复合热管理片、制造方法和使用其的制品技术

本申请涉及复合热管理片、制造方法和使用其的制品。用于电池的复合热管理片包括有机硅泡沫层；以及设置在所述有机硅泡沫层内的反应性填料组合物，所述反应性填料组合物包含第一填料，所述第一填料在最初暴露于热时分解以产生水；和与所述第一填料不同的第二填料，其中所述第二填料与所述第一填料的分解产物形成热屏障层，或所述第二填料吸收所述水，或两者兼有。兼有。兼有。

【技术实现步骤摘要】
复合热管理片、制造方法和使用其的制品
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2021年3月9日提交的美国申请第63/158,675号的权益，其通过引用整体并入本文。


[0003]本申请涉及用于电池中的复合热管理片，特别是用于延迟或防止锂离子电池中的热失控的复合热管理片。本申请还涉及用于制造复合热管理片的方法以及包括所述复合热管理片的电池组件和电池。

技术介绍

[0004]由于诸如电动交通工具和电网储能系统的应用以及诸如电动自行车、不间断电源电池系统和铅酸电池的替代物的其他多电池单元电池应用的增长，因此对诸如锂离子电池的电化学储能装置的需求不断增长。由于其增加的使用，期望用于热管理的方法。对于大规格应用例如电网存储和电动交通工具，经常使用以串联和并联阵列连接的多个电化学电池单元，这可能导致热失控。一旦电池单元处于热失控模式，则由电池单元产生的热可能引起相邻电池单元中的热失控传播反应，有可能导致可以点燃整个电池的级联效应。
[0005]虽然已经考虑了降低电池中的热失控的尝试，但是许多具有缺点。例如，已经考虑了通过添加阻燃添加剂对电解质进行改性或使用固有地不易燃的电解质，但是这些方法可能负面地影响电池的电化学性能。用于热管理或者防止级联热失控的其他方法包括在电池单元或电池单元组之间并入增加量的绝缘以减少热事件期间的热传递的热量。然而，这些方法可能限制可以实现的能量密度的上限。
[0006]随着对具有改善的热管理或降低的热失控风险的电池的需求增加，因此需要防止或延迟热、能量或二者向周围电池单元扩散的用于电池的方法和组件。

技术实现思路

[0007]在一个方面中，用于电池的复合热管理片包括有机硅泡沫层(silicone foam layer)；以及设置在所述有机硅泡沫层内的反应性填料组合物，所述反应性填料组合物包含第一填料，所述第一填料在最初暴露于热时分解以产生水；和与所述第一填料不同的第二填料，其中所述第二填料与所述第一填料的分解产物形成热屏障层，或所述第二填料吸收所述水，或两者兼有。
[0008]用于电池的组合件包括设置在电化学电池单元(cell)的表面上的上述复合热管理片。
[0009]还公开了包括上述组合件的电池。
[0010]通过以下附图、具体实施方式、实施例和权利要求来举例说明上述特征和其他特征。
附图说明
[0011]以下为附图的简要说明，出于说明本文中所公开的示例性实施方案的目的而不是出于限制本文中所公开的示例性实施方案的目的而呈现附图。
[0012]图1是复合热管理片的一个方面的示意性截面图示；
[0013]图2是位于两个电池单元之间的复合热管理片的一个方面的示意图；
[0014]图3是位于两个电化学电池单元之间的复合热管理片的一个方面的示意图；
[0015]图4是位于电池单元阵列中的复合热管理片的一个方面的示意图；
[0016]图5是包括复合热管理片的用于电池的组合件的一个方面的示意图；
[0017]图6是用于热板测试的装置的示意图；
[0018]图7是位于用于热板测试的装置的热板与顶层之间的变形屏障层的图示；
[0019]图8是由包含硼砂和硼酸锌的反应性填料组合物形成的硼硅酸盐热屏障层的照片；
[0020]图9是示出比较例1和实施例1至6的模拟热失控测试结果的温度(℃)相对于时间(分钟(min))的图；
[0021]图10A是用于钉子穿透测试(nail penetration testing)的第一装置的示意图的分解图；
[0022]图10B是图10A中示出的示意图的非分解图；
[0023]图11是示出比较例3和实施例7的钉子穿透测试结果的温度(℃)相对于时间(分钟)的图；
[0024]图12是示出比较例2和3以及实施例7在不同厚度下的钉子穿透测试结果的电压(V)相对于时间(分钟)的图；
[0025]图13是比较例3的热释放速率(HRR)(瓦特每克(W/g))相对于温度(℃)的图；
[0026]图14是实施例7的HRR(W/g)相对于温度(℃)的图；
[0027]图15是实施例8的HRR(W/g)相对于温度(℃)的图；
[0028]图16A是用于钉子穿透测试的第二装置的示意图的分解图；
[0029]图16B是图16A中示出的示意图的非分解图；
[0030]图17是示出比较例3的钉子穿透测试结果的温度(℃)相对于时间(秒(s))的图；
[0031]图18是示出实施例7的钉子穿透测试结果的温度(℃)相对于时间(秒)的图；
[0032]图19是实施例7在钉子穿透测试之后的照片；以及
[0033]图20是示出实施例8的钉子穿透测试结果的温度(℃)相对于时间(秒)的图。
具体实施方式
[0034]电池中的热管理，例如防止电池中，特别是包括大量电化学电池单元的电池中的热失控是一个难题，因为与经历热失控的电池单元相邻的电池单元可以从事件中吸收足够的能量，以使其升高高于其设计的工作温度，从而引起相邻的电池单元也进入热失控。引发的热失控事件的这种传播可以导致连锁反应，其中由于电池单元点燃相邻的电池单元，因此电池单元进入一系列级联的热失控。在非常薄的片(例如，总厚度为30毫米(mm)或更小、或20mm或更小、或15mm或更小、或10mm或更小、或8mm或更小、或6mm或更小的片)中实现有效的热管理特性特别困难。越来越期望薄片以减小制品尺寸和重量，并节约材料。
[0035]本专利技术的专利技术人已经发现，包括有机硅泡沫和反应性填料组合物的复合热管理片可以用于防止或降低这样的级联热失控事件的强度。反应性填料组合物被配制为使得当暴露于热源时，填料组合物首先产生水并吸收水，这可以减轻向相邻电池单元的热传递。在一个方面中，水可以被捕获或者可以被解吸，以提供水的再循环。在另一个方面中，当持续暴露于热时，柔性有机硅层和反应性填料组合物可以形成热屏障层，所述热屏障层可以进一步减轻向相邻电池单元的热传递。
[0036]已经出乎意料地发现，反应性填料组合物的使用尤其可用于制造非常薄(即30mm或更小、或20mm或更小、或15mm或更小、或10mm或更小、或8mm或更小、或6mm或更小)并且具有良好的隔热特性的复合热管理片。复合热管理片可以具有另外的有利特性，例如良好的抗穿刺性。复合热管理片可以经受多次加热和冷却循环，并且仍提供良好的隔热。复合热管理片还可以为电化学电池单元和电池提供压力管理。复合热管理片可以用于电池中的各个位置以防止热失控。复合热管理片还可以改善电池的阻燃性。
[0037]如上所述，复合热管理片包括柔性多孔层，以及至少两种具有特定特性的填料。图1中示出了一个方面，其中复合热管理片10包括具有第一外表面14和相反的第二外表面16的柔性有机硅泡沫层12。尽管示出为平坦的，但外表面中的一者或两者或全部可以为起伏状的以提供与电化学电池单元的表面的更好匹配。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电池的复合热管理片，所述复合热管理片包括：有机硅泡沫层；以及设置在所述有机硅泡沫层内的反应性填料组合物，所述反应性填料组合物包含第一填料，所述第一填料在最初暴露于热时分解以产生水；和与所述第一填料不同的第二填料，其中所述第二填料与所述第一填料的分解产物形成热屏障层，或所述第二填料吸收所述水，或两者兼有。2.根据权利要求1所述的复合热管理片，其中所述热屏障层包括硼硅酸盐玻璃层。3.根据权利要求2所述的复合热管理片，其中所述硼硅酸盐玻璃包含由所述有机硅泡沫层的分解而来的硅。4.根据权利要求1所述的复合热管理片，其中所述第一填料和所述第二填料为三水合铝、硝酸铵、硼砂、水合硅酸钠、氢氧化镁、碳酸镁氢氧化物五水合物、磷酸三镁八水合物、硼酸锌、超吸收性聚合物或水玻璃中的至少两者。5.根据权利要求4所述的复合热管理片，其中所述第一填料包括三水合铝、水合硅酸钠、碳酸镁氢氧化物五水合物、磷酸三镁八水合物、超吸收性聚合物、水玻璃或其组合。6.根据权利要求4所述的复合热管理片，其中所述第二填料包括硝酸铵、硼砂、水合硅酸钠、氢氧化镁、碳酸镁氢氧化物五水合物、磷酸三镁八水合物、硼酸锌、超吸收性聚合物或其组合。7.根据权利要求4所述的复合热管理片，其中所述反应性填料组合物包含三水合铝和硼酸锌。8.根据权利要求4所述的复合热管理片，其中所述反应性填料组合物包含硼砂和水合硅酸钠。9.根据权利要求4所述的复合热管理片，其中所述反应性填料组合物包含三水合铝、硼酸锌和水合硅酸钠。10.根据权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克斯，
申请(专利权)人：罗杰斯公司，
类型：发明
国别省市：