TW202319245A - 封裝隔熱材料之排氣和過濾元件 - Google Patents

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大衛 鮑爾
喬治 古爾德
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Abstract

本揭露係關於用於能量儲存系統中熱失控問題的材料和系統。示例性實施例包含被封裝以形成絕緣屏障的絕緣層。粒子捕獲層包含在絕緣屏障中。粒子捕獲層捕獲在絕緣屏障壓縮期間從絕緣屏障釋放的粒子。

Description

封裝隔熱材料之排氣和過濾元件
相關應用的交叉引用
本揭露請求2021年7月2日所提交之標題為「用於減輕電能儲存熱事件的材料、系統和方法」的美國臨時專利申請案第63/218,205號和2022年2月17日所提交之標題為「用於電池屏障之排氣和過濾元件」的美國臨時專利申請案第63/311,299號的優先權。每一案在此都通過引用其整體併入本揭露。
本揭露大致上係涉及用於電池模組或電池組排氣和過濾的材料、系統和方法。具體而言，本揭露係涉及提供過濾排氣口以允許氣體通過絕緣屏障逸出同時捕獲釋放氣體中的粒子物質的材料、系統和方法。
鋰離子電池等可充電電池已廣泛應用於電力驅動和儲能系統。鋰離子電池(LIBs)與傳統電池相比因其高工作電壓、低記憶效應和高能量密度而廣泛用於為手機、平板電腦、筆記型電腦、電動工具和電動汽車等其他大電流設備等便攜式電子設備供電。然而，安全是一個問題，因 為LIBs在「濫用條件(abuse conditions)」下容易發生災難性故障，例如當可充電電池過度充電(充電超過設計電壓)、過度放電或在高溫和高壓下運行或暴露於高溫和高壓。因此，狹窄的工作溫度範圍和充電/放電速率是LIBs使用的限制，因為當LIBs遇到設計窗口以外的條件時，可能會因快速自熱或熱失控事件而故障。
當內部反應速率增加至產生的熱量多於可排出的熱量時，可能會發生熱失控，從而導致進一步增加反應速率和熱量的產生。在熱失控期間，高溫會引發電池中的一系列放熱反應，導致電池溫度迅速升高。在許多情況下，當一個電池單元發生熱失控時，產生的熱量會迅速加熱靠近正經歷熱失控的單元。添加到熱失控反應中的每個電池都包含額外的能量來繼續反應，導致電池組內的熱失控傳播，最終導致火災或爆炸的災難。及時散熱和有效阻斷傳熱路徑是減少熱失控傳播危害的有效對策。
基於對導致電池熱失控機制的理解，許多方法正在研究中，旨在通過電池組件的合理設計來降低安全隱患。為防止這種級聯熱失控事件的發生，LIBs通常設計為將儲存的能量保持在足夠低的水平，或在電池模組或電池組內的電池之間採用隔熱材料，以使它們或它們的組合免受相鄰電池中可能發生的熱事件的影響。前者嚴重限制了可能儲存在這種設備中的能量。後者限制了電池的放置距離，從而限制了有效能量密度。
氣凝膠材料已被用作隔熱材料。氣凝膠隔熱材料比其他隔熱材料具有許多優勢。其中一些優點包含對熱傳播和火災傳播的良好抵抗性，同時最大限度地減少所用材料的厚度和重量。氣凝膠隔熱材料還具有良好的可壓縮性、壓縮回彈性和柔順性。一些基於氣凝膠的隔熱材料，由於其 重量輕且剛度低，可能難以安裝在電池單元之間，特別是在大規模生產環境中。此外，氣凝膠隔熱材料往往會產生可能對電力儲存系統有害的粒子物質(灰塵)，從而產生製造問題。
為了減輕與處理氣凝膠材料相關的問題，可封裝氣凝膠熱屏障。用於封裝氣凝膠隔熱材料的封裝材料通常會在隔熱材料周圍形成氣密密封，並防止粒子物質從隔熱材料中釋放出來。
本揭露的目的是消除或減輕上述先前方法和材料的至少一個缺點。本揭露提供的絕緣屏障旨在改進封裝和處理電池模組或電池組中使用的熱屏障。
在本揭露的一個態樣，一種用於電能儲存系統的絕緣屏障包括：至少一個絕緣層；至少部分地圍繞絕緣層的封裝層，該封裝層包括一個或多個開口；以及耦合至封裝層的粒子捕獲層。在絕緣層壓縮期間產生的粒子和氣體流向封裝層的一個或多個開口。粒子和氣體流過粒子捕獲層，其中至少一部分粒子保留在粒子捕獲層中。
在本揭露的一個態樣，粒子捕獲層定位於一個或多個開口上方的封裝層的外表面上。在壓縮絕緣屏障期間產生的粒子穿過封裝層的一個或多個開口並且至少部分地保留在粒子捕獲層內。
在本揭露的一個態樣，封裝層具有細長開口。封裝層部分地覆蓋絕緣層，使得封裝層中的細長開口沿絕緣層的一側定位。粒子捕獲層耦合至封裝層，使得粒子捕獲層定位於封裝層中的細長開口上方。
在本揭露的一個態樣，封裝層具有沿著絕緣層的一側或多側設置的複數個開口。粒子捕獲層耦合至封裝層，使得粒子捕獲層定位於封裝層中的複數個開口之上。
在本揭露的一些態樣，粒子捕獲層藉由黏合材料耦合至封裝層。黏合材料位在靠近封裝層的開口，使得黏合材料充當粒子和氣體流動的屏障，將粒子和氣體引導到粒子捕獲層中。
在本揭露的一個態樣，粒子捕獲層位於封裝層的內部。在使用期間，壓縮絕緣屏障期間產生的粒子和氣體在穿過封裝層的一個或多個開口之前進入粒子捕獲層，並且至少部分地保留在粒子捕獲層內。
粒子捕獲層可為泡沫材料、織造材料(woven material)、非織造材料(non-woven material)或網狀材料(webbed material)。
在本揭露的一個態樣，絕緣屏障包含一個或多個與粒子捕獲層耦合的聚合物膜。聚合物膜在絕緣屏障的壓縮過程中抑制及/或捕獲粒子。一個或多個聚合物膜可為過濾器的形式，其抑制粒子流過聚合物膜並允許氣體通過聚合物膜。在本揭露的一個態樣，聚合物膜的一個覆蓋與絕緣層相對的粒子捕獲層的一部分。在本揭露的另一方面，其中聚合物膜的一個覆蓋絕緣層的一部分和粒子捕獲層。
在本揭露的一個態樣，絕緣層具有穿過該絕緣層的厚度維度在25℃下小於約50mW/m-K並且在600℃下小於約60mW/m-K的熱導率。在本揭露的一個態樣，絕緣層包括氣凝膠。
在本揭露的一個態樣，絕緣層包括氣凝膠材料。
在本揭露的一個態樣，封裝層包括聚合材料。在本揭露的一些方面，封裝層包括聚合材料和嵌入聚合材料中的金屬層。
在本揭露的另一態樣中，電池模組包括複數個電池單元和在此所述一個或多個設置在相鄰電池單元之間的絕緣屏障。
另一方面，本揭露提供一種裝置或載具，包含根據上述任一方面的電池模組或電池組。在一些實施例中，該設備是筆記型電腦、PDA、行動電話、標籤掃描儀、音頻裝置、視頻裝置、顯示面板、攝影機、數位相機、台式計算機、軍用便攜式計算機、軍用電話、雷射測距儀、數位通訊裝置、情報收集感測器、電子集成服裝、夜視設備、電動工具、計算機、收音機、遙控設備、GPS裝置、手持和便攜式電視、汽車啟動器、手電筒、聲學設備、便攜式加熱裝置、便攜式吸塵器或便攜式醫療工具。在一些實施例中，載具是電動車。
本揭露之絕緣屏障可提供優於現有熱失控緩解策略的一個或多個優點。本揭露之絕緣屏障可最小化或消除電池熱失控傳播，而不會顯著影響電池模組或電池組的能量密度和組裝成本。本揭露的絕緣屏障可提供有利的可壓縮性、壓縮回彈性和柔順性以適應在電池壽命期間持續的電池膨脹，同時在正常操作條件下以及在熱失控條件下具有有利的熱性能。本揭露之絕緣屏障耐用且易於處理，具有良好的熱傳播和火焰傳播阻力，同時使所用材料的厚度和重量最小化，並且還具有可壓縮性、壓縮回彈性和柔順性的良好特性。
100:絕緣屏障
110:絕緣層
120:封裝層
130:開口
140:粒子捕獲層
200:絕緣屏障
210:絕緣層
220:封裝層
230:開口
240:粒子捕獲層
300:絕緣屏障
310:絕緣層
320:封裝層
330:開口
340:粒子捕獲層
400:絕緣屏障
410:絕緣層
420:封裝層
430:開口
440:粒子捕獲層
450:黏合劑
500:絕緣屏障
510:絕緣層
515:第一聚合物膜
520:封裝層
530:開口
540:粒子捕獲層
550:第二聚合物膜
600:絕緣屏障
610:絕緣層
620:封裝層
630:開口
640:粒子捕獲層
650:聚合物膜
700:絕緣屏障
710:絕緣層
720:封裝層
730:開口
740:粒子捕獲層
750:聚合物膜
760:黏合劑
800:絕緣屏障
810:絕緣層
820:封裝層
830:開口
840:粒子捕獲層
850:聚合物膜
860:黏合劑
900:電池模組
925:絕緣屏障
950:電池單元
已經如此概括地描述本揭露，現在請參考附圖，這些附圖不一定按比例繪製，並且其中：
圖1A和1B係具有耦合至絕緣層側面的粒子捕獲層的絕緣屏障的投影圖；
圖2A和2B係絕緣屏障的投影圖，該絕緣屏障具有耦合至被封裝層部分覆蓋的絕緣層一側的粒子捕獲層；
圖3係具有耦合至絕緣層一側粒子捕獲層的絕緣屏障的投影圖，粒子捕獲層被絕緣層封裝；
圖4係描繪具有封裝絕緣層的絕緣屏障的端視圖和側視圖，其中粒子捕獲層耦合至絕緣層的側壁。
圖5係描繪具有聚合物膜過濾層的絕緣屏障的投影圖；
圖6係描繪絕緣屏障的示意圖，該絕緣屏障具有用絕緣層封裝的粒子捕獲層和封裝層的一個或多個開口，該開口允許氣體從絕緣屏障中排出。
圖7係描繪具有封裝絕緣層的絕緣屏障的示意圖，其中粒子捕獲層藉由黏合劑耦合至封裝層；
圖8係描繪具有封裝絕緣層的絕緣屏障的替代示意圖，其中粒子捕獲層藉由黏合劑耦合至封裝層；和
圖9係描繪在電池單元之間具有絕緣屏障的電池模組的示意圖。
儘管本揭露可能易於進行各種修改和替代形式，但其特定實施例在附圖中以示例的方式示出並且將在本揭露中詳細描述。附圖可能不 是按比例繪製的。然而，應當理解，附圖及其詳細描述並非旨在將本揭露限制於所公開的特定形式，相反，其意圖是涵蓋落入精神和範圍內的所有修改、等同物和替代方案如同本揭露所附申請專利範圍所定義者。
在下述對較佳實施例的詳細描述中，參考了附圖，這些附圖形成了其中一部分，並且在一附圖中藉由說明的方式示出可實施本揭露的具體實施例。應當理解，在不脫離本揭露的範圍的情況下，可利用其他實施例並且可進行結構改變。
本揭露涉及絕緣屏障和包含絕緣屏障的系統，以管理能量儲存系統中的熱失控問題。示例性實施例包含絕緣屏障，該絕緣屏障包含至少一絕緣層和至少部分地圍繞該絕緣層的封裝層。
絕緣層可包含通常用於分隔電池單元或電池模組的任何種類的絕緣層。示例性絕緣層包含但不限於基於聚合物的隔熱材料(例如聚丙烯、聚酯、聚醯亞胺和芳族聚醯胺(芳綸(aramid)))、相變材料、膨脹材料、氣凝膠材料、基於礦物的隔熱材料(例如雲母)和無機熱屏障(例如，含有玻璃纖維的屏障)。
在一較佳實施例中，絕緣層包括氣凝膠材料。在美國專利申請案公開第2021/0167438號和美國臨時專利申請案第63/218,205號中描述氣凝膠絕緣層，兩者均藉由引用併入本文。
絕緣層的熱導率通過該絕緣層的厚度維度可為約50mW/mK或更小、約40mW/mK或更小、約30mW/mK或更小、約25mW/mK或更 小、約20mW/mK或更小、約18mW/mK或更小、約16mW/mK或更小、約14mW/mK或更小、約12mW/mK或更小、約10mW/mK或更小、約5mW/mK或更小，或在25℃和高達約5MPa的負載下在這些值中的任何兩個之間的範圍內。
絕緣層可具有令絕緣層難以併入電池模組或電池組的許多不同物理特性。例如，一些絕緣層具有非常低的彎曲模量(例如，小於10MPa)，使得材料難以處理和放置在電池單元之間。此外，低彎曲模量材料可能難以操作，特別是在使用自動封裝製程的情況下。一些絕緣層往往會產生可能對電力儲存系統有害的粒子物質(灰塵)，從而產生製程問題。
這些問題可藉由使用封裝層來緩解。封裝層圍繞至少一部分的絕緣層，使得封裝層抑制或防止粒子物質釋放到電池模組或電池組中。封裝層通常密封在絕緣層周圍，使得粒子和氣體不能進入或離開封裝層。在封裝層壓縮期間，封裝層可能破裂或洩漏，將粒子和氣體釋放到電池模組中。為了緩解這個問題，可對封裝層進行修改。第一個修改是提供封裝層的一個或多個開口。這些開口提供氣體和粒子可通過其離開封裝層的流動路徑。第二個修改是將粒子捕獲層耦合至封裝層。在絕緣屏障壓縮期間產生的粒子和氣體將流向一個或多個的開口封裝層，並且與氣體一起流動的任何粒子物質至少部分地保留在粒子捕獲層內。
封裝層為單層或多層材料。封裝層可為為薄膜、信封或袋子的形式。封裝層可由適合封裝絕緣層的任何材料製成。用於形成封裝層的材料可選自聚合物、彈性體或它們的組合。合適的聚合物的例子，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚醯亞胺(PI)、聚丙烯、聚醯 胺、橡膠和尼龍，具有非常低的熱導率(小於1W/m)，具有降低整個系統的通過平面熱導率的效果。在一個實施例中，封裝層包括聚對苯二甲酸乙二醇酯聚合物。
在另一個實施例中，封裝層由多層材料組成。例如，可使用類似於用於形成袋式電池單元外殼的材料的多層材料。在一個實施例中，封裝層包括層壓板，該層壓板包括三層：第一聚合物層、第二熱導層和第三聚合物層，熱導層夾在第一層和第三聚合物層之間。第一層和第三聚合物層較佳地由具有非常低的熱導率(小於1W/m)的聚合物形成。可用於第一層和第三聚合物層的聚合物的例子包括但不限於聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯、聚醯胺和尼龍。可用於第二層的熱導材料的示例包括但不限於金屬(例如銅、不鏽鋼或鋁)、碳纖維、石墨和碳化矽。當使用金屬熱導層時，金屬可為夾在聚合物層之間的箔的形式。
在另一個實施例中，封裝層包括層壓板，該層壓板包括三層：第一聚合物層、第二阻燃層和第三聚合物層，其中，阻燃層夾在第一層和第三聚合物層之間。如前述該第一層和第三聚合物層較佳地由具有非常低的熱導率(小於1W/m)的聚合物形成。可用於第二層的阻燃材料的示例包括但不限於金屬(例如銅、不鏽鋼或鋁)、雲母、聚苯並咪唑纖維(PBI纖維)、塗層尼龍、三聚氰胺、改性丙烯酸樹脂、和芳香族聚醯胺(芳綸)。當使用金屬熱導層時，金屬可為夾在聚合物層之間的箔的形式。
金屬是用於層壓封裝層的較佳材料。金屬為封裝層提供熱導性能和阻燃性。藉由使用單一材料來提供阻燃性和熱導性，可最小化封裝層的厚度。
包含粒子捕獲層的絕緣屏障的實施例係圖1A和圖1B所示。絕緣屏障100包含絕緣層110。絕緣層110被封裝層120所圍繞。如圖1B所示，一個或多個開口130可形成在封裝層120中。粒子捕獲層140耦合至封裝層120。在該實施例中，粒子捕獲層140定位於封裝層120的外表面上，定位於封裝層120之一個或多個開口之上。在絕緣屏障壓縮期間，粒子和氣體流向一個或多個的開口封裝層。隨著粒子和氣體通過開口，氣體和粒子進入粒子捕獲層，其中至少一部份粒子保留在粒子捕獲層內。在本實施例和任何其他實施例中，應當理解，雖然粒子捕獲層被描繪為定位於絕緣層的一端，但粒子捕獲層和封裝層中的開口可在沿著絕緣層的任何一側(即頂面、底面、前側壁、後側壁、前端和後端)定位。
如本揭露所用的粒子捕獲層是指可捕獲撞擊材料的粒子的材料層。用於粒子捕獲層的材料的示例包含但不限於泡沫(開孔或閉孔)、織造材料、非織造材料(例如氈、棉絮、消光織物)或網狀材料。通常，粒子捕獲層由允許氣體通過該材料而粒子被保留在粒子捕獲層中的材料製成。
包含粒子捕獲層的絕緣屏障的實施例係圖2A和2B所示。絕緣屏障200包含絕緣層210。絕緣層210被封裝層220所包圍。如圖2B所示，封裝層沒有沿絕緣層的一側完全密封。以這種方式，沿著絕緣層的整個側面形成單個細長開口230。粒子捕獲層240耦合在細長開口230上方。在該實施例中，粒子捕獲層240定位於絕緣層210的外表面上。在絕緣屏障壓縮期間，粒子和氣體流向封裝層的細長開口，隨著粒子和氣體通過開口，氣體和粒子進入粒子捕獲層，其中至少一部分粒子被保留在粒子捕獲層內。
包含粒子捕獲層的絕緣屏障的另一個實施例係如圖3所示。絕緣屏障300包含絕緣層310。絕緣層310被封裝層320所包圍。一個或多個開口330可形成在封裝層320中。粒子捕獲層340耦合至封裝層320。在這個實施例中，粒子捕獲層340定位於絕緣層310和封裝層320之間，與封裝層320之一個或多個開口流體接觸。在絕緣屏障壓縮期間，粒子和氣體流向封裝層的一個或多個開口。隨著粒子和氣體朝向開口通過，氣體和粒子進入粒子捕獲層，其中至少一部份粒子被保留在粒子捕獲層內。氣體繼續通過粒子捕獲層340並通過開口330流出。當氣體通過材料時，粒子基本上保留在粒子捕獲層中。
包含粒子捕獲層的絕緣屏障的另一個實施例係如圖4所示。絕緣屏障400包含絕緣層410。絕緣層410被封裝層420所包圍。一個或多個開口430可形成在封裝層420的側壁中。粒子捕獲層440使用黏合劑450(例如膠條)接合到封裝層420。在該實施例中，粒子捕獲層440位於封裝層中形成的開口上方。在絕緣屏障壓縮期間，粒子和氣體流向封裝層的一個或多個開口。隨著粒子和氣體通過開口430，氣體和粒子進入粒子捕獲層440，其中至少一部分粒子被保留在粒子捕獲層內。當氣體通過材料時，粒子基本上保留在粒子捕獲層中。
包含粒子捕獲層的絕緣屏障的另一個實施例係如圖5A和5B所示。絕緣屏障500包含絕緣層510。粒子捕獲層540耦合至絕緣層510。在一些實施例中，第一聚合物膜515定位於絕緣層和粒子捕獲層之間。絕緣層510、第一聚合物膜515和粒子捕獲層540被封裝層520所包圍。一個或多個開口530可形成在封裝層520中。第二聚合物膜550耦合至粒子 捕獲層540並定位在絕緣層510、粒子捕獲層540和開口530之間。第一和第二聚合物膜可為過濾器的形式，其允許氣體通過膜，但抑制粒子通過膜的進展。可使用的聚合材料的例子是聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚丙烯(PP)。第一和第二聚合物膜是薄膜(例如厚度小於1毫米(mm)的聚合物膜)。在絕緣屏障壓縮期間，粒子和氣體流向封裝層的一個或多個開口。第一和第二聚合物膜充當過濾器，當粒子被推向開口時捕獲至少一部分粒子。氣體繼續通過粒子捕獲層540並通過開口530流出。當氣體通過材料時，粒子基本上保留在粒子捕獲層中。
包含粒子捕獲層的絕緣屏障的另一個實施例係如圖6所示。絕緣屏障600包含絕緣層610。粒子捕獲層640耦合至絕緣層610。聚合物膜650耦合至粒子捕獲層640。絕緣層610、聚合物膜650和粒子捕獲層640被封裝層620所包圍。在封裝層620中形成一個或多個開口630。聚合物膜650定位於粒子捕獲層640和一個或多個開口630之間。聚合物膜650可為對氣體和粒子不可滲透性。在絕緣屏障壓縮期間，粒子和氣體流向封裝層的一個或多個開口。聚合物膜650的屏障特性在氣體通過開口630離開之前，引導進入粒子捕獲層的氣體和粒子遠離開口穿過粒子捕獲層。藉由產生穿過粒子捕獲材料的延伸流動路徑，改善粒子捕獲效率。
包含粒子捕獲層的絕緣屏障的另一個實施例係如圖7所示。絕緣屏障700包含絕緣層710。絕緣層710被封裝層720所包圍。粒子捕獲層740藉由使用黏合劑760(例如膠條或膠墊)將粒子捕獲層接觸至封裝層並耦合至絕緣層710。聚合物膜750耦合至粒子捕獲層740。一個或多個開口730形成在封裝層720中。聚合物膜750定位於粒子捕獲層740 與絕緣層710相對一側。聚合物膜750可不讓氣體和粒子穿透。在絕緣屏障的壓縮過程中，粒子和氣體流向並通過封裝層的一個或多個開口，如圖7所示。聚合物膜750的屏障特性在氣體通過粒子捕獲層離開之前引導氣體和粒子通過粒子捕獲層。黏合劑760為粒子和氣體的流動提供額外的屏障。黏合劑760將逸出封裝層的粒子和氣體引導到粒子捕獲層中。藉由創建通過粒子捕獲材料的定向流動路徑，改善粒子捕獲效率。
包含粒子捕獲層的絕緣屏障的另一個實施例係如圖8所示。絕緣屏障800包含絕緣層810。絕緣層810被封裝層820所包圍。藉由使用黏合劑860(例如，膠條或膠墊)將粒子捕獲層840附接至封裝層並耦合至絕緣層810。一個或多個開口830形成在封裝層820中。聚合物膜850定位於粒子捕獲層840與絕緣層810相對的一側。聚合物膜850可不讓氣體和粒子穿透。在絕緣屏障的壓縮過程中，粒子和氣體流向並通過封裝層的一個或多個開口，如圖8所示。聚合物膜850的屏障特性在氣體通過粒子捕獲層離開之前，引導氣體和粒子通過粒子捕獲層。黏合劑860為粒子和氣體的流動提供了額外的屏障。黏合劑860將粒子和氣體進一步引導到粒子捕獲層中，為粒子的捕獲提供更長的流動路徑。通過創建通過粒子捕獲材料的定向流動路徑，提高粒子捕獲效率。
如在本說明書和所附申請專利範圍中所使用，單數形式「一」、「一個」和「該」包含多個指示，除非內容另有明確規定。如在本說明書和所附申請專利範圍中所使用，術語「或」通常以其包含「及/或」的含義使用，除非上下文另有明確規定。
在本揭露的上下文中，術語「氣凝膠(aerogel)」、「氣凝膠材料(aerogel material)」或「氣凝膠基質(aerogel matrix)」是指包含互連結構的框架的凝膠，具有集成在該框架內的互連孔的相應網絡，並且含有氣體如空氣作為分散的間隙介質；並且其中可歸因於氣凝膠的以下物理和結構特性(根據氮氣孔隙率測試)：(a)均孔徑為約2nm至約100nm，(b)至少80%的孔隙率或更多，和(c)100平方公尺/克(m2/g)或更多的表面積。
本揭露的氣凝膠材料因此包含任何氣凝膠或其他滿足上述段落中闡述的定義要素的開孔材料；包含可另外分類為乾凝膠、冷凍凝膠、雙凝膠、微孔材料等之材料。
在本揭露的上下文中，對「熱失控(thermal runaway)」的提及通常是指由於各種操作因素導致電池溫度和壓力的突然、快速增加，這又會導致過度溫度在整個相關模組中傳播。例如，此類系統中熱失控的潛在原因可能包含：電池缺陷及/或短路(內部和外部)、過度充電、電池穿孔或破裂(例如發生事故)以及過高的環境溫度(例如，溫度通常高於55℃)。在正常使用中，電池會因內部電阻而發熱。在正常的功率/電流負載和環境工作條件下，大多數鋰離子電池內的溫度可相對容易地控制在20℃至55℃的範圍內。然而，在高電池高功率消耗等壓力條件下/環境溫度以及單個電池中的缺陷可能會急劇增加局部發熱。特別是，在臨界溫度以上，電池內的放熱化學反應被活化。此外，化學發熱通常隨溫度呈指數增長。結果，產生的熱量遠大於可用的散熱量。熱失控會導致電池排氣和內部溫度超過200℃。
在本揭露的上下文中，術語「熱導率(thermal conductivity)」和「TC」是指測量材料或組合物在材料或組合物任一側的兩個表面之間傳遞熱量的能力，具有兩個表面之間的溫差。熱導率具體測量為每單位時間和每單位表面積傳遞的熱能除以溫差。它通常以SI單位記錄為mW/m*K。材料的熱導率可藉由本領域已知的測試方法來確定，包含但不限於通過熱流計裝置的穩態熱傳輸性能測試方法(ASTM C518，ASTM International，West Conshohocken，帕)；一種通過防護熱板裝置進行穩態熱通量測量和熱傳遞特性的測試方法(ASTM C177，ASTM International，West Conshohocken，帕)；管道絕緣穩態傳熱性能的測試方法(ASTM C335，ASTM International，West Conshohocken，帕)；薄加熱器熱導率測試(ASTM C1114，ASTM International，West Conshohocken，帕)；熱導絕緣材料的熱傳輸性能的標準測試方法(ASTM D5470，ASTM International，West Conshohocken，帕)；通過保護熱板和熱流量計法測定熱阻(EN 12667，英國標準協會，英國)；或穩態熱阻和相關特性的測定-保護熱板設備(ISO 8203，國際標準化組織，瑞士)。由於不同的方法可能導致不同的結果，應理解在本揭露內容的範圍內，除非另有明確說明，否則熱導率測量是根據ASTM C518標準(以熱流計裝置用於穩態熱通量性質之測試方法)，在環境中的大氣壓和約2磅力每平方英寸(psi)的壓縮負載下，溫度約為37.5℃。根據ASTM C518報告的測量值通常與根據EN 12667進行的任何測量值以及對壓縮載荷的任何相關調整具有良好的相關性。
熱導率測量也可在約10℃的溫度下在大氣壓下壓縮下進行。10℃下的熱導率測量值通常比37.5℃下的相應熱導率測量值低0.5至0.7 mW/mK。在某些實施例中，本揭露的絕緣層在10℃具有約40mW/mK或更小、約30mW/mK或更小、約25mW/mK或更小、約20mW/mK或更小、約18mW/mK或更小、約16mW/mK或更小、約14mW/mK或更小、約12mW/mK或更小、約10mW/mK或更小、約5mW/mK或更小，或在這些值中任兩個值之間的範圍內。
在電池模組或電池組內使用絕緣屏障
與傳統電池相比，鋰離子電池(LIBSs)具有高工作電壓、低記憶效應和高能量密度等優點，被認為是最重要的儲能技術之一。然而，安全問題是阻礙LIBs大規模應用的重大障礙。在濫用條件下，放熱反應可能導致熱量釋放，從而引發隨後的不安全反應。情況變得更糟，因為被濫用的電池釋放的熱量會活化一系列反應，導致災難性的熱失控。
隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，提高其安全性對於電子裝置的發展越來越緊迫，例如電動汽車。每種不同的電池化學組成的安全問題背後的機制各不相同。本技術專注於定制絕緣屏障和那些定制屏障的相應配置以獲得有利的熱和機械性能。本技術的絕緣屏障在正常以及熱失控條件下提供有效的散熱策略，同時確保LIBs在正常操作模式下的穩定性(例如，承受施加的壓縮應力)。
本揭露公開的絕緣屏障可用於分離、絕緣和保護任何構造的電池組電池或電池組組件，例如袋式電池、圓柱形電池、棱柱形電池，以及結合或包含任何此類電池的電池組和模組。本揭露公開的絕緣屏障可用於可充電電池，例如鋰離子電池、固態電池以及任何其他需要隔離、絕緣和保護的能量儲存設備或技術。
諸如冷卻系統的被動裝置可與電池模組或電池組內的本揭露的絕緣屏障結合使用。
根據本揭露的各個實施例電池組中的絕緣屏障包含複數個單個電池單元或電池單元模組係用於將電池單元之該單個電池單元或電池單元模組彼此熱分離。電池模組由佈置在單個外殼中的複數個電池單元組成。電池組由複數個電池模組組成。圖9描繪具有複數個電池單元950的電池模組900的實施例。封裝的絕緣屏障925定位於電池單元950之間。當電池單元經歷熱失控或任何熱失控時，封裝的絕緣屏障可抑制或防止相鄰電池單元的損壞或其他災難性電池故障。
電池模組和電池組可用於為設備或載具提供電能。使用電池模組或電池組的設備包含但不限於筆記型電腦、PDA、手機、標籤掃描儀、音頻裝置、視頻裝置、顯示面板、攝影機、數位相機、桌上型電腦、軍用便攜電腦、軍用電話、雷射測距儀、數位通訊裝置、情報收集感測器、電子集成服裝、夜視設備、電動工具、計算機、收音機、遙控設備、GPS設備、手持和便攜式電視、汽車啟動器、手電筒、聲學設備、便攜式加熱裝置、便攜式真空吸塵器或便攜式醫療工具。當用於載具時，電池組可用於全電動汽車或混合動力汽車。
在本揭露中，某些美國專利案、美國專利申請案和其他材料(例如文章)已藉由引用併入本揭露。然而，此類美國專利案、美國專利申請案和其他材料的文本僅在該文本與本揭露闡述之內容和附圖之間不存在衝突的情況下內藉由引用併入本揭露。在這種衝突的情況下，藉由引用併入 的美國專利案、美國專利申請案和其他材料中的任何這種衝突文本明確地不藉由引用併入本揭露中。
鑑於本描述，本揭露的各個態樣的進一步修改和替代實施例對於本領域技術人員將是顯而易見的。因此，該描述僅被解釋為說明性的並且是為了向本領域技術人員傳授實施本揭露的一般方式的目的。應當理解，本揭露所表示和描述本揭露的形式將被視為實施例的示例。元件和材料可代替本揭露中所表示和描述之內容，部件和過程可顛倒，並且本揭露的某些特徵可獨立地使用，所有這些對於本領域技術人員在受益於本說明書的描述後將是顯而易見的。本揭露在不背離所附申請專利範圍中所描述本揭露的精神和範圍的情況下，可對在此描述的元件進行改變。
100:絕緣屏障
110:絕緣層
120:封裝層
140:粒子捕獲層

Claims (22)

  1. 一種用於電能儲存系統的絕緣屏障，該絕緣屏障包括：
    至少一層絕緣層；
    至少部分地圍繞該絕緣層的封裝層，該封裝層包括一個或多個開口；以及
    耦合至該封裝層的粒子捕獲層；
    其中，在壓縮該絕緣屏障期間產生的粒子和氣體流向該封裝層的一個或多個開口，且其中，該粒子至少部分地保留在該粒子捕獲層內。
  2. 如請求項1所述之絕緣屏障，其中，該粒子捕獲層定位於該封裝層之外表面且該一個或多個開口的上方，並且其中在該絕緣屏障壓縮期間產生的粒子穿過該封裝層的一個或多個開口並至少部分地保留在該粒子捕獲層內。
  3. 如請求項2所述之絕緣屏障，其中，該封裝層包括細長開口，且其中，該封裝層部分覆蓋該絕緣層，使得該封裝層中的該細長開口沿著該絕緣層的一側定位，且其中，該粒子捕獲層耦合至該封裝層，使得該粒子捕獲層定位於該封裝層中的該細長開口之上。
  4. 如請求項2所述之絕緣屏障，其中，該封裝層包括沿著該絕緣層的一側或多側定位的複數個開口，且其中，該粒子捕獲層耦合至該封裝層，使得該粒子捕獲層定位於該封裝層中的複數個開口上方。
  5. 如請求項3或4所述之絕緣屏障，其中，該粒子捕獲層藉由黏合材料耦合至該封裝層。
  6. 如請求項5所述之絕緣屏障，其中，該黏合材料定位成鄰近該開口，使得該黏合材料充當該粒子和氣體流動的屏障，該屏障將該粒子和氣體引導到該粒子捕獲層中。
  7. 如請求項1所述之絕緣屏障，其中，該粒子捕獲層定位於該封裝層的內部，且其中，在使用過程中，該絕緣屏障壓縮過程中產生的粒子和氣體在通過封裝層的一個或多個開口之前進入該粒子捕獲層，並且至少部分地保留在粒子捕獲層內。
  8. 如請求項1至7中任一項所述之絕緣屏障，其中，該粒子捕獲層包括泡沫材料。
  9. 如請求項1至7中任一項所述之絕緣屏障，其中，該粒子捕獲層包括織造材料、非織造材料或網狀材料。
  10. 如請求項1至9中任一項所述之絕緣屏障，復包括一個或多個耦合至該粒子捕獲層之聚合物膜，其中，該聚合物膜在該絕緣屏障的壓縮過程中抑制及/或捕獲粒子。
  11. 如請求項10所述之絕緣屏障，其中，該聚合物膜的一個或多個係過濾器的形式，該過濾器抑制粒子流過該聚合物膜並允許氣體通過該聚合物膜。
  12. 如請求項10所述之絕緣屏障，其中，該聚合物膜的一個覆蓋相對於該絕緣層之一部分的該粒子捕獲層的一部分。
  13. 如請求項10所述之絕緣屏障，其中，該聚合物膜的一個覆蓋該絕緣層的一部份和該粒子捕獲層。
  14. 如請求項1至12中任一項所述之絕緣屏障，其中，該絕緣層具有通過該絕緣層的厚度維度在25℃下小於約50mW/m-K且在600℃小於約60mW/m-K的熱導率。
  15. 如請求項1至13中任一項所述之絕緣屏障，其中，該絕緣層包括氣凝膠。
  16. 如請求項1至14中任一項所述之絕緣屏障，其中，該封裝層包括聚合物材料。
  17. 如請求項1至14中任一項所述之絕緣屏障，其中，該封裝層包括聚合物材料和嵌入該聚合物材料中的金屬層。
  18. 一種電池模組，包括：
    複數個電池單元，以及
    如請求項1至17中任一項所述之一個或多個絕緣屏障，其中，至少一個絕緣屏障設置在相鄰的電池單元之間。
  19. 一種電力系統，包括一個或多個請求項18中所述之電池模組。
  20. 一種包括請求項18中所述之電池模組的裝置或載具。
  21. 如請求項20所述之設備，其中，該裝置為筆記型電腦、PDA、手機、標籤掃描儀、音頻裝置、視頻裝置、顯示面板、攝影機、數位相機、桌上型電腦、軍用便攜電腦、軍用手機、雷射測距儀、數位通訊裝置、情報收集感測器、電子集成服裝、夜視設備、電動工具、計算機、收音機、遙控設備、GPS裝置、手持和便攜式電視、汽車啟動器、手電筒、聲學設備、便攜式加熱裝置、便攜式真空吸塵器或便攜式醫療工具。
  22. 如請求項20所述之載具，其中，該載具為電動車。
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