CN113631528A - 用作电池单元的绝热和火焰屏障的纸 - Google Patents

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Abstract

一种适合用作电池中的电池单元间火焰屏障的纸，以及一种包含所述纸的电池，所述纸包含40至70重量百分比的纤条体和30至60重量百分比的云母，基于所述纸中纤条体和云母的总重量；其中所述纤条体包含80至20重量百分比的聚合物和20至80重量百分比的气凝胶粉末的共混物，基于所述纤条体中聚合物和气凝胶粉末的总重量；所述纸具有100至4000微米的厚度。

Description

用作电池单元的绝热和火焰屏障的纸
发明背景
技术领域本发明涉及一种用作电池的火焰屏障(flame barrier)和阻燃的电池单元间绝热材料的纸，以及一种包含所述纸的电池。
背景技术伴随着锂离子和其他电池在电动汽车中使用的增长，涉及过热和火灾的电池故障急剧增加。需要用火焰屏障和阻燃绝缘材料来分隔电池单元，并防止一个电池单元中的过热和热点导致整个电池组演变成可能导致火灾或***的热失控状态。
此外，一些被提议的用于这种绝缘的材料具有电池制造商不希望的属性。一些绝缘材料具有高的脱落颗粒的倾向，这是不希望的，因为它们会在诸如需要在绝缘材料的表面施加高速自动胶带的过程中产生灰尘和其他问题。颗粒脱落还影响绝缘材料的表面与胶带之间的粘合，导致绝缘材料因大多数电动汽车在正常运行期间经历的振动(如道路振动)而发生移动和/或错位。
需要可以提供改善的绝热但也没不具有不希望的属性(如脱落)的火焰屏障结构。
发明内容
本发明涉及一种适合用作电池中的电池单元间火焰屏障的纸，以及一种包含所述纸的电池；所述纸包含：
40至70重量百分比的纤条体，和
30至60重量百分比的云母，基于所述纸中纤条体和云母的总重量；其中所述纤条体包含以下各项的共混物：
80至20重量百分比的聚合物，和
20至80重量百分比的气凝胶粉末，基于所述纤条体中聚合物和气凝胶粉末的总重量；所述纸具有100至4000微米的厚度。
附图说明
图1是仅由纤条体制成的纸的表面SEM照片图像，其中所述纤条体是由聚合物和气凝胶粉末的共混物制成的。
图2是仅由纤条体和气凝胶粉末制成的对比纸的表面SEM照片图像；然而，该纸是通过首先在没有任何气凝胶粉末的情况下制造聚合物纤条体而制成的。然后将不含气凝胶的聚合物纤条体和适量的气凝胶粉末在水中简单混合，以制造用于造纸的水性流浆箱配料。
图3是仅由纤条体制成的对比纸的表面SEM照片图像，其中所述纤条体是由聚合物纤条体和活性炭的共混物制成的。
图4是由云母和纤条体的组合制成的本发明的纸的表面SEM照片图像，其中所述纤条体是由聚合物和气凝胶粉末的共混物制成的。
图5是仅由纤条体制成的几种纸的热导率图，其中所述纤条体是由聚合物和气凝胶粉末的共混物制成的，该图示出了纤条体中总气凝胶粉末的不同量对纸热导率的影响。
图6是仅由纤条体制成的压光或致密纸的截面视图，其中所述纤条体是由聚合物和气凝胶粉末的共混物制成的。
图7是仅由纤条体制成的压光或致密纸的表面SEM照片图像，其中所述纤条体是由聚合物和气凝胶粉末的共混物制成的。
具体实施方式
本发明涉及一种适合用作电池中的电池单元间火焰屏障的纸，所述纸是含有云母和纤条体粘合剂的纸，纤条体粘合剂包含聚合物和气凝胶粉末的共混物，所述纸与可商购的云母纸相比具有改善的绝缘性和其他特性。
所述纸包含40至70重量百分比的纤条体和30至60重量百分比的云母，基于所述纸中纤条体和云母的总重量；其中所述纤条体包含80至20重量百分比的聚合物和20至80重量百分比的气凝胶粉末的共混物，基于所述纤条体中聚合物和气凝胶粉末的总重量；所述纸具有100至4000微米的厚度。
多单元电池结构具有并联或串联放置的电池单元，并且通常被称为电池块和电池组。在这些多单元电池结构中，来自一个电池单元中的异常热问题(如缺陷或故障)的热能量可能传播到相邻的电池单元。如果热问题足够严重，它们会在电池单元间传播并导致失控的热状况，这可能级联到电池块或电池组中的所有电池单元，导致火灾或甚至更糟。
“电池单元间的绝缘材料”意指包括提供绝热的***多单元电池结构中的单个电池单元之间的材料；即，它们试图对每个电池单元进行热隔离，并且还在电池单元出现热学的“热点”或具有异常热问题(如可能导致***的热失控)时延缓热能的传递。
所述纸包含40至70重量百分比的含气凝胶的纤条体与30至60重量百分比的云母的混合物，基于所述纸中纤条体和云母的总重量。为了保护相邻的电池单元免受过热电池单元的影响，更好的火焰屏障和阻燃绝缘材料具有低热导率以及在较高温度下的高尺寸稳定性。当热事件发生时，过热的电池单元温度可能高达800℃并且甚至更高；然而，相邻的电池单元应保持在200℃或更低。因此，相邻的电池单元之间的绝热材料优选在最高达至少800℃下是足够热稳定的。
在这种纸结构中，云母增强了火焰屏障和尺寸稳定性。云母板的片状具有各向异性的热导率(z方向的热导率比x-y方向的热导率低百倍)，并且这种特性通过纸的平面提供了改善的绝热性。据信纸中需要至少30重量百分比的云母以提供良好的尺寸稳定性。出人意料地发现，虽然芳族聚酰胺纤条体在较高的温度(200℃或更高)下显著收缩，但是如果在纸结构中使用至少30重量百分比的云母，则所述纸结构是热稳定的并且基本上没有收缩(意指在200℃下长度或宽度的变化为+/-5百分比或更小)。在一些实施例中，所述纸包含50至60重量百分比的含气凝胶的纤条体和40至50重量百分比的云母的混合物。
云母包括白云母或金云母，或其共混物，并且可以是煅烧的或未煅烧的云母。如本文中使用的，“煅烧云母”意指通过将天然云母加热至高温(通常大于800℃，有时大于950℃)而获得的云母。这种处理去除了水分和杂质，并且改善了云母的耐温性。煅烧的云母一般以片状颗粒的形式使用，并且白云母类型的云母是优选的。如本文中使用的，“未煅烧云母”意指基本上处于纯天然形式的云母，其优选已被均化和纯化以去除瑕疵和杂质。由于天然云母薄片的尺寸较大，未煅烧的云母可以形成非常多孔的云母层。优选的云母是煅烧云母，因为其比未煅烧云母具有改善的介电特性和耐电晕性。
如本文中使用的，术语纤条体意指非常小、非粒状、纤维状或膜状颗粒，其中其三个尺寸中的至少一个相对于最大尺寸具有较小量级。如例如在美国专利号2,988,782和2,999,788中公开的，通过使用非溶剂在高剪切力下使支撑材料溶液沉淀来制备这些颗粒。芳族聚酰胺纤条体是非粒状膜状芳香族聚酰胺颗粒，具有高于320℃的熔点或分解点。优选的芳族聚酰胺纤条体是间芳族聚酰胺纤条体，并且特别优选的是由间芳族聚酰胺聚(间苯二甲酰间苯二胺)(MPD-I)制成的纤条体。
纤条体通常具有的最大长度尺寸在约0.1mm至约1mm范围内、长宽纵横比为约5∶1至约10∶1。厚度尺寸在一微米的若干分之几的量级上，例如约0.1微米至约1.0微米。虽然没有要求，但优选的是将芳族聚酰胺纤条体结合到纸中、同时纤条体处于永不干燥状态。如本文所使用的，“纤条体”和“纤条体粘合剂”可互换使用。
纤条体包含80至20重量百分比的聚合物与20至80重量百分比的气凝胶粉末的共混物，基于所述纤条体中聚合物和气凝胶粉末的总重量。气凝胶粉末是具有高表面积(600-800m2/g)的多孔结构。需要一定比例的聚合物与气凝胶聚合物以将气凝胶粉末结合到纤条体中。如果气凝胶粉末与聚合物之间没有适当的结合，那么在造纸过程中，未结合的气凝胶粉末会导致气泡的形成和灰尘颗粒的产生。因此，据信充分结合气凝胶粉末所需的聚合物的最小量是20重量百分比。同样，在纤条体结构中需要至少20重量百分比的气凝胶粉末以提供所需的较低的热导率。在一些实施例中，所述纤条体包含60至40重量百分比的聚合物和40至60重量百分比的气凝胶粉末的共混物。
气凝胶意指衍生自凝胶的合成的多孔超轻材料，其中凝胶的液体组分已被气体取代。结果是具有极低密度和低热导率的固体。气凝胶可以由多种化合物制成，但二氧化硅气凝胶是优选和最常见的气凝胶类型。
如本文所使用的，术语“气凝胶”、“气凝胶粉末”和“气凝胶颗粒”可互换使用，意指高度多孔的、疏水的、高比表面积的优选气凝胶，优选具有10纳米至50微米(0.00001至0.05毫米)的粒度范围、并且优选0.05至20微米的粒度范围的无定形二氧化硅颗粒或粒子。通常，它们与常见的气相二氧化硅产品是化学相似的，但是具有更大的聚集体尺寸、更高的比表面积和更大的孔体积，包括更高的孔隙率(＞95％)、更低的密度(0.03-0.1g/cm3)、小的平均孔直径(20nm)、更低的热导率(0.017-0.022W/mK)、更高的比表面积(600-800m2/g)，并且通常是以溶胶凝胶制造法生产的。描述气凝胶的开创性专利包括Kistler的美国专利号2,093,454；2,188,007；和2,249,767，并且最近的公开是可获得的，如Joung等人的美国专利号8,518,335和8,961,919。
图1是仅由纤条体制成的纸的表面SEM照片图像，其中所述纤条体由聚合物与气凝胶粉末的共混物制成，在该情况下，所述纸具有总体上50重量百分比的MPD-I聚合物和50重量百分比的气凝胶粉末。即，将含有聚合物和气凝胶粉末的混合物的聚合物溶液提供给纤化器或其他设备，所述纤化器或其他设备在非溶剂(典型地是水)的存在激烈地剪切聚合物溶液，以由聚合物和气凝胶粉末的混合物制造纤条体。然后使用这些纤条体、或含有纤条体的用于制造纤条体的分散体制造水性流浆箱配料。所述配料可以具有其他添加剂，并且可以添加或去除水以获得所需的稠度。将含有含气凝胶的纤条体的分散体的配料提供或倾倒在筛网上，以由所述分散体固体制造纸。
图1示出了在10微米放大倍率下气凝胶颗粒周围出人意料的相互作用或纤条体形成。气凝胶颗粒1被聚合物2的触须保持在纸的适当位置，在纸结构中的气凝胶与纤条体之间形成网状连接。这提供了没有或减少了粉尘产生的可能性的纸。此外，纸的表面具有光滑的无颗粒感，代表气凝胶颗粒在纸张中的改善的附着。
图2是仅由纤条体和气凝胶聚合物制成的对比纸的表面SEM照片图像，所述纸同样具有总体上50重量百分比的MPD-I聚合物纤条体和50重量百分比的气凝胶粉末；然而，该纸是通过首先在没有任何气凝胶的情况下制造聚合物纤条体而制成的。然后将不含气凝胶的聚合物纤条体与适量的气凝胶粉末在水中简单混合，以制造水性流浆箱配料；即，纤条体和气凝胶颗粒在水中的分散体，然后将其提供给筛网以制造纸。如在10微米放大倍率下的照片图像中看到的，气凝胶颗粒3与纤条体4没有明显的结合。因此，几乎无法防止纸产生气凝胶颗粒灰尘。此外，纸的表面具有粗糙的颗粒感，代表气凝胶颗粒没有附着。
图3是仅由纤条体制成的对比纸的表面SEM照片图像，其中所述纤条体是由聚合物和活性炭的共混物制成的，所述纤条体同样具有总体上50重量百分比的MPD-I聚合物纤条体和50重量百分比的活性炭粉末。所述活性炭是由宾夕法尼亚州匹兹堡的卡尔冈炭素公司(Calgon Carbon Corp.)获得的PCB-G类型。该纸是通过与图1所示的纸类似的方法制造的，即，将含有聚合物与炭黑粉末的混合物的聚合物溶液提供给纤化器并由所述混合物制造纤条体，并且然后使用这些含有炭黑的纤条体制造水性流浆箱配料；即，含有炭黑的纤条体在水中的分散体，然后将其提供给筛网以制造纸。表面SEM照片图像示出该纸的表面结构与含气凝胶的纤条体纸有很大不同。如Bair的美国专利号5,482,773所述，活性炭5被纤条体聚合物包裹，而不是由聚合物的触须附着。据信，这表明气凝胶聚合物的低密度使得这些颗粒比活性炭更难附着在聚合物结构上。
图4是由云母7和纤条体的组合制成的本发明的纸的表面SEM照片图像，所述纤条体已经由聚合物和气凝胶粉末6的共混物制成。气凝胶颗粒被聚合物的触须保持在适当位置，在纸结构中的气凝胶与纤条体之间形成网状连接。该图像是在50微米的放大倍率下示出的，因为云母片比气凝胶颗粒大几个数量级。
所述纸具有100至4000微米(0.1至4毫米)的厚度。电池单元(无论是袋状或棱柱类型的电池单元)之间的最小间隙几乎是0.1mm，以满足当前电池设计的标准，此外，由于电动汽车的空间有限，电池单元和模块设计者使电池组设计尽可能的紧凑。因此，两个电池单元之间大于4mm的间隙通常是不希望的。在一些实施例中，所述纸具有300至3000微米(0.3至3毫米)的厚度。在一些实施例中，所述纸可以具有50至500克/平方米的基重。在一些实施例中，所述纸具有100至300克/平方米的基重。
作为任选的实施例，含有云母和气凝胶粉末纤条体粘合剂的纸可以进一步包含絮凝物，所述絮凝物以多达20重量百分比(即0-20重量百分比)的量存在，基于所述纸中纤条体、云母和絮凝物的总重量。在一些实施例中，纸中需要5至15重量百分比的絮凝物，基于所述纸中纤条体、云母和絮凝物的总重量。
如本文中使用的，术语絮凝物意指长度短并且在制备湿法铺设的纸张和/或纸时惯用的纤维。通常，絮凝物具有约3至约20毫米的长度。絮凝物的优选长度为约3至约7毫米。絮凝物一般通过使用本领域中众所周知的方法将连续纤维切割成所需长度而生产。优选的絮凝物是芳族聚酰胺絮凝物；即，由芳族聚酰胺聚合物纤维制成的絮凝物。优选的芳族聚酰胺絮凝物是聚(间苯二甲酰间苯二胺)(MPD-I)絮凝物。
如本文中使用的，术语“芳族聚酰胺”是指其中至少85％的酰胺(-CONH-)键被直接附接到两个芳环上的芳香族聚酰胺。任选地，添加剂可以与芳族聚酰胺一起使用并且可以分散在整个聚合物结构中。已经发现，最高多达约10重量百分比的其他支撑材料可以与芳族聚酰胺共混。还发现，可以使用具有多达约10百分比的其他二元胺替换芳族聚酰胺的二元胺或多达约10百分比的其他二酰氯替换芳族聚酰胺的二酰氯的共聚物。
对于纤条体和任选的絮凝物二者优选的聚合物是芳族聚酰胺聚合物，并且对于纤条体和任选的絮凝物二者尤其优选的是间芳族聚酰胺聚合物。当两个环或游离基沿着分子链相对于彼此间位定向时，认为芳族聚酰胺聚合物是间芳族聚酰胺聚合物。对于纤条体和任选的絮凝物二者优选的间芳族聚酰胺是聚(间苯二甲酰间苯二胺)(MPD-I)。美国专利号3,063,966；3,227,793；3,287,324；3,414,645；以及5,667,743说明了用于制造可以用于制造芳族聚酰胺絮凝物的芳族聚酰胺纤维的有用方法。
可替代地，芳族聚酰胺絮凝物可以是对芳族聚酰胺或芳族聚酰胺共聚物。当两个环或游离基沿着分子链相对于彼此对位定向时，认为芳族聚酰胺聚合物是对位芳族聚酰胺。用于制造对芳族聚酰胺纤维的方法总体上公开于例如美国专利号3,869,430；3,869,429；和3,767,756中。一种优选的对芳族聚酰胺是聚(对苯二甲酰对苯二胺)；并且一种优选的对芳族聚酰胺共聚物是共聚(对亚苯基/3，4’-二苯酯对苯二甲酰胺)。
具体地，用于在造纸机器上制造包含含气凝胶的纤条体和云母、以及任选的絮凝物的本发明的纸的商业上合适的工艺可以包括以所需的量和比例向造纸机器的流浆箱中提供含有云母和纤维材料的水性分散体，并且然后将这些固体作为网状物均匀地湿法铺设并分散到造纸线上并去除大部分液态水。湿网状物然后可以在干燥机滚筒上进行干燥以形成纸。在一些实施例中，可以在热锟压光机的压区中在压力和热量下、或通过其他手段将纸进一步压光或压制，以使纸加固且致密成具有所需厚度和特性的层。如果希望的话，可以分开制造成分相同的两个或更多个基重较轻或较薄的湿网状物，并且然后压光和加固在一起成为单个层。
图6和图7分别是仅由纤条体制成的压光纸分别在500微米放大倍率和10微米放大倍率下的截面视图和表面视图，其中所述纤条体是由聚合物和气凝胶粉末的共混物制成，这些图示出致密化后气凝胶颗粒周围的至少一些出人意料的相互作用或纤条体形成保留在纸张中。气凝胶颗粒11被聚合物12的触须保持在纸的适当位置，在纸结构中的气凝胶与纤条体之间形成网状连接。
可用于造纸的代表性装置和机器包括连续工艺设备，例如但不限于，长网造纸机或斜网纸机，或者分批工艺设备，如在含有成形筛(forming screen)的手抄纸(hand-sheet)模具中手动制造纸的那些。针对将芳族聚酰胺材料形成为纸的一般工艺，可以参考Gross的美国专利号3,756,908和Hesler等人的5,026,456。
在一些实施例中，所述纸具有0.5至100兆帕(MPa)的拉伸强度。在某些应用中，希望纸具有至少要15兆帕或更大的拉伸强度。例如，认为纸需要此水平的拉伸强度来经受住某些电池制造工艺，所述工艺可以包括电池单元卷绕工艺(将隔膜与集电器、阳极和阴极缠绕在一起)。所述拉伸强度还有助于使用中的隔膜的火焰屏障。高于100兆帕的纸的拉伸强度不具有负面影响，但是参数达到价值递减的点。因此，在一些优选的实施例中，所述纸具有15至50兆帕的拉伸强度。在一些实施例中，所述纸具有15至100兆帕的拉伸强度。
在一些实施例中，所述纸具有0.015至0.05瓦特/米·开尔文(W/mK)的热导率。为了有效防止热传播，优选具有较低热导率的纸，其在工作温度(包括电池的工作温度(-40℃-80℃)和最高达热学的热点温度(800℃-1000℃)的宽范围内是稳定的。在一些实施例中，所述纸具有0.015至0.04W/mK的热导率。
在一些实施例中，包含云母和含气凝胶的纤条体的1mm(+/-30％)厚的纸展现出如通过热性能保护测试(TPP)测量的至少10秒达到等于2度燃烧的TPP火焰性能；以及在一些实施例中，所述纸展现出至少12秒达到等于2度燃烧的TPP火焰性能。
据信，由于云母和含气凝胶的纤条体的组合，纸的热特性和机械特性存在协同效应。本发明的纸示出介电强度随着云母含量的增加而稳定增加，而且还示出机械强度和韧性(拉伸强度和伸长率)的稳定降低。然而，增加纤条体中气凝胶粉末的量改善了绝热性(降低了热导率)以及更好的火焰保护(TPP)。在某些情况下，当与通过将云母、气凝胶和纤条体一起简单混合并造纸而制造的纸相比时，含有云母与含气凝胶的纤条体的组合的本发明的纸具有几乎一半的热导率(即两倍的绝缘特性)，同时提供两倍的热保护(TPP)。这些优异的特性以及脱落问题的显著改善表明这些纸适合用作电池绝热材料和火焰屏障(电池单元间、电池单元到模块、内部模块和电池组等)。
包含本文所述的纸的电池可以通过使用这些纸作为电池单元间的绝缘材料来制造。将纸***多单元电池结构中的单个电池单元之间以在单个电池单元之间提供火焰屏障和绝热性。代表性的电池类型包括但不限于具有并联或串联放置的电池单元的电池结构，通常被称为电池块和电池组。然而，包含所述纸的其他电池也是可能的，只要这些纸旨热隔离将每个电池单元并延缓热能和/或火焰从一个电池单元到另一个电池单元或结构的传递。
测试方法
在下面提供的实例中使用以下测试方法。
根据使用5N/cm2重量的TAPPI 411测量厚度并且以mm为单位报告。
根据ASTM D 645和ASTM D 645-M-96测量基重并且以g/m2为单位报告。
使用2.54cm宽测试试样和18cm标距长度根据ASTM D 828-93测量拉伸强度并以N/cm或MPa为单位报告。
根据ASTM D 149-97A测量介电强度并以kV/cm为单位报告。
根据ASTM E 1530测量热导率并以W/mK为单位报告。
热性能保护测试(TPP)是织物和材料片的可燃性性能的量度，提供暴露于辐射和对流组合热的实际条件。使样品经受火特有的环境：50％辐射热和50％对流热的恒定组合，在84kW/m2(2cal/cm2/sec)的恒定热通量下。然后所述测试测量转移到织物背面的温度和能量达到等于二度燃烧的水平(如果材料被磨损的话)时消逝的时间和热能量的量/表面积(TPP值)。所使用的TPP测试方法是被ISO采用作为具有80kW/m2的热通量暴露的测试方法标准(ISO 17492)的测试方法；然而，US NFPA 1971标准要求ISO 17492测试在84kW/m2的改变的增加热通量暴露下进行，并在本文中使用该更高的热通量。
实例1
制造具有较低的热导率和较高的阻燃性的气凝胶-芳族聚酰胺纤条体纸。通过以下方式制备聚合物在含有气凝胶粉末颗粒的溶剂中的分散体：将65重量份的溶剂二甲基乙酰胺、15重量份的聚(间苯二甲酰间苯二胺)(MPD-I)聚合物、5重量份的作为溶解度增强剂的氯化钙、以及15重量份的气凝胶粉末(类型IC 3100
Figure BDA0003259257230000111
气凝胶，从马萨诸塞州波士顿卡博特公司(Cabot Corp.)获得)在釜中组合，同时搅拌直到获得均匀的混合物。然后将所述混合物缓慢倒入剧烈搅拌的瓦林共混机(waring blender)中，同时将聚合物从溶剂中凝固成膜状纤条体，其中MPD-I聚合物和气凝胶粉末以1∶1的比率存在并指定为项目1-1。在布氏漏斗上收集作为湿法铺设的纸的所得纤条体，并用去离子水洗涤直到所有的纤条体被彻底洗入漏斗中。然后将纸干燥，并且经干燥的纸展现出光滑的无脱落的表面。如图1所示，气凝胶粉末颗粒被颗粒周围的聚合物触须固定在纤条体中。
将这些再重复三次，除了每次减少气凝胶粉末的量以形成具有1.0至0.75、1∶0至0.5以及1至0.25的MPD-I聚合物与气凝胶比率的纤条体；将它们分别指定为项目1-2、1-3和1-4。为了分析硅酸盐的不同量，以及因此固定在所有四种纤条体样品中的气凝胶的量，在空气中使用具有高分辨率的TA仪器Q500 TGA(40-700C)对所有项目进行TGA热重分析(TGA)。结果在表1中示出，其说明气凝胶粉末颗粒固定在纤条体聚合物中。
表1
Figure BDA0003259257230000121
然后使用瞬态板热源(TPS 1500)的薄膜法在2.45kg的压力下在2”直径堆叠样品上测量这些纸样品的热导率。与不含气凝胶(0wt％)的聚合物纤条体的对照纸样品相比，气凝胶颗粒对复合结构的热导率(TC)的影响示出在图5中。发现通过添加略高于40重量百分比的气凝胶颗粒，热导率从0.054W/mK降低至0.028W/mK。
实例2
制备含有云母和含气凝胶的MPD-I纤条体二者的纸，所述纸具有较低的热导率和较高的阻燃性。如实例1制备四种不同的水性分散体，每种都含有实例1的四种纤条体样品中的一种。将一定量的煅烧云母片称量并分别添加到每个分散体中。所述云母是白云母类型，从佛蒙特州拉特兰郡的Electrical Samica Flake Co.公司可获得。此外，对于对照手抄纸，通过将不含气凝胶的纤条体(100％MPD-I纤条体)、云母和气凝胶粉末组合来制备另一种分散体。本发明的纸和对比纸的每种成分的相对量在表2中列出。
表2
Figure BDA0003259257230000131
*基于起始材料的标称-参见下面的“对比实例A”
将每种水性分散体与8升水一起倒入21x21cm手抄纸模具中并且形成指定为2-1至2-4的四种湿法铺设的纸。然后将手抄纸分别置于两片吸墨纸之间，用碾压辊(rollingpin)手压并且在150℃下在手抄纸干燥机中干燥10分钟。经干燥的纸展现出光滑的无脱落的表面。手抄纸的物理和热特性(如测试方法中所述)在表3中示出。
对比实例A
通过在水中组合以下项以形成水性分散体来制备对比纸A∶2克气凝胶粉末；4克MPD-I纤条体，其不含气凝胶并以美国专利3,756,908中通常描述的方式制备；以及4克煅烧云母片。然后所述水分散体用于形成如实例2中的手抄纸。经干燥的纸展现出粒状的有脱落的表面。物理和热特性在表3中示出。经干燥的纸的TGA(热重分析)示出，留下了重量约1.75克的气凝胶颗粒的残余物，这意指在造纸过程中损失了大约30％的原始气凝胶粉末。表3中的数据表明由于云母和含气凝胶的纤条体的组合，纸的热特性和机械特性存在协同效应。所述纸示出介电强度随着云母含量的增加而稳定增加，而且还示出机械强度和韧性(拉伸强度和伸长率)的稳定降低。然而，增加纤条体中气凝胶粉末的量改善了绝热性(降低了热导率)以及更好的火焰保护(TPP)。对比实例A和实例2-3二者的纸是由20重量百分比的气凝胶粉末制成的；然而，与对比实例A的纸相比，实例2-3的纸具有几乎一半的热导率(即两倍的绝缘特性)和两倍的热保护(TPP)。这些优异的特性以及脱落问题的显著改善表明这些纸适合用作电池绝热材料和火焰屏障(电池单元间、电池单元到模块、内部模块和电池组等)。
表3
Figure BDA0003259257230000141
实例3
重复实例2，除了10重量百分比的云母和
Figure BDA0003259257230000142
絮凝物(0.22特克斯线性密度且长度为0.64cm的
Figure BDA0003259257230000143
纤维，从美国特拉华州威明顿的杜邦公司(DuPont Co.)可获得的)之外，以与实例2-2中相同的方式准确制备额外具有絮凝物的被指定为3-1的云母和含气凝胶的纤条体纸。添加絮凝物有助于将热导率提高至0.025W/mK，但介电强度略下降至200kV/cm。
然后以类似方式制备另外三种具有不同组成且指定为3-2、3-3和3-4的含有云母、含气凝胶的纤条体和絮凝物的纸并测试燃烧性能。所有经干燥的纸均展现出光滑的无脱落的表面。组成和测试结果在表4中示出。
表4
Figure BDA0003259257230000151

Claims (12)

1.一种适合用作电池中的电池单元间火焰屏障的纸，所述纸包含：
40至70重量百分比的纤条体，和
30至60重量百分比的云母，
基于所述纸中纤条体和云母的总重量；
其中所述纤条体包含以下项的共混物：
80至20重量百分比的聚合物，和
20至80重量百分比的气凝胶粉末，
基于所述纤条体中聚合物和气凝胶粉末的总重量；
所述纸具有100至4000微米的厚度。
2.如权利要求1所述的纸，其中，所述纤条体包含以下项的共混物：
60至40重量百分比的聚合物，和
40至60重量百分比的气凝胶粉末。
3.如权利要求1或2所述的纸，其中，所述纸包含：
50至60重量百分比的纤条体，和
40至50重量百分比的云母。
4.如权利要求1-3中任一项所述的纸，其进一步包含高达20重量百分比的量的絮凝物，基于所述纸中纤条体、云母和絮凝物的总重量。
5.如权利要求4所述的纸，其中，所述絮凝物是芳族聚酰胺絮凝物。
6.如权利要求5所述的纸，其中，所述芳族聚酰胺絮凝物是聚(间苯二甲酰间苯二胺)絮凝物。
7.如权利要求1-6中任一项所述的纸，其中，所述聚合物是芳族聚酰胺。
8.如权利要求7所述的纸，其中，所述芳族聚酰胺是聚(间苯二甲酰间苯二胺)。
9.如权利要求1-8中任一项所述的纸，其具有300至3000微米的厚度。
10.如权利要求1-9中任一项所述的纸，其具有0.5至100MPa的拉伸强度。
11.如权利要求1-10中任一项所述的纸，其具有0.015至0.05W/mK的热导率。
12.一种电池，其包含如权利要求1至11中任一项所述的纸。
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WO2023098305A1 (zh) * 2021-11-30 2023-06-08 宁德时代新能源科技股份有限公司 复合膜及其制备方法、二次电池、电池模块、电池包和用电装置

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