CN114946075A - 用于电池的多层保护元件 - Google Patents

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U·施图德
C·斯托克曼
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Abstract

提出了用于热隔离电池的多层保护元件、具有这种保护元件的电池以及保护元件在火灾的情况下过滤逸出的气体并防止火焰和/或火花逸出的用途。高气体可透过的保护元件包括织物载体层和以缝合无纺布织物形式的可压缩的纤维层。保护元件被布置在电池的至少一个电池单元和壳体壁之间，并在内侧上覆盖壳体壁的出口。这能够在火灾和/或短路的情况下实现良好的压力补偿，其中，特别地通过纤维层过滤逸出的气体并且防止火焰或火花通过出口逸出。

Description

用于电池的多层保护元件
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于电池的、特别是用于热隔离电池的的多层保护元件，根据权利要求10的前序部分的具有多层保护元件的电池，以及根据权利要求15的前序部分的多层保护元件的用途。
在本发明中，术语“保护元件”优选地被理解为具有层结构的平坦部件，特别地为层叠件，其被设计成和/或使用成用于电池和/或电池单元的热隔离和/或任何其他屏蔽。特别地，保护元件被构造成在电池中发生不受控的和/或过量的生热的情况下减少和/或延迟热量释放到环境，特别是到车辆内部空间，和/或阻挡和/或减少和/或延迟电池中热量的蔓延。
在本发明中，术语“电池”被理解为特别是可再充电的存储元件和/或用于通过转换化学能提供电能的次级元件。电池优选地由若干互联的蓄电池单元和/或单元块、即电池单元、组成。
特别地，电池被构造为牵引电池和/或用于驱动电动车辆和/或被构造为锂离子电池。这里，为了在例如由于交通事故引起的电池过热的情况下保护车辆的驾乘人员，至少直到救援服务到达，可靠的和/或有效的热隔离是重要的。
由于锂离子电池的化学组成，锂离子电池特别具有相对高的不稳定性。如果例如由于分隔电极的分隔器被捕获的外部颗粒污染和/或机械作用或破坏，在电池单元中发生内部电极的局部短路，则强短路电流在短时间内将电池单元加热至高达800℃，有时高达1300℃。这种过程称为热击穿。一个电池单元的热击穿可以容易地和/或快速地蔓延至其他相邻的电池单元，尤其是由于分隔器在相对低的温度、例如高于120℃、下已失去稳定性，因此短路可以快速地在相邻的电池单元中发生。这导致不可停止的连锁反应，其中，电池中存储的能量在短时间内释放，通常爆发式地释放和/或伴随有毒气体以及伴随火焰和/或火花的形成。当内部压力相应地升高时，还存在电池爆裂的风险。
WO 2019/121641 A1公开了一种用于电池热隔离的多层保护元件。保护元件包括耐热载体层和耐热可压缩纤维层。为了在火灾和/或爆炸的情况下能够实现压力平衡，电池壳体具有配备有过滤器或阀的出口。
由此，期望将与遭受热击穿和/或过热的电池相邻定位的电池单元尽可能长时间保持在特定极限温度以下，优选地120℃，特别地80℃以下。高于80℃，电池单元的老化过程显著加快，以及高于120℃，电池单元中的分隔器通常开始融化，伴随不可逆的损坏和/或短路。
同样地，对相邻区域和/或空间尤其是车辆内部空间的有效的和/或长久保持的热保护存在高的要求，以免受电池中不受控的生热。特别地，在救援和/或恢复措施已经完全齐备之前，应保护驾乘人员和/或物体避开热量。
此外，在救援行动期间，当电池遭受热击穿时，还应保护救援人员免受不受控的爆炸，以及应降低有毒气体(例如气态氢氟酸)、火花和火焰逸出的风险。
本发明的目的是提供用于电池的特别是热隔离的多层保护元件、具有这种保护元件的电池和保护元件的用途，其中，在火灾和/或过热或短路的情况下，采用简单、低成本的构造来实现良好的压力补偿以防止电池爆裂成为可能，并且同时，逸出的气体被过滤和/或使火焰和/或火花的泄漏减少或者甚至防止火焰和/或火花的泄漏。
上述目的通过根据权利要求1的多层保护元件、通过根据权利要求10的电池或通过根据权利要求15的用途实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。
本发明的第一方面是所提出的保护元件特别地—至少在火灾和/或当温度超过300℃时的情况下—在至多200Pa的压差和至少3mm的厚度下具有大于25mm/s的透气率(agas-permeability)。在火灾的情况下和/或在短路或温度升高的情况下—特别是因此在事故的情况下—这种设计允许通过保护元件进行最佳的压力补偿，其中，逸出的气体通过保护元件或者保护元件的纤维层被过滤，和/或电池中出现的火焰和/或火花被保留。特别地，载体层以及因此还有保护元件可以承受在这种情况下特别可能发生的高机械负载和/或压差。此外，保护元件可以热隔离电池和/或电池的电池单元，特别地以便至少减少或延迟电池的热击穿和/或向相邻电池单元的蔓延和/或热量对诸如车辆或车辆内部空间的环境的影响。
根据本发明的也可独立实现的第二方面，所提出的保护元件优选地—至少在火灾和/或当温度超过300℃时的情况下—在至少50mm/s的气体流动和至少3mm的厚度下具有小于100Pa的气体流动阻力。在火灾的情况下和/或在短路或温度升高的情况下—特别是在事故的情况下—这种设计允许通过保护元件进行最佳的压力补偿，其中，逸出的气体通过保护元件和/或保护元件的纤维层被过滤，和/或电池中出现的火焰和/或火花被保留。特别地，载体层以及因此还有保护元件可以承受在这种情况下特别可能发生的高机械负载和/或压差。此外，保护元件可以热隔离电池和/或电池的电池单元，特别地以便至少减少或延迟电池的热击穿和/或向相邻电池单元的蔓延和/或热量对诸如车辆或车辆内部空间的环境的影响。
根据本发明的也可独立实现的第三方面，载体层优选地仅部分地连接或结合到纤维层或者经由气体可透过的和/或热不稳定的连接层连接或结合到纤维层。这使得在火灾的情况下和/或在短路或温度增加的情况下—特别是因此在事故的情况下—通过保护元件能够实现最佳的压力补偿，其中，逸出的气体通过保护元件和/或保护元件的纤维层被过滤，和/或电池中出现的火焰和/或火花被保留。特别地，载体层以及因此还有保护元件可以承受在这种情况下特别可能发生的高机械负载和/或压差。此外，保护元件可以热隔离电池和/或电池的电池单元，特别地以便至少减少或延迟电池的热击穿和/或向相邻电池单元的蔓延和/或热量对诸如车辆或车辆内部空间的环境的影响。
根据本发明的也可独立实现的第四方面，纤维层优选地被设计为非织物片层(无纺布)或设置有非织物片层，特别地被设计成针缝的纤维绒和/或针织垫的形式，其中，纤维层、垫和/或片层是缝合的。这能够实现和/或实现了改善的抱合力和/或简化加工、制造、组装和/或使用。
特别优选的是，纤维层由长度大于30mm的长纤维形成和/或由针缝的和/或增强的无纺布形成。相比于其他纤维层，长纤维和/或针缝的和/或增强的纤维层显著增加了机械阻力。因此，纤维层特别地为可拉伸的和压力弹性的，这能够实现高压力的吸收。同时，纤维层具有高热隔离能力，因为彼此缠绕的纤维有效地减少了热能穿过纤维层。在电池内不受控的生热的情况下，例如当电池单元发生热击穿时，这是特别有利的，因为这显著地延迟了电池的完全破坏和/或爆炸。最后，针缝的无纺布具有低的单位面积重量，这有助于操纵。
优选地，纤维层由针缝的和/或增强的玻璃纤维或者硅酸盐纤维或者其混合物制成。
特别优选地，纤维层的纤维的长度为至少40mm，优选地至少50mm，特别地基本上为50mm至60mm。这使得纤维层具有特别高的抗压性和抗撕扯性。
特别地，纤维的平均直径为至少4μm，优选地至少5μm，特别地6μm至15μm。
纤维层特别优选地不具有粘合剂和/或熔珠。
优选地，纤维层和中间片层的单位面积重量分别为小于1800g/m2，优选地小于1300g/m2，特别地小于600g/m2，和/或大于150g/m2，优选地大于200g/m2，特别地大于300g/m2或400g/m2。这能够实现容易的操纵。
特别地，保护元件的机械稳定性可以通过使用织物作为载体层而被显著地提高和/或改善。这在电池单元爆炸的情况下作为机械保护是特别有利的。
优选地，保护元件被设计为高空气可透过的和/或气体可透过的，特别地其中，载体层包括织物或者由织物形成。这可以减小被一个或多个保护元件包围和/或围绕的电池爆炸和/或爆裂的风险，因为爆发性的气体因此可以通过载体层和纤维层被十分容易地排出。
保护元件特别地具有大于20kV/mm，优选地大于30kV/mm，特别地为40kV/mm至70kV/mm的介电强度。这避免和/或延迟了电弧或火花的形成。
特别地，保护元件的厚度—优选地当安装时—小于7mm，优选地小于6mm，特别地在2mm和3mm之间。这允许在电池中灵活和容易的安装，即使在狭窄的安装间隙中。
特别地，保护元件在至少一个平坦侧部上包括粘合层—该粘合层特别地仅部分地覆盖平坦侧部—或者保护元件被设计成在一个平坦侧部上至少局部是自粘合的。这允许保护元件被容易地布置和/或附接至电池和/或另外的保护元件或者在电池和/或另外的保护元件中。
优选地，保护元件的单位面积重量为小于1800g/m2，优选地小于1300g/m2，特别地小于1000g/m2，和/或大于150g/m2，优选地大于200g/m2，特别地大于300g/m2或400g/m2。
保护元件的导热性在25℃的室温小于0.1W/mK，优选地小于0.08W/mK，特别地小于0.04W/mK。
所提出的电池，优选地为锂离子电池，特别地为用于电动车辆的牵引电池的形式，包括壳体和至少一个多层保护元件，该多层保护元件被布置在壳体中和/或在壳体上，特别地用于热隔离和/或火灾防护。
根据本发明的第五方面，所提出的电池的保护元件优选地根据前述方面之一设计。这导致如上所解释的电池的优点。
根据本发明的也可独立实现的第六方面，所提出的电池的保护元件优选地被布置在壳体和电池的至少一个电池单元之间，并且覆盖壳体的出口以便在火灾的情况下和/或在短路的情况下，过滤通过出口逸出的气体和/或以便使火焰和/或火花通过出口的逸出最小或者甚至防止火焰和/或火花通过出口逸出。这再次产生已经提到的优点，其中，特别地电池的简单构造和/或组装也成为可能。
优选地，保护元件—在外部或内部—在顶表面上和/或侧向地至少部分地、优选地完全地或在整个表面上封闭和/或隔离电池或电池单元或壳体。这允许朝向顶部和/或朝向定位在电池上方的区域和/或邻接电池的区域对电池有效的、特别是相对于车辆的车辆内部空间的热隔离。这样，存在于该区域和/或空间中的人员、驾乘人员和/或物体被有效地和/或足够长时间地—即直到救援和/或恢复措施已经完备—保护以避开电池中不受控的生热。
根据本发明的也可独立实现的第七方面，优选地，电池的多个或所有电池单元通过各个保护元件包围/夹套，即，特别地，电池的多个或所有电池单元都分别地被各个保护元件包围/夹套。保护元件特别优选地在其形状上适配于相应的电池单元。例如，套筒形的保护元件也可以被设置用于圆柱形的电池单元。这样以简单的设计在火灾和/或爆炸的情况下和/或在短路的情况下，提供了非常好的热隔离，并且同时提供了良好的透气性。
例如，保护元件被布置在壳体中的两个相邻的电池单元之间，可以将该两个相邻的电池单元彼此热隔离。以这种方式，从一个电池单元到下一个电池单元和/或到相邻的电池单元的热击穿的蔓延被有效地延迟和/或阻挡和/或甚至阻止，从而防止或者至少显著地延迟来自电池的热量和/或碎片的爆发性释放。
在所提出的电池中，如果保护元件包括至少一个织物载体层，这是特别有利的。
根据本发明的也可独立实现的第八方面，多层保护元件，特别是根据上述方面之一设计的多层保护元件，被使用成用于电池的热隔离和/或用于在火灾的情况下和/或在短路的情况下过滤通过电池的出口逸出的气体和/或用于防止火焰和/或火花通过出口逸出，其中，保护元件被布置在电池的壳体和至少一个电池单元之间并且在内侧上覆盖出口。通过电池的非常简单的构造和组装，因此通过保护元件能够实现最佳的压力补偿，其中，逸出的气体通过保护元件和/或保护元件的纤维层被过滤，和/或电池中产生的火焰和/或火花被保留。特别地，载体层以及因此还有保护元件可以承受诸如在事故和/或短路的情况下可能发生的高机械负载和/或压差。此外，保护元件可以使电池和/或电池的电池单元热隔离，特别地以便至少减少或延迟电池的热击穿和/或向相邻电池单元的蔓延和/或对诸如车辆或车辆内部空间的环境的影响。
根据本发明的也可独立实现的第九方面，所提出的保护元件最优选地被用于和/或被布置用于、特别是在电池的壳体内、一方面在一个或多个电池单元之间的隔离，以及另一方面在电池的控制装置和/或控制电子设备之间的隔离。这可以再次导致优化的隔离和/或导致即使在热击穿的情况下电池保持稳定的时间也比平时更长的事实。
本发明的上述方面和特征以及得自权利要求和后面的说明的本发明的方面和特征原则上可彼此独立地实现，还可以任何组合和/或顺序实现。从权利要求和后面基于附图对优选实施方式的说明获得本发明的另外的优点、特征、特性和方面。附图中示出：
图1A是所提出的多层保护元件的示意性截面图；
图1B是以织物形式的载体层的示意图示；
图1C是可能的增强层和/或粘合层的示意图示；
图2是具有保护元件的所提出的电池的示意性截面图；以及
图3是具有所提出的电池的车辆的示意性截面图。
图1A以示意性的非按比例的截面图示出了所提出的多层保护元件1。保护元件1被使用成特别是用于热隔离和/或用于屏蔽所提出的电池8，该电池8在图2中以示意性的非按比例的截面图示出。电池8(蓄电池)特别地被设计为锂离子蓄电池，和/或被预期用于车辆12，如图3中所示。
最优选地，电池8用作用于车辆12的驱动电池或牵引电池，该车辆12优选地被设计为电动汽车和/或电动车辆。
然而，保护元件1和/或本发明还可以普遍地适用于和/或用于例如在医疗领域中的电池的保护，用于电池操作的诸如吹叶机、绿篱修剪机或灌木铲除机的电器用具，以及用于例如在军事领域中的或者用于其他目的的电池的保护，用于在身体上或在身体附近携带电池的人们的保护。
在后文中，更详细地描述保护元件1的优选结构。
保护元件1包括载体层2以及纤维片层或纤维层3。
优选地，层2和层3、特别地借助于在层2和层3之间形成的和/或布置的连接件或连接层4、彼此连接，特别地粘合地结合。这特别有助于操纵和安装和/或组装。
保护元件1优选地但仅可选地包括附加载体层5，该附加载体层5在纤维层3的背离(第一)载体层2的平坦侧部上，如图1A中所示。附加载体层5可以被设计成对应于(第一)载体层2，从而相应地适用对第一载体层2的描述和解释。然而，附加载体层5可以被不同地设计并且可选地仍然包括对应的特性或特征。
附加载体层5，特别地经由(附加的)连接件和/或连接层6，优选地牢固地连接到纤维层3或者粘合地结合到纤维层3，如图1A中所示。该连接件和/或连接层6特别地可以被设计为与(第一)连接件和/或连接层4相似或完全地相同，从而后文的解释和特征在这方面特别地对应。
连接件和/或连接层4和/或连接件和/或连接层6特别地可以被设计为部分增强件4A，如图1C中所示。最优选的是连接载体层2和/或载体层5与纤维层3的增强区域或连接区域的网状应用或布置。以这种方式，即使载体层2和/或载体层3与纤维层3以平坦的方式连接和/或在平坦侧部上连接，载体层2和/或载体层5与纤维层3的部分的和/或精确的平坦连接也可以实现高的气体可透过性能。
作为连接件和/或粘合结合件的替代或补充，热不稳定的粘合剂和/或热不稳定的连接件和/或连接箔也可以被使用以在高温下实现高的气体可透过性能，特别地在大于200℃，优选地大于250℃，最优选大于300℃的温度下实现高的气体可透过性能—如后面更详细解释的。
载体层2和/或载体层5与纤维层3特别地通过粘合结合件连接。然而，诸如缝合或焊接的其他接合技术也是可能的。
保护元件1和/或载体层2或载体层5可选地包括粘合层7，特别地该粘合层7仅部分地或精准地应用，和/或保护元件1和/或载体层2或载体层5被设计为自粘合的，以便有助于和/或能够实现将保护元件1紧固和/或组装到电池8和/或电池8的壳体9和/或将保护元件1紧固和/或组装在电池8和/或电池8的壳体9中。
载体层2和/或载体层5优选地包括气体可透过的织物2A或者由气体可透过的织物2A形成，如图1B中的示意图。这有利于高的机械负载承受能力，其中，具有低厚度的紧凑设计是可能的。
术语“织物”/“编织织物”特别地指由多条丝线相互交叉形成的优选地平坦的制品。丝线特别地以重复的顺序在交叉丝线的上方和下方被引导。
织物2A优选地为玻璃纤维织物、芳纶织物、碳纤维织物或硅酸盐织物。织物2A也可能是混合织物和/或包括特别是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和/或硅酸盐纤维的混合物或由特别是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和/或硅酸盐纤维的混合物组成。
用于将形成载体层2和/或载体层5的织物2A与纤维层3连接的最优选的是空气可透过的和/或气体可透过的粘合剂，其中，粘合剂允许气体的逸出和/或通过，但是织物2A和/或纤维层3形成对火花或火焰的屏障。
优选地，织物2A具有高耐热性，优选地对高达约1150℃或高于1150℃的温度的高耐热性。
织物2A优选地包括最小为0.1mm的网孔大小和/或最大为0.4mm的网孔大小。例如，最优选的网孔大小为约0.114mm、约0.22mm或约0.315mm。
织物2A优选地具有至少10％，特别地至少20％，更优选地至少30％的敞开筛网区域，和/或至多45％，特别地至多50％或60％的敞开筛网区域。
载体层2和/或载体层5优选地形成纤维层3和/或保护元件1的覆盖层或外部层。
可选地，载体层2、载体层5中的至少一个被设计为耐热金属层或耐热金属片层，优选地为铝和/或铝箔，或者被设计为云母层，优选地为云母纸层。
云母层优选地设置有稀松布和/或织物2A和/或增强纤维、或者用稀松布和/或织物2A和/或增强纤维增强、或者反之亦然，特别优选地在朝向或背离纤维层3或下一个电池单元8A的侧部上。
特别地，载体层2和/或载体层5和/或载体层2和/或载体层5的基础结构，诸如稀松布或织物2A，也可以设置有或结合有耐热材料和/或隔热材料，诸如云母。
例如，一个载体层2和/或第一载体层2被设计为耐热云母层，优选地为云母纸层，而另一个载体层5和/或第二载体层5被设计为金属层，优选地为铝箔或金属织物。然而，两个覆盖层2、3也可以被相同地设计，特别地被设计为云母层，优选地为云母纸层。这能够实现特别高的耐热性。
优选地，至少一个载体层2或载体层5具有这样的机械稳定性，使得在电池8爆炸的情况下没有碎片可以穿透保护元件1。
最优选地，保护元件1具有高度的透气率。
特别地，保护元件1具有在200Pa或至多200Pa的压差(压力损失)和3mm或至少3mm的厚度下大于25mm/s的透气率—特别地该透气率是依据流动速度测得。
大于25mm/s的优选的透气率对于高达200Pa的整个压差范围不是必须满足的，但是例如在压力损失为150Pa但不低于150Pa的情况下，如果实现了大于25mm/s的值，则满足了大于25mm/s的优选的透气率。对于至少3mm的厚度范围同样适用。如果保护元件1、例如在厚度为3.5mm但不高于3.5mm下、显示出大于25mm/s的透气率，则保护元件1确实显示出期望的透气率。
特别地，保护元件1优选地在200Pa的压差(压力损失)下具有大于25mm/s的透气率，其中，保护元件1具有3mm的厚度。
最优选地，保护元件1在未压缩状态或交付状态中和/或在被压缩状态或安装状态中，在(约)200Pa的压差(压力损失)下具有、特别地与实际的厚度无关的、大于25mm/s的透气率，特别地大于40mm/s的透气率。
优选地，保护元件1在200Pa或更小的压差(压力损失)下具有小于500mm/s、特别地小于400mm/s、最优选的小于300mm/s的透气率，并且该透气率与厚度无关或者是在厚度为3mm或更大的情况下。
透气率优选地在空气流的(限定的)测量温度下测得，其中，下游侧部优选地具有常压。
当测量透气率时，保护元件1优选地是未压缩的，但是可替代地保护元件1可以是被压缩的，特别地对应于期望的安装状况和/或在厚度方向上以25kPa被压缩。
所提及的透气率优选地在至少20℃和至多25℃的标准范围内的空气流的测量温度下获得和/或测得。
根据载体层2和/或载体层5与纤维层3的特别是热不稳定的连接和/或粘合结合的设计变型，透气率是在室温或在上面提及的标准范围内确定。在测量之前，保护元件1被暴露于至少400℃或300℃的处理温度，优选地至少250℃，并且最优选的至少200℃的处理温度，特别地暴露约30或60分钟。之后，在20℃至25℃的优选的测量温度下测量透气率，如上所述。
优选地和/或可替代地，最迟在30秒或60秒的测量时间和/或流动时间结束时测量和/或获取透气率，特别地如果保护元件1之前没有被预热到所述的处理温度，则保护元件1被直接暴露于例如至少250℃，优选地至少300℃，以及特别地至少400℃的热空气中并用上述热空气测量。
可替代地，保护元件1可以首先被预热到用于测量的期望的预热温度，例如300℃、400℃或450℃，预热特定的预热时间，例如1小时，然后可以如解释的那样在期望的测量温度或预热温度下测量透气率。
作为上面提及的通过在给定压差下测量穿过保护元件1的流动速度来确定透气率的替代方案，还可以通过在给定流动速度下测量气体流动阻力(压差或压力损失)来确定透气率。这种气体流动阻力或压力损失/压力下降与透气率或流动速度成反比。
可替代地或附加地，保护元件1优选地在50mm/s或至少50mm/s的气体流动速率下并且在厚度为3mm或至少3mm的情况下具有小于100Pa的气体流动阻力(压力损失)。可替代地或附加地，保护元件1优选地在500mm/s或至少500mm/s的气体流动速率(速度)下并且在厚度为3mm或至少3mm的情况下具有小于500Pa的气体流动阻力(压力损失)。如上面所解释地实现测量，其中，现在确定压力损失/压力下降而不是流动速度，流动速度保持恒定，特别地保持在期望值。其他测量条件是类似的，即在适当的温度和条件下用空气进行测量。
保护元件1显示出小于100Pa的期望的气体流动阻力，即使该值是在例如气体流动速率为550mm/s但不高于550mm/s下实现，和/或在厚度为3.2mm但不高于3.2mm下实现。
保护元件1优选地在50mm/s的气体流动速率下并且在厚度为3mm的情况下具有大于10Pa的气体流动阻力(压力损失)。
优选地，保护元件1仅包括两个功能层2和3或者仅包括三个功能层2、3和5。在本文中，术语“功能层”必须被理解为在发生事故、击穿、爆炸等的情况下，相应的层作为纤维层3提供显著的过滤功能和/或作为载体层/织物层2提供保护功能(爆裂保护)。这不排除保护元件1另外可以包括非功能层，诸如一个或多个连接层4、6和/或粘合层7等。
保护元件1和/或层2或层5和层3优选地被设计为和/或被设计为耐热的，特别地高达至少200℃的耐热性，最优选的高于250℃、500℃或1000℃的耐热性，其中，层4/层6、载体层2和/或载体层5与纤维层3的连接和/或粘合结合不需要具有这种耐热性。
在本发明的意义上，术语“耐热的”优选地用于描述材料或部件对高温或所提及的温度的耐受性或耐久性。
特别地，针对耐热性规定的温度代表熔化温度的优选的最小值，或者特别优选的0.8或0.9倍的熔化温度的下限，和/或代表在下面解释的意义上的优选的上限应用温度，和/或特别地与基础材料有关，例如在纤维层3的情况中，特别地与纤维层3的纤维有关，或者在载体层2的情况中，例如与载体层2的织物2A有关，分别在有或没有(纤维)涂层或胶料。
材料或部件，特别是保护元件1和/或层2、层3、层5之一，在本发明的意义上是耐热的(高达上限应用温度)，特别地，如果高达该应用温度，材料或部件可以保持材料或部件的特性—例如材料或部件的介电强度、材料或部件的机械稳定性或机械形状、材料或部件的强度或可变形性等—或者(在对电池或电池单元的进行密封或隔离和/或电隔离或热隔离的情况下，特别是在事故或热击穿的情况下)材料或部件不会将材料或部件的特性改变到不再适合于期望的应用的程度。
特别地，如果载体层2或载体层5是由金属、云母或云母纸，或者玻璃、硅酸盐和/或陶瓷微纤维的织物2A或者它们的混合物制成，或者如果载体层2或载体层5包含金属、云母或云母纸，或者玻璃、硅酸盐和/或陶瓷微纤维的织物2A或者它们的混合物，则载体层2或载体层5在本发明的含义内将被视为耐热的。
特别地，如果纤维层3由玻璃、硅酸盐和/或陶瓷纤维或者它们的混合物制成，或者如果纤维层3包含玻璃、硅酸盐和/或陶瓷纤维或者它们的混合物，则纤维层3在本发明的含义内应被视为是耐热的。
优选地，材料或部件，特别是保护元件1和/或层2、层3或层5之一，如果满足根据DIN EN 60085:2008-08的隔离材料类别之一的要求，特别是该标准的隔离材料类别F、H、N或R之一的要求，则材料或部件是耐热的。
保护元件1特别地被设计为平坦层叠件和/或特别地被设计为是可压缩的和可弯曲的。
术语“可弯曲的”优选地被理解成意指保护元件1的弯曲刚度足够低，其中，弯曲刚度为对抵抗部件和/或保护元件1的弯曲变形的作用力的度量。弯曲刚度优选地根据ISO5628，优选地ISO 5628:2019确定。为此目的，优选地，具有特定尺寸、例如6mm的厚度和60mm×40mm的大小、的板形保护元件1被夹持在可旋转夹持装置中。保护元件1的自由端接触测力单元的传感器，经由该传感器在夹持装置旋转时相应的接触力被记录。特别地，传感器在距夹持点50mm的距离处接触隔热元件1的自由端。特别地，通过在保护元件1弯曲15°时在传感器处测量的力确定弯曲刚度。
优选地，保护元件1具有以这种方式确定的小于10N，优选地小于5N，特别地小于1N的弯曲刚度。
所提出的保护元件1和/或纤维层3优选地是可压缩的并且因此允许适应安装状态，特别是在单个电池单元8A之间和/或在电池单元8A和壳体9之间。
最优选的是在安装状态下，具有对保护元件1和/或多个保护元件1的特定预紧和/或特定压缩的安装。当安装时，优选的压缩至少为20kPa和/或大于25Pa。
一些电池单元8A根据荷电状态膨胀和收缩。保护元件1特别地以电池单元8A的这种“呼吸”可以被补偿的方式来设计。
特别地，保护元件1被设计为承受至少200kPa的压缩压力，最优选的承受至少250kPa或更大的压缩压力。这有利于电池单元8A的可能的“呼吸”和/或在火灾、短路、事故等情况下的高负荷能力。
术语“可压缩的”优选地被理解成意指保护元件1的压缩硬度足够低，压缩硬度表示将测试样品和/或保护元件1压缩了其原始厚度的40％所需的压力。优选地，根据DIN ENISO 3386，优选地ISO3386-1:1986，使用厚度为5mm和大小为300mm×200mm的板形隔热元件1作为测试样品以及厚度为20mm和大小为190mm×80mm的铝板作为硬度计压头，确定压缩硬度。
优选地，保护元件1和/或纤维层3具有以前述方式确定的小于40kPa，优选地小于30kPa，特别地小于20kPa的压缩硬度。
优选地，保护元件1和/或纤维层3(在厚度方向上，即在垂直于表面延伸的方向上)是高弹性可压缩的，最优选的在未安装状态下，至少相对于厚度在至少90％至50％的范围内是高弹性可压缩的。
纤维层3优选地由针缝的和/或增强的纤维绒/无纺布形成。对于本发明的目的，术语“针缝的无纺布”优选地被理解为纺织面料，该纺织面料的纤维通过干法针缝和/或无粘合剂针缝和/或无熔珠针缝无序地彼此缠绕并因此结合。
纤维层3优选地由无纺布和/或针缝的和/或加固的/增强的纤维绒/无纺布和/或针织垫形成，或者纤维层3优选地设置有无纺布和/或针缝的和/或加固的/增强的纤维绒/无纺布和/或针织垫。
优选地，纤维层3不具有粘合剂和/或熔珠。
纤维层3和/或纤维绒和/或针织垫和/或无纺布是最优选的，如图1A中的3A丝线所示。这可以提高纤维层3和/或保护元件1的稳定性和/或可加工性。
可选的缝合优选地相对松散地进行和/或以一毫米或几毫米的相对较大的距离进行。
缝合优选地在应用载体层2、载体层5或其他覆盖层之前进行和/或在与载体层2、载体层5或其他覆盖层层压之前进行，即特别地不与其他层缝合和/或缝合仅用于其自身的稳定。
最优选的是用玻璃纤维缝合，即用一根或多根玻璃纤维的丝线3A缝合。
测试表明，当无纺布/纤维绒和/或针织织物至少基本上用硅酸盐纤维缝合时，最优选的用一根或多根玻璃纤维制成的丝线3A缝合时，可以实现非常好的稳定性和理想的特性。
纤维层3也可以具有多层/多片层设计并且可选地被缝合和/或设置有中间层和/或中间片层。
纤维层3特别地由玻璃纤维或硅酸盐纤维或玻璃纤维和硅酸盐纤维的混合物制成。例如，可以使用玻璃纤维，特别地为A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、E-玻璃、ECR-玻璃、S2-玻璃或R-玻璃或其混合物制成的玻璃纤维，和/或其他耐热纤维。
纤维优选地具有至少4μm，特别地至少5μm，以及最优选地基本上为6μm至15μm的平均直径。
纤维的长度优选地大于30mm，优选地大于40mm，特别地基本上为50mm至60mm。然而，原则上，纤维的长度还可更长，例如长达约120mm。
优选地，纤维层3的单位面积重量小于1800g/m2或1500g/m2，优选地小于1300g/m2，特别地小于600g/m2，和/或大于150g/m2，优选地大于200g/m2，特别地大于300g/m2或400g/m2。
优选地，保护元件1的单位面积重量小于1800g/m2或1500g/m2，优选地小于1300g/m2，特别地小于1000g/m2，和/或大于150g/m2，优选地大于200g/m2，特别地大于300g/m2或400g/m2。
特别地在未压缩状态或交付状态中，保护元件1的厚度优选地为小于15mm，优选地小于10mm，特别地在3mm和8mm之间。
特别优选地，保护元件1具有大于20kV/mm，优选地大于30kV/mm，特别地为40kV/mm至70kV/mm的介电强度。
介电强度限定了材料内的电场的不发生电压突破(电弧或电火花)的极限。
介电强度优选地根据IEC 60243-1:2013测量。
测量优选地在20℃和25℃之间的标准状态下进行，并且优选地在约50％的相对湿度的情况下进行和/或在保护元件1处于保护元件1的压缩状态的情况下进行。
在后文中，基于图2更详细地解释所提出的电池8以及根据所提出的保护元件1、特别是根据所提出的保护元件1A和1B以及可选地根据所提出的另外的隔热元件1C和1D、或者类似的保护元件1在电池8中的布置和/或用途。
保护元件1A至保护元件1D可相同地或不同地设计。
在后文中，为了区分，保护元件1A至保护元件1D也被称为第一保护元件1A、第二保护元件1B、第三保护元件1C和第四保护元件1D。然而，这仅用于区分不同的保护元件1，并不暗示例如如果设置了第三保护元件1C，则第二保护元件1B也必须存在。
优选的，用于供电的电池8被布置在和/或安装在示意性绘出的车辆12、尤其是电动车辆中。特别地，当安装时，电池8位于车辆内部空间12A下方，例如在车辆12的乘客区域或其他内部区域下方。
电池8优选地具有壳体9，该壳体9具有上部壳体部分和/或壳体盖9A和壳体底部部分。这里，壳体9和/或壳体底部部分包括至少一个壳体侧壁9B和壳体底部9C。
壳体9优选地由非传导材料、例如塑料、组成或由金属组成。
电池8优选地被设计为可再充电蓄电池，特别地为锂离子蓄电池。可替代地，电池8还可由磷酸铁锂、氧化锂钴、锂金属氧化物、锂离子聚合物、镍锌、镍金属、镍镉、镍氢、镍银、镍金属混合物、全固态状态、锂空气、锂硫和类似的体系和/或材料构造或设计，或者利用上述材料构造或设计。
特别地，电池8具有至少一组电池单元8A，这些电池单元8A特别地是电气接线的和/或容纳在壳体9中，优选地容纳在下部壳体部分10中。
优选地，一个或多个保护元件1被布置在容纳电池单元8A的壳体9的内部空间内。
优选地，至少一个保护元件1，特别是第一保护元件1A，尤其借助于粘合层7附接和/或固定，优选地粘合地结合，优选地在电池单元8A上方和/或特别地在壳体9和/或壳体盖9A上。第一保护元件1A优选地在顶侧封闭和/或隔离壳体底部部分和/或电池8或电池8的电池单元8A。
以这种方式，实现特别有效的顶侧隔热和对车辆内部空间12A的防火保护，以便有效地和/或足够长时间地保护内部的人员或物体避开电池8中不受控的生热。
电池8和/或壳体9优选地包括至少一个出口10，该出口10—至少在火灾和/或电池8内部过热或强烈的压力增加的情况下—允许气体从电池8和/或壳体9向外部逸出，并由此实现压力补偿。这防止了电池8爆炸和/或爆裂，特别是在火灾和/或短路和/或过热的情况下。
出口10优选地被布置在壳体盖9A中和/或在电池8和/或壳体9的顶侧上。
电池8和/或壳体9优选地包括用于气体的逸出和/或压力补偿的多个出口10。
优选地，出口10和/或每个出口10基本上和/或交付时和/或在正常使用期间或必要时，特别地借助于热不稳定的和/或非压力稳定的元件11，特别地最优选地借助于爆裂盘等，而是封闭的或可封闭的。
代替爆裂盘，另一元件或阀也可被用作封闭元件11，例如，该另一元件或阀基本上封闭出口10并且在火灾的情况下和/或在短路或过热的情况下打开—优选地取决于压力和/或温度自动地打开。然而，其他设计解决方案也是可能的。
在壳体9中发生火灾、短路、过热或其他压力增加的情况下，特别地在盘爆裂和/或阀打开之后，经由出口10通过允许气体通过出口10从壳体9流出可以实现压力补偿。保护元件1和/或保护元件1的纤维层3用作过滤器，从而可以滤除和/或保留不需要的毒素和气体。再则，保护元件1用作防止火焰或火花通过敞开的出口10逸出的屏障。此外，至少一个载体层2可以承受当出口10被突然打开时和/或当电池遭受热击穿时可能突然发生的机械负载，从而使保护元件1保持保护元件1的期望的过滤功能和防止火焰逸出的安全功能，尤其是在上述的气体通过出口10流出的情况下。保护元件1的这种负载承受能力是由优选地预期的高的透气率以及特别是至少一个分离层2作为织物2A的有利设计来支持。
在图示示例中，壳体9特别地在壳体盖9A中包括一个或多个出口10，该出口10优选地在内侧上通过保护元件1和/或第一保护元件1A覆盖。
可替代地或附加地，电池8和/或壳体9和/或至少一个壳体侧板9B还可以包括一个或多个侧向出口10，如图2中所示。在这种情况下，特别地作为第一保护元件1A的补充或替代，还设置了另外的保护元件1B和/或第二保护元件1B，该另外的保护元件1B和/或第二保护元件1B覆盖相应的侧壁9B和/或相应的侧向出口10。
特别地，至少一个第一保护元件1A和至少一个第二保护元件1B被使用，其中，第一保护元件1A在顶侧封闭和/或热隔离壳体的内部，并且第二保护元件1B被侧向地布置在壳体侧壁9B上。
优选地，第二保护元件1B，特别地交叉地和/或垂直地，被附接至第一保护元件1A，优选地粘合地结合、针缝或焊接至第一保护元件1A。
优选地，电池8和/或壳体9的所有侧壁9B在内侧上设置有或覆盖有第二保护元件1B，优选地还独立于在侧壁9B中形成的出口10。
第二保护元件1B优选地还，特别地借助于粘合层7和/或相应的保护元件1B的自粘合形式，被紧固和/或粘合地结合到相关联的侧壁9B。然而，其他构造的解决方案也是可能的。
通过一个或多个保护元件1对一个或多个出口10的优选的所提出的布置和内侧覆盖允许电池8的非常简单的组装和构造，该保护元件1在火灾和/或短路或过热的情况下提供期望的压力补偿，同时确保出口10处的期望的过滤和保护特性以用于车辆12中。
作为第一保护元件1A和/或第二保护元件1B的替代或补充，电池8可以包括另外的保护元件1C和/或第三保护元件1C，如图2中的示例所示。
第三保护元件1C优选地与第一保护元件1A相对地布置和/或布置在壳体内部的下侧和/或底部9C上。优选地，下侧和/或底部9C被第三保护元件1C完全地和/或全部地覆盖。
第三保护元件1C优选地借助于粘合层7和/或自粘合设计被紧固和/或粘合地结合到底部9C。然而，其他构造的解决方案也是可能的。
保护元件1A-1C优选地被各自布置在电池单元8A之间和/或电池单元8A与壳体9之间。
优选地，在电池8和/或壳体9中，载体层2和/或织物2A被布置在保护元件1和/或保护元件1A-1C的面向电池单元8A的内侧上。
作为保护元件1A-1C的替代或补充，优选地，至少一个(另外的和/或第四)保护元件1D被设置并布置在电池单元8A之间，由此这些电池单元8A被热隔离和/或彼此分离。保护元件1D最优选地被插入、被压入或以任何其他方式设置在电池单元8A之间。
电池单元8A优选地至少基本上完全地和/或在所有侧部上被一个或多个保护元件1D包围。
保护元件1优选地还可以补偿单元在超过电池8的使用寿命的充电期间的任何可能的膨胀和/或确保尽可能限定的机械预紧。在交付状态下需要至少大约25kPa。超过使用寿命，在安装状态下的压力可能会由于单元8A的膨胀(肿胀)而增加到最大250kPa。这些值取决于单元的类型(圆形单元、软包单元和棱柱形单元)而变化，并且可以根据客户的要求进行调整。
特别地，保护元件1D在所有侧部上包围和/或围住多个或所有电池单元8A和/或特别地以这样的方式包围和/或围住多个或所有电池单元8A，使得电池单元8A是以电池单元8A相对于彼此是隔离的、屏蔽的和/或阻尼的方式被支撑和/或布置在壳体9中。因此，保护元件1优选地形成用于一个或多个电池单元8A的存储垫。除了有效的热隔离之外，特别地在所有侧部上，这也能够实现电池单元8A的坚固的和/或耐久的存储，因为任何冲击和/或振动都被可压缩的保护元件1阻尼和/或吸收。
电池单元8A优选地—成组地或单独地—至少是基本上完全地和/或在所有侧部上被一个或多个保护元件1A-1D包围和/或围绕，即在电池8中电池单元8A被彼此隔离和/或屏蔽。
在电池单元8A的圆柱形设计的情况下，第四保护元件1D例如可以被设计为中空的圆柱形的并且因此径向地围绕电池单元8A—特别地单独地—其中，另外的保护元件1，诸如第一保护元件1A和第三保护元件1C可以例如轴向地覆盖或封锁电池单元8A。
在单元堆的情况下，也可以形成用于将电池单元8A与保护元件1轴向分离的中间层。
应该注意的是，保护元件1和/或保护元件1D原则上以及特别地当被布置在电池单元8A之间时—即特别地当没有被布置在电池单元8A和壳体9之间的外部时—根据需要还可以包括附加层，诸如另外的纤维层和/或另一中间层、分离层或隔离层，并且因此也可能具有较低的透气率。
测试表明，所提出的保护元件1既适用于在电池8内容纳热量，又适用于顶侧和/或侧部布置和/或隔离，即特别地适用于相邻的车辆内部空间12A的热保护。
可替代地或附加地，所提出的保护元件1也可以用于和/或被布置成隔离电池8的、特别是在电池8的壳体9中的、控制件、控制装置和/或控制电子设备8B，特别地将控制件、控制装置和/或控制电子设备8B与一个或多个电池单元8A隔离，如图2示意性地所示，控制装置8B例如代替电池8和/或壳体9中的一个单元8A可以被放置在右侧。例如，在电池单元8A发生故障和/或热击穿的情况下，这种使用或布置还可用于在电池8内容纳热量和/或提供隔离，并且因此最终稳定电池8，特别是比以前更长的时间。
如已经提及的，本发明的各个方面可根据期望组合，也可彼此独立地实现。
附图标记列表
1(A,B,C,D) 保护元件
2 载体层
2A 编织织物/织物
3 纤维层
3A 丝线
4 连接层
4A 部分增强件
5 附加载体层
6 连接层
7 粘合层
8 电池
8A 电池单元
8B 控制器/控制装置
9 壳体
9A 壳体盖
9B 壳体侧壁
9C 壳体底部
10 出口
11 (封闭)元件
12 车辆
12A 车辆内部空间

Claims (15)

1.一种电池(8)的多层保护元件(1)，
所述多层保护元件(1)具有耐热载体层(2)和纤维层(3)，所述耐热载体层(2)优选地具有高于250℃的耐热性，所述纤维层(3)优选地为可压缩的和/或具有高于250℃的耐热性，
其特征在于，
所述保护元件(1)—至少在火灾和/或当温度超过300℃时的情况下—在200Pa或至多200Pa的压差下和在3mm或至少3mm的厚度下具有大于25mm/s的透气率，和/或
所述保护元件(1)—至少在火灾和/或当温度超过300℃时的情况下—在50mm/s或至少50mm/s的气体流动速率下和在3mm或至少3mm的厚度下具有小于100Pa的气体流动阻力，和/或
所述载体层(2)仅部分地连接或粘合地结合到所述纤维层(3)或者经由气体可透过的和/或热不稳定的连接件或连接层(4)连接或粘合地结合到所述纤维层(3)，和/或
所述纤维层(3)包括缝合的无纺布层，特别地为针缝的纤维绒和/或针织垫和/或无纺布。
2.根据权利要求1所述的保护元件，其特征在于，所述载体层(2)是气体可透过的织物(2A)或者包括气体可透过的织物(2A)。
3.根据权利要求1或2所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)由玻璃纤维或硅酸盐纤维或玻璃纤维和硅酸盐纤维的混合物制成。
4.根据前述权利要求中一项所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)是针缝的纤维绒或者包括针缝的纤维绒。
5.根据前述权利要求中一项所述的保护元件，其特征在于，所述保护元件(1)作为整体是可压缩的和可弯曲的。
6.根据前述权利要求中一项所述的保护元件，其特征在于，所述保护元件(1)，在至少一个平坦侧部上，至少局部是自粘合的或者具有特别地仅部分地覆盖的粘合层(7)。
7.根据前述权利要求中一项所述的保护元件，其特征在于，所述保护元件(1)包括两个功能层，即作为爆裂保护的所述载体层(2)和用于过滤的所述纤维层(3)。
8.根据权利要求1至6所述的保护元件，其特征在于，所述保护元件(1)包括三个功能层，即作为爆裂保护的两个载体层(2、5)和用于过滤的所述纤维层(3)。
9.根据前述权利要求中一项所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)用一根或多根玻璃纤维的丝线(3A)缝合。
10.一种电池(8)，优选地为锂离子电池，特别地为用于电动车辆(12)的牵引电池，
所述电池(8)具有壳体(9)，以及至少一个多层保护元件(1)，所述至少一个多层保护元件(1)被布置在所述壳体(9)中，用于特别是热隔离和/或防火保护，
其中，所述保护元件(1)包括载体层(2)和纤维层(3)，所述载体层(2)优选地具有高于250℃的耐热性，所述纤维层(3)优选地为可压缩的和/或具有高于250℃的耐热性，
其特征在于，
所述保护元件(1)是根据前述权利要求中的一项设计的，和/或
所述保护元件(1)被布置在所述壳体(9)和所述电池(8)的至少一个电池单元(8A)之间，并覆盖所述壳体(9)的出口(10)以便在火灾的情况下和/或在短路或过热的情况下，过滤通过所述出口(10)逸出的气体和/或以便使火焰和/或火花通过所述出口(10)的逸出最小或者防止火焰和/或火花通过所述出口(10)逸出，和/或
所述电池(8)的多个或所有电池单元(8A)通过相应一个或多个保护元件(1)被分别地夹套。
11.根据权利要求10所述的电池，其特征在于，所述保护元件(1)被布置和/或被紧固，优选地粘合地连接，到所述壳体(9)的壳体盖(9A)和/或到所述壳体(9)的壳体侧壁(9B)。
12.根据权利要求10或11所述的电池，其特征在于，所述出口(10)在使用状态下通过热不稳定的和/或非压力稳定的元件(11)、特别地为爆裂盘、封闭，使得所述出口(10)可以通过压力和/或热暴露而被打开—特别地自动地打开。
13.根据权利要求10或11所述的电池，其特征在于，所述出口(10)由阀封闭并且在火灾的情况下和/或在短路的情况下是可打开的—优选地根据压力和/或温度自动地打开。
14.根据权利要求10至13中一项所述的电池，其特征在于，用于热隔离的具有可压缩的纤维层(3)的所述保护元件(1)或附加保护元件(1D)被布置在所述电池(8)的两个相邻的电池单元(8A)之间。
15.多层保护元件(1)的用途，特别地所述多层保护元件(1)是根据权利要求1至9中的一项设计的，所述多层保护元件(1)具有载体层(2)和纤维层(3)，用于热隔离电池(8)，所述载体层(2)优选地具有高于250℃的耐热性，所述纤维层(3)优选地为可压缩的和/或具有高于250℃的耐热性，
其特征在于，
所述保护元件(1)被布置在壳体(9)和所述电池(8)的至少一个电池单元(8A)之间，使得所述保护元件(1)在内侧上覆盖所述壳体(9)的出口(10)，用于在火灾的情况下和/或在短路和/或过热的情况下过滤通过所述出口(10)逸出的气体和/或用于防止火焰和/或火花通过所述出口(10)逸出，和/或
所述保护元件(1)被布置成，特别地在所述电池(8)的壳体(9)内，在所述电池(8)的电池单元(8A)和所述电池(8)的控制件和/或控制装置(8B)之间，和/或被分配至所述电池(8)的所述控制件和/或控制装置(8B)，以进行隔离。
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