CN114316596A - 一种阻燃灭火发泡硅胶材料及其在动力电池中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻燃灭火发泡硅胶材料及其在动力电池中的应用，属于新能源技术领域。所述阻燃灭火发泡硅胶材料包括组分A和组分B；所述组分A包括以下原料：硅生胶、助剂、稳定剂和催化剂；所述组分B包括以下原料：硅烷偶联剂、二氧化碳释放材料、引发剂、发泡剂、阻燃剂。本发明向硅胶基材中添加了阻燃剂和二氧化碳释放材料；所述阻燃剂为无机阻燃剂，利用了无机阻燃剂良好的阻燃抑烟性能，避免有机聚合物燃烧时产生大量有毒的烟；所述二氧化碳释放材料为包括释气剂和释气剂外层包覆的成膜聚合物，当温度升高时，包覆的成膜聚合物破裂，内部释气剂受热放出CO2，起到阻隔氧，灭火阻燃的作用。

Description

一种阻燃灭火发泡硅胶材料及其在动力电池中的应用

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种阻燃灭火发泡硅胶材料及其在动力电池中的应用。

背景技术

二次电池目前已经广泛应用于消费电子、电动车、智能电网和可再生能源储能等诸多领域，成为支撑社会可持续发展的重要动力。同时，社会的不断发展对能量储存系统提出了更高的要求，开发高能量密度、高功率密度、高安全、低成本的电池已经成为研发热点。锂离子电池被誉为是目前最重要的储能技术。然而，近年来由于安全事故的频繁发生，引起了人民的普遍担心，尤其是以电池热失控这类最直接，爆发时间最快，易产生重大危害的问题。热失控是指电池在短时间内到达一定的温度，电池内部产生连锁化学反应，瞬间释放大量热量的过程。因此，电动汽车一旦发生热失控，伴随着起火、甚至爆炸等严重后果，给留下逃生的时间极短。同时，热失控除了带来的直接危害外，锂离子电池的运行温度在45℃以上时，每升高1℃，会导致电池的寿命会缩短两个月。故而锂离子电池的热失控问题是限制电动汽车行业发展的关键因素之一。为保护乘客的生命安全，加快促进电动汽车的使用和普及，解决热失控问题的需求迫在眉睫。

针对此问题，目前抑制热失控扩散主要采取的策略包括主动预防和被动防护。主动防护是在电池包内部内置灭火材料，一旦接收到热失控传感器信号，即可释放灭火材料，有着快速，有效的优点。但存在着一次使用后，电池包内部更换困难，清洗复杂，影响下次使用，同时，也存在误报的可能，会严重影响厂商品牌声誉。被动防护则主要是采用各种导热阻燃设计，隔在单个电池芯之间和电芯与隔板之间，增加热扩散速率，避免热量淤积，同时，这种材料的着火点温度较高，遇明火高温不燃烧，起到阻燃的效果。这种被动防护具有灵活性高，能够有效兼容现有设计方案，性价比高的优点，目前使用较多的材料是气凝胶、云母片以及发泡硅胶。

发泡硅胶是指利用具有硅氧键交替组成主链，有机基团组成其侧基的聚有机硅氧烷，通过其自身聚合或引发剂诱导形成的多孔泡沫型硅橡胶产品。发泡硅胶在未固化前属于液态，具有流动性，可在需要填充的区域进行很好的填充，固化后可以起到很好的防水防潮、绝缘、导热、防震的作用。目前市场上常用的发泡硅胶也被广泛的应用在新能源电池包组装工序，是pack过程作为填充物必不可少的工序材料之一，可以很好的保护动力电池，尤其是在高低温变换的场景中。温度较高时，发泡硅胶具有一定的导热能力，可以起到散热的作用，在低温环境下，多孔的硅胶结构也具有一定的保温性能。同时，硅胶也起着固定电池包的作用，对电池的安全起到一定的防护作用。然而，目前发泡硅胶主要是以生胶、填料、硫化剂、发泡剂等为原料，混合均匀聚合以后形成的一种多孔、低密度、可压缩的高分子弹性体材料。然而，硅胶材料本身的阻燃性能有限，在热失控时并不能且不具备灭火作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻燃灭火发泡硅胶材料，该发泡硅胶具有阻燃性能好，粘附性高，并可释放CO2气源以达到灭火的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种阻燃灭火发泡硅胶材料，包括组分A和组分B。

进一步地，所述组分A和组分B的质量比为1:1-1:3，优选地，所述组分A和组分B的质量比为1:1。

进一步地，所述组分A包括以下原料：硅生胶、助剂、稳定剂和催化剂。

进一步地，所述组分A包括以下质量百分比的原料：助剂0-20％，稳定剂0-40％，催化剂0.1-2％，余量为硅生胶。

进一步地，所述组分B包括以下原料：硅烷偶联剂、二氧化碳释放材料、引发剂、发泡剂、阻燃剂。

进一步地，所述组分B包括以下质量百分比的原料：氢硅油1-10％，二氧化碳释放材料1-20％、发泡剂0-15％，引发剂1-4％，阻燃剂0.1-18％，余量为硅烷偶联剂。

进一步地，所述硅生胶为聚二甲基硅氧烷、聚甲基三氟丙基硅氧烷、α，ω-二羟基聚二甲基硅氧烷中的一种或几种任意比的混合物。

进一步地，所述助剂为白炭黑、石英粉中一种或几种任意比的混合物。

进一步地，所述稳定剂为琼脂、明胶、果胶、羟甲基纤维素、聚丙烯酸化合物中的一种或几种任意比的混合物。

进一步地，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷中的一种或几种任意比的混合物。

进一步地，所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈中的一种或两种任意比的混合物。

进一步地，所述催化剂为氯化铂络合物、氯铂酸络合物、铂乙烯基硅氧烷、乙酰乙酸铂中的一种或几种任意比的混合物。

进一步地，所述发泡剂为水、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、含羟基有机硅化合物中的一种或几种任意比的混合物。

进一步地，所述阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、硅酸铝中的一种或几种任意比的混合物。

进一步地，所述二氧化碳释放材料包括释气剂和释气剂外层包覆的成膜聚合物。

进一步地，所述释气剂为碳酸氢钠、碳酸锌、碳酸镁、碳酸铅、碳酸镉中的一种或几种任意比的混合物。

进一步地，所述成膜聚合物为聚丙烯醇、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯中的一种。

进一步地，所述二氧化碳释放材料通过以下步骤制成：将释气剂放入甲苯中，搅拌混合后，加入成膜聚合物，密封加热搅拌，减压蒸馏后，然后高速粉碎机切割后，得二氧化碳释放材料，其中加热搅拌的温度为50-60℃，搅拌时间为2-3h。

该种阻燃灭火发泡硅胶材料在动力电池中的应用，具体包括以下步骤：

1)将硅生胶、助剂、稳定剂、催化剂混合，搅拌均匀后封装作为组分A；

2)将硅烷偶联剂、二氧化碳释放材料、引发剂、发泡剂、阻燃剂混合，搅拌均匀后封装为组分B；

3)将组分A和组分B混合搅拌均匀后，喷涂于电池包外壳基材上，静置发泡，固化即可。

进一步地，步骤3)中发泡温度为30-80℃，适当提高温度，可减少发泡时间，或使用动态干燥机进行处理。

进一步地，步骤3)中固化条件为室温固化2-8小时，或使用烘箱50-120℃下快速固化。

本发明的有益效果：

首先，本发明提供的发泡硅胶材料，通过催化剂活化含氢硅油的硅氢键发生硅氢化加成反应，采用发泡剂使硅胶内部形成致密均匀的孔隙；其次，为解决背景技术中提到的问题，本发明向硅胶基材中添加了阻燃剂和二氧化碳释放材料；所述阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、硅酸铝等无机物，利用了无机物良好的阻燃抑烟性能，避免有机硅泡沫燃烧中产生的烟；所述二氧化碳释放材料为包括释气剂和释气剂外层包覆的成膜聚合物，当温度升高时，包覆的成膜聚合物破裂，内部释气剂受热放出CO2，起到阻隔氧，灭火阻燃的作用；通过无机物与二氧化碳释放材料的共同作用，使得发泡硅胶材料具有良好的阻燃防火抑烟作用；且发泡硅胶以其高密度孔隙而形成的轻密度和高抗冲击缓冲特点，可有效保证二氧化碳释放材料的密封效果和阻燃灭火的能力，将其应用到动力电池中，不但起到稳定和保温散热的作用，还可在动力电池发生热失控时，起到阻燃抑烟和灭火的作用，极大地提高了动力电池的安全性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明制备的二氧化碳释放材料的SEM图；

图2为本发明制备的阻燃灭火发泡硅胶材料的二氧化碳释放量随温度的变化关系。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

二氧化碳释放材料的制备：取10g市售的碳酸氢钠放入100mL甲苯中，搅拌10min后，加入5g聚乙烯醇粉末，密封加热搅拌(温度50℃，时间2h)，减压蒸馏后即得聚乙烯醇包覆的碳酸氢钠材料，进一步由高速粉碎机切割后，得到微米级的二氧化碳释放材料。

将获得的二氧化碳释放材料进行电镜扫描，如图1所示。从图1中可以看出碳酸氢钠被包裹在聚乙烯醇内部。

实施例2-5

二氧化碳释放材料的制备：按照以表1进行备料，制备步骤同实施例1中的步骤。

表1

实施例6：

阻燃灭火发泡硅胶材料的制备：

步骤a、按质量占比取硅生胶60％、助剂10％、稳定剂29％、催化剂1％，其中，所述硅生胶为聚二甲基硅氧烷；所述助剂为白炭黑；稳定剂为羟甲基纤维素；所述催化剂为氯化铂；

将各组分放置在真空均质乳化机中，在50℃条件下先以10rpm搅拌60min，再以3000rpm搅拌20min搅拌均匀，即可得组份A；

步骤b、按质量占比含氢硅油10％，硅烷偶联剂58％，二氧化碳释放材料10％、发泡剂15％，引发剂2％，阻燃剂5％，其中，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷；所述二氧化碳释放材料为实施例1制备；所述发泡剂为乙醇；所述引发剂为偶氮二异丁腈；所述阻燃剂为氢氧化铝；

将各组分放置在真空均质乳化机中，在50℃条件下先以10rpm搅拌60min，再以3000rpm搅拌20min搅拌均匀，即得组份B；

步骤c、将组分A和组分B按1:1比例称重，放入分散机中，搅拌30分钟，搅拌均匀后可喷涂于模具中，室温静置发泡20分钟后，继续放置固化8小时即可。

然后测试该种阻燃灭火发泡硅胶材料的随温度变化二氧化碳释放量，其测试结果如图2所示，从图2中可以看出该种阻燃灭火发泡硅胶材料当温度超过150℃，二氧化碳的释放量呈几何指数增加。

实施例7-10

阻燃灭火发泡硅胶材料的制备：按照以表2进行备料，制备步骤同实施例6中的步骤。

表2

对比例1

与实施例6相比，删除组分B中的阻燃剂，其余相同。

对比例2

与实施例7相比，删除组分B中的二氧化碳释放材料，其余相同。

对比例3

与实施例8相比，删除组分B中的阻燃剂和二氧化碳释放材料，其余相同。

对比例4

与实施例9相比，将组分B中的二氧化碳释放材料替换成碳酸镉，其余相同。

实施例11

将实施例6-10和对比例1-4获得的阻燃灭火发泡硅胶材料进行以下性能测试：

抑烟性能：烟密度按照GB/T 8323.2测试，采用无焰燃烧模式，测试辐射强度为25kW/m，测试时间为20min；

垂直燃烧等级：按照GB/T 2408测试。

上述测试结果如表3所示。

表3

	烟密度(Dm)	垂直燃烧等级
			实施例6	16.4	V-0
实施例7	15.9	V-0
			实施例8	16.3	V-0
实施例9	17.0	V-0
			实施例10	16.8	V-0
对比例1	28.6	V-1
			对比例2	26.5	V-1
对比例3	29.3	V-2
			对比例4	28.7	V-1

从上述数据可以看出，本发明提供的阻燃灭火发泡硅胶材料具有优异的阻燃灭火的作用。

实施例12

阻燃灭火发泡硅胶材料在动力电池中的应用：

与实施例6相比，将步骤步骤c中的模具替换成动力电池的外壳即可，即实现在动力电池中的应用。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种阻燃灭火发泡硅胶材料，其特征在于，包括组分A和组分B；所述组分A包括以下原料：硅生胶、助剂、稳定剂和催化剂；所述组分B包括以下原料：硅烷偶联剂、二氧化碳释放材料、引发剂、发泡剂、阻燃剂；

所述二氧化碳释放材料包括以下步骤制成：将释气剂放入甲苯中，搅拌混合后，加入成膜聚合物，密封加热搅拌，减压蒸馏后，然后高速粉碎机切割后，得二氧化碳释放材料。

2.根据权利要求1所述的一种阻燃灭火发泡硅胶材料，其特征在于，所述组分A和组分B的质量比为1:1-1:3。

3.根据权利要求1所述的一种阻燃灭火发泡硅胶材料，其特征在于，所述组分A包括以下质量百分比的原料：助剂0-20％，稳定剂0-40％，催化剂0.1-2％，余量为硅生胶。

4.根据权利要求1所述的一种阻燃灭火发泡硅胶材料，其特征在于，所述组分B包括以下质量百分比的原料：氢硅油1-10％，二氧化碳释放材料1-20％、发泡剂0-15％，引发剂1-4％，阻燃剂0.1-18％，余量为硅烷偶联剂。

5.根据权利要求1所述的一种阻燃灭火发泡硅胶材料，其特征在于，所述释气剂为碳酸氢钠、碳酸锌、碳酸镁、碳酸铅、碳酸镉中的一种或几种任意比的混合物。

6.根据权利要求1所述的一种阻燃灭火发泡硅胶材料，其特征在于，所述成膜聚合物为聚丙烯醇、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种阻燃灭火发泡硅胶材料在动力电池中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

1)将硅生胶、助剂、稳定剂、催化剂混合，搅拌均匀后封装作为组分A；

2)将硅烷偶联剂、二氧化碳释放材料、引发剂、发泡剂、阻燃剂混合，搅拌均匀后封装为组分B；

3)将组分A和组分B混合搅拌均匀后，喷涂于电池包外壳基材上，静置发泡，固化即可。

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