用于防止热失控传播的装置和方法与流程

1.本发明总体上涉及防止电池组中的热失控，更具体地，涉及用于减少或消除电池组中热失控的装置、材料和方法。


背景技术：

2.多单元电池组的单个电池单元过热会产生导致电池组中相邻电池单元过热的多米诺骨牌效应。此外，电池电解质例如含有锂盐材料的有机溶液的释放会导致燃烧，这会增加额外电池过热的可能性。一直需要电池组中防止热失控传播。


技术实现要素：

3.本发明的一般目的是减少或消除电池模块的电池单元之间的热失控。本发明的一般目的，至少部分地可以通过用于包括多个电池单元和与电池单元组合的蒸汽释放材料的电池组的热传播防止装置和方法来实现。释放的蒸气会熄灭任意火焰、减少热量和/或稀释任意释放的电池化学物质。
4.本发明的实施例包括传播抑制器（propagation arrestor），其配置成覆盖多个电池单元中的至少一个。传播抑制器包封电解质稀释剂材料，该电解质稀释剂材料被配置为在热或电场下从多个电池单元中的至少一个的破裂释放蒸汽。蒸汽理想地稀释从多个电池单元中的至少一个电池单元释放的电解质。在本发明的实施例中，复合阵列例如包括吸热微封装相变材料，配置在多个电池单元周围和之间，并且传播抑制器在复合阵列的一侧或多侧上在多个电池单元上延伸。
5.在本发明的实施例中，电解质稀释剂材料包括水凝胶或超吸收聚合物材料。水凝胶或超吸收聚合物理想地是或包括液体负载的超吸收材料。液体可以是水，包括任何所需的添加剂，例如用于中和电解质。蒸汽来自加热的水凝胶或超吸收剂的蒸发相变释放。
6.在本发明的实施例中，传播抑制器在多个电池单元中的每一个的终端上延伸。传播抑制器包括面向多个电池单元的一个或多个开口。开口可包括网状盖，例如不锈钢网，以保持电解质稀释剂材料并允许电解质进入传播抑制器。传播抑制器还可以包括释放开口，该释放开口被配置为将稀释的电解液释放到电池组的周围环境。
7.本发明还包括一种电池组，该电池组包括多个电池单元，每个电池单元包括电解质材料，以及在多个电池单元上方延伸的传播抑制器。传播抑制器包封电解质稀释剂材料，该电解质稀释剂材料被配置为在热量或电场下从多个电池单元中的一个或多个的破裂释放电解质稀释蒸气。可破裂容器可用于进一步封装液体负载材料。
8.本发明还包括一种抑制破裂电池单元的方法。该方法包括将热能和电解质从破裂电池单元导向储存的液体（例如，水凝胶或超吸收聚合物）；用热能加热和蒸发储存的液体；并从储存的液体中释放蒸汽以稀释电解质。优选地，该方法还包括将稀释的电解质释放到周围环境的步骤。
9.本发明的实施例还可包括致动机构，其被配置为施加热量或电场以使电解质稀释
剂材料破裂。致动机构可并入或与电池控制或监测系统结合以检测电池故障并释放电解质稀释剂。致动机构可以包含与电解质稀释剂材料结合的加热元件或电场产生元件，例如使任何密封膜/包装破裂和/或引起直接的物理吸收性聚合物变化。
10.通过结合所附权利要求和附图进行以下详细描述，其他目的和优点对本领域技术人员来说是显而易见的。
附图说明
11.图1示出了本发明一实施例的电池模块的立体局部剖视图。
12.图2示出了本发明一实施例的电池模块的立体局部剖视图。
13.图3示出了本发明一实施例的电池模块的立体图。
14.图4示出了图3的模块的剖视图。
15.图5示出了本发明另一实施例的电池模块的剖视图。
16.图6示出了本发明另一实施例的电池模块的局部剖视图。
具体实施方式
17.本发明提供一种用于抑制电池组热失控的装置和方法。本发明结合了含水的吸收性材料，该材料通过液-气相变吸收电池失效的热能。在本发明的实施例中，电池组中的电池单元(例如，锂离子电池单元)与液-气相变材料或其容器接触，通常直接接触。该材料将热量散布到整个包装中，避免了可能引发额外故障的热点。此外，相变材料优选为电解质稀释剂，由此从吸收的相变材料释放的液体和/或蒸汽理想地用于熄灭火焰和/或稀释从失效电池释放的电解质。
18.在本发明的实施例中，电解质稀释剂和/或相变材料是水凝胶或超吸收聚合物材料或其他负载液体的吸收性材料，例如任何合适的水凝胶聚合物或超吸收聚合物(sap)。示例性的亲水性或吸水性聚合物材料包括但不限于聚丙烯酸，例如丙烯酸和盐的丙烯酸共聚物。合适的材料包括聚丙烯酸的碱金属盐；聚丙烯酰胺；聚乙烯醇；乙烯马来酸酐共聚物；聚乙烯醚；羟丙基纤维素；聚乙烯吗啉酮（polyethylene molinone）；乙烯基磺酸、聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡啶的聚合物和共聚物等。其他合适的聚合物包括水解丙烯腈接枝淀粉、丙烯酸接枝淀粉、羧甲基纤维素、异丁烯马来酸酐共聚物、以及它们的混合物。其他合适的聚合物包括无机聚合物，例如聚磷腈等。
19.相变材料可以负载有水或任何合适的蒸发液体。材料或液体可包括添加剂或附加材料，例如水解盐，用以改善吸热。
20.本发明的电解质稀释剂和/或相变材料可以以任何合适的结构或配置与电池组和电池结合，这取决于需求、电池组/电池单元的阵列配置、所需的量等。相变材料可以是例如松散和/或微囊化粉末，结合在复合材料或阵列结构中，和/或结合在袋或片中。液-气相变材料也可以与其他已知的相变材料结合使用，例如可熔（固-液）材料，包括微囊化蜡材料。
21.图1示出了根据本发明一实施例的电池单元阵列20。单元22被复合阵列结构24包含并且至少部分地被复合阵列结构24包围。结构24可以是任何合适的材料。例如，结构24可以包括具有松散堆积的相变材料(例如，微囊化粉末)的外壳26。结构24也可以是由各种筛网或泡沫材料形成的格状构件，例如石墨泡沫和金属泡沫，例如泡沫铝，尤其是这种泡沫的
开孔形式，例如，其中多孔材料包括或含有本发明的液-气相变材料。多孔材料可另外包括或包含额外的相变材料，例如微囊化蜡，用于在正常（故障前）电池使用期间的温度调节。
22.图2示出了根据本发明的一个实施例的电池组30的另一实施例。平面电池单元 32 由平面相变材料“薄片”34 堆叠和分隔，全部位于外壳 36 内。薄片 34 可以是复合晶格材料，例如图 1中所描述的，或包含相变材料的袋或其他气囊/容器。该袋理想地是可破裂的或可排气的以释放作为电解质稀释剂的蒸汽。
23.在本发明的另外的实施例中，将液-气相变材料掺入柔性机织或其他织物复合材料中，例如美国专利10,005,941中所述，该专利以引用方式并入本文。
24.图3和4示出了另一个实施例，其中电池模块40包括传播抑制器50。电池模块包括六个电池单元42，封装在基体(matrix)44中，例如上述任何基体，集电器46与电池单元42的终端48配合。传播抑制器50理想地覆盖一个或多个电池单元的终端(例如，正极终端)。传播抑制器的放置和配置可以根据电池模块40的尺寸、形状和配置而变化。
25.如图4所示，传播抑制器50包含或包封电解质稀释剂材料52(例如，水凝胶或超吸收聚合物)，该电解质稀释剂材料52被配置为在来自多个电池单元中至少一个电池单元的破裂的热量下释放蒸汽。传播抑制器50包括在面向电池单元42的一侧上的开口54，破裂电池的副产物(例如，热、稀释的电解质等)可以通过该开口。图4中示出了单个开口54。或者，每个单元或单元集合可具有单独且对应的开口。可以在开口54上方包括诸如钢、玻璃纤维、芳纶等的网状物56，以将电解质稀释剂材料52固定在传播抑制器50内，同时允许破裂副产物通过。
26.在本发明的实施例中，电解质稀释剂材料52是传播抑制器的腔室内的松散颗粒或其他形式，并由网状物56保持在其中。可熔化或以其他方式可破裂的膜可包含在网状物上，以避免在电池正常使用过程中过早蒸发。在其他实施例中，袋子围绕并包封传播抑制器内的电解质稀释剂材料。袋最好被密封以保持材料并避免蒸发。在使用过程中，如果发生热失控，电解质稀释剂通过吸收热能、分解和/或从相变中释放水蒸汽而起到热熔断器的作用，其由于极高的蒸发潜热（对蜡来说，~3,600 j/g vs ~最高240/j/g）将淬灭失效的电池。
27.无论是在袋中、微封装的或以其他方式包含在传播抑制器中，从电解质稀释剂的吸收材料释放的蒸汽稀释了从失效电池排放到传播抑制器中的电解质，并合乎需要地防止其燃烧。在本发明的实施例中，电解质稀释剂的液相还包括用于中和电解质的添加剂。内部容纳结构，例如小袋，可以包括破裂区域，例如包括薄弱线或薄弱区域，其在特定方向例如朝向电池单元引导破裂。
28.在本发明的进一步实施例中，例如图3和4中所示，传播抑制器包括压力释放开口58，以将蒸汽/电解质混合物安全地释放到电池模块和传播抑制器外部的环境中。开口58可以是可破裂的或包括任何合适的阀结构。
29.可以理解的是，传播抑制器及其组件可以使用各种尺寸、形状和配置，例如取决于需求以及电池模块和/或电池单元的组件和配置。例如，图5示出了电池模块140，其中传播抑制器150被分成单独的抑制器室155，每个用于一个电池单元或电池单元的子集(例如，对)。分开的抑制器室进一步限制了电池破裂副产物向相邻电池的扩散，以减少或消除热失控。每个抑制器室 155 可包括压力释放开口 158，或可选地包括通道结构或歧管 180，用以从模块 140 收集和引导所述蒸汽/电解质混合物到预定位置和方向上的公共出口。
30.图6示出了根据本发明另一实施例的电池模块系统，其中电池模块240包括传播抑制器250。电池模块包括六个电池单元242，封装在基体244中，例如上述任何基体，集电器246与电池单元242的末端248配合。传播抑制器250包含或包封电解质稀释剂材料252（例如，水凝胶或载有液体的超吸收聚合物），该电解质稀释剂材料252被配置为在加热下释放蒸汽。传播抑制器250包括在面向电池单元242的一侧上的开口254，破裂电池的副产物(例如，热、稀释的电解质等)可以通过该开口。钢网256包括在开口254上，以将电解质稀释剂材料252固定在传播抑制器250内，同时允许破裂副产物和/或电解质稀释剂蒸汽通过。
31.图6进一步示出了与传播抑制器250和/或电解质稀释剂材料252触发配合的电池管理系统(bms)260。bms可以与本文示出的任何实施例一起使用。bms 260包括控制策略或算法，其作为软件编码指令存储在可记录介质上，以释放或以其他方式触发在破裂时电解质稀释剂材料252，完全或加速该过程。在本发明的实施例中，bms 260可以施加热量以释放电解质稀释剂材料252。作为示例，bms 260可以通电连接到加热或可加热元件以释放或加速电解质稀释剂材料252的释放。另一个实施例，bms 260在电解质稀释剂材料252周围施加电场以引起或加速蒸汽释放。热和/或电场可以，例如，使包封电解质稀释剂材料252的任何膜破裂或打开电解质稀释剂网状材料252的孔结构。bms 260可以连接到传播抑制器250和/或电解质稀释剂材料252内的加热元件和/或电极。如图6所示，bms 260连接到其也用作加热元件或电极的网状物256。具有加热元件或场产生电极穿过传播抑制器250可以帮助确保蒸汽穿过整个电解质稀释剂材料252更快且完全释放。根据需要，加热元件或电极可以放置在传播抑制器内的任何位置或配置。
32.因此，本发明提供一种用于抑制电池组中的热失控的装置和方法。可以将充水的超吸收剂或其他水凝胶或超吸收聚合物封装或以其他方式封装在电池组附近以吸收热能和/或稀释电解质释放，从而防止失效的电池单元引发进一步的失效。
33.此处说明性公开的本发明可以在存在此处未具体公开的任何元件、部分、步骤、组件或成分的情况下适当地实施。
34.虽然在前面的详细说明中，本发明已经通过其某些优选实施例进行了描述，并且为了说明的目的已经阐述了许多细节，但是对于本领域技术人员来说，显而易见的是，本发明可以有附加的实施例，并且在不脱离本发明的基本原理的情况下，此处描述的某些细节可以有很大的变化。本发明的权利要求包括在此描述、建议、参考、举例说明或示出的任何、一些或所有新颖性特征，以及相应的系统、组件和其他设备，以及相关的制造和实施方法。