一种高导热半固态相变隔热复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电池安全，特别是涉及一种电池模组用热蔓延防护用高导热相变隔热复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着电动汽车的快速发展，电动汽车动力电池系统的安全问题受到越来越多的重视。在整个电动汽车安全事故中，一般最初是由单一电芯热失控引起。电芯热失控后短时间内释放出大量热量，传递到相邻电芯上引起温度上升而发生热失控，最终热蔓延到整个模组内电芯甚至于整个电池包，从而造成灾难性事故。因此，在任一电芯发生热失控时，抑制或者延缓其产生的热量蔓延到相邻电芯上对保证乘客生命财产安全具有重要意义。

2、目前，对于动力电池模组内热蔓延抑制的隔热材料非常多，各种陶瓷纤维、陶瓷化硅胶材料、气凝胶等等，已经被广泛运用于模组内电芯热失控热蔓延抑制或延缓作用。上述材料在电池热失控时，将失控电池释放的热量依靠自身优异的隔热性能起到延缓热传递作用，从而给乘客逃生提供宝贵的时间。但是，从热守恒原理来看，热失控电芯产生的能量只是被限制在电池模组内，通过隔热材料延缓其传递时间，最终随着时间的延长还是会引起其他电芯的热失控而造成电池包的热蔓延。为了在现有传统隔热材料的基础上，进一步延缓热蔓延时间或者抑制热蔓延，有研究学者将相变材料引入到隔热材料中，在热失控时，通过隔热材料的隔热和相变材料相变消耗能量。

3、sk新技术株式会社的金泰日等在专利cn114006105a中设计了一种吸热防火壁隔热材料，该材料包括由相变材料组成的吸热层和纤维组成的隔热层构成。在电池热失控中，起到较好的效果。但是该设计采用三明治结构，采用两层纤维层和一层相变材料层，且由于电池模组内空间的限制，给防火墙留的空间很小，相变材料量引入受到限制，对热失控热量的消耗量还有待进一步提高。

4、为了解决该问题，清华大学冯旭宁等在专利cn113506935a中提出一种新的用于电池模组防止热蔓延的隔热材料，其采用硅溶胶、阻燃剂和相变材料与纤维基材复合，然后用绝缘膜进行包覆制备复合材料。该复合材料具有很高的相变焓值，解决了相变材料量的问题，在电池模组内热蔓延上起到较好的结果。但是该设计中，相变材料与基材之间浸泡在一起，流动的相变材料在封装中带来很大的麻烦，同时在电池模组组装的过程中，流动液态相变材料受压后，容易挤破绝缘膜而流到模组内，引起电芯短路而造成更大的事故。因此，如此在不影响电池模组内比能量和安全的情况下，开发的抑制电池模组热蔓延的复合材料。

技术实现思路

1、本发明希望提供一种高导热半固态相变隔热复合材料，该材料在电池模组内对热失控电芯产生的热蔓延具有很好的抑制和延缓作用，具体方案如下：

2、一种高导热半固态相变隔热复合材料，包括骨架支撑材料、相变材料、导热材料和绝缘封装材料；且相变材料和导热材料固定于骨架支撑材料中形成复合材料封装于绝缘封装材料，导热材料通过原位复合法或掺杂复合法加入到复合材料中。

3、所述的骨架支撑材料为厚度为1mm-5mm的纤维材料，包括氧化锆纤维、莫来石纤维、氧化硅纤维、氧化铝纤维、岩棉、硅酸铝纤维或预氧丝纤维，纤维孔隙率为80％-90％。

4、所述的相变材料包括硅油、硅溶胶、铝溶胶、锆溶胶、硅铝溶胶、硅锆溶胶、铝锆溶胶、硅铝锆溶胶、石蜡、六水氯化钙、十水硫酸钠、十水磷酸氢钠、八水氢氧化钡或六水氯化镁中的一种或多种。优选采用溶胶与无机相变材料的复合杂化形式，硅溶胶是为了后续形成半固态凝胶所用原料前驱体，杂化多种相变材料，是为了保证更高的相变焓值。

5、所述绝缘封装材料为铝塑膜、尼龙膜、聚酰亚胺膜、聚丙烯膜、聚乙烯膜或聚氯乙烯膜中的一种或多种，且厚度为0.05-0.25mm。

6、原位复合法所用导热材料为铜粉、银粉、炭黑、石墨烯、氮化铝、氮化硼、氮化硅、氧化镁中的一种或多种，导热材料粒径为50-100μm；掺杂复合法所用导热材料为铁网、铝网、铜网、碳纤维、碳纳米管中的一种或多种，目数为100-200目，厚度为0.1-0.5mm。

7、导热材料通过原位复合法加入到复合材料时，具体步骤如下：将相变材料、红外遮蔽剂、阻燃剂和导热材料，搅拌均匀得到溶液，并调控ph至4.2-5.8，然后将骨架支撑材料浸渍于溶液中，20～70℃下保温，取出复合材料，用封装用绝缘膜封装。

8、导热材料通过掺杂复合法加入到复合材料时，具体步骤如下：将相变材料、红外遮蔽剂和阻燃剂搅拌均匀，并调控ph至4.2-5.8，得到溶液，将复合导热材料的骨架支撑材料浸渍于溶液中，20～70℃下保温，取出复合材料，用封装用绝缘膜封装。

9、所述红外遮蔽剂为二氧化钛、碳化硅、碳粉和六钛酸钾晶须中的一种或多种。

10、所述阻燃剂为磷酸二氢铵、三(2,3-二溴丙基)磷酸酯、硫代磷酸三异氰酸酯、尿素、五硼酸铵、碳酸氢铵或氰尿酸三聚氰胺中的一种或多种。

11、所述的高导热半固态相变隔热复合材料应用于电池模组。

12、本发明与现有技术不同之处在于，本发明为高导热半固态相变隔热复合材料，便于封装和解决破包风险。同时为了提高相变材料之间的热传导，本发明引入导热物质保证复合材料在热失控时能将热量迅速扩散到相变材料上，在短时间内通过相变材料相变过程将热量转移出电池模组内。同时，本发明在相变材料作用消耗后，多孔隔热材料还能起到较好的隔热效果。通过相变热转移和热量传递的抑制，本发明的相变隔热材料在电池模组内对热失控电芯产生的热蔓延具有很好的抑制和延缓作用。

13、本发明一种半固态相变隔热复合材料，相变材料以凝胶的形式固定于骨架支撑材料中形成复合材料封装于绝缘封装材料中。与之前技术不同之处在于，本发明中将相变材料通过喷淋或浸涂的方式使基体材料(骨架支撑材料)浸满相变材料，通过调节ph值形成凝胶，凝胶中含有连续的纳米或微米孔洞，把相变材料束缚在孔洞中，便于加工封装和解决破包风险。同时，该设计的相变隔热材料在相变材料作用消耗后，基体材料和凝胶之间形成的多孔隔热材料还能起到较好的隔热效果。在热失控过程中，通过相变材料快速将失控电芯产生的热量转移出模组内，同时基体材料和凝胶高温干燥后形成的多孔隔热材料能有效阻隔失控电芯产生的热量传递到相邻电芯电芯。本发明涉及的半固态相变隔热材料，在散热和隔热双重作用下，能有效抑制和延缓电池模组内热失控电芯产生的热蔓延。

技术特征：

1.一种高导热半固态相变隔热复合材料，其特征在于：包括骨架支撑材料、相变材料、导热材料和绝缘封装材料；且相变材料和导热材料固定于骨架支撑材料中形成复合材料封装于绝缘封装材料，导热材料通过原位复合法或掺杂复合法加入到复合材料中。

2.如权利要求1所述的一种高导热半固态相变隔热复合材料，其特征在于：所述的骨架支撑材料为厚度为1mm-5mm的纤维材料，包括氧化锆纤维、莫来石纤维、氧化硅纤维、氧化铝纤维、岩棉、硅酸铝纤维或预氧丝纤维，纤维孔隙率为80%-90%。

3.如权利要求1所述的一种高导热半固态相变隔热复合材料，其特征在于：所述的相变材料包括硅油、硅溶胶、铝溶胶、锆溶胶、硅铝溶胶、硅锆溶胶、铝锆溶胶、硅铝锆溶胶、石蜡、六水氯化钙、十水硫酸钠、十水磷酸氢钠、八水氢氧化钡或六水氯化镁中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的一种高导热半固态相变隔热复合材料，其特征在于：所述绝缘封装材料为铝塑膜、尼龙膜、聚酰亚胺膜、聚丙烯膜、聚乙烯膜或聚氯乙烯膜中的一种或多种，且厚度为0.05-0.25mm。

5.如权利要求1所述的一种高导热半固态相变隔热复合材料，其特征在于：原位复合法所用导热材料为铜粉、银粉、炭黑、石墨烯、氮化铝、氮化硼、氮化硅、氧化镁中的一种或多种，粒径为50-100μm；掺杂复合法所用导热材料为铁网、铝网、铜网、碳纤维、碳纳米管中的一种或多种，目数为100-200目，厚度为0.1-0.5mm。

6.一种如权利要求1所述的高导热半固态相变隔热复合材料的制备方法，其特征在于，导热材料通过原位复合法加入到复合材料时，具体步骤如下：将相变材料、红外遮蔽剂、阻燃剂和导热材料，搅拌均匀得到溶液，并调控ph至4.2-5.8，然后将骨架支撑材料浸渍于溶液中，20~70℃下保温，取出复合材料，用封装用绝缘膜封装。

7.一种如权利要求1所述的高导热半固态相变隔热复合材料的制备方法，其特征在于，导热材料通过掺杂复合法加入到复合材料时，具体步骤如下：将相变材料、红外遮蔽剂和阻燃剂搅拌均匀，并调控ph至4.2-5.8，得到溶液，将复合导热材料的骨架支撑材料浸渍于溶液中，20~70℃下保温，取出复合材料，用封装用绝缘膜封装。

8.如权利要求6或7任意一项所述的高导热半固态相变隔热复合材料的制备方法，其特征在于：所述红外遮蔽剂为二氧化钛、碳化硅、碳粉和六钛酸钾晶须中的一种或多种。

9.如权利要求6或7任意一项所述的高导热半固态相变隔热复合材料的制备方法，其特征在于：所述阻燃剂为磷酸二氢铵、三（2,3-二溴丙基）磷酸酯、硫代磷酸三异氰酸酯、尿素、五硼酸铵、碳酸氢铵或氰尿酸三聚氰胺中的一种或多种。

10.一种如权利要求1所述的高导热半固态相变隔热复合材料应用于电池模组。

技术总结
本发明涉及电池安全技术领域，特别是涉及一种电池模组用热蔓延防护用高导热相变隔热复合材料及其制备方法。本发明一种高导热半固态相变隔热复合材料，包括骨架支撑材料、相变材料、导热材料和绝缘封装材料；且相变材料和导热材料固定于骨架支撑材料中形成复合材料封装于绝缘封装材料，导热材料通过原位复合法或掺杂复合法加入到复合材料中。本发明提供了一种高导热半固态相变隔热复合材料，该材料在电池模组内对热失控电芯产生的热蔓延具有很好的抑制和延缓作用。

技术研发人员：何健,赵科仁,胡晓曼,鲍承锴
受保护的技术使用者：浙江岩谷科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14