DE102022119828A1

DE102022119828A1 - Hybridverbundmaterialsysteme für Batteriegehäuse mit verbesserter Kühlleistung

Info

Publication number: DE102022119828A1
Application number: DE102022119828.6A
Authority: DE
Inventors: Venkateshwar R. Aitharaju; Xiaosong Huang; Bhavesh Shah; Gustavo Cibrian Salazar; Su Jung Han
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2022-08-07
Publication date: 2023-03-16
Also published as: US20230142691A1; CN115799738A

Abstract

Es wird ein Hybridmaterialgehäuse für eine Batterie zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität geschaffen. Das Gehäuse enthält eine Verbundstruktur, die die Batterie enthält, und enthält optional eine Polymermatrix, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Epoxidharz, Phenolharz, Polyester, Vinylester und Kombinationen davon, und ein Verstärkungsmaterial, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Glasfasern, Carbonfasern, Basaltfasern, Fasern aus aromatischem Polyamid, KEVLAR®, und Kombinationen davon. Entlang einer Außenoberfläche der Verbundstruktur ist eine Metallschicht angeordnet, die Aluminium, Stahl, rostfreien Stahl, Legierungen und Kombinationen davon umfasst. Gemäß einer ersten Betriebsart liegt die Metallschicht an der Verbundstruktur satt an und gemäß einer zweiten Betriebsart blättert die Metallschicht wenigstens teilweise von der Außenoberfläche auf und bildet sie isolierende Luftspalte, um eine Wärmesperre zu definieren, nachdem sie einer thermischen Belastung von größer oder gleich etwa 500°C ausgesetzt gewesen ist. Außerdem werden Verfahren zum Bilden der Hybridmaterialgehäuse geschaffen.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt bietet Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung, die nicht notwendig Stand der Technik sind.
Die vorliegende Offenbarung betrifft Gehäuse oder Abdeckungen für elektrochemische Zellen/Batterien, die eine Wärmesperre bereitstellen, um Ausbreitungsereignisse thermischer Instabilität zu verringern oder zu minimieren.
Um die Energie- und/oder Leistungsanforderungen für eine Vielzahl von Produkten, einschließlich Kraftfahrzeugprodukten wie etwa Start-Stopp-Systemen (z. B. 12-V-Start-Stopp-Systemen), batteriegestützten Systemen, Hybridelektrofahrzeugen („HEV“) und Elektrofahrzeugen („EV“), zu erfüllen, besteht ein Bedarf an fortgeschrittenen Energiespeichervorrichtungen und Energiespeichersystemen. Elektrochemische Lithium-Ionen-Batterien umfassen üblicherweise mehrere Zellen, die in einem Stapel elektrisch verbunden sein können, um die Gesamtausgabe zu erhöhen. Insbesondere können die Batteriezellen abwechselnde positive Elektroden und negative Elektroden mit Separatoren, die dazwischen angeordnet sind, um einen Stapel zu definieren, enthalten. Somit bilden diese Batteriezellen Batteriemodule. Die Module können zu einer Batteriebaugruppe zusammengesetzt sein, die in einer Kapselung oder in einem Batteriegehäuse oder in einer Abdeckung angeordnet ist.
Um das Gewicht zu verringern und den gravimetrischen Wirkungsgrad zu verbessern, können Batteriegehäuse oder Batterieabdeckungen anstatt aus Metallen aus verstärkten Verbundmaterialien gebildet sein. Allerdings wäre es während eines Ausbreitungsereignisses einer thermischen Instabilität (TRP-Ereignisses) vorteilhaft, falls das Gehäuse eine Wärmesperre oder ein selbstlöschendes Verhalten aufweist, um ein Brennen des verstärkten Verbundmaterials zu vermeiden.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt bietet eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Schutzumfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Hybridmaterialgehäuse für eine Batteriebaugruppe zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität. Gemäß bestimmten Aspekten enthält das Gehäuse eine Verbundstruktur, die eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche definiert. Die Verbundstruktur enthält eine Polymermatrix und ein darin verteiltes Verstärkungsmaterial. Außerdem enthält das Hybridmaterialgehäuse eine Metallschicht, die entlang der Außenoberfläche der Verbundstruktur angeordnet ist. In einer ersten Betriebsart liegt die Metallschicht an der Verbundstruktur satt an. In einer zweiten Betriebsart blättert die Metallschicht von der Außenoberfläche wenigstens teilweise auf und bildet sie isolierende Luftspalte, um eine Wärmesperre zu definieren, nachdem sie einer thermischen Belastung von größer oder gleich etwa 500°C ausgesetzt gewesen ist.
Gemäß einem Aspekt enthält die Metallschicht ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Stahl, rostfreiem Stahl, Aluminium, Legierungen und Kombinationen davon.
Gemäß einem Aspekt weist die Metallschicht eine Dicke von größer oder gleich etwa 0,02 mm bis kleiner oder gleich etwa 0,5 mm auf. Die Verbundstruktur weist eine Dicke von größer oder gleich etwa 1,5 mm bis kleiner oder gleich etwa 4 mm auf.
Gemäß einem Aspekt ist die Polymermatrix aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: Epoxidharz, Phenolharz, Polyester, Vinylester und Kombinationen davon, und wobei das Verstärkungsmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Glasfasern, Carbonfasern, Basaltfasern, Fasern von aromatischem Polyamid und Kombinationen davon.
Gemäß einem Aspekt ist das Verstärkungsmaterial in der Verbundstruktur zu größer oder gleich 25 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 70 Vol.-% vorhanden und ist die Polymermatrix in der Verbundstruktur zu größer oder gleich etwa 30 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 75 Vol.-% vorhanden.
Gemäß einem Aspekt enthält die Verbundstruktur ferner: (i) wenigstens ein Wärmesperrenmaterial, das innerhalb der Polymermatrix verteilt ist, (ii) wenigstens eine Oberflächenschicht, die ein darin verteiltes Wärmesperrenmaterial enthält, oder (i) und (ii).
Gemäß einem weiteren Aspekt ist das wenigstens eine Wärmesperrenmaterial aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: expandiertem Graphit, Ammoniumpolyphosphat (APP), hydratisiertem Aluminiumhydroxid (ATH) und Kombinationen davon.
Gemäß einem weiteren Aspekt enthält die Verbundstruktur (i) wenigstens ein Wärmesperrenmaterial, das innerhalb der Polymermatrix verteilt ist. Wenigstens ein Wärmesperrenmaterial ist zu größer oder gleich etwa 3 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 30 Gew.-% der Verbundstruktur vorhanden.
Gemäß einem Aspekt enthält die Metallschicht eine Beschichtung, die ein Wärmesperrenmaterial enthält.
Gemäß einem weiteren Aspekt enthält die Beschichtung expandierten Graphit.
Gemäß einem Aspekt enthält das Hybridmaterialgehäuse ferner einen Klebstoff, der zwischen der Außenoberfläche der Verbundstruktur und der Metallschicht angeordnet ist. Der Klebstoff weist bei einer Temperatur über etwa 200°C einen Duktilitätswert von größer oder gleich etwa 2 % bis kleiner oder gleich etwa 20 % auf.
Gemäß einem Aspekt enthält das Hybridmaterialgehäuse ferner einen Klebstoff, der zwischen der Außenoberfläche der Verbundstruktur und der Metallschicht angeordnet ist.
Gemäß einem Aspekt enthält der Klebstoff expandierten Graphit.
Außerdem betrifft die vorliegende Offenbarung ein Hybridmaterialgehäuse für eine Batteriebaugruppe zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität. Das Hybridmaterialgehäuse enthält eine Verbundstruktur, die eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche definiert. Die Verbundstruktur enthält eine Polymermatrix, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Epoxidharz, Phenolharz, Polyester, Vinylester und Kombinationen davon, und ein Verstärkungsmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Glasfasern, Carbonfasern, Basaltfasern, Fasern von aromatischem Polyamid und Kombinationen davon, die in der Polymermatrix verteilt sind. Außerdem enthält das Hybridmaterialgehäuse eine Metallschicht, die entlang der Außenoberfläche der Verbundstruktur angeordnet ist. Die Metallschicht ist aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: Aluminium, Stahl, rostfreiem Stahl, Legierungen und Kombinationen davon. In einer ersten Betriebsart liegt die Metallschicht an der Verbundstruktur satt an. In einer zweiten Betriebsart blättert die Metallschicht von der Außenoberfläche wenigstens teilweise auf und bildet sie isolierende Luftspalte, um eine Wärmesperre zu definieren, nachdem sie einer thermischen Belastung von größer oder gleich etwa 500°C ausgesetzt gewesen ist. Ferner bleibt die Verbundstruktur in der zweiten Betriebsart frei von irgendwelchen Öffnungen intakt.
Gemäß einem Aspekt enthält die Verbundstruktur ferner: (i) wenigstens ein Wärmesperrenmaterial, das innerhalb der Polymermatrix verteilt ist, (ii) wenigstens eine Oberflächenschicht, die ein darin verteiltes Wärmesperrenmaterial enthält, oder (i) und (ii).
Gemäß einem weiteren Aspekt ist das wenigstens eine Wärmesperrenmaterial aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: expandiertem Graphit, Ammoniumpolyphosphat (APP), hydratisiertem Aluminiumhydroxid (ATH) und Kombinationen davon.
Gemäß einem weiteren Aspekt enthält die Verbundstruktur (i) wenigstens ein Wärmesperrenmaterial, das innerhalb der Polymermatrix verteilt ist. Wenigstens ein Wärmesperrenmaterial ist zu größer oder gleich etwa 3 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 30 Gew.-% der Verbundstruktur vorhanden.
Gemäß einem Aspekt enthält die Metallschicht eine Beschichtung, die expandierten Graphit enthält.
Gemäß einem Aspekt enthält das Hybridmaterialgehäuse ferner einen Klebstoff, der zwischen der Außenoberfläche der Verbundstruktur und der Metallschicht angeordnet ist. Der Klebstoff (i) weist bei einer Temperatur über etwa 200°C einen Duktilitätswert von größer oder gleich etwa 2 % bis kleiner oder gleich etwa 20 % auf.
Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden eines Hybridmaterialgehäuses für eine Batterie zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität. Das Verfahren enthält das Anordnen einer Metallschicht in einem Hohlraum einer Form. Außerdem enthält das Verfahren das Anordnen eines Verstärkungsmaterials und eines Polymers oder Vorläufers eines Polymers in dem Hohlraum der Form benachbart zu der Metallschicht. Das Polymer oder der Vorläufer wird erstarren gelassen, um ein Verbundmaterial zu bilden, das eine Polymermatrix mit einem darin angeordneten Verstärkungsmaterial enthält. Die Form wird geöffnet, um ein Hybridmaterialgehäuse für eine Batteriebaugruppe zu entnehmen, das eine Verbundstruktur enthält, die aus dem Verbundmaterial gebildet ist und eine einteilig gebildete Mittelschicht aufweist, die dazu benachbart ist.
Gemäß einem Aspekt enthält das Verfahren ferner nach dem Anordnen des Verstärkungsmaterials wenigstens eines der Folgenden: Erwärmen der Form und Anwenden eines Drucks auf die Form für die Verdichtung.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit gehen aus der hier gegebenen Beschreibung hervor. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur zur Veranschaulichung bestimmt und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken; es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Verbundmaterialabdeckung oder eines Verbundmaterialgehäuses mit einer Batterie mit verschiedenen darin angeordneten Komponenten;
2A-2B perspektivische Ansichten eines Hybridmaterialgehäuses für eine Batterie zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität mit einer Verbundstruktur und mit einer Metallschicht, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorbereitet wurden, in einer ersten Betriebsart in 2A und in einer zweiten Betriebsart in 2B, wobei die Metallschicht in ausgewählten Gebieten von der Verbundstruktur aufgeblättert ist, um eine Wärmesperre zu bilden.
3 eine seitliche Schnittansicht eines Hybridmaterialgehäuses für eine Batterie zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität mit einer Verbundstruktur und mit einer Metallschicht, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorbereitet wurde, in einer ersten Betriebsart, gefolgt von der Einwirkung einer Wärmequelle in Form einer Testlötlampenflamme, die in eine zweite Betriebsart umwandelt, wobei die Metallschicht in ausgewählten Gebieten von der Verbundstruktur aufgeblättert wird, um eine Wärmesperre zu bilden.
4 eine seitliche Schnittansicht einer abermals anderen Variante eines Hybridmaterialgehäuses für eine Batterie zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität, wobei eine Beschichtung mit einem Wärmesperrenmaterial auf einer Metallschicht angeordnet ist, die mit einer Verbundstruktur verbunden ist, gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.

Einander entsprechende Bezugszeichen bezeichnen überall in den mehreren Ansichten der Zeichnungen einander entsprechenden Teile.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Damit diese Offenbarung gründlich ist und dem Fachmann den Schutzumfang umfassend vermittelt, werden beispielhafte Ausführungsformen gegeben. Um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu schaffen, sind zahlreiche spezifische Einzelheiten wie etwa Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren dargelegt. Der Fachmann wird würdigen, dass spezifische Einzelheiten nicht genutzt zu werden brauchen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden können und dass keine als Beschränkung des Schutzumfangs der Offenbarung verstanden werden soll. Gemäß einigen beispielhaften Ausführungsformen sind gut bekannte Prozesse, gut bekannte Vorrichtungsstrukturen und gut bekannte Technologien nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur zur Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht beschränkend sein. Wie sie hier verwendet sind, kann beabsichtigt sein, dass die Singularformen „einer“, „eine“ und „das“, sofern der Kontext nicht zweifelsfrei etwas anderes vorschreibt, ebenfalls die Pluralformen enthalten. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind einschließend und spezifizieren somit die Anwesenheit der genannten Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Komponenten, schließen die Anwesenheit oder Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon aber nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nichteinschränkender Begriff zu verstehen ist, der zur Beschreibung und Beanspruchung verschiedener hier dargelegter Ausführungsformen verwendet ist, kann der Begriff gemäß bestimmten Aspekten alternativ stattdessen wie etwa „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“ als ein stärker beschränkender und stärker einschränkender Begriff zu verstehen sein. Somit enthält die vorliegende Offenbarung für irgendeine gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritte angibt, ebenfalls spezifisch Ausführungsformen, die aus diesen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritten bestehen oder im Wesentlichen bestehen. Im Fall von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform irgendwelche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritte aus, während im Fall von „im Wesentlichen bestehend aus“ irgendwelche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritte, die die grundlegenden und neuen Eigenschaften materiell beeinflussen, aus einer derartigen Ausführungsform ausgeschlossen sind, irgendwelche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Prozessschritte, die die grundlegenden und neuen Eigenschaften nicht materiell beeinflussen, aber in der Ausführungsform enthalten sein können.
Sofern sie nicht spezifisch als eine Reihenfolge der Ausführung identifiziert sind, sind irgendwelche hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Operationen nicht so zu verstehen, dass sie notwendig ihre Ausführung in der bestimmten diskutierten oder veranschaulichten Reihenfolge erfordern. Sofern nicht etwas anderes angegeben ist, können außerdem selbstverständlich zusätzliche oder alternative Schritte genutzt werden.
Wenn darauf Bezug genommen ist, dass eine Komponente, ein Element oder eine Schicht „an“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht ist, kann sie bzw. es direkt an, in Eingriff mit, verbunden mit oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein oder können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu darauf Bezug genommen ist, dass ein Element „direkt an“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht ist, können keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet sind (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.), sind auf ähnliche Weise zu interpretieren. Wie der Begriff „und/oder“ hier verwendet ist, enthält er jegliche Kombinationen eines oder mehrerer der zugeordneten aufgeführten Gegenstände.
Obwohl hier zur Beschreibung verschiedener Schritte, Elemente, Komponenten, Gebiete, Schichten und/oder Abschnitte die Begriffe erstes, zweites, drittes usw. verwendet sein können, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Gebiete, Schichten und/oder Abschnitte, sofern nicht etwas anderes angegeben ist, durch diese Begriffe nicht beschränkt sein. Diese Begriffe können nur zur Unterscheidung eines Schritts, eines Elements, einer Komponente, eines Gebiets, einer Schicht oder eines Abschnitts von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Gebiet, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt verwendet sein. Sofern dies nicht zweifelsfrei durch den Kontext angegeben ist, bedeuten Begriffe wie etwa „erstes“, „zweites“ und andere Zahlwörter, wenn sie hier verwendet sind, keine Abfolge oder Reihenfolge. Somit könnten ein erster Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erstes Gebiet, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, die im Folgenden diskutiert sind, als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweites Gebiet, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumliche oder zeitliche Relativbegriffe wie etwa „vor“, „nach“ „inneres“, äußeres" „unterhalb“, „unter“, „niedriger“ „über“ „oberes“ und dergleichen können hier zur Erleichterung der Beschreibung zur Beschreibung der Beziehung eines Elements oder Merkmals zu anderen Element(en) oder Merkmal(en), wie sie in den Figuren dargestellt sind, verwendet sein. Räumliche oder zeitliche Relativbegriffe können dafür bestimmt sein, außer der in den Figuren gezeigten Orientierung andere Orientierungen der Vorrichtung oder des Systems in Verwendung oder im Betrieb zu umfassen.
Überall in dieser Offenbarung repräsentieren die Zahlenwerte näherungsweise Maße oder Grenzwerte für Bereiche, die kleine Abweichungen von den gegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem erwähnten Wert sowie jene genau mit dem erwähnten Wert einschließen. Abgesehen von den Arbeitsbeispielen, die am Ende der ausführlichen Beschreibung gegeben sind, sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift einschließlich der beigefügten Ansprüche unabhängig davon, ob vor dem Zahlenwert tatsächlich „etwa“ erscheint, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „etwa“ geändert sind. „Etwa“ gibt an, dass der genannte Zahlenwert eine geringfügige Ungenauigkeit (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit des Werts; näherungsweise oder sinnvoll nahe an dem Wert; nahezu) zulässt. Falls die durch „etwa“ gegebene Ungenauigkeit nicht auf andere Weise in dem Gebiet mit dieser normalen Bedeutung zu verstehen ist, gibt „etwa“, wie es hier verwendet ist, wenigstens Varianten an, die von normalen Verfahren der Messung und Verwendung derartiger Parameter auftreten können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Änderung kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und gemäß bestimmten Aspekten optional kleiner oder gleich 0,1 % umfassen.
Außerdem enthält die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des Gesamtbereichs, einschließlich Endpunkte und Teilbereiche, die für die Bereiche gegeben sind.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun beispielhafte Ausführungsformen umfassender beschrieben.
Gemäß verschiedenen Aspekten schafft die vorliegende Offenbarung ein Gehäuse oder eine Kapselung für eine Batterie zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität. Ein Gehäuse wird allgemein als eine physische Struktur verstanden, die starr ist und mehrere elektrochemische Zellen aufnimmt, die mehrere Module in einer Batteriebaugruppe bilden. Das Gehäuse schützt die Batteriebaugruppe und irgendwelche anderen inneren Komponenten vor eine Außenumgebung einschließlich äußeren Kräften. Das Gehäuse kann auch als eine Abdeckung oder als eine Kapselung bezeichnet werden. Es wird angemerkt, dass die hier beschriebenen Konzepte verwendet werden können, um andere Schutzstrukturen zu bilden, die andere Teilkomponenten innerhalb einer Batterie einschließen.
1 zeigt ein nicht einschränkendes Beispiel eines Batteriegehäuses 20 für eine Lithium-Ionen-Batterie. Das Gehäuse weist eine Außenoberfläche 22 und eine Innenoberfläche 24, die einem Innenfach 26 zugewandt ist, auf. Das Gehäuse 20 kann eine Anordnung verschiedene Komponenten oder Teile sein, die miteinander gefügt sind, um eine Schutzstruktur, die Innenkomponenten einschließt, z. B. eine untere Bodenabdeckung 28 und eine obere Batteriebaugruppenabdeckung 30, zu definieren. Die vorliegende Technologie betrachtet, dass wenigstens die obere Batteriebaugruppenabdeckung 30 aus einem Hybridmaterial, wie es im Folgenden weiter beschrieben ist, gebildet ist.
Eine Batteriebaugruppe 32 ist in dem Innenfach 26 angeordnet, das ein oder mehrere Batteriemodule 34 enthält (in 1 ist zur Veranschaulichung nur ein einzelnes Modul gezeigt, wobei der Fachmann auf dem Gebiet aber würdigen wird, dass tatsächlich mehrere Module innerhalb der Batteriebaugruppe 32 sein können). Jedes Batteriemodul 34 enthält allgemein mehrere Batteriezellen 36 (die in Unteranordnungen von Stapeln oder Blöcken vorgesehen sein können), die in jedem Batteriemodul 34 für den Schutz vor äußeren Kräften oder Wärme in einem Rahmen oder in einer anderen Struktur angeordnet sein können. Es können irgendeine Anzahl von Zellen, Blöcken und/oder Batteriemodulen ausgewählt und mit einem positiven oder negativen Quellenanschluss verbunden sein. Die Zellen, Blöcke und Batteriemodule können verbunden sein: in Reihe und/oder parallel; in verschiedenen verbundenen Konfigurationen; und können in Blöcken, Baugruppen und/oder Gruppen organisiert sein. Die Batteriezellen 36 und das eine bzw. die mehreren Module 34 können über ein Batteriemanagementsystem (BMS - in 1 nicht gezeigt) verbunden sein und gesteuert werden, das helfen kann, verschiedene Aspekte des Batteriebetriebs, einschließlich der Leistungsausgabe, der Spannung, des Stroms, der Temperatur, des SOX und dergleichen zu steuern und zu managen. Somit kann das Batteriegehäuse 20 die Batteriebaugruppe 32 einschließen, die ein oder mehrere Batteriemodule 34, das BMS und optional ein Kühlsystem (nicht gezeigt) enthält. Diese sind zusammen mit irgendwelchen anderen elektrischen Leitungen oder herkömmlichen Komponenten wie etwa Stromschienen, einer Schaltungsanordnung und Abschnitten von Anschlüssen für die Außenverbindung mit einer Last und einer Leistungsquelle in dem Innenfach 26 des Batteriegehäuses 20 enthalten.
Gemäß verschiedenen Aspekten umfasst die vorliegende Offenbarung ein Gehäuse für eine Batterie zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität (TRP), die ein ungesteuertes thermisches Hochtemperaturereignis, einschließlich eines Großfeuers oder Brands, sein kann. Wie hier darauf Bezug genommen wird, kann ein derartiges TRP-Ereignis durch eine thermische Last, die übermäßig und jenseits des Bereichs normaler Betriebstemperaturen ist, verursacht werden. Beispielhaft kann sich eine TRP ergeben, falls ein Kurzschluss innerhalb der Batterie auftritt. Zum Beispiel kann eine Quelle von Wärme oder eine Flamme in einem Ausbreitungsereignis einer thermischen Instabilität Temperaturen von etwa 500 °C, optional etwa 600°C, optional etwa 700°C, optional etwa 800°C, optional etwa 900°C, optional etwa 1000°C, optional etwa 1100°C übersteigen und kann sie optional etwa 1200°C übersteigen. Die Quelle der Wärme oder Flamme kann in dem Innenfach des Batteriegehäuses oder Batteriemoduls entstehen. Das Gehäuse enthält eine Verbundstruktur, die aus einem Polymerverbundmaterial gebildet ist, das eine Polymermatrix und ein darin verteiltes Verstärkungsmaterial (z. B. mehrere Partikel oder Fasern) enthält. Somit kann das Verbundmaterial ein Verstärkungs- oder Filmmaterial in Form von Fasern oder Partikeln, die in einer Polymermatrix dispergiert sind, aufweisen.
Die Polymermatrix kann aus irgendeiner Art eines geeigneten Vorläufers oder geeigneter Harze gebildet sein. Zum Beispiel werden Duroplaste aus einem flüssigen Vorläufer ausgehärtet, um ein Polymer zu bilden. Für thermoplastische Polymermatrixmaterialien werden die Polymere zu einem flüssigen Zustand geschmolzen oder in einem Lösungsmittel gelöst, um eine Lösung zu bilden, bevor die Fasern, die die Verbundwerkstoffe erzeugen, zugegeben werden. Als nicht einschränkende Beispiele können die Polymermatrixvorläufer gemäß bestimmten Varianten enthalten: Epoxidharz (wo Hydroxylgruppen wie etwa Bisphenol A und Bisphenol B mit Epichlorhydrin reagiert haben), Phenolharze (Phenolharze können durch eine Reaktion eines Phenols oder substituierten Phenols mit Formaldehyd gebildet werden), Polyester, Vinylester und Kombinationen davon.
Geeignete nicht einschränkende Beispiele für Verstärkungsfasern für den Polymerverbundwerkstoff enthalten Carbonfasern, Glasfasern (wie etwa Faserglas oder Quarz), Basaltfasern, Fasern aus aromatischem Polyamid wie etwa Aramid- oder Para-Aramidfaser, die von DuPont als KEVLAR™-Fasern kommerziell verfügbar ist, und Kombinationen davon. Die Fasern können kontinuierlich oder zufällig verteilte Einzelfasern innerhalb der Harzmatrix sein oder können als Fasermatten oder Faserstoff mit verbindenden oder sich berührenden Fasern vorgesehen sein. Geeignete Fasern können Schnittfasern oder kontinuierliche Fasern enthalten. Gemäß bestimmten Aspekten kann die Faser Fasern mit verhältnismäßig kleinen Längen (mit Längen ≥ etwa 0,1 mm bis ≤ etwa 10 mm), Fasern mit verhältnismäßig großer Länge (mit Längen ≥ etwa 10 mm bis ≤ etwa 100 mm) oder kontinuierliche Fasern (mit Längen ≥ etwa 100 mm) sein und kann sie irgendwelche Kombinationen davon enthalten. Fasern mit großer Länge können ein gutes Gleichgewicht von Formbarkeit/Produktivität/mechanischer Leistungsfähigkeit bereitstellen.
Die Fasern innerhalb des Polymerverbundmaterials können in einer zufällig orientierten Weise, z. B. in einer im Wesentlichen zweidimensional zufällig orientierten oder in einer in einer spezifischen Richtung orientierten Weise (z. B. anisotrop), sein. Gemäß bestimmten Varianten kann eine Fasermatte mit hoch planar orientierten oder in einer Richtung orientierten Fasern oder eine Kombination davon verwendet sein. Alternativ kann eine Zufallsfasermatte verwendet sein.
Gemäß bestimmten Aspekten können in dem Polymerverbundwerkstoff Glasfasern verwendet sein, die entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich sind. Gemäß einem anderen Aspekt können in dem Polymerverbundwerkstoff Carbonfasern, die entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich sind, verwendet sein, die eine Fließgrenze von größer oder gleich etwa 4000 MPa bis kleiner oder gleich etwa 5000 MPa aufweisen können.
Das Verstärkungsmaterial (z. B. Fasern) kann in dem Polymerverbundwerkstoff mit größer oder gleich 25 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 70 Vol.-%, optional größer oder gleich etwa 35 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 60 Vol.-%, vorhanden sein, wobei die Polymermatrix mit größer oder gleich etwa 30 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 75 Vol.-%, optional etwa größer oder gleich 40 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 70 Vol.-%, vorhanden sein kann. Gemäß bestimmten Aspekten kann das Verstärkungsmaterial innerhalb der Polymermatrix homogen verteilt sein.
Ferner kann das faserverstärkte Verbundmaterial andere herkömmliche Bestandteile, einschließlich anderer Verstärkungsmaterialien, funktionaler Füllstoffe oder anderer Zusatzstoffe, wie organische/anorganische Füllstoffe, Feuerschutzmittel, Ultraviolettstrahlensperrmittel (UV-Stabilisatoren), Antioxidantien, Farbstoffe oder Pigmente wie etwa Rußpulver, Formablösemittel, Weichmacher, Plastifikatoren, oberflächenaktive Mittel und dergleichen, enthalten.
Gemäß einer Variante umfasst das Verbundmaterial ein Epoxidharz mit Glas- und/oder Carbonfasern als das darin verteilte Verstärkungsmaterial. Gemäß einer anderen Variante umfasst das Verbundmaterial ein Phenolharz mit Glas- und/oder Carbonfasern als das darin verteilte Verstärkungsmaterial. Phenolharze zeigen eine hohe Wärmebeständigkeit und niedrige Entflammbarkeit, die vorteilhaft ist, wenn sie in einem Verbundmaterial verwendet wird, das als eine Wärmesperre gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung verwendet wird. Allerdings kann die Verwendung eines Phenolharz-verstärkten Verbundmaterials allein ohne einige der durch die vorliegenden Lehren betrachteten Änderungen unter bestimmten Bedingungen nicht ausreichen, um dem Durchbrennen des Verbundmaterials standzuhalten.
Gemäß bestimmten anderen Varianten kann die Verstärkung die einer Sheet-Molding-Compound (SMC) sein, die üblicherweise eine glasfaserverstärkte Zusammensetzung eines duroplastischen Polymers umfasst. Gemäß bestimmten Aspekten kann das Verbundmaterial eine Sheet-Molding-Compound (SMC) mit mehreren Fasern, die mit einem Phenolharz getränkt sind, sein.
Gemäß anderen Aspekten kann die Polymerverbundstruktur aus irgendeinem faserverstärkten Verbundmaterial zusammengesetzt sein, das in den US-Patenten Nr. 9,650,003 , 9,592,853 und in der US-Veröffentlichung Nr. 2015/0108793 offenbart ist, deren Offenbarungsgehalt hierin jeweils durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist.
Gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann das Verbundmaterial zusätzlich dazu, dass es ein oben beschriebenes Verstärkungsmaterial enthält, um mechanische Festigkeit für das Verbundmaterial bereitzustellen, ein oder mehrere Wärmesperrenmaterialien, die die Wärmesperreneigenschaften verbessern, wie etwa Intumeszenzmaterialien oder brandhemmende Materialien enthalten. Intumeszenzmaterialien sind allgemein jene, die anschwellen oder deren Volumen zunimmt, wenn sie hohen Temperaturen wie etwa Flammen ausgesetzt sind, was die Wärmeausbreitung dadurch anhalten oder verringern hilft. Zum Beispiel können die Intumeszenzmaterialien durch Erhöhen des Volumens die Strömung von Sauerstoff sperren, der für die Ausbreitung einer Flamme notwendig ist. Gemäß bestimmten Varianten kann ein geeignetes Intumeszenzmaterial dehnbarer Graphit sein. Gemäß einer anderen Variante können die brandhemmenden Materialien in dem Verbundmaterial enthalten sein, was helfen kann, die Ausbreitung eines Brands und von Flammen zu verlangsamen oder zu hemmen. Geeignete brandhemmende Materialien enthalten Ammoniumpolyphosphat (APP), hydratisiertes Aluminiumhydroxid (ATH) und Kombinationen davon. Somit umfasst das Polymermaterial gemäß bestimmten Aspekten ein Wärmesperrenmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: dehnbarem Graphit, Ammoniumpolyphosphat (APP), hydratisiertem Aluminiumhydroxid (ATH) und Kombinationen davon. Das Wärmesperrenmaterial kann in Mengen größer oder gleich etwa 3 Gew.-% Volumenanteile bis kleiner oder gleich etwa 30 Gew.-% Volumenanteile, optional größer oder gleich etwa 3 Gew.-% Volumenanteile bis kleiner oder gleich etwa 20 Gew.-% Volumenanteile, in den Polymerverbundwerkstoff gemischt sein. In diesem Fall würde ein Gewichtsvolumenanteil der Verstärkungsfaser dementsprechend verringert, wenn das Wärmesperrenmaterial hinzugefügt wird. Somit wird ein Volumenanteil des Harzes bei den früher spezifizierten Niveaus, z. B. bei größer oder gleich etwa 30 % bis kleiner oder gleich etwa 75 %, aufrechterhalten.
Gemäß anderen Varianten kann auf eine oder mehrere Oberflächen der Verbundstruktur, die das Verbundmaterial umfasst, ein Wärmesperrenmaterial als eine Beschichtung aufgetragen werden. Zum Beispiel kann das Wärmesperrenmaterial wie etwa ein Intumeszenzmaterial mit einem Bindemittel gemischt werden und als eine Schicht über die Oberfläche des Verbundmaterials aufgetragen werden, um eine Intumeszenzbeschichtung zu definieren. Geeignete Bindemittel können thermoplastische Bindemittel wie etwa Polyester oder Duroplastbindemittel wie etwa Epoxidharze enthalten.
Gemäß bestimmten Aspekten betrachtet die vorliegende Offenbarung ein Batteriegehäuse, das eine Anordnung verschiedener Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie etwa das in 2A-2B und 3 gezeigte ist. Auf diese Weise erzeugt die Baugruppe zwischen den verschiedenen Materialien (z. B. zwischen der Verbundstruktur und einer Metalloberfläche) während eines Ereignisses der Ausbreitung einer thermischen Instabilität der Batterie (TRP-Ereignisses) eine strategische Trennung und/oder Aufblätterung und erzeugt sie somit an der Grenzfläche eine brandhemmende Wärmesperre, die, wie hier im Folgenden weiter beschrieben ist, die Temperatur auf der hinteren Oberfläche der Metallplatte oder Schicht wirksam verringert.
Zum Beispiel enthält eine Anordnung 100 in 2A und 3 eine Verbundstruktur 110, die eine nach innen weisende erste Oberfläche 112, die einem Innenfach der Batterie (dem in 1 gezeigten Innenfach 26) zugewandt ist, und eine nach au-ßen weisende zweite Oberfläche 114 definiert. In einem TRP-Ereignis kann die Quelle der Wärme in der Batteriebaugruppe auftreten und geht sie somit von dem Innenfach aus. Somit wäre die Verbundstruktur 110 in der Anordnung 100 mit der Wärmequelle in direktem Kontakt. Wie oben beschrieben wurde, kann die Verbundstruktur aus einem Verbundmaterial gebildet sein, das eine Polymermatrix und ein darin verteiltes Verstärkungsmaterial enthält. Die Verbundstruktur weist einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Gemäß bestimmten Aspekten kann der erste Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)/erste lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (CLTE) der Verbundstruktur in einer Richtung der Fasern (wenn die Fasern ausgerichtet sind) größer als 0 bis kleiner oder gleich 10 · 10^-6 und in einer Querrichtung etwa 30 · 10^-6 bis 50 · 10^-6 sein. Allgemein hängt der Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Verbundwerkstoff von der Richtung ab, wobei er in Richtungen parallel zu der Faserorientierung niedriger ist und in denen orthogonal oder senkrecht zu der Faserorientierung höher ist.
Eine Dicke der Verbundmaterialschicht kann größer oder gleich etwa 1,5 mm bis kleiner oder gleich etwa 4 mm sein. Zum Beispiel kann ein Glas- oder Carbonfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff eine Dicke von größer oder gleich etwa 1,5 mm bis kleiner oder gleich etwa 4 mm aufweisen. Ein Sheet-Molding-Compound mit Glas- oder Carbonfaser und einem Phenolharz kann eine Dicke von größer oder gleich etwa 2,5 mm bis kleiner oder gleich etwa 4 mm aufweisen.
Außerdem enthält die Anordnung 100 eine Metallschicht 120, die entlang der nach außen weisenden zweiten Oberfläche 114 der Verbundstruktur 110 (und somit auf einer freiliegenden Seite, die einem Innenfach des Gehäuses gegenüberliegt) angeordnet ist, wobei die Metallschicht 120 einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE)/linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE), der von dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) verschieden ist, aufweist. Allgemein sind Metallmaterialien hinsichtlich des CLTE im Wesentlichen isotrop. Gemäß den vorliegenden Lehren ist eine Differenz des CLTE zwischen den jeweiligen Komponenten der Verbundstruktur und der Metallschicht maximiert, sodass ein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls und des Verbundwerkstoffs, gemessen in den zwei orthogonalen Richtungen, eine strategische Aufblätterung erzeugt.
Zum Beispiel kann ein zweiter CLTE des Metalls in Bezug auf und im Vergleich zu dem höchsten CLTE der Verbundstruktur gegenüberliegen, um eine maximale Differenz des CLTE aufzuweisen. Zum Beispiel kann die Differenz des CLTE (Δα) in einer bestimmten Richtung durch die folgende Gleichung = Δα = (α_mi - α_ci) berechnet werden, wobei α ein CLTE in einer vorgegebenen Richtung ist, i 1, 2 ist; m das Metall ist und c der Verbundwerkstoff ist. Gemäß bestimmten Aspekten kann die Metallschicht Aluminium, Stahl, rostfreien Stahl und irgendwelche Legierungen oder kombinierten Schichten davon umfassen. Der zweite lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (CLTE) für Aluminium ist 2,1 · 10^-6 bis 2,4 · 10^-6. Der CLTE für Stahl ist 1,1 · 10^-6. Auf diese Weise hilft gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie eine größte Differenz zwischen den jeweiligen Komponenten des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und des Verbundwerkstoffs, gemessen in den zwei orthogonalen Richtungen, eine strategische Aufblätterung zu erzeugen.
Die Metallschicht kann eine Folie oder Dünnschicht sein. Eine Dicke der Metallschicht kann größer oder gleich etwa 0,02 mm bis kleiner oder gleich etwa 0,5 mm sein. Zum Beispiel kann eine Aluminiumschicht eine Dicke von größer oder gleich etwa 0,1 mm bis kleiner oder gleich etwa 0,5 mm aufweisen. Eine Stahlschicht kann eine Dicke von größer oder gleich etwa 0,02 mm bis kleiner oder gleich etwa 0,1 mm aufweisen.
Die Metallplatte 120 kann an die nach außen weisende zweite Oberfläche 114 der Verbundstruktur 110 geklebt sein oder kann mit der Verbundstruktur 110 einteilig geformt sein. Obwohl dies in 3 nicht gezeigt ist, kann gemäß bestimmten Aspekten ein Klebstoff verwendet werden, um die nach außen weisende zweite Oberfläche 114 der Verbundstruktur 110 an die Metallschicht 120 zu kleben.
Gemäß bestimmten Varianten weist ein Klebstoff, z. B. mit einem Duktilitätswert von etwa 2 % bis etwa 20 % bei einer Temperatur über etwa 200°C, bei hohen Temperaturen eine niedrige Duktilität auf. Der Klebstoff kann ein oder mehrere Intumeszenzmaterialien wie etwa oben diskutierten expandierten Graphit enthalten, der das Volumen erhöhen kann, wenn er einer übermäßigen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Auf diese Weise fördert der Klebstoff während eines thermischen Ereignisses einen erwünschten Betrag der Aufblätterung. Gemäß bestimmten Aspekten kann der Klebstoff ein Epoxidharzklebstoff oder ein Polyurethanklebstoff sein. Klebstoffe mit niedriger Duktilität werden in der Weise ausgewählt, dass sie bei erhöhten Temperaturen in einem TRP-Ereignis leicht versagen können. Der Klebstoff kann in der Weise aufgetragen werden, dass er die gesamte nach außen weisende zweite Oberfläche 114 beschichtet, oder kann diskontinuierlich sein, wie etwa in Linien, Gittern, Punkten und dergleichen aufgetragen werden. Wie im Folgenden weiter beschrieben wird, kann die Metallschicht gemäß bestimmten Bildungsverfahren stattdessen in einer Form oder Matrize, wo der Verbundwerkstoff benachbart dazu geformt oder gebildet wird, angeordnet werden, sodass die zwei Materialien eine einteilige Baugruppe bilden.
2A und 3 zeigen die Anordnung 100 in einer ersten Betriebsart, in der die Metallschicht 120 mit der Verbundstruktur 110 in Kontakt steht, und 2B und 3 zeigen eine Anordnung 100B in einer zweiten Betriebsart, nachdem sie benachbart zu der nach innen weisenden ersten Oberfläche 112 der Verbundstruktur 110 einer thermischen Belastung 130 wie etwa einer Flamme oder, wie in 3 gezeigt ist, einer Lötlampe, die als Teil eines Lötlampentests eine Testflamme erzeugt, ausgesetzt gewesen ist. Wie oben angemerkt wurde, kann die thermische Belastung 130 eine Temperatur größer oder gleich etwa 500°C, optional größer oder gleich etwa 600°C, optional größer oder gleich etwa 700°C, optional größer oder gleich etwa 800°C, optional größer oder gleich etwa 900°C, optional größer oder gleich etwa 1000°C, optional größer oder gleich etwa 1100°C aufweisen und kann sie optional größer oder gleich etwa 1200°C übersteigen. Es wird angemerkt, dass der Aufbau die thermische Belastung 130 simuliert, die von innerhalb des Batteriegehäuses erzeugt wird, wie sie potentiell während des Batteriebetriebs und der Batterieverwendung auftreten würde, sodass die thermische Belastung/Flamme 130 zunächst mit der nach innen weisenden ersten Oberfläche 112 der Verbundstruktur 110 in Kontakt gelangt.
Wie oben angemerkt wurde, ist die Anordnung 100B nach der Einwirkung der thermischen Belastung 130 in einer zweiten Betriebsart, in der die Metallschicht 120 von der nach außen weisenden zweiten Oberfläche 114 der Verbundstruktur 110 wenigstens teilweise aufblättert. Während sich die Metallschicht 120 in ausgewählten Gebieten von der nach außen weisenden zweiten Oberfläche 114 trennt, wobei sie z. B. in bestimmten verankerten ersten Gebieten 132 an der nach außen weisenden zweiten Oberfläche 114 angebracht bleibt, während sie in anderen Gebieten getrennt und aufgeblättert wird, erzeugt dies auf diese Weise mehrere isolierende Luftspalte 134, die zwischen der nach außen weisenden zweiten Oberfläche 114 der Verbundstruktur 110 und der Metallschicht 120 definiert sind, die eine Wärmesperre definieren. Die mehreren isolierenden Luftspalte 134 minimieren die Flammenausbreitung und dienen dazu, die Verbundstruktur 110 über die oder beim Erreichen von Temperaturen, die dazu führen, dass sich in der Verbundstruktur 110 Durchbrüche oder Öffnungen ergeben, vor dem Verbrennen schützen zu helfen. Ferner senkt diese brandhemmende Wärmesperre an der Grenzfläche zwischen der Verbundstruktur 110 und der Metallschicht 120 wirksam die Temperatur auf einer hinteren Oberfläche 140 der Metallschicht und entzieht der Verbundstruktur 110 Wärme. Somit verbessert die aufgeblätterte Metallschicht 120 die Wärmeableitung. Wie oben beschrieben wurde, maximiert gemäß dieser Variante eine strategische Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen der Verbundstruktur und der Metallplatte den Unterschied zwischen den zwei verschiedenen Materialien, um während eines thermischen Batterieereignisses einen Spalt/eine Aufblätterung zu erzeugen, der bzw. die die Verbundstruktur schützt und minimiert oder verhindert, dass sie durchgebrannt wird (z. B., dass die thermische Belastung das Verbundmaterial in dem Umfang durchbrennt, dass ein Durchgangsloch, ein Riss oder eine Öffnung gebildet wird).
Die Wärmesperre, die durch die zwischen der Verbundstruktur 110 und der Metallschicht 120 definierten isolierenden Luftspalte134 gebildet wird, kann Beständigkeit bei höheren Temperaturen als frühere Technologien bieten, z. B. gemäß bestimmten Varianten in der Lage sein, eine Lötlampe oder eine Flamme bis zu 1200°C auszuhalten. Gemäß bestimmten früheren Technologien würde eine Metallschicht, die dem Innenraum eines Batteriegehäusefachs zugewandt ist, geopfert und potentiell schmelzen, wenn sie einer thermischen Belastung ausgesetzt wird, die einem TRP-Ereignis zugeordnet ist, ohne eine Wärmesperre mit isolierenden Luftspalten zu bilden.
Darüber hinaus stützten sich bestimmte frühere Technologien auf drei oder mehr Schichten, z. B. ein Polymersubstrat, eine oder mehrere getrennte Abdeckschichten und eine Metallfolie (die dem Innenfach zugewandt ist). Derartige Metallfolie- und/oder Abdeckschichten dienten als eine Opferschicht, um die Polymerstruktur/das Substrat allein für eine Feuerlöschwirkung zu schützen. Gemäß der vorliegenden Technologie kann die Verbundstruktur selbst ohne die Anwesenheit einer getrennten Abdeckschicht geändert sein, um die gewünschte Kühlleistung bereitzustellen. Somit kann das Hybridmaterialgehäuse frei von irgendwelchen Abdeckschichten sein. Gemäß anderen Varianten kann das Hybridmaterialgehäuse (abgesehen von dem Klebstoff, der schmelzen kann) frei von irgendwelchen Opferschichten sein. Ferner kann das Batteriegehäuse gemäß bestimmten Aspekten aus der Verbundstruktur und aus der Metallschicht (mit oder ohne wenigstens eine Oberflächenschicht, die ein darin verteiltes Wärmesperrenmaterial und eine dazwischen angeordnete optionale Klebstoffschicht enthält), die oben beschrieben sind, bestehen oder im Wesentlichen bestehen. Wie oben angemerkt wurde, bleibt die Metallschicht während des TRP-Ereignisses und danach vorhanden.
Darüber hinaus stützte sich das Ausgasen gemäß bestimmten früheren Technologien darauf, dass Zellen heiße Gase ausstoßen, die veranlassen würden, dass die Metallschicht die Abdeckschicht während des TRP-Ereignisses berührt, was unvorhersagbar oder unsicher machen würde, ob sich irgendwelche Luftspalte bilden würden. Gemäß den vorliegenden Ausführungsformen ist die Metallschicht auf der Außenseite oder außerhalb des Gehäuses angeordnet, sodass ausgestoßene Gase (z. B. vom Ausgasen des Klebstoffs oder der Verbundstruktur) helfen, den Luftspalt zwischen der Metallschicht und dem Verbundmaterial zu erzeugen und somit zuverlässig eine Wärmesperre zu erzeugen. Insbesondere hält die vorliegende Technologie eine Temperatur der Außenoberfläche des Gehäuses, die der Flamme oder der Lötlampe während des TRP-Ereignisses gegenüberliegt, aufrecht, sodass die Metallschicht gegenüber der Flamme/Lötlampe bei einer niedrigeren Temperatur als einem kritischen Wert ist und die Oberfläche des Gehäuses/der Verbundstruktur, das bzw. die der Flamme/Lötlampe zugewandt ist, nicht mit irgendwelchen Löchern oder Öffnungen während des TRP-Ereignisses durchbrochen wird.
Andere Varianten des Gehäuses für eine Batterie zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität können die in dem Kontext von 2A-2B und 3 beschriebene Anordnung von Materialien aufweisen, können aber zusätzlich oder alternativ zusätzliche Merkmale aufweisen. Zum Beispiel enthält eine Anordnung 110B, wie in 4 gezeigt ist, die Verbundstruktur 110 und die Metallschicht 120, die in einer ersten Betriebsart gezeigt sind, die aber in einer zweiten Betriebsart (nicht gezeigt) dadurch, dass eine Grenzfläche 150 zwischen der nach außen weisenden zweiten Oberfläche 114 der Verbundstruktur 110 und der Metallschicht 120 während eines thermischen Ereignisses weiter geändert wird, weiter getrennt sind, um durch Hinzufügen eine Beschichtung 152 auf der Metallschicht 120 eine Wärmesperre zu erzeugen. Die Beschichtung 152 kann ein Wärmesperrenmaterial wie etwa Kohlenstoff, Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder Kombinationen davon umfassen. Gemäß anderen Aspekten kann die Beschichtung 152 entweder auf die Verbundstruktur 110 oder auf die Metallschicht 120 aufgetragen werden. Zum Beispiel kann auf der Metallschicht 120 eine Beschichtung 152 angeordnet werden, die ein Intumeszenzmaterial wie etwa eine Schicht von expandiertem Graphit umfasst. Alternativ kann die Beschichtung 152 ein Intumeszenzmaterial umfassen, das mit einem Polymerbindemittel gemischt und über dem Verbundmaterial-Faser-Vorformling aufgetragen wird, um die nach außen weisende zweite Oberfläche 114 zu beschichten. Es wird angemerkt, dass die Beschichtung 152 von einem verwendeten Klebstoff verschieden sein kann und dass sie, wie oben angemerkt wurde, mehrere Partikel eines Wärmesperrenmaterials wie etwa eines daran angeordneten Intumeszenzmaterials aus expandiertem Graphit umfassen kann, falls ein Klebstoff zum Kleben der Metallschicht 120 an die Verbundstruktur 110 vorhanden ist.
Der Prozess zum Bilden des Hybridmaterialanordnungsgehäuses für eine Batterie kann als nicht einschränkendes Beispiel das Bilden einer Verbundstruktur über Druckguss, Harzspritzpressen oder Formen der Sheet-Molding-Compound enthalten. Die Verbundstruktur kann einteilig oder als einzelne Komponenten, die nach dem Bildungsprozess gefügt oder miteinander gekoppelt werden, einteilig gebildet werden.
Gemäß bestimmten Aspekten werden Verfahren zum Bilden eines Hybridmaterialgehäuses für eine Batterie zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität geschaffen. Das Verfahren umfasst das Anordnen einer Metallschicht in einem Hohlraum einer Form. Die Form kann vorgeheizt werden. Daraufhin umfasst das Verfahren außerdem das Anordnen eines Verstärkungsmaterials und eines Polymers oder Vorläufers eines Polymers in dem Hohlraum der Form benachbart zu der Metallschicht. Insbesondere können alternativ zunächst das Verstärkungsmaterial und ein Polymer oder Vorläufer eines Polymers in dem Formhohlraum angeordnet werden und kann danach die Metallschicht über den Materialien angeordnet werden. Außerdem enthält das Verfahren das Erstarren (z. B. Aushärten, Vernetzen oder Abkühlen einer geschmolzenen Thermoplastik) des Polymers oder Vorläufers des Polymers, um ein Verbundmaterial zu bilden, das eine Polymermatrix mit dem darin angeordneten Verstärkungsmaterial umfasst. Außerdem kann das Verfahren ferner wenigstens eines der Folgenden umfassen: Erwärmen der Form und Ausüben von Druck auf die Form zum Verdichten. Nachfolgend kann die Form geöffnet werden, um ein Hybridmaterialgehäuse für eine Batterie zu entnehmen, das eine Verbundstruktur, die aus dem Verbundmaterial gebildet ist, umfasst und benachbart dazu eine einteilig gebildete Metallschicht aufweist.
Gemäß einer Variante können die Verbundstruktur und die Metallfolie oder Metallplatte in einem Druckguss- oder Harzspritzpressprozess einteilig geformt werden. Als Hintergrund kann für den Harzspritzpressprozess (RTM) ein trockenes Faserverstärkungsmaterial in einer Form (in diesem Fall mit einer Metallfolie oder Metallplatte benachbart zu dem trockenen Faserverstärkungsmaterial) angeordnet werden und kann das Harz unter Druck (z. B. etwa 10 Psi bis etwa 3000 Psi) in die Form infundiert werden. Zunächst kann die Form erwärmt werden. Im Gebiet bekannte Spritzgusstechniken können ebenfalls verwendet werden, um Harz in das Verstärkungsmaterial einzuführen, insbesondere, wo das Verstärkungsmaterial diskontinuierliche Fasern umfasst. Zum Beispiel kann ein Vorläufer, der ein Harz und das Verstärkungsmaterial umfasst, in einen definierten Raum oder in eine Form injiziert oder infundiert werden, gefolgt vom Erstarren des Vorläufers, um das Polymerverbundmaterial zu bilden. Der Begriff „Spritzguss“ enthält ebenfalls Reaktionsspritzguss unter Verwendung eines Duroplasts. Gemäß einem Beispiel kann die Form auf etwa 120°C erwärmt werden, wird die Form daraufhin geöffnet und die Verstärkung (z. B. ein Verstärkungsstoff oder eine Verstärkungsmatte) in der Form angeordnet, wobei die Metallschicht benachbart zu ihr ist. Daraufhin wird die Form geschlossen, wird ein Unterdruck angelegt und wird ein Harz wie etwa ein Epoxid- oder Phenolharz in die Form injiziert, um den Formhohlraum zu füllen.
Die Form kann 3 Minuten bei 120°C geschlossen gehalten werden. Die Form wird geöffnet und die Gehäusekomponente ausgestoßen.
Eine andere Technik kann den Druckguss umfassen. Gemäß bestimmten Aspekten kann ein Verfahren für den Druckguss der Verbundmaterialgehäuseanordnung das Zugeben eines Prepregs des Verstärkungsmaterials und von Harz in eine Form zusammen mit einer Metallfolie oder Metallplatte, die benachbart dazu angeordnet ist, enthalten. Die Anordnung wird in einem Formhohlraum einer Pressform angeordnet. Gemäß bestimmten Varianten werden die Pressform und der Formhohlraum optional vorgeheizt. Daraufhin wird die Anordnung durch Anwenden oder Aufrechterhalten von Wärme und Ausüben eines Drucks druckgegossen, um eine vereinigte Polymerkomponente zu bilden. Gemäß bestimmten Aspekten bleibt die Anordnung in der Pressform, bis die Form auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt ist. Die Form kann geöffnet werden und die Verbundwerkstoffanordnung aus dem Formhohlraum entnommen werden.
Gemäß abermals anderen Varianten kann die Verbundstruktur über einen typischen Verbundmaterialbildungsprozess vorgeformt werden und daraufhin in einer Operation nach dem Formen mit der Metallschicht verklebt werden. Gemäß diesem Prozess werden des Verbundmaterial und die Metallfolie zusammengebracht und wird ein Klebstoff dazwischen angeordnet. Ferner wird der Klebstoff unter Verwendung eine Verklebebefestigung unter Druck und Wärme aushärten gelassen und eine Verbindung zwischen dem Verbundmaterial und der Metallfolie hergestellt. Zum Beispiel kann der Prozess zum Bilden der Verbundstruktur für das Gehäuse als nicht einschränkendes Beispiel Druckguss, Spritzguss, Zieh-Strangpressen, Harzspritzen, Formen des Sheet-Molding-Compounds, Autoklavformen, Vakuumsackverfahren und Handlaminieren enthalten. Das Fügen der Metallschicht/Metallplatte kann durch Auftragen eines Klebstoffs wenigstens auf eine Oberfläche der Verbundstruktur und/oder der Metallschicht erzielt werden. Der Klebstoff kann gemäß Techniken, die der Fachmann auf dem Gebiet kennt, diskontinuierlich oder kontinuierlich aufgetragen werden. Wo der Klebstoff ein Wärmesperrenmaterial umfasst, wird der Klebstoff mit dem Wärmesperrenmaterial gemischt und daraufhin aufgetragen.
Obwohl die durch die vorliegende Technologie geschaffenen Hybridmaterialanordnungen für Batteriegehäuse zur Verwendung in Komponenten eines Kraftfahrzeugs oder anderer Fahrzeuge (z. B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Motorräder, Züge, Wohnwagen, Campingwagen und Panzer) besonders geeignet sind, können sie ebenfalls in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen, einschließlich als nicht einschränkendes Beispiel Luftfahrtkomponenten, Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z. B. Häusern, Büros, Werkstatthallen, Warenlagern), Büroausrüstung und Büromöbeln und Industrieausrüstungsmaschinen, Landmaschinen oder landwirtschaftlichen Maschinen oder Schwermaschinen, verwendet werden.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen ist zur Veranschaulichung und Beschreibung gegeben worden. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind allgemein nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind, wo anwendbar, austauschbar und können gemäß einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn sie nicht spezifisch gezeigt oder beschrieben ist. Diese kann außerdem auf viele Arten geändert werden. Derartige Änderungen werden nicht als Abweichung von der Offenbarung angesehen und alle derartigen Änderungen sollen in dem Schutzumfang der Offenbarung enthalten sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9650003 [0051]
US 9592853 [0051]

Claims

Hybridmaterialgehäuse für eine Batteriebaugruppe zum Verringern oder Minimieren der Ausbreitung einer thermischen Instabilität, wobei das Gehäuse umfasst: eine Verbundstruktur, die eine Innenoberfläche und eine Außenoberfläche definiert, wobei die Verbundstruktur eine Polymermatrix und ein darin verteiltes Verstärkungsmaterial umfasst und wobei die Verbundstruktur einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist; und eine Metallschicht, die entlang der Außenoberfläche der Verbundstruktur angeordnet ist, wobei die Metallschicht in einer ersten Betriebsart an der Verbundstruktur satt anliegt und die Metallschicht in einer zweiten Betriebsart, nachdem sie einer thermischen Belastung von größer oder gleich etwa 500°C ausgesetzt gewesen ist, von der Außenoberfläche wenigstens teilweise aufblättert und isolierende Luftspalte bildet, um eine Wärmesperre zu definieren.
Hybridmaterialgehäuse nach Anspruch 1, wobei die Metallschicht ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Stahl, rostfreiem Stahl, Aluminium, Legierungen und Kombinationen davon.
Hybridmaterialgehäuse nach Anspruch 1, wobei die Metallschicht eine Dicke von größer oder gleich etwa 0,02 mm bis kleiner oder gleich etwa 0,5 mm aufweist, während die Verbundstruktur eine Dicke von größer oder gleich etwa 1,5 mm bis kleiner oder gleich etwa 4 mm aufweist.
Hybridmaterialgehäuse nach Anspruch 1, wobei die Polymermatrix aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Epoxidharz, Phenolharz, Polyester, Vinylester und Kombinationen davon, und wobei das Verstärkungsmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Glasfasern, Carbonfasern, Basaltfasern, Fasern von aromatischem Polyamid und Kombinationen davon, wobei das Verstärkungsmaterial in der Verbundstruktur zu größer oder gleich 25 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 70 Vol.-% vorhanden ist und wobei die Polymermatrix in der Verbundstruktur zu größer oder gleich etwa 30 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 75 Vol.-% vorhanden ist.
Hybridmaterialgehäuse nach Anspruch 1, wobei die Verbundstruktur ferner umfasst: (i) wenigstens ein Wärmesperrenmaterial, das innerhalb der Polymermatrix verteilt ist, (ii) wenigstens eine Oberflächenschicht, die ein darin verteiltes Wärmesperrenmaterial umfasst, oder (i) und (ii).
Hybridmaterialgehäuse nach Anspruch 5, wobei das wenigstens eine Wärmesperrenmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: expandiertem Graphit, Ammoniumpolyphosphat (APP), hydratisiertem Aluminiumhydroxid (ATH) und Kombinationen davon.
Hybridmaterialgehäuse nach Anspruch 5, wobei die Verbundstruktur umfasst: (i) wenigstens ein Wärmesperrenmaterial, das innerhalb der Polymermatrix verteilt ist, wobei das wenigstens eine Wärmesperrenmaterial zu größer oder gleich etwa 3 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 30 Gew.-% der Verbundstruktur vorhanden ist.
Hybridmaterialgehäuse nach Anspruch 1, wobei die Metallschicht eine Beschichtung umfasst, die ein Wärmesperrenmaterial umfasst.
Hybridmaterialgehäuse nach Anspruch 8, wobei die Beschichtung expandierten Graphit umfasst.
Hybridmaterialgehäuse nach Anspruch 1, das ferner einen Klebstoff umfasst, der zwischen der Außenoberfläche der Verbundstruktur und der Metallschicht angeordnet ist, wobei: (i) der Klebstoff bei einer Temperatur über 200°C eine Duktilität größer oder gleich etwa 2 % bis kleiner oder gleich etwa 20 % aufweist, (ii) der Klebstoff expandierten Graphit umfasst, oder (i) und (ii).