CN108475748A - 微孔绝缘体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了绝缘体和聚合物涂覆的绝缘体。绝缘体可包括绝热纳米粒子和被配置为在挥发温度下挥发的粘结剂。绝缘体还可包括形成多孔结构的无机绝热材料。与多孔结构之外的气体相比，多孔结构可被配置为减少绝缘体中气体的平均自由路径。还提供了包括无机绝热材料和设置在无机绝热材料表面上的聚合物涂层的聚合物涂覆的绝缘体。绝缘体也可包括绝热纳米粒子和遮光剂。遮光剂可包括涂覆有耐火材料的含碳材料，所述耐火材料抑制碳氧化温度下的含碳材料的氧化。绝缘体或聚合物涂覆的绝缘体可设置在设备中的电池单元或电池单元块之间。
Description
优先权
本专利申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2015年12月15日提交的题为“Microporous Insulators Having Multifunctional Particles”的美国临时专利申请62/267，447、2015年12月15日提交的题为“Microporous Insulators HavingMultifunctional Particles”的美国临时专利申请62/267，455，以及2016年6月29日提交的题为“Microporous Insulators Having Multifunctional Particles”的美国临时专利申请62/356，322的权益，每个专利申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及绝热体。绝热体可用于多种应用中，包括作为多单元电池组中的电池单元之间的绝缘体。
背景技术
电池可包括具有多个电池单元的电池组。电池单元在异常情况下可经历一种热事件—称为热失控。电池单元的热失控是指电池单元产生比其消散更快的热的情况，从而导致温度升高，增加了热生成速率。
发明内容
在一个方面，本公开涉及绝热体(例如，微孔绝缘体)。绝缘体包括具有多孔结构的无机绝热材料。粘结剂设置在多孔结构内并且被配置成在挥发温度下挥发。在某些变型中，绝缘体可包括至少10体积％的粘结剂。在一些变型中，绝缘体可包括至少5体积％的无机绝热材料。
在一些方面，无机绝热材料包括设置成彼此接触以限定多孔结构的绝热纳米粒子。在各个方面，绝热纳米粒子可具有小于100纳米的平均粒度。另选地，无机绝热材料可包括气凝胶粒子。在非限制性变型中，无机绝热材料可包括二氧化硅、碳、氧化锆、二氧化钛或陶瓷。
在一些方面，无机绝热材料包括陶瓷纳米粒子。在一些变型中，陶瓷纳米粒子可包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铝或氧化锆。在一些变型中，陶瓷纳米粒子具有至少100m2/g的平均BET表面积。在另外的变型中，陶瓷纳米粒子包括热解法二氧化硅或二氧化硅气凝胶。
在一些变型中，粘结剂材料为有机材料或硅氧烷材料。在另外的变型中，粘结剂可以是选自聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚醚、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇、木质磺酸根、甲基纤维素、石蜡、硅酮、有机硅烷、淀粉、糊精和蜡乳液的材料。在另外的变型中，粘结剂可以是聚碳酸亚丙酯、聚碳酸亚乙酯或或聚碳酸亚己基酯。
在另外的变型中，粘结剂为至少20体积％的绝缘体。另选地，粘结剂为至少50体积％的绝缘体。在另一个替代方案中，粘结剂按体积计至少为70体积％的绝缘体。
在另一方面，粘结剂在1个大气压下具有不大于500℃的挥发温度。在一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于400℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于300℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于250℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于200℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于175℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于150℃的挥发温度。
在另外的变型中，绝缘体包括纤维材料。纤维材料的非限制性实施例可包括玻璃纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和陶瓷纤维。
在进一步的变型中，绝缘体在粘结剂挥发之前的机械强度大于粘结剂挥发之后的机械强度。例如，机械强度可被测量为弯曲强度。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之前的弯曲强度可比粘结剂挥发后大至少十倍。
在另一方面，本公开涉及绝缘体，所述绝缘体包括形成多孔结构的无机绝热材料。与多孔结构之外的气体相比，多孔结构可被配置为减少多孔结构中气体的平均自由路径。
在一些变型中，无机绝热材料包括设置成彼此接触的多个绝热纳米粒子。纳米粒子之间的空间可在绝缘体中形成孔。在一些变型中，绝热纳米粒子具有小于100纳米的平均粒度。另选地，无机绝热材料可包括气凝胶颗粒。在一些变型中，无机绝热材料可包括二氧化硅、碳、氧化锆、二氧化钛或陶瓷。
在另外的变型中，无机绝热材料可包括多功能绝热纳米粒子。多功能绝热纳米粒子可包括核、设置在核上方的第一层和设置在第一层上方的第二层。第一层为绝缘层或遮光剂，并且第二层为绝缘层或遮光剂的另一层。
多功能绝热纳米粒子可包括任意数量的任何次序的附加绝缘材料和遮光剂层。例如，在一些变型中，附加绝缘层设置在第二层上，并且附加遮光剂层设置在附加的绝缘层上。另选地，附加遮光剂层可设置在第二层上，并且附加的绝缘层可设置在附加遮光剂层上。以举例的方式并且非限定地，可添加绝缘层和/或遮光剂层中每一个的一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或更多个层。
在另一方面，本公开涉及聚合物涂覆的绝缘体。所述聚合物涂覆的绝缘体包括无机绝热材料和设置在所述无机绝热材料的表面上的聚合物涂层。在一些非限制性变型中，无机绝热材料可包括彼此接触以限定多孔结构的绝热纳米粒子。无机绝热材料可包括气凝胶粒子。在一些变型中，无机绝热材料可选自二氧化硅、碳、氧化锆、二氧化钛和陶瓷。
在一些变型中，聚合物涂层可以是聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚酯或聚酰亚胺。聚合物涂层可具有各种厚度。在一些实施例中，聚合物涂层可具有小于或等于500微米的平均厚度。在一些实施例中，聚合物涂层可具有小于或等于400微米的平均厚度。在一些实施例中，聚合物涂层可具有小于或等于300微米的平均厚度。在一些实施例中，聚合物涂层可具有小于或等于200微米的平均厚度。在一些实施例中，聚合物涂层可具有小于或等于100微米的平均厚度。
在一些实施例中，聚合物涂层可具有小于或等于300微米的厚度。聚合物涂层可渗透到无机绝热材料中，例如平均超过10微米。
在另外的变型中，绝缘体或聚合物涂覆的绝缘体可包括遮光剂，所述遮光剂被配置为吸收一个或多个红外线波长下的电磁辐射。在各方面中，该遮光剂的平均消光系数在大于250℃的温度下大于1x104m-1。在各种非限制性变型中，遮光剂可以是碳化硅、二氧化钛或含碳材料。在一些非限制性变型中，遮光剂包括含碳材料，诸如石墨、炭黑、碳纳米管或石墨烯。含碳材料可涂覆有被配置为抑制碳氧化温度下的氧化的耐火材料。此类耐火材料的非限制性实施例包括二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、镍、氮化硼、氧化锆和氟化铝。在一些变型中，涂覆有耐火材料的遮光剂的氧化温度大于800℃。在一些附加变型中，含碳材料的纵横比大于5:1。也可使用非碳遮光剂。
在另外的变型中，绝缘体的热导率在粘结剂挥发后小于0.05W/m·K，例如在800℃下。在其他变型中，绝缘体的热导率在粘结剂挥发之前大于0.1W/m·K，例如在室温下。
在另一方面，本公开涉及绝缘体，所述绝缘体包括绝热材料和遮光剂。遮光剂包括涂覆有耐火材料的含碳材料，所述耐火材料抑制碳氧化温度下的含碳材料的氧化。在一些方面，所述导热材料为具有多孔结构的无机绝热材料。绝热材料可以是任何绝缘材料，包括但不限于本文所述的无机绝热材料。
在一些变型中，含碳材料选自石墨、炭黑、碳纳米管和石墨烯。在一些变型中，耐火材料选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、镍、氮化硼、氧化锆和氟化铝。在一些变型中，涂覆有耐火材料的遮光剂的氧化温度大于800℃。在一些变型中，含碳材料的纵横比大于5:1。在一些变型中，含碳材料共价键合到到耐火材料。在一些变型中，绝缘体可包括不超过40重量％的遮光剂。
在另一方面，本公开涉及制造绝缘体的方法。在一些绝缘体中，将粘结剂溶解于溶剂中以形成粘结剂溶液。将无机绝热材料暴露于粘结剂溶液，所述粘结剂溶液浸渍无机绝热材料的多孔结构。粘结剂可在无机绝热材料的多孔结构中固化。在一些变型中，粘结剂在无机绝热材料的孔内沉淀。
在另一方面，制造方法包括将多孔无机绝热材料暴露于粘结剂前体组合物。粘结剂前体组合物可包括粘结剂单体。然后使粘结剂单体聚合以形成粘结剂浸渍的无机绝热材料。
设想了本文所述的绝缘体的各种附加方法。在另一方面，无机绝热材料暴露于粘结剂溶液以浸渍多孔结构。将粘结剂浸渍的材料沉积在基底上。然后将粘结剂在多孔结构内固化。在一些方面，将粘结剂浸渍的材料加热以将粘结剂固化在多孔结构内。
在另一方面，可将粘结剂浸渍的材料沉积在模具中。可将模具加压以将粘结剂固化在多孔结构中。
在另一方面，制造绝缘体的方法包括将粘结剂和无机绝热材料混合以形成混合物。该混合物可被压缩以形成具有多孔结构的无机绝热材料，其中粘结剂浸渍多孔结构。另选地，可以挤出混合物以形成具有多孔结构的无机绝热材料，其中粘结剂浸渍多孔结构。所述方法还可包括加热所述粘结剂浸渍的无机绝热材料。
在另一方面，本公开涉及制造聚合物涂覆的绝缘体的方法。将无机绝热材料的表面暴露于涂料组合物以在无机绝热材料的表面上形成聚合物涂层。使聚合物涂层渗入无机绝热材料中至少平均10微米。然后固化聚合物涂层。
在一些变型中，涂料组合物可包括聚合物涂层的一种或多种前体(例如，单体)。在各个方面，涂料组合物包含聚合物涂层的聚合物。
在一些变型中，将无机绝热材料暴露于聚合物涂层的步骤包括用涂层组合物喷涂无机绝热材料表面。在其他变型中，暴露步骤包括用涂层组合物浸涂无机绝热材料的表面。
在制造绝缘体和聚合物涂覆的绝缘体的各种方法中，可将附加组分诸如纤维材料和遮光剂(包括涂覆的遮光剂)添加到任何方法步骤和任何顺序中。
在另一方面，本公开涉及包括第一电池单元和第二电池单元的设备，所述电池单元具有设置在其间的绝缘体或聚合物涂覆的绝缘体。该设备还可包括设置在第一电池单元和第二电池单元之间的金属层。在一个变型中，设备包括与第一电池单元热接触的第一绝缘体，与第二电池单元热接触的第二绝缘体，以及设置在第一绝缘体和第二绝缘体之间的金属层。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将容易理解本公开，其中类似的参考标号指代类似的结构元件，并且其中：
图1A为根据一些示例性实施方案的描绘用于电池单元的绝缘外壳的剖视图；
图1B为根据一些示例性实施方案的示意图，其描绘包括绝缘体和底部部分上的导热层的电池单元的绝缘外壳；
图1C是示出根据一些示例性实施方案的具有设置在第一电池单元和第二电池单元之间的绝缘体的电池组的透视图；
图1D为根据一些示例性实施方案的描绘绝缘外壳层的剖视图；
图2是根据一些示例性实施方案的示意图，其描绘在热分解事件之前和之后的绝缘体的一部分；
图3是根据一些示例性实施方案的描绘由于热失控事件而导致绝缘体的热导率变化的代表性曲线图；
图4为根据一些示例性实施方案的用于各种材料的热导率与温度的代表性曲线图；
图5是根据一些示例性实施方案的描绘具有不同粘结剂加载的绝缘体的弯曲强度与粘结剂加载的代表性曲线图；
图6是根据一些示例性实施方案的描绘经受热处理的绝缘体的质量损失的代表性曲线图；以及
图7是根据一些示例性实施方案的描绘了不包括粘结剂的绝缘体、包括粘结剂的绝缘体以及粘结剂挥发之后(即，烧掉后)的绝缘体的热导率的代表性曲线图；
图8描绘了根据示例性实施方案的单独的绝热多功能纳米粒子800的剖视图；并且
图9示出了根据示例性实施方案的绝缘体的一部分的剖面图。
具体实施方式
现在将参照附图来进行对各种实施方案的描述。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。
热可在锂离子电池中的电池单元之间传播。在这些条件下，电池单元温度会由于内部自加热而上升，直到电池单元发生故障为止，释放热量和蒸发的电解质。在多单元电池组中，由此类热失控事件产生的热量可引起相邻电池单元中的热失控，最终传播到整个电池组。该传播风险限制使用高能量、热敏电池单元，诸如包含Li(Ni,Co,Al)O2、LiCoO2、或镍富Li(Ni,Co,Mn)O2阴极材料，并因此限制了总体电池组能量密度。
减少热失控传播风险的一种方法是在电池单元之间插入热绝缘，这可涉及将片材或其他平面结构化主体置于电池单元之间。此类热绝缘降低热失控事件期间将热传递到相邻小区的速率。此外，如果此类热绝缘具有大于通过平面热导率的平面内热导率，则可远离相邻电池单元传导热，而不是导向电池组冷却系统或其他非热敏质量块。本公开提供了绝缘体和制备其的方法。在各个方面，绝缘体可设置在单个电池单元或多单元电池组中的单元块之间。
I.在电池单元之间绝缘外壳中的绝缘体
图1A和图1B表示根据一些示例性实施方案的用于电池单元的绝缘外壳100的剖视图。绝缘外壳100包括内金属层102、绝缘体104和外金属层106。内金属层102和外金属层106可由铝材料或不锈钢材料形成。绝缘体104可选自本文所述的任何绝缘体。绝缘体104可由无机绝热材料形成，诸如相对于图2-图7所述的那些。外金属层106用作绝缘外壳100的热导体，从外壳的绝缘体传导热量。绝缘体104可设置在绝缘外壳100的所有壁和其封盖内，诸如图1A所示。
另选地，绝缘体104可仅在一些壁中，其中非绝缘壁允许热传导进入或离开电池单元。在一些实施方案中，诸如图1B所示的那样，绝缘体104缺少绝缘外壳100的底部部分108。底部部分110包括允许热离开电池单元的导热层(例如金属层或板)。在一些变型中，热可在热失控失效事件期间转移。此类热流的方向由图1B中的箭头112示出。
图1C表示根据一些示例性实施方案的设置在第一电池单元124和第二电池单元126之间的绝缘体122(例如，微孔绝缘体)的透视图。虽然图1C描绘电池组120，该电池组120具有两个电池单元124，126，但该变型不旨在限制。两个以上的电池单元可被布置成具有设置每一个之间的绝缘体。绝缘体122可设置在此类电池单元之间的任何构型中。
图1D表示根据一些示例性实施方案的通过绝缘体148和156以及金属层152分离的两个电池单元140和142的透视图。在图1D的实施方案中，电池单元140和142中的每一个分别与绝缘体148或156热接触。金属层152将绝缘体148和156分离。更具体地讲，绝缘体148与电池单元140热接触。金属层152与电池单元140相对的绝缘体148热接触。金属层152与绝缘体148相对的绝缘体156热接触。绝缘体156与绝缘体148相对的金属层152热接触。绝缘体156也与金属层152相对的电池单元142热接触。在各种方面，可通过粘合剂等将彼此热接触的部件彼此粘合。
金属层152可为任何金属，包括但不限于铝合金或不锈钢。绝缘体148可为本文所述的绝缘体的任何变型。在各个方面，金属层152可用作热导体以将热传导远离电池。
应当认识到，绝缘体和金属层的厚度不能缩放。虽然图1D描绘电池组120，该电池组120具有两个电池单元124，126，但该变型不旨在限制。电池组120可具有多于两个电池单元。
绝缘体、金属层或其他部件可以任何顺序或布置方式以任何构型设置在此类电池单元之间。还应当认识到，图1C或图1D中所示的绝缘体可以是本文所述或本领域已知的任何绝缘体。在不同的变型中，绝缘体可以是绝缘体或聚合物涂覆的绝缘体，如本文所述。
在各个方面，绝缘体厚度可在0.05-50毫米的范围内。在一些变型中，绝缘体厚度为1毫米到15毫米。在一些变型中，绝缘体厚度为1毫米到10毫米。同样，当金属与绝缘体相关联时，金属的厚度为0.001到2毫米。在一些变型中，金属厚度可为0.01到1.0毫米。在一些变型中，金属厚度可为0.05至0.5毫米。金属层可以是本领域已知的任何金属，包括铝，钢或它们的合金。
II.绝缘体
本文描述了各种绝缘体。在各个方面，绝缘体可以是包括形成多孔结构的无机绝热材料和本文所公开的粘结剂的绝缘体。另选地，绝缘体可包括具有多孔结构的无机绝热材料，所述多孔结构被配置为与多孔结构之外的气体相比减少绝缘体中气体的平均自由路径。在其它方面，绝缘体为聚合物涂覆的绝缘体。在此类情况下，将聚合物涂层设置在无机绝热材料的表面上，并渗透到绝热材料中。
尽管本文详细描述了上述变型，但应当认识到，可使用本领域已知的其他绝缘体。虽然绝缘体可用于电池技术，但绝缘体也可用于其他用途。
II.A.热关断绝缘体
在一些变型中，绝缘体可具有形成多孔结构的无机绝热材料，以及设置在多孔结构内的粘结剂。无机绝热材料可由多孔结构中的无机导热纳米粒子形成。在一些变型中，无机绝热材料可由包含孔(例如气凝胶)的粒子形成。
如本文所公开，多孔结构可具有平均孔径。在一些变型中，平均孔径等于或小于500纳米。在另一些变型中，平均孔径等于或小于200纳米。在另一些变型中，平均孔径等于或小于100纳米。在另一些变型中，平均孔径等于或小于50纳米。在另一些变型中，平均孔径等于或小于20纳米。
当粘结剂设置在无机绝热材料中时，绝缘体可相对于不含粘结剂的绝缘体表现出增强的机械性能。这些增强的机械性能可包括但不限于增强的拉伸强度，增强的压缩强度，增强的弯曲强度，增强的剪切强度和增强的疲劳强度(例如，抗振性)。
粘结剂可被配置为在挥发温度下挥发。如本文所述，挥发温度为1毫米直径粘结剂粒子在10分钟的挥发时间内挥发的温度。在一些替代方案中，挥发温度为1毫米直径粘结剂粒子在五分钟挥发时间内挥发的温度。在另外的替代方案中，挥发温度为1毫米直径粘结剂粒子在一分钟挥发时间内挥发的温度。在粘结剂挥发之后，无机绝热材料具有低的热对流和低热导率。
无机绝热材料可以是本领域已知的任何绝热材料。在一些变型中，无机绝热材料可以是多孔材料。此类多孔材料的一些实施例包括由绝热粒子或气凝胶形成的材料。示例性材料包括但不限于二氧化硅，碳，氧化锆和二氧化钛。
图2示出了根据一些示例性实施方案的热事件之前的时间202和热事件之后的时间204处的绝缘体200的一部分的示意图。热事件可对应于电池单元中的热失控。在图2的实施方案中，绝缘体200包括绝热纳米粒子206，其在维度上可为纳米标度(即，<100纳米)。在绝缘体200中，单独的绝热纳米粒子206聚集以形成单元208，其可为开放单元、闭合单元或它们的组合。这些单元208限定孔并且作为组合形成多孔结构。应当理解，单元208可在尺寸上延伸以产生几乎任何尺寸和形状的固体主体。
绝缘体200还包括设置在其中的粘结剂210。粘结剂210可填充多孔结构中的大体所有的孔，如图2的包含粘结剂的绝缘体202所示。粘结剂210可在较低的温度(例如，小于200℃)下改善绝缘体200的机械强度和耐久性。粘结剂210还可在这些较低的温度下增加绝缘体200的总体热导率。在挥发温度(例如，大于200℃)下，粘结剂210挥发以形成高度绝缘材料，液体，气体或它们的一些组合。此类挥发可为吸热的。粘结剂可能在挥发温度以上发生相变，分解或两者。
热事件之后，绝缘体200基本上不含粘结剂210，如图2的不含粘结剂的绝缘体204中所示。挥发温度可取决于选择用于填充绝缘体200的粘结剂210的类型。
应当理解，粘结剂210允许绝缘体200在电池单元的正常操作温度下更导热。然而，在热事件期间或之后，绝缘体200变得更绝热。在各个方面，热事件的热触发绝缘体200中的挥发事件。
此外，绝热纳米粒子206之间的接触表面积减小可阻碍通过传导的热流。绝热纳米粒子可具有高球度，以减小相邻粒子之间的接触表面积。减小的接触表面积降低了可用于热在粒子之间流动的界面，从而降低绝缘体200的总体热导率。因此，通过减少对流热传递和传导热传递，绝缘体200相对于常规绝缘体提供了改进的对热量流动的阻力。
返回到图1C，绝缘体122可包括具有多孔结构的绝缘层。绝缘体122可例如由设置成彼此接触以限定多孔结构的绝热纳米粒子形成。另选地，绝缘体可由气凝胶粒子形成。配置为在挥发温度下挥发的粘结剂可设置在多孔结构内。挥发温度低于电池单元124，126中热失控的起始温度。如果绝缘体122的一部分的温度达到挥发温度，则粘结剂挥发并离开绝缘体122。挥发后，绝缘体122的热导率降低。在一些变型中，粘结剂可吸收来自电池单元的热量。此类热吸收可有助于防止热失控蔓延至另一个电池单元。在其他变型中，粘结剂可将热量释放到电池单元。绝缘体122的机械强度也可减小。
同样，返回到图1D，绝缘体148和156可为具有多孔结构的无机绝热材料的绝缘体。无机绝热材料可由绝热纳米粒子或气凝胶形成。配置为在挥发温度下挥发的粘结剂可设置在多孔结构内。当绝缘体148或156中的粘结剂挥发时，绝缘体的热导率降低。热可被传导到金属层152，然后沿着金属层离开电池。金属层可将热传导远离电池。
应当指出的是，图1C和图1D的层不必按比例绘制。例如，在各种方面，各种金属层可大体上比无机绝热材料薄。同样，各种无机绝热材料，金属层和电池单元可与粘合剂保持接触，所述粘合剂可具有的厚度小于或大于无机绝热材料或金属层的厚度。
图3示出了根据一些示例性实施方案的由于热失控事件引起的绝缘体的热导率变化的曲线图300。导致热失控事件的热导致热导率快速下降，如图3中的实线302所示。在与正常操作相关的温度下，绝缘体具有大于0.1W/m·K的室温热导率以及增强的机械强度。在与热失控相关联的温度(即，大于80℃)下，绝缘体在粘结剂挥发之后具有低热导率(即，<0.05W/m·K)。在图3中，绝缘体描绘为约120℃的挥发温度，其低于热失控的起始温度(即，约190℃)。应当理解，图3所示的挥发温度和起始温度不旨在于限制。其它挥发温度和起始温度是可能的，但仍保持在本公开的范围内。
在一些变型中，在粘结剂挥发之后，绝缘体在25℃下具有不超过0.5W/(m*K)的热导率。在一些变型中，在粘结剂挥发之后，绝缘体在25℃下具有不超过0.4W/(m*K)的热导率。在一些变型中，在粘结剂挥发之后，绝缘体在25℃下具有不超过0.35W/(m*K)的热导率。在一些变型中，在粘结剂挥发之后，绝缘体在25℃下具有不超过0.3W/(m*K)的热导率。在一些变型中，在粘结剂挥发之后，绝缘体在25℃下具有不超过0.2W/(m*K)的热导率。在一些变型中，在粘结剂挥发之后，绝缘体在25℃下具有不超过0.1W/(m*K)的热导率。在一些变型中，在粘结剂挥发之后，绝缘体在25℃下具有不超过0.05W/(m*K)的热导率。在一些变型中，在粘结剂挥发之后，绝缘体在25℃下具有不超过0.03W/(m*K)的热导率。在一些变型中，在粘结剂挥发之后，绝缘体在25℃下具有不超过0.02W/(m*K)的热导率。
绝热纳米粒子的实施例包括二氧化硅(例如热解法二氧化硅)，氧化锆，陶瓷(例如二氧化钛)，绝缘纤维产品和云母。其它材料也是可能的。在一些方面，无机绝热材料包括陶瓷纳米粒子。在一些变型中，陶瓷纳米粒子可包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铝或氧化锆。在一些变型中，陶瓷纳米粒子具有至少100m2/g的平均BET表面积。在另外的变型中，陶瓷纳米粒子包括气相二氧化硅或二氧化硅气凝胶。
在一些变型中，在600-1000℃之间的温度下，绝热纳米粒子由具有等于或低于二氧化硅的体积热导率的材料形成。在一些变型中，绝热纳米粒子可以形成Y稳定化的ZrO2,Gd3Zr2O7，和掺杂版本的这些散装组合物。在一些变型中，绝热纳米粒子材料可包括二氧化硅。
图4示出了根据一些示例性实施方案的各种无机绝热材料的热导率相对于温度的曲线图400。曲线图400中所示的温度跨越约100℃至1500℃。二氧化硅的体积热导率的由点划线402所示。适用于绝热纳米粒子的材料包括在600-1000℃的温度范围内在点划线402下方具有体积热导率的材料。然而，应当理解，图4中未明确示出的材料也可在本公开的范围内。
在一些方面，绝热纳米粒子可具有纳米维度下的至少一个直径(即，小于1微米的至少一个维度)。在一些实施方案中，绝热纳米粒子的平均直径为500纳米或更小。在一些实施方案中，绝热纳米粒子的平均直径为100纳米或更小。在一些实施方案中，绝热纳米粒子的平均直径为50纳米或更小。在一些实施方案中，绝热纳米粒子的平均直径为20纳米或更小。
在此类变型中，平均绝热纳米粒子直径可为至少100纳米。在一些变型中，平均绝热纳米粒子直径可为至少250纳米。在一些变型中，平均绝热纳米粒子直径可为至少400纳米。
在一些方面，陶瓷纳米粒子具有至少100m2/g的平均BET表面积。在一些方面，陶瓷纳米粒子具有至少150m2/g的平均BET表面积。在一些方面，陶瓷纳米粒子具有至少200m2/g的平均BET表面积。在一些方面，无机绝热材料具有至少5体积％的绝缘体。在一些方面，无机绝热材料具有至少10体积％的绝缘体。在一些方面，无机绝热材料具有至少15体积％的绝缘体。在一些方面，无机绝热材料具有至少20体积％的绝缘体。在一些方面，无机绝热材料具有至少25体积％的绝缘体。在一些方面，无机绝热材料具有至少30体积％的绝缘体。
在粘结剂挥发之后，绝缘体可具有密度。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之后具有至少0.1g/mL的密度。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之后具有至少0.15g/mL的密度。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之后具有至少0.2g/mL的密度。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之后具有至少0.3g/mL的密度。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之后具有至少0.35g/mL的密度。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之后具有至少0.4g/mL的密度。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之后具有至少0.5g/mL的密度。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之后具有至少0.6g/mL的密度。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之后具有至少0.7g/mL的密度。
在一些变型中，绝热纳米粒子的平均直径为约13纳米。在一些方面，绝热纳米粒子的粒度分布可为多模式的，具有多个尺寸分布。例如，绝热粒子可具有如本文所述的第一平均直径和第二平均直径。
绝缘体可包括设置在无机绝热材料(例如，绝热纳米粒子)中的粘结剂。在一些变型中，粘结剂可包括在目标温度下变得可挥发的聚合物，分子或两者。此类挥发性可包括相变(例如升华，熔融，沸腾等)，分解(例如化学分解，燃烧等)，或它们的任何组合。可用作粘结剂的聚合物的非限制性实施例包括聚烷基碳酸酯(例如，例如聚碳酸亚丙酯和聚碳酸亚乙酯)，氰基丙烯酸酯和聚丙烯酸丁酯)，聚醚(例如聚乙二醇)，聚四氟乙烯(PTFE)，聚乙烯醇，木质素磺酸盐，甲基纤维素，链烷烃，聚丙烯酸酯(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))，有机硅，有机硅烷，淀粉，糊精和蜡乳液。在其它方面，粘结剂可包括萘，二茂铁或环十二烷。在一些变型中，粘结剂可填充有导热添加剂以改善环境温度热导率。此类添加剂可包括碳纤维，炭黑，碳纳米管，高取向聚合物(例如聚乙烯)或金属纳米线。
在挥发时，粘结剂形成离开无机绝热材料的气体，液体或它们的组合。粘结剂在较低的温度下不挥发，诸如电池的正常操作条件的那些条件。应当理解，在挥发之前，绝缘体具有大于挥发后的热导率。在一些变型中，绝缘体在粘结剂挥发之前也可具有更大的机械强度。机械强度的非限制性实施例包括拉伸强度，压缩强度，弯曲强度，剪切强度和疲劳强度(例如，抗振性)。其他类型的机械强度是可能的。
在另一方面，粘结剂在1个大气压下具有不大于500℃的挥发温度。在一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于400℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于300℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于250℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于200℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于175℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于150℃的挥发温度。在另一个替代方案中，粘结剂在1个大气压下具有不大于100℃的挥发温度。
在一些实施方案中，粘结剂热稳定至至少60℃。在一些实施方案中，粘结剂热稳定至至少75℃。在一些实施方案中，粘结剂热稳定至至少90℃。应当理解，在正常操作条件下，粘结剂允许绝缘体的机械性能优于现有的多孔绝缘。
在一些变型中，挥发温度可具有80-250℃的范围。在一些变型中，挥发温度可具有120-160℃的范围。在一些变型中，挥发温度可具有150-220℃的范围。应当认识到，可基于设计或材料的差异来选择温度的变化。
当粘结剂存在于绝缘体中时，绝缘体可相对于其未填充的变体表现出增强的机械性能。这些增强的机械性能包括但不限于增强的拉伸强度，增强的压缩强度，增强的弯曲强度，增强的剪切强度和增强的疲劳强度(例如，增强的抗振性)。由于能够支撑热传递的固体物质增加，绝缘体可表现出更高的热导率。可选择粘结剂以确定粘结剂发生相变，分解或两者的挥发温度。粘结剂还可以按类型和体积分数来选择，以确定绝缘体的机械特性和热导率。
当粘结剂不存在于绝缘体中时，例如在粘结剂挥发之后，气体分子(例如，空气分子)可通过扩散穿过其中的孔来横贯绝缘体。然而，气体分子的平均自由路径相对于未阻塞的开放体积(例如，环境空间中的空气)减小。这种减少的平均自由路径在多孔结构内产生低温对流，该热对流延迟通过绝缘体的热传递。当无机绝热材料由绝热纳米粒子形成时，绝热纳米粒子在低接触面积的点处相交。此类低接触面积会妨碍热传递穿过绝缘体，从而导致热传导低。低热对流和低热传导的组合允许绝缘体作为高度有效的绝热体而起作用。
图5示出了根据一些示例性实施方案的具有不同粘结剂载量的绝缘体的弯曲强度对粘结剂加载的代表性曲线图500。纵坐标502跨越约0至1500kN/m2的弯曲强度，而横坐标504跨越体积分数从0至约0.85的粘结剂载量。虚线竖直线506示出了粘结剂载量的理论最大值，其由绝缘体内的孔的总体积确定。曲线图500中的每个数据点508对应于在三点载荷下测试的单个样品。粘结剂为PMMA，其在绝热材料的孔内原位聚合或被吸收到无机绝热材料中。如图5所示，绝缘体的弯曲强度随粘结剂载量的增加而增加。高于0.6的粘结剂载量能够增加几乎30倍的未填充的绝缘体(即，粘结剂载量为0)的弯曲强度。虽然图5呈现作为代表性机械特性的弯曲强度，但本演示仅用于例证的目的。绝缘体内的粘结剂的存在可增加或增强其它机械特性，例如拉伸强度，压缩强度，弯曲强度，剪切强度，疲劳强度(例如，抗振性)等。
图6示出了根据一些示例性实施方案的经受热处理的绝缘体的质量损失的代表性曲线图600。绝缘体包括在0.72处加载的PMMA粘结剂。纵坐标602跨越约30％至100％的质量百分比，而横坐标604跨越约0至750℃的温度。绘制曲线606，示出随着温度逐渐增加，绝缘体的质量。设置在绝缘体中的粘结剂开始在大约178℃下挥发(参见箭头608)，并且在约425℃下完全挥发。应当理解，一般来讲，粘结剂可选自组合物以预先确定热诱导的挥发(例如，起始温度，曲线形状等)的分布图。虽然图6描绘与PMMA相关联的质量损失，但该图示不旨在限制。可使用其它粘结剂和粘结剂的组合。
图7示出了根据一些示例性实施方案的未填充粘结剂，填充有粘结剂的绝缘体和绝缘体后粘结剂烧尽的绝缘体样品的热导率的代表性曲线图700。粘结剂填充的绝缘体的样品利用PMMA作为粘结剂，随后在加热期间挥发，以产生绝缘体后烧尽的样品。纵坐标702使用对数标度，并且在约0.01至0.5W/m·K的范围。热导率值以三个组呈现，一种用于每种类型的样品(即，参见横坐标704)。框图706被置于每个分组的数据点上方并且表示最大值708和最小值710。框图704还指示中值712，第一四分位数714和第三四分位数716。
如框图706所证实的，与未填充的绝缘体的样品相关联的热导率类似于与绝缘体挥发后的样品相关联的热导率。因此，在加热期间粘结剂的挥发使绝缘体挥发后的样品恢复到其最初热导率。此外，粘结剂在以另外方式未填充的绝缘体的样本中的存在能够增加热导率。对于图7中所描述的代表性实施例，这种增加大于一个数量级。
绝缘体可使用多种方法制造。在一个选项中，制造绝缘体可包括将绝缘体湿涂到基底(例如，金属箔)上的步骤。另选地，绝缘体可施加到基底上，并且基底可缠绕在容器周围，同时仍保持柔性。绝缘体可直接施加到容器上。湿涂应用的步骤可包括浸涂，喷涂，模涂，刮涂，喷墨印刷，凹版印刷或丝网印刷。粘结剂可用于改善绝缘体与金属箔之间的粘附性，以最小化对绝缘体的热特性的负面影响。
另选地，湿涂涂层可包括陶瓷，遮光剂，纤维材料和溶解的或悬浮的粘结剂。此类湿涂方法可包括浸涂，喷涂，模涂，刮涂，喷墨印刷，凹版印刷或丝网印刷。绝缘体的制造方法还可包括挤出包括绝缘陶瓷，遮光剂，陶瓷纤维和粘结剂的混合物；注塑系统包含绝缘陶瓷，遮光剂，陶瓷纤维和粘结剂的混合物；将溶解的粘结剂浸渍到无机绝热材料的预成形的多孔中；以及将粘结剂前体浸渍到无机绝热材料的预成形的多孔中，然后聚合前体。应当理解，前述制造方法的任何组合均是可能的。
根据另一个示例性实施方案，可通过将绝缘体喷涂到基底表面上(例如，电池单元表面)上，然后将绝缘体干燥为喷涂来完成制造基板(诸如围绕电池单元)上的绝缘体的方法。可使用包含悬浮粒子的流体来喷涂绝缘体。流体还可包括遮光剂。流体可包含化合物以改善绝缘体对电池单元的粘附性。该方法还包括用金属箔包裹绝缘体的步骤。在一些实施方案中，该方法涉及随后压缩作为喷涂的绝缘体的步骤。
根据另一个示例性实施方案，可通过将绝缘体前体浆液浇注到围绕基底(例如，电池)的壁中并将绝缘体干燥为倾注来完成制造围绕基底(例如，电池单元)的绝缘体的方法。可选择干燥的绝缘体的壁厚，使得部件(例如电池单元)的体积膨胀将将干燥的绝缘体压缩至预先确定的密度。在一些实施方案中，该方法可使用两个壁，每个壁为刚性的。在这些实施方案中，绝缘体可设置在内壁之间，所述内壁可与基底(例如，电池单元)和外壁接触。该方法还可包括等静压热压制干燥的绝缘体以形成致密的绝缘体的步骤。
表1示出了通过浆料涂层制备绝缘体的实施例。包括热解法的二氧化硅无机绝热材料，碳化硅遮光剂，及玻璃纤维的基底二氧化硅：碳化硅：玻璃纤维的0.55：0.40：0.05的比率组合而成。向溶剂中加入60重量％的200kDa聚丙烯碳酸盐(PPC)粘结剂。将组分在自转公转搅拌器(即，行星式离心搅拌器)中混合。混合后，将组合的组分涂覆到基底上。允许溶剂蒸发。从而将包含绝缘体的二氧化硅，玻璃纤维，碳化硅和PPC涂覆在基底上。
表1
将PPC粘结剂从绝缘体中烧尽。所得混合物的热导率在100℃下在0.020W/m-K下测量。
在一些变型中，粘结剂可通过将粘结剂溶解于溶剂中以形成溶液，将绝缘体暴露于溶液(例如，浸泡)，并且在绝缘体的孔内沉淀粘结剂来结合到绝缘体中。可通过从溶液中蒸发溶剂，向溶液中加入沉淀剂(例如，为粘结剂加入低溶解度的第二溶剂)等来诱导此类沉淀。
表2示出了通过将粘结剂吸收到无机绝热材料中而制备的绝缘体。将PMMA或PPC的粘结剂吸收到二氧化硅无机绝热材料，碳化硅遮光剂和玻璃纤维中。使用密度为0.4g/mL比率为60：38：2的二氧化硅(无机绝热材料)：碳化硅(遮光剂)：玻璃纤维的混合物。组合不同组合的粘结剂。在一些情况下，加入表面活性剂(BYK 333，BYK添加剂仪器公司，德国盖雷茨里德)。
测量所得绝缘体的开裂和弯曲强度。一般来讲，增加的粘结剂负载导致无机绝热材料基底的破裂增加。在不存在粘结剂或在极低粘结剂重量％的情况下，使用三点弯曲强度测试没有或具有极小的测量弯曲强度。
表2
在另一个实施例中，可通过将无机绝热材料与粘结剂借助原位聚合结合来形成绝缘体。例如，可将绝缘体样品浸入粘结剂单体(例如甲基丙烯酸甲酯(MMA))，粘结剂(例如PMMA)和一种或多种引发剂(例如DMT或BPO)的混合物中。可将混合物聚合。可使用端铣刀从所得材料的表面除去过量的粘结剂以产生粘结剂浸渍的绝缘体。
表3示出了通过原位聚合形成的绝缘体的实施例。使用密度为0.4g/mL以及比率为60：38：2的二氧化硅(无机绝热材料)：碳化硅(遮光剂)：玻璃纤维的基底。将MMA，PMMA和一种或多种引发剂的混合物溶解于溶剂如二氯甲烷或丙酮中以形成溶液。将引发剂BPO和DMT添加到该溶液。
在20℃，70℃或120℃的温度下将溶液浸泡针对从0.16小时到16小时的范围的时间至多五个单独的时段。将组合二氧化硅、碳化硅和和玻璃纤维在20℃下浸泡在粘结剂，溶剂和引发剂中，浸泡时间为1.16—0.33小时，1.5小时或16小时中任一个。在20℃或70℃下将所述组合物第二次浸泡在介于0.16-0.83小时，1小时或16小时之间。将所述组合物在20℃，70℃，或120℃下浸泡1小时，12小时或16小时的第三时段。在20℃，70℃或120℃下将一些组合物浸泡1小时或16小时的第四时段。将一些组合物在20℃，70℃，或120℃下浸泡1小时，12小时或16小时的第五时段。
测量粘结剂挥发之前和之后的弯曲强度和热导率。测量所得绝缘体的弯曲强度，如所制成的热导率和烧尽后热导率。一般来讲，在不存在粘结剂的情况下，或者在非常低的粘结剂重量％的情况下，没有或存在很少测量的弯曲强度。在78重量％的粘结剂负载下，所制备的化合物的热导率为0.37W/m-K，其下降至0.031W/m-K后粘结剂烧尽。
在另一实施例中，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可以溶解在二氯甲烷(即，CH2Cl2)以形成溶液。然后可将绝缘体浸泡在溶液中，以允许溶液的润湿浸渍到绝缘体的孔中。将浸泡的绝缘体干燥2小时，然后在50℃下真空加热3小时。
在另一个实施例中，可通过用粘结剂浆液(即浆液涂层)涂覆无机绝热材料来形成绝缘体。将无机绝热材料(例如二氧化硅、碳化硅或玻璃纤维)与粘结剂和溶剂结合并混合。可将混合物涂覆到基底(例如，箔诸如铝箔)上，然后在真空下加热以移除溶剂并产生绝缘体。
具体地讲，在另一个实施例中，可通过聚合物浸渍技术将粘结剂加入到绝缘体中。在一个实施例中，将PMMA和MMA单体溶解于二氯甲烷或丙酮中以形成溶液。然后可将绝缘体浸泡在溶液中，以允许溶液的润湿浸渍到绝缘体的孔中。将引发剂诸如过氧化苯甲酰(BPO)和N，N-二甲基-对甲苯胺(DMT)加入溶液中，并且将绝缘体再次浸泡。从溶液中取出绝缘体并使其在室温下固化1-16小时。随后，绝缘体可在高于50℃的温度下固化另外一时间段(例如，70℃下1小时)。
在另一个实施例中，绝缘体可通过各种压缩模塑方法形成。在一种压缩模塑方法中，可将热解法二氧化硅、碳化硅、玻璃纤维、聚碳酸亚丙酯和甲基乙基酮结合并混合直至均匀。可将混合物沉积在基底(例如，聚酯薄膜)上并使其干燥(例如，1-12小时)。将干燥的材料置于模具中，加热(例如，至70℃)，并且压制(例如～5吨的压力)以产生绝缘体。
表4示出了通过压塑制备的包含200kDa和10kDa PPC粘结剂的热解法二氧化硅和重量％组合的绝缘体。使用班伯里混合器或双螺杆挤出将热解法二氧化硅、碳化硅、玻璃纤维、不同组合的200kDa PPC结合并混合。在桨式搅拌器实施方案中，加入10kDa PPC和甲基乙基酮。将合并的组分混合直至均匀。在桨式搅拌器实施方案中，将混合物沉积在聚酯薄膜基底上并允许其干燥过夜。将干燥过的物质置于50x50x5毫米模具中，加热至70℃，并且用～5吨的压力压制以产生粘结剂浸渍的绝缘体。
表4
对各种样品测量烧尽前和后粘结剂的绝缘体密度。使用桨式混合物或班伯利混合器混合的绝缘体的热导率在0.028-0.125W/m-K的范围内。一般来讲，较高的热导率随着材料密度的增加而增加。
在压缩模塑的另一变型中，热解法二氧化硅、玻璃纤维和聚碳酸亚丙酯在升高的温度(例如，70℃)被混合(例如，在班伯里混合器)直到混合物均匀为止。将混合物加入到模具中，加热(例如，至70℃)，并且压制(例如，使用～5吨的压力)以产生绝缘体。
II.B.具有减少平均自由路径的绝缘体
在其他方面，绝缘体为包括无机绝热材料的绝缘体，该无机绝热材料形成多孔结构，所述多孔结构被配置为与多孔结构之外的气体相比减少绝缘体中气体的平均自由路径。在一些方面，无机绝热材料可为形成多孔结构的纳米粒子。与环境气体相比，纳米粒子之间的空间在绝缘体中形成孔以减少绝缘体中气体的平均自由路径。多孔结构具有穿过那里的气体的减少的平均自由路径。在各个方面，绝缘体可设置在第一电池单元和第二电池单元和/或电池块之间，但也可考虑其他非电池相关的应用。应当认识到，绝缘体可用于任何应用，而不限于电池应用。还应当认识到，无机绝热材料可以是本公开中所述的任何无机绝热材料。
在不希望被保持到特定机构或作用模式的情况下，无机绝热材料提供对从较热表面移动到冷却器表面的热流的抵抗性。这种热阻可源自减少的接触区域，其沿绝缘体中的通道产生重复的收缩。由绝热纳米粒子形成的绝缘体的体积热导率λsolid，可为10-2W/m·K或更小的量级。例如，并且不限于，由绝热二氧化硅粒子形成的绝缘体可具有10-3W/m·的体积热导率。相比之下，石英(即，单晶或多晶二氧化硅)可具有100W/m·K的量级或者高约三个量级的体积热导率。
此外，虽然不希望限于任何科学原理或作用方式，绝缘体表现出总体的有效热导率，λ。λ表示热传导，热对流和热辐射模式下的对热流的抵抗性。热传导涉及主要通过固体的热传递，包括与其它固体接触的固体。热传导可以由体热导率来量化，λsolid或λbulk。热对流涉及热传输主要通过流体(例如，气体，液体，等)，以及对于气体，可由体热对流来量化，λgas。类似地，热辐射涉及在不同温度下物质之间电磁辐射的净交换并且可被量化为体热辐射，λrad。因此，总体有效热导率，λ，受到来自体热导率λsolid或λbulk，体热对流，λgas，和体热辐射，λrad的贡献的影响。
在一些方面，绝缘体包括具有核-壳形态的多功能绝热纳米粒子，其中球形核可替代地涂覆有绝缘体和遮光剂层，如本文所述。这些多功能纳米粒子可提供高球度，并且可在制造过程中控制尺寸。由于存在的多功能纳米粒子，该绝缘体可以展现出减小的体积热导率(即，λsolid的减小)，这可能优于具有均匀纳米粒子的绝缘体的体热导率的十分之一。此外，绝缘体在λsolid和λgas与λrad的变型之间提供了更好的折中。
在一些方面，绝缘体可包括任选的压缩的绝热纳米粒子或另选地气凝胶，如本文所述。多孔结构减少了其中空气相对于环境空气的平均自由路径。在绝缘体中，绝缘粒子之间的高孔隙率和所得低接触面积阻碍热流，实现低热导率的较大的固体本体。此外，结构中的固体边界导致低热对流。
在一些变型中，绝缘体包括多个绝热纳米粒子，它们各自具有结构上不同材料的交替层。例如，并且不限于，结构上不相同的材料的交替层可包括钨和氧化铝的交替层。在多个绝热纳米粒子中，有效的热电阻率来自交替层之间的界面电阻。
图8示出了根据示例性实施方案的单个多功能绝热纳米粒子800的剖视图。多功能绝热纳米粒子800包括核802，其上结构上不相同的材料的交替层形成同心外壳。核802被描绘为具有球形形状，但其它形状是可能的。在一些实施方案中，核802可由无机绝热材料诸如氧化硅材料(例如，SiO2)形成。交替层包括第一层804a,804b,804c和804d，它们各自可以是绝缘层(例如，氧化铝)或遮光剂层(例如钨)，和第二层806a,806b,806c和806d中的一者，第二层为绝缘层、遮光剂层中的另一个。在图8所示的情况下，绝缘体层统称为第一层804。遮光剂层统称为第二层806。每种类型的层中的一个或多个层可包括在多功能绝热纳米粒子中。应当认识到，所述粒子可终止于绝缘体层或遮光剂层。在一些变型中，最外层可具有较低的热导率，以减少接触期间的粒子间导电系数。
第一层804和第二层806的材料可具有不同的原子结构，硬度，德拜温度，或它们的某种组合，以便在层界面处使声子色散最大化。与第一层804和第二层806的材料相关联的德拜温度可表现出大于2的比率。例如，并且不受限于理论，2.6的比率相对应的铝氧化物(TD＝1047K)和钨(TD＝400K)的交替层。此外，在一些实施方案中，层804,806可为无定形的。在这些实施方案中，层804,806的无定形性质可有助于降低热导率。材料及其相关德拜温度的代表性实施例列于表5中。
表5
| 材料 | 德拜温度，TD(K) |
| 氧化铝 | 1047 |
| 钨 | 400 |
第一层804和第二层806的其他材料组合分别包括二氧化硅和碳，二氧化硅和碳化硅，二氧化硅和氧化钛，二氧化硅和铝，以及二氧化硅和氮化铝。
附加因素可影响第一层804和第二层806的材料的选择。例如，并且非限制地，可选择第一层804和第二层806的材料以改善交替层结构在-70℃和100℃之间的热循环的稳健性。第一层804和第二层806的材料也可被选择为表现出彼此的化学惰性。此类惰性可在加热期间赋予低反应性。
绝热纳米粒子800可使用本领域技术人员已知的工艺制备，以制备核-壳型粒子。此类工艺包括原子层沉积，化学气相沉积，得自悬浮液的溶液涂层等。应当理解，在这些工艺中，核802的直径将小于所需最终粒子的直径。
在一些实施方案中，绝热纳米粒子800的总体粒度小于50纳米。在一些实施方案中，总体粒度小于40纳米。在一些实施方案中，总体粒度小于20纳米。在一些实施方案中，总体粒度小于10纳米。在一些实施方案中，绝热纳米粒子表现出粒度的多个模式分布。
层804,806的厚度可以在0.5-5纳米的范围内，较薄的层优选地通过交替结构破坏声子传播。在一些实施方案中，第一层804的厚度小于1纳米。在一些实施方案中，第二层806的厚度小于1纳米。在一些实施方案中，第一层804和第二层806的厚度均小于1纳米。
图9示出了根据示例性实施方案的使用绝热纳米粒子902形成的多功能绝缘体900的一部分的剖视图。在绝缘体900中，单独的绝热纳米粒子902聚集以形成单元904，其可为开放单元、闭合单元或它们的组合。在一些实施方案中，单元904基本上为全封闭单元。应当理解，单元904可在尺寸上延伸以产生几乎任何尺寸和形状的固体主体。然而，由于非固体单元体积，这些主体可用作绝缘体900，更具体地讲，用于电池单元的绝缘体900。
绝热纳米粒子902具有高球度，以减小相邻粒子之间的接触表面积。减小的接触表面积降低了可用于热传递到粒子之间的界面，从而降低绝缘体900的总体热导率。例如，并且不限于，二氧化硅的球形纳米粒子可在接触的减少区域聚集和接触，这可涉及点接触。此类附聚物可形成桥接不同温度的两个或更多个表面的绝缘体主体。其中的纳米粒子提供对从较热表面移动到冷却器表面的热流的抵抗力。耐热性来自减少的接触区域，其在绝缘体主体中沿粒子间通道产生重复的收缩。由二氧化硅的球形纳米粒子形成的绝缘体主体的体热导率，λsolid，可为10-3W/m·K或更小的量级。相比之下，石英(即，单晶或多晶二氧化硅)可具有100W/m·K的量级或者高约三个量级的体积热导率。
在一些实施方案中，绝缘体900被密封，其可包括单元904，其绝热纳米粒子902已在接触点(例如，通过加热)粘结以产生封闭单元。密封件可由稳定超过800℃的金属或陶瓷键合形成。在这些实施方案的一些中，将封闭单元排空至小于101托的空气压力。在这些实施方案中，空气可被Ar，Kr或Xe替代，其具有比空气更低的热导率和比真空更低的泄漏速率。
在一些方面，在热事件之后，绝缘体910的多孔结构可抑制气体分子相对于自由，非限制空间的平均自由路径。例如，如果多孔结构包括封闭单元，则可能会发生。在此类情况下，通过对流进行热传递被抑制。以举例的方式，并且不限于，空气中分子的平均自由路径增加大于约200℃，并且可线性增加。然而，对于由绝热纳米粒子形成的绝缘体(例如，二氧化硅的球形粒子)，通过绝缘体的空气的平均自由路径在给定温度下可保持大致恒定，例如大约200℃。温度可根据孔结构和孔径而变化。
根据示例性实施方案，绝缘体900可通过将绝热纳米粒子902与可溶性，可升华或换句话讲可移除的“填料”材料共混并形成致密压实(例如，压制)来制备。移除“填料”材料将离开单元904。然而，用于绝缘体900的其他制造方法是可能的。
在一些实施方案中，绝热纳米粒子902可包括交替顺序的层，其中两个层中的一个由强烈吸收红外线辐射的材料形成。在各方面中，该遮光剂层的平均消光系数在大于250℃的温度下大于1×104m-1。在这些实施方案中，绝缘体900在其中可能不需要单独的红外线吸收材料。
根据示例性实施方案，用于制造电池单元周围的绝缘体的方法包括将绝缘体前体浆液浇注到围绕电池的壁的步骤以及将浇注的绝缘体干燥的步骤。该方法还包括形成单元。选择干燥的绝缘体的壁厚，使得单元的体积膨胀将将干燥的绝缘体压缩至预先确定的密度。在一些实施方案中，该方法可使用两个壁，每个壁为刚性的。在这些实施方案中，绝缘体可设置在内壁之间，所述内壁可与电池单元和外壁接触。
绝缘体的变型包括形成多孔结构的无机绝热材料。制备包含热解法二氧化硅纤维的绝热纳米粒子的绝缘体。将绝缘体与碳化硅遮光剂组合。测量纤维重量％，碳化硅遮光剂重量％和密度。针对一些样品测量了440℃下绝缘体的热导率。
II.C.聚合物涂覆的绝缘体
在另外的变型中，本公开涉及聚合物涂覆的绝缘体，其包括无机绝热材料和设置在无机绝热材料表面上的聚合物涂层。
如本文所述，“设置在”无机绝热材料上的聚合物涂层包括其中聚合物涂层的至少一部分嵌入无机绝热材料中的实施方案。在此类变型中，聚合物涂层与无机绝热材料之间的粘附性可增加。
在各个方面，无机绝热材料可以是基于二氧化硅的。基于二氧化硅的无机绝热材料可以是基于二氧化硅的材料，纤维，熔融二氧化硅，气凝胶或它们的组合。例如，在一些变型中，基于二氧化硅的无机绝热材料可包括热解法二氧化硅，碳化硅和二氧化硅纤维。在其他变型中，无机绝热材料可以是陶瓷材料。在一些变型中，所述材料在至少500℃或更低的温度下不降解。
聚合物涂层可设置在无机绝热材料的表面上。在各种非限制性实施方案中，聚合物可为本领域已知的任何有机基或有机硅基聚合物。示例性聚合物可包括聚氨酯，环氧树脂，聚丙烯酸酯，聚酯和聚酰亚胺。
聚合物涂层可由粘附到无机绝热材料的聚合物形成。此外，聚合物涂层可由具有高热稳定性的材料形成。在一些变型中，聚合物涂层在高达80℃的温度下不会降解。在一些变型中，聚合物涂层在高达120℃的温度下不会降解。在一些变型中，聚合物涂层在高达160℃的温度下不会降解。在一些变型中，聚合物涂层在高达200℃的温度下不会降解。此外，聚合物涂层在100-900℃的温度范围内加热时不产生毒性化合物。
聚合物涂层可具有到无机绝热材料的平均渗透深度。在一些变型中，聚合物涂层可渗透到无机绝热材料中至少平均1微米。在一些变型中，聚合物涂层可渗透到无机绝热材料中至少平均5微米。在一些变型中，聚合物涂层可渗透到无机绝热材料中至少平均10微米。在一些变型中，聚合物涂层可渗透到无机绝热材料中至少平均25微米。在一些变型中，聚合物涂层可渗透到无机绝热材料中至少平均50微米。在一些变型中，聚合物涂层可渗透到无机绝热材料中至少平均100微米。在一些变型中，聚合物涂层可渗透到无机绝热材料中至少平均200微米。在一些变型中，聚合物涂层可渗透到无机绝热材料中至少平均300微米。
在一些变型中，聚合物涂层可穿透到无机绝热材料中平均小于300微米。在一些变型中，聚合物涂层可穿透到无机绝热材料中平均小于200微米。在一些变型中，聚合物涂层可穿透到无机绝热材料中平均小于100微米。在一些变型中，聚合物涂层可穿透到无机绝热材料中平均小于或等于75微米。在一些变型中，聚合物涂层可穿透到无机绝热材料中平均小于或等于50微米。在一些变型中，聚合物涂层可穿透到无机绝热材料中平均小于或等于25微米。在一些变型中，聚合物涂层可穿透到无机绝热材料中平均小于或等于10微米。在一些变型中，聚合物涂层可穿透到无机绝热材料中平均小于或等于5微米。
可在将聚合物涂层沉积到无机绝热材料上期间控制聚合物涂层的厚度。通过控制聚合物涂层的厚度，可控制无机绝热材料的机械性能。因此，设置在无机绝热材料上的聚合物涂层的耐刮擦性和粘附力可改进优于单独的无机绝热材料的耐刮擦性和粘附力。
在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均小于或等于300微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均小于或等于250微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均小于或等于200微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均小于或等于150微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均小于或等于100微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均小于或等于50微米。
在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均至少25微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均至少50微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均至少75微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均至少100微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均至少125微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均至少140微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均至少150微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均至少175微米。在一些变型中，聚合物涂层的厚度平均至少200微米。
聚合物涂层可提供附加的改善的耐磨性，拉伸强度和对涂覆陶瓷的无机绝热材料的剪切强度。在一个实施例中，将具有～70微米涂层厚度的聚氨酯聚合物施加到由热解法二氧化硅，碳化硅和二氧化硅纤维的组合形成的无机绝热材料上。所述组合可提供良好的耐刮擦性，易于处理和粘附性。测得的～140微米的聚合物涂层厚度可提供耐磨性。
在一些变型中，聚合物涂层在无机绝热材料的所有侧面和区域上具有相同的厚度。在其他变型中，聚合物涂层在无机绝热材料的不同侧面或区域上具有不同的厚度。例如，聚合物涂层可设置在无机绝热材料的一个或多个面上，厚度为大约140微米，而聚合物涂层可设置在无机绝热材料的边缘上，厚度为大约70微米。在无机绝热材料的面上的较厚的聚合物涂层(例如，140微米)可提供耐磨性。在无机绝热材料的边缘上的较薄的聚合物涂层(例如，70微米)可减少通过材料边缘的热传递。另选地，聚合物涂层可在无机绝热材料的不同侧面上具有不同的厚度。
在各个方面，聚合物涂层可提供其他组分对无机绝热材料的粘附性。例如，聚合物涂层可将保护性片材粘附到无机绝热材料的表面上。也可使用本领域已知的其它组分。
在各个方面，设置在无机绝热材料表面上的聚合物涂层可提供优于无机绝热材料的拉伸强度的改善的拉伸强度。聚合物涂层还可减少微孔材料从无机绝热材料边缘的材料损失。
可使用本领域已知的各种方法将聚合物涂层施加到无机绝热材料上。非限制性方法包括喷涂，浸涂，流动涂布和刀涂布方法。
在各种非限制性方法中，无机绝热材料的表面可暴露于涂料组合物以在无机绝热材料的表面上形成聚合物涂层。使聚合物涂层渗入无机绝热材料中至少平均10微米。然后固化聚合物涂层。应当认识到，在将聚合物涂层添加到本文所述的任何变型中之前，可将其它组分如纤维材料和遮光剂加入到无机绝热材料中。
在各个方面，涂料组合物可包括用于形成聚合物的化合物。在一些情况下，涂料组合物可包括聚合物前体诸如单体。在一些情况下，涂料组合物可包括聚合物。本领域的技术人员将认识到，涂料组合物可包括用于制备组合物的任何化合物。涂料组合物还可包含添加剂，包括可改变涂料组合物粘度的添加剂。
在一些变型中，无机绝热材料可用涂料组合物喷涂。喷涂可通过多种方法中的任一种来实现。例如，可使用一个，两个或更多个低容量高压(LVHP)或高容量低压(HVLP)喷雾源(例如喷枪)。喷雾源可放置在距无机绝热材料的一定距离处。在一些情况下，喷雾源在30-40厘米的距离处。在一些情况下，喷雾源在10-15厘米的距离处。任选地，可允许涂覆的表面在环境温度和压力下设定一段时间(例如，10-20分钟)。
在一些变型中，将涂覆的表面固化。取决于聚合物涂层，聚合物涂层可在室温下或通过热固化来固化。此外，可任选地施用多个喷雾涂层，任选地具有不同的容量和压力，和/或不同的粘度的组合。
无机绝热材料的不同表面可通过涂料组合物涂覆。可以掩蔽已涂覆的表面以允许涂覆不同的表面。此外，可将不同的表面涂覆到不同的平均渗透深度，或甚至具有不同的聚合物涂层。
本领域的技术人员将认识到，喷雾源，涂料组合物的量，涂料组合物的粘度和其它因素可被调节以控制聚合物涂层的各种方面。例如，涂料组合物增大的量增加了无机绝热材料的表面上聚合物涂层的平均厚度。增加涂料组合物的粘度可降低聚合物涂层在无机绝热材料中的渗透深度。可调节固化时间和温度。
在一些变型中，布匹，玻璃纤维或塑料覆盖件可设置在聚合物涂覆的绝缘体上方，紧紧地保持到聚合物涂覆的绝缘体(例如，通过真空密封)。可在接缝处使用附加覆盖材料以允许密封。
在一些变型中，聚合物涂层可用作无机绝热材料的水分屏障。例如，可使用不透水的聚合物涂层。不透水的聚合物涂层因此可从无机绝热材料中排斥水。当无机绝热材料材料为水敏感或水溶性时，聚合物涂层可抑制水进入对水敏感的无机绝热材料。
在一些附加变型中，聚合物涂层可设置在其他绝缘体材料上，诸如脆性的绝缘体材料或易碎的绝缘体材料。聚合物涂层可设置在如本文所述的用于无机绝热材料的其他绝缘体上。应当认识到，绝缘体可用于任何应用，而不限于电池应用。还应当认识到，无机绝热材料和其它组分可为本公开中所述的任何无机绝热材料。
III.纤维材料
在各个方面，绝缘体可包括纤维材料。在各种方面，纤维材料可包括玻璃纤维，陶瓷纤维，二氧化硅纤维，碳化硅纤维，碳纤维，碳纳米管和本领域已知的其它纤维材料。纤维材料可与无机绝热材料相关联。另选地，纤维材料可在配制期间与遮光剂(如下所述)相关联。在不希望被保持到特定机构或作用模式的情况下，纤维材料可向无机绝热材料赋予机械强度。
在一些实施方案中，遮光剂可包括纤维材料。在这些实施方案中，纤维材料可减少辐射热传递。纤维材料还可向绝缘体赋予机械强度。纤维材料的非限制性实施例包括碳化硅纤维，碳纤维和碳纳米管。其他纤维材料是可能的。
IV.遮光剂
在各个方面，遮光剂吸收或散射近红外至长波长红外线波长的电磁辐射(即，约0.7-15微米)，从而允许绝缘体阻止辐射热的传播。遮光剂在大于250℃的温度下可具有大于1x104m-1的平均消光系数。
以举例的方式，并且不限于，可将绝热材料与含碳遮光剂混合以减少辐射热传递。可使用任何导热材料，包括本文所述的任何无机绝热材料。因此，绝缘体可在大于约100℃的温度下经历辐射热传递的降低。热导率的相应减少在100℃可大于0.01W/(m·K)。在各种实施方案中，含碳遮光剂涂覆有耐火材料以防止氧气与含碳遮光剂接触，从而抑制含碳材料的氧化。
在一些变型中，遮光剂为含碳材料，如石墨。含碳材料在红外系统中每单元质量具有比其他遮光剂，诸如碳化硅、二氧化钛或三氧化二铝更高数量级的消光系数。使用含碳材料可改善绝缘体的热导率。例如，并且不限于，使用石墨代替碳化硅可在800℃下降低50％的热导率。
在一些变型中，含碳材料可包括至少80％的碳。在一些变型中，含碳材料可包括至少85％的碳。在一些变型中，含碳材料可包括至少90％的碳。在一些变型中，含碳材料可包括至少95％的碳。
在附加变型中，以举例说明而非限制的方式，含碳材料在任何一个维度可具有至少20纳米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有至少50纳米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有至少100纳米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有至少200纳米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有至少500纳米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有至少1微米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有至少5微米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有至少10微米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有至少15微米的平均粒度。
在附加变型中，以举例说明而非限制的方式，含碳材料在任何一个维度可具有不大于20纳米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有不大于15微米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有不大于10微米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有不大于5微米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有不大于1微米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有不大于500纳米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有不大于200纳米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有不大于100纳米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有不大于50纳米的平均粒度。在另一个变型中，含碳材料在任何一个维度可具有不大于20纳米的平均粒度。
在一些变型中，遮光剂包括含碳材料。含碳材料可涂覆有耐火材料以抑制碳氧化温度下的含碳材料的氧化。在不存在耐火材料的情况下，碳氧化温度可大于400℃。当涂覆有耐火材料时，碳氧化温度可大于600℃。当涂覆有耐火材料时，碳氧化温度可大于800℃。当涂覆有耐火材料时，碳氧化温度可大于1000℃。在一些变型中，耐火涂层的碳氧化温度可为600-1200℃或更大。含碳材料可以是石墨、炭黑、碳纳米管或石墨烯。
在一些变型中，耐火涂层共价附接到含碳材料。不希望限制于特定机制或作用模式，可对含碳材料进行改性以形成官能团(例如，含氧官能团)。官能团可共价键合到耐火材料。
应当认识到，绝缘体可包括绝热材料和耐火涂层的含碳遮光剂。绝热材料可以是本领域公开的任何绝热材料，包括但不限于本文所公开的无机绝热材料。应当认识到，耐火涂层的碳遮光剂不需要掺入绝缘体中，或者可独立于绝缘体使用。还应当认识到，本文所述的遮光剂可用于没有本文所述的绝缘体的情况。
在一些变型中，绝缘体可包括等于或小于50重量％的遮光剂。在一些变型中，绝缘体可包括等于或小于40重量％的遮光剂。在一些变型中，绝缘体可包括等于或小于30重量％的遮光剂。在一些变型中，绝缘体可包括等于或小于20重量％的遮光剂。在一些变型中，绝缘体可包括等于或小于10重量％的遮光剂。
在一些情况下，含碳材料具有高纵横比，其可增加辐射吸收并向绝缘体提供机械强度。纵横比可大于5:1(例如，杆形碳主体)。此外，在一些情况下，纵横比大于10:1。在一些情况下，纵横比大于15:1。在一些情况下，纵横比大于20:1。在一些情况下，纵横比大于100:1。在一些情况下，纵横比大于250:1。在一些情况下，纵横比大于100:1。在一些情况下，纵横比大于500:1。在一些情况下，纵横比大于750:1。在一些情况下，纵横比大于100:1。在一些情况下，纵横比大于1000:1。在一些情况下，纵横比大于2000:1。
在一些实施方案中，红外线吸收材料可包括具有高拉伸强度的碳纳米管。在这些实施方案中，碳纳米管的表面被氧化从而降低热导率。碳纳米管可选自具体的手性，特定数量的壁或两者，以降低热导率。
在一些实施方案中，该绝缘体可以包括涂覆有无机绝热材料(例如，在二氧化硅、三氧化二铝等等)的红外线吸收材料(例如，含碳材料)以减少通过红外吸收粒子之间的接触的热传导。
在一个实施例中，三氧化二铝涂覆的碳遮光剂通过原子层沉积制备。将未涂覆的碳在180℃下干燥。将六次循环的ALD氧化铝在50℃下涂覆到流化碳上。然后将流化碳再次升高至180℃进行干燥。将另外十六次循环的ALD氧化铝涂覆到针对总共22次涂层循环的基底。
在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中固体组分的0.05重量％(即，无机绝热材料，纤维材料，遮光剂和绝缘体中的任何其它固体组分的总和)。在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中0.25重量％的固体组分。在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中0.50重量％的固体组分。在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中0.75重量％的固体组分。在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中1.0重量％的固体组分。在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中2.5重量％的固体组分。在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中3.0重量％的固体组分。在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中3.5重量％的固体组分。在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中4.0重量％的固体组分。在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中4.5重量％的固体组分。在一些变型中，遮光剂大于绝缘体中5.0重量％的固体组分。
在另一个实施例中，绝缘体以80.8：3:16.2热解法二氧化硅：碳遮光剂：二氧化硅纤维的重量比制备。热解法二氧化硅为无机绝热材料，涂覆的碳为遮光剂，并且二氧化硅纤维为纤维材料。将混合物总共混合35分钟，超过标准的微孔绝缘材料。
应当理解，对于遮光剂功能，绝缘体可包括除含碳材料之外或代替含碳材料的材料。在一些实施方案中，绝缘体包括铁钛氧化物(例如，FeTiO3)。铁钛氧化物可用作在绝缘体中产生遮光剂效应的红外线吸收材料。相对于单独的无机绝热材料，铁钛氧化物的存在可减小共混材料的体积热导率。
在一些实施方案中，绝缘体包括具有高纵横比(例如，杆或板)的红外线吸收材料。在这些实施方案中，高纵横比使绝缘体能够相对于单独的球形粒子表现出更高的有效红外吸收。此类材料的非限制性实施例包括金属材料，碳化硅材料和氧化钛材料。其它材料是可能的，包括金属氧化物，碳化物，硼化物或耐火金属。这些材料可表现出各种形态，例如纤维，杆和板。
在一些实施方案中，遮光剂材料可包括金属薄片。在此类实施方案中，可将金属薄片在绝缘体中以优先取向结合。例如，并且不限于，金属薄片的薄尺寸可垂直于绝缘体的平面(例如，以片材形式)，从而提供低通面导电系数和高面内导电系数。
在一个方面，本公开涉及包括气凝胶粒子和多个涂覆的碳粒子的绝缘组合物。在各个方面，涂覆的碳粒子分布在气凝胶粒子中。
每个涂覆的碳粒子包括设置在含碳材料上的耐火材料。碳粒子通过吸收红外线辐射作为遮光剂。碳粒子可包括本领域已知的任何类型的碳粒子，包括但不限于石墨，炭黑，碳纳米管，石墨烯，以及它们的组合。设置在碳粒子上的耐火材料可以是耐高温的，并且能够从周围环境屏蔽碳粒子。不希望被保持在任何特定机制或作用模式下，耐火材料在高温(例如，500℃或更大)下抑制碳粒子的氧化。因此，经涂覆的碳粒子在环境温度和高温下充当遮光剂。
在各个方面，耐火材料可包括但不限于诸如二氧化硅，氧化铝，二氧化钛，镍，氮化硼，氧化锆和氟化铝之类的材料。在一些方面，耐火材料可包括单一材料。在其它方面，涂层可包括多种材料。此外，应当认识到，涂覆的碳粒子可包括多个耐火材料。在一些变型中，涂覆的碳粒子可为粉末形式。
涂覆的碳粒子可使用本领域技术人员已知的工艺制备。在碳粒子表面上设置涂层的非限制性工艺包括原子层沉积，化学气相沉积和来自悬浮液的溶液涂层。
所述绝缘组合物可用作电池单元之间的绝缘体。在各种非限制性实施方案中，气凝胶涂覆的碳绝缘组合物可以与绝缘体相同方式用作电池单元中的绝缘体，如本文所述。例如，所述组合物可用作多单元电池组中的单独电池单元的热分离或隔离中的绝缘体。
在上述描述中，为了解释的目的，所使用的特定命名提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，实践所述实施方案不需要这些具体细节。因此，出于举例说明和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。它们并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根据上述教导内容，许多修改和变型是可能的。
Claims (121)
1.一种绝缘体，包括：
具有多孔结构的无机绝热材料；和
在挥发温度下挥发的粘结剂，所述粘结剂设置在所述多孔结构内，其中所述绝缘体包含至少10体积％的粘结剂。
2.根据权利要求1所述的绝缘体，其中所述绝缘体的热导率在所述粘结剂挥发之后小于0.05W/m·K。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的绝缘体，其中所述绝缘体的热导率在所述粘结剂挥发之前大于0.1W/m·K。
4.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述多孔结构具有小于500nm的平均孔径。
5.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述无机绝热材料包含设置成彼此接触以限定所述多孔结构的绝热纳米粒子。
6.根据权利要求5所述的绝缘体，其中所述绝热纳米粒子具有小于100nm的平均粒度。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的绝缘体，其中所述无机绝热材料包含气凝胶粒子。
8.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述无机绝热材料选自二氧化硅、碳、氧化锆、二氧化钛和陶瓷。
9.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述无机绝热材料包含陶瓷纳米粒子。
10.根据权利要求9所述的绝缘体，其中所述陶瓷纳米粒子包含二氧化硅、二氧化钛、氧化铝或氧化锆。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的绝缘体，其中所述陶瓷纳米粒子具有至少100m2/g的平均BET表面积。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的绝缘体，其中所述陶瓷纳米粒子包含热解法二氧化硅或二氧化硅气凝胶。
13.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述绝缘体包含至少5体积％的所述无机绝热材料。
14.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述粘结剂材料为有机材料或硅氧烷材料。
15.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述粘结剂为选自聚烷基碳酸酯，聚丙烯酸酯，聚醚，聚芳基碳酸酯，多元醇，聚四氟乙烯(PTFE)，聚乙烯醇，木质素磺酸盐，甲基纤维素，石蜡，有机硅，有机硅烷，淀粉，糊精和蜡乳液的材料。
16.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述粘结剂选自聚碳酸亚丙酯，聚碳酸亚乙酯和聚己烯碳酸酯。
17.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述绝缘体包含至少20体积％的所述粘结剂。
18.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述绝缘体包含至少50体积％的所述粘结剂。
19.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述绝缘体包含至少70体积％的所述粘结剂。
20.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述粘结剂在1个大气压下具有不大于500℃的挥发温度。
21.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述粘结剂在1个大气压下具有不大于400℃的挥发温度。
22.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述粘结剂在1个大气压下具有不大于300℃的挥发温度。
23.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述粘结剂在1个大气压下具有不大于250℃的挥发温度。
24.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述粘结剂在1个大气压下具有不大于200℃的挥发温度。
25.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述粘结剂在1个大气压下具有不大于175℃的挥发温度。
26.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述粘结剂在1个大气压下具有不大于150℃的挥发温度。
27.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述绝缘体在粘结剂挥发之后具有至少0.15g/mL的密度。
28.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中在粘结剂挥发之后，所述绝缘体在25℃下具有不超过0.4W/(m*K)的热导率。
29.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，包括与所述无机绝热材料接触的纤维材料。
30.根据权利要求29所述的绝缘体，其中所述纤维材料选自玻璃纤维、陶瓷纤维和二氧化硅纤维。
31.根据权利要求30所述的绝缘体，其中所述纤维材料包含玻璃纤维。
32.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，包括在大于250℃的温度下具有大于1×104m-1的平均消光系数的遮光剂。
33.根据权利要求32所述的绝缘体，其中所述遮光剂包括碳化硅、二氧化钛或含碳材料。
34.根据权利要求32或权利要求33所述的绝缘体，其中所述遮光剂包含含碳材料，并且所述含碳材料涂覆有抑制碳氧化温度下氧化的耐火材料。
35.根据权利要求34所述的绝缘体，其中所述含碳材料选自石墨、炭黑、碳纳米管和石墨烯。
36.根据权利要求34或权利要求35所述的绝缘体，其中所述耐火材料选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、镍、氮化硼、氧化锆和氟化铝。
37.根据权利要求34至36中任一项所述的绝缘体，其中涂覆有耐火材料的遮光剂的氧化温度大于800℃。
38.根据权利要求34至37中任一项所述的绝缘体，其中所述含碳材料具有大于5:1的纵横比。
39.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，其中所述绝缘体在所述粘结剂挥发之前比在所述粘结剂挥发后具有更大的机械强度。
40.根据权利要求39所述的绝缘体，
其中所述机械强度为弯曲强度；以及
其中所述弯曲强度在所述粘结剂挥发之前大于所述粘结剂挥发之后至少十倍。
41.一种绝缘体，包括：
形成多孔结构的无机绝热材料，与所述多孔结构之外的气体相比，所述多孔结构减少所述绝缘体中气体的平均自由路径；
所述无机绝热材料包含设置成彼此接触的多个绝热纳米粒子，纳米粒子之间的空间在所述绝缘体中形成孔；并且
每个绝热纳米粒子包括核，设置在所述核之上的第一层，和设置在所述第一层之上的第二层，其中所述第一层为绝缘层或遮光剂中的一者，并且所述第二层为所述绝缘层或所述遮光剂层中的另一者。
42.根据权利要求41所述的绝缘体，其中所述绝缘体的热导率小于0.05W/m·K。
43.根据权利要求41或权利要求42所述的绝缘体，其中所述多孔结构具有小于500nm的平均孔径。
44.根据权利要求41至43中任一项所述的绝缘体，其中所述绝热纳米粒子具有小于100nm的平均粒度。
45.根据权利要求41至44中任一项所述的绝缘体，其中所述绝热无机材料为至少5体积％的所述绝缘体。
46.根据权利要求41至45中任一项所述的绝缘体，包括在大于250℃的温度下具有大于1x104m-1的平均消光系数的遮光剂。
47.根据权利要求41至46中任一项所述的绝缘体，其中所述遮光剂包括碳化硅、二氧化钛或含碳材料。
48.根据权利要求47所述的绝缘体，其中所述遮光剂包含含碳材料，并且所述含碳材料涂覆有抑制碳氧化温度下氧化的耐火材料。
49.根据权利要求48所述的绝缘体，其中所述含碳材料选自石墨、炭黑、碳纳米管和石墨烯。
50.根据权利要求48或权利要求49所述的绝缘体，其中所述耐火材料选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、镍、氮化硼、氧化锆和氟化铝。
51.根据权利要求48至50中任一项所述的绝缘体，其中涂覆有所述耐火材料的遮光剂的氧化温度大于800℃。
52.根据权利要求48至50中任一项所述的绝缘体，其中涂覆有所述耐火材料的遮光剂的氧化温度大于1000℃。
53.根据权利要求48至51中任一项所述的绝缘体，其中所述含碳材料具有大于5:1的纵横比。
54.一种装置，包括：
第一电池单元和第二电池单元；以及
根据前述权利要求中任一项所述的设置在所述第一电池单元和所述第二电池单元之间的绝缘体。
55.根据权利要求54所述的设备，包括设置在所述第一电池单元和所述第二电池单元之间的金属层。
56.一种装置，包括：
与第一电池单元热接触的第一绝缘体；
与所述第一电池单元相对的所述第一绝缘体热接触的金属层；
与所述第一绝缘体相对的所述金属层热接触的第二绝缘体；以及
第二电池单元，所述第二电池单元与所述金属层相对的所述第二绝缘体热接触。
57.一种聚合物涂覆的绝缘体，包括：
无机绝热材料；和
聚合物涂层，所述聚合物涂层设置在所述无机绝热材料的表面上并穿透到所述无机绝热材料中至少平均10微米。
58.根据权利要求57所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述绝缘体的热导率小于0.05W/m·K。
59.根据权利要求57或权利要求58所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述无机绝热材料包含设置成彼此接触以限定多孔结构的绝热纳米粒子。
60.根据权利要求59所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述多孔结构具有小于500nm的平均孔径。
61.根据权利要求57或58所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述无机绝热材料包含气凝胶粒子。
62.根据权利要求57至61中任一项所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述无机绝热材料选自二氧化硅、碳、氧化锆、二氧化钛和陶瓷。
63.根据权利要求57所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述无机绝热材料包含陶瓷纳米粒子。
64.根据权利要求63所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述陶瓷纳米粒子包含二氧化硅、二氧化钛、氧化铝或氧化锆。
65.根据权利要求63或权利要求64所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述陶瓷纳米粒子具有至少100m2/g的平均BET表面积。
66.根据权利要求63至65中任一项所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述陶瓷纳米粒子包含热解法二氧化硅或二氧化硅气凝胶。
67.根据权利要求57至66中任一项所述的绝缘体，其中所述无机绝热材料为至少5体积％的所述绝缘体。
68.根据权利要求63至67中任一项所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述聚合物涂层具有小于或等于300微米的厚度。
69.根据权利要求57至68中任一项所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述聚合物涂层为选自聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚酯和聚酰亚胺的材料。
70.根据权利要求57至69中任一项所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述聚合物涂层渗透到所述无机绝热材料中至少平均10微米。
71.根据权利要求57至70中任一项所述的聚合物涂覆的绝缘体，包括在大于250℃的温度下具有大于1x104m-1的平均消光系数的遮光剂。
72.根据权利要求71所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述遮光剂包括碳化硅、二氧化钛或含碳材料。
73.根据权利要求72所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述遮光剂包含含碳材料，并且所述含碳材料涂覆有抑制碳氧化温度下氧化的耐火材料。
74.根据权利要求73所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述含碳材料选自石墨、炭黑、碳纳米管和石墨烯。
75.根据权利要求73或权利要求74所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述耐火材料选自二氧化硅，氧化铝、二氧化钛、镍、氮化硼、氧化锆和氟化铝。
76.根据权利要求73至75中任一项所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中涂覆有所述耐火材料的遮光剂的氧化温度大于800℃。
77.根据权利要求73至75中任一项所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中涂覆有所述耐火材料的遮光剂的氧化温度大于1000℃。
78.根据权利要求73至77中任一项所述的聚合物涂覆的绝缘体，其中所述含碳材料具有大于5:1的纵横比。
79.一种装置，包括：
第一电池单元和第二电池单元；以及
根据权利要求57至75中任一项所述的设置在所述第一电池单元和所述第二电池单元之间聚合物涂覆的绝缘体。
80.根据权利要求79所述的设备，包括设置在所述第一电池单元和所述第二电池单元之间的金属层。
81.一种装置，包括：
与所述第一电池单元热接触的第一聚合物涂覆的绝缘体；
与所述第一电池单元相对的所述第一聚合物涂覆的绝缘体热接触的金属层；
与所述第一聚合物涂覆的绝缘体相对的所述金属层热接触的第二聚合物涂覆的绝缘体；以及
与所述金属层相对的所述第二聚合物涂覆的绝缘体热接触的所述第二电池单元。
82.一种绝缘体，包含绝热材料和遮光剂，所述遮光剂包含涂覆有耐火材料的含碳材料，所述耐火材料抑制碳氧化温度下的所述含碳材料的氧化。
83.根据权利要求82所述的绝缘体，其中所述绝热材料为具有多孔结构的无机绝热材料。
84.根据权利要求83所述的绝缘体，其中所述多孔结构具有小于500nm的平均孔径。
85.根据权利要求83或84所述的绝缘体，其中所述无机绝热材料包含设置成彼此接触以限定所述多孔结构的绝热纳米粒子。
86.根据权利要求85所述的绝缘体，其中所述绝热纳米粒子具有小于100nm的平均粒度。
87.根据权利要求83所述的绝缘体，其中所述无机绝热材料包含气凝胶粒子。
88.根据权利要求83至87中任一项所述的绝缘体，其中所述无机绝热材料选自二氧化硅、碳、氧化锆、二氧化钛和陶瓷。
89.根据权利要求83所述的绝缘体，其中所述无机绝热材料包含陶瓷纳米粒子。
90.根据权利要求89所述的绝缘体，其中所述陶瓷纳米粒子包含二氧化硅、二氧化钛、氧化铝或氧化锆。
91.根据权利要求89或权利要求90所述的绝缘体，其中所述陶瓷纳米粒子具有至少100m2/g的平均BET表面积。
92.根据权利要求89至91中任一项所述的绝缘体，其中所述陶瓷纳米粒子包含热解法二氧化硅或二氧化硅气凝胶。
93.根据权利要求89至92中任一项所述的绝缘体，其中所述绝缘体包含至少5体积％的所述无机绝热材料。
94.根据权利要求89至93中任一项所述的绝缘体，包括与所述无机绝热材料接触的纤维材料。
95.根据权利要求94所述的绝缘体，其中所述纤维材料选自玻璃纤维、陶瓷纤维和二氧化硅纤维。
96.根据权利要求95所述的绝缘体，其中所述纤维材料包含玻璃纤维。
97.根据权利要求82至96中任一项所述的绝缘体，其中所述含碳材料选自石墨、炭黑、碳纳米管和石墨烯。
98.根据权利要求82至97中任一项所述的绝缘体，其中所述耐火材料选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、镍、氮化硼、氧化锆和氟化铝。
99.根据权利要求82至98中任一项所述的绝缘体，其中涂覆有耐火材料的遮光剂的氧化温度大于800℃。
100.根据权利要求82至99中任一项所述的绝缘体，其中所述含碳材料具有大于5:1.101的纵横比。
101.根据权利要求82至100中任一项所述的绝缘体，其中所述含碳材料共价键合至所述耐火材料。
102.根据权利要求82至101中任一项所述的绝缘体，包含不超过40重量％的遮光剂。
103.一种装置，包括：
第一电池单元和第二电池单元；以及
根据权利要求82至102中任一项所述的设置在所述第一电池单元和所述第二电池单元之间的绝缘体。
104.根据权利要求103所述的设备，包括设置在所述第一电池单元和所述第二电池单元之间的金属层。
105.一种装置，包括：
与所述第一电池单元热接触的第一绝缘体；
与所述第一电池单元相对的所述第一聚合物涂覆的绝缘体热接触的金属层；
与所述第一绝缘体相对的所述金属层热接触的第二聚合物涂覆的绝缘体；以及
与所述金属层相对的所述第二绝缘体热接触的第二电池单元。
106.一种制造绝缘体的方法，包括：
将粘结剂溶解于溶剂中以形成溶液；
将多孔绝缘体暴露于所述溶液，从而用所述溶液浸渍所述绝缘体的孔；以及
将所述粘结剂固化在所述绝缘体的孔内。
107.根据权利要求106所述的方法，其中固化所述粘结剂包括使所述粘结剂在所述绝缘体的孔内沉淀。
108.根据权利要求106所述的方法，其中固化所述粘结剂包括使所述粘结剂在所述绝缘体的孔内聚合。
109.一种制造聚合物涂覆的多孔绝缘体的方法，包括用聚合物涂层涂覆绝热多孔材料以形成聚合物涂覆的绝缘体。
110.一种制造绝缘体的方法，包括：
将粘结剂溶解于溶剂中以形成粘结剂溶液；
将具有多孔结构的无机绝热材料暴露于所述粘结剂溶液以借助所述粘结剂溶液浸渍所述无机绝热材料的多孔结构以形成粘结剂浸渍的材料；
将所述粘结剂浸渍的材料沉积在基底上；以及
在多孔结构中固化所述粘结剂。
111.根据权利要求110所述的方法，其中将所述粘结剂固化到所述多孔结构中的步骤包括加热所述粘结剂浸渍的材料。
112.一种制造绝缘体的方法，包括：
将粘结剂溶解于溶剂中以形成粘结剂溶液；
将具有多孔结构的无机绝热材料暴露于所述粘结剂溶液以借助所述粘结剂溶液浸渍所述无机绝热材料的多孔结构以形成粘结剂浸渍的材料；
将所述粘结剂浸渍的材料沉积在模具中；以及
向所述粘结剂浸渍的材料提供压力固化所述多孔结构中的粘结剂。
113.一种制造绝缘体的方法，包括：
将粘结剂和无机绝热材料混合以形成混合物；
压缩所述混合物以形成具有多孔结构的无机绝热材料，所述多孔结构浸渍有所述粘结剂。
114.根据权利要求113所述的方法，还包括加热所述粘结剂浸渍的无机绝热材料。
115.一种制造绝缘体的方法，包括：
将粘结剂和无机绝热材料混合以形成混合物；
挤出所述混合物以形成具有多孔结构的无机绝热材料，所述多孔结构浸渍有所述粘结剂。
116.根据权利要求115所述的方法，还包括加热所述粘结剂浸渍的无机绝热材料。
117.一种制造聚合物涂覆的绝缘体的方法，包括：
将无机绝热材料的表面暴露于涂料组合物以在所述无机绝热材料的表面上形成聚合物涂层；
允许所述聚合物涂层穿透到所述无机绝热材料中至少平均10微米；以及
固化所述聚合物涂层。
118.根据权利要求117所述的方法，其中所述涂料组合物包含所述聚合物涂层中的一种或多种前体。
119.根据权利要求117或权利要求118中任一项所述的方法，其中所述涂料组合物包含所述聚合物。
120.根据权利要求117至119中任一项所述的方法，其中所述暴露步骤包括用所述涂料组合物喷涂所述无机绝热材料的所述表面。
121.根据权利要求117至119中任一项所述的方法，其中所述暴露步骤包括用所述涂料组合物浸涂所述无机绝热材料的所述表面。
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