ES2958966T3 - Composición de aislamiento térmico y procedimiento de preparación y aplicación - Google Patents

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Abstract

La presente invención proporciona una composición de aislamiento térmico y un método de preparación y aplicación. La composición de aislamiento térmico está compuesta por material de aerogel y resina orgánica; la relación de masa compuesta del material de aerogel a la resina orgánica es de 5% en peso:95% en peso a 50% en peso:50% en peso; la porosidad del material de aerogel es superior al 95 %, el diámetro de poro del material de aerogel es menor o igual a 100 nm, el tamaño de partícula de cada partícula de material de aerogel es de 5 nm a 20 nm, y se rellena la resina orgánica en los poros del material del aerogel. El componente del módulo de aislamiento térmico preparado a partir de la composición de aislamiento térmico de la presente invención tiene resistencia mecánica y conductividad térmica a temperatura ambiente, y si la batería sufre un descontrol térmico, el material se convierte en un material aislante del calor que tiene un rendimiento de aislamiento térmico extremadamente alto, bloqueando la transferencia de calor entre las celdas de la batería, lo que mejora en gran medida el rendimiento de seguridad de la batería. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Composición de aislamiento térmico y procedimiento de preparación y aplicación
Campo de la invención
La presente descripción se refiere a una composición de aislamiento térmico y, en particular, a una composición de aislamiento térmico que puede utilizarse en un componente de módulo de aislamiento térmico de una batería de iones de litio, y pertenece al campo técnico de los materiales de aislamiento térmico.
Antecedentes
En las últimas dos décadas, las baterías de iones de litio se han convertido en la fuente de energía más importante para los vehículos de nueva generación de energía. Las baterías de Li-ion que se comercializan actualmente en la industria presentan como ánodo una estructura con grafito y como cátodo LiMO en capas (M = sistema binario o ternario Ni, Co, Mn), y su celda unitaria tiene una densidad de energía mayor de 250 Wh/kg. En la industria todavía se busca una mayor densidad de energía (>300 Wh/kg).
En comparación con las baterías de fosfato de hierro y litio con una densidad de energía relativamente baja (160 180 Wh/kg), las baterías NCM o NCA de alto contenido en níquel tienen una gran ventaja en términos de alta densidad de energía. Sin embargo, debido al elevado contenido de níquel, la estabilidad y la generación de calor del material del electrodo positivo aumentan significativamente, lo que reduce en gran medida la seguridad en comparación con el uso de materiales de electrodo positivo LFP o de bajo contenido en níquel (NCM111, NCM523), y, si la batería se somete a altas temperaturas, sobrecarga o cortocircuito interno, es fácil que se produzca fuga térmica y difusión térmica a las células circundantes. Por lo tanto, es probable que se produzca un incendio o una explosión en la batería debido a la propagación del calor, poniendo en grave peligro la seguridad personal.
Es muy importante, por lo tanto, controlar la fuga térmica de una celda unitaria dentro de un determinado rango y detener la difusión térmica entre una o más celdas cuando en el módulo de batería se produce una fuga térmica. Los componentes estructurales de módulo existentes generalmente son de materiales de resina o aleación de aluminio, que no tienen unas prestaciones de aislamiento térmico y de prevención de incendios cuando se produce una fuga térmica de la celda.
Por ejemplo, de US 2019/148696 A1 se conoce una composición de aislamiento térmico de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Descripción de la invención
Para resolver el problema técnico anterior, un objetivo de la presente descripción es disponer un componente de módulo que no sólo presente resistencia mecánica y funcionalidad, sino que también pueda desempeñar el papel de prevención de incendios y de aislamiento térmico en caso de fuga térmica, bloqueando la propagación del calor y mejorando en gran medida las prestaciones de seguridad de la batería.
Para lograr el objetivo anterior, la presente descripción presenta una composición de aislamiento térmico que tiene las características de la reivindicación 1. La composición de aislamiento térmico comprende un compuesto de un material de aerogel y una resina orgánica, y la relación entre la masa de compuesto del material de aerogel y la resina orgánica es entre 5% en peso:95% en peso y 50% en peso:50% en peso.
La porosidad del material de aerogel utilizado es superior a un 95% (la porosidad del material de aerogel se refiere a la porosidad que tiene el material de aerogel antes de llenarlo con resina orgánica), el tamaño del poro del material de aerogel es menor o igual a 100 nm, el tamaño de partícula de cada partícula del material de aerogel es entre 5 nm y 20 nm, y la resina orgánica se llena en los poros del material de aerogel.
La composición de aislamiento térmico de la presente descripción presenta tanto una resistencia mecánica como una capacidad de conducción de calor a temperatura normal, y cuando se alcanza una cierta temperatura, la composición se convertirá en un material adiabático con unas prestaciones de aislamiento térmico extremadamente elevadas, bloqueando la transferencia de calor entre las celdas, lo cual puede mejorar en gran medida la seguridad de la batería.
La composición de aislamiento térmico de la presente descripción comprende un material de aerogel térmicamente aislante y una resina orgánica. A temperatura normal, más de un 95% del material de aerogel son poros de aire, los cuales se llenan de resina orgánica. El material de aerogel que se llena de resina orgánica puede alcanzar una suficiente resistencia mecánica y conductividad térmica. A alta temperatura (por ejemplo, por encima de 180 °C), se llega a la temperatura de degradación de la resina orgánica, de modo que la resina orgánica se descompone en dióxido de carbono y agua, dejando el material de aerogel con una conductividad térmica ultra baja, que puede bloquear eficazmente la propagación del calor.
El material de aerogel utilizado en la composición de aislamiento térmico de la presente descripción no sólo tiene una conductividad térmica ultra baja, sino que también tiene las ventajas de un peso ligero y una alta estabilidad térmica.
En una realización específica de la presente descripción, el material de aerogel se prepara mediante las etapas de: preparar una solución de precursor para formar el material de aerogel;
solar la solución de precursor mediante una reacción de policondensación;
envejecer la solución de precursor solada entre 45 °C y 60 °C durante 8 a 24 horas; y
realizar un secado supercrítico para obtener el material de aerogel.
En la preparación del material de aerogel de la presente descripción, la solución de precursor utilizada para formar el material de aerogel es una mezcla del material de aerogel y un disolvente, y es una solución presente de manera estable. No existe ningún límite particular sobre el procedimiento para formar la solución de precursor estable. Por ejemplo, el disolvente empleado puede ser un líquido acuoso, tal como agua o una mezcla de agua/etanol; o un disolvente orgánico, tal como N-metilpirrolidona, disolvente de carbonato de propileno, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de dietilo, o carbonato de dimetilo; o un líquido iónico, tal como 1 -etil-3-metilimidazolio bis(trifluorometilsulfonil)imida.
En la preparación del material de aerogel de la presente descripción, la materia prima del material de aerogel empleado comprende un precursor, y el precursor empleado tiene un tamaño de partícula inferior a 500 nm; preferiblemente 100 nm o menos, más preferiblemente 50 nm o menos.
En una realización específica de la presente descripción, el precursor empleado comprende uno o dos o más de sílice, óxido de titanio, óxido de cromo, óxido de hierro, óxido de vanadio, óxido de neodimio, carbono (incluyendo nanotubos de carbono), y óxidos de carbono.
Específicamente, el precursor empleado comprende uno o dos o más de sílice, óxido de titanio, y carbono.
Más específicamente, el precursor empleado es sílice.
En la preparación del material de aerogel de la presente descripción, la materia prima del material de aerogel empleado puede comprender, además, un aditivo, y el precursor se añade en una cantidad de entre un 60% y un 90% en peso si se incluye el aditivo. Por ejemplo, el material de aerogel puede comprender entre un 60% y un 90% en masa de SiÜ<2>o una mezcla de partículas de SiÜ<2>y TiÜ<2>con un tamaño de partícula de 10 nm; el material de aerogel puede comprender entre un 5% y un 30% en masa de SiC con un tamaño de partícula de 20 μm y entre un 2% y un 10% en masa de fibras de vidrio con una longitud de 100 μm.
Específicamente, el aditivo empleado comprende uno o dos o más de una fibra de vidrio y un opacificante.
Por ejemplo, el aditivo puede utilizarse para mejorar la estabilidad estructural del material de aerogel. Por ejemplo, el material de aerogel puede comprender una fibra de vidrio como aglutinante para aumentar la resistencia mecánica del material de aerogel; por ejemplo, se utiliza una fibra de vidrio con una longitud de 10 μm-2 mm.
Por ejemplo, la conducción de calor por radiación se produce a alta temperatura y el material de aerogel puede comprender un opacificante tal como SiC, TiÜ<2>, o negro de humo. Estas partículas opacificantes se distribuyen uniformemente en el material de aerogel y dispersan hasta un 95% de la radiación infrarroja para bloquear la radiación térmica, especialmente a altas temperaturas. El opacificante puede ser mono o policristalino, o partículas con un tamaño de partícula de entre 1 μm y 50 μm. El tamaño de partícula puede medirse mediante un analizador de tamaño de partícula láser tal como HORIBA LA-960. Aquí, el tamaño de partícula puede referirse al tamaño de partícula secundaria de partículas policristalinas.
Durante la preparación del material de aerogel de la presente descripción, puede formarse un enlace químico de óxido o un enlace químico de alcohol mediante una reacción de policondensación, lo que permite que la solución que contiene el precursor se solate y, a su vez, dé lugar a un aumento significativo de la viscosidad de la solución.
En una realización específica de la presente descripción, la reacción de policondensación puede iniciarse variando el pH de la solución. Específicamente, puede añadirse una solución alcalina a la solución para ajustar el pH de la solución de precursor.
La solución alcalina no está particularmente limitada en la presente descripción y puede incluir soluciones de hidróxidos de metales alcalinos tales como NaOH o KOH, soluciones de hidróxidos de metales alcalinotérreos tales como MgOH<2>, y soluciones de carbonatos tales como Na2CO3. El valor del pH no está limitado y puede determinarse por el tipo de precursor.
Por ejemplo, si el precursor comprende silicato y titanato, el pH de la solución puede ajustarse de 3 a 4 utilizando la solución alcalina NaOH para formar sol de SiO<2>/TiO<2>.
En la preparación del material de aerogel de la presente descripción, el gel se prepara mediante envejecimiento. Durante este período, la reacción de policondensación continúa y el disolvente es expulsado de los poros del gel hasta que el sol se convierte en gel.
En una realización específica de la presente descripción, el proceso de envejecimiento puede llevarse a cabo entre 50 °C y 55 °C durante 8 a 10 horas.
Por ejemplo, en el caso de solar la solución de precursor mediante una reacción de policondensación para formar sol de SiO<2>/TiO<2>, el sol de SiO<2>/TiO<2>puede envejecerse a 50 °C durante 10 horas para formar un gel.
En la preparación del material de aerogel de la presente descripción, el gel resultante obtenido después del envejecimiento se seca supercríticamente y se le da la forma deseada para obtener el material de aerogel. Mientras tanto, el disolvente puede eliminarse en esta etapa.
Durante la preparación del material de aerogel de la presente descripción, la solución se evapora completamente durante el secado supercrítico, dejando una estructura polimérica.
En una realización específica de la presente descripción, el secado supercrítico se realiza a una temperatura entre 30 °C y 60 °C. Más específicamente, el secado supercrítico se realiza a una temperatura entre 40 °C y 45 °C.
En una realización específica de la presente descripción, el medio utilizado en el secado supercrítico es dióxido de carbono, metanol o etanol; preferiblemente dióxido de carbono.
En una realización específica de la presente descripción, el secado supercrítico se lleva a cabo durante 2 a 5 horas. Más concretamente, el secado supercrítico se realiza durante 2 a 3 horas.
En una realización específica de la presente descripción, el secado supercrítico se lleva a cabo bajo una presión superior a 1,01 MPa; el secado supercrítico se realiza preferiblemente bajo una presión superior a 5,06 MPa; más preferiblemente, el secado supercrítico se lleva a cabo bajo una presión superior a 7,38 MPa.
Por ejemplo, el gel de SiO<2>/TiO<2>formado después del envejecimiento se seca en un medio de CO<2>supercrítico a 50 °C durante 2 horas para formar aerogel de SiO<2>/TiO<2>.
El material de aerogel obtenido mediante el procedimiento de preparación anterior de la presente descripción presenta mayor porosidad, menor conductividad térmica, menor tamaño de poro y menor tamaño de partícula. La porosidad del material de aerogel de la presente descripción puede representarse mediante un porcentaje del volumen de aire (%). El material de aerogel de la presente descripción tiene una porosidad superior a un 95%, preferiblemente superior a un 97%, y más preferiblemente un porcentaje de volumen de aire superior a un 99%. Los poros del material de aerogel de la presente descripción tienen un tamaño de poro de 100 nm o menos, más preferiblemente un tamaño de poro de 50 nm o menos, y más preferiblemente un tamaño de poro de 10 nm o menos.
El material de aerogel de la presente descripción puede tener un grosor de aproximadamente 500 μm o mayor, preferiblemente un grosor de aproximadamente 1000 μm o mayor, más preferiblemente un grosor de aproximadamente 1200 μm o mayor, y preferiblemente un grosor de 2000 μm o menos, más preferiblemente un grosor de 1500 μm o menos. Puede fabricarse más fácilmente y ajustarse mejor a la batería.
El material de aerogel de la presente descripción tiene un grado de contracción extremadamente bajo a alta temperatura. Por ejemplo, después de calentar a 600 °C durante 24 horas, el material de aerogel puede tener un grado de contracción inferior a un 0,5%, preferiblemente inferior a un 0,1% y más preferiblemente del 0%. Además, la contracción del material de aerogel puede ser inferior a un 2%, preferiblemente inferior a un 1,5%, más preferiblemente inferior a un 1%, después de calentar a 900 °C durante 24 horas.
Durante el proceso de carga y descarga de las celdas, se producirá una expansión térmica y el material de aerogel quedará sujeto a la fuerza de compresión de celdas adyacentes debido a la expansión térmica, lo que resultará en la deformación del aerogel. El material de aerogel de la presente descripción tiene un grado de deformación por compresión de un 10% o superior, preferiblemente entre un 10% y un 15%, en un experimento de compresión. El experimento de compresión se realiza bajo las siguientes condiciones: se aplica una carga de 10 kg (5 x 5 mm2) a una muestra que tiene un tamaño de 3 x 3 mm2 y un grosor de 1 mm para una duración de 1 hora.
El material de aerogel de la presente descripción tiene una conductividad térmica de 25 mW/(mK) o menos, preferiblemente 5 mW/(mK) o menos.
En las composiciones de aislamiento térmico de la presente descripción, el material de aerogel comprende un precursor para formar una estructura de aerogel.
En una realización específica de la presente descripción, el precursor empleado tiene un tamaño de partícula inferior a 500 nm; preferiblemente 100 nm o menos, más preferiblemente 50 nm o menos.
En una realización específica de la presente descripción, el precursor empleado comprende uno o dos o más de sílice, óxido de titanio, óxido de cromo, óxido de hierro, óxido de vanadio, óxido de neodimio, carbono (incluyendo nanotubos de carbono) y óxidos de carbono.
Específicamente, el precursor empleado comprende uno o dos o más de sílice, óxido de titanio y carbono.
Más específicamente, el precursor empleado es sílice.
En la composición de aislamiento térmico de la presente descripción, el material de aerogel puede comprender, además, un aditivo, y el precursor se añade en una cantidad entre un 60% y un 90% en peso si se incluye el aditivo. Por ejemplo, el material de aerogel puede comprender entre un 60% y un 90% en masa de SiÜ<2>o una mezcla de partículas de SiÜ<2>y TiÜ<2>con un tamaño de partícula de 10 nm; el material de aerogel puede comprender entre un 5% y un 30% en masa de SiC con un tamaño de partícula de 20 μm y entre un 2% y un 10% en masa de fibras de vidrio con una longitud de 100 μm.
Específicamente, los aditivos empleados son uno o dos o más de una fibra de vidrio y un opacificante.
Por ejemplo, el aditivo puede utilizarse para mejorar la estabilidad estructural del material de aerogel. Por ejemplo, el material de aerogel puede comprender una fibra de vidrio como aglutinante para aumentar la resistencia mecánica del material de aerogel; por ejemplo, se utiliza una fibra de vidrio con una longitud de 10 μm-2 mm.
Por ejemplo, la conducción de calor por radiación se produce a alta temperatura y el material de aerogel puede comprender un opacificante tal como SiC, TiÜ<2>, o negro de humo. Estas partículas opacificantes se distribuyen uniformemente en el material de aerogel y dispersan hasta un 95% de la radiación infrarroja para bloquear la radiación térmica, especialmente a altas temperaturas. El opacificante puede ser mono o policristalino, o partículas con un tamaño de partícula entre 1 μm y 50 μm. El tamaño de partícula puede medirse mediante un analizador de tamaño de partícula láser tal como HORIBA LA-960. Aquí, el tamaño de partícula puede referirse al tamaño de partícula secundaria de partículas policristalinas.
En la presente invención, la resina orgánica es uno o dos cualquiera de carbonato de polipropileno (PPC) y carbonato de polipropileno modificado con un grupo funcional.
Específicamente, el grupo funcional puede ser hidroxilo, carboxilo, halógeno u óxido de propileno. Modificando la cadena molecular, especialmente añadiendo óxido de propileno, los epóxidos con grupos éster pueden reducir la temperatura de descomposición entre 200 °C-250 °C y casi 150 °C. Alternativamente, la temperatura de descomposición de la resina orgánica puede controlarse añadiendo sustancias inorgánicas tales como ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, hidróxido de potasio o sales tales como carbonato de sodio o sulfato de sodio.
La presente descripción también presenta un procedimiento para preparar la composición de aislamiento térmico impregnando el material de aerogel en la resina orgánica al vacío, infiltrando la resina orgánica en el aerogel bajo una cierta presión y recuperando después el exceso de resina orgánica bajo presión isobárica, y siguiendo con el calentamiento de la resina orgánica bajo presión isobárica para curarla térmicamente. Las operaciones anteriores se repiten cíclicamente varias veces para preparar la composición de aislamiento térmico.
Específicamente, el procedimiento para preparar la composición de aislamiento térmico de la presente descripción comprende las siguientes etapas:
calentar la resina orgánica por encima de la temperatura de procesamiento por fusión;
impregnar completamente un material de aerogel en la resina orgánica al vacío;
infiltrar completamente la resina orgánica en el material de aerogel entre 0,5 MPa y 2 MPa (preferiblemente 1,2 MPa), mantener la presión durante 10 a 60 minutos (preferiblemente 30 minutos) y recuperar el exceso de resina orgánica;
repetir cíclicamente las operaciones anteriores (impregnación, infiltración y recuperación) de manera que la resina orgánica se infiltre completamente en el material de aerogel;
retirar una muestra y curarla a temperatura normal para obtener la composición de aislamiento térmico.
La presente descripción también presenta un componente de módulo de aislamiento térmico, en el que el componente de módulo de aislamiento térmico se prepara a partir de la composición de aislamiento térmico de la presente descripción.
El componente de módulo de aislamiento térmico de la presente descripción presenta tanto resistencia mecánica como capacidad de conducción de calor a temperatura normal, y puede utilizarse como componente de módulo de batería y material estructural para un paquete. Cuando la batería entra en fuga térmica, el componente de módulo de aislamiento térmico se convertirá en un material adiabático con unas prestaciones de aislamiento térmico extremadamente elevadas, bloqueando la transferencia de calor entre las celdas, lo que puede mejorar en gran medida la seguridad de la batería.
El componente de módulo de aislamiento térmico de la presente descripción comprende un material de aerogel térmicamente aislante y una resina orgánica. A temperatura normal, los poros del material de aerogel llenos de resina orgánica pueden alcanzar suficiente resistencia mecánica y conductividad térmica; si se produce una fuga térmica, a medida que la temperatura aumenta por encima de 180 °C para alcanzar la temperatura de degradación del aglutinante de resina orgánica (la degradación térmica se produce generalmente cerca de 170 °C), el aglutinante de resina orgánica se descompone en dióxido de carbono y agua, dejando sólo el material de aerogel, que presenta unas excelentes prestaciones de aislamiento térmico y puede bloquear eficazmente la propagación del calor.
La presente descripción también presenta una batería de iones de litio que comprende el componente de módulo de aislamiento térmico de la presente descripción. La batería de iones de litio de la presente descripción presenta unas altas prestaciones de seguridad debido a que comprende el componente de módulo de aislamiento térmico de la presente descripción.
El componente de módulo de aislamiento térmico de la presente descripción presenta unas ventajas de peso ligero, unas buenas prestaciones de aislamiento térmico y una elevada resistencia mecánica; puede resolver el problema de la propagación del calor en la caja de la batería, es decir, cuando se produce una fuga térmica en una celda, la propagación del calor puede bloquearse de manera efectiva y la fuga térmica queda limitada en un rango controlable, lo que mejora en gran medida la seguridad de las baterías de Li-ion.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama esquemático de la estructura de la composición de aislamiento térmico en los Ejemplos de la presente descripción.
La figura 2 es una vista en despiece del módulo de celdas de bolsa en los Ejemplos de la presente descripción. La figura 3 es un diagrama esquemático del experimento de fuga térmica en los Ejemplos de la presente descripción.
Descripción detallada de la invención
Para comprender más claramente las características técnicas, los objetivos y los efectos beneficiosos de la presente descripción, se describen a continuación en detalle las soluciones técnicas de la presente descripción, lo que no debe interpretarse como una limitación del alcance implementable de la presente descripción.
Ejemplo comparativo 1
Se utilizó una lámina de 100% de PPC con un grosor de 1 mm para probar su conductividad térmica.
La temperatura de la placa calefactora se ajustó a 60 °C. La lámina de PPC se colocó sobre la placa calefactora de modo que un lado de la lámina de PPC quedaba en contacto con la placa calefactora, y se registró la temperatura del otro lado de la lámina de PPC después de calentar la lámina de PPC durante 1 minuto y 5 minutos. Los resultados se indican en la Tabla 1.
Ejemplo 1
Se utilizó un material de aislamiento térmico compuesto con un grosor de 1 mm, que presentaba una estructura tal como se muestra en la figura 1, con una resina orgánica (100% PPC) que se llena en los poros del material de aerogel. Se probó su conductividad térmica. Cabe señalar que la resina orgánica puede llenarse aleatoriamente en los poros del material de aerogel sin un llenado regular, tal como se muestra en la figura 1, que es sólo una ilustración esquemática.
La temperatura de la placa calefactora se ajustó a 60 °C. El material de aislamiento térmico compuesto anterior se colocó sobre la placa calefactora de modo que un lado del material de aislamiento térmico compuesto quedase en contacto con la placa calefactora, y la temperatura del otro lado del material de aislamiento térmico compuesto se registró después del aislamiento térmico del compuesto. El material se calentó durante 1 minuto y 5 minutos. Los resultados se indican en la Tabla 1.
El material de aerogel del Ejemplo se preparó mediante las etapas de:
preparar una solución de precursor para formar el material de aerogel (el disolvente era una solución mixta de agua: etanol = 1: 1, y el precursor era ortosilicato de etilo);
solar la solución de precursor mediante una reacción de policondensación.
envejecer la solución de precursor aislada entre 45 °C y 60 °C durante 8 a 24 horas.
realizar un secado supercrítico (a una temperatura entre 40 °C y 45 °C y una presión de 7,38 MPa, manteniendo durante 2 a 3 horas) para obtener el material de aerogel.
El material de aislamiento térmico compuesto se preparó mediante las etapas de:
calentar la resina orgánica hasta la temperatura de procesamiento en estado fundido o superior (entre 105 °C y 130 °C);
impregnar completamente el material de aerogel en la resina orgánica al vacío;
infiltrar completamente la resina orgánica en el material de aerogel a 1,2 MPa, manteniendo la presión durante 30 minutos y recuperado el exceso de resina orgánica;
repetir cíclicamente las etapas de impregnación, infiltración y recuperación tres veces para que la resina orgánica se infiltre completamente en el material de aerogel;
retirar una muestra y curarla a temperatura normal para obtener la composición de aislamiento térmico.
Ejemplo 2
Se utilizó un material de aislamiento térmico compuesto con un grosor de 2 mm (el procedimiento de preparación y la composición del material compuesto fueron los mismos que los del Ejemplo 1, y solo se varió el grosor) para probar su conductividad térmica.
La temperatura de la placa calefactora se ajustó a 60 °C. El material de aislamiento térmico compuesto anterior se colocó sobre la placa calefactora de modo que un lado del material de aislamiento térmico compuesto quedase en contacto con la placa calefactora, y la temperatura del otro lado del material de aislamiento térmico compuesto se registró después de calentar el material de aislamiento térmico compuesto durante 1 minuto y 5 minutos. Los resultados se indican en la Tabla 1.
Tabla 1
La Tabla 1 muestra que el PPC puro del Ejemplo Comparativo 1 tiene una buena conductividad térmica. El material adiabático de 1 mm mezclado con PPC del Ejemplo 1 también tiene la misma conductividad térmica, y 61 °C estaba dentro del rango de error experimental. El material adiabático de 2 mm mezclado con PPC del Ejemplo 2 es peor que el material de 1 mm, pero tiene todavía un rendimiento ideal.
Ejemplo comparativo 2
Se utilizó una lámina de mica (IEC-60371-2, AXIM MICA) con un grosor de 1 mm como lámina de aislamiento térmico para probar su rendimiento de aislamiento térmico.
La temperatura de la placa calefactora se ajustó a 60 °C. La lámina de mica anterior se colocó sobre la placa calefactora de modo que un lado de la lámina de mica quedase en contacto con la placa calefactora, y se registró la temperatura del otro lado de la lámina de mica después de calentar la lámina de mica durante 5 minutos. Los resultados se indican en la Tabla 2.
Ejemplo 3
El material de aislamiento térmico compuesto del Ejemplo 1 con un grosor de 1 mm se utilizó como lámina de aislamiento térmico para probar su rendimiento de aislamiento térmico.
La temperatura de la placa calefactora se ajustó a 600 °C. El material de aislamiento térmico compuesto anterior se colocó sobre la placa calefactora de modo que un lado del material de aislamiento térmico compuesto quedase en contacto con la placa calefactora, y la temperatura del otro lado del material de aislamiento térmico compuesto se registró después de calentar el material de aislamiento térmico compuesto durante 5 minutos. Los resultados se indican en la Tabla 2.
Ejemplo 4
El material de aislamiento térmico compuesto del Ejemplo 2 con un grosor de 2 mm se utilizó como lámina de aislamiento térmico para probar su rendimiento de aislamiento térmico.
La temperatura de la placa calefactora se ajustó a 600 °C. El material de aislamiento térmico compuesto anterior se colocó sobre la placa calefactora de modo que un lado del material de aislamiento térmico compuesto quedase en contacto con la placa calefactora, y la temperatura del otro lado del material de aislamiento térmico compuesto se registró después de calentar el material de aislamiento térmico compuesto durante 5 minutos. Los resultados se indican en la Tabla 2.
Tabla 2
Ejemplo comparativo 3
El componente del aglutinante de resina orgánica era un 100% de PPC (25511-85-7, Sigma-Aldrich). Se utilizó un análisis termogravimétrico para medir la temperatura de degradación térmica del aglutinante de resina orgánica anterior. Los resultados se indican en la Tabla 3.
Ejemplo 5
El componente del aglutinante de resina orgánica era un 90% de PPC (25511-85-7, Sigma-Aldrich) y un 10% de hidróxido de potasio (1310-58-3, Sigma-Aldrich). Se utilizó un análisis termogravimétrico para medir la temperatura de degradación térmica del aglutinante de resina orgánica anterior. Los resultados se indican en la Tabla 3.
Ejemplo 6
El componente del aglutinante de resina orgánica era un 90% de PPC (25511-85-7, Sigma-Aldrich) y un 10% de glicidato de bencilo (Sigma-Aldrich). Se utilizó un análisis termogravimétrico para medir la temperatura de degradación térmica del aglutinante de resina orgánica anterior. Los resultados se indican en la Tabla 3.
Tabla 3
Ejemplo comparativo 4
Como lámina de aislamiento térmico se utilizó mica con un grosor de 1 mm. Tal como se muestra en la figura 3, se utilizó como soporte de prueba un módulo de batería con 4 celdas de bolsa (250 Wh/kg, 550 Wh/L). La celda 1, la celda 2, la celda 3 y la celda 4 se dispusieron en paralelo tal como se muestra en la figura 3. La lámina de mica se insertó como lámina de aislamiento térmico entre dos celdas. En este módulo se utilizaron un total de 3 láminas de mica.
Durante la prueba, se forzó a la celda 1 a experimentar fuga térmica. Se registró el tiempo de fuga térmica de las celdas 2, 3 y 4. Las 4 celdas de bolsa se colocaron en un espacio abierto lo suficientemente grande como para que el gas caliente generado por la fuga térmica de las celdas no afectase a las celdas adyacentes. La fuga térmica sólo puede ser causada por la transferencia de calor entre celdas adyacentes. Los resultados experimentales se indican en la Tabla 4.
Ejemplo 7
Se utilizó como lámina de aislamiento térmico el material de aislamiento térmico compuesto del Ejemplo 1 con un grosor de 1 mm.
Tal como se muestra en la figura 2, la imagen A de la figura 2 es una vista en despiece del módulo de celdas de bolsa; la imagen B de la figura 2 es la estructura central del módulo que incluye, en orden, placa de aluminio ^ estructura de plástico ^ celda de bolsa ^ espuma ^ celda de bolsa ^ estructura de plástico ^ placa de aluminio; la imagen C de la figura 2 es la placa de aluminio y la estructura de la imagen B, que se prepararon con el material de aislamiento térmico compuesto.
Tal como se muestra en la figura 3, se utilizó como soporte de prueba un módulo de batería con 4 celdas de bolsa (250 Wh/kg, 550 Wh/L). La celda 1, la celda 2, la celda 3 y la celda 4 se dispusieron en paralelo tal como se muestra en la figura 3. La lámina de aislamiento térmico compuesto se insertó como lámina de aislamiento térmico entre dos celdas. En este módulo se utilizaron un total de 3 láminas de aislamiento térmico compuesto.
Durante la prueba, se forzó a la celda 1 a experimentar fuga térmica. Se registró el tiempo de fuga térmica de las celdas 2, 3 y 4. Las 4 celdas de bolsa se colocaron en un espacio abierto lo suficientemente grande como para que el gas caliente generado por la fuga térmica de las celdas no afectase a las celdas adyacentes. La fuga térmica sólo puede ser causada por la transferencia de calor entre celdas adyacentes. Los resultados experimentales se indican en la Tabla 4.
Ejemplo 8
Se utilizó como lámina de aislamiento térmico el material de aislamiento térmico compuesto del Ejemplo 2 con un grosor de 2 mm.
Tal como se muestra en la figura 3, se utilizó como soporte de prueba un módulo de batería con 4 celdas de bolsa (250 Wh/kg, 550 Wh/L). La celda 1, la celda 2, la celda 3 y la celda 4 se dispusieron en paralelo tal como se muestra en la figura 3. La lámina de aislamiento térmico compuesto se insertó como lámina de aislamiento térmico entre dos celdas. En este módulo se utilizaron un total de 3 láminas de aislamiento térmico compuesto.
Durante la prueba, se forzó a la celda 1 a experimentar fuga térmica. Se registró el tiempo de fuga térmica de las celdas 2, 3 y 4. Las 4 celdas de la bolsa se colocaron en un espacio abierto lo suficientemente grande como para que el gas caliente generado por la fuga térmica de las celdas no afectase a las celdas adyacentes. La fuga térmica sólo puede ser causada por la transferencia de calor entre celdas adyacentes. Los resultados experimentales se indican en la Tabla 4.
Tabla 4
Los ejemplos anteriores ilustran que el componente de módulo formado a partir de la composición de aislamiento térmico de la presente descripción, cuando se utiliza en baterías de iones de litio, no sólo tiene tanto resistencia mecánica como funcionalidad, sino que también puede desempeñar el papel de prevención de incendios y aislamiento térmico cuando se produce fuga térmica, bloqueando la propagación del calor y mejorando significativamente las prestaciones de seguridad de las baterías.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Composición de aislamiento térmico, en la que la composición de aislamiento térmico comprende un compuesto de un material de aerogel y una resina orgánica, y la relación entre la masa de compuesto del material de aerogel y la resina orgánica es entre 5% en peso:95% en peso y 50% en peso:50% en peso
la porosidad del material de aerogel es superior a un 95%, el tamaño del poro del material de aerogel es menor o igual a 100 nm, y el tamaño de partícula de cada partícula del material de aerogel es entre 5 nm y 20 nm, midiéndose dicho tamaño de partícula de acuerdo con un procedimiento descrito en la descripción;
los poros del material de aerogel se llenan con la resina orgánica;
caracterizado por el hecho de que
la resina orgánica es cualquiera de uno o dos de carbonato de polipropileno y carbonato de polipropileno modificado con un grupo funcional.
2. Composición de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el material de aerogel puede obtenerse mediante un procedimiento que comprende las etapas de:
preparar una solución de precursor para formar el material de aerogel;
solar la solución de precursor mediante una reacción de policondensación;
envejecer la solución de precursor solada entre 45 °C y 60 °C durante 8 a 24 horas; y
realizar un secado supercrítico para obtener el material de aerogel.
3. Composición de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 2, en la que el material de aerogel puede obtenerse en el que el secado supercrítico se realiza a una temperatura entre 30 °C y 60 °C;
preferiblemente, el medio para el secado supercrítico es dióxido de carbono, metanol o etanol; preferiblemente, la duración del secado supercrítico es de 2 a 5 horas;
preferiblemente, el secado supercrítico se realiza bajo una presión superior a 1,01 MPa.
4. Composición de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 2, en la que el disolvente utilizado en la solución de precursor para formar el material de aerogel es agua, una mezcla de agua y etanol, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de dietilo, carbonato de dimetilo o 1 -etil-3-metilimidazolio bis(trifluorometilsulfonil)imida.
5. Composición de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la materia prima del material de aerogel comprende un precursor; el precursor es uno o dos o más de sílice, óxido de titanio, óxido de cromo, óxido de hierro, óxido de vanadio, óxido de neodimio, carbono y óxidos de carbono con un tamaño de partícula inferior a 500 nm, midiéndose dicho tamaño de partícula de acuerdo con un procedimiento descrito en la descripción; preferiblemente, el precursor comprende uno o dos o más de sílice, óxido de titanio y carbono con un tamaño de partícula inferior a 500 nm;
más preferiblemente, el precursor comprende sílice con un tamaño de partícula inferior a 500 nm.
6. Composición de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 5, en la que la materia prima del material de aerogel comprende, además, un aditivo, y el precursor se añade en una cantidad de un 60-90% en peso en el material de aerogel si el aditivo se incluye;
preferiblemente, el aditivo es uno o dos o más de una fibra de vidrio y un opacificante.
7. Composición de aislamiento térmico de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el grupo funcional comprende hidroxilo, carboxilo, halógeno u óxido de propileno.
8. Procedimiento para preparar la composición de aislamiento térmico de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende:
calentar la resina orgánica por encima de la temperatura de procesamiento por fusión;
impregnar completamente el material de aerogel en la resina orgánica al vacío;
infiltrar completamente la resina orgánica en el material de aerogel entre 0,5 MPa y 2 MPa, mantener la presión durante 10 a 60 minutos, y recuperar el exceso de resina orgánica;
repetir cíclicamente las operaciones de impregnación, infiltración y recuperación de manera que la resina orgánica se infiltre completamente en el material de aerogel; y
retirar una muestra y curarla a temperatura normal para obtener la composición de aislamiento térmico.
9. Componente de módulo de aislamiento térmico, en el que el componente de módulo de aislamiento térmico se prepara a partir de la composición de aislamiento térmico de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
10. Batería de iones de litio, en la que la batería de iones de litio comprende el componente de módulo de aislamiento térmico de la reivindicación 9.
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