TW202346083A - 用於氣凝膠及氣凝膠複合物之箔件封裝的材料、系統及方法 - Google Patents

用於氣凝膠及氣凝膠複合物之箔件封裝的材料、系統及方法 Download PDF

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Abstract

本揭露涉及用於管理能量存儲系統中的熱失控問題的材料和系統。示例性實施方案包括被封裝以形成絕緣阻隔件的絕緣層。封裝層由層壓膜所製成，所述層壓膜包括位於外聚合物層和內聚合物層之間的可延展層。

Description

用於氣凝膠及氣凝膠複合物之箔件封裝的材料、系統及方法
本揭露一般涉及用於封裝材料(encapsulating materials)的材料、系統和方法。特別地，本揭露涉及使用於封裝在能量存儲系統中的電池單元或電池模塊之間的熱阻隔件的材料、系統和方法。本揭露還涉及氣凝膠熱阻隔件的封裝。本揭露還涉及具有一個或複數個包括封裝的熱阻隔件材料的電池單元的電池模塊或電池組，以及包括那些電池模塊或電池組的系統。
諸如鋰離子電池的可再充電電池已被發現在動力驅動和能量存儲系統中廣泛應用。鋰離子電池(LIB)廣泛用於為諸如行動電話、平板電腦、膝上型電腦、動力工具的便攜式電子設備和諸如電動車輛的其他高電流設備供電，因為與傳統電池相比，LIB具有高工作電壓、低記憶效應和高能量密度。然而，安全性是一個問題，因為在諸如當可再充電電池被過度充電(被充電到超過設計電壓)、過度放電、在高溫和高壓下工作或暴露於高溫和高壓時的「濫用條件(abuse conditions)」下，LIB容易發生災難性故障。因此，窄工作溫度範圍和充電 /放電速率對LIB的使用提出了限制，因為在經受其設計窗口之外的條件時，LIB可能因為快速自加熱或熱失控(thermal runaway)事件而失效。
當內部反應速率增大到產生的熱量超過可提取的熱量的點時，發生熱失控可能，從而導致反應速率和生熱的進一步增加。在熱失控期間，高溫觸發電池中的放熱反應鏈，導致電池溫度迅速升高。在許多情況下，當熱失控發生在一個電池單元中時，生成的熱量使靠近經歷熱失控的單元的單元快速加熱。添加到熱失控反應中的每個單元含有額外能量以繼續反應，導致電池組內的熱失控傳播，最終導致火災或爆炸災難。迅速散熱和有效阻斷傳熱路徑可以作為減少由熱失控傳播引起的危險的有效對策。
基於對導致電池熱失控的機制的理解，研究了許多方法，目的是通過合理設計電池組件來減少安全隱患。為了防止此類級聯熱失控事件發生，LIB通常被設計成保持儲存足夠低的能量，或者在電池模塊或電池組內的單元之間採用足夠的隔熱材料，以使它們與可能在相鄰單元中發生的熱事件隔離，或這些措施的組合。前者嚴重限制了可存儲在這種設備中的能量的量。後者限制了可如何放置單元，從而限制了有效能量密度。
當前有許多不同的方法用於使能量密度最大化，同時防止級聯熱失控。一種方法是在單元(cells)或單元簇(clusters of cells)之間結合足夠量的隔熱體。通常認為這種方法從安全角度來說是期望的；然而，在這種方法中，隔熱材料容納熱量的能力與所需的隔熱體積組合決定了可實現的能量密度的上限。
另一種方法是使用相變材料。這些材料在達到一定高溫時經歷吸熱相變。吸熱相變吸收所產生的熱量的一部分，從而使局部區域冷卻。通常，對於電存儲設備，這些相變材料依賴於例如蠟和脂肪酸等烴材料。這些體系在冷卻 方面是有效的，但它們本身是可燃的，因此一旦存儲設備內確實發生點燃時無助於防止熱失控。
結合膨脹性材料是防止級聯熱失控的另一種策略。這些材料在超過指定溫度時膨脹，產生設計為輕質並在需要時提供隔熱的焦炭。這些材料可有效提供隔熱益處，但是必須在存儲設備的設計中考慮材料的膨脹。
氣凝膠材料(aerogel materials)也已被用作熱阻隔件材料(thermal barrier materials)。與其他熱阻隔件材料相比，氣凝膠熱阻隔件具有許多優勢。部分該等優勢包括對熱傳播和火勢傳播具有有利的耐受性，同時使所用材料的厚度和重量最小化。氣凝膠絕緣阻隔件還具有可壓縮性、壓縮彈性和柔順性方面的有利特性。一些基於氣凝膠的熱阻隔件由於重量輕且剛度低而難以安裝在電池單元之間，尤其是在大規模生產環境中。此外，氣凝膠絕緣阻隔件往往會產生對電存儲系統有害的顆粒物質(灰塵)，從而產生製造問題。
由於有許多不同的材料可供使用，每種材料都具有許多不同的特性，無論是有利的還是其它的，封裝熱阻隔件材料為電池單元和熱阻隔件提供額外保護，同時簡化製造工藝將是有利的。
本揭露的一目的為避免或減輕上述先前方法和材料的至少一個缺點。本文所提供的支撐構件旨在改進電池模塊或電池組中所使用的熱阻隔件的封裝(encapsulation)和處理。
在本揭露的一方面，一種用於電能存儲系統的絕緣阻隔件包括：至少一層絕緣層；和至少部分地包圍所述絕緣層的所述封裝層。所述封裝層包括 層壓膜，所述層壓膜包括外聚合物層、可延展層和內聚合物層。所述內聚合物層與所述絕緣層接觸且所述可延展層設置在所述外聚合物層和所述內聚合物層之間。
所述外聚合物層包括對所述電能存儲系統中的介電傳熱流體具有耐受性的聚合物。舉例而言，外聚合物層包括對選自由烴流體、酯流體、矽橡膠流體、氟醚流體及其組合所組成群組的傳熱流體具有耐受性的聚合物。在本揭露的一個方面，所述外聚合物層是由選自由聚甲醛、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚醯胺-醯亞胺、聚醯胺、聚碳酸酯、聚酯、聚醚醯亞胺、聚苯乙烯、聚碸、聚醯亞胺和對苯二甲酸酯所組成群組的聚合物所製成。
所述內聚合物層包括可熱焊接到其自身的聚合物。舉例而言，所述內聚合物層包括聚烯烴聚合物。在一些方面，所述內聚合物是由與所述外聚合物層中的聚合物不同的聚合物所組成。
在一些方面，所述可延展層包括金屬箔。在一些方面，所述可延展層包括可延展聚合物。
在本揭露的一方面，所述封裝層還包括粘合劑，所述粘合劑設置在所述外聚合物層和所述可延展層之間和/或所述內聚合物層和所述可延展層之間。
在本揭露的一方面，所述外聚合物層具有約10μm至約100μm的厚度。在本揭露的一方面，所述可延展層具有約10μm至約100μm的厚度。在本揭露的一方面，所述內聚合物具有約10μm至約100μm的厚度。在本揭露的一方面，所述封裝層具有約30μm至約300μm的總厚度。
在本揭露的一方面，所述絕緣層具有在25℃小於約50mW/m-K且在600℃小於約60mW/m-K的通過所述絕緣層的厚度維度的導熱率。在本揭露的一方面，所述絕緣層包括氣凝膠(aerogel)。
在本揭露的一方面，所述封裝層完全包圍所述絕緣層。在本揭露的一方面，所述封裝層是由熱焊接在一起的兩個層壓膜所組成。在本揭露的一方面，所述封裝層包圍所述絕緣層。熱焊接所述封裝層到其自身，以形成至少部分地包圍所述絕緣層的罩殼。
在本揭露的一方面，將使用於電能存儲系統中的電池單元之間的絕緣層封裝的方法，所述方法包括：用包括外聚合物層、包含可延展材料的可延展層和內聚合物層的層壓膜，包圍所述絕緣層的至少一部分，其中，所述內聚合物層與所述絕緣層接觸，且其中，所述可延展層設置在所述外聚合物層和所述內聚合物層之間；以及熱焊接所述層壓膜以形成封裝層，其中，所述封裝層至少部分地包圍所述絕緣層。
在本揭露的一方面，將絕緣層封裝的方法包括：用第一層壓膜覆蓋所述絕緣層的至少一部分；用第二層壓膜覆蓋所述絕緣層的至少一部分；以及將部分所述第一層壓膜熱焊接到所述第二層壓膜以形成封裝層。
在本發明的一方面，在將絕緣層封裝的方法中，第一凹陷形成在第一層壓膜中，所述第一凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補；第二凹陷形成在第二層壓膜中，所述第二凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補。封裝層的形成包括：將所述絕緣層放置在所述第一層壓膜的第一凹陷中；將所述第二層壓膜放置在所述第一層壓膜上，使所述第二凹陷與所述第一凹陷基本上對齊；以及將所述第一層壓膜的一部分熱焊接到所述第二層壓膜的一部分。
在本揭露的一方面，在將絕緣層封裝的方法中，第一凹陷形成在所述第一層壓膜中，所述第一凹陷在形狀和尺寸上與絕緣層互補。第二凹陷形成在所述第二層壓膜中，所述第二凹陷在形狀和尺寸上與所述第一凹陷互補。封裝層的形成包括：將所述絕緣層放置在所述第一層壓膜的第一凹陷內；將所述第二層壓膜放置在所述第一層壓膜上，所述第二凹陷與所述第一凹陷基本上對齊，使得所述第二凹陷的一部分被設置在所述第一凹陷內；以及將所述第一層壓膜的一部分熱焊接到所述第二層壓膜的一部分。
在本揭露的一方面，在將絕緣層封裝的方法中，第一凹陷形成在第一層壓膜中，所述第一凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補。第二凹陷形成在第二層壓膜中，所述第二凹陷在形狀和尺寸上與所述第一凹陷互補。封裝層的形成包括：將所述絕緣層放置在所述第一層壓膜的第一凹陷內；將所述第二層壓膜放置在所述第一層壓膜上，所述第二凹陷與所述第一凹陷基本上對齊，使得所述第二凹陷的一部分設置在所述第一凹陷內；以及將所述第一層壓膜的一部分熱焊接到所述第二層壓膜的一部分。
在本揭露的一方面，在將絕緣層封裝的方法中，第一凹陷形成在第一層壓膜中，所述第一凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補。第二凹陷形成在層壓膜中，所述第二凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補。此時，所述封裝層的形成包括：將所述絕緣層放置在所述層壓膜的第一凹陷中；折疊所述層壓膜，使得所述層壓膜的第二凹陷與所述第一凹陷基本上對齊；以及將所述層壓膜的一部分熱焊接到其自身。
在本揭露的一方面，把延伸的層壓膜的熱焊接部分折疊抵靠在絕緣層的一個或複數個側面。
在本揭露的另一方面，電池模塊包括複數個電池單元和一個或複數個絕緣阻隔件，如本文所述，所述絕緣阻隔件設置在相鄰的電池單元之間。
在另一方面，本文提供了一種包括根據上述方面中任一項的電池模塊或電池組的設備或車輛。在一些實施方案中，所述設備是膝上型電腦、PDA、行動電話、標籤掃描儀、音頻設備、視訊設備、顯示面板、視訊攝影機、數位視訊攝影機、桌上型電腦、軍用便攜式電腦、軍用電話、雷射測距儀、數位通訊設備、智慧收集感測器、電子集成服裝、夜視裝備、動力工具、計算器、無線電、遙控器、GPS設備、手持式和便攜式電視、汽車起動器、手電筒、聲學設備、便攜式加熱設備、便攜式真空吸塵器或便攜式醫療工具。在一些實施方案中，所述車輛是電動車輛。
本文所述的絕緣阻隔件可提供優於現有熱失控緩解策略的一個或複數個優點。本文所述的阻隔件可使單元熱失控傳播最小化或消除，而不會顯著影響電池模塊或電池組的能量密度和組裝成本。本揭露的絕緣阻隔件可提供可壓縮性、壓縮彈性和柔順性方面的有利特性以適應單元的在單元壽命期間持續的膨脹，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特性。本文所述的絕緣阻隔件耐用且易於處理，對熱傳播和火勢傳播具有有利的耐受性，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、壓縮彈性和柔順性方面的有利特性。
100:絕緣阻隔件
110,210,310,410,510:絕緣層
120,220,350,620:封裝層
122:外聚合物層
122a,122b:聚合物層
124:可延展層
126:內聚合物層
225,450,470,550,700:層壓膜
320,420,520,220a:第一層壓膜
325,330,354,425,465,525,565:第一凹陷
330,430,530,220b:第二層壓膜
335,358,435,475:第二凹陷
625:延伸部分
630:切口
710:凹陷
225a,460:第一區塊
225b,575:第二區塊
D:深度
L:長度
θC:凹陷轉角的角度
θE:凹陷邊緣半徑的角度
用一般術語對本揭露進行描述後，現在將參考附圖，這些附圖不一定按比例繪製，且其中：
圖1A是用層壓膜封裝絕緣層的剖面圖。
圖1B是層壓膜的側視圖。
圖1C是具有兩個外聚合物層的層壓膜的側視圖。
圖2A是使用兩片層壓膜在絕緣層周圍形成封裝層的工藝的示意圖。
圖2B描繪了在圖2A所描繪的工藝中由所形成的封裝層所封裝的絕緣層的示意圖。
圖2C描繪了使用單片層壓膜在絕緣層周圍形成封裝層的選擇性工藝的示意圖。
圖3A描繪了使用兩片層壓膜在絕緣層周圍形成封裝層的工藝的示意圖，其中，兩片層壓膜都具有凹陷以接收所述絕緣層。
圖3B描繪了在圖3A所描繪的工藝中由所形成的封裝層所封裝的絕緣層的俯視圖。
圖3C描繪了使用具有兩個凹陷的單片層壓膜在絕緣層周圍形成封裝層的選擇性工藝的示意圖。
圖4A描繪了使用兩片經壓印的層壓膜在絕緣層周圍形成封裝層的選擇性工藝的示意圖。
圖4B描繪了在圖4A所描繪的工藝中由所形成的封裝層所封裝的絕緣層的俯視圖。
圖4C描繪了使用具有兩個凹陷的單片層壓膜在絕緣層周圍形成封裝層的選擇性工藝的示意圖。
圖5A描繪了使用兩片層壓膜在絕緣層周圍形成封裝層的選擇性工藝的示意圖，在兩片層壓膜中，一片是經壓印的，而另一片是未經壓印的。
圖5B描繪了在圖5A所描繪的工藝中由所形成的封裝層所封裝的絕緣層的俯視圖。
圖5C描繪了使用單片層壓膜在絕緣層周圍形成封裝層的選擇性工藝的示意圖，所述單片層壓膜在一個區塊中具有單個凹陷，而在另一個區塊中沒有凹陷；
圖6A描繪了將封裝層折疊的方法的示意圖。
圖6B描繪了將在轉角具有切口的封裝層折疊的方法的示意圖。
圖6C描繪了將封裝層邊緣進行雙重折疊方法的示意圖。
圖7描繪了在層壓膜中所形成的凹陷的示意圖。
圖8A描繪了使用單個層壓膜封裝絕緣阻隔件的組裝工藝的流程圖。
圖8B描繪了用兩個層壓膜封裝絕緣阻隔件的組裝工藝的流程圖。
圖9描繪了在電池單元之間具有絕緣阻隔件的電池模塊的示意圖。
儘管本發明易於進行各種修改和可選的形式，其具體實施方案在附圖中以實施例的方式示出且將在本文中詳細描述。附圖可能未按比例繪製。然而，應當理解，附圖及其詳細描述並不旨在將本發明限制為所公開的特定形式，反之，其意圖是涵蓋落入如所附申請專利範圍所定義的本發明的精神和範圍內的所有修改、等同物和替代物。
參見附圖，在對以下較佳實施方案的詳細描述中，附圖構成其部分，且在附圖中是以繪示的方式示出可實施本揭露的具體實施方案。應當理解，在不脫離本揭露的範圍的情況下，可利用其他實施方案，且可進行結構改變。
本揭露涉及一種絕緣阻隔件和包括絕緣阻隔件的系統，以管理能量存儲系統中的熱失控問題。示例性實施方案包括絕緣阻隔件，所述絕緣阻隔件包括至少一個絕緣層和至少部分地包圍所述絕緣層的封裝層。
絕緣層可包括通常使用來分離電池單元或電池模塊的任何種類的絕緣層。示例性絕緣層包括但不限於基於聚合物的熱阻隔件(例如，聚丙烯、聚酯、聚醯亞胺和聚芳醯胺(芳醯胺))、相變材料、膨脹性材料、氣凝膠材料、基於礦物的阻隔件(例如，雲母)和無機熱阻隔件(例如，含有玻璃纖維的阻隔件)。
在較佳的實施方案中，絕緣層包括氣凝膠材料。在美國專利申請公開第2021/0167438號和美國臨時專利申請第63/218,205號中都描述有對氣凝膠絕緣層的描述，兩者都通過引用併入本文。
在至多約5MPa的負載下絕緣層可在25℃具有約50mW/m-K或更低、約40mW/m-K或更低、約30mW/m-K或更低、約25mW/m-K或更低、約20mW/m-K或更低、約18mW/m-K或更低、約16mW/m-K或更低、約14mW/m-K或更低、約12mW/m-K或更低、約10mW/m-K或更低、約5mW/m-K或更低，或在這些數值中的任兩者之間的範圍內的通過所述絕緣層的厚度維度的導熱率。
絕緣層可具有許多不同的物理特性，這使得絕緣層難以結合到電池模塊或電池組中。舉例而言，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定位在電池單元之間。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工藝的情況下難以操作。一些絕緣層往往會產生對電存儲系統有害的顆粒物質(灰塵)，從而產生製造問題。
本揭露通過使用包括層壓膜的封裝層來幫助緩解這些問題。封裝層包圍絕緣層的至少一部分。在一個實施方案中，層壓膜包括外聚合物層、包含可延展材料的可延展層和內聚合物層。內聚合物層與絕緣層接觸。可延展層設置在外聚合物層和內聚合物層之間。把內聚合物和外聚合物層用作阻隔件，以防止周圍大氣和能量存儲系統中存在的流體損壞絕緣層。可延展層也為絕緣層提供保護，然而，對絕緣層而言，可延展層也作為剛性但可延展的支撐，來為絕緣層提供額外的支撐。
在圖1A中描繪了絕緣阻隔件的實施方案，所述絕緣阻隔件包括由封裝層所封裝的絕緣層。絕緣阻隔件100包括絕緣層110。絕緣層110被封裝層120包圍。在一個實施方案中，封裝層是包括外聚合物層122、可延展層124和內聚合物層126的層壓膜。層壓膜的放大側視圖顯示在圖1B中。當內聚合物層126用於封裝絕緣層時，內聚合物層126與絕緣層110接觸。可延展層124設置在外聚合物層122和內聚合物層126之間。
在一些電能存儲系統中，流體傳輸系統耦合到電能存儲系統。在使用過程中，流體傳輸系統將傳熱流體傳遞到電能存儲系統中，並在流體通過電能存儲系統後收集傳熱流體。流體傳輸系統將介電液體流體或介電氣體傳遞到電能存儲系統中。在一些方面，流體被加熱或冷卻，使得流體分別加熱或冷卻電能存儲系統中的組件。
示例性介電傳熱流體包括但不限於烴流體、酯流體、矽橡膠流體和氟醚流體。可用於冷卻電能存儲系統的組件的烴流體包括但不限於芳香烴(例如，二乙苯和二苄基甲苯)和脂肪烴(例如，石蠟基油、異石蠟基油和聚α烯烴)。可用於冷卻電能存儲系統的組件的酯流體包括但不限於二酯和多元醇酯 (polyolester)傳熱流體。可用於冷卻電能存儲系統的組件的矽橡膠流體包括但不限於二甲基聚矽氧烷、甲基苯基聚矽氧烷、二苯基聚矽氧烷和鹵代聚矽氧烷。可用於冷卻電能存儲的組件的氟醚流體包括但不限於全氟聚醚和氫氟醚。
在本揭露的一個方面，外聚合物層包括對電能存儲系統中的介電傳熱流體具有耐受性的聚合物。在本揭露的具體方面，外聚合物層包括對電能存儲系統中常用的一種或多種傳熱流體具有耐受性的聚合物。舉例而言，外聚合物層包括抗烴流體、酯流體、矽橡膠流體、氟醚流體或這些流體的任何組合的聚合物。可用於聚合物外層的示例性聚合物包括但不限於聚甲醛、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚醯胺-醯亞胺、聚醯胺、聚碳酸酯、聚酯、聚醚醯亞胺、聚苯乙烯、聚碸、聚醯亞胺、對苯二甲酸酯或其組合。
外聚合物層也可為絕緣層提供磨損保護。在使用過程中，外部應力會導致絕緣層損壞。絕緣層的損壞會損害絕緣層的隔熱性能。可能發生在未受保護的絕緣層的外部應力包括但不限於由電池單體膨脹、環境溫度變化、外部衝擊、外部破裂和絕緣層的外部劃傷所導致的應力。在本揭露的一些方面，外聚合物層選自保護絕緣層免受外部應力的材料。可用作外聚合物層的示例性聚合物包括但不限於聚對苯二甲酸乙二醇酯(「PET」)和定向尼龍(「ONy」)。
應當理解，雖然上文描述了單個外聚合物層，但是外聚合物層也可由兩個或更複數個聚合物層所組成。圖1C以由兩個不同的聚合物層122a和122b所組成的外聚合物層，描繪了本揭露的一個方面。當使用複數個外聚合物層時，額外的外聚合物層可由相同的聚合物或不同的聚合物所形成。在本發明的一方面，外聚合物層是由具有覆蓋PET聚合物層的ONy聚合物層所組成。
如圖1A所示，內聚合物層126與絕緣層110接觸。內聚合物層110至少部分地包圍絕緣層，保護絕緣層免受外部化學和機械損壞。絕緣層也用作阻擋顆粒物質的阻隔件，使顆粒物質遠離包含在封裝層內的絕緣層，來抑制或防止損壞性顆粒散佈在電能存儲系統中。
如本文所討論的，封裝層120可由兩個單獨的層壓膜(例如，頂部膜120a和底部膜120b)所組成，這兩個層壓膜彼此連接，以形成絕緣層110上的密封。在一選擇性方面，封裝層可由折疊並密封到其自身以封裝絕緣層的單個層壓膜所形成。
在一個方面，內聚合物層126包括可熱焊接到其自身的材料。如圖1A所示，在封裝絕緣層110之後，封裝層120遠離絕緣層延伸出去。設置在例如絕緣層的頂部面上的內聚合物層，可被熱焊接到設置在絕緣層的底部面上的內聚合物層，以形成絕緣層上的密封。可通過將經加熱的物體施加到頂部層壓膜和/或底部層壓膜來形成的熱密封，是在絕緣層外部的位置。來自經加熱的物體的熱量，會將聚合物的溫度提高到頂層和底層中所使用的聚合物可熔合在一起的溫度。可用作層壓膜內層的示例性聚合物是聚烯烴聚合物。可用作內聚合物層的聚烯烴聚合物的實施例包括但不限於聚乙烯和聚丙烯。
內聚合物層也可為絕緣層提供耐化學性和/或抗熱性。在使用過程中，由於電池模塊的電力需求，電池單元的溫度會升高。同樣地，隨著對電池組的電力需求增加，電池模塊的溫度也會升高。由絕緣層隔開的組件的溫度升高，會對絕緣層造成壓力。此外，電池單元的化學洩漏會化學損壞絕緣層，從而損害絕緣層的熱性能。在本發明的一些方面，內聚合物層選自保護絕緣層免受化學和熱損傷的材料。聚烯烴聚合物為絕緣層提供良好的耐化學性和抗熱性。
在一個方面，可延展層124設置在內聚合物層126和外聚合物層122之間。在某些方面，可延展層是使用於提供絕緣阻隔件的支撐和保護。舉例而言，絕緣層包括織造纖維增強支撐或非織造纖維增強支撐。這種基於支撐的絕緣層，由於其重量輕和剛度低，可能難以安裝在電能存儲系統之間，尤其是電池單元之間。這些困難在大規模生產環境中更加複雜。在封裝層中放置可延展層可作為支撐，使絕緣阻隔件在製造工藝中更容易操作。
當用於電池模塊時，可延展層也可提供額外的熱和機械保護。在本揭露的一些方面，絕緣阻隔件被放置在電池模塊中的電池單元之間。在熱失控事件期間，電池單元可能會爆炸性破裂，導致熱顆粒和氣體噴出整個模塊。這些噴出的材料會導致相鄰的電池單元外殼受損，有時會導致相鄰的電池單元進入失控狀態。包括可延展層的絕緣阻隔件可以抑制或防止顆粒碎屑和氣體損壞相鄰的電池單元。可延展層也可保護絕緣層免受水分和空氣的影響。
在一個方面，可延展層包括可延展聚合物或可延展金屬箔。鋁是層壓封裝層中最常用的金屬，但也能使用其他可延展的金屬箔，諸如不銹鋼箔和銅箔。
使用金屬箔也可增加絕緣阻隔件的傳熱性能。當電池單元發生熱失控時，電池單元會被加熱到非常高的溫度。這種熱量會輻射到相鄰的電池單元，導致相鄰的電池單元進入失控狀態的機會增加。使用金屬箔，能通過在絕緣層中提供導熱金屬箔，來改善絕緣阻隔件的熱性能。相鄰的失控電池單元所產生的熱量可傳遞到金屬箔層。金屬箔層可連接到外殼的一部分(例如，冷卻板)，以允許熱量通過金屬箔從電池單元傳遞出去。
如本文所討論的，封裝層由層壓結構所組成，所述層壓結構包括外聚合物層、內聚合物層和設置在聚合物層之間的可延展層。在一些方面，內聚合物層是由不同於外聚合物層的聚合物層的聚合物材料所組成。舉例而言，內聚合物層可由易於熔合在一起的材料所組成，而外聚合物層可由電能存儲系統中所使用的抗冷卻劑流體的材料所組成。
如本文所述，用作封裝層的層壓膜可由多層所組成的單體膜所組成。在一方面，通過將可延展層放置在兩個聚合物層之間並使用熱和/或壓力將內聚合物層和外聚合物層熔合在一起，可形成層壓膜。在另一方面，可使用膠粘合劑或膠帶將複數個層固定在一起。舉例而言，粘合劑可設置在外聚合物層和可延展層之間和/或內聚合物層和可延展層之間。
在一方面，封裝層的厚度為約30μm至約300μm。封裝層可具有至多約30μm、至多約40μm、至多約50μm、至多約60μm、至多約70μm、至多約80μm、至多約90μm、至多約100μm、至多約120μm、至多約150μm、至多約200μm、至多約250μm或至多約300μm的厚度。當封裝層為層壓膜時，內聚合物層可具有約10μm至約100μm的厚度；可延展層可具有約10μm至約100μm的厚度；外聚合物層可具有約10μm至約100μm的厚度。
本揭露的絕緣層，例如，包括氣凝膠的絕緣層，在至多約5MPa的負載下，可保留或增加少量的熱導率(通常以mW/m-K測量)。在某些實施方案中，在至多約5MPa的負載下，本揭露的絕緣層在25℃具有約50mW/m-K或更低、約40mW/m-K或更低、約30mW/m-K或更低、約25mW/m-K或更低、約20mW/m-K或更低、約18mW/m-K或更低、約16mW/m-K或更低、約14mW/m- K或更低、約12mW/m-K或更低、約10mW/m-K或、約5mW/m-K或更低，或介於這些數值中的任兩者之間的範圍內的通過所述絕緣層的厚度維度的熱導率。氣凝膠絕緣層的厚度可由於氣凝膠絕緣層所承受的負載而減小。舉例而言，在約0.50MPa至5MPa範圍內的負載下，氣凝膠絕緣層的厚度可減少50%或更低、40%或更低、30%或更低、25%或更低、20%或更低、15%或更低、10%或更低、5%或更低，或在這些數值中的任兩者之間的範圍內。儘管包括氣凝膠的絕緣層的抗熱性可隨著厚度的減小而降低，但導熱性可保持或少量增加。
在一方面，封裝層完全包圍絕緣層。絕緣層的完全封裝能通過將兩個層壓膜熱焊接在一起來實現。如本文所用，術語「熱焊接」是指通過使用熱熔合來連接兩塊聚合物材料的工藝。在熱焊接工藝中，聚合物塊中的一者或兩者被加熱到用於形成聚合物塊中的一者或兩者的材料的玻璃化轉變溫度以上。將聚合物塊加熱到玻璃化轉變溫度以上，導致塊中的一者或兩者的材料變軟並與其他塊熔合(fuse)。
在一方面，封裝絕緣層的方法包括：如本文所述，用層壓膜包圍絕緣層的至少一部分，且熱焊接層壓膜以形成封裝層，其中，封裝層至少部分地包圍絕緣層。圖2A示出封裝絕緣層的方法的一個方面。在此方面，兩個單獨的層壓膜220a和220b各自覆蓋絕緣層210的至少一部分。舉例而言，第一層壓膜220a可覆蓋絕緣層的頂部面且第二層壓膜220b可覆蓋絕緣層的下部面。第一層壓膜和第二層壓膜都放置成使得內聚合物層彼此接觸。通過將第一層壓膜的一部分熱焊接到第二層壓膜，可形成封裝層。例如，具有一般形狀的絕緣層的加熱元件，可與第一層壓膜接觸並被壓到第一層壓膜上。加熱元件使第一層壓膜的內 聚合物層與第二層壓膜的內聚合物層熔合。圖2B示出完全封裝的絕緣層的示意圖。
在另一方面，如本文所述，通過用層壓膜包圍絕緣層的至少一部分，並將層壓膜熱焊接以形成至少部分地包圍絕緣層的封裝層，來封裝絕緣層。圖2C示出封裝絕緣層的方法的一個方面。在此方面，單個層壓膜225被折疊到其自身上，使得單個層壓膜的各區塊覆蓋絕緣層210的至少一部分。例如，層壓膜的第一區塊225a可覆蓋絕緣層的頂部面，層壓膜的第二區塊225b可覆蓋絕緣層的下部面。層壓膜的第一區塊和第二區塊都放置成使得內聚合物層彼此接觸。通過將第一層壓膜的一部分熱焊接到第二層壓膜，可形成封裝層。例如，具有一般形狀的絕緣層的加熱元件，可與第一層壓膜接觸並被壓到第一層壓膜上。加熱元件使第一層壓膜的內聚合物層與第二層壓膜的內聚合物層熔合。
如圖3A所示，封裝絕緣層310的方法包括在第一層壓膜320中形成第一凹陷325。第一凹陷330是通過將層壓膜彎曲成在形狀和尺寸上與絕緣層互補的形狀所形成。層壓膜中可延展層的存在，允許第一凹陷被形成並保持所需的形狀和尺寸。第二凹陷335被形成在第二層壓膜330中。第一層壓膜和第二層壓膜都被放置成使得絕緣層定位在凹陷中。舉例而言，在一個方面，絕緣層310最初被放置到第二凹陷335中。接著，第一層壓膜320被放置在第二層壓膜的頂部，使得絕緣層定位在第一凹陷325中。通過將第一層壓膜的一部分熱焊接到第二層壓膜，可完成封裝層。圖3B顯示完全封裝的絕緣層的俯視圖。
在選擇性實施方案中，封裝層被密封到其自身。在此選擇性實施方案中，單個封裝層足夠長，以折疊到其自身上並包圍絕緣層。一旦折疊上來，熱焊接封裝層到其自身，以封裝絕緣層。圖3C描繪了用包括單個層壓膜的封裝 層350封裝絕緣層310的方法的示意圖。第一凹陷354和第二凹陷358形成在層壓膜350中。兩個凹陷的尺寸和形狀都與絕緣層的尺寸和形狀互補。在本實施方案中，封裝層是通過將絕緣層310放置在第一凹陷354中所形成的。層壓膜被折疊到其自身上，使得第二凹陷358與第一凹陷354基本上對齊。通過將第一層壓膜的一部分熱焊接到第二層壓膜，可完成封裝層。圖3D顯示完全封裝的絕緣層的示意圖。
封裝絕緣層的選擇性方法如圖4A所示。在此選擇性方面，封裝絕緣層410的方法包括在第一層壓膜420中形成第一凹陷425。第一凹陷425是通過將層壓膜彎曲成在形狀和尺寸上與絕緣層互補的形狀所形成。第二凹陷435被形成在第二層壓膜430中。第二凹陷435具有在形狀和尺寸上與第一凹陷互補的形狀和尺寸。具體地，第二凹陷435的形狀和尺寸允許第二層壓膜的經凹陷的部分適合放到第一凹陷中。第一層壓膜和第二層壓膜都被放置成使得絕緣層定位在第一凹陷425中和第二凹陷435上，如圖4A所示。舉例而言，在一個方面，絕緣層410最初被放置到第一凹陷425中。接著，第二層壓膜430被放置為與第一層壓膜接觸，使得絕緣層定位在第一凹陷425中和第二凹陷435上。通過將第一層壓膜的一部分熱焊接到第二層壓膜，可完成封裝層。圖4B示出完全封裝的絕緣層的俯視圖。
在另一方面，單個層壓膜是用於形成封裝的絕緣層。圖4C描繪了一個實施方案，其中，單個層壓膜450被折疊到其自身上，使得單個層壓膜的各區塊覆蓋絕緣層410的至少一部分。在一個實施方案中，第一凹陷465是形成在層壓膜的第一區塊460中。第一凹陷465是通過將層壓膜彎曲成在形狀和尺寸上與絕緣層互補的形狀所形成。第二凹陷475形成在層壓膜470的第二區塊中。第二凹 陷475具有在形狀和尺寸上與第一凹陷互補的形狀和尺寸。具體地，第二凹陷475的形狀和尺寸允許第二層壓膜的凹陷部分適合放到第一凹陷中。層壓膜的第一區塊和層壓膜的第二區塊被定位成使得絕緣層定位在第一凹陷465中和第二凹陷475上，如圖4C所示。舉例而言，在一個方面，絕緣層410最初被放置到第一凹陷465中。層壓膜450的第二區塊被折疊並放置成與第一層壓膜接觸，使得絕緣層定位在第一凹陷465中並與第二凹陷475接觸。通過將層壓膜的第一區塊的一部分熱焊接到層壓膜的第二區塊的一部分來形成經封裝的絕緣層，可完成封裝層。
封裝絕緣層的選擇性方法顯示於圖5A中。如圖5A所示，封裝絕緣層510的方法包括在第一層壓膜520中形成第一凹陷525。絕緣層510定位在第一凹陷525中。接著，將第二層壓膜530放置為與第一層壓膜接觸，使得絕緣層被第二層壓膜覆蓋。通過將第一層壓膜的一部分熱焊接到第二層壓膜，可完成封裝層。圖5B示出完全封裝的絕緣層的俯視圖。
圖5C描繪了一個實施方案，其中，單個層壓膜550被折疊到其自身上，使得單個層壓膜的各區塊覆蓋絕緣層510的至少一部分。如圖5C所示，在層壓膜550的第一區塊中形成第一凹陷565。絕緣層510定位在第一凹陷565中。接著，將層壓膜550的第二區塊575被放置成與層壓膜的第一區塊接觸，使得絕緣層被層壓膜的第二區塊覆蓋。通過將層壓膜的第一區塊的一部分熱焊接到層壓膜的第二區塊的一部分，可完成封裝層。
在封裝層已形成後，例如，通過熱焊接層壓膜，可有一些額外的材料包圍絕緣層，一般而言，是封裝層被熱焊接在一起的部分。如圖6A所示，絕緣層是由封裝層620所封裝。封裝層被熱焊接的部分，625，遠離絕緣層延伸出去。這在一些能量存儲系統中是有問題的，其中，這些能量存儲系統幾乎沒有 (如果有的話)額外空間來容納這些延伸的部分。在本方面，延伸部分625可朝向絕緣層折回以減小絕緣阻隔件的尺寸。在一選擇性方面，如圖6B所示，延伸部分625中可形成切口630。切口允許延伸部分更容易折疊，而不會在轉角處產生凸起的材料，若封裝的各邊緣都朝向絕緣層折疊，可能會使材料變為雙倍。在一些方面，可使用雙重折疊。
圖6C描繪邊緣折疊兩次的實施方案。如圖6C所示，絕緣層(未繪示)被封裝層620封裝。封裝層經熱焊接的部分625，遠離絕緣層延伸出去。第一次折疊是把邊緣材料折疊在自身上，進行180度折疊。為了進一步減少延伸的邊緣，以90度對邊緣材料進行第二次折疊，使得邊緣材料折疊到軟包裝的側面。
當使用凹陷在絕緣阻隔件周圍形成軟包裝時，可優化凹陷的物理參數，以改善絕緣層的封裝。圖7描繪了在層壓膜700中所形成的凹陷710的示意圖。為了改善絕緣層的封裝，可改變的凹陷參數包括深度(D)；長度(L)、凹陷轉角的角度θC和凹陷邊緣半徑的角度θE。考慮到可延展層材料及其厚度，這些因素可以被優化。
圖8A示出使用單個層壓膜封裝絕緣層的一般組裝工藝。在一般組裝工藝中，層壓膜和絕緣層材料皆作為卷料供應到組裝工藝中。首先，層壓膜和絕緣層材料皆由捲筒上展開以進行處理。將層壓膜切割成封裝所需的預定長度，並在層壓膜中形成加工所需的任何凹陷。絕緣層(在本實施例中為氣凝膠絕緣層)也被切割成用作電池單元或電池模塊之間的熱阻隔件所需的預定長度。把切割後的材料從切割機中取出，並準備組裝。在此實施例中，通過將層壓板折疊到其自身上，來使用單個層壓板來封裝絕緣層。通過在層壓膜中形成折疊線或褶 痕，來製備層壓膜。接著，把絕緣層(氣凝膠)放置在層壓膜的適當部分，並準備膜以用於熱密封。把層壓膜的兩側彼此熱焊接，以部分封閉絕緣層，形成具有開口端的袋狀罩殼。在一些方面，熱焊接袋的開口端，以完成絕緣層的罩殼。在一選擇性方面，把經部分封裝的絕緣層放置在真空腔室中。一旦在腔室中抽真空，封裝層的開口端就被密封，從而在真空下完成絕緣層的完整罩殼。所述工藝是通過對封裝層的熱焊接端進行可選的側面折疊所完成。
圖8B示出使用兩個層壓膜封裝絕緣層的一般組裝工藝。如上所述，層壓膜和絕緣層材料皆作為卷料供應到組裝工藝中。首先，層壓膜和絕緣層材料皆由捲筒上展開以進行處理。以封裝所需的預定長度，將層壓膜切割成單獨兩塊，並在層壓膜中形成加工所需的任何凹陷。絕緣層(在本實施例中為氣凝膠絕緣層)也被切割成用作電池單元或模塊之間的熱阻隔件所需的預定長度。把切割後的材料從切割機中取出，並準備組裝。在此實施例中，使用兩個層壓板來封裝絕緣層。把絕緣層(氣凝膠)放置在層壓膜的適當部分，並準備膜以用於熱密封。把層壓膜的兩側和一端彼此熱焊接，以部分包圍絕緣層，形成具有開口端的袋狀罩殼。在一些方面，把袋的開口端簡單地熱焊接，以完成絕緣層的罩殼。在一選擇性方面，把經部分封裝的絕緣層放置在真空腔室中。一旦在腔室中抽真空，封裝層的開口端就被密封，從而在真空下完成絕緣層的完整罩殼。所述工藝是通過對封裝層的熱焊接端進行可選的側面折疊來完成。
已開發一種測試協議，來確定本文所描述的絕緣阻隔件的有效性。由測試協議來測試絕緣阻隔件的耐高溫的能力和加熱顆粒的影響。這模擬了電池單元在熱失控期間會發生的破裂情況。在這兩個測試中，絕緣阻隔件耦合到 金屬支撐板(例如，不銹鋼板)。把熱感測器連接到支撐板，以監測使用期間金屬支撐板的溫度。
為了測試絕緣阻隔件的抗熱性，把絕緣阻隔件耦合到支撐板並進行耐火測試。使用丙烷火炬(Benzomatic)在絕緣層上產生約1000℃的溫度。在測試期間，可監測支撐板的熱量，以確定絕緣層的抗熱性。耐火測試完成後，觀察絕緣層有無損壞。在示例性的耐火測試協議中，把絕緣阻隔件耦合到支架上，並使用丙烷火炬在1000℃加熱絕緣層兩分鐘。接著觀察絕緣層是否損壞。
測試協議還包括加熱粒子測試。在加熱顆粒測試中，使用相同的耐火測試系統，但經修改以包括加熱顆粒。在一示例性實驗中，把安裝在支架上的絕緣阻隔件加熱到約1000℃。把對工作溫度(約1000℃)呈惰性的顆粒流引導至絕緣阻隔件，使顆粒在撞擊絕緣阻隔件之前被火炬加熱。經加熱的顆粒被引導到絕緣阻隔件10秒。停止加熱顆粒後，在無顆粒的情況下，在1000℃加熱絕緣阻隔件2分鐘。
在這兩項測試中，絕緣阻隔件保持了其完整性和隔熱性。在測試條件下，儘管聚合物層被燒掉，但可延展層(不銹鋼)和絕緣層(氣凝膠)只是變色而已。封裝構件可減少或消除從絕緣層脫落的灰塵或顆粒材料的產生。此外，封裝層可由允許在絕緣阻隔件上製作標記或印刷文字的材料所形成。絕緣層的標記並不總是可行。
如本說明書和所附申請專利範圍中所用，除非內容另有明確規定，否則單數形式「一」、「一個」、「一種」和「所述」包括單個和複數個指代物。如本說明書和所附申請專利範圍中所用，除非上下文另有明確規定，術語「或」在其意義上的使用通常包括「和/或」。
如本文所用，「約」意指大約或幾乎，且在所示的數值或範圍的上下文中意指數值的±5%。在一個實施方案中，術語「約」可包括根據數值的有效數字的傳統四捨五入。此外，短語「約「x」至「y」」包括「約「x」至約「y」」。
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)」是指包括互連結構框架並且含有氣體諸如空氣作為分散的間隙介質的凝膠，其中，互連的孔的對應網絡集成在該框架內；且其特徵在於以下可歸因於氣凝膠的物理特性和結構特性(根據氮氣孔隙度測試)：(a)範圍從約2nm至約100nm的平均孔徑，(b)至少80%或更高的孔隙率，和(c)約100m2/g或更大的表面積。
本揭露的氣凝膠材料因此包括滿足先前段落中闡述的定義元件的任何氣凝膠或其他開孔材料；包括可以其他方式分類為乾凝膠、冷凍凝膠、雙凝膠、微孔材料等的材料。
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而引起的單元溫度和壓力的突然快速增加，並且繼而可導致過高溫度在整個相關模塊中傳播。此類系統中熱失控的潛在原因可例如包括：單元缺陷和/或短路(內部短路和外部短路兩者)、過度充電、諸如在事故情況下的單元刺破或破裂，以及過高環境溫度(例如，通常高於55℃的溫度)。在正常使用中，單元因為內電阻而變熱。在正常功率/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為保持在20℃至55℃的範圍內。然而，諸如在高單元/環境溫度下的高功率汲取以及個別單元中的缺陷等壓力條件可能急劇增加局部生熱。特別地，當高於臨界溫度時，單元內的放熱化學反應被 活化。此外，化學生熱通常與溫度成指數關係。因此，熱的生成比可用熱耗散大得多。熱失控可能導致單元排氣和內部溫度超過200℃。
術語「柔性的(flexible)」和「柔韌性(flexibility)」是指材料或組合物在沒有宏觀結構故障的情況下彎曲或撓曲的能力。本揭露的絕緣層能夠在沒有宏觀故障的情況下彎曲至少5°、至少25°、至少45°、至少65°或至少85°；和/或在沒有宏觀故障的情況下小於4英尺、小於2英尺、小於1英尺、小於6英寸、小於3英寸、小於2英寸、小於1英寸或小於U英寸的彎曲半徑。同樣地，術語「高度柔性」或「高度柔韌性」是指在沒有宏觀故障的情況下能夠彎曲到至少90°和/或具有小於U英寸的彎曲半徑的材料。此外，術語「分類為柔性」和「分類為柔性」是指可根據ASTM Cl 101(美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯ASTM International)分類為柔性的材料或組合物。
本揭露的絕緣層可以是柔性的、高度柔性的和/或分類為柔性的。本揭露的氣凝膠組合物也可以是能夠懸垂的。在本揭露的上下文中，術語「能夠懸垂的」和「懸垂性」是指材料在沒有宏觀故障的情況下以約4英寸或更小的曲率半徑彎曲或撓曲到90°或更大的能力。根據本揭露的某些實施方案的絕緣層是柔性的，使得組合物是非剛性的並且可以被施加並適形到三維表面或物體，或者預成形為多種形狀和構型以簡化安裝或應用。
在本揭露的上下文中，術語「熱導率(thermal conductivity)」和「TC」是指材料或組合物在材料或組合物任一側上的兩個表面之間傳遞熱的能力的度量，這兩個表面之間存在溫差。熱導率被特別測量為每單位時間和每單位表面積傳遞的熱能除以所述溫差。其通常以SI單位記錄為mW/m*K(毫瓦/米*克耳文)。材料的熱導率可通過本領域已知的測試方法確定，包括但不限於：用熱流量計裝 置測定穩態熱傳輸特性的測試方法(ASTM C518，美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯ASTM International)；用防護熱板裝置進行穩態熱通量測量和熱傳輸特性的測試方法(ASTM C177，美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯ASTM International)；管道絕熱層穩態熱傳遞特性的測試方法(ASTM C335，美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯ASTM International)；薄加熱器熱導率測試(ASTM Cl114，美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯ASTM International)；導熱電氣隔熱材料的熱傳輸特性的標準測試方法(ASTM D5470，美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯ASTM International)；利用防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一防護熱板裝置(ISO 8203，國際標准化組織，瑞士)。由於不同的方法可能導致不同的結果，應當理解，在本揭露的上下文中，除非另外明確說明，否則熱導率測量值根據ASTM C518標準(用熱流量計裝置測定穩態熱傳輸特性的測試方法)在環境環境中在大氣壓下約37.5℃的溫度並且在約2psi的壓縮負載下獲取。根據ASTM C518報告的測量通常與在對壓縮負載進行任何相關調整的情況下按照EN 12667進行的任何測量結果良好地相關。
熱導率測量還可在壓縮下的大氣壓下在約10℃的溫度下獲取。在10℃下的熱導率測量值通常比在37.5℃的對應熱導率測量值低0.5mW/m-K至0.7mW/m-K。在某些實施方案中，本揭露的絕緣層在10℃具有約40mW/m-K或更小、約30mW/m-K或更小、約25mW/m-K或更小、約20mW/m-K或更小、約18mW/m-K或更小、約16mW/m-K或更小、約14mW/m-K或更小、約12mW/m-K或更小、約10mW/m-K或更小、約5mW/m-K或更小，或在這些值中的任意兩個之間的範圍內的熱導率。
在電池模塊或電池組內使用絕緣阻隔件
與傳統電池相比，由於鋰離子電池(LIB)具有高工作電壓、低記憶效應和高能量密度等優點，而被認為是最重要的能量存儲技術之一。然而，安全問題是阻礙LIB大規模應用的重要障礙。在濫用條件下，放熱反應可導致熱量釋放，而觸發隨後的不安全反應。由於濫用單元釋放的熱量會活化一系列反應，這種情況惡化，從而導致災難性的熱失控。
隨著LIBs的能量密度持續改進，提高這種電池的安全性對於例如電動汽車的電氣設備的開發變得越來越迫切。底層安全問題的機制因每種不同的電池化學而有所不同。本技術關注絕緣阻隔件和那些定制阻隔件的相應配置來獲得有利的熱特性和機械特性。本技術的絕緣阻隔件在正常條件以及熱失控條件下提供有效的散熱策略，同時確保LIB在正常操作模式下的穩定性(例如，承受施加的壓應力)。
本文所公開的絕緣阻隔件可用於分離、隔熱和保護任何構型的電池的電池單元或電池部件，例如軟包裝單元、圓柱形單元、棱柱形單元，以及結合和包括任何此類單元的電池組和電池模塊。本文所公開的絕緣阻隔件可用於可再充電電池，例如鋰離子電池、固態電池，和需要分離、隔熱和保護的任何其他能量存儲設備或技術。
諸如冷卻系統的無源設備可與本揭露的絕緣阻隔件一起在電池模塊或電池組內使用。
根據本揭露的各種實施方案的絕緣阻隔件，在包括複數個單電池單元或電池單元模塊的電池組中，用於將所述單電池單元或電池單元模塊彼此熱分離。電池模塊由設置在單個罩殼中的複數個電池單元所組成。電池組由複數個電池模組所組成。圖8描繪了具有複數個電池單元850的電池模塊800的實 施方案。經封裝的絕緣阻隔件825定位在電池單元850之間。當電池單元經歷熱失控或任何其他災難性的電池單元故障時，經封裝的絕緣阻隔件能夠抑制或防止相鄰電池單元的損壞。
電池模塊和電池組可用於為設備或車輛提供電能。使用電池模塊或電池組的設備包括但不限於膝上型電腦、PDA、行動電話、標籤掃描儀、音頻設備、視訊設備、顯示面板、視訊攝影機、數位視訊攝影機、桌上型電腦、軍用便攜式電腦、軍用電話、雷射測距儀、數位通訊設備、智慧收集感測器、電子集成服裝、夜視裝備、動力工具、計算器、無線電、遙控器、GPS設備、手持式和便攜式電視、汽車起動器、手電筒、聲學設備、便攜式加熱設備、便攜式真空吸塵器或便攜式醫療工具。當使用於車輛中時，電池組可使用於全電動車輛或混合動力車輛。
本揭露多方面的記載，如以下經編號的條款所列：
1.一種用於電能存儲系統的絕緣阻隔件，所述絕緣阻隔件包括：
至少一層絕緣層；和
封裝層，所述封裝層至少部分地包圍所述絕緣層，其中，所述封裝層包括層壓膜，所述層壓膜包括外聚合物層、可延展層和內聚合物層，其中，所述內聚合物層與所述絕緣層接觸，且其中，所述可延展層設置在所述外聚合物層和所述內聚合物層之間。
2.根據條款1所述的絕緣阻隔件，其中，所述外聚合物層包括聚合物，所述聚合物對所述電能存儲系統中的介電傳熱流體具有耐受性。
3.根據條款2所述的絕緣阻隔件，其中，所述外聚合物層包括聚合物，所述聚合物對選自由烴流體、酯流體、矽橡膠流體、氟醚流體及其混合物所組成群組 的傳熱流體具有耐受性。
4.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述外聚合物層是由選自由聚甲醛、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚醯胺-醯亞胺、聚醯胺、聚碳酸酯、聚酯、聚醚醯亞胺、聚苯乙烯、聚碸、聚醯亞胺和對苯二甲酸酯所組成群組的聚合物所製成。
5.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述內聚合物層是由可與自身熱焊接的聚合物所組成。
6.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述內聚合物層是由聚烯烴聚合物所組成。
7.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述內聚合物層是由聚合物所組成，所述聚合物不同於外聚合物層中的聚合物。
8.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述外聚合物層是由聚對苯二甲酸乙二醇酯(「PET」)或定向尼龍(「ONy」)所組成，且其中，所述內聚合物是由聚丙烯(「PP」)所組成。
9.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述外聚合物層是由第一材料所組成的第一聚合物膜和第二材料所組成的第二聚合物膜所組成，其中，所述第一材料不同於所述第二材料。
10.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述可延展層包括金屬箔。
11.根據條款1至10中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述可延展層包括可延展聚合物。
12.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述封裝層還包括粘 合劑，所述粘合劑設置在所述外聚合物層和所述可延展層之間和/或所述內聚合物層和所述可延展層之間。
13.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述外聚合物層具有約10μm至約100μm的厚度。
14.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述可延展層具有約10μm至約100μm的厚度。
15.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述內聚合物層具有約10μm至約100μm的厚度
16.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述封裝層具有約30μm至約300μm的總厚度。
17.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述絕緣層具有在25℃小於約50mW/m-K且在600℃小於約60mW/m-K的通過所述絕緣層的厚度維度的導熱率。
18.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述絕緣層包括氣凝膠。
19.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述封裝層完全包圍所述絕緣層。
20.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述封裝層是由熱焊接在一起的兩個層壓膜所組成。
21.根據前述條款中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，所述封裝層包圍所述絕緣層，且其中，熱焊接所述封裝層到其自身，以形成至少部分地包圍所述絕緣層的罩殼。
22.一種電池模塊，包括：
複數個電池單元，以及
根據條款1至21中任一項所述的一個或複數個絕緣阻隔件，其中，至少一個絕緣阻隔件設置在相鄰電池單元之間。
23.一種電力系統，其包括一個或複數個根據條款22所述的電池模塊。
24.一種設備或車輛，其包括根據條款23所述的電力系統。
25.根據條款24所述的設備，其中，所述設備是膝上型電腦、PDA、行動電話、標籤掃描儀、音頻設備、視訊設備、顯示面板、視訊攝影機、數位視訊攝影機、桌上型電腦、軍用便攜式電腦、軍用電話、雷射測距儀、數位通訊設備、智慧收集感測器、電子集成服裝、夜視裝備、動力工具、計算器、無線電、遙控器、GPS設備、手持式和便攜式電視、汽車起動器、手電筒、聲學設備、便攜式加熱設備、便攜式真空吸塵器或便攜式醫療工具。
26.根據條款24所述的車輛，其中，所述車輛是電動車輛。
27.一種將絕緣層封裝以用於在電能存儲系統中電池單元之間使用的方法，所述方法包括：
用包含外聚合物層、包含可延展材料的可延展層和內聚合物層的層壓膜來包圍所述絕緣層的至少一部分，其中，所述內聚合物層與所述絕緣層接觸，且其中，所述可延展層設置在所述外聚合物層和所述內聚合物層之間；以及
將所述層壓膜熱焊接，以形成所述封裝層，其中，所述封裝層至少部分地包圍所述絕緣層。
28.根據條款27所述的方法，其中：
用第一層壓膜覆蓋至少一部分絕緣層；
用第二層壓膜覆蓋至少一部分絕緣層；以及
將所述第一層壓膜的一部分熱焊接到所述第二層壓膜以形成封裝層。
29.根據條款28所述的方法，其中：
在所述第一層壓膜中形成第一凹陷，所述第一凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補；
在所述第二層壓膜中形成第二凹陷，所述第二凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補；以及
其中，形成所述封裝層，其包括：
將所述絕緣層放置在所述第一層壓膜的第一凹陷中；
將所述第二層壓膜放置在所述第一層壓膜上，所述第二凹陷與所述第一凹陷基本上對齊；以及
將所述第一層壓膜的一部分熱焊接到所述第二層壓膜的一部分。
30.根據條款28所述的方法，其中：
在所述第一層壓膜中形成第一凹陷，所述第一凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補；以及
在所述第二層壓膜中形成第二凹陷，所述第二凹陷在形狀和大小上與所述第一凹陷互補；
其中，形成所述封裝層，其包括：
將所述絕緣層放置在所述第一層壓膜的第一凹陷中；
將所述第二層壓膜放置在所述第一層壓膜上，所述第二凹陷與所述第一凹陷基本上對齊，使得所述第二凹陷的一部分設置在所述第一凹陷內；以及
將所述第一層壓膜的一部分熱焊接到所述第二層壓膜的一部分。
31.根據條款28所述的方法，其中：
在所述第一層壓膜中形成第一凹陷，所述第一凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補；
其中，形成所述封裝層，其包括：
將所述絕緣層放置在所述第一層壓膜的第一凹陷中；
將所述第二層壓膜放置在所述第一層壓膜上；以及
將所述第一層壓膜的一部分熱焊接到所述第二層壓膜的一部分。
32.根據條款27所述的方法，其中：
在層壓膜中形成第一凹陷，所述第一凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補；
在層壓膜中形成第二凹陷，所述第二凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補；
其中，形成所述封裝層，其包括：
將所述絕緣層放置在所述層壓膜的第一凹陷中；
折疊所述層壓膜，使得所述層壓膜的所述第二凹陷與所述第一凹陷基本上對齊；以及
將部分所述層壓膜熱焊接到其自身。
33.根據條款27所述的方法，其中：
在層壓膜中形成第一凹陷，所述第一凹陷在形狀和尺寸上與所述絕緣層互補；
其中，形成所述封裝層，其包括：
將所述絕緣層放置在所述層壓膜的第一凹陷中；
折疊所述層壓膜，使得所述層壓膜的一部分基本上覆蓋所述絕緣層和所述層壓膜的單獨部分；以及
將部分所述層壓膜熱焊接到其自身。
34.根據條款27至33中任一項所述的方法，其中，所述封裝層完全包圍所述絕緣層。
35.根據條款27至34中任一項所述的方法，其中，所述層壓膜的熱焊接部分是折疊抵靠在所述絕緣層的一個或複數個側面。
在本專利中，某些美國專利、美國專利申請和其他材料(例如，文章)已以引用方式併入。然而，此類美國專利、美國專利申請和其他材料的文本僅以在此類文本與本文所列的其他陳述和附圖之間不存在矛盾的程度以引用方式併入。在發生矛盾的情況下，這些以引用方式併入的美國專利、美國專利申請和其他材料中的任何此類存在矛盾的文本明確地不以引用方式併入本專利。
根據本說明書，本發明的各個方面的進一步變型和更改實施方案對於本領域的技術人員將顯而易見。因此，本說明書應被解釋為僅例示性的並且是為了教導本領域的技術人員實施本發明的一般方式。應當理解，本文所示和所述的本發明的形式將被視為實施方案的示例。元件和材料可取代本文所舉例說明和描述的那些，部件和過程可顛倒，並且本發明的某些特徵可獨立地利用，在受益於本發明的這種描述之後，全部這些對於本領域的技術人員而言將是顯而易見的。在不脫離如以下申請專利範圍中描述的本發明的實質和範圍的情況下，可在本文所述的元件中進行改變。
當使用在本說明書和申請專利範圍中時，術語「包含」和「包括」及其變體意指包括指定的特徵、步驟或整數。這些術語不應被解釋為排除其他特徵、步驟或組件的存在。
儘管已描述本發明的某些示例性實施方案，所附申請專利範圍的範圍並不旨在僅限於該等實施方案。這些申請專利範圍應按字面意思、目的和/或包含等同物來進行解釋。
100:絕緣阻隔件
110:絕緣層
120:封裝層
122:外聚合物層
124:可延展層
126:內聚合物層

Claims (35)

  1. 一種用於電能存儲系統的絕緣阻隔件，所述絕緣阻隔件包括：
    至少一層絕緣層；以及
    封裝層，該封裝層至少部分地包圍該絕緣層，其中，該封裝層包括層壓膜，該層壓膜包括外聚合物層、可延展層和內聚合物層，其中，該內聚合物層與該絕緣層接觸，且其中，該可延展層設置在該外聚合物層和該內聚合物層之間。
  2. 如請求項1所述的絕緣阻隔件，其中，該外聚合物層包括對該電能存儲系統中的介電傳熱流體具有耐受性的聚合物。
  3. 如請求項2所述的絕緣阻隔件，其中，該外聚合物層包括對該電能存儲系統中的傳熱流體具有耐受性的聚合物，該傳熱流體是選自由烴流體、酯流體、矽橡膠流體、氟醚流體及其混合物所組成群組。
  4. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該外聚合物層是由選自由聚甲醛、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚醯胺-醯亞胺、聚醯胺、聚碳酸酯、聚酯、聚醚醯亞胺、聚苯乙烯、聚碸、聚醯亞胺和對苯二甲酸酯所組成群組的聚合物所製成。
  5. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該內聚合物層是由可熱焊接到其自身的聚合物所組成。
  6. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該內聚合物層是由聚烯烴聚合物所組成。
  7. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該內聚合物層是由與該外聚合物層中的聚合物不同的聚合物所組成。
  8. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該外聚合物 層是由聚對苯二甲酸乙二醇酯(「PET」)或定向尼龍(「ONy」)所組成，且其中，該內聚合物層是由聚丙烯(「PP」)所組成。
  9. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該外聚合物層是由第一材料所組成的第一聚合物膜和第二材料所組成的第二聚合物膜所組成，其中，該第一材料不同於該第二材料。
  10. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該可延展層包括金屬箔。
  11. 如請求項1至10中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該可延展層包括可延展聚合物。
  12. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該封裝層還包括黏合劑，該黏合劑設置在該外聚合物層和該可延展層之間和/或該內聚合物層和該可延展層之間。
  13. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該外聚合物層具有約10μm至約100μm的厚度。
  14. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該可延展層具有約10μm至約100μm的厚度。
  15. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該內聚合物層具有約10μm至約100μm的厚度。
  16. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該封裝層具有約30μm至約300μm的總厚度。
  17. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該絕緣層具有在25℃小於約50mW/m-K且在600℃小於約60mW/m-K的通過該絕緣層的 厚度維度的導熱率。
  18. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該絕緣層包括氣凝膠。
  19. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該封裝層完全包圍該絕緣層。
  20. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該封裝層是由熱焊接在一起的兩個層壓膜所組成。
  21. 如前述請求項中任一項所述的絕緣阻隔件，其中，該封裝層包圍該絕緣層，且其中，該封裝層熱焊接到其自身以形成至少部分地包圍該絕緣層的罩殼。
  22. 一種電池模塊，包括：
    複數個電池單元，以及
    如請求項1至20所述的一個或複數個絕緣阻隔件，其中，至少一個絕緣阻隔件設置在相鄰電池單元之間。
  23. 一種電力系統，包括一個或複數個如請求項22所述的電池模塊。
  24. 一種設備或車輛，包括如請求項23所述的電力系統。
  25. 如請求項24所述的設備，其中，該設備是膝上型電腦、PDA、行動電話、標籤掃描儀、音頻設備、視訊設備、顯示面板、視訊攝影機、數位視訊攝影機、桌上型電腦、軍用便攜式電腦、軍用電話、雷射測距儀、數位通訊設備、智慧收集感測器、電子集成服裝、夜視裝備、動力工具、計算器、無線電、遙控器、GPS設備、手持式和便攜式電視、汽車起動器、手電筒、聲學設備、便 攜式加熱設備、便攜式真空吸塵器或便攜式醫療工具。
  26. 如請求項24所述的車輛，其中，該車輛是電動車輛。
  27. 一種將絕緣層封裝以用於在電能存儲系統中電池單元之間使用的方法，該方法包括：
    用包含外聚合物層、包含可延展材料的可延展層和內聚合物層的層壓膜來包圍該絕緣層的至少一部分，其中，該內聚合物層與該絕緣層接觸，且其中，該可延展層設置在該外聚合物層與該內聚合物層之間；以及
    將該層壓膜熱焊接，以形成封裝層，其中，該封裝層至少部分地包圍該絕緣層。
  28. 如請求項27所述的方法，其中，形成該封裝層包括：
    用第一層壓膜覆蓋至少一部分絕緣層；
    用第二層壓膜覆蓋至少一部分絕緣層；以及
    將所述第一層壓膜的一部分熱焊接到所述第二層壓膜以形成封裝層。
  29. 如請求項28所述的方法，其中：
    在該第一層壓膜中形成第一凹陷，該第一凹陷在形狀和尺寸上與該絕緣層互補；
    在該第二層壓膜中形成第二凹陷，該第二凹陷在形狀和尺寸上與該絕緣層互補；以及
    其中，形成該封裝層包括：
    將該絕緣層放置在該第一層壓膜的第一凹陷中；
    將該第二層壓膜放置在該第一層壓膜上，該第二凹陷與該第一凹陷基本上對齊；以及
    將該第一層壓膜的一部分熱焊接到該第二層壓膜的一部分。
  30. 如請求項28所述的方法，其中：
    在該第一層壓膜中形成第一凹陷，該第一凹陷在形狀和尺寸上與該絕緣層互補；以及
    在該第二層壓膜中形成第二凹陷，該第二凹陷在形狀和大小上與該第一凹陷互補；
    其中，形成該封裝層包括：
    將該絕緣層放置在該第一層壓膜的第一凹陷中；
    將該第二層壓膜放置在該第一層壓膜上，該第二凹陷與該第一凹陷基本上對齊，使得該第二凹陷的一部分設置在該第一凹陷內；以及
    將該第一層壓膜的一部分熱焊接到該第二層壓膜的一部分。
  31. 如請求項28所述的方法，其中：
    在該第一層壓膜中形成第一凹陷，該第一凹陷在形狀和尺寸上與該絕緣層互補；
    其中，形成該封裝層包括：
    將該絕緣層放置在該第一層壓膜的第一凹陷中；
    將該第二層壓膜放置在該第一層壓膜上；以及
    將該第一層壓膜的一部分熱焊接到該第二層壓膜的一部分。
  32. 如請求項27所述的方法，其中：
    在層壓膜中形成第一凹陷，該第一凹陷在形狀和尺寸上與該絕緣層互補；
    在層壓膜中形成第二凹陷，該第二凹陷在形狀和尺寸上與該絕緣層互補；
    其中，形成該封裝層包括：
    將該絕緣層放置在該層壓膜的第一凹陷中；
    折疊該層壓膜，使得該層壓膜的該第二凹陷與該第一凹陷基本上對齊；以及
    將部分該層壓膜熱焊接到其自身。
  33. 如請求項27所述的方法，其中：
    在層壓膜中形成第一凹陷，該第一凹陷在形狀和尺寸上與該絕緣層互補；其中，形成該封裝層包括：
    將該絕緣層放置在該層壓膜的第一凹陷中；
    折疊該層壓膜，使得該層壓膜的一部分基本上覆蓋該絕緣層和該層壓膜的單獨部分；以及
    將部分該層壓膜熱焊接到其自身。
  34. 如請求項27至33中任一項所述的方法，其中，該封裝層完全包圍該絕緣層。
  35. 如請求項27至34中任一項所述的方法，其中，該層壓膜的熱焊接部分是折疊抵靠在該絕緣層的一個或複數個側面。
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