EP4634452A1 - Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische zellen - Google Patents

Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische zellen

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EP4634452A1
EP4634452A1 EP23808815.7A EP23808815A EP4634452A1 EP 4634452 A1 EP4634452 A1 EP 4634452A1 EP 23808815 A EP23808815 A EP 23808815A EP 4634452 A1 EP4634452 A1 EP 4634452A1
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EP
European Patent Office
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thermal insulation
insulation material
binder
textile fabric
coating
Prior art date
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Pending
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EP23808815.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Schneider
Thomas Arnold
Lukas SCHÄFER
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Carl Freudenberg KG
Original Assignee
Carl Freudenberg KG
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a thermal insulation material for electrochemical cells, in particular for lithium-ion cells, an electrochemical cell, preferably a lithium-ion cell, which is thermally insulated by a thermal insulation material according to the invention, and a cell module and/or a battery system in which at least two electrochemical cells are thermally insulated from one another by a thermal insulation material according to the invention.
  • the invention further relates to methods for producing the thermal insulation material and its use.
  • Thermal insulation materials to prevent or at least delay thermal runaway for electrochemical cells are known. Thermal runaway represents a high safety risk. Safety standards for lithium-ion batteries therefore also include a fire test. In this test, a cell in a battery module is exposed to thermal runaway and then it is determined whether ignition occurs as a result of thermal spread to other cells. To reduce this risk, fire-resistant materials or thermal insulation materials, i.e. materials with high thermal insulation properties, are usually placed between the cells.
  • thermal insulation materials such as foam or fiberboard can withstand high temperatures but have relatively low thermal insulation capacity. With such materials, the thickness of the insulation must therefore be set high to ensure effective thermal management.
  • space requirements of battery modules limit the space available for insulation between cells within the module.
  • Refractory materials such as mica or ceramic boards can also withstand high temperatures but are relatively incompressible and have low thermal insulation capacity. Such materials are therefore not suitable for battery systems in which the cells expand and contract during operation, such as pouch and prismatic cells. It is also desirable to limit the total weight of the battery module without compromising its resistance to heat propagation, fire propagation or mechanical properties.
  • Aerogels which have a very high insulating capacity. Aerogels are a class of structures with low density, open cell structures, large surfaces and pore sizes in the nanometer range. Their mode of action is based on the fact that their low density causes heat conduction over long distances within the framework structure. In addition, the large pore volumes and very small pore sizes lead to minimal convection. Aerogels can also be provided with IR-absorbing or scattering dopants to increase the insulating effect. As a rule, aerogel materials have a thermal resistance that is two to six times higher than other common types of insulation, e.g. foams, glass fibers, etc. For this reason, aerogels can increase the effective shielding and thermal insulation without significantly increasing the thickness or weight of the insulation.
  • thermal insulation material for the thermal management of electrochemical cells, in particular lithium-ion batteries, which is suitable for the thermal insulation of individual cells, cell modules and/or battery systems and which combines high thermal insulation capacity with low thickness and weight. For sustainability reasons, it would also be desirable for the thermal insulation material to be easily recyclable.
  • WO2021142169 A1 discloses a battery thermal management element comprising: a first thermal protection layer and at least one elastic layer containing one or more organic materials.
  • the thermal protection layers can comprise an aerogel composition, which is preferably a silica aerogel composition.
  • the aerogel composition can also contain a binder, adhesives, resins, cements, foams and polymers being mentioned as binders.
  • the thermal management element is not easily recyclable.
  • an assembly for a battery comprising a thermal management multilayer film arranged on a surface of an electrochemical cell, wherein the thermal management multilayer film comprises a thermally insulating layer, a first heat-distributing layer arranged on a first side of the thermally insulating layer, and a second heat-distributing layer arranged on a second side of the thermally insulating layer.
  • the thermally insulating layer can contain a nonwoven fabric, for example made of fiberglass, combined with an aerogel and a binder.
  • Binders for the fiberglass layer include epoxy, a polyamide, a polyimide, a polyester such as poly(butylene terephthalate), a polyethylene, a polypropylene, a polystyrene, a polycarbonate, a polysulfone, a polyurethane, a silicone and a vinyl ester.
  • the layer is not easily recyclable.
  • KR 2019 0143300 A describes an aerogel insulating composition comprising aerogel powder, a fibrous insulating material and an organic-inorganic composite binder.
  • the fibrous insulating material can consist of long fibers, short fibers or a mixture of long fibers and short fibers.
  • the aerogel insulating composition can be produced by mixing aerogel with the fibrous insulating material and an organic-inorganic binder.
  • a fiber layer can be arranged as a carrier on one or both sides of the aerogel insulating composition.
  • the fiber layer is comparatively thin (10-40pm), which is detrimental to the strength and compressibility.
  • thickness variations of battery cells can be difficult to compensate for.
  • the fibers within the binder layer reduce the thermal insulation.
  • long fibers have a detrimental effect on the recyclability of the insulating composition because they tend to tangle.
  • EP3281968 (Al) describes an aerogel-containing composition comprising an aerogel, a water-soluble binder, a blowing agent and a solvent, wherein the solvent comprises water and a polar organic solvent.
  • the composition preferably comprises fibers.
  • the aerogel-containing composition can be applied to a carrier.
  • the fibers within the binder layer reduce the thermal insulation.
  • the blowing agent increases the fire hazard and/or is harmful to the environment.
  • the invention is based on the object of providing a thermal insulation material for the thermal management of electrochemical cells, in particular lithium-ion cells, cell modules and/or battery systems, which is suitable for thermal insulation for the aforementioned products and can combine high thermal insulation capacity with low thickness and weight. Furthermore, the thermal insulation material should be easily recyclable and meet the requirements placed on electrochemical cells with regard to dynamic mechanical resistance and thermal insulation capacity under compression. Further objects include the provision of methods for producing the thermal insulation material and uses thereof.
  • a thermal insulation material for electrochemical cells preferably for lithium-ion cells, for cell modules and/or battery systems, comprising a thermally insulating layer which comprises a first textile fabric, wherein the first textile fabric has a coating which contains aerogel particles and at least one binder, wherein the binder is at least partially water-soluble.
  • a thermal insulation material for electrochemical cells preferably for lithium-ion cells, for cell modules and/or battery systems
  • a thermally insulating layer which comprises a first textile fabric, wherein the first textile fabric has a coating which contains aerogel particles and at least one binder, wherein the binder is at least partially water-soluble and wherein the first textile fabric has a thickness, measured according to DIN EN ISO 9073-2:1997-02, in the range from 0.2 mm to 3.0 mm.
  • the thermal insulation material according to the invention is ideally suited for thermal insulation of electrochemical cells, preferably for lithium-ion cells, for cell modules and/or battery systems and exhibits high thermal insulation capability even with low thickness and weight.
  • Cell modules comprise at least two electrochemical cells connected to one another but no battery management system.
  • Battery systems comprise at least one electrochemical cell and/or at least one cell module and a battery management system.
  • the thermal insulation material meets the requirements placed on electrochemical cells with regard to dynamic mechanical stability and thermal insulation capability under compression.
  • the thermal insulation material is also characterized by good recyclability.
  • the good recyclability is made possible by the fact that the thermal insulation material can be easily broken down into its components by adding it to water or other suitable solvents, for example, due to the binder's at least partial water solubility. Due to their low density, the aerogel particles float on the surface of the water after the binder has dissolved and can be easily skimmed off, dried and reused.
  • Another advantage of the combination of aerogels and at least partially water-soluble binders is the large surface area of aerogels. This enables thin binder layers that can be dissolved particularly quickly by water.
  • the binder is advantageously at least partially water-soluble. Whether a binder is at least partially water-soluble according to the invention can be determined using the water solubility measurement described in the Measurement Methods chapter.
  • the proportion of the binder is preferably 3 wt.% to 25 wt.%, more preferably 3 wt.% to 20 wt.%, in particular 5 wt.% to 15 wt.%, in each case based on the total weight of the coating.
  • At least partially water-soluble binders may contain a single at least partially water-soluble polymer or a mixture of at least partially water-soluble polymers.
  • the at least partially water-soluble binder is selected from the group consisting of polyvinyl acetate, preferably partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, polyacrylamide, polyacrylic acid and salts thereof, polycarbonic acid and salts thereof, polyamino acid, modified starch, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch, modified cellulose, such as cellulose ethers, cellulose esters, cellulose amide, pullulan, guar gum, gum arabic, xanthan, carrageenan, cellulose, gelatin and salts thereof, dextrin, maltodextrin and copolymers and blends thereof.
  • polyvinyl acetate preferably partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyal
  • the at least partially water-soluble binder is selected from the group consisting of polyvinyl acetate, partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, cellulose-based binder, preferably methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, and chemically modified starch, in particular ethoxylated starch, hydroxypropylated starch and copolymers and blends thereof.
  • the at least partially water-soluble binder is particularly preferably selected from the group consisting of polyvinyl acetate, partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, cellulose-based binder, preferably methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, and chemically modified starch, in particular ethoxylated starch, hydroxypropylated starch and blends thereof.
  • the at least partially water-soluble binder is particularly preferably selected from the group consisting of polyvinyl acetate, partially saponified polyvinyl acetate, polyacrylamide, cellulose-based binder, preferably methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, and chemically modified starch, in particular ethoxylated starch, hydroxypropylated starch and blends thereof.
  • the at least partially water-soluble binder is selected from the group consisting of partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 100 mol%, in particular 70 to 100 mol%, polyvinyl alcohol, methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch and copolymers and blends thereof.
  • the at least partially water-soluble binder is selected from the group consisting of partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 95 mol%, in particular 70 to 95 mol%, methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch and copolymers and blends thereof.
  • the at least partially water-soluble binder is particularly preferably selected from the group consisting of partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 100 mol%, in particular 70 to 100 mol%, polyvinyl alcohol, methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, ethoxylated starch and hydroxypropylated
  • the at least partially water-soluble binder is selected from the group consisting of partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 95 mol%, in particular 70 to 95 mol%, methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, ethoxylated starch and hydroxypropylated starch and blends thereof.
  • the at least partially water-soluble binder is particularly preferably selected from the group consisting of partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 100 mol%, in particular 70 to 100 mol%, polyvinyl alcohol and copolymers and blends thereof.
  • the at least partially water-soluble binder is selected from the group consisting of partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 100 mol%, in particular 70 to 100 mol%, polyvinyl alcohol and blends thereof.
  • the at least partially water-soluble binder is partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 100 mol%, in particular 70 to 100 mol% and/or polyvinyl alcohol.
  • the at least partially water-soluble binder is partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 95 mol%, in particular 70 to 95 mol%.
  • PVOH Polyvinyl alcohol
  • Polyvinyl alcohol is a synthetic polymer that can be produced by the hydrolysis or saponification of polyvinyl acetate.
  • PVOH can be produced by complete hydrolysis or saponification of polyvinyl acetate by converting all acetate groups into alcohol groups.
  • Polyvinyl alcohol can be considered as a vinyl alcohol homopolymer.
  • PVOH has many hydrogen bonds, it is a highly crystalline polymer that dissolves in hot water above about 60°C.
  • partially saponified polyvinyl acetate In partially saponified polyvinyl acetate there are fewer hydrogen bonds than in polyvinyl alcohol. The polymer is less hydrogen-bonded, less crystalline and soluble in cold water. As such, the partially saponified polyvinyl acetate can also be regarded as a vinyl alcohol-vinyl acetate copolymer.
  • a preferred partially saponified polyvinyl acetate contains only vinyl alcohol groups and vinyl acetate groups.
  • the coating described here can contain one or more polyvinyl alcohols, one or more partially saponified polyvinyl acetates or a combination thereof as a binder.
  • the binder contains polyvinyl alcohol and/or partially saponified polyvinyl acetate.
  • the binder comprises a polyvinyl alcohol copolymer and/or a copolymer of a partially saponified polyvinyl acetate.
  • Polyvinyl alcohol copolymers contain at least one further monomer unit in addition to the vinyl alcohol groups.
  • Copolymers of partially saponified polyvinyl acetate contain at least one additional monomer unit in addition to the vinyl alcohol groups and the vinyl acetate groups.
  • the polyvinyl alcohol copolymer and/or the copolymer of partially saponified polyvinyl acetate has at least one neutral further monomer unit, in particular ethylene, propylene and/or N-vinylpyrrolidone.
  • the polyvinyl alcohol copolymer and/or the copolymer of partially saponified polyvinyl acetate has at least one further cationic monomer unit.
  • the polyvinyl alcohol copolymer and/or the copolymer of partially saponified polyvinyl acetate has at least one further anionic monomer unit, in particular vinyl polymerization units, sulfonic acid vinyl monomers and their esters, monocarboxylic acid vinyl monomers, their esters and anhydrides, dicarboxylic acid monomers with a polymerizable double bond, their esters, anhydrides and alkali metal salts of the aforementioned substances.
  • anionic further monomer units are the vinyl polymerization units corresponding to the anionic vinyl monomers including vinyl acetic acid, maleic acid, monoalkyl maleate, dialkyl maleate, maleic anhydride, fumaric acid, monoalkyl fumarate, dialkyl fumarate, itaconic acid, monoalkyl itaconate, dialkyl taconate, citraconic acid, monoalkyl citraconic acid, dialkyl citraconic acid, citraconic anhydride, mesaconic acid, monoalkyl mesaconate, dialkyl mesaconate, glutaconic acid, monoalkyl glutaconate, dialkyl glutaconate, glutaconic anhydride, alkyl acrylates, alkyl alkacrylates, vinyl sulfonic acid, sulfonic acid, allyl sulfonic acid, ethylene sulfonic acid, 2-acrylamido-l-methylpropanesulfonic acid, 2-acrylamide-2-
  • esters of the foregoing e.g. methyl, ethyl or other C1-C4 or C6 alkyl esters
  • combinations of the foregoing e.g. several types of anionic monomers or equivalent forms of the same anionic monomer.
  • the polyvinyl alcohol copolymer and/or the partially saponified polyvinyl acetate copolymer may contain two or more types of additional monomer units selected from neutral, anionic and/or cationic monomer units.
  • the coating described here may contain one or more of the described polymers as binders.
  • the coating has at least one non-white dye.
  • the advantage of this is that the coating quality can be easily assessed visually.
  • the first textile fabric comprises glass fibers with a diameter of 1 to 30 pm, even more preferably 5 to 20 pm, even more preferably 7 to 18 pm, in particular 7 to 15 pm.
  • thermal insulation material for electrochemical cells, preferably for lithium-ion cells, for cell modules and/or battery systems, comprising a thermally insulating layer which comprises a first textile fabric, wherein the first textile fabric has a coating which contains aerogel particles and a binder, wherein the binder is preferably at least partially water-soluble and wherein the binder is selected from the group consisting of polyvinyl acetate, preferably partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, polyacrylamide, polyacrylic acid and salts thereof, polycarbonic acid and salts thereof, polyamino acid, modified starch, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch, modified cellulose, such as cellulose ethers, cellulose esters, cellulose amide, pullulan, guar gum, gum arabic, xanthan, carrageenan, cellulose
  • Preferred binders of the thermal insulation material correspond to those described above with respect to the at least partially water-soluble binder.
  • the binder is preferably selected from the group consisting of polyvinyl acetate, preferably partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, acrylate copolymer, Polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, polyacrylamide, polyacrylic acid and its salts, polycarbonic acid and its salts, polyamino acid, modified starch, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch, modified cellulose such as cellulose ethers, cellulose esters, cellulose amide, pullulan, guar gum, gum arabic, xanthan, carrageenan, cellulose, gelatin and its salts, dextrin, maltodextrin and copolymers and blends thereof.
  • polyvinyl acetate preferably partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, acrylate copolymer, Polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, poly
  • the binder is preferably selected from the group consisting of polyvinyl acetate, preferably partially saponified polyvinyl acetate, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, polyacrylamide, polyacrylic acid and salts thereof, polycarbonic acid and salts thereof, polyamino acid, modified starch, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch, modified cellulose, such as cellulose ethers, cellulose esters, cellulose amide, pullulan, guar gum, gum arabic, xanthan, carrageenan, cellulose, gelatin and salts thereof, dextrin, maltodextrin and copolymers and blends thereof.
  • polyvinyl acetate preferably partially saponified polyvinyl acetate, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, polyacrylamide, polyacrylic acid and salts thereof
  • the binder is particularly preferably selected from the group consisting of polyvinyl acetate, partially saponified polyvinyl acetate, polyacrylamide, cellulose-based binder, preferably methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, and chemically modified starch, in particular ethoxylated starch, hydroxypropylated starch and blends thereof.
  • the binder is selected from the group consisting of partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 95 mol%, in particular 70 to 95 mol%, methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch and blends thereof.
  • the binder is partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 95 mol%, in particular 70 to 95 mol%.
  • the coating comprises a binder which is at least partially water-soluble according to the method defined in the description and/or a binder which is preferably at least partially water-soluble and is selected from the group consisting of polyvinyl acetate, preferably partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, polyacrylamide, polyacrylic acid and its salts, polycarbonic acid and its salts, polyamino acid, modified starch, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch, modified cellulose, such as cellulose ethers, cellulose esters, cellulose amides and their copolymers, pull
  • the thermal insulation material according to the invention has no water-insoluble binder or has water-insoluble binder only in an amount of less than 10% by weight, preferably less than 7.5% by weight, in particular less than 5% by weight, based on the total weight of the coating.
  • the water-insoluble binder is preferably a binder that is at least partially water-insoluble according to the method defined in the description. The advantage of this is the better recyclability.
  • the thermal insulation material according to the invention has no water-insoluble binder or water-insoluble binder selected from inorganic binders, in particular from water glass, silica sol, cement, clay minerals and/or phosphorus-containing binders, for example as phosphate, only in an amount of less than 10% by weight, preferably less than 7.5% by weight, in particular less than 5% by weight, based on the total weight of the coating.
  • inorganic binders in particular from water glass, silica sol, cement, clay minerals and/or phosphorus-containing binders, for example as phosphate
  • Thermal insulation material does not contain any inorganic binder or inorganic binder only in an amount of less than 1 wt.%, preferably less than 0.5 wt.%, in particular less than 0.1 wt.%, based on the total weight of the coating.
  • the thermal insulation material according to the invention contains no blowing agent, for example selected from saturated hydrocarbons with 1-8 carbon atoms, halogenated hydrocarbons with 1-8 carbon atoms and carbon dioxide, or blowing agent, for example selected from saturated hydrocarbons with 1-8 carbon atoms, halogenated hydrocarbons with 1-8 carbon atoms and carbon dioxide, only in an amount of less than 1 wt.%, preferably less than 0.5 wt.%, in particular less than 0.1 wt.%, based on the total weight of the coating.
  • blowing agent for example selected from saturated hydrocarbons with 1-8 carbon atoms, halogenated hydrocarbons with 1-8 carbon atoms and carbon dioxide
  • the coating does not contain any fibers that do not belong to the textile fabric or fibers that do not belong to the textile fabric only in a proportion of less than 5% by weight, more preferably less than 2.5% by weight, based on the total weight of the coating.
  • the advantage of this is a lower thermal conductivity. Fibers that do not belong to the textile fabric do not touch the textile fabric in the uncompressed state of the thermal insulation material.
  • the coating is made from a precursor material which contains no fibers, or fibers only in a proportion of less than 5% by weight, more preferably less than 2.5% by weight, based on the total weight of the precursor material.
  • the aerogel particles preferably comprise inorganic, organic or inorganic-organic hybrid materials.
  • Aerogels can be produced by drying a gel from a gelatinous substance, preferably silica, under extreme conditions. Aerogels in the broader sense, ie in the sense of "gel with air as a dispersant", are produced by drying a suitable Gels are produced.
  • the term "aerogel” in this sense includes aerogels in the narrower sense and xerogels. A dried gel is referred to as an aerogel in the narrower sense if the liquid of the gel is removed at temperatures above the critical temperature and starting from pressures above the critical pressure. The advantage of this is that these special drying conditions ensure dimensional stability.
  • the resulting gel is called a xerogel.
  • aerogels that are not dried under critical conditions can also be used. With this procedure, the dimensional stability in the drying process can be maintained by functionalizing, preferably silanizing, the gel precursor surface (functionalized aerogels).
  • functionalized aerogels are that they can be made hydrophobic through functionalization and thus absorb less moisture during use. In addition, they are more cost-effective than aerogels in the narrower sense, since they can be produced continuously.
  • the aerogels according to the invention are aerogels in the sense of gel with air as a dispersant, i.e. aerogels in the broader sense.
  • the shaping process of the aerogel is usually completed during the sol-gel transition. After the solid gel structure has formed, the external shape can usually only be changed by comminution, for example grinding, since the material is too brittle for any other form of processing.
  • Preferred aerogel particles are made of silica.
  • the aerogel particles preferably have a particle size distribution with a d50 value of 50 pm to 3 mm, more preferably from 200 pm to 3 mm and/or a d95 value of 50 pm to 10 mm, more preferably from 500 pm to 5 mm and in particular from 750 to 2.5 mm.
  • the aerogel particles preferably have a particle size distribution with a d50 value of 5 pm to 300 pm, more preferably more preferably from 5 ⁇ m to 150 ⁇ m and/or a d95 value from 5 ⁇ m to 750 ⁇ m, even more preferably from 5 ⁇ m to 500 ⁇ m and in particular from 5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the particle size distribution is measured according to DIN 66165-2:2016-08.
  • the coating preferably has a proportion of aerogel particles of at least 60% by weight, for example from 60 to 95% by weight, more preferably from 60 to 90% by weight, even more preferably from 60 to 85% by weight and in particular from 60 to 80% by weight, in each case based on the total weight of the coating.
  • the thermal insulation material also preferably has a proportion of aerogel particles of 6 to 75% by weight, more preferably 10 to 70% by weight, more preferably 10 to 60% by weight, more preferably 15 to 55%, in each case based on the total weight of the thermal insulation material.
  • the thermal insulation material comprises a first textile fabric that has a coating that contains aerogel particles and a binder.
  • a coating is understood to mean that the aerogel particles and the binder at least partially cover at least one surface of the first textile fabric.
  • the coating can also have penetrated at least partially into the first textile fabric.
  • the coating can therefore also be present at least partially as an impregnation.
  • the coating can be present on one or both surfaces of the first textile fabric. It is preferably present on just one surface, since the textile fabric can thus offer mechanical protection on the side facing away from the coating and/or act as an adhesive aid.
  • the thermal insulation material has at least a second textile fabric.
  • the second textile fabric can function as a protective layer.
  • the second textile fabric is arranged on the side of the coating facing away from the first textile fabric. In this way, the textile fabrics on both sides of the coating offer mechanical protection.
  • the coating can also have penetrated at least partially into the second textile fabric.
  • the coating can therefore also be present at least partially as an impregnation in the second textile fabric. This offers the advantage of even better particle integration, since the particles can be "wedged" in the interfibre spaces.
  • the second textile fabric is also preferably located at least partially outside the coating. This allows it to protect the thermal insulation material from mechanical stress.
  • the proportion of aerogel parti is preferably at most 75% by weight, for example from 10 to 75% by weight, more preferably from 10 to 65% by weight, more preferably from 15 to 65% by weight, more preferably from 15 to 55% by weight, in each case based on the total weight of the thermal insulation material.
  • the proportion of aerogel particles is preferably at least 6% by weight, for example from 6 to 60% by weight, more preferably from 10 to 60% by weight, more preferably from 10 to 55% by weight, more preferably from 15 to 45% by weight, in each case based on the total weight of the thermal insulation material.
  • the coating can also contain one or more additional additives, for example fire protection additives, in particular additives based on organic nitrogen and/or phosphorus compounds.
  • fire protection additives in particular additives based on organic nitrogen and/or phosphorus compounds.
  • the coating may also contain wetting agents, for example to enable aqueous coating formulations with incompatible hydrophobic aerogels, rheology modifying additives such as acrylates, acrylamides, cellulosic systems, dispersing agents, dyes and/or defoamers.
  • the first and/or the second textile fabric is a nonwoven fabric.
  • a nonwoven fabric is a fabric made of fibers of limited length (staple fibers), continuous fibers (filaments) or cut yarns of any type and of any origin, which have been joined together in some way to form a nonwoven fabric (a fiber layer, a fiber pile) and connected to one another in some way; this excludes the crossing or entanglement of yarns, as occurs in weaving, knitting, lace making, braiding and the manufacture of tufted products. Films and papers are not included in nonwoven fabrics. Nonwoven fabrics are defined in the standard DIN 61210-2:1988-10.
  • the first and/or the second textile fabric is a wet-laid nonwoven fabric.
  • the advantage of this is that wet-laid nonwoven fabrics have a high isotropy and uniformity.
  • the first and/or the second textile fabric is a nonwoven fabric, in particular a wet-laid nonwoven fabric, made of fibers with a staple length of 0.5 to 20 mm, more preferably 2 to 20 mm, more preferably 5 to 20 mm, more preferably 5 to 18 mm, in particular 8 to 15 mm.
  • the first and/or the second textile fabric is a nonwoven fabric, in particular a wet-laid nonwoven fabric, which contains fibers with a staple length of 0.5 to 20 mm, more preferably from 2 to 20 mm, more preferably from 5 to 20 mm, more preferably from 5 to 18 mm, in particular from 8 to 15 mm in a proportion of at least 50% by weight, more preferably at least 70% by weight, more preferably at least 80% by weight, more preferably at least 90% by weight, and in particular 100% by weight, in each case based on the total amount of fibers in the textile fabric.
  • the advantage of shorter fibers is that they are easier to recycle because they are less likely to entangle with each other.
  • the diameter of the fibers is preferably from 1 to 30 pm, more preferably from 5 to 20 pm, even more preferably from 7 to 18 pm, in particular from 7 to 15 pm.
  • the first and/or the second textile fabric is a nonwoven fabric, in particular a wet-laid nonwoven fabric, which is bonded with a binder, in particular with a at least partially water-soluble binders.
  • the water solubility of the binder can be determined analogously to that of the binder, as described in the chapter on measurement methods.
  • the binder, in particular the at least partially water-soluble binder is preferably selected from the polymers described according to the invention in relation to the at least partially water-soluble binder.
  • the binder is preferably at least partially water-soluble and selected from the group consisting of polyvinyl acetate, preferably partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, polyacrylamide, polyacrylic acid and salts thereof, polycarbonic acid and salts thereof, polyamino acid, modified starch, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch, modified cellulose, such as cellulose ethers, cellulose esters, cellulose amides and copolymers thereof, pullulan, guar gum, gum arabic, xanthan, carrageenan, cellulose, gelatin and salts thereof, dextrin, maltodextrin and blends thereof.
  • polyvinyl acetate preferably partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethylene
  • the binder is preferably at least partially water-soluble and selected from the group consisting of polyvinyl acetate, partially saponified polyvinyl acetate, polyacrylamide, cellulose-based binder, preferably methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, and chemically modified starch, in particular ethoxylated starch, hydroxypropylated starch and blends thereof.
  • the binder is preferably at least partially water-soluble and selected from the group consisting of polyvinyl acetate, partially saponified polyvinyl acetate, polyacrylamide, cellulose-based binder, preferably methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, and chemically modified starch, in particular ethoxylated starch, hydroxypropylated starch and blends thereof.
  • the binder is preferably at least partially water-soluble and selected from the group consisting of partially saponified polyvinyl acetate, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 95 mol%, in particular 70 to 95 mol%, methylcellulose, carboxymethylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, ethoxylated starch and hydroxypropylated starch and blends thereof.
  • the first and/or the second textile fabric contains glass fibers.
  • both the first and the second textile fabric contain glass fibers.
  • the advantage of using glass fibers is that, due to their high density, they sink to the bottom during the recycling process and can thus be easily separated from the lighter aerogel parts.
  • the proportion of glass fibers, based on the total weight of the thermal insulation material, is preferably 25 to 94% by weight, more preferably 35 to 85% by weight, more preferably 40 to 75% by weight, and in particular 50 to 65% by weight.
  • the proportion of glass fibers in the first textile fabric, based on the total weight of the first textile fabric, is further preferably 60 to 98% by weight, more preferably 70 to 95% by weight, and in particular 80 to 95% by weight. More preferably, the proportion of glass fibers in the second textile fabric, based on the total weight of the second textile fabric, is 60 to 98% by weight, even more preferably from 70 to 95% by weight and in particular from 80 to 95% by weight.
  • the glass fibers are preferably staple fibers, preferably with an average fiber length of 2 to 20 mm, more preferably 5 to 18 mm, in particular 8 to 15 mm.
  • the diameter of the glass fibers is preferably 1 to 30 pm, more preferably 5 to 20 pm, in particular 7 to 15 pm.
  • the glass fibers of the aforementioned stacks can be used independently of one another for the first and/or second textile fabric.
  • the first textile fabric is a nonwoven fabric, preferably a wet-laid nonwoven fabric.
  • the second textile fabric is a nonwoven fabric, preferably a wet-laid nonwoven fabric.
  • the first and the second textile fabrics can independently of one another also comprise fibres which are not glass fibres, in particular binding fibres and/or at least partially water-soluble fibers.
  • Preferred binding fibers and/or at least partially water-soluble fibers are polyvinyl alcohol fibers and/or polyvinyl acetate fibers in which the polyvinyl acetate is partially saponified, preferably with a degree of saponification of at least 50 mol%, for example 50 to 100 mol%, in particular 70 to 100 mol%.
  • a measurement to determine whether fibers are at least partially water-soluble is described in the chapter on measurement methods.
  • the proportion of fibers that are not glass fibers, in particular of the at least partially water-soluble fibers, in the first textile fabric, based on the total weight of the first textile fabric is from 40 to 2 wt.%, more preferably from 30 to 4 wt.%, more preferably from 25 to 5 wt.%, in particular from 15 to 5 wt.%.
  • the proportion of fibers that are not glass fibers, in particular of the at least partially water-soluble fibers, in the second textile fabric, based on the total weight of the second textile fabric is from 40 to 2 wt.%, more preferably from 30 to 4 wt.%, more preferably from 25 to 5 wt.%, in particular from 15 to 5 wt.%.
  • the first and second textile fabrics independently contain both glass fibers and non-glass fibers in combination.
  • At least partially water-soluble fibers may contain a single at least partially water-soluble polymer or a mixture of at least partially water-soluble polymers.
  • Preferred non-glass fibers are fibers containing at least one polymer as described with respect to the at least partially water-soluble binder.
  • the first textile fabric has a basis weight measured according to ISO 9073-1:1989-07 in the range from 30 g/m 2 to 300 g/m 2 , more preferably in the range from 40 g/m 2 to 300 g/m 2 , in particular in the range from 50 g/m 2 to 250 g/m 2 .
  • the advantage here is that the first textile fabric has sufficient coverage, to ensure good fiber-coating interaction and also has sufficient strength for further processing.
  • the first textile fabric also preferably has a thickness, measured according to DIN EN ISO 9073-2:1997-02, in the range from 0.2 mm to 3.0 mm, even more preferably in the range from 0.3 mm to 2.5 mm, in particular in the range from 0.5 mm to 2.0 mm.
  • the advantage of textile fabrics with a relatively low thickness is that they require little space. Furthermore, this means that the thermal insulation material can contain a relatively large amount of aerogel while still having a low overall thickness.
  • the coating is one that has been applied to the first textile fabric from a, preferably aqueous, dispersion.
  • the dispersion preferably has a solids content in the range of 10 to 30% by weight, more preferably 15 to 25% by weight. The advantage of this is that a lot of solids can be applied at low viscosities with a relatively small amount of liquid phase.
  • the coating is made from a, preferably aqueous, dispersion which contains no fibers, or fibers only in a proportion of less than 2 wt.%, more preferably less than 1 wt.%, in particular less than 0.5 wt.%, based on the total weight of the dispersion.
  • the second textile fabric preferably has a basis weight in the range of 30 g/m 2 to 300 g/m 2 , more preferably in the range of 40 g/m 2 to 300 g/m 2 , in particular in the range of 50 g/m 2 to 250 g/m 2 .
  • the advantage of this is that the textile fabric has sufficient coverage to ensure good fiber-coating interaction and also has sufficient strength for further processing.
  • the second textile fabric also preferably has a thickness, measured according to DIN EN ISO 9073-2:1997-02, in the range from 0.2 mm to 3.0 mm, preferably in the range from 0.3 mm to 2.5 mm, in particular in the range from 0.5 mm to 2.0 mm.
  • the advantage of textile fabrics with a relatively low thickness is that they require little space.
  • the advantage of textile fabrics with a relatively high thickness is that they are compressible and can compensate for thickness fluctuations in battery cells.
  • the second textile fabric preferably has a low maximum tensile strength measured according to DIN EN ISO 9073-18:2008-08 so that the protected thermal insulation material is flexible.
  • the maximum tensile strength of the second textile fabric is preferably in the range of 5 to 80 N/5cm, preferably in the range of 10 to 70 N/5cm and particularly preferably from 15 to 60 N/5cm.
  • the second textile fabric has a tensile force, measured according to DIN EN ISO 9073-18:2008-08, at 1 percent elongation of 2 to 60 N/5cm, preferably in the range of 3 to 50 N/5cm, more preferably 5 to 45 N/5cm, even more preferably 10 to 45 N/5cm and in particular 10 to 30 N/5cm.
  • the advantage of this is that the strength is low at low elongations, so that the material retains a certain flexibility.
  • the first textile fabric preferably has a maximum tensile strength, measured according to DIN EN ISO 9073-18:2008-08, of at least 30 N/5cm, preferably in the range from 30 to 1000 N/5cm, more preferably from 30 to 800 N/5cm, more preferably from 30 to 400 N/5cm, more preferably from 30 to 200 N/5cm, in particular from 30 to 100 N/5cm.
  • the advantage of the minimum tensile strengths mentioned is that they give the thermal insulation material sufficient strength for processing.
  • the thermal insulation material and/or the coating does not contain any water-insoluble binder or contains water-insoluble binder only in an amount of less than 10% by weight, preferably less than 7.5% by weight, in particular less than 5% by weight, based on the total weight of the coating, wherein the water-insoluble binder is preferably a binder which is not water-soluble according to the method defined in the description.
  • the coating is made from a precursor material which does not contain a water-insoluble binder or contains water-insoluble binder only in an amount of less than 10% by weight, preferably less than 7.5% by weight, in particular less than 5% by weight, based on the total weight of the precursor material, wherein the water-insoluble binder is preferably a binder which is not water-soluble according to the method defined in the description.
  • the thermal insulation material has a flame-retardant layer which preferably contains layered silicates, in particular mica.
  • the flame-retardant layer preferably has a weight, measured according to ISO 9073-1:1989-07, of at least 50 g/m 2 , preferably from 60 to 500 g/m 2 , even more preferably from 60 to 300 g/m 2 , in particular from 70 to 150 g/m 2 .
  • the flame-retardant layer is particularly preferably arranged in the thermal insulation material in such a way that it represents at least one outer surface of the thermal insulation material.
  • the thermal insulation material has an IR-reflecting layer.
  • the IR-reflecting layer is preferably arranged in the thermal insulation material such that it represents at least one outer surface of the thermal insulation material.
  • the coating and/or the thermal insulation material has an air permeability (delta p), measured according to DIN EN ISO 9237:1995-12 at 100 Pa of at least 50 l/m 2 s, for example from 100 l/m 2 s to 600 l/m 2 s, preferably from 200 l/m 2 s to 500 l/m 2 s and in particular from 300 l/m 2 s to 400 l/m 2 s.
  • delta p air permeability
  • the coating and/or the thermal insulation material has an air permeability (delta p), measured according to DIN EN ISO 9237:1995-12 at 200 Pa, of at least 100 l/m 2 s, for example from 300 l/m 2 s to 900 l/m 2 s, preferably from 400 l/m 2 s to 800 l/m 2 s and in particular from 500 l/m 2 s to 700 l/m 2 s.
  • the advantage of the air permeabilities mentioned is that they enable cooling of the thermal insulation material by air convection. This type of cooling is particularly efficient when the thermal insulation material has not yet been compressed by the operation of the electrochemical cell.
  • the coating and/or the thermal insulation material has a thickness, measured according to DIN EN ISO 9073-2:1997-02, in the range from 1 mm to 9 mm, or 0.6 mm to 9 mm, preferably in the range from 1.2 mm to 6 mm, or 0.6 mm to 6 mm, even more preferably in the range from 1.3 mm to 4 mm or 0.6 mm to 4 mm and in particular in the range from 1.3 mm to 3 mm or 0.6 mm to 3 mm. If the thickness is less than 4 mm and in particular less than 3 mm, the space requirement is particularly small.
  • the heat insulation material has a basis weight in the range from 60 g/m 2 to 900 g/m 2 , preferably from 70 g/m 2 to 600 g/m 2 , even more preferably in the range from 80 g/m 2 to 400 g/m 2 and in particular in the range from 80 to 200 g/m 2 .
  • This low weight is advantageous for applications in electrochemical cells.
  • the thermal insulation material has a recyclability, measured as described in the Measurement Methods section, of grade 1, 2 or 3.
  • the thermal insulation material has a thermal conductivity under pressure of 20 kPa, measured according to ASTM D 5470-17 of from 0.045 to 0.010 W/m*K, even more preferably from 0.040 to 0.010 W/m*K and in particular from 0.036 to 0.010 W/m*K. More preferably, the thermal insulation material has a thermal conductivity under pressure of 2059 kPa, measured according to ASTM D 5470-17 of from 0.035 to 0.010 W/m*K, even more preferably from 0.030 to 0.010 W/m*K and in particular from 0.027 to 0.010 W/m*K.
  • the thermal insulation material is a thermal insulation material for electrochemical cells, preferably for lithium-ion cells, comprising a thermally insulating layer which comprises a first textile fabric wherein the first textile fabric has a coating which contains aerogel particles and at least one binder which is selected from the group consisting of polyvinyl acetate, preferably partially saponified polyvinyl acetate, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, polyacrylamide, polyacrylic acid and salts thereof, polycarbonic acid and salts thereof, polyamino acid, modified starch, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch, modified cellulose, such as cellulose ethers, cellulose esters, cellulose amides and copolymers thereof, pullulan, guar gum, gum arabic, xanthan, carrageenan, cellulose, gelatin and salts thereof, dextrin, maltodextrin and copo
  • the binder is preferably at least partially water-soluble.
  • the first textile fabric is preferably a wet nonwoven fabric.
  • the first textile fabric is also preferably a nonwoven fabric, preferably a wet nonwoven fabric, which is bound with a binder selected from the group consisting of polyvinyl acetate, preferably partially saponified polyvinyl acetate, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, polyacrylamide, polyacrylic acid and salts thereof, polycarbonic acid and salts thereof, polyamino acid, modified starch, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch, modified cellulose, such as cellulose ethers, cellulose esters, cellulose amides and copolymers thereof, pullulan, guar gum, gum arabic, xanthan, carrageenan, cellulose, gelatin and salts thereof
  • Another object of the invention is an electrochemical cell, preferably a lithium-ion cell, which is thermally insulated by at least one thermal insulation material according to the invention.
  • Another subject of the invention is a battery system in which at least one electrochemical cell, preferably at least one lithium-ion cell, is thermally insulated by at least one thermal insulation material according to the invention.
  • Another subject of the invention is a cell module and/or a battery system in which at least two electrochemical cells are thermally insulated from one another by at least one thermal insulation material.
  • Another object of the invention is a method for recycling a thermal insulation material according to the invention, comprising the following steps: a1) a thermal insulation material according to the invention is comminuted and introduced into a solvent, preferably water, a2) it is stirred and optionally heated, a3) the aerogel particles and the fibers of the textile fabric are separated from one another.
  • the solvent used is preferably one that at least partially dissolves the binder.
  • the preferred solvent is water.
  • the method preferably recycles thermal insulation materials according to one or more of the embodiments described here.
  • preferred embodiments for the thermal insulation material recycled using the method include the embodiments mentioned above and below.
  • Another object of the invention is a method for producing a thermal insulation material for electrochemical cells comprising the following steps:
  • Provision of a first textile fabric preferably with a thickness, measured according to DIN EN ISO 9073-2:1997-02, in the range of 0.2 mm to 3.0 mm,
  • TI b) is preferably at least partially water-soluble according to the method defined in the description and wherein the binder is selected from the group consisting of polyvinyl acetate, preferably partially saponified polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, acrylate copolymer, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyalkylene oxide, polyacrylamide, polyacrylic acid and salts thereof, polycarbonic acid and salts thereof, polyamino acid, modified starch, ethoxylated starch, hydroxypropylated starch, modified cellulose, such as cellulose ethers, cellulose esters, cellulose amides and copolymers thereof, pullulan, guar gum, gum arabic, xanthan, carrageenan, cellulose, gelatin and salts thereof, dextrin, maltodextrin and copolymers and blends thereof;
  • the binder is selected from the group consisting of polyvinyl acetate, preferably partially saponified poly
  • Another object of the invention is a method for producing a thermal insulation material for electrochemical cells comprising the following steps:
  • Provision of a first textile fabric preferably with a thickness, measured according to DIN EN ISO 9073-2:1997-02, in the range of 0.2 mm to 3.0 mm,
  • the methods according to the invention comprise preferred embodiments of the thermal insulation material according to the invention mutatis mutandis.
  • the methods according to the invention are preferably used to produce thermal insulation materials according to one or more of the embodiments described above and below.
  • the heat-insulating layer is provided with at least one second textile fabric that can function as a protective layer.
  • the second textile fabric is preferably arranged on the side of the first textile fabric that has the coating.
  • the dispersion may further contain wetting agents, for example to enable aqueous coating formulations with incompatible hydrophobic aerogels, rheology-modifying additives such as acrylates, acrylamides or cellulosic systems, dispersing aids, dyes and/or defoamers.
  • wetting agents for example to enable aqueous coating formulations with incompatible hydrophobic aerogels, rheology-modifying additives such as acrylates, acrylamides or cellulosic systems, dispersing aids, dyes and/or defoamers.
  • the coating of the textile fabric in step 2 takes place in the form of a doctor blade coating.
  • a further object of the present invention is the use of the thermal insulation material according to the invention for heat management and/or for thermal insulation of electrochemical cells, preferably lithium-ion cells, cell modules and/or battery systems.
  • Preferred embodiments of the use according to the invention comprise preferred embodiments of the thermal insulation material according to the invention mutatis mutandis.
  • distilled water 300 g are placed in a 500 ml Erlenmeier flask. 0.5 g of the dry binder is added to this, preferably with a particle size with a d90 value of 100 pm, measured according to DIN 66165-2:2016-08.
  • the flask is placed in a laboratory shaker for 24 hours at 80°C. It is important to ensure that the shaking frequency is selected such that the mixture is in motion, and evaporating water is topped up. After 24 hours, the solid phase, if present, is separated quantitatively, preferably by filtration. The aqueous phase is evaporated to dryness. If no residue is obtained or If the residue is less than 50 mg, the binder is not water-soluble. If the residue is at least 50 mg, the binder is at least partially water-soluble.
  • distilled water 300 g are placed in a 500 ml Erlenmeier flask. Then 0.5 g of the fiber is taken. The flask is placed in a laboratory shaker for 24 hours at 80°C. Care must be taken to ensure that the shaking frequency is selected such that the mixture is in motion; any evaporating water is topped up. After 24 hours, any solid phase present is separated quantitatively, preferably by filtration. The aqueous phase is evaporated to dryness. If no residue is obtained or the residue is less than 50 mg, the fiber is not water-soluble. If the residue is obtained in an amount of 50 mg or more, the fiber is at least partially water-soluble.
  • sample 1 Take a DIN A4 sized sample of the material to be determined (sample 1) and cut it into small pieces (about 2 x 2 cm). These are placed in a 2000 ml beaker and the sample is mixed with 1000 ml of water. The water is brought to the boil while stirring vigorously and stirred for a further 60 minutes. Then it is allowed to cool to room temperature (23°C) while stirring and the phases are separated for a further 60 minutes. Once the separation has taken place, the aerogel particle slurry is skimmed off and the process repeated two more times. The aerogel particle slurry is then transferred to a crystallization dish, dried at 120°C for 6 hours to constant weight and the mass is determined.
  • the recyclability of the thermal insulation material is rated with a grade of 1. If the difference between the mass of aerogel parti no originally present in the sample and the mass determined by the test is between 25% and 35%, the recyclability of the thermal insulation material is rated with a grade of 2. If the difference between the mass of aerogel parti no originally present in the sample and the mass determined by the test is between 35% and 45%, the recyclability of the thermal insulation material is rated with a grade of 3. If the difference between the mass of aerogel parti no originally present in the sample and the mass determined by the test is between Aerogel parti no and the mass determined by the test over 45%, the recyclability of the thermal insulation material is rated with grade 4.
  • the resulting paste is applied to a wet-laid glass fleece with a surface weight of 60 g/m 2 using a doctor blade coating in a thickness of 1.5 mm and dried.
  • the binder of the glass fleece is the same as that used to bind the aerogel particles.
  • Pattern II is produced analogously to pattern I. After coating, another layer of glass fleece is applied to the still wet layer, lightly pressed down and then dried.
  • Aerogel Blanket Type: SACB-0-6
  • Reference pattern 2 Nasbis Insulation Sheet: EYGY0912Q.N3P (films included on the product have been removed).
  • the loaded sample is then removed from the test device, weighed and visually assessed.
  • the optical assessment is carried out by shaking the sample over a white piece of paper (in the case of coloured particles) or a black piece of paper (in the case of white particles) and assessing whether particles have come loose from the coating. In the case of laminates, the layer adhesion is also assessed.
  • the 3 measurements on sample I show no decomposition in the sense of aerogel particles falling out.
  • the thermal insulation material shows no delamination and no aerogel particles falling out.
  • Reference sample 1 already shows aerogel dust during assembly of the test specimens and increased aerogel particles on the test plate and in the shaking test after loading.
  • Reference sample 2 shows aerogel particles in the shaking test.
  • the thermal conductivity under pressure is measured according to ASTM D 5470-17 and gives the following results:
  • Samples 1 and 2 according to the invention provide lower thermal conductivity coefficients over the entire pressure range and thus have better insulation properties.
  • sample 1 was determined and given a grade of 1.
  • Reference sample 1 was given a grade of 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische Zellen, vorzugsweise für Lithium-Ionen Zellen, umfassend eine wärmeisolierende Schicht, die ein erstes textiles Flächengebilde umfasst, wobei das erste textile Flächengebilde eine Beschichtung aufweist, die Aerogelpartikel und mindestens einen Binder enthält, der zumindest teilweise wasserlöslich ist.

Description

Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische Zellen
Die Erfindung betrifft ein Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische Zellen, insbesondere für Lithium-Ionen Zellen, eine elektrochemische Zelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen Zelle, die durch ein erfindungsgemäßes Wärmeisolationsmaterial thermisch isoliert vorliegt sowie ein Zellmodul und/oder ein Batteriesystem, in dem mindestens zwei elektrochemische Zellen durch ein erfindungsgemäßes Wärmeisolationsmaterial voneinander thermisch isoliert vorliegen. Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zur Herstellung des Wärmeisolationsmaterials sowie seine Verwendung.
Wärmeisolationsmaterialien zur Vermeidung oder zumindest Verzögerung des „thermal runaway" (Thermischen Durchgehens) für elektrochemische Zellen sind bekannt. Thermisches Durchgehen stellt ein hohes Sicherheitsrisiko dar. Sicherheitsnormen für Lithium-Ionen-Batterien umfassen somit auch einen Brandtest. Bei diesem Test wird eine Zelle in einem Batteriemodul einem „thermal runaway" ausgesetzt, und dann wird festgestellt, ob eine Entzündung infolge der thermischen Ausbreitung auf andere Zellen auftritt. Um diese Gefahr zu verringern, werden zwischen den Zellen meist feuerfeste Materialien bzw. Wärmeisolationsmaterialien, d.h. Materialien mit hohen thermischen Isolationseigenschaften, angeordnet.
Herkömmliche Wärmeisolationsmaterialien wie Schaumstoff- oder Faserplatten können zwar hohe Temperaturen aushalten, haben aber eine relativ geringe Wärmeisolationskapazität. Bei solchen Materialien muss folglich die Dicke der Isolierung hoch eingestellt werden, damit ein effektives Wärmemanagement gewährleistet werden kann. Der Platzbedarf für Batteriemodule schränkt jedoch den für die Isolierung verfügbaren Raum zwischen den Zellen innerhalb des Moduls ein. Feuerfeste Materialien wie Glimmer oder Keramikplatten können zwar ebenfalls hohe Temperaturen aushalten, sind aber relativ inkompressibel und haben eine geringe Wärmeisolierkapazität. Solche Materialien eignen sich deshalb nicht für Batteriesysteme, bei denen sich die Zellen während des Betriebs ausdehnen und zusammenziehen, wie z. B. bei Pouch- und prismatischen Zellen. Ebenso ist es wünschenswert, das Gesamtgewicht des Batteriemoduls zu begrenzen, ohne die Beständigkeit gegen Wärmeausbreitung, Feuerausbreitung oder auch die mechanischen Eigenschaften zu verschlechtern.
Um eine gute thermisch isolierende Wirkung zu erzielen ist es ferner bekannt Aerogele einzusetzen, die eine sehr hohe Isolationsfähigkeit aufweisen. Aerogele sind eine Klasse von Strukturen mit geringer Dichte, offenen Zellstrukturen, großen Oberflächen und Porengrößen im Nanometerbereich. Ihre Wirkungsweise beruht darauf, dass ihre geringe Dichte bewirkt, dass die Wärmeleitung über lange Wege innerhalb der Gerüststruktur erfolgt. Darüber hinaus führen die vorhandenen großen Porenvolumina und die sehr kleinen Porengrößen zu minimaler Konvektion. Aerogele können auch mit IR-absorbierenden oder streuenden Dotierstoffen versehen werden, um die isolierende Wirkung zu erhöhen. In der Regel haben Aerogel-Materialien einen zwei- bis sechsmal höheren Wärmewiderstand als andere gängige Isolationsarten, z. B. Schaumstoffe, Glasfasern usw. Aus diesem Grund können Aerogele die effektive Abschirmung und Wärmedämmung erhöhen, ohne die Dicke oder das Gewicht der Isolierung wesentlich zu vergrößern.
Es wäre wünschenswert ein Wärmeisolationsmaterial für das Wärmemanagement von elektrochemischen Zellen, insbesondere von Lithium-Ionen Batterien zu erhalten, das sich zur thermischen Isolierung von einzelnen Zellen, Zellmodulen und/oder von Batteriesystemen eignet und das eine hohe Wärmeisolationsfähigkeit mit geringer Dicke und Gewicht kombiniert. Aus Nachhaltigkeitsgründen wäre ferner wünschenswert, dass das Wärmeisolationsmaterial auf einfache Weise recyclierbar ist.
Aus der US 2012/0142802 A sind offenzellige Schaumstoffe bekannt, die mit Aerogel parti kein gefüllt sind. Die US 2019/0161909 A von Oikawa offenbart eine Wärmedämmplatte mit einem Vliesstoff und einem Aerogel. Die dort beschriebenen Materialien weisen jedoch nicht die gewünschte Kombination aus thermischen, feuerfesten, mechanischen und hydrophoben Eigenschaften zur Verwendung in Wärmemanagementelementen von Batterien auf. Ferner sind die Materialien nicht einfach recyclebar. Aus der WO2021142169 Al ist ein Batterie-Wärmemanagement-Element bekannt, umfassend: eine erste Wärmeschutzschicht und mindestens eine elastische Schicht, die ein oder mehrere organische Materialien enthält. Die Wärmeschutzschichten können eine Aerogel-Zusammensetzung umfassen, die bevorzugt eine Silica-Aerogel-Zusammensetzung ist. Die Aerogel-Zusammensetzung kann ferner einen Binder enthalten, wobei als Binder Klebstoffe, Harze, Zemente, Schäume und Polymere genannt werden. Das Wärmemanagement-Element ist nicht einfach recyclebar.
Aus der US 2021257690A1 ist eine Baugruppe für eine Batterie bekannt, umfassend eine Wärmemanagement-Mehrschichtfolie, die auf einer Oberfläche einer elektrochemischen Zelle angeordnet ist, wobei die Wärmemanagement-Mehrschichtfolie Folgendes umfasst eine thermisch isolierende Schicht, eine erste wärmeverteilende Schicht, die auf einer ersten Seite der wärmeisolierenden Schicht angeordnet ist, und eine zweite wärmeverteilende Schicht, die auf einer zweiten Seite der wärmeisolierenden Schicht angeordnet ist.
Die thermisch isolierende Schicht kann einen Vliesstoff, beispielsweise aus Faserglas, kombiniert mit einem Aerogel und einen Binder enthalten. Als Binder für die Faserglasschicht werden Epoxid, ein Polyamid, ein Polyimid, ein Polyester wie Poly(butylenterephthalat), ein Polyethylen, ein Polypropylen, ein Polystyrol, ein Polycarbonat, ein Polysulfon, ein Polyurethan, ein Silikon und ein Vinylester genannt. Die Schicht ist nicht einfach recyclebar.
Handelsübliche Wäremeisolationsmaterialien auf Aerogel-Basis, wie beispielsweise das Aerogel Blankett: Typ: SACB-0-6, der Firma Tradematt (Henan) Industry, bzw., das Nasbis Insulation Sheet: EYGY0912Q.N3P der Firma Panasonic Industrial Devices, weisen außerdem den Nachteil auf, dass sie stauben. Aus diesem Grund ist das Nasbis Insulation Sheet verpackt, was allerdings zu einer verschlechterten Komprimierbarkeit führt. KR 2019 0143300 A beschreibt eine Aerogel-Isolierzusammensetzung, die Aerogel-Pulver, ein faseriges Isoliermaterial und ein organisch-anorganisches Verbundbindemittel umfasst. Das faserige Isoliermaterial kann aus Langfasern, Kurzfasern oder einer Mischung aus Langfasern und Kurzfasern bestehen. Die Aerogel-Isolierzusammensetzung kann durch Mischen von Aerogel mit dem faserigen Isoliermaterial und einem organisch-anorganischen Binder hergestellt werden. Eine Faserschicht kann als Träger auf einer oder beiden Seiten der Aerogel-Isolierzusammensetzung angeordnet sein. Die Faserschicht ist vergleichsweise dünn (10-40pm), was für die Festigkeit und Kompressibilität nachteilig ist. Außerdem können Dickenschwankungen von Batteriezellen so nur schwer ausgeglichen werden. Darüber hinaus verringern die Fasern innerhalb der Binderschicht die Wärmeisolation. Zusätzlich wirken sich Langfasern nachteilig auf die Recyclingfähigkeit der Isolierzusammensetzung aus, da sie zum Verwickeln neigen.
EP3281968 (Al) beschreibt eine aerogelhaltige Zusammensetzung, umfassend ein Aerogel; ein wasserlösliches Bindemittel, ein Treibmittel und ein Lösungsmittel, wobei das Lösungsmittel Wasser und ein polares organisches Lösungsmittel umfasst. Die Zusammensetzung umfasst bevorzugt Fasern. Die aerogelhaltige Zusammensetzung kann auf einem Träger aufgebracht sein. Auch hier verringern die Fasern innerhalb der Binderschicht die Wärmeisolation. Ferner erhöht das Treibmittel die Brandgefahr und/oder ist umweltschädlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Wärmeisolationsmaterial für das Wärmemanagement von elektrochemischen Zellen, insbesondere von Lithium-Ionen Zellen, Zellmodulen und/oder Batteriesystemen bereit zu stellen, das sich zur thermischen Isolierung für die vorgenannten Produkte eignet und eine hohe Wärmeisolationsfähigkeit mit geringer Dicke und Gewicht kombinieren kann. Ferner soll das Wärmeisolationsmaterial auf einfache Weise recyclebar sein und die an elektrochemische Zellen gestellten Anforderungen bezüglich dynamisch mechanischer Beständigkeit sowie thermischer Isolationsfähigkeit unter Kompression erfüllen. Weitere Aufgaben umfassen die Bereitstellung von Verfahren zur Herstellung des Wärmeisolationsmaterials sowie von Verwendungen hierfür. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische Zellen, vorzugsweise für Lithium-Ionen Zellen, für Zellmodule und/oder Batteriesysteme, umfassend eine wärmeisolierende Schicht, die ein erstes textiles Flächengebilde umfasst, wobei das erste textile Flächengebilde eine Beschichtung aufweist, die Aerogelpartikel und mindestens einen Binder enthält, wobei der Binder zumindest teilweise wasserlöslich ist.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische Zellen, vorzugsweise für Lithium-Ionen Zellen, für Zellmodule und/oder Batteriesysteme, umfassend eine wärmeisolierende Schicht, die ein erstes textiles Flächengebilde umfasst, wobei das erste textile Flächengebilde eine Beschichtung aufweist, die Aerogelpartikel und mindestens einen Binder enthält, wobei der Binder zumindest teilweise wasserlöslich ist und wobei das erste textile Flächengebilde eine Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm aufweist.
Das erfindungsgemäße Wärmeisolationsmaterial eignet sich hervorragend zur thermischen Isolierung von elektrochemischen Zellen, vorzugsweise für Lithium-Ionen Zellen, für Zellmodule und/oder Batteriesysteme und zeigt dabei eine hohe Wärmeisolationsfähigkeit auch bei geringer Dicke und Gewicht. Zellmodule umfassen mindestens zwei miteinander verschaltete elektrochemische Zellen aber kein Batteriemanagementsystem.
Batteriesysteme umfassen mindestens eine elektrochemische Zelle und/oder mindestens ein Zellmodul sowie ein Batteriemanagementsystem. Das Wärmeisolationsmaterial erfüllt die an elektrochemische Zellen gestellten Anforderungen bezüglich dynamisch mechanischer Beständigkeit sowie thermischer Isolationsfähigkeit unter Kompression.
Ferner zeichnet sich das Wärmeisolationsmaterial durch eine gute Recyclebarkeit aus. Die gute Recyclebarkeit wird dadurch ermöglicht, dass das Wärmeisolationsmaterial aufgrund der zumindest teilweisen Wasserlöslichkeit des Binders durch Einbringen z.B. in Wasser oder andere geeignete Lösungsmittel unkompliziert in seine Bestandteile zerlegt werden kann. Aufgrund ihrer geringen Dichte schwimmen die Aerogelpartikel nach Auflösen des Binders auf der Oberfläche des Wassers und können einfach abgeschöpft, getrocknet und wiederverwendet werden. Ein weiterer Vorteil an der Kombination von Aerogelen und zumindest teilweise wasserlöslichem Binder ist die große Oberfläche von Aerogelen. Diese ermöglicht dünne Binderschichten, die sich besonders schnell durch Wasser auflösen lassen.
Der Binder ist vorteilhafterweise zumindest teilweise wasserlöslich. Ob ein Binder erfindungsgemäß zumindest teilweise wasserlöslich ist, kann mit der im Kapitel Messmethoden beschriebenen Wasserlöslichkeitsmessung bestimmt werden.
Der Anteil des Binders beträgt vorzugsweise 3 Gew.% bis 25 Gew.%, noch bevorzugter 3 Gew.% bis 20 Gew.%, insbesondere von 5 Gew.% bis 15 Gew.%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung.
Zumindest teilweise wasserlösliche Binder können ein einzelnes zumindest teilweise wasserlösliches Polymer oder eine Mischung aus zumindest teilweise wasserlöslichen Polymeren enthalten.
Bevorzugt ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierter Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamid, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Copolymeren und Blends hiervon.
Besonders bevorzugt ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyacrylamid, Cellulose basiertem Binder, bevorzugt Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, sowie chemisch modifizierter Stärke, insbesondere ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke sowie Copolymeren und Blends hiervon. Weiter besonders bevorzugt ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyacrylamid, Cellulose basiertem Binder, bevorzugt Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, sowie chemisch modifizierter Stärke, insbesondere ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke sowie Blends hiervon.
Weiter besonders bevorzugt ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyacrylamid, Cellulose basiertem Binder, bevorzugt Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, sowie chemisch modifizierter Stärke, insbesondere ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke sowie Blends hiervon.
Weiter besonders bevorzugt ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus teil verseiftem Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol% beispielsweise 50 bis 100 mol%, insbesondere 70 bis 100 mol%, Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke sowie Copolymeren und Blends hiervon.
Weiter besonders bevorzugt ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus teilverseiftem Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol% beispielsweise 50 bis 95 mol%, insbesondere 70 bis 95 mol%, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke sowie Copolymeren und Blends hiervon.
Weiter besonders bevorzugt ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus teilverseiftem Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 100 mol%, insbesondere 70 bis 100 mol%, Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, ethoxylierter Stärke und hydroxypropylierter
Stärke sowie Blends hiervon.
Weiter besonders bevorzugt ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus teilverseiftem Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 95 mol%, insbesondere 70 bis 95 mol%, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, ethoxylierter Stärke und hydroxypropylierter Stärke sowie Blends hiervon.
Weiter besonders bevorzugt ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus teilverseiftem Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 100 mol%, insbesondere 70 bis 100 mol%, Polyvinylalkohol sowie Copolymeren und Blends hiervon.
Weiter besonders bevorzugt ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus teilverseiftem Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 100 mol%, insbesondere 70 bis 100 mol%, Polyvinylalkohol sowie Blends hiervon.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder teilverseiftes Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 100 mol%, insbesondere 70 bis 100 mol% und/oder Polyvinylalkohol.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest teilweise wasserlösliche Binder teilverseiftes Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 95 mol%, insbesondere 70 bis 95 mol%.
Der Verseifungsgrad des Polyvinylacetats kann mittels IS K 6726, Ausgabe 94 , Oktober 20, 2017 bestimmt werden. Polyvinylalkohol (PVOH) ist ein synthetisches Polymer, das durch die Hydrolyse oder Verseifung von Polyvinylacetat hergestellt werden kann. Dabei kann PVOH durch vollständige Hydrolyse oder Verseifung von Polyvinylacetat hergestellt werden, indem alle Acetatgruppen in Alkoholgruppen umgewandelt werden. Polyvinylalkohol kann als Vinylalkohol-Homopolymer angesehen werden. In PVOH liegen viele Wasserstoffbrücken vor, es ist ein hochkristallines Polymer, das sich in heißem Wasser über etwa 60°C auflöst.
Die Hydrolyse des Polyvinylacetats kann aber auch nicht vollständig sein, wenn man nämlich eine bestimmte Anzahl von Acetatgruppen übrig lässt. Dies führt dann zur Bildung von teilverseiftem Polyvinylacetat. In teil verseiftem Polyvinylacetat liegt eine geringere Anzahl an Wasserstoffbrücken vor als in Polyvinylalkohol. Das Polymer ist schwächer wasserstoffgebunden, weniger kristallin und bereits in kaltem Wasser löslich. Als solches kann das teilverseifte Polyvinylacetat auch als Vinylalkohol-Vinylacetat-Copolymer angesehen werden. Ein bevorzugtes teilverseiftes Polyvinylacetat enthält nur Vinylalkohol- Gruppen und Vinlyacetatgruppen.
Die hier beschriebene Beschichtung kann einen oder mehrere Polyvinylalkohole, ein oder mehrere teilverseifte Polyvinylacetate oder eine Kombination davon als Binder enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Binder Polyvinylalkohol und/oder teilverseiftes Polyvinylacetat.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Binder ein Polyvinylalkohol Copolymer und/oder ein Copolymer eines teilverseiften Polyvinylacetats. Polyvinylalkohol Copolymere enthalten zusätzlich zu den Vinylalkohol-Gruppen mindestens eine weitere Monomereinheit.
Copolymere von teilverseiftem Polyvinylacetat enthalten zusätzlich zu den Vinylalkohol- Gruppen und den Vinlyacetatgruppen mindestens eine weitere Monomereinheit.
In einer Ausführungsform weist das Polyvinylalkohol Copolymer und/oder das Copolymer des teilverseiften Polyvinylacetats mindestens eine neutrale weitere Monomereinheit auf, insbesondere Ethylen, Propylen und/oder N-Vinylpyrrolidon. In einer weiteren Ausführungsform weist das Polyvinylalkohol Copolymer und/oder das Copolymer des teilverseiften Polyvinylacetats mindestens eine kationische weitere Monomereinheit auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Polyvinylalkohol Copolymer und/oder das Copolymer des teilverseiften Polyvinylacetats mindestens eine anionische weitere Monomereinheit auf, insbesondere Vinylpolymerisationseinheiten, Sulfonsäurevinylmonomere und deren Ester, Monocarbonsäurevinylmonomere, deren Ester und Anhydride, Dicarbonsäuremonomere mit einer polymerisierbaren Doppelbindung, deren Ester, Anhydride und Alkalimetallsalze der vorgenannten Stoffe.
Beispiele für besonders geeignete anionische weitere Monomereinheiten sind die Vinylpolymerisationseinheiten, die den anionischen Vinylmonomeren entsprechen einschließlich Vinylessigsäure, Maleinsäure, Monoalkylmaleat, Dialkylmaleat, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Monoalkylfumarat, Dialkylfumarat, Itaconsäure, Monoalkylitaconat, Dialkylltaconat, Citraconsäure, Monoalkylcitraconsäure, Dialkylcitraconsäure, Citraconsäureanhydrid, Mesaconsäure, Monoalkylmesaconat, Dialkylmesaconat, Glutaconsäure, Monoalkyl Glutaconat, Dialkylglutaconat, Glutaconsäureanhydrid, Alkylacrylate, Alkylalkacrylate, Vinylsulfonsäure, Sulfonsäure, Allylsulfonsäure, Ethylensulfonsäure, 2-Acrylamido-l-methylpropansulfonsäure, 2- Acrylamid-2-methylpropansulfonsäure, 2-Methylacrylamido-2-methylpropansulfonsäure Säure, 2-Sulfoethylacrylat, Alkalimetallsalze der vorgenannten (z. B. Natrium-, Kalium- oder andere Alkalimetallsalze), Ester der vorgenannten (z. B. Methyl-, Ethyl- oder andere C1-C4- oder C6-Alkylester) und Kombinationen der vorgenannten (z. B. mehrere Arten von anionischen Monomeren oder gleichwertige Formen des gleichen anionischen Monomers).
In einigen Ausführungsformen kann das Polyvinylalkohol Copolymer und/oder das Copolymer des teilverseiften Polyvinylacetats zwei oder mehr mehrere Arten von weiteren Monomereinheiten enthalten, die aus neutralen, anionischen und/oder kationischen Monomereinheiten ausgewählt sind. Die hier beschriebene Beschichtung kann ein oder mehrere der beschriebenen Polymere als Binder enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtung mindestens einen nicht weißen Farbstoff auf. Vorteilhaft hieran ist, dass auf einfache Weise optisch die Beschichtungsgüte bewertet werden kann.
Weiter bevorzugt weist das erste textile Flächengebilde Glasfasern mit einem Durchmesser von 1 bis 30 pm, noch bevorzugter von 5 bis 20 pm, noch bevorzugter von 7 bis 18 pm, insbesondere von 7 bis 15 pm auf.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische Zellen, vorzugsweise für Lithium-Ionen Zellen, für Zellmodule und/oder Batteriesysteme, umfassend eine wärmeisolierende Schicht, die ein erstes textiles Flächengebilde umfasst, wobei das erste textile Flächengebilde eine Beschichtung aufweist, die Aerogelpartikel und einen Binder enthält, wobei der Binder vorzugsweise zumindest teilweise wasserlöslich ist und wobei der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Acrylat- Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierte Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamid, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Copolymeren und Blends hiervon, wobei das erste textile Flächengebilde vorzugsweise eine Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm aufweist.
Bevorzugte Binder des Wärmeisolationsmaterials entsprechen den oben in Bezug auf den zumindest teilweise wasserlöslichen Binder beschriebenen.
So ist der Binder bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierter Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamid, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Copolymeren und Blends hiervon.
Weiter bevorzugt ist der Binder bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierter Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamid, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Copolymeren und Blends hiervon.
Weiter besonders bevorzugt ist der Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyacrylamid, Cellulose basiertem Binder, bevorzugt Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, sowie chemisch modifizierter Stärke, insbesondere ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke sowie Blends hiervon.
Weiter besonders bevorzugt ist der Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus teilverseiftem Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 95 mol%, insbesondere 70 bis 95 mol%, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke sowie Blends hiervon.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Binder teilverseiftes Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 95 mol%, insbesondere 70 bis 95 mol%. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung einen Binder, der gemäß der in der Beschreibung definierten Methode, zumindest teilweise wasserlöslich ist und/oder einen Binder, der vorzugsweise zumindest teilweise wasserlöslich ist und ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierte Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamide deren Copolymere, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Blends hiervon in einer Menge von 3 Gew.% bis 25 Gew.%, vorzugsweise 3 Gew.% bis 20 Gew.%, insbesondere von 5 Gew.% bis 15 Gew.%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Wärmeisolationsmaterial keinen wasserunlöslichen Binder auf oder wasserunlöslichen Binder lediglich in einer Menge von weniger als 10 Gew.%, vorzugsweise weniger als 7,5 Gew.%, insbesondere weniger als 5 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung. Dabei ist der wasserunlösliche Binder bevorzugt ein Binder, der gemäß der in der Beschreibung definierten Methode, zumindest teilweise wasserunlöslich ist. Vorteilhaft hieran ist die bessere Recyclingfähigkeit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Wärmeisolationsmaterial keinen wasserunlöslichen Binder auf oder wasserunlöslichen Binder, ausgewählt aus anorganischen Bindemitteln, insbesondere aus Wasserglas, Silikasol, Zement, Tonmineralien und/oder Phosphor, beispielsweise als Phosphat, enthaltenden Bindemitteln, lediglich in einer Menge von weniger als 10 Gew.%, vorzugsweise weniger als 7,5 Gew.%, insbesondere weniger als 5 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße
Wärmeisolationsmaterial keinen anorganischen Binder auf oder anorganischen Binder lediglich in einer Menge von weniger als 1 Gew.%, vorzugsweise weniger als 0,5 Gew.%, insbesondere weniger als 0,1 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Wärmeisolationsmaterial kein Treibmittel, beispielsweise ausgewählt aus gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1-8 Kohlenstoffatomen, halogenierten Kohlenwasserstoffen mit 1- 8 Kohlenstoffatomen und Kohlendioxid, auf oder Treibmittel, beispielsweise ausgewählt aus gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1-8 Kohlenstoffatomen, halogenierten Kohlenwasserstoffen mit 1-8 Kohlenstoffatomen und Kohlendioxid, lediglich in einer Menge von weniger als 1 Gew.%, vorzugsweise weniger als 0,5 Gew.%, insbesondere weniger als 0,1 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Beschichtung keine Fasern auf, die nicht zum textilen Flächengebilde gehören oder Fasern, die nicht zum textilen Flächengebilde gehören, lediglich in einem Anteil von weniger als 5 Gew.%, noch bevorzugter weniger als 2,5 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung. Vorteilhaft hieran ist eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Fasern, die nicht zum textilen Flächengebilde gehören, berühren das textile Flächengebilde im unkomprimierten Zustand des Wärmeisolationsmaterials nicht.
Weiter bevorzugt ist die Beschichtung aus einem Vorläufermaterial hergestellt, das keine Fasern enthält, oder Fasern lediglich in einem Anteil von weniger als 5 Gew.%, noch bevorzugter weniger als 2,5 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Vorläufermaterials.
Die Aerogelpartikel umfassen vorzugsweise anorganische, organische oder anorganischorganische Hybridmaterialien.
Grundsätzlich können alle Metalloxide, Polymere und einige andere Stoffe als Ausgangsbasis für die Aerogelsynthese mittels eines Sol-Gel-Prozesses verwendet werden. Aerogele können dadurch hergestellt werden, dass ein Gel aus einem gallertartigen Stoff, vorzugsweise Kieselsäure, unter extremen Bedingungen getrocknet wird. Aerogele im weiteren Sinn, d.h. im Sinne von "Gel mit Luft als Dispersionsmittel", werden durch Trocknung eines geeigneten Gels hergestellt. Unter den Begriff "Aerogel" in diesem Sinne, fallen u.a. Aerogele im engeren Sinne und Xerogele. Dabei wird ein getrocknetes Gel als Aerogel im engeren Sinn bezeichnet, wenn die Flüssigkeit des Gels bei Temperaturen oberhalb der kritischen Temperatur und ausgehend von Drücken oberhalb des kritischen Druckes entfernt wird. Hieran ist vorteilhaft, dass durch diese speziellen Trocknungsbedingungen die Dimensionsstabilität gewährleistet wird.
Wird die Flüssigkeit des Gels dagegen unterkritisch, beispielsweise unter Bildung einer Flüssig-Dampf-Grenzphase entfernt, dann bezeichnet man das entstandene Gel als Xerogel. Erfindungsgemäß können auch Aerogele eingesetzt werden, die nicht unter kritischen Bedingungen getrocknet werden. Bei dieser Vorgehensweise kann die Dimensionsstabilität im Trocknungsprozess durch eine Funktionalisierung, vorzugsweise Silanisierung, der Gel- Precursor Oberfläche erhalten werden (funktionalisierte Aerogele). Vorteilhaft an den funktionalisierten Aerogelen ist, dass sie durch die Funktionalisierung hydrophob eingestellt werden können und somit im Einsatz weniger Feuchtigkeit aufnehmen. Darüber hinaus sind sie kostengünstiger als Aerogele im engeren Sinne, da sie kontinuierlich hergestellt werden können.
Es ist anzumerken, dass es sich bei den erfindungsgemäßen Aerogelen um Aerogele im Sinne von Gel mit Luft als Dispersionsmittel handelt, d.h. um Aerogele im weiteren Sinne. Der Formgebungsprozess des Aerogels wird in der Regel während des Sol-Gel-Übergangs abgeschlossen. Nach Ausbildung der festen Gelstruktur kann die äußere Form in der Regel nur noch durch Zerkleinerung, beispielsweise Mahlen, verändert werden, da das Material für eine andere Form der Bearbeitung zu brüchig ist.
Bevorzugte Aerogelpartikel sind aus Kieselsäure hergestellt.
Die Aerogelpartikel weisen vorzugsweise eine Partikelgrößenverteilung mit einem d50-Wert von 50 pm bis 3 mm, noch bevorzugter von 200 pm bis 3 mm und oder einen d95-Wert von 50 pm bis 10 mm, noch bevorzugter von 500 pm bis 5 mm auf und insbesondere von 750 bis 2,5 mm auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Aerogelpartikel vorzugsweise eine Partikelgrößenverteilung mit einem d50-Wert von 5 pm bis 300 pm, noch bevorzugter von 5 um bis 150 um und/oder einen d95-Wert von 5 um bis 750 um, noch bevorzugter von 5 um bis 500 um auf und insbesondere von 5 um bis 500 um auf. Gemessen wird die Partikelgrößenverteilung nach DIN 66165-2:2016-08.
Die Beschichtung weist bevorzugt einen Anteil an Aerogel parti kein von mindesten 60 Gew.%, beispielsweise von 60 bis 95 Gew.%, noch bevorzugter von 60 bis 90 Gew.%, noch bevorzugter von 60 bis 85 Gew.% und insbesondere von 60 bis 80 Gew.% auf, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung.
Ebenfalls bevorzugt weist das Wärmeisolationsmaterial einen Anteil an Aerogel parti kein von 6 bis 75 Gew.%, noch bevorzugter von 10 bis 70 Gew.%, noch bevorzugter von 10 bis 60 Gew.%, noch bevorzugter von 15 bis 55% auf, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Wärmeisolationsmaterials.
Erfindungsgemäß umfasst das thermische Isolationsmaterial ein erstes textiles Flächengebilde, das eine Beschichtung aufweist, die Aerogelpartikel und einen Binder enthält. Unter einer Beschichtung ist dabei zu verstehen, dass die Aerogelpartikel und der Binder zumindest eine Oberfläche des ersten textilen Flächengebildes zumindest anteilig bedecken. Dabei kann die Beschichtung auch zumindest teilweise in das erste textile Flächengebilde eingedrungen sein. Die Beschichtung kann mithin auch zumindest anteilig als Imprägnierung vorliegen. Die Beschichtung kann auf einer oder beiden Oberflächen des ersten textilen Flächengebildes vorliegen. Bevorzugt liegt sie auf lediglich einer Oberfläche vor, da das textile Flächengebilde auf der der Beschichtung abgewandten Seite so einen mechanischen Schutz bieten und/oder als Verklebehilfe fungieren kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Wärmeisolationsmaterial mindestens ein zweites textile Flächengebilde auf. Das zweite textile Flächengebilde kann als Schutzschicht fungieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite textile Flächengebilde auf der dem ersten textilen Flächengebilde abgewandten Seite der Beschichtung angeordnet. Auf diese Weise bieten die textilen Flächengebilde auf beiden Seiten der Beschichtung einen mechanischen Schutz. Dabei kann die Beschichtung auch zumindest teilweise in das zweite textile Flächengebilde eingedrungen sein. Die Beschichtung kann mithin auch zumindest anteilig als Imprägnierung im zweiten textilen Flächengebilde vorliegen. Dies bietet den Vorteil einer noch besseren Partikeleinbindung, da die Partikel in den Faserzwischenräumen „verkeilt" vorliegen können.
Ebenfalls bevorzugt liegt das zweite textile Flächengebilde zumindest teilweise außerhalb der Beschichtung vor. Hierdurch kann es das Wärmeisolationsmaterial vor mechanischer Belastung schützen.
Weist das Wärmeisolationsmaterial neben dem ersten textilen Flächengebilde kein weiteres textiles Flächengebilde auf, so beträgt der Anteil an Aerogel parti kein vorzugsweise höchstens 75 Gew.%, beispielsweise von 10 bis 75 Gew.%, noch bevorzugter von 10 bis 65 Gew.%, noch bevorzugter von 15 bis 65 Gew.%, noch bevorzugter von 15 bis 55 Gew. %, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Wärmeisolationsmaterials.
Weist das Wärmeisolationsmaterial neben dem ersten textilen Flächengebilde ein zweites textiles Flächengebilde und/oder noch weitere textile Flächengebilde auf, so beträgt der Anteil an Aerogel parti kein vorzugsweise mindestens 6 Gew.% beispielsweise von 6 bis 60 Gew.%, noch bevorzugter von 10 bis 60 Gew.%, noch bevorzugter von 10 bis 55 Gew.%, noch bevorzugter von 15 bis 45 Gew. %, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Wärmeisolationsmaterials.
Die Beschichtung kann des Weiteren ein oder mehrere zusätzliche Additive enthalten, beispielsweise Brandschutzadditive, insbesondere Additive auf Basis organischer Stickstoff- und/oder Phosphorverbindungen. Diese sind besonders vorteilhaft, da sie neben ihrer brandhemmenden Wirkung eine weichmachende und damit flexibilisierende Wirkung für Polymere haben.
Die Beschichtung kann auch Netzmittel enthalten, beispielsweise um wässrige Beschichtungsformulierungen mit nicht kompatiblen hydrophoben Aerogelen zu ermöglichen, Rheologie modifizierende Additive wie z.B. Acrylate, Acrylamide, cellulosische Systeme, Dispergierhilfsmittel, Farbstoffe und/oder Entschäumer. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste und/oder das zweite textile Flächengebilde ein Vliesstoff. Ein Vliesstoff ist ein Gebilde aus Fasern begrenzter Länge (Stapelfasern), Endlosfasern (Filamenten) oder geschnittenen Garnen jeglicher Art und jeglichen Ursprungs, die auf irgendeine Weise zu einem Vlies (einer Faserschicht, einem Faserflor) zusammengefügt und auf irgendeine Weise miteinander verbunden worden sind; davon ausgeschlossen ist das Verkreuzen bzw. Verschlingen von Garnen, wie es beim Weben, Wirken, Stricken, der Spitzenherstellung, dem Flechten und der Herstellung von getufteten Erzeugnissen geschieht. Nicht zu den Vliesstoffen gehören Folien und Papiere. Vliesstoffe sind in der Norm DIN 61210-2:1988-10 definiert.
Bevorzugt ist das erste und/oder das zweite textile Flächengebilde ein Nassvliesstoff. Hieran ist vorteilhaft, dass Nassvliesstoffe eine hohe Isotropie und Gleichmäßigkeit aufweisen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste und/oder das zweite textile Flächengebilde ein Vliesstoff, insbesondere ein Nassvliesstoff, aus Fasern mit einer Stapellänge von 0,5 bis 20 mm, noch bevorzugter von 2 bis 20 mm, noch bevorzugter von 5 bis 20 mm, noch bevorzugter von 5 bis 18 mm, insbesondere von 8 bis 15 mm. Bevorzugt ist das erste und/oder das zweite textile Flächengebilde ein Vliesstoff, insbesondere ein Nassvliesstoff, der Fasern mit einer Stapellänge von 0,5 bis 20 mm, noch bevorzugter von 2 bis 20 mm, noch bevorzugter von 5 bis 20 mm, noch bevorzugter von 5 bis 18 mm, insbesondere von 8 bis 15 mm in einem Anteil von wenigstens 50 Gew.%, noch bevorzugter von wenigstens 70 Gew.%, noch bevorzugter von wenigstens 80 Gew.%, noch bevorzugter von wenigstens 90 Gew.%, und insbesondere von 100 Gew.%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge an Fasern im textilen Flächengebilde enthält.
Vorteilhaft an eher kurzen Fasern ist, dass diese eine einfachere Recyclingfähigkeit haben, da sie weniger dazu neigen sich miteinander zu verschlingen. Der Durchmesser der Fasern beträgt bevorzugt von 1 bis 30 pm, noch bevorzugter von 5 bis 20 pm, noch bevorzugter von 7 bis 18 pm, insbesondere von 7 bis 15 pm.
Ebenfalls bevorzugt ist das erste und/oder das zweite textile Flächengebilde ein Vliesstoff, insbesondere ein Nassvliesstoff, der mit einem Bindemittel, insbesondere mit einem zumindest teilweise wasserlöslichen Bindemitteln gebunden ist. Dabei kann die Wasserlöslichkeit des Bindemittels analog zu der des Binders, wie im Kapitel Messmethoden beschrieben, bestimmt werden. Bevorzugt ist das Bindemittel, insbesondere das zumindest teilweise wasserlösliche Bindemittel ausgewählt aus den Polymeren, die erfindungsgemäß in Bezug auf den zumindest teilweise wasserlöslichen Binder beschrieben sind.
In einer Ausführungsform ist das Bindemittel vorzugsweise zumindest teilweise wasserlöslich und ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierte Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamide deren Copolymere, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Blends hiervon.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Bindemittel vorzugsweise zumindest teilweise wasserlöslich und ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyacrylamid, Cellulose basiertem Binder, bevorzugt Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, sowie chemisch modifizierter Stärke, insbesondere ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke sowie Blends hiervon.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Bindemittel vorzugsweise zumindest teilweise wasserlöslich und ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyacrylamid, Cellulose basiertem Binder, bevorzugt Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, sowie chemisch modifizierter Stärke, insbesondere ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke sowie Blends hiervon.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Bindemittel vorzugsweise zumindest teilweise wasserlöslich und ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus teilverseiftem Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 95 mol%, insbesondere 70 bis 95 mol%, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, ethoxylierter Stärke und hydroxypropylierter Stärke sowie Blends hiervon.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das erste und/oder das zweite textile Flächengebilde Glasfasern. Bevorzugt enthält sowohl das erste als auch das zweite textile Flächengebilde Glasfasern. Vorteilhaft an der Verwendung von Glasfasern ist, dass diese aufgrund ihrer hohen Dichte beim Recyclingsprozess nach unten sinken und so einfach von den leichteren Aerogel parti kein abgetrennt werden können. Bevorzugt beträgt der Anteil an Glasfasern, bezogen auf das Gesamtgewicht des Wärmeisolationsmaterials, 25 bis 94 Gew.%, noch bevorzugter von 35 bis 85 Gew.%, noch bevorzugter von 40 bis 75 Gew.% und insbesondere von 50 bis 65 Gew.%. Weiter bevorzugt beträgt der Anteil an Glasfasern im ersten textilen Flächengebildes, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten textilen Flächengebildes 60 bis 98 Gew.%, noch bevorzugter von 70 bis 95 Gew.% und insbesondere von 80 bis 95 Gew.%. Weiter bevorzugt beträgt der Anteil an Glasfasern im zweiten textilen Flächengebilde, bezogen auf das Gesamtgewicht des zweiten textilen Flächengebildes 60 bis 98 Gew.%, noch bevorzugter von 70 bis 95 Gew.% und insbesondere von 80 bis 95 Gew.%.
Vorzugsweise sind die Glasfasern Stapelfasern, bevorzugt mit einer mittleren Faserlänge von 2 bis 20 mm, noch bevorzugter von 5 bis 18 mm, insbesondere von 8 bis 15 mm. Der Durchmesser der Glasfasern beträgt bevorzugt von 1 bis 30 pm, noch bevorzugter von 5 bis 20 pm, insbesondere von 7 bis 15 pm. Dabei können die Glasfasern der vorgenannten Stapel unabhängig voneinander für das erste und/oder zweite textile Flächengebilde verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste textile Flächengebilde ein Vliesstoff, bevorzugt ein Nassvliesstoff. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das zweite textile Flächengebilde ein Vliesstoff, bevorzugt ein Nassvliesstoff.
Das erste und das zweite textile Flächengebilde können unabhängig voneinander auch Fasern aufweisen, die keine Glasfasern sind, insbesondere Bindefasern und/oder zumindest teilweise wasserlösliche Fasern. Bevorzugte Bindefasern und/oder zumindest teilweise wasserlösliche Fasern sind Polyvinylalkohol-Fasern und/oder Polyvinylacetat-Fasern, in denen das Polyvinylacetat teilverseift ist, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 100 mol%, insbesondere 70 bis 100 mol%. Eine Messung, um festzustellen, ob Fasern zumindest teilweise wasserlöslich sind, ist im Kapitel Messmethoden beschrieben.
Falls vorhanden, beträgt der Anteil an Fasern, die keine Glasfasern sind, insbesondere der zumindest teilweise wasserlöslichen Fasern, im ersten textilen Flächengebilde, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten textilen Flächengebildes, von 40 bis 2 Gew.%, noch bevorzugter von 30 bis 4 Gew.%, noch bevorzugter von 25 bis 5 Gew.%, insbesondere von 15 bis 5 Gew.%. Falls vorhanden, beträgt der Anteil an Fasern, die keine Glasfasern sind, insbesondere der zumindest teilweise wasserlöslichen Fasern, im zweiten textilen Flächengebilde, bezogen auf das Gesamtgewicht des zweiten textilen Flächengebildes von 40 bis 2 Gew.%, noch bevorzugter von 30 bis 4 Gew.%, noch bevorzugter von 25 bis 5 Gew.%, insbesondere von 15 bis 5 Gew.%.
In einer Ausführungsform enthält das erste und das zweite textile Flächengebilde unabhängig voneinander sowohl Glasfasern als auch Fasern, die keine Glasfasern sind, in Kombination.
Zumindest teilweise wasserlösliche Fasern können ein einzelnes zumindest teilweise wasserlösliches Polymer oder eine Mischung aus zumindest teilweise wasserlöslichen Polymeren enthalten. Bevorzugte Fasern, die keine Glasfasern sind, sind Fasern, die mindestens ein Polymer enthalten, wie es in Bezug auf den zumindest teilweise wasserlöslichen Binder beschrieben ist.
Bevorzugt weist das erste textile Flächengebilde ein Flächengewicht gemessen nach ISO 9073-1:1989-07 im Bereich von 30 g/m2 bis 300 g/m2, noch bevorzugter im Bereich von 40 g/m2 bis 300 g/m2, insbesondere im Bereich von 50 g/m2 bis 250 g/m2 auf. Hieran ist vorteilhaft, dass das erste textile Flächengebilde so eine ausreichende Abdeckung besitzt, um eine gute Faser-Beschichtungsinteraktion sicher zu stellen und zudem eine ausreichende Festigkeit für die Weiterverarbeitung besitzt.
Ebenfalls bevorzugt weist das erste textile Flächengebilde eine Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm, noch bevorzugter im Bereich von 0,3 mm bis 2,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm auf. Vorteilhaft an textilen Flächengebilden mit einer eher geringen Dicke ist, dass ihr Raumbedarf gering ist. Ferner kann hierdurch das Wärmeisolationsmaterial bei dennoch geringer Gesamtdicke verhältnismäßig viel Aerogel enthalten kann.
Vorteilhaft an textilen Flächengebilden mit einer eher höheren Dicke ist, dass sie kompressibel sind, höhere Festigkeiten aufweisen und Dickenschwankungen von Batteriezellen ausgleichen können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtung eine, die aus einer, vorzugsweise wässrigen, Dispersion auf das erste textile Flächengebilde aufgebracht wurde. Vorzugsweise weist die Dispersion dabei einen Feststoffgehalt im Bereich von 10 bis 30 Gew.%, noch bevorzugter 15 bis 25 Gew.% auf. Hieran ist vorteilhaft, dass mit verhältnismäßig wenig flüssiger Phase viel Feststoff bei geringen Viskositäten aufgetragen werden kann.
In einer Ausführungsform ist die Beschichtung hergestellt aus einer, vorzugsweise wässrigen, Dispersion, die keine Fasern enthält, oder Fasern lediglich in einem Anteil von weniger als 2 Gew.%, noch bevorzugter von weniger als 1 Gew.%, insbesondere weniger als 0,5 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion.
Bevorzugterweise weist das zweite textile Flächengebilde ein Flächengewicht im Bereich von 30 g/m2 bis 300 g/m2, noch bevorzugter im Bereich 40 g/m2 bis 300 g/m2, insbesondere im Bereich 50 g/m2 bis 250 g/m2 auf. Hieran ist vorteilhaft, dass das textile Flächengebilde so eine ausreichende Abdeckung besitzt, um eine gute Faser-Beschichtungsinteraktion sicher zu stellen und zudem ausreichende Festigkeit für die Weiterverarbeitung besitzt. Ebenfalls bevorzugt weist das zweite textile Flächengebilde eine Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm, bevorzugt im Bereich von 0,3 mm bis 2,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm auf. Vorteilhaft an textilen Flächengebilden mit einer eher geringen Dicke ist, dass ihr Raumbedarf gering ist. Vorteilhaft an textilen Flächengebilden mit einer eher höheren Dicke ist, dass sie kompressibel sind und Dickenschwankungen von Batteriezellen ausgleichen können.
Das zweite textile Flächengebilde weist bevorzugt eine geringe Höchstzugkraft gemessen nach DIN EN ISO 9073-18:2008-08 auf, damit das geschützte Wärmeisolationsmaterial flexibel ist. Die Höchstzugkraft des zweiten textilen Flächengebildes liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 80 N/5cm, bevorzugt im Bereich von 10 bis 70 N/5cm und besonders bevorzugt von 15 bis 60 N/5cm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das zweite textile Flächengebilde eine Zugkraft, gemessen nach DIN EN ISO 9073-18:2008-08, bei 1 Prozent Dehnung von 2 bis 60 N/5cm, bevorzugt im Bereich von 3 bis 50 N/5cm, noch bevorzugter von 5 bis 45 N/5cm, noch bevorzugter von 10 bis 45 N/5cm und insbesondere von 10 bis 30 N/5cm auf. Vorteilhaft hieran ist, dass die Festigkeit bei geringen Dehnungen niedrig ist, so dass das Material eine gewisse Flexibilität beibehält.
Das erste textile Flächengebilde weist bevorzugt eine Höchstzugkraft, gemessen nach DIN EN ISO 9073-18:2008-08, von mindestens 30 N/5cm, bevorzugt im Bereich von 30 bis 1000 N/5cm, noch bevorzugter von 30 bis 800 N/5cm, noch bevorzugter von 30 bis 400 N/5cm, noch bevorzugter von 30 bis 200 N/5cm, insbesondere von 30 bis 100 N/5cm auf. Vorteilhaft an den genannten Mindestzugkräften ist, dass sie dem Wärmeisolationsmaterial ausreichend Festigkeit zur Verarbeitung verleihen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Wärmeisolationsmaterial und/oder die Beschichtung keinen wasserunlöslichen Binder oder wasserunlöslichen Binder lediglich in einer Menge von weniger als 10 Gew.%, vorzugsweise weniger als 7,5 Gew.%, insbesondere weniger als 5 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung auf, wobei der wasserunlösliche Binder bevorzugt ein Binder ist, der gemäß der in der Beschreibung definierten Methode, nicht wasserlöslich ist.
Weiter bevorzugt ist die Beschichtung aus einem Vorläufermaterial hergestellt, das keinen wasserunlöslichen Binder enthält oder wasserunlöslichen Binder lediglich in einer Menge von weniger als 10 Gew.%, vorzugsweise weniger als 7,5 Gew.%, insbesondere weniger als 5 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Vorläufermaterials enthält, wobei der wasserunlösliche Binder bevorzugt ein Binder ist, der gemäß der in der Beschreibung definierten Methode, nicht wasserlöslich ist
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Wärmeisolationsmaterial eine flammhemmende Schicht auf, die vorzugsweise Schichtsilikate, insbesondere Glimmer enthält. Vorzugsweise weist die flammhemmende Schicht ein Gewicht, gemessen nach ISO 9073-1:1989-07, von mindestens 50 g/m2, vorzugsweise von 60 bis 500 g/m2, noch bevorzugter von 60 bis 300 g/m2, insbesondere von 70 bis 150 g/m2 auf. Besonders bevorzugt ist die flammhemmende Schicht so im Wärmeisolationsmaterial angeordnet, dass sie mindestens eine Außenfläche des Wärmeisolationsmaterials darstellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Wärmeisolationsmaterial eine IR-reflektierende Schicht auf. Dabei ist die IR-reflektierende Schicht vorzugsweise so im Wärmeisolationsmaterial angeordnet, dass sie mindestens eine Außenfläche des Wärmeisolationsmaterials darstellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtung und/oder das Wärmeisolationsmaterial eine Luftdurchlässigkeit (delta p), gemessen nach DIN EN ISO 9237:1995-12 bei 100 Pa von mindestens 50 l/m2s, beispielsweise von 100 l/m2s bis 600 l/m2s, bevorzugt von 200 l/m2s bis 500 l/m2s und insbesondere von 300 l/m2s bis 400 l/m2s, auf. Weiter bevorzugt weist die Beschichtung und/oder das Wärmeisolationsmaterial eine Luftdurchlässigkeit (delta p), gemessen nach DIN EN ISO 9237:1995-12 bei 200 Pa von mindestens 100 l/m2s, beispielsweise von 300 l/m2s bis 900 l/m2s, bevorzugt von 400 l/m2s bis 800 l/m2s und insbesondere von 500 l/m2s bis 700 l/m2s, auf. Vorteilhaft an den genannten Luftdurchlässigkeiten ist, dass sie eine Kühlung des Wärmeisolationsmaterials durch Luftkonvektion ermöglichen. Besonders effizient ist eine solche Kühlung, wenn das Wärmeisolationsmaterial noch nicht durch den Betrieb der elektrochemischen Zelle komprimiert worden ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtung und/oder das Wärmeisolationsmaterial eine Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 1 mm bis 9 mm, oder 0,6 mm bis 9 mm, bevorzugt im Bereich von 1,2 mm bis 6 mm, oder 0,6 mm bis 6 mm noch bevorzugter im Bereich von 1,3 mm bis 4 mm oder 0,6 mm bis 4 mm und insbesondere im Bereich von 1,3 mm bis 3 mm oder 0,6 mm bis 3 mm auf. Liegt die Dicke unter 4 mm und insbesondere unter 3 mm, ist der Raumbedarf besonders gering.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Wärmeisolationsmaterial ein Flächengewicht im Bereich von 60 g/m2 bis 900 g/m2, bevorzugt von 70 g/m2 bis 600 g/m2, noch bevorzugter im Bereich von 80 g/m2 bis 400 g/m2 und insbesondere im Bereich von 80 bis 200 g/m2 auf. Dieses geringe Gewicht ist für die Anwendungen in elektrochemischen Zellen vorteilhaft.
Weiter bevorzugt weist das Wärmeisolationsmaterials eine Recyclingfähigkeit, gemessen wie im Abschnitt Messmethoden beschrieben, der Note 1, 2 oder 3 auf.
Weiter bevorzugt weist das Wärmeisolationsmaterial eine Wärmeleitfähigkeit unter Druckbelastung von 20 kPa, gemessen nach ASTM D 5470-17 von 0,045 bis 0,010 W/m*K, noch bevorzugter von 0,040 bis 0,010 W/m*K und insbesondere von 0,036 bis 0,010 W/m*K auf. Weiter bevorzugt weist das Wärmeisolationsmaterial eine Wärmeleitfähigkeit unter Druckbelastung von 2059 kPa gemessen nach ASTM D 5470-17 von 0,035 bis 0,010 W/m*K noch bevorzugter von 0,030 bis 0,010 W/m*K und insbesondere von 0,027 bis 0,010 W/m*K auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmeisolationsmaterial ein Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische Zellen, vorzugsweise für Lithium-Ionen Zellen, umfassend eine wärmeisolierende Schicht, die ein erstes textiles Flächengebilde umfasst, wobei das erste textile Flächengebilde eine Beschichtung aufweist, die Aerogelpartikel und mindestens ein Binder enthält, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierte Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamide deren Copolymere, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Copolymeren und Blends hiervon, wobei das erste textile Flächengebilde vorzugsweise eine Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen für das vorgenannte Wärmeisolationsmaterial sind die vorangehend und nachfolgend genannten Ausführungsformen. So ist der Binder beispielsweise bevorzugt zumindest teilweise wasserlöslich. Ferner ist das erste textile Flächengebilde bevorzugt ein Nassvliesstoff. Ebenfalls bevorzugt ist das erste textile Flächengebilde ein Vliesstoff, vorzugsweise ein Nassvliesstoff, der mit einem Bindemittel gebunden ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierte Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamide deren Copolymere, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Blends hiervon.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrochemische Zelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen Zelle, die durch mindestens ein erfindungsgemäßes Wärmeisolationsmaterial thermisch isoliert vorliegt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriesystem, in dem mindestens eine elektrochemische Zelle, vorzugsweise mindestens eine Lithium-Ionen Zelle durch mindestens ein erfindungsgemäßes Wärmeisolationsmaterial thermisch isoliert vorliegt. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Zellmodul und/oder ein Batteriesystem, in dem mindestens zwei elektrochemische Zellen durch mindestens ein Wärmeisolationsmaterial voneinander thermisch isoliert vorliegen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Recyclen eines erfindungsgemäßen Wärmeisolationsmaterials umfassend folgende Schritte: al) ein erfindungsgemäße Wärmeisolationsmaterial wird zerkleinert und in ein Lösemittel, vorzugsweise Wasser, eingebracht, a2) es wird gerührt und gegebenenfalls erwärmt, a3) die Aerogelpartikel und die Fasern des textilen Flächengebildes werden voneinander getrennt.
Als Lösemittel wird zweckmäßigerweise ein Lösungsmittel verwendet, das den Binder zumindest teilweise auflöst. Bevorzugt ist das Lösungsmittel Wasser.
Mit dem Verfahren werden bevorzugt Wärmeisolationsmaterialien gemäß einer oder mehrerer der hier beschriebenen Ausführungsformen recycelt. Mithin umfassen bevorzugte Ausführungsformen für das mit dem Verfahren recycelte Wärmeisolationsmaterial die vorangehend und nachfolgend genannten Ausführungsformen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeisolationsmaterials für elektrochemische Zellen umfassend folgende Schritte:
1. Bereitstellung eines ersten textilen Flächengebildes, vorzugsweise mit einer Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm,
2. Beschichten des textilen Flächengebildes mit einer Dispersion, die Aerogelpartikel und einen Binder enthält, wobei der Binder a) gemäß der in der Beschreibung definierten Methode zumindest teilweise wasserlöslich ist, und/oder wobei der Binder
TI b) vorzugsweise gemäß der in der Beschreibung definierten Methode zumindest teilweise wasserlöslich ist und wobei der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierte Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamide deren Copolymere, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Copolymeren und Blends hiervon;
3. Trocknen der erhaltenen Beschichtung unter Ausbildung einer wärmeisolierenden Schicht.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeisolationsmaterials für elektrochemische Zellen umfassend folgende Schritte:
1. Bereitstellung eines ersten textilen Flächengebildes, vorzugsweise mit einer Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02, im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm,
2. Beschichten des textilen Flächengebildes mit einer Dispersion, die Aerogelpartikel und einen Binder enthält, wobei der Binder gemäß der in der Beschreibung definierten Methode, zumindest teilweise wasserlöslich ist.
3. Trocknen der erhaltenen Beschichtung unter Ausbildung einer wärmeisolierenden Schicht.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren umfassen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmeisolationsmaterials mutatis mutandis. Mithin werden mit den erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt Wärmeisolationsmaterialien gemäß einer oder mehrerer der vorangehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen hergestellt. So wird in einer bevorzugten Ausführungsform in einem sich an Schritt 2 anschließenden Schritt 2a die wärmeisolierende Schicht mit mindestens einem zweiten textilen Flächengebilde versehen, das als Schutzschicht fungieren kann. Dabei wird das zweite textile Flächengebilde vorzugsweise auf der die Beschichtung aufweisenden Seite des ersten textilen Flächengebildes angeordnet.
Die Dispersion kann ferner Netzmittel enthalten, beispielsweise um wässrige Beschichtungsformulierungen mit nicht kompatiblen hydrophoben Aerogelen zu ermöglichen, Rheologie modifizierende Additive wie z.B. Acrylate, Acrylamide oder cellulosische Systeme, Dispergierhilfsmittel, Farbstoffe und/oder Entschäumer.
Weiter bevorzugt findet das Beschichten des textilen Flächengebildes in Schritt 2 in Form einer Rakelbeschichtung statt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeisolationsmaterials zum Wärmemanagement und/oder zur thermischen Isolierung von elektrochemischen Zellen, vorzugsweise von Lithium-Ionen Zellen, Zellmodulen und/oder von Batteriesystemen.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verwendung umfassen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmeisolationsmaterials mutatis mutandis.
Messmethoden
Wasserlöslichkeitsmessung Binder:
In einem 500 ml Erlenmeierkolben werden 300 g destilliertes Wasser vorgelegt. Dazu gibt man 0,5 g des trockenen Binders, vorzugsweise mit einer Partikelgröße mit einem d90-Wert von 100 pm, gemessen nach DIN 66165-2:2016-08. Man stellt den Kolben in einen Laborschüttler für 24h bei 80°C. Dabei ist darauf zu achten, dass die Schüttelfrequenz derart gewählt ist, dass das Gemisch in Bewegung ist, verdampfendes Wasser wird aufgefüllt. Nach 24h wird, wenn vorhanden, die feste Phase quantitativ abgetrennt, vorzugsweise abfiltriert. Die wässrige Phase wird zur Trockne eingeengt. Wird kein Rückstand erhalten oder Rückstand in einer Menge weniger als 50 mg, ist der Binder nicht wasserlöslich. Wird Rückstand in einer Menge von mindestens 50 mg erhalten, ist der Binder zumindest teilweise wasserlöslich.
Wasserlöslichkeitsmessung Fasern:
In einem 500 ml Erlenmeierkolben werden 300 g destilliertes Wasser vorgelegt. Dann nimmt man 0,5 g der Faser. Man stellt den Kolben in einen Laborschüttler für 24h bei 80°C. Dabei ist darauf zu achten, dass die Schüttelfrequenz derart gewählt ist, dass das Gemisch in Bewegung ist, verdampfendes Wasser wird aufgefüllt. Nach 24h wird die gegebenenfalls vorhandene feste Phase quantitativ abgetrennt, vorzugsweise abfiltriert. Die wässrige Phase wird zur Trockne eingeengt. Wird kein Rückstand erhalten oder Rückstand in einer Menge von weniger als 50 mg, ist die Faser nicht wasserlöslich. Wird Rückstand in einer Menge von 50 mg oder mehr erhalten, ist die Faser zumindest teilweise wasserlöslich.
Bestimmung der Recyclingfähigkeit:
Man nimmt ein DIN A4 großes Muster des zu bestimmenden Materials (Muster 1) und zerschneidet es in kleine Teile (etwa 2 x 2 cm). Diese gibt man in ein 2000 ml Becherglas und versetzt das Muster mit 1000 ml Wasser. Unter kräftigem Rühren wird das Wasser zum Kochen gebracht und für weitere 60 min gerührt. Danach lässt man unter Rühren auf Raumtemperatur (23°C) abkühlen und nochmals 60 min die Phasen trennen. Ist die Trennung erfolgt, wird der Aerogelpartikelbrei abgeschöpft und der Vorgang zwei weitere Male wiederholt. Dann wird der Aerogelpartikelbrei in eine Kristallisierschale überführt, bei 120°C für 6h zur Gewichtskonstanz getrocknet und die Masse bestimmt. Beträgt die Differenz zwischen der ursprünglich in der Probe vorhandenen Masse an Aerogel parti kein und der mit dem Versuch ermittelten Masse weniger als 25% wird die Recyclingfähigkeit des Wärmeisolationsmaterials mit der Note 1 bewertet. Beträgt die Differenz zwischen der ursprünglich in der Probe vorhandenen Masse an Aerogel parti kein und der mit dem Versuch ermittelten Masse 25% bis 35%, wird die Recyclingfähigkeit des Wärmeisolationsmaterials mit der Note 2 bewertet. Beträgt die Differenz zwischen der ursprünglich in der Probe vorhandenen Masse an Aerogel parti kein und der mit dem Versuch ermittelten Masse 35% bis 45%, wird die Recyclingfähigkeit des Wärmeisolationsmaterials mit der Note 3 bewertet. Beträgt die Differenz zwischen der ursprünglich in der Probe vorhandenen Masse an Aerogel parti kein und der mit dem Versuch ermittelten Masse über 45%, wird die Recyclingfähigkeit des Wärmeisolationsmaterials mit der Note 4 bewertet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand nicht beschränkender Beispiele näher erläutert.
Herstellung Muster I:
In einem 1000 ml Bechergas werden 60g einer 5% Lösung aus destilliertem Wasser und einem teilverseiften Polyvinylacetat (Poval 5-74, Firma Kuraray, Verseifungsgrad 74%) vorgelegt und mit 0,2 g eines Netzmittels auf Basis eines Fettalkoholethoxilates (Rucogen D3, Fa. Rudolf Chemie) versetzt. Hierzu gibt man portionsweise unter kräftigem Rühren mit einem KPG Rührer 12g SiO2-Aerogelpartikel mit einer Partikelgröße von 0,1 - 0,5 mm, deren Oberfläche hydrophob ist (Enova IC 3105 der Firma Cabot). Hat man alle Partikel eingearbeitet, wird die erhaltene Paste mittels Rakelbeschichtung in einer Stärke von 1,5 mm auf ein nassgelegtes Glassvlies mit einem Flächengewicht von 60 g/m2 aufgebracht und getrocknet. Der Binder des Glasvlieses ist der gleiche wie er für die Bindung der Aerogelpartikel verwendet wird.
Herstellung Muster II:
Das Muster II wird analog Muster I hergestellt. Nach der Beschichtung wird auf die noch nasse Schichtung eine weitere Lage des Glasvlieses aufgebracht, leicht angedrückt und anschließend getrocknet.
Referenzmuster 1:
Aerogel Blankett: Typ: SACB-0-6
Firma: Tradematt (Henan) Industry,
Shenglong Plaza, Zhengdong New District, Zhenzhou China
Referenzmuster 2: Nasbis Insulation Sheet: EYGY0912Q.N3P (auf dem Produkt enthaltene Folien wurden entfernt).
Firma: Panasonic Industrial Devices
Two Riverfront Plaza
Newark, NJ 07102-5490
USA
Eigenschaften:
Dynamisch mechanischer Belastungstest:
Zunächst werden 3 runde Proben mit einem Durchmesser von 25mm ausgestanzt, gewogen und zwischen 2 Drucktellern platziert. Dann erfolgt eine cyclische Kompressionsbelastung mit folgenden Parametern:
Klima: 23°C, 50% rel. Luftfeuchte
Druckbelastung: zwischen den Tellern
Statischer Druck: 0,85 MPa
Dynamischer Druck (Schwingung): +/- 0,65 Mpa
Frequenz: 1 Hz
Anzahl Cyclen: 300
Anschließend wird das belastete Muster aus der Prüfvorrichtung genommen, gewogen und optisch bewertet. Die optische Bewertung erfolgt in der Art und Weise, dass das Muster über einem weißen Stück Papier (im Falle von farbigen Partikel) oder einem schwarzen Stück Papier (im Falle von weißen Partikeln) geschüttelt wird und man bewertet ob sich Partikel aus der Beschichtung gelöst haben. Im Falle des Laminats wird zudem die Lagenhaftung bewertet.
Bewertung:
Fazit:
Nach beschriebener dynamischer Belastung zeigen die 3 Messungen an Muster I keine Zersetzung im Sinne ausfallender Aerogelpartikel. Im Falle der durch einen weiteren Vliesstoff zusätzlich geschützten Schicht (3 Messungen Muster II) zeigt das Wärmeisolationsmaterial keine Delaminierung und keine ausfallenden Aerogelpartikel. Das Referenzmuster 1 zeigt bereits bei der Montage der Prüflinge Aerogelstaub und verstärkt nach Belastung Aerogelpartikel auf dem Prüfteller und im Schütteltest. Referenzmuster 2 zeigt Aerogelpartkel im Schütteltest.
Messung der Wärmeleitfähigkeit
Die Messung der Wärmeleitfähigkeit unter Druckbelastung erfolgt nach ASTM D 5470-17 und ergibt folgende Ergebnisse:
Fazit:
Die erfindungsgemäßen Muster 1 und 2 liefern über den gesamten Druckbereich niedrigere Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und haben damit bessere Isolationseigenschaften.
Recyclingfähigkeit
Mit dem oben genannten Verfahren wurde die Recyclingfähigkeit von Muster 1 ermittelt und mit Note 1 bewertet. Mit Referenzmuster 1 wurde die Note 4 ermittelt.

Claims

Patentansprüche Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische Zellen, vorzugsweise für Lithium- Ionen Zellen, umfassend eine wärmeisolierende Schicht, die ein erstes textiles Flächengebilde umfasst, wobei das erste textile Flächengebilde eine Beschichtung aufweist, die Aerogelpartikel und mindestens einen Binder enthält, wobei der Binder, gemäß der in der Beschreibung definierten Methode, zumindest teilweise wasserlöslich ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste textile Flächengebilde eine Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm aufweist. Wärmeisolationsmaterial für elektrochemische Zellen, vorzugsweise für Lithium- Ionen Zellen, umfassend eine wärmeisolierende Schicht, die ein erstes textiles Flächengebilde umfasst, wobei das erste textile Flächengebilde eine Beschichtung aufweist, die Aerogelpartikel und mindestens ein Binder enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder vorzugsweise zumindest teilweise wasserlöslich ist und ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierte Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamide deren Copolymere, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Copolymeren und Blends hiervon, wobei das erste textile Flächengebilde vorzugsweise eine Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm aufweist. Wärmeisolationsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus teilverseiftem Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad gemäß IS K 6726, Ausgabe 94 , Oktober 20, 2017 von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 100 mol%, bevorzugt 70 bis 100 mol%, Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, ethoxylierte Stärke und hydroxypropylierte Stärke sowie Copolymeren und Blends hiervon. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus teilverseiftem Polyvinylacetat, vorzugsweise mit einem Verseifungsgrad gemäß IS K 6726, Ausgabe 94 , Oktober 20, 2017 von mindestens 50 mol%, beispielsweise 50 bis 95 mol%, bevorzugt 70 bis 95 mol%, sowie Copolymeren und Blends hiervon. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zumindest teilweise in das erste textile Flächengebilde eingedrungen ist. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeisolationsmaterial mindestens ein zweites textiles Flächengebilde aufweist, das auf einer dem ersten textilen Flächengebilde abgewandten Seite der Beschichtung angeordnet ist. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zumindest teilweise in das zweite textile Flächengebilde eingedrungen ist. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite textile Flächengebilde zumindest teilweise außerhalb der Beschichtung liegt. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aerogelpartikel eine Partikelgrößenverteilung gemessen nach DIN 66165-2:2016-08 mit einem d50-Wert von 50 pm bis 3 mm aufweisen. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einen Anteil an Aerogel parti kein von mindesten 60 Gew.%, beispielsweise von 60 bis 95 Gew, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung aufweist und/oder das Wärmeisolationsmaterial einen Anteil an Aerogel parti kein von 6 bis 75 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Wärmeisolationsmaterials aufweist. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite textile Flächengebilde ein Vliesstoff ist, der vorzugsweise mit einem, gemäß der in der Beschreibung definierten Methode, zumindest teilweise wasserlöslichen Bindemittel gebunden ist. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste textile Flächengebilde ein Vliesstoff, vorzugsweise ein Nassvliesstoff, ist, der mit einem Bindemittel gebunden ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierte Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamide deren Copolymere, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Blends hiervon. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite textile Flächengebilde ein Nassvliesstoff ist, der vorzugsweise mit einem, gemäß der in der Beschreibung definierten Methode, zumindest teilweise wasserlöslichen Bindemittel gebunden ist. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite textile Flächengebilde Glasfasern enthält, bevorzugt mit einer mittleren Faserlänge von 2 bis 20 mm. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite textile Flächengebilde eine Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm, bevorzugt im Bereich von 0,3 mm bis 2,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm aufweist. Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeisolationsmaterial keinen wasserunlöslichen Binder oder wasserunlöslichen Binder lediglich in einer Menge von weniger als 10 Gew.%, vorzugsweise weniger als 7,5 Gew.%, insbesondere weniger als 5 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung aufweist, wobei der wasserunlösliche Binder bevorzugt ein Binder ist, der gemäß der in der Beschreibung definierten Methode, zumindest teilweise wasserunlöslich ist. Elektrochemische Zelle, vorzugsweise Lithium-Ionen Zelle, die durch mindestens ein Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche thermisch isoliert vorliegt und/oder Batteriesystem, in dem mindestens eine elektrochemische Zelle, vorzugsweise mindestens eine Lithium-Ionen Zelle durch mindestens ein Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche thermisch isoliert vorliegt. Zellmodul und/oder Batteriesystem, in dem mindestens zwei elektrochemische Zellen durch mindestens ein Wärmeisolationsmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche voneinander thermisch isoliert vorliegen. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeisolationsmaterials für elektrochemische Zellen umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellung eines ersten textilen Flächengebildes vorzugsweise mit einer Dicke, gemessen nach DIN EN ISO 9073-2:1997-02 im Bereich von 0,2 mm bis 3,0 mm, b) Beschichten des textilen Flächengebildes mit einer Dispersion, die Aerogelpartikel und einen Binder enthält, wobei der Binder bl) gemäß der in der Beschreibung definierten Methode zumindest teilweise wasserlöslich ist, und/oder wobei der Binder b2) vorzugsweise gemäß der in der Beschreibung definierten Methode zumindest teilweise wasserlöslich ist und wobei der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylacetat, bevorzugt teilverseiftem Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Acrylat-Copolymer, Polyvinylpyrrolidon, Polyethyleneimin, Polyalkylen-Oxid, Polyacrylamid, Polyacrylsäure sowie deren Salze, Polycarbonylsäure und deren Salze, Polyaminosäure, modifizierter Stärke, ethoxylierter Stärke, hydroxypropylierter Stärke, modifizierte Cellulose, wie Celluloseether, Celluloseester, Celluloseamide deren Copolymere, Pullulan, Guarkernmehl, Gummi Arabikum, Xanthan, Carrageen, Cellulose, Gelatine und deren Salze, Dextrin, Maltodextrin sowie Copolymeren und Blends hiervon; c) Trocknen der erhaltenen Beschichtung unter Ausbildung einer wärmeisolierenden Schicht. Verfahren zum Recyclen eines Wärmeisolationsmaterials nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 umfassend folgende Schritte: al) Das Wärmeisolationsmaterial wird zerkleinert und in ein Lösemittel, vorzugsweise Wasser, eingebracht, a2) es wird gerührt und gegebenenfalls erwärmt, a3) die Aerogelpartikel und die Fasern des textilen Flächengebildes werden voneinander getrennt. Verwendung eines Wärmeisolationsmaterials nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 zum Wärmemanagement und/oder zur thermischen Isolierung von elektrochemischen Zellen, vorzugsweise von Lithium-Ionen Zellen, Zellmodulen und/oder von Batteriesystemen.
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