CN115799738A - 用于具有改进的热性能的电池组外壳的杂化复合材料系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电池组的杂化材料外壳以减轻或最小化热失控传播。所述外壳包括复合结构，其容纳电池组并任选包括选自环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、乙烯基酯及其组合的聚合物基质和选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺KEVLAR®纤维及其组合的增强材料。沿复合结构的外表面设置金属层，其包括铝、钢、不锈钢、合金及其组合。在第一模式下，所述金属层接触复合结构，并且在第二模式下在暴露于大于或等于约500℃的热负荷之后，所述金属层至少部分地从外表面层离并形成绝缘气隙以限定热障。还提供了形成所述杂化材料外壳的方法。

Description

用于具有改进的热性能的电池组外壳的杂化复合材料系统
技术领域
本发明涉及用于具有改进的热性能的电池组外壳的杂化复合材料系统。
背景技术
该部分提供与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。
本公开涉及用于电化学电池/电池组的外壳或盖，其提供热障（thermal barrier）以减少或最小化热失控传播事件。
需要高级储能设备和系统以满足各种产品，包括汽车产品，如启停系统（例如12V启停系统）、电池辅助系统、混合动力车辆（“HEV”）和电动车辆（“EV”）的能量和/或动力要求。锂离子电化学或电池组通常包括多个电池，它们可在堆叠体中电连接以提高总输出。特别地，电池组电池可包括交替的正电极和负电极以及设置在其间的隔离件以限定堆叠体。这些电池组电池因此形成电池组模块。可将模块组装成电池组包（battery pack），该电池组包被设置在箱体或电池组外壳或盖中。
为了减轻重量和提高重量效率，电池组外壳或盖可由增强复合材料而非金属形成。但是，在热失控传播（TRP）事件的过程中，如果外壳具有热障或自熄行为以避免该增强复合材料的燃烧，这将是有利的。
发明内容
该部分提供本公开的一般概述，并且不是其完整范围或其所有特征的全面公开。
本公开涉及一种用于减轻或最小化热失控传播的电池组包的杂化材料外壳。在某些方面，所述外壳包括限定内表面和外表面的复合结构。所述复合结构包括聚合物基质和分布在其中的增强材料，且所述复合结构具有第一热膨胀系数。所述杂化材料外壳还包括沿复合结构的外表面设置的金属层。在第一工作模式下，所述金属层接触复合结构。在第二工作模式下，在暴露于大于或等于约500℃的热负荷之后，所述金属层至少部分地从外表面层离并形成绝缘气隙以限定热障。
在一个方面，所述金属层包括选自以下的材料：钢、不锈钢、铝、合金及其组合。
在一个方面，所述金属层具有大于或等于约0.02 mm至小于或等于约0.5 mm的厚度。所述复合结构具有大于或等于约1.5 mm至小于或等于约4 mm的厚度。
在一个方面，聚合物基质选自：环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、乙烯基酯及其组合，且增强材料选自：玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维及其组合。
在一个方面，增强材料以大于或等于约25体积%至小于或等于约70体积%存在于复合结构中，且聚合物基质以大于或等于约30体积%至小于或等于约75体积%存在于复合结构中。
在一个方面，所述复合结构进一步包括：(i) 分布在聚合物基质内的至少一种热障材料，(ii) 至少一个包括分布在其中的热障材料的表面层，或(i)和(ii)。
在一个进一步方面，至少一种热障材料选自：膨胀石墨、多磷酸铵（APP）、三水合氧化铝（ATH）及其组合。
在一个进一步方面，所述复合结构包括(i) 分布在聚合物基质内的至少一种热障材料。至少一种热障材料以复合结构的大于或等于约3重量%至小于或等于约30重量%存在。
在一个方面，所述金属层包括包含热障材料的涂层。
在一个进一步方面，所述涂层包括膨胀石墨。
在一个方面，所述杂化材料外壳进一步包括设置在复合结构的外表面与金属层之间的胶粘剂。所述胶粘剂具有在高于约200℃的温度下的大于或等于约2%至小于或等于约20%的延性值。
在一个方面，所述杂化材料外壳进一步包括设置在复合结构的外表面与金属层之间的胶粘剂。
在一个进一步方面，所述胶粘剂包括膨胀石墨。
本公开还涉及一种用于减轻或最小化热失控传播的电池组包的杂化材料外壳。所述杂化材料外壳包括限定内表面和外表面的复合结构。所述复合结构包含选自环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、乙烯基酯及其组合的聚合物基质和分布在聚合物基质中的选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维及其组合的增强材料。所述杂化材料外壳还包括沿复合结构的外表面设置的金属层。所述金属层选自：铝、钢、不锈钢、合金及其组合。在第一工作模式下，所述金属层接触复合结构。在第二工作模式下，在暴露于大于或等于约500℃的热负荷之后，所述金属层至少部分地从外表面层离并形成绝缘气隙以限定热障。此外，在第二工作模式下，所述复合结构保持完好地不含任何开孔。
在一个方面，所述复合结构进一步包含：(i) 分布在聚合物基质内的至少一种热障材料，(ii) 至少一个包含分布在其中的热障材料的表面层，或(i)和(ii)。
在一个进一步方面，所述至少一种热障材料选自：膨胀石墨、多磷酸铵（APP）、三水合氧化铝（ATH）及其组合。
在一个方面，所述复合结构包含(i) 分布在聚合物基质内的至少一种热障材料。所述至少一种热障材料以复合结构的大于或等于约3重量%至小于或等于约30重量%存在。
在一个方面，所述金属层包括包含膨胀石墨的涂层。
在一个方面，所述杂化材料外壳进一步包括设置在复合结构的外表面与金属层之间的胶粘剂。所述胶粘剂(i)具有在高于约200℃的温度下大于或等于约2%至小于或等于约20%的延性值。
本公开进一步涉及一种形成用于减轻或最小化热失控传播的电池组的杂化材料外壳的方法。所述方法包括将金属层设置到模具的腔中。所述方法还包括将增强材料和聚合物或聚合物前体毗邻金属层设置到模具的腔中。将聚合物或前体固化以形成包含具有设置在其中的增强材料的聚合物基质的复合材料。打开模具以取出电池组包的杂化材料外壳，其包括由复合材料形成的复合结构并具有与之毗邻地一体成型的金属层。
在一个方面，在设置增强材料之后，所述方法进一步包括以下中的至少一种：加热模具和向模具施加压力以进行压缩。
本发明公开了以下方案：
方案1. 一种用于减轻或最小化热失控传播的电池组包的杂化材料外壳，所述外壳包括：
限定内表面和外表面的复合结构，其中所述复合结构包含聚合物基质和分布在其中的增强材料，且所述复合结构具有第一热膨胀系数；和
沿所述复合结构的外表面设置的金属层，其中在第一工作模式下所述金属层接触所述复合结构，并且在第二工作模式下在暴露于大于或等于约500℃的热负荷之后，所述金属层至少部分地从所述外表面层离并形成绝缘气隙以限定热障。
方案2. 根据方案1所述的杂化材料外壳，其中所述金属层包含选自以下的材料：钢、不锈钢、铝、合金及其组合。
方案3. 根据方案1所述的杂化材料外壳，其中所述金属层具有大于或等于约0.02mm至小于或等于约0.5 mm的厚度，而所述复合结构具有大于或等于约1.5 mm至小于或等于约4 mm的厚度。
方案4. 根据方案1所述的杂化材料外壳，其中所述聚合物基质选自：环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、乙烯基酯及其组合，且所述增强材料选自：玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维及其组合。
方案5. 根据方案1所述的杂化材料外壳，其中所述增强材料以大于或等于约25体积%至小于或等于约70体积%存在于所述复合结构中，且所述聚合物基质以大于或等于约30体积%至小于或等于约75体积%存在于所述复合结构中。
方案6. 根据方案1所述的杂化材料外壳，其中所述复合结构进一步包含：(i) 分布在所述聚合物基质内的至少一种热障材料，(ii) 至少一个包含分布在其中的热障材料的表面层，或(i)和(ii)。
方案7. 根据方案6所述的杂化材料外壳，其中所述至少一种热障材料选自：膨胀石墨、多磷酸铵（APP）、三水合氧化铝（ATH）及其组合。
方案8. 根据方案6所述的杂化材料外壳，其中所述复合结构包含(i) 分布在所述聚合物基质内的至少一种热障材料，其中所述至少一种热障材料以所述复合结构的大于或等于约3重量%至小于或等于约30重量%存在。
方案9. 根据方案1所述的杂化材料外壳，其中所述金属层包括包含热障材料的涂层。
方案10. 根据方案9所述的杂化材料外壳，其中所述涂层包含膨胀石墨。
方案11. 根据方案1所述的杂化材料外壳，其进一步包括设置在所述复合结构的外表面与所述金属层之间的胶粘剂，其中所述胶粘剂具有在高于约200℃的温度下的大于或等于约2%至小于或等于约20%的延性值。
方案12. 根据方案1所述的杂化材料外壳，其进一步包括设置在所述复合结构的外表面与所述金属层之间的胶粘剂，其中所述胶粘剂包含膨胀石墨。
方案13. 一种用于减轻或最小化热失控传播的电池组包的杂化材料外壳，所述外壳包括：
限定内表面和外表面的复合结构，其中所述复合结构包含选自环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、乙烯基酯及其组合的聚合物基质和分布在所述聚合物基质中的选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维及其组合的增强材料；和
沿所述复合结构的外表面设置的金属层，其中所述金属层选自：铝、钢、不锈钢、合金及其组合，其中在第一工作模式下所述金属层接触所述复合结构，并且在第二工作模式下在暴露于大于或等于约500℃的热负荷之后，所述金属层至少部分地从所述外表面层离并形成绝缘气隙以限定热障，并且所述复合结构保持完好地不含任何开孔。
方案14. 根据方案13所述的杂化材料外壳，其中所述复合结构进一步包含：(i)分布在所述聚合物基质内的至少一种热障材料，(ii) 至少一个包含分布在其中的热障材料的表面层，或(i)和(ii)。
方案15. 根据方案14所述的杂化材料外壳，其中所述至少一种热障材料选自：膨胀石墨、多磷酸铵（APP）、三水合氧化铝（ATH）及其组合。
方案16. 根据方案13所述的杂化材料外壳，其中所述复合结构包含(i) 分布在所述聚合物基质内的至少一种热障材料，其中所述至少一种热障材料以所述复合结构的大于或等于约3重量%至小于或等于约30重量%存在。
方案17. 根据方案13所述的杂化材料外壳，其中所述金属层包括包含膨胀石墨的涂层。
方案18. 根据方案13所述的杂化材料外壳，其进一步包括设置在所述复合结构的外表面与所述金属层之间的胶粘剂，其中所述胶粘剂(i)具有在高于约200℃的温度下的大于或等于约2%至小于或等于约20%的延性值。
方案19. 一种形成用于减轻或最小化热失控传播的电池组的杂化材料外壳的方法，所述方法包括：
将金属层设置到模具的腔中；
将增强材料和聚合物或聚合物前体毗邻所述金属层设置到所述模具的腔中；
将所述聚合物或聚合物前体固化以形成包含具有设置在其中的增强材料的聚合物基质的复合材料；和
打开所述模具以取出用于电池组包的杂化材料外壳，其包括由所述复合材料形成的复合结构并具有与之毗邻的一体成型的金属层。
方案20. 根据方案19所述的方法，其中在设置所述增强材料之后，所述方法进一步包括以下中的至少一种：加热所述模具和向所述模具施加压力以进行压缩。
进一步的适用领域从本文中提供的描述中将变得显而易见。该发明内容中的描述和具体实例仅意在举例说明而无意限制本公开的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅用于举例说明所选实施方案而非所有可能的实施方案，并且无意限制本公开的范围。
图1是具有设置在其中的含各种组件的电池组的复合电池组盖或外壳的一个实例的透视图。
图2A-2B显示根据本公开的某些方面制备的具有复合结构和金属层的用于减轻或最小化热失控传播的电池组的杂化材料外壳在图2A中的第一工作模式下和在图2B中的第二工作模式下的透视图，其中金属层在选定区域中从复合结构层离以形成热障。
图3显示根据本公开的某些方面制备的具有复合结构和金属层的用于减轻或最小化热失控传播的电池组的杂化材料外壳在第一工作模式下的侧面剖视图，然后暴露于试验火炬火焰形式的热源以转变成第二工作模式，其中金属层在选定区域中从复合结构层离以形成热障。
图4显示根据本公开的某些方面的用于减轻或最小化热失控传播的电池组的杂化材料外壳的又一个变型的侧面剖视图，其中将具有热障材料的涂层设置在金属层上以与复合结构交界。
遍及附图的几个视图，相应的附图标记都是指相应的部件。
具体实施方式
提供示例性实施方案从而使得本公开将为完全的，并使本公开将向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多具体细节，例如具体组合物、组件、装置和方法的实例，以提供对本公开的实施方案的充分理解。对本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方案可以以许多不同的形式表现，并且它们都不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构和公知的技术。
本文中所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案，并且无意作为限制。除非上下文清楚地另行指明，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”可旨在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“涵盖”和“具有”是可兼的，并且因此指定了所述特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或加入。尽管开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求保护本文中所述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面，该术语或可被理解成替代性地为更具限制性和局限性的术语，如“由……组成”或“基本由……组成”。由此，对叙述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤的任意给定实施方案，本公开还具体包括由或基本由此类所叙述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤组成的实施方案。在“由……组成”的情况下，替代实施方案排除任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤，而在“基本由……组成”的情况下，从此类实施方案中排除了实质上影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤，但是不在实质上影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤可以包括在实施方案中。
本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应解释为必定要求它们以所论述或举例说明的特定次序执行，除非明确确定为执行次序。还要理解的是，除非另行说明，可采用附加或替代的步骤。
当组件、元件或层被提到在另一元件或层“上”，“啮合”、“连接”或“耦合”到另一元件或层上时，其可直接在另一组件、元件或层上，啮合、连接或耦合到另一组件、元件或层上，或可存在居间元件或层。相较之下，当元件被提到“直接在另一元件或层上”，“直接啮合”、“直接连接”或“直接耦合”到另一元件或层上时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应以类似方式解释(例如“在…之间”相对“直接在…之间”，“毗邻”相对“直接毗邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关罗列项的任何和所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种步骤、元件、组件、区域、层和/或区段，但除非另行说明，这些步骤、元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。这些术语可仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或区段与另一步骤、元件、组件、区域、层或区段进行区分。除非上下文清楚表明，术语如“第一”、“第二”和其它数值术语在本文中使用时并不暗示次序或顺序。因此，下文论述的第一步骤、元件、组件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、元件、组件、区域、层或区段而不背离示例性实施方案的教导。
为了易于描述，在本文中可使用空间或时间上相对的术语，如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等描述如附图中所示的一个元件或特征与其它(一个或多个)元件或(一个或多个)特征的关系。除了在附图中所示的取向之外，空间或时间上的相对术语可旨在涵盖装置或系统在使用或操作中的不同取向。
遍及本公开，数值代表近似测量值或范围界限以涵盖与给定值的轻微偏差和大致具有所提及值的实施方案以及确切具有所提及值的实施方案。除了在详细描述最后提供的工作实例中之外，本说明书(包括所附权利要求)中的(例如量或条件)参数的所有数值应被理解为在所有情况中被术语“约”修饰，无论在该数值前是否实际出现“约”。“约”是指所述数值允许一定的轻微不精确(在一定程度上接近该值的精确值；大致或合理地近似该值；几乎是)。如果在本领域中不以这种普通含义另行理解由“约”提供的不精确性，那么本文所用的“约”是指可由测量和使用此类参数的普通方法造成的至少偏差。例如，“约”可包括小于或等于5%、任选小于或等于4%、任选小于或等于3%、任选小于或等于2%、任选小于或等于1%、任选小于或等于0.5%，和在某些方面任选小于或等于0.1%的偏差。
此外，范围的公开包括对在整个范围内的所有值和进一步细分范围的公开，包括对该范围所给出的端点和子范围的公开。
现在将参照附图更全面地描述示例性实施方案。
在各种方面，本公开提供用于减轻或最小化热失控传播的电池组的外壳或箱体。外壳通常被理解为是刚性的物理结构并容纳多个电化学电池以在电池组包中形成多个模块。外壳保护电池组包和任何其它内部组件免受外部环境，包括外力的影响。外壳也可能被称为盖或箱体。值得注意的是，本文描述的构思可用于形成将其它子组件包封在电池组内的其它保护结构。
图1显示锂离子电池组的电池组外壳20的一个非限制性实例。该外壳具有外表面22和面向内部隔室26的内表面24。外壳20可以是分立组件或部件的组装件，以将它们连接在一起来限定包封内部组件的保护结构，例如下托盖（lower tray cover）28和电池组包上盖（upper battery pack cover）30。本技术设想了至少电池组包上盖30由杂化材料形成，如下文进一步描述的。
将电池组包32设置在内部隔室26中，其包括一个或多个电池组模块34（为了图解说明，在图1中仅显示单个模块，但如本领域技术人员所认识，在电池组包32内实际上可存在多个模块）。各个电池组模块34通常包括多个电池组电池36（它们可提供在堆或块的子组装件中），它们可设置在各个电池组模块34中的框架或其它结构中以抵抗外力或热。可选择任何数量的电池、块（block）和/或电池组模块并连接到正极或负极源端子上。电池、块和电池组模块可连接：串联和/或并联；以不同的连接配置；并且可被组织成块、包（packs）和/或组（groups）。电池组电池36和（一个或多个）模块34可通过电池管理系统（BMS - 未显示在图1中）连接和控制，该系统有助于控制和管理电池组运行的各个方面，包括功率输出、电压、电流、温度、SOX等。电池组外壳20因此可包封电池组包32，进而包括一个或多个电池组模块34、BMS和任选的冷却系统（未显示）。这些与任何其它电气导管或常规组件，如母线、电路和用于外部连接到负载和电源的端子部分一起包含在电池组外壳20的内部隔室26中。
在各种方面，本公开包括用于减轻或最小化热失控传播（TRP）的电池组的外壳，热失控传播可能是不受控的高温热事件，包括火灾（conflagration）或着火。如本文所提及的，这样的TRP事件可能由过度并超出正常工作温度范围的热负荷引起。例如，如果在电池组内出现短路，可能导致TRP。例如，热失控传播事件中的热源或火焰源可能超过约500℃、任选约600℃、任选约700℃、任选约800℃、任选约900℃、任选约1,000℃、任选约1,100℃，且任选可超过约1,200℃的温度。热源或火焰源可来源于电池组外壳或模块的内部隔室。该外壳包括由包含聚合物基质和分布在其中的增强材料（例如多个粒子或纤维）的聚合物复合材料形成的复合结构。该复合材料因此可具有分散在聚合物基质中的纤维或粒子形式的增强材料或填充材料。
聚合物基质可由任何种类的合适前体或树脂形成。例如，热固性树脂由液态前体固化以形成聚合物。对于热塑性聚合物基质材料，聚合物熔化成液态或溶解在溶剂中以形成溶液，然后加入纤维以形成复合材料。作为非限制性实例，在某些变型中，聚合物基质前体可包括：环氧树脂（其中羟基，如双酚A和双酚B，与表氯醇反应）、酚醛树脂（酚醛树脂可通过酚或取代酚与甲醛的反应形成）、聚酯、乙烯基酯及其组合。
用于聚合物复合材料的增强纤维的合适的非限制性实例包括碳纤维、玻璃纤维（例如玻璃纤维或石英纤维）、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维，如可作为KEVLARTM纤维商购自DuPont的芳纶或对位芳纶纤维，及其组合。该纤维可以是在树脂基质内连续或随机分布的单纤维，或提供为具有互连或接触纤维的纤维垫或织物。合适的纤维可包括短切纤维或连续纤维。在某些方面，纤维可以是相对短长度纤维（具有≥ 约0.1 mm至≤ 约10 mm的长度）、相对长长度纤维（具有≥ 约10 mm至≤ 约100 mm的长度）或连续纤维（具有≥ 约100mm的长度），并可包括它们的任何组合。长长度纤维可提供可塑性/生产率/机械性能的良好平衡。
纤维在聚合物复合材料内可以是无规定向方式，例如基本二维无规定向或特定方向定向方式（例如各向异性）。在某些变型中，可使用具有高度平面取向或单向取向的纤维或其组合的纤维垫。或者，可使用无规纤维垫。
在某些方面，在聚合物复合材料中可使用连续或不连续的玻璃纤维。在另一方面，在聚合物复合材料中可使用连续或不连续的碳纤维，其可具有大于或等于约4,000 MPa至小于或等于约5,000 MPa的屈服强度。
增强材料（例如纤维）可以以大于或等于约25体积%至小于或等于约70体积%、任选大于或等于约35体积%至小于或等于约60体积%存在于聚合物复合材料中，其中聚合物基质可以以大于或等于约30体积%至小于或等于约75体积%、任选约大于或等于约40体积%至小于或等于约70体积%存在。在某些方面，增强材料可均匀分布在聚合物基质内。
纤维增强的复合材料可进一步包含其它常规成分，包括其它增强材料、功能填料或添加剂，如有机/无机填料、阻燃剂、抗紫外辐射剂（紫外线稳定剂）、抗氧化剂、着色剂或颜料，如炭黑粉末、脱模剂、软化剂、增塑剂、表面活性剂等。
在一个变型中，该复合材料包含具有玻璃和/或碳纤维作为分布在其中的增强材料的环氧树脂。在另一个变型中，该复合材料包含具有玻璃和/或碳纤维作为分布在其中的增强材料的酚醛树脂。酚醛树脂表现出高耐热性和低可燃性，这在根据本公开的某些方面用作热障在复合材料中使用时是有利的。但是，在没有本教导所设想的一些修改的情况下，单独使用酚醛树脂增强的复合材料在某些条件下可能不足以耐受复合材料烧穿。
在某些其它变型中，该增强件（reinforcement）可以是这种片状模塑料（SMC），其通常包含玻璃纤维增强的热固性聚合物组合物。在某些方面，该复合材料可以是具有被酚醛树脂浸渗的多个纤维的片状模塑料（SMC）。
在其它方面，该聚合物复合结构可由美国专利号9,650,003、9,592,853和美国公开号2015/0108793中公开的任何纤维增强复合材料组成，它们各自分别通过引用以其整体并入本文。
根据本公开的某些方面，除了包含上述增强材料以为复合材料提供机械强度之外，该复合材料还可包含一种或多种增强热障性能的热障材料，如膨胀材料或阻燃材料。膨胀材料通常是在暴露于高温，如火焰时溶胀或体积增加的那些材料，其有助于阻止或减少穿过其中的热传播。例如，通过体积增加，膨胀材料可阻断火焰传播所需的氧气流。在某些变型中，合适的膨胀材料可以是可膨胀石墨。在另一变型中，在该复合材料中可包含阻燃材料，其类似地有助于减缓或抑制火和火焰的蔓延。合适的阻燃材料包括多磷酸铵（APP）、三水合氧化铝（ATH）及其组合。因此，在某些方面，该聚合物材料包含选自可膨胀石墨、多磷酸铵（APP）、三水合氧化铝（ATH）及其组合的热障材料。可将热障材料以大于或等于约3%重量体积分数至小于或等于约30%重量体积分数、任选大于或等于约3%重量体积分数至小于或等于约20%重量体积分数的量混入聚合物复合材料中。在这种情况下，当加入热障材料时，将相应地减少增强纤维的重量体积分数。因此，树脂的体积分数保持在先前规定的水平下，例如大于或等于约30%至小于或等于约75%。
在其它变型中，热障材料可作为涂层施加到包含复合材料的复合结构的一个或多个表面上。例如，可将热障材料，如膨胀材料与粘合剂混合，并作为层施加在复合材料的表面上以限定膨胀涂层。合适的粘合剂可包括热塑性粘合剂，如聚酯，或热固性粘合剂，如环氧树脂。
在某些方面，本公开设想了作为具有不同热膨胀系数的不同材料的组装件的电池组外壳，如图2A-2B和3中所示的那些。以这种方式，如本文将进一步描述的，该组装件在电池热失控传播（TRP）事件的过程中造成不同材料之间（例如复合结构和金属表面之间）的策略性分离和/或层离并由此在界面处产生阻燃热障，从而有效降低金属板或层的背面上的温度。
例如，图2A和3中的组装件100包括复合结构110，其限定面向电池组的内部隔室（图1中所示的内部隔室26）的向内第一表面112和向外第二表面114。在TRP事件中，热源可在电池组包出现中并因此来源于内部隔室。在组装件100中，复合结构110因此将与热源直接接触。该复合结构可由如上所述的复合材料形成，其包括聚合物基质和分布在其中的增强材料。该复合结构具有第一热膨胀系数。在某些方面，该复合结构的第一热膨胀系数(CTE)/第一线性热膨胀系数(CLTE)可在纤维方向上（当对齐纤维时）为大于0至小于或等于10 x 10-6和在横向方向上为约30 x 10-6至50 x 10-6。通常，复合材料中的热膨胀系数取决于方向，其中在平行于纤维取向的方向上较低，而在正交于或垂直于纤维取向的那些方向上较高。
该复合层的厚度可以为大于或等于约1.5 mm至小于或等于约4 mm。例如，玻璃或碳纤维环氧复合材料可具有大于或等于约1.5 mm至小于或等于约4 mm的厚度。具有玻璃或碳纤维和酚醛树脂的片状模塑料可具有大于或等于约2.5 mm至小于或等于约4 mm的厚度。
组装件100还包括沿复合结构110的向外第二表面114设置的金属层120（且因此在与外壳的内部隔室相反的暴露侧面上），其中金属层120具有不同于第一热膨胀系数(CLTE)的第二热膨胀系数(CTE)/线性热膨胀系数(CLTE)。通常，金属材料在CLTE方面是基本各向同性的。根据本教导，使复合结构和金属层的各个组分之间的CLTE差异最大化，使得在两个正交方向上测得的金属和复合材料的线性热膨胀系数产生战略性层离。
例如，可将金属的第二CLTE相对于复合结构的最高CLTE并列并与其进行比较以具有CLTE的最大差异。例如，CLTE差异（Δα）可在特定方向上通过以下方程计算：Δα = (αmi -αci)，其中α是在预定方向上的CLTE，i是1、2；m是金属，且c是复合材料。在某些方面，金属层可包含铝、钢、不锈钢和它们的任何合金或组合层。铝的第二线性热膨胀系数(CLTE)为2.1x 10-6至2.4 x 10-6。钢的CLTE为1.1 x 10-6至1.3 x 10-6。以这种方式，在本技术的各种方面，在两个正交方向上测得的金属和复合材料的各个组分的热膨胀系数之间的最大差异有助于产生战略性层离。
金属层可以是箔或薄层。金属层的厚度可以为大于或等于约0.02 mm至小于或等于约0.5 mm。例如，铝层可具有大于或等于约0.1 mm至小于或等于约0.5 mm的厚度。钢层可具有大于或等于约0.02 mm至小于或等于约0.1 mm的厚度。
可将金属板120粘合到复合结构110的向外第二表面114上或与复合结构110一体成型。在某些方面，尽管在图3中没有显示，但胶粘剂可用于将复合结构110的向外第二表面114粘合到金属层120。在某些变型中，胶粘剂具有高温下的低延性，例如在高于约200℃的温度下具有约2%至约20%的延性值。胶粘剂可含有一种或多种膨胀材料，例如如上文讨论的膨胀石墨，其在暴露于过度热负荷时体积可增加。以这种方式，胶粘剂在热事件的过程中促进合意的层离量。在某些方面，胶粘剂可以是环氧树脂胶粘剂或聚氨酯胶粘剂。选择低延性胶粘剂，使得它们可以在TRP事件中的升高的温度下容易失效。可以施加胶粘剂以涂布整个向外第二表面114或可以是不连续的，如以线、网、点等形式来施加。如下文将进一步描述的，在某些成形方法中，可将金属层替代性地设置在模具或模头中，其中与之毗邻地模制或形成复合材料，使得这两种材料形成一体的组装件。
图2A和3显示在第一工作模式下的组装件100，其中金属层120与复合结构110接触，并且图2B和3显示在暴露于毗邻复合结构110的向内第一表面112的热负荷130（如火焰或如图3中所示，作为火炬试验的部分产生试验火焰的火炬）之后，在第二工作模式下的组装件100B。如上所述，热负荷130可具有大于或等于约500℃、任选大于或等于约600℃、任选大于或等于约700℃、任选大于或等于约800℃、任选大于或等于约900℃、任选大于或等于约1,000℃、任选大于或等于约1,100℃，并任选可能超过大于或等于约1,200℃的温度。值得注意的是，所示设置模拟如在电池组运行和使用过程中将可能发生的在电池组外壳内生成的热负荷130，使得热负荷/火焰130首先接触复合结构110的向内第一表面112。
如上所述，在暴露于热负荷130之后，组装件100B处于第二工作模式下，其中金属层120至少部分地从复合结构110的向外第二表面114层离。以这种方式，随着金属层120在选定区域中从向外第二表面114分离，例如在某些锚定第一区域132中保持与向外第二表面114附接，同时在其它区域中分离和层离以创建限定在复合结构110的向外第二表面114和金属层120之间的多个绝缘气隙134以限定热障。所述多个绝缘气隙134使火焰传播最小化并用于促进保护复合结构110以防止烧穿或达到导致在复合结构110中形成缺口或开孔的温度。此外，在复合结构110和金属层120之间界面处的这种阻燃热障有效降低金属层背面140上的温度并从复合结构110中吸热。层离的金属层120由此增强热消散。如上所述，在这一变型中，复合结构和金属板之间的热膨胀系数(CTE)的策略性错配使得在电池组热事件的过程中这两种不同材料之间的分离最大化以产生间隙/层离，从而保护该复合结构并最大限度减少或防止其被烧穿（例如热负荷将该复合材料烧灼到形成穿孔、破裂或开孔的程度）。
由限定在复合结构110和金属层120之间的绝缘气隙134形成的热障可提供比先前的技术更高的温度下的耐久性，例如，在某些变型中能够承受高达1,200℃的火炬或火焰。在某些先前的技术中，面向电池组外壳隔室的内部的金属层是牺牲型的并在暴露于与TRP事件相关的热负荷时可能熔化，而非形成具有绝缘气隙的热障。
此外，某些先前的技术依赖于三个或更多个层，例如聚合物基底、一个或多个单独覆盖层（blanket layers）和金属箔（面向内部隔室）。这样的金属箔和/或覆盖层充当牺牲层以保护独自发挥灭火效果的聚合物结构/基底。在本技术中，可在不存在单独覆盖层的情况下修改复合结构本身以提供所需的热性能。因此，该杂化材料外壳可以不含任何覆盖层。在另其它变型中，该杂化材料外壳可以不含任何牺牲层（除可能熔化的胶粘剂之外）。此外，在某些方面，电池组外壳可以基本由上述复合结构和金属层组成或由上述复合结构和金属层（具有或不具有至少一个包括分布在其中的热障材料的表面层和设置在其间的任选的胶粘剂层）组成。如上所述，金属层在TRP事件期间和之后保持存在。
此外，在某些先前的技术中，释气依赖于电池排出热气体，其将使金属层在TRP事件的过程中接触覆盖层，这使是否形成任何气隙无法预测或不确定。在本实施方案中，金属层设置在外壳的外侧上或外部，因此排出的气体（例如来自胶粘剂或复合结构释气）将有助于在金属层和复合材料之间形成气隙并由此可靠地形成热障。值得注意的是，本技术在TRP事件的过程中保持在与火焰或火炬相反的外壳外表面的温度，使得在与火焰/火炬相反的金属层处于低于临界值的温度，且面向火焰/火炬的外壳/复合结构的表面在TRP事件的过程中没有形成任何孔或开口。
用于减轻或最小化热失控传播的电池组的外壳的其它变型可具有图2A-2B和3的上下文中描述的材料的组装件，但具有附加性或替代性的其它特征。例如，如图4中所示，组装件110B包括以第一工作模式显示的复合结构110和金属层120，但其通过在金属层120上添加涂层152而进一步修改复合结构110的向外第二表面114和金属层120之间的界面150来在热事件的过程中在第二工作模式下进一步分离（未显示）以形成热障。涂层152可包含热障材料，如碳、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）或其组合。在其它方面，涂层152可施加到复合结构110或金属层120上。例如，包含膨胀材料的涂层152，如膨胀石墨层可设置在金属层120上。或者，涂层152可包含膨胀材料，其与聚合物粘合剂混合并施加在复合纤维预制件上以涂布向外第二表面114。应当指出，涂层152可不同于所用的胶粘剂，并且如上所述，如果存在用于将金属层120粘合到复合结构110的胶粘剂，其可包含设置在其中的热障材料的多个粒子，如膨胀石墨膨胀材料。
形成电池组的杂化材料组装外壳的方法可包括通过压缩模塑、树脂传递模塑或片状模塑料的模塑形成复合结构，作为非限制性实例。复合结构可一体成型或作为单个组件成型以在成型工艺之后连接或耦合在一起。
在某些方面，提供形成用于减轻或最小化热失控传播的电池组的杂化材料外壳的方法。该方法包括将金属层设置到模具的腔中。可将模具预热。然后该方法还包括将增强材料和聚合物或聚合物前体毗邻金属层设置到模具的腔中。值得注意的是，可替代性地首先将增强材料和聚合物或聚合物前体放置到模腔中，然后将金属层放置在该材料上。该方法还包括将聚合物或聚合物前体固化（例如固化（curing）、交联或冷却熔融的热塑性塑料）以形成包含具有设置在其中的增强材料的聚合物基质的复合材料。该方法还可进一步包括以下中的至少一种：加热模具和向模具施加压力以进行压缩。接着，可以打开模具以取出电池组的杂化材料外壳，其包含由复合材料形成的复合结构并具有与之毗邻的一体成型的金属层。
在一个变型中，复合结构和金属箔或板可在压缩模塑或树脂传递模塑工艺中一体成型。作为背景，对于树脂传递模塑（RTM），可将干纤维增强材料置于模具中（在这种情况下具有毗邻干纤维增强材料的金属箔或板）并可将树脂在压力（例如约10 psi至约3,000psi）下注入模具中。可以首先加热模具。本领域中已知的注射成型技术也可用于将树脂引入增强材料中，特别是在增强材料包含不连续纤维的情况下。例如，可将包含树脂和增强材料的前体注射或注入限定的空间或模具中，然后将前体固化以形成聚合物复合材料。术语“注射成型”还包括使用热固性树脂的反应注射成型。在一个实例中，可将模具加热到约120℃，然后打开模具并将增强材料（例如增强织物或垫）置于模具中，其中金属层与其毗邻。然后关闭模具，施加真空，并将树脂，如环氧树脂或酚醛树脂注入模具以填充模腔。模具可在120℃下保持关闭3分钟。打开模具并取出外壳组件。
另一技术可能涉及压缩模塑。在某些方面，压缩模塑该复合外壳组装件的方法可包括将增强材料和树脂的预浸料（prepreg）与毗邻其设置的金属箔或板一起添加到模具中。将该组装件设置在压缩模具的模腔中。在某些变型中，任选将压缩模具和模腔预热。然后通过施加或保持热并施加压力而对该组装件进行压缩模塑，以形成压缩模塑的固结聚合物组件。在某些方面，该组装件保留在压缩模具中直至模具冷却到预定温度。可以打开模具并将复合组装件从模腔中取出。
在又一些变型中，该复合结构可通过典型的复合材料成形工艺预成形，然后在后成型操作中与金属层粘合。在这种方法中，将复合材料和金属箔放在一起，并将胶粘剂设置在它们之间。此外，在压缩和加热下使用粘合夹具，使胶粘剂固化并在复合材料和金属箔之间形成粘合。例如，形成外壳的复合结构的方法可包括压缩模塑、注射成型、拉挤成型、树脂传递模塑、片状模塑料的模塑、高压釜模塑、真空袋成型（vacuum bagging）和手糊成型（hand layup），作为非限制性实例。可通过将胶粘剂施加到复合结构和/或金属层的至少一个表面来实现金属层/板的接合。胶粘剂可以以本领域技术人员已知的技术不连续地或连续地施加。在胶粘剂包含热障材料的情况下，将胶粘剂与热障材料混合，然后施加。
尽管本技术提供的电池组外壳的杂化材料组装件特别适用于汽车或其它车辆（例如摩托车、船、拖拉机、公共汽车、摩托车、火车、活动房屋、露营车和坦克）的组件，但它们也可用于各种其它工业和应用，包括航空航天组件、消费品、器件、建筑物（例如住宅、办公室、棚屋、仓库）、办公设备和家具和工业设备机械、农业或农场设备或重型机械，作为非限制性实例。
为了举例说明和描述的目的已提供了实施方案的上述描述。其无意穷举或限制本公开。一个特定实施方案的各个要素或特征通常不限于该特定实施方案，而是如果适用，是可互换的并可用于所选实施方案，即使没有明确示出或进行描述。其也可以以许多方式改变。这样的变型不应被视为背离本公开，而是所有这样的修改旨在包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种用于减轻或最小化热失控传播的电池组包的杂化材料外壳，所述外壳包括：
限定内表面和外表面的复合结构，其中所述复合结构包含聚合物基质和分布在其中的增强材料，且所述复合结构具有第一热膨胀系数；和
沿所述复合结构的外表面设置的金属层，其中在第一工作模式下所述金属层接触所述复合结构，并且在第二工作模式下在暴露于大于或等于约500℃的热负荷之后，所述金属层至少部分地从所述外表面层离并形成绝缘气隙以限定热障。
2.根据权利要求1所述的杂化材料外壳，其中所述金属层包含选自以下的材料：钢、不锈钢、铝、合金及其组合。
3.根据权利要求1所述的杂化材料外壳，其中所述金属层具有大于或等于约0.02 mm至小于或等于约0.5 mm的厚度，而所述复合结构具有大于或等于约1.5 mm至小于或等于约4mm的厚度。
4.根据权利要求1所述的杂化材料外壳，其中所述聚合物基质选自：环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、乙烯基酯及其组合，且所述增强材料选自：玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维及其组合，其中所述增强材料以大于或等于约25体积%至小于或等于约70体积%存在于所述复合结构中，且所述聚合物基质以大于或等于约30体积%至小于或等于约75体积%存在于所述复合结构中。
5.根据权利要求1所述的杂化材料外壳，其中所述复合结构进一步包含：(i) 分布在所述聚合物基质内的至少一种热障材料，(ii) 至少一个包含分布在其中的热障材料的表面层，或(i)和(ii)。
6.根据权利要求5所述的杂化材料外壳，其中所述至少一种热障材料选自：膨胀石墨、多磷酸铵（APP）、三水合氧化铝（ATH）及其组合。
7.根据权利要求5所述的杂化材料外壳，其中所述复合结构包含(i) 分布在所述聚合物基质内的至少一种热障材料，其中所述至少一种热障材料以所述复合结构的大于或等于约3重量%至小于或等于约30重量%存在。
8.根据权利要求1所述的杂化材料外壳，其中所述金属层包括包含热障材料的涂层。
9.根据权利要求8所述的杂化材料外壳，其中所述涂层包含膨胀石墨。
10.根据权利要求1所述的杂化材料外壳，其进一步包括设置在所述复合结构的外表面与所述金属层之间的胶粘剂，其中：(i)所述胶粘剂具有在高于约200℃的温度下的大于或等于约2%至小于或等于约20%的延性值，(ii) 所述胶粘剂包含膨胀石墨，或(i)和(ii)。
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