DE102022120229A1

DE102022120229A1 - Wärmebarrierenkomponente zur begrenzung eines thermischen durchgehens in akkumulatoren

Info

Publication number: DE102022120229A1
Application number: DE102022120229.1A
Authority: DE
Inventors: Xingcheng Xiao; Mei Cai; Wei Zeng; Aijie Chen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-09-20
Filing date: 2022-08-11
Publication date: 2023-03-23
Also published as: US20230087017A1; CN115832509A

Abstract

Eine Wärmebarrierenkomponente für eine elektrochemische Zelle (z. B. einen Akkumulator) umfasst eine Matte, ein Funktionsmaterial und ein polymeres Bindemittel. Die Matte umfasst eine poröse Matrix. Das Funktionsmaterial befindet sich in den Poren der porösen Matrix. Das Funktionsmaterial umfasst ein Oxid. Bei bestimmten Aspekten kann das Funktionsmaterial ein Verbundwerkstoff sein. Das polymere Bindemittel steht in Kontakt mit der porösen Matrix und dem Funktionsmaterial. Die poröse Matrix, das Funktionsmaterial und/oder das polymere Bindemittel sind dazu ausgelegt, als intumeszente Kohlenstoffquelle zu dienen. Das Oxid ist dazu ausgelegt, den thermischen Abbau der intumeszenten Kohlenstoffquelle zu katalysieren, um bei einer ersten Temperatur intumeszenten Kohlenstoff zu bilden. Die erste Temperatur ist größer oder gleich ungefähr 300 °C. Die Wärmebarrierenkomponente ist dazu ausgelegt, das thermische Durchgehen in einer elektrochemischen Zelle zu begrenzen. Die Wärmebarrierenkomponente kann eine oder mehrere Schichten umfassen.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Wärmebarrierenkomponenten und Wärmebarrierenanordnungen für elektrochemische Zellen/Akkumulatoren, die thermische Propagationsereignisse verringern oder minimieren sollen. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich außerdem auf Akkupacks, die Wärmebarrierenkomponenten und/oder -anordnungen umfassen.
Es besteht ein Bedarf an fortgeschrittenen Energiespeichervorrichtungen und -systemen, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systemen (z. B. 12-V-Start-Stopp-Systemen), batteriegestützten Systemen, Hybridelektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Elektrochemische Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen in der Regel eine Vielzahl von Zellen, die elektrisch zu einem Stapel verbunden werden können, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Insbesondere können die Akkumulatorzellen abwechselnd positive und negative Elektroden mit dazwischen angeordneten Separatoren umfassen, um einen Stapel zu definieren. Diese Akkumulatorzellen bilden somit Akkumulatormodule. Die Module können zu einem Akkupack zusammengesetzt werden, das in einem Gehäuse oder einer Abdeckung angeordnet ist.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung eine Wärmebarrierenkomponente für eine elektrochemische Zelle vor. Die Wärmebarrierenkomponente umfasst eine Matte, ein Funktionsmaterial und ein polymeres Bindemittel. Die Matte umfasst eine poröse Matrix. Das Funktionsmaterial befindet sich in den Poren der porösen Matrix. Das Funktionsmaterial umfasst ein Oxid. Das polymere Bindemittel steht in Kontakt mit der porösen Matrix und dem Funktionsmaterial. Die poröse Matrix, das Funktionsmaterial und/oder das polymere Bindemittel sind dazu ausgelegt, als intumeszente Kohlenstoffquelle zu dienen. Das Oxid ist dazu ausgelegt, den thermischen Abbau der intumeszenten Kohlenstoffquelle zu katalysieren, um bei einer ersten Temperatur intumeszenten Kohlenstoff zu bilden. Die erste Temperatur ist größer oder gleich ungefähr 300 °C.
Bei einem Aspekt umfasst das Funktionsmaterial ferner ein Phasenwechselmaterial.
Bei einem Aspekt umfasst das Phasenwechselmaterial ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial und/oder ein Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial. Das Fest-Fest-Phasenwechselmaterial ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Pentaerythritol, Pentaglycerin, Neopentylglycol, Polyethylen hoher Dichte, einem geschichteten Porowskit oder einer Kombination davon besteht. Das Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Natriumsulfat-Decahydrat, Calciumchlorid-Hexahydrat, Magnesiumchlorid-Hexahydrat, Calciumchlorid-Calciumbromid-Hexahydrat, Magnesiumnitrat-Hexahydrat, Magnesiumchlorid-Magnesiumnitrat-Hexahydrat oder einer Kombination davon besteht. Das Phasenwechselmaterial liegt in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von ungefähr 20 Gewichtsprozent bis ungefähr 40 Gewichtsprozent vor.
Bei einem Aspekt ist das Phasenwechselmaterial dazu ausgelegt, als intumeszente Kohlenstoffquelle zu dienen.
Bei einem Aspekt ist das Phasenwechselmaterial dazu ausgelegt, bei einer zweiten Temperatur einen endothermen Phasenwechsel zu durchlaufen. Die zweite Temperatur ist größer oder gleich ungefähr 100 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 250 °C.
Bei einem Aspekt umfasst die poröse Matrix Glasfasern, Kohlenstofffasern oder einen Polymerschaum.
Bei einem Aspekt umfasst die poröse Matrix den Polymerschaum. Der Polymerschaum ist dazu ausgelegt, als intumeszente Kohlenstoffquelle zu dienen.
Bei einem Aspekt umfasst die intumeszente Kohlenstoffquelle Polyurethan.
Bei einem Aspekt definiert die poröse Matrix eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 90 %.
Bei einem Aspekt umfasst das Funktionsmaterial ferner ein flammhemmendes Mittel.
Bei einem Aspekt umfasst das Funktionsmaterial eine Vielzahl von Teilchen, die das Oxid umfassen. Wenigstens ein Teil des flammhemmenden Mittels ist an wenigstens einem Teil der Vielzahl von Teilchen adsorbiert.
Bei einem Aspekt ist das Oxid dazu ausgelegt, das flammhemmende Mittel bei einer zweiten Temperatur freizusetzen. Die zweite Temperatur ist größer oder gleich ungefähr 300 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 900 °C.
Bei einem Aspekt ist das flammhemmende Mittel aus der Gruppe ausgewählt, die aus einem phosphatbasierten flammhemmenden Mittel, einem carbonatbasierten flammhemmenden Mittel, einem nitratbasierten flammhemmenden Mittel oder einer Kombination davon besteht. Das flammhemmende Mittel liegt in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 5 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent vor.
Bei einem Aspekt umfasst das Funktionsmaterial einen Zeolithen. Der Zeolith umfasst das Oxid.
Bei einem Aspekt ist das Oxid aus der Gruppe ausgewählt, die aus SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, CaO, V₂O₅, MgO oder einer Kombination davon besteht.
Bei einem Aspekt liegt das Oxid in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von ungefähr 10 Gewichtsprozent bis ungefähr 30 Gewichtsprozent vor.
Bei einem Aspekt umfasst das Funktionsmaterial eine Vielzahl von Teilchen, die das Oxid und Wasser umfassen, das an der Vielzahl von Teilchen adsorbiert ist. Das Wasser ist dazu ausgelegt, bei einer zweiten Temperatur aus der Vielzahl von Teilchen freigesetzt zu werden. Die zweite Temperatur ist größer oder gleich ungefähr 100 °C.
Bei einem Aspekt liegt die intumeszente Kohlenstoffquelle in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent vor.
Bei einem Aspekt definiert die Matte eine Komprimierbarkeit von größer oder gleich ungefähr 10 %.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung eine Wärmebarrierenkomponente für eine elektrochemische Zelle vor. Die Wärmebarrierenkomponente umfasst eine Matte und ein Funktionsmaterial. Die Matte umfasst eine poröse Matrix. Das Funktionsmaterial umfasst eine Vielzahl von Teilchen, Wasser, ein flammhemmendes Mittel und ein Phasenwechselmaterial. Das Funktionsmaterial befindet sich in den Poren der porösen Matrix. Die Vielzahl von Teilchen umfasst einen Zeolithen. Das Wasser ist an der Vielzahl der Teilchen adsorbiert. Das Wasser ist dazu ausgelegt, von der Vielzahl von Teilchen bei einer ersten Temperatur von größer oder gleich ungefähr 100 °C freigesetzt zu werden. Das flammhemmende Mittel ist an der Vielzahl der Teilchen adsorbiert. Das flammhemmende Mittel ist dazu ausgelegt, bei einer zweiten Temperatur von größer oder gleich ungefähr 300 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 900 °C aus der Vielzahl von Teilchen freigesetzt zu werden. Das Phasenwechselmaterial ist dazu ausgelegt, bei einer dritten Temperatur von größer oder gleich ungefähr 100 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 250 °C einen endothermen Phasenwechsel zu durchlaufen.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken

1 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines Akkupacks, das eine Wärmebarrierenkomponente gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst.
2 zeigt eine schematische Veranschaulichung einer Wärmebarrierenanordnung, die die Wärmebarrierenkomponente von 1 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst.
3A-3C beziehen sich auf Wärmebarrieren mit porösen Matten und Funktionsmaterialien gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 3A zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme („REM“-Aufnahme) einer Glasfasermatrix, 3B zeigt eine Fotografie, die eine Vielzahl verschiedener Matten vor dem Erhitzen zeigt, und 3C zeigt eine REM-Aufnahme der Glasfasermatrix von 3A, beschichtet mit rekristallisiertem Phasenwechselmaterial nach Erhitzen und Abkühlen.
4A-4F beziehen sich auf Wärmebarrierenkomponenten, die Polyurethanmatten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfassen. 4A zeigt eine Fotografie oder eine blanke Polyurethanmatte, 4B zeigt eine Fotografie der Matte von 4A mit darauf gegossenen Funktionsmaterialien, 4C zeigt eine Fotografie der Vorderseite einer Polyurethanmatte, die an einer Aluminiumplatte befestigt ist, 4D zeigt eine Fotografie der Rückseite der Polyurethanmatte von 4C, 4E zeigt eine Fotografie der Vorderseite der Polyurethanmatte und der Aluminiumplatte von 4C mit darauf gegossenen Funktionsmaterialien, und 4F zeigt eine Fotografie einer Wärmebarrierenanordnung, die die Polyurethanmatte, das Aluminiumblech und die Funktionsmaterialien von 4E umfasst.
5A-5B beziehen sich auf ein Beispiel für die allmähliche Erwärmung von vier verschiedenen Wärmebarrierenkomponenten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung und die Beobachtung der Temperaturanstiegsrate. 5A zeigt eine Fotografie der vier Wärmebarrierenkomponenten auf einer Heizplatte, und 5B zeigt ein Diagramm, das die Temperatur als Funktion der Zeit für die Heizplatte und die vierte Wärmebarrierenkomponente von 5A veranschaulicht.
6A-6C beziehen sich auf ein Beispiel für die Simulation des thermischen Durchgehens in vier verschiedenen Wärmebarrierenkomponenten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 6A zeigt eine Fotografie der vier Wärmebarrierenkomponenten, 6B zeigt eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus, und 6C zeigt ein Diagramm, das die Temperatur als Funktion der Zeit für die vier Wärmebarrierenkomponenten von 6A veranschaulicht.
7A-7B beziehen sich auf Langzeitbrandversuche an einer Wärmebarrierenkomponente gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 7A zeigt eine Fotografie der Wärmebarrierenkomponente, und 7B zeigt ein Diagramm, das die Innentemperatur einer Schaumstoffplatte der Wärmebarrierenkomponente von 7A als Funktion der Zeit veranschaulicht.
8 zeigt ein Diagramm, das die Gewichtsprozente und den Wärmestrom für drei verschiedene Wärmebarrierenkomponenten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung als Funktion der Temperatur veranschaulicht.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Da beispielhafte Ausgestaltungen vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Umfang vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausgestaltungen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausgestaltungen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie bzw. es sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit dem- oder derselben verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hierin verwendet sein können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden erörtert werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausgestaltungen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von 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 bei bestimmten Aspekten optional kleiner oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche
Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Wärmebarrierenkomponente zur Verringerung oder Minimierung einer thermischen Propagation („TRP“) bereit. Die Wärmebarrierenkomponente umfasst eine Folie oder Matte mit einer porösen Matrix und einem Funktionsmaterial in der porösen Matrix. Die Wärmebarrierenkomponente kann ferner ein Bindemittel enthalten. Das Funktionsmaterial umfasst ein Oxid (z. B. einen Zeolithen). Das Funktionsmaterial kann ferner ein flammhemmendes Mittel, ein Phasenwechselmaterial und/oder Wasser umfassen
Bei bestimmten Aspekten kann die Wärmebarrierenkomponente dazu ausgelegt sein, Wärme aufzunehmen, den Wärmetransfer zu reduzieren und/oder auf andere Weise ein thermisches Durchgehen in einer Vielzahl von Stufen, die mit unterschiedlichen Temperaturbereichen verbunden sind, zu begrenzen. Das Funktionsmaterial kann beispielsweise Wasser, das dazu ausgelegt ist, bei einer ersten Temperatur freigesetzt zu werden, ein Phasenwechselmaterial, das dazu ausgelegt ist, bei einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, einen endothermen Phasenwechsel zu durchlaufen, und ein flammhemmendes Mittel, das dazu ausgelegt ist, bei einer dritten Temperatur, die höher als die zweite Temperatur ist, freigesetzt zu werden, umfassen.
Bei bestimmten Aspekten umfassen die poröse Matrix, das Funktionsmaterial und/oder das polymere Bindemittel eine intumeszente Kohlenstoffquelle oder dienen als solche. Das Oxid und die intumeszente Kohlenstoffquelle stehen auf eine solche Weise in einer synergetischen Beziehung, dass das Oxid die Bildung von intumeszentem Kohlenstoff (z. B. Aktivkohle) ermöglicht oder katalysiert. Aktivkohle kann das thermische Durchgehen begrenzen, indem sie aufgrund ihrer hochporösen Mikrostruktur die Wärmeübertragung verlangsamt. Die intumeszente Kohlenstoffquelle kann sich bei einer vierten Temperatur thermisch zersetzen, um Aktivkohle zu bilden. Die vierte Temperatur kann höher als die zweite Temperatur sein.
Bei bestimmten Aspekten kann die Wärmebarrierenkomponente dazu ausgelegt sein, nach einem thermischen Ereignis die Zeitspanne bis zum Erreichen einer Auslösetemperatur zu verlängern, bei der unkontrollierte chemische Reaktionen einsetzen können, die zu thermischem Durchgehen führen. Die Auslösetemperatur kann ungefähr 200 °C betragen. Die Wärmebarrierenkomponente kann außerdem dazu ausgelegt sein, einen Brand nach dem thermischen Durchgehen zu unterdrücken.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Akkupack 100 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das Akkupack 100 umfasst ein Gehäuse oder eine Außenhülle (Tasche) 102. Das Akkupack 100 umfasst ferner ein oder mehrere Akkumulatormodule 104. Jedes der Akkumulatormodule 104 umfasst im Allgemeinen eine Vielzahl von Akkumulatorzellen 106 (die in Teilanordnungen von Stapeln oder Blöcken bereitgestellt werden können), die in einem Rahmen oder einer anderen Struktur in jedem Akkumulatormodul 104 zum Schutz vor äußeren Kräften oder Hitze angeordnet sein können. Es kann eine beliebige Anzahl von Zellen, Blöcken und/oder Akkumulatormodulen ausgewählt und an einen positiven oder negativen Quellpol angeschlossen sein. Die Zellen, Blöcke und Akkumulatormodule können in Reihe und/oder parallel in verschiedenen Anschlusskonfigurationen geschaltet und in Blöcken, Paketen und/oder Gruppen aufgebaut sein. Die Akkumulatorzellen 106 und das Modul bzw. die Module 104 können über ein Batteriemanagementsystem („BMS“ - nicht gezeigt) angeschlossen und gesteuert sein, das bei der Steuerung und Verwaltung verschiedener Aspekte des Akkumulatorbetriebs helfen kann, einschließlich Leistungsabgabe, Spannung, Strom, Temperatur, SOX und dergleichen. Das Gehäuse 102 kann somit das Akkupack 102 umschließen und umfasst somit ein oder mehrere Akkumulatormodule 104, das BMS und optional ein Kühlsystem (nicht gezeigt). Diese befinden sich in einem Innenraum des Gehäuses 102 zusammen mit anderen elektrischen Leitungen oder herkömmlichen Komponenten wie Sammelschienen, Schaltungen und Teilen von Klemmen für den externen Anschluss an eine Last und Stromquelle.
Das Akkupack 100 umfasst ferner eine oder mehrere Wärmebarrierenkomponenten 110. Die Wärmebarrierenkomponenten 110 können zwischen benachbarten Akkumulatormodulen 104 und/oder zwischen den Akkumulatormodulen 104 und dem Gehäuse 102 angeordnet sein (z. B. über den Akkumulatormodulen 104 - wie gezeigt, unter den Akkumulatormodulen 104 und/oder entlang der Seiten der Akkumulatormodule 104). Die Wärmebarrierenkomponenten 110 können dazu ausgelegt sein, die thermische Propagation zu verringern oder zu minimieren, was ein unkontrolliertes thermisches Ereignis mit hoher Temperatur sein kann, einschließlich einer Feuersbrunst oder eines Brandes. Wie hierin erwähnt, kann ein solches thermisches Propagationsereignis durch eine übermäßige thermische Belastung verursacht werden, die außerhalb des Bereichs der normalen Betriebstemperaturen liegt. Eine thermische Propagation kann beispielsweise entstehen, wenn es zu einem Kurzschluss in dem Akkumulator kommt. Zum Beispiel kann eine Wärme- oder Flammenquelle bei einem thermischen Durchgehen Temperaturen von ungefähr 500 °C, optional ungefähr 600 °C, optional ungefähr 700 °C, optional ungefähr 800 °C, optional ungefähr 900 °C, optional ungefähr 1.000 °C, optional ungefähr 1.100 °C und optional ungefähr 1.200 °C überschreiten. Die Wärme- oder Flammenquelle kann aus dem Innenraum des Akkumulatorgehäuses oder -moduls stammen. Bei bestimmten Aspekten ist das Akkupack 100 frei von einem aktiven Feuerlöschmittel.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst die Wärmebarrierenkomponente 110 eine poröse Matrix, ein Funktionsmaterial und optional ein Bindemittel. Das Bindemittel kann sowohl mit der porösen Matrix als auch mit dem Funktionsmaterial in Kontakt stehen. Das Funktionsmaterial und das Bindemittel können die Poren der porösen Matrix durchtränken oder in diesen angeordnet sein. Bei bestimmten Aspekten sind Innenflächen der porösen Matrix wenigstens teilweise mit dem Funktionsmaterial und dem Bindemittel beschichtet. Das Funktionsmaterial kann ein oder mehrere synergistische Reaktionsmittel (z. B. ein Oxid), ein Phasenwechselmaterial und ein flammhemmendes Mittel umfassen, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Bei bestimmten Aspekten kann das Funktionsmaterial ein Verbundwerkstoff sein. Bei bestimmten Aspekten umfassen die poröse Matrix, das Funktionsmaterial und/oder das Bindemittel eine intumeszente Kohlenstoffquelle (wie z. B. bei erhöhten Temperaturen), wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
Bei bestimmten Aspekten kann die poröse Matrix Glasfasern, Kohlenstofffasern, einen Polymerschaum oder eine Kombination davon umfassen. Der Polymerschaum kann die intumeszente Kohlenstoffquelle sein oder diese umfassen. Der Polymerschaum kann zum Beispiel Polyurethanschaum umfassen.
Bei bestimmten Aspekten kann die poröse Matrix beispielsweise eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 50 %, optional größer oder gleich ungefähr 55 %, optional größer oder gleich ungefähr 60 %, optional größer oder gleich ungefähr 65 %, optional größer oder gleich ungefähr 70 %, optional größer oder gleich ungefähr 75 %, optional größer oder gleich ungefähr 80 %, optional größer oder gleich ungefähr 85 % oder optional größer oder gleich ungefähr 90 % aufweisen. Die Porosität kann beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 95 %, optional kleiner oder gleich ungefähr 90 %, optional kleiner oder gleich ungefähr 90 % oder optional kleiner oder gleich ungefähr 90 % betragen. Die poröse Matrix kann Hohlräume oder Poren definieren, die eine durchschnittliche Größe von größer oder gleich ungefähr 500 nm, optional größer oder gleich ungefähr 1 µm, optional größer oder gleich ungefähr 10 µm, optional größer oder gleich ungefähr 50 µm, optional größer oder gleich ungefähr 100 µm, optional größer oder gleich ungefähr 250 µm, optional größer oder gleich ungefähr 400 µm aufweisen. Die durchschnittliche Größe kann kleiner oder gleich ungefähr 500 µm, optional kleiner oder gleich ungefähr 400 µm, optional kleiner oder gleich ungefähr 250 µm, optional kleiner oder gleich ungefähr 100 µm, optional kleiner oder gleich ungefähr 50 µm, optional kleiner oder gleich ungefähr 10 µm oder optional kleiner oder gleich ungefähr 5 µm, optional kleiner oder gleich ungefähr 1 µm betragen.
Wie oben erwähnt, können das Funktionsmaterial und das Bindemittel die poröse Matrix wenigstens teilweise beschichten und/oder in die Poren oder Hohlräume der porösen Matrix eindringen. Bei bestimmten Aspekten nehmen das Funktionsmaterial und das Bindemittel nicht 100 % des Hohlraumbereichs der porösen Matrix ein. Beispielsweise kann die Wärmebarrierenkomponente 110 eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 20 %, optional größer oder gleich ungefähr 25 %, optional größer oder gleich ungefähr 30 %, optional größer oder gleich ungefähr 35 %, optional größer oder gleich ungefähr 40 %, optional größer oder gleich ungefähr 45 %, optional größer oder gleich ungefähr 50 %, optional größer oder gleich ungefähr 55 % oder optional größer oder gleich ungefähr 60 % definieren. Die Wärmebarrierenkomponente kann eine Porosität von kleiner oder gleich ungefähr 80 %, optional kleiner oder gleich ungefähr 70 %, optional kleiner oder gleich ungefähr 65 %, optional kleiner oder gleich ungefähr 60 %, optional kleiner oder gleich ungefähr 55 % oder optional kleiner oder gleich ungefähr 50 % definieren Bei bestimmten Aspekten liegt die poröse Matrix in Form einer Matte oder Folie vor. Die Matte oder Folie kann freistehend und/oder mit einer oder mehreren anderen Komponenten verbunden sein (2). Bei bestimmten Aspekten kann die Matte im Wesentlichen die gleiche Höhe und Breite wie die Akkumulatorzellen 106 aufweisen, z. B. wenn sie benachbart zu wenigstens einer der Akkumulatorzellen angeordnet ist. Die Matte kann eine gewünschte mechanische Festigkeit aufweisen und gleichzeitig flexibel genug sein, um Änderungen in der Dicke der Akkumulatorzellen 106 aufzunehmen. Bei bestimmten Aspekten kann die Matte eine Komprimierbarkeit von größer oder gleich ungefähr 5 %, optional größer oder gleich ungefähr 10 %, optional größer oder gleich ungefähr 15 %, optional größer oder gleich ungefähr 20 % oder optional größer oder gleich ungefähr 25 % aufweisen. Die Komprimierbarkeit kann kleiner oder gleich ungefähr 30 %, optional kleiner oder gleich ungefähr 25 %, optional kleiner oder gleich ungefähr 20 %, optional kleiner oder gleich ungefähr 15 % oder optional kleiner oder gleich ungefähr 10 % betragen. Die Matte kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 100 µm, optional größer oder gleich ungefähr 500 µm, optional größer oder gleich ungefähr 1 mm, optional größer oder gleich ungefähr 2 mm, optional größer oder gleich ungefähr 3 mm, optional größer oder gleich ungefähr 4 mm, optional größer oder gleich ungefähr 5 mm, optional größer oder gleich ungefähr 6 mm, optional größer oder gleich ungefähr 1 cm definieren. Die Dicke kann kleiner oder gleich ungefähr 2 cm, optional kleiner oder gleich ungefähr 1,5 cm, optional kleiner oder gleich ungefähr 1 cm, optional kleiner oder gleich ungefähr 8 mm, optional kleiner oder gleich ungefähr 5 mm oder optional kleiner oder gleich ungefähr 1 mm betragen. Bei bestimmten Aspekten beträgt die Dicke größer oder gleich ungefähr 1 mm bis kleiner oder gleich ungefähr 5 mm.
Bei bestimmten Aspekten kann die poröse Matrix in der Wärmebarrierenkomponente 110 in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 5 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent oder optional größer oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent vorliegen. Die poröse Matrix kann in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von kleiner oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent oder optional kleiner oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent vorliegen. Bei bestimmten Aspekten kann die poröse Matrix in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 5 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent oder optional ungefähr 15 Gewichtsprozent vorliegen.
Wie oben beschrieben, kann das Funktionsmaterial ein synergistisches Reaktionsmittel umfassen. Bei bestimmten Aspekten ist das synergistische Reaktionsmittel dazu ausgelegt, die Bildung von intumeszentem Kohlenstoff (z. B. Aktivkohle) aus der intumeszenten Kohlenstoffquelle zu katalysieren oder zu ermöglichen. Das synergistische Reaktionsmittel kann wärmeisolierend sein. Bei bestimmten Aspekten kann das synergistische Reaktionsmittel selbst intumeszente Eigenschaften aufweisen.
Das synergistische Reaktionsmittel kann ein Oxid umfassen. Das Oxid kann SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, CaO, V₂O₅, MgO oder eine Kombination davon umfassen. Bei bestimmten Aspekten umfasst das synergistische Reaktionsmittel einen Zeolithen. Der Zeolith kann die chemische Formel M_x/n[(AlO₂)_x,(SiO₂)_y]zH₂O aufweisen, wobei Mⁿ⁺ ein Bilanzkation ist. Das Verhältnis y/x kann größer oder gleich ungefähr 1 sein. Bei bestimmten Aspekten kann das Verhältnis y/x kleiner oder gleich ungefähr 20 sein. Bei bestimmten Aspekten sind Beispiele für geeignete Zeolithe in Serge Bourbigot, Michel Le Bras, Patrice Breant, Jean-Michel Tremillon, & Rene Delobel, Zeolites: New Synergistic Agents for Intumescent Fire Retardant Thermoplastic Formulations-Criteria for the Choice of Zeolite, 20 F_IRE & MATERIALS 145-54 (1996) beschrieben, das hierin durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen ist.
Bei bestimmten Aspekten kann das synergistische Reaktionsmittel in der Wärmebarrierenkomponente 110 in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 5 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent oder optional größer oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent vorliegen. Das synergistische Reaktionsmittel kann in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von kleiner oder gleich ungefähr 35 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent oder optional kleiner oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent vorliegen. Bei bestimmten Aspekten kann das synergistische Reaktionsmittel in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent, größer oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent oder optional ungefähr 20 Gewichtsprozent vorliegen.
Bei bestimmten Aspekten umfasst das Funktionsmaterial eine Vielzahl von Teilchen, die aus dem synergistischen Reaktionsmittel gebildet sind oder dieses umfassen. Die Vielzahl von Teilchen kann porös sein. Die Vielzahl von Teilchen kann ferner adsorbiertes Wasser und/oder ein flammhemmendes Mittel umfassen. Bei einem Beispiel umfasst die Vielzahl von Teilchen ein Zeolithpulver, an das Wasser und ein flammhemmendes Mittel adsorbiert sind. Die Teilchen können jede Größe aufweisen, die in die Poren der porösen Matrix passt. Bei einigen Beispielen weisen die Teilchen eine durchschnittliche Größe von größer oder gleich ungefähr 50 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 µm auf.
Bei bestimmten Aspekten kann das Funktionsmaterial Wasser enthalten. Das Wasser kann an das synergistische Reaktionsmittel (z. B. Zeolith) adsorbiert werden. Das Wasser kann in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 1 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 1 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 1 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 1 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 1 Gewichtsprozent oder optional größer oder gleich ungefähr 1 Gewichtsprozent vorliegen. Das Wasser kann in einer Menge von kleiner oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent, kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent oder optional kleiner oder gleich ungefähr 5 Gewichtsprozent vorliegen.
Bei bestimmten Aspekten kann das Wasser dazu ausgelegt sein, bei einer ersten Temperatur aus der Wärmebarrierenkomponente 110 freigesetzt (z. B. aus dem synergistischen Reaktionsmittel desorbiert, verdampft) zu werden. Die erste Temperatur kann größer oder gleich ungefähr 80 °C, optional größer oder gleich ungefähr 85 °C, optional größer oder gleich ungefähr 90 °C, optional größer oder gleich ungefähr 95 °C, optional größer oder gleich ungefähr 100 °C, optional größer oder gleich ungefähr 105 °C oder optional größer oder gleich ungefähr 110 °C sein.
Bei bestimmten Aspekten kann das Funktionsmaterial ferner ein Phasenwechselmaterial umfassen. Bei dem Phasenwechselmaterial kann es sich um ein polymerbasiertes Phasenwechselmaterial handeln. Das polymerbasierte Phasenwechselmaterial kann Kohlenstoff umfassen. Bei bestimmten Aspekten weist das Phasenwechselmaterial eine hohe latente Wärmeabsorption auf, wie z. B. größer oder gleich ungefähr 120 kJ/kg, optional größer oder gleich ungefähr 150 kJ/kg, optional größer oder gleich ungefähr 175 kJ/kg, optional größer oder gleich ungefähr 200 kJ/kg, optional größer oder gleich ungefähr 250 kJ/kg oder optional größer oder gleich ungefähr 300 kJ/kg.
Bei bestimmten Aspekten kann das Phasenwechselmaterial dazu ausgelegt sein, eine endotherme Phasenänderung bei einer zweiten Temperatur von größer oder gleich ungefähr 0 °C, größer oder gleich ungefähr 75 °C, optional größer oder gleich ungefähr 100 °C, optional größer oder gleich ungefähr 125 °C, optional größer oder gleich ungefähr 150 °C, optional größer oder gleich ungefähr 175 °C, optional größer oder gleich ungefähr 200 °C oder optional größer oder gleich ungefähr 225 °C zu durchlaufen. Bei bestimmten Aspekten ist die zweite Temperatur kleiner oder gleich ungefähr 250 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 225 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 200 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 175 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 150 °C, oder optional kleiner oder gleich ungefähr 125 °C. Bei einem Beispiel ist die zweite Temperatur größer oder gleich ungefähr 100 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 250 °C.
Das Phasenwechselmaterial kann ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial oder ein Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial sein. Bei bestimmten Aspekten umfasst das Fest-Fest-Phasenwechselmaterial Pentaerythritol (PE), Pentaglycerin (PG), Neopentylglycol (NPG), Polyethylen hoher Dichte (HDPE) (z. B. formstabiles HDPE), einen geschichteten Porowskit oder eine beliebige Kombination davon. Bei einem Beispiel umfasst das Fest-Fest-Phasenwechselmaterial PE. Bei einem anderen Beispiel kann das Fest-Fest-Phasenwechselmaterial ein festes Lösungsgemisch aus NPG und PG (z. B. 60 Gew.-% NPG / 40 Gew.-% PG) umfassen. Bei bestimmten Aspekten umfasst das Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial Natriumsulfat-Decahydrat, Calciumchlorid-Hexahydrat, Magnesiumchlorid-Hexahydrat, Calciumchlorid-Calciumbromid-Hexahydrat, Magnesiumnitrat-Hexahydrat, Magnesiumchlorid-Magnesiumnitrat-Hexahydrat oder eine beliebige Kombination davon. Bei bestimmten Aspekten kann das Phasenwechselmaterial die intumeszente Kohlenstoffquelle (z. B. PE) umfassen
Bei bestimmten Aspekten kann das Phasenwechselmaterial in der Wärmebarrierenkomponente 110 in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 35 Gewichtsprozent oder optional größer oder gleich ungefähr 40 Gewichtsprozent vorliegen. Das Phasenwechselmaterial kann in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von kleiner oder gleich ungefähr 45 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 40 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 35 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent oder optional kleiner oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent vorliegen. Bei bestimmten Aspekten kann das Phasenwechselmaterial in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Gewichtsprozent, größer oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 35 Gewichtsprozent oder optional ungefähr 30 Gewichtsprozent vorliegen.
Bei bestimmten Aspekten umfasst die Wärmebarrierenkomponente ferner ein flammhemmendes Mittel. Das flammhemmende Mittel kann dazu ausgelegt sein, mit entflammbaren Gasen, z. B. aus einem sich thermisch zersetzenden Elektrolyten, zu reagieren, um Verbrennungskettenverzweigungsreaktionen zu unterdrücken oder zu beenden. Bei bestimmten Aspekten wird das flammhemmende Mittel an eine Vielzahl von Teilchen adsorbiert, wie z. B. an die Vielzahl von Teilchen, die das oben beschriebene Oxid umfassen
Das flammhemmende Mittel kann z. B. durch Zersetzung freigesetzt werden oder bei einer dritten Temperatur von größer oder gleich ungefähr 200 °C, optional größer oder gleich ungefähr 250 °C, größer oder gleich ungefähr 300 °C, größer oder gleich ungefähr 350 °C, größer oder gleich ungefähr 400 °C, größer oder gleich ungefähr 450 °C, größer oder gleich ungefähr 500 °C, größer oder gleich ungefähr 550 °C, größer oder gleich ungefähr 600 °C, größer oder gleich ungefähr 650 °C, größer oder gleich ungefähr 700 °C, größer oder gleich ungefähr 750 °C, größer oder gleich ungefähr 800 °C, größer oder gleich ungefähr 850 °C desorbiert werden. Die dritte Temperatur kann kleiner oder gleich ungefähr 900 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 850 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 800 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 750 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 700 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 650 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 600 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 550 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 500 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 450 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 400 °C oder optional kleiner oder gleich ungefähr 350 °C sein.
Das flammhemmende Mittel kann ein saures Mittel zur Intumeszenzbildung umfassen. Bei bestimmten Aspekten umfasst das flammhemmende Mittel ein phosphatbasiertes flammhemmendes Mittel (z. B. (NH₄)₃PO₄), ein carbonatbasiertes flammhemmendes Mittel (z. B. MgCO₃, Mg₃Ca(CO₃)₄, K₂CO₃, Na₂CO₃), ein nitratbasiertes flammhemmendes Mittel (z. B. NaNO₃), ein hydroxidbasiertes flammhemmendes Mittel (z. B. Al(OH)₃, Mg(OH)₂), ein chloridbasiertes flammhemmendes Mittel (z. B. KCl, NaCl), jedes andere geeignete flammhemmende Mittel oder eine Kombination davon. Bei bestimmten Aspekten umfasst das flammhemmende Mittel (NH₄)₃PO₄, Al(OH)₃, Mg(OH)₂, Hydromagnesit (Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O), Mg₃Ca(CO₃)₄, MgCO₃, NaNO₃, K₂CO₃, Na₂CO₃, KCl, NaCl oder eine Kombination davon.
Bei bestimmten Aspekten kann das flammhemmende Mittel in der Wärmebarrierenkomponente 110 in einer Menge von größer 0 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 5 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent oder optional größer oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent vorliegen. Das flammhemmende Mittel kann in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von kleiner oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent oder optional kleiner oder gleich ungefähr 5 Gewichtsprozent vorliegen. Bei bestimmten Aspekten kann das flammhemmende Mittel in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 5 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent, größer oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent oder optional ungefähr 15 Gewichtsprozent vorliegen.
Bei bestimmten Aspekten umfasst die Wärmebarrierenkomponente 110 ein Bindemittel. Das Bindemittel kann ein polymeres Bindemittel sein. Das Bindemittel kann ein wässriges polymeres Bindemittel sein. Bei bestimmten anderen Aspekten kann die Wärmebarrierenkomponente 110 frei von einem Bindemittel sein. Bei bestimmten Aspekten kann ein Teil des Wassers aus dem wässrigen Bindemittel in dem synergistischen Reaktionsmittel adsorbiert werden und in der Wärmebarrierenkomponente verbleiben.
Bei bestimmten Aspekten kann das Bindemittel ein Cellulosepolymer-Bindemittel, Epoxid, Polyester, Phenolharze, Stärke, Saccharose, Laktose oder eine beliebige Kombination davon umfassen
Bei bestimmten Aspekten kann das Bindemittel in der Wärmebarrierenkomponente 110 in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 5 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent, optional größer oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent oder optional größer oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent vorliegen. Das Mittel kann in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von kleiner oder gleich ungefähr 35 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent, optional kleiner oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent oder optional kleiner oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent vorliegen.
Bei bestimmten Aspekten kann das Bindemittel in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent, größer oder gleich ungefähr 15 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent oder optional ungefähr 20 Gewichtsprozent vorliegen.
Bei bestimmten Aspekten umfasst die Wärmebarrierenkomponente 110 eine intumeszente Kohlenstoffquelle oder dient als solche. Eine intumeszente Kohlenstoffquelle ist ein Material, das in der Lage ist, sich thermisch zu zersetzen, um bei erhöhten Temperaturen intumeszenten Kohlenstoff zu erzeugen. Die intumeszente Kohlenstoffquelle kann in der porösen Matrix (z. B. Polyurethanschaum), dem Funktionsmaterial (z. B. einem polymerbasierten Phasenwechselmaterial) und/oder dem Bindemittel (z. B. einem kohlenstoffbasierten polymeren Bindemittel) vorliegen. Die Wärmebarrierenkomponente 110 kann mehr als eine intumeszente Kohlenstoffquelle umfassen.
Die intumeszente Kohlenstoffquelle kann dazu ausgelegt sein, thermisch zu intumeszentem Kohlenstoff abgebaut zu werden. Der thermische Abbau kann durch das synergistische Reaktionsmittel (z. B. einen Zeolithen) katalysiert werden. Der intumeszente Kohlenstoff kann aus Aktivkohle bestehen oder diese umfassen. Der intumeszente Kohlenstoff kann dazu ausgelegt sein, die Wärmeübertragung im Brandfall zu reduzieren oder zu verhindern. Bei bestimmten Aspekten ist die intumeszente Kohlenstoffquelle dazu ausgelegt, bei einer vierten Temperatur von größer oder gleich ungefähr 300 °C, optional größer oder gleich ungefähr 350 °C, optional größer oder gleich ungefähr 400 °C, optional größer oder gleich ungefähr 450 °C, optional größer oder gleich ungefähr 500 °C, optional größer oder gleich ungefähr 550 °C, optional größer oder gleich ungefähr 600 °C, optional größer oder gleich ungefähr 650 °C, optional größer oder gleich ungefähr 700 °C oder optional größer oder gleich ungefähr 750 °C thermisch abgebaut zu werden. Die vierte Temperatur kann kleiner oder gleich ungefähr 800 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 750 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 700 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 650 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 600 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 550 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 500 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 450 °C, optional kleiner oder gleich ungefähr 400 °C oder optional kleiner oder gleich ungefähr 350 °C sein. Bei bestimmten Aspekten kann die vierte Temperatur größer oder gleich ungefähr 300 °C bis kleiner als oder gleich ungefähr 900 °C sein.
Die Wärmebarrierenkomponente 110 kann dazu ausgelegt sein, den Temperaturanstieg zu verlangsamen, um die thermische Propagation zu verringern oder zu verhindern, Feuer zu verhindern und/oder die Ausbreitung von Feuer zu reduzieren oder zu verhindern. Bei bestimmten Aspekten ist die Wärmebarrierenkomponente 110 dazu ausgelegt, bei verschiedenen Temperaturstufen unterschiedliche Funktionen bereitzustellen. Beispielsweise kann die Wärmebarrierenkomponente 110 dazu ausgelegt sein, bei der ersten Temperatur oder innerhalb eines ersten Temperaturbereichs Wasser abzugeben, bei der zweiten Temperatur oder innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs einen endothermen Phasentransfer des Phasenwechselmaterials durchzuführen, bei der dritten Temperatur oder innerhalb eines dritten Temperaturbereichs ein flammhemmendes Mittel abzugeben und bei der vierten Temperatur oder innerhalb eines vierten Temperaturbereichs intumeszenten Kohlenstoff zu bilden. Bei bestimmten Aspekten kann die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur und niedriger als die dritte Temperatur und die vierte Temperatur sein. Die dritte Temperatur kann höher als die erste Temperatur und die zweite Temperatur sein. Die vierte Temperatur kann höher als die erste Temperatur und die zweite Temperatur sein. Die vierte Temperatur kann höher als die dritte Temperatur sein. Bei bestimmten Aspekten können sich alle oder ein Teil der oben genannten Temperaturbereiche überschneiden.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst die Wärmebarrierenkomponente 110 eine oder mehrere Komponenten, die mehrere Funktionen bereitstellen, wodurch die Komplexität und das Gewicht der Wärmebarrierenkomponente vereinfacht und die kritischsten Reaktionen in verschiedenen Stadien eines Ereignisses mit thermischem Durchgehen wirksam unterdrückt werden. Zum Beispiel kann die poröse Matrix das Funktionsmaterial enthalten und gleichzeitig die gewünschten mechanischen und flexiblen Eigenschaften erreichen und, wenn die poröse Matrix einen Polymerschaum umfasst, eine Reaktion zur Bildung von intumeszentem Kohlenstoff katalysieren. Das synergistische Reaktionsmittel kann bei hohen Temperaturen stabil sein, eine hohe Adsorptionskapazität für Wasser und/oder flammhemmende Mittel aufweisen und/oder eine Reaktion zur Bildung von intumeszentem Kohlenstoff katalysieren. Das Bindemittel kann die mechanische Intaktheit der porösen Matrix erhöhen und das Funktionsmaterial in der porösen Matrix zurückhalten und, wenn es sich bei dem Bindemittel um ein polymeres Bindemittel handelt, eine Reaktion zur Bildung von intumeszentem Kohlenstoff katalysieren.
Unter Bezugnahme auf 2 stellt die vorliegende Offenbarung bei verschiedenen Aspekten eine Wärmebarrierenanordnung 200 bereit, die eine oder mehrere Wärmebarrierenkomponenten 110 umfasst. Die Wärmebarrierenanordnung 200 kann eine oder mehrere zusätzliche Schichten mit oder ohne Funktionsmaterialien umfassen. Die Wärmebarrierenkomponente 110 und andere Schichten können in einer Verkapselung 202 versiegelt sein. Die Verkapselung kann eine Polyethylenterephthalatfolie (PET-Folie) oder eine beliebige Kombination davon umfassen.
Bei bestimmten Aspekten umfasst die Wärmebarrierenanordnung 200 eine oder mehrere erste Schichten 204. Die erste Schicht 204 kann einen Urethanschaum mit einem eingearbeiteten flammhemmenden Mittel umfassen. Das flammhemmende Mittel kann mit dem flammhemmenden Mittel in der Wärmebarrierenkomponente 110 identisch oder davon verschieden sein. Bei der ersten Schicht 204 kann es sich um eine einzelne, zentral angeordnete Schicht handeln. Bei bestimmten Aspekten umfasst die Wärmebarrierenanordnung 200 eine oder mehrere zweite Schichten 206. Die zweiten Schichten können eine Metallkomponente, wie z. B. eine Metallplatte, umfassen. Die Metallplatte kann eine Aluminiumplatte sein. Die zweiten Schichten 206 können jeweils eine entsprechende Wärmebarrierenkomponente 110 tragen. Beispielsweise können sich die zweiten Schichten 206 jeweils zwischen der ersten Schicht 204 und einer der Wärmebarrierenkomponenten 110 befinden. Die Wärmebarrierenanordnung 200 kann verschiedene oder zusätzliche Schichten umfassen, z. B. Aerogelschichten, die optional mit Funktionsmaterialien, wie flammhemmenden Mitteln, durchtränkt sind. Bei bestimmten Aspekten kann eine Wärmebarrierenanordnung mehrere benachbarte Wärmebarrierenkomponenten 110 mit oder ohne zusätzliche Schichten umfassen
Beispiel 1
Vergleich der Isoliereigenschaften von vier Wärmebarrierenkomponenten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenlegung. Jede Wärmebarrierenkomponente umfasst eine poröse Matte. Unter Bezugnahme auf 3A umfasst eine erste Wärmebarrierenkomponente 300 ASPEN AEROGELS XTB Aerogel. Eine zweite Wärmebarrierenkomponente 302 umfasst lackiertes ASPEN AEROGELS XTB Aerogel. Eine dritte Wärmebarrierenkomponente 304 umfasst lackierte Glasfasern. Eine vierte Wärmebarrierenkomponente 306 umfasst eine beschichtete Glasfasermatte mit Funktionsmaterial und einem Bindemittel. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „lackiert“ darauf, dass eine Seite der jeweiligen Wärmebarrierenkomponente wenigstens teilweise mit einem Hochtemperaturlack beschichtet ist, der das Emissionsvermögen des Materials für Infrarottemperaturerfassung verbessert.
Die vierte Wärmebarrierenkomponente 306 ist aus einer Glasfasermatte 320 hergestellt, wie in 3B gezeigt. Die Glasfasermatte 320 umfasst eine Vielzahl von Glasfasern 322 und definiert einen Hohlraumbereich oder eine Vielzahl von Poren 324. Der Hohlraumbereich 324 nimmt ungefähr 90 % des Volumens der Glasmatte 320 ein, d. h. die Glasmatte 320 weist eine Porosität von ungefähr 90 % auf.
Das Funktionsmaterial umfasst einen Zeolithen, ein flammhemmendes Mittel und ein Phasenwechselmaterial. Der Zeolith umfasst Zeolith Y. Das flammhemmende Mittel umfasst (NH₄)₃PO₄. Das Phasenwechselmaterial umfasst Pentaerythritol. Das Bindemittel ist ein Cellulosepolymer-Bindemittel, das SOTERAS CCS-V und SOTERAS CCS-B umfasst. Die vierte Wärmebarrierenkomponente 306 umfasst ungefähr 15 Gewichtsprozent der Glasfasern, ungefähr 20 Gewichtsprozent des Zeolithen, ungefähr 15 Gewichtsprozent des flammhemmenden Mittels, ungefähr 30 Gewichtsprozent des Phasenwechselmaterials und ungefähr 20 Gewichtsprozent des Bindemittels. Das Funktionsmaterial kann ferner eine geringe Menge Wasser im Zeolithen und/oder als Restfeuchtigkeit aus der Herstellung der jeweiligen Wärmebarrierenkomponente umfassen.
Die Wärmebarrierenkomponenten 300, 302, 304, 306 werden über eine Heizplatte ungefähr 20 Sekunden lang auf eine Temperatur von ungefähr 400 °C erhitzt. Die vierte Matte 306 erzeugt beim Erhitzen Rauch 330, der die Freisetzung des flammhemmenden Mittels anzeigt. Bei Verwendung in einer elektrochemischen Zelle sind die phosphorhaltigen Radikale aus dem flammhemmenden Mittel in der Lage, mit brennbaren Gasen zu reagieren, die bei der Erhitzung und Zersetzung des Elektrolyten freigesetzt werden, und dadurch die Ausbreitung des Feuers zu verhindern.
Unter Bezugnahme auf 3C ist die vierte Wärmebarrierenkomponente 306' nach Erhitzung und anschließender Abkühlung auf Raumtemperatur (d. h. ungefähr 20 °C) bereitgestellt. Die Glasfasern 322 sind wenigstens teilweise mit kristallisiertem Phasenwechselmaterial 340 beschichtet, was zeigt, dass das Phasenwechselmaterial Wärme absorbiert, um einen Phasenwechsel zu durchlaufen, und dann während der Verfestigung kristallisiert, wie gezeigt.
Beispiel 2
Unter Bezugnahme auf 4A ist eine Polyurethanschaumplatte 400 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Polyethylenschaumplatte 400 ist hochporös und weist eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 90 % auf.
Unter Bezugnahme auf 4B ist eine teilweise beschichtete Polyurethanplatte 410 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die teilweise beschichtete Polyurethanplatte 410 umfasst die Polyurethanschaumplatte 400 und ein Funktionsmaterial in einem Bindemittel 412. Das Funktionsmaterial umfasst einen Zeolithen, ein flammhemmendes Mittel und ein Phasenwechselmaterial. Der Zeolith umfasst Zeolith Y. Das flammhemmende Mittel umfasst (NH₄)₃PO₄. Das Phasenwechselmaterial umfasst Pentaerythritol. Das Bindemittel ist ein Cellulosepolymer-Bindemittel, das SOTERAS CCS-V und SOTERAS CCS-B umfasst. Das Funktionsmaterial kann außerdem eine geringe Menge Wasser im Zeolithen und/oder als Restfeuchtigkeit aus der Herstellung der jeweiligen Wärmebarrierenkomponente enthalten.
Unter Bezugnahme auf 4C-4D ist ein Wärmebarrierenvorläufer 420 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Der Wärmebarrierenvorläufer 420 umfasst eine Polyurethanschaumplatte 422, die mit einer Aluminiumplatte 424 gekoppelt ist.
Unter Bezugnahme auf 4E ist eine Wärmebarrierenkomponente 430 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Wärmebarrierenkomponente 430 umfasst den Wärmebarrierenvorläufer 420 und ein Funktionsmaterial in einem Bindemittel 432, das jeweils mit dem Funktionsmaterial und dem Bindemittel von 4B identisch ist.
Unter Bezugnahme auf 4F ist eine versiegelte Wärmebarrierenkomponente 440 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die versiegelte Wärmebarrierenkomponente 440 umfasst die Wärmebarrierenkomponente 430 (4E) in einer Tasche oder einer Verkapselung 442. Der Beutel 442 umfasst eine PET-Folie.
Beispiel 3
Vier Wärmebarrierenkomponenten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden hergestellt. Jede Wärmebarrierenkomponente umfasst eine poröse Matte. Unter Bezugnahme auf 5A umfasst eine erste Wärmebarrierenkomponente 500 ASPEN AEROGELS XTB Aerogel. Eine zweite Wärmebarrierenkomponente 502 umfasst eine Glasfasermatte. Eine dritte Wärmebarrierenkomponente 504 umfasst Polyurethanschaum mit Funktionsmaterial und Bindemittel. Eine vierte Wärmebarrierenkomponente 506 umfasst eine Glasfasermatte mit Funktionsmaterial und Bindemittel.
Das Funktionsmaterial umfasst einen Zeolithen, ein flammhemmendes Mittel und ein Phasenwechselmaterial. Der Zeolith umfasst Zeolith Y. Das flammhemmende Mittel umfasst (NH₄)₃PO₄. Das Phasenwechselmaterial umfasst Pentaerythritol. Das Bindemittel ist ein Cellulosepolymer-Bindemittel, das SOTERAS CCS-V und SOTERAS CCS-B umfasst. Die dritte und die vierte Wärmebarrierenkomponente 504, 506 umfassen jeweils ungefähr 15 Gewichtsprozent des porösen Mattenmaterials (d. h. Polyurethan oder Glas), ungefähr 20 Gewichtsprozent des Zeolithen, ungefähr 15 Gewichtsprozent des flammhemmenden Mittels, ungefähr 30 Gewichtsprozent des Phasenwechselmaterials und ungefähr 20 Gewichtsprozent des Bindemittels. Das Funktionsmaterial kann ferner eine geringe Menge Wasser im Zeolithen und/oder als Restfeuchtigkeit aus der Herstellung der jeweiligen Wärmebarrierenkomponente umfassen.
Die Wärmebarrierenkomponenten 500, 502, 504, 506 werden durch Nassgießen einer Aufschlämmung, die das Funktionsmaterial und das Bindemittel umfasst, auf eine einzelne Seite der jeweiligen porösen Matte hergestellt. Bei der Vakuuminfiltration wird die Aufschlämmung in die Poren gezogen. Bei bestimmten Aspekten wird die poröse Matte, z. B. der Polyurethanschaum, gepresst, um einen Teil der Luft aus den Poren zu entfernen, und dann losgelassen, um den Schlamm in die Poren zu ziehen. Die Aufschlämmung wird getrocknet.
Die Wärmebarrierenkomponenten 500, 502, 504, 506 werden jeweils in Wärmekontakt mit einer Heizplatte 510 gebracht. Die Wärmebarrierenkomponenten 500, 502, 504, 506 werden mit Klebeband 512 auf der Heizplatte 510 gehalten. Wie im Folgenden näher beschrieben wird, werden die Wärmebarrierenkomponenten 500, 502, 504, 506 schrittweise von ungefähr 25 °C auf ungefähr 350 °C erhitzt.
Unter Bezugnahme auf 5B ist ein Diagramm 520 dargestellt, das die von einer Infrarottemperaturkamera gemessene Temperatur als Funktion der Zeit zeigt. Die x-Achse 522 stellt die Zeit in Sekunden dar. Die y-Achse 524 stellt die Temperatur in °C dar. Eine erste Kurve 526 veranschaulicht die Temperatur der Heizplatte. Eine zweite Kurve 528 veranschaulicht die Temperatur der ersten Wärmebarrierenkomponente. Eine dritte Kurve 530 veranschaulicht die Temperatur der zweiten Wärmebarrierenkomponente. Eine vierte Kurve 532 veranschaulicht die Temperatur der dritten Wärmebarrierenkomponente. Eine fünfte Kurve 534 veranschaulicht die Temperatur der vierten Wärmebarrierenkomponente
Die vierte und die fünfte Kurve 532, 534 überschneiden sich teilweise und zeigen eine ähnliche Leistung für die dritte und die vierte Wärmebarrierenkomponente 504, 506 (5A) innerhalb dieses Temperaturbereichs mit verschiedenen Matten oder porösen Matrizen. Die vierte und die fünfte Kurve 532, 534 sind über den größten Teil des Temperaturbereichs ungefähr 20-30 °C niedriger als die zweite und die dritte Kurve 528, 530. Dies zeigt eine erhöhte thermische Leistung (d. h. eine langsamere Wärmeübertragung durch die Wärmebarrierenkomponente und ein geringeres Potenzial für thermische Propagation) durch die Einbeziehung des Funktionsmaterials in die dritte und die vierte Wärmebarrierenkomponente 504, 506.
Dementsprechend kann eine Wärmebarrierenkomponente, die die Funktionsmaterialien umfasst, beim Erhitzen von 25 °C auf 350 °C über einen Zeitraum von ungefähr 800 Sekunden eine niedrigere Temperatur aufweisen als eine Wärmebarrierenkomponente ohne die Funktionsmaterialien. Der Temperaturunterschied kann größer oder gleich ungefähr 5 °C, optional größer oder gleich ungefähr 10 °C, größer oder gleich ungefähr 15 °C oder größer oder gleich ungefähr 20 °C sein.
Beispiel 4
Es werden vier Wärmebarrierenkomponenten hergestellt. Jede Wärmebarrierenkomponente umfasst eine poröse Matte. Unter Bezugnahme auf 6A umfasst eine erste Wärmebarrierenkomponente 600 ASPEN AEROGELS XTB Aerogel. Eine zweite Wärmebarrierenkomponente 602 umfasst eine Glasfasermatte. Eine dritte Wärmebarrierenkomponente 604 umfasst Polyurethanschaum mit Funktionsmaterial und Bindemittel. Eine vierte Wärmebarrierenkomponente 606 umfasst eine Glasfasermatte mit Funktionsmaterial und Bindemittel.
Das Funktionsmaterial umfasst einen Zeolithen, ein flammhemmendes Mittel und ein Phasenwechselmaterial. Der Zeolith umfasst Zeolith Y. Das flammhemmende Mittel umfasst (NH₄)₃PO₄. Das Phasenwechselmaterial umfasst Pentaerythritol. Das Bindemittel ist ein Cellulosepolymer-Bindemittel, das SOTERAS CCS-V und SOTERAS CCS-B umfasst. Die dritte und die vierte Wärmebarrierenkomponente 604, 606 umfassen jeweils ungefähr 15 Gewichtsprozent des porösen Mattenmaterials (d. h. Polyurethan oder Glas), ungefähr 20 Gewichtsprozent des Zeolithen, ungefähr 15 Gewichtsprozent des flammhemmenden Mittels, ungefähr 30 Gewichtsprozent des Phasenwechselmaterials und ungefähr 20 Gewichtsprozent des Bindemittels. Das Funktionsmaterial kann ferner eine geringe Menge Wasser im Zeolithen und/oder als Restfeuchtigkeit aus der Herstellung der jeweiligen Wärmebarrierenkomponente umfassen.
Die Wärmebarrierenkomponenten 600, 602, 604, 606 werden durch Nassgießen einer Aufschlämmung, die das Funktionsmaterial und das Bindemittel umfasst, auf eine einzelne Seite der jeweiligen porösen Matte hergestellt. Bei der Vakuuminfiltration wird die Aufschlämmung in die Poren gezogen. Bei bestimmten Aspekten wird die poröse Matte, z. B. der Polyurethanschaum, gepresst, um einen Teil der Luft aus den Poren zu entfernen, und dann losgelassen, um den Schlamm in die Poren zu ziehen. Die Aufschlämmung wird getrocknet.
Die Wärmebarrierenkomponenten 600, 602, 604, 606 werden jeweils sofort mit einer Flamme erhitzt, um ein thermisches Durchgehen zu simulieren. Unter Bezugnahme auf 6B ist eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus veranschaulicht. Die Wärmebarrierenkomponenten 600, 602, 604, 606 werden jeweils auf einer ersten Oberfläche 620 mit einer Hochtemperaturfarbe 622 lackiert. Eine Infrarotkamera 624 wird auf die Hochtemperaturfarbe gerichtet, um die Temperatur der ersten Oberfläche 620 jeder der Wärmebarrierenkomponenten 600, 602, 604, 606 zu erfassen. Ein Brenner 630 umfasst einen Brennstoffeinlass 632 und einen Oxidationsmitteleinlass 634. Der Brenner erzeugt eine Flamme 636 mit einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 600 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 1.300 °C. Die Flamme 636 wird so platziert, dass sie in direktem Wärmekontakt mit einer zweiten Seite 640 jeder der Wärmebarrierenkomponenten 600, 602, 604, 606 steht.
Unter Bezugnahme auf 6C ist ein Diagramm 650 dargestellt, das die Temperatur als Funktion der Zeit für die Wärmebarrierenkomponenten 600, 602, 604, 606 zeigt. Die x-Achse 652 stellt die Zeit in Sekunden dar. Die y-Achse 654 stellt die Durchschnittstemperatur in °C dar. Eine erste Kurve 656 veranschaulicht die Temperatur der ersten Wärmebarrierenkomponente 600. Eine zweite Kurve 658 veranschaulicht die Temperatur der zweiten Wärmebarrierenkomponente 602. Eine dritte Kurve 660 veranschaulicht die Temperatur der dritten Wärmebarrierenkomponente 604. Eine vierte Kurve 662 veranschaulicht die Temperatur der vierten Wärmebarrierenkomponente 600. Ein Teil 664 der zweiten Kurve 658 ist bei 370 °C flach, weil die Infrarotkamera bei 370 °C gesättigt ist; es ist jedoch zu erwarten, dass die Temperatur über dem Teil 664 370 °C übersteigt.
Die dritte und die vierte Kurve 660, 662 sind deutlich niedriger als die erste und die zweite Kurve 656, 658, was eine verbesserte Leistung in Bezug auf thermisches Durchgehen der dritten und der vierten Wärmebarrierenkomponente 604, 606 im Vergleich zur ersten und zweiten Wärmebarrierenkomponente 600, 602 darstellt. Über einen Zeitraum von 60 Sekunden halten die dritte und die vierte Wärmebarrierenkomponente 604, 606 Temperaturen von kleiner oder gleich ungefähr 100 °C, kleiner oder gleich ungefähr 95 °C, kleiner oder gleich ungefähr 90 °C, kleiner oder gleich ungefähr 85 °C, kleiner oder gleich ungefähr 80 °C, kleiner oder gleich ungefähr 75 °C oder kleiner oder gleich ungefähr 70 °C aufrecht. Die Einbeziehung der Funktionsmaterialien in die dritte und die vierte Wärmebarrierenkomponente 604, 606 kann eine verringerte Wärmeübertragung ermöglichen und ein thermisches Durchgehen begrenzen. Insbesondere können die erste und die zweite Wärmebarrierenkomponente 600, 602 ohne die Funktionsmaterialien einen Temperaturunterschied von größer oder gleich ungefähr 5 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 320 °C im Vergleich zur dritten und vierten Wärmebarrierenkomponente 604, 606 mit den Funktionsmaterialien zwischen ungefähr 20 Sekunden und 50 Sekunden der Einwirkung der Flamme 636 aufweisen (6B).
Beispiel 5
Unter Bezugnahme auf 7A umfasst eine Wärmebarrierenkomponente 700 Polyurethanschaum 702 mit Funktionsmaterial und Bindemittel 704. Das Funktionsmaterial umfasst einen Zeolithen, ein flammhemmendes Mittel und ein Phasenwechselmaterial. Der Zeolith umfasst Zeolith Y. Das flammhemmende Mittel umfasst (NH₄)₃PO₄. Das Phasenwechselmaterial umfasst Pentaerythritol. Das Bindemittel ist ein Cellulosepolymer-Bindemittel, das SOTERAS CCS-V und SOTERAS CCS-B umfasst. Die Wärmebarrierenkomponente 700 umfasst ungefähr 15 Gewichtsprozent des Polyurethans, ungefähr 20 Gewichtsprozent des Zeolithen, ungefähr 15 Gewichtsprozent des flammhemmenden Mittels, ungefähr 30 Gewichtsprozent des Phasenwechselmaterials und ungefähr 20 Gewichtsprozent des Bindemittels. Das Funktionsmaterial kann ferner eine geringe Menge Wasser im Zeolithen und/oder als Restfeuchtigkeit aus der Herstellung der jeweiligen Wärmebarrierenkomponente umfassen.
Die Wärmebarrierenkomponente 700 wird durch Nassgießen einer Aufschlämmung, die das Funktionsmaterial und das Bindemittel umfasst, auf eine einzelne Seite des entsprechenden Polyurethanschaums 702 hergestellt. Bei der Vakuuminfiltration wird die Aufschlämmung in die Poren gezogen. Bei bestimmten Aspekten wird Polyurethanschaum gepresst, um einen Teil der Luft aus den Poren zu entfernen, und dann losgelassen, um den Schlamm in die Poren zu ziehen. Die Aufschlämmung wird getrocknet.
Die Wärmebarrierenkomponente 700 wird mit einem Brenner über einen Zeitraum von ungefähr 7 Minuten erhitzt, um ein Feuer zu simulieren. Die Temperatur im Polyurethanschaum wird mit einer Infrarotkamera gemessen. Unter Bezugnahme auf 7B ist ein Diagramm 720, das die Temperatur innerhalb des Polyurethanschaums 702 (7A) darstellt, als Funktion der Zeit gezeigt. Die x-Achse 722 stellt die Zeit in Sekunden dar. Die y-Achse stellt die höchste Temperatur im Polyurethanschaum in °C dar. Die Kurve 726 zeigt die höchste Temperatur innerhalb des Polyurethanschaums zwischen ungefähr 0-450 Sekunden. Innerhalb dieses Zeitraums bleibt die Innentemperatur des Polyurethanschaums 702 (7A) unter 200 °C, gezeigt bei 728, was eine typische Auslösetemperatur für unkontrollierte chemische Reaktionen ist, die zu thermischem Durchgehen führen können. Dementsprechend ist die Wärmebarrierenkomponente 700 (7A) dazu ausgelegt, den Temperaturanstieg deutlich zu unterdrücken.
Beispiel 6
Es werden drei Wärmebarrierenkomponenten hergestellt. Eine erste Wärmebarrierenkomponente umfasst nur Funktionsmaterial ohne poröse Matte. Eine zweite Wärmebarrierenkomponente umfasst Polyurethanschaum mit Funktionsmaterial und Bindemittel. Eine dritte Wärmebarrierenkomponente umfasst eine Glasfasermatte mit Funktionsmaterial und Bindemittel.
Das Funktionsmaterial umfasst einen Zeolithen, ein flammhemmendes Mittel und ein Phasenwechselmaterial. Der Zeolith umfasst Zeolith Y. Das flammhemmende Mittel umfasst (NH₄)₃PO₄. Das Phasenwechselmaterial umfasst Pentaerythritol. Das Bindemittel ist ein Cellulosepolymer-Bindemittel, das SOTERAS CCS-V und SOTERAS CCS-B umfasst. Die zweite und die dritte Wärmebarrierenkomponente umfassen jeweils ungefähr 15 Gewichtsprozent des porösen Mattenmaterials (d. h. Polyurethan oder Glas), ungefähr 20 Gewichtsprozent des Zeolithen, ungefähr 15 Gewichtsprozent des flammhemmenden Mittels, ungefähr 30 Gewichtsprozent des Phasenwechselmaterials und ungefähr 20 Gewichtsprozent des Bindemittels. Das Funktionsmaterial kann ferner eine geringe Menge Wasser im Zeolithen und/oder als Restfeuchtigkeit aus der Herstellung der jeweiligen Wärmebarrierenkomponente umfassen. Die erste Wärmebarrierenkomponente umfasst ferner PET.
Die zweite und die dritte Wärmebarrierenkomponente werden durch Nassgießen einer Aufschlämmung, die das Funktionsmaterial und das Bindemittel umfasst, auf eine einzige Seite der jeweiligen porösen Matte hergestellt. Bei der Vakuuminfiltration wird die Aufschlämmung in die Poren gezogen. Bei bestimmten Aspekten wird die poröse Matte, z. B. der Polyurethanschaum, gepresst, um einen Teil der Luft aus den Poren zu entfernen, und dann losgelassen, um den Schlamm in die Poren zu ziehen. Die Aufschlämmung wird getrocknet.
Die Wärmebarrierenkomponenten werden über einen Zeitraum von ungefähr 60 Minuten auf eine Temperatur von ungefähr 600 °C erhitzt. Die Temperatur wird über ein Thermoelement erfasst. Unter Bezugnahme auf 8 stellt die x-Achse 800 die Temperatur in °C dar, die erste y-Achse 802 stellt Gewichtsprozente im Vergleich zum Ausgangsgewicht dar. Das Gewicht wird mit einer Mikrowaage gemessen. Die zweite y-Achse 804 stellt den Wärmestrom in Wg^-1 dar. Der Wärmestrom wird mit einem Kalorimeter gemessen.
Eine erste Kurve 810 veranschaulicht die Gewichtsprozente der ersten Wärmebarrierenkomponente als Funktion der Temperatur. Eine zweite Kurve 812 veranschaulicht die Gewichtsprozente der zweiten Wärmebarrierenkomponente als Funktion der Temperatur. Eine dritte Kurve 814 veranschaulicht die Gewichtsprozente der dritten Wärmebarrierenkomponente als Funktion der Temperatur
Eine vierte Kurve 820 veranschaulicht den Wärmestrom der ersten Wärmebarrierenkomponente als Funktion der Temperatur. Eine fünfte Kurve 822 veranschaulicht den Wärmestrom der zweiten Wärmebarrierenkomponente als Funktion der Temperatur. Eine sechste Kurve 824 veranschaulicht den Wärmestrom der dritten Wärmebarrierenkomponente als Funktion der Temperatur. Die Verdampfung der adsorbierten Feuchtigkeit erfolgt bei einem ersten Peak 830 von ungefähr 10 °C. Der Phasenübergang des Phasenwechselmaterials erfolgt bei einem zweiten Peak 832 von knapp unter 200 °C. Die Freisetzung des flammhemmenden Mittels beginnt bei einer Temperatur 834 von ungefähr 300 °C. Nach dieser Temperatur kommt es zu einem erheblichen Masseverlust, da das flammhemmende Mittel in die Gasphase übergeht.
Während sich die durch die vorliegende Technologie vorgesehenen Wärmebarrierenkomponenten und Wärmebarrierenanordnungen sowie Akkupacks besonders für die Verwendung als Komponenten in einem Automobil oder anderen Fahrzeugen (z. B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Zügen, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) eignen, können sie auch in einer Vielzahl anderer Industrien und Anwendungen verwendet werden, zum Beispiel (nicht einschränkend) einschließlich Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Konsumgüter, Geräte, Gebäude (z. B. Häuser, Büros, Schuppen, Lagerhallen), Büroausrüstung und -möbel und Maschinen für Industrieausrüstung, landwirtschaftliche Geräte, Landmaschinen oder Schwermaschinen.
Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausgestaltung beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims

Wärmebarrierenkomponente für eine elektrochemische Zelle, umfassend: eine Matte, die Folgendes umfasst: eine poröse Matrix, ein Funktionsmaterial in den Poren der porösen Matrix, wobei das Funktionsmaterial ein Oxid umfasst, und ein polymeres Bindemittel in Kontakt mit der porösen Matrix und dem Funktionsmaterial, wobei die poröse Matrix, das Funktionsmaterial und/oder das polymere Bindemittel dazu ausgelegt sind, als intumeszente Kohlenstoffquelle zu dienen, wobei das Oxid dazu ausgelegt ist, den thermischen Abbau der intumeszenten Kohlenstoffquelle zu katalysieren, um intumeszenten Kohlenstoff bei einer ersten Temperatur von größer oder gleich ungefähr 300 °C zu bilden.
Wärmebarrierenkomponente nach Anspruch 1, wobei das Funktionsmaterial ferner ein Phasenwechselmaterial umfasst, das mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: (i) ein Fest-Fest-Phasenwechselmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pentaerythritol, Pentaglycerin, Neopentylglycol, Polyethylen hoher Dichte, einem geschichteten Porowskit oder einer beliebigen Kombination davon besteht, oder (ii) ein Fest-Flüssig-Phasenwechselmaterial, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Natriumsulfat-Decahydrat, Calciumchlorid-Hexahydrat, Magnesiumchlorid-Hexahydrat, Calciumchlorid-Calciumbromid-Hexahydrat, Magnesiumnitrat-Hexahydrat, Magnesiumchlorid-Magnesiumnitrat-Hexahydrat oder einer beliebigen Kombination davon besteht, und wobei das Phasenwechselmaterial in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 20 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Gewichtsprozent vorliegt.
Wärmebarrierenkomponente nach Anspruch 1, wobei das Funktionsmaterial ferner ein Phasenwechselmaterial umfasst, das dazu ausgelegt ist, als intumeszente Kohlenstoffquelle zu dienen, und dazu ausgelegt ist, bei einer zweiten Temperatur von größer oder gleich ungefähr 100 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 250 °C einen endothermen Phasenwechsel zu durchlaufen.
Wärmebarrierenkomponente nach Anspruch 1, wobei die poröse Matrix Glasfasern, Kohlenstofffasern oder einen Polymerschaum umfasst.
Wärmebarrierenkomponente nach Anspruch 4, wobei die poröse Matrix den Polymerschaum umfasst und der Polymerschaum Polyurethan umfasst und dazu ausgelegt ist, als intumeszente Kohlenstoffquelle zu dienen.
Wärmebarrierenkomponente nach Anspruch 1, wobei die poröse Matrix eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 90 % definiert.
Wärmebarrierenkomponente nach Anspruch 1, wobei das Funktionsmaterial ferner ein flammhemmendes Mittel umfasst, wobei das Funktionsmaterial eine Vielzahl von Teilchen umfasst, die das Oxid umfassen, und wenigstens ein Teil des flammhemmenden Mittels an wenigstens einem Teil der Vielzahl von Teilchen adsorbiert ist.
Wärmebarrierenkomponente nach Anspruch 7, wobei das Oxid dazu ausgelegt ist, das flammhemmende Mittel bei einer zweiten Temperatur von größer oder gleich ungefähr 300 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 900 °C freizusetzen, und das flammhemmende Mittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem phosphatbasierten flammhemmenden Mittel, einem carbonatbasierten flammhemmenden Mittel, einem nitratbasierten flammhemmenden Mittel, einem hydroxidbasierten flammhemmenden Mittel, einem chloridbasierten flammhemmenden Mittel oder einer Kombination davon besteht, und wobei das flammhemmende Mittel in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 5 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 25 Gewichtsprozent vorliegt.
Wärmebarrierenkomponente nach Anspruch 1, wobei das Funktionsmaterial einen Zeolithen umfasst, wobei der Zeolith ein Oxid umfasst, wobei das Oxid aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, CaO, V₂O₅, MgO oder einer beliebigen Kombination davon besteht, und das Oxid in der Wärmebarrierenkomponente in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 10 Gewichtsprozent bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gewichtsprozent vorliegt.
Wärmebarrierenkomponente nach Anspruch 1, wobei das Funktionsmaterial Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Teilchen, die das Oxid umfassen, und Wasser, das an der Vielzahl von Teilchen adsorbiert ist, wobei das Wasser dazu ausgelegt ist, bei einer zweiten Temperatur von größer oder gleich ungefähr 100 °C aus der Vielzahl von Teilchen freigesetzt zu werden.