CN117015899A - 用于缓解电能储存热事件的材料、系统及方法 - Google Patents

用于缓解电能储存热事件的材料、系统及方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用以管理储能系统中的热失控问题的材料及系统。示例性实施例包括绝热材料，该绝热材料包括多层。该多层绝热材料包括至少一绝缘层、至少一可压缩垫，以及可选的一个或多个层，其具有良好的散热特性，具有良好的防火、阻燃和/或耐磨特性，具有良好的性能以用作绝热层。本公开进一步涉及一种电池模块或电池组，其具有一个或多个电池单元以及经布置与该电池单元热连通的该多层绝热材料。

Description

用于缓解电能储存热事件的材料、系统及方法
[相关申请的交叉引用]
本申请主张标题为“Materials,Systems,and Methods for Mitigation ofElectrical Energy Storage Thermal Events”，于2021年7月2日提交的美国临时专利申请号63/218,205的利益及优先权，其内容通过引用整体纳入本申请。
技术领域
本公开通常涉及用于防止或缓解储能系统中的热事件(例如热失控问题)的材料及系统。尤其，本公开提供多层绝热材料，其包括至少一绝缘层、至少一可压缩垫，以及可选的一个或多个层，其具有良好的散热特性，具有良好的防火、阻燃及/或耐磨特性，且/或具有良好的性能以用作绝热层。本公开进一步涉及包括该多层绝热材料的具有一个或多个电池单元的电池模块或电池组，以及包括该些电池模块或电池组的系统。
背景技术
可充电电池(例如锂离子电池)在电力驱动及储能系统中已得到广泛应用。与传统电池相比，锂离子电池(Lithium-ion battery；LIB)因其高工作电压、低记忆效应和高能量密度而被广泛用于为便携式电子装置如手机、平板计算机、膝上型计算机、电动工具，以及其他大电流装置如电动汽车供电。然而，安全是个问题，因为LIB在“滥用状况”下(例如，当可充电电池被过度充电(充电超过设计电压)、过度放电、操作于或暴露于高温高压下时)容易发生灾难性故障。因此，窄的操作温度范围和充电/放电速率限制LIB的使用，因为当LIB经历在其设计窗口之外的状况时可能因快速自加热或热失控事件而失效。
如图1中所示，LIB的电化学电池主要由正电极、负电极、能够传导锂离子的电解质、分离正电极与负电极的隔离膜、和受电器组成。LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、Li2TiO3、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NMC)为广泛用于锂离子电池的六种阴极材料。这六种电池占据当今电池市场中的大部分市场占有率。该电解质由溶解于特定溶剂(主要包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸丙烯酯(PC))中的锂盐组成。该锂盐通常选自LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiBOB等。隔离膜材料通常为聚烯烃基树脂材料。在商用锂离子电池中，通常使用聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微孔膜作为隔离膜。通常使用铝箔作为该正电极的受电器，并将铜箔用于该负电极。碳基材料(包括硬碳、碳纳米管和石墨烯)目前为商用锂离子电池的大多数负电极的主要选择；其他新型负电极材料(例如钛基氧化物、合金/去合金材料和转换材料)也已被研究并显示出良好的热性能及电化学性能。
[在正常状况下的LIB的操作]
在正常操作下，锂离子通过扩散及迁移自一电极穿过电解质和隔离膜移动至另一电极。
对LIB充电使电解质溶液中的锂离子从阴极穿过隔离膜迁移并自行插入阳极中(图2)。电荷平衡电子也移动至阳极，但经过充电器中的外部电路。放电时，发生逆向过程，且电子流过被供电的装置(图2)。在此过程期间，通过三种主要机制在该电池内产生热。第一种为可逆热，经由与在锂化过程(放电)和脱锂过程(充电过程)期间发生的氧化还原反应相关的熵变引起。可逆热也被称为熵热。第二种机制为与该电池中的过电位所造成的电极极化相关的不可逆热。最后，存在与欧姆损耗相关的不可逆热，称为焦耳加热(Jouleheating)。焦耳加热归因于电池内的锂离子及电子的运动。在正常状况下，自生热极低，通常微不足道，并可轻松地通过良好的电池设计或电池热管理系统消散。然而，在滥用状况下，可发生数种副反应，造成热失控。理解热失控的原因可指导功能材料的设计，以提升LIB的安全性及可靠性。
[热失控和热失控传播的概述]
当内部反应速率增加至所产生的热超过可回收的热时，可能发生热失控，导致反应速率与热产生都进一步增加。在热失控期间，高温在电池中触发一连串放热反应，造成该电池的温度迅速升高。在许多情况下，当一电池单元中发生热失控时，所产生的热迅速加热与经历热失控的该电池紧邻的电池。被加入热失控反应的各电池都包含额外的能量来继续该反应，造成电池组内的热失控传播(图3)，最终导致火灾或爆炸的灾难。迅速散热以及有效阻断热传递路径可为有效的对策，以减少热失控传播所造成的危害。
[热失控的诱因-滥用状况]
热失控可由各种滥用触发，包括机械滥用、电性滥用，以及热滥用(图3)。每种滥用都可能在电池中诱发内部短路(internal short circuit；ISC)，导致温度升高。滥用状况可从外部或内部开始。例如，服务诱发应力、老化、设计误差(例如配置参数，如电池间距)、电池互连形式、电池形状因子、制造、操作和维护是可能造成各种滥用的内部因素。外部因素包括对LIB的损害或伤害，例如由跌落或电池的穿透导致。
[机械滥用]
机械滥用主要由机械力引起，通常因外部因素(例如，严重的车祸，包括碰撞、挤压、穿透和弯曲)发生。当电池或电池组受到冲击或发生碰撞时，可能发生电池内部的潜在损害，包括隔离膜的破裂以及易燃电解质的渗漏，引发ISC，然后导致热失控。由施加力造成的破坏性变形及位移是机械滥用的两常见特征。在汽车碰撞期间，电池组很有可能变形。电动车辆上所记载的电池组的布局影响电池组的碰撞响应。电池组的变形可能导致危险的后果：电池隔离膜可能被撕裂，并发生内部短路(ISC)；易燃电解质渗漏并可能因此造成火灾。穿透是车辆碰撞期间可能发生的另一常见现象。与挤压状况相比，当穿透开始时，可能瞬间触发猛烈的ISC。机械破坏与电性短路同时发生，且穿透的滥用状况可能比简单的机械或电性滥用的状况更严重。
[电性滥用]
电性滥用主要包括LIB的内部或外部短路、过度充电和过度放电。
内部短路发生于超过90％的滥用状况中。广义地说，当阴极与阳极因电池隔离膜的失效而彼此接触时，发生内部短路。内部短路可起因于(1)机械滥用，当隔离膜因穿透或挤压而破裂时；(2)电性滥用，当隔离膜被枝蔓晶体状生长(dendrite growth)刺穿时(图4)；以及(3)热滥用，当隔离膜在高温坍塌时。
当具有电压差的电极通过导体连接时，形成外部短路。电池组的外部短路可由汽车碰撞期间的变形、浸水、导体污染，或维护期间的电击等引起。与穿透相比，通常，于外部短路的电路上释放的热不会加热电池。外部短路可导致电池中的大电流及高热产生，这主要由欧姆热产生引起。当温度开始超过约70℃时，电池开始破裂。因此，可能触发排气及电解质渗漏。
过度充电可被定义为对电池充电超过其设计电压。过度充电可由高比电流密度(specific current densities)、激进的充电曲线等触发，这可带来一系列问题，包括锂金属于阳极上的沉积，严重影响电池的电化学性能及安全性；阴极材料的分解，释放氧气；以及有机电解质的分解，释放热及气态产物(H2、碳氢化合物、CO等)。过度充电过程可被分为三个阶段。在第一阶段中，(1)电压及温度不受影响并基本保持不变。在第二阶段中，(2)在电压平台上会发生锂枝蔓状沉积。以及在第三阶段中，(3)随着热及气体产生，电压会急剧下降，引起电池热失控。
过度放电是另一种可能的电性滥用状况。通常，在电池组内电池之间的电压不一致是不可避免的。因此，一旦电池管理系统无法监控任意单个电池的电压，具有最低电压的电池就会被过度放电。过度放电滥用的机制不同于其他，且潜在危害可能被低估。在过度放电期间，电池组中具有最低电压的电池可被串联连接的其他电池强制放电。在强制放电期间，电极反转且电池的电压变为负，导致在该过度放电电池的异常热产生。
[热滥用]
热滥用通常由过热触发。锂离子电池中的过热可能由机械滥用、电性滥用以及连接器的接触损失引起。通常，在正常操作温度下，LIB是稳定的；然而，在特定温度以上，LIB稳定性变得难以预测，且在高温下，电池壳内的化学反应将产生气体，导致电池壳内的内部压力增加。这些气体可进一步与阴极反应，释放更多热并在电池内或附近产生温度，其可在有氧的情况下点燃电解质。当电解质燃烧时，产生氧气，进一步促进燃烧。在某种程度，电池壳内的压力积聚导致电池壳破裂。逃逸气体可能着火并燃烧。
由机械、电性以及热滥用状况所造成的热失控可能诱发持续的热产生，因此电池内部的温度升高。随着温度增加，在不同阶段可能发生一系列连锁反应。热失控遵循连锁反应机制，例如物理及/或化学过程，在此期间，电池组件材料的分解反应接连发生(图3)。
[热失控期间连锁反应的概述]
理解这些物理及/或化学过程的演变有助于开发针对LIB的热失控的缓解策略。LIB在不同的温度状态或模式下可具有不同的热失控诱因(图5)，包括状态I：低温(<0℃)，状态II：常温(0～90℃)，以及状态III：高温(>90℃)。
在状态I中，LIB无法有效工作，因为低温导致电化学反应速率降低。在较低温度下，由于电极材料的活性以及电解质中的锂离子扩散速率降低，电池性能急剧下降。在低温下化学反应减速的后果包括不受欢迎的锂沉积、电镀和枝蔓状生长。枝蔓状为树状结构，其可形成于电池中的锂镀层上。它们可快速穿透电池的隔离膜(位于电池的阳极与阴极之间的多孔塑胶膜)(图4)。电池内的锂沉积及枝蔓状生长被视为在低温下诱发热失控的主要促发因素。不希望受理论约束，认为不受欢迎的锂沉积及枝蔓状可能在电池中引起ISC，导致热失控。
在状态II(常温操作)中，热产生与在热失控过程中所产生的热相比极少。在此操作状态期间的热产生主要由在固液相中的锂离子扩散、在固液介面的电化学反应和副反应引起。该热产生可造成温度升高和电池内部的温度差异，这些温度差异可能影响锂离子电池的寿命和安全性。在状态II期间，初始过热可因上述至少一种内部或外部诱因而发生，例如电池被过度充电、暴露于过高的温度、因接线故障导致的外部短路，或因电池缺陷导致的内部短路。当初始过热开始时，随着温度向90℃升高，电池操作从正常状态变为异常状态。当温度高于40℃时，锂离子电池的寿命可能因加速的副反应而缩短，且当温度接近90℃甚至更高时，可触发固体电解质中间相(solid electrolyte interphase；SEI)膜的分解，其被定义为热失控的开始。在最初几个充电周期期间，在锂离子电池的阳极上生成SEI。该SEI于阳极表面上提供钝化层，其抑制进一步的电解质分解并提供许多应用所需的长日历寿命。SEI的初始分解被视为在完全热失控过程期间发生的第一副反应。SEI的初始分解发生于80～120℃，峰值位于约100℃。起始温度可低于80℃，因为王等人(Wang et al.；Thermochim.Acta 437(2005)12-16)报告SEI分解可能从低达57℃的温度开始。
[SEI的分解]
当状态III开始时，内部温度迅速升高，导致SEI膜的分解。SEI层主要由稳定的(例如LiF和Li2CO3)和亚稳定的(例如聚合物、ROCO2Li、(CH2OCO2Li)2和ROLi)成分组成。然而，该亚稳定成分可在约>90℃放热分解，释放易燃气体及氧气。SEI膜的分解被视为热失控的开始，之后会触发一系列放热反应。
随着SEI的分解，温度升高，且阳极中的锂金属或锂嵌入将与电解质中的有机溶剂反应，释放易燃的碳氢化合物气体(乙烷、甲烷，以及其他)。这是一种放热反应，驱动温度进一步上升。
[隔离膜的分解]
当T>～130℃时，聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)隔离膜开始熔融，这使情况进一步恶化，并造成阴极与阳极之间短路。虽然PE/PP隔离膜的熔融为热吸附过程，但由隔离膜熔融所造成的ISC将使热失控过程进一步恶化。
[气体排放及电解质的分解]
当T>～180℃时，由ISC所产生的热引起锂金属氧化物阴极材料分解并导致释放氧气。阴极的分解也是高度放热的，进一步增加温度和压力，因此进一步加速反应。接着，热积聚及气体释放(氧气和易燃气体)将诱发锂离子电池的燃烧及爆炸。
在热失控过程中，由ISC引起的热产生仅为2％，化学反应为98％，包括SEI层的分解、电解质的分解等。最大比例的热产生由阴极与阳极之间的快速-氧化还原反应引起，约48％，而在阳极、阴极和电解质中的其他化学反应的热产生小得多。最小热产生为SEI膜的分解。
[对于热失控的缓解策略的需求]
基于对导致电池热失控的机制的理解，正在研究许多方法，旨在通过电池组件的合理设计来降低安全危害。为防止此类连锁式热失控事件发生，LIB通常经设计以保持能量储存足够低，或在电池模块或电池组内的电池之间使用足够的绝缘材料以使该些电池免受相邻电池中可能发生的热事件的影响，或二者的组合。前者严重限制在此类装置中可能储存的能量。后者限制电池的布置间距，从而限制有效能量密度。需要有效的绝缘及散热策略以缓解LIB的热失控可能性。
[目前用于LIB的散热方法]
目前使用一些不同的方法来最大限度地增加能量密度，同时防止连锁式热失控。一种方法是在电池或电池簇之间合并足量的绝缘。此方法通常被视为出于安全考虑；然而，在此方法中，绝缘材料的容纳热的能力和所需的绝缘体积决定了可达成的能量密度的上限。另一种方法是通过使用相变材料。这些材料在达到一定的高温时经历吸热相变。该吸热相变吸收所产生的热的部分，从而冷却局部区域。通常，对于电性储存装置，这些相变材料依赖于碳氢化合物材料，例如蜡和脂肪酸。这些系统在冷却方面有效，但其本身是可燃的，因此一旦在储存装置内发生着火，就不利于防止热失控。纳入膨胀材料为另一种防止连锁式热失控的策略。这些材料在指定温度以上膨胀，产生炭，其被设计为轻量，并在需要时提供热绝缘。这些材料可有效地提供绝缘效益，但在储存装置的设计中必须考虑材料的膨胀。
[对于满足LIB的系统的机械要求的新型绝热层的需求]
在充电及放电期间阳极与阴极的膨胀可导致电池的尺寸变化(膨胀)。例如，硅在嵌入期间具有高达300％的典型体积变化，且石墨具有约10％的体积膨胀。此变化具有可逆及不可逆的成分，幅值依赖于精确的电池化学。电池厚度的可逆变化仅依赖于电池的电荷状态(state of charge；SOC)，并可导致厚度增加超过2％。电池的不可逆膨胀与电池内部的压力增加相关，并由SEI的形成引起。此变化的最大成分发生于第一充电周期期间，此时初始形成SEI，但膨胀在电池的寿命期间持续。
虽然已进行广泛的研究来发明具有良好热特性的新型材料，以防止热失控问题，但这些材料的机械特性未得到足够的重视，尽管它们很重要。例如，需要在电池模块或电池组内的电池之间使用有效的绝热层，其可提供抗压缩变形能力，以适应在电池的寿命期间持续的电池膨胀。此外，在电池模块的初始组装期间，1MPa或更低的较低负荷通常被施加于电池之间的材料。当电池模块或电池组内的电池在充电/放电周期期间扩展或膨胀时，高达约5MPa的负荷可能被施加于电池之间的材料。因此，材料(例如电池之间的绝热层)的压缩性、压缩弹性和顺应性为重要的特性。
因此，需要满足LIB系统的机械要求的新型绝热层，以在热失控状况下提供有效绝热并在正常状况下提供有效散热。
发明内容
本公开的目的在于消除或缓解上面所述的先前方法及材料的至少一缺点，以防止或缓解可充电电池(例如锂离子电池)中的热失控。本文中所提供的多层材料经设计以提升锂离子电池的安全性。
尤其，本公开的目的为提供一种多层材料，用作电能储存系统中的绝热层，以解决电池模块或电池组中的热传播问题，并在电池发生热失控时阻止或缓解热传播。本公开的多层材料的独特配置可有助于解决电池之间的热传播问题。
该缓解策略可作用于材料层面、电池层面和系统层面，确保使用可充电电池(例如锂离子电池)的储能系统的整体安全。依据本公开的多层材料可执行以下缓解步骤的至少一者：(1)减少滥用状况的可能性，(2)一旦发生滥用状况，就将其消除，(3)增强电池单元的热稳定性，以防滥用状况，(4)减少在正常操作状况及热失控情况下所释放的能量，以及(5)减轻传播危害，并将损害限制于有限区域内。
本公开的另一目的为提供一种电池模块或电池组，其包括依据本发明的多层材料，该多层材料可保护该电池组免于因电池的热失控而遭受热损害，并确保该电池组的安全设计。
在一般方面，本公开提供新型多层材料，其包括气凝胶组合物(例如，增强气凝胶组合物)，耐用且容易处理，具有良好的抗热传播及火灾传播能力，同时最大限度地减小所用材料的厚度和重量，而且具有良好的压缩性、压缩弹性和顺应性的特性。例如，依据本文中所公开的方面的多层材料可包括至少一绝缘层，其包括气凝胶组合物或增强气凝胶组合物。
在一般方面，本文中所公开的多层材料可用于分离、绝缘以及保护具有任意配置的电池的电池单元或电池组件，例如软包装电池、圆柱形电池、方形电池和包含或包括任意此类电池组及模块。本文中所公开的多层材料可用于可充电电池(例如锂离子电池)，固态电池，以及需要分离、绝缘以及保护的任意其他储能装置或技术。
在一般方面，本公开旨在提供一种电池模块和一种电池组，其用于同时提升动力电池的散热性能和热失控保护性能。请参照图6，在电力驱动及储能系统中，通常以预先选择的配置(例如，并联、串联或组合)将一些电池100封装在一起，以形成电池模块200。相应地，可组合或连接一些这样的电池模块，以形成本领域中已知的各种电池组300。在操作和放电期间，此类电池、电池模块或电池组通常产生或生成大量的热，其可严重不利地影响由此产生的性能。因此，为保持此类电池或由此形成的电池模块或电池组的期望或最佳的性能，通常重要的是将此类电池、电池模块或电池组的温度保持在较窄的规定范围内。本公开的目的为将此类电池、电池模块或电池组的温度保持在最佳范围内。
除将电池的温度保持于规定范围内之外，目的也在于保持电池的结构完整性。电池内的材料需兼具顺应性与弹性，以适应电池操作期间体积的变化。在一些实施例中，材料必须为阻燃或防火的，以在热事件之后或期间保持结构完整性。
一方面，本文中提供一种用作电能储存系统中的绝热层的多层材料，其包括：核心部分，其包括由至少一绝缘层和至少一热容层组成的层状组件，该绝缘层和热容层沿垂直于其最大表面的方向交替堆叠；以及外部部分，其设于该核心部分的外部，该外部部分包括：包括可压缩垫的至少一牺牲材料层，以及选自聚合物、弹性体或其组合的至少一封装材料层。在一些实施例中，该牺牲材料层在约20kPa至约100kPa(例如，在约27kPa至约55kPa)具有25％压缩力挠度(compression force deflection；CFD)。
另一方面，本文中提供一种用作电能储存系统中的绝热层的多层材料，其包括：核心部分，其包括由至少一绝缘层和至少一导热层组成的层状组件，该绝缘层和导热层沿垂直于其最大表面的方向交替堆叠；以及外部部分，其设于该核心部分的外部上，该外部部分包括至少一牺牲材料层，以及选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的至少一封装材料层。在一些实施例中，该牺牲材料层在约20kPa至约100kPa(例如，在约27kPa至约55kPa)具有25％压缩力挠度(CFD)。
一方面，本文中提供一种用作电能储存系统中的绝热层的多层材料，其包括：核心部分，其包括至少一绝缘层；以及外部部分，其设于该核心部分的外部上，该外部部分包括：包括具有约1MPa至约12MPa的压缩模量的可压缩垫的至少一牺牲材料层，以及选自聚合物、弹性体或其组合的至少一封装材料层，其中，该封装材料层夹置于该核心部分与该外部部分的该牺牲材料层之间。在一些实施例中，该核心部分进一步包括至少一热容层，其具有至少约200J/(kg-K)的比热容。一些实施例中，该核心部分包括由至少一绝缘层和至少一热容层组成的层状组件，该绝缘层和热容层沿垂直于其最大表面的方向交替堆叠。一些实施例中，该核心部分进一步包括至少一导热层，其具有至少约200mW/m-K的沿该导热层的平面内尺寸的导热率。在一些实施例中，该核心部分包括由至少一绝缘层和至少一导热层组成的层状组件，该绝缘层和导热层沿垂直于其最大表面的方向交替堆叠。
另一方面，本文中提供一种用作电能储存系统中的绝热层的多层材料，其包括：具有两侧的核心层，其包括具有约1MPa至约12MPa的压缩模量的至少一可压缩材料层以及可选的至少一导热层和/或至少一热容层；两个绝缘层，其具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率，其中，该核心层夹置于两绝缘层之间，其中，该可选的至少一导热层具有至少约200mW/m-K的平面内导热率，并且其中，该可选的至少一热熔层具有至少约200J/(kg-K)的比热容，并且其中，该多层材料可以选择性地封装于选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料层中。在一些实施例中，该核心层进一步包括阻燃层。在一些实施例中，该核心层不具有该可选的至少一导热层并且不具有该可选的至少一热容层。在一些实施例中，该核心层包括该可选的至少一导热层而不具有该至少一热容层。在一些实施例中，该核心层包括两个导热层和一可压缩材料层，其中，该可压缩材料层夹置于该两导热层之间。一些实施例中，该核心层包括该可选的至少一热容层而不具有该至少一导热层。在一些实施例中，该核心层包括两个热容层和一可压缩材料层，其中，该可压缩材料层夹置于该两个热容层之间。在一些实施例中，该核心层包括一热容层及两个可压缩材料层，其中，该热容层夹置于两个可压缩材料层之间。在一些实施例中，该多层材料进一步包括两个热容层，其中，各热容层设于各绝缘层的外表面上。
任意上述方面的实施例可包括以下特征的其中一个或多个。例如，在一些实施例中，该封装材料层夹置于该核心部分与该牺牲材料层之间。在一些实施例中，该牺牲材料层夹置于该核心部分与该封装材料层之间。在一些实施例中，该牺牲材料层包括选自由硅氧烷、聚烯烃、聚氨酯、酚醛树脂、三聚氰胺、乙酸纤维素和聚苯乙烯所组成的组的材料。在一些实施例中，该牺牲材料层采用泡沫的形式。在一个或多个实施例中，该牺牲材料层的化学分解起始温度在约200℃至约400℃的范围内。
在一些实施例中，该外部部分进一步包括：由选自由耐磨材料、膨胀材料、防火材料、阻燃材料或其组合所组成的组的材料所制成的层。
在一些实施例中，该热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容。在一些实施例中，该热容层为相变材料。在一些实施例中，该热容层包括不锈钢。
在一些实施例中，该封装材料层为聚对苯二甲酸乙二酯层。
在一些实施例中，该封装材料层进一步包括设于封装层与该核心部分之间的金属层。
在一些实施例中，该绝缘层具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。在一些实施例中，该绝缘层包括气凝胶。在一些实施例中，该绝缘层进一步包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉、及其组合所组成的组的材料。在一些实施例中，该绝缘层不具有气凝胶，且该绝缘层包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉、及其组合所组成的组的材料。
在一些实施例中，该导热层具有至少约200mW/m-K的沿该导热层的平面内尺寸的导热率。在一些实施例中，该导热层包括：包括金属、碳、导热聚合物、或其组合的至少一层。在一些实施例中，导热层为相变材料。在一些实施例中，该导热层为选自铝、铜或钢的金属。在一些实施例中，该导热层将热导离局部热负荷，优选地，导至环境。在一些实施例中，该导热层采用选自由网、薄片、穿孔薄片、箔和穿孔箔所组成的组的形式。在一些实施例中，其中，在25℃贯穿该绝缘层(例如，气凝胶)的厚度尺寸的该导热率在高达约5MPa的负荷下保持不变或增加不显著的量。在一些实施例中，贯穿该绝缘层的厚度尺寸的该导热率在高达约5MPa的负荷下在25℃小于约50mW/m-K。在一些实施例中，其中，该导热层包括铝。
在一些实施例中，包括气凝胶的该绝缘层进一步包括增强材料。在一些实施例中，该增强材料为选自有机聚合物基纤维、无机纤维、碳基纤维或其组合的纤维。在一些实施例中，该纤维采用离散纤维、织造材料、干式布层非织造材料、湿式布层非织造材料、针刺非织造材料、棉絮、网、垫、毛毡和/或其组合的形式。在一些实施例中，该无机纤维选自玻璃纤维、岩石纤维、金属纤维、硼纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、或其组合。在一个或多个实施例中，该气凝胶包括二氧化硅基气凝胶。在一个或多个实施例中，该气凝胶包括一种或多种添加剂，该添加剂占该气凝胶的至少约5至40重量百分比，优选地，占该气凝胶的至少约5至20重量百分比，更优选地，占该气凝胶的至少约10至20重量百分比。在一些实施例中，该一种或多种添加剂包括防火级添加剂。在一些实施例中，该一种或多种添加剂包括选自B4C、硅藻土、铁酸锰、MnO、NiO、SnO、Ag2O、Bi2O3、TiC、WC、炭黑、氧化钛、氧化钛铁、硅酸锆、氧化锆、氧化铁(I)、氧化铁(III)、二氧化锰、氧化钛铁(钛铁矿)、氧化铬、或其混合物的遮光剂。在一些实施例中，该一种或多种添加剂包括：包括碳化硅的遮光剂。在一些实施例中，该一种或多种添加剂包括防火级添加剂与遮光剂的组合。在一个或多个实施例中，该气凝胶具有在约0.25g/cc至约1.0g/cc的范围内的密度。在一些实施例中，该气凝胶具有约2MPa至约8MPa的弯曲模量。在一些实施例中，该气凝胶在约70℃具有在约10％至约25％的范围内的压缩永久变形。在一些实施例中，该气凝胶呈现抗压缩性，且在25％应变的该抗压缩性在约40kPa至约180kPa之间。在一个或多个实施例中，该气凝胶采用单块、微珠、颗粒、小粒、粉末、薄膜、薄片、或其组合的形式。
在一些实施例中，该导热层包括：包括金属、碳、导热聚合物、或其组合的至少一层。在一些实施例中，导热层为相变材料。在一些实施例中，该导热层为选自铝、铜或钢的金属。在一些实施例中，该导热层将热导离局部热负荷，优选地，导至环境。在一些实施例中，该导热层采用选自由网、薄片、穿孔薄片、箔、及穿孔箔所组成的组的形式。在一些实施例中，其中，在25℃贯穿该绝缘层(例如，气凝胶)的厚度尺寸的该导热率在高达约5MPa的负荷下保持不变或增加不显著的量。在一些实施例中，贯穿该绝缘层的厚度尺寸的该导热率在高达约5MPa的负荷下在25℃小于约50mW/m-K。
另一方面，本文中提供一种用作电能储存系统中的绝热层的多层材料。该多层材料包括核心部分，其包括层状组件，该层状组件包括至少一绝缘层和至少一热容层。外部部分设于该核心部分的外部，该外部部分包括至少一牺牲材料层，其中，该牺牲材料层包括在约20kPa至约100kPa(例如，在约27kPa至约55kPa)具有25％压缩力挠度(CFD)的可压缩垫。该热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容，并且其中，该绝缘层具有在25℃小于约50mW/m-K及在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。
另一方面，本文中提供一种用作电能储存系统中的绝热层的多层材料。该多层材料包括核心部分，其包括层状组件，该层状组件包括至少一绝缘层及至少一导热层。外部部分设于该核心部分的外部上，该外部部分包括至少一牺牲材料层，该牺牲材料层在约20kPa至约100kPa(例如，在约27kPa至约55kPa)具有25％压缩力挠度(CFD)。该导热层具有至少约200mW/m-K的沿该导热层的平面内尺寸的导热率。该导热层具有至少约200mW/m-K的沿该导热层的平面内尺寸的导热率，以及其中，该绝缘层具有在25℃小于约50mW/m-K及在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。
一方面，用作电能储存系统中的绝热层的多层材料包括核心层，该核心层包括具有约1MPa至约12MPa的压缩模量的至少一可压缩材料层以及至少一导热层和/或至少一热容层。而且，该多层材料包括两个绝缘层，其具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。该核心层夹置于该两个绝缘层之间。该多层材料可以选择性地封装于封装材料中。
一方面，本文中提供依据任意上述方面的各种实施例的多层材料在包括多个单电池单元或电池单元模块的电池组中的用途，以将所述单电池单元或电池单元模块彼此热分离。在一些实施例中，发生在该电池的一部分的一个或多个电池单元或电池单元模块中的失控事件不会造成通过依据上述方面的任一者的多层材料与该电池的该部分分离的该电池的部分中的电池单元或模块的损害。
另一方面，本文中提供依据任意上述方面的各种实施例的多层材料，其位于包括多个单电池单元或电池单元的模块的电池组中，以将所述单电池单元或电池单元的模块彼此热分离。
一方面，本文中提供一种电池模块，其包括：第一电池单元，其具有第一表面；第二电池单元，其具有第二表面，该第二表面与该第一表面呈相对关系；以及依据任意上述方面的各种实施例的多层材料，其设于该第一与第二表面之间。在一些实施例中，该多层材料覆盖该相对的第一与第二表面的表面积的至少约80％。
另一方面，本文中提供一种电池模块，其包括：至少一电池单元，以及依据任意上述方面的各种实施例的多层材料，其中，该多层材料设于该至少一电池单元的表面上或该电池模块的表面上。
一方面，本文中提供一种电池组，其包括多个电池以及设于该两个相邻电池或两相邻模块之间的间隔物，其中，该间隔物包含依据任意上述方面的各种实施例的多层材料。
依据任意上述方面的电池模块或电池组，其进一步包括冷却系统，该冷却系统经配置以自该电池组移除热。在一些实施例中，该多层材料的至少一层与该冷却系统热连通。在一些实施例中，该导热层与该冷却系统热连通。
另一方面，本文中提供一种装置或车辆，其包括依据上述方面的任一者的电池模块或电池组。在一些实施例中，该装置为膝上型计算机、PDA、手机、标签扫描仪、音频装置、视频装置、显示面板、摄影机、数码相机、台式计算机、军用便携式计算机、军用电话、激光测距仪、数码通讯装置、情报收集传感器、电子集成服装、夜视设备、电动工具、计算器、收音机、遥控装置、GPS装置、手持式及便携式电视、汽车启动器、手电筒、声学装置、便携式加热装置、便携式真空吸尘器或便携式医疗工具。在一些实施例中，该车辆为电动车辆。
在一个或多个实施例中，依据任意上述方面的多层材料在未压缩状态下具有在约2mm至约10mm之间的平均厚度。
与现有的热失控缓解策略相比，本文中所述的多层材料可提供一个或多个优点。本文中所述的多层材料可最大限度地减少或消除电池热失控传播，而不会显著影响电池模块或电池组的能量密度和组装成本。本公开的多层材料可提供良好的压缩性、压缩弹性及顺应性的特性，以适应在电池寿命期间持续的电池膨胀，同时在正常操作状况下以及在热失控状况下具有良好的热特性。本文中所述的多层材料耐用且容易处理，具有良好的抗热传播及火灾传播能力，同时最大限度地减小所用材料的厚度及重量，而且具有良好的压缩性、压缩弹性及顺应性的特性。
附图说明
在概括说明本公开之后，现在将参照附图，其不一定按比例绘制，且其中：
图1绘示锂离子电池的电化学电池的示意图；
图2绘示锂离子电池中的充电-放电过程的示意图。
图3示意性绘示电池模块内的热失控滥用状况及热失控传播过程。
图4绘示在电池中的锂镀层上的枝蔓状生长示意图。
图5示意性绘示导致热失控过程的三阶段。
图6示意性绘示电池单元、电池模块及电池组。
图7示意性绘示依据本文中所公开的特定实施例的多层材料。
图8示意性绘示依据本文中所公开的特定实施例的多层材料。
图9A-E示意性绘示依据本文中所公开的特定实施例的多层材料。
主要组件符号说明
100 电池
200 电池模块
300 电池组
400 多层材料
410 可压缩垫
420 封装材料层、封装材料
430,435,440,445,450 热容层
460 可压缩垫
470,480 绝缘层
500 多层材料
530,540,550 导热层
600 外部部分
700 核心部分
800,810,820,830,840 多层材料。
具体实施方式
在以下涉及优选实施例的详细说明中，参照附图，这些附图构成这些实施例的部分，且在这些附图中，以示例方式绘示特定实施例，可通过这些实施例实施本公开。应当理解，可使用其他实施例，并可进行结构改变，而不背离本公开的范围。
本公开涉及用以管理储能系统中的热失控问题的多层材料以及包括该多层材料的系统。示例性实施例包括多层材料，该多层材料包括至少一绝缘层、至少一可压缩垫和可选的一个或多个层，其具有良好的散热特性，具有良好的防火、阻燃及/或耐磨特性，具有良好的性能以用作绝热层。本公开进一步涉及一种电池模块或电池组，其具有一个或多个电池单元和经布置与该电池单元热连通的该多层绝热材料。
本文中所公开的多层材料的一个或多个绝缘层可包括气凝胶组合物或增强气凝胶组合物。已知气凝胶材料的热阻约为其他常见类型绝缘材料(例如泡沫、玻璃纤维等)的二至六倍。气凝胶可增加有效屏蔽及热绝缘，而无需大幅增加绝缘厚度或添加额外重量。已知气凝胶为一类具有低密度、开孔结构、大表面积以及纳米级孔径的结构。
依据本公开的实施例的多层材料和包含气凝胶组合物的多层材料提供良好的压缩性、压缩弹性及顺应性的特性。当被用作电池模块内的电池之间的绝热层时，该多层材料可提供抗压缩变形能力，以适应由于在电池的充电/放电周期期间活性材料的劣化及膨胀而导致的电池膨胀。
而且，本公开提供一种电池模块或电池组，其包括：至少一电池单元；和依据本文中所公开的实施例的多层材料，其设于该电池单元上或该电池模块上，例如，该至少一电池单元的表面上或该电池模块的表面上。例如，该电池模块或电池组具有内表面和外表面。在特定实施例中，该多层材料位于该电池模块或电池组的内表面上。在特定实施例中，该多层材料位于该电池模块或电池组的外表面上。
本公开的多层材料可具有各种独特的配置，其中，以特定方式布置具有良好的热及/或机械特性的不止一个层。图7绘示依据本文中所公开的实施例的示例性多层材料400。在实施例中，用作电能储存系统中的绝热层的多层材料400包括：核心部分700，其包括由绝缘层470和480与热容层430、440和/或450组成的层状组件，这些层沿垂直于其最大表面的方向交替堆叠；以及外部部分600，其设于核心部分700的外部，外部部分600分别具有包括可压缩垫的牺牲材料层。可压缩垫410/460具有约1MPa至12MPa的压缩模量。封装材料层420选自聚合物、弹性体或其组合。热容层430、440及450具有至少约200J/(kg-K)的比热容。绝缘层470及480具有在25℃小于约50mW/m-K及在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。
在一些实施例中，绝缘层470和480由相同的材料制成。在一些实施例中，绝缘层470和480由具有不同热和/或机械特性的不同材料制成。在一些实施例中，热容层430、440和450由相同的材料制成。在一些实施例中，热容层430、440和450由具有不同的热和/或机械特性的不同材料制成。可压缩垫410和460也可由不同或相同的材料制成。
图8绘示依据本文中所公开的实施例的多层材料500。在实施例中，用作电能储存系统中的绝热层的多层材料500包括：核心部分700，其包括由绝缘层470和480与导热层530、540和550组成的层状组件，这些层沿垂直于其最大表面的方向交替堆叠。外部部分600设于核心部分700的外部。外部部分600分别具有包括可压缩垫的牺牲材料层。可压缩垫410/460具有约1MPa至12MPa的压缩模量。封装材料层420选自聚合物、弹性体或其组合。导热层530、540和550具有至少约200mW/m-K的沿该导热层的平面内尺寸的导热率。绝缘层470和/或480具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。
在一些实施例中，导热层530、540和550由相同的材料制成。在一些实施例中，导热层530、540和550由具有不同的热和/或机械特性的不同材料制成。
在一些实施例中，封装材料层420夹置于核心部分700与具有至少一可压缩垫410和/或460的牺牲材料层之间，如图7和图8中所示。在一些实施例中，具有至少一可压缩垫410和/或460的该牺牲材料层夹置于核心部分700与封装材料层420之间。
依据本文中所公开的实施例的多层材料在未压缩状态下可具有在约2mm至约10mm的范围内的平均厚度。当暴露于外部机械负荷时(例如在电池模块的初始组装期间施加于电池之间的材料的负荷，例如1MPa或更低)，该多层材料的平均厚度可能减小。
在图9A中所示的多层材料的示例配置中，用作电能储存系统中的绝热层的多层材料800包括：核心层，其包括具有约1MPa至约12MPa(例如，1.5MPa、2MPa、4MPa、5MPa、6MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa、11.5MPa)的压缩模量的可压缩垫410；以及两个绝缘层470和480，其具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。该核心层夹置于两个绝缘层470与480之间，其中，该多层材料可以选择性地封装于选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料420中。
在图9B中所示的多层材料的示例配置中，用作电能储存系统中的绝热层的多层材料810包括核心层，该核心层包括具有约1MPa至约12MPa的压缩模量的可压缩垫410以及两导热层530及540。多层材料801进一步包括两个绝缘层470和480，其具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率，其中，该核心层夹置于两绝缘层470与480之间，其中，该至少一导热层具有至少约200mW/m-K的平面内导热率，并且其中，该多层材料可以选择性地封装于选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料420中。
在图9C中所示的示例性实施例中，用作电能储存系统中的绝热层的多层材料820包括核心层，该核心层包括具有约1MPa至约12MPa的压缩模量的可压缩垫410以及两个热容层430及440。该核心层夹置于两个绝缘层470与480之间，该绝缘层具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。该热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容。该多层材料可以选择性地封装于选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料420中。
在如图9D中所示的示例性实施例中，用作电能储存系统中的绝热层的多层材料830包括核心层，该核心层具有：具有约1MPa至约12MPa的压缩模量的可压缩垫410以及两热容层430和440。两个绝缘层470和480(具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率)夹置该核心层。该热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容。多层材料830进一步包括设于各绝缘层470和480的外表面上的两个额外热容层435和445。该多层材料可选择性地封装于选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料420中。
在图9E中所示的多层材料的示例性配置中，用作电能储存系统中的绝热层的多层材料840包括核心层，该核心层包括两个可压缩垫410及460(分别具有约1MPa至约12MPa的压缩模量)以及一热容层430。两绝缘层470和480(具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率)夹置该核心层。该热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容。该多层材料可以选择性地封装于选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料420中。热容层430由两个可压缩垫410和460夹置。
绝缘层
本文中所述的多层材料的绝缘层负责可靠地控制小空间中热产生部分的热流，以为电子、工业和汽车科技领域中的此类产品提供安全性并防止火灾传播。具有优越压缩特性的绝缘层可用于满足这些需求。在本公开的许多实施例中，绝缘层本身或结合该多层材料的其他层还充当火焰/火灾导流层。例如，绝缘层(例如气凝胶层)结合阻燃层(例如金属或云母层)可保护下方层免受火焰及/或热气体以及夹带微粒材料(例如在热失控事件期间可能从LIB喷射的材料)的火焰/热气体的影响。又例如，绝缘层可能本身抗火焰及/或热气体以及夹带微粒材料的火焰/热气体。绝缘层(例如云母、微孔二氧化硅、气凝胶)结合阻燃层可充当火焰/火灾导流层。包括气凝胶的绝缘层(例如本文中的实施例所公开的那些)耐用且容易处理，具有良好的抗热传播及火灾传播能力，同时最大限度地减小所用材料的厚度及重量，而且具有良好的压缩性，压缩弹性及顺应性的特性。
气凝胶是一类具有开孔的多孔材料，包括互连结构的框架，相应的孔隙网络集成于该框架内，且该孔隙网络内的间隙相主要由气体例如空气组成。气凝胶通常由低密度、高孔隙率、大表面积和小孔径表征。气凝胶可通过其物理及结构特性区别于其他多孔材料。
因此，在一些实施例中，本公开的多层材料的绝缘层包括气凝胶。在一些实施例中，该绝缘层可进一步包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉、及其组合所组成的组的材料。在一些情况下，该绝缘层不具有气凝胶。在一些实施例中，该绝缘层可包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉、及其组合所组成的组的材料。
在特定实施例中，本公开的绝缘层具有在25℃约50mW/mK或更小、约40mW/mK或更小、约30mW/mK或更小、约25mW/mK或更小、约20mW/mK或更小、约18mW/mK或更小、约16mW/mK或更小、约14mW/mK或更小、约12mW/mK或更小、约10mW/mK或更小、约5mW/mK或更小，或在这些值的任两个之间的范围内的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。在特定实施例中，本公开的绝缘层具有在600℃约60mW/mK或更小、约50mW/mK或更小、约40mW/mK或更小、约30mW/mK或更小、约25mW/mK或更小、约20mW/mK或更小、约18mW/mK或更小、约16mW/mK或更小、约14mW/mK或更小、约12mW/mK或更小、约10mW/mK或更小、约5mW/mK或更小，或在这些值的任两个之间的范围内的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。
在高达约5MPa的负荷下，本公开的绝缘层(例如，包括气凝胶的绝缘层)可保持导热率(通常以mW/m-k度量)不变或增加不显著的量。在特定实施例中，在高达约5MPa的负荷下，本公开的绝缘层具有在25℃约50mW/mK或更小、约40mW/mK或更小、约30mW/mK或更小、约25mW/mK或更小、约20mW/mK或更小、约18mW/mK或更小、约16mW/mK或更小、约14mW/mK或更小、约12mW/mK或更小、约10mW/mK或更小、约5mW/mK或更小，或在这些值的任两个之间的范围内的贯穿该绝缘层的厚度尺寸的导热率。该气凝胶绝缘层的厚度可因该气凝胶绝缘层所承受的负荷而降低。例如，在约0.50MPa至5MPa的范围内的负荷下，该气凝胶绝缘层的厚度可降低50％或更低、40％或更低、30％或更低、25％或更低、20％或更低、15％或更低、10％或更低、5％或更低，或在这些值的任两个之间的范围内。虽然包括气凝胶的绝缘层的热阻可能随厚度降低而减小，但导热率可保持不变或增加不显著的量。
在特定实施方案中，本公开的绝缘层可具有约750cal/g或更少、约717cal/g或更少、约700cal/g或更少、约650cal/g或更少、约600cal/g或更少、约575cal/g或更少、约550cal/g或更少、约500cal/g或更少、约450cal/g或更少、约400cal/g或更少、约350cal/g或更少、约300cal/g或更少、约250cal/g或更少、约200cal/g或更少、约150cal/g或更少、约100cal/g或更少、约50cal/g或更少、约25cal/g或更少、约10cal/g或更少，或在这些值的任两个之间的范围内的燃烧热。相对于另一绝缘层，具有改进的燃烧热的绝缘层相对于该参考绝缘层将具有较低的燃烧热值。在本公开的特定实施例中，绝缘层的燃烧热(HOC)通过在该绝缘层中纳入防火级添加剂来改进。
在特定实施例中，本公开的绝缘层具有约300℃或更高、约320℃或更高、约340℃或更高、约360℃或更高、约380℃或更高、约400℃或更高、约420℃或更高、约440℃或更高、约460℃或更高、约480℃或更高、约500℃或更高、约515℃或更高、约550℃或更高，约600℃或更高，或在这些值的任两个之间的范围内的热分解起始温度。在本文中的上下文中，例如，第一组合物的热分解起始温度高于第二组合物的热分解起始温度将被视为该第一组合物相对于该第二组合物的改进。本文中预期，与不包括任何防火级添加剂的组合物相比，当添加一种或多种防火级添加剂时，组合物或材料的热分解起始温度增加。
术语“弯曲模量”或“弯曲弹性模量”当垂直于样品的长边施加力时材料刚性/抗弯曲性的度量-称为三点弯曲测试。弯曲模量表示材料的弯曲能力。弯曲模量由应力-应变曲线的初始直线部分的斜率表示，并通过将应力变化除以相应应变变化来计算。因此，应力与应变的比为弯曲模量的度量。弯曲模量的国际标准单位为帕(Pa或N/m2或m-1.kg.s-2)。所使用的实际单位为兆帕(MPa或N/mm2)或千兆帕(GPa或kN/mm2)。在美国惯用单位中，表示为磅(力)每平方英寸(psi)。在特定实施例中，本公开的绝缘层具有约8MPa或更小、约7MPa或更小、约6MPa或更小、约5MPa或更小、约4MPa或更小、约3MPa或更小的弯曲模量。优选地，本公开的绝缘层(例如气凝胶)具有约2MPa至约8MPa的弯曲模量。
如上所述，为适应电池在其生命周期期间膨胀，在电池或电池模块及电池组之间的材料的压缩及弹性特性很重要。在特定实施例中，该绝缘层或包括该绝缘层的该多层材料，(i)可压缩其初始或未压缩厚度的至少50％，优选至少65％，最优选至少80％，以及(ii)具有足够的弹性，在压缩几秒后，它将恢复至其初始或未压缩厚度的至少70％，优选至少75％，最优选至少80％。
在特定实施例中，该绝缘层(例如，包括气凝胶的层)、包括该绝缘层的该多层材料的可压缩成分，或整体该多层材料的压缩模量为约1MPa、约2MPa、约3MPa、约4MPa、约5MPa、约6MPa、约7MPa、约8MPa、约9MPa、约10MPa、约11MPa，约12MPa或在这些值的任两个之间的范围内。
气凝胶
本发明的气凝胶可以是有机的、无机的、或其混合物。在一些实施例中，该气凝胶包括二氧化硅基气凝胶。包括气凝胶的该多层材料的该绝缘层进一步包括增强材料。该增强材料可以是任意材料，其为该气凝胶材料提供弹性、一致性或结构稳定性。熟知增强材料的示例包括但不限于开孔式大孔框架增强材料、闭孔式大孔框架增强材料、开孔膜、蜂巢增强材料、聚合增强材料和纤维增强材料，例如离散纤维、织造材料、非织造材料、针刺非织造材料、棉絮、网、垫和毛毡。
该增强材料可选自有机聚合物基纤维、无机纤维、碳基纤维或其组合。该无机纤维选自玻璃纤维、岩石纤维、金属纤维、硼纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、或其组合。
在一些实施例中，该增强材料可包括：包括多个材料层的增强层。例如，该多个材料层可被接合在一起。在示例性实施例中，该多个层的至少一层可包括第一材料，且该多个层的至少另一层可包括第二材料。该第一材料与该第二材料可具有相同或不同的材料特性。例如，相较该第二材料，该第一材料更可压缩。又例如，该第一材料可包括闭合电池，且该第二材料可包括开放电池。
气凝胶被描述为互连结构的框架，该互连结构通常由互连的低聚物、聚合物，或胶体颗粒组成。气凝胶框架可由一系列前体材料制成，包括无机前体材料(例如用于制造二氧化硅基气凝胶的前体)；有机前体材料(用于制造碳基气凝胶的前体)；混合的无机/有机前体材料；及其组合。在本公开的上下文中，术语“混合气凝胶(amalgam aerogel)”由两种或更多种不同凝胶前体的组合制造的气凝胶；相应的前体被称为“混合前体”。
无机气凝胶
无机气凝胶通常由金属氧化物或金属醇盐材料形成。该金属氧化物或金属醇盐材料可基于可形成氧化物的任意金属的氧化物或醇盐。此类金属包括但不限于硅、铝、钛、锆、铪、钇、钒、铈等。无机二氧化硅气凝胶传统上通过二氧化硅基醇盐(例如四乙氧基硅烷)的水解和缩合，或通过硅酸或水玻璃的凝胶化来制作。用于二氧化硅基气凝胶合成的其他相关无机前体材料包括但不限于金属硅酸盐，例如硅酸钠或硅酸钾、烷氧基硅烷、部分水解烷氧基硅烷、四乙氧基硅烷(TEOS)、部分水解TEOS、TEOS的缩合聚合物、四甲氧基硅烷(TMOS)、部分水解TMOS、TMOS的缩合聚合物、四丙氧基硅烷、四丙氧基硅烷的部分水解和/或缩合聚合物、聚硅酸乙酯、部分水解聚硅酸乙酯、单体烷基烷氧基硅烷、双三烷氧基烷基或芳基硅烷、多面体倍半硅氧烷、或其组合。
在本公开的特定实施例中，预水解TEOS(例如Silbond H-5(SBH5，Silbond公司)，以约1.9-2的水/二氧化硅比水解)可使用市场上销售的，或者可在纳入凝胶过程的前进一步水解。部分水解TWOS或TMOS(例如聚硅酸乙酯(Silbond 40)或聚硅酸甲酯)也可使用市场上销售的，或者可在纳入凝胶过程的前进一步水解。
无机气凝胶还可包括凝胶前体，该凝胶前体包括至少一疏水基团，例如烷基金属醇盐、环烷基金属醇盐和芳基金属醇盐，其可赋予或改进凝胶中的特定特性，例如稳定性和疏水性。无机二氧化硅气凝胶可具体包括疏水前体，例如烷基硅烷或芳基硅烷。疏水凝胶前体可被用作用以形成凝胶材料的框架的主要前体材料。然而，疏水凝胶前体更常被用作在形成混合气凝胶过程中结合简单金属醇盐的共前体。用于二氧化硅基气凝胶合成的疏水无机前体材料包括但不限于三甲基甲氧基硅烷(TMS)、二甲基二甲氧基硅烷(DMS)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、三甲基乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷(DMDS)、甲基三乙氧基硅烷(MTES)、乙基三乙氧基硅烷(ETES)、二乙基二乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷(DMDES)、乙基三乙氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷(PhTES)、六甲基二硅氮烷和六乙基二硅氮烷等。可使用任意上述前体的任意衍生物，且具体地，可将特定聚合的其他化学基团添加或交联至上述前体的一者或多者。
气凝胶也可经处理以赋予或改进疏水性。可将疏水处理施加于溶胶-凝胶溶液、液体萃取前的湿凝胶，或液体萃取后的气凝胶。疏水处理尤其常见于金属氧化物气凝胶(例如二氧化硅气凝胶)的制造中。下面更详细地讨论凝胶的疏水处理的示例，特别是在处理二氧化硅湿凝胶的背景下。然而，本文中所提供的具体示例和图示并非意图将本公开的范围限于任意特定类型的疏水处理步骤或气凝胶基质。本公开可包括本领域技术人员已知的任何凝胶或气凝胶，以及气凝胶(采用湿凝胶形式或干气凝胶形式)的疏水处理的相关方法。
疏水处理通过使凝胶上的羟基部分(例如二氧化硅凝胶的框架上所存在的硅醇基团(Si-OH))与疏水剂的功能基团反应来执行。所导致的反应将该硅醇基团和疏水剂转化成该二氧化硅凝胶的框架上的疏水基团。疏水剂化合物可依据以下反应与该凝胶上的羟基基团反应：RNMX4-N(疏水剂)+MOH(硅醇)→MOMRN(疏水基团)+HX。疏水处理既可发生于二氧化硅凝胶的外宏观表面上，也可发生于凝胶的多孔网络内的内孔表面上。
可将凝胶浸于疏水剂及可选的疏水处理溶剂(疏水剂可溶于其中，且其也可与湿凝胶中的凝胶溶剂混溶)的混合物中。可使用广范围的疏水处理溶剂，包括溶剂例如甲醇、乙醇、异丙醇、二甲苯、甲苯、苯、二甲基甲酰胺和己烷。采用液体或气体形式的疏水剂也可与该凝胶直接接触，以赋予疏水性。
该疏水处理过程可包括混合或搅拌，以帮助该疏水剂渗透该湿凝胶。该疏水处理过程还可包括改变其他条件，例如温度及pH值，以进一步增强与优化处理反应。在该反应完成后，清洗该湿凝胶，以移除未反应化合物及反应副产物。
用于气凝胶的疏水处理的疏水剂通常为具有分子式RNMX4-N的化合物；其中，M为金属；R为疏水基团，例如CH3、CH2CH3、C6H6或类似的疏水烷基、环烷基或芳基部分；并且X为卤素，通常为Cl。疏水剂的具体示例包括但不限于三甲基氯硅烷(TMCS)、三乙基氯硅烷(TECS)、三苯基氯硅烷(TPCS)、二甲基氯硅烷(DMCS)、二甲基二氯硅烷(DMDCS)等。疏水剂也可具有分子式：Y(R3M)2；其中，M为金属；Y为桥联基团(bridging group)，例如NH或O；并且R为疏水基团，例如CH3、CH2CH3、C6H6或类似的疏水烷基、环烷基或芳基部分。此类疏水剂的具体示例包括但不限于六甲基二硅氮烷[HMDZ]和六甲基二硅氧烷[HMDSO]。疏水剂可进一步包括具有分子式RNMV4-N的化合物，其中，V为除卤素外的反应或离去基团。此类疏水剂的具体示例包括但不限于乙烯基三乙氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷。
本公开的疏水处理也可在移除、置换或干燥该凝胶中的液体期间执行。在特定实施方案中，该疏水处理可在超临界流体环境(例如但不限于超临界二氧化碳)中执行，并可结合干燥或萃取步骤。
有机气凝胶
有机气凝胶通常由碳基聚合前体形成。此类聚合材料包括但不限于间苯二酚甲醛(RF)、聚酰亚胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯低聚物、聚氧化烯、聚氨酯、多酚、聚丁二烯、三烷氧基硅烷封端的聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚糠醛、三聚氰胺-甲醛、甲酚甲醛、苯酚糠醛、聚醚、多元醇、聚异氰酸酯、聚羟基苯、聚乙烯醇双醛、聚氰脲酸酯、聚丙烯酰胺、各种环氧树脂、琼脂、琼脂糖、几丁聚糖、及其组合。例如，有机RF气凝胶通常在碱性条件下由间苯二酚或三聚氰胺与甲醛的溶胶-凝胶聚合化制成。
有机/无机混合气凝胶
有机/无机混合气凝胶主要由有机改性二氧化硅(organically modifiedsilica,ormosil)气凝胶组成。这些有机改性二氧化硅材料包括共价键合至二氧化硅网络的有机成分。有机改性二氧化硅通常利用传统的醇盐前体Y(OX)4，通过有机改性硅烷R--Si(OX)3的水解和缩合形成。在这些式子中，X可表示例如CH3、C2H5、C3H7、C4H9；Y可表示例如Si、Ti、Zr，或Al；R可为任意有机片段，例如甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、乙烯基、环氧化物等。有机改性二氧化硅气凝胶中的该有机成分也可分散遍及该二氧化硅网络或化学键合至该二氧化硅网络。
在特定实施例中，本公开的气凝胶为主要由预聚二氧化硅前体(优选地作为低聚物)形成的无机二氧化硅气凝胶，或由醇溶剂中的硅醇盐形成的水解硅酸酯。在特定实施例中，此类预聚二氧化硅前体或水解硅酸酯可由其他前体或硅酸酯(例如烷氧基硅烷或水玻璃)原位形成。然而，本发明整体上可利用本领域技术人员已知的任意其他气凝胶组合物来实施，且不限于任意一种前体材料或前体材料的混杂混合物。
大孔
如上所述，依据本公开的实施例的气凝胶组合物可包括气凝胶框架，其包括大孔。不受任意特定操作理论约束，该气凝胶框架内的大孔的存在可允许该气凝胶组合物(例如增强气凝胶组合物)的压缩，同时保持甚至改进热特性，例如降低导热率。例如，该大孔可通过该组合物的压缩而变形、挤压或以其他方式减小尺寸，从而使该组合物的厚度在负荷下减小。然而，随着大孔变形，它们有效地变为较小的孔。因此，当大孔变形时，该气凝胶框架内的热传递路径可更加曲折，从而改进热特性，例如降低导热率。在本公开的上下文中，“中孔”为平均孔径在约2nm至约50nm的范围内的孔。气凝胶框架通常为中孔(即，主要包含具有从约2nm至约50nm的平均直径的孔)。在特定实施例中，本公开的气凝胶组合物的气凝胶框架可包括大孔。在本公开的上下文中，“大孔”为平均孔径大于约50nm的孔。气凝胶框架可包括大孔和中孔。例如，该气凝胶框架的孔隙体积的至少10％可由大孔组成，该气凝胶框架的孔隙体积的至少5％可由大孔组成，该气凝胶框架的孔隙体积的至少75％可由大孔组成，该气凝胶框架的孔隙体积的至少95％可由大孔组成，或者该气凝胶框架的孔隙体积的至少100％可由大孔组成。在一些特定实施例中，该气凝胶框架可以是大孔气凝胶框架，以使其孔隙体积的大部分由大孔组成。在一些情况下，该大孔气凝胶框架还可包括微孔和/或中孔。在一些实施例中，该气凝胶框架中的孔隙的平均孔径(直径)可大于50nm、大于50nm至5000nm、250nm至2000nm、500nm至2000nm、500nm至1400nm，或1200nm。在特定实施例中，该平均孔径(直径)可大于50nm，大于50nm至1000nm，优选100nm至800nm，更优选250nm至750nm。
均匀和不均匀的孔径分布
在一些实施例中，在该气凝胶框架内的孔径变化可沿该气凝胶框架均匀分布。例如，平均孔径在该气凝胶框架各处可基本相同。
在其他实施例中，在该气凝胶框架内的孔径变化可沿该气凝胶框架不均匀分布。例如，平均孔径在该气凝胶框架的特定区域中可不同。在一些示例性实施例中，平均孔径在该气凝胶框架的上表面、下表面或上下表面的区域中可较大。例如，大孔可分布于该组合物内，以使大孔与中孔的比在该上表面大于在该下表面，在该下表面大于在该上表面，或者在该上下表面大于在该上下表面之间的中间区域。又例如，大孔可分布于该组合物内，以使大孔与中孔的比在该上表面附近大于在该下表面附近，在该下表面附近大于在该上表面附近，或者在该上下表面附近大于在该上下表面之间的该中间区域中。在其他实施例中，该平均孔径在该气凝胶框架的该上下表面之间的中间区域中可较大。
大孔形成
在制造气凝胶组合物期间可形成大孔。例如，在转变为凝胶组合物期间，可在凝胶前体材料中诱发大孔的形成。在一些实施例中，大孔的形成可通过诱发例如凝胶前体溶液的亚稳态相分离(spinodal decomposition)实现。又例如，大孔的形成可通过添加一种或多种发泡剂来诱发。
相较于中孔和/或微孔，通过选择有利于形成大孔的工艺条件，可形成在所得气凝胶框架中出现的大孔。大孔的数量可通过实施以下变量的任意一种、任意组合，或全部来调节：(1)聚合溶剂；(2)聚合温度；(3)聚合物分子量；(4)分子量分布；(5)共聚物组成；(6)分枝的数量；(7)交联的数量；(8)分枝的方法；(9)交联的方法；(10)用于形成凝胶的方法；(11)用以形成凝胶的催化剂的类型；(12)用以形成凝胶的催化剂的化学组成；(13)用以形成凝胶的催化剂的量；(14)凝胶形成温度；(15)凝胶形成期间流过材料的气体类型；(16)凝胶形成期间流过材料的气体速率；(17)凝胶形成期间的大气压力；(18)凝胶形成期间溶解气体的移除；(19)凝胶形成期间树脂中所存在的固体添加剂；(20)凝胶形成过程的时间量；(21)用于凝胶形成的基质；(22)溶剂置换过程的各步骤中所使用的一种或多种溶剂的类型；(23)溶剂置换过程的各步骤中所使用的一种或多种溶剂的组成；(24)溶剂置换过程的各步骤中所使用的时间量；(25)在溶剂置换过程的各步骤中部件的停留时间；(26)溶剂置换溶剂的流速；(27)溶剂置换溶剂的流动类型；(28)溶剂置换溶剂的搅拌速率；(29)溶剂置换过程的各步骤中所使用的温度；(30)溶剂置换溶剂的体积与部件体积的比率；(31)干燥方法；(32)干燥过程中各步骤的温度；(33)干燥过程的各步骤中的压力；(34)干燥过程的各步骤中所使用的气体的组成；(35)干燥过程的各步骤期间的气体流速；(36)干燥过程的各步骤期间的气体温度；(37)干燥过程的各步骤期间的部件温度；(38)干燥过程的各步骤期间存在围绕部件的壳体；(39)干燥期间围绕部件的壳体的类型；和/或(40)干燥过程的各步骤中所使用的溶剂。多功能胺与二胺化合物可作为固体(纯的或溶解于适当溶剂中)以一个或多个部分单独或一起添加。在其他方面，一种制造气凝胶的方法可包括步骤：(a)向溶剂提供多功能胺化合物和至少一种二胺化合物，以形成溶液；(b)在足以形成枝化聚合物基质溶液的条件下，向步骤(a)的溶液提供至少一种二酐化合物，其中，该枝化聚合物基质溶解于该溶液中；以及(c)将该枝化聚合物基质溶液置于足以形成具有开孔结构的气凝胶的条件下。在所得气凝胶框架中出现的大孔可以上述方式形成。在优选且非限制性方面，相对较小的中孔及微孔，大孔的形成可主要通过在凝胶形成期间控制聚合物/溶剂动力学来控制。
如上所述，依据本公开的实施例的气凝胶组合物可包括气凝胶框架和增强材料，其中，该增强材料的至少部分不包含气凝胶。例如，该气凝胶框架可部分延伸穿过该增强材料的厚度。在此类实施例中，该增强材料(例如，OCMF、纤维或其组合)的部分可包括气凝胶材料，且部分可不具有气凝胶。例如，在一些实施例中，该气凝胶延伸穿过该增强材料的厚度的约90％、穿过该增强材料的厚度的约50％至约90％的范围、穿过该增强材料的厚度的约10％至约50％的范围、或穿过该增强材料的厚度的约10％。
不受任何特定操作理论约束，气凝胶组合物(其中，该增强材料的至少部分不包含气凝胶)可提供良好的压缩性、压缩弹性和顺应性的特性。例如，该增强材料的特性可经选择以于包含气凝胶的区域中为热特性提供足够的增强及支持，并在不具有气凝胶的区域中提供足够的压缩性、压缩弹性和/或顺应性。该增强气凝胶组合物的含气凝胶部分可提供所需的导热率，例如小于约25mW/m*K，而不具有气凝胶的该增强部分可提供或改进所需的物理特性，例如压缩性。
在一些实施例中，增强气凝胶组合物(其中，该增强材料的至少部分不包含气凝胶)可利用本文中所公开的方法形成，其中，该增强材料与一定量的前体溶液结合，该量足以用前体溶液部分填充该增强材料。例如，前体的体积可小于该增强材料的体积，以使该前体仅部分延伸穿过该增强材料。在干燥时，所得增强气凝胶组合物将包括延伸未达该增强材料的全厚度的气凝胶框架，如上所述。在其他实施例中，增强气凝胶组合物(其中，该增强材料的至少部分不包含气凝胶)可通过从该气凝胶组合物移除表面气凝胶层来形成。
在一些实施例中，增强气凝胶组合物(其中，该增强材料的至少部分不包含气凝胶)可利用沿增强材料的厚度具有混合特性的增强材料形成。例如，该增强材料可包括多个层，各层具有不同的特性，例如在平均孔径、材料组成、闭孔、开孔、表面处理、或其组合方面的差异。该多个层可彼此接合，例如利用粘合剂、通过火焰接合或通过其他合适的方法或机制(例如本文中所讨论的方法或机制)。该增强材料的不同特性可在各层中提供不同的气凝胶分布。例如，该增强材料的开孔部分可包括气凝胶框架，而闭孔部分基本保持没有气凝胶。类似地，该增强材料或其层的其他材料特性可决定在该增强材料内并因此在该增强气凝胶组合物内的气凝胶分布。
在一些示例性实施例中，增强气凝胶组合物((其中，该增强材料的至少部分不包含气凝胶))可利用本文中所公开的方法形成，其中，该增强材料或层的特性控制或影响填充该材料或层的前体溶液的量(例如，在浇注过程期间)，以提供用前体溶液对该增强材料的部分填充。例如，该增强材料的一层可具有开孔，且该增强材料的另一层可具有闭孔。当前体溶液与此类增强材料结合时，该凝胶前体溶液可渗入该层的开孔，而不会大幅渗入该另一层的闭孔。当干燥此类组合物时，所得增强气凝胶组合物可包括不包含气凝胶的部分(例如，该闭孔层)，而另一部分(例如，该开孔层)包含气凝胶。
在一些实施例中，本文中所公开的添加剂(例如，吸热添加剂、遮光添加剂、防火级添加剂，或其他添加剂)可不均匀地分散于该增强气凝胶组合物中。例如，该添加剂材料可随该气凝胶组合物的厚度或沿其长度及/或宽度变化。例如，该添加剂可积聚于该气凝胶组合物的一侧上。在一些实施例中，该一种或多种添加剂材料可集中于该气凝胶组合物的一层中，或作为基本上由邻近或附着至该组合物的添加剂组成的独立层提供。例如，热控件可包括基本上由吸热材料(例如石膏、碳酸氢钠、氧化镁基水泥)组成的层。在其他示例性实施例中，该气凝胶组合物还可包括位于该组合物内或作为覆面层的至少一额外材料层。例如，该层可为选自由聚合物薄片、金属薄片、纤维薄片、高定向石墨材料(例如热解石墨薄片)和织物薄片所组成的组的层。在一些实施例中，该覆面层可例如通过选自由气溶胶粘合剂、氨酯基粘合剂、丙烯酸酯粘合剂、热熔胶、环氧树脂、橡胶树脂粘合剂、聚氨酯复合粘合剂、及其组合所组成的组的粘合机制附着至该组合物。在一些实施例中，该覆面层可通过非粘合机制(例如，选自由火焰接合、针刺、缝合、密封袋、铆钉、按钮、夹子、包裹、支架、及其组合所组成的组的机制)附着至该组合物。在一些实施例中，可使用任意上述粘合与非粘合机制的组合将覆面层附着至该组合物。
粉末状气凝胶组合物
如本文中所述，气凝胶组合物或复合物可包括材料以将气凝胶微粒、颗粒、小粒、微珠，或粉末纳入固体或半固体材料中，例如结合使用接合剂，例如粘合剂、树脂、水泥、泡沫、聚合物，或类似固体或固化材料。例如，气凝胶组合物可包括增强材料、气凝胶颗粒，以及可选的接合剂。在示例性实施方案中，可提供包含气凝胶颗粒及至少一种润湿剂的浆料。例如，该气凝胶颗粒可用至少一种润湿剂(例如表面活性剂或分散剂)涂覆或润湿。该气凝胶颗粒可被完全润湿、部分润湿(例如，表面润湿)，或存在于浆料中。优选的润湿剂能够挥发，以允许适当恢复疏水气凝胶颗粒的疏水性。若该润湿剂残留于该气凝胶颗粒的表面上，则该残余润湿剂可促进该复合材料的整体导热性。因此，优选的润湿剂为可移除的润湿剂，例如通过挥发，伴随或不伴随分解或其他方式。通常，可使用与该气凝胶相容的任意润湿剂。
润湿剂
用润湿剂涂覆的浆料或气凝胶可作为一种容易将疏水气凝胶引入各种材料中的方法，例如其他含水流体、浆料、粘合剂、接合剂材料，其可选择性硬化，以形成固体材料、纤维、金属化纤维、离散纤维、织造材料、非织造材料、针刺非织造材料、棉絮、网、垫、毛毡、及其组合。用至少一种润湿剂润湿的气凝胶或包含气凝胶与至少一种润湿剂的浆料使疏水气凝胶容易引入且均匀分布。湿式布层工艺(例如在美国专利号9,399,864、8,021,583、7,635,411和5,399,422中所述的工艺(分别通过引用整体纳入本文))使用水性浆料，以分散气凝胶颗粒、纤维以及其他添加剂。然后，可对该浆料脱水，以形成由气凝胶颗粒、纤维及添加剂组成的层，其可经干燥及选择性压延，以产生气凝胶复合物。
气凝胶颗粒及添加剂
在其他实施例中，气凝胶组合物可包括气凝胶颗粒、至少一无机基质材料(inorganic matrix material)以及可选的纤维、辅助材料、添加剂和其他无机接合剂。在一些实施例中，该无机基质材料可包括层状硅酸盐，例如天然存在的层状硅酸盐，如高岭土、粘土或膨润土，合成的层状硅酸盐，如水硅钠石(magadiite)或斜水硅钠石(kenyaite)，或这些材料的混合物。该层状硅酸盐可经烧制或不烧制，例如，以干燥该材料并驱除结晶水。在一些实施例中，该无机基质材料还可包括无机接合剂，例如水泥、石灰、石膏或其适当的混合物，结合层状硅酸盐。在一些实施例中，该无机基质材料还可包括本文中所公开的其他无机添加剂，例如防火级添加剂、遮光剂、或其组合。美国专利号6,143,400；6,083,619中公开包括示例性工艺个包括无机基质材料的气凝胶组合物(分别通过引用整体纳入本文)。在一些实施例中，气凝胶组合物可包括涂覆于织造材料、非织造材料、针刺非织造材料、棉絮、网、垫、毛毡、及其组合上或吸收于其内的气凝胶颗粒。该组合物中可包括粘合剂。还可包括如本文中所公开的添加剂，例如防火级添加剂、遮光剂、或其组合。美国专利号2019/0264381A1中公开示例工艺以及涂覆于织物上或吸收于其中的气凝胶组合物(其通过引用整体纳入本文)。
如本文中所述，气凝胶复合物可用其他材料压合或覆面，例如覆面材料增强层。在实施例中，本公开提供一种多层压合材料，其包括：包括增强气凝胶组合物的至少一基层和至少一覆面层。在实施例中，该覆面层包括增强材料。在实施例中，该增强气凝胶组合物用纤维增强层或开孔泡沫增强层来增强。在实施例中，本公开提供一种多层层压材料，其包括：包括增强气凝胶组合物的基层，和包括增强材料的至少两个覆面层，其中，该两个覆面层位于该基层的相对表面上。例如，可依据美国专利申请案2007/0173157中所述的方法和材料制造该多层气凝胶压合复合物。
该覆面层可包括材料以帮助为最终复合结构提供特定的特性，例如提升灵活性或减少灰尘。该覆面材料可为刚性的或柔性的。该覆面材料可包括传导层或反射箔。例如，该覆面材料可包括金属的或金属化的材料。该覆面材料可包括非织造材料。该覆面层可设于该复合结构或形成该复合结构的增强气凝胶复合物(例如热控件)的表面上。该覆面层可围绕该复合结构或形成该复合结构的增强气凝胶复合物(例如热控件)形成连续的涂层或袋。在一些实施例中，该一个或多个覆面层可封装该复合结构或形成该复合结构的增强气凝胶复合物。
在实施例中，该覆面层包括围绕该复合结构的聚合物薄片；更具体而言，聚合物材料，其包括：聚酯、聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、芳纶；更具体而言，聚合物，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、低密度聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚(4-甲基戊烷)、聚四氟乙烯、聚(1-丁烯)、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氟乙烯、聚乙烯丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚苯砜、三乙酸纤维素、聚碳酸酯、聚乙烯萘酸酯、聚己内酰胺、聚六亚甲基二酰胺、聚磺酰胺、聚酰亚胺、或其组合。在实施例中，该聚合物薄片包括或基本上由发泡聚合物材料组成；更具体而言，包括PTFE(ePTFE)、发泡聚丙烯(ePP)、发泡聚乙烯(ePE)、发泡聚苯乙烯(ePS)、或其组合的发泡聚合物材料。在优选实施例中，该覆面材料基本上由发泡聚合物材料组成。在实施例中，该聚合物薄片包括或基本上由微孔聚合物材料组成，其由在0.1μm至210μm、0.1μm至115μm、0.1μm至15μm，或0.1μm至0.6μm的范围内的孔径表征。
在实施例中，该覆面层材料包括或基本上由含氟聚合物材料组成。在本公开的上下文中，术语“含氟聚合物”或“含氟聚合物材料”是指主要由聚合氟碳化合物组成的材料。合适的含氟聚合物覆面层材料包括但不限于：聚四氟乙烯(PTFE)，包括美国专利5,814,405中所述的微孔PTFE，以及发泡PTFE(ePTFE)，例如(可从W.L.Gore公司获得)；聚氟乙烯(PVF)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；全氟烷氧基(PFA)；氟化乙烯-丙烯(FEP)；聚三氟氯乙烯(PCTFE)；乙烯四氟乙烯(ETFE)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)；及其组合。在优选实施例中，该覆面材料基本上由含氟聚合物材料组成。在优选实施例中，该覆面材料基本上由泡发PTFE(ePTFE)材料组成。
在实施例中，该覆面层材料包括或基本上由不含氟聚合物材料组成。在本公开的上下文中，术语“不含氟聚合物”或“不含氟聚合物材料”是指不包括氟聚合物材料的材料。合适的不含氟聚合物覆面层材料包括但不限于：镀铝Mylar；低密度聚乙烯，例如(可从杜邦公司获得)；橡胶或橡胶复合材料；非织造材料、弹性纤维，例如spandex、尼龙、莱卡或elastane；及其组合。在实施例中，该覆面材料为柔性覆面材料。
在一些实施例中，该覆面层材料可包括汽车树脂及聚合物，例如最高使用温度高达约100℃、高达约120℃或高达约150℃的树脂和聚合物。例如，该覆面层材料可包括丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯ABS、聚丙烯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、PVC、或其组合。例如，依据本文中所公开的实施例的气凝胶复合物及热控件可包括汽车树脂或汽车聚合物的层、金属的或金属化的层、和气凝胶层。
可利用粘合剂将覆面层附着至基层，该粘合剂适于将无机或有机覆面材料固定至基层的增强材料。可用于本公开的粘合剂的示例包括但不限于：水泥基粘合剂、硅酸钠、乳胶、压敏粘合剂、硅胶、聚苯乙烯、气溶胶粘合剂、氨酯、丙烯酸酯粘合剂、热熔接合系统、3M公司销售的接合系统、环氧树脂、橡胶树脂粘合剂、聚氨酯粘合剂混合物，例如美国专利号4,532,316中所述。
还可利用非粘合材料或技术将覆面层附着至基层，该非粘合材料或技术适于将无机或有机覆面材料固定至基层的增强材料。可用于本公开的非粘合材料或技术的示例包括但不限于：热密封、超声缝合、RF密封、缝合或穿线、针刺、密封袋、铆钉或按钮、夹子、包裹，或其他非粘合的压合材料。
可在气凝胶复合材料的任意制造阶段将覆面层附着至基层。在实施例中，在将溶胶凝胶溶液注入基础增强材料之后但在凝胶化之前，将覆面层附着至基层。在另一实施例中，在将溶胶凝胶溶液注入基础增强材料并在随后的凝胶化之后，但在老化或干燥凝胶材料之前，将覆面层附着至基层。在又一实施例中，在老化并干燥凝胶材料之后，将覆面层附着到基层。在优选实施例中，在将溶胶凝胶溶液注入基础增强材料之前，将覆面层附着至基层的增强材料。覆面层可为固体及流体不渗透的。覆面层可为多孔的且流体可渗透的。在优选实施例中，覆面层为多孔的且流体可渗透的，并包含具有足够大的直径以允许流体扩散穿过覆面材料的孔或洞。在另一优选实施例中，在将溶胶凝胶溶液注入基础增强材料之前，将覆面层附着至基层的增强材料，其中，该覆面层为多孔的且流体可渗透的，并包含具有足够大的直径以允许流体扩散穿过该覆面材料的孔或洞。在又一优选实施例中，在将溶胶凝胶溶液注入泡沫增强材料之前，将覆面层附着至开孔泡沫增强材料，其中，该覆面层为多孔的且流体可渗透的，并包含具有足够大的直径以允许流体扩散穿过该覆面材料的孔或洞。
遮光剂
气凝胶组合物可包括遮光剂，以减少热传递的辐射成分。在凝胶形成之前的任意时间点，可将遮光化合物或其前体分散于包括凝胶前体的混合物中。遮光化合物的示例包括但不限于碳化硼(B4C)、硅藻土、铁酸锰、MnO、NiO、SnO、Ag2O、Bi2O3、炭黑、石墨、氧化钛、氧化钛铁、氧化铝、硅酸锆、氧化锆、氧化铁(I)、氧化铁(III)、二氧化锰、氧化钛铁(钛铁矿)、氧化铬、碳化物(例如SiC、TiC或WC)、或其混合物。遮光化合物前体的示例包括但不限于TiOSO4或TiOCl2。在一些实施例中，用作添加剂的遮光化合物可排除碳化硅晶须或纤维。当意图将气凝胶组合物用于电性装置时，例如，用于电池中作为阻挡层或其他相关应用，包括遮光剂的组合物可能期望具有高介电强度与高体积和表面电阻率。在此类实施例中，用作遮光剂的碳添加剂可以是不导电的，或经改性以降低导电率。例如，该遮光剂可经表面氧化以降低导电率。在一些实施例中，具有固有导电率的含碳添加剂可被用作气凝胶组合物(意图用于电性装置)中的遮光剂。在此类实施例中，该导电含碳添加剂可在低于渗透阈值的浓度下使用，以为组合物提供适当的介电强度，从而用于电性装置中。
防火级添加剂
气凝胶组合物可包括一种或多种防火级添加剂。在本公开的上下文中，术语“防火级添加剂”是指在对火反应的背景下具有吸热效应并可被纳入气凝胶组合物中的材料。而且，在特定实施例中，防火级添加剂的吸热分解(endothermic decomposition；ED)起始温度高于包含该防火级添加剂的气凝胶组合物的热分解起始温度(Td)不超过100℃，且在特定实施例中，ED低于包含该防火级添加剂的气凝胶组合物的Td不超过50℃。换言之，防火级添加剂的ED具有(Td-50℃)至(Td+100℃)的范围：
在纳入或与溶胶(例如，以现有技术所理解的各种方式由烷基硅酸盐或水玻璃制备的硅溶胶)混合之前、同时，或甚至之后，防火级添加剂可与包括乙醇及可选的高达10％体积百分比水的介质混合或以其他方式分散于其中。可根据需要混合及/或搅拌该混合物，以实现添加剂基本均匀分散于该介质中。不受理论约束，使用水合形式的上述黏土和其他防火级添加剂提供额外的吸热效应。例如，叙永石黏土(可自Applied Minerals公司购买，商品名称为DRAGONITE，或者自Imerys购买，商品简称Halloysite)、高岭石黏土为硅酸铝黏土，其水合形式通过在高温释放水合水而具有吸热效应(气体稀释)。又例如，水合形式的碳酸盐可在加热或高温下释放二氧化碳。
在本公开的上下文中，术语“脱水热”是指当不暴露于高温时，自水合形式的材料蒸发水(以及双羟基化，若适用的话)所需的热量。脱水热通常以单位重量为基础来表示。
在特定实施例中，本公开的防火级添加剂具有约100℃或更高、约130℃或更高、约200℃或更高、约230℃或更高、约240℃或更高、约330℃或更高、约350℃或更高、约400℃或更高、约415℃或更高、约425℃或更高、约450℃或更高、约500℃或更高、约550℃或更高，约600℃或更高、约650℃或更高、约700℃或更高、约750℃或更高、约800℃或更高，或在这些值的任两个之间的范围内的热分解起始温度。在特定实施例中，本公开的防火级添加剂具有约440℃或570℃的热分解起始温度。在特定实施例中，本公开的防火级添加剂具有高于或低于纳入该防火级添加剂的气凝胶组合物(不具有该防火级添加剂)的Td不超过50℃，不超过40℃，不超过30℃，不超过20℃，不超过10℃，不超过5℃，或在这些值的任两个之间的范围内的热分解起始温度。
本公开的防火级添加剂包括黏土材料，例如但不限于层状硅酸盐黏土(例如伊利石)、高岭土或高岭石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、变高岭土、叙永石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、安德石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、云母(二氧化硅矿物)、一水硬铝石(羟基氧化铝；α-AlO(OH))、三水铝石(氢氧化铝)、勃姆石(羟基氧化铝；γ-AlO(OH))、蒙脱石、铝膨润石、叶蜡石(硅酸铝；Al2Si4O10(OH)2)、囊脱石、漂云母、膨润石、晶蛭石、累托石、绿鳞石、镁质膨土、绿蛋白石、铬膨润石、水铝英石、杂变柱石、氯黄晶、埃洛石、铬铝英石、微光高岭土、水磨土及斜方岭石、碳酸氢钠(NaHCO3)、氢氧化镁(或二氢氧化镁，“MDH”)、三水氧化铝(“ATH”)、石膏(二水硫酸钙；CaSO4·2H2O)、水碳镁石(MgCO3·2H2O)、三水碳镁石(MgCO3·3H2O)、五水碳镁石(MgCO3·5H2O)、水菱镁矿(水合碳酸镁；Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)、其他碳酸盐例如但不限于白云石及碳酸锂。在该些黏土材料中，本公开的特定实施例使用至少具有部分层状结构的黏土材料。在本公开的特定实施例中，作为气凝胶组合物中的防火级添加剂的黏土材料至少具有一些水(例如采用水合形式)。该添加剂可采用水合结晶形式，或者可在本公开的组合物的制造/工艺中水合。在特定实施例中，防火级添加剂还包括吸收热量而不改变化学组成的低熔点添加剂。此类示例为低熔点玻璃，例如惰性玻璃微珠。可用于本公开的组合物的其他添加剂包括但不限于硅灰石(硅酸钙)和二氧化钛(TiO2)。在特定实施例中，其他添加剂可包括红外遮光剂，例如但不限于二氧化钛或碳化硅；瓷化剂，例如但不限于低熔点玻璃粉、硅酸钙；或成炭剂，例如但不限于磷酸盐及硫酸盐。在特定实施例中，添加剂可能需要考虑特殊工艺，例如用以确保该添加剂均匀分布而不会严重结块以致产品性能变化的技术。该工艺技术可能包括额外的静态及动态混合器、稳定剂、工艺条件的调整，以及本领域中已知的其他技术。
添加剂的量
本文中所公开的气凝胶组合物中的添加剂的量可依赖于该组合物的期望特性。在溶胶凝胶组合物的制备和加工期间所使用的添加剂的量通常被称为相对于溶胶的二氧化硅含量的重量百分比。溶胶中的添加剂的量可相对于二氧化硅含量在从约5wt％至约70wt％的重量百分比范围内变化。在特定实施例中，溶胶中添加剂的量相对于二氧化硅含量在10wt％与60wt％之间，且在特定的优选实施例中，它相对于二氧化硅含量在20wt％与40wt％之间。在示例性实施例中，溶胶中的添加剂的量相对于二氧化硅含量在约5％至约20％、约10％至约20％、约10％至约30％、约10％至约20％、约30wt％至约50wt％、约35wt％至约45wt％，或相对于二氧化硅含量约35wt％至约40wt％的范围内。在一些实施例中，溶胶中的添加剂的量相对于二氧化硅含量为至少约10wt％，或相对于二氧化硅含量约10wt％。在一些实施例中，添加剂的量相对于二氧化硅含量在约5wt％至约15wt％的范围内。在特定实施例中，该添加剂可具有不止一种类型。在最终气凝胶组合物中也可能存在一种或多种防火级添加剂。在包括硅酸铝防火级添加剂的一些优选实施例中，该添加剂相对于二氧化硅含量以约60-70wt％存在于气凝胶组合物中。例如，在包括硅酸铝防火级添加剂例如高岭土或硅酸铝防火级添加剂例如高岭土与三水氧化铝(“ATH”)的组合的一些优选实施例中，气凝胶组合物中所存在的添加剂的总量相对于二氧化硅含量为约30-40wt％。又例如，在添加剂包括碳化硅的一些优选实施例中，气凝胶组合物中所存在的添加剂的总量相对于二氧化硅含量为约30-40wt％，例如35wt％。又例如，在添加剂包括碳化硅的一些优选实施例中，气凝胶组合物中所存在的添加剂的总量相对于二氧化硅含量为约5-15wt％，例如10wt％。
当提到最终增强气凝胶组合物时，添加剂的量通常被称为最终增强气凝胶组合物的重量百分比。最终增强气凝胶组合物中的添加剂的量可在该增强气凝胶组合物的约1％至约50％、约1％至约25％，或约10％至约25％的重量百分比范围内变化。在示例性实施例中，最终增强气凝胶组合物中的添加剂的量在该增强气凝胶组合物的约10％至约20％的重量百分比范围内。在示例性实施例中，最终增强气凝胶组合物中的添加剂的量(作为该组合物的重量百分比)为约1％、约2％、约3％、约4％、约5％、约6％、约7％、约8％、约9％、约10％、约11％、约12％、约13％、约14％、约15％、约16％、约17％、约18％，约19％、约20％，或在任意上述百分比之间的范围内。在特定实施例中，最终增强气凝胶组合物中的添加剂的量约为该增强气凝胶组合物的约15％重量百分比。在特定实施例中，最终增强气凝胶组合物中的添加剂的量为该增强气凝胶组合物的约13％重量百分比。例如，在包括添加剂例如碳化硅的一些优选实施例中，气凝胶组合物中所存在的添加剂的总量为该增强气凝胶组合物的约10-20％，例如约15％重量百分比。又例如，在添加剂包括碳化硅的一些优选实施例中，气凝胶组合物中所存在的添加剂的总量为该增强气凝胶组合物的约3-5％，例如约4％重量百分比。
防火级添加剂的热分解起始温度
在特定实施例中，防火级添加剂可基于其热分解起始温度分类或分组。例如，防火级添加剂可被分类或分组为具有低于约200℃、低于约400℃，或高于约400℃的热分解起始温度的添加剂。例如，具有低于约200℃的热分解起始温度的添加剂包括碳酸氢钠(NaHCO3)、三水碳镁石(MgCO3·3H2O)和石膏(二水硫酸钙；CaSO4·2H2O)。又例如，具有低于约400℃的热分解起始温度的添加剂包括三水氧化铝(“ATH”)、水菱镁矿(水合碳酸镁；Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)和氢氧化镁(或二氢氧化镁，“MDH”)。又例如，具有低于约400℃的热分解起始温度的添加剂包括叙永石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、高岭土或高岭石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、勃姆石(羟基氧化铝；γ-AlO(OH))或高温相变材料(phase changematerial；PCM)。
在本公开的特定实施例中，作为气凝胶组合物中的添加剂的黏土材料(例如铝硅酸盐黏土，如叙永石或高岭石)采用脱水的形式，例如变叙永石或变高岭土。可用于本公开的组合物的其他添加剂包括但不限于硅灰石(硅酸钙)和二氧化钛(TiO2)。在特定实施例中，其他添加剂可包括红外遮光剂，例如但不限于二氧化钛或碳化硅；瓷化剂，例如但不限于低熔点玻璃粉、硅酸钙；或成炭剂，例如但不限于磷酸盐和硫酸盐。在特定实施例中，添加剂可能需要考虑特殊工艺，例如用以确保该添加剂均匀分布而不会严重结块以致产品性能变化的技术。该工艺技术可能包括额外的静态及动态混合器、稳定剂、工艺条件的调整，以及本领域中已知的其他技术。在最终气凝胶组合物中也可能存在一种或多种防火级添加剂。
在特定实施例中，在本公开的气凝胶材料及组合物中包括添加剂(例如，铝硅酸盐黏土基材料，如叙永石或高岭土)可提供改进的高温收缩特性。高温收缩的示例性测试方法为“热浸下的预成型高温绝热材料的线性收缩的标准测试方法”(“Standard Test Methodfor Linear Shrinkage of Preformed High-Temperature Thermal InsulationSubjected to Soaking Heat”(ASTM C356,ASTM International,West Conshohocken,PA))。在此类测试中(称为“热浸”)，将材料暴露于高于1000℃的温度持续长达60分钟。在特定示例性实施例中，本公开的气凝胶材料或组合物可具有约20％或更少、约15％或更少、约10％或更少、约6％或更少、约5％或更少、4％或更少、3％或更少、2％或更少、1％或更少，或在这些值的任两个之间的范围内的高温收缩，即，线性收缩、宽度收缩、厚度收缩，或尺寸收缩的任意组合。
在一些示例性实施例中，用以催化前体反应的特定碱催化剂可在气凝胶组合物中产生微量碱金属。气凝胶材料中的微量(例如，100至500ppm)的碱(例如，钠或钾)可对高温收缩及热耐久性产生有害的影响。然而，不受任何特定机制或理论约束，铝硅酸盐黏土基材料(例如叙永石或高岭土)可隔离不稳定的碱，例如钠或钾，从而减少或消除碱对收缩及热耐久性的影响。在本公开的特定实施例中，铝硅酸盐黏土材料采用脱水的形式，例如变叙永石或变高岭土。例如，所包括的变高岭土或变叙永石的量相对于二氧化硅含量大于约0.5wt％的气凝胶材料或组合物可显著减少热收缩及热耐久性。在示例性实施例中，气凝胶材料或组合物可包括的变高岭土或变叙永石的量相对于二氧化硅含量在约0.5wt％至约3.0wt％的范围内。
封装层或封装材料层
在一些实施例中，本文中所公开的多层材料的核心部分或该多层材料可由封装层封装。例如，该封装层可包括围绕该多层材料的一个或多个材料层和/或围绕该多层材料及/或该多层材料的核心部分的材料涂层。例如，该封装层可包括膜、层、包膜或涂层。该封装件可由适于封闭该复合结构或形成该复合结构的增强气凝胶复合物的任意材料制成。例如，该封装件可减少或消除自该复合结构脱落的粉尘或微粒材料的产生。封装材料层可选自聚合物、弹性体或其组合。合适的聚合物的示例例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)、橡胶，以及尼龙具有极低的导热率(小于1W/m)，从而具有降低整体系统贯穿平面的导热率的效果。在实施例中，该封装层包括聚对苯二甲酸乙二酯层。
该封装层可包括允许空气流入流出该面板的至少一通风口。该封装件可包括过滤微粒物的至少一过滤器。在示例性实施例中，该封装层包括：通风口，其允许空气流入流出该面板；以及位于该通风口上方的微粒过滤器，其将微粒物保持于该封装件内。在另一实施例中，该封装层包括边缘密封件，其包括至少一通风口以及至少一微粒过滤器。在另一实施例中，该封装层包括边缘密封件，其包括至少一通风口以及至少一微粒过滤器，其中，位于该边缘密封件中的该通风口允许空气流入流出该封装件边缘，并且其中，该过滤器捕捉并保留该流动空气中的微粒物，以防止该封装层外部的空气被微粒物污染。
热容层
在示例性实施例中，该多层材料可包括提供热容的材料或材料层(即，热容材料)，例如具有至少约0.2J/(g-C)的比热容的材料。在一些实施例中，提供热容的该材料具有至少约0.5J/(g-C)的比热容。例如，提供热容的该材料可包括金属，例如铝、钛、镍、钢、铁、或其组合。在一些实施例中，该多层材料可包括：提供热容的该材料的层或涂层。在一些实施例中，该多层材料可包括：提供热容的该材料的颗粒，其设于该多层材料的层内，例如，设于该气凝胶组合物的层内。在特定实施例中，该多层材料可包括：提供热容的至少一材料层，其邻近该气凝胶组合物设置。在特定实施方案中，该多层材料可包括：提供热容的至少一材料层，其设于该气凝胶组合物的多个层的至少两个之间。在示例性实施例中，该多层材料可包括兼导热与热容的材料。
例如，该多层材料可包括提供热容与导热这两个的材料，例如金属，如铝、钛、镍、钢、铁、或其组合。又例如，该多层材料可包括一种或多种不同的材料或材料层，分别提供热容、导热、或其组合，例如，一层包括金属且一层包括导热聚合物。优选地，该导热层具有至少300℃、优选地至少600℃、更优选地至少1000℃、并且进一步更优选地至少1500℃的熔解温度。
在一些实施例中，热容材料可选自相变材料。可理解，对于要适于储能系统中的广泛应用的相变材料，该材料不仅应在相变期间具有较高的热容，而且应为较低成本且自约束的，即，在装置的操作温度范围内不需要任何密封或特殊约束，例如封装电池模块。针对储能应用的额外期望特性包括将热快速带离热产生组件的高导热率，以及定制化发生相变的温度的能力。
在一些实施例中，热容材料具有至少约200mW/m-K的沿平面内尺寸的导热率。
导热层
已发现，本文中所公开的导热层呈现显著增强的在多层材料的整个x-y平面快速散热的能力，进一步提升在高热负荷下的耐久性。高导热材料的示例包括碳纤维、石墨、碳化硅、金属(包括但不限于铜、不锈钢、铝等)，以及其组合。
在示例性实施例中，该多层材料可包括导热材料或提供导热的材料层。本公开的导热层帮助将热驱离电池模块或电池组内的局部热负荷。例如，该导热层可具有至少约200mW/m-K的沿平面内尺寸的导热率。该导热材料可包括：包括金属、碳、导热聚合物、或其组合的至少一层。
在上述方面的一些实施例中，该多层材料可包括一个或多个导热层，即，具有大于50W/mK，优选地大于100W/mK，并且更优选地大于200W/mK的导热率(均在25℃测量)。例如，该多层材料可包括由导热材料构成或包括导热材料的至少一层，例如，包括金属、碳、导热聚合物、或其组合的层。在这些实施例的情境中所使用的导热材料是指导热率大于绝缘材料(例如气凝胶组合物)的导热率的材料。在特定实施例中，该导热材料具有大于该气凝胶组合物的导热率至少约一个量级的导热率。在一些实施例中，该多层材料可包括该气凝胶组合物的多个层。在特定实施例中，该多层材料可包括邻近该气凝胶组合物设置的至少一导热材料层。在特定实施例中，该多层材料可包括设于该气凝胶组合物的多个层的至少两个之间的至少一导热材料层。在一些实施例中，该多层材料可包括该导热材料的颗粒，其设于该多层材料的层内，例如，设于该气凝胶组合物的层内。
为帮助分散及移除热，在至少一实施例中，将该导热层与散热片耦接。应理解，存在各种散热片类型及配置，以及用于耦接该散热片与该导热层的不同技术，且本公开不限于任何一种散热片/耦接技术的使用。例如，本文中所公开的多层材料的至少一导热层可与电池模块或电池组的冷却系统的元件(例如该冷却系统的冷却板或冷却通道)热连通。又例如，本文中所公开的多层材料的至少一导热层可与可充当散热片的该电池组、电池模块或电池系统的其他元件(例如该电池组、模块或系统的壁)热连通，或与设于电池单元之间的多层材料的其他元件热连通。该多层材料的该导热层与该电池系统内的散热片元件之间的热连通可允许将多余的热从邻近该多层材料的一个或多个电池转移至散热片，从而减少可能产生多余热的热事件的影响、严重性或传播(例如，如本文中详细所述)。
优选地，该导热层具有至少300℃、优选地至少600℃、更优选地至少1000℃、并且进一步更优选地至少1500℃的熔解温度。
该导热层的厚度可依赖于组成、该多层材料的其他元件(例如压缩垫)的特性、该多层材料中所包括的导热层数，以及组成的各种因素。从功能上讲，该导热层应足够厚，以提供所需的平面内导热率。
在一些实施例中，该导热材料(例如热解石墨薄片(pyrolytic graphite sheet；PGS))可具有约0.010mm、0.025mm、0.05mm、0.07mm、0.10mm，或在这些值的任两个之间的范围内的厚度，以及在约600至约1950W/mK的范围内的平面内导热率。在一些实施例中，该导热材料(例如金属薄片)可具有约0.05mm、约0.07mm、约0.10mm、约0.20mm、约0.25mm、约0.30mm、约0.5mm、约0.75mm、约1mm、约1.5mm、约2mm、约3mm、约4mm、约5mm，或在这些值的任两个之间的范围内的厚度。
在一些实施例中，导热材料可选自相变材料。
在一些实施例中，可在该多层材料的层之间使用导热膏(thermal paste)，以确保在此类层之间均匀一致的热传导。本文中所使用的导热膏是指各种材料，也称为热化合物、热脂、热介面材料(thermal interface material；TIM)、热凝胶、热胶、散热化合物，以及散热膏。例如，可在该气凝胶组合物与任意其他层(例如包括导热或热容材料的一个或多个层、一个或多个覆面层，或封装层)之间设置导热膏层。
牺牲材料层
在示例性实施例中，该多层材料可包括牺牲材料或牺牲材料层。在本公开的上下文中，术语“牺牲材料”或“牺牲层”是指旨在被牺牲或至少部分移除的材料或层，以响应该层所经历的机械、热、化学及/或电磁状况。例如，当暴露于高温时(例如发生于电池热失控事件之前或期间的高温)，该牺牲材料或牺牲层可能分解。在一些实施例中，可在外表面(例如，该多层材料的核心部分的外表面)或外部表面(例如，该多层材料的外表面)上设置牺牲材料层。
在示例性实施例中，本公开的牺牲材料或层可包括可压缩垫，其具有约1MPa、约2MPa、约3MPa、约4MPa、约5MPa、约6MPa、约7MPa、约8MPa、约9MPa、约10MPa、约11MPa、约12MPa，或在这些值的任两个之间的范围内的压缩模量。该牺牲材料层可选自由硅氧烷、聚烯烃、聚氨酯、酚醛树脂、三聚氰胺、乙酸纤维素和聚苯乙烯所组成的组。在一些情况下，材料层采用泡沫的形式。在一些实施例中，该可压缩垫或泡沫可因暴露于机械(例如周期性的)负荷而磨损。在一些实施例中，该可压缩垫或泡沫在暴露于个别机械、化学及/或热事件之后分解。
在一些实施例中，该牺牲材料层的化学分解起始温度在约200℃至约400℃的范围内。
在本文中所公开的实施例中用作可压缩垫的合适的泡沫具有低于约1.0g/cc或更小、约0.90g/cc或更小、约0.80g/cc或更少、约0.70g/cc或更少、约0.60g/cc或更小、约0.50g/cc或更小、约0.40g/c或更小、约0.30g/cc或更小、约0.20g/cc或更小、约0.16g/cc、约0.10g/cc或更小，约0.08g/cc或更小，或在这些值的任两个之间的范围内的密度，以及/或者基于该泡沫的总体积，具有至少约20％至约99％、具体地大于或等于约30％的空隙体积含量。在示例性实施例中，该泡沫具有约0.08g/cc至约0.50g/cc的密度，在约27kPa至约55kPa下25％压缩力挠度(CFD)，以及在约70℃小于约10％、具体地小于5％的压缩永久变形。依据ASTM D1056，通过计算将样品压缩至原始厚度的25％所需的力(单位为kPa)来测量CFD。
用于该泡沫的聚合物可选自种类繁多的热塑性树脂、热塑性树脂混合物，或热固性树脂。可使用的热塑性树脂的示例包括聚缩醛、聚丙烯酸、苯乙烯-丙烯腈、聚烯烃、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚酰胺(例如但不限于Nylon 6；Nylon 6,6；Nylon 6,10；Nylon 6,12；Nylon 11或Nylon 12)、聚酰胺酰亚胺、聚芳酯、聚氨酯、乙丙橡胶(ethylene propylene rubber；EPR)、聚芳砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚砜、聚醚酰胺、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚氯三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮等，或包括上述热塑性树脂的至少一者的组合。
可用于该聚合物泡沫的热塑性树脂混合物的示例包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/尼龙、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/聚氯乙烯、聚苯醚/聚苯乙烯、聚苯醚/尼龙、聚砜/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯/热塑性聚氨酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二酯、热塑性弹性体合金、聚对苯二甲酸乙二酯/聚对苯二甲酸丁二酯、苯乙烯-马来酸酐/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚醚醚酮/聚醚砜、丁苯橡胶、聚乙烯/尼龙、聚乙烯/聚缩醛、乙丙橡胶(EPR)等，或包括上述混合物的至少一者的组合。
可用于该聚合物泡沫的聚合热固性树脂的示例包括聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、聚酰胺、硅酮等，或包括上述热固性树脂的至少一者的组合。可使用热固性树脂混合物以及热塑性树脂与热固性树脂的混合物。
多层材料
如上所述，依据本公开的实施例的多层材料提供良好的压缩性、压缩弹性和顺应性的特性。当被用作电池模块内的电池之间的热绝缘体时，利用气凝胶组合物形成的热绝缘薄片可提供抗压缩变形能力，以适应由于在电池的充电/放电周期期间活性材料的劣化及膨胀而导致的电池膨胀。在电池模块的初始组装期间，1MPa或更低的较低负荷通常被施加于该热绝缘体(例如，本文中所公开的多层材料)。在使用期间，例如，当电池模块内的电池在充电/放电周期期间扩展或膨胀时，高达约5MPa的负荷可能被施加于本文中所公开的多层材料。
在示例性方面，本公开提供一种多层材料，其中，该多层材料在约25kPa呈现小于约25％的压缩性。可选地，压缩释放后，该多层材料可具有足够的弹性，以恢复至其原始厚度的至少约80％、75％、65％、60％或50％。在一些实施例中，该多层材料在约25kPa至约35kPa的范围内呈现小于约25％的压缩性，且优选地，在约50kPa小于约50％的压缩性。在一些实施例中，该多层材料在约50kPa呈现在约25％至约50％的范围内的压缩性。在示例性实施例中，该多层材料在约245kPa呈现小于约80％的压缩性，例如，在约235kPa小于约70％。在示例性实施例中，该多层材料在约345kPa呈现小于约70％的压缩性。当该多层材料被压缩时，包括增强气凝胶组合物的该多层材料的导热率优选地保持于小于约25mW/m*K。
如本文中所述，该多层材料可包括多个材料层，例如绝缘层、导热层、热容层、封装材料层、耐磨层、防火/阻燃层、热反射层、可压缩层(例如，可压缩垫)、牺牲层、或其组合。该多层材料中各层的组合及配置可经选择以获得所需的特性组合，例如，压缩性、弹性、热性能、火反应和其他特性。在一些实施例中，该多层材料包括至少一可压缩垫，其设于增强气凝胶组合物的至少两层之间。例如，该可压缩垫可为泡沫或其他可压缩材料，例如聚烯烃、聚氨酯、酚醛树脂、三聚氰胺、乙酸纤维素或聚苯乙烯。在特定实施例中，该多层材料还可包括至少一导热层或热容层，以及该增强气凝胶组合物的该多个层的至少一层。该导热材料或热容材料可吸收及/或分散该多层材料内的热。在一些实施例中，该多层材料可进一步包括热反射层。例如，该热反射层可以包括金属箔或薄片。
在该多层材料包括数层的实施例中，这些层可例如通过选自由气溶胶粘合剂、氨酯基粘合剂、丙烯酸酯粘合剂、热熔胶、环氧树脂、橡胶树脂粘合剂、聚氨酯复合粘合剂、及其组合所组成的组的粘合机制附着至其他层。在一些实施例中，该些层可通过非粘合机制(例如，选自由火焰接合、针刺、缝合、密封袋、铆钉、按钮、夹子、包裹、支架、及其组合所组成的组的机制)附着。在一些实施例中，可使用任意上述粘合与非粘合机制的组合将这些层附着在一起。
多层材料的最终产品
依据本公开的实施例的多层材料可形成各种最终产品。在最简单的配置中，该多层材料可采用薄片的形式。该薄片可连续或半连续地形成，例如成为轧制产品，或者可自较大的薄片切割或以其他方式形成具有所需尺寸及形状的薄片。可使用该薄片材料在电池单元之间形成绝热层。在其他配置中，该增强气凝胶组合物可形成袋，例如，以容纳电池的软包装电池，或形成圆柱体，以容纳圆柱形电池单元。
本公开的多层材料可成形为一系列三维形状，包括面板、管道预成型、半壳预成型、弯头、接头、袋、圆柱体，以及将绝缘材料应用于工业及商业应用中经常需要的其他形状。
除非内容另有明确规定，否则本说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式“一个”和“该”包括多个指代物。除非上下文另有明确规定，否则本说明书和所附权利要求书中所使用的术语“或”通常在其含意上包括“和/或”来使用。
本文中所使用的“约”是指大概或接近，在阐述数值或范围的上下文中，是指数值的±5％。在实施例中，术语“约”可包括依据数值的有效数字的传统四舍五入。此外，短语“约‘x’至‘y’”包括“约‘x’至约‘y’”。
本文中所使用的术语“组合物”与“复合物”可互换使用。
本文中所使用的术语“可压缩垫”与“可压缩层”可互换使用。
在本公开的上下文中，术语“气凝胶”、“气凝胶材料”或“气凝胶基质”是指一种凝胶，其包括互连结构的框架、具有集成于该框架内的互连孔隙的相应网络，并包含气体(例如空气)作为分散间隙介质，且由可归因于气凝胶的下述物理及结构特性(依据氮孔隙率测试)表征：(a)平均孔径在约2nm至约100nm的范围内，(b)孔隙率为至少80％或以上，和(c)表面积为约100m2/g或以上。
因此，本公开的气凝胶材料包括任意气凝胶或满足前面段落中所述的限定要素的其他开孔材料；包括可以其他方式被分类为干凝胶、冷冻凝胶、双凝胶、微孔材料等的材料。
气凝胶材料还可由其他物理特性进一步表征，包括：(d)孔隙体积为约2.0mL/g或以上，具体约3.0mL/g或以上；(e)密度为约0.50g/cc或更低，具体约0.3g/cc或更低，更具体约0.25g/cc或更低；和(f)总孔隙体积的至少50％包括具有在2至50nm之间的孔径的孔(尽管本文中所公开的实施方案包括：包括具有大于50nm的孔径的孔的气凝胶框架及组合物，如下面更详细讨论)。然而，满足这些额外的特性对于将化合物表征为气凝胶材料不是必须的。
在本公开的上下文中，术语“气凝胶组合物”是指包括气凝胶材料作为复合物的成分的任意复合材料。气凝胶组合物的示例包括但不限于纤维增强气凝胶复合物；包括添加剂元素例如遮光剂的气凝胶复合物；通过开孔式大孔框架增强的气凝胶复合物；气凝胶-聚合物复合物；以及例如结合接合剂、树脂、水泥、泡沫、聚合物，或类似固体材料，将气凝胶微粒、颗粒、小粒、微珠，或粉末纳入固体或半固体材料中的复合材料。气凝胶组合物通常在从本文中所公开的各种凝胶材料移除溶剂之后获得。由此获得的气凝胶组合物可进一步经历额外的加工或处理。各种凝胶材料也可在经历溶剂移除(或液体萃取或干燥)之前经历本领域中已知或可用的额外加工或处理。
本公开的气凝胶组合物可包括增强气凝胶组合物。在本公开的上下文中，术语“增强气凝胶组合物”是指在气凝胶材料中包括增强相的气凝胶组合物，其中，该增强相不是气凝胶框架本身的部分。
在本公开的上下文中，术语“纤维增强气凝胶组合物”是指包括纤维增强材料作为增强相的增强气凝胶组合物。纤维增强材料的示例包括但不限于离散纤维、织造材料、干式布层非织造材料、湿式布层非织造材料、针刺非织造材料、棉絮、网、垫、毛毡和/或其组合。
纤维增强材料可选自有机聚合物基纤维、无机纤维、碳基纤维或其组合。纤维增强材料可包括一系列材料，包括但不限于：聚酯，聚烯烃对苯二甲酸酯，聚萘二甲酸乙二酯，聚碳酸酯(例如Rayon、Nylon)、棉，(例如由杜邦制造的莱卡)，碳(例如石墨)，聚丙烯腈(PAN)，氧化PAN，未碳化热处理PAN(例如由SGL carbon制造)，玻璃或玻璃纤维基材料(如S-glass、901玻璃、902玻璃、475玻璃、E-glass)，二氧化硅基纤维如石英、(例如，由Saint-Gobain制造的Quartzel)、Q-felt(由Johns Manville制造)、Saffil(由Saffil制造)、Durablanket(由Unifrax制造)以及其他二氧化硅纤维，Duraback(由Carborundum制造)，聚芳酰胺纤维如Kevlar、Nomex、Sontera(全部由杜邦制造)，Conex(由Taijin制造)，聚烯烃如Tyvek(由杜邦制造)、Dyneema(由DSM制造)、Spectra(由Honeywell制造)，其他聚丙烯纤维如Typar、Xavan(均由杜邦制造)，含氟聚合物如PTFE(商品名称Teflon)(由杜邦制造)、Goretex(由W.L.GORE制造)，碳化硅纤维如Nicalon(由COI Ceramics制造)，陶瓷纤维如Nextel(由3M制造)，丙烯酸聚合物，羊毛、丝、大麻、皮革、麂皮纤维，PBO-Zylon纤维(由Tyobo制造)，液晶材料如Vectan(由Hoechst制造)，Cambrelle纤维(由杜邦制造)，聚氨酯，聚酰胺，木纤维，硼，铝，铁，不锈钢纤维，以及其他热塑性材料如PEEK、PES、PEI、PEK、PPS。该玻璃或玻璃纤维基纤维增强材料可利用一种或多种技术制造。在特定实施例中，期望使用梳理及交叉铺网或气流成网过程来制造它们。在示例性实施例中，经梳理及交叉铺网的玻璃或玻璃纤维基纤维增强材料相较气流成网材料具有特定的优点。例如，经梳理及交叉铺网的玻璃或玻璃纤维基纤维增强材料可为给定基重的增强材料提供一致的材料厚度。在特定的额外实施例中，期望进一步针刺该纤维增强材料，沿z方向交织纤维，以增强最终气凝胶组合物的机械和其他特性。
在本公开的上下文中，提及“热失控”通常是指因各种操作因素而导致的电池温度和压力突然快速升高，这相应可导致过高温度在相关联的模块各处传播。例如，此类系统中热失控的潜在原因可能包括：电池缺陷及/或短路(内部及外部)、过度充电、电池刺穿或破裂(例如，在发生事故的情况下)、和过高的环境温度(例如，通常高于55℃的温度)。在正常使用中，电池因内阻而发热。在正常的功率/电流负荷和环境操作条件下，大多数锂离子电池内的温度可被较容易地控制在20℃至55℃的范围内。然而，应力状况(例如在高电池/环境温度下的高功率消耗，以及个别电池中的缺陷)可能急剧增加局部热产生。尤其，在临界温度以上，电池内的放热化学反应被激活。而且，化学热产生通常随温度呈指数增加。因此，热产生变得远大于可用的散热。热失控可导致电池通风及内部温度超过200℃。
在本公开的上下文中，术语“泡沫”是指包括一种材料，其包括具有基本均匀的组成的互连聚合物结构的框架，具有集成于该框架内的孔隙的相应网络或集合，并通过以下方式形成：将具有气泡形式的一定比例的气体分散于液体或树脂泡沫材料中，以于该泡沫材料固化成固体结构时，该气泡被保留为孔隙。一般而言，泡沫可利用种类繁多的工艺来制造-参见例如美国专利号6,147,134、5,889,071、6,187,831以及5,229,429。因此，本公开的泡沫材料包括满足本段落中所述的限定要素的任意材料，包括可以其他方式被分类为OCMF材料、大孔材料等的化合物。本公开中所定义的泡沫可采用热塑性材料、弹性体，以及热固性材料(硬质体(duromer))的类型。
在本公开的上下文中，术语“柔性的”及“柔性”是指在不会宏观结构失效的情况下，材料或组合物弯曲或挠曲的能力。本公开的绝缘层能够弯曲至少5°、至少25°、至少45°、至少65°，或至少85°，而不会宏观失效；且/或具有小于4英尺、小于2英尺、小于1英尺、小于6英寸、小于3英寸、小于2英寸、小于1英寸，或小于U英寸的弯曲半径，而不会宏观失效。类似地，术语“高度柔性的”或“高柔性”是指能够弯曲至至少90°及/或具有小于U英寸的弯曲半径而不会宏观失效的材料。而且，术语“归类为柔性的”和“分类为柔性的”是指依据ASTM Cl101(ASTM International,West Conshohocken,PA)可被分类为柔性的材料或组合物。
本公开的绝缘层可以是柔性的、高度柔性的，并且/或者归类为柔性的。本公开的气凝胶组合物还可以是可悬垂的。在本公开的上下文中，术语“可悬垂的”和“可悬垂性”是指在具有约4英寸或更小的曲率半径的情况下，材料被弯曲或挠曲至90°或更大而不会宏观失效的能力。依据本公开的特定实施例的绝缘层为柔性的，以使组合物为非刚性的，且可被应用于并顺应三维的表面或物体，或者预先形成各种形状及配置，以简化安装或应用。
在本公开的上下文中，术语“添加剂”或“添加剂元素”是指在气凝胶的制造之前、期间或之后可被添加于该气凝胶组合物中的材料。可添加添加剂以改变或改进气凝胶中的期望特性，或抵制该气凝胶中的不良特性。通常在凝胶化至前体液体之前、在凝胶化至过渡状态材料期间或在凝胶化至固体或半固体材料之后将添加剂添加至气凝胶材料中。
添加剂的示例包括但不限于超细纤维、填充剂、增强剂、稳定剂、增稠剂、弹性化合物、遮光剂、着色或上色化合物、辐射吸收化合物、辐射反射化合物、防火级添加剂、阻蚀剂、导热组件、提供热容的组件、相变材料、pH调节剂、氧化还原调节剂、HCN缓解剂、废气缓解剂、导电化合物、电介质化合物、磁性化合物、雷达阻塞组件、硬化剂、抗收缩剂，以及本领域技术人员已知的其他气凝胶添加剂。在一些实施例中，提供热容的组件可包括具有至少约0.3J/(g-C)的比热容的材料。在一些实施例中，提供热容的该材料具有至少约0.5J/(g-C)的比热容。例如，提供热容的该材料可包括金属，例如铝、钛、镍、钢、铁、或其组合。在一些实施例中，该多层材料可包括提供热容的该材料的一个或多个层或涂层。在一些实施例中，该多层材料可包括提供热容的该材料的颗粒，其设于包括气凝胶组合物的一个或多个绝缘层内。
在特定实施方案中，本文中所公开的气凝胶组合物、增强气凝胶组合物，以及多层材料可在高温事件期间作用，例如，在高温事件期间提供热保护，如本文中所公开。高温事件由在至少约1cm2的面积上持续至少2秒的至少约25kW/m2、至少约30kW/m2、至少约35kW/m2或至少约40kW/m2的热通量表征。约40kW/m2的热通量与典型火灾所导致的热通量关联(Behavior of Charring Solids under Fire-Level Heat Fluxes；Milosavljevic,I.,Suuberg,E.M.；NISTIR 5499；September 1994)。在特殊情况下，该高温事件为至少约10cm2的面积上持续至少1分钟的约40kW/m的热通量。
在本公开的上下文中，术语“导热率”和“TC”是指材料或组合物在该材料或组合物的任一侧上的两个表面之间(该两个表面之间存在温差)的传热能力的度量。导热率具体被测量为每单位时间和每单位表面积传递的热量除以温差。通常按国际单位制将它记录为mW/m*K(毫瓦/米*开尔文)。材料的导热率可通过本领域中已知的测试方法来确定，包括但不限于下列文献所记载的方法：Test Method for Steady-State Thermal TransmissionProperties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus(ASTM C518，ASTMInternational，West Conshohocken，PA)；a Test Method for Steady-State Heat FluxMeasurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus(ASTM C177，ASTM International，West Conshohocken,PA)；a TestMethod for Steady-State Heat Transfer Properties of Pipe Insulation(ASTMC335，ASTM International,West Conshohocken,PA)；a Thin Heater ThermalConductivity Test(ASTM C1114,ASTM International,West Conshohocken,PA)；Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of ThermallyConductive Electrical Insulation Materials(ASTM D5470,ASTM International,WestConshohocken,PA)；Determination of thermal resistance by means of guarded hotplate and heat flow meter methods(EN 12667,British Standards Institution,United Kingdom)；或Determination of steady-state thermal resistance andrelated properties-Guarded hot plate apparatus(ISO 8203,InternationalOrganization for Standardization,Switzerland)。由于不同的方法可能导致不同的结果，因此应理解，在本公开的上下文中，除非另有明确说明，否则在周围环境中的大气压下，在约37.5℃的温度下，且在约2psi的压缩负荷下，依据ASTM C518标准(Test Method forSteady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow MeterApparatus)获得导热率测量值。依据ASTM C518报告的测量值通常与对该压缩负荷进行任意相关调节的依据EN 12667所做的任意测量值密切相关。
导热率测量值也可在压缩下、在大气压下、在约10℃的温度下获得。在10℃的导热率测量值通常比在37.5℃的相应热导率测量值低0.5-0.7mW/mK。在特定实施例中，本公开的绝缘层在10℃具有约40mW/mK或更小、约30mW/mK或更小、约25mW/mK或更小、约20mW/mK或更小、约18mW/mK或更小、约16mW/mK或更小，约14mW/mK或更小、约12mW/mK或更小、约10mW/mK或更小、约5mW/mK或更小，或在这些值的任两个之间的范围内的导热率。
在本公开的上下文中，术语“密度”是指每单位体积材料或组合物的质量的度量。术语“密度”通常是指材料的表观密度和组合物的堆积密度。密度通常记录为kg/m3或g/cc。材料或组合物(例如气凝胶)的密度可通过本领域中已知的方法来确定，包括但不限于下列文献所记载的方法：Standard Test Method for Dimensions and Density of PreformedBlock and Board–Type Thermal Insulation(ASTM C303,ASTM International,WestConshohocken,PA)；Standard Test Methods for Thickness and Density of Blanketor Batt Thermal Insulations(ASTM C167,ASTM International,West Conshohocken,PA)；Determination of the apparent density of preformed pipe insulation(EN13470,British Standards Institution,United Kingdom)；或Determination of theapparent density of preformed pipe insulation(ISO 18098,InternationalOrganization for Standardization,Switzerland)。由于不同的方法可能导致不同的结果，因此应理解，在本公开的上下文中，除非另有明确说明，否则在用于厚度测量的2psi压缩下，依据ASTM C167标准(Standard Test Methods for Thickness and Density ofBlanket or Batt Thermal Insulations)获得密度测量值。在特定实施例中，本公开的气凝胶材料或组合物具有约1.0g/cc或更小、约0.90g/cc或更小、约0.80g/cc或更小、约0.70g/cc或更小、约0.60g/cc或更小、约0.50g/cc或更小、约0.40g/cc或更小、约0.30g/cc或更小、约0.25g/cc或更小、约0.20g/cc或更小、约0.18g/cc或更小、约0.16g/cc或更小、约0.14g/cc或更小、约0.12g/cc或更小、约0.10g/cc或更小、约0.05g/cc或更小、约0.01g/cc或更小，或在这些值的任两个之间的范围内的密度。
气凝胶材料或组合物的疏水性可用水蒸气吸收表示。在本公开的上下文下，术语“水蒸气吸收”是指气凝胶材料或组合物吸收水蒸气的潜力的度量。水蒸气吸收可被表示为在特定测量条件下，气凝胶材料或组合物暴露于水蒸气时所吸收或以其他方式保留的水的百分比(按重量计)。气凝胶材料或组合物的水蒸气吸收可通过本领域中已知的方法来确定，包括但不限于下列文献所记载的方法：Standard Test Method for Determining theWater Vapor Sorption of Unfaced Mineral Fiber Insulation(ASTM C1104,ASTMInternational,West Conshohocken,PA)；Thermal insulating products for buildingapplications:Determination of long term water absorption by diffusion(EN12088,British Standards Institution,United Kingdom)。由于不同的方法可能导致不同的结果，因此应理解，在本公开的上下文中，除非另有明确说明，否则在环境压力下，在24小时(从依据ASTM C1104标准的96小时修改)的49℃及95％湿度下依据ASTM C1104标准(Standard Test Method for Determining the Water Vapor Sorption of UnfacedMineral Fiber Insulation)获得水蒸气吸收的测量值。在特定实施例中，本公开的气凝胶材料或组合物可具有约50wt％或更小、约40wt％或更小、约30wt％或更小、约20wt％或更小、约15wt％或更小、约10wt％或更小、约8wt％或更小、约3wt％或更小、约2wt％或更小、约1wt％或更小、约0.1wt％或更小，或在这些值的任两个之间的范围内的水蒸气吸收。相对于另一种气凝胶材料或组合物，具有改进的水蒸气吸收的气凝胶材料或组合物相对于该参考气凝胶材料或组合物将具有较低的水蒸气吸收/保留百分比。
气凝胶材料或组合物的疏水性可通过测量水滴在与该材料的表面交界处的平衡接触角来表示。本公开的气凝胶材料或组合物可具有约90°或更大、约120°或更大、约130°或更大、约140°或更大、约150°或更大、约160°或更大、约170°或更大、约175°或更大，或在这些值的任两个之间的范围内的水接触角。
在本公开的上下文中，术语“燃烧热”、“HOC”和“ΔHC”为材料或组合物的燃烧或放热分解中所释放的热量的度量。燃烧热通常以每克气凝胶材料或组合物所释放的卡路里热量(cal/g)来记录，或记录为每公斤材料或组合物所释放的兆焦耳热量(MJ/kg)。材料或组合物的燃烧热可通过本领域中已知的方法来确定，包括但不限于下列文献所记载的方法：Reaction to fire tests for products-Determination of the gross heat ofcombustion(calorific value)(EN ISO 1716,International Organization forStandardization,Switzerland；EN adopted)。在本公开的上下文下，除非另有说明，否则依据EN ISO 1716标准(Reaction to fire tests for products-Determination of thegross heat of combustion(calorific value))获得燃烧热测量值。
在本公开的上下文中，所有热分析及相关定义都参照通过在环境压力下的空气中在25℃开始并以每分钟20℃的速率上升至1000℃所执行的测量。因此，在测量及计算热分解起始温度、峰值热释放温度、峰值热吸收温度等时，必须考虑这些参数的任何变化(或在这些条件下重新执行)。
在本公开的上下文中，术语“热分解起始温度”和“TD”是指环境热的最低温度的度量，在该温度下，材料或组合物内出现因有机材料的分解而导致的快速放热反应。可利用热重分析(thermo-gravimetric analysis；TGA)测量材料或组合物内有机材料的热分解起始温度。材料的TGA曲线描述材料暴露于环境温度增加时的重量损失(质量百分比)，因此表示热分解。材料的热分解起始温度可与该TGA曲线的以下切线的交点相关：与该TGA曲线的基线相切的线，以及在与有机材料的分解相关的快速放热分解事件期间的最大斜率点处与该TGA曲线相切的线。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则利用本段落中所提供的TGA分析来获得有机材料的热分解起始温度的测量值。
也可利用微示差扫描热卡分析仪(differential scanning calorimetry；DSC)分析来测量材料的热分解起始温度。材料的DSC曲线描述材料在暴露于环境温度逐渐增加时所释放的热量(mW/mg)。材料的热分解起始温度可与DSC曲线中ΔmW/mg(热量输出变化)增加最大的点相关，因此表示该气凝胶材料的放热产生。在本公开的上下文中，除非另有明确说明，否则利用DSC、TGA或这两个的热分解起始温度的测量值利用前面段落中进一步定义的20℃/分钟的升温速率来获得。DSC和TGA分别为此热分解起始温度提供类似的值，且测试常常同时运行，因此可从这两个获得结果。
在本公开的上下文中，术语“吸热分解起始温度”和“TED”是指环境热的最低温度的度量，在该温度下，材料或组合物内出现因分解或脱水而导致的吸热反应。可利用热重分析(TGA)测量材料或组合物的吸热分解起始温度。材料的TGA曲线描述材料暴露于环境温度增加时的重量损失(质量百分比)。材料的热分解起始温度可与该TGA曲线的以下切线的交点相关：与该TGA曲线的基线相切的线，以及在该材料的快速热分解或脱水期间的最大斜率点处与该TGA曲线相切的线。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则利用本段落中所提供的TGA分析来获得材料或组合物的吸热分解起始温度的测量值。
在本公开的上下文中，术语“炉温升”和“ΔTR”是指在热分解条件下材料或组合物的最高温度(TMAX)相对于在热分解条件下该材料或组合物的基线温度(通常为最终温度，或TFIN)之差的度量。炉温升通常以摄氏度或℃为单位来记录。材料或组合物的炉温升可通过本领域中已知的方法来确定，包括但不限于下列文献所记载的方法：Reaction to firetests for building and transport products:Non-combustibility test(EN ISO1182,International Organization for Standardization,Switzerland；EN adopted)。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则依据相当于EN ISO 1182标准(Reaction tofire tests for building and transport products:Non-combustibility test)的条件来获得炉温升测量值。在特定实施例中，本公开的气凝胶组合物可具有约100℃或更小、约90℃或更小、约80℃或更小、约70℃或更小、约60℃或更小、约50℃或更小、约45℃或更小、约40℃或更小、约38℃或更小、约36℃或更小、约34℃或更小、约32℃或更小、约30℃或更小、约28℃或更小、约26℃或更小、约24℃或更小，或在这些值的任两个之间的范围内的炉温升。在高温下的组合稳定性的背景下，例如，第一组合物的炉温升低于第二组合物的炉温升将被视为该第一组合物相对于该第二组合物的改进。本文中预期，与不包括任何防火级添加剂的组合物相比，当添加一种或多种防火级添加剂时，组合物的炉温升减小。
在本公开的上下文中，术语“燃烧时间”和“TFLAME”是指在热分解条件下材料或组合物持续燃烧的度量，其中，“持续燃烧”是指在样品的可见部分上的任意部分的燃烧持续5秒或更长时间。燃烧时间通常以秒或分钟来记录。材料或组合物的燃烧时间可通过本领域中已知的方法来确定，包括但不限于下列文献所记载的方法：Reaction to fire testsfor building and transport products:Non-combustibility test(EN ISO 1182,International Organization for Standardization,Switzerland；EN adopted)。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则依据相当于EN ISO 1182标准(Reaction to firetests for building and transport products:Non-combustibility test)的条件来获得燃烧时间测量值。在特定实施例中，本公开的气凝胶组合物具有约30秒或更少、约25秒或更少、约20秒或更少、约15秒或更少、约10秒或更少、约5秒或更少、约2秒或更少，或在这些值中的任两个之间的范围内的燃烧时间。在本文中的上下文中，例如，第一组合物的燃烧时间低于第二组合物的燃烧时间将被视为该第一组合物相对于该第二组合物的改进。本文中预期，与不包括任何防火级添加剂的组合物相比，当添加一种或多种防火级添加剂时，组合物的燃烧时间减小。
在本公开的上下文中，术语“质量损失”和“ΔM”是指在热分解条件下损失或烧掉的材料、组合物或复合物的量的度量。质量损失通常记录为重量百分比或wt％。材料、组合物或复合物的质量损失可通过本领域中已知的方法来确定，包括但不限于下列文献所记载的方法：Reaction to fire tests for building and transport products:Non-combustibility test(EN ISO 1182,International Organization forStandardization,Switzerland；EN adopted)。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则依据相当于EN ISO 1182标准(Reaction to fire tests for building and transportproducts:Non-combustibility test)的条件来获得质量损失测量值。在特定实施例中，本公开的绝缘层或气凝胶组合物可具有约50％或更小、约40％或更小、约30％或更小、约28％或更小、约26％或更小、约24％或更小、约22％或更小、约20％或更小、约18％或更小、约16％或更小，或在这些值中的任两个之间的范围内的质量损失。在本文中的上下文中，例如，第一组合物的质量损失低于第二组合物的质量损失将被视为该第一组合物相对于该第二组合物的改进。本文中预期，与不包括任何防火级添加剂的组合物相比，当添加一种或多种防火级添加剂时，组合物的质量损失减小。
在本公开的上下文中，术语“峰值热释放的温度”是指环境热的温度的度量，在该温度下，由分解所导致的放热释放处于最大值。可利用TGA分析、示差扫描热分析仪(DSC)或其组合来测量材料或组合物的峰值热释放的温度。DSC和TGA分别为峰值热释放的温度提供类似的值，且测试常常同时运行，因此可从这两个获得结果。在典型的DSC分析中，绘制热流与升温的关系图，峰值热释放的温度为在此类曲线中出现最高峰值的温度。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则利用此段落中提供的TGA分析来获得材料或组合物的峰值热释放的温度的测量值。
在吸热材料的背景下，术语“峰值热吸收的温度”是指环境热的温度的度量，在该温度下，由分解所导致的吸热吸收处于最小值。可利用TGA分析、示差扫描热分析仪(DSC)或其组合来测量材料或组合物的峰值热吸收的温度。在典型的DSC分析中，绘制热流与升温的关系图，峰值热吸收的温度为在此类曲线中出现最低峰值的温度。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则利用此段落中提供的TGA分析来获得材料或组合物的峰值热吸收的温度的测量值。
在本公开的上下文中，术语“低易燃性”和“低易燃”是指满足以下特性组合的材料或组合物：i)炉温升高为50℃或更小；ii)燃烧时间为20秒或更小；和iii)质量损失为50wt％或更小。在本公开的上下文中，术语“不易燃性”和“不易燃”是指满足以下特性组合的材料或组合物：i)炉温升高为40℃或更小；ii)燃烧时间为2秒或更小；和iii)质量损失为30wt％或更小。预期在包括一种或多种防火级添加剂后，组合物的易燃性(例如，炉温升、燃烧时间及质量损失的组合)降低，如本文中所述。
在本公开的上下文中，术语“低可燃性”和“低可燃”是指具有小于或等于3MJ/kg的总燃烧热(heat of combustion；HOC)的低易燃材料或组合物。在本公开的上下文中，术语“不可燃性”和“不可燃”是指具有小于或等于2MJ/kg的燃烧热(HOC)的不易燃材料或组合物。预期在包括一种或多种防火级添加剂后，组合物的HOC降低，如本文中所述。
在本公开的上下文中，术语“疏水结合硅”是指凝胶或气凝胶的框架内的硅原子包括共价键合至该硅原子的至少一疏水基团。疏水结合硅的示例包括但不限于凝胶框架内的二氧化硅基团中的硅原子，由包括至少一疏水基团(例如MTE或DMD)的凝胶前体形成。疏水结合硅还可包括但不限于凝胶框架中或凝胶的表面上的硅原子，其经疏水剂(例如HMDZ)处理，以通过在该组合物中纳入额外的疏水基团来赋予或改进疏水性。本公开的疏水基团包括但不限于甲基基团、乙基基团、丙基基团、异丙基基团、丁基基团、异丁基基团、叔丁基基团、辛基基团、苯基基团，或本领域技术人员已知的其他替代或非替代疏水有机基团。在本公开的上下文中，术语“疏水基团”、“疏水有机材料”和“疏水有机含量”具体排除凝胶材料的框架上容易水解的有机硅结合烷氧基基团，其是有机溶剂与硅醇基团之间的反应产物。通过NMR分析，可将此类排除的基团与其疏水有机含量区分开来。可利用NMR波谱学(例如CP/MAS29Si固态NMR)分析气凝胶中所包含的疏水结合硅的量。气凝胶的NMR分析允许表征及相对量化M型疏水结合硅(单功能二氧化硅，例如TMS衍生物)；D型疏水结合硅(双功能二氧化硅，例如DMDS衍生物)；T型疏水结合硅(三功能二氧化硅，例如MTES衍生物)；和Q型硅(四功能二氧化硅，例如TEOS衍生物)。通过允许将特定类型的疏水结合硅分类为子类型(例如将T型疏水结合硅分类为T1样品、T2样品和T3样品)，NMR分析还可用以分析气凝胶中所包含的疏水结合硅的键合化学。与二氧化硅材料的NMR分析相关的具体细节可见于Geppi等人的“Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/InorganicMulticomponent Materials”，具体为7-9页(Appl.Spec.Rev.(2008),44-1:1-89)，其依据具体提及的页面通过引用纳入本文。
CP/MAS29Si NMR分析中的疏水结合硅的表征可基于下面的化学位移峰：M1(30至10ppm)；D1(10至-10ppm)，D2(-10至-20ppm)；T1(-30至-40ppm)、T2(-40至-50ppm)、T3(-50至-70ppm)；Q2(-70至-85ppm)、Q3(-85至-95ppm)、Q4(-95至-110ppm)。这些化学位移峰是近似的和示例性的，并非意图限制或限定。可归因于材料内的各种硅类型的精确化学位移峰可依赖于该材料的具体化学成分，且通常可由本领域技术人员通过常规实验及分析来解读。
在本公开的上下文中，术语“疏水有机含量”或“疏水物含量”或“疏水含量”是指与气凝胶材料或组合物中的框架结合的疏水有机材料的量。气凝胶材料或组合物的疏水有机含量可被表示为气凝胶框架上的疏水有机材料的量相对于气凝胶材料或组合物中的材料的总量的重量百分比。本领域的普通技术人员可基于用于制造气凝胶材料或组合物的材料的性质及相对浓度来计算疏水有机含量。疏水有机含量也可通过主体材料的热重分析(TGA)来测量，优选在氧气环境中(尽管也可使用在其他气体环境下的TGA)。具体而言，可将气凝胶中的疏水有机材料的百分比与疏水气凝胶材料或组合物在TGA分析期间经历燃烧热温度时的重量损失百分比关联，并针对该TGA分析期间的水分损失、残余溶剂损失和容易水解的烷氧基基团损失进行调整。可使用其他替代技术，例如示差扫描热分析仪、元素分析(特别是碳)、色谱技术、核磁共振光谱，以及本领域技术人员已知的其他分析技术来测量及确定本公开的气凝胶组合物中的疏水含量。在特定情况下，已知技术的组合对于确定本公开的气凝胶组合物的疏水含量可能是有用的或必要的。
本发明的气凝胶材料或组合物可具有50wt％或更小、40wt％或更小、30wt％或更小、25wt％或更小、20wt％或更小、15wt％或更小、10wt％或更小、8wt％或更小、6wt％或更小、5wt％或更小、4wt％或更小、3wt％或更小、2wt％或更小、1wt％或更小，或在这些值的任两个之间的范围内的疏水有机含量。
术语“燃料含量”是指气凝胶材料或组合物中的可燃材料的总量，其可与气凝胶材料或组合物在TGA或TG-DSC分析期间经历燃烧热温度时的重量损失百分比相关，并针对水分损失进行调整。气凝胶材料或组合物的燃料含量可包括疏水有机含量，以及其他可燃的残余醇溶剂、填充材料、增强材料和容易水解的烷氧基基团。
在本公开的上下文中，术语“有机改性二氧化硅”包括上述材料和其他有机改性材料，有时称为“ormocer”。有机改性二氧化硅通常用作涂层，其中，通过溶胶-凝胶过程等将有机改性二氧化硅薄膜浇注于基质材料上。本公开的其他有机-无机混杂气凝胶的示例包括但不限于二氧化硅-聚醚、二氧化硅-PMMA、二氧化硅-几丁聚糖、碳化物、氮化物，以及形成化合物的上述有机与无机气凝胶的其他组合。公开的美国专利申请第20050192367号(第[0022]-[0038]及[0044]-[0058]段)包括此类混杂有机-无机材料的教导，并依据单独提及的章节及段落通过引用纳入本文。
多层材料在电池模块或电池组内的使用
与传统电池相比，锂离子电池(LIB)因其高工作电压、低记忆效应以及高能量密度而被视为最重要的储能技术之一。然而，安全问题是阻碍LIB大规模应用的严重障碍。在滥用状况下，放热反应可能导致释放热，其可触发随后的不安全反应。情况恶化，因为滥用电池所释放的热可激活一系列反应，导致灾难性热失控。
随着锂离子电池在能量密度方面的不断改进，增强其安全性对于电性装置例如电动车的开发变得越来越迫切。对于各种不同的电池化学，引发安全问题的机制各不相同。本技术着重于定制多层材料及这些定制材料的相应配置，以获得良好的热特性及机械特性。本技术的多层材料在正常及热失控状况下提供有效的散热策略，同时确保LIB在正常操作模式下的稳定性(例如，承受施加的压缩应力)。
本文中所公开的多层材料可用于分离、绝缘以及保护具有任意配置的电池的电池单元或电池组件，例如软包装电池、圆柱形电池、方形电池以及包含或包括任意此类电池的组和模块。本文中所公开的多层材料可用于可充电电池(例如锂离子电池)，固态电池，以及需要分离、绝缘以及保护的任意其他储能装置或技术。
被动装置例如冷却系统可结合该电池模块或电池组内的本公开的多层材料使用。
依据本公开的各种实施例的多层材料用于包括多个单电池单元或电池单元的模块的电池组中，以将所述单电池单元或电池单元的模块彼此热分离。

Claims (59)

1.一种多层材料，其用作电能储存系统中的绝热层，所述多层材料包括：
核心部分，其包括层状组件，所述层状组件包括至少一绝缘层和至少一热容层；
外部部分，其设于所述核心部分的外部，所述外部部分包括至少一牺牲材料层，其中，所述牺牲材料层包括可压缩垫；
其中，所述热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容，并且其中，所述绝缘层具有在25℃小于约50mW/m-K和在600℃小于约60mW/m-K的贯穿所述绝缘层的厚度尺寸的导热率。
2.一种多层材料，其用作电能储存系统中的绝热层，所述多层材料包括：
核心部分，其包括层状组件，所述层状组件包括至少一绝缘层和至少一导热层；
外部部分，其设于所述核心部分的外部上，所述外部部分包括至少一牺牲材料层；
其中，所述导热层具有至少约200mW/m-K的沿所述导热层的平面内尺寸的导热率，并且其中，所述绝缘层具有在25℃小于约50mW/m-K及在600℃小于约60mW/m-K的贯穿所述绝缘层的厚度尺寸的导热率。
3.根据权利要求1或2所述的多层材料，其进一步包括夹置于所述核心部分与所述外部部分之间的封装材料层。
4.根据权利要求1或2所述的多层材料，其进一步包括封装材料层，其中，所述外部部分夹置于所述核心部分与所述封装材料层之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多层材料，其中，所述多层材料在未压缩状态下具有在约2mm与约10mm之间的平均厚度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的多层材料，其中，所述绝缘层包括气凝胶。
7.根据权利要求6所述的多层材料，其中，所述气凝胶包括增强材料。
8.根据权利要求7所述的多层材料，其中，所述增强材料包括选自有机聚合物基纤维、无机纤维、碳基纤维或其组合的纤维。
9.根据权利要求8所述的多层材料，其中，所述纤维采用离散纤维、织造材料、干式布层非织造材料、湿式布层非织造材料、针刺非织造材料、棉絮、网、垫、毛毡和/或其组合的形式。
10.根据权利要求8所述的多层材料，其中，所述无机纤维选自玻璃纤维、岩石纤维、金属纤维、硼纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、或其组合。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶包括二氧化硅基气凝胶。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶包括一种或多种添加剂，所述一种或多种添加剂占所述气凝胶的至少约5至20重量百分比。
13.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂占所述气凝胶的至少约10至20重量百分比。
14.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂包括防火级添加剂。
15.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂包括选自B4C、硅藻土、铁酸锰、MnO、NiO、SnO、Ag2O、Bi2O3、TiC、WC、炭黑、氧化钛、氧化钛铁、硅酸锆、氧化锆、氧化铁(I)、氧化铁(III)、二氧化锰、氧化钛铁(钛铁矿)、氧化铬、或其混合物的遮光剂。
16.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂包括：包括碳化硅的遮光剂。
17.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂包括防火级添加剂与遮光剂的组合。
18.根据权利要求6至17中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶具有在约0.25g/cc至约1.0g/cc的范围内的密度。
19.根据权利要求6至18中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶具有约2MPa至约8MPa的弯曲模量。
20.根据权利要求6至19中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶呈现抗压缩性，其中，在25％应变的所述抗压缩性在约40kPa至约180kPa之间。
21.根据权利要求6至20中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶采用单块、微珠、颗粒、小粒、粉末、薄膜、薄片、或其组合的形式。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的多层材料，进一步包括封装材料层，其中，所述封装材料层包括金属层和一个或多个聚合物层，其中，所述封装层设于所述核心部分与所述外部部分之间。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的多层材料，其中，所述牺牲材料层包括选自由硅氧烷、聚烯烃、聚氨酯、酚醛树脂、三聚氰胺、乙酸纤维素和聚苯乙烯所组成的组的材料。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的多层材料，其中，所述牺牲材料层采用泡沫的形式。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的多层材料，其中，所述牺牲材料层的化学分解起始温度在约200℃至约400℃的范围内。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的多层材料，其中，所述绝缘层进一步包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉、及其组合所组成的组的材料。
27.根据权利要求2至26中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层包括：包括金属、碳、导热聚合物、或其组合的至少一层。
28.根据权利要求2至26中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层包括相变材料。
29.根据权利要求2至26中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层为包括铝、铜或钢的金属。
30.根据权利要求2至29中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层将热导离局部热负荷。
31.根据权利要求30所述的多层材料，其中，所述导热层将热从局部热负荷散发至环境。
32.根据权利要求2至31中任一项所述的多层材料，所述导热层采用选自由网、薄片、穿孔薄片、箔、及穿孔箔所组成的组的形式。
33.根据权利要求1及3至26中任一项所述的多层材料，其中，所述热容层为相变材料。
34.根据权利要求1至33中任一项所述的多层材料，所述外部部分进一步包括：由选自由耐磨材料、膨胀材料、防火材料、阻燃材料或其组合所组成的组的材料所制成的层。
35.根据权利要求1至5及22至34中任一项所述的多层材料，其中，所述绝缘层包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉、及其组合所组成的组的材料。
36.根据权利要求1至35中任一项所述的多层材料，其中，在25℃贯穿所述绝缘层的厚度尺寸的所述导热率在高达约5MPa的负荷下保持不变或增加不显著的量。
37.一种根据权利要求1至36中任一项所述的多层材料在包括多个单电池单元或电池单元模块的电池组中的用途，以将所述单电池单元或电池单元模块彼此热分离。
38.根据权利要求37所述的用途，其中，发生在所述电池的一部分的一个或多个电池单元或电池单元模块中的失控事件不会造成根据权利要求1至36中任一项所述的多层材料与发生所述失控事件的所述电池的所述部分分离的所述电池的部分中的电池单元或模块的损害。
39.一种电池模块，其包括：
第一电池单元，其具有第一表面；
第二电池单元，其具有第二表面，所述第二表面与所述第一表面呈相对关系；和
根据权利要求1至36中任一项所述的多层材料，其设于所述第一与第二表面之间。
40.根据权利要求39所述的电池模块，其中，根据权利要求1至36中任一项所述的多层材料覆盖相对的所述第一与第二表面的表面积的至少约80％。
41.一种电池模块，其包括：
至少一电池单元，和
根据权利要求1至36中任一项所述的多层材料，其中，所述多层材料设于所述至少一电池单元的表面上或所述电池模块的表面上。
42.根据权利要求39或41所述的电池模块，其进一步包括冷却系统，所述冷却系统经配置以自所述电池组移除热。
43.根据权利要求42所述的电池模块，其中，所述多层材料的至少一层与所述冷却系统热连通。
44.根据权利要求43所述的电池模块，其中，所述导热层与所述冷却系统热连通。
45.一种电池组，其包括多个电池以及设于所述两相邻电池或两相邻模块之间的间隔物，其中，所述间隔物包含根据权利要求1至36中任一项所述的多层材料。
46.根据权利要求45所述的电池组，其进一步包括冷却系统，所述冷却系统经配置以自所述电池组移除热。
47.根据权利要求46所述的电池组，其中，所述多层材料的至少一层与所述冷却系统热连通。
48.根据权利要求47所述的电池组，其中，所述导热层与所述冷却系统热连通。
49.一种装置或车辆，其包括根据权利要求45至48中任一项所述的电池组。
50.根据权利要求49所述的装置，其中，所述装置为膝上型计算机、PDA、手机、标签扫描仪、音频装置、视频装置、显示面板、摄影机、数码相机、台式计算机、军用便携式计算机、军用电话、激光测距仪、数码通讯装置、情报收集传感器、电子集成服装、夜视设备、电动工具、计算器、收音机、遥控装置、GPS装置、手持式及便携式电视、汽车启动器、手电筒、声学装置、便携式加热装置、便携式真空吸尘器或便携式医疗工具。
51.根据权利要求49所述的车辆，其中，所述车辆为电动车辆。
52.一种多层材料，其用作电能储存系统中的绝热层，所述多层材料包括：
核心层，其包括具有约1MPa至约12MPa的压缩模量的至少一可压缩材料层以及至少一导热层和/或至少一热容层；
两个绝缘层，其具有在25℃小于约50mW/m-K及在600℃小于约60mW/m-K的贯穿所述绝缘层的厚度尺寸的导热率，
其中，所述核心层夹置于所述两个绝缘层之间，并且
其中，所述多层材料可选择性地封装于封装材料中。
53.根据权利要求52所述的多层材料，其中，所述核心层进一步包括阻燃层。
54.根据权利要求52所述的多层材料，其中，所述核心层包括至少一导热层。
55.根据权利要求52所述的多层材料，其中，所述核心层包括至少一热容层。
56.根据权利要求52所述的多层材料，其中，所述核心层包括两个导热层和一可压缩材料层，其中，所述可压缩材料层夹置于所述两个导热层之间。
57.根据权利要求52所述的多层材料，其中，所述核心层包括两个热容层和一可压缩材料层，其中，所述可压缩材料层夹置于所述两个热容层之间。
58.根据权利要求52所述的多层材料，其中，所述核心层包括一热容层及两个可压缩材料层，其中，所述热容层夹置于所述两个可压缩材料层之间。
59.根据权利要求52所述的多层材料，其中，所述多层材料进一步包括两个热容层，其中，各热容层设于各绝缘层的外表面上。
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