[发明专利]被动隔离材料

说明书

发明领域

本公开内容涉及用于针对电能存储器件中热失控（thermal runaway）的保护的隔热材料。

背景

电能存储器件在运行中可能故障，且这可导致可产生非常高温度的局部区域的存储的能量的不受控的释放。例如，各种类型的电池已经显示出在所谓的“热失控”条件中产生大约600-900℃的温度[Andrey W. Golubkov等, Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes RSC Adv., 2014, 4, 3633–3642]。

这样的高温可点燃邻近的可燃物，由此产生火灾危险。升高的温度也可导致一些材料开始分解并生成气体。在此种事件期间生成的气体可能是毒性和/或易燃的，进一步增加了与热失控事件有关的危险。

锂离子电池可使用具有高挥发性和易燃性的有机电解质。此类电解质倾向于在起始于约150℃至200℃的温度下开始分解并一定会具有显著的蒸气压（甚至在分解开始之前）。一旦分解开始，则产生的气体混合物（通常为CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₅F等的混合物）可点燃。电解质分解时此类气体的生成导致压力增加且气体通常被排出至大气中；然而，该排出过程是危险的，因为气体被空气稀释可导致爆炸性燃料-空气混合物的形成，如果其被点燃则可燃烧回有问题的电池中点燃整个装置。

已经提出将阻燃添加剂引入到电解质中，或使用自身不易燃的电解质，但这可能牺牲锂离子电池的功效[E.Peter Roth等, How Electrolytes Influence Battery Safety, The Electrochemical Society Interface, Summer 2012, 45-49]。

应注意的是，除了易燃气体之外，分解也可释放毒性气体。

热失控的问题在包括多个电池的器件中变得复杂，因为邻近的电池可从该事件中吸收足够的能量以升高至高于它们的设计的运行温度并由此被引发进入热失控。这可导致连锁反应，其中存储器件随着一个电池点燃邻近的电池而进入一系列连环的热失控。

为了防止此类连环热失控事件发生，通常将存储器件设计为或保持所储存的能量足够低，或在电池间采用足够的隔离材料以将它们与邻近电池中可能发生的热事件相隔离，或它们的组合。前者严重限制了可潜在地存储于此类器件中的能量的量。后者限制了封闭的电池可如何放置并由此限制了有效的能量密度。

当前存在由设计者采用的多种不同的方法来最大化能量密度，同时针对连环热失控进行防护。

一种方法是采用冷却机构，通过该冷却机构在热事件期间释放的能量被主动地从受影响的区域去除并在另一位置（通常是存储器件之外）被释放。该手段被认为是主动保护系统，因为其成功依赖于另一系统的功能有效。这样的系统并不是故障安全的（fail safe），因为其需要另一系统的介入。冷却系统也增加了总的能量存储系统的重量，由此降低了用于其中存储器件用来提供运动（例如电动载具）的那些应用的存储器件的有效性。冷却系统在存储器件中占据的空间也可降低可实现的潜在能量密度。

用来防止连环热失控的第二种手段是在电池或电池簇（clusters of cells）之间引入足够量的隔离材料，使得热事件期间的热传热（thermal heat transfer）速率足够低以使热量能够在整个电池蓄热体（thermal mass）内扩散（通常通过传导）。该手段被认为是被动方法并通常从安全优势而言认为是更理想的。在该手段中，隔离材料容纳热量的能力，连同所需要的隔热材料的质量规定了可实现的能量密度的上限。

第三种手段是通过使用相变材料。这些材料在达到特定的升高的温度时经历吸热相变。该吸热相变吸收了一部分生成的热量并由此冷却了局部区域。该手段本质上也是被动的，并且不依赖于外部机械系统来起作用。通常，针对电存储器件这些相变材料依赖于烃材料，例如蜡和脂肪酸。这些系统在冷却方面是有效的，但本身是可燃的，并因此一旦点燃在存储器件中确实发生，其在防止热失控方面并非有益。