具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料的制作方法

1.本实用新型关于一种复合材料，特别是一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料，可防止二次电池在热失控状态下造成热蔓延或爆燃明火。


背景技术：

2.锂电池是目前电子产品用来提供电力的主流装置，它具有快速充电、大充电量及较小体积等优点。然而，锂电池在使用上也有其问题，诸如低温时供电量低、使用一段时间后产生锂晶枝而减少电量、发生热失控等。锂电池热失控是由于电池的内短路产生热速率远高于散热速率，且热量大量累积而未及时散发出去所引起的。且当温度增高时引发的变化使温度更进一步的增高，产生恶性热循环与蔓延。锂电池的热失控会引发一连串不可逆的连锁反应，内部温度会在几毫秒内迅速上升。锂电池中储存的能量突然被释放，因而内部产生大约500℃～1000℃的高温，同时使得锂电池部分材料因高温形成可燃高温瓦斯气体喷发泄压外溢，进而造成几乎不能以常规方式扑灭的火灾。
3.目前防治锂电池热失控的手段有：以耐高温塑料材料做隔离以加大电池芯摆放间距；以碳钢材料包覆形成锂电池以形成电池包，作为防止热失控与蔓延的手段；及采用隔热二维平面材料，如云母、陶瓷板、二氧化硅板材、碳纤布料、钢板等作为隔热与阻绝热材料来传递防治等。以隔热二维平面材料的应用来说，其作用无法阻止锂电池芯于热失控状态下产生冲击瓦斯气体。对于仅贴附在外壳内侧的耐高温与防止熔化二维平面材料，一旦受到锂电池芯内部爆发冲击，包覆电池壳体容易产生材料被击破(穿)，引发外部空气，如氧，进入锂电池内部进而引发复燃或爆燃明火。另外，这种材料也缺乏具有热触发膨胀反应机能进而阻绝高温气体在锂电池(堆)中蔓延的扩散等等缺点。
4.为了有效解决锂电池热失控问题，提出了本实用新型的具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料。


技术实现要素：

5.公开为了有效解决锂电池热失控问题，本实用新型公开一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料，可用于防阻在异常状态下会产生超过150℃以上的温度及可燃气体的一潜在热源发散的热量及可燃气体，所述具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料具有以下的结构：由一碳硅发泡材制成的一碳硅发泡材层；及形成于该碳硅发泡材层上且由压克力树脂制成的一第一压克力树脂层，使用时以该碳硅发泡材层面向该潜在热源，该碳硅发泡材膨胀以阻绝可燃气体与外部助燃气体接触。
6.所述的具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料可进一步具有以下的结构：形成于该第一压克力树脂层上且由玻璃纤维布制成的一玻璃纤维布层、形成于该玻璃纤维布层上且由压克力树脂制成的一第二压克力树脂层，及形成于该第二压克力树脂层上且由硅胶制成的一第一硅胶层。
7.依照本实用新型，所述的具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料还可进一步
具有以下的结构：形成于该第一硅胶层上且由碳纤维制成的一碳纤维层，及形成于该碳纤维层上且由硅胶制成的一第二硅胶层。
8.依照本实用新型，所述的具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料更可进一步具有以下的结构：形成于该第二硅胶层上且由石英棉制成的一石英棉层，及形成于该石英棉层上且由该硅胶制成的一第三硅胶层。
9.依照本实用新型，具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料可进一步改变而具有以下的结构：形成于该第一压克力树脂层上且由石英棉制成的一石英棉层，及形成于该石英棉层上且由该硅胶制成的一第三硅胶层，或是形成于该第一硅胶层上且由石英棉制成的一石英棉层，及形成于该石英棉层上且由该硅胶制成的一第三硅胶层。
10.依照本实用新型，该碳硅发泡材可为纤维、膨胀阻燃剂与黏着剂的混合物。
11.依照本实用新型，纤维为化学纤维、纸纤维、碳纤维或矿物纤维。
12.依照本实用新型，膨胀阻燃剂包括膨胀石墨粉、多聚磷酸铵和季戊四醇。
13.依照本实用新型，黏着剂为水性压克力树脂或水性聚氨酯树脂。
14.依照本实用新型，由该碳硅发泡材层的外表面至该第一硅胶层的外表面间的整体厚度介于0.5mm至2.5mm之间。
15.依照本实用新型，具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料可包括如下重量份数的组分：80～85重量份的碳硅发泡材、2～4重量份的压克力树脂、5～10重量份的玻璃纤维布和2～4重量份的硅胶。具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料还可包括如下重量份数的组分：80～85重量份的碳硅发泡材、2～4重量份的压克力树脂、5～10重量份的玻璃纤维布、4～8重量份的硅胶和5～15重量份的碳纤维。具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料也可包括如下重量份数的组分：80～85重量份的碳硅发泡材、2～4重量份的压克力树脂、5～10重量份的玻璃纤维布、6～12重量份的硅胶、5～15重量份的碳纤维和20～25重量份的石英棉。
16.由该碳硅发泡材层的外表面至该第一硅胶层的外表面间的整体厚度在受热超过150℃以上时开始膨胀，膨胀倍率如下：于155
±
5℃时，膨胀倍率为5倍；于200
±
5℃时，膨胀倍率为10倍；于250
±
5℃时，膨胀倍率为25倍；于300
±
5℃时，膨胀倍率为30倍；及于350
±
5℃时，膨胀倍率为35倍。该复合材料在特定温度下达到既定膨胀倍率的时间如下：于155
±
5℃时为16
±
1秒；于200
±
5℃时为17
±
1秒；于250
±
5℃时为18
±
1秒；于300
±
5℃时为21
±
1秒；及于350
±
5℃时为25
±
1秒。依照本实用新型，碳硅发泡材包括如下重量份数的组分：72～74重量份的纤维、5～7重量份的膨胀阻燃剂与3～4重量份的黏着剂。依照本实用新型，膨胀阻燃剂包括如下重量份数的组分：1.5～2重量份的膨胀石墨粉、1.2～1.5重量份的多聚磷酸铵和0.3～0.5重量份的季戊四醇。
17.由于使用了碳硅发泡材、玻璃纤维布、碳纤维与石英棉的分层结构，本实用新型的复合材料可提供热阻绝、助燃气体阻绝、热传导、防击穿等功能，用于防护锂电池的热失控。实际应用方面，可用于备用电池单元(backup battery unit，bbu)开放运算计划(open compute project，ocp)标准数据备援电池模块上储能电池的防热失控设计、不断电系统(uninterruptible power supply，ups)中电池模块上储能电池防热失控设计、电池储能系统(battery energy storage systems，bess)上储能电池防热失控设计等。本实用新型所指锂电池，除圆筒型式之外，另包括金属壳的角型电池封装电池与软包电池结构设计。
附图说明
18.图1为依照本实用新型第一实施例的一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料的结构示意及使用说明图。
19.图2为依照本实用新型第二实施例的另一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料的结构示意图。
20.图3为复合材料的一种使用方案。
21.图4为复合材料的另一种使用方案。
22.图5为复合材料的又一种使用方案。
23.图6为依照本实用新型第三实施例的又一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料的结构示意图。
24.图7为依照本实用新型第四实施例的再一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料的结构示意图。
25.其中，1、锂电池；1a、正极；2、电池组；2a、外壳；3、电池组；3a、外壳；10、碳硅发泡材层；20、第一压克力树脂层；30、玻璃纤维布层；40、第二压克力树脂层；50、第一硅胶层；60、碳纤维层；70、第二硅胶层；80、石英棉层；90、第三硅胶层；m、复合材料。
具体实施方式
26.本实用新型将通过参照下列的实施方式而更具体地描述。
27.请见图1，该图为依照本实用新型第一实施例的一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料(以下简称复合材料)的结构示意图及使用说明图。该复合材料是用于防阻在异常状态下会产生超过150℃以上的温度及可燃气体的一潜在热源，如锂电池(堆)在热失控下，发散的热量及可燃气体。具体而言，复合材料可适用的潜在热源比如锂电池。锂离子电池的工作温度范围一般都很窄(工作温度在-20℃～50℃之间，最佳工作温度为20℃～40℃之间)，稳定工作时不会有温度骤升与材料气化等情况发生。当受损害而处于异常状态下时，如变形产生短路、过度充电超过数据表中所规定的最大电压、充电或放电时的电流过大等情况，锂电池可能会处于热失控状态。此时锂电池可能会先由正极处的泄气阀将内部气化的材料排泄至外部。由于这些气体具有可燃性且带高温，一旦与外部环境中的助燃气体，如氧气相遇，锂电池内部容易产生500℃～1000℃的高温燃烧与持续明火，甚至伴随锂电池电芯内部可燃物质与其产生的瓦斯气体引发更剧烈的爆炸。当热失控发生时，除了要尽速降温以减少损失外，初期应提供热量散逸路径，并防止锂电池电芯内部爆裂物喷击周遭，更应当阻绝锂电池与周围空气间的联系，最后因为膨胀材料完成填隙锂电池(堆)内部隔离下防止二次复燃。本实用新型即是为了要解决上述问题，提供如锂电池等具有失控潜在危险的潜在热源使用的复合材料。
28.在第一实施例中的复合材料具有以下的结构：由一碳硅发泡材制成的一碳硅发泡材层10，及形成于碳硅发泡材层10上且由压克力树脂制成的一第一压克力树脂层20。要注意的是，为了要能绘出本实用新型诸多实施例的层状结构的每一个细节，复合材料在厚度方向上的比例较长度方向上的比例来得大；根据实际的组合态样，复合材料的各层结构的厚度于附图中表达上，也有可能厚度不成比例，附图仅用于辅助结构层次的说明，并非用于限制其每一层的具体厚度。
29.碳硅发泡材是本实用新型的核心要件。碳硅发泡材是纤维、膨胀阻燃剂与黏着剂的混合物。依照本实用新型，使用的纤维可以是化学纤维、纸纤维、碳纤维或矿物纤维，说明书中的各实施例以纸纤维为例来说明。此外，膨胀阻燃剂包括膨胀石墨粉、多聚磷酸铵和季戊四醇。膨胀阻燃剂触发开始膨胀的温度约在150℃。黏着剂为水性压克力树脂或水性聚氨酯树脂，说明书中的各实施例以水性聚氨酯树脂为例来说明。组分方面，碳硅发泡材可包括如下重量份数的组分：72～74重量份的纤维、5～7重量份的膨胀阻燃剂和3～4重量份的黏着剂，比如使用720克纤维、50克膨胀阻燃剂与30克的黏着剂混合搅拌制成800克的碳硅发泡材。以上的比例是最佳的组分，因为碳硅发泡材在受热时若纤维或膨胀阻燃剂任何一者比例过高，会无法有效发泡而造成材料浪费。此外，黏着剂的比例也是在使用时最佳情况的比例，避免整体材料的流动性过高或黏结不力。就膨胀阻燃剂而言，其包括如下重量份数的组分：1.5～2重量份的膨胀石墨粉、1.2～1.5重量份的多聚磷酸铵和0.3～0.5重量份的季戊四醇，比如将20克的膨胀石墨粉、15克的多聚磷酸铵与5克的季戊四醇均匀混合成40克的膨胀阻燃剂。由于碳硅发泡材质软，压克力树脂层20在其上可以达到塑型的功用。同时，压克力树脂层20可以在碳硅发泡材遇高温发泡时，提供特定方泡方向的支撑。如图1所示，使用时以碳硅发泡材层10面向潜在热源(锂电池1的正极1a)，从而碳硅发泡材膨胀时可以朝向锂电池1膨胀，完全或部分包覆正极1a以阻绝可燃气体与外部助燃气体接触，锂电池1产生的热量可以短暂地封存于发泡结构中。
30.请见图2，该图为依照本实用新型第二实施例的另一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料的结构示意图。第二实施例是基于第一实施例，进一步具有以下的结构：形成于第一压克力树脂层20上且由玻璃纤维布制成的一玻璃纤维布层30、形成于玻璃纤维布层30上且由压克力树脂制成的一第二压克力树脂层40，及形成于第二压克力树脂层40上且由硅胶制成的一第一硅胶层50。玻璃纤维布层30强化了碳硅发泡材层10与第一压克力树脂层20的热阻绝与助燃气体阻绝功能，并能提供基础的防止爆裂物喷击的功能。第一压克力树脂层20固结碳硅发泡材层10与玻璃纤维布层30，第二压克力树脂层40固结玻璃纤维布层30与第一硅胶层50。由于硅胶耐高温有一定的黏结性，可用来将复合材料与外部固结物，比如锂电池的安装壳体黏结，在锂电池热失控时不会自该安装壳体中掉落，从而稳定地让碳硅发泡材层10发泡，保护锂电池。
31.整体而言，本实施例的复合材料包括了如下重量份数的组分：80～85重量份的碳硅发泡材、2～4重量份的压克力树脂(用于第一压克力树脂层20与第二压克力树脂层40)、5～10重量份的玻璃纤维布和2～4重量份的硅胶，比如使用82克的碳硅发泡材制作碳硅发泡材层10、以3克的压克力树脂制作第一压克力树脂层20、以8克的玻璃纤维布制作玻璃纤维布层30、以3克的压克力树脂制作第二压克力树脂层40及以4克的硅胶制作第一硅胶层50，最终形成100克的复合材料。结构上，复合材料的厚度比传统具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的材料薄。依照本实用新型，由碳硅发泡材层10的外表面至第一硅胶层50的外表面间的整体厚度可介于0.5mm至2.5mm之间。
32.由碳硅发泡材层10的外表面至第一硅胶层50的外表面间的整体厚度在受热超过150℃以上时开始膨胀的膨胀倍率如下方表一所示。由表一可以知复合材料在150℃至250℃间膨胀最多，可以在热失控一开始就阻挡锂电池与周边空气的接触。此外，表一也公开了复合材料在特定温度下达到既定膨胀倍率的时间，反应时间相当的快。
33.表一
34.温度155
±
5℃200
±
5℃250
±
5℃300
±
5℃350
±
5℃膨胀倍率5倍10倍25倍30倍35倍膨胀时间16
±
1秒17
±
1秒18
±
1秒21
±
1秒25
±
1秒
35.关于复合材料的导热特性，说明如下。由于复合材料在受热膨胀后，厚度不均，难以量测其热导系数。故以下方的实验取得本实施例中所公开的复合材料的热导情况。材料方面，准备尺寸为70mm长、40mm宽、1.8mm厚的复合材料一片。用于实验的装置为酒精灯一盏(焰心温度400～500℃)及红外线测温枪二支。实验环境为密闭空间(无气流流通)及27.5℃的恒温。实验步骤如下：一、点燃酒精灯，将复合材料以碳硅发泡材层10面向酒精灯，并与酒精灯灯焰维持约1厘米距离；二、每隔30秒分别以红外线测温枪量测正面(碳硅发泡材层10)及背面(第一硅胶层50)的温度。实验结果表列于下方表二中。由表二可知，正面与背面的温度差随着时间增加而增加，证明了由热源产生的热量可以被碳硅发泡材吸收大部分，且减少背热源面的温度增加。
36.表二
[0037][0038][0039]
请见图3，该图为复合材料的一种使用态样。图3中是一个电池组2的剖面图，电池组2中串/并联多个锂电池1。在电池组2的外壳2a内表面，朝向锂电池1的正极1a贴设复合材料m。复合材料m并不与正极1a接触。由于电池组2的外壳2a是密封的，锂电池1热失控产生的可燃气体只会限制于外壳2a内，不会散逸。此时复合材料m的作用主要在于热阻绝。
[0040]
请见图4，该图为复合材料的另一种使用态样。图4为图3中的使用态样的改进。电池组2的外壳2a内表面内全部贴附复合材料m，复合材料m也与锂电池1的正极1a接触。当锂电池1热失控时，产生的可燃气体会限制于外壳2a内。此时复合材料m的作用主要也在于热阻绝，但效果比图3中的好。此外，由于碳硅发泡材层10于第一时间包覆了正极1a，阻挡了正极1a接触外壳2a内部的空气，进而有阻绝助燃气体的功能。
[0041]
请见图5，该图绘示复合材料的又一种使用态样。图5为一个具有内部通风管道设计的电池组3的部分剖面图。在图5中，电池组3内部有两个风道，一个在上另一个在下，空气流动方向以空心箭号表示。电池组3中串/并联多个锂电池1。在电池组3的外壳3a内表面，朝向锂电池1的正极1a贴设复合材料m。复合材料m并不与正极1a接触。当灰底的锂电池1发生热失控时，复合材料m膨胀，阻塞了下方风道，阻绝助燃气体与发生热失控的锂电池1(也包括周围数个正常的锂电池1)接触，减少因热失控产生的损失。热失控锂电池1产生的热量可由上方风道向电池组3外部通过空气对流。此外，没有发生膨胀的复合材料m还是维持了上方风道的净空，方便维修人员更换锂电池1及清理外壳3a内部空间。
[0042]
请见图6，该图为依照本实用新型第三实施例的又一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料的结构示意图。除了热阻绝与助燃气体阻绝之外，本实用新型还可以进
一步引导热失控产生的热量向复合材料两侧传导的功能，但其结构稍有不同。第三实施例是基于第二实施例，进一步具有以下的结构：形成于第一硅胶层50上且由碳纤维制成的一碳纤维层60，及形成于碳纤维层60上且由硅胶制成的一第二硅胶层70。碳纤维具有良好的热传导特性，可以将来自第一硅胶层50的热量向其两侧方向传导。此时第一硅胶层50的作用为固结碳纤维层60，第二硅胶层70则用于将复合材料与外部固结物黏结。配比方面，第三实施例的复合材料包括如下重量份数的组分：80～85重量份的碳硅发泡材、2～4重量份的压克力树脂(用于第一压克力树脂层20与第二压克力树脂层40)、5～10重量份的玻璃纤维布、4～8重量份的硅胶(用于第一硅胶层50与第二硅胶层70)和5～15重量份的碳纤维。
[0043]
请见图7，该图为依照本实用新型第四实施例的再一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料的结构示意图。除了第三实施例中的复合材料功能外，本实用新型的复合材料还可以进一步防止锂电池于热失控爆炸时，爆裂物喷击周遭产生的危险。第四实施例是基于第三实施例，进一步具有以下的结构：形成于第二硅胶层70上且由石英棉制成的一石英棉层80，及形成于石英棉层80上且由硅胶制成的一第三硅胶层90。石英棉由高纯度二氧化硅和天然石英晶体制成，具有优异的耐高温性、电绝缘性、低膨胀系数、波传输性、耐烧蚀性等。此外，它卷曲并减少了由填充引起的过度压缩，可阻滞爆裂物喷击。此时第二硅胶层70的作用为固结石英棉层80，第三硅胶层90则用于将复合材料与外部固结物黏结。配比方面，第四实施例的复合材料包括如下重量份数的组分：80～85重量份的碳硅发泡材、2～4重量份的压克力树脂(用于第一压克力树脂层20与第二压克力树脂层40)、5～10重量份的玻璃纤维布、6～12重量份的硅胶(用于第一硅胶层50、第二硅胶层70与第三硅胶层90)、5～15重量份的碳纤维及20～25重量份的石英棉。
[0044]
图7中的复合材料的结构是本实用新型最完整的型态。实作上，复合材料的层状结构可以实际需求而修改。比如需求要求复合材料强化防护爆裂物喷击，但不需要热传导的功能，复合材料的结构可以在第一实施例的架构上，直接将石英棉层80形成于第一压克力树脂层20上，及将第三硅胶层90再形成于石英棉层80上。或者，复合材料的结构可以在第二实施例的架构上，直接将石英棉层80形成于第一硅胶层50上，及将第三硅胶层90再形成于石英棉层80上。当然，碳纤维层60与第二硅胶层70的组合，可与石英棉层80与第三硅胶层90的组合交换位置，这都在本实用新型主张的范围内。
[0045]
虽然本实用新型已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

技术特征：
1.一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料，其特征在于，所述具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料具有以下的结构：由一碳硅发泡材制成的一碳硅发泡材层；及形成于该碳硅发泡材层上且由压克力树脂制成的一第一压克力树脂层，使用时以该碳硅发泡材层面向潜在热源该碳硅发泡材膨胀以阻绝可燃气体与外部助燃气体接触。2.如权利要求1所述的具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料，其特征在于，还包括形成于该第一压克力树脂层上且由玻璃纤维布制成的一玻璃纤维布层、形成于该玻璃纤维布层上且由压克力树脂制成的一第二压克力树脂层，及形成于该第二压克力树脂层上且由硅胶制成的一第一硅胶层。3.如权利要求2所述的具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料，其特征在于，还包括形成于该第一硅胶层上且由碳纤维制成的一碳纤维层，及形成于该碳纤维层上且由硅胶制成的一第二硅胶层。4.如权利要求3所述的具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料，其特征在于，还包括形成于该第二硅胶层上且由石英棉制成的一石英棉层，及形成于该石英棉层上且由硅胶制成的一第三硅胶层。5.如权利要求1所述的具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料，其特征在于，还包括形成于该第一压克力树脂层上且由石英棉制成的一石英棉层，及形成于该石英棉层上且由硅胶制成的一第三硅胶层。6.如权利要求2所述的具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料，其特征在于，还包括形成于该第一硅胶层上且由石英棉制成的一石英棉层，及形成于该石英棉层上且由硅胶制成的一第三硅胶层。7.如权利要求2所述的具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料，其特征在于，由该碳硅发泡材层的外表面至该第一硅胶层的外表面间的整体厚度介于0.5mm至2.5mm之间。

技术总结
本实用新型提出一种具有热阻绝与助燃气体阻绝功能的复合材料，其包括以下的层状结构：一碳硅发泡材层、一第一压克力树脂层、一玻璃纤维布层、一第二压克力树脂层、一第一硅胶层、一碳纤维层、一第二硅胶层、一石英棉层及一第三硅胶层。由于使用了碳硅发泡材、玻璃纤维布、碳纤维与石英棉的分层结构，本实用新型的复合材料可提供热阻绝、助燃气体阻绝、热传导、防击穿等功能，用于防护锂电池的热失控。用于防护锂电池的热失控。用于防护锂电池的热失控。


技术研发人员：何沛然 黄骏风
受保护的技术使用者：康铭实业股份有限公司
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/9/3