用于可再充电的电能储存系统的屏障制品的制作方法
本发明涉及多层材料在可再充电的电能储存系统中作为屏障制品的用途，该可再充电的电能储存系统包括例如多个单个的可再充电的电池单元或电池单元模块或电池单元模块组。本发明还涉及电动交通工具电池，并且尤其涉及用于管理电池单元/模块/电池组热逸溃事件的防爆和绝热屏障制品。所提供的制品在例如汽车、飞机、船舶和固定式储能应用中尤其有用。
背景技术：
1、包括多个单个的电池单元(诸如例如锂离子电池单元)的可再充电或可重复装载的电池或可再充电的电能储存系统是已知的，并且用于包括例如作为移动电话和便携式计算机或电动汽车或交通工具或混合动力汽车的电力供应的若干技术领域中。
2、还已知的是，可再充电的电池单元(诸如锂离子电池单元)有时经历由诸如电池单元内的短路、不适当的电池单元使用、制造缺陷或暴露于极端外部温度等事件引起的内部过热。当由高温引起电池单元内的反应速率增加到在电池单元内产生比可取出的热量更多的热量的点，并且所产生的热量导致反应速率进一步增加，继而导致所产生的热量进一步增加时，这种内部过热可导致所谓的“热逸溃”。例如，在标准锂离子(li离子)电池配置中，此类缺陷电池单元内产生的热量可达到500℃至1000℃，在局部热点中甚至可达到更高温度。
3、下一代电动交通工具ev电池将比现今使用的电池具有更高的能量。高能量电池，诸如被描述为811(nmc或镍锰钴比)或类似能量密度的那些电池，如果穿孔或过热，可能会发生灾难性故障。当这种情况发生时，随之发生的电池火灾将不仅达到1200℃或更高的温度，而且还可能以中等高速排出碎片。虽然电池组通常被封装在铝壳中，但是铝在660℃下熔化，因此必须保护壳免受故障电池的火焰和碎片的影响，以允许电动交通工具的乘员在这种故障的情况下及时离开。电池组也可被封装在纤维增强的聚合物复合材料中，类似于铝，其也可在升高的温度下破裂。
4、虽然存在一些能够经受住高温火焰的材料(即，经受住大于1200℃火焰持续几十分钟而不破裂)，但这些材料不能承受与高能量电池热逸溃事件相关联的喷爆。热逸溃蔓延造成的严重风险需要电池模块被设计为具有防爆和绝热屏障，以减轻此类热逸溃的影响，并且为交通工具乘员提供在火灾时安全撤离的时间。
5、pct专利公布wo 2021/144758(以引用的方式全文并入本文)描述了热屏障制品和可用于确定热逸溃和抗爆特性的喷灯和砂砾测试(torch and grit test)。
技术实现思路
1、鉴于上述情况，仍然需要合适的材料和合适的排布结构，其有助于提供隔热并且有助于防止或减轻产生于故障电池组的喷爆颗粒对相邻材料和区域的损坏。还需要这样的合适的材料，这些材料易于在组装过程中使用并且为设计可再充电的电能储存系统提供灵活性。
2、本发明提供了包括多层材料的屏障制品。该多层材料包括多个芯层和多个粘结剂层的交替排布结构。
3、在第一方面，至少一个芯层包括织造或非织造纤维垫或织物，其中该织造或非织造纤维垫或织物包含无机纤维。
4、另一方面，至少一个粘结剂层包括硅氧烷材料。硅氧烷材料可以包括硅氧烷聚合物并且可以包含一种或多种填充材料或添加剂。
5、另一方面，多层材料的芯层在整个多层材料中可以是相同的。另一方面，多层材料的芯层可以在多个芯层中的一些或全部芯层中包含不同的材料。
6、另一方面，多层材料的粘结剂层在整个多层材料中可以是相同的。另一方面，多层材料的粘结剂层可以在多个粘结剂层中的一些或全部粘结剂层中包含不同的材料。
7、另一方面，该多个芯层包括至少三个芯层。
8、另一方面，该多个粘结剂层包括至少两个粘结剂层。
9、另一方面，芯层包括织造或非织造纤维垫或织物，该织造或非织造纤维垫或织物包含选自由以下项组成的组的多种纤维：a-玻璃、c-玻璃、d-玻璃、e-玻璃、m-玻璃、r-玻璃、s-玻璃、ecr-玻璃、ar-玻璃、玄武岩纤维、硅酸盐纤维(例如，宇航石英纤维)、碳化硅纤维、陶瓷纤维(例如，nextel纤维)或其它无机纤维。
10、另一方面，热屏障制品被可操作地调整以经受住或承受喷灯和砂砾测试(t>)的至少七个循环或喷爆。此外，热屏障制品具有所承受的t>喷爆除以样品厚度的比率，该比率为至少4.4。又如，热屏障制品具有所承受的t>喷爆除以样品厚度的比率，该比率为至少4.6。
11、另一方面，热屏障制品是柔性的，使得热屏障制品在失效之前在3点弯曲测试(根据astm d790)中可弯曲至少0.5％。
12、另一方面，本发明提供了一种电动交通工具的电池仓，该电池仓包括至少一个电池单元或组件以及上述热屏障制品。
13、另一方面，一种防止或至少减轻喷爆碎屑在电动交通工具电池组件中或从电动交通工具电池组件进一步扩散的方法包括提供具有上述热屏障制品的电动交通工具电池组件的至少一个电池单元。
14、防止电动交通工具电池中与突然的热逸溃事件相关联的危险是一个重大的技术挑战。
15、本发明的实施方案通过提供一种防爆和耐热屏障制品解决了常规材料的挑战，该制品以交替排布结构组合多个芯层和多个粘结剂层，其中至少一个芯层含有包含无机纤维的织造或非织造纤维垫或织物，并且每个粘结剂层包含硅氧烷材料。芯层和粘结剂层形成防爆和热屏障制品，该防爆和热屏障制品被可操作地调整以经受住或承受喷灯和砂砾测试的至少一个循环。在电动交通工具电池应用中，将指定的芯层与粘结剂层进行组合可以在暴露于火灾的情况下提供防爆和高度隔热作用。
技术特征：
1.一种热屏障制品，包括：
2.根据权利要求1所述的热屏障制品，其中所述织造或非织造纤维垫或织物包含多种无机纤维。
3.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中所述织造或非织造纤维垫或织物包含选自由以下项组成的组的多种纤维：a-玻璃、c-玻璃、d-玻璃、e-玻璃、m-玻璃、r-玻璃、s-玻璃、ecr-玻璃、ar-玻璃、玄武岩纤维、硅酸盐纤维(例如，宇航石英纤维)、碳化硅纤维、陶瓷纤维(例如，nextel纤维)或它们的组合。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热屏障制品，其中所述多个粘结剂层各自包含硅氧烷聚合物。
5.根据权利要求4所述的热屏障制品，其中所述硅氧烷聚合物还包含填充材料或添加剂。
6.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中所述热屏障制品具有在约0.5mm至约10.0mm的范围内的厚度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，包括至少三个芯层和至少两个粘结剂层。
8.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中所述多个芯层中的每一个包含相同的材料。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中所述多个芯层中的至少两个芯层包含不同的材料。
10.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中所述多个粘结剂层中的至少两个粘结剂层包含不同的材料。
11.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，包括至少四个芯层和至少三个粘结剂层。
12.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中每个芯层包括约0.04mm至约1mm的厚度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中每个芯层包括约0.1mm至约0.6mm的厚度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中至少一个粘结剂层包含实心玻璃颗粒填充材料。
15.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中所述实心玻璃颗粒填充材料具有约10微米至约100微米的平均尺寸。
16.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中所述热屏障制品具有所承受的t>喷爆除以样品厚度的比率，所述比率为至少4.4。
17.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中所述热屏障制品被可操作地调整以具有所承受的t>喷爆除以样品厚度的比率，所述比率为至少6.5。
18.根据前述权利要求中任一项所述的热屏障制品，其中所述屏障制品是柔性的，使得所述屏障制品在失效之前在3点弯曲测试(根据astmd790)中可弯曲至少0.5％。
19.一种电动交通工具的电池仓，所述电池仓包括至少一个电池单元或组件，其中根据权利要求1至18中任一项所述的热屏障制品设置在所述至少一个电池单元或组件与盖之间。
20.一种防止或至少减轻喷爆碎屑在电动交通工具电池组件中或从所述电动交通工具电池组件进一步扩散的方法，所述方法包括：
21.屏障制品在可再充电的电能储存系统中作为隔热和防爆屏障的用途，所述屏障制品包括多层制品，所述多层制品包括：
22.根据权利要求21所述的屏障制品的用途，其中所述织造或非织造纤维垫或织物包含多种无机纤维。
23.根据权利要求21至22中任一项所述的屏障制品的用途，其中所述织造或非织造纤维垫或织物包含选自由以下项组成的组的多种纤维：a-玻璃、c-玻璃、d-玻璃、e-玻璃、m-玻璃、r-玻璃、s-玻璃、ecr-玻璃、ar-玻璃、玄武岩纤维、硅酸盐纤维(例如，宇航石英纤维)、碳化硅纤维、陶瓷纤维(例如，nextel纤维)或它们的组合。
24.根据权利要求21至23所述的屏障制品的用途，其中所述多个粘结剂层各自包含硅氧烷聚合物。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的屏障制品的用途，其中所述硅氧烷聚合物还包含填充材料或添加剂。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的屏障制品的用途，其中至少一个粘结剂层包含实心玻璃颗粒填充材料。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的屏障制品的用途，其中所述实心玻璃颗粒填充材料具有约10微米至约100微米的平均尺寸。
28.根据权利要求21至27中任一项所述的屏障制品的用途，其中所述热屏障制品具有所承受的t>喷爆除以样品厚度的比率，所述比率为至少4.4。
29.根据权利要求21至28中任一项所述的屏障制品的用途，其中所述热屏障制品具有在约0.5mm至约10.0mm的范围内的厚度。
30.根据权利要求21至29中任一项所述的屏障制品的用途，包括至少三个芯层和至少两个粘结剂层。
31.根据权利要求21至30中任一项所述的屏障制品的用途，其中所述多个芯层中的每一个包含相同的材料。
32.根据权利要求21至31中任一项所述的屏障制品的用途，其中所述多个芯层中的至少两个芯层包含不同的材料。
33.根据权利要求21至32中任一项所述的屏障制品的用途，其中所述多个粘结剂层中的至少两个粘结剂层包含不同的材料。
34.根据权利要求21至33中任一项所述的屏障制品的用途，包括至少四个芯层和至少三个粘结剂层。
35.根据权利要求21至34中任一项所述的屏障制品的用途，其中所述屏障制品是柔性的，使得所述屏障制品在失效之前在3点弯曲测试(根据astm d790)中可弯曲至少0.5％。
技术总结
一种屏障制品，该屏障制品包括多层制品，该多层制品包括多个芯层和多个粘结剂层，其中至少一个芯层包括织造或非织造纤维垫或织物，并且其中至少一个粘结剂层包含硅氧烷材料。该多个芯层和该多个粘结剂层以交替方式布置。该屏障制品被可操作地调整以经受住或承受喷灯和砂砾测试的至少七个循环。该屏障制品可为柔性的，并且可在例如可再充电的电能储存系统中提供隔热和防爆屏障。
技术研发人员：沃尔特·R·罗曼科,摩根·A·普廖洛,马克西米利安·欧里希斯,马蒂斯·A·穆特,克里斯托夫·屈斯特斯,米切尔·T·黄,马克·A·费尔班克斯,丹尼尔·S·巴特斯,马库斯·库哈茨,于尔根·施努森贝格,哈拉尔德·格鲁贝尔,刘军钪
受保护的技术使用者：3M创新有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23