[0001] 本发明涉及一种用于形成潜热蓄热器的复合材料、包括复合材料的蓄能器、具有蓄能器的车辆、用于生产复合材料的方法和复合材料用于封装蓄能器的用途。

[0002] 潜热蓄热器(latent heat store)是充分已知的且还经常由复合材料制成。潜热蓄热器使用用作存储介质的填充材料的状态的热力学变化的焓。当从固相转变为液相或相反情况发生时，热能被存储或释放。例如，使填充材料(即相变材料)熔融需要大量热能，再次固化后该热能可被释放至环境。可使用盐溶液或链烷烃作为相变材料，可将被称为成核剂的物质加入盐溶液或链烷烃以实现接近熔融温度的结晶。取决于使用的相变材料，熔融温度可在15℃至200℃的范围内。这意味着从固体至液体的相变可以在这个温度范围内在标准条件下(即，在100kPa的压力下)发生。

[0003] 以这种方式配置的潜热蓄热器可用作与技术设备连接的散热器(heat sink，或称为热沉)，例如，以阻止过热和技术设备产生的故障。为了将填充材料(即相变材料)合适地连接至技术设备且为了确保适当的热传递，已知的是将相变材料插在多孔基体材料中。然后相变材料(即填充材料)至少部分地(优选完全地)填充多孔基体材料。除此之外，多孔基体材料的用途也是从建筑技术已知的，例如，通过将相变材料插入作为基体材料的多孔隔热材料。用作潜热蓄热器的这些已知复合材料的缺点在于，当其用作用于技术设备的散热器时，该复合材料不能用于明显高于相变材料的熔融温度的温度。

[0026] 根据本发明的用于形成潜热蓄热器等的复合材料由多孔基体材料和填充材料制成，填充材料插在基体材料的孔中，填充材料为相变材料，相变材料具有在15℃至200℃的范围内的熔融温度，其中基体材料包含具有嵌入酸的石墨。

[0027] 根据本发明，基体材料包含以下物质或由以下物质组成：未膨胀的石墨层间化合物(graphite intercalate，或称为石墨嵌加物)，即被称为石墨盐的物质。基体材料可至少部分地或全部由石墨层间化合物组成。特别地，酸化合物或盐存储在石墨层之间，当达到一定温度时，该酸化合物或盐蒸发，并且通过驱使石墨层分开而导致石墨膨胀。在这种情况下，以基体材料还未以这种方式膨胀的方式配置复合材料。原则上，石墨不是很适于排放热能且不具有足够大以可合理用于插入相变材料的孔隙率；然而，在本文中仍然使用石墨作为基体材料，这是因为可以利用具有嵌入酸的石墨的所述有利性能。当复合材料与技术设备的加热部件接触时，复合材料初始可用作散热器。当相变材料从固体变为液体时，大量热能可以从该部件消散。如果所述部件的加热或温度进展或升高至一点(在该点，通过相变材料消散热能不再是可能的且存在例如部件可能着火或使相邻部件燃烧的风险)时，具有嵌入酸的石墨可膨胀。该膨胀导致部件上形成膨胀层，该膨胀层形成耐火层，切断了大气氧至部件的通道且阻碍气体和烟的产生。因此，该复合材料不仅可有利地用作潜热蓄热器，还可在不期望的温度升高的情况下阻止火灾或至少限制火灾的程度。

[0028] 相变材料可具有在50℃至150℃的范围内的熔融温度。可通过相变材料的合适选择或组合，使相变材料适用于在该范围内的温度。因此，复合材料可容易地适用于各种应用领域。

[0029] 复合材料可具有被选择为如下的质量分数的具有嵌入酸的石墨：使得具有嵌入酸的石墨可在200℃的温度下开始膨胀。除了酸的质量分数之外，石墨的粒径也可改变，这是因为石墨的粒径也可用于调节用于膨胀的起始温度。200℃的起始温度允许在达到危险的着火温度之前很久具有嵌入酸的石墨(即石墨层间化合物)开始及时膨胀。可选地，酸的质量分数可被选择为使得具有嵌入酸的石墨在151℃至230℃的范围内的温度下开始膨胀。

[0030] 复合材料可包含0.5至10％质量的质量分数的具有嵌入酸的石墨，嵌入酸优选为硝酸或硫酸。通过改变复合材料中酸的质量分数，可以以期望的方式影响嵌入式石墨的膨胀率。硝酸或硫酸可为嵌入石墨中的浓硝酸或浓硫酸。嵌入酸可均匀分布在未膨胀的石墨(即石墨层间化合物)中。

[0031] 具有嵌入酸的石墨可表现出50cm3/g至150cm3/g的膨胀率。可选地，具有嵌入酸的3 3
石墨可表现出30cm/g至400cm/g的膨胀率。因此，膨胀后，石墨层间化合物的体积可成倍增加，经膨胀的石墨层间化合物内的填充材料被保留。因此，当石墨层间化合物膨胀时，填充材料也被经膨胀的石墨层间化合物有效围绕且没有被释放到环境中。

[0032] 可将树脂、聚合物和/或短切纤维(short cut fiber，或称为超短纤维)加入基体材料作为添加剂。添加剂可均匀分布在基体材料中。通过加入添加剂，可获得基体材料(并且因此，本质上，复合材料)的期望的强度。如果基体材料基本上由石墨粉末组成，则其可通过树脂例如以这样的方式固化：对复合材料提供结构稳定的形状。另外，可将增强纤维加入基体材料，这不会显著改变基体材料的膨胀，但确实对强度具有有利作用。这类短切纤维可为，例如碳纤维。基体材料可由经膨胀的石墨和具有嵌入酸的石墨组成。有利地，基体材料基本上全部由石墨组成。经膨胀的石墨可为可膨胀的石墨，具有嵌入酸的石墨可与填充材料一起插入可膨胀的石墨的孔中。可选地，可膨胀的石墨也可用作多孔添加剂，该多孔添加剂与填充材料一起被掺和至具有嵌入酸的石墨且被固化。通过具有嵌入酸的石墨的诱导膨胀，可容易地生产经膨胀的石墨或可膨胀的石墨。可膨胀的石墨具有较高孔隙率，该较高孔隙率适用于插入填充材料。石墨可为天然石墨或合成石墨。

[0033] 基体材料可被配置为表现出各向异性的膨胀性能。例如，通过加入大部分与基体材料具有相同空间定向的纤维或短切纤维，可获得各向异性的膨胀性能。当石墨层间化合物膨胀时，其基本上在纤维定向的方向上膨胀。这种各向异性的膨胀性能可有利地适用于与复合材料连接的部件的形状。

[0034] 可选地，相变材料可由有机物质组成，有机物质优选为长链的、支链的或无支链的烃类，或长链烃酸类或聚合的烃单元，特别优选为链烷烃。

[0035] 相变材料可由无机物质组成，无机物质优选为以以下各项为基础的水合盐：锂、钠、钾、镁、钙、铝或铵作为阳离子且硝酸根、硫酸根、碳酸根、乙酸根、氯离子、溴离子、硫代硫酸根、磷酸二氢根、磷酸氢根或磷酸根作为阴离子；特别优选地，可将成核添加剂加入水合盐。加入成核添加剂允许实现水合盐的热可逆的熔融和固化过程。

[0036] 在另一实施方案中，相变材料可由金属物质组成，金属物质优选为镓或具有镓、铟或锡的共晶合金。

[0037] 另外，填充材料可为至少两种相变材料的混合物，其中相变材料可具有不同的熔融温度。由于两个不同温度或在不同温度范围内，复合材料可适用于部件上的重复热曲线且用作散热器。不过，以这种方式还可有效覆盖宽的温度范围。

[0038] 根据本发明的蓄能器被提供有由根据本发明的复合材料制成的外壳(envelope，或称为包层)。蓄能器可为基于碱金属(诸如，锂、钠、钾)或碱土金属(诸如，镁或钙)的蓄能器。在这些类型的蓄能器中，该金属可与大气氧、湿气或水反应，这可引起蓄能器的自发燃烧且在此期间可释放氢气。在充电或放电期间，这样的蓄能器经常大幅变热。通过复合材料的相变材料可有利地消散这个过程中产生的热能。如果蓄能器或蓄电池的温度过热(例如，由超负荷、短路或损坏产生的)，蓄能器或蓄电池可被破坏，在这种情况下，蓄能器的电极材料可被释放且着火。在这种情况下，当超过临界温度时，封装蓄能器或蓄电池的复合材料将将以这样的方式膨胀：使得蓄能器的至少一部分受影响区域或全部被膨胀的石墨层间化合物覆盖，这在蓄能器或蓄电池的表面上形成膨胀层。因此，电极材料不能与大气氧、湿气或水接触，这意味着甚至在火灾发生之前有效阻止了蓄能器的着火或抑制了火灾的扩散。不过，复合材料还可完全保护功能蓄能器免受从外部作用在蓄能器上的火灾的损坏。

[0039] 根据本发明的车辆(该车辆具有电力驱动器)具有根据本发明的蓄能器。车辆的其他有利性能从上述复合材料的描述可明显看出。因为车辆的蓄能器也由于事故而趋向于着火，根据本发明的蓄能器在电动车辆中的用途是特别有利的。

[0040] 在根据本发明的用于生产复合材料(特别是潜热蓄热器等)的方法中，复合材料由多孔基体材料和填充材料制成，填充材料插在基体材料的孔中，相变材料用作填充材料，相变材料具有在15℃至200℃的范围内的熔融温度，基体材料由具有嵌入酸的石墨制成。关于根据本发明的方法的优点，参考根据本发明的装置的优点的描述。

[0041] 在该方法的实施方案中，基体材料可由均匀粉末混合物制成，均匀粉末混合物由具有嵌入酸的石墨与多孔添加剂制成，其中可在模具中将粉末混合物固化为多孔坯体，其中用液相的填充材料浸润坯体，并且由复合材料制成主体。因此，例如，可通过压缩均匀粉末混合物，首先在模具中形成结构稳定的坯体。可将可以以粉末形式存在的石墨层间化合物与多孔添加剂以这样的方式压缩：使得相对于坯体的体积，坯体具有足够的量或比例的孔，孔中可插入填充材料。多孔添加剂可为，例如可膨胀的石墨。可将另一种添加剂(诸如，另一种树脂或另一种合适材料)加入粉末混合物，使得通过使树脂在模具中固化而不需要紧密压缩粉末混合物，可使粉末混合物容易地固化。通过液化填充材料(即相变材料)、通过加热和用相变材料浸润坯体，可基本上填充坯体的孔。可通过例如真空的方式进行浸润。因此获得的由复合材料制成的主体可具有适用于技术设备的部件的形状，通过其热能将被消散且保护其免于着火。

[0042] 根据该方法的另一实施方案，基体材料可由具有嵌入酸的石墨、多孔添加剂和固相的填充材料的均匀粉末混合物制成，其中可在模具中将粉末混合物固化为由复合材料制成的主体。与上文描述的方法的变型不同，填充材料(即相变材料)也处于粉末的形式且与石墨层间化合物和多孔添加剂均匀混合。多孔添加剂可为，例如可膨胀的石墨。通过压缩和/或固化该粉末混合物，可由复合材料制成该主体。因为填充材料无需液化，原则上部件也可用复合材料涂布。可通过另一种添加剂(诸如固化的树脂)使复合材料容易地固化成主体。

[0043] 该方法的其他有利实施方案可从上述复合材料的描述明显看出。

[0044] 当使用根据本发明的由多孔基体材料和填充材料制成的复合材料时，复合材料用于封装蓄能器，填充材料插在基体材料的孔中，填充材料为相变材料，相变材料具有在15℃至200℃的范围内的熔融温度，基体材料包含具有嵌入酸的石墨。关于复合材料的用途的有利作用，参考根据本发明的复合材料的优点的描述。

[0045] 复合材料可用作用于蓄能器的散热器，其中蓄能器的温度可升高，直到超过填充材料的熔融温度并且填充材料从固相变为液相。

[0046] 复合材料还可用作蓄能器的耐火覆盖层，其中蓄能器的温度或蓄能器的直接环境的温度可升高，直到具有嵌入酸的石墨膨胀并且蓄能器上可形成膨胀层。

[0047] 用途的其他有利实施方案可从上述复合材料的描述明显看出。