DE202022002887U1

DE202022002887U1 - Systeme zur Abschwächung thermischer Propagation in batteriegestützten Energiespeicherungssystemen

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Publication number: DE202022002887U1
Application number: DE202022002887.3U
Authority: DE
Original assignee: Aspen Aerogels Inc
Current assignee: Aspen Aerogels Inc
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2022-07-01
Publication date: 2024-02-05
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: KR20230150338A; TW202339341A; KR20240027898A; WO2023279096A3; KR102641941B1; WO2023279096A2; EP4320675A2

Abstract

Wärmedämmelement zur Verwendung in einem elektrischen Energiespeichersystem, wobei das Wärmedämmelement aus einem mehrschichtigen Material (900) besteht, wobei das mehrschichtige Material (900) umfasst:- einen Kernabschnitt mit einer Isolierschicht (470), wobei die Isolierschicht (470) über eine Dickenabmessung der Isolierschicht (470) eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als etwa 50mW/m-K bei 25°C und weniger als etwa 60mW/m-K bei 600°C aufweist; und- einen Außenabschnitt, der außerhalb des Kernabschnitts angeordnet ist, wobei der Außenabschnitt mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) umfasst, wobei die mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer Dimension in der gleichen Ebene der mindestens einen wärmeleitenden Schicht (530, 540) von mindestens etwa 200mW/m-K aufweist.

Description

GEBIET DER TECHNOLOGIE
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Systeme und Verfahren zur Abschwächung von thermischen Ereignissen, wie etwa Problemen des thermischen Durchgehens, in Energiespeicherungssystemen. Insbesondere stellt die vorliegende Offenbarung Systeme, Verfahren und Techniken zur Verhinderung des Auftretens thermischer Propagation in benachbarten Zellen, Modulen oder Packs, nachdem ein Teil des batteriegestützten Energiespeicherungssystems ein thermisches Ereignis (z. B. thermisches Durchgehen) erfahren hat, bereit. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Batteriemodul oder -pack mit einer oder mehreren Batteriezellen, das eine Menge (z. B. Dicke, Volumen usw.) an thermischem Barrierematerial gemäß der vorliegenden Technologie zum Abschwächen von thermischer Propagation einschließt, sowie auf Systeme, die solche Batteriemodule oder -packs einschließen.
HINTERGRUND
Wiederaufladbare Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien haben eine breite Anwendung in leistungsgetriebenen und energiespeichernden Systemen gefunden. Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden aufgrund ihrer hohen Arbeitsspannung, ihres geringen Speichereffekts und ihrer hohen Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien häufig zur Stromversorgung von tragbaren elektronischen Vorrichtungen wie Mobiltelefonen, Tablets, Laptops, Elektrowerkzeugen und anderen Hochstromvorrichtungen wie Elektrofahrzeugen verwendet. Die Sicherheit gibt jedoch Anlass zur Sorge, da LIBs unter „Missbrauchsbedingungen“ für katastrophale Ausfälle anfällig sind, wie etwa, 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 machen heute einen Großteil des Marktanteils auf dem Batteriemarkt aus. 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 von der Kathode durch einen Separator wandern und sich in die Anode einlagern (2). Ladungsausgleichende Elektronen bewegen sich auch zu der Anode, gehen jedoch durch eine externe Schaltung in das Ladegerät. Beim Entladen findet der umgekehrte Prozess statt, und Elektronen fließen durch die Vorrichtung, die mit Strom versorgt wird (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 Missbrauchsbedingungen 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 Propagation 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 zu einer thermischen Durchgehreaktion hinzugefügt wird, enthält zusätzliche Energie, um die Reaktionen fortzusetzen, was eine Propagation des thermischen Durchgehens innerhalb des Batteriepacks verursacht (3), die schließlich zu einer Katastrophe mit Brand oder Explosion führt. Eine umgehende Wärmeableitung und eine wirksame Blockierung von Wärmeübertragungswegen können wirksame Gegenmaßnahmen sein, um die Gefahr zu verringern, die durch die Propagation von thermischem Durchgehen verursacht wird.
Gründe für thermisches Durchgehen - Missbrauchsbedingungen
Ein thermisches Durchgehen kann durch verschiedene Arten von Missbrauch ausgelöst werden, einschließlich mechanischem Missbrauch, elektrischem Missbrauch und thermischem Missbrauch (3). Jede Art von Missbrauch kann einen internen Kurzschluss (ISC) in Batterien verursachen, der zu erhöhten Temperaturen führt. Missbrauchsbedingungen können von außen oder von innen ausgelöst werden. Zum Beispiel sind betriebsbedingte Belastung, Alterung, Fehler im Design, z. B. Konfigurationsparameter wie Zellenabstände, Art der Zellenverschaltung, Zellenformfaktor, Herstellung, Betrieb und Wartung interne Faktoren, die verschiedene Arten von Missbrauch verursachen können. Externe Faktoren schließen Schäden oder Beeinträchtigungen einer LIB, wie aufgrund eines Herunterfallens oder einer Penetration der Zelle, ein.
Mechanischer Missbrauch
Mechanischer Missbrauch wird hauptsächlich durch mechanische Kraft verursacht und tritt häufig aufgrund externer Faktoren auf, wie etwa einem schweren Autounfall, einschließlich Kollision, Quetschung, Penetration und 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 Verschiebung verursacht durch Krafteinwirkung sind die beiden gemeinsamen Merkmale des mechanischen Missbrauchs. 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 Missbrauchsbedingung der Penetration kann schwerwiegender sein als der einfache mechanische oder elektrische Missbrauch.
Elektrischer Missbrauch
Elektrischer Missbrauch schließt vor allem den internen oder externen Kurzschluss einer LIB, Überladung und Überentladung ein.
Der interne Kurzschluss tritt in mehr als 90 % der Missbrauchsbedingungen auf. Allgemein tritt der interne Kurzschluss auf, wenn die Kathode und die Anode aufgrund des Ausfalls des Batterieseparators aufeinander treffen. Der interne Kurzschluss kann verursacht werden durch (1) mechanischen Missbrauch, wenn der Separator durch Penetration oder Quetschung beschädigt wird; (2) elektrischen Missbrauch, wenn der Separator durch Dendritenwachstum durchstoßen wird (4); und (3) thermischen Missbrauch, 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 Missbrauchsbedingung. 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 des Missbrauchs der Überentladung unterscheidet sich von anderen, und die potenzielle Gefahr wird möglicherweise unterschätzt. 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.
Thermischer Missbrauch
Thermischer Missbrauch wird in der Regel durch Überhitzung ausgelöst. Die Überhitzung einer Lithium-Ionen-Batterie kann durch mechanischen Missbrauch, elektrischen Missbrauch und Kontaktverlust des Steckerbinders 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, verursacht durch mechanischen, elektrischen und thermischen Missbrauch, kann zu einer kontinuierlichen Wärmeentwicklung und folglich zu einem Anstieg der Temperatur im Inneren der Batterie führen. 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 bei verschiedenen Temperaturzuständen oder -regimen (5) unterschiedliche Anreize zum thermischen Durchgehen haben, 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 Energie ausreichend niedrig gespeichert 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 den Zellen oder Zellclustern einzuarbeiten. Dieser Ansatz wird im Allgemeinen aus Sicherheitsperspektive als wünschenswert erachtet; bei diesem Ansatz geben jedoch die Fähigkeit des Isoliermaterials, die Wärme einzudämmen, kombiniert mit dem Volumen der erforderlichen Isolierung die Obergrenzen der erreichbaren Energiedichte vor. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Phasenwechselmaterialien. Diese Materialien durchlaufen bei Erreichen einer bestimmten erhöhten Temperatur einen endothermen Phasenwechsel. Der endotherme Phasenwechsel absorbiert einen Teil der erzeugten Wärme und kühlt dadurch den lokalisierten Bereich. Üblicherweise sind diese Phasenwechselmaterialien für elektrische Speicherungsvorrichtungen auf Kohlenwasserstoffmaterialien wie Wachse und Fettsäuren angewiesen. Diese Systeme kühlen zwar effektiv, sind aber selbst brennbar und daher nicht geeignet, ein thermisches Durchgehen zu verhindern, wenn es zu einer Entzündung innerhalb der Speicherungsvorrichtung kommt. Die Einarbeitung von intumeszierenden Materialien ist eine weitere Strategie, um ein kaskadierendes thermisches Durchgehen zu verhindern. Diese Materialien dehnen sich oberhalb einer bestimmten Temperatur aus und erzeugen eine Verkohlung, die leichtgewichtig ist und bei Bedarf eine Wärmeisolierung bietet. Diese Materialien können beim Bereitstellen von isolierenden Vorteilen effektiv sein, aber die Ausdehnung des Materials muss bei der Konstruktion der Speicherungsvorrichtung 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, Druckfestigkeit 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 der vorstehend genannten Verfahren und Systeme zur Verhinderung oder Abschwächung thermischer Propagation in wiederaufladbaren Batteriesystemen, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, zu beseitigen oder zu verringern. Die vorliegende Offenbarung stellt Verfahren und Systeme bereit, die eine komprimierbare thermische Barriere einschließen. Die komprimierbare thermische Barriere der vorliegenden Offenbarung ist so bemessen, dass sie thermische Propagation zwischen benachbarten Zellen, Modulen und/oder Packs verhindert, wenn ein Teil einer Energiequelle ein thermisches Ereignis erfahren hat.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bedeutet die Abschwächung der thermischen Propagation, dass eine Zelle, die an eine beeinträchtigte Zelle angrenzt (d. h. eine Zelle, die ein thermisches Ereignis oberhalb einer kritischen Temperatur erfährt) kein thermisches Durchgehen erfährt. Das heißt, die Zelle, die an die beeinträchtigte Zelle angrenzt, wird von der Wärme abgeschirmt, die von der beeinträchtigten Zelle abgegeben wird. Aufgrund dieser Abschirmung oder Barriere wird die Temperatur in der benachbarten Zelle eine kritische Temperatur nicht überschreiten, sodass die Zelle neben der beeinträchtigten Zelle nicht in ein thermisches Durchgehen gezwungen wird.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, Verfahren und Systeme bereitzustellen, welche die thermische Propagation durch die Verwendung einer vorbestimmten Größe von thermischem Barrierematerial abschwächen. Diese Verfahren und Systeme beruhen auf dem Verständnis der flächenbezogenen Energiedichte einzelner Zellen (d. h. der in einer Zelle gespeicherten Energie im Verhältnis zu der Fläche, über welche die Energie an eine benachbarte Zelle übertragen werden kann). Die vorbestimmte Größe (z. B. die Dicke) ist auf die Anforderungen der flächenbezogenen Energiedichte der Zelle zugeschnitten. In einigen Ausführungsformen verhindert die vorbestimmte Dicke, dass die thermische Propagation von einer thermisch beeinträchtigten Zelle eine benachbarte Zelle erreicht. In bestimmten Ausführungsformen wird die vorbestimmte Dicke so gewählt, dass ihre komprimierte Dicke (d. h. zwischen zwei benachbarten Zellen während des Betriebs komprimiert) eine thermische Propagation von der beeinträchtigten Zelle zur benachbarten Zelle verhindert. In der Regel bietet die komprimierbare thermische Barriere diesen Schutz vor thermischer Propagation über einen längeren Zeitraum. Zum Beispiel für den gesamten Zeitraum, in dem die beeinträchtigte Zelle beeinträchtigt ist (d. h. während der gesamten Dauer eines Verbrennungsereignisses der beeinträchtigten Zelle). In bestimmten Ausführungsformen wird die Dicke der komprimierbaren thermischen Barriere so gewählt, dass sie für einen bestimmten Zeitraum Schutz bietet; zum Beispiel 25 Minuten, 30 Minuten, 1 Stunde, 2 Stunden, 3 Stunden, 5 Stunden, 24 Stunden. In bestimmten Ausführungsformen weist die Dicke der komprimierbaren thermischen Barriere, die zwischen benachbarten Zellen/Modulen/Packs usw. positioniert ist, im unkomprimierten Zustand eine vorbestimmte Größe (z. B. Dicke) im Bereich von zwischen 1,5 mm und etwa 7 mm auf. In einigen Ausführungsformen weist die Dicke der komprimierbaren thermischen Barriere, die zwischen benachbarten Zellen/Modulen/Packs usw. positioniert ist, im unkomprimierten Zustand eine vorbestimmte Größe (z. B. Dicke) im Bereich von zwischen 2 mm und etwa 6 mm auf. Im komprimierten Zustand ist die Dicke der komprimierbaren thermischen Barriere im Vergleich zum unkomprimierten Zustand reduziert. Übliche komprimierte Dicken liegen zwischen etwa 0,8 mm und 6 mm. In einigen Ausführungsformen beträgt die komprimierte Dicke etwa 1,0 mm; etwa 1,25 mm; etwa 1,5 mm; etwa 1,75 mm; oder etwa 2,0 mm.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein Batteriemodul oder -pack mit den Systemen und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen, die den Batteriepack vor thermischen Schäden aufgrund eines thermischen Durchgehens einer Zelle schützen und ein sicheres Design des Batteriepacks gewährleisten können.
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. Bezugnehmend auf 6 ist es in leistungsgetriebenen und energiespeichernden Systemen 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, welche 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 schließen die Verfahren und Systeme flammhemmende oder feuerbeständige Materialien ein, um die strukturelle Integrität nach oder während eines thermischen Ereignisses zu erhalten.
In Ausführungsformen der vorliegenden Verfahren und Systeme wird die komprimierbare thermische Barriere als eine einzelne Schicht aus einem Isoliermaterial bereitgestellt. In Ausführungsformen liegt das Isoliermaterial in Form eines Aerogels vor. In bestimmten Ausführungsformen kann das Aerogel aus einem Verbundmaterial bestehen. In einigen Ausführungsformen kann das Aerogel Zusatzstoffe einschließen. In der Regel ist das Isoliermaterial komprimierbar.
Während einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine einlagige thermische Barriere aufweisen, die zwischen benachbarten Zellen positioniert ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf ein einlagiges Material beschränkt. Einige Ausführungsformen umfassen beispielsweise ein mehrschichtiges Material zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem, um das Problem der thermischen Propagation in einem Batteriemodul oder Batteriepack zu lösen und die thermische Propagation zu stoppen oder abzuschwächen, wenn eine Zelle thermisches Durchgehen aufweist. Einzigartige Konfigurationen der mehrschichtigen Materialien der vorliegenden Offenbarung können helfen, das Problem der thermischen Propagation zwischen Zellen zu lösen. Im Allgemeinen schließen die mehrschichtigen thermischen Barrieren eine oder mehrere Schichten aus einem Isoliermaterial ein. Es ist die Größe oder Menge der Isolierschichten, die gemäß der vorliegenden Offenbarung angepasst wird, um die thermische Propagation abzuschwächen.
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 geschichteten Aufbau 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 außerhalb des Kernabschnitts angeordneten Außenabschnitt, wobei der Außenabschnitt mindestens eine Opfermaterialschicht mit einem komprimierbaren Pad und mindestens eine Einkapselungsmaterialschicht, ausgewählt aus einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon, einschließt. Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen, dass bei der Auswahl der vorbestimmten Größe einer thermischen Barriere, die ein mehrschichtiges Material einschließt, die zur Verhinderung der thermischen Propagation gewählte Größe auf die Dicke der Isolierschicht(en) des mehrschichtigen Materials aufgebracht wird.
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. In einigen Ausführungsformen weist die Dicke der Isolierschicht innerhalb des mehrschichtigen Materials im unkomprimierten Zustand eine Dicke im Bereich zwischen etwa 1 mm und etwa 7 mm auf. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht des mehrschichtigen Materials im unkomprimierten Zustand eine vorbestimmte Größe (z. B. Dicke) im Bereich zwischen 1,5 mm und etwa 5 mm auf. Im komprimierten Zustand kann die Isolierschicht eine Dicke zwischen etwa 0,75 mm und etwa 2,5 mm aufweisen, wie beispielsweise etwa 1,25 mm oder etwa 1,5 mm.
Die Ausführungsformen der vorstehend genannten Gesichtspunkte, Verfahren und Systeme können eines oder mehrere der folgenden Merkmale einschließen. In einigen Ausführungsformen schließen die Isolierschicht(en) (wenn ein mehrschichtiges Material in der thermischen Barriere verwendet wird) oder die einschichtige thermische Barriere ein Aerogel und möglicherweise ferner auch 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 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 einer anderen Ausführungsform umfasst ein mehrschichtiges Material zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem: einen Kernabschnitt, der eine Isolierschicht umfasst, wobei die Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß 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; und einen außerhalb des Kernabschnitts angeordneten Außenabschnitt, wobei der Außenabschnitt eine wärmeleitfähige Schicht umfasst, wobei die wärmeleitfähige Schicht eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer in der Ebene liegenden Dimension der wärmeleitfähigen Schicht von mindestens etwa 200 mW/m-K aufweist.
In einer Ausführungsform ist die wärmeleitfähige Schicht in eine erste leitfähige Schicht und eine zweite leitfähige Schicht auf gegenüberliegenden Seiten der wärmeleitfähigen Schicht unterteilt, wobei die erste leitfähige Schicht und die zweite leitfähige Schicht in Kontakt mit der Isolierschicht stehen. In einer spezifischen Ausführungsform ist die wärmeleitfähige Schicht im Wesentlichen L-förmig, sodass ein vertikaler Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen Schicht von der Isolierschicht beabstandet ist. Der horizontale Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen Schicht steht mit der Isolierschicht in Kontakt. Eine oder mehrere von einer Einkapselungsmaterialschicht, einer Opfermaterialschicht und einer thermischen kapazitiven Schicht können zwischen dem vertikalen Abschnitt der L-förmigen der wärmeleitfähigen Schicht und der Isolierschicht angeordnet sein In einer Ausführungsform umfasst ein Batteriemodul 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 ein mehrschichtiges Material mit einem eine Isolierschicht umfassenden Kernabschnitt und einem außerhalb des Kernabschnitts angeordneten Außenabschnitt, wobei der Außenabschnitt eine wärmeleitfähige Schicht umfasst. Das Batteriemodul umfasst ferner ein Wärmetauschsystem, das mit der ersten Batteriezelle, der zweiten Batteriezelle und der wärmeleitfähigen Schicht des mehrschichtigen Materials in Kontakt steht. In einer Ausführungsform bedeckt das mehrschichtige Material mindestens etwa 80 % der Oberfläche der gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen. In einer Ausführungsform erstreckt sich die Isolierschicht des mehrschichtigen Materials bis in das Wärmetauschsystem hinein.
Die wärmeleitfähige Schicht des mehrschichtigen Materials steht in thermischer Verbindung mit dem Wärmetauschsystem und einer der Batteriezellen. Eine thermische Verbindung zwischen dem mehrschichtigen Material und der Batteriezelle kann erreicht werden, indem das wärmeleitfähige Material in Kontakt mit einer Oberfläche der Batteriezelle gebracht wird. Durch diese Konfiguration kann die von einer Batteriezelle erzeugte Wärme über die wärmeleitfähige Schicht in das Wärmetauschsystem geleitet werden.
Die thermische Propagation von einer Batteriezelle, die thermisches Durchgehen durchläuft, kann verhindert oder minimiert werden, indem ein geeignetes mehrschichtiges Material zwischen die Batteriezellen platziert wird. In einer Ausführungsform hat ein mehrschichtiges Material einen Wärmewiderstandsfaktor von mindestens 0,01. Der Wärmewiderstandsfaktor ist ein Verhältnis zwischen dem Wärmewiderstand des mehrschichtigen Materials und der flächenbezogenen Energiedichte der Batteriezellen im Batteriemodul. Die flächenbezogene Energiedichte der Batteriezellenanordnung ist das Verhältnis der Gesamtenergiedichte aller Zellen in der Anordnung zur Außenfläche der Anordnung. Das mehrschichtige Material kann auch einen Dickenfaktor von mindestens etwa 0,3 haben. Der Dickenfaktor ist ein Verhältnis zwischen einer Dicke des mehrschichtigen Materials und einer flächenbezogenen Energiedichte der Batteriezelle.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Gestalten eines Energiespeicherungssystems: das Zusammenbauen einer oder mehrerer Batteriezelle(n) zur Bildung einer Anordnung; das Berechnen einer flächenbezogenen Energiedichte der Anordnung; das Auswählen eines Wärmewiderstands und einer komprimierten Dicke eines mehrschichtigen Materials entsprechend der flächenbezogenen Energiedichte der Anordnung, sodass das Energiespeicherungssystem einen Wärmewiderstandsfaktor von mindestens etwa 0,01 und einen Dickenfaktor von mindestens etwa 0,3 aufweist, und das Positionieren des mehrschichtigen Materials in der Anordnung und/oder um die Anordnung herum. In einer Ausführungsform ist die flächenbezogene Energiedichte der Anordnung bekannt. Die Auswahl der komprimierten Dicke eines mehrschichtigen Materials, das in der Lage ist, eine Propagation des Durchgehens zu verhindern, umfasst in dieser Ausführungsform: Berechnen eines Wärmewiderstandsfaktors des mehrschichtigen Materials; Ablesen einer minimalen komprimierten Dicke des mehrschichtigen Materials aus einer Wärmeausbreitungsabbildung; und Auswählen einer komprimierten Dicke, die größer ist als die minimale komprimierte Dicke. In ähnlicher Weise können das Auswählen des Wärmewiderstands und der komprimierten Dicke auch erreicht werden durch: Berechnen eines Dickenfaktors eines mehrschichtigen Materials, das zwischen die Batteriezellen der Anordnung platziert werden kann; Ablesen eines Mindestwärmewiderstands des mehrschichtigen Materials aus einer Wärmeausbreitungsabbildung; und Auswählen eines Wärmewiderstands für das mehrschichtige Material, der größer ist als der Mindestwärmewiderstand.
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 handelt es sich bei der Vorrichtung um einen Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, einen Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, Militärtelefone, Laserentfernungsmesser, digitale Kommunikationsvorrichtungen, Informationserfassungssensoren, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtausrüstung, Elektrowerkzeuge, Taschenrechner, Radios, ferngesteuerte Vorrichtungen, GPS-Vorrichtungen, Handheld- und tragbare Fernsehgeräte, Starthilfegerät, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtungen, tragbare Staubsauger oder ein tragbares medizinisches Werkzeug. In einigen Ausführungsformen ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug.
Die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme können einen oder mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Strategien zur Abschwächung des thermischen Durchgehens bieten. Das hierin beschriebene mehrschichtige Material kann die thermische Propagation der Zellen minimieren oder eliminieren, ohne die Energiedichte des Batteriemoduls oder -packs und die Montagekosten signifikant zu beeinflussen. Einige Ausführungsformen der Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können günstige Eigenschaften in Bezug auf Komprimierbarkeit, Druckfestigkeit und Nachgiebigkeit bieten, um ein Aufquellen der Zellen zu ermöglichen, das sich während der Lebensdauer der Zelle fortsetzt, während sie gleichzeitig günstige thermische Eigenschaften sowohl unter normalen Betriebsbedingungen als auch unter Bedingungen des thermischen Durchgehens aufweisen. Bestimmte Ausführungsformen der hierin beschriebenen Verfahren und Systeme sind haltbar und leicht zu handhaben, weisen eine günstige Beständigkeit gegen Wärmeausbreitung und Feuerausbreitung auf, während die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien minimiert werden, und weisen außerdem gute Eigenschaften in Bezug auf Komprimierbarkeit, Druckfestigkeit und Nachgiebigkeit auf.
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:

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 Missbrauchsbedigungen des thermischen Durchgehens und den Prozess der Propagation 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 Prozess des thermischen Durchgehens führen.
6 schematisch die Batteriezelle, das Batteriemodul und den Batteriepack veranschaulicht.
7 eine Vorderansicht eines Testaufbaus zur Prüfung der Fähigkeiten der thermischen Propagation einer thermischen Barriere gemäß den hierin offenbarten Ausführungsformen ist.
8 ein Diagramm ist, das die Temperatur in einer Triggerzelle (d. h. einer Zelle, die thermisches Durchgehen erfährt) im Vergleich zu einer benachbarten Zelle, wie sie unter Verwendung des in 7 gezeigten Aufbaus getestet wurde, veranschaulicht.
9A-B Ergebnisse einer Anzahl von Zellen mit unterschiedlichen Dicken der thermischen Barriere zwischen einer Triggerzelle und einer angrenzenden Zelle, wie sie unter Verwendung des in 7 gezeigten Aufbaus getestet wurde, grafisch veranschaulicht.
9C eine Tabelle ist, die Parameter einer Anzahl verschiedener prismatischer Zellen und Pouch-Zellen, die unter Verwendung des in 7 gezeigten Aufbaus getestet wurden, bereitstellt.
10 schematisch ein mehrschichtiges Material gemäß bestimmten hierin offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
11 schematisch ein mehrschichtiges Material gemäß bestimmten hierin offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
12A-E schematisch ein mehrschichtiges Material gemäß bestimmten hierin offenbarten Ausführungsformen veranschaulichen.
13 schematisch ein mehrschichtiges Material mit einer Kemisolierschicht veranschaulicht.
14 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellenmoduls darlegt.
15 schematisch ein Batteriemodul oder Batteriepack mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die durch ein mehrschichtiges Material geschützt sind, 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.
Im Allgemeinen ist die vorliegende Technologie auf Systeme und Verfahren zur Abschwächung thermischer Ereignisse, wie etwa Problemen des thermischen Durchgehens, in Energiespeicherungssystemen ausgerichtet. Insbesondere stellt die vorliegende Technologie Systeme, Verfahren und Techniken zur Verhinderung einer thermischen Propagation in benachbarten Zellen, Modulen oder Packs bereit, nachdem ein Teil des batteriegestützten Energiespeicherungssystems ein thermisches Ereignis (z. B. thermisches Durchgehen) erfahren hat. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Batteriemodul oder -pack mit einer oder mehreren Batteriezellen, das eine Menge (z. B. Dicke, Volumen usw.) an thermischem Barrierematerial gemäß der vorliegenden Technologie zum Abschwächen von thermischer Propagation einschließt, sowie auf Systeme, die solche Batteriemodule oder -packs einschließen.
Veranschaulicht wird ein Verfahren zur Verhinderung der thermischen Propagation zwischen benachbarten Zellen gemäß der vorliegenden Technologie. Eine Triggerzelle (d. h. eine thermisch beeinträchtigte Zelle) innerhalb eines Energiespeicherungssystems ist sandwichartig zwischen zwei benachbarten Zellen angeordnet. Die benachbarten Zellen müssen noch durch die von der
Triggerzelle freigesetzte Wärme beeinträchtigt werden. Zwischen jeder benachbarten Zelle undder Triggerzelle befindet sich das thermische Barrierematerial. Während der Nutzung des Energiespeicherungssystems wird das thermische Barrierematerial (als C2C-Barriere bezeichnet) komprimiert und bedeckt die Zell-zu-Zell-Flächen zwischen den benachbarten Zellen und der Triggerzelle. Energiespeicherungssysteme sind in der Regel mit einer Kühlplatte ausgestattet, die in thermischem Kontakt mit allen Zellen steht. Die
Kühlplatte wird an der Unterseite des Speicherungssystems dargestellt. Um eine thermische Propagation von Zelle zu Zelle zu verhindern, werden für eine Triggerzelle mit einer elektrochemischen Kapazität von E* und einem Gesamtwärmefreisetzungspotenzial von 5E* vier primäre Energieströme betrachtet. Zunächst muss (1) die Leitung von der Triggerzelle in die benachbarte Zelle adressiert
werden. Es sollten etwa 0,15E* durch jede Fläche der Triggerzelle adressiert werden. Zweitens (2) wird durch Leitung in die Kühlplatte ein Teil der freigesetzten Wärme von der Triggerzelle abgeführt. Die von der Kühlplatte absorbierte Wärmemenge hängt von der Art der verwendeten Kühlplatte ab - wobei bei aktiver Kühlung größere Wärmemengen abgeführt werden. Drittens (3) wird ein Teil der Wärme
in Form von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen freigesetzt, die aus der Triggerzelle ausgestoßen werden. Diese Wärme wird in den Kopfraum des Energiespeicherungssystems ausgestoßen. Schließlich (4) hängt, sobald die Triggerzelle verbrennt, die Menge der freigesetzten Wärme von der Verfügbarkeit von Sauerstoff und den chemischen Zersetzungswegen ab. Um die thermische Propagation zu adressieren und den längsten Schutz davor zu bieten, dass benachbarte Zellen durch die Wärmefreisetzung der Triggerzelle beeinträchtigt werden, sollten sowohl die Wärmeleitung von der Triggerzelle als auch das Management von ausgestoßenem Gas und Material adressiert werden. Durch die Adressierung der Leitungsprobleme zwischen der Triggerzelle und der benachbarten Zellen stellt das thermische Barrierematerial gemäß der vorliegenden Technologie überlegene mechanische und thermische Eigenschaften bereit. Das heißt, das thermische Barrierematerial steuert zwei kritische Gesichtspunkte, die an den Grenzflächen zwischen den Zellen auftreten. Erstens ermöglicht das thermische Barrierematerial ein Aufquellen und Atmen der Zellen, da es mechanische Energie (hohe Spannungen & große Dehnungen) mit minimaler Ermüdung oder Druckverformung absorbiert. Zweitens ermöglicht das thermische Barrierematerial eine Verzögerung oder Verhinderung der thermischen Propagation, da es selbst im komprimierten Zustand Temperaturen von 1000 °C oder mehr (bis zu 1400 °C) standhalten kann.
Es ist wünschenswert, dass thermische Barrieren zwischen benachbarten Zellen komprimierbar sind und Volumenschwankungen während des Betriebs eines Energiespeicherungssystems auffangen können. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, nicht nur eine komprimierbare thermische Barriere bereitzustellen, sondern auch eine thermische Barriere, welche die thermische Propagation von einer beeinträchtigten Zelle (z. B. einer brennenden Zelle im thermischen Durchgehen) auf eine benachbarte Zelle abschwächen kann. Um die thermische Propagation abzuschwächen, wird verhindert, dass die benachbarte (d. h. noch nicht beeinträchtigte Zelle) eine kritische Temperatur überschreitet, bei der thermisches Durchgehen einsetzt.
Dazu passt die vorliegende Technologie die Größe ihrer komprimierbaren thermischen Barriere basierend auf der zellflächenbezogenen Energiedichte der Zelle an. Wie hierin verwendet, ist die flächenbezogene Energiedichte der Zelle definiert als das Verhältnis der Gesamtenergiedichte aller Zellen in der Anordnung zur Außenfläche der Anordnung der Zelle geteilt durch die Fläche der wärmeübertragenden Flächen der Zelle. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass durch das Anpassen der komprimierten Dicke der thermischen Barriere an die flächenbezogene Energiedichte einer bestimmten Zelle ein Schutz erreicht werden kann. Es wird ferner angenommen, dass eine lineare Beziehung zwischen der komprimierten Dicke der thermischen Barriere und der flächenbezogenen Energiedichte verwendet werden kann, um die gewünschte Menge/Dicke der komprimierbaren thermischen Barriere (in einem unkomprimierten Zustand) zu bestimmen.
Um die Beziehung zwischen der flächenbezogenen Energiedichte und der Dicke zu bestimmen, wurde ein Testaufbau entworfen und hergestellt. Der Testaufbau ist in 7 gezeigt. Der Testaufbau schließt zwei Klemmflächen ein, die eine Triggerzelle (d. h. die Zelle, die während des Tests beeinträchtigt wird) und eine benachbarte Zelle zusammenpressen. Zwischen den beiden Zellen befindet sich die thermische Barriere. 7 ist ein Bild vor dem Test, d. h. in unkomprimiertem Zustand. Die abgebildete thermische Barriere, die sandwichartig zwischen der Triggerzelle und der benachbarten Zelle angeordnet ist, weist eine Dicke von 2,35 mm auf. Andere Dicken sind möglich. Einschließlich der 2-fachen, 3-fachen und 4-fachen Dicke der 2,35 mm dicken thermischen Barriere. Und in verschiedenen Tests kann die Dicke der thermischen Barriere bewertet werden.
Sowohl die Triggerzelle als auch die benachbarte Zelle in der Ausführungsform von 7 sind prismatische Zellen, die jeweils eine Speicherkapazität von 62 Ah haben. Um den Test zu starten, werden die Klemmflächen gegeneinandergedrückt, um einen Druck an der Zellenoberfläche bereitzustellen. Bezugnehmend auf 8 wird bei einem Test einer 4,7 mm dicken thermischen Barriere (d. h. das 2-fache der in 7 gezeigten Dicke von 2,35 mm) ein Druck von 560 kPa an der Zellenoberfläche erzeugt. Wie man auf der rechten Seite von 8 sehen kann, ist dieser Druck an der Zellenoberfläche relativ stabil, bis die Triggerzelle beginnt, die ersten Stufen eines thermischen Ereignisses zu erfahren. Wenn die Spannung in der Triggerzelle abfällt, steigt der Druck an der Zellenoberfläche zunächst an, bis eine extreme Temperaturänderung in der Triggerzelle auftritt. Es wird angenommen, dass diese extreme Temperaturänderung einem Verbrennungsereignis (d. h. Flammenbildung und Austritt aus der Triggerzelle) entspricht. Dieses Verbrennungsereignis wird auf der Zeitskala mit dem Zeitpunkt Null vermerkt und markiert den Beginn des aktiven thermischen Durchgehens der Triggerzelle.
Über die nächsten mehreren Minuten des Tests erfährt die Triggerzelle thermisches Durchgehen. Die 4,7 mm dicke thermische Barriere (Dickenmessung im unkomprimierten Zustand) schirmt die benachbarte Zelle jedoch von der abfließenden Wärme ab und verhindert, dass die benachbarte Zelle die kritische Temperatur (d. h. die Temperatur der Triggerzelle zum Zeitpunkt 0 Minuten) überschreitet.
Durch den Schutz der benachbarten Zelle vor der von der Triggerzelle abgegebenen Wärme bleibt die benachbarte Zelle unter der kritischen Temperatur, obwohl sich die Triggerzelle (die sich in unmittelbarer Nähe der benachbarten Zelle befindet) im thermischen Durchgehen befindet. Infolgedessen mildert oder verhindert eine 4,7 mm dicke, unkomprimierte thermische Barriere (aus einem Aerogel gebildet) die thermische Propagation zwischen zwei
prismatischen Zellen, die jeweils eine gespeicherte Energiekapazität von 62 Ah aufweisen. Bezugnehmend auf 9 wurden vier Testproben unter Verwendung des in 7 gezeigten Testaufbaus getestet, um Ergebnisse sowie eine Leistungsabbildung zu erzeugen. Testproben AAI T1 und AAI T3 wiesen eine unkomprimierte Dicke von 2,35 mm auf; wohingegen die Testproben AAI T2 und AAI T4 eine unkomprimierte Dicke von 4,70 mm
(das 2-fache der von T1 und T3) aufwiesen. Der angewandte oder erzeugte Druck an der Zellenoberfläche (CFP, cell-face pressure) für die Testprobe AAI T1 betrug 275 kPa, betrug 275 kPa für AAI T2, betrug 580 kPa für AAI T3, und betrug 560 kPa für AAI T4.
Die flächenbezogene Energiedichte (kAh/m²) für diese Proben betrug etwa 2 kAh/m².
9 veranschaulicht, dass eine Dicke von 2,35 mm oder 4,70 mm der thermischen Barriere zwischen den beiden in 7 gezeigten Zellen ausreicht, um eine thermische Propagation zwischen den Zellen abzuschwächen/zu verhindern, wenn die Kompressionskraft (d. h. der Druck an der Zellenoberfläche) unter 300 kPa (insbesondere bei 275 kPa) liegt. Tatsächlich dauerte die Verzögerung oder der Schutz, welche/welcher der angrenzenden Zelle gewährt wurde, bis zum Abschluss des thermischen Ereignisses der Triggerzelle (d. h. bis nachdem die gesamte Wärme von der Triggerzelle abgeführt
wurde, also dem Ende der Verbrennung). Wenn der Druck an der Zellenoberfläche um das Doppelte oder mehr erhöht wird (d. h. 560 kPa oder mehr), wird die Dicke der unkomprimierten thermischen Barriere getestet. Bei der Probe AAI T3 mit einer Dicke von 2,35 mm konnte die thermische Propagation (Verzögerung von 28 Minuten) auf die benachbarte Zelle etwas gemildert werden. Durch die Verdoppelung der Dicke der thermischen Barriere (d. h. Testprobe AAI T4) auf 4,70 mm konnte die thermische Propagation auf die benachbarte Zelle verhindert werden.
Durch das Testen verschiedener Dicken der thermischen Barrieren unter verschiedenen Druckbedingungen für verschiedene Zelltypen und -konfigurationen wurde eine Leistungsabbildung erstellt. Die gestrichelte Linie in der Leistungsabbildung, die auf der rechten Seite von 9A dargestellt ist, zeigt eine Beziehung zwischen der flächenbezogenen Energiedichte und der komprimierten Dicke der Barriere. Es liegt auf der Hand, dass die komprimierte Dicke des thermischen Barrierematerials abnimmt, je mehr Druck auf die Zellenoberflächen ausgeübt/erzeugt wird. Diese Information kann verwendet werden, um eine vorbestimmte Größe (d. h. Dicke) der thermischen Barriere
im unkomprimierten Zustand auszuwählen.
9B stellt eine Wärmeausbreitungsabbildung dar, welche die Beziehungen zwischen dem Wärmewiderstand und der flächenbezogenen Energiedichte der Zellen sowie der komprimierten Dicke und der flächenbezogenen Energiedichte der Zellen zeigt. Ausgehend von einer dieser drei Variablen können die Werte für die beiden anderen Eigenschaften mithilfe der Wärmeausbreitungsabbildung bestimmt werden. In vielen Situationen ist die flächenbezogene Energiedichte der Zelle aufgrund des Energiebedarfs des zu versorgenden Systems bekannt. Basierend auf der bekannten flächenbezogenen Dichte der Zelle kann das mehrschichtige Material so gewählt werden, das gewährleistet wird, dass eine Barriere verwendet wird, die das Risiko der Propagation, wenn eine Zelle in thermisches Durchgehen übergeht, verhindert oder minimiert. In anderen Situationen kann ein mehrschichtiges Material bereits vorausgewählt sein. In dieser anderen Situation kann die flächenbezogene Energiedichte der Zelle basierend auf dem bekannten Wärmewiderstand des Materials ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass die Propagation verhindert oder minimiert wird.
In dem spezifischen Beispiel, das zum Erstellen der Wärmeausbreitungsabbildung in 9B verwendet wurde, wurde ein Aerogel-Material verwendet. In diesem Beispiel ist der obere, hellere schattierte Bereich (oberhalb der gestrichelten Übergangslinie) der Bereich, in dem keine oder nur eine geringe Wahrscheinlichkeit für eine Propagation des Durchgehens bestehen sollte. Im Allgemeinen zeigt die Wärmeausbreitungsabbildung, dass ein Wärmewiderstandsfaktor von mindestens etwa 0,01 und ein Dickenfaktor von mindestens etwa 0,3 die Propagation des Durchgehens in Batteriezellen für eine flächenbezogene Energiedichte der Zelle von bis zu etwa 14 kWh/m² wirksam verhindern oder minimieren sollte. Die Extrapolation der Wärmeausbreitungsabbildung kann verwendet werden, um optimale Parameter für höhere flächenbezogene Dichten der Zelle zu bestimmen. Der Dickenfaktor ist hierin definiert als das Verhältnis zwischen der Dicke des mehrschichtigen Materials und der flächenbezogenen Energiedichte der Anordnung. Der Wärmewiderstandsfaktor ist hierin definiert als das Verhältnis zwischen dem Wärmewiderstand des mehrschichtigen Materials und der flächenbezogenen Energiedichte der Anordnung.
14 stellt ein Flussdiagramm 100 dar, das einen Prozess für die Gestaltung eines Isoliersystems in einer Batteriezelle oder einem Batteriemodul darlegt. In Schritt 110 werden eine oder mehrere Batteriezellen oder Batteriemodule in einer Anordnung mit einigen Lücken zwischen den einzelnen Batteriezellen/-modulen zusammengebaut. In Schritt 120 wird die flächenbezogene Energiedichte der Anordnung berechnet. Die flächenbezogene Energiedichte kann dann verwendet werden, um den Wärmewiderstand und die komprimierte Dicke des mehrschichtigen Materials in Schritt 130 zu bestimmen. Der Wärmewiderstand und die komprimierte Dicke werden so gewählt, dass thermische Propagation von einer durchgehenden Batteriezelle/einem durchgehenden Batteriemodul verhindert oder minimiert wird.
Der Schritt 130 kann in zwei Teilschritte unterteilt werden. In einer Ausführungsform, die auf der linken Seite von Schritt 130 dargestellt ist, wird der Wärmewiderstandsfaktor des mehrschichtigen Materials bestimmt. Der Wärmewiderstandsfaktor des mehrschichtigen Materials wird dann in Kombination mit der flächenbezogenen Energiedichte der Anordnung verwendet, um die Dicke des mehrschichtigen Materials zu bestimmen, die erforderlich ist, um die Propagation des thermischen Durchgehens zu verhindern oder zu minimieren. Das Auswählen der komprimierten Dicke eines mehrschichtigen Materials, das in der Lage ist, die Propagation des Durchgehens zu verhindern, kann durch Ablesen einer minimalen komprimierten Dicke des mehrschichtigen Materials aus einer wie in 9B gezeigten Wärmeausbreitungsabbildung erfolgen. Das mehrschichtige Material mit der bestimmten Dicke wird dann in der Anordnung positioniert.
In einer alternativen Ausführungsform kann Schritt 130 durch Bestimmen eines Dickenfaktors eines mehrschichtigen Materials durchgeführt werden, das zwischen die Batteriezellen der Anordnung platziert werden kann. Der bestimmte Dickenfaktor kann verwendet werden, um den Wärmewiderstand des mehrschichtigen Materials zu bestimmen, der erforderlich ist, um die thermische Propagation zu verhindern oder zu minimieren. In einer Ausführungsform kann ein Mindestwärmewiderstand des mehrschichtigen Materials aus einer wie in 9B gezeigten Wärmeausbreitungsabbildung bestimmt werden. Der Wärmewiderstand des mehrschichtigen Materials wird ausgewählt, indem ein Wärmewiderstand für das mehrschichtige Material bestimmt wird, der größer ist als der Mindestwärmewiderstand des mehrschichtigen Materials, der erforderlich ist, um die Propagation des thermischen Durchgehens zu verhindern oder zu minimieren. Das mehrschichtige Material, das den bestimmten Wärmewiderstand aufweist, wird dann in der Anordnung positioniert.
In einer Ausführungsform umfasst das Positionieren des mehrschichtigen Materials in die Anordnung und/oder um die Anordnung herum das Bilden des mehrschichtigen Materials getrennt von der Anordnung und das Einbringen des mehrschichtigen Materials neben einer Batteriezelle der Anordnung. In einer anderen Ausführungsform umfasst das Positionieren des mehrschichtigen Materials in die Anordnung und/oder um die Anordnung herum das Bilden des mehrschichtigen Materials in situ direkt in die Anordnung und/oder um die Anordnung herum. Das mehrschichtige Material kann in situ gebildet werden, indem das mehrschichtige Material in die Anordnung und/oder um die Anordnung herum aufgesprüht, beschichtet, abgeschieden oder gefüllt wird.
15 stellt verschiedene Konfigurationen von Batteriezellen und mehrschichtigen Materialien dar, die verwendet werden können, um thermische Propagation zu verhindern oder zu minimieren. In einer ersten Konfiguration wird ein mehrschichtiges Material zwischen einzelnen Batteriezellen oder -modulen platziert, sodass jede Batteriezelle/jedes Batteriemodul einzeln von dem mehrschichtigen Material umgeben ist. In einer zweiten Konfiguration stehen mehrere Batteriezellen/-module miteinander in Kontakt. Das mehrschichtige Material umgibt die Gruppe von Batteriezellen/-modulen, um die Propagation des thermischen Durchgehens von einer der umgebenen Zellen zu verhindern oder zu minimieren. Die zweite Konfiguration kann für Energiesysteme mit hoher Dichte nützlich sein, bei denen nicht viel Platz für thermische Barrieren wie die hierin beschriebenen mehrschichtigen Materialien zur Verfügung steht. In einer dritten Konfiguration ist das mehrschichtige Material zwischen den einzelnen Batteriezellen/- modulen so positioniert, dass das mehrschichtige Material, das zum Schutz einer der Batteriezellen/eines der Batteriemodule verwendet wird, auch zum Schutz der benachbarten Batteriezelle/-module verwendet wird.
Bezugnehmend auf 9C stellt die gezeigte Tabelle verschiedene Parameter und Berechnungen der flächenbezogenen Energiedichten zahlreicher von unterschiedlichen Herstellern hergestellter prismatischer Zellen und Pouch-Zellen bereit. Anhand der Berechnungen der flächenbezogenen Energiedichte und des Drucks, der zwischen den Zellen herrscht, kann die Dicke des thermischen Barrierematerials ausgewählt werden.
Die thermischen Barrieren, die bei der Erstellung von 9A und 9B verwendet wurden, bestehen aus einem Aerogel-Material, das von Aspen Aerogels, Inc. in Northborough, MA, erhältlich ist. Das jeweils verwendete Material wird unter dem Handelsnamen PyroThin® vertrieben und ist ein dünnes, leichtes, Hochtemperatur-Wärmedämmmaterial. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, ist das Aerogel von Aspen Aerogels, Inc. aus mindestens drei Gründen vorteilhaft. Erstens ist dieses spezielle Aerogel-Material widerstandsfähig. Vergleicht man die Druckspannung mit der Druckverformung während eines Lade- und Entladeereignisses, wird nur eine minimale Hysterese beobachtet. Das heißt, dieses Aerogel-Material ist widerstandsfähig. Es wird angenommen, dass die langen Siliziumdioxid-Polymerketten wie eine Vielzahl elastischer Nanofedern zusammenwirken, um ein elastisches Kompressionspad zu erzeugen, das mechanische Energie mit minimaler Ermüdung oder Druckverformung absorbiert. Aspen Aerogel, Inc. produziert und vertreibt verbessertes Material der Klasse M, das in Verbindung mit dem Markennamen PyroThin® verkauft wird. Materialien der Klasse M sind dafür bekannt, dass sie Druckverformung (≤5 %) und Ermüdung widerstehen. Ein weiterer Vorteil dieses speziellen Materials ist seine Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten, einschließlich Temperaturen von bis zu 1400 °C oder mehr. Im Allgemeinen kann dieses spezielle Aerogel-Material einem direkten Kontakt mit einer Flamme bei einer Temperatur von 1000 °C für mehr als 10 Minuten oder länger standhalten. Das heißt, selbst nach 10 Minuten direkter Beflammung brannte das Aerogel-Material nicht und begann auch nicht, sich aufzulösen. Dieses Aerogel auf Silicumdioxidbasis, das anorganische Fasern einschließt, ist hinsichtlich seiner thermischen Eigenschaften einstellbar. Dadurch kann die Temperaturbeständigkeit des Aerogel-Materials auf das Zellverhalten abgestimmt werden. Die siliciumdioxidbasierten Aerogele von Aspen Aerogel, Inc. stellen selbst im komprimierten Zustand vorteilhafte Wärmeleitfähigkeitseigenschaften bereit - und sind daher vorteilhaft für die Verwendung als thermisches Barrierematerial gemäß der vorliegenden Technologie. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass Aerogele nicht auf eingeschlossene Luft angewiesen sind, um thermische Vorteile zu bieten. Daher behält das Aerogel-Material seine Wärmeleitfähigkeitseigenschaften auch im komprimierten Zustand bei. Das bedeutet, dass dünnere Barrieren, leichtere Packs und eine größere Bedeckung der Zellen mit thermischem Barrierematerial, die diese Vorteile für ein System gemäß der vorliegenden Technologie bieten, bereitgestellt werden können.
Die vorliegende Technologie kann auch auf thermische Barrierematerialien angewendet werden, die nicht nur aus einschichtigen Materialien bestehen. Zum Beispiel kann in der vorliegenden Technologie die zwischen den Zellen positionierte thermische Barriere eine mehrschichtige Konfiguration aufweisen. Die mehrschichtige Konfiguration schließt eine oder mehrere Isolierschichten ein, die so bemessen sind, dass sie eine thermische Propagation zwischen Zellen verhindern. Das heißt, während die thermische Barriere eine Anzahl verschiedener Schichten in einer mehrschichtigen Konfiguration einschließt, wird die Dicke der Isolierschicht(en) in einem unkomprimierten Zustand mit der Kenntnis der flächenbezogenen Energiedichte unter der Verwendung der Verfahren und Systeme ausgewählt, die in Bezug auf die einschichtigen Ausführungsformen beschrieben wurden.
Thermische Barrieren, die mehrere Schichten einschließen, können zusätzliche Vorteile bieten, wie z. B. mechanische Festigkeit, intumeszierende Schichten und Verkapselung von Materialien. Die nachfolgende Beschreibung mehrschichtiger Materialien kann in der vorliegenden Technologie entweder als Ersatz für die einschichtige Ausführungsform oder zusätzlich zur einschichtigen thermischen Barriere als Ergänzung zum System verwendet werden. Zum Beispiel können einige Systeme einschichtige thermische Barrieren an einigen Stellen und mehrschichtige thermische Barrieren an anderen Stellen einschließen. Das heißt, dass zwischen bestimmten benachbarten Zellen einschichtige thermische Barrieren bereitgestellt sind, während zwischen anderen benachbarten Zellen mehrschichtige thermische Barrieren bereitgestellt sind. In einigen Ausführungsformen ist die einschichtige thermische Barriere zwischen benachbarten Zellen vorgesehen und das mehrschichtige Material wird als thermische Barriere um Kanten oder Flächen des Energiesystems verwendet.
Mehrschichtige Materialien und Systeme, die diese mehrschichtigen Materialien einschließen, um Probleme des thermischen Durchgehens in Energiespeicherungssystemen zu bewältigen, können in der vorliegenden Technologie verwendet werden. Ausführungsbeispiele schließen ein mehrschichtiges Material ein, das mindestens eine Isolierschicht, mindestens ein komprimierbares Pad und optional eine oder mehrere Schichten umfasst, die günstige wärmeableitende Eigenschaften aufweisen, günstige Feuer-, Flamm- und/oder Abriebfestigkeitseigenschaften 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 einen zwei- bis sechsmal höheren Wärmewiderstand als anderer gängige Arten der Isolierung, z. B. Schaumstoffe, Glasfaser usw. Aerogele können die effektive Abschirmung und Wärmedämmung erhöhen, ohne die Dicke der Isolierung wesentlich zu vergrößern oder zusätzliches Gewicht aufzubringen.
Aerogele sind bekanntermaßen eine Klasse von Strukturen mit niedriger Dichte, offenen Zellstrukturen, großen Oberflächenbereichen und Porengrößen im Nanometerbereich.
Mehrschichtige Materialien und mehrschichtige Materialien, die Aerogel-Zusammensetzungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen, bieten günstige Eigenschaften in Bezug auf Komprimierbarkeit, Druckfestigkeit und Nachgiebigkeit. Bei der Verwendung als thermische Barriere zwischen den Zellen innerhalb eines Batteriemoduls können die mehrschichtigen Materialien einen Widerstand gegen Druckverformung bereitstellen, um der Ausdehnung der Zellen aufgrund des Abbaus und der Quellung der aktiven Materialien während der Lade-/Entladezyklen der Batterie Rechnung zu tragen.
Die vorliegende Offenbarung stellt auch ein Batteriemodul oder Batteriepack bereit, das mindestens eine Batteriezelle und ein mehrschichtiges Material gemäß den hierin offenbaren Ausführungsformen einschließt, das auf der Batteriezelle oder dem Batteriemodul angeordnet ist, z. B. auf einer Oberfläche der mindestens einen Batteriezelle oder auf einer Oberfläche des Batteriemoduls. Zum Beispiel weist das Batteriemodul oder das Batteriepack eine Innenoberfläche und eine 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. 10 veranschaulicht ein beispielhaftes mehrschichtiges Material 400 gemäß den hierin offenbaren Ausführungsformen. In einer Ausführungsform schließt ein mehrschichtiges Material 400 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem einen Kernabschnitt 700, der einen geschichteten Aufbau der Isolierschichten 470 und 480 und der thermisch kapazitiven Schichten 430, 440 und/oder 450 umfasst, die abwechselnd in einer Richtung senkrecht zu ihrer größten Oberfläche gestapelt sind; und Außenabschnitte 600, die außerhalb des Kernabschnitts 700 angeordnet sind, ein, wobei die Außenabschnitte 600 jeweils Opfermaterialschichten aufweisen, die ein komprimierbares Pad umfassen. Die komprimierbaren Pads 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 weisen eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K) auf. Die Isolierschichten 470 und 480 weisen eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß 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 sind die Isolierschichten 470 und 480 aus dem gleichen Material hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind die Isolierschichten 470 und 480 aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind die thermischen kapazitiven Schichten 430, 440 und 450 aus dem gleichen Material hergestellt. In einigen Ausführungsformen sind die thermischen kapazitive Schichten 430, 440 und 450 aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften hergestellt. Die komprimierbaren Pads 410 und 460 können ebenfalls aus unterschiedlichen oder gleichen Materialien hergestellt sein.
11 veranschaulicht ein mehrschichtiges Material 500 gemäß den hierin offenbarten Ausführungsformen. In einer Ausführungsform schließt ein mehrschichtiges Material 500 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem einen Kernabschnitt 700, der einen geschichteten Aufbau aus den Isolierschichten 470 und 480 und den wärmeleitfähigen Schichten 530, 540 und 550 umfasst, die abwechselnd in einer Richtung senkrecht zu ihrer größten Oberfläche gestapelt sind, ein. Die Außenabschnitte 600 sind außerhalb des Kernabschnitts 700 angeordnet. Die Außenabschnitte 600 haben jeweils Opfermaterialschichten, die komprimierbare Pads umfassen. Die komprimierbaren Pads 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 wärmeleitfähigen Schichten 530, 540 und 550 haben eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer in der Ebene liegenden Dimension der wärmeleitfähigen Schicht von mindestens etwa 200 mW/m-K. Die Isolierschichten 470 und/oder 480 haben eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C.
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 sandwichartig zwischen dem Kernabschnitt 700 und der Opfermaterialschicht mit mindestens einem komprimierbaren Pad 410 und/oder 460 angeordnet, wie in 10 und 11 gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist die Opfermaterialschicht, die mindestens ein komprimierbares Pad 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 der beispielhaften Konfiguration des in 12A gezeigten mehrschichtigen Materials, umfasst ein mehrschichtiges Material 800 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem eine Kernschicht, die ein komprimierbares Pad 410 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) umfasst; und zwei Isolierschichten 470 und 480 mit einer Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß 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 Kernschicht ist sandwichartig zwischen zwei Isolierschichten 470 und 480 angeordnet, wobei das mehrschichtige Material gegebenenfalls in einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt ist, das aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
In der beispielhaften Konfiguration des in 12B gezeigten mehrschichtigen Materials, umfasst ein mehrschichtiges Material 810 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem eine Kernschicht, die ein komprimierbares Pad 410 mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa und zwei wärmeleitfähige Schichten 530 und 540 umfasst. Das mehrschichtige Material 801 schließt auch zwei Isolierschichten 470 und 480 ein, die eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweisen, wobei die Kernschicht sandwichartig zwischen zwei Isolierschichten 470 und 480 angeordnet ist, wobei die mindestens eine wärmeleitfähige Schicht eine Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von mindestens etwa 200 mW/m-K aufweist und wobei das mehrschichtige Material gegebenenfalls in einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt ist, das aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
In den wie in 12C gezeigten beispielhaften Ausführungsformen umfasst ein mehrschichtiges Material 820 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem eine Kernschicht, die ein komprimierbares Pad 410 mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa und zwei thermisch kapazitive Schichten 430 und 440 umfasst. Die Kernschicht ist sandwichartig zwischen zwei Isolierschichten 470 und 480 angeordnet, deren Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß der Isolierschicht weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C beträgt. Die thermisch kapazitiven Schichten haben eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K). Das mehrschichtige Material ist gegebenenfalls in einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt, das aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
In den wie in 12D gezeigten beispielhaften Ausführungsformen umfasst ein mehrschichtiges Material 830 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem eine Kernschicht mit einem komprimierbaren Pad 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, die eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweisen, umschließen sandwichartig die Kernschicht. Die thermisch kapazitiven Schichten haben eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K). Das mehrschichtige Material 830 umfasst ferner zwei zusätzliche thermisch kapazitive Schichten 435 und 445, die auf einer Außenoberfläche jeder Isolierschicht 470 und 480 angeordnet sind. Das mehrschichtige Material ist gegebenenfalls in einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt, das aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
In beispielhafter Konfiguration des in 12E gezeigten mehrschichtigen Materials umfasst ein mehrschichtiges Material 840 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem eine Kernschicht, die zwei komprimierbare Pads 410 und 460 umfasst, die jeweils ein Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa aufweisen, und eine thermisch kapazitive Schicht 430. Zwei Isolierschichten 470 und 480, die Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweisen, umschließen sandwichartig die Kernschicht. Die thermisch kapazitiven Schichten haben eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K). Das mehrschichtige Material ist gegebenenfalls in einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt, das aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist. Die thermisch kapazitive Schicht 430 ist sandwichartig zwischen den beiden komprimierbaren Pads 410 und 460 angeordnet.
In der beispielhaften Konfiguration des in 13 gezeigten mehrschichtigen Materials umfasst ein mehrschichtiges Material 900 zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem eine Kernschicht, die eine Isolierschicht 470 umfasst, und einen Außenabschnitt, der wärmeleitfähige Schichten 530 und 540 einschließt. In der gezeigten Ausführungsform sind die wärmeleitfähigen Schichten 530 und 540 im Wesentlichen L-förmig. Ein vertikaler Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen Schicht ist von der Isolierschicht beabstandet. Während des Gebrauchs steht der vertikale Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen Schicht in thermischem Kontakt oder in physischem Kontakt mit einer Batteriezelle oder einem Batteriemodul (570, 575, 580). Ein horizontaler Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen Schicht steht in Kontakt mit der Isolierschicht 470 und mit einem Wärmeübertragungselement 590. Die Verwendung einer L-förmigen wärmeleitfähigen Schicht vergrößert den Oberflächenbereich des Kontakts der wärmeleitfähigen Schicht mit einer Batteriezelle oder einem Batteriemodul und allen Wärmeübertragungselementen. Während des Gebrauchs wird Wärme von einer oder mehreren der Batteriezellen oder Batteriemodule durch die wärmeleitfähige Schicht zum Wärmeübertragungselement 590 geleitet. Die Wärme der Batteriezelle oder des Batteriemoduls wird also durch das Wärmeübertragungselement abgeleitet. Das Wärmeübertragungselement kann eine Kühlplatte sein. Beispielhafte Kühlplatten schließen einen Fluidtransfer (Flüssigkeit oder Gas) ein, der während des Gebrauchs Wärme aus dem Wärmeübertragungselement ableitet.
In einer Ausführungsform sind eine oder mehrere einer Einkapselungsschicht (420, 425), einer Opfermaterialschicht (510, 515) und einer thermisch kapazitiven Schicht (430, 435) zwischen dem vertikalen Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen Schichten 530, 540 und der Isolierschicht 470 angeordnet, wie in 13 gezeigt. Die Opferschicht 510 kann ein komprimierbares Pad mit einem Kompressionsmodul von etwa 1 MPa bis etwa 12 MPa einschließen. Die Isolierschicht 470 weist eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß 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. Die thermisch kapazitiven Schichten (430, 435) haben eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200 J/(kg-K). Die Isolierschicht ist gegebenenfalls mit einem Einkapselungsmaterial 420 eingekapselt, das aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist. In einigen Ausführungsformen kann eine Einkapselungsschicht eine Metallschicht einschließen.
Während des Gebrauchs fungiert jede der Schichten als Barriere, um zu verhindern, dass die Wärme einer durchgegangenen Zelle andere Zellen erhitzt. Die thermische kapazitive Schicht absorbiert die anfängliche Wärme der durchgegangenen Zelle. Wärme, die durch die thermische kapazitive Schicht gelangt, trifft auf die Opferschicht, die Wärme absorbiert, wenn sich die Schicht zersetzt. Schließlich wirkt die Einkapselungsschicht auch als Barriere, um die Menge an Partikeln zu reduzieren, die auf die Isolierschicht trifft. In einer Ausführungsform erstreckt sich die Isolierbarriere zumindest teilweise in das Wärmetauschelement 590. Das Platzieren der Isolierschicht in das Wärmetauschelement trägt dazu bei, die thermische Übertragung von Wärme von einer Batteriezelle oder einem Batteriemodul, das thermischem Durchgehen erfährt, zu reduzieren. Zum Beispiel wird in einigen Ausführungsformen Wärme von einem Ereignis des thermischen Durchgehens die Kühlwirkung des Wärmetauschelements überwältigen. Die Wärme der durchgegangenen Zelle oder des durchgegangen Moduls könnte dann durch das Wärmetauschelement zu anderen Batteriezellen oder -modulen geleitet werden. Der sich in das Wärmetauschelement erstreckende Teil der Isolierbarriere verhindert, dass die Wärme die benachbarte Batteriezelle oder das benachbarte Batteriemodul erreicht.
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, Druckfestigkeit 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 ein Dickenmaß 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 ein Dickenmaß 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 die Wärmeleitfähigkeit (üblicherweise in mW/m-k gemessen) unter einer Last von bis zu etwa 5 MPa beibehalten oder unbedeutend erhöhen. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung unter einer Last von bis zu etwa 5 MPa eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß 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 werden. Obwohl der Wärmewiderstand der Isolierschicht, die ein Aerogel einschließt, mit abnehmender Dicke abnehmen kann, kann die Wärmeleitfähigkeit beibehalten oder unbedeutend 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 hinzugefügt 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, Druckfestigkeit 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, Druckfestigkeit 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 Altem 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: $E_{D {\begin{matrix} m a x : T_{d} + 100 ° C \\ m i n : T_{d} - 50 ° C \end{matrix}}$
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 (MgCO33 H2O), Lansfordit (MgCO35 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; A12Si2O5(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) 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 Einkapselungsschicht kann mindestens eine Entlüftungsöffnung aufweisen, die es ermöglicht, dass Luft in das Feld ein- und ausströmt. Das Einkapselungselement kann mindestens einen Filter einschließen, der Feststoffteilchen filtert. In einer beispielhaften Ausführungsform schließt die Einkapselungsschicht eine Entlüftungsöffnung, die es ermöglicht, dass Luft in das Feld ein- und ausströmt, und einen Partikelfilter über der Entlüftungsöffnung, der Feststoffteilchen innerhalb des Einkapselungelements hält, ein. In einer anderen Ausführungsform schließt die Einkapselungsschicht Kantendichtungen ein, die mindestens eine Entlüftungsöffnung und mindestens einen Partikelfilter einschließen. In einer weiteren Ausführungsform schließt die Einkapselungsschicht Kantendichtungen ein, die mindestens eine Entlüftungsöffnung und mindestens einen Partikelfilter einschließen, wobei die Entlüftungsöffnungen in den Kantendichtungen das Ein- und Ausströmen von Luft aus den Kanten des Einkapselungselements ermöglichen und wobei die Filter Feststoffteilchen in der strömenden Luft auffangen und zurückhalten, um eine Kontamination der Luft außerhalb der Einkapselungsschicht mit Feststoffteilchen 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 haben thermisch kapazitive Materialien eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer in der Ebene liegenden Dimension von mindestens etwa 200 mW/m-K.
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 in der Ebene liegenden Dimension von mindestens etwa 200 mW/m-K haben. Das wärmeleitfähige Material kann mindestens eine Schicht 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 Propagation 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 Kompressionspad, der Anzahl von Wärmeleitungen, die in dem mehrschichtigen Material eingeschlossen 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 den Schichten des mehrschichtigen Materials verwendet werden, um eine gleichmäßige und konsistente Wärmeleitung zwischen diesen Schichten zu gewährleisten. 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 anderen Schichten wie der Schicht oder den Schichten, die wärmeleitfähige oder thermisch kapazitive Materialien einschließen, der Deckschicht oder den Deckschichten 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 beispielhaften Ausführungsformen können die Opfermaterialien oder -schichten der vorliegenden Offenbarung ein komprimierbares Pad 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 Pad oder der Schaumstoff aufgrund der Exposition gegenüber mechanischen (wie zyklischen) Lasten abgenutzt werden. In einigen Ausführungsformen zersetzt sich das komprimierbare Pad 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 Pad 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 Schaumstoffs, 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, Druckfestigkeit 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, Schichten aus einkapselndem Material, abriebfeste Schichten, feuer/flammfeste Schichten, wärmereflektierende Schichten, komprimierbare Schichten, z. B. komprimierbare Pads, 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 Pad ein, das zwischen mindestens zwei Schichten einer verstärkten Aerogel-Zusammensetzung angeordnet ist. Beispielsweise kann das komprimierbare Pad ein Schaumstoff oder ein anderes komprimierbares Material wie Polyolefine, Polyurethane, Phenole, Melamin, Celluloseacetat oder Polystyrol sein. 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 zu einer Reihe von dreidimensionalen Formen geformt werden, einschließlich Verkleidungen, Rohrvorformlingen, Halbschalenvorformlingen, Bogen, Gelenken, Beuteln, Zylindern und anderer Formen, die bei der Anwendung von Isoliermaterialien in industriellen und gewerblichen Anwendungen regelmäßig benötigt werden.
Wie in dieser Gebrauchsmusterschrift 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 Gebrauchsmusterschrift 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 Propagation 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 C1114, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard-Prüfverfahren für thermische Übertragungseigenschaften von wärmeleitfähigen elektrischen Isoliermaterialien (ASTM D5470, ASTM International, West Conshohocken, PA); Bestimmung des Wärmewiderstands durch Verfahren mit geschützten Heizplatten und Wärmeflussmessern (EN 12667, British Standards Institution, Großbritannien); oder Bestimmung des stationären Wärmewiderstandes und verwandten Eigenschaften - Einrichtung von geschützten 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 thermische 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 oder in einem Bereich zwischen zwei beliebigen 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 C1 104, 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 C1104-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, welche die Grundlinie der TGA-Kurve tangiert, und eine Linie, welche 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 Missbrauchsbedingungen können exotherme Reaktionen zur Freisetzung von Wärme führen, die nachfolgende unsichere Reaktionen auslösen können. Die Situation verschlechtert sich, da die freigesetzte Wärme aus einer missbrauchten Zelle eine Kette von
Reaktionen auslösen kann, die zu einem katastrophalen thermischen Durchgehen führen. 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: Kathode
13: Mehrschichtiges Material
14: Zelle 1
15: Zelle 2
16: Zelle 3
S1, S2: Entladung
S3, S4: Ladung

Die Erfindung kann durch einen der folgenden Aspekte definiert werden:

1. Mehrschichtiges Material zur Verwendung als thermische Barriere in einem elektrischen Energiespeicherungssystem, wobei das mehrschichtige Material umfasst:
- einen Kernabschnitt, der eine Isolierschicht umfasst, wobei die Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß 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; und
- einen außerhalb des Kernabschnitts angeordneten Außenabschnitt, wobei der Außenabschnitt eine wärmeleitfähige Schicht umfasst, wobei die wärmeleitfähige Schicht eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer in der Ebene liegenden Dimension der wärmeleitfähigen Schicht von mindestens etwa 200 mW/m-K aufweist.
2. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 1, wobei die wärmeleitfähige Schicht in Kontakt mit der Isolierschicht steht.
3. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 1 oder 2, wobei die wärmeleitfähige Schicht im Wesentlichen L-förmig ist, sodass ein vertikaler Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen Schicht von der Isolierschicht beabstandet ist und wobei ein horizontaler Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen mit der Isolierschicht in Kontakt steht.
4. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die wärmeleitfähige Schicht in eine erste leitfähige Schicht und eine zweite leitfähige Schicht auf gegenüberliegenden Seiten der wärmeleitfähigen Schicht unterteilt ist, wobei die erste leitfähige Schicht und die zweite leitfähige Schicht mit der Isolierschicht in Kontakt stehen.
5. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die wärmeleitfähige Schicht mindestens eine Schicht umfasst, die Metall, Kohlenstoff, leitfähiges Polymer oder Kombinationen davon umfasst.
6. Mehrschichtiges Material nach einem der Aspekte 1 bis 4, wobei die wärmeleitfähige Schicht ein Metall umfasst, das Aluminium, Kupfer oder Stahl umfasst.
7. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die wärmeleitfähige Schicht die Außenschicht des mehrschichtigen Materials ist.
8. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die wärmeleitfähige Schicht in einer Form vorliegt, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Geweben, Blechen, Lochblechen, Folien und Lochfolien.
9. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht Glimmer, Keramik, anorganische Baumwollfasern, Harz oder anorganischen Schaumstoff umfasst.
10. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht ein Aerogel umfasst.
11. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 10, wobei das Aerogel ein Verstärkungsmaterial umfasst.
12. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 11, wobei das Verstärkungsmaterial Fasern umfasst, die aus organischen polymerbasierten Fasern, anorganischen Fasern, kohlenstoffbasierten Fasern oder einer Kombination davon ausgewählt sind.
13. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 12, wobei die Fasern in Form von Einzelfasern, gewebten Materialien, trockengelegten Vliesmaterialien, nassgelegten Vliesmaterialien, Nadelvliesen, Wattierungen, Geweben, Matten, Filzen und/oder Kombinationen davon vorliegen.
14. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 12 oder 13, wobei die anorganischen Fasern ausgewählt sind aus Glasfasern, Gesteinsfasern, Metallfasern, Borfasern, Keramikfasern, Basaltfasern oder einer Kombination davon.
15. Mehrschichtiges Material nach einem der Aspekte 10 bis 14, wobei das Aerogel ein siliciumdioxidbasiertes Aerogel umfasst.
16. Mehrschichtiges Material nach einem der Aspekte 10 bis 15, 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.
17. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 16, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe in einem Gehalt von mindestens etwa 10 bis 20 Gewichtsprozent des Aerogels vorhanden sind.
18. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 16 oder 17, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Brandschutzzusatzstoffe umfassen.
19. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 16 oder 17, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Trübungsmittel umfassen, die 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 ausgewählt sind.
20. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 16, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe Trübungsmittel umfassen, die Siliciumcarbid umfassen.
21. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 16, wobei der eine oder die mehreren Zusatzstoffe eine Kombination aus Brandschutzzusatzstoffen und Trübungsmitteln umfassen.
22. Mehrschichtiges Material nach einem der Aspekte 10 bis 21, wobei das Aerogel eine Dichte im Bereich von etwa 0,25 g/cm³ bis etwa 1,0 g/cm³ aufweist.
23. Mehrschichtiges Material nach einem der Aspekte 10 bis 22, wobei das Aerogel einen Biegemodul von etwa 2 MPa bis etwa 8 MPa aufweist.
24. Mehrschichtiges Material nach einem der Aspekte 10 bis 23, wobei das Aerogel eine Druckfestigkeit aufweist, wobei die Druckfestigkeit bei 25 % Dehnung zwischen etwa 40 kPa und etwa 180 kPa liegt.
25. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, ferner umfassend eine thermische kapazitive Schicht, die zwischen einem Abschnitt der wärmeleitfähigen Schicht und der Isolierschicht angeordnet ist, wobei die thermische kapazitive Schicht eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 0,2 J/(g-C) aufweist.
26. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 25, wobei die wärmeleitfähige Schicht ein Phasenwechselmaterial umfasst.
27. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 25, wobei die thermische kapazitive Schicht ein Metall umfasst, das Aluminium, Titan, Nickel, Stahl oder Eisen umfasst.
28. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, ferner umfassend eine Opfermaterialschicht, die zwischen einem Abschnitt der wärmeleitfähigen Schicht und der Isolierschicht angeordnet ist.
29. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 28, wobei die Opfermaterialschicht ein Material umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Siloxanen, Polyolefinen, Polyurethanen, Phenolen, Melamin, Celluloseacetat und Polystyrol ausgewählt ist.
30. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 28 oder 29, wobei die Opfermaterialschicht in Form von Schaumstoff vorliegt.
31. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 28 bis 30, wobei die Anfangstemperatur der chemischen Zersetzung der Opfermaterialschicht im Bereich von etwa 200 °C bis etwa 400 °C liegt.
32. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, ferner umfassend eine Einkapselungsschicht, die zwischen der wärmeleitfähigen Schicht und der Isolierschicht positioniert ist.
33. Mehrschichtiges Material nach Aspekt 32, wobei die Einkapselungsmaterialschicht eine oder mehrere Polymerschichten umfasst.
34. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei das mehrschichtige Material in einem unkomprimierten Zustand eine durchschnittliche Dicke zwischen etwa 2 mm und etwa 10 mm aufweist.
35. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die wärmeleitfähige Schicht im Wesentlichen L-förmig ist, sodass ein vertikaler Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen Schicht von der Isolierschicht beabstandet ist und wobei ein horizontaler Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen Schicht in Kontakt mit der Isolierschicht steht; und wobei eine oder mehrere von einer Einkapselungsmaterialschicht, einer Opfermaterialschicht und einer thermischen kapazitiven Schicht zwischen dem vertikalen Abschnitt der L-förmigen wärmeleitfähigen Schicht und der Isolierschicht angeordnet sind.
36. Mehrschichtiges Material nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei das mehrschichtige Material einen thermischen Widerstand von mindestens etwa 0,02 K/W aufweist.
37. Verwendung des mehrschichtigen Materials nach einem der vorstehenden Aspekte in einem Batteriepack, das eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen oder von Modulen von Batteriezellen umfasst, um die einzelnen Batteriezellen oder Module von Batteriezellen thermisch voneinander zu trennen.
38. Verwendung nach Aspekt 37, wobei 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 verursacht, die durch das mehrschichtige Material nach einem der Aspekte 1 bis 36 von dem Teil der Batterie getrennt sind, in dem das Durchgehereignis auftritt.
39. Batteriemodul, umfassend:
- 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;
- ein mehrschichtiges Material nach einem der Aspekte 1 bis 36, das zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet ist; und
- ein Wärmetauschsystem, das in Kontakt mit der ersten Batteriezelle, der zweiten Batteriezelle und der wärmeleitfähigen Schicht des mehrschichtigen Materials steht.
40. Batteriemodul nach Aspekt 39, wobei das mehrschichtige Material nach einem der Aspekte 1 bis 34 mindestens etwa 80 % des Oberflächenbereichs der gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberfläche bedeckt.
41. Batteriemodul nach Aspekt 39 oder 40, wobei sich die Isolierschicht des mehrschichtigen Materials in das Wärmetauschsystem hinein erstreckt.
42. Batteriemodul nach einem der Aspekte 39 bis 41, wobei die wärmeleitfähige Schicht des mehrschichtigen Materials in thermischer Verbindung mit dem Wärmetauschsystem steht.
43. Batteriemodul nach einem der Aspekte 39 bis 42, wobei die wärmeleitfähige Schicht des mehrschichtigen Materials in thermischer Verbindung mit der ersten und/oder der zweiten Batteriezelle steht.
44. Batteriemodul nach Aspekt 43, wobei die wärmeleitfähige Schicht des mehrschichtigen Materials in Kontakt mit der ersten und/oder zweiten Batteriezelle steht.
45. Batteriemodul nach einem der Aspekte 39 bis 44, wobei das Batteriemodul einen Wärmewiderstandsfaktor von mindestens 0,01 aufweist, wobei der Wärmewiderstandsfaktor ein Verhältnis zwischen dem Wärmewiderstand des mehrschichtigen Materials und der flächenbezogenen Energiedichte der Batteriezellen in dem Batteriemodul ist, wobei die flächenbezogene Energiedichte der Anordnung ein Verhältnis zwischen der Gesamtenergiedichte aller Zellen in der Anordnung und der Außenfläche der Anordnung ist.
46. Batteriemodul nach einem der Aspekte 39 bis 45, wobei das mehrschichtige Material einen Dickenfaktor von mindestens etwa 0,3 aufweist und wobei der Dickenfaktor ein Verhältnis zwischen einer Dicke des mehrschichtigen Materials und einer flächenbezogenen Energiedichte der Batteriezelle ist.
47. Batteriepack, umfassend eine Vielzahl von Modulen und einen oder mehrere Abstandshalter, die zwischen benachbarten Modulen angeordnet sind, wobei der eine oder die mehreren Abstandshalter das mehrschichtige Material nach einem der Aspekte 1 bis 36 enthalten.
48. Batteriepack nach Aspekt 47, wobei mindestens eines der Vielzahl von Modulen ein wie in einem der Aspekte 39 bis 46 beschriebenes Batteriemodul ist.
49. Batteriepack nach Aspekt 47 oder 48, wobei sich die Isolierbarriere des mehrschichtigen Materials in das Kühlsystem hinein erstreckt.
50. Batteriepack nach einem der Aspekte 47 bis 49, wobei die wärmeleitfähige Schicht des mehrschichtigen Materials in thermischer Verbindung mit dem Kühlsystem steht.
51. Vorrichtung oder Fahrzeug, umfassend den Batteriepack nach einem der Aspekte 47 bis 50.
52. Vorrichtung nach Aspekt 51, wobei es sich bei der Vorrichtung um Laptop-Computer, PDA, Mobiltelefone, Tag-Scanner, Audiovorrichtungen, Videovorrichtungen, Anzeigefelder, Videokameras, Digitalkameras, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, Militärtelefone, Laserentfernungsmesser, digitale Kommunikationsvorrichtungen, Informationserfassungssensoren, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtgeräte, Elektrowerkzeuge, Taschenrechner, Radios, ferngesteuerte Vorrichtungen, GPS-Vorrichtungen, Handheld- und tragbare Fernsehgeräte, Starthilfegeräte, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtungen, tragbare Staubsauger oder tragbare medizinische Werkzeuge handelt.
53. Fahrzeug nach Aspekt 51, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.
54. Verfahren zum Entwerfen eines Energiespeicherungssystems, umfassend:
- Zusammenbauen einer oder mehrerer Batteriezelle(n) zum Bilden einer Anordnung;
- Berechnen einer flächenbezogenen Energiedichte der Anordnung, wobei die flächenbezogene Energiedichte der Anordnung ein Verhältnis der Gesamtenergiedichte aller Zellen in der Anordnung zu der Außenfläche der Anordnung ist;
- Auswählen eines Wärmewiderstands und einer komprimierten Dicke eines mehrschichtigen Materials entsprechend der flächenbezogenen Energiedichte der Anordnung, sodass das Energiespeicherungssystem einen Wärmewiderstandsfaktor von mindestens etwa 0,01 und einen Dickenfaktor von mindestens etwa 0,3 aufweist, wobei der Dickenfaktor ein Verhältnis einer Dicke des mehrschichtigen Materials zur flächenbezogenen Energiedichte der Anordnung ist, und wobei der Wärmewiderstandsfaktor ein Verhältnis eines Wärmewiderstands des mehrschichtigen Materials zur flächenbezogenen Energiedichte der Anordnung ist; und
- Positionieren des mehrschichtigen Materials in die Anordnung und/oder um die Anordnung herum.
55. Verfahren nach Aspekt 54, wobei das Auswählen des Wärmewiderstandes und der komprimierten Dicke umfasst:
- Berechnen eines Wärmewiderstandsfaktors des mehrschichtigen Materials;
- Ablesen einer minimalen komprimierten Dicke des mehrschichtigen Materials aus einer Wärmeausbreitungsabbildung; und
- Auswählen einer komprimierten Dicke, die größer ist als die minimale komprimierte Dicke.
56. Verfahren nach Aspekt 54 oder 55, wobei das Auswählen des Wärmewiderstands und der komprimierten Dicke umfasst:
- Berechnen eines Dickenfaktors für jede Batteriezelle der Anordnung; Ablesen eines Mindestwärmewiderstands des mehrschichtigen Materials aus einer Wärmeausbreitungsabbildung; und
- Auswählen eines Wärmewiderstands für das mehrschichtige Material, der größer ist als der Mindestwärmewiderstand.
57. Verfahren nach einem der Aspekte 54 bis 56, wobei das Positionieren des mehrschichtigen Materials umfasst:
- Bilden des mehrschichtigen Materials getrennt von der Anordnung, und
- Einbringen des mehrschichtigen Materials neben einer Batteriezelle der Anordnung.
58. Verfahren nach einem der Aspekte 54 bis 57, wobei das Positionieren des mehrschichtigen Materials das Bilden des mehrschichtigen Materials in situ direkt in der Anordnung und/oder um die Anordnung herum umfasst.
59. Verfahren nach Aspekt 58, wobei das Positionieren des mehrschichtigen Materials das Sprühen, Beschichten, Abscheiden oder Füllen des mehrschichtigen Materials in die Anordnung und/oder um die Anordnung herum umfasst.

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 [0124]
US 8021583 [0124]
US 7635411 [0124]
US 5399422 [0124]
US 6143400 [0125]
US 6083619 [0125]
US 20070173157 [0126]
US 5814405 [0129]
US 4532316 [0132]
US 6147134 [0186]
US 5889071 [0186]
US 6187831 [0186]
US 5229429 [0186]
US 20050192367 [0213]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Applications of Solid-State NMR to the Study of Organic/Inorganic Multicomponent Materials" von Geppi et al., insbesondere Seite 7-9 [0208]

Claims

Wärmedämmelement zur Verwendung in einem elektrischen Energiespeichersystem, wobei das Wärmedämmelement aus einem mehrschichtigen Material (900) besteht, wobei das mehrschichtige Material (900) umfasst: - einen Kernabschnitt mit einer Isolierschicht (470), wobei die Isolierschicht (470) über eine Dickenabmessung der Isolierschicht (470) eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als etwa 50mW/m-K bei 25°C und weniger als etwa 60mW/m-K bei 600°C aufweist; und - einen Außenabschnitt, der außerhalb des Kernabschnitts angeordnet ist, wobei der Außenabschnitt mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) umfasst, wobei die mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) eine Wärmeleitfähigkeit entlang einer Dimension in der gleichen Ebene der mindestens einen wärmeleitenden Schicht (530, 540) von mindestens etwa 200mW/m-K aufweist.
Wärmedämmelement nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitende Schichtelement (530, 540) ein Metall, vorzugsweise ein Metall umfasst, das Aluminium, Kupfer oder Stahl, umfasst.
Wärmedämmelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wärmeleitende Schichtelement (530, 540) Kohlefaser, Graphit oder Siliziumkarbid umfasst.
Wärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) in Kontakt mit der Isolierschicht (470) steht.
Wärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mehrschichtige Material (900) zwei wärmeleitende Schichten (530, 540) umfasst; wobei jede der beiden wärmeleitenden Schichten (530, 540) im Wesentlichen L-förmig ist, wobei ein vertikaler Abschnitt jeder L-förmigen wärmeleitenden Schicht (530, 540) von der Isolierschicht beabstandet ist und wobei ein horizontaler Abschnitt von jeder L-förmigen wärmeleitenden Schicht in Kontakt mit der Isolierschicht (470) steht.
Wärmedämmelement nach Anspruch 5, wobei das mehrschichtige Material (900) eine oder mehrere Einkapselungsschichten (420, 425), eine Opfermaterialschicht (510, 515) und eine thermische kapazitive Schicht (430, 435) umfasst, welche zwischen dem vertikalen Abschnitt der L-förmigen wärmeleitenden Schichten (530, 540) und der Isolierschicht (470) angeordnet sind; wobei die thermische kapazitiven Schichten (430, 435) eine spezifische Wärmekapazität von mindestens etwa 200J/(kg-K) aufweisen.
Wärmedämmelement nach Anspruch 6, wobei die Opferschicht (510) ein komprimierbares Polster mit einem Kompressionsmodul von etwa 1MPa bis etwa 12MPa umfasst.
Wärmedämmelement nach Anspruch 6 oder 7, wobei die eine oder mehreren Einkapselungsschichten (420, 425) ein Einkapselungsmaterial umfassen, das aus mindestens einem von einem Polymer, einem Elastomer oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
Wärmedämmelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die eine oder mehreren Einkapselungsschichten (420, 425) eine Metallschicht umfassen.
Wärmedämmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mehrschichtige Material (900) außerdem eine thermische kapazitive Schicht, eine Opferschicht und eine wärmeisolierende Schicht umfasst, wobei jede der Schichten dazu ausgelegt ist, von einem benachbarten thermischen Heizelement (570, 575, 580) erzeugte Wärme in einem elektrischen Energiespeichersystem zu blockieren oder abzuleiten.
Wärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mehrschichtige Material (900) einen Wärmewiderstandsfaktor von mindestens 0,01 oder von mindestens 0,03 aufweist.
Wärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierschicht (470) komprimierbar ist.
Mehrschichtiges Material nach Anspruch 12, wobei das mehrschichtige Material im unkomprimierten Zustand eine durchschnittliche Dicke zwischen etwa 2mm und etwa 10mm aufweist.
Wärmedämmelement nach Anspruch 13, wobei das mehrschichtige Material (900) eine unkomprimierte Dicke von 2,35 Millimetern, 4,7 Millimetern, eine dreifachen Dicke von 2,35 Millimetern oder eine vierfachen Dicke von 2,35 Millimetern aufweist.
Wärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mehrschichtige Material (900) eine einzelne Isolierschicht (470) umfasst.
Wärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierschicht (470) ein Aerogel umfasst.
Wärmedämmelement nach Anspruch 16, wobei das Aerogel aus einem Verbundwerkstoff besteht.
Wärmedämmelement nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Aerogel einen Brandschutzzusatzstoff umfasst.
Wärmedämmelement nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Aerogel ein Verstärkungsmaterial umfasst.
Elektrisches Energiespeichersystem, umfassend: zwei oder mehrere thermischen Heizelemente (570, 575, 580), die in dem elektrischen Energiespeichersystem angeordnet sind, wobei jedes der thermischen Heizelemente (570, 575, 580) eine Batteriezelle oder ein Batteriemodul ist, wobei jedes der thermischen Heizelemente eine Batteriezelle oder ein Batteriemodul (570, 575, 580) mit einer Oberfläche ist; und ein Wärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 20, wobei mehrere thermische Heizelemente (570, 575, 580) miteinander in Kontakt stehen, wobei das mehrschichtige Material (900) die Gruppe thermischer Heizelemente (570, 575, 580) umgibt.
Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 20, wobei das Wärmedämmelement zwischen zwei thermischen Heizelementen (570, 575, 580) angeordnet ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 22, umfassend zwei wärmeleitende Schichten (530, 540) und ein Wärmeübertragungselement (590), wobei ein vertikaler Abschnitt jeder L-förmigen wärmeleitenden Schicht (530, 540) von der Isolierschicht beabstandet ist, und wobei ein horizontaler Abschnitt jeder L-förmigen wärmeleitenden Schicht in Kontakt mit der Isolierschicht (470) und mit dem Wärmeübertragungselement (590) steht.
Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 23, wobei ein vertikaler Abschnitt der L-förmigen wärmeleitenden Schicht in thermischem Kontakt oder in physischem Kontakt mit einem thermischen Heizelement (570, 575, 580) steht.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei sich die Isolierschicht (470) zumindest teilweise in das Wärmeaustauschelement (590) hinein erstreckt.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei das Wärmeübertragungselement eine Kühlplatte ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 20, umfassend ein Wärmeaustauschelement, wobei die mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) und das Wärmeelement (590) des mehrschichtigen Material (900) so angeordnet sind, dass die mindestens eine wärmeleitende Schicht (530, 540) Wärme von einem benachbarten Wärmeelement (570, 575, 580) ableitet und die Wärme in das Wärmeaustauschelement leitet.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei das mehrschichtige Material (900) zwischen einzelnen thermischen Heizelementen (570, 575, 580) platziert ist, so dass jedes thermische Heizelement (570, 575, 580) einzeln von dem mehrschichtigen Material (900) umgibt.
Vorrichtung oder Fahrzeug mit dem elektrische Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 20 bis 28.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei es sich bei der Vorrichtung um Laptop-Computer, PDA, Mobiltelefone, Tag-Scanner, Audiovorrichtungen, Videovorrichtungen, Anzeigefelder, Videokameras, Digitalkameras, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, Militärtelefone, Laserentfernungsmesser, digitale Kommunikationsvorrichtungen, Informationserfassungssensoren, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtgeräte, Elektrowerkzeuge, Taschenrechner, Radios, ferngesteuerte Vorrichtungen, GPS-Vorrichtungen, Handheld- und tragbare Fernsehgeräte, Starthilfegeräte, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtungen, tragbare Staubsauger oder tragbare medizinische Werkzeuge handelt.
Fahrzeug nach Anspruch 29, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.