CN113611979A - 一种具有呼吸效应的功能排气阀及其制备方法 - Google Patents

一种具有呼吸效应的功能排气阀及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种具有呼吸效应的功能排气阀及其制备方法，其中所述具有呼吸效应的功能排气阀包括一基材和一高压透气层，其中所述基材设置贯穿于所述基材顶部和底部的至少一组排气孔，其中所述高压透气层被复合覆盖于所述基材的至少一侧，并封堵所述排气孔。

Description

一种具有呼吸效应的功能排气阀及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种排气阀，尤其涉及一种具有呼吸效应的功能排气阀及其制备方法。
背景技术
2020年，中国在第七十五届联合国大会上提出在2030年实现碳达峰承诺，进一步将新能源产业推向行业浪潮，而新能源的重要组成部分就是清洁电能的存储装置(锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锂硫电池、锂空电池、燃料电池、固态电池等等)，下面以当前产量最大的锂离子电池为例。当前锂离子电池有不同的材料体系、不同的制成工艺、不同的电性能区间、不同的电芯型号、不同的电芯壳体，使用范围小到蓝牙耳机、智能穿戴设备，大到电动汽车、电动轮船等等，不管在什么使用场景下，在电池的全生命周期使用过程中和在电池的不断充放电过程中，电池内部都会间歇性的产生气体，电池内不断增加的内压会恶化电池的电性能、影响电池的使用寿命、增大安全隐患、也间接增加了电池的使用成本。
为了降低电池内部产气的问题，大部门电池研发部门都是着重于电池材料的改性、电池配方的优化、制成工艺的改进等，这些都增加了电池的成本，而且也会影响其方面的电性能发挥(比如能量密度的降低或低温倍率性能的恶化等)。
电能储存装置本身主要包括一主体部分和一壳体，其中所述壳体形成一密封空间，以使得所述主体部分能够密封地保持在所述密封空间中。但是随着所述主体部分长时间工作，会间歇性的产生气体，随着气体的增多，密封的空间内气压增大。如果不及时地将这些气体排出，有可能会出现安全隐患。但是，如果在壳体上设置排气口，则无法达到密封所述主体部分的目的。此外，为了防止所述电能储存装置在收到碰撞和挤压时发生爆炸事故，需要所述壳体具有较高的强度。
发明内容
本发明的一个优势在于提供一种具有呼吸效应的功能排气阀及其制备方法，其中所述具有呼吸效应的功能排气阀能够在气压达到一预定值时，具有一定大小的透气功能，从而能够实现单向排气的目的，此外，所述具有呼吸效应的功能排气阀在气压低于所述预定值时，能够完全密封。
本发明的另一个优势在于提供一种具有呼吸效应的功能排气阀及其制备方法，其中所述具有呼吸效应的功能排气阀具有较高的强度。
本发明的另一个优势在于提供一种具有呼吸效应的功能排气阀及其制备方法，其中所述具有呼吸效应的功能排气阀被应用于现有的电能存储装置时，可以有效地避免安全事故的发生。
本发明的另一个优势在于提供一种具有呼吸效应的功能排气阀及其制备方法，其中所述具有呼吸效应的功能排气阀通过金属材料和高分子材料复合而成，其制作成本较低。
为达到本发明以上至少一个优势，本发明提供一种具有呼吸效应的功能排气阀，所述具有呼吸效应的功能排气阀包括：
一基材，其中所述基材设置贯穿于所述基材顶部和底部的至少一组排气孔；
一高压透气层，其中所述高压透气层被复合覆盖于所述基材的至少一侧，并封堵所述排气孔。
根据本发明一实施例，所述基材被实施为由可在酸化和/或碱化后形成含氧极性官能团的金属材料制成。
根据本发明一实施例，所述高压透气层被实施为由透气高分子材料制成。
根据本发明一实施例，所述高压透气层包括两个侧层和位于两个所述侧层中间的一中间层，其中一个侧层被复合于所述基材，且被定义为一内侧层，另一个所述侧层被定义为外侧层，其中所述内侧层被实施为含有极性基团的高分子材料制成，其中所述中间层被实施为高分子多孔结构材料制成。
根据本发明一实施例，所述内侧层被实施为含有极性基团的改性丙烯酸制成。
根据本发明一实施例，极性基团包括羰基、氨基等多种极性官能团。
根据本发明一实施例，所述中间层被实施为由改性聚丙烯与聚烯烃弹性体复合的高分子多孔结构形成。
根据本发明一实施例，在复合所述内侧层于所述基材前，被实施为金属材料制成的所述基材被酸化和/或碱化。
根据本发明的另一个方面，为达到本发明以上至少一个优势，本发明提供一种具有呼吸效应的功能排气阀的制备方法，其中所述具有呼吸效应的功能排气阀制备方法包括：
在所述基材上形成一组所述排气孔；
复合所述高压透气层于所述基材的表面，并封盖所述排气孔。
根据本发明一实施例，所述基材被实施为由可在酸化和碱化后形成含氧极性官能团的金属材料制成，相应地，在复合所述高压透气层于所述基材的表面之前，所述具有呼吸效应的功能排气阀制备方法包括：通过酸和/或碱洗被实施为由可在酸化和碱化后形成含氧极性官能团的金属材料制成的所述基材。
附图说明
图1示出了本发明所述具有呼吸效应的功能排气阀的结构示意图。
图2示出了本发明所述具有呼吸效应的功能排气阀的剖视图。
图3示出了本发明所述具有呼吸效应的功能排气阀的一个试验的箱式示意图。
图4示出了本发明所述具有呼吸效应的功能排气阀的一个试验的使用成本对比示意图。
图5示出了本发明所述具有呼吸效应的功能排气阀一个试验的循环次数的示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参考图1至图5，依本发明一较佳实施例的一种具有呼吸效应的功能排气阀将在以下被详细地阐述，其中所述具有呼吸效应的功能排气阀能够被设置在一电能存储装置的壳体上，以能密封所述电能存储装置主体部件的同时，在所述壳体内出现过多的气体时，可及时地排出所述壳体内的气体，其中排出的气体包括但限于CO2/CO/H2/O2/N2/CH4等。
具体地，所述具有呼吸效应的功能排气阀包括一基材10。优选地，所述基材10设置贯穿于所述基材顶部和底部的至少一组排气孔101。所述具有呼吸效应的功能排气阀还包括一高压透气层20，其中所述高压透气层20被覆盖于所述基材10的表面。当所述基材10的表面设有所述排气孔101时，所述高压透气呈20能够封堵所述排气口101。
可以理解的是，所述基材10的表面可以被部分覆盖，也可以被完全覆盖。只要设置于所述基材10上的所述排气孔101能够被所述高压透气层20封堵即可。
通过这样的方式，当所述具有呼吸效应的功能排气阀被设置于所述电能存储装置的壳体时，能够有效地将所述电能存储装置主体部件密封。
值得一提的是，所述高压透气层20被实施为由透气材料制成。尤其是当所述高压透气层20收到的压力大于一预设值时，所述高压透气层20将允许一定量的气体通过，当部分气体通过后，所述高压透气层20又会恢复其原本的能力，以阻止气体通过。这样间歇性地排气过程，类似于动物呼吸的过程。因此，本发明所述排气阀被称之为具有呼吸效应的功能排气阀。
这样一来，当所述电能存储装置主体长时间工作而在所述壳体形成的密封腔内形成高压气体时，气体能够通过所述排气孔101而进入所述高压透气层20。当位于所述密封圈内的气压达到一临界值时，高压气体透过所述高压透气层20而得以被排放，从而能够防止过多的气体对所述电能存储装置主体造成损害。
优选地，所述基材10可以被实施为基材构成，比如金属铝材。这样一来，即能够保证所述基材10的硬度，又能够降低所述具有呼吸效应的功能排气阀的生产成本。
所述高压透气层20被实施为高分子透气薄膜(VPP)。优选地，所述高分子透气薄膜被实施为三层结构，具体为两个侧层21和位于两个所述侧层21中间的一中间层22。
两个所述侧层21具体为一内侧层211和一外侧层212。所述内侧层211被覆盖于所述基材10。所述内侧层211和所述外侧层212都被实施为高压透气材料制成。
优选地，所述内侧层211和所述外侧层212中至少一个被实施为含有极性基团的高分子材料制成，如含有极性基团的改性丙烯酸(PP-S)制成，优选地，含有的极性基团包括羰基、氨基等多种极性官能团等结构。所述中间层22被实施为由改性聚丙烯(PP-M)与聚烯烃弹性体(POE-E)复合的高分子多孔结构形成。此外，PP-M和POE-E的质量比80～70：20～30。
作为优选地，所述基材10被实施为金属材料制成。所述内侧层211被覆盖于所述基材10。同样优选地，所述内侧层211被实施为含有极性基团的改性丙烯酸(PP-S)制成，这样一来，含有极性官能团结构的所述内侧层211与所述基材10之间的界面力增大，进而使所述内侧层211和被实施为金属材料制成的所述基材10之间具有较高的粘结强度。
除此之外，所述内侧层211自身含有的极性官能团结构还可以使高分子材料的分子间距增大，从而增大PP-S的孔隙率，进而使得所述内侧层211在高压情况下具有较好的透气性能。
作为优选地，含有极性基团的改性丙烯酸(PP-S)被实施为通过聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)的共聚物制成，其中PE的引入可为PP引入支链，减少高分子链段的堆积，增大孔隙率。
所述中间层22由于被实施为改性聚丙烯(PP-M)和聚烯烃弹性体(POE-E)复合的功能弹性多孔结构，从而使得所述中间层22具有较高的弹性和耐老化性能。这样一来，当所述高压透气层20处于高压环境时，高压气体能够快速地通过所述多孔结构，进而实现快速排气。此外，改性聚丙烯(PP-M)和聚烯烃弹性体(POE-E)复合形成的结构能够有效地避免二者的分子链堆砌紧密，阻碍分子内部链段的运动，增大自由体积，提高VPP在一定条件下，尤其是高压条件下的透气性能。
值得一提的是，所述基材10优选地被实施为由可在酸化和碱化后形成含氧极性官能团的金属材料制成。例如由铝或铝合金制成。可以理解的是，由铝或铝合金制成的所述基材10在被酸化或碱化后，能够在所述基材10的表面形成AlO(OH)和Al(OH)3以及多种含氧极性官能团的多孔铝金属基体，以能够提高所述基材10和所述内侧层211的粘结强度，进而能够使所述具有呼吸效应的功能排气阀保持良好的密封性能。进一步地，由于所述基材10和所述内侧层211的粘结强度增强，因此，所述具有呼吸效应的功能排气阀的耐腐蚀、抗老化等长效功能可靠性得以提高。
值得一提的是，当所述具有呼吸效应的功能排气阀应用于所述电能存储装置时，可迅速地排出电源存储装置内的气体，降低电源存储装置内的气压，避免由气体增多引起的电化学性能恶化，延长电源存储装置的使用寿命(提高寿命20％-30％)，同时也可避免为了降产气而进行的电池材料的改性、电池配方的优化、制成工艺的改进而带来的风险，在不改变成熟电芯体系的情况下，满足终端客户的使用需求。
总之，电池在使用过程中的产气是影响电性能发挥和安全性能的重要因素，而过多的去优化材料体系、改善电池的配方、改进制成工艺，都会增大电池的使用成本，而且也会影响其他电性能的发挥。但是，本发明的所述具有呼吸效应的功能排气阀，作用在电池的外部壳体上，且可在不改变现有电池设计的情况下，将电池内部多余的气体排出，以最低的成本改善电池的电化学性能，延长电池的使用寿命和降低。
在其它实施例中，所述高压透气层20可以被实施为两层结构，其中两层结构可以是两层所述内侧层211复合而成的结构。在另一个实施例中，所述高压透气层20可以被实施为一层所述内侧层211和一层所述中间层22复合形成的结构。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种具有呼吸效应的功能排气阀的制备方法，其中所述具有呼吸效应的功能排气阀制备方法包括：
S1，在所述基材上形成一组所述排气孔101；
S2，复合所述高压透气层20于所述基材的表面，并封盖所述排气孔101。
优选地，所述排气孔101的尺寸为1～3mm。
优选地，所述基材被实施为由可在酸化和碱化后形成含氧极性官能团的金属材料制成，相应地，在所述步骤S2之前，所述具有呼吸效应的功能排气阀制备方法包括：通过酸和/或碱洗被实施为由可在酸化和碱化后形成含氧极性官能团的金属材料制成的所述基材。
相应地，在所述步骤S2中，所述高压透气层20包括所述内侧层211，其中所述内侧层211被实施为由含有极性基团的改性丙烯酸制成。
所述步骤S2和所述步骤S21中的复合方式可以被实施为热压敷合。
优选地，在所述步骤S21之前，所述具有呼吸效应的功能排气阀制备方法包括：
S22，通过将改性共聚聚丙烯(PP-S)、改性均聚聚丙烯(PP-M)和聚烯烃弹性体(POE-E)(POE含量为20％-30％Wt)、改性共聚聚丙烯(PP-S)流延成膜，以形成所述高压透气层20，其中所述高压透气层20包括由含有极性基团的改性丙烯酸制成的所述内侧层211。
此外，通过将优选实施例的所述具有呼吸效应的功能排气阀焊接在电能存储装置的壳体靠中心位置(以方形铝壳为例，不限于圆柱电池、软包电池、其他各种异形电池等)。
性能测试：
将本发明的所述高压透气层(VPP)与常规的高分子薄膜进行透气性测试(以CO2气体为参考)，测试温度为45℃，气体压力为0.1Mpa。
将常规量产使用的锂离子电池和加装本发明具有呼吸效应功能排气阀的锂离子电池进行充放电测试，对比二者的循环寿命，充放电倍率为0.1C，测试温度为45℃。试验的结果可参考图3-图5。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的优势已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种具有呼吸效应的功能排气阀，其特征在于，所述具有呼吸效应的功能排气阀包括：
一基材，其中所述基材设置贯穿于所述基材顶部和底部的至少一组排气孔；
一高压透气层，其中所述高压透气层被复合覆盖于所述基材的至少一侧，并封堵所述排气孔。
2.根据权利要求1所述具有呼吸效应的功能排气阀，其特征在于，所述基材被实施为由可在酸化和/或碱化后形成含氧极性官能团的金属材料制成。
3.根据权利要求2所述具有呼吸效应的功能排气阀，其特征在于，所述高压透气层被实施为由透气高分子材料制成。
4.根据权利要求3所述具有呼吸效应的功能排气阀，其特征在于，所述高压透气层包括两个侧层和位于两个所述侧层中间的一中间层，其中一个侧层被复合于所述基材，且被定义为一内侧层，另一个所述侧层被定义为外侧层，其中所述内侧层被实施为含有极性基团的高分子材料制成，其中所述中间层被实施为高分子多孔结构材料制成。
5.根据权利要求4所述具有呼吸效应的功能排气阀，其特征在于，所述内侧层被实施为含有极性基团的改性丙烯酸制成。
6.根据权利要求4或5所述具有呼吸效应的功能排气阀，其特征在于，极性基团包括羰基、氨基等多种极性官能团。
7.根据权利要求4或5所述具有呼吸效应的功能排气阀，其特征在于，所述中间层被实施为由改性聚丙烯与聚烯烃弹性体复合的高分子多孔结构形成。
8.根据权利要求7所述具有呼吸效应的功能排气阀，其特征在于，在复合所述内侧层于所述基材前，被实施为金属材料制成的所述基材被酸化和/或碱化。
9.一种具有呼吸效应的功能排气阀的制备方法，其特征在于，其中所述具有呼吸效应的功能排气阀制备方法包括：
在所述基材上形成一组所述排气孔；
复合所述高压透气层于所述基材的表面，并封盖所述排气孔。
10.根据权利要求9所述具有呼吸效应的功能排气阀的制备方法，其特征在于，所述基材被实施为由可在酸化和碱化后形成含氧极性官能团的金属材料制成，相应地，在复合所述高压透气层于所述基材的表面之前，所述具有呼吸效应的功能排气阀制备方法包括：通过酸和/或碱洗被实施为由可在酸化和碱化后形成含氧极性官能团的金属材料制成的所述基材。
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上海铁道学院: "《金属结构胶接》", 武汉水利电力大学出版社, pages: 155 - 160 *

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