CN113750400A - 一种柔性阻燃填充物及二次电池 - Google Patents

一种柔性阻燃填充物及二次电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种柔性阻燃填充物,由阻燃剂和流变助剂组成;所述阻燃剂与所述流变助剂的质量比为1:(2~3);所述柔性阻燃剂为凝胶态柔性阻燃剂。该柔性阻燃填充物用于填充在电池包壳体内和每个电池芯体之间,电池样式不局限于形状,用以解决电池内部因温度过高等原因引起的燃烧等问题。当电池因短路等问题燃烧时,与柔性阻燃填充物的阻燃凝胶混合物发生反应,吸收电池包内热量,阻隔热量的扩散,减少氧化反应发生,从而起到在电池包内部自我灭火的作用,提高了电池的安全性和稳定性。而且具有柔性,在电池正常使用时,还具有缓冲,减少外部撞击和内部振动等作用;同时制备方法工艺简单,易于操作,适于规模化工业生产和应用。

Description

一种柔性阻燃填充物及二次电池
技术领域
本发明属于锂离子电池阻燃材料技术领域,涉及一种柔性阻燃填充物及二次电池,尤其涉及一种柔性阻燃填充物及内含高阻燃性柔性填料电池包的二次电池。
背景技术
锂离子电池具有高能量密度、高电压、寿命长、无记忆效应等优点,根据应用场景的不同,锂离子电池主要分为动力、消费、储能三类。传统的消费类电池主要用于手机、电脑等电子产品,而随着新能源车市场的逐渐崛起,动力方面的需求成为了电池行业内的强劲增长点,产品需求放量趋势已成,目前在我国,动力电池市场已逐渐超越消费类电池市场,成为需求的主力,已成为新能源汽车领域储能设备的首选。受续航里程、国家补贴等因素的影响,动力锂离子电池向高能量密度发展的趋势日益明显。新型主材的应用虽然在很大程度上提升了电池的能量密度,但也对电池的安全性能带来了巨大挑战,如高镍正极材料(镍钴锰622、镍钴锰811、镍钴铝,LNMO等)热稳定性差、硅碳材料充放电过程体积膨胀,隔膜厚度的降低带来的短路风险等。作为纯电动新能源汽车的核心部件,锂离子电池的安全问题已成为限制其进一步发展的关键指标之一,所以电动自行车、电动汽车的逐步发展对电池的安全性提出了更高的要求。就目前而言,安全性是困扰大容量锂离子动力电池的主要障碍,如锂离子电池在过充、过放、短路、热冲击等滥用状态下,容易着火甚至爆炸。电解液中添加阻燃剂能够显著提高电池的安全性能,能够防止电池在滥用状态下产生的爆炸或者燃烧,一般而言,在电池出现滥用时,电池内部的温度就会升高,温度升高就会导致电池内负极表面固体电解质膜破坏,从而导致电解液中的组分与负极之间发生剧烈的化学反应,电解液中有机溶剂的分解产生氢氧自由基和氢自由基,这些自由基会发生链式反应从而产生大量的热量,产生的热量促使电解液与嵌锂负极之间反应加剧,最终影响电池的安全性。
因而,如何提高电池的安全性,势必是锂离子电池发展过程中所必须要面对的。现阶段,业内在锂离子电池阻燃方面,主要是通过在电解液中添加阻燃型电解液添加剂来实现,然而阻燃型电解液添加剂会与正负极材料或者电解液中的物质发生反应,降低电池的性能。
因此,如何找到一种合适方法,能够解决现有锂离子电池的安全问题,而且能够在不影响电池性能的前提下,实现对锂离子电池安全性能的提升,已成为业内研究人员广为专注的焦点之一。
发明内容
有鉴于此,本发明要解决的技术问题在于提供一种柔性阻燃填充物及二次电池,特别是一种内含高阻燃性柔性填料电池包的二次电池。本发明提供的柔性阻燃填充物填充于电池包壳体内和每个电池芯体之间,电池样式无局限,当电池因短路等问题燃烧时,与柔性阻燃填充物发生反应,吸收电池包内热量,阻隔热量的扩散,减少氧化反应发生,从而起到在电池包内部自我灭火的作用,提高了电池的的安全性和稳定性,适于工业化推广和应用。
本发明提供了一种柔性阻燃填充物,由阻燃剂和流变助剂组成;
所述阻燃剂与所述流变助剂的质量比为1:(2~3);
所述柔性阻燃剂为凝胶态柔性阻燃剂。
优选的,所述柔性阻燃填充物的粘度为12500~15000mPa·s;
所述柔性阻燃填充物为用于二次电池的电池包外壳内填充用的柔性阻燃填充物。
优选的,所述阻燃剂包括卤系阻燃剂、无机阻燃剂、协同阻燃系阻燃剂、膨胀型阻燃剂、含磷和/或磷化合物的阻燃剂、铵盐、纳米复合阻燃材料和有机硅阻燃剂中的一种或多种;
所述流变助剂包括蓖麻油衍生物、改性聚脲化合物、聚烯烃、聚酰胺蜡系、气相二氧化硅、有机膨润土和聚氧化乙烯中的一种或多种。
优选的,所述卤系阻燃剂包括溴系阻燃剂和/或氯系阻燃剂;
所述溴系阻燃剂包括十溴二苯醚、四溴双酚A、双(2,3-二烷丙基)醚,八溴二苯醚、四溴双酚A、2,4,6-三溴苯酚、溴化聚苯乙烯、溴化环氧和四溴双酚A碳酸酯齐聚物中的一种或多种;
所述无机阻燃剂包括氢氧化铝、氢氧化镁、碳酸氢钠、膨胀石墨、硼酸盐、草酸铝和硫化锌基阻燃剂中的一种或多种。
优选的,所述协同阻燃系阻燃剂包括三氧化二锑与氯类阻燃剂协同、水合硼酸锌与卤系阻燃剂配合协同、卤-磷阻燃协同和磷-氮阻燃协同中的一种或多种;
所述膨胀型阻燃剂包括炭化剂、炭化催化剂和膨胀剂中的一种或多种;
所述有机硅阻燃剂包括硅油、硅树脂、带功能团的聚硅氧烷、聚碳酸酯-硅氧烷共聚物、丙烯酸酯-硅氧烷复合材料和硅凝胶中的一种或多种。
本发明提供了一种二次电池,包括电池芯体和电池包壳体;
所述电池芯体和电池包壳体之间设置有柔性阻燃层;
所述柔性阻燃层包括柔性阻燃填充物。
优选的,所述柔性阻燃填充物包括权利要求1~3任意一项所述的柔性阻燃填充物;
所述柔性阻燃填充物包覆在电池芯体上;
所述电池包壳体包覆在所述柔性阻燃填充物上。
优选的,所述电池芯体为多个时,所述柔性阻燃填充物包覆在每个电池芯体上;
所述电池包壳体包括金属铝外壳、钢壳和塑料壳中的一种或多种;
所述二次电池包括锂离子二次电池。
优选的,所述柔性阻燃层中还包括无纺布和凝胶,和/或固态粉;
多个柔性阻燃层可以形成柔性阻燃毯式结构;
所述柔性阻燃填充物在所述柔性阻燃层中的质量比为30%~50%。
优选的,所述柔性阻燃层中还包括聚氨酯泡沫;
所述柔性阻燃填充物设置在所述聚氨酯泡沫中;
所述柔性阻燃填充物在所述柔性阻燃层中的质量比为20%~35%。
本发明提供了一种柔性阻燃填充物,由阻燃剂和流变助剂组成;所述阻燃剂与所述流变助剂的质量比为1:(2~3);所述柔性阻燃剂为凝胶态柔性阻燃剂。与现有技术相比,本发明针对现有的锂离子电池,特别是动力锂离子电池的安全性已成为困扰大容量锂离子动力电池的主要障碍之一,而业内在锂离子电池阻燃方面,在电解液中添加阻燃型电解液添加剂的这种方式,又存在降低电池性能的问题。
本发明提供了一种柔性阻燃填充物,该柔性阻燃填充物是由阻燃剂和流变助剂按照一定配比制成的混合物,创造性的用于填充在电池包壳体内和每个电池芯体之间,电池样式不局限于柱状、方形、软包等,用以解决电池内部因温度过高等原因引起的燃烧等问题。当电池因短路等问题燃烧时,与柔性阻燃填充物的阻燃凝胶混合物发生反应,吸收电池包内热量,阻隔热量的扩散,减少氧化反应发生,从而起到在电池包内部自我灭火的作用,提高了电池的安全性和稳定性。
本发明提供的具有凝胶状的柔性复合态阻燃剂混合物填充于电池包壳体内和每个电池之间,不与电解液以及正负极发生反应,具有较好的阻燃效率以及灭火功效,在锂离子电池因内部短路等问题发生燃烧时,能够针对锂电池起火问题,实现电池包内自我灭火的效果,快速阻隔氧化反应,减少燃烧事故的发生,提高电池的安全性;而且该阻燃填充物具有柔性的特征,在电池正常使用时,还可以起到缓冲,减少外部撞击,内部振动以及外部硬物穿刺等作用,相应的减少了电池因外部原因,而发生起火的可能性;同时,制备方法工艺简单,易于操作,适于规模化工业生产和应用。
实验结果表明,本发明制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池能够实现电池包内自我灭火的效果,快速阻隔氧化反应,减少燃烧事故的发生,提高电池的安全性。
附图说明
图1为本发明提供的含有柔性阻燃物的锂离子电池结构的剖面示意简图;
图2为本发明提供的含有柔性阻燃物的锂离子电池结构的俯视示意简图;
图3为本发明提供的含有柔性阻燃物的锂离子电池结构的单个电池芯的剖面示意简图;
图4为本发明提供的含有柔性阻燃物的锂离子电池结构的俯视示意简图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点,而不是对发明权利要求的限制。
本发明所有原料,对其来源没有特别限制,在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所有原料,对其纯度没有特别限制,本发明优选采用分析纯或锂离子电池配件制备领域内使用的常规纯度。
本发明提供了一种柔性阻燃填充物,由阻燃剂和流变助剂组成;
所述阻燃剂与所述流变助剂的质量比为1:(2~3);
所述柔性阻燃剂为凝胶态柔性阻燃剂。
本发明所述阻燃剂与所述流变助剂的质量比为1:(2~3),优选为1:(2.2~2.8),更优选为1:(2.4~2.6)。本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述柔性阻燃填充物具体为用于二次电池的电池包外壳内填充用的柔性阻燃填充物。
本发明原则上对所述柔性阻燃填充物的具体参数没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述柔性阻燃填充物的粘度优选为12500~15000mPa·s,更优选为13000~14500mPa·s,更优选为13500~14000mPa·s。
本发明原则上对所述流变助剂的具体选择没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述流变助剂优选包括蓖麻油衍生物、改性聚脲化合物、聚烯烃、聚酰胺蜡系、气相二氧化硅、有机膨润土和聚氧化乙烯中的一种或多种,更优选为蓖麻油衍生物、改性聚脲化合物、聚烯烃、聚酰胺蜡系、气相二氧化硅、有机膨润土或聚氧化乙烯。
本发明原则上对所述阻燃剂的具体选择没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述阻燃剂优选包括卤系阻燃剂、无机阻燃剂、协同阻燃系阻燃剂、膨胀型阻燃剂、含磷和/或磷化合物的阻燃剂、铵盐、纳米复合阻燃材料和有机硅阻燃剂中的一种或多种,更优选为卤系阻燃剂、无机阻燃剂、协同阻燃系阻燃剂、膨胀型阻燃剂、含磷和/或磷化合物的阻燃剂、铵盐、纳米复合阻燃材料或有机硅阻燃剂。
本发明原则上对所述流卤系阻燃剂的具体选择没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述卤系阻燃剂优选包括溴系阻燃剂和氯系阻燃剂,更优选为溴系阻燃剂或氯系阻燃剂。更具体的,所述溴系阻燃剂优选包括十溴二苯醚、四溴双酚A、双(2,3-二烷丙基)醚,八溴二苯醚、四溴双酚A、2,4,6-三溴苯酚、溴化聚苯乙烯、溴化环氧和四溴双酚A碳酸酯齐聚物中的一种或多种,更优选为十溴二苯醚、四溴双酚A、双(2,3-二烷丙基)醚,八溴二苯醚、四溴双酚A、2,4,6-三溴苯酚、溴化聚苯乙烯、溴化环氧或四溴双酚A碳酸酯齐聚物。
本发明原则上对所述无机阻燃剂的具体选择没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述无机阻燃剂优选包括氢氧化铝、氢氧化镁、碳酸氢钠、膨胀石墨、硼酸盐、草酸铝和硫化锌基阻燃剂中的一种或多种,更优选为氢氧化铝、氢氧化镁、碳酸氢钠、膨胀石墨、硼酸盐、草酸铝或硫化锌基阻燃剂。
本发明原则上对所述协同阻燃系阻燃剂的具体选择没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述协同阻燃系阻燃剂优选包括三氧化二锑与氯类阻燃剂协同、水合硼酸锌与卤系阻燃剂配合协同、卤-磷阻燃协同和磷-氮阻燃协同中的一种或多种,更优选为三氧化二锑与氯类阻燃剂协同、水合硼酸锌与卤系阻燃剂配合协同、卤-磷阻燃协同或磷-氮阻燃协同。
本发明原则上对所述膨胀型阻燃剂的具体选择没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述膨胀型阻燃剂优选包括炭化剂、炭化催化剂和膨胀剂中的一种或多种,更优选为炭化剂、炭化催化剂或膨胀剂。
本发明原则上对所述有机硅阻燃剂的具体选择没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述有机硅阻燃剂优选包括硅油、硅树脂、带功能团的聚硅氧烷、聚碳酸酯-硅氧烷共聚物、丙烯酸酯-硅氧烷复合材料和硅凝胶中的一种或多种,更优选为硅油、硅树脂、带功能团的聚硅氧烷、聚碳酸酯-硅氧烷共聚物、丙烯酸酯-硅氧烷复合材料或硅凝胶。
本发明还提供了一种二次电池,包括电池芯体和电池包壳体;
所述电池芯体和电池包壳体之间设置有柔性阻燃层;
所述柔性阻燃层包括柔性阻燃填充物。
本发明原则上对所述柔性阻燃填充物的具体选择没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述柔性阻燃填充物的参数、选择,以及相应的优选原则,与前述柔性阻燃填充物中的参数、选择,以及相应的优选原则均可以进行对应,在此不再一一赘述。
本发明原则上对所述柔性阻燃填充物的具体位置没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述柔性阻燃填充物优选包覆在电池芯体上,更优选的,当所述电池芯体为多个时,所述柔性阻燃填充物优选包覆在每个电池芯体上。所述电池包壳体优选包覆在所述柔性阻燃填充物上。
本发明原则上对所述电池包壳体的具体选择没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述电池包壳体优选包括金属铝外壳、钢壳和塑料壳中的一种或多种,更优选为金属铝外壳、钢壳或塑料壳。
本发明原则上对所述二次电池的具体选择没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述二次电池优选包括锂离子二次电池,即锂离子电池。
本发明所述锂离子电池,优选包括正极、负极、隔膜和电解液。本发明原则上对所述锂离子电池的定义和种类没有特别限制,以本领域技术人员熟知的锂离子电池的常规定义和种类即可,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明所述锂离子电池优选包括锂离子动力电池。
本发明原则上对所述柔性阻燃层中的具体组成没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述柔性阻燃层中优选包括无纺布和凝胶和固态粉,更优选为无纺布和凝胶或固态粉。更具体的,在本发明中,多个所述柔性阻燃层可以形成柔性阻燃毯式结构。
本发明原则上对所述柔性阻燃填充物在所述柔性阻燃层中的质量比没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述柔性阻燃填充物在所述柔性阻燃层中的质量比优选为30%~50%,更优选为33%~48%,更优选为35%~45%,更优选为37%~42%。
本发明原则上对所述柔性阻燃层中的具体组成没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述柔性阻燃层中优选包括聚氨酯泡沫。
本发明原则上对所述柔性阻燃填充物在所述柔性阻燃层中的质量比没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际应用情况、产品要求及质量要求进行选择和调整,本发明为进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,所述柔性阻燃填充物在所述柔性阻燃层中的质量比优选为20%~35%,更优选为23%~32%,更优选为25%~30%。
本发明为完整和细化整体制备工艺,进一步提高阻燃效果,更好的保证其柔性的胶体状态,进而更好的提高电池的安全性和稳定性,上述提供的内部含有阻燃填充物的电池包,用以解决电池内部因温度过高等原因引起的燃烧等问题。
参见图1,图1为本发明提供的含有柔性阻燃物的锂离子电池结构的剖面示意简图。其中,1-锂离子电池、2-电池外壳、3-阻燃填充物。
参见图2,图2为本发明提供的含有柔性阻燃物的锂离子电池结构的俯视示意简图。其中,1-锂离子电池、2-电池外壳、3-阻燃填充物。
在本发明中,电池包壳体内和每个电池之间填充着阻燃凝胶,当受过热燃烧时,与电池包内填充的阻燃剂混合凝胶发生反应(其中阻燃剂包括:卤系阻燃剂、无机阻燃剂、协同阻燃系阻燃剂、膨胀型阻燃剂、含磷及磷化合物、铵盐、纳米复合阻燃材料、有机硅阻燃剂中的一种活几种的组合。流变助剂为:蓖麻油衍生物、改性聚脲化合物、聚烯烃、聚酰胺蜡系、气相二氧化硅、有机膨润土、聚氧化乙烯其中的至少一种。以氢氧化镁[Mg(OH)2]为例,氢氧化镁是一种新型填充型阻燃剂,通过受热分解时释放出结合水,吸收大量的潜热,来降低它所填充的合成材料在火焰中的表面温度,具有抑制聚合物分解和对所产生的可燃气体进行冷却的作用。分解生成的氧化镁又是良好的耐火材料,也能帮助提高合成材料的抗火性能,同时它放出的水蒸气也可作为一种抑烟剂。再加入聚氧化乙烯,混合2小时,得到凝胶状态的阻燃剂;再将此凝胶填充至铝制外壳的电池包内,待凝固后得到本发明产品。
本发明装置填充在电池包壳体内和每个电池之间,可以避免阻燃添加剂添加到电解液中影响电池性能,当电池包内发生起火燃烧的情况时,利用稀释氧气浓度、热吸收与阻隔技术,防止电池组发生热失控。通过在电池包壳体内和每个电池之间填充的胶状阻燃剂混合物发生反应,在起火现象发生时,吸收电池包内热量,阻隔热量的进一步扩散,避免氧化反应发生,从而到达阻燃灭火的功能,进而提高电池的安全性和稳定性。
本发明上述步骤提供了一种柔性阻燃填充物及内含高阻燃性柔性填料电池包的二次电池。该柔性阻燃填充物是由阻燃剂和流变助剂按照一定配比制成的混合物,创造性的用于填充在电池包壳体内和每个电池芯体之间,电池样式不局限于柱状、方形、软包等,用以解决电池内部因温度过高等原因引起的燃烧等问题。当电池因短路等问题燃烧时,与柔性阻燃填充物的阻燃凝胶混合物发生反应,吸收电池包内热量,阻隔热量的扩散,减少氧化反应发生,从而起到在电池包内部自我灭火的作用,提高了电池的安全性和稳定性。
本发明提供的具有凝胶状的柔性复合态阻燃剂混合物填充于电池包壳体内和每个电池之间,不与电解液以及正负极发生反应,具有较好的阻燃效率以及灭火功效,在锂离子电池因内部短路等问题发生燃烧时,能够针对锂电池起火问题,实现电池包内自我灭火的效果,快速阻隔氧化反应,减少燃烧事故的发生,提高电池的安全性;而且该阻燃填充物具有柔性的特征,在电池正常使用时,还可以起到缓冲,减少外部撞击,内部振动以及外部硬物穿刺等作用,相应的减少了电池因外部原因,而发生起火的可能性;同时,还能与其他柔性填充料组合,形成阻燃毯和阻燃泡沫等等更多的柔性填充形式,进一步扩充了使用方式和使用灵活性。此外,制备方法工艺简单,易于操作,适于规模化工业生产和应用。
实验结果表明,本发明制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池能够实现电池包内自我灭火的效果,快速阻隔氧化反应,减少燃烧事故的发生,提高电池的安全性。
为了进一步说明本发明,以下结合实施例对本发明提供的一种柔性阻燃填充物及二次电池进行了详细描述,但是应当理解,这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制,本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
参见图3,图3为本发明提供的含有柔性阻燃物的锂离子电池结构的单个电池芯的剖面示意简图。其中,1-锂离子电池、2-电池外壳、3-阻燃填充物。
参见图4,图4为本发明提供的含有柔性阻燃物的锂离子电池结构的俯视示意简图。其中,1-锂离子电池、2-电池外壳、3-阻燃填充物。
在5Ah的软包电池中,阻燃剂以氢氧化镁[Mg(OH)2]为例,流变助剂选取聚氧化乙烯,阻燃剂与流变助剂的质量比为1:2.5,将氢氧化镁[Mg(OH)2]与聚氧化乙烯混合搅拌2小时,用旋转粘度计测试其粘度,当粘度值达到或接近13500mPa·s时,得到凝胶状态的阻燃剂。
再将此凝胶填充至铝制外壳的电池包内,待略微凝固后得到本发明制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池。氢氧化镁是一种新型填充型阻燃剂,通过受热分解时释放出结合水,吸收大量的潜热,来降低它所填充的合成材料在火焰中的表面温度,具有抑制聚合物分解和对所产生的可燃气体进行冷却的作用。分解生成的氧化镁又是良好的耐火材料,也能帮助提高合成材料的抗火性能,同时它放出的水蒸气也可作为一种抑烟剂。
对本发明实施例1制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池进行性能检测。
将本发明实施例1所得软包电池标记为实验样品1,取同容量的软包电池,但不加入任何阻燃添加剂作为实验样品2,同时对这两个软包电池进行2φmm~5φmm的耐高温钢针,以8~10mm/s的速度进行,穿刺实验。实验样品1电芯无明显变化,不起火,不爆炸;实验样品2经穿刺后,发生了明显的燃烧现象。
实验结果表明,本发明制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池能够实现电池包内自我灭火的效果,快速阻隔氧化反应,减少燃烧事故的发生,提高电池的安全性。
针刺测试是将充满电的电池放在一个平面上,用直径3mm的钢针沿径向将电池刺穿。测试电池不起火、不爆炸。因为动力电池在实际应用场合,存在异物刺入电池包内部导致电池发生短路的可能,而针刺测试能够很好的反应电池短路的发生情况,当钢针刺入时,钢针提供了电池内部短路的通路,电池的电能转化为热能,并存储在电池内部,短路造成短时间内能量的集中爆发和释放,有可能产生冒烟、漏夜,甚至起火爆炸。本发明通过电池内部阻燃结构设计的改进,当针刺入电池时,电池内部阻燃填料会相对抑制起火现象的发生,提高电池内部的相对稳定性,从而通过针刺测试。
对于锂电池安全测试试验,针刺实验是最为复杂的,这是因为整个锂电池的能量都会通过内短路点在短时间内快速释放(最多会有70%的能量在一分钟内释放),导致温度在短时间内急剧上升,继而引发连锁反应,从而导致热失控。本发明所涉及的电池内部的阻燃结构,可以在电池包被刺穿时(如图3、图4中的电池包),有效阻止热失控的发生,提高电池的安全性。
实施例2
在5Ah的软包电池中,阻燃剂以氢氧化铝为例,流变助剂选取气相二氧化硅,阻燃剂与流变助剂的质量比为1:2.4,再加入聚氨酯增稠剂约占总比例的1/4,将混合物搅拌2小时,用旋转粘度计测试其粘度,当粘度值达到或接近14500mPa·s时,得到凝胶状态的阻燃剂。
再将此凝胶填充至铝制外壳的电池包内,待略微凝固后得到本发明制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池。氢氧化铝受热分解时释放出结晶水。该过程为强吸热反应,吸收大量的热量,可起到冷却聚合物的作用,同时反应产生的水蒸气可以稀释可燃气体,抑制燃烧的蔓延。且新生的耐火金属氧化物Al2O3具有较高的活性,它会催化聚合物的热氧交联反应,在聚合物表面形成一层炭化膜,炭化膜会减弱燃烧时的传热、传质效应,从而起到阻燃的作用。Al2O3还能吸附烟尘颗粒,起到抑烟作用。
对本发明实施例2制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池进行性能检测。
将本发明实施例2所得软包电池标记为实验样品1,取同容量的软包电池,但不加入任何阻燃添加剂作为实验样品2,同时对这两个软包电池进行2φmm~5φmm的耐高温钢针,以8~10mm/s的速度进行,穿刺实验。实验样品1电芯无明显变化,不起火,不爆炸;实验样品2经穿刺后,发生了明显的燃烧现象。
实验结果表明,本发明制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池能够实现电池包内自我灭火的效果,快速阻隔氧化反应,减少燃烧事故的发生,提高电池的安全性。
实施例3
在5Ah的软包电池中,阻燃剂以硼酸锌为例,流变助剂选取改性聚脲,阻燃剂与流变助剂的质量比为1:2.6,再加入聚氨酯增稠剂约占总比例的1/5,将混合物搅拌2小时,用旋转粘度计测试其粘度,当粘度值达到或接近14000mPa·s时,得到凝胶状态的阻燃剂。
再将此凝胶填充至铝制外壳的电池包内,待略微凝固后得到本发明制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池。硼酸锌具有协同效应,在不降低材料阻燃等级条件下,能有效地降低材料成本,燃烧时的生烟量,促进炭层生成,有助于在材料燃烧时生成多孔炭层,且此炭层能为三氧化二硼所稳定,在高聚物燃烧温度下硼酸锌还可生成类似玻璃、陶瓷的硬质多孔残渣,有利于隔热和阻止空气扩散进入材料内部;防止生成熔滴,因而减少由于熔滴而引发的二次火灾。
对本发明实施例3制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池进行性能检测。
将本发明实施例3所得软包电池标记为实验样品1,取同容量的软包电池,但不加入任何阻燃添加剂作为实验样品2,同时对这两个软包电池进行2φmm~5φmm的耐高温钢针,以8~10mm/s的速度进行,穿刺实验。实验样品1电芯无明显变化,不起火,不爆炸;实验样品2经穿刺后,发生了明显的燃烧现象。
实验结果表明,本发明制备的含有柔性阻燃填充物的软包电池能够实现电池包内自我灭火的效果,快速阻隔氧化反应,减少燃烧事故的发生,提高电池的安全性。
以上对本发明提供的一种柔性阻燃填充物及内含高阻燃性柔性填料电池包的二次电池进行了详细的介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想,包括最佳方式,并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明,包括制造和使用任何装置或系统,和实施任何结合的方法。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定,并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素,或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素,那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种柔性阻燃填充物,其特征在于,由阻燃剂和流变助剂组成;
所述阻燃剂与所述流变助剂的质量比为1:(2~3);
所述柔性阻燃剂为凝胶态柔性阻燃剂。
2.根据权利要求1所述的柔性阻燃填充物,其特征在于,所述柔性阻燃填充物的粘度为12500~15000mPa·s;
所述柔性阻燃填充物为用于二次电池的电池包外壳内填充用的柔性阻燃填充物。
3.根据权利要求1所述的柔性阻燃填充物,其特征在于,所述阻燃剂包括卤系阻燃剂、无机阻燃剂、协同阻燃系阻燃剂、膨胀型阻燃剂、含磷和/或磷化合物的阻燃剂、铵盐、纳米复合阻燃材料和有机硅阻燃剂中的一种或多种;
所述流变助剂包括蓖麻油衍生物、改性聚脲化合物、聚烯烃、聚酰胺蜡系、气相二氧化硅、有机膨润土和聚氧化乙烯中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的柔性阻燃填充物,其特征在于,所述卤系阻燃剂包括溴系阻燃剂和/或氯系阻燃剂;
所述溴系阻燃剂包括十溴二苯醚、四溴双酚A、双(2,3-二烷丙基)醚,八溴二苯醚、四溴双酚A、2,4,6-三溴苯酚、溴化聚苯乙烯、溴化环氧和四溴双酚A碳酸酯齐聚物中的一种或多种;
所述无机阻燃剂包括氢氧化铝、氢氧化镁、碳酸氢钠、膨胀石墨、硼酸盐、草酸铝和硫化锌基阻燃剂中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的柔性阻燃填充物,其特征在于,所述协同阻燃系阻燃剂包括三氧化二锑与氯类阻燃剂协同、水合硼酸锌与卤系阻燃剂配合协同、卤-磷阻燃协同和磷-氮阻燃协同中的一种或多种;
所述膨胀型阻燃剂包括炭化剂、炭化催化剂和膨胀剂中的一种或多种;
所述有机硅阻燃剂包括硅油、硅树脂、带功能团的聚硅氧烷、聚碳酸酯-硅氧烷共聚物、丙烯酸酯-硅氧烷复合材料和硅凝胶中的一种或多种。
6.一种二次电池,其特征在于,包括电池芯体和电池包壳体;
所述电池芯体和电池包壳体之间设置有柔性阻燃层;
所述柔性阻燃层包括柔性阻燃填充物。
7.根据权利要求6所述的二次电池,其特征在于,所述柔性阻燃填充物包括权利要求1~3任意一项所述的柔性阻燃填充物;
所述柔性阻燃填充物包覆在电池芯体上;
所述电池包壳体包覆在所述柔性阻燃填充物上。
8.根据权利要求6所述的二次电池,其特征在于,所述电池芯体为多个时,所述柔性阻燃填充物包覆在每个电池芯体上;
所述电池包壳体包括金属铝外壳、钢壳和塑料壳中的一种或多种;
所述二次电池包括锂离子二次电池。
9.根据权利要求6所述的二次电池,其特征在于,所述柔性阻燃层中还包括无纺布和凝胶,和/或固态粉;
多个柔性阻燃层可以形成柔性阻燃毯式结构;
所述柔性阻燃填充物在所述柔性阻燃层中的质量比为30%~50%。
10.根据权利要求6所述的二次电池,其特征在于,所述柔性阻燃层中还包括聚氨酯泡沫;
所述柔性阻燃填充物设置在所述聚氨酯泡沫中;
所述柔性阻燃填充物在所述柔性阻燃层中的质量比为20%~35%。
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