本发明涉及电池领域，尤其涉及一种电池防护层、制备方法及其在电池组件中的应用。
背景技术：
动力电池作为新能源汽车的核心组件，对新能源汽车的性能有关键影响。随着新能源汽车产业的发展，市场对动力电池大功率输出、快速充放电等性能有着较为迫切的需求，但这对动力电池使用过程中的安全性能也提出了更加严苛的要求。特别是近年来动力电池安全事故频发也使得动力电池安全问题愈发凸显，且动力电池安全问题极大程度地限制了新能源汽车的快速发展。
动力电池安全问题本质上与热失控密切相关，当动力电池在使用过程中因各种原因发生热失控时，例如大功率输出或快速充放电时电池内部产热增加、意外撞击等，单体电池内部的活性物质颗粒会以火星的形式从防爆口喷射出来，直接冲击电池模组或电池包的上盖，使得上盖在短时间内被分解或熔化，火情扩散至电池包内部的其他单体电池或其它电池模组甚至车辆内部，危及整车安全以及车内人员人身安全。
技术实现要素：
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种电池防护层、制备方法及其在电池组件中的应用，所述电池防护层具有强度高、耐烧蚀、耐热冲击以及阻燃特性，能够承受爆炸冲击、阻隔火星并抑制燃烧扩散，有效避免电池起火或爆炸，提高电池使用过程中的安全性。
为了达到上述目的，本发明提供了一种电池防护层，其包括防火布以及设置于所述防火布上的功能层，且所述功能层为主要由环氧树脂基体、环氧树脂固化剂、增强填料、阻燃剂以及硅烷偶联剂固化形成的热固性树脂层。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种电池防护层的制备方法，其包括步骤：将环氧树脂基体溶解于溶剂中，得到环氧树脂基体溶液；然后向环氧树脂基体溶液中加入增强填料、阻燃剂，混合均匀后再加入硅烷偶联剂，再次混合均匀后加入环氧树脂固化剂搅拌均匀得到混合液；将混合液充分浸渍防火布，之后将防火布覆盖于本体材料上，室温静置或加热处理使混合液中的环氧树脂基体固化形成热固化树脂层，完成电池防护层的制备。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种电池防护层在电池组件中的应用，其中，所述电池组件为电池模组或电池包。
相对于现有技术，本发明至少包括如下所述的有益效果：
本发明的电池防护层具有强度高、耐烧蚀、耐热冲击以及阻燃特性，能够承受爆炸冲击、阻隔火星并抑制燃烧扩散，有效避免电池起火或爆炸，提高电池使用过程中的安全性。
具体实施方式
下面详细说明根据本发明的电池防护层、制备方法及其在电池组件中的应用。
首先说明根据本发明的电池防护层。
本发明的电池防护层包括防火布以及设置于所述防火布上的功能层，且所述功能层为主要由环氧树脂基体、环氧树脂固化剂、增强填料、阻燃剂以及硅烷偶联剂固化形成的热固性树脂层。
在本发明的电池防护层中，环氧树脂基体与环氧树脂固化剂配合作用可以使环氧树脂基体中的环氧基团发生开环聚合反应，将功能层粘接至防火布上，同时生成耐高温和耐热冲击的热固性树脂层，有效承受爆炸冲击和阻隔火星。增强填料以及防火布的存在可为电池防护层的结构提供双重支撑，使其具有更高的强度，更好地承受爆炸冲击和阻隔火星。阻燃剂在高温下生成自由基可与火焰区域的氢原子结合，起到扑灭火星以及抑制持续燃烧的作用，增强电池防护层的阻燃效果。硅烷偶联剂是一类在分子中同时含有两种不同化学性质基团的有机硅化合物，其分子中同时具有能和增强填料化学结合的反应基团及与环氧树脂基体化学结合的反应基团，因此可以提高增强填料和环氧树脂基体的相容性、浸润性以及分散性，进而提高功能层的耐久性。
在本发明的电池防护层中，热固性树脂层在温度持续升高，例如温度大于500℃时，发生热解并生成致密的碳层保护层，防止电池防护层被火焰直接烧穿，同时致密的碳层保护层还可以起到良好的阻燃特性，有效避免电池起火或爆炸。另外，热固性树脂层热解时不会生成有害气体，不会危及人身安全，也不会污染环境。
因此，本发明的电池防护层具有强度高、耐烧蚀、耐热冲击以及阻燃特性，能够承受爆炸冲击、阻隔火星并抑制燃烧扩散，甚至使其自熄，有效避免电池起火或爆炸，提高电池使用过程中的安全性。
本发明的电池防护层成本低廉，可以进行大规模应用。
在本发明的电池防护层中，防火布的种类没有特别的限制，优选地，所述防火布选自玻璃纤维布、玄武岩纤维布、腈纶棉纤维布、碳纤维布中的一种或几种。
在本发明的电池防护层中，环氧树脂基体的种类没有特别的限制，优选地，所述环氧树脂基体选自有机硅改性环氧树脂、酚醛改性环氧树脂、马来酰亚胺改性环氧树脂、苯并噁嗪改性环氧树脂中的一种或几种。这几种环氧树脂基体有助于电池防护层热解时生成更为致密的碳层保护层，更好地防止抑制燃烧扩散。其中，环氧树脂可为缩水甘油醚类环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂、缩水甘油胺类环氧树脂、线型脂肪族类环氧树脂或脂环族类环氧树脂。
在本发明的电池防护层中，优选地，所述环氧树脂固化剂的固化温度为25℃～100℃。环氧树脂固化剂的种类没有特别的限制，只要能使环氧树脂基体开环聚合即可。优选地，所述环氧树脂固化剂选自咪唑类、酸酐类、聚酰胺类、叔胺类、三氟化硼及其络合物中的一种或几种。
在本发明的电池防护层中，增强填料的种类没有特别的限制，优选地，所述增强填料选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、石英纤维、石棉纤维中的一种或几种。
在本发明的电池防护层中，阻燃剂的种类没有特别的限制，优选地，所述阻燃剂为含磷类阻燃剂。进一步优选地，所述阻燃剂选自磷酸盐、聚磷酸铵、磷酸酯、亚磷酸酯中的一种或几种。
在本发明的电池防护层中，硅烷偶联剂的种类没有特别的限制，还可以根据环氧树脂基体的种类进行合理优化。优选地，所述硅烷偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷中的一种或几种。
在本发明的电池防护层中，优选地，所述功能层包括：
环氧树脂基体40～80质量份；
环氧树脂固化剂20～40质量份；
增强填料20～60质量份；
阻燃剂5～40质量份；
硅烷偶联剂0.5～2质量份。
在本发明的电池防护层中，优选地，所述电池防护层的厚度为0.5mm～3mm。厚度太小，其防火阻燃效果较差；厚度太大，将会增加电池防护层的重量，增加电池制造成本。
其次说明根据本发明的电池防护层的制备方法。
本发明的电池防护层的制备方法包括步骤：(1)将环氧树脂基体溶解于溶剂中，得到环氧树脂基体溶液；(2)然后向环氧树脂基体溶液中加入增强填料、阻燃剂，混合均匀后再加入硅烷偶联剂，再次混合均匀后加入环氧树脂固化剂搅拌均匀得到混合液；(3)将混合液充分浸渍防火布，之后将防火布覆盖于本体材料上，室温静置或加热处理使混合液中的环氧树脂基体固化形成热固化树脂层，完成电池防护层的制备。
在电池防护层的制备方法中，溶剂的种类没有特别的限制，优选可选自丙酮、丁酮、二乙二醇单甲醚、丙二醇甲醚、二丙二醇二甲醚、乙酸乙酯中的一种或几种。
在电池防护层的制备方法中，混合液在防火布表面的设置方式没有特别的限制，可以为刷涂、喷涂或浸涂，也可以为其它常规涂覆方式。
在电池防护层的制备方法中，环氧树脂基体固化温度可为25℃～100℃，固化时间可为2h～6h。
在电池防护层的制备方法中，所述本体材料的材质没有特别的限制，可以为金属材质，例如铝、钢或合金等，也可以为非金属材质，例如塑料、复合材料(如长纤维增强热塑性材料lft)等。
在电池防护层的制备方法中，所述本体材料还可以为电池模组上盖、电池模组线束隔离板或电池包上盖，将混合液充分浸渍防火布后直接覆盖于电池模组上盖、电池模组线束隔离板或电池包上盖内侧位置并进行固化处理，可以使热固化树脂层与电池模组或电池包结合更加牢固，不易脱落或变形，同时热固化树脂层热解生成的致密碳层保护层还可以起到良好的阻燃特性，有效避免电池模组或电池包起火或爆炸。此外，将混合液充分浸渍防火布后直接覆盖于电池模组上盖、电池模组线束隔离板或电池包上盖内侧位置并进行固化处理，还可以减少电池模组以及电池包组装过程中零部件的使用，简化了工艺，降低了制造成本。
再次说明根据本发明的电池防护层在电池组件中的应用，其中，电池组件为电池模组或电池包。
一般而言，电池包包括下箱体以及上盖，下箱体以及上盖形成容纳电池模组的容纳空间，两个以上的电池模组可布置在容纳空间。在电池包内，电池模组可以布置成一排或者两排以上，每个电池模组可包括多个单体电池以及包覆多个单体电池的端板、侧板、底板和上盖，每个电池模组还包括线束隔离板。每个单体电池可包括电池壳体、与电池壳体连接的顶盖组件以及容纳于电池壳体与盖组件之间的电极组件。
根据本发明的电池防护层可以用于电池模组中，其在电池模组内的具体应用位置没有特别的限制。例如电池防护层可以与本体材料复合后置于单体电池顶盖组件上方位置，优选置于单体电池顶盖组件与电池模组上盖之间位置；电池防护层也可以与电池模组中的结构组件，例如电池模组上盖、电池模组线束隔离板等直接复合而成，具体地，电池防护层可设置在电池模组上盖内侧或电池模组线束隔离板内侧位置。电池防护层可以设置在电池模组内的一个位置，也可以同时设置在电池模组内的多个位置。这样，在某一个单体电池出现热失控，单体电池内部的活性物质颗粒以火星的形式从顶盖组件的防爆口喷射出来后，电池模组内设置的电池防护层可以很好地承受爆炸冲击和阻隔火星，有效防止电池模组上盖被火星直接冲击，延缓或阻止电池模组上盖在短时间内被分解或熔化，同时电池模组内设置的电池防护层还可以抑制燃烧扩散，甚至使其自熄，最终有效避免电池模组起火或爆炸，提高电池模组使用过程中的安全性。此外，单体电池顶盖组件上方位置的电池防护层还可以起到避免火情扩散至其他单体电池的作用。
根据本发明的电池防护层还可以用于电池包中，其在电池包内的具体应用位置没有特别的限制。例如电池防护层可以与本体材料复合后置于单体电池顶盖组件上方位置，优选置于单体电池顶盖组件与电池模组上盖之间位置；电池防护层也可以与电池包中的结构组件，例如电池模组上盖、电池模组线束隔离板、电池包上盖等直接复合而成，具体地，电池防护层可设置在电池模组上盖内侧、电池模组线束隔离板内侧或电池包上盖内侧位置。电池防护层可以设置在电池包内的一个位置，也可以同时设置在电池包内的多个位置。这样，在某一个单体电池出现热失控，单体电池内部的活性物质颗粒以火星的形式从顶盖组件的防爆口喷射出来后，电池包内设置的电池防护层可以很好地承受爆炸冲击和阻隔火星，有效防止电池包上盖被火星直接冲击，延缓或阻止电池包上盖在短时间内被分解或熔化，同时电池包内设置的电池防护层还可以抑制燃烧扩散，甚至使其自熄，最终有效避免电池包起火或爆炸，提高电池包使用过程中的安全性。此外，单体电池顶盖组件上方位置的电池防护层还可以起到避免火情扩散至其他单体电池的作用，电池模组上盖以及电池模组线束隔离板内侧位置的电池防护层还可以起到避免火情扩散至电池包内其他电池模组的作用。
下面结合实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。在下述具体实施例中，所使用到的试剂如没有特殊的说明，均可商购获得。
实施例1
将40质量份有机硅改性环氧树脂溶解于丙酮中，然后加入25质量份玻璃纤维增强填料和10质量份磷酸盐阻燃剂，混合均匀后再加入0.5质量份硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷，再次混合均匀后加入25质量份咪唑类固化剂，搅拌均匀得到混合液；将混合液刷涂在玻璃纤维布的表面并使混合液充分浸渍玻璃纤维布，之后将玻璃纤维布覆盖于电池包上盖内侧位置，在80℃加热固化2h，形成厚度为2mm的电池防护层。
实施例2
将80质量份酚醛改性环氧树脂溶解于二乙二醇单甲醚中，然后加入40质量份碳纤维增强填料和25质量份聚磷酸铵阻燃剂，混合均匀后再加入1质量份硅烷偶联剂γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，再次混合均匀后加入40质量份酸酐类固化剂，搅拌均匀得到混合液；将混合液刷涂在玄武岩纤维布的表面并使混合液充分浸渍玄武岩纤维布，之后将玄武岩纤维布覆盖于电池包上盖内侧位置，在100℃加热固化6h，形成厚度为2mm的电池防护层。
实施例3
将60质量份马来酰亚胺改性环氧树脂溶解于乙酸乙酯中，然后加入60质量份玄武岩纤维增强填料和25质量份磷酸酯阻燃剂，混合均匀后再加入2质量份硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，再次混合均匀后加入30质量份聚酰胺类固化剂，搅拌均匀得到混合液；将混合液喷涂在腈纶棉纤维布的表面并使混合液充分浸渍腈纶棉纤维布，之后将腈纶棉纤维布覆盖于电池包上盖内侧位置，在25℃加热固化6h，形成厚度为2mm的电池防护层。
实施例4
将80质量份苯并噁嗪改性环氧树脂溶解于丁酮中，然后加入60质量份石英纤维增强填料和40质量份亚磷酸酯阻燃剂，混合均匀后再加入2质量份硅烷偶联剂γ-巯丙基三甲氧基硅烷，再次混合均匀后加入40质量份三氟化硼络合物固化剂，搅拌均匀得到混合液；将混合液喷涂在碳纤维布的表面并使混合液充分浸渍碳纤维布，之后将碳纤维布覆盖于电池包上盖内侧位置，在100℃加热固化4h，形成厚度为2mm的电池防护层。
实施例5
将40质量份有机硅改性环氧树脂溶解于乙酸乙酯中，然后加入60质量份玄武岩纤维增强填料和10质量份磷酸盐阻燃剂，混合均匀后再加入2质量份硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，再次混合均匀后加入25质量份咪唑类固化剂，搅拌均匀得到混合液；将混合液刷涂在玻璃纤维布的表面并使混合液充分浸渍玻璃纤维布，之后将玻璃纤维布覆盖于电池包上盖内侧位置，在80℃加热固化4h，形成厚度为0.2mm的电池防护层。
实施例6
将60质量份马来酰亚胺改性环氧树脂溶解于丁酮中，然后加入60质量份碳纤维增强填料和5质量份亚磷酸酯阻燃剂，混合均匀后再加入1质量份硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷，再次混合均匀后加入30质量份聚酰胺类固化剂，搅拌均匀得到混合液；将混合液刷涂在玄武岩纤维布的表面并使混合液充分浸渍玄武岩纤维布，之后将玄武岩纤维布覆盖于电池包上盖内侧位置，在25℃加热固化4h，形成厚度为0.5mm的电池防护层。
实施例7
将60质量份酚醛改性环氧树脂溶解于二乙二醇单甲醚中，然后加入40质量份石英纤维增强填料和40质量份磷酸酯阻燃剂，混合均匀后再加入1.5质量份硅烷偶联剂γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，再次混合均匀后加入30质量份酸酐类固化剂，搅拌均匀得到混合液；将混合液喷涂在玻璃纤维布的表面并使混合液充分浸渍玻璃纤维布，之后将玻璃纤维布覆盖于电池包上盖内侧位置，在100℃加热固化6h，形成厚度为1.5mm的电池防护层。
实施例8
将80质量份苯并噁嗪改性环氧树脂溶解于乙酸乙酯中，然后加入40质量份玻璃纤维增强填料和5质量份聚磷酸铵阻燃剂，混合均匀后再加入1.5质量份硅烷偶联剂γ-巯丙基三甲氧基硅烷，再次混合均匀后加入30质量份咪唑类固化剂，搅拌均匀得到混合液；将混合液喷涂在腈纶棉纤维布的表面并使混合液充分浸渍腈纶棉纤维布，之后将腈纶棉纤维布覆盖于电池包上盖内侧位置，在80℃加热固化6h，形成厚度为3mm的电池防护层。
对比例1
未对电池包上盖进行防护处理。
接下来说明电池包的测试过程。
采用直径为3mm的耐高温钢针，以80mm/s的速度从垂直于电池包正面的方向刺穿单体电池，使最外侧单体电池发生热失控，观察电池包状态、记录电池包上盖熔穿时间以及电池包表面温度。
表1实施例1-8以及对比例1的测试结果
从测试结果，当电池包内部某个单体电池发生热失控时，电池包上盖内侧的电池防护层具有承受爆炸冲击、阻隔火星以及抑制燃烧扩散的效果，可以有效防止电池包上盖被火星直接冲击，有效延缓或阻止电池包上盖在短时间内被分解或熔化，避免发生大面积的热扩散，极大程度地改善电池包的安全性，避免出现起火或爆炸。
对比例1未在电池包上盖内侧位置设置电池防护层，在电池包内部某个单体电池发生热失控时，单体电池内部的活性物质颗粒会以火星的形式从防爆口喷射出来并直接冲击电池包上盖，使电池包上盖在短时间内(例如1s内)被熔穿，火情还会逐渐扩散至电池包内部的其他单体电池或其它电池模组，并发生大面积的热扩散，严重影响了电池包的使用。