CN112397829B - 一种具备高阻燃高阻热的模块及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具备高阻燃高阻热的模块及制备方法，包括电池组，电池组的两端设置有端板，电池组的侧面设置有拉板，端板和拉板相连，电池组的顶部设置有绝缘保护盖，电池组包括若干电池，电池串联、并联或串并联，相邻电池间设置有电池隔板，电池隔板的材质为EPDM基材料。本发明中电池隔板采用具备高阻燃、高隔热的EPDM基材料制备，利用EPDM基材料自身优势力，将模块上多种功能需求集中在一个结构件上，实现成本的显著下降。

Description

一种具备高阻燃高阻热的模块及制备方法

技术领域

本发明属于电池阻燃技术领域，具体涉及一种具备高阻燃高阻热的模块及制备方法。

背景技术

随着锂电池在新能源汽车和储能市场的广泛应用，市场上也接连接出现锂电池起火爆炸等安全事故，引起社会关注和担忧，在各方关注下全球和中国都分别出台多份新标准，对电池产品进行更多严苛的安全测试，如现有方法都分别提出外部火烧、热失控等安全测试。这些新增的测试对于电池本身就是一个极大的挑战尤其是三元电池，组成模块后由于多个电芯紧贴着，如果一个发生热失控其它电芯很难保证不失控，这样多个电芯同时发生热失控，模块易发生爆炸、起火。为了解决这类问题，电池厂家基本上都是从两个方面下手，一方面更改电池配方，在电解液、隔膜上想方法，提高其耐热性能；另外一个方面从电池之间想方法，增加隔热阻燃的结构件，将热失控或火烧范围缩小，可能的话尽量控制在一个单体上，这样模块就非常安全。

现在大部分厂家应对现有方法内的热失控测试采用的是在电池间增加隔热结构件，确保单个电池失控时不影响其它电池。而电池中间用于隔热结构件是由纤维毡与二氧化硅气凝胶复合后外表面贴覆PET膜而成，而二氧化硅是具有纳米多孔及网络结构的其孔径小于空气的平均自由程，因此能很好的控制热对流。

采用气凝胶这种结构件是可以有效隔离电池间的热传递，但是气凝胶专利归属于国外，其原材料必须从国外进口，导致原材料价格居高不下，另外由于气凝胶是一种类似粉状物需要由有PET或玻纤封装，而玻纤布封装还是会出现掉粉现象，长时间后会影响其性能，采用PET封装的话，可有效防止掉粉事宜PET阻燃性需要达到国标要求需要经过特殊工艺处理，PET的价格呈几何上涨，最终导致这个结构件价格偏高。同时由于气凝胶是粉状物只能通过过浆这种方式让它形成块状，无法变形成其它结构，而它的功能就只有隔热作用，无法实现对电芯的固定，采用气凝胶这种结构件成型的模块需要另外新增结构件或采用结构胶的方式来固定电芯。

综上所述，采用气凝胶这种方式来隔热虽然可有效防止热失控的扩大，但其成本居高不下，导致模块和PACK成本非常高，目前气凝胶占PACK或模组结构件成本的30％-35％，仅该结构件功能单一仅只能用于隔热，故急待改善解决。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种具备高阻燃高阻热的模块及制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具备高阻燃高阻热的模块，包括电池组，电池组的两端设置有端板，电池组的侧面设置有拉板，端板和拉板相连，电池组的顶部设置有绝缘保护盖，电池组包括若干电池，电池串联、并联或串并联，相邻电池间设置有电池隔板，电池隔板的材质为EPDM基材料；EPDM基材料包括：三元乙丙橡胶、树脂、交联剂、纤维和助剂。

本发明进一步的改进在于，其特征在于，EPDM基材料按重量份数计包括：三元乙丙橡胶100份、树脂5～45、交联剂1～10、纤维1～10份和助剂0.7～70份。

本发明进一步的改进在于，其特征在于，EPDM基材料按重量份数计包括：三元乙丙橡胶100份、树脂10～40份、交联剂2～5份、纤维1～10份和助剂0.5～60份。

本发明进一步的改进在于，树脂为硼酚醛树脂；

交联剂为过氧化二异丙苯或者二-(叔丁基过氧化异丙基)苯；

纤维为聚苯并咪唑纤维或聚对苯撑苯并双恶唑纤维；

助剂包括增塑剂、活化剂、偶联剂、补强剂、促进剂、硫化剂和阻燃剂。

本发明进一步的改进在于，所述阻燃剂为磷系阻燃剂或阻燃剂为硅系阻燃剂；

所述增塑剂为液体石蜡，重量份为1～10；

所述活化剂为纳米氧化锌，重量份为2～15；或者为硬脂酸，重量份为0.2～5；

所述偶联剂为硅烷偶联剂，重量份为0.5～10；

所述补强剂为白炭黑，重量份为5～60；或者为硼酸锌，重量份为1～15；

所述促进剂为促进剂CZ，重量份为1～10；或者为促进剂D，重量份为0.2～2；

所述硫化剂为硫磺，重量份为0.2～5。

本发明进一步的改进在于，磷系阻燃剂为二乙基次膦酸铝或聚磷酸铵，重量份为10～65；硅系阻燃剂为笼形八苯基倍半硅氧烷，重量份为0.5～10。

本发明进一步的改进在于，EPDM基材料通过以下过程制得：将三元乙丙橡胶、树脂、交联剂、纤维和助剂进行混炼与硫化得到。

本发明进一步的改进在于，电池隔板包括竖直板，竖直板顶部水平设置有与绝缘保护盖形状相匹配的顶板，竖直板底部安装有两个水平且间隔设置的支撑板；

两个支撑板之间设置有热管理板；

竖直板四周加厚，加厚处涂覆有45℃剪切力强度大于2MPa的胶。

本发明进一步的改进在于，电池组与拉板之间设置有拉板隔热板，电池组与端板之间设置有端板隔热板；

电池隔板采用注塑工艺制得，拉板隔热板和端板隔热板通过挤出模压成型制备；拉板隔热板和端板隔热板选用的材料均与电池隔板相同；

通过FPC采样线和连接片将电池串联、并联或串并联；

端板和拉板两侧均设置有绝缘板。

一种具备高阻燃高阻热的模块的制备方法，将若干电池串联、并联或串并联，形成电池组，在相邻电池之间设置材质为EPDM基材料的电池隔板，在电池组两端均设置端板，在电池组侧面设置拉板，并将端板与拉板连接，在电池组顶部设置绝缘保护盖。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明采用EPDM基材料作为模块内隔热、隔火的电池隔板材料，可有效防止电池热失控后的热扩散；由于EPDM基材料本身较为便宜，成本可出现较大下降，较气凝胶成本下降80％，使隔热材料占模块的成本由原来的30％下降至5％，有利于锂电池的推广。

进一步的，利用EPDM基材料易成型的特点，在电池隔板上集成多种功能，即替代盖板保护膜，有起到限位电池，防止电池间窜动，同时还预留膨胀空间有利于电池循环。通过使用这种材料减少了模块内结构件的种类和数量，实现成本的下降，预计下降10％。

进一步的，采用低成本、高阻燃、高隔热的橡胶材料的电池隔板不仅可有效固定电池，降低高加速度振动、冲击对电池的影响，又可以在组装时对电池间进行限位，从而保证电池模块整体厚度，由于电池隔板选用EPDM基材料加工而成，还可以对电池起到有效的隔热和隔火。

进一步的，电池串并联后在端板和侧板两侧均增加绝缘板，同样可有效降低模组振动、冲击的影响，同时也可有效防止外部火烧及电池热失控时所产生的热量传递，增加电池的安全性。

附图说明

图1为本发明的模板和电池隔板的结构示意图。其中，(a)为模块的立体图，(b)为电池隔板结构示意图。

图2为端板隔热板和拉板隔热板的结构示意图。

图3为安装拉板后的模块结构示意图。

图4为采用FPC采样线将电池串联或并联后的模块示意图。

图5为端板隔热板的结构示意图。

图6为拉板隔热板的结构示意图。

图中，1为端板，2为端板隔热板，3为电池，4为电池隔板，5为拉板，6为FPC采样线，7为连接片，8为竖直板，9为顶板，10为拉板隔热板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明中的技术术语解释如下：

电池：直接将化学能转化成为电能的基本单元装置，包括正负电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充放电。

模块：将一个以上电池按照串联、并联或串并联方式组合，且只有一对正负极输出端子，并作为电源使用的组合体。

外壳：将电池内部部件封装并为其提供防止与外部直接接触的保护部件。

电解质：电池进行化学反应时，为离子提供在正负电极间移动的介质，它可直接参与充/放电反应。

热失控：电池在充/放电过程中，电流及温度发生一种累积的互相增强的作用而导致蓄电池损坏的现象。

外部火烧：指的是由于外部火源的发生，该火源对着模块进行加热，温度累积最终导致蓄电池损坏的一种现象

参见图1中的(a)和(b)、图2、图3、图4、图5和图6，本发明的一种具备高阻燃高阻热的模块，由电池组、电池隔板4、拉板5、端板1、拉板隔热板10、端板隔热板、连接片、FPC采样线、绝缘保护盖等组件构成。电池组的两端设置有端板，电池组的侧面设置有拉板，端板和拉板相连，电池组的顶部设置有绝缘保护盖，电池组包括若干电池3，电池串联、并联或串并联，相邻电池间设置有电池隔板，电池隔板的材料为EPDM基材料。

EPDM基材料按重量份数计包括：三元乙丙橡胶100份、树脂5～45，优选10～40重量份、交联剂1～10，优选2～5重量份、纤维1～10份和助剂0.7～70份；

其中所述三元乙丙橡胶为块状，乙烯单元含量在45～50％之间，重量份为100。

树脂为硼酚醛树脂。

交联剂为过氧化二异丙苯，重量份为1～10，优选2～5重量份；或者二-(叔丁基过氧化异丙基)苯，重量份为1～10，优选2～5重量份。

纤维为聚苯并咪唑纤维(PBI)或聚对苯撑苯并双恶唑纤维(PBO)，重量份为1～10，优选2～8重量份；

助剂包括增塑剂、活化剂、偶联剂、补强剂、促进剂、硫化剂和阻燃剂。

所述阻燃剂为磷系阻燃剂，磷系阻燃剂为二乙基次膦酸铝(ADP)或聚磷酸铵(APP)，重量份为10～65，优选15～60重量份；或阻燃剂为硅系阻燃剂，硅系阻燃剂为笼形八苯基倍半硅氧烷(OPS)，重量份为0.5～10，优选1～7重量份。

所述增塑剂，为液体石蜡，重量份为1～10，优选2～5重量份；

所述活化剂，为纳米氧化锌，重量份为2～15，优选4～10重量份；或者为硬脂酸，重量份为0.2～5，优选0.5～2重量份；

所述偶联剂，为硅烷偶联剂，重量份为0.5～10，优选1～5重量份；

所述补强剂，为白炭黑，重量份为5～60，优选10～55重量份；或者为硼酸锌，重量份为1～15，优选2～10重量份；

所述促进剂，为促进剂CZ，重量份为1～10，优选2～5重量份；或者为促进剂D，重量份为0.2～2，优选0.5～1重量份；

所述硫化剂，指硫磺，重量份为0.2～5，优选0.5～2重量份。

EPDM基材料通过以下过程制得：将三元乙丙橡胶、树脂、交联剂、纤维和助剂进行混炼与硫化得到。其中，硫化温度为150-180℃。

参见图1中的(b)，电池隔板4包括竖直板8，竖直板8顶部水平设置有顶板9，顶板与绝缘保护盖形状相匹配。竖直板的厚度为3-4mm，竖直板四周宽度约20-30mm处设计较厚，厚度设计大约为5-7mm左右，该处厚度用于限定电芯组装后的厚度尺寸，同时在该处涂覆有高温下(45℃)剪切力强度大于2MPa以上的胶，可有效的固定电池，减少电池在振动、冲击等测试过程中出现的电芯窜动；竖直板中间偏薄处主要留给电池在常态下的膨胀，当电池正常膨胀得到发挥，有利于电池循环寿命。竖直板8底部设置有两个水平设置的支撑板，两个支撑板间隔设置，支撑板用于支撑电池，同时两块支撑板之间有利于设置热管理板，可实现有利于设置热管理板，可实现对电池的冷却和加热。

电池隔板的材料为EPDM基材料，并且电池隔板采用注塑工艺制得。

拉板隔热板10和端板隔热板通过挤出模压成型制备。

拉板隔热板10和端板隔热板均选用的材料与电池隔板相同。

一种具备高阻燃高阻热的模块的制备方法为：模块的组装顺序为先取一块端板1将端板隔热板2安装在其内表面，接着将电池3放入端板隔热板2内，再电池3另一侧安装电池隔板4，再放入另外一块电池3，按照电池3、电池隔板4、电池3的顺序根据产品需要串联相关的电池数量，到最后一只电池又安装端板隔热板2和端板1，然后在电池侧端粘贴拉板隔热板10和拉板5，采用气压或油压按照模块厚度尺寸要求进行压紧，然后将控制拉板和端板1用铆钉或焊接的方式连接在一起，当前述组装完毕后，将FPC采样线6和连接片7通过铆接、焊接的方式将电池串联或并联或串并联一起组成最终成品模块，焊好后加盖绝缘保护盖确保模块内任何带电部位不会外露，这样就完成一个成品模块。

本发明有以下重要创新点：

1.电池间采用一种EPDM基材料材质的电池隔板，该EPDM基材料具备以下几个特性：

A.高隔热性，加热端500℃高温时6mm的EPDM背侧稳定温度仅为290℃，稳定时间1300S以上，3mm的EPDM背侧稳定温度为350℃，稳定时间700S以上，可有效的防止电池热失控，其导热率为0.01～0.5W/m.K)。

B.高阻燃性，在600℃的火焰下持续灼烧第一块电池并保持50min以上，第一块电池最终起火失控，但采用此材料作为隔板的第二只电池完整未发生异常未起火，而该隔板被碳化，未起明烟，而第二只电池后的电池隔板并未引燃，其阻燃性达到V0以上。

2.电池间采用EPDM材料通过注压成型形成设计所需的电池隔板，根据模组和电池的要求，在其电池隔板上设计了多种特殊结构，具体如下如图1中的(b)：

2.1利用EPDM基材料较高的绝缘性能，将其隔板上端设计成电池盖板保护膜的形状，替代传统方案用于处理连接片与电池盖板间的保护膜组件；

2.2隔板四周宽度约20-30mm处设计壁厚较厚设计大约5-7mm左右，该处厚度用于限定电芯组装后的厚度尺寸，同时在该处涂覆有高温下(45℃)剪切力强度大于2MPa以上的胶，可有效的固定电池，减少电池在振动、冲击等测试过程中出现的电芯窜动；

2.3隔板中间偏薄，厚度设计大约在3-4mm，主要留给电池在常态下的正常膨胀，当电池正常膨胀得到发挥时，将有利于电池循环寿命。

2.4隔板底部中间端断开有利于增加热管理板，可实现对电池的冷却和加热。

3.拉板、端板与电池间贴紧处都通过挤出模压成型拉板隔热板和端板隔热板，增加这两个组件有两个优点如下，如图2所示；

3.1由于拉板隔热板和端板隔热板两种隔热板选用的材料同电池隔板，阻燃性高有利于保证模块在外部火烧时减少火焰对电池的直接加热，从而避免电池由于外部火烧导致的热失控；

3.2由于两种隔热板导热系数较低，可有效减少电池的热量通过拉板5、端板1直接传导出去，从而保证模块内电池的温度一致性，不会由于端板1、拉板5是金属物散热快导致电池模块内电池温度的不一致性。

4.拉板5与端板1的组合是确保电池整个寿命曲线实现的重要保障，拉板5与端板1必须适应电池EOL的防膨胀要求，电池膨胀力根据电池特性不一样，一般要求端板1与拉板5的组合力必须大于电池EOL的要求。

本发明提供一种具备高阻燃、高隔热的蓄电池模块，该模块单体蓄电池间的固定选用一种低成本、高阻燃、高隔热的橡胶材料，将这种材料通过注塑工艺做出具有特殊结构的电池隔板，该隔板仅可有效固定电池，降低高加速度振动、冲击对电池的影响，又可以在组装时对电池间进行限位，从而保证电池模块整体厚度，由于电池隔板选用特殊的橡胶材料加工而成，还可以对电池起到有效的隔热和隔火。电芯串并联后在金属端板和拉板两侧均增加1PCS用此特殊橡胶材料加工而成的绝缘板，这种板同样可有效降低模组振动、冲击的影响，同时也可有效防止外部火烧及电池热失控时所产生的热量传递，增加电池的安全性。

本发明中电池隔板采用具备高阻燃、高隔热的EPDM基材料制备，利用EPDM基材料自身优势力，将模块上多种功能需求集中在一个结构件上，实现成本的显著下降。

Claims (8)

1.一种具备高阻燃高阻热的模块，其特征在于，包括电池组，电池组的两端设置有端板，电池组的侧面设置有拉板，端板和拉板相连，电池组的顶部设置有绝缘保护盖，电池组包括若干电池，电池串联、并联或串并联，相邻电池间设置有电池隔板，电池隔板的材质为EPDM基材料；EPDM基材料包括：三元乙丙橡胶、树脂、交联剂、纤维和助剂；

电池隔板（4）包括竖直板（8），竖直板（8）顶部水平设置有与绝缘保护盖形状相匹配的顶板（9），竖直板（8）底部安装有两个水平且间隔设置的支撑板；

两个支撑板之间设置有热管理板；

竖直板四周加厚，加厚处涂覆有45℃剪切力强度大于2MPa的胶；

电池组与拉板之间设置有拉板隔热板（10），电池组与端板之间设置有端板隔热板；

电池隔板（4）采用注塑工艺制得，拉板隔热板（10）和端板隔热板通过挤出模压成型制备；拉板隔热板（10）和端板隔热板选用的材料均与电池隔板相同；

通过FPC采样线（6）和连接片（7）将电池串联、并联或串并联；

端板和拉板两侧均设置有绝缘板。

2.根据权利要求1所述一种具备高阻燃高阻热的模块，其特征在于，EPDM基材料按重量份数计包括：三元乙丙橡胶100份、树脂5~45、交联剂1~10、纤维1~10份和助剂0.7~70份。

3.根据权利要求1所述一种具备高阻燃高阻热的模块，其特征在于，EPDM基材料按重量份数计包括：三元乙丙橡胶100份、树脂10~40份、交联剂2~5份、纤维1~10份和助剂0.5~60份。

4.根据权利要求1或2或3所述一种具备高阻燃高阻热的模块，其特征在于，树脂为硼酚醛树脂；

交联剂为过氧化二异丙苯或者二-（叔丁基过氧化异丙基）苯；

纤维为聚苯并咪唑纤维或聚对苯撑苯并双恶唑纤维；

助剂包括增塑剂、活化剂、偶联剂、补强剂、促进剂、硫化剂和阻燃剂。

5.根据权利要求4所述一种具备高阻燃高阻热的模块，其特征在于，所述阻燃剂为磷系阻燃剂或阻燃剂为硅系阻燃剂；

所述增塑剂为液体石蜡，重量份为1~10；

所述活化剂为纳米氧化锌，重量份为2~15；或者为硬脂酸，重量份为0.2~5；

所述偶联剂为硅烷偶联剂，重量份为0.5~10；

所述补强剂为白炭黑，重量份为5~60；或者为硼酸锌，重量份为1~15；

所述促进剂为促进剂CZ，重量份为1~10；或者为促进剂D，重量份为0.2~2；

所述硫化剂为硫磺，重量份为0.2~5。

6.根据权利要求5所述一种具备高阻燃高阻热的模块，其特征在于，磷系阻燃剂为二乙基次膦酸铝或聚磷酸铵，重量份为10~65；硅系阻燃剂为笼形八苯基倍半硅氧烷，重量份为0.5~10。

7.根据权利要求1所述一种具备高阻燃高阻热的模块，其特征在于，EPDM基材料通过以下过程制得：将三元乙丙橡胶、树脂、交联剂、纤维和助剂进行混炼与硫化得到。

8.一种如权利要求1所述的具备高阻燃高阻热的模块的制备方法，其特征在于，将若干电池串联、并联或串并联，形成电池组，在相邻电池之间设置材质为EPDM基材料的电池隔板，在电池组两端均设置端板，在电池组侧面设置拉板，并将端板与拉板连接，在电池组顶部设置绝缘保护盖。

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