CN115505089A - 一种隔热片及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔热片，包括单层的聚氨酯复合材料；所述聚氨酯复合材料包括聚醚多元醇、异氰酸酯、发泡剂、填充物、催化剂和阻燃剂，它们之间的质量比为(85‑125)：(40‑70)：(1‑10)：(1‑10)：(0.5‑5)：(1‑30)；发泡剂为水；催化剂包括二甲氨基乙基醚和一缩二丙醇中的至少一种；阻燃剂，包括甲基磷酸二甲酯和氢氧化镁中的至少一种；填充物包括二氧化硅、碳酸钙和硅灰石。本发明还公开了一种隔热片的应用，应用于方型电池、软包电池或圆型电池组成的电池模组和电池包中。本发明的隔热片只需使用单层的聚氨酯复合材料，即可以实现减小电池膨胀力的作用，又能够延缓热量传递，避免相邻电池发生热失控。

Description

一种隔热片及其应用
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种隔热片及其应用。
背景技术
目前，新能源车对动力电池的需求急剧增长，动力电池的使用寿命以及安全性显得尤为重要。电池模组或电池包中的电池的使用寿命，受膨胀力影响很大，电池在热失控后的热蔓延情况受导热系数影响。
现有技术方案中，为了减小电池的膨胀力，延长电池使用寿命，通常在电池模组或电池包中，在两个电池之间增加一种弹性材料，例如泡棉或硅酸铝纤维板等。为了提高安全性，延缓热失控电池给相邻电池传递热量，通常在两个电池之间增加隔热片。
为了综合提高电池的安全性和使用寿命，隔热片通常会使用由多层材料组成的弹性夹层。当隔热片使用由多层材料组成的弹性夹层时，存在的不足之处包括：一是通过使用多层材料，来实现减小电池膨胀力和在电池热失控后延缓热扩散的作用，并不是使用单层材料，占用了电池的能量利用空间，二是由多层材料组成的弹性夹层，实现减小电池膨胀力的作用有限。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种隔热片及其应用。
为此，本发明提供了一种隔热片，包括单层的聚氨酯复合材料；
所述聚氨酯复合材料，包括聚醚多元醇、异氰酸酯、发泡剂、填充物、催化剂和阻燃剂；
其中，发泡剂为水；
催化剂，包括二甲氨基乙基醚和一缩二丙醇中的至少一种；
阻燃剂，包括甲基磷酸二甲酯(DMMP)和氢氧化镁中的至少一种；
填充物，包括二氧化硅、碳酸钙和硅灰石；
聚醚多元醇、异氰酸酯、发泡剂、填充物、催化剂和阻燃剂之间的质量比为(85-125)：(40-70)：(1-10)：(1-10)：(0.5-5)：(1-30)。
优选地，填充物，具体包括二氧化硅玻璃微珠、碳酸钙微粉和硅灰石微粉。
优选地，二氧化硅玻璃微珠、碳酸钙微粉和硅灰石微粉的粒径范围，都为0.1-10微米。
优选地，隔热片包括的聚氨酯复合材料的导热系数的取值范围为0.01-0.05W/m/K。
优选地，隔热片的厚度范围为1-5mm。
优选地，所述隔热片包括的聚氨酯复合材料，具有0.1-1MPa的力学平台。
优选地，所述隔热片通过调整聚醚多元醇与异氰酸酯之间的质量比例，和/或调整所述填充物在原材料总质量中的占比，调整聚氨酯复合材料具有的力学平台大小，以匹配具有不同的膨胀力的不同种类电池，使其保持长使用寿命。
此外，本发明还提供了一种隔热片的应用，应用于方型电池、软包电池或圆型电池组成的电池模组和电池包中。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种隔热片及其应用，其设计科学，隔热片只需要使用单层的聚氨酯复合材料，即可以实现减小电池膨胀力的作用，又能够延缓热量传递，实现在电池热失控后延缓热扩散的作用，避免相邻电池发生热失控，具有重大的实践意义。
经过检验，本发明的隔热片具有一个较低的力学平台，适合应用在电池膨胀时提供呼吸空间，使电池的膨胀力保持在适宜范围内，该隔热片具有较小的导热系数，可以起隔热作用。
对于本发明提供的隔热片，当隔热片应用于电池模组或电池包中时，既能够延长电池使用寿命，又能够延缓电池在发生热失控时热量传递到相邻的电池中，避免相邻电池热失控发生。
附图说明
图1为本发明提供的一种隔热片的外观结构示意图，该隔热片只包含单层材料；
图2为多个电池与隔热片的位置关系示意图，顺序为电池、隔热片、电池和隔热片，以此类推；
图3为本发明提供的一种电池模组的结构示意图，该电池模组包括电池、隔热片和外壳，按照图2所示的位置关系排列组成；
图4为本发明的实施例1和实施例2的隔热片的力学性能曲线示意图；
图5为本发明的实施例1和实施例2的电池模组中的电池容量保持率以及对比例1和对比例2所在电池模组中的电池容量保持率的曲线示意图；
图6为本发明实施例1制取的隔热片放置在一种的电池模组中进行热蔓延测试时，热电偶的位置关系示意图；
图7为本发明实施例1的电池模组进行热蔓延测试的结果示意图；
图中，1、隔热片；2、电池；3、外壳。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明提供了一种隔热片，包括单层的聚氨酯复合材料；
所述聚氨酯复合材料，包括聚醚多元醇、异氰酸酯、发泡剂、填充物、催化剂和阻燃剂；
其中，发泡剂为水；
催化剂，包括二甲氨基乙基醚和一缩二丙醇中的至少一种；
阻燃剂，包括甲基磷酸二甲酯(DMMP)和氢氧化镁中的至少一种；
填充物，包括二氧化硅、碳酸钙和硅灰石；
聚醚多元醇、异氰酸酯、发泡剂、填充物、催化剂和阻燃剂之间的质量比为(85-125)：(40-70)：(1-10)：(1-10)：(0.5-5)：(1-30)。
在本发明中，具体实现上，当催化剂同时包括二甲氨基乙基醚和一缩二丙醇时，在催化剂中，二甲氨基乙基醚和一缩二丙醇分别所占的质量百分比可以灵活设置，只需要两者的质量百分比之和等于100％即可。
在本发明中，具体实现上，当阻燃剂同时包括甲基磷酸二甲酯(DMMP)和氢氧化镁时，在阻燃剂中，甲基磷酸二甲酯(DMMP)和氢氧化镁分别所占的质量百分比可以灵活设置，只需要两者的质量百分比之和等于100％即可。
在本发明中，具体实现上，填充物同时包括二氧化硅、碳酸钙和硅灰石，在填充物中，二氧化硅、碳酸钙和硅灰石分别所占的质量百分比可以灵活设置，只需要三者的质量百分比之和等于100％即可。
在本发明中，具体实现上，填充物，具体包括二氧化硅玻璃微珠、碳酸钙微粉和硅灰石微粉；
具体实现上，二氧化硅玻璃微珠、碳酸钙微粉和硅灰石微粉的粒径范围，都优选为0.1-10微米，此粒径范围内的微粒既不容易团聚，又能提高聚氨酯的压缩强度。
经过检验，本发明提供的隔热片，具有较低的力学平台，具有0.1-1MPa的力学平台(本发明中的聚氨酯是一种弹塑性材料，该材料在被挤压后先经历弹性变形，后经过塑性变形，其中的塑性变形阶段即力学平台)，能够改善软包或方形动力电池的膨胀，使得电池保持长寿命。
本发明提供的隔热片，具有很小的导热系数，能够延缓电池在发生热失控时热量传递到相邻电池中，避免相邻电池热失控发生。
经过检验，根据以上原料的重量份比例(即质量比例)制取的聚氨酯具有较低的导热系数，在0.01-0.05W/m/K范围内。
需要说明的是，本发明提供的隔热片具有一个力学平台，通过调整原材料的比例，可以调整力学平台的高低。具体来说，第一种情况是，只提高或降低聚醚多元醇与异氰酸酯之间的质量比例，可以提高或降低力学平台的大小；第二种情况是，只提高或降低填充物(包括二氧化硅玻璃微珠、碳酸钙微粉和灰石微粉)在原材料中的质量总占比，同样可以提高或降低力学平台的大小；第三种情况是，提高或降低聚醚多元醇与异氰酸酯之间的质量比例，同时提高或降低二氧化硅玻璃微珠、碳酸钙微粉和硅灰石微粉在原材料中的质量总占比，由于以上的两个原材料比例的调整，产生复合作用效果，可以较第一种或第二种情况的力学平台提高很多。根据以上原料的重量份比例(即质量比例)制取的聚氨酯复合材料的力学平台范围在0.05-1MPa。
综上所述，与现有技术相比较，本发明的技术优势在于：聚氨酯隔热片在电池模组中的应用。一是聚氨酯隔热片具有一个较低的力学平台，力学平台范围在0.05-1MPa，应用在电池模组中有好的使用效果；二是调整材料的比例，能够调整力学平台的大小，由于每种电池都拥有适合长寿命循环的膨胀力，调整原料比例制备的聚氨酯隔热片能够适应不同种类电池。
在本发明中，具体实现上，本发明提供的一种隔热片，其应用于方型电池、软包电池或圆型电池组成的电池模组和电池包中。该电池包，可以包括多个串并联的电池模组。
如图3所示，电池模组包括中空的外壳3；
外壳3内，设置有多个并列分布的电池2(方型电池)；
任意相邻的两个电池2之间，分别设置有一个如前面所述的隔热片1；
在本发明中，具体实现上，在电池模组中，每个隔热片1的厚度范围为1-5mm；
在本发明中，具体实现上，电池2可以是方型电池、软包电池或者圆型电池。
需要说明的是，本发明的隔热片，不局限应用于方型电池、软包电池和圆型电池的模组和电池包中。
在本发明中，需要说明的是，使用单层聚氨酯复合材料的隔热片的制备方法，为现有常规的方法，在此不再赘述。
需要说明的是，对于本发明，在电池模组中，使用的隔热片厚度范围在1-5mm内。该隔热片，具有使得电池膨胀力保持在适合电池呼吸的范围的特点，同时具有较小的导热系数，实现既能够延长电池使用寿命，又能够延缓电池在发生热失控时将热量传递到相邻的电池中，发挥避免相邻电池热失控发生的作用。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例来说明本发明的技术方案。
实施例1：按照重量份比例(即质量比例)，隔热片包括的单层聚氨酯复合材料中的各组分的质量配比分别为：聚醚多元醇95份，异氰酸酯55份，水2份，二氧化硅、碳酸钙和硅灰石共计0.5份，催化剂2份，阻燃剂10份。
实施例2：按照重量份比例(即质量比例)，隔热片包括的单层聚氨酯复合材料中的各组分的质量配比分别为：聚醚多元醇95，异氰酸酯55份，水2份，二氧化硅、碳酸钙和硅灰石共计1.5份，催化剂2份，阻燃剂10份。
实施例3：按照重量份比例(即质量比例)，隔热片包括的单层聚氨酯复合材料中的各组分的质量配比分别为：聚醚多元醇95份，异氰酸酯55份，水2份，二氧化硅、碳酸钙和硅灰石共计3.5份，催化剂2份，阻燃剂10份。
实施例4：按照重量份比例(即质量比例)，隔热片包括的单层聚氨酯复合材料中的各组分的质量配比分别为：聚醚多元醇100份，异氰酸酯50份，水2份，二氧化硅、碳酸钙和硅灰石共计0.5份，催化剂2份，阻燃剂10份。
实施例5：按照重量份比例(即质量比例)，隔热片包括的单层聚氨酯复合材料中的各组分的质量配比分别为：聚醚多元醇100份，异氰酸酯50份，水2份，二氧化硅、碳酸钙和硅灰石共计3.5份，催化剂2份，阻燃剂10份。
实施例6：按照重量份比例(即质量比例)，隔热片包括的单层聚氨酯复合材料中的各组分的质量配比分别为：聚醚多元醇100份，异氰酸酯50份，水2份，二氧化硅、碳酸钙和硅灰石共计5份，催化剂2份，阻燃剂10份。
实施例7：按照重量份比例(即质量比例)，隔热片包括的单层聚氨酯复合材料中的各组分的质量配比分别为：聚醚多元醇102份，异氰酸酯48份，水2份，二氧化硅、碳酸钙和硅灰石共计6份，催化剂2份，阻燃剂10份。
实施例8：按照重量份比例(即质量比例)，隔热片包括的单层聚氨酯复合材料中的各组分的质量配比分别为：聚醚多元醇112份，异氰酸酯45份，水2份，二氧化硅、碳酸钙和硅灰石共计8.5份，催化剂2份，阻燃剂10份。
测试了以上多个实施例合成的聚氨酯复合材料的性能，结果如下表1所示：
力学平台MPa 导热系数W/m/K
实施例1 0.051 0.031
实施例2 0.113 0.03
实施例3 0.205 0.033
实施例4 0.095 0.032
实施例5 0.298 0.031
实施例6 0.416 0.034
实施例7 0.529 0.036
实施例8 0.808 0.035
在实施例1-实施例8中的力学平台说明：通过调整原料的比例，能够达到调整力学平台(本发明中的聚氨酯是一种弹塑性材料，该材料在被挤压后先经历弹性变形，后经过塑性变形，其中的塑性变形阶段即力学平台)的目的，力学平台范围在0.05-1MPa。
对于上述实施例1-实施例8，分析说明如下：
一、对比1：实施例2和实施例3相比实施例1，分别增加了1份和3份二氧化硅、碳酸钙和硅灰石，测试结果发现力学平台由0.051MPa分别提高到0.113MPa和0.205MPa，说明提高二氧化硅、碳酸钙和硅灰石在原材料中的质量总占比，提高了力学平台，分别提高了0.062MPa和0.154MPa。
二、对比2：实施例4相比实施例1，聚醚多元醇与异氰酸酯的比例变大，由95：55提高到100：50，测试结果发现力学平台由0.051MPa提高到0.095MPa，说明提高聚醚多元醇与异氰酸酯之间的质量比例，提高了力学平台，提高了0.045MPa。
三、对比3：实施例5相比实施例1，聚醚多元醇与异氰酸酯的质量比例变大，由95：55提高到100：50，同时增加了3份二氧化硅、碳酸钙和硅灰石，测试结果发现力学平台由0.051MPa提高到0.298MPa，力学平台提高了0.247MPa。
对比3结合了对比1和对比2的情况，而对比1和对比2共提高力学平台0.199MPa(0.154MPa加上0.045MPa)，对比3的力学平台提高幅度，比对比1和对比2的力学平台提高幅度之和还要高0.048MPa(0.247MPa减去0.199MPa)。这是因为提高聚醚多元醇与异氰酸酯的质量比例和提高二氧化硅、碳酸钙和硅灰石在原材料中的质量总占比的复合作用，对于提高最终获得的聚氨酯复合材料的力学平台产生了更好的效果。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面通过具体的测试，来论证本发明的隔热片的技术性能。
一、在本发明中，测试隔热片在电池模组中对电池使用寿命的影响，具体说明如下：
将上述实施例1和实施例2制取的聚氨酯复合材料(具体采用单层聚氨酯复合材料)，以及对比例1的材料和对比例2的材料，分别应用在图3所示的一种电池模组中，分别测试电池循环寿命，对比例1的材料为现有的预氧丝气凝胶，对比例2为现有的碳纤维毡增强二氧化硅气凝胶，结果如图5所示。
经过检验，实施例1和实施例2所在电池模组中的电池，在容量保持率在80％的情况下，循环次数达到了2600次和2500次。
对比例1的预氧丝气凝胶所在电池模组中的电池，在容量保持率在80％的情况下，循环次数达到了1650次。
对比例2的碳纤维毡增强二氧化硅气凝胶所在模组的电池，在容量保持率在80％的情况下，循环次数达到了950次，循环次数这么低的原因是：碳纤维毡增强二氧化硅气凝胶的压缩强度超过了1MPa，高于适合电池长寿命循环的膨胀力舒适空间。
根据以上检验结果可知：实施例1和实施例2所在电池模组中的电池循环次数，大幅度好于对比例1和对比例2所在电池模组中的电池。
上述测试结果原理：由本发明的实施例1和实施例2制取的隔热片，是一种弹塑性材料，使用万能试验机给隔热片在厚度方向上做挤压测试，得出载荷和位移的曲线，如图4所示(图4中的横坐标为应变，是物体在受力方向发生的变形与物体原尺寸的比值。纵坐标为应力，是物体在单位面积上受到的力)，隔热片首先发生弹性变形，之后出现了力学平台，发生塑性变形。电池膨胀挤压隔热片，隔热片也挤压电池，隔热片处于塑性变形阶段时，隔热片对电池的反作用力基本保持不变，在相同变形的情况下，具有力学平台的隔热片相比没有平台的隔热片对电池的作用力更小，电池的膨胀力更小，电池处于适合长使用寿命的膨胀力区间，使用寿命更长。
在电池的膨胀力相同情况下，具有力学平台的隔热片相比没有平台的厚度更薄，节省电池能量利用空间。因此，隔热片的力学平台能够有效减小膨胀力，使膨胀力保持在适合电池长寿命循环的范围内，达到了延长电池使用寿命的作用。根据图5所示的本发明的实施例1和实施例2的电池模组中的电池容量保持率以及对比例1和对比例2所在电池模组中的电池容量保持率的测试结果，证明了该隔热片的作用效果。
需要说明的是，电池模组中的电池使用寿命，受膨胀力影响很大，每种电池都具有能够保持长寿命循环的适宜的膨胀力区间，实施例1-实施例6制取的聚氨酯具有不同的力学平台范围，不同的力学平台可以适应不同的电池膨胀，即此聚氨酯隔热片可以应用在任何电池中，都能起到很好的效果。
二、在本发明中，测试隔热片在电池模组中的隔热效果，具体说明如下：
将实施例1制取的隔热片置于如图6的电池模组中，1#、2#、3#和4#代表四个热电偶位置，用于测试电池温度，1#处同时放置加热片加热电池，造成电池发生热失控，测试观察相邻电池是否发生热失控。如图7所示，1#、2#、3#和4#处的最高温度分别达到了619℃、483℃、250℃和71℃，4个测试温度证明：左侧的电池2发生了热失控，右侧的电池2未发生热失控，原因是由于隔热片1具有很小的导热系数，延缓了左侧的电池2的热量传递给右侧的电池2，延缓了热蔓延，避免了右侧的电池2热失控的发生，因此，证明隔热片1具有很好的隔热效果。
本发明的隔热片1除了能够延长电池使用寿命和隔热的作用以外，还具有容易制取、低成本和性价比高等特点。
如图3所示，电池2和隔热片1按图2所示顺序排列，组成电池模组，隔热片1拥有上述全部特征。电池模组由电池、隔热片和外壳组成，至少包含有两个以上电池。
与现有技术相比较，本发明提供的一种隔热片及其应用，具有以下的显著技术效果：
1、，本发明提供的隔热片，具有较低的力学平台，具有0.1-1MPa的力学平台，能够改善软包或方形动力电池的膨胀，使得电池保持长寿命。
2、本发明提供的隔热片，具有很小的导热系数，能够延缓电池在发生热失控时热量传递到相邻电池中，避免相邻电池热失控发生。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种隔热片及其应用，其设计科学，隔热片只需要使用单层的聚氨酯复合材料，即可以实现减小电池膨胀力的作用，又能够延缓热量传递，实现在电池热失控后延缓热扩散的作用，避免相邻电池发生热失控，具有重大的实践意义。
经过检验，本发明的隔热片具有一个较低的力学平台，适合应用在电池膨胀时提供呼吸空间，使电池的膨胀力保持在适宜范围内，该隔热片具有较小的导热系数，可以起隔热作用。
对于本发明提供的隔热片，当隔热片应用于电池模组或电池包中时，既能够延长电池使用寿命，又能够延缓电池在发生热失控时热量传递到相邻的电池中，避免相邻电池热失控发生。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种隔热片，其特征在于，包括单层的聚氨酯复合材料；
所述聚氨酯复合材料，包括聚醚多元醇、异氰酸酯、发泡剂、填充物、催化剂和阻燃剂；
其中，发泡剂为水；
催化剂，包括二甲氨基乙基醚和一缩二丙醇中的至少一种；
阻燃剂，包括甲基磷酸二甲酯DMMP和氢氧化镁中的至少一种；
填充物，包括二氧化硅、碳酸钙和硅灰石；
聚醚多元醇、异氰酸酯、发泡剂、填充物、催化剂和阻燃剂之间的质量比为(85-125)：(40-70)：(1-10)：(1-10)：(0.5-5)：(1-30)。
2.如权利要求1所述的隔热片，其特征在于，填充物，具体包括二氧化硅玻璃微珠、碳酸钙微粉和硅灰石微粉。
3.如权利要求2所述的隔热片，其特征在于，二氧化硅玻璃微珠、碳酸钙微粉和硅灰石微粉的粒径范围，都为0.1-10微米。
4.如权利要求1所述的隔热片，其特征在于，隔热片包括的聚氨酯复合材料的导热系数的取值范围为0.01-0.05W/m/K。
5.如权利要求1所述的隔热片，其特征在于，隔热片的厚度范围为1-5mm。
6.如权利要求1所述的隔热片，其特征在于，所述隔热片包括的聚氨酯复合材料，具有0.1-1MPa的力学平台。
7.如权利要求1所述的隔热片，其特征在于，所述隔热片通过调整聚醚多元醇与异氰酸酯之间的质量比例，和/或调整所述填充物在原材料总质量中的占比，调整聚氨酯复合材料具有的力学平台大小，以匹配具有不同的膨胀力的不同种类电池，使其保持长使用寿命。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的隔热片的应用，其特征在于，应用于方型电池、软包电池或圆型电池组成的电池模组和电池包中。
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