CN111684016B - 热接触和填充材料，以及具有热接触和填充材料的蓄电池组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热接触和填充材料，其包含至少一种导热填料和至少一种无硅基础油，所述热接触和填充材料的特征在于，所述导热填充材料是金属氢氧化物，具体地说是氢氧化铝，并且所述热接触和填充材料还包含至少一种可化学交联的预聚物混合物。本发明进一步涉及一种储能电池装置(1)，特别是用于车辆的储能电池装置(1)，其包括至少一个支撑件(31、32、33、34、35、36)、至少一个储能电池元件(21、22、23、24)和至少一个底板(4)，所述储能电池元件(21、22、23、24)设置于所述支撑件(31、32、33、34、35、36)上，所述支撑件(31、32、33、34、35、36)设置于所述底板(4)上。所述储能电池装置(1)的特征在于，至少在所述底板(4)与所述支撑件(31、32、33、34、35，36)之间和/或在所述可充电电池元件(21、22、23、24)和所述支架(31、32、33、34、35、36)之间，设置有导热层(5)，其中导热层(5)由权利要求1至13中任意一项所述的热填充和接触材料形成。
Description
背景技术
在电子和能源处理***的运行中，会释放热量，必须快速有效地将这些热量从发热单元中去除。为了使活性组件与相应的热量输入或输出管路建立热接触，通常通过螺丝钉、夹具或通过钎焊或焊接(soldering or welding)的材料间接合形式来产生固定的机械接触。尽管机械固定具有连接可释放的优点，但活性组件之间的热传递仅通过几个接触点进行。由于在它们之间存在一层空气，并且这层空气是非常差的热导体，所以仅能够被不完全地去除产生的热量。因此，为了改善热传递，在活性组件之间的接合处，即发热元件和散热元件之间引入导热材料。
这种导热材料是已知的，例如以导热膏的形式从微电子元件中获取热量，它们使得从半导体芯片中去除热量成为可能。这种导热膏通常由含有金属或陶瓷颗粒的导热填充材料(例如氧化铝)以及作为粘合剂的含硅基础油组成。
例如，DE 10 2015 118 245A1公开了一种用于电子组件的导热膏，其包含作为填料的氧化铝以及含硅基础油。
这样的导热膏通常能够满足微电子的要求，因为它们能以简单的方式引入到活性组件之间的接合处，并且由于它们的膏体状特性，还能够再次被去除。此外，它们还可用于大体积的技术应用中，例如用于热交换器中的热接触。然而，由于它们的膏体状特性，这种导热膏几乎不适用于承受机械应力的应用。机械应力，例如振动或移动，可能导致导热膏从活性组件之间的连接处挤出，从而使空气进入连接处。这种机械应力在例如车辆中广泛出现，因此在车辆组件的冷却中，期望导热材料在碰撞、振动和倾斜位置的环境情况下具有适宜的操作安全性。活性组件之间形成空气层会导致散热组件局部过热，从而限制了它们的功能。因此，导热膏从接合处逸出会导致发热组件的故障。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种热接触和填充材料，与从现有技术中已知的导热膏相比，该热接触和填充材料适合于大体积的应用，具体地说，能更好地承受潜在的机械应力。
根据本发明，该目的是通过具有权利要求1的特征的热接触和填充材料以及具有权利要求14的特征的可充电电池装置来实现的。本发明构思的进一步的有益展开是从属权利要求的内容。
根据本发明，该热接触和填充材料包含至少一种导热填充材料和至少一种无硅基础油。重要的是，导热填充材料是一种金属氢氧化物，具体来说是氢氧化铝，并且该热接触和填充材料还进一步包含至少一种可化学交联的预聚物混合物。
与现有技术中已知的导热膏相比，本发明的热接触和填充材料具有的优点是，使用通常相对密度低且价格便宜的金属氢氧化物作为导热填充物。在本发明范围内，金属氢氧化物为氢氧化铝，它与经常使用的氧化铝的3.9g/cm3的密度相比，密度明显降低，只有2.4g/cm3。该热接触和填充材料中使用的组件密度较低，对其应用范围具有优选效果。在大批量应用的情况下，优选的是相对低的密度以及与之相关的热接触和填充材料重量的减轻。然而，本发明不限于此。
此外，所使用的金属氢氧化物通常比金属氧化物的研磨性小得多，因此它们不仅对活性组件而且对借助其加工本发明热接触和填充材料的计量单元的任何组件都是温和的。这样，可以以有利的方式避免活性组件和计量单元的材料过早的磨损。
本发明进一步的优点是，本发明的热接触和填充材料含有无硅基础油作为粘合剂。众所周知，含硅基础油含有少量的挥发性硅化合物，它们可以从基础油释放到周围的空气中。这些挥发性硅化合物会沉积在活性成分周围的表面上。如果随后在这些被污染的表面上进行表面涂覆或粘合剂粘合工艺，则可能会失去表面涂层或粘合剂层的附着力。如果挥发性有机硅化合物接触到电触点，则它们会因火花的形成而分解，并形成绝缘氧化层，其结果是会削弱或破坏电触点的功能。因此，使用无硅基础油能够以有利的方式避免挥发性硅化合物对周围表面的污染。此外，使用无硅基础油形式的粘合剂可以将热接触和填充材料的粘度和流动性设定为一个期望值。通过这种方式，热接触和填充材料的粘度和流动性可以根据计划的应用进行设定。
在一种有利的方式中，可化学交联的预聚物混合物的存在使得热接触和填充材料在被引入到两个活性组件之间的接合处之后，通过化学交联固化形成聚合物成为可能。与现有技术中已知的膏状导热材料相比，这避免了由于振动和运动引起的机械应力而导致的热接触和填充材料从接合处逸出和其位置的改变，结果导致空气可能再次进入发热组件的活动元件之间的接合处。这样就避免了发热组件的局部过热，从而最终显著延长了这些组件的寿命。
在本发明的范围内，聚合物的化学交联优选通过水，具体地是以大气水分的形式来实现。然而，本发明不限于此。
优选地，可以将上述热接触和填充材料提供给能源和电气领域中的应用，在这些领域中，必须以热传导和潜在地可逆方式填充相对较大的体积或间隙。这主要是在为电动车辆的动力电池的情况，其中锂离子电池或模块的可计量和可修复的热接触非常重要。另外，该热接触和填充材料还可优选地用于工业加热和冷却工程、电气工程、电子学和机械制造中的进一步应用中。这些应用包括，例如，太阳能集热器和集热器中热管的热连接、热交换器、加热和冷却台、Peltier器件、加热的压模和挤出机、压花装置、加热槽和可逆导热嵌入或安装电机、导电电子元件、LED灯、传感器和温度传感器。
在一个有利的实施方式中，可化学交联的预聚物混合物含有至少一种预聚物和至少一种交联剂。已经发现有利的是，预聚物优选为烷氧基硅烷官能化的聚醚。通常可以通过烷氧基硅烷官能化的聚醚的聚合，形成一种坚固且同时具有弹性的热接触和填充材料。
预聚物和交联剂的使用使得三维聚合物网络的形成成为可能，从而可以形成弹性的、尺寸稳定的材料。这使得在冲击、振动、倾斜位置和发热组件温度变化的情况下甚至更好地优化了操作安全性。在本发明的范围内，能够设定交联剂相对于预聚物的比例，以便在交联后保持该热接触和填充材料所需的弹性，从而可以从发热部件中再次分离和移除该材料而不会带来问题。
在该热接触和填充材料的另一种有利的实施方式中，交联剂是有机官能硅烷。就本发明的化合物而言，有机官能硅烷是杂化化合物，它是具有活性有机基团的硅烷，因此它们可用作交联剂，即作为预聚物之间的“分子桥”。市售的硅烷具有例如氨基、环氧基、环氧丙氧基、巯基和硫基、异氰酸根合基、甲基丙烯酰氧基和乙烯基。
所述有机官能硅烷也在本发明的范围内，可以选自乙烯基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷组成的组。然而，本发明不限于此。
为了提高预聚物混合物的聚合反应的反应速率，一种进一步地有利的实施方式中，该热接触和填充材料包含聚合催化剂。聚合催化剂的存在优化了热接触和填充材料的固化速率。在本发明的范围内，能够根据预聚物混合物的组成和交联的最终产物的所需性能来选择聚合催化剂的类型。
由于热接触和填充材料必须具有足够的流动性以实现自动加工性，所以热接触和填充材料的另一种有利的实施方式中，规定了导热填充材料在热接触和填充材料中的比例按重量计在50％至90％的范围内。申请人的研究已经表明，通过在该热接触和填充材料中使用按重量计在50％至90％的范围内的导热填充材料，可以实现最佳的粘度，从而实现流动性。
此外，该热接触和填充材料的流动性和粘度可受基础油比例的影响。由于这个原因，在另一种有利的实施方式中，在该热接触和填充材料中无硅基础油的比例按重量计在5％至50％的范围内。
在该热接触和填充材料的一种进一步地有利的实施例中，可化学交联的预聚物混合物在热接触和填充材料中的比例按重量计在1％至15％的范围内。在此，较小比例的可化学交联的预聚物混合物导致处于完全聚合状态的热接触和填充材料的硬度和尺寸稳定性较低。相应地，较大比例的可化学交联预聚物混合物导致更大的硬度和尺寸稳定性。因此，用户可以根据计划的应用，以简单的方式选择热接触和填充材料的所需性能。
该热接触和填充材料的无硅基础油优选为高沸点；具体地说，无硅基础油优选在20℃的温度下具有＜10-4hPa的蒸汽压。
该热接触和填充材料的无硅基础油优选为酯类。酯类作为基础油的用途是众所周知的，例如在润滑剂的生产中。这些可以细分为合成产品和天然来源的产品，例如植物油或动物脂肪。用于该热接触和填充材料的酯类优选为高沸点的合成酯，其显示出高氧化稳定性和低汽化趋势，因此也可以在50℃至150℃的高温氛围内使用。术语“高沸点酯”是指在20℃的温度下蒸汽压小于10-4hPa的酯。
为了在该热接触和填充材料的计划使用方面实现最佳的交联速率，在另一种有利的实施方式中，该热接触和填充材料的固化速率为0.1mm/天至10mm/天，优选地从0.5mm/天至7mm/天，特别优选地自1mm/天至5mm/天。结果，可以在没有时间压力的情况下将该热接触和填充材料引入到活性组件之间的接合处，同时可以避免较长的固化时间。这最终对该热接触和填充材料的可加工性产生积极影响。
为了确保该热接触和填充材料的最佳流动性，该热接触和填充材料的另一种有利的实施方式规定，该热接触和填充材料的动态粘度在50至500Pa·s的范围内(使用旋转粘度计在40℃下测量)。
在本发明的范围内，通过添加流变添加剂，能够将该热接触和填充材料的流动性设定为所需值。这样的流变添加剂可以优选地以按重量计0.1-5％的量存在于该热接触和填充材料中，并起到增加热接触和填充材料的粘度的作用。然而，本发明不限于此。
此外，在另一个有利的实施方式中，该热接触和填充材料的导热系数在1至5W/m·K的范围内。该热接触和填充材料的导热系数取决于其组成，并且可以通过适当选择组分来适当地设定。由此可以根据应用的功能选择导热系数，并且同时可以制造成本优化的材料。
在该热接触和填充材料的另一种有利的实施方式中，其比密度在1.5至2.5g/cm3的范围内。
如上所述，本发明的热接触和填充材料具有无硅基础油。在另一种有利的实施方式中，该热接触和填充材料是不含硅的。这确保避免了基础油以及该热接触和填充材料的其他成分中的挥发性硅化合物对周围表面的污染。因此，可以防止在发热组件的环境中其他组件的功能受损。
本发明的另一方面提供了一种可充电电池装置，具体地说用于车辆的可充电电池装置，其包括至少一个支撑件，至少一个可充电电池元件和至少一个底板。可充电电池元件布置在支撑件上，支撑件布置在底板上。
诸如可充电锂离子电池之类的可充电电池装置被公认为用于车辆构造中的电动车辆的动力电池。在此，各个锂离子电池被固定在支撑件上，其中多个带有锂离子电池的支撑件被固定在底板上，以便提高可充电锂离子电池的功率。为了有效地传导出锂离子电池释放的热量，支撑件和底板均用作散热元件。常规的冷却***是基于液体冷却或基于现有技术中描述的导热膏。在液体冷却的情况下，存在这样的问题，即液体在活动组件之间的接合处不能均匀地流动，结果不能确保均匀的散热。因此，可能发生可再充电电池装置的故障。
当使用可商购的导热膏时，会出现上述缺点。例如，WO 2012/013789A1公开了一种可充电电池装置，其具有彼此连接并彼此平行布置的多个可充电电池组件，由可充电电池组件产生的热量通过含有含硅基础油的导热膏移除。如上所述，这种含硅基础油含有少量的挥发性硅化合物，这些化合物可以从基础油释放到周围的空气中。如果该挥发性有机硅化合物进入电触点，则它们会因形成火花而分解并形成绝缘氧化层，从而损害或破坏触点的功能。这对可充电电池装置的寿命有不利影响。
因此，为了使最佳散热成为可能并增加可充电电池装置部件的寿命，因此作为重要的方面，本发明的可充电电池装置提供了至少设置在底板和支撑件之间和/或可充电电池元件和支撑件之间的导热层。该导热层由权利要求1至13中任意一项所述的热填充和接触材料形成。
为了优化可充电电池装置在运行状态下的稳定性，在本发明的范围内，将各个可充电电池元件机械地固定在支撑件上和/或将支撑件机械地固定在底板上。这确保了可充电电池装置在运行状态下所需的冲击强度。然而，本发明不限于此。
在可充电电池装置的操作过程中，可能发生一个或多个可充电电池元件的故障，这降低了可再充电电池装置的功率。因此，必须将有缺陷的可充电电池元件连同或不连同其支撑物从底板上卸下并进行更换。为了能够以简单的方式进行这种更换，可充电电池装置的第一个有利的实施方式规定，导热层可拆卸地布置在底板和支撑件之间。这使得可充电电池装置在校正、修理或循环使用的情况下，可以使用适度的力移除热填充和接触材料，因此，支撑件和/或底板可重复使用。
为了能够使可充电电池元件与支撑件和/或支撑件和底板之间的气隙的制造相关公差达到几毫米，导热层还优选地具有触变性。这些触变性可优选通过适当选择该热接触和填充材料的组成来实现。例如，通过预聚物混合物和/或交联剂和/或基础油在热接触和填充材料中的比例，可以优选地获得触变性导热层。该导热层的触变性也可以以优选的方式对导热层的尺寸稳定性产生积极影响，这增加了导热层的寿命并防止形成导热性差的空气层。
在本发明的范围内，对于制成导热层的热接触和填充材料的导热层而言，还可以进一步含有添加剂，例如流变添加剂形式的稳定剂。此类添加剂的添加使得可以设定导热层或热接触和填充材料的粘度，并且优选地还影响导热层的尺寸稳定性。
在可充电电池装置的有利的实施方式中，导热层的层厚度在0.1mm至10mm的范围内；优选地，在0.5mm至5mm的范围内；特别优选地，在1mm至3mm的范围内。因此，该层厚度可以与活动组件之间的间隙的尺寸最佳地匹配。
附图说明
本发明的更多有利的特征可以借助附图从下面的实施例的描述中得出。该图显示：
图1：根据本发明的可充电电池装置的第一实施例的透视示意图；
图2：根据本发明的可充电电池装置的实施例的截面图作为详细视图；和
图3：根据本发明的可充电电池装置的第二实施例的截面图作为详细视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的可充电电池装置1的第一实施例。可充电电池装置1具有多个可充电电池元件21、22、23、24，多个支撑件31、32、33、34、35、36和底板4。
在本实施例中，四个可充电电池元件21、22、23、24被安装在支撑件31上并且用螺钉固定在后者上。支撑件31被构造为导热板，依次安装在底板上并用螺钉固定在底板上。这样在碰撞或倾斜布置的操作过程中确保了可充电电池装置1的稳定性。在本实施例中，支撑件31以及底板4由金属制成。然而，本发明不限于此。支撑件31和/或底板4也可以由其他导热材料制成，例如石墨。
可充电电池元件21、22、23、24彼此平行地布置成一排并且构造为锂离子电池。然而，本发明不限于此。因此，同样能够在本发明的范围内使用其他类型的可充电电池。此外，可充电电池元件21、22、23、24也可以相对于彼此以不同的取向布置在支撑件31、32、33、34、35、36上。
在底板4上安装另外五个支撑件32、33、34、35、36，每个支撑件具有彼此平行布置的四个可充电电池元件，该支撑件与支撑件31相比具有明显更大的尺寸，并且同样用螺钉固定到底板上。为了图1的清楚起见，已经省略了另外的可充电电池元件的编号。
在本发明的范围内，支撑件31、32、33、34、35、36的数量和/或可再充电电池元件21、22、23、24的数量也可以变化。
从图1可以看出，在支撑件31、32、33、34、35、36和底板4之间存在导热层5。可充电电池元件21、22、23、24产生并传导到支撑件上的热量通过该导热层5传导到地板4。在本发明的范围内，导热层5也被安装在可充电电池元件21、22、23、24和支撑件31、32、33、34、35、36之间(在图1中不可见)。
在本实施例中，导热层5由根据本发明的热接触和填充材料组成，该材料含有氢氧化铝作为填充剂，高沸点合成酯作为无硅基础油。
从图1中还可以看出，导热层5已被涂覆于六个支撑件31、32、33、34、35、36和底板4之间的整个区域上。此外，该层的层厚1mm(从图1中看不到)。这样，在本实施例中达到最佳的散热效果成为可能。然而，导热层5也属于本发明的范围，可以在六个支撑件31、32、33、34、35、36和底板4之间的点状和/或条状地涂抹，层厚度在0.1到5mm的范围内。
图2以截面图示出了根据本发明的可充电电池装置1的上述工作示例的详细视图。可充电电池装置1具有与图1中描述的构造相同的结构。在这种情况下，四个可充电电池元件21、22、23、24也安装在支撑件31上并通过螺钉连接到该支撑件31上(未示出螺钉连接)。支撑件31被构造为导热板，并且继而安装在底板4上并且用螺钉连接到底板4上(同样未示出螺钉连接)。这样可以确保可充电电池装置1在操作过程中对碰撞或倾斜定位的的稳定性。
从图2可以看出，在支撑件31和底板4之间存在导热层5。由可充电电池元件21、22、23、24产生并传导到支撑件的热量通过该导热层5到底板4。
图3以截面图示出了根据本发明的可充电电池装置1的第二实施例的详细视图。在详细视图中，可充电电池装置1具有与图2中描述的配置相同的结构，因此在此不赘述进一步的细节。与上述工作示例的不同之处在于，导热层51不仅位于支撑件31和底板4之间，而且在各个充电电池元件21、22、23、24之间还垂直于支撑件31安装了导热层52、53、54。各个充电电池元件21、22、23、24产生的热量以这种方式通过对流均匀地分布在周围的充电电池元件21、22、23、24上，因此优化了对支撑件31和底板4的散热。在本发明的范围内，垂直于支撑体31安装在各个可充电电池元件21、22、23、24之间的导热层52、53、54以连续层存在或仅在点处存在。该导热层52、53、54由根据本发明的热接触和填充材料制成；在本发明情形中，该层具有与导热层5相同的构造。
Claims (21)
1.一种可充电电池装置(1)，包括至少一个支撑件(31、32、33、34、35、36)，至少一个可充电电池元件(21、22、23、24)，所述可充电电池元件(21、22、23、24)设置于所述支撑件(31、32、33、34、35、36)上，并且包括至少一个底板(4)，所述支撑件(31、32、33、34、35、36)设置于所述底板(4)上，在所述底板(4)与所述支撑件(31、32、33、34、35，36)之间和/或在所述可充电电池元件(21、22、23、24)和所述支撑件(31、32、33、34、35、36)之间具有热填充和接触材料制成的导热层(5)；其中，
所述热填充和接触材料包含至少一种由金属氢氧化物组成的导热填充材料、至少一种无硅基础油和至少一种可化学交联的预聚物混合物；以及其中，
所述导热层(5)可拆卸地设置于所述底板(4)与所述支撑件(31、32、33、34、35、36)之间和/或设置于所述可充电电池元件(21、22、23、24)和所述支撑件(31、32、33、34、35、36)之间；以及其中，
所述导热层(5)具有触变性；以及其中，
所述可化学交联的预聚物混合物包含至少一种预聚物和至少一种交联剂。
2.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述预聚物为烷氧基硅烷官能化的聚醚。
3.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述交联剂是有机官能硅烷。
4.根据权利要求3所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述有机官能硅烷选自由乙烯基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷和3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷组成的组。
5.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述热接触和填充材料还包含聚合催化剂。
6.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述导热填充材料在所述热接触和填充材料中的比例按重量计在50％至90％的范围内。
7.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述无硅基础油在所述热接触和填充材料中的比例按重量计在5％至50％的范围内。
8.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述可化学交联的预聚物混合物在所述热接触和填充材料中的比例按重量计在1％至15％的范围内。
9.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述无硅基础油为酯。
10.根据权利要求9所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述酯为高沸点合成酯。
11.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述热接触和填充材料的固化速率在0.1mm/天至10mm/天的范围内。
12.根据权利要求11所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述热接触和填充材料的固化速率在0.5mm/天至7mm/天的范围内。
13.根据权利要求12所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述热接触和填充材料的固化速率在1mm/天至5mm/天的范围内。
14.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述热接触和填充材料的动态粘度在50至500Pa·s的范围内。
15.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述热接触和填充材料的导热系数在1至5W/m·K范围内。
16.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述热接触和填充材料的比密度在1.5至2.5g/cm3的范围内。
17.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述热接触和填充材料不含硅。
18.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述导热层(5)的层厚度在0.1mm至10mm的范围内。
19.根据权利要求18所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述导热层(5)的层厚度在0.5mm至5mm的范围内。
20.根据权利要求19所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述导热层(5)的层厚度在1mm至3mm的范围内。
21.根据权利要求1所述的可充电电池装置(1)，其特征在于，所述金属氢氧化物为氢氧化铝。
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