CN109935751B - 一种电池模组固定面板及其制备方法 - Google Patents

一种电池模组固定面板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂电池制备领域，尤其涉及一种电池模组固定面板及其制备方法。所述的固定面板按照重量份数计包括以下组分：玻璃纤维45~55份、环氧乙烯基树脂35~45份、阻燃剂8~15份、交联剂3~8份以及反应促进剂0.5~2份；将玻璃纤维编织成网格布，然后将其铺设于下模具中，经裁边后扣合上模具，向其中通过RTM工艺注射含有阻燃剂、交联剂以及反应促进剂的环氧乙烯基树脂，固化得到电池模组固定面板。本发明克服了现有技术中模组面板需要较厚才能够起到优异的力学性能，使得被占用的电池空间增加，同时电池的重量无法进一步轻量化的问题，具有给产品减轻重量、降低成本、节省空间，从而提高系统能量密度和电量，有利于产品在市场上更具有竞争力的优点。

Description

一种电池模组固定面板及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池制备领域，尤其涉及一种电池模组固定面板及其制备方法。
背景技术
目前不仅国家政策还是市场客户对动力电池系统能量密度的要求越来越高，对整个产品价格的要求越来越苛刻，为了提高整个系统的能量密度和降低成本，需要从动力电池系统设计的每个环节考虑。
一个电池包包含数个模组，每个模组中至少有两块端面板，而且面板的比重和体积都较大，如果能够在固定面板上考虑减重降本，即使每个面板减少一小部分，那整个电池包的减重降本会很明显，就目前固定面板所用材料体系，设计人员经过各方面的安全计算，已经不能再有减重降本的可能了，所以目前急需要开发新的材料替代目前的材料体系。
目前常用的材料有增强尼龙复合材料(PA66+GF35)和聚苯醚复合材料(PPO+GF10)，因选用材料性能限制(主要是强度)，目前模组面板比较厚，既占用空间又增加重量，对空间要求和重量要求极为苛刻的动力电池系统是个很大的缺点。
例如一种在中国专利文献上报道的一种电池模组，其公开号为CN107946489A，包括电池组、打包带、集成盖板、压板、上盖、两块端板和压条，所述端板由PC板、钣金板和两个安装角组成；所述端板沿着电池厚度方向置于电池组的两端，所述打包带将电池和端板捆扎，集成盖板与电池组采用激光焊接，集成盖板、压板、上盖和端板之间采用卡扣式连接，压条和端板之间采用拉钉连接，本发明不仅节约成本，提高生产效率，而且减轻了模组的重量，提升了系统的能量密度，提高了电池的使用寿命。但是，其端板由PC板、钣金板和两个安装角组成，其重量还能够进一步缩减，同时PC板的力学强度不如复合材料优异，为达到较高强度需要较厚的材料，因而限制了轻量化程度。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中模组面板受到材料力学性能的限制，需要较厚的面板才能够起到较为优异的力学性能，使得被占用的电池空间增加，同时电池的重量无法进一步轻量化的问题，提供了一种能够有效的提高材料的力学性能，从而减少端面板材料的厚度，释放电池内部空间，使得整体电池的重量下降的一种电池模组固定面板及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种电池模组固定面板，所述的固定面板按照重量份数计包括以下组分：玻璃纤维45～55份、环氧乙烯基树脂35～45份、阻燃剂8～15份、交联剂3～8份以及反应促进剂0.5～2份。
本发明中采用的固定面板的材料为玻璃纤维增强塑料(GFRP)，其由玻璃纤维以及环氧乙烯树脂构成，其具有良好的力学性能。相较于现有的增强尼龙复合材料(PA66+GF35)和聚苯醚复合材料(PPO+GF10)，虽然GFRP的密度略高一些，但是其弹性模量和抗拉强度远大于这两款目前常用的材料。因此，综合比较，使用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的产品，重量会降低15％以上，体积会减少10％以上。此外，从价格上面来看，GFRP的原材料价格略低于其他两款材料10％以上，所以成本上也降低。而其他参数如温度、比体积电阻率等差距不大，对产品使用影响可以忽略。
作为优选，所述的玻璃纤维经过表面改性，所述的表面改性方法如下：
(1)表面微腐蚀：将玻璃纤维浸于玻璃腐蚀液一段时间，水洗干燥后得到表面微腐蚀玻璃纤维；
(2)蒸汽活化：将表面微腐蚀玻璃纤维置于高压水蒸气下活化，得到表面活化玻璃纤维；
(3)表面改性：将得到的表面活化玻璃纤维表面均匀喷涂硅烷偶联剂乙醇溶液，干燥后得到表面改性后的玻璃纤维。
本发明中的玻璃纤维经过表面改性，首先在其表面进行微腐蚀，使得其表面具有一系列不影响其力学性能的微孔，这些微孔能够有效的增大其与树脂之间的接触面积，从而，提升两者的结合强度。将其进行表面活化后，使得玻璃纤维表面存在一定量的硅羟基，使得其表面具有一定的极性，有效的使得在步骤(3)中硅烷偶联剂对于玻璃纤维表面的改性，从而两者的结合更加牢固，表面改性更加彻底。经过表面改性后的玻璃纤维其与树脂的相容性进一步提升，从而能够更加有效的结合，使得最终面板的力学性能进一步提升。
作为优选，所述的步骤(1)中的玻璃腐蚀液中含有质量浓度为0.005～0.15％的氟化氢、0.005～0.05％的氟化钠以及0.1～1％的双氧水，余量为蒸馏水，所述的腐蚀温度为25～40℃，浸渍时间为30～120s。
本发明中的玻璃腐蚀液中含有浓度较低的氟化氢，其能够有效的腐蚀玻璃表面，由于整体浓度较低其腐蚀性能较低，能够在玻璃纤维表面腐蚀出一系列的不影响整体性能的微孔。同时添加了氟化钠，其能够起到缓冲作用，减慢了腐蚀效果。而双氧水的加入能够调节氢氟酸的腐蚀速率，同时在玻璃表面形成氧化膜，减慢了腐蚀效果。
作为优选，所述的步骤(2)中水蒸气的压力为0.3～0.8MPa，水蒸气温度为120～140℃，活化时间为1～3h。
作为优选，所述的步骤(3)中的硅烷偶联剂为γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷、环氧丙氧丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷或者氨苯基三甲氧基硅烷中的一种，所述的硅烷偶联剂乙醇溶液中硅烷偶联剂的浓度为5～12％。
本发明中的硅烷偶联剂选自含有环氧基基团或者含有氨基基团的硅烷偶联剂，其能够有效的增加与环氧乙烯基树脂之间的相容性，使得两者的结合强度进一步提升。
作为优选，所述的阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、聚磷酸铵或者三氧化二锑中的一种或多种复合物。
本发明中的阻燃剂选自无机氧化物，能够有效的提升固定面板的阻燃性能，减少燃烧时的发烟量。
作为优选，所述的交联剂为二亚乙基三胺、三乙烯四胺、二乙氨基丙胺、三氮化硼乙胺络合物或者邻苯二甲酸酐中的一种。
作为优选，所述的反应促进剂为过氧化氢异丙苯、2-乙基-4-甲基咪唑、三氟化硼胺络合物或者2,4,6-(二甲基氨基甲基)苯酚中的一种。
一种如前所述的电池模组固定面板的制备方法，所述的制备方法如下：将玻璃纤维编织成网格布，然后将其铺设于下模具中，经裁边后扣合上模具，向其中通过RTM工艺注射含有阻燃剂、交联剂以及反应促进剂的环氧乙烯基树脂，固化完成后得到电池模组固定面板。
一种如前所述的电池模组固定面板的制备方法，所述的制备方法如下：将将玻璃纤维编织成网格布，并将其浸渍与含有阻燃剂、交联剂以及反应促进剂的环氧乙烯基树脂中，得到浸渍片材，然后将片材铺设在模具上，模压成型得到电池模组固定面板。
本发明中的电池模组固定面板的制备方法简单，其通过两种不同的方法均能够有效的制备出固定面板，第一种方法是直接通过一次成型的方式制备出电池模组固定面板，而另一种是先制备出玻璃纤维增强片材，在通过片材的模压成型得到电池模组固定面板，两种方法可以根据不同场合条件使用，具有实施方法简单，适配性强的优点。
因此，本发明具的有益效果在于：玻璃纤维增强复合材料(GFRP)在电池模组固定面板上没有应用过，使用新型的材料，给产品减轻重量、降低成本、节省空间，从而提高系统能量密度和电量，有利于产品在市场上更具有竞争力。
附图说明
图1为电池模组总装图。
其中：1固定面板；2中面板；3电芯组。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明中所有的原料均可市购，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为个例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一般的电池模组由电芯组3以及设置在电芯组前后两端以及中部的固定面板1以及中面板2构成，其中固定面板的材料以及制备方法如下所述。
实施例1
一种电池模组固定面板，所述的固定面板按照重量份数计包括以下组分：玻璃纤维45份、环氧乙烯基树脂35份、阻燃剂(氢氧化铝)8份、交联剂(二亚乙基三胺)3份以及反应促进剂(过氧化氢异丙苯)0.5份。
所述的玻璃纤维经过表面改性，所述的表面改性方法如下：
(1)表面微腐蚀：将玻璃纤维在25℃下浸于玻璃腐蚀液30s，水洗干燥后得到表面微腐蚀玻璃纤维，所述的玻璃腐蚀液中含有质量浓度为0.005％的氟化氢、0.005％的氟化钠以及0.1％的双氧水；
(2)蒸汽活化：将表面微腐蚀玻璃纤维置于压力为0.3MPa，温度为120℃的水蒸气下活化3h，得到表面活化玻璃纤维；
(3)表面改性：将得到的表面活化玻璃纤维表面均匀喷涂浓度为5％的γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷乙醇溶液，干燥后得到表面改性后的玻璃纤维。
一种如前所述的电池模组固定面板的制备方法，所述的制备方法如下：将玻璃纤维编织成网格布，然后将其铺设于下模具中，经裁边后扣上上模具，向其中通过RTM工艺注射含有阻燃剂、交联剂以及反应促进剂的环氧乙烯基树脂，85℃下固化12h，完成后得到电池模组固定面板。
实施例2
一种电池模组固定面板，所述的固定面板按照重量份数计包括以下组分：玻璃纤维55份、环氧乙烯基树脂45份、阻燃剂(氢氧化镁)15份、交联剂(三乙烯四胺)8份以及反应促进剂(2-乙基-4-甲基咪唑)2份。
所述的玻璃纤维经过表面改性，所述的表面改性方法如下：
(1)表面微腐蚀：将玻璃纤维在40℃下浸于玻璃腐蚀液120s，水洗干燥后得到表面微腐蚀玻璃纤维，所述的玻璃腐蚀液中含有质量浓度为0.15％的氟化氢、0.05％的氟化钠以及1％的双氧水；
(2)蒸汽活化：将表面微腐蚀玻璃纤维置于压力为0.8MPa，温度为140℃的水蒸气下活化1h，得到表面活化玻璃纤维；
(3)表面改性：将得到的表面活化玻璃纤维表面均匀喷涂浓度为12％的环氧丙氧丙基甲基二乙氧基硅烷乙醇溶液，干燥后得到表面改性后的玻璃纤维。
一种如前所述的电池模组固定面板的制备方法，所述的制备方法如下：将玻璃纤维编织成网格布，然后将其铺设于下模具中，经裁边后扣上上模具，向其中通过RTM工艺注射含有阻燃剂、交联剂以及反应促进剂的环氧乙烯基树脂，130℃下固化5h，完成后得到电池模组固定面板。
实施例3
一种电池模组固定面板，所述的固定面板按照重量份数计包括以下组分：玻璃纤维50份、环氧乙烯基树脂40份、阻燃剂(聚磷酸铵)10份、交联剂(二乙氨基丙胺)5份以及反应促进剂(三氟化硼胺络合物)1份。
所述的玻璃纤维经过表面改性，所述的表面改性方法如下：
(1)表面微腐蚀：将玻璃纤维在35℃下浸于玻璃腐蚀液60s，水洗干燥后得到表面微腐蚀玻璃纤维，所述的玻璃腐蚀液中含有质量浓度为0.055％的氟化氢、0.01％的氟化钠以及0.5％的双氧水；
(2)蒸汽活化：将表面微腐蚀玻璃纤维置于压力为0.4MPa，温度为135℃的水蒸气下活化2h，得到表面活化玻璃纤维；
(3)表面改性：将得到的表面活化玻璃纤维表面均匀喷涂浓度为10％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷乙醇溶液，干燥后得到表面改性后的玻璃纤维。
一种如前所述的电池模组固定面板的制备方法，所述的制备方法如下：将玻璃纤维编织成网格布，然后将其铺设于下模具中，经裁边后扣上上模具，向其中通过RTM工艺注射含有阻燃剂、交联剂以及反应促进剂的环氧乙烯基树脂，110℃下固化8h，完成后得到电池模组固定面板。
实施例3
一种电池模组固定面板，所述的固定面板按照重量份数计包括以下组分：玻璃纤维50份、环氧乙烯基树脂40份、阻燃剂(三氧化二锑)12份、交联剂(三氮化硼乙胺络合物)4份以及反应促进剂(2,4,6-(二甲基氨基甲基)苯酚)1.5份。
所述的玻璃纤维经过表面改性，所述的表面改性方法如下：
(1)表面微腐蚀：将玻璃纤维在40℃下浸于玻璃腐蚀液30s，水洗干燥后得到表面微腐蚀玻璃纤维，所述的玻璃腐蚀液中含有质量浓度为0.15％的氟化氢、0.005％的氟化钠以及0.1％的双氧水；
(2)蒸汽活化：将表面微腐蚀玻璃纤维置于压力为0.8MPa，温度为120℃的水蒸气下活化3h，得到表面活化玻璃纤维；
(3)表面改性：将得到的表面活化玻璃纤维表面均匀喷涂浓度为12％的氨苯基三甲氧基硅烷乙醇溶液，干燥后得到表面改性后的玻璃纤维。
一种如前所述的电池模组固定面板的制备方法，所述的制备方法如下：将将玻璃纤维编织成网格布，并将其浸渍与含有阻燃剂、交联剂以及反应促进剂的环氧乙烯基树脂中，得到浸渍片材，然后将片材铺设在模具上，在1.0GPa压力以及120℃下模压80min后成型得到电池模组固定面板。
实施例5
一种电池模组固定面板，所述的固定面板按照重量份数计包括以下组分：玻璃纤维50份、环氧乙烯基树脂40份、阻燃剂(聚磷酸铵)10份、交联剂(二乙氨基丙胺)5份以及反应促进剂(三氟化硼胺络合物)1份。
所述的玻璃纤维经过表面改性，所述的表面改性方法如下：
(1)表面微腐蚀：将玻璃纤维在35℃下浸于玻璃腐蚀液60s，水洗干燥后得到表面微腐蚀玻璃纤维，所述的玻璃腐蚀液中含有质量浓度为0.055％的氟化氢、0.01％的氟化钠以及0.5％的双氧水；
(2)蒸汽活化：将表面微腐蚀玻璃纤维置于压力为0.4MPa，温度为135℃的水蒸气下活化2h，得到表面活化玻璃纤维；
(3)表面改性：将得到的表面活化玻璃纤维表面均匀喷涂浓度为10％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷乙醇溶液，干燥后得到表面改性后的玻璃纤维。
一种如前所述的电池模组固定面板的制备方法，所述的制备方法如下：将将玻璃纤维编织成网格布，并将其浸渍与含有阻燃剂、交联剂以及反应促进剂的环氧乙烯基树脂中，得到浸渍片材，然后将片材铺设在模具上，在1.2GPa压力以及110℃下模压90min后成型得到电池模组固定面板。
将实施例1～5所制备的电池模组固定面板与增强尼龙复合材料(PA66+GF35)和聚苯醚复合材料(PPO+GF10)对比进行测试，其结果如下表。
从下表中可知，通过本发明实施例1～5制得的GFRP电池模组固定面板，虽然密度略高一些，但是弹性模量和抗拉强度远大于其他两款目前常用的材料，但经过综合比较，使用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的产品，重量会降低15％以上，体积会减少10％以上。从价格上面来看，GFRP的原材料价格略低于其他两款材料10％以上，所以成本上也降低。本发明中的导热系数较低，其隔热性能较为良好，因而具有良好的防止热扩散的效果。同时，本发明由于添加了阻燃剂，电池包内起火后，一般是局部起火，开始温度会达到500-600度，通过本发明制备的电池模组固定面板在这个温度下不会变形，仅仅会在其表面有一些炭化，直到温度高达1000℃以上时其力学性能才会失效，但是PA66等材料最高热变形温度不到300度，超过后就会软化、融化，这种情况下就是导致结构模组结构变形或者失效，导致更多的电芯继续短和热扩散、火势蔓延，造成更严重的事故。而其他参数如使用温度、比体积电阻率等差距不大，对产品使用影响可以忽略。
表1三种不同材料的性能对比
材料/性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 PA66+GF35 PPO+GF10
密度/(g/cm<sup>3</sup>) 1.80 1.81 1.79 1.82 1.82 1.45 1.3
使用温度/℃ -60～380 -60～380 -60～380 -60～380 -60～380 -30～240 -30～190
比体积电阻/Ω·m 1×10<sup>11</sup> 1×10<sup>11</sup> 1×10<sup>11</sup> 1×10<sup>11</sup> 1×10<sup>11</sup> 1×10<sup>13</sup> 1×10<sup>14</sup>
弹性模量/GPa 24.5 24.8 23.9 24.8 25.1 9.9 2.8
抗拉强度/MPa 430 450 460 480 480 150 100
导热系数/W 0.06 0.07 0.05 0.06 0.06 0.22 0.25
浮动价格(元/kg) 26 26 26 26 26 30 30

Claims (7)

1.一种电池模组固定面板的制备方法，其特征在于，所述的制备方法如下：
将玻璃纤维编织成网格布，然后将其铺设于下模具中，经裁边后扣上上模具，向其中通过RTM工艺注射含有阻燃剂、交联剂以及反应促进剂的环氧乙烯基树脂，固化完成后得到电池模组固定面板；
或者，所述的制备方法如下：将玻璃纤维编织成网格布，并将其浸渍于含有阻燃剂、交联剂以及反应促进剂的环氧乙烯基树脂中，得到浸渍片材，然后将片材铺设在模具上，模压成型得到电池模组固定面板；
其中，各组分的重量份为：玻璃纤维45~55份、环氧乙烯基树脂35~45份、阻燃剂8~15份、交联剂3~8份以及反应促进剂0.5~2份；
所述的玻璃纤维经过表面改性，所述的表面改性方法如下：
（1）表面微腐蚀：将玻璃纤维浸于玻璃腐蚀液一段时间，水洗干燥后得到表面微腐蚀玻璃纤维；
（2）蒸汽活化：将表面微腐蚀玻璃纤维置于高压水蒸气下活化，得到表面活化玻璃纤维；
（3）表面改性：将得到的表面活化玻璃纤维表面均匀喷涂硅烷偶联剂乙醇溶液，干燥后得到表面改性后的玻璃纤维；
所述的步骤（1）中的玻璃腐蚀液中含有质量浓度为0.005~0.15%的氟化氢、0.005~0.05%的氟化钠以及0.1~1%的双氧水，余量为蒸馏水。
2.根据权利要求1所述的电池模组固定面板的制备方法，步骤（1）中腐蚀温度为25~40℃，浸渍时间为30~120s。
3.根据权利要求1所述的一种电池模组固定面板的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中水蒸气的压力为0.3~0.8MPa，水蒸气温度为120~140℃，活化时间为1~3h。
4.根据权利要求1所述的一种电池模组固定面板的制备方法，其特征在于，所述的步骤（3）中的硅烷偶联剂为γ-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷、环氧丙氧丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷或者氨苯基三甲氧基硅烷中的一种，所述的硅烷偶联剂乙醇溶液中硅烷偶联剂的浓度为5~12%。
5.根据权利要求1所述的一种电池模组固定面板的制备方法，其特征在于，所述的阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、聚磷酸铵或者三氧化二锑中的一种或多种复合物。
6.根据权利要求1所述的一种电池模组固定面板的制备方法，其特征在于，所述的交联剂为二亚乙基三胺、三乙烯四胺、二乙氨基丙胺、三氮化硼乙胺络合物或者邻苯二甲酸酐中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种电池模组固定面板的制备方法，其特征在于，所述的反应促进剂为过氧化氢异丙苯、2-乙基-4-甲基咪唑、三氟化硼胺络合物或者2,4,6-（二甲基氨基甲基）苯酚中的一种。
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