CN113771460B - 一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫，包括热压复合在一起的相变复合膜、胶层、气凝胶毡层；且由上至下依次为相变复合膜、胶层、气凝胶毡层、胶层和相变复合膜；且相变复合膜的相变层位于外端面。制备方法，步骤为，S1，制备相变复合膜；S2，裁切；S3，叠层；S4，复合热压成型。本发明改善了目前气凝胶隔热产品的隔热效果、降低电芯之间的热传递速度，进而提高电池包的使用的安全性。并且本发明先将相变涂料涂布与膜材上制备相变复合膜，然后将其通过树脂粘结在气凝胶毡上的方法可以避免直接采用在气凝胶毡表面涂覆相变涂料的加工过程中，相变涂料渗入气凝胶毡，进而影响气凝胶毡的隔热效果的问题，而且可以提高相变涂层的均匀性以及相变涂层在气凝胶毡上的粘结性。

Description

一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫及其制备方法
技术领域
本发明属于动力电池热失控防护技术领域，具体涉及一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫及其制备方法。
背景技术
新能源车的关键技术在于电池、电机、电控，而在三者之中电池技术是重要的动力来源，因此也是核心技术。动力电池的安全问题一直是困扰新能源车发展的关键问题，动力电池的热失控导致电动车烧毁的事故时有发生。
为了解决热失控热扩散问题目前国内动力电池企业通常采用主动防护技术与被动防护技术相结合的方式。主动防护主要包括灭火剂、BMS、冷却剂等，一旦发生热失控灭火剂直接灭火冷却剂启动冷却对热失控电池进行降温防止进一步发生热扩散造成整车烧毁。被动防护主要包括机械性能增强、绝缘防护、隔热材料防护。其中隔热材料通常是采用气凝胶复合材料制作的复合产品，为了防止发生热失控目前动力电池PACK生产企业通常会将气凝胶隔热垫作为重要的热阻隔材料使用。
现有气凝胶隔热垫通常是靠气凝胶材料优异的导热系数来进行高温阻隔，一旦单颗电芯发生热失控时防止临近的电芯温度升高。这种隔热产品通常需要几个毫米厚度下才能达到理的隔热效果，占用了本就狭小的PACK空间，降低了单个系统的能量密度，而且这种隔热产品没有瞬间热量存储功能，在单个电芯温度升高时，临近电芯的升温速度快，若发生热失控，则留给人员的逃生时间短。
发明内容
针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫及其制备方法，用于解决现有隔热片产品单纯靠气凝胶导热系数进行热阻隔的方式需要较厚的气凝胶隔热材料，不利于电池包能量密度的提升问题；以及现有隔热片产品无法进行瞬间热量存储，导致升温速度快，若发生热控，则留给人员的逃生时间短的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫，包括热压复合在一起的相变复合膜、胶层、气凝胶毡层；且由上至下依次为相变复合膜、胶层、气凝胶毡层、胶层和相变复合膜；且相变复合膜的相变层位于外端面。相变复合膜能够进行瞬间热量存储，当发生热控时，能够留给人员较长的逃生时间。
作为本发明的一种优选方案，所述相变复合膜包括相变层和膜材，相变层涂布在膜材上；且膜材通过胶层与气凝胶毡层连接。
作为本发明的一种优选方案，所述相变层的厚度为0.1-3mm，所述膜材的厚度为50μm左右，在减轻厚度的前提下能够存储瞬间热量。
作为本发明的一种优选方案，所述膜材为有机膜或柔性面料或金属箔。
当采用有机膜时，所述有机膜包括但与不限于PET膜，PI膜，PC膜，PE膜，PVC膜、PTFE膜等。
当采用柔性面料时，所述柔性面料包括但不限于玻纤布、高硅氧玻纤布、陶瓷纤维布、无纺布或其他类似柔性面料等。
当采用金属箔时，所述金属箔包括但不限于铜箔、铝箔、锡箔、金箔、银箔或其他金属箔等。
作为本发明的一种优选方案，所述气凝胶毡层的厚度为0.1-10mm，优选0.1~5mm。
作为本发明的一种优选方案，所述气凝胶毡层包括但不限于三聚氰胺气凝胶毡，预氧丝气凝胶毡，陶瓷气凝胶毡，玻纤气凝胶毡，芳纶气凝胶毡，高硅氧气凝胶毡、玄武岩气凝胶毡等气凝胶复合材料。
本发明还提供了一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫的制备方法，步骤为，
S1，制备相变复合膜；
具体步骤为：
S1.1，制备相变复合材料；
将无机相变材料通过熔融浸渍法与支撑材料复合，然后通过破碎、研磨和过筛，制备复合相变材料。
并且所述的相变复合材料主要为相变温度在120℃~1000℃的高温相变材料；所述的无机相变材料为满足1000℃高温状态下，不汽化、不升华、不分解产生可燃或助燃气体、不与有机物发生危险反应的无机盐类，主要包括各类结晶水合盐、熔融盐和其他无机盐类。
所述的支撑材料包括多孔材料或有机材料，多孔材料包括膨胀石墨、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、硅藻土蒙脱土及多孔氧化铝、介孔二氧化硅等。
S1.2，配置复合相变涂料；
按重量份将有机粘结剂10~50份、复合相变材料30~50份、导热材料0~30份、稀释剂5~20份和其他助剂1~10份合均匀，制备复合相变涂料；
且所述的有机粘结剂包含单组份粘结剂或双组份粘结剂，若为双组份粘结剂，则有机粘结剂包括有机树脂A组分和有机树脂固化剂B组分，优选双组份粘结剂。
所述的其他助剂包括流平剂、消泡剂、增塑剂、分散剂、增稠剂和防腐剂。
S1.3，制备相变复合膜；
通过滚涂、刮涂、印刷或其他任一种可以使用的涂覆方式将复合相变涂料涂敷在膜材表面，涂覆厚度为0.1-3mm；干燥固化得到相变复合膜，可以为卷材或者片材。
膜材可以为有机膜也可无纺布，膜材包括但不限于PET膜，PI膜，PC膜，PE膜，PVC膜或PTFE膜等，膜材包括但不限于玻纤布，高硅氧玻纤布，陶瓷纤维布、无纺布或其他类似柔性面料等，膜材包括但不限于铜箔、铝箔或其他金属箔等。
S2，裁切；
将相变复合膜、气凝胶复合毡和双面胶裁切成所需尺寸；
所用的气凝胶毡包括但不限于三聚氰胺气凝胶毡，预氧丝气凝胶毡，陶瓷气凝胶毡，玻纤气凝胶毡，芳纶气凝胶毡，高硅氧气凝胶毡、玄武岩气凝胶等气凝胶复合材料，厚度为0.1- 10mm，优选为0.1-5mm。
S3，叠层；
将相变复合膜，双面胶，气凝胶毡，按照相变复合膜、双面胶、气凝胶毡、双面胶、相变复合膜的顺序叠好，并且叠物料过程中，相变复合膜的相变层位于外表面，双面胶在叠层前需要撕去离型纸；
S4，复合热压成型；
通过热压复合工艺将叠层复合在一起使相变复合膜紧密贴合于气凝胶毡层上，冷却成型。
所述热压复合工艺的热压压力为0.1-10MPa，热压温度为80-170℃，压合时间0.5~3min。
本发明改善了目前气凝胶隔热产品的隔热效果、降低电芯之间的热传递速度，进而提高电池包的使用的安全性。并且本发明先将相变涂料涂布与膜材上制备相变复合膜，然后将其通过树脂粘结在气凝胶毡上的方法可以避免直接采用在气凝胶毡表面涂覆相变涂料的加工过程中，相变涂料渗入气凝胶毡，进而影响气凝胶毡的隔热效果的问题，而且可以提高相变涂层的均匀性以及相变涂层在气凝胶毡上的粘结性
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明隔热垫的结构示意图。
图2为本发明隔热性能测试对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫，如图1所示，包括热压复合在一起的相变复合膜1、胶层2、气凝胶毡层3；且由上至下依次为相变复合膜1、胶层2、气凝胶毡层3、胶层2和相变复合膜1；且相变复合膜1的相变层位于外端面。相变复合膜1能够进行瞬间热量存储，当发生热控时，能够留给人员较长的逃生时间。
所述相变复合膜1包括相变层101和膜材102，相变层101涂布在膜材102上；且膜材102通过胶层2与气凝胶毡层3连接；所述相变层101的厚度为0.1-3mm，所述膜材的厚度为50μm左右，在减轻厚度的前提下能够存储瞬间热量。
所述膜材102的厚度为50μm，为有机膜或柔性面料或金属箔。
当采用有机膜时，所述有机膜包括但与不限于PET膜，PI膜，PC膜，PE膜，PVC膜、PTFE膜等。
当采用柔性面料时，所述柔性面料包括但不限于玻纤布、高硅氧玻纤布、陶瓷纤维布、无纺布或其他类似柔性面料等。
当采用金属箔时，所述金属箔包括但不限于铜箔、铝箔、锡箔、金箔、银箔或其他金属箔等。
所述气凝胶毡层3的厚度为0.1-10mm，优选为0.1-5mm，可以是0.1mm，0.2mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、6mm、8mm、10mm等；所述气凝胶毡层包括但不限于三聚氰胺气凝胶毡，预氧丝气凝胶毡，陶瓷气凝胶毡，玻纤气凝胶毡，芳纶气凝胶毡，高硅氧气凝胶毡、玄武岩气凝胶毡等气凝胶复合材料。
实施例2：
一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫的制备方法，步骤为：
1）准备相变材料：选用三元混合熔盐体系为相变材料，所选用混合盐各组分质量配为K2CO3：Li2CO3：Na2CO3 = 3:4:3；
2）熔融浸渍工序：将混合盐熔融后经过高温熔融后导入到膨胀石墨中，冷却后经过粉碎，研磨，过100目筛子得到复合相变材料。
3）混料工序：然后按照复合相变材料40份、有机树脂粘结剂50份、导热材料0份、稀释剂15份和其他助剂10份的配料，并通过球磨的方式混合均匀，制备出相变涂料，其他助剂主要包括流平剂1份、消泡剂1份、增塑剂1份、分散剂1份、增稠剂1份和防腐剂1份，所用的有机树脂粘结剂的组分构成为E44环氧树脂40份和DDS固化剂10份。
4）刮涂工序：覆涂层采用刮涂的方式将相变涂料涂覆于PET薄膜上，然后在150℃固化2h，制备相变材料复合薄膜，其中PET薄膜厚度50μm，涂层厚度0.5mm。
5）冲切工序：使用冲切机将相变材料复合薄膜冲切成所需的尺寸，同时将准备的双面胶和气凝胶毡裁切成相应的尺寸。
6）叠层工序：将相变材料复合薄膜（编号A），双面胶（编号B），气凝胶毡（编号C），按照ABCBA的顺序叠好，叠物料过程中，相变材料复合膜的相变层位于外表面，双面胶在叠层前需要撕去离型纸，所用双面胶厚度30μm，气凝胶毡厚度2mm。
7）复合热压工序：采用热压机将叠好的物料进行热压，冷却后制备出样品，热压参数为压强1.5MPa，温度100℃，时间2min。
实施例3：
一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫的制备方法，步骤为：
1）准备相变材料：所选用二元卤化物体系为相变材料，所选用混合盐各组分摩尔比为KF：LiCl= 1:1。
2）熔融浸渍工序：将混合盐熔融后经过高温熔融后，在其中加入一定比例的膨胀石墨，并混料均匀，在冷却后经过粉碎，研磨，过100目筛子得到复合相变材料。
3）混料工序：然后按照复合相变材料40份、有机树脂粘结剂50份、导热材料0份、稀释剂15份和其他助剂10份的配料，并通过搅拌的方式混合均匀，制备出相变涂料，其他助剂主要包括流平剂1份、消泡剂1份、增塑剂1份、分散剂1份、增稠剂1份和防腐剂1份，所用的有机树脂粘结剂的组分构成为E44环氧树脂40份和DDS固化剂10份。
4）印刷工序：覆涂层采用印刷的方式将相变涂料涂覆于铜箔上，然后在150℃固化2h，制备相变材料复合薄膜，其中金属箔厚50μm，涂层厚度0.5mm。
5）裁切工序：使用裁切机将相变材料复合薄膜冲切成所需的尺寸，同时将准备的双面胶和气凝胶毡裁切成相应的尺寸。
6）叠层工序：将相变材料复合薄膜（编号A），双面胶（编号B），气凝胶毡（编号C），按照ABCBA的顺序叠好，叠物料过程中，相变材料复合膜的相变层位于外表面，双面胶在叠层前需要撕去离型纸，所用双面胶厚度30μm，气凝胶毡厚度2mm。
7）复合热压工序：采用热压机将叠好的物料进行热压，冷却后制备出样品，热压参数为压强1.5MPa，温度100℃，时间2min。
实施例4：
一种新型动力电池热扩散防护用缓冲垫的制备方法，步骤为：
1）准备相变材料：选用二元卤化物体系为相变材料，所选用混合盐各组分摩尔比为KF：LiCl= 1:1。
2）熔融浸渍工序：将混合盐熔融后经过高温熔融后，在其中加入一定比例的膨胀石墨，并混料均匀，在冷却后经过粉碎，研磨，过100目筛子得到复合相变材料。
3）混料工序：然后按照复合相变材料40份、有机树脂粘结剂50份、导热材料0份、稀释剂15份和其他助剂10份的配料，并通过搅拌的方式混合均匀，制备出相变涂料，其他助剂主要包括流平剂1份、消泡剂1份、增塑剂1份、分散剂1份、增稠剂1份和防腐剂1份，所用的有机树脂粘结剂的组分构成为羟基丙烯酸聚氨树脂40份和HDI缩二脲固化剂10份。
4）印刷工序：覆涂层采用印刷的方式将相变涂料涂覆于铜箔上，然后在135℃固化1h，制备相变材料复合薄膜，其中金属箔厚50μm，涂层厚度0.5mm。
5）裁切工序：使用裁切机将相变材料复合薄膜冲切成所需的尺寸，同时将准备的双面胶和气凝胶毡裁切成相应的尺寸。
6）叠层工序：将相变材料复合薄膜（编号A），双面胶（编号B），气凝胶毡（编号C），按照ABCBA的顺序叠好，叠物料过程中，相变材料复合膜的相变层位于外表面，双面胶需在叠层前要撕去离型纸，所用双面胶厚度30μm，气凝胶毡厚度2mm。
7）复合热压工序：采用热压机将叠好的热压参数为压强1.5MPa，温度100℃，时间2min。
对比例1:
将传统的气凝胶隔热垫做对比，气凝胶隔热垫结构中包含覆胶PET膜（编号D），气凝胶毡（编号C），叠层结构为DCD，其中覆胶PET膜的PET膜厚50μm，胶厚30μm。
对比例2：
将相变涂料直接涂布与气凝胶毡的正反两面，具体步骤为：
1）准备相变材料：选用三元混合熔盐体系为相变材料，所选用混合盐各组分质量配为K2CO3：Li2CO3：Na2CO3 = 3:4:3；
2）熔融浸渍工序：将混合盐熔融后经过高温熔融后导入到膨胀石墨中，冷却后经过粉碎，研磨，过100目筛子得到复合相变材料。
3）混料工序：然后按照重量份复合相变材料40份、有机树脂粘结剂50份、导热材料0份、稀释剂15份和其他助剂10份的配料，并通过球磨的方式混合均匀，制备出相变涂料，其他助剂主要包括流平剂1份、消泡剂1份、增塑剂1份、分散剂1份、增稠剂1份和防腐剂1份，所用的有机树脂粘结剂的组分构成为E44环氧树脂40份和DDS固化剂10份。
4）滚涂工序：覆涂层采用滚涂的方式将相变涂料涂覆于气凝胶毡的正反两面，然后在150℃固化2h，制备出含有相变涂层的气凝胶毡，气凝胶毡厚度2mm，涂层厚度0.5mm。
5）冲切工序：使用冲切机将含有相变涂层的气凝胶毡冲切成所需要的尺寸，制备出对比产品。
将对比例1-2与实施例2-4进行隔热性能对比，隔热性能测试方法：
1) 选择加热台和接触式热电偶测温仪，并校准；
2）设置加热器温度为600℃，开始加热；
3）待加热器温度稳定在600℃后，迅速将粘结好热电偶测温线的隔热垫放置在加热台上，开始计时和测温；
4）每间隔5min测试读取一次数据，分别读取0min，5min，10min，15min，20min，25min和30min时的样品冷面温度，并记录。
5）测试完成后，绘制曲线，结果如图2所示。
从图2中实验结果可以看出，使用本发明的缓冲垫可以有效地减慢隔热片冷面的升温速度，这在单颗电芯发生热失控时防止或延缓临近的电芯温度升高有积极的意义，可以有效的提高动力电池使用的安全性。
本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种动力电池热扩散防护用缓冲垫，其特征在于：包括热压复合在一起的相变复合膜（1）、胶层（2）、气凝胶毡层（3）；且由上至下依次为相变复合膜（1）、胶层（2）、气凝胶毡层（3）、胶层（2）和相变复合膜（1）；所述相变复合膜（1）包括相变层（101）和膜材（102），相变层（101）涂布在膜材（102）上；且膜材（102）通过胶层（2）与气凝胶毡层（3）连接；且相变复合膜（1）的相变层位于外端面；制备相变复合膜的具体步骤为：
S1.1，制备相变复合材料；
将无机相变材料通过熔融浸渍法与支撑材料复合，然后通过破碎、研磨和过筛，制备相变复合材料；
并且所述的相变复合材料为相变温度在120℃~1000℃的高温相变材料；所述的无机相变材料为满足1000℃高温状态下，不汽化、不升华、不分解产生可燃或助燃气体、不与有机物发生危险反应的无机盐类；
所述的支撑材料包括多孔材料，多孔材料包括膨胀石墨、膨胀蛭石、 膨胀珍珠岩、硅藻土、蒙脱土及多孔氧化铝、介孔二氧化硅；
S1.2，配置复合相变涂料；
按重量份将有机粘结剂10~50份、相变复合材料30~50份、导热材料0~30份、稀释剂5~20份和其他助剂1~10份合均匀，制备复合相变涂料；
S1.3，制备相变复合膜；
将复合相变涂料涂敷在膜材表面，涂覆厚度为0.1-3mm；干燥固化得到相变复合膜，为卷材或者片材；
所述气凝胶毡层（3）的厚度为0.1- 2mm。
2.根据权利要求1所述的动力电池热扩散防护用缓冲垫，其特征在于：所述膜材（102）为有机膜或柔性面料或金属箔。
3.根据权利要求2所述的动力电池热扩散防护用缓冲垫，其特征在于：所述有机膜为PET膜，PI膜，PC膜，PE膜，PVC膜、PTFE膜中任一；或所述柔性面料为玻纤布、陶瓷纤维布、无纺布中任一；或所述金属箔为铜箔、铝箔、锡箔、金箔、银箔中任一。
4.根据权利要求1所述的动力电池热扩散防护用缓冲垫，其特征在于：所述气凝胶毡层为三聚氰胺气凝胶毡，预氧丝气凝胶毡，陶瓷气凝胶毡，玻纤气凝胶毡，芳纶气凝胶毡，玄武岩气凝胶毡中任一。
5.一种如权利要求1-4中任一所述动力电池热扩散防护用缓冲垫的制备方法，其特征在于：步骤为，S1，制备相变复合膜；
具体步骤为：
S1.1，制备相变复合材料；
将无机相变材料通过熔融浸渍法与支撑材料复合，然后通过破碎、研磨和过筛，制备相变复合材料；
S1.2，配置复合相变涂料；
按以下重量份将有机粘结剂10~50份、复合相变材料30~50份、导热材料0~30份、稀释剂5~20份和其他助剂1~10份合均匀，制备复合相变涂料；
且所述的有机粘结剂为单组份粘结剂或双组份粘结剂，若为双组份粘结剂，则有机粘结剂包括有机树脂A组分和有机树脂固化剂B组分；
所述的其他助剂包括流平剂、消泡剂、增塑剂、分散剂、增稠剂和防腐剂；
S1.3，制备相变复合膜；
将复合相变涂料涂敷在膜材表面，涂覆厚度为0.1-3mm；干燥固化得到相变复合膜；
S2，裁切；
将相变复合膜、气凝胶复合毡和双面胶裁切成所需尺寸；
S3，叠层；
将相变复合膜，双面胶，气凝胶毡，按照相变复合膜、双面胶、气凝胶毡、双面胶、相变复合膜的顺序叠好，并且叠物料过程中，相变复合膜的相变层位于外表面，双面胶在叠层前需要撕去离型纸；
S4，复合热压成型；
通过热压复合工艺将叠层好的物料复合在一起使相变复合膜紧密贴合于气凝胶毡层上，并冷却成型。
6.根据权利要求5所述的动力电池热扩散防护用缓冲垫的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，所述热压复合工艺的热压压力为0.1-10MPa，热压温度为80-170℃，压合时间0.5~3min。
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