TW202320390A - 用於控制能量儲存系統中熱失控事件之排放氣體和噴射物之裝置、系統及方法 - Google Patents
用於控制能量儲存系統中熱失控事件之排放氣體和噴射物之裝置、系統及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本案係有關用於管理電池模組中熱失控問題的材料和系統。在示例性實施例中,電池模組包括由間隔元件分開的電池單元。為減輕熱失控問題,間隔元件可延伸到外殼的內表面。在間隔元件和內壁之間形成密封,以在相鄰電池單元之間形成熱障。
Description
本案主張將2021年7月2日所提交案名為「用於緩解電能儲存熱事件的材料、系統和方法(Materials,System,and Methods for Mitigation of Electrical Energy Storage Thermal Events)」的美國臨時案申請No.63/218,205的權益和優先權,其全部內容藉由參考併入本文。本案還主張2021年8月10日所提交案名為「用於控制能量儲存系統中熱失控事件之排放氣體和噴射物之裝置、系統及方法(Devices,Systems,and Methods for Controlling Vent Gases and Ejecta from Thermal Runaway Events in Energy Storage Systems)」的美國臨時申請案63/231,617的權益和優先權,其全部內容藉由參考併入本文本文。本案亦主張2021年10月29日所提交案名為「用於控制能量儲存系統中熱失控事件之排放氣體和噴射物之裝置、系統及方法(Devices,Systems,and Methods for Controlling Vent Gases and Ejecta from Thermal Runaway Events in Energy Storage Systems)」的美國臨時申請案63/273,845的權益和優先權,其全部內容藉由參考併入本文本文。本案亦主張本案2021年11月3日所
提交案名為「用於控制能量儲存系統中熱失控事件之排放氣體和噴射物之裝置、系統及方法(Devices,Systems,and Methods for Controlling Vent Gases and Ejecta from Thermal Runaway Events in Energy Storage Systems)」的美國臨時申請案63/275,261的權益和優先權,其全部內容藉由參考併入本文本文。
本案一般涉及用於防止或減輕能量儲存系統中的熱事件,例如熱失控問題的材料和系統。特別地,本案提供多層熱障材料,包括至少一絕緣層,至少一可壓縮墊,以及可選擇地具有一層或多層良好的散熱特性,具有良好的防火、阻燃及/或耐磨特性,及/或具有用作熱障的良好特性。本案還涉及具有一個或多個電池單元的電池模組或電池組(pack),該電池單元包括多層熱障材料,以及包括那些電池模組或電池組的系統。
鋰離子電池等可充電電池已廣泛應用於電力驅動和儲能系統。鋰離子電池(LIBs)與傳統電池相比因其高工作電壓、低記憶效應和高能量密度而廣泛用於供電至如手機、平板電腦、筆記型電腦、電動工具之可攜式電子裝置及如電動車等之其它大電流裝置。然而,安全性是一個課題,因為LIBs在「濫用情況(abuse condition)」下容易發生災難性故障,例如當可充電電池過充電(充電超過設計電壓)、過放電、在高溫和高壓下運行或暴露於高溫和高壓時。因此,狹窄的工作溫度範圍和充電/放電速率是
LIBs使用的限制,因為當LIBs遇到超過設計窗口(design window)的情況時,可能會因快速自熱或熱失控事件而失效。
如圖1所示,LIBs的電化學電池主要由正極、負極、能夠傳導鋰離子的電解質、分隔正極與負極之分隔器和集電器(current collector)組成。LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、Li2TiO3、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NMC)是鋰離子電池中廣泛使用的六種陰極材料。這六種電池佔據當今電池市場的大部分市場比重。電解質係由溶解在特定溶劑(主要包括碳酸亞乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸亞丙酯(PC))中的鋰鹽組成。鋰鹽通常選自LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiBOB等。分隔器材料一般為聚烯烴類樹脂材料。商用鋰離子電池中常使用聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微多孔膜(micro-porous membranes)作為分隔器。鋁箔通常用作集電器的正極和銅箔作為負極。包括硬碳、碳奈米管和石墨烯之碳基材料是目前大多數商用鋰離子電池負極的主要選擇;如鈦基氧化物、合金/去合金材料之其它新穎負極材料及轉換材料也已得到研究並顯示出良好的熱和電化學特性。
LIBs在正常情況下之運作
在正常操作下,鋰離子通過電解質和分隔器從一個電極擴散和遷移到另一個電極。
對LIBs進行充電會導致電解質溶液中的鋰離子通過分隔器從陰極遷移並嵌入陽極中(圖2)。電荷平衡電子也會移動到陽極,但會通過充電器中的外部電路。在放電時,會發生相反的過程,電子會流過受到供電的裝置(圖2)。在此過程中,電池內通過三種主要機制產生熱(heat)。第
一個是可逆熱,由鋰化過程(放電)和脫鋰過程(充電過程)發生的氧化還原反應相關的熵變化引起。可逆熱也稱為熵熱。第二種機制是由電池中過電位引起與電極極化相關之不可逆熱。最後,存在與歐姆損耗相關之不可逆熱,稱為焦耳熱。焦耳熱是由於電池內鋰離子和電子的運動。在正常情況下,自生熱非常低且通常無關緊要,可通過良好的電池設計或電池熱管理系統輕鬆移除。然而,在濫用情況下,可能會發生一些導致熱失控的副反應。了解熱失控的原因可指引功能材料的設計,以提高LIBs的安全性和可靠性。
熱失控和熱失控傳播概述
當內部反應速率增加至產生的熱多於可排出的熱時,可能會發生熱失控,從而導致進一步增加反應速率和熱產生。在熱失控期間,高溫會引發電池中的一系列放熱反應,導致電池溫度迅速升高。在許多情況下,當一個電池單元發生熱失控時,產生的熱會迅速加熱靠近經歷熱失控的單元。加入到熱失控反應中的每個電池都含有額外的能量來繼續反應,導致電池組內的熱失控傳播(圖3),最終導致火災或***的災難。及時散熱和有效阻斷熱傳導路徑是減少熱失控傳播危害的有效對策。
熱失控的誘因-濫用情況
包括機械濫用、電子濫用和熱濫用(圖3)的各種濫用可引發熱失控。每種類型的濫用都可能導致電池內部短路(ISC),從而導致溫度升高。濫用情況可從外部或內部開始。例如,使用引起的壓力、老化、設計(諸如單元間距、單元互連樣式、單元形狀因數、製造、操作和維護等配置參數)
中的錯誤是可能導致各種濫用的內部因素。外部因素包括對LIB的損壞或傷害,例如來自墜落或單元的穿透。
機械鑑用
機械濫用主要是由機械力引起的,且通常因外部因素(例如車禍,包括碰撞、擠壓(crush)、穿透和彎曲)而發生。當電池或電池組受到衝擊或涉及碰撞時,電池內部可能會發生潛在的損壞,包括分隔器破裂和易燃電解液洩漏,引發ISC,然後導致熱失控。由外力引起的破壞性變形和位移是機械濫用的兩個共同特徵。在車子碰撞過程中,電池組很可能變形。電動車上電池組的佈局會影響電池組的碰撞響應。電池組變形可能會導致危險後果:電池分隔器可能會撕裂,且發生內部短路(ISC);易燃電解液洩漏並可能導致火災。穿透是車輛碰撞過程中可能發生的另一種常見現象。與擠壓情況相比,猛烈的ISC可在穿透開始時立即觸發。機械破壞和電子短路同時發生,且穿透的濫用情況可能比簡單的機械或電子濫用更為嚴重。
電子濫用
電子濫用主要包括LIBs內部或外部短路、過充電及過放電。
內部短路發生在90%以上的濫用情況下。廣義上來說,內部短路是由於電池分隔器失效導致陰極和陽極相遇時發生的。內部短路的原因可能是(1)分隔器因穿透或擠壓而破裂時的機械濫用;(2)枝晶生長(dendrite growth)刺穿分隔器時的電子濫用(圖4);(3)分隔器在高溫下塌陷時的熱濫用。
當有電壓差的電極通過導體連接,形成外部短路。電池組外部短路的原因可能是由於車子碰撞過程的變形、浸水、導體污染、維修過
程的電擊等引起的。與穿透相比,外部短路電路釋放的熱一般不會對電池單元加熱。外部短路會導致電池產生大電流和高熱,這主要是由於歐姆熱(ohmic heat)產生所引起的。隨著溫度開始超過70℃左右,電池單元開始破裂。結果,可能會觸發排放(venting)和電解質洩漏(electrolyte leakage)。
過充電可定義為對電池充電超過其設計電壓。高的比電流密度、激進的充電規格(charging profiles)等會引發過充電,這會帶來一系列問題,包括:陽極上鋰金屬的沉積,其嚴重影響電池的電化學特性和安全性;陰極材料的分解,其釋放氧氣;以及有機電解質的分解,其釋放熱和氣體產物(H2、碳氫化合物、CO等)。過充電過程可分為三個階段。在第一階段,(1)電壓和溫度不受影響,基本保持不變。在第二階段,(2)鋰枝晶沉積將發生在電壓平台上。而在第三階段,(3)電壓會隨著熱和氣體的產生而急劇下降,導致電池發生熱失控。
過放電是另一種可能的電子濫用情況。通常,電池組內的電池之間的電壓不一致是不可避免的。因此,一旦電池管理系統未能監測到任一單獨電池單元的電壓,電壓最低的電池單元就會發生過放電。過放電濫用的機制與其它機制不同,潛在危害可能被低估。電池組中電壓最低的電池單元在過放電時可被其它串聯的電池單元強制放電。在強制放電過程中,極反轉且電池單元電壓變為負值,導致過放電的電池單元異常發熱。
熱濫用
熱濫用通常由過熱觸發。鋰離子電池的過熱可能是由連接器的機械濫用、電子濫用和接觸損失引起的。通常,在正常工作溫度下,LIBs是穩定的;然而,在一定溫度以上,LIBs的穩定性變得難以預測,並且在
升高的溫度下,電池殼內的化學反應會產生氣體,導致電池殼內的內部壓力增加。這些氣體可與陰極進一步反應,釋放更多熱並在電池內部或附近產生溫度,從而在氧氣存在的情況下點燃電解質。當電解質燃燒時,會產生氧氣,進一步促進燃燒。在某些時候,電池殼內的壓力積聚會導致電池殼破裂。逸出的氣體可能會點燃和燃燒。
由機械、電子和熱濫用情況引起的熱失控可能會導致持續發熱,從而導致電池內部溫度升高。隨著溫度的升高,可能會在不同階段發生一系列連鎖反應。熱失控遵循連鎖反應的機制,例如物理及/或化學過程,在此過程中電池組件材料的分解反應一個接一個發生(圖3)。
熱失控期間的連鎖反應概述
了解這些物理及/或化學過程的演變有助於制定LIBs熱失控的緩解策略。LIBs在不同的溫度狀態或狀態下可能有不同的熱失控誘因(圖5),包括階段I:低溫(<0℃),階段II:常溫(0至90℃)和階段III:高溫(>90℃)。
在階段I,LIBs不能有效地工作,因為低溫導致電化學反應速率降低。在較低溫度下,由於電極材料活性降低和鋰離子在電解液中的擴散速率降低,電池性能急劇下降。低溫下化學反應減速的後果包括不需要的鋰沉積、電鍍和枝晶生長。枝晶是一種樹狀結構,可在電池的鋰鍍層上形成。它們可快速穿透電池的分隔器,即電池陽極和陰極之間的多孔塑料薄膜(圖4)。電池內的鋰沉積和枝晶生長被認為是導致低溫熱失控的主要因素。不希望受理論束縛,認為不需要的鋰沉積物和枝晶可能會導致電池中的ISC,從而導致熱失控。
在階段II(常溫運行)下,與熱失控過程中產生的熱相比,產生的熱最少。這種運行狀態下的發熱主要是由於鋰離子在固液相中的擴散、固液界面的電化學反應和副反應引起的。發熱會導致電池內部溫度升高和溫差,這些溫差可能會影響鋰離子電池的壽命和安全性。在第二階段,最初的過熱可能是由於上述至少一種內部或外部誘因而發生的,例如電池過充電、暴露於過高溫度、由於接線錯誤導致的外部短路或由於電池缺陷導致的內部短路。當初始過熱開始時,隨著溫度升至90℃,電池運行從正常狀態變為異常狀態。隨著溫度高於40℃,鋰離子電池的壽命可能會因加速副反應而縮短,當溫度接近90℃甚至更高時,會引發固體電解質界面(SEI)膜的分解,這被定義為熱失控的開始。在最初的幾個充電週期中,鋰離子電池的陽極上會產生SEI。SEI在陽極表面提供一層鈍化層,可抑制電解質的進一步分解,並提供許多應用所需的較長日曆壽命。SEI的初始分解被認為是在整個熱失控過程中發生的第一個副反應。SEI的初始分解發生在80至120℃,峰值位於約100℃。正如Wang等人的報告說明起始溫度可低於80℃(Thermochim.Acta 437(2005)12-16),SEI分解可能從低至57℃的溫度開始。
SEI的分解
隨著階段III的開始,內部溫度迅速升高,導致SEI膜分解。SEI層主要由穩定(如LiF和Li2CO3)和亞穩態(如聚合物、ROCO2Li、(CH2OCO2Li)2和ROLi)成分組成。然而,亞穩態成分在大約>90℃時會放熱分解,釋放出易燃氣體和氧氣。SEI膜的分解被認為是熱失控的開始,之後會引發一系列的放熱反應。
隨著SEI的分解,溫度升高,陽極中的鋰金屬或插層的鋰會與電解液中的有機溶劑發生反應,釋放出易燃的烴類氣體(乙烷、甲烷和其它等)。這是一個放熱反應,進一步推動溫度升高。
分隔器的分解
當T>~130℃時,聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)分隔器開始熔化,這進一步惡化了情況並導致陰極和陽極之間的短路。雖然PE/PP隔板的熔化是一個熱吸附過程,但隔板熔化引起的ISC會進一步惡化熱失控過程。
電解液的氣體排放和分解
當T>~180℃時,ISC產生的熱導致鋰金屬氧化物陰極材料分解並導致氧氣釋放。陰極的破壞也是高度放熱的,進一步提高溫度和壓力,從而進一步加速反應。熱積累和氣體釋放(氧氣和可燃氣體)會導致鋰離子電池燃燒和***。
在熱失控過程中,ISC產生的熱僅為2%,而化學反應為98%,包括SEI層的分解、電解液的分解等,其中最大比例的發熱是由陰極和陽極之間快速氧化還原反應引起,約48%,而陽極、陰極和電解液中其它化學反應產生的熱要小得多。最小的發熱是SEI膜的分解。
需要緩解熱失控的策略
基於對導致電池熱失控機制的理解,許多方法正在研究中,旨在通過電池組件的合理設計來降低安全隱患。為了防止這種級聯熱失控事件的發生,LIBs通常被設計為要將儲存的能量保持在足夠低的水平,或是在電池模組或電池組內的電池單元之間採用足夠的絕緣材料,以使它們免受相鄰電池單元、或其組合中可能發生的熱事件的影響。前者嚴重限制
可能儲存在這種裝置中的能量。後者限制電池的放置距離,從而限制有效能量密度。需要有效的絕緣和散熱策略來減輕LIBs的熱失控可能性。
當前用於LIBs的散熱方法
目前有許多不同的方法用於最大化能量密度,同時防止級聯熱失控。一種方法是在電池單元或電池單元簇之間加入足夠量的絕緣。從安全的角度來看,這種方法通常被認為是可取的。然而,在這種方法中,絕緣材料容納熱的能力以及所需的絕緣體積決定了可達到的能量密度的上限。另一種方法是通過使用相變材料。這些材料在達到一定的高溫時會發生吸熱相變。吸熱相變吸收一部分產生的熱,從而冷卻局部區域。通常,對於電儲存裝置,這些相變材料依賴於碳氫化合物材料,例如蠟和脂肪酸。這些系統在冷卻方面是有效的,但它們本身是可燃的,因此一旦儲存裝置內確實發生點火,它們在防止熱失控方面無益。加入膨脹材料是防止級聯熱失控的另一種策略。這些材料在指定溫度以上膨脹,產生一種設計為重量輕並在需要時提供隔熱的炭。這些材料可有效地提供絕緣益處,但在儲存裝置的設計中必須考慮材料的膨脹。
需要滿足LIBs系統機械要求的新型熱障
充放電過程中陽極和陰極的膨脹會導致電池單元尺寸的變化(膨脹)。例如,矽在插層過程中的典型體積變化高達300%,而石墨的體積膨脹約為10%。這種變化既有可逆的部分,也有不可逆的部分,其幅度取決於確切的電池化學成分。電池厚度的可逆變化僅取決於電池的充電狀態(SOC),並可能導致厚度增加超過2%。電池單元的不可逆膨脹與電池單元內壓力的增加有關,並且是由SEI的形成引起的。這種變化的最大部分發
生在第一個充電循環期間,即SEI最初形成時,但在電池單元的使用壽命期間會繼續膨脹。
已經進行廣泛的研究以創造具有良好熱特性的新型材料以防止熱失控問題,這些材料儘管很重要,但其機械特性並未受到太多關注。例如,需要在電池模組或電池組內的電池單元之間使用有效的熱障,該熱障可提供對壓縮變形的抵抗力以適應在電池單元壽命期間持續的電池膨脹。此外,在電池模組的初始組裝過程中,1MPa或更低的相對較低的負載通常被施加到電池單元之間的材料。當電池模組或電池組內的電池單元在充電/放電循環期間膨脹或膨大時,可向電池單元之間的材料施加高達約5MPa的負載。因此,材料的可壓縮性、壓縮回彈性和柔順性,例如電池單元之間的熱障是重要的特性。
具有優異壓縮特性的熱絕緣片可用於滿足這些需求,例如作為電池模組中電池單元之間的分隔器。然而,雖然電池單元之間的熱絕緣片可解決電池單元之間的直接熱傳導,但它們可能無法解決熱氣體和其它材料的遏制或方向問題。傳統的絕緣片通常不會延伸超出電池單元的邊緣及/或模組的壁。在絕緣片確實延伸到牆壁的情況下,它們不會提供對牆壁的密封或屏障。結果,從電池單元釋放的熱氣體和其它材料可繞過絕緣片的邊緣並將熱傳遞到模組中的其它電池單元。因此,需要一種絕緣片,可藉由這些材料的遏制或重新定向來阻止熱氣體和顆粒物質(「噴射物」)從一個電池單元轉移到另一個電池單元。
傳統類型的絕緣材料,如泡沫或纖維片材,可承受高溫,但絕緣或保溫能力相對較低。對於此類材料,必須增加絕緣的厚度以提供有
效的熱管理。然而,電池模組的空間要求限制了模組的尺寸、以及模組內電池之間的空間。類似地,希望限制電池模組的總重量。此外,在充電/放電循環期間以及在電池的整個壽命期間,需要適應電池單元的膨脹和收縮的機械要求。因此,需要在最小化用於提供必要的壓縮和彈性以及熱特性的材料的厚度和重量的同時實現對熱傳播和火焰傳播的抵抗。此外,當使用片狀絕緣材料時,特別是當需要封裝以包含分隔片時,可能難以實現提供延伸到模組側壁的分隔片所需的製造公差。需要一種不同類型的絕緣系統、材料和方法來提供有效的絕緣、熱和氣體遏制以及火焰傳播延保護。
本案之一目的是消除或減輕上述用於防止或減輕可充電電池(例如鋰離子電池)熱失控的先前方法和材料的至少一缺點。
具體而言,本案之一目的是提供一種多層材料,其係使用作為電能儲存系統中的熱障(thermal barrier),以解決電池模組或電池組中的熱傳播問題,並阻止或減輕一個電池單元發生熱失控時的熱傳播(thermal propagation)。本案的多層材料的獨特配置可幫助解決電池單元之間的熱傳播問題。
緩解策略(mitigation strategies)可在材料層面、電池單元層面和系統層面發揮作用,保證使用鋰離子電池等可充電電池的儲能系統的整體安全性。根據本案的多層材料可進行下述緩解步驟中的至少一種:(1)降低濫用情況的可能性,(2)一旦濫用情況發生就消除,(3)提高電池單元的熱
穩定性防止濫用情況,(4)減少在正常操作情況下和熱失控情況下釋放的能量,以及(5)減輕傳播危險並將損壞限制在有限區域內。
本案之另一目的在於提供一種包括根據本案之多層材料的電池模組或電池組,該多層材料可保護電池組避免單一電池單元之熱失控引起的熱損傷,並確保電池組或模組的安全設計。
在一通常態樣中,本案提供新穎的多層材料,其包括氣凝膠組成物,例如,增強氣凝膠組成物,其耐用且易於處理,具有對熱傳播和火焰傳播的良好抗性,同時最小化所使用材料的厚度和重量,並且還具有良好的可壓縮性、壓縮回彈性和柔順性的良好特性。例如,根據本文所揭露的多層材料可包含至少一絕緣層,其包含氣凝膠組成物或增強氣凝膠組成物。
在一通常態樣中,本文所揭露的多層材料可用於分隔、絕緣和保護任何配置的電池單元或電池的電池組件,例如袋式電池、圓柱形電池、棱柱形電池、以及結合或包含任何這類電池單元的電池組和模組。本文所揭露之多層材料可用於可充電電池,例如鋰離子電池、固態電池以及需要隔離、絕緣和保護的任何其它能量儲存裝置或技術。
在一通常態樣中,本案旨在提供一種電池模組和電池組,其用於同時提高動力電池(power battery)的散熱特性和熱失控保護特性。在電力驅動和能量儲存系統中,通常將多個電池單元以預擇配置(例如,並聯、串聯或組合)封裝在一起以形成電池模組。可依次組合或結合多個這樣的電池模組以形成諸如本領域周知的各種電池組。在操作和放電期間,此類電池單元、電池模組或電池組通常會生成或產生大量熱,這會對由此產生的
特性產生重大不利影響。因此,為了保持這種電池單元或由此產生的電池模組或電池組之期望或最佳特性,將這種電池單元、電池模組或電池組的溫度保持在相當窄的規定範圍內通常是重要的。本案之目的為將該電池單元,電池模組或電池組的溫度保持在最佳範圍內。
除了將電池單元的溫度保持在規定範圍以內外,保持電池單元的結構完整性也是一個目標。電池單元內的材料需要柔順且有彈性,以適應電池單元運作時的體積變化。在一些實施例中,材料必須是阻燃的或耐火的,以在熱事件之後或期間保持結構完整性。
在一態樣中,本案提供一種使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料,包括:核心部分,包括至少一絕緣層及至少一熱容層的層狀組件,該至少一絕緣層及至少一熱容層係沿垂直於其最大表面的方向交替堆積;以及外部部分,設置在核心部分的外側,該外部部分包括至少一犧牲材料層及至少一封裝材料層,該至少一犧牲材料層包括可壓縮墊,該可壓縮墊具有在約27kPa至約55kPa下的25%壓縮力撓度,該至少一封裝材料層係選自聚合物、彈性體或其組合。
在另一態樣中,本案提供一種使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料,包括:核心部分,包括至少一絕緣層及至少一熱傳導層的層狀組件,該至少一絕緣層及至少一熱傳導層係沿垂直於其最大表面的方向交替堆積;以及外部部分,設置在核心部分的外側上,該外部部分包括至少一犧牲材料層及至少一封裝材料層,該至少一犧牲材料層具有在約27kPa至約55kPa下的25%壓縮力撓度,該至少一封裝材料層係選自聚合物、彈性體或其組合之至少一者。
在一態樣中,本案提供一種在電能儲存系統中用作熱障的多層材料,包括:包括至少一絕緣層的核心部分;以及設置在核心部分外側的外部部分,該外部部分包括至少一犧牲材料層,該犧牲材料層包括具有約1MPa至約12MPa的壓縮模數的可壓縮墊和至少一選自聚合物、彈性體或其組合的封裝材料層,其中封裝材料層夾在核心部分和外部的犧牲材料層之間。在一些實施例中,核心部分復包括至少一熱容層,其具有至少約200J/(kg-K)的比熱容。在一些實施例,核心部分復包括至少一絕緣層和至少一熱容層的層狀組件,其係垂直於該最大表面的方向上交替堆疊。在一些實施例中,核心部分復包括至少一熱傳導層,其係沿著該熱傳導層的平面維度具有至少約200mW/m-K的熱導率。在一些實施例中,核心部分包括至少一絕緣層和至少一熱傳導層的層狀組件,其係垂直於該最大表面的方向上交替堆疊。
在另一態樣中,本案提供一種使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料,包括:具有兩側的核心層,包括至少一壓縮模數為約1MPa至約12MPa的可壓縮材料層,和任選地至少一熱傳導層及/或至少一熱容層;兩絕緣層通過該絕緣層的厚度維度具有在25℃下小於約50mW/m-K和在600℃下小於約60mW/m-K的熱導率,其中核心層被兩絕緣層夾在中間,其中可選的至少一熱傳導層具有至少約200mW/m-K的面內(in-plane)熱導率,並且其中可選的至少一熱容層具有至少約200J/(kg-K)的比熱容,並且其中該多層材料任選地封裝在選自聚合物、彈性體或其組合中至少一種的封裝材料中。在一些實例中,核心層復包括阻燃層。在一些實施例中,核心層缺少可選的至少一熱傳導層並且缺少可選的至少一熱容層。
在一些實施例中,核心層包括可選的至少一熱傳導層並且缺少至少一熱容層。在一些實施例中,核心層包括兩個熱傳導層和一個可壓縮材料層,其中可壓縮材料層夾在兩個熱傳導層之間。在一些實施例中,核心層包括可選的至少一熱容層並且缺少至少一熱傳導層。在一些實施例中,核心層包括兩熱容層和一個可壓縮材料層,其中可壓縮材料層夾在兩熱容層之間。在一些實施例中,核心層包括一個熱容層和兩個可壓縮材料層,其中熱容層被兩個可壓縮材料層夾在中間。在一些實施例中,多層材料復包括兩熱容層,其中每個熱容層設置在每個絕緣層的外表面上。
任何上述面向的實施例可包括下述特徵中的一個或多個。例如,在一些實施例中,封裝材料層夾在核心層和犧牲材料層之間。在一些實施例中,犧牲材料層夾在核心層和封裝材料層之間。在一些實施例中,犧牲材料層包括選自由包含矽氧烷、聚烯烴、聚氨酯、酚醛樹脂、三聚氰胺、醋酸纖維素和聚苯乙烯組成的組的材料。在一些實施例中,犧牲材料層是泡沫的形式。在一個或多個實施例中,犧牲材料層的化學分解起始溫度在約200℃至約400℃的範圍內。
在一些實施例中,外部部分復包括選自由耐磨材料、膨脹材料、抗燃材料、阻燃材料或其組合的材料製成的層。
在一些實施例中,熱容層具有至少約200J/(kg-K)的比熱容。在一些實施例中,熱容層是相變材料。在一些實施例中,熱容層包括不鏽鋼。
在一些實施例中,封裝材料層為聚對苯二甲酸乙二醇酯層。
在一些實施例中,封裝材料層復包括設置在封裝層和核心部分之間的金屬層。
在一些實施例中,絕緣層通過該絕緣層的厚度維度具有在25℃下小於約50mW/m-K並且在600℃下小於約60mW/m-K的熱導率。在一些實施例中,絕緣層包括氣凝膠。在一些實施例中,絕緣層復包括選自由包含雲母、微孔二氧化矽、陶瓷纖維、礦棉及其組合的組的材料。在一些實施例中,絕緣層不含氣凝膠並且絕緣層包括選自由雲母、微孔二氧化矽、陶瓷纖維、礦棉及其組合組成的組的材料。
在一些實施例中,熱傳導層沿該熱傳導層的平面維度具有至少約200mW/m-K的熱導率。在一些實施例中,熱傳導層包括至少一包括金屬、碳、導電聚合物或其組合的層。在一些實施例中,熱傳導層是相變材料。在一些實施例中,熱傳導層是選自鋁、銅和鋼的金屬。在一些實施例中,熱傳導層將熱從局部熱負荷傳導出去,較佳為傳導至環境。在一些實施例中,熱傳導層的形式選自包含網、片、穿孔片、箔和穿孔箔組成的組。在一些實施例中,其中通過該絕緣層(例如氣凝膠)的厚度維度的熱導率在25℃下保持不變或在高達約5MPa的負載下增加微量。在一些實施例中,通過該絕緣層的厚度維度的熱導率在25℃下且在高達約5MPa的負載下小於約50mW/m-K。在一些實施例中,其中熱傳導層包括鋁。
在一些實施例中,包括氣凝膠的絕緣層復包括增強材料。在一些實施例中,增強材料是選自由有機聚合物基纖維、無機纖維、碳基纖維或其組合的纖維。在一些實施例中,纖維是離散纖維、織造材料、乾法成網非織造材料、濕法成網非織造材料、針刺非織造布、棉絮、網、墊、
氈及/或其組合的形式。在一些實施例中,無機纖維選自玻璃纖維、岩石纖維、金屬纖維、硼纖維、陶瓷纖維、玄武岩纖維或其組合。在一個或多個實施例中,氣凝膠包括二氧化矽基(silica-based)氣凝膠。在一種或多種實施方式中,氣凝膠包括一種或多種添加劑,添加劑以氣凝膠重量至少約5至40%的水平存在,較佳為至少約5至20%氣凝膠重量的水平,更佳為氣凝膠重量的至少約10至20%。在一些實施例中,一種或多種添加劑包括防火級添加劑。在一些實施例中,一種或多種添加劑包括遮光劑選自由B4C、矽藻土、錳鐵氧體、MnO、NiO、SnO、Ag2O、Bi2O3、TiC、WC、炭黑、氧化鈦、氧化鈦鐵、矽酸鋯、氧化鋯、氧化鐵(I)、氧化鐵(III)、二氧化錳、氧化鐵鈦(鈦鐵礦)、氧化鉻或其混合物。在一些實施例中,一種或多種添加劑包括遮光劑,包括碳化矽。在一些實施例中,一種或多種添加劑包括防火級添加劑和遮光劑的組合。在一個或多個實施例中,氣凝膠具有在約0.25g/cc至約1.0g/cc範圍內的密度。在一些實施例中,氣凝膠具有約2MPa至約8MPa的彎曲模量。在一些實施例中,氣凝膠在約70℃下具有約10%至約25%範圍內的壓縮集。在一些實施例中,氣凝膠表現出抗壓性,並且在25%應變下的抗壓性在約40kPa至約180kPa之間。在一個或多個實施例中,氣凝膠為獨塊體、珠、微粒(particles)、顆粒(granules)、粉末、薄膜、片材或其組合的形式。
在一些實施例中,熱傳導層包括至少一包括金屬、碳、導電聚合物或其組合的層。在一些實施例中,熱傳導層是相變材料。在一些實施例中,熱傳導層是選自鋁、銅和鋼的金屬。在一些實施例中,熱傳導層將熱從局部熱負荷傳導出去,較佳為傳導至環境。在一些實施例中,熱傳
導層的形式選自由網、片、穿孔片、箔和穿孔箔組成的組。在一些實施例中,其中通過該絕緣層的厚度維度的熱導率,例如氣凝膠在25℃下保持不變或在高達約5MPa的負載下增加微量。在一些實施例中,通過該絕緣層的厚度維度的熱導率在25℃下且在高達約5MPa的負載下約小於50mW/m-K。
在一態樣中,本案提供根據上述任一面向的各種實施例中電池組之多層材料的用途,包括多個單個電池單元或電池單元組,用於互相熱分隔該單個電池單元或電池組。在一些實施例中,根據上述任一面向電池的部分發生失控事件,在電池的一部分的一個或多個電池單元或電池單元組中發生的失控事件不會導致該由多層材料隔開的電池的部分的電池單元或電池單元組的損壞。
在另一態樣中,本案提供根據上述申請專利範圍中任一項的各種實施例在電池組中的多層材料,該電池組包括多個單個電池單元或電池單元組,用於互相熱分隔該單個電池單元或電池單元組。
在一態樣中,本案提供一種電池模組,包括:具有第一表面的第一電池單元;具有第二表面的第二電池單元,第二表面與第一表面相對;以及根據上述任一面向的各種實施例的多層材料,其設置在第一和第二表面之間。在一些實施例中,多層材料覆蓋相對的第一和第二表面的至少約80%的表面積。
在另一態樣中,本案提供一種電池模組,包括:至少一電池單元,以及根據上述任一面向的各個實施例的多層材料,其中該多層材料設置在該至少一電池單元的表面上或一電池模組的表面。
在一態樣中,本案提供一種電池組,包括多個電池單元和設置在兩個相鄰電池單元或兩個相鄰模組之間的間隔,其中該間格包含根據上述任一態樣中的各種實施例的多層材料。
根據上述任一態樣中之電池模組或電池組,復包括冷卻系統,該冷卻系統被配置為從電池組去除熱。在一些實施例中,多層材料的至少一者與冷卻系統熱連通。在一些實施例中,熱傳導層與冷卻系統熱連通。
在另一態樣中,本案提供一種包括根據上述任一態樣之電池模組或電池組的裝置或車輛。在一些實施例中,該裝置係筆記型電腦、PDA、行動電話、標籤掃描儀、音頻裝置、視頻裝置、顯示面板、攝影機、數位相機、桌上型電腦、軍用便攜式電腦、軍用電話、激光測距儀、數字通信裝置、情報收集感測器、電子集成服裝、夜視裝置、電動工具、計算器、收音機、遙控裝置、GPS裝置、手持和便攜式電視、汽車啟動器、手電筒、聲學裝置、便攜式加熱裝置、便攜式吸塵器或便攜式醫療工具。在一些實施例中,車輛係電動車輛。
在一個或多個實施例中,根據上述任一態樣之多層材料在未壓縮狀態下具有範圍在約2mm至約10mm之間的平均厚度。
本案之該多層材料可提供優於現有熱失控緩解策略的一個或多個優點。本案之該多層材料可最小化或消除電池單元熱失控傳播,而不會顯著影響電池模組或電池組的能量密度和組裝成本。本案之多層材料可提供有利的可壓縮性,壓縮回彈性和柔順性以適應在電池單元壽命期間持續的電池膨脹,同時在正常操作條件下以及在熱失控條件下具有有利的熱特性。本案之多層材料耐用且易於處理,具有良好的熱傳播和火焰傳播阻
力,同時使所用材料的厚度和重量最小化,並且還具有可壓縮性,壓縮回彈性和柔順性的良好特性。
在另一態樣中,一種電池模組包括:包括內表面的外殼,該內表面由在第一側壁和第二側壁之間延伸的第一端板和第二端板以及頂板和底板界定;兩個或更多個電池單元設置在外殼的內部空間中;以及一個或多個設置在相鄰電池單元之間的間隔元件,每個間隔元件包括至少一熱容層和至少一絕緣層。每個間隔元件接觸外殼的內表面,使得在相鄰電池單元之間形成熱障。在一個實施例中,兩個或更多個電池單元在第一側壁和第二側壁之間縱向定向,平行於端板,並且其中間隔元件接觸底表面,頂表面,第一側壁和第二側壁形成相鄰電池單元之間的熱障。在一個實施例中,間隔元件由多層材料形成,如本文所述。
在一個實施例中,每個間隔元件接觸形成在內表面上及/或內表面中的一個或多個通道。一個或多個通道可從一個或多個第一端板、第二端板、第一側壁、第二側壁、頂板和底板中突出。或者,一個或多個通道是一個或多個第一端板、第二端板、第一側壁、第二側壁、頂板和底板中的凹部。每個間隔元件接觸一個或多個通道的一部分,在間隔元件和內表面之間形成密封。在一個實施例中,一個或多個通道基本上是U形的,具有相對側壁和底面。間隔元件接觸U形通道的側壁。間隔元件和U形通道的底表面之間可能存在間隙以解決製造變化。
在一個實施例中,一個或多個間隔元件和外殼的內表面一起配置成界定獨立隔間複數獨立隔間,其中,在每個隔間中設置一個電池單元。在一個實施例中,一個或多個間隔元件和外殼的內表面一起配置成界
定獨立隔間複數獨立隔間,其中,在每個隔間中設置複數電池單元。在一個實施例中,外殼的至少一部分包括一個或多個排放孔埠(vent port),一個或多個排放孔埠流體地耦合至該複數獨立隔間的一個或多個中。一個或多個排放孔埠可定位在外殼的側壁或頂板中,與一個或多個隔間連通。排放孔埠可為開口(openings)或洩壓閥(pressure relief valve)。可使用排放孔埠與各種氣體偏轉單元(gas deflection elements)、通道和其它元件相結合,以建立可引熱傳導氣體及顆粒遠離電池單元之氣體流動管理途徑(gas flow management pathway)。
在另一態樣中,一種電池模組包括:包括內表面的外殼,該內表面由在第一側壁和第二側壁之間延伸的第一端板與第二端板以及頂板與底板界定;兩個或更多個電池單元,設置在外殼的內部空間中;一個或多個間隔元件,設置在相鄰電池單元之間,每個間隔元件包括至少一熱容層及至少一絕緣層;以及一個或多個沿外殼的內表面設置的邊緣元件,其中,邊緣元件包括可壓縮且具有約100℃或更高、約130℃或更高、約200℃或更高、約230℃或更高、約240℃或更高、約330℃或更高、350℃或更高、約400℃或更高、約415℃或更高、約425℃或更高、約450℃或更高、約500℃或更高、約550℃或更高、約600℃或更高、約650℃或更高、約700℃或更高、約750℃或更高、約800℃或更高、或介於這些值之任兩者間的範圍內的化學分解起始溫度。每個間隔元件接觸至少一或多個邊緣元件,使得由間隔元件和外殼的內表面之間的邊緣元件形成密封,以熱隔離相鄰的電池單元。在一個實施例中,兩個或更多個電池單元定位在第一側壁和第二側壁之間,平行於端板,且其中,間隔元件接觸底表面,且其中,一個或
多個邊緣元件中的一個是設置在間隔元件和頂表面之間。在一個實施例中,該一個或多個邊緣元件之一個設置在第一側壁和間隔元件及/或第二側壁和間隔元件之間。
在一個實施例中,邊緣元件包括膨脹材料。在另一個實施例中,邊緣元件包括形狀記憶材料。在另一個實施例中,邊緣元件包括膨脹材料和形狀記憶材料的組合。在另一個實施例中,邊緣元件包括有機矽聚合物。在另一個實施例中,邊緣元件包括具有一個或多個電容層和一個或多個絕緣層的多層材料,如本文所描述。
在一個實施例中,一個或多個間隔元件、邊緣元件和外殼的內表面一起被配置為界定獨立隔間複數獨立隔間,其中一個電池單元設置在每個隔間中。在一個實施例中,一個或多個間隔元件、邊緣元件和外殼的內表面一起被配置為界定獨立隔間複數獨立隔間,其中多個電池單元設置在每個隔間中。在一個實施例中,外殼的至少一部分包括一個或多個排放孔埠,一個或多個排放孔埠流體地耦合到一個或多個之複數獨立隔間中。一個或多個排放孔埠可定位在外殼的側壁或頂板中,與一個或多個隔間連通。排放孔埠可為開口或洩壓閥。
在另一態樣中,一種電池模組包括:包括內表面的外殼,該內表面由在第一側壁和第二側壁之間延伸的第一端板和第二端板以及頂板和底板界定;兩個或更多個電池單元設置在外殼的內部空間中;一個或多個間隔元件設置在相鄰電池單元之間,每個間隔元件包括至少一熱容層和至少一絕緣層;和一個或多個蓋部,與內表面接觸,圍繞一個或多個間隔元件的至少一部分。一個或多個蓋部被配置為在一個或多個間隔元件和外殼
的內表面之間形成密封,以熱隔離相鄰的電池單元。在一個實施例中,兩個或更多個電池單元定向在第一側壁和第二側壁之間,平行於端板,並且其中間隔元件接觸底表面,並且其中一個或多個邊緣元件中的一個是設置在間隔元件和頂表面之間。在一個實施例中,一個或多個邊緣元件中的一個設置在第一側壁和間隔元件之間及/或第二側壁和間隔元件之間。
在一個實施例中,一個或多個蓋部由聚合物形成。聚合物具有化學分解起始溫度約100℃或更高、約130℃或更高、約200℃或更高、約230℃或更高、約240℃或更高、約330℃或更高、350℃或更高、約400℃或更高、約415℃或更高、約425℃或更高、約450℃或更高、約500℃或更高、約550℃或更高、約600℃或更高、約650℃或更高、約700℃或更高、約750℃或更高、約800℃或更高、或在這些值中任何兩個值之間的範圍。在一個實施例中,空間界定在一個或多個蓋部內,該空間可接收一個之一個或多個間隔元件。一個或多個蓋部中的至少一可構成為使用期間,設置在蓋部中的間隔元件與蓋部的內壁之間存在間隙。在一個實施例中,一個或多個蓋部中的至少一具有沿著蓋部的第一縱向側延伸的大致U形開口,其中一個或多個間隔元件裝配在U形開口內。在一個實施例中,一個或多個蓋部中的至少一具有外表面,該外表面的形狀與外殼的內表面的一部分的形狀互補。在一個實施例中,一個或多個蓋部中的至少一在蓋部的端部具有開口,其中,開口被配置為允許蓋部在一個或多個間隔元件之一上滑動。在一個實施例中,一個或多個蓋部中的至少一完全覆蓋一個或多個間隔元件之一的端部。在一個實施例中,一個或多個蓋部中的至少一具有接觸外殼的底板的底表面和接觸外殼的頂板的頂表面。在一個實施例中,至少一
蓋部具有第二縱向側面,該第二縱向側面接觸外殼的內表面的第一側壁或第二側壁。
在一個實施例中,一個或多個蓋部中的至少一接觸形成在第一側壁或第二側壁中的通道。在一個實施例中,通道是第一側壁及/或第二側壁中的凹部。在另一個實施例中,通道從第一側壁及/或第二側壁突出。在一個實施例中,一個或多個蓋部中的至少一與一個或多個通道的一部分接觸,從而在蓋部和內表面之間形成密封。內表面中的一個或多個通道可為基本上U形的,具有相對側壁和底表面。在一個實施例中,蓋部與U形通道的側壁接觸。在一些實施例中,在蓋部和U形通道的底表面之間存在間隙。
在一個實施例中,一個或多個間隔元件,蓋部和外殼的內表面一起被配置為界定獨立隔間複數獨立隔間,其中一個電池單元設置在每個隔間中。在一個實施例中,一個或多個間隔元件,蓋部和外殼的內表面一起被配置為界定獨立隔間複數獨立隔間,其中多個電池單元設置在每個隔間中。在一個實施例中,外殼的至少一部分包括一個或多個排放孔埠,一個或多個排放孔埠流體地耦合到複數獨立隔間中的一個或多個。一個或多個排放孔埠可定位在外殼的側壁或頂板中,與一個或多個隔間連通。排放孔埠可為開口或洩壓閥。
在另一態樣中,本案提供一種電池模組,包括:外殼,包括內表面且在內裡包圍內部空間;兩個或更多個電池單元設置在外殼的內部空間中;一個或多個間隔元件設置在相鄰電池單元之間,每個間隔元件包括至少一絕緣層;以及從間隔元件延伸的一個或多個延伸部分,其中一個或
多個延伸部分由熱活化材料形成,其中一個或多個延伸部分偏轉並在間隔元件和外殼之間形成密封。
在眾實施例中,熱活化材料包括形狀記憶材料,例如形狀記憶合金(例如,Al-Cu-Ni合金或Ni-Ti合金)。在眾實施例中,熱活化材料包括膨脹材料。而且,在一些實施例中,熱活化材料包括形狀記憶材料和膨脹材料的組合。在眾實施例中,當熱活化(例如,一個或多個延伸部分偏轉)時,一個或多個偏轉延伸部分在電池模組內產生與電池模組的其餘部分密封的區域(例如,密封區域A-A的外部區域)。在一些實施例中,一個或多個延伸部分包括第一延伸部分和第二延伸部分;第一延伸部分在與第二延伸部分相反的方向上偏轉。
在另一態樣中,本案提供一種電池模組,包括:外殼,包括內表面且在內裡包圍內部空間;兩個或更多個電池單元設置在外殼的內部空間中;一個或多個間隔元件設置在相鄰電池單元之間,每個間隔元件包括至少一絕緣層;從外殼的內表面延伸的一個或多個延伸部分,其中一個或多個延伸部分由熱活化材料形成,其中一個或多個延伸部分偏轉並在間隔元件和外殼之間形成密封。
在一個實施例中,熱活化材料是形狀記憶材料,例如Ni-Ti合金。在一些實施例中,熱活化材料是形狀記憶材料和膨脹材料的組合。例如,具有由膨脹材料形成的基部和由形狀記憶材料形成的附接層或蓋部的單元。在一個實施例中,一個或多個間隔元件包括氣凝膠(例如,至少一絕緣層由氣凝膠形成)。在實施例中,一個或多個間隔元件可包括膨脹材料。
例如,一個或多個間隔元件可由膨脹材料形成。在一些實施例中,一個或多個間隔元件包括膨脹材料和氣凝膠。
在另一態樣中,本案提供一種電池模組,包括:外殼,其包括內表面且在內裡包圍內部空間;兩個或更多個電池單元設置在外殼的內部空間中;一個或多個間隔元件,設置在相鄰電池單元之間,每個間隔元件包括至少一絕緣層,該絕緣層與至少一包含形狀記憶材料的熱傳導層物理接觸;其中,該至少一傳導層的形狀記憶材料在熱活化時發生缺陷,以在該一個或多個間隔元件與該兩個或更多個電池單元中的至少一者之間形成間隙。
在一個實施例中,形狀記憶材料係鎳鈦諾(nitinol)。在一個實施例中,形狀記憶材料係板狀(plate form)的。在另一個實施例中,形狀記憶材料分散在該至少一熱傳導層各處。在一個實施例中,當熱活化時,分散的形狀記憶材料呈現膨脹彈簧形式。此態樣的一些實施例復包括與兩個或更多個電池單元熱接觸的冷卻系統。冷卻系統可包括冷卻板(cooling plate)。
在另一態樣中,本案提供一種包括根據上述任在一態樣之電池模組的裝置或車輛。在一些實施例中、所述裝置係筆記型電腦、PDA、行動電話、標籤掃描儀、音頻裝置、視頻裝置、顯示面板、攝影機、數位相機、桌上型電腦、軍用便攜式電腦、軍用電話、激光測距儀、數位通信裝置、情報收集感測器、電子集成裝備、夜視裝置、電動工具、計算機、收音機、遙控裝置、GPS裝置、手持及便攜式電視、汽車啟動器、手電
筒、聲學裝置、便攜式加熱裝置、便攜式吸塵器或便攜式醫療工具。在一些實施例中,車輛係電動車輛。
400:多層材料
410:可壓縮墊
420:封裝材料層
430:熱容層
440:熱容層
450:熱容層
460:可壓縮墊
470:絕緣層
480:絕緣層
500:多層材料
530:熱傳導層
540:熱傳導層
550:熱傳導層
600:外部部分
700:核心部分
800:多層材料
810:多層材料
820:多層材料
830:多層材料
840:多層材料
1000:電池模組
1010:電池單元
1020:間隔
1030:外殼
1030a:第一端板
1030b:第二端板
1030c:第一側壁
1030d:第二側壁
1110:電池單元
1120:間隔元件
1130:外殼
1130a:第一端板
1130b:第二端板
1130c:第一側壁
1130d:第二側壁
1140:頂板
1150:底板
1200:電池模組
1210:電池單元
1220:間隔元件
1230:外殼
1230a:第一端板
1230b:第二端板
1230c:第一側壁
1230d:第二側壁
1260:通道
1262:間隙
1300:頂板
1350:排放孔埠
1400:電池模組
1410:電池單元
1420:間隔元件
1430:外殼
1430a:第一端板
1430b:第二端板
1430c:第一側壁
1430d:第二側壁
1440:頂板
1450:邊緣元件
1615:蓋部
1620:間隔元件
1630:內表面
1660:通道
1665:間隙
1715:蓋部
1720:間隔元件
1760:通道
1765:間隙
1820:間隔元件
1820a:絕緣層
1820b:熱傳導層
1820c:封裝層
1822:延伸部分
1824:折疊線
1900:間隔元件
1920a:絕緣層
1920b:熱傳導層
1922:延伸部分
1930:內表面
2000:間隔元件
2020a:絕緣層
2020b:熱容層或熱傳導層
2020c:熱容層或熱傳導層
2020d:熱容層或熱傳導層
2022a:延伸部分
2022b:延伸部分
2030:內表面
2100:間隔元件
2120a:絕緣層
2120b:熱容層或熱傳導層
2120c:熱容層或熱傳導層
2120d:熱容層或熱傳導層
2122a:延伸部分
2122b:延伸部分
2124a:圓形端部
2124b:圓形端部
2200:電池模組
2210:電池單元
2220:間隔元件
2220a:犧牲材料層
2220b:熱容層或熱傳導層
2220c:絕緣層
2230:外殼
2250:隔間
2260:排放孔埠
2310:電池單元
2320a:第一間隔元件
2320b:第二間隔元件
2322a:第一間隔元件的一部分
2322b:第二間隔元件的延伸部分
2410:間隔元件
2415:邊緣元件
2430:彈性構件
2450:絕緣材料
2622:形狀記憶邊緣元件
2623a:形狀記憶邊緣元件
2623b:形狀記憶邊緣元件
2642:膨脹熱隔離層
2721:膨脹材料
2722:邊緣元件
2723:形狀記憶材料
2800:模組的一部分
2810:電池單元
2820:熱隔離層
2830:冷卻系統
2840:形狀記憶板
2900:模組的一部分
2910:電池單元
2920:熱隔離層
2930:冷卻系統
2950:熱傳導層
2955:形狀記憶單元
已經如此概括地描述了本案,現在將參考附圖,這些附圖不一定按比例繪製,且其中:
圖1係鋰離子電池的電化學電池的示意圖。
圖2係鋰離子電池的充放電過程示意圖。
圖3示意性地繪示電池模組內的熱失控濫用情況和熱失控傳播過程。
圖4係電池中鋰鍍層上枝晶生長的示意圖。
圖5示意性繪示導致熱失控過程的三個階段。
圖6示意性地繪示電池單元、電池模組和電池組。
圖7示意性地繪示根據本案的某些實施例的多層材料。
圖8示意性地繪示根據本案的某些實施例的多層材料。
圖9A示意性地繪示本案根據本文所揭露的實施例使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料。
圖9B示意性地繪示本案根據本文所揭露的實施例使用作為電能儲存系統中的熱障的另一種多層材料。
圖9C示意性地繪示本案根據本文所揭露的實施例使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料。
圖9D示意性地繪示本案根據本文所揭露的實施例使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料。
圖9E示意性地繪示本案根據本文所揭露的實施例使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料。
圖10是現有技術的電池模組的示意圖。
圖11A是具有擴展的間隔元件的電池模組的示意圖;
圖11B是具有擴展的間隔元件的電池模組的側視圖。
圖12A是具有定位在突出通道中的間隔元件的電池模組的圖。
圖12B是具有定位在凹陷通道中的間隔元件的電池模組的圖。
圖13是電池模組的頂板的圖。
圖14是具有在間隔元件和外殼之間形成密封的邊緣元件的電池模組的圖。
圖15是間隔元件和邊緣元件之間的界面的放大圖。
圖16是間隔元件和蓋部之間的界面的放大圖。
圖17是具有定位在蓋部中的間隔元件的電池模組的替代配置的圖。
圖18A描繪具有夾在電池模組內的絕緣層之間的延伸的熱容層或熱傳導層的間隔元件的實施例。
圖18B描繪圖18A正在使用中的間隔元件。
圖19A描繪在電池模組內具有延伸部分的間隔元件的實施例。
圖19B描繪圖19A正在使用中的間隔元件。
圖20A描繪具有延伸部分的間隔元件的替代實施例。
圖20B描繪圖20A使用中的間隔元件。
圖21A描繪可應用於本案的任何實施例的延伸部分的修改。
圖21B描繪圖21A正在使用中的延伸部分。
圖22描繪間隔元件的實施例,該間隔元件包括延伸超出電池單元尺寸至外殼的層。
圖23描繪間隔元件或間隔元件的部分的實施例,其可覆蓋電池單元並且至少部分地將電池單元與其它電池單元隔離。
圖24描繪一個實施例,其中單獨的邊緣元件沿著外殼壁定位在靠近間隔元件的預期位置的位置處。
圖25A描繪用於在定位間隔元件之前在間隔元件和外殼內部之間形成密封的邊緣元件的實施例。
圖25B描繪在定位間隔元件之後圖25A的邊緣元件。
圖26A是在熱觸發事件之前具有形狀記憶邊緣元件和膨脹邊緣元件的電池模組的圖。
圖26B是圖26A在熱觸發事件後的電池模組的示意圖。
圖26C是在熱觸發事件之前具有形狀記憶單元的電池模組的圖。
圖26D是圖26C在熱觸發事件後的電池模組的示意圖。
圖27A是在熱觸發事件之前的電池模組的圖,其具有由形狀記憶和膨脹材料的組合形成的間隔件/形狀單元。
圖27B是圖27A在熱觸發事件後的電池模組的示意圖。
圖27C是在熱觸發事件之前具有形狀記憶邊緣元件和膨脹間隔元件的電池模組的圖。
圖27D是圖27C在熱觸發事件後的電池模組的示意圖。
圖28A是在熱觸發事件之前的電池模組的一部分的圖,包括夾在電池單元和熱絕緣層之間的形狀記憶板。
圖28B是圖28A在熱觸發事件後的電池模組的一部分的示意圖。
圖29A是在熱觸發事件之前電池模組的一部分的圖,包括熱傳導層,該熱傳導層包括分散在整個熱傳導層中的形狀記憶材料單元。
圖29B是圖29A在熱觸發事件之後電池模組的一部分的示意圖。
圖29C是顯示具有分散在各處的形狀記憶材料單元的熱傳導層的俯視圖。
下述詳細描述較佳的實施例,參考附圖,該附圖形成該實施例之一部分,並且在附圖中以舉例說明的方式示出可實施本案的具體實施例。應當理解,在不脫離本案範圍的情況下,可運用其它實施例並且可進行結構改變。
本案係針對多層材料及包括所述多層材料的系統,以管理能量儲存系統中的熱失控問題。示例性實施例包括多層材料,該多層材料包括至少一絕緣層、至少一可壓縮墊及視需要之一或多層之層,該視需要之一或多層之層具有良好的散熱特性、具有良好的防火、阻燃及/或耐磨特性、具有良好的特性以使用作為熱障。本案復關於包括具有一個或多個電池單元且放置成與電池單元熱連通的多層熱障材料的電池模組或電池組。
本文所揭露之多層材料的一個或多個絕緣層可包括氣凝膠組成物或增強氣凝膠組成物。眾所周知,氣凝膠材料的熱阻(thermal resistance)是其它常見類型絕緣材料(例如泡沫、玻璃纖維等)的2至6倍。氣凝膠可增加有效的屏蔽和熱絕緣效果,而不會顯著增加絕緣材料的厚度或增加額外的重量。已知氣凝膠是一類具有低密度、開孔結構、大表面積和奈米級孔徑的結構。
多層材料和包含本案根據本文所揭露的實施例的氣凝膠組成物的多層材料提供了有利的可壓縮性、壓縮回彈性和柔順性。當使用作為電池模組內的電池單元之間的熱障時,多層材料可提供抗壓縮變形的能力,以適應電池單元在電池充電/放電循環期間由於活性材料的降解和膨脹而導致的電池膨脹。
本案復提供一種電池模組或電池組,其包括至少一個電池單元及本案根據本文所揭露的實施例的多層材料,該多層材料設置在電池單元上或電池模組上,例如,在至少一個電池單元的表面上或電池模組的表面。例如,電池模組或電池組具有內表面和外表面。在某些實施例中,多
層材料位於電池模組或電池組的內表面上。在某些實施例中,多層材料位於電池模組或電池組的外表面上。
本案的多層材料可具有各種獨特構造,具有熱學上及/或機械上良好特性的多於一層之層體以特定方式排列於所述獨特構造中。圖7繪示根據本文所揭露實施例的多層材料400。在一個實施例中,使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料400包含核心部分700及外部部分600,該核心部分700包括至少一絕緣層470及/或480和至少一熱容層430、440及/或450的層狀組件,該絕緣層470及/或480和至少一熱容層430、440及/或450係沿垂直於其最大表面的方向交替堆積;外部部分600係設置在核心部分700的外側,外部部分600包括至少一犧牲材料層及至少一封裝材料層420,該犧牲材料層包括具有約1MPa至約12MPa之壓縮模數的可壓縮墊410及/或460,該至少一封裝材料層420係選自聚合物、彈性體或其組合,其中,熱容層430、440及/或450具有至少約200J/(kg-K)的比熱容(specific thermal capacity),並且其中,絕緣層470及/或480具有在25℃下小於約50mW/m-K且在600℃下小於約60mW/m-K的通過該絕緣層厚度維度之熱導率。
在一些實施例中,絕緣層470及480由相同的材料製成。在一些實施例中,絕緣層470及480由具有不同熱及/或機械特性的不同材料製成。在一些實施例中,熱容層430、440和450由相同的材料製成。在一些實施例中,熱容層430、440和450由具有不同熱及/或機械特性的不同材料製成。可壓縮墊410和460也可由不同或相同的材料製成。
圖8繪示根據本文所揭露實施例的多層材料500。在一個實施例中,使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料400包括核心部分700及外部部分600,該核心部分700包括至少一絕緣層470及/或480和至少一熱傳導層530、540及/或550的層狀組件(layered assembly),該絕緣層470及/或480和至少一熱傳導層530、540及/或550係沿垂直於其最大表面的方向交替堆積;該外部部分600係設置在核心部分700外側,外部部分600包括至少一犧牲材料層及至少一封裝材料層420,該犧牲材料層包括具有約1MPa至約12MPa的壓縮模數的可壓縮墊410及/或460,該至少一封裝材料層420係選自聚合物、彈性體或其組合,其中,熱傳導層530、540及/或550具有至少約200mW/m-K的沿該熱傳導層的平面內維度(in-plane dimension)之熱導率,並且其中,絕緣層470及/或480具有在25℃下小於約50mW/m-K且在600℃下小於約60mW/m-K的通過該絕緣層厚度維度(thickness dimension)之熱導率。
在一些實施例中,熱傳導層530、540和550由相同的材料製成。在一些實施例中,熱傳導層530、540和550由具有不同熱及/或機械特性的不同材料製成。
在一些實施例中,封裝材料層420夾在核心部分700和具有至少一可壓縮墊410及/或460的犧牲材料層之間,如圖7及圖8所示。在一些實施例中,具有至少一可壓縮墊410及/或460的犧牲材料層夾在核心部分700和封裝材料層420之間。
本案根據本文所揭露的實施例的多層材料在未壓縮狀態下可具有約2mm至約10mm之間的範圍內的平均厚度。當暴露於外部機械負
載,例如在電池模組的初始組裝期間施加到電池單元之間的材料的負載,例如1MPa或更低,多層材料的平均厚度可能減少。
在圖9A所示的多層材料的示例性構造中,使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料800包括具有包括至少一可壓縮墊410及/或460之兩側的核心層及兩絕緣層470及480,該至少一可壓縮墊410及/或460具有約1MPa至約12MPa的壓縮模數(例如1.5MPa、2MPa、4MPa、5MPa、6MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa、11.5MPa);該兩絕緣層470及480具有在25℃下小於約50mW/m-K且在600℃下小於約60mW/m-K的通過絕緣層厚度維度之熱導率,其中,核心層夾在兩絕緣層470及480之間,其中,多層材料可選地封裝在選自聚合物、彈性體或其組合之至少一者的封裝材料420中。
在圖9B所示的多層材料的示例性構造中,使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料810包括具有兩側之核心層及兩絕緣層470及480,該具有兩側之核心層包括一可壓縮墊410或460及兩熱傳導層530、540及/或550,該可壓縮墊410或460具有約1MPa至約12MPa的壓縮模數;該兩絕緣層470及480具有在25℃下小於約50mW/m-K且在600℃下小於約60mW/m-K的通過該絕緣層厚度維度之熱導率,其中,核心層夾在兩絕緣層470及480之間,其中該至少一熱傳導層具有至少約200mW/m-K的平面內熱導率(in-plane thermal conductivity),並且其中,該多層材料可選地封裝在選自聚合物、彈性體或其組合之至少一者的封裝材料420中。
如圖9C所示的示例性實施例中,使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料820包括具有兩側之核心層及兩絕緣層470及480,該具有兩側之核心層包括一可壓縮墊410或460及兩熱容層430、440及/或450,該可壓縮墊410或460具有約1MPa至約12MPa的壓縮模數;該兩絕緣層470及480具有在25℃下小於約50mW/m-K且在600℃下小於約60mW/m-K的通過該絕緣層厚度維度之熱導率,其中,該核心層夾在該兩絕緣層470及480之間,其中,至少一熱容層具有至少約200J/(kg-K)的比熱容(specific thermal capacity),並且其中,該多層材料可選地封裝在選自聚合物、彈性體或其組合之至少一者的封裝材料420中。
如圖9D所示的示例性實施例中,使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料830包括具有兩側之核心層及兩絕緣層470及480,該核心層包括一可壓縮墊410或460及兩熱容層430、440及/或450,該可壓縮墊410或460具有約1MPa至約12MPa的壓縮模數;該兩絕緣層470及480具有在25℃下小於約50mW/m-K且在600℃下小於約60mW/m-K的通過該絕緣層的厚度維度之熱導率,其中核心層被兩絕緣層470及480夾在中間,其中,至少一熱容層具有至少約200J/(kg-K)的比熱容,其中,該多層材料可選地封裝在選自聚合物、彈性體或其組合之至少一者的封裝材料420中,並且其中,多層材料830復包括兩熱容層430、440及/或450,其中,每個熱容層430、440及/或450設置在每個絕緣層470及480的外表面上。
在圖9E所示的多層材料的示例性構造中,使用作為電能儲存系統中的熱障的多層材料840包括具有兩側的核心層及兩絕緣層470及
480,該核心層包括兩可壓縮墊410和460及一熱容層430、440或450,該兩可壓縮墊410和460具有約1MPa至約12MPa的壓縮模數;該兩絕緣層470及480具有在25℃下小於約50mW/m-K且在600℃下小於約60mW/m-K的通過該絕緣層的厚度維度之熱導率,其中,該核心層夾在兩絕緣層470及480之間,其中,熱容層具有至少約200J/(kg-K)的比熱容,其中,該多層材料可選地封裝在選自聚合物、彈性體或其組合之至少一者的封裝材料420中,並且熱容層係夾在兩可壓縮墊410和460之間。
絕緣層
本案的多層材料的絕緣層負責可靠地控制小空間內發熱部件的熱流,並為電子、工業和汽車技術領域的此類產品提供安全性和防止火焰傳播。具有優異壓縮特性的絕緣層可用於滿足這些需求。在本案的許多實施例中,絕緣層本身或與多層材料的其它層組合也用作防燃/防火層。例如絕緣層,氣凝膠層與阻燃層(例如金屬層或雲母層)結合,可為下面的層提供保護,使其免受火焰及/或熱氣體以及夾帶顆粒材料的火焰/熱氣體的影響,例如在熱失控事件期間可能從LIBs中彈出的材料。另一個例子,絕緣層本身可抵抗火焰及/或熱氣體以及夾帶顆粒材料的火焰/熱氣體。絕緣層如雲母、微孔二氧化矽、氣凝膠與阻燃層結合可用作防燃/防火層。包括氣凝膠的絕緣層,例如本文所揭露實施例中,耐用且易於處理,具有良好的熱傳播和火焰傳播阻力,同時使所用材料的厚度和重量最小化,並且還具有可壓縮性、壓縮回彈性和合規性。
氣凝膠是一類具有開孔的多孔材料,其包括互連結構的框架,具有集成在框架內的相應孔隙網絡,以及主要由氣體如空氣組成的孔隙網
絡內的間隙相。氣凝膠的典型特徵是低密度、高孔隙率、大表面積和小孔徑。氣凝膠可通過其物理和結構特性與其它多孔材料區分開來。
因此,在一些實施例中,本案的多層材料的絕緣層包含氣凝膠。在一些實施例中,絕緣層還可包括選自由雲母、微孔二氧化矽、陶瓷纖維、礦棉及其組合的材料組成的組。在某些情況下,絕緣層缺少氣凝膠。在一些實施例中,絕緣層可包括選自由雲母、微孔二氧化矽、陶瓷纖維、礦棉及其組合的材料組成的組。
在某些實施例中,本案的絕緣層具有在25℃下約50mW/mK或更小、約40mW/mK或更小、約30mW/mK或更小、約25mW/mK或更小、約20mW/mK或更小、約18mW/mK或更小、約16mW/mK或更小、約14mW/mK或更小、約12mW/mK或更小、約10mW/mK或更小、約5mW/mK或更小、或這些值之任兩者間的範圍內的通過該絕緣層厚度維度之熱導率。在某些實施例中,本案的絕緣層具有在600℃下約60mW/mK或更小、約50mW/mK或更小、約40mW/mK或更小、約30mW/mK或更小、約25mW/mK或更小、約20mW/mK或更小、約18mW/mK或更小、約16mW/mK或更小、約14mW/mK或更小、約12mW/mK或更小、約10mW/mK或更小、約5mW/mK或更小、或介於這些值之任兩者間的範圍內的通過該絕緣層厚度維度之熱導率。
本案的絕緣層(例如包括氣凝膠的絕緣層)能在高達約5MPa的負載下保持或增加少量的熱導率(通常以mW/m-k為單位測量)。在某些實施例中,本案的絕緣層具有約50mW/mK或更小、約40mW/mK或更小、約30mW/mK或更小、約25mW/mK或更小、約20mW/mK或更
小、約18mW/mK或更小、約16mW/mK或更小、約14mW/mK或更小、約12mW/mK或更小、約10mW/mK或更小、約5mW/mK或更小、或這些值之任兩者間的範圍內的通過該絕緣層厚度維度之熱導率。氣凝膠絕緣層的厚度可由於氣凝膠絕緣層所承受的負載而會減少。例如,氣凝膠絕緣層的厚度可在約0.50MPa至5MPa範圍內的負載下減少50%或更低、40%或更低、30%或更低、25%或更低、20%或更低、15%或更低、10%或更低、5%或更低、或介於這些值之任兩者間的範圍內。雖然包括氣凝膠的絕緣層的熱阻可隨著厚度的減少而減少,但是熱導率可保持或少量增加。
在某些實施例中,本案的絕緣層可具有約750cal/g或更低、約717cal/g或更低、約700cal/g或更低、約650cal/g或更低、約600cal/g或更低、約575cal/g或更低、約550cal/g或更低、約500cal/g或更低、約450cal/g或更低、約400cal/g或更低、約350cal/g或更低、約300cal/g或更低、約250cal/g或更低、約200cal/g或更低、約150cal/g或更低、約100cal/g或更低、約50cal/g或更低、約25cal/g或更低、約10cal/g或更低、或介於這些值之任兩者間的範圍內的燃燒熱(heat of combustion)。相對於另一絕緣層具有改進之燃燒熱的絕緣層將相對於參考絕緣層具有較低的燃燒熱值。在本案的某些實施例中,藉由將防火級添加劑結合到絕緣層中,改進絕緣層的HOC。
在某些實施例中,本案的絕緣層具有約300℃或更高、約320℃或更高、約340℃或更高、約360℃或更高、約380℃或更高、約400℃或更高、約420℃或更高、約440℃或更高、約460℃或更高、約480℃或更高、約500℃或更高、約515℃或更高、約550℃或更高、約600℃或更
高、或介於這些值之任兩者間的範圍內的熱分解始點(onset)。在本案的上下文中,例如,第一組成物具有的熱分解始點高於第二組成物熱分解始點,將被認為是第一組成物相對於第二組成物的改進。本文預期,與不包括任何防火級添加劑的組成物相比,當添加一種或多種防火級添加劑時組成物或材料的熱分解始點開始增加。
術語「彎曲模量(flexural modulus)」或「彎曲彈性模量(bending modulus of elasticity)」是當垂直於樣品的長邊施加力時材料剛度/抗彎曲性的量度-稱為三點彎曲試驗。彎曲模量表示材料彎曲的能力。彎曲模量由應力-應變曲線的初始直線部分的斜率表示,並藉由將應力的變化除以相應的應變變化來計算。因此,應力應變比是彎曲模量的量度。彎曲模量的國際標準單位是帕斯卡(pascal)(Pa或N/m2或m-1.kg.s-2)。實際使用的單位是兆帕斯卡(megapascals)(MPa或N/mm2)或千兆帕斯卡(gigapascals)(GPa或kN/mm2)。在美國慣用單位中,其係表示成磅(力)每平方英寸(psi)。在某些實施例中,本案的絕緣層具有約8MPa或更小、約7MPa或更小、約6MPa或更小、約5MPa或更小、約4MPa或更小、約3MPa或更小的彎曲模量。較佳為,本案的絕緣層(例如氣凝膠)具有約2MPa至約8MPa的彎曲模量。
如上所述,為了容納電池單元壽命週期期間的電池單元膨脹,電池或電池模組和電池組之間的材料的壓縮和彈性特性是重要的。某些實施例中,絕緣層或包括絕緣層之多層材料:(i)可壓縮其原始或未壓縮厚度的至少50%、較佳為至少65%、最佳為至少80%,且(ii)具有充分回彈性
使其在壓縮幾秒鐘後將恢復到其原始或未壓縮厚度的至少70%、較佳為至少75%、最佳為至少80%。
某些實施例中,絕緣層(例如,包括氣凝膠之層體)、包括絕緣層之多層材料的可壓縮成分、或多層材料整體的壓縮模量為約1MPa、約2MPa、約3MPa、約4MPa、約5MPa、約6MPa、約7MPa、約8MPa、約9MPa、約10MPa、約11MPa、約12MPa或介於這些值之任兩者間的範圍內。
氣凝膠
本案的氣凝膠可為有機物、無機物或其混合物。在一些實施例中,氣凝膠包括二氧化矽基氣凝膠。包括氣凝膠的多層材料的絕緣層復包括增強材料。增強材料可為提供氣凝膠材料回彈性(resilience)、適形性或結構穩定性的任何材料。眾所周知的增強材料的例子包括但不限於開孔巨孔骨架增強材料,閉孔巨孔骨架增強材料、開孔膜、蜂窩增強材料、聚合物增強材料和纖維增強材料、例如離散的纖維、機織材料、非織造材料、針刺非織造布、棉絮、纖網、墊子和氈。
增強材料(reinforcement material)可選自有機聚合物基纖維、無機纖維、碳基纖維或其組合。無機纖維選自玻璃纖維、岩石纖維、金屬纖維、硼纖維、陶瓷纖維、玄武岩纖維或其組合。
在一些實施例中,增強材料可包括複數層材料之增強材料。例如,該複數層材料可接合(bonded)在一起。在示例性實施例中,複數層中的至少一可包括第一材料,並且複數層中的至少一其它層可包括第二材料。第一材料和第二材料可具有相同或不同的材料特性。例如,第一材料可較
第二材料為更可壓縮的。另例如,第一材料可包括閉孔單元且第二材料可包括開放單元。
氣凝膠被描述為互連結構的框架,最常見的是由互連的低聚物、聚合物或膠體顆粒組成。氣凝膠骨架可由一系列前驅物材料製成,其包括:無機前驅物材料(例如用於生產二氧化矽基氣凝膠的前驅物);有機前驅物材料(用於生產碳基氣凝膠的前驅物);混合無機/有機前驅物材料;及其組合。在本案的上下文中,術語「汞合金氣凝膠(amalgam aerogel)」係指由兩種或更多種不同凝膠前驅物的組合產生的氣凝膠;相應的前驅物被稱為「汞合金前驅物(amalgam precursors)」。
無機氣凝膠
無機氣凝膠一般由金屬氧化物或金屬烷氧化物材料形成。金屬氧化物或金屬烷氧化物材料可基於可形成氧化物的任何金屬的氧化物或烷氧化物。這類金屬包括但不限於矽、鋁、鈦、鋯(zirconium)、鉿(hafnium)、釔、釩、鈰等。無機二氧化矽氣凝膠傳統上是經由二氧化矽基烷氧化物(例如四乙氧基矽烷)的水解和縮合、或經由矽酸或水玻璃的凝膠化而製成的。用於二氧化矽基氣凝膠合成的其它相關無機前驅物材料包括但不限於金屬矽酸鹽,例如矽酸鈉或矽酸鉀、烷氧基矽烷、部分水解烷氧基矽烷、四乙氧基矽烷(TEOS)、部分水解TEOS、TEOS之縮合聚合物、四甲氧基矽烷(TMOS)、部分水解TMOS、TMOS之縮合聚合物、四正丙氧基矽烷、四正丙氧基矽烷之部分水解及/或縮合聚合物、聚矽酸乙酯、部分水解聚矽酸乙酯、單體烷基烷氧基矽烷、雙三烷氧基烷基或芳基矽烷、多面體倍半矽氧烷或其組合。
在本案的某些實施例中,預水解的TEOS,例如以約1.9至2的水/二氧化矽比例水解的Silbond H-5(SBH5,Silbond Corp),可作為市售品使用或者可在加入膠凝過程之前進一步水解。部分水解的TEOS或TMOS,例如聚矽酸乙酯(Silbond 40)或聚矽酸甲酯也可作為市售品使用,或可在摻入膠凝過程之前進一步水解。
無機氣凝膠還可包括包含至少一疏水基團的凝膠前驅物,例如烷基金屬烷氧化物、環烷基金屬烷氧化物和芳基金屬烷氧化物,其可賦予或改善凝膠的某些特性,例如穩定性和疏水性。無機二氧化矽氣凝膠可具體地包括疏水前驅物,例如烷基矽烷或芳基矽烷。疏水凝膠前驅物可用作主要前驅物材料以形成凝膠材料的框架。然而,疏水性凝膠前驅物更常用作與簡單金屬烷氧化物結合形成汞合金氣凝膠的共前驅物(co-precursors)。用於二氧化矽基氣凝膠合成的疏水無機前驅物材料包括但不限於三甲基甲氧基矽烷(TMS)、二甲基二甲氧基矽烷(DMS)、甲基三甲氧基矽烷(MTMS)、三甲基乙氧基矽烷、二甲基二乙氧基矽烷(DMDS)、甲基三乙氧基矽烷(MTES)、乙基三乙氧基矽烷(ETES)、二乙基二乙氧基矽烷、二甲基二乙氧基矽烷(DMDES)、乙基三乙氧基矽烷、丙基三甲氧基矽烷、丙基三乙氧基矽烷、苯基三甲氧基矽烷、苯基三乙氧基矽烷(PhTES)、六甲基二矽氮烷和六乙基二矽氮烷等。可使用任何上述前驅物的任何衍生物,且具體地可將其它化學基團的某些聚合物添加或交聯(cross-linked)至上述前驅物中的一者或多者。
氣凝膠也可加以處理以賦予或改善疏水性。疏水處理可應用於溶膠-凝膠溶液、液體萃取前的濕凝膠或液體萃取後的氣凝膠。疏水處理
在金屬氧化物氣凝膠的生產中尤其常見,例如二氧化矽氣凝膠。以下更詳細地討論凝膠的疏水處理的一個例子,特別是在處理二氧化矽濕凝膠的情況下。然而,本案提供的具體示例和說明並不旨在將本案的範圍限制為任何特定類型的疏水處理程序或氣凝膠基材。本案可包括本領域技術人員已知的任何凝膠或氣凝膠,以及以濕凝膠形式或乾氣凝膠形式對氣凝膠進行疏水處理的相關方法。
通過使凝膠上的羥基部分,例如存在於矽膠骨架上的矽烷醇基團(Si-OH)與疏水劑的官能基團反應來進行疏水處理。所得反應將矽烷醇基團和疏水劑轉化為矽膠骨架上的疏水基團。按照下述反應,疏水劑化合物可與凝膠上的羥基反應:RNMX4-N(疏水劑)+MOH(矽烷醇)→MOMRN(疏水基團)+HX。疏水處理既可在矽膠的外部宏觀表面上進行,也可在凝膠的多孔網絡內的內孔表面上進行。
凝膠可浸入疏水劑和疏水劑可溶於其中之選擇性疏水處理溶劑的混合物中,且疏水處理溶劑還可與濕凝膠中的凝膠溶劑混溶。可使用範圍廣泛的疏水處理溶劑,包括如甲醇、乙醇、異丙醇、二甲苯、甲苯、苯、二甲基甲醯胺和己烷之溶劑。液體或氣體形式的疏水劑也可直接與凝膠接觸以賦予疏水性。
疏水處理製程可包括混合或攪拌以幫助疏水劑滲透濕凝膠。疏水處理製程還可包括改變諸如溫度和pH之其它條件,以進一步增強和優化處理反應。反應完成後,洗滌濕凝膠以除去未反應的化合物和反應副產物。
氣凝膠疏水處理的疏水劑通常是下式的化合物:RNMX4-N;其中,M是金屬;R是疏水基團,例如CH3、CH2CH3、C6H6或類似的疏水烷基,環烷基或芳基部分體;X是鹵素,通常是Cl。疏水劑的具體實例包括但不限於三甲基氯矽烷(TMCS)、三乙基氯矽烷(TECS)、三苯基氯矽烷(TPCS)、二甲基氯矽烷(DMCS)、二甲基二氯矽烷(DMDCS)等。也可為下式的疏水劑:Y(R3M)2;其中,M是金屬;Y是橋接基團,例如NH或O;且R是疏水基團,例如CH3、CH2CH3、C6H6或類似的疏水烷基,環烷基或芳基部分體(moieites)。這類疏水劑的具體實例包括但不限於六甲基二矽氮烷[HMDZ]和六甲基二矽氧烷[HMDSO]。疏水劑可復包括下式化合物:RNMV4-N,其中,V是鹵素以外的反應性或離去基團。這類疏水劑的具體實例包括但不限於乙烯基三乙氧基矽烷(vinyltriethoxysilane)和乙烯基三甲氧基矽烷(vinyltrimethoxysilane)。
本案的疏水處理也可在凝膠中的液體的移除、交換或乾燥期間進行。在一個具體實施例中,疏水處理可在超臨界流體環境(例如但不限於超臨界流體二氧化碳)中進行,並且可與乾燥或萃取步驟組合。
有機氣凝膠
氣凝膠通常由碳基聚合物前驅物形成。此類聚合物材料包括但不限於間苯二酚甲醛(RF)、聚醯亞胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯低聚物、聚氧化烯、聚氨酯、多酚、聚丁二烷、三烷氧基甲矽烷基封端的聚二甲基矽氧烷(trialkoxysilyl-terminated polydimethylsiloxane)、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚糠醛、三聚氰胺甲醛、甲酚甲醛(cresol formaldehyde)、苯酚糠醛(phenol-furfural)、聚醚、多元醇、
聚異氰酸酯(polyisocyanate)、聚羥基苯(polyhydroxybenze)、聚乙烯醇二醛、聚氰脲酸酯、聚丙烯醯胺、各種環氧樹脂、瓊脂、瓊脂糖、殼聚糖及其組合。作為一個例子,有機射頻氣凝膠通常由間苯二酚或三聚氰胺與甲醛在鹼性條件下的溶膠-凝膠聚合製成。
有機/無機混合氣凝膠
有機/無機混合氣凝膠主要由有機改性二氧化矽(organically modified silica;「ormosil」))氣凝膠構成。這些有機-無機矽氧烷材料包括與二氧化矽網絡共價鍵合的有機成分。有機-無機矽氧烷通常通過有機改性水解和縮合形成的矽烷R-Si(OX)3與傳統的烷氧化物前驅物Y(OX)4。在這些式中,X可表示例如CH3、C2H5、C3H7、C4H9;Y可表示例如Si、Ti、Zr或Al;且R可為諸如甲基、乙基、丙基、丁基、異丙基、甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、乙烯基、環氧化物等之任何有機片段(organic fragmen)。有機改性二氧化矽氣凝膠中的有機成分也可分散在整個二氧化矽網絡中或鍵結至二氧化矽網絡化學。
在某些實施例中,本案的氣凝膠是主要由預聚合的二氧化矽前驅物形成的無機二氧化矽氣凝膠,較佳作為低聚物,或由醇溶劑中的矽烷氧化物形成的水解矽酸酯。在某些實施例中,此類預聚合二氧化矽前驅物或水解矽酸酯可由其它前驅物或矽酸酯例如烷氧基矽烷或水玻璃原位形成。然而,本案作為一個整體可用本領域技術人員已知的任何其它氣凝膠組成物來實施,並且不限於任何一種前驅物材料或前驅物材料的汞合金混合物。
巨孔(Macropores)
如上所述,本案根據本文所揭露的實施例的氣凝膠組成物可包括包括巨孔的氣凝膠框架。不受任何特定操作理論的束縛,氣凝膠框架內的巨孔的存在可允許壓縮氣凝膠組成物,例如增強氣凝膠組成物,同時保持或甚至改善熱特性,例如降低熱導率。例如,巨孔可通過壓縮組成物而變形、壓碎或以其它方式減小尺寸、從而允許組成物的厚度在負載下減小。然而,隨著巨孔變形,其係實際上變成更小的孔。因此,當巨孔變形時,氣凝膠框架內的熱傳導路徑可能會更加曲折,從而改善熱特性,例如降低熱導率。在本案的上下文中,「中孔(mesopores)」是平均孔徑(pore diameter)在約2nm及約50nm的範圍內的孔。氣凝膠框架通常是中孔性(mesoporous)的(亦即主要含有具有範圍從約2nm至約50nm之平均直徑的孔)。在某些實施例中,本案的氣凝膠組成物的氣凝膠框架可包括巨孔。在本案的上下文中,「巨孔」是平均孔徑大於約50nm的孔。氣凝膠框架可包括巨孔和中孔。例如,氣凝膠骨架的至少10%的孔體積(pore volume)可由巨孔構成,氣凝膠骨架的至少5%的孔體積可由巨孔構成、至少75%的氣凝膠骨架的孔體積可由巨孔構成、至少95%的孔體積可由巨孔構成、或者氣凝膠骨架的孔體積的100%可由巨孔構成。在一些特定實施例中,氣凝膠骨架可為巨孔性(macroporous)氣凝膠骨架,使得其大部分孔體積由巨孔組成。在一些情況下,巨孔氣凝膠框架還可包括微孔及/或中孔。在一些實施例中,氣凝膠骨架中孔的平均孔尺寸(直徑)可為大於50nm,大於50nm至5000nm、250nm至2000nm、500nm至2000nm、500nm至1400nm或12000nm。在某些實施例中,平均尺寸的直徑可為大於50nm,大於50nm至1000nm,較佳100nm至800nm,更佳250nm至750nm。
均質(homogeneous)和異質(heterogenous)的孔尺寸分佈
在一些實施例中,氣凝膠框架內的孔尺寸變化可通過氣凝膠框架均質地分佈。例如,整個氣凝膠框架的平均孔尺寸可基本相同。
在其它實施例中,氣凝膠框架內的孔尺寸變化可通過氣凝膠框架異質地分佈。例如,氣凝膠框架在某些區域中的平均孔尺寸可為不同。在一些示例性實施例中,在氣凝膠框架的上表面、下表面或上表面和下表面兩者的區域中平均孔尺寸可為較大。例如,巨孔可分佈在組成物中,使得巨孔對中孔的比例在上表面大於在下表面,在下表面大於在上表面、或者在上表面和下表面兩者皆大於在上表面和下表面之間的中間區域。另例如,巨孔可分佈在組成物中,使得巨孔對中孔的比例在上表面附近大於在下表面附近,在下表面附近大於在上表面附近,或者在上表面和下表面兩者皆大於在上表面和下表面之間的中間區域。在其它實施例中,平均孔尺寸在氣凝膠框架的上表面和下表面之間的中間區域可更大。
巨孔形成
在氣凝膠組成物的產生期間可形成巨孔。例如,在過渡到凝膠組成物的期間,可在凝膠前驅物材料中誘發巨孔的形成。在一些實施例中,巨孔的形成可通過誘發旋節線分解,例如凝膠前驅物溶液。另例如,巨孔的形成可通過添加一種或多種發泡劑來誘發。
存在於所得氣凝膠框架中的巨孔可通過選擇有利於形成巨孔相對於中孔及/或微孔的加工條件來形成。可通過實施以下變量中的任何一種,任何組合或全部來調節巨孔的量:(1)聚合溶劑;(2)聚合溫度;(3)聚合物分子量;(4)分子量分佈;(5)共聚物組成物;(6)分枝(branching)的量;(7)
交聯的量;(8)分枝的方法;(9)交聯的方法;(10)凝膠形成所使用的方法;(11)用於形成凝膠的催化劑類型;(12)用於形成凝膠的催化劑的化學成分;(13)用於形成凝膠的催化劑的量;(14)凝膠形成的溫度;(15)凝膠形成期間中流過材料的氣體類型;(16)凝膠形成期間氣體流過材料的速率;(17)凝膠形成期間的大氣壓力;(18)凝膠形成期間溶解氣體的移除;(19)凝膠形成期間樹脂中存在的固體添加劑;(20)凝膠形成期間的時間量;(21)用於凝膠形成的基材;(22)溶劑交換製程的每個步驟中所使用的溶劑類型;(23)溶劑交換製程各步驟中所使用的溶劑組成物;(24)溶劑交換製程各步驟所用時間;(25)溶劑交換製程各步驟中部件(part)的停留時間;(26)溶劑交換溶劑的流速;(27)溶劑交換溶劑的流動方式;(28)溶劑交換溶劑的攪拌速度;(29)溶劑交換製程各步驟所使用的溫度;(30)溶劑交換溶劑的體積對部份的體積的比例;(31)乾燥方法;(32)乾燥製程中各步驟的溫度;(33)乾燥製程各步驟的壓力;(34)乾燥製程各步驟所使用氣體組成物;(35)乾燥製程中每個步驟的氣體流速;(36)乾燥製程各步驟期間的氣體溫度;(37)乾燥製程各步驟期間部件的溫度;(38)乾燥製程各步驟期間部件周圍外殼的存在;(39)乾燥期間圍繞部件的外殼類型;及/或(40)在乾燥製程各步驟中所使用的溶劑。多官能胺和二胺化合物可以固體、純的或溶解在合適溶劑中的形式單獨或以一份或多份一起加入。在其它態樣中,製備氣凝膠的方法可包括以下步驟:(a)提供多官能胺化合物和至少一種二胺化合物至溶劑以形成溶液;(b)在足以形成枝化聚合物(branched polymer)基質溶液的條件下向步驟(a)的溶液中提供至少一種二酐化合物,其中,枝化聚合物基質溶解在溶液中;(c)使枝化聚合物基質溶液經受足以形成具有開孔結構的氣凝膠的條件。存
在於所得氣凝膠骨架中的巨孔可上述方式形成。在一個較佳且非限制性的態樣中,藉由控制凝膠形成期間的聚合物/溶劑動力學可根本上地控制巨孔相對於較小中孔和微孔(micropores)的形成。
如上所述,本案根據本文所揭露的實施例的氣凝膠組成物可包括氣凝膠骨架和增強材料,其中至少一部分增強材料不包含氣凝膠。例如,氣凝膠框架可部分地延伸通過增強材料的厚度。在這樣的實施例中,增強材料的一部分,例如OCMF、纖維或其組合,可包括氣凝膠材料並且一部分可不含氣凝膠。例如,在一些實施例中,氣凝膠延伸通過增強材料的約90%的厚度、通過約50%和約90%的增強材料的範圍的厚度、通過約10%至約50%增強材料的範圍的厚度、或通過增強材料的約10%的厚度。
不受任何特定操作理論的束縛,其中至少一部分增強材料不包含氣凝膠的氣凝膠組成物可提供有利的可壓縮性、壓縮回彈性和柔順性。例如,可選擇增強材料的特性以在包含氣凝膠的區域中為熱特性提供足夠的增強和支持,並且還可在沒有氣凝膠的區域中提供足夠的可壓縮性,壓縮彈性及/或柔順性。增強氣凝膠組成物的含氣凝膠部分可提供所需的熱導率,例如小於約25mW/m*K,而不含氣凝膠的增強部分可提供或改善所需的物理特性,例如可壓縮性。
在一些實施例中,其中至少一部分增強材料不包含氣凝膠的增強氣凝膠組成物可使用本案揭露的方法形成,其中增強材料與一定量的前驅物溶液結合,該一定量係足以部分填充增強材料的前驅物溶液。例如,前驅物的體積可小於增強材料的體積,使得前驅物僅部分地延伸穿過增強層。當乾燥時,所得增強氣凝膠組成物將包括氣凝膠框架,其延伸通過小
於增強材料的整個厚度,如上所述。在其它實施例中,其中至少一部分增強材料不含氣凝膠的增強氣凝膠組成物可通過從增強氣凝膠組成物中去除表面氣凝膠層來形成。
在一些實施例中,其中至少一部分增強材料不包含氣凝膠的增強氣凝膠組成物可使用具有貫穿增強層厚度的混合特性的增強材料形成。例如,增強層可包括複數層,每個層具有不同的特性,例如平均孔/單元尺寸(average pore/cell size)、材料組成物、閉合單元(closed cells)、開放單元(open cells)、表面處理或其組合的差異。複數層可例如使用黏合劑,通過火焰黏合或通過諸如本案討論的那些的其它合適的方法或機制彼此黏合。增強材料的不同特性可提供通過層的不同分佈的氣凝膠。例如,增強材料的開孔部分可包括氣凝膠框架,而閉孔部分基本上保持不含氣凝膠。類似地,增強材料或該層的其它材料特性可確定氣凝膠在增強層內的分佈,從而確定在增強氣凝膠組成物中的分佈。
在一些示例性實施例中,其中至少一部分增強材料不包含氣凝膠的增強氣凝膠組成物可使用本文所揭露的方法形成,其中增強材料或層或增強材料的性質控制或影響填充該材料或層的前驅物溶液的量,例如,在澆鑄過程中,以便為增強材料提供前驅物溶液的部分填充。例如,增強層的一層可具有開放單元,而增強層的另一層可具有閉合單元。當前驅物溶液與這種增強層結合時,凝膠前驅物溶液可滲入該層的開放單元,而基本上不滲入另一層的閉合單元。當這種組成物乾燥時,所得增強氣凝膠組成物可包括不包含氣凝膠的部分,例如閉合單元層,而另一部分,例如開孔層,含有氣凝膠。
在一些實施例中,本文所揭露揭露的添加劑(例如,吸熱添加劑,遮光添加劑,防火級添加劑或其它添加劑)可不均勻地分散在增強氣凝膠組成物中。例如,添加劑材料可隨著氣凝膠組成物的厚度或沿長度及/或寬度變化。例如,添加劑可積聚在氣凝膠組成物的一側。在一些實施例中,添加劑材料可集中在氣凝膠複合材料的一層中或作為單獨的層提供,該單獨的層基本上由與複合材料相鄰或附著的添加劑組成。例如,熱控制構件可包括基本上由吸熱材料組成的層,例如石膏、碳酸氫鈉、氧化鎂基水泥。在進一步的示例性實施例中,氣凝膠組成物還可包括至少一附加材料,或者在組成物中或者作為飾面層。例如,該層可選自由聚合物片材、金屬片材、纖維片材、高度取向的石墨材料例如熱解石墨片材和織物片材所組成群組的層。在一些實施例中,飾面層可藉由選自由氣溶膠黏合劑、聚氨酯基黏合劑、丙烯酸酯黏合劑、熱熔黏合劑、環氧樹脂、橡膠樹脂黏合劑、聚氨酯複合黏合劑及其組合所組成群組之黏合劑機制附接至組成物。在一些實施例中,飾面層可藉由非黏合機制附接至組成物,例如,藉由選自由火焰黏合、針刺、縫合、密封袋、鉚釘、鈕扣、夾子、包裹物、支架及其組合所組成群組之機制。在一些實施例中,任何上述黏合劑和非黏合劑機制的組合可用於將飾面層附接至組成物。
粉狀氣凝膠組成物
如本文所討論,氣凝膠組成物或複合材料可包括將氣凝膠微粒(particulates)、粒子(particles)、顆粒(granules)、珠子或粉末結合到固體或半固體材料中的材料,例如與黏合劑如黏合劑、樹脂、水泥、泡沫、聚合物或類似的固體或固化材料一起使用。例如,氣凝膠組成物可包括增強
材料、氣凝膠顆粒和任選的黏合劑。在示例性實施例中,可提供包含氣凝膠顆粒和至少一種類型的潤濕劑的漿液。例如,可用至少一種潤濕劑,例如表面活性劑或分散劑來塗覆或潤濕氣凝膠顆粒。氣凝膠顆粒可被完全潤濕、部分潤濕(例如表面潤濕)或存在於漿液中。較佳的潤濕劑能夠揮發以允許適當地恢復疏水氣凝膠顆粒的疏水性。如果潤濕劑保留在氣凝膠顆粒的表面上,則剩餘的潤濕劑會有助於複合材料的整體熱傳導性。因此,較佳的潤濕劑是一種可去除的潤濕劑,例如通過揮發、有或沒有分解或其它方式。通常,可使用與氣凝膠相容的任何潤濕劑。
潤濕劑
塗有潤濕劑的漿料或氣凝膠可用作將疏水性氣凝膠輕鬆引入各種材料的方法,例如其它含水流體、漿料、黏合劑、黏合劑材料、這些材料可任選地硬化以形成固體材料、纖維、金屬化纖維、離散纖維、織造材料、非織造材料、針刺非織造布、棉絮、纖網、墊子、氈及其組合。用至少一種潤濕劑潤濕的氣凝膠或含有用至少一種潤濕劑的氣凝膠的漿液允許疏水性氣凝膠的容易引入和均勻分佈。濕法成網步驟,例如在美國專利案第9,399,864號;第8,021,583號;第7,635,411號;和第5,399,422號(每一案係以其全文藉由參考併入本案文),使用水性漿料來分散氣凝膠顆粒,纖維和其它添加劑。然後可將漿料脫水以形成氣凝膠顆粒、纖維和添加劑層、其可被乾燥並任選地壓延以產生氣凝膠複合材料。
氣凝膠顆粒和添加劑
在其它實施例中,氣凝膠組成物可包含氣凝膠顆粒、至少一種無機基質材料和任選的纖維、輔助材料、添加劑和其它無機黏合劑。在
一些實施例中,無機基質材料可包括頁矽酸鹽,例如天然存在的頁矽酸鹽、例如高嶺土、黏土或膨潤土、合成的頁矽酸鹽,例如天然矽酸鈉或斜水矽鈉石或其混合物。可燒製或不燒製頁矽酸鹽,例如,以乾燥材料並驅除結晶水。在一些實施例中,無機基質材料還可包括無機黏合劑,例如水泥、石灰、石膏或其合適的混合物,與頁矽酸鹽組合。在一些實施例中,無機基質材料還可包括本案揭露的其它無機添加劑,例如防火級添加劑,遮光劑或其組合。包括無機基質材料的示例性方法和氣凝膠組成物揭露於美國專利案第6,143,400號;第6,083,619號(通過引用將其各自整體併入本案)。在一些實施例中,氣凝膠組成物可包括塗敷或吸附在織造材料、非織造材料、針刺非織造材料、棉絮、網、墊、氈及其組合之氣凝膠顆粒。黏合劑可包含在組成物中。還可包括如本案所揭露的添加劑,例如防火級添加劑,遮光劑或其組合。在美國專利案第2019/0264381A1號揭露示例性的方法和在織物上塗覆或吸收到織物中的氣凝膠組成物(藉由參考整體併入本案)。
如本案文所討論,氣凝膠複合材料可與其它材料層壓或貼面,例如飾面材料的增強層。在一個實施例中,本案提供了一種多層層壓材料,其包括至少一包含增強氣凝膠組成物的基底層和至少一飾面層。在一個實施例中,飾面層包括增強材料。在一個實施例中,增強氣凝膠組成物用纖維增強層或開孔泡沫增強層增強。在一個實施例中,本案提供了一種多層層壓材料,其包括包含增強氣凝膠組成物的基底層和至少兩個包含增強材料的飾面層,其中,兩個飾面層位於基底層的相對表面上。例如,可根據
美國專利申請案第2007/0173157號描述的方法和材料來生產多層氣凝膠層壓複合材料。
飾面層可包含有助於為最終複合結構提供特定特性的材料,例如提高柔韌性或減少粉塵。飾面材料可為剛性的或柔性的。飾面材料可包括導電層或反射箔。例如,飾面材料可包括金屬或金屬化材料。飾面材料可包括不織布材料。飾面層可設置在複合結構或形成複合結構的增強氣凝膠複合材料(例如熱控制構件)的表面上。飾面層可在複合結構或形成複合結構的增強氣凝膠複合材料(例如熱控制構件)周圍形成連續塗層或袋。在一些實施例中,一個或多飾面層可封裝複合結構或形成複合結構的增強氣凝膠複合材料。
在一個實施例中,飾面層包括圍繞複合結構的聚合物片材;更具體地,包括聚酯、聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚醯胺、芳族聚醯胺的聚合物材料;更具體地說,聚合物包括聚對苯二甲酸乙二醇酯、低密度聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚(4-甲基-戊烷)、聚四氟乙烯、聚(1-丁烯)、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氟乙烯、聚乙烯丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚苯碸、三乙酸纖維素、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚己內醯胺、聚己二醯己二胺、聚十一烷醯胺、聚醯亞胺或其組合。在一個實施例中,聚合物片材包括膨脹聚合物材料或基本上由膨脹聚合物材料組成;更具體地,膨脹聚合物材料包括聚四氟乙烯(ePTFE)、膨脹聚丙烯(ePP)、膨脹聚乙烯(ePE)、膨脹聚苯乙烯(ePS)或其組合。在一個較佳實施例中,飾面材料基本上由膨脹聚合物材料組成。在一個實施例中,聚合物片材包含或基本上由微孔聚合物材料組成,其中
孔徑範圍為0.1μm至210μm、0.1μm至115μm、0.1μm至15μm或0.1μm至0.6μm。
在一個實施例中,飾面層材料包括或基本上由氟系聚合物材料組成。在本案的上下文中,術語「氟系聚合物(fluoropolymeric)」或「氟系聚合物材料(fluoropolymer material)」係指主要由聚合碳氟化合物組成的材料。合適的氟系聚合物飾面層材料包括但不限於:聚四氟乙烯(PTFE),包括美國專利案第5,814,405中描述的微孔PTFE,以及膨脹PTFE(ePTFE),例如Gore-Tex®(可從W.L.Gore獲得);聚氟乙烯(PVF);聚偏二氟乙烯(PVDF);全氟烷氧基(PFA);氟化乙烯丙烯(FEP);聚三氟氯乙烯(PCTFE);乙烯四氟乙烯(ETFE);聚偏二氟乙烯(PVDF);乙烯三氟氯乙烯(ECTFE);及其組合。在一個較佳實施例中,飾面材料基本上由氟系聚合物材料組成。在一個較佳實施例中,飾面材料基本上由膨脹PTFE(ePTFE)材料組成。
在一個實施例中,飾面層材料包括或基本上由非氟系聚合物材料組成。在本案的上下文中,術語「非氟系聚合物(non-fluoropolymeric)」或「非氟系聚合物材料(non-fluoropolymer material)」係指不包氟系聚合物材料的材料。合適的非氟系聚合物飾面層材料包括但不限於:鍍鋁聚酯薄膜;低密度聚乙烯,例如Tyvek®(可從DuPont獲得);橡膠或橡膠複合材料;不織布(non-woven)材料,彈性纖維,如氨綸、尼龍、萊卡或彈性纖維;及其組合。在一個實施例中,飾面材料是柔性飾面材料。
在一些實施例中,飾面層材料可包括汽車樹脂和聚合物,例如最高使用溫度高達約100℃、高達約120℃或高達約150℃。例如,飾面
層材料可包括丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)聚碳酸酯ABS、聚丙烯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚醯亞胺、聚醯胺、PVC或其組合。例如,根據本案揭露的實施例的氣凝膠複合材料和熱控制構件可包括汽車樹脂或汽車聚合物層、金屬或金屬化層和氣凝膠層。
飾面層可通過使用適合於將無機或有機飾面材料固定到基底層的增強材料上的黏合劑附接至基底層。可用於本案的黏合劑的實例包括但不限於:水泥基黏合劑、矽酸鈉、膠乳、壓敏黏合劑、矽樹脂、聚苯乙烯、氣溶膠黏合劑、聚氨酯、丙烯酸酯黏合劑、熱熔黏合系統、可從3M採購的黏合系統、環氧樹脂、橡膠樹脂黏合劑、聚氨酯黏合劑混合物,例如美國專利案第4,532,316號中所描述者。
飾面層也可通過使用非黏性材料或適用於將無機或有機飾面層材料固定到基底層的增強材料上的技術附接至基底層。可用於本案之非黏性材料或技術性示例包括但不限於:熱封、超聲波縫合、RF密封、縫合或穿線、針刺、密封袋、鉚釘或鈕扣、夾子、包裹物或其它非黏性層壓材料。
在氣凝膠複合材料生產的任何階段,飾面層可附接至基底層。在一個實施例中,在將溶膠凝膠溶液注入基礎增強材料中之後但在凝膠化之前,將飾面層附接至基底層。在另一個實施例中,在將溶膠凝膠溶液注入到基礎增強材料中之後和隨後的凝膠化之後,但在老化或乾燥凝膠材料之前,將飾面層附接至基底層。在又一個實施例中,飾面層在凝膠材料老化和乾燥後附著到基底層上。在一個較佳實施例中,在將溶膠凝膠溶液注入基礎增強材料之前,將飾面層附接至基底層的增強材料。飾面層可為固
體和流體不可滲透的。飾面層可為多孔的和流體可滲透的。在一個較佳實施例中,飾面層是多孔的和流體可滲透的,並且包含直徑足夠大以允許流體通過飾面材料擴散的孔洞或縫隙。在另一個較佳實施例中,在將溶膠凝膠溶液注入基礎增強材料中之前,將飾面層附接至基底層的增強材料,其中,飾面層是多孔的且流體可滲透的,並且包含直徑較大的孔洞或縫隙足以讓流體擴散通過飾面材料。在又一較佳實施例中,在將溶膠凝膠溶液注入泡沫增強材料之前,將飾面層附接至開孔泡沫增強材料,其中,飾面層是多孔的且流體可滲透的,並且包含具有直徑的孔洞或縫隙大到足以讓流體擴散通過飾面材料。
遮光劑
氣凝膠組成物可包含遮光劑以減少熱傳遞的輻射成分。在凝膠形成之前的任何時間,遮光化合物或其前驅物可分散到包含凝膠前驅物的混合物中。遮光化合物的實例包括但不限於碳化硼(B4C)、矽藻土、錳鐵氧體、MnO、NiO、SnO、Ag2O、Bi2O3、炭黑、石墨、氧化鈦、氧化鐵鈦、氧化鋁、矽酸鋯、氧化鋯、氧化鐵(II)、氧化鐵(III)、二氧化錳、氧化鈦鐵(鈦鐵礦)、氧化鉻、碳化物(如SiC、TiC或WC)或其混合物。遮光化合物前驅物的實例包括但不限於TiOSO4或TiOCl2。在一些實施例中,用作添加劑的不透明化合物可不包括碳化矽的晶鬚或纖維。當氣凝膠組成物意欲用於電子裝置中時,例如在電池中作為阻隔層或其它相關應用,包含遮光劑的組成物可理想地具有高介電強度和高體積電阻率和表面電阻率。在這樣的實施例中,用作遮光劑的碳添加劑可為不導電的或被改性以降低導電性。例如,遮光劑可被表面氧化以降低導電性。在一些實施例中,具有固
有導電性的碳質添加劑可用作意欲用於電子裝置的氣凝膠組成物中的遮光劑。在這樣的實施例中,導電碳質添加劑可以低於滲透閾值的濃度使用,從而提供具有合適介電強度的組成物以用於電子裝置中。
防火級添加劑
氣凝膠組成物可包含一種或多種防火級添加劑。在本案的上下文中,術語「防火級添加劑(fire-class additive)」係指在對火反應的背景下具有吸熱效力且可摻入氣凝膠組成物中的材料。此外,在某些實施例中,防火級添加劑的吸熱分解起始時間(ED)比存在防火級添加劑的氣凝膠組成物的熱分解起始時間(Td)高不超過100℃並且在某些實施例中,還有比其中存在防火級添加劑的氣凝膠組成物的Td低不超過50℃的ED。也就是說,防火類添加劑的ED範圍為(Td-50℃)至(Td+100℃):
在與溶膠(例如,以現有技術中理解的各種方式由矽酸烷基酯或水玻璃製備的矽溶膠)摻入或混合之前,同時或甚至之後,防火類添加劑可與其混合否則分散到包括乙醇和任選高達10% vol.的水的介質中。可根據需要混合及/或攪拌混合物以實現添加劑在介質中的基本均勻分散。不受理論的束縛,使用上述黏土和其它防火類添加劑的水合形式提供了額外的吸熱效果。例如,埃洛石黏土(可從Applied Minerals,Inc.以商品名DRAGONITE採購,或從Imerys取得如埃洛石黏土),高嶺石黏土是水合形式的矽酸鋁黏土,通過在升高的溫度下釋放水合水(氣體稀釋)。作為另一個例子,水合形式的碳酸鹽可在加熱或升高的溫度下釋放二氧化碳。
在本案的上下文中,術語「脫水熱」係指當不暴露於高溫時從處於水合形式的材料中蒸發水(和二羥基化,如果適用的話)所需的熱。脫水熱通常以單位重量表示。
在某些實施例中,本案的防火級添加劑具有約100℃或更高、約130℃或更高、約200℃或更高、約230℃或更高、約240℃或更高、約330℃或更高、350℃或更高、約400℃或更高、約415℃或更高、約425℃或更高、約450℃或更高、約500℃或更高、約550℃或更高、約600℃或更高、約650℃或更高、約700℃或更高、約750℃或更高、約800℃或更高、或介於這些值之任兩者間的範圍內的熱分解始點(onset)。在某些實施例中,本案的防火級添加劑具有約440℃或570℃的熱分解起始溫度。在某些實施例中,本案的防火級添加劑具有的熱分解起始溫度比加入防火級添加劑的氣凝膠組成物(沒有防火級添加劑)的Td高或低不超過50℃或更低。摻入添加劑具有不超過40℃或更低、不超過30℃或更低、不超過20℃或更低、不超過10℃或更低、不超過5℃或更低、或介於這些值之任兩者間的範圍內的熱分解始點。
本案的防火類添加劑包括黏土材料,例如但不限於頁矽酸鹽黏土(如伊利石)、高嶺土或高嶺石(矽酸鋁;Al2Si2O5(OH)4)、偏高嶺土、埃洛石(矽酸鋁;Al2Si2O5(OH)4)、安得爾石(矽酸鋁;Al2Si2O5(OH)4)、雲母(二氧化矽礦物)、水鋁石(氫氧化鋁;α-AlO(OH))、三水鋁石(氫氧化鋁)、勃姆石(氧化鋁氫氧化物;γ-AlO(OH))、蒙脫石(montmorillonite)、貝得石(beidellite)、葉蠟石(pyrophyllite,矽酸鋁;Al2Si4O10(OH)2)、綠脫石(nontronite)、來水化雲母(bravaisite)、綠土(smectite)、晶蛭石
(leverrierite)、累托石(rectorite)、綠鱗石(celadonite)、鎂鋁海泡石(attapulgite)、綠蛋白石(chloropal)、鉻膨潤石(volkonskoite)、水鋁英石(allophane)、消旋石、氯黃晶(dillnite)、禾樂石(severite)、藍高嶺石(miloschite)、微光高嶺土(collyrite)、水磨土(cimolite)及直高嶺石(newtonite)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、氫氧化鎂(或二氫氧化鎂,「MDH」)、三水合氧化鋁(「ATH」)、石膏(二水合硫酸鈣;CaSO4.2H2O)、二水碳鎂石(barringtonite,MgCO3.2H2O)、三水碳鎂石(nesquehonite,MgCO3.3H2O)、五水碳鎂石(lansfordite,MgCO3.5H2O)、水菱鎂礦(hydromagnesite(hydrated magnesium carbonate),水合碳酸鎂;Mg5(CO3)4(OH)2.4H2O)、其它碳酸鹽例如但不限於白雲石(dolomite)和碳酸鋰。在黏土材料中,本案的某些實施例使用具有至少部分層狀結構的黏土材料。在本案的某些實施例中,作為氣凝膠組成物中耐火級添加劑的黏土材料具有至少一些水,例如水合形式的水。添加劑可為水合結晶形式或可在本案的組成物的製造/加工中變成水合的。在某些實施例中,防火級添加劑復包括吸收熱而不改變化學成分的低熔點添加劑。此類的一個例子是低熔點玻璃,例如惰性玻璃珠。可用於本案的組成物的其它添加劑包括但不限於矽灰石(矽酸鈣)和二氧化鈦(TiO2)。在某些實施例中,其它添加劑可包括紅外遮光劑,例如但不限於二氧化鈦或碳化矽,陶瓷化劑例如但不限於低熔點玻璃料、矽酸鈣或成炭劑例如但不限於,磷酸鹽和硫酸鹽。在某些實施例中,添加劑可能需要特殊的加工考慮,例如確保添加劑均勻分佈並且不會嚴重附聚以導致產品特性變化的技術。加工技術可能涉及額外的靜態和動態混合器、穩定劑、步驟條件的調整和本領域已知的其它技術。
添加劑的量
本文所揭露之氣凝膠組成物中添加劑的量可取決於組成物的所需性質。在溶膠凝膠組成物的製備和加工期間使用的添加劑的量通常稱為相對於溶膠的二氧化矽含量的重量百分比。相對於二氧化矽含量,溶膠中添加劑的量按重量計可從約5wt%變化至約70wt%。在某些實施例中,溶膠中添加劑的量相對於二氧化矽含量係介於10wt%及60wt%之間,且在某些較佳實施例中,其相對於二氧化矽含量係介於20wt%及40wt%。在示例性實施例中,溶膠中添加劑的量相對於二氧化矽含量係在約5%至約20%、約10%至約20%、約10%至約30%、約10%至約20%、約30wt%至約50wt%、約35wt%至約45wt%或約35wt%至約40wt%的範圍內。在一些實施例中,溶膠中添加劑的量相對於二氧化矽含量為至少約10wt%或相對於二氧化矽含量為約10wt%。在一些實施例中,添加劑的量相對於二氧化矽含量約5wt%至約15wt%的範圍內。在某些實施例中,添加劑可為多於一種類型。一種或多種防火級添加劑也可存在於最終的氣凝膠組成物中。在包括矽酸鋁防火級添加劑的一些較佳實施例中,添加劑以相對於二氧化矽含量約60至70wt%存在於氣凝膠組成物中。例如,在包括矽酸鋁防火級添加劑例如高嶺土或矽酸鋁防火級添加劑例如高嶺土與三水合氧化鋁(「ATH」)的組合的一些較佳實施例中,存在於氣凝膠組成物中的添加劑的總量為相對於二氧化矽含量約30至40wt%。另例如,在添加劑包括碳化矽的一些較佳實施例中,存在於氣凝膠組成物中的添加劑的總量為約30至40wt%,例如35wt%,相對於二氧化矽含量。另例如,在添
加劑包括碳化矽的一些較佳實施例中,存在於氣凝膠組成物中的添加劑的總量約5至15wt%,例如10wt%,相對於二氧化矽含量。
當提及最終增強氣凝膠組成物(final reinforced aerogel composition)時,添加劑的量通常稱為最終增強氣凝膠組成物的重量百分比。最終增強氣凝膠組成物中的添加劑的量可變化於增強氣凝膠組成物重量的約1%至約50%、約1%至約25%、或約10%至約25%。在示例性實施例中,最終增強氣凝膠組成物中添加劑的量為增強氣凝膠組成物重量的約10%至約20%。在示例性實施例中,最終增強氣凝膠組成物中添加劑的量佔組成物的重量百分比為約1%、約2%、約3%、約4%、約5%、約6%、約7%、約8%、約9%、約10%、約11%、約12%、約13%、約14%、約15%、約16%、約17%、約18%、約19%、約20%或在任何上述百分比之間的範圍內。在某些實施例中,最終增強氣凝膠組成物中添加劑的量為增強氣凝膠組成物重量約15%。在某些實施例中,最終增強氣凝膠組成物中添加劑的量為增強氣凝膠組成物重量約13%。例如,在包括諸如碳化矽的添加劑的一些較佳實施例中,存在於氣凝膠組成物中的添加劑的總量為增強氣凝膠組成物重量約10%至20%,例如約15%。對於另一個例子,在添加劑包括碳化矽的一些較佳實施例中,存在於氣凝膠組成物中的添加劑的總量為增強氣凝膠組成物重量約3至5%,例如約4%。
防火級添加劑之熱分解起始時間
在某些實施例中,防火類添加劑可基於它們的熱分解起始溫度進行分類或分組。例如,防火級添加劑可分類或分組為具有低於約200℃,低於約400℃或高於約400℃的熱分解起始溫度。例如,熱分解起始溫
度低於約200℃的添加劑包括碳酸氫鈉(NaHCO3),三水菱鎂礦(MgCO3.3H2O)和石膏(二水合硫酸鈣;CaSO4.2H2O)。又例如,熱分解起始溫度低於約400℃的添加劑包括三水合氧化鋁(「ATH」),水菱鎂礦(水合碳酸鎂;Mg5(CO3)4(OH)2.4H2O)和氫氧化鎂(或氫氧化鎂,「MDH」)。又例如,熱分解起始溫度低於約400℃的添加劑包括埃洛石(矽酸鋁;Al2Si2O5(OH)4),高嶺土或高嶺石(矽酸鋁;Al2Si2O5(OH)4),勃姆石(氧化鋁氫氧化物;γ-AlO(OH))或高溫相變材料(PCM)。
在本案的某些實施例中,作為氣凝膠組成物中添加劑的黏土材料,例如鋁矽酸鹽黏土,例如埃洛石或高嶺石,是脫水形式,例如偏埃洛石或偏高嶺土。可用於本案的組成物的其它添加劑包括但不限於矽灰石(矽酸鈣)和二氧化鈦(TiO2)。在某些實施例中,其它添加劑可包括紅外遮光劑,例如但不限於二氧化鈦或碳化矽,陶瓷化劑例如但不限於低熔點玻璃料、矽酸鈣或成炭劑例如但不限於,磷酸鹽和硫酸鹽。在某些實施例中,添加劑可能需要特殊的加工考慮,例如確保添加劑均勻分佈並且不會嚴重附聚以導致產品特性變化的技術。加工技術可能涉及額外的靜態和動態混合器,穩定劑,步驟條件的調整和本領域已知的其它技術。一種或多種防火級添加劑也可存在於最終的氣凝膠組成物中。
在某些實施例中,在本案的氣凝膠材料和組成物中包含添加劑,例如鋁矽酸鹽黏土基材料,例如埃洛石或高嶺土,可提供改進的高溫收縮特性。高溫收縮的示例性測試方法是「經受均熱的預製高溫絕熱材料的線性收縮的標準測試方法」(ASTM C356,ASTM International,West Conshohocken,PA)。在這種稱為」熱浸泡」的測試中,材料暴露在高於
1000℃的溫度下長達60分鐘。在某些示例性實施例中,本案的氣凝膠材料或組成物可具有高溫收縮率,即線性收縮率、寬度收縮率、厚度收縮率或尺寸收縮率的任何組合,約20%或更小、約15%或更小、約10%或更小、約6%或更小、約5%或更小、4%或更小、3%或更小、2%或更小、1%或更小,或在這些值中任兩個值之間的範圍。
在一些示例性實施例中,用於催化前驅物反應的某些鹼性催化劑可導致氣凝膠組成物中的痕量水平的鹼金屬。氣凝膠材料中的痕量水平,例如100至500ppm的鹼,例如鈉或鉀,會對高溫收縮和熱耐久性產生有害影響。然而,不受任何特定機制或理論的束縛,鋁矽酸鹽黏土基材料(例如埃洛石或高嶺土)可隔離易揮發的鹼,例如鈉或鉀,從而減少或消除鹼對收縮和耐熱性的影響。在本案的某些實施例中,鋁矽酸鹽黏土材料為脫水形式,例如偏埃洛石或偏高嶺土。例如,包含相對於二氧化矽含量大於約0.5wt%的偏高嶺土或偏埃洛石的氣凝膠材料或組成物可顯著降低熱收縮率和熱耐久性。在示例性實施例中,氣凝膠材料或組成物可包括相對於二氧化矽含量在約0.5wt%至約3.0wt%範圍內的偏高嶺土或偏埃洛石。
封裝層或封裝材料層
在一些實施例中,本案之多層材料或多層材料的核心部分可由封裝層封裝。例如,封裝層可包括圍繞多層材料的一層或多層材料及/或圍繞多層材料及/或多層材料的核心部分的材料塗層。例如,封裝層可包括膜、層、封套或塗層。封裝構件可由適合包圍複合結構或形成複合結構的增強氣凝膠複合材料的任何材料製成。例如,封裝構件可減少或消除從複合結構脫落的灰塵或顆粒材料的產生。封裝材料層可選自聚合物、彈性體
或其組合。合適的聚合物的例子,例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚醯亞胺(PI)和尼龍,具有非常低的熱導率(小於1W/m),這會降低整個系統的平面熱電導率。在一個實施例中,封裝層包括聚對苯二甲酸乙二醇酯層。在另一個實施例中,封裝層包括橡膠。
封裝層可包括至少一允許空氣流入和流出面板的排放孔(vent)。封裝構件可包括至少一過濾顆粒物質的過濾器。在示例性實施例中,封裝層包括允許空氣流入和流出面板的排放孔、及將顆粒物質保持在封裝構件內的排放孔上方之微粒過濾器。在另一個實施例中,封裝層包括邊緣密封件,該邊緣密封件包括至少一排放孔和至少一微粒過濾器。在另一個實施例中,封裝層包括邊緣密封件,該邊緣密封件包括至少一排放孔和至少一微粒過濾器,其中,邊緣密封件中的排放孔允許空氣流入和流出封裝構件邊緣,且其中,過濾器捕獲及保留流動空氣中的顆粒物以防止據有顆粒物之封裝層外部空氣的污染。
熱容層
在示例性實施例中,多層材料可包括提供熱容的材料或材料層(即,熱容材料),例如,具有至少約0.2J/(g-C)的比熱容的材料。在一些實施例中,提供熱容的材料具有至少約0.5J/(g-C)的比熱容。例如,提供熱容量的材料可包括金屬,例如鋁、鈦、鎳、鋼、不銹鋼、鐵或其組合。在一些實施例中,多層材料可包括提供熱容的材料層或塗層。在一些實施例中,多層材料可包括設置在多層材料層內,例如在氣凝膠組成物層內的提供熱容的材料顆粒。在某些實施例中,多層材料可包括與氣凝膠組成物相鄰設置的至少一提供熱容的材料。在某些實施例中,多層材料可包括至少
一提供熱容的材料,其設置在氣凝膠組成物的多個層中的至少兩個層之間。在示例性實施例中,多層材料可包括熱傳導材料和熱容材料。
例如,多層材料可包括既提供熱容又提供熱導率的材料,例如金屬,例如鋁、鈦、鎳、鋼、鐵或其組合。對於另一個例子,多層材料可包括一種或多種不同的材料或材料層,它們各自提供熱容、熱導率或其組合,例如,包括金屬的層和包括熱傳導聚合物的層。較佳地,熱傳導層具有至少300℃、更佳至少600℃、更佳至少1000℃、更佳至少1500℃的熔化溫度。
在一些實施例中,熱容材料可選自相變材料。可理解的是,相變材料要適用於儲能系統中的廣泛應用,不僅需要在相變過程中具有較高的熱容量,而且還應具有相對較低的成本和自含性。在裝置的工作溫度範圍內不需要任何密封或特殊容器,例如正在封裝的電池模組。儲能應用的其它理想特性包括高熱傳導性,可將熱從發熱組件中快速傳輸出去,以及定制發生相變的溫度的能力。
在一些實施例中,熱容材料沿平面維度寸具有至少約200mW/m-K的熱導率。
熱傳導層
已發現本案之熱傳導層表現出顯著增強的在多層材料的整個x-y平面上快速散熱的能力,進一步提高了在高熱負荷下的耐久性。高熱導率材料的示例包括碳纖維,石墨、碳化矽、金屬,包括但不限於銅、鋼、不銹鋼、鋁等及其組合。
在示例性實施例中,多層材料可包括熱傳導材料或提供熱傳導性的材料層。本案的熱傳導層有助於將熱從電池模組或電池組內的局部熱負載消散。例如,熱傳導層可具有沿至少約200mW/m-K的平面維度寸的熱導率。熱傳導材料可包括至少一包含金屬、碳、導電聚合物或其組合的層。
在上述的一些實施例中,多層材料可包括一個或多個熱傳導層,即具有大於50W/mK,更佳大於100W/mK的熱導率,並且仍然更佳大於200W/mK(均在25℃下測量)。例如,多層材料可包括至少一或包括熱傳導材料,例如包括金屬、碳、熱傳導聚合物或其組合的層。如在這些實施例的上下文中使用的,熱傳導材料係指具有大於絕緣材料的熱導率的材料,例如氣凝膠組成物。在某些實施例中,熱傳導材料的熱導率比氣凝膠組成物的熱導率大至少約一個數量級。在一些實施例中,多層材料可包括多個氣凝膠組成物層。在某些實施例中,多層材料可包括至少一與氣凝膠組成物相鄰設置的導電材料。在某些實施例中,多層材料可包括至少一導電材料,該導電材料設置在氣凝膠組成物的多個層中的至少兩個層之間。在一些實施例中,多層材料可包括佈置在多層材料層內,例如在氣凝膠組成物層內的導電材料顆粒。
為了幫助熱的分佈和去除,在至少一實施例中,熱傳導層被耦合到散熱器。應當理解,存在多種散熱器類型和配置,以及用於將散熱器耦合到熱傳導層的不同技術,並且本案不限於使用任何一種類型的散熱器/耦合技術。例如,本案之多層材料的至少一熱傳導層可與電池模組或電池組的冷卻系統的單元(例如冷卻系統的冷卻板或冷卻通道)熱連通。對於
另一個示例,本案之多層材料的至少一熱傳導層可與電池組,電池模組或電池系統的可用作散熱器的其它單元熱連通,例如電池組的壁,模組或系統,或與設置在電池單元之間的其它多層材料。多層材料的熱傳導層和電池系統內的散熱器單元之間的熱連通可允許將多餘的熱從與多層材料相鄰的一個或多個電池單元中移除到散熱器,從而降低影響、嚴重性或傳播可能產生過多熱的熱事件的描述,例如,如本案更詳細描述者。
較佳熱傳導層具有至少300℃,更佳至少600℃,更佳至少1000℃,更佳至少1500℃的熔化溫度。
熱傳導層的厚度可能取決於組成,多層的其它單元的性質,例如壓縮墊,多層材料中包含的熱傳導的數量以及組成的各種因素。從功能上講,熱傳導層應該足夠厚以提供所需的面內熱傳導性。
在一些實施例中,熱傳導材料,例如熱解石墨片(PGS),可具有約0.010mm、0.025mm、0.05mm、0.07mm、0.10mm的厚度,或在任何兩者之間的範圍內這些值和在約600至約1950W/mK範圍內的面內熱導率。在一些實施例中,熱傳導材料,例如金屬片,可具有約0.05mm、約0.07mm、約0.10mm、約0.20mm、約0.25mm、約0.30mm、約0.5mm、約0.75mm、約1mm、約1.5mm、約2mm、約3mm、約4mm、約5mm的厚度、或在這些值中任兩個值之間的範圍。
在一些實施例中,熱傳導材料可選自相變材料。
在一些實施例中,可在多層材料的層之間使用熱傳導膏以確保這些層之間的均勻和一致的熱傳導。如本案所述,熱傳導膏係指各種材料,也稱為熱傳導化合物、熱傳導膏(grease)、熱界面材料(TIM)、熱傳導
凝膠、散熱膏(heat paste)、散熱複合物(heat sink compond)和散熱膏(heat sink paste)。例如,熱傳導膏層可設置在氣凝膠組成物和任何其它層之間,例如包括熱傳導或熱容材料的一個或多個層,一個或多個飾面層或封裝層。
犧牲材料層
在示例性實施例中,多層材料可包括犧牲材料或多層犧牲材料。在本案的上下文中,術語「犧牲材料」或「犧牲層」係指在回應該層所經歷之機械、熱、化學及/或電磁條件而被犧牲或至少部分去除的材料或層。例如,犧牲材料或犧牲層在暴露於高溫時會分解,例如在電池熱失控事件之前或期間發生的高溫。在一些實施例中,犧牲材料層可設置在外表面上,例如多層材料的核心部分的外表面上或外表面上,例如多層材料的外表面上。
在示例性實施例中,本案的犧牲材料或層可包括該可壓縮墊之壓縮模量約1MPa、約2MPa、約3MPa、約4MPa、約5MPa、約6MPa、約7MPa、約8MPa、約9MPa、約10MPa、約11MPa、約12MPa或在這些值中任兩個值之間的範圍。犧牲材料層可選自由矽氧烷、聚烯烴、聚氨酯、酚醛樹脂、三聚氰胺、醋酸纖維素和聚苯乙烯組成的組。在某些情況下,材料層是泡沫的形式。在一些實施例中,可壓縮墊或泡沫可由於暴露於機械(例如循環)負載而磨損。在一些實施例中,可壓縮墊或泡沫在暴露於單一的機械、化學及/或熱事件之後分解。
在一些實施例中,犧牲材料層的化學分解起始溫度在約200℃至約400℃的範圍內。
本案之實施例中用作可壓縮墊的合適泡沫的密度低於約1.0g/cc或更小、約0.90g/cc或更小、約0.80g/cc或更小、約0.70g/cc或更小、約0.60g/cc或更小、約0.50g/cc或更小、約0.40g/cc或更小、約0.30g/cc或更小、約0.20g/cc或更小、約0.16g/cc或更小、約0.10g/cc或更小、約0.08g/cc或更小,或在這些值中任兩個值之間的範圍,及/或至少約20至約99%,特別是大於或等於約30%的空隙體積含量%,基於泡沫的總體積。在示例性實施例中,泡沫具有約0.08g/cc至約0.50g/cc的密度,約27kPa至約55kPa的25%壓縮力撓度(compression force deflection;CFD)和約70℃的壓縮變形小於約10%,特別是小於5%。根據ASTM D1056,通過計算將樣品壓縮到原始厚度的25%所需的力(以kPa為單位)來測量CFD。
用於泡沫的聚合物可選自多種熱塑性樹脂、熱塑性樹脂的共混物或熱固性樹脂。可使用的熱塑性樹脂的例子包括聚縮醛、聚丙烯酸、苯乙烯丙烯腈、聚烯烴、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚醯胺、例如但不限於尼龍6、尼龍6,6、尼龍6,10、尼龍6,12、尼龍11或尼龍12、聚醯胺醯亞胺、聚芳酯、聚氨酯、乙丙橡膠(EPR)、聚芳碸、聚醚碸、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚碸、聚醚醯亞胺、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚氯三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮等、或包含至少一種前述熱塑性樹脂的組合。
可用於聚合物泡沫的熱塑性樹脂共混物的例子包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/尼龍、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯
乙烯/聚氯乙烯、聚苯醚/聚苯乙烯、聚苯醚/尼龍、聚碸/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯/熱塑性聚氨酯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯、熱塑性彈性體合金、聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯、苯乙烯-馬來酸酐/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚醚醚酮/聚醚碸、丁苯橡膠、聚乙烯/尼龍、聚乙烯/聚縮醛、乙丙橡膠(EPR)等、或包含至少一種前述共混物的組合。
可用於聚合物泡沫的聚合物熱固性樹脂的實例包括聚氨酯、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯、聚醯胺、矽酮等、或包含至少一種前述熱固性樹脂的組合。可使用熱固性樹脂的混合物以及熱塑性樹脂與熱固性樹脂的混合物。
多層材料
如上所述,本案根據本文所揭露的實施例的多層材料提供有利的可壓縮性、壓縮回彈性和柔順性。當用作電池模組內的電池之間的熱絕緣體時,使用氣凝膠組成物形成的熱絕緣片可提供抗壓縮變形以適應電池在電池充電/放電循環期間由於活性材料的降解和膨脹而引起的膨脹。在電池模組的初始組裝期間,1MPa或更低的相對低負載通常被施加到熱絕緣體,例如本案的多層材料。在使用中,例如,當電池模組內的電池在充電/放電循環期間擴張或膨脹時,可向本案的多層材料施加高達約5MPa的負載。
在一個示例性方面,本案提供了一種多層材料,其中該多層材料在約25kPa下表現出小於約25%的壓縮率。任選地,在釋放壓縮時,多層材料可具有足夠的彈性以恢復到其原始厚度至少約80%、75%、65%、
60%或50%。在一些實施例中,多層材料在約25kPa至約35kPa的範圍內表現出小於約25%的壓縮率,較佳在約50kPa下的壓縮率小於約50%。在一些實施例中,多層材料在約50kPa下表現出約25%至約50%範圍內的壓縮率。在示例性實施例中,多層材料在約245kPa下表現出小於約80%的壓縮率,例如在約235kPa下小於約70%。在示例性實施例中,多層材料在約345kPa下表現出小於約70%的壓縮率。當多層材料被壓縮時,包括增強氣凝膠組成物的多層材料的熱導率較佳保持在小於約25mW/m*K。
如本案所述之多層材料可包括多層材料,例如絕緣層、熱傳導層、熱容層、封裝材料層、耐磨層、防火/阻燃層、熱反射層、可壓縮層,例如可壓縮墊、犧牲層或其組合。可選擇多層材料中層的組合和構造以獲得所需的特性組合,例如可壓縮性、回彈性、熱特性、防火反應和其它特性。在一些實施例中,多層材料包括至少一設置在至少兩層增強氣凝膠組成物之間的可壓縮墊。例如,可壓縮墊可為泡沫或其它可壓縮材料,例如聚烯烴、聚氨酯、酚醛樹脂、三聚氰胺、醋酸纖維素或聚苯乙烯。在某些實施例中,多層材料還可包括至少一熱傳導層或熱容層和增強氣凝膠組成物的多個層中的至少一。熱傳導材料或熱容材料可在多層材料內吸收及/或分散熱。在一些實施例中,多層材料還可包括熱反射層。例如,熱反射層可包括金屬箔或金屬片。
在包括若干層的多層材料的實施例中,這些層可藉由,例如,選自下述所組成群組之黏合劑機制附接至其它層:氣溶膠黏合劑、聚氨酯基黏合劑、丙烯酸酯黏合劑、熱熔膠、環氧樹脂、橡膠樹脂膠、聚氨酯複合黏合劑及其組合。在一些實施例中,這些層可藉由下述所組成群組之非
黏合機制附接至其它層:火焰黏合、針刺、縫合、密封袋、鉚釘、鈕扣、夾子、包裹物、支架及其組合。在一些實施例中,任何前述黏合劑和非黏合劑機制的組合可用於將層附接在一起。
多層材料之最終產品
本案根據本文所揭露的實施例的多層材料可形成各種最終產品。在最簡單的配置中,多層材料可為片材的形式。片材可連續或半連續地形成,例如,作為軋製產品,或者可從更大的片材切割或以其它方式形成具有所需尺寸和形狀的片材。片材可用於在電池單元之間形成熱障。在其它構型中,增強氣凝膠組成物可形成袋,例如以容納電池的袋電池,或形成圓柱體以容納圓柱形電池。
本案的多層材料可成型為一系列三維形式,包括鑲板、管預成型、半殼預成型、彎頭、接頭、袋子、圓柱體和絕緣應用中經常需要的其它形狀用於工業和商業應用的材料。
如在本說明書和所附申請專利範圍中使用的單數形式「一」,「一個」和「該」包括複數指示物,除非內容另有明確規定。如在本說明書和所附申請專利範圍中使用的,該術語「或」通常以其包括「及/或」的含義使用,除非上下文另有明確規定。
如本案所述「約」意指大約或接近,並且在所闡述的數值或範圍的上下文中意指數值的±5%。在一個實施例中,術語「約」可包括根據數值的有效數字的傳統四捨五入。此外,短語「約‘x’到‘y’」包括「約‘x’到約‘y’」。
如本案所述,術語「組成物(composition)」和「複合物(composite)」可互換使用。
如本案所述,術語「可壓縮墊(compressible pad)」和「可壓縮層(compressible layer)」可互換使用。
在本案的上下文中,術語「氣凝膠(aerogel)」、「氣凝膠材料(aerogel material)」或「氣凝膠基質(「aerogel matrix’)」係指包含互連結構的框架的凝膠,具有集成在框架內的相應的互連孔網絡,並且含有氣體如空氣作為分散的間隙介質;並且其中可歸因於氣凝膠的以下物理和結構特性(根據氮氣孔隙率測試):(a)平均孔徑為約2nm至約100nm,(b)至少80%的孔隙率或更多,和(c)約100m2/g或更多的表面積。
本案的氣凝膠材料因此包括任何氣凝膠或其它滿足前面段落中闡述的定義要素的開孔材料;包括可另外分類為乾凝膠、冷凍凝膠、雙凝膠、微孔材料等之材料。
氣凝膠材料還可通過額外的物理性質進一步表述,包括:(d)約2.0mL/g或更大,特別是約3.0mL/g或更大的孔體積;(e)約0.50g/cc或更小,特別是約0.3g/cc或更小,更特別是約0.25g/cc或更小的密度;(f)至少50%的總孔體積包含孔徑為2至50nm的孔(儘管本案的實施例包括氣凝膠框架和包括孔徑大於50nm的孔的組成物,如在下面有更多詳細訊息)。然而,將化合物表述為氣凝膠材料並不需要滿足這些附加特性。
在本案的上下文中,術語「氣凝膠組成物」係指包括氣凝膠材料作為複合材料的組分的任何複合材料。氣凝膠組成物的例子包括但不限於纖維增強氣凝膠複合材料;氣凝膠複合材料,包括添加要素,如遮光
劑;開孔巨孔框架增強的氣凝膠複合材料;氣凝膠-聚合物複合材料;以及將氣凝膠微粒、顆粒、粒子、珠子或粉末結合到固體或半固體材料中的複合材料,例如結合黏合劑、樹脂、水泥、泡沫、聚合物或類似的固體材料。氣凝膠組成物通常在從本案的各種凝膠材料中除去溶劑之後獲得。由此獲得的氣凝膠組成物可進一步進行額外的加工或處理。在進行溶劑去除(或液體萃取或乾燥)之前,各種凝膠材料還可進行本領域已知或有用的額外加工或處理。
本案的氣凝膠組成物可包含增強氣凝膠組成物。在本案的上下文中,術語「增強氣凝膠組成物」係指在氣凝膠材料內包含增強相的氣凝膠組成物,其中增強相不是氣凝膠框架本身的一部分。
在本案的上下文中,術語「纖維增強氣凝膠組成物」係指包含纖維增強材料作為增強相的增強氣凝膠組成物。纖維增強材料的實例包括但不限於離散纖維、織造材料、乾法非織造材料、濕法非織造材料、針刺非織造材料、棉絮、網、墊、氈及/或其組合。
纖維增強材料可選自有機聚合物基纖維,無機纖維,碳基纖維或其組合。纖維增強材料可包括一系列材料,包括但不限於:聚酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯(例如人造絲、尼龍)、棉(例如杜邦製造的萊卡)、碳(例如石墨)、聚丙烯腈(PAN)、氧化PAN、未碳化熱處理PAN(例如由SGL carbon製造者)、玻璃或玻璃纖維基材料(如S-玻璃、901玻璃、902玻璃、475玻璃、E-玻璃)、二氧化矽基石英纖維(例如Saint-Gobain製造的Quartzel)、Q-felt(Johns Manville製造)、Saffil(Saffil製造)、Durablanket(Unifrax製造)和其它二氧化矽纖維、Duraback
(Carborundum製造)、聚芳綸纖維如Kevlar,Nomex,Sontera(均由DuPont製造)、Conex(由Taijin製造)、聚烯烴如Tyvek(由DuPont製造)、Dyneema(由DSM製造)、Spectra(由Honeywell製造)、其它聚丙烯纖維如Typar、X avan(均由DuPont製造)、氟系聚合物如PTFE,商品名為Teflon(由DuPont製造)、Goretex(由W.L.製造,GORE)、Nicalon等碳化矽纖維(COI Ceramics製造)、Nextel等陶瓷纖維(3M製造)、丙烯酸聚合物、羊毛、絲、麻、皮革、麂皮纖維、PBO-Zylon纖維(Tyobo製造)、液晶材料,如Vectan(Hoechst製造)、Cambrelle纖維(杜邦製造)、聚氨酯、聚醯胺,木纖維、硼、鋁、鐵、不銹鋼纖維和其它熱塑性塑料,如PEEK、PES、PEI、PEK、PPS。玻璃或基於玻璃纖維的纖維增強材料可使用一種或多種技術製造。在某些實施例中,希望使用梳理和交叉舖網或氣流成網步驟來製造它們。在示例性實施例中,梳理和交叉舖網的玻璃或基於玻璃纖維的纖維增強材料提供了優於氣流成網材料的某些優點。例如,梳理和交叉鋪疊的玻璃或基於玻璃纖維的纖維增強材料可為給予定基重的增強材料提供一致的材料厚度。在某些其它實施例中,需要進一步針刺纖維增強材料,需要在z方向上交織纖維以增強最終氣凝膠組成物的機械和其它特性。
在本案的上下文中,對「熱失控」的提及通常係指由於各種操作因素導致的電池溫度和壓力的突然、快速增加,這又會導致過高溫度在整個相關模組中傳播。例如,此類系統中熱失控的潛在原因可能包括:電池缺陷及/或短路(內部和外部),過充電,電池刺穿或破裂(例如發生事故)以及過高的環境溫度(例如,溫度通常高於55℃)。在正常使用中,電池會因內部電阻而發熱。在正常功率/電流負載和環境工作條件下,大多數鋰離
子電池內的溫度可相對容易地控制在20℃至55℃的範圍內。然而,在高電池高功率消耗等壓力條件下/環境溫度以及單個電池中的缺陷可能會急劇增加局部發熱。特別是,在臨界溫度以上,電池內的放熱化學反應被啟動。此外,化學發熱通常隨溫度呈指數增長。結果,產生的熱遠大於可用的散熱。熱失控會導致電池排氣和內部溫度超過200℃。
在本案的上下文中,術語「泡沫」係指包含互連聚合物結構的框架的材料,該框架具有基本均勻的組成,具有集成在框架內的相應網絡或孔集合,並且其由以下方式形成將一定比例的氣體以氣泡的形式分散到液體或樹脂泡沫材料中,這樣當泡沫材料固化成固體結構時,氣泡作為孔隙被保留。通常,可使用多種方法製造泡沫--例如,參見美國專利案第6,147,134號;第5,889,071號;第6,187,831號和第5,229,429號。本案的泡沫材料因此包括滿足本段落中闡述的定義要素的任何材料,包括可另外歸類為OCMF材料,巨孔材料等的化合物。本案中定義的泡沫可為熱塑性塑料,彈性體和熱固性塑料(硬質體)的類型。
在本案的上下文中,術語「柔性」和「柔韌性」係指材料或組成物在沒有宏觀結構失效的情況下彎曲或有彈性的能力。本案的絕緣層能夠彎曲至少5°、至少25°、至少45°、至少65°或至少85°而沒有宏觀失效;及/或具有小於4英尺(feet)、小於2英尺、小於1英尺、小於6英寸(inches)、小於3英寸、小於2英寸、小於1英寸或小於U英寸的彎曲半徑,無宏觀失敗。同樣,術語「高柔性」或「高柔性」係指能夠彎曲到至少90°及/或具有小於U英寸的彎曲半徑而沒有宏觀失效的材料。此外,術語「分類為
柔性的」和「分類成為柔性的」係指可根據ASTM Cl 101(ASTM International,West Conshohocken,PA)分類為柔性的材料或組成物。
本案的絕緣層可為柔性的,高度柔性的及/或分類為柔性的。本案的氣凝膠組成物也可為可懸垂的。在本案的上下文中,術語「可懸垂」和「懸垂性」係指材料以約4英寸或更小的曲率半徑彎曲或彎曲至90°或更大而沒有宏觀失效的能力。根據本案的某些實施例的絕緣層是柔性的,使得該組成物是非剛性的並且可被施加並符合三維表面或物體,或者預成型為各種形狀和配置以簡化安裝或應用。
在本案的上下文中,術語「添加劑」或「添加要素」係指可在氣凝膠生產之前、期間或之後添加到氣凝膠組成物中的材料。可添加添加劑以改變或改進氣凝膠中的期望特性、或抵消氣凝膠中不期望的特性。添加劑通常在膠凝成前驅物液體之前,膠凝成過渡態材料期間或膠凝成固體或半固體材料之後添加到氣凝膠材料中。
添加劑的例子包括但不限於微纖維、填料、增強劑、穩定劑、增稠劑、彈性化合物、遮光劑,著色(coloring)或著色(pigmentation)化合物、輻射吸收化合物、輻射反射化合物、防火級添加劑、腐蝕抑製劑、熱傳導組分、提供熱容的組分、相變材料、pH調節劑、氧化還原調節劑、HCN緩和劑、廢氣(off-gas)緩和劑、電傳導化合物、電介電化合物、磁性化合物、雷達阻擋組件、硬化劑、抗收縮劑和本領域技術人員已知的其它氣凝膠添加劑。在一些實施例中,提供熱容量的部件可包括具有至少約0.3J/(g-C)的比熱容量的材料。在一些實施例中,提供熱容的材料具有至少約0.5J/(g-C)的比熱容。例如,提供熱容量的材料可包括諸如鋁、鈦、鎳、鋼、鐵或
其組合的金屬。在一些實施例中,多層材料可包括提供熱容的材料的一層或多層或塗層。在一些實施例中,多層材料可包括設置在一個或多個包含氣凝膠組成物的絕緣層內的提供熱容的材料顆粒。
在某些實施例中,本案的氣凝膠組成物,增強氣凝膠組成物和多層材料可在高溫事件期間發揮作用,例如,如本案在高溫事件期間提供熱保護。高溫事件的特徵在於至少約1平方公分(cm2)的面積上至少約25kW/m2、至少約30kW/m2、至少約35kW/m2或至少約40kW/m2的持續熱通量至少2秒。大約40kW/m2的熱通量與典型火焰產生的熱通量有關(火災級熱通量下的炭化固體行為;Milosavljevic,I.,Suuberg,E.M.;NISTIR 5499;1994年9月)。在特殊情況下,高溫事件是在至少約10平方公分(cm2)的面積上約40kW/m的熱通量持續至少1分鐘的持續時間。
在本案的上下文中,術語「熱導率」和「TC」係指測量材料或組成物在材料或組成物任一側的兩個表面之間傳遞熱的能力,具有兩個表面之間的溫差。熱導率具體測量為每單位時間和每單位表面積傳遞的熱能除以溫差。它通常以SI單位記錄為mW/m*K(毫瓦每米*絕對溫度)。材料的熱導率可通過本領域已知的測試方法確定,包括但不限於使用熱流計設備的穩態熱傳輸特性之測試方法(Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus)(ASTM C518,ASTM International,West Conshohocken,PA);使用防護熱板設備的穩態熱通量量測及熱傳輸特性之測試方法(Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus)(ASTM C177,
ASTM International,West Conshohocken,PA);管道絕緣的穩態熱送特性之測試方法(Test Method for Steady-State Heat Transfer Properties of Pipe Insulation)(ASTM C335,ASTM International,West Conshohocken,PA);薄加熱器熱導率測試(Thin Heater Thermal Conductivity Test)(ASTM C1114,ASTM,International,West Conshohocken,PA);熱傳導電性絕緣材料的熱傳輸特性之標準測試方法(Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials)(ASTM D5470,ASTM International,West Conshohocken,PA);使用防護熱板設備和熱流量計方法測定熱阻(Determination of thermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow meter methods)(EN 12667,British Standards Institution,United Kingdom);或穩態熱阻和相關特性的測定-防護熱板設備(Determination of steady-state thermal resistance and related properties-Guarded hot plate apparatus)(ISO 8203,International Organization for Standardization,Switzerland)。由於不同的方法可能導致不同的結果,應理解,在本案內容中,除非另有明確說明,否則是根據ASTM C518標準(使用熱流計設備的穩態熱傳輸特性之測試方法),在環境中大氣壓下溫度約為37.5℃下及在約2psi的壓縮負載下獲得熱導率測量值。根據ASTM C518報告的測量值通常與根據EN 12667進行的任何測量值以及對壓縮載荷的任何相關調整具有密切相關性。
熱導率測量值也可在約10℃的溫度和大氣壓下在壓縮下進行。10℃下的熱導率測量值通常比37.5℃下的相應熱導率測量值低0.5至0.7mW/mK。在某些實施例中,本案的絕緣層在10℃具有約40mW/mK或更小、約30mW/mK或更小、約25mW/mK或更小、約20mW/mK或
更小、約18mW/mK或更小、約16mW/mK或更小、約14mW/mK或更小、約12mW/mK或更小、約10mW/mK或更小、約5mW/mK或更小、或在這些值中任兩個值之間的範圍。
在本案的上下文中,術語「密度」係指材料或組成物的每單位體積的質量的測量值。術語「密度」通常係指材料的表觀密度以及組成物的體積密度。密度通常記錄為kg/m3或g/cc。材料或組成物的密度,例如氣凝膠可通過本領域已知的方法確定,包括但不限於預製塊和板型絕熱材料的尺寸和密度的標準測試方法(ASTM C303,ASTM International,West Conshohocken,PA);毯子或毛氈熱隔離材料的厚度和密度的標準測試方法(ASTM C167,ASTM International,West Conshohocken,PA);預製管道絕緣材料表觀密度的測定(EN 13470,英國標準協會,英國);或預成型管道絕緣的表觀密度測定(ISO 18098,標準化的國際組織,瑞士)。由於不同的方法可能導致不同的結果,應該理解,在本案的上下文中,密度測量是根據ASTM C167標準(毯子或毛氈熱隔離材料的厚度和密度的標準測試方法)在2磅每平方英寸(psi)下獲得的除非另有說明,否則用於厚度測量的壓縮。在某些實施例中,本案的氣凝膠材料或組成物具有約1.0g/cc或更少、約0.90g/cc或更少、約0.80g/cc或更少、約0.70g/cc或更少、約0.60g/cc或更少、約0.50g/cc或更少、約0.40g/cc或更少、約0.30g/cc或更少、約0.25g/cc或更少、約0.20g/cc或更少、約0.18g/cc或更少、約0.16g/cc或更少、約0.14g/cc或更少、約0.12g/cc或更少、約0.10g/cc或更少、約0.05g/cc或更少、約0.01g/cc或更少、或在這些值中任兩個值之間的範圍。
氣凝膠材料或組成物的疏水性可用水蒸氣吸收來表示。在本案的上下文中,術語「水蒸氣吸收」係指測量氣凝膠材料或組成物吸收水蒸氣的潛力。水蒸氣吸收可表示為當在某些測量條件下暴露於水蒸氣時被氣凝膠材料或組成物吸收或以其它方式保留的水的百分比(按重量計)。氣凝膠材料或組成物的水蒸氣吸收可通過本領域已知的方法來確定,包括但不限於用於測定未飾面礦物纖維絕緣材料的水蒸氣吸附的標準測試方法(ASTM C1104,ASTM International,West Conshohocken,PA);用於建築應用的絕熱產品:通過擴散測定長期吸水率(EN 12088,英國標準協會,英國)。由於不同的方法可能導致不同的結果,應當理解,在本案內容的範圍內,水蒸氣吸收的測量是根據ASTM C1104標準(測定未飾面礦物纖維絕緣材料的水蒸氣吸附性的標準試驗方法)在環境壓力下,在49℃和95%濕度下24小時(根據ASTM C1104標準從96小時修改),除非另有說明。在某些實施例中,本案的氣凝膠材料或組成物可具有約50wt%或更少、約40wt%或更少、約30wt%或更少、約20wt%或更少、約15wt%或更少、約10%或更少、約8%或更少、約3%或更少、約2%或更少、約1%或更少、約0.1%或更少、或在一個範圍內這些值的任意兩個之間的水蒸氣吸收。相對於另一種氣凝膠材料或組成物具有改進的水蒸氣吸收的氣凝膠材料或組成物將相對於參考氣凝膠材料或組成物具有較低百分比的水蒸氣吸收/保留。
氣凝膠材料或組成物的疏水性可通過測量水滴在與材料表面的界面處的平衡接觸角來表示。本案的氣凝膠材料或組成物可具有約90°或更大、約120°或更大、約130°或更大、約140°或更大、約150°或更大、
約160°或更大、約170°或更大、約175°或更大、或在這些值中任兩個值之間的範圍的水接觸角。
在本案的上下文中,術語「燃燒熱」、「HOC」和「ΔHC」係指測量在材料或組成物的燃燒或放熱熱分解中釋放的熱能的量。燃燒熱通常記錄為每克氣凝膠材料或組成物釋放的熱能卡路里(cal/g),或每千克材料或組成物釋放的熱能兆焦耳(MJ/kg)。材料或組成物的燃燒熱可通過本領域已知的方法確定,包括但不限於產品對燃燒的反應測試-總燃燒熱(熱值)的測定(EN ISO 1716,標準化的國際組織,瑞士;通過EN)。在本案的上下文中,除非另有說明,否則燃燒熱測量值是根據EN ISO 1716標準(產品的燃燒反應測試-總燃燒熱(熱值)的測定)獲得的。
在本案內容的上下文中,所有熱分析和相關定義均參考通過在環境壓力下在空氣中從25℃開始並以每分鐘20℃的速率上升到1000℃而進行的測量。因此,在測量和計算熱分解起始、放熱峰值溫度、吸熱峰值溫度等時,必須考慮(或在這些條件下重新執行)這些參數的任何變化。
在本案的上下文中,術語「熱分解起始」和「TD」係指對環境熱的最低溫度的測量,在該最低溫度下,來自有機材料的分解的快速放熱反應出現在材料或組成物。可使用熱重分析(TGA)測量材料或組成物中有機材料的熱分解起始。材料的TGA曲線描述了材料暴露於環境溫度升高時的重量損失(質量百分比%),從而表明熱分解。材料的熱分解起始可與TGA曲線的以下切線的交點相關:與TGA曲線的基線相切的線,以及在最大點處與TGA曲線相切的線在與有機材料分解相關的快速放熱分解事
件中的斜率。在本案的上下文中,除非另有說明,否則使用本段落落中提供的TGA分析獲得有機材料熱分解起始的測量值。
材料的熱分解起始也可使用差示量熱掃描法(DSC)分析來測量。材料的DSC曲線描述了材料在逐漸升高的環境溫度下釋放的熱能(mW/mg)。材料的熱分解溫度的開始可與DSC曲線中ΔmW/mg(熱能輸出的變化)最大增加的點相關聯,因此表明氣凝膠材料產生放熱。在本案的上下文中,除非另有明確說明,否則使用DSC、TGA或兩者的熱分解起始測量是使用如前一段中進一步定義的20℃/min的溫度斜坡速率獲得的。DSC和TGA各自為這種熱分解的起始提供了相似的值,而且很多時候,測試是同時進行的,因此可從兩者中獲得結果。
在本案的上下文中,術語「吸熱分解的起始」和「TED」係指在材料或組成物中出現來自分解或脫水的吸熱反應的環境熱的最低溫度的測量值。材料或組成物的吸熱分解的起始可使用熱重分析(TGA)來測量。材料的TGA曲線描述了材料暴露於環境溫度升高時的重量損失(%質量百分比)。材料的熱分解起始可能與TGA曲線的以下切線的交點相關:與TGA曲線的基線相切的線,以及在最大點處與TGA曲線相切的線材料快速吸熱分解或脫水過程中的斜率。在本案的上下文中,除非另有說明,否則使用本段落中提供的TGA分析獲得材料或組成物開始吸熱分解的測量值。
在本案的上下文中,術語「爐溫升」和「ΔTR」係指在熱分解條件下材料或組成物的最高溫度(TMAX)相對於基線溫度之間的差異的測量值在熱分解條件(通常是最終溫度或TFIN)下該材料或成分的含量。爐溫升高通常以攝氏度或℃記錄。材料或組成物的爐溫升高可通過本領域已知
的方法確定,包括但不限於建築和運輸產品的對火的反應測試:不燃性測試(EN ISO 1182,標準化的國際組織,瑞士;EN採用)。在本案的上下文中,除非另有說明,否則根據與EN ISO 1182標準(建築和運輸產品的火災反應測試:不燃性測試)相當的條件獲得爐溫升高測量值。在某些實施例中,本案的氣凝膠組成物可具有約100℃或更低、約90℃或更低、約80℃或更低、約70℃或更低、約60℃或更低、約50℃或更低、約45℃或更低、約40℃或更低、約38℃或更低,約36℃或更低、約34℃或更低、約32℃或更低、約30℃或更低、約28℃或更低、約26℃或更低、約24℃或更低、或在這些值中任兩個值之間的範圍的爐溫升高。在高溫下的組成物穩定性的背景下,例如,具有低於第二組成物的爐溫升高的第一組成物的爐溫升高將被認為是第一組成物相對於第二組成物的改進。在本案中預期,當添加一種或多種防火級添加劑時,與組成物相比,組成物的爐溫升高會降低。
在本案的上下文中,術語「燃燒時間」和「TFLAME」係指材料或組成物在熱分解條件下持續燃燒的測量,其中「持續燃燒」係指在任何部分在試樣的可見部分持續5秒或更長時間。火焰時間通常以秒或分鐘記錄。材料或組成物的燃燒時間可通過本領域已知的方法確定,包括但不限於建築和運輸產品對火的反應測試:不燃性測試(EN ISO 1182,標準化的國際組織,瑞士;EN採用)。在本案的上下文中,除非另有說明,否則火焰時間測量是根據與EN ISO 1182標準(建築和運輸產品的火災反應測試:不燃性測試)相當的條件獲得的。在某些實施例中,本案的氣凝膠組成物具有約30秒或更短、約25秒或更短、約20秒或更短、約15秒或更短、約10秒或更短、約5秒或更短、約2秒或更短、或在這些值中任兩個
值之間的範圍的火焰時間。在本案的上下文中,例如,具有低於第二組成物火焰時間的第一組成物火焰時間被認為是第一組成物相對於第二組成物的改進。與不包括任何防火級添加劑的組成物相比,本案預期當添加一種或多種防火級添加劑時組成物的燃燒時間減少。
在本案的上下文中,術語「質量損失」和「ΔM」係指在熱分解條件下損失或燒掉的材料、組成物或複合材料的量的測量值。質量損失通常記錄為重量百分比或wt%。材料、組成物或複合材料的質量損失可通過本領域已知的方法確定,包括但不限於:建築和運輸產品的火災反應測試:不燃性測試(EN ISO 1182,國際標準化,瑞士;EN採用)。在本案的上下文中,除非另有說明,否則質量損失測量是根據與EN ISO 1182標準(建築和運輸產品的火災反應測試:不燃性測試)相當的條件獲得的。在某些實施例中,本案的絕緣層或氣凝膠組成物可具有約50%或更少、約40%或更少、約30%或更少、約28%或更少、約26%或更少、約24%或更少、約22%或更少、約20%或更少、約18%或更少、約16%或更少、或在這些值中任兩個值之間的範圍的質量損失。在本案的上下文中,例如,質量損失低於第二組成物的質量損失的第一組成物將被認為是第一組成物相對於第二組成物的改進。與不包括任何防火級添加劑的組成物相比,本案預期當添加一種或多種防火級添加劑時組成物的質量損失減少。
在本案的上下文中,術語「峰值放熱溫度」係指分解放熱最大時的環境熱溫度的測量值。材料或組成物的峰值放熱溫度可使用TGA分析,差示掃描量熱法(DSC)或其組合來測量。DSC和TGA都將提供相似的峰值放熱溫度值,並且很多時候,測試同時運行,因此可從兩者中獲得結
果。在典型的DSC分析中,熱流與上升溫度作圖,峰值放熱溫度是該曲線中最高峰出現的溫度。在本案的上下文中,除非另有說明,否則材料或組成物的峰值放熱溫度的測量是使用如本段落中提供的TGA分析獲得的。
在吸熱材料的上下文中,術語「峰值吸熱溫度」係指對環境熱的溫度的測量,在該溫度下,分解產生的吸熱最小。材料或組成物的峰值吸熱溫度可使用TGA分析,差示掃描量熱法(DSC)或其組合來測量。在典型的DSC分析中,熱流相對於上升溫度作圖,峰值吸熱溫度是該曲線中出現最低峰值的溫度。在本案的上下文中,除非另有說明,否則材料或組成物的峰值熱吸收溫度的測量值是使用本段落中提供的TGA分析獲得的。
在本案的上下文中,術語「低可燃性」和「低易燃性」係指滿足下述特性組合的材料或組成物:i)爐溫上升50℃或更低;ii)燃燒時間為20秒或更短;iii)質量損失為50wt%或更少。在本案的上下文中,術語「不可燃性」和「不易燃」係指滿足下述特性組合的材料或組成物:i)爐溫上升40℃或更低;ii)燃燒時間為2秒或更短;iii)質量損失為30wt%或更少。預期組成物的可燃性(例如,爐溫升高,火焰時間和質量損失的組合)在包含一種或多種如本案之防火級添加劑時降低。
在本案的上下文中,術語「低可燃性」和「低易燃性」係指總燃燒熱(HOC)小於或等於3MJ/Kg的低可燃性材料或組成物。在本案的上下文中,術語「不可燃性」和「不易燃性」係指具有小於或等於2MJ/kg的燃燒熱(HOC)的不可燃材料或組成物。預期組成物的HOC在包含一種或多種防火級添加劑時降低,如本案所述。
在本案的上下文中,術語「疏水鍵合矽(hydrophobic-bound silicon)」係指凝膠或氣凝膠框架內的矽原子,其包含至少一與矽原子共價鍵合的疏水基團。疏水鍵合矽的實例包括但不限於凝膠骨架內的二氧化矽基團中的矽原子,其由包含至少一疏水基團的凝膠前驅物(例如MTES或DMDS)形成。疏水鍵合矽還可包括但不限於凝膠骨架中或凝膠表面上的矽原子,它們用疏水劑(例如HMDZ)處理以通過將額外的疏水基團結合到組成物。對於本領域的技術人員本案的疏水基團包括但不限於甲基、乙基、丙基、異丙基、丁基、異丁基、叔丁基、辛基、苯基或其它已知的取代或未取代的疏水有機基團。在本案的上下文中,術語「疏水基團」、「疏水有機材料」和「疏水有機成分」具體排除了凝膠材料框架上的易水解有機矽結合的烷氧基,它們是有機溶劑和矽烷醇基團之間的反應。此類排除基團可通過NMR分析與其中的疏水性有機成分區分開來。氣凝膠中包含的疏水鍵合矽的量可使用NMR光譜分析,例如CP/MAS 29Si固態NMR。氣凝膠的NMR分析允許對M型疏水鍵合矽(單功能二氧化矽,例如TMS衍生物)進行表徵和相對定量;D型疏水鍵合矽(雙功能二氧化矽,如DMDS衍生物);T型疏水鍵合矽(三官能二氧化矽,如MTES衍生物);和Q型矽(四官能二氧化矽,例如TEOS衍生物)。藉由將特定類型的疏水鍵合矽分類為亞型(例如將T型疏水鍵合矽分類為T1種、T2種和T3種),NMR分析還可使用於分析氣凝膠中所含疏水鍵合矽的鍵合化學性質。與二氧化矽材料的NMR分析相關的具體細節可在Geppi等人的文章「固態核磁共振在有機/無機多組分材料研究中的應用(Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/Inorganic Multicomponent Materials)」中找到,
特別是第7至9頁(Appl.Spec.Rev.(2008),44-1:1-89),其根據具體引用的頁面通過引用併入本案。
CP/MAS 29Si NMR分析疏水鍵合矽的表徵可基於下述化學位移峰:M1(30至10ppm);D1(10至-10ppm)、D2(-10至-20ppm);T1(-30至-40ppm)、T2(-40至-50ppm)、T3(-50至-70ppm);Q2(-70至-85ppm)、Q3(-85至-95ppm)、Q4(-95至-110ppm)。這些化學位移峰是近似的和示例性的,並不旨在限制或確定。歸因於材料內的各種矽物質的精確化學位移峰可取決於材料的特定化學成分,並且通常可由本領域技術人員通過常規實驗和分析來解讀。
在本案的上下文中,術語「疏水有機物含量(hydrophobic organic content)」或「疏水物質含量(hydrophobe content)」或「疏水物含量(hydrophobic content)」係指在氣凝膠材料或組成物中與骨架結合的疏水有機材料的量。氣凝膠材料或組成物的疏水有機物含量可表示為氣凝膠骨架上疏水有機材料的量相對於氣凝膠材料或組成物中的材料總量的重量百分比。本領域技術人員可基於用於生產氣凝膠材料或組成物的材料的性質和相對濃度來計算疏水有機物含量。疏水有機物含量也可使用主題材料的熱重分析(TGA)來測量,較佳在氧氣氛圍中進行測量(儘管在替代氣體環境下的TGA也是有用的)。具體而言,氣凝膠中疏水有機材料的百分比可與疏水氣凝膠材料或組成物在TGA分析期間經受燃燒熱溫度時的重量損失百分比相關聯,並對水分損失、殘留溶劑損失、以及在TGA分析過程中容易水解的烷氧基的損失進行調整。其它替代技術,例如差示掃描量熱法、元素分析(特別是碳)、色譜技術、核磁共振光譜和本領域技術人員已知的其
它分析技術可用於測量和確定氣凝膠組成物中的疏水性含量。在某些情況下,已知技術的組合在確定本案的氣凝膠組成物的疏水性含量中可能是有用的或必要的。
本案的氣凝膠材料或組成物可具有50wt%或更少、40wt%或更少、30wt%或更少、25wt%或更少、20wt%或更少、15wt%或更少、10wt%或更少、8wt%或更少、6wt%或更少、5wt%或更少、4wt%或更少、3wt%或更少、2wt%或更少、1wt%或更少、或在這些值中任兩個值之間的範圍的疏水有機物含量。
術語「燃料含量(fuel content)」係指氣凝膠材料或組成物中可燃材料的總量,燃料含量在TGA或TG-DSC分析期間經受燃燒熱溫度時氣凝膠材料或組成物的總重量損失百分比相關聯,並針對水分損失進行調整。氣凝膠材料或組成物的燃料成分可包括疏水有機成分、以及其它可燃殘餘醇溶劑、填充材料、增強材料和易於水解的烷氧基。
在本案的上下文中,術語「有機-無機矽氧烷(ormosil)」包括上述材料以及其它有機改性材料,有時稱為「ormocers」。有機-無機矽氧烷通常用作塗層,其中通過例如溶膠-凝膠步驟將有機-無機矽氧烷薄膜塗布在基材上。本案的其它有機-無機混合氣凝膠的實例包括但不限於二氧化矽-聚醚、二氧化矽-PMMA、二氧化矽-殼聚醣、碳化物、氮化物以及上述有機和無機氣凝膠形成化合物的其它組合。發表的美國專利,申請號20050192367(第[0022]至[0038]段落和第[0044]至[0058]段落)包括此類混合有機-無機材料的教示,並且根據單獨引用的部分和段落通過引用併入本案。
在電池模組或電池組中使用多層材料
與傳統電池相比,鋰離子電池(LIBs)具有高工作電壓、低記憶效應和高能量密度等優點,被認為是最重要的儲能技術之一。然而,安全問題是阻礙LIBs大規模應用的重大阻礙。在濫用情況下,放熱反應可能導致熱釋放,從而引發隨後的不安全反應。情況變得更糟,因為被濫用的電池釋放的熱會啟動一系列反應,導致災難性的熱失控。
隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高,提高鋰離子電池的安全性對於電子裝置的發展越來越緊迫,例如電動車。每種不同的電池化學組成的安全問題背後的機制各不相同。本技術專注於定制多層材料和這些定製材料的相應配置以獲得有利的熱和機械特性。本技術的多層材料在正常和熱失控條件下提供有效的散熱策略,同時確保LIB在正常操作模式下的穩定性(例如,承受施加的壓縮應力)。
本案的多層材料可用於分隔、絕緣和保護任何配置之電池的電池單元或電池的電池組件、例如袋式電池、圓柱形電池、棱柱形電池、以及結合或包括任何此類電池的電池組和模組。本案的多層材料可用於可充電電池,例如鋰離子電池、固態電池以及任何其它需要隔離、絕緣和保護的能量儲存裝置或技術。
諸如冷卻系統的被動裝置可與電池模組或電池組內的本案的多層材料結合使用。
根據本案的各種實施例的多層材料在包括多個單個電池單元或電池單元模組的電池組中用於將所述單個電池單元或電池單元模組彼此熱分隔。
在示例性實施例中,電池模組包括設置在外殼中的兩個或更多個電池單元。圖10是現有技術的電池模組的示意圖。電池模組1000包括一個或多個電池單元1010,其具有定位在電池單元之間的間隔1020。電池單元1010和間隔元件1020定位在外殼1030中。外殼1030具有由第一端板1030a、第二端板1030b、第一側壁1030c和第二側壁1030d界定的內表面。電池模組還具有密封外殼的頂板和底板(圖10中未示出)。間隔元件1020通常由非導電絕熱材料形成。如圖10所示,常規電池模組中的間隔元件通常不延伸超出電池的邊緣及/或外殼的壁。這樣的佈置可有利於防止電池單元之間的直接熱傳導。然而,這種佈置可能無法解決當電池單元發生故障時可從電池單元中噴出的熱氣體和顆粒物質的容納或方向。如圖10所示,從電池單元釋放的熱氣體和其它材料可繞過間隔元件的邊緣並將熱傳遞到模組中的其它單元。這會促使模組中的其它電池單元因過熱而失效。
在本案所揭露的實施例中,間隔元件可設置在每個電池單元之間或電池單元組之間。例如,電池模組可包括電池單元組,在每組電池單元之間具有間隔元件。一組電池單元可為任何數量的電池單元,例如,兩個電池單元、三個電池單元、四個電池單元、五個電池單元、六個電池單元或更多電池單元。電池模組內的間隔元件之間的每組電池單元可具有相同數量的電池單元,或者這些組可具有不同數量的電池單元。間隔元件之間的一組電池單元中的電池單元數量可基於以下因素來選擇,這些因素包括在該組中的一個或多個電池單元的熱失控中釋放的潛在熱能的總量以及可被間隔元件阻擋或吸收熱能的量。
圖11A-B描繪解決現有技術的缺點的示例性實施例。圖11A描繪電池模組1100的俯視圖。圖11B出示電池模組1100的剖面側視圖。與傳統電池模組類似,電池模組1100包括一個或多個電池單元1110,該電池單元1110具有位於電池單元之間的間隔元件1120。電池單元1110和間隔元件1120位於外殼1130中。外殼1130具有由第一端板1130a、第二端板1130b、第一側壁1130c和第二側壁1130d界定的內表面。電池模組1100還具有密封外殼的頂板1140和底板1150(如圖11B所示)。間隔元件1120由非導電絕熱材料形成。
在電池模組1100中,間隔元件1120延伸,使得間隔元件接觸外殼的內表面。在這種配置中延伸間隔元件形成相鄰電池單元之間的熱障。在特定實施例中,兩個或更多個電池單元1110縱向地定向在第一側壁1130c和第二側壁1130d之間,且平行於第一端板1130a和第二端板1130b。間隔元件1120接觸底板1150、頂板1140、第一側壁1130c和第二側壁1130d以在相鄰電池單元之間形成熱障。
在一個實施例中,每個間隔元件接觸形成在外殼的內表面中的一個或多個通道。圖12A和12B描繪電池模組的實施例,該電池模組在通道中使用間隔元件以在電池單元或電池單元組之間形成熱障。圖12A中所繪示的電池模組1200包括一個或多個電池單元1210,其具有定位在電池單元之間的間隔元件1220。間隔元件1220由非導電絕熱材料形成。電池單元1210和間隔元件1220定位在外殼1230中。外殼1230具有由第一端板1230a、第二端板1230b、第一側壁1230c和第二側壁1230d界定的內表面。電池模組1200還具有密封外殼的頂板和底板(未示出)。
為了在間隔元件和外殼的內表面之間的界面處產生更好的密封,可在外殼的內表面中及/或外殼的內表面上形成一個或多個通道。在圖12A中,電池模組1200包括至少在第一側壁1230a和第二側壁1230b上形成的通道1260。雖然僅描繪在側壁上,但應當理解,通道可從第一端板、第二端板、第一側壁、第二側壁、頂板和底板中的一個或多個突出。每個間隔元件1220延伸到相對的一對通道1260中。間隔元件接觸通道的一部分,在間隔元件和內表面之間形成密封。如本案所述,術語「密封」係指兩個單元(例如,間隔元件和通道)之間的接觸,其抑制熱氣體和顆粒物質從失效的電池單元轉移到相鄰的電池單元。在一個實施例中,間隔元件至少接觸突出通道的側壁。間隔元件可通過壓力配合與通道接觸。在壓力配合中,間隔元件在設置在通道中時被輕微壓縮,從而在間隔元件和通道之間形成密封。
通道可為U形(如圖12A所示)或與間隔元件互補的任何其它形狀。U形通道具有相對側壁和底面。在一個實施例中,間隔元件可接觸U形通道的相對側壁以在間隔元件和U形通道之間形成密封。在一個實施例中,間隔元件延伸到通道中,但不延伸到通道的底表面。如圖12A所示,間隔元件和U形通道的底表面之間存在間隙1262。該間隙可允許間隔元件和外殼的製造變化。留下間隙將有助於確保間隔元件在電池模組的構造過程中正確安裝在通道中。
如圖12B所示,電池模組1200包括至少形成在第一側壁1230c和第二側壁1230d中的通道1260。每個間隔元件1220延伸到相對的一對通道1260中。間隔元件接觸通道的一部分,在間隔元件和內表面之
間形成密封。在一個實施例中,間隔元件至少接觸凹陷通道的側壁。如前所述,間隔元件可通過壓力配合與通道接觸。
通道1260可為U形(如圖12B所示)或與間隔元件互補的任何其它形狀。U形通道具有相對側壁和底面。在一個實施例中,間隔元件可接觸U形通道的相對側壁以在間隔元件和U形通道之間形成密封。間隔元件延伸到通道1260中,但不延伸到通道的底表面。如圖12B所示,間隔元件和U形通道的底表面之間存在間隙1262以適應製造變化。
使用間隔元件以在電池單元之間產生熱障,以防止在正常使用期間以及在電池單元故障期間熱從電池單元傳遞到電池單元。間隔元件可通過接觸外殼的內表面在電池單元或電池單元組之間形成物理屏障。以這種方式創建了獨立隔間,每個隔間容納單個電池單元或多個電池單元。隔間(compartments)由兩個間隔元件及設置在間隔元件之間的一個或多個電池單元界定。在圖11A中,隔間由虛線框1180表示。
當電池單元發生故障時,電池單元可能會發生熱失控。在熱失控期間,電池單元的溫度可達到90℃以上。在高於90℃的溫度下,電池單元的元件開始劣化(degrade),導致電池單元最終爆裂開(burst open),釋放加熱的氣體和顆粒到電池模組中。用於熱隔離電池單元的隔間的形成將減輕熱從故障電池單元傳遞到工作電池單元。失效電池的高溫和氣體快速釋放會導致隔間內的壓力增加。在某些情況下,壓力的增加會導致間隔元件或外殼本身的故障。在一個實施例中,外殼包括一個或多個排放孔埠(vent ports)。一個或多個排放孔埠流體連接到一個或多個由間隔元件界定
的隔間。排放孔埠可為在外殼的一部分中形成的開口。或者,洩壓閥可用作排放孔埠。
排放孔埠可在外殼的側壁或頂板中,與一個或多個隔間連通。圖13描繪外殼的頂板1300的實施例。多個排放孔埠1350形成在頂板中,每個排放孔埠與隔間對齊。而圖13描繪電池模組的頂板上的排放孔埠,應當理解,排放孔埠可以任何組合定位在外殼的側壁端、端板或底板上。
電池模組的替代實施例表示在圖14。電池模組1400包括一個或多個電池單元1410,其具有定位在電池單元之間的間隔元件1420。電池單元1410和間隔元件1420定位在外殼1430中。外殼1430具有由第一端板1430a、第二端板1430b、第一側壁1430c和第二側壁1430d界定的內表面。電池模組1400還具有密封外殼的頂板和底板(未示出)。邊緣元件1450沿外殼的內表面設置。
圖15描繪和外殼及間隔元件1420的頂板1440接觸的邊緣元件1450的放大圖。黏合劑材料可將邊緣元件固定到內表面。邊緣元件1450由可壓縮的材料製成,化學分解的起始溫度為約100℃或更高、約130℃或更高、約200℃或更高、約230℃或更高、約240℃或更高、約330℃或更高、350℃或更高、約400℃或更高、約415℃或更高、約425℃或更高、約450℃或更高、約500℃或更高、約550℃或更高、約600℃或更高、約650℃或更高、約700℃或更高、約750℃或更高、約800℃或更高、或在上述範圍中的任意兩個值。邊緣元件較佳地沿外殼(1430c和1430d)的側壁設置在間隔元件1420的端部和外殼的內表面之間。邊緣元件1450接觸間隔元件1450以在間隔元件和外殼之間形成密封。以這種方式,在相鄰電
池單元之間形成了熱障。使用適當的邊緣元件還有助於限制顆粒物質從因熱失控(thermal runaway)而具有破裂的電池單元中擴散。
可使用數種材料可作為邊緣元件。如上所述,這些材料應該是可壓縮的並且具有約100℃或更高、約130℃或更高、約200℃或更高、約230℃或更高、約240℃或更高、約330℃或更高、350℃或更高、約400℃或更高、約415℃或更高、約425℃或更高、約450℃或更高、約500℃或更高、約550℃或更高、約600℃或更高、約650℃或更高、約700℃或更高、約750℃或更高、約800℃或更高、或在這範圍中任意兩個值的化學分解起始溫度。在一個實施例中,邊緣元件由膨脹材料形成。膨脹型材料是一種在受熱時會膨脹的材料。在電池模組的情況下,隨著電池單元開始失效,電池單元的溫度迅速升高,這會增加模組內部的溫度。這種溫度升高會導致用於形成邊緣元件的膨脹材料的熱誘發膨脹(heat-induced swelling),從而增加間隔元件和外殼內表面之間的密封。如果電池單元爆裂開,這種增加的壓力可增加對高壓氣體和釋放的顆粒物質的抵抗力。示例性的膨脹材料揭露於Hahn等人的美國專利案第3,513,114號;McGinniss等人的美國專利案第5,487,946號;Deogon的美國專利案第5,591,791號;Gottfried的美國專利案第5,723,515號;Nguyen等人的美國專利案第6,790,893號;Buckingham等人的PCT專利申請案公開號WO 94/17142;Janci的PCT專利申請案公開號WO 98/04639;以及Fleetwood等人的PCT專利申請案公開號WO 2020/077334,所有這些專利案皆通過引用完整併入本案中。
其它聚合材料也可用作邊緣元件的材料。通常,具有高溫穩定性和一些可壓縮性的聚合物材料非常適合用作邊緣元件材料。可使用的示例性聚合物材料包括矽氧烷聚合物(聚矽氧烷,氟矽氧烷)、FKM聚合物(氟橡膠,例如VITON)、氯磺化聚乙烯橡膠(HYPALON)、氫化丙烯腈-丁二烯橡膠和乙烯-丙烯-二烯單體。這些和其它聚合物可為泡沫或彈性材料的形式。彈性材料可形成為薄膜或墊圈的形狀。
在另一個實施例中,邊緣材料可為由不同層組成的複合材料。例如,邊緣材料可由電容層和一個或多個絕緣層組成,壓縮層形成在絕緣層上。在一個實施例中,邊緣元件由如本案先前之多層材料形成。
如前所述,間隔元件用於在電池單元之間形成熱障,以防止在正常使用期間以及在電池單元故障期間熱從電池單元傳遞到電池單元。通過接觸邊緣元件以在外殼的內表面和間隔元件之間形成密封,間隔元件可在電池單元或電池單元組之間形成物理屏障。以這種方式創建了獨立隔間,每個隔間容納單個電池單元或多個電池單元。隔間由兩個間隔元件和邊緣元件界定,與設置在間隔元件之間的一個或多個電池單元一起。
如前所述,外殼可包括一個或多個排放孔埠。一個或多個排放孔埠流體連接到一個或多個由間隔元件和邊緣元件界定的隔間。排放孔埠可為在外殼的一部分中形成的開口。或者,排放口可包括將在預定內部壓力下打開的洩壓閥。在一個實施例中,多個排放孔埠形成在頂板中,每個排放孔埠與隔間對齊。排放孔埠也可以任何組合定位在外殼的側壁端,端板或底板上。
電池模組的替代實施例表示如圖16。如前所述,電池模組包括具有內表面的外殼。內表面由在第一側壁與第二側壁以及頂板與底板之間延伸的第一端板和第二端板界定。電池模組具有兩個或更多個電池單元以及相鄰電池單元之間的間隔元件。在該實施例中,一個或多個蓋部用於在間隔元件和外殼的內表面之間形成密封。蓋部與外殼的內表面的一部分接觸並且圍繞間隔元件的至少一部分。
一個實施例的蓋部表示如圖16。如圖16所示,蓋部1615耦合到電池模組的外殼的內表面1630。在該實施例中,蓋部1615附接到電池模組的內表面1630。在蓋部1615內界定了一個空間,該空間可接收間隔元件1620。較佳地,該空間具有基本上等於間隔元件寬度的寬度。在電池模組的製造過程中,間隔元件定位在由蓋部1615界定的空間內,如圖16所示。
在蓋部1615的較佳實施例中,蓋部具有沿蓋部的第一縱向側延伸的大致U形開口。如圖16所示,間隔元件1620裝配在形成於蓋部中的U形開口內。蓋部1615還可具有一個或多個凹部1625或其它形狀,使得蓋部的外表面具有與外殼的內表面的一部分的形狀互補的形狀。在一些實施例中,蓋部1615可具有在蓋部的底部的開口。在蓋部的底部具有開口允許蓋部在間隔元件上滑動。這對於製造目的來說是一個有用的功能,因為電池單元-間隔元件可在將蓋部放置到位之前組裝在外殼內。
為了在電池單元之間形成熱和微粒屏障,蓋部1615可完全覆蓋一個或多個間隔元件的端部。當間隔元件耦合至蓋部時,蓋部會對間隔元件施加輕微的壓力,從而在蓋部和間隔元件之間在接觸點處形成密封。
為了使相鄰的電池單元彼此密封,蓋部可接觸外殼的底板和頂板。具體地,蓋部可具有與外殼的頂板形成密封的頂表面,以及與外殼的底表面形成密封的底表面。在這種配置中,蓋部在相鄰的電池單元之間形成了一個完整的屏障。
為了在間隔元件和外殼的內表面之間的界面處產生更好的密封,一個或多個通道1660可形成在外殼的內表面中及/或上。如圖16所示,通道1660至少形成在第一側壁和第二側壁上。通道可從第一端板、第二端板、第一側壁、第二側壁、頂板和底板中的一個或多個突出。蓋部1615延伸進入並接觸通道的一部分,在蓋部和內表面之間形成密封。蓋部可通過壓力配合與通道接觸。在壓力配合中,蓋部在設置在通道中時被輕微壓縮,從而在蓋部和通道之間形成密封。或者,可使用黏合劑將通道附接到外殼。通道可為U形(如圖16所示)或與蓋部互補的任何其它形狀。
在一個實施例中,蓋部1615完全延伸到通道1660中,使得蓋部與通道的側壁和底表面接觸。在這樣的實施例中,間隙1665有意地留在間隔元件和蓋部的內表面之間。該間隙可允許間隔元件和外殼的製造變化。在電池模組的構造過程中,留出間隙將有助於確保間隔元件正確安裝在蓋部中。將模組設計成在間隔元件和蓋部的內表面之間存在間隙,有助於確保製造所需的間隙不會無意中為熱空氣和顆粒物質從一個電池單元傳遞到其它。
參考圖17,描繪蓋部和間隔元件的配置的替代實施例。在這個實施例中,間隔元件1720完全延伸到蓋部1715中。在一個實施例中,間隔元件可接觸相對側壁和蓋部的底表面,如圖17所示。如在前面的實施
例中,可使用間隙來允許間隔元件和外殼的製造變化。在該特定實施例中,間隙1765存在於蓋部1715和外殼的側壁之間。蓋部1715通過與通道1760接觸而連接到側壁。較佳地,使用摩擦及/或壓力配合將蓋部1715連接到通道1760。使用蓋部與外殼的非黏性連接允許蓋部被移動以適應間隔元件長度的變化。
蓋部1715可由任何合適的材料製成。合適的材料包括可注射成型的聚合物。示例性注塑聚合物包括但不限於:聚丙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚乙烯、聚醯胺、聚碳酸酯和聚苯乙烯。較佳地,使用化學分解起始溫度大於150℃的聚合物。在熱失控事件期間,使用高溫材料形成蓋部可為電池單元提供額外的保護。
如前所述,間隔元件用於在電池單元之間形成熱障,以防止在正常使用期間以及在電池單元故障期間熱從電池單元傳遞到電池單元。間隔元件可通過接觸蓋部以在外殼的內表面和間隔元件之間形成密封,從而在電池單元或電池組之間形成物理屏障。以這種方式創建了獨立隔間,每個隔間容納單個電池單元或多個電池單元。連接到蓋部的兩個間隔元件與設置在間隔元件之間的電池單元或多個電池一起界定隔間。
如前所述,外殼可包括一個或多個排放孔埠。一個或多個排放孔埠流體連接到一個或多個由間隔元件和蓋部界定的隔間。排放孔埠可為在外殼的一部分中形成的開口。或者,排放口可包括將在預定內部壓力下打開的洩壓閥。在一個實施例中,多個排放孔埠形成在頂板中,每個排放孔埠與隔間對齊。排放孔埠可以任何組合定位在外殼的側壁端、端板或底板上。
在一個實施例中,電池模組包括:兩個或更多個電池單元和一個或多個設置在相鄰電池單元之間的間隔元件,每個間隔元件包括至少一熱容層和至少一絕緣層。在一個實施例中,間隔元件的表面積大於兩個或更多個電池單元的表面積,並且其中每個間隔元件延伸超出電池單元的外表面。
在特定實施例中,間隔元件在電池單元的頂表面上方延伸。間隔元件可伸出電池單元的端部並與模組的外殼接觸。或者,間隔元件可彎曲使得間隔元件的一部分在電池單元的頂表面上方延伸。
在一個實施例中,熱容層或熱傳導層、間隔元件的一些其它層或它們的層的組合從絕緣層延伸並與模組的外殼接觸。在示例性實施例中,絕緣層的表面積基本上等於電池單元的表面積,以及熱容層、熱傳導層、間隔元件的另一層、或其層的組合延伸超出電池單元的外表面。熱容層、熱傳導層、間隔元件的另一層或其組合可設置在絕緣層的外表面上或兩層或多層絕緣材料之間。在一些實施例中,絕緣層或多層可被封裝(例如通過聚合物層或包裹物)而與熱容層或多層分離。熱容層、或熱傳導層、間隔的另一層或其組合層延伸經過絕緣層並接觸外殼的內表面。在熱失控事件期間,電池單元外殼可能會失效,從而釋放出熱氣及/或燃燒的顆粒物(噴射物)。這些材料從電池中釋放出來並進入絕緣層區域。由於釋放材料的高溫,絕緣層有可能至少部分損壞甚至部分破壞,從而使氣體和熱粒子到達其它單元。為了防止這種情況,間隔元件的一部分,例如熱容層、熱傳導層、間隔的另一層或它們的層的組合,被延伸以接觸包括一個或多個的外殼的內表面側壁、表面的頂部或底部。間隔可包括由金屬或高溫聚合物製
成的層,例如熱容層,該金屬或高溫聚合物可承受氣體和顆粒的預期溫度。間隔元件的一部分,例如熱容層、熱傳導層、或另一層、或層的組合,延伸到外殼的內部,因此用作可防止熱傳遞、過熱、或附近的電池損壞的屏障。
圖22描繪間隔元件的實施例,該間隔元件包括延伸超出電池單元尺寸至外殼的層。電池模組2200包括由間隔元件2220隔開的多個電池單元2210。間隔元件可由夾在絕緣層2220c和犧牲材料層2220a之間的熱容層或熱傳導層2220b組成。熱容層或熱傳導層2220b遠離絕緣層延伸並接觸外殼2230的內表面,在相鄰電池單元2210之間形成屏障。從電池單元噴出的熱氣體和顆粒物質在熱失控事件時已部分損壞,被來自間隔元件的熱容層或熱傳導層2220b捕獲,使得來自一個電池單元的熱失控事件不太可能在模組內的其它電池單元中產生熱失控。
將一層間隔元件延伸到外殼的內表面,包括一個或多個側壁,外殼內表面的頂部或底部可形成隔離電池單元彼此的「隔間」。如圖22所示,熱容層或熱傳導層2220b從相鄰的間隔元件延伸到外殼2230的內表面形成至少部分地包圍電池單元的隔間2250。這樣的隔間可容納從電池單元噴射的熱氣體和顆粒物質。由間隔元件形成的隔間2250對熱氣體的容納會在模組內產生應力,因為當電池單元2210釋放熱氣體時隔間內的壓力增加。為了進一步減輕對電池模組的潛在損壞,一種外殼中可形成一個或多個排放孔埠2260。排放孔埠可位於外殼的任何部分,包括側壁(如圖22所示)或外殼的頂部或底部。排放孔埠可為開口或洩壓閥。
電池模組和電池組的製造公差可能會有所不同。因此,可能難以確定接觸外殼內壁所需的熱容層的延伸部分的準確長度。在一個實施例中,熱容層可彎曲,使得熱容層的一部分在與外殼的內表面接觸時將彎曲或偏轉。在一個實施例中,熱容層可在安裝之前變形以形成彈性形狀。例如,熱容層或熱傳導層的延伸超出絕緣層的部分的端部區域可彎折,彎曲或以其它方式變形以提供被配置為接觸模組的壁的內表面的彈性形狀並提供對氣體及/或顆粒物質的屏障或密封。彈性熱容或熱傳導層可定位成允許在模組製造期間外殼的一部分移動或壓縮。
在示例性實施例中,間隔元件可包括金屬部件,例如金屬的層(例如,不鏽鋼、鋁、鈦、鎳、鋼、鐵或其組合)從絕緣層延伸以提供阻擋氣體及/或顆粒物的屏障或密封。金屬部件可為熱容層、熱傳導層的延伸,或者可為間隔元件的單獨部件。金屬部件的一部分可彎折、彎曲或以其它方式變形以提供彈性形狀,該彈性形狀被配置為接觸模組的壁的內表面並提供對氣體及/或顆粒物質的屏障或密封。這些實施例的示例在圖18至21。當安裝間隔元件時,金屬部件的延伸部分(即,遠離絕緣層延伸的部件)接觸外殼的內表面並偏轉。這允許在外殼內部形成緊密密封,而無需將金屬部件形成為所需的精確尺寸。
圖18A描繪具有夾在絕緣層1820a之間的延伸的熱容層或熱傳導層1820b的間隔元件1820的實施例。如圖所示,絕緣層可由封裝層1820c封裝。在此實施例中,熱容層或熱傳導層1820b的一部分延伸超出絕緣層以形成延伸部分1822。延伸部分1822可沿著間隔元件的一個或多個側面形成,例如沿間隔元件的頂部和側面,如圖所示。摺痕或折疊線1824
形成在延伸部分上以使延伸部分能夠彈性偏轉。在使用期間,間隔元件放置在電池單元之間,並且延伸部分1822接觸外殼的內表面以在間隔元件和內表面1830之間形成密封,如圖18B。延伸部分1822在與外殼的內表面接觸時將偏轉,從而允許形成密封,儘管製造尺寸有變化。
圖19A描繪具有延伸部分的間隔元件的替代實施例。間隔元件1900包括夾在絕緣層1920a之間的兩熱容層或熱傳導層1920b。每個熱傳導或熱容層都延伸超出絕緣層1920a並且發散。這產生了遠離絕緣層延伸的Y形延伸部分1922。如在先前的實施例中,Y形延伸部分1922在與外殼的內表面1930接觸時將偏轉,從而允許在間隔和外殼之間形成密封,如圖19B。
圖20A描繪具有延伸部分的間隔元件的替代實施例。間隔元件2000包括圍繞絕緣層2020a的兩熱容層或熱傳導層2020c和2020d。在本實施例中,熱容層或熱傳導層2020c和2020d可作為間隔元件的封裝層。如在先前的實施例中,熱容層或熱傳導層2020b可存在於絕緣層2020a之間。熱傳導層或熱容層2020c和2020d中的每一個都延伸超出絕緣層2020a並且遠離絕緣層發散。這產生了一對發散的延伸部分2022a和2022b彼此遠離延伸。如同實施例的圖19,延伸部分2022a和2022b在與外殼的內表面2030接觸時將偏轉,從而允許在間隔元件和外殼之間形成密封,如圖20B。
圖21A描繪可應用於本案所揭露任何實施例的延伸部分的修改,特別是應用於圖18A、18B、19A、19B、20A和20B的實施例。如圖20A和20B所示,間隔元件2100包括兩個圍繞絕緣層2120a的熱容層或
熱傳導層2120c和2120d。熱容層或熱傳導層2120b可存在於絕緣層2120a之間。熱傳導或熱容層2120c和2120d中的每一個都延伸超出絕緣層2120a並且遠離絕緣層並且彼此分開,從而形成一對分開的延伸部分2122a和2122b彼此遠離延伸。在該實施例中,延伸部分2122a和2122b分別包括圓形端部2124a和2124b。圓形端部允許延伸部分在安裝和使用期間更容易地在外殼內表面2130上滑動。如同圖20B所示,延伸部分2122a和2122b在與外殼的內表面2130接觸時會偏轉,從而允許在間隔元件和外殼之間形成密封,如圖21B。
在一個實施例中,如圖23所示,每個電池單元2310與第一間隔元件2320a和第二間隔元件2320b相鄰,其中第一間隔元件的一部分2322a延伸到電池單元2310的頂部和頂部表面。第一間隔元件的部分2322a延伸過電池單元的頂表面並接觸第二間隔元件的延伸部分2322b。以這種方式,間隔元件或間隔元件的部分可覆蓋電池單元並且至少部分地將電池單元與其它電池單元隔離。
熱氣體和顆粒離開電池單元進入間隔元件區域會產生大量熱積聚。由於屏障單元旨在將熱保持在有缺陷的電池單元周圍,並遠離其它電池單元,因此熱會在該區域積聚。過多的熱和顆粒的***力會影響外殼的完整性,尤其是外殼的頂部或側壁。為了保護外殼的內部,外殼可用熱保護層保護。該層可由耐熱和阻燃材料形成,例如雲母、微孔二氧化矽、陶瓷纖維、礦棉、氣凝膠材料和金屬。外殼還可包括配置成控制或引導噴射物流動的特徵,噴射物即從電池單元排出的氣體和顆粒材料。這些特徵,例如擋板、突出部、通道、隔板、延伸部或其組合,可由熱保護、耐火或
絕緣材料和複合材料,例如氣凝膠、氣凝膠複合材料、雲母、微孔二氧化矽、陶瓷纖維、礦棉、金屬、它們的組合,或包括這些熱保護、耐火或絕緣材料而形成或覆蓋。
在另一個實施例中,間隔元件可接觸單獨的邊緣元件以在間隔元件和外殼之間形成密封。如圖24描繪一個實施例,其中單獨的邊緣元件2415沿著外殼壁放置在靠近間隔元件2410的預期位置的位置處。單獨的邊緣元件的使用允許靠近電池單元的外殼部分保持打開,允許對電池進行電連接,而無需通過邊緣元件。單獨的邊緣元件將具有比間隔元件的寬度稍大的寬度,以允許製造公差的差異。
圖25A至B描繪邊緣元件2415的實施例,該邊緣元件2415用於在間隔元件和外殼內部之間形成密封。在圖25A中,邊緣元件表示定位在外殼的內表面上。間隔元件(「C2C屏障」)位於相鄰電池單元之間。在定位間隔元件的過程中,一個或多個彈性構件2430偏轉以接收間隔元件,如圖25B。彈性構件與間隔元件的接觸可形成對從經歷熱失控的電池單元噴射的氣體和顆粒的屏障。如圖25B所示,通過使邊緣元件比間隔元件更寬,間隔元件相對於邊緣元件的位置存在一些橫向公差。在一些實施例中,邊緣元件包括在平行於間隔元件的邊緣的方向上延伸的部分,使得邊緣元件沿間隔元件的邊緣的長度形成抵靠間隔元件的側面的密封。
雖然邊緣元件描述成附接至外殼內壁的單獨單元,但應理解邊緣元件可附接至間隔元件或間隔元件的延伸。在該實施例中,當安裝間隔元件並且間隔元件接觸外殼的內表面時,邊緣元件的彈性單元將偏轉。
在一個實施例中,絕緣材料2450可定位在單獨的邊緣元件之間。邊緣元件和相鄰電池單元之間的絕緣有助於防止熱和顆粒流向相鄰電池單元。
如前所述,邊緣元件可由耐熱和阻燃材料形成。邊緣元件也可由膨脹材料組成。除了使用膨脹材料之外,形狀記憶材料可用來代替膨脹材料或與膨脹材料結合使用。形狀記憶材料具有在施加特定刺激時從顯著且看似塑性變形中恢復其原始形狀的能力。這被稱為形狀記憶效應(SME)。形狀記憶材料的示例包括但不限於銅-鋁-鎳和鎳-鈦的合金(例如,鎳鈦諾)。
例如,形狀記憶邊緣元件可用於圍繞模組內的部分。參考圖26A和圖26B,形狀記憶邊緣元件2622包括在被熱觸發時向上翻轉(如圖26B所示)的折疊部分。向上翻轉的部分阻擋熱、火焰和熱失控材料,以防止電池單元之間的熱傳播。如圖26A和26B所示實施例,形狀記憶邊緣元件定位成使得向上翻轉的部分阻擋標記為A-A的區域,例如在可能發生熱失控的位置處。除了捕獲區域A-A中的熱事件外,還可包括額外的熱管理單元。例如,在區域A-A內,膨脹熱隔離層2642可結合在電池之間或模組內的任何所需位置處。這些膨脹熱隔離層2642,當被觸發熱事件啟動時,可向外膨脹到電池外殼的內層以阻止熱和質量傳遞,並進一步實現形狀記憶邊緣元件2622在區域中包含熱失控材料的區域A-A。
在另一個實施例中,不是在一個區域內包含熱事件,而是響應於阻擋熱、火焰和熱失控物質擴散的觸發溫度而形成屏障。參照圖26C和圖26D,形狀記憶邊緣元件2623a和2623b位於兩個電池單元之間,其
中2623a和2623b在兩個不同的方向上向上翻轉,以防止熱、火焰和熱失控材料的通過。
形狀記憶材料和膨脹材料也可在一個單元中一起使用,以防止模組內的熱、火焰和熱失控材料的傳播。參考圖27A和圖27B,圖示了其中形狀記憶材料和膨脹材料被分層以產生邊緣元件2722的實施例。具體地,膨脹墊圈可定位在模組內的電池單元之間。在膨脹墊圈的頂部附有形狀記憶蓋部。在熱觸發事件時,膨脹材料膨脹並且形狀記憶蓋部向外彎曲以完成電池單元之間的屏障蓋部,如圖027B。在另一個實施例中,如圖27C和圖27D,形狀記憶材料2723固定到模組外殼的內層,而膨脹材料2721夾在電池單元之間。在熱觸發事件時,膨脹材料2721自由膨脹和炭化,並且形狀記憶材料2723向下朝向膨脹的膨脹材料2721彎曲以形成屏障。
在一些實施例中,形狀記憶材料可與冷卻系統一起使用,例如冷卻板。在正常充電和放電操作期間,形狀記憶材料(通常是合金)將熱從電池單元傳導到冷卻系統,例如冷卻板。模組中電池單元之間的熱隔離層用作緩衝層並適應充電和放電事件期間的電池體積變化。在熱失控的情況下,形狀記憶材料可用於在電池單元和熱隔離層(例如泡沫/氣凝膠)之間產生距離,以便熱可更好地傳導到冷卻系統(即減少熱隔離層所承受的熱)。
例如,參考圖28A和圖28B,示出了模組的一部分2800,其中兩個電池單元2810被熱隔離層2820隔開。電池單元2810和熱隔離層與冷卻系統(例如,冷卻板)2830熱接觸。為了保護熱隔離層2820,形狀記憶板2840夾在電池單元2810和熱隔離層2820之間。形狀記憶板2840也
與冷卻系統2830接觸。熱觸發事件時(如圖28B),形狀記憶板2840彎曲如圖所示以在電池單元2810和熱隔離層2820之間產生分隔。從電池單元2810中的高溫(由觸發事件引起)輻射的熱被傳導到彎曲形狀記憶板2840,然後到冷卻系統2830,從而減少傳遞到隔離層的熱。
在另一個實施例中,形狀記憶材料單元可與熱傳導層結合。形狀記憶材料單元可為熱活化彈簧,其將導電材料推離經歷熱觸發事件的電池單元。參考圖29A、圖29B和圖29C,模組的一部分2900可包括連接到冷卻系統2930的電池單元2910。夾在電池單元2910之間的是熱隔離層2920,其具有設置在界面表面上的保護性熱傳導層2950。熱傳導層2950可由諸如鋁或銅的任何導電金屬或合金形成。形狀記憶材料單元2955佈置在整個熱傳導層2950(並且如圖29C所示)。在熱觸發事件(圖29B中所示)時,形狀記憶單元2955膨脹(像彈簧一樣)並推動熱傳導層2950遠離經歷熱觸發事件的電池單元。熱傳導層2950被推向熱隔離層2920,熱隔離層2920由可壓縮材料(例如泡沫,氣凝膠等)形成,其可適應體積變化以允許在電池單元2910和熱隔離層2920之間形成屏障空間。
當在電池單元之間形成屏障時,定位間隔元件以防止熱氣體和顆粒在電池單元之間直接傳遞。在一些實施例中,間隔元件仍然可通過熱傳導路徑在電池單元之間傳遞熱,特別是當金屬或一些其它熱傳導材料位於間隔件中時。為了防止通過或圍繞間隔元件的熱傳導傳遞,可在間隔元件的熱傳導材料中放置有意的熱斷路。這些熱斷路會破壞通過間隔元件的熱傳遞。類似地,可在邊緣元件中形成熱斷路以防止熱的傳導傳遞。在一些實施例中,絕緣材料的附加層設置在熱傳導材料附近,例如,在熱傳
導材料和相鄰的一個或多個電池單元之間。在這樣的實施例中,附加的絕緣材料層防止,限制或破壞通過或圍繞間隔元件的熱傳導。
雖然上述揭露的方法,系統和裝置適用於在電池單元之間形成屏障,但在一些變型中,外殼的角部區域可沒有任何絕緣材料。在一個實施例中,絕緣單元可放置在外殼的覆蓋件(cover)/蓋件(lid)的拐角上。在組裝過程中,絕緣單元填充外殼角的一部分,提供額外的熱障及/或阻止可能從電池單元中排出的氣體和顆粒流動的屏障。絕緣單元可為可壓縮或剛性材料。在一個實施例中,絕緣單元可為桿的形式,當覆蓋件放置在外殼上時,該桿被壓縮。如果桿是可壓縮材料,則桿將在頂部放置在外殼上時膨脹並填充角落空間。或者,可在頂部的拐角處形成脊,當頂部放置在外殼上時,該脊形成密封。
本案之各種電池模組可用於能量儲存系統。能量儲存系統可包括一個或多個電池模組。該電池模組中的熱和微粒屏障降低了整個電池模組進入熱失控的發生率。因此,所揭露的實施例可防止能量儲存系統的災難性故障。所揭露的電池模組可用於車輛的蓄電系統中。熱失控的機會減少使得所揭露的電池模組對於許多類型的交通工具,特別是汽車,飛機和航空器來說更安全。
在本案中,某些美國專利案、美國專利申請案和其它材料(例如文章)已通過引用併入。然而,此類美國專利案、美國專利申請案和其它材料的文本僅在此類文本與本案闡述的其它陳述和附圖之間不存在衝突的範圍內通過引用併入。在有這種衝突時,通過引用併入的美國專利案,美
國專利申請案和其它材料中的任何這種衝突文本明確地不通過引用併入本案中。
有鑑於本描述,本案的各個方面的進一步修改和替代實施例對於本領域技術人員將是顯而易見的。因此,該描述僅被解釋為說明性的並且是為了向本領域技術人員傳授實施本案的一般方式的目的。應當理解,本案所表示和描述的形式將被視為實施例的示例。要素和材料可代替本案中所示和描述者,部件和過程可顛倒,並且本案的某些特徵可獨立地使用,所有這些對於本領域技術人員在受益於本說明書的描述後將是顯而易見的。本案在不背離下述請求項中描述的本案的精神和範圍的情況下,可對這裡描述的要素進行改變。
Claims (70)
- 一種電池模組,包括:外殼,包括內表面,該內表面由在第一側壁與第二側壁以及頂板與底板之間延伸的第一端板和第二端板界定;兩個或更多個電池單元,設置在該外殼的內部空間中;以及一個或多個間隔元件,設置在相鄰電池單元之間,每個該間隔元件包括至少一熱容層及至少一絕緣層;其中,每個該間隔元件的一部分延伸遠離該絕緣層且接觸該外殼的該內表面,從而形成相鄰電池單元之間的熱障。
- 如請求項1所述之模組,其中,該兩個或更多個電池單元縱向地定向成平行於該端板,且其中,該間隔元件接觸該底面、頂面、第一側壁及第二側壁之至少一者以形成相鄰電池單元之間的該熱障。
- 如請求項1或2所述之模組,其中,每個該間隔元件接觸形成在該內表面上及/或該內表面中的一個或多個通道。
- 如請求項3所述之模組,其中,該一個或多個通道從該第一端板、該第二端板、該第一側壁、該第二側壁、該頂板及該底板之一者或多者突出。
- 如請求項3所述之模組,其中,該一個或多個通道為該第一端板、該第二端板、該第一側壁、該第二側壁、該頂板及該底板之一者或多者中的凹部。
- 如請求項3至5中任一項所述之模組,其中,每個該間隔元件接觸該通道之一個或多個的一部分,以形成在該間隔元件及該內表面之間的密封。
- 如請求項3至6中任一項所述之模組,其中,該一個或多個通道基本上為具有相對側壁及底面之U形。
- 如請求項7所述之模組,其中,該間隔元件接觸該U形通道的側壁。
- 如請求項8所述之模組,其中,該間隔元件及該U型通道的底面之間存在間隙。
- 如請求項1至9中任一項所述之模組,其中,該絕緣層具有在25℃下小於約50mW/m-K且在60℃下小於約60mW/m-K通過該絕緣層的厚度維度之熱導率。
- 如請求項10所述之模組,其中,該絕緣層包括氣凝膠。
- 如請求項1至12中任一項所述之模組,其中,該熱容層接觸該底面、頂面、第一側壁或第二側壁之至少一者。
- 如請求項1至12中任一項所述之模組,其中,該一個或多個間隔元件復包括覆蓋該至少一熱容層及至少一絕緣層之外部部分,其中,該外部部分包括至少一犧牲層及至少一封裝材料層。
- 如請求項13所述之模組,其中,該至少一犧牲材料層包括在約27kPa至約55kPa下具有25%壓縮力撓度的可壓縮墊。
- 如請求項13或14所述之模組,其中,該至少一封裝材料層包括聚合物。
- 如請求項1至15中任一項所述之模組,其中,該一個或多個間隔元件及該外殼的內表面一起配置成界定複數獨立隔間,其中,每個隔間中設置一個電池單元。
- 如請求項16所述之模組,其中,該外殼的至少一部分包括一個或多個排放孔埠,該一個或多個排放孔埠流體地耦合至該複數獨立隔間之一個或多個。
- 如請求項17所述之模組,其中,該排放孔埠之一個或多個是洩壓閥。
- 如請求項17或18所述之模組,其中,該排放孔埠之一個或多個包括形成在外殼的一部分中的開口。
- 如請求項17至19中任一項所述之模組,其中,該排放孔埠之一個或多個位於該外殼的側壁或頂板中,連通於該隔間之一個或多個。
- 一種電池模組,包括:外殼,包括內表面,該內表面由在第一側壁與第二側壁以及頂板與底板之間延伸的第一端板和第二端板界定,兩個或更多個電池單元,設置在該外殼的內部空間中;一個或多個間隔元件,設置在相鄰電池單元之間,每個該間隔元件包括至少一熱容層及至少一絕緣層;以及複數單獨邊緣元件,沿該外殼的內表面設置,其中,該邊緣元件包括可壓縮且具有化學分解溫度之始點大於約100℃的材料;其中,每個該間隔元件接觸該複數單獨邊緣元件之一個,從而藉由該間隔元件及該外殼的內表面之間的該邊緣元件形成密封,以熱隔離該相鄰電池單元。
- 如請求項21所述之模組,其中,該邊緣元件包括膨脹材料、形狀記憶材料或膨脹材料及形狀記憶材料之組合。
- 如請求項21所述之模組,其中,該邊緣元件包括矽氧聚合物。
- 如請求項21所述之模組,其中,該邊緣元件包括一個或多個電容層及一個或多個絕緣層。
- 如請求項21所述之模組,其中,該邊緣元件包括該間隔元件的該至少一熱容層的一部分。
- 如請求項21所述之模組,其中,該邊緣元件包括該間隔元件的該至少一絕緣層的一部分。
- 如請求項26所述之模組,其中,該邊緣元件復包括覆蓋該一個或多個電容層及該一個或多個絕緣層的外部部分,其中,該外部部分包括至少一可壓縮層。
- 如請求項26所述之模組,其中,該可壓縮層具有約27kPa至約55kPa的25%壓縮力撓度。
- 如請求項21至28中任一項所述之模組,其中,該兩個或更多個電池單元係定位在平行於該端板的該第一側壁及該第二側壁之間,且其中,該間隔元件接觸該底面,且其中,該一個或多個邊緣元件之一個設置在該間隔元件及該頂表面之間。
- 如請求項29所述之模組,其中,該一個或多個邊緣元件之一個設置在該第一側壁與該間隔元件及/或該第二側壁與該間隔元件之間。
- 如請求項29所述之模組,其中,該間隔元件接觸該第一側壁及該第二側壁。
- 如請求項31所述之模組,其中,每個該間隔元件接觸形成在該第一側壁及該二側壁中的一個或多個通道。
- 如請求項32所述之模組,其中,該一個或多個通道是第一側壁及/或所述第二側壁中的凹部。
- 如請求項32所述之模組,其中,該一個或多個通道係從該第一側壁及/或該第二側壁突出。
- 如請求項32至34中任一項所述之模組,其中,每個該間隔元件接觸該通道中之一個或多個的一部分,以形成在該間隔元件及該內表面之間的密封。
- 如請求項32至34中任一項所述之模組,其中,該一個或多個通道基本上為具有相對側壁及底面之U形。
- 如請求項36所述之模組,其中,該間隔元件接觸該U形通道的側壁。
- 如請求項37所述之模組,其中,該間隔元件及該U形通道的底面之間存在間隙。
- 如請求項21至38中任一項所述之模組,其中,該間隔元件的該絕緣層具有在25℃下小於約50mW/m-K且在600℃下小於約60mW/m-K的通過該絕緣層厚度維度之熱導率。
- 如請求項39所述之模組,其中,該間隔元件的絕緣層包括氣凝膠。
- 如請求項39或40所述之模組,其中,該一個或多個間隔元件復包括覆蓋該至少一熱容層及至少一絕緣層的外部部分,其中,該外部部分包括至少一犧牲層及至少一封裝材料層。
- 如請求項41所述之模組,其中,該至少一犧牲材料層包括具有在約27kPa至約55kPa下為25%壓縮力撓度的可壓縮墊。
- 如請求項41或42所述之模組,其中,該至少一封裝材料層包括聚合物。
- 如請求項21至43中任一項所述之模組,其中,該一個或多個間隔元件、該一個或多個邊緣元件及該外殼的內表面一起配置成界定複數獨立隔間,其中,每個隔間中設置一個電池單元。
- 如請求項44所述之模組,其中,該外殼的至少一部分包括一個或多個排放孔埠,該一個或多個排放孔埠係流體地耦合至該複數獨立隔間之一個或多個。
- 如請求項45所述之模組,其中,該排放孔埠之一個或多個係爆裂盤。
- 如請求項45或46所述之模組,其中,該排放孔埠之一個或多個包括形成在該外殼的一部分中的開口。
- 如請求項45至47中任一項所述之模組,其中,該排放孔埠之一個或多個位於連通於該隔間之一個或多個的外殼之側壁或頂板中。
- 一種電池模組,包括:外殼,包括內表面,該內表面由在第一側壁與第二側壁及頂板與底板之間延伸的第一端板和第二端板界定,兩個或更多個電池單元設置在外殼的內部空間中;一個或多個間隔元件,設置在相鄰電池單元之間,每個該間隔元件包括至少一熱容層及至少一絕緣層;以及一個或多個延伸部分,係從該間隔元件延伸,其中,該延伸部基本上係彈性的;其中,該一個或多個延伸部分偏轉且形成在該間隔元件及該外殼之間的密封。
- 一種電池模組,包括:外殼,包括內表面且在內裡包圍內部空間;兩個或更多個電池單元,設置在該外殼的內部空間中;一個或多個間隔元件,設置在相鄰電池單元之間,該一個或多個間隔元件之每個包括至少一絕緣層;以及一個或多個延伸部分,係從該一個或多個間隔元件延伸,其中,該一個或多個延伸部分係由熱活化材料形成;其中,該一個或多個延伸部分偏轉且形成在該間隔元件及該外殼之間的密封。
- 如請求項50之電池模組,其中,該熱活化材料包括形狀記憶材料。
- 如請求項51之電池模組,其中,該形狀記憶材料為形狀記憶合金。
- 如請求項50之電池模組,其中,該熱活化材料包括膨脹材料。
- 如請求項50之電池模組,其中,該熱活化材料包括形狀記憶材料及膨脹材料之組合。
- 如請求項50至54中任一項之電池模組,其中,該一個或多個延伸部分在偏轉時產生在對該電池模組之其餘部分密封的區域。
- 如請求項50至54中任一項之電池模組,其中,該一個或多個延伸部分包括第一延伸部分及第二延伸部分,該第一延伸部分在與第二延伸部分相反的方向上偏轉。
- 一種電池模組,包括:外殼,包括內表面且在內裡包圍內部空間;兩個或更多個電池單元,設置在外殼的內部空間中;一個或多個間隔元件,設置在相鄰電池單元之間,該一個或多個間隔元件之每個包括至少一絕緣層;以及一個或多個延伸部分,係從該外殼的內表面延伸,其中,該一個或多個延伸部分係由熱活化材料形成;其中,該一個或多個延伸部分偏轉且形成在該間隔元件及該外殼之間的密封。
- 如請求項57所述之電池模組,其中,該熱活化材料為形狀記憶材料。
- 如請求項57所述之電池模組,其中,該熱活化材料係形狀記憶材料及膨脹材料的組合。
- 如請求項57所述之電池模組,其中,該一個或多個間隔元件包括氣凝膠。
- 如請求項57所述之電池模組,其中,該一個或多個間隔元件包括膨脹材料。
- 一種電池模組,包括:外殼,包括內表面且在內裡包圍內部空間;兩個或更多個電池單元,設置在該外殼的內部空間中;以及一個或多個間隔元件,設置在相鄰電池單元之間,該一個或多個間隔元件之每個包括至少一絕緣層,該至少一絕緣層係與至少一包含形狀記憶材料之熱傳導層物理接觸;和其中,該至少一傳導層的形狀記憶材料在熱活化時偏轉以在間隔元件和兩個或更多個電池單元中的至少一者之間形成間隙。
- 如請求項62所述之電池模組,其中,該形狀記憶材料係鎳鈦諾。
- 如請求項62所述之電池模組,其中,該形狀記憶材料係板狀。
- 如請求項62所述之電池模組,其中,該形狀記憶材料分散在該至少一熱傳導層各處。
- 如請求項65所述之電池模組,其中,當熱活化時,該形狀記憶材料為膨脹彈簧形式。
- 如請求項62至65中任一項所述之電池模組,復包括與該兩個或更多個電池單元熱接觸的冷卻系統。
- 如請求項67所述之電池模組,其中,該冷卻系統係冷卻板。
- 一種電能儲存系統,係包括請求項1至68中任一項所述所述之複數電池模組。
- 一種包括請求項69所述之電能儲存系統的裝置或車輛。
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