CN117529401A - 电池的多层保护元件 - Google Patents

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Abstract

提出了用于热绝缘电池的多层保护元件、具有这种保护元件的电池以及这种保护元件的用途。保护元件包括泡沫层、呈缝合的非编织的针缝的纤维绒形式的可压缩纤维层，并且优选地包括包含云母的一个或两个保护层。这允许高度可压缩性以及良好的绝缘特性。

Description

电池的多层保护元件
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于热绝缘电池的多层保护元件，根据权利要求21的前序部分的具有多层保护元件的电池，以及根据权利要求24的前序部分的多层保护元件的用途。
在本发明中，术语“保护元件”优选地被理解为具有层结构的平坦部件，特别地为层叠件，其被设计成和/或用于电池和/或电池单元的热绝缘和/或任何其他屏蔽。特别地，保护元件被配置成在电池中发生不受控的和/或过量的生热的情况下减少和/或延迟热量释放到环境，特别是释放到车辆内部，和/或阻挡和/或减少和/或延迟电池中热量的蔓延。
在本发明中，术语“电池”被理解为存储元件或次级元件，特别是用于通过转换化学能来提供电能的可再充电的存储元件。电池优选地包括多个互相连接的蓄电池单元和/或单元块，即电池单元。
特别地，电池被配置为牵引电池和/或被配置为用于驱动电动车辆和/或被配置为锂离子电池。这里，为了在例如由于交通事故导致的电池过热的情况下，至少在救援服务到达之前和/或在一定时间内，例如在至少五分钟内，保护车辆的驾乘人员，可靠的和/或有效的热绝缘是重要的。
由于锂离子电池的化学组成，锂离子电池特别地具有相对高的不稳定性。如果例如由于分隔电极的分隔器被捕获的外部颗粒污染和/或机械作用或破坏，在电池单元中发生内部电极的局部短路，则强短路电流在短时间内将电池单元加热至高达800℃，有时高达1300℃。这种过程称为热失控。一个电池单元的热失控可以容易地和/或快速地蔓延至其他的、相邻的电池单元，尤其是由于分隔器在例如120℃以上的相对低的温度下已失去稳定性，因此短路可以快速地在相邻的电池单元中发生。这导致不可停止的连锁反应，其中，电池中存储的能量在短时间内释放，通常爆发式地释放和/或伴随有毒气体的释放以及伴随火焰和/或火花的形成。当内部压力相应地升高时，还存在电池爆裂的风险。
因此，期望将电池单元尽可能长时间保持在某个限定温度以下，优选地保持在120℃以下，特别地保持在80℃以下。在80℃以上，电池单元的老化过程显著加快，而在120℃以上，电池单元中的分隔器通常开始融化，伴随不可逆的损坏和/或短路。
同样地，对相邻区域和/或空间，尤其是车辆内部的有效的和/或长久保持的热保护存在高的要求，以免受电池中不受控的生热。特别地，在救援和/或恢复措施已经完全齐备之前，应保护驾乘人员和/或物体不受热量影响。
此外，当电池发生热失控时，在救援行动期间，还应保护救援人员免受不受控的爆炸的影响，以及应当降低有毒气体(例如气态氢氟酸)、火花和火焰逸出的风险。特别地，如果电池发生失控，则在电池中可能存在电弧的风险，电弧会非常迅速地将大体上为金属的壳体熔化，因此在这种情况下，火焰等逸出的风险是非常高的，例如火焰等向上逸出到车辆内部的风险是非常高的。
WO 2019/121641 A1公开了用于电池的、用于热绝缘的多层保护元件。保护元件包括云母的外保护层和在外保护层之间的可压缩的针缝的非编织的纤维绒。
CN 110641101 A公开了用于电动车辆电池的、延迟热扩散的热绝缘复合材料。该复合材料包括硅橡胶层和无机纤维层。该纤维层形成载体层，并且可以在两侧设置有硅橡胶层。该纤维层包含粘合物和失水吸热填料。
US 2020/0062920 A1涉及电池包，其中，硅橡胶合成泡沫填充电池壳体中的空隙空间和/或覆盖电池单元。泡沫包括硅橡胶粘结物和中空的玻璃珠。
EP 3 395 872 A1公开了硅胶泡沫板的复合材料，该硅胶泡沫板在一侧或两侧覆盖有支撑件，该支撑件由塑料、纸、非编织物、金属箔、金属网、玻璃或玻璃布制成。该复合材料在-30℃至150℃的范围内应具有良好的弹性和压缩特性，因此对于太阳能板等是有用的。
US 2011/0192564 A1公开了用于电池的板材，该板材具有泡沫层和纤维层，其中，纤维层可以是非编织材料。板材具有布置在粘合层上的释放衬底。既没有公开纤维层的可压缩性，也没有公开包括诸如层状硅酸盐、云母或金云母的矿物保护材料的保护层。
WO 2021/019495 A1涉及用于电动车辆电池模块的火灾屏障，并且公开了具有泡沫层和无机纤维层的材料，该纤维层可以是非编织的纤维层。还公开了由水基硅胶弹性体制成的火灾防护涂层。既没有公开不同层的可压缩性，也没有公开矿物保护材料。
WO 2021/022130 A1涉及用于可再充电的电能存储系统的热屏蔽材料。所提供的屏蔽物品大体上包括芯层，该芯层包含多根纤维或阻燃泡沫，芯层耦接到补充层或与补充层耦接。没有公开具有泡沫层和纤维层的材料。
电池单元，特别是软包单元或棱柱形单元，会随着温度的升高和/或当充电或放电时而膨胀或改变大小。因此，需要高度可压缩的、同时即使在非常高的温度下也具有高热稳定性和绝缘特性的保护元件。现有技术的产品不满足这些要求。
本发明的目的是提供用于热绝缘电池的多层保护元件、具有这种保护元件的电池以及保护元件的用途，其中，还可以实现改善的热绝缘性以及改善的可压缩性。
上述目的通过根据权利要求1的多层保护元件、通过根据权利要求21的电池或通过根据权利要求24的用途实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。
根据本发明，保护元件包括泡沫层和纤维层。因此，可以实现优化的绝缘和可压缩特性。
根据本发明的第一方面，纤维层包括非编织的针缝的纤维绒或由非编织的针缝的纤维绒形成。这样的绒允许非常有效的热绝缘以及良好的可压缩性。特别地，可以避免添加导致绝缘性或可压缩性降低的任何粘结物、粘合物等。
根据本发明的可以独立实现的第二方面，纤维层在250kPa的压力下是可压缩的，特别是可以压缩超过20％，优选地可以压缩超过30％。这导致保护元件的非常良好的可压缩性，特别是当泡沫层在250kPa下具有高于30％的可压缩性和/或当泡沫层具有高于纤维层的可压缩性时。
优选地，在100kPa或250kPa下，泡沫层甚至具有超过50％，优选地超过60％，特别是超过70％的可压缩性。
优选地，特别是在100kPa或250kPa下，纤维层的相对可压缩性或绝对可压缩性低于泡沫层的相对可压缩性或绝对可压缩性，或者纤维层的相对可压缩性或绝对可压缩性超过泡沫层的相对可压缩性或绝对可压缩性的20％，特别是大约为纤维层的相对可压缩性或绝对可压缩性的30％或40％，或者大于纤维层的相对可压缩性或绝对可压缩性的30％或40％，特别是大约为纤维层的相对可压缩性或绝对可压缩性的45％或大于纤维层的相对可压缩性或绝对可压缩性的45％，和/或小于纤维层的相对可压缩性或绝对可压缩性的60％或70％。
优选地，纤维层是缝合的，特别是通过玻璃丝线缝合。这允许和/或实现了改善的抱合力和/或简化加工、制造、装配和/或使用。
特别优选的是，纤维层由长度超过30mm的长纤维形成和/或由针缝的和/或结合的非编织物形成。相比于其他纤维层，长纤维和/或针缝的和/或结合的纤维层显著增加了机械阻力。因此，纤维层特别地为可拉伸的和压力弹性的，这能够实现高压力的吸收。同时，纤维层具有高热绝缘能力，因为彼此缠绕的纤维有效地减少了热能穿过纤维层。在电池内不受控的生热的情况下，例如当电池单元发生热失控时，这是特别有利的，因为这显著地延迟了电池的完全破坏和/或爆炸。最后，针缝的非编织物具有低的单位面积重量，这有助于操纵。
优选地，纤维层由玻璃纤维或者硅酸盐纤维或者玻璃纤维、硅酸盐纤维的混合物制成。因此，可以实现高热阻。
根据本发明的可以独立实现的第三方面，纤维层优选地不具有粘结物。代替任何粘结物，纤维仅机械地互相连接，优选地通过针缝互相连接。因此，可以实现更高的热阻。
优选地，纤维不具有熔珠。这支持良好的可压缩性。
根据本发明的可以独立实现的第四方面，除了泡沫层和纤维层之外，保护元件优选地还包括至少一个保护层。特别地，保护层包括矿物保护材料，诸如层状硅酸盐，优选地为云母，特别是金云母。保护层优选设置在保护元件的外侧上和/或保护元件的两侧上。保护层增加了保护元件和/或保护元件的部件的热阻和热稳定性，和/或可以提供比泡沫层和/或纤维层更高的热导性，以使局部过热最小化或延缓局部过热。特别是当云母和更优选的金云母被用作形成保护层的必要或主要的组分时，能够实现上述目的。
保护元件或保护层可替代地或附加地可以包括载体层，特别是编织物或稀松布，优选地为玻璃纤维。因此，可以实现更高的热阻或机械阻力。
特别地，保护元件在至少一个平坦侧部上包括粘合层，该粘合层特别地仅部分地覆盖平坦侧部，或者保护元件被设计成在一个平坦侧部上至少局部地是自粘合的。这允许保护元件被容易地布置和/或附接至电池和/或另外的保护元件，或者被容易地布置和/或附接在电池和/或另外的保护元件中。
所提出的电池，优选地锂离子蓄电池，包括壳体和至少一个多层保护元件，该多层保护元件被布置在壳体中，用于热绝缘。其中，所提出的电池的保护元件优选地根据前面所提及的方面中的一个方面来设计。这导致如上所解释的电池的类似优点。
优选地，保护元件被布置在两个相邻的电池单元之间，特别是软包单元或棱柱形单元之间，并且可以使该两个相邻的电池单元彼此热绝缘。通过这种方式，有效地延迟和/或阻挡和/或甚至阻止从一个电池单元到下一个电池单元和/或到相邻的电池单元的热量蔓延或热失控蔓延，因此防止或者至少显著地延迟来自电池的热量和/或碎片的爆发性释放。
根据本发明，根据上述方面中的一个方面所设计的多层保护元件用于热绝缘电池，其中，保护元件布置在壳体和电池的至少一个电池单元之间和/或在相邻的电池单元之间，和/或保护元件部分地或完全地覆盖至少一个电池单元，或者，保护元件，特别是在电池的壳体内，一方面用于一个或多个电池单元之间的绝缘，并且另一方面用于一个或多个电池单元与电池的控制装置和/或控制电子设备之间的绝缘。这可以再次产生类似的优点。
本发明的上述方面和特征以及得自权利要求和后面的说明的本发明的方面和特征原则上可彼此独立地实现，还可以以任何组合和/或顺序实现。从权利要求和后面基于附图对优选实施方式的说明获得本发明的另外的优点、特征、特性和方面。附图中示出：
图1为所提出的多层保护元件的示意性截面图；
图2为所提出的具有保护元件的电池的示意性截面图；
图3为具有所提出的电池的车辆的示意性截面图；以及
图4为保护元件的可压缩性测量图。
图1以示意性的、非按比例的截面图示出了所提出的多层保护元件1。保护元件1特别是用于热绝缘和/或用于屏蔽所提出的电池8，该电池8在图2中以示意性的、非按比例的截面图示出。电池8(蓄电池)特别地设计为锂离子蓄电池，和/或电池8(蓄电池)预期用于车辆12，如图3中所示。
最优选的是，电池8用作用于车辆12的驱动电池或牵引电池，优选地，该车辆12设计为电动汽车和/或电动车辆。
然而，保护元件1和/或本发明也可以通常适用于和/或用于医疗领域中的电池的保护，特别是用于例如固定式蓄能电池的锂离子蓄电池等的保护，适用于和/或用于电池操作的电动用具，适用于和/或用于军事领域中或用于其他目的的电池。
在下文中，更详细地对所提出的保护元件1的优选结构进行描述。
保护元件1包括泡沫层2和纤维层3。
层2和层3优选地为彼此连接，特别是粘合地结合，即借助于形成和/或布置在层2和层3之间的连接层或结合层4来结合。因此，形成了复合材料。这特别地便于操作和安装和/或装配。
泡沫层2也可以直接地形成或发泡在纤维层3上，从而不需要任何附加的或随后的结合件。
泡沫层2优选地由硅胶或聚氨酯制成。
泡沫层2优选地包括许多孔2A。
优选地，泡沫层2在100kPa或250kPa的压力下具有大于50％的可压缩性，优选地大约为60％或大于60％的可压缩性，特别是大于65％的可压缩性。
优选地，泡沫层2的厚度大于1mm，特别是大约为2mm，和/或小于6mm，特别是小于5mm。
纤维层3包括纤维3A或由纤维3A形成或由纤维3A组成，该纤维3A优选地形成非编织物，特别地，纤维层3包括如图1示意性示出的针缝的非编织垫或纤维绒，或由如图1示意性示出的针缝的非编织垫或针缝的非编织的纤维绒形成，或由如图1示意性示出的针缝的非编织垫或针缝的非编织的纤维绒组成。
纤维层3优选地由针缝的和/或结合的纤维绒/非编织物形成。出于本发明的目的，术语“针缝的非编织物”优选地理解为纺织物，该纺织物的纤维随机地交织，并且因此通过干法针缝和/或无粘结物针缝和/或无熔珠针缝而结合。
优选地，纤维层3至少基本上不具有粘结剂和/或熔珠。
纤维层3特别是由玻璃纤维或硅酸盐纤维或玻璃纤维和硅酸盐纤维的混合物制成。例如，可以使用玻璃纤维，特别是由A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、E-玻璃、ECR-玻璃、S2-玻璃或R-玻璃，或A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、E-玻璃、ECR-玻璃、S2-玻璃、R-玻璃的混合物制成的玻璃纤维，和/或可以使用其他耐热的纤维。
优选地，纤维3A的平均直径至少为4μm，特别是至少为5μm或6μm，并且最优选地是基本上为6μm至15μm。
优选地，纤维3A的长度大于30mm，优选地大于40mm，特别是基本上为50mm至60mm。然而，原则上，纤维的长度也可以更长，例如长达大约为120mm。
纤维层3或纤维绒最优选地是缝合的，如图1中的丝线3B所示。这可以提高纤维层3和/或保护元件1的稳定性和/或可加工性。
可选的缝合优选地相对松散地进行和/或以一毫米或几毫米的相对大的距离进行。
缝合优选地在应用其他层之前进行和/或与其他层层压之前进行，即特别地不与其他层缝合和/或仅用于其自身的稳定而缝合。
最优选的是用玻璃纤维缝合，即用一根或多根玻璃纤维的丝线3B缝合。
测试表明，当非编织的纤维绒至少基本上是由硅酸盐纤维制成，并且最优选地用一根或多根玻璃纤维制成的丝线3B缝合时，可以获得非常好的稳定性和理想的特性。
纤维层3也可以具有多层/多片层设计，并且可选地，纤维层3可以缝合有和/或设置有中间层和/或中间片层。
优选地，纤维层3的单位面积重量小于1800g/m2或1500g/m2，优选地小于1300g/m2，和/或大于150g/m2，优选地大于200g/m2，特别是大于300g/m2或400g/m2。
优选地，当安装在电池8中时，纤维层3的厚度大于1mm，特别是大约为2mm，和/或小于4mm，特别是小于3mm。
在交付状态下或在安装之前，纤维层3的厚度优选地大于2mm，特别是大约为3mm或大于3mm，和/或小于6mm，特别是小于5mm。
优选地，纤维层3的厚度大于泡沫层2的厚度。
可替代地，泡沫层2的厚度类似于纤维层3的厚度，或者甚至大于纤维层3的厚度。
优选地，纤维层3是可压缩的，特别是在100kPa或250kPa的压力下可以被压缩超过20％，优选地超过30％。这导致保护元件1具有非常好的可压缩性，特别是当泡沫层2在100kPa或250kPa下具有高于30％的可压缩性和/或泡沫层2的可压缩性高于纤维层3的可压缩性时，保护元件1具有非常好的可压缩性。
优选地，纤维层3的相对可压缩性或绝对可压缩性低于泡沫层3的相对可压缩性或绝对可压缩性，特别是在100kPa或250kPa或在100kPa至200kPa范围内的压力下。
优选地，即使考虑到纤维层3的厚度可能更厚，在给定的压缩强度，即在给定的压力下，优选地在100kPa或250kPa的压力下，泡沫层2的绝对压缩量也大于纤维层3的绝对压缩量。
优选地，本申请中提到的可压缩性是通过将50mm×50mm的板压在相应的探针或层上并且通过测量用于计算压力的力来测量。此外，对厚度变化或压痕进行了测量。
绝对压缩量或绝对可压缩性对应于压痕，例如对应于初始厚度减去最终厚度的差值。
相对压缩量或相对可压缩性可以根据初始厚度计算为百分比，例如以如下方式计算：100(初始厚度-最终厚度)/初始厚度。
图4示出了如上所述的保护元件1的可压缩性的测量结果，其中x轴与施加的压力p有关，单位为N/m2，即MPa，并且y轴示出了厚度t，单位为mm。
所测量的保护元件1包括包含纤维层3的复合材料，该纤维层3在每个侧部上都具有保护层5。纤维层3的厚度t大约为3.3mm。纤维层3连同两个保护层5的厚度大约为3.5mm。泡沫层2的厚度大约为2mm。
线L1示出了泡沫层2在压力p下的厚度t。
线L2示出了包含纤维层2和保护层5的复合材料在压力p下的厚度t。线L2本质上示出了纤维层3的可压缩性行为，因为保护层5非常薄并且本质上是不可压缩的。
线L3示出了所测量的保护元件1在压力p下的厚度。
测量数据表明，泡沫层2在100kPa下的绝对压缩量大约为1.13mm，并且泡沫层2在250kPa下的相对压缩量大约为56％，并且纤维层3在100kPa下的绝对压缩量大约为1.26mm，并且纤维层3在250kP下的相对压缩量大约为38％(所测量的压痕或绝对压缩量与用于计算相对压缩量的大约为3,3mm的初始厚度有关)。
优选地，泡沫层2的密度和/或面积质量比纤维层3的密度和/或面积质量低。因此，保护元件1具有相对低的总质量，同时提供优异的可压缩特性。
图4示出，泡沫层2特别是在最初提供了非常好的或相关的可压缩性或在高达250kPa或500kPa的非常低的压力范围内提供了非常好的或相关的可压缩性，特别是提供了与其他层和/或纤维层3一样的较高的绝对可压缩性和/或相对可压缩性。
优选地，泡沫层2和纤维层3至少本质上是弹性可压缩的，特别是在至少100Pa至200kPa的范围内是弹性可压缩的，特别是在至少50Pa至250kPa和/或100kPa至500kPa的范围内是弹性可压缩的。
保护元件1可以包括层2、层3和层5(特别是具有一个或两个层5)，该层2、层3和层5也可以按照除了图1中所示之外的任何其他顺序，图1中所示的顺序为所测量的保护元件1的情况。
此外，保护元件1可以包括两个泡沫层2，而不是一个泡沫层2，即可以包括一个附加的泡沫层2。
可选地，保护元件1可以包括附加的纤维层3(未示出)，使得泡沫层2在两个侧部/相对侧部被纤维层3覆盖。
保护元件1或一个或多个纤维层3可以附加地或可替代地包括编织物或任何其他纤维增强件。例如，织物或纤维增强件可以是保护元件1、保护元件1的纤维层3、泡沫层2或附加的保护层5的附加元件。
术语“织物”/“编织物”特别是指由多根相互交叉的丝线形成的、优选地是平坦的制品。丝线特别是以重复的顺序在交叉丝线的上方和下方被引导。
优选地，保护层5用于提高机械强度和/或用于电绝缘和/或热绝缘，和/或用于保护元件1的耐热性。
优选地，除了泡沫层2和纤维层3之外，保护元件1还包括一个或两个保护层5。
优选地，保护层5布置在保护元件1和/或层2和/或层3的外侧，例如布置在泡沫层2或纤维层3的相对侧部。
特别地，两个保护层5布置在保护元件1的相对侧部，和/或布置在包括泡沫层2和纤维层3的复合材料的两个侧部。
两个保护层5可以是相同的或是不同的。
优选地，保护层5形成泡沫层2、纤维层3和/或保护元件1的覆盖层或外层。
优选地，保护层5包括矿物保护材料6，特别地包括云母，最优选地包括金云母，或者保护层5基本上由矿物保护材料6制成，特别地由云母、最优选地由金云母制成。这实现了特别高的耐热性，同时允许在表面上存在一些热分布。
优选地，保护层5或每个保护层5都包括每平方米大于100g的云母或金云母。
保护层5优选地设置有纤维增强件或稀松布7或用纤维增强件或稀松布7增强和/或由上述织物增强，特别优选地在面向泡沫层2和/或纤维层3外侧或背向泡沫层2和/或纤维层3的侧部上设置纤维增强件或稀松布7或用纤维增强件或稀松布7增强和/或由上述织物增强。
特别地，稀松布7设置有或形成用于保护材料6的支撑件。
例如，一个保护层5可以被设计为耐热层或高介电层和/或云母层，并且另一个保护层5和/或保护层5可以被设计为织物加强件或纤维加强件7或设置有织物加强件或纤维加强件7，但可选地不具有云母。
不同的层2、层3和层5优选地彼此连接，特别是粘合地连接和/或借助于结合层4彼此连接。不同的结合层4可以是相同的或不同的，这取决于待连接的材料。
作为连接和/或粘合地结合的替代或补充，还可以使用热不稳定的粘合物和/或热不稳定的连接件和/或连接箔。
层2、层3和/或层5特别地通过粘合的结合件连接。然而，诸如缝合或焊接的其他接合技术也是可能的。
优选地，保护元件1仅包括两个功能层2、3或三个功能层2、3、5(包括一个或两个层5)。在本文中，术语“功能层”必须被理解为相应的层提供与保护元件1的功能相关的重要功能。这并不排除保护元件1可以附加地包括诸如一个或多个结合层4、编织物等的非功能层。
例如，绝缘功能可以由所有层2、3、5提供，这取决于温度或由不同的温度决定。优选地，层3和层5具有明显高于泡沫层2的耐热性。
保护元件1所需的可压缩性优选地基本上由泡沫层2提供，特别是在高达100Pa或250Pa的情况下，或者保护元件1所需的可压缩性由层2和层3提供，即使纤维层3优选地具有明显低于泡沫层2的(相对的和/或绝对的)可压缩性，但是纤维层3仍然可以显著地有助于整体的可压缩性。
保护元件1和/或层2、层3和/或层5优选地被设计为是耐热的，特别是在高达至少200℃，最优选地在250℃以上是耐热的。
层3和/或层5优选地被设计为在600℃、800℃或1000℃以上是耐热的，其中，泡沫层2、结合层4、层的连接件和/或粘合的结合件不需要具有这种耐热性。
在本发明的意义上，术语“耐热”优选地用于描述材料或部件对高温或所提及的温度的耐受性或耐久性。
特别地，针对耐热性规定的温度代表熔化温度的优选最小值，或0.8倍或0.9倍的熔化温度的特别优选的下限，和/或在下面解释的意义上的优选的上限应用温度和/或特别是与基础材料有关，例如在纤维层3的情况下，特别是与纤维层3的纤维3A有关，或者在泡沫层2的情况下，例如与泡沫有关。
材料或部件，特别是保护元件1和/或层2、层3、层5中的一个，在本发明的意义上是耐热的(高达上限应用温度)，特别地，如果高达该应用温度，材料或部件可以保持材料或部件的特性，例如材料或部件的介电强度、机械稳定性或机械形状、强度或可变形性或类似特性，或者(在对电池或电池单元进行密封或绝缘和/或电绝缘或热绝缘的情况下，特别是在事故或热失控的情况下)材料或部件不会将特性改变到不再适合于期望的应用的程度。
特别地，如果层5是由云母或金云母和/或玻璃纤维、硅酸盐和/或陶瓷纤维制成，或者由云母、金云母、玻璃纤维、硅酸盐、陶瓷纤维的混合物制成，或者层5包括云母或金云母和/或玻璃纤维、硅酸盐和/或陶瓷纤维，或者包括云母、金云母、玻璃纤维、硅酸盐、陶瓷纤维的混合物，则层5在本发明的含义内将被视为是耐热的。
特别地，如果纤维层3由玻璃、硅酸盐和/或陶瓷纤维制成，或者由玻璃、硅酸盐、陶瓷纤维的混合物制成，或者纤维层3包括玻璃、硅酸盐和/或陶瓷纤维，或者包括玻璃、硅酸盐、陶瓷纤维的混合物，则纤维层3在本发明的含义内应被视为是耐热的。
优选地，材料或部件，特别是保护元件1和/或层2、层3或层5中的一个，如果满足根据DIN EN 60085:2008-08的绝缘材料等级之一的要求，特别是该标准的绝缘材料等级F、H、N或R的要求，则该材料或部件是耐热的。
保护元件1特别地被设计为平坦的层叠件，和/或特别地被设计为是可压缩的且可弯曲的。
术语“可弯曲的”优选地被理解成意指保护元件1的弯曲刚度足够低，其中，弯曲刚度为对抵抗部件和/或保护元件1的弯曲变形的作用力的度量。弯曲刚度优选地根据ISO5628，优选地ISO 5628:2019确定。为此目的，优选地，具有特定尺寸、例如6mm的厚度和60mm×40mm的大小、的板形保护元件1被夹持在可旋转夹持装置中。保护元件1的自由端接触测力单元的传感器，经由该传感器在夹持装置旋转时相应的接触力被记录。特别地，传感器在距夹持点50mm的距离处接触热保护元件1的自由端。特别地，通过在保护元件1弯曲15°时在传感器处测量的力确定弯曲刚度。
优选地，保护元件1的弯曲刚度以这种方式被确定为小于10N，优选地小于5N，特别是小于1N。
所提出的保护元件1和/或纤维层3优选地是可压缩的，并且因此允许适应安装状态，特别是在单个的电池单元8A之间和/或在电池单元8A和壳体9之间。
最优选的是，在安装状态下对保护元件1和/或多个保护元件1进行特定预紧和/或特定压缩的安装。当安装时，优选的压缩至少为20kPa和/或大于25kPa。
一些电池单元8A由于充电状态和老化的作用而膨胀和收缩。保护元件1特别地以电池单元8A的这种“呼吸”可以在单元8A的寿命期间得到补偿的方式来设计。
特别地，保护元件1被设计为承受至少300kPa的压缩压力，最优选的是承受至少450kPa或更大的压缩压力。这有利于电池单元8A的可能的“呼吸”和/或在火灾、短路、事故或类似事件的情况下的高负荷能力。这种可压缩性和/或这种弹性在电池8的寿命期间应该是可能的。
优选地，保护元件1、泡沫层2和/或纤维层3是可压缩的。
术语“可压缩”优选地理解为——特别是在本文中——意指保护元件1的压缩硬度足够低，压缩硬度表示将测试样本和/或保护元件1压缩了其原始厚度的40％所需的压力。优选地，根据DIN EN ISO3386，优选地ISO 3386-1:1986，使用厚度为5mm并且大小为300mm×200mm的板形热保护元件1作为测试样本，并且使用厚度为20mm且大小为190mm×80mm的铝板作为压头，来确定压缩硬度。
优选地，保护元件1和/或纤维层3具有以前述方式所确定的小于40kPa，优选地小于30kPa，特别是小于20kPa的压缩硬度。
优选地，保护元件1和/或纤维层3(在厚度方向上，即在垂直于表面延伸的方向上)是高度弹性可压缩的，最优选的是，在未安装状态下，保护元件1和/或纤维层3至少相对于厚度在至少90％至50％的范围内是高度弹性可压缩的。
优选地，保护元件1的单位面积重量小于3000g/m2或2700g/m2，优选地小于2100g/m2，和/或大于550g/m2，优选地大于200g/m2，特别是大于700g/m2或800g/m2。
特别是在未压缩状态或交付状态下，保护元件1的厚度优选地小于15mm，优选地小于10mm，特别是在3mm和9mm之间。
特别地，保护元件1的厚度——优选地在安装时——小于7mm，优选地小于6mm，特别是在2mm和5mm之间。即使在狭窄的安装间隙中，这也允许在电池8中灵活且容易地安装。
特别优选地，保护元件1具有大于2.5kV/mm，优选地大于2.9kV/mm，特别是3kV/mm至20kV/mm的介电强度。这避免和/或延迟了电弧或火花的形成。
介电强度限定了材料内电场不会发生电压击穿(电弧或电火花)的上限。
介电强度优选地根据IEC 60243-1:2013测量。
优选地，在20℃和25℃之间的标准状态下进行测量，优选地在大约为50％的相对湿度的情况下进行和/或在保护元件1处于其压缩状态的情况下进行。
保护元件1、泡沫层2和/或纤维层3在25℃室温下的热导性小于0.13W/mK，优选地小于0.08W/mK或0.09W/mK，特别是小于0.05W/mK。
保护元件1或保护层5可选地包括粘合层(未示出)，特别是仅部分地或精准地应用的粘合层，和/或保护元件1或保护层5被设计为是自粘合的，以便于有助于和/或能够将保护元件1紧固和/或装配到电池8和/或电池8的壳体9中。
在下文中，基于图2更详细地解释所提出的电池8以及根据提议的保护元件1、特别是根据提议的保护元件1A和保护元件1B以及可选地根据提议的另外的热保护元件1C和热保护元件1D在电池8中的布置和/或用途，或者类似的保护元件1在电池8中的布置和/或用途。
保护元件1A至保护元件1D可以相同地或不同地设计。
在下文中，为了区分，保护元件1A至保护元件1D也被称为第一保护元件1A、第二保护元件1B、第三保护元件1C和第四保护元件1D。然而，这仅用于区分不同的保护元件1，并不意味着例如如果设置了第三保护元件1C，则第二保护元件1B也必须存在。
优选地，用于供电的电池8被布置在和/或安装在示意性绘出的车辆12中，尤其是电动车辆中。特别地，当安装时，电池8位于车辆内部12A下方，例如在车辆12的乘客区域或其他内部区域下方。
电池8优选地具有壳体9，该壳体9具有上部壳体部分和/或壳体盖9A和壳体底部部分。这里，壳体9和/或壳体底部部分包括至少一个壳体侧壁9B和壳体底部9C。
壳体9优选地包括例如塑料的非传导材料，或者包括金属。
电池8优选地被设计为可再充电的蓄电池，特别地为锂离子蓄电池。可替代地，电池8还可由磷酸铁锂、氧化锂钴、锂金属氧化物、锂离子聚合物、镍锌、镍金属、镍镉、镍氢、镍银、镍金属混合物、全固态状态、锂空气、锂硫和类似的体系和/或材料构造或设计，或者利用上述体系和/或材料构造或设计。
特别地，电池8具有至少一组电池单元8A，该至少一组电池单元8A特别地是电气接线的和/或容纳在壳体9中，优选地容纳在下部壳体部分10中。
优选地，一个或多个保护元件1被布置在容纳电池单元8A的壳体9的内部空间内。
优选地，至少一个保护元件1，特别是第一保护元件1A，附接和/或固定，优选地为粘合地结合，优选地在电池单元8A上方和/或特别地在壳体9和/或壳体盖9A上。第一保护元件1A封闭和/或绝缘壳体底部部分和/或电池8或电池8的单元8A，优选地在顶侧封闭和/或绝缘壳体底部部分和/或电池8或电池8的单元8A。
通过这种方式，实现特别有效的顶侧的热绝缘和对车辆内部12A的火灾防护，以便有效地和/或足够长时间地保护内部的人员或物体免受电池8中不受控的生热的影响。
电池8和/或壳体9优选地包括至少一个出口10，该至少一个出口10至少在火灾和/或电池8内部过热或强烈的压力增加的情况下，允许气体从电池8和/或壳体9向外部逸出，因此实现了压力补偿。这防止了电池8爆炸和/或爆裂，特别是在火灾和/或短路和/或过热的情况下发生爆炸和/或爆裂。
出口10优选地被布置在壳体盖9A中和/或被布置在电池8和/或壳体9的顶侧上。
电池8和/或壳体9优选地包括用于气体的逸出和/或压力补偿的多个出口10。
优选地，出口10和/或每个出口10基本上和/或当交付时和/或在正常使用期间或必要时，特别地借助于热不稳定的和/或非压力稳定的元件11，特别是最优选地借助于爆裂盘等，是封闭的或可封闭的。
代替爆裂盘，另一元件或阀也可以被用作封闭元件11，例如，该另一元件或阀基本上封闭出口10，并且在火灾的情况下和/或在短路或过热的情况下打开——优选地取决于压力和/或温度自动地打开。然而，其他设计解决方案也是可能的。
在壳体9中发生火灾、短路、过热或其他压力增加的情况下，特别地在盘爆裂和/或阀打开之后，经由出口10通过允许气体穿过出口10从壳体9流出可以实现压力补偿。保护元件1和/或保护元件1的纤维层3用作过滤器，从而可以滤除和/或保留不需要的毒素和气体。此外，保护元件1用作防止火焰或火花穿过敞开的出口10逸出的屏障和/或可以承受当出口10被突然打开时和/或当电池发生热失控时而可能突然地发生的机械负载，使得保护元件1保持保护元件1的期望的过滤功能和防止火焰逸出的安全功能，尤其是在上述的气体穿过出口10流出的情况下，保持期望的过滤功能和防止火焰逸出的安全功能。
在图示示例中，壳体9特别地在壳体盖9A中包括一个或多个出口10，该一个或多个出口10优选地在内侧上被保护元件1和/或第一保护元件1A覆盖。
可替代地或附加地，电池8和/或壳体9和/或至少一个壳体侧板9B还可以包括一个或多个侧向出口10，如图2中所示。在这种情况下，特别地作为第一保护元件1A的补充或替代，还设置了另外的保护元件1B和/或第二保护元件1B，该另外的保护元件1B和/或第二保护元件1B覆盖相应的侧壁9B和/或相应的侧向出口10。
特别地，使用至少一个第一保护元件1A和至少一个第二保护元件1B，其中，第一保护元件1A在顶侧包围和/或热绝缘壳体的内部，并且第二保护元件1B被侧向地布置在壳体侧壁9B上。
优选地，第二保护元件1B被附接至第一保护元件1A，特别地为交叉地和/或垂直地附接至第一保护元件1A，优选地为粘合地结合、针缝或焊接至第一保护元件1A。
优选地，电池8和/或壳体9的所有侧壁9B在内侧上设置有或覆盖有第二保护元件1B，优选地还独立于在侧壁9B中形成的出口10。
第二保护元件1B优选地还被紧固和/或粘合地结合到关联的侧壁9B。
通过一个或多个保护元件1对一个或多个出口10的优选的所提出的布置和内侧覆盖，允许电池8的非常简单的装配和构造，这在火灾和/或短路或过热的情况下提供期望的压力补偿，同时确保在出口10处的期望的过滤特性和保护特性，以用于车辆12中。
作为第一保护元件1A和/或第二保护元件1B的替代或补充，电池8可以包括另外的保护元件1C和/或第三保护元件1C，如图2中的示例所示。
第三保护元件1C优选地与第一保护元件1A相对地布置和/或布置在壳体内部的下侧和/或底部9C上。优选地，下侧和/或底部9C被第三保护元件1C完全地和/或全部地覆盖。
第三保护元件1C优选地被紧固和/或粘合地结合到底部9C。然而，其他构造的解决方案也是可能的。
保护元件1A至保护元件1C优选地各自布置在电池单元8A之间和/或电池单元8A与壳体9之间。
可替代地，或作为保护元件1A至保护元件1C的补充，优选地，至少一个(另外的和/或第四)保护元件1D被设置并布置在一个或多个电池单元8A之间，由此这些单元8A或单元组相对于彼此被热绝缘和/或分离。保护元件1D最优选地是被插入、被压入或以任何其他方式设置在电池单元8A之间。
优选地，如图2所示，本发明的保护元件1/1D布置在所有电池单元8之间。图3没有示出这个优选的方面，因为图3仅是示意性的。
电池单元8A优选地至少基本上完全地和/或在所有侧部上被一个或多个保护元件1D围住。
优选地，一个或多个保护元件1可以在电池8的使用寿命期间，完全地补偿在充电过程中单元8A的任何可能的膨胀和/或确保尽可能限定的机械预紧。在交付状态下需要至少大约25kPa。在使用寿命期间，在安装状态下的压力可能会由于单元8A的膨胀(肿胀)而增加到最大250kPa或者甚至500kPa。这些值取决于单元的类型(圆形单元、软包单元和棱柱形单元)而变化，并且可以根据客户的要求进行调整。
特别地，保护元件1D在所有侧部上包围和/或围住多个或所有电池单元8A，和/或特别地以这样的方式在所有侧部上包围和/或围住多个或所有电池单元8A，使得电池单元8A是以相对于彼此是绝缘的、屏蔽的和/或阻尼的方式而被支撑和/或布置在壳体9中。因此，保护元件1优选地形成用于一个或多个电池单元8A的存放垫。除了有效的热绝缘之外，特别是在所有侧部上，这也能够实现电池单元8A的坚固的和/或耐久的存放，因为任何冲击和/或振动都被可压缩的保护元件1阻尼和/或吸收。
电池单元8A优选地——成组地或单独地——至少是基本上完全地和/或在所有侧部上被一个或多个保护元件1A至保护元件1D包围和/或围绕，即在电池8中电池单元8A彼此绝缘和/或屏蔽。
在电池单元8A的圆柱形设计的情况下，第四保护元件1D例如可以被设计为是中空圆柱形的，并且因此径向地围绕电池单元8A——特别是单独地围绕电池单元8A，其中，诸如第一保护元件1A和第三保护元件1C的另外的保护元件1，可以例如轴向地覆盖或封锁电池单元8A。
在单元堆的情况下，也可以形成用于将电池单元8A与保护元件1轴向分离的中间层。
应该注意的是，保护元件1和/或保护元件1D原则上以及特别是当被布置在电池单元8A之间时——即特别是当没有被布置在电池单元8A和壳体9之间的外部时——根据需要还可以包括附加层，诸如另外的纤维层和/或另一中间层、分离层或绝缘层，并且因此还可以具有较低的透气率。
测试表明，所提出的保护元件1既适用于在电池8内阻挡热量，又适用于顶侧和/或侧部的布置和/或绝缘，即所提出的保护元件1特别地适用于相邻的车辆内部12A的热保护。
可替代地或附加地，所提出的保护元件1也可以用于和/或被布置成绝缘电池8的、特别是在电池8的壳体9中的控制件、控制装置和/或控制电子设备8B，特别是将控制件、控制装置和/或控制电子设备8B与一个或多个电池单元8A绝缘，如图2示意性所示，控制装置8B，例如代替电池8和/或壳体9中的一个单元8A，可以被放置在右侧。例如，在电池单元8A发生故障和/或热失控的情况下，这种用途或布置还可用于在电池8内阻挡热量和/或提供绝缘，并且因此最终稳定电池8，特别是以比以前更长的时间稳定电池8。
本发明的另外的方面可以独立地实现或以与上面解释的方面和特征中的一个或多个任意组合的方式实现，本发明的另外的方面特别地在于：
1.一种用于热绝缘电池(8)的多层保护元件(1)，
该多层保护元件(1)具有泡沫层(2)和纤维层(3)，
其特征在于，
纤维层(3)优选地包括针缝的非编织的纤维绒或者由针缝的非编织的纤维绒形成，和/或纤维层(3)是可压缩的，优选地在100kPa或250kPa下可以被压缩超过30％，和/或纤维层(3)至少基本上不具有粘结物，和/或
保护元件(1)还包括保护层(5)，优选地，其中，保护层(5)包括矿物保护材料(6)。
2.根据方面1所述的保护元件，其特征在于，纤维层(3)由玻璃纤维、陶瓷纤维或硅酸盐纤维(3A)制成或由玻璃纤维、陶瓷纤维、硅酸盐纤维的混合物制成。
3.根据方面1或方面2所述的保护元件，其特征在于，纤维层(3)的纤维(3A)包括处理部，该处理部包含金属氧化物，特别是氧化铝。
4.根据前述方面中的一个方面所述的保护元件，其特征在于，纤维层(3)或纤维绒是用丝线(3B)缝合的，该丝线(3B)优选地由一根或多根玻璃纤维制成。
5.根据前述方面中的一个方面所述的保护元件，其特征在于，泡沫层(2)由硅胶制成。
6.根据前述方面中的一个方面所述的保护元件，其特征在于，泡沫层(2)由聚氨酯制成。
7.根据前述方面中的一个方面所述的保护元件，其特征在于，纤维层(3)和/或泡沫层(2)优选地是弹性可压缩的，特别是在100kPa或250kPa下可以被压缩超过30％。
8.根据前述方面中的一个方面所述的保护元件，其特征在于，泡沫层(2)比纤维层(3)更软或更可压缩。
9.根据前述方面中的一个方面所述的保护元件，其特征在于，泡沫层(2)和纤维层(3)结合，优选地通过结合层(4)或粘合物结合，并且在外侧被保护层(5)覆盖，优选地在两侧被保护层(5)覆盖。
10.根据方面9所述的保护元件，其特征在于，纤维层(3)包括针缝的非编织的纤维绒或者由针缝的非编织的纤维绒形成，并且保护层(5)包括作为矿物保护材料(6)的云母。
11.根据前述方面中的一个方面所述的保护元件，其特征在于，保护性的矿物保护材料(6)是一种或多种层状硅酸盐，优选地是云母，特别是金云母，或者保护性的矿物保护材料(6)包括一种或多种层状硅酸盐，优选地包括云母，特别地包括金云母。
12.一种电池(8)，该电池(8)优选地为锂离子电池，
该电池(8)具有壳体(9)和至少一个多层保护元件(1)，该至少一个多层保护元件(1)布置在壳体(9)中，用于热绝缘，
其中，保护元件(1)包括泡沫层(2)和纤维层(3)，
其特征在于，
保护元件(1)根据前述方面中的一个方面来设计。
13.根据方面12所述的电池，其特征在于，电池(8)包括棱柱形单元或软包单元(8A)。
14.根据方面12或方面13所述的电池，其特征在于，保护元件(1)或附加的保护元件(1D)布置在电池(8)的两个相邻的电池单元(8A)之间。
15.多层保护元件(1)用于在电池(8)中进行热绝缘的用途，该多层保护元件(1)具有泡沫层(2)和纤维层(3)，
其特征在于，保护元件(1)根据方面1至方面11中的一个方面来设计。
如已经提及的，本发明的各个方面可根据期望组合，也可彼此独立地实现。
附图标记列表：
1(A、B、C、D) 保护元件
2 泡沫层
2A 孔
3 纤维层
3A 纤维
3B 丝线
4 结合层
5 保护层
6 矿物保护材料
7 载体层
8 电池
8A 电池单元
8B 控制器/控制装置
9 壳体
9A 壳体盖
9B 壳体侧壁
9C 壳体底部
10 出口
11 (封闭)元件
12 车辆
12A 车辆内部

Claims (24)

1.一种用于热绝缘电池(8)的多层保护元件(1)，
所述多层保护元件(1)具有泡沫层(2)和纤维层(3)，其特征在于，
在100kPa或250kPa下，所述纤维层(3)能够被压缩超过30％，和/或所述保护元件(1)还包括保护层(5)，其中，所述保护层(5)包括矿物保护材料(6)。
2.根据权利要求1所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)包括非编织的纤维绒或由非编织的纤维绒形成。
3.根据权利要求2所述的保护元件，其特征在于，所述非编织的纤维绒是针缝的非编织的纤维绒。
4.根据前述权利要求中的一项所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)至少基本上不具有粘结物。
5.根据前述权利要求中的一项所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)由玻璃纤维、陶瓷纤维或硅酸盐纤维(3A)制成，或由玻璃纤维、陶瓷纤维、硅酸盐纤维(3A)的混合物制成。
6.根据前述权利要求中的一项所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)的所述纤维(3A)包括包含金属氧化物的处理部。
7.根据权利要求6所述的保护元件，其特征在于，所述金属氧化物是氧化铝。
8.根据前述权利要求中的一项所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)或纤维绒是用丝线(3B)缝合的。
9.根据权利要求8所述的保护元件，其特征在于，所述丝线(3B)由一根或多根玻璃纤维制成。
10.根据前述权利要求中的一项所述的保护元件，其特征在于，所述泡沫层(2)由硅胶制成。
11.根据权利要求1至9中的一项所述的保护元件，其特征在于，所述泡沫层(2)由聚氨酯制成。
12.根据前述权利要求中的一项所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)和/或所述泡沫层(2)优选地是弹性可压缩的，特别是在100kPa或250kPa下能够被压缩超过30％。
13.根据前述权利要求中的一项所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)和/或所述泡沫层(2)是弹性可压缩的。
14.根据权利要求12或13所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)和/或所述泡沫层(2)在100kPa或250kPa下能够被压缩超过30％。
15.根据前述权利要求中的一项所述的保护元件，其特征在于，所述泡沫层(2)比所述纤维层(3)更软或更易压缩。
16.根据前述权利要求中的一项所述的保护元件，其特征在于，所述泡沫层(2)和所述纤维层(3)结合并且在外侧被所述保护层(5)覆盖。
17.根据权利要求16所述的保护元件，其特征在于，所述泡沫层(2)和所述纤维层(3)通过结合层(4)或粘合物结合。
18.根据权利要求16所述的保护元件，其特征在于，所述泡沫层(2)和所述纤维层(3)在两侧被所述保护层(5)覆盖。
19.根据权利要求18所述的保护元件，其特征在于，所述纤维层(3)包括针缝的非编织的纤维绒或由针缝的非编织的纤维绒形成，并且所述保护层(5)包括作为矿物保护材料(6)的云母。
20.根据前述权利要求中的一项所述的保护元件，其特征在于，保护性的所述矿物保护材料(6)是一种或多种层状硅酸盐，优选地是云母，特别是金云母，或保护性的所述矿物保护材料(6)包括一种或多种层状硅酸盐，优选地包括云母，特别地包括金云母。
21.一种电池(8)，优选地为锂离子电池，
所述电池(8)具有壳体(9)和至少一个多层保护元件(1)，所述多层保护元件(1)布置在所述壳体(9)中，用于热绝缘，
其中，所述保护元件(1)包括泡沫层(2)和纤维层(3)，
其特征在于，所述保护元件(1)根据前述权利要求中的一项来设计。
22.根据权利要求21所述的电池，其特征在于，所述电池(8)包括棱柱形单元或软包单元(8A)。
23.根据权利要求21或22所述的电池，其特征在于，所述保护元件(1)或附加的保护元件(1D)布置在所述电池(8)的两个相邻的电池单元(8A)之间。
24.多层保护元件(1)用于在电池(8)中进行热绝缘的用途，所述多层保护元件(1)具有泡沫层(2)和纤维层(3)，
其特征在于，所述保护元件(1)根据权利要求1至20中的一项来设计。
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