用于电化学电池的液体可固化热障组合物

技术领域

本公开涉及用于电化学电池并且更确切地用于高电压蓄电池的热障和热障组合物。

背景技术

减少对矿物燃料的依赖并使用其他能源的发展正在进行中。然而，这些努力中有很多需要或依赖于能量的存储。电化学电池(诸如蓄电池)是存储此种能量的主要方法。例如，电动车辆(EV)可具有高电压蓄电池。然而，蓄电池和高电压蓄电池可包括化学组分。此外，过度充电事件可能导致生成气体的过高温度。更进一步，一个电池中的过高温度可能会传递到相邻电池。被设计成减少对此类冷却板过渡加热的热传递机构也可能不期望地有助于将热量从一个电池阵列或模块传递到另一个电池阵列或模块。这可能会破坏电化学部件或系统。

发明内容

提供了一种电化学系统，包括外壳、电化学电池和热障层。所述电化学电池可安置在所述外壳内并且包括与电解质接触的正电极和负电极。所述热障层邻近所述电化学电池并且包括具有无机部分和有机部分的聚合物网络，所述聚合物网络具有分布在其中的研磨纤维、气凝胶、中空微球和矿物填料。热障层可具有至少600℃的热稳定性和不超过0.3W·m

提供了一种热障组合物，其包含可固化二氧化硅、硅树脂和/或聚硅氧烷单体、低聚物和/或预聚物、活化剂和/或催化剂、研磨纤维、气凝胶、中空微球和矿物填料。在活化后，热障组合物形成具有至少600℃的热稳定性和不超过0.3W·m

提供了一种形成热绝缘电化学系统的方法。所述方法包括：将电化学电池布置在外壳中；将热障组合物分布在所述外壳内，以使得所述热障组合物邻近所述电化学电池；以及固化所述热障组合物以形成热障层。热障层具有不超过0.3W·m

附图说明

图1是包括热障的电化学电池。

图2是包括热障和泡沫的电化学系统。

图3是包含用于形成热障的液体组合物的电化学系统。

图4是提供具有热障的电化学系统的方法。

具体实施方式

本文描述了本公开的实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可采取各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构细节和功能细节并不解释为限制性，而仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任一者示出和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。所示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实施方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。

除非明确相反地陈述：否则所有R基团(例如，R

本公开并不限于下文所述的具体实施例和方法，因为具体部件和/或条件可不同。此外，本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意在以任何方式进行限制。

除非上下文另外明确指明，否则如说明书和所附权利要求中所使用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数个参考物。例如，以单数形式提及部件意在包括多个部件。

术语“基本上”或“大体上”在本文可以用来描述公开或要求保护的实施例。术语“基本上”可修饰本公开中公开或要求保护的值或相对特性。在此类情况下，“基本上”可表示其修饰的值或相对特性在所述值或相对特性的±0％、0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或10％内。

还应当了解，整数范围明确包括所有中间整数。例如，整数范围1至10明确包括1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。相似地，范围1至100包括1、2、3、4、...、97、98、99、100。相似地，当需要任何范围时，作为上限与下限之间的差值除以10的增量的中间数值可被视为替代的上限或下限。例如，如果范围是1.1至2.1，则以下数值1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9和2.0可被选择作为下限或上限。

提供了一种电化学系统，诸如具有热障的高电压蓄电池。在图1中，电化学系统100包括外壳110，其中具有第一电化学电池或模块120和第一热障层130。如图2中所示的电化学系统100可包括第二电化学电池或模块140。第一热障层130可邻近或围绕第一电化学电池或模块120，并且第二热障层150可邻近或围绕第二电化学电池或模块140。在变型中，第一热障层和第二热障层可能是围绕电化学电池和/或模块并使它们分开的整体部分或单个热障层。热障层可紧邻第一电化学电池和/或第二电化学电池。诸如环氧树脂或聚氨酯泡沫等泡沫160可邻近第一热障层和/或第二热障层、在它们之间或至少部分地围绕所述第一热障层和/或所述第二热障层。所述电化学电池可各自包括与电解质接触的正电极和负电极。热障层包括具有填充材料(诸如纤维、气凝胶、中空球和/或云母粉末)的硅树脂或聚硅氧烷聚合物网络。

外壳110不受特别限制，并且可能是任何合适的形状和大小。电池可具有棱柱或袋状结构或外壳。本公开可能与使用通常具有较少结构支撑和保护的软包电池的电化学系统特别相关。此外，软包电池系统通常具有较少受控的通风系统。外壳110可能是通风的，或者可形成将内部与外部隔离的气密密封件。外壳110可被配置成容纳一个或多个电化学电池。外壳110应由在操作温度(即，25℃、40℃或80℃)下稳定的材料制成。在改进方案中，并且如图2中所示，外壳110可具有容纳第一电化学电池和/或第一组电化学电池(即，阵列、模块或电池组)的第一部分112和容纳第二电化学电池和/或第二组电化学电池的第二部分114。在改进方案中，外壳110可由聚合物材料和/或金属材料(诸如铝)形成。

电化学电池120包括与电解质接触的正电极和负电极。电极可由任何合适的材料(诸如但不限于碳和/或铝)制成。电化学电池120还可包括集流器以及在正电极与负电极之间的分隔体。电化学电池120还可包括压缩泡沫和/或热障片材122、热接口材料124、冷却板126(诸如液体冷却冷却板)和端板128。电化学电池120可能是燃料电池或蓄电池。电化学系统100可包括多个电化学电池，当封装在一起或在框架内时，所述多个电化学电池可被称为阵列或模块(例如，6至12个电池)。若干模块可被包装或框在一起以形成电池组(例如，6至12个模块)。电化学电池可形成例如一次蓄电池或二次蓄电池。电化学电池可在比常规电化学电池更高的电压下运行。例如，电化学电池在完全充电时可具有大于4.2V的电压或大于3.7V的标称电压。

热障层130可邻近电化学电池、阵列、模块和/或电池组定位。例如，热障层130可在电化学电池、阵列、模块和/或电池组之间。热障层130还可围绕个别电池、阵列、模块和/或电池组。热障层130也可安置在电化学电池、阵列、模块和/或电池组与外壳110之间的任何可用空间中。热障层可具有不超过0.3W·m

热障层130可包括有机硅聚合物网络，其具有诸如硅树脂或聚硅氧烷等无机聚合物部分(例如，Si-O-Si键)和有机聚合物部分(例如，甲基)。例如，硅树脂或聚硅氧烷聚合物可具有无机硅-氧主链，其中有机侧基键合到硅部分。替代地，有机部分可间歇地构成硅-氧键的聚合物主链的各部分。可使用线性、支化或交联的聚合物网络。例如，硅氧交联或各种有机交联可用于进行交联。

在一种变型中，所述聚合物网络可包括对应于等式I的结构：

(-R

其中每个自由基基团/R基团(即，R

(-R

(-R

硅树脂烷或聚硅氧烷聚合物可提供低热导率，诸如不超过0.5W·m

热障层130还包括填料，诸如纤维、气凝胶、中空球和/或矿物填料。填料分布并固定在聚硅氧烷或硅树脂聚合物网络内。填料可按以下量存在：热障层130的1重量％至30重量％，或更优选地5重量％至15重量％，或甚至更优选地7重量％至13重量％。

纤维可能是研磨纤维，诸如聚丙烯腈(PAN)、氧化聚丙烯腈、非织造陶瓷纤维、非织造玻璃纤维或它们的组合，并且可具有大于50μm、更优选地大于100μm或甚至更优选地大于200μm的长度。例如，纤维的长度可为10μm至500μm，或更优选地25μm至400μm，或甚至更优选地50μm至350μm。例如，可使用来自AshBur e Graphite Mill,Inc.的AGM62MF0400。填料或研磨纤维可按以下量存在：热障层130的1重量％至25重量％，或更优选地2重量％至13重量％，或甚至更优选地5重量％至8重量％。

气凝胶可作为粉末提供并且有助于热绝缘和稳定性。气凝胶进一步降低了热障层130的密度和/或重量。气凝胶是由凝胶制成的多孔材料，其中在移除液体组分时维持凝胶结构。气凝胶可能是基于二氧化硅、碳、金属氧化物或聚合物的。因为其热性能(诸如改善的热稳定性和绝缘性)，二氧化硅基气凝胶可能是优选的。气凝胶可具有不超过0.2W·m

可包括中空微球，诸如聚合物珠或玻璃泡。玻璃泡因其热性能和稳定性而可能是优选的。中空微球可具有1至1000μm、或更优选地5至600μm、或甚至更优选地10至300μm的最大费雷特直径(max-Feret-diameter)。例如，可使用3M

诸如云母或高岭土等矿物填料可按以下量存在：热障层130的0.1重量％至10重量％，或更优选地1重量％至5重量％，或甚至更优选地1.5重量％至2.5重量％。然而，云母因其优异的热性能可能是优选的。包括本文讨论的成分和量的热障组合物可提供均匀的热障组合物130。

诸如环氧树脂或聚氨酯泡沫等泡沫160可邻近第一热障层和/或第二热障层、在它们之间或围绕所述第一热障层和/或所述第二热障层。泡沫可由化学反应以产生聚合物网络的两种组分形成或被引入到活化剂或引发剂中。所述泡沫可包括阻燃添加剂。在变型中，泡沫不自燃或具有热稳定性，以使得当暴露于700℃达5分钟或更优选地10分钟或甚至更优选地15分钟时，所述泡沫不点燃或不会损失超过其重量的30％。在改进方案中，泡沫也可能是自熄性的，诸如在30秒内，或更优选地在20秒内，或甚至更优选地在10秒内。例如，泡沫可满足UL94 V-2，或更优选地V-1，或甚至更优选地V-0。当暴露于过高温度(诸如，800℃或更高，或更优选地900℃或更高，或甚至更优选地1000℃或更高的温度)达至少5分钟，或更优选地至少10分钟，或更优选地至少15分钟时，泡沫也可能碳化而不是燃烧。一种或多种发泡剂也可用于产生泡沫或用于形成泡孔。泡沫160可优选地是开孔泡沫以允许气体排放。泡沫也可能是可膨胀的，以使得其具有200％至1200％、或更优选地350％至1000％或甚至更优选地500％至800％的膨胀。在改进方案中，膨胀可能是至少300％，或优选地至少500％，或甚至更优选地至少700％。膨胀可被定义为如下定义的体积改变。

其中V

提供了一种制作电化学系统400的方法，所述电化学系统具有邻近或围绕第一电化学电池120的热障层130并且具有围绕热障层的泡沫160，如图4中所示。方法400包括将电化学电池布置在外壳110中的步骤410。除了容纳电化学电池之外，外壳还能够容置一定体积的液体或可流动材料，例如，如图3中所示。方法400包括步骤420：将可流动热障组合物330分布在外壳中，以使得所述可流动热障组合物邻近或围绕第一电化学电池120。可通过例如将可流动热障组合物330倒入或注射到外壳110中来分布所述组合物。应以不破坏或脱离电化学电池120或其部件的方式将可流动热障组合物330引入外壳110。在变型中，热障组合物330的膨胀小于10％，或更优选地小于1％，或甚至更优选地没有膨胀。在改进方案中，可诸如通过均匀地倾倒所述组合物来均匀地分布所述组合物，以使得它不会在一个或多个电化学电池120或其部件上致使不均匀或不平衡的应力。应使热障组合物330分布在外壳中，以使得它不会移动或移出电化学电池120的任何部件。例如，由于热障组合物330被分布在外壳110中，部件不应移动超过0.5mm，或更优选地不超过0.1mm，或更优选地不超过0.01mm。热障组合物在25℃和0.1至10s

热障组合物330可包括可流动的和/或液体硅树脂、聚硅氧烷、硅氧烷、硅烷单体、低聚物、预聚物、二氧化硅或它们的组合。诸如500至25,000g/mol、或更优选地1,000至15,000g/mol或更优选地2,000至10,000g/mol等高分子量硅树脂或聚硅氧烷可能是更优选的，以防止对电气部件的负面影响。例如，较小的硅氧烷可能更具反应性并且在电气部件上产生干扰其效率或有效性的沉积物。热障组合物330还可包括活化剂/催化剂和/或填料，以使得当其固化时，填料分布在硅树脂或聚硅氧烷聚合物网络内，从而形成热障层。催化剂和/或活化剂可能是例如铂催化剂。催化剂可加速聚合或降低此种反应所必需的温度。热也可用于活化或引发聚合，但是室温(例如，25℃)或低温可能更合适，因为它们不太可能破坏已经存在于外壳中的电化学电池或其部件。在使用或不使用催化剂的情况下，可在室温或低温下发生聚合。所述组合物可被配置成具有1分钟至1小时、更优选地2分钟至30分钟或甚至更优选地3分钟至10分钟的适用期。组合物330也可在20分钟至20小时、更优选地30分钟至15小时或更优选地40分钟至10小时内固化。催化剂和/或活化剂可按以下量存在：热障组合物330的0.1重量％至15重量％，或更优选地4重量％至12重量％，或甚至更优选地6重量％至10重量％。在一些实施例中，可能不存在催化剂和/或活化剂。

表1示出了可固化成热障层的示例性热障组合物。

虽然上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征可被组合以形成可能未明确描述或示出的本发明的另外的实施例。虽然各种实施例就一个或多个期望的特性而言可能已经被描述为提供优点或优于其他实施例或现有技术实现方式，但本领域普通技术人员应认识到，可折衷一个或多个特征或特性来达成期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性可包括但不限于强度、耐久性、可销售性、外观、包装、大小、适用性、重量、可制造性、易组装性等。为此，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式所期望的实施例处在本公开的范围内，并且对于特定应用来说可能是期望的。

根据本发明，提供了一种电化学系统，其具有：外壳；第一电化学电池，所述第一电化学电池在所述外壳中并且具有电解质、与所述电解质接触的负电极和与所述电解质接触的正电极；以及热障层，所述热障层邻近所述第一电化学电池并且包括具有无机聚合物部分和有机聚合物部分的聚合物网络，所述聚合物网络具有分布在其中的纤维、气凝胶、中空微球和矿物填料，其中所述热障层具有至少600℃的热稳定性和不超过0.3W·m

根据实施例，所述热障层包括硅树脂和/或聚硅氧烷聚合物网络。

根据实施例，所述纤维是氧化聚丙烯腈。

根据实施例，所述气凝胶是基于二氧化硅的。

根据实施例，所述中空微球是玻璃泡。

根据实施例，所述矿物填料是云母。

根据实施例，所述热障层围绕所述第一电化学电池。

根据实施例，所述热障层安置在第一电化学电池与第二电化学电池之间。

根据实施例，环氧树脂泡沫邻近所述第一电化学电池安置，其中所述热障层安置在所述环氧树脂泡沫和所述第一电化学电池之间。

根据本发明，提供了一种热障组合物，其具有：可固化二氧化硅、硅树脂和/或聚硅氧烷单体、低聚物和/或预聚物；活化剂和/或催化剂；纤维；气凝胶粉末；中空微球；以及矿物填料；其中在活化后，所述热障组合物形成热障，所述热障具有至少600℃的热稳定性和不超过0.3W·m

根据实施例，所述热障组合物包括硅树脂或聚硅氧烷单体、低聚物或预聚物中的至少一种。

根据实施例，所述研磨纤维是氧化聚丙烯腈。

根据实施例，所述气凝胶粉末是基于二氧化硅的。

根据实施例，所述中空微球是玻璃泡。

根据实施例，所述矿物填料是云母。

根据实施例，所述活化剂和/或催化剂包括铂。

根据实施例，热障具有不超过0.2W·m

根据实施例，热障具有不超过0.05W·m

根据实施例，热障具有800℃的热稳定性。

根据本发明，提供了一种形成热绝缘电化学系统的方法，其具有：将电化学电池布置在外壳内；将热障组合物分布在所述外壳内，以使得所述热障组合物邻近所述电化学电池；固化所述热障组合物以形成邻近所述电化学电池的热障层，以使得所述热障层具有不超过0.3W·m