 온도는 1000℃ 초과일 수 있다. 일부 변형예들에서, 내화 코팅된 탄소 산화 온도는 600℃ 내지 1200℃ 또는 더 높을 수 있다. 탄소질 재료는 흑연, 카본 블랙, 탄소 나노튜브 또는 그래핀일 수 있다.
일부 변형예들에서, 내화 코팅은 탄소질 재료에 공유 결합된다. 특정 메카니즘 또는 작용 방식에 제한되기를 바라지 않으면서, 탄소질 재료는 개질되어 작용기(예컨대, 산소 함유 작용기)를 형성할 수 있다. 작용기는 내화 재료에 공유 결합될 수 있다.
절연체는 단열 재료 및 내화 코팅된 탄소질 불투명체를 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 단열 재료는 본 명세서에 개시된 무기 단열 재료를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 당업계에 개시된 임의의 단열 재료들일 수 있다. 내화 코팅된 탄소 불투명체는 절연체 내로 혼입될 필요가 없거나, 절연체와 독립적으로 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 본 명세서에 기술된 불투명체는 본 명세서에 기술된 절연체가 없는 경우에도 사용될 수 있음이 또한 인식될 것이다.
일부 변형예들에서, 절연체는 50 중량% 이하의 불투명체를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 절연체는 40 중량% 이하의 불투명체를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 절연체는 30 중량% 이하의 불투명체를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 절연체는 20 중량% 이하의 불투명체를 포함할 수 있다. 일부 변형예들에서, 절연체는 10 중량% 이하의 불투명체를 포함할 수 있다.
일부 경우들에서, 탄소질 재료는 높은 종횡비를 가지며, 이는 방사선 흡수를 증가시키고 절연체에 기계적 강도를 제공할 수 있다. 종횡비는 5:1 초과일 수 있다(예컨대, 막대 모양의 탄소체). 또한 일부 경우들에서, 종횡비는 10:1 초과이다. 일부 경우들에서, 종횡비는 15:1 초과이다. 일부 경우들에서, 종횡비는 20:1 초과이다. 일부 경우들에서, 종횡비는 100:1 초과이다. 일부 경우들에서, 종횡비는 250:1 초과이다. 일부 경우들에서, 종횡비는 100:1 초과이다. 일부 경우들에서, 종횡비는 500:1 초과이다. 일부 경우들에서, 종횡비는 750:1 초과이다. 일부 경우들에서, 종횡비는 100:1 초과이다. 일부 경우들에서, 종횡비는 1000:1 초과이다. 일부 경우들에서, 종횡비는 2000:1 초과이다.
일부 실시예들에서, 적외선 흡수 재료는 높은 인장 강도를 갖는 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다. 이들 실시예들에서, 탄소 나노튜브의 표면은 열전도도를 감소시키기 위해 산화되었다. 탄소 나노튜브는 열전도도를 낮추기 위해 특정한 키랄성, 특정 수의 벽들, 또는 둘 모두로 선택될 수 있다.
일부 실시예들에서, 절연체는 적외선 흡수 입자 사이의 접촉을 통한 열전도를 완화시키기 위해 무기 단열 재료(예컨대, SiO2, Al2O3 등)로 코팅된 적외선 흡수 재료(예컨대, 탄소질 재료)를 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, Al2O3 코팅된 탄소 불투명체는 원자층 증착에 의해 제조된다. 비코팅된 탄소는 180℃에서 건조시켰다. 50℃에서 6회 사이클의 ALD 알루미나를 유동화 탄소 상에 코팅하였다. 이어서, 유동화된 탄소를 180℃로 다시 상승시켜 건조시켰다. 16회의 추가 사이클의 ALD 알루미나를 총 22회의 코팅 사이클 동안 기판 상에 코팅하였다.
일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들(즉, 절연체 내의 무기 단열 재료, 섬유질 재료, 불투명체 및 임의의 다른 고체 성분들의 총합)의 0.05 중량% 초과이다. 일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들의 0.25 중량% 초과이다. 일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들의 0.50 중량% 초과이다. 일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들의 0.75 중량% 초과이다. 일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들의 1.0 중량% 초과이다. 일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들의 2.5 중량% 초과이다. 일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들의 3.0 중량% 초과이다. 일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들의 3.5 중량% 초과이다. 일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들의 4.0 중량% 초과이다. 일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들의 4.5 중량% 초과이다. 일부 변형예들에서, 불투명체는 절연체 내의 고체 성분들의 5.0 중량% 초과이다.
또 다른 예에서, 흄드 실리카:탄소 불투명체:실리카 섬유를 80.8:3:16.2의 중량 비율로 하여 절연체를 제조하였다. 흄드 실리카는 무기 단열 재료였고, 코팅된 탄소는 불투명체 재료였으며, 실리카 섬유는 섬유질 재료였다. 혼합물을 표준 미세다공성 단열재보다 더 많이 총 35분 동안 혼합하였다.
불투명체 기능성을 위해, 절연체는 탄소질 재료에 추가하여 또는 그 대신의 재료를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시예들에서, 절연체는 산화철 티타늄(예컨대, FeTiO3)을 포함한다. 산화철 티타늄은 절연체에 불투명체 효과를 발생시키는 적외선 흡수 재료로서 기능할 수 있다. 무기 단열 재료와 관련하여, 산화철 티타늄의 존재는 블렌딩된 재료의 벌크 열전도도를 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 절연체는 높은 종횡비를 갖는 적외선 흡수 재료(예컨대, 막대 또는 플레이트)를 포함한다. 이들 실시예들에서, 높은 종횡비는 절연체가 회전타원체(spheroidal) 입자 단독에 비해 더 높은 유효 적외선 흡수를 나타낼 수 있게 한다. 이러한 재료의 비제한적인 예들은 금속 재료, 탄화규소 재료 및 산화티타늄 재료를 포함한다. 금속 산화물, 탄화물, 붕화물 또는 내화 금속을 포함하여 다른 재료가 가능하다. 이러한 재료는 섬유, 막대 및 플레이트와 같은 다양한 형태를 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에서, 불투명체 재료는 금속 플레이크를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 금속 플레이크는 절연체 내에서 우선적 배향으로 혼입될 수 있다. 예를 들어, 금속 플레이크의 얇은 치수는 절연체의 평면에 수직으로(예컨대, 시트 형태로), 이에 의해 낮은 평면-관통 전도도 및 높은 평면-내 전도도를 제공할 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
하나의 양태에서, 본 발명은 에어로겔 입자 및 복수의 코팅된 탄소 입자를 포함하는 절연 조성물에 관한 것이다. 다양한 양태들에서, 코팅된 탄소 입자는 에어로겔 입자 내에 분포된다.
각각의 코팅된 탄소 입자는 탄소질 재료 상에 배치된 내화 재료를 포함한다. 탄소 입자는 적외선을 흡수함으로써 불투명체로 작용한다. 탄소 입자는 흑연, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그래핀 및 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 당업계에 공지된 임의의 유형의 탄소 입자를 포함할 수 있다. 탄소 입자 상에 배치된 내화 재료는 내열성일 수 있으며, 주변 환경으로부터 탄소 입자를 차폐할 수 있다. 특정 메카니즘 또는 작용 방식을 고수하기를 바라지 않으면서, 내화 재료는 고온(예컨대, 500℃ 이상)에서 탄소 입자의 산화를 억제한다. 이와 같이, 코팅된 탄소 입자는 주위 온도 및 고온 모두에서 불투명체로서 작용한다.
다양한 양태들에서, 내화 재료는 실리카, 알루미나, 티타니아, 니켈, 질화붕소, 지르코니아 및 AlF3과 같은 재료를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 일부 양태들에서, 내화 재료는 단일 재료를 포함할 수 있다. 다른 양태들에서, 코팅층은 다수의 재료를 포함할 수 있다. 또한, 코팅된 탄소 입자는 다수의 내화 재료를 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 일부 변형예들에서, 코팅된 탄소 입자는 분말 형태일 수 있다.
코팅된 탄소 입자는 당업자에게 공지된 공정들을 사용하여 제조될 수 있다. 탄소 입자의 표면 상에 코팅층을 배치하는 비제한적인 공정들은 원자층 증착, 화학 증착 및 현탁액으로부터의 용액-코팅을 포함한다.
절연 조성물은 배터리 셀들 사이의 절연체로 사용될 수 있다. 다양한 비제한적인 실시예들에서, 에어로겔-코팅된 탄소 절연 조성물은 본 명세서에 기술된 바와 같이, 절연체와 동일한 방식으로 배터리 셀의 절연체로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 조성물은 멀티-셀 배터리 팩의 개개의 배터리 셀들의 열 분리 또는 격리에서 절연체로 사용될 수 있다.
전술한 설명은, 설명의 목적을 위해, 기술된 실시예들의 충분한 이해를 제공하기 위해 특정 명명법을 사용하였다. 그러나, 특정 상세사항들은 기술된 실시예들을 실시하는 데 필수적인 것은 아니라는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서에 기술된 특정 실시예들의 전술한 설명들은 예시 및 설명의 목적을 위해 제시된다. 이들은 총망라하고자 하거나 실시예들을 개시된 정확한 형태들로 제한하려고 하는 것은 아니다. 많은 수정들 및 변형들이 상기 교시 내용들에 비추어 가능하다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (121)

  1. 장치로서,
    제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀; 및
    상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀 사이에 배치된 절연체
    를 포함하고,
    상기 절연체는,
    다공성 구조를 갖는 무기 단열 재료; 및
    상기 다공성 구조 내에 배치되는, 휘발 온도에서 휘발하는 바인더를 포함하며,
    상기 절연체는 적어도 10 부피%의 바인더를 포함하고,
    상기 바인더의 휘발 후 상기 절연체의 열전도도는 25℃에서 0.05 W/m·K 미만이고,
    상기 절연체의 열전도도는 상기 바인더의 휘발 전에 25℃에서 0.1 W/m·K 초과인, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 구조는 500 nm 미만의 평균 기공 직경을 갖는, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 무기 단열 재료는 서로 접촉하게 배치되어 상기 다공성 구조를 한정하는 단열 나노입자를 포함하는, 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단열 나노입자는 100 nm 미만의 평균 입자 크기를 갖는, 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 무기 단열 재료는 실리카, 탄소, 지르코니아, 티타니아 및 세라믹으로부터 선택되는, 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 바인더는 폴리알킬 카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르, 폴리아릴 카보네이트, 폴리올, 폴리테트라플루오로펜틸렌(PTFE), 폴리비닐 알코올, 리그노설포네이트, 메틸셀룰로오스, 파라핀, 실리콘, 유기-실란, 전분, 덱스트린 및 왁스 에멀젼으로부터 선택된 재료인, 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 바인더는 폴리프로필렌 카보네이트, 폴리에틸렌 카보네이트 및 폴리헥산 카보네이트로부터 선택되는, 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 바인더는 1 기압에서 500℃ 이하의 휘발 온도를 갖는, 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 무기 단열 재료와 접촉하는 섬유질 재료를 더 포함하는, 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄화규소, 티타니아 또는 탄소질 재료로부터 선택된 불투명체(opacifier)를 더 포함하는, 장치.
  11. 장치로서,
    제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀; 및
    상기 제1 배터리 셀과 상기 제2 배터리 셀 사이에 배치된 중합체 코팅된 절연체
    를 포함하고,
    상기 중합체 코팅된 절연체는,
    무기 단열 재료; 및
    상기 무기 단열 재료의 표면 상에 배치되고 상기 무기 단열 재료 내로 적어도 평균 10 마이크로미터 침투하는 중합체 코팅을 포함하며,
    상기 절연체의 열전도도는 25℃에서 0.05 W/m·K 미만인, 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 무기 단열 재료는 서로 접촉하게 배치되어 500 nm 미만의 평균 기공 직경(mean pore diameter)을 갖는 다공성 구조를 한정하는 단열 나노입자를 포함하는, 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 무기 단열 재료는 실리카, 탄소, 지르코니아, 티타니아 및 세라믹으로부터 선택되는, 장치.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 무기 단열 재료는 흄드(fumed) 실리카 또는 실리카 에어로겔을 포함하는 세라믹 나노입자를 포함하는, 장치.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 무기 단열 재료는 상기 절연체의 적어도 5 부피%인, 장치.
  16. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 중합체 코팅은 300 마이크로미터 이하의 두께를 갖는, 장치.
  17. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 중합체 코팅은 폴리우레탄, 에폭시, 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르 및 폴리이미드로부터 선택되는 재료인, 장치.
  18. 제11항 또는 제12항에 있어서, 250℃ 초과의 온도에서 1x104 m-1 초과의 평균 소광 계수(mean extinction coefficient)를 갖는 불투명체를 포함하는, 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 불투명체는 탄화규소, 티타니아 또는 탄소질 재료를 포함하는, 장치.
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