CN117546342A - 用于控制能量储存系统中热失控事件的排放气体和喷射物的装置、系统及方法 - Google Patents

用于控制能量储存系统中热失控事件的排放气体和喷射物的装置、系统及方法 Download PDF

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CN117546342A CN202280021942.0A CN202280021942A CN117546342A CN 117546342 A CN117546342 A CN 117546342A CN 202280021942 A CN202280021942 A CN 202280021942A CN 117546342 A CN117546342 A CN 117546342A
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B·卡希尔
Y·南
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Abstract

本公开涉及用于管理电池模块中热失控问题的材料和系统。在示例性实施方案中，电池模块包括由间隔元件分开的电池单元。为减轻热失控问题，间隔元件可延伸到外壳的内表面。在间隔元件与内壁之间形成密封，以在相邻电池单元之间形成热障。

Description

用于控制能量储存系统中热失控事件的排放气体和喷射物的 装置、系统及方法
相关申请案的交叉参考
本申請主张2021年7月2日提交的案名为“用于缓解电能储存热事件的材料、系统和方法(Materials,System,and Methods for Mitigation of Electrical EnergyStorage Thermal Events)”的美国临时申请号63/218,205的权益和优先权，其全部内容通过参考并入本文。本申請还主张2021年8月10日提交的案名为“用于控制能量储存系统中热失控事件的排放气体和喷射物的装置、系统及方法(Devices,Systems,and Methods forControlling Vent Gases and Ejecta from Thermal Runaway Events in EnergyStorage Systems)”的美国临时申请号63/231,617的权益和优先权，其全部内容通过参考并入本文。本申請还主张2021年10月29日提交的案名为“用于控制能量储存系统中热失控事件的排放气体和喷射物的装置、系统及方法(Devices,Systems,and Methods forControlling Vent Gases and Ejecta from Thermal Runaway Events in EnergyStorage Systems)”的美国临时申请号63/273,845的权益和优先权，其全部内容通过参考并入本文。本申請还主张本申請2021年11月3日提交的案名为“用于控制能量储存系统中热失控事件的排放气体和喷射物的装置、系统及方法(Devices,Systems,and Methods forControlling Vent Gases and Ejecta from Thermal Runaway Events in EnergyStorage Systems)”的美国临时申请号63/275,261的权益和优先权，其全部内容通过参考并入本文。
技术领域
本公开一般涉及用于防止或减轻能量储存系统中的热事件，例如热失控问题的材料和系统。特别地，本申请提供多层热障材料，包括至少一个绝缘层，至少一个可压缩垫，以及可选择地具有一层或多层良好的散热特性，具有良好的防火、阻燃和/或耐磨特性，且/或具有用作热障的良好特性。本申请还涉及具有一个或多个电池单元的电池模块或电池组(pack)，所述电池单元包括多层热障材料，以及包括那些电池模块或电池组的系统。
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供电至如手机、平板电脑、笔记型电脑、电动工具的便携式电子装置以及如电动车等其它大电流装置。然而，安全性是一个课题，因为LIB在“滥用情况(abuse condition)”下容易发生灾难性故障，例如当可充电电池过充电(充电超过设计电压)、过放电、在高温和高压下运行或暴露于高温和高压时。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遇到超过设计窗口(design window)的情况时，可能会因快速自热或热失控事件而失效。
如图1所示，LIB的电化学电池主要由正极、负极、能够传导锂离子的电解质、分隔正极与负极的隔离膜和集电器(current collector)组成。LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、Li2TiO3、LiNi0.8 Co0.15 Al0.05O2(NCA)和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NMC)是锂离子电池中广泛使用的六种阴极材料。这六种电池占据当今电池市场的大部分市场比重。电解质由溶解在特定溶剂(主要包括碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸亚丙酯(PC))中的锂盐组成。锂盐通常选自LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiBOB等。隔离膜材料一般为聚烯烃类树脂材料。商用锂离子电池中常使用聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微多孔膜(micro-porousmembranes)作为隔离膜。铝箔通常用作集电器的正极且铜箔作为负极。包括硬碳、碳纳米管和石墨烯的碳基材料是目前大多数商用锂离子电池负极的主要选择；其它新颖负极材料如钛基氧化物、合金/去合金材料和转换材料也已得到研究并显示出良好的热和电化学特性。
LIB在正常情况下的运作
在正常操作下，锂离子通过电解质和隔离膜从一个电极扩散并迁移到另一个电极。
对LIB进行充电会导致电解质溶液中的锂离子通过隔离膜从阴极迁移并嵌入阳极中(图2)。电荷平衡电子也会移动到阳极，但会通过充电器中的外部电路。在放电时，会发生相反的过程，电子会流过受到供电的装置(图2)。在此过程中，电池内通过三种主要机制产生热(heat)。第一个为可逆热，由锂化过程(放电)和脱锂过程(充电过程)发生的氧化还原反应相关的熵变化引起。可逆热也称为熵热。第二种机制为由电池中过电位引起与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，称为焦耳热。焦耳热是由于电池内锂离子和电子的运动。在正常情况下，自生热非常低且通常无关紧要，可通过良好的电池设计或电池热管理系统轻松移除。然而，在滥用情况下，可能会发生一些导致热失控的副反应。了解热失控的原因可指引功能材料的设计，以提高LIB的安全性和可靠性。
热失控和热失控传播概述
当内部反应速率增加至产生的热多于可排出的热时，可能会发生热失控，从而导致进一步增加反应速率和热产生。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，产生的热会迅速加热靠近经历热失控的单元。加入到热失控反应中的每个电池都含有额外的能量来继续反应，导致电池组内的热失控传播(图3)，最终导致火灾或爆炸的灾难。及时散热和有效阻断热传导路径是减少热失控传播危害的有效对策。
热失控的诱因—滥用情况
包括机械滥用、电子滥用和热滥用(图3)的各种滥用可引发热失控。每种类型的滥用都可能导致电池内部短路(ISC)，从而导致温度升高。滥用情况可从外部或内部开始。例如，使用引起的压力、老化、设计(诸如单元间距、单元互连样式、单元形状因子、制造、操作和维护等配置参数)中的错误是可能导致各种滥用的内部因素。外部因素包括对LIB的损坏或伤害，例如来自坠落或单元的穿透。
机械滥用
机械滥用主要是由机械力引起的，且通常因外部因素(例如车祸，包括碰撞、挤压(crush)、穿透和弯曲)而发生。当电池或电池组受到冲击或涉及碰撞时，电池内部可能会发生潜在的损坏，包括隔离膜破裂和易燃电解液泄漏，引发ISC，然后导致热失控。由外力引起的破坏性变形和位移是机械滥用的两个共同特征。在车子碰撞过程中，电池组很可能变形。电动车上电池组的布局会影响电池组的碰撞响应。电池组变形可能会导致危险后果：电池隔离膜可能会撕裂，且发生内部短路(ISC)；易燃电解液泄漏并可能导致火灾。穿透是车辆碰撞过程中可能发生的另一种常见现象。与挤压情况相比，猛烈的ISC可在穿透开始时立即触发。机械破坏和电子短路同时发生，且穿透的滥用情况可能比简单的机械或电子滥用更为严重。
电子滥用
电子滥用主要包括LIB内部或外部短路、过充电及过放电。
内部短路发生在90％以上的滥用情况下。广义上来说，内部短路是由于电池隔离膜失效导致阴极和阳极相遇时发生的。内部短路的原因可能是(1)隔离膜因穿透或挤压而破裂时的机械滥用；(2)枝晶生长(dendrite growth)刺穿隔离膜时的电子滥用(图4)；(3)隔离膜在高温下塌陷时的热滥用。
当有电压差的电极通过导体连接，形成外部短路。电池组外部短路的原因可能是由于车子碰撞过程的变形、浸水、导体污染、维修过程的电击等引起的。与穿透相比，外部短路电路释放的热一般不会对电池单元加热。外部短路会导致电池产生大电流和高热，这主要是由于欧姆热(ohmic heat)产生所引起的。随着温度开始超过70℃左右，电池单元开始破裂。结果，可能会触发排放(venting)和电解质泄漏(electrolyte leakage)。
过充电可定义为对电池充电超过其设计电压。高的比电流密度、激进的充电规格(charging profiles)等会引发过充电，这会带来一系列问题，包括：阳极上锂金属的沉积，其严重影响电池的电化学特性和安全性；阴极材料的分解，其释放氧气；以及有机电解质的分解，其释放热和气体产物(H2、碳氢化合物、CO等)。过充电过程可分为三个阶段。在第一阶段，(1)电压和温度不受影响，基本保持不变。在第二阶段，(2)锂枝晶沉积将发生在电压平台上。而在第三阶段，(3)电压会随着热和气体的产生而急剧下降，导致电池发生热失控。
过放电是另一种可能的电子滥用情况。通常，电池组内的电池之间的电压不一致是不可避免的。因此，一旦电池管理系统未能监测到任一单独电池单元的电压，电压最低的电池单元就会发生过放电。过放电滥用的机制与其它机制不同，潜在危害可能被低估。电池组中电压最低的电池单元在过放电时可被其它串联的电池单元强制放电。在强制放电过程中，极反转且电池单元电压变为负值，导致过放电的电池单元异常发热。
热滥用
热滥用通常由过热触发。锂离子电池的过热可能是由连接器的机械滥用、电子滥用和接触损失引起的。通常，在正常工作温度下，LIB是稳定的；然而，在一定温度以上，LIB的稳定性变得难以预测，并且在升高的温度下，电池壳内的化学反应会产生气体，导致电池壳内的内部压力增加。这些气体可与阴极进一步反应，释放更多热并在电池内部或附近产生温度，从而在氧气存在的情况下点燃电解质。当电解质燃烧时，会产生氧气，进一步促进燃烧。在某些时候，电池壳内的压力积聚会导致电池壳破裂。逸出的气体可能会点燃和燃烧。
由机械、电子和热滥用情况引起的热失控可能会导致持续发热，从而导致电池内部温度升高。随着温度的升高，可能会在不同阶段发生一系列连锁反应。热失控遵循连锁反应的机制，例如物理及/或化学过程，在此过程中电池组件材料的分解反应一个接一个发生(图3)。
热失控期间的连锁反应概述
了解这些物理及/或化学过程的演变有助于制定LIB热失控的缓解策略。LIB在不同的温度状态或状态下可能有不同的热失控诱因(图5)，包括阶段I：低温(<0℃)，阶段II：常温(0至90℃)和阶段III：高温(>90℃)。
在阶段I，LIB不能有效地工作，因为低温导致电化学反应速率降低。在较低温度下，由于电极材料活性降低和锂离子在电解液中的扩散速率降低，电池性能急剧下降。低温下化学反应减速的后果包括不需要的锂沉积、电镀和枝晶生长。枝晶为一种树状结构，可在电池的锂镀层上形成。它们可快速穿透电池的隔离膜，即电池阳极和阴极之间的多孔塑料薄膜(图4)。电池内的锂沉积和枝晶生长被认为是导致低温热失控的主要因素。不希望受理论束缚，认为不需要的锂沉积物和枝晶可能会导致电池中的ISC，从而导致热失控。
在阶段II(常温运行)，与热失控过程中产生的热相比，产生的热最少。这种运行状态下的发热主要是由于锂离子在固液相中的扩散、固液界面的电化学反应和副反应引起的。发热会导致电池内部温度升高和温差，这些温差可能会影响锂离子电池的寿命和安全性。在第二阶段，最初的过热可能是由于上述至少一种内部或外部诱因而发生的，例如电池过充电、暴露于过高温度、由于接线错误导致的外部短路或由于电池缺陷导致的内部短路。当初始过热开始时，随着温度升至90℃，电池运行从正常状态变为异常状态。随着温度高于40℃，锂离子电池的寿命可能会因加速副反应而缩短，当温度接近90℃甚至更高时，会引发固体电解质界面(SEI)膜的分解，这被定义为热失控的开始。在最初的几个充电周期中，锂离子电池的阳极上会产生SEI。SEI在阳极表面提供一层钝化层，可抑制电解质的进一步分解，并提供许多应用所需的较长日历寿命。SEI的初始分解被认为是在整个热失控过程中发生的第一个副反应。SEI的初始分解发生在80至120℃，峰值位于约100℃。正如Wang等人的报告说明起始温度可低于80℃(Thermochim.Acta 437(2005)12-16)，SEI分解可能从低至57℃的温度开始。
SEI的分解
随着阶段III的开始，内部温度迅速升高，导致SEI膜分解。SEI层主要由稳定(如LiF和Li2CO3)和亚稳态(如聚合物、ROCO2Li、(CH2OCO2Li)2和ROLi)成分组成。然而，亚稳态成分在大约>90℃时会放热分解，释放出易燃气体和氧气。SEI膜的分解被认为是热失控的开始，之后会引发一系列的放热反应。
随着SEI的分解，温度升高，阳极中的锂金属或插层的锂会与电解液中的有机溶剂发生反应，释放出易燃的烃类气体(乙烷、甲烷和其它等)。这是一个放热反应，进一步推动温度升高。
隔离膜的分解
当T>～130℃时，聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)隔离膜开始熔化，这进一步恶化了情况并导致阴极与阳极之间的短路。虽然PE/PP隔板的熔化是一个热吸附过程，但隔板熔化引起的ISC会进一步恶化热失控过程。
电解液的气体排放和分解
当T>～180℃时，ISC产生的热导致锂金属氧化物阴极材料分解并导致氧气释放。阴极的破坏也是高度放热的，进一步提高温度和压力，从而进一步加速反应。热积累和气体释放(氧气和可燃气体)会导致锂离子电池燃烧和爆炸。
在热失控过程中，ISC产生的热仅为2％，而化学反应为98％，包括SEI层的分解、电解液的分解等，其中最大比例的发热是由阴极与阳极之间快速氧化还原反应引起，约48％，而阳极、阴极和电解液中其它化学反应产生的热要小得多。最小的发热为SEI膜的分解。
需要缓解热失控的策略
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。为了防止这种级联热失控事件的发生，LIB通常被设计为要将储存的能量保持在足够低的水平，或是在电池模块或电池组内的电池单元之间采用足够的绝缘材料，以使它们免受相邻电池单元、或其组合中可能发生的热事件的影响。前者严重限制可能储存在这种装置中的能量。后者限制电池的放置距离，从而限制有效能量密度。需要有效的绝缘和散热策略来减轻LIB的热失控可能性。
当前用于LIB的散热方法
目前有许多不同的方法用于最大化能量密度，同时防止级联热失控。一种方法是在电池单元或电池单元簇之间加入足够量的绝缘。从安全的角度来看，这种方法通常被认为是可取的。然而，在这种方法中，绝缘材料容纳热的能力以及所需的绝缘体积决定了可达到的能量密度的上限。另一种方法是通过使用相变材料。这些材料在达到一定的高温时会发生吸热相变。吸热相变吸收一部分产生的热，从而冷却局部区域。通常，对于电储存装置，这些相变材料依赖于碳氢化合物材料，例如蜡和脂肪酸。这些系统在冷却方面是有效的，但它们本身是可燃的，因此一旦储存装置内确实发生起火，它们在防止热失控方面无益。加入膨胀材料是防止级联热失控的另一种策略。这些材料在指定温度以上膨胀，产生一种设计为重量轻并在需要时提供隔热的炭。这些材料可有效地提供绝缘益处，但在储存装置的设计中必须考虑材料的膨胀。
需要满足LIB系统机械要求的新型热障
充放电过程中阳极和阴极的膨胀会导致电池单元尺寸的变化(膨胀)。例如，硅在插层过程中的典型体积变化高达300％，而石墨的体积膨胀约为10％。这种变化既有可逆的部分，也有不可逆的部分，其幅度取决于确切的电池化学成分。电池厚度的可逆变化仅取决于电池的充电状态(SOC)，并可能导致厚度增加超过2％。电池单元的不可逆膨胀与电池单元内压力的增加有关，并且是由SEI的形成引起的。这种变化的最大部分发生在第一个充电循环期间，即SEI最初形成时，但在电池单元的使用寿命期间会继续膨胀。
已经进行广泛的研究以创造具有良好热特性的新型材料以防止热失控问题，这些材料尽管很重要，但其机械特性并未受到太多关注。例如，需要在电池模块或电池组内的电池单元之间使用有效的热障，所述热障可提供对压缩变形的抵抗力以适应在电池单元寿命期间持续的电池膨胀。此外，在电池模块的初始组装过程中，1MPa或更低的相对较低的负载通常被施加到电池单元之间的材料。当电池模块或电池组内的电池单元在充电/放电循环期间膨胀或膨大时，可向电池单元之间的材料施加高达约5MPa的负载。因此，材料的可压缩性、压缩回弹性和柔顺性，例如电池单元之间的热障是重要的特性。
具有优异压缩特性的热绝缘片可用于满足这些需求，例如作为电池模块中电池单元之间的隔离膜。然而，虽然电池单元之间的热绝缘片可解决电池单元之间的直接热传导，但它们可能无法解决热气体和其它材料的遏制或方向问题。传统的绝缘片通常不会延伸超出电池单元的边缘及/或模块的壁。在绝缘片确实延伸到墙壁的情况下，它们不会提供对墙壁的密封或屏障。结果，从电池单元释放的热气体和其它材料可绕过绝缘片的边缘并将热传递到模块中的其它电池单元。因此，需要一种绝缘片，可通过这些材料的遏制或重新定向来阻止热气体和颗粒物质(“喷射物”)从一个电池单元转移到另一个电池单元。
传统类型的绝缘材料，如泡沫或纤维片材，可承受高温，但绝缘或保温能力相对较低。对于此类材料，必须增加绝缘的厚度以提供有效的热管理。然而，电池模块的空间要求限制了模块的尺寸、以及模块内电池之间的空间。类似地，希望限制电池模块的总重量。此外，在充电/放电循环期间以及在电池的整个寿命期间，需要适应电池单元的膨胀和收缩的机械要求。因此，需要在最小化用于提供必要的压缩和弹性以及热特性的材料的厚度和重量的同时实现对热传播和火焰传播的抵抗。此外，当使用片状绝缘材料时，特别是当需要封装以包含分隔片时，可能难以实现提供延伸到模块侧壁的分隔片所需的制造公差。需要一种不同类型的绝缘系统、材料和方法来提供有效的绝缘、热和气体遏制以及火焰传播延保护。
发明内容
本申请的一个目的为消除或减轻上述用于防止或减轻可充电电池(例如锂离子电池)热失控的先前方法和材料的至少一种缺点。
具体而言，本申请的一目的为提供一种多层材料，其使用作为电能储存系统中的热障(thermal barrier)，以解决电池模块或电池组中的热传播问题，并阻止或减轻一个电池单元发生热失控时的热传播(thermal propagation)。本申请的多层材料的独特配置可帮助解决电池单元之间的热传播问题。
缓解策略(mitigation strategies)可在材料层面、电池单元层面和系统层面发挥作用，保证使用锂离子电池等可充电电池的储能系统的整体安全性。根据本申请的多层材料可进行下述缓解步骤中的至少一种：(1)降低滥用情况的可能性，(2)一旦滥用情况发生就消除，(3)提高电池单元的热稳定性防止滥用情况，(4)减少在正常操作情况下和热失控情况下释放的能量，以及(5)减轻传播危险并将损坏限制在有限区域内。
本申请的另一目的为提供一种包括根据本申请的多层材料的电池模块或电池组，所述多层材料可保护电池组避免单一电池单元的热失控引起的热损伤，并确保电池组或模块的安全设计。
在一个一般方面，本申请提供新颖的多层材料，其包括气凝胶组合物，例如，增强气凝胶组合物，其耐用且易于处理，具有对热传播和火焰传播的良好抗性，同时最小化所使用材料的厚度和重量，并且还具有良好的可压缩性、压缩回弹性和柔顺性的良好特性。例如，根据本文所公开的多层材料可包含至少一个绝缘层，其包含气凝胶组合物或增强气凝胶组合物。
在一个一般方面，本文所公开的多层材料可用于分隔、绝缘和保护任何配置的电池单元或电池的电池组件，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这类电池单元的电池组和模块。本文所公开的多层材料可用于可充电电池，例如锂离子电池、固态电池以及需要隔离、绝缘和保护的任何其它能量储存装置或技术。
在一个一般方面，本申请旨在提供一种电池模块和电池组，其用于同时提高动力电池(power battery)的散热特性和热失控保护特性。在电力驱动和能量储存系统中，通常将多个电池单元以预择配置(例如，并联、串联或组合)封装在一起以形成电池模块。可依次组合或结合多个这样的电池模块以形成诸如本领域周知的各种电池组。在操作和放电期间，此类电池单元、电池模块或电池组通常会生成或产生大量热，这会对由此产生的特性产生重大不利影响。因此，为了保持这种电池单元或由此产生的电池模块或电池组的期望或最佳特性，将这种电池单元、电池模块或电池组的温度保持在相当窄的规定范围内通常是重要的。本申请的目的为将所述电池单元，电池模块或电池组的温度保持在最佳范围内。
除了将电池单元的温度保持在规定范围以内外，保持电池单元的结构完整性也是一个目标。电池单元内的材料需要柔顺且有弹性，以适应电池单元运作时的体积变化。在一些实施方案中，材料必须是阻燃的或耐火的，以在热事件之后或期间保持结构完整性。
一方面，本申请提供一种使用作为电能储存系统中的热障的多层材料，其包括：核心部分，其包括至少一个绝缘层和至少一个热容层的层状组件，所述至少一个绝缘层和至少一个热容层沿垂直于其最大表面的方向交替堆积；以及外部部分，设置在核心部分的外侧，所述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，所述至少一个牺牲材料层包括可压缩垫，所述可压缩垫具有在约27kPa至约55kPa下的25％压缩力挠度，所述至少一个封装材料层选自聚合物、弹性体或其组合。
另一方面，本申请提供一种使用作为电能储存系统中的热障的多层材料，其包括：核心部分，其包括至少一个绝缘层和至少一个热传导层的层状组件，所述至少一个绝缘层和至少一个热传导层沿垂直于其最大表面的方向交替堆积；以及外部部分，设置在核心部分的外侧上，所述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，所述至少一个牺牲材料层具有在约27kPa至约55kPa下的25％压缩力挠度，所述至少一个封装材料层选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者。
一方面，本申请提供一种在电能储存系统中用作热障的多层材料，其包括：包括至少一个绝缘层的核心部分；以及设置在核心部分外侧的外部部分，所述外部部分包括至少一个牺牲材料层，所述牺牲材料层包括具有约1MPa至约12MPa的压缩模数的可压缩垫和至少一个选自聚合物、弹性体或其组合的封装材料层，其中封装材料层夹在核心部分与外部的牺牲材料层之间。在一些实施方案中，核心部分进一步包括至少一个热容层，其具有至少约200J/(kg-K)的比热容。在一些实施方案中，核心部分进一步包括至少一个绝缘层和至少一个热容层的层状组件，其垂直于所述最大表面的方向上交替堆叠。在一些实施方案中，核心部分进一步包括至少一个热传导层，其沿着所述热传导层的平面维度具有至少约200mW/m-K的热导率。在一些实施方案中，核心部分包括至少一个绝缘层和至少一个热传导层的层状组件，其垂直于所述最大表面的方向上交替堆叠。
另一方面，本申请提供一种使用作为电能储存系统中的热障的多层材料，包括：具有两侧的核心层，包括至少一个压缩模数为约1MPa至约12MPa的可压缩材料层，和任选地至少一个热传导层和/或至少一个热容层；两个绝缘层通过所述绝缘层的厚度维度具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的热导率，其中核心层被两个绝缘层夹在中间，其中可选的至少一个热传导层具有至少约200mW/m-K的面内(in-plane)热导率，并且其中可选的至少一个热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容，并且其中所述多层材料任选地封装在选自聚合物、弹性体或其组合中至少一种的封装材料中。在一些实施方案中，核心层进一步包括阻燃层。在一些实施方案中，核心层缺少可选的至少一个热传导层并且缺少可选的至少一个热容层。在一些实施方案中，核心层包括可选的至少一个热传导层并且缺少至少一个热容层。在一些实施方案中，核心层包括两个热传导层和一个可压缩材料层，其中可压缩材料层夹在两个热传导层之间。在一些实施方案中，核心层包括可选的至少一个热容层并且缺少至少一个热传导层。在一些实施方案中，核心层包括两个热容层和一个可压缩材料层，其中可压缩材料层夹在两个热容层之间。在一些实施方案中，核心层包括一个热容层和两个可压缩材料层，其中热容层被两个可压缩材料层夹在中间。在一些实施方案中，多层材料进一步包括两个热容层，其中每个热容层设置在每个绝缘层的外表面上。
任何上述方面的实施方案可包括下述特征中的一个或多个。例如，在一些实施方案中，封装材料层夹在核心层与牺牲材料层之间。在一些实施方案中，牺牲材料层夹在核心层与封装材料层之间。在一些实施方案中，牺牲材料层包括选自由包含硅氧烷、聚烯烃、聚氨酯、酚醛树脂、三聚氰胺、醋酸纤维素和聚苯乙烯组成的组的材料。在一些实施方案中，牺牲材料层为泡沫的形式。在一个或多个实施方案中，牺牲材料层的化学分解起始温度在约200℃至约400℃的范围内。
在一些实施方案中，外部部分进一步包括选自由耐磨材料、膨胀材料、抗燃材料、阻燃材料或其组合的材料制成的层。
在一些实施方案中，热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容。在一些实施方案中，热容层是相变材料。在一些实施方案中，热容层包括不锈钢。
在一些实施方案中，封装材料层为聚对苯二甲酸乙二醇酯层。
在一些实施方案中，封装材料层进一步包括设置在封装层与核心部分之间的金属层。
在一些实施方案中，绝缘层通过所述绝缘层的厚度维度具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的热导率。在一些实施方案中，绝缘层包括气凝胶。在一些实施方案中，绝缘层进一步包括选自由包含云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉及其组合的组的材料。在一些实施方案中，绝缘层不含气凝胶并且绝缘层包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉及其组合组成的组的材料。
在一些实施方案中，热传导层沿所述热传导层的平面维度具有至少约200mW/m-K的热导率。在一些实施方案中，热传导层包括至少一个包括金属、碳、导电聚合物或其组合的层。在一些实施方案中，热传导层为相变材料。在一些实施方案中，热传导层为选自铝、铜和钢的金属。在一些实施方案中，热传导层将热从局部热负荷传导出去，优选地传导至环境。在一些实施方案中，热传导层的形式选自包含网、片、穿孔片、箔和穿孔箔组成的组。在一些实施方案中，其中通过所述绝缘层(例如气凝胶)的厚度维度的热导率在25℃保持不变或在高达约5MPa的负载下略有增加。在一些实施方案中，通过所述绝缘层的厚度维度的热导率在25℃且在高达约5MPa的负载下小于约50mW/m-K。在一些实施方案中，其中热传导层包括铝。
在一些实施方案中，包括气凝胶的绝缘层进一步包括增强材料。在一些实施方案中，增强材料为选自由有机聚合物基纤维、无机纤维、碳基纤维或其组合的纤维。在一些实施方案中，纤维为离散纤维、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、毡及/或其组合的形式。在一些实施方案中，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，气凝胶包括二氧化硅基(silica-based)气凝胶。在一个或多个实施方案中，气凝胶包括一种或多种添加剂，添加剂以气凝胶重量至少约5至40％的水平存在，优选至少约5至20％气凝胶重量的水平，更优选为气凝胶重量的至少约10至20％。在一些实施方案中，一种或多种添加剂包括防火级添加剂。在一些实施方案中，一种或多种添加剂包括选自由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、氧化铁钛(钛铁矿)、氧化铬或其混合物的遮光剂。在一些实施方案中，一种或多种添加剂包括遮光剂，包括碳化硅。在一些实施方案中，一种或多种添加剂包括防火级添加剂和遮光剂的组合。在一个或多个实施方案中，气凝胶具有在约0.25g/cc至约1.0g/cc范围内的密度。在一些实施方案中，气凝胶具有约2MPa至约8MPa的弯曲模量。在一些实施方案中，气凝胶在约70℃具有约10％至约25％范围内的压缩集。在一些实施方案中，气凝胶表现出抗压性，并且在25％应变下的抗压性在约40kPa至约180kPa之间。在一个或多个实施方案中，气凝胶为独块体、珠、微粒(particles)、颗粒(granules)、粉末、薄膜、片材或其组合的形式。
在一些实施方案中，热传导层包括至少一个包括金属、碳、导电聚合物或其组合的层。在一些实施方案中，热传导层为相变材料。在一些实施方案中，热传导层为选自铝、铜和钢的金属。在一些实施方案中，热传导层将热从局部热负荷传导出去，优选地传导至环境。在一些实施方案中，热传导层的形式选自由网、片、穿孔片、箔和穿孔箔组成的组。在一些实施方案中，其中通过所述绝缘层的厚度维度的热导率，例如气凝胶在25℃保持不变或在高达约5MPa的负载下略有增加。在一些实施方案中，通过所述绝缘层的厚度维度的热导率在25℃且在高达约5MPa的负载下约小于50mW/m-K。
一方面，本申请提供根据上述任一方面的各种实施方案中电池组的多层材料的用途，包括多个单个电池单元或电池单元组，用于互相热分隔所述单个电池单元或电池组。在一些实施方案中，根据上述任一方面的电池的部分发生失控事件，在电池的一部分的一个或多个电池单元或电池单元组中发生的失控事件不会导致所述由多层材料隔开的电池的部分的电池单元或电池单元组的损坏。
另一方面，本申请提供根据上述任一方面的各种实施方案的电池组中的多层材料，所述电池组包括多个单个电池单元或电池单元组，用于互相热分隔所述单个电池单元或电池单元组。
一方面，本申请提供一种电池模块，其包括：具有第一表面的第一电池单元；具有第二表面的第二电池单元，第二表面与第一表面相对；以及根据上述任一方面的各种实施方案的多层材料，其设置在第一与第二表面之间。在一些实施方案中，多层材料覆盖相对的第一和第二表面的至少约80％的表面积。
另一方面，本申请提供一种电池模块，其包括：至少一个电池单元，以及根据上述任一方面的各个实施方案的多层材料，其中所述多层材料设置在所述至少一个电池单元的表面上或一电池模块的表面。
一方面，本申请提供一种电池组，其包括多个电池单元和设置在两个相邻电池单元或两个相邻模块之间的间隔，其中所述间隔包含根据上述任一方面中的各种实施方案的多层材料。
根据上述任一方面中的电池模块或电池组，其进一步包括冷却系统，所述冷却系统被配置为从电池组去除热。在一些实施方案中，多层材料的至少一者与冷却系统热连通。在一些实施方案中，热传导层与冷却系统热连通。
另一方面，本申请提供一种包括根据上述任一方面的电池模块或电池组的装置或车辆。在一些实施方案中，所述装置为笔记型电脑、PDA、移动电话、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、军用便携式电脑、军用电话、激光测距仪、数字通信装置、情报收集感测器、电子集成服装、夜视装置、电动工具、计算器、收音机、遥控装置、GPS装置、手持和便携式电视、汽车启动器、手电筒、声学装置、便携式加热装置、便携式吸尘器或便携式医疗工具。在一些实施方案中，车辆为电动车辆。
在一个或多个实施方案中，根据上述任一方面的多层材料在未压缩状态下具有范围在约2mm至约10mm之间的平均厚度。
本申请的所述多层材料可提供优于现有热失控缓解策略的一个或多个优点。本申请的所述多层材料可最小化或消除电池单元热失控传播，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。本申请的多层材料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单元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特性。本申请的多层材料耐用且易于处理，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。
另一方面，一种电池模块包括：包括内表面的外壳，所述内表面由在第一侧壁与第二侧壁之间延伸的第一端板和第二端板以及顶板和底板界定；两个或更多个电池单元设置在外壳的内部空间中；以及一个或多个设置在相邻电池单元之间的间隔元件，每个间隔元件包括至少一个热容层和至少一个绝缘层。每个间隔元件接触外壳的内表面，使得在相邻电池单元之间形成热障。在一个实施方案中，两个或更多个电池单元在第一侧壁与第二侧壁之间纵向定向，平行于端板，并且其中间隔元件接触底表面，顶表面，第一侧壁和第二侧壁形成相邻电池单元之间的热障。在一个实施方案中，间隔元件由多层材料形成，如本文所述。
在一个实施方案中，每个间隔元件接触形成在内表面上及/或内表面中的一个或多个通道。所述一个或多个通道可从一个或多个第一端板、第二端板、第一侧壁、第二侧壁、顶板和底板中突出。或者，所述一个或多个通道为一个或多个第一端板、第二端板、第一侧壁、第二侧壁、顶板和底板中的凹部。每个间隔元件接触一个或多个通道的一部分，在间隔元件与内表面之间形成密封。在一个实施方案中，所述一个或多个通道基本上是U形的，具有相对侧壁和底面。间隔元件接触U形通道的侧壁。间隔元件与U形通道的底表面之间可能存在间隙以解决制造变化。
在一个实施方案中，一个或多个间隔元件和外壳的内表面一起配置成界定独立隔间多个独立隔间，其中，在每个隔间中设置一个电池单元。在一个实施方案中，一个或多个间隔元件和外壳的内表面一起配置成界定独立隔间多个独立隔间，其中，在每个隔间中设置多个电池单元。在一个实施方案中，外壳的至少一部分包括一个或多个排放孔埠(ventport)，所述一个或多个排放孔埠流体地耦合至所述多个独立隔间的一个或多个中。所述一个或多个排放孔埠可定位在外壳的侧壁或顶板中，与一个或多个隔间连通。排放孔埠可为开口(openings)或泄压阀(pressure relief valve)。可使用排放孔埠与各种气体偏转单元(gas deflection elements)、通道和其它元件相结合，以建立可引热传导气体及颗粒远离电池单元的气体流动管理途径(gas flow management pathway)。
另一方面，一种电池模块包括：包括内表面的外壳，所述内表面由在第一侧壁与第二侧壁之间延伸的第一端板与第二端板以及顶板与底板界定；两个或更多个电池单元，设置在外壳的内部空间中；一个或多个间隔元件，设置在相邻电池单元之间，每个间隔元件包括至少一个热容层及至少一个绝缘层；以及一个或多个沿外壳的内表面设置的边缘元件，其中，边缘元件包括可压缩且具有约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、或介于这些值的任两者间的范围内的化学分解起始温度。每个间隔元件接触至少一个或多个边缘元件，使得由间隔元件与外壳的内表面之间的边缘元件形成密封，以热隔离相邻的电池单元。在一个实施方案中，两个或更多个电池单元定位在第一侧壁与第二侧壁之间，平行于端板，且其中，间隔元件接触底表面，且其中，一个或多个边缘元件中的一个是设置在间隔元件与顶表面之间。在一个实施方案中，所述一个或多个边缘元件的一个设置在第一侧壁与间隔元件和/或第二侧壁与间隔元件之间。
在一个实施方案中，边缘元件包括膨胀材料。在另一个实施方案中，边缘元件包括形状记忆材料。在另一个实施方案中，边缘元件包括膨胀材料和形状记忆材料的组合。在另一个实施方案中，边缘元件包括有机硅聚合物。在另一个实施方案中，边缘元件包括具有一个或多个电容层和一个或多个绝缘层的多层材料，如本文所描述。
在一个实施方案中，一个或多个间隔元件、边缘元件和外壳的内表面一起被配置为界定独立隔间多个独立隔间，其中一个电池单元设置在每个隔间中。在一个实施方案中，一个或多个间隔元件、边缘元件和外壳的内表面一起被配置为界定独立隔间多个独立隔间，其中多个电池单元设置在每个隔间中。在一个实施方案中，外壳的至少一部分包括一个或多个排放孔埠，所述一个或多个排放孔埠流体地耦合至多个独立隔间中的一个或多个中。一个或多个排放孔埠可定位在外壳的侧壁或顶板中，与一个或多个隔间连通。排放孔埠可为开口或泄压阀。
另一方面，一种电池模块包括：包括内表面的外壳，所述内表面由在第一侧壁与第二侧壁之间延伸的第一端板和第二端板以及顶板和底板界定；两个或更多个电池单元设置在外壳的内部空间中；一个或多个间隔元件设置在相邻电池单元之间，每个间隔元件包括至少一个热容层和至少一个绝缘层；和一个或多个盖部，与内表面接触，围绕一个或多个间隔元件的至少一部分。所述一个或多个盖部被配置为在一个或多个间隔元件与外壳的内表面之间形成密封，以热隔离相邻的电池单元。在一个实施方案中，两个或更多个电池单元定向在第一侧壁与第二侧壁之间，平行于端板，并且其中间隔元件接触底表面，并且其中一个或多个边缘元件中的一个设置在间隔元件与顶表面之间。在一个实施方案中，一个或多个边缘元件中的一个设置在第一侧壁与间隔元件之间和/或第二侧壁和间隔元件之间。
在一个实施方案中，所述一个或多个盖部由聚合物形成。聚合物具有化学分解起始温度约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、或在这些值中任何两个值之间的范围。在一个实施方案中，空间界定在所述一个或多个盖部内，所述空间可接收所述一个或多个间隔元件中的一个。所述一个或多个盖部中的至少一个可构成为使用期间，设置在盖部中的间隔元件与盖部的内壁之间存在间隙。在一个实施方案中，所述一个或多个盖部中的至少一个具有沿着盖部的第一纵向侧延伸的大致U形开口，其中所述一个或多个间隔元件装配在U形开口内。在一个实施方案中，所述一个或多个盖部中的至少一个具有外表面，所述外表面的形状与外壳的内表面的一部分的形状互补。在一个实施方案中，所述一个或多个盖部中的至少一个在盖部的端部具有开口，其中，开口被配置为允许盖部在所述一个或多个间隔元件中的一个上滑动。在一个实施方案中，所述一个或多个盖部中的至少一个完全覆盖所述一个或多个间隔元件中的一个的端部。在一个实施方案中，所述一个或多个盖部中的至少一个具有接触外壳的底板的底表面和接触外壳的顶板的顶表面。在一个实施方案中，至少一个盖部具有第二纵向侧面，所述第二纵向侧面接触外壳的内表面的第一侧壁或第二侧壁。
在一个实施方案中，所述一个或多个盖部中的至少一个接触形成在第一侧壁或第二侧壁中的通道。在一个实施方案中，通道为第一侧壁和/或第二侧壁中的凹部。在另一个实施方案中，通道从第一侧壁和/或第二侧壁突出。在一个实施方案中，所述一个或多个盖部中的至少一个与所述一个或多个通道的一部分接触，从而在盖部与内表面之间形成密封。内表面中的一个或多个通道可为基本上U形的，具有相对侧壁和底表面。在一个实施方案中，盖部与U形通道的侧壁接触。在一些实施方案中，在盖部和U形通道的底表面之间存在间隙。
在一个实施方案中，所述一个或多个间隔元件、盖部和外壳的内表面一起被配置为界定独立隔间多个独立隔间，其中一个电池单元设置在每个隔间中。在一个实施方案中，所述一个或多个间隔元件、盖部和外壳的内表面一起被配置为界定独立隔间多个独立隔间，其中多个电池单元设置在每个隔间中。在一个实施方案中，外壳的至少一部分包括一个或多个排放孔埠，所述一个或多个排放孔埠流体地耦合至所述多个独立隔间中的一个或多个。所述一个或多个排放孔埠可定位在外壳的侧壁或顶板中，与所述一个或多个隔间连通。排放孔埠可为开口或泄压阀。
另一方面，本申请提供一种电池模块，包括：外壳，包括内表面且在内里包围内部空间；两个或更多个电池单元，设置在外壳的内部空间中；一个或多个间隔元件，设置在相邻电池单元之间，每个间隔元件包括至少一个绝缘层；以及从间隔元件延伸的一个或多个延伸部分，其中所述一个或多个延伸部分由热活化材料形成，其中所述一个或多个延伸部分偏转并在间隔元件与外壳之间形成密封。
在多个实施方案中，热活化材料包括形状记忆材料，例如形状记忆合金(例如，Al-Cu-Ni合金或Ni-Ti合金)。在多个实施方案中，热活化材料包括膨胀材料。而且，在一些实施方案中，热活化材料包括形状记忆材料和膨胀材料的组合。在多个实施方案中，当热活化(例如，一个或多个延伸部分偏转)时，所述一个或多个偏转延伸部分在电池模块内产生与电池模块的其余部分密封的区域(例如，密封区域A-A的外部区域)。在一些实施方案中，所述一个或多个延伸部分包括第一延伸部分和第二延伸部分；第一延伸部分在与第二延伸部分相反的方向上偏转。
另一方面，本申请提供一种电池模块，其包括：外壳，包括内表面且在内里包围内部空间；两个或更多个电池单元，设置在外壳的内部空间中；一个或多个间隔元件，设置在相邻电池单元之间，每个间隔元件包括至少一个绝缘层；从外壳的内表面延伸的一个或多个延伸部分，其中所述一个或多个延伸部分由热活化材料形成，其中所述一个或多个延伸部分偏转并在间隔元件与外壳之间形成密封。
在一个实施方案中，热活化材料为形状记忆材料，例如Ni-Ti合金。在一些实施方案中，热活化材料为形状记忆材料和膨胀材料的组合。例如，具有由膨胀材料形成的基部和由形状记忆材料形成的附接层或盖部的单元。在一个实施方案中，所述一个或多个间隔元件包括气凝胶(例如，至少一个绝缘层由气凝胶形成)。在实施方案中，所述一个或多个间隔元件可包括膨胀材料。例如，所述一个或多个间隔元件可由膨胀材料形成。在一些实施方案中，所述一个或多个间隔元件包括膨胀材料和气凝胶。
另一方面，本申请提供一种电池模块，其包括：外壳，其包括内表面且在内里包围内部空间；两个或更多个电池单元，设置在外壳的内部空间中；一个或多个间隔元件，设置在相邻电池单元之间，每个间隔元件包括至少一个绝缘层，所述绝缘层与至少一个包含形状记忆材料的热传导层物理接触；其中，所述至少一个传导层的形状记忆材料在热活化时发生缺陷，以在所述一个或多个间隔元件与所述两个或更多个电池单元中的至少一者之间形成间隙。
在一个实施方案中，形状记忆材料为镍钛诺(nitinol)。在一个实施方案中，形状记忆材料为板状(plate form)的。在另一个实施方案中，形状记忆材料分散在所述至少一个热传导层各处。在一个实施方案中，当热活化时，分散的形状记忆材料呈现膨胀弹簧形式。此方面的一些实施方案进一步包括与两个或更多个电池单元热接触的冷却系统。冷却系统可包括冷却板(cooling plate)。
另一方面，本申请提供一种包括根据上述任在一方面的电池模块的装置或车辆。在一些实施方案中、所述装置为笔记型电脑、PDA、移动电话、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、军用便携式电脑、军用电话、激光测距仪、数位通信装置、情报收集感测器、电子集成装备、夜视装置、电动工具、计算机、收音机、遥控装置、GPS装置、手持及便携式电视、汽车启动器、手电筒、声学装置、便携式加热装置、便携式吸尘器或便携式医疗工具。在一些实施方案中，车辆为电动车辆。
附图说明
已经如此概括地描述了本申请，现在将参考附图，这些附图不一定按比例绘制，且其中：
图1为锂离子电池的电化学电池的示意图。
图2为锂离子电池的充放电过程示意图。
图3示意性地绘示电池模块内的热失控滥用情况和热失控传播过程。
图4为电池中锂镀层上枝晶生长的示意图。
图5示意性绘示导致热失控过程的三个阶段。
图6示意性地绘示电池单元、电池模块和电池组。
图7示意性地绘示根据本文的某些实施方案的多层材料。
图8示意性地绘示根据本文的某些实施方案的多层材料。
图9A示意性地绘示根据本文所公开的实施方案使用作为电能储存系统中的热障的多层材料。
图9B示意性地绘示根据本文所公开的实施方案使用作为电能储存系统中的热障的另一种多层材料。
图9C示意性地绘示根据本文所公开的实施方案使用作为电能储存系统中的热障的多层材料。
图9D示意性地绘示根据本文所公开的实施方案使用作为电能储存系统中的热障的多层材料。
图9E示意性地绘示根据本文所公开的实施方案使用作为电能储存系统中的热障的多层材料。
图10为现有技术的电池模块的示意图。
图11A为具有扩展的间隔元件的电池模块的示意图；
图11B为具有扩展的间隔元件的电池模块的侧视图。
图12A为具有定位在突出通道中的间隔元件的电池模块的图。
图12B为具有定位在凹陷通道中的间隔元件的电池模块的图。
图13为电池模块的顶板的图。
图14为具有在间隔元件与外壳之间形成密封的边缘元件的电池模块的图。
图15为间隔元件与边缘元件之间的界面的放大图。
图16为间隔元件与盖部之间的界面的放大图。
图17为具有定位在盖部中的间隔元件的电池模块的替代配置的图。
图18A描绘具有夹在电池模块内的绝缘层之间的延伸的热容层或热传导层的间隔元件的实施方案。
图18B描绘图18A正在使用中的间隔元件。
图19A描绘在电池模块内具有延伸部分的间隔元件的实施方案。
图19B描绘图19A正在使用中的间隔元件。
图20A描绘具有延伸部分的间隔元件的替代实施方案。
图20B描绘图20A使用中的间隔元件。
图21A描绘可应用于本文所述的任何实施方案的延伸部分的修改。
图21B描绘图21A正在使用中的延伸部分。
图22描绘间隔元件的实施方案，所述间隔元件包括延伸超出电池单元尺寸至外壳的层。
图23描绘间隔元件或间隔元件的部分的实施方案，其可覆盖电池单元并且至少部分地将电池单元与其它电池单元隔离。
图24描绘一个实施方案，其中单独的边缘元件沿着外壳壁定位在靠近间隔元件的预期位置的位置处。
图25A描绘用于在定位间隔元件之前在间隔元件与外壳内部之间形成密封的边缘元件的实施方案。
图25B描绘在定位间隔元件之后图25A的边缘元件。
图26A为在热触发事件之前具有形状记忆边缘元件和膨胀边缘元件的电池模块的图。
图26B为图26A在热触发事件后的电池模块的示意图。
图26C为在热触发事件之前具有形状记忆单元的电池模块的图。
图26D为图26C在热触发事件后的电池模块的示意图。
图27A为在热触发事件之前的电池模块的图，其具有由形状记忆和膨胀材料的组合形成的间隔件/形状单元。
图27B为图27A在热触发事件后的电池模块的示意图。
图27C为在热触发事件之前具有形状记忆边缘元件和膨胀间隔元件的电池模块的图。
图27D为图27C在热触发事件后的电池模块的示意图。
图28A为在热触发事件之前的电池模块的一部分的图，包括夹在电池单元与热绝缘层之间的形状记忆板。
图28B为图28A在热触发事件后的电池模块的一部分的示意图。
图29A为在热触发事件的前电池模块的一部分的图，包括热传导层，所述热传导层包括分散在整个热传导层中的形状记忆材料单元。
图29B为图29A在热触发事件之后电池模块的一部分的示意图。
图29C为显示具有分散在各处的形状记忆材料单元的热传导层的俯视图。
具体实施方式
下述详细描述优选的实施方案，参考附图，所述附图形成所述实施方案的一部分，并且在附图中以举例说明的方式示出可实施本申请的具体实施方案。应当理解，在不脱离本申请范围的情况下，可运用其它实施方案并且可进行结构改变。
本申请针对多层材料和包括所述多层材料的系统，以管理能量储存系统中的热失控问题。示例性实施方案包括多层材料，所述多层材料包括至少一个绝缘层、至少一个可压缩垫及任选的一或多层的层，所述任选的一或多层的层具有良好的散热特性、具有良好的防火、阻燃和/或耐磨特性、具有良好的特性以使用作为热障。本申请进一步涉及包括具有一个或多个电池单元且放置成与电池单元热连通的多层热障材料的电池模块或电池组。
本文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。众所周知，气凝胶材料的热阻(thermal resistance)是其它常见类型绝缘材料(例如泡沫、玻璃纤维等)的2至6倍。气凝胶可增加有效的屏蔽和热绝缘效果，而不会显著增加绝缘材料的厚度或增加额外的重量。已知气凝胶是一类具有低密度、开孔结构、大表面积和纳米级孔径的结构。
多层材料和包含本申请根据本文所公开的实施方案的气凝胶组合物的多层材料提供了有利的可压缩性、压缩回弹性和柔顺性。当使用作为电池模块内的电池单元之间的热障时，多层材料可提供抗压缩变形的能力，以适应电池单元在电池充电/放电循环期间由于活性材料的降解和膨胀而导致的电池膨胀。
本申请进一步提供一种电池模块或电池组，其包括至少一个电池单元和本申请根据本文所公开的实施方案的多层材料，所述多层材料设置在电池单元上或电池模块上，例如，在至少一个电池单元的表面上或电池模块的表面。例如，电池模块或电池组具有内表面和外表面。在某些实施方案中，多层材料位于电池模块或电池组的内表面上。在某些实施方案中，多层材料位于电池模块或电池组的外表面上。
本申请的多层材料可具有各种独特构造，具有热学上及/或机械上良好特性的多于一层的层体以特定方式排列于所述独特构造中。图7绘示根据本文所公开实施方案的多层材料400。在一个实施方案中，使用作为电能储存系统中的热障的多层材料400包含核心部分700和外部部分600，所述核心部分700包括至少一绝缘层470和/或480和至少一热容层430、440及/或450的层状组件，所述绝缘层470和/或480和至少一热容层430、440及/或450沿垂直于其最大表面的方向交替堆积；外部部分600设置在核心部分700的外侧，外部部分600包括至少一个牺牲材料层和至少一个封装材料层420，所述牺牲材料层包括具有约1MPa至约12MPa的压缩模数的可压缩垫410及/或460，所述至少一个封装材料层420选自聚合物、弹性体或其组合，其中，热容层430、440和/或450具有至少约200J/(kg-K)的比热容(specific thermal capacity)，并且其中，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的通过所述绝缘层厚度维度的热导率。
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/或机械特性的不同材料制成。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由具有不同热和/或机械特性的不同材料制成。可压缩垫410和460也可由不同或相同的材料制成。
图8绘示根据本文所公开实施方案的多层材料500。在一个实施方案中，使用作为电能储存系统中的热障的多层材料400包括核心部分700和外部部分600，所述核心部分700包括至少一绝缘层470和/或480以及至少一个热传导层530、540和/或550的层状组件(layered assembly)，所述绝缘层470和/或480以及至少一个热传导层530、540和/或550沿垂直于其最大表面的方向交替堆积；所述外部部分600设置在核心部分700外侧，外部部分600包括至少一个牺牲材料层和至少一个封装材料层420，所述牺牲材料层包括具有约1MPa至约12MPa的压缩模数的可压缩垫410和/或460，所述至少一个封装材料层420选自聚合物、弹性体或其组合，其中，热传导层530、540和/或550具有至少约200mW/m-K的沿所述热传导层的平面内维度的热导率，并且其中，绝缘层470及/或480具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的通过所述绝缘层厚度维度的热导率。
在一些实施方案中，热传导层530、540和550由相同的材料制成。在一些实施方案中，热传导层530、540和550由具有不同热和/或机械特性的不同材料制成。
在一些实施方案中，封装材料层420夹在核心部分700与具有至少一个可压缩垫410和/或460的牺牲材料层之间，如图7和图8所示。在一些实施方案中，具有至少一个可压缩垫410和/或460的牺牲材料层夹在核心部分700与封装材料层420之间。
本申请根据本文所公开的实施方案的多层材料在未压缩状态下可具有约2mm至约10mm之间的范围内的平均厚度。当暴露于外部机械负载，例如在电池模块的初始组装期间施加到电池单元之间的材料的负载，例如1MPa或更低，多层材料的平均厚度可能减少。
在图9A所示的多层材料的示例性构造中，使用作为电能储存系统中的热障的多层材料800包括具有包括至少一个可压缩垫410和/或460的两侧的核心层及两个绝缘层470和480，所述至少一个可压缩垫410和/或460具有约1MPa至约12MPa的压缩模数(例如1.5MPa、2MPa、4MPa、5MPa、6MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa、11.5MPa)；所述两个绝缘层470和480具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的通过绝缘层厚度维度的热导率，其中，核心层夹在两个绝缘层470与480之间，其中，多层材料可选地封装在选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料420中。
在图9B所示的多层材料的示例性构造中，使用作为电能储存系统中的热障的多层材料810包括具有两侧的核心层以及两个绝缘层470和480，所述具有两侧的核心层包括一可压缩垫410或460和两个热传导层530、540和/或550，所述可压缩垫410或460具有约1MPa至约12MPa的压缩模数；所述两个绝缘层470和480具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的通过所述绝缘层厚度维度的热导率，其中，核心层夹在两个绝缘层470与480之间，其中所述至少一个热传导层具有至少约200mW/m-K的平面内热导率，并且其中，所述多层材料可选地封装在选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料420中。
如图9C所示的示例性实施方案中，使用作为电能储存系统中的热障的多层材料820包括具有两侧的核心层以及两个绝缘层470和480，所述具有两侧的核心层包括一可压缩垫410或460以及两热容层430、440和/或450，所述可压缩垫410或460具有约1MPa至约12MPa的压缩模数；所述两个绝缘层470和480具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的通过所述绝缘层厚度维度的热导率，其中，所述核心层夹在所述两个绝缘层470与480之间，其中，至少一热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容，并且其中，所述多层材料可选地封装在选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料420中。
如图9D所示的示例性实施方案中，使用作为电能储存系统中的热障的多层材料830包括具有两侧的核心层以及两个绝缘层470和480，所述核心层包括一个可压缩垫410或460以及两热容层430、440和/或450，所述可压缩垫410或460具有约1MPa至约12MPa的压缩模数；所述两个绝缘层470和480具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的通过所述绝缘层的厚度维度的热导率，其中核心层被两绝缘层470和480夹在中间，其中，至少一热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容，其中，所述多层材料可选地封装在选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料420中，并且其中，多层材料830进一步包括两个热容层430、440及/或450，其中，每个热容层430、440和/或450设置在每个绝缘层470及480的外表面上。
在图9E所示的多层材料的示例性构造中，使用作为电能储存系统中的热障的多层材料840包括具有两侧的核心层以及两个绝缘层470和480，所述核心层包括两个可压缩垫410和460以及一个热容层430、440或450，所述两个可压缩垫410和460具有约1MPa至约12MPa的压缩模数；所述两个绝缘层470和480具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的通过所述绝缘层的厚度维度的热导率，其中，所述核心层夹在两个绝缘层470和480之间，其中，热容层具有至少约200J/(kg-K)的比热容，其中，所述多层材料可选地封装在选自聚合物、弹性体或其组合的至少一者的封装材料420中，并且热容层夹在两个可压缩垫410与460之间。
绝缘层
本申请的多层材料的绝缘层负责可靠地控制小空间内发热部件的热流，并为电子、工业和汽车技术领域的此类产品提供安全性并防止火焰传播。具有优异压缩特性的绝缘层可用于满足这些需求。在本申请的许多实施方案中，绝缘层本身或与多层材料的其它层组合也用作防燃/防火层。例如绝缘层，气凝胶层与阻燃层(例如金属层或云母层)结合，可为下面的层提供保护，使其免受火焰及/或热气体以及夹带颗粒材料的火焰/热气体的影响，例如在热失控事件期间可能从LIB中弹出的材料。另一个示例，绝缘层本身可抵抗火焰和/或热气体以及夹带颗粒材料的火焰/热气体。绝缘层如云母、微孔二氧化硅、气凝胶与阻燃层结合可用作防燃/防火层。包括气凝胶的绝缘层，例如本文所公开实施方案中，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。
气凝胶是一类具有开孔的多孔材料，其包括互连结构的框架，具有集成在框架内的相应孔隙网络，以及主要由气体如空气组成的孔隙网络内的间隙相。气凝胶的典型特征为低密度、高孔隙率、大表面积和小孔径。气凝胶可通过其物理和结构特性与其它多孔材料区分开来。
因此，在一些实施方案中，本申请的多层材料的绝缘层包含气凝胶。在一些实施方案中，绝缘层还可包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉及其组合的材料组成的组。在某些情况下，绝缘层缺少气凝胶。在一些实施方案中，绝缘层可包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉及其组合的材料组成的组。
在某些实施方案中，本申请的绝缘层具有在25℃下约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、或这些值的任两者间的范围内的通过所述绝缘层厚度维度的热导率。在某些实施方案中，本申请的绝缘层具有在600℃下约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、或介于这些值的任两者间的范围内的通过所述绝缘层厚度维度的热导率。
本申请的绝缘层(例如包括气凝胶的绝缘层)能在高达约5MPa的负载下保持或增加少量的热导率(通常以mW/m-k为单位测量)。在某些实施方案中，本申请的绝缘层具有约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、或这些值的任两者间的范围内的通过所述绝缘层厚度维度的热导率。气凝胶绝缘层的厚度可由于气凝胶绝缘层所承受的负载而会减少。例如，气凝胶绝缘层的厚度可在约0.50MPa至5MPa范围内的负载下减少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、或介于这些值的任两者间的范围内。虽然包括气凝胶的绝缘层的热阻可随着厚度的减少而减少，但是热导率可保持或少量增加。
在某些实施方案中，本申请的绝缘层可具有约750cal/g或更低、约717cal/g或更低、约700cal/g或更低、约650cal/g或更低、约600cal/g或更低、约575cal/g或更低、约550cal/g或更低、约500cal/g或更低、约450cal/g或更低、约400cal/g或更低、约350cal/g或更低、约300cal/g或更低、约250cal/g或更低、约200cal/g或更低、约150cal/g或更低、约100cal/g或更低、约50cal/g或更低、约25cal/g或更低、约10cal/g或更低、或介于这些值的任两者间的范围内的燃烧热。相对于另一绝缘层具有改进的燃烧热的绝缘层将相对于参考绝缘层具有较低的燃烧热值。在本申请的某些实施方案中，通过将防火级添加剂结合到绝缘层中，改进绝缘层的HOC。
在某些实施方案中，本申请的绝缘层具有约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、或介于这些值的任两者间的范围内的热分解始点。在本申请的上下文中，例如，第一组合物具有的热分解始点高于第二组合物热分解始点，将被认为是第一组合物相对于第二组合物的改进。本文预期，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始点开始增加。
术语“弯曲模量”或“弯曲弹性模量”为当垂直于样品的长边施加力时材料刚度/抗弯曲性的量度-称为三点弯曲试验。弯曲模量表示材料弯曲的能力。弯曲模量由应力-应变曲线的初始直线部分的斜率表示，并通过将应力的变化除以相应的应变变化来计算。因此，应力应变比是弯曲模量的量度。弯曲模量的国际标准单位是帕(Pa或N/m2或m-1.kg.s-2)。实际使用的单位为兆帕(MPa或N/mm2)或千兆帕(GPa或kN/mm2)。在美国惯用单位中，其表示成磅(力)每平方英寸(psi)。在某些实施方案中，本申请的绝缘层具有约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，本申请的绝缘层(例如气凝胶)具有约2MPa至约8MPa的弯曲模量。
如上所述，为了容纳电池单元寿命周期期间的电池单元膨胀，电池或电池模块和电池组之间的材料的压缩和弹性特性是重要的。在某些实施方案中，绝缘层或包括绝缘层的多层材料：(i)可压缩其原始或未压缩厚度的至少50％、优选地至少65％、最优选地至少80％，且(ii)具有充分回弹性使其在压缩几秒钟后将恢复到其原始或未压缩厚度的至少70％、优选地至少75％、最优选地至少80％。
某些实施方案中，绝缘层(例如，包括气凝胶的层体)、包括绝缘层的多层材料的可压缩成分、或多层材料整体的压缩模量为约1MPa、约2MPa、约3MPa、约4MPa、约5MPa、约6MPa、约7MPa、约8MPa、约9MPa、约10MPa、约11MPa、约12MPa或介于这些值的任两者间的范围内。
气凝胶
本申请的气凝胶可为有机物、无机物或其混合物。在一些实施方案中，气凝胶包括二氧化硅基气凝胶。包括气凝胶的多层材料的绝缘层进一步包括增强材料。增强材料可以是提供气凝胶材料回弹性(resilience)、适形性或结构稳定性的任何材料。众所周知的增强材料的示例包括但不限于开孔巨孔骨架增强材料，闭孔巨孔骨架增强材料、开孔膜、蜂窝增强材料、聚合物增强材料和纤维增强材料、例如离散的纤维、机织材料、非织造材料、针刺非织造布、棉絮、纤网、垫子和毡。
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。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，增强材料可包括多层材料的增强材料。例如，所述多层材料可接合(bonded)在一起。在示例性实施方案中，多层中的至少一层可包括第一材料，并且多层中的至少一个其它层可包括第二材料。第一材料和第二材料可具有相同或不同的材料特性。例如，第一材料可较第二材料为更可压缩的。另例如，第一材料可包括闭孔单元且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，最常见的是由互连的低聚物、聚合物或胶体颗粒组成。气凝胶骨架可由一系列前体材料制成，其包括：无机前体材料(例如用于生产二氧化硅基气凝胶的前体)；有机前体材料(用于生产碳基气凝胶的前体)；混合无机/有机前体材料；及其组合。在本申请的上下文中，术语“汞合金气凝胶(amalgam aerogel)”是指由两种或更多种不同凝胶前体的组合产生的气凝胶；相应的前体被称为“合金前体”。
无机气凝胶
无机气凝胶一般由金属氧化物或金属烷氧化物材料形成。金属氧化物或金属烷氧化物材料可基于可形成氧化物的任何金属的氧化物或烷氧化物。这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是经由二氧化硅基烷氧化物(例如四乙氧基硅烷)的水解和缩合、或经由硅酸或水玻璃的凝胶化而制成的。用于二氧化硅基气凝胶合成的其它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、四正丙氧基硅烷、四正丙氧基硅烷的部分水解及/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。
在本申请的某些实施方案中，预水解的TEOS，例如以约1.9至2的水/二氧化硅比例水解的Silbond H-5(SBH5，Silbond Corp)，可作为市售品使用或者可在加入胶凝过程之前进一步水解。部分水解的TEOS或TMOS，例如聚硅酸乙酯(Silbond 40)或聚硅酸甲酯也可作为市售品使用，或可在掺入胶凝过程之前进一步水解。
无机气凝胶还可包括包含至少一疏水基团的凝胶前体，例如烷基金属烷氧化物、环烷基金属烷氧化物和芳基金属烷氧化物，其可赋予或改善凝胶的某些特性，例如稳定性和疏水性。无机二氧化硅气凝胶可具体地包括疏水前体，例如烷基硅烷或芳基硅烷。疏水凝胶前体可用作主要前体材料以形成凝胶材料的框架。然而，疏水性凝胶前体更常用作与简单金属烷氧化物结合形成汞合金气凝胶的共前体。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。可使用任何上述前体的任何衍生物，且具体地可将其它化学基团的某些聚合物添加或交联至上述前体中的一者或多者。
气凝胶也可加以处理以赋予或改善疏水性。疏水处理可应用于溶胶-凝胶溶液、液体萃取前的湿凝胶或液体萃取后的气凝胶。疏水处理在金属氧化物气凝胶的生产中尤其常见，例如二氧化硅气凝胶。以下更详细地讨论凝胶的疏水处理的一个示例，特别是在处理二氧化硅湿凝胶的情况下。然而，本申请提供的具体示例和说明并不旨在将本申请的范围限制为任何特定类型的疏水处理程序或气凝胶基材。本申请可包括本领域技术人员已知的任何凝胶或气凝胶，以及以湿凝胶形式或干气凝胶形式对气凝胶进行疏水处理的相关方法。
通过使凝胶上的羟基部分，例如存在于硅胶骨架上的硅烷醇基团(Si-OH)与疏水剂的官能团反应来进行疏水处理。所得反应将硅烷醇基团和疏水剂转化为硅胶骨架上的疏水基团。按照下述反应，疏水剂化合物可与凝胶上的羟基反应：RNMX4-N(疏水剂)+MOH(硅烷醇)→MOMRN(疏水基团)+HX。疏水处理既可在硅胶的外部宏观表面上进行，也可在凝胶的多孔网络内的内孔表面上进行。
凝胶可浸入疏水剂和疏水剂可溶于其中的选择性疏水处理溶剂的混合物中，且疏水处理溶剂还可与湿凝胶中的凝胶溶剂混溶。可使用范围广泛的疏水处理溶剂，包括如甲醇、乙醇、异丙醇、二甲苯、甲苯、苯、二甲基甲酰胺和己烷的溶剂。液体或气体形式的疏水剂也可直接与凝胶接触以赋予疏水性。
疏水处理工艺可包括混合或搅拌以帮助疏水剂渗透湿凝胶。疏水处理工艺还可包括改变诸如温度和pH的其它条件，以进一步增强和优化处理反应。反应完成后，洗涤湿凝胶以去除未反应的化合物和反应副产物。
气凝胶疏水处理的疏水剂通常为下式化合物：RNMX4-N；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，环烷基或芳基部分体；X为卤素，通常为Cl。疏水剂的具体实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。也可以是下式的疏水剂：Y(R3M)2；其中，M为金属；Y为桥接基团，例如NH或O；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。这类疏水剂的具体实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下式化合物：RNMV4-N，其中，V为卤素以外的反应性或离去基团。这类疏水剂的具体实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。
本申请的疏水处理也可在凝胶中的液体的移除、交换或干燥期间进行。在一个具体实施方案中，疏水处理可在超临界流体环境(例如但不限于超临界流体二氧化碳)中进行，并且可与干燥或萃取步骤组合。
有机气凝胶
气凝胶通常由碳基聚合物前体形成。此类聚合物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、聚丁二烷、三烷氧基甲硅烷基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(polyhydroxybenze)、聚乙烯醇二醛、聚氰脲酸酯、聚丙烯酰胺、各种环氧树脂、琼脂、琼脂糖、壳聚糖及其组合。作为一个示例子，有机RF气凝胶通常由间苯二酚或三聚氰胺与甲醛在碱性条件下的溶胶-凝胶聚合制成。
有机/无机混合气凝胶
有机/无机混合气凝胶主要由有机改性二氧化硅(organically modifiedsilica；ormosil))气凝胶构成。这些有机-无机硅氧烷材料包括与二氧化硅网络共价键合的有机成分。有机-无机硅氧烷通常通过有机改性水解和缩合形成的硅烷R-Si(OX)3与传统的烷氧化物前体Y(OX)4。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；且R可以是诸如甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、乙烯基、环氧化物等的任何有机片段。有机改性二氧化硅气凝胶中的有机成分也可分散在整个二氧化硅网络中或键结至二氧化硅网络化学。
在某些实施方案中，本申请的气凝胶为主要由预聚合的二氧化硅前体形成的无机二氧化硅气凝胶，优选地为低聚物，或由醇溶剂中的硅烷氧化物形成的水解硅酸酯。在某些实施方案中，此类预聚合二氧化硅前体或水解硅酸酯可由其它前体或硅酸酯例如烷氧基硅烷或水玻璃原位形成。然而，本申请作为一个整体可用本领域技术人员已知的任何其它气凝胶组合物来实施，并且不限于任何一种前体材料或前体材料的汞合金混合物。
大孔(Macropores)
如上所述，本申请根据本文所公开的实施方案的气凝胶组合物可包括包括大孔的气凝胶框架。不受任何特定操作理论的束缚，气凝胶框架内的大孔的存在可允许压缩气凝胶组合物，例如增强气凝胶组合物，同时保持或甚至改善热特性，例如降低热导率。例如，大孔可通过压缩组合物而变形、压碎或以其它方式减小尺寸、从而允许组合物的厚度在负载下减小。然而，随着大孔变形，其实际上变成更小的孔。因此，当大孔变形时，气凝胶框架内的热传导路径可能会更加曲折，从而改善热特性，例如降低热导率。在本申请的上下文中，“中孔(mesopores)”为平均孔径在约2nm至约50nm的范围内的孔。气凝胶框架通常是中孔性的(即主要含有具有范围从约2nm至约50nm的平均直径的孔)。在某些实施方案中，本申请的气凝胶组合物的气凝胶框架可包括大孔。在本申请的上下文中，“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，气凝胶骨架的至少10％的孔体积可由大孔构成，气凝胶骨架的至少5％的孔体积可由大孔构成、至少75％的气凝胶骨架的孔体积可由大孔构成、至少95％的孔体积可由大孔构成、或者气凝胶骨架的孔体积的100％可由大孔构成。在一些特定实施方案中，气凝胶骨架可为大孔性气凝胶骨架，使得其大部分孔体积由大孔组成。在一些情况下，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，气凝胶骨架中孔的平均孔尺寸(直径)可以是大于50nm，大于50nm至5000nm、250nm至2000nm、500nm至2000nm、500nm至1400nm或12000nm。在某些实施方案中，平均尺寸的直径可以是大于50nm，大于50nm至1000nm，优选100nm至800nm，更优选250nm至750nm。
均质和异质的孔尺寸分布
在一些实施方案中，气凝胶框架内的孔尺寸变化可通过气凝胶框架均质地分布。例如，整个气凝胶框架的平均孔尺寸可基本相同。
在其它实施方案中，气凝胶框架内的孔尺寸变化可通过气凝胶框架异质地分布。例如，气凝胶框架在某些区域中的平均孔尺寸可以不同。在一些示例性实施方案中，在气凝胶框架的上表面、下表面或上表面和下表面两者的区域中平均孔尺寸可较大。例如，大孔可分布在组合物中，使得大孔与中孔的比例在上表面大于在下表面，在下表面大于在上表面、或者在上表面和下表面两者均大于在上表面与下表面之间的中间区域。另例如，大孔可分布在组合物中，使得大孔与中孔的比例在上表面附近大于在下表面附近，在下表面附近大于在上表面附近，或者在上表面和下表面两者均大于在上表面与下表面之间的中间区域。在其它实施方案中，平均孔尺寸在气凝胶框架的上表面与下表面之间的中间区域可更大。
大孔形成
在气凝胶组合物的产生期间可形成大孔。例如，在过渡到凝胶组合物的期间，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自旋分解，例如凝胶前体溶液。另例如，大孔的形成可通过添加一种或多种发泡剂来诱发。
存在于所得气凝胶框架中的大孔可通过选择相对于中孔及/或微孔有利于形成大孔的加工条件来形成。可通过实施以下变量中的任何一种，任何组合或全部来调节大孔的量：(1)聚合溶剂；(2)聚合温度；(3)聚合物分子量；(4)分子量分布；(5)共聚物组合物；(6)分枝的量；(7)交联的量；(8)分枝的方法；(9)交联的方法；(10)凝胶形成所使用的方法；(11)用于形成凝胶的催化剂类型；(12)用于形成凝胶的催化剂的化学成分；(13)用于形成凝胶的催化剂的量；(14)凝胶形成的温度；(15)凝胶形成期间中流过材料的气体类型；(16)凝胶形成期间气体流过材料的速率；(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存在的固体添加剂；(20)凝胶形成期间的时间量；(21)用于凝胶形成的基材；(22)溶剂交换工艺的每个步骤中所使用的溶剂类型；(23)溶剂交换工艺各步骤中所使用的溶剂组合物；(24)溶剂交换工艺各步骤所用时间；(25)溶剂交换工艺各步骤中部件的停留时间；(26)溶剂交换溶剂的流速；(27)溶剂交换溶剂的流动方式；(28)溶剂交换溶剂的搅拌速度；(29)溶剂交换工艺各步骤所使用的温度；(30)溶剂交换溶剂的体积对部份的体积的比例；(31)干燥方法；(32)干燥工艺中各步骤的温度；(33)干燥工艺各步骤的压力；(34)干燥工艺各步骤所使用的气体组合物；(35)干燥工艺中每个步骤的气体流速；(36)干燥工艺各步骤期间的气体温度；(37)干燥工艺各步骤期间部件的温度；(38)干燥工艺各步骤期间部件周围外壳的存在；(39)干燥期间围绕部件的外壳类型；和/或(40)在干燥工艺各步骤中所使用的溶剂。多官能胺和二胺化合物可以固体、纯的或溶解在合适溶剂中的形式单独或以一份或多份一起加入。在其它方面中，制备气凝胶的方法可包括以下步骤：(a)提供多官能胺化合物和至少一种二胺化合物至溶剂以形成溶液；(b)在足以形成枝化聚合物基质溶液的条件下向步骤(a)的溶液中提供至少一种二酐化合物，其中，枝化聚合物基质溶解在溶液中；(c)使枝化聚合物基质溶液经受足以形成具有开孔结构的气凝胶的条件。存在于所得气凝胶骨架中的大孔可上述方式形成。在一个优选且非限制性的方面，通过控制凝胶形成期间的聚合物/溶剂动力学可根本上地控制大孔相对于较小中孔和微孔的形成。
如上所述，本申请根据本文所公开的实施方案的气凝胶组合物可包括气凝胶骨架和增强材料，其中至少一部分增强材料不包含气凝胶。例如，气凝胶框架可部分地延伸通过增强材料的厚度。在这样的实施方案中，增强材料的一部分，例如OCMF、纤维或其组合，可包括气凝胶材料并且一部分可不含气凝胶。例如，在一些实施方案中，气凝胶延伸通过增强材料的约90％的厚度、通过约50％和约90％的增强材料的范围的厚度、通过约10％至约50％增强材料的范围的厚度、或通过增强材料的约10％的厚度。
不受任何特定操作理论的束缚，其中至少一部分增强材料不包含气凝胶的气凝胶组合物可提供有利的可压缩性、压缩回弹性和柔顺性。例如，可选择增强材料的特性以在包含气凝胶的区域中为热特性提供足够的增强和支持，并且还可在没有气凝胶的区域中提供足够的可压缩性、压缩弹性及/或柔顺性。增强气凝胶组合物的含气凝胶部分可提供所需的热导率，例如小于约25mW/m*K，而不含气凝胶的增强部分可提供或改善所需的物理特性，例如可压缩性。
在一些实施方案中，其中至少一部分增强材料不包含气凝胶的增强气凝胶组合物可使用本申请公开的方法形成，其中增强材料与一定量的前体溶液结合，所述一定量为足以部分填充增强材料的前体溶液。例如，前体的体积可小于增强材料的体积，使得前体仅部分地延伸穿过增强层。当干燥时，所得增强气凝胶组合物将包括气凝胶框架，其延伸通过小于增强材料的整个厚度，如上所述。在其它实施方案中，其中至少一部分增强材料不含气凝胶的增强气凝胶组合物可通过从增强气凝胶组合物中去除表面气凝胶层来形成。
在一些实施方案中，其中至少一部分增强材料不包含气凝胶的增强气凝胶组合物可使用具有贯穿增强层厚度的混合特性的增强材料形成。例如，增强层可包括多层，每个层具有不同的特性，例如平均孔/单元尺寸(average pore/cell size)、材料组合物、闭合单元(closed cells)、开放单元(open cells)、表面处理或其组合的差异。所述多层可例如使用粘合剂，通过火焰黏合或通过诸如本申请讨论的那些的其它合适的方法或机制彼此粘合。增强材料的不同特性可提供通过层的不同分布的气凝胶。例如，增强材料的开孔部分可包括气凝胶框架，而闭孔部分基本上保持不含气凝胶。类似地，增强材料或所述层的其它材料特性可确定气凝胶在增强层内的分布，从而确定在增强气凝胶组合物中的分布。
在一些示例性实施方案中，其中至少一部分增强材料不包含气凝胶的增强气凝胶组合物可使用本文所公开的方法形成，其中增强材料或层或增强材料的性质控制或影响填充所述材料或层的前体溶液的量，例如，在浇铸过程中，以便为增强材料提供前体溶液的部分填充。例如，增强层的一层可具有开放单元，而增强层的另一层可具有闭合单元。当前体溶液与这种增强层结合时，凝胶前体溶液可渗入所述层的开放单元，而基本上不渗入另一层的闭合单元。当这种组合物干燥时，所得增强气凝胶组合物可包括不包含气凝胶的部分，例如闭合单元层，而另一部分，例如开孔层，含有气凝胶。
在一些实施方案中，本文所公开的添加剂(例如，吸热添加剂，遮光添加剂，防火级添加剂或其它添加剂)可不均匀地分散在增强气凝胶组合物中。例如，添加剂材料可随着气凝胶组合物的厚度或沿长度及/或宽度变化。例如，添加剂可积聚在气凝胶组合物的一侧。在一些实施方案中，添加剂材料可集中在气凝胶复合材料的一层中或作为单独的层提供，所述单独的层基本上由与复合材料相邻或附着的添加剂组成。例如，热控制构件可包括基本上由吸热材料组成的层，例如石膏、碳酸氢钠、氧化镁基水泥。在进一步的示例性实施方案中，气凝胶组合物还可包括至少一附加材料，或者在组合物中或者作为饰面层。例如，所述层可选自由聚合物片材、金属片材、纤维片材、高度取向的石墨材料例如热解石墨片材和织物片材所组成的组的层。在一些实施方案中，饰面层可通过选自由气溶胶粘合剂、聚氨酯基粘合剂、丙烯酸酯粘合剂、热熔粘合剂、环氧树脂、橡胶树脂粘合剂、聚氨酯复合粘合剂及其组合所组成的组的粘合剂机制附接至组合物。在一些实施方案中，饰面层可通过非粘合机制附接至组合物，例如，通过选自由火焰粘合、针刺、缝合、密封袋、铆钉、钮扣、夹子、包裹物、支架及其组合所组成的组的机制。在一些实施方案中，任何上述粘合剂和非粘合剂机制的组合可用于将饰面层附接至组合物。
粉状气凝胶组合物
如本文所讨论，气凝胶组合物或复合材料可包括将气凝胶微粒(particulates)、粒子(particles)、颗粒(granules)、珠子或粉末结合到固体或半固体材料中的材料，例如与粘合剂如粘合剂、树脂、水泥、泡沫、聚合物或类似的固体或固化材料一起使用。例如，气凝胶组合物可包括增强材料、气凝胶颗粒和任选的粘合剂。在示例性实施方案中，可提供包含气凝胶颗粒和至少一种类型的润湿剂的浆液。例如，可用至少一种润湿剂，例如表面活性剂或分散剂来涂覆或润湿气凝胶颗粒。气凝胶颗粒可被完全润湿、部分润湿(例如表面润湿)或存在于浆液中。优选的润湿剂能够挥发以允许适当地恢复疏水气凝胶颗粒的疏水性。如果润湿剂保留在气凝胶颗粒的表面上，则剩余的润湿剂会有助于复合材料的整体热传导性。因此，优选的润湿剂为一种可去除的润湿剂，例如通过挥发、有或没有分解或其它方式。通常，可使用与气凝胶相容的任何润湿剂。
润湿剂
涂有润湿剂的浆料或气凝胶可用作将疏水性气凝胶轻松引入各种材料的方法，例如其它含水流体、浆料、粘合剂、粘合剂材料、这些材料可任选地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、针刺非织造布、棉絮、纤网、垫子、毡、及其组合。用至少一种润湿剂润湿的气凝胶或含有用至少一种润湿剂的气凝胶的浆液允许疏水性气凝胶的容易引入和均匀分布。湿法成网步骤，例如在美国专利号9,399,864、8,021,583、7,635,411和5,399,422(各案以其全文通过参考并入本申请文)，使用水性浆料来分散气凝胶颗粒，纤维和其它添加剂。然后可将浆料脱水以形成气凝胶颗粒、纤维和添加剂层、其可被干燥并任选地压延以产生气凝胶复合材料。
气凝胶颗粒和添加剂
在其它实施方案中，气凝胶组合物可包含气凝胶颗粒、至少一种无机基质材料和任选的纤维、辅助材料、添加剂和其它无机粘合剂。在一些实施方案中，无机基质材料可包括页硅酸盐，例如天然存在的页硅酸盐、例如高岭土、粘土或膨润土、合成的页硅酸盐，例如天然硅酸钠或斜水硅钠石或其混合物。可烧制或不烧制页硅酸盐，例如，以干燥材料并驱除结晶水。在一些实施方案中，无机基质材料还可包括无机粘合剂，例如水泥、石灰、石膏或其合适的混合物，与页硅酸盐组合。在一些实施方案中，无机基质材料还可包括本申请公开的其它无机添加剂，例如防火级添加剂，遮光剂或其组合。包括无机基质材料的示例性方法和气凝胶组合物公开于美国专利号6,143,400、6,083,619(通过引用将其各自整体并入本申请)。在一些实施方案中，气凝胶组合物可包括涂敷或吸附在织造材料、非织造材料、针刺非织造材料、棉絮、网、垫、毡、及其组合的气凝胶颗粒。粘合剂可包含在组合物中。还可包括如本申请所公开的添加剂，例如防火级添加剂，遮光剂或其组合。在美国专利公开号2019/0264381A1公开示例性的方法和在织物上涂覆或吸收到织物中的气凝胶组合物(通过参考整体并入本申请)。
如本申请文所讨论，气凝胶复合材料可与其它材料层压或贴面，例如饰面材料的增强层。在一个实施方案中，本申请提供了一种多层层压材料，其包括至少一包含增强气凝胶组合物的基底层和至少一饰面层。在一个实施方案中，饰面层包括增强材料。在一个实施方案中，增强气凝胶组合物用纤维增强层或开孔泡沫增强层增强。在一个实施方案中，本申请提供了一种多层层压材料，其包括包含增强气凝胶组合物的基底层和至少两个包含增强材料的饰面层，其中，两个饰面层位于基底层的相对表面上。例如，可根据美国专利申请公开号2007/0173157描述的方法和材料来生产多层气凝胶层压复合材料。
饰面层可包含有助于为最终复合结构提供特定特性的材料，例如提高柔韧性或减少粉尘。饰面材料可为刚性的或柔性的。饰面材料可包括导电层或反射箔。例如，饰面材料可包括金属或金属化材料。饰面材料可包括无纺布材料。饰面层可设置在复合结构或形成复合结构的增强气凝胶复合材料(例如热控制构件)的表面上。饰面层可在复合结构或形成复合结构的增强气凝胶复合材料(例如热控制构件)周围形成连续涂层或袋。在一些实施方案中，一个或多饰面层可封装复合结构或形成复合结构的增强气凝胶复合材料。
在一个实施方案中，饰面层包括围绕复合结构的聚合物片材；更具体地，包括聚酯、聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、芳族聚酰胺的聚合物材料；更具体地说，聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、低密度聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚(4-甲基-戊烷)、聚四氟乙烯、聚(1-丁烯)、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氟乙烯、聚乙烯丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚苯砜、三乙酸纤维素、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚己内酰胺、聚己二酰己二胺、聚十一烷酰胺、聚酰亚胺或其组合。在一个实施方案中，聚合物片材包括膨胀聚合物材料或基本上由膨胀聚合物材料组成；更具体地，膨胀聚合物材料包括聚四氟乙烯(ePTFE)、膨胀聚丙烯(ePP)、膨胀聚乙烯(ePE)、膨胀聚苯乙烯(ePS)或其组合。在一个优选实施方案中，饰面材料基本上由膨胀聚合物材料组成。在一个实施方案中，聚合物片材包含或基本上由微孔聚合物材料组成，其中孔径范围为0.1μm至210μm、0.1μm至115μm、0.1μm至15μm或0.1μm至0.6μm。
在一个实施方案中，饰面层材料包括或基本上由含氟聚合物材料组成。在本申请的上下文中，术语“含氟聚合物(fluoropolymeric)”或“含氟聚合物材料”是指主要由聚合碳氟化合物组成的材料。合适的含氟聚合物饰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中描述的微孔PTFE，以及膨胀PTFE(ePTFE)，例如(可从W.L.Gore获得)；聚氟乙烯(PVF)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；全氟烷氧基(PFA)；氟化乙烯丙烯(FEP)；聚三氟氯乙烯(PCTFE)；乙烯四氟乙烯(ETFE)；聚偏二氟乙烯(PVDF)；乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)；及其组合。在一个优选实施方案中，饰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，饰面材料基本上由膨胀PTFE(ePTFE)材料组成。
在一个实施方案中，饰面层材料包括或基本上由非含氟聚合物材料组成。在本申请的上下文中，术语“非含氟聚合物”或“非含氟聚合物材料”是指不包括含氟聚合物材料的材料。合适的非含氟聚合物饰面层材料包括但不限于：镀铝聚酯薄膜；低密度聚乙烯，例如(可从DuPont获得)；橡胶或橡胶复合材料；非织造材料，弹性纤维，如氨纶、尼龙、莱卡或弹性纤维；及其组合。在一个实施方案中，饰面材料为柔性饰面材料。
在一些实施方案中，饰面层材料可包括汽车树脂和聚合物，例如最高使用温度高达约100℃、高达约120℃或高达约150℃。例如，饰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，根据本申请公开的实施方案的气凝胶复合材料和热控制构件可包括汽车树脂或汽车聚合物层、金属或金属化层和气凝胶层。
饰面层可通过使用适合于将无机或有机饰面材料固定到基底层的增强材料上的粘合剂附接至基底层。可用于本申请的粘合剂的示例包括但不限于：水泥基粘合剂、硅酸钠、胶乳、压敏粘合剂、硅树脂、聚苯乙烯、气溶胶粘合剂、聚氨酯、丙烯酸酯粘合剂、热熔粘合系统、可从3M采购的粘合系统、环氧树脂、橡胶树脂粘合剂、聚氨酯粘合剂混合物，例如美国专利号4,532,316中所描述。
饰面层也可通过使用非粘性材料或适用于将无机或有机饰面层材料固定到基底层的增强材料上的技术附接至基底层。可用于本申请的非粘性材料或技术性示例包括但不限于：热封、超声波缝合、RF密封、缝合或穿线、针刺、密封袋、铆钉或钮扣、夹子、包裹物或其它非粘性层压材料。
在气凝胶复合材料生产的任何阶段，饰面层可附接至基底层。在一个实施方案中，在将溶胶凝胶溶液注入基础增强材料中之后但在凝胶化之前，将饰面层附接至基底层。在另一个实施方案中，在将溶胶凝胶溶液注入到基础增强材料中之后和随后的凝胶化之后，但在老化或干燥凝胶材料之前，将饰面层附接至基底层。在又一个实施方案中，饰面层在凝胶材料老化和干燥后附着到基底层上。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，将饰面层附接至基底层的增强材料。饰面层可为固体和流体不可渗透的。饰面层可为多孔的和流体可渗透的。在一个优选实施方案中，饰面层为多孔的和流体可渗透的，并且包含直径足够大以允许流体通过饰面材料扩散的孔洞或缝隙。在另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中之前，将饰面层附接至基底层的增强材料，其中，饰面层是多孔的且流体可渗透的，并且包含直径较大的孔洞或缝隙足以让流体扩散通过饰面材料。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，将饰面层附接至开孔泡沫增强材料，其中，饰面层是多孔的且流体可渗透的，并且包含具有直径的孔洞或缝隙大到足以让流体扩散通过饰面材料。
遮光剂
气凝胶组合物可包含遮光剂以减少热传递的辐射成分。在凝胶形成之前的任何时间，遮光化合物或其前体可分散到包含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、氧化铁钛、氧化铝、硅酸锆、氧化锆、氧化铁(II)、氧化铁(III)、二氧化锰、氧化钛铁(钛铁矿)、氧化铬、碳化物(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，用作添加剂的不透明化合物可不包括碳化硅的晶须或纤维。当气凝胶组合物意欲用于电子装置中时，例如在电池中作为阻隔层或其它相关应用，包含遮光剂的组合物可理想地具有高介电强度和高体积电阻率和表面电阻率。在这样的实施方案中，用作遮光剂的碳添加剂可为不导电的或被改性以降低导电性。例如，遮光剂可被表面氧化以降低导电性。在一些实施方案中，具有固有导电性的碳质添加剂可用作意欲用于电子装置的气凝胶组合物中的遮光剂。在这样的实施方案中，导电碳质添加剂可以低于渗透阈值的浓度使用，从而提供具有合适介电强度的组合物以用于电子装置中。
防火级添加剂
气凝胶组合物可包含一种或多种防火级添加剂。在本申请的上下文中，术语“防火级添加剂(fire-class additive)”是指在对火反应的背景下具有吸热效力且可掺入气凝胶组合物中的材料。此外，在某些实施方案中，防火级添加剂的吸热分解起始时间(ED)比存在防火级添加剂的气凝胶组合物的热分解起始时间(Td)高不超过100℃并且在某些实施方案中，还有比其中存在防火级添加剂的气凝胶组合物的Td低不超过50℃的ED。也就是说，防火类添加剂的ED范围为(Td-50℃)至(Td+100℃)：
在与溶胶(例如，以现有技术中理解的各种方式由硅酸烷基酯或水玻璃制备的硅溶胶)掺入或混合之前，同时或甚至之后，防火类添加剂可与其混合否则分散到包括乙醇和任选高达10％vol.的水的介质中。可根据需要混合及/或搅拌混合物以实现添加剂在介质中的基本均匀分散。不受理论的束缚，使用上述粘土和其它防火类添加剂的水合形式提供了额外的吸热效果。例如，埃洛石黏土(可从Applied Minerals,Inc.以商品名DRAGONITE采购，或从Imerys取得如埃洛石黏土)，高岭石粘土是水合形式的硅酸铝粘土，通过在升高的温度下释放水合水(气体稀释)。作为另一个示例，水合形式的碳酸盐可在加热或升高的温度下释放二氧化碳。
在本申请的上下文中，术语“脱水热”是指当不暴露于高温时从处于水合形式的材料中蒸发水(和二羟基化，如果适用的话)所需的热。脱水热通常以单位重量表示。
在某些实施方案中，本申请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、或介于这些值的任两者间的范围内的热分解始点。在某些实施方案中，本申请的防火级添加剂具有约440℃或570℃的热分解起始温度。在某些实施方案中，本申请的防火级添加剂具有的热分解起始温度比加入防火级添加剂的气凝胶组合物(没有防火级添加剂)的Td高或低不超过50℃或更低。掺入添加剂具有不超过40℃或更低、不超过30℃或更低、不超过20℃或更低、不超过10℃或更低、不超过5℃或更低、或介于这些值的任两者间的范围内的热分解始点。
本申请的防火类添加剂包括粘土材料，例如但不限于页硅酸盐粘土(如伊利石)、高岭土或高岭石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、偏高岭土、埃洛石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、安得尔石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、云母(二氧化硅矿物)、水铝石(氢氧化铝；α-AlO(OH))、三水铝石(氢氧化铝)、勃姆石(氧化铝氢氧化物；γ-AlO(OH))、蒙脱石、贝得石、叶蜡石(硅酸铝；Al2Si4O10(OH)2)、绿脱石、漂云母(bravaisite)、绿土(smectite)、晶蛭石(leverrierite)、累托石(rectorite)、绿鳞石(celadonite)、镁铝海泡石(attapulgite)、绿蛋白石(chloropal)、铬膨润石(volkonskoite)、水铝英石(allophane)、消旋石、氯黄晶(dillnite)、埃洛石(severite)、蓝高岭石(miloschite)、微光高岭土(collyrite)、水磨土(cimolite)和斜高岭石(newtonite)、碳酸氢钠(NaHCO3)、氢氧化镁(或二氢氧化镁，“MDH”)、三水合氧化铝(“TH”)、石膏(二水合硫酸钙；CaSO4·2H2O)、二水碳镁石(barringtonite，MgCO3·2H2O)、三水碳镁石(nesquehonite，MgCO3·3H2O)、五水碳镁石(lansfordite，MgCO3·5H2O)、水菱镁矿(hydromagnesite，水合碳酸镁；Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)、其它碳酸盐例如但不限于白云石和碳酸锂。在黏土材料中，本申请的某些实施方案使用具有至少部分层状结构的粘土材料。在本申请的某些实施方案中，作为气凝胶组合物中耐火级添加剂的粘土材料具有至少一些水，例如水合形式的水。添加剂可为水合结晶形式或可在本申请的组合物的制造/加工中变成水合的。在某些实施方案中，防火级添加剂进一步包括吸收热而不改变化学成分的低熔点添加剂。此类的一个示例为低熔点玻璃，例如惰性玻璃珠。可用于本申请的组合物的其它添加剂包括但不限于硅灰石(硅酸钙)和二氧化钛(TiO2)。在某些实施方案中，其它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，陶瓷化剂例如但不限于低熔点玻璃料、硅酸钙或成炭剂例如但不限于，磷酸盐和硫酸盐。在某些实施方案中，添加剂可能需要特殊的加工考虑，例如确保添加剂均匀分布并且不会严重附聚以导致产品特性变化的技术。加工技术可能涉及额外的静态和动态混合器、稳定剂、步骤条件的调整和本领域已知的其它技术。
添加剂的量
本文所公开的气凝胶组合物中添加剂的量可取决于组合物的所需性质。在溶胶凝胶组合物的制备和加工期间使用的添加剂的量通常称为相对于溶胶的二氧化硅含量的重量百分比。相对于二氧化硅含量，溶胶中添加剂的量按重量计可从约5wt％变化至约70wt％。在某些实施方案中，溶胶中添加剂的量相对于二氧化硅含量为介于10wt％及60wt％之间，且在某些优选实施方案中，其相对于二氧化硅含量为介于20wt％及40wt％。在示例性实施方案中，溶胶中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％或约35wt％至约40wt％的范围内。在一些实施方案中，溶胶中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为约10wt％。在一些实施方案中，添加剂的量相对于二氧化硅含量约5wt％至约15wt％的范围内。在某些实施方案中，添加剂可以是多于一种类型。一种或多种防火级添加剂也可存在于最终的气凝胶组合物中。在包括硅酸铝防火级添加剂的一些优选实施方案中，添加剂以相对于二氧化硅含量约60至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合氧化铝(“ATH”)的组合的一些优选实施方案中，存在于气凝胶组合物中的添加剂的总量为相对于二氧化硅含量约30至40wt％。另例如，在添加剂包括碳化硅的一些优选实施方案中，存在于气凝胶组合物中的添加剂的总量为约30至40wt％，例如35wt％，相对于二氧化硅含量。另例如，在添加剂包括碳化硅的一些优选实施方案中，存在于气凝胶组合物中的添加剂的总量约5至15wt％，例如10wt％，相对于二氧化硅含量。
当提及最终增强气凝胶组合物时，添加剂的量通常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增强气凝胶组合物重量的约1％至约50％、约1％至约25％、或约10％至约25％变化。在示例性实施方案中，最终增强气凝胶组合物中添加剂的量为增强气凝胶组合物重量的约10％至约20％。在示例性实施方案中，最终增强气凝胶组合物中添加剂的量占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％或在任何上述百分比之间的范围内。在某些实施方案中，最终增强气凝胶组合物中添加剂的量为增强气凝胶组合物重量约15％。在某些实施方案中，最终增强气凝胶组合物中添加剂的量为增强气凝胶组合物重量约13％。例如，在包括诸如碳化硅的添加剂的一些优选实施方案中，存在于气凝胶组合物中的添加剂的总量为增强气凝胶组合物重量约10％至20％，例如约15％。对于另一个示例，在添加剂包括碳化硅的一些优选实施方案中，存在于气凝胶组合物中的添加剂的总量为增强气凝胶组合物重量约3至5％，例如约4％。
防火级添加剂的热分解起始时间
在某些实施方案中，防火类添加剂可基于它们的热分解起始温度进行分类或分组。例如，防火级添加剂可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。例如，热分解起始温度低于约200℃的添加剂包括碳酸氢钠(NaHCO3)，三水菱镁矿(MgCO3·3H2O)和石膏(二水合硫酸钙；CaSO4·2H2O)。又例如，热分解起始温度低于约400℃的添加剂包括三水合氧化铝(“ATH”)，水菱镁矿(水合碳酸镁；Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)和氢氧化镁(或氢氧化镁，“MDH”)。又例如，热分解起始温度低于约400℃的添加剂包括埃洛石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)，高岭土或高岭石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)，勃姆石(氧化铝氢氧化物；γ-AlO(OH))或高温相变材料(PCM)。
在本申请的某些实施方案中，作为气凝胶组合物中添加剂的粘土材料，例如铝硅酸盐粘土，例如埃洛石或高岭石，为脱水形式，例如偏埃洛石或偏高岭土。可用于本申请的组合物的其它添加剂包括但不限于硅灰石(硅酸钙)和二氧化钛(TiO2)。在某些实施方案中，其它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，陶瓷化剂例如但不限于低熔点玻璃料、硅酸钙或成炭剂例如但不限于，磷酸盐和硫酸盐。在某些实施方案中，添加剂可能需要特殊的加工考虑，例如确保添加剂均匀分布并且不会严重附聚以导致产品特性变化的技术。加工技术可能涉及额外的静态和动态混合器，稳定剂，步骤条件的调整和本领域已知的其它技术。一种或多种防火级添加剂也可存在于最终的气凝胶组合物中。
在某些实施方案中，在本申请的气凝胶材料和组合物中包含添加剂，例如铝硅酸盐粘土基材料，例如埃洛石或高岭土，可提供改进的高温收缩特性。高温收缩的示例性测试方法为“经受均热的预制高温绝热材料的线性收缩的标准测试方法”(ASTM C356，ASTMInternational，West Conshohocken，PA)。在这种称为“热浸泡”的测试中，材料暴露在高于1000℃的温度下长达60分钟。在某些示例性实施方案中，本申请的气凝胶材料或组合物可具有高温收缩率，即线性收缩率、宽度收缩率、厚度收缩率或尺寸收缩率的任何组合，约20％或更小、约15％或更小、约10％或更小、约6％或更小、约5％或更小、4％或更小、3％或更小、2％或更小、1％或更小，或在这些值中任两个值之间的范围。
在一些示例性实施方案中，用于催化前体反应的某些碱性催化剂可导致气凝胶组合物中的痕量水平的碱金属。气凝胶材料中的痕量水平，例如100至500ppm的碱，例如钠或钾，会对高温收缩和热耐久性产生有害影响。然而，不受任何特定机制或理论的束缚，铝硅酸盐粘土基材料(例如埃洛石或高岭土)可隔离易挥发的碱，例如钠或钾，从而减少或消除碱对收缩和耐热性的影响。在本申请的某些实施方案中，铝硅酸盐粘土材料为脱水形式，例如偏埃洛石或偏高岭土。例如，包含相对于二氧化硅含量大于约0.5wt％的偏高岭土或偏埃洛石的气凝胶材料或组合物可显著降低热收缩率和热耐久性。在示例性实施方案中，气凝胶材料或组合物可包括相对于二氧化硅含量在约0.5wt％至约3.0wt％范围内的偏高岭土或偏埃洛石。
封装层或封装材料层
在一些实施方案中，本申请的多层材料或多层材料的核心部分可由封装层封装。例如，封装层可包括围绕多层材料的一层或多层材料及/或围绕多层材料及/或多层材料的核心部分的材料涂层。例如，封装层可包括膜、层、封套或涂层。封装构件可由适合包围复合结构或形成复合结构的增强气凝胶复合材料的任何材料制成。例如，封装构件可减少或消除从复合结构脱落的灰尘或颗粒材料的产生。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醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)和尼龙，具有非常低的热导率(小于1W/m)，这会降低整个系统的平面热电导率。在一个实施方案中，封装层包括聚对苯二甲酸乙二醇酯层。在另一个实施方案中，封装层包括橡胶。
封装层可包括至少一允许空气流入和流出面板的排放孔(vent)。封装构件可包括至少一过滤颗粒物质的过滤器。在示例性实施方案中，封装层包括允许空气流入和流出面板的排放孔以及将颗粒物质保持在封装构件内的排放孔上方的微粒过滤器。在另一个实施方案中，封装层包括边缘密封件，所述边缘密封件包括至少一个排放孔和至少一个微粒过滤器。在另一个实施方案中，封装层包括边缘密封件，所述边缘密封件包括至少一个排放孔和至少一个微粒过滤器，其中，边缘密封件中的排放孔允许空气流入和流出封装构件边缘，且其中，过滤器捕获及保留流动空气中的颗粒物以防止据有颗粒物的封装层外部空气的污染。
热容层
在示例性实施方案中，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，提供热容的材料具有至少约0.5J/(g-C)的比热容。例如，提供热容量的材料可包括金属，例如铝、钛、镍、钢、不锈钢、铁或其组合。在一些实施方案中，多层材料可包括提供热容的材料层或涂层。在一些实施方案中，多层材料可包括设置在多层材料层内，例如在气凝胶组合物层内的提供热容的材料颗粒。在某些实施方案中，多层材料可包括与气凝胶组合物相邻设置的至少一个提供热容的材料。在某些实施方案中，多层材料可包括至少一个提供热容的材料，其设置在气凝胶组合物的多个层中的至少两个层之间。在示例性实施方案中，多层材料可包括热传导材料和热容材料。
例如，多层材料可包括既提供热容又提供热导率的材料，例如金属，例如铝、钛、镍、钢、铁或其组合。对于另一个示例，多层材料可包括一种或多种不同的材料或材料层，它们各自提供热容、热导率或其组合，例如，包括金属的层和包括热传导聚合物的层。优选地，热传导层具有至少300℃、更优选至少600℃、更优选至少1000℃、更优选至少1500℃的熔化温度。
在一些实施方案中，热容材料可选自相变材料。可理解的是，相变材料要适用于储能系统中的广泛应用，不仅需要在相变过程中具有较高的热容量，而且还应具有相对较低的成本和自含性。在装置的工作温度范围内不需要任何密封或特殊容器，例如正在封装的电池模块。储能应用的其它理想特性包括高热传导性，可将热从发热组件中快速传输出去，以及定制发生相变的温度的能力。
在一些实施方案中，热容材料沿平面维度寸具有至少约200mW/m-K的热导率。
热传导层
已发现本申请的热传导层表现出显著增强的在多层材料的整个x-y平面上快速散热的能力，进一步提高了在高热负荷下的耐久性。高热导率材料的示例包括碳纤维，石墨、碳化硅、金属，包括但不限于铜、钢、不锈钢、铝等及其组合。
在示例性实施方案中，多层材料可包括热传导材料或提供热传导性的材料层。本申请的热传导层有助于将热从电池模块或电池组内的局部热负载消散。例如，热传导层可具有沿至少约200mW/m-K的平面维度寸的热导率。热传导材料可包括至少一包含金属、碳、导电聚合物或其组合的层。
在上述的一些实施方案中，多层材料可包括一个或多个热传导层，即具有大于50W/mK，更优选大于100W/mK的热导率，并且仍然更佳大于200W/mK(均在25℃测量)。例如，多层材料可包括至少一或包括热传导材料，例如包括金属、碳、热传导聚合物或其组合的层。如在这些实施方案的上下文中使用的，热传导材料是指具有大于绝缘材料的热导率的材料，例如气凝胶组合物。在某些实施方案中，热传导材料的热导率比气凝胶组合物的热导率大至少约一个数量级。在一些实施方案中，多层材料可包括多个气凝胶组合物层。在某些实施方案中，多层材料可包括至少一与气凝胶组合物相邻设置的导电材料。在某些实施方案中，多层材料可包括至少一导电材料，所述导电材料设置在气凝胶组合物的多个层中的至少两个层之间。在一些实施方案中，多层材料可包括布置在多层材料层内，例如在气凝胶组合物层内的导电材料颗粒。
为了帮助热的分布和去除，在至少一个实施方案中，热传导层被耦合到散热器。应当理解，存在多种散热器类型和配置，以及用于将散热器耦合到热传导层的不同技术，并且本申请不限于使用任何一种类型的散热器/耦合技术。例如，本申请的多层材料的至少一个热传导层可与电池模块或电池组的冷却系统的单元(例如冷却系统的冷却板或冷却通道)热连通。对于另一个示例，本申请的多层材料的至少一个热传导层可与电池组，电池模块或电池系统的可用作散热器的其它单元热连通，例如电池组的壁，模块或系统，或与设置在电池单元之间的其它多层材料。多层材料的热传导层和电池系统内的散热器单元之间的热连通可允许将多余的热从与多层材料相邻的一个或多个电池单元中移除到散热器，从而降低影响、严重性或传播可能产生过多热的热事件的描述，例如，如本申请更详细描述者。
优选热传导层具有至少300℃，更优选至少600℃，更优选至少1000℃，更优选至少1500℃的熔化温度。
热传导层的厚度可能取决于组成，多层的其它单元的性质，例如压缩垫，多层材料中包含的热传导的数量以及组成的各种因素。从功能上讲，热传导层应该足够厚以提供所需的面内热传导性。
在一些实施方案中，热传导材料，例如热解石墨片(PGS)，可具有约0.010mm、0.025mm、0.05mm、0.07mm、0.10mm的厚度，或在任何两者之间的范围内这些值和在约600至约1950W/mK范围内的面内热导率。在一些实施方案中，热传导材料，例如金属片，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的厚度、或在这些值中任两个值之间的范围。
在一些实施方案中，热传导材料可选自相变材料。
在一些实施方案中，可在多层材料的层之间使用热传导膏(grease)以确保这些层之间的均匀和一致的热传导。如本申请所述，热传导膏是指各种材料，也称为热传导化合物、热传导膏、热界面材料(TIM)、热传导凝胶、散热膏(heat paste)、散热复合物(heatsink compond)和散热膏(heat sink paste)。例如，热传导膏层可设置在气凝胶组合物和任何其它层之间，例如包括热传导或热容材料的一个或多个层，一个或多个饰面层或封装层。
牺牲材料层
在示例性实施方案中，多层材料可包括牺牲材料或多层牺牲材料。在本申请的上下文中，术语“牺牲材料”或“牺牲层”是指在响应所述层所经历的机械、热、化学和/或电磁条件而被牺牲或至少部分去除的材料或层。例如，牺牲材料或牺牲层在暴露于高温时会分解，例如在电池热失控事件之前或期间发生的高温。在一些实施方案中，牺牲材料层可设置在外表面上，例如多层材料的核心部分的外表面上或外表面上，例如多层材料的外表面上。
在示例性实施方案中，本申请的牺牲材料或层可包括所述可压缩垫的压缩模量约1MPa、约2MPa、约3MPa、约4MPa、约5MPa、约6MPa、约7MPa、约8MPa、约9MPa、约10MPa、约11MPa、约12MPa或在这些值中任两个值之间的范围。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组成的组。在某些情况下，材料层为泡沫的形式。在一些实施方案中，可压缩垫或泡沫可由于暴露于机械(例如循环)负载而磨损。在一些实施方案中，可压缩垫或泡沫在暴露于单一的机械、化学和/或热事件之后分解。
在一些实施方案中，牺牲材料层的化学分解起始温度在约200℃至约400℃的范围内。
本申请的实施方案中用作可压缩垫的合适泡沫的密度低于约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0.20g/cc或更小、约0.16g/cc或更小、约0.10g/cc或更小、约0.08g/cc或更小，或在这些值中任两个值之间的范围，和/或至少约20至约99％，特别是大于或等于约30％的空隙体积含量％，基于泡沫的总体积。在示例性实施方案中，泡沫具有约0.08g/cc至约0.50g/cc的密度，约27kPa至约55kPa的25％压缩力挠度(compression force deflection；CFD)和约70℃的压缩变形小于约10％，特别是小于5％。根据ASTM D1056，通过计算将样品压缩到原始厚度的25％所需的力(以kPa为单位)来测量CFD。
用于泡沫的聚合物可选自多种热塑性树脂、热塑性树脂的共混物或热固性树脂。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、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酰胺、例如但不限于尼龙6、尼龙6,6、尼龙6,10、尼龙6,12、尼龙11或尼龙12、聚酰胺酰亚胺、聚芳酯、聚氨酯、乙丙橡胶(EPR)、聚芳砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚砜、聚醚酰亚胺、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚氯三氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮等、或包含至少一种前述热塑性树脂的组合。
可用于聚合物泡沫的热塑性树脂共混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/聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯、热塑性弹性体合金、聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯、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、或包含至少一种前述共混物的组合。
可用于聚合物泡沫的聚合物热固性树脂的实例包括聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、聚酰胺、硅酮等、或包含至少一种前述热固性树脂的组合。可使用热固性树脂的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，本申请根据本文所公开的实施方案的多层材料提供有利的可压缩性、压缩回弹性和柔顺性。当用作电池模块内的电池之间的热绝缘体时，使用气凝胶组合物形成的热绝缘片可提供抗压缩变形以适应电池在电池充电/放电循环期间由于活性材料的降解和膨胀而引起的膨胀。在电池模块的初始组装期间，1MPa或更低的相对低负载通常被施加到热绝缘体，例如本申请的多层材料。在使用中，例如，当电池模块内的电池在充电/放电循环期间扩张或膨胀时，可向本申请的多层材料施加高达约5MPa的负载。
在一个示例性方面，本申请提供一种多层材料，其中所述多层材料在约25kPa下表现出小于约25％的压缩率。任选地，在释放压缩时，多层材料可具有足够的弹性以恢复到其原始厚度至少约80％、75％、65％、60％或50％。在一些实施方案中，多层材料在约25kPa至约35kPa的范围内表现出小于约25％的压缩率，优选在约50kPa下的压缩率小于约50％。在一些实施方案中，多层材料在约50kPa下表现出约25％至约50％范围内的压缩率。在示例性实施方案中，多层材料在约245kPa下表现出小于约80％的压缩率，例如在约235kPa下小于约70％。在示例性实施方案中，多层材料在约345kPa下表现出小于约70％的压缩率。当多层材料被压缩时，包括增强气凝胶组合物的多层材料的热导率优选保持在小于约25mW/m*K。
如本申请所述的多层材料可包括多层材料，例如绝缘层、热传导层、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。可选择多层材料中层的组合和构造以获得所需的特性组合，例如可压缩性、回弹性、热特性、防火反应和其它特性。在一些实施方案中，多层材料包括至少一个设置在至少两层增强气凝胶组合物之间的可压缩垫。例如，可压缩垫可以是泡沫或其它可压缩材料，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。在某些实施方案中，多层材料还可包括至少一个热传导层或热容层和增强气凝胶组合物的多个层中的至少一者。热传导材料或热容材料可在多层材料内吸收及/或分散热。在一些实施方案中，多层材料还可包括热反射层。例如，热反射层可包括金属箔或金属片。
在包括若干层的多层材料的实施方案中，这些层可通过例如选自下述所组成的组的粘合剂机制附接至其它层：气溶胶粘合剂、聚氨酯基粘合剂、丙烯酸酯粘合剂、热熔胶、环氧树脂、橡胶树脂胶、聚氨酯复合粘合剂及其组合。在一些实施方案中，这些层可通过下述所组成的组的非粘合机制附接至其它层：火焰黏合、针刺、缝合、密封袋、铆钉、钮扣、夹子、包裹物、支架及其组合。在一些实施方案中，任何前述粘合剂和非粘合剂机制的组合可用于将层附接在一起。
多层材料的最终产品
本申请根据本文所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，多层材料可为片材的形式。片材可连续或半连续地形成，例如，作为轧制产品，或者可从更大的片材切割或以其它方式形成具有所需尺寸和形状的片材。片材可用于在电池单元之间形成热障。在其它构型中，增强气凝胶组合物可形成袋，例如以容纳电池的袋电池，或形成圆柱体以容纳圆柱形电池。
本申请的多层材料可成型为一系列三维形式，包括镶板、管预成型、半壳预成型、弯头、接头、袋子、圆柱体和绝缘应用中经常需要的其它形状用于工业和商业应用的材料。
如在本说明书和所附申请专利范围中使用的单数形式“一种”、“一个”和“所述”包括多个指示物，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使用的，所述术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非上下文另有明确规定。
如本申请所述“约”意指大约或接近，并且在所阐述的数值或范围的上下文中意指数值的±5％。在一个实施方案中，术语“约”可包括根据数值的有效数字的传统四舍五入。此外，短语“约‘x’到‘y’”包括“约‘x’到约‘y’”。
如本申请所述，术语“组合物”与“复合物”可互换使用。
如本申请所述，术语“可压缩垫”与“可压缩层”可互换使用。
在本申请的上下文中，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，具有集成在框架内的对应的互连孔网络，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)平均孔径为约2nm至约100nm，(b)至少80％或更大的孔隙率，和(c)约100m2/g更大的或表面积。
本申请的气凝胶材料因此包括任何气凝胶或其它满足前面段落中阐述的定义要素的开孔材料；包括可另外分类为干凝胶、冷冻凝胶、双凝胶、微孔材料等的材料。
气凝胶材料还可通过额外的物理性质进一步表述，包括：(d)约2.0mL/g或更大，特别是约3.0mL/g或更大的孔体积；(e)约0.50g/cc或更小，特别是约0.3g/cc或更小，更特别是约0.25g/cc或更小的密度；(f)至少50％的总孔体积包含孔径为2至50nm的孔(尽管本申请的实施方案包括气凝胶框架和包括孔径大于50nm的孔的组合物，如在下面有更多详细信息)。然而，将化合物表述为气凝胶材料并不需要满足这些附加特性。
在本申请的上下文中，术语“气凝胶组合物”是指包括气凝胶材料作为复合材料的组分的任何复合材料。气凝胶组合物的示例包括但不限于纤维增强气凝胶复合材料；气凝胶复合材料，包括添加要素，如遮光剂；开孔巨孔框架增强的气凝胶复合材料；气凝胶-聚合物复合材料；以及将气凝胶微粒、颗粒、粒子、珠子或粉末结合到固体或半固体材料中的复合材料，例如结合粘合剂、树脂、水泥、泡沫、聚合物或类似的固体材料。气凝胶组合物通常在从本申请的各种凝胶材料中除去溶剂之后获得。由此获得的气凝胶组合物可进一步进行额外的加工或处理。在进行溶剂去除(或液体萃取或干燥)之前，各种凝胶材料还可进行本领域已知或有用的额外加工或处理。
本申请的气凝胶组合物可包含增强气凝胶组合物。在本申请的上下文中，术语“增强气凝胶组合物”是指在气凝胶材料内包含增强相的气凝胶组合物，其中增强相不是气凝胶框架本身的一部分。
在本申请的上下文中，术语“纤维增强气凝胶组合物”是指包含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、干法非织造材料、湿法非织造材料、针刺非织造材料、棉絮、网、垫、毡、及/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、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯(例如人造丝、尼龙)、棉(例如杜邦制造的莱卡)、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制造者)、玻璃或玻璃纤维基材料(如S-玻璃、901玻璃、902玻璃、475玻璃、E-玻璃)、二氧化硅基石英纤维(例如Saint-Gobain制造的Quartzel)、Q-felt(Johns Manville制造)、Saffil(Saffil制造)、Durablanket(Unifrax制造)和其它二氧化硅纤维、Duraback(Carborundum制造)、聚芳纶纤维如Kevlar，Nomex，Sontera(均由DuPont制造)、Conex(由Taijin制造)、聚烯烃如Tyvek(由DuPont制造)、Dyneema(由DSM制造)、Spectra(由Honeywell制造)、其它聚丙烯纤维如Typar、X avan(均由DuPont制造)、含氟聚合物如PTFE，商品名为Teflon(由DuPont制造)、Goretex(由W.L.制造，GORE)、Nicalon等碳化硅纤维(由COI Ceramics制造)、Nextel等陶瓷纤维(由3M制造)、丙烯酸聚合物、羊毛、丝、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、不锈钢纤维和其它热塑性塑料，如PEEK、PES、PEI、PEK、PPS。玻璃或基于玻璃纤维的纤维增强材料可使用一种或多种技术制造。在某些实施方案中，希望使用梳理和交叉铺网或气流成网步骤来制造它们。在示例性实施方案中，梳理和交叉铺网的玻璃或基于玻璃纤维的纤维增强材料提供优于气流成网材料的某些优点。例如，梳理和交叉铺叠的玻璃或基于玻璃纤维的纤维增强材料可为给予定基重的增强材料提供一致的材料厚度。在某些其它实施方案中，需要进一步针刺纤维增强材料，需要在z方向上交织纤维以增强最终气凝胶组合物的机械和其它特性。
在本申请的上下文中，对“热失控”的提及通常是指由于各种操作因素导致的电池温度和压力的突然、快速增加，这又会导致过高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括：电池缺陷及/或短路(内部和外部)，过充电，电池刺穿或破裂(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启动。此外，化学发热通常随温度呈指数增长。结果，产生的热远大于可用的散热。热失控会导致电池排气和内部温度超过200℃。
在本申请的上下文中，术语“泡沫”是指包含互连聚合物结构的框架的材料，所述框架具有基本均匀的组成，具有集成在框架内的相应网络或孔集合，并且其由以下方式形成将一定比例的气体以气泡的形式分散到液体或树脂泡沫材料中，这样当泡沫材料固化成固体结构时，气泡作为孔隙被保留。通常，可使用多种方法制造泡沫--例如，参见美国专利号6,147,134、5,889,071、6,187,831和5,229,429。本申请的泡沫材料因此包括满足本段落中阐述的定义要素的任何材料，包括可另外归类为OCMF材料，大孔材料等的化合物。本申请中定义的泡沫可为热塑性塑料，弹性体和热固性塑料(硬质体)的类型。
在本申请的上下文中，术语“柔性”和“柔韧性”是指材料或组合物在没有宏观结构失效的情况下弯曲或有弹性的能力。本申请的绝缘层能够弯曲至少5°、至少25°、至少45°、至少65°或至少85°而没有宏观失效；及/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，无宏观失效。同样，术语“高柔性”或“高柔韧性”是指能够弯曲到至少90°及/或具有小于U英寸的弯曲半径而没有宏观失效的材料。此外，术语“分类为柔性的”和“分类为柔韧性的”是指可根据ASTM Cl 101(ASTM International,West Conshohocken,PA)分类为柔性的材料或组合物。
本申请的绝缘层可以是柔性的，高度柔性的和/或分类为柔性的。本申请的气凝胶组合物也可以是可悬垂的。在本申请的上下文中，术语“可悬垂”和“悬垂性”是指材料以约4英寸或更小的曲率半径弯曲或弯曲至90°或更大而没有宏观失效的能力。根据本申请的某些实施方案的绝缘层为柔性的，使得所述组合物为非刚性的并且可被施加并符合三维表面或物体，或者预成型为各种形状和配置以简化安装或应用。
在本申请的上下文中，术语“添加剂”或“添加要素”是指可在气凝胶生产之前、期间或之后添加到气凝胶组合物中的材料。可添加添加剂以改变或改进气凝胶中的期望特性、或抵消气凝胶中不期望的特性。添加剂通常在胶凝成前体液体之前，胶凝成过渡态材料期间或胶凝成固体或半固体材料之后添加到气凝胶材料中。
添加剂的示例包括但不限于微纤维、填料、增强剂、稳定剂、增稠剂、弹性化合物、遮光剂，着色(coloring)或染色(pigmentation)化合物、辐射吸收化合物、辐射反射化合物、防火级添加剂、腐蚀抑制剂、热传导组分、提供热容的组分、相变材料、pH调节剂、氧化还原调节剂、HCN缓和剂、废气(off-gas)缓和剂、电传导化合物、电介电化合物、磁性化合物、雷达阻挡组件、硬化剂、抗收缩剂和本领域技术人员已知的其它气凝胶添加剂。在一些实施方案中，提供热容量的部件可包括具有至少约0.3J/(g-C)的比热容量的材料。在一些实施方案中，提供热容的材料具有至少约0.5J/(g-C)的比热容。例如，提供热容量的材料可包括诸如铝、钛、镍、钢、铁或其组合的金属。在一些实施方案中，多层材料可包括提供热容的材料的一层或多层或涂层。在一些实施方案中，多层材料可包括设置在一个或多个包含气凝胶组合物的绝缘层内的提供热容的材料颗粒。
在某些实施方案中，本申请的气凝胶组合物，增强气凝胶组合物和多层材料可在高温事件期间发挥作用，例如，如本申请在高温事件期间提供热保护。高温事件的特征在于至少约1平方厘米(cm2)的面积上至少约25kW/m2、至少约30kW/m2、至少约35kW/m2或至少约40kW/m2的持续热通量至少2秒。大约40kW/m2的热通量与典型火焰产生的热通量有关(火灾级热通量下的炭化固体行为；Milosavljevic,I.,Suuberg,E.M.；NISTIR 5499；1994年9月)。在特殊情况下，高温事件是在至少约10平方厘米(cm2)的面积上约40kW/m的热通量持续至少1分钟的持续时间。
在本申请的上下文中，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(毫瓦每米*开尔文)。材料的热导率可通过本领域已知的测试方法确定，包括但不限于使用热流计设备的稳态热传输特性的测试方法(Test Method for Steady-State Thermal TransmissionProperties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus)(ASTM C518,ASTMInternational,West Conshohocken,PA)；使用防护热板设备的稳态热通量测量和热传输特性的测试方法(Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements andThermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus)(ASTM C177,ASTM International,West Conshohocken，PA)；管道绝缘的稳态热送特性的测试方法(Test Method for Steady-State Heat Transfer Properties of PipeInsulation)(ASTM C335,ASTM International,West Conshohocken,PA)；薄加热器热导率测试(Thin Heater Thermal Conductivity Test)(ASTM C1114,ASTM,International,West Conshohocken,PA)；热传导电性绝缘材料的热传输特性的标准测试方法(StandardTest Method for Thermal Transmission Properties of Thermally ConductiveElectrical Insulation Materials)(ASTM D5470,ASTM International,WestConshohocken,PA)；使用防护热板设备和热流量计方法测定热阻(Determination ofthermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow meter methods)(EN 12667,British Standards Institution,United Kingdom)；或稳态热阻和相关特性的测定–防护热板设备(Determination of steady-state thermal resistance andrelated properties-Guarded hot plate apparatus)(ISO 8203,InternationalOrganization for Standardization,Switzerland)。由于不同的方法可能导致不同的结果，应理解，在本申请内容中，除非另有明确说明，否则是根据ASTM C518标准(使用热流计设备的稳态热传输特性的测试方法)，在环境中大气压下温度约为37.5℃且在约2psi的压缩负载下获得热导率测量值。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密切相关性。
热导率测量值也可在约10℃的温度和大气压下在压缩下进行。10℃下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。在某些实施方案中，本申请的绝缘层在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。
在本申请的上下文中，术语“密度”是指材料或组合物的每单位体积的质量的测量值。术语“密度”通常是指材料的表观密度以及组合物的体积密度。密度通常记录为kg/m3或g/cc。材料或组合物的密度，例如气凝胶可通过本领域已知的方法确定，包括但不限于预制块和板型绝热材料的尺寸和密度的标准测试方法(ASTM C303,ASTM International,WestConshohocken,PA)；毯子或毛毡热隔离材料的厚度和密度的标准测试方法(ASTM C167,ASTM International,West Conshohocken,PA)；预制管道绝缘材料表观密度的测定(EN13470，英国标准协会，英国)；或预成型管道绝缘的表观密度测定(ISO 18098，标准化的国际组织，瑞士)。由于不同的方法可能导致不同的结果，应该理解，在本申请的上下文中，密度测量是根据ASTM C167标准(毯子或毛毡热隔离材料的厚度和密度的标准测试方法)在2磅每平方英寸(psi)下获得的，除非另有说明，否则用于厚度测量的压缩。在某些实施方案中，本申请的气凝胶材料或组合物具有约1.0g/cc或更少、约0.90g/cc或更少、约0.80g/cc或更少、约0.70g/cc或更少、约0.60g/cc或更少、约0.50g/cc或更少、约0.40g/cc或更少、约0.30g/cc或更少、约0.25g/cc或更少、约0.20g/cc或更少、约0.18g/cc或更少、约0.16g/cc或更少、约0.14g/cc或更少、约0.12g/cc或更少、约0.10g/cc或更少、约0.05g/cc或更少、约0.01g/cc或更少、或在这些值中任两个值之间的范围。
气凝胶材料或组合物的疏水性可用水蒸气吸收来表示。在本申请的上下文中，术语“水蒸气吸收”是指测量气凝胶材料或组合物吸收水蒸气的潜力。水蒸气吸收可表示为当在某些测量条件下暴露于水蒸气时被气凝胶材料或组合物吸收或以其它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已知的方法来确定，包括但不限于用于测定未饰面矿物纤维绝缘材料的水蒸气吸附的标准测试方法(ASTMC1104,ASTM International,West Conshohocken,PA)；用于建筑应用的绝热产品：通过扩散测定长期吸水率(EN 12088，英国标准协会，英国)。由于不同的方法可能导致不同的结果，应当理解，在本申请内容的范围内，水蒸气吸收的测量是根据ASTM C1104标准(测定未饰面矿物纤维绝缘材料的水蒸气吸附性的标准试验方法)在环境压力下，在49℃和95％湿度下24小时(根据ASTM C1104标准从96小时修改)，除非另有说明。在某些实施方案中，本申请的气凝胶材料或组合物可具有约50wt％或更少、约40wt％或更少、约30wt％或更少、约20wt％或更少、约15wt％或更少、约10％或更少、约8％或更少、约3％或更少、约2％或更少、约1％或更少、约0.1％或更少、或在一个范围内这些值的任意两个之间的水蒸气吸收。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将相对于参考气凝胶材料或组合物具有较低百分比的水蒸气吸收/保留。
气凝胶材料或组合物的疏水性可通过测量水滴在与材料表面的界面处的平衡接触角来表示。本申请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、或在这些值中任两个值之间的范围的水接触角。
在本申请的上下文中，术语“燃烧热”、“HOC”和“ΔHC”是指测量在材料或组合物的燃烧或放热热分解中释放的热能的量。燃烧热通常记录为每克气凝胶材料或组合物释放的热能卡路里(cal/g)，或每千克材料或组合物释放的热能兆焦耳(MJ/kg)。材料或组合物的燃烧热可通过本领域已知的方法确定，包括但不限于产品对燃烧的反应测试–总燃烧热(热值)的测定(EN ISO 1716，标准化的国际组织，瑞士；通过EN)。在本申请的上下文中，除非另有说明，否则燃烧热测量值是根据EN ISO 1716标准(产品的燃烧反应测试–总燃烧热(热值)的测定)获得的。
在本申请内容的上下文中，所有热分析和相关定义均参考通过在环境压力下在空气中从25℃开始并以每分钟20℃的速率上升到1000℃而进行的测量。因此，在测量和计算热分解起始、放热峰值温度、吸热峰值温度等时，必须考虑(或在这些条件下重新执行)这些参数的任何变化。
在本申请的上下文中，术语“热分解起始”和“TD”是指对环境热的最低温度的测量，在所述最低温度下，来自有机材料的分解的快速放热反应出现在材料或组合物。可使用热重分析(TGA)测量材料或组合物中有机材料的热分解起始。材料的TGA曲线描述了材料暴露于环境温度升高时的重量损失(质量百分比％)，从而表明热分解。材料的热分解起始可与TGA曲线的以下切线的交点相关：与TGA曲线的基线相切的线，以及在最大点处与TGA曲线相切的线在与有机材料分解相关的快速放热分解事件中的斜率。在本申请的上下文中，除非另有说明，否则使用本段落落中提供的TGA分析获得有机材料热分解起始的测量值。
材料的热分解起始也可使用差示量热扫描法(DSC)分析来测量。材料的DSC曲线描述了材料在逐渐升高的环境温度下释放的热能(mW/mg)。材料的热分解温度的开始可与DSC曲线中ΔmW/mg(热能输出的变化)最大增加的点相关联，因此表明气凝胶材料产生放热。在本申请的上下文中，除非另有明确说明，否则使用DSC、TGA或两者的热分解起始测量是使用如前一段中进一步定义的20℃/min的温度斜坡速率获得的。DSC和TGA各自为这种热分解的起始提供了相似的值，而且很多时候，测试是同时进行的，因此可从两者中获得结果。
在本申请的上下文中，术语“吸热分解的起始”和“TED”是指在材料或组合物中出现来自分解或脱水的吸热反应的环境热的最低温度的测量值。材料或组合物的吸热分解的起始可使用热重分析(TGA)来测量。材料的TGA曲线描述了材料暴露于环境温度升高时的重量损失(％质量百分比)。材料的热分解起始可能与TGA曲线的以下切线的交点相关：与TGA曲线的基线相切的线，以及在最大点处与TGA曲线相切的线材料快速吸热分解或脱水过程中的斜率。在本申请的上下文中，除非另有说明，否则使用本段落中提供的TGA分析获得材料或组合物开始吸热分解的测量值。
在本申请的上下文中，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)相对于基线温度之间的差异的测量值在热分解条件(通常是最终温度或TFIN)下所述材料或成分的含量。炉温升高通常以摄氏度或℃记录。材料或组合物的炉温升高可通过本领域已知的方法确定，包括但不限于建筑和运输产品的对火的反应测试：不燃性测试(EN ISO 1182，标准化的国际组织，瑞士；EN采用)。在本申请的上下文中，除非另有说明，否则根据与EN ISO 1182标准(建筑和运输产品的火灾反应测试：不燃性测试)相当的条件获得炉温升高测量值。在某些实施方案中，本申请的气凝胶组合物可具有约100℃或更低、约90℃或更低、约80℃或更低、约70℃或更低、约60℃或更低、约50℃或更低、约45℃或更低、约40℃或更低、约38℃或更低，约36℃或更低、约34℃或更低、约32℃或更低、约30℃或更低、约28℃或更低、约26℃或更低、约24℃或更低、或在这些值中任两个值之间的范围的炉温升高。在高温下的组合物稳定性的背景下，例如，具有低于第二组合物的炉温升高的第一组合物的炉温升高将被认为是第一组合物相对于第二组合物的改进。在本申请中预期，当添加一种或多种防火级添加剂时，与组合物相比，组合物的炉温升高会降低。
在本申请的上下文中，术语“燃烧时间”和“TFLAME”是指材料或组合物在热分解条件下持续燃烧的测量，其中“持续燃烧”是指在任何部分在试样的可见部分持续5秒或更长时间。火焰时间通常以秒或分钟记录。材料或组合物的燃烧时间可通过本领域已知的方法确定，包括但不限于建筑和运输产品对火的反应测试：不燃性测试(EN ISO 1182，标准化的国际组织，瑞士；EN采用)。在本申请的上下文中，除非另有说明，否则火焰时间测量是根据与EN ISO 1182标准(建筑和运输产品的火灾反应测试：不燃性测试)相当的条件获得的。在某些实施方案中，本申请的气凝胶组合物具有约30秒或更短、约25秒或更短、约20秒或更短、约15秒或更短、约10秒或更短、约5秒或更短、约2秒或更短、或在这些值中任两个值之间的范围的火焰时间。在本申请的上下文中，例如，具有低于第二组合物火焰时间的第一组合物火焰时间被认为是第一组合物相对于第二组合物的改进。与不包括任何防火级添加剂的组合物相比，本申请预期当添加一种或多种防火级添加剂时组合物的燃烧时间减少。
在本申请的上下文中，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、组合物或复合材料的量的测量值。质量损失通常记录为重量百分比或wt％。材料、组合物或复合材料的质量损失可通过本领域已知的方法确定，包括但不限于：建筑和运输产品的火灾反应测试：不燃性测试(EN ISO 1182，国际标准化，瑞士；EN采用)。在本申请的上下文中，除非另有说明，否则质量损失测量是根据与EN ISO 1182标准(建筑和运输产品的火灾反应测试：不燃性测试)相当的条件获得的。在某些实施方案中，本申请的绝缘层或气凝胶组合物可具有约50％或更少、约40％或更少、约30％或更少、约28％或更少、约26％或更少、约24％或更少、约22％或更少、约20％或更少、约18％或更少、约16％或更少、或在这些值中任两个值之间的范围的质量损失。在本申请的上下文中，例如，质量损失低于第二组合物的质量损失的第一组合物将被认为是第一组合物相对于第二组合物的改进。与不包括任何防火级添加剂的组合物相比，本申请预期当添加一种或多种防火级添加剂时组合物的质量损失减少。
在本申请的上下文中，术语“峰值放热温度”是指分解放热最大时的环境热温度的测量值。材料或组合物的峰值放热温度可使用TGA分析，差示扫描量热法(DSC)或其组合来测量。DSC和TGA都将提供相似的峰值放热温度值，并且很多时候，测试同时运行，因此可从两者中获得结果。在典型的DSC分析中，热流与上升温度作图，峰值放热温度是所述曲线中最高峰出现的温度。在本申请的上下文中，除非另有说明，否则材料或组合物的峰值放热温度的测量是使用如本段落中提供的TGA分析获得的。
在吸热材料的上下文中，术语“峰值吸热温度”是指对环境热的温度的测量，在所述温度下，分解产生的吸热最小。材料或组合物的峰值吸热温度可使用TGA分析，差示扫描量热法(DSC)或其组合来测量。在典型的DSC分析中，热流相对于上升温度作图，峰值吸热温度是所述曲线中出现最低峰值的温度。在本申请的上下文中，除非另有说明，否则材料或组合物的峰值热吸收温度的测量值是使用本段落中提供的TGA分析获得的。
在本申请的上下文中，术语“低可燃性”和“低易燃性”是指满足下述特性组合的材料或组合物：i)炉温上升50℃或更低；ii)燃烧时间为20秒或更短；iii)质量损失为50wt％或更少。在本申请的上下文中，术语“不可燃性”和“不易燃”是指满足下述特性组合的材料或组合物：i)炉温上升40℃或更低；ii)燃烧时间为2秒或更短；iii)质量损失为30wt％或更少。预期组合物的可燃性(例如，炉温升高，火焰时间和质量损失的组合)在包含一种或多种如本申请的防火级添加剂时降低。
在本申请的上下文中，术语“低可燃性”和“低易燃性”是指总燃烧热(HOC)小于或等于3MJ/Kg的低可燃性材料或组合物。在本申请的上下文中，术语“不可燃性”和“不易燃性”是指具有小于或等于2MJ/kg的燃烧热(HOC)的不可燃材料或组合物。预期组合物的HOC在包含一种或多种防火级添加剂时降低，如本申请所述。
在本申请的上下文中，术语“疏水键合硅”是指凝胶或气凝胶框架内的硅原子，其包含至少一个与硅原子共价键合的疏水基团。疏水键合硅的示例包括但不限于凝胶骨架内的二氧化硅基团中的硅原子，其由包含至少一个疏水基团的凝胶前体(例如MTES或DMDS)形成。疏水键合硅还可包括但不限于凝胶骨架中或凝胶表面上的硅原子，它们用疏水剂(例如HMDZ)处理以通过将额外的疏水基团结合到组合物。对于本领域的技术人员本申请的疏水基团包括但不限于甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、辛基、苯基或其它已知的取代或未取代的疏水有机基团。在本申请的上下文中，术语“疏水基团”、“疏水有机材料”和“疏水有机成分”具体排除了凝胶材料框架上的易水解有机硅结合的烷氧基，它们是有机溶剂和硅烷醇基团之间的反应。此类排除基团可通过NMR分析与其中的疏水性有机成分区分开来。气凝胶中包含的疏水键合硅的量可使用NMR光谱分析，例如CP/MAS29Si固态NMR。气凝胶的NMR分析允许对M型疏水键合硅(单功能二氧化硅，例如TMS衍生物)进行表征和相对定量；D型疏水键合硅(双功能二氧化硅，如DMDS衍生物)；T型疏水键合硅(三官能二氧化硅，如MTES衍生物)；和Q型硅(四官能二氧化硅，例如TEOS衍生物)。通过将特定类型的疏水键合硅分类为亚型(例如将T型疏水键合硅分类为T1种、T2种和T3种)，NMR分析还可使用于分析气凝胶中所含疏水键合硅的键合化学性质。与二氧化硅材料的NMR分析相关的具体细节可在Geppi等人的文章“固态核磁共振在有机/无机多组分材料研究中的应用(Applicationsof Solid-State NMR to the Study of Organic/Inorganic MulticomponentMaterials)”中找到，特别是第7至9页(Appl.Spec.Rev.(2008),44-1:1-89)，其根据具体引用的页面通过引用并入本申请。
CP/MAS29Si NMR分析疏水键合硅的表征可基于下述化学位移峰：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，并不旨在限制或确定。归因于材料内的各种硅物质的精确化学位移峰可取决于材料的特定化学成分，并且通常可由本领域技术人员通过常规实验和分析来解读。
在本申请的上下文中，术语“疏水有机物含量”或“疏水物质含量”或“疏水物含量”是指在气凝胶材料或组合物中与骨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物含量可表示为气凝胶骨架上疏水有机材料的量相对于气凝胶材料或组合物中的材料总量的重量百分比。本领域技术人员可基于用于生产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物含量。疏水有机物含量也可使用主题材料的热重分析(TGA)来测量，优选在氧气氛围中进行测量(尽管在替代气体环境下的TGA也是有用的)。具体而言，气凝胶中疏水有机材料的百分比可与疏水气凝胶材料或组合物在TGA分析期间经受燃烧热温度时的重量损失百分比相关联，并对水分损失、残留溶剂损失、以及在TGA分析过程中容易水解的烷氧基的损失进行调整。其它替代技术，例如差示扫描量热法、元素分析(特别是碳)、色谱技术、核磁共振光谱和本领域技术人员已知的其它分析技术可用于测量和确定气凝胶组合物中的疏水性含量。在某些情况下，已知技术的组合在确定本申请的气凝胶组合物的疏水性含量中可能是有用的或必要的。
本申请的气凝胶材料或组合物可具有50wt％或更少、40wt％或更少、30wt％或更少、25wt％或更少、20wt％或更少、15wt％或更少、10wt％或更少、8wt％或更少、6wt％或更少、5wt％或更少、4wt％或更少、3wt％或更少、2wt％或更少、1wt％或更少、或在这些值中任两个值之间的范围的疏水有机物含量。
术语“燃料含量”是指气凝胶材料或组合物中可燃材料的总量，燃料含量在TGA或TG-DSC分析期间经受燃烧热温度时气凝胶材料或组合物的总重量损失百分比相关联，并针对水分损失进行调整。气凝胶材料或组合物的燃料成分可包括疏水有机成分、以及其它可燃残余醇溶剂、填充材料、增强材料和易于水解的烷氧基。
在本申请的上下文中，术语“有机-无机硅氧烷(ormosil)”包括上述材料以及其它有机改性材料，有时称为“ormocers”。有机-无机硅氧烷通常用作涂层，其中通过例如溶胶-凝胶步骤将有机-无机硅氧烷薄膜涂布在基材上。本申请的其它有机-无机混合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、氮化物以及上述有机和无机气凝胶形成化合物的其它组合。美国专利申请公开号20050192367(第[0022]至[0038]段和第[0044]至[0058]段)包括此类混合有机-无机材料的教导，并且根据单独引用的部分和段落通过引用并入本申请。
在电池模块或电池组中使用多层材料
与传统电池相比，锂离子电池(LIB)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大规模应用的重大阻碍。在滥用情况下，放热反应可能导致热释放，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会启动一系列反应，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，提高锂离子电池的安全性对于电子装置的发展越来越紧迫，例如电动车。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。本技术专注于定制多层材料和这些定制材料的相应配置以获得有利的热和机械特性。本技术的多层材料在正常和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)。
本申请的多层材料可用于分隔、绝缘和保护任何配置的电池的电池单元或电池的电池组件、例如袋式电池、圆柱形电池、棱柱形电池、以及结合或包括任何此类电池的电池组和模块。本申请的多层材料可用于可充电电池，例如锂离子电池、固态电池以及任何其它需要隔离、绝缘和保护的能量储存装置或技术。
诸如冷却系统的被动装置可与电池模块或电池组内的本申请的多层材料结合使用。
根据本申请的各种实施方案的多层材料在包括多个单个电池单元或电池单元模块的电池组中用于将所述单个电池单元或电池单元模块彼此热分隔。
在示例性实施方案中，电池模块包括设置在外壳中的两个或更多个电池单元。图10是现有技术的电池模块的示意图。电池模块1000包括一个或多个电池单元1010，其具有定位在电池单元之间的间隔1020。电池单元1010和间隔元件1020定位在外壳1030中。外壳1030具有由第一端板1030a、第二端板1030b、第一侧壁1030c和第二侧壁1030d界定的内表面。电池模块还具有密封外壳的顶板和底板(图10中未示出)。间隔元件1020通常由非导电绝热材料形成。如图10所示，常规电池模块中的间隔元件通常不延伸超出电池的边缘及/或外壳的壁。这样的布置可有利于防止电池单元之间的直接热传导。然而，这种布置可能无法解决当电池单元发生故障时可从电池单元中喷出的热气体和颗粒物质的容纳或方向。如图10所示，从电池单元释放的热气体和其它材料可绕过间隔元件的边缘并将热传递到模块中的其它单元。这会促使模块中的其它电池单元因过热而失效。
在本申请所公开的实施方案中，间隔元件可设置在每个电池单元之间或电池单元组之间。例如，电池模块可包括电池单元组，在每组电池单元之间具有间隔元件。一组电池单元可为任何数量的电池单元，例如，两个电池单元、三个电池单元、四个电池单元、五个电池单元、六个电池单元或更多电池单元。电池模块内的间隔元件之间的每组电池单元可具有相同数量的电池单元，或者这些组可具有不同数量的电池单元。间隔元件之间的一组电池单元中的电池单元数量可基于以下因素来选择，这些因素包括在所述组中的一个或多个电池单元的热失控中释放的潜在热能的总量以及可被间隔元件阻挡或吸收热能的量。
图11A-B描绘解决现有技术的缺点的示例性实施方案。图11A描绘电池模块1100的俯视图。图11B出示电池模块1100的剖面侧视图。与传统电池模块类似，电池模块1100包括一个或多个电池单元1110，所述电池单元1110具有位于电池单元之间的间隔元件1120。电池单元1110和间隔元件1120位于外壳1130中。外壳1130具有由第一端板1130a、第二端板1130b、第一侧壁1130c和第二侧壁1130d界定的内表面。电池模块1100还具有密封外壳的顶板1140和底板1150(如图11B所示)。间隔元件1120由非导电绝热材料形成。
在电池模块1100中，间隔元件1120延伸，使得间隔元件接触外壳的内表面。在这种配置中延伸间隔元件形成相邻电池单元之间的热障。在特定实施方案中，两个或更多个电池单元1110纵向地定向在第一侧壁1130c和第二侧壁1130d之间，且平行于第一端板1130a和第二端板1130b。间隔元件1120接触底板1150、顶板1140、第一侧壁1130c和第二侧壁1130d以在相邻电池单元之间形成热障。
在一个实施方案中，每个间隔元件接触形成在外壳的内表面中的一个或多个通道。图12A和12B描绘电池模块的实施方案，所述电池模块在通道中使用间隔元件以在电池单元或电池单元组之间形成热障。图12A中所绘示的电池模块1200包括一个或多个电池单元1210，其具有定位在电池单元之间的间隔元件1220。间隔元件1220由非导电绝热材料形成。电池单元1210和间隔元件1220定位在外壳1230中。外壳1230具有由第一端板1230a、第二端板1230b、第一侧壁1230c和第二侧壁1230d界定的内表面。电池模块1200还具有密封外壳的顶板和底板(未示出)。
为了在间隔元件和外壳的内表面之间的界面处产生更好的密封，可在外壳的内表面中及/或外壳的内表面上形成一个或多个通道。在图12A中，电池模块1200包括至少在第一侧壁1230a和第二侧壁1230b上形成的通道1260。虽然仅描绘在侧壁上，但应当理解，通道可从第一端板、第二端板、第一侧壁、第二侧壁、顶板和底板中的一个或多个突出。每个间隔元件1220延伸到相对的一对通道1260中。间隔元件接触通道的一部分，在间隔元件和内表面之间形成密封。如本申请所述，术语“密封”是指两个单元(例如，间隔元件和通道)之间的接触，其抑制热气体和颗粒物质从失效的电池单元转移到相邻的电池单元。在一个实施方案中，间隔元件至少接触突出通道的侧壁。间隔元件可通过压力配合与通道接触。在压力配合中，间隔元件在设置在通道中时被轻微压缩，从而在间隔元件和通道之间形成密封。
通道可为U形(如图12A所示)或与间隔元件互补的任何其它形状。U形通道具有相对侧壁和底面。在一个实施方案中，间隔元件可接触U形通道的相对侧壁以在间隔元件和U形通道之间形成密封。在一个实施方案中，间隔元件延伸到通道中，但不延伸到通道的底表面。如图12A所示，间隔元件和U形通道的底表面之间存在间隙1262。所述间隙可允许间隔元件和外壳的制造变化。留下间隙将有助于确保间隔元件在电池模块的构造过程中正确安装在通道中。
如图12B所示，电池模块1200包括至少形成在第一侧壁1230c和第二侧壁1230d中的通道1260。每个间隔元件1220延伸到相对的一对通道1260中。间隔元件接触通道的一部分，在间隔元件和内表面之间形成密封。在一个实施方案中，间隔元件至少接触凹陷通道的侧壁。如前所述，间隔元件可通过压力配合与通道接触。
通道1260可为U形(如图12B所示)或与间隔元件互补的任何其它形状。U形通道具有相对侧壁和底面。在一个实施方案中，间隔元件可接触U形通道的相对侧壁以在间隔元件和U形通道之间形成密封。间隔元件延伸到通道1260中，但不延伸到通道的底表面。如图12B所示，间隔元件和U形通道的底表面之间存在间隙1262以适应制造变化。
使用间隔元件以在电池单元之间产生热障，以防止在正常使用期间以及在电池单元故障期间热从电池单元传递到电池单元。间隔元件可通过接触外壳的内表面在电池单元或电池单元组之间形成物理屏障。以这种方式创建了独立隔间，每个隔间容纳单个电池单元或多个电池单元。隔间由两个间隔元件及设置在间隔元件之间的一个或多个电池单元界定。在图11A中，隔间由虚线框1180表示。
当电池单元发生故障时，电池单元可能会发生热失控。在热失控期间，电池单元的温度可达到90℃以上。在高于90℃的温度下，电池单元的元件开始劣化，导致电池单元最终爆裂开，将加热的气体和颗粒释放到电池模块中。用于热隔离电池单元的隔间的形成将减轻热从故障电池单元传递到工作电池单元。失效电池的高温和气体快速释放会导致隔间内的压力增加。在某些情况下，压力的增加会导致间隔元件或外壳本身的故障。在一个实施方案中，外壳包括一个或多个排放孔埠。所述一个或多个排放孔埠流体地耦合到一个或多个由间隔元件界定的隔间。排放孔埠可以是在外壳的一部分中形成的开口。或者，泄压阀可用作排放孔埠。
排放孔埠可在外壳的侧壁或顶板中，与所述一个或多个隔间连通。图13描绘外壳的顶板1300的实施方案。多个排放孔埠1350形成在顶板中，每个排放孔埠与隔间对齐。而图13描绘电池模块的顶板上的排放孔埠，应当理解，排放孔埠可以任何组合定位在外壳的侧壁端、端板或底板上。
电池模块的替代实施方案表示在图14。电池模块1400包括一个或多个电池单元1410，其具有定位在电池单元之间的间隔元件1420。电池单元1410和间隔元件1420定位在外壳1430中。外壳1430具有由第一端板1430a、第二端板1430b、第一侧壁1430c和第二侧壁1430d界定的内表面。电池模块1400还具有密封外壳的顶板和底板(未示出)。边缘元件1450沿外壳的内表面设置。
图15描绘和外壳及间隔元件1420的顶板1440接触的边缘元件1450的放大图。粘合剂材料可将边缘元件固定到内表面。边缘元件1450由可压缩的材料制成，化学分解的起始温度为约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、或在上述范围中的任意两个值。边缘元件优选地沿外壳(1430c和1430d)的侧壁设置在间隔元件1420的端部和外壳的内表面之间。边缘元件1450接触间隔元件1450以在间隔元件和外壳之间形成密封。以这种方式，在相邻电池单元之间形成了热障。使用适当的边缘元件还有助于限制颗粒物质从因热失控(thermal runaway)而具有破裂的电池单元中扩散。
可使用数种材料可作为边缘元件。如上所述，这些材料应该是可压缩的并且具有约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、或在这范围中任意两个值的化学分解起始温度。在一个实施方案中，边缘元件由膨胀材料形成。膨胀型材料是一种在受热时会膨胀的材料。在电池模块的情况下，随着电池单元开始失效，电池单元的温度迅速升高，这会增加模块内部的温度。这种温度升高会导致用于形成边缘元件的膨胀材料的热诱发膨胀(heat-induced swelling)，从而增加间隔元件与外壳内表面之间的密封。如果电池单元爆裂开，这种增加的压力可增加对高压气体和释放的颗粒物质的抵抗力。示例性的膨胀材料公开于Hahn等人的美国专利号3,513,114；McGinniss等人的美国专利号5,487,946；Deogon的美国专利号5,591,791；Gottfried的美国专利号5,723,515；Nguyen等人的美国专利号6,790,893；Buckingham等人的PCT专利申请公开号WO 94/17142；Janci的PCT专利申请公开号WO 98/04639；以及Fleetwood等人的PCT专利申请公开号WO 2020/077334，所有这些专利案均通过引用完整并入本申请中。
其它聚合材料也可用作边缘元件的材料。通常，具有高温稳定性和一些可压缩性的聚合物材料非常适合用作边缘元件材料。可使用的示例性聚合物材料包括硅氧烷聚合物(聚硅氧烷，氟硅氧烷)、FKM聚合物(氟橡胶，例如VITON)、氯磺化聚乙烯橡胶(HYPALON)、氢化丙烯腈-丁二烯橡胶和乙烯-丙烯-二烯单体。这些和其它聚合物可以是泡沫或弹性材料的形式。弹性材料可形成为薄膜或垫片的形状。
在另一个实施方案中，边缘材料可为由不同层组成的复合材料。例如，边缘材料可由电容层和一个或多个绝缘层组成，压缩层形成在绝缘层上。在一个实施方案中，边缘元件由如本申请先前的多层材料形成。
如前所述，间隔元件用于在电池单元之间形成热障，以防止在正常使用期间以及在电池单元故障期间热从电池单元传递到电池单元。通过接触边缘元件以在外壳的内表面和间隔元件之间形成密封，间隔元件可在电池单元或电池单元组之间形成物理屏障。以这种方式创建了独立隔间，每个隔间容纳单个电池单元或多个电池单元。隔间由两个间隔元件和边缘元件界定，与设置在间隔元件之间的一个或多个电池单元一起。
如前所述，外壳可包括一个或多个排放孔埠。所述一个或多个排放孔埠流体地耦合到一个或多个由间隔元件和边缘元件界定的隔间。排放孔埠可以是在外壳的一部分中形成的开口。或者，排放口可包括将在预定内部压力下打开的泄压阀。在一个实施方案中，多个排放孔埠形成在顶板中，每个排放孔埠与隔间对齐。排放孔埠也可以任何组合定位在外壳的侧壁端，端板或底板上。
电池模块的替代实施方案表示如图16。如前所述，电池模块包括具有内表面的外壳。内表面由在第一侧壁与第二侧壁以及顶板与底板之间延伸的第一端板和第二端板界定。电池模块具有两个或更多个电池单元以及相邻电池单元之间的间隔元件。在所述实施方案中，一个或多个盖部用于在间隔元件和外壳的内表面之间形成密封。盖部与外壳的内表面的一部分接触并且围绕间隔元件的至少一部分。
一个实施方案的盖部表示如图16。如图16所示，盖部1615耦合到电池模块的外壳的内表面1630。在所述实施方案中，盖部1615附接到电池模块的内表面1630。在盖部1615内界定了一个空间，所述空间可接收间隔元件1620。优选地，所述空间具有基本上等于间隔元件宽度的宽度。在电池模块的制造过程中，间隔元件定位在由盖部1615界定的空间内，如图16所示。
在盖部1615的优选实施方案中，盖部具有沿盖部的第一纵向侧延伸的大致U形开口。如图16所示，间隔元件1620装配在形成于盖部中的U形开口内。盖部1615还可具有一个或多个凹部1625或其它形状，使得盖部的外表面具有与外壳的内表面的一部分的形状互补的形状。在一些实施方案中，盖部1615可具有在盖部的底部的开口。在盖部的底部具有开口允许盖部在间隔元件上滑动。这对于制造目的来说是一个有用的功能，因为电池单元-间隔元件可在将盖部放置到位之前组装在外壳内。
为了在电池单元之间形成热和微粒屏障，盖部1615可完全覆盖一个或多个间隔元件的端部。当间隔元件耦合至盖部时，盖部会对间隔元件施加轻微的压力，从而在盖部与间隔元件之间在接触点处形成密封。为了使相邻的电池单元彼此密封，盖部可接触外壳的底板和顶板。具体地，盖部可具有与外壳的顶板形成密封的顶表面，以及与外壳的底表面形成密封的底表面。在这种配置中，盖部在相邻的电池单元之间形成了一个完整的屏障。
为了在间隔元件和外壳的内表面之间的界面处产生更好的密封，一个或多个通道1660可形成在外壳的内表面中及/或上。如图16所示，通道1660至少形成在第一侧壁和第二侧壁上。通道可从第一端板、第二端板、第一侧壁、第二侧壁、顶板和底板中的一个或多个突出。盖部1615延伸进入并接触通道的一部分，在盖部和内表面之间形成密封。盖部可通过压力配合与通道接触。在压力配合中，盖部在设置在通道中时被轻微压缩，从而在盖部和通道之间形成密封。或者，可使用粘合剂将通道附接到外壳。通道可以是U形(如图16所示)或与盖部互补的任何其它形状。
在一个实施方案中，盖部1615完全延伸到通道1660中，使得盖部与通道的侧壁和底表面接触。在这样的实施方案中，间隙1665有意地留在间隔元件与盖部的内表面之间。所述间隙可允许间隔元件和外壳的制造变化。在电池模块的构造过程中，留出间隙将有助于确保间隔元件正确安装在盖部中。将模块设计成在间隔元件与盖部的内表面之间存在间隙，有助于确保制造所需的间隙不会无意中为热空气和颗粒物质从一个电池单元传递到其它。
参考图17，描绘盖部和间隔元件的配置的替代实施方案。在这个实施方案中，间隔元件1720完全延伸到盖部1715中。在一个实施方案中，间隔元件可接触相对侧壁和盖部的底表面，如图17所示。如在前面的实施方案中，可使用间隙来允许间隔元件和外壳的制造变化。在所述特定实施方案中，间隙1765存在于盖部1715与外壳的侧壁之间。盖部1715通过与通道1760接触而连接到侧壁。优选地，使用摩擦及/或压力配合将盖部1715连接到通道1760。使用盖部与外壳的非粘性连接允许盖部被移动以适应间隔元件长度的变化。
盖部1715可由任何合适的材料制成。合适的材料包括可注射成型的聚合物。示例性注塑聚合物包括但不限于：聚丙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯和聚苯乙烯。优选地，使用化学分解起始温度大于150℃的聚合物。在热失控事件期间，使用高温材料形成盖部可为电池单元提供额外的保护。
如前所述，间隔元件用于在电池单元之间形成热障，以防止在正常使用期间以及在电池单元故障期间热从电池单元传递到电池单元。间隔元件可通过接触盖部以在外壳的内表面与间隔元件之间形成密封，从而在电池单元或电池组之间形成物理屏障。以这种方式创建了独立隔间，每个隔间容纳单个电池单元或多个电池单元。连接到盖部的两个间隔元件与设置在间隔元件之间的电池单元或多个电池一起界定隔间。
如前所述，外壳可包括一个或多个排放孔埠。所述一个或多个排放孔埠流体连接到一个或多个由间隔元件和盖部界定的隔间。排放孔埠可以是在外壳的一部分中形成的开口。或者，排放口可包括将在预定内部压力下打开的泄压阀。在一个实施方案中，多个排放孔埠形成在顶板中，每个排放孔埠与隔间对齐。排放孔埠可以任何组合定位在外壳的侧壁端、端板或底板上。
在一个实施方案中，电池模块包括：两个或更多个电池单元和一个或多个设置在相邻电池单元之间的间隔元件，每个间隔元件包括至少一热容层和至少一绝缘层。在一个实施方案中，间隔元件的表面积大于两个或更多个电池单元的表面积，并且其中每个间隔元件延伸超出电池单元的外表面。
在特定实施方案中，间隔元件在电池单元的顶表面上方延伸。间隔元件可伸出电池单元的端部并与模块的外壳接触。或者，间隔元件可弯曲使得间隔元件的一部分在电池单元的顶表面上方延伸。
在一个实施方案中，热容层或热传导层、间隔元件的一些其它层或它们的层的组合从绝缘层延伸并与模块的外壳接触。在示例性实施方案中，绝缘层的表面积基本上等于电池单元的表面积，以及热容层、热传导层、间隔元件的另一层、或其层的组合延伸超出电池单元的外表面。热容层、热传导层、间隔元件的另一层或其组合可设置在绝缘层的外表面上或两层或多层绝缘材料之间。在一些实施方案中，绝缘层或多层可被封装(例如通过聚合物层或包裹物)而与热容层或多层分离。热容层、或热传导层、间隔的另一层或其组合层延伸经过绝缘层并接触外壳的内表面。在热失控事件期间，电池单元外壳可能会失效，从而释放出热气及/或燃烧的颗粒物(喷射物)。这些材料从电池中释放出来并进入绝缘层区域。由于释放材料的高温，绝缘层有可能至少部分损坏甚至部分破坏，从而使气体和热粒子到达其它单元。为了防止这种情况，间隔元件的一部分，例如热容层、热传导层、间隔的另一层或它们的层的组合，被延伸以接触包括一个或多个的外壳的内表面侧壁、表面的顶部或底部。间隔可包括由金属或高温聚合物制成的层，例如热容层，所述金属或高温聚合物可承受气体和颗粒的预期温度。间隔元件的一部分，例如热容层、热传导层、或另一层、或层的组合，延伸到外壳的内部，因此用作可防止热传递、过热、或附近的电池损坏的屏障。
图22描绘间隔元件的实施方案，所述间隔元件包括延伸超出电池单元尺寸至外壳的层。电池模块2200包括由间隔元件2220隔开的多个电池单元2210。间隔元件可由夹在绝缘层2220c与牺牲材料层2220a之间的热容层或热传导层2220b组成。热容层或热传导层2220b远离绝缘层延伸并接触外壳2230的内表面，在相邻电池单元2210之间形成屏障。从电池单元喷出的热气体和颗粒物质在热失控事件时已部分损坏，被来自间隔元件的热容层或热传导层2220b捕获，使得来自一个电池单元的热失控事件不太可能在模块内的其它电池单元中产生热失控。
将一层间隔元件延伸到外壳的内表面，包括一个或多个侧壁，外壳内表面的顶部或底部可形成隔离电池单元彼此的“隔间”。如图22所示，热容层或热传导层2220b从相邻的间隔元件延伸到外壳2230的内表面形成至少部分地包围电池单元的隔间2250。这样的隔间可容纳从电池单元喷射的热气体和颗粒物质。由间隔元件形成的隔间2250对热气体的容纳会在模块内产生应力，因为当电池单元2210释放热气体时隔间内的压力增加。为了进一步减轻对电池模块的潜在损坏，一种外壳中可形成一个或多个排放孔埠2260。排放孔埠可位于外壳的任何部分，包括侧壁(如图22所示)或外壳的顶部或底部。排放孔埠可为开口或泄压阀。
电池模块和电池组的制造公差可能会有所不同。因此，可能难以确定接触外壳内壁所需的热容层的延伸部分的准确长度。在一个实施方案中，热容层可弯曲，使得热容层的一部分在与外壳的内表面接触时将弯曲或偏转。在一个实施方案中，热容层可在安装之前变形以形成弹性形状。例如，热容层或热传导层的延伸超出绝缘层的部分的端部区域可弯折，弯曲或以其它方式变形以提供被配置为接触模块的壁的内表面的弹性形状并提供对气体及/或颗粒物质的屏障或密封。弹性热容或热传导层可定位成允许在模块制造期间外壳的一部分移动或压缩。
在示例性实施方案中，间隔元件可包括金属部件，例如金属的层(例如，不锈钢、铝、钛、镍、钢、铁或其组合)从绝缘层延伸以提供阻挡气体及/或颗粒物的屏障或密封。金属部件可为热容层、热传导层的延伸，或者可为间隔元件的单独部件。金属部件的一部分可弯折、弯曲或以其它方式变形以提供弹性形状，所述弹性形状被配置为接触模块的壁的内表面并提供对气体和/或颗粒物质的屏障或密封。这些实施方案的示例在图18至21。当安装间隔元件时，金属部件的延伸部分(即，远离绝缘层延伸的部件)接触外壳的内表面并偏转。这允许在外壳内部形成紧密密封，而无需将金属部件形成为所需的精确尺寸。
图18A描绘具有夹在绝缘层1820a之间的延伸的热容层或热传导层1820b的间隔元件1820的实施方案。如图所示，绝缘层可由封装层1820c封装。在此实施方案中，热容层或热传导层1820b的一部分延伸超出绝缘层以形成延伸部分1822。延伸部分1822可沿着间隔元件的一个或多个侧面形成，例如沿间隔元件的顶部和侧面，如图所示。折痕或折叠线1824形成在延伸部分上以使延伸部分能够弹性偏转。在使用期间，间隔元件放置在电池单元之间，并且延伸部分1822接触外壳的内表面以在间隔元件与内表面1830之间形成密封，如图18B。延伸部分1822在与外壳的内表面接触时将偏转，从而允许形成密封，尽管制造尺寸有变化。
图19A描绘具有延伸部分的间隔元件的替代实施方案。间隔元件1900包括夹在绝缘层1920a之间的两热容层或热传导层1920b。每个热传导或热容层都延伸超出绝缘层1920a并且发散。这产生了远离绝缘层延伸的Y形延伸部分1922。如在先前的实施方案中，Y形延伸部分1922在与外壳的内表面1930接触时将偏转，从而允许在间隔和外壳之间形成密封，如图19B。
图20A描绘具有延伸部分的间隔元件的替代实施方案。间隔元件2000包括围绕绝缘层2020a的两热容层或热传导层2020c和2020d。在本实施方案中，热容层或热传导层2020c和2020d可作为间隔元件的封装层。如在先前的实施方案中，热容层或热传导层2020b可存在于绝缘层2020a之间。热传导层或热容层2020c和2020d中的每一个都延伸超出绝缘层2020a并且远离绝缘层发散。这产生了一对发散的延伸部分2022a和2022b彼此远离延伸。如同实施方案的图19，延伸部分2022a和2022b在与外壳的内表面2030接触时将偏转，从而允许在间隔元件与外壳之间形成密封，如图20B。
图21A描绘可应用于本申请所公开任何实施方案的延伸部分的修改，特别是应用于图18A、18B、19A、19B、20A和20B的实施方案。如图20A和20B所示，间隔元件2100包括两个围绕绝缘层2120a的热容层或热传导层2120c和2120d。热容层或热传导层2120b可存在于绝缘层2120a之间。热传导或热容层2120c和2120d中的每一个都延伸超出绝缘层2120a并且远离绝缘层并且彼此分开，从而形成一对分开的延伸部分2122a和2122b彼此远离延伸。在所述实施方案中，延伸部分2122a和2122b分别包括圆形端部2124a和2124b。圆形端部允许延伸部分在安装和使用期间更容易地在外壳内表面2130上滑动。如同图20B所示，延伸部分2122a和2122b在与外壳的内表面2130接触时会偏转，从而允许在间隔元件与外壳之间形成密封，如图21B。
在一个实施方案中，如图23所示，每个电池单元2310与第一间隔元件2320a和第二间隔元件2320b相邻，其中第一间隔元件的一部分2322a延伸到电池单元2310的顶部和顶部表面。第一间隔元件的部分2322a延伸过电池单元的顶表面并接触第二间隔元件的延伸部分2322b。以这种方式，间隔元件或间隔元件的部分可覆盖电池单元并且至少部分地将电池单元与其它电池单元隔离。
热气体和颗粒离开电池单元进入间隔元件区域会产生大量热积聚。由于屏障单元旨在将热保持在有缺陷的电池单元周围，并远离其它电池单元，因此热会在所述区域积聚。过多的热和颗粒的爆炸力会影响外壳的完整性，尤其是外壳的顶部或侧壁。为了保护外壳的内部，外壳可用热保护层保护。所述层可由耐热和阻燃材料形成，例如云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉、气凝胶材料和金属。外壳还可包括配置成控制或引导喷射物流动的特征，喷射物即从电池单元排出的气体和颗粒材料。这些特征，例如挡板、突出部、通道、隔板、延伸部或其组合，可由热保护、耐火或绝缘材料和复合材料，例如气凝胶、气凝胶复合材料、云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿棉、金属、它们的组合，或包括这些热保护、耐火或绝缘材料而形成或覆盖。
在另一个实施方案中，间隔元件可接触单独的边缘元件以在间隔元件与外壳之间形成密封。如图24描绘一个实施方案，其中单独的边缘元件2415沿着外壳壁放置在靠近间隔元件2410的预期位置的位置处。单独的边缘元件的使用允许靠近电池单元的外壳部分保持打开，允许对电池进行电连接，而无需通过边缘元件。单独的边缘元件将具有比间隔元件的宽度稍大的宽度，以允许制造公差的差异。
图25A至B描绘边缘元件2415的实施方案，所述边缘元件2415用于在间隔元件与外壳内部之间形成密封。在图25A中，边缘元件表示定位在外壳的内表面上。间隔元件(“C2C屏障”)位于相邻电池单元之间。在定位间隔元件的过程中，一个或多个弹性构件2430偏转以接收间隔元件，如图25B。弹性构件与间隔元件的接触可形成对从经历热失控的电池单元喷射的气体和颗粒的屏障。如图25B所示，通过使边缘元件比间隔元件更宽，间隔元件相对于边缘元件的位置存在一些横向公差。在一些实施方案中，边缘元件包括在平行于间隔元件的边缘的方向上延伸的部分，使得边缘元件沿间隔元件的边缘的长度形成抵靠间隔元件的侧面的密封。
虽然边缘元件描述成附接至外壳内壁的单独单元，但应理解边缘元件可附接至间隔元件或间隔元件的延伸。在所述实施方案中，当安装间隔元件并且间隔元件接触外壳的内表面时，边缘元件的弹性单元将偏转。
在一个实施方案中，绝缘材料2450可定位在单独的边缘元件之间。边缘元件与相邻电池单元之间的绝缘有助于防止热和颗粒流向相邻电池单元。
如前所述，边缘元件可由耐热和阻燃材料形成。边缘元件也可由膨胀材料组成。除了使用膨胀材料外，形状记忆材料可用来代替膨胀材料或与膨胀材料结合使用。形状记忆材料具有在施加特定刺激时从显著且看似塑性变形中恢复其原始形状的能力。这被称为形状记忆效应(SME)。形状记忆材料的示例包括但不限于铜-铝-镍和镍-钛的合金(例如，镍钛诺)。
例如，形状记忆边缘元件可用于围绕模块内的部分。参考图26A和图26B，形状记忆边缘元件2622包括在被热触发时向上翻转(如图26B所示)的折叠部分。向上翻转的部分阻挡热、火焰和热失控材料，以防止电池单元之间的热传播。如图26A和26B所示实施方案，形状记忆边缘元件定位成使得向上翻转的部分阻挡标记为A-A的区域，例如在可能发生热失控的位置处。除了捕获区域A-A中的热事件外，还可包括额外的热管理单元。例如，在区域A-A内，膨胀热隔离层2642可结合在电池之间或模块内的任何所需位置处。这些膨胀热隔离层2642，当被触发热事件启动时，可向外膨胀到电池外壳的内层以阻止热和质量传递，并进一步实现形状记忆边缘元件2622在区域中包含热失控材料的区域A-A。
在另一个实施方案中，不是在一个区域内包含热事件，而是响应于阻挡热、火焰和热失控物质扩散的触发温度而形成屏障。参照图26C和图26D，形状记忆边缘元件2623a和2623b位于两个电池单元之间，其中2623a和2623b在两个不同的方向上向上翻转，以防止热、火焰和热失控材料的通过。
形状记忆材料和膨胀材料也可在一个单元中一起使用，以防止模块内的热、火焰和热失控材料的传播。参考图27A和图27B，图示了其中形状记忆材料和膨胀材料被分层以产生边缘元件2722的实施方案。具体地，膨胀垫片可定位在模块内的电池单元之间。在膨胀垫片的顶部附有形状记忆盖部。在热触发事件时，膨胀材料膨胀并且形状记忆盖部向外弯曲以完成电池单元之间的屏障盖部，如图027B。在另一个实施方案中，如图27C和图27D，形状记忆材料2723固定到模块外壳的内层，而膨胀材料2721夹在电池单元之间。在热触发事件时，膨胀材料2721自由膨胀和炭化，并且形状记忆材料2723向下朝向膨胀的膨胀材料2721弯曲以形成屏障。
在一些实施方案中，形状记忆材料可与冷却系统一起使用，例如冷却板。在正常充电和放电操作期间，形状记忆材料(通常为合金)将热从电池单元传导到冷却系统，例如冷却板。模块中电池单元之间的热隔离层用作缓冲层并适应充电和放电事件期间的电池体积变化。在热失控的情况下，形状记忆材料可用于在电池单元和热隔离层(例如泡沫/气凝胶)之间产生距离，以便热可更好地传导到冷却系统(即减少热隔离层所承受的热)。
例如，参考图28A和图28B，示出了模块的一部分2800，其中两个电池单元2810被热隔离层2820隔开。电池单元2810和热隔离层与冷却系统(例如，冷却板)2830热接触。为了保护热隔离层2820，形状记忆板2840夹在电池单元2810与热隔离层2820之间。形状记忆板2840也与冷却系统2830接触。热触发事件时(如图28B)，形状记忆板2840弯曲如图所示以在电池单元2810与热隔离层2820之间产生分隔。从电池单元2810中的高温(由触发事件引起)辐射的热被传导到弯曲形状记忆板2840，然后到冷却系统2830，从而减少传递到隔离层的热。
在另一个实施方案中，形状记忆材料单元可与热传导层结合。形状记忆材料单元可为热活化弹簧，其将导电材料推离经历热触发事件的电池单元。参考图29A、图29B和图29C，模块的一部分2900可包括连接到冷却系统2930的电池单元2910。夹在电池单元2910之间的是热隔离层2920，其具有设置在界面表面上的保护性热传导层2950。热传导层2950可由诸如铝或铜的任何导电金属或合金形成。形状记忆材料单元2955布置在整个热传导层2950(并且如图29C所示)。在热触发事件(图29B中所示)时，形状记忆单元2955膨胀(像弹簧一样)并推动热传导层2950远离经历热触发事件的电池单元。热传导层2950被推向热隔离层2920，热隔离层2920由可压缩材料(例如泡沫，气凝胶等)形成，其可适应体积变化以允许在电池单元2910与热隔离层2920之间形成屏障空间。
当在电池单元之间形成屏障时，定位间隔元件以防止热气体和颗粒在电池单元之间直接传递。在一些实施方案中，间隔元件仍然可通过热传导路径在电池单元之间传递热，特别是当金属或一些其它热传导材料位于间隔件中时。为了防止通过或围绕间隔元件的热传导传递，可在间隔元件的热传导材料中放置有意的热断路。这些热断路会破坏通过间隔元件的热传递。类似地，可在边缘元件中形成热断路以防止热的传导传递。在一些实施方案中，绝缘材料的附加层设置在热传导材料附近，例如，在热传导材料与相邻的一个或多个电池单元之间。在这样的实施方案中，附加的绝缘材料层防止，限制或破坏通过或围绕间隔元件的热传导。
虽然上述公开的方法，系统和装置适用于在电池单元之间形成屏障，但在一些变型中，外壳的角部区域可没有任何绝缘材料。在一个实施方案中，绝缘单元可放置在外壳的覆盖件(cover)/盖件(lid)的拐角上。在组装过程中，绝缘单元填充外壳角的一部分，提供额外的热障和/或阻止可能从电池单元中排出的气体和颗粒流动的屏障。绝缘单元可为可压缩或刚性材料。在一个实施方案中，绝缘单元可为杆的形式，当覆盖件放置在外壳上时，所述杆被压缩。如果杆为可压缩材料，则杆将在顶部放置在外壳上时膨胀并填充角落空间。或者，可在顶部的拐角处形成脊，当顶部放置在外壳上时，所述脊形成密封。
本申请的各种电池模块可用于能量储存系统。能量储存系统可包括一个或多个电池模块。所述电池模块中的热和微粒屏障降低了整个电池模块进入热失控的发生率。因此，所公开的实施方案可防止能量储存系统的灾难性故障。所公开的电池模块可用于车辆的蓄电系统中。热失控的机会减少使得所公开的电池模块对于许多类型的交通工具，特别是汽车，飞机和航空器来说更安全。
在本申请中，某些美国专利、美国专利申请和其它材料(例如文章)已通过引用并入。然而，此类美国专利、美国专利申请和其它材料的文本仅在此类文本与本申请阐述的其它陈述和附图之间不存在冲突的范围内通过引用并入。在有这种冲突时，通过引用并入的美国专利、美国专利申请和其它材料中的任何这种冲突文本明确地不通过引用并入本申请中。
有鉴于本描述，本申请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申请的一般方式的目的。应当理解，本申请所表示和描述的形式将被视为实施方案的示例。要素和材料可代替本申请中所示和描述者，部件和过程可颠倒，并且本申请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。本申请在不背离下述权利要求中描述的本申请的精神和范围的情况下，可对这里描述的要素进行改变。

Claims (70)

1.一种电池模块，其包括：
外壳，其包括内表面，所述内表面由在第一侧壁与第二侧壁以及顶板与底板之间延伸的第一端板和第二端板界定；
两个或更多个电池单元，设置在所述外壳的内部空间中；以及
一个或多个间隔元件，设置在相邻电池单元之间，每个所述间隔元件包括至少一个热容层和至少一个绝缘层；
其中，每个所述间隔元件的一部分延伸远离所述绝缘层且接触所述外壳的所述内表面，从而形成相邻电池单元之间的热障。
2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述两个或更多个电池单元纵向地定向成平行于所述端板，并且其中，所述间隔元件接触所述底面、顶面、第一侧壁和第二侧壁中的至少一者以形成相邻电池单元之间的所述热障。
3.根据权利要求1或2所述的模块，其中，每个所述间隔元件接触形成在所述内表面上和/或所述内表面中的一个或多个通道。
4.根据权利要求3所述的模块，其中，所述一个或多个通道从所述第一端板、所述第二端板、所述第一侧壁、所述第二侧壁、所述顶板和所述底板中的一者或多者突出。
5.根据权利要求3所述的模块，其中，所述一个或多个通道为所述第一端板、所述第二端板、所述第一侧壁、所述第二侧壁、所述顶板和所述底板的一者或多者中的凹部。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的模块，其中，每个所述间隔元件接触所述通道的一个或多个的一部分，以形成在所述间隔元件与所述内表面之间的密封。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的模块，其中，所述一个或多个通道基本上为具有相对侧壁及底面的U形。
8.根据权利要求7所述的模块，其中，所述间隔元件接触所述U形通道的侧壁。
9.根据权利要求8所述的模块，其中，所述间隔元件和所述U型通道的底面之间存在间隙。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的模块，其中，所述绝缘层具有在25℃小于约50mW/m-K且在60℃小于约60mW/m-K的通过所述绝缘层的厚度维度的热导率。
11.根据权利要求10所述的模块，其中，所述绝缘层包括气凝胶。
12.根据权利要求1至12中任一项所述的模块，其中，所述热容层接触所述底面、顶面、第一侧壁或第二侧壁中的至少一者。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的模块，其中，所述一个或多个间隔元件进一步包括覆盖所述至少一个热容层和至少一个绝缘层的外部部分，其中，所述外部部分包括至少一个牺牲层和至少一个封装材料层。
14.根据权利要求13所述的模块，其中，所述至少一个牺牲材料层包括在约27kPa至约55kPa下具有25％压缩力挠度的可压缩垫。
15.根据权利要求13或14所述的模块，其中，所述至少一个封装材料层包括聚合物。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的模块，其中，所述一个或多个间隔元件和所述外壳的内表面一起配置成界定多个独立隔间，其中，每个隔间中设置一个电池单元。
17.根据权利要求16所述的模块，其中，所述外壳的至少一部分包括一个或多个排放孔埠，所述一个或多个排放孔埠与所述多个独立隔间的一个或多个流体耦合。
18.根据权利要求17所述的模块，其中，所述排放孔埠的一个或多个为泄压阀。
19.根据权利要求17或18所述的模块，其中，所述排放孔埠的一个或多个包括形成在外壳的一部分中的开口。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的模块，其中，所述排放孔埠的一个或多个位于所述外壳的侧壁或顶板中，连通于所述隔间中的一个或多个。
21.一种电池模块，其包括：
外壳，其包括内表面，所述内表面由在第一侧壁与第二侧壁以及顶板与底板之间延伸的第一端板和第二端板界定，
两个或更多个电池单元，设置在所述外壳的内部空间中；
一个或多个间隔元件，设置在相邻电池单元之间，每个所述间隔元件包括至少一个热容层和至少一个绝缘层；以及
多个单独边缘元件，沿所述外壳的内表面设置，其中，所述边缘元件包括可压缩且具有化学分解温度的始点大于约100℃的材料；
其中，每个所述间隔元件接触所述多个单独边缘元件中的一个，从而通过所述间隔元件及所述外壳的内表面之间的所述边缘元件形成密封，以热隔离所述相邻电池单元。
22.根据权利要求21所述的模块，其中，所述边缘元件包括膨胀材料、形状记忆材料或膨胀材料和形状记忆材料的组合。
23.根据权利要求21所述的模块，其中，所述边缘元件包括硅氧聚合物。
24.根据权利要求21所述的模块，其中，所述边缘元件包括一个或多个电容层和一个或多个绝缘层。
25.根据权利要求21所述的模块，其中，所述边缘元件包括所述间隔元件的所述至少一个热容层的一部分。
26.根据权利要求21所述的模块，其中，所述边缘元件包括所述间隔元件的所述至少一个绝缘层的一部分。
27.根据权利要求26所述的模块，其中，所述边缘元件进一步包括覆盖所述一个或多个电容层和所述一个或多个绝缘层的外部部分，其中，所述外部部分包括至少一个可压缩层。
28.根据权利要求26所述的模块，其中，所述可压缩层具有约27kPa至约55kPa的25％压缩力挠度。
29.根据权利要求21至28中任一项所述的模块，其中，所述两个或更多个电池单元定位在平行于所述端板的所述第一侧壁与所述第二侧壁之间，并且其中，所述间隔元件接触所述底面，并且其中，所述一个或多个边缘元件中的一个设置在所述间隔元件与所述顶表面之间。
30.根据权利要求29所述的模块，其中，所述一个或多个边缘元件中的一个设置在所述第一侧壁与所述间隔元件和/或所述第二侧壁与所述间隔元件之间。
31.根据权利要求29所述的模块，其中，所述间隔元件接触所述第一侧壁和所述第二侧壁。
32.根据权利要求31所述的模块，其中，每个所述间隔元件接触形成在所述第一侧壁和所述二侧壁中的一个或多个通道。
33.根据权利要求32所述的模块，其中，所述一个或多个通道为第一侧壁和/或所述第二侧壁中的凹部。
34.根据权利要求32所述的模块，其中，所述一个或多个通道从所述第一侧壁和/或所述第二侧壁突出。
35.根据权利要求32至34中任一项所述的模块，其中，每个所述间隔元件接触所述通道中的一个或多个的一部分，以形成在所述间隔元件与所述内表面之间的密封。
36.根据权利要求32至34中任一项所述的模块，其中，所述一个或多个通道基本上为具有相对侧壁及底面的U形。
37.根据权利要求36所述的模块，其中，所述间隔元件接触所述U形通道的侧壁。
38.根据权利要求37所述的模块，其中，所述间隔元件与所述U形通道的底面之间存在间隙。
39.根据权利要求21至38中任一项所述的模块，其中，所述间隔元件的所述绝缘层具有在25℃小于约50mW/m-K且在600℃小于约60mW/m-K的通过所述绝缘层厚度维度的热导率。
40.根据权利要求39所述的模块，其中，所述间隔元件的绝缘层包括气凝胶。
41.根据权利要求39或40所述的模块，其中，所述一个或多个间隔元件进一步包括覆盖所述至少一个热容层和至少一个绝缘层的外部部分，其中，所述外部部分包括至少一个牺牲层和至少一个封装材料层。
42.根据权利要求41所述的模块，其中，所述至少一个牺牲材料层包括具有在约27kPa至约55kPa下为25％压缩力挠度的可压缩垫。
43.根据权利要求41或42所述的模块，其中，所述至少一个封装材料层包括聚合物。
44.根据权利要求21至43中任一项所述的模块，其中，所述一个或多个间隔元件、所述一个或多个边缘元件和所述外壳的内表面一起配置成界定多个独立隔间，其中，每个隔间中设置一个电池单元。
45.根据权利要求44所述的模块，其中，所述外壳的至少一部分包括一个或多个排放孔埠，所述一个或多个排放孔埠与所述多个独立隔间中的一个或多个流体耦合。
46.根据权利要求45所述的模块，其中，所述排放孔埠的一个或多个为爆裂盘。
47.根据权利要求45或46所述的模块，其中，所述排放孔埠的一个或多个包括形成在所述外壳的一部分中的开口。
48.根据权利要求45至47中任一项所述的模块，其中，所述排放孔埠的一个或多个位于连通于所述隔间的一个或多个的外壳的侧壁或顶板中。
49.一种电池模块，其包括：
外壳，其包括内表面，所述内表面由在第一侧壁与第二侧壁以及顶板与底板之间延伸的第一端板和第二端板界定，
两个或更多个电池单元，设置在外壳的内部空间中；
一个或多个间隔元件，设置在相邻电池单元之间，每个所述间隔元件包括至少一个热容层和至少一个绝缘层；以及
一个或多个延伸部分，从所述间隔元件延伸，其中，所述延伸部基本上为弹性的；
其中，所述一个或多个延伸部分偏转且形成在所述间隔元件与所述外壳之间的密封。
50.一种电池模块，其包括：
外壳，其包括内表面且在内里包围内部空间；
两个或更多个电池单元，设置在所述外壳的内部空间中；
一个或多个间隔元件，设置在相邻电池单元之间，所述一个或多个间隔元件的每个包括至少一个绝缘层；以及
一个或多个延伸部分，从所述一个或多个间隔元件延伸，其中，所述一个或多个延伸部分由热活化材料形成；
其中，所述一个或多个延伸部分偏转且形成在所述间隔元件与所述外壳之间的密封。
51.根据权利要求50的电池模块，其中，所述热活化材料包括形状记忆材料。
52.根据权利要求51的电池模块，其中，所述形状记忆材料为形状记忆合金。
53.根据权利要求50的电池模块，其中，所述热活化材料包括膨胀材料。
54.根据权利要求50的电池模块，其中，所述热活化材料包括形状记忆材料及膨胀材料的组合。
55.根据权利要求50至54中任一项的电池模块，其中，所述一个或多个延伸部分在偏转时产生在对所述电池模块的其余部分密封的区域。
56.根据权利要求50至54中任一项的电池模块，其中，所述一个或多个延伸部分包括第一延伸部分和第二延伸部分，所述第一延伸部分在与第二延伸部分相反的方向上偏转。
57.一种电池模块，其包括：
外壳，其包括内表面且在内里包围内部空间；
两个或更多个电池单元，设置在外壳的内部空间中；
一个或多个间隔元件，设置在相邻电池单元之间，所述一个或多个间隔元件的每个包括至少一个绝缘层；以及
一个或多个延伸部分，从所述外壳的内表面延伸，其中，所述一个或多个延伸部分由热活化材料形成；
其中，所述一个或多个延伸部分偏转且形成在所述间隔元件与所述外壳之间的密封。
58.根据权利要求57所述的电池模块，其中，所述热活化材料为形状记忆材料。
59.根据权利要求57所述的电池模块，其中，所述热活化材料为形状记忆材料及膨胀材料的组合。
60.根据权利要求57所述的电池模块，其中，所述一个或多个间隔元件包括气凝胶。
61.根据权利要求57所述的电池模块，其中，所述一个或多个间隔元件包括膨胀材料。
62.一种电池模块，其包括：
外壳，其包括内表面且在内里包围内部空间；
两个或更多个电池单元，设置在所述外壳的内部空间中；以及
一个或多个间隔元件，设置在相邻电池单元之间，所述一个或多个间隔元件的每个包括至少一个绝缘层，所述至少一个绝缘层与至少一个包含形状记忆材料的热传导层物理接触；并且
其中，所述至少一个传导层的形状记忆材料在热活化时偏转以在间隔元件与两个或更多个电池单元中的至少一者之间形成间隙。
63.根据权利要求62所述的电池模块，其中，所述形状记忆材料为镍钛诺。
64.根据权利要求62所述的电池模块，其中，所述形状记忆材料为板状。
65.根据权利要求62所述的电池模块，其中，所述形状记忆材料分散在所述至少一个热传导层各处。
66.根据权利要求65所述的电池模块，其中，当热活化时，所述形状记忆材料为膨胀弹簧形式。
67.根据权利要求62至65中任一项所述的电池模块，其进一步包括与所述两个或更多个电池单元热接触的冷却系统。
68.根据权利要求67所述的电池模块，其中，所述冷却系统为冷却板。
69.一种电能储存系统，其包括权利要求1至68中任一项所述的多个电池模块。
70.一种包括权利要求69所述的电能储存系统的装置或车辆。
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