一种延缓内部热扩散的电池模组及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种延缓内部热扩散的电池模组及其制备方法和应用 (Battery module for delaying internal heat diffusion and preparation method and application thereof ) 是由 王雪涛 李�学 马华 李文文 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种延缓内部热扩散的电池模组及其制备方法和应用。所述电池模组包括2个或2个以上电芯,所述电芯表面分别独立地设置有隔热包覆层；所述电池模组的制备方法包括：将隔热包覆层的原料混合制备成浆料；将所述浆料涂覆于电芯表面,得到被包覆的电芯；将被包覆的2个或2个以上电芯进行堆叠得到电芯组；将所述电芯组装进箱体,得到所述电池模组。本发明所述电池模组中,将隔热包覆层设置在每支电芯之间,可以有效地延缓热量扩散至相邻电芯,延缓模组热失控的时间；隔热包覆层中使用的胶类成分,起到粘结作用,可以取代电芯粘结的双面胶,有效节约模组的空间。(The invention relates to a battery module for delaying internal heat diffusion and a preparation method and application thereof. The battery module comprises 2 or more than 2 battery cells, and the surfaces of the battery cells are respectively and independently provided with a heat insulation coating layer; the preparation method of the battery module comprises the following steps: mixing the raw materials of the heat-insulating coating layer to prepare slurry; coating the slurry on the surface of the battery cell to obtain a coated battery cell; stacking the coated 2 or more than 2 electric cores to obtain an electric core group; and assembling the battery cell into a box body to obtain the battery module. In the battery module, the heat insulation coating layer is arranged between every two battery cores, so that heat can be effectively delayed from being diffused to the adjacent battery cores, and the time of thermal runaway of the module is delayed; the glue component used in the heat insulation coating layer plays a role in bonding, can replace double-sided adhesive tape bonded by the battery core, and effectively saves the space of the module.)
技术领域
本发明涉及电池技术领域，涉及一种电池模组及其制备方法和应用，尤其涉及一种延缓内部热扩散的电池模组及其制备方法和应用。
背景技术
近年，随着电动汽车高速发展，动力电池的市场需求得到迅猛增长。电动汽车动力系统是由模组组成的，模组内部电芯紧密堆叠在一起，电芯与电芯之间间隙较小，一般100μm左右，当模组中一只电芯发生热失控时，热量很快扩散到相邻的电芯，导致相邻电芯温度升高，当温度升高到一定程度时相邻电芯随之也发生热失控，由此引发连锁反应，从而导致整个模组失控造成严重的后果。因此我们需要在单个电芯发生热失控的情况下，尽可能的减慢热扩散速度，延长整个模组热失控时间，为使用人员争取更多的逃生时间。
现有延缓模组热扩散的方式是使用云母片、气凝胶、隔热棉等材料起到隔热缓冲的作用，但该种材料的加入会占用一定的模组空间，因此大部分模组设计会每隔2～6支电芯增加一层隔热材料，这就导致延缓热扩散的效果变差，如果每支电芯增加一层该材料以防止热量扩散至相邻电芯，将会导致模组的有效空间急剧减小，从而大幅降低模组的能量密度。
现如今可以查阅到的关于延缓电池内部热扩散的报道，主要在电池与电池之间设置隔热材料或阻燃材料，在电芯与电芯之间设置隔热材料或阻燃材料。
CN213212223U公开了一种兼容散热及抑制热失控传递的电池模组，其在相邻的电芯组件之间设置散热片，散热片一侧喷涂绝缘涂层，另一侧喷涂绝缘涂层和耐火层，相邻电芯之间可以通过隔热的耐火层进行隔离，在一个电芯发生热失控时，不会传递到相邻电芯之间，避免电芯模组整体热失控传导。相邻电芯组件之间设置散热片，散热片具有一定厚度，会占据模组空间；隔热层仅采用耐火的云母涂片层隔离，功能单一，隔热性能并不能发挥最佳的效果。
CN107978723A公开了一种隔热棉及其制备方法和应用该隔热棉的电池模组，其采用将隔热棉应用在电池模组中的单体电池之间，隔热棉包括隔热材料与阻燃材料，将两种材料混合加入到溶剂中，再添加适量粘结剂并搅拌得到混合浆料，将所得到的混合浆料压制成型得到隔热棉。将隔热棉应用在单体电池与单体电池之间，并不适用于电芯与电芯之间。
CN112310539A公开了一种电动汽车动力电池包内电池芯热胀冷缩位移动态补偿隔热功能的电芯模组及其制备方法，其是在电芯之间设有二氧化硅气凝胶或者杂化的二氧化硅气凝胶毡包覆的隔热片，因为热胀冷缩作用使得电芯组装应力均匀，来保证锂电池的工作温度范围在合理的温度区间内。气凝胶毡的安全性难以保证，会为电动汽车的安全可靠性带来隐患；由于其包覆层的材料包括硅胶防火布等厚度达到0.1～1.5mm，所制作的隔热材料厚度大，占据了模组的空间。
如何有效延缓电池模组热扩散，同时还能节约电池模组内部空间，是电池模组领域的一个重要研究方向。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种延缓电池内部热扩散的模组及其制备方法和应用，所述电池模组每支电芯均包覆有隔热包覆层，可有效地延缓热量扩散至相邻电芯，延缓热扩散速度，提升模组热扩散性能；所述隔热包覆层的厚度可控制，包覆层可根据需要控制在1～100μm之间，并且隔热包覆层涂层具有粘接性，可取代双面胶，将电芯粘接在一起，有效节约电池模组的空间，同时电池模组具有较高的能量密度。
为达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：
本发明目的之一在于提供一种延缓内部热扩散的电池模组，所述电池模组包括2个或2个以上电芯，所述电芯表面分别独立地设置有隔热包覆层。其中，所述电芯的数量可以是2个、3个、4个、5个、10个、50个或100个等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述电池模组内每支电芯均包覆有隔热包覆层，由此组成的电池模组，当其中某一支电芯因异常发生热失控时，由于每支电芯均包覆有包覆层，因此可以有效延缓热量扩散至相邻电芯，从而延缓相邻电芯发生热失控的时间，最终延缓该电池模组发生热失控的时间。
本发明中，所述隔热包覆层厚度可控，并且隔热包覆层具有粘接性，可取代双面胶，将电芯粘接在一起，可以有效节约模组空间，隔热包覆层厚度可控制在1～100μm，对于24pcs电芯组成的模组厚度可节约0～2.254mm。
作为本发明优选的技术方案，所述电芯的隔热包覆层为非发泡包覆层或发泡包覆层。
优选地，所述非发泡包覆层的原料包括耐火材料、胶粘剂以及溶剂。
优选地，所述发泡包覆层的原料包括发泡剂、阻燃剂以及乳化剂。
优选地，按照重量份计所述非发泡包覆层的原料包括耐火材料100份，粘粘剂10～50份，其中所述粘结剂的重量份数可以是10份、15份、20份、25份、30份、35份、40份、45份或50份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，以及溶剂100～400份，其中所述溶剂的重量份数可以是100份、150份、200份、250份、300份、350份或400份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，按照重量份计所述发泡包覆层的原料包括发泡剂100份，阻燃剂10～40份，其中所述阻燃剂的重量份可以是10份、15份、20份、25份、30份、35或40份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。乳化剂3～8份，其中所述乳化剂的重量份可以是3份、4份、5份、6份、7份或8份等，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述耐火材料包括勃姆石、氧化铝、氧化镁、氧化硅或氧化钛中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：勃姆石和氧化铝的组合、勃姆石和氧化铝和氧化钛的组合、氧化镁和氧化硅的组合或氧化硅和勃姆石的组合等。
优选地，所述胶粘剂包括PVDF、SBR、CMC或聚丙烯酸酯中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：PVDF和SBR的组合、PVDF和CMC的组合或CMC和聚丙烯酸酯的组合等。
优选地，所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、去离子水、甲基乙基酮或异丙醇中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：N-甲基吡咯烷酮和去离子水的组合、N-甲基吡咯烷酮和甲基乙基酮的组合、N-甲基吡咯烷酮、去离子水和甲基乙基酮的组合或N-甲基吡咯烷酮和去离子水和异丙醇的组合等。
优选地，所述发泡剂包括丙烯酸酯、聚氨酯、聚酯多元醇或异氰酸酯中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：丙烯酸酯和聚氨酯的组合、丙烯酸酯和聚酯多元醇的组合、丙烯酸酯和异氰酸酯的组合或丙烯酸酯和聚氨酯和异氰酸酯的组合等。
优选地，所述阻燃剂包括烯丙基磷酸二甲酯、三聚氰胺或多聚磷酸铵中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：丙基磷酸二甲酯和三聚氰胺的组合、丙基磷酸二甲酯和多聚磷酸铵的组合、三聚氰胺和多聚磷酸铵的组合或丙基磷酸二甲酯和三聚氰胺和多聚磷酸铵的组合。
优选地，所述乳化剂包括十二烷基硫酸钠和/或异构十三醇聚氧乙烯醚。
作为本发明优选的技术方案，所述隔热包覆层的厚度为1～100μm，其中，所述隔热包覆层的厚度可以是2μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm或95μm等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为2～40μm。
本发明中采用的隔热包覆层厚度小，并且隔热包覆层厚度可以控制，可根据需要控制在1～100μm之间，有效地节约了模组的空间。对于24pcs电芯组成的模组厚度可节约0～2.254mm。
作为本发明优选的技术方案，所述隔热包覆层全部覆盖或局部覆盖于所述电芯表面。
优选地，所述局部覆盖的面积为所述电芯的堆叠接触面积的50～80％，其中所述面积可以是50％、55％、60％、65％、70％、75％或80％等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。局部覆盖部分是单位表面的任意部位。
作为本发明优选的技术方案，所述隔热包覆层的包覆方式包括均匀包覆或条纹包覆。包覆的形状根据设计的需求进行制定，例如可以是圆形、方形或斑马状包覆等。
本发明的目的之二在于提供一种如第一方面所述的电池模组的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将隔热包覆层的原料混合制备成浆料；
(2)将步骤(1)中所述浆料涂覆于电芯表面，得到被包覆的电芯；
(3)将2个或2个以上步骤(2)中所述被包覆的电芯进行堆叠，得到电芯组；
(4)将步骤(3)中所述电芯组装进箱体，得到所述电池模组。
作为本发明的优选的技术方案，步骤(1)中所述混合方式为搅拌。
优选地，所述搅拌的速率为800～2000rpm，其中所述速率可以是800rpm、900rpm、1000rpm、1100rpm、1200rpm、1300rpm、1400rpm、1500rpm、1600rpm、1700rpm、1800rpm、1900rpm或2000rpm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述浆料的固含量为10～70％，其中所述固含量可以是10％、20％、30％、40％、50％、60％或70％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为20～50％。
优选地，步骤(1)所述浆料的细度≤5μm，其中所述浆料的细度可以是1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述电芯的类型包括软包、方形或圆柱形中的任意一种，电芯还可以是月牙形、五边形等。
优选地，步骤(2)所述浆料涂覆方式包括喷涂、浸涂或印刷中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，步骤(3)所述电芯堆叠的方式为串联和/或并联。
优选地，步骤(3)所述加压的压强为0.1～1.0Mpa，所述加压的压强可以是0.1Mpa、0.2Mpa、0.3Mpa、0.4Mpa、0.5Mpa、0.6Mpa、0.7Mpa、0.8Mpa、0.9Mpa或1.0Mpa等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为0.3～0.6Mpa。
优选地，步骤(3)所述静置的温度为20～85℃，所述温度可以是20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃或85℃等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中电芯装进箱体中通过极耳焊接等工序组成成品模组，所述操作为本领域常规操作，在此不做特殊限定。
本发明的目的之三在于提供一种如第一方面所述的电池模组的应用，所述电池模组应用于动力电池领域。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的隔热包覆层设置在每支电芯上，可以有效的延缓热量扩散至相邻电芯，延缓热扩散速度，提升模组热扩散性能，相邻两支电芯发生热失控间隔可延长至32s。
(2)本发明提供的隔热包覆层厚度可控，并同时隔热包覆层具有粘接性，可取代双面胶，将电芯粘接在一起，隔热包覆层厚度可控制在1～100μm，对于24pcs电芯组成的模组厚度可节约0～2.254mm。
(3)本发明提供的隔热包覆层在具有良好的隔热效果的同时使得模组具备较高的模组能量密度，所述能量密度可提升约2％。
附图说明
图1为本发明实施例1、实施例3-8、实施例10-11和对比例1-2中的电芯均匀包覆层示意图。
图2为本发明实施例1-11和对比例1中的电芯堆叠结构示意图。
图3为本发明实施例2和实施例9中的电芯条状包覆层示意图。
图4为对比例2-3中的电芯贴胶示意图。
图5为对比例2中的电芯堆叠结构示意图。
图6为实施例1-11和对比例1-2中的测试示意图。
图中：1-电芯；2-双面胶；3-云母片；31-隔热包覆层；41-均匀包覆层；51-条状包覆层；61-加热片；62-模组外壳；63-感温线。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
采用以下步骤制备电池模组：
(1)将100份纳米二氧化硅与30份SBR以及200份N-甲基吡咯烷酮通过1400rpm搅拌分散制成浆料，该浆料固含量为40％，细度为3μm；
(2)将该浆料通过喷涂的方式在电芯两面各均匀包覆(如图1所示)一层厚度为10μm包覆层；
(3)将涂覆后的4个电芯按照串联方式将电芯堆叠在一起，堆叠结构如图2所示，在堆叠后的电芯两端施加800kgf的压力，放在40℃保温箱中，并静置一段时间，得到电芯组；
(4)待胶凝固后将其按照模组组装工艺装配成模组。
实施例2
采用以下步骤制备电池模组：
(1)将100份Al2O3粉料与35份PVDF以及200份甲基乙基酮通过2000rpm搅拌速度制成浆料，溶液固含量为10％，细度为2μm；
(2)将该浆料通过印刷的方式，在每支电芯的一面印刷为条纹状，条状包覆(如图3所示)厚度在2μm；
(3)待涂覆后的4个电芯按照并联方式堆叠在一起，堆叠结构如图2所示，极耳做好绝缘防护。在堆叠后的电芯两端施加1200kgf的压力，放在50℃保温箱中，待包覆层中胶将电芯粘接在一起；
(4)将粘接好的电芯及铜排装到箱体中，通过极耳焊接等工序后组成成品模组。
实施例3
采用以下步骤制备电池模组：
(1)将100份纳米Al2O3与10份SBR和250份去离子水通过1100rpm搅拌制成水基浆料，该浆料固含量为25％，细度为5μm；
(2)通过浸涂方式，将电芯表面均匀包覆(如图1所示)上一层浆料，厚度在4μm，注意保护好极耳不被涂覆，待涂层干燥后，再在其表面喷涂一种高温胶，厚度度10μm；
(3)将涂覆后的4个电芯按照串联方式将电芯堆叠在一起，堆叠结构如图2所示，在堆叠后的电芯两端施加600kgf的压力，放在60℃保温箱中并静置一段时间；
(4)待胶凝固后将其按照模组组装工艺装配成模组。
实施例4
采用以下步骤制备电池模组：
(1)水性发泡阻燃涂层制备：100份水性聚氨酯乳液、20份烯丙基磷酸二甲酯、4份十二烷基硫酸钠，在具有搅拌装置的反应釜内加入聚氨酯乳液，再一次加入20份烯丙基磷酸二甲酯和4份十二烷基硫酸钠，通过800rpm搅拌均匀；
(2)将搅拌均匀的乳液，通过喷涂的方式均匀包覆(如图1所示)在电芯一面，厚度在100μm；
(3)将涂覆后的8个电芯按照串联方式将电芯堆叠在一起，堆叠结构如图2所示，在堆叠后的电芯两端施加的400kgf的压力，放在20℃保温箱中，并静置一段时间；
(4)待胶凝固后将其按照模组组装工艺装配成模组。
实施例5
采用以下步骤制备电池模组：
(1)水性发泡阻燃涂层制备：80份聚酯多元醇、40份烯三聚氰胺、4份十三醇聚氧乙烯醚，在具有搅拌装置的反应釜内加入聚氨酯乳液，在一次加入40份三聚氰胺和4份异构十三醇聚氧乙烯醚，通过1700rpm搅拌均匀；
(2)将搅拌均匀的乳液，通过喷涂的方式均匀包覆(如图1所示)在电芯一面，厚度在20μm；
(3)将涂覆后的4个电芯按照并联方式将电芯堆叠在一起，堆叠结构如图2所示，在堆叠后的电芯两端施加的1000kgf的压力，放在30℃保温箱中，并静置一段时间；
(4)待胶凝固后将其按照模组组装工艺装配成模组。
实施例6
将浆料在电芯表面的涂覆厚度改为120μm，其余均与实施1相同。
实施例7
将浆料在电芯表面的涂覆厚度改为85μm，其余均与实施例1相同。
实施例8
将浆料在电芯表面的涂覆厚度改为50μm，其余均与实施例1相同。
实施例9
将浆料在电芯表面的涂覆方式由均匀包覆改为条状包覆(如图3所示)，其余均与实施例1相同。
实施例10
将浆料的固含量改为5％，其余均与实施例1相同。
实施例11
将浆料的固含量改为80％，其余均与实施例1相同。
对比例1
将涂覆好的电芯按照间隔的顺序堆叠在一起，被包覆电芯中间相隔一个未被包覆的电芯，其余均与实施例1相同。
对比例2
不设置隔热包覆层，电芯与电芯之间用双面胶进行粘接(如图4所示)，每隔四个电芯设置一个云母片进行堆叠，所述堆叠方式如图5所示。
本实施例1-11以及对比例1-2使用的电芯为三元材料作为正极活性物质，石墨作为负极活性、电解液、隔膜和铝塑膜组装成的三元软包锂离子电池，电池的容量为60Ah。
本实施例1-11以及对比例1-2提供的电池模组的热扩散性能以及能量密度进行测试，其结果如表1所示。
其中，热扩散性能的测试方法为按照图6所示在第2个和第3个电芯中间，增加一个平面状加热装置，然后组装成模组，组装好的模组在常温条件下，以1C满充电至4.25V在，启动加热装置至温度达到300℃，记录从第一只电芯发生热失控到最后一只电芯发生热失控的时间及模组最大温度。
能量密度的计算方法为模组容量*平台电压/模组体积
表1
模组最大温度/℃
间隔时间/s
能量密度/Wh/L
实施例1
537
9
527.62
实施例2
560
4
528.44
实施例3
549
7
527.89
实施例4
418
25
524.01
实施例5
529
11
527.62
实施例6
386
32
523.11
实施例7
442
23
524.68
实施例8
499
16
526.26
实施例9
540
9
527.62
实施例10
547
8
527.62
实施例11
503
13
527.62
对比例1
554
6
528.07
对比例2
580
3
524.01
通过上述结果，可以看出增加隔热包覆层后的模组从第一支电芯发生热失控到模组完全热失控之间的时间均有增加，说明在实施了所述制备方法后，模组延缓内部热扩散的性能得到了明显的改善。其中，通过实施例1和实施例6-8可以看出，随着隔热包覆层的厚度增加，延缓热扩散的性能进一步改善，但模组的能量密度略有下降。通过实施例1和实施例10-11可以看出，在隔热包覆层相同的厚度下，固含量的增加使延缓热扩散的性能得到提升。通过实施例1和实施例9可以看出，条状包覆与全部包覆的延缓热扩散的性能和能量密度的改善效果相近。实施例2和实施例3中延缓热扩散的性能和能量密度的改善效果相近。实施例4和实施例5中采用发泡阻燃涂层，在电芯温度升高时，涂层内物质分解吸收部分热量，同时形成气泡，可以有效的隔绝热量的传递，起到延缓热扩散的作用。通过对比例1与实施例1可以看出，涂覆好的电芯按照间隔的顺序堆叠与每支电芯都被涂覆相比，延缓热扩散的性能略有下降。对比例2是现有技术，可以看到模组延缓内部热扩散的性能以及能量密度与实施例1相比具有一定的差距，所以使用隔热包覆层对延缓热扩散和提高能量密度具有重大意义。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：智能穿戴设备