CN114639899B - 延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫，包括隔热层和设置在所述隔热层两侧的阻燃层，所述阻燃层包括灭火材料和吸热层，所述灭火材料以层状结构设置在所述隔热层的两侧，所述吸热层设置在所述灭火材料的外侧，或者所述灭火材料通过物理方法结合于所述吸热层内部及表面。本发明的阻火隔热垫能够在减轻火灾程度的基础上加快熄灭火焰，同时对于相邻电池的热失控也有一定延缓作用。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体地，涉及一种延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫。
背景技术
新能源汽车发展的迅速既是当前社会经济的需求同时也是世界环境可持续发展的必要结果。但是在取代传统能源汽车的过程中，其安全性永远是首当其冲的关注点。其中单个锂离子电池热失控向周边电池蔓延，进而诱发模块、电池包、整车系统自燃是我们不期望发生的危险路径，针对于此，可以通过隔绝单个电池热失控传递过程来避免整个电池系统的热失控。
当前，普遍的做法包括在锂电池之间设置隔热层，或者在电池包的上壳体结合阻燃材料，但是该种做法无法根本解决锂电池产热堆积，也不能减弱或者扑灭电池起火，甚至热量积累足以导致隔热层失效，进而引发电池连环热失控和起火爆炸。另外，对电池模块加装散热通道，可以在某种程度上延缓热失控爆发时间，但相比于电池内短路产热量的速率，这些措施也只能展现有限的作用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
本发明提供一种延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫，包括隔热层和设置在所述隔热层两侧的阻燃层，所述阻燃层包括灭火材料和吸热层，所述灭火材料以层状结构设置在所述隔热层的两侧，所述吸热层设置在所述灭火材料的外侧，或者所述灭火材料通过物理方法结合于所述吸热层内部及表面。
优选的，所述隔热层选用纳米微孔二氧化硅、纳米微孔碳化硅、高铝耐火纤维、高硅氧玻璃纤维、或陶瓷纤维毡。
优选的，所述隔热层的厚度为1～5mm，更优选地，厚度为2～5mm。
优选的，所述吸热层选用聚氨酯泡棉，或吸热相变材料。
优选的，所述吸热相变材料选用溴化环氧树脂和/或丙烯酸树脂。
优选的，所述吸热层的厚度为1～5mm，更优选地，厚度为2～5mm。
优选的，所述灭火材料选用无机铵盐粉末，有机磷系粉末，卤化有机物粉末、磷酸烷基酯类液体，磷酸芳基酯中的一种或多种。
优选的，所述无机铵盐粉末选用碳酸铵、硫酸铵、卤化铵、磷酸氢铵、聚磷酸铵中的一种或多种；所述有机磷系粉末选用三苯基氧化膦和/或磷酸三苯酯；所述卤化有机物粉末选用四溴双酚和/或四丁基卤化铵；所述磷酸烷基酯类液体选用磷酸三丁氧基乙基酯、磷酸三乙酯、磷酸三正丁基酯；所述磷酸芳基酯选用磷酸甲苯二苯酯和/或磷酸三甲苯酯。
优选的，所述灭火材料以层状结构设置时，将灭火材料用吸热薄膜包装，压成厚度为1～5mm的层状结构，优选厚度为1～3mm的薄板。
阻火隔热垫的总厚度大于3mm，优选7mm。
优选的，所述灭火材料通过物理方法结合于所述吸热层内部时，将灭火材料的饱和水溶液通过浸泡或者喷淋的方式与所述吸热层结合；或者将吸热层制作成带有内空心，外面多气孔的结构，将灭火材料填充进吸热层内部，最后外表面用吸热隔膜包裹。阻火隔热垫的总厚度优选5mm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的阻火隔热垫中，灭火材料受热超过热分解温度后产生不燃气体，不燃气体可以作为电池外气体包裹层，一是隔绝外界氧气助燃，形成内部缺氧环境；二是不燃气体稀释冲淡内部可燃气体浓度直至燃烧下限，解决气体燃烧源。
2、本发明的阻火隔热垫中，灭火材料包含磷系阻燃剂，受热分解的聚偏磷酸为稳定不可燃化合物，其充分覆盖于电池之间，吸热的同时也能阻止火势蔓延，同时其强脱水性加速高聚塑料(吸热层)的碳化，实现对内部燃烧的多重隔绝；另外受热产生的挥发性磷化物还能快速结合燃烧中心的氢原子，减弱起火程度。
3、本发明的阻火隔热垫中，吸热层选用高燃点、低导热材料，其与灭火材料的结合，可以实现更长时间、更宽温度范围的多重隔热阻燃，甚至，最后吸热层由于高温形成熔融态碳化层可以再次完全包覆电池，阻止电池内部热分解的产物进一步燃烧。
4、本发明的阻火隔热垫中，无机纳米微孔隔热材料作为隔热层，其热阻大，并且能将内部空气分子关锁在纳米气孔以内，切断气体与外部空气的热传递，同时高温释放的热辐射还能被纳米微孔材料中的红外添加剂所阻止或反射，实现最佳的隔热。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明阻火隔热垫中的结构示意图一(灭火材料和吸热层采用层状结构)；
图2为本发明阻火隔热垫中的结构示意图二(灭火材料通过物理途径与吸热层结合)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案做进一步改进。
实施例1-1
如图1所示，一种延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫，设置于相邻电池之间，包括隔热层1和设置在所述隔热层1、灭火材料2和吸热层3，所述灭火材料2以层状结构设置在所述隔热层1的两侧，所述吸热层3设置在所述灭火材料2的外侧。
具体的，隔热层选用纳米微孔二氧化硅，厚度a为2mm。
具体的，灭火材料可分为固体粉末和液体灭火剂，其中固体粉末选用碳酸铵、聚磷酸铵，三苯基氧化膦、四溴双酚；液体灭火剂选用磷酸三丁氧基乙基酯、磷酸三甲苯酯，将灭火材料用吸热薄膜包装，压成厚度b为2mm的薄板。
具体的，吸热层选用吸热相变材料，溴化环氧树脂，厚度c为3mm。
将吸热层、灭火材料、隔热层依图1所示用胶相黏，形成厚度适中的阻火隔热垫。
实施例1-2
本实施例与实施例1-1不同的是，隔热层的厚度是5mm，灭火材料的厚度是2mm，吸热层的厚度是3mm，其余与实施例1-1相同。
实施例1-3
本实施例与实施例1-1不同的是，隔热层的厚度是2mm，灭火材料的厚度是5mm，吸热层的厚度是3mm，其余与实施例1-1相同。
实施例1-4
本实施例与实施例1-1不同的是，隔热层的厚度是2mm，灭火材料的厚度是2mm，吸热层的厚度是5mm，其余与实施例1-1相同。
实施例1-5
本实施例与实施例1-1不同的是，隔热层的厚度是5mm，灭火材料的厚度是3mm，吸热层的厚度是5mm，其余与实施例1-1相同。
实施例1-6
本实施例与实施例1-1不同的是，隔热层的厚度是1mm，灭火材料的厚度是1mm，吸热层的厚度是1mm，其余与实施例1-1相同。
对比例1
本对比例与实施例1-1不同的是，没有选用磷系阻燃剂，灭火材料具体为碳酸铵、溴化铵、四溴双酚，其余与实施例1-1相同。
以上各实施例得到的阻火隔热垫，设置于相邻电池之间，当一侧单体电池热失控，其热量首先会被相邻的吸热层所吸收，随着温度的升高，位于吸热层另一侧的灭火材料吸热发生热分解，产生不燃气体包裹在热失控电池周围隔绝氧气，同时磷系灭火材料热解产物进一步吸热生成具有强脱水性的聚偏磷酸，加速吸热层的碳化，最终导致吸热层蜕变成熔融态碳层全包围失控电池，阻止火势的进一步扩大。相对最外层的隔热层能实现在1000℃左右的隔热。共同作用下实现了热失控电池热蔓延的阻断目的。
通过在某侧电池远离阻火隔热垫一面附着平面状加热装置，在该侧电池贴近阻火隔热垫一面布置温度监控点，通过加热装置对电池进行升温直至触发热失控，同时监控另一侧电池靠近阻火隔热垫的面中心温度，以此来衡量该阻火隔热垫在热失控过程中的实际效果，具体数据如表1所示。
表1、各实施例的阻火隔热垫的热失控效果
根据表1数据对比可知：
对比例1与实施例1-1相比，磷系阻燃剂的缺少导致相邻侧电池触发热失控，这可能因为强脱水性的聚偏磷酸缺少，导致电池无法被外表面的高温熔融碳化层包裹，热失控产生的内压便冲散了外部不燃气体层，最终使得电池完全燃烧引发相邻电池热失控。
实施例1-6中的较薄厚度组(1,1,1)对比实施例1-1适当厚度组(2,2,3)，可知太薄的阻火隔热垫无法阻挡热失控蔓延，最终导致相邻侧电池触发热失控。
实施例1-1适当厚度组(2,2,3)对比实施例1-5的超厚组(5,3,5)，可发现超厚组虽然也能阻止热失控蔓延，但相应的成本、制备难度都增加，同时对于模块空间占比较大，合理性不够。
实施例1-1适当厚度(2,2,3)依次对比剩余实验组，可以发现最合适的阻火隔热层厚度为实施例1-1的隔热层厚度2mm、灭火材料厚度2mm、吸热层厚度3mm。
实施例2-1
如图2所示，该延缓电池模组热失控蔓延的结构设置于相邻电池之间，其具体包括隔热层1、灭火材料2、吸热层3，其中灭火材料2和吸热层3可通过物理方法相结合。
具体的，隔热层选用纳米微孔碳化硅，厚度a为2mm。
具体的，灭火材料具有水溶解度高的物理特性，具体选用碳酸铵、氯化铵、聚磷酸铵粉末固体和磷酸三乙酯液体。
具体的，吸热层选用聚氨酯泡棉吸水性较强的材料，厚度c为3mm。
将灭火材料通过物理途径与吸热层结合，具体实施如下：选用上述易溶于水的粉末固体和液体溶于水制成饱和混合溶液，将聚氨酯泡棉浸泡于饱和混合溶液中，待其充分吸收后烘干，多次重复，尽可能将更多的灭火材料与聚氨酯泡棉相结合。
也可将灭火材料的饱和水溶液以喷淋形式喷淋在吸热层表面，随后烘干去除水分，再喷淋再烘干，循环多次，尽可能多的将灭火材料与聚氨酯泡棉相结合。
最后将隔热层1、吸热层3用胶相黏，形成厚度适中的阻火隔热垫。
实施例2-2
本实施例与实施例2-1不同的是，隔热层的厚度是1mm，吸热层的厚度是3mm，其余与实施例2-1相同。
实施例2-3
本实施例与实施例2-1不同的是，隔热层的厚度是2mm，吸热层的厚度是5mm，其余与实施例2-1相同。
实施例2-4
本实施例与实施例2-1不同的是，隔热层的厚度是5mm，吸热层的厚度是5mm，其余与实施例2-1相同。
实施例2-5
本实施例与实施例2-1不同的是，隔热层的厚度是2mm，吸热层的厚度是1mm，其余与实施例2-1相同。
实施例2-6
本实施例与实施例2-1不同的是，隔热层的厚度是1mm，吸热层的厚度是1mm，其余与实施例2-1相同。
以上各实施例得到的阻火隔热垫，设置于相邻电池之间，当某侧单体电池触发热失控，其热量同时被吸热层和灭火材料吸收，灭火材料会产生不燃气体包裹在热失控电池周围隔绝氧气，其中磷系灭火材料热解产物进一步吸热生成具有强脱水性的聚偏磷酸，加速吸热层受热后的碳化，最终导致吸热层蜕变成熔融态碳层全包围失控电池，同时气体产物结合燃烧中心的氢原子，减弱火势。低导热系数的隔热层能实现在1000℃左右的隔热，阻断热量向外部释放。
通过在某侧电池远离阻火隔热垫一面附着平面状加热装置，在该侧电池贴近阻火隔热垫一面布置温度监控点，通过加热装置对电池进行升温直至触发热失控，同时监控另一侧电池靠近阻火隔热垫的面中心温度，以此来衡量该阻火隔热垫在热失控过程中的实际效果，具体数据如下表2所示：
表2、各实施例的阻火隔热垫的热失控效果
根据表2数据对比可知：
实施例2-6的较薄厚度组(1,1)对比实施例2-1的适当厚度组(2,3)，可知太薄的阻火隔热垫无法阻挡热失控蔓延，最终导致相邻侧电池触发热失控；另外实施例2-2(1,3)组虽然相邻侧电池没有发生热失控，但其表面温度已经达到临界值，相比之下，(2,3)的厚度可能更为合理。
实施例2-1的适当厚度组(2,3)对比实施例2-4超厚组(5,5)，可发现超厚组虽然也能阻止热失控蔓延，但相应的成本、制备难度都增加，同时对于模块空间占比较大，相对不够合理。
实施例2-1的适当厚度(2,3)依次对比剩余实验组，可以发现最合适的阻火隔热层厚度为隔热层厚度2mm、吸热层厚度3mm。
实施例3-1
如图2所示，该阻断电池模组热失控蔓延的结构设置于相邻电池之间，其具体包括隔热层1、灭火材料2、吸热层3，其中灭火材料2和吸热层3可通过物理方法相结合。
具体的，隔热层选用纳米微孔碳化硅，厚度a为2mm。
具体的，灭火材料选用氯化铵、聚磷酸铵、四溴双酚、四丁基卤化铵粉末颗粒，再加入磷酸三甲苯酯和磷酸三正丁基酯填充空隙。
具体的，吸热层选用吸热相变材料溴化环氧树脂，厚度c为3mm。
将灭火材料通过物理途径与吸热层结合，具体实施为：吸热层制作成带有内空心，外面多气孔的结构，将灭火粉末或液体填充进吸热层内部，然后外表面用吸热隔膜包裹。
最后将隔热层1、吸热层3用胶相黏，形成厚度适中的阻火隔热垫。
实施例3-2
本实施例与实施例3-1不同的是，隔热层的厚度是2mm，吸热层的厚度是2mm，其余与实施例3-1相同。
实施例3-3
本实施例与实施例3-1不同的是，隔热层的厚度是3mm，吸热层的厚度是3mm，其余与实施例3-1相同。
实施例3-4
本实施例与实施例3-1不同的是，隔热层的厚度是1mm，吸热层的厚度是3mm，其余与实施例3-1相同。
实施例3-5
本实施例与实施例3-1不同的是，隔热层的厚度是5mm，吸热层的厚度是5mm，其余与实施例3-1相同。
实施例3-6
本实施例与实施例3-1不同的是，隔热层的厚度是1mm，吸热层的厚度是1mm，其余与实施例3-1相同。
以上各实施例得到的阻火隔热垫，设置于相邻电池之间，在某侧电池远离阻火隔热垫一面附着平面状加热装置，在相对面布置温度监控点，加热触发该电池触发热失控，同时监控另一侧电池靠近阻火隔热垫的面中心温度来衡量该阻火隔热垫在热失控过程中的实际效果，具体数据如下表3所示：
表3、各实施例的阻火隔热垫的热失控效果
根据表3数据对比可知：
实施例3-6的较薄厚度组(1,1)对比实施例3-1的适当厚度组(2,3)，可知太薄的阻火隔热垫无法阻挡热失控蔓延，最终导致相邻侧电池触发热失控；另外实施例3-4的(1,3)、实施例3-2的(2,2)的实验组虽然相邻侧电池没有发生热失控，但其表面温度已经达到临界值，相比之下，实施例3-1的(2,3)的厚度可能更为合理。
实施例3-1的适当厚度组(2,3)对比实施例3-3的较厚组(3,3)和实施例3-5的超厚组(5,5)，可发现实施例3-3的较厚组(3,3)和实施例3-5的超厚组(5,5)虽然也能阻止热失控蔓延，但相应的成本、制备难度都增加，同时对于模块空间占比较大，相对不够合理。
综上所述，实施例3-1中，隔热层厚度2mm、吸热层厚度3mm是最恰当的阻火隔热垫厚度。
此外，选取部分实施例的阻火隔热垫，根据热失控电池失火程度、起火至熄灭时间来评价阻火隔热垫灭火的有效性，其中失火程度以火势大小A，浓烟程度B为衡量依据，以数字范围从1～7具体数字表示，数字越大表示程度越深。具体数据如下表4：
表4、阻火隔热垫灭火的有效性
| 阻火隔热垫厚度 | 失火程度(A,B) | 火焰熄灭时间 |
| 实施例1-1(2,2,3) | (4.3) | 123s |
| 实施例1-3(2,5,3) | (3.4) | 106s |
| 实施例2-1(2,3) | (4,4) | 127s |
| 实施例2-3(2,5) | (3,4) | 113s |
| 实施例3-1(2,3) | (4,4) | 136s |
| 实施例1-6(1,1,1) | (6,3) | 216s |
| 空白组厚度4mm | (6,3) | 237s |
其中空白组为厚度4mm的纳米微孔二氧化硅隔热层，在评价灭火有效性中对火势、浓烟无缓解作用。
根据表4实验组与空白组相比可知：
根据空白组、实施例1-6中(1,1,1)隔热垫的失火程度与其他实验组失火程度比较，可以看出灭火材料和吸热层的加入能有效减弱火势，但是相应的浓烟程度略有加重，其主要归因于火焰周围充满了不燃气体，隔离氧气减弱可燃物燃烧程度，进而以浓烟形式释放热量。
实验组电池触发热失控，从起火至火焰熄灭的时间都不同程度减少，其中实施例1-6的(1,1,1)由于厚度太薄无法阻挡热失控，导致相邻电池触发热失控，火焰持续时间较长直至电池燃烧殆尽；实施例1-3(2,5,3)和实施例2-3(2,5)分别由于更多的灭火材料和更厚的吸热层，与实施例3-1的(2,3)相比，能够加快熄灭火焰，但成本也相对增加，合理性欠缺；剩余实验组对比空白组可以很好地证明阻火隔热垫能够在减轻火灾程度的基础上加快熄灭火焰。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫，其特征在于，包括隔热层(1)和设置在所述隔热层(1)两侧的阻燃层，所述阻燃层包括灭火材料(2)和吸热层(3)，所述灭火材料(2)以层状结构设置在所述隔热层(1)的两侧，所述吸热层(3)设置在所述灭火材料(2)的外侧，或者所述灭火材料(2)通过物理方法结合于所述吸热层(3)内部及表面；所述灭火材料(2)为无机铵盐粉末，有机磷系粉末，卤化有机物粉末、磷酸烷基酯类液体和磷酸芳基酯的组合；所述隔热层(1)选用纳米微孔二氧化硅或纳米微孔碳化硅；所述隔热层(1)的厚度为2～5mm，所述吸热层(3)的厚度为2～5mm。
2.根据权利要求1所述的延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫，其特征在于，所述吸热层(3)选用聚氨酯泡棉或吸热相变材料。
3.根据权利要求2所述的延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫，其特征在于，所述吸热相变材料选用溴化环氧树脂和/或丙烯酸树脂。
4.根据权利要求1所述的延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫，其特征在于，所述无机铵盐粉末选用碳酸铵、硫酸铵、卤化铵、磷酸氢铵、聚磷酸铵中的一种或多种；所述有机磷系粉末选用三苯基氧化膦和/或磷酸三苯酯；所述卤化有机物粉末选用四溴双酚和/或四丁基卤化铵；所述磷酸烷基酯类液体选用磷酸三丁氧基乙基酯、磷酸三乙酯、磷酸三正丁基酯中的一种或多种；所述磷酸芳基酯选用磷酸甲苯二苯酯和/或磷酸三甲苯酯。
5.根据权利要求1所述的延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫，其特征在于，所述灭火材料(2)以层状结构设置时，将灭火材料(2)用吸热薄膜包装，压成厚度为1～5mm的层状结构。
6.根据权利要求1所述的延缓电池模组热失控蔓延的阻火隔热垫，其特征在于，所述灭火材料(2)通过物理方法结合于所述吸热层(3)内部时，将灭火材料(2)的饱和水溶液通过浸泡或者喷淋的方式与所述吸热层(3)结合；或者将吸热层(3)制作成带有内空心，外面多气孔的结构，将灭火材料(2)填充进吸热层(3)内部，最后外表面用吸热隔膜包裹。
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