电动汽车蓄电池用二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板、隔热垫制品及应用的制作方法

1.本发明涉及一种电动汽车蓄电池用高强度且绝热的二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板、隔热垫制品及应用。


背景技术：

2.电动汽车化学电池是目前电动汽车领域应用最为广泛的电池种类，如镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、燃料电池等都属于这一范畴。从结构角度上讲，其可进一步分成蓄电池及燃料电池两大类别，目前所见的绝大多数电动车都采用蓄电池技术进行驱动，如丰田普锐斯、特斯拉models（参配、图片、询价）等。当然，这里所讲的蓄电池并不是我们日常所讲的汽车电瓶，而是对可重复充电电池的统称，其中车载电瓶通常使用的铅酸蓄电池仅仅是细分门类的一种。
3.市面上已有的应用在锂离子蓄电池包内的预氧丝气凝胶纤维毡表面是用阻燃胶水封装的，其最高的耐受温度不超过280 ℃，其在常温下的导热系数大约在0.033~0.036之间，其比表面积在230~350m2/g。预氧丝碳纤维是传热的优良导体且在高温下会燃烧起烟起火。
4.预氧丝气凝胶纤维毡表面是用阻燃胶水封装的制品在高温下是燃烧的，因耐受不住电池电芯冲击短路的高温能量的瞬间冲击烧蚀起火，此时在低温下的隔热阻燃功能丧失，预氧丝碳纤维起火传热急剧加大，使得电池包内相邻电芯过热短路起爆，电池包事故在瞬间扩大，此时电池包内的短路电能瞬间释放的高温高热火焰很难扑灭，导致整车自燃起火。
5.因此预氧丝气凝胶纤维毡应用在电动汽车的蓄电池包内易燃不隔热，导致已导致有些新能源汽车的品牌汽车滞销整车厂倒闭，消费者的财产损失和打击了消费者购买新能源汽车的积极性。
6.二氧化硅气凝胶针刺玻纤毡的缺陷：厚度公差大，gb/t34336-2017纳米孔气凝胶复合绝热制品标准中允许3mm，密度允许达到15%的不均匀程度。所以二氧化硅气凝胶针刺玻纤毡一般应用在工业管道包覆节能领域。无法进入高端装备或机电设备内应用。


技术实现要素：

7.本发明主要解决的技术问题是提供一种电动汽车蓄电池用高强度且绝热的二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板、隔热垫制品及应用，能够耐受连续使用温度可达1000℃，短时间使用温度可达1260℃等优异性，能满足在电动汽车蓄电池包内及电芯模组间或化学蓄电池包内及电芯模组间、高端装备或机电设备狭窄空间内零部件绝热和对其起火后的安全防护要求和装配要求。
8.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种电动汽车蓄电池用二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板，包括：陶瓷纤维布、二氧化硅水溶胶或金属氧
化物改性的二氧化硅水溶胶，薄板的制备方法包括以下步骤：1）放卷陶瓷纤维布，并对陶瓷纤维布进行浸渍或喷淋二氧化硅水溶胶或金属氧化物改性的二氧化硅水溶胶；2）调节水溶胶的含量再进行喷淋补胶水溶胶；3）裁切成片状，在密封的恒温条件下陈化至少24h形成湿凝胶陶瓷纤维布；4）继续在密封的恒温条件下，注入工业酒精置换出湿凝胶中的水；5）将平整的湿凝胶陶瓷纤维布进行二氧化碳超临界干燥6~12h；6）干燥完成后，即制成了二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板。
9.在本发明一个较佳实施例中，步骤3）和4）中的恒温条件的温度为35℃~60℃。
10.在本发明一个较佳实施例中，步骤4）中工业酒精置换次数是24h内至少2次，置换后常温存放10min，用于形态稳定。
11.在本发明一个较佳实施例中，步骤5）中二氧化碳超临界干燥中二氧化碳温度50~120℃，超临界压强9mpa~45 mpa。
12.在本发明一个较佳实施例中，金属氧化物改性的二氧化硅水溶胶是指二氧化硅水溶胶里加入金属氧化物，金属氧化物的质量百分比为0.01%~10%，以提高二氧化硅气凝胶耐高温的能力；金属氧化物包括氧化铝、氧化锆或金红石钛白粉。
13.为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种电动汽车蓄电池用二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板的隔热垫制品，包括权利要求所述的二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板和设于薄板四周的包封层，制备方法为：首先剪下相应尺寸的二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板，检验合格后，再在其表面用材料进行粘结包封，最后通过热烘干燥或粘结，即制得隔热垫制品。
14.在本发明一个较佳实施例中，粘结包封包括采用涂料刮涂的涂层包封、用pet膜、pi膜、eptfe膜、ptfe膜、或阻燃热熔胶材料的膜包封。
15.在本发明一个较佳实施例中，制品的包封形式包括橡胶边框或环氧树脂灌封胶边框与涂层包封、无橡胶边框与涂层包封、橡胶边框或环氧树脂灌封胶边框与膜包封或无橡胶边框与膜包封。
16.在本发明一个较佳实施例中，热烘干燥或粘结的温度为60℃~150℃。
17.为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供隔热垫制品的应用，用于电动汽车蓄电池包内及电芯模组间、高端装备或机电设备狭窄空间内零部件绝热和对其起火后的安全防护场合、新能源汽车内饰或其它紧凑型精密电子电器或动力装置的热管理系统中。
18.本发明的有益效果是：本发明平整厚度均匀，公差可控，密度均匀，强度好、能耐受连续使用温度可达1000℃，短时间使用温度可达1260℃等优异性能满足了在电动汽车蓄电池包内及电芯模组间或化学蓄电池包内及电芯模组间、高端装备或机电设备狭窄空间内零部件绝热和对其起火后的安全防护要求和装配要求；是新能源电动汽车产业迫切需要的替代预氧丝气凝胶隔热垫的重大升级换代品。本发明将大量应用在电动汽车蓄电池包内及电芯模组间、高端装备或机电设备狭窄空间内零部件绝热和对其起火后的安全防护场合更可靠，为我国新能源电动汽车产业健康发展提供新材料支撑；使用本发明后电动气车动力蓄电池包不再惧怕火灾故障或火烧试验发生。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1是本发明电动汽车蓄电池用二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板隔热垫制品一较佳实施例的结构示意图；图2是本发明电动汽车蓄电池用二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板隔热垫制品另一较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
21.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
26.本发明实施例包括：一种电动汽车蓄电池用高强度且绝热的二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板，包
括：用陶瓷纤维布、二氧化硅水溶胶或金属氧化物改性的二氧化硅水溶胶制成。薄板的厚度在0.2mm~6mm的范围内，其厚度公差
±
0.3，质量分布均匀。
27.其中，陶瓷纤维布是用陶瓷纤维加上一定比例的有机纤维，内衬玻璃丝（钢丝）纺成纱，然后织成布的。有机纤维的多少决定了烧蚀率的大小，有机纤维的品种决定了布的柔韧性的好坏(从好至坏：黏胶、涤纶、纸浆)，玻璃的粗细决定了强力大小，钢丝的材质决定了耐腐蚀性(304不锈钢丝、302不锈钢丝、201不锈钢丝、铁丝)。通常选用较少的有机纤维黏胶、粗细合适的玻璃纤维、304不锈钢丝。纺织过程的捻度大小决定了布的外观光滑度，上批的数量决定了布的密度。陶瓷纤维布的特点是耐高温、导热系数低、抗热震、低热容。陶瓷纤维布一般的规格型号：1.5mm~6mm，一般宽度为1m，其中分为：镍铬合金丝增强，不锈钢丝增强，玻璃纤维增强，陶瓷纤维涂层布，陶瓷纤维接渣布，陶瓷纤维烧结布，陶瓷纤维熏蒸布。
28.陶瓷纤维布的特性有：1)连续使用温度可达1000℃，短时间使用温度可达1260℃；2)具有良好的抗酸碱腐蚀性和抗铝锌等迷熔融金属侵蚀能力；3)良好的高温强度和保温隔热性能；4)用无碱玻璃纤维丝作加强材料的陶瓷纤维布具有比玻璃纤维更高一级的电绝缘性和高温电绝缘性；5)无毒、无害、无气味。
29.二氧化硅气凝胶通常指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。气凝胶是密度最低的固体，其纳微孔的胶体都由80~99%气体构成，纳微孔内的气体无对流，所以表现出优异的绝热隔热保温性能。常见的气凝胶为二氧化硅气凝胶。二氧化硅气凝胶具有纳米孔超绝热性能，常温常压下二氧化硅气凝胶粉体总热导率<0.015w/(m
·
k)，块体总热导率<0.013w/(m
·
k)，真空条件下粉体总热导率<0.003 w/(m
·
k)，块体总热导率<0.007 w/(m
·
k)，是目前世界上高温隔热领域导热系数最低的材料之一。
30.金属氧化物改性的二氧化硅水溶胶是指二氧化硅水溶胶里加入金属氧化物，金属氧化物的质量百分比为0.01%~10%，以提高二氧化硅气凝胶耐高温的能力；金属氧化物包括氧化铝、氧化锆或金红石钛白粉等。二氧化硅气凝胶用金属氧化物改性，大大削弱高温时红外波能量的透过，使其在高温段300℃~800℃多有优异的隔热性能。
31.具体的改性方案已公开在zl201710887777.8；zl201710887776.3；zl201710967711.x；zl201711346029.5中，不再赘述。
32.本发明通过对二氧化硅气凝胶采用金属氧化物改性（如在水凝胶中添加氧化铝或氧化锆或金红石钛白粉等），使得二氧化硅气凝胶一般使用区间从-60 ℃~400 ℃的区间提升到了600 ℃~1000 ℃，可大量应用在电动汽车蓄电池包内及电芯模组间、高端装备或机电设备狭窄空间内零部件绝热和对其起火后的安全防护场合。
33.本发明的电动汽车蓄电池用高强度且绝热的二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板的制备方法包括：实施例1：1）放卷陶瓷纤维布，放卷速度为1~5m/min，并对陶瓷纤维布进行浸渍或喷淋二氧化硅水溶胶或金属氧化物改性的二氧化硅水溶胶；
2）调节水溶胶的含量再进行喷淋补胶水溶胶；3）裁切成片状，在密封的温度为35℃的恒温条件下陈化24h形成湿凝胶陶瓷纤维布；4）继续在密封的温度为35℃的恒温条件下，注入工业酒精置换出湿凝胶中的水，置换频率为24h内进行2次置换，置换后常温存放10min，用于形态稳定；5）将平整的湿凝胶陶瓷纤维布进行二氧化碳超临界干燥6h，干燥时，二氧化碳温度50℃，超临界压强9 mpa；6）干燥完成后，即制成了二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板。
34.实施例2：1）放卷陶瓷纤维布，放卷速度为1~5m/min，并对陶瓷纤维布进行浸渍或喷淋二氧化硅水溶胶或金属氧化物改性的二氧化硅水溶胶；2）调节水溶胶的含量再进行喷淋补胶水溶胶；3）裁切成片状，在密封的温度为50℃的恒温条件下陈化30h形成湿凝胶陶瓷纤维布；4）继续在密封的温度为50℃的恒温条件下，注入工业酒精置换出湿凝胶中的水，置换频率为24h内进行3次置换，置换后常温存放10min，用于形态稳定；5）将平整的湿凝胶陶瓷纤维布进行二氧化碳超临界干燥8h，干燥时，二氧化碳温度80℃，超临界压强200mpa；6）干燥完成后，即制成了二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板。
35.实施例3：1）放卷陶瓷纤维布，放卷速度为1~5m/min，并对陶瓷纤维布进行浸渍或喷淋二氧化硅水溶胶或金属氧化物改性的二氧化硅水溶胶；2）调节水溶胶的含量再进行喷淋补胶水溶胶；3）裁切成片状，在密封的温度为60℃的恒温条件下陈化36h形成湿凝胶陶瓷纤维布。
36.4）继续在密封的温度为60℃的恒温条件下，注入工业酒精置换出湿凝胶中的水，优选的置换频率为24h内进行4次置换，置换后常温存放10min，用于形态稳定；5）将平整的湿凝胶陶瓷纤维布进行二氧化碳超临界干燥12h，干燥时，二氧化碳温度120℃，超临界压强45 mpa；6）干燥完成后，即制成了二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板。
37.基于以上实施例电动汽车蓄电池用二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板的隔热垫制品，包括二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板1和设于薄板四周的包封，包封包括采用涂料刮涂的涂层包封层2、用pet膜、pi膜、eptfe膜、ptfe膜、或阻燃热熔胶材料等的膜包封3，如图1和图2所示。
38.制品的包封形式包括橡胶边框或环氧树脂灌封胶边框与涂层包封、无橡胶边框与涂层包封、橡胶边框或环氧树脂灌封胶边框与膜包封或无橡胶边框与膜包封。
39.隔热垫制品制备方法为：首先剪下相应尺寸的二氧化硅气凝胶陶瓷纤维布复合材料薄板，检验合格后，再在其表面用涂料刮涂、pet膜、pi膜、eptfe膜、ptfe膜、阻燃热熔胶等材料进行粘结包封，最后在温度为60℃~150℃下热烘干燥或粘结，即制得隔热垫制品。
40.本发明还涉及一种隔热垫制品的应用，用于电动汽车蓄电池包内及电芯模组间、高端装备或机电设备狭窄空间内零部件绝热和对其起火后的安全防护场合，起阻燃、耐高温隔热和防止电池模组故障扩大的作用，提高电池包的安全性和可靠性。也可用于新能源
汽车内饰起阻燃、耐高温隔热和防止电池模组故障扩大的作用，提高电池包的安全性和可靠性；或应用在其它紧凑型精密电子电器或动力装置的热管理系统中。
41.将本发明的隔热垫制品与gm通用汽车、宝马、奔驰在新能源汽车锂离子动力电池包内的隔热片进行耐受1000 ℃ 指标比较，具体参数如下表所示：综上所述，本发明是无机阻燃材料，能耐受连续使用温度可达1000℃，短时间使用温度可达1260℃；在高温下是不燃烧的，仍是具有隔热效果的气凝胶毡固体形态。这一特性使得蓄电池包内个别电芯短路起爆的损害被限制在此电芯内，防止传热造成故障的扩大，为消费者采取救火或逃生赢得时间。
42.本发明平整厚度均匀，公差可控，密度均匀，强度好、能耐受连续使用温度可达1000℃，短时间使用温度可达1260℃等优异性能满足了在电动汽车蓄电池包内及电芯模组间或化学蓄电池包内及电芯模组间、高端装备或机电设备狭窄空间内零部件绝热和对其起火后的安全防护要求和装配要求；是新能源电动汽车产业迫切需要的替代预氧丝气凝胶隔热垫的重大升级换代品。
43.本发明将大量应用在电动汽车蓄电池包内及电芯模组间、高端装备或机电设备狭窄空间内零部件绝热和对其起火后的安全防护场合更可靠，为我国新能源电动汽车产业健康发展提供新材料支撑；使用本发明后电动气车动力蓄电池包不再惧怕火灾故障或火烧试验发生。
44.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。