CN117042954A - 封装隔热材料的排气和过滤元件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于能量储存系统中热失控问题的材料和系统。示例性实施方案包括被封装以形成绝缘屏障的绝缘层。粒子捕获层包括在绝缘屏障中。粒子捕获层捕获在绝缘屏障压缩期间从绝缘屏障释放的粒子。

Description

封装隔热材料的排气和过滤元件

相关应用的交叉引用

本公开请求2021年7月2日所提交的标题为“用于减轻电能储存热事件的材料、系统和方法”的美国临时专利申请号63/218,205和2022年2月17日所提交的标题为“用于电池屏障的排气和过滤元件”的美国临时专利申请号63/311,299的优先权。每一案在此都通过引用其整体并入本公开。

技术领域

本公开大致涉及用于电池模块或电池组排气和过滤的材料、系统和方法。具体而言，本公开涉及提供过滤排气口以允许气体通过绝缘屏障逸出同时捕获释放气体中的粒子物质的材料、系统和方法。

背景技术

锂离子电池等可充电电池已广泛应用于电力驱动和储能系统。锂离子电池(LIB)与传统电池相比因其高工作电压、低记忆效应和高能量密度而广泛用于为手机、平板电脑、笔记型电脑、电动工具和电动汽车等其他大电流设备等便携式电子设备供电。然而，安全是一个问题，因为LIB在“滥用条件(abuse conditions)”下容易发生灾难性故障，例如当可充电电池过度充电(充电超过设计电压)、过度放电或在高温和高压下运行或暴露于高温和高压。因此，狭窄的工作温度范围和充电/放电速率是LIB使用的限制，因为当LIB遇到设计窗口以外的条件时，可能会因快速自热或热失控事件而故障。

当内部反应速率增加至产生的热量多于可排出的热量时，可能会发生热失控，从而导致进一步增加反应速率和热量的产生。在热失控期间，高温会引发电池中的一系列放热反应，导致电池温度迅速升高。在许多情况下，当一个电池单元发生热失控时，产生的热量会迅速加热靠近正经历热失控的单元。添加到热失控反应中的每个电池都包含额外的能量来继续反应，导致电池组内的热失控传播，最终导致火灾或爆炸的灾难。及时散热和有效阻断传热路径是减少热失控传播危害的有效对策。

基于对导致电池热失控机制的理解，许多方法正在研究中，旨在通过电池组件的合理设计来降低安全隐患。为防止这种级联热失控事件的发生，LIB通常设计为将储存的能量保持在足够低的水平，或在电池模块或电池组内的电池之间采用隔热材料，以使它们或它们的组合免受相邻电池中可能发生的热事件的影响。前者严重限制了可能储存在这种设备中的能量。后者限制了电池的放置距离，从而限制了有效能量密度。

气凝胶材料已被用作隔热材料。气凝胶隔热材料比其他隔热材料具有许多优势。其中一些优点包含对热传播和火灾传播的良好抵抗性，同时最大限度地减少所用材料的厚度和重量。气凝胶隔热材料还具有良好的可压缩性、压缩回弹性和柔顺性。一些基于气凝胶的隔热材料，由于其重量轻且刚度低，可能难以安装在电池单元之间，特别是在大规模生产环境中。此外，气凝胶隔热材料往往会产生可能对电力储存系统有害的粒子物质(灰尘)，从而产生制造问题。

为了减轻与处理气凝胶材料相关的问题，可封装气凝胶热屏障。用于封装气凝胶隔热材料的封装材料通常会在隔热材料周围形成气密密封，并防止粒子物质从隔热材料中释放出来。

发明内容

本公开的目的是消除或减轻上述先前方法和材料的至少一个缺点。本公开提供的绝缘屏障旨在改进封装和处理电池模块或电池组中使用的热屏障。

在本公开的一个方面，一种用于电能储存系统的绝缘屏障包括：至少一个绝缘层；至少部分地围绕绝缘层的封装层，所述封装层包括一个或多个开口；以及耦合至封装层的粒子捕获层。在绝缘层压缩期间产生的粒子和气体流向封装层的一个或多个开口。粒子和气体流过粒子捕获层，其中至少一部分粒子保留在粒子捕获层中。

在本公开的一个方面，粒子捕获层定位在一个或多个开口上方的封装层的外表面上。在压缩绝缘屏障期间产生的粒子穿过封装层的一个或多个开口并且至少部分地保留在粒子捕获层内。

在本公开的一个方面，封装层具有细长开口。封装层部分地覆盖绝缘层，使得封装层中的细长开口沿绝缘层的一侧定位。粒子捕获层耦合至封装层，使得粒子捕获层定位在封装层中的细长开口上方。

在本公开的一个方面，封装层具有沿着绝缘层的一侧或多侧设置的多个开口。粒子捕获层耦合至封装层，使得粒子捕获层定位于封装层中的多个开口的上方。

在本公开的一些方面，粒子捕获层通过粘合材料耦合至封装层。黏合材料靠近封装层的开口，使得粘合材料充当粒子和气体流动的屏障，将粒子和气体引导到粒子捕获层中。

在本公开的一个方面，粒子捕获层位于封装层的内部。在使用期间，压缩绝缘屏障期间产生的粒子和气体在穿过封装层的一个或多个开口之前进入粒子捕获层，并且至少部分地保留在粒子捕获层内。

粒子捕获层可为泡沫材料、织造材料、非织造材料或网状材料。

在本公开的一个方面，绝缘屏障包括一个或多个与粒子捕获层耦合的聚合物膜。聚合物膜在绝缘屏障的压缩过程中抑制和/或捕获粒子。一个或多个聚合物膜可以是过滤器的形式，其抑制粒子流过聚合物膜并允许气体通过聚合物膜。在本公开的一个方面，聚合物膜的一个覆盖与绝缘层相对的粒子捕获层的一部分。在本公开的另一方面，其中聚合物膜的一个覆盖绝缘层的一部分和粒子捕获层。

在本公开的一个方面，绝缘层具有穿过所述绝缘层的厚度维度在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的热导率。在本公开的一个方面，绝缘层包括气凝胶。

在本公开的一个方面，绝缘层包括气凝胶材料。

在本公开的一个方面，封装层包括聚合材料。在本公开的一些方面，封装层包括聚合材料和嵌入聚合材料中的金属层。

在本公开的另一方面，电池模块包括多个电池单元和在此所述一个或多个设置在相邻电池单元之间的绝缘屏障。

另一方面，本公开提供一种装置或载具，包含根据上述任一方面的电池模块或电池组。在一些实施方案中，所述设备为笔记型电脑、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、数字通讯装置、情报收集传感器、电子集成服装、夜视设备、电动工具、计算机、收音机、遥控设备、GPS装置、手持和便携式电视、汽车启动器、手电筒、声学设备、便携式加热装置、便携式吸尘器或便携式医疗工具。在一些实施方案中，载具为电动车。

本公开的绝缘屏障可提供优于现有热失控缓解策略的一个或多个优点。本公开的绝缘屏障可最小化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。本公开的绝缘屏障可提供有利的可压缩性、压缩回弹性和柔顺性以适应在电池寿命期间持续的电池膨胀，同时在正常操作条件下以及在热失控条件下具有有利的热性能。本公开的绝缘屏障耐用且易于处理，具有良好的热传播和火焰传播阻力，同时使所用材料的厚度和重量最小化，并且还具有可压缩性、压缩回弹性和柔顺性的良好特性。

附图说明

已经如此概括地描述本公开，现在请参考附图，这些附图不一定按比例绘制，并且其中：

图1A和1B为具有耦合至绝缘层侧面的粒子捕获层的绝缘屏障的投影图；

图2A和2B为绝缘屏障的投影图，所述绝缘屏障具有耦合至被封装层部分覆盖的绝缘层一侧的粒子捕获层；

图3为具有耦合至绝缘层一侧粒子捕获层的绝缘屏障的投影图，粒子捕获层被绝缘层封装；

图4为描绘具有封装绝缘层的绝缘屏障的端视图和侧视图，其中粒子捕获层耦合至绝缘层的侧壁。

图5为描绘具有聚合物膜过滤层的绝缘屏障的投影图；

图6为描绘绝缘屏障的示意图，所述绝缘屏障具有用绝缘层封装的粒子捕获层和封装层的一个或多个开口，所述开口允许气体从绝缘屏障中排出。

图7为描绘具有封装绝缘层的绝缘屏障的示意图，其中粒子捕获层通过粘合剂耦合至封装层；

图8为描绘具有封装绝缘层的绝缘屏障的替代示意图，其中粒子捕获层通过粘合剂耦合至封装层；并且

图9为描绘在电池单元之间具有绝缘屏障的电池模块的示意图。

尽管本公开可能易于进行各种修改和替代形式，但其特定实施方案在附图中以示例的方式示出并且将在本公开中详细描述。附图可能不是按比例绘制的。然而，应当理解，附图及其详细描述并非旨在将本公开限制于所公开的特定形式，相反，其意图是涵盖落入精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案如同本公开所附权利要求书所定义的。

具体实施方式

在下述对优选实施方案的详细描述中，参考了附图，这些附图形成了其中一部分，并且在一附图中通过说明的方式示出可实施本公开的具体实施方案。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可利用其他实施方案并且可进行结构改变。

本公开涉及绝缘屏障和包含绝缘屏障的系统，以管理能量储存系统中的热失控问题。示例性实施方案包含绝缘屏障，所述绝缘屏障包含至少一绝缘层和至少部分地围绕所述绝缘层的封装层。

绝缘层可包含通常用于分隔电池单元或电池模块的任何种类的绝缘层。示例性绝缘层包含但不限于基于聚合物的隔热材料(例如聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺和芳族聚酰胺(芳纶(aramid)))、相变材料、膨胀材料、气凝胶材料、基于矿物的隔热材料(例如云母)和无机热屏障(例如，含有玻璃纤维的屏障)。

在一优选实施方案中，绝缘层包括气凝胶材料。在美国专利申请公开号2021/0167438和美国临时专利申请号63/218,205中描述气凝胶绝缘层，两者均通过引用并入本文。

绝缘层的热导率通过所述绝缘层的厚度维度可为约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25℃和高达约5MPa的负载下在这些值中的任何两个之间的范围内。

绝缘层可具有令绝缘层难以并入电池模块或电池组的许多不同物理特性。例如，一些绝缘层具有非常低的弯曲模量(例如，小于10MPa)，使得材料难以处理和放置在电池单元之间。此外，低弯曲模量材料可能难以操作，特别是在使用自动封装工艺的情况下。一些绝缘层往往会产生可能对电力储存系统有害的粒子物质(灰尘)，从而产生工艺问题。

这些问题可通过使用封装层来缓解。封装层围绕至少一部分的绝缘层，使得封装层抑制或防止粒子物质释放到电池模块或电池组中。封装层通常密封在绝缘层周围，使得粒子和气体不能进入或离开封装层。在封装层压缩期间，封装层可能破裂或泄漏，将粒子和气体释放到电池模块中。为了缓解这个问题，可对封装层进行修改。第一个修改是提供封装层的一个或多个开口。这些开口提供气体和粒子可通过其离开封装层的流动路径。第二个修改是将粒子捕获层耦合至封装层。在绝缘屏障压缩期间产生的粒子和气体将流向一个或多个的开口封装层，并且与气体一起流动的任何粒子物质至少部分地保留在粒子捕获层内。

封装层为单层或多层材料。封装层可为为薄膜、信封或袋子的形式。封装层可由适合封装绝缘层的任何材料制成。用于形成封装层的材料可选自聚合物、弹性体或它们的组合。合适的聚合物的示例，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯、聚酰胺、橡胶和尼龙，具有非常低的热导率(小于1W/m)，具有降低整个系统的通过平面热导率的效果。在一个实施方案中，封装层包括聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物。

在另一个实施方案中，封装层由多层材料组成。例如，可使用类似于用于形成袋式电池单元外壳的材料的多层材料。在一个实施方案中，封装层包括层压板，所述层压板包括三层：第一聚合物层、第二热导层和第三聚合物层，热导层夹在第一层与第三聚合物层之间。第一层和第三聚合物层优选地由具有非常低的热导率(小于1W/m)的聚合物形成。可用于第一层和第三聚合物层的聚合物的示例包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯、聚酰胺和尼龙。可用于第二层的热导材料的示例包括但不限于金属(例如铜、不锈钢或铝)、碳纤维、石墨和碳化硅。当使用金属热导层时，金属可为夹在聚合物层之间的箔的形式。

在另一个实施方案中，封装层包括层压板，所述层压板包括三层：第一聚合物层、第二阻燃层和第三聚合物层，其中，阻燃层夹在第一层与第三聚合物层之间。如前述所述第一层和第三聚合物层优选地由具有非常低的热导率(小于1W/m)的聚合物形成。可用于第二层的阻燃材料的示例包括但不限于金属(例如铜、不锈钢或铝)、云母、聚苯并咪唑纤维(PBI纤维)、涂层尼龙、三聚氰胺、改性丙烯酸树脂、和芳香族聚酰胺(芳纶)。当使用金属热导层时，金属可为夹在聚合物层之间的箔的形式。

金属为用于层压封装层的优选材料。金属为封装层提供热导性能和阻燃性。通过使用单一材料来提供阻燃性和热导性，可最小化封装层的厚度。

包含粒子捕获层的绝缘屏障的实施方案如图1A和图1B所示。绝缘屏障100包括绝缘层110。绝缘层110被封装层120所围绕。如图1B所示，一个或多个开口130可形成在封装层120中。粒子捕获层140耦合至封装层120。在所述实施方案中，粒子捕获层140定位在封装层120的外表面上，定位在封装层120的一个或多个开口的上方。在绝缘屏障压缩期间，粒子和气体流向一个或多个的开口封装层。随着粒子和气体通过开口，气体和粒子进入粒子捕获层，其中至少一部份粒子保留在粒子捕获层内。在本实施方案和任何其他实施方案中，应当理解，虽然粒子捕获层被描绘为定位于绝缘层的一端，但粒子捕获层和封装层中的开口可在沿着绝缘层的任何一侧(即顶面、底面、前侧壁、后侧壁、前端和后端)定位。

如本公开所用的粒子捕获层是指可捕获撞击材料的粒子的材料层。用于粒子捕获层的材料的示例包括但不限于泡沫(开孔或闭孔)、织造材料、非织造材料(例如毡、棉絮、消光织物)或网状材料。通常，粒子捕获层由允许气体通过所述材料而粒子被保留在粒子捕获层中的材料制成。

包含粒子捕获层的绝缘屏障的实施方案如图2A和2B所示。绝缘屏障200包括绝缘层210。绝缘层210被封装层220所包围。如图2B所示，封装层没有沿绝缘层的一侧完全密封。以这种方式，沿着绝缘层的整个侧面形成单个细长开口230。粒子捕获层240耦合在细长开口230上方。在所述实施方案中，粒子捕获层240定位在绝缘层210的外表面上。在绝缘屏障压缩期间，粒子和气体流向封装层的细长开口，随着粒子和气体通过开口，气体和粒子进入粒子捕获层，其中至少一部分粒子被保留在粒子捕获层内。

包含粒子捕获层的绝缘屏障的另一个实施方案如图3所示。绝缘屏障300包括绝缘层310。绝缘层310被封装层320所包围。一个或多个开口330可形成在封装层320中。粒子捕获层340耦合至封装层320。在这个实施例中，粒子捕获层340定位于绝缘层310与封装层320之间，与封装层320的一个或多个开口流体接触。在绝缘屏障压缩期间，粒子和气体流向封装层的一个或多个开口。随着粒子和气体朝向开口通过，气体和粒子进入粒子捕获层，其中至少一部份粒子被保留在粒子捕获层内。气体继续通过粒子捕获层340并通过开口330流出。当气体通过材料时，粒子基本上保留在粒子捕获层中。

包含粒子捕获层的绝缘屏障的另一个实施方案如图4所示。绝缘屏障400包含绝缘层410。绝缘层410被封装层420所包围。一个或多个开口430可形成在封装层420的侧壁中。粒子捕获层440使用粘合剂450(例如胶条)接合到封装层420。在所述实施方案中，粒子捕获层440位于封装层中形成的开口上方。在绝缘屏障压缩期间，粒子和气体流向封装层的一个或多个开口。随着粒子和气体通过开口430，气体和粒子进入粒子捕获层440，其中至少一部分粒子被保留在粒子捕获层内。当气体通过材料时，粒子基本上保留在粒子捕获层中。

包含粒子捕获层的绝缘屏障的另一个实施方案如图5A和5B所示。绝缘屏障500包括绝缘层510。粒子捕获层540耦合至绝缘层510。在一些实施方案中，第一聚合物膜515定位在绝缘层与粒子捕获层之间。绝缘层510、第一聚合物膜515和粒子捕获层540被封装层520所包围。一个或多个开口530可形成在封装层520中。第二聚合物膜550耦合至粒子捕获层540并定位在绝缘层510、粒子捕获层540和开口530之间。第一和第二聚合物膜可为过滤器的形式，其允许气体通过膜，但抑制粒子通过膜的进展。可使用的聚合材料的示例为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚丙烯(PP)。第一和第二聚合物膜为薄膜(例如厚度小于1毫米(mm)的聚合物膜)。在绝缘屏障压缩期间，粒子和气体流向封装层的一个或多个开口。第一和第二聚合物膜充当过滤器，当粒子被推向开口时捕获至少一部分粒子。气体继续通过粒子捕获层540并通过开口530流出。当气体通过材料时，粒子基本上保留在粒子捕获层中。

包含粒子捕获层的绝缘屏障的另一个实施方案如图6所示。绝缘屏障600包含绝缘层610。粒子捕获层640耦合至绝缘层610。聚合物膜650耦合至粒子捕获层640。绝缘层610、聚合物膜650和粒子捕获层640被封装层620所包围。在封装层620中形成一个或多个开口630。聚合物膜650定位在粒子捕获层640与一个或多个开口630之间。聚合物膜650可以是气体和粒子不可渗透的。在绝缘屏障压缩期间，粒子和气体流向封装层的一个或多个开口。聚合物膜650的屏障特性在气体通过开口630离开之前，引导进入粒子捕获层的气体和粒子远离开口穿过粒子捕获层。通过产生穿过粒子捕获材料的延伸流动路径，改善粒子捕获效率。

包括粒子捕获层的绝缘屏障的另一个实施方案如图7所示。绝缘屏障700包括绝缘层710。绝缘层710被封装层720所包围。粒子捕获层740通过使用粘合剂760(例如胶条或胶垫)将粒子捕获层接触至封装层并耦合至绝缘层710。聚合物膜750耦合至粒子捕获层740。一个或多个开口730形成在封装层720中。聚合物膜750定位在粒子捕获层740与绝缘层710相对的一侧。聚合物膜750可不让气体和粒子穿透。在绝缘屏障的压缩过程中，粒子和气体流向并通过封装层的一个或多个开口，如图7所示。聚合物膜750的屏障特性在气体通过粒子捕获层离开之前引导气体和粒子通过粒子捕获层。粘合剂760为粒子和气体的流动提供额外的屏障。粘合剂760将逸出封装层的粒子和气体引导到粒子捕获层中。通过创建通过粒子捕获材料的定向流动路径，改善粒子捕获效率。

包含粒子捕获层的绝缘屏障的另一个实施方案如图8所示。绝缘屏障800包括绝缘层810。绝缘层810被封装层820包围。通过使用粘合剂860(例如，胶条或胶垫)将粒子捕获层840附接至封装层并耦合至绝缘层810。一个或多个开口830形成在封装层820中。聚合物膜850定位于粒子捕获层840与绝缘层810相对的一侧。聚合物膜850可不让气体和粒子穿透。在绝缘屏障的压缩过程中，粒子和气体流向并通过封装层的一个或多个开口，如图8所示。聚合物膜850的屏障特性在气体通过粒子捕获层离开之前，引导气体和粒子通过粒子捕获层。粘合剂860为粒子和气体的流动提供了额外的屏障。粘合剂860将粒子和气体进一步引导到粒子捕获层中，为粒子的捕获提供更长的流动路径。通过创建通过粒子捕获材料的定向流动路径，提高粒子捕获效率。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用，单数形式“一”、“一个”和“所述”包含多个指示，除非内容另有明确规定。如在本说明书和所附权利要求书中所使用，术语“或”通常以其包含“和/或”的含义使用，除非上下文另有明确规定。

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”是指包含互连结构的框架的凝胶，具有集成在所述框架内的互连孔的相应网络，并且含有气体如空气作为分散的间隙介质；并且其中可归因于气凝胶的以下物理和结构特性(根据氮气孔隙率测试)：(a)均孔径为约2nm至约100nm，(b)至少80％的孔隙率或更多，和(c)100平方米/克(m²/g)或更大的表面积。

本公开的气凝胶材料因此包含任何气凝胶或其他满足上述段落中阐述的定义要素的开孔材料；包含可另外分类为干凝胶、冷冻凝胶、双凝胶、微孔材料等的材料。

在本公开的上下文中，对“热失控(thermal runaway)”的提及通常是指由于各种操作因素导致电池温度和压力的突然、快速增加，这又会导致过度温度在整个相关模块中传播。例如，此类系统中热失控的潜在原因可能包含：电池缺陷及/或短路(内部和外部)、过度充电、电池穿孔或破裂(例如发生事故)以及过高的环境温度(例如,温度通常高于55℃)。在正常使用中，电池会因内部电阻而发热。在正常的功率/电流负载和环境工作条件下，大多数锂离子电池内的温度可相对容易地控制在20℃至55℃的范围内。然而，在高电池高功率消耗等压力条件下/环境温度以及单个电池中的缺陷可能会急剧增加局部发热。特别是，在临界温度以上，电池内的放热化学反应被活化。此外，化学发热通常随温度呈指数增长。结果，产生的热量远大于可用的散热量。热失控会导致电池排气和内部温度超过200℃。

在本公开的上下文中，术语“热导率”和“TC”是指测量材料或组合物在材料或组合物任一侧的两个表面之间传递热量的能力，具有两个表面之间的温差。热导率具体测量为每单位时间和每单位表面积传递的热能除以温差。它通常以SI单位记录为mW/m*K。材料的热导率可通过本领域已知的测试方法来确定，包括但不限于通过热流计装置的稳态热传输性能测试方法(ASTM C518，ASTM International,West Conshohocken,PA)；一种通过防护热板装置进行稳态热通量测量和热传递特性的测试方法(ASTM C177，ASTMInternational,West Conshohocken,PA)；管道绝缘稳态传热性能的测试方法(ASTM C335，ASTM International,West Conshohocken,PA)；薄加热器热导率测试(ASTM C1114，ASTMInternational,West Conshohocken，PA)；热导绝缘材料的热传输性能的标准测试方法(ASTM D5470，ASTM International,West Conshohocken,PA)；通过保护热板和热流量计法测定热阻(EN 12667，英国标准协会，英国)；或稳态热阻和相关特性的测定-保护热板设备(ISO 8203，国际标准化组织，瑞士)。由于不同的方法可能导致不同的结果，应理解在本公开的范围内，除非另有明确说明，否则热导率测量是根据ASTM C518标准(以热流计装置用于稳态热通量性质的测试方法)，在环境中的大气压和约2磅力每平方英寸(psi)的压缩负载下，温度约为37.5℃。根据ASTM C518报告的测量值通常与根据EN 12667进行的任何测量值以及对压缩载荷的任何相关调整具有良好的相关性。

热导率测量也可在约10℃的温度在大气压下压缩下进行。10℃的热导率测量值通常比37.5℃的相应热导率测量值低0.5至0.7mW/mK。在某些实施例中，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，或在这些值中任两个值之间的范围内。

在电池模块或电池组内使用绝缘屏障

与传统电池相比，锂离子电池(LIBS)具有高工作电压、低记忆效应和高能量密度等优点，被认为是最重要的储能技术之一。然而，安全问题是阻碍LIB大规模应用的重大障碍。在滥用条件下，放热反应可能导致热量释放，从而引发随后的不安全反应。情况变得更糟，因为被滥用的电池释放的热量会活化一系列反应，导致灾难性的热失控。

随着锂离子电池能量密度的不断提高，提高其安全性对于电子装置的发展越来越紧迫，例如电动汽车。每种不同的电池化学组成的安全问题背后的机制各不相同。本技术专注于定制绝缘屏障和那些定制屏障的相应配置以获得有利的热和机械性能。本技术的绝缘屏障在正常以及热失控条件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)。

本公开所公开的绝缘屏障可用于分离、绝缘和保护任何构造的电池组电池或电池组组件，例如袋式电池、圆柱形电池、棱柱形电池，以及结合或包含任何此类电池的电池组和模块。本公开所公开的绝缘屏障可用于可充电电池，例如锂离子电池、固态电池以及任何其他需要隔离、绝缘和保护的能量储存设备或技术。

诸如冷却系统的被动装置可与电池模块或电池组内的本公开的绝缘屏障结合使用。

根据本公开的各个实施方案电池组中的绝缘屏障包含多个单个电池单元或电池单元模块用于将电池单元的所述单个电池单元或电池单元模块彼此热分离。电池模块由布置在单个外壳中的多个电池单元组成。电池组由多个电池模块组成。图9描绘具有多个电池单元950的电池模块900的实施方案。封装的绝缘屏障925定位在电池单元950之间。当电池单元经历热失控或任何热失控时，封装的绝缘屏障可抑制或防止相邻电池单元的损坏或其他灾难性电池故障。

电池模块和电池组可用于为设备或载具提供电能。使用电池模块或电池组的设备包含但不限于笔记型电脑、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、台式电脑、军用便携电脑、军用电话、激光测距仪、数字通讯装置、情报收集传感器、电子集成服装、夜视设备、电动工具、计算机、收音机、遥控设备、GPS设备、手持和便携式电视、汽车启动器、手电筒、声学设备、便携式加热装置、便携式真空吸尘器或便携式医疗工具。当用于载具时，电池组可用于全电动汽车或混合动力汽车。

在本公开中，某些美国专利、美国专利申请和其他材料(例如文章)已通过引用并入本公开。然而，此类美国专利、美国专利申请和其他材料的文本仅在所述文本与本公开阐述的内容和附图之间不存在冲突的情况下通过引用并入本公开。在这种冲突的情况下，通过引用并入的美国专利、美国专利申请和其他材料中的任何这种冲突文本明确地不通过引用并入本公开中。

鉴于本描述，本公开的各个方面的进一步修改和替代实施方案对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，所述描述仅被解释为说明性的并且是为了向本领域技术人员传授实施本公开的一般方式的目的。应当理解，本公开所表示和描述本公开的形式将被视为实施方案的示例。元件和材料可代替本公开中所表示和描述的内容，部件和过程可颠倒，并且本公开的某些特征可独立地使用，所有这些对于本领域技术人员在受益于本说明书的描述后将是显而易见的。本公开在不背离所附权利要求书中所描述本公开的精神和范围的情况下，可对在此描述的元件进行改变。

Claims (22)

1.一种用于电能储存系统的绝缘屏障，所述绝缘屏障包括：

至少一层绝缘层；

至少部分地围绕所述绝缘层的封装层，所述封装层包括一个或多个开口；以及

耦合至所述封装层的粒子捕获层；

其中，在压缩所述绝缘屏障期间产生的粒子和气体流向所述封装层的一个或多个开口，并且其中，所述粒子至少部分地保留在所述粒子捕获层内。

2.根据权利要求1所述的绝缘屏障，其中，所述粒子捕获层定位在所述封装层的外表面且在所述一个或多个开口的上方，并且其中在所述绝缘屏障压缩期间产生的粒子穿过所述封装层的一个或多个开口并至少部分地保留在所述粒子捕获层内。

3.根据权利要求2所述的绝缘屏障，其中，所述封装层包括细长开口，并且其中，所述封装层部分覆盖所述绝缘层，使得所述封装层中的所述细长开口沿着所述绝缘层的一侧定位，并且其中，所述粒子捕获层耦合至所述封装层，使得所述粒子捕获层定位在所述封装层中的所述细长开口上方。

4.根据权利要求2所述的绝缘屏障，其中，所述封装层包括沿着所述绝缘层的一侧或多侧定位的多个开口，并且其中，所述粒子捕获层耦合至所述封装层，使得所述粒子捕获层定位在所述封装层中的多个开口上方。

5.根据权利要求3或4所述的绝缘屏障，其中，所述粒子捕获层通过粘合材料耦合至所述封装层。

6.根据权利要求5所述的绝缘屏障，其中，所述粘合材料定位成邻近所述开口，使得所述粘合材料充当所述粒子和气体流动的屏障，所述屏障将所述粒子和气体引导到所述粒子捕获层中。

7.根据权利要求1所述的绝缘屏障，其中，所述粒子捕获层定位在所述封装层的内部，并且其中，在使用过程中，所述绝缘屏障压缩过程中产生的粒子和气体在通过封装层的一个或多个开口之前进入所述粒子捕获层，并且至少部分地保留在粒子捕获层内。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的绝缘屏障，其中，所述粒子捕获层包括泡沫材料。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的绝缘屏障，其中，所述粒子捕获层包括织造材料、非织造材料或网状材料。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的绝缘屏障，进一步包括一个或多个耦合至所述粒子捕获层的聚合物膜，其中，所述聚合物膜在所述绝缘屏障的压缩过程中抑制和/或捕获粒子。

11.根据权利要求10所述的绝缘屏障，其中，所述聚合物膜的一个或多个为过滤器的形式，所述过滤器抑制粒子流过所述聚合物膜并允许气体通过所述聚合物膜。

12.根据权利要求10所述的绝缘屏障，其中，所述聚合物膜的一个覆盖相对于所述绝缘层的一部分的所述粒子捕获层的一部分。

13.根据权利要求10所述的绝缘屏障，其中，所述聚合物膜的一个覆盖所述绝缘层的一部份和所述粒子捕获层。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的绝缘屏障，其中，所述绝缘层具有通过所述绝缘层的厚度维度在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的热导率。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的绝缘屏障，其中，所述绝缘层包括气凝胶。

16.根据权利要求1至14中任一项所述的绝缘屏障，其中，所述封装层包括聚合物材料。

17.根据权利要求1至14中任一项所述的绝缘屏障，其中，所述封装层包括聚合物材料和嵌入所述聚合物材料中的金属层。

18.一种电池模块，所述电池模块包括：

多个电池单元，以及

根据权利要求1至17中任一项所述的一个或多个绝缘屏障，其中，至少一个绝缘屏障设置在相邻的电池单元之间。

19.一种电力系统，所述电力系统包括一个或多个权利要求18中所述的电池模块。

20.一种包括权利要求18中所述的电池模块的装置或载具。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述装置为笔记型电脑、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、台上电脑、军用便携电脑、军用手机、激光测距仪、数字通讯装置、情报收集传感器、电子集成服装、夜视设备、电动工具、计算机、收音机、遥控设备、GPS装置、手持和便携式电视、汽车启动器、手电筒、声学设备、便携式加热装置、便携式真空吸尘器或便携式医疗工具。

22.根据权利要求20所述的载具，其中，所述载具为电动车。