CN109722215A - 一种吸热灌封胶及其电池 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及储能材料领域,具体讲,涉及一种吸热灌封胶及其电池。吸热灌封胶的原料包括有机硅聚合物、吸热粉体、填料和二甲基硅油,有机硅聚合物占吸热灌封胶原料总重量的10%~30%,吸热粉体占吸热灌封胶原料总重量的45%~65%;吸热粉体选自固体相变材料、相变微胶囊中的至少一种,固体相变材料为相变材料与膨胀石墨或碳纤维的复合相变材料。本申请实施例的吸热灌封胶同时具有吸热能力和导热能力,保证灌封胶具备相当流动性的前提下,提高吸热粉体的含量,可最大限度的增加吸热能力,降低电池的温升。

Description

一种吸热灌封胶及其电池
技术领域
本申请涉及储能材料领域,具体讲,涉及一种吸热灌封胶及其电池。
背景技术
伴随电动汽车的快速发展,锂离子电池各方面的性能也取得了长足的进步。通过提高动力电池的能量密度实现可与燃油车相比拟的性价比一直仍是锂电业发展的目标。然而,能量密度的提高会导致电池使用过程中温度上升较快且温升较高。因此,实现提高能量密度的同时还能保障电池在合理的温度区间工作成为动力电池热管理的首要目标。
当下,动力电池热管理的主要方式包括:
液冷控温;利用液冷装置中的冷却液带走电池产生的热量,实现控温。
气体控温:依据设计的气体流道,通过冷却风的循环鼓入来实现电池的温度控制。
相变控温:相变控温包含直冷控温及相变材料控温,所谓直冷即使用制冷剂直接冷却;而相变材料控温主要指利用材料的固液相变实现电池温度控制。
尽管上述的措施已广泛应用于锂离子电池的热管理设计,尤其是液冷及风冷在过去几年获得了长足的进步;但是,在高能量密度和低成本的快速进程中,它们的使用也受到了一定的限制。例如:液冷方式需要额外增加液冷系统,消耗能量,并存在漏液等安全隐患;而且集存在模块内部时系统复杂度大大提升,成本也上升较多。空气冷却具备较大的成本优势,但其对密封的要求往往导致其推广受限。
发明内容
鉴于此,本申请提出一种吸热灌封胶,通过添加吸热粉体,从而使具有含有不仅具有传统灌封胶的导热作用,更具有吸热作用,还具有良好的流动性,从而可解决动力电池的散热问题。其中,述吸热灌封胶的原料包括有机硅聚合物、吸热粉体、填料和分散剂;
所述有机硅聚合物占所述吸热灌封胶原料总重量的10%~30%;
所述吸热粉体占所述吸热灌封胶原料总重量的45%~65%;
所述吸热粉体选自固体相变材料、相变微胶囊中的至少一种;
所述固体相变材料为相变材料与膨胀石墨或碳纤维的复合相变材料。
可选的,所述固体相变材料的相变温度为35℃~55℃,所述相变微胶囊的相变温度为35℃~55℃。
可选的,所述相变微胶囊的囊芯为石蜡,所述固体相变材料中的相变材料为石蜡。
可选的,所述吸热粉体的中值粒径为0.5~50μm。
可选的,所述吸热粉体的中石蜡的质量百分比含量为90%~99%。
可选的,所述相变微胶囊的外壳的材料选自聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯的至少一种。
可选的,所述有机硅聚合物选自乙烯基硅氧烷、苯乙烯基硅氧烷、含羟基聚硅氧烷的至少一种。
优选的,所述有机硅聚合物的粘度为200cP~2000cP。
可选的,所述填料占所述吸热灌封胶原料总重量的1%~10%;并优选石墨烯。
可选的,所述分散剂选自二甲基硅油;优选的,所述二甲基硅油占所述吸热灌封胶原料总重量的5%~15%。
可选的,所述吸热灌封胶的原料还包括其他添加剂,所述其他添加剂选自助剂、催化剂、固化剂和阻燃剂中的至少一种;所述助剂优选硅烷偶联剂。
可选的,所述吸热灌封胶的原料分为组分A和组分B分别包装;
所述组分A包括以下组分的原料:
有机硅聚合物 10重量份~30重量份;
吸热粉体 22.5重量份~32.5重量份;
二甲基硅油 3重量份~9重量份;
所述组分B包括以下组分的原料:
所述其他添加剂选自助剂、催化剂、固化剂和阻燃剂中的至少一种;
所述组分A与所述组分B的重量比为1:1。
可选的,所述组分A的粘度为1500cP~3000cP,所述组分B的粘度为1500cP~3000cP。
本申请提出还提出一种电池,包括电池外壳以及设置于所述电池外壳内的至少一个电池模块,如前所述的吸热灌封胶填充于所述电池外壳与所述电池模块之间的空隙中;优选的,所述的吸热灌封胶还填充于所述电池模块之间;优选的,所述电池为动力电池。
本申请的技术方案至少具有以下有益的效果:
本申请的吸热灌封胶中含有有机硅聚合物10wt.%~30wt.%,吸热粉体45wt.%~65wt.%。本申请在研究过程中惊喜的发现,当有机硅聚合物小于等于30wt.%时,制备得到的吸热灌封胶仍具有较好的流动性,并且具有良好的高温稳定性,可充分满足电池的实际应用要求。因此,本申请实施例的吸热灌封胶中吸热粉体的含量可达45wt.%~65wt.%,从而最大限度的增加吸热灌封胶中的吸热粉体,以增加吸热能力,降低电池的温升。
本申请的灌封胶采用双组分交联固化的方式制备灌封胶,其中组分A及组分B需混合均匀,并具备相当的流动性来保证动力电池模块内部的所有间隙被填充。双组分胶交联固化后形成一种类似于凝胶状软体材料以增加材料同电池表面接触,从而达到吸热和散热的效果。
附图说明
图1为本申请实施例中某一具体实施方式中的动力电池;
图2为本申请实施例中某一具体实施方式中吸热粉体的DSC曲线;
图3为本申请实施例中某一具体实施方式中吸热粉体的扫描电子显微镜照片;图a为石蜡未填充时石墨的扫描电子显微镜照片;图b为石蜡填充在片层石墨中的扫描电子显微镜照片;
图4为本申请实施例中某一具体实施方式中吸热粉体的XRD图谱;
图5为本申请实施例中某一具体实施方式中吸热粉体的热重曲线。
其中:
1-电池外壳;
2-电池模块;
3-吸热灌封胶。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本申请。应理解,这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
本申请实施例提出一种吸热灌封胶,吸热灌封胶的原料包括有机硅聚合物、吸热粉体、填料和分散剂;有机硅聚合物占吸热灌封胶原料总重量的10%~30%,吸热粉体占吸热灌封胶原料总重量的45%~65%,吸热粉体选自固体相变材料、相变微胶囊中的至少一种,固体相变材料为相变材料与膨胀石墨或碳纤维的复合相变材料。
本申请实施例的吸热粉体选自固体相变材料、相变微胶囊中的至少一种,相变材料(PCM-Phase Change Material)是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质,转变物理性质的过程称为相变过程,在相变过程中相变材料将吸收或释放大量的潜热。因此,本申请实施例的吸热粉体具有良好的吸热能力。而已有技术中采用的氧化铝、氧化锌等金属氧化物填料,仅具有导热能力,不具有吸热能力。因此,本申请实施例的吸热灌封胶具有很好的吸热能力。
并且,本申请所采用的吸热粉体表面稳定,具有不污染反应催化剂(例如铂金催化剂)、不与有机硅聚合物反应的特点,将其取代传统导热胶的导热填料,固定于有机硅聚合物的交联网络中,实现吸热与导热的功能。
在本申请实施例的固体相变材料中,含有相变材料与膨胀石墨或碳纤维,由于膨胀石墨或碳纤维具有良好的导热性能,因此当吸热粉体选自固体相变材料时,还可以进一步提高吸热灌封胶的导热能力。
进一步的,本申请实施例的吸热灌封胶还含有填料,填料可选择导热性能良好的材料,从而进一步提高本申请实施例的吸热灌封胶的导热能力。
进一步的,本申请中还含有二甲基硅油作为分散剂,二甲基硅油除可起到分散作用外,还具有增强塑性、增强介质间导热等作用。
本申请实施例的吸热灌封胶中含有10wt.%~30wt.%的有机硅聚合物,45wt.%~65wt.%的吸热粉体。相比已有技术来讲,本申请实施例的吸热灌封胶中有机硅聚合物的含量大大降低,而吸热粉体的含量则显著提高。这是由于,本申请在研究过程中惊喜的发现,在制备吸热灌封胶中,添加大于35wt.%的有机硅聚合物时,制备得到的吸热灌封胶的硬度较小和固化时间较短,其形态符合人们对吸热灌封胶一般意义上的要求。而当有机硅聚合物小于等于30wt.%时,虽然制备得到的吸热灌封胶的硬度变大同时固化时间变长,例如邵氏硬度(邵00)为50~100,固化时间为0.6h~1h,但仍具有良好的流动性,状态为凝胶状,粘度为1500cp~4500cp,并且具有良好的高温稳定性,可充分满足电池的实际应用要求,在长期实验条件下不会出现粘结力不足的脱落现象。当本申请实施例的吸热灌封胶中有机硅聚合物的用量减小后,吸热灌封胶中吸热粉体的含量可达45wt.%~65wt.%,从而最大限度的增加了吸热灌封胶中的吸热填料,以增加吸热能力,降低电池的温升,从而起到电池散热的效果。并且,本申请实施例的吸热填料与已有技术中常用的导热材料——金属氧化物比较来讲,具有密度小、重量轻的优势,可大大减轻电池的重量,提高电池的重量能量密度。此外,申请实施例的吸热填料的价格低,成本优势明显。
本申请实施例的吸热灌封胶的工作原理为:将吸热灌封胶填充在动力电池的间隙中,使电池呈浸没状态;电池工作产生的热量可被吸热灌封胶吸收,起到降低电池温度的效果;另外,作为一种填充物,吸热灌封胶具备相当的导热能力,可以将热量快速传导至模块外壳,并通过外部的散热器件如液冷装置将热量带走。本申请实施例的吸热灌封胶既能扮演吸热降温的角色又能实现传热功能,具备广泛的应用前景。
进一步的,固体相变材料的相变温度为35℃~55℃,相变微胶囊的相变温度为35℃~55℃。该相变温度可控制电池的温度在40℃左右,不会超过55℃,因此可保障电池的安全性能。
进一步的,相变微胶囊的囊芯为石蜡,固体相变材料中的相变材料为石蜡。从而使吸热填料相较金属氧化物密度小,重量轻,并且价格低,成本优势明显。
进一步的,吸热粉体的中相变材料的质量百分比含量为90%~99%。从而进一步增加吸热粉体的吸热容量。
进一步的,吸热粉体的中值粒径为0.5μm~50μm。吸热粉体粒径越小,则比表面积越大,传热性能更加优异。
进一步的,相变微胶囊的外壳的材料选自聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯的至少一种。选用上述外壳材料可以提高相变微胶囊的外壳的抗击穿能力。
进一步的,有机硅聚合物选自乙烯基硅氧烷、苯乙烯基硅氧烷、含羟基聚硅氧烷的至少一种。
优选的,有机硅聚合物的粘度为200cP~2000cP。采用该粘度的有机硅聚合物,则对于灌封胶的分散效果好,吸热和传热效果更加均匀。
进一步的,吸热灌封胶的原料还可包括其他添加剂,其他添加剂选自助剂、催化剂、固化剂和阻燃剂中的至少一种;其中,助剂优选硅烷偶联剂。
具体的,硅烷偶联剂可选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基氨丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
阻燃剂可选自氢氧化铝、氢氧化镁、三苯基膦酸酯、六苯氧基环三磷腈的一种或几种。
催化剂可选自铂基催化剂,例如铂-烯基络合物、铂-羰基络合物中的一种或几种。
固化剂可选自甲基含氢硅油。
进一步的,吸热灌封胶的原料分为组分A和组分B分别包装;
组分A包括以下组分的原料:
有机硅聚合物 10重量份~30重量份;
吸热粉体 22.5重量份~32.5重量份;
二甲基硅油 3重量份~9重量份;
组分B包括以下组分的原料:
其他添加剂选自助剂、催化剂、固化剂和阻燃剂中的至少一种;
组分A与所述组分B的重量比为1:1。
本申请实施例吸热灌封胶的制备方法可采用以下方法:
1、将组分A的原料按比例均匀混合,制备得到组分A,并单独包装;将组分B的原料按比例均匀混合,制备得到组分B,并单独包装;
2、将组分A与组分B按重量比1:1均匀混合,40℃~50℃固化15~45min形成吸热灌封胶。
本申请实施例采用双组分交联固化的方式制备吸热灌封胶,其中组分A及组分B混合均匀,并具备相当的流动性来保证动力电池模块内部的所有间隙被填充。双组分胶交联固化后形成一种类似于凝胶状软体材料以增加材料同电池表面接触,从而达到吸热和散热的效果。
其中,组分A的粘度为1500cP~3000cP,组分B的粘度为1500cP~3000cP。
本申请实施例还涉及一种电池,优选为动力电池。包括电池外壳以及设置于电池外壳内的至少一个电池模块,其结构示意图如图1所示。在图1中,电池外壳1为一体式模块的外壳,电池外壳1内的设置有至少一个电池模块2,为了增加电池的能量密度,电池模块2优选采用同样的规格依次排列。吸热灌封胶填充于电池外壳与电池模块之间的空隙中,用于将电池模块产生的热量吸收并传导至电池外壳,从而可由电池外壳扩散发出。进一步优选的,吸热灌封胶3还可填充于电池模块之间的空隙中,从而使电池模块完全浸没在吸热灌封胶中,更加充分的吸收并导出电池模块产生的热量。
实施例
吸热灌封胶制备:
本申请实施例吸热灌封胶的制备方法为:
1、将组分A的原料按比例均匀混合,制备得到组分A,并单独包装;将组分B的原料按比例均匀混合,制备得到组分B,并单独包装;其中,吸热灌封胶1#中的吸热粉体为石蜡与膨胀石墨的复合相变材料;吸热灌封胶2#中的吸热粉体为石蜡与碳纤维的复合相变材料;吸热灌封胶3#~吸热灌封胶5#的吸热粉体采用囊芯为石蜡的相变微胶囊;吸热灌封胶3#中相变微胶囊的外壳的材料为聚苯乙烯、吸热灌封胶4#中相变微胶囊的外壳的材料为聚氯乙烯、吸热灌封胶5#中相变微胶囊的外壳的材料为聚丙烯酸酯。吸热灌封胶D1#~D2#中的吸热粉体为石蜡与膨胀石墨的复合相变材料。
其中,石蜡与膨胀石墨的复合相变材料的制备方法为:将石蜡与膨胀石墨采用熔融共混法制备成石蜡/膨胀石墨复合相变材料,并制成中值粒径为0.5μm~50μm的固体粉末。
石蜡与碳纤维的复合相变材料的制备方法为:将石蜡与碳纤维压铸成型,并制成,所述中值粒径为0.5μm~50μm的固体粉末。
相变微胶囊制备方法为:相分离法制备微胶囊;具体为微胶囊芯材(石蜡)与不溶于芯材的壳材聚合物共溶于某共溶剂中;通过加入溶有表面活性剂的水,制成水包油的乳液体系,再通过加热使共溶剂挥发,壳材聚合物与芯材在乳液液滴中发生受控相分离,在合适的界面条件下即可形成核壳结构的微胶囊或特定形状的微球。
2、将组分A与组分B按重量比1:1均匀混合,形成粘度为1500cp~4500cp的可流动液体;40℃~50℃固化15~45min形成吸热灌封胶。
组分A与组分B的具体组成如表1所示:
表1:(单位:Kg)
对本申请实施例中吸热灌封胶1#所采用吸热粉体进行两次示差扫描量热法(differential scanning calorimetry)测试,得到实验结果如图2所示。如图2可知,两次试样的重合表明该吸热粉体相变点基本一致,且40℃的出峰表明其相变温度处于40℃。
对本申请实施例中吸热灌封胶1#所采用吸热粉体进行扫描电子显微镜(SEM)测试,得到的实验结果如图3所示。如图3所示,图a为石蜡未填充时石墨的扫描电子显微镜照片,呈现片层状;图b为石蜡填充在片层石墨中的扫描电子显微镜照片,石蜡作为填料填充于层状石墨中,受毛细作用力的影响石蜡在相变过程处于非流动态,避免了液体的渗出。
对本申请实施例中吸热灌封胶1#所采用吸热粉体进行X射线衍射(XRD)测试,得到的实验结果如图4所示。如图4所示,可观察到明显的石墨及石蜡特征峰,表明该吸热粉体为二者构成。
对本申请实施例中吸热灌封胶1#所采用吸热粉体进行热重测试,得到实验结果如图5所示。如图5所示,吸热粉体中石蜡的含量接近94wt%,属于理想的相变吸热材料。
测试例
1、性能测试:
将上述吸热灌封胶填充于图1所示的动力电池的电池外壳与电池模块之间的空隙中,并测试吸热灌封胶的性能参数:实验结果如表2所示。
2、吸热效果测试:将上述吸热灌封胶填充于图1所示的动力电池的电池外壳与电池模块之间的空隙中,以及电池模块之间的空隙中;由于电池模块为密封体系,故主要采集电池大面中心温度。
吸热实验测试方法为恒倍率循环温升测试;动力电池模块于自然对流的情况下持续2个完整的充放电。吸热实验结果如表3所示。
3、吸热灌封胶的稳定性实验:
将上述吸热灌封胶置于45℃的高温条件下存储12个月,依据灌封胶的粘接性及是否明显呈明显的分离块体来评估其稳定性,得到的实验结果如表4所示。
表2
编号 邵氏硬度(邵00) 固化时间(h) 粘度(cP)
吸热灌封胶1# 52 0.81 3100
吸热灌封胶2# 85 0.95 4100
吸热灌封胶3# 40 0.75 2800
吸热灌封胶4# 61 0.85 3300
吸热灌封胶5# 70 0.90 3900
吸热灌封胶D1# 35 0.52 2500
吸热灌封胶D2# 90 1.02 4400
表3
表4
编号 1个月 3个月 6个月 12个月
吸热灌封胶1# 稳定 稳定 稳定 稳定
吸热灌封胶2# 稳定 稳定 稳定 粘接力下降
吸热灌封胶3# 稳定 稳定 稳定 稳定
吸热灌封胶4# 稳定 稳定 稳定 稳定
吸热灌封胶5# 稳定 稳定 稳定 稳定
吸热灌封胶D1# 稳定 稳定 稳定 稳定
吸热灌封胶D2# 稳定 粘接力下降 部分块体脱落 大部分块体脱落
如以上实验结果可知,采用本申请实施例的吸热灌封胶后,电池具有良好的散热效果,同时吸热灌封胶的稳定性可满足动力电池的应用要求。
本申请虽然以较佳实施例公开如上,但并不是用来限定权利要求,任何本领域技术人员在不脱离本申请构思的前提下,都可以做出若干可能的变动和修改,因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种吸热灌封胶,其特征在于,所述吸热灌封胶的原料包括有机硅聚合物、吸热粉体、填料和分散剂;
所述有机硅聚合物占所述吸热灌封胶原料总重量的10%~30%;
所述吸热粉体占所述吸热灌封胶原料总重量的45%~65%;
所述吸热粉体选自固体相变材料、相变微胶囊中的至少一种;
所述固体相变材料为相变材料与膨胀石墨或碳纤维的复合相变材料。
2.根据权利要求1所述的吸热灌封胶,其特征在于,所述固体相变材料的相变温度为35℃~55℃,所述相变微胶囊的相变温度为35℃~55℃。
3.根据权利要求1所述的吸热灌封胶,其特征在于,所述相变微胶囊的囊芯为石蜡,所述固体相变材料中的相变材料为石蜡;
优选的,所述相变微胶囊的外壳的材料选自聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯的至少一种。
4.根据权利要求1所述的吸热灌封胶,其特征在于,所述吸热粉体的中相变材料的质量百分比含量为90%~99%;
优选的,所述吸热粉体的中值粒径为0.5μm~50μm。
5.根据权利要求1所述的吸热灌封胶,其特征在于,所述分散剂选自二甲基硅油;
优选的,所述分散剂占所述吸热灌封胶原料总重量的5%~15%。
6.根据权利要求1所述的吸热灌封胶,其特征在于,所述有机硅聚合物选自乙烯基硅氧烷、苯乙烯基硅氧烷、含羟基聚硅氧烷的至少一种;
优选的,所述有机硅聚合物的粘度为200cP~2000cP。
7.根据权利要求1所述的吸热灌封胶,其特征在于,所述填料占所述吸热灌封胶原料总重量的1%~10%;优选为石墨烯。
8.根据权利要求1所述的吸热灌封胶,其特征在于,所述吸热灌封胶的原料还包括其他添加剂,所述其他添加剂选自助剂、催化剂、固化剂和阻燃剂中的至少一种;
所述助剂优选为硅烷偶联剂。
9.根据权利要求1~8任一项所述的吸热灌封胶,其特征在于,所述吸热灌封胶的原料分为组分A和组分B分别包装;
所述组分A包括以下组分的原料:
有机硅聚合物 10重量份~30重量份;
吸热粉体 22.5重量份~32.5重量份;
二甲基硅油 3重量份~9重量份;
所述组分B包括以下组分的原料:
所述其他添加剂选自助剂、催化剂、固化剂和阻燃剂中的至少一种;
所述组分A与所述组分B的重量比为1:1;
优选的,所述组分A的粘度为1500cP~3000cP,所述组分B的粘度为1500cP~3000cP。
10.一种电池,包括电池外壳以及设置于所述电池外壳内的至少一个电池模块,其特征在于,如权利要求1~9任一项所述的吸热灌封胶填充于所述电池外壳与所述电池模块之间的空隙中;
优选的,所述的吸热灌封胶还填充于所述电池模块之间;
优选的,所述电池为动力电池。
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