一种热失控抑制薄材及锂电池模组的制作方法

1.本发明涉及锂电池安全技术，尤其涉及一种热失控抑制薄材及锂电池模组。


背景技术：

2.锂电池是一种采用锂金属或锂合金作为正极材料，使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池的工作原理基于锂离子在正极和负极之间的移动。在充电过程中，电池两极施加的电势会使正极化合物释放出锂离子，这些离子穿过隔膜并进入负极中碳分子的层状结构中。在放电过程中，锂离子会从层状碳中脱离，并重新与正极的化合物结合，这个过程会产生电流。然而，如果电池中的各种诱因引发了热失控现象，这会引起电池内部的链式反应，并产生大量热量和有害气体，最终可能导致电池着火和爆炸。
3.锂电池的火灾或爆炸主要由热失控引起。热失控的主要原因是电池中的热分解反应产生的热量，这是由于电池中sei(固体电解质界面)膜、电解质、粘合剂以及阳极和阴极活性材料的温度升高引起的。电池热失控往往从电池内部的负极sei膜开始，继而隔膜分解熔化，导致负极与电解液发生反应，随后正极和电解质也会发生分解，最终引发内部短路，导致电解液燃烧并蔓延到其他电芯，造成严重的热失控并导致整个电池组自燃。
4.一旦发生热失控，剧烈的反应会生成大量气体和热量，气体膨胀会冲破电池外壳，同时物质也会四散带走部分热量。此时，热失控进入最激烈的状态，温度也达到最高值。如果周围还有其他电芯，热失控可能通过将热量向周围传播而扩散。
5.热失控只有在反应物全部燃尽后才能终止。据消防部门的一份报告，对于封闭壳体内含有高能量装置的锂电池，消防手段暂时无法终止正在进行的热失控。灭火剂不能真正触及正在发生反应的物质。消防员在火场面临极高风险，因此只能采取限制事故扩散的措施。只有等待反应物耗尽，热失控过程才能自然终止。
6.目前，用于抑制热失控的方法可以分为外部控制和内部控制两种。外部控制方法包括数字监控系统。内部控制方法则采用物理或化学方法减少热失控的概率或控制热失控的蔓延。然而，现有的方法对于热失控的抑制效果存在一定的局限性。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种热失控抑制薄材，能够在锂电池热失控时受热膨胀，形成更好的隔热和抗热冲击效果。
8.本发明的另一目的在于提供一种具有上述热失控抑制薄材的锂电池模组。
9.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
10.根据本发明的一方面，提供了一种热失控抑制薄材，适用于可进行充电和放电的锂电池，所述热失控抑制薄材包括基层和附着于所述基层至少一个表面上的膨胀涂层，其
中，所述膨胀涂层中至少包括均匀分布的可膨胀石墨颗粒、云母颗粒和网状超细静电纤维；所述基层为气凝胶层。
11.在一实施例中，所述可膨胀石墨颗粒的起始膨胀温度为100
°
～300摄氏度。
12.在一实施例中，所述可膨胀石墨颗粒和云母颗粒的直径在0.3μm～3.3μm之间。
13.在一实施例中，所述网状超细静电纤维为聚丙烯无纺布。
14.在一实施例中，所述网状超细静电纤维预先经静电驻极处理。
15.在一实施例中，所述膨胀涂层同时附着于所述基层的上、下表面。
16.在一实施例中，所述热失控抑制薄材的整体厚度在0.4mm～1mm之间。
17.根据本发明的另一方面，提供了一种锂电池模组，所述锂电池模组包括锂电池主体和覆盖在所述锂电池主体表面的热失控抑制薄材，所述热失控抑制薄材如第一方面所述，所述热失控抑制薄材上覆盖有发泡硅胶层，所述锂电池模组还包括导电连接组件，所述导电连接组件压设于所述发泡硅胶层上并与所述锂电池主体固定连接。
18.在一实施例中，所述导电连接组件为导电排或电池模组采集集成件。
19.本发明实施例的有益效果是：通过在膨胀涂层中添加可膨胀石墨颗粒，能够在达到预设温度区间时膨胀，整体厚度增加，并且孔隙率变大，隔热效果和热冲击缓冲效果更加突出，以防止热失控向其他电芯蔓延造成更大损害。通过添加云母颗粒，能够增加整体韧性并提高隔热效果。通过添加网状超细静电纤维，能够吸附可膨胀石墨颗粒和云母颗粒，减少掉粉。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
22.图1是本技术热失控抑制薄材一个实施例的截面示意图；
23.图2是本技术热失控抑制薄材另一个实施例的截面示意图；
24.图3是本技术锂电池模组实施例的结构分解示意图；
25.图4是本技术锂电池模组一个实施例的立体结构示意图；
26.图5是本技术锂电池模组另一个实施例的立体结构示意图；
具体实施方式
27.以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
28.如图1所示，本技术实施例提供了一种热失控抑制薄材100，适用于可进行充电和放电的锂电池，热失控抑制薄材100包括基层120和附着于基层至少一个表面上的膨胀涂层110，膨胀涂层110中至少包括均匀分布的可膨胀石墨颗粒和网状超细静电纤维。
29.可膨胀石墨是近二十年来新出现的一种重要无机非金属材料，具有良好的可膨胀性，其制成品具有防辐射、绝热、润滑、可塑性以及良好的化学稳定性和柔韧性、密封性，广泛应用于钢铁、冶金、化工、医疗、机械制造及国防等领域。膨胀涂层110中加入的可膨胀石墨颗粒在受到预设温度时膨胀，膨胀后复合材料的整体孔隙率变大，隔热效果明显，并且石墨可耐受温度超过1200度，有一定的抗热冲击作用。
30.可膨胀石墨颗粒的膨胀温度可根据需要选型，例如可以选择起始膨胀温度为200摄氏度。无论是较低的起始膨胀温度还是较高的起始膨胀温度均有相关技术进行披露，例如专利cn102126719b和cn100400416c所公开的低起始膨胀温度可膨胀石墨的制备方法和低起始膨胀温度可膨胀石墨的制备方法。
31.云母颗粒能够改善热失控抑制薄材的抗拉强度和抗弯强度，增加整体韧性，同时云母颗粒耐高温可达700到1000℃，也能够增加热失控抑制薄材的耐热冲击和隔热效果。
32.加入可膨胀石墨颗粒和云母颗粒后，容易产生掉粉问题，因此在膨胀涂层110中还加入了网状超细静电纤维，利用静电吸附效果使石墨颗粒和云母颗粒均匀地吸附在网状超细静电纤维表面，不易脱落。
33.基层120优选采用气凝胶层，气凝胶层以纳米二氧化硅气凝胶为主体材料，通过特殊工艺同玻璃纤维棉或预氧化纤维毡复合而成，导热系数低，有一定的抗拉及抗压强度，从而具有优异的隔热效果。气凝胶层是耐温度冲击的关键防护层，喷出的电解液将在这层之前被隔断，不会熔穿向下继续蔓延。
34.此外，气凝胶层作为基层其厚度很薄，从而能够减小热失控抑制薄材的整体厚度。即使在膨胀涂层110、130同时附着于基层120的上、下表面时，热失控抑制薄材的厚度也可以达到0.4mm～1mm，如图2所示。
35.在此基础上，还可对网状超细静电纤维预先进行静电驻极处理，通过高压放电将电荷附着在网状超细静电纤维上，带电纤维间形成了大量的电极，带电纤维不仅能够像磁铁一样吸引环境中大部分的带电微粒，也可将为带电的部分颗粒极化，提升其对可膨胀石墨颗粒的静电吸附效果。为了达到这一效果，需要使可膨胀石墨颗粒和云母颗粒的直径在0.3μm～3.3μm之间。如果粒径大于该范围，会导致无法实现静电吸附。如果粒径小于该范围，则加工难度过高。
36.优选地，网状超细静电纤维可采用聚丙烯无纺布浆料，在阻燃剂作用下，聚丙烯无纺布受高温无法点燃，会直接变成黑色絮状粉末，并且具有一定的阻燃、隔热和缓解热冲击性能。
37.此外，在膨胀涂层110中还可加入胶水，以提供一定的粘接力，进一步吸附可膨胀石墨颗粒和网状超细静电纤维。
38.进一步地，还可以在热失控抑制薄材下表面附着一层阻燃无纺布，以提升表面耐磨性能，并防止掉粉。即使阻燃无纺布受到高温后变成黑色粉笔，其粘接在热失控抑制薄材表面也有一定的隔热和延缓热冲击的作用。
39.如图3所示，本技术实施例还提供了一种锂电池模组500，锂电池模组500包括锂电池主体400和覆盖在锂电池主体400表面的热失控抑制薄材100，热失控抑制薄材100如上所述，热失控抑制薄材100上覆盖有发泡硅胶层200，锂电池模组500还包括导电连接组件300，导电连接组件300压设于发泡硅胶层200上并与锂电池主体500通过焊接等方式固定连接。
40.发泡硅胶层200的厚度以及发泡倍率可根据电池模组的极柱高度和回弹需求调整。发泡硅胶层200的作用首先在于固定热失控抑制薄材，导电连接组件300连接到锂电池主体500后，发泡硅胶层200被压缩，同时将热失控抑制薄材100固定住。同时，发泡硅胶有很好的隔热效果，当热失控时，电解液温度非常高，发泡硅胶会被烧后的状态能有效隔热并减弱热冲击温度。同样，发泡硅胶层200也可以防止热失控抑制薄材掉粉，作为材料表面更舒适耐磨。
41.在可能的实施例中，锂电池模组510采用导电排310作为导电连接组件300，如图4所示。导电排310穿过发泡硅胶层200和热失控抑制薄材100(图中被遮挡)后，与锂电池主体500焊接固定。
42.在另一可能的实施例中，锂电池模组510采用电池模组采集集成件320(cells contact system，ccs)作为导电连接组件300，如图5所示(图中发泡硅胶层200和热失控抑制薄材100被电池模组采集集成件320遮挡)。ccs是电池模块和电池组的关键部件之一，用于连接电芯，传输电流和管理电池的温度和状态。通过ccs将铜铝排、线束、塑胶结构件等集成到一起，缩减了整体厚度，并且更便于装配。
43.综上所述，本技术实施例提供的热失控抑制薄材及锂电池模组，通过在膨胀涂层中添加可膨胀石墨颗粒，能够在达到预设温度区间时膨胀，整体厚度增加，并且孔隙率变大，隔热效果和热冲击缓冲效果更加突出，以防止热失控向其他电芯蔓延造成更大损害。通过添加云母颗粒，能够增加整体韧性并提高隔热效果。同时通过添加网状超细静电纤维，能够有效吸附可膨胀石墨颗粒和云母颗粒，防止掉粉。
44.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
45.提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
46.以上所述仅为本技术的较佳实例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。

技术特征：
1.一种热失控抑制薄材，适用于可进行充电和放电的锂电池，其特征在于，所述热失控抑制薄材包括基层和附着于所述基层至少一个表面上的膨胀涂层，其中，所述膨胀涂层中至少包括均匀分布的可膨胀石墨颗粒、云母颗粒和网状超细静电纤维；所述基层为气凝胶层。2.根据权利要求1所述的热失控抑制薄材，其特征在于，所述可膨胀石墨颗粒的起始膨胀温度为100
°
～300摄氏度。3.根据权利要求2所述的热失控抑制薄材，其特征在于，所述可膨胀石墨颗粒和云母颗粒的直径在0.3μm～3.3μm之间。4.根据权利要求1所述的热失控抑制薄材，其特征在于，所述网状超细静电纤维为聚丙烯无纺布。5.根据权利要求4所述的热失控抑制薄材，其特征在于，所述网状超细静电纤维预先经静电驻极处理。6.根据权利要求1所述的热失控抑制薄材，其特征在于，所述膨胀涂层同时附着于所述基层的上、下表面。7.根据权利要求6所述的热失控抑制薄材，其特征在于，所述热失控抑制薄材的整体厚度在0.4mm～1mm之间。8.一种锂电池模组，其特征在于：所述锂电池模组包括锂电池主体和覆盖在所述锂电池主体表面的热失控抑制薄材，所述热失控抑制薄材如权利要求1～7任一项所述，所述热失控抑制薄材上覆盖有发泡硅胶层，所述锂电池模组还包括导电连接组件，所述导电连接组件压设于所述发泡硅胶层上并与所述锂电池主体固定连接。9.根据权利要求8所述的锂电池模组，其特征在于：所述导电连接组件为导电排或电池模组采集集成件。

技术总结
本申请实施例提供了一种热失控抑制薄材及锂电池模组，适用于可进行充电和放电的锂电池，所述热失控抑制薄材包括基层和附着于所述基层至少一个表面上的膨胀涂层，其中，所述膨胀涂层中至少包括均匀分布的可膨胀石墨颗粒、云母颗粒和网状超细静电纤维；所述基层为气凝胶层。通过在膨胀涂层中添加可膨胀石墨颗粒，能够在达到预设温度区间时膨胀，整体厚度增加，并且孔隙率变大，隔热效果和热冲击缓冲效果更加突出；通过添加云母颗粒，能够增加整体韧性并提高隔热效果；通过添加网状超细静电纤维，能够吸附可膨胀石墨颗粒和云母颗粒，减少掉粉；同时采用气凝胶层作为基层，能够有效隔断电解液，并降低整体厚度。并降低整体厚度。并降低整体厚度。


技术研发人员：洪德映 杨加松 刘家达 李诚实
受保护的技术使用者：江苏阿诗特能源科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/22