DE202022002799U1

DE202022002799U1 - Materialien und Systeme zur Abschwächung elektrischer Energiespeicherungs-Wärmeereignisse

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Publication number: DE202022002799U1
Application number: DE202022002799.0U
Authority: DE
Original assignee: Aspen Aerogels Inc
Current assignee: Aspen Aerogels Inc
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2022-07-01
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: CN117015899A; TW202319232A; KR20230148338A; BR112023018332A2; CA3211757A1; DE202022002795U1; WO2023279084A3; WO2023279084A2; EP4320676A2

Abstract

Mehrschichtiges Material (400) zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeichersystem, wobei das mehrschichtige Material (400) umfasst:
einen Kernabschnitt (700); und
mindestens einen auf der Außenseite des Kernabschnitts (700) angeordneten Außenabschnitt (600), wobei der Außenabschnitt (600) mindestens eine Opfermaterialschicht umfasst, wobei die Opfermaterialschicht optional ein komprimierbares Kissen (410, 460) umfasst; und
optional mindestens eine Einkapselungsmaterialschicht (420);
wobei das Mehrschichtmaterial (400) vorzugsweise dazu ausgelegt ist, einzelne Batteriezellen oder Module von Batteriezellen in einem Batteriepack thermisch voneinander zu trennen.

Description

GEBIET DER TECHNOLOGIE
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Materialien und Systeme zum Verhindern oder Abschwächen von Wärmeereignissen wie Probleme des thermischen Durchgehens, in Energiespeicherungssystemen. Insbesondere stellt die vorliegende Offenbarung mehrschichtige thermische Barrierematerialien bereit, einschließlich mindestens einer Isolierschicht, mindestens eines komprimierbaren Kissens und optional einer oder mehreren Schichten, die günstige wärmeableitende Eigenschaften aufweisen, günstige Feuer-, Flammen- und/oder Abriebwiderstandseigenschaften aufweisen und/oder eine günstige Leistungsfähigkeit für die Verwendung als thermische Barrieren aufweisen. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Batteriemodul oder -pack mit einer oder mehreren Batteriezellen, das mehrschichtige Barrierematerialien einschließt, sowie Systeme, die diese Batteriemodule oder -packs einschließen.
HINTERGRUND
Wiederaufladbare Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien haben eine breite Anwendung in leistungsgetriebenen und Energiespeichersystemen gefunden. Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind in tragbaren elektronischen Vorrichtungen mit Leistungsantrieb wie Mobiltelefonen, Tablets, Laptops, Elektrowerkzeugen und anderen Hochstromvorrichtungen wie Elektrofahrzeugen aufgrund ihrer hohen Betriebsspannung, niedrigen Speichereffekten und hohen Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien weit verbreitet. Sicherheit ist jedoch ein Problem, da LIBs für katastrophales Versagen unter „Fehlanwendungsbedingungen“ anfällig sind, wie, wenn eine wiederaufladbare Batterie überladen (über die vorgesehene Spannung hinaus aufgeladen), überentladen, bei hoher Temperatur und hohem Druck betrieben oder diesen ausgesetzt wird. Infolgedessen sind enge Betriebstemperaturbereiche und Lade-/Entladeraten Einschränkungen bei der Verwendung von LIBs, da LIBs durch eine schnelle Selbsterwärmung oder thermisches Durchgehen versagen können, wenn sie Bedingungen außerhalb ihres Designfensters ausgesetzt werden.
Wie in 1 gezeigt, besteht die elektrochemische Zelle einer LIB hauptsächlich aus positiver Elektrode, negativer Elektrode, Elektrolyt, der in der Lage ist, Lithium-Ionen zu leiten, Separator, der die positive Elektrode und die negative Elektrode trennt, und Stromabnehmern. LiCoO₂, LiFePO₄, LiMn₂O₄, Li₂TiO₃, LiNi_0,8 Co_0,15 Al_0,05O₂ (NCA) und LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ (NMC) sind sechs Arten von Kathodenmaterial, das in Li-Ionen-Batterien weit verbreitet ist. Diese sechs Arten von Batterien belegen heute einen Großteil des Marktanteils auf dem Batteriemarkt. Der Elektrolyt besteht aus einem Lithiumsalz, das in einem spezifischen Lösungsmittel gelöst ist (hauptsächlich Ethylencarbonat (EC), Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Propylencarbonat (PC) einschließend). Das Lithiumsalz ist üblicherweise ausgewählt aus LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB usw. Separatormaterialien sind im Allgemeinen Harzmaterialien auf Polyolefinbasis. Mikroporöse Membranen aus Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) werden herkömmlich als Separatoren in einer kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Als Stromabnehmer für die positive Elektrode wird gewöhnlich Aluminiumfolie verwendet und für die negative Elektrode Kupferfolie. Kohlenstoffbasierte Materialien, einschließlich Hartkohlenstoff, Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphen, sind derzeit die primäre Wahl der meisten negativen Elektroden einer kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie; andere neuartige Negativelektrodenmaterialien, wie titanbasierte Oxide, Legierungs-/Entlegierungsmaterialien und Umwandlungsmaterialien, wurden ebenfalls untersucht und zeigen eine gute thermische und elektrochemische Leistung.
Betrieb von LIBs unter normalen Bedingungen
Bei normalen Betriebsvorgängen bewegen sich Lithium-Ionen durch Diffusion und Migration durch den Elektrolyten und den Separator von einer Elektrode zur anderen.
Das Laden einer LIB bewirkt, dass Lithium-Ionen in der Elektrolytlösung durch einen Separator von der Kathode wandern und sich selbst in die Anode einfügen (2). Ladungsausgleichende Elektronen bewegen sich auch zu der Anode, gehen jedoch durch eine externe Schaltung in das Ladegerät. Beim Entladen tritt der umgekehrte Prozess auf, und Elektronen strömen durch die angetriebene Vorrichtung (2). Während dieses Prozesses wird Wärme innerhalb der Zelle über drei primäre Mechanismen erzeugt. Die erste ist reversible Wärme, die durch die Entropieänderung verursacht wird, die mit Redox-Reaktionen verbunden ist, die während des Lithiierungsprozesses (Entladung) und des Entlithiierungsprozesseses (Ladeprozess) auftreten. Reversible Wärme wird auch als Entropiewärme bezeichnet. Der zweite Mechanismus ist eine irreversible Wärme, die mit Elektrodenpolarisation verbunden ist, die durch das Überpotential in der Zelle verursacht wird. Schließlich besteht eine irreversible Wärme, die mit ohmschen Verlusten in Zusammenhang steht und als Joule-Erwärmung bezeichnet wird. Die Joule-Erwärmung ist auf die Bewegung der Lithium-Ionen und Elektronen innerhalb der Zelle zurückzuführen. Unter normalen Bedingungen ist die selbsterzeugte Wärme sehr gering und üblicherweise unerlässlich und kann problemlos über ein gutes Batteriedesign oder ein Batteriewärmemanagementsystem abgeführt werden. Unter Fehlanwendungsbedingungen können jedoch mehrere Nebenreaktionen auftreten, die ein thermisches Durchgehen verursachen. Das Verstehen der Ursachen des thermischen Durchgehens können das Design von Funktionsmaterialien zur Verbesserung von Sicherheit und Zuverlässigkeit von LIBs anleiten.
Übersicht über thermisches Durchgehen und Ausbreitung von thermischem Durchgehen
Thermisches Durchgehen kann auftreten, wenn die interne Reaktionsrate soweit zunimmt, dass mehr Wärme erzeugt wird als abgeführt werden kann, was zu einer weiteren Erhöhung sowohl der Reaktionsrate als auch der Wärmeerzeugung führt. Während eines thermischen Durchgehens lösen hohe Temperaturen eine Kette exothermer Reaktionen in einer Batterie aus, wodurch die Temperatur der Batterie schnell ansteigt. In vielen Fällen erwärmt die erzeugte Wärme beim thermischen Durchgehen in einer Batteriezelle schnell die Zellen in unmittelbarer Nähe der Zelle, die das thermische Durchgehen erFährt. Jede Zelle, die einer thermischen Durchgehreaktion hinzugefügt wird, enthält zusätzliche Energie, um die Reaktionen fortzusetzen, was eine Verbreitung des thermischen Durchgehens innerhalb des Batteriepacks bewirkt (3) und schließlich zu einer Katastrophe mit Brand oder Explosion führt. Eine schnelle Wärmeabgabe und eine wirksame Blockierung von Wärmeübertragungswegen können wirksame Gegenmaßnahmen sein, um die Gefahr zu verringern, die durch das thermische Durchgehen verursacht wird.
Gründe für thermisches Durchgehen - Fehlanwendungsbedingungen
Ein thermisches Durchgehen kann durch verschiedene Arten von Fehlanwendung ausgelöst werden, einschließlich mechanischer Fehlanwendung, elektrischer Fehlanwendung und thermischer Fehlanwendung (3). Jede Art von Fehlanwendung kann einen internen Kurzschluss (ISC) in Batterien induzieren, was zu erhöhten Temperaturen führt. Fehlanwendungsbedingungen können extern oder intern ausgelöst werden. Zum Beispiel sind einsatzinduzierte Belastung, Alterung, Fehler im Design, z. B. Konfigurationsparameter wie Zellenabstand, Zellenverbindungsstil, Zellenformfaktor, Herstellung, Betrieb und Wartung interne Faktoren, die verschiedene Arten von Fehlanwendung verursachen können. Externe Faktoren schließen Schäden oder Beeinträchtigungen einer LIB, wie aufgrund eines Herunterfallens oder einer Penetration der Zelle, ein.
Mechanische Fehlanwendung
Die mechanische Fehlanwendung wird hauptsächlich durch mechanische Kraft verursacht und tritt herkömmlich aufgrund von externen Faktoren auf, wie einem schweren Autounfall, einschließlich einer Kollision, einer Quetschung, einer Penetration und einer Biegung. Wenn die Batterie oder das Batteriepack einen Schlag erhalten oder an einer Kollision beteiligt sind, können mögliche Schäden innerhalb Batterien auftreten, einschließlich eines Bruchs des Separators und des Auslaufens von entzündlichem Elektrolyt, sodass ein ISC ausgelöst wird, der dann zu thermischem Durchgehen führt. Destruktive Verformung und Verlagerung, die durch angelegte Kraft verursacht werden, sind die zwei herkömmlichen Merkmale einer mechanischen Fehlanwendung. Eine Verformung des Batteriepacks ist bei einer Autokollision durchaus möglich. Das Layout des Batteriepacks an Bord eines Elektrofahrzeugs beeinträchtigt die Unfallreaktion des Batteriepacks. Die Verformung des Batteriepacks kann zu gefährlichen Konsequenzen führen: Der Batterieseparator kann zerrissen werden und der interne Kurzschluss (ISC) findet statt; der entzündliche Elektrolyt läuft aus und verursacht möglicherweise einen daraus folgenden Brand. Penetration ist ein weiteres übliches Phänomen, das während der Fahrzeugkollision auftreten kann. Im Vergleich mit den Quetschbedingungen kann bei Beginn einer Penetration augenblicklich ein schwerer ISC ausgelöst werden. Die mechanische Zerstörung und der elektrische Kurzschluss treten gleichzeitig auf und die Fehlanwendungsbedingung der Penetration könnte schwerwiegender sein als die einer einfachen mechanischen oder elektrischen Fehlanwendung.
Elektrische Fehlanwendung
Die elektrische Fehlanwendung schließt hauptsächlich das interne oder externe Kurzschließen einer LIB, Überladung und Überentladung ein.
Der interne Kurzschluss erfolgt in mehr als 90 % der Fehlanwendungen. Allgemein tritt der interne Kurzschluss auf, wenn die Kathode und die Anode aufgrund des Ausfalls des Batterieseparators aufeinander treffen. Der interne Kurzschluss kann durch (1) mechanische Fehlanwendung verursacht werden, wenn der Separator durch Penetration oder Quetschung zerbrochen wird; (2) elektrische Fehlanwendung, wenn der Separator durch Dendritenwachstum durchstochen wird (4); und (3) thermische Fehlanwendung, wenn der Separator bei einer hohen Temperatur kollabiert.
Der externe Kurzschluss bildet sich, wenn die Elektroden mit Spannungsdifferenz durch Leiter verbunden sind. Der externe Kurzschluss des Batteriepacks kann durch Verformung während einer Autokollision, Wasserimmersion, Kontamination mit Leitern oder Elektroschock während der Wartung usw. verursacht werden. Im Vergleich zur Penetration erwärmt die Wärme, die beim externen Kurzschluss freigesetzt wird, die Zelle nicht. Der externe Kurzschluss kann zu großem Strom und hoher Wärmeerzeugung in der Batterie führen, was hauptsächlich durch ohmsche Wärmeerzeugung verursacht wird. Wenn die Temperatur etwa 70 °C zu überschreiten beginnt, beginnt die Zelle zu brechen. Infolgedessen können Entlüftung und Elektrolytleckage ausgelöst werden.
Ein Überladen kann als Laden einer Batterie über ihre vorgesehene Spannung definiert werden. Ein Überladen kann durch hohe spezifische Stromdichten, aggressive Ladeprofile usw., die eine Reihe von Problemen herbeiführen können, einschließlich der Abscheidung von Li-Metall auf der Anode, welche die elektrochemische Leistung und Sicherheit der Batterie stark beeinflusst; Zersetzung des Kathodenmaterials, Freisetzen von Sauerstoff; und Zersetzung des organischen Elektrolyten, Freisetzung von Wärme und gasförmigen Produkten (H₂, Kohlenwasserstoffe, CO usw.) ausgelöst werden. Ein Überladeprozess kann in drei Phasen unterteilt werden. In der ersten Phase (1) sind Spannung und Temperatur nicht beeinflusst und bleiben im Wesentlichen unverändert. In der zweiten Phase (2) erfolgt die Lithiumdendritabscheidung an der Spannungsplattform. Und in der dritten Phase (3) fällt die Spannung drastisch ab, da Wärme und Gas erzeugt werden, was ein thermisches Durchgehen in der Batterie bewirkt.
Die Überentladung ist eine weitere mögliche elektrische Fehlanwendung. Im Allgemeinen ist die Spannungsunregelmäßigkeit zwischen den Zellen innerhalb des Batteriepacks unvermeidbar. Daher wird, sobald das Batteriemanagementsystem die Spannung einer einzelnen Zelle fälschlicherweise nicht überwacht, die Zelle mit der niedrigsten Spannung überentladen. Der Mechanismus der Überentladefehlanwendung unterscheidet sich von anderen, und die mögliche Gefahr kann unterschätzt werden. Die Zelle mit der niedrigsten Spannung im Batteriepack kann durch die anderen Zellen, die während der Überentladung in Reihe geschaltet sind, zwangsweise entladen werden. Während der Zwangsentladung kehrt der Pol um und die Spannung der Zelle wird negativ, was zu einer anormalen Wärmeerzeugung an der überentladenen Zelle führt.
Thermische Fehlanwendung
Eine thermische Fehlanwendung wird üblicherweise durch Überhitzung ausgelöst. Die Überhitzung in einer Lithium-Ionen-Batterie kann durch mechanische Fehlanwendung, elektrische Fehlanwendung und Kontaktverlust des Verbinders verursacht werden. Typischerweise sind LIBs bei normalen Betriebstemperaturen stabil; oberhalb einer bestimmten Temperatur wird die LIB-Stabilität jedoch weniger vorhersagbar, und bei erhöhten Temperaturen erzeugen chemische Reaktionen innerhalb des Batteriegehäuses Gase, die zu einer Erhöhung des Innendrucks innerhalb des Batteriegehäuses führen. Diese Gase können mit der Kathode weiter reagieren, mehr Wärme abgeben und Temperaturen innerhalb oder benachbart zu der Batterie erzeugen, die den Elektrolyten in Gegenwart von Sauerstoff entzünden können. Wenn der Elektrolyt brennt, wird Sauerstoff erzeugt, was die Verbrennung weiter antreibt. Zu einem gewissen Punkt führt ein Druckaufbau innerhalb des Batteriegehäuses zu einem Bruch im Batteriegehäuse. Das austretende Gas kann sich entzünden und verbrennen.
Thermisches Durchgehen durch mechanische, elektrische und thermische Fehlanwendungsbedingungen kann eine kontinuierliche Wärmeerzeugung verursachen und folglich die Temperatur innerhalb der Batterie erhöhen. Eine Reihe von Kettenreaktionen kann in unterschiedlichen Phasen mit der steigenden Temperatur auftreten. Das thermische Durchgehen folgt einem Mechanismus von Kettenreaktionen, z. B. physikalischen und/oder chemischen Prozessen, bei denen die Zersetzungsreaktion der Batteriekomponentenmaterialien nacheinander stattfindet (3).
Übersicht über die Kettenreaktionen während des thermischen Durchgehens
Die Entwicklung dieser physikalischen und/oder chemischen Prozesse hilft bei der Entwicklung der Abschwächungsstrategien für das thermische Durchgehen von LIBs. LIBs können unterschiedliche Ursachen für thermisches Durchgehen bei unterschiedlichen Temperaturzuständen oder Regimes aufweisen (5), einschließlich Zustand I: niedrige Temperatur (<0 °C), Zustand II: normale Temperatur (0-90 °C) und Zustand III: hohe Temperatur (>90 °C).
In Zustand I können LIBs nicht effizient arbeiten, da niedrige Temperaturen zu verringerten elektrochemischen Reaktionsraten führen. Bei niedrigerer Temperatur nimmt die Batterieleistung aufgrund der Verringerung der Aktivität von Elektrodenmaterial und Lithium-Ionen-Diffusionsrate im Elektrolyten dramatisch ab. Konsequenzen der verzögerten chemischen Reaktionen bei niedrigen Temperaturen schließen unerwünschte Li-Abscheidung, Beschichtung und Dendritenwachstum ein. Dendriten sind baumähnliche Strukturen, die sich auf der Lithiumplattierung in einer Batterie bilden können. Sie können schnell einen Batterieseparator, eine poröse Kunststofffolie zwischen der Anode und der Kathode der Batterie, durchdringen ( 4). Li-Abscheidung und Dendritenwachstum innerhalb einer Zelle werden als die wichtigsten Faktoren betrachtet, die dazu beitragen, thermisches Durchgehen bei niedriger Temperatur zu induzieren. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass die unerwünschten Li-Ablagerungen und Dendriten einen ISC in der Batterie verursachen können, was zum thermischen Durchgehen führt.
In Zustand II (Normaltemperaturbetrieb) ist die Wärmeerzeugung im Vergleich zu der im thermischen Durchgehprozessen erzeugten Wärme minimal. Die Wärmeerzeugung während dieses Betriebszustands wird hauptsächlich durch die Li-Ionendiffusion in fester und flüssiger Phase, elektrochemische Reaktionen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche und Nebenreaktionen verursacht. Die Wärmeerzeugung kann einen Temperaturanstieg und eine Temperaturdifferenz innerhalb der Batterie verursachen, wobei diese Temperaturdifferenz die Lebensdauer und Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterie beeinflussen können. Während Stufe II kann die anfängliche Überhitzung aufgrund mindestens eines oben erwähnten internen oder externen Grundes, wie Überladung der Batterie, Exposition gegenüber übermäßigen Temperaturen, externe Kurzschlüsse aufgrund fehlerhafter Verdrahtung oder interne Kurzschlüsse aufgrund von Zellfehlern auftreten. Wenn eine anfängliche Überhitzung beginnt, ändert sich der Batteriebetrieb von einem normalen in einen anormalen Zustand, wenn die Temperatur in Richtung 90 °C ansteigt. Wenn die Temperatur höher als 40 °C wird, kann sich die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie aufgrund der beschleunigten Nebenreaktionen verkürzen, und wenn die Temperatur nahe 90 °C oder sogar höher ist, kann die Zersetzung der Festelektrolytinterphasen-(SEI)-Folie ausgelöst werden, was als Beginn eines thermischen Durchgehens definiert ist. Die SEI wird während der ersten wenigen Ladezyklen auf der Anode von Lithium-Ionen-Batterien erzeugt. Die SEI stellt eine Passivierungsschicht auf der Anodenoberfläche bereit, die eine weitere Elektrolytzersetzung hemmt und die lange Kalenderlebensdauer bietet, die für viele Anwendungen erforderlich ist. Die anfängliche Zersetzung der SEI wird als die erste Nebenreaktion betrachtet, die während des vollständigen thermischen Durchgehens auftritt. Die anfängliche Zersetzung der SEI erfolgt bei 80-120 °C, mit einem Peak bei etwa 100 °C. Die Anfangstemperatur kann niedriger als 80 °C sein, wie Wang et al. (Thermochim. Acta 437 (2005) 12-16) berichtete, dass die SEI-Zersetzung ab einer Temperatur von nur 57 °C beginnen könnte.
Zersetzung der SEI
Wenn Stufe III beginnt, steigt die Innentemperatur schnell an, was zu der Zersetzung der SEI-Folie führt. Die SEI-Schicht besteht hauptsächlich aus stabilen (wie LiF und Li₂CO₃) und metastabilen (wie Polymeren, ROCO₂Li, (CH₂OCO₂Li)₂ und ROLi) Komponenten. Die metastabilen Komponenten können sich jedoch bei grob > 90 °C exotherm zersetzen, wodurch entzündliche Gase und Sauerstoff freigesetzt werden. Die Zersetzung der SEI-Folie wird als Beginn des thermischen Durchgehens betrachtet, und danach werden eine Reihe von exothermen Reaktionen ausgelöst.
Mit der Zersetzung der SEI baut sich die Temperatur auf und das Lithiummetall oder interkaliertes Lithium in der Anode reagieren mit den organischen Lösungsmitteln im Elektrolyten, wodurch brennbare Kohlenwasserstoffe freigesetzt werden (Ethan, Methan und andere). Dies ist eine exotherme Reaktion, welche die Temperatur weiter erhöht.
Zersetzung des Separators
Wenn T > ∼130 °C ist, beginnt der Polyethylen (PE)-/Polypropylen (PP)-Separator zu schmelzen, was die Situation weiter verschlechtert und einen Kurzschluss zwischen der Kathode und der Anode verursacht. Obwohl das Schmelzen des PE/PP-Separators ein Wärmeadsorptionsprozess ist, verschlechtert der ISC, der durch die Separatorschmelze verursacht wird, den thermischen Durchgehprozess weiter.
Gasemission und Zersetzung von Elektrolyt
Wenn T > ~180 °C ist, verursacht durch ISC erzeugte Wärme die Zersetzung des Lithiummetalloxid-Kathodenmaterials und führt zu einer Freisetzung von Sauerstoff. Der Abbau der Kathode ist auch stark exotherm, was die Temperatur und den Druck weiter erhöht und dadurch die Reaktionen weiter beschleunigt. Die Wärmeakkumulation und Gasfreisetzung (Sauerstoff und entzündliche Gase) induzieren dann eine Verbrennung und Explosion der Lithium-Ionen-Batterie.
Im thermischen Durchgehprozess beträgt die durch ISC verursachte Wärmeerzeugung nur 2 % und chemische Reaktionen betragen 98 %, einschließlich der Zersetzung der SEI-Schicht, Zersetzung von Elektrolyt usw. Der größte Anteil der Wärmeentwicklung wird durch schnelle Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen der Kathode und der Anode, etwa 48 %, verursacht, während die Wärmeerzeugung anderer chemischer Reaktionen in Anode, Kathode und Elektrolyt viel kleiner ist. Die geringste Wärmeerzeugung ist die Zersetzung der SEI-Folie.
Bedarf an Abschwächungsstrategien für thermisches Durchgehen
Basierend auf dem Verständnis der Mechanismen, die zu einem thermischen Durchgehen der Batterie führen, werden derzeit viele Ansätze untersucht, mit dem Ziel, Sicherheitsgefahren durch das rationale Design von Batteriekomponenten zu reduzieren. Um zu verhindern, dass solche kaskadierenden thermischen Durchgehereignisse stattfinden, sind LIBs üblicherweise so ausgelegt, dass sie entweder die ausreichend niedrige Energie halten oder genügend Isoliermaterial zwischen Zellen innerhalb des Batteriemoduls oder -packs verwenden, um sie von thermischen Ereignissen zu isolieren, die in einer benachbarten Zelle oder einer Kombination davon auftreten können. Ersteres schränkt die Energiemenge stark ein, die möglicherweise in einer solchen Vorrichtung gespeichert werden könnte. Letzteres begrenzt, wie nahe Zellen platziert werden können und begrenzt dadurch die effektive Energiedichte. Es besteht ein Bedarf an effektiven Isolier- und Wärmeableitungsstrategien, um die thermischen Durchgehmöglichkeiten von LIBs abzuschwächen.
Aktuelle Wärmeableitungsmethoden, die für LIBs verwendet werden
Derzeit gibt es eine Reihe unterschiedlicher Methoden, die eingesetzt werden, um die Energiedichte zu maximieren und gleichzeitig vor kaskadierendem thermischem Durchgehen zu schützen. Ein Ansatz besteht darin, eine ausreichende Menge an Isolierung zwischen Zellen oder Zellclustern zu integrieren. Man geht im Allgemeinen davon aus, dass dieser Ansatz aus dem Blickwinkel der Sicherheit erwünscht ist; bei diesem Ansatz geben jedoch die Fähigkeit des Isoliermaterials, die Wärme zu begrenzen, kombiniert mit dem Volumen der erforderlichen Isolierung die Obergrenzen der Energiedichte vor, die erreicht werden können. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Phasenwechselmaterialien. Diese Materialien machen bei Erreichen einer bestimmten erhöhten Temperatur einen endothermen Phasenwechsel durch. Der endotherme Phasenwechsel absorbiert einen Anteil der erzeugten Wärme und kühlt dadurch den lokalisierten Bereich. Üblicherweise beruhen diese Phasenwechselmaterialien für elektrische Speichervorrichtungen auf Kohlenwasserstoffmaterialien wie zum Beispiel Wachse und Fettsäuren. Diese Systeme sind bei Kühlung wirksam, sind aber selbst brennbar und daher nicht vorteilhaft, um ein thermisches Durchgehen nach Zündung innerhalb der Speichervorrichtung zu verhindern. Die Einbeziehung von intumeszierenden Materialien ist eine weitere Strategie, um ein kaskadierendes thermisches Durchgehen zu verhindern. Diese Materialien dehnen sich über einer festgelegten Temperatur aus und produzieren eine Veraschung, die mit einem leichten Gewicht konstruiert ist und bei Bedarf thermische Isolierung bereitstellt. Diese Materialien können wirksam sein, um Isoliervorteile bereitzustellen, aber die Ausdehnung des Materials muss bei der Konstruktion der Speichervorrichtung berücksichtigt werden.
Bedarf an neuartigen thermischen Barrieren, die mechanische Anforderungen an LIBs-Systeme erfüllen
Das Schwellen der Anode und der Kathode während der Aufladung und der Entladung kann zu einer Änderung der Abmessungen (Schwellen) der Zelle führen. Silicium weist beispielsweise eine typische Volumenänderung von bis zu 300 % während der Interkalation auf und Graphit weist eine Volumenexpansion von etwa 10 % auf. Diese Änderung weist sowohl eine reversible als auch eine irreversible Komponente auf, wobei die Größe von der genauen Zellchemie abhängt. Die reversible Änderung der Zelldicke hängt ausschließlich vom Ladezustand (SOC) der Zelle ab und kann zu einer Erhöhung der Dicke von mehr als 2 % führen. Die irreversible Schwellung der Zelle ist mit einem Anstieg des Drucks innerhalb der Zelle verbunden und wird durch die Bildung der SEI verursacht. Die größte Komponente dieser Änderung tritt während des ersten Ladezyklus auf, wenn die SEI anfänglich gebildet wird, die Schwellung dauert jedoch während der Lebensdauer der Zelle an.
Wenngleich umfangreiche Forschungen durchgeführt wurden, um neue Materialien zu schaffen, die günstige thermische Eigenschaften besitzen, um thermisches Durchgehen zu vermeiden, haben die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien trotz ihrer Bedeutung nicht so viel Aufmerksamkeit erhalten. Zum Beispiel besteht ein Bedarf an effektiven thermischen Barrieren, die zwischen Zellen innerhalb eines Batteriemoduls oder Batteriepacks verwendet werden, die eine Beständigkeit gegen Kompressionsverformung bereitstellen können, um dem Schwellen der Zellen, das während der Lebensdauer der Zelle fortdauert, Rechnung zu tragen. Außerdem wird während der ersten Montage eines Batteriemoduls üblicherweise eine relativ niedrige Last von 1 MPa oder weniger an die Materialien zwischen Zellen angelegt. Wenn sich die Zellen innerhalb eines Batteriemoduls oder eines Batteriepacks während Lade-/Entladezyklen expandieren oder anschwellen, kann eine Last von bis zu etwa 5 MPa an die Materialien zwischen Zellen angelegt werden. Dementsprechend sind Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität der Materialien, z. B. thermische Barrieren zwischen Zellen, wichtige Eigenschaften.
Daher sind neue thermische Barrieren, die mechanische Anforderungen von LIB-Systemen erfüllen, erforderlich, um eine wirksame thermische Isolierung unter thermischen Durchgehbedingungen und eine wirksame Wärmeableitung unter den normalen Bedingungen bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, mindestens einen Nachteil früherer Verfahren und vorstehend erwähnter Materialien zu vermeiden oder abzuschwächen, um das thermische Durchgehen in wiederaufladbaren Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, zu verhindern oder abzuschwächen. Die hierin bereitgestellten mehrschichtigen Materialien sind konstruiert, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein mehrschichtiges Material zur Verwendung als eine thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem bereitzustellen, um das Problem der thermischen Ausbreitung in einem Batteriemodul oder Batteriepack zu lösen und die thermische Ausbreitung zu stoppen oder abzuschwächen, wenn eine Zelle ein thermisches Durchgehen aufweist. Einzigartige Konfigurationen der mehrschichtigen Materialien der vorliegenden Offenbarung können helfen, das Problem der thermischen Ausbreitung zwischen Zellen zu lösen.
Die Abschwächungsstrategien können auf der Materialebene, der Zellebene und der Systemebene arbeiten, was die Gesamtsicherheit eines Energiespeicherungssystems gewährleistet, das wiederaufladbare Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Das mehrschichtige Material gemäß der vorliegenden Offenbarung kann mindestens einen der folgenden Abschwächungsschritte ausführen: (1) Reduzieren der Möglichkeit von Fehlanwendungsbedingungen, (2) Beseitigen der Fehlanwendungsbedingungen, sobald sie auftreten, (3) Verbessern der thermischen Stabilität der Batteriezelle gegenüber Fehlanwendungsbedingungen, (4) Verringern der unter normalen Betriebsbedingungen und einem thermischen Durchgehfall freigesetzten Energie und (5) Abschwächen der Ausbreitungsgefahr und Begrenzen der Schäden auf einen begrenzten Bereich.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein Batteriemodul oder -pack bereitzustellen, welches das mehrschichtige Material gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, die den Batteriepack vor thermischen Schäden aufgrund von thermischem Durchgehen einer Zelle schützen kann und ein sicheres Design des Batteriepacks sicherstellen kann.
In einem allgemeinen Gesichtspunkt stellt die vorliegende Offenbarung ein neuartiges mehrschichtiges Material bereit, das Aerogel-Zusammensetzungen, z. B. verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen, einschließt, die haltbar und leicht zu handhaben sind, die eine vorteilhafte Beständigkeit gegenüber Wärmeausbreitung und Brandausbreitung aufweisen und gleichzeitig die Dicke und das Gewicht von verwendeten Materialien minimieren sowie auch vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität aufweisen. Zum Beispiel kann das mehrschichtige Material gemäß den hierin offenbarten Gesichtspunkten mindestens eine Isolierschicht einschließen, die eine Aerogel-Zusammensetzung oder verstärkte Aerogel-Zusammensetzung einschließt.
In einem allgemeinen Gesichtspunkt sind die hierin offenbarten mehrschichtigen Materialien nützlich zum Trennen, Isolieren und Schützen von Batteriezellen oder Batteriekomponenten von Batterien jeder Konfiguration, z. B. Beutelzellen, zylindrischen Zellen, prismatischen Zellen sowie Packs und Modulen, die solche Zellen integrieren oder einschließen. Die hierin offenbarten mehrschichtigen Materialien eignen sich bei wiederaufladbaren Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, Festkörperbatterien und einer beliebigen anderen Energiespeicherungsvorrichtung oder -technologie, bei denen Trennung, Isolierung und Schutz erforderlich sind.
In einem allgemeinen Gesichtspunkt zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, ein Batteriemodul und ein Batteriepack bereitzustellen, die verwendet werden, um gleichzeitig die Wärmeableitungsleistung und die thermische Durchgehschutzleistung einer Leistungsbatterie zu verbessern. Bei leistungsbetriebenen und Energiespeicherungssystemen ist es, unter Bezugnahme auf 6, üblich, dass eine Anzahl von Zellen 100 in einer vorgewählten Konfiguration (z. B. parallel, in Reihe oder in Kombination) zusammengepackt werden, um ein Batteriemodul 200 zu bilden. Eine Anzahl solcher Batteriemodule kann wiederum kombiniert oder verbunden werden, um verschiedene Batteriepacks 300 zu bilden, wie im Stand der Technik bekannt. Während des Betriebs und der Entladung erzeugen solche Zellen, Batteriemodule oder Batteriepacks herkömmlicherweise Wärmemengen, die die daraus resultierende Leistung erheblich beeinträchtigen können. Um die gewünschte oder optimale Leistung durch solche Zellen oder resultierende Batteriemodule oder Batteriepacks aufrechtzuerhalten, ist es daher im Allgemeinen wichtig, die Temperatur solcher Zellen, Batteriemodule oder Batteriepacks in recht engen vorgeschriebenen Bereichen aufrechtzuerhalten. Es ist das Ziel dieser Offenbarung, die Temperatur solcher Zellen, Batteriemodule oder Batteriepacks innerhalb optimaler Bereiche zu halten.
Zusätzlich zum Aufrechterhalten der Temperatur der Zellen innerhalb der vorgeschriebenen Bereiche ist es auch eine Aufgabe, die strukturelle Integrität der Zellen aufrechtzuerhalten. Die Materialien innerhalb der Zellen müssen sowohl konform als auch elastisch sein, um Volumenänderungen während des Betriebs der Batterien Rechnung zu tragen. In einigen Ausführungsformen müssen die Materialien flammhemmend oder feuerbeständig sein, um die strukturelle Integrität nach oder während eines thermischen Ereignisses aufrechtzuerhalten.
In einem Gesichtspunkt ist hierin ein mehrschichtiges Material für die Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem bereitgestellt, das einschließt: einen Kernabschnitt, der eine Schichtbaugruppe aus mindestens einer Isolierschicht und mindestens einer thermischen kapazitive Schicht einschließt, die abwechselnd in einer Richtung senkrecht zu ihrer größten Oberfläche gestapelt sind; und einen äußeren Abschnitt, der außerhalb des Kernabschnitts angeordnet ist, wobei der Außenabschnitt mindestens eine Opfermaterialschicht einschließt, die ein komprimierbares Kissen und mindestens eine Einkapselungsmaterialschicht aufweist, die aus einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist. In einigen Ausführungsformen weist die Opfermaterialschicht eine Druckkraftverformung (CFD) von 25 % bei etwa 20 kPa bis etwa 100 kPa auf, z. B. bei etwa 27 kPa bis etwa 55 kPa.
In einem anderen Gesichtspunkt ist hierin ein mehrschichtiges Material für die Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem bereitgestellt, das einschließt: einen Kernabschnitt, der eine Schichtanordnung aus mindestens einer Isolierschicht und mindestens einer wärmeleitfähigen Schicht einschließt, die abwechselnd in einer Richtung senkrecht zu ihrer größten Oberfläche gestapelt sind; und einen Außenabschnitt, der auf der Außenseite des Kernabschnitts angeordnet ist, wobei der Außenabschnitt mindestens eine Opfermaterialschicht einschließt, die eine 25 %-ige Kompressionskraft-Durchbiegung bei etwa 27 kPa bis etwa 55 kPa und mindestens eine Einkapselungsmaterialschicht aufweist, die aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
In einem Gesichtspunkt wird hierin ein mehrschichtiges Material für die Verwendung als eine thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem bereitgestellt, das einschließt: einen Kernabschnitt mit mindestens einer Isolierschicht; und einen Außenabschnitt, der außerhalb des Kernabschnitts angeordnet ist, wobei der Außenabschnitt mindestens eine Opfermaterialschicht einschließt, die ein komprimierbares Kissen mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa und mindestens eine Einkapselungsmaterialschicht aufweist, die aus einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist, wobei die Einkapselungsmaterialschicht zwischen dem Kernabschnitt und der Opfermaterialschicht des Außenabschnitts angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen schließt der Kernabschnitt ferner mindestens eine thermisch kapazitive Schicht mit spezifischer Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K) ein. In einigen Ausführungsformen schließt der Kernabschnitt eine Schichtanordnung aus mindestens einer Isolierschicht und mindestens einer thermisch kapazitiven Schicht ein, die abwechselnd in einer Richtung senkrecht zu ihrer größten Oberfläche gestapelt sind. In einigen Ausführungsformen schließt der Kernabschnitt ferner mindestens eine wärmeleitfähige Schicht mit Wärmeleitfähigkeit entlang einer ebeneninternen Dimension der wärmeleitfähigen Schicht von mindestens etwa 200 kPa/m-K ein. In einigen Ausführungsformen schließt der Kernabschnitt eine Schichtanordnung von mindestens einer Isolierschicht und mindestens eine wärmeleitfähige Schicht ein, die abwechselnd in einer Richtung senkrecht zu ihrer größten Oberfläche gestapelt sind.
In einem anderen Gesichtspunkt wird hierin ein mehrschichtiges Material für die Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem bereitgestellt, das einschließt: eine Kernschicht mit zwei Seiten, einschließlich mindestens einer komprimierbaren Materialschicht mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 bis etwa 12 MPa und optional mindestens einer wärmeleitfähigen Schicht und/oder mindestens einer thermisch kapazitiven Schicht; zwei Isolierschichten mit Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C, wobei die Kernschicht zwischen zwei Isolierschichten angeordnet ist, wobei die optionale mindestens eine wärmeleitfähige Schicht eine ebeneninterne Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 200 mW/m-K aufweist und wobei die optionale mindestens eine thermisch kapazitive Schicht eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K) aufweist und wobei das mehrschichtige Material optional in einem Einkapselungsmaterial eingekapselt ist, das aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist. In einigen Ausführungsformen schließt die Kernschicht ferner eine flammbeständige Schicht ein. In einigen Ausführungsformen fehlt der Kernschicht die optionale mindestens eine wärmeleitfähige Schicht und die optionale mindestens eine thermisch kapazitive Schicht. In einigen Ausführungsformen schließt die Kernschicht die optionale mindestens eine wärmeleitfähige Schicht ein und ihr fehlt die mindestens eine thermisch kapazitive Schicht. In einigen Ausführungsformen schließt die Kernschicht zwei wärmeleitfähige Schichten und eine komprimierbare Materialschicht ein, wobei die komprimierbare Materialschicht zwischen den zwei wärmeleitfähigen Schichten angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen schließt die Kernschicht die optionale mindestens eine thermisch kapazitive Schicht ein und ihr fehlt die mindestens eine wärmeleitfähige Schicht. In einigen Ausführungsformen schließt die Kernschicht zwei thermisch kapazitive Schichten und eine komprimierbare Materialschicht ein, wobei die komprimierbare Materialschicht zwischen den zwei thermisch kapazitiven Schichten angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen schließt die Kernschicht eine thermisch kapazitive Schicht und zwei komprimierbare Materialschichten ein, wobei die thermisch kapazitive Schicht zwischen zwei komprimierbaren Materialschichten angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen schließt das mehrschichtige Material ferner zwei thermisch kapazitive Schichten ein, wobei jede thermisch kapazitive Schicht auf der Außenoberfläche jeder Isolierschicht angeordnet ist.
Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte können ein oder mehrere der folgenden Merkmale einschließen. Zum Beispiel ist in einigen Ausführungsformen die Einkapselungsmaterialschicht zwischen dem Kernabschnitt und der Opfermaterialschicht angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die Opfermaterialschicht zwischen dem Kernabschnitt und der Einkapselungsmaterialschicht angeordnet. In einigen Ausführungsformen schließt die Opfermaterialschicht ein Material ein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siloxanen, Polyolefinen, Polyurethanen, Phenolen, Melamin, Celluloseacetat und Polystyrol. In einigen Ausführungsformen liegt die Opfermaterialschicht in Form von Schaumstoff vor. In einer oder mehreren Ausführungsformen liegt die Anfangstemperatur der chemischen Zersetzung der Opfermaterialschicht im Bereich von etwa 200 °C bis etwa 400 °C.
In einigen Ausführungsformen schließt der Außenabschnitt ferner Schichten ein, die aus Materialien hergestellt sind, die aus der Gruppe von abriebfesten Materialien, intumeszierenden Materialien, feuerhemmenden Materialien, flammbeständigen Materialien oder Kombination davon ausgewählt sind.
In einigen Ausführungsformen weist die thermische kapazitive Schicht eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K) auf. In einigen Ausführungsformen ist die thermisch kapazitive Schicht ein Phasenwechselmaterial. In einigen Ausführungsformen schließt die thermisch kapazitive Schicht Edelstahl ein.
In einigen Ausführungsformen ist die Einkapselungsmaterialschicht eine Polyethylenterephthalatschicht.
In einigen Ausführungsformen schließt die Einkapselungsmaterialschicht ferner eine Metallschicht ein, die zwischen der Einkapselungsschicht und dem Kernabschnitt angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen weist die Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C auf. In einigen Ausführungsformen schließt die Isolierschicht Aerogel ein. In einigen Ausführungsformen schließt die Isolierschicht ferner ein Material ein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, Keramikfaser, Mineralwolle und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen fehlt der Isolierschicht Aerogel und die Isolierschicht schließt ein Material ein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, Keramikfaser, Mineralwolle und Kombinationen davon.
In einigen Ausführungsformen weist die wärmeleitfähige Schicht eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer Ebene der wärmeleitfähigen Schicht von mindestens etwa 200 mW/m-K auf. In einigen Ausführungsformen schließt die wärmeleitfähige Schicht mindestens eine Schicht ein, die Metall, Kohlenstoff, leitfähiges Polymer oder Kombinationen davon einschließt. In einigen Ausführungsformen ist die wärmeleitfähige Schicht ein Phasenwechselmaterial. In einigen Ausführungsformen ist die wärmeleitfähige Schicht ein Metall, das aus Aluminium, Kupfer und Stahl ausgewählt ist. In einigen Ausführungsformen leitet die wärmeleitfähige Schicht Wärme aus einer lokalisierten Wärmelast ab, vorzugsweise an die Umgebung. In einigen Ausführungsformen befindet sich die wärmeleitfähige Schicht in einer Form, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gewebe, Lagen, Lochblech, Folie und Lochfolie. In einigen Ausführungsformen, wobei die Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht, z. B. Aerogel bei 25 °C, gleich bleibt oder unerhebliche Mengen unter der Last von bis zu etwa 5 MPa zunimmt. In einigen Ausführungsformen beträgt die Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht bei 25 °C unter Last von bis zu etwa 5 MPa weniger als etwa 50 mW/m-K. In einigen Ausführungsformen, wobei die wärmeleitfähige Schicht Aluminium einschließt.
In einigen Ausführungsformen schließt die Isolierschicht, die ein Aerogel einschließt, ferner ein Verstärkungsmaterial ein. In einigen Ausführungsformen ist das Verstärkungsmaterial eine Faser, die ausgewählt ist aus organischen polymerbasierten Fasern, anorganischen Fasern, kohlenstoffbasierten Fasern oder einer Kombination davon. In einigen Ausführungsformen sind die Fasern in Form von diskreten Fasern, gewebten Materialien, trockengelegten Vliesmaterialien, nassgelegten Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffen, Wattierungen, Bahnen, Matten, Filzen und/oder Kombinationen davon gebildet. In einigen Ausführungsformen sind die anorganischen Fasern ausgewählt aus Glasfasern, Gesteinsfasern, Metallfasern, Borfasern, Keramikfasern, Basaltfasern oder einer Kombination davon. In einer oder mehreren Ausführungsformen schließt das Aerogel ein Aerogel auf Siliciumbasis ein. In einer oder mehreren Ausführungsformen schließt das Aerogel einen oder mehrere Zusatzstoffe ein, wobei die Zusatzstoffe in einer Menge von mindestens etwa 5 bis 40 Gewichtsprozent des Aerogels, vorzugsweise in einer Menge von mindestens etwa 5 bis 20 Gewichtsprozent des Aerogels, stärker bevorzugt in einer Menge von mindestens etwa 10 bis 20 Gewichtsprozent des Aerogels vorhanden sind. In einigen Ausführungsformen schließen der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Brandschutzzusatzstoffe ein. In einigen Ausführungsformen schließen der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Trübungsmittel ein, die ausgewählt sind aus B4C, Kieselgur, Manganferrit, MnO, NiO, SnO, Ag₂O, Bi₂O₃, TiC, WC, Ruß, Titanoxid, Eisentitanoxid, Zirkoniumsilikat, Zirkoniumoxid, Eisen-(I)-Oxid, Eisen-(III)-Oxid, Mangandioxid, Eisentitanoxid (Ilmenit), Chromoxid oder Mischungen davon. In einigen Ausführungsformen schließen der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Trübungsmittel ein, die Siliciumcarbid einschließen. In einigen Ausführungsformen schließen der eine oder die mehreren Zusatzstoffe eine Kombination von Brandschutzzusatzstoffen und Trübungsmitteln ein. In einer oder mehreren Ausführungsformen weist das Aerogel eine Dichte im Bereich von etwa 0,25 g/cm³ bis etwa 1,0 g/cm³ auf. In einigen Ausführungsformen weist das Aerogel einen Biegemodul von etwa 2 MPa bis etwa 8 MPa auf. In einigen Ausführungsformen weist das Aerogel eine Kompression auf, die bei etwa 70 °C im Bereich von etwa 10 % bis etwa 25 % eingestellt ist. In einigen Ausführungsformen weist das Aerogel eine Druckfestigkeit auf, wobei die Druckfestigkeit bei 25 % Dehnung zwischen etwa 40 kPa und etwa 180 kPa liegt. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist das Aerogel als Monolith, Perlen, Teilchen, Granulat, ein Pulver, eine dünne Folie, ein Blatt oder eine Kombination davon gebildet.
In einigen Ausführungsformen schließt die wärmeleitfähige Schicht mindestens eine Schicht ein, die Metall, Kohlenstoff, leitfähiges Polymer oder Kombinationen davon einschließt. In einigen Ausführungsformen ist die wärmeleitfähige Schicht ein Phasenwechselmaterial. In einigen Ausführungsformen ist die wärmeleitfähige Schicht ein Metall, das aus Aluminium, Kupfer und Stahl ausgewählt ist. In einigen Ausführungsformen leitet die wärmeleitfähige Schicht Wärme aus einer lokalisierten Wärmelast ab, vorzugsweise an die Umgebung. In einigen Ausführungsformen befindet sich die wärmeleitfähige Schicht in einer Form, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gewebe, Lagen, Lochblech, Folie und Lochfolie. In einigen Ausführungsformen, wobei die Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht, z. B. Aerogel bei 25 °C, gleich bleibt oder unerhebliche Mengen unter der Last von bis zu etwa 5 MPa zunimmt. In einigen Ausführungsformen beträgt die Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht bei 25 °C unter Last von bis zu etwa 5 MPa weniger als etwa 50 mW/m-K.
In einem anderen Gesichtspunkt wird hier ein mehrschichtiges Material zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeichersystem bereitgestellt. Das mehrschichtige Material umfasst einen Kernteil, der einen geschichteten Aufbau umfasst, wobei der geschichtete Aufbau mindestens eine Isolierschicht und mindestens eine thermisch kapazitive Schicht umfasst. Ein äußerer Teil ist außerhalb des Kernteils angeordnet, wobei der äußere Teil mindestens eine Opfermaterialschicht umfasst, wobei die Opfermaterialschicht ein komprimierbares Kissen mit einer Druckkraftverformung (CFD) von 25 % bei etwa 20 kPa bis etwa 100 kPa, z. B. bei etwa 27 kPa bis etwa 55 kPa, umfasst. Die thermisch-kapazitive Schicht hat eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K), und wobei die Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweist.
In einem anderen Gesichtspunkt wird hier ein mehrschichtiges Material zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeichersystem bereitgestellt. Das mehrschichtige Material umfasst einen Kernteil, der einen geschichteten Aufbau umfasst, wobei der geschichtete Aufbau mindestens eine Isolierschicht und mindestens eine wärmeleitende Schicht umfasst. Ein äußerer Teil ist an der Außenseite des Kernteils angeordnet, wobei der äußere Teil mindestens eine Opfermaterialschicht mit einer Druckkraftverformung (CFD) von 25 % bei etwa 20 kPa bis etwa 100 kPa, z. B. bei etwa 27 kPa bis etwa 55 kPa, umfasst. Die wärmeleitende Schicht hat eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer in der Ebene liegenden Dimension der wärmeleitenden Schicht von mindestens etwa 200 mW/m-K. Die wärmeleitende Schicht hat eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer in der Ebene liegenden Abmessung der wärmeleitenden Schicht von mindestens etwa 200 mW/m-K, und wobei die Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C hat.
In einem Gesichtspunkt umfasst ein Mehrschichtmaterial zur Verwendung als Wärmesperre in einem elektrischen Energiespeichersystem Speichersystem eine Kernschicht, die mindestens eine komprimierbare Materialschicht mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa und mindestens eine thermisch leitfähige Schicht und/oder mindestens eine thermisch kapazitive Schicht umfasst. Das mehrschichtige Material umfasst auch zwei Isolierschichten mit einer Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/mK bei 600 °C. Die Kernschicht ist zwischen den beiden Isolierschichten eingebettet. Das mehrschichtige Material ist optional in ein Verkapselungsmaterial eingekapselt.
In einem Gesichtspunkt wird hierin die Verwendung des mehrschichtigen Materials gemäß verschiedenen Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte in einem Batteriepack bereitgestellt, das eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen oder von Modulen von Batteriezellen einschließt, um die einzelnen Batteriezellen oder Module von Batteriezellen thermisch voneinander zu trennen. In einigen Ausführungsformen verursacht ein Durchgehereignis, das in einer oder mehreren Batteriezellen oder Modulen von Batteriezellen eines Teils der Batterie auftritt, keine Beschädigung der Batteriezellen oder Module in Teilen der Batterie, die durch das mehrschichtige Material gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte von dem Teil der Batterie getrennt sind, in dem das Durchgehereignis auftritt.
In einem anderen Gesichtspunkt wird hierin das mehrschichtige Material gemäß verschiedenen Ausführungsformen jedes der obigen Gesichtspunktenansprüchen in einem Batteriepack bereitgestellt, das eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen oder von Modulen von Batteriezellen einschließt, um die einzelnen Batteriezellen oder Module von Batteriezellen thermisch voneinander zu trennen.
In einem Gesichtspunkt ist hierin ein Batteriemodul bereitgestellt, das einschließt: eine erste Batteriezelle mit einer ersten Oberfläche; eine zweite Batteriezelle mit einer zweiten Oberfläche, wobei sich die zweite Oberfläche in gegenüberliegender Beziehung zu der ersten Oberfläche befindet; und das mehrschichtige Material gemäß verschiedenen Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte, das zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen bedeckt das mehrschichtige Material mindestens etwa 80 % der Oberfläche der gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen.
In einem anderen Gesichtspunkt ist hierin ein Batteriemodul bereitgestellt, das einschließt: mindestens eine Batteriezelle und das mehrschichtige Material gemäß verschiedenen Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte, wobei das mehrschichtige Material auf einer Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle oder auf einer Oberfläche des Batteriemoduls angeordnet ist.
In einem Gesichtspunkt ist hierin ein Batteriepack bereitgestellt, das eine Vielzahl von Zellen und Abstandshaltern einschließt, die zwischen den zwei Nachbarzellen oder zwei benachbarten Modulen angeordnet sind, wobei der Abstandshalter das mehrschichtige Material gemäß verschiedenen Ausführungsformen eines der vorstehenden Gesichtspunkte enthält.
Das Batteriemodul oder -pack gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte schließt ferner ein Kühlsystem ein, das konfiguriert ist, um Wärme aus dem Batteriepack zu entfernen. In einigen Ausführungsformen ist mindestens eine Schicht des mehrschichtigen Materials in thermischer Verbindung mit dem Kühlsystem. In einigen Ausführungsformen steht die wärmeleitfähige Schicht in thermischer Verbindung mit dem Kühlsystem.
In einem anderen Gesichtspunkt sind hierin eine Vorrichtung oder ein Fahrzeug bereitgestellt, die bzw. welches das Batteriemodul oder den Batteriepack gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte einschließt. In einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtung ein Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, ein Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, militärische Telefone, Laserentfernungsmesser, digitale Kommunikationsvorrichtung, Informationserfassungssensor, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtausrüstung, Elektrowerkzeug, Rechner, Radio, ferngesteuerte Vorrichtung, GPS-Vorrichtung, Taschen- und tragbare Fernsehgeräte, Starthilfegerät, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtung, tragbarer Staubsauger oder ein tragbares medizinisches Werkzeug. In einigen Ausführungsformen ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug.
In einer oder mehreren Ausführungsformen weist das mehrschichtige Material gemäß einem der vorstehenden Gesichtspunkte eine durchschnittliche Dicke in einem Bereich von etwa 2 mm bis etwa 10 mm in einem unkomprimierten Zustand auf.
Das hierin beschriebene mehrschichtige Material kann einen oder mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Abschwächungsstrategien von thermischem Durchgehen bereitstellen. Das mehrschichtige Material kann die Ausbreitung durch thermisches Durchgehen durch Zellen minimieren oder beseitigen, ohne die Energiedichte des Batteriemoduls oder -packs oder die Montagekosten signifikant zu beeinflussen. Das mehrschichtige Material der vorliegenden Offenbarung kann günstige Eigenschaften für Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und elastische Nachgiebigkeit zur Aufnahme der Schwellung der Zellen bereitstellen, was während der Lebensdauer der Zelle anhält, während es gute thermische Eigenschaften unter normalen Betriebsbedingungen sowie unter Bedingungen thermischen Durchgehens besitzt. Die hierin beschriebenen mehrschichtigen Materialien sind langlebig und leicht zu handhaben, weisen einen günstigen Widerstand gegen die Wärmeausbreitung und die Feuerausbreitung auf, während die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien minimiert werden und auch gute Eigenschaften für Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und elastische Nachgiebigkeit erzielt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem somit die Offenbarung allgemein beschrieben wurde, wird nun auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, und wobei gilt:

1 eine schematische Darstellung der elektrochemischen Zelle einer Li-Ionen-Batterie ist.
2 ein schematisches Diagramm des Lade-Entladeprozesses in einer Li-Ionen-Batterie ist.
3 schematisch Fehlanwendungsbedingungen des thermischen Durchgehens und einen Ausbreitungsprozess des thermischen Durchgehens innerhalb eines Batteriemoduls veranschaulicht.
4 eine schematische Darstellung des Dendritenwachstums auf der Lithiumplattierung in einer Batterie ist.
5 schematisch drei Stufen veranschaulicht, die zum thermischen Durchgehprozess führen.
6 schematisch die Batteriezelle, das Batteriemodul und den Batteriepack veranschaulicht.
7 schematisch ein mehrschichtiges Material gemäß bestimmten hierin offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
8 schematisch ein mehrschichtiges Material gemäß bestimmten hierin offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
9A-E schematisch ein mehrschichtiges Material gemäß bestimmten hierin offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden und innerhalb der auf veranschaulichende Weise spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, anhand derer die Offenbarung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf mehrschichtige Materialien und Systeme, welche die mehrschichtigen Materialien einschließen, um Probleme im Zusammenhang mit thermischem Durchgehen in Energiespeicherungssystemen zu bewältigen. Ausführungsbeispiele schließen ein mehrschichtiges Material ein, umfassend mindestens eine Isolierschicht, mindestens ein komprimierbares Kissen und optional eine oder mehrere Schichten, die günstige wärmeableitende Eigenschaften aufweisen, günstige Feuer-, Flammen- und/oder Abriebwiderstandseigenschaften aufweisen, eine günstige Leistungsfähigkeit für die Verwendung als thermische Barrieren aufweisen. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Batteriemodul oder -pack mit einer oder mehreren Batteriezellen und dem mehrschichtigen thermischen Barrierematerial, das in thermischer Verbindung mit der Batteriezelle angeordnet ist.
Eine oder mehrere Isolierschichten des hierin offenbarten mehrschichtigen Materials können Aerogel-Zusammensetzungen oder verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen einschließen. Aerogel-Materialien besitzen bekanntermaßen etwa das Zwei- bis Sechsfache der thermischen Beständigkeit anderer gebräuchlicher Isolierungen, z. B. Schaumstoffe, Glasfaser usw. Aerogele können eine wirksame Abschirmung und Wärmeisolierung erhöhen, ohne die Dicke der Isolierung wesentlich zu erhöhen oder zusätzliches Gewicht hinzuzufügen. Aerogele sind bekanntermaßen eine Klasse von Strukturen mit niedriger Dichte, offener Zellstrukturen, großer Oberflächenbereiche und Porengrößen im Nanometerbereich.
Mehrschichtige Materialien und mehrschichtige Materialien mit Aerogel-Zusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität bereit. Wenn die komprimierbare Schicht der Barriere als thermische Barriere zwischen Zellen innerhalb eines Batteriemoduls verwendet wird, können die mehrschichtigen Materialien Beständigkeit gegen Kompressionsverformung bereitstellen, um der Expansion von Zellen aufgrund der Verschlechterung und Schwellung aktiver Materialien während der Lade-/Entladezyklen für die Batterie Rechnung zu tragen.
Die vorliegende Offenbarung stellt auch ein Batteriemodul oder Batteriepack bereit, das mindestens eine Batteriezelle und ein mehrschichtiges Material gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen aufweist, das auf der Batteriezelle oder auf dem Batteriemodul, z. B. auf einer Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle oder auf einer Oberfläche des Batteriemoduls, angeordnet ist. Zum Beispiel weist das Batteriemodul oder das Batteriepack eine Innenoberfläche und Außenoberfläche auf. In bestimmten Ausführungsformen befindet sich das mehrschichtige Material auf der Innenoberfläche des Batteriemoduls oder Batteriepacks. In bestimmten Ausführungsformen befindet sich das mehrschichtige Material auf einer Außenoberfläche des Batteriemoduls oder Batteriepacks.
Die mehrschichtigen Materialien der vorliegenden Offenbarung können verschiedene einzigartige Konfigurationen aufweisen, bei denen mehr als eine Schicht mit thermisch und/oder mechanisch günstigen Eigenschaften auf eine bestimmte Weise angeordnet sind. 7 veranschaulicht ein beispielhaftes mehrschichtiges Material 400 gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen. In einer Ausführungsform schließt ein mehrschichtiges Material 400 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem einen Kernabschnitt 700, umfassend eine geschichtete Anordnung von Isolierschichten 470 und 480 und die thermischen kapazitiven Schichten 430, 440 und/oder 450, die abwechselnd in einer Richtung senkrecht zu ihrer größten Oberfläche gestapelt sind; und äußere Abschnitte 600, die außerhalb des Kernabschnitts 700 angeordnet sind, wobei die äußeren Abschnitte 600 jeweils Opfermaterialschichten aufweisen, die komprimierbare Kissen umfassen. Die komprimierbaren Kissen 410/460 haben einen Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa. Die Einkapselungsmaterialschicht 420 wird aus einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt. Die thermisch-kapazitiven Schichten 430, 440 und 450 haben eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K). Die Isolierschichten 470 und 480 haben eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600°C. eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K) aufweist und wobei die Isolierschicht 470 und/oder 480 eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweist.
In einigen Ausführungsformen sind Isolierschichten 470 und 480 aus dem gleichen Material hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind Isolierschichten 470 und 480 aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind thermische kapazitive Schichten 430, 440 und 450 aus dem gleichen Material hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind thermische kapazitive Schichten 430, 440 und 450 aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften hergestellt. Komprimierbare Kissen 410 und 460 können auch aus unterschiedlichen oder den gleichen Materialien hergestellt sein.
8 veranschaulicht ein mehrschichtiges Material 500 gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen. In einer Ausführungsform schließt ein mehrschichtiges Material 400 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem einen Kernabschnitt 700, umfassend eine geschichtete Anordnung einer Isolierschicht 470 und 480 und einer wärmeleitfähigen Schicht 530, 540 und/oder 550, die abwechselnd in einer Richtung normal zu ihrer größten Oberfläche gestapelt sind. Die äußeren Abschnitte 600 sind außerhalb des Kernabschnitts 700 angeordnet.Die äußeren Abschnitte 600 haben jeweils Opfermaterialschichten, die aus komprimierbaren Kissen bestehen. Die komprimierbaren Kissen 410/460 haben ein Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa. Die Einkapselungsmaterialschicht 420 wird aus einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt. ie wärmeleitfähigen Schichten 530, 540 und 550 haben eine Wärmekapazität entlang einer in der Ebene liegenden Dimension der wärmeleitfähigen Schicht von mindestens etwa 200 mW/m-K. Die Isolierschicht 470 und/oder 480 eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweist.
In einigen Ausführungsformen sind wärmeleitfähige Schichten 530, 540 und 550 aus dem gleichen Material hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind wärmeleitfähige Schichten 530, 540 und 550 aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften hergestellt.
In einigen Ausführungsformen ist die Einkapselungsmaterialschicht 420 zwischen dem Kernabschnitt 700 und der Opfermaterialschicht mit mindestens einem komprimierbaren Kissen 410 und/oder 460 angeordnet, wie in 7 und 8 gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist die Opfermaterialschicht, die mindestens ein komprimierbares Kissen auf 410 und/oder 460 aufweist, zwischen dem Kernabschnitt 700 und der Einkapselungsmaterialschicht 420 angeordnet.
Das mehrschichtige Material gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen kann eine durchschnittliche Dicke in einem Bereich zwischen etwa 2 mm bis etwa 10 mm im unkomprimierten Zustand aufweisen. Die durchschnittliche Dicke des mehrschichtigen Materials kann bei Exposition gegenüber externer mechanischer Last, wie Last, die auf die Materialien zwischen Zellen während der anfänglichen Montage eines Batteriemoduls z. B. 1 MPa oder niedriger, ausgeübt wird, abnehmen.
In beispielhafter Konfiguration des mehrschichtigen Materials, das in 9A gezeigt ist, umfasst ein mehrschichtiges Material 800 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem eine Kernschicht, die ein komprimierbares Kissen mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa (z. B. 1,5 MPa, 2 MPa, 4 MPa, 5 MPa, 6 MPa, 8 MPa, 9 MPa, 10 MPa, 11 MPa, 11,5 MPa) umfassen; und zwei Isolierschichten 470 und 480 mit Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/mK bei 600 °C. Die Kernschicht zwischen zwei Isolierschichten 470 und 480, angeordnet ist, wobei das mehrschichtige Material optional in einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt ist, das ausgewählt ist aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon.
In beispielhafter Konfiguration des mehrschichtigen Materials, das in 9B gezeigt ist, umfasst ein mehrschichtiges Material 810 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem eine Kernschicht, die ein komprimierbares Kissen 410 mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa und zwei wärmeleitfähigen Schichten 530 und 540 umfassen. Das mehrschichtige Material 801 umfasst auch zwei Isolierschichten 470 und 480 mit Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C, wobei die Kernschicht zwischen zwei Isolierschichten 470 und 480 angeordnet ist, wobei die optionale mindestens eine wärmeleitfähige Schicht eine ebeneninterne Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 200 mW/m-K aufweist und wobei das mehrschichtige Material optional in einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt ist, das aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
In Ausführungsbeispielen, wie in 9C gezeigt, umfasst ein mehrschichtiges Material 820 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem eine Kernschicht, die ein komprimierbares Kissen 410 mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa und zwei thermisch kapazitive Schichten 430 und 440 umfasst. Die Kernschicht liegt sandwichartig zwischen zwei Isolierschichten 470 und 480 mit Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/mK bei 600 °C.. Die thermisch kapazitiven Schichten weisen eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K) auf. Das mehrschichtige Material ist optional in einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt, das aus mindestens einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
In beispielhaften Ausführungsformen, wie in 9D gezeigt, umfasst ein mehrschichtiges Material 830 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeichersystem eine Kernschicht mit einem komprimierbaren Kissen 410 mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa und zwei thermisch kapazitive Schichten 430 und 440.
Zwei Isolierschichten 470 und 480 mit einer Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C umschließen die Kernschicht. Die thermisch kapazitiven Schichten haben eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K). Das Mehrschichtmaterial 830 umfasst ferner zwei zusätzliche thermisch kapazitive Schichten 435 und 445, die auf einer Außenfläche jeder Isolierschicht 470 und 480 angeordnet sind. Das mehrschichtige Material ist optional in einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt, das ausgewählt ist aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon.
In beispielhafter Konfiguration des mehrschichtigen Materials, wie in 9E gezeigt ist, umfasst ein mehrschichtiges Material 840 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem eine Kernschicht, die zwei komprimierbares Kissen 410 und 460, jedes mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa und eine thermisch kapazitive Schichten 430 umfassen. Zwei Isolierschichten 470 und 480 mit Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C, die die Kernschicht einbetten.Die thermisch kapazitive Schichten weisen eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K) auf. Das mehrschichtige Material ist optional in einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt, das ausgewählt ist aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon. Die thermisch kapazitive Schicht 430 ist zwischen den beiden komprimierbaren Pads 410 und 460 eingebettet.
Isolierschichten
Isolierschichten der hierin beschriebenen mehrschichtigen Materialien sind dafür zuständig, den Wärmefluss von wärmeerzeugenden Teilen in kleinen Räumen zuverlässig zu steuern und die Sicherheit und Vorbeugung von Brandausbreitung für solche Produkte in den Bereichen elektronischer, industrieller und automobiler Technologien bereitzustellen. Isolierschichten mit überlegenen Eigenschaften im Hinblick auf die Kompression können beim Angehen dieser Bedürfnisse nützlich sein. In vielen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung fungiert die Isolierschicht, entweder allein oder in Kombination mit anderen Schichten des mehrschichtigen Materials, auch als Flammen-/Brand-Deflektorschicht. Zum Beispiel kann die Isolierschicht, z. B. eine Aerogel-Schicht, in Kombination mit einer flammbeständigen Schicht, wie einer Schicht aus Metall oder Glimmer, Schutz für darunter liegende Schichten gegen Flammen und/oder heiße Gasen sowie Flammen/heiße Gase mit mitgeführten teilchenförmigen Materialien, wie den Materialien, die während eines thermischen Durchgehereignisses aus einer LIB ausgestoßen werden können, bereitstellen. In einem anderen Beispiel kann die Isolierschicht selbst gegenüber Flammen und/oder heißen Gasen sowie Flammen/heißen Gasen mit mitgeführten teilchenförmigen Materialien beständig sein. Eine Isolierschicht wie Glimmer, mikroporöses Siliciumdioxid, Aerogel in Kombination mit einer flammbeständigen Schicht kann als Flammen-Brand-Deflektorschicht fungieren. Isolierschichten einschließlich Aerogelen, wie sie in den Ausführungsformen hierin offenbart sind, sind haltbar und leicht zu handhaben, weisen eine vorteilhafte Beständigkeit gegenüber Wärmeausbreitung und Brandausbreitung auf und minimieren gleichzeitig die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien und weisen auch gute Eigenschaften im Hinblick auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität auf Aerogele sind eine Klasse von porösen Materialien mit offenen Zellen, die ein Gerüst miteinander verbundener Strukturen aufweisen, mit einem entsprechenden Netz von Poren, die im Gerüst integriert sind, und einer interstitiellen Phase innerhalb des Netzwerks von Poren, die hauptsächlich aus Gasen wie Luft besteht. Aerogele zeichnen sich üblicherweise durch eine geringe Dichte, eine hohe Porosität, eine große Oberfläche und kleine Porengrößen aus. Aerogele können durch ihre physikalischen und strukturellen Eigenschaften von anderen porösen Materialien unterschieden werden. Dementsprechend umfasst in einigen Ausführungsformen die Isolierschicht des mehrschichtigen Materials der vorliegenden Offenbarung ein Aerogel. In einigen Ausführungsformen kann die Isolierschicht ferner ein Material einschließen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, Keramikfaser, Mineralwolle und Kombinationen davon. In einigen Fällen weist die Isolierschicht kein Aerogel auf. In einigen Ausführungsformen kann die Isolierschicht ein Material einschließen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, Keramikfaser, Mineralwolle und Kombinationen davon.
In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von 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 zwei dieser Werte bei 25 °C auf. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von etwa 60 mW/mK oder weniger, 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 zwei dieser Werte bei 600 °C auf.
Die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung, z. B. eine Isolierschicht, die ein Aerogel einschließt, kann unter einer Last von bis zu etwa 5 MPa unerhebliche Mengen an Wärmeleitfähigkeit (üblicherweise in mW/m-k gemessen) halten oder erhöhen. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung unter einer Last von bis zu etwa 5 MPa eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von 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 zwei dieser Werte bei 25 °C auf. Die Dicke der Aerogel-Isolierschicht kann aufgrund der Last, die der Aerogel-Isolierschicht ausgesetzt ist, reduziert werden. Zum Beispiel kann die Dicke der Aerogel-Isolierschicht um 50 % oder weniger, 40 % oder weniger, 30 % oder weniger, 25 % oder weniger, 20 % oder weniger, 15 % oder weniger, 10 % oder weniger, 5 % oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte unter einer Last im Bereich von etwa 0,50 MPa bis 5 MPa reduziert sein. Obwohl die thermische Beständigkeit der Isolierschicht einschließlich eines Aerogels reduziert werden kann, da die Dicke reduziert wird, kann die Wärmeleitfähigkeit um unerhebliche Mengen beibehalten oder erhöht werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung eine Verbrennungswärme von etwa 750 cal/g oder weniger, etwa 717 cal/g oder weniger, etwa 700 cal/g oder weniger, etwa 650 cal/g oder weniger, etwa 600 cal/g oder weniger, etwa 575 cal/g oder weniger, etwa 550 cal/g oder weniger, etwa 500 cal/g oder weniger, etwa 450 cal/g oder weniger, etwa 400 cal/g oder weniger, etwa 350 cal/g oder weniger, etwa 300 cal/g oder weniger, etwa 250 cal/g oder weniger, etwa 200 cal/g oder weniger, etwa 150 cal/g oder weniger, etwa 100 cal/g oder weniger, etwa 50 cal/g oder weniger, etwa 25 cal/g oder weniger, etwa 10 cal/g oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte aufweisen. Eine Isolierschicht, die eine verbesserte Verbrennungswärme relativ zu einer anderen Isolierschicht aufweist, weist relativ zur Referenzisolierschicht einen niedrigeren Verbrennungswärmewert auf. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die HOC einer Isolierschicht verbessert, indem ein Brandklassenadditiv in die Isolierschicht eingebaut wird.
In bestimmten Ausführungsformen weisen Isolierschichten der vorliegenden Offenbarung einen Anfang der thermischen Zersetzung bei etwa 300 °C oder mehr, etwa 320 °C oder mehr, etwa 340 °C oder mehr, etwa 360 °C oder mehr, etwa 380 °C oder mehr, etwa 400 °C oder mehr, etwa 420 °C oder mehr, etwa 440 °C oder mehr, etwa 460 °C oder mehr, etwa 480 °C oder mehr, etwa 500 °C oder mehr, etwa 515 °C oder mehr, etwa 550 °C oder mehr, etwa 600 °C oder mehr oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte auf. Innerhalb des vorliegenden Rahmens würde zum Beispiel eine erste Zusammensetzung mit einem Einsetzen der thermischen Zersetzung, die höher als ein Anfang der thermischen Zersetzung einer zweiten Zusammensetzung ist, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung betrachtet werden. Es wird hierin in Betracht gezogen, dass ein Beginn der thermischen Zersetzung einer Zusammensetzung oder eines Materials bei Zugabe eines oder mehrerer Brandschutzzusatzstoffe im Vergleich zu einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzzusatzstoffe einschließt, erhöht wird.
Der Begriff „Biegemodul“ oder „Biege-Elastizitätsmodul“ ist ein Maß für eine Materialsteifigkeit/-beständigkeit gegenüber Biegen, wenn eine Kraft senkrecht zur langen Kante einer Probe angelegt wird, was als Dreipunkt-Biegeprüfung bekannt ist. Der Biegemodul bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, sich zu biegen. Der Biegemodul wird durch die Steigung des anfänglichen geraden Linienabschnitts der Spannungs-DehnungsKurve dargestellt und wird berechnet, indem die Änderung der Spannung durch die entsprechende Änderung der Dehnung dividiert wird. Somit ist das Verhältnis von Spannung zu Dehnung ein Maß für den Biegemodul. Die International Standardeinheit des Biegemoduls ist Pascal (Pa oder N/m2 oder m-1.kg.s-2). Die verwendeten praktischen Einheiten sind Megapascal (MPa oder N/mm2) oder Gigapascal (GPa oder kN/mm2). In den üblichen US-Maßeinheiten wird er in Pfund (Kraft) pro Quadratzoll (psi) ausgedrückt. In bestimmten Ausführungsformen weisen Isolierschichten der vorliegenden Offenbarung einen Biegemodul von etwa 8 MPa oder weniger, etwa 7 MPa oder weniger, etwa 6 MPa oder weniger, etwa 5 MPa oder weniger, etwa 4 MPa oder weniger, etwa 3 MPa oder weniger auf. Vorzugsweise weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung z. B. Aerogel einen Biegemodul von etwa 2 MPa bis etwa 8 MPa auf.
Wie oben beschrieben, sind die Kompressions- und Elastizitätseigenschaften von Materialien zwischen Zellen oder Batteriemodulen und Batteriepacks wichtig, um dem Schwellen von Zellen während ihrer Lebenszyklen Rechnung zu tragen. In bestimmten Ausführungsformen sind die Isolierschicht oder das mehrschichtige Material, einschließlich der Isolierschicht (i) um mindestens 50 % ihrer ursprünglichen oder unkomprimierten Dicke, vorzugsweise mindestens 65 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 % komprimierbar und (ii) ist ausreichend elastisch, um nach der Kompression für einige Sekunden zu mindestens 70 % ihrer ursprünglichen oder unkomprimierten Dicke, vorzugsweise mindestens 75 % und am meisten bevorzugt mindestens 80 %, zurückzukehren.
In bestimmten Ausführungsformen beträgt der Kompressionsmodul der Isolierschicht (z. B. eine Schicht einschließlich Aerogel) eine komprimierbare Komponente des mehrschichtigen Materials, einschließlich der Isolierschicht oder des mehrschichtigen Materials als Ganzes von etwa 1 MPa, etwa 2 MPa, etwa 3 MPa, etwa 4 MPa, etwa 5 MPa, etwa 6 MPa, etwa 7 MPa, etwa 8 MPa, etwa 9 MPa, etwa 10 MPa, etwa 11 MPa, etwa 12 MPa oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte.
Aerogele
Das Aerogel der vorliegenden Erfindung kann organisch, anorganisch oder eine Mischung davon sein. In einigen Ausführungsformen umfasst das Aerogel ein Aerogel auf Siliciumdioxidbasis. Die Isolierschicht des mehrschichtigen Materials kann ein Aerogel sein, das ferner ein Verstärkungsmaterial umfasst. Das Verstärkungsmaterial kann ein beliebiges Material sein, das dem Aerogel-Material Elastizität, Konformität oder strukturelle Stabilität bereitstellt. Beispiele für bekannte Verstärkungsmaterialien schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, offenzellige makroporöse Gerüstverstärkungsmaterialien, geschlossenzellige makroporöse Gerüstverstärkungsmaterialien, offenzellige Membranen, Wabenverstärkungsmaterialien, polymere Verstärkungsmaterialien und Faserverstärkungsmaterialien wie diskrete Fasern, Gewebematerialien, Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffe, Wattierungen, Bahnen, Matten und Filze ein.
Das Verstärkungsmaterial kann aus organischen polymerbasierten Fasern, anorganischen Fasern, kohlenstoffbasierten Fasern oder einer Kombination davon ausgewählt sein. Die anorganischen Fasern sind ausgewählt aus Glasfasern, Gesteinsfasern, Metallfasern, Borfasern, Keramikfasern, Basaltfasern oder einer Kombination davon.
In einigen Ausführungsformen kann das Verstärkungsmaterial eine Verstärkung einschließen, die eine Vielzahl von Materialschichten einschließt. Zum Beispiel kann die Vielzahl von Materialschichten miteinander verbunden sein. In Ausführungsbeispielen kann mindestens eine der Vielzahl von Schichten ein erstes Material einschließen und mindestens eine andere Schicht der Vielzahl von Schichten kann ein zweites Material einschließen. Das erste Material und das zweite Material können die gleichen oder unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Zum Beispiel kann das erste Material komprimierbarer als das zweite Material sein. Für ein anderes Beispiel kann das erste Material geschlossene Zellen einschließen und das zweite Material kann offene Zellen einschließen.
Aerogele werden als Gerüst miteinander verbundener Strukturen beschrieben, die am häufigsten aus miteinander verbundenen Oligomeren, Polymeren oder kolloidalen Teilchen bestehen. Ein Aerogel-Gerüst kann aus einer Reihe von Vorläufermaterialien hergestellt sein, einschließlich anorganischer Vorläufermaterialien (wie Vorläufer, die bei der Herstellung von siliciumdioxidbasierten Aerogelen verwendet werden); organischer Vorläufermaterialien (solche Vorläufer, die bei der Herstellung von kohlenstoffbasierten Aerogelen verwendet werden); hybrider anorganischer/organischer Vorläufermaterialien; und Kombinationen davon. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Amalgam-Aerogel“ auf ein Aerogel, das aus einer Kombination von zwei oder mehr unterschiedlichen Gelvorläufern hergestellt ist; die entsprechenden Vorläufer werden als „Amalgam-Vorläufer“ bezeichnet.
Anorganische Aerogele
Anorganische Aerogele werden im Allgemeinen aus Metalloxid- oder Metallalkoxid-Materialien gebildet. Die Metalloxid- oder Metallalkoxid-Materialien können auf Oxiden oder Alkoxiden eines Metalls basieren, das Oxide bilden kann. Solche Metalle schließen Silicium, Aluminium, Titan, Zirconium, Hafnium, Yttrium, Vanadium, Cer und dergleichen ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Anorganische Siliciumdioxid-Aerogele werden herkömmlicherweise über die Hydrolyse und Kondensation von siliciumdioxidbasierten Alkoxiden (wie Tetraethoxylsilan) oder durch Gelierung von Kieselsäure oder Wasserglas hergestellt. Andere relevante anorganische Vorläufermaterialien für die siliciumdioxidbasierte Aerogel-Synthese schließen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Metallsilikate wie Natriumsilikat oder Kaliumsilikat, Alkoxysilane, teilweise hydrolysierte Alkoxysilane, Tetraethoxylsilan (TEOS), teilweise hydrolysiertes TEOS, kondensierte Polymere von TEOS, Tetraoxylsilan (TMOS), teilweise hydrolysiertes TMOS, kondensierte Polymere von TMOS, Tetramethylsilan, teilweise hydrolysierte und/oder kondensierte Polymere von tetra-n-Propoxysilan, Polyethylsilikate, teilweise hydrolysierte Polyethylsilikate, monomere Alkylalkoxysilane, bis-Trialkoxyalkyl- oder Arylsilane, polyedrische Silsesquioxane oder Kombinationen davon ein.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann vorhydrolysiertes TEOS, wie Silbond H-5 (SBH5, Silbond Corp), das mit einem Wasser/Siliciumdioxid-Verhältnis von etwa 1,9-2 hydrolysiert wird, als im Handel erhältlich verwendet werden oder kann vor dem Einbau in den Gelierprozess weiter hydrolysiert werden. Teilweise hydrolysiertes TEOS oder TMOS, wie Polyethylsilikat (Silbond 40) oder Polymethylsilikat, können auch als kommerziell erhältlich oder vor dem Einbau in den Gelierprozess weiter hydrolysiert werden.
Anorganische Aerogele können auch Gelvorläufer einschließen, die mindestens eine hydrophobe Gruppe umfassen, wie Alkylmetallalkoxide, Cycloalkylmetallalkoxide und Arylmetallalkoxide, die bestimmte Eigenschaften im Gel wie Stabilität und Hydrophobizität verleihen oder verbessern können. Anorganische Siliciumdioxid-Aerogele können insbesondere hydrophobe Vorläufer wie Alkylsilane oder Arylsilane einschließen. Hydrophobe Gelvorläufer können als Primärvorläufermaterialien verwendet werden, um das Gerüst eines Gelmaterials zu bilden. Die hydrophoben Gelvorläufer werden jedoch häufig als Co-Vorläufer in Kombination mit einfachen Metallalkoxiden bei der Bildung von Amalgam-Aerogelen verwendet. Hydrophobe anorganische Vorläufermaterialien für die siliciumdioxidbasierte Aerogel-Synthese schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf Trimethylmethoxysilan (TMS), Dimethyldimethoxysilan (DMS), Methyltrimethoxysilan (MTMS), Trimethylethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan (DMDS), Methyltriethoxysilan (MTES), Ethyltriethoxysilan (ETES), Diethyldiethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan (DMDES), Ethyltriethoxysilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenyltriethoxysilan (PhTES), Hexamethyldisilazan und Hexaethyldisilazan und dergleichen. Alle Derivate eines der oben genannten Vorläufer können verwendet werden und spezifisch können bestimmte Polymere anderer chemischer Gruppen mit einem oder mehreren der vorstehenden Vorläufer hinzugefiigt oder vernetzt werden.
Aerogele können auch behandelt werden, um Hydrophobizität zu verleihen oder zu verbessern. Eine hydrophobe Behandlung kann auf eine Sol-Gel-Lösung, ein Nassgel vor der Flüssigextraktion oder auf ein Aerogel nach der Flüssigextraktion angewendet werden. Die hydrophobe Behandlung ist besonders bei der Herstellung von Metalloxid-Aerogelen, wie Siliciumdioxid-Aerogelen, üblich. Ein Beispiel für eine hydrophobe Behandlung eines Gels wird nachstehend ausführlicher erörtert, insbesondere im Zusammenhang mit der Behandlung eines Siliciumdioxid-Nassgels. Die hierin bereitgestellten spezifischen Beispiele und Veranschaulichungen sollen jedoch den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf einen bestimmten Typ von hydrophober Behandlungsprozedur oder Aerogel-Substrat beschränken. Die vorliegende Offenbarung kann jedes Gel oder Aerogel einschließen, das dem Fachmann bekannt ist, sowie zugehörige Verfahren zur hydrophoben Behandlung der Aerogele, entweder in nasser Form oder getrockneter Aerogel-Form.
Die hydrophobe Behandlung erfolgt durch Umsetzen einer Hydroxyeinheit auf einem Gel, wie einer Silanolgruppe (Si-OH), die im Gerüst eines Siliciumdioxidgel vorhanden ist, mit einer funktionellen Gruppe eines Hydrophobierungsmittels. Die resultierende Reaktion wandelt die Silanolgruppe und das Hydrophobierungsmittel am Gerüst des Kieselgels in eine hydrophobe Gruppe um. Die Hydrophobiermittelverbindung kann mit Hydroxylgruppen auf dem Gel gemäß folgender Reaktion reagieren: RNMX4-N (Hydrophobierungsmittel) + MOH (Silanol) → MOMRN (hydrophobe Gruppe) + HX. Die hydrophobe Behandlung kann sowohl auf der äußeren Makrooberfläche eines Kieselgels als auch auf den inneren Porenoberflächen im porösen Netzwerk eines Gels erfolgen.
Ein Gel kann in eine Mischung aus einem Hydrophobierungsmittel und einem optionalen hydrophoben Behandlungslösungsmittel eingetaucht werden, in dem das Hydrophobierungsmittel löslich ist und das auch mit dem Gellösungsmittel im Nassgel mischbar ist. Es kann eine breite Palette an hydrophoben Lösungsmitteln verwendet werden, einschließlich Lösungsmittel wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, Xylol, Toluol, Benzol, Dimethylformamid und Hexan. Hydrophobierungsmittel in flüssiger oder gasförmiger Form können auch direkt mit dem Gel in Kontakt gebracht werden, um Hydrophobizität zu verleihen.
Der hydrophobe Behandlungsprozess kann das Mischen oder Rühren einschließen, um das Hydrophobierungsmittel beim Durchdringen des Nassgels zu unterstützen. Der hydrophobe Behandlungsprozess kann auch unterschiedliche Bedingungen wie Temperatur und pH-Wert einschließen, um die Behandlungsreaktionen weiter zu verbessern und zu optimieren. Nach Abschluss der Reaktion wird das Nassgel gewaschen, um nicht umgesetzte Verbindungen und Reaktionsnebenprodukte zu entfernen.
Hydrophobierungsmittel zur hydrophoben Behandlung eines Aerogels sind im Allgemeinen Verbindungen der folgenden Formel: RNMX4-N; wobei M das Metall ist; R eine hydrophobe Gruppe wie CH₃, CH₂CH₃, C₆H₆ ist, oder ähnliche hydrophobe Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aryleinheiten; und X ein Halogen, üblicherweise Cl, ist. Spezifische Beispiele für Hydrophobierungsmittel schließen Trimethylchlorsilan (TMCS), Triethylchlorsilan (TECS), Triphenylchlorsilan (TPCS), Dimethylchlorsilan (DMCS), Dimethyldichlorsilan (DMDCS) und dergleichen ein. Hydrophobierungsmittel können auch der folgenden Formel sein: Y(R₃M)₂; wobei M ein Metall ist; Y eine Brückengruppe wie NH oder O ist; und R eine hydrophobe Gruppe wie CH₃, CH₂CH₃, C₆H₆ ist, oder ähnliche hydrophobe Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aryleinheiten. Spezifische Beispiele solcher Hydrophobierungsmittel schließen Hexamethyldisilazan [HMDZ] und Hexamethyldisiloxan [HMDSO] ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Hydrophobierungsmittel können ferner Verbindungen der folgenden Formel einschließen: RNMV4-N, wobei V eine reaktive oder Abgangsgruppe außer Halogen ist. Spezifische Beispiele solcher Hydrophobierungsmittel schließen Vinyltriethoxysilan und Vinyltrimethoxysilan ein, sind aber nicht darauf beschränkt.
Hydrophobe Behandlungen der vorliegenden Offenbarung können auch während des Entfernens, Austauschens oder Trocknens von Flüssigkeit im Gel durchgeführt werden. In einer spezifischen Ausführungsform kann die hydrophobe Behandlung in überkritischer Fluidumgebung durchgeführt werden (wie, aber nicht beschränkt auf überkritisches Kohlendioxid) und kann mit dem Trocknungs- oder Extraktionsschritt kombiniert werden.
Organische Aerogele
Organische Aerogele werden im Allgemeinen aus kohlenstoffbasierten polymeren Vorläufern gebildet. Solche Polymermaterialien schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Resorcin Formaldehyde (RF), Polyimid, Polyacrylat, Polymethylmethacrylat, Acrylatoligomere, Polyoxyalkylen, Polyurethan, Polyphenol, Polybutadian, trialkoxysilyl-terminiertes Polydimethylsiloxan, Polystyrol, Polyacrylnitril, Polyfurfural, Melaminformaldehyd, Kresolformaldehyd, Phenolfurfural, Polyether, Polyol, Polyisocyanat, Polyhydroxybenze, Polyvinylalkohol, Polycyanurate, Polyacrylamide, verschiedene Epoxide, Agar, Agarose, Chitosan und Kombinationen davon ein. Als ein Beispiel werden organische HF-Aerogele üblicherweise aus der Sol-Gel-Polymerisation von Resorcin oder Melamin mit Formaldehyd unter alkalischen Bedingungen hergestellt.
Organische/anorganische Hybrid-Aerogele
Organische/anorganische Hybrid-Aerogele bestehen hauptsächlich aus (organisch modifizierten Siliciumdioxid-(„Ormosil“)-Aerogelen. Diese Ormosil-Materialien schließen organische Komponenten ein, die kovalent an ein Siliciumdioxid-Netzwerk gebunden sind. Ormosile werden üblicherweise durch Hydrolyse und Kondensation organisch modifizierter Silane, R-Si(OX)₃, mit herkömmlichen Alkoxidvorläufern, Y(OX)₄, gebildet. In diesen Formeln kann X zum Beispiel für CH₃, C₂H₅, C₃H₇, C₄H₉ stehen; Y kann zum Beispiel für Si, Ti, Zr oder Al stehen; und R kann jedes organische Fragment wie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Isopropyl, Methacrylat, Acrylat, Vinyl, Epoxid und dergleichen sein. Die organischen Komponenten im Ormosil-Aerogel können auch vollständig verteilt oder chemisch an das Siliciumdioxid-Netzwerk gebunden sein.
In bestimmten Ausführungsformen sind Aerogele der vorliegenden Offenbarung anorganische Siliciumdioxid-Aerogele, die hauptsächlich aus vorpolymerisierten Siliciumdioxidvorläufern gebildet werden, vorzugsweise als Oligomere oder hydrolysierte Silikatester, die aus Siliciumalkoxiden in einem Alkohollösungsmittel gebildet werden. In bestimmten Ausführungsformen können solche vorpolymerisierten Siliciumdioxidvorläufer oder hydrolysierte Silikatester in situ aus anderen Vorläufern oder Silikatestern wie Alkoxysilanen oder Wasserglas gebildet werden. Die Offenbarung als Ganzes kann jedoch mit beliebigen anderen Aerogel-Zusammensetzungen praktiziert werden, die Fachleuten bekannt sind, und ist auf kein bestimmtes Vorläufermaterial oder bestimmte Amalgammischung von Vorläufermaterialien beschränkt.
Makroporen
Wie vorstehend erörtert, können Aerogel-Zusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Aerogel-Gerüst einschließen, das Makroporen einschließt. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, kann das Vorhandensein von Makroporen innerhalb des Aerogel-Gerüsts eine Kompression der Aerogel-Zusammensetzung, z. B. der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung, ermöglichen, während die thermischen Eigenschaften beibehalten oder sogar verbessert werden, z. B. die Wärmeleitfähigkeit reduziert wird. Zum Beispiel können die Makroporen durch Kompression der Zusammensetzung verformt, zerquetscht oder anderweitig verkleinert werden, wodurch die Dicke der Zusammensetzung unter Last reduziert werden kann. Da die Makroporen verformt werden, werden sie jedoch effektiv zu kleineren Poren. Infolgedessen kann der Weg für die Wärmeübertragung innerhalb des Aerogel-Gerüsts schneller sein, da die Makroporen verformt werden, wodurch die thermischen Eigenschaften verbessert werden, z. B. die Wärmeleitfähigkeit reduziert wird. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind „Mesoporen“ Poren, für die der durchschnittliche Porendurchmesser im Bereich von etwa 2 nm und etwa 50 nm liegt. Aerogel-Gerüste sind üblicherweise mesoporös (d. h. hauptsächlich Poren mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 50 nm). In bestimmten Ausführungsformen kann das Aerogel-Gerüst der Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung Makroporen einschließen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind „Makroporen“ Poren, für die der durchschnittliche Porendurchmesser größer als etwa 50 nm ist. Ein Aerogel-Gerüst kann sowohl Makroporen als auch Mesoporen einschließen. Zum Beispiel können mindestens 10 % eines Porenvolumens des Aerogel-Gerüsts aus Makroporen bestehen, mindestens 5 % des Porenvolumens des Aerogel-Gerüsts können aus Makroporen bestehen, mindestens 75 % des Porenvolumens des Aerogel-Gerüsts können aus Makroporen bestehen, mindestens 95 % des Porenvolumens des Aerogel-Gerüsts können aus Makroporen bestehen oder 100 % des Porenvolumens des Aerogel-Gerüsts können aus Makroporen bestehen. In einigen speziellen Ausführungsformen kann das Aerogel-Gerüst ein makroporöses Aerogel-Gerüst sein, sodass ein Großteil seines Porenvolumens aus Makroporen besteht. In einigen Fällen kann das makroporöse Aerogel-Gerüst auch Mikroporen und/oder Mesoporen einschließen. In einigen Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porengröße (Durchmesser) von Poren im Aerogel-Gerüst größer als 50 nm, größer als 50 nm bis 5000 nm, 250 nm bis 2000 nm, 500 nm bis 2000 nm, 500 nm bis 1400 nm oder 1200 nm sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porengröße größer als 50 nm im Durchmesser, größer als 50 nm bis 1000 nm, vorzugsweise 100 nm bis 800 nm, bevorzugter 250 nm bis 750 nm sein.
Homogene und heterogene Porengrößenverteilung
In einigen Ausführungsformen kann die Variation der Porengröße innerhalb des Aerogel-Gerüsts homogen über das Aerogel-Gerüst verteilt werden. Zum Beispiel kann die durchschnittliche Porengröße im gesamten Aerogel-Gerüst im Wesentlichen gleich sein.
In anderen Ausführungsformen kann die Variation der Porengröße innerhalb des Aerogel-Gerüsts heterogen durch das Aerogel-Gerüst verteilt sein. Zum Beispiel kann die durchschnittliche Porengröße in bestimmten Regionen des Aerogel-Gerüsts unterschiedlich sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann die durchschnittliche Porengröße im Bereich der oberen Oberfläche, der unteren Oberfläche oder sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche des Aerogel-Gerüsts größer sein. Zum Beispiel können Makroporen innerhalb der Zusammensetzung so verteilt sein, dass das Verhältnis von Makroporen zu Mesoporen an der oberen Oberfläche größer ist als an der unteren Oberfläche, größer an der unteren Oberfläche als an der oberen Oberfläche, oder sowohl an der oberen als auch an der unteren Oberfläche größer ist als in einem mittleren Bereich zwischen der oberen und der unteren Oberfläche. Für ein anderes Beispiel können die Makroporen innerhalb der Zusammensetzung so verteilt sein, dass das Verhältnis von Makroporen zu Mesoporen nahe der oberen Oberfläche größer ist als nahe der unteren Oberfläche, nahe der unteren Oberfläche größer als nahe der oberen Oberfläche ist oder sowohl nahe der oberen als auch der unteren Oberfläche größer als im mittleren Bereich zwischen der oberen und der unteren Oberfläche ist. In anderen Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porengröße in einem mittleren Bereich zwischen der oberen und der unteren Oberfläche des Aerogel-Gerüsts größer sein.
Makroporenbildung
Makroporen können während der Herstellung der Aerogel-Zusammensetzung gebildet werden. Zum Beispiel kann die Bildung von Makroporen während des Übergangs in die Gelzusammensetzung in den Gelvorläufermaterialien induziert werden. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung von Makroporen durch Induzieren einer spinodalen Zersetzung, z. B. der Gelvorläuferlösung, erfolgen. Für ein anderes Beispiel kann die Bildung von Makroporen durch Zugabe eines oder mehrerer Schaummittel induziert werden.
Die im resultierenden Aerogel-Gerüst vorhandenen Makroporen können gebildet werden, indem Verarbeitungsbedingungen ausgewählt werden, welche die Bildung von Makroporen gegenüber Mesoporen und/oder Mikroporen begünstigen. Die Menge an Makroporen kann durch Umsetzung einer beliebigen Kombination oder aller der folgenden Variablen angepasst werden: (1) das Polymerisationslösungsmittel; (2) die Polymerisationstemperatur; (3) das Polymermolekulargewicht; (4) die Molekulargewichtsverteilung; (5) die Copolymerzusammensetzung; (6) die Menge an Verzweigung; (7) die Menge an Vernetzung; (8) das Verfahren der Verzweigung; (9) das Verfahren der Vernetzung; (10) das Verfahren, das bei der Bildung des Gels verwendet wird; (11) die Art des Katalysators, der zum Bilden des Gels verwendet wird; (12) die chemische Zusammensetzung des Katalysators, der zum Bilden des Gels verwendet wird; (13) die Menge des Katalysators, der zum Bilden des Gels verwendet wird; (14) die Temperatur der Gelbildung; (15) die Art des Gases, das während der Gelbildung über das Material fließt; (16) die Geschwindigkeit des Gases, das während der Gelbildung über das Material fließt; (17) der Druck der Atmosphäre während der Gelbildung; (18) die Entfernung von gelösten Gasen während der Gelbildung; (19) das Vorhandensein fester Zusatzstoffe im Harz während der Gelbildung; (20) die Zeitdauer des Gelbildungsprozesses; (21) das für die Gelbildung verwendete Substrat; (22) die Art von Lösungsmittel oder Lösungsmitteln, die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschprozesses verwendet werden; (23) die Zusammensetzung von Lösungsmittel oder Lösungsmitteln, die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschprozesses verwendet werden; (24) die Zeitdauer, die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschprozesses verwendet wird; (25) die Verweilzeit des Teils in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschprozesses; (26) die Fließgeschwindigkeit des Lösungsmittel-Austauschlösungsmittels; (27) die Art des Durchflusses des Lösungsmittelaustauschlösungsmittels; (28) die Rührgeschwindigkeit des Lösungsmittelaustauschlösungsmittels; (29) die Temperatur, die in jedem Schritt des Lösungsmittelaustauschprozesses verwendet wird; (30) das Verhältnis des Volumens des Lösungsmittelaustauschlösungsmittels zum Volumen des Teils; (31) das Trocknungsverfahren; (32) die Temperatur jedes Schritts in dem Trocknungsprozess; (33) der Druck in jedem Schritt des Trocknungsprozesses; (34) die Zusammensetzung des Gases, das in jedem Schritt des Trocknungsprozesses verwendet wird; (35) die Geschwindigkeit des Gasflusses während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (36) die Temperatur des Gases während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (37) die Temperatur des Teils während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (38) das Vorhandensein einer Umhüllung um den Teil während jedes Schritts des Trocknungsprozesses; (39) die Art der Umhüllung, die den Teil während des Trocknens umgibt; und/oder (40) die Lösungsmittel, die in jedem Schritt des Trocknungsprozesses verwendet werden. Die multifunktionellen Amin- und Diaminverbindungen können separat oder zusammen in einem oder mehreren Teilen als Feststoffe, unverdünnt oder in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst zugegeben werden. In anderen Gesichtspunkten kann ein Verfahren zum Herstellen eines Aerogels die folgenden Schritte einschließen: (a) Bereitstellen einer multifunktionellen Aminverbindung und mindestens einer Diaminverbindung zu einem Lösungsmittel, um eine Lösung zu bilden; (b) Bereitstellen mindestens einer Dianhydridverbindung an die Lösung von Schritt (a) unter Bedingungen, die ausreichen, um eine verzweigte Polymermatrixlösung zu bilden, wobei die verzweigte Polymermatrix in der Lösung solubilisiert ist; und (c) Aussetzen der verzweigten Polymermatrixlösung von Bedingungen, die ausreichen, um ein Aerogel mit einer offenen Zellstruktur zu bilden. Die im resultierenden Aerogel-Gerüst vorhandenen Makroporen können auf die vorstehend erwähnte Weise gebildet werden. In einem bevorzugten und nicht einschränkenden Gesichtspunkt kann die Bildung von Makroporen gegenüber kleineren Mesoporen und Mikroporen hauptsächlich durch Steuern der Polymer-/Lösungsmitteldynamik während der Gelbildung gesteuert werden.
Wie vorstehend erörtert, können Aerogel-Zusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Aerogel-Gerüst und ein Verstärkungsmaterial einschließen, wobei mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält. Zum Beispiel kann sich das Aerogel-Gerüst teilweise durch die Dicke des Verstärkungsmaterials erstrecken. In solchen Ausführungsformen kann ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials, z. B. eine OCMF, Faser oder Kombinationen davon, Aerogel-Material einschließen, und ein Abschnitt kann frei von Aerogel sein. Zum Beispiel erstreckt sich das Aerogel in einigen Ausführungsformen durch etwa 90 % der Dicke des Verstärkungsmaterials, durch einen Bereich von etwa 50 % und etwa 90 % der Dicke des Verstärkungsmaterials, durch einen Bereich von etwa 10 % bis etwa 50 % der Dicke des Verstärkungsmaterials oder durch etwa 10 % der Dicke des Verstärkungsmaterials.
Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, bieten Aerogel-Zusammensetzungen, bei denen mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthalten kann, vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität. Zum Beispiel können die Eigenschaften des Verstärkungsmaterials ausgewählt werden, um eine ausreichende Verstärkung und Unterstützung für thermische Eigenschaften in dem Aerogel enthaltenden Bereich bereitzustellen und auch eine ausreichende Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und/oder Konformität in dem Bereich ohne Aerogel bereitzustellen. Der Aerogel enthaltende Abschnitt der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung kann die gewünschte Wärmeleitfähigkeit bereitstellen, z. B. weniger als etwa 25 mW/m*K, während der Abschnitt der Verstärkung ohne Aerogel die gewünschten physikalischen Eigenschaften, z. B. Komprimierbarkeit, bereitstellen oder verbessern kann.
In einigen Ausführungsformen können verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen, in denen mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, unter Verwendung von hierin offenbarten Verfahren gebildet werden, in denen das Verstärkungsmaterial mit einer Menge an Vorläuferlösung kombiniert wird, die ausreicht, um das Verstärkungsmaterial teilweise mit Vorläuferlösung zu füllen. Zum Beispiel kann das Volumen des Vorläufers kleiner sein als das Volumen des Verstärkungsmaterials, sodass sich der Vorläufer nur teilweise durch die Verstärkung erstreckt. Beim Trocknen schließt die resultierende verstärkte Aerogel-Zusammensetzung ein Aerogel-Gerüst ein, das sich durch weniger als die gesamte Dicke des Verstärkungsmaterials erstreckt, wie vorstehend erörtert. In anderen Ausführungsformen können verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen, bei denen mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, durch Entfernen von Oberflächen-Aerogel-Schichten aus der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung gebildet werden.
In einigen Ausführungsformen können verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen, in denen mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, unter Verwendung eines Verstärkungsmaterials mit gemischten Eigenschaften durch die Dicke der Verstärkung gebildet werden. Zum Beispiel kann die Verstärkung eine Vielzahl von Schichten einschließen, wobei jede Schicht variierende Eigenschaften aufweist, z. B. Unterschiede hinsichtlich der durchschnittlichen Porengröße/Zellgröße, Materialzusammensetzung, geschlossenen Zellen, offenen Zellen, Oberflächenbehandlungen oder Kombinationen davon. Die Vielzahl von Schichten kann miteinander verbunden sein, z. B. unter Verwendung eines Klebstoffs, durch Flammenbindung oder durch andere geeignete Verfahren oder Mechanismen, wie die hierin erörterten. Die unterschiedlichen Eigenschaften des Verstärkungsmaterials können eine variierte Verteilung des Aerogels durch die Schichten bereitstellen. Zum Beispiel kann der offene Zellabschnitt des Verstärkungsmaterials ein Aerogel-Gerüst einschließen, während der geschlossene Zellabschnitt im Wesentlichen frei von Aerogel bleibt. In ähnlicher Weise können andere Materialeigenschaften des Verstärkungsmaterials oder -schichten davon die Verteilung des Aerogels innerhalb der Verstärkung und somit innerhalb der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung bestimmen.
In einigen Ausführungsbeispielen können verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen, in denen mindestens ein Abschnitt des Verstärkungsmaterials kein Aerogel enthält, unter Verwendung von hierin offenbarten Verfahren gebildet werden, in denen die Eigenschaften des Verstärkungsmaterials oder von Verstärkungsschichten oder das Verstärkungsmaterial die Menge der Vorläuferlösung steuern oder beeinflussen, die das Material oder die Schicht ausfüllt, z. B. während des Gießprozesses, um eine teilweise Befüllung des Verstärkungsmaterials mit Vorläuferlösung bereitzustellen. Zum Beispiel kann eine Schicht der Verstärkung offene Zellen aufweisen und eine andere Schicht der Verstärkung kann geschlossene Zellen aufweisen. Wenn eine Vorläuferlösung mit einer solchen Verstärkung kombiniert wird, kann die Gelvorläuferlösung die offenen Zellen dieser Schicht infiltrieren, während sie die geschlossenen Zellen der anderen Schicht nicht wesentlich infiltriert. Wenn eine solche Zusammensetzung getrocknet wird, kann die resultierende verstärkte Aerogel-Zusammensetzung einen Abschnitt, z. B. die geschlossene Zellschicht, einschließen, der kein Aerogel enthält, während ein anderer Abschnitt, z. B. die offene Zellschicht, Aerogel enthält.
In einigen Ausführungsformen können die hierin offenbarten Zusatzstoffe (z. B. endotherme Zusatzstoffe, Trübstoffe, Brandschutzzusatzstoffe oder andere Zusatzstoffe) heterogen innerhalb der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung dispergiert sein. Zum Beispiel kann das Zusatzstoffmaterial durch die Dicke oder entlang der Länge und/oder Breite der Aerogel-Zusammensetzung variieren. Zum Beispiel kann der Zusatzstoff auf einer Seite der Aerogel-Zusammensetzung akkumuliert werden. In einigen Ausführungsformen können das oder die Zusatzstoffmaterial(ien) in einer Schicht des Aerogel-Verbundstoffs konzentriert sein oder als separate Schicht bereitgestellt werden, die im Wesentlichen aus dem an den Verbundstoff benachbarten oder daran befestigten Zusatzstoff besteht. Zum Beispiel kann das Wärmesteuerelement eine Schicht einschließen, die im Wesentlichen aus einem endothermen Material, wie Gips, Natriumbicarbonat, Zement auf Magnesiabasis, besteht. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Aerogel-Zusammensetzung auch mindestens eine Schicht aus zusätzlichem Material einschließen, entweder innerhalb der Zusammensetzung oder als eine Deckschicht. Zum Beispiel kann die Schicht eine Schicht sein, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Polymerlage, einer Metalllage, einer Faserlage, einem hochorientierten Graphitmaterial, z. B. einer pyrolytischen Graphitlage und einer Gewebelage. In einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht an der Zusammensetzung befestigt sein, z. B. durch einen Klebstoffmechanismus, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Aerosolklebstoff, einem Klebstoff auf Urethanbasis, einem Acrylatkleber, einem Schmelzkleber, einem Epoxid, einem Gummiharzklebstoff; einem Polyurethan-Verbundklebstoff und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht durch einen Nicht-Klebstoffmechanismus an der Zusammensetzung befestigt sein, z. B. einen Mechanismus, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Flammenbindung, Vernadeln, Nähen, Dichtungsbeuteln, Nieten, Knöpfen, Klemmen, Umhüllungen, Klammern und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen kann eine Kombination aus einem der vorstehend genannten Klebstoff- und Nicht-Klebstoffmechanismen verwendet werden, um eine Deckschicht an der Zusammensetzung zu befestigen.
Pulverförmige Aerogel-Zusammensetzungen
Wie hierin erörtert, können Aerogel-Zusammensetzungen oder Verbundstoffe Materialien einschließen, die Aerogel-Partikel, Aerogel-Teilchen, -Granulat, -Perlen oder -Pulver in ein festes oder halbfestes Material integrieren, wie in Verbindung mit Bindemitteln wie Klebstoffen, Harzen, Zementen, Schäumen, Polymeren oder ähnlichen festen oder sich verfestigenden Materialien. Zum Beispiel können Aerogel-Zusammensetzungen ein Verstärkungsmaterial, Aerogel-Teilchen und optional ein Bindemittel einschließen. In Ausführungsbeispielen kann eine Aufschlämmung mit Aerogel-Teilchen und mindestens einer Art von Benetzungsmittel bereitgestellt werden. Zum Beispiel können die Aerogel-Teilchen mit mindestens einem Benetzungsmittel, wie einem Tensid oder Dispergiermittel, beschichtet oder benetzt werden. Die Aerogel-Teilchen können vollständig benetzt, teilweise benetzt (z. B. Oberflächenbenetzung) oder in einer Aufschlämmung vorhanden sein. Das bevorzugte Benetzungsmittel ist in der Lage, eine geeignete Rückgewinnung der Hydrophobizität hydrophober Aerogel-Teilchen zu ermöglichen. Wenn das Benetzungsmittel auf der Oberfläche der Aerogel-Teilchen verbleibt, kann das verbleibende Benetzungsmittel zur Gesamtwärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials beitragen. Somit ist das bevorzugte Benetzungsmittel eines, das entfernbar ist, wie durch Verflüchtigung mit oder ohne Zersetzung oder andere Mittel. Im Allgemeinen kann ein beliebiges Benetzungsmittel verwendet werden, das mit dem Aerogel kompatibel ist.
Benetzungsmittel
Die mit einem Benetzungsmittel beschichtete Aufschlämmung oder Aerogel können als Möglichkeit nützlich sein, um hydrophobes Aerogel in eine Vielzahl von Materialien, wie anderen wässrigen Flüssigkeiten, Aufschlämmungen, Klebstoffen, Bindemittelmaterialien, einzuführen, die optional aushärten können, um feste Materialien, Fasern, metallisierte Fasern, diskrete Fasern, Gewebematerialien, Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffe, Wattierungen, Bahnen, Matten, Filze und Kombinationen davon zu bilden. Das Aerogel, das mit mindestens einem Benetzungsmittel oder der Aufschlämmung, die das Aerogel mit mindestens einem Benetzungsmittel enthält, benetzt, ermöglicht die einfache Einführung und gleichmäßige Verteilung des hydrophoben Aerogels. Nassgelegte Prozesse, wie die in US-Pat. Nr. 9.399.864 ; 8.021.583 ; 7.635.411 ; und 5.399.422 (jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen) beschriebenen, verwenden eine wässrige Aufschlämmung, um Aerogel-Teilchen, Fasern und andere Zusatzstoffe zu dispergieren. Die Aufschlämmung kann dann entwässert werden, um eine Schicht von Aerogel-Teilchen, Fasern und Zusatzstoffen zu bilden, die getrocknet und optional kalandriert werden können, um einen Aerogel-Verbundstoff herzustellen.
Aerogel-Teilchen und Zusatzstoffe
In anderen Ausführungsformen können Aerogel-Zusammensetzungen Aerogel-Teilchen, mindestens ein anorganisches Matrixmaterial und optional Fasern, Hilfsmaterialien, Zusatzstoffe und weitere anorganische Bindemittel einschließen. Das anorganische Matrixmaterial kann in einigen Ausführungsformen Schichtsilikate, z. B. natürlich vorkommende Schichtsilikate, wie Kaoline, Tone oder Bentonite, synthetische Schichtsilikate wie Magadit oder Kenyit oder Mischungen davon einschließen. Die Schichtsilikate können gebrannt oder nicht gebrannt sein, z. B. um die Materialien zu trocknen und das Kristallwasser abzutreiben. Das anorganische Matrixmaterial kann in einigen Ausführungsformen auch anorganische Bindemittel, wie Zement, Kalk, Gips oder geeignete Mischungen davon, in Kombination mit Schichtsilikaten einschließen. Das anorganische Matrixmaterial kann in einigen Ausführungsformen auch andere anorganische Zusatzstoffe einschließen, wie Brandschutzzusatzstoffe, Trübungsmittel oder Kombinationen davon, die hierin offenbart sind. Beispielhafte Prozesse und Aerogel-Zusammensetzungen einschließlich anorganischer Matrixmaterialien sind in US-Pat. Nr. 6.143.400 ; 6.083.619 (jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen) offenbart. In einigen Ausführungsformen können Aerogel-Zusammensetzungen Aerogel-Teilchen einschließen, die auf Gewebematerialien, Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffen, Wattierungen, Bahnen, Matten, Filzen und Kombinationen davon beschichtet oder absorbiert werden. Klebstoffbindemittel können in der Zusammensetzung eingeschlossen sein. Zusatzstoffe wie Brandschutzzusatzstoffe, Trübungsmittel oder Kombinationen davon, wie hierin offenbart, können ebenfalls eingeschlossen sein. Beispielhafte Prozesse und auf Gewebe beschichtete oder darin absorbierte Aerogel-Zusammensetzungen sind in US-Pat. Veröff.- Nr. 2019/0264381A1 (das in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird) offenbart.
Wie hierin erörtert, können Aerogel-Verbundstoffe laminiert sein oder mit anderen Materialien, wie Verstärkungsschichten von Deckmaterialien, als Fläche versehen sein. In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein mehrschichtiges Laminat bereit, das mindestens eine Basisschicht umfasst, die eine verstärkte Aerogel-Zusammensetzung und mindestens eine Deckschicht einschließt. In einer Ausführungsform umfasst die Deckschicht ein Verstärkungsmaterial. In einer Ausführungsform ist die verstärkte Aerogel-Zusammensetzung mit einer Faserverstärkungsschicht oder einer offenzelligen Schaumverstärkungsschicht verstärkt. In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein mehrschichtiges Laminat bereit, das eine Basisschicht umfasst, die eine verstärkte Aerogel-Zusammensetzung umfasst, und mindestens zwei Deckschichten, die Verstärkungsmaterialien umfassen, wobei die zwei Deckschichten auf gegenüberliegenden Oberflächen der Basisschicht liegen. Zum Beispiel kann der mehrschichtige Aerogel-Laminatverbundstoff gemäß den in der US-Patentanmeldung 2007/0173157 beschriebenen Verfahren und Materialien hergestellt werden.
Die Deckschicht kann Materialien umfassen, die der endgültigen Verbundstruktur spezifische Eigenschaften verleihen, wie eine verbesserte Flexibilität oder verringerte Staubbildung. Die Deckmaterialien können steif oder flexibel sein. Die Deckmaterialien können leitfähige Schichten oder reflektierende Folien einschließen. Zum Beispiel können die Deckmaterialien metallische oder metallisierte Materialien einschließen. Die Deckmaterialien können Vliesmaterialien einschließen. Die Deckschichten können auf einer Oberfläche der Verbundstruktur oder der verstärkten Aerogel-Verbundstoffe angeordnet sein, welche die Verbundstruktur bilden, z. B. das Wärmesteuerelement. Die Deckschichten können eine kontinuierliche Beschichtung oder einen kontinuierlichen Beutel um die Verbundstruktur oder die verstärkten Aerogel-Verbundstoffe bilden, welche die Verbundstruktur bilden, z. B. das Wärmesteuerelement. In einigen Ausführungsformen können die Deckschicht oder -schichten die Verbundstruktur oder die verstärkten Aerogel-Verbundstoffe, welche die Verbundstruktur bilden, einkapseln.
In einer Ausführungsform umfasst die Deckschicht eine Polymerlage, welche die Verbundstruktur umgibt; insbesondere ein Polymermaterial, umfassend Polyester, Polyethylene, Polyurethane, Polypropylene, Polyacrylnitrile, Polyamide, Aramide; und insbesondere Polymere wie Polyethylenterphthalat, Polyethylen niedriger Dichte, Ethylen-Propylen-Copolymere, Poly-(4-methylpentan), Polytetrafluorethylen, Poly-(1-buten), Polystyrol, Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylfluorid, Polyvinylacrylonitril, Polymethylmethacrylat, Polyoxymethylen, Polyphenylensulfon, Cellulosetriacetat, Polycarbonat, Polyethylennaphthalat, Polycaprolactam, Polyhexamethylenadipamid, Polyundecanoamid, Polyimid oder Kombinationen davon. In einer Ausführungsform umfasst oder besteht die Polymerlage im Wesentlichen aus einem expandierten Polymermaterial; insbesondere einem expandierten Polymermaterial, das PTFE (ePTFE), expandiertes Polypropylen (ePP), expandiertes Polyethylen (ePE), expandiertes Polystyrol (ePS) oder Kombinationen davon umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Deckmaterial im Wesentlichen aus einem expandierten Polymermaterial. In einer Ausführungsform umfasst oder besteht die Polymerlage im Wesentlichen aus einem mikroporösen Polymermaterial, das durch eine Porengröße im Bereich von 0,1 µm bis 210 µm, 0,1 µm bis 115 µm, 0,1 µm bis 15 µm oder 0,1 µm bis 0,6 µm gekennzeichnet ist.
In einer Ausführungsform umfasst oder besteht das Deckschichtmaterial im Wesentlichen aus einem Fluorpolymermaterial. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Fluorpolymerer“ oder „Fluorpolymermaterial“ auf Materialien, die hauptsächlich aus polymeren Fluorkohlenwasserstoffen bestehen. Geeignete fluorpolymere Deckschichtmaterialien schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf Polytetrafluorethylen (PTFE), einschließlich mikroporöser PTFE, beschrieben in US-Patent 5.814.405 und expandiertem PTFE (ePTFE) wie Gore-Tex® (erhältlich von W.L. Gore); Polyvinylfluorid (PVF); Polyvinylidenfluorid (PVDF); Perfluoralkoxy (PFA); fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP); Polychlortrifluorethylen (PCTFE); Ethylentetrafluorethylen (ETFE); Polyvinylidenfluorid (PVDF); Ethylenchlortrifluorethylen (ECTFE); und Kombinationen davon. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Deckmaterial im Wesentlichen aus einem fluorpolymeren Material. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Deckmaterial im Wesentlichen aus einem expandierten PTFE (ePTFE)-Material.
In einer Ausführungsform umfasst oder besteht das Deckschichtmaterial im Wesentlichen aus einem Nicht-Fluorpolymermaterial. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Nicht-Fluorpolymer-“ oder „Nicht-Fluorpolymermaterial“ auf Materialien, die kein fluorpolymeres Material umfassen. Geeignete nicht-fluorpolymerseitige Schichtmaterialien schließen ein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: aluminisiertes Mylar; Polyethylen niedriger Dichte, wie Tyvek® (erhältlich von DuPont); Gummi- oder Gummizusammensetzungen; Vliesmaterialien, elastische Fasern, wie Spandex, Nylon, Lycra oder Elastan; und Kombinationen davon. In einer Ausführungsform ist das Deckmaterial ein flexibles Deckmaterial.
In einigen Ausführungsformen kann das Deckschichtmaterial Automobilharze und Polymere einschließen, wie solche, die eine maximale Gebrauchstemperatur bis etwa 100 C, bis etwa 120 C oder bis etwa 150 C aufweisen. Zum Beispiel kann das Deckschichtmaterial Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) -Polycarbonat-ABS, Polypropylen, Polyurethan, Polystyrol, Polyethylen, Polycarbonat, Polyimide, Polyamide, PVC oder Kombinationen davon einschließen. Zum Beispiel können Aerogel-Verbundstoffe und Wärmesteuerelemente gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen Schichten von Automobilharzen oder Automobilpolymeren, metallischen oder metallisierten Schichten und Aerogel-Schichten einschließen.
Die Deckschicht kann durch Verwendung von Klebstoffen an der Basisschicht befestigt werden, die geeignet sind, um anorganische oder organische Deckmaterialien an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht zu befestigen. Beispiele für Klebstoffe, die in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, schließen ein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: Klebstoffe auf Zementbasis, Natriumsilikate, Latizes, druckempfindliche Klebstoffe, Silicon, Polystyrol, Aerosol-Klebstoffe, Urethan, Acrylatklebstoffe, Heißschmelzbindungssysteme, Bindungssysteme, die im Handel von 3M erhältlich sind, Epoxid, Gummiharzklebstoffe, Polyurethan-Klebstoffmischungen, wie diejenigen, die in US-Patent 4.532.316 beschrieben sind.
Die Deckschicht kann auch unter Verwendung von nicht klebenden Materialien oder Techniken, die geeignet sind, anorganische oder organische Deckmaterialien an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht zu befestigen, an der Basisschicht befestigt sein. Beispiele für nicht klebende Materialien oder Techniken, die in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, schließen ein, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: Heißsiegeln, Ultraschallnähen, HF-Siegeln, Nähen oder Fädeln, Vernadeln, Dichtungsbeutel, Nieten oder Knöpfe, Klemmen, Umhüllungen oder andere nicht klebende Laminierungsmaterialien.
Die Deckschicht kann in einer beliebigen Herstellungsstufe des Aerogel-Verbundmaterials an der Basisschicht befestigt werden. In einer Ausführungsform wird die Deckschicht nach Infusion der Sol-Gel-Lösung in dem Basisverstärkungsmaterial, jedoch vor der Gelierung, an der Basisschicht befestigt. In einer anderen Ausführungsform wird die Deckschicht nach Infusion der Sol-Gel-Lösung in dem Basisverstärkungsmaterial und nach anschließender Gelierung, jedoch vor der Alterung oder Trocknung des Gelmaterials, an der Basisschicht befestigt. In noch einer anderen Ausführungsform wird die Deckschicht nach dem Altern und Trocknen des Gelmaterials an der Basisschicht befestigt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Deckschicht vor Infusion der Sol-Gel-Lösung in das Basisverstärkungsmaterial an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht befestigt. Die Deckschicht kann fest und fluidundurchlässig sein. Die Deckschicht kann porös und fluiddurchlässig sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Deckschicht porös und fluiddurchlässig und enthält Poren oder Löcher mit Durchmessern, die groß genug sind, um Fluida durch das Deckmaterial zu diffundieren. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Deckschicht vor der Infusion der Sol-Gel-Lösung in das Basisverstärkungsmaterial an dem Verstärkungsmaterial der Basisschicht befestigt, wobei die Deckschicht porös und fluiddurchlässig ist und Poren oder Löcher mit Durchmessern enthält, die groß genug sind, damit Fluide durch das Deckmaterial diffundieren können. In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Deckschicht vor der Infusion der Sol-Gel-Lösung in das Schaumstoffverstärkungsmaterial an einem offenzelligen Schaumstoff-Verstärkungsmaterial befestigt, wobei die Deckschicht porös und fluiddurchlässig ist und Poren oder Löcher mit Durchmessern enthält, die groß genug sind, um Fluida durch das Deckmaterial zu diffundieren.
Trübungsmittel
Aerogel-Zusammensetzungen können ein Trübungsmittel einschließen, um die Strahlungskomponente der Wärmeübertragung zu reduzieren. An jedem Punkt vor der Gelbildung können Trübungsverbindungen oder Vorläufer davon in die Mischung dispergiert werden, die Gelvorläufer umfasst. Beispiele für Trübungsverbindungen schließen Borcarbid (B4C), Diatomit, Manganferrit, MnO, NiO, SnO, Ag₂O, Bi₂O₃, Ruß, Graphit, Titanoxid, Eisen-Titanoxid, Aluminiumoxid, Zirkonsilikat, Zirkonoxid, Eisen(II)-Oxid, Eisen(III)-Oxid, Mangandioxid, Eisentitanoxid (Ilmenit), Chromoxid, Carbide (wie SiC, TiC oder WC) oder Mischungen davon ein. Zu Beispielen für Trübungsverbindungsvorläufer gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, TiOSO₄ oder TiOCl₂. In einigen Ausführungsformen können die als Zusatzstoffe verwendeten Trübungsverbindungen Whisker oder Fasern von Siliciumcarbid ausschließen. Wenn Aerogel-Zusammensetzungen zur Verwendung in elektrischen Vorrichtungen bestimmt sind, z. B. in Batterien als Barriereschicht oder anderen verwandten Anwendungen, kann die Zusammensetzung, die einen Trübungsmittel einschließt, wünschenswerterweise eine hohe dielektrische Festigkeit mit hohem Volumen- und Oberflächenwiderstandsvermögen besitzen. In solchen Ausführungsformen können Kohlenstoffzusatzstoffe, die als Trübungsmittel verwendet werden, nicht leitfähig oder modifiziert sein, um die elektrische Leitfähigkeit zu verringern. Zum Beispiel kann das Trübungsmittel oberflächenoxidiert sein, um die elektrische Leitfähigkeit zu verringern. In einigen Ausführungsformen können kohlenstoffhaltige Zusatzstoffe mit inhärenter elektrischer Leitfähigkeit als Trübungsmittel in Aerogel-Zusammensetzungen verwendet werden, die für die Verwendung in elektrischen Vorrichtungen bestimmt sind. In solchen Ausführungsformen können die leitfähigen kohlenstoffhaltigen Zusatzstoffe bei Konzentrationen unterhalb der Perkolationsschwelle verwendet werden, um eine Zusammensetzung mit einer geeigneten dielektrischen Festigkeit zur Verwendung in einer elektrischen Vorrichtung bereitzustellen.
Brandschutzzusatzstoffe
Aerogel-Zusammensetzungen können einen oder mehrere Brandschutzzusatzstoffe enthalten. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Brandschutzzusatzstoff“ auf ein Material, das im Zusammenhang mit einer Reaktion auf Feuer endotherm wirkt und in eine Aerogel-Zusammensetzung eingefügt werden kann. Ferner weisen in bestimmten Ausführungsformen Brandschutzzusatzstoffe einen Anfang der endothermen Zersetzung (ED) auf, der nicht mehr als 100 °C größer als der Anfang der thermischen Zersetzung (Td) der Aerogel-Zusammensetzung ist, in welcher der Brandklassenzusatzstoff vorhanden ist, und in bestimmten Ausführungsformen auch eine ED, die nicht mehr als 50 °C niedriger ist als die Td der Aerogel-Zusammensetzung, in welcher der Brandklassenzusatzstoff vorhanden ist. Mit anderen Worten weist die ED der Brandschutzzusatzstoffe einen Bereich von (T_d - 50 °C) bis (T_d + 100 °C) auf $E_{D} {\begin{cases} m a x : T_{d} + 100 ° C \\ m i n : T_{d} - 50 ° C \end{cases}$
Vor, gleichzeitig oder sogar nach der Aufnahme oder dem Mischen mit dem Sol (z. B. Siliciumdioxid-Sol, hergestellt aus Alkylsilikaten oder Wasserglas auf verschiedene Weise, wie im Stand der Technik verstanden), können Brandschutzzusatzstoffe mit einem Medium, das Ethanol und optional bis zu 10 Vol.-% Wasser einschließt, gemischt oder anderweitig dispergiert werden. Die Mischung kann gegebenenfalls gemischt und/oder gerührt werden, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Dispersion von Zusatzstoffen im Medium zu erreichen. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, bietet die Verwendung einer hydratisierten Form der oben genannten Tone und anderer Brandschutzzusatzstoffe eine zusätzliche endotherme Wirkung. Zum Beispiel sind Haloysit-Ton (im Handel unter der Handelsbezeichnung DRAGONIT von Applied Minerals, Inc. oder von Imerys als Hallysit erhältlich), Kaolinit-Ton Aluminiumsilikat-Tone, die in hydratisierter Form eine endotherme Wirkung durch Freisetzung von Hydratationswasser bei erhöhten Temperaturen (Gasverdünnung) aufweisen. Als weiteres Beispiel können Carbonate in hydratisierter Form Kohlendioxid beim Erwärmen oder bei erhöhten Temperaturen freisetzen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Dehydratationswärme“ auf die Menge an Wärme, die erforderlich ist, um das Wasser (falls zutreffend) aus dem Material zu verdampfen, das in hydratisierter Form vorliegt, wenn es keinen erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist. Die Dehydratationswärme wird üblicherweise auf einer Gewichtsbasis ausgedrückt.
In bestimmten Ausführungsformen weisen Brandschutzzusatzstoffe der vorliegenden Offenbarung einen Anfang der thermischen Zersetzung von etwa 100 °C oder mehr, etwa 130 °C oder mehr, etwa 200 °C oder mehr, etwa 230 °C oder mehr, etwa 240 °C oder mehr, etwa 330 °C oder mehr, 350 °C oder mehr, etwa 400 °C oder mehr, etwa 415 °C oder mehr, etwa 425 °C oder mehr, etwa 450 °C oder mehr, etwa 500 °C oder mehr, etwa 550 °C oder mehr, etwa 600 °C oder mehr, etwa 650 °C oder mehr, etwa 700 °C oder mehr, etwa 750 °C oder mehr, etwa 800 °C oder mehr oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte auf. In bestimmten Ausführungsformen weisen Brandschutzzusatzstoffe der vorliegenden Offenbarung einen Anfang der thermischen Zersetzung von etwa 440 °C oder 570 °C auf. In bestimmten Ausführungsformen weisen Brandschutzzusatzstoffe der vorliegenden Offenbarung einen Anfang der thermischen Zersetzung auf, der nicht mehr als 50 °C mehr oder weniger als die Td der Aerogel-Zusammensetzung (ohne den Brandschutzzusatzstoff) beträgt, in die der Brandschutzzusatzstoff aufgenommen wird, nicht mehr als 40 °C mehr oder weniger, nicht mehr als 30 °C mehr oder weniger, nicht mehr als 20 °C mehr oder weniger, nicht mehr als 10 °C, nicht mehr als 5 °C mehr oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte
Die Brandschutzzusatzstoffe dieser Offenbarung schließen Tonmaterialien ein, wie, ohne darauf beschränkt zu sein, Schichtsilikat-Tone (wie Illit), Kaolin oder Kaolinit (Aluminiumsilikat; Al2Si2O5(OH)4), Metakaolin, Halloysit (Aluminiumsilikat; Al2Si2O5(OH)4), Endellit (Aluminiumsilikat; Al2Si2O5(OH)4), Glimmer (Siliciumdioxidmineralien), Diaspor (Aluminiumoxidhydroxid; α-AlO (OH)), Gibbsit (Aluminiumhydroxid), Böhmit (Aluminiumoxidhydroxid; γ-AlO (OH)), Montmorillonit, Beidellit, Pyrophyllit (Aluminiumsilikat; Al2Si4O10(OH)2), Nontronit, Bravaisit, Smectit, Leverrierit, Rectorit, Celadonit, Attapulgit, Chloropal, Volkonskoit, Allophan, Racewinit, Dillnit, Severit, Miloschit, Collyrit, Cimolit und Newtonit, Natriumbicarbonat (NaHCO3), Magnesiumhydroxid (oder Magnesiumdihydroxid, „MDH“), Auminatrihydrat („ATH“), Gips (Calciumsulfatdihydrat; CaSO4·2H2O), Barringtonit (MgCO3·2 H2O), Nesquehonit (MgCO3 · 3 H2O), Lansfordit (MgCO3 · 5 H2O), Hydromagnesit (hydratisiertes Magnesiumcarbonat; Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O), andere Carbonate wie, jedoch nicht beschränkt auf, Dolomit und Lithiumcarbonat. Unter den Tonmaterialien verwenden bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Tonmaterialien, die mindestens eine teilweise geschichtete Struktur aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen Tonmaterialien als Brandschutzzusatzstoffe in den Aerogel-Zusammensetzungen mindestens etwas Wasser, wie in hydratisierter Form, auf. Die Zusatzstoffe können in hydratisierter kristalliner Form vorliegen oder können bei der Herstellung/Verarbeitung der Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung hydratisiert werden. In bestimmten Ausführungsformen schließen Brandschutzzusatzstoffe auch niedrigschmelzende Zusatzstoffe ein, die Wärme ohne Änderung der chemischen Zusammensetzung absorbieren. Ein Beispiel für diese Klasse ist ein niedrigschmelzendes Glas, wie inerte Glasperlen. Andere Zusatzstoffe, die in den Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung nützlich sein können, schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Wollastonit (Calciumsilikat) und Titandioxid (TiO2) ein. In bestimmten Ausführungsformen können andere Zusatzstoffe Infrarot-Trübungsmittel einschließen, wie, aber nicht beschränkt auf Titandioxid oder Siliciumcarbid, Ceramidmittel, wie, aber nicht beschränkt auf niedrig schmelzende Glasfritte, Calciumsilikat oder Kohlebildner, wie, aber nicht beschränkt auf Phosphate und Sulfate. In bestimmten Ausführungsformen können Zusatzstoffe spezielle Verarbeitungsbetrachtungen erfordern, wie Techniken, um sicherzustellen, dass die Zusatzstoffe gleichmäßig verteilt und nicht stark agglomeriert werden, um Produktleistungsschwankungen zu verursachen. Die Verarbeitungstechniken können zusätzliche statische und dynamische Mischer, Stabilisatoren, Einstellung der Prozessbedingungen und sonstige im Stand der Technik bekannte einschließen.
Menge an Zusatzstoffen
Die Menge an Zusatzstoffen in den hierin offenbarten Aerogel-Zusammensetzungen kann von den gewünschten Eigenschaften der Zusammensetzung abhängen. Die Menge an Zusatzstoffen, die während der Herstellung und Verarbeitung der Sol-Gel-Zusammensetzungen verwendet werden, wird üblicherweise als Gewichtsprozentsatz im Vergleich zu dem Siliciumdioxidgehalt des Sols bezeichnet. Die Menge an Zusatzstoffen im Sol kann von etwa 5 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt variieren. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Menge an Zusatzstoffen im Sol zwischen 10 Gew.-% und 60 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt und beträgt in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen zwischen 20 Gew.-% und 40 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In Ausführungsbeispielen liegt die Menge an Zusatzstoffen in dem Sol bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt im Bereich von etwa 5 % bis etwa 20 %, etwa 10 % bis etwa 20 %, etwa 10 % bis etwa 30 %, etwa 10 % bis etwa 20 %, etwa 30 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, etwa 35 Gew.-% bis etwa 45 Gew.-% oder etwa 35 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In einigen Ausführungsformen beträgt die Menge an Zusatzstoffen im Sol mindestens etwa 10 Gew.-%, bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt oder etwa 10 Gew.-%, bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In einigen Ausführungsformen liegt die Menge an Zusatzstoffen im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In bestimmten Ausführungsformen können die Zusatzstoffe von mehr als einer Art sein. Ein oder mehrere Brandschutzzusatzstoffe können auch in den endgültigen Aerogel-Zusammensetzungen vorhanden sein. In einigen bevorzugten Ausführungsformen, die Aluminiumsilikat-Brandschutzzusatzstoffe einschließen, sind die Zusatzstoffe in den Aerogel-Zusammensetzungen in etwa 60-70 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt vorhanden. Zum Beispiel beträgt in einigen bevorzugten Ausführungsformen, die Aluminiumsilikat-Brandschutzzusatzstoffe wie Kaolin oder Kombinationen von Aluminiumsilikat-Brandschutzzusatzstoffen wie Kaolin mit Aluminiumoxidtrihydrat („ATH“) einschließen, die Gesamtmenge der in den Aerogel-Zusammensetzungen vorhandenen Zusatzstoffe etwa 30 bis 40 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In einigen bevorzugten Ausführungsformen, in denen Zusatzstoffe Siliciumcarbid einschließen, beträgt die Gesamtmenge an Zusatzstoffen, die in den Aerogel-Zusammensetzungen vorhanden sind, etwa 30 bis 40 Gew.-%, z. B. 35 Gew.-%, bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt. In einigen bevorzugten Ausführungsformen, in denen Zusatzstoffe Siliciumcarbid einschließen, beträgt die Gesamtmenge an Zusatzstoffen, die in den Aerogel-Zusammensetzungen vorhanden sind, etwa 5 bis 15 Gew.-%, z. B. 10 Gew.-%, bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt.
Bei Bezugnahme auf die endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzungen wird die Menge an Zusatzstoffen üblicherweise als Gewichtsprozentsatz der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung bezeichnet. Die Menge an Zusatzstoffen in der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung kann von etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% oder etwa 10 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung variieren. In Ausführungsbeispielen liegt die Menge an Zusatzstoffen in der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung im Bereich von etwa 10 % bis etwa 20 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung. In Ausführungsbeispielen beträgt die Menge an Zusatzstoffen in der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung als Gewichtsprozentsatz der Zusammensetzung etwa 1 %, etwa 2 % etwa 3 %, etwa 4 %, etwa 5 %, etwa 6 %, etwa 7 %, etwa 8 %, etwa 9 %, etwa 10 %, etwa 11 %, etwa 12 %, etwa 13 %, etwa 14 %, etwa 15 %, etwa 16 %, etwa 17 %, etwa 18 %, etwa 19 % etwa 20 % oder liegt in einem Bereich zwischen einem der vorgenannten Prozentsätze. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Menge an Zusatzstoffen in der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung etwa 15 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Menge an Zusatzstoffen in der endgültigen verstärkten Aerogel-Zusammensetzung etwa 13 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung. Zum Beispiel beträgt in einigen bevorzugten Ausführungsformen, die Zusatzstoffe wie Siliciumcarbid einschließen, die Gesamtmenge der in den Aerogel-Zusammensetzungen vorhandenen Zusatzstoffe etwa 10 bis 20 Gew.-%, z. B. etwa 15 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung. In einigen bevorzugten Ausführungsformen, in denen Zusatzstoffe Siliciumcarbid einschließen, beträgt die Gesamtmenge an in den Aerogel-Zusammensetzungen vorhandenen Zusatzstoffen etwa 3 bis 5 Gew.-%, z. B. etwa 4 Gew.-% der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung.
Anfang von thermischer Zersetzung von Brandschutzzusatzstoffen
In bestimmten Ausführungsformen können Brandschutzzusatzstoffe basierend auf ihrer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung klassifiziert oder gruppiert werden. Zum Beispiel können Brandschutzzusatzstoffe klassifiziert oder gruppiert werden, um eine Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung von weniger als etwa 200 °C, weniger als etwa 400 °C oder mehr als etwa 400 °C aufzuweisen. Zum Beispiel schließen Zusatzstoffe mit einer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung unter etwa 200 °C Natriumbicarbonat (NaHCO3), Nesquehonit (MgCO3·3 H2O) und Gips (Calciumsulfatdihydrat; CaSO4·2H2O). Für ein anderes Beispiel schließen Zusatzstoffe mit einer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung von weniger als etwa 400 °C Aluminiumoxidtrihydrat („ATH“), Hydromagnesit (hydratisiertes Magnesiumcarbonat; Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O) und Magnesiumhydroxid (oder Magnesiumdihydroxid, „MDH“) ein. Für ein anderes Beispiel schließen Zusatzstoffe mit einer Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung von weniger als etwa 400 °C Halloysit (Aluminiumsilikat; Al2Si2O5(OH)4), Kaolin oder Kaolinit (Aluminiumsilikat; Al2Si2O5(OH)4), Boehmit (Aluminiumoxidhydroxid; γ-AlO(OH))oder Hochtemperaturphasenwechselmaterialien (PCM) ein.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung befinden sich Tonmaterialien z. B. Aluminosilikat-Tone wie Halogenysit oder Kaolinit als Zusatzstoffe in den Aerogel-Zusammensetzungen in der dehydratisierten Form, z. B. Meta-Halloysit oder Metakaolin. Andere Zusatzstoffe, die in den Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung nützlich sein können, schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Wollastonit (Calciumsilikat) und Titandioxid (TiO2) ein. In bestimmten Ausführungsformen können andere Zusatzstoffe Infrarot-Trübungsmittel einschließen, wie, aber nicht beschränkt auf Titandioxid oder Siliciumcarbid, Ceramidmittel, wie, aber nicht beschränkt auf niedrig schmelzende Glasfritte, Calciumsilikat oder Kohlebildner, wie, aber nicht beschränkt auf Phosphate und Sulfate. In bestimmten Ausführungsformen können Zusatzstoffe spezielle Verarbeitungsbetrachtungen erfordern, wie Techniken, um sicherzustellen, dass die Zusatzstoffe gleichmäßig verteilt und nicht stark agglomeriert werden, um Produktleistungsschwankungen zu verursachen. Die Verarbeitungstechniken können zusätzliche statische und dynamische Mischer, Stabilisatoren, Einstellung der Prozessbedingungen und sonstige im Stand der Technik bekannte einschließen. Ein oder mehrere Brandschutzzusatzstoffe können auch in den endgültigen Aerogel-Zusammensetzungen vorhanden sein.
In bestimmten Ausführungsformen kann der Einschluss von Zusatzstoffen, z. B. Materialien auf Aluminosilikat-Basis, wie Halogenysit oder Kaolin, in den Aerogel-Materialien und Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung verbesserte Hochtemperaturschrumpfeigenschaften bereitstellen. Ein beispielhaftes Prüfverfahren für die Hochtemperaturschrumpfung ist das „Standardprüfverfahren für lineare Schrumpfung von vorgeformten thermischen Hochtemperaturisolierungen, die durchtränkender Wärme unterzogen werden“ (ASTM C356, ASTM International, West Conshohocken, PA). Bei solchen Prüfungen, die als „thermisches Durchtränken“ bezeichnet werden, werden Materialien für eine Dauer von bis zu 60 Minuten Temperaturen von mehr als 1000 °C ausgesetzt. In bestimmten Ausführungsbeispielen können Aerogel-Materialien oder Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine hohe Temperaturschrumpfung aufweisen, d. h. eine lineare Schrumpfung, Breitenschrumpfung, Dickenschrumpfung oder eine beliebige Kombination von dimensionaler Schrumpfung von etwa 20 % oder weniger, etwa 15 % oder weniger, etwa 10 % oder weniger, etwa 6 % oder weniger, etwa 5 % oder weniger, 4 % oder weniger, 3 % oder weniger, 2 % oder weniger, 1 % oder weniger, oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte.
In einigen Ausführungsbeispielen können bestimmte basische Katalysatoren, die verwendet werden, um Vorläuferreaktionen zu katalysieren, zu Spurenbereichen von Alkalimetallen in der Aerogel-Zusammensetzung führen. Spurenbereiche, z. B. 100 bis 500 ppm, von Alkali, z. B. Natrium oder Kalium, in den Aerogel-Materialien können sich nachteilig auf die hohe Temperaturschrumpfung und die thermische Haltbarkeit auswirken. Ohne durch einen bestimmten Mechanismus oder eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, können auf Aluminosilikat-Ton basierende Materialien wie Haloysit oder Kaolin jedoch flüchtiges Alkali, z. B. Natrium oder Kalium, maskieren, wodurch die Wirkung von Alkali auf Schrumpfung und thermischer Haltbarkeit reduziert oder eliminiert wird. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung befinden sich die Aluminosilikat-Tonmaterialien in der dehydratisierten Form, z. B. Meta-Halloysit oder Metakaolin. Zum Beispiel können Aerogel-Materialien oder -Zusammensetzungen, die eine Menge an Metakaolin oder Meta-Halloysit von mehr als etwa 0,5 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt einschließen, die thermische Schrumpfung und die thermische Haltbarkeit erheblich reduzieren. In Ausführungsbeispielen können Aerogel-Materialien oder -Zusammensetzungen eine Menge an Metakaolin oder Meta-Halloysit in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 3,0 Gew.-% bezogen auf den Siliciumdioxidgehalt einschließen.
Einkapselungsschicht oder Einkapselungsmaterialschicht
In einigen Ausführungsformen kann der Kernabschnitt des hierin offenbarten mehrschichtigen Materials oder das mehrschichtige Material durch eine Einkapselungsschicht eingekapselt sein. Zum Beispiel kann die Einkapselungsschicht eine Schicht oder Materialschichten einschließen, die das mehrschichtige Material umschließen, und/oder eine Beschichtung aus Material, welches das mehrschichtige Material umschließt, und/oder den Kernabschnitt des mehrschichtigen Materials. Zum Beispiel kann die Einkapselungsschicht eine Folie, eine Schicht, eine Hülle oder eine Beschichtung einschließen. Das Einkapselungselement kann aus jedem Material hergestellt sein, das geeignet ist, um die Verbundstruktur oder die verstärkten Aerogel-Verbundwerkstoffe zu umschließen, welche die Verbundstruktur bilden. Zum Beispiel kann das Einkapselungselement die Erzeugung von Staub oder Feststoffmaterial, das aus der Verbundstruktur abgeworfen wird, reduzieren oder beseitigen. Materialien, die zur Bildung der Einkapselungsschicht verwendet werden, können aus einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt werden. Beispiele für geeignete Polymere wie Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polyimide (PI), Gummi 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 Einkapselungsschicht eine Polyethylenterephthalat-Schicht.
Die Verkapselungsschicht kann mindestens eine Entlüftung aufweisen, die es ermöglicht, dass Luft in das Paneel ein- und ausströmt. Das Verkapselungselement kann mindestens einen Filter einschließen, der Feststoffteilchen filtert. In einer beispielhaften Ausführungsform schließt die Verkapselungsschicht eine Entlüftung, die es ermöglicht, dass Luft in das Paneel ein- und ausströmt, und einen Partikelfilter über der Entlüftung ein, der Feststoffteilchen innerhalb des Verkapselungselements zurückhält. In einer anderen Ausführungsform schließt die Verkapselungsschicht Kantendichtungen ein, die mindestens eine Entlüftung und mindestens einen Partikelfilter einschließen. In einer weiteren Ausführungsform schließt die Verkapselungsschicht Kantendichtungen ein, die mindestens eine Entlüftung und mindestens einen Partikelfilter einschließen, wobei die Entlüftungen in den Kantendichtungen Luft in die Kanten der Verkapselungselemente ein- und ausströmen lassen und wobei die Filter Feststoffteilchen in der strömenden Luft erfassen und zurückhalten, um eine Verschmutzung der Luft mit Feststoffteilchen außerhalb der Verkapselungsschicht zu verhindern.
Thermische Kapazitätsschicht
In Ausführungsbeispielen kann das mehrschichtige Material ein Material oder Schichten von Material einschließen, das eine thermische Kapazität (d. h. ein thermisch kapazitives Material) bereitstellt, z. B. ein Material mit einer spezifischen Wärmekapazität von mindestens etwa 0,2 J/(g-C). In einigen Ausführungsformen weist das Material, das eine thermische Kapazität bereitstellt, eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 0,5 J/(g-C) auf. Zum Beispiel kann das Material, das eine thermische Kapazität bereitstellt, Metalle wie Aluminium, Titan, Nickel, Stahl, Eisen oder Kombinationen davon einschließen. In einigen Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material eine Schicht oder Beschichtung des Materials einschließen, das eine thermische Kapazität bereitstellt. In einigen Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material Teilchen des Materials einschließen, die eine thermische Kapazität bereitstellen, die innerhalb einer Schicht des mehrschichtigen Materials angeordnet ist, z. B. innerhalb einer Schicht der Aerogel-Zusammensetzung. In bestimmten Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material mindestens eine Schicht eines Materials einschließen, das eine thermische Kapazität bereitstellt, die benachbart der Aerogel-Zusammensetzung angeordnet ist. In bestimmten Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material mindestens eine Schicht eines Materials einschließen, das eine thermische Kapazität bereitstellt, die zwischen mindestens zwei einer Vielzahl von Schichten der Aerogel-Zusammensetzung angeordnet ist. In Ausführungsbeispielen kann das mehrschichtige Material sowohl wärmeleitfähiges als auch thermisch kapazitives Material einschließen.
Zum Beispiel kann das mehrschichtige Material ein Material einschließen, das sowohl thermische Kapazität als auch Wärmeleitfähigkeit bereitstellt, z. B. ein Metall wie Aluminium, Titan, Nickel, Stahl, Eisen oder Kombinationen davon. Für ein weiteres Beispiel kann das mehrschichtige Material ein oder mehrere unterschiedliche Materialien oder Materialschichten einschließen, die jeweils entweder eine thermische Kapazität, eine Wärmeleitfähigkeit oder eine Kombination davon bereitstellen, z. B. eine Schicht, die Metall einschließt, und eine Schicht, die wärmeleitfähiges Polymer einschließt. Vorzugsweise weisen die wärmeleitfähigen Schichten eine Schmelztemperatur von mindestens 300 °C, mehr bevorzugt von mindestens 600 °C, noch mehr bevorzugt von mindestens 1000 °C und noch mehr bevorzugt von mindestens 1500 °C auf.
In einigen Ausführungsformen können thermisch kapazitive Materialien aus Phasenwechselmaterialien ausgewählt sein. Es versteht sich, dass für ein Phasenwechselmaterial, das für ein breites Spektrum von Anwendungen in Energiespeicherungssystemen geeignet ist, das Material nicht nur relativ hohe thermische Kapazität während des Phasenwechsels aufweisen sollte, sondern auch relativ kostengünstig und selbsttragend sein sollte, d. h. keine Abdichtung oder spezielle Aufnahme über dem Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung erfordert, z. B. das gepackte Batteriemodul. Zusätzliche wünschenswerte Eigenschaften für Energiespeicherungsanwendungen schließen eine hohe Wärmeleitfähigkeit, um Wärme schnell von einer wärmeerzeugenden Komponente zu transportieren, und die Fähigkeit, die Temperatur, bei welcher der Phasenwechsel auftritt, anzupassen.
In einigen Ausführungsformen weisen thermisch kapazitive Materialien eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer in der Ebene liegenden Abmessung von mindestens etwa 200 mW/m-K auf.
Wärmeleitfähige Schicht
Es wurde festgestellt, dass die hierin offenbarten wärmeleitfähigen Schichten eine erheblich verbesserte Fähigkeit aufweisen, die Wärme in der x-y-Ebene eines mehrschichtigen Materials schnell abzuleiten, was die Haltbarkeit unter einer hohen Wärmelast weiter verbessert. Beispiele für Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit schließen Kohlefaser, Graphit, Siliciumcarbid, Metalle ein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Kupfer, Edelstahl, Aluminium und dergleichen, sowie Kombinationen davon.
In Ausführungsbeispielen kann das mehrschichtige Material ein wärmeleitfähiges Material oder Schichten aus Material einschließen, die Wärmeleitfähigkeit bereitstellen. Die wärmeleitfähige Schicht der vorliegenden Offenbarung trägt dazu bei, Wärme von einer lokalisierten Wärmelast innerhalb eines Batteriemoduls oder -packs abzuleiten.
Zum Beispiel kann die wärmeleitfähige Schicht eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer ebeneninternen Abmessung von mindestens etwa 200 mW/m-K aufweisen. Das wärmeleitfähige Material kann mindestens eine Einzelschicht einschließen, die Metall, Kohlenstoff, leitfähiges Polymer oder Kombinationen davon umfasst.
In einigen Ausführungsformen der vorstehenden Gesichtspunkte kann das mehrschichtige Material eine oder eine Vielzahl wärmeleitfähiger Schichten einschließen, d. h. mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/mK, mehr bevorzugt von mehr als 100 W/mK und noch mehr bevorzugt von mehr als 200 W/mK (alle gemessen bei 25 °C). Zum Beispiel kann das mehrschichtige Material mindestens eine Schicht aus oder einschließlich eines wärmeleitfähigen Materials einschließen, z. B. eine Schicht, die Metall, Kohlenstoff, wärmeleitfähiges Polymer oder Kombinationen davon einschließt. Wie im Rahmen mit diesen Ausführungsformen verwendet, bezieht sich wärmeleitfähiges Material auf Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit, die größer als die der Isoliermaterialien z. B. Aerogel-Zusammensetzung ist. In bestimmten Ausführungsformen weisen wärmeleitfähige Materialien Wärmeleitfähigkeiten auf, die mindestens etwa eine Größenordnung größer als die der Aerogel-Zusammensetzung sind. In einigen Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material eine Vielzahl von Schichten der Aerogel-Zusammensetzung einschließen. In bestimmten Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material mindestens eine Schicht aus leitfähigem Material einschließen, das benachbart der Aerogel-Zusammensetzung angeordnet ist. In bestimmten Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material mindestens eine Schicht aus leitfähigem Material einschließen, das zwischen mindestens zwei von einer Vielzahl von Schichten der Aerogel-Zusammensetzung angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material Teilchen des leitfähigen Materials einschließen, die innerhalb einer Schicht des mehrschichtigen Materials angeordnet sind, z. B. innerhalb einer Schicht der Aerogel-Zusammensetzung.
Um die Verteilung und Entfernung von Wärme zu unterstützen, ist in mindestens einer Ausführungsform die wärmeleitfähige Schicht mit einer Wärmesenke gekoppelt. Es versteht sich, dass es eine Vielzahl von Wärmesenkenarten und -konfigurationen sowie unterschiedliche Techniken zum Koppeln der Wärmesenke mit der wärmeleitfähigen Schicht gibt, und dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die Verwendung einer Art von Wärmesenken-/Kopplungstechnik beschränkt ist. Zum Beispiel kann mindestens eine wärmeleitfähige Schicht der hierin offenbarten mehrschichtigen Materialien in thermischer Verbindung mit einem Element eines Kühlsystems eines Batteriemoduls oder -packs, wie einer Kühlplatte oder einem Kühlkanal des Kühlsystems, stehen. Für ein weiteres Beispiel kann mindestens eine wärmeleitfähige Schicht der hierin offenbarten mehrschichtigen Materialien in thermischer Verbindung mit anderen Elementen des Batteriepacks, Batteriemoduls oder Batteriesystems stehen, die als Wärmesenke fungieren können, wie die Wände des Packs, Moduls oder Systems, oder mit anderen der mehrschichtigen Materialien, die zwischen Batteriezellen angeordnet sind. Die thermische Verbindung zwischen der wärmeleitfähigen Schicht der mehrschichtigen Materialien und der Wärmesenkenelemente innerhalb des Batteriesystems kann eine Entfernung von überschüssiger Wärme aus der Zelle oder den Zellen benachbart des mehrschichtigen Materials an die Wärmesenke ermöglichen, wodurch der Effekt, die Schwere oder die Ausbreitung eines Wärmeereignisses verringert wird, das überschüssige Wärme erzeugen kann, z. B. wie hierin ausführlicher beschrieben.
Vorzugsweise weisen die wärmeleitfähigen Schichten eine Schmelztemperatur von mindestens 300 °C, mehr bevorzugt von mindestens 600 °C, noch mehr bevorzugt von mindestens 1000 °C und noch mehr bevorzugt von mindestens 1500 °C auf.
Die Dicke der wärmeleitfähigen Schicht kann von der Zusammensetzung, den Eigenschaften der anderen Elemente der Mehrschicht, wie dem Kompressionskissen, der Anzahl von Wärmeleitungen, die in dem mehrschichtigen Material enthalten sind, und verschiedenen Faktoren der Zusammensetzung abhängen. Funktionell gesprochen sollte die wärmeleitfähige Schicht dick genug sein, um die gewünschte ebeneninterne Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen.
In einigen Ausführungsformen können die wärmeleitfähigen Materialien, z. B. pyrolytische Graphitplatten (PGS) eine Dicke von etwa 0,010 mm, 0,025 mm, 0,05 mm, 0,07 mm, 0,10 mm aufweisen oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte liegen und im Hinblick auf die thermische Leitfähigkeit in der Ebene im Bereich von etwa 600 bis etwa 1950 W/mK liegen. In einigen Ausführungsformen können die wärmeleitfähigen Materialien, z. B. Metallplatten, eine Dicke von etwa 0,05 mm, etwa 0,07 mm, etwa 0,10 mm, etwa 0,20 mm, etwa 0,25 mm, etwa 0,30 mm, etwa 0,5 mm, etwa 0,75 mm, etwa 1 mm, etwa 1,5 mm, etwa 2 mm, etwa 3 mm, etwa 4 mm, etwa 5 mm aufweisen oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte liegen.
In einigen Ausführungsformen können wärmeleitfähige Materialien aus Phasenwechselmaterialien ausgewählt sein.
In einigen Ausführungsformen können thermische Pasten zwischen Schichten des mehrschichtigen Materials verwendet werden, um eine gleichförmige und ebenmäßige Wärmeleitung zwischen solchen Schichten sicherzustellen. Wie hierin verwendet, bezieht sich thermische Paste auf verschiedene Materialien, die auch als thermische Verbindung, thermisches Fett, thermisches Grenzflächenmaterial (TIM), thermisches Gel, Wärmepaste, Wärmesenkenverbindung und Wärmesenkenpaste bekannt sind. Zum Beispiel kann eine Schicht aus thermischer Paste zwischen der Aerogel-Zusammensetzung und beliebigen anderen Schichten, wie der Schicht oder den Schichten, einschließlich wärmeleitfähiger oder thermisch kapazitiver Materialien, der Deckschicht oder Schichten oder der Einkapselungsschicht angeordnet sein.
Opfermaterialschicht
In Ausführungsbeispielen kann das mehrschichtige Material ein Opfermaterial oder Schichten aus Opfermaterial einschließen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Opfermaterial“ oder „Opferschicht“ auf ein Material oder eine Schicht, das bzw. die als Reaktion auf mechanische, thermische, chemische und/oder elektromagnetische Bedingungen, die durch die Schicht erfahren werden, geopfert oder mindestens teilweise entfernt werden soll. Zum Beispiel kann sich das Opfermaterial oder die Opferschicht zersetzen, wenn es bzw. sie den hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wie sie vor oder während eines thermischen Batteriedurchgehereignisses auftreten. In einigen Ausführungsformen kann eine Opfermaterialschicht auf einer äußeren Oberfläche angeordnet sein, z. B. einer Außenoberfläche des Kernabschnitts des mehrschichtigen Materials oder einer äußeren Oberfläche, z. B. einer Außenoberfläche des mehrschichtigen Materials.
In Ausführungsbeispielen können die Opfermaterialien oder -schichten der vorliegenden Offenbarung ein komprimierbares Kissen einschließen, das einen Kompressionsmdoul von etwa 1 MPa, etwa 2 MPa, etwa 3 MPa, etwa 4 MPa, etwa 5 MPa, etwa 6 MPa, etwa 7 MPa, etwa 8 MPa, etwa 9 MPa, etwa 10 MPa, etwa 11 MPa, etwa 12 MPa oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte aufweist. Die Opfermaterialschicht kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Siloxanen, Polyolefinen, Polyurethanen, Phenolen, Melamin, Celluloseacetat und Polystyrol. In einigen Fällen liegt die Materialschicht in Form von Schaum vor. In einigen Ausführungsformen können das komprimierbare Kissen oder der Schaum aufgrund der Exposition gegenüber mechanischen (wie zyklischen) Lasten abgenutzt werden. In einigen Ausführungsformen zersetzt sich das komprimierbare Kissen oder der Schaumstoff nach Exposition gegenüber einem einzelnen mechanischen, chemischen und/oder thermischen Ereignis.
In einigen Ausführungsformen liegt die Anfangstemperatur der chemischen Zersetzung der Opfermaterialschicht im Bereich von etwa 200 °C bis etwa 400 °C.
Geeignete Schaumstoffe zur Verwendung als komprimierbares Kissen in hierin offenbarten Ausführungsformen weisen Dichten von weniger als etwa 1,0 g/cm3 oder weniger, etwa 0,90 g/cm³ oder weniger, etwa 0,80 g/cm³ oder weniger, etwa 0,70 g/cm³ oder weniger, etwa 0,60 g/cm³ oder weniger, etwa 0,50 g/cm³ oder weniger, etwa 0,40 g/cm³ oder weniger, etwa 0,30 g/cm³ oder weniger, etwa 0,20 g/cm³ oder weniger, etwa 0,16 g/cm³, etwa 0,10 g/cm³ oder weniger, etwa 0,08 g/cm³ oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte und/oder einen Hohlraumvolumengehalt von mindestens etwa 20 bis etwa 99 %, insbesondere mehr als oder gleich etwa 30 %, bezogen auf das Gesamtvolumen des Schaums, auf. In einem Ausführungsbeispiel weist der Schaum eine Dichte von etwa 0,08 g/cm³ bis etwa 0,50 g/cm³, eine Kompressionskraftbeugung von 25 % (CFD) bei etwa 27 kPa bis etwa 55 kPa und eine Kompression auf, die bei etwa 70 °C von weniger als etwa 10 %, insbesondere weniger als 5 %, eingestellt ist. Die CFD wird gemessen, indem die Kraft in kPa berechnet wird, die erforderlich ist, um die Probe auf 25 % der ursprünglichen Dicke gemäß ASTM D1056 zu komprimieren.
Polymere zur Verwendung in den Schäumen können aus einer Vielfalt von thermoplastischen Harzen, Gemischen aus thermoplastischen Harzen oder duroplastischen Harzen ausgewählt werden. Beispiele für thermoplastische Harze, die verwendet werden können, schließen Polyacetale, Polyacryle, Styrolacrylnitril, Polyolefine, Acrylnitrilbutadienstyrol, Polycarbonate, Polystyrole, Polyethylenterephthalate, Polybutylenterephthalate, Polyamide wie, aber nicht beschränkt auf, Nylon 6, Nylon 6,6, Nylon 6,10, Nylon 6,12, Nylon 11 oder Nylon 12, Polyamidimide, Polyarylate, Polyurethane, Ethylenpropylenkautschuke (EPR), Polyarylsulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfide, Polyvinylchloride, Polysulfone, Polyetherimide, Polytetrafluorethylene, fluorierte Ethylenpropylene, Polychlortrifluorethylene, Polyvinylidenfluoride, Polyvinylfluoride, Polyetherketone, Polyetheretherketone, Polyetherketonketone und dergleichen ein oder eine Kombination, die mindestens einen der vorstehenden thermoplastischen Harze umfasst.
Beispiele für Gemische von thermoplastischen Harzen, die in den Polymerschäumen verwendet werden können, schließen Acrylnitril-Butadien-Styrol/Nylon, Polycarbonat/Acrylnitril-Butadien-Styrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol/Polyvinylchlorid, Polyphenylenether/Polystyrol, Polyphenylenether/Nylon, Polysulfon/Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polycarbonat/thermoplastisches Urethan, Polycarbonat/Polyethylenterephthalat, Polycarbonat/Polybutylenterephthalat, thermoplastische Elastomerlegierungen, Polyethylenterephthalat/Polybutylenterephthalat, Styrol-Maleinsäureanhydrid/Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyetheretherketon/Polyethersulfon, Styrol-Butadien-Kautschuk (EPR) und dergleichen ein oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Gemische umfasst.
Beispiele für polymere duroplastische Harze, die in den Polymerschäumen verwendet werden können, schließen Polyurethane, Epoxide, Phenole, Polyester, Polyamide, Silicone und dergleichen oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden duroplastischen Harze umfasst, ein. Gemische aus duroplastischen Harzen sowie Gemische aus thermoplastischen Harzen mit duroplastischen Harzen können verwendet werden.
Mehrschichtiges Material
Wie oben erörtert, stellen mehrschichtige Materialien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf Komprimierbarkeit, Kompressionselastizität und Konformität bereit. Wenn als thermischer Isolator zwischen Zellen innerhalb eines Batteriemoduls verwendet, können thermische Isolierplatten, die unter Verwendung von Aerogel-Zusammensetzungen gebildet werden, Beständigkeit gegen Kompressionsverformung bereitstellen, um der Expansion von Zellen aufgrund der Verschlechterung und Schwellung aktiver Materialien während der Lade-/Entladezyklen für die Batterie Rechnung zu tragen. Während der ersten Montage eines Batteriemoduls wird üblicherweise eine relativ niedrige Last von 1 MPa oder weniger an die thermischen Isolatoren, z. B. die hierin offenbarten mehrschichtigen Materialien angelegt. Bei Verwendung, z. B., wenn die Zellen innerhalb eines Batteriemoduls während Lade-/Entladezyklen expandiert oder schwillt, kann eine Last von bis zu etwa 5 MPa an die hierin offenbarten mehrschichtigen Materialien angelegt werden.
In einem beispielhaften Gesichtspunkt stellt die vorliegende Offenbarung ein mehrschichtiges Material bereit, bei dem das mehrschichtige Material eine Komprimierbarkeit von weniger als etwa 25 % bei etwa 25 kPa aufweist. Optional kann das mehrschichtige Material bei der Freigabe der Kompression ausreichend elastisch sein, um zu mindestens etwa 80 %, 75 %, 65 %, 60 % oder 50 % seiner ursprünglichen Dicke zurückzukehren. In einigen Ausführungsformen zeigt das mehrschichtige Material eine Komprimierbarkeit von weniger als etwa 25 % in einem Bereich von etwa 25 kPa bis etwa 35 kPa und vorzugsweise eine Komprimierbarkeit von weniger als etwa 50 % bei etwa 50 kPa. In einigen Ausführungsformen zeigt das mehrschichtige Material eine Komprimierbarkeit im Bereich von etwa 25 % bis etwa 50 % bei etwa 50 kPa. In Ausführungsbeispielen zeigt das mehrschichtige Material eine Komprimierbarkeit von weniger als etwa 80 % bei etwa 245 kPa, z. B. weniger als etwa 70 % bei etwa 235 kPa. In Ausführungsbeispielen zeigt das mehrschichtige Material eine Komprimierbarkeit von weniger als etwa 70 % bei etwa 345 kPa. Die Wärmeleitfähigkeit des mehrschichtigen Materials einschließlich einer verstärkten Aerogel-Zusammensetzung wird vorzugsweise bei weniger als etwa 25 mW/m*K gehalten, wenn das mehrschichtige Material komprimiert wird.
Wie hierin erörtert, kann das mehrschichtige Material mehrere Materialschichten einschließen, wie Isolierschichten, wärmeleitfähige Schichten, thermisch kapazitive Schichten, Einkapselungsmaterialschichten, Abriebbeständigkeitsschichten, Feuer-/Flammschutzschichten, wärmereflektierende Schichten, komprimierbare Schichten, z. B. komprimierbare Kissen, Opferschichten oder Kombinationen davon. Die Kombinationen und Konfigurationen von Schichten in dem mehrschichtigen Material können ausgewählt werden, um die gewünschte Kombination von Eigenschaften, z. B. Komprimierbarkeit, Elastizität, Wärmeleistung, Feuerreaktion und andere Eigenschaften, zu erhalten. In einigen Ausführungsformen schließt das mehrschichtige Material mindestens ein komprimierbares Kissen ein, das zwischen mindestens zwei Schichten einer verstärkten Aerogel-Zusammensetzung angeordnet ist. Beispielsweise kann das komprimierbare Kissen ein Schaum oder ein anderes komprimierbares Material sein, wie Polyolefine, Polyurethane, Phenole, Melamin, Celluloseacetat oder Polystyrol. In bestimmten Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material auch mindestens eine Schicht aus wärmeleitfähiger Schicht oder thermisch kapazitiver Schicht und mindestens eine der Vielzahl von Schichten der verstärkten Aerogel-Zusammensetzung einschließen. Das wärmeleitfähige Material oder das thermisch kapazitive Material kann Wärme innerhalb des mehrschichtigen Materials absorbieren und/oder dispergieren. In einigen Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material ferner eine wärmereflektierende Schicht einschließen. Zum Beispiel kann die wärmereflektierende Schicht eine metallische Folie oder einen metallischen Film einschließen.
In Ausführungsformen des mehrschichtigen Materials, die mehrere Schichten einschließen, können die Schichten an anderen Schichten befestigt werden, z. B. durch einen Klebstoffmechanismus, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Aerosolklebstoff, einem Klebstoff auf Urethanbasis, einem Acrylatkleber, einem Heißschmelzkleber, einem Epoxid, einem Gummiharzklebstoff; einem Polyurethan-Verbundklebstoff und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen können die Schichten durch einen Nicht-Klebstoffmechanismus befestigt sein, z. B. einen Mechanismus, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Flammenbindung, Vernadeln, Nähen, Dichtungsbeuteln, Nieten, Knöpfen, Klemmen, Umhüllungen, Klammern und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen kann eine Kombination aus einem der vorstehend genannten Klebstoff- und Nicht-Klebstoffmechanismen verwendet werden, um Schichten miteinander zu verbinden.
Endprodukte aus mehrschichtigem Material
Mehrschichtige Materialien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können zu verschiedenen Endprodukten gebildet werden. In der einfachsten Konfiguration kann das mehrschichtige Material in Form einer Platte vorliegen. Die Platte kann kontinuierlich oder halbkontinuierlich ausgebildet sein, z. B. als gewalztes Produkt, oder Platten einer gewünschten Größe und Form können aus einer größeren Platte geschnitten oder anderweitig gebildet werden. Das Plattenmaterial kann verwendet werden, um eine thermische Barriere zwischen Batteriezellen zu bilden. In anderen Konfigurationen kann die verstärkte Aerogel-Zusammensetzung in einen Beutel geformt werden, z. B. um eine Beutelzelle einer Batterie zu enthalten, oder in einen Zylinder, um zylindrische Batteriezellen zu enthalten.
Das mehrschichtige Material der vorliegenden Offenbarung kann in eine Reihe von dreidimensionalen Formen geformt sein, einschließlich Verkleidung, Rohrvorformlinge, Halbschalenvorformlinge, Ellbogen, Gelenke, Beutel, Zylinder und anderer Formen, die regelmäßig bei der Anwendung von Isoliermaterialien für industrielle und kommerzielle Anwendungen erforderlich sind.
Wie in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, schließen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ die Pluralbezüge ein, sofern der Inhalt nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. Wie in dieser Patentschrift und den beigefügten Ansprüchen verwendet, wird der Begriff „oder“ im Allgemeinen in seinem Sinne einschließlich „und/oder“ verwendet, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
Wie hierin verwendet, bedeutet „etwa“ ungefähr oder nahezu und bedeutet im Zusammenhang mit einem dargelegten numerischen Wert oder Bereich ±5 % des numerischen Werts. In einer Ausführungsform kann der Begriff „etwa“ eine herkömmliche Rundung gemäß aussagekräftigen Kennzahlen des numerischen Werts einschließen. Außerdem schließt der Ausdruck „etwa x bis y“ „etwa x bis etwa y“ ein.
Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „Zusammensetzung“ und „Verbundstoff“ austauschbar verwendet.
Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „komprimierbares Pad“ und „komprimierbare Schicht“ austauschbar verwendet.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Aerogel“, „Aerogel-Material“ oder „Aerogel-Matrix“ auf ein Gel, das ein Gerüst miteinander verbundener Strukturen aufweist, wobei ein entsprechendes Netzwerk miteinander verbundener Poren innerhalb des Gerüsts integriert ist, das Gase, wie etwa Luft, als dispergiertes interstitielles Medium enthält; und das durch folgende physikalische und strukturelle Eigenschaften gekennzeichnet ist (gemäß Stickstoffporosimetrieprüfungen), die Aerogel zuschreibbar sind: (a) einen durchschnittlichen Porendurchmesser im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 100 nm, (b) eine Porosität von mindestens 80 % oder mehr und (c) eine Oberfläche von etwa 100 m²/g oder mehr.
Aerogel-Materialien der vorliegenden Offenbarung schließen somit beliebige Aerogele oder andere offenzellige Materialien ein, welche die in den vorhergehenden Absätzen angegebenen definierenden Elemente erfüllen; einschließlich Materialien, die anderweitig als Xerogele, Kryogele, Ambigele, mikroporöse Materialien und dergleichen kategorisiert werden können.
Aerogel-Materialien können auch durch zusätzliche physikalische Eigenschaften weiter gekennzeichnet sein, einschließlich: (d) eines Porenvolumens von etwa 2,0 mL/g oder mehr, insbesondere etwa 3,0 mL/g oder mehr; (e) einer Dichte von etwa 0,50 g/cm³ oder weniger, insbesondere etwa 0,3 g/cm³ oder weniger, insbesondere etwa 0,25 g/cm³ oder weniger; und (f) mindestens 50 % des Gesamtporenvolumens, umfassend Poren mit einem Porendurchmesser zwischen 2 und 50 nm (obwohl hierin offenbarte Ausführungsformen Aerogel-Gerüste und -Zusammensetzungen einschließen, die Poren mit einem Porendurchmesser von mehr als 50 nm einschließen, wie nachstehend ausführlicher erörtert). Die Erfüllung dieser zusätzlichen Eigenschaften ist jedoch für die Charakterisierung einer Verbindung als Aerogel-Material nicht erforderlich.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Aerogel-Zusammensetzung“ auf ein beliebiges Verbundmaterial, das Aerogel-Material als Bestandteil des Verbundstoffs einschließt. Beispiele für Aerogel-Zusammensetzungen schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf faserverstärkte Aerogel-Zusammensetzungen; Aerogel-Verbundstoffe, die Zusatzstoffelemente wie Trübungsmittel einschließen; Aerogel-Verbundstoffe, verstärkt durch offenzellige makroporöse Gerüste; Aerogel-Polymer-Zusammensetzungen; und Verbundmaterialien, die teilchenförmiges Aerogel, Aerogel-Teilchen, -Granulat, -Perlen oder -Pulver in ein festes oder halbfestes Material integrieren, wie in Verbindung mit Bindemitteln, Harzen, Zementen, Schäumen, Polymeren oder ähnlichen festen Materialien. Aerogel-Zusammensetzungen werden im Allgemeinen nach dem Entfernen des Lösungsmittels aus verschiedenen hierin offenbarten Gelmaterialien erhalten. Die so erhaltenen Aerogel-Zusammensetzungen können ferner einer zusätzlichen Verarbeitung oder Behandlung unterzogen werden. Die verschiedenen Gelmaterialien können auch einer zusätzlichen Verarbeitung oder Behandlung unterzogen werden, die auf dem Fachgebiet anderweitig bekannt oder nützlich ist, bevor sie einer Lösungsmittelentfernung (oder Flüssigkeitsextraktion oder Trocknen) unterzogen werden.
Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können verstärkte Aerogel-Zusammensetzungen umfassen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „verstärkte Aerogel-Zusammensetzung“ auf Aerogel-Zusammensetzungen, die eine Verstärkungsphase innerhalb des Aerogel-Materials umfassen, wobei die Verstärkungsphase nicht Teil des Aerogel-Gerüsts selbst ist.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „faserverstärkte Aerogel-Zusammensetzung“ auf eine verstärkte Aerogel-Zusammensetzung, die als Verstärkungsphase ein Faserverstärkungsmaterial umfasst. Beispiele für Faserverstärkungsmaterialien schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, diskrete Fasern, gewebte Materialien, trockengelegte Vliesmaterialien, nassgelegte Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffe, Wattierungen, Bahnen, Matten, Filze und/oder Kombinationen davon ein.
Faserverstärkungsmaterial kann aus organischen polymerbasierten Fasern, anorganischen Fasern, kohlenstoffbasierten Fasern oder einer Kombination davon ausgewählt sein. Faserverstärkungsmaterialien können eine Reihe von Materialien umfassen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Polyester, Polyolefinterephthalate, Poly(ethylen)naphthalat, Polycarbonate (Beispiele Rayon, Nylon), Baumwolle (z. B. Lycra, hergestellt von DuPont), Kohlenstoff (z. B. Graphit), Polyacrylnitrile (PAN), oxidiertes PAN, unkarbonisierte wärmebehandelte PAN (wie von SGL Carbon hergestellt), auf Glas oder Glasfaser basierende Materialien (wie S-Glas, 901-Glas, 902-Glas, 475-Glas, E-Glas), auf Siliciumdioxid basierende Fasern wie Quarz (z. B. Quartzel, hergestellt von Saint-Gobain), Q-Filz (hergestellt von Johns Manville), Saffil (hergestellt von Saffil), Durablanket (hergestellt von Unifrax) und andere Siliciumdioxidfasern, Duraback (hergestellt von Carborundum), Polyaramidfasern wie Kevlar, Nomex, Sontera (alle hergestellt von DuPont), Conex (hergestellt von Taijin), Polyolefine wie Tyvek (hergestellt von DuPont), Dyneema (hergestellt von DSM), Spectra (hergestellt von Honeywell), andere Polypropylenfasern wie Typar, Xavan (beide hergestellt von DuPont), Fluorpolymere wie PTFE mit Handelsnamen wie Teflon (hergestellt von DuPont), Goretex (hergestellt von W.L. GORE), Siliciumcarbidfasern wie Nicalon (hergestellt von COI Ceramics), Keramikfasern wie Nextel (hergestellt von 3M), Acrylpolymere, Fasern aus Wolle, Seide, Hanf, Leder, Wildleder, PBO-Zylon-Fasern (hergestellt von Tyobo), Flüssigkristallmaterial wie Vectan (hergestellt von Hoechst), Cambrelle-Faser (hergestellt von DuPont), Polyurethane, Polyamide, Holzfasern, Bor-, Aluminium-, Eisen-, Edelstahlfasern und andere Thermoplaste wie PEEK, PES, PEI, PEK, PPS. Die Glasfaser-Verstärkungsmaterialien aus Glas oder Glasfaser können unter Verwendung einer oder mehrerer Techniken hergestellt werden. In bestimmten Ausführungsformen ist es wünschenswert, sie unter Verwendung von Kardierung und Kreuzlegen oder einen luftgelegten Prozess herzustellen. In Ausführungsbeispielen bieten kardierte und kreuzgelegte glas- oder glasfaserbasierte Verstärkungsmaterialien bestimmte Vorteile gegenüber luftgelegten Materialien. Zum Beispiel können kardierte und kreuzgelegte Glasfaserverstärkungsmaterialien aus Faserverstärkungsmaterialien eine konstante Materialdicke für ein bestimmtes Flächengewicht des Verstärkungsmaterials bereitstellen. In bestimmten zusätzlichen Ausführungsformen ist es wünschenswert, die Faserverstärkungsmaterialien ferner mit einer Notwendigkeit zu vernadeln, um die Fasern in z-Richtung für verbesserte mechanische und andere Eigenschaften in der endgültigen Aerogel-Zusammensetzung zu verflechten.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich Verweise auf „thermisches Durchgehen“ im Allgemeinen auf die plötzliche, schnelle Erhöhung der Zelltemperatur und des -drucks aufgrund verschiedener Betriebsfaktoren, die wiederum zu einer Ausbreitung einer übermäßigen Temperatur in einem zugehörigen Modul hinweg führen können. Mögliche Ursachen für thermisches 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 größer als 55 °C). Im Normalbetrieb erwärmen sich die Zellen aufgrund des inneren Widerstands. Unter normalen Leistungs-/Stromlasten und Umgebungsbetriebsbedingungen kann die Temperatur innerhalb der meisten Li-Ionen-Zellen relativ einfach gesteuert werden, um in einem Bereich von 20 °C bis 55 °C zu bleiben. Belastungsbedingungen, wie eine hohe Leistungsaufnahme bei hohen Zell-/Umgebungstemperaturen, sowie Defekte in einzelnen Zellen können jedoch die lokale Wärmeerzeugung stark erhöhen. Insbesondere werden oberhalb der kritischen Temperatur exotherme chemische Reaktionen innerhalb der Zelle aktiviert. Darüber hinaus erhöht sich die chemische Wärmeerzeugung üblicherweise exponentiell mit der Temperatur. Infolgedessen wird die Wärmeerzeugung viel größer als die verfügbare Wärmeableitung. Thermisches Durchgehen kann zu Zellentlüftung und inneren Temperaturen von über 200 °C führen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Schaum“ auf ein Material, das ein Gerüst aus miteinander verbundenen polymeren Strukturen aus im Wesentlichen einheitlicher Zusammensetzung mit einem entsprechenden Netzwerk oder Sammlung von Poren, die in das Gerüst integriert sind, umfasst, und das durch Dispergieren eines Gasanteils in Form von Blasen in einen flüssigen oder Harzschaumstoff derart gebildet wird, dass die Gasblasen als Poren zurückgehalten werden, wenn das Schaummaterial zu einer festen Struktur erstarrt. Im Allgemeinen können Schäume unter Verwendung einer Vielfalt von Prozessen hergestellt werden -- siehe zum Beispiel, US-Patente Nr. 6.147.134 ; 5.889.071 ; 6.187.831 ; und 5.229.429 . Schaummaterialien der vorliegenden Offenbarung schließen somit alle Materialien ein, welche die in diesem Absatz dargelegten definierten Elemente erfüllen, einschließlich Verbindungen, die anderweitig als OCMF-Materialien, makroporöse Materialien und dergleichen kategorisiert werden können. Schäume, wie in der vorliegenden Offenbarung definiert, können in Arten von Thermoplasten, Elastomeren und Duroplasten (Duromere) vorliegen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „flexibel“ und „Flexibilität“ auf die Fähigkeit eines Materials oder einer Zusammensetzung, ohne makrostrukturelles Versagen gebogen oder gebeugt zu werden. Die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung ist in der Lage, mindestens 5°, mindestens 25°, mindestens 45°, mindestens 65° oder mindestens 85° ohne makroskopisches Versagen zu biegen; und/oder einen Biegeradius von weniger als 4 Fuß, weniger als 2 Fuß, weniger als 1 Fuß, weniger als 6 Zoll, weniger als 3 Zoll, weniger als 2 Zoll, weniger als 1 Zoll oder weniger als U Zoll ohne makroskopisches Versagen aufzuweisen. Ebenso beziehen sich die Begriffe „hochflexibel“ oder „hohe Flexibilität“ auf Materialien, die sich auf mindestens 90° biegen können und/oder einen Biegeradius von weniger als U Zoll ohne makroskopisches Versagen aufweisen. Darüber hinaus beziehen sich die Begriffe „flexibel eingestuft“ und „als flexibel eingestuft“ auf Materialien oder Zusammensetzungen, die gemäß ASTM Cl 101 (ASTM International, West Conshohocken, PA) als flexibel eingestuft werden können.
Die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung kann flexibel, hochflexibel und/oder flexibel eingestuft werden. Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können auch drapierbar sein. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „drapierbar“ und „Drapierbarkeit“ auf die Fähigkeit eines Materials, mit einem Krümmungsradius von etwa 4 Zoll oder weniger ohne makroskopisches Versagen auf 90° gebogen oder gebeugt zu werden. Die Isolierschicht gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist so flexibel, dass die Zusammensetzung nicht starr ist und auf dreidimensionale Oberflächen oder Objekte aufgebracht und an diese angepasst werden kann oder in eine Vielzahl von Formen und Konfigurationen vorgeformt werden kann, um die Installation oder Applikation zu vereinfachen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Zusatzstoff“ oder „Zusatzstoffelement“ auf Materialien, die einer Aerogel-Zusammensetzung vor, während oder nach der Herstellung des Aerogels zugegeben werden können. Zusatzstoffe können zugegeben werden, um wünschenswerte Eigenschaften in einem Aerogel zu verändern oder zu verbessern oder unerwünschten Eigenschaften in einem Aerogel entgegenzuwirken. Zusatzstoffe werden üblicherweise entweder vor dem Gelieren zur Vorläuferflüssigkeit, während der Gelierung zu einem Übergangszustandsmaterial oder nach der Gelierung zu einem festen oder halbfesten Material zu einem Aerogel-Material gegeben.
Beispiele für Zusatzstoffe schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Mikrofasern, Füllstoffe, Verstärkungsmittel, Stabilisatoren, Verdickungsmittel, elastische Verbindungen, Trübungsmittel, Färbe- oder Pigmentierungsverbindungen, strahlungsabsorbierende Verbindungen, strahlungsreflektierende Verbindungen, Brandschutzzusatzstoffe, Korrosionsinhibitoren, wärmeleitfähige Komponenten, Komponenten, die thermische Kapazität bereitstellen, Phasenwechselmaterialien, pH-Regler, Redox-Regler, HCN-Mitigatoren, Abgas-Mitigatoren, elektrisch leitfähige Verbindungen, elektrisch dielektrische Verbindungen, magnetische Verbindungen, Radarblockierkomponenten, Härter, Antischrumpfmittel und andere Aerogel-Zusatzstoffe, die dem Fachmann bekannt sind. In einigen Ausführungsformen können Komponenten, die thermische Kapazität bereitstellen, Materialien mit einer spezifischen Wärmekapazität von mindestens etwa 0,3 J/(g-C) einschließen. In einigen Ausführungsformen weist das Material, das eine thermische Kapazität bereitstellt, eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 0,5 J/(g-C) auf. Zum Beispiel kann das Material, das eine thermische Kapazität bereitstellt, Metalle wie Aluminium, Titan, Nickel, Stahl, Eisen oder Kombinationen davon einschließen. In einigen Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material eine oder mehrere Schichten oder eine Beschichtung des Materials einschließen, das eine thermische Kapazität bereitstellt. In einigen Ausführungsformen kann das mehrschichtige Material Teilchen des Materials einschließen, das eine thermische Kapazität bereitstellt, die innerhalb einer oder mehrerer Isolierschicht angeordnet sind, die Aerogel-Zusammensetzungen umfassen.
In bestimmten Ausführungsformen können die Aerogel-Zusammensetzungen, verstärkten Aerogel-Zusammensetzungen und die hierin offenbarten mehrschichtigen Materialien während Hochtemperaturereignissen leistungsfähig sein, z. B. einen thermischen Schutz während Hochtemperaturereignissen bereitstellen, wie hierin offenbart. Hochtemperaturereignisse sind durch einen nachhaltigen Wärmefluss von mindestens etwa 25 kW/m², mindestens etwa 30 kW/m², mindestens etwa 35 kW/m² oder mindestens etwa 40 kW/m² über einen Bereich von mindestens etwa 1 cm² für mindestens 2 Sekunden gekennzeichnet. Ein Wärmefluss von etwa 40 kW/m² wurde mit dem Auftreten von typischen Bränden in Zusammenhang gebracht (Behavior of Charring Solids under Fire-Level Heat Fluxes; Milosavljevic, I., Suuberg, E.M.; NISTIR 5499; September 1994). In einem besonderen Fall ist das Hochtemperaturereignis ein Wärmefluss von einem Wärmefluss von etwa 40 kW/m über einen Bereich von mindestens etwa 10 cm² für eine Dauer von mindestens 1 Minute.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Wärmeleitfähigkeit“ 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 Wärmeleitfähigkeit wird spezifisch als die pro Zeiteinheit und pro Oberflächeneinheit übertragene Wärmeenergie, geteilt durch die Temperaturdifferenz, gemessen. Sie wird üblicherweise in SI-Einheiten als mW/m*K (Milliwatt pro Meter * Kelvin) aufgezeichnet. Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials kann durch Prüfverfahren bestimmt werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, einschließlich, aber nicht beschränkt auf das Prüfverfahren für stationäre thermische Übertragungseigenschaften mittels der Wärmeflussmesseinrichtung (ASTM C518, ASTM International, West Conshohocken, PA); ein Prüfverfahren für stationäre Wärmeflussmessungen und thermische Übertragungseigenschaften mittels der Einrichtung von geschützten Heizplatten (ASTM C177, ASTM International, West Conshohocken, PA); ein Prüfverfahren für stationäre Wärmeübertragungseigenschaften von Rohrisolierungen (ASTM C335, ASTM International, West Conshohocken, PA); einen Test thermischer Leitfähigkeit für ein dünnes Heizelement (ASTM C 1114, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard-Prüfverfahren für thermische Übertragungseigenschaften von wärmeleitfähigen elektrischen Isoliermaterialien (ASTM D5470, ASTM International, West Conshohocken, PA); Bestimmung der thermischen Beständigkeit mittels Verfahren von geschützten Heizplatten und Wärmedurchflussmesser (EN 12667, British Standards Institution, Großbritannien); oder Bestimmung der stationären thermischen Beständigkeit und verwandten Eigenschaften - Einrichtung für geschützte Heizplatten (ISO 8203, Internationale Organisation für Normung, Schweiz). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass innerhalb des Zusammenhangs der vorliegenden Offenbarung und sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben, Wärmeleitfähigkeitsmessungen gemäß ASTM C518-Standard (Prüfverfahren für stationäre Übertragungseigenschaften mittels der Wärmeflussmesseinrichtung) bei einer Temperatur von etwa 37,5 °C bei Atmosphärendruck in Umgebung und unter einer Kompressionslast von etwa 2 psi erfasst werden. Die gemäß ASTM C518 angegebenen Messungen korrelieren üblicherweise gut mit allen Messungen, die gemäß EN 12667 durchgeführt wurden, mit beliebigen relevanten Anpassungen an die Kompressionslast.
Wärmeleitfähigkeitsmessungen können auch bei einer Temperatur von etwa 10 °C bei Atmosphärendruck unter Kompression erfasst werden. Wärmeleitfähigkeitsmessungen bei 10 °C betragen im Allgemeinen 0,5-0,7 mW/mK weniger als entsprechende Wärmeleitfähigkeitsmessungen bei 37,5 °C. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung eine Wärmeleitfähigkeit 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 zwei dieser Werte auf.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Dichte“ auf eine Messung der Masse pro Volumeneinheit eines Materials oder einer Zusammensetzung. Der Begriff „Dichte“ bezieht sich im Allgemeinen auf die scheinbare Dichte eines Materials sowie die Schüttdichte einer Zusammensetzung. Dichte wird üblicherweise als kg/m³ oder g/cm³ aufgezeichnet. Die Dichte eines Materials oder einer Zusammensetzung, z. B. Aerogel, kann nach im Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Standard-Prüfverfahren für Abmessungen und Dichte von vorgeformtem Block- und Platten-Wärmeisolierungen (ASTM C303, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard-Prüfverfahren für Dicke und Dichte von Dämmschichten oder Dämmplatten-Wärmeisolierungen (ASTM C167, ASTM International, West Conshohocken, PA); Bestimmung der scheinbaren Dichte von vorgeformten Rohrisolierungen (EN 13470, British Standards Institution, Großbritannien); oder Bestimmung der scheinbaren Dichte von vorgeformten Rohrisolierungen (ISO 18098, Internationale Organisation für Normierung, Schweiz). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Dichtemessungen gemäß ASTM C167-Standard (Standard-Prüfverfahren für Dicke und Dichte von Dämmschichten oder Dämmplatten-Wärmeisolierungen) bei 2 psi Kompression zur Dickenmessung erfasst werden, sofern nicht anderweitig angegeben. In bestimmten Ausführungsformen weisen Aerogel-Materialien oder Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Dichte von etwa 1,0 g/cm³ oder weniger, etwa 0,90 g/cm³ oder weniger, etwa 0,80 g/cm³ oder weniger, etwa 0,70 g/cm³ oder weniger, etwa 0,60 g/cm³ oder weniger, etwa 0,50 g/cm³ oder weniger, etwa 0,40 g/cm³ oder weniger, etwa 0,30 g/cm³ oder weniger, etwa 0,25 g/cm³ oder weniger, etwa 0,20 g/cm³ oder weniger, 0,18 g/cm³ oder weniger, etwa 0,16 g/cm³ oder weniger, etwa 0,14 g/cm³ oder weniger, etwa 0,12 g/cm³ oder weniger, etwa 0,10 g/cm³ oder weniger, etwa 0,05 g/cm³ oder weniger, etwa 0,01 g/cm³ oder weniger, etwa 0,05 g/cm³ oder weniger, etwa 0,01 g/cm³ oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte auf.
Die Hydrophobizität eines Aerogel-Materials oder einer Aerogel-Zusammensetzung kann hinsichtlich der Wasserdampfaufnahme ausgedrückt werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Wasserdampfaufnahme“ auf eine Messung des Potentials eines Aerogel-Materials oder einer Zusammensetzung zum Absorbieren von Wasserdampf. Die Wasserdampfaufnahme kann als Prozentsatz (bezogen auf das Gewicht) von Wasser ausgedrückt werden, das von einem Aerogel-Material oder einer Aerogel-Zusammensetzung absorbiert oder anderweitig zurückgehalten wird, wenn es unter bestimmten Messbedingungen Wasserdampf ausgesetzt wird. Die Wasserdampfaufnahme eines Aerogel-Materials oder einer Aerogel-Zusammensetzung kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der Wasserdampfsorption von unebenem Mineralfaserisolierungen (ASTM C 1104, ASTM International, West Conshohocken, PA); Thermische Isolierprodukte für Bauanwendungen: Bestimmung der Langzeitwasserabsorption durch Diffusion (EN 12088, British Standards Institution, Großbritannien). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Messungen der Wasserdampfabnahme gemäß ASTM C1104-Standard (Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der Wasserdampfsorption von unebenem Mineralfaserisolierungen) bei 49 °C und 95 % Luftfeuchtigkeit für 24 Stunden (modifiziert von 96 Stunden gemäß dem ASTM C 1104-Standard) unter Umgebungsdruck erfasst werden, sofern nicht anderweitig angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können Aerogel-Materialien oder Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Wasserdampfaufnahme von etwa 50 Gew.-% oder weniger, etwa 40 Gew.-% oder weniger, etwa 30 Gew.-% oder weniger, etwa 20 Gew.-% oder weniger, etwa 15 Gew.-% oder weniger, etwa 10 Gew.-% oder weniger, etwa 8 Gew.-% oder weniger, etwa 3 Gew.-% oder weniger, etwa 2 Gew.-% oder weniger, etwa 1 Gew.-% oder weniger, etwa 0,1 Gew.-% oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte aufweisen. Ein Aerogel-Material oder eine Aerogel-Zusammensetzung, die eine verbesserte Wasserdampfaufnahme relativ zu einem anderen Aerogel-Material oder einer Aerogel-Zusammensetzung aufweist, weist einen geringeren Prozentsatz an Wasserdampfaufnahme/-retention relativ zu den Aerogel-Referenzmaterialien oder Aerogel-Referenzzusammensetzungen auf.
Die Hydrophobizität eines Aerogel-Materials oder einer Aerogel-Zusammensetzung können durch Messen des Gleichgewichtskontaktwinkels eines Wassertropfens an der Grenzfläche mit der Oberfläche des Materials ausgedrückt werden. Aerogel-Materialien oder Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können einen Wasserkontaktwinkel von etwa 90° oder mehr, etwa 120° oder mehr, etwa 130° oder mehr, etwa 140° oder mehr, etwa 150° oder mehr, etwa 160° oder mehr, etwa 170° oder mehr, etwa 175° oder mehr oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Verbrennungswärme“, „HOC“ und „ΔHC“ auf eine Messung der Menge an Wärmeenergie, die bei der Verbrennung oder exothermen thermischen Zersetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung freigesetzt wird. Die Verbrennungswärme wird üblicherweise in Kalorien von Wärmeenergie aufgezeichnet, die pro Gramm Aerogel-Material oder Aerogel-Zusammensetzung (cal/g) freigesetzt wird, oder als Megajoule von Wärmeenergie, die pro Kilogramm Material oder Zusammensetzung (MJ/kg) freigesetzt wird. Die Verbrennungswärme eines Materials oder einer Zusammensetzung kann nach im Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Reaktion auf Brandprüfungen für Produkte - Bestimmung der Verbrennungsbruttowärme (Brennwert) (EN ISO 1716, Internationale Organisation für Normierung, Schweiz; EN angenommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden die Verbrennungswärmemessungen gemäß EN ISO 1716-Standards (Reaktion auf Brandprüfungen für Produkte - Bestimmung der Verbrennungsbruttowärme (Brennwert)) erfasst, sofern nicht anderweitig angegeben.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden alle thermischen Analysen und verwandte Definitionen mit Messungen referenziert, die beginnend bei 25 °C und bei einer Geschwindigkeit von 20 °C pro Minute auf bis zu 1000 °C in Luft bei Umgebungsdruck ansteigend durchgeführt werden. Dementsprechend müssen alle Änderungen dieser Parameter berücksichtigt werden (oder unter diesen Bedingungen erneut durchgeführt werden), um den Beginn der thermischen Zersetzung, die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung, die Temperatur der Spitzenwärmeabsorption und dergleichen zu messen und zu berechnen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Beginn der thermischen Zersetzung“ und „TD“ auf eine Messung der niedrigsten Temperatur von Umgebungswärme, bei der schnelle exotherme Reaktionen aus der Zersetzung von organischem Material innerhalb eines Materials oder einer Zusammensetzung hervorgehen. Der Beginn der thermischen Zersetzung von organischem Material innerhalb eines Materials oder einer Zusammensetzung kann mit thermogravimetrischer Analyse (TGA) gemessen werden. Die TGA-Kurve eines Materials zeigt den Gewichtsverlust (% Masse) eines Materials, während es einer Erhöhung der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, und gibt somit die thermische Zersetzung an. Der Beginn der thermischen Zersetzung eines Materials kann mit dem Schnittpunkt der folgenden Tangentenlinien der TGA-Kurve korreliert werden: einer Linie, welche die Grundlinie der TGA-Kurve tangiert, und einer Linie, welche die TGA-Kurve am Punkt der maximalen Steigung während des schnellen exothermen Zersetzungsereignisses, das mit der Zersetzung von organischem Material in Zusammenhang steht, tangiert. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen des Beginns der thermischen Zersetzung von organischem Material unter Verwendung von TGA-Analyse erfasst, wie in diesem Absatz bereitgestellt, sofern nicht anderweitig angegeben.
Der Beginn der thermischen Zersetzung eines Materials kann auch unter Verwendung von Differentialscanningkalorimetrie-Analyse (DSC-Analyse) gemessen werden. Die DSC-Kurve eines Materials stellt die Wärmeenergie (mW/mg) dar, die durch ein Material freigesetzt wird, während dieses einem allmählichen Anstieg der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Die Anfangstemperatur der thermischen Zersetzung eines Materials kann mit dem Punkt in der DSC-Kurve korreliert werden, bei dem die Δ mW/mg (Änderung der Wärmeenergieabgabe) maximal zunimmt, wodurch eine exotherme Wärmeerzeugung aus dem Aerogel-Material angezeigt wird. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen vom Beginn der thermischen Zersetzung unter Verwendung von DSC, TGA oder beiden unter Verwendung einer Temperaturrampe von 20 °C/min erfasst, wie weiter im vorstehenden Absatz definiert, sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben. DSC und TGA stellen jeweils ähnliche Werte für diesen Beginn der thermischen Zersetzung bereit, und oftmals werden die Prüfungen gleichzeitig durchgeführt, sodass Ergebnisse von beiden erhalten werden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Anfang der endothermen Zersetzung“ und „TED“ auf eine Messung der niedrigsten Temperatur von Umgebungswärme, bei der endotherme Reaktionen aus der Zersetzung oder der Dehydratisierung innerhalb eines Materials oder einer Zusammensetzung auftreten. Der Anfang der endothermen Zersetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung kann mit thermogravimetrischer Analyse (TGA) gemessen werden. Die TGA-Kurve eines Materials gibt den Gewichtsverlust (% Masse) eines Materials an, während es einer Erhöhung der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Der Anfang der thermischen Zersetzung eines Materials kann mit dem Schnittpunkt der folgenden Tangentenlinien der TGA korreliert werden: eine Linie, die die Grundlinie der TGA-Kurve tangiert, und eine Linie, die die TGA-Kurve am Punkt der maximalen Steigung während des schnellen endothermen Zersetzung oder Dehydrierung des Materials. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen des Anfangs der endothermen Zersetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung unter Verwendung von TGA-Analyse erfasst, wie in diesem Absatz bereitgestellt, sofern nicht anderweitig angegeben.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Ofentemperaturanstieg“ und „ΔTR“ auf eine Messung der Differenz zwischen einer Maximaltemperatur (TMAX) eines Materials oder einer Zusammensetzung unter thermischen Zersetzungsbedingungen relativ zu einer Grundlinientemperatur dieses Materials oder dieser Zusammensetzung unter den thermischen Zersetzungsbedingungen (normalerweise die Endtemperatur oder TFIN). Der Ofentemperaturanstieg wird üblicherweise in Grad Celsius oder °C aufgezeichnet. Der Ofentemperaturanstieg eines Materials oder einer Zusammensetzung kann nach im Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung (EN ISO 1182, Internationale Organisation für Normierung, Schweiz; EN angenommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Ofentemperaturanstiegsmessungen gemäß den Bedingungen, die der Norm EN ISO 1182 entsprechen, erfasst (Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung), sofern nicht anderweitig angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung einen Ofentemperaturanstieg von etwa 100 °C oder weniger, etwa 90 °C oder weniger, etwa 80 °C oder weniger, etwa 70 °C oder weniger, etwa 60 °C oder weniger, etwa 50 °C oder weniger, etwa 45 °C oder weniger, etwa 40 °C oder weniger, etwa 38 °C oder weniger, etwa 36 °C oder weniger, etwa 34 °C oder weniger, etwa 32 °C oder weniger, etwa 30 °C oder weniger, etwa 28 °C oder weniger, etwa 26 °C oder weniger, etwa 24 °C oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte aufweisen. Im Rahmen der Zusammensetzungsstabilität bei erhöhten Temperaturen würde beispielsweise eine erste Zusammensetzung mit einem Ofentemperaturanstieg, der niedriger als ein Ofentemperaturanstieg einer zweiten Zusammensetzung ist, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung angesehen werden. Es wird hierin in Betracht gezogen, dass der Ofentemperaturanstieg einer Zusammensetzung bei Zugabe von einem oder mehreren Brandschutzzusatzstoffen reduziert wird, verglichen mit einer Zusammensetzung, die
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Flammzeit“ und „TFLAME“ auf eine Messung von nachhaltiger Beflammung eines Materials oder einer Zusammensetzung unter thermischen Zersetzungsbedingungen, bei denen „nachhaltige Beflammung“ eine bleibende Flamme an jedem Teil des sichtbaren Teils der Probe, die 5 Sekunden oder länger dauert, ist. Die Flammzeit wird üblicherweise in Sekunden oder Minuten aufgezeichnet. Die Flammzeit eines Materials oder einer Zusammensetzung kann nach im Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung (EN ISO 1182, Internationale Organisation für Normierung, Schweiz; EN angenommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Flammzeitmessungen gemäß den Bedingungen, die der Norm EN ISO 1182 entsprechen, erfasst (Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung), sofern nicht anderweitig angegeben. In bestimmten Ausführungsformen weisen Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung eine Flammzeit von etwa 30 Sekunden oder weniger, etwa 25 Sekunden oder weniger, etwa 20 Sekunden oder weniger, etwa 15 Sekunden oder weniger, etwa 10 Sekunden oder weniger, etwa 5 Sekunden oder weniger, etwa 2 Sekunden oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte auf. Innerhalb des vorliegenden Rahmens würde zum Beispiel eine erste Zusammensetzung mit einer Flammzeit, die niedriger als eine Flammzeit einer zweiten Zusammensetzung ist, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung betrachtet werden. Es wird hierin in Betracht gezogen, dass die Flammzeit einer Zusammensetzung bei Zugabe von einem oder mehreren Brandschutzzusatzstoffen reduziert wird, verglichen mit einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzzusatzstoffe einschließt.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Massenverlust“ und „ΔM“ auf eine Messung der Menge eines Materials, einer Zusammensetzung oder eines Verbundstoffs, die unter thermischen Zersetzungsbedingungen verloren gehen oder abgebrannt werden. Massenverlust wird üblicherweise als Gewichtsprozent oder Gew.-% aufgezeichnet. Der Massenverlust eines Materials, einer Zusammensetzung oder eines Verbundstoffs kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung (EN ISO 1182, Internationale Organisation für Normierung, Schweiz; EN angenommen). Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Massenverlustmessungen gemäß den Bedingungen, die der Norm EN ISO 1182 entsprechen, erfasst (Reaktion auf Brandprüfungen für Bau- und Transportprodukte: Nicht-Brennbarkeitsprüfung), sofern nicht anderweitig angegeben. In bestimmten Ausführungsformen können die Isolierschicht oder Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung einen Massenverlust von etwa 50 % oder weniger, etwa 40 % oder weniger, etwa 30 % oder weniger, etwa 28 % oder weniger, etwa 26 % oder weniger, etwa 24 % oder weniger, etwa 22 % oder weniger, etwa 20 % oder weniger, etwa 18 % oder weniger, etwa 16 % oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen dieser Werte aufweisen. Innerhalb des vorliegenden Rahmens würde zum Beispiel eine erste Zusammensetzung mit einem Massenverlust, der niedriger als ein Massenverlust einer zweiten Zusammensetzung ist, als eine Verbesserung der ersten Zusammensetzung gegenüber der zweiten Zusammensetzung betrachtet werden. Es wird hierin in Betracht gezogen, dass der Massenverlust einer Zusammensetzung bei Zugabe von einem oder mehreren Brandschutzzusatzstoffen reduziert wird, verglichen mit einer Zusammensetzung, die keine Brandschutzzusatzstoffe einschließt.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung“ auf eine Messung der Temperatur der Umgebungswärme, bei der sich die exotherme Wärmefreisetzung aus der Zersetzung am Maximum befindet. Die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung kann unter Verwendung von TGA-Analyse, Differentialscanningkalorimetrie (DSC) oder einer Kombination davon gemessen werden. DSC und TGA würden jeweils ähnliche Werte für die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung bereitstellen, und oftmals werden die Prüfungen gleichzeitig durchgeführt, sodass Ergebnisse von beiden erhalten werden. In einer typischen DSC-Analyse ist der Wärmefluss gegen die steigende Temperatur aufgetragen, wobei die Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung die Temperatur ist, bei der die höchste Spitze in einer solchen Kurve auftritt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen der Temperatur der Spitzenwärmefreisetzung eines Materials oder einer Zusammensetzung unter Verwendung von TGA-Analyse erfasst, wie in diesem Absatz bereitgestellt, sofern nicht anderweitig angegeben.
Im Zusammenhang mit einem endothermen Material beziehen sich die Begriffe „Temperatur der Spitzenwärmeabsorption“ auf eine Messung der Temperatur der Umgebungswärme, bei der die endotherme Wärmeabsorption aus der Zersetzung minimal ist. Die Temperatur der Spitzenwärmeabsorption eines Materials oder einer Zusammensetzung kann unter Verwendung von TGA-Analyse, Differentialscanningkalorimetrie (DSC) oder einer Kombination davon gemessen werden. In einer typischen DSC-Analyse ist der Wärmefluss gegen die steigende Temperatur aufgetragen, wobei die Temperatur der Spitzenwärmeabsorption die Temperatur ist, bei der die niedrigste Spitze in einer solchen Kurve auftritt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden Messungen der Temperatur der Spitzenwärmeabsorption eines Materials oder einer Zusammensetzung unter Verwendung von TGA-Analyse erfasst, wie in diesem Absatz bereitgestellt, sofern nicht anderweitig angegeben.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „schwere Entflammbarkeit“ und „schwer entflammbar“ auf ein Material oder eine Zusammensetzung, das die folgende Kombination von Eigenschaften erfüllt: i) einen Ofentemperaturanstieg von 50 °C oder weniger; ii) eine Flammzeit von 20 Sekunden oder weniger; und iii) einen Massenverlust von 50 Gew.-% oder weniger. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Nicht-Entflammbarkeit“ und „nicht entflammbar“ auf ein Material oder eine Zusammensetzung, das die folgende Kombination von Eigenschaften erfüllt: i) einen Ofentemperaturanstieg von 40 °C oder weniger; ii) eine Flammzeit von 2 Sekunden oder weniger; und iii) einen Massenverlust von 30 Gew.-% oder weniger. Es wird in Betracht gezogen, dass die Entflammbarkeit (z. B. Kombination von Ofentemperaturanstieg, Flammzeit und Massenverlust) einer Zusammensetzung bei der Einbeziehung eines oder mehrerer Brandschutzzusatzstoffe reduziert wird, wie hierin beschrieben.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „schwere Brennbarkeit“ und „schwer brennbar“ auf ein schwer entflammbares Material oder eine Zusammensetzung, das eine Gesamtverbrennungswärme (HOC) von weniger als oder gleich 3 MJ/kg aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Nicht-Brennbarkeit“ und „nicht brennbar“ auf ein nicht entflammbares Material oder eine Zusammensetzung, das eine Verbrennungswärme (HOC) von weniger als oder gleich 2 MJ/kg aufweist. Es wird in Betracht gezogen, dass die HOC einer Zusammensetzung bei Einbeziehung eines oder mehrerer Brandschutzzusatzstoffe reduziert wird, wie hierin beschrieben.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „hydrophob gebundenes Silicium“ auf ein Siliciumatom im Gerüst eines Gels oder Aerogels, das mindestens eine hydrophobe Gruppe umfasst, die kovalent an das Siliciumatom gebunden ist. Beispiele für hydrophob gebundenes Silicium schließen Siliciumatome in Siliciumdioxidgruppen innerhalb des Gelgerüsts ein, die aus Gelprodukten gebildet werden, die mindestens eine hydrophobe Gruppe (wie MTES oder DMDS) umfassen. Hydrophob gebundenes Silicium kann auch Siliciumatome im Gelgerüst oder auf der Oberfläche des Gels einschließen, die mit einem Hydrophobierungsmittel (wie HMDZ) behandelt werden, um Hydrophobizität zu verleihen oder zu verbessern, indem zusätzliche hydrophobe Gruppen in die Zusammensetzung eingebaut werden. Hydrophobe Gruppen der vorliegenden Offenbarung schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Methylgruppen, Ethylgruppen, Propylgruppen, Isopropylgruppen, Butylgruppen, Isobutylgruppen, tert-Butylgruppen, Octylgruppen, Phenylgruppen oder andere substituierte oder unsubstituierte hydrophobe organische Gruppen, die dem Fachmann bekannt sind. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung schließen die Begriffe „hydrophobe Gruppe“, „hydrophobes organisches Material“ und „hydrophober organischer Gehalt“ leicht hydrolysierbare organische siliciumgebundene Alkoxygruppen im Rahmen des Gelmaterials, die das Produkt von Reaktionen zwischen organischen Lösungsmitteln und Silanolgruppen sind, ausdrücklich aus. Solche ausgeschlossenen Gruppen sind vom hydrophoben organischen Gehalt dieser durch NMR-Analyse unterscheidbar. Die Menge an in einem Aerogel enthaltenem hydrophobem Silicium kann mittels NMR-Spektroskopie, wie CP/MAS 29Si-Festkörper-NMR, analysiert werden. Eine NMR-Analyse eines Aerogels ermöglicht die Charakterisierung und relative Quantifizierung von hydrophob gebundenem Silicium (monofunktionelles Siliciumdioxid, wie TMS-Derivate); hydrophob gebundenem Silicium vom D-Typ (bifunktionelles Siliciumdioxid, wie DMDS-Derivate); hydrophob gebundenem Silicium vom T-Typ (trifunktionelles Siliciumdioxid, wie MTES-Derivate); und Q-Typ-Silicium (quadrafunktionelles Siliciumdioxid wie TEOS-Derivate). Die NMR-Analyse kann auch verwendet werden, um die Bindechemie des in einem Aerogel enthaltenen hydrophoben Siliciums zu analysieren, indem sie eine Kategorisierung spezifischer Arten von hydrophob gebundenem Silicium in Untertypen (wie die Kategorisierung von hydrophob gebundenem Silicium in T1-Spezies, T2-Spezies und T3-Spezies) ermöglicht. Spezifische Details, die sich auf die NMR-Analyse von Siliciumdioxidmaterialien beziehen, finden sich in dem Artikel „Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/Inorganic Multicomponent Materials“ von Geppi et al., insbesondere Seite 7-9 (Appl. Spec. Rev. (2008), 44-1: 1-89), der hiermit durch Bezugnahme gemäß den spezifisch zitierten Seiten aufgenommen wird.
Die Charakterisierung von hydrophob gebundenem Silicium in einer CP/MAS 29Si-NMR-Analyse kann auf den folgenden chemischen Verschiebungsspitzen basieren: M1 (30 bis 10 ppm); D1 (10 bis -10 ppm), D2 (-10 bis -20 ppm); T1 (-30 bis -40 ppm), T2 (-40 bis -50 ppm), T3 (-50 bis -70 ppm); Q2 (-70 bis -85 ppm), Q3 (-85 bis -95 ppm), Q4 (-95 bis -110 ppm). Diese chemischen Verschiebungsspitzen sind annähernd und beispielhaft und sollen nicht einschränkend oder definitiv sein. Die genauen chemischen Verschiebungsspitzen, die auf die verschiedenen Siliciumspezies innerhalb eines Materials zurückzuführen sind, können von den spezifischen chemischen Komponenten des Materials abhängen und können im Allgemeinen durch Routineexperimente und Analysen vom Fachmann entschlüsselt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „hydrophober organischer Gehalt“ oder „hydrophober Gehalt“ oder „hydrophobischer Gehalt“ auf die Menge des hydrophoben organischen Materials, das an das Gerüst in einem Aerogel-Material oder -Zusammensetzung gebunden ist. Der hydrophobe organische Gehalt eines Aerogel-Materials oder einer Aerogel-Zusammensetzung kann als Gewichtsprozentsatz der Menge des hydrophoben organischen Materials auf dem Aerogel-Gerüst relativ zur Gesamtmenge an Material in dem Aerogel-Material oder der Aerogel-Zusammensetzung ausgedrückt werden. Der hydrophobe organische Gehalt kann von Durchschnittsfachleuten auf der Grundlage der Natur und relativen Konzentrationen von Materialien berechnet werden, die bei der Herstellung des Aerogel-Materials oder der Aerogel-Zusammensetzung verwendet werden. Der hydrophobe organische Gehalt kann auch mit thermogravimetrischer Analyse (TGA) der betreffenden Materialien, vorzugsweise in Sauerstoffatmosphäre, gemessen werden (obwohl TGA unter alternativen Gasumgebungen ebenfalls nützlich ist). Insbesondere kann der Prozentsatz des hydrophoben organischen Materials in einem Aerogel mit dem Prozentsatz des Gewichtsverlusts in einem hydrophoben Aerogel-Material oder einer Aerogel-Zusammensetzung korreliert werden, wenn sie während einer TGA-Analyse Brennwärmetemperaturen ausgesetzt werden, wobei Anpassungen für den Verlust von Feuchtigkeit, Verlust von Restlösungsmittel und dem Verlust von leicht hydrolysierbaren Alkoxygruppen während der TGA-Analyse vorgenommen werden. Andere alternative Techniken wie Differentialscanningkalorimetrie, Elementaranalyse (insbesondere Kohlenstoff), chromatographische Techniken, kernmagnetische Resonanzspektren und andere dem Fachmann bekannte analytische Techniken können verwendet werden, um den hydrophoben Inhalt in den Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung zu messen und zu bestimmen. In bestimmten Fällen kann eine Kombination der bekannten Techniken nützlich oder notwendig sein, um den hydrophoben Gehalt der Aerogel-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung zu bestimmen.
Aerogel-Materialien oder Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung können einen hydrophoben organischen Gehalt von 50 Gew.-% oder weniger, 40 Gew.-% oder weniger, 30 Gew.-% oder weniger, 25 Gew.-% oder weniger, 20 Gew.-% oder weniger, 15 Gew.-% oder weniger, 10 Gew.-% oder weniger, 8 Gew.-% oder weniger, 6 Gew.-% oder weniger, 5 Gew.-% oder weniger, 4 Gew.-% oder weniger, 3 Gew.-% oder weniger, 2 Gew.-% oder weniger, 1 Gew.-% oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte aufweisen.
Der Begriff „Kraftstoffgehalt“ bezieht sich auf die Gesamtmenge an brennbarem Material in einem Aerogel-Material oder einer Aerogel-Zusammensetzung, die mit dem Gesamtprozentsatz des Gewichtsverlusts in einem Aerogel-Material oder einer Aerogel-Zusammensetzung korreliert werden kann, wenn sie Brennwärmetemperaturen während einer TGA oder TG-DSC Analyse ausgesetzt werden, wobei Anpassungen für den Verlust von Feuchtigkeit vorgenommen werden. Der Kraftstoffgehalt eines Aerogel-Materials oder einer Aerogel-Zusammensetzung kann einen hydrophoben organischen Gehalt sowie andere brennbare restliche alkoholische Lösungsmittel, Füllmaterialien, Verstärkungsmaterialien und leicht hydrolysierbare Alkoxygruppen einschließen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung umfasst der Begriff „Ormosil“ die vorstehenden Materialien sowie andere organisch modifizierte Materialien, manchmal als „Ormocere“ bezeichnet Ormosile werden häufig als Beschichtungen verwendet, bei denen ein Ormosil-Film beispielsweise durch den Sol-Gel-Prozess über ein Substratmaterial gegossen wird. Beispiele für andere organisch-anorganische Hybrid-Aerogele der Offenbarung schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Siliciumdioxidpolyether, Siliciumdioxid-PMMA, Siliciumdioxidchitosan, Carbide, Nitride und andere Kombinationen der vorstehend genannten organischen und anorganischen Aerogel bildenden Verbindungen. Die veröffentlichte US-Pat.- Anm. 20050192367 (Absatz [0022]-[0038] und [0044]-[0058]) schließt Lehren solcher hybrider organisch-anorganischer Materialien ein und wird hiermit durch Bezugnahme gemäß den einzeln zitierten Abschnitten und Absätzen aufgenommen.
Verwendung der mehrschichtigen Materialien innerhalb des Batteriemoduls oder -packs
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden aufgrund ihrer hohen Betriebsspannung, niedrigen Speichereffekten und hoher Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien als eine der wichtigsten Energiespeichertechnologien betrachtet.
Sicherheitsbedenken sind jedoch ein signifikantes Hindernis, das Anwendungen in großem Maßstab von LIBs behindert. Unter Fehlanwendungsbedingungen können exotherme Reaktionen zur Freisetzung von Wärme führen, die nachfolgende unsichere Reaktionen auslösen können. Die Situation verschlechtert sich, da die freigegebene Wärme aus einer unsachgemäß angewendeten Zelle eine Kette von Reaktionen aktivieren kann, wodurch katastrophales thermisches Durchgehen verursacht wird.
Mit der kontinuierlichen Verbesserung von LIBs im Hinblick auf die Energiedichte wird die Sicherheit bei der Entwicklung von elektrischen Vorrichtungen, z. B. Elektrofahrzeugen, ein immer dringenderes Anliegen. Die Mechanismen, die unter Sicherheitsproblemen leiden, variieren für jede andere Batteriechemie. Die vorliegende Technologie konzentriert sich auf die Anpassung der mehrschichtigen Materialien und entsprechende Konfigurationen dieser angepassten Materialien, um günstige thermische und mechanische Eigenschaften zu erhalten. Die mehrschichtigen Materialien der vorliegenden Technologie bieten effektive Wärmeableitungsstrategien unter normalen Bedingungen sowie unter Bedingungen des thermischen Durchgehens, während die Stabilität der LIB unter normalen Betriebsarten sichergestellt wird (z. B. aufgrund von Druckspannungen).
Die hierin offenbarten mehrschichtigen Materialien sind nützlich zum Trennen, Isolieren und Schützen von Batteriezellen oder Batteriekomponenten von Batterien jeder Konfiguration, z. B. Beutelzellen, zylindrischen Zellen, prismatischen Zellen sowie Packs und Modulen, die solche Zellen integrieren oder einschließen. Die hierin offenbarten mehrschichtigen Materialien eignen sich bei wiederaufladbaren Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, Festkörperbatterien und einer beliebigen anderen Energiespeicherungsvorrichtung oder -technologie, bei denen Trennung, Isolierung und Schutz erforderlich sind.
Passive Vorrichtungen wie Kühlsysteme können in Verbindung mit den mehrschichtigen Materialien der vorliegenden Offenbarung innerhalb des Batteriemoduls oder Batteriepacks verwendet werden.
Das mehrschichtige Material gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in einem Batteriepack schließt eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen oder von Modulen von Batteriezellen ein, um die einzelnen Batteriezellen oder Gruppen von Batteriezellen thermisch voneinander zu trennen.
Weitere Bezugszeichen:

1: Lithium-Ionen Batteriezelle
2: Separator
3: Electrolyt-Lithium-Salz gelöst in organischem Lösungsmittel
4: Festelektrolytschnittstelle
5: Anode Kohlenstoff
6: Kathode Lithiummetalloxid
7: Anodenstrom-Abnehmer Kupfer
8: Kathodenstrom-Abnehmer Aluminum
9: Stromabnehmer (Cu)^-
10: Stromabnehmer (Al)⁺
11: Anode
12, 13: Kathode
14: Separator
15: Li-anode
16: Dendriten
17: Anode
18, 19: Separator und Flüssigelektrolyt
20: Kathode
21: Lithiumdendrit
22: Großer Strom
23: Wärme
24: Sauerstoff
25: Kraftstoff
26: Feuer, Explosionen
I: Stufe I
II: Stufe II
III: Stufe III
S1, S2: Entladung
S3, S4: Ladung
S5: Zerkleinern
S6: Penetr
S7: Überlad.
S8: Überentl.
S9: Überhitzung
S10: Fehlanwendung
S11: Thermisches Durchgehen
512: Ausbreitung
S13: Separatorfehler
S14: Überladen
S15: Zellquetschung
S16: Separatorschmelze
S17: SEI Zersetzung
S18: Anode freigelegt
S19: Temperatur steigt weiter
S20: Kathodenzersetzung
S21: Sauerstoff freigesetzt
S22: Verbrennung von Flüssigelektrolyt

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 9399864 [0116]
US 8021583 [0116]
US 7635411 [0116]
US 5399422 [0116]
US 6143400 [0117]
US 6083619 [0117]
US 2007/0173157 [0118]
US 5814405 [0121]
US 4532316 [0124]
US 6147134 [0180]
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US 6187831 [0180]
US 5229429 [0180]

Claims

Mehrschichtiges Material (400) zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeichersystem, wobei das mehrschichtige Material (400) umfasst: einen Kernabschnitt (700); und mindestens einen auf der Außenseite des Kernabschnitts (700) angeordneten Außenabschnitt (600), wobei der Außenabschnitt (600) mindestens eine Opfermaterialschicht umfasst, wobei die Opfermaterialschicht optional ein komprimierbares Kissen (410, 460) umfasst; und optional mindestens eine Einkapselungsmaterialschicht (420); wobei das Mehrschichtmaterial (400) vorzugsweise dazu ausgelegt ist, einzelne Batteriezellen oder Module von Batteriezellen in einem Batteriepack thermisch voneinander zu trennen.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 1, wobei der Kernabschnitt (700) eine Schichtanordnung umfasst, wobei die Schichtanordnung mindestens eine Isolierschicht (470, 480) und mindestens eine wärmeleitfähige oder wärmekapazitive Schicht (430, 440, 450, 530, 540, 550) umfasst.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mehrschichtige Material vorzugsweise dazu ausgelegt ist, eine Beschädigung von Batteriezellen oder - modulen in durch das mehrschichtige Material (400) getrennten Teilen der Batterie im Falle eines thermischen Instabilitätsereignis zu verhindern.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die thermisch kapazitive Schicht (430, 440, 450) eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K) aufweist und wobei die Isolierschicht (470, 480) eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht (470, 480) von weniger als etwa 50mWm-K bei 25°C und weniger als etwa 60mWm-K bei 600°C aufweist.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die wärmeleitfähige Schicht (530, 540, 550) eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer ebeneninternen Abmessung der wärmeleitfähige Schicht (530, 540, 550) von mindestens etwa 200mW/m-K aufweist, und wobei die Isolierschicht (470, 480) eine Wärmeleitfähigkeit durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht von weniger als etwa 50mW/m-K bei 25°C und weniger als etwa 60mW/m-K bei 600°C aufweist.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einkapselungsmaterialschicht (420) zwischen dem Kernabschnitt (700) und dem Außenabschnitt (600) angeordnet ist.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 6, wobei der Kernabschnitt (700) die Schichtanordnung umfasst, wobei die Schichtanordnung mindestens eine Isolierschicht (470, 480) und mindestens eine wärmeleitfähige oder wärmekapazitive Schicht (430, 440, 450, 530, 540, 550) umfasst; und wobei Isolierschichten (470, 480) und wärmeleitfähige oder wärmekapazitive Schichten (430, 440, 450, 530, 540, 550) abwechselnd in einer Richtung senkrecht zu ihrer größten Oberfläche gestapelt sind.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches: einen Kernabschnitt (700), der eine wärmeleitfähige oder wärmekapazitive Schicht (440, 540) umfasst, die zwischen Isolierschichten (470, 480) und zwei wärmeleitfähigen oder wärmekapazitiven Schichten (430, 530, 450, 550) angeordnet ist, die auf gegenüberliegenden Außenflächen der Isolierschichten (470, 480) angeordnet sind; zwei Einkapselungsmaterialschichten (420), die auf gegenüberliegenden Außenflächen des Kernabschnitts (700) angeordnet sind; und zwei Außenabschnitte (600), die auf gegenüberliegenden Außenflächen der Einkapselungsmaterialschichten (420) angeordnet sind, umfasst oder daraus besteht.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 8, umfassend entweder wärmeleitfähige oder wärmekapazitive Schichten.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mindestens eine Außenabschnitt (600) zwischen dem Kernabschnitt (700) und der Einkapselungsmaterialschicht (420) angeordnet ist.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mehrschichtige Material (400) eine durchschnittliche Dicke zwischen etwa 2mm und etwa 10mm in einem unkomprimierten Zustand aufweist.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die mindestens eine Isolierschicht (470, 480) ein Aerogel umfasst.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 12, wobei das Aerogel ein Verstärkungsmaterial umfasst.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 13, wobei das Verstärkungsmaterial Fasern umfasst, die aus organischer polymerbasierten Fasern, anorganischen Fasern, kohlenstoffbasierten Fasern oder einer Kombination davon ausgewählt sind.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 14, wobei die Fasern in Form von diskreten Fasern, gewebten Materialien, trockengelegten Vliesmaterialien, nassgelegten Vliesmaterialien, Nadelvliesstoffen, Wattierungen, Bahnen, Matten und Filzen und/oder Kombinationen davon vorliegen.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 15, wobei die anorganischen Fasern aus Glasfasern, Gesteinsfasern, Metallfasern, Borfasern, Keramikfasern, Basaltfasern oder einer Kombination davon ausgewählt sind.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das Aerogel ein Aerogel auf Siliciumdioxidbasis umfasst.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei das Aerogel einen oder mehrere Zusatzstoffe umfasst, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe in einem Gehalt von mindestens etwa 5 bis 20 Gewichtsprozent des Aerogels vorhanden sind.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 18, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe in einem Gehalt von mindestens etwa 10 bis 20 Gewichtsprozent des Aerogels vorhanden sind.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 18 oder 19, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe erstklassige Zusatzstoffe umfassen.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Trübungsmittel umfassen, die aus B₄C, Kieselgur, Manganferrit, MnO, NiO, SnO, Ag₂O, Bi₂O₃ und TiC, WC, Ruß, Titanoxid, Eisentitanoxid, Zirkoniumsilikat, Zirkoniumoxid, Eisen(I)-oxid, Eisen(III)-oxid, Mangandioxid, Eisentitanoxid (Ilmenit), Chromoxid oder Mischungen davon ausgewählt sind.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Trübungsmittel umfassen, die Siliciumcarbid umfassen.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe eine Kombination aus Brandschutzzusatzstoffen und Trübungsmitteln umfassen.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei das Aerogel eine Dichte im Bereich von etwa 0,25g/cm³ bis etwa 1,0g/cm³ aufweist.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 13 bis 24, wobei das Aerogel einen Biegemodul von etwa 2MPa bis etwa 8MPa aufweist.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 13 bis 25, wobei das Aerogel einen Druckfestigkeit aufweist, wobei der Druckfestigkeit bei 25% Dehnung zwischen etwa 40kPa und etwa 180kPa liegt.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 13 bis 26, wobei das Aerogel in Form eines Monoliths, Perlen, Teilchen, Granulats, eines Pulvers, eines dünnen Folie, eines Blattes oder einer Kombination davon vorliegt.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die mindestens eine Isolierschicht (470, 480) ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, Keramikfasern, Mineralwolle und Kombinationen davon besteht.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einkapselungsmaterialschicht (420) eine Metallschicht und eine oder mehrere Polymerschichten umfasst, wobei die Einkapselungsschicht zwischen dem Kernabschnitt (700) und dem Außenabschnitt (600) angeordnet ist.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Opfermaterialschicht ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Siloxanen, Polyolefinen, Polyurethanen, Phenolen, Melamin, Celluloseacetat und Polystyrol besteht.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Opfermaterialschicht in Form von Schaumstoff vorliegt.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anfangstemperatur der chemische Zersetzung der Opfermaterialschicht im Bereich von etwa 200°C bis etwa 400°C liegt.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 32, wobei die mindestens eine Isolierschicht (470, 480) ferner ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glimmer, mikroporösem Siliciumdioxid, Keramikfaser, Mineralwolle und Kombinationen davon besteht.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 33, wobei die mindestens eine wärmeleitfähige Schicht (530, 540) mindestens eine Schicht umfasst, die Metall, Kohlenstoff, leitfähiges Polymer oder Kombinationen davon umfasst.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 34, wobei die mindestens eine wärmeleitfähige Schicht (530, 540) ein Phasenwechselmaterial umfasst.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 35, wobei die mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) ein Metall ist, das aus Aluminium, Kupfer oder Stahl ausgewählt ist.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 36, wobei die mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) Wärme von einer lokalisierten Wärmelast abgibt.
Mehrschichtiges Material (400) nach Anspruch 37, wobei die mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) Wärme von einer lokalisierten Wärmelast an die Umgebung abgibt.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 38, wobei die mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) in einer Form vorliegt, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Masche, Blech, Lochblech, Folie und Lochfolie besteht.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 39, wobei die mindestens eine Wärmeleitfähigkeit (530, 540) durch eine Dickenabmessung der Isolierschicht bei 25°C gleich bleibt oder um unerhebliche Mengen unter der Last von bis zu etwa 5Mpa zunimmt.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 40, wobei die mindestens eine wärmekapazitive Schicht (430, 440) ein Phasenwechselmaterial ist.
Mehrschichtiges Material (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Außenabschnitt (600) ferner Schichten umfasst, die aus Materialien hergestellt sind, die aus der Gruppe von abriebfesten Materialien, intumeszierenden Materialien, feuerhemmenden Materialien, flammbeständigen Materialien oder Kombinationen davon ausgewählt sind.
Batteriemodul, umfassend: eine erste Batteriezelle mit einer ersten Oberfläche; eine zweite Batteriezelle mit einer zweiten Oberfläche, wobei sich die zweite Oberfläche in gegenüberliegender Beziehung der ersten Oberfläche befindet; und das mehrschichtige Material (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zwischen der ersten und zweiten Oberfläche oder auf einer Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle oder auf einer Oberfläche des Batteriemoduls angeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 43, wobei das mehrschichtige Material (400) mindestens etwa 80% der Oberfläche der gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen abdeckt.
Batteriepack nach einem der Ansprüche 43 oder 44, umfassend eine Vielzahl von Zellen und Abstandshaltern, die zwischen den zwei Nachbarzellen oder zwei benachbarten Modulen angeordnet sind, wobei der Abstandshalter das mehrschichtige Material (400) enthält.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 43 bis 45, ferner umfassend ein Kühlsystem, das konfiguriert ist, um Wärme von dem Batteriepack zu entfernen.
Batteriemodul nach Anspruch 46, wobei mindestens eine Schicht des mehrschichtigen Materials (400) in thermischer Verbindung mit dem Kühlsystem steht.
Batteriemodul nach Anspruch 47, wobei die wärmeleitfähige Schicht in thermischer Verbindung mit dem Kühlsystem steht.
Vorrichtung oder Fahrzeug, umfassend das Batteriepack nach einem der Ansprüche 43 bis 48.
Vorrichtung nach Anspruch 49, wobei die Vorrichtung ein Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, ein Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, militärische Telefone, Laserentfernungssensor, digital Kommunikationsvorrichtung, Informationserfassungssensor, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtausrüstung, Elektrowerkzeug, Rechner, Radio, ferngesteuerte Vorrichtung, GPS-Vorrichtung, Taschen- und tragbare Fernsehgeräte, Starthilfegeräte, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtung, tragbare Staubsauger oder ein tragbares medizinisches Werkzeug ist.
Fahrzeug nach Anspruch 49, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.