CN117157806A - 用于缓解基于电池的能量存储系统中热传递的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用以管理能量存储系统中的热失控问题的方法和系统。示例性实施方案包括具有可压缩热障的方法和系统。该可压缩热障经尺寸定制(例如，厚度、体积等)以防止当能量源的部分经历热事件时在相邻单元、模块及/或组之间的热传播。该方法和系统缓解热传播，以使与受损单元(例如，主动燃烧单元)相邻的单元不经历热失控，因为它被遮罩而免受散热影响且不会超过临界温度。本公开进一步涉及具有一个或多个电池单元以及设置于相邻单元之间的该可压缩热障的电池模块或电池组。

Description

用于缓解基于电池的能量存储系统中热传递的系统及方法

相关申请的交叉引用

本申请主张于2021年7月2日提交且案名为“Materials,Systems,and Methodsfor Mitigation of Electrical Energy Storage Thermal Events”的美国临时专利申请号63/218,205、于2022年3月26日提交且案名为“Systems and Methods for MitigatingThermal Propagation in Battery-Based Energy Storage Systems”的美国临时专利申请号63/324,060以及于2022年3月28日提交且案名为“Systems and Methods forMitigating Thermal Propagation in Battery-Based Energy Storage Systems”的美国临时专利申请号63/324,522的优先权和利益，各申请通过引用整体纳入本文中。

技术领域

本公开通常涉及用于缓解能量存储系统中的热事件(例如热失控问题)的系统和方法。尤其，本公开提供用于防止在基于电池的能量存储系统的部分经历热事件(例如，热失控))之后在相邻单元、模块或组中发生热传播的系统、方法和技术。本公开进一步涉及依据本技术包括一定量(例如，厚度、体积等)的绝热材料以缓解热传播的具有一个或多个电池单元的电池模块或电池组，以及包括这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)在电力驱动及能量存储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、平板电脑、膝上型电脑、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的电化学单元主要由正电极、负电极、能够传导锂离子的电解质、分隔正电极与负电极的隔离膜、以及集电器组成。LiCoO₂、LiFePO₄、LiMn₂O₄、Li₂TiO₃、LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂(NCA)和LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂(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份额。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，通常使用聚丙烯(PP)及聚乙烯(PE)微孔膜作为隔离膜。通常使用铝箔作为该正电极的集电器，而将铜箔用于该负电极。碳基材料(包括硬碳、纳米碳管和石墨烯)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/去合金材料及转换材料)也已被研究并显示出良好的热性能和电化学性能。

在正常状况下的LIB的操作

在正常操作下，锂离子通过自一电极扩散且迁移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单元内产生热。第一种为可逆热，由与在锂化过程(放电)及脱锂过程(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。第二种机制为与该单元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。焦耳加热归因于单元内的锂离子和电子的运动。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。了解热失控的原因可引领功能材料的设计，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，导致反应速率和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单元紧邻的单元。被加入热失控反应的各单元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灾难。迅速散热以及有效阻断热传递路径可以是有效的对策，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、电性滥用和热滥用(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(诸如配置参数，如单元间距)、单元互连形式、单元形状因子、制造、操作，并且维护为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，例如由跌落或单元的穿透导致。

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(collision)、挤压(crush)、穿透(penetration)和弯曲(bend))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和位移为机械滥用的两种常见特征。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破，并发生内部短路(ISC)；易燃电解质渗漏并可能因此造成火灾。穿透为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。

内部短路发生在滥用状况的90％以上中。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，当隔离膜被枝晶生长刺穿时(图4)；以及(3)热滥用，当隔离膜在高温瓦解时。

当具有电压差的电极通过导体连接时，形成外部短路。汽车碰撞期间的变形、浸水、导体污染，或维护期间的电击等会引起电池组的外部短路。通常，与穿透相比，外部短路的电路上所释放的热不会加热单元。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，单元开始受损。因此，可能触发排气及电解质渗漏。

过度充电(overcharging)可被定义为对电池充电超过其设计电压。过度充电可能由高比电流密度、激进的充电曲线等触发，过度充电会带来包括下述的一系列问题：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)电压和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晶沉积。接着在第三阶段中，(3)随着热和气体产生，电压会急剧下降，引起电池热失控。

过度放电为另一种可能的电性滥用状况。通常，在电池组内单元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单元的电压，具有最低电压的单元就会被过度放电。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单元可被串联连接的其他单元强制放电。在强制放电期间，电极反转且单元的电压变为负，导致在该过度放电单元的异常热产生。

热滥用

热滥用通常通过过热触发。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。典型地，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，LIBs无法有效运作，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、电镀和枝晶生长。枝晶为树状结构，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)。单元内的锂沉积和枝晶生长被视为在低温下诱发热失控的主要促发因素。不受限于理论的束缚，据信非不期望的锂沉积和枝晶可能在电池中引起ISC，导致热失控。

在状态II(常温操作)中，热产生相较于在热失控过程中所产生的热极少。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以及副反应引起。该热产生可造成温度升高以及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。在阶段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，或因单元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在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℃，如同Wang等人(Thermochim.Acta437(2005)12-16)的报告，SEI分解可能从低达57℃的温度开始。

SEI的分解

当阶段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及Li₂CO₃)和亚稳的(例如聚合物、ROCO₂Li、(CH₂OCO₂Li)₂和ROLi)组分组成。然而，该亚稳组分可在约>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，且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嵌锂(intercalated lithium)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、甲烷和其他)。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，通过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，而进一步增加温度和压力，并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和爆炸。

在热失控过程中，通过ISC引起的热产生仅为2％，而化学反应为98％，包括SEI层的分解、电解质的分解等。最大比例的热产生是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、阴极及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存储足够低，或在电池模块或电池组内的单元之间使用足够的绝缘材料以使这些单元免受相邻单元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存储的能量。后者则限制单元的布置间距，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

目前使用许多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。一种方法是在单元或单元簇之间纳入足量的绝缘。此方法通常被视为出于安全考虑；然而，在此方法中，绝缘材料的控热能力以及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。典型地，对于电性存储装置，这些相变材料依靠碳氢化合物材料，例如蜡和脂肪酸。这些系统在冷却方面有效，但其本身为可燃的，因此一旦在存储装置内发生着火，就不利于防止热失控。结合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，但在存储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热障的需求

在充电及放电期间阳极与阴极的膨胀(swelling)可导致单元的尺寸变化(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组分，其水平依赖于精确的单元化学。单元厚度的可逆变化仅依赖于单元的荷电状态(state of charge；SOC)，并可导致厚度增加超过2％。单元的不可逆膨胀与单元内部的压力增加相关，并由SEI的形成引起。此变化的最大组分发生于第一充电周期期间，此时初始形成SEI，但膨胀在单元的寿命期间持续。

虽然已进行广泛的研究来发明具有良好热属性的新颖材料，以防止热失控问题，但这些材料的机械属性未受到足够的重视，尽管它们很重要。例如，需要在电池模块或电池组内的单元之间使用有效的热障，其可提供抗压缩变形能力，以适应在单元的寿命期间持续的单元膨胀。此外，在电池模块的初始组装期间，1MPa或更低的较低负荷典型地施加至单元之间的材料。当电池模块或电池组内的单元在充电/放电周期期间扩展或膨胀时，高达约5MPa的负荷可能被施加至单元之间的材料。因此，材料(例如单元之间的热障)的压缩性、压缩弹性以及顺应性为重要的属性。

因此，需要满足LIB的系统的机械要求的新颖热障，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

本公开的目的为在于消除或减少上面所述的先前方法和系统的至少一个缺点，以防止或缓解可充电电池系统(例如锂离子电池)中的热传播。本公开提供包括可压缩热障的方法和系统。本公开的可压缩热障为经尺寸设定以防止当能量源的部分经历热事件时于相邻单元、模块和/或组之间的热传播。

在本公开的上下文中，热传播的缓解意指与受损单元(即，经历临界温度以上的热事件的单元)相邻的单元不经历热失控。换言之，与该受损单元相邻的该单元经遮罩以免受该受损单元所散的热的影响。由于此类遮罩或阻挡层，该相邻单元内的温度不会超过临界温度，因此与该受损单元相邻的该单元不会被迫进入热失控。

尤其，本公开的目的为提供通过使用预定尺寸的绝热材料来缓解热传播的方法和系统。这些方法和系统是基于对个别单元的面积能量密度的理解(即，在能量可被传输至相邻单元的面积上的单元中所存储的能量)。预定尺寸(例如，厚度)经定制以满足单元的面积能量密度的需求。在一些实施方案中，预定厚度防止来自热受损单元的热传播到达任意相邻单元。在特定实施方案中，预定厚度经选择以使其压缩厚度(即，在操作期间在两相邻单元之间压缩)防止从该受损单元至该相邻单元的热传播。典型地，该可压缩热障提供较长时段的此热传播保护。例如，该受损单元受损的整个时段(即，在该受损单元的整个燃烧事件期间)。在特定实施方案中，该可压缩热障的厚度经选择以提供特定时段的保护；例如，25分钟、30分钟、1小时、2小时、3小时、5小时、24小时。在特定实施方案中，安置于相邻单元/模块/组等之间的该可压缩热障的厚度在未压缩状态下具有在1.5mm与约7mm之间的范围内的预定尺寸(例如，厚度)。在一些实施方案中，安置于相邻单元/模块/组等之间的该可压缩热障的厚度在未压缩状态下具有在2mm与约6mm之间的范围内的预定尺寸(例如，厚度)。在压缩时，该可压缩热障的厚度相较其未压缩状态减小。典型的压缩厚度范围在约0.8mm与6mm之间。在一些实施方案中，该压缩厚度为约1.0mm；约1.25mm；约1.5mm；约1.75mm；或约2.0mm。

本公开的另一目的为提供一种电池模块或电池组，其具有依据本公开的系统和方法，该系统和方法可保护该电池组免于因一个单元的热失控而遭受热损害，并确保该电池组的安全设计。

在一个通常方面，本公开旨在提供一种电池模块以及一种电池组，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，在电力驱动及能量存储系统中，普遍以预先选择的配置(例如，并联、串联或组合)将若干单元100封装在一起，以形成电池模块200。相应地，可组合或连接若干这样的电池模块，以形成本领域中已知的各种电池组300。在操作和放电期间，此类单元、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，为保持此类单元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单元、电池模块或电池组的温度保持于较窄的规定范围内。本公开的目的为将此类单元、电池模块或电池组的温度保持在最佳范围内。

除将单元的温度保持在规定范围内之外，目的也在于保持单元的结构完整性。单元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。在一些实施方案中，该方法和系统包括结合其中的阻燃或防火材料，以于热事件之后或期间保持结构完整性。

在当前方法和系统的实施方案中，该可压缩热障作为单个绝缘材料层提供。在实施方案中，该绝缘材料呈气凝胶的形式。在特定实施方案中，该气凝胶可由复合材料形成。在一些实施方案中，该气凝胶可包括添加剂。典型地，该绝缘材料为可压缩的。

虽然本公开的一些实施方案的特征在于安置于相邻单元之间的单层热障，但本公开不限于单层材料。例如，一些实施方案的特征在于一种多层材料，作为电能存储系统中的热障，以解决电池模块或电池组中的热传播问题，并在一个单元发生热失控时停止或缓解热传播。本公开的多层材料的独特配置可有助于解决单元之间的热传播问题。一般而言，该多层热障包括一层或多层绝缘材料。该绝缘层的尺寸或数量依据本公开进行定制，以缓解热传播。

一方面，本文中提供一种用作电能存储系统中的热障的多层材料，包括：核心部分，包括沿垂直于其最大表面的方向交替堆叠的至少一个绝缘层及至少一个热容层的层状组件；以及外部部分，设置于该核心部分的外侧，该外部部分包括至少一个牺牲材料层和至少一个封装材料层，该至少一个牺牲材料层包括可压缩垫，该至少一个封装材料层选自聚合物、弹性体或其组合。不限于理论，认为当选择包括多层材料的热障的预定尺寸时，经选择以防止热传播的该尺寸将被应用于该多层材料的该一个或多个绝缘层的厚度。

在一个或多个实施方案中，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之间的范围内的平均厚度。在一些实施方案中，在未压缩状态下，该多层材料内的该绝缘层的厚度在约1mm与约7mm之间的范围内。在特定实施方案中，该多层材料的该绝缘层在未压缩状态下具有在1.5mm与约5mm之间的范围内的预定尺寸(例如，厚度)。在压缩状态下，该绝缘层可具有在约0.75mm与约2.5mm之间的厚度，例如约1.25mm或约1.5mm。

上述方面、方法和系统的实施方案可包括以下特征的其中一者或多者。在一些实施方案中，该一个或多个绝缘层(若在该热障中使用多层材料)或单层热障包括气凝胶，并可能进一步包括增强材料。在一些实施方案中，该增强材料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。在一些实施方案中，该纤维呈离散纤维、织造材料、干法成网非织造材料、湿法成网非织造材料、针刺非织造布、棉絮、网、垫、毛毡及/或其组合的形式。在一些实施方案中，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。在一个或多个实施方案中，该气凝胶包括二氧化硅基气凝胶。在一个或多个实施方案中，该气凝胶包括一种或多种添加剂，该添加剂处于该气凝胶的至少约5至40重量百分比的水平，优选地，处于该气凝胶的至少约5至20重量百分比的水平，更优先地，处于该气凝胶的至少约10至20重量百分比的水平。在一些实施方案中，该一种或多种添加剂包括防火级添加剂。在一些实施方案中，该一种或多种添加剂包括选自B4C、硅藻土、锰铁氧体、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。在一些实施方案中，该一种或多种添加剂包括：包括碳化硅的遮光剂。在一些实施方案中，该一种或多种添加剂包括防火级添加剂与遮光剂的组合。在一个或多个实施方案中，该气凝胶具有在约0.25g/cc至约1.0g/cc的范围内的密度。在一个或多个实施方案中，该气凝胶呈单块、微珠、颗粒、小粒、粉末、薄膜、薄片、或其组合的形式。

在另一实施方案中，一种用作电能存储系统中的热障的多层材料包括：核心部分，包括绝缘层，其中，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维度的导热率；以及外部部分，其设置于该核心部分的外侧，该外部部分包括导热层，其中，该导热层具有至少约200mW/m-K的沿该导热层的平面内维度的导热率。

在一个实施方案中，该导热层分为位于该导热层的相对侧上的第一导热层与第二导热层，其中，该第一导热层和该第二导热层与该绝缘层接触。在一具体实施方案中，该导热层为实质上L形，从而该L形导热层的垂直部分与该绝缘层隔开。该L形导热层的水平部分与该绝缘层接触。封装材料层、牺牲材料层和热容层的其中一者或多者可设置于该L形导热层的该垂直部分与该绝缘层之间。

在一个实施方案中，一种电池模块包括：第一电池单元，具有第一表面；第二电池单元，具有第二表面，该第二表面与该第一表面呈相对关系；以及多层材料，具有包括绝缘层的核心部分以及设置于该核心部分的外侧的外部部分，该外部部分包括导热层。该电池模块进一步包括与该第一电池单元、该第二电池单元和该多层材料的该导热层接触的热交换系统。在一个实施方案中，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％。在一个实施方案中，该多层材料的该绝缘层延伸至该热交换系统中。

该多层材料的该导热层与该热交换系统以及该电池单元的一个热连通。该多层材料与该电池单元之间的热连通可通过设置与该电池单元的表面接触的导热材料来实现。此配置使电池单元所产生的热通过该导热层被吸入该热交换系统中。

通过在电池单元之间设置合适的多层材料，可抑制或最大限度地减少经历热失控的电池单元的热传播。在一个实施方案中，多层材料具有至少0.01的热阻系数。该热阻系数为该多层材料的热阻与电池模块中电池单元的面积能量密度的比值。电池单元阵列的面积能量密度为该阵列中所有单元的总能量密度与该阵列的外表面的比值。该多层材料还可具有至少约0.3的厚度系数。该厚度系数为该多层材料的厚度与电池单元的面积能量密度的比值。

在一个实施方案中，一种设计能量存储系统的方法包括：组装一个或多个电池单元，以形成阵列；计算该阵列的面积能量密度；依据该阵列的该面积能量密度选择多层材料的热阻及压缩厚度，以使该能量存储系统具有至少约0.01的热阻系数和至少约0.3的厚度系数；以及在该阵列中及/或周围设置该多层材料。在一个实施方案中，该阵列的单元面积能量密度为已知的。在此实施方案中，选择能够抑制失控传播的多层材料的压缩厚度包括：计算该多层材料的热阻系数；从热传播图读取该多层材料的最小压缩厚度；以及选择大于该最小压缩厚度的压缩厚度。类似地，选择该热阻及该压缩厚度还可通过以下步骤实施：计算可设置于该阵列的电池单元之间的多层材料的厚度系数；从热传播图读取该多层材料的最小热阻；以及针对该多层材料选择大于该最小热阻的热阻。

另一方面，本文中提供一种装置或车辆，包括依据上述方面中任一者的电池模块或电池组。在一些实施方案中，该装置为膝上型电脑、PDA、手机、标签扫描仪、音频装置、视频装置、显示面板、摄像机、数码相机、桌上型电脑、军用便携式电脑、军用电话、激光测距仪、数字通讯装置、情报收集感测器、电子整合服装、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。在一些实施方案中，该车辆为电动车辆。

与现有的热失控缓解策略相比，本文中所述的方法和系统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单元热传播，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。本公开的系统和方法的一些实施方案可提供良好的压缩性、压缩弹性及顺应性的属性，以适应在单元寿命期间持续的单元膨胀，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属性。本文中所述的方法和系统的特定实施方案耐用且易于处理，具有良好的抗热传播和火灾传播能力，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/或顺应性的属性。

附图说明

在概括说明本公开之后，现在将参照所附图式，其不一定按比例绘制，并且其中：

图1显示锂离子电池的电化学单元的示意图；

图2显示锂离子电池中的充电-放电过程的示意图。

图3示意地显示电池模块内的热失控滥用状况及热失控传播过程。

图4显示于电池中的锂镀层上的枝晶生长示意图。

图5示意显示导致热失控过程的三阶段。

图6示意显示电池单元、电池模块和电池组。

图7A示意显示防止从触发单元(即，经历热失控的单元)至相邻单元的热传播的方法的实施方案。

图7B显示依据本文中所公开的实施方案用于测试热障的热传播能力的测试装置的前视图。

图8显示利用图7B中所示的装置测试的触发单元(即，经历热失控的单元)与相邻单元的温度对比图。

图9A-B显示图7B中所示的装置所测试的在触发单元与相邻单元之间具有不同热障厚度的若干单元的结果。

图9C显示利用图7B中所示装置测试的若干不同的方形和袋式单元的参数表。

图10示意显示依据本文中所公开的特定实施方案的多层材料。

图11示意显示依据本文中所公开的特定实施方案的多层材料。

图12A-E示意显示依据本文中所公开的特定实施方案的多层材料。

图13示意显示具有核心绝缘层的多层材料。

图14示意显示制造电池单元模块的方法的流程图。

图15示意显示具有被多层材料保护的多个电池单元的电池模块或电池组。

具体实施方式

在以下关于优选实施方案的详细说明中，参照所附图式，该些图式构成该些实施方案的部分，且在该些图式中，以示例方式显示特定实施方案，可通过该些实施方案实施本公开。应当理解，可使用其他实施方案，并可进行结构改变，而不背离本公开的范围。

一般来说，本技术针对用于缓解能量存储系统中的热事件(例如热失控问题)的系统和方法。尤其，本技术提供用于防止在基于电池的能量存储系统的部分经历热事件(例如，热失控)之后在相邻单元、模块或组中发生热传播的系统、方法和技术。本公开进一步涉及依据本技术包括一定量(例如，厚度、体积等)的绝热材料以缓解热传播的具有一个或多个电池单元的电池模块或电池组，以及包括这些电池模块或电池组的系统。

图7A显示依据本技术防止相邻单元之间的热传播的方法。图7A显示能量存储系统内的触发单元(即，热受损单元)。该触发单元夹置于两个相邻单元之间。该相邻单元尚未被该触发单元所释放的热影响。在各相邻单元与该触发单元之间夹置绝热材料。在该能量存储系统使用期间，该绝热材料(在图7A中标记为C2C阻挡层)被压缩，并覆盖该相邻单元与该触发单元之间的单元间表面。典型地，能量存储系统设有与所有单元热接触的冷却板。图7A中的冷却板出现在该存储系统的底部。为防止单元间热传播，对于电化学容量为E*且总热释放潜力为5E*的触发单元，考虑四条主要能量流。首先，(1)必须解决从该触发单元至相邻单元中的传导。如图7A中所示，应当解决通过该触发单元的各表面的约0.15E*。其次，(2)进入冷却板中的传导移除该触发单元所释放的热的部分。该冷却板所吸收的热量将依赖于所用冷却板的类型-应用主动冷却移除更多热量。再次，(3)一些热将以固体、液体及/或气体自该触发单元释放排出。此热被排出至该能量存储系统的头部空间中。最后，(4)一旦该触发单元燃烧，热释放量将取决于氧气可用性和化学分解路径。为解决热传播并提供最长时间的保护以使该相邻单元免受该触发单元的热释放的影响，应当解决该触发单元的热传导以及所排气体及材料的管理。在解决该触发单元与相邻单元之间的传导问题时，依据本技术的绝热材料提供优越的机械及热属性。换言之，该绝热材料管理发生于单元之间的介面处的两关键方面。首先，该绝热材料允许单元膨胀及呼吸，因为它以极小的疲劳或压缩变形吸收机械能(高应力及大应变)。其次，由于即使在被压缩时可承受1000℃或更高(高达1400℃)的温度，该绝热材料允许延迟或防止热传播。

期望相邻电池之间的热障是可压缩的，并能够吸收能量存储系统操作期间的体积波动。本发明的目的不仅在于提供一种可压缩热障，而且在于提供一种可缓解从受损单元(例如，处于热失控的燃烧单元)至相邻单元的热传播的热障。为缓解热传播，须防止该相邻单元(即，尚未成为受损单元)超过临界温度(在该临界温度，热失控占上风)。为此，本技术基于单元的单元面积能量密度修改其可压缩热障的尺寸。本文中所使用的单元面积能量密度定义为阵列中所有单元的总能量密度与单元阵列的外表面的比除以该单元的热传输面的面积。不限于理论，认为通过结合特定单元的面积能量密度定制热障的压缩厚度，可实现保护。进一步认为，可利用热障的压缩厚度与面积能量密度之间的线性关系来确定该可压缩热障的所需量/厚度(在未压缩状态下)。

为确定面积能量密度与厚度之间的关系，设计并制造测试装置。图7B中显示该测试装置。该测试装置包括两个夹持面，以将触发单元(即，测试期间会受损的单元)与相邻单元压缩在一起。热障夹置于该两个单元之间。图7B为测试之前(即，在未压缩状态下)的图像。夹置于该触发单元与该相邻单元之间的所示热障具有2.35mm的厚度，也可使用其他厚度，其中包括该2.35mm厚热障的厚度的2倍、3倍和4倍，且在不同的测试中，可评估该热障的厚度。

图7B的实施方案中的各该触发单元和相邻单元为方形单元(prismatic)，各自具有62Ah的存储容量。为开始测试，迫使该夹持面相互靠近，以提供单元面压力。请参照图8，在4.7mm厚热障(即，图7B中所示2.35mm厚度的2倍)的测试中，产生560kPa的单元面压力。从图8的右侧可见，此单元面压力较稳定，直至该触发单元开始经历热事件的第一阶段。当该触发单元中的电压下降时，该单元面压力初始升高，直到在该触发单元中发生极端温度变化。据信，此极端温度变化对应于燃烧事件(即，火焰生成并从该触发单元逃逸)。在时间轴上，记录此燃烧事件发生于零点时间，并标记该触发单元的主动热失控的开始。

在接着的数分钟测试期间，该触发单元经历热失控。然而，该4.7mm厚热障(在未压缩状态下的厚度量测)遮罩该相邻单元免受散热影响，从而防止该相邻单元超过临界温度(即，该触发单元在时间0分钟的温度)。

通过保护该相邻单元免受该触发单元的散热的影响，即使该触发单元(紧邻该相邻单元)处于热失控，该相邻单元也保持低于临界温度。因此，4.7mm厚未压缩热障(由气凝胶形成)缓解或防止在两方形单元(各具有62Ah的储能容量)之间的热传播。

图8中所讨论的示例中所使用的多层材料包括导热层、吸热层、耐热层和隔热层。各层阻挡或移除相邻电池单元所产生的热。然而，在失控过程的特定阶段，一些层扮演不同的角色。在第一阶段中，电池操作是在标准操作条件下，且外导热层自相邻电池移除热，并将该热引导至热交换元件中。在失控过程的第2阶段中，电池单元的温度开始显著升高(达到90℃以上)，开始引起该电池单元崩溃。部分热继续由该导热层输送(例如输送至热交换元件中)。该电池单元所产生的额外热被该吸热层(热容层)吸收。随着失控过程继续，温度的突然升高超过前两减热系统(导热层及热容层)的容量。接着，热到达该耐热层(牺牲层)，该耐热层吸收当层分解时该失控单元所产生的热的其中一些。用于防止热从该失控电池单元到达其他单元的最后层为绝缘层。在经过前三层之后，热已被充分消散，从而该绝缘层能够防止热到达相邻电池。如图8中所示，通过该多层材料将该相邻电池单元的温度保持于100℃或以下。

请参照图9，利用图7B中所示的测试装置测试四个测试样本，以生成结果和性能图。测试样本AAI T1和AAI T3具有2.35mm的未压缩厚度；而测试样本AAI T2和AAI T4具有4.70mm的未压缩厚度(T1和T3的厚度的2倍)。针对测试样本AAI T1所施加或产生的单元面压力(cell-face pressure；CFP)为275kPa，针对AAI T2为275kPa，针对AAI T3为580kPa，并且针对AAI T4为560kPa。这些样本的面积能量密度(kAh/m²)约为2kAh/m²。

图9显示当压缩力(即，单元面压力)低于300kPa(具体在275kPa)时，图7B中所示的两个单元之间的2.35mm或4.70mm热障的厚度足以缓解/防止单元之间的热传播。事实上，给予相邻单元的延迟或保护持续至触发单元的热事件结束(即，在所有热从触发单元散发之后，燃烧结束)。当单元面压力增加两倍或更多(即，560kPa或更大)时，测试未压缩热障的厚度。对于具有2.35mm的厚度的样本AAI T3，提供至相邻单元的热传播的一些缓解(28分钟延迟)。通过将热障的厚度加倍至4.70mm(即，样本AAI T4)，得以防止至相邻单元的热传播。

通过针对不同单元类型及配置测试不同压缩条件下热障的不同厚度，生成性能图。出现于图9A的右侧的性能图中的虚线标示面积能量密度与阻挡层的压缩厚度之间的关系。显然，在单元面上施加/产生的较大压力将导致绝热材料的压缩厚度减小。此信息可用以选择预定尺寸，即在未压缩状态下热障的厚度。

图9B为热传播图，显示热阻与单元面积能量密度以及压缩厚度与单元面积能量密度的关系。给定这三个变量的其中一者，可利用该热传播图确定其他两个属性的值。在许多情况下，由于提供系统的能量需求，单元面积能量密度为已知的。基于已知的单元面密度，可选择多层材料，以确保使用阻挡层，以于电池单元进入热失控时抑制或最大限度地降低传播风险。在其他情况下，多层材料可能已被预先选择。在这样的其他情况下，可基于该材料的已知热阻来选择单元面积能量密度，以确保抑制或最大限度地减少传播。

在用以生成图9B中的热传播图的具体示例中，使用气凝胶材料。在此例中，上部较浅的阴影区域(位于虚过渡线上方)为不发生或几乎不发生失控传播的区域。一般而言，该热传播图表明，对于高达约14kWh/m²的单元面积能量密度，至少约0.01的热阻系数和至少约0.3的厚度系数应能有效抑制或最大限度地减少失控电池单元传播。可在该热传播图使用外延法来确定更高单元面密度的最佳参数。本文中将厚度系数定义为多层材料的厚度与阵列的面积能量密度的比值。本文中将热阻系数定义为多层材料的热阻与阵列的面积能量密度的比值。

图14显示流程图100，其概述用于设计电池单元或电池模块中的绝缘系统的过程。在步骤110中，将一个或多个电池单元或电池模块呈阵列组装，各该电池单元/模块之间具有一定间隙。在步骤120中，计算该阵列的面积能量密度。接着，在步骤130中，可使用该面积能量密度确定该多层材料的热阻和压缩厚度。该热阻和压缩厚度经选择以抑制或最大限度地减少失控电池单元/模块的热传播。

可将步骤130分成两个子步骤。在一个实施方案中(显示于步骤130的左侧)，确定该多层材料的热阻系数。接着使用该多层材料的热阻系数结合该阵列的面积能量密度来确定用以抑制或最大限度地减少热失控传播所需的该多层材料的厚度。可通过从热传播图(例如图9B中所示)读取该多层材料的最小压缩厚度来选择能够抑制失控传播的该多层材料的压缩厚度。接着在该阵列中安置具有该确定厚度的多层材料。

在一个替代实施方案中，可通过确定可被置于该阵列的电池单元之间的多层材料的厚度系数来执行步骤130。可使用该确定的厚度系数来确定用以抑制或最大限度地减少热传播所需的该多层材料的热阻。在一个实施方案中，可从热传播图(例如图9B中所示)确定该多层材料的最小热阻。通过确定该多层材料的热阻大于用以抑制或最大限度地减少热失控传播所需的该多层材料的最小热阻，选择该多层材料的热阻。接着在该阵列中安置具有该确定热阻的多层材料。

在一个实施方案中，在该阵列中和/或周围设置该多层材料包括独立于该阵列形成该多层材料，以及紧邻该阵列的电池单元插入该多层材料。在另一实施方案中，在该阵列中及/或周围设置该多层材料包括直接在该阵列中及/或周围原位形成该多层材料。可通过在该阵列中及/或周围喷涂、涂覆、沉积，或填充该多层材料来原位形成该多层材料。

图15显示可用以抑制或最大限度地减少热传播的电池单元和多层材料的各种配置。在第一配置中，该多层材料置于单个电池单元或模块之间，以使各电池单元/模块分别由该多层材料围绕。在第二配置中，多个电池单元/模块彼此接触。可彼此相邻堆叠且其间没有阻挡层的单元的数目基于组合单元堆叠的面积能量密度和阻挡层的属性(热阻等)，即，基于图14中所示的方法。该多层材料围绕该组电池单元/模块，以抑制或最大限度地减少来自任意被围绕单元的热失控传播。该第二配置可用于没有太多空间可用于热障(例如本文中所述的多层材料)的高密度能量系统。在第三配置中，该多层材料安置于各电池单元/模块之间，以使用以保护该电池单元/模块的其中一者的该多层材料也用以保护相邻的电池单元/模块。

请参照图9C，所示表格提供由不同制造商制造的若干方形和袋式单元的各种参数以及面积能量密度的计算。利用面积能量密度的计算以及单元之间所面对的压缩，可选择绝热材料的厚度。

用于生成图9A和图9B的热障由可从位于麻塞诸塞州的Northborough的AspenAerogels公司获得的气凝胶材料形成。所用的特定材料以商品名称销售，且为一种薄的、轻的、高温热绝缘材料。不限于理论，Aspen Aerogels公司的气凝胶因至少三个原因而具有优点。首先，此特定气凝胶材料具有弹性。在加载及卸载事件期间，比较其压缩应力与其压缩应变，仅观察到极小的迟滞。也就是说，此气凝胶材料具有弹性。认为长的二氧化硅-聚合物链一起充当大量的弹性纳米弹簧，从而形成弹性压缩垫，其以极小的疲劳或压缩变形吸收机械能。Aspen Aerogel公司生产并销售增强M级材料，其结合/>商品名称销售。已知M级材料抗压缩变形(≤5％)且抗疲劳。此特定材料的另一优点为其能够承受高温，包括高达1400℃或更高的温度。一般而言，此特定气凝胶材料可承受在1000℃温度的火焰的直接接触超过10分钟或更长时间。换言之，即使在施加直接火焰长达10分钟之后，该气凝胶材料也不会燃烧，甚至没有开始分解。包括无机纤维的二氧化硅基气凝胶可就其热属性进行调节。因此，该气凝胶材料的耐温性可经调节以匹配单元行为。AspenAerogel公司二氧化硅基气凝胶即使在被压缩时也提供有益的导热属性，因此，依据本技术，可有利地用作绝热材料。不限于理论，认为气凝胶不依赖于截留的空气来提供热优点。因此，即使于被压缩时，该气凝胶材料也保持其导热属性。这意味着可利用绝热材料提供更薄的阻挡层、更轻的封装，以及更大的单元覆盖范围，从而为依据本技术的系统提供这些益处。

本技术也可被应用于不仅仅为单层材料的绝热材料。例如，在本技术中，安置于单元之间的热障可具有多层配置。该多层配置包括一个或多个绝缘层，其经尺寸设定以防止单元之间的热传播。换言之，虽然该热障包括呈多层配置的若干不同层，但通过使用关于单层实施方案所述的方法和系统、利用面积能量密度的知识来选择处于未压缩状态的该一个或多个绝缘层的厚度。

包括多层的热障可增加额外的益处，例如机械强度、膨胀层(intumescing layer)和材料的封装。以下对多层材料的说明可用于本技术中，以替代单层实施方案或附加于该单层热障作为系统的补充。例如，一些系统可能在一些位置包括单层热障，而在其他位置包括多层热障。换言之，在特定相邻单元之间设置单层热障，而在其他相邻单元之间设置多层热障。在一些实施方案中，在相邻单元之间设置单层热障，并围绕该能量系统的边缘或表面使用多层材料作为热障。

本技术中可使用多层材料以及包括该多层材料的系统来管理能量存储系统中的热失控问题。示例性实施方案包括多层材料，该多层材料包括至少一个绝缘层、至少一个可压缩垫、以及可选的一个或多个层，其具有良好的散热属性，具有良好的防火、阻燃和/或耐磨属性，具有良好的性能以用作热障。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。

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。在无需大幅增加绝缘厚度或添加额外重量下，气凝胶可增加有效遮罩及热绝缘。已知气凝胶为一类具有低密度、开孔结构、大表面积和纳米级孔径的结构。

依据本公开的实施方面的多层材料以及包含气凝胶组合物的多层材料提供良好的压缩性、压缩弹性和顺应性的属性。当被用作电池模块内的单元之间的热障时，该多层材料可提供对压缩变形的阻抗，以适应由于在电池的充电/放电周期期间活性材料的劣化和膨胀而导致的单元膨胀。

本公开进一步提供一种电池模块或电池组，包括：至少一电池单元；以及依据本文中所公开的实施方案的多层材料，其设置于该电池单元上或该电池模块上(例如在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及外表面。在特定实施方案中，该多层材料位于该电池模块或电池组的内表面上。在特定实施方案中，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，以特定方式布置不只一层具有良好的热及/或机械属性的层。图10显示依据本文中所公开的实施方案的示例多层材料400。在一个实施方案中，用作电能存储系统中的热障的多层材料400包括：核心部分700，包括沿垂直于其最大表面的方向交替堆叠的绝缘层470及480与热容层430、440及/或450的层状组件；以及外部部分600，其设置于核心部分700的外侧，外部部分600各自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维度的导热率。

在一些实施方案中，绝缘层470和480由相同的材料制成。在一些实施方案中，绝缘层470和480由具有不同热和/或机械属性的不同材料制成。在一些实施方案中，热容层430、440和450由相同的材料制成。在一些实施方案中，热容层430、440和450由具有不同的热和/或机械属性的不同材料制成。可压缩垫410和460也可由不同或相同的材料制成。

图11显示依据本文中所公开的实施方案的多层材料500。在一个实施方案中，用作电能存储系统中的热障的多层材料500包括核心部分700，核心部分700包括沿垂直于其最大表面的方向交替堆叠的绝缘层470和480与导热层530、540和550的层状组件。外部部分600设置于核心部分700的外侧。外部部分600各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42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维度的导热率。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维度的导热率。

在一些实施方案中，导热层530、540和550由相同的材料制成。在一些实施方案中，导热层530、540和550由具有不同的热和/或机械属性的不同材料制成。

在一些实施方案中，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10和图11中所示。在一些实施方案中，具有至少一个可压缩垫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方案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单元之间的材料的负荷(例如1MPa或更低)，该多层材料的平均厚度可能减小。

在图12A中所示的多层材料的示例配置中，用作电能存储系统中的热障的多层材料800包括：包括具有约1MPa至约12MPa(例如，1.5MPa、2MPa、4MPa、5MPa、6MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa、11.5MPa)压缩模量的可压缩垫410的核心层；以及两个绝缘层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维度的导热率。该核心层通过两个绝缘层470和480夹置，其中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12B中所示的多层材料的示例配置中，用作电能存储系统中的热障的多层材料810包括具有约1MPa至约12MPa压缩模量的可压缩垫410的核心层以及两个导热层530及540。多层材料801也包括两个绝缘层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维度的导热率，且该核心层通过两个绝缘层470和480夹置，而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12C中所示的示例性实施方案中，用作电能存储系统中的热障的多层材料820包括具有约1MPa至约12MPa压缩模量的可压缩垫410的核心层以及两个热容层430和440。该核心层通过两个绝缘层470和480夹置，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维度的导热率。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12D中所示的示例性实施方案中，用作电能存储系统中的热障的多层材料830包括具有约1MPa至约12MPa压缩模量的可压缩垫410的核心层以及两个热容层430和440。夹置该核心层的两个绝缘层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维度的导热率。该热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容。多层材料830进一步包括设置于各绝缘层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12E中所示的多层材料的示例配置中，用作电能存储系统中的热障的多层材料840包括核心层，该核心层包括两个可压缩垫410和460(各具有约1MPa至约12MPa的压缩模量)以及一个热容层430。夹置该核心层的两个绝缘层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维度的导热率。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通过两个可压缩垫410和460夹置。

在图13中所示的多层材料的示例配置中，用作电能存储系统中的热障的多层材料900包括核心层和外部部分，该核心层包括绝缘层470，而该外部部分包括导热层530和540。在所示实施方案中，导热层530和540基本上为L形。该L形导热层的垂直部分与该绝缘层隔开。在使用期间，该L形导热层的该垂直部分与电池单元或电池模块(570、575、580)热接触，或物理接触。该L形导热层的水平部分与绝缘层470以及传热元件590接触。L形导热层的使用增加该导热层与电池单元或模块以及任意传热元件的接触的表面积。在使用期间，来自该电池单元或电池模块的其中一个或多个的热通过该导热层被传导至传热元件590。因此，来自该电池单元或电池模块的热通过该传热元件移除。传热元件可为冷却板。示例冷却板包括流体传输(液体或气体)，以在使用期间自该传热元件移除热。

在一个实施方案中，在L形导热层530、540的该垂直部分与绝缘层470之间设置封装层(420、425)、牺牲材料层(510、515)以及热容层(430、435)中的其中一者或多者，如图13中所示。牺牲层510可包括具有约1MPa至12MPa压缩模量的可压缩垫。绝缘层470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维度的导热率。该热容层(430、435)具有至少约200J/(kg-K)的比热容。该绝缘层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。在一些实施方案中，该封装层可包括金属层。

在使用期间，各该层将充当阻挡层，以防止来自失控单元的热加热其他单元。该热容层将吸收该失控单元的初始热。穿过该热容层的热将冲击该牺牲层，该牺牲层将于该层分解时吸收热。最后，该封装层也将充当阻挡层，以减少冲击该绝缘层的颗粒物的量。在一个实施方案中，该绝缘阻障至少部分延伸至热交换元件590中。将该绝缘层置于该热交换元件中将有助于减少来自正在经历热失控的电池单元或模块的热的热传递。例如，在一些实施方案中，来自热失控事件的热将压倒该热交换元件的冷却效果。因此，来自该失控单元或模块的热可能通过该热交换元件被传导至其他电池单元或模块。延伸至该热交换元件中的该绝缘阻障的该部分抑制该热到达相邻电池单元或模块。

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，从而为电子、工业及汽车科技领域中的此类产品提供安全性并防止火灾传播。具有优越压缩属性的绝缘层可用于满足这些需求。在本公开的许多实施方案中，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(诸如气凝胶层)结合阻燃层(诸如金属或云母层)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(例如本文中的实施方案所公开的那些)耐用且易于处理，具有良好的抗热传播及火灾传播能力，同时最大限度地降低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属性。

气凝胶为一类具有开孔的多孔材料，包括互连结构的框架，相应的孔隙网络整合于该框架内，且该孔隙网络内的间隙相主要由气体例如空气组成。气凝胶典型地特征为低密度、高孔隙率、大表面积和小孔径。气凝胶可通过其物理和结构属性区别于其他多孔材料。

因此，在一些实施方案中，本公开的多层材料的绝缘层包括气凝胶。在一些实施方案中，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、岩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。在一些实施方案中，该绝缘层可包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、岩棉及其组合所组成的组的材料。

在特定实施方案中，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，或在这些值的任两者之间的范围内的贯穿该绝缘层的厚度维度的导热率。在特定实施方案中，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，或在这些值的任两者之间的范围内的贯穿该绝缘层的厚度维度的导热率。

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。在特定实施方案中，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，或在这些值的任两者之间的范围内的贯穿该绝缘层的厚度维度的导热率。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，或在这些值的任两者之间的范围内。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，或在这些值的任两者之间的范围内的燃烧热。相对于参考绝缘层，具有相对于另一绝缘层改进的燃烧热的绝缘层将具有较低的燃烧热值。在本公开的特定实施方案中，绝缘层的燃烧热(HOC)通过在该绝缘层中结合防火级添加剂来改进。

在特定实施方案中，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，或在这些值的任两者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”为当垂直于样本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的应变变化来计算。因此，应力与应变的比值为弯曲模量的度量。弯曲模量的国际标准单位为帕(Pa或N/m²或m-1.kg.s-2)。实际所使用的单位为兆帕(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)。在特定实施方案中，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，为适应单元在其生命周期期间膨胀，在单元或电池模块及电池组之间的材料的压缩及弹性属性很重要。在特定实施方案中，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％。

在特定实施方案中，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组分，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或在这些值的任两者之间的范围内。

气凝胶

本发明的气凝胶可以是有机的、无机的，或其混合物。在一些实施方案中，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。

在一些实施方案中，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。在示例性实施方案中，该多个层的至少一者可包括第一材料，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属性。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单元，且该第二材料可包括开放单元。

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)”是指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方案中，预水解TEOS(例如Silbond H-5(SBH5，Silbond公司)，以约1.9-2的水/二氧化硅比值水解)可使用市场上原始销售的，或者可在纳入凝胶过程之前进一步水解。部分水解TEOS或TMOS(例如聚硅酸乙酯(Silbond 40)或聚硅酸甲酯)也可使用市场上原始销售的，或者可在结合凝胶过程之前进一步水解。

无机气凝胶还可包括凝胶前体，该凝胶前体包括至少一个疏水基团，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属性，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。可将疏水处理施加至溶胶-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式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和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。在该反应完成之后，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。疏水剂也可具有式：Y(R₃M)₂；其中，M为金属；Y为桥联基团，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式RNMV4-N的化合物，而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、壳聚糖，以及其组合。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(“ormosil”)气凝胶组成。这些ormosil材料包括共价键合至二氧化硅网络的有机组分。ormosil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。在这些式中，X可表示例如CH₃、C₂H₅、C₃H₇、C₄H₉；Y可表示例如Si、Ti、Zr，或Al；R可以是任意有机片段，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。ormosil气凝胶中的该有机组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。

在特定实施方案中，本公开的气凝胶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。在特定实施方案中，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(Macropores)

如上所述，依据本公开的实施方案的气凝胶组合物可包括气凝胶框架，其包括大孔。不限于任意操作理论，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属性，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，从而改进热属性，例如降低导热率。在本公开的上下文中，“中孔(mesopores)”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)。在特定实施方案中，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。在一些特定实施方案中，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。在一些实施方案中，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。在特定实施方案中，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

在一些实施方案中，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。

在其他实施方案中，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。在一些示例性实施方案中，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，以使在该上表面的大孔与中孔的比值大于在该下表面的比值，在该下表面的比值大于在该上表面的比值，或者在该上下表面的比值大于在该上下表面之间的中间区域的比值。又例如，大孔可分布于该组合物内，以使在该上表面附近的大孔与中孔的比值大于在该下表面附近的比值，在该下表面附近的比值大于在该上表面附近的比值，或者在该上下表面附近的比值大于在该上下表面之间的中间区域中的比值。在其他实施方案中，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。在一些实施方案中，大孔的形成可通过诱发例如凝胶前体溶液的自旋分解(spinodal decomposition)来实现。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的体积的比值；(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体溶液的条件下，向步骤(a)的溶液提供至少一种二酐化合物，其中，该枝化聚合物基体溶解于该溶液中；以及(c)将该枝化聚合物基体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。在一个优选且非限制性方面，相对于较小的中孔和微孔，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，依据本公开的实施方案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。在此类实施方案中，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，在一些实施方案中，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％。

不限于任意操作理论，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属性。例如，该增强材料的属性可经选择以于包含气凝胶的区域中为热属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。

在一些实施方案中，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，而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。在其他实施方案中，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。

在一些实施方案中，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属性的增强材料形成。例如，该增强材料可包括多层，各层具有不同的属性，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。该多层可彼此接合，例如利用黏合剂、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)。该增强材料的不同属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。同样地，该增强材料或其层的其他材料属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。

在一些示例性实施方案中，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，该增强材料或层的属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。

在一些实施方案中，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和/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。在一些实施方案中，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。在其他示例性实施方案中，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)，以及织物薄片所组成的组的层。在一些实施方案中，该覆面层可例如通过选自由气溶胶黏合剂、氨酯基黏合剂、丙烯酸酯黏合剂、热熔胶、环氧树脂、橡胶树脂黏合剂；聚氨酯复合黏合剂，及其组合所组成的组的黏合机制附着至该组合物。在一些实施方案中，该覆面层可通过非黏合机制(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。在一些实施方案中，可使用任意上述黏合与非黏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，例如黏合剂、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、气凝胶颗粒和可选的接合剂。在示例性实施方案中，可提供包含气凝胶颗粒和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、黏合剂、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。湿法成网工艺(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、纤维和其他添加剂。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。

气凝胶颗粒和添加剂

在其他实施方案中，气凝胶组合物可包括气凝胶颗粒、至少一种无机基体材料，以及可选的纤维、辅助材料、添加剂和其他无机接合剂。在一些实施方案中，该无机基体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、黏土或膨润土，合成的层状硅酸盐，如magadiite或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。在一些实施方案中，该无机基体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。在一些实施方案中，该无机基体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以及包括无机基体材料的气凝胶组合物(分别通过引用整体纳入本文)。在一些实施方案中，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。该组合物中可包括黏合剂。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。美国专利公开号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。在一个实施方案中，本公开提供一种多层压合材料，包括：包括增强气凝胶组合物的至少一个基层，以及至少一个覆面层。在一个实施方案中，该覆面层包括增强材料。在一个实施方案中，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。在一个实施方案中，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，以及包括增强材料的至少两个覆面层，而该两个覆面层位于该基层的相对表面上。例如，可依据美国专利号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。该覆面材料可以是刚性的或柔性的。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。该覆面层可设置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。在一些实施方案中，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。

在一个实施方案中，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，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、聚醋酸乙烯酯、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、三醋酸纤维素、聚碳酸酯、聚乙烯萘酸酯、聚己内酰胺、聚六亚甲基二酰胺、聚十一酰胺、聚酰亚胺，或其组合。在一个实施方案中，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。在一个优选实施方案中，该覆面材料基本上由发泡聚合物材料组成。在一个实施方案中，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。

在一个实施方案中，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)，包括美国专利号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)；聚偏氟乙烯(PVDF)；乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)；及其组合。在一个优选实施方案中，该覆面材料基本上由含氟聚合物材料组成。在一个优选实施方案中，该覆面材料基本上由泡发PTFE(ePTFE)材料组成。

在一个实施方案中，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。在一个实施方案中，该覆面材料为柔性覆面材料。

在一些实施方案中，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方案的气凝胶复合物和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以及气凝胶层。

可利用黏合剂将覆面层附着至基层，该黏合剂适于将无机或有机覆面材料固定至基层的增强材料。可用于本公开的黏合剂的示例包括但不限于：水泥基黏合剂、硅酸钠、乳胶、压敏黏合剂、硅胶、聚苯乙烯、气溶胶黏合剂、氨酯、丙烯酸酯黏合剂、热熔接合系统、3M公司销售的接合系统、环氧树脂、橡胶树脂黏合剂、聚氨酯黏合剂混合物，例如美国专利号4,532,316中所述。

还可利用非黏合材料或技术将覆面层附着至基层，该非黏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。可用于本公开的非黏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，或其他非黏合的压合材料。

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。在一个实施方案中，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。在另一实施方案中，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。在又一实施方案中，在老化并干燥凝胶材料之后，将覆面层附着到基层。在一个优选实施方案中，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。在一个优选实施方案中，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。在另一优选实施方案中，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，而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。在又一优选实施方案中，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，而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组分。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、锰铁氧体、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。在一些实施方案中，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。在此类实施方案中，作为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。在一些实施方案中，具有固有导电率的含碳添加剂为可作为气凝胶组合物(意图用于电性装置)中的遮光剂。在此类实施方案中，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。此外，在特定实施方案中，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℃，且在特定实施方案中，吸热分解低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不超过50℃。换言之，防火级添加剂的吸热分解具有(T_d-50℃)至(T_d+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％vol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。不限于理论，使用水合形式的上述黏土及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。

在特定实施方案中，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、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，或在这些值的任两者之间的范围内的热分解起始温度。在特定实施方案中，本公开的防火级添加剂具有约440℃或570℃的热分解起始温度。在特定实施方案中，本公开的防火级添加剂具有高于或低于结合该防火级添加剂的气凝胶组合物(不具有该防火级添加剂)的热分解起始温度不超过50℃，不超过40℃，不超过30℃，不超过20℃，不超过10℃，不超过5℃，或在这些值的任两者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，本公开的特定实施方案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方案中，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。在特定实施方案中，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)。在特定实施方案中，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。在特定实施方案中，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属性。在溶胶凝胶组合物的制备及加工期间所使用的添加剂的量典型地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。在特定实施方案中，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方案中，它相对于二氧化硅含量在20wt％与40wt％之间。在示例性实施方案中，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。在一些实施方案中，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％。在一些实施方案中，添加剂的量相对于二氧化硅含量在约5wt％至约15wt％的范围内。在特定实施方案中，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方案中，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方案中，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方案中，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方案中，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，添加剂的量典型地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。在示例性实施方案中，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。在示例性实施方案中，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的范围间内。在特定实施方案中，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。在特定实施方案中，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，在包括诸如碳化硅的添加剂的一些优选实施方案中，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方案中，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

在特定实施方案中，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方案中，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)呈脱水的形式，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)。在特定实施方案中，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。在特定实施方案中，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和动态混合器、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。

在特定实施方案中，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属性。高温收缩的示例测试方法为“Standard Test Method for Linear Shrinkage of Preformed High-TemperatureThermal Insulation Subjected 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。在特定示例性实施方案中，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，或在这些值的任两者之间范围内的高温收缩，即，线性收缩、宽度收缩、厚度收缩或尺寸收缩的任意组合。

在一些示例性实施方案中，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，不限于任意机制或理论，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方案中，铝硅酸盐黏土材料呈脱水的形式，例如变叙永石或变高岭土。例如，气凝胶材料或组合物相对于二氧化硅的变高岭土或变叙永石的含量大于约0.5wt％时可显著减少热收缩及热耐久性。在示例性实施方案中，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(Encapsulation Layer)或封装材料层(Encapsulating Material Layer)

在一些实施方案中，本文中所公开的多层材料的核心部分或该多层材料可通过封装层封装。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/或围绕该多层材料和/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)、橡胶和尼龙，其具有极低的导热率(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。在一个实施方案中，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。在一个示例性实施方案中，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。在另一实施方案中，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。在另一实施方案中，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，而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，且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(Thermal Capacitance Layer)

在示例性实施方案中，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。在一些实施方案中，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。在一些实施方案中，该多层材料可包括：提供热容的该材料的层或涂层。在一些实施方案中，该多层材料可包括：设置于该多层材料的层内并提供热容的该材料的颗粒，例如，设置于该气凝胶组合物的层内。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，其设置于该气凝胶组合物的多层的至少两者之间。在示例性实施方案中，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两者的材料，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传导性聚合物。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℃，以及进一步更优选地至少1500℃的熔解温度。

在一些实施方案中，热容材料可选自相变材料。可理解，对于要适于能量存储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毋需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属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。

在一些实施方案中，热容材料具有至少约200mW/m-K的沿平面内维度的导热率。

导热层(Thermally Conductive Layer)

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。

在示例性实施方案中，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的沿平面内维度的导热率。该导热材料可包括：包括金属、碳、传导性聚合物或其组合的至少一层。

在上述方面的一些实施方案中，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，以及更优选地大于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、传导性聚合物或其组合的层。在这些实施方案的上下文中所使用的导热材料为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。在特定实施方案中，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水平的导热率。在一些实施方案中，该多层材料可包括该气凝胶组合物的多层。在特定实施方案中，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。在特定实施方案中，该多层材料可包括设置于该气凝胶组合物的多层的至少两者之间的至少一导热材料层。在一些实施方案中，该多层材料可包括该导热材料的颗粒，其设置于该多层材料的层内，例如，设置于该气凝胶组合物的层内。

为帮助分散及移除热，在至少一个实施方案中，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，或与设置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单元转移至散热片，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℃，以及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)的属性、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。

在一些实施方案中，该导热材料(例如热解石墨薄片(pyrolytic graphitesheet；PGS))可具有约0.010mm、0.025mm、0.05mm、0.07mm、0.10mm，或在这些值的任两者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。在一些实施方案中，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，或在这些值的任两者之间的范围内的厚度。

在一些实施方案中，导热材料可选自相变材料。

在一些实施方案中，可在该多层材料的层之间使用热膏，以确保在此类层之间均匀一致的热传导。本文中所使用的热膏是指各种材料，也称为热化合物、热脂、热介面材料(thermal interface material；TIM)、热凝胶、热胶、散热化合物和散热膏。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)之间设置热膏层。

牺牲材料层

在示例性实施方案中，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”“是指意图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、化学和/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。在一些实施方案中，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。

在示例性实施方案中，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，或在这些值的任两者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、醋酸纤维素和聚苯乙烯所组成群组。在一些情况下，材料层呈泡沫的形式。在一些实施方案中，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。在一些实施方案中，该可压缩垫或泡沫在暴露于个别机械、化学和/或热事件的后分解。

在一些实施方案中，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方案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，或在这些值的任两者间的范围内的密度，和/或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。在一个示例性实施方案中，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％的压缩力挠度在依据ASTM D1056下，通过计算将样本压缩至原始厚度的25％所需的力(单位为kPa)来测量。

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，依据本公开的实施方案的多层材料提供良好的压缩性、压缩弹性和顺应性的属性。当被用作电池模块内的单元之间的热缘绝体时，利用气凝胶组合物形成的热绝缘薄片可提供对压缩变形的阻抗，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单元膨胀。在电池模块的初始组装期间，1MPa或更低的较低负荷典型地施加至该热绝缘体(例如，本文中所公开的多层材料)。在使用期间，例如，当电池模块内的单元在充电/放电周期期间扩展或膨胀时，高达约5MPa的负荷可能被施加至本文中所公开的多层材料。

在一个示例性方面，本公开提供一种多层材料，而该多层材料在约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％。在一些实施方案中，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。在一些实施方案中，该多层材料在约50kPa呈现在约25％至约50％的范围内的压缩性。在示例性实施方案中，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％。在示例性实施方案中，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和配置可经选择以获得所需的属性组合，例如，压缩性、弹性、热性能、火反应，以及其他属性。在一些实施方案中，该多层材料包括至少一可压缩垫，其设置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、醋酸纤维素，或聚苯乙烯。在特定实施方案中，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层的至少一层。该导热材料或热容材料可吸收和/或分散该多层材料内的热。在一些实施方案中，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方案中，这些层可例如通过选自由气溶胶黏合剂、氨酯基黏合剂、丙烯酸酯黏合剂、热熔胶、环氧树脂、橡胶树脂黏合剂；聚氨酯复合黏合剂，及其组合所组成的组的黏合机制附着至其他层。在一些实施方案中，该些层可通过非黏合机制(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。在一些实施方案中，可使用任意上述黏合与非黏合机制的组合将该些层附着在一起。

多层材料的最终产品

依据本公开的实施方案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热障。在其他配置中，该增强气凝胶组合物可形成袋，例如，以容纳电池的袋式单元，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，否则本说明书及所附权利要求书中所使用的单数形式“一个/种”和“该”包括多个指代。除非上下文另有明确规定，否则本说明书及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％。在一个实施方案中，术语“约”可包括依据数值的有效数字的传统舍入。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“气凝胶基体”“是指一种凝胶，其包括互连结构的框架、具有整合于该框架内的互连孔隙的相应网络，并含有气体(例如空气)作为分散间隙介质，且其特征可归因于气凝胶的下述物理和结构属性(依据氮孔隙率测试)：(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，以及(c)表面面积为约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属性进一步表征，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；以及(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，将化合物表征为气凝胶材料无须满足这些额外的属性。

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组分的任意复合材料。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。该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，而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、干法成网非织造材料材料、湿法成网非织造材料、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)和其他二氧化硅纤维，Duraback(由Carborundum制造)，如Kevlar、Nomex、Sontera的聚芳酰胺纤维(全部由杜邦制造)，Conex(由Taijin制造)，如Tyvek的聚烯烃(由杜邦制造)、Dyneema(由DSM制造)、Spectra(由霍尼韦尔制造)，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。在特定实施方案中，期望使用梳理和交叉铺网或气流成网过程来制造它们。在示例性实施方案中，经梳理和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，经梳理和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。在特定的额外实施方案中，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及其他属性。

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单元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：单元缺陷和/或短路(内部和外部)、过度充电、单元刺穿(cellpuncture)或破裂(例如，在发生事故的情况下)，以及过高的环境温度(例如，通常高于55℃的温度)。于正常使用中，单元因内阻而发热。在正常的功率/电流负荷及环境操作条件下，大多数锂离子电池内的温度可被较容易地控制于20℃至55℃的范围内。然而，应力状况(例如在高单元/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，单元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。热失控可导致单元通风(cell vent)且内部温度超过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，具有整合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”和“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；和/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°且/或具有小于U英寸的弯曲半径而不会宏观失效的材料。此外，术语“归类为柔性的”及“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。

本公开的绝缘层可为柔性的、高度柔性的和/或归类为柔性的。本公开的气凝胶组合物还可为可悬垂的。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方案的绝缘层为柔性的，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属性，或抵制该气凝胶中的不良属性。典型地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(pigmentation compound)、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。在一些实施方案中，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。在一些实施方案中，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。在一些实施方案中，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。在一些实施方案中，该多层材料可包括提供热容的该材料的颗粒，其设置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、增强气凝胶组合物和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；September1994)。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表面之间(该两表面之间存在温差)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。典型地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Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means ofthe Heat Flow Meter Apparatus(ASTM C518，ASTM International，West Conshohocken，PA)；a Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and ThermalTransmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus(ASTMC177，ASTM International，West Conshohocken,PA)；a Test Method for Steady-StateHeat Transfer Properties of Pipe Insulation(ASTM C335，ASTM International,WestConshohocken,PA)；a Thin Heater Thermal Conductivity Test(ASTM C1114,ASTMInternational,West Conshohocken,PA)；Standard Test Method for ThermalTransmission Properties of Thermally Conductive Electrical InsulationMaterials(ASTM D5470,ASTM International,West Conshohocken,PA)；Determinationof thermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow metermethods(EN 12667,British Standards Institution,United Kingdom)；或Determination of steady-state thermal resistance and related properties-Guarded hot plate apparatus(ISO 8203,International Organization forStandardization,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 for Steady-StateThermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus)获得导热率测量值。依据ASTM C518报告的测量值典型地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。在特定实施方案中，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，或在这些值的任两者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，以及组合物的堆密度。密度通常被记录为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Standard Test Method for Dimensions and Density of Preformed Block and Board-Type Thermal Insulation(ASTM C303,ASTM International,West Conshohocken,PA)；Standard Test Methods for Thickness and Density of Blanket or Batt ThermalInsulations(ASTM C167,ASTM International,West Conshohocken,PA)；Determinationof the apparent density of preformed pipe insulation(EN 13470,BritishStandards Institution,United Kingdom)；或Determination of the apparent densityof preformed pipe insulation(ISO 18098,International Organization forStandardization,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 of Blanket or BattThermal Insulations)获得密度测量值。于特定实施方案中，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，或在这些值的任两者间的范围内的密度。

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Standard Test Method for Determining the Water Vapor Sorptionof Unfaced Mineral Fiber Insulation(ASTM C1104,ASTM International,WestConshohocken,PA)；Thermal insulating products for building applications:Determination of long term water absorption by diffusion(EN 12088,BritishStandards 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ASTMC1104标准的96小时修改)的49℃和95％湿度下依据ASTM C1104标准(Standard TestMethod for Determining the Water Vapor Sorption of Unfaced Mineral FiberInsulation)获得水蒸气吸收的测量值。在特定实施方案中，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，或在这些值的任两者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，或在这些值的任两者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。燃烧热为典型地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，或被记录为每千克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Reaction to firetests for products-Determination of the gross heat of combustion(calorificvalue)(EN ISO 1716,International Organization for Standardization,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 the gross heat ofcombustion(calorific value))获得燃烧热测量值。

在本公开的上下文中，所有热分析和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点、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“热分解起始点”“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点。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。材料的热分解起始点可与该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点的测量值。

也可利用差示扫描量热法(differential scanning calorimetry；DSC)分析来测量材料的热分解起始点。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)。材料的热分解起始点可与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或两者的热分解起始点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及TGA分别为此热分解起始点提供类似的值，且测试常常同时运行，因此可从两者获得结果。

在本公开的上下文中，术语“吸热分解起始点”“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点。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)。材料的热分解起始点可与该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点的测量值。

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。炉温升典型地以摄氏度或℃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Reaction to fire tests forbuilding 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)的条件来获得炉温升测量值。在特定实施方案中，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，或在这些值的任两者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，而“持续燃烧”是指在样本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Reaction to fire tests for building andtransport products:Non-combustibility test(EN ISO 1182,InternationalOrganization 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 fire tests forbuilding and transport products:Non-combustibility test)的条件来获得燃烧时间测量值。在特定实施方案中，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者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。质量损失典型地被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：Reactionto fire tests for building and transport products:Non-combustibility test(ENISO 1182,International Organization for Standardization,Switzerland；ENadopted)。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 transport products:Non-combustibility test)的条件来获得质量损失测量值。在特定实施方案中，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者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、差示扫描量热法(DSC)或其组合来测量材料或组合物的峰值热释放的温度。DSC及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，因此可从两者获得结果。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、差示扫描量热法(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”是指满足以下属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；以及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”是指满足以下属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；以及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个疏水基团。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，其由包括至少一个疏水基团(例如MTES或DMDS)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易于水解的有机硅结合烷氧基基团，为有机溶剂与硅醇基团之间的反应产物。透过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光谱法(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分析允许表征和相对量化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)；以及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样本、T2样本，以及T3样本)，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组分，且通常可通过本领域技术人员透过常规实验和分析来解读。

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和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)。具体地，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，以及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，例如差示扫描量热法、元素分析(尤其是碳)、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并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，或在这些值的任两者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“ormosil”包括上述材料以及其他有机改性材料，有时称为“ormocer”。ormosil通常被用作涂层，其中，通过溶胶-凝胶过程等将ormosil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-壳聚糖、碳化物、氮化物和形成化合物的上述有机与无机气凝胶的其他组合。公开的美国专利公开号20050192367(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和段落通过引用纳入本文。

在电池模块或电池组内的多层材料的使用

与传统电池相比，锂离子电池(LIB)因其高工作电压、低记忆效应和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，因为滥用单元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。本技术着重于调整多层材料及这些调整材料的相应配置，以获得良好的热属性和机械属性。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隔、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，例如袋式单元、圆柱形单元、方形单元，以及包含或包括任意此类单元的组及模块。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，以及需要分隔、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方案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隔。

Claims (59)

1.一种多层材料，其用于使用作为电能存储系统中的热障，所述多层材料包括：

核心部分，其包括绝缘层，其中，所述绝缘层具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的贯穿所述绝缘层的厚度维度的导热率；以及

外部部分，其设置于所述核心部分的外侧，所述外部部分包括导热层，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维度的导热率。

2.根据权利要求1所述的多层材料，其中，所述导热层与所述绝缘层接触。

3.根据权利要求1或2所述的多层材料，其中，所述导热层为实质上L形，从而所述L形导热层的垂直部分与所述绝缘层隔开，并且其中，所述L形导热的水平部分与所述绝缘层接触。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层分为位于所述导热层的相对侧上的第一导热层与第二导热层，其中，所述第一导热层和所述第二导热层与所述绝缘层接触。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层包括：包括金属、碳、传导性聚合物或其组合的至少一层。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层包括：包括铝、铜或钢的金属。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层为所述多层材料的外层。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层呈选自由网、薄片、穿孔薄片、箔及穿孔箔所组成的组的形式。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的多层材料，其中，所述绝缘层包括云母、陶瓷、无机纤维棉、树脂或无机泡沫。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的多层材料，其中，所述绝缘层包括气凝胶。

11.根据权利要求10所述的多层材料，其中，所述气凝胶包括增强材料。

12.根据权利要求11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。

13.根据权利要求12所述的多层材料，其中，所述纤维呈离散纤维、织造材料、干法成网非织造材料材料、湿法成网非织造材料、针刺非织造材料、棉絮、网、垫、毛毡及/或其组合的形式。

14.根据权利要求12或13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。

15.根据权利要求10至14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。

16.根据权利要求10至15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以所述气凝胶的至少约5至20重量百分比的水平存在。

17.根据权利要求16所述的多层材料，其中，所述一种或多种添加剂以所述气凝胶的至少约10至20重量百分比的水平存在。

18.根据权利要求16或17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。

19.根据权利要求16或17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、锰铁氧体、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。

20.根据权利要求16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。

21.根据权利要求16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。

22.根据权利要求10至21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。

23.根据权利要求10至22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。

24.根据权利要求10至23中任一项所述的多层材料，其中，所述气凝胶呈现压缩阻抗，其中，在25％应变下所述压缩阻抗在约40kPa至约180kPa之间。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的多层材料，其进一步包括设置于所述导热层的部分与所述绝缘层之间的热容层，其中，所述热容层具有至少约0.2J/(g-C)的比热容。

26.根据权利要求25所述的多层材料，其中，所述热容层包括相变材料。

27.根据权利要求25所述的多层材料，其中，所述热容层包括：包括铝、钛、镍、钢或铁的金属。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的多层材料，其进一步包括设置于所述导热层的部分与所述绝缘层之间的牺牲材料层。

29.根据权利要求28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、醋酸纤维素及聚苯乙烯所组成的组的材料。

30.根据权利要求28或29所述的多层材料，其中，所述牺牲材料层呈泡沫的形式。

31.根据权利要求25至30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。

32.根据权利要求1至31中任一项所述的多层材料，其进一步包括安置于所述导热层与所述绝缘层之间的封装层。

33.根据权利要求32所述的多层材料，其中，所述封装材料层包括一个或多个聚合物层。

34.根据权利要求1至33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介于约2mm与约10mm之间的平均厚度。

35.根据权利要求1至34中任一项所述的多层材料，其中，所述导热层为实质上L形，从而所述L形导热层的垂直部分与所述绝缘层隔开，并且其中，所述L形导热的水平部分与所述绝缘层接触；并且其中，封装材料层、牺牲材料层和热容层的一者或多者设置于所述L形导热层的所述垂直部分与所述绝缘层之间。

36.根据权利要求1至35中任一项所述的多层材料，其中，所述多层材料具有至少约0.02K/W的热阻率。

37.根据权利要求1至36中任一项所述的多层材料在电池组中的用途，所述电池组中包括多个单电池单元或电池单元的模块，用于将所述单电池单元或电池单元的模块彼此热分隔。

38.根据权利要求37所述的用途，其中，在所述电池的一个部件的一个或多个电池单元或电池单元模块中发生的失控事件不会引起与所述失控事件发生处的电池部件被根据权利要求1至36中任一项所述的多层材料分隔的所述电池的众部件中的电池单元或模块的损害。

39.一种电池模块，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；

根据权利要求1至36中任一项所述的多层材料，设置于所述第一表面与所述第二表面之间；以及

热交换系统，与所述第一电池单元、所述第二电池单元及所述多层材料的所述导热层接触。

40.根据权利要求39所述的电池模块，其中，所述根据权利要求1至34中任一项所述的多层材料覆盖相对的所述第一表面和所述第二表面的表面面积的至少约80％。

41.根据权利要求39或40所述的电池模块，其中，所述多层材料的所述绝缘层延伸至所述热交换系统中。

42.根据权利要求39至41中任一项所述的电池模块，其中，所述多层材料的所述导热层与所述热交换系统热连通。

43.根据权利要求39至42中任一项所述的电池模块，其中，所述多层材料的所述导热层与所述第一电池单元和/或所述第二电池单元热连通。

44.根据权利要求43所述的电池模块，其中，所述多层材料的所述导热层与所述第一电池单元和/或所述第二电池单元接触。

45.根据权利要求39至44中任一项所述的电池模块，其中，所述电池模块具有至少0.01的热阻系数，其中，所述热阻系数为所述多层材料的热阻与所述电池模快中的所述电池单元的面积能量密度的比值，其中，所述阵列的所述面积能量密度为所述阵列中所有单元的总能量密度与所述阵列的外表面的比值。

46.根据权利要求39至45中任一项所述的电池模块，其中，所述多层材料具有至少约0.3的厚度系数，并且其中，所述厚度系数为所述多层材料的厚度与所述电池单元的面积能量密度的比值。

47.一种电池组，其包括多个模块以及设置在相邻模块之间的一个或多个间隔层，其中，所述一个或多个间隔层包含根据权利要求1至36中任一项所述的多层材料。

48.根据权利要求47所述的电池组，其中，所述多个模块的至少一者为根据权利要求39至46中任一项所述的电池模块。

49.根据权利要求47或48所述的电池组，其中，所述多层材料的所述绝缘阻障延伸入所述冷却系统中。

50.根据权利要求47至49中任一项所述的电池组，其中，所述多层材料的所述导热层与所述冷却系统热连通。

51.一种装置或车辆，包括根据权利要求47至50中任一项所述的电池组。

52.根据权利要求51所述的装置，其中，所述装置为膝上型电脑、PDA、手机、标签扫描仪、音频装置、视频装置、显示面板、摄像机、数码相机、台式电脑、军用便携式电脑、军用电话、激光测距仪、数字通讯装置、情报收集传感器、电子整合服装、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。

53.根据权利要求51所述的车辆，其中，所述车辆为电动车辆。

54.一种设计能量存储系统的方法，其包括：

组装一个或多个电池单元，以形成阵列；

计算所述阵列的面积能量密度，其中，所述阵列的所述面积能量密度为所述阵列中所有单元的总能量密度与所述阵列的外表面的比值；

依据所述阵列的所述面积能量密度选择多层材料的热阻和压缩厚度，从而所述能量存储系统具有至少约0.01的热阻系数及至少约0.3的厚度系数，其中，所述厚度系数为所述多层材料的厚度与所述阵列的所述面积能量密度的比值，并且其中，所述热阻系数为所述多层材料的热阻与所述阵列的所述面积能量密度的比值；以及

在所述阵列中及/或周围安置所述多层材料。

55.根据权利要求54所述的方法，其中，选择所述热阻和所述压缩厚度包括：

计算所述多层材料的热阻系数；

从热传播图读取所述多层材料的最小压缩厚度；以及

选择大于所述最小压缩厚度的压缩厚度。

56.根据权利要求54或55所述的方法，其中，选择所述热阻和所述压缩厚度包括：

计算所述阵列的各电池单元的厚度系数；

从热传播图读取所述多层材料的最小热阻；以及

针对所述多层材料选择大于所述最小热阻的热阻。

57.根据权利要求54至56中任一项所述的方法，其中，设置所述多层材料包括：

分开形成所述多层材料与所述阵列，以及

将所述多层材料插入所述阵列的电池单元旁边。

58.根据权利要求54至57中任一项所述的方法，其中，安置所述多层材料包括直接在所述阵列中和/或周围原位形成所述多层材料。

59.根据权利要求58所述的方法，其中，安置所述多层材料包括在所述阵列中和/或周围喷涂、涂覆、沉积或填充所述多层材料。