用于可再充电的电能存储系统的热屏障材料技术方案

提供了一种用于在可再充电的电能存储系统中用作隔热屏障和/或火焰屏障的多层材料。该多层材料包括至少一个无机织物层，该无机织物层通过无机粘合剂粘结到包括无机颗粒和无机纤维的非织造层，其中该无机粘合剂。该无机粘合剂可以是改性无机粘合剂，基于该无机粘合剂的总固体含量，该改性无机粘合剂包括至少99重量％的无机成分和至少0.01重量％且小于1重量％的有机添加剂。量％的有机添加剂。量％的有机添加剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于可再充电的电能存储系统的热屏障材料

技术介绍

[0001]本专利技术涉及多层材料在可再充电的电能存储系统中作为隔热屏障的用途，该可再充电的电能存储系统包括例如电池组中的多个单个的可再充电的电池单元或电池单元模块。特别地，本专利技术涉及电动车辆电池模块，并且尤其涉及用于管理电池模块热逸溃事故的防爆和耐热屏障制品。
[0002]包括多个单个的电池单元(诸如例如锂离子电池单元)的可再充电或可重复装载的电池或可再充电的电能存储系统是已知的，并且用于包括例如作为移动电话和便携式计算机或电动汽车或车辆或混合动力汽车的电力供应的若干
中。
[0003]还已知的是，特别地，可再充电的电池单元(诸如锂离子电池单元)有时经历由诸如电池单元内的短路、电池单元使用不当、制造缺陷或暴露于极端外部温度的事件引起的内部过热。当由高温引起的电池单元内的反应速率增加到在电池单元内产生的热量超过可抽出的热量并且所产生的热量导致反应速率的进一步增加并继而导致所产生的热量的进一步增加的点时，这种内部过热可导致所谓的“热逸溃”。例如，在锂离子(Li
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ion)电池中，这种缺陷电池单元内产生的热量可达到500℃至1000℃，在局部热点中甚至可达到更高温度。
[0004]特别地，在这种情况下，关键的是中断或至少减少从缺陷电池单元或电池单元组到存储系统的其它部分的热传递或存储系统周围的热传递，这是因为在缺陷电池单元或电池单元组中产生的热量可扩散到邻近的电池单元，这继而会引起过热，并且然后经历热逸溃。同样，重要的是将热传递限制在存储系统周围的部分，当遭遇上述温度时，这些部分可被破坏或损坏，从而导致电气短缺，这继而可由于其它电池单元进入热逸溃状态而导致不想要的影响。
[0005]因此，通常提供安全预防措施以保护过热的电池单元或组的环境免受所产生的热量的影响，尤其包括尚未受影响的电池单元或组以及包含电池单元的系统或装置或设备的周围构造元件。
[0006]为此，例如已经建议在存储系统的内部插入隔热屏障元件，以便防止或减少从过热电池单元或电池单元组到其它电池单元或电池单元组和/或存储系统环境的热传递。
[0007]这种情况例如在美国公开第2006/0164795号(Jones等人)或美国专利第8,541,126号(Hermann等人)中有所描述。根据这些先前技术文件，热屏障元件可例如由陶瓷材料组成，该陶瓷材料为诸如氧化铝、氧化镁、二氧化硅、硅酸钙、硅酸钙镁或铝硅酸盐，这些材料提供约500℃至约1500℃和更高的熔化温度，即远高于在电池中热逸溃事件期间通常甚至在短时间内实现的温度，同时兼具相对低的热导率，诸如小于50W/mK的热导率(在25℃下测量)。此类陶瓷元件可例如由通过将浸渍有合适的耐温性的树脂的所述陶瓷材料的多个层压物压缩而制备的板组成。
[0008]在EP 3 142 166A1中公开了一种可压缩复合材料，该可压缩复合材料尤其用作用于电池的隔热屏障元件，该可压缩复合材料是具有基本上刚性板和可压缩层的层状组件，该基本上刚性板和可压缩层在垂直于其大表面的方向上交替堆叠。
[0009]根据2018年3月14日在全球注册中建立的联合国第20号全球技术法规(即“电动车辆安全技术法规(EVS)”)，未来的车辆需要满足以下要求：
[0010]为了确保配备包含易燃电解液的可再充电的电能存储系统(REESS)的车辆的整体安全性，车辆乘员不应暴露于扩散(这由于内部短路而由单个的电池热逸溃触发)导致的危险环境。第一个目标是完全抑制热蔓延。如果不能完全抑制热蔓延，则要求不发生外部火灾或爆炸，并且在热事件警告后5分钟内没有烟雾进入客舱。
[0011]用于可再充电的能量存储系统的外壳例如可由铝或有机聚合物片状模制化合物制成。温度一达到600℃和以上，两者就都可能被损坏。甚至在某些情况下，诸如例如由于事故或电绝缘材料的故障而使壳体变形，钢壳体可处于危险之中。一旦存在外壳内达到高于600℃的温度的热逸溃事件，就存在热量和气体逸出外壳的风险。
[0012]为了能够进行测试，在产品满足上述要求的情况下，已经开发了若干种测试方法，其中一种方法是所谓的钉子穿刺测试。
[0013]特别是在汽车工业中，另一趋势是值得注意的：可再充电的电能存储系统变得越来越大，并且能量密度越来越高，以便能够承载更多的能量，这有助于扩展车辆可利用完全充电的存储系统来驱动的范围，而无需对存储系统进行再充电。如果此类较大的存储系统出现故障，以下反应也可会变得更强烈，这是因为这些系统中存储的能量更高。这可导致更高的温度。
[0014]在电动车辆中使用可再充电的电池，包括镍金属氢化物或锂离子(Li
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Ion)来储存能量和提供电力。电流在再充电期间流入电池或从电池流出到车辆和其附件中，都会产生热量，这些热量需要管理/耗散，热量与电流的平方乘以电池单元和互连系统的内阻成比例。电流越高，加热效应越强。
[0015]锂离子电池在特定操作温度范围内性能最佳。如果在规定范围的界限之外发生操作，则会损坏电池内的电池单元或加速电池单元的劣化。因此，取决于环境条件，电池可能还需要冷却或加热。这继而推动了在使用和再充电之前和期间有效地管理电池的热方面的需求。
[0016]电动车辆电池模块包括数百个电池单元，这些电池单元可通过各种电连接(即母线)存储在以组的形式彼此连接的袋中。当电池模块中的一个电池单元因为其操作中的刺穿、损坏或故障而着火时，会发生称为热逸溃蔓延的灾难性现象。所产生的火扩散到邻近的电池单元，并且然后在整个电池中以链式反应扩散到电池单元。这些火灾可能非常严重，在诸如电动车辆的高功率设备中尤为如此，在高功率设备中常见的是电池组包含数十、数百或甚至数千个单独单元。此类火灾不限于电池，并且可以扩展到车辆的周围结构并且危及乘员或这些电池所在的其它结构。
[0017]当热逸溃发生在电池单元中时，如果电池单元突然爆炸，也期望热管理系统阻挡和/或容纳喷射的碎片。在电动车辆应用中，同样重要的是，保护乘员免受火灾所产生的热量影响，从而允许有足够的时间使车辆停止并且逃离车辆。
[0018]热逸溃蔓延造成的严重风险需要电池模块的设计，该电池模块具有爆炸和隔热屏障，以减轻这种热逸溃的影响，并且为车辆乘员提供在火灾时安全撤离的时间。

技术实现思路

[0019]鉴于上述内容，仍然需要提供有助于防止或延迟可再充电的电能存储系统内的热蔓延以及到可再充电的电能存储系统周围或外部的部分的热传递的合适的材料和合适的布置，该可再充电的电能存储系统周围或外部的这些部分在遭遇上述条件和温度时可能被破坏或损坏。还需要这样的合适的材料，这些材料易于在组装过程中使用并且为设计可再充电的电能存储系统提供灵活性。
[0020]本专利技术涉及电动车辆电池模块，并且尤其涉及用于管理电池模块热逸溃事故的防爆和耐热屏障制品。所提供的制品可特别适用于例如汽车或其它电气化运输应用和固定式储能应用。
[0021]在示例性实施方案中，本专利技术提供了多层材料在可再充电的电能存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在可再充电的电能存储系统中用作隔热屏障的多层材料，多层材料包括：至少一个无机织物层，所述至少一个无机织物层通过无机粘合剂粘结到包括无机颗粒和无机纤维的非织造层，其中所述无机粘合剂是改性无机粘合剂，基于所述无机粘合剂的总固体含量，所述改性无机粘合剂包括至少99重量％的无机成分和至少0.01重量％且小于1重量％的有机添加剂。2.根据权利要求1所述的多层材料，其中所述无机织物包括E
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玻璃纤维、R
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玻璃纤维、ECR
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玻璃纤维、玄武岩纤维、浸出和离子交换纤维、陶瓷纤维、硅酸盐纤维、钢丝或它们的组合。3.根据权利要求1或2所述的多层材料，其中所述无机织物是玻璃纤维织物。4.根据权利要求3所述的多层材料，其中所述玻璃纤维织物涂覆有硅酸钙涂层。5.根据前述权利要求中任一项所述的多层材料，其中所述至少一个非织造层包括E
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玻璃纤维、S
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玻璃纤维、R
‑
玻璃纤维、ECR
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玻璃纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、多晶纤维、非生物持久性纤维、氧化铝纤维、二氧化硅纤维或它们的组合。6.根据前述权利要求中任一项所述的多层材料，其中所述至少一个非织造层包括无机纸或无机板。7.根据前述权利要求中任一项所述的多层材料，其中所述非织造层是包括玻璃纤维和微纤维、无机颗粒和有机粘合剂粘结剂的无机绝缘纸。8.一种用于在可再充电的电能存储系统中用作隔热屏障的多层材料，所述多层材料包括：无机纸，所述无机纸包括玻璃纤维和微纤维、无机颗粒和有机粘结剂，和经过表面涂覆的玻璃纤维织物层，所述经过表面涂覆的玻璃纤维织物层通过无机粘合剂粘结到所述无机纸的主表面。9.根据权利要求8所述的多层材料，其中所述玻璃纤维织物涂覆有硅酸钙涂层。10.根据权利要求8或9中任一项所述的多层材料，其中所述无机粘合剂是改性无机粘合剂，基于所述无机粘合剂的总固体含量，所述改性无机粘合剂包括至少99重量％的无机成分和至少0.01...

【专利技术属性】
技术研发人员：米切尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：