[논문]조성비에 따른 Zr/BaCrO4 열지의 열적 특성

임채남; 이정민; 박병준; 강승호; 정해원

doi:10.4313/jkem.2016.29.10.652

조성비에 따른 Zr/BaCrO4 열지의 열적 특성
Thermal Characteristics of Zr/BaCrO4 Heat Paper with Fuel/Oxidizer Compositions 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.10, 2016년, pp.652 - 658

임채남 (국방과학연구소 제 4기술연구본부 4부) , 이정민 (국방과학연구소 제 4기술연구본부 4부) , 박병준 (국방과학연구소 제 4기술연구본부 4부) , 강승호 (국방과학연구소 제 4기술연구본부 4부) , 정해원 (국방과학연구소 제 4기술연구본부 4부)

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal batteries use inorganic salt as electrolyte, which is inactive at room temperature. As soon as heat pellets are fired by an igniter, all the solid electrolytes are instantly melted into excellent ionic conductors. However, the abnormal heat generation by the igniter flame or heat pellets causes the thermal decomposition of the electrode and the melting of the anode, eventually leading to a thermal runaway, which results in overheating or explosion. The thermal runaway can be significantly reduced by the adoption of $Zr/BaCrO_4$ heat papers. In this study, the heat papers with various ratios of fuel (Zr) and oxidizer ($BaCrO_4$) were prepared by the paper-making process. We have investigated the calorimetric value, burning rate, and ignition sensitivity. The ignition test of heat pellets and the discharge test of thermal batteries were also carried out. At the composition of 40 wt.% of Zr, the heat papers showed the highest specific calorimetric value and burning rate. As a result, $Zr/BaCrO_4$ heat paper made by the paper-making process has shown the applicability for thermal batteries.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Zr/BaCrO₄ 균질성 확보 및 공정 단순화를 위해 초지 공정(paper-making process)을 적용하였으며, 다양한 조성비를 갖는 Zr/BaCrO₄ 열지를 제조하였다. 발열량, 연소 속도, 점화 감도 및 열원 점화시험 등의 열적 특성평가를 진행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 초지 공정을 적용한 Zr/BaCrO₄ 열지를 제조하였고, Zr 및 BaCrO₄ 조성비에 따른 Zr/BaCrO₄ 열지의 발열량, 연소 속도, 점화 감도 및 열원점화시험 등의 열적 특성평가를 수행하였다. Zr/BaCrO₄ 열지를 적용하여 열전지 작동 성능을 확인한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 파이로테크닉 연료(fuel)는 지르코늄(Zr, Sejong Materials Co., Korea)이다. Zr은 공기 중에 쉽게 발화되는 민감한 특성을 가지고 있어, 수분이 30 wt.

이론/모형

제조된 Zr/BaCrO₄ 열지에 대해서 SEM (scanning electron microscopy, Philips)을 사용해 미세구조를 관찰하였다. 열지로서 요구되는 열적 특성중 발열량은 봄베열량계(Parr 6100, Parr Instrument Co.

성능/효과

(1) 직경이 큰 유리섬유가 열지 전체의 지지체로 강도 및 취급성을 향상시키고, 직경이 작은 유리섬유는 1～2 ㎛의 입자 크기를 가진 Zr/BaCrO₄ 분말을 고르게 분포시키는 역할을 하고 있음을 확인하였다.
(2) Zr 40 wt.%에서 476.5 cal/g, 173.3 ㎝/s으로 가장 높은 발열량과 연소 속도를 나타낸 후 점차 감소하였다. 화학양론적 완전연소 조건에 근접하는 Zr 40 wt.
(3) Zr/BaCrO₄ 열지를 적용하여 저온(-32℃) 및 고온(+63℃)에서 열전지 방전시험을 실시한 결과, 저온에서는 1.20초 이내, 고온에서는 0.85초 이내에 각각 규격 최소전압인 24 V에 도달하였으며, 시간 경과 후에도 과열 및 전압 하락 등의 이상 현상 없이 정상적으로 방전이 완료되었다. 열전지 작동 초기에 Zr/BaCrO₄ 열지에 의해 각 스택의 열원이 차례대로 모두 점화되어 열전지가 정상적으로 작동하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전지는 어떻게 활성화되는 전지인가?	열전지는 화약 열원(pyrotechnic heat source)을 이용해 짧은 시간에 전해질을 용융시킴으로써 활성화되는 전지로서, 음극(LiSi), 공융염(LiF-LiCl-LiBr), 양극(FeS2) 및 열원(Fe/KClO4)으로 구성되는 단위전지가 적층되는 구조를 갖는다(그림 1). 열전지는 외부에서 인가되는 활성화 신호에 의한 착화기(igniter)의 작동으로 화약 열원을 연소시켜 내부 온도를 약 500℃로 유지함으로써 전기를 발생시킨다[1,2].
	열전지 내부에 어떤 현상이 생기면 방전 실패로 연결되는가?	열전지는 외부에서 인가되는 활성화 신호에 의한 착화기(igniter)의 작동으로 화약 열원을 연소시켜 내부 온도를 약 500℃로 유지함으로써 전기를 발생시킨다[1,2]. 하지만, 그림 1(a)와 같이, 열전지 내부에 순차적으로 적층된 열원 중 일부가 점화되지 않으면 발동시간이 느려져 방전 실패로 연결된다. 또한, 점화되지 않은 열원이 방전 중에 점화되면 국부적으로 과도한 열에너지가 유입되어 양극의 분해 및 음극의 용융을 일으킨다.
	양극 분해로 인해 생기는 열폭주와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안은?	양극 분해는 황 가스를 배출하고, 이는 다시 음극과 반응하여 열폭주(thermal runaway)를 초래하며, 음극의 용융은 내부단락으로 인한 전지의 파열을 일으키는 원인이 된다고 보고되고 있다 [3,4]. 이와 같은 문제점을 해결하고, 열전지 내부열원의 동시 점화 및 착화 신뢰성 확보를 통한 안정성을 증가시키기 위해 그림 1(b)와 같이 열지(heat paper)를 적용하여 사용하고 있다. 현대의 열전지에서 열지는 열원을 점화시키는 도화선으로 열전지의 발동시간을 단축시켜 운용 신뢰성을 향상시키는 목적으로 사용되고 있다 [5,6].

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