TW202404169A - 將絕緣層併入袋式電池的封裝層的材料、系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露係關於用於管理能量儲存系統中的熱失控問題的材料和系統。示例性實施態樣包括放置在用於封裝袋式電池單元的封裝材料中的絕緣層。用於袋式電池的封裝層係由包含絕緣層的層壓膜所製成。

Description

將絕緣層併入袋式電池的封裝層的材料、系統及方法
本案主張於2022年3月4日所提交之名為「將絕緣層併入袋式電池的封裝層的材料、系統及方法」之美國臨時專利申請案第63/316,497號的權益，該申請案係藉由引用而以其整體併入本文。
本揭露係關於將絕緣層併入到袋式電池的封裝層中的材料、系統和方法。進一步而言，本揭露係關於一種具有一個或多個電池單元的電池模組或電池組，電池單元在袋式電池的封裝層中具有絕緣層。
已發現諸如鋰離子電池的可再充電電池在動力驅動和能量儲存系統中廣泛應用。鋰離子電池(LIB)廣泛用於為諸如行動電話、平板電腦、筆記型電腦、動力工具的便攜式電子裝置和諸如電動車輛的其他高電流裝置供電，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排出的熱量的點時，熱失控可能發生，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。在許多情况下，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的災難。迅速散熱和有效阻斷傳熱路徑可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，目的係藉由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(cascading thermal runaway)事件發生，LIB通常被設計成保持儲存足够低的能量、或者在電池模組或電池組內的單元之間采用足够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。前者嚴重限制了可儲存在這種裝置中的能量的量。後者限制了可如何密集地放置單元，從而限制了有效能量密度。
當前有許多不同的方法用於最大化能量密度，同時防止級聯熱失控。一種方法係在單元(cells)或單元簇(clusters of cells)之間結合足够量的隔熱體。一般認為這種方法從安全角度來說係期望的；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决定了可實現的能量密度的上限。
另一種方法係使用相變材料(phase change materials)。這些材料在達到一定高溫時經歷吸熱相變化。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。一般而言，對於電儲存裝置，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為有效的，但它們本身為可燃的，因此一旦儲存裝置內確實發生點燃時無助於防止熱失控。
併入膨脹性材料係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，但是必須在儲存裝置的設計中考慮材料的膨脹。
氣凝膠材料(aerogel materials)亦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，特別係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儲存系統有害的顆粒物質(灰塵)，從而產生製造問題。
本揭露的一目的係避免或減輕上述先前方法和材料的至少一個缺點。在袋式電池的封裝材料中使用絕緣層可減少與電池過熱和熱失控相關的問題。
本揭露的實施例1包括電池單元，其包括電池單元構件。該電池單元構件包括：一個或多個陰極；一個或多個陽極；以及位於該一個或多個陰極和該一個或多個陽極之間的一個或多個分隔件。該電池單元復包括包圍該電池單元構件的封裝材料。該封裝層包括絕緣層。在一些態樣，該電池單元可為鋰離子電池單元。
實施例2包括實施例1的主題，其中，電池單元的封裝材料包括包含內聚合物層以及位於該內聚合物層上的絕緣層的層壓膜。該內聚合物層與該電池單元構件接觸。
實施例3包括實施例1或2的主題，其中，該封裝材料包括包含內聚合物層、與該內聚合物層接觸的絕緣層、以及與該絕緣層接觸的外聚合物層的層壓膜。該內聚合物層與該電池單元構件接觸且該絕緣層位於該內聚合物層和該外聚合物層之間。
實施例4包括前述實施例中任一個的主題，其中，該封裝材料包括包含內聚合物層、與該內聚合物層接觸的絕緣層、包括與該絕緣層接觸的可延展材料的可延展層、以及與該可延展層接觸的外聚合物層的層壓膜。該內聚合物層與該電池單元構件接觸，該絕緣層位於該內聚合物層和該可延展層之間，該可延展層位於該絕緣層和該外聚合物層之間。
實施例5包括前述實施例中任一個的主題，其中，該封裝材料包括包含內聚合物層、包括與該內聚合物層接觸的可延展材料的可延展層、與該可延展層接觸的絕緣層、以及與該絕緣層接觸的外聚合物層的層壓膜。該內聚合物層與該電池單元構件接觸，該可延展層位於該內聚合物層和該絕緣層之間，該絕緣層位於該可延展層和該外聚合物層之間。
實施例6包括前述實施例中任一個的主題，其中，該封裝材料包括包含內聚合物層、包括與該內聚合物層接觸的可延展材料的可延展層、與該可延展層接觸的外聚合物層、以及與該外聚合物層接觸的絕緣層的層壓膜。該內聚合物層與該電池單元構件接觸，該可延展層位於該內聚合物層和該外聚合物層之間，該外聚合物層位於該延展層和該絕緣層之間。
實施例7包括前述實施例中任一個的主題，其中，該外聚合物層包括對該電能儲存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。在本揭露的一個態樣，該外聚合物層係由選自由聚甲醛、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。在本發明的一具體態樣，該外聚合物層係由聚對苯二甲酸乙二醇酯(「PET」)或定向尼龍(「ONy」)所組成，且該內聚合物層係由聚丙烯(「PP」)所組成。
實施例8包括前述實施例中任一個的主題，其中，該內聚合物層包括可熱焊接到其自身的聚合物。舉例而言，該內聚合物層包括聚烯烴聚合物。在一些態樣，該內聚合物係由與該外聚合物層中的聚合物不同的聚合物所組成。
實施例9包括前述實施例中任一個的主題，其中，在一些態樣，該可延展層包括金屬箔。在一些態樣，該可延展層包括可延展聚合物。
實施例10包括前述實施例中任一個的主題，其中，該封裝層復包括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的黏合劑。
實施例11包括前述實施例中任一個的主題，其中，該外聚合物層具有約10μm至約100μm的厚度。在本揭露的一態樣，該可延展層具有約10μm至約100μm的厚度。在本揭露的一態樣，該內聚合物具有約10μm至約100μm的厚度。
實施例12包括前述實施例中任一個的主題，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的藉由該絕緣層的厚度維度的導熱率。在本揭露的一態樣，該絕緣層包括氣凝膠(aerogel)。
如本文所述且其包括前述實施例中任一個的主題，實施例包括電池模組，其包括多個具有封裝層的電池單元，該封裝層包括絕緣層。
在另一態樣，本文提供了一種包括根據上述實施例中任一個的電池模組或電池組的裝置或車輛。在一些實施態樣中，該裝置筆記型電腦、PDA、行動電話、標籤掃描儀、音訊裝置、視訊裝置、顯示面板、攝影機、數位攝影機、桌上型電腦、軍用便攜式電腦、軍用電話、雷射測距儀、數位通訊裝置、情報收集傳感器、電子積成服裝、夜視裝備、動力工具、計算機、無線電、遙控器、GPS裝置、手持式和便攜式電視、汽車起動器、手電筒、聲響裝置、便攜式加熱裝置、便攜式真空吸塵器或便攜式醫療工具。在一些實施態樣中，該車輛係電動車輛。
如本文所述且包括前述實施例中任一個的主題，在電池單元的封裝材料中使用絕緣層可以提供優於現有熱失控緩解策略的一個或多個優點。絕緣層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。絕緣層還可提供有利的可壓縮性、壓縮彈性和柔順性以適應在電池壽命期間持續的電池單元膨脹，同時在正常操作條件下以及在熱失控條件下擁有有利的熱性能。絕緣層具有對熱傳播和火焰傳播的良好耐受性，同時最小化所用材料的厚度和重量。
200:層壓膜
210:內聚合物層
220:金屬箔層
230:外聚合物層
300:層壓膜
310:內聚合物層
340:絕緣層
400:層壓膜
410:內聚合物層
430:外聚合物層
440:絕緣層
500:層壓膜
510:內聚合物層
520:可延展層
530:外聚合物層
540:絕緣層
600:層壓膜
610:內聚合物層
620:可延展層
630:外聚合物層
640:絕緣層
700:層壓膜
710:內聚合物層
720:可延展層
730:外聚合物層
740:絕緣層
800:電池模組
850:電池單元
A-A':橫截面
用一般術語對本揭露進行描述後，現在將參考圖式，這些圖式不一定按比例繪製，且其中：
圖1描繪了袋式電池的示意圖；
圖2描繪了使用於封裝電池構件的典型層壓膜的橫截面圖；
圖3A描繪了由層壓膜封裝的電池構件的俯視圖。
圖3B描繪了使用於封裝具有外部絕緣層的電池單元構件的層壓膜的橫截面圖。
圖4描繪了使用於封裝具有被內聚合物層和外聚合物層包圍的絕緣層的電池單元構件的層壓膜的橫截面圖。
圖5描繪了使用於封裝具有被內聚合物層和外聚合物層包圍的可延展層和絕緣層的電池單元構件的層壓膜的橫截面圖。
圖6描繪了使用於封裝具有被內聚合物層和外聚合物層包圍的可延展層和絕緣層的電池單元構件的層壓膜的橫截面圖，其中絕緣層設置在可延展層和外聚合物層之間。
圖7描繪了使用於封裝具有被內聚合物層和外聚合物層包圍的可延展層的電池單元構件的層壓膜的橫截面圖，其中外絕緣層設置在可延展層和外聚合物層之間。
圖8描繪了電池模組的示意圖。
儘管本發明易於進行各種修改和替代形式，其具體實施態樣在圖式中以實施例的方式示出且將在本文中詳細描述。圖式可能未按比例繪製。然而，應當理解，圖式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，其意圖係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、均等物和替代物。
參見圖式，在對以下較佳的實施態樣的詳細描述中，圖式構成其部分，且在圖式中係以繪示的方式示出可實施本揭露的具體實施態樣。應當理解，在不脫離本揭露的範圍的情况下，可利用其他實施態樣，且可進行結構改變。
當今最常見於使用的電池類型之一係鋰離子電池。鋰離子電池單元通常包括由碳(例如，石墨)所組成的陰極和由鋰鹽所組成的陽極。使用非水電解質且通常包括鋰鹽。聚合物分隔件被使用於分隔陽極與陰極。
圖1描繪了典型的袋式電池單元(例如，鋰袋式電池單元)的示意圖。袋式電池單元係由一個或多個陰極和一個或多個陽極所組成。一個或多個陰極和陽極通常呈片狀。陰極和陽極係藉由分隔件來隔開彼此。電解質組合物被設置在陰極和陽極之間。陰極、陽極、電解質組合物和分隔件以及諸如電流集電極(current collector)和調整片(tab)等其他構件在本文中統稱為「電池單元構件(battery cell components)」。如圖1所示，在袋式單元電池中，電池單元構件被封裝在柔性層壓膜中。應當理解，圖1僅用於說明目的，陰極和陽極的數量可根據電池單元的預期用途和用於產生電力的化學類型而變化。
與使用硬鋁或不銹鋼外殼來封閉化學成分的棱柱型電池相比，袋式電池具有許多優勢。袋式電池的一些優點係重量更輕，且袋式電池可容易地製成不同的尺寸和形狀。
圖2描繪了使用於封裝電池單元構件(例如，如圖1中所描繪的袋式電池單元)的典型層壓膜200的橫截面圖。層壓膜包括內聚合物層210、金屬箔層220(通常為鋁)和外聚合物層230。內聚合物層通常係由對袋式電池單元的化學成分(例如，電池單元電解質)有耐受性的聚合物所形成。金屬箔層係 使用於保護電池單元免受水分和空氣的影響。金屬箔層亦可模製成艙室(compartment)以容納電池單元構件。外聚合物層係使用於保護電池免受外部液體和衝擊、破裂和劃痕的影響。
本揭露係關於一種袋式電池單元，其在包圍電池單元構件的封裝材料中包括絕緣層。引入在袋式電池單元的封裝材料中的絕緣層將有助於在熱失控事件期間防止或抑制熱和加熱顆粒傳遞到附近的電池單元。
圖3A描繪了由層壓膜300封裝的電池單元組件的俯視圖。圖3A中指示的橫截面A-A'表示在圖3B、4、5、6和7中所示的封裝電池單元組件的各種示例中使用的截面圖的位置。此外，為了清楚起見，圖3B、4、5、6和7所示的截面圖僅描繪了截面圖的一部分。所示的部分包括電池單元組件和僅一層用於封裝電池單元的層壓膜。為了簡潔和方便，此視圖未在後續圖中具體指示。圖3B描繪了袋式電池單元層壓膜300的實施態樣的橫截面圖(A-A')。袋式電池單元層壓膜300係由內聚合物層310和位於內聚合物層上的絕緣層340所組成。內聚合物層與至少一個電池單元構件接觸。
在電池單元的封裝材料中添加絕緣層有助於緩解與電池單元過熱和熱失控相關的問題。絕緣層可包括通常用於分離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、聚醯亞胺和芳香聚醯胺(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)。如藉由引用併入本文的美國臨時專利申請第63/304,258號中所討論的，絕緣層可被封裝在單一聚合物膜或層壓聚合物膜中。
在較佳的實施態樣中，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號中均描述有對氣凝膠絕緣層的描述，兩者都藉由引用併入本文。
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。
在一態樣，內聚合物層包括可熱焊接到自身的材料。一般而言，在封裝電池單元構件之後，內聚合物層的一部分從電池單元構件延伸出去。可藉由對內聚合物層施加熱來形成熱密封。所施加的熱會將聚合物的溫度升高到使內聚合物層可熔合在一起以形成將電池單元構件封閉的密封袋式的程度。可使用於作為封裝材料的內聚合物層的示例性聚合物係聚烯烴聚合物。可使用於作為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。
圖4描繪了袋式電池單元層壓膜400的替代實施態樣的橫截面圖(A-A')。袋式電池層壓膜400係由內聚合物層410、絕緣層440和外聚合物層430所組成。如圖4所示，內聚合物層410與電池單元構件接觸。絕緣層440與內聚合物層接觸。外聚合物層430與絕緣層接觸。絕緣層440位於內聚合物層410和外聚合物層430之間。
外聚合物層可為電池單元提供磨損保護。在使用過程中，外部應力會導致封裝材料的損壞。封裝材料的損壞會損壞電池單元。可能發生在未受保護的電池單元的外部應力，包括但不限於，電池破裂導致的化學泄漏、電池單元 膨脹引起的應力、環境溫度的變化、外部衝擊、外部破裂和絕緣層的外部劃傷。在本揭露的一些態樣，外聚合物層係選自保護電池單元免受外部應力的材料。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。可用作外聚合物層的聚合物的具體實施例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，雖然上面描述了單一個外聚合物層，但是外聚合物層亦可由兩個或更多個聚合物層組成。當使用多個外聚合物層時，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。在本發明的一態樣，外聚合物層係由具有覆蓋PET聚合物層的ONy聚合物層所組成。
圖5描繪了袋式電池單元層壓膜500的替代實施態樣的橫截面圖(A-A')。袋式電池層壓膜500係由內聚合物層510、絕緣層540、可延展層520和外聚合物層530所組成。如圖5所示，內聚合物層510與電池單元構件接觸。絕緣層540與內聚合物層接觸。包括可延展材料的可延展層520與絕緣層接觸。外聚合物層530與可延展層接觸。絕緣層540位於內聚合物層510和可延展層520之間。可延展層520位於絕緣層540和外聚合物層530之間。在封裝層中放置的可延展層可作為支撐來作用，從而在製造過程中更容易操縱袋式電池。
當可延展層使用於電池單元的封裝材料時，還可提供額外的熱和機械保護。在熱失控事件期間，電池單元會發熱，導致熱顆粒和氣體從電池單元中噴出。這些噴出的材料會導致附近袋式電池單元的封裝材料受損，有時會導致附近的電池進入失控狀態。可延展層可抑制或防止顆粒物和氣體損壞電池單元。可延展層還可為電池單元提供額外的保護，使其免受水分和空氣的影響。
在一態樣，可延展層包括可延展聚合物或可延展金屬箔。鋁係層壓封裝層中最常用的金屬，但亦可使用諸如不銹鋼箔和銅箔的其他可延展金屬箔。
使用金屬箔還可為電池單元構件周圍的封裝材料增加傳熱性能。當電池單元發生熱失控時，電池單元會加熱到非常高的溫度。這種熱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。藉由在封裝材料中提供導熱金屬箔，使用金屬箔可以改善電池單元的熱性能。經由相鄰的失控電池單元或受影響的電池單元所產生的熱，可傳遞到金屬箔層。金屬箔層可連接到電池模組的外殼的一部分(例如，冷卻板)，從而允許熱藉由金屬箔從電池單元傳遞出去。
圖6描繪了袋式電池單元層壓膜600的替代實施態樣的橫截面圖(A-A')。袋式電池層壓膜600係由內聚合物層610、可延展層620、絕緣層640和外聚合物層630所組成。如圖6所示，內聚合物層610與電池單元構件接觸。包括可延展材料的可延展層620與內聚合物層接觸。絕緣層640與可延展層接觸。外聚合物層630與絕緣層接觸。可延展層620位於內聚合物層610和絕緣層640之間。絕緣層640位於可延展層620和外聚合物層630之間。
圖7描繪了袋式電池單元層壓膜700的替代實施態樣的橫截面圖(A-A')。袋式電池層壓膜700由內聚合物層710、可延展層720、外聚合物層730和絕緣層740組成。如圖7所示，內聚合物層710與電池單元構件接觸。包括可延展材料的可延展層720與內聚合物層接觸。外聚合物層730與可延展層接觸。絕緣層740與外聚合物層接觸。可延展層720位於內聚合物層710和外聚合物層730之間。外聚合物層730位於可延展層720和絕緣層740之間。
如本文所述，用作封裝材料的層壓膜可為由多層組成的單一膜。在一態樣，藉由將可延展層和絕緣層置於兩個聚合物層(內聚合物層和外聚合物層)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。在另一態樣，可使用黏性膠水或膠帶將各層固定在一起。例如，可在相鄰層之間設置黏合劑以形成層壓膜。
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)。在某些實施態樣中，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藉由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能隨著厚度的減小而降低，但導熱性可保持或少量增加。
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「該」包括單個和多個指代物。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(and/or)」。
如本文所用，「約(about)」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%。在一個實施態樣中，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)」係指包括互連結構框架並且含有諸如空氣的氣體作為分散的間隙介質的凝膠，其中，互連的孔的對應網路積成在該框架內；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)約2nm至約100nm範圍內的平均孔徑，(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所定義要素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(ambigel)、微孔材料等的材料。
在本揭露的上下文中，對「熱失控」的提及通常係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組中傳播。此類系統中熱失控的潜在原因可例如包括：單元缺陷和/或短路(內部短路和外部短路兩者)、過度充電、諸如在事故情况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緊張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，熱的生成比可用的熱耗散大得多。熱失控可能導致單元排氣和內部溫度超過200℃。
在本揭露的上下文中，術語「熱導率(thermal conductivity)」和「TC」係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)。材料的熱導率可藉由所屬技術領域熟知的測試方法確定，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)在大氣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况下按照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。在某些實施態樣中，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。
在電池模組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，而被認為係最重要的能量儲存技術之一。然而，安全問題係阻礙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，這種情况惡化，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裝置的開發變得越來越迫切。安全問題背後的機制因每種不同的電池化學而有所不同。本技術關注定制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、絕緣和保護任何組態的電池的電池單元或電池部件，例如袋式單元、圓柱形單元、棱柱形單元，以及合併或包括任何此類單元的電池組和電池模組。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、絕緣和保護的任何其他能量儲存裝置或技術。
諸如冷卻系統的無源裝置可與本揭露的絕緣阻隔件一起在電池模組或電池組內使用。
根據本揭露的各種實施態樣的絕緣阻隔件，在包括多個單電池單元或電池單元模組的電池組中，用於將所述單電池單元或電池單元模組彼此熱分離。電池模組由設置在單個罩殼中的多個電池單元所組成。電池組由多個電池模組所組成。圖8描繪了具有多個電池單元850的電池模組800的實施態樣。經封裝的電池單元850包括內建於封裝材料中的絕緣材料。當電池單元經歷熱失控或任何其他災難性電池單元故障時，封裝材料中的絕緣層能够抑制或防止相鄰電池單元的損壞。將絕緣層併入到封裝材料中可允許組裝電池模組而不需要電池單元之間的絕緣阻隔件。或者，在封裝材料中包括絕緣材料的絕緣阻隔件可放置在電池單元之間。
電池模組和電池組可用於為裝置或車輛提供電能。使用電池模組或電池組的裝置包括但不限於筆記型電腦、PDA、行動電話、標籤掃描儀、音訊裝置、視訊裝置、顯示面板、攝影機、數位攝影機、桌上型電腦、軍用便攜式電腦、軍用電話、雷射測距儀、數位通訊裝置、情報收集傳感器、電子積成服裝、夜視裝備、動力工具、計算機、無線電、遙控器、GPS裝置、手持式和便攜式電視、汽車起動器、手電筒、聲響裝置、便攜式加熱裝置、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。
在本申請中，某些美國專利、美國專利申請和其他材料(例如，文章)已經以引用方式併入。然而，此類美國專利、美國專利申請和其他材料的內文僅以在此類內文與本文所列的其他陳述和圖式之間不存在矛盾的程度以引 用方式併入。在發生矛盾的情况下，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內文明確地不以引用方式併入本申請。
根據本說明書，本發明的各個態樣的進一步修飾和替代實施態樣對於所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見。因此，本說明書應被解釋為僅例示性的並且係為了教導所屬技術領域中具有通常知識者以一般的方式實施本發明。應當理解，本文所示和所述的本發明的形式將被視為實施態樣的示例。元件和材料可取代本文所舉例說明和描述的那些，部分和過程可顛倒，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，全部這些對於所屬技術領域中具有通常知識者而言將係顯而易見的。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况下，可在本文所述的元件中進行改變。
300:層壓膜
310:內聚合物層
340:絕緣層

Claims (26)

  1. 一種電池單元，包括：
    電池單元構件，該電池單元構件包括：
    一個或多個陰極；
    一個或多個陽極；
    位於該一個或多個陰極和該一個或多個陽極之間的一個或多個分隔件；
    包圍該電池單元構件的封裝材料，其中，該封裝層包括絕緣層。
  2. 如請求項1所述的電池單元，其中，該封裝材料包括包含內聚合物層以及位於該內聚合物層上的絕緣層的層壓膜，其中，該內聚合物層與該電池單元構件接觸。
  3. 如請求項1所述的電池單元，其中，該封裝材料包括包含內聚合物層、與該內聚合物層接觸的絕緣層、以及與該絕緣層接觸的外聚合物層的層壓膜，其中，該內聚合物層與該電池單元構件接觸，且其中，該絕緣層位於該內聚合物層和該外聚合物層之間。
  4. 如請求項1所述的電池單元，其中，該封裝材料包括包含內聚合物層、與該內聚合物層接觸的絕緣層、包括與該絕緣層接觸的可延展材料的可延展層、以及與該可延展層接觸的外聚合物層的層壓膜，其中，該內聚合物層與該電池單元構件接觸，且其中，該絕緣層位於該內聚合物層和該可延展層之間，且其中，該可延展層位於該絕緣層和該外聚合物層之間。
  5. 如請求項1所述的電池單元，其中，該封裝材料包括包含內聚合物層、包括與該內聚合物層接觸的可延展材料的可延展層、與該可延展層接觸的絕緣層、以及與該絕緣層接觸的外聚合物層的層壓膜，其中，該內聚合物層與 該電池單元構件接觸，且其中，該可延展層位於該內聚合物層和該絕緣層之間，且其中，該絕緣層位於該可延展層和該外聚合物層之間。
  6. 如請求項1所述的電池單元，其中，該封裝材料包括包含內聚合物層、包括與該內聚合物層接觸的可延展材料的可延展層、與該可延展層接觸的外聚合物層、以及與該外聚合物層接觸的絕緣層的層壓膜，其中，該內聚合物層與該電池單元構件接觸，且其中，該可延展層位於該內聚合物層和該外聚合物層之間，且其中，該外聚合物層位於該延展層和該絕緣層之間。
  7. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該電池單元係鋰離子電池單元。
  8. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該外聚合物層係由選自由聚甲醛、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。
  9. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該內聚合物層係由聚烯烴聚合物所組成。
  10. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該內聚合物層係由與該外聚合物層中的聚合物不同的聚合物所組成。
  11. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該外聚合物層係由聚對苯二甲酸乙二醇酯(「PET」)或定向尼龍(「ONy」)所組成，且其中，該內聚合物層係由聚丙烯(「PP」)所組成。
  12. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該外聚合物層係由由第一材料所組成的第一聚合物膜和由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。
  13. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該可延展層包括金屬箔。
  14. 如請求項1至12中任一項所述的電池單元，其中，該可延展層包括可延展聚合物。
  15. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該封裝層復包括設置在相鄰層之間的黏合劑。
  16. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該外聚合物層具有約10μm至約100μm的厚度。
  17. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該可延展層具有約10μm至約100μm的厚度。
  18. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該內聚合物層具有約10μm至約100μm的厚度。
  19. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，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的藉由該絕緣層的厚度維度的導熱率。
  20. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該絕緣層包括氣凝膠。
  21. 根據前述請求項中任一項所述的電池單元，其中，該封裝層係由熱焊接在一起的兩個層壓膜所組成。
  22. 一種電池模組，其包括複數個如請求項1至21中任一項所述的電池單元。
  23. 一種電力系統，其包括一個或多個如請求項22所述的電池模組。
  24. 一種裝置或車輛，其包括如請求項22所述的電池模組或如請求項23所述的電力系統。
  25. 如請求項24所述的裝置，其中，該裝置係筆記型電腦、PDA、行動電話、標籤掃描儀、音訊裝置、視訊裝置、顯示面板、攝影機、數位攝影機、桌上型電腦、軍用便攜式電腦、軍用電話、雷射測距儀、數位通訊裝置、情報收集傳感器、電子積成服裝、夜視裝備、動力工具、計算機、無線電、遙控器、GPS裝置、手持式和便攜式電視、汽車起動器、手電筒、聲響裝置、便攜式加熱裝置、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，該車輛係電動車輛。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20070238008A1 (en) * 2004-08-24 2007-10-11 Hogan Edward J Aerogel-based vehicle thermal management systems and methods
TWI419391B (zh) * 2009-12-25 2013-12-11 Ind Tech Res Inst 電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構
US20220231360A1 (en) * 2019-05-22 2022-07-21 Hefei Gotion High-Tech Power Energy Co., Ltd. A case having a thermal barrier layer for a single cell
WO2021113188A1 (en) 2019-12-02 2021-06-10 Aspen Aerogels Inc. Components and systems to manage thermal runaway issues in electric vehicle batteries
BR112022013504A2 (pt) * 2020-01-07 2022-09-13 Aspen Aerogels Inc Composições e sistemas para gerenciamento térmico de bateria
JP2023517632A (ja) * 2020-03-12 2023-04-26 ロジャーズ・コーポレイション 電池用熱管理多層シート

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