用于缓解电能储存热事件的材料、系统及方法技术方案

本公开涉及用以管理储能系统中的热失控问题的材料及系统。示例性实施例包括绝热材料，该绝热材料包括多层。该多层绝热材料包括至少一绝缘层、至少一可压缩垫，以及可选的一个或多个层，其具有良好的散热特性，具有良好的防火、阻燃和/或耐磨特性，具有良好的性能以用作绝热层。本公开进一步涉及一种电池模块或电池组，其具有一个或多个电池单元以及经布置与该电池单元热连通的该多层绝热材料。与该电池单元热连通的该多层绝热材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于缓解电能储存热事件的材料、系统及方法
[0001][相关申请的交叉引用][0002]本申请主张标题为“Materials,Systems,and Methods for Mitigation of Electrical Energy Storage Thermal Events”，于2021年7月2日提交的美国临时专利申请号63/218,205的利益及优先权，其内容通过引用整体纳入本申请。


[0003]本公开通常涉及用于防止或缓解储能系统中的热事件(例如热失控问题)的材料及系统。尤其，本公开提供多层绝热材料，其包括至少一绝缘层、至少一可压缩垫，以及可选的一个或多个层，其具有良好的散热特性，具有良好的防火、阻燃及/或耐磨特性，且/或具有良好的性能以用作绝热层。本公开进一步涉及包括该多层绝热材料的具有一个或多个电池单元的电池模块或电池组，以及包括该些电池模块或电池组的系统。

技术介绍

[0004]可充电电池(例如锂离子电池)在电力驱动及储能系统中已得到广泛应用。与传统电池相比，锂离子电池(Lithium
‑
ion battery；LIB)因其高工作电压、低记忆效应和高能量密度而被广泛用于为便携式电子装置如手机、平板计算机、膝上型计算机、电动工具，以及其他大电流装置如电动汽车供电。然而，安全是个问题，因为LIB在“滥用状况”下(例如，当可充电电池被过度充电(充电超过设计电压)、过度放电、操作于或暴露于高温高压下时)容易发生灾难性故障。因此，窄的操作温度范围和充电/放电速率限制LIB的使用，因为当LIB经历在其设计窗口之外的状况时可能因快速自加热或热失控事件而失效。
[0005]如图1中所示，LIB的电化学电池主要由正电极、负电极、能够传导锂离子的电解质、分离正电极与负电极的隔离膜、和受电器组成。LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、Li2TiO3、LiNi
0.8
Co
0.15
Al
0.05
O2(NCA)和LiNi
1/3
Co
1/3
Mn
1/3
O2(NMC)为广泛用于锂离子电池的六种阴极材料。这六种电池占据当今电池市场中的大部分市场占有率。该电解质由溶解于特定溶剂(主要包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸丙烯酯(PC))中的锂盐组成。该锂盐通常选自LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiBOB等。隔离膜材料通常为聚烯烃基树脂材料。在商用锂离子电池中，通常使用聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微孔膜作为隔离膜。通常使用铝箔作为该正电极的受电器，并将铜箔用于该负电极。碳基材料(包括硬碳、碳纳米管和石墨烯)目前为商用锂离子电池的大多数负电极的主要选择；其他新型负电极材料(例如钛基氧化物、合金/去合金材料和转换材料)也已被研究并显示出良好的热性能及电化学性能。
[0006][在正常状况下的LIB的操作][0007]在正常操作下，锂离子通过扩散及迁移自一电极穿过电解质和隔离膜移动至另一电极。
[0008]对LIB充电使电解质溶液中的锂离子从阴极穿过隔离膜迁移并自行插入阳极中(图2)。电荷平衡电子也移动至阳极，但经过充电器中的外部电路。放电时，发生逆向过程，且电子流过被供电的装置(图2)。在此过程期间，通过三种主要机制在该电池内产生热。第
一种为可逆热，经由与在锂化过程(放电)和脱锂过程(充电过程)期间发生的氧化还原反应相关的熵变引起。可逆热也被称为熵热。第二种机制为与该电池中的过电位所造成的电极极化相关的不可逆热。最后，存在与欧姆损耗相关的不可逆热，称为焦耳加热(Joule heating)。焦耳加热归因于电池内的锂离子及电子的运动。在正常状况下，自生热极低，通常微不足道，并可轻松地通过良好的电池设计或电池热管理系统消散。然而，在滥用状况下，可发生数种副反应，造成热失控。理解热失控的原因可指导功能材料的设计，以提升LIB的安全性及可靠性。
[0009][热失控和热失控传播的概述][0010]当内部反应速率增加至所产生的热超过可回收的热时，可能发生热失控，导致反应速率与热产生都进一步增加。在热失控期间，高温在电池中触发一连串放热反应，造成该电池的温度迅速升高。在许多情况下，当一电池单元中发生热失控时，所产生的热迅速加热与经历热失控的该电池紧邻的电池。被加入热失控反应的各电池都包含额外的能量来继续该反应，造成电池组内的热失控传播(图3)，最终导致火灾或爆炸的灾难。迅速散热以及有效阻断热传递路径可为有效的对策，以减少热失控传播所造成的危害。
[0011][热失控的诱因
‑
滥用状况][0012]热失控可由各种滥用触发，包括机械滥用、电性滥用，以及热滥用(图3)。每种滥用都可能在电池中诱发内部短路(internal short circuit；ISC)，导致温度升高。滥用状况可从外部或内部开始。例如，服务诱发应力、老化、设计误差(例如配置参数，如电池间距)、电池互连形式、电池形状因子、制造、操作和维护是可能造成各种滥用的内部因素。外部因素包括对LIB的损害或伤害，例如由跌落或电池的穿透导致。
[0013][机械滥用][0014]机械滥用主要由机械力引起，通常因外部因素(例如，严重的车祸，包括碰撞、挤压、穿透和弯曲)发生。当电池或电池组受到冲击或发生碰撞时，可能发生电池内部的潜在损害，包括隔离膜的破裂以及易燃电解质的渗漏，引发ISC，然后导致热失控。由施加力造成的破坏性变形及位移是机械滥用的两常见特征。在汽车碰撞期间，电池组很有可能变形。电动车辆上所记载的电池组的布局影响电池组的碰撞响应。电池组的变形可能导致危险的后果：电池隔离膜可能被撕裂，并发生内部短路(ISC)；易燃电解质渗漏并可能因此造成火灾。穿透是车辆碰撞期间可能发生的另一常见现象。与挤压状况相比，当穿透开始时，可能瞬间触发猛烈的ISC。机械破坏与电性短路同时发生，且穿透的滥用状况可能比简单的机械或电性滥用的状况更严重。
[0015][电性滥用][0016]电性滥用主要包括LIB的内部或外部短路、过度充电和过度放电。
[0017]内部短路发生于超过90％的滥用状况中。广义地说，当阴极与阳极因电池隔离膜的失效而彼此接触时，发生内部短路。内部短路可起因于(1)机械滥用，当隔离膜因穿透或挤压而破裂时；(2)电性滥用，当隔离膜被枝蔓晶体状生长(dendrite growth)刺穿时(图4)；以及(3)热滥用，当隔离膜在高温坍塌时。
[0018]当具有电压差的电极通过导体连接时，形成外部短路。电池组的外部短路可由汽车碰撞期间的变形、浸水、导体污染，或维护期间的电击等引起。与穿透相比，通常，于外部短路的电路上释放的热不会加热电池。外部短路可导致电池中的大电流及高热产生，这主
要由欧姆热产生引起。当温度开始超过约70℃时，电池开始破裂。因此，可能触发排气及电解质渗漏。
[0019]过度充电可被定义为对电池充电超过其设计电压。过度充电可由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种多层材料，其用作电能储存系统中的绝热层，所述多层材料包括：核心部分，其包括层状组件，所述层状组件包括至少一绝缘层和至少一热容层；外部部分，其设于所述核心部分的外部，所述外部部分包括至少一牺牲材料层，其中，所述牺牲材料层包括可压缩垫；其中，所述热容层具有至少约200J/(kg
‑
K)的比热容，并且其中，所述绝缘层具有在25℃小于约50mW/m
‑
K和在600℃小于约60mW/m
‑
K的贯穿所述绝缘层的厚度尺寸的导热率。2.一种多层材料，其用作电能储存系统中的绝热层，所述多层材料包括：核心部分，其包括层状组件，所述层状组件包括至少一绝缘层和至少一导热层；外部部分，其设于所述核心部分的外部上，所述外部部分包括至少一牺牲材料层；其中，所述导热层具有至少约200mW/m
‑
K的沿所述导热层的平面内尺寸的导热率，并且其中，所述绝缘层具有在25℃小于约50mW/m
‑
K及在600℃小于约60mW/m
‑
K的贯穿所述绝缘层的厚度尺寸的导热率。3.根据权利要求1或2所述的多层材料，其进一步包括夹置于所述核心部分与所述外部部分之间的封装材料层。4.根据权利要求1或2所述的多层材料，其进一步包括封装材料层，其中，所述外部部分夹置于所述核心部分与所述封装材料层之间。5.根据权利要求1至4中任一项所述的多层材料，其中，所述多层材料在未压缩状态下具有在约2mm与约10mm之间的平均厚度。6.根据权利要求1至5中任一项所述的多层材料，其中，所述绝缘层包括气凝胶。7.根据权利要求6所述的多层材料，其中，所述气凝胶包括增强材料。8.根据权利要求7所述的多层材料，其中，所述增强材料包括选自有机聚合物基纤维、无机纤维、碳基纤维或其组合的纤维。9.根据权利要求8所述的多层材料，其中，所述纤维采用离散纤维、织造材料、干式布层非织造材料、湿式布层非织造材料、针刺非织造材料、棉絮、网、垫、毛毡和/或其组合的形式。10.根据权利要求8所述的多层材料，其中，所述无机纤维选自玻璃纤维、岩石纤维、金属纤维、硼纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、或其组合。11.根据权利要求6至10中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶包括二氧化硅基气凝胶。12.根据权利要求6至11中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶包括一种或多种添加剂，所述一种或多种添加剂占所述气凝胶的至少约5至20重量百分比。13.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂占所述气凝胶的至少约10至20重量百分比。14.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂包括防火级添加剂。15.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂包括选自B4C、硅藻土、铁酸锰、MnO、NiO、SnO、Ag2O、Bi2O3、TiC、WC、炭黑、氧化钛、氧化钛铁、硅酸锆、氧化锆、氧化铁(I)、氧化铁(III)、二氧化锰、氧化钛铁(钛铁矿)、氧化铬、或其混合物的遮光剂。16.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂包括：包括碳化硅
的遮光剂。17.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂包括防火级添加剂与遮光剂的组合。18.根据权利要求6至17中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶具有在约0.25g/cc至约1.0g/cc的范围内的密度。19.根据权利要求6至18中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶具有约2MPa至约8MPa的弯曲模量。20.根据权利要求6至19中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶呈现抗压缩性，其中，在25％应变的所述抗压缩性在约40kPa至约180kPa之间。21.根据权利要求6至20中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶采用单块、微珠、颗粒、小粒、粉末、薄膜、薄片、或其组合的形式。22.根据权利要求1至21中任一项所述的多层材料，进一步包括封装材料层，其中，所述封装材料层包括金属层和一个或多个聚合物层，其中，所述封装层设于所述核心部分与所述外部部分之间。23.根据权利要求1至22中任一项所述的多层材料，其中，所述牺牲材料层包括选自由硅氧烷、聚烯烃、聚氨酯、酚醛树脂、三聚氰胺、乙酸纤维素和聚苯乙烯所组成的组的材料。24.根据权利要求1至23中任一项所述的多层材料，其中，所述牺牲材料层采用泡沫的形式。25.根据权利要求1至24中任一项所述的多层材料，其中，所述牺牲材料层的化学分解起始温度在约200℃至约400℃的范围内。26.根据权利要求1至25中任一项所述的多层材料，其中，所述绝缘层进一步包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉、及其组合所组成的组的材料。27.根据权利要求2至26中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层包括：包括金属、碳、导热聚合物、或其组合的至少一层。28.根据权利要求2至26中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层包括相变材料。29.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：亚斯朋空气凝胶公司，
类型：发明
国别省市：