CN109103369A - 新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件，异型件设于各单体电池芯之间，制造方法包括：首先依据单体电池芯的外形设计出模具，其次把二氧化硅溶胶液体灌装在设计好的模具内陈化后形成湿凝胶，用表面张力系数较小的溶剂进行至少两次溶剂置换，置换出湿凝胶内的水份后，进行干燥，脱模即制得弹性二氧化硅气凝胶异型件。通过上述方式，本发明在锂离子电池芯单体之间增加，减缓热失控的传播速度；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，提高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弹性二氧化硅气凝胶的异型件

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弹性二氧化硅气凝胶的异型件。

背景技术

新能源汽车主要的动力源来源于动力电池系统，其决定着新能源汽车的行车性能、安全性能和寿命。尤其是纯电动汽车，所有的动力都来源于其电池系统。动力电池系统一般主要由电池模组、电池管理系统BMS、热管理系统以及一些电气和机械系统等构成。动力电池模组由几颗到数百颗单体电池芯经由并联及串联所组成。车辆在不同的行驶状况和环境下，单体电芯由于其自身电阻，在输出电能的同时会产生一定的热量，使自身温度变。

高温工作环境和激烈碰撞是破坏锂离子电池、引起电池燃烧、爆炸的最大的两大元凶，而动力电池系统在工作过程产生大量的热聚集在狭小的电池箱体内，热量如果不能够及时地快速散出，电池模组的寿命和性能会受到很大影响，甚至出现热失控，导致起火爆炸等，所以国内新能源动力电池系统热管理较多的关注在散热上和单体级别的热失控机理和特征研究。对于电芯之间的高效隔热、阻燃、减振和热失控防护关注较少，但是当某电池单体触发热失控时，产热量骤增，散热量远小于产热量，热量向周围电池传递，会迅速引发周边电池大规模热失控，形成由单体热失控触发继而传播到整个电池系统的热失控级别引起的安全隐患。因此有必要在锂离子电池芯单体之间增加隔热减振异型件，减缓热失控的传播速度，采取进一步消防措施争取时间。

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弹性二氧化硅气凝胶的异型件，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弹性二氧化硅气凝胶的异型件，异型件设于各单体电池芯之间，制造方法包括：首先依据单体电池芯的外形设计出模具，其次把二氧化硅溶胶液体灌装在设计好的模具内陈化后形成湿凝胶，用表面张力系数较小的溶剂进行至少两次溶剂置换，置换出湿凝胶内的水份后，进行干燥，脱模即制得弹性二氧化硅气凝胶异型件。

在本发明一个较佳实施例中，单体电池芯装配于异型件的型腔中。

在本发明一个较佳实施例中，单体电池芯为长方形或圆柱形单体电池芯。

在本发明一个较佳实施例中，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。

在本发明一个较佳实施例中，二氧化硅溶胶液体的制备方法包括将凝聚剂加入到的溶剂中均匀搅拌，然后加入甲基三甲氧基硅烷和硅源，搅拌均匀，加入的凝胶促进剂，再次搅拌均匀，即制得二氧化硅溶胶液体。

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；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。

在本发明一个较佳实施例中，在溶胶液体中加入凝胶促进剂的同时也加入阻燃剂，与溶胶液体在模具内陈化形成湿凝胶，进行至少两次溶剂置换，干燥后制得具有阻燃功能的弹性二氧化硅气凝胶异型件。

在本发明一个较佳实施例中，阻燃剂为环保无卤阻燃剂为集碳源、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，磷氮系膨胀阻燃剂的用量是占溶胶质量的8%~20%，三聚氰胺及其磷的化合物的用量是占溶胶质量的8%~15%。

在本发明一个较佳实施例中，在溶胶液体中加入短玻璃纤维或预氧丝短纤维，与溶胶液体模具内陈化形成湿凝胶，进行至少两次溶剂置换，干燥后制得强度增强的弹性二氧化硅气凝胶异型件。

本发明的有益效果是：本发明的异型件是在锂离子电池芯单体之间增加，减缓热失控的传播速度；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，提高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弹性二氧化硅气凝胶的异型件一较佳实施例的结构示意图；

图2是图1所示的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件的俯视图；

图3是图1所示新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件组装后的结构示意图；

图4是图3所示的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件的俯视图；

图5是本发明新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件另一较佳实施例的结构示意图；

图6是图5所示的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件的俯视图；

图7是图5所示新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件组装后的结构示意图；

图8是图7所示的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件的俯视图。

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弹性二氧化硅气凝胶的异型件，异型件1设于各单体电池芯2之间。

异型件1的制造方法包括：首先依据单体电池芯的外形设计出模具，其次把二氧化硅溶胶液体灌装在设计好的模具内陈化后形成湿凝胶，用表面张力系数较小的溶剂进行至少两次溶剂置换（酒精、或异丙醇等），置换出湿凝胶内的水份后，进行干燥，脱模即制得弹性二氧化硅气凝胶异型件，检验新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件的外观和性能指标后包装交付客户。单体电池芯装配于异型件的型腔中。

其中，单体电池芯2为长方形或圆柱形单体电池芯。如图1-4所示，单体电池芯为长方形，如图5-8所示，单体电池芯为圆柱形。

二氧化硅溶胶液体的制备方法包括将100~120ml的凝聚剂加入到800~1000ml的溶剂中均匀搅拌，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，加入150~170ml的凝胶促进剂，再次搅拌均匀，即制得二氧化硅溶胶液体。均匀搅拌溶液的转速为50~300转/min。

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。

在溶胶液体中加入凝胶促进剂的同时也加入阻燃剂，优选为环保无卤阻燃剂，与溶胶液体在模具内陈化形成湿凝胶，进行至少两次溶剂置换，干燥后制得具有阻燃功能的弹性二氧化硅气凝胶异型件1。

环保无卤阻燃剂为集碳源、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，磷氮系膨胀阻燃剂的用量是占溶胶质量的8%~20%，三聚氰胺及其磷的化合物的用量是占溶胶质量的8%~15%。

在溶胶液体中加入短玻璃纤维或预氧丝短纤维，与溶胶液体模具内陈化形成湿凝胶，进行至少两次溶剂置换，干燥后制得强度增强的弹性二氧化硅气凝胶异型件1。

实施例1：弹性二氧化硅气凝胶异型件1的制造方法：将100ml的十六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，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，搅拌转速为50转/min，溶胶倒入模具内，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小时取出模具，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35摄氏度，制得常压法制造减振隔热的弹性二氧化硅气凝胶异型件1。

实施例2：弹性二氧化硅气凝胶异型件1的制造方法：将110ml的十八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的正硅酸乙酯，搅拌均匀成溶胶，搅拌转速为175转/min，加入160ml的1，2-环氧丙烷，再次搅拌均匀成溶胶，搅拌转速为170转/min，溶胶倒入模具内，在温度45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小时取出模具，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48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异型件1。

实施例3：弹性二氧化硅气凝胶异型件1的制造方法：将120ml的十八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的硅酸乙酯，搅拌均匀成溶胶，搅拌转速为300转/min，加入170ml的1，2-环氧丙烷，再次搅拌均匀成溶胶，搅拌转速为300转/min，溶胶倒入模具内，在温度65摄氏度的烘箱内低温陈化凝胶，再进行六次溶剂置换，溶剂置换是每隔12小时取出模具，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9小时,超临界的温度90摄氏度，超临界的压强二氧化碳或酒精的压强35MPa,超临界的二氧化碳或酒精的气体流量180L/h至干凝胶，制得超临界干燥法制造的减振隔热的弹性二氧化硅气凝胶异型件1。

实施例4：弹性二氧化硅气凝胶异型件1的制造方法：将118ml的十八烷基三甲基氯化铵加入到850ml浓度为3×10-5mol/ml的盐酸溶剂中均匀搅拌，搅拌转速为280转/min，然后加入165ml的甲基三甲氧基硅烷和108ml的二甲基二甲氧基硅烷，搅拌均匀成溶胶，搅拌转速为280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165ml的1，2-环氧丙烷，再次搅拌均匀成溶胶，搅拌转速为250转/min，溶胶倒入模具内，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12小时取出模具，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63摄氏度，制得强度增强的减振隔热的弹性二氧化硅气凝胶异型件1。

聚丙烯腈(PAN)基预氧丝是由含碳的有机纤维原丝在空气介质下，经过几十至几百分钟的预氧化过程，而得到预氧丝，阻燃效果好。

实施例5：弹性二氧化硅气凝胶异型件1的制造方法：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，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-环氧丙烷和磷氮系膨胀阻燃剂，再次搅拌均匀成溶胶，搅拌转速为220转/min，溶胶倒入模具内，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12小时取出模具，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胶异型件1。

短玻璃纤维作为强化弹性二氧化硅气凝胶的补强材料应用时，最大的特征是抗拉强度大，耐热性好，温度达300℃时对强度没影响。有优良的电绝缘性，是高级的电绝缘材料，也用于绝热材料和防火屏蔽材料。

实施例1-5中的，弹性二氧化硅气凝胶异型件1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异型件导热系数为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。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。基于气凝胶上述特点和动力电池隔热板的需求，气凝胶片被认为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。

下表是弹性二氧化硅气凝胶异型件1和IXPE隔热泡棉性能对比：

性能指标	江苏泛亚微透科技股份有限公司的弹性二氧化硅气凝胶异型件1	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℃
吸水率 室温24h (%)	疏水	<0.5
			环保无毒性	ROHS标准	ROHS标准
高温形变120℃，24h (%)	无	收缩10%
			压缩回弹率（与减振有关的指标）	92%	0~15%
常规厚度（mm）	0.5/1/2/3/4/5/6/7/8/9/10	0.5/1/3/10

如上表所示，弹性二氧化硅气凝胶异型件1的减振特性符合国家新能源汽车的锂离子动力电池标准规范，减振特性远优于PU、XPE、IXPE泡棉类。

弹性二氧化硅气凝胶异型件的导热系数远小于PU、XPE、IXPE泡棉类的导热系数，是目前隔热效果更好的材料；大大减缓热失控的传播速度。

弹性二氧化硅气凝胶异型件1的密度是远比泡棉低，有利于新能源汽车轻量化节能，弹性减振有利于保护动力电池电芯和模组免受行车颠簸冲击，提高了动力电池的供电可靠性。

新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶异型件在新能源汽车领域，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异型件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供电安全、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 (9)

1.一种新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件，其特征在于，异型件设于各单体电池芯之间，制造方法包括：首先依据单体电池芯的外形设计出模具，其次把二氧化硅溶胶液体灌装在设计好的模具内陈化后形成湿凝胶，用表面张力系数较小的溶剂进行至少两次溶剂置换，置换出湿凝胶内的水份后，进行干燥，脱模即制得弹性二氧化硅气凝胶异型件。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件，其特征在于，单体电池芯装配于异型件的型腔中。

3.根据权利要求2所述的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件，其特征在于，单体电池芯为长方形或圆柱形单体电池芯。

4.根据权利要求1所述的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件，其特征在于，二氧化硅溶胶液体的制备方法包括将凝聚剂加入到的溶剂中均匀搅拌，然后加入甲基三甲氧基硅烷和硅源，搅拌均匀，加入的凝胶促进剂，再次搅拌均匀，即制得二氧化硅溶胶液体。

6.根据权利要求5所述的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件，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；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。

7.根据权利要求5所述的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件，其特征在于，在溶胶液体中加入凝胶促进剂的同时也加入阻燃剂，与溶胶液体在模具内陈化形成湿凝胶，进行至少两次溶剂置换，干燥后制得具有阻燃功能的弹性二氧化硅气凝胶异型件。

8.根据权利要求7所述的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件，其特征在于，阻燃剂为环保无卤阻燃剂为集碳源、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，磷氮系膨胀阻燃剂的用量是占溶胶质量的8%~20%，三聚氰胺及其磷的化合物的用量是占溶胶质量的8%~15%。

9.根据权利要求5所述的新能源汽车锂离子动力电池用弹性二氧化硅气凝胶的异型件，其特征在于，在溶胶液体中加入短玻璃纤维或预氧丝短纤维，与溶胶液体模具内陈化形成湿凝胶，进行至少两次溶剂置换，干燥后制得强度增强的弹性二氧化硅气凝胶异型件。