内置有隔热膜的高压电池模块及电池组的制作方法

1.本发明涉及一种内置有隔热膜的高压电池模块及电池组。


背景技术：

2.随着移动设备、电动汽车等的技术开发和需求的增长，对作为能量源的二次电池的需求正在迅速增加。二次电池中的化学能和电能之间的相互转换是可逆的，因此二次电池是可以重复充电和放电的电池。
3.如图1所示，这种二次电池包括作为主要组成部分的电极组件5和电解液，所述电极组件由阳极2和阴极1以隔膜3为界交替堆叠而成，并且所述电极组件5和电解液容纳并密封在电池壳体内，由此构成二次电池单元。此外，通过安装如上所述的多个二次电池单元来形成如图2所示的电池模块，并且所述电池模块100还可以安装在电动汽车、能量储存系统(ess:energy storage system)等中。
4.然而，所述二次电池单元在充电和放电过程中会发热，而这种发热引起的温度升高会降低二次电池单元的性能。
5.此外，诸如二次电池单元温度升高的电池模块的内部因素可能会导致任一个二次电池单元爆炸，或者任一个二次电池单元可能会因外部冲击而爆炸，在这种情况下，可能会引发电池模块内的其他二次电池单元接连爆炸。
6.特别地，对于将袋用作壳体的袋型二次电池单元而言，当袋型二次电池单元在贯穿状况、过充电、过放电、高温放置等状况下发生热失控(thermal runaway)现象时，由于sei层的形成会生成热和气体，因此高压气体会引起袋漏气(venting)，并且隔膜收缩引起的内部短路会导致热积聚并发生热失控。另外，当产生这种热失控现象时，阳极材料的结构塌陷并产生氧气，从而进一步加速热生成，因此会导致无法控制二次电池单元的温度升高的状况。
7.在这种热失控状况下，任一个二次电池单元爆炸而产生的气体和火焰不会迅速排出到外部，因此热传播(thermal propagation)、火焰或高温、高压气体等会作用于周围的其他二次电池单元而导致接连爆炸，从而可能会引起更大的问题。
8.在如上所述的热失控状况下，需要研发一种能够阻断从任一个二次电池单元产生的热转移到相邻的二次电池单元的装置。


技术实现要素：

9.(一)要解决的技术问题
10.本发明旨在提供一种具有在高压二次电池的热失控状况下能够延迟二次电池单元之间的热和/或火焰的传播的装置的稳定性优异的电池模块及包括所述电池模块的电池组。
11.(二)技术方案
12.本发明涉及一种电池模块，所述电池模块包括：电池单元组件，堆叠有多个二次电
池单元；壳体，容纳所述电池单元组件，壳体内部放置有隔热膜，其中所述隔热膜包括耐热层，以防止热或火焰从二次电池单元传播到相邻的二次电池单元。
13.所述二次电池单元可以是电极组件容纳在袋型外部材料内的袋型二次电池单元。
14.所述耐热层可以包括至少一个云母片，所述云母片可以包括90至99重量％的云母和1至10重量％的粘合剂。
15.所述耐热层可以具有0.2mm至3.0mm的厚度。
16.所述隔热膜可以包括两层的耐热层和设置在所述耐热层之间的机械刚性层。
17.所述机械刚性层可以是膜、织布、无纺布或泡沫中的至少一种，并且所述机械刚性层的材料选自熔点为150℃以上的塑料、钢、陶瓷、超级羊毛和硅中的至少一种。
18.所述塑料可以是选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰亚胺、氟树脂或在其中的任一种材料中包括碳纤维的碳纤维强化聚合物(cfrp)中的至少一种。
19.优选地，所述机械刚性层具有0.1mm至1.0mm的厚度。
20.优选地，所述隔热膜具有1.0mm至4.0mm的厚度。
21.在所述耐热层之间、所述机械刚性层和耐热层之间或者在隔热膜的最外围可以进一步包括粘合层。
22.所述粘合层可以是硅类、丙烯酸类、橡胶类、环氧类压敏粘合剂或热熔粘合剂。
23.所述电池模块可以进一步包括衬垫层，所述衬垫层设置在所述机械刚性层和耐热层之间以防止二次电池单元溶胀。
24.所述衬垫层可以在衬垫层的厚度方向上具有20％至50％的压缩性。
25.在所述电池模块中，所述隔热膜可以位于以下位置中的至少一个位置：i)容纳在壳体内的多个二次电池单元中的任一个二次电池单元与相邻的二次电池单元之间；ii)任一个二次电池单元的电池单元接头和相邻的二次电池单元的电池单元接头之间；以及iii)在容纳在壳体内的状态下的二次电池单元的上部。
26.本发明提供一种包括所述电池模块的电池组。
27.本发明的另一方面提供一种电池模块，其包括：壳体，包括具有感测模块的上盖、具有冷却板的下盖、前盖和后盖；多个二次电池，堆叠在所述壳体内；以及多个隔热膜，每个隔热膜设置在相邻的二次电池单元之间，每个隔热膜包括设置在两层的耐热层之间的机械刚性层。
28.多个所述二次电池单元是电极组件容纳在袋型外部材料内的袋型二次电池单元。
29.所述耐热层包括至少一个云母片，所述云母片包括大量云母和少量粘合剂。
30.每个所述耐热层具有0.2mm至3.0mm的厚度。
31.所述机械刚性层是膜、织布、无纺布或泡沫中的至少一种，并且所述机械刚性层的材料选自熔点为150℃以上的塑料、钢、陶瓷、超级羊毛和硅中的至少一种。
32.(三)有益效果
33.可以通过在部分二次电池单元之间内置隔热膜以及根据需要在二次电池单元和相邻的二次电池单元之间内置隔热膜，来防止在热失控或起火的情况下热或火焰转移到其他二次电池单元。
附图说明
34.图1是多个阴极和阳极以隔膜为界交替堆叠的电极组件的主视图。
35.图2是示意性地示出电池模块的结构的图。
36.图3是示意性地示出根据本发明的一个实施例的隔热膜的截面结构的图。
37.图4是示意性地示出根据本发明的另一个实施例的隔热膜的截面结构的图。
38.图5是示意性地示出在本发明的电池模块内的二次电池单元和相邻的二次电池单元之间设置隔热膜的位置的图。
39.图6是示意性地示出在本发明的电池模块内的二次电池单元的电池单元接头和相邻的二次电池单元的电池单元接头之间设置隔热膜的位置的图。
40.图7是示意性地示出在本发明的电池模块内的二次电池单元上部设置隔热膜的位置的图。
41.图8是示意性地示出在本发明的电池模块内设置隔热膜的附加形态的图。
42.图9是示意性地示出实施例和比较例中的隔热膜前后的炬加热位置和温度测量位置的图。
具体实施方式
43.本发明旨在提供一种具有在容纳二次电池单元的壳体部件内部的任一个二次电池单元中发生热失控或火焰时用于防止热或火焰转移并扩散到相邻的其他二次电池单元的隔热膜的电池模块。
44.如图2所示，本发明的电池模块100是电池单元组件20容纳在壳体110内的电池模块，所述电池单元组件20包括多个阴极1和阳极2以隔膜3为界交替堆叠的电极组件5，所述电极组件5容纳在电池壳体内。所述电池壳体不受特别限制，可以是使用层压片的袋型，还可以是矩形或圆柱形罐。下面，以袋型二次电池单元为例进行详细说明。
45.如图2所示，所述壳体110包括上盖111、具有冷却板114的下盖、前盖112和后盖113，所述上盖111可以包括感测模块。
46.本发明的电池模块100的所述壳体110内部包括隔热膜。本发明提供的隔热膜包括耐热层。当任一个二次电池单元发生热失控或产生火焰等状况时，所述隔热膜可以在保持用于隔热的片状的同时阻断火焰的转移，并且阻断热传递，以防止扩散到相邻的其他二次电池单元，从而保持模块的稳定性。
47.所述耐热层起到防止火焰或热从起火或发热的二次电池单元传播到相邻的二次电池单元的作用，所述耐热层可以使用云母片。
48.云母片是使用云母制造的具有均匀厚度的片材，并且可以使用包括作为主要成分的云母和少量粘合剂的组合物来制造云母片。例如，可以包括90重量％以上的所述云母，并且可以包括10重量％以下的所述粘合剂，例如，可以包括90至99重量％的所述云母，并且可以包括1至10重量％的所述粘合剂。
49.所述云母可以使用白云母或金云母，并且可以混合使用白云母和金云母。同时，所述粘合剂成分不受特别限制，可以适当地使用通过粘合云母保持片状并且具有耐热性的任何有机或无机粘合剂。
50.所述耐热层可以是单层，并且可以由两个以上的片材构成，不受特别限制。例如，
可以将具有规定厚度的一个云母片或堆叠两个以上的云母片的具有规定厚度的堆叠体形成为一个耐热层，并且可以堆叠两个以上的耐热层以形成一个隔热膜。优选地，本发明的隔热膜可以包括两个耐热层。
51.另一方面，为了能够执行耐热层的功能，所述云母片优选具有在常温下的根据iso22007-2的热导率(thermal conductivity)为0.2w/mk以下、根据fmvss-302的耐热温度(火焰接触表面和背面温度的温度差)为500℃以上(连续测试，continuous services)和1000℃以上(间歇测试，intermittent services)的耐热特性。
52.此外，优选地，所述云母片具有根据astm d-1000的绝缘击穿电压为15kv/min以上并且在850℃下根据astm d-257的绝缘电阻为40mohm以上的电特性。
53.此外，优选地，所述云母片具有根据iso 327或astm d638的拉伸强度为145mpa以上、根据iso178或astm d790的弯曲强度为200mpa以上以及根据iso 179或astm d256的冲击强度为18kj/m2以上的值。在具有上述范围的物理性质的情况下，可以防止由于模块内的二次电池单元溶胀(swelling)现象引起的变形或破裂而导致袋撕裂现象等的发生，并且可以通过在车辆振动/冲击状况下保持结构来保护二次电池单元。
54.本发明的隔热膜可以包括在所述耐热层之间的机械刚性层。所述机械刚性层起到在热失控状况下保持隔热膜的形态稳定性的作用，并且保持机械刚性，从而防止油分和颗粒传播到相邻的电池单元。具体地，所述机械刚性层具有优异的硬度、拉伸强度、弯曲强度、断裂强度等物理性质，可以防止隔热膜的结构塌陷，因此只要能够使隔热膜物理地阻断火焰、气体、油分、颗粒等，即可适当地用作本发明的所述机械刚性层。
55.例如，所述机械刚性层可以是熔点为150℃以上的塑料材料，并且可以由诸如钢、不锈钢、陶瓷、超级羊毛或硅的材料制成。在本发明中，更优选地，所述机械刚性层可以在产生500℃以上的热的状况下保持隔热膜的机械刚性。虽然，所述塑料材料通常具有低于500℃的熔点，由于本发明的隔热膜在机械刚性层的两面设置耐热层，因此可以适当地用作本发明的机械刚性层的材料。所述塑料材料可以包括pet、聚酰亚胺、聚氨酯、pvc、氟树脂等，并且其可以是用碳纤维强化的cfrp。
56.由于本发明的隔热膜具有片状，因此所述机械刚性层也优选具有片状。例如，所述机械刚性层可以是由上述材料制成的薄膜形状，可以是织布或无纺布，还可以是泡沫形状。
57.如图3所示，根据本发明的隔热膜30包括如上所述的耐热层32，并且在一个实施例中包括机械刚性层34和耐热层32，隔热膜30可以是包括机械刚性层34和在所述机械刚性层34两面的耐热层32的结构的堆叠体。
58.所述机械刚性层34不限于此，但优选具有0.1mm至1.0mm的厚度。当所述机械刚性层34的厚度小于0.1mm时，因起火而塌陷，难以确保隔热膜30的形状稳定性，当所述机械刚性层34的厚度超过1.0mm时，可能会导致能量密度降低、电池重量增加，并且在需要弯曲电池时难以加工。所述机械刚性层34可以使用具有上述范围的厚度的1个片材，也可以是将2个以上的片材堆叠成上述范围的厚度的堆叠片。
59.同时，所述耐热层32可以具有0.2mm至3.0mm的厚度。当所述耐热层32的厚度小于0.2mm时，阻断热和火焰向相邻二次电池单元传递的效果不充分，当所述耐热层32的厚度超过3.0mm时，整体隔热膜30的厚度增加，从而会导致能量密度降低以及重量增加。所述耐热层32也可以使用具有上述范围的厚度的单个云母片，也可以是将2个以上的云母片堆叠成
上述范围的厚度的堆叠片。
60.当所述隔热膜30具有在机械刚性层34的两面堆叠耐热层32而形成的耐热层32/机械刚性层34/耐热层32的堆叠结构时，可以阻断从任一个二次电池单元中产生的热或火焰传播到相邻的另一二次电池单元。然而，隔热膜30的厚度与二次电池单元10的能量密度成反比，当隔热膜30的厚度过厚时，可能导致二次电池单元的能量密度过度降低。因此，考虑到二次电池单元的能量密度，更优选地，所述隔热膜具有1.0mm至4.0mm的厚度。
61.如图4的(a)所示，本发明的隔热膜30可以在所述机械刚性层34和耐热层32之间或隔热膜30的最外层设置粘合层33。所述粘合层33用于防止二次电池单元10之间的相对移动，所述粘合层33可以使用诸如硅类粘合剂、丙烯酸类粘合剂、橡胶类粘合剂或环氧树脂类粘合剂的粘合剂，并且可以是压敏(psa，pressure sensitive adhesive)粘合剂或热熔粘合剂。
62.所述粘合层33不受特别限制，只要可以将机械刚性层34和耐热层32彼此粘合固定即可，可以使用仅由粘合剂制成的无机双面胶带，也可以使用如上所述的粘合剂涂覆到基材的两面的双面胶带。此时，所述基材可以由pet、聚酰亚胺、氟树脂、pvc等制成，并且可以具有薄膜、泡沫、无纺布、长丝或织物等的形式。
63.优选地，所述粘合层33的剪切强度(shear strength)具有30kgf/in2以上(根据astm d5656在常温下去除离型纸后附着到sus基板而进行测量)的值。所述粘合层33的剪切强度越高越优选，其上限不受特别限制，例如，所述粘合层33可以具有30kgf/in2以下的剪切强度值。
64.同时，所述粘合层33优选具有500gf/in(astm d1000)以上的180
°
剥离强度值。
65.所述粘合层33不受特别限制，例如，优选具有0.01mm至0.1mm范围的厚度。当所述粘合层33的厚度小于0.01mm时，不足以防止二次电池单元，当所述粘合层33的厚度超过0.1mm时，隔热膜30厚度增加，因此可能导致电池容量相对降低。
66.如图4的(b)所示，本发明的隔热膜30可以在所述机械刚性层34和耐热层32之间设置衬垫层35，并且所述衬垫层35起到通过向二次电池单元提供特定表面压力来防止二次电池单元溶胀的作用。所述衬垫层35可以采用在厚度方向上具有20％至50％的压缩性的材料，但不限于此，可以包括诸如聚氨酯、硅树脂或三聚氰胺的材料的衬垫。
67.优选地，所述衬垫层35具有0.5mm至5mm的厚度。当所述衬垫层35的厚度小于0.5mm时，在二次电池单元溶胀的情况下，很快达到衬垫层35的最大压缩率，可能存在衬垫层寿命很快结束的问题，当所述衬垫层35的厚度超过5mm时，存在电池模块100的能量密度降低的问题。
68.根据本发明的隔热膜30可以适当地设置在容纳电池单元组件20的模块的壳体110内需要阻断热和火焰的传播的位置。
69.具体地，如图5所示，所述隔热膜30可以设置在容纳在壳体110内的二次电池单元10与二次电池单元10之间。当任一个二次电池单元10由于贯穿状况、过充电、过放电、高温放置等而生成热和气体从而导致发生热失控或火焰时，通过所述隔热膜30可以防止热失控或火焰转移到相邻的二次电池单元10。
70.在另一个实施例中，如图6所示，所述隔热膜30可以设置在容纳在壳体110内的二次电池单元10的电池单元接头11与二次电池单元10的电池单元接头12之间。通常，二次电
池单元10的电池单元接头11通过激光或超声波等焊接到电极集电体的未涂覆区域。在这样的焊接过程中，根据焊机强度可能会产生大量的热。因此，可以通过所述隔热膜30阻断在所述任一个二次电池单元10的电池单元接头11中产生的热或火焰传播到相邻的电池单元接头11。
71.在另一实施例中，如图7所示，所述隔热膜30可以设置在容纳在壳体110内的二次电池单元10的上部。如图2所示，所述壳体110通常包括冷却板114、前盖112、后盖113以及上盖111，并且容纳二次电池单元10使得电池单元接头11朝向所述前盖112方向。在起火状况下，热、火焰、油分、颗粒等会向所有方向喷出，当向二次电池单元10的上部方向喷出时，被电池模块100的上盖111再次反射并沿着相邻的二次电池单元10或模块100内部的空的空间喷出，这可能会导致另一次热失控。因此，可以将所述隔热膜30设置在位于所述壳体110的上盖111下方的二次电池单元10侧面，以在二次电池单元10起火的状况下阻断向相邻的二次电池单元10的热传播路径。
72.此外，所述隔热膜30可以设置在上述任一位置，也可以同时设置在上述实施例所示位置中的两个以上的位置。在图8中示出设置隔热膜的示意性形态。
73.根据本发明，通过将本发明提供的隔热膜30设置在模块内，可以防止由任一个二次电池单元10中产生的热失控或火焰传播到相邻的二次电池单元，并且可以防止容纳在模块内的所有二次电池单元的功能丧失。
74.实施例
75.以下，通过实施例更详细地描述本发明。然而，以下实施例是用于实施本发明的具体实施例，并非旨在限制本发明。
76.实施例1
77.使用1.0mm厚的二氧化硅片作为隔热膜。
78.如图9所示，在所述隔热膜的一个表面(前表面)使用炬(torch)以1200℃的温度加热的同时，测量所述隔热膜的前表面二氧化硅片和后表面二氧化硅片的温度，并将结果示于表1中。
79.实施例2
80.通过堆叠两个0.5mm厚的二氧化硅片并在所述二氧化硅片之间设置1.1mm厚的聚氨酯泡沫来制造隔热膜。
81.对于获得的隔热膜，以与实施例1相同的方法测量隔热膜的前表面和后表面的温度，并将结果示于表1中。
82.比较例1
83.使用一个0.5mm厚的二氧化硅片制造隔热膜。
84.对于获得的隔热膜，以与实施例1相同的方法测量隔热膜的前表面和后表面的温度，并将结果示于表1中。
85.比较例2
86.通过堆叠两个1.1mm厚的聚氨酯泡沫并在所述泡沫之间设置0.5mm厚的二氧化硅片来制造隔热膜。
87.对于获得的隔热膜，以与实施例1相同的方法测量隔热膜的前表面和后表面的温度，并将结果示于表1中。
88.比较例3
89.通过堆叠两个2.2mm厚的聚氨酯泡沫来制造隔热膜。
90.对于获得的隔热膜，以与实施例1相同的方法测量隔热膜的前表面和后表面的温度，并将结果示于表1中。
91.[表1]
[0092] 前表面温度(℃)后表面温度(℃)实施例11000254实施例21000242比较例11000315比较例21000318比较例31000396
[0093]
由上述表1可知，当包括具有本发明的结构的实施例1和实施例2的隔热膜时，传递小于300℃的热，显着降低热的传播力，但当设置比较例1至比较例3的隔热膜时，被评估为300℃以上的高热传播到隔热膜的背面。通常电解液的碳酸甲乙酯(emc)的沸点为105℃，隔膜在155℃下收缩，在175℃下阳极和阴极发生反应并发生漏气(venting)等，表现出热失控的前兆症状，当袋表面温度达到约300℃时，袋内部温度将达到约175℃，并推测会发生内部短路。因此，根据本发明的实施例1和实施例2可以抑制如上所述的热失控现象。