吸热复合材料、吸热复合结构及其制备方法、锂离子电池单元与流程

本发明涉及锂离子电池，具体涉及一种吸热复合材料、吸热复合结构及其制备方法、锂离子电池单元。

背景技术：

1、随着新能源汽车的发展，锂离子电池开始逐步地代替汽油成为汽车的动力源。然而，锂离子电池的安全性能对电动汽车的发展有着很大的制约。锂离子电池内部含有氧化剂、还原剂以及易燃的电解液，一直存在起火爆炸的安全隐患。当电池包中某一颗电芯在充放电过程中由于断短路或电性不均衡发生异常发热时，一旦其温度超过热失控临界温度(一般为150℃左右)，电芯内部的材料就会陆续发生热分解放热反应，使电芯的温度发生急速上升而发生热失控，导致电芯起火，热失控时电芯温度可超过500℃以上。如果相邻电芯之间没有隔热性能优异的隔热结构，那么电芯热失控所释放的热量会迅速蔓延至邻近的电芯，从而引起相邻的电芯也发生热失控，最终导致整个电池包发生全面热失控，产生剧烈的燃烧放热反应，严重时甚至会产生爆炸。因此控制热蔓延的程度对提高锂离子电池的安全性至关重要。

2、目前，通常在相邻电芯之间设置隔热膜以防止单个电芯热失控后的热蔓延，隔热膜的材料包括气凝胶或者云母片等隔热材料。然而，上述隔热材料的隔热效果有限，不足以隔离电芯热失控时产生的热量，导致电池包依旧存在一定的安全隐患。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于如何提高锂离子电池的安全性，从而提供一种吸热复合材料、吸热复合结构及其制备方法、锂离子电池单元。

2、第一方面，本发明提供一种吸热复合材料，包括均匀混合的第一有机材料和第二有机材料，所述第一有机材料含有酸酐基、酯基、异氰酸酯基、醛基中的至少一种，所述第二有机材料含有羟基、羧基、氨基中的至少一种，所述吸热复合材料适于设置在电芯的外表面。

3、可选的，所述第一有机材料含有多元酸酐、多元酯、多元异氰酸酯、多元醛中的至少一种。

4、可选的，所述第一有机材料采用封端剂进行封端处理，所述第一有机材料的解封温度与锂离子电池热失控临界温度之差为-50℃～20℃。

5、可选的，所述解封温度大于等于130℃；所述封端剂包括壬基酚、己内酰胺、甲乙酮肟、二甲基吡唑、二乙丙基胺、二乙基丙二酸、咪唑、苯酚中的至少一种。

6、可选的，所述第一有机材料和所述第二有机材料的沸点均大于所述第一有机材料的解封温度。

7、可选的，所述第一有机材料包括邻苯二甲酸酐、均苯四甲酸酐、对苯二甲酸二甲酯、苯二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、对苯二甲醛中的至少一种；所述第二有机材料包括聚乙二醇、对苯二甲酸、己二酸、辛二酸、己二胺、间苯二胺、二氯二苯砜中的至少一种。

8、可选的，所述第一有机材料和所述第二有机材料的摩尔量的比值为1～1.5。

9、可选的，所述吸热复合材料还包括催化剂，所述催化剂与所述第一有机材料和所述第二有机材料均匀混合，所述催化剂的质量为所述第一有机材料和所述第二有机材料的总质量的0.1％～5％。

10、可选的，所述催化剂为固体催化剂。

11、可选的，所述催化剂包括双二甲氨基乙基醚、五甲基二乙烯三胺、二甲基环己胺、二月桂酸二丁基锡、有机铋、三嗪类三聚催化剂中的至少一种。

12、可选的，所述吸热复合材料还包括热塑性材料，所述热塑性材料与所述第一有机材料和所述第二有机材料均匀混合，所述热塑性材料的质量为所述第一有机材料和所述第二有机材料的总质量的1％-20％。

13、可选的，所述热塑性材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛、聚碳酸脂、聚醚醚酮、酚醛树脂、氨基树脂中的至少一种。

14、可选的，所述吸热复合材料隔热材料，所述隔热材料与所述第一有机材料和所述第二有机材料均匀混合，所述隔热材料的质量占所述第一有机材料、所述第二有机材料和所述隔热材料的总质量的1％-50％。

15、可选的，所述隔热材料包括炭气凝胶、石墨烯气凝胶、硅碳氧气凝胶、多孔二氧化硅、多孔氧化铝、多孔二氧化钛、酚醛气凝胶、聚氨酯气凝胶、聚脲气凝胶中的至少一种。

16、第二方面，本发明提供一种吸热复合结构的制备方法，包括以下步骤：将上述吸热复合材料与纤维基底均匀混合得到混合物；对所述混合物进行热压，得到吸热复合结构，所述吸热复合结构适于贴附在电芯的外表面。

17、可选的，所述混合物中所述纤维基底的质量分数为40％-70％。

18、可选的，所述纤维基底包括玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维、海泡石纤维、聚酰亚胺纤维中的至少一种。

19、可选的，所述吸热复合结构的厚度为0.1mm～10mm。

20、第三方面，本发明提供一种吸热复合结构，采用上述吸热复合结构的制备方法制得。

21、第四方面，本发明提供一种锂离子电池单元，包括外壳和位于所述外壳内的多个电芯，所述电芯的外表面设置有上述吸热复合结构。

22、可选的，所述外壳的内表面也设置有上述吸热复合结构。

23、本发明技术方案，具有如下优点：

24、1.本发明提供的吸热复合材料中，第一有机材料中的酸酐基、酯基、异氰酸酯基或醛基能够和第二有机材料中的活泼氢发生缩合反应，缩合反应过程中吸收大量热量，将吸热复合材料设置在电芯的外表面，能够降低邻近电芯的升温速率，并将邻近电芯的最高温度控制在热失控临界温度以下，从而避免了邻近电芯发生热失控，进而控制了热蔓延的程度；同时，在电芯发生热失控后，第一有机材料与第二有机材料反应形成的聚合物在电芯温度达到400℃以上后发生裂解，裂解反应能够进一步吸热，从而进一步降低邻近电芯的升温速率，而反应生成的大量的水分、二氧化碳等不可燃气体能够缓解热失控产生的烟雾和火焰向外扩散。综上，将上述吸热复合材料设置在电芯的外表面能够提高锂离子电池单元的安全性。

25、2.本发明提供的吸热复合材料中，所述第一有机材料采用封端剂进行封端处理，所述第一有机材料的解封温度与锂离子电池热失控临界温度之差为-50℃～20℃，所述第一有机材料和所述第二有机材料适于在解封后发生吸热反应，即，在电芯温度即将达到热失控临界温度或刚达到热失控临界温度时，第一有机材料才能与第二有机材料发生吸热反应，而电芯正常工作过程导致的发热不会诱发吸热复合材料发生吸热反应，吸热复合材料全部用于即将发生热失控或刚刚发生热失控的电芯，这避免了在电芯发生热失控之前吸热复合材料反应完全导致的吸热复合材料失效，在电芯发生热失控时吸热复合材料能够控制热蔓延的程度，进而避免邻近电芯发生热失控。

26、3.本发明提供的吸热复合材料中，第一有机材料和第二有机材料的沸点均大于第一有机材料的解封温度，避免在电芯温度达到解封温度之前第一有机材料和第二有机材料挥发气化，保证了吸热复合材料能够在电芯发生热失控时发生吸热反应，避免所述吸热复合材料失效。

27、4.本发明提供的吸热复合材料中，第一有机材料含有多元酸酐、多元酯、多元异氰酸酯、多元醛中的至少一种，一方面，第一有机材料为大分子材料，具有更高的稳定性；另一方面，第一有机材料中活性基团的数量更多，则反应速率更大，单位时间内能够吸收更多的热量，从而进一步降低邻近电芯的升温速率，进而更有效避免了邻近电芯发生热失控。

28、5.本发明提供的吸热复合材料中，催化剂的添加能够提高反应速率，使得单位时间内能够吸收更多的热量，从而进一步降低邻近电芯的升温速率，进而更有效避免了邻近电芯发生热失控。

29、6.本发明提供的吸热复合材料中，还包括热塑性材料，热塑性材料能够负载第一有机材料和第二有机材料等材料；热塑性材料能够在电芯温度升高后发生熔化，从而发生相变吸热，能够进一步降低邻近电芯的升温速率，进而更有效避免了邻近电芯发生热失控。

30、7.本发明提供的吸热复合材料，还包括隔热材料，隔热材料能够阻碍电芯产生的热量传递给相邻电芯，能够进一步降低邻近电芯的升温速率，进而更有效避免了邻近电芯发生热失控。

31、8.本发明提供的吸热复合结构，通过将其贴附在电芯的外表面就能够用于控制热蔓延的程度，使用方法简单。