一种灭火组合物及应用其的电池系统的制作方法

本发明属于灭火，具体地，涉及一种灭火组合物及应用其的电池系统。

背景技术：

1、在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。面对剧烈、突发或者不需要的燃烧引发的火灾，及时控制火势、控制燃烧，降低火灾对人类生命和财产的损失是十分必要的。

2、新能源电池系统在充放电过程中产热量大，在使用过程中易出现热失控引发起火、爆炸等现象，其主要原因是当电池发生过热、短路或受到挤压等情况时，电池的产热和散热出现失衡，诱导电池内部电极材料和电解液发生副反应，产生了大量的可燃、有毒气体。

3、在电池发生热失控后，人们常采用灭火剂扑灭火源，灭火剂能够有效地破坏燃烧条件，降低燃烧物体的温度，减缓火势蔓延。然而，电池的表面温度下降，但电池内部可能仍在持续升温，仅采用灭火剂进行灭火，电池容易复燃。

4、因此，为了解决上述问题，有必要针对于新能源电池热失控的防护，开发一种灭火性能好、避免电池复燃的灭火组合物。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种灭火组合物及应用其的电池系统，该灭火组合物可以起到高效灭火、防止高温热源发生复燃的效果。

2、根据本发明的第一个方面，提供一种灭火组合物，包括灭火剂与温敏材料；灭火剂为具有含氟活性基的氟类灭火剂；温敏材料包括水凝胶聚合物，水凝胶聚合物为n-异丙基丙烯酰胺水凝胶聚合物和/或其改性物；按照质量计算，灭火剂：温敏材料＝1～10:5。

3、在没有发生火情时，即外界环境温度低于灭火组合物的相变温度，则灭火剂与温敏材料均为液态，且灭火剂与温敏材料之间的溶解度较小，易以上下分层的形式共存。当发生火情发生时，灭火剂会吸收大量热量汽化，能够降低着火区域的温度，从而熄灭火焰。火焰的燃烧过程涉及复杂的链式反应，活性自由基能不断催化燃烧反应，而本方案采用的灭火剂均为具有含氟活性基的氟类灭火剂，含氟活性基会与火焰中的活性自由基相结合，形成不活跃的化合物，从而中断了燃烧的链式反应，使火焰无法持续燃烧。但是灭火剂在汽化后容易被流动的烟气席卷离开着火区域，使火焰容易复燃。因此，本方案还采用了温敏材料进行灭火，温敏材料是一种环境响应型高分子材料，对环境温度的变化敏感，该温敏水凝胶在低温下为液态，高温时凝聚成凝胶状物质，这种状态的变化随温度可逆。液态的温敏材料更便于保存，也便于被释放到高温热源表面，进而温敏材料吸热转变为凝胶状。而凝胶状的温敏材料可以能够粘附于高温热源的表面，通过热传递降低热源的温度，不仅能进一步吸热，还可以在高温热源表面形成一层不易滑脱的散热隔火贴，起到隔绝空气与高温热源的直接接触的效果，达到隔火防复燃的目的。并且，当灭火剂与温敏材料的质量比落在上述范围内时，制得的灭火组合物同时具有优秀的灭火性能与防复燃性能，若灭火剂用量过少，则灭火组合物的灭火性能不足，若温敏材料的用量过少，则高温热源容易复燃、再次发生火情。综上，采用本方案提供的灭火组合物进行灭火，不仅可以利用灭火剂吸热汽化的物理手段与阻断燃烧链式反应的化学手段，还可以利用温敏材料相变后的凝胶状物质隔绝火源的物理手段，进一步防止复燃，做到有效控制火势，减缓火势蔓延，防止复燃，从而达到完全扑灭火焰的目的。其次，由于上述灭火组合物的温感响应温度可以低至90～100℃，而电池中电解液与活性材料开始大量发生副反应引发热失控的起始温度一般在100℃以上，因此本产品还可应用在电池热失控的安全防护中，当电池温度过高时，灭火组合物就发挥作用、有效降低电池的热量，实现散热，并且可以避免电池因环境温度上升引起的起火爆炸。

4、优选地，水凝胶聚合物的低临界溶解温度在70℃以上。温敏材料从液态转变为凝胶的温度范围被称为体积相转变温度(vptt)，在vptt中最低的温度值被称为低临界溶解温度(lcst，lower critical solution temperature)。一般的温敏材料的低临界溶解温度为40～60℃，而当选用低临界溶解温度为在70℃以上的温敏材料制备灭火组合物时，该温敏材料可与灭火剂的汽化灭火温度相搭配：当发生火情时，随着外界环境温度的上升，灭火组合物中的氟类灭火剂(汽化温度为50～90℃)会率先汽化，对火源进行灭火，接着温敏材料再以液态被释放到高温热源表面，并在高温热源表面转变为凝胶状物质，防止高温热源再次复燃。其次，该灭火组合物可以应用在动力电池热失控的安全防控中，动力电池的热失控温度一般为80～100℃，该热失控温度与温敏材料的低临界溶解温度相匹配：当动力电池发生热失控现象时，动力电池的温度高于温敏材料的低临界溶解温度，从而确保释放到动力电池表面的温敏材料能够发生相变，及时隔断火势蔓延，防止火势由单点着火迅速发展为整体着火，避免更多动力电池发生热失控现象。

5、优选地，水凝胶聚合物的低临界溶解温度为70～95℃。

6、优选地，温敏材料为水凝胶聚合物的水溶液，温敏材料中水凝胶聚合物的浓度不小于0.5wt％；且温敏材料满足：在95℃以上时，温敏材料的黏度≥4000mpa·s；在55℃以下，温敏材料的黏度≤1000mpa·s。选用不同浓度的水凝胶聚合物水溶液作为温敏材料，温敏材料的黏度也有所不同，随着水凝胶聚合物的浓度增大，温敏材料在相同条件下测得的黏度也随之增大。当温敏材料满足在55℃以下，黏度≤1000mpa·s的条件时，说明在55℃以下的温度里，温敏材料具有优秀的流动性，可以从顺利地被释放到高温热源表面，从而拓宽对高温热源的覆盖、粘附范围，并且吸收热源的热量、转变为凝胶状物质，其次温敏材料吸收了热源表面的热量，也可以避免热源进一步升温转变为火源。其次，当温敏材料在其低临界溶解温度以上时，已转变为凝胶状物质的温敏材料的黏度大于等于4000mpa·s，则此时温敏材料的流动性较差，可以较好地粘附在高温热源表面，不易从热源表面直接流失，从而有效隔绝空气与热源的接触，达到进一步降低火源复燃的可能性。

7、优选地，水凝胶聚合物为丙烯酸改性n-异丙基丙烯酰胺水凝胶聚合物，丙烯酸改性n-异丙基丙烯酰胺水凝胶聚合物的制备包括以下步骤：s1.配制得到ph为6.5～7.5的丙烯酸钠水溶液，丙烯酸钠水溶液中的丙烯酸钠含量为5wt％～15wt％；s2.将n-异丙基丙烯酰胺溶于水配成n-异丙基丙烯酰胺水溶液，n-异丙基丙烯酰胺水溶液中的n-异丙基丙烯酰胺含量为5wt％～15wt％；s3.按照丙烯酸钠：n-异丙基丙烯酰胺＝1.3：5～12的质量比取丙烯酸钠水溶液和n-异丙基丙烯酰胺水溶液，接着在惰性气氛的保护下，向n-异丙基丙烯酰胺水溶液中加入丙烯酸钠水溶液、交联剂、引发剂、交联促进剂，混合均匀，由此得到反应底液；s4.加热反应底液至75～95℃的温度，保温，制得水凝胶聚合物。

8、通过上述制备方法制得的水凝胶聚合物的化学结构中具有较多氢键，而当环境温度高于或等于lcst时，氢键遭到破坏，疏水基团的疏水缔合作用增强，水分子被排出，则水凝胶聚合物转变为凝胶态。采用上述方法制得的水凝胶聚合物作为温敏材料，令温敏材料与灭火剂相容性佳，相互不发生反应，从而提升灭火组合物的储存稳定性。并且该制备方法操作简便、条件温和，有利于大规模生产制备。其次，通过调节丙烯酸钠水溶液与n-异丙基丙烯酰胺水溶液的投料质量比、浓度，可以调节水凝胶聚合物的低临界溶解温度。当满足上述特定投料质量比、浓度时，制得的水凝胶聚合物的低临界溶解温度为在70℃以上，从而与灭火剂搭配效果更佳，提升灭火组合物的灭火性能与防复燃性能。

9、优选地，水凝胶聚合物的数均分子量为25～50万道尔顿。

10、优选地，氟类灭火剂包括全氟己酮、全氟丁基甲醚、甲基九氟丁醚、乙基九氟异丁基醚、五氟丁烷、十氟-3-甲氧基4-(三氟甲基)-戊烷中的至少一种。首先，上述种类的氟类灭火剂具有优秀的灭火性能、对火源的灭火速度快、效率高，且灭火时对火源造成的损坏较小。其次，上述氟类灭火剂与温敏材料之间的相溶小，则可以避免氟类灭火剂与温敏材料之间相互稀释的情况，从而提升灭火组合物的储存稳定性。

11、优选地，氟类灭火剂为全氟己酮。全氟己酮是一种绿色环保、灭火效率高的灭火剂，通过全氟己酮汽化灭火，可以最大程度降低火灾损失，并且在灭火过程中还能避免对着火物体造成二次伤害。并且全氟己酮的汽化温度小于温敏材料的lcst，更有利于灭火组合物的灭火降温。

12、优选地，还包括表面活性剂，表面活性剂选自氟碳表面活性剂、十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、月桂醇硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、壬基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦、聚乙烯醇中的至少一种。在灭火组合物中加入表面活性剂，有利于灭火组合物的起泡，令温敏材料在灭火时形成泡沫凝胶，相较于一般的凝胶，泡沫凝胶更有利于大面积覆盖着火区域。

13、优选地，表面活性剂包括氟碳表面活性剂，氟碳表面活性剂为c8类直链型氟碳表面活性剂。

14、优选地，c8类直链型氟碳表面活性剂选自全氟辛烷磺酸盐、全氟辛酸中的至少一种。

15、优选地，还包括阻燃剂聚磷酸铵。向灭火组合物中引入阻燃剂，可以进一步提升灭火组合物的阻燃性能。

16、优选地，阻燃剂聚磷酸铵的聚合度为30～50。

17、根据本发明的第二个方面，提供一种电池系统，电池系统包括电池组与上述灭火组合物。随着经济的快速发展和现代科学技术的进步，动力电池行业对锂离子电池的安全性要求也水涨船高。动力电池容易发生热失控，而灭火组合物的灭火温度与动力电池热失控的温度接近，因此上述灭火组合物适用于对动力电池进行灭火降温，并且降低动力电池再次复燃的可能性。本发明提供的电池系统，将上述灭火组合物应用在动力电池热失控的安全防控中，不仅灭火作用强，且可以有效防止电池组复燃。