CN108859282A - 新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板及其制备方法 - Google Patents

新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板及其制备方法，包括：弹性二氧化硅气凝胶片材和膨体聚四氟乙烯膜，弹性二氧化硅气凝胶片材至少一面复合有膨体聚四氟乙烯膜；制备方法是首先制备弹性二氧化硅气凝胶片材，然后在膨体聚四氟乙烯膜上涂胶粘剂，与弹性气凝胶片材单面或双面层压复合，最后检验、加热固化。通过上述方式，本发明既能疏拒电池液、耐电池液腐蚀，又耐高低温，与弹性二氧化硅气凝胶片材复合或包覆后结合密贴不分层又不渗漏，保养简单容易且可长期使用，膨体聚四氟乙烯膜达到了阻燃标准，提高了新能源汽车锂离子动力电池供电的可靠性和安全性，助力我国新能源汽车产业的发展有着重要作用。

Description

新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板 及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车领域，特别是涉及一种新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板及其制备方法。
背景技术
新能源汽车锂离子动力电池电解液是电池中离子传输的载体。一般由锂盐和有机溶剂组成。电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的。该电解液易燃，遇明火、高热有引起燃烧的危险。
当新能源汽车锂离子动力电池在夏、冬季节工作时，锂离子动力电池处在高温的工作环境下电池液热胀、冬季冷缩（极寒天气）和行车是汽车剧烈冲击振动给锂离子动力电池造成的电池液的渗漏污染，渗漏液易燃，遇明火、高热有引起燃烧的危险，给锂离子动力电池在安全可靠使用方面存在隐患，给人员带来潜在危险和财产损失。
所以，新能源汽车锂离子动力电池热管理系统需要一种既能耐高温又隔热的防护。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板及其制备方法，能够提高新能源汽车锂离子动力电池供电的可靠性和安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板，包括：弹性二氧化硅气凝胶片材和膨体聚四氟乙烯膜，弹性二氧化硅气凝胶片材至少一面复合有膨体聚四氟乙烯膜。
在本发明一个较佳实施例中，弹性二氧化硅气凝胶片材的单面或双面复合有膨体聚四氟乙烯膜。
在本发明一个较佳实施例中，弹性二氧化硅气凝胶片材全面均包覆有膨体聚四氟乙烯膜。
在本发明一个较佳实施例中，首先制备弹性二氧化硅气凝胶片材，然后在膨体聚四氟乙烯膜上涂胶粘剂，与弹性气凝胶片材单面或双面层压复合，最后检验、加热固化。
在本发明一个较佳实施例中，首先制备弹性二氧化硅气凝胶片材，用成形模切出的弹性气凝胶零件，然后用单面涂胶的膨体聚四氟乙烯膜全面包覆弹性气凝胶零件，最后检验、加热固化。
在本发明一个较佳实施例中，弹性二氧化硅气凝胶片材是将凝聚剂加入到溶剂中均匀搅拌，然后加入甲基三甲氧基硅烷和硅源，搅拌均匀，加入凝胶促进剂，再次搅拌均匀，陈化凝胶形成的片材状湿凝胶，再进行至少两次溶剂置换，得到块状湿凝胶并进行干燥。
在本发明一个较佳实施例中，加入凝胶促进剂的同时，加入阻燃剂进行搅拌，陈化凝胶形成的片状湿凝胶，溶剂置换、干燥后即可制得具有阻燃功能的弹性二氧化硅气凝胶片材。
在本发明一个较佳实施例中，在溶胶段加入短玻璃纤维或预氧丝短纤维，与溶胶一起形成湿凝胶，含有增强纤维的湿凝胶经干燥后，获得强度增强的弹性二氧化硅气凝胶片材。
在本发明一个较佳实施例中，硅源包括二甲基二甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、硅酸乙酯和硅酸中的一种或多种。
在本发明一个较佳实施例中，凝胶促进剂为1，2-环氧丙烷，凝聚剂为十六烷基三甲基氯化铵或十八烷基三甲基氯化铵；溶剂为稀盐酸溶液。
本发明的有益效果是：本发明在弹性二氧化硅气凝胶片材表层覆膨体聚四氟乙烯膜，既能疏拒电池液、耐电池液腐蚀，又耐高低温，因表层膨体聚四氟乙烯膜具有微纳米级透气孔存在，与弹性二氧化硅气凝胶片材复合或包覆后结合密贴不分层又不渗漏，因而保养简单容易且可长期使用，膨体聚四氟乙烯膜达到了阻燃标准，符合新能源汽车的产业标准要求，本发明的结构提高了新能源汽车锂离子动力电池供电的可靠性和安全性，助力我国新能源汽车产业的发展有着重要作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板一较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板另一较佳实施例的结构示意图；
图3是本发明新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板另一较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例包括：
一种新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板，包括：弹性二氧化硅气凝胶片材1和膨体聚四氟乙烯膜2，弹性二氧化硅气凝胶片材1至少一面复合有膨体聚四氟乙烯膜2。
如图1和图2所示，弹性二氧化硅气凝胶片材1的单面或双面复合有膨体聚四氟乙烯膜2。
制备方法包括：首先制备弹性二氧化硅气凝胶片材1，然后在膨体聚四氟乙烯膜2上涂胶粘剂，与弹性气凝胶片材单面或双面层压复合，最后检验、加热固化。
如图3所示，弹性二氧化硅气凝胶片材1全面均包覆有膨体聚四氟乙烯膜2。
制备方法包括：首先制备弹性二氧化硅气凝胶片材1，用成形模切出的弹性气凝胶零件，然后用单面涂胶的膨体聚四氟乙烯膜2全面包覆弹性气凝胶零件，最后检验、加热固化。
其中，膨体聚四氟乙烯高性能纤维的微孔膜，该多孔材料中92%以上是0~15微米孔径构成的细微的、互相连通的多层异形孔径的空腔。ePTFE薄膜具有化学惰性佳耐腐蚀、疏水疏油、疏拒电池液不漏液、抗紫外线、不易燃、和耐高低温等优异性能， ePTFE薄膜能适应各种环境气候变化而不影响其性能发挥。
弹性二氧化硅气凝胶是一种微纳米孔性弹性体减振二氧化硅气凝胶新品种材料，是目前工程应用的最轻的固体材料，可以使得新能源汽车轻量化更节能。由其制成的高弹性二氧化硅气凝胶各种片材导热系数为0.015~0.04 W/(m·K)，甚至更低，且具有超疏水、使用温度范围广（-80~350℃）、寿命长、抗压、无毒。
弹性二氧化硅气凝胶片材1的制备方法是：将100~120ml的凝聚剂加入到800~1000ml的溶剂中均匀搅拌，转速为50~300转/min，然后加入160~180ml的甲基三甲氧基硅烷和90~120ml的硅源，搅拌均匀，转速为50~300转/min，加入150~170ml的凝胶促进剂，再次搅拌均匀，转速为50~300转/min，陈化凝胶形成的片材状湿凝胶，再进行至少两次溶剂置换，得到块状湿凝胶并进行干燥，即可制得弹性二氧化硅气凝胶片材1。
此外，加入凝胶促进剂的同时，加入阻燃剂进行搅拌，陈化凝胶形成的片状湿凝胶，溶剂置换、干燥后即可制得具有阻燃功能的弹性二氧化硅气凝胶片材1。
阻燃剂优选为环保无卤阻燃剂，集碳源、酸源和气源于一体的磷氮系膨胀阻燃剂或为三聚氰胺及其磷的化合物。
磷氮系膨胀阻燃剂：该产品集碳源、酸源和气源与一体，在高温作用下发生分解并且迅速酯化膨胀。在起始阶段释放出不可燃的蒸汽而产生吸热效果，紧接着游离的磷酸促使碳层的形成，在燃烧材料表面形成致密的多空膨胀炭层提高了热绝缘性能，该炭层可以阻止热源向高聚物的传递以及隔绝氧气，阻止内层高聚物的进一步降解和可燃物向表面的释放。磷氮系膨胀阻燃剂无卤、无重金属，符合RoHS、REACH环保要求。粉体进行了超细和良好的表面处理，使阻燃剂在产品中不析出、不迁移，阻燃效果通过UL94V-0级。磷氮系膨胀阻燃剂的用量是占溶胶质量的8%~20%。
三聚氰胺及其与磷的化合物，主要是三聚氰胺、三聚氰胺氰尿酸和三聚氰胺磷酸酯。氮系阻燃剂一般为白色晶状细粉末，粒径10μm～50μm，容易分散。密度1.5g/cm～1.7g/cm。作为阻燃剂新品种，氮系阻燃剂有很多优点：高效阻燃；不含卤素；无腐蚀作用，因而减少了机械被腐蚀问题；耐紫外光照；使制品不褪色，不喷霜；可回收再利用。不需要和其它阻燃剂配合使用。三聚氰胺及其磷的化合物的用量是占溶胶质量的8%~15%时可燃等级就能达到UL94标准的V-O阻燃级。
在溶胶段加入短玻璃纤维或预氧丝短纤维，与溶胶一起形成湿凝胶，含有增强纤维的湿凝胶经干燥后，获得强度增强的弹性二氧化硅气凝胶片材1。
硅源包括二甲基二甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、硅酸乙酯和硅酸中的一种或多种。凝胶促进剂为1，2-环氧丙烷，凝聚剂为十六烷基三甲基氯化铵或十八烷基三甲基氯化铵；溶剂为稀盐酸溶液，浓度为1.5×10-5mol/ml-3×10-5mol/ml。
陈化凝胶是溶胶倒入密闭容器内，在温度30~65摄氏度的烘箱内低温陈化凝胶。
溶剂置换是每隔10-14小时取出密闭容器，用萃取剂置换湿凝胶析出的溶剂，本发明优选萃取剂为酒精。
干燥包括常压干燥、微波干燥或超临界干燥，常压干燥、微波干燥的温度为35~65摄氏度，超临界干燥的干燥时间为3~9小时， 温度45~90摄氏度，超临界的二氧化碳或酒精的压强为6MPa ~35MPa,超临界的二氧化碳或酒精的气体流量为150~180L/h。
关于弹性二氧化硅气凝胶片材1的制备包括以下实施例：
实施例1：将110ml的十六烷基三甲基氯化铵加入到900ml浓度为2×10-5mol/ml的盐酸溶剂中均匀搅拌，搅拌转速为180转/min，然后加入170ml的甲基三甲氧基硅烷和110ml的二甲基二甲氧基硅烷，搅拌均匀成溶胶1，搅拌转速为180转/min，加入180ml的1，2-环氧丙烷，再次搅拌均匀成溶胶2，搅拌转速为175转/min，溶胶倒入密闭容器内，在温度48摄氏度的烘箱内低温陈化凝胶，再进行三次溶剂置换，溶剂置换是每隔10小时取出密闭容器，用酒精置换湿凝胶析出的溶剂，经溶剂充分置换后得到块状湿凝胶,并在烘箱内低温干燥至干凝胶，烘箱温度50摄氏度，制得常压法制造减振隔热的弹性二氧化硅气凝胶片材1。
实施例2：将100ml的十八烷基三甲基氯化铵加入到800ml浓度为1.5×10-5mol/ml的盐酸溶剂中均匀搅拌，搅拌转速为50转/min，然后加入160ml的甲基三甲氧基硅烷和90ml的正硅酸乙酯，搅拌均匀成溶胶1，搅拌转速为50转/min，加入150ml的1，2-环氧丙烷，再次搅拌均匀成溶胶2，搅拌转速为50转/min，溶胶倒入密闭容器内，在温度30摄氏度的烘箱内低温陈化凝胶，再进行两次溶剂置换，溶剂置换是每隔12小时取出密闭容器，用酒精置换湿凝胶析出的溶剂，经溶剂充分置换后得到块状湿凝胶,并在微波烘箱或烘道内低温干燥至干凝胶，烘箱温度35摄氏度，制得微波加热干燥法制造减振隔热的弹性二氧化硅气凝胶片材1。
实施例3：将115ml的十六烷基三甲基氯化铵加入到950ml浓度为3×10-5mol/ml的盐酸溶剂中均匀搅拌，搅拌转速为250转/min，然后加入175ml的甲基三甲氧基硅烷和110ml的正硅酸乙酯，搅拌均匀成溶胶1，搅拌转速为220转/min，加入适量短玻璃纤维继续搅拌,再加入160ml的1，2-环氧丙烷，再次搅拌均匀成溶胶2，搅拌转速为220转/min，溶胶倒入密闭容器内，在温度60摄氏度的烘箱内低温陈化凝胶，再进行三次溶剂置换，溶剂置换是每隔14小时取出密闭容器，用酒精置换湿凝胶析出的溶剂，经溶剂充分置换后得到块状湿凝胶,并在超临界干燥装置设备内进行超临界干燥8小时,超临界的温度87摄氏度，超临界的压强二氧化碳或酒精的压强30MPa,超临界的二氧化碳或酒精的气体流量180L/h至干凝胶，制得强度增强的阻燃弹性二氧化硅气凝片材。
实施例4：将120ml的十六烷基三甲基氯化铵加入到1000ml浓度为3×10-5mol/ml的盐酸溶剂中均匀搅拌，搅拌转速为300转/min，然后加入180ml的甲基三甲氧基硅烷和120ml的二甲基二甲氧基硅烷，搅拌均匀成溶胶1，搅拌转速为300转/min，加入170ml的1，2-环氧丙烷和磷氮系膨胀阻燃剂，再次搅拌均匀成溶胶2，搅拌转速为300转/min，溶胶倒入密闭容器内，在温度65摄氏度的烘箱内低温陈化凝胶，再进行5次溶剂置换，溶剂置换是每隔14小时取出密闭容器，用酒精置换湿凝胶析出的溶剂，经溶剂充分置换后得到块状湿凝胶,并在烘箱内低温干燥至干凝胶，烘箱温度65摄氏度，制得常压法制造阻燃隔热的弹性二氧化硅气凝胶片材1。
实施例5：将100ml的十八烷基三甲基氯化铵加入到800ml浓度为1.5×10-5mol/ml的盐酸溶剂中均匀搅拌，搅拌转速为50转/min，然后加入160ml的甲基三甲氧基硅烷和90ml的二甲基二甲氧基硅烷，搅拌均匀成溶胶1，搅拌转速为50转/min，加入适量预氧丝短纤维，优选聚丙烯腈(PAN)基预氧丝继续搅拌,再加入150ml的1，2-环氧丙烷和三聚氰胺，再次搅拌均匀成溶胶2，搅拌转速为50转/min，溶胶倒入密闭容器内，在温度30摄氏度的烘箱内低温陈化凝胶，再进行三次溶剂置换，溶剂置换是每隔12小时取出密闭容器，用酒精置换湿凝胶析出的溶剂，经溶剂充分置换后得到块状湿凝胶, 并在烘箱内低温干燥至干凝胶，烘箱温度38摄氏度，制得强度增强的阻燃弹性二氧化硅气凝片材。
汽车锂离子动力电池热管理系统用阻燃隔热的弹性二氧化硅气凝胶片材1和IXPE隔热泡棉片材性能对比：
性能指标 本发明的阻燃隔热的弹性二氧化硅气凝胶 PU、XPE、IXPE泡棉类
密度 (Kg/m3) 80~150 200（5倍发泡）
导热系数 (W/mk) 0.017~0.024（超临界干燥法），0.024~0.04（常压法或微波加热干燥法） 0.095~0.3
使用温度 (℃) -80~350℃ -40~120℃
阻燃性能 建筑A1级/UL94标准V0级（不燃烧） UL94标准HB级(燃烧的)
吸水率 室温24h (%) 疏水 <0.5
环保无毒性 ROHS标准 ROHS标准
温形变120℃，24h (%) 无 收缩10%
压缩回弹率 48% 0~15%
常规厚度（mm） 0.5/1/2/3/4/5/6/7/8/9/10 0.5/1/3/10
如表中数据所示，与传统保温隔热材料相比，同等隔热效果下，气凝胶材料厚度只有传统保温隔热材料的1/2-1/5，却是目前可应用于新能源汽车及动力电池最薄最高效的保温隔热材料。
新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板在弹性二氧化硅气凝胶片材1表层覆膨体聚四氟乙烯膜2，既能疏拒电池液、耐电池液腐蚀，又耐高低温（-60℃~258℃），因表层膨体聚四氟乙烯膜2具有微纳米级透气孔存在，与弹性二氧化硅气凝胶片材复合或包覆后结合密贴不分层又不渗漏，因而保养简单容易且可长期使用，膨体聚四氟乙烯膜达到了UL94的V-0级阻燃标准，符合新能源汽车的产业标准要求，本发明的结构提高了新能源汽车锂离子动力电池供电的可靠性和安全性，助力我国新能源汽车产业的发展有着重要作用。
本发明在新能源汽车领域，除应用于动力电池电芯之间的隔热减振外，还可应用于模组于壳体之间的隔热防震、电池箱的外部防寒层和高温隔热层。随着弹性二氧化硅气凝胶片材工艺的成熟和生产规模的扩大，其价格必然会下降，有着性价比竞争优势，在新能源汽车动力电池中的应用和市场渗透率也必将随着新能源汽车的行业增长而激增，该产品将助力提升我国新能源汽车的安全可靠性和全球竞争力。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板，其特征在于，包括：弹性二氧化硅气凝胶片材和膨体聚四氟乙烯膜，弹性二氧化硅气凝胶片材至少一面复合有膨体聚四氟乙烯膜。
2.根据权利要求1所述的新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板，其特征在于，弹性二氧化硅气凝胶片材的单面或双面复合有膨体聚四氟乙烯膜。
3.根据权利要求1所述的新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板，其特征在于，弹性二氧化硅气凝胶片材全面均包覆有膨体聚四氟乙烯膜。
4.根据权利要求2所述的新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板的制备方法，其特征在于，首先制备弹性二氧化硅气凝胶片材，然后在膨体聚四氟乙烯膜上涂胶粘剂，与弹性气凝胶片材单面或双面层压复合，最后检验、加热固化。
5.根据权利要求3所述的新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板的制备方法，其特征在于，首先制备弹性二氧化硅气凝胶片材，用成形模切出的弹性气凝胶零件，然后用单面涂胶的膨体聚四氟乙烯膜全面包覆弹性气凝胶零件，最后检验、加热固化。
6.根据权利要求4或5所述的新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板的制备方法，其特征在于，弹性二氧化硅气凝胶片材是将凝聚剂加入到溶剂中均匀搅拌，然后加入甲基三甲氧基硅烷和硅源，搅拌均匀，加入凝胶促进剂，再次搅拌均匀，陈化凝胶形成的片材状湿凝胶，再进行至少两次溶剂置换，得到块状湿凝胶并进行干燥。
7.根据权利要求6所述的新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板的制备方法，其特征在于，加入凝胶促进剂的同时，加入阻燃剂进行搅拌，陈化凝胶形成的片状湿凝胶，溶剂置换、干燥后即可制得具有阻燃功能的弹性二氧化硅气凝胶片材。
8.根据权利要求6所述的新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板的制备方法，其特征在于，在溶胶段加入短玻璃纤维或预氧丝短纤维，与溶胶一起形成湿凝胶，含有增强纤维的湿凝胶经干燥后，获得强度增强的弹性二氧化硅气凝胶片材。
9.根据权利要求6所述的新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板的制备方法，其特征在于，硅源包括二甲基二甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、硅酸乙酯和硅酸中的一种或多种。
10.根据权利要求6所述的新能源汽车锂离子动力电池用疏拒电池液又耐高温隔热的板的制备方法，其特征在于，凝胶促进剂为1，2-环氧丙烷，凝聚剂为十六烷基三甲基氯化铵或十八烷基三甲基氯化铵；溶剂为稀盐酸溶液。
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