CN114976378B - 一种复合隔热板及其制备方法和应用 - Google Patents

一种复合隔热板及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种复合隔热板及其制备方法和应用。本发明提供的复合隔热板，包括：依次层叠设置的上隔热涂层、隔热层、下隔热涂层；按照质量百分比，所述上隔热涂层和下隔热涂层均包括：陶瓷粉末30％‑80％，加工辅助粉末10％‑60％，粘结剂5％‑15％。本发明的复合隔热板耐热温度≥1300℃，且在1300℃的条件下有效耐温时间超过30min，此外，该复合隔热板的密度小、重量轻，能够减少电池包能量密度损失。

Description

一种复合隔热板及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于隔热防火材料的技术领域，具体涉及一种复合隔热板及其制备方法和应用。
背景技术
当今新能源汽车渗透量逐年增加，智能电动化与电气化大势所趋。据中汽协公开数据显示，我国已经连续五年位居全球新能源汽车产销第一大国。从市场增速、产业链成熟度、投资热度等指标衡量，新能源汽车已成为近年来我国战略性新兴产业的重要一环。
新能源汽车自燃事件频发，起火燃烧事故对新能源电动汽车的普及与推广影响颇大。而新能源汽车的关键核心零部件在于锂离子电池组，其对于新能源汽车安全至关重要，使得提高新能源锂离子电池组的安全性能迫在眉睫。工业和信息化部组织制定的GB18384-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》、GB 30381-2020《电动汽车安全要求》和GB38032-2020《电动客车安全要求》三项强制性国家标准由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布，其中明确要求：电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。
然而，现有的锂离子电池组中的隔热材料比如PU(耐热温度在200℃左右)、XPE、IXPE泡棉类(XPE、IXPE类耐热温度在220℃左右)，很难通过电池系统在5分钟内不起火不爆炸的测试实验，行业亟需新材料、新方法来提高锂离子电池包的热失控防护等级。
公开号为CN213752828U的专利中涉及一种在锂离子电池组中使用的防火隔热垫，所述防火隔热垫由上层云母片、二氧化硅预氧丝凝胶毡层和下层云母片通过阻燃胶带粘结而成，上层云母片和下层云母片的厚度为1mm-2mm，中间二氧化硅预氧丝凝胶毡层厚度为2mm-3mm；然后上述隔热垫的厚度较大、密度大占空间，侵占了锂离子电池组中的电芯体积空间，会导致系统能量密度较低。
发明内容
针对现有技术存在的不足及缺陷，本发明旨在提供一种复合隔热板及其制备方法和应用。本发明的复合隔热板耐热温度≥1300℃，且在1300℃的条件下有效耐温时间超过30min(即对复合隔热板一侧进行加热后，当加热一侧温度达到1300℃时，另一侧在30min内温度不超过100℃)，此外，该复合隔热板的密度小、重量轻，能够减少电池包能量密度损失。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供一种复合隔热板，包括：依次层叠设置的上隔热涂层、隔热层、下隔热涂层；按照质量百分比，所述上隔热涂层和下隔热涂层均包括：陶瓷粉末30％-80％(比如35％、40％、45％、50％、60％、70％、75％)，加工辅助粉末10％-60％(比如20％、25％、30％、40％、45％、50％、55％)，粘结剂5％-15％(比如6％、7％、9％、10％、11％、12％、14％)。
本发明中由于陶瓷粉末本身较硬，加入的加工辅助粉末能够改善其加工性能；将陶瓷粉末、加工辅助粉末与粘结剂进行混合后再经模压成型，有利于制得致密度高的上、下隔热涂层。本发明中陶瓷粉末为上、下隔热涂层的主要材料，其含量越高，耐温性能就越好，但是其加工性能也越差，因此将陶瓷粉末限定为30％-80％，加工辅助粉末限定为10％-60％，粘结剂限定为5％-15％；若陶瓷粉末含量较多，则上、下隔热涂层的加工性能太差，不易加工；若陶瓷粉末含量较少，加工辅助粉末含量较多，则容易加工，但制得的上、下隔热涂层的耐温性能则不能符合使用要求。
在上述复合隔热板中，作为一种优选实施方式，所述隔热层为预氧丝毡，所述预氧丝毡的密度优选为0.3-1.2g/㎝3(比如0.5g/㎝3、0.7g/㎝3、0.9g/㎝3、1.1g/㎝3、1.3g/㎝3)；优选地，所述隔热层的厚度为0.1-0.4mm(比如0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.35mm)。
在上述复合隔热板中，作为一种优选实施方式，所述上隔热涂层的厚度为0.1-1.5mm(比如0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm)；所述下隔热涂层的厚度为0.1-1.5mm(比如0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm)。
本发明中将上隔热涂层的厚度限定为0.1-1.5mm，下隔热涂层的厚度限定为0.1-1.5mm；若厚度低于0.1mm，则隔热能力降低；若厚度高于1.5mm，则会使得厚度过大，复合隔热板的重量增加，进而降低系统的能量密度。
在上述复合隔热板中，作为一种优选实施方式，所述陶瓷粉末为氮化硅、氮化铝、碳化硅、氧化锆、氧化铝中的一种或多种；优选地，所述陶瓷粉末的粒径为5～30μm(比如8μm、10μm、15μm、20μm、25μm)。
本发明中选取的陶瓷粉末具有成本低、耐温性好的优点。选择上述种类材料的陶瓷粉末制成复合隔热板，不仅复合隔热板的隔热性能好且有利于降低成本。
在上述复合隔热板中，作为一种优选实施方式，所述加工辅助粉末为聚全氟乙丙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯中的一种或几种；更优选地，所述加工辅助粉末为聚四氟乙烯；优选地，所述聚四氟乙烯的粒径为10～60μm(比如15μm、20μm、30μm、40μm、50μm)。
本发明中加工辅助粉末优选选为聚四氟乙烯粉末，由于其本身为防火材料，具有较高的耐热性能，因此，选择聚四氟乙烯粉末不仅能够改善加工性能，同时也有利于复合隔热板的耐热性能的提升。
在上述复合隔热板中，作为一种优选实施方式，所述粘结剂为聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、聚酰胺蜡、聚偏四氟乙烯中的一种或多种。
在上述复合隔热板中，作为一种优选实施方式，所述复合隔热板的耐热温度≥1300℃，且在1300℃的条件下有效耐热时间≥30min；优选地，所述复合隔热板的密度为1.0g/㎝3-7.5g/㎝3(比如2g/㎝3、2.5g/㎝3、3g/㎝3、4g/㎝3、5g/㎝3、6g/㎝3)。
本发明第二方面提供一种上述复合隔热板的制备方法，包括：
步骤一、按照上述上隔热涂层、下隔热涂层中原料的质量百分比分别称取陶瓷粉末、加工辅助粉末、粘结剂，进行混合，得到混合粉末；
步骤二、将上述混合粉末进行球磨处理，得到预处理粉末；
步骤三、在成型模具中按照下隔热涂层、预氧丝毡、上隔热涂层进行层叠设置得到初坯，所述下隔热涂层、上隔热涂层由步骤二中的预处理粉末经铺粉形层得到；
步骤四、将上述初坯进行模压成型，得到复合隔热坯料；
步骤五、将上述复合隔热坯料进行打磨加工，得到复合隔热板成品。
在上述复合隔热板的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤二中，所述球磨处理中，球磨速度为50-5000r/min(比如100r/min、500r/min、1000r/min、2000r/min、4500r/min)；球磨时间为5-300min(比如20min、50min、100min、200min、280min)；优选地，所述球磨处理在非金属球磨罐中进行。
在上述复合隔热板的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤三中，所述下隔热涂层、上隔热涂层厚度相同；优选地，所述下隔热涂层、上隔热涂层中化学成分相同(即采用同一预处理混合粉末经铺粉形层得到)。
在上述复合隔热板的制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤四中，所述模压成型为热压成型或电磁成型；优选地，在所述热压成型中，压力为3-20T(比如5T、8T、12T、15T、18T)，温度为120-400℃(比如150℃、200℃、250℃、300℃、350℃)，保温保压时间为20-600s(比如30s、50s、100s、300s、500s)；优选地，在所述电磁成型中，充电电压为2000-20000V(比如5000V、8000V、10000V、15000V、18000V)，放电电流为1000A-5000A(比如2000A、2500A、3000A、4000A、4500A)，放电时间为0.01-0.2s(比如0.05s、0.08A、0.1s、0.15s、0.17s)；优选地，所述电磁成型具体为：通过电磁成型设备驱动成型冲压模头，在模腔中压制成型。
本发明的模压成型优选为电磁成型，由于电磁脉冲能够提供更大的瞬时压力，进而将上述初坯在0.01-0.2s的时间内成型，进一步降低生产时间，提高生产效率。
本发明第三方面提供一种复合隔热板作为电池组中隔热防火材料的应用；优选地，所述复合隔热板作为锂离子电池组中隔热防火材料的应用。
本发明与现有技术相比具有如下有效效果：
(1)本发明的复合隔热板的耐热温度≥1300℃，且在1300℃的条件下有效耐温时间超过30min(含义为：对复合隔热板一侧进行加热后，当加热一侧温度达到1300℃时，另一侧温度不超过100℃的时间可以持续30min以上)。
(2)本发明的复合隔热板密度小、重量轻，能够减少电池包能量密度损失。
(3)本发明的制备方法具有生产效率高、生产成本低，同时获得的复合隔热板成品一致性好。
附图说明
图1为本发明实施例中复合隔热板的结构示意图；
附图标记说明为：1、上隔热涂层、2、隔热层；3、下隔热涂层；4、成型模具。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的复合隔热板及其制备方法进行说明。应理解，这些实施例仅用于解释本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
下述实施例中的试验方法中，如无特殊说明，均为常规方法，可按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。以下实施例中所述的原料均可从公开商业途径获得，以下实施例中使用的预氧丝毡是购买的，其密度为0.75g/㎝3。
参见图1，本发明的复合隔热板包括依次层叠设置的上隔热涂层1、隔热层2、下隔热涂层3，其中，隔热层2为预氧丝毡，厚度为0.1-0.4mm；上隔热涂层1和下隔热涂层3均是由包括陶瓷粉末30％-80％，加工辅助粉末10％-60％，粘结剂5％-15％的原料制得，上隔热涂层1的厚度为0.1-1.5mm；下隔热涂层3的厚度为0.1-1.5mm。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
实施例1一种复合隔热板的制备方法，包括：
步骤一、按照质量百分比，分别称取碳化硅陶瓷粉末60％(粒径为5～30μm)、聚四氟乙烯粉末30％(粒径为10～60μm)、聚乙烯蜡粘结剂10％，进行混合，得到混合粉末；
步骤二、将上述混合粉末装入非金属球磨罐中，抽真空后进行充分球磨，其中转速为300r/min，时间为5min，得到预处理粉末；
步骤三、在电磁成型模具中按照下隔热涂层、预氧丝毡、上隔热涂层进行层叠设置得到初坯，所述下隔热涂层、上隔热涂层由步骤二中的预处理粉末经铺粉形层得到，厚度均为0.2mm；预氧丝毡的厚度为0.25mm；
步骤四、将上述初坯进行电磁成型，通过电磁成型设备驱动成型冲压模头，在模腔中压制成型得到复合隔热坯料，其中，电磁成型中充电电压为8000V，放电电流为1000A；放电时间为0.05s；
步骤五、将上述复合隔热坯料进行打磨加工，得到复合隔热板成品，成品厚度为0.5mm。
实施例2一种复合隔热板的制备方法，包括：
步骤一、按照质量百分比，分别称取氮化铝陶瓷粉末80％(粒径为5～30μm)、聚四氟乙烯粉末10％(粒径为10～60μm)、聚丙烯蜡粘结剂10％，进行混合，得到混合粉末；
步骤二、将上述混合粉末装入非金属球磨罐中，抽真空后进行充分球磨，其中转速为600r/min，时间为80min，得到预处理粉末；
步骤三、在电磁成型模具中按照下隔热涂层、预氧丝毡、上隔热涂层进行层叠设置得到初坯，所述下隔热涂层、上隔热涂层由步骤二中的预处理粉末经铺粉形层得到，厚度均为0.2mm；预氧丝毡的厚度为0.25mm；
步骤四、将上述初坯进行电磁成型，通过电磁成型设备驱动成型冲压模头，在模腔中压制成型得到复合隔热坯料，其中，电磁成型中充电电压为10000V，放电电流为1500A；放电时间为0.08s；
步骤五、将上述复合隔热坯料进行打磨加工，得到复合隔热板成品，成品厚度为0.5mm。
实施例3一种复合隔热板的制备方法，包括：
步骤一、按照质量百分比，分别称取氧化锆陶瓷粉末40％(粒径为5～30μm)、聚四氟乙烯粉末50％(粒径为10～60μm)、聚酰胺蜡粘结剂10％，进行混合，得到混合粉末；
步骤二、将上述混合粉末装入非金属球磨罐中，抽真空后进行充分球磨，其中转速为500r/min，时间为70min，得到预处理粉末；
步骤三、在电磁成型模具中按照下隔热涂层、预氧丝毡、上隔热涂层进行层叠设置得到初坯，所述下隔热涂层、上隔热涂层由步骤二中的预处理粉末经铺粉形层得到，厚度均为0.2mm；预氧丝毡的厚度为0.25mm；
步骤四、将上述初坯进行电磁成型，通过电磁成型设备驱动成型冲压模头，在模腔中压制成型得到复合隔热坯料，其中，电磁成型中充电电压为15000V，放电电流为2500A；放电时间为0.11s；
步骤五、将上述复合隔热坯料进行打磨加工，得到复合隔热板成品，成品厚度为0.5mm。
实施例4
实施例4中上隔热涂层、下隔热涂层的铺粉厚度均为0.4mm，预氧丝毡的厚度为0.5mm，成品厚度为1.0mm，其余均与实施例1相同。
实施例5
实施例5中上隔热涂层、下隔热涂层的铺粉厚度均为0.6mm，预氧丝毡的厚度为0.8mm，成品厚度为1.5mm，其余均与实施例1相同。
实施例6
实施例6中上隔热涂层、下隔热涂层的铺粉厚度均为0.4mm，预氧丝毡的厚度为0.5mm，成品厚度为1.0mm，其余均与实施例2相同。
实施例7
实施例7中上隔热涂层、下隔热涂层的铺粉厚度均为0.6mm，预氧丝毡的厚度为0.8mm，成品厚度为1.5mm，其余均与实施例2相同。
实施例8
实施例8中上隔热涂层、下隔热涂层的铺粉厚度均为0.4mm，预氧丝毡的厚度为0.5mm，成品厚度为1.0mm，其余均与实施例3相同。
实施例9
实施例9中上隔热涂层、下隔热涂层的铺粉厚度均为0.6mm，预氧丝毡的厚度为0.8mm，成品厚度为1.5mm，其余均与实施例3相同。
对比例1一种复合隔热板，包括依次层叠设置的上层云母片、预氧丝毡、下层云母片，其中，上层云母片和下层云母片的厚度均为0.2mm，预氧丝毡的厚度为0.25mm，上层云母片与预氧丝毡之间、预氧丝毡与下层云母片之间均通过阻燃胶带进行粘结。
对比例2
对比例2的步骤一为：按照质量百分比，分别称取碳化硅陶瓷粉末15％(粒径为5～30μm)、聚四氟乙烯粉末75％(粒径为10～60μm)、聚乙烯蜡粘结剂10％，进行混合，得到混合粉末，其余均与实施例1相同。
对比例3
对比例3中的步骤一为：按照质量百分比，分别称取碳化硅陶瓷粉末85％(粒径为5～30μm)、聚四氟乙烯粉末5％(粒径为10～60μm)、聚乙烯蜡粘结剂10％，进行混合，得到混合粉末，其余均与实施例1相同。制备的复合隔热板易掉粉且容易产生裂纹、破粹，无法正常应用。
性能测试
将本发明实施例1-9以及对比例1-2制得的复合隔热板进行性能测试，其中，测试方法具体为首先将实施例1-9以及对比例1-2制得的复合隔热板切割成尺寸为200mm(长)*200mm(宽)的测试样，然后分别采用陶瓷坩埚钳夹具固定住测试样，在测试样的上、下隔热涂层两侧分别黏贴耐高温热电偶，之后对测试样的下隔热涂层采用加热喷枪持续加热，当下隔热涂层的加热温度达到一定固定值后，保持此加热温度一定时间后，读取测试样的上隔热涂层的温度，记录数据，具体的加热温度和保温时间以及测试结果参照表1。
表1为本发明实施例1-9以及对比例1-3制得的复合隔热板的性能测试结果
Figure BDA0003625692630000081
Figure BDA0003625692630000091
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种复合隔热板，其特征在于，包括：依次层叠设置的上隔热涂层、隔热层、下隔热涂层；按照质量百分比，所述上隔热涂层和下隔热涂层均包括：陶瓷粉末30％-80％，加工辅助粉末10％-60％，粘结剂5％-15％；所述陶瓷粉末为氮化硅、氮化铝、碳化硅、氧化锆、氧化铝中的一种或多种；所述加工辅助粉末为聚四氟乙烯；所述粘结剂为聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、聚酰胺蜡中的一种或多种；
所述隔热层为预氧丝毡；所述隔热层的厚度为0.1-0.4mm；所述上隔热涂层的厚度为0.1-1.5mm；所述下隔热涂层的厚度为0.1-1.5mm；
对复合隔热板一侧进行加热后，当加热一侧温度达到1300℃时，另一侧在30min内温度不超过100℃；
上述复合隔热板的制备方法，包括：
在成型模具中按照下隔热涂层、预氧丝毡、上隔热涂层进行层叠设置得到初坯；
将上述初坯进行模压成型，得到复合隔热坯料；
将上述复合隔热坯料进行打磨加工，得到复合隔热板成品；
所述模压成型为电磁成型。
2.根据权利要求1所述的复合隔热板，其特征在于，所述预氧丝毡的密度为0.3-1.2g/cm3。
3.根据权利要求1或2所述的复合隔热板，其特征在于，所述陶瓷粉末的粒径为5～30μm。
4.根据权利要求3所述的复合隔热板，其特征在于，所述加工辅助粉末为聚四氟乙烯，所述聚四氟乙烯的粒径为10～60μm。
5.根据权利要求1所述的复合隔热板，其特征在于，所述复合隔热板的密度为1.0g/cm3-7.5g/cm3。
6.一种复合隔热板的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一、按照如权利要求1-5中任一项所述的上隔热涂层、下隔热涂层中原料的质量百分比分别称取陶瓷粉末、加工辅助粉末、粘结剂，进行混合，得到混合粉末；
步骤二、将上述混合粉末进行球磨处理，得到预处理粉末；
步骤三、在成型模具中按照下隔热涂层、预氧丝毡、上隔热涂层进行层叠设置得到初坯，所述下隔热涂层、上隔热涂层由步骤二中的预处理粉末经铺粉形层得到；
步骤四、将上述初坯进行模压成型，得到复合隔热坯料；
步骤五、将上述复合隔热坯料进行打磨加工，得到复合隔热板成品。
7.根据权利要求6所述的复合隔热板的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述球磨处理中，球磨速度为50-5000r/min；球磨时间为5-300min。
8.根据权利要求7所述的复合隔热板的制备方法，其特征在于，所述球磨处理在非金属球磨罐中进行。
9.根据权利要求6所述的复合隔热板的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述下隔热涂层、上隔热涂层厚度相同。
10.根据权利要求9所述的复合隔热板的制备方法，其特征在于，所述下隔热涂层、上隔热涂层中化学成分相同。
11.根据权利要求6所述的复合隔热板的制备方法，其特征在于，在所述电磁成型中，充电电压为2000-20000V，放电电流为1000A-5000A，放电时间为0.01-0.2s。
12.根据权利要求11所述的复合隔热板的制备方法，其特征在于，所述电磁成型具体为：通过电磁成型设备驱动成型冲压模头，在模腔中压制成型。
13.一种如权利要求1-5中任一项所述的复合隔热板或者如权利要求6-12中任一项所述的制备方法制得的复合隔热板作为电池组中隔热防火材料的应用。
14.根据权利要求13所述的复合隔热板作为电池组中隔热防火材料的应用，其特征在于，所述复合隔热板作为锂离子电池组中隔热防火材料的应用。
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