DE202022002757U1

DE202022002757U1 - Entlüftungs- und Filterkomponenten für eine Thermoelement-Barriere

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Publication number: DE202022002757U1
Application number: DE202022002757.5U
Authority: DE
Original assignee: Aspen Aerogels Inc
Current assignee: Aspen Aerogels Inc
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2022-07-01
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: TW202319245A; KR20240021735A; EP4337463A1; WO2023279094A1; US20240308180A1; JP2024528358A

Abstract

Isolationsbarriere (100) zur Verwendung in einem elektrischen Energiespeichersystem, wobei die Isolationsbarriere (100) umfasst:
mindestens eine Isolationsschicht (110);
eine Verkapselungsschicht (120), die die Isolierschicht (110) zumindest teilweise umgibt, wobei die Verkapselungsschicht (120) eine oder mehrere Öffnungen (130) umfasst; und
eine Partikelaufnahmeschicht (140);
wobei die Isolationsbarriere (100) dazu konfiguriert ist, den Partikel- und Gasstrom, der während der Kompression der Isolationsbarriere (100) erzeugt wird, zu der einen oder den mehreren Öffnungen (130) der Verkapselungsschicht (120) zu leiten, und
wobei die Partikelaufnahmeschicht (140) dazu konfiguriert ist, die Partikel zumindest teilweise zu halten.

Description

GEBIET DER TECHNOLOGIE
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Materialien, Systeme und Verfahren zum Entlüften und Filtern von Batteriemodulen oder Batteriepacks. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Materialien, Systeme und Verfahren zum Bereitstellen gefilterter Entlüftungsöffnungen, um zu ermöglichen, dass Gas durch eine Isolationsbarriere entweichen kann, während Schwebstoffe in den freigesetzten Gasen aufgenommen werden.
HINTERGRUND
Wiederaufladbare Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien weisen ein breites Anwendungsgebiet in den leistungsbetriebenen und Energiespeichersystemen auf. Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden häufig in transportierbaren elektronischen Vorrichtungen wie Mobiltelefonen, Tablets, Laptops, Motorwerkzeugen und anderen Hochstromvorrichtungen wie Elektrofahrzeugen aufgrund ihrer hohen Arbeitsspannung, niedrigen Speichereffekte und hohen Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien verwendet. Die Sicherheit stellt jedoch ein Problem dar, da LIBs für katastrophale Fehler unter „Missbrauch-Bedingungen“ anfällig sind, wie wenn eine wiederaufladbare Batterie überladen (über die dafür ausgelegte Spannung hinaus geladen), überentladen oder mit hoher Temperatur und hohem Druck betrieben oder diesen ausgesetzt wird. Infolgedessen handelt es sich bei engen Betriebstemperaturbereichen und Lade-/Entladeraten um Einschränkungen bei der Verwendung von LIBs, da LIBs durch ein Ereignis eines schnellen Selbsterwärmens oder eines thermischen Durchgehens versagen können, wenn sie Bedingungen außerhalb ihres ausgelegten Anwendungsfensters ausgesetzt ist.
Das thermische Durchgehen kann auftreten, wenn die interne Reaktionsrate zu dem Punkt zunimmt, dass mehr Wärme produziert wird als entnommen werden kann, was zu einer weiteren Zunahme sowohl der Reaktionsrate als auch der Wärmeproduktion führt.
Während des thermischen Durchgehens lösen hohe Temperaturen eine Kette exothermer Reaktionen in einer Batterie aus, was bewirkt, dass die Temperatur der Batterie schnell zunimmt. In vielen Fällen, wenn ein thermisches Durchgehen in einer Batteriezelle auftritt, erwärmt die produzierte Wärme die Zellen in unmittelbarer Nähe zu der Zelle, die das thermische Durchgehen erfährt. Jede Zelle, die zu einer Reaktion des thermischen Durchgehens hinzugefügt wird, enthält zusätzliche Energie, um die Reaktionen fortzusetzen, was ein Ausbreiten von thermischem Durchgehen innerhalb des Batteriepacks bewirkt, was schließlich zu einem Unglück mit Feuer oder Explosion führt. Eine rasche Wärmeabgabe und ein wirksamer Block von Wärmeübertragungspfaden können effektive Gegenmaßnahmen sein, um die Gefahr zu verringern, die durch die Ausbreitung von thermischem Durchgehen bewirkt wird.
Basierend auf dem Verständnis der Mechanismen, die zu einem thermischen Durchgehen einer Batterie führen, werden viele Ansätze untersucht, mit dem Ziel, Gefahren für die Sicherheit durch die rationale Bauweise von Batteriekomponenten zu verringern. Um zu verhindern, dass solche kaskadierenden Ereignisse des thermischen Durchgehens auftreten, sind LIBs üblicherweise ausgelegt, um entweder die gespeicherte Energie ausreichend niedrig zu halten oder thermische Barrieren zwischen Zellen innerhalb des Batteriemoduls oder -packs anzuwenden, um sie von thermischen Ereignissen zu isolieren, die in einer angrenzenden Zelle auftreten können, oder für eine Kombination davon. Ersteres schränkt stark die Energiemenge ein, die möglicherweise in einer solchen Vorrichtung gespeichert werden könnte. Letzteres schränkt ein, wie nahe Zellen platziert werden können und schränkt dadurch die effektive Energiedichte ein.
Aerogel-Materialien wurden bereits als thermische Barrierematerialien verwendet. Thermische Aerogel-Barrieren bieten zahlreiche Vorteile gegenüber anderen thermischen Barrierematerialien. Einige dieser Vorteile schließen eine günstige Beständigkeit gegen Wärmeausbreitung und Feuerausbreitung ein, während die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien minimiert werden. Thermische Aerogel-Barrieren besitzen ebenso günstige Eigenschaften für Kompressibilität, Kompressionselastizität und Nachgiebigkeit. Einige thermische Barrieren auf Aerogel-Basis, aufgrund ihres leichten Gewichts und niedriger Steifigkeit, können schwierig zwischen Batteriezellen, insbesondere in einer Massenerzeugungseinstellung, installiert werden. Darüber hinaus neigen thermische Aerogel-Barrieren dazu, Schwebstoffe (Staub) zu erzeugen, die sich nachteilig auf die elektrischen Speichersysteme auswirken können, was zu Problemen in der Herstellung führen kann.
Um die Probleme, die mit der Handhabung von Aerogel-Materialien verbunden sind, abzuschwächen, können thermische Aerogel-Barrieren verkapselt werden. Verkapselungsmaterialien, die verwendet werden, um thermische Aerogel-Barrieren zu verkapseln, schaffen üblicherweise eine gasdichte Abdichtung um die thermische Barriere herum und verhindern die Freisetzung von Schwebstoffen aus der Isolationsbarriere.
KURZDARSTELLUNG
Es ist ein Zweck der vorliegenden Offenbarung, mindestens einen Nachteil früherer Verfahren und Materialien, die vorstehend erwähnt wurden, zu vermeiden oder abzuschwächen. Die hierin bereitgestellten Isolationsbarrieren sind ausgelegt, um die Verkapselung und die Handhabung von thermischen Barrieren, die in Batteriemodulen oder Batteriepacks verwendet werden, zu verbessern.
In einem Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Isolationsbarriere zur Verwendung in einem elektrischen Energiespeichersystem Folgendes: mindestens eine Isolationsschicht; eine Verkapselungsschicht, die mindestens teilweise die Isolationsschicht umgibt, die Verkapselungsschicht umfassend eine oder mehrere Öffnungen; und eine Partikelaufnahmeschicht, die mit der Verkapselungsschicht gekoppelt ist. Partikel und Gase, die während einer Kompression der Isolationsbarriere erzeugt werden, fließen zu der einen oder den mehreren Öffnungen der Verkapselungsschicht. Die Partikel und Gase fließen durch die Partikelaufnahmeschicht, wo mindestens ein Anteil der Partikel in der Partikelaufnahmeschicht gehalten wird.
In einem Gesichtspunkt der Offenbarung ist die Partikelaufnahmeschicht an einer Außenoberfläche der Verkapselungsschicht über der einen oder den mehreren Öffnungen positioniert. Partikel, die während einer Kompression der Isolationsbarriere erzeugt werden, treten durch die eine oder die mehreren Öffnungen der Verkapselungsschicht und werden mindestens teilweise innerhalb der Partikelaufnahmeschicht gehalten.
In einem Gesichtspunkt der Offenbarung weist die Verkapselungsschicht eine längliche Öffnung auf. Die Verkapselungsschicht bedeckt die Isolationsschicht derart teilweise, dass die längliche Öffnung in der Verkapselungsschicht entlang einer Seite der Isolationsschicht positioniert ist. Die Partikelaufnahmeschicht ist derart mit der Verkapselungsschicht gekoppelt, dass die Partikelaufnahmeschicht über der länglichen Öffnung in der Verkapselungsschicht positioniert ist.
In einem Gesichtspunkt der Offenbarung weist die Verkapselungsschicht eine Vielzahl von Öffnungen auf, die entlang einer oder mehrerer Seiten der Isolationsschicht positioniert sind. Die Partikelaufnahmeschicht ist derart mit der Verkapselungsschicht gekoppelt, dass die Partikelaufnahmeschicht über der Vielzahl von Öffnungen in der Verkapselungsschicht positioniert ist.
In einigen Gesichtspunkten der Offenbarung ist die Partikelaufnahmeschicht durch ein Klebstoffmaterial mit der Verkapselungsschicht gekoppelt. Das Klebstoffmaterial ist nahe den Öffnungen in der Verkapselungsschicht derart positioniert, dass das Klebstoffmaterial als eine Barriere für den Fluss der Partikel und des Gases wirkt, wobei die Partikel und das Gas in die Partikelaufnahmeschicht geleitet werden.
In einem Gesichtspunkt der Offenbarung ist die Partikelaufnahmeschicht in der Verkapselungsschicht positioniert. Während der Verwendung treten Partikel und Gase, die während der Kompression der Isolationsbarriere erzeugt werden, vor dem Durchtritt durch eine oder mehrere Öffnungen der Verkapselungsschicht in die Partikelaufnahmeschicht ein und werden mindestens teilweise innerhalb der Partikelaufnahmeschicht gehalten.
Die Partikelaufnahmeschicht kann ein Schaumstoffmaterial, ein gewebtes Material, ein Vliesmaterial oder ein gesponnenes Material sein.
In einem Gesichtspunkt der Offenbarung schließt die Isolationsbarriere einen oder mehrere Polymerfilme ein, die mit der Partikelaufnahmeschicht gekoppelt sind. Die Polymerfilme hemmen während der Kompression der Isolationsbarriere Partikel und/oder nehmen diese auf. Der eine oder die mehreren Polymerfilme können in der Form eines Filters vorliegen, der den Partikelfluss durch den Polymerfilm hemmt und den Durchtritt von Gasen durch Polymerfilm ermöglicht. In einem Gesichtspunkt der Offenbarung bedeckt einer der Polymerfilme einen Abschnitt der Partikelaufnahmeschicht gegenüber der Isolationsschicht. In einem anderen Gesichtspunkt der Offenbarung bedeckt einer der Polymerfilme einen Abschnitt der Isolationsschicht und der Partikelaufnahmeschicht.
In einem Gesichtspunkt der Offenbarung weist die Isolationsschicht eine thermische Leitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolationsschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C auf. In einem Gesichtspunkt der Offenbarung umfasst die Isolationsschicht ein Aerogel.
In einem Gesichtspunkt der Offenbarung umfasst die Isolationsschicht ein Aerogel-Material.
In einem Gesichtspunkt der Offenbarung umfasst die Verkapselungsschicht ein Polymermaterial. In einigen Gesichtspunkten der Offenbarung umfasst die Verkapselungsschicht ein Polymermaterial und eine Metallschicht, die in das Polymermaterial eingebettet ist.
In einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen und eine oder mehrere Isolationsbarrieren, wie hierin beschrieben, die zwischen angrenzenden Batteriezellen eingerichtet sind.
In einem anderen Gesichtspunkt ist hierin eine Vorrichtung oder ein Fahrzeug bereitgestellt, die/das das Batteriemodul oder das -pack gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte einschließt. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der Vorrichtung um einen Laptop-Computer, einen PDA, ein Mobiltelefon, einen Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, militärische Telefone, Laserentfernungsmesser, eine digitale Kommunikationsvorrichtung, einen Informationsgewinnungssensor, elektronisch integrierte Bekleidung, Nachtsichtausrüstung, ein Motorwerkzeug, einen Rechner, ein Radio, einen ferngesteuerten Apparat, eine GPS-Vorrichtung, einen tragbaren und transportierbaren Fernseher, einen Autostarter, Blitzlichter, akustische Vorrichtungen, eine transportierbare Heizvorrichtung, einen transportierbaren Vakuumreiniger oder ein transportierbares medizinisches Instrument. In einigen Ausführungsformen ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug.
Die hierin beschriebene Isolationsbarriere kann einen oder mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Abschwächungsstrategien des thermischen Durchgehens bereitstellen. Die hierin beschriebene Isolationsbarriere kann eine Ausbreitung des thermischen Durchgehens einer Zelle minimieren oder beseitigen, ohne die Energiedichte des Batteriemoduls oder des -packs und die Montagekosten signifikant zu beeinflussen. Die Isolationsbarriere der vorliegenden Offenbarung kann günstige Eigenschaften für Kompressibilität, Kompressionselastizität und Nachgiebigkeit bereitstellen, um ein Swelling der Zellen anzupassen, das während der Lebensdauer der Zelle anhält, während es günstige thermische Eigenschaften unter normalen Betriebsbedingungen sowie unter Bedingungen des thermischen Durchgehens besitzt. Die hierin beschriebenen Isolationsbarrieren sind haltbar und leicht zu handhaben, weisen einen günstigen Widerstand gegen Wärmeausbreitung und Feuerausbreitung auf, während die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien minimiert werden und weisen ebenso günstige Eigenschaften für Kompressibilität, Kompressionselastizität und Nachgiebigkeit auf.
Figurenliste
Nachdem somit die Offenbarung allgemein beschrieben wurde, wird nun auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, und wobei:

1A und 1B Projektionsansichten einer Isolationsbarriere sind, die eine Partikelaufnahmeschicht aufweist, die mit einer Seite einer Isolationsschicht gekoppelt ist;
2A und 2B Projektionsansichten einer Isolationsbarriere sind, die eine Partikelaufnahmeschicht aufweist, die mit einer Seite einer Isolationsschicht gekoppelt ist, die teilweise durch eine Verkapselungsschicht bedeckt ist;
3 eine Projektionsansicht einer Isolationsbarriere ist, die eine Partikelaufnahmeschicht aufweist, die mit einer Seite einer Isolationsschicht gekoppelt ist, wobei die Partikelaufnahmeschicht mit der Isolationsschicht verkapselt ist;
4 eine End- und Seitenansicht einer Isolationsbarriere darstellt, die eine verkapselte Isolationsschicht mit einer Partikelaufnahmeschicht aufweist, die mit einer Seitenwand der Isolationsschicht gekoppelt ist.
5 eine Projektionsansicht einer Isolationsbarriere darstellt, die Polymerfilmfilterschichten aufweist;
6 ein schematisches Diagramm einer Isolationsbarriere darstellt, die eine Partikelaufnahmeschicht, die mit der Isolationsschicht verkapselt ist, und eine oder mehrere Öffnungen in der Verkapselungsschicht aufweist, die es Gasen ermöglichen, durch die Isolationsbarriere hinauszutreten.
7 ein schematisches Diagramm einer Isolationsbarriere darstellt, die eine verkapselte Isolationsschicht mit einer Partikelaufnahmeschicht aufweist, die durch einen Klebstoff mit der Verkapselungsschicht gekoppelt ist;
8 ein alternatives schematisches Diagramm einer Isolationsbarriere darstellt, die eine verkapselte Isolationsschicht mit einer Partikelaufnahmeschicht aufweist, die durch einen Klebstoff mit der Verkapselungsschicht gekoppelt ist; und
9 ein schematisches Diagramm eines Batteriemoduls darstellt, das Isolationsbarrieren zwischen Batteriezellen aufweist.

Obwohl die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen anfällig sein kann, sind spezifische Ausführungsformen davon in den Zeichnungen beispielhaft aufgezeigt und werden hierin detailliert beschrieben. Die Zeichnungen sind möglicherweise nicht maßstabsgetreu. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung dazu nicht darauf abzielen, die Erfindung auf die bestimmte offenbarte Form zu beschränken, sondern dass die Absicht vielmehr ist, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in den Geist und den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, wie durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon ausbilden und innerhalb derer veranschaulichende spezifische Ausführungsformen aufgezeigt werden, durch die die Offenbarung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Isolationsbarriere und Systeme, einschließlich Isolationsbarrieren, um Probleme bei thermischem Durchgehen in Energiespeichersystemen zu handhaben. Beispielhafte Ausführungsformen schließen eine Isolationsbarriere ein, umfassend mindestens eine Isolationsschicht und eine die Isolationsschicht mindestens teilweise umgebende Verkapselungsschicht.
Eine Isolationsschicht kann jede Art von Isolationsschicht einschließen, die üblicherweise verwendet wird, um Batteriezellen oder Batteriemodule zu trennen. Beispielhafte Isolationsschichten schließen thermische Barrieren auf Polymerbasis (z. B. Polypropylen, Polyester, Polyimid und aromatisches Polyamid (aramid)), Phasenwechselmaterialien, intumeszente Materialien, Aerogel-Materialien, mineralbasierte Barriere (z. B. Glimmer) und anorganische thermische Barrieren (z. B. Glasfaser enthaltende Barrieren) ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Isolationsschicht ein Aerogel-Material. Eine Beschreibung einer Aerogel-Isolationsschicht ist in der US-Patentanmeldung Nr. 2021/0167438 und der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/218.205 beschrieben, die beide durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind.
Die Isolationsschicht kann eine thermische Leitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolationsschicht etwa 50 mW/mK oder weniger, etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger, etwa 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger, oder in einem Bereich zwischen beliebigen zwei dieser Werte bei 25 °C unter einer Belastung von bis zu etwa 5 MPa aufweisen.
Isolationsschichten können eine Anzahl unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften aufweisen, die es schwierig machen, die Isolationsschichten in ein Batteriemodul oder ein Batteriepack einzubauen. Zum Beispiel weisen einige Isolationsschichten einen sehr niedrigen Biegemodul auf (z. B. weniger als 10 MPa), wodurch die Materialien schwierig zu handhaben und zwischen Batteriezellen zu positionieren sind. Zusätzlich kann ein niedriger Biegemodul schwierig zu manipulieren sein, insbesondere falls ein automatisierter Verkapselungsprozess verwendet wird. Einige Isolationsschichten neigen dazu, Schwebstoffe (Staub) zu erzeugen, die sich nachteilig auf die elektrischen Speichersysteme auswirken können, was zu Problemen in der Herstellung führen kann.
Diese Probleme können durch die Verwendung einer Verkapselungsschicht abgeschwächt werden. Die Verkapselungsschicht umgibt derart zumindest einen Abschnitt der Isolationsschicht, dass die Verkapselungsschicht hemmt oder verhindert, dass Schwebstoffe in ein Batteriemodul oder ein Batteriepack freigesetzt werden. Die Verkapselungsschicht ist üblicherweise um die Isolationsschicht herum abgedichtet, so dass Partikel und Gase nicht in die Verkapselungsschicht eintreten oder diese verlassen können. Während der Kompression der Verkapselungsschicht könnte die Verkapselungsschicht zerreißen oder undicht werden, was Partikel und Gas in das Batteriemodul freisetzt. Um dieses Problem abzuschwächen, können Modifikationen an der Verkapselungsschicht vorgenommen werden. Die erste Modifikation besteht darin, dass in der Verkapselungsschicht eine oder mehrere Öffnungen bereitgestellt sind. Diese Öffnungen stellen einen Flusspfad bereit, durch den Gas und Partikel aus der Verkapselungsschicht austreten können. Die zweite Modifikation besteht darin, eine Partikelaufnahmeschicht mit der Verkapselungsschicht zu koppeln. Partikel und Gas, die während einer Kompression der Isolationsbarriere erzeugt werden, fließen zu der einen oder den mehreren Öffnungen der Verkapselungsschicht und beliebige Schwebstoffe, die mit dem Gas fließen, werden mindestens teilweise innerhalb der Partikelaufnahmeschicht gehalten.
Bei der Verkapselungsschicht handelt es sich um eine einzelne Schicht oder mehrere Schichten von Material. Die Verkapselungsschicht kann in der Form eines Films, einer Hülle oder eines Beutels vorliegen. Die Verkapselungsschicht kann aus jedem Material bestehen, das geeignet ist, um die Isolationsschicht zu umschließen. Materialien, die verwendet werden, um die Verkapselungsschicht auszubilden, können aus einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt sein. Beispiele für geeignete Polymere wie Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen, Polyamid und Nylon weisen eine sehr niedrige thermische Leitfähigkeit (weniger als 1 W/m) auf, was den Effekt eines Absenkens der thermischen Leitfähigkeit des Gesamtsystems durch die Ebene aufweist. In einer Ausführungsform umfasst die Verkapselungsschicht Polyethylenterephthalatpolymer.
In einer anderen Ausführungsform besteht die Verkapselungsschicht aus mehreren Materialschichten. Zum Beispiel kann ein mehrschichtiges Material, das ähnlich wie Materialien ist, die verwendet werden, um Pouch-Batteriezellengehäuse auszubilden, verwendet werden. In einer Ausführungsform umfasst die Verkapselungsschicht ein Laminat, umfassend drei Schichten: eine erste Polymerschicht, eine zweite thermisch leitende Schicht und eine dritte Polymerschicht, wobei die thermisch leitende Schicht zwischen der ersten und der dritten Polymerschicht eingelegt ist. Die erste und die dritte Polymerschicht sind vorzugsweise aus einem Polymer ausgebildet, das eine sehr niedrige thermische Leitfähigkeit (weniger als 1 W/m) aufweist. Beispiele für Polymere, die für die erste und die dritte Polymerschicht verwendet werden können, schließen Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen, Polyamid und Nylon ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispiele für thermisch leitende Materialien, die in der zweiten Schicht verwendet werden können, schließen Metalle (z. B. Kupfer, Edelstahl oder Aluminium), Kohlefasern, Graphit und Siliziumcarbide ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Wenn eine thermisch leitende Metallschicht verwendet wird, kann das Metall in der Form einer Folie vorliegen, die zwischen den Polymerschichten eingelegt ist.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Verkapselungsschicht ein Laminat, umfassend drei Schichten: eine erste Polymerschicht, eine zweite flammenbeständige Schicht und eine dritte Polymerschicht, wobei die flammenbeständige Schicht zwischen der ersten und der dritten Polymerschicht eingelegt ist. Die erste und die dritte Polymerschicht sind vorzugsweise aus einem Polymer ausgebildet, das eine sehr niedrige thermische Leitfähigkeit (weniger als 1 W/m) aufweist, wie zuvor erörtert. Beispiele für flammenbeständige Materialien, die in der zweiten Schicht verwendet werden können, schließen Metalle (z. B. Kupfer, Edelstahl oder Aluminium), Glimmer, Polybenzimidazolfaser (PBI-Faser), beschichtetes Nylon, Melamin, Modacryl und aromatisches Polyamid(aramid) ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Wenn eine thermisch leitende Metallschicht verwendet wird, kann das Metall in der Form einer Folie vorliegen, die zwischen den Polymerschichten eingelegt ist.
Metalle sind ein bevorzugtes Material zur Verwendung in einer Laminat-Verkapselungsschicht. Metalle stellen sowohl thermisch leitende Eigenschaften als auch eine Flammenbeständigkeit der Verkapselungsschicht bereit. Durch Verwenden eines einzelnen Materials, um sowohl Flammenbeständigkeit als auch thermische Leitfähigkeit bereitzustellen, kann die Dicke der Verkapselungsschicht minimiert werden.
Eine Ausführungsform einer Isolationsbarriere, umfassend eine Partikelaufnahmeschicht, ist in 1A und 1B dargestellt. Die Isolationsbarriere 100 schließt eine Isolationsschicht 110 ein. Die Isolationsschicht 110 ist durch die Verkapselungsschicht 120 umgeben. Wie in 1B aufgezeigt, können eine oder mehrere Öffnungen 130 in der Verkapselungsschicht 120 ausgebildet sein. Eine Partikelaufnahmeschicht 140 ist mit der Verkapselungsschicht 120 gekoppelt. In dieser Ausführungsform ist die Partikelaufnahmeschicht 140 auf einer Außenoberfläche der Verkapselungsschicht 120 über der einen oder den mehreren Öffnungen positioniert. Während der Kompression der Isolationsbarriere fließen Partikel und Gas zu einer oder mehreren der Öffnungen der Verkapselungsschicht. Wenn die Partikel und das Gas durch die Öffnungen hindurchtreten, treten das Gas und die Partikel in die Partikelaufnahmeschicht ein, wobei mindestens ein Anteil der Partikel innerhalb der Partikelaufnahmeschicht gehalten wird. In diesem Fall und jeder anderen Ausführungsform versteht es sich, dass, während die Partikelaufnahmeschicht als auf einem Ende der Isolationsschicht positioniert dargestellt ist, die Partikelaufnahmeschicht und die Öffnungen in der Verkapselungsschicht entlang einer beliebigen Seite der Isolationsschicht (d. h. der Oberseite, der Unterseite, der vorderen Seitenwand, der hinteren Seitenwand, des vorderen Endes und des hinteren Endes) positioniert werden können.
Eine Partikelaufnahmeschicht, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Materialschicht, die Partikel fangen kann, die auf das Material auftreffen. Beispiele für Materialien, die für die Partikelaufnahmeschicht verwendet werden, schließen Schaumstoff (offene Zelle oder geschlossene Zelle), gewebte Materialien, Vliesmaterialien (z. B. Filz, Wattierung, mattiertes Gewebe) oder ein gesponnenes Material ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Im Allgemeinen ist die Partikelaufnahmeschicht aus einem Material hergestellt, das einen Durchtritt von Gas durch das Material ermöglicht, während Partikel in der Partikelaufnahmeschicht gehalten werden.
Eine Ausführungsform einer Isolationsbarriere, umfassend eine Partikelaufnahmeschicht, ist in 2A und 2B dargestellt. Die Isolationsbarriere 200 schließt eine Isolationsschicht 210 ein. Die Isolationsschicht 210 ist durch die Verkapselungsschicht 220 umgeben. Wie in 2B aufgezeigt, ist die Verkapselungsschicht nicht vollständig entlang einer Seite der Isolationsschicht abgedichtet. Auf diese Weise kann eine einzelne längliche Öffnung 230 entlang der gesamten Seite der Isolationsschicht ausgebildet sein. Eine Partikelaufnahmeschicht 240 ist über die längliche Öffnung 230 gekoppelt. In dieser Ausführungsform ist die Partikelaufnahmeschicht 240 auf einer Außenoberfläche der Isolationsschicht 210 positioniert. Während der Kompression der Isolationsbarriere fließen Partikel und Gas zu der länglichen Öffnung der Verkapselungsschicht. Wenn die Partikel und Gas durch die Öffnung hindurchtreten, treten das Gas und die Partikel in die Partikelaufnahmeschicht ein, wobei mindestens ein Anteil der Partikel innerhalb der Partikelaufnahmeschicht gehalten wird.
Eine andere Ausführungsform einer Isolationsbarriere, umfassend eine Partikelaufnahmeschicht, ist in 3 dargestellt. Isolationsbarriere 300 schließt eine Isolationsschicht 310 ein. Isolationsschicht 310 ist durch die Verkapselungsschicht 320 umgeben. Eine oder mehrere Öffnungen 330 können in der Verkapselungsschicht 320 ausgebildet sein. Eine Partikelaufnahmeschicht 340 ist mit der Verkapselungsschicht 320 gekoppelt. In dieser Ausführungsform ist die Partikelaufnahmeschicht 340 zwischen der Isolationsschicht 310 und der Verkapselungsschicht 320 in Fluidverbindung mit der einen oder den mehreren Öffnungen positioniert. Während der Kompression der Isolationsbarriere fließen Partikel und Gas zu einer oder mehreren der Öffnungen der Verkapselungsschicht. Wenn die Partikel und das Gas zu den Öffnungen hindurchtreten, treten das Gas und die Partikel in die Partikelaufnahmeschicht ein, wobei mindestens ein Anteil der Partikel innerhalb der Partikelaufnahmeschicht gehalten wird. Das Gas fährt durch die Partikelaufnahmeschicht 340 und durch Öffnungen 330 nach draußen fort. Partikel werden im Wesentlichen in der Partikelaufnahmeschicht gehalten, während das Gas durch das Material hindurchtritt.
Eine andere Ausführungsform einer Isolationsbarriere, umfassend eine Partikelaufnahmeschicht, ist in 4 dargestellt. Die Isolationsbarriere 400 schließt eine Isolationsschicht 410 ein. Die Isolationsschicht 410 ist durch die Verkapselungsschicht 420 umgeben. Eine oder mehrere Öffnungen 430 können in einer Seitenwand der Verkapselungsschicht 420 ausgebildet sein. Eine Partikelaufnahmeschicht 440 ist an der Verkapselungsschicht 420 unter Verwendung eines Klebstoffs 450 (z. B. Klebstoffstreifen) befestigt. In dieser Ausführungsform ist die Partikelaufnahmeschicht 340 über den Öffnungen positioniert, die in der Verkapselungsschicht ausgebildet sind. Während der Kompression der Isolationsbarriere fließen Partikel und Gas zu einer oder mehreren der Öffnungen der Verkapselungsschicht. Wenn die Partikel und das Gas zu den Öffnungen hindurchtreten, treten das Gas und die Partikel in die Partikelaufnahmeschicht ein, wobei mindestens ein Anteil der Partikel innerhalb der Partikelaufnahmeschicht gehalten wird. Das Gas fährt durch die Partikelaufnahmeschicht 340 und durch Öffnungen 330 nach draußen fort. Partikel werden im Wesentlichen in der Partikelaufnahmeschicht gehalten, während das Gas durch das Material hindurchtritt.
Eine andere Ausführungsform einer Isolationsbarriere, umfassend eine Partikelaufnahmeschicht, ist in 5A und 5B dargestellt. Die Isolationsbarriere 500 schließt eine Isolationsschicht 510 ein. Die Partikelaufnahmeschicht 540 ist mit der Isolationsschicht 510 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen ist ein erster Polymerfilm 515 zwischen der Isolationsschicht und der Partikelaufnahmeschicht positioniert. Die Isolationsschicht 510, der erste Polymerfilm 515 und die Partikelaufnahmeschicht 540 sind durch die Verkapselungsschicht 520 umgeben. Eine oder mehrere Öffnungen 530 können in der Verkapselungsschicht 520 ausgebildet sein. Ein zweiter Polymerfilm 550 ist mit der Partikelaufnahmeschicht 540 gekoppelt und zwischen der Isolationsschicht 510, der Partikelaufnahmeschicht 540 und den Öffnungen 530 positioniert. Der erste und der zweite Polymerfilm können in der Form eines Filters vorliegen, der es Gasen ermöglicht, durch den Film hindurchzutreten, jedoch den Fortschritt der Partikel durch den Film hemmt. Beispiele für Polymermaterialien, die verwendet werden können, sind Polyethylenterephthalat (PET) und Polypropylen (PP). Der erste und der zweite Polymerfilm sind dünne Filme (z. B. ein Polymerfilm, der eine Dicke von weniger als 1 mm aufweist). Während der Kompression der Isolationsbarriere fließen Partikel und Gas zu einer oder mehreren der Öffnungen der Verkapselungsschicht. Der erste und der zweite Polymerfilm wirken als Filter, die zumindest einen Anteil der Partikel erfassen, während die Partikel zu den Öffnungen gedrückt werden. Das Gas fährt durch die Partikelaufnahmeschicht 540 und durch Öffnungen 530 nach draußen fort. Partikel werden im Wesentlichen in der Partikelaufnahmeschicht gehalten, während das Gas durch das Material hindurchtritt.
Eine andere Ausführungsform einer Isolationsbarriere, umfassend eine Partikelaufnahmeschicht, ist in 6 dargestellt. Die Isolationsbarriere 600 schließt eine Isolationsschicht 610 ein. Eine Partikelaufnahmeschicht 640 ist mit der Isolationsschicht 610 gekoppelt. Ein Polymerfilm 650 ist mit der Partikelaufnahmeschicht 640 gekoppelt.
Die Isolationsschicht 610, der Polymerfilm 650 und die Partikelaufnahmeschicht 640 sind durch die Verkapselungsschicht 620 umgeben. Eine oder mehrere Öffnungen 630 sind in der Verkapselungsschicht 620 ausgebildet. Der Polymerfilm 650 ist zwischen der Partikelaufnahmeschicht 640 und einer oder mehreren Öffnungen 630 positioniert. Der Polymerfilm 650 kann für den Durchtritt von Gasen und Partikeln undurchlässig sein. Während der Kompression der Isolationsbarriere fließen Partikel und Gas zu einer oder mehreren der Öffnungen der Verkapselungsschicht. Die Barriereeigenschaften des Polymerfilms 650 leiten Gase und Partikel, die in die Partikelaufnahmeschicht eintreten, weiter weg von den Öffnungen durch die Partikelaufnahmeschicht, bevor die Gase durch Öffnungen 630 austreten. Durch ein Schaffen eines erweiterten Flusspfads durch das Partikelaufnahmematerial wird die Partikelaufnahmeeffizienz verbessert.
Eine andere Ausführungsform einer Isolationsbarriere, umfassend eine Partikelaufnahmeschicht, ist in 7 dargestellt. Die Isolationsbarriere 700 schließt eine Isolationsschicht 710 ein. Die Isolationsschicht 710 ist durch die Verkapselungsschicht 720 umgeben. Eine Partikelaufnahmeschicht 740 ist mit der Isolationsschicht 710 durch ein Befestigen der Partikelaufnahmeschicht an der Verkapselungsschicht unter Verwendung eines Klebstoffs 760 (z. B. eines Klebstoffstreifens oder eines Klebstoffpads) gekoppelt. Ein Polymerfilm 750 ist mit der Partikelaufnahmeschicht 740 gekoppelt. Eine oder mehrere Öffnungen 730 sind in der Verkapselungsschicht 720 ausgebildet. Der Polymerfilm 750 ist auf der Seite der Partikelaufnahmeschicht 740 gegenüber der Isolationsschicht 710 positioniert. Der Polymerfilm 750 kann für den Durchtritt von Gasen und Partikeln undurchlässig sein. Während der Kompression der Isolationsbarriere fließen Partikel und Gas durch eine oder mehrere der Öffnungen der Verkapselungsschicht, wie in 7 dargestellt. Die Barriereeigenschaften des Polymerfilms 750 leiten Gase und Partikel durch die Partikelaufnahmeschicht, bevor die Gase durch die Partikelaufnahmeschicht austreten. Der Klebstoff 760 schafft eine zusätzliche Barriere für den Fluss von Partikeln und Gasen. Der Klebstoff 760 leitet die Partikel und Gase, die der Verkapselungsschicht entweichen, in die Partikelaufnahmeschicht. Durch ein Schaffen eines geleiteten Flusspfads durch das Partikelaufnahmematerial wird die Partikelaufnahmeeffizienz verbessert.
Eine andere Ausführungsform einer Isolationsbarriere, umfassend eine Partikelaufnahmeschicht, ist in 8 dargestellt. Die Isolationsbarriere 800 schließt eine Isolationsschicht 810 ein. Die Isolationsschicht 710 ist durch die Verkapselungsschicht 820 umgeben. Eine Partikelaufnahmeschicht 840 ist mit der Isolationsschicht 810 durch ein Befestigen der Partikelaufnahmeschicht an der Verkapselungsschicht unter Verwendung eines Klebstoffs 860 (z. B. eines Klebstoffstreifens oder eines Klebstoffpads) gekoppelt. Ein Polymerfilm 850 ist mit der Partikelaufnahmeschicht 840 gekoppelt. Eine oder mehrere Öffnungen 830 sind in der Verkapselungsschicht 820 ausgebildet. Der Polymerfilm 850 ist auf der Seite der Partikelaufnahmeschicht 840 gegenüber der Isolationsschicht 810 positioniert. Der Polymerfilm 850 kann für den Durchtritt von Gasen und Partikeln undurchlässig sein. Während der Kompression der Isolationsbarriere fließen Partikel und Gas durch eine oder mehrere der Öffnungen der Verkapselungsschicht, wie in 8 dargestellt. Die Barriereeigenschaften des Polymerfilms 850 leiten Gase und Partikel durch die Partikelaufnahmeschicht, bevor die Gase durch die Partikelaufnahmeschicht austreten. Der Klebstoff 760 schafft eine zusätzliche Barriere für den Fluss von Partikeln und Gasen. Der Klebstoff 760 leitet die Partikel und Gase weiter in die Partikelaufnahmeschicht, um einen längeren Flusspfad für die Aufnahme der Partikel zu prüfen. Durch ein Schaffen eines geleiteten Flusspfads durch das Partikelaufnahmematerial wird die Partikelaufnahmeeffizienz verbessert.
Wie in dieser Gebrauchsmusterschrift und den beiliegenden Ansprüchen verwendet, schließen die Singularformen „ein“, „eine“, „einer“ und „der“, „die“, „das“ die Pluralbezüge ein, sofern der Inhalt nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. Wie in dieser Gebrauchsmusterschrift und den beiliegenden Ansprüchen verwendet, wird der Begriff „oder“ im Allgemeinen in seinem Sinne einschließlich „und/oder“ verwendet, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Aerogel“, „Aerogel-Material“ oder „Aerogel-Matrix“ auf ein Gel, umfassend ein Gerüst miteinander verbundener Strukturen, mit einem entsprechenden Netzwerk miteinander verbundener Poren, die innerhalb des Gerüsts integriert sind, und Gase wie Luft als ein dispergiertes interstitielles Medium enthält; und der durch die folgenden physikalischen und strukturellen Eigenschaften gekennzeichnet ist (gemäß Nitrogen Porosimetry Testing), die auf Aerogele zurückzuführen sind: (a) einen durchschnittlichen Porendurchmesser in einem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 100 nm, (b) eine Porosität von mindestens 80 % oder mehr und (c) einen Oberflächeninhalt von etwa 100 m²/g oder mehr.
Aerogel-Materialien der vorliegenden Offenbarung schließen somit beliebige Aerogele oder andere offenzellige Materialien ein, die die definierenden Elemente erfüllen, die in früheren Absätzen angegeben sind; einschließlich Materialien, die anderweitig als Xerogele, Cryogele, Ambigele, mikroporöse Materialien und dergleichen kategorisiert werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich Verweise auf „thermisches Durchgehen“ im Allgemeinen auf die plötzliche, schnelle Zunahme von Zelltemperatur und -druck aufgrund verschiedener Betriebsfaktoren und die wiederum zu einer Ausbreitung von übermäßiger Temperatur in einem zugehörigen Modul führen können. Mögliche Ursachen für das thermische Durchgehen in solchen Systemen können beispielsweise einschließen: Zelldefekte und/oder Kurzschlüsse (sowohl intern als auch extern), Überladung, Zellpunktion oder Bruch, wie im Falle eines Unfalls, und übermäßige Umgebungstemperaturen (z. B. Temperaturen üblicherweise höher als 55 °C). In einem Normalbetrieb erwärmen sich die Zellen aufgrund des inneren Widerstands. Unter normalen Leistungs-/Strombelastungen und Umgebungsbedingungen kann die Temperatur innerhalb der meisten Li-Ionen-Zellen relativ einfach gesteuert werden, um in einem Bereich von 20 °C bis 55 °C zu verbleiben. Belastende Bedingungen wie ein hoher Leistungsverbrauch bei hohen Zell-/Umgebungstemperaturen sowie Defekte in einzelnen Zellen können jedoch die lokale Wärmeproduktion stark erhöhen. Insbesondere werden oberhalb der kritischen Temperatur exotherme chemische Reaktionen innerhalb der Zelle aktiviert. Darüber hinaus steigt die chemische Wärmeproduktion üblicherweise exponentiell mit der Temperatur. Infolgedessen wird die Wärmeproduktion viel größer als die verfügbare Wärmeableitung. Das thermische Durchgehen kann zu Zellbelüftung und internen Temperaturen von mehr als 200 °C führen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „thermische Leitfähigkeit“ und „TC“ auf eine Messung der Fähigkeit eines Materials oder einer Zusammensetzung, Wärme zwischen zwei Oberflächen auf beiden Seiten des Materials oder der Zusammensetzung mit einer Temperaturdifferenz zwischen den zwei Oberflächen zu übertragen. Die thermische Leitfähigkeit wird spezifisch als die pro Zeiteinheit und pro Oberflächeninhaltseinheit übertragene Wärmeenergie gemessen, geteilt durch die Temperaturdifferenz. Es wird üblicherweise in SI-Einheiten als mW/m*K (Milliwatt pro Meter *Kelvin) aufgezeichnet. Die thermische Leitfähigkeit eines Materials kann durch Testverfahren bestimmt werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf ein Testverfahren für Dauerzustandswärmedurchgangseigenschaften mittels der Wärmestrommessereinrichtung (ASTM C518, ASTM International, West Conshohocken, PA); ein Testverfahren für Dauerzustandwärmestrommessungen und Wärmeübertragungseigenschaften mittels des Plattengeräts zur Wärmeschutzprüfung (ASTM C177, ASTM International, West Conshohocken, PA); ein Testverfahren für Dauerzustandswärmeübertragungseigenschaften von Rohrisolierung (ASTM C335, ASTM International, West Conshohocken, PA); einen Test thermischer Leitfähigkeit für ein dünnes Heizelement (ASTM C 1114, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard-Testverfahren für Wärmeübertragungseigenschaften wärmeleitender elektrischer Isolierungsmaterialien (ASTM D5470, ASTM International, West Conshohocken, PA); Bestimmung des Wärmewiderstands mittels des Plattengeräts zur Wärmeschutzprüfung und Wärmeflussmesserverfahren (EN 12667, British Standards Institution, Vereinigtes Königreich); oder Bestimmung des Dauerzustandswärmewiderstands und verwandter Eigenschaften - Plattengerät zur Wärmeschutzprüfung (ISO 8203, International Organization for Standardization, Schweiz). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass innerhalb des Rahmens der vorliegenden Offenbarung und sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, Messungen der thermischen Leitfähigkeit gemäß ASTM C518-Standard (Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus) bei einer Temperatur von etwa 37,5 °C bei Atmosphärendruck in der Umgebung und unter einer Kompressionslast von etwa 2 psi erfasst werden. Die gemäß ASTM C518 angegebenen Messungen korrelieren üblicherweise gut mit beliebigen Messungen, die gemäß EN 12667 durchgeführt wurden, mit beliebiger relevanter Anpassung an die Kompressionslast.
Messungen von thermischer Leitfähigkeit können ebenso bei einer Temperatur von etwa 10 °C bei Atmosphärendruck unter Kompression erfasst werden. Messungen von thermischer Leitfähigkeit bei 10 °C sind im Allgemeinen 0,5-0,7 mW/mK niedriger als entsprechende Messungen von thermischer Leitfähigkeit bei 37,5 °C. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolationsschicht der vorliegenden Offenbarung eine thermische Leitfähigkeit bei 10 °C von etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger, etwa 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger, oder in einem Bereich zwischen beliebigen zwei dieser Werte auf.
Verwendung der Isolationsbarrieren innerhalb des Batteriemoduls oder des -packs
Lithium-Ionenbatterien (LIBs) werden als eine der wichtigsten Energiespeichertechnologien aufgrund ihrer hohen Betriebsspannung, niedrigen Speichereffekten und hoher Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien angesehen. Sicherheitsprobleme sind jedoch ein signifikantes Hindernis, das großvolumige Anwendungen von LIBs behindert. Unter Missbrauchsbedingungen können exotherme Reaktionen zu einer Freisetzung von Wärme führen, die nachfolgende unsichere Reaktionen auslösen kann. Die Situation verschlechtert sich, da die freigegebene Wärme aus einer abgenutzten Zelle eine Kette von Reaktionen aktivieren kann, die thermisches Durchgehen von katastrophalem Ausmaß bewirkt.
Mit einer kontinuierlichen Verbesserung von LIBs in der Energiedichte wird die Sicherheit bei der Entwicklung von elektrischen Vorrichtungen, z. B. Elektrofahrzeugen, zunehmend drängend. Die Mechanismen, die Sicherheitsbedenken zugrunde liegen, variieren für jede andere Batteriechemie. Die vorliegende Technologie konzentriert sich auf eine Anpassung der Isolationsbarriere und entsprechende Konfigurationen dieser maßgeschneiderten Barrieren, um günstige thermische und mechanische Eigenschaften zu erhalten. Die Isolationsbarrieren der vorliegenden Technologie bieten effektive Wärmeableitungsstrategien unter normalen Bedingungen sowie Bedingungen des thermischen Durchgehens, während die Stabilität der LIB unter normalen Betriebsarten sichergestellt wird (z. B. widersteht aufgebrachten Druckspannungen).
Die hierin offenbarten Isolationsbarrieren eignen sich zum Trennen, Isolieren und Schützen von Batteriezellen oder Batteriekomponenten von Batterien jeder beliebigen Konfiguration, z. B. Pouch-Zellen, zylindrischen Zellen, prismatischen Zellen sowie Packs und Modulen, die solche Zellen aufnehmen oder einschließen. Die hierin offenbarten Isolationsbarrieren eignen sich in wiederaufladbaren Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, Festkörperbatterien und beliebigen anderen Energiespeichervorrichtungen oder -technologien, bei denen Trennung, Isolierung und Schutz erforderlich sind.
Passive Vorrichtungen wie Kühlsysteme können in Verbindung mit den Isolationsbarrieren der vorliegenden Offenbarung innerhalb des Batteriemoduls oder Batteriepacks verwendet werden.
Die Isolationsbarriere gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in einem Batteriepack schließt eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen oder Module von Batteriezellen zum Trennen der einzelnen Batteriezellen oder Module von Batteriezellen thermisch voneinander ein. Ein Batteriemodul besteht aus mehreren Batteriezellen, die in einem einzigen Gehäuse eingerichtet sind. Ein Batteriepack besteht aus mehreren Batteriemodulen. 9 stellt eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 900 dar, das mehrere Batteriezellen 950 aufweist. Verkapselte Isolationsbarrieren 925 sind zwischen Batteriezellen 950 positioniert. Die verkapselte Isolationsbarriere kann eine Beschädigung angrenzender Batteriezellen hemmen oder verhindern, wenn eine Batteriezelle thermisches Durchgehen oder einen anderen katastrophalen Batterzellausfall durchläuft.
Batteriemodule und Batteriepacks können verwendet werden, um eine Vorrichtung oder ein Fahrzeug mit elektrischer Energie zu versorgen. Vorrichtungen, die Batteriemodule oder Batteriepacks verwenden, schließen ein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, einen Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, einen Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, militärische Telefone, Laserentfernungsmesser, eine digitale Kommunikationsvorrichtung, einen Informationsgewinnungssensor, elektronisch integrierte Bekleidung, Nachtsichtausrüstung, Motorwerkzeug, einen Rechner, ein Radio, einen ferngesteuerten Apparat, eine GPS-Vorrichtung, einen tragbaren und transportierbaren Fernseher, einen Autostarter, Blitzlichter, akustische Vorrichtungen, eine transportierbare Heizvorrichtung, einen transportierbaren Vakuumreiniger oder ein transportierbares medizinisches Instrument. Bei einer Verwendung in einem Fahrzeug kann ein Batteriepack für ein vollelektrisches Fahrzeug oder in einem Hybridfahrzeug verwendet werden.
In diesem Gebrauchsmuster wurden bestimmte US-Patente, US-Patentanmeldungen und andere Materialien (z. B. Artikel) durch Bezugnahme aufgenommen. Der Text solcher US-Patente, US-Patentanmeldungen und anderer Materialien wird jedoch nur durch Bezugnahme in dem Ausmaß aufgenommen, dass kein Konflikt zwischen diesem Text und den anderen hierin dargelegten Aussagen und Zeichnungen besteht. Im Falle eines solchen Konflikts wird dann jeder solche widersprüchliche Text, der durch die US-Patente, US-Patentanmeldungen und andere Materialien eingeschlossen ist, ausdrücklich in diesem Gebrauchsmuster nicht durch Bezugnahme aufgenommen.
Weitere Modifikationen und alternative Ausführungsformen verschiedener Gesichtspunkte der Erfindung werden den Fachleuten angesichts dieser Beschreibung ersichtlich. Dementsprechend ist diese Beschreibung lediglich als veranschaulichend zu verstehen und dient dazu, Fachleuten die allgemeine Art der Durchführung der Erfindung zu lehren. Es versteht sich, dass die hierin aufgezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als Beispiele von Ausführungsformen aufzufassen sind. Elemente und Materialien können für die hierin veranschaulichten und beschriebenen ersetzt werden, Teile und Prozesse können umgekehrt werden, und bestimmte Merkmale der Erfindung können unabhängig verwendet werden, alles wie Fachleuten nach Berücksichtigung dieser Beschreibung der Erfindung ersichtlich. Änderungen können in den hierin beschriebenen Elementen vorgenommen werden, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie in den folgenden Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung kann durch einen der folgenden Aspekte gekennzeichnet sein:

1. Isolationsbarriere zur Verwendung in einem elektrischen Energiespeichersystem, die Isolationsbarriere umfassend:
- mindestens eine Isolationsschicht;
- eine Verkapselungsschicht, die die Isolationsschicht mindestens teilweise umgibt,
- die Verkapselungsschicht umfassend eine oder mehrere Öffnungen; und
- eine Partikelaufnahmeschicht, die mit der Verkapselungsschicht gekoppelt ist;
- wobei Partikel und Gas, die während einer Kompression der Isolationsbarriere erzeugt werden, zu der einen oder den mehreren Öffnungen der Verkapselungsschicht fließen und wobei die Partikel mindestens teilweise innerhalb der Partikelaufnahmeschicht gehalten werden.
2. Isolationsbarriere nach Aspekt 1, wobei die Partikelaufnahmeschicht an einer Außenoberfläche der Verkapselungsschicht über der einen oder den mehreren Öffnungen positioniert ist und wobei Partikel, die während der Kompression der Isolationsbarriere erzeugt werden, durch die eine oder die mehreren Öffnungen der Verkapselungsschicht treten und mindestens teilweise innerhalb der Partikelaufnahmeschicht gehalten werden.
3. Isolationsbarriere nach Aspekt 2, wobei die Verkapselungsschicht eine längliche Öffnung umfasst und wobei die Verkapselungsschicht die Isolationsschicht derart teilweise bedeckt, dass die längliche Öffnung in der Verkapselungsschicht entlang einer Seite der Isolationsschicht positioniert ist, und wobei die Partikelaufnahmeschicht mit der Verkapselungsschicht derart gekoppelt ist, dass die Partikelaufnahmeschicht über der länglichen Öffnung in der Verkapselungsschicht positioniert ist.
4. Isolationsbarriere nach Aspekt 2, wobei die Verkapselungsschicht eine Vielzahl von Öffnungen umfasst, die entlang einer oder mehrerer Seiten der Isolationsschicht positioniert sind, und wobei die Partikelaufnahmeschicht mit der Verkapselungsschicht derart gekoppelt ist, dass die Partikelaufnahmeschicht über der Vielzahl von Öffnungen in der Verkapselungsschicht positioniert ist.
5. Isolationsbarriere nach Aspekt 3 oder 4, wobei die Partikelaufnahmeschicht durch ein Klebstoffmaterial mit der Verkapselungsschicht gekoppelt ist.
6. Isolationsbarriere nach Aspekt 5, wobei das Klebstoffmaterial derart nahe der Öffnung positioniert ist, dass das Klebstoffmaterial als eine Barriere für den Fluss der Partikel und des Gases wirkt, wobei die Partikel und das Gas in die Partikelaufnahmeschicht geleitet werden.
7. Isolationsbarriere nach Aspekt 1, wobei die Partikelaufnahmeschicht in der Verkapselungsschicht positioniert ist und wobei, während der Verwendung, Partikel und Gase, die während der Kompression der Isolationsbarriere erzeugt werden, vor dem Durchtreten durch die eine oder die mehreren Öffnungen der Verkapselungsschicht in die Partikelaufnahmeschicht eintreten und mindestens teilweise innerhalb der Partikelaufnahmeschicht gehalten werden.
8. Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Partikelaufnahmeschicht ein Schaumstoffmaterial umfasst.
9. Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Partikelaufnahmeschicht ein gewebtes Material, ein Vliesmaterial oder ein gesponnenes Material umfasst.
10. Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend eine oder mehrere Polymerfilme, die mit der Partikelaufnahmeschicht gekoppelt sind, wobei die Polymerfilme während der Kompression der Isolationsbarriere Partikel hemmen und/oder aufnehmen.
11. Isolationsbarriere nach Aspekt 10, wobei eine oder mehrere der Polymerfilme in der Form eines Filters vorliegen, der den Partikelfluss durch den Polymerfilm hemmt und den Durchtritt von Gasen durch Polymerfilm ermöglicht.
12. Isolationsbarriere nach Aspekt 10, wobei einer der Polymerfilme einen Abschnitt der Partikelaufnahmeschicht gegenüber der Isolationsschicht bedeckt.
13. Isolationsbarriere nach Aspekt 10, wobei einer der Polymerfilme einen Abschnitt der Isolationsschicht und der Partikelaufnahmeschicht bedeckt.
14. Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Isolationsschicht eine thermische Leitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolationsschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweist.
15. Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Isolationsschicht ein Aerogel umfasst.
16. Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Verkapselungsschicht ein Polymermaterial umfasst.
17. Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Verkapselungsschicht ein Polymermaterial und eine Metallschicht umfasst, die in das Polymermaterial eingebettet ist.
18. Batteriemodul, umfassend:
- eine Vielzahl von Batteriezellen und
- eine oder mehrere Isolationsbarrieren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei mindestens eine Isolationsbarriere zwischen angrenzenden Batteriezellen eingerichtet ist.
19. Elektrisches Leistungssystem, umfassend ein oder mehrere Batteriemodule, wie in Aspekt 17 beschrieben.
20. Vorrichtung oder Fahrzeug, umfassend ein Batteriemodul nach Aspekt 17.
21. Vorrichtung nach Aspekt 19, wobei es sich bei der Vorrichtung um einen Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, einen Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, militärische Telefone, Laserentfernungsmesser, eine digitale Kommunikationsvorrichtung, einen Informationsgewinnungssensor, elektronisch integrierte Bekleidung, Nachtsichtausrüstung, Motorwerkzeug, einen Rechner, ein Radio, einen ferngesteuerten Apparat, eine GPS-Vorrichtung, einen tragbaren und transportierbaren Fernseher, einen Autostarter, Blitzlichter, akustische Vorrichtungen, eine transportierbare Heizvorrichtung, einen transportierbaren Vakuumreiniger oder ein transportierbares medizinisches Instrument handelt.
22. Fahrzeug nach Aspekt 19, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2021/0167438 [0028]
US 63218205 [0028]

Claims

Isolationsbarriere (100) zur Verwendung in einem elektrischen Energiespeichersystem, wobei die Isolationsbarriere (100) umfasst: mindestens eine Isolationsschicht (110); eine Verkapselungsschicht (120), die die Isolierschicht (110) zumindest teilweise umgibt, wobei die Verkapselungsschicht (120) eine oder mehrere Öffnungen (130) umfasst; und eine Partikelaufnahmeschicht (140); wobei die Isolationsbarriere (100) dazu konfiguriert ist, den Partikel- und Gasstrom, der während der Kompression der Isolationsbarriere (100) erzeugt wird, zu der einen oder den mehreren Öffnungen (130) der Verkapselungsschicht (120) zu leiten, und wobei die Partikelaufnahmeschicht (140) dazu konfiguriert ist, die Partikel zumindest teilweise zu halten.
Isolationsbarriere nach Anspruch 1, wobei die Partikelaufnahmeschicht (140) mit der Verkapselungsschicht (120) gekoppelt ist.
Isolationsbarriere nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Partikelaufnahmeschicht (140) auf einer Außenoberfläche der Verkapselungsschicht (120) über der einen oder den mehreren Öffnungen (130) positioniert ist.
Isolationsbarriere nach Anspruch 3, wobei die Kapselungsschicht (120) eine längliche Öffnung (230) umfasst und wobei die Kapselungsschicht (120) die Isolationsschicht (110) teilweise bedeckt, so dass die längliche Öffnung (230) in der Kapselungsschicht (120) entlang einer Seite der Isolationsschicht (110) positioniert ist, und wobei die Partikelaufnahmeschicht (140) mit der Verkapselungsschicht (120) so gekoppelt ist, dass die Partikelaufnahmeschicht (140) über der länglichen Öffnung (230) in der Kapselungsschicht (120) positioniert ist.
Isolationsbarriere nach Anspruch 3, wobei die Verkapselungsschicht (120) eine Vielzahl von Öffnungen (130) umfasst, die entlang einer oder mehrerer Seiten der Isolationsschicht (110) positioniert sind, und wobei die Partikelaufnahmeschicht (140) mit der Verkapselungsschicht (120) derart gekoppelt ist, dass die Partikelaufnahmeschicht (140) über der Vielzahl von Öffnungen (130) in der Verkapselungsschicht (120) positioniert ist.
Isolationsbarriere (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Partikelaufnahmeschicht (440) mit der Verkapselungsschicht (420) durch ein Klebstoffmaterial (450) gekoppelt ist.
Isolationsbarriere nach Anspruch 6, wobei das Klebstoffmaterial (450) in der Nähe der einen oder mehreren Öffnungen (430) positioniert ist, so dass das Klebstoffmaterial (450) als eine Barriere für den Partikel- und Gasstrom, lenkend die Partikel und das Gas in die Partikelaufnahmeschicht (440), wirkt.
Isolationsbarriere nach Anspruch 1, wobei die Partikelaufnahmeschicht (340) innerhalb der Kapselungsschicht (320) positioniert ist und wobei die Isolationsbarriere (300) dazu konfiguriert ist, Partikel und Gase zu leiten, die während des Zusammendrückens der Isolationsbarriere (300) in die Partikelaufnahmeschicht (340) vor dem Durchtreten durch die eine oder mehreren Öffnungen (430) der Verkapselungsschicht (320) erzeugt werden und wobei die Partikelaufnahmeschicht (340) dazu konfiguriert ist, die Partikel zumindest teilweise zu halten.
Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Isolationsschicht (400) vollständig von der Verkapselungsschicht (420) umgeben ist.
Isolationsbarriere nach Anspruch 9, umfassend: eine Isolationsschicht (400), die von einer Verkapselungsschicht (420) umgeben ist, wobei die Verkapselungsschicht (420) eine oder mehrere Öffnungen (430) umfasst; und eine Partikelaufnahmeschicht (440), die mit der Verkapselungsschicht (420) über mindestens ein Klebepad oder einen Klebestreifen (450) gekoppelt ist.
Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Partikelaufnahmeschicht (140) ein Schaummaterial umfasst.
Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Partikelaufnahmeschicht (140) ein gewebtes Material, ein nicht-gewebtes Material oder ein Bahnmaterial umfasst.
Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend einen oder mehrere Polymerfilme (515, 550), die mit der Partikelaufnahmeschicht (540) gekoppelt sind, wobei die Polymerfilme (515, 550) dazu konfiguriert sind, Partikel während des Zusammendrückens der Isolationsbarriere (500) zu hemmen und/oder einzufangen.
Isolationsbarriere nach Anspruch 13, wobei einer oder mehrere der Polymerfilme (515, 550) in Form eines Filters vorliegen, der dazu konfiguriert ist, den Fluss von Partikeln durch den Polymerfilm (515, 550) zu hemmen und den Durchtritt von Gasen durch den Polymerfilm (515, 550) zu erlauben.
Isolationsbarriere nach Anspruch 13 oder 14, wobei einer der Polymerfilme (515) einen Abschnitt der Partikelaufnahmeschicht (540) gegenüber der Isolationsschicht (510) bedeckt.
Isolationsbarriere nach Anspruch 13 oder 14, wobei einer der Polymerfilme (550) einen Abschnitt der Isolationsschicht (510) und der Partikelaufnahmeschicht (540) bedeckt.
Isolationsbarriere nach Anspruch 15 oder 16, umfassend: eine Isolierschicht (510); eine Partikelaufnahmeschicht (540), die mit der Isolierschicht (510) gekoppelt ist; eine Verkapselungsschicht (520), die eine oder mehrere Öffnungen (530) umfasst, die die Isolierschicht (510) und die Partikelaufnahmeschicht (540) umgeben; einen ersten Polymerfilm (515), der zwischen der Isolierschicht (510) und der Partikelaufnahmeschicht (540) angeordnet ist; und einen zweiten Polymerfilm (550), der mit der Partikelaufnahmeschicht (540) gekoppelt, und zwischen der Isolationsschicht (510), der Partikelaufnahmeschicht (540) und den Öffnungen (530) in der umgebenden Verkapselungsschicht (520) angeordnet ist.
Isolationsbarriere nach Anspruch 13 oder 14, umfassend: eine Isolierschicht (610); eine Partikelaufnahmeschicht (640), die mit der Isolierschicht (610) gekoppelt ist; einen Polymerfilm (650), der mit der Partikelaufnahmeschicht (640) gekoppelt ist; und eine Verkapselungsschicht (620), die eine oder mehrere Öffnungen (630) umfasst und die Isolierschicht (610), die Partikelaufnahmeschicht (640) und den Polymerfilm (650) umgibt; wobei der Polymerfilm (650) zwischen der Partikelaufnahmeschicht (640) und der einen oder mehreren Öffnungen (630) positioniert ist.
Isolationsbarriere nach Anspruch 13 oder 14, umfassend: eine Isolierschicht (710); eine Verkapselungsschicht (720), die eine oder mehrere Öffnungen (730) umfasst und die Isolierschicht (710) umgibt; eine Partikelaufnahmeschicht (740), die optional über einen Klebstoff (760) mit der Isolierschicht (710) gekoppelt ist; einen Polymerfilm (750), der mit der von der Isolationsschicht (710) abgewandten Partikelaufnahmeschicht (740) gekoppelt ist; wobei der Polymerfilm (750) zwischen der Partikelaufnahmeschicht (640) und der einen oder mehreren Öffnungen (730) positioniert ist.
Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Polymerfilm (650) dazu konfiguriert ist, Gase und Partikel, die in die Partikelaufnahmeschicht (640) eintreten, weiter weg von den Öffnungen (630) durch die Partikelaufnahmeschicht (640) zu leiten, bevor die Gase durch Öffnungen (630) austreten.
Isolationsbarriere nach Anspruch 20, wobei der Polymerfilm (650) für den Durchgang von Gasen und Partikeln undurchlässig ist.
Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Isolationsschicht (100) eine thermische Leitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolationsschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25°C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600°C aufweist.
Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Isolationsschicht (100) ein Aerogel umfasst.
Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Isolationsschicht (100) ein Material umfasst, das aus Polymeren, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Polypropylen, Polyester, Polyimid und aromatisches Polyamid (Aramid); Phasenwechselmaterialien; intumeszierende Materialien; Mineralien einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Glimmer; oder anorganische Materialien, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Glasfaser ausgewählt ist.
Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Verkapselungsschicht (120) ein Polymermaterial umfasst.
Isolationsbarriere nach Anspruch 25, wobei die Verkapselungsschicht (120) eine oder mehrere Schichten umfasst, die optional aus Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen, Polyamid und Nylon ausgewählt sind.
Isolationsbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei die Verkapselungsschicht (120) ein Polymermaterial und eine in das Polymermaterial eingebettete Metallschicht umfasst.
Batteriemodul, umfassend: eine Vielzahl von Batteriezellen, und eine oder mehrere Isolationsbarrieren (100) nach einem der Ansprüche 1-27, wobei mindestens eine Isolationsbarriere (100) zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnet ist.
Elektrisches Energiesystem, das ein oder mehrere Batteriemodule nach Anspruch 28 umfasst.
Vorrichtung oder Fahrzeug, umfassend ein Batteriemodul nach Anspruch 28.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei es sich bei der Vorrichtung ein Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, einen Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, militärische Telefone, LaserEntfernungsmesser, eine digitale Kommunikationsvorrichtung, einen Informationsgewinnungssensoren, elektronisch integrierte Bekleidung, Nachtsichtausrüstung, Elektrowerkzeuge, einen Taschenrechner, ein Radio, einen ferngesteuerten Apparat, eine GPS-Vorrichtung, einen tragbare und transportierbare Fernseher, einen Autostarter, Bitzlichter, akustische Vorrichtungen, eine transportierbare Heizvorrichtung, einen transportierbaren Vakuumreiniger oder ein transportierbares medizinisches Instrument handelt.
Fahrzeug nach Anspruch 31, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.