CN117659700A

CN117659700A - 一种可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料及其制备和应用

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Publication number: CN117659700A
Application number: CN202410128854.1A
Authority: CN
Inventors: 孟天颢; 王金泳; 李东阵; 黄贤
Original assignee: Chendong New Material Jiangsu Co ltd; Chendong Yipuwan New Materials Guangdong Co ltd; Guangzhou Chendong New Materials Co ltd
Current assignee: Chendong New Material Jiangsu Co ltd; Chendong Yipuwan New Materials Guangdong Co ltd; Guangzhou Chendong New Materials Co ltd
Priority date: 2024-01-31
Filing date: 2024-01-31
Publication date: 2024-03-08
Anticipated expiration: 2044-01-31
Also published as: CN117659700B

Abstract

本发明属于动力电池领域，公开了一种可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料及其制备和应用。所述的聚苯硫醚复合材料包括以下重量百分数的组分:聚苯硫醚50%‑92%；聚酰胺2%‑10%;聚醚砜5%‑20%;反应型增韧剂0%‑10%;玻璃纤维0%‑40%。本发明通过使用纳米注塑工艺，将聚苯硫醚复合材料通过注塑的方式一体成型在金属盖板上，制备成防爆结构，使用聚苯硫醚复合材料防爆结构代替金属防爆片，既能实现良好的密封性，也能防止电解液对防爆片的腐蚀，还极大的简化了防爆装置的生产和装配工艺。解决了目前动力电池盖板防爆片密封性，耐电解液性，经济性不能兼顾的问题。

Description

一种可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料及其制备和应用

技术领域

本发明属于动力电池领域，特别涉及一种可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料及其制备和应用。

背景技术

随着电动汽车的发展，动力电池成为了电动汽车的核心组件。电池的安全性逐渐凸显出来，直接影响到新能源市场的发展和普及。锂离子电池的电芯中的水含量超标、SEI膜不稳定、对锂离子电池的过充，过放、锂离子电池发生短路、挤压等滥用情况时，会造成锂离子电池内部产气、着火，甚至***。目前解决这些问题的通常方法是在锂离子电池的顶盖上增加一个防爆阀，锂离子电池出现上述情况内部产生气体，当锂离子电池内部气体压力达到防爆阀的***压力时，顶盖上的防爆片破裂，从而使锂离子电池内部气体从防爆阀口排出，防止锂离子电池因为胀气导致***。防爆片在保证动力电池乃至电动汽车的安全方面起着至关重要的作用。为了保证密封性，目前的防爆片均是采用金属材质，一般为铜箔，通过焊接工艺焊接在盖板上。同时，为了防止电解液对金属的腐蚀，往往会采用塑胶-金属-塑胶三明治结果对金属防爆片进行保护。该防爆片的生产和装配工艺流程复杂，成本较高，不能同时兼顾密封性，耐电解液性和经济性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料。

本发明再一目的在于提供上述可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料在动力电池盖板防爆中的应用。通过使用纳米注塑工艺，将聚苯硫醚复合材料通过注塑的方式一体成型在金属盖板上，使用聚苯硫醚复合材料作为防爆结构代替金属防爆片，既能实现良好的密封性，也能防止电解液对防爆片的腐蚀，还极大的简化了防爆装置的生产和装配工艺。解决了目前动力电池盖板防爆片密封性，耐电解液性，经济性不能兼顾的问题。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，其包括以下重量百分比的各组分：

聚苯硫醚（PPS） 50%-92%；

聚酰胺（PA） 2%-10%;

聚醚砜（PES） 5%-20%;

反应型增韧剂 0%-10%;

玻璃纤维 0%-40%;

优选的，所述的聚酰胺PA的重量百分比为5%~10%。

优选的，所述的聚醚砜PES的重量百分比为5%-10%。

优选的，所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，其包括以下重量百分比的各组分：

聚苯硫醚（PPS） 50%-90%；

聚酰胺（PA） 5%-10%;

聚醚砜（PES） 5%-10%;

反应型增韧剂 0%-10%;

玻璃纤维 0%-40%;

所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，其还包括抗氧剂，抗氧剂的重量百分数为0.05%-1%；所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、受阻胺类抗氧剂中的至少一种。

更优选的，所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，其包括以下重量百分比的各组分：

聚苯硫醚（PPS） 50.7%；

聚酰胺（PA） 5%;

聚醚砜（PES） 10%;

反应型增韧剂 4%;

玻璃纤维 30%;

抗氧剂 0.3%。

所述的反应型增韧剂为含有马来酸酐的增韧剂、含有缩水甘油醚的增韧剂中的一种或两种。

所述的含有马来酸酐的增韧剂为马来酸酐共聚乙烯丙烯酸甲酯和马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物中的一种或两种；所述的含有缩水甘油醚的增韧剂为乙烯丙烯酸甲酯缩水甘油醚共聚物，乙烯缩水甘油醚共聚物中的一种或两种。

一种上述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料的制备方法，包括以下步骤：将各组分混合并经挤出机挤出造粒，造粒温度为260~320℃。

上述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料在动力电池防爆中的应用。

一种一体成型的动力电池顶盖防爆装置，其包括预留有防爆孔的盖板和上述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，聚苯硫醚复合材料通过纳米注塑成型（NMT）的方式与盖板结合在一起，并作为防爆结构封闭盖板上的防爆孔。

所述的一体成型的动力电池顶盖防爆装置，其由以下方法制备得到：

（1）对预留有防爆孔的金属顶盖进行表面处理，得到表面有纳米孔洞的金属盖板；

（2）将可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料通过注塑成型与经过表面处理的金属盖板结合在一起，聚苯硫醚复合材料形成防爆结构并封闭盖板上的防爆孔，即得一体成型的动力电池顶盖防爆装置。

通过模具设计可以控制和调节聚苯硫醚复合材料的厚度，使厚度与防爆压力要求相匹配。

步骤（1）中所述的顶盖优选为铝制金属顶盖。

步骤（1）中所述的表面处理是指依次在NaOH溶液碱洗（0.5-2mol/L, 20-40秒）、盐酸腐蚀（0.5-2mol/L, 5分钟）、氨水溶液（T处理液，0.2-1mol/L，1-5分钟）浸泡，然后将浸泡后的样片用水清洗干净，干燥，得到表面有纳米孔洞的金属盖板。

步骤（2）中所述的注塑成型是指在280-320℃的料温，120-160℃的模温下使用注塑机注塑成型。

步骤（2）中所述的聚苯硫醚复合材料封闭盖板上的防爆孔，可以是在盖板的一面封闭防爆孔，也可以在盖板两面同时封闭防爆孔。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

本发明提供了一种可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料及其制备和在动力电池防爆中的应用，由于使用了纳米注塑工艺，在该工艺中，塑胶可以进入到金属表面的纳米空洞中，与金属实现紧密结合。业内已经证实，当纳米注塑工艺的金属/塑胶结合力达到40MPa以上时，可以实现良好的气体和液体密封性。本发明进一步通过聚苯硫醚复合材料的配方优化，在实现金属/塑胶高结合力的同时，还实现了极高的耐电解液稳定性。并且，本发明的实现方法简单易行，避免了传统防爆片复杂的三明治结构和焊接工艺，适合大规模生产。一举解决了现有技术不能同时兼顾密封性，耐电解液性和经济性的缺点。

附图说明

图1为塑胶测试整体件的结构示意图，其中1代表金属部分，2代表塑胶部分。

图2为一体成型动力电池防爆装置示意图，其中1为铝制金属盖板，2为聚苯硫醚复合材料防爆结构。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下对于本申请的技术方案利用实施例进行详细的说明，实施例中的聚酰胺PA106/10T的制备参考专利申请公开文本“CN202110716096.1-一种聚酰胺及其制备方法”，具体制备方法为：在50L带有搅拌器的自动控制聚合釜中加入10kg去离子水，然后加入25kg的单体混合物（其中单体混合物中己二酸与对苯二甲酸的摩尔比为1:1，己二酸与对苯二甲酸的总摩尔量与癸二胺的摩尔量的比值为1:1），加入1g 磷酸，在聚合釜的压力为26bar、温度为300℃下进行脱水反应；2）进行反应后，注入氮气排出反应生成的水分，然后再加压排出聚酰胺熔体，熔体通过模头铸带成型，经冷却切粒而得。

其余原料皆可通过市售获得，具体如下：聚苯硫醚为珠海长先CXP-500C，玻璃纤维为重庆国际ECS3031H，马来酸酐共聚乙烯丙烯酸甲酯为杜邦公司A560，乙烯丙烯酸甲酯缩水甘油醚共聚物为阿科玛公司AX8900，抗氧剂1098为天津利安隆1098，聚醚砜为巴斯夫Ultrason S6010。

以下实施例中的拉伸强度和模量采用ISO527标准方法测试。

本发明使用的铝纳米注塑样片通过如下工艺制备：高纯铝材质，尺寸规格，长度45mm，宽度18mm，厚度1.6mm；T处理工艺：依次在NaOH溶液碱洗（1mol/L, 30秒）、盐酸腐蚀（1mol/L, 5分钟）、氨水溶液（T处理液，0.5mol/L，2分钟）浸泡，然后将浸泡后的样片用水清洗干净，干燥，得到表面有纳米孔洞的铝试样片。

本发明使用的塑胶金属测试整体件的制备：

本发明中参照日本大成纳米注塑相关专利（US8057890(B2)）方法制备塑胶金属测试整体件。具体如下：如图1为塑胶金属测试整体件的结构示意图，金属片尺寸为18mm×45mm×1.6mm，塑料部件的尺寸为10mm×45mm×3mm，塑胶与金属结合面积为0.5cm²。在所有实验中，注塑保持相同的注塑条件，料筒温度290-320℃，模温140℃，将聚苯硫醚复合材料注塑到金属片上，得到塑胶金属测试整体件。

塑胶金属结合力性能测试：

本发明中使用的塑胶金属粘接力测试标准参照日本大成化学专利（US8057890(B2)）中的标准，塑胶与金属结合面积为0.5cm²，对塑胶金属测试整体件进行双向拉伸测试。

本发明使用的电解液耐久性测试为将拉伸样条浸泡在电解液中。电解液成分为含有1.0M LiPF6 的混合碳酸酯（EC:DEC:EMC=1:1:1），浸泡温度60摄氏度。浸泡一段时间后取出样条，用乙醇清洗表面后，测试拉伸强度。

实施例1~13

实施例1~13和对比例1~2中的聚苯硫醚复合材料，均由以下步骤制备得到：按重量百分比称取相应用量的组分，然后将各组分混合，用双螺杆挤出机造粒得到聚苯硫醚复合物，造粒温度为260~320℃。其中，实施例1~13和对比例1~2中各组分的重量百分比（%）以及制备得到的聚苯硫醚复合材料的各项性能如下表1所示。

表1. PA106/10T和PES的比例对PPS纳米注塑性能的影响

根据业内经验，当NMT结合力达到40MPa以上时，可以具有良好的密封性。要满足耐电解液的要求，需要浸泡60天的拉伸强度达到初始强度的90%以上，同时90天的浸泡强度与60天的浸泡强度相当，既强度不会持续下降。从表1中数据可知，无论是单独使用PPS，还是使用PPS+PA或者PPS+PES的组合，均不能同时满足密封性和耐电解液的需求，只有同时使用PPS+PA+PES的组合，并且满足一定的比例时，才能同时满足密封性和耐电解液的性能需求。

应用实施例1

如图2所示，一种一体成型的动力电池顶盖防爆装置，包括铝制金属盖板和聚苯硫醚复合材料防爆结构。铝制金属盖板和聚苯硫醚复合材料通过纳米注塑工艺结合。实现方式为，先对铝制金属盖板进行表面处理，方法如下：依次在NaOH溶液碱洗（1mol/L, 30秒）、盐酸腐蚀（1mol/L, 5分钟）、氨水溶液（0.5mol/L，2分钟）浸泡，然后将浸泡后的顶盖用水清洗干净，干燥，得到表面有纳米孔洞的铝制顶盖。然后将经过表面处理的铝制顶盖放入模具，将聚苯硫醚复合材料注塑成型在铝制顶盖上，注塑温度280~320℃，模温140~160℃。如图2中的5种结构所示（其中结构一为聚苯硫醚复合材料在盖板的上表面封闭防爆孔，聚苯硫醚复合材料和盖板的接触面为盖板的上表面；结构二为聚苯硫醚在盖板的上表面封闭防爆孔，聚苯硫醚复合材料和盖板的接触面为盖板的上表面和防爆孔的截面；结构三为聚苯硫醚复合材料在盖板的上表面和下表面同时封闭防爆孔，聚苯硫醚复合材料和盖板的接触面为盖板的上表面、防爆孔截面和盖板下表面；结构四为聚苯硫醚在盖板的下表面封闭防爆孔，聚苯硫醚复合材料和盖板的接触面为盖板的下表面和防爆孔的截面，结构五为聚苯硫醚复合材料在盖板的下表面封闭防爆孔，聚苯硫醚复合材料和盖板的接触面为盖板的下表面；其中上表面是指盖板与外部接触的表面，下表面是指盖板在电池内部的表面），聚苯硫醚防爆结构的位置和厚度可以根据实际需要进行调节。

按照图2中的结构二制备一体成型的动力电池顶盖防爆结构，其中聚苯硫醚复合材料防爆结构为PPS1（实施例10制备的聚苯硫醚复合材料）或PPS2（实施例13制备的聚苯硫醚复合材料），铝制顶盖中的防爆孔为直径10mm的圆形。使用压力机对防爆孔位置的PPS材料施压，压力头为直径5mm的圆形平头。记录PPS防爆片被破坏时的压强值。每个测试进行三次，取平均值。具体结果如下表2所示：

表2. PPS防爆片破坏压力值与材料和厚度的关系

根据业内经验，防爆阀的设计***压各有不同，但是一般小于3.5MPa。由表中数据可知，通过选择合适的PPS材料以及设计厚度，可以有效调节该结构的破坏压强，并使之匹配实际需求。

本实施例还考察了PPS1和PPS2两种材料在经过电解液浸泡后的破坏压强值，并和浸泡前进行对比。按照图2中的结构二制备一体成型的动力电池顶盖防爆结构，其中聚苯硫醚复合材料防爆结构为PPS1（实施例10制备的聚苯硫醚复合材料）或PPS2（实施例13制备的聚苯硫醚复合材料），铝制顶盖中的防爆孔为直径10mm的圆形。使用压力机对防爆孔位置的PPS材料施压，压力头为直径5mm的圆形平头，PPS防爆片的厚度为0.2mm。记录PPS防爆片被破坏时的压强值。每个测试进行三次，取平均值。

表3.PPS防爆片经过电解液浸泡后的破坏压力值

从数据可以看出，防爆片经过电解液浸泡后，破坏压力值具有很高的稳定性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，其特征在于包括以下重量百分比的各组分：

聚苯硫醚 50%-92%；

聚酰胺 2%-10%;

聚醚砜 5%-20%;

反应型增韧剂 0%-10%;

玻璃纤维 0%-40%。

2.根据权利要求1所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，其特征在于包括以下重量百分比的各组分：

聚苯硫醚 50%-90%；

聚酰胺 5%-10%;

聚醚砜 5%-10%;

反应型增韧剂 0%-10%;

玻璃纤维 0%-40%。

3.根据权利要求1所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，其特征在于：

所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，其还包括抗氧剂，抗氧剂的重量百分数为0.05%-1%。

4.根据权利要求1所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，其特征在于包括以下重量百分比的各组分：

聚苯硫醚 50.7%；

聚酰胺 5%;

聚醚砜 10%;

反应型增韧剂 4%;

玻璃纤维 30%;

抗氧剂 0.3%。

5.根据权利要求1或2所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，其特征在于：

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将各组分混合并经挤出机挤出造粒，造粒温度为260~320℃。

7.根据权利要求1-5任一项所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料在动力电池防爆中的应用。

8.一种一体成型的动力电池顶盖防爆装置，其特征在于包括预留有防爆孔的盖板和权利要求1-5任一项所述的可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料，聚苯硫醚复合材料通过注塑成型的方式与盖板结合在一起，并封闭盖板上的防爆孔。

9.一种根据权利要求8所述的一体成型的动力电池顶盖防爆装置的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）对预留有防爆孔的金属顶进行表面处理，得到表面有纳米孔洞的金属盖板；

（2）将可用于动力电池一体成型防爆装置的聚苯硫醚复合材料通过注塑成型与经过表面处理的金属盖板结合在一起，并封闭盖板上的防爆孔，即得一体成型的动力电池顶盖防爆装置。

10.根据权利要求9所述的一体成型的动力电池顶盖防爆装置的制备方法，其特征在于：

步骤（1）中所述的顶盖为铝制金属顶盖；

步骤（1）中所述的表面处理是指依次在NaOH溶液碱洗20-40秒、盐酸腐蚀5分钟、氨水溶液浸泡1-5分钟，然后将浸泡后的样片用水清洗干净，干燥，得到表面有纳米孔洞的金属盖板；

步骤（2）中所述的注塑成型是指在280-320℃的料温，120-160℃的模温下使用注塑机注塑成型；

步骤（2）中所述的封闭盖板上的防爆孔，指在盖板的上表面封闭防爆孔，或者在盖板的下表面封闭防爆孔，或者同时在上表面和下表面封闭防爆孔。