CN109987884B - 一种电池用防火材料及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池用防火材料及其制备方法和用途。本发明的电池用防火材料，包括云母层和发泡涂层，所述云母层包含质量比为100:(10～25)的云母材料和胶黏剂，所述发泡涂层包含质量比为100:(1～20):(5～15)的树脂、发泡剂和阻燃剂。本发明的制备方法简单，制得的电池用防火材料厚度薄，质量轻，力学性能好，耐500℃高温不变形，阻燃等级V0，可有效保护和延缓电池组因热失控造成的安全问题。

Description

一种电池用防火材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，涉及一种电池用防火材料及其制备方法和用途。
背景技术
随着纯电动汽车、混动电动汽车等新能源交通工具的市场需求不断扩大，电池的需求也越来越大。
然而，电动汽车因电池热失控等问题造成热气流，容易对电池组内部造成损坏和电池组其他单元出现串烧的现象，从而引发对汽车其他部件和操作人员的伤害。所以，一般通过在电池组件外设置防护装置能有效保护和延缓对操作人员和其他部件伤害。但是，现有技术中，此类防护装置所用的防火材料一般厚度较厚，使得整个电池组件的重量增加，其防火性能有待进一步提高。
CN206564279U公开了一种阻燃防火隔热板，包括陶瓷胶防火层和绝缘隔热组。陶瓷胶防火层包覆在绝缘隔热组外，绝缘隔热组包括一层或若干绝缘隔热层。当绝缘隔热组具有若干绝缘隔热层时，若干绝缘隔热层可以为数层白炭黑的叠合组合，也可以为数层云母片的叠合组合，还可以为数层白炭黑和云母片的叠合组合。该实用新型的阻燃防火隔热板外部的陶瓷胶防火层在遇火时能够转变为陶瓷状坚硬外壳形成防火墙，而内部的绝缘隔热组能够隔绝热量的传递，因此能够实现防火、阻燃和隔热的效果，在应用于电池组时，避免因其中一块电池温度过高以至燃烧损毁而殃及相邻相池，从而确保电池组的整体安全。但是，其绝缘隔热组较厚造成电池重量大，不利于电池组的安装和使用。
CN106785225A公开了一种带被动安全防护的电池模组结构及其制作方法,涉及动力电池PACK技术领域。在该被动防护电池模组结构中，防火隔热隔片将电池模组内电芯两两隔开，隔片本身通过云母片及防火隔热涂层的受高温发泡吸热特性实现卓越的隔热效果，从而在模组内个别电芯在高温情况下出现过充、热失控等极端情况下，能够有效地延缓或避免相邻其他电芯出现同样过热而出现热失控的风险甚至防爆阀顶开的风险，使得其相邻的其他电芯出现热失控的时间能够大于车上人员逃生所需的时间，进而确保人员生命安全。但是其耐高温的温度为120℃，有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电池用防火材料及其制备方法和用途，该电池用防火材料厚度薄，质量轻，力学性能好，耐500℃高温不变形，阻燃等级V0，可有效保护和延缓电池组因热失控造成的安全问题。
本发明的目的之一在于提供一种电池用防火材料，为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种电池用防火材料，包括云母层和发泡涂层，所述云母层包含质量比为100:(10～25)的云母材料和胶黏剂，所述发泡涂层包含质量比为100:(1～20):(5～15)的树脂、发泡剂和阻燃剂。
本发明的电池用防火材料采用云母层和发泡涂层相结合，有效避免单纯采用云母材料重量过大造成电池整体重量增大的问题，通过调整云母层和发泡涂层的材料组成，有效防止了电池热失控造成的火焰串烧，有效减缓了电池热失控后的安全隐患。
具体地，所述云母层包含质量比为100:(10～25)的云母材料和胶黏剂，例如云母材料和胶黏剂的质量比为100:10、100:11、100:12、100:13、100:14、100:15、100:16、100:17、100:18、100:19、100:20、100:21、100:22、100:23、100:24、100:25；所述发泡涂层包含质量比为100:(1～20):(5～15)的树脂、发泡剂和阻燃剂，例如树脂、发泡剂和阻燃剂的质量比为100:1:5、100:2:5、100:3:5、100:4:6、100:3:7、100:8:5、100:10:8、100:15:10、100:16:6、100:18:12、100:20:5、100:20:10、100:20:15等。
本发明通过调节云母层和发泡涂层的材料组成，使制得的防火材料具有良好的力学性能、防火阻燃性能及耐高温性能，有效防止电池热失控造成的火焰串烧，进而有效减缓电池热失控后的安全隐患。
其中，所述云母层与所述发泡涂层通过胶粘或模压方式进行复合。
所述云母材料为金云母或白云母。
所述胶黏剂为环氧树脂、有机硅树脂和酚醛树脂中的任意一种或至少两种的混合物。所述混合物典型但非限制的组合为环氧树脂、有机硅树脂的混合物，环氧树脂、酚醛树脂的混合物，有机硅树脂和酚醛树脂的混合物，环氧树脂、有机硅树脂和酚醛树脂的混合物。
所述树脂为环氧树脂、有机硅树脂和硅胶中的任意一种或至少两种的混合物。所述混合物典型但非限制的组合为环氧树脂、有机硅树脂的混合物，环氧树脂、硅胶的混合物，有机硅树脂和硅胶的混合物，环氧树脂、有机硅树脂和硅胶的混合物。进一步地，所述环氧树脂可以为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂，也可以为本领域常用的其他环氧树脂。所述有机硅树脂可以为聚硅氧烷类有机硅树脂，也可以为本领域常用的其他有机硅树脂。
所述发泡剂为偶氮二异丁腈、N,N-二亚硝基五亚甲基四胺和N-硝基胍中的任意一种或至少两种的混合物。所述混合物典型但非限制的组合为偶氮二异丁腈、N,N-二亚硝基五亚甲基四胺的混合物，偶氮二异丁腈、N-硝基胍的混合物，N,N-二亚硝基五亚甲基四胺和N-硝基胍的混合物，偶氮二异丁腈、N,N-二亚硝基五亚甲基四胺和N-硝基胍的混合物。
所述阻燃剂包含质量比为1:(0.5～2)的硅微粉和氢氧化铝，例如硅微粉和氢氧化铝的质量比为1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9、1:2等，通过调整硅微粉和氢氧化铝的质量比，可使阻燃效果更好，耐热温度更高。
所述云母层的厚度为0.2～2mm，例如云母层的厚度为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2mm等。
优选地，所述发泡涂层的厚度为0.1～0.5mm，例如发泡涂层的厚度为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.5mm等。
本发明通过调节上述云母层和发泡涂层的厚度，可使云母层和发泡涂层在保证基本的力学性能和绝缘防火性能的基础上，尽量取最小厚度以降低电池组件的重量，便于电池的安装和使用。
本发明的目的之二在于提供一种目的之一所述的电池用防火材料的制备方法包括如下步骤：
1)将云母材料和胶黏剂按质量比为100:(10～25)复合制备云母复合材料，将树脂、发泡剂和阻燃剂按质量比为100:(1～20):(5～15)复合制备发泡材料；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料。
步骤2)中，所述热压的温度为160～180℃，例如热压的温度为160℃、161℃、162℃、163℃、164℃、165℃、166℃、167℃、168℃、169℃、170℃、171℃、172℃、173℃、174℃、175℃、176℃、177℃、178℃、179℃、180℃。
优选地，所述热压的时间为2～4h，例如热压的时间为2h、2.1h、2.2h、2.3h、2.4h、2.5h、2.6h、2.7h、2.8h、2.9h、3h、3.1h、3.2h、3.3h、3.4h、3.5h、3.6h、3.7h、3.8h、3.9h、4h。
作为本发明的优选方案，所述电池用防火材料的制备方法包括以下步骤：
1)将云母材料和胶黏剂按质量比为100:(10～25)复合制备云母复合材料，将树脂、发泡剂和阻燃剂按质量比为100:(1～20):(5～15)复合制备发泡材料；
2)将步骤1)得到的云母复合材料160～180℃温度下热压2～4h得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料。
本发明的目的之三在于提供一种目的之一所述的电池用防火材料的用途，将所述电池用防火材料用于电池组的制备。
其中，所述电池组由电池芯和设置于所述电池芯外侧的电池用防火材料组成，其中发泡涂层设置于所述电池芯和所述云母层之间，由此制成的电池组可有效进行防护和减缓内部的温度和高温灼烧带来的安全隐患。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的电池用防火材料，厚度薄，质量轻，力学性能好，弯曲强度为178～198MPa，耐500℃高温烘烤不变形，电气强度为18.4～22.8KV/mm，绝缘电阻为435～595MΩ，阻燃等级V0，可有效保护和延缓电池组因热失控造成的安全问题。
(2)本发明的电池用防火材料的制备方法简单，采用云母和发泡涂层相结合的方式制得的防火材料，有效避免单纯采用云母材料重量过大造成电池整体重量增大的问题，能有效防止电池热失控造成的火焰串烧，有效减缓电池热失控后的安全隐患。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如无具体说明，本发明的各种原料均可市售购得，或根据本领域的常规方法制备得到。
实施例1
1)将金云母和有机硅胶黏剂按质量比为100:18复合制备云母复合材料，将双酚A型环氧树脂、偶氮二异丁腈和阻燃剂按质量比为100:10:10复合制备发泡材料，其中阻燃剂为硅微粉和氢氧化铝按照1:1.2比例进行混合；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料；
3)上述复合后的防火材料在经过热压的温度为170℃，热压时间为3h成型。
实施例2
1)将金云母和有机硅胶黏剂按质量比为100:10复合制备云母复合材料，将双酚F型环氧树脂、偶氮二异丁腈和阻燃剂按质量比为100:1:5复合制备发泡材料，其中阻燃剂为硅微粉和氢氧化铝按照1:0.5比例进行混合；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料；
3)上述复合后的防火材料在经过热压的温度为160℃，热压时间为4h成型。
实施例3
1)将金云母和有机硅胶黏剂按质量比为100:25复合制备云母复合材料，将双酚A型环氧树脂、偶氮二异丁腈和阻燃剂按质量比为100:20:15复合制备发泡材料，其中阻燃剂为硅微粉和氢氧化铝按照1:2比例进行混合；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料；
3)上述复合后的防火材料在经过热压的温度为170℃，热压时间为4h成型。
实施例4
1)将金云母和酚醛树脂胶黏剂按质量比为100:18复合制备云母复合材料，将双酚A型环氧树脂、N-硝基胍和阻燃剂按质量比为100:10:10复合制备发泡材料，其中阻燃剂为硅微粉和氢氧化铝按照1:1.2比例进行混合；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料；
3)上述复合后的防火材料在经过热压的温度为180℃，热压时间为2h成型。
实施例5
1)将白云母和环氧树脂胶黏剂按质量比为100:18复合制备云母复合材料，将双酚F型环氧树脂、NN-二亚硝基五亚甲基四胺和阻燃剂按质量比为100:10:10复合制备发泡材料，其中阻燃剂为硅微粉和氢氧化铝按照1:1.2比例进行混合；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料；
3)上述复合后的防火材料在经过热压的温度为170℃，热压时间为3h成型。
实施例6
1)将白云母和环氧树脂胶黏剂按质量比为100:18复合制备云母复合材料，将聚硅氧烷类有机硅树脂、NN-二亚硝基五亚甲基四胺和阻燃剂按质量比为100:10:10复合制备发泡材料，其中阻燃剂为硅微粉和氢氧化铝按照1:1.2比例进行混合；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料；
3)上述复合后的防火材料在经过热压的温度为170℃，热压时间为3h成型。
实施例7
1)将金云母、聚硅氧烷类有机硅树脂和酚醛树脂按质量比为100:10:12复合制备云母复合材料，将双酚A型环氧树脂、偶氮二异丁腈、N,N-二亚硝基五亚甲基四胺和阻燃剂按质量比为100:8:10:10复合制备发泡材料，其中阻燃剂为硅微粉和氢氧化铝按照1:1.2比例进行混合；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料；
3)上述复合后的防火材料在经过热压的温度为170℃，热压时间为3h成型。
实施例8
本实施例与实施例1的区别之处在于阻燃剂为硅微粉和氢氧化铝按照1:0.1比例进行混合，其他的组成及制备方法均与实施例1的相同。
实施例9
本实施例与实施例1的区别之处在于阻燃剂为硅微粉和氢氧化铝按照1:4比例进行混合，其他的组成及制备方法均与实施例1的相同。
对比例1
1)将金云母和有机硅胶黏剂按质量比为100:18复合制备云母复合材料，将双酚A型环氧树脂和阻燃剂按质量比为100:12复合制备发泡材料，其中阻燃剂为硅微粉和氢氧化铝按照1:1.2比例进行混合；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料。
3)上述复合后的防火材料在经过热压的温度为170℃，热压时间为3h成型。
对比例2
1)将白云母和有机硅胶黏剂按质量比为100:18复合制备云母复合材料，将双酚A型环氧树脂和偶氮二异丁腈发泡剂按质量比为100:10复合制备发泡材料；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料。
3)上述复合后的防火材料在经过热压的温度为170℃，热压时间为3h成型。
对比例3
1)将白云母和有机硅胶黏剂按质量比为100:18复合制备云母复合材料；
2)上述复合后的材料在经过热压的温度为170℃，热压时间为3h成型。
对比例4
本对比例与实施例1的区别之处在于金云母和有机硅胶黏剂的质量比为100:40，其他的组成及制备方法均与实施例1的相同。
对比例5
本对比例与实施例1的区别之处在于金云母和有机硅胶黏剂的质量比为100:5，其他的组成及制备方法均与实施例1的相同。
对比例6
本对比例与实施例1的区别之处在于双酚A型环氧树脂、偶氮二异丁腈和阻燃剂的质量比为100:40:20，其他的组成及制备方法均与实施例1的相同。
对比例7
本对比例与实施例1的区别之处在于双酚A型环氧树脂、偶氮二异丁腈和阻燃剂的质量比为100:30:40，其他的组成及制备方法均与实施例1的相同。
对实施例1-9与对比例1-7制得的电池用防火材料进行性能测试，测试结果如表1所示。其中，所述烘烤实验是将制得的防火材料在500℃下烘烤2h，其他测试条件参照本领域的常规测试条件进行。
表1
Figure BDA0002025885470000101
Figure BDA0002025885470000111
由表1可以看出，本发明的电池用防火材料，厚度薄，质量轻，力学性能好，弯曲强度为178～198MPa，耐500℃高温烘烤不变形，电气强度为18.4～22.8KV/mm，绝缘电阻为435～595MΩ，阻燃等级V0，可有效保护和延缓电池组因热失控造成的安全问题。
由对比例1可以看出，未添加发泡剂制备的发泡材料，制得的防火材料500℃烘烤产生严重变形，弯曲强度和阻燃性能均下降。
由对比例2可以看出，未添加阻燃剂制备的发泡材料，制得的防火材料500℃烘烤产生严重变形，阻燃性能下降。
由对比例3可以看出，不复合发泡涂层制得的防火材料500℃烘烤产生严重变形，弯曲强度大幅下降，并且阻燃性能也下降。
由对比例4、5可以看出，金云母和有机硅胶黏剂的质量比太高，电气强度增高，但弯曲强度会下降。
由对比例5可以看出，金云母和有机硅胶黏剂的质量比太低，电气强度会有所下降。
由对比例6、7可以看出，偶氮二异丁腈和阻燃剂的质量比太高或太低，均会使电气强度变低。
以上实施例仅用来说明本发明的详细方法，本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种电池用防火材料，其特征在于，包括云母层和发泡涂层，所述云母层由质量比为100:(10～25)的云母材料和胶黏剂组成，所述发泡涂层由质量比为100:(1～20):(5～15)的树脂、发泡剂和阻燃剂组成；
所述云母材料为金云母或白云母；
所述胶黏剂为环氧树脂、有机硅树脂和酚醛树脂中的任意一种或至少两种的混合物；
所述树脂为环氧树脂、有机硅树脂和硅胶中的任意一种或至少两种的混合物；
所述发泡剂为偶氮二异丁腈、N,N-二亚硝基五亚甲基四胺和N-硝基胍中的任意一种或至少两种的混合物；
所述阻燃剂包含质量比为1:(0.5～2)的硅微粉和氢氧化铝。
2.根据权利要求1所述的电池用防火材料，其特征在于，所述云母层与所述发泡涂层通过胶粘或模压方式进行复合。
3.根据权利要求1所述的电池用防火材料，其特征在于，所述云母层的厚度为0.2～2mm。
4.根据权利要求1所述的电池用防火材料，其特征在于，所述发泡涂层的厚度为0.1～0.5mm。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的电池用防火材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)将云母材料和胶黏剂按质量比为100:(10～25)复合制备云母复合材料，将树脂、发泡剂和阻燃剂按质量比为100:(1～20):(5～15)复合制备发泡材料；
2)将步骤1)得到的云母复合材料热压得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述热压的温度为160～180℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述热压的时间为2～4h。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)将云母材料和胶黏剂按质量比为100:(10～25)复合制备云母复合材料，将树脂、发泡剂和阻燃剂按质量比为100:(1～20):(5～15)复合制备发泡材料；
2)将步骤1)得到的云母复合材料160～180℃温度下热压2～4h得到云母层，在所述云母层的一侧复合发泡材料，得到所述电池用防火材料。
9.一种如权利要求1-4任一项所述的电池用防火材料的用途，其特征在于，将所述电池用防火材料用于电池组的制备。
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