CN116601821A - 具有膨胀层的电池外壳，牵引电池，具有膨胀层的电池外壳的制造方法，具有膨胀层的电池外壳的回收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池外壳，其中，该电池外壳具有支撑结构，其中，该支撑结构由超过或等于50重量百分比的纤维‑塑料复合材料组成，该电池外壳具有膨胀层。当对膨胀层施加强烈的热时，膨胀层会膨胀，从而提高电池外壳的支撑结构的防火性能。

Description

具有膨胀层的电池外壳，牵引电池，具有膨胀层的电池外壳的 制造方法，具有膨胀层的电池外壳的回收方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求德国专利申请10 2020 134 277.2的优先权，特此明确提及其披露内容。
技术领域
本发明涉及一种具有膨胀层的电池外壳、一种牵引电池、一种具有膨胀层的电池外壳的制造方法和一种具有膨胀层的电池外壳的回收方法。
背景技术
今天，牵引电池的电池外壳主要由金属制成。造成这种情况的一个主要原因是金属的相对较高的软化温度，这有助于遵守电池外壳的防火规定。
本发明的目的是针对现有技术提出一种改进方案或替代方案。
发明内容
根据本发明的第一方面，本目的实现一种具有支撑结构的电池外壳，其中，支撑结构由超过或等于50重量百分比的纤维-塑料复合材料组成，电池外壳具有膨胀层。
对相关术语的说明如下：
首先，必须明确指出，在本专利申请的范围内，不确定的项目和数字，如“一”，“二”等通常应被理解为“至少”信息，即“至少一个......”，“至少两个......”等，除非从相关上下文中明确确定，或者对技术人员来说显然或在技术上是强制性的，否则只能指“正好一个......”，“正好两个......”等。
在本专利申请范围内，“特别是”的表达始终是指，通过这个表述引入可选的、优选的特征。该表达不应被理解为“确切而言”或“亦即”。
“电池外壳”指的是电池(特别是牵引电池)的壳体组成部分。
特别地，电池外壳被设置为用于容纳电池的组件，并且因此具有容纳组件的容纳空间，从而使这些组件可以由电池外壳来保护而免受外部因素影响和/或至少间接地被固定在电池外壳中。
优选地，电池外壳是指电池下外壳或电池上外壳，其中电池下外壳和电池上外壳优选地一起构成牵引电池壳体的基本组成部分。
“纤维-塑料复合材料”是指由纤维和塑料基体组成的结晶材料，其中塑料基体包围纤维，纤维通过粘着作用与塑料基体结合。优选地，这些纤维是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或类似材料。优选地，光纤至少在区域上具有定向，特别是单向和/或双向定向。
优选地，纤维-塑料复合材料至少部分地由具有塑料占比和纤维占比的模塑化合物形成。模塑化合物特别具有占比为25重量百分比和55重量百分比之间的纤维，优选地占比为35重量百分比和50重量百分比之间的纤维，特别优选地占比为42重量百分比和48重量百分比之间的纤维。优选地，模塑化合物的纤维占比由长度小于或等于5cm的短切纤维组成，这些短切纤维是混沌定向的。
优选地，纤维-塑料复合材料具有连续定向纤维的区域，连续纤维具有超过或等于8cm的长度。优选地，具有连续定向纤维的区域具有70体积百分比至80体积百分比的纤维占比。优选地，具有连续定向纤维的区域至少部分地嵌入到由模塑化合物形成的区域中。
“支撑结构”是指至少一层纤维-塑料复合材料，其占比超过或等于电池外壳重量的50％，其设计用于吸收和分配作用在电池外壳上的力。
优选地，支撑结构被理解为由纤维-塑料复合材料组成的层。
此外，优选地，在支撑结构的情况下，考虑由金属材料和纤维-塑料复合材料组成的混合材料组合，至少具有一层。根据第一优选变型，这里考虑的是具有纤维-塑料复合材料的相邻层的金属层。根据第二优选变型，考虑由纤维-塑料复合材料覆盖和/或填充的金属肋结构，以便支撑结构具有流体密封性。因此，不同材料的性能可以最佳地结合在一起，从而节省重量。
支撑结构优选地由超过或等于60重量百分比的纤维-塑料复合材料组成，优选地由超过或等于70重量百分比的纤维-塑料复合材料组成，特别优选地由超过或等于80重量百分比的纤维-塑料复合材料组成。支撑结构优选地由超过或等于90重量百分比的纤维-塑料复合材料组成，优选地由超过或等于95重量百分比的纤维-塑料复合材料组成，特别优选地由超过或等于98重量百分比的纤维-塑料复合材料组成。
应当明确指出的是，纤维-塑料复合材料在支撑结构中占比的上述值不应被理解为严格的限制，而是可以在不离开本发明所描述的方面的情况下，在工程规模上超过或低于该限制。用简单的术语来说，这些值应该给出这里建议的纤维-塑料复合材料在支撑结构中占比的大小的指示。
“塑料”指的是主要由大分子构成的材料。具体地说，塑料是热塑性塑料或热固性塑料。
“膨胀层”是指设计成在规定的活化温度以上膨胀的材料层。换句话说，膨胀层被设置为在热作用下膨胀超过规定的活化温度，从而增加其厚度。这导致膨胀层的体积增大和密度降低，从而可以减少通过膨胀层的传热。在规定的热作用下，通过膨胀层可以有利地实现涂有膨胀层的材料的隔热，特别是这里提出的电池外壳的支撑结构。
优选地，膨胀层安装在电池外壳的外部，由此可以保护支撑结构免受来自外部的热的影响。优选地，膨胀层可替代地或附加地安装在电池外壳的内侧，以便支撑结构可以受到保护，不受来自内部的热的影响。
优选地，膨胀层具有可膨胀石墨。
优选地，膨胀层由具有可膨胀石墨添加剂的聚氨酯清漆组成。聚氨酯清漆优选为由树脂和固化剂组成的双组分清漆。
优选地，膨胀层具有超过或等于120℃的活化温度。此外，优选地，膨胀层具有超过或等于125℃的活化温度，优选地超过或等于130℃的活化温度，特别优选地超过或等于140℃的活化温度。此外，优选地，膨胀层具有超过或等于150℃的活化温度，优选地超过或等于160℃的活化温度，特别优选地超过或等于170℃的活化温度。此外，优选地，膨胀层具有超过或等于180℃的活化温度，优选地超过或等于190℃的活化温度，特别优选地超过或等于200℃的活化温度。
应当明确指出的是，膨胀层的活化温度的上述值不应被理解为严格的限制，而应能够在不离开本发明所述方面的情况下，在工程尺度上超过或低于这些限制。简单地说，这些值旨在为这里提出的膨胀层活化温度范围的大小提供指导。
在现有技术中，已知的是牵引电池，其承载部件由金属构成。造成这种情况的原因，除其他外，是防火规定，其中对牵引电池的结构完整性提出了要求。在这种情况下，牵引电池必须在暴露于热的情况下，特别是在从下面指定的安装位置，承受规定的时间。为了确保这一点，已知的是牵引电池，其中电池壳体，特别是下电池外壳，由具有相对较高软化温度的金属组成。这导致牵引电池壳体的相对较高的重量。
这里提出了一种电池外壳，其支撑结构至少由50重量百分比的纤维-塑料复合材料组成，从而可以降低电池外壳的质量。由于纤维-塑料复合材料与金属相比具有较低的软化温度，因此建议使用膨胀层来保护电池外壳的支撑结构不受不允许的加热。
因此，在发生火灾和/或发热的情况下，特别是在电池外壳下方发生火灾和/或发热的情况下，可以通过具有绝缘作用的膨胀涂层保护电池外壳不受超临界热输入的影响。
这样，可以防止支撑结构不软化，使得指定部件从电池外壳的内部释放出来。特别是，可以防止电池模块从电池外壳中脱落。
此外，膨胀层可以防止由纤维-塑料复合材料制成的着火支撑结构在火源熄灭后继续燃烧。
优选地，提出了一种电池外壳，其支撑结构仅在超过这里提出的膨胀层的活化温度的温度下才软化。
特别有利的是，膨胀层在支撑结构的软化温度以下被活化，从而膨胀，从而保护支撑结构免受临界软化。
因此，可以有利地实现相对较轻和/或节省成本的电池外壳，该电池外壳可以满足防火规定。
这里建议的电池外壳允许进一步的材料回收。在回收过程中，电池外壳很容易被加热到膨胀层的活化温度以上。在回收过程中，电池外壳被加热到至少略微超过膨胀层的活化温度，从而膨胀层优选地完全反应并随后从电池外壳上脱落。通过这种方式，膨胀层发生反应，然后，如果它还没有完全脱落，则可以以较少的机械耗费从支撑结构上松开。
根据一个特别优选的实施方式，膨胀层具有大于等于0.1mm的层厚度，优选地大于等于0.1mm的层厚度和小于等于2.5mm的层厚度。
优选地，膨胀层具有0.1mm至0.7mm之间的层厚度，优选地0.2mm至0.5mm之间的层厚度，特别优选地0.25mm至0.4mm之间的层厚度。
优选地，膨胀层具有0.25mm至0.35mm之间的层厚度，优选地0.27mm至0.33mm之间的层厚度，特别优选地0.29mm至0.31mm之间的层厚度。
应当明确指出的是，膨胀层的层厚度的上述值不应被理解为严格的限制，而应能够在不离开本发明所述方面的情况下，在工程尺度上超过或低于这些限制。简单地说，这些值旨在为这里提出的膨胀层厚度范围的大小提供指示。
实验表明，通过这里提出的膨胀层的厚度，可以实现特别经济的解决方案。其特点是，由于这里提出的层厚度，膨胀层可以使用尽可能少的材料，同时层厚度足以满足防火目标。
此外，本文提出的层厚度使得在电池外壳的材料回收的情况下，膨胀层特别容易从支撑结构中分离，而较厚和不均匀的膨胀层则更难分离。
根据一个方便的实施方式，电池外壳在支撑结构和膨胀层之间具有粘合网络层。
对相关术语的说明如下：
“粘合网络层”是指用于增加电池外壳支撑结构和膨胀层之间的至少间接粘合强度的层。
粘合网络层位于支撑结构和膨胀层之间。
优选地，粘合网络层由聚氨酯清漆组成。聚氨酯清漆优选为由树脂和固化剂组成的双组分清漆。
优选地，除了不存在的可膨胀石墨添加剂外，粘合网络层是与膨胀层相同的材料组成。
因此，可以有利地获得具有最佳粘合强度和体积增加比的最佳薄膨胀层。
此外，可以有利地实现，在材料回收过程中，这里提出的粘合网络层可以有利地与膨胀层一起从电池外壳的支撑结构上分离。
支撑结构的塑料占比特别优选为热塑性塑料。
对相关术语的说明如下：
“塑料占比”是指支撑结构中塑料的全部占比。
“热塑性塑料”是指可以在取决于材料的温度范围内变形的塑料，在此过程是可逆的，并且可以通过冷却和再加热到熔融状态来重复任何次数。
优选地，热塑性塑料是聚碳酸酯或聚对苯二甲酸丁二酯，因此这些塑料的特别有利的材料特性可以用于电池外壳。
通过使用热塑性塑料，可以实现特别有利的可回收和同时轻便的电池外壳。
可选的热塑性塑料是聚酰胺6(PA6)。
聚酰胺6具有相对较高的180℃软化温度和相对较差的导热性，因此可用于这里提出的电池外壳的支撑结构。
聚酰胺6优选地用于纤维-塑料复合材料。由于纤维增强，特别是玻璃纤维增强，除了增加强度外，纤维-塑料复合材料的软化温度可以达到超过或等于200℃，特别是220℃的软化温度。
可选的热塑性塑料是聚酰胺6.6(PA6.6)。
聚酰胺6.6优选地用于纤维-塑料复合材料。因此，纤维-塑料复合材料的软化温度可以达到250℃。
根据本发明的第二方面，该目的通过一种牵引电池、特别是用于机动车的牵引电池得以实现，该牵引电池具有根据本发明第一方面的电池外壳。
对相关术语的说明如下：
“机动车辆”指的是由发动机驱动的车辆。优选地，机动车辆不被限制在轨道上，或至少不永久性地有轨迹限制。
这里优选地提出一种牵引电池，其在指定的安装状态下，向下定向的电池外壳对应于根据本发明的第一方面的电池外壳。
不言而喻，根据本发明的第一方面的电池外壳的前述优点，直接适用于具有根据本发明第一方面的电池外壳的牵引电池。
应当明确指出的是，第二方面的主题可以有利地与本发明的上述方面的主题组合，可以单独地或以任何组合累积。
根据本发明的第三方面，本目的实现一种用于制造具有膨胀层的电池外壳的方法，特别是根据本发明的第一方面的电池外壳，包括以下步骤：
-形成电池外壳的支撑结构，以及
-施加膨胀层。
这里提出了一种用于制造具有膨胀层的电池外壳的方法，特别是用于制造根据本发明第一方面的电池外壳，其中首先形成具有现有技术中已知的方法步骤的电池外壳的支撑结构。然后，必要时脱模电池外壳的支撑结构，并施加膨胀层。
根据支撑结构的设计，形成电池外壳的方法步骤可以有不同的设计。
根据第一变型，在模塑腔内由模塑化合物形成具有纤维-塑料复合材料的支撑结构。
根据第二变型，首先制造支撑结构的金属区域，优选地与具有纤维-塑料复合材料半成品的连续定向纤维组合，并且与具有纤维-塑料复合材料的混沌定向短切纤维组合。
根据第三变型，由金属形成肋结构。与具有塑料和混沌定向的短切纤维的模塑化合物一起，以及优选地与具有纤维-塑料复合材料半成品的定向连续纤维一起，将其引入模塑腔中，并在压力下形成支撑结构。
根据第四变型，上述三个变型中的一个被修改，使得由定向连续纤维组成的塑料浸渍结构被引入到指定的支撑结构中，并且与模塑化合物以及优选的金属区域一起形成支撑结构。
此外，还考虑了从现有技术中已知的用于形成支撑结构的其他变型。
膨胀层可以在电池外壳的支撑结构上喷涂、上漆或滚动。
如果膨胀层被喷到支撑结构上，则可以使用无空气法、空气混合法或压缩空气法进行。
优选地，将层厚度大于等于0.1mm的膨胀层施加到支撑结构上，优选地是层厚度大于等于0.1mm且小于等于2.5mm。
优选地，将层厚度在0.1mm和0.7mm之间的膨胀层施加到支撑结构上，优选地在0.2mm和0.5mm之间的层厚度，特别优选地在0.25mm和0.4mm之间的层厚度。
优选地，将层厚度在0.25mm至0.35mm之间的膨胀层施加到支撑结构上，优选地在0.27mm至0.33mm之间的层厚度，特别优选地在0.29mm至0.31mm之间的层厚度。
应当明确指出的是，膨胀层的层厚度的上述值不应被理解为严格的限制，而应能够在不离开本发明所述方面的情况下，在工程尺度上超过或低于这些限制。简单地说，这些值旨在为这里提出的膨胀层厚度范围的大小提供指示。
优选地，建议在施加膨胀层之前对支撑结构进行预热，这样可以减少膨胀层的干燥时间，实现膨胀层更均匀的表面。
根据一个方便的实施方式，在施加之前，膨胀层由至少具有树脂和固化剂的组分混合。
在树脂和固化剂组分中添加可膨胀石墨。根据另一可设想的实施方式，树脂和可膨胀石墨已经预混合，并且随后与固化剂一起混合。
优选地，膨胀层的原料，特别是树脂组分，从储罐到喷漆枪上的出口开口的材料温度保持恒定，特别是通过相关设备部件的伴随加热和/或绝缘。由此，可以有利地实现具有恒定材料性能的膨胀层的涂覆，从而可以改善膨胀层的均匀性和/或涂覆方法的工艺可靠性。
可选地，树脂在与溶剂混合之前被稀释。
用溶剂稀释树脂可降低树脂的粘度，使其更容易加工。
通过这种方式，可以改善膨胀层的层厚度的均匀性，从而可以在工艺上可靠地实现经济上最优的膨胀层较薄的层厚度。此外，稀释还可以有益地改善膨胀层组成的均匀性。
优选地，在树脂中加入1重量百分比至7重量百分比的溶剂，优选地加入1.5重量百分比至5重量百分比的溶剂，特别优选地加入2重量百分比至3重量百分比的溶剂。
通过降低树脂的粘度，改善了树脂的流动性，从而改善了膨胀层的混合原料的流动性。这可以降低加工压力，从而改进涂层工艺。
因此，可以有利地达到经济上最佳的膨胀层厚度。由于膨胀层成分的均匀性得到改善，膨胀层更有效、更容易回收。特别地，在再循环过程中膨胀层的层厚度越小，则需要耗费更少的热量来活化膨胀层。
可选地，树脂在混合前被加热。
最好记住，混合后的树脂是加热的。
树脂温度的升高导致树脂粘度的降低，使其更容易加工。
通过这种方式，可以改善膨胀层的层厚度的均匀性，从而可以可靠地实现膨胀层的较小层厚度。此外，通过加热树脂的温度，也可以有益地改善膨胀层组成的均匀性。
优选地，混合前树脂温度的升高与混合前用溶剂稀释树脂相结合。
优选地，在与固化剂混合之前，将树脂加热到40℃至60℃之间，优选地到45℃至55℃之间，特别优选地到48℃至52℃之间。
应当明确指出的是，树脂温度的上述值不应被理解为严格的限制，而是可以在不离开本发明所述方面的情况下，在工程规模上超过或低于该限制。简单地说，这些值是为了给出建议的树脂温度范围的大小的指示。
通过提高树脂的温度，在不使用溶剂的情况下也可以降低其粘度，从而减少汽化碳氢化合物对环境的污染。
优选地，在施加膨胀层之前施加粘合网络层。
通过粘合网络层，可以有利地获得具有最佳粘合强度和体积增加比的最佳薄膨胀层。
特别有利的是，粘合网络层和/或膨胀层的涂覆可以由涂覆机器人进行。优选地，应当记住，具有树脂和优选可膨胀石墨的组分优选地通过树脂泵通过树脂管道从树脂储罐输送到混合器或喷嘴。此外，优选地考虑树脂储罐和/或树脂管道被加热。此外，优选地考虑，可能使用的固化剂优选地通过固化剂泵通过固化剂管道输送到混合器，并在那里与树脂以及优选地与可膨胀石墨形成活性化合物。在可能的混合器中，组分相互混合，并从那里进一步输送到喷嘴，其中混合器和喷嘴之间的管道也可以被加热。
优选地，涂覆机器人具有用于冲洗管道系统、可能的搅拌机和喷嘴的系统。
需要指出的是，第三方面的主题可以单独或以任意组合累加地与本发明的前述方面的主题有利地相结合。
根据本发明的第四方面，本目的实现一种用于回收具有膨胀层的电池外壳的方法，其中电池外壳在超过膨胀层的活化温度的规定时间内被加热。
对相关术语的说明如下：
电动车辆的登记要求“规定时间”，在此期间，牵引电池和电池外壳必须能够承受规定温度的火灾而不会造成一定程度的损坏。
膨胀层的“活化温度”是膨胀反应开始的温度。
换句话说，这里建议将电池外壳加热到膨胀层的活化温度以上，直到膨胀层完全反应。
优选地，完全反应的膨胀层独立地脱落和/或可以以较低的机械耗费从电池外壳中分离，从而可以实现回收所需的材料分离。
需要指出的是，第四方面的主题可以单独或以任意组合累加地与本发明的前述方面的主题有利地相结合。
附图说明
本发明的更多优点、细节和特征可从下文所阐述的实施例中获得。其中，具体地：
图1示意性地示出了根据第一实施方式的电池外壳的区域；并且
图2示意性地示出了根据第二实施方式的电池外壳的区域。
具体实施方式
在接下来的说明中，相同的附图标记表示相同的构件或相同的特征，因此，参照一个附图针对一个构件所做的说明也适用于其他附图，以避免重复说明。此外，结合一个实施方式所描述的各项特征也可以在其他实施方式中单独使用。
图1中的电池外壳10的区域由支撑结构20和施加到支撑结构20上的膨胀层30组成。
支撑结构20由100重量百分比的纤维-塑料复合材料组成，该复合材料具有热塑性塑料，特别是聚酰胺6，并且具有35重量百分比至65重量百分比的纤维占比。聚酰胺6优选地由玻璃纤维增强。
或者(未图示)，支撑结构20由具有纤维-塑料复合材料和金属的混合材料组成。
膨胀层30由具有可膨胀石墨添加剂的聚氨酯清漆组成。膨胀层30被设计成在160℃下膨胀。因此，膨胀层30的活化温度低于支撑结构20的软化温度。
这导致膨胀层30的体积增大和密度减小，由此可以有利地减少通过膨胀层30的传热。因此，借助于膨胀层30，可以实现这里提出的电池外壳10的涂有膨胀层30的支撑结构20的隔热。
图2中的电池外壳10的区域与图1中的实施方式的区别在于位于支撑结构20和膨胀层30之间的粘合网络层40。
借助于粘合网络层40，可以提高膨胀层30与支撑结构20的粘合强度。因此，可以实现更薄和更经济的膨胀层30。
优选地，粘合网络层40由聚氨酯清漆组成。特别优选地，它与膨胀层30的区别仅在于粘合网络层40没有可膨胀石墨添加剂。
附图标记的说明
10 电池外壳
20 支撑结构
30 膨胀层
40 粘合网络层

Claims (13)

1.一种具有支撑结构(20)的电池外壳(10)，其中，所述支撑结构(20)由超过或等于50重量百分比的纤维-塑料复合材料组成，
其特征在于，
所述电池外壳(10)具有膨胀层(30)。
2.根据权利要求1所述的电池外壳(10)，其特征在于，所述膨胀层(30)具有大于等于0.1mm的层厚度，优选地大于等于0.1mm且小于等于2.5mm的层厚度。
3.根据上述权利要求1或2中任一项所述的电池外壳(10)，其特征在于，所述电池外壳(10)在所述支撑结构(20)和所述膨胀层(30)之间具有粘合网络层(40)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电池外壳(10)，其特征在于，所述支撑结构(20)的所述纤维-塑料复合材料的塑料占比是热塑性塑料。
5.根据权利要求4所述的电池外壳(10)，其特征在于，所述热塑性塑料是聚酰胺6(PA6)。
6.根据权利要求4所述的电池外壳(10)，其特征在于，所述热塑性塑料是聚酰胺6.6(PA6.6)。
7.一种牵引电池，特别是一种用于机动车辆的牵引电池，具有根据权利要求1至6中任一项所述的电池外壳(10)。
8.一种用于制造具有膨胀层(30)的电池外壳(10)的方法，特别是根据权利要求1至6中任一项所述的电池外壳(10)，包括以下步骤：
-形成所述电池外壳(10)的所述支撑结构(20)，以及
-施加所述膨胀层(30)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述膨胀层(30)在施加之前由至少具有树脂和固化剂的组分混合而成。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在与溶剂混合之前将所述树脂稀释。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的方法，其特征在于，在混合之前加热所述树脂。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，在施加所述膨胀层(30)之前施加粘合网络层(40)。
13.一种用于回收具有膨胀层(30)的电池外壳(10)的方法，其特征在于，将所述电池外壳(10)加热超过所述膨胀层(30)的活化温度的规定时间。
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