KR20190035580A - 열 폭주 완화 배터리 하우징 - Google Patents

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Abstract

배터리는 트레이 내로 통기 통로를 갖는 배터리 챔버에 수용된다. 트레이는 난연성 분말로 충전되고, 다수의 구멍을 갖는 뚜껑으로 폐쇄되어 있다. 배터리가 열 폭주하는 경우, 결과적인 증가되는 압력은 트레이로부터 난연성 분말을 방출하여 하우징 외부에 내화성 분말의 클라우드를 형성한다.

Description

열 폭주 지연 배터리 하우징{THERMAL RUNAWAY RETARDING BATTERY HOUSING}
본 발명은 수용된 배터리의 열 폭주의 영향을 제한하도록 설계된 배터리 하우징에 관련된다.
배터리는 오랫동안 모바일 전원으로 사용되어 왔다. 최근에는 발전으로 인해 일차(재충전 불가능) 및 이차(재충전 가능) 배터리의 전력 밀도가 향상되었다. 예를 들어, 일차 리튬 배터리의 전력 밀도는 4.32 MJ/L에 달하는 반면에, 이차 리튬 이온 배터리의 전력 밀도는 2.63 MJ/L에 달한다. 그 결과, 리튬 배터리 및 리튬 이온 배터리의 사용은 가전 제품, 의료 기기, 산업 장비, 및 하이브리드/전기 자동차를 포함하는 다양한 적용 분야에서 널리 보급되고 있다.
그러나 많은 배터리, 특히 리튬 및 리튬 이온 배터리는 열 폭주에 취약하며, 열 폭주 중에는 열 및 가스가 배터리로부터 급속 방전되고 화재 위험이 발생한다. 열 폭주는 제조 결함, 열 축적, 내부 단락 또는 외부 충격 또는 외상에 의해 초래될 수 있다. 또한, 단일 배터리의 열 폭주가 인접한 배터리의 열 폭주를 촉발할 수 있으며, 그로인해 위험한 연쇄 반응을 초래할 수 있다.
배터리에 내화 코팅을 도포하거나 배터리를 내화 벽에 봉입시키는 것이 공지되어 있다. 그러나, 내화 코팅이나 내화 벽은 열 폭주가 밀접하게 유지되는 다른 배터리의 추가 열 폭주를 초래하지 못하게 하기에 충분한 단열을 제공하지 못한다. 사실, 운모와 같은, 코팅 또는 벽에 사용되는 일부 내화 재료는 비교적 높은 열전도율을 갖는다. 배터리에 팽창성 코팅을 도포하는 것도 공지되어 있다. 그러나, 팽창성 코팅은 통상적으로 전술한 결점을 극복하기에 충분한 층 두께로 도포될 수 없다. 어떤 경우에도, 코팅을 도포하는 것은 추가 제조 단계를 도입한다. 또한, 코팅의 기능은 스크래칭 또는 박리에 의해 손상될 수 있다.
배터리의 열 폭주의 영향을 제한하기 위해, 배터리용 하우징은 배터리가 열 폭주하는 경우에 방출되는 난연성 분말을 보유하는 챔버를 갖는다.
일 양태에서는, 배터리 하우징으로서, 제 1 하우징 부분; 상기 제 1 하우징 부분과 교합 가능한 제 2 하우징 부분; 및 분말을 저장하기 위한 분말 챔버를 포함하고, 상기 분말 챔버는 복수의 개구를 가지며; 상기 제 1 하우징 부분과 상기 제 2 하우징 부분은 교합될 때, 하나 이상의 배터리를 보유하도록 치수화된 배터리 챔버; 및 상기 배터리 챔버로부터 상기 분말 챔버로의 배출 통로를 제공하고, 상기 분말 챔버는 상기 배터리 챔버 내의 배터리가 열 폭주하는 경우에 저장된 분말을 상기 배터리 하우징 밖으로 방출하는, 배터리 하우징이 제공된다.
다른 양태에서는, 배터리의 열 폭주를 지연시키는 방법으로서, 트레이 내로의 배출 통로를 갖는 배터리 챔버 내에 상기 배터리를 수용하는 것; 상기 트레이를 난연성 분말로 충전하는 것; 상기 하우징의 외부에 분말 구름을 형성하기 위해 상기 배터리의 열 폭주에 기인하는 증가된 압력의 경우에 상기 난연성 분말의 방출을 가능하게 하는 복수의 구멍을 갖는 뚜껑으로 상기 트레이를 폐쇄하는 것을 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 배터리가 열 폭주하는 경우에 방출되는 난연성 분말을 보유하는 챔버를 배터리 하우징에 제공함으로써, 배터리의 열 폭주의 영향을 제한할 수 있다.
하기 설명과 함께 도면으로부터 다른 특징들이 명백해질 것이다.
예시적 실시예를 도시하는 도면에서,
도 1a는 배터리를 보유하도록 구성된 배터리 하우징의 분해 사시도이고;
도 1b는 도 1a의 배터리 하우징의 분해 단면도이며;
도 2는 도 1a의 배터리 하우징의 단면도로서, 그 뚜껑과 보디가 교합된 상태의 도시도이고;
도 2a는 제 2 실시예에 따른 배터리 하우징의 단면도이며;
도 3은 복수의 배터리를 수용하도록 구성된 배터리 하우징의 분해 사시도이고;
도 4는 도 3의 배터리 하우징의 뚜껑의 저면도이며;
도 5는 대체 실시예에 따른, 복수의 배터리를 수용하도록 구성된 배터리 하우징의 분해 사시도이고;
도 6은 도 5의 배터리 하우징의 뚜껑의 부분 저면도이며;
도 7은 도 5의 배터리 하우징의 부분 단면도로서, 그 뚜껑과 보디가 교합된 상태의 도시도이고;
도 8은 도 3의 케이싱 및 복수의 배터리 하우징의 분해 사시도이며;
도 9a는 7개의 배터리를 수용하도록 구성된 배터리 하우징 보디의 평면도이고;
도 9b는 도 9a의 배터리 하우징 보디의 측면도이며;
도 10a는 도 9a의 배터리 하우징 보디와 교합될 수 있는 배터리 하우징 뚜껑의 저면도이고;
도 10b는 도 10a의 배터리 하우징 뚜껑의 측면도이며;
도 11은 도 9a의 배터리 하우징 보디의 평면도이고;
도 12는 배터리 하우징의 다른 실시예의 평면 사시도이며;
도 13은 도 12의 배터리 하우징의 분해 평면 사시도이고;
도 14는 도 12의 배터리 하우징의 분해 저면 사시도이며;
도 15는 작동 중인 도 12의 배터리 하우징의 평면 사시도이고;
도 16은 측면 통기구를 갖는 배터리 하우징 보디의 평면 사시도이다.
도 1a 및 도 1b는 배터리(104)를 보유하도록 구성된 배터리 하우징(100)을 도시한다. 하우징(100)은 보디(105) 및 제거 가능한 뚜껑(101)을 갖는다. 보디(105)는 평탄한 바닥(110) 및 배터리(104)를 수용하기 위한 공동(106)을 형성하는 실질적으로 원통형인 측벽(112)을 갖는다. 뚜껑(101)이 보디(105)에 교합될 때, 뚜껑(101)은 공동(106)에 수용된 배터리를 실질적으로 둘러싸는 챔버(108)를 형성하기 위해 공동(106)을 커버한다. 도시된 바와 같이, 배터리(104)는 종래의 리튬 또는 리튬 이온 포맷 18650 배터리이다. 챔버(108)는 실질적으로 원통형의 형상이며, 하나의 포맷 18650 배터리에 끼워맞춰지도록 크기를 갖는다.
바닥(110), 원통형 측벽(112) 및 뚜껑(101)은 이하에서 상세히 설명되는 팽창성 난연제(intumescent flame retardant: IFR) 재료로 제조된다. 이 IFR 재료는 배터리(104)가 열 폭주하는 경우에 팽창하여 배터리(104)를 챔버(108) 내에 매장하고 열 폭주가 다른 배터리로 확산되는 것을 방지한다.
도시된 바와 같이, 바닥(110), 측벽(112) 및 뚜껑(101)은 약 6.5 mm 두께이다. 다른 실시예에서, 이 두께는 약 0.5 mm 내지 50 mm 일 수 있다. 명백하게 되듯이, 바닥(110), 측벽(112) 및 뚜껑(101)은 열 폭주의 경우에 충분한 구조적 완결성 및 단열을 제공하는 두께를 갖도록 형성된다. 따라서, 바닥(110), 측벽(112) 및 뚜껑(101)의 두께는 뚜껑(101) 및 보디(105)를 형성하는 재료(들)에 종속된다. 이러한 재료는 이하에서 보다 상세히 설명된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 뚜껑(101)은 배터리(104)가 열 폭주하는 경우에 가스, 열 및 압력을 배출하기 위한 세 개의 관통-구멍(103)을 구비한다. 각각의 관통-구멍(103)은 챔버(108)와 하우징(100)의 외부 사이에서 연장되는 배출 통로를 제공한다. 이하에서 상세히 설명되듯이, 관통-구멍(103)은 배터리(104)가 열 폭주하는 경우에 자체-밀봉된다. 경우에 따라서, 각각의 배출 통로는 차단체(도시되지 않음)에 의해 차단되어 막힌-구멍(blind-hole)을 형성할 수 있다. 다른 실시예와 관련하여 이하에서 보다 상세하게 설명되는 이러한 차단체는 열 폭주 중에 챔버(108)에 생성되는 압력에 노출될 때 파괴되어 막힌-구멍을 관통-구멍으로 전환시킨다.
하우징(100)은 챔버(108) 내에 보유될 때 배터리(104)에 대한 전기적 연결을 가능하게 하는 두 개의 커넥터(102)를 구비한다. 따라서, 하우징(100)은 배터리(104)의 작동(예를 들어, 충전 또는 방전) 중에 배터리(104)를 유지하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 커넥터(102)는 하우징(100)을 통해서, 예를 들어 바닥(110) 또는 뚜껑(101)(도 1b)을 통해서 연장되는 전도체를 구비한다. 각각의 전도체의 일 단부는 챔버(108) 내에 보유될 때 배터리(104)의 대응 전극과 접촉하도록 배치되고, 각각의 전도체의 다른 단부는 하우징(100) 외부의 접촉부를 제공하도록 배치된다. 커넥터(102)는 뚜껑(101) 또는 보디(105)에 전도체(예를 들어, 금속 플러그)를 매립하기 위해 인서트 사출 성형 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
뚜껑(101)은 배터리(104)가 열 폭주하는 경우에 열/화재를 챔버(108) 내에 유지하기 위해 보디(105)에 확고하게 체결될 수 있다. 이를 위해, 도시된 실시예에서, 보디(105)의 상단부에는 뚜껑(101)의 상보적 나사산(107)과 결합하도록 구성된 내부 나사산(120)이 구비된다. 나사산(120, 107)은 뚜껑(101)이 보디(105)의 상단부에 확실히 나사결합될 수 있게 한다. 다른 실시예에서, 뚜껑(101)은 다른 방법으로, 예를 들어 클립, 자석, 나사, 볼트 등에 의해 보디(105)에 고정될 수 있다.
언급했듯이, 보디(105) 및 뚜껑(101)은 하나 이상의 IFR 폴리머 복합체를 구비하는 IFR 재료를 사용하여 제조된다. 적합한 IFR 폴리머 복합체는 기본 폴리머, 난연제 및 발포제를 구비할 수 있다. PVC, CPVC, 할로겐화 폴리에틸렌 네오프렌 및 페놀 수지와 같은 기본 폴리머가 본질적으로 난연성이면, 복합체에서 난연제가 생략될 수 있다. 복합체의 난연성을 향상시키기 위해 안티몬 산화물 및/또는 아연 붕산염과 같은 상승제가 추가될 수 있다. 탄화를 촉진하고 수율(즉, 팽창후 최종 체적)을 증가시키며, 그로 인해 복합체의 난연성 및 단열을 향상시키기 위해 차르(char)-형성제가 첨가될 수 있다. 경우에 따라서, 연기 억제제, 안료 및 상용화제와 같은 다른 성분이 첨가될 수도 있다.
적합한 발포제로는 팽창성 흑연, 팽창성 알칼리 금속 수화 실리케이트, 및 그 내용이 본 명세서에 참조로 원용되는 미국 특허 제6,645,278호에 기재된 것과 같은 다른 성분을 특정 양 구비하는 팽창성 알칼리 금속 수화 실리케이트가 포함되지만 이것에 한정되지는 않는다. 적합한 발포제의 팽창시작 온도(start expansion temperature: SET)는 130℃ 내지 300℃ 사이에서 변경될 수 있다. 발포제로서 팽창성 흑연이 사용될 때는, 단락을 방지하기 위해 챔버(108)의 표면과 챔버(108) 내에 보유되는 임의의 배터리의 전극 사이에 전기-절연성 패드가 배치되어야 한다. 통상의 기술자에게는 다른 적합한 발포제 또한 명백할 것이다. 복합체 중의 발포제는 일반적으로 약 1 중량%(wt%) 내지 약 70 중량%의 양으로 사용된다.
적합한 난연제로는 폴리머 할로겐, 모노머 할로겐, 알루미나 3수화물, 마그네슘 2-수산화물, 운모, 활석, 탄산칼슘, 하이드록시카보네이트, 인 화합물, 적린, 붕산염 화합물, 황 화합물, 질소 화합물, 실리카 및/또는 다양한 금속 산화물이 포함되지만 이것에 한정되지는 않는다. 통상의 기술자에게는 다른 적합한 난연제 또한 명백할 것이다. 복합체 중의 난연제 농도는 일반적으로 5 wt% 내지 55 wt%이다.
적합한 기본 폴리머로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, ABS, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, EVA와 같은 열가소성 플라스틱, 열경화성 플라스틱, 및 에폭시, 네오프렌, 가교-결합된 폴리에틸렌, 실리콘, NBR, 열가소성 엘라스토머 또는 이상의 혼합물과 같은 엘라스토머가 포함되지만, 이것에 한정되지는 않는다. 통상의 기술자에게는 다른 적합한 기본 폴리머가 명백할 것이다.
전술한 다양한 성분의 혼합물이 복합체로 합성될 수 있다. 이 복합체는 이후 사출 성형, 인서트 사출 성형, 압출, 압축 성형, 발포 성형, 트랜스퍼 성형, 캘린더링, 회전 성형, 열 성형 등과 같은 공지된 폴리머 가공 방법에 의해 소망 기하구조로 형성될 수 있다. 기본 폴리머의 융점은 복합체 내의 발포제의 SET보다 낮아야 한다. 기본 폴리머의 융점과 발포제의 SET 사이의 온도는 복합체용 가공 윈도우이다. 1.2 내지 400의 팽창비를 갖도록 형성된 IFR 폴리머 복합체가 적합하다.
배터리(104)의 열 폭주 도중에, 다량의 열이 신속하게 발생된다. 이는 배터리(104)의 부분들의 온도를 현저하게 상승시킨다. 일부 경우에는, 열 폭주 도중에, 배터리(104) 내의 온도가 약 900℃까지 증가할 수 있으며, 국소 핫 스폿(hot spot)은 1500℃까지 도달한다. 동시에, 열 폭주는 큰 체적의 가스를 발생시킨다.
배터리(104)는 보통 그 캡 조립체 내에 배출 기구를 구비한다. 이 배출 기구는 열 폭주에 의해 생성된 가압 가스를 배출할 수 있고, 배터리(104)의 내부 가스 압력을 조절할 수 있다.
불행히도, 배터리(104)의 배출 기구는 열 폭주에 의해 발생되는 열 위험을 해소하지 못한다. 특히, 열 폭주에 의해 발생되는 국소 핫 스폿은 배터리(104)의 외벽에 구멍을 낼 수 있고 열/화재가 확산되게 할 수 있다. 그러나, 이하에서 상세히 설명되듯이, 하우징(100)은 배터리(104)의 열 폭주에 반응하여 팽창하여 배터리(104)를 챔버(108) 내에 매장하고 열/화재의 확산을 방지한다.
특히, 배터리(104)가 열 폭주하는 경우에, 배터리(104)의 배출 기구는 가스, 열 및 압력을 챔버(108) 내로 배출한다. 챔버(108) 내에 축적되는 열은 그 표면[즉, 보디(105)와 뚜껑(101)의 내표면]의 온도가 크게 상승되게 한다. 이러한 표면의 온도가 보디(105) 또는 뚜껑(101)의 IFR 폴리머 복합체(들) 내의 발포제의 SET에 도달하면, 보디(105) 또는 뚜껑(101)은 팽창하고 탄화될 것이다. 보디(105)와 뚜껑(101)의 IFR 재료의 팽창비는 팽창 차르가 챔버(108) 내의 일체의 공간을 차지하여 가스를 관통-구멍(103)을 거쳐서 챔버(108) 밖으로 몰아내기에 충분하다. 가스를 챔버(108)로부터 몰아내는 것은 일체의 발전하는 화재를 신속하게 진압한다. 추가로, 뚜껑(101)/보디(105)의 IFR 폴리머 복합체 재료의 흡열 팽창 반응도 팽창 중에 다량의 열을 흡수할 것이다.
가스가 챔버(108)로부터 몰려난 후에, 전술한 팽창비는 팽창된 차르가 관통-구멍(103)을 밀봉하고, 그로인해 배터리(104)를 챔버(108) 내에 매장하여 "데드 셀(dead cell)"을 형성하게 하기에 충분하다.
챔버(108) 내의 일체의 발전하는 화재를 신속하게 진압하는 것은 팽창 반응의 흡열 특성과 같이 열 폭주의 열 발생을 완화시킨다. 또한, 보디(105)/뚜껑(101)의 탄화는 챔버(108) 주위의 단열을 향상시킨다. 이들 메커니즘의 각각은 챔버(108)로부터 예를 들어 임의의 인접한 배터리로 전도되는 열을 최소화하고, 배터리(104)의 열 폭주가 인접한 배터리의 열 폭주를 유도하지 못하게 한다. 따라서 연쇄 반응이 회피된다.
편리하게, 다수의 배터리가 각각의 하우징(100) 내에 안전하게 근접하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 다수의 배터리는 배터리의 보관, 운송 또는 작동 사용 중에 배터리 팩/모듈을 형성하기 위해 근접하여 구성될 수 있다.
도 2a는 하우징(100')의 보디(105')의 측벽(112')이 외향 부분(112A') 및 내향 부분(112B')을 갖는 수정된 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 보디(105')의 측벽의 내향 부분(112B')만이 IFR 재료로 제조된다. 보디(105')와 뚜껑(101')의 잔여부는 금속과 같은 다른 재료로 제조된다. 측벽의 내향 부분(112B')은 측벽의 외향 부분(112B')과 일체이거나 그로부터 분리 가능한 라이너일 수 있다. 라이너가 분리 가능한 경우에, 이는 IFR 발포체와 같은, 가요성을 갖는 IFR 재료로 제조될 수 있으며, 따라서 라이너는 배터리(104) 주위에 래핑될 수 있고 이후 라이너 및 배터리가 하우징(100')의 공동(106')에 삽입될 수 있다. 어느 경우에나, 라이너의 IFR 재료는 챔버 내에 보유된 배터리가 열 폭주하는 경우에 배터리 챔버로부터 가스를 몰아내고 배터리 챔버를 밀봉하기에 충분한 팽창비를 갖도록 선택된다.
도 3은 다른 실시예의 예시적인 배터리 하우징(200)을 도시한다. 배터리 하우징(100)은 하나의 배터리를 보유하도록 구성되는 반면에, 배터리 하우징(200)은 복수의 배터리를 보유하도록 구성된다. 특히, 도시된 바와 같이, 배터리 하우징(200)은 49개 까지의 포맷 18650 배터리[예를 들어, 배터리(204)]를 보유하도록 구성된다.
하우징(200)은 보디(205)와 제거 가능한 뚜껑(201)을 갖는다. 보디(205)는 실질적으로 정사각형이며 격자형으로 배열된 49개의 공동(206)을 구비하고, 각각의 공동은 배터리(204) 중 하나를 수용하기 위한 것이다. 물론, 다른 실시예에서, 보디(205)는 더 많은 개수 또는 더 적은 개수의 공동을 구비할 수 있으며, 격자 형상은 변경될 수 있다. 각각의 공동(206)은 인접한 공동으로부터 대략 6.5 mm의 거리만큼 이격된다. 보디(205)의 둘레 주위의 공동(206)은 보디(205)의 둘레로부터 대략 6.5 mm의 거리만큼 이격된다.
도 4를 도 3과 함께 참조하면, 제거 가능한 뚜껑(201)은 실질적으로 평탄하다. 그러나, 제거 가능한 뚜껑(201)의 바닥은 원형 립(lip)(214)의 어레이를 가지며, 각각의 원형 립은 뚜껑(201)이 보디(205)에 교합될 때 하나의 공동(206)과 정합한다. 각각의 공동(206)의 원형 림은 뚜껑(201)이 보디(205)에 교합될 때 립(214)이 림 내에 포개지도록 모따기된다. 따라서, 뚜껑(201)이 보디(205)에 교합될 때, 뚜껑(201)은 공동(206)에 수용된 배터리를 실질적으로 포위하는 복수의 챔버를 형성하기 위해 각각의 공동(206)을 폐쇄한다. 이러한 챔버는 챔버[108(도 2)]와 유사하며; 예를 들어, 뚜껑(201)과 보디(205)에 의해 형성된 각각의 챔버는 실질적으로 원통형의 형상이며 하나의 포맷 18650 배터리에 끼워맞춰지도록 크기를 갖는다.
뚜껑(201)은 열 폭주의 경우에 가스, 열 및 압력을 배출하기 위한 복수의 막힌-구멍(203)을 구비한다. 도시된 바와 같이, 막힌-구멍(203)은 세 개의 막힌-구멍(203)이 각각의 공동(206)과 정렬되도록 배치된다. 이런 식으로, 뚜껑(201)과 보디(205)에 의해 형성되는 각각의 챔버는 세 개의 막힌-구멍(203)에 연결된다. 각각의 막힌-구멍(203)은 하나의 챔버와 하우징(200)의 외부 사이에서 연장되는 배출 통로를 구비한다. 이들 배출 통로는 챔버 내에 보유된 배터리의 열 폭주 중에 챔버 내에 생성되는 압력에 노출될 때 파괴되어 막힌-구멍(203)을 관통-구멍으로 전환시키도록 구성된 하나 이상의 차단체에 의해 차단된다. 도시된 실시예에서, 각각의 배출 통로의 차단체는 뚜껑(201)과 일체인 얇은 벽(209)이며, 이 벽은 챔버 내에 보유된 배터리의 열 폭주 중에 챔버 내에 생성되는 압력에 의해 파괴되도록 두께를 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이들 얇은 벽(209)은 배출 통로가 뚜껑(201)의 상부로부터 보이는 것을 방지한다. 얇은 벽(209)은 사출 성형 공정 및 적절한 몰드를 사용하여 뚜껑(201)과 일체로 형성될 수 있다. 이와 같이, 얇은 벽(209)은 뚜껑(201)의 잔여부와 동일한 재료로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 벽(209)은 뚜껑(201)의 상면에 도포되고 접합된 박막으로 대체될 수 있다.
뚜껑(201)은 적층 시에, 예를 들어 하우징(200)의 상부에 다른 배터리 하우징이 적층될 때 하우징(200) 위에 공간을 제공하기 위해 뚜껑(201)의 둘레 주위로 연장되는 상향 돌출 립(210)을 구비한다. 도시된 실시예에서, 하우징(200) 위에 제공되는 공간은 대략 4.0 mm의 높이를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 하우징(200)은 대안적으로 또는 추가적으로, 적층 시에, 예를 들어 하우징(200)이 다른 배터리 하우징 위에 적층될 때 하우징(200) 아래에 공간을 제공하기 위해 하우징(200)의 바닥으로부터 하향 돌출되는 립을 구비할 수 있다.
립(210)은 하나 이상의 중단부를 구비할 수 있으며, 각각의 중단부는 하우징 내에 보유된 배터리가 열 폭주하는 경우에 하우징(200)의 위/아래 공간으로부터 가스 및 압력이 배출될 수 있도록 갭(211)을 제공한다. 도시된 바와 같이, 갭(211)은 뚜껑(201)의 네 모서리에 위치한다. 하우징의 다중 스택이 나란히 배치되면, 가스는 하우징(200)의 위/아래 공간으로부터 인접한 하우징의 위/아래 공간으로 이동할 수 있다. 이런 식으로, 압력은 인접한 하우징 스택 사이에서 동등화될 수 있다.
일부 실시예에서는, 하우징(200)이 다른 하우징과 적층될 때 하우징(200)의 위/아래 공간이 실질적으로 밀봉되도록 갭(211)이 생략될 수 있다. 이러한 실시예는 하우징(200)이 가연성 재료(예를 들어, 스티로폼 또는 판지 상자) 근처에서 사용될 것으로 예상되는 경우에 적합할 수 있다. 하우징(200)의 위 또는 아래 공간 내의 밀봉 가스는 이러한 가연성 재료가 열 폭주 중에 배출되는 가스/열에 의해 점화되는 것을 방지하는데 도움이 된다.
뚜껑(201)은 하나 이상의 스냅-핏(snap-fit) 클립(212)에 의해 보디(205)에 확고하게 체결될 수 있다. 다른 실시예에서, 뚜껑(201)은 다른 방법으로, 예를 들어, 나사, 자석, 볼트 등에 의해 보디(205)에 고정될 수 있다.
보디(205)는 복수의 이격된 횡단 채널(213)을 구비하며, 이들 횡단 채널은 공동(206) 아래에서 보디(205)를 통해서 보디(205)의 일측으로부터 보디(205)의 반대측으로 연장된다. 채널(213)은 보디(205)의 내부와 외부 사이에 열적 연통을 제공하는 냉각 도관(도 3 및 도 4에 도시되지 않음)을 수용하도록 구성된다. 이들 냉각 도관은 작동 사용(예를 들어, 충전 또는 방전) 중에 배터리(204)에 의해 발생된 폐열을 하우징(200) 밖으로 전달한다. 냉각 도관은 또한 열 폭주 중에 발생된 열을 하우징(200) 밖으로 전달할 수 있다. 적절한 냉각 도관은 금속과 같은 높은 열전도성 재료로 제조될 수 있다. 경우에 따라서, 냉각 도관은 내화성 재료로 제조될 수 있다.
하우징(200)은 하우징(200) 내에 보유된 배터리(204)의 일부 또는 전부가 소정의 직렬 및/또는 병렬 배열에 따라 연결될 수 있게 하는 복수의 내부 전기 커넥터(도시되지 않음)를 구비할 수 있다. 하우징(200)은 또한 배터리(204)의 일부 또는 전부와 하우징(200)의 외부 사이에 전기적 연결이 이루어질 수 있게 하는 커넥터(102)(도 1b)와 유사한 커넥터를 구비할 수 있다. 전기 커넥터는 인서트 사출 성형 공정을 사용하여 하우징(200) 내에 형성될 수 있다.
하우징(200)의 뚜껑(201) 및 보디(205)는 앞서 논의된, 하우징(100)(도 1a)의 뚜껑(101) 및 보디(105)를 형성하기에 적합한 동일한 IFR 폴리머 복합체 재료로 제조될 수 있다. 하우징(200) 내에 보유된 배터리(204) 중 하나[이하, "사건(event)" 배터리]가 열 폭주하는 경우에, 가스, 열 및 압력은 하우징(200)의 챔버 중 하나(이하, "사건" 챔버)로 배출된다. 이는 사건 챔버를 둘러싸는 IFR 재료가 온도 상승하게 할 것이다. 이 온도가 IFR 재료의 SET에 도달하면, 재료는 팽창하여 탄화될 것이다. 동시에, 사건 챔버 내의 상승된 압력은 사건 챔버에 연결된 막힌-구멍(203)을 커버하는 얇은 벽(209)을 파괴하여 막힌-구멍(203)을 관통-구멍으로 전환시킬 것이며, 따라서 가스, 열 및 압력이 하우징(200) 밖으로 배출될 수 있다. 하우징(200)이 적층될 때, 가스, 열 및 압력은 전술한 하우징(200) 위의 공간에 진입할 수 있으며, 따라서 가스, 열 및 압력은 추가로 갭(211)을 거쳐서 하우징(200)으로부터 배출될 수 있다.
사건 챔버를 둘러싸는 IFR 재료의 팽창비는 팽창 차르가 사건 챔버 내의 일체의 공간을 차지하여 가스를 막힌-구멍(203)으로부터 전환된 전술한 관통-구멍을 거쳐서 사건 챔버로부터 몰아내게 하기에 충분하다. 이것은 사건 챔버 내의 일체의 발전하는 화재를 신속하게 진압한다. 또한, 가스가 사건 챔버로부터 몰려난 후에, 팽창된 차르는 사건 챔버에 연결된 관통-구멍을 밀봉하고, 따라서 사건 배터리를 사건 챔버 내에 매장하여, "데드 셀"을 형성한다. 하우징(200)의 IFR 재료의 흡열 팽창 반응은 팽창 중에 열을 흡수한다. 또한, 채널(213)에 수용된 냉각 도관은 열 폭주에 의해 생성된 열을 하우징(200) 밖으로 전달할 수 있다. 이런 식으로, 하우징(200)의 다른 챔버에 보유된 배터리는 사건 챔버 내의 열 폭주에 의해 발생된 열로부터 보호된다.
인접한 모든 하우징에 보유된 배터리는 마찬가지로 사건 챔버 내의 열 폭주에 의해 발생된 열로부터 보호된다. 또한, 하우징(200)으로부터 방출된 열이 인접한 하우징의 임의의 IFR 재료를 상기 인접한 하우징의 IFR 재료의 SET를 넘어서 가열하면, 인접 하우징 내의 팽창은 추가 보호를 제공할 것이다.
도 5 내지 도 7은 추가 실시예의 예시적인 배터리 하우징(300)을 도시한다. 배터리 하우징(200)(도 3)과 마찬가지로, 배터리 하우징(300)은 복수의 배터리를 보유하도록 구성된다. 특히, 도시된 바와 같이, 배터리 하우징(300)은 30개 까지의 포맷 18650 배터리[예를 들어, 배터리(304)]를 보유하도록 구성된다.
하우징(300)은 보디(305) 및 제거 가능한 뚜껑(301)을 갖는다. 보디(205)(도 3)와 마찬가지로, 보디(305)는 격자로 배열된 복수의 공동을 구비하며, 각각의 공동은 배터리를 수용하기 위한 것이다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이, 보디(305)는 30개의 배터리 공동(306)을 구비하며, 각각의 배터리 공동은 배터리(304) 중 하나를 수용하기 위한 것이다. 다른 실시예에서, 보디(305)는 더 많은 개수 또는 더 적은 개수의 배터리 공동(306)을 구비할 수 있으며, 격자 형상은 변경될 수 있다. 각각의 배터리 공동(306)은 인접한 배터리 공동(306)으로부터 대략 6.5 mm의 거리만큼 이격된다. 보디(305)의 둘레 주위의 배터리 공동(306)은 보디(305)의 둘레로부터 대략 6.5 ㎜의 거리만큼 이격된다.
보디(205)(도 3)와 달리, 배터리를 수용하기 위한 공동에 추가적으로, 보디(305)는 복수의 배출 공동(309)도 구비한다. 도시된 바와 같이, 보디(305)는 각각의 배출 공동(309)이 대각선으로-이웃하는 배터리 공동(306) 사이에 배치되도록 배터리 공동(306)의 격자와 중첩되는 격자로 배치되는 20개의 배출 공동(309)을 구비한다. 이하에서 더 상세히 설명되듯이, 각각의 배출 공동(309)은 하나 이상의 인접한 배터리 공동(306)에 수용된 배터리의 열 폭주 중에 이 배터리 공동(306)으로부터 배출되는 가스를 수용하기 위한 것이다. 각각의 배출 공동(309)은 인접한 배터리 공동(306)으로부터 대략 3.0 mm의 거리만큼 이격된다. 하향 경사진 개방 채널(313)은 이하에서 추가로 논의되듯이 각각의 배출 공동(309)을 그 인접한 배터리 공동(306)에 연결시킨다. 다른 실시예에서, 보디(305)는 각각의 배터리 공동(306)이 하나 이상의 배출 공동(309)에 연결되는 한, 더 많은 개수 또는 더 적은 개수의 배출 공동(309)을 구비할 수 있다. 일부 실시예에서는, 각각의 배터리 공동(306)에 대해 전용 배출 공동(309)이 제공될 수 있다. 알게 되듯이, 보디(305) 내에 배출 공동(309)을 제공하는 것은 하우징(300)의 질량을 감소시킬 수 있으며, 이는 하우징(300)의 운송을 용이하게 할 수 있다.
도 6을 도 5와 함께 참조하면, 제거 가능한 뚜껑(301)은 대체로 평탄하다. 그러나, 제거 가능한 뚜껑(301)의 바닥은 실질적으로 원형인 립(314)의 어레이를 가지며, 상기 립의 각각은 뚜껑(301)이 보디(305)에 교합될 때 하나의 배터리 공동(306)과 정합한다. 각각의 배터리 공동(306)의 원형 림은 뚜껑(301)이 보디(305)에 교합될 때 립(314)이 림 내에 포개지도록 모따기된다. 따라서, 뚜껑(301)이 보디(305)에 교합될 때, 뚜껑(301)은 배터리 공동(306)에 수용된 배터리를 실질적으로 포위하는 복수의 배터리 챔버(308)(도 7)를 형성하기 위해 각각의 배터리 공동(306)을 폐쇄한다. 배터리 챔버(308)는 챔버(108)(도 2)와 유사하며; 예를 들어, 뚜껑(301)과 보디(305)에 의해 형성된 각각의 배터리 챔버(308)는 실질적으로 원통형의 형상이고 하나의 포맷 18650 배터리에 끼워맞춰지도록 크기를 갖는다.
제거 가능한 뚜껑(301)의 바닥은 또한 실질적으로 원형인 립(316)의 어레이를 가지며, 상기 립의 각각은 뚜껑(301)이 보디(305)에 교합될 때 하나의 배출 공동(309)과 정합한다. 각각의 공동(309)의 원형 림은 뚜껑(301)이 보디(305)에 교합될 때 립(316)이 림 내에 포개지도록 모따기된다. 따라서, 뚜껑(301)이 보디(305)에 교합될 때, 뚜껑(301)은 인접한 배터리 챔버(308) 내에 보유된 배터리의 열 폭주 중에 배출된 가스를 보유하기 위한 복수의 실질적으로 포위된 배출 챔버(322)(도 7)를 형성하기 위해 각각의 배출 공동(309)을 폐쇄한다. 도시된 바와 같이, 각각의 배출 챔버(322)는 실질적으로 원통형의 형상이고, 대략 9.0 mm의 직경을 가지며 배터리 챔버(308)의 높이와 대략 동일한 높이를 갖는다. 배출 챔버(322)의 크기 및 형상은 다른 실시예에서 변경될 수 있다.
도시된 바와 같이, 립(316)은 뚜껑(301)의 바닥면으로부터 립(314)보다 더 멀리 돌출한다. 테이퍼진 리브(318)는 각 립(316)의 돌출 단부로부터 각각의 인접한 립(314)으로 연장된다. 각각의 테이퍼진 리브(318)는 배터리 챔버(308)와 각각의 인접한 배출 챔버(322) 사이에 실질적으로 폐쇄된 배터리 챔버 배출 통로(320)를 형성하기 위해 뚜껑(301)이 보디(305)에 교합될 때 보디(305)의 하나의 하향 경사진 개방 채널(313)과 정합된다. 채널(313)과 리브(318) 양자는 뚜껑(301)의 바닥면에 대해 대략 57도의 각도로 경사진다. 따라서, 각각의 통로(320)는 배터리 하우징(300)이 수평으로 배향될 때 배터리 챔버(308)로부터 인접한 배출 챔버(322)로 이 각도로 하향 경사지도록 형성된다.
뚜껑(301)은 열 폭주의 경우에 가스, 열 및 압력을 배출하기 위한 배출 챔버 배출 통로를 제공하는 복수의 관통-구멍(303)을 구비한다. 도시된 바와 같이, 관통-구멍(303)은 각각의 배출 공동(309)에 관통-구멍(303)이 제공되도록 구성된다. 이런 식으로, 뚜껑(301)과 보디(305)에 의해 형성되는 각각의 배출 챔버(322)가 관통-구멍(303)에 연결된다. 각각의 관통-구멍(303)은 하나의 배출 챔버(322)와 하우징(300)의 외부 사이에서 연장되는 배출 통로를 제공한다. 도시된 실시예에서, 관통-구멍(303)은 배출 통로(320)보다 큰 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 관통-구멍(303)은 막힌-구멍(203)(도 4)과 유사한 막힌-구멍으로 대체될 수 있다.
뚜껑(301)은 그렇지 않으면 뚜껑(201)(도 3)과 유사하다. 예를 들어, 뚜껑(301)은 립(210)과 유사한 상향 돌출 립(310)을 구비한다. 립(310)은 적층될 때 하우징(300) 위에 공간을 제공하기 위해 뚜껑(301)의 둘레 주위로 연장된다. 다른 실시예에서, 하우징(300)은 대안적으로 또는 추가적으로, 적층될 때 하우징(300) 아래에 공간을 제공하기 위해 하우징(300)의 바닥으로부터 하향 돌출하는 립을 구비할 수 있다. 립(210)과 같이, 립(310)은 하나 이상의 중단부를 구비할 수 있으며, 각각의 중단부는 하우징 내에 보유된 배터리가 열 폭주하는 경우에 가스 및 압력이 하우징(300) 위/아래의 공간으로부터 배출될 수 있도록 갭(311)을 제공한다. 뚜껑(301)은 또한 스냅-핏 클립(212)과 유사한 하나 이상의 스냅-핏 클립(312)을 구비한다. 스냅-핏 클립(312)은 뚜껑(301)이 보디(305)에 확고하게 체결될 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 보디(305)는 보디(205)의 채널(213)(도 3)과 유사한 복수의 이격된 횡단 채널을 구비할 수 있다. 이러한 채널은 배터리 공동(306) 및 배출 공동(309) 아래에서 보디(305)를 통해 연장되고, 보디(305)의 내부와 외부 사이에 열적 연통을 제공하는 냉각 도관을 수용한다.
하우징(200)(도 3)과 마찬가지로, 하우징(300)은 하우징(300) 내에 보유된 배터리(304)의 일부 또는 전부가 소정의 직렬 및/또는 병렬 배열에 따라 연결될 수 있게 하는 복수의 내부 전기 커넥터를 구비할 수 있다. 하우징(300)은 또한 배터리(304)의 일부 또는 전부와 하우징(300)의 외부 사이에 전기적 연결이 이루어질 수 있게 하는 커넥터(102)(도 1b)와 유사한 커넥터를 구비할 수 있다. 전기 커넥터는 인서트 사출 성형 공정을 사용하여 하우징(300) 내에 형성될 수 있다.
하우징(300)의 뚜껑(301) 및 보디(305)는 앞서 논의된, 하우징(100)(도 1a)의 뚜껑(101) 및 보디(105)를 형성하기에 적합한 동일한 IFR 폴리머 복합체 재료로 제조될 수 있다.
하우징(300) 내에 보유된 배터리(304) 중 하나[이하, "사건" 배터리(304)]가 열 폭주하는 경우에, 사건 배터리(304)로부터의 가스, 열 및 압력은 이 배터리를 보유하는 배터리 챔버(308)[이하, "사건" 챔버(308)] 내로 배출된다. 이는 사건 챔버(308)를 둘러싸는 IFR 재료가 온도 상승하게 할 것이다. 이 온도가 IFR 재료의 SET에 도달하면, 재료는 팽창하여 탄화될 것이다.
사건 챔버(308)를 둘러싸는 IFR 재료의 팽창비는 팽창 차르가 사건 챔버(308) 내의 일체의 공간을 차지하여 가스를 경사진 배출 통로(320)를 거쳐서 사건 챔버(308)로부터 인접한 배출 챔버(322)로 몰아내게 하기에 충분하다. 따라서 사건 챔버(308) 내의 일체의 발전하는 화재가 신속하게 진압된다. 또한, 가스가 사건 챔버(308)로부터 몰려난 후에, 팽창된 차르는 사건 챔버(308)에 연결된 배출 통로(320)를 밀봉하고, 따라서 사건 배터리(304)를 사건 챔버(308) 내에 매장하여, "데드 셀"을 형성한다.
사건 챔버(308)로부터 배출 챔버(322)로 배출된 가스는 추가로 관통-구멍(303)을 거쳐서 하우징(300)의 외부로 배출된다. 다른 배터리 챔버(308)를 사건 챔버(308)에 연결시키는 배출 통로(320)의 경사는 사건 배터리(304)로부터의 팽창 가스에 대한 배압을 증가시킨다. 이 증가된 배압은, 배출 통로(320)가 관통-구멍(303)보다 작은 직경을 갖는다는 사실과 더불어, 이들 가스를 관통-구멍(303)을 거쳐서 하우징(300) 밖으로 인도하는데 도움을 준다. 관통-구멍(303) 주위의 IFR 재료가 그 SET로 가열되면, 이 재료는 팽창되고 탄화되어 관통-구멍(303)을 밀봉할 것이다. 마찬가지로, 사건 배터리 챔버(308)를 다른 배터리 챔버(308)에 연결시키는 배출 통로(320) 주위의 IFR 재료가 그 SET로 가열되면, 이 재료는 팽창되고 탄화되어 이들 배출 통로(320)를 밀봉할 것이다.
관통-구멍(303)이 막힌-구멍으로 대체되는 실시예에서는, 막힌-구멍의 배출 통로를 차단하는 차단체가 배출 챔버(308) 내의 증가하는 압력에 의해 파괴되어 막힌-구멍이 관통-구멍으로 전환될 때까지 가스가 배출 챔버(308) 내에 축적될 수 있다. 관통-구멍(303)이 생략되고 막힌-구멍으로 대체되지 않는 실시예에서, 배출 챔버(322) 내에 축적되는 가스는 뚜껑(301)이 제거될 때까지, 예를 들어 하우징(300)이 수리될 때까지 그 안에 유지된다.
챔버(308) 내의 일체의 발전하는 화재를 신속하게 진압하는 것은 팽창 반응의 흡열 특성과 같이 열 폭주의 열 발생을 완화시킨다. 반면에, 보디(305)/뚜껑(301)의 탄화는 챔버(308) 주위의 단열을 향상시킨다. 또한, 전술한 바와 같이, 배출 통로(320)의 경사와 배출 통로(320)가 관통-구멍(303)보다 작은 직경을 갖는다는 사실은 사건 배터리(304)에 의해 발생된 가스를 관통-구멍(303)을 거쳐서 하우징(300) 밖으로 인도하는데 도움이 된다. 이는 배출 챔버(322)로부터 인접한 배터리 챔버(308)로의 이러한 가스의 유동을 감소시킨다. 이들 메커니즘의 각각은 다른 배터리(304)로 전도되는 열을 최소화하고, 배터리(304)의 열 폭주가 이들 다른 배터리의 열 폭주를 유도하지 못하게 한다.
편리하게, 사건 챔버(308)가 하우징(300)의 외부로 직접 배출되기 보다는 인접한 배출 챔버(322)로 배출됨에 따라, 사건 챔버(308)로부터 빠져 나오는 화염/스파크가 인접한 배출 챔버(322) 내부에 봉쇄될 수 있다. 이는 화재가 하우징(300)의 외부로 확산되는 것을 방지하는데 도움을 준다.
경우에 따라서, 사용 중에, 배터리 하우징[예를 들어 하우징(200 또는 300)]은 열 폭주의 경우에 하우징의 상부에 배치된 임의의 가연성 재료를 보호하기 위해 단단한 내화성 판 또는 매트에 의해 커버될 수 있다. 이 판 또는 매트는 앞서 논의된 동일한 IFR 폴리머 복합체, 또는 통상의 기술자에게 공지된 다른 단열 재료로 제조될 수 있다. 판 또는 매트는 판 또는 매트와 배터리 하우징의 상부 사이에 공간이 제공되어 배출이 가능해지도록 상향 돌출 립(210/310) 위에 놓일 수 있다.
도 8은 다수의 배터리 하우징, 예를 들어 다수의 하우징(200)을 봉입하기 위한 케이싱(400)을 도시한다. 케이싱(400)은 보디(405)와 제거 가능한 뚜껑(401)을 구비한다. 도시된 바와 같이, 보디(405)는 내벽(412)을 구비하며 이 내벽은 보디(405)의 외벽(410)과 함께 여섯 개의 구획(414)을 형성하고, 각각의 구획은 하나의 하우징(200)을 수용한다. 내벽(412)과 외벽(410)은 냉각 도관(406)이 내벽(412), 외벽(410) 및 하나 이상의 하우징(200)을 통해서 케이싱(400)의 길이를 따라서 연장될 수 있도록 구획(414)에 의해 수용된 배터리 하우징(200)의 채널(213)과 정렬되는 구멍을 구비한다.
뚜껑(401) 및 보디(405)는 스틸 또는 적절한 기계적 강성을 제공하는 다른 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 뚜껑(401) 및 보디(405)는 또한 케이싱(400)이 케이싱(400) 내의 배터리 폭발 및 외부 폭발을 포함하는 폭발을 견딜 수 있게 하는 재료로 제조될 수 있다. 통상의 기술자에게는 예를 들어, 탄소 섬유/유리 섬유 보강된 폴리머 복합체, 세라믹 등과 같은 다른 적합한 재료도 쉽게 명백할 것이다. 뚜껑(401)은 나사(도시되지 않음)에 의해 보디(405)에 확고하게 체결될 수 있다. 전술한 기계적 강성 또는 폭발-내성을 케이싱(400)에 제공하는 다른 적합한 체결구 또한 사용될 수 있다.
하우징(200)이 보디(405)의 구획(414)에 수용되고 뚜껑(401)이 보디(405)에 교합되면, 하우징(200)의 상향 돌출 립(210)은 각각의 하우징(200)과 뚜껑(401) 사이에 공간을 제공한다. 열 폭주 중에, 가스, 압력 및 열은 하우징(200) 중 하나로부터 이 공간으로 배출될 수 있다. 케이싱(400)이 실질적으로 밀봉되는 실시예에서 이 가스, 압력 및 열은 이 공간에 유지될 수 있다. 다른 실시예에서, 케이싱(400)은 가스, 압력 및 열이 케이싱(400)의 외부로 배출될 수 있게 하는 구멍 또는 갭을 구비할 수 있다.
케이싱(400)은 단일 층의 배터리 하우징만 보유하지만, 다른 실시예에서 케이싱(400)은 예를 들어 전기 차, 항공기 또는 잠수함과 같은 대형 장치의 요구사항을 충족하기 위해 충분한 전압, 전류 및 전력이 하나의 케이싱(400)으로부터 공급될 수 있도록 여러 층의 배터리 하우징을 보유하도록 수정될 수 있다.
다른 실시예에서, 케이싱(400)은 예를 들어 하우징(300)과 같은 다른 배터리 하우징을 봉입하도록 수정될 수 있다. 예를 들어, 케이싱(400)의 외벽 및 내벽은 이러한 다른 하우징을 수용하기 위해 구획(414)을 크기조정하도록 수정될 수 있다.
본 명세서에 개시된 배터리 하우징의 작동은 도 9a/도 9b 및 도 10a/도 10b에 도시된 바와 같이 배터리 하우징을 사용하여 이루어지는 테스트를 참조하여 추가로 설명된다. 도 9a 및 도 9b는 각각 하우징의 보디(605)의 평면도 및 측면도이다. 도 10a 및 도 10b는 각각 하우징의 뚜껑(601)의 저면도 및 측면도이다.
도 9a에 가장 잘 도시되어 있듯이, 배터리 하우징은 일곱 개의 공동(606)을 가지며, 각각의 공동은 하나의 포맷 18650 배터리를 수용한다. 도시된 바와 같이, 보디(605)는 육각형이고, 공동(606)은 상호 실질적으로 등거리에 있도록, 예를 들어 대략 20 mm의 거리에 있도록 보디(605) 내에 배열된다. 도 10a에 가장 잘 도시되어 있듯이, 뚜껑(601)은 복수의 관통-구멍(603)을 구비한다. 각각의 관통-구멍(603)은 일곱 개의 공동(606) 중 하나와 정렬되고, 뚜껑(601)이 보디(605)에 교합될 때 형성되는 일곱 개의 실질적으로 봉입된 챔버 중 하나를 배출시키기 위한 배출 챔버를 제공한다. 관통-구멍(603)은 그렇지 않으면 관통-구멍(103)(도 1a)과 유사하다.
뚜껑(601) 및 보디(605)는 하기 조성을 중량 퍼센트로 갖는 IFR 폴리머 복합체 재료를 사용하여 형성된다:
팽창성 분말: 30.0 %;
고밀도 폴리에틸렌(HDPE): 42.0 %;
산화방지제: 0.2 %;
Fusabond™ E265: 3.0 %;
이산화 티타늄: 1.5 %;
브롬화 폴리에틸렌: 17.5 %;
삼산화 안티몬: 5.8 %.
팽창성 분말은 전술한 미국 특허 제6,645,278호에 기재된 공정에 따라 제조된 발포제이다. 산화방지제는 용융 처리를 위해 HDPE 및 브롬화 폴리에틸렌의 열 안정성을 향상시킨다. Fusabond™ E265는 DuPont™의 무수물 개질된 고밀도 폴리에틸렌이며, 이는 상이한 성분들 사이의 접착을 향상시키기 위해 복합체 내의 상용화제로 기능한다. 이산화 티타늄은 연기를 억제하고 최종 물품의 백색도를 향상시킨다. 브롬화 폴리에틸렌은 가공성 및 호환성이 우수한 난연제이다. 삼산화 안티몬은 난연 효과를 향상시키기 위해 브롬과 상승 작용한다.
뚜껑(601) 및 보디(605)용 IFR 재료를 형성하기 위해, 상이한 성분의 분말 및 펠릿이 화학량론적으로 무게 측정되고 혼합되었다. 혼합물은 이후 1축 압출기 내에서 170℃에서 복합되고 펠릿화되었다. 복합 펠릿은 이후 뚜껑(601) 및 보디(605)를 형성하기 위해 사출 성형되었다.
도 9a/도 9b, 도 10a/도 10b의 배터리 하우징은 그 안에 보유된 배터리의 열 폭주를 시뮬레이션함으로써 테스트되었다. 뚜껑(601) 및 보디(605)는 테스트 전에 48시간 이상 동안 주위 조건에 놓인다. 테스트는 24℃의 주위 온도 및 21%의 상대 습도에서 이루어졌다.
두 가지 테스트가 수행되었다. 제 1 테스트에서는, 가열 카트리지가 보디(605)의 배터리 박스의 중심 공동(B7)(도 11) 내에 배치되었다. 여섯 개의 포맷 18650 리튬 이온(리튬-이온-코발트) 배터리가 보디(605)의 여섯 개의 주위 공동(B1-B6) 내에 배치되었다. 테스트 도중에 온도를 측정하기 위해 각각의 공동 내부에는 열전쌍이 배치되었다. 각각의 주위 공동 내의 열전쌍은 최고 온도 측정을 얻기 위해 중심 공동(B7)에 가장 가까운 위치에서 그 공동 내에 배치된 배터리에 부착되었다.
뚜껑(601)은 이후 복수의 나사(도시되지 않음)를 사용하여 보디(605)에 확고하게 체결되었으며, 따라서 가열 카트리지 및 여섯 개의 배터리 각각을 뚜껑(601)과 보디(605)에 의해 형성된 일곱 개의 챔버 내에 봉입시킨다.
가열 카트리지는 이후 130℃/분으로 653.4℃까지 가열된 다음 즉시 비활성화되었다. 전체 가열 지속시간은 대략 5분이었다. 이 지속시간은 통상적으로 대략 30초 내지 55초 동안 지속되는 리튬 이온 배터리의 열 폭주의 예상 지속시간보다 훨씬 오래이도록 선택되었다. 각 챔버 내의 열전쌍에 의한 온도 측정의 획득은 가열 카트리지가 활성화되기 전에 시작되었으며, 모든 열전쌍이 온도 감소를 보인 후에 정지되었다. 각각의 열전쌍에 의해 측정된 최고 온도는 아래의 표 1에 나타나 있다. 참고로, 각 배터리의 최고 온도는 가열 카트리지가 비활성화되고 5분 후에 기록되었다.
열전쌍 가열
카트리지		 배터리
#1		 배터리
#2		 배터리
#3		 배터리
#4		 배터리
#5		 배터리
#6
온도(℃) 653.4 34.2 35.3 34.0 37.7 28.5 31.5
하우징의 뚜껑(601)을 제거한 후, 주위 챔버[도 11의 공동(B1-B6)에 대응] 내에 보유된 여섯 개의 배터리 전부가 손상되지 않은 것으로 관찰되었다. 한편 중심 챔버[도 11의 공동(B7)에 대응]에 보유된 가열 카트리지는 두꺼운 차르 층으로 둘러싸여 있다. 차르는 뚜껑(601) 및 보디(605)의 IFR 폴리머 복합체 재료를 팽창성 분말의 SET보다 높은 온도(즉, 대략 200℃)로 가열하여 IFR 재료가 팽창되게 함으로써 생성되었다.중심 챔버 내의 시뮬레이션된 열 폭주는 주위 챔버 내의 온도를 주위 챔버 내에 보유된 배터리들 중 임의의 것의 열 폭주를 초래하기에 충분히 증가시키지 않았다. 표 1에 나타나 있듯이, 주위 공동 내에서 측정된 최고 온도는 리튬 이온 배터리의 열 폭주가 통상적으로 시작되는 232℃ 임계값보다 훨씬 낮은 37.7℃에 불과하다. 테스트 결과에 의하면 시뮬레이션된 열 폭주에 반응하여 생성된 차르 및 챔버를 분리하는 뚜껑(601)/보디(605)의 재료가 가열 카트리지 주위의 단열을 제공하여 가열 카트리지로부터 주위 챔버로의 열전달을 크게 감소시키는 것이 나타났다. 또한, 가열 카트리지의 비활성화와 각각의 주위 챔버 내의 최고 온도 측정 사이의 전술한 5분 지연도 단열의 효과를 입증한다.
제 2 테스트는 못-관통 테스트이다. 이 테스트에서는, 하우징 내에 보유된 배터리의 실제 열 폭주 및 폭발이 유도되었다. 특히, 100% 충전 상태를 갖는 배터리에 내부 단락을 초래하기 위해 금속 못을 관통시켰다. 유도된 열 폭주 및 폭발 사건이 하우징에 보유된 다른 배터리에 미치는 효과를 관찰했다.
하우징 보디(605)의 일곱 개의 공동(B1-B7)(도 11) 내에 일곱 개의 포맷 18650 리튬 이온(리튬-이온-코발트) 배터리가 배치되었다. 공동(B5) 내에 배치된 배터리 #5는 100% 충전 상태를 갖는다. 테스트 중에 온도를 측정하기 위해 일곱 개의 배터리 각각의 표면에는 열전쌍이 부착되었다. 배터리 #5에 부착된 것을 제외한 모든 열전쌍은 최고 온도 측정을 얻기 위해 공동(B5)에 가장 가까운 위치에 배치되었다.
다시, 뚜껑(601)은 복수의 나사(도시되지 않음)를 사용하여 보디(605)에 확고하게 체결되며, 따라서 일곱 개의 배터리를 뚜껑(601)과 보디(605)에 의해 형성된 일곱 개의 챔버 내에 각각 봉입시킨다.
금속 못은 보디(605)를 통해서 드릴링되어 배터리 #5를 관통하고 내부 단락을 초래한다. 온도 측정의 획득은 관통 전에 시작되었으며, 모든 열전쌍이 온도 감소를 보인 후에 정지되었다. 각각의 열전쌍에 의해 측정된 최고 온도는 아래의 표 2에 도시되어 있다.
열전쌍 배터리
#5(단락)		 배터리
#1		 배터리
#2		 배터리
#3		 배터리
#4		 배터리
#6		 배터리
#7
온도(℃) 743.8 26.3 24.6 26.0 39.6 40.0 37.4
결과는 금속 못에 의해 관통될 때 배터리 #5에서 열 폭주가 성공적으로 촉발되었음을 보여준다. 이 열 폭주로 인해 배터리 #5는 743.8℃의 최고 온도에 도달했다. 배터리 #5를 보유하는 챔버(B5)에 연결된 관통-구멍(603)으로부터 가스, 스파크 및 연기가 대략 15초 동안 배출되었으며, 이후 관통-구멍(603)이 밀봉되었다. 이 배출 기간은 리튬 이온 배터리의 통상적인 열 폭주 기간(30초 내지 55초)보다 훨씬 짧다. 배출 기간이 짧을수록 열 폭주가 초기 단계에서 팽창 차르에 의해 진압된 것으로 나타났다.가스/연기가 관통-구멍(603)으로부터의 배출이 완료된 후에, 팽창성 IFR 재료는 관통-구멍(603), 뚜껑(601)과 보디(605) 사이의 계면뿐 아니라, 관통 못에 의해 생성된 구멍을 밀봉했다. 배터리 #5를 보유하는 챔버를 제외한 모든 챔버에서 측정된 최고 온도는 열 폭주 사건을 유도하는데 통상적으로 필요한 232℃보다 훨씬 낮은 40.0℃였다.
테스트 이후 뚜껑(601)이 제거되면, 배터리 #5가 차르에 완전히 매립되어 "데드 셀"을 형성하는 것이 관찰되었다. 동시에, 여섯 개의 다른 배터리는 손상되지 않고 남아있다. 또한, 하우징은, 의도적인 관통과 별도로, 그 전체적인 구조적 완결성을 유지했다.
도시된 실시예에서 관통-구멍[예를 들어 관통-구멍(103, 303, 603)] 및 막힌-구멍[예를 들어 막힌-구멍(203)]은 배터리 하우징의 뚜껑 상에 위치하는 것으로 도시되어 있지만, 관통-구멍 및 막힌-구멍은 배터리 하우징의 보디 내에서, 예를 들어 보디의 저부 또는 측부에 위치할 수도 있다. 또한, 배터리를 보유하기 위한 각각의 챔버로부터의 배출을 가능하게 하기 위해 하나 이상의 관통-구멍 또는 막힌-구멍이 제공되는 한, 관통-구멍 및 막힌-구멍의 개수는 변경될 수 있다. 도시된 실시예에서, 관통-구멍 및 막힌-구멍은 둥근 형상인 것으로 도시되어 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 관통-구멍 및 막힌-구멍은 다른 형상을 가질 수 있는 바; 예를 들어, 슬릿일 수 있다. 임의의 관통-구멍이 막힌-구멍으로 대체될 수 있으며, 역으로 임의의 막힌-구멍이 관통-구멍으로 대체될 수 있다.
배터리 하우징의 챔버[예를 들어, 챔버(108, 308, 608)]는 포맷 18650 배터리를 보유하도록 구성된 것으로 도시되었지만, 다른 실시예에서, 챔버는 크기, 구성 및 화학적 성질이 상이한 임의의 다른 형태의 일차 또는 이차 배터리 또는 셀을 보유하도록 구성될 수 있다. 또한, 각각의 챔버는 하나의 배터리만 보유하도록 구성된 것으로 도시되었지만, 다른 실시예에서 챔버는 예를 들어 단부끼리(end-on-end) 적층되거나 나란히 배치된 복수의 배터리를 보유하도록 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4, 도 5 내지 도 7 및 도 9a 내지 도 11의 실시예에서, 배터리 하우징의 뚜껑[예를 들어 뚜껑(201, 301, 601)] 및 보디[예를 들어 보디(205, 305, 605)]는 IFR 재료로 제조되는 것으로 설명되었다. 그러나, 다른 실시예에서, 뚜껑 및/또는 보디는 부분적으로 다른 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 도 2a의 실시예와 마찬가지로, 보디는 각각의 배터리 챔버에서 IFR 재료로 제조된 라이너를 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 라이너의 IFR 재료는 배터리 챔버에 보유된 배터리가 열 폭주하는 경우에 배터리 챔버로부터 가스를 몰아내고 배터리 챔버를 밀봉하기에 충분한 팽창비를 갖도록 선택된다. 도 2a의 실시예에서와 같이, 라이너는 보디의 일체형 부분이거나 보디의 분리 가능한 부분일 수 있다. 라이너가 분리 가능한 경우에, 이들 라이너는 유연한 IFR 발포체로 형성될 수 있으며 배터리/라이너가 배터리 하우징 내부에 배치되기 전에 각각의 배터리 주위에 래핑되도록 배터리 하우징에서 제거될 수 있다.
도시된 실시예에서, 냉각 도관[예를 들어, 도관(406)]은 횡방향으로 연장되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 냉각 도관의 배치는 임의의 다른 배치(예를 들어, 하우징의 측벽에 대해 비스듬히 연장)로 변경될 수 있다.
도 12, 도 13, 도 14 및 도 15는 추가 실시예의 배터리 하우징(1200)을 도시한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 배터리 하우징(1200)은 베이스 보디(1210) 및 제거 가능한 뚜껑(1220)을 갖는다. 이하에서 추가로 설명되는 것을 제외하고, 보디(1210) 및 뚜껑(1220)은 경우에 따라서 도 1 내지 도 11, 및 배터리 하우징(100, 100', 200 또는 300) 중 어느 하나와 관련하여 전술한 것과 유사한 특징 및 구조를 갖는다.
하우징(100, 100', 200, 300)과 달리, 하우징(1200)은 분말(1500)을 그 안에 저장하기 위한 분말 챔버를 추가로 구비하며, 뚜껑(1220)은 이하에서 추가로 설명하듯이 분말을 배터리 하우징(1200) 밖으로 방출하기 위한 복수의 관통-구멍(1222)을 갖는다. 분말(1500)은 난연성 재료로 형성될 수 있으며, 그 이점(들)은 명백해질 것이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 보디(1210)는 배터리 셀(1214)을 수용 및 보유하기 위한 복수의 공동(1212)을 갖는다. 일부 실시예에서, 공동(1212)은 배터리 셀(1214)을 상호 격리시키기 위한 재료로 구성되고 제조되며, 따라서 고장난 셀(1214) 중 하나 이상에 손상을 초래할 수 있는 열 폭주 또는 화재의 경우에, 인접하는 셀은 가능한 손상으로부터 보호될 수 있고 사용 가능하게 유지될 수 있다.
하우징(1200)은 또한 도 13 및 도 14에 도시하듯이 분말 트레이(1230)를 구비한다. 분말 트레이(1230)는 분말(1500)(도 12 내지 도 14에는 도시되지 않았지만 도 15 참조)을 보유하도록 성형 및 구성된다. 뚜껑(1220)과 분말 트레이(1230)는 조립될 때 뚜껑 조립체(1240)를 형성하며, 이 조립체는 분말 챔버를 형성한다. 분말 챔버는 사용 중에 분말(1500)로 충전될 것이다. 분말(1500)은 적절하게 패킹될 수 있지만, 관통-구멍(1222)을 통해서 하우징(1200) 밖으로 방출될 수 있도록 충분히 소실되어야 한다.
분말 트레이(1230)의 하벽은 또한 가스가 분말 트레이(1230)를 통과할 수 있도록 관통-구멍(1232)을 갖는다.
보디(1210), 뚜껑(1220) 및 분말 트레이(1230)는 보디(1210) 상에 대한 분말 트레이(1230)의 위치설정 및 교합과, 분말 트레이(1230) 상에 대한 뚜껑(1220)의 위치설정 및 교합을 촉진하기 위해 매칭되는 계단형 또는 립형(lipped) 에지를 가질 수 있다. 가스 및 분말이 뚜껑(1220)과 보디(1210) 사이의 갭을 통해서 누설되는 것을 방지하기 위해 에지는 밀봉적으로 결합될 수 있다. 뚜껑(1220) 및 분말 트레이(1230)는 복수의 체결구(1224)에 의해 보디(1210) 상에 체결될 수 있으며, 각각의 체결구는 나사식 말단부를 갖는 세장형 체결구 보디(1226)를 갖는다. 보디(1210)는 체결구(1224)의 나사식 단부를 수용 및 결합하기 위한 대응 나사식 개구(1216)를 갖는다.
도 14에 도시된 바와 같이, 분말 트레이(1230)의 하측은 지지체의 위치설정 및 장착뿐 아니라 공동(1212)에서 생성된 일체의 가스의 인도를 제공하기 위해 셀(1214) 및 공동(1212)의 상부와 매칭 및 교합하는 원형 립(1234)을 가질 수 있다. 예를 들어, 립(1234)은 배터리 하우징(1200)의 측부를 통해서[즉, 보디(1210)와 분말 트레이(1230) 사이의 계면에서] 방출되는 가스를 감소시키거나 최소화하기 위해 공동(1212)과 밀착하여 끼워맞춤되도록 구성될 수 있다. 대신에, 가스는 분말 트레이(1230)의 구멍(1232)을 통해서 우선적으로 뚜껑(1220)과 분말 트레이(1230) 사이의 공간 위쪽으로 경로이동된다. 이 경로이동의 이점은 이하에서 명백해질 것이다.
보디(1210), 뚜껑(1220) 및 분말 트레이(1230)를 구비하는 배터리 하우징(1200)은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있으며 경우에 따라서 팽창성 플라스틱으로 형성될 수 있다. 다른 유사한 하우징 부분에 대한 본 명세서에 기재된 재료가 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 보디(1210) 및 뚜껑 조립체(1240)는 상이한 재료로 형성될 수 있으며, 뚜껑 조립체(1240)의 재료(들)는 가열 또는 화재 중에 구멍(1222)의 크기를 보다 양호하게 제어(즉, 큰 변화를 방지)하기 위해 선택된다.
뚜껑 조립체(1240) 내의 분말(1500)은 난연성 재료로 형성될 수 있으며, 배터리 셀(1214)의 전해질 인화점 이하의 온도로 가열될 때 분말(1500)이 분해되어 불활성 가스 또는 가스들을 생성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 난연성 재료의 분해 시작 온도(분해 온도)는 약 100℃ 내지 약 150℃의 범위일 수 있으며, 배터리 하우징에 수용될 특정 배터리 내의 특정 전해질 용매의 인화점 온도 이하이도록 선택된다. 분말(1500)의 분해 시에 생성되는 불활성 가스는 예를 들어 질소 가스(N2), 이산화탄소(CO2) 등을 포함할 수 있다. 방출된 난연성 분말 및 불활성 가스(들)는 하우징(1200) 주위에 존재하는 산소(O2)와 같은 가연성 가스를 변위시킴으로써, 또는 하우징(1200) 주위의 공기를 희석시켜, 화재를 진압하는데 필요할 수 있는 산소 및 기타 가연성 가스의 공급을 감소 또는 제거함으로써 난연 효과를 제공할 수 있다.
경우에 따라서, 분말(1500)은 분말 재료가 가열시 분해될 때 분해 반응이 흡열 반응이도록 선택될 수 있다. 따라서 분말 재료의 분해는 열을 흡수하고 배터리 하우징(1200) 내의 온도 또는 주위 공기의 온도를 감소시켜 냉각 효과를 제공할 수 있다. 이 냉각 효과는 화재를 추가로 방지하거나 지연할 수 있다.
일부 실시예에서는, 분말(1500)에 첨가제가 포함될 수 있다. 예를 들어, 분말(1500)이 저장 또는 사용 중에 뭉쳐지지 않도록 표면 에너지 레벨을 감소시키기 위해 안정제 또는 계면활성제가 포함될 수 있다.
일부 배터리에서, 적절한 난연성 분말 재료는 암모니아 폴리포스페이트(APP) 상(Phase) I[APP:(NH4PO3)n], CAS No. 68333-79-9일 수 있다. APP 상 I는 미세한, 자유-유동 백색 분말 형태로 이용 가능하다.
일부 실시예에서는, 난연성 분말을 형성하기 위해 멜라민이 사용될 수 있다.
난연성 분말을 형성하기 위한 추가의 가능한 난연성 재료는 암모늄 폴리포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 트리크레실 포스페이트, 비스(디페닐) 포스페이트, 멜라민 포스페이트 등을 포함할 수 있다. 불활성 가스로 분해될 수 있는 추가 열 활성 화합물도 사용할 수 있다. 또한, 적합한 재료의 다양한 조합 또는 혼합물도 난연성 분말에 사용될 수 있다.
관통-구멍(1222)[및 구멍(1232)]의 크기는 다수의 요인 또는 고려사항에 기초하여 선택될 수 있다. 특히, 관통-구멍(1222)의 크기는 분말(1500) 및 배터리 셀(1214)의 성질 및 특성을 둘 다 고려하여 선택될 수 있다. 관통-구멍(1222)이 분말(1500)의 입자 크기에 비해 너무 작으면, 관통-구멍(1222)을 통한 분말(1500)의 효과적인 압출 또는 토출이 가능할 수 없거나, 관통-구멍(1222)이 쉽게 막히거나 폐쇄될 수 있다.
구멍의 크기 또한 뚜껑(1220)과 분말 트레이(1230)에 의해 형성된 분말 챔버 내의 압력 생성에 영향을 줄 수 있다. 뚜껑 조립체(1240) 내부에서 도달될 수 있는 예상 압력은 배터리 셀(1214)의 특징, 분말(1500) 내의 특정 재료의 특성, 관통-구멍(1222) 및 구멍(1232)의 크기의 함수일 수 있다.
난연성 분말(1500)의 크기는 분말(1500)이 구멍(1222)을 통해서 방출될 수 있도록 충분히 미세하다. 또한, 토출되는 난연성 분말(1500)이 늘어난 기간 동안 배터리 하우징(1200) 주위의 공기에 부유될 수 있다면 유익할 것이다. 분말이 너무 무거워서 너무 빨리 아래쪽으로 떨어지면, 지연 효과가 감소될 것이다.
관통-구멍(1222, 1232)은 난연성 분말(1500)의 방출을 허용하도록 크기를 갖는다. 예를 들어, 관통-구멍 개구는 원형 형상 및 약 0.5 mm 내지 약 5 mm의 직경을 가질 수 있다. 관통-구멍은 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있거나, 관통-구멍의 형상 및 크기가 변경될 수 있다. 각각의 특정 용도에서 관통-구멍의 크기는 배터리 크기, 배터리 하우징의 크기, 특정 화학 물질, 및 관련 화학 반응에 따라서 선택될 수 있다.
관통-구멍(1222)은 뚜껑(1220) 상에 균일하게 분포될 수 있으며, 관통-구멍(1222)의 개수와 그 위치는 뚜껑(1220)의 완결성 및 기계적 강도에 크게 영향을 미치지 않으면서 최적의 지연 효과를 제공하도록 선택될 수 있다.
사용 중에, 열 폭주가 발생하면, 하나 이상의 셀(1214)이 가열될 것이며, 심지어 화재를 초래하고, 가스를 방출할 수 있다. 열, 그리고 경우에 따라서 방출된 가스는, 분말 트레이(1230)의 구멍(1232)을 통해서 분말 챔버 내의 분말(1500)에 전달될 수 있다.
분말(1500)이 임계 온도로 가열되면, 분말(1500)은 분해되어 불활성 가스(들)를 방출하기 시작할 수 있다. 그 결과, 뚜껑 조립체(1240)의 분말 챔버 내의 압력은 열 폭주 또는 화재 중에 급속히 증가할 수 있고, 압력은 결국 도 15에 도시하듯이 분말(1500)의 적어도 일부를 관통-구멍을 통해서 뚜껑(1220) 밖으로 방출하기에 충분히 높을 것이다. 분말(1500)의 분해에 의해 발생된 불활성 가스(들)의 일부도 관통-구멍(1222)을 통해서 뚜껑(1220)을 빠져나갈 수 있다.
관통-구멍(1220)이 도면에 도시된 바와 같이 배터리 하우징(1200)의 상부에 균등하고 균일하게 분포되고 분말(1500)이 충분히 미세할 때, 관통-구멍(1222)으로부터 방출된 분말(1500) 및 배출된 임의의 가스는 배터리 하우징(1200) 위에 떠있는 구름을 형성할 수 있으며, 이는 배터리 하우징(1200)을 둘러싸거나 포위하는 구름 층 또는 블랭킷을 형성할 수 있다.
일부 분말(1500) 및 불활성 가스(들)는 역시 구멍(1232)을 통해서 보디(1210)의 공동(1212)에 진입할 수 있다.
방출된 분말(1500)은 또한 주위 온도가 열 폭주로 인해 충분히 높으면 뚜껑(1220) 외부에서 분해될 수 있으며, 이러한 추가 분해는 하우징(1200) 외부에서 더 많은 불활성 가스(들)를 발생시킬 것이다. 전술했듯이, 분해 반응에 의해 생성된 불활성 가스는 사용된 특정 분말 재료에 따라서 CO2, N2 등을 포함할 수 있다.
배터리 하우징(1200)을 커버하는 배터리 하우징(1200)의 내부 또는 외부에 발생된 분말(1500) 및 불활성 가스(들)의 구름은 배터리 하우징(1200) 주위의 환경 대기 중의 산소(O2) 농도를 효과적으로 감소시킬 수 있고, 열 폭주 도중의 화재 가능성을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 배터리 하우징(1200) 내에 이미 화재가 발생하면, 분말 및 불활성 가스(들)의 구름은 화재를 유지하는데 필요한 산소 또는 기타 가스의 공급을 감소시킴으로써 화재를 억제할 수 있다.
분말(1500)이 흡열 반응에 의해 분해되면, 하우징(1200) 및 주위 환경으로부터 열이 흡수되고, 그 결과 냉각 효과가 발생한다. 이 냉각 효과 또한 화재를 추가로 방지 또는 지연하는데 도움이 될 수 있다. 배터리 하우징(1200) 내부 및 외부에서의 분말(1500)의 분해는 둘 다 화재 지연에 유익한 효과를 가질 수 있음을 알아야 한다.
구멍(1232)은 초기에 배터리 챔버, 즉 공동(1212)으로부터 뚜껑 조립체(1240) 내의 분말 챔버로의 배출 통로를 제공한다. 분말(1500)의 상당한 부분이 방출된 후, 분말 챔버 및 구멍(1222, 1232)은 본 개시의 다른 실시예와 관련하여 전술했듯이, 공동(1212) 내부에서 발생된 임의의 추가 가스가 신속하게 빠져나갈 수 있도록 배출 통로를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 분말 트레이(1230)는 전술한 팽창성 재료로 형성될 수 있으며, 따라서 특정 배터리 셀(1214)에 대한 특정 공동(1212)에서의 구멍(1232)은 국소 온도가 더 증가할 때 차단될 수 있다.
이제 알 수 있듯이, 도 12 내지 도 15에 도시된 실시예에 대한 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 분말을 방출 필요가 있기 전에 뚜껑(1220) 내부에서 손상되지 않게 유지하기 위해, 구멍(1222, 1232)은 "막힌-구멍"으로서 제공될 수 있는 바, 즉 초기에 적어도 구멍(1222 또는 1232)에 근접한 영역에서 뚜껑(1220)의 하측을 따라서 및 분말 트레이(1230)의 상측을 따라서 각각 부착되는 박막(도시되지 않음)으로 커버될 수 있다. 박막은 또한 운송 및 보관 중에 분말의 누설을 방지할 수 있다.
경우에 따라서, 분말(1500)은 열 폭주 중에 가열될 때 신속하게 붕해 또는 용융될 수 있는 재료로 형성될 수 있는 별도의 플라스틱 파우치(도시되지 않음) 내부에 배치될 수 있다.
도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 배터리 하우징(1200) 내의 공동(1212)은 격리된 개별 공동이다. 그러나, 다른 실시예에서는, 각각의 배터리 셀에 대해 개별 구획을 제공할 필요가 없다. 예를 들어, 하우징 재료가 팽창성이 아니라면, 단일 구획이 다수의 배터리 셀을 수용하도록 제공될 수 있으며, 배터리 셀 사이의 공간은 적절한 난연성 재료로 패킹될 수 있다. 난연성 재료는 패킹 재료로서 작용할 수도 있다. 알 수 있듯이, 보디(1210) 내에 셀 구획이 복수로 존재하는지 단수로 존재하는지에 관계없이, 뚜껑 조립체(1240)의 하면은 배터리 셀을 한정하여 그 이동을 제한하기 위해 립(1234)과 같은 유지 구조물을 구비할 수 있다.
언급했듯이, 보디(1210)는 또한 뚜껑 조립체(1240) 내의 분말 재료와 동일하거나 상이할 수 있는 난연성 재료로 패킹될 수 있다. 일 실시예에서, 배터리(1214)와 공동(1212)의 공동 벽 사이의 갭은 난연성 분말로 충전 및 패킹될 수 있다. 보디(1210) 내의 공동(1212) 또한 난연성 분말(1500)과 같은 난연성 분말로 충전 또는 패킹될 때는, 추가 배출 구멍(도 12 내지 도 15에는 도시되지 않았지만 도 16 참조)이 보디(1210)의 측부에 제공될 수 있다.
도 16은 보디(1210)를 대체하기 위해 사용될 수 있는, 측부 배출 구멍(1218)을 갖는 하우징 보디(1210')를 도시한다. 셀 공동(1212) 내부의 임의의 패킹된 분말 또는 발생된 가스가 외부로 배출 또는 방출될 수 있도록 셀 공동(1212)으로부터 외부 환경으로 경로를 제공하는 관통-구멍인 측부 배출 구멍(1218)의 추가 제공을 제외하고 보디(1210')는 보디(1210)와 유사하다. 배출 구멍(1218)은 화재 또는 열 폭주 중에 쉽게 제거될 수 있는 필름(도시되지 않음)에 의해 커버되는 막힌-구멍으로서 제공될 수 있다. 배터리 하우징의 측부 상의 추가 구멍은 난연성 분말을 배터리 하우징 주위의 환경으로 더 잘 분산시킬 수 있으며, 배터리 하우징의 모든 측부에서 보다 양호한 커버리지 및 절연을 제공할 수 있다.
알 수 있듯이, 많은 기존의 배터리 하우징 또는 배터리 박스가 사용된다. 이러한 배터리 하우징 또는 박스는 본 명세서에 기재된 뚜껑 조립체(1240) 또는 그 변형예와 유사한 특정하게 설계되고 구성된 뚜껑 조립체로 개조될 수 있다.
도면에 도시되지 않았지만, 뚜껑(1220) 또는 뚜껑 조립체(1240)는 배터리 하우징(200, 300)의 클립(212 또는 312)과 유사한, 하우징(1200)의 보디(1210)와 교합하기 위한 클립(도시되지 않음)을 구비할 수 있다. 이러한 경우에는, 체결구(1224)가 생략될 수 있다.
본 개시의 실시예에서, 배터리 하우징은 제 1 하우징 부분 및 상기 제 1 하우징 부분과 교합 가능한 제 2 하우징 부분을 구비할 수 있다. 제 1 하우징 부분과 제 2 하우징 부분이 교합되면 하나 이상의 배터리를 보유하도록 치수형성된 배터리 챔버, 분말을 저장하기 위한 분말 챔버, 및 배터리 챔버로부터 분말 챔버로의 배출 통로가 제공된다. 분말 챔버는 배터리 챔버 내에 수용된 배터리가 열 폭주하는 경우에 저장된 분말을 배터리 하우징 밖으로 방출하기 위한 개구를 갖는다. 제 1 하우징 부분과 제 2 하우징 부분의 하나 이상의 적어도 일부는 배터리가 열 폭주하는 경우에 난연성 재료가 팽창할 때 배터리 챔버로부터 가스를 배출 통로를 통해서 몰아내고 배터리 챔버를 밀봉하기에 충분한 팽창비를 갖는 팽창성 난연성 재료를 포함할 수 있다. 제 2 하우징 부분은 뚜껑 및 분말 챔버를, 예를 들어 뚜껑 조립체(1240)의 형태로 구비할 수 있다. 분말은 전술한 난연성 분말 재료 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 난연성 분말 재료는 가열될 때 흡열 반응에 의해 분해되어 불활성 가스를 방출할 수 있다. 개구는 배터리 하우징의 상부에 균등하게 또는 균일하게 분포될 수 있으며, 따라서 방출된 분말은 배터리 하우징을 둘러싸거나 포위하는 부유 구름을 형성하기 위해 개구를 통해서 배터리 하우징 주위에 분포될 수 있다.
본 개시의 다른 실시예는 배터리 하우징을 커버하기 위한 뚜껑에 관련된다. 뚜껑은 분말을 저장하는 챔버를 구비한다. 챔버는 배터리 하우징에 수용된 배터리가 열 폭주하는 경우에 저장된 분말의 적어도 일부를 뚜껑 및 배터리 하우징 밖으로 방출하기 위한 개구를 갖는다. 분말은 가열될 때 흡열 반응에 의해 분해되어 불활성 가스를 방출하는 난연성 재료를 포함한다. 뚜껑은 뚜껑 조립체(1240)를 구비할 수 있다.
경우에 따라서, 본 명세서에 개시된 배터리 하우징 및 케이싱의 임의의 것은 화염 침투 및 단열 성능을 향상시키기 위해 세라믹 또는 다른 내화성 직물(예를 들어, Kaowool™, 현무암, Nextel™ 및 Nomex™)로 라이닝될 수 있다.
이상에서, 용어 "배터리"는 일차 또는 이차 셀 또는 배터리의 임의의 형태를 지칭한다.
전술한 실시예는 단지 예시적이고 결코 제한적이지 않도록 의도된다. 설명된 실시예는 통상의 기술자가 알게 되듯이 형태, 부품의 배치, 세부 사항 및 작동 순서의 많은 수정을 허용한다. 본 발명은 청구범위에 의해 한정되는 그 범위 내의 모든 그러한 수정을 망라하도록 의도된다.
100, 100', 200, 300, 1200: 배터리 하우징
101, 101', 201, 301, 401, 601, 1220: 뚜껑
103, 303, 603, 1222, 1232: 관통-구멍
104, 204, 304: 배터리
105, 105', 205, 305, 405, 605, 1210, 1210': 보디
106, 106', 206, 306, 606, 1212: 배터리 공동
108: 챔버 203: 막힌-구멍
209: 얇은 벽 210, 310: 립
211, 311: 갭 214, 314, 316, 1234: 립
308: 배터리 챔버 309: 배출 공동
318: 리브 320: 배출 통로
322: 배출 챔버 400: 케이싱
406: 냉각 도관 414: 구획
1214: 배터리 셀 1218: 배출 구멍
1224: 체결구 1230: 분말 트레이
1240: 뚜껑 조립체 1500: 분말
B1-B7: 공동

Claims (14)

  1. 배터리 하우징에 있어서,
    제 1 하우징 부분;
    상기 제 1 하우징 부분과 교합 가능한 제 2 하우징 부분; 및
    분말을 저장하기 위한 분말 챔버를 포함하고,
    상기 분말 챔버는 복수의 개구를 가지며;
    상기 제 1 하우징 부분과 상기 제 2 하우징 부분은, 교합될 때,
    하나 이상의 배터리를 보유하도록 치수화된 배터리 챔버; 및
    상기 배터리 챔버로부터 상기 분말 챔버로의 배출 통로를 제공하고,
    상기 분말 챔버는 상기 배터리 챔버 내의 배터리가 열 폭주하는 경우에 저장된 분말을 상기 배터리 하우징 밖으로 방출하는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분말 챔버는 상기 분말로 충전되고, 상기 분말은 가열될 때 흡열 반응에 의해 분해되어 불활성 가스를 방출하는 난연성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분말은 암모늄 폴리포스페이트, 트리페닐 포스페이트, 트리크레실 포스페이트, 비스(디페닐) 포스페이트, 멜라민, 및 멜라민 포스페이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 하우징 부분은 트레이를 포함하고 트레이 뚜껑을 추가로 포함하며, 상기 뚜껑은 상기 트레이와 교합될 때 상기 분말 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 하우징 부분과 상기 제 2 하우징 부분의 하나 이상의 적어도 일부는 상기 배터리 챔버에 수용된 상기 배터리가 열 폭주하는 경우에 팽창성 난연성 재료가 팽창할 때 상기 배터리 챔버를 밀봉하기에 충분한 팽창비를 갖는 팽창성 난연성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 통로를 차단하는 차단체를 추가로 포함하며, 상기 차단체는 상기 열 폭주에 의해 상기 배터리 챔버 내에 생성되는 압력에 노출될 때 파괴되는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 통로와 상기 개구 중 하나 이상은 박막으로 커버되는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  8. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 분말 챔버 내의 하나 이상의 플라스틱 파우치를 추가로 포함하며, 상기 플라스틱 파우치는 상기 분말을 보유하는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 통로는 제 1 배출 통로이고, 제 2 배출 통로를 추가로 포함하며, 상기 제 2 배출 통로는 상기 배터리 챔버로부터 상기 제 1 하우징 부분을 통해서 상기 배터리 하우징의 외부로 연장되는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배터리 챔버 내에 분말형 난연성 재료를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 배터리 챔버 내의 상기 배터리에 대한 전기적 연결을 제공하기 위한 커넥터를 갖는 것을 특징으로 하는
    배터리 하우징.
  12. 배터리의 열 폭주를 지연시키는 방법에 있어서,
    트레이 내로의 배출 통로를 갖는 배터리 챔버 내에 상기 배터리를 수용하는 것;
    상기 트레이를 난연성 분말로 충전하는 것;
    하우징의 외부에 분말 구름을 형성하기 위해 상기 배터리의 열 폭주에 기인하는 증가된 압력의 경우에 상기 난연성 분말의 방출을 가능하게 하는 복수의 구멍을 갖는 뚜껑으로 상기 트레이를 폐쇄하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 배출 통로와 상기 구멍 중 하나 이상을 상기 증가된 압력의 경우에 파괴되는 박막으로 커버하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 배터리의 상기 열 폭주의 경우에 상기 팽창성 난연성 재료가 팽창할 때 상기 배터리 챔버로부터 가스를 상기 배출 통로를 통해서 몰아내고 상기 배터리 챔버를 밀봉하기에 충분한 팽창비를 갖는 팽창성 난연성 재료로 상기 배터리 챔버를 적어도 부분적으로 형성하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
KR1020180114118A 2014-02-03 2018-09-21 열 폭주 완화 배터리 하우징 KR102662134B1 (ko)

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US14/171,450 US9853267B2 (en) 2014-02-03 2014-02-03 Intumescent battery housing
US15/714,522 2017-09-25
US15/714,522 US10593921B2 (en) 2014-02-03 2017-09-25 Intumescent battery housing

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