CN219778976U - 用于电力系统的阻隔件元件、电池模块、电力系统、设备或车辆 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于电力系统的采用流过式冷却的机械阻隔件元件，具体为，用于管理能量存储系统中的热失控问题的材料和系统。示例性实施方案包括具有可机械压缩层的阻隔件，该可机械压缩层允许流体流过该阻隔件。本申请还涉及一种电池模块或电池组，该电池模块或电池组具有一个或多个电池单元和放置成与电池单元热连通的阻隔件。

Description

用于电力系统的阻隔件元件、电池模块、电力系统、设备或 车辆
技术领域
本公开整体涉及用于防止或减轻热事件(诸如热失控问题)的同时在能量存储系统中同时提供流体冷却的阻隔件和系统。本公开还涉及一种电池模块或电池组，该电池模块或电池组具有包括该阻隔件的一个或多个电池单元，以及包括这些电池模块或电池组的系统。
背景技术
诸如锂离子电池的可再充电电池已被发现在动力驱动和能量存储系统中广泛应用。锂离子电池(LIB)广泛用于为诸如移动电话、平板电脑、笔记本电脑、动力工具的便携式电子设备和诸如电动车辆的其他高电流设备供电，因为与传统电池相比，LIB具有高工作电压、低记忆效应和高能量密度。然而，安全性是一个问题，因为在诸如当可再充电电池被过度充电(被充电到超过设计电压)、过度放电、在高温和高压下工作或暴露于高温和高压时的“滥用条件”下，LIB容易发生灾难性故障。因此，窄工作温度范围和充电/放电速率对LIB的使用提出了限制，因为在经受其设计窗口之外的条件时，LIB可能因为快速自加热或热失控事件而失效。
如图1所示，LIB的电化学单元主要由正极、负极、能够产生锂离子的电解质、分离正极和负极的分隔件和集电器构成。LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、Li2TiO3、LiNi0.8 Co0.15Al0.05O2(NCA)和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NMC)是锂离子电池中广泛使用的六种类型的阴极材料。这些六种电池占据当今电池市场的大部分市场份额。电解质由溶解在特定溶剂中的锂盐组成，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)。锂盐通常选自LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiBOB等。分隔件材料通常是聚烯烃基树脂材料。
聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微孔膜通常用作商业锂离子电池中的分隔件。通常将铝箔用作正极的集电器，而将铜箔用作负极的集电器。包括硬碳、碳纳米管和石墨烯的碳基材料目前是商业锂离子电池的大多数负极的主要选择；还研究了其他新颖的负极材料，诸如钛基氧化物、合金/脱合金材料和转化材料，这些材料显示出良好的热和电化学性能。
LIB在正常条件下的操作
在正常操作下，通过扩散和迁移，锂离子从一个电极经过电解质和分隔件移动到另一个电极。
对LIB充电使得电解质溶液中的锂离子经过分隔件从阴极迁移，并且将它们本身插入阳极中(图2)。电荷平衡电子也移动到阳极，但是在充电器中经过外部电路行进。在放电时，反向过程发生，并且电子流过被供电的设备(图2)。在此过程期间，通过三个主要机制在单元内产生热量。第一个是可逆热量，它由与在锂化过程(放电)和脱锂过程(充电过程)期间发生的氧化还原反应相关联的熵变化引起。可逆热量也称为熵热。第二个机制是与单元中的超电势引起的电极极化相关联的不可逆热量。最后，存在与欧姆损失相关联的不可逆热量，称为焦耳加热。焦耳加热是由于锂离子和电子在单元内的移动引起的。在正常条件下，自我产生的热量非常小，并且通常无关紧要，可通过良好的电池设计或电池热管理系统来轻松地耗散。然而，在滥用条件下，可能会发生若干副反应，导致热失控。了解热失控的原因可指导功能性材料的设计，以提高LIB的安全性和可靠性。
热失控和热失控传播概述
当内部反应速率增大到产生的热量超过可提取的热量的点时，发生热失控可能，从而导致反应速率和生热的进一步增加。在热失控期间，高温触发电池中的放热反应链，导致电池温度迅速升高。在许多情况下，当热失控发生在一个电池单元中时，生成的热量使靠近经历热失控的单元的单元快速加热。添加到热失控反应中的每个单元含有额外能量以继续反应，导致电池组内的热失控传播(图3)，最终导致火灾或爆炸灾难。迅速散热和有效阻断传热路径可以作为减少由热失控传播引起的危险的有效抵反制措施。
热失控的诱因—滥用条件
热失控可由各种滥用触发，包括机械滥用、电气滥用和热滥用(图3)。每种类型的滥用可在电池中诱导内部短路(ISC)，导致温度升高。滥用条件可在外部或内部开始。例如，使用导致的应力、老化、设计例如配构造参数(诸如单元间隔、单元互连方式、单元形状因数)、制造、操作和维护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的损坏或损伤，诸如因为单元跌落或因为单元被穿透。
机械滥用
机械滥用主要由机械力引起，并且通常因为外部因素而发生，诸如因为严重车祸，包括碰撞、挤压、穿透和弯曲。当电池或电池组遭受冲击或卷入碰撞时，电池内部可能发生潜在损坏，包括分隔件破裂和易燃电解质泄漏、引起ISC然后导致热失控。由外力引起的破坏性变形和移位是机械滥用的两个常见特征。在汽车碰撞期间，电池组很有可能变形。电动车辆上的电池组的布局影响电池组的碰撞响应。电池组的变形可能导致危险的后果：电池分隔件可能破裂并且发生内部短路(ISC)；易燃电解质泄漏，潜在地导致随之而来的火灾。穿透是车辆碰撞期间可能发生的另一种常见现象。与挤压条件相比，当穿透开始时，可立即触发猛烈的ISC。机械破坏和电短路同时发生，并且穿透的滥用条件可能比单纯的机械滥用或电气滥用更严重。
电气滥用
电气滥用主要包括LIB的内部或外部短路、过度充电和过度放电。
在大于90％的滥用条件中都会发生内部短路。广义地说，内部短路在阴极和阳极由于电池分隔件的故障而彼此相遇时发生。内部短路可由以下几种滥用引起：(1)机械滥用，即当分隔件因为穿透或挤压而损坏时；(2)电气滥用，即当分隔件因为枝晶生长而被刺穿时(图4)；和(3)热滥用，即当分隔件在高温下瓦解时。
外部短路在具有电压差的电极由导体连接时形成。电池组的外部短路可由汽车碰撞期间的变形、浸水、导体污染或维护期间的电击等引起。与穿透相比，通常在外部短路的电路上释放的热量不会加热单元。外部短路可导致电池中形成大电流和高生热，这主要由欧姆生热引起。当温度开始超过70℃时，单元开始破裂。因此可能触发排气和电解质泄漏。
过度充电可被定义为将电池充电到超过其设计电压。过度充电可由高特定电流密度、激进充电曲线等触发，这会带来一系列问题，包括在阳极上沉积Li金属，严重影响电池的电化学性能和安全性；阴极材料分解，释放出氧；和有机电解质分解，释放出热量和气态产物(H2、烃、CO等)。过度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并且保持基本上不变。在第二阶段，(2)将在电压平台发生锂枝晶沉积。在第三阶段，(3)电压将随着生热和产气而显著下降，导致电池热失控。
过度放电是另一种可能的电气滥用条件。通常，电池组内的单元之间的电压不一致无法避免。因此，一旦电池管理系统无法监测任何单个单元的电压，则具有最低电压的单元将被过度放电。过度放电滥用机制不同于其他机制，其潜在危害可能被低估。电池组中具有最低电压的单元可由在过度放电期间串联连接的其他单元强制放电。在该强制放电期间，极反转并且电池的电压变为负，导致过度放电的单元异常生热。
热滥用
热滥用通常由过热触发。锂离子电池的过热可由机械滥用、电气滥用和连接器的接触损耗引起。通常，在正常工作温度下，LIB稳定；然而，当高于特定温度，LIB稳定性变得不好预测，并且在高温下，电池壳体内的化学反应将产生气体，导致电池壳体内的内部压力增大。这些气体可进一步与阴极反应，释放更多的热量，并在电池内或附近形成在氧气的存在下可点燃电解质的温度。当电解质燃烧时，产生氧气，这为燃烧进一步提供燃料。在某个时刻，电池壳体内压力积聚而导致电池壳体破裂。逸出的气体可能点燃并燃烧。
由机械滥用、电气滥用和热滥用条件引起的热失控可引起连续的生热，因此导致电池内部温度升高。一系列链式反应可在不同的阶段伴随温度升高发生。热失控遵循链式反应的机制，例如其间电池部件材料的分解反应接连发生的物理和/或化学过程。(图3)。
热失控期间的链式反应概述
了解这些物理和/或化学过程的演变有助于制定针对LIB热失控的缓解策略。LIB在不同温度状态或状况(图5)下的热失控可具有不同的诱因，这些温度状态包括状态I：低温(<0℃)，状态II：正常温度(0-90℃)，和状态III：高温(>90℃)。
在状态I中，LIB无法高效地工作，因为低温导致电化学反应速率降低。在较低温度下，电池性能因为电极材料活性降低和锂离子在电解质中扩散速率降低而显著下降。低温下化学反应速率减小的后果包括不希望的Li沉积、电镀和枝晶生长。枝晶是可在电池中的锂镀层上形成的树状结构。这种结构可快速穿透电池的分隔件，即电池的阳极和阴极之间的多孔塑料膜(图4)。单元内的Li沉积和枝晶生长被认为是低温下诱发热失控的主要贡献因素。不希望受理论束缚，据信不希望的Li沉积物和枝晶可能导致电池中发生ISC，进而导致热失控。
在状态II(正常温度操作)中，与热失控过程中产生的热量相比，生热最小。在此操作状态期间的生热主要由固相和液相中的Li离子扩散，固相-液相界面处的电化学反应和副反应引起。生热可导致温度上升和电池内部的温度差，这些温度差可能影响锂离子电池的寿命和安全性。在阶段II期间，初始过热可由于上文提到的至少一个内部或外部诱因而发生，诸如电池过度充电，暴露于过高的温度，由于故障布线引起的外部短路，或由于单元缺陷引起的内部短路。当初始过热开始时，电池操作随着温度朝90℃上升而从正常状态转变为异常状态。当温度高于40℃时，锂离子电池的寿命可由于加速副反应而缩短，并且当温度接近90℃或甚至更高时，可触发固体电解质相间(SEI)膜的分解，这被定义为热失控的开始。SEI在锂离子电池前几次充电循环期间在阳极上产生。SEI在阳极表面上提供钝化层，该钝化层抑制进一步的电解质分解并且提供许多应用所需的长使用寿命。SEI的初始分解被视为在整个热失控过程期间发生的第一个副反应。SEI的初始分解在80～120℃发生，峰位于大约100℃。开始温度可低于80℃，如Wang等人(《热化学学报》2005年，第437卷，第12-16页)报告SEI分解可能从低至57℃的温度开始。
SEI的分解
随着阶段III开始，内部温度迅速升高，导致SEI膜分解。SEI层主要由稳定组分(诸如LiF和Li2CO3)和亚稳态组分(诸如聚合物、ROCO2Li、(CH2OCO2Li)2和ROLi)组成。然而，亚稳态组分可在大约>90℃放热分解，释放易燃气体和氧气。SEI膜的分解被认为是热失控的开始，并且此后将触发一系列放热反应。
随着SEI分解，温度升高，阳极中的锂金属或嵌入的锂将与电解质中的有机溶剂反应，释放易燃烃类气体(乙烷、甲烷等)。这是一种放热反应，驱动温度进一步升高。
分隔件的分解
当T>～130℃时，聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)分隔件开始熔化，这进一步恶化了情况并且导致阴极与阳极之间发生短路。尽管PE/PP分隔件的熔化是热吸附过程，但是由分隔件熔化引起的ISC将进一步恶化热失控过程。
电解质的气体排放和分解
当T>～180℃时，由ISC产生的热量导致锂金属氧化物阴极材料分解并导致氧气释放。阴极的分解也是高度放热的，这进一步提高了温度和压力，因此反应进一步加速。热积聚和气体释放(氧气和易燃气体)然后将引起锂离子电池燃烧和爆炸。
在热失控过程中，由ISC引起的生热仅占2％，化学反应引起的占98％，包括SEI层的分解、电解质的分解等。阴极与阳极之间的快速氧化还原反应引起最大比例的生热(约48％)，而阳极、阴极和电解质中的其他化学反应的生热比例较小。最小的生热是SEI膜的分解。
需要针对热失控的缓解策略
基于对导致电池热失控的机制的理解，研究了许多方法，目的是通过合理设计电池部件来减少安全隐患。为了防止此类级联热失控事件发生，LIB通常被设计成保持储存足够低的能量，或者在电池模块或电池组内的单元之间采用足够的隔热材料，以使它们与可能在相邻单元中发生的热事件隔离，或这些措施的组合。前者严重限制了可存储在这种设备中的能量的量。后者限制了可如何放置单元，从而限制了有效能量密度。需要有效的隔热和散热策略来缓解LIB热失控的可能性。
用于LIB的当前散热方法
当前有许多不同的方法用于使能量密度最大化，同时防止级联热失控。一种方法是在单元或单元簇之间结合足够量的隔热体。这种方法通常被认为是从安全角度来说期望的；然而，在这种方法中，隔热材料容纳热量的能力与所需的隔热体积组合决定了可实现的能量密度的上限。另一种方法是使用相变材料。这些材料在达到一定高温时经历吸热相变。吸热相变吸收所产生的热量的一部分，从而使局部区域冷却。通常，对于电存储设备，这些相变材料依赖于例如蜡和脂肪酸等烃材料。这些体系在冷却方面是有效的，但是本身是可燃的，因此不会带来防止在存储设备内发生点燃时热失控的益处。结合膨胀性材料是防止级联热失控的另一种策略。这些材料在超过指定温度时膨胀，产生被设计为轻质并在需要时提供隔热的焦炭。这些材料可有效提供隔热益处，但是必须在存储设备的设计中考虑材料的膨胀。
需要满足LIB系统机械要求的新型隔热件
阳极和阴极在充电和放电期间的膨胀可导致单元尺寸发生变化(膨胀)。例如，硅在插层期间的典型体积变化高达300％，石墨的体积膨胀大约为10％。这种变化具有可逆组成部分和不可逆组成部分，其量值取决于确切的单元化学性质。单元厚度的可逆变化仅取决于电池的荷电状态(SOC)，并且可导致厚度增加大于2％。单元的不可逆膨胀与单元内部压力的增大相关联，并且由SEI的形成引起。该变化的最大组成部分发生在第一充电循环期间当SEI最初形成时，但膨胀在单元的寿命期间继续。
已经进行了广泛的研究来产生具有有利的热特性以防止热失控问题的新颖材料，但这些材料的力学性质却没有受到那么多的关注，尽管它们很重要。例如，需要在电池模块或电池组内的单元之间使用可提供对压缩变形的阻力以适应单元在单元寿命期间的继续膨胀的有效隔热件。另外，在电池模块的初始组装期间，通常将1MPa或更低的相对低负载施加到单元之间的材料。当电池模块或电池组内的单元在充电/放电循环期间扩展或膨胀时，可向单元之间的材料施加至多约5MPa的负载。因此，材料(例如，单元之间的隔热件)的可压缩性、压缩弹性和柔顺性是重要的特性。
因此，需要满足LIB系统机械要求的新颖隔热件，以在热失控条件下提供有效的隔热，并且在正常条件下提供有效的散热。
实用新型内容
本公开的目的是消除或减轻上述用于防止或减轻可再充电电池例如锂离子电池的热失控的先前方法和材料的至少一个缺点。本文提供的阻隔材料被设计成改进锂离子电池的安全性。
具体地，本公开的目的是提供一种用作电能存储系统中的隔热件的阻隔件，以解决电池模块或电池组中的热传播问题并且当一个单元热失控时停止或减轻热传播。本公开的阻隔件的独特构造可帮助解决单元之间热传播的问题。本公开的阻隔件还可帮助耗散在电池模块或电池组的正常使用期间产生的热量。该阻隔件内限定的流体通道可用于使热传递流体经过该阻隔件，这样可帮助调节电池模块或电池组的温度。
缓解策略可在材料级别、单元级别和系统级别产生效果，保证使用可再充电电池诸如锂离子电池的储能系统的总体安全性。根据本公开的阻隔件可实施以下缓解步骤中的至少一个：(1)降低滥用条件的可能性，(2)一旦滥用条件发生，则消除它们，(3)增强电池单元的热稳定性来抵抗滥用条件，(4)减小在正常操作条件和热失控情况下释放的能量，以及(5)减轻传播危险并限制有限区域中的损坏。
本公开的另一个目的是提供包括根据本申请的阻隔件的电池模块或电池组，该阻隔件可保护电池组免受其中一个单元的热失控而引起的热损坏并且确保电池组的安全设计。
在一个总体方面，本公开提供了一种新颖的阻隔件，它包括气凝胶组合物，例如增强的气凝胶组合物，该组合物耐用且易于处理，对热传播和火势传播具有有利的耐受性，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、压缩弹性和柔顺性方面的有利特性。例如，根据本文所公开的方面的阻隔件可包括至少一个隔热层，该至少一个隔热层包括气凝胶组合物或增强的气凝胶组合物。
在一个总体方面，本文所公开的阻隔件可用于分离、隔热和保护任何构型的电池的电池单元或电池部件，例如软包单元、圆柱形单元、棱柱形单元，以及结合和包括任何此类单元的电池组和电池模块。本文所公开的阻隔件可用于可再充电电池，例如锂离子电池、固态电池，和需要分离、隔热和保护的任何其他能量存储设备或技术。
在一个总体方面，本公开旨在提供一种电池模块和电池组，该电池模块和电池组用于同时提高电能存储系统的散热性能和热失控防范性能。在电能存储系统中，常见的是多个单元100以预选构型(例如，并行、串联或组合)包装在一起形成电池模块200(参阅图6)。多个此类电池模块又可被组合或接合以形成各种电池组300，诸如本领域已知的。在操作和放电期间，此类单元、电池模块或电池组通常产生或生成热量，这会显著不利地影响它们的性能。因此，为了保持此类单元或所得电池模块或电池组的期望或最佳性能，通常重要的是将此类单元、电池模块或电池组的温度保持在相当窄的规定范围内。本公开的目的是保持此类单元、电池模块或电池组的温度在最佳范围内。
除了将单元的温度保持在规定范围内，另一个目标是保持单元的结构完整性。单元内的材料需要具有兼容性和弹性两者以适应电池操作期间的体积变化。在一些实施方案中，材料必须能够阻燃或防火，以在热事件之后或期间保持结构完整性。
在一个方面，本文提供了一种用于在电能存储系统中的电池单元之间使用的阻隔件，该阻隔件包括：至少一个隔热层；和耦接到该至少一个隔热层的至少一个可压缩层，其中该可压缩层包括一对刚性板和设置在刚性板之间的一个或多个弹簧元件。
在一些实施方案中，其中该对刚性板中的至少一个刚性板是导热板。导热板可具有至少约200mW/m-K的热导率。导热板可由金属诸如铝、铜或不锈钢制成。
在一些实施方案中，该对刚性板的大小和形状相同，并且其中该对刚性板处于对准构型。当处于对准构型时，该对刚性板中的一个刚性板的外边缘与该对刚性板中的另一个刚性板的外边缘基本上对准。引导件可定位在该对刚性板之间。引导件可帮助将刚性板保持处于对准构型。
可在可压缩层中使用各种不同的弹簧元件。在一些实施方案中，该一个或多个弹簧元件包括一个或多个悬臂弹簧元件。在一些实施方案中，该一个或多个弹簧元件包括一个或多个螺旋弹簧。在一些实施方案中，该一个或多个弹簧元件包括一个或多个弓形弹簧。在一些实施方案中，该一个或多个弹簧元件包括一个或多个波形弹簧。不同类型的弹簧的组合也可用于可压缩层中。
在一些实施方案中，弹簧元件被构造成迫使刚性板抵靠电能存储系统中的相邻电池单元。弹簧元件可具有允许弹簧元件在相邻电池单元在使用期间膨胀时压缩的弹簧常数。在一些实施方案中，该一个或多个弹簧定位在刚性板之间，使得在刚性板之间形成流体通道。当存在流体通道时，流体通道具有在1mm与5mm之间的宽度。
在一些实施方案中，隔热层具有在隔热层的厚度尺寸上在25℃下小于约50mW/m-K并且在600℃下小于约60mW/m-K的热导率。在一些实施方案中，隔热层包括气凝胶。在一些实施方案中，隔热层还包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿物棉以及它们的组合组成的组的材料。在一些实施方案中，隔热层不含气凝胶，并且隔热层包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿物棉以及它们的组合组成的组的材料。
在一些实施方案中，包括气凝胶的隔热层还包括增强材料。在一些实施方案中，增强材料是选自有机聚合物基纤维、无机纤维、碳基纤维或它们的组合的纤维。在一些实施方案中，纤维呈离散纤维、织造材料、干法成网非织造材料、湿法成网非织造材料、针刺非织造材料、絮、网、垫、毡和/或它们的组合的形式。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、玄武岩纤维或它们的组合。在一个或多个实施方案中，气凝胶包括二氧化硅基气凝胶。
在一个或多个实施方案中，气凝胶包括一种或多种添加剂，添加剂以气凝胶的至少约5重量％至40重量％的含量存在，优选地以气凝胶的至少约5重量％至20重量％的含量存在，更优选地以气凝胶的至少约10重量％至20重量％的含量存在。在一些实施方案中，该一种或多种添加剂包括防火级添加剂。在一些实施方案中，该一种或多种添加剂包括选自B4C、硅藻土、锰铁氧体、MnO、NiO、SnO、Ag2O、Bi2O3、TiC、WC、炭黑、氧化钛、氧化铁钛、硅酸锆、氧化锆、氧化铁(I)、氧化铁(III)、二氧化锰、铁钛氧化物(钛铁矿)、氧化铬或它们的混合物的遮光剂。在一些实施方案中，该一种或多种添加剂包括遮光剂，该遮光剂包括碳化硅。在一些实施方案中，该一种或多种添加剂包括防火级添加剂和遮光剂的组合。
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的范围内的密度。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℃下具有在约10％至约25％的范围内的压缩永久变形。在一些实施方案中，气凝胶表现出抗压强度，并且在25％应变下的抗压强度在约40kPa至约180kPa之间。在一个或多个实施方案中，气凝胶呈单块、小珠、颗粒、细粒、粉末、薄膜、薄片或它们的组合的形式。
在一些实施方案中，隔热层被面层包封。在实施方案中，当烃热传递流体用于电池模块或电池组中时，面层对烃介电流体呈惰性。在含氟热传递流体用于电池模块或电池组中的实施方案中，面层对含氟介电流体呈惰性。
在一些实施方案中，所述阻隔件在未压缩状态下具有在约5mm至约30mm之间的范围内的平均厚度，并且其中阻隔件可压缩到在约2mm与10mm之间的最小平均厚度。
在一个方面，本文提供了任何上述方面的各种实施方案的阻隔件在包括多个单个电池单元的电池模块中的用途。在另一方面，本文提供了任何上述方面的各种实施方案的阻隔件在包括多个电池模块的电池组中的实施方案中的用途。该阻隔件可用于将单个电池单元或单个电池模块彼此热学地分离。在一些实施方案中，在电池组的一部分的一个或多个电池单元或电池模块中发生的失控事件不会对该电池组的部分中的由根据上述方面中任一项所述的阻隔件分离的电池单元或电池模块造成损坏。
在一个方面，本文提供了一种电池模块，该电池模块包括：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，该第二表面与第一表面相对；和设置在第一表面与第二表面之间的根据上述方面中任一项的各种实施方案的阻隔件。在一些实施方案中，阻隔件覆盖相对的第一表面和第二表面的表面积的至少约80％。
在另一方面，本文提供了一种电池模块，该电池模块包括：多个电池单元，和根据上述方面中任一项的各种实施方案的阻隔件，其中该阻隔件设置在相邻电池单元之间。
在一个方面，本文提供了一种电池组，该电池组包括多个单元和设置在两个相邻单元或两个相邻模块之间的间隔件，其中该间隔件含有根据上述方面中任一项的各种实施方案的阻隔件。
在一个方面，一种电力系统，该电子系统包括根据上述方面中任一项的各种实施方案的一个或多个电池模块，和耦接到该电池模块的流体输送系统。该流体输送系统将流体传递到电池模块中并且在流体经过电池模块之后收集流体。该流体输送系统将介电液体流体传递到电池模块中或将介电气体传递到电池模块中。在一些方面，流体被加热或冷却，使得流体分别加热或冷却电池模块中的多个电池单元。
在一个方面，根据上述方面中任一项的各种实施方案的阻隔件限定相邻电池单元对之间的流动通道。在使用期间，流体流过该流动通道。在一些方面，该电池模块包括耦接到流体输送系统的歧管，该歧管具有与流动通道对准的一个或多个端口，其中，在使用期间，来自流体输送系统的流体被传递到该歧管中并且通过一个或多个出口离开而进入流动通道中。该流体输送系统可包括冷却部件。冷却部件可用于将流体的温度保持处于或低于电池单元的工作温度。
在一个方面中，一种电力系统包括：电池组，该电池组包括多个电池模块和设置在相邻的电池模块之间的如前所述的阻隔件；和耦接到该电池组的流体输送系统，其中该流体输送系统将流体传递到该电池组中并且在流体经过该电池组之后收集流体。该流体输送系统将介电液体流体传递到电池组中或将介电气体传递到电池组中。在一些方面，流体被加热或冷却，使得流体分别加热或冷却电池组中的多个电池模块。
在一个方面，根据上述方面中任一项的各种实施方案的阻隔件限定相邻电池模块对之间的流动通道。在使用期间，流体流过该流动通道。在一些方面，该电池组包括耦接到流体输送系统的歧管，该歧管具有与流动通道对准的一个或多个端口，其中，在使用期间，来自流体输送系统的流体被传递到该歧管中并且通过一个或多个出口离开而进入流动通道中。该流体输送系统可包括冷却部件。冷却部件可用于将流体的温度保持处于或低于电池模块的工作温度。
在一个方面，阻隔件中的弹簧元件布置在一对刚性板之间以产生湍流。在一些方面，湍流是雷诺数大于1000的流。
在另一方面，本文提供了一种包括根据上述方面中任一项的电池模块或电池组的设备或车辆。在一些实施方案中，所述设备是膝上型计算机、PDA、移动电话、标签扫描仪、音频设备、视频设备、显示面板、摄像机、数字摄像机、台式计算机、军用便携式计算机、军用电话、激光测距仪、数字通信设备、智能收集传感器、电子集成服装、夜视装备、动力工具、计算器、无线电、遥控装置、GPS设备、手持式和便携式电视、汽车起动器、手电筒、声学设备、便携式加热设备、便携式真空吸尘器或便携式医疗工具。在一些实施方案中，该车辆是电动车辆。
本文所述的阻隔件可提供优于现有热失控缓解策略的一个或多个优点。本文所述的阻隔件可使单元热失控传播最小化或消除，而不会显著影响电池模块或电池组的能量密度和组装成本。本公开的阻隔件可提供可压缩性、压缩弹性和柔顺性方面的有利特性以适应单元的在单元寿命期间持续的膨胀，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。本文所述的阻隔件耐用且易于处理，对热传播和火势传播具有有利的耐受性，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、压缩弹性和柔顺性方面的有利特性。
在一些实施方案中，本公开提供一种用于电力系统的阻隔件元件，其特征在于，所述阻隔件元件包括：至少一个隔热层；和至少一个可压缩层，其中，所述可压缩层包括一对刚性板和设置于所述刚性板之间的一个或多个弹簧元件。
在一个或多个实施方案中，，所述阻隔件元件被构造成设置在两个相邻电池元件之间。
在一个或多个实施方案中，所述阻隔件元件被构造成提供所述相邻电池元件的隔热和/或容纳所述相邻电池元件的膨胀所导致的压缩和/或迫使所述刚性板抵靠所述相邻电池元件。
在一个或多个实施方案中，所述一对刚性板限定至少一个流体通道，所述流体通道任选地具有1mm和5mm之间的宽度。
在一个或多个实施方案中，所述弹簧元件设置在所述流体通道内。
在一个或多个实施方案中，所述弹簧元件被构造和/或布置成减少流动于所述一对刚性板之间的流体的层流和/或增加流动于所述一对刚性板之间的流体的湍流。
在一个或多个实施方案中，所述弹簧元件附接到每对所述刚性板中的至少一个。
在一个或多个实施方案中，所述一个或多个弹簧元件优选地选自压缩弹簧，包括但不限于恒定压缩弹簧、可变压缩弹簧、扁平压缩弹簧、蛇形压缩弹簧、螺旋压缩弹簧、锥形压缩弹簧、波形弹簧、线性弹簧、弓形弹簧、螺旋弹簧、悬臂弹簧或其组合。
在一个或多个实施方案中，所述一个或多个弹簧元件包括或选自线性波形弹簧。
在一个或多个实施方案中，至少两个线性波形弹簧设置在所述一对刚性板之间，且在所述刚性板的平面中相互偏移，以优选地增加流动于所述一对刚性板之间的流体的湍流。
在一个或多个实施方案中，所述一个或多个弹簧元件包括或选自弓形弹簧。
在一个或多个实施方案中，至少两个弓形弹簧设置在所述一对刚性板之间且在所述刚性板的平面中相互对准。
在一个或多个实施方案中，所述弓形弹簧在其等的端部通过焊接、粘合剂或紧固件附接到所述刚性板中的一者，且在其等的中部附接到所述刚性板中的另一者，其中，所述紧固件任选地为形成于所述刚性板中的凹口，并且所述凹口分别被构造成接收所述弓形弹簧的端部或中心。
在一个或多个实施方案中，所述一个或多个弹簧元件包括或选自悬臂弹簧。
在一个或多个实施方案中，所述悬臂弹簧形成为接片，其从所述一对刚性板中的一者或两者的内表面突出或附接到所述内表面。
在一个或多个实施方案中，所述刚性板中的一者或两者包括设置在其等的内表面上的多个接片，其中，所述接片被布置成阵列，其优选地被构造成减少流动于所述一对刚性板之间的流体的层流和/或增加流动于所述一对刚性板之间的流体的湍流。
在一个或多个实施方案中，所述一个或多个弹簧元件包括或选自螺旋弹簧。
在一个或多个实施方案中，所述螺旋弹簧设置在所述刚性板的一者或两者的所述内表面上。
在一个或多个实施方案中，所述刚性板的一者或两者包括设置在其等的内表面上的多个螺旋弹簧。
在一个或多个实施方案中，其特征在于，所述螺旋弹簧是中空的或实心的。
在一个或多个实施方案中，所述螺旋弹簧包括或选自锥形压缩弹簧。
在一个或多个实施方案中，所述弹簧元件由弹性材料构成，其优选地选自聚合物或金属，更优选地为不锈钢。
在一个或多个实施方案中，所述一对刚性板中的至少一者是导热板。
在一个或多个实施方案中，所述导热板具有至少约200mW/m-K的热导率。
在一个或多个实施方案中，所述导热板包括至少一层导热材料或由至少一层导热材料组成，所述导热材料所具有的热导率大于所述隔热层的热导率，所述材料包括金属、碳纤维、石墨、碳化硅、聚合物或它们的组合。
在一个或多个实施方案中，所述金属选自铝、铜和不锈钢或它们的组合。
在一个或多个实施方案中，每对所述刚性板在尺寸和形状上基本上相同。
在一个或多个实施方案中，每对所述刚性板的第一刚性板的外边缘与每对所述刚性板的第二刚性板的外边缘基本上对准。
在一个或多个实施方案中，还包括定位在每对所述刚性板之间的引导件，且所述引导件优选地附接到每对所述刚性板中的至少一者，所述引导件被构造成连接到每对所述刚性板和/或防止每对所述刚性板的侧向移动。
在一个或多个实施方案中，所述引导件包括止挡件，其被构造成防止所述可压缩层的完全压缩。
在一个或多个实施方案中，所述至少一个隔热层具有在所述隔热层的厚度尺寸上在25℃下小于约50mW/m-K并且在600℃下小于约60mW/m-K的热导率。
在一个或多个实施方案中，所述至少一个隔热层包括选自气凝胶、云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿物棉及其组合的材料，优选地，其中，所述至少一个隔热层包括气凝胶。
在一个或多个实施方案中，所述气凝胶选自有机气凝胶或无机气凝胶或其混合物。
在一个或多个实施方案中，所述无机气凝胶是二氧化硅基气凝胶，所述二氧化硅基气凝胶任选地具有大于50nm直径的平均孔径。
在一个或多个实施方案中，所述至少一个隔热层包括增强材料。
在一个或多个实施方案中，所述增强材料是选自有机聚合物基纤维、无机纤维、碳基纤维或其组合的纤维。
在一个或多个实施方案中，所述至少一个隔热层包括一种或多种添加剂，所述添加剂任选地以所述气凝胶的至少约5重量％至20重量％的含量存在。
在一个或多个实施方案中，所述一种或多种添加剂包括吸热添加剂、遮光剂、防火级添加剂或其组合。
在一个或多个实施方案中，所述至少一个隔热层具有2MPa至8MPa的弯曲模量。
在一个或多个实施方案中，所述至少一个隔热层具有抗压强度，其中，在25％应变下的所述抗压强度在40kPa至180kPa之间。
在一个或多个实施方案中，还包括至少一个面层。
在一个或多个实施方案中，所述面层设置在所述至少一个隔热层上和/或包封所述至少一个隔热层，并且任选地通过粘合附接方式或非粘合附接方式附接到所述隔热层。
在一个或多个实施方案中，所述至少一个面层对烃介电流体和/或含氟介电流体呈惰性。
在一个或多个实施方案中，所述面层包括或由增强材料、金属、金属化材料、非织造材料、聚合物材料、包括含氟聚合物材料、汽车用树脂和聚合物所组成。
在一个或多个实施方案中，所述阻隔件元件包括或由相邻设置的至少一个隔热层和至少一个可压缩层所组成。
在一个或多个实施方案中，所述至少一个隔热层和所述至少一个可压缩层彼此接触，优选地，其中，所述至少一个隔热层和所述至少一个可压缩层彼此附接。
在一个或多个实施方案中，所述至少一个隔热层通过粘合附接方式或非粘合附接方式附接到所述至少一个可压缩层。
在一个或多个实施方案中，所述阻隔件元件由附接到可压缩层的隔热层组成。
在一个或多个实施方案中，所述阻隔件元件包括或由夹在两个可压缩层之间的隔热层所组成。
在一个或多个实施方案中，所述阻隔件元件在未压缩状态下具有在5mm至30mm之间的平均厚度，并且其中，所述阻隔件可压缩到在2mm至10mm之间的最小平均厚度。
本公开还提供一种电池模块，包括：多个电池单元，以及本公开前述的一个或多个阻隔件元件，其中，至少一个阻隔件元件设置在相邻电池单元之间。
本公开还提供一种电力系统，包括：至少一个本公开前述的电池模块；和耦接到所述电池模块的流体输送系统，其中，所述流体输送系统将流体传递到所述一个或多个电池模块中，并且在所述流体经过所述一个或多个电池模块之后收集所述流体。
在一个或多个实施方案中，所述流体是介电液体或介电气体。
在一个或多个实施方案中，所述流体被加热或冷却，使得所述流体分别加热或冷却所述电池模块中的所述多个电池单元。
在一个或多个实施方案中，所述阻隔件元件限定相邻电池单元对之间的流动通道，并且其中，在使用期间，所述流体流过所述流动通道。
在一个或多个实施方案中，所述一个或多个电池模块中的至少一个电池模块还包括耦接到所述流体输送系统的歧管，所述歧管具有与所述流动通道对准的一个或多个端口，其中，所述歧管被构造成从所述流体输送系统接收流体，并通过所述一个或多个出口将流体释放到所述流动通道中。
在一个或多个实施方案中，所述流体输送系统包括冷却部件，其中，所述冷却部件被构造成将所述流体的温度保持处于或低于所述电池单元的工作温度。
本公开还提供一种设备或车辆，包括本公开前述的电池模块或本公开前述的电力系统。
在一个或多个实施方案中，所述设备是膝上型计算机、PDS、移动电话、标签扫描仪、音频设备、视频设备、显示面板、摄像机、数字摄像机、台式计算机、激光测距仪、数字通信设备、智能收集传感器、电子集成服装、夜视装备、动力工具、计算器、无线电、遥控装置、GPS设备、手持式和便携式电视、汽车起动器、手电筒、声学设备、便携式加热设备、便携式真空吸尘器或便携式医疗工具。
在一个或多个实施方案中，所述车辆是电动车辆。
附图说明
在对本公开进行了一般性描述之后，现在将参考附图，附图不一定按比例绘制，并且其中：
图1是锂离子电池的电化学单元的示意图。
图2是锂离子电池中的充电-放电过程的示意图。
图3示意性地示出了电池模块内的热失控滥用条件和热失控传播过程。
图4是电池中锂镀层上的枝晶生长的示意图。
图5示意性地示出了导致热失控过程的三个阶段。
图6示意性地示出了电池单元、电池模块和电池组。
图7示意性地示出了根据本文所公开的某些实施方案的阻隔件。
图8示意性地示出了根据本文所公开的某些实施方案的另选阻隔件构型。
图9A至图9B示意性地示出了电池单元的膨胀和阻隔件的压缩。
图10A至图10B示意性地示出了具有线性波形弹簧的可压缩层。
图11A至图11B形示意性地示出了具有悬臂弹簧的可压缩层。
图12示意性地示出了具有凹坑弹簧元件的可压缩层。
图13示意性地示出了具有螺旋弹簧的可压缩层。
图14A至图14B示意性地示出了具有弓形弹簧的可压缩层。
图15A至图15B示意性地示出了具有设置在形成于刚性板中的凹陷中的弓形弹簧的可压缩层。
图16示意性地示出了被弹簧元件限定在可压缩层内的流体通道用于冷却电池单元的用途。
图17示意性地示出了能量存储系统，该能量存储系统包括耦接到流体输送系统的电池模块或电池组，该流体输送系统包括热传递单元和使热传递流体循环的泵。
图18示意性地示出了具有流体歧管的电池模块或电池组。
主要组件符号说明
100 单元
200 电池模块
300 电池组
400,500,1100,1310 阻隔件
410,510,1110 隔热层
420,520a,520b,800,1120 可压缩层
422,422a,422b,522,622,722,822,922 刚性板
425,525 弹簧元件
427 引导件
429 止挡件
430,1130 电池单元
530 电池元件
625 接片
725 凹坑压缩弹簧元件
825 线圈压缩弹簧元件
922a 第一刚性板
922b 第二刚性板
925 弓形压缩弹簧元件
927,929 凹口
1200 电力系统
1230 容器
1250 传热单元
1255 泵
1262,1264,1266 导管
1300 电池模块或电池组
1315 流体通道
1330 电池单元或电池模块
1350 歧管
1353 流体入口
1355 出口
1360 容器出口。
具体实施方式
在优选实施方案的以下详细描述中，参考了形成其一部分的附图，并且在其中通过举例说明示出了可实践本公开的特定实施方案。应当理解，可利用其他实施方案，并且可在不脱离本公开的范围的情况下对这些其他实施方案进行结构改变。
应当理解，本公开不限于特定设备或方法，它们当然可以变化。还应当理解，本文所用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，并且并非旨在进行限制。如本说明书和所附权利要求书中所用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括单个和多个指代物，除非内容另外明确规定。此外，词语“可”在整个本申请中以允许的意义(即，有潜力，能够)而不在强制性意义上(即，必须)使用。术语“包括”和其衍生词意指“包括但不限于”。术语“耦接”意指直接连接或间接连接。
定义
如本文所用，“约”意指大约或几乎并且在所示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。另外，短语“约“x”至“y””包括“约“x”至约“y””。
如本文所用，术语“组合物”和“复合物”可互换使用。
如本文所用，术语“可压缩衬垫”和“可压缩层”可互换使用。
在本公开的上下文内，术语“气凝胶”、“气凝胶材料”或“气凝胶基质”是指包括互连结构框架并且含有气体诸如空气作为分散的间隙介质的凝胶，其中互连的孔的对应网络集成在该框架内；并且其特征在于以下可归因于气凝胶的物理特性和结构特性(根据氮气孔隙度测试)：(a)范围从约2nm至约100nm的平均孔径，(b)至少80％或更高的孔隙率，和(c)约100m2或更大的表面积。
本公开的气凝胶材料因此包括满足先前段落中阐述的定义元件的任何气凝胶或其他开孔材料；包括可以其他方式分类为干凝胶、冷冻凝胶、双凝胶、微孔材料等的材料。
气凝胶材料还可通过其他的物理特性来进一步表征，包括：(d)约2.0mL/g或更大，特别是约3.0mL/g或更大的孔内容积；(e)约0.50g/cc或更小，特别地约0.3g/cc或更小，更具体地约0.25g/cc或更小的密度；和(f)总孔内体积的至少50％包括孔径在2nm与50nm之间的孔(尽管本文所公开的实施方案包括具有孔径大于50nm的孔的气凝胶框架和组合物，如下文更详细论述)。然而，对作为气凝胶材料的化合物的表征不需要满足这些附加特性。
在本公开的上下文中，术语“气凝胶组合物”是指包括气凝胶材料作为复合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物；包括添加剂元素(诸如遮光剂)的气凝胶复合物；由开孔大孔框架增强的气凝胶复合物；气凝胶-聚合物复合物；和将气凝胶微粒、颗粒、细粒、小珠或粉末掺入固体或半固体材料中的复合材料，诸如结合粘结剂、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文所公开的各种凝胶材料中去除溶剂后获得。由此获得的气凝胶组合物可进一步进行另外的加工或处理。各种凝胶材料在经受溶剂去除(或液体萃取或干燥)之前还可经受以其他方式已知或在本领域中有用的其他加工或处理。
本公开的气凝胶组合物可包括增强的气凝胶组合物。在本公开的上下文中，术语“增强气凝胶组合物”是指在气凝胶材料内包括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。
在本公开的上下文中，术语“纤维增强气凝胶组合物”是指包括纤维增强材料作为增强相的增强气凝胶组合物。纤维增强材料的示例包括但不限于离散纤维、制造材料、干法成网非织造材料、湿法成网非织造材料、针刺非织造材料、絮、网、垫、毡和/或它们的组合。
纤维增强材料可选自有机聚合物基纤维、无机纤维、碳基纤维或它们的组合。纤维增强材料可包括一系列材料，包括但不限于：聚酯、对苯二甲酸聚烯烃、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SGL Carbon制造的未碳化热处理PAN)、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)、二氧化硅基纤维如石英(例如圣戈班制造的Quartzel)、Q-felt(由Johns Manville制造)、Saffil(由Saffil制造)、Durablanket(由Unifrax制造)和其他二氧化硅纤维、Duraback(由Carborundum制造)、聚酰胺纤维如Kevlar、Nomex、Sontera(均由杜邦制造)、Conex(由Taijin制造)、聚烯烃如Tyvek(由杜邦制造)、Dyneema(由DSM制造)、Spectra(由霍尼韦尔制造)、其他聚丙烯纤维如Typar、Xavan(均由杜邦制造)、含氟聚合物如商品名为Teflon的PTFE(由杜邦制造)、Goretex(由W.L.GORE制造)、碳化硅纤维如Nicalon(由COI Ceramics制造)、陶瓷纤维如Nextel(由3M制造)、丙烯酸聚合物、羊毛纤维、丝绸、麻、皮革、绒面革、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，和其他热塑性塑料如PEEK、PES、PEI、PEK、PPS。玻璃或玻璃纤维基纤维增强材料可使用一种或多种技术来制造。在某些实施方案中，期望使用梳理和交叉铺网或气流成网工艺来制造它们。在示例性实施方案中，梳理和交叉铺网的玻璃或玻璃纤维基纤维增强材料提供了优于气流成网材料的某些优点。例如，梳理和交叉铺网的玻璃或玻璃纤维基纤维增强材料可为给定基重的增强材料提供一致的材料厚度。在某些另外的实施方案中，期望进一步针刺纤维增强材料，需求是在z方向上交错纤维来获得最终气凝胶组合物中的增强的机械特性和其他特性。
在本公开的上下文中，对“热失控”的提及通常是指由于各种操作因素而引起的单元温度和压力的突然快速增加，并且继而可导致过高温度在整个相关模块中传播。此类系统中热失控的潜在原因可例如包括：单元缺陷和/或短路(内部短路和外部短路两者)、过度充电、单元刺破或破裂诸如在事故的情况下，以及过高环境温度(例如，通常高于55℃的温度)。在正常使用中，单元因为内电阻而变热。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为保持在20℃至55℃的范围内。然而，诸如在高单元/环境温度下的高功率汲取以及个别单元中的缺陷等压力条件可能急剧增加局部生热。特别地，当高于临界温度时，单元内的放热化学反应被激活。此外，化学生热通常与温度成指数关系。因此，热的生成比可用热耗散大得多。热失控可能导致单元排气和内部温度超过200℃。
在本公开的上下文中，术语“柔性”和“柔韧性”是指材料或组合物在没有宏观结构故障的情况下弯曲或挠曲的能力。本公开的可压缩层能够在没有宏观故障的情况下压缩至少5％、至少25％、至少45％、至少65％或至少85％。同样，术语“高度柔性”或“高柔韧性”是指在没有宏观故障的情况下能够弯曲到至少90°和/或具有小于U英寸的弯曲半径的材料。此外，术语“分类为柔性”和“被分类为柔性”是指可根据ASTM Cl 101(美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM International)分类为柔性的材料或组合物。
本公开的隔热层可以是柔性的、高度柔性的和/或分类为柔性的。本公开的气凝胶组合物也可以是能够悬垂的。在本公开的上下文中，术语“能够悬垂的”和“悬垂性”是指材料在没有宏观故障的情况下以约4英寸或更小的曲率半径弯曲或挠曲到90°或更大的能力。根据本公开的某些实施方案的隔热层是柔性的，使得组合物是非刚性的并且可以被施加并适形到三维表面或物体，或者预成形为多种形状和构型以简化安装或应用。
在本公开的上下文中，术语“添加剂”或“添加剂元素”是指可在气凝胶制备之前、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善气凝胶中的期望的特性，或抵消气凝胶中的不期望的特性。通常在凝胶化到前体液体之前、在胶凝化到过渡状态材料期间或在胶凝化到固体或半固体材料之后将添加剂添加到气凝胶材料中。
添加剂的示例包括但不限于微纤维、填充剂、增强剂、稳定剂、增稠剂、弹性化合物、遮光剂、着色或染色化合物、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、导热组分、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、废气缓和剂、导电化合物、电介质化合物、磁性化合物、雷达阻挡组分、硬化剂、抗收缩剂和本领域的技术人员已知的其他气凝胶添加剂。
在某些实施方案中，本文所公开的气凝胶组合物、增强的气凝胶组合物和阻隔件可在高温事件期间执行，例如，在如本文所公开的高温事件期间提供热保护。高温事件的特征在于至少2秒在至少约1cm2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。约40kW/m2的热通量与由典型的火灾产生相关联(着火级热通量下炭化固体的行为(Behavior of Charring Solids under Fire-Level Heat Fluxes)，Milosavljevic,I.,Suuberg,E.M.；1994年9月；NISTIR 5499)。在特殊情况下，高温事件是在至少约10cm2的面积上持续至少1分钟的约40kW/m的热通量的热通量。
在本公开的上下文中，术语“热导率”和“TC”是指材料或组合物在材料或组合物任一侧上的两个表面之间传递热的能力的度量，这两个表面之间存在温差。热导率被特别测量为每单位时间和每单位表面积传递的热能除以该温差。其通常以SI单位记录为mW/m*K(毫瓦/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：用热流量计装置测定稳态热传输特性的测试方法(ASTM C518，美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM International)；用防护热板装置进行稳态热通量测量和热传输特性的测试方法(ASTM C177，美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM International)；管道绝热层稳态热传递特性的测试方法(ASTM C335，美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM International)；薄加热器热导率测试(ASTM Cl 114，美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM International)；导热电气隔热材料的热传输特性的标准测试方法(ASTM D5470，美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM International)；利用防护热板和热流量计法测定热阻(EN 12667，英国标准协会，英国)；或稳态热阻和相关特性的测定—防护热板装置(ISO 8203，国际标准化组织，瑞士)。由于不同的方法可能导致不同的结果，应当理解，在本公开的上下文中，除非另外明确说明，否则热导率测量值根据ASTM C518标准(用热流量计装置测定稳态热传输特性的测试方法)在环境环境中在大气压下约37.5℃的温度并且在约2psi的压缩负载下获取。根据ASTMC518报告的测量通常与在对压缩负载进行任何相关调整的情况下按照EN 12667进行的任何测量结果良好地相关。
热导率测量还可在压缩下的大气压下在约10℃的温度下获取。在10℃下的热导率测量值通常比在37.5℃下的对应热导率测量值低0.5mW/mK至0.7mW/mK。在某些实施方案中，本公开的隔热层在10℃下具有约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，或在这些值中的任意两个之间的范围内的热导率。
在本公开的上下文中，术语“密度”是指每单位体积的材料或组合物的质量的测量值。术语“密度”通常是指材料的表观密度，以及组合物的体密度。密度通常记录为kg/m3或g/cc。材料或组合物(例如气凝胶)的密度可通过本领域已知的方法确定，包括但不限于：用于预成形块和板型隔热件尺寸和密度的标准测试方法(ASTM C303，美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM International)；用于毯子或棉絮隔热件厚度和密度的标准测试方法(ASTMC167，美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM International)；预成形管道隔热件的表观密度的确定(EN 13470，英国标准协会，英国)；或预成型管道隔热件的表观密度的确定(ISO18098，国际标准化组织，瑞士)。由于不同的方法可能导致不同的结果，应当理解，除非另有说明，否则在本公开的上下文中，密度测量值根据ASTM C167标准(用于毯子或棉絮隔热件厚度和密度的标准测试方法)在用于厚度测量的2psi压力下获取。在某些实施方案中，本公开的气凝胶材料或组合物具有约1.0g/cc或更小、约0.90g/cc或更小、约0.80g/cc或更小、约0.70g/cc或更小、约0.60g/cc或更小、约0.50g/cc或更小、约0.40g/cc或更小、约0.30g/cc或更小、约0.25g/cc或更小、约0.20g/cc或更小、约0.18g/cc或更小、约0.16g/cc或更小、约0.14g/cc或更小、约0.12g/cc或更小、约0.10g/cc或更小、约0.05g/cc或更小、约0.01g/cc或更小，或在这些值中的任意两个之间的范围内的密度。
气凝胶材料或组合物的疏水性可根据水汽吸收来表达。在本公开的上下文中，术语“水汽吸收”是指气凝胶材料或组合物吸收水蒸气的潜力的度量。水汽吸收可表示为气凝胶材料或组合物在某些测量条件下暴露于水蒸气时吸收或以其他方式保留的水的百分比(按重量计)。气凝胶材料或组合物的水汽吸收可通过本领域已知的方法确定，包括但不限于：用于测定无晶面矿物纤维隔热件的水汽吸附的标准测试方法(ASTM C1104，美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM International)；建筑用隔热产品：用扩散法测定长期吸水率(EN12088，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，除非另有说明，否则在本公开的上下文中，水汽吸收的测量值根据ASTM C1104标准(用于测定无晶面矿物纤维隔热件的水汽吸附的标准测试方法)在49℃和95％湿度下进行24小时(从根据ASTMC1104标准的96小时修改得到)获取。在某些实施方案中，本公开的气凝胶材料或组合物可具有约50wt％或更小、约40wt％或更小、约30wt％或更小、约20wt％或更小、约15wt％或更小、约10wt％或更小、约8wt％或更小、约3wt％或更小、约2wt％或更小、约1wt％或更小、约0.1wt％或更小，或在这些值中的任意两个之间的范围内的水汽吸收。相对于另一种气凝胶材料或组合物具有改善的水汽吸收的气凝胶材料或组合物将具有相对于参考气凝胶材料或组合物更低百分比的水汽吸收/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上的平衡接触角来表达。本公开的气凝胶材料或组合物可具有约90°或更大、约120°或更大、约130°或更大、约140°或更大、约150°或更大、约160°或更大、约170°或更大、约175°或更大，或在这些值中的任意两个之间的范围内的水接触角。
在本公开的上下文中，术语“燃烧热”、“HOC”和“ΔHC”是指材料或组合物在燃烧或放热性热分解中释放的热能的量的度量。燃烧热通常以每克气凝胶材料或组合物释放的热能的卡路里(cal/g)记录，或作为每千克材料或组合物释放的热能的兆焦耳(MJ/kg)记录。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：产品防火测试反应—总燃烧热(热值)的测定(EN ISO 1716，国际标准化组织，瑞士；EN采用)。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则燃烧热测量值根据EN ISO 1716标准(产品防火测试反应—总燃烧热(热值)的测定)获取。
在本公开的上下文中，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20℃/分钟的速率上升至1000℃进行的测量。因此，在测量和计算热分解的开始、峰值热释放温度、峰值热吸收温度等时将必须考虑这些参数中的任何变化(或在这些条件下重新执行)。
在本公开的上下文中，术语“热分解的开始”和“TD”是指材料或组合物内有机材料分解产生快速放热反应的最低环境热温度的度量。可使用热重分析(TGA)测量材料或组合物内有机材料的热分解的开始。材料的TGA曲线描绘了材料在暴露于周围温度升高时的重量损失(％质量)，从而指示热分解。材料热分解的开始可与TGA曲线的以下切线的交叉点相关：与TGA曲线的基线相切的线，以及在与有机材料分解有关的快速放热分解事件期间在最大斜率处与TGA曲线相切的线。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则有机材料热分解的开始的测量值如本段规定使用TGA分析获取。
材料热分解的开始也可使用差示扫描量热法(DSC)分析来测量。材料的DSC曲线描绘了材料在暴露于周围温度逐渐升高时释放的热能(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)增大最多的点相关，从而指示气凝胶材料的放热性生热。在本公开的上下文中，除非另有明确规定，否则使用DSC、TGA或两者进行的热分解开始测量值是使用在上一段中进一步定义的20℃/min的升温速率获取的。DSC和TGA各自提供该热分解开始的相似值，并且测试多次同时运行，从而从两者获得结果。
在本公开的上下文中，术语“吸热分解的开始”和“TED”是指材料或组合物内发生的分解或脱水引起吸热反应的最低环境热温度的度量。可使用热重分析(TGA)测量材料或组合物的吸热分解的开始。材料的TGA曲线描绘了材料在暴露于周围温度升高时的重量损失(％质量)。材料热分解的开始可与TGA曲线的以下切线的交叉点相关：与TGA曲线的基线相切的线，以及在材料的快速吸热分解或脱水期间在最大斜率处与TGA曲线相切的线。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则材料或组合物吸热分解的开始的测量值如本段规定使用TGA分析获取。
在本公开的上下文中，术语“炉膛温升”和“ΔTR”是指材料或组合物在热分解条件下的最高温度(TMAX)相对于该材料或组合物在热分解条件下的基线温度(通常是最终温度或TFIN)之间的差异的度量。炉膛温升通常以摄氏度或℃记录。材料或组合物的炉膛温升可通过本领域已知的方法确定，包括但不限于：建筑和运输产品的防火测试反应：不可燃性测试(EN ISO 1182，国际标准化组织，瑞士；EN采用)。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则炉膛温升测量值根据与EN ISO 1182标准相当的条件(建筑和运输产品的防火测试反应：不可燃性测试)获取。在某些实施方案中，本公开的气凝胶组合物可具有约100℃或更小、约90℃或更小、约80℃或更小、约70℃或更小、约60℃或更小、约50℃或更小、约45℃或更小、约40℃或更小、约38℃或更小、约36℃或更小、约34℃或更小、约32℃或更小、约30℃或更小、约28℃或更小、约26℃或更小、约24℃或更小，或在这些值中的任意两个之间的范围内的炉膛温升。在高温下组分稳定性的上下文内，例如，炉膛温升低于第二组合物的炉膛温升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。本文设想，与不包括防火级添加剂的组合物相比，当向组合物添加一种或多种防火级添加剂时，该组合物的炉膛温升减小。
在本公开的上下文中，术语“火焰时间”和“TFLAME”是指材料或组合物在热分解条件下持续燃烧的度量，其中“持续燃烧”是火焰在试样的可见部分上的任何部分持续5秒或更长的持续。火焰时间通常以秒或分钟记录。材料或组合物的火焰时间可通过本领域已知的方法确定，包括但不限于：建筑和运输产品的防火测试反应：不可燃性测试(EN ISO1182，国际标准化组织，瑞士；EN采用)。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则火焰时间测量值根据与EN ISO 1182标准相当的条件(建筑和运输产品的防火测试反应：不可燃性测试)获取。在某些实施方案中，本公开的气凝胶组合物具有约30秒或更小、约25秒或更小、约20秒或更小、约15秒或更少、约10秒或更小、约5秒或更少、约2秒或更小，或在这些值中的任意两个之间的范围内的火焰时间。在本文的上下文中，例如，火焰时间小于第二组合物的火焰时间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。本文设想，与不包括任何防火级添加剂的组合物相比，当向组合物添加一种或多种防火级添加剂时，该组合物的火焰时间减小。
在本公开的上下文中，术语“质量损失”和“ΔM”是指材料、组合物或复合材料在热分解条件下损失或被烧掉的量的度量。质量损失通常记录为重量百分比或wt％。材料、组合物或复合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：建筑和运输产品的防火测试反应：不可燃性测试(EN ISO 1182，国际标准化组织，瑞士；EN采用)。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则质量损失测量值根据与EN ISO 1182标准相当的条件(建筑和运输产品的防火测试反应：不可燃性测试)获取。在某些实施方案中，本公开的隔热层或气凝胶组合物可具有约50％或更小、约40％或更小、约30％或更小、约28％或更小、约26％或更小、约24％或更小、约22％或更小、约20％或更小、约18％或更小、约16％或更小，或在这些值中的任意两个之间的范围内的质量损失。在本文的上下文中，例如，质量损失小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。本文设想，与不包括任何防火级添加剂的组合物相比，当向组合物添加一种或多种防火级添加剂时，该组合物的质量损失减小。
在本公开的上下文中，术语“峰值热释放温度”是指当分解释放的放热最大时环境热的温度的度量。材料或组合物的峰值热释放温度可使用TGA分析、差示扫描量热法(DSC)或它们的组合来测量。DSC和TGA各自将提供峰值热释放温度的相似值，并且测试多次同时运行，从而从两者获得结果。在典型的DSC分析中，将热流相对于上升的温度绘制，并且峰值热释放温度是此类曲线中最高峰发生时的温度。在本公开的上下文中，除非另有说明，否则材料或组合物的峰值热释放温度的测量值如本段规定使用TGA分析获取。
在吸热材料的上下文中，术语“峰值热吸收温度”是指当分解产生的吸热最小时环境热的温度的度量。材料或组合物的峰值热吸收温度可使用TGA分析、差示扫描量热法(DSC)或它们的组合来测量。在典型的DSC分析中，将热流相对于上升的温度绘制，并且峰值热吸收温度是此类曲线中最低峰发生时的温度。在本公开的上下文中，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如本段规定使用TGA分析获取。
在本公开的上下文中，术语“低可燃性”和“低可燃”是指满足以下特性组合的材料或组合物：i)50℃或更小的炉膛温升；ii)20秒或更短的火焰时间；和iii)50wt％或更少的质量损失。在本公开的上下文中，术语“不可燃性”和“不可燃”是指满足以下特性组合的材料或组合物：i)40℃或更小的炉膛温升；ii)2秒或更短的火焰时间；和iii)30wt％或更少的质量损失。设想组合物在包括一种或多种防火级添加剂之后的可燃性(例如，炉膛温升、火焰时间和质量损失的组合)降低，如本文所述。
在本公开的上下文中，术语“低可燃性”和“低可燃”是指具有小于或等于3MJ/kg的总燃烧热(HOC)的低可燃材料或组合物。在本公开的上下文中，术语“不可燃性”和“不可燃”是指具有小于或等于2MJ/kg的燃烧热(HOC)的不可燃材料或组合物。设想组合物在包括一种或多种防火级添加剂之后的HOC减小，如本文所述。
在本公开的上下文中，术语“疏水键合硅”是指凝胶或气凝胶的框架内的硅原子，其包括至少一个与该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框架内二氧化硅基团中的由包括至少一个疏水基团(诸如MTES或DMDS)的凝胶前体形成的硅原子。疏水键合硅还可包括但不限于凝胶框架中或凝胶表面上的用疏水剂(诸如HMDZ)处理的硅原子，以通过将另外的疏水基团结合到组合物中来赋予或改进疏水性。本公开的疏水基团包括但不限于甲基基团、乙基基团、丙基基团、异丙基基团、丁基基团、异丁基基团、叔丁基基团、辛基基团、苯基基团或本领域的技术人员已知的其他取代或未取代的疏水有机基团。在本公开的上下文中，术语“疏水基团”、“疏水有机材料”和“疏水有机物含量”明确排除凝胶材料框架上的易水解的有机硅键合的烷氧基基团，这类基团是有机溶剂与硅烷醇基团之间反应的产物。可通过NMR分析将这些被排除的基团与该疏水有机物含量区分开来。气凝胶中含有的疏水键合硅的量可使用NMR光谱分析，诸如CP/MAS 29Si固态NMR。气凝胶的NMR分析用于对以下疏水键合硅进行表征和相对定量：M型疏水键合硅(单官能二氧化硅，诸如TMS衍生物)；D型疏水键合硅(双功能二氧化硅，诸如DMDS衍生物)；T型疏水键合硅(三官能二氧化硅，诸如MTES衍生物)；和Q型硅(四官能二氧化硅，诸如TEOS衍生物)。NMR分析还可用于通过允许将特定类型的疏水键合硅分类为亚型(诸如将T型疏水键合硅分类成T1种、T2种和T3种)来分析气凝胶中含有的疏水键合硅的键合化学物质。与二氧化硅材料的NMR分析相关的具体细节可见于Geppi等人的文章“应用固态NMR来研究有机/无机多组分材料”(Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/InorganicMulticomponent Materials)，特别是第7-9页(《应用光谱学评论》，2008年，第44-1卷，第1-89页)，该文章根据具体引用的页面据此以引用方式并入。
CP/MAS 29Si NMR分析中疏水键合硅的表征可基于以下化学位移峰：M1(30ppm至10ppm)；D1(10ppm至-10ppm)，D2(-10ppm至-20ppm)；T1(-30ppm至-40ppm)，T2(-40ppm至-50ppm)，T3(-50ppm至-70ppm)；Q2(-70ppm至-85ppm)，Q3(-85ppm至-95ppm)，Q4(-95ppm至-110ppm)。这些化学位移峰是近似的和示例性的，并且不旨在进行限制或决定。可归因于材料内的各种硅种类的精确化学位移峰可取决于材料的特定化学组分，并且通常可由本领域的技术人员通过常规实验和分析来辨别。
在本公开的上下文中，术语“疏水有机物含量”或“疏水物含量”或“疏水含量”是指键合到气凝胶材料或组合物中的框架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框架上的疏水有机材料的量相对于该气凝胶材料或组合物中材料的总量的重量百分比。疏水有机物含量可由本领域的普通技术人员基于用于制备气凝胶材料或组合物的材料的性质和相对浓度来计算。也可使用所讨论的材料的热重分析(TGA)，优选地在氧气气氛中测量疏水有机物含量(不过在另选气体环境下的TGA也是有用的)。具体地，在对TGA分析期间的水分损失、残留溶剂损失和易水解烷氧基基团损失进行调整的情况下，气凝胶中疏水有机材料的百分比可与在TGA分析过程中经受燃烧热温度时疏水气凝胶材料或组合物中的重量损失百分比相关。诸如差示扫描量热法、元素分析(特别是碳)、色谱技术、核磁共振光谱和本领域的技术人员已知的其他分析技术的其他另选技术可用于测量和确定本公开的气凝胶组合物中的疏水含量。在某些情况下，已知技术的组合在确定本公开的气凝胶组合物的疏水含量方面可以是有用的或必需的。
本公开的气凝胶材料或组合物可具有50wt％或更小、40wt％或更小、30wt％或更小、25wt％或更小、20wt％或更小、15wt％或更小、10wt％或更小、8wt％或更小、6wt％或更小、5wt％或更小、4wt％或更小、3wt％或更小、2wt％或更小、1wt％或更小，或在这些值中的任意两个之间的范围内的疏水有机物含量。
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，在对水分损失进行调整的情况下，燃料含量可与在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中的总重量损失百分比相关。气凝胶材料或组合物的燃料含量可包括疏水有机物含量，以及其他可燃残留酒精溶剂、填充材料、增强材料和容易水解的烷氧基基团。
在本公开的上下文中，术语“ormosil”涵盖前述材料以及其他有机改性材料，有时称为“ormocer”。ormosil通常用作涂层，其中通过例如溶胶-凝胶工艺将ormosil膜浇铸在基底材料上。本公开的其他有机-无机杂化气凝胶的示例包括但不限于二氧化硅-聚醚、二氧化硅-PMMA、二氧化硅-壳聚糖、碳化物、氮化物和上述形成有机和无机气凝胶的化合物的其他组合。公开的美国专利申请20050192367(段落[0022]-[0038]和[0044]-[0058])包括此类杂化有机-无机材料的教导内容，并且根据单独引用的章节和段落据此以引用方式并入。
电池单元的阻隔件
本公开涉及阻隔件，和包括所述阻隔件以管理能量存储系统中的热失控问题的系统。示例性实施方案包括阻隔件，该阻隔件包括至少一个隔热层和耦接到该至少一个隔热层的至少一个可压缩层。可压缩层包括一对刚性板和设置在刚性板之间的一个或多个弹簧元件。本公开还涉及一种电池模块或电池组，该电池模块或电池组具有一个或多个电池单元和放置成分别与电池模块或电池单元热连通的阻隔件。在本公开的上下文中，短语“电池元件”是指电池单元或电池模块。
本文所公开的阻隔件的一个或多个隔热层可包括气凝胶组合物或增强的气凝胶组合物。已知气凝胶材料的热阻是其他常见类型的隔热体(例如泡沫、玻璃纤维等)的约两倍到六倍。气凝胶可增加有效的屏蔽和隔热，而不会明显增加隔热体的厚度或添加额外的重量。已知气凝胶是具有低密度、开孔结构、大表面积和纳米级孔径的一类结构。
根据本公开的实施方案的包括气凝胶组合物的阻隔件提供了可压缩性、压缩弹性和柔顺性方面的有利特性。当用作电池模块内的单元之间的隔热件时，阻隔件的可压缩层可提供对压缩变形的阻力，以容纳由于电池充电/放电循环期间活性材料的降解和膨胀而导致的单元的膨胀。
本公开还提供了电池模块或电池组，其包括至少一个电池单元和根据本文所公开的实施方案的阻隔件，该阻隔件设置在电池单元上或电池模块上，例如设置在至少一个电池单元的表面上或电池模块的表面上。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，阻隔件位于电池模块或电池组的内表面上。在某些实施方案中，阻隔件位于电池模块或电池组的外表面上。图6示意性地示出了电池单元、电池模块和电池组。
图7示出了根据本文所公开的实施方案的阻隔件400的示意图。在一个实施方案中，阻隔件400包括至少一个隔热层410和耦接到该至少一个隔热层的至少一个可压缩层420。在实施方案中，可压缩层包括至少一对刚性板422和设置在刚性板之间的一个或多个弹簧元件425。可压缩层可耦接到隔热层以形成阻隔层。在实施方案中，可压缩层被放置成与隔热层接触以形成阻隔层。隔热层可通过粘合机构附接到可压缩层。示例性粘合剂包括但不限于：气溶胶粘合剂、氨基甲酸乙脂基粘合剂、丙烯酸粘合剂、热熔粘合剂、环氧树脂、橡胶树脂粘合剂；聚氨酯复合粘合剂，和它们的组合。在一些实施方案中，隔热层可由非粘性机构附接到可压缩层，例如选自由以下组成的组的机制：火焰粘结、针刺、缝合、密封袋、铆钉、按钮、夹具、包裹、支架，和它们的组合。在一些实施方案中，任何前述粘合机构和非粘性机构的组合可用于将层附接在一起。在一个实施方案中，阻隔层被放置在两个相邻电池单元或电池模块(在本文中统称为“电池元件”)430之间以减轻电池元件之间的热传递并且保护电池元件免受热失控事件的影响。
在图7所示的实施方案中，阻隔件400包括耦接到单个隔热层410的单个可压缩层420。在其他实施方案中，多个可压缩层和多个隔热层可耦接在一起形成阻隔件。例如，图8描绘了阻隔件500的实施方案，该阻隔件包括定位在两个可压缩层520a、520b之间的隔热层510。每个可压缩层包括至少一对刚性板522和设置在刚性板之间的一个或多个弹簧元件525。可压缩层可被放置成与隔热层接触以形成阻隔层。隔热层可使用粘合剂或紧固件(例如，螺钉、铆钉等)结合到可压缩层。阻隔件被放置在两个相邻的电池元件530之间。
隔热层
本文所述的阻隔件的隔热层负责可靠地控制小空间中发热部件产生的热流，并且为电子、工业和汽车技术领域中的此类产品提供安全性和阻止火势传播。在压缩中具有优异特性的隔热层可用于满足这些需求。在本公开的许多实施方案中，隔热层还用作火焰/火偏转器层本身或与可压缩层组合。例如，与可压缩层的刚性板组合，隔热层可为相邻电池单元或电池模块阻挡火焰和/或热气，以及夹带有颗粒材料的火焰/热气，诸如在热失控事件期间可能从电池单元喷射的材料。在另一个实施方案中，隔热层本身可阻止火焰和/或热气以及夹带有颗粒材料的火焰/热气。诸如云母、微孔二氧化硅或气凝胶的隔热层可与可用作火焰/火偏转器层的阻燃层组合。包括气凝胶的隔热层(诸如本文实施方案中所公开的那些)耐用且易于处理，具有对热传播和火势传播的有利抗性，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、压缩弹性和柔顺性方面的有利特性。
气凝胶是一类多孔材料，具有包括互连结构框架的开孔，其中对应的孔网络集成在框架内，并且孔网络内的间隙相主要由气体(诸如空气)构成。气凝胶通常特征在于低密度、高孔隙率、大表面积和小孔径。气凝胶可通过其物理特性和结构特性与其他多孔材料区分开来。
因此，在一些实施方案中，本公开的阻隔件的隔热层包括气凝胶。在一些实施方案中，隔热层还可包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿物棉以及它们的组合组成的组的材料。在一些情况下，隔热层不含气凝胶。在一些实施方案中，隔热层可包括选自由云母、微孔二氧化硅、陶瓷纤维、矿物棉以及它们的组合组成的组的材料。
在某些实施方案中，本公开的隔热层在25℃下在所述隔热层的厚度尺寸上具有约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，或在这些值中的任意两个之间的范围内的热导率。在某些实施方案中，本公开的隔热层在600℃下在所述隔热层的厚度尺寸上具有约60mW/mK或更小、约50mW/mK或更小、约40mW/mK或更小、约30mW/mK或更小、约25mW/mK或更小、约20mW/mK或更小、约18mW/mK或更小、约16mW/mK或更小、约14mW/mK或更小、约12mW/mK或更小、约10mW/mK或更小、约5mW/mK或更小，或在这些值中的任意两个之间的范围内的热导率。
本公开的隔热层(例如包括气凝胶的隔热层)可在至多约5MPa的负载下保持热导率(通常以mW/m-k为单位测量)或热导率增大不明显的量。在某些实施方案中，本公开的隔热层在25℃下、在至多约5MPa的负载下在所述隔热层的厚度尺寸上具有约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，或在这些值中的任意两个之间的范围内的热导率。气凝胶隔热层的厚度可能因为气凝胶隔热层经历的负载而减小。例如，在约0.50MPa至5MPa范围内的负载下，气凝胶隔热层的厚度可减少50％或更小、40％或更小、30％或更小、25％或更小、20％或更小、15％或更小、10％或更小、5％或更小，或在这些值中的任意两个之间的范围内。虽然包括气凝胶的隔热层的热阻可随着厚度减小而减小，但是热导率可保持或增大不明显的量。
在某些实施方案中，本公开的隔热层可具有约750cal/g或更小、约717cal/g或更小、约700cal/g或更小、约650cal/g或更小、约600cal/g或更小、约575cal/g或更小、约550cal/g或更小、约500cal/g或更小、约450cal/g或更小、约400cal/g或更小、约350cal/g或更小、约300cal/g或更小、约250cal/g或更小、约200cal/g或更小、约150cal/g或更小、约100cal/g或更小、约50cal/g或更小、约25cal/g或更少、约10cal/g或更小，或在这些值中的任意两个之间的范围内的燃烧热。相对于另一隔热层具有改进的燃烧热的隔热层将相对于参考隔热层将具有更低的燃烧热值。在本公开的某些实施方案中，通过将防火级添加剂掺入到隔热层中来改进隔热层的燃烧热。
在某些实施方案中，本公开的隔热层具有约300℃或更高、约320℃或更高、约340℃或更高、约360℃或更高、约380℃或更高、约400℃或更高、约420℃或更高、约440℃或更高、约460℃或更高、约480℃或更高、约500℃或更高、约515℃或更高、约550℃或更高、约600℃或更高，或在这些值中的任意两个之间的范围内的热分解开始。在本文的上下文中，例如，热分解开始高于第二组合物的热分解开始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。本文设想，与不包括任何防火级添加剂的组合物相比，当向组合物或材料添加一种或多种防火级添加剂时，该组合物或材料的热分解开始增大。
术语“弯曲模量”或“弯曲弹性模量”是当垂直于样品的长边缘施加力(被称为三点弯曲测试)时的材料刚度/抗弯曲性的度量。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，并且通过将应力变化除以对应的应变变化来计算。因此，应力与应变的比率是弯曲模量的度量。弯曲模量的国际标准单位是帕斯卡(Pa或N/m2或m-1.kg.s-2)。使用的实际单位为兆帕(MPa或N/mm2)或吉帕斯卡(GPa或kN/mm2)。在美国习惯单位中，其表示为磅(力)每平方英寸(psi)。在某些实施方案中，本公开的隔热层具有约8MPa或更小、约7MPa或更小、约6MPa或更小、约5MPa或更小、约4MPa或更小、约3MPa或更小的弯曲模量。优选地，本公开的隔热层(例如气凝胶)具有约2MPa至约8MPa的弯曲模量。
在某些实施方案中，隔热层(例如，包括气凝胶的层)的压缩模量为约1MPa、约2MPa、约3MPa、约4MPa、约5MPa、约6MPa、约7MPa、约8MPa、约9MPa、约10MPa、约11MPa、约12MPa，或在这些值中的任意两个之间的范围内。
气凝胶
在一个实施方案中，隔热层可由气凝胶形成。气凝胶可以是有机的、无机的或它们的混合物。在一些实施方案中，气凝胶包括二氧化硅基气凝胶。阻隔件的隔热层可以是还包括增强材料的气凝胶。增强材料可以是提供气凝胶材料的弹性、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大孔框架增强材料、闭孔大孔框架增强材料、开孔膜、蜂巢增强材料、聚合物增强材料，和纤维增强材料，诸如离散纤维、织造材料、非织造材料、针刺非织造材料、絮、网、垫和毡。
增强材料可选自有机聚合物基纤维、无机纤维、碳基纤维或它们的组合。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、玄武岩纤维或它们的组合。
在一些实施方案中，增强材料可包括具有多个材料层的增强件。例如，该多个材料层可结合在一起。在示例性实施方案中，该多个层中的至少一个层可包括第一材料，并且该多个层中的至少一个其他层可包括第二材料。第一材料和第二材料可具有相同或不同的材料特性。例如，第一材料可比第二材料更可压缩。对于另一个示例，第一材料可包括闭孔，并且第二材料可包括开孔。
气凝胶被描述为互连结构的框架，互连结构最常见地由互连的寡聚体、聚合物或胶体颗粒构成。气凝胶框架可由一系列前体材料制成，包括：无机前体材料(诸如用于制备二氧化硅基气凝胶的前体)；有机前体材料(诸如用于制备碳基气凝胶的前体)；杂化无机/有机前体材料；和它们的组合。在本公开的上下文中，术语“混合物气凝胶”是指由两种或更多种不同凝胶前体的组合制得的气凝胶；对应的前体被称为“混合物前体”。
无机气凝胶
无机气凝胶通常由金属氧化物或金属醇盐材料形成。金属氧化物或金属醇盐材料可基于可形成氧化物的任何金属的氧化物或醇盐。此类金属包括但不限于硅、铝、钛、锆、铪、钇、钒、铈等。无机二氧化硅气凝胶传统上是通过二氧化硅基醇盐(诸如四乙氧基硅烷)的水解和缩合或通过硅酸或水玻璃的凝胶化来制备的。用于二氧化硅基气凝胶合成的其他相关无机前体材料包括但不限于金属硅酸盐，诸如硅酸钠或硅酸钾、烷氧基硅烷、部分水解的烷氧基硅烷、四乙氧基硅烷(TEOS)、部分水解的TEOS、TEOS的缩合聚合物、四甲氧基硅烷(TMOS)、部分水解的TMOS、TMOS的缩合聚合物、四正丙氧基硅烷、部分水解的四正丙氧基硅烷和/或四正丙氧基硅烷的缩合聚合物、聚乙基硅酸盐、部分水解的聚乙基硅酸盐、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，或它们的组合。
在本公开的某些实施方案中，用约1.9-2的水/二氧化硅比率水解的预水解TEOS(诸如Silbond H-5(SBH5，Silbond公司))可用作可商购获得的或可在结合到胶凝过程中之前进一步水解。部分水解的TEOS或TMOS(诸如聚乙基硅酸盐(Silbond 40)或聚甲基硅酸盐)也可用作可商购获得的或可在结合到胶凝过程中之前进一步水解。
无机气凝胶还可包括具有至少一个疏水基团的凝胶前体，诸如烷基金属醇盐、环烷基金属醇盐和芳基金属醇盐，它们可赋予或改善凝胶中的某些特性，诸如稳定性和疏水性。无机二氧化硅气凝胶可专门地包括疏水前体，诸如烷基硅烷或芳基硅烷。疏水凝胶前体可用作主前体材料以形成凝胶材料的框架。然而，疏水凝胶前体更常与简单金属醇盐在混合物气凝胶的形成中组合地用作共前体。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，并且可专门地添加其他化学基团的某些聚合物或将这些聚合物与上述前体中的一种或多种交联。
还可处理气凝胶以赋予或改善疏水性。可将疏水处理施加到溶胶-凝胶溶液、液体萃取之前的湿凝胶，或液体萃取之后的气凝胶。疏水处理在金属氧化物气凝胶(诸如二氧化硅气凝胶)的制备中尤其常见。下文更详细地论述凝胶的疏水处理的示例，特别是在处理二氧化硅湿凝胶的背景下。然而，本文提供的具体示例和例证不旨在将本公开的范围限制为任何特定类型的疏水处理程序或气凝胶基底。本公开可包括本领域的技术人员已知的任何凝胶或气凝胶，以及对气凝胶(湿凝胶形式或干气凝胶形式)进行疏水处理的相关方法。
通过使凝胶上的羟基部分(诸如存在于二氧化硅凝胶框架上的硅烷醇基基团(Si-OH))与疏水化剂的官能团发生反应来进行疏水处理。所得的反应将硅烷醇基团和疏水化剂转化为二氧化硅凝胶框架上的疏水基团。疏水化剂化合物可根据以下反应与凝胶上的羟基基团反应：RNMX4-N(疏水化剂)+MOH(硅烷醇)→MOMRN(疏水基团)+HX。疏水处理可在二氧化硅凝胶的外部宏观表面上以及在凝胶的多孔网络内的内孔表面上进行。
凝胶可浸没在疏水化剂和可选的疏水处理溶剂的混合物中，疏水化剂可溶于该疏水处理溶剂，并且该疏水处理溶剂也可与湿凝胶中的凝胶溶剂混溶。可使用各种疏水处理溶剂，包括诸如甲醇、乙醇、异丙醇、二甲苯、甲苯、苯、二甲基甲酰胺和己烷的溶剂。液体或气态形式的疏水化剂也可与凝胶直接接触以赋予疏水性。
疏水处理过程可包括混合或搅拌以帮助疏水化剂渗透湿凝胶。疏水处理过程还可包括改变其他条件，诸如温度和pH，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。
用于气凝胶的疏水处理的疏水化剂通常是具有下式的化合物：RNMX4-N；其中M是金属；R是疏水基团，诸如CH3、CH2CH3、C6H6，或类似的疏水烷基、环烷基或芳基部分；并且X是卤素，通常是Cl。疏水化剂的具体示例包括但不限于三甲基氯硅烷(TMCS)、三乙基氯硅烷(TECS)、三苯基氯硅烷(TPCS)、二甲基氯硅烷(DMCS)、二甲基二氯硅烷(DMDCS)等。疏水化剂也可具有下式：Y(R3M)2；其中M是金属；Y是桥连基团，诸如NH或O；并且R为疏水基团，诸如CH3、CH2CH3、CeHe或类似的疏水烷基、环烷基或芳基部分。此类疏水化剂的具体示例包括但不限于六甲基二硅氮烷[HMDZ]和六甲基二硅氧烷[HMDSO]。疏水化剂还可包括下式的化合物：RNMV4-N，其中V是除卤素之外的反应性或离去基团。此类疏水化剂的具体示例包括但不限于乙烯基三乙氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷。
本公开的疏水处理也可在凝胶中的液体的去除、交换或干燥期间进行。在具体实施方案中，疏水处理可在超临界流体环境(诸如但不限于超临界二氧化碳)中进行，并且可以与干燥或萃取步骤组合。
有机气凝胶
有机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、聚丁二烯、三烷氧基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、多异氰酸酯、聚羟基苯甲酸酯、聚乙烯醇二醛、聚氰尿酸酯、聚丙烯酰胺、各种环氧树脂、琼脂、琼脂糖、壳聚糖，和它们的组合。作为一个示例，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/无机杂化气凝胶
有机/无机杂化气凝胶主要由(有机改性二氧化硅(“ormosil”))气凝胶组成。这些ormosil材料包括与二氧化硅网络共价键合的有机组分。ormosil通常通过有机改性硅烷R--Si(OX)3与传统醇盐前体Y(OX)4的水解和缩合形成。在这些式中，X可表示例如CH3、C2H5、C3H7、C4H9；Y可表示例如Si、Ti、Zr或Al；并且R可以是任何有机片段，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。ormosil气凝胶中的有机组分也可分散在整个二氧化硅网络中或与之化学键合。
在某些实施方案中，本公开的气凝胶是主要由预聚合二氧化硅前体形成的无机二氧化硅气凝胶(优选地作为低聚物)，或由硅醇盐在醇溶剂中形成的水解硅酸酯。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他前体或硅酸酯(诸如烷氧基硅烷或水玻璃)原位形成。然而，本公开整体可用本领域的技术人员已知的任何其他气凝胶组合物来实践，并且不限于任何一种前体材料或前体材料的混合物。
大孔
如上所述，根据本公开的实施方案的气凝胶组合物可包括具有大孔的气凝胶框架。不受任何特定操作理论的束缚，气凝胶框架内大孔的存在可允许气凝胶组合物(例如增强的气凝胶组合物)的压缩，同时保持或甚至改进热特性，例如降低热导率。例如，大孔可通过组合物的压缩而变形、挤压或以其他方式尺寸减小，从而允许组合物的厚度在负载下减小。然而，当大孔变形时，它们有效地变成更小的孔。因此，当大孔变形时，气凝胶框架内的热传递路径可能更曲折，从而改进热特性，例如降低热导率。在本公开的上下文中，“中孔”是平均孔径在约2nm和约50nm的范围内的孔。气凝胶框架通常是中孔的(即，主要包含平均直径范围为约2nm到约50nm的孔)。在某些实施方案中，本公开的气凝胶组合物的气凝胶框架可包括大孔。在本公开的上下文中，“大孔”是平均孔径大于约50nm的孔。气凝胶框架可包括大孔和中孔两者。例如，气凝胶框架的孔内容积的至少10％可由大孔构成，气凝胶框架的孔内容积的至少5％可由大孔构成，气凝胶框架的孔内容积的至少75％可由大孔构成，气凝胶框架的孔内容积的至少95％可由大孔构成，或者气凝胶框架的孔内容积的100％可由大孔构成。在一些特定实施方案中，气凝胶框架可以是大孔气凝胶框架，使得其孔内容积的大部分由大孔构成。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，气凝胶框架中的孔的平均孔径(直径)可大于50nm、大于50nm至5000nm、250nm至2000nm、500nm至2000nm、500nm至1400nm，或1200nm。在某些实施方案中，平均孔径可大于50nm直径、大于50nm至1000nm，优选地100nm至800nm，更优选地250nm至750nm。
均匀和不均匀孔径分布
在一些实施方案中，气凝胶框架内孔径的变化可均匀地分布在气凝胶框架中。例如，平均孔径可在整个气凝胶框架中基本上相同。
在其他实施方案中，气凝胶框架内的孔径的变化可在气凝胶框架中不均匀地分布。例如，平均孔径在气凝胶框架的某些区域中可不同。在一些示例性实施方案中，平均孔径可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更大。例如，大孔可在组合物内分布成使得大孔与中孔的比率在上表面比在下表面更大，在下表面比在上表面更大，或在上表面和下表面两者比在上表面与下表面之间的中间区域更大。对于另一个示例，大孔可在组合物内分布成使得大孔与中孔的比率在上表面附近比在下表面附近更大，在下表面附近比在上表面附近更大，或在上表面和下表面两者附近比在上表面与下表面之间的中间区域更大。在其他实施方案中，平均孔径可在气凝胶框架的上表面与下表面之间的中间区域中更大。
大孔形成
大孔可在气凝胶组合物的制备期间形成。例如，可在凝胶前体材料在转变成凝胶组合物期间在这些材料中引起大孔的形成。在一些实施方案中，大孔的形成可通过引起例如凝胶前体溶液的旋转分解来进行。对于另一个示例，大孔的形成可通过添加一种或多种发泡剂来引起。
所得的气凝胶框架中存在的大孔可通过选择与中孔和/或微孔相比更有利于形成大孔的处理条件来形成。大孔的量可通过实施以下变量中的任何一种、它们的任何组合或它们中的全部来调整：(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)分支量；(7)交联量；(8)分支方法；(9)交联方法；(10)用于形成凝胶的方法；(11)用于形成凝胶的催化剂的类型；(12)用于形成凝胶的催化剂的化学组成；(13)用于形成凝胶的催化剂的量；(14)凝胶形成的温度；(15)凝胶形成期间在材料上流动的气体的类型；(16)凝胶形成期间在材料上流动的气体的速率；(17)凝胶形成期间气氛的压力；(18)凝胶形成期间溶解的气体的去除；(19)凝胶形成期间树脂中固体添加剂的存在；(20)凝胶形成过程的时间量；(21)用于凝胶形成的基底；(22)溶剂交换过程的每个步骤中使用的一种或多种溶剂的类型；(23)溶剂交换过程的每个步骤中使用的一种或多种溶剂的组成；(24)溶剂交换过程的每个步骤中耗费的时间量；(25)溶剂交换过程的每个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类型；(28)溶剂交换溶剂的搅拌速率；(29)溶剂交换过程的每个步骤中使用的温度；(30)溶剂交换溶剂的体积与部件体积的比率；(31)干燥方法；(32)干燥过程中每个步骤的温度；(33)干燥过程的每个步骤中的压力；(34)干燥过程的每个步骤中使用的气体的组成；(35)干燥过程的每个步骤期间气流的速率；(36)干燥过程的每个步骤期间气体的温度；(37)干燥过程的每个步骤期间部件的温度；(38)干燥过程的每个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的类型；和/或(40)干燥过程的每个步骤中使用的溶剂。多官能胺和二胺化合物可在一个或多个部分中作为固体、纯物质或溶于适当溶剂中来单独添加或一起添加。在其他方面，制备气凝胶的方法可包括以下步骤：(a)向溶剂提供多官能胺化合物和至少一种二胺化合物以形成溶液；(b)在足以形成支链聚合物基质溶液的条件下，向步骤(a)的溶液提供至少一种二酐化合物，其中支链聚合物基质溶解于该溶液中；和(c)使支链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。所得的气凝胶框架中存在的大孔可采用上述方式形成。在一个优选和非限制性方面中，相对于更小的中孔和微孔来形成大孔可主要通过在凝胶形成期间控制聚合物/溶剂动力学来控制。
如上文所述，根据本公开的实施方案的气凝胶组合物可包括气凝胶框架和增强材料，其中增强材料的至少一部分不含气凝胶。例如，气凝胶框架可部分地延伸穿过增强材料的厚度。在此类实施方案中，增强材料(例如OCMF、纤维或它们的组合)的一部分可包括气凝胶材料，并且另一部分可不含气凝胶。例如，在一些实施方案中，气凝胶延伸穿过增强材料厚度的约90％、穿过增强材料厚度的约50％至约90％的范围、穿过增强材料厚度的约10％至约50％的范围，或穿过增强材料厚度的约10％。
不受任何特定操作理论的束缚，其中增强材料的至少一部分不含气凝胶的气凝胶组合物可提供可压缩性、压缩弹性和柔顺性方面的有利特性。例如，增强材料的特性可被选择为在含有气凝胶的区域中提供足够的增强和热特性支持，并且还在没有气凝胶的区域中提供足够的可压缩性、压缩弹性和/或柔顺性。增强的气凝胶组合物的含气凝胶的部分可提供期望的热导率，例如小于约25mW/m*K，而增强材料的没有气凝胶的部分可提供或改进期望的物理特性，例如可压缩性。
在一些实施方案中，其中增强材料的至少一部分不含气凝胶的增强的气凝胶组合物可使用本文所公开的方法形成，其中增强材料与一定量的前体溶液组合，该量足以用前体溶液部分地填充增强材料。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材料。干燥时，所得的增强气凝胶组合物将包括延伸穿过小于增强材料的全部厚度的气凝胶框架，如上所述。在其他实施方案中，可通过从增强的气凝胶组合物中去除表面气凝胶层来形成其中增强材料的至少一部分不含气凝胶的增强的气凝胶组合物。
在一些实施方案中，可使用在增强材料的厚度上具有混合特性的增强材料来形成器中增强材料的至少一部分不含气凝胶的增强的气凝胶组合物。例如，增强材料可包括多个层，每层具有不同的特性，例如平均孔径/单元大小、材料组成、鼻孔、开孔、表面处理或它们的组合的差异。该多个层可彼此结合，例如，使用粘合剂、通过火焰结合或通过其他合适的方法或机构，诸如本文讨论的那些。增强材料的不同特性可提供气凝胶在这些层中的变化的分布。例如，增强材料的开孔部分可包括气凝胶框架，而闭孔部分保持基本上不含气凝胶。类似地，增强材料或其层的其他材料特性可决定气凝胶在增强材料内的分布，并且因此决定气凝胶在增强的气凝胶组合物内的分布。
在一些示例性实施方案中，其中增强材料的至少一部分不含气凝胶的增强的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特性控制或影响填充该材料或层的前体溶液的量，例如在浇铸过程中，以便提供用前体溶液来部分填充增强材料。例如，增强件的一层可具有开孔，并且增强件的另一层可具有闭孔。当前体溶液与此类增强件组合时，凝胶前体溶液可渗透该层的开孔，同时基本上不渗透该另一层的闭孔。当这种组合物被干燥时，所得的增强的气凝胶组合物可包括不含气凝胶的部分(例如闭孔层)，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、乳浊添加剂、防火级添加剂或其他添加剂)可不均匀地分散在增强的气凝胶组合物内。例如，添加剂材料可在气凝胶组合物的厚度和/或宽度上或沿着其厚度和/或宽度而变化。例如，添加剂可在气凝胶组合物的一侧上积聚。在一些实施方案中，添加剂材料可在气凝胶复合材料的一层中浓缩，或者作为基本上由与复合材料相邻或附接的添加剂组成的单独的一层提供。例如，热控制构件可包括基本上由吸热材料(诸如石膏、碳酸氢钠、氧化镁基水泥)组成的层。在另外的示例性实施方案中，气凝胶组合物还可包括至少一层其他材料，该层在组合物内或作为面层。例如，该层可以是选自由以下组成的组的层：聚合物薄片、金属片、纤维片、高度定向石墨材料(例如热解石墨片)，和织物片。在一些实施方案中，面层可例如通过所选的粘合机构附接到组合物。示例性粘合机构包括但不限于：气溶胶粘合剂、聚氨酯基粘合剂、丙烯酸粘合剂、热熔粘合剂、环氧树脂、橡胶树脂粘合剂；聚氨酯复合粘合剂，和它们的组合。在一些实施方案中，面层可通过非粘性机构附接到组合物。示例性非粘性机构包括但不限于：火焰结合、针刺、缝合、密封袋、铆钉、按钮、夹具、包裹、支架，和它们的组合。在一些实施方案中，任何前述粘合机构和非粘性机构的组合可用于将面层附接到组合物。
粉末状气凝胶组合物
如本文所讨论的，气凝胶组合物或复合材料可包括将气凝胶微粒、颗粒、细粒、小珠或粉末掺入固体或半固体材料中的材料，诸如结合粘结剂，诸如粘合剂、树脂、水泥、泡沫、聚合物或类似的固体或固化材料。例如，气凝胶组合物可包括增强材料、气凝胶颗粒和任选地粘结剂。在示例性实施方案中，可提供含有气凝胶颗粒和至少一种类型的润湿剂的浆料。例如，气凝胶颗粒可用至少一种润湿剂(诸如表面活性剂或分散剂)涂覆或润湿。气凝胶颗粒可被完全润湿、部分润湿(例如，表面润湿)，或者存在于浆料中。优选的润湿剂能够挥发以允许疏水气凝胶颗粒的疏水性的合适的恢复。如果润湿剂保留在气凝胶颗粒的表面上，那么剩余的润湿剂可有助于复合材料的总热导率。因此，优选的润湿剂是可除去的，诸如通过在分解或没有分解的情况下挥发或其他手段除去。通常，可使用与气凝胶相容的任何润湿剂。
润湿剂
涂覆有润湿剂的浆料或气凝胶可用作将疏水气凝胶容易地引入到各种材料中的方法，这些材料诸如其他含水流体、浆料、粘合剂、粘结剂材料，其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、针刺非织造材料、絮、网、垫、毡，和它们的组合。用至少一种润湿剂润湿的气凝胶或含有气凝胶和至少一种润湿剂的浆料允许容易地引入疏水气凝胶和将其均匀地分布。湿法成网工艺，诸如美国专利9,399,864、8,021,583、7,635,411和5,399,422(其各自全文以引用方式并入本文)中描述的那些使用含水浆料来分散气凝胶颗粒、纤维和其他添加剂。然后可使该浆料脱水以形成一层气凝胶颗粒、纤维和添加剂，可将该层干燥并且任选地压延以制备气凝胶复合材料。
气凝胶颗粒和添加剂
在其他实施方案中，气凝胶组合物可包括气凝胶颗粒、至少一种无机基质材料，和任选地纤维、辅助材料、添加剂和另外的无机粘结剂。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，诸如高岭土、粘土或膨润土，合成的页硅酸盐，诸如麦羟硅钠石或水羟硅钠石，或它们的混合物。页硅酸盐可经焙烧或未焙烧，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与页硅酸盐组合的无机粘结剂，诸如水泥、石灰、石膏或它们的合适的混合物。在一些实施方案中，无机基质材料还可包括本文所公开的其他无机添加剂，诸如防火级添加剂、遮光剂，或它们的组合。示例性方法和包括无机基质材料的气凝胶组合物公开于美国专利6,143,400、6,083,619(其各自全文以引用方式并入本文)。在一些实施方案中，气凝胶组合物可包括涂覆在织造材料、非织造材料、针刺非织造材料、絮、网、垫、毡和它们的组合上或吸收在其内的气凝胶颗粒。粘性粘结剂可包括在组合物中。还可包括如本文所公开的添加剂，诸如防火级添加剂、遮光剂或它们的组合。示例性方法和涂覆在织物上或吸收到织物中的气凝胶组合物公开于美国专利公布2019/0264381A1(其全文以应用方式并入本文)
如本文所讨论的，气凝胶复合材料可用其他材料层压或饰面，诸如面层材料的增强层。在一个实施方案中，本公开提供了多层的层压体，它包括至少一个基底层和至少一个面层，其中基底层包括增强的气凝胶组合物。在一个实施方案中，面层包括增强材料。在一个实施方案中，增强的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，本公开提供了多层的层压体，它包括基底层和至少两个面层，基底层包括增强的气凝胶组合物，该至少两个面层包括增强材料，其中该两个面层位于基底层的相对的表面上。例如，可根据美国专利申请2007/0173157中描述的方法和材料来制备多层气凝胶层压复合材料。
面层可包括将有助于向最终复合结构提供特定特性的材料，诸如改进的灵活性或减少的粉尘。面层材料可以是坚硬的或柔性的。面层材料可包括导电层或反射箔。例如，面层材料可包括金属或金属化材料。面层材料可包括非织造材料。面层可被选择为保护隔热层免受介电流体(诸如烃介电冷却流体和含氟介电冷却流体)的影响。面层可被设置在复合结构或形成复合结构(例如，热控制构件)的增强的气凝胶复合材料的表面上。面层可形成围绕复合结构或形成复合结构(例如，热控制构件)的增强的气凝胶复合材料的连续涂层或袋。在一些实施方案中，一个或多个面层可包封复合结构或形成复合结构的增强的气凝胶复合材料。
在一个实施方案中，面层包括围绕隔热层的聚合物薄片；更具体地，聚合物材料，包括聚酯、聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚芳酰胺；并且更具体地，聚合物，诸如聚对苯二甲酸乙二酯、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、聚六亚甲基己二酰胺、聚十一烷酰胺、聚酰亚胺，或它们的组合。在一个实施方案中，聚合物薄片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，包括PTFE(ePTFE)、膨胀聚丙烯(ePP)、膨胀聚乙烯(ePE)、膨胀聚苯乙烯(ePS)或它们的组合的膨胀聚合物材料。在一个优选实施方案中，面层材料基本上由膨胀聚合物材料组成。在一个实施方案中，聚合物薄片包括微孔聚合物材料或基本上由微孔聚合物材料组成，该微孔聚合物材料的特征在于范围从0.1μm至210μm、0.1μm至115μm、0.1μm至15μm或0.1μm至0.6μm的孔径。
在一个实施方案中，面层材料包括含氟聚合物材料或基本上由含氟聚合物材料组成。在本公开的上下文中，术语“含氟聚合物”或“含氟聚合物材料”是指主要由聚合的氟碳化合物构成的材料。合适的含氟聚合物面层材料包括但不限于：聚四氟乙烯(PTFE)，包括美国专利5,814,405中描述的微孔PTFE，和膨胀PTFE(ePTFE)，诸如(可得自W.L.Gore)；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)；和它们的组合。在一个优选实施方案中，面层材料基本上由氟聚合物材料组成。在一个优选实施方案中，面层材料基本上由膨胀PTFE(ePTFE)材料组成。
在一个实施方案中，面层材料包括含氟聚合物材料或基本上由非含氟聚合物材料组成。在本公开的上下文中，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面层材料包括但不限于：镀铝Mylar；低密度聚乙烯，诸如(可得自杜邦)；橡胶或橡胶复合物；非织造材料，弹性纤维，诸如氨纶、尼龙、莱卡物或高弹纤维；和它们的组合。在一个实施方案中，面层材料是柔性面层材料。
在一些实施方案中，面层材料可包括汽车用树脂和聚合物，诸如最大使用温度高达约100℃、至多约120℃或至多约150℃的那些。例如，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，或它们的组合。例如，根据本文所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用树脂或汽车聚合物层、金属或金属化层，和气凝胶层。
可通过使用适合于将无机或有机面层材料固定到基底层的增强材料的粘合剂来将面层附接到隔热层。可用于本公开的粘合剂的示例包括但不限于：水泥基粘合剂、硅酸钠、乳胶、压敏粘合剂、硅树脂、聚苯乙烯、气溶胶粘合剂、聚氨酯、丙烯酸酯粘合剂、热熔粘结系统、可得自3M的粘结系统、环氧树脂、橡胶树脂粘合剂、聚氨酯粘合剂混合物诸如美国专利4,532,316中描述的那些。
还可通过使用适合于将无机或有机面层材料固定到基底层的增强材料的非粘性材料或技术来将面层附接到隔热层。可用于本公开的非粘性材料或技术的示例包括但不限于：热密封、超声缝合、RF密封、缝线或穿线、针刺、密封袋、铆钉或按钮、夹具、包裹或其他非粘性层压材料。
可在制备气凝胶复合材料的任何阶段将面层附接到隔热层。在一个实施方案中，在将溶胶凝胶溶液注入到基底增强材料中之后但在胶凝之前将面层附接到隔热层。在另一个实施方案中，在将溶胶凝胶溶液注入到基底增强材料中之后并且在随后的胶凝之后但在使凝胶材料老化或干燥之前将面层附接到隔热层。在又另一个实施方案中，在使凝胶材料老化和干燥之后将面层附接到隔热层。在优选实施方案中，在将溶胶凝胶溶液注入到基底增强材料中之前将面层附接到基底层的增强材料。面层可以是固体并且不透流体。
优选地，面层对用于冷却电池模块或电池组的冷却流体是惰性的。如稍后将更详细地论述，隔热层可暴露于可流过可压缩层的冷却流体(液体或气体)。为了抑制或防止隔热层的化学改性，面层可围绕隔热层并且由对所使用的冷却流体呈惰性的材料形成。例如，如果使用烃介电冷却流体，则面层可由对该烃介电冷却流体呈化学惰性的材料形成。另选地，如果使用含氟介电冷却流体，则面层可由对含氟介电冷却流体呈化学惰性的材料形成。
遮光剂
气凝胶组合物可包括遮光剂以减少热传递的辐射组分。在凝胶形成之前的任何时间点，可将乳浊化合物或其前体分散到包括凝胶前体的混合物中。乳浊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、碳黑、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、铁钛氧化物(钛铁矿)、氧化铬、碳化物(诸如SiC、TiC或WC)，或它们的混合物。乳浊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，用作添加剂的乳浊化合物可排除碳化硅的晶须或纤维。当气凝胶组合物预期用于电气设备中，例如在电池作为阻隔层或其他相关应用中时，包括遮光剂的组合物可理想地具有高体积和表面电阻率带来的高介电强度。在此类实施方案中，用作遮光剂的碳添加剂可以是非导电的或被改性以降低电导率。例如，遮光剂可被表面氧化以降低电导率。在一些实施方案中，具有固有电导率的含碳添加剂可用作预期用于电气设备的气凝胶组合物中的遮光剂。在此类实施方案中，导电性含碳添加剂可在低于渗流阈值的浓度下使用，以便提供具有适合在电气设备中使用的合适的介电强度的组合物。
防火级添加剂
气凝胶组合物可包括一种或多种防火级添加剂。在本公开的上下文中，术语“防火级添加剂”是指在火反应的情况下具有吸热效果并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开始(ED)不高于其中存在防火级添加剂的气凝胶组合物的热分解开始(Td)100℃，并且在某些实施方案中，其ED也不低于其中存在防火级添加剂的气凝胶组合物的Td 50℃。换句话说，防火级添加剂的ED具有(Td-50℃)至(Td+100℃)的范围：
在与溶胶(例如，采用如现有技术中所理解的各种方式从烷基硅酸盐或水玻璃制备的二氧化硅溶胶)结合或混合之前、同时进行或甚至在此之后，可将防火级添加剂与包括乙醇和任选地至多10％的水的介质混合或以其他方式分散到该介质中。可根据需要混合和/或搅拌该混合物以实现添加剂在介质中的基本上均匀的分散。不受理论的束缚，利用上述粘土和其他防火级添加剂的水合形式提供了额外的吸热效果。例如，埃洛石粘土(可以商品名DRAGONITE从Applied Minerals,Inc.或简单地以Halloysite从Imerys商购获得)、高岭石粘土是其水合形式通过在高温下释放水合水(气体稀释)而具有吸热效应的硅酸铝粘土。作为另一个示例，水合形式的碳酸盐可在加热或高温下释放二氧化碳。
在本公开的上下文中，术语“脱水热”意指在未暴露于高温时从水合形式的材料蒸发水(和双羟基化，如果适用的话)所需的热量。脱水热通常以单位重量表示。
在某些实施方案中，本公开的防火级添加剂具有约100℃或更高、约130℃或更高、约200℃或更高、约230℃或更高、约240℃或更高、约330℃或更高、350℃或更高、约400℃或更高、约415℃或更高、约425℃或更高、约450℃或更高、约500℃或更高、约550℃或更高、约600℃或更高、约650℃或更高、约700℃或更高、约750℃或更高、约800℃或更高，或在这些值中的任意两个之间的范围内的热分解开始。在某些实施方案中，本公开的防火级添加剂具有约440℃或570℃的热分解开始。在某些实施方案中，本公开的防火级添加剂具有不高于或低于其中掺入该防火级添加剂的气凝胶组合物的Td(无防火级添加剂)50℃、不高于或低于该Td 40℃、不高于或低于该Td 30℃、不高于或低于该Td 20℃、不高于或低于该Td 10℃、不高于或低于该Td 5℃，或在这些值中的任意两个之间的范围内的热分解开始。
本公开的防火级添加剂包括粘土材料，诸如但不限于：页硅酸盐粘土(诸如伊利石)、高岭土或高岭石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、偏高岭土、多水高岭土(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、水埃洛石(硅酸铝；Al2Si2O5(OH)4)、云母(二氧化硅矿物)、水铝石(氧化铝氢氧化物；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)、囊脱石、浮石、绿土、晶蛭石、累托石、绿鳞石、绿坡缕石、绿蛋白石、铬岭石、水铝英石、杂变柱石、富氟氯黄晶、埃洛石、铬铝英石、微光高岭土、硅灰岩和牛顿岩、碳酸氢钠(NaHCO3)、氢氧化镁(或“MDH”)、三水合氧化铝(“ATH”)、石膏(二水合硫酸钙；CaSO4·2H2O)、二菱镁矿(MgCO3·2H2O)、水碳镁石(MgCO3·3H2O)、五水碳镁石(MgCO3·5H2O)、水菱镁石(水合碳酸镁；Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)、其他碳酸盐，诸如但不限于白云石和碳酸锂。在这些粘土材料中，本公开的某些实施方案使用具有至少部分层状结构的粘土材料。在本公开的某些实施方案中，在气凝胶组合物中作为防火级添加剂的粘土材料具有至少一些水，诸如呈水合形式。这些添加剂可呈水合结晶形式，或者可在本公开的组合物的制造/加工中水合。在某些实施方案中，防火级添加剂还包括低熔点添加剂，其在不改变化学组成的情况下吸收热。这类添加剂的示例是低熔点玻璃，诸如惰性玻璃珠。可用于本公开的组合物中的其他添加剂包括但不限于硅灰石(硅酸钙)和二氧化钛(TiO2)。在某些实施方案中，其他添加剂可包括红外遮光剂(诸如但不限于二氧化钛或碳化硅)、陶瓷化剂(诸如但不限于低熔点玻璃粉、硅酸钙)，或成炭剂(诸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处理考虑(诸例如技术)，以确保添加剂均匀地分布并且不会严重凝聚而导致产物性能变化。处理技术可涉及另外的静态和动态混合器、稳定剂、调节工艺条件和本领域已知的其他因素。
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期望特性。溶胶凝胶组合物的制备和处理期间使用的添加剂的量通常被称为相对于溶胶的二氧化硅含量的重量百分比。溶胶中添加剂的量可在相对于二氧化硅含量约5wt％至约70wt％之间变化。在某些实施方案中，溶胶中添加剂的量介于相对于二氧化硅含量10wt％与60wt％之间，并且在某些优选实施方案中，其在相对于二氧化硅含量20wt％与40wt％之间。在示例性实施方案中，溶胶中添加剂相对于二氧化硅含量的量在相对于二氧化硅含量约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，溶胶中添加剂相对于二氧化硅含量的量为至少相对于二氧化硅含量约10wt％或相对于二氧化硅含量约10wt％。在一些实施方案中，添加剂的量在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，添加剂可多于一种类型。一种或多种防火级添加剂也可存在于最终气凝胶组合物中。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60wt％-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(诸如高岭土)或硅酸铝防火级添加剂(诸如高岭石)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30wt％-40wt％。对于另一个示例，在其中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相对于二氧化硅含量约30wt％至40wt％，例如35wt％。对于另一个示例，在其中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相对于二氧化硅含量约5wt％至15wt％，例如10wt％。
当提及最终的增强的气凝胶组合物时，添加剂的量通常称为最终的增强的气凝胶组合物的重量百分比。最终的增强的气凝胶组合物中添加剂的量可在增强的气凝胶组合物的约1重量％至约50重量％、约1重量％至约25重量％或约10重量％至约25重量％之间变化。在示例性实施方案中，最终的增强的气凝胶组合物中添加剂的量在增强的气凝胶组合物的约10重量％至约20重量％的范围内。在示例性实施方案中，最终的增强的气凝胶组合物中添加剂占组合物的重量百分比的量为约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％，或在前述任何百分比之间的范围内。在某些实施方案中，最终的增强的气凝胶组合物中添加剂的量为增强的气凝胶组合物的约15重量％。在某些实施方案中，最终的增强的气凝胶组合物中添加剂的量为增强的气凝胶组合物的约13重量％。例如，在包括添加剂(诸如碳化硅)的一些优选实施方案中，气凝胶组合物中存在的添加剂的总量为增强的气凝胶组合物的约10重量％-20重量％，例如约15重量％。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，气凝胶组合物中存在的添加剂的总量为增强的气凝胶组合物的约3重量％-5重量％，例如约4重量％。
防火级添加剂的热分解开始
在某些实施方案中，防火级添加剂可基于其热分解开始温度来分类或分组。例如，防火级添加剂可被分类或分组为具有小于约200℃、小于约400℃或大于约400℃的热分解开始温度。例如，具有小于约200℃的热分解起始温度的添加剂包括碳酸氢钠(NaHCO3)、水碳镁石(MgCO3·3H2O)和石膏(二水合硫酸钙；CaSO4·2H2O)。对于另一个示例，具有小于约400℃的热分解开始温度的添加剂包括三水合氧化铝(“ATH”)、氢氧化镁(水合碳酸镁；Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)和氢氧化镁(或“MDH”)。对于另一个示例，具有小于约400℃的热分解开始温度的添加剂包括多水高岭土(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))或高温相改变材料(PCM)。
在本公开的某些实施方案中，作为气凝胶组合物中的添加剂的粘土材料(例如硅铝酸盐粘土，诸如多水高岭土或高岭石)呈脱水形式，例如多水偏高岭土或偏高岭土。可用于本公开的组合物中的其他添加剂包括但不限于硅灰石(硅酸钙)和二氧化钛(TiO2)。在某些实施方案中，其他添加剂可包括红外遮光剂(诸如但不限于二氧化钛或碳化硅)、陶瓷化剂(诸如但不限于低熔点玻璃粉、硅酸钙)，或成炭剂(诸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处理考虑(诸例如技术)，以确保添加剂均匀地分布并且不会严重凝聚而导致产物性能变化。处理技术可涉及另外的静态和动态混合器、稳定剂、调节工艺条件和本领域已知的其他因素。一种或多种防火级添加剂也可存在于最终气凝胶组合物中。
在某些实施方案中，在本公开的气凝胶材料和组合物中包括添加剂(例如铝硅酸盐粘土基材料，诸如多水高岭土或高岭土)可提供改进的高温收缩特性。用于高温收缩的示例性测试方法是“经受浸泡热的预成形高温隔热件的线性收缩的标准测试方法”(ASTMC356，美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯ASTM International)。在此类测试中，称为“热浸”的材料在长达60分钟的持续时间内暴露于高于1000℃的温度。在某些示例性实施方案中，本公开的气凝胶材料或组合物可具有约20％或更小、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，或在这些值中的任意两个之间的范围内的高温收缩(即线性收缩)、宽度收缩、厚度收缩或尺寸收缩的任何组合。
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碱金属。气凝胶材料中的痕量(例如100ppm至500ppm)碱(例如钠或钾)可对高温收缩和热耐久性具有不利影响。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(诸如多水高岭土或高岭土)可螯合易挥发碱(例如钠或钾)，从而减少或消除了碱对收缩和热耐久性的影响。在本公开的某些实施方案中，铝硅酸盐粘土材料呈脱水形式，例如多水偏高岭土或偏高岭土。例如，包括相对于二氧化硅含量大于约0.5wt％的偏高岭土或多水偏高岭土的气凝胶材料或组合物可显著降低热收缩和热耐久性。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％的范围内的量的偏高岭土或多水偏高岭土。
导热板
在一个实施方案中，该对刚性板中的至少一个刚性板是导热板。优选地，两个刚性板都是导热板。导热刚性板提供对弹簧元件的刚性支撑件和允许来自相邻电池单元或电池模块的热量传递到在该对刚性导热板之间形成的流体通道的热传递表面两者。
导热刚性板由导热材料形成。导热材料可具有沿平面内维度至少约200mW/m-K的热导率。导热材料可具有大于50W/mK，更优选地大于100W/mK，并且还更优选地大于200W/mK(所有值在25℃测量)的热导率。导热材料可包括至少一层，该层包括金属、碳、导电聚合物或它们的组合。可用于形成导热板的导热材料的示例包括碳纤维、石墨、碳化硅、金属(包括但不限于铜、不锈钢、铝等)，以及它们的组合。
在上述方面的一些实施方案中，导热板可包括一个或多个导热层。例如，导热板可包括至少一层导热材料或包括导热材料的一层，例如，包括金属、碳、导热聚合物或它们的组合的层。如在这些实施方案的上下文中所用，导热材料是指热导率大于隔热层(例如气凝胶组合物)的热导率的材料。在某些实施方案中，导热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。
优选地，导热板具有至少300℃，更优选地至少600℃，仍更优选地至少1000℃，并且还更优选地至少1500℃的熔融温度。
导热板的厚度可取决于所使用的材料、隔热层的性质、由弹簧元件抵靠板施加的压力的大小，和与电池单元或模块的数量和电池模块或电池组内部可用空间的量相关的各种因素。在功能上说，导热层应足够厚以提供对弹簧元件的期望的阻力。
在一些实施方案中，导热板可具有约0.010mm、0.025mm、0.05mm、0.07mm、0.10mm，或在这些值中的任意两个之间的范围内的厚度，和在约600W/mK至约1950W/mK的范围内的平面内热导率。在一些实施方案中，导热板可具有约0.05mm、约0.07mm、约0.10mm、约0.20mm、约0.25mm、约0.30mm、约0.5mm、约0.75mm、约1mm、约1.5mm、约2mm、约3mm、约4mm、约5mm，或在这些值中的任意两个之间的范围内的厚度。
在一些实施方案中，导热材料可选自相变材料。
在一些实施方案中，可在隔热层与可压缩层之间或在电池单元或模块与可压缩层之间使用导热膏，以确保这些层之间均匀而且一致的热传导。如本文所用，导热膏是指也称为热化合物、热润滑脂、热界面材料(TIM)、热凝胶、热膏、散热器化合物和散热器膏的各种材料。例如，导热膏层可设置在隔热层(例如，气凝胶组合物)与导热板之间。
可压缩层
如上所述，根据本公开的实施方案的阻隔件提供了可压缩性、压缩弹性和柔顺性方面的有利特性，以及低热传递和耐火特性。当与隔热层一起使用时，可压缩层可提供对压缩变形的阻力，以容纳由于电池充电/放电循环期间活性材料的降解和膨胀而导致的单元的膨胀。在电池模块或电池组的初始组装期间，通常向阻隔件施加1MPa或更小的相对低负载。在使用中，例如，当电池模块内的单元在充电/放电循环期间扩展或膨胀时，可将至多约5MPa的负载施加到可压缩层。
在实施方案中，可压缩层具有约1MPa至约12MPa的压缩模量。可压缩层的压缩模量由设置在刚性板之间的弹簧元件决定。单元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，以便容纳单元在它们的生命周期期间的膨胀。在某些实施方案中，可压缩层(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％，并且(ii)包括弹簧元件，在释放压缩之后，该弹簧元件将返回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100％。
弹簧元件
阻隔层的可压缩层包括一对刚性板和设置在刚性板之间的一个或多个弹簧元件。在本公开的上下文中，术语“弹簧元件”是指存储机械能的任何弹性物体。压缩弹簧是用作弹簧元件的优选弹簧。示例性压缩弹簧包括但不限于恒定压缩弹簧、可变压缩弹簧、扁平压缩弹簧、蛇形压缩弹簧、悬臂压缩弹簧、弓形压缩弹簧、线圈压缩弹簧、螺旋压缩弹簧、锥形压缩弹簧、波形弹簧和线性弹簧。可压缩层的“弹簧元件”可包括单个类型的压缩弹簧，或不同类型的压缩弹簧的组合。
弹簧元件由提供对施加到板的压力的弹性做出响应的材料构成。该材料可以是提供期望的弹性响应的任何金属或聚合物材料。优选地，弹簧元件由不锈钢制成。弹簧元件的特性被选择为当其设置在两个电池单元或两个电池模块之间时抵靠刚性板提供适当量的压缩力。压缩力被选择为足以保持刚性板与电池单元或电池模块的侧面接触。基于电池单元或模块在工作寿命内的预期膨胀来确定压缩力的上限。通常，可预期电池单元或模块将膨胀其初始厚度的50％至最高100％。
图9A-B描绘了在电池单元中看到的典型膨胀。图9A-B示出了一对电池单元430，阻隔件400设置在这对电池单元之间。在能量存储系统的“寿命开始”时，如图9A所示，电池单元具有其最小厚度。弹簧元件425处于其最少压缩状态并提供足够的压力迫使刚性板422a抵靠电池单元430和迫使刚性板422b抵靠隔热层410。随着电池单元的老化，电池单元将开始膨胀。电池单元的“寿命终止”阶段描绘于图9B。随着电池单元膨胀，电池单元推压阻隔件，使弹簧元件收缩以补偿电池单元的膨胀。在一个实施方案中，阻隔件在未压缩状态下或在能量存储系统的寿命开始时具有在约5mm至约30mm的范围内的平均厚度，并且阻隔件在处于或接近能量存储系统的寿命结束时可压缩到在约2mm与10mm之间的最小平均厚度。
为了允许电池单元或电池模块在其寿命期间膨胀，弹簧元件被选择为允许适当量的膨胀。这通过选择具有正确弹簧常数的弹簧来完成。这可使用胡克定律来计算，即：
F＝-kΔx
其中F是由弹簧产生的力，Δx是弹簧从其松弛或中性位置的位移(例如，压缩)，并且k是弹簧常数。在放置在两个电池元件之间的位置之前，弹簧元件上没有位移，并且力(F0)为零。为了将阻隔件放置在电池元件之间，压缩可压缩元件以减小阻隔件的宽度，使得阻隔件装配在电池元件之间。一旦定位在阻隔件元件之间，弹簧元件就抵靠刚性板施加初始恒定力(Fi)，该力与弹簧元件的位移(压缩)量成比例。随着电池在使用期间膨胀，弹簧将变得压缩更多并且该力将增大。因此，弹簧常数被选择为允许电池元件膨胀，而弹簧元件不会阻止该膨胀。
弹簧常数(k)可能受到许多因素的影响。影响弹簧常数的主要因素包括但不限于：(1)弹簧材料的线径；(2)弹簧元件的直径或长度；和(3)弹簧元件的自由长度，该长度表示其在未经历从平衡位置发生位移时的长度。可调整这些因素中的每个以产生在电池元件的使用寿命内抵靠刚性板提供适当量的压缩力的一个或多个弹簧元件。因此，弹簧元件的弹簧常数被选择为迫使板抵靠电能存储系统中的相邻电池元件。弹簧元件还被选择为具有允许弹簧元件随着相邻电池单元膨胀而被压缩的弹簧常数。
弹簧元件可附接到刚性板中的一个或两个板，或者可设置在刚性板之间而不附接到一个或两个刚性板。当附接到一个或多个刚性板时，弹簧元件可使用粘合剂、焊接或机械紧固件来附接。
图7和图8描绘了包括可压缩层(420和520)的阻隔件的实施方案。在所描绘的实施方案中，线性波形弹簧被示出作为弹簧元件425。图10A-B示出了具有线性波形弹簧的可压缩层的示意图。在这些实施方案中，可压缩层由一对刚性板422构成，线性波形弹簧425定位在刚性板之间。该线性波形弹簧可附接到刚性板，或者可在没有任何类型的附接的情况下设置在刚性板之间。线性波形弹簧也在图9A-B中描绘。
图11A-B描绘了形成在刚性板的表面上的悬臂压缩弹簧的实施方案。图11A描绘了刚性板622，该刚性板具有接片625阵列。该接片阵列中的每个接片充当悬臂压缩弹簧，该悬臂压缩弹簧可在设置在电池元件之间的阻隔件的操作条件期间弹性变形。接片625阵列可由在能量存储系统操作条件下弹性变形的任何金属或聚合物形成。在图11B所描绘的实施方案中，接片阵列设置在每个刚性板622的内表面上。然而，应当理解，接片阵列可仅设置在刚性板中的一个刚性板上。
图12描绘了刚性板722的实施方案，该刚性板具有凹坑压缩弹簧元件725。在该实施方案中，由弹性可压缩材料形成的多个凹坑压缩弹簧元件725设置在一个或两个刚性板722的内表面上。凹坑压缩弹簧元件可由金属或聚合物形成。凹坑压缩弹簧元件可以是中空的或实心的。
图13描绘了可压缩层800的一部分的实施方案，该可压缩层具有设置在刚性板822的表面上的多个线圈压缩弹簧元件825。优选地，使用锥形压缩弹簧。锥形压缩弹簧在压缩时具有减小的外形。随着电池元件膨胀，弹簧将压缩到本身中，这允许电池元件膨胀直到锥形压缩弹簧被完全压缩为止。由于这些弹簧元件的锥形形状，弹簧可被压缩直到弹簧的高度等于用于制造弹簧的线的宽度为止。
图14A-B描绘了可压缩层900的实施方案，该可压缩层具有设置在刚性板922的表面上的多个弓形压缩弹簧元件925。如图14B所示，弓形压缩弹簧元件可以是端部附接到该对刚性板中的一个刚性板并且中部附接到另一个刚性板的带材(金属或聚合物)。在使用期间，电池元件的膨胀使弓形形状变形以适应来自电池元件的力的增大。带材可使用焊接、粘合剂或紧固件保持在适当位置。在图15A-15B所描绘的实施方案中，带材可利用形成在刚性板中的凹口保持在适当位置。例如，在第一刚性板922a上可形成用于每个带材的一对凹口927来接收带材的端部。在第二刚性板922b上可形成凹口929来接收带材的中心。使用凹口提供了许多优点。凹口可防止当压缩力被施加到可压缩层时带材的滑动或移动。另一个优点是凹口将有助于保持刚性板在压缩期间对准。例如，如果向刚性板中的一个刚性板施加侧向力，那么在侧向上基本上不可压缩的带可在设置于凹口中时将板保持对准。
在使用期间，阻隔件被放置成与相邻的电池元件(例如，电池单元或电池模块)接触。阻隔件优选地包括大小和形状彼此基本上相同的刚性板(例如，导热刚性板)，如例如图7、8、9A和9B中所描绘。刚性板也处于对准构型，使得该对刚性板中的一个刚性板的外边缘与该对刚性板中的另一个刚性板的外边缘基本上对准。
在使用期间，电池元件的膨胀可导致刚性板上的压力增大，该压力增大由弹簧元件抵消。如果电池元件的膨胀不均匀，并且例如发生在抵靠刚性板产生不对称压力的位置，则刚性板可能滑出对准构型。为了将刚性板保持处于对准构型，可将一个或多个引导件定位在该对刚性板之间。引导件附接到每个板，并且阻止板从对准位置滑出。图10B描绘了两个板422的实施方案，引导件427定位在这两个板之间。引导件可以是连接到每个刚性板并且抑制或阻止刚性板相对于彼此的侧向移动的杆或螺栓。引导件427还可包括止挡件429。止挡件429可防止可压缩层的完全压缩。例如，在热失控事件期间，相邻电池单元可能破裂，该破裂产生抵靠可压缩层的爆炸力。该力可突破弹簧元件的阻力，迫使刚性构件彼此接触。沿引导件427放置止挡件429可防止可压缩层在极端力抵靠刚性板的情况下发生完全塌缩。
在电池模块或电池组内使用阻隔件
锂离子电池(LIB)由于其与传统电池相比的高工作电压、低记忆效应和高能量密度而被认为是最重要的能量存储技术之一。然而，安全问题是阻碍LIB大规模应用的重要障碍。在滥用条件下，放热反应可导致释放热量，这可能触发随后的不安全反应。由于滥用单元释放的热量可能激活一连串的反应，这种情况恶化，从而导致灾难性热失控。
随着LIB的能量密度持续改进，提高这种电池的安全性对于电气设备(例如电动汽车)的开发变得越来越迫切。底层安全问题的机制因每种不同的电池化学而有所不同。本技术关注定制阻隔件来获得有利的热特性和机械特性。本技术的阻隔件在正常条件以及热失控条件下提供有效的散热策略，同时确保LIB在正常操作模式下的稳定性(例如，承受施加的压应力)。
本文所公开的阻隔件可用于分离、隔热和保护任何构型的电池的电池单元或电池部件，例如软包单元、圆柱形单元、棱柱形单元，以及结合和包括任何此类单元的电池组和电池模块。本文所公开的阻隔件可用于可再充电电池，例如锂离子电池、固态电池，和需要分离、隔热和保护的任何其他能量存储设备或技术。
冷却系统可与本公开的阻隔件一起在电池模块或电池组内使用。图16描绘了与本公开的阻隔件一起使用的冷却系统的实施方案。在图16中，两个电池元件(电池单元1130)由阻隔件1100分离，该阻隔件包括隔热层1110和两个可压缩层1120。可压缩层1120设置在隔热层1110的相对的两侧上。阻隔件设置在电池元件1130之间并且通过弹簧元件膨胀成与电池元件接触。本申请所公开的阻隔件的优点是可压缩层限定了刚性板之间的流体通道。该流体通道可用于在各个电池元件(即，电池单元或电池模块)之间引导热传递流体，如图16所示。
为了获得经过阻隔件的最佳流体流动，弹簧元件被选择为保持在电池的寿命期间具有1mm与5mm之间的宽度的流体通道。例如，流体通道在电池元件的寿命开始时可具有5mm的宽度，但在电池元件的寿命结束时可缩短到1mm。弹簧元件的使用允许在弹簧膨胀时产生流动路径，使流体围绕和穿过弹簧元件流动。
在实施方案中，电力系统可包括一个或多个电池模块和耦接到电池模块的流体输送系统。该电力系统的示意图描绘于图17中。电力系统1200包括电池元件1230。电池元件1230包括设置在电池模块中的一个或多个电池单元，或设置在电池组中的一个或多个电池模块。这些电池模块或电池组被密封，使得电池元件被容纳在密封容器内。这些电池单元或电池模块由本公开的阻隔件分离。该阻隔件包括隔热层和一个或两个可压缩层，如先前已经描述的。流体通道被限定为穿过阻隔件的可压缩层。
电力系统1200还包括流体输送系统，该流体输送系统包括传热单元1250和使热传递流体循环的泵1255。泵1255经由导管1262耦接到容纳电池元件的容器1230。来自泵的热传递流体通过电池元件，离开容器，经由导管1264到达热传递单元1270。当引入到容器中时，流体通过阻隔件的可压缩层以在热传递流体与电池元件之间传递热量。在电力系统的该实施方案中，优选的是可压缩层的刚性板由导热材料构成。在热传递单元中，流体在适当时被加热或冷却，然后经由导管1266被送回泵。用于电力系统的示例性流体输送系统在美国专利8,663,828、美国专利9,178,187和美国专利申请公布2020/0020998中论述，这些文件各自以引用方式并入。
可根据系统的要求来加热或冷却热传递流体。例如，在正常使用期间，电池元件将随着电能被供应到设备而产生热量。热传递流体被冷却以帮助从电池元件中去除所生成的热量。例如，可将热传递流体冷却到低于电池单元的工作温度的温度，以保持电池单元冷却。在其他实施方案中，可能需要加热电池单元。当电池元件处于暴露于长期低温的设备中时，这可能变得重要。因此可能需要通过使加热的流体(例如，比环境温度更热的流体)通过电池元件使电池元件变热。
在一个实施方案中，热传递流体被引入容纳电池元件的容器中，并且该流体经过该容器，在耦接到导管1264的出口处离开。该流体可进入容器的底部部分并且从容器的顶部部分流出，或者该流体可进入容器的顶部部分并且从容器的底部流出。另选地，该流体可进入容器的一侧并且从容器的另一侧离开。因此，经过阻隔件的流体流动可在侧向(沿着电池元件的长边)或垂直向(从电池元件的顶部到底部或从底部到顶部)。
阻隔件中的弹簧元件可以预先确定的图案设置，使得当与热传递流体接触时产生层流或湍流。在优选实施方案中，通过弹簧元件的适当放置或构型来在阻隔件内产生湍流。湍流的产生增加了热传递流体与电池元件接触的时间量。在本公开的上下文中，当流具有大于1000、大于1500、大于2000、大于2500、大于3000、大于3500、大于4000、大于4500或大于5000的雷诺数时产生湍流。
图18描绘了电池模块或电池组1300的示意图。对于电池模块，多个电池单元1330由阻隔件1310分离。对于电池组，多个电池模块1330由阻隔件1310分离。如本文所公开的阻隔件具有形成于可压缩层中的一个或多个流体通道1315。要优化热传递流体进入流体通道的流动，可在电池模块或电池组内设置歧管1350。在使用期间，来自泵的流体被传输到电池模块或电池组并且进入歧管。歧管包括流体入口1353，和与所述阻隔件中的流动通道对准的一系列出口1355。热传递流体然后被分散在歧管内并且通过该一系列出口离开歧管。出口将热传递流体引导到限定在阻隔件内的流动通道中。所引导的热传递流体然后经过流体通道，改变电池元件的温度。歧管的使用可帮助确保大部分热传递流体被引导到阻隔件中。容器出口1360可设置在相对侧上以允许热传递流体在经过流体通道之后离开容器。
热传递流体可以是液体或气体。在实施方案中，热传递流体是介电流体。介电热传递流体的示例包括烃基介电冷却流体和含氟介电冷却流体。优选的热传递流体是液体热传递流体。当使用液体热传递流体时，容纳电池元件的容器被密封以防止该流体从容器泄漏出来。根据所使用的热传递流体的类型(例如，烃流体或含氟流体)，面层可包封隔热层以防止热传递流体导致隔热层降解。
在另一个实施方案中，本文提供了一种包括根据上述方面中任一项的电池模块或电池组的设备或车辆。在一些实施方案中，所述设备是膝上型计算机、PDA、移动电话、标签扫描仪、音频设备、视频设备、显示面板、摄像机、数字摄像机、台式计算机、军用便携式计算机、军用电话、激光测距仪、数字通信设备、智能收集传感器、电子集成服装、夜视装备、动力工具、计算器、无线电、遥控装置、GPS设备、手持式和便携式电视、汽车起动器、手电筒、声学设备、便携式加热设备、便携式真空吸尘器或便携式医疗工具。在一些实施方案中，该车辆是电动车辆。
在本专利中，某些美国专利、美国专利申请和其他材料(例如，文章)已以引用方式并入。然而，此类美国专利、美国专利申请和其他材料的文本仅以在此类文本与本文所列的其他陈述和附图之间不存在矛盾的程度以引用方式并入。在发生矛盾的情况下，这些以引用方式并入的美国专利、美国专利申请和其他材料中的任何此类存在矛盾的文本明确地不以引用方式并入本专利。
根据本说明书，本申请的各个方面的进一步变型和更改实施方案对于本领域的技术人员将显而易见。因此，本说明书应被解释为仅例示性的并且是为了教导本领域的技术人员实施本申请的一般方式。应当理解，本文所示和所述的本申请的形式将被视为实施方案的示例。元件和材料可取代本文所举例说明和描述的那些，部件和过程可颠倒，并且本申请的某些特征可独立地利用，在受益于本申请的这种描述之后，全部这些对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。在不脱离如以下权利要求中描述的本申请的实质和范围的情况下，可在本文所述的元件中进行改变。

Claims (53)

1.一种用于电力系统的阻隔件元件，其特征在于，所述阻隔件元件包括：
至少一个隔热层；和
至少一个可压缩层，其中，所述可压缩层包括一对刚性板和设置于所述刚性板之间的一个或多个弹簧元件。
2.根据权利要求1所述的阻隔件元件，其特征在于，所述阻隔件元件被构造成设置在两个相邻电池元件之间。
3.根据权利要求2所述的阻隔件元件，其特征在于，所述阻隔件元件被构造成提供所述相邻电池元件的隔热和/或容纳所述相邻电池元件的膨胀所导致的压缩和/或迫使所述刚性板抵靠所述相邻电池元件。
4.根据权利要求1所述的阻隔件元件，其特征在于，所述一对刚性板限定至少一个流体通道，所述流体通道任选地具有1mm和5mm之间的宽度。
5.根据权利要求4所述的阻隔件元件，其特征在于，所述弹簧元件设置在所述流体通道内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，所述弹簧元件被构造和/或布置成减少流动于所述一对刚性板之间的流体的层流和/或增加流动于所述一对刚性板之间的流体的湍流。
7.根据权利要求1至5任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，所述弹簧元件附接到每对所述刚性板中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的阻隔件元件，其特征在于，所述一个或多个弹簧元件选自压缩弹簧，包括扁平压缩弹簧、蛇形压缩弹簧、锥形压缩弹簧、波形弹簧、线性弹簧、弓形弹簧、螺旋弹簧、悬臂弹簧或其组合。
9.根据权利要求8所述的阻隔件元件，其特征在于，所述螺旋弹簧为螺旋压缩弹簧。
10.根据权利要求8所述的阻隔件元件，其特征在于，所述一个或多个弹簧元件包括线性弹簧或波形弹簧。
11.根据权利要求10所述的阻隔件元件，其特征在于，至少两个线性弹簧或至少两个波形弹簧设置在所述一对刚性板之间，且在所述刚性板的平面中相互偏移。
12.根据权利要求8所述的阻隔件元件，其特征在于，所述一个或多个弹簧元件包括弓形弹簧。
13.根据权利要求12所述的阻隔件元件，其特征在于，至少两个弓形弹簧设置在所述一对刚性板之间且在所述刚性板的平面中相互对准。
14.根据权利要求12或13所述的阻隔件元件，其特征在于，所述弓形弹簧在其端部通过焊接、粘合剂或紧固件附接到所述刚性板中的一者，且在其中部附接到所述刚性板中的另一者，其中，所述紧固件任选地为形成于所述刚性板中的凹口，并且所述凹口分别被构造成接收所述弓形弹簧的端部或中心。
15.根据权利要求8所述的阻隔件元件，其特征在于，所述一个或多个弹簧元件包括悬臂弹簧。
16.根据权利要求15所述的阻隔件元件，其特征在于，所述悬臂弹簧形成为接片，其从所述一对刚性板中的一者或两者的内表面突出或附接到所述内表面。
17.根据权利要求16所述的阻隔件元件，其特征在于，所述刚性板中的一者或两者包括设置在其内表面上的多个接片，其中，所述接片被布置成阵列。
18.根据权利要求8所述的阻隔件元件，其特征在于，所述一个或多个弹簧元件包括螺旋弹簧。
19.根据权利要求18所述的阻隔件元件，其特征在于，所述螺旋弹簧设置在所述刚性板的一者或两者的内表面上。
20.根据权利要求18或19所述的阻隔件元件，其特征在于，所述刚性板的一者或两者包括设置在其内表面上的多个螺旋弹簧。
21.根据权利要求18或19所述的阻隔件元件，其特征在于，所述螺旋弹簧是中空的或实心的。
22.根据权利要求18或19所述的阻隔件元件，其特征在于，所述螺旋弹簧包括锥形压缩弹簧。
23.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，所述弹簧元件由弹性材料构成。
24.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，所述一对刚性板中的至少一者是导热板。
25.根据权利要求24所述的阻隔件元件，其特征在于，所述导热板具有至少约200mW/m-K的热导率。
26.根据权利要求24所述的阻隔件元件，其特征在于，所述导热板包括至少一层导热材料或由至少一层导热材料组成，所述导热材料所具有的热导率大于所述隔热层的热导率。
27.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，每对所述刚性板在尺寸和形状上相同。
28.根据权利要求27所述的阻隔件元件，其特征在于，每对所述刚性板的第一刚性板的外边缘与每对所述刚性板的第二刚性板的外边缘对准。
29.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，还包括定位在每对所述刚性板之间的引导件，所述引导件被构造成连接到每对所述刚性板和/或防止每对所述刚性板的侧向移动。
30.根据权利要求29所述的阻隔件元件，其特征在于，所述引导件包括止挡件，其被构造成防止所述可压缩层的完全压缩。
31.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，所述至少一个隔热层具有在所述隔热层的厚度尺寸上在25℃下小于约50mW/m-K并且在600℃下小于约60mW/m-K的热导率。
32.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，所述至少一个隔热层是二氧化硅基气凝胶，所述二氧化硅基气凝胶任选地具有大于50nm直径的平均孔径。
33.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，所述至少一个隔热层具有2MPa至8MPa的弯曲模量。
34.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，所述至少一个隔热层具有抗压强度，其中，在25％应变下的所述抗压强度在40kPa至180kPa之间。
35.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，还包括至少一个面层。
36.根据权利要求35所述的阻隔件元件，其特征在于，所述面层设置在所述至少一个隔热层上和/或包封所述至少一个隔热层，并且任选地通过粘合附接方式或非粘合附接方式附接到所述隔热层。
37.根据权利要求36所述的阻隔件元件，其特征在于，所述至少一个面层对烃介电流体和/或含氟介电流体呈惰性。
38.根据权利要求1至5中任一项所述的阻隔件元件，其特征在于，所述阻隔件元件包括或由相邻设置的至少一个隔热层和至少一个可压缩层所组成。
39.根据权利要求38所述的阻隔件元件，其特征在于，所述至少一个隔热层和所述至少一个可压缩层彼此接触。
40.根据权利要求39所述的阻隔件元件，其特征在于，所述至少一个隔热层通过粘合附接方式或非粘合附接方式附接到所述至少一个可压缩层。
41.根据权利要求38所述的阻隔件元件，其特征在于，所述阻隔件元件由附接到可压缩层的隔热层组成。
42.根据权利要求38所述的阻隔件元件，其特征在于，所述阻隔件元件包括或由夹在两个可压缩层之间的隔热层所组成。
43.根据权利要求38所述的阻隔件元件，其特征在于，所述阻隔件元件在未压缩状态下具有在5mm至30mm之间的平均厚度，并且其中，所述阻隔件可压缩到在2mm至10mm之间的最小平均厚度。
44.一种电池模块，其特征在于，包括：
多个电池单元，以及
根据前述权利要求中任一项所述的一个或多个阻隔件元件，其中，至少一个阻隔件元件设置在相邻电池单元之间。
45.一种电力系统，其特征在于，包括：
至少一个根据权利要求44所述的电池模块；和
耦接到所述电池模块的流体输送系统，其中，所述流体输送系统将流体传递到所述一个或多个电池模块中，并且在所述流体经过所述一个或多个电池模块之后收集所述流体。
46.根据权利要求45所述的电力系统，其特征在于，所述流体是介电液体或介电气体。
47.根据权利要求45所述的电力系统，其特征在于，所述流体被加热或冷却，使得所述流体分别加热或冷却所述电池模块中的所述多个电池单元。
48.根据权利要求45至47中任一项所述的电力系统，其特征在于，所述阻隔件元件限定相邻电池单元对之间的流动通道，并且其中，在使用期间，所述流体流过所述流动通道。
49.根据权利要求48所述的电力系统，其特征在于，所述一个或多个电池模块中的至少一个电池模块还包括耦接到所述流体输送系统的歧管，所述歧管具有与所述流动通道对准的一个或多个端口，其中，所述歧管被构造成从所述流体输送系统接收流体，并通过所述一个或多个出口将流体释放到所述流动通道中。
50.根据权利要求45至47中任一项所述的电力系统，其特征在于，所述流体输送系统包括冷却部件，其中，所述冷却部件被构造成将所述流体的温度保持处于或低于所述电池单元的工作温度。
51.一种设备或车辆，其特征在于,其包括根据权利要求44所述的电池模块或权利要求45至50中任一项所述的电力系统。
52.根据权利要求51所述的设备或车辆，其特征在于，所述设备是膝上型计算机、PDS、标签扫描仪、音频设备、视频设备、显示面板、摄像机、激光测距仪、数字通信设备、智能收集传感器、电子集成服装、夜视装备、动力工具、计算器、无线电、遥控装置、GPS设备、手持式和便携式电视、汽车起动器、手电筒、声学设备、便携式加热设备、便携式真空吸尘器或便携式医疗工具。
53.根据权利要求52所述的设备或车辆，其特征在于，所述车辆是电动车辆。
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