一种用于抑制电池热失控扩散的隔离材料
技术领域
本发明涉及电池安全技术领域，具体而言，涉及一种用于抑制电池热失控扩散的隔离材料。
背景技术
近年，锂离子电池在中国发展迅猛，预计到2020年中国锂离子电池市场规模将达到170.55GWH，届时中国在锂离子电池全球市场份额达70%。当前使用的锂电池体系还存在着很大的安全隐患，现有技术无法完全保证其使用的安全性，电池的安全问题越来越引起人们的重视。研究表明锂离子电池电化学储能系统以及电动汽车等出现火灾的原因主要是电池发生了热失控并出现了电池热失控扩散的现象，大量电池同时出现热失控会产生大量的热进而导致失火。
目前对于电池安全的研究主要还是集中在出现电池火灾后的消防上，通过采用合适的灭火剂以及灭火策略等方式快速熄灭火情并抑制电池复燃，进而减少人员伤亡降低财产损失。然而灭火剂在使用时需要一定的响应时间，在这个时间内就有可能出现人员的伤亡，并且通常出现热失控扩散后整个电池系统大部分电池都将失效，财产损失较大，所以抑制电池热失控扩散逐渐开始吸引人们的注意。
目前对于抑制电池热失控扩散方法通常是引入低导热系数的阻燃陶瓷或橡胶材料，将该材料置于电池与电池之间或电池模块与模块之间，当一块电池出现热失控的情况后隔离热量并阻燃从而控制了热失控的扩散。不过由于电池正常工作时会产生一定的热量，当引入该材料后热量不能及时扩散出去，反而增加了安全隐患，因而该类隔离材料并没有在商业上得到大规模使用。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种常温下可以正常导热的用于抑制电池热失控扩散的隔离材料，旨在保证电池正常工作不受影响的的同时降低电池单体热失控时向邻近电池或电池系统外部空间传递的热量。
一个方面，本发明提出了一种用于抑制电池热失控扩散的隔离材料，包括以下重量份数的组分：填充有导热材料的硅酸盐骨料100份，水玻璃30-100份，憎水剂3-10份，固化剂2-5份，活性填料3-10份，硅溶胶5-10份，苯丙乳液表面活性剂5-10份，水玻璃增强剂1-5份，增强纤维1-10份，阻燃剂2-10份。
进一步地，上述用于抑制电池热失控扩散的隔离材料中，所述填充有导热材料的硅酸盐骨料中，导热材料与多孔硅酸盐的原料的重量比例为1:20-1:2。
进一步地，上述用于抑制电池热失控扩散的隔离材料中，所述多孔硅酸盐为膨胀珍珠岩、膨胀蛭石或多孔陶砂。
进一步地，上述用于抑制电池热失控扩散的隔离材料中，所述导热材料选自金属细粉、石墨类及其衍生物中的至少一种。
进一步地，上述用于抑制电池热失控扩散的隔离材料中，所述增强纤维选自预氧丝纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维等纤维中的一种或多种。
进一步地，上述用于抑制电池热失控扩散的隔离材料中，所述阻燃剂选自氢氧化铝、氢氧化镁、聚磷酸铵、磷酸三乙酯、三聚氰胺类化合物和三聚氰酸酯类化合物中的一种或多种。
进一步地，上述用于抑制电池热失控扩散的隔离材料中，所述憎水剂选自甲基硅酸盐、氯硅酸盐和聚乙烯醇中的一种或多种化合物；所述固化剂选自氟硅酸钠、三偏磷酸钠、六偏磷酸钠、磷酸二氢钠和磷酸硅中的一种或多种；所述水玻璃增强剂选自甲酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯和丙酸丙酯中的一种或多种。
本发明还提供了一种用于抑制电池热失控扩散的隔离材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将100份填充有导热材料的硅酸盐骨料，5-10份硅溶胶与5-10份苯丙乳液表面活性剂，在100-500rpm的转速下混合搅拌30-60min，之后自然干燥3-6h；
（2）继续向上述混合物中加入30-100份水玻璃，1-5份水玻璃增强剂，3-10份活性填料与2-5份固化剂，在200-500rmp的转速下搅拌10-30min；
（3）将所述步骤（1）和所述步骤（2）中得到的物料与1-10份增强纤维在100-500rmp的转速下搅拌混合10-60min；
（4）向所述步骤（3）中所得的物料中加入3-10份憎水剂，在100-500rmp的转速下混合搅拌10-30min后注入模具中，将物料理平后用15-50MPa的压力压制成板并将所得板置于100-180℃下烘干2-5h，冷却后即得到用于抑制电池热失控扩散的隔离材料。
进一步地，上述隔离材料的制备方法中，所述填充有导热材料的硅酸盐骨料的制备方法为：将导热材料与多孔硅酸盐的制备原料以预设重量比例混合均匀，先在300-500℃的温度下预热5-20min后，再在1000℃-1300℃下共同煅烧5-15min，冷却即可。
本发明提供的用于抑制电池热失控扩散的隔离材料，通过在硅酸盐的空隙中插入具有一定导热性能的物质，即可确保所制备的隔离材料在低温条件下具有一定的导热性能，而随着温度的升高，骨料的硅酸盐的导热系数明显降低，使得所制备得隔离材料具有优良的隔热性能，从而有利于实现在电池出现热失控甚至着火的情况下发挥阻燃与隔热的效果，有效抑制电池热失控的蔓延；在低温时具有一定的散热性，也不会影响电池正常工作时的散热；且由于原料中加入了增强纤维，使得隔离材料具有一定的抗折性与强度，在电池出现热失控而导致膨胀时不会出现结构破损的现象。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的隔离材料的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的隔离材料在电池模块中的使用示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参阅图1，本发明实施例的用于抑制电池热失控扩散的隔离材料包括以下重量份数的组分：填充有导热材料的硅酸盐骨料100份，水玻璃30-100份，憎水剂3-10份，固化剂2-5份，活性填料3-10份，硅溶胶5-10份，苯丙乳液表面活性剂5-10份，水玻璃增强剂1-5份，增强纤维1-10份，阻燃剂2-10份。
具体而言，填充有导热材料的硅酸盐骨料是在多孔硅酸盐的孔隙中插入具有一定导热性能的物质。本实施例中是将制备多孔硅酸盐骨料的各种原料与导热材料混合后即可制得填充有导热材料的硅酸盐骨料。
本实施例中，填充有导热材料的硅酸盐骨料的制备方法如下：
将导热材料与多孔硅酸盐的制备原料以一定比例均匀混合，先在300-500℃的温度下预热5-20min后，再在1000℃-1300℃下共同煅烧5-15min，经冷却后即可得到填充有导热材料的硅酸盐骨料。导热材料与多孔硅酸盐的原料的重量比例为1:20-1:2，优选为1:10。导热材料的尺寸由多孔硅酸盐的孔径确定。本实施例中，多孔硅酸盐的孔径范围可以为5-100微米，优选为30-60微米。
其中：上述多孔硅酸盐可选择多孔陶砂、膨胀珍珠岩或膨胀蛭石。例如多孔陶砂的制备原料包括：油页岩渣60-90重量份，黏土15-25重量份，碳酸氢钠3-8重量份，碳酸钙2-5重量份，碳酸镁1-5重量份；优选地，多孔陶砂的制备原料包括：油页岩渣70重量份，黏土20重量份，碳酸氢钠5重量份，碳酸钙3重量份，碳酸镁2重量份。
多孔珍珠岩的制备原料包括：30-50目珍珠岩30-60重量份，优选为45份；50-70目珍珠盐30-60重量份，优选为45份。
膨胀蛭石的制备原料可以为50-100目的蛭石。
所述导热材料选自金属细粉、石墨类及其衍生物中的至少一种。活性填料可以为高岭土、活性氧化镁、白炭黑、锂基超细膨润土、和碳酸钙中的至少一种。
所述憎水剂选自甲基硅酸盐、氯硅酸盐和聚乙烯醇中的一种或多种化合物。
所述固化剂选自氟硅酸钠、三偏磷酸钠、六偏磷酸钠、磷酸二氢钠和磷酸硅中的一种或多种化合物。
所述水玻璃增强剂选自甲酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯和丙酸丙酯中的一种或多种化合物。
由于电池热失控通常伴随有体积膨胀的现象，需要对隔离材料进行增强和增韧处理。本发明中在制备隔离材料时加入了增强纤维，其中，增强纤维选自预氧丝纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维等纤维中的一种或多种纤维。
阻燃剂选自氢氧化铝、氢氧化镁、聚磷酸铵、磷酸三乙酯、三聚氰胺类化合物和三聚氰酸酯类化合物中的一种或多种化合物。
本发明中，用于抑制电池热失控扩散的隔离材料的制备方法包括如下步骤：
（1）将100份填充有导热材料的硅酸盐骨料，5-10份硅溶胶与5-10份苯丙乳液表面活性剂，在100-500rpm的转速下混合搅拌30-60min，之后自然干燥3-6h；
（2）继续向上述混合物中加入30-100份水玻璃，1-5份水玻璃增强剂，3-10份活性填料与2-5份固化剂，在200-500rmp的转速下搅拌10-30min；
（3）将所述步骤（1）和所述步骤（2）中得到的物料与1-10份增强纤维在100-500rmp的转速下搅拌混合10-60min；
（4）向所述步骤（3）中所得的物料中加入3-10份憎水剂，在100-500rmp的转速下混合搅拌10-30min后注入模具中，将物料理平后用15-50MPa的压力压制成板并将所得板置于100-180℃下烘干2-5h，冷却后即得到用于抑制电池热失控扩散的隔离材料。本实施例中制得的隔离材料可以为方形、圆柱形板状结构等，可以根据具体的应用场合选择相应的模具进而确定隔离材料的形状。
本发明中，通过在硅酸盐的空隙中插入具有一定导热性能的物质，即可确保所制备的隔离材料在低温条件下具有一定的导热性能，而随着温度的升高，骨料的硅酸盐的导热系数明显降低，使得所制备得隔离材料具有优良的隔热性能，从而有利于实现在电池出现热失控甚至着火的情况下发挥阻燃与隔热的效果，有效抑制电池热失控的蔓延；在低温时具有一定的散热性，也不会影响电池正常工作时的散热；此外，由于原料中加入了增强纤维，使得隔离材料具有一定抗折性与强度，在电池出现热失控而导致膨胀时不会出现结构破损的现象。
参阅图2，其示出了隔离材料在电池模块中的使用方式，从图中可以看出：电池模块包括：壳体3、设置在壳体3内的多个电池单体1；其中，多个电池单体1采用串联与并联的方式相连，并最终通过导线4与外部相连接。本发明制备的隔离材料2可以设置在任意相邻的两个电池单体1之间，以及包覆在壳体3的内壁上。
下面以几个具体的实施例详细描述本发明：
实施例1
（1）按重量称取以下原料：柔性石墨10份，油页岩渣70份，普通黏土20份，碳酸氢钠5份，碳酸钙3份，碳酸镁2份，将上述组分混合均匀后置于300℃的烘箱中干燥15min后，立刻转移到烧结炉内在1100℃下烧结10min，经冷却后即可得到柔性石墨填充陶砂；
（2）将100份柔性石墨填充陶砂、6份硅溶胶与5份苯丙乳液加入到砂浆混合搅拌器中，在300rmp的转速下混合40min，之后自然烘干3h供后续使用；
（3）在另一个搅拌器中加入60份水玻璃、2份三偏磷酸钠、2份六偏磷酸钠与2份乙酸乙酯，在400rmp的转速下搅拌30min；
（4）将（2）、（3）与5份预氧丝纤维与5份玻璃纤维均匀混合于搅拌器中，在300rmp的转速下搅拌20min；
（5）向（4）中所得物料中加入5份甲基硅酸钠，在300rmp的转速下混合搅拌20min后注入300*200*2mm的模具中，将物料理平后用20MPa的压力压制成板并将所得板置于150℃下烘干3h，冷却后得到锂离子电池热失控扩散隔离材料。
实施例2
（1）按重量称取以下原料：柔性石墨10份，油页岩渣60份，普通黏土25份，碳酸氢钠8份，碳酸钙5份，碳酸镁2份，将上述组分混合均匀后置于300℃的烘箱中干燥20min后，立刻转移到烧结炉内在1100℃下烧结15min，经冷却后即可得到柔性石墨填充陶砂；
（2）将100份柔性石墨填充陶砂、5份硅溶胶与10份苯丙乳液加入到砂浆混合搅拌器中，在300rmp的转速下混合40min，之后自然烘干3h供后续使用；
（3）在另一个搅拌器中加入100份水玻璃、4份三偏磷酸钠、4份六偏磷酸钠与2份乙酸乙酯，在400rmp的转速下搅拌30min；
（4）将（2）、（3）与5份预氧丝纤维与3份玻璃纤维均匀混合于搅拌器中，在300rmp的转速下搅拌20min；
（5）向（4）中所得物料中加入5份甲基硅酸钠，在300rmp的转速下混合搅拌20min后注入300*200*2mm的模具中，将物料理平后用20MPa的压力压制成板并将所得板置于180℃下烘干2h，冷却后得到锂离子电池热失控扩散隔离材料。
实施例3
（1）按重量称取以下原料：柔性石墨10份，45份30-50目珍珠岩、45份50-70目珍珠岩，将上述组分混合均匀后置于350℃的烘箱中预热10min后，立刻转移到烧结炉内在1100℃下膨胀20秒，经冷却后即可得到柔性石墨填充多孔珍珠岩；
（2）将100份柔性石墨填充多孔珍珠岩、10份硅溶胶与10份苯丙乳液加入到砂浆混合搅拌器中，在300rmp的转速下混合40min，之后自然烘干3h供后续使用；
（3）在另一个搅拌器中加入100份水玻璃、2份三偏磷酸钠、3份六偏磷酸钠与5份乙酸乙酯，在400rmp的转速下搅拌30min；
（4）将（2）、（3）与5份预氧丝纤维与3份玻璃纤维均匀混合于搅拌器中，在300rmp的转速下搅拌20min；
（5）向（4）中所得物料中加入10份甲基硅酸钠，在300rmp的转速下混合搅拌20min后注入300*200*2mm的模具中，将物料理平后用20MPa的压力压制成板并将所得板置于150℃下烘干3h，冷却后得到锂离子电池热失控扩散隔离材料。
实施例4
（1）按重量称取以下原料：柔性石墨10份，50-100目的蛭石90份，将上述组分混合均匀后在1100℃下膨胀2min，经冷却后即可得到柔性石墨填充蛭石；
（2）将100份柔性石墨填充蛭石、6份硅溶胶与8份苯丙乳液加入到砂浆混合搅拌器中，在300rmp的转速下混合40min，之后自然烘干3h供后续使用；
（3）在另一个搅拌器中加入60份水玻璃、2份三偏磷酸钠、2份六偏磷酸钠与2份乙酸乙酯，在400rmp的转速下搅拌30min；
（4）将（2）、（3）与5份预氧丝纤维与5份玻璃纤维均匀混合于搅拌器中，在300rmp的转速下搅拌20min；
（5）向（4）中所得物料中加入3份甲基硅酸钠，在300rmp的转速下混合搅拌20min后注入300*200*2mm的模具中，将物料理平后用20MPa的压力压制成板并将所得板置于150℃下烘干3h，冷却后得到锂离子电池热失控扩散隔离材料。
综上，本发明提供的用于抑制电池热失控扩散的隔离材料，可以在电池出现热失控甚至着火的情况下发挥阻燃与隔热的效果，可以有效抑制电池热失控的蔓延；在低温时具有一定的散热性，不会影响电池正常工作时的散热；且由于原料中加入了增强纤维，使得隔离材料具有一定的抗折性与强度，在电池出现热失控而导致膨胀时不会出现结构破损的现象。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
