电池和用于电池的组件的制作方法

电池和用于电池的组件
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年10月1日提交的美国临时申请第63/086,148号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
3.本公开内容涉及用于电池的组件，特别是用于延迟或防止锂离子电池中的热失控的用于电池的组件。本公开内容还涉及用于制造用于电池的组件的方法以及包括用于电池的组件的电池。


背景技术：

4.由于诸如电动车辆和电网能量存储系统的应用以及诸如电动自行车、不间断供电电池系统和铅酸替代电池的其他多单元电池应用的增长，对诸如锂离子电池的电化学能量存储装置的需求不断增长。对于诸如电网存储和电动车辆的大型应用，经常使用以串联阵列和并联阵列连接的多个电化学单元。一旦单元处于热失控模式，由单元产生的热就可能引起相邻单元中的热失控传播反应，可能导致能够点燃整个电池的级联效应。
5.尽管已经考虑了降低这样的电池的可燃性的尝试，但是这样的电池大多具有缺点。例如，已经考虑了通过添加阻燃添加剂来改变电解质或者使用本身不可燃的电解质，但是这些方法可能会负面地影响锂离子单元的电化学性能。防止级联热失控的其他方法包括：在单元或单元的分组之间包括增加量的绝缘，以减少在热事件期间的热传递的量。然而，这些方法可能限制可以实现的能量密度的上限。
6.随着对具有降低的热失控风险的电池的需求的增加，相应地需要防止或延迟热、能量或这两者向周围单元的扩散的用于电池的材料。


技术实现要素：

7.本文中公开的是一种用于电池的组件，所述用于电池的组件包括：至少两个电化学单元，在这两个电化学单元之间设置有压力垫；多层冷却翅片，其被设置在至少一个电化学单元的与压力垫相对的一侧上，多层冷却翅片包括绝热层、被设置在绝热层的第一侧上的第一散热箔层以及被设置在绝热层的第二侧上的第二散热箔层；以及冷却板，其基本上垂直于多层冷却翅片并且与多层冷却翅片热接触。
8.在一个方面中，还包括的是具有上述用于电池的组件的电池。
9.通过以下附图、具体实施方式和所附权利要求举例说明了上述特征和其他特征。
附图说明
10.以下附图是被提供以说明本公开内容的示例性方面。说明示例的附图不旨在将根据本公开内容制造的装置限制于本文中阐述的材料、条件或过程参数。
11.图1是包括电化学单元和冷却翅片的现有技术的用于电池的组件的图示；
12.图2是包括电化学单元和冷却翅片的本公开内容的一方面中的用于电池的组件的图示；
13.图3是本公开内容的用于电池的组件的一方面的图示；
14.图4是本公开内容的多层冷却翅片的一方面的图示；以及
15.图5是具有冷却剂通道的冷却翅片的图示。
具体实施方式
16.防止包括多个单元的电池中的热失控是一个难题，原因是与经历热失控的单元相邻的单元可以从事件中吸收足够的能量以使它们升高至其设计的操作温度以上，从而触发相邻单元也进入热失控。引发热失控事件的这种传播可能引起连锁反应，在该连锁反应中，随着单元向相邻单元传递热，存储装置进入一系列级联热失控。
17.防止这样的级联热失控事件发生的一种方法是在相邻单元或单元的分组之间并且优选地与相邻单元或单元的分组接触地放置冷却翅片，以用于在单元操作期间的热管理。在电池设计中，冷却翅片可以将能量从 (一个或多个)单元传递到基本上垂直于单元和冷却翅片延伸的冷却板。然而，通常由铝制成的现有技术冷却翅片还具有高的z方向热导率，其可以将热从诸如袋式单元的单元传递到邻近单元。在图1中示出了通过与冷却板300组装的现有技术铝冷却翅片200从单元100到邻近单元101 的这种热传递。箭头示出了从单元100到邻近单元101的z方向热传递。
18.如本文中使用的，“冷却翅片”是用于从电化学单元的大部分热可用于耗散的宽面耗散热的结构。单个冷却翅片可以位于两个单元之间。薄的冷却翅片可以具有穿过其的一系列通道。冷却翅片可以卡扣配合到位。冷却翅片可以占据小的空间，并直接向电化学单元的至少一个面提供冷却(取决于配置)。示例性冷却翅片由dana控股公司(dana holding corporation)制造。
19.为了防止发生级联热失控事件，多层冷却翅片可以减少z方向的热导率，从而减少从单元到邻近单元的热传递。多层冷却翅片还可以改进电池的耐火性。
20.因此，本文中描述了包括多层冷却翅片的用于电池的组件和电池。如本文中使用的，电化学单元(或“单元”)是包括阳极、阴极和电解质的电池的基本单元。“单元阵列”是指两个或更多个(例如，两个、五个、二十个、五十个或更多个)电化学单元的组件。与多层冷却翅片以及可选地另一电池部件(例如，分离器、集电器、诸如柔性袋的壳体等)相关联的单元或单元阵列在本文中被称为“用于电池的组件”。用于电池的组件和电池可以包括单个电化学单元、单个单元阵列或多个单元阵列。
21.可以使用各种各样的电化学单元类型，包括袋式单元、棱柱形单元或圆柱形单元。单个单元或单元阵列可以处于柔性外壳中，例如处于袋式单元中。在一方面中，单元是锂离子单元，例如磷酸锂铁、锂钴氧化物或其他锂金属氧化物单元。可以使用的其他类型的单元包括镍金属氢化物、镍镉、镍锌或银锌。
22.本文中描述了多层冷却翅片以及包括多层冷却翅片的用于电池的组件和电池。如图2中所示，多层冷却翅片400吸收从单元100(例如，袋式单元)到邻近单元101的热能，从而防止从单元100到邻近袋式单元 101的热传递。冷却板300与多层冷却翅片400热连通。箭头示出了从单元100到充当z方向绝缘体的多层冷却翅片400的热传递的方向，从而降低了热
失控的风险。
23.在一方面中，如图3所示，用于电池1000的组件包括：至少两个电化学单元500，在所述至少两个电化学单元500之间设置有压力垫600(也被称为压缩垫)；以及多层冷却翅片400，其基本上被设置在基本上垂直于冷却板300的每个电化学单元500的相对侧上。冷却板300与多层冷却翅片400热连通。如本文中使用的“基本上垂直”是指在90度角处，并且包括可以落入用于电池的组件的制造公差(例如，
±
5度或
±
2度或
±
1 度)内的非90度角。
24.电化学单元包括棱柱形单元、袋式单元、圆柱形单元等，优选地包括袋式单元。在一方面中，电化学单元是锂离子单元。
25.如图4所示，多层冷却翅片400包括设置在绝热层44的第一侧42 上的第一散热箔层40。第二散热箔层46被设置在绝热层44的第二侧48 上。
26.第一箔层40和第二箔层46各自独立地具有0.0005英寸至0.039英寸的厚度，优选地0.001英寸至0.005英寸的厚度，并且第一箔层40和第二箔层46各自独立地包括具有高热导率的金属，例如铜、铝、铜合金、铝合金、氮化硼、氮化铝、无纺布碳纳米管片或带(例如，)、其他碳纳米管膜或石墨膜。
27.在一方面中，冷却翅片的第一散热箔层和/或第二散热箔层可以包括多个通道，使得冷却剂可以穿过箔层。例如，可以在第一箔片或板以及可选地在第二箔片或板上冲压出凹槽，其然后例如通过镍钎焊工艺被接合以提供冷却通道。图5是包括冷却剂通道的示例性冷却翅片的示意图。
28.优选地，箔是铝或铝合金。第一箔层和第二箔层充当散热层。
29.绝热阻挡层44具有诸如在23℃下为0.01w/m*k至0.09w/m*k的低热导率(tc)，具有诸如70j/g至350j/g的高熔化潜热，或者具有诸如在23℃下为0.01w/m*k至0.09w/m*k的低热导率(tc)和诸如70j/g 至350j/g的高熔化潜热这两者，以使热失控延迟。示例性绝热层包括气凝胶、云母、泡沫例如聚氨酯或硅酮泡沫、软木或玻璃纤维。
30.气凝胶是具有大于50vol％的孔隙率——更优选地大于90vol％的孔隙率——的包括互连的纳米结构的网络的开孔固体基质。可以通过用气体代替凝胶中的液体成分或者通过例如经过超临界干燥使湿凝胶干燥来从凝胶中得到气凝胶。示例性气凝胶包括：聚合物气凝胶，例如聚(乙烯醇)、尿烷、聚酰亚胺和聚丙烯酰胺气凝胶；多糖气凝胶，其包括几丁质和壳聚糖气凝胶；以及无机陶瓷气凝胶，例如铝氧化物和二氧化硅气凝胶。
31.示例性云母层可以包括环氧树脂、硅树脂、酚醛树脂等以增强云母层的强度。
32.绝热层的示例性泡沫包括如下所述的聚氨酯和硅酮泡沫。
33.示例性软木材料包括天然软木和人造软木两者。
34.示例性玻璃纤维层包括聚合物基质中的玻璃纤维，例如热固性或热塑性聚合物基质。示例性热固性聚合物包括环氧树脂、聚酯和乙烯基酯。
35.在一方面中，绝热层可以包括填料，该填料可以例如在绝热层包括聚氨酯泡沫时有利地提供耐热性、吸热或热偏差特性。示例性填料包括无机或陶瓷材料，例如三水合氧化铝、二氧化硅、滑石、碳酸钙、粘土、氧化铝、氮化铝(aln)、氮化硼(bn)、氮化硅、zno、sic或beo。在一个方面中，填料可以包括粘合剂，例如聚合物粘合剂。
36.绝热阻挡层44具有0.002英寸至0.039英寸的厚度，优选地0.006英寸至0.020英寸的厚度。
37.根据用于绝热层的材料，可以使用粘结剂、层压工艺或铸造将第一箔层和第二箔层粘附到绝热层。可以采用以下工艺，例如滚转辊(roll over roll)、刀转辊(knife over roll)、反向辊(reverse roll)、槽模(slot die) 或凹版工艺。在一个方面中，当绝热层包括聚氨酯泡沫时，聚氨酯泡沫可以被浇铸到箔层中的一个或两个上。
38.当使用粘结剂时，粘结剂层可以具有0.00025英寸至0.010英寸的厚度或0.0005英寸至0.003英寸的厚度。可以使用本领域已知的各种各样粘结剂。例如，粘结剂层可以独立地包括聚酯粘结剂、聚氟乙烯粘结剂、丙烯酸或甲基丙烯酸粘结剂或硅酮粘结剂。在一个方面中，粘结剂是硅酮粘结剂。可以采用溶剂浇铸、热熔和两部分粘结剂。
39.如图3中所示，压力垫600与多层冷却翅片结合使用可能是有利的。当然，压力垫可以位于电池内的其他位置处。
40.在一个方面中，压力垫可以具有0.010英寸至0.500英寸(254μm 至12,700μm)的厚度，并且包括在宽的温度范围内具有可靠一致的耐压缩永久变形(c-set)和应力松弛性能的可压缩材料。这种类型的示例性材料包括聚氨酯泡沫或硅酮泡沫(例如，可从rogers公司获得的聚氨酯泡沫或硅酮泡沫)。可以被用作压力垫的其他可压缩材料是本文中描述的这些可压缩材料。如本文中所使用的，“可压缩”指的是弹性体特性，由此材料在压力下压缩，并且在压力释放时返回至其原始状态。
41.可以选择如下可压缩压力垫，所述可压缩压力垫具有向电池提供压力管理并且允许该可压缩压力垫代替或补充如上所述的垫的特性。特别地，选择如下可压缩压力垫，所述可压缩压力垫在宽的温度范围(例如，
ꢀ‑
15℃至120℃)内提供可靠且一致的耐c-set性(c-set resistance)和应力松弛性能中的一种或更多种。可压缩压力垫可以具有根据astm d 3574-95测试d测量的在158
°
f(70℃)下小于10％的压缩永久变形，优选地小于5％的压缩永久变形。在某些方面中，可压缩压力垫可以具有根据iso 3384在70
°
f(21℃)下在168小时内测量的大于50％的力保持。可压缩压力垫可以具有有效提供所需的压力管理的厚度。例如，可压缩压力垫可以具有250μm至15,000μm或0.020英寸至0.500英寸(508μm 至12,700μm)或0.040英寸至0.157英寸(1,016μm至3,988μm)的未压缩厚度。
42.在一方面中，压力垫是可压缩材料例如弹性体或上述橡胶，特别地是醋酸乙烯酯(eva)、热塑性弹性体(tpe)、epr或epdm；或者聚合物泡沫。
43.在一方面中，可压缩压力垫是可压缩聚合物泡沫。如本文中所使用的，“泡沫”指的是具有多孔(即，蜂窝状的)结构的材料。示例性可压缩泡沫具有低于65磅每立方英尺(pcf)(1,041千克每立方米(kg/m3)) 的密度，优选地小于或等于55pcf(881kg/m3)的密度或者优选地不大于25pcf(400kg/m3)的密度。基于泡沫的总体积，可压缩聚合物泡沫可以具有至少5％至99％的空隙体积含量，优选地大于或等于30％的空隙体积含量。
44.上述聚合物材料可以被用作可压缩聚合物泡沫。如上面结合聚合物纤维和泡沫所描述的，可选的添加剂可以存在于用于可压缩聚合物泡沫的制造的组合物中。在一方面中，可压缩聚合物泡沫具有5磅每立方英尺(lb/ft3)至30磅每立方英尺(lb/ft3)(80kg/m3至481kg/m3)的密度、根据astm d 3574-95测试c测量的0.5lb/in2至100lb/in2(351.5千克每平方米至70,307千克每平方米(kg/m2))的25％压缩力挠度(cfd)、以及根据astm d 3574-95测试d测量的小于10％优选地小于5％的在 158
°
f(70℃)下的压缩永久变形。优选地，可压缩聚合物泡沫是具有前述特性的聚氨酯或硅酮泡沫。
45.在一个方面中，包括的可压缩聚合物泡沫是开孔的低模量聚氨酯泡沫，该开孔的低模量聚氨酯泡沫可以具有：如可以例如根据astm d 3574-95测量的50μm至250μm的平均泡孔大小；5lb/ft3至50lb/ft3(80 kg/m3至800.9kg/m3)的密度，优选地6lb/ft3至25lb/ft3(96kg/m3至400 kg/m3)的密度；根据astm d 3574-95测试d测量的小于10％的在158
°
f (70℃)下的压缩永久变形；以及在1磅每平方英寸(psi)至250磅每平方英寸(psi)(7千帕(kpa)至1724千帕(kpa))之间的力挠度。可压缩聚氨酯泡沫可以由本领域已知的组合物制造。合适的可压缩聚氨酯泡沫由康涅狄格州的伍德斯托克(woodstock)的rogers公司在 4700(例如，evextend 4701-43rl)的名称下销售。这些可压缩聚氨酯泡沫可以被配制成提供一系列优异的特性，包括耐压缩永久变形性。具有良好的耐压缩永久变形的泡沫提供了缓冲并且在负荷下长时间保持其原始形状或厚度。
46.在另一方面中，可压缩聚合物泡沫是包括聚硅氧烷的硅酮泡沫。在一个方面中，硅酮泡沫是由于水与聚硅氧烷聚合物前体组合物中的氢化物基团之间的反应以及随之释放的氢气而产生的。该反应通常由贵金属来催化，优选地由铂催化剂来催化。催化剂可以沉积到诸如硅胶、氧化铝或炭黑的惰性载体上。各种铂催化剂抑制剂也可以用于控制发泡和固化反应的动力学，以便控制硅酮泡沫的孔隙率和密度。这样的抑制剂的示例包括聚甲基乙烯基硅氧烷环状化合物和炔醇。这些抑制剂不应当以破坏泡沫的方式干扰发泡和固化。
47.在一方面中，聚硅氧烷聚合物在25℃下具有100泊至1,000,000泊的粘度，并且具有链取代基例如氢化物、甲基、乙基、丙基、乙烯基、苯基和三氟丙基。聚硅氧烷聚合物上的端基可以是氢化物、羟基、乙烯基、乙烯基二有机甲硅烷氧基、烷氧基、酰氧基、烯丙基、肟基、氨氧基、异丙烯氧基、环氧基、巯基或其他已知的反应性端基。硅酮泡沫也可以通过使用几种聚硅氧烷聚合物而生产，每种聚硅氧烷聚合物具有不同的分子量(例如，双峰或三峰分子量分布)，只要组合物的粘度在上面指定的值内即可。也可以具有具有不同官能基或反应基的几种聚硅氧烷基础聚合物，以便产生所需的泡沫。在一个方面中，聚硅氧烷聚合物包括每摩尔水0.2摩尔的氢化物(si-h)基团。
48.用于可压缩聚合物泡沫的制造的方法通常是已知的。泡沫可以机械地生泡、物理地或化学地起泡或者这两者兼而有之。可以通过浇铸机械地生泡的组合物来制造聚氨酯泡沫。特别地，聚氨酯的反应性前体可以被混合并机械地生泡，然后被浇铸以形成层并且固化。
49.在硅酮泡沫的生产中，前体组合物的反应性组分被储存在两个包装中，一个包装包含铂催化剂，而另一个包装包含含有氢化物基团的聚硅氧烷聚合物，这防止了过早反应。在另一种生产的方法中，聚硅氧烷聚合物与导电颗粒、水、物理起泡剂(如果需要)和其他所需添加剂一起被引入到挤出机中。然后，铂催化剂被计量送入挤出机中，以开始发泡和固化反应。诸如液态二氧化碳或超临界二氧化碳的物理起泡剂与诸如水的化学起泡剂结合使用可以产生密度低得多的泡沫。在又一方法中，液体硅酮组分被计量送入、被混合并且被分配到装置例如模具或连续涂装线中。然后，在模具中或在连续涂装线上发生发泡。
50.如图3中所示，多层冷却翅片400在位于垂直方向上的状态下被设置在用于电池的组件中。多层冷却翅片可以被设置成使得其宽表面面向单元的表面。从单元传递到多层冷却翅片400的热可以通过多层冷却翅片400的下端直接地传导至冷却板300。
51.用于冷却板300的示例性材料包括铝和铜。
52.以下阐述的是本公开内容的非限制性方面。
53.方面1：一种用于电池的组件，包括：至少两个电化学单元，在所述两个电化学单元之间设置有压力垫；多层冷却翅片，其被设置在至少一个电化学单元的与所述压力垫相对的一侧上，所述多层冷却翅片包括绝热层、被设置在所述绝热层的第一侧上的第一散热箔层以及被设置在所述绝热层的第二侧上的第二散热箔层；以及冷却板，其基本上垂直于所述多层冷却翅片并且与所述多层冷却翅片热接触。
54.方面2：根据方面1所述的用于电池的组件，其中，所述电化学单元包括袋式单元，并且还包括包裹所述电化学单元的袋。
55.方面3：根据前述方面中任一项所述的用于电池的组件，其中，所述第一散热箔层和所述第二散热箔层各自独立地具有5微米至1000微米的厚度。
56.方面4：根据前述方面中任一项所述的用于电池的组件，其中，所述第一散热箔层和所述第二散热箔层各自独立地包括箔、织造或非织造纤维毡或聚合物泡沫。
57.方面5：根据前述方面中任一项所述的用于电池的组件，其中，所述第一散热箔层、所述第二散热箔层或者所述第一散热箔层和所述第二散热箔层二者包括冷却剂通道。
58.方面6：根据前述方面中任一项所述的用于电池的组件，其中，所述绝热层具有50微米至15,000微米的厚度或者50微米至5,000微米的厚度。
59.方面7：根据前述方面中任一项所述的用于电池的组件，其中，所述绝热层具有在23℃下为0.01w/m*k至0.09w/m*k的热导率，所述绝热层具有70j/g至350j/g的熔化热，或者所述绝热层具有在23℃下为 0.01w/m*k至0.09w/m*k的热导率并且具有70j/g至350j/g的熔化热，优选地，其中，所述绝热层具有在23℃下为0.01w/m*k至0.09w/m*k 的热导率，所述绝热层具有70j/g至350j/g的熔化热，或者所述绝热层具有在23℃下为0.01w/m*k至0.09w/m*k的热导率并且具有70j/g 至350j/g的熔化热。
60.方面8：根据前述方面中任一项所述的用于电池的组件，其中，所述绝热层是固体层。
61.方面9：根据前述方面中任一项所述的用于电池的组件，其中，所述绝热层是聚合物泡沫。
62.方面10：根据前述方面中任一项所述的用于电池的组件，其中，所述绝热层还包括填料。
63.方面11：根据前述方面中任一项所述的用于电池的组件，其中，所述压力垫包括聚合物泡沫。
64.方面12：一种电池，包括：根据前述方面中任一项所述的用于电池的组件；以及壳体，其至少部分地包围所述用于电池的组件。
65.本文中描述的组合物、方法和制品可以替选地包括本文中公开的任何合适的材料、步骤或组分，本文中描述的组合物、方法和制品可以由本文中公开的任何合适的材料、步骤或组分组成，或者本文中描述的组合物、方法和制品可以基本上由本文中公开的任何合适的材料、步骤或组分组成。组合物、方法和制品可以另外地或替选地被配制成没有或基本上不含以其他方式对实现组合物、方法和制品的功能或目的而言不必需的任何材料(或物质)、步骤或组分。
66.术语“一”和“一个”不表示对数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的项目。
除非上下文另有明确指示，否则术语“或”是指“和/ 或”。遍及说明书，对“一个方面”、“另一方面”等的提及是指结合该方面描述的特定要素(例如，特征、结构、步骤或特性)被包括在本文中描述的至少一个方面中，并且可以存在于或可以不存在于其他方面中。另外，应当理解的是，所描述的要素可以在各个方面中以任何合适的方式被组合。
67.当诸如层、膜、区域或基板的要素被称为“在另一要素上”或“被设置在另一要素上”时，该要素与另一要素相邻并且可以直接在另一要素上，或者还可以存在中间要素。相比之下，当要素被称为“直接在另一要素上”或“与另一要素接触”时，不存在中间要素。“在热接触中”是指两个要素可以直接在彼此上，或者可以存在传送热的中间层。此外，当诸如层、膜、区域或基板的要素被称为“在另一要素上”或“直接在另一要素上”时，该要素的全部或一部分可以与另一要素的全部或一部分相邻。
68.除非本文中相反地指出，否则所有测试标准都是到本技术的提交日期为止有效的最新标准，或者如果要求优先权，则所有测试标准是到出现测试标准的最早优先权申请的提交日期为止有效的最新标准。
69.涉及相同组分或性质的所有范围的端点包括该端点，是可独立组合的，并且包括所有中间点和范围。例如，“多达25wt％或者多达5wt％至 20wt％”的范围包括“5wt％至25wt％”的范围的端点和所有中间值，例如10wt％至23wt％等。如本文中使用的术语“第一”、“第二”等以及“主要”、“次要”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个要素与另一要素区分开。术语“其组合”或“至少一个”是指列表单独地包括每个要素、列表中的两个或更多个要素的组合以及列表中至少一个要素与未指定的相似要素的组合。此外，术语“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。
70.除非另有定义，否则本文中所使用的技术和科学术语具有与本公开内容所属领域的技术人员通常所理解的含义相同的含义。
71.所有引用的专利、专利申请和其他参考文献通过引用以其全部内容并入本文中。然而，如果本技术中的术语与所并入的参考文献中的术语矛盾或冲突，则来自本技术的术语优先于来自所并入的参考文献的冲突的术语。
72.在附图中，为了清楚地说明和便于解释，夸大了层和区域的宽度和厚度。在附图中，相似的附图标记表示相似的要素。
73.本文中参照作为理想实施方式的示意图示的截面图示来描述示例性实施方式。这样，例如由于制造技术和/或公差导致的图示的形状的变化是预期的。因此，本文中所描述的实施方式不应被解释为限于如本文中示出的区域的特定形状，而是应被解释为包括例如由制造引起的形状的偏差。例如，被示出或被描述为平坦的区域通常可以具有粗糙和/或非线性的特征。此外，被示出的锐角可以是圆形的。因此，附图中示出的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在说明区域的精确形状，并且也不旨在限制所附权利要求的范围。
74.尽管已经描述了特定方面，但是申请人或本领域技术人员可能会想到目前无法预料或目前可能无法预料的替选方案、修改、变化、改进和基本等同物。因此，所提交的和其可能被修改的所附权利要求旨在涵盖所有这样的替选方案、修改、变化、改进和基本等同物。