一种电池热失控烟气处理装置和电池的制作方法

1.本发明属于电池领域，具体涉及一种电池热失控烟气处理装置和电池。


背景技术：

2.锂离子电池的应用领域十分广泛，近年来随着锂离子电池储能领域的进一步发展，锂离子电池的安全使用也受到关注。由于锂离子电池的原理和结构特性，在反复使用过程中常因内阻发热产生较大热量，而且热量会逐渐增加，如果堆积的热量没有得到有效散发，温度则会进一步升高，当温度达到极限时，电池的热平衡则会被破坏，引发一连串的自加热副反应，产生大量的可燃气体，出现“热失控”现象，最终会导致电池内部着火，严重时引发爆炸，产生安全隐患。
3.中国专利申请cn215496894u公开了一种用于抑制电池热失控的电池箱、电池包和车辆，该电池箱包括箱体，所述箱体内设置有用于安装电池模组的安装腔，所述安装腔内设置有多个用于分隔电池模组的横梁，所述横梁的侧面设置有防火垫。该电池箱能够阻隔模组侧板间热传递，有效抑制了电池模组之间的热失控蔓延。但是，该装置并不能处理已经发生热失控的热失控烟气。
4.中国专利申请cn108417757a公开了一种安全型锂电池及其制备方法，该锂电池包括电芯和安全防爆装置，所述安全防爆装置为物料袋，所述物料袋内部设置有气体吸附体，所述气体吸附体为活性炭、分子筛或活性炭与分子筛的混合物，该混合物能够直接对电池喷出的高温物质直接进行吸附。但是采用如活性炭、分子筛等吸附物质吸附时，吸附物质的温度越高其吸附效果越差，如活性炭对气体物质的吸附温度在50℃以下，而电池热失控时喷出气体的温度一般高于300℃，在这一温度下活性炭将失去对气体物质的吸附功能，反而对其吸附的物质有脱附功能。同时，虽然这一温度下吸附物质能吸收气化的电解液，但无法吸附电池热失控时产生的氢气、一氧化碳、甲烷等可燃气体，这些可燃气体仍然发生爆炸的危险。


技术实现要素：

5.为解决现有电池热失控烟气处理方式处理不彻底以及存在安全隐患的问题，本发明提供一种电池热失控烟气处理装置和电池。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是：
7.一种电池热失控烟气处理装置，包括冷却单元、稀释单元和混合装置；所述冷却单元包括n个串联的冷却装置，所述冷却装置内填充有第一冷却物质，用于对热失控烟气进行冷却处理，n为大于等于1的整数；所述稀释单元用于产生稀释气体和/或稀释烟雾，该稀释气体和/或稀释烟雾与冷却处理后的热失控烟气在混合装置内混合，以降低热失控烟气中可燃气体的浓度，使其不可燃烧。
8.进一步地，所述稀释单元包括稀释装置和感应开关，所述稀释装置内设置有气溶胶发生剂，所述感应开关在感应到热失控烟气后启动稀释装置，使得稀释装置产生气溶胶
烟雾，所述气溶胶烟雾与冷却处理后的热失控烟气在混合装置内混合。
9.进一步地，所述感应开关为流量开关。
10.进一步地，所述稀释装置和/或混合装置内还设置有第二冷却物质，用于对稀释气体、稀释烟雾和/或混合后的气体进行冷却。
11.进一步地，所述第一冷却物质为物理冷却物质，所述第二冷却物质为物理冷却物质和/或化学冷却物质。
12.进一步地，所述物理冷却物质为陶瓷球、蜂窝陶瓷体、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛中的至少一种，所述化学冷却物质为金属碳酸盐、碱式碳酸盐中的至少一种。
13.进一步地，相邻的冷却装置通过软管或弯管串联，所述软管或弯管内形成热失控烟气通过的缓冲回流腔。
14.进一步地，还包括吸附单元，所述吸附单元包括至少一个吸附装置，所述吸附装置设置在第n个冷却装置的出口端，其内部设置有吸附物质，用于对冷却处理后的热失控烟气进行吸附处理，吸附处理后的热失控烟气、稀释气体和/或稀释烟雾在混合装置内混合。
15.进一步地，所述吸附物质为活性炭、石墨、氧化铝、蒙脱石、硅酸盐、磷酸盐、多孔玻璃中的一种或多种的组合。
16.进一步地，所述混合装置的出口处还连接有气体收集袋，用于收集处理过的热失控烟气。
17.同时，本发明还提供一种电池，包括上述的电池热失控烟气处理装置。
18.和现有技术相比，本发明技术方案具有如下优点：
19.本发明提供的电池热失控烟气处理装置中，先通过冷却物质对热失控烟气进行冷却处理，高温挥发出的电解液小液滴经过冷却物质冷却回流到回流腔中，随后稀释单元产生稀释气体和/或稀释烟雾，该稀释气体和/或稀释烟雾与冷却处理后的热失控烟气在混合装置内混合，从而降低热失控烟气中可燃气体的浓度和比例，使其不可燃烧，该装置对电池热失控烟气的处理更加彻底，确保出气口出来的气体不可燃烧，使得电池的安全性大幅提升。
20.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
21.图1为本发明实施例1中电池热失控烟气处理装置的结构示意图；
22.图2为本发明实施例1中电池热失控烟气处理装置的局部放大结构示意图；
23.图3为本发明实施例2中电池热失控烟气处理装置的结构示意图；
24.图4为本发明实施例3中电池热失控烟气处理装置的结构示意图。
25.附图标记：1-冷却装置，2-稀释装置，3-混合装置，4-感应开关，5-弯管，6-吸附装置，7-气体收集袋。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护
范围。
27.大容量电池热失控的高温烟气中，可燃气体主要为氢气、一氧化碳、甲烷等，可燃气体的占比大于50％。由于氢气分子量小，吸附相对困难，需要大量吸附物质。基于此，本发明提供一种电池热失控烟气处理装置，该装置主要包括冷却单元、稀释单元和混合装置；冷却单元包括多个串联的冷却装置，冷却装置内填充有第一冷却物质，用于对热失控烟气进行冷却处理；稀释单元用于产生稀释气体和/或稀释烟雾，该稀释气体和/或稀释烟雾与冷却处理后的热失控烟气在混合装置内混合。该装置主要对电池热失控产生的高温烟气进行冷却、吸附和稀释，使得高温挥发出的电解液小液滴经过冷却物质冷却回流到回流腔体中，同时，将冷却后的烟气与稀释气体和/或稀释烟雾进行混合，从而降低热失控烟气中可燃气体的浓度，使其不可燃烧，电池的安全性大幅提高。
28.上述稀释单元的结构可为多种，只要能够产生稀释气体和/或稀释烟雾，将热失控烟气中可燃气体的浓度降低即可。例如，稀释单元主要包括稀释装置和感应开关，稀释装置内设置有气体发生剂，感应开关在感应到热失控烟气后启动稀释装置，使得稀释装置内的气体发生剂产生稀释气体，该稀释气体可为二氧化碳等不燃烧气体，也可为氮气等惰性气体，只要能够对热失控烟气进行稀释即可，该稀释气体与冷却处理后的热失控烟气在混合装置内混合。当然，该稀释单元也可为外接气源，外接气源中的气体进入混合装置内与热失控烟气混合，从而对热失控烟气进行稀释。再例如,稀释单元主要包括稀释装置和感应开关，稀释装置内设置有气溶胶发生剂，感应开关在感应到热失控烟气后启动稀释装置，使得稀释装置产生气溶胶烟雾，该气溶胶烟雾与冷却处理后的热失控烟气在混合装置内混合。该气溶胶发生剂可为s型气溶胶灭火剂或k型气溶胶灭火剂，主要是由氧化剂、还原剂、粘合剂、添加剂组成的固体混合物。上述感应开关感应到气流后启动稀释装置，稀释装置释放的气溶胶烟雾与热失控烟气充分混合，降低可燃气体浓度至其不可燃烧。
29.热失控气体通过以上处理后，热失控烟气中的电解液、可燃性气体和酸性气体被尽可能的吸附、稀释和处理，确保处理后的气体不可燃烧，提高了电池的安全性。
30.实施例1
31.如图1和图2所示，本实施例提供的电池热失控烟气处理装置包括冷却单元、稀释单元和混合装置3；冷却单元包括8个串联的冷却装置1，冷却装置1内填充有第一冷却物质，第一冷却物质为物理冷却物质，具体可为陶瓷球、蜂窝陶瓷体、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛中的至少一种，能够对热失控烟气进行冷却处理。稀释单元包括稀释装置2和感应开关4，该感应开关4具体可为流量开关。稀释装置2设置在第8个冷却装置1的上方。第8个冷却装置1的出口通过旁路管道与稀释装置2的出口连通，感应开关4此时可设置在旁路管道上。稀释装置2内设置有气溶胶发生剂，感应开关4在感应到热失控烟气后启动稀释装置2，使得稀释装置2产生气溶胶烟雾，该气溶胶烟雾与冷却处理后的热失控烟气在混合装置3内混合，从而降低热失控烟气中可燃气体的浓度，使其不可燃烧。
32.本实施例中，对冷却装置1和稀释装置2的形状不进行限定，只要能够在其内部填充冷却物质和气溶胶发生剂即可，其优先采用受力、耐压性较好的圆形罐体。相邻的冷却装置1通过弯管5或软管串联，弯管5内形成烟气的缓冲回流腔。每个冷却装置1内设置有2个多孔板，2个多孔板通过两端设有螺纹的连接杆轴向连接，即连接杆的两端分别穿过多孔板通过螺母固定,第一冷却物质填充在相邻的两个多孔板中。稀释装置2为圆形罐体结构，其内
部填充有气溶胶发生剂，气溶胶发生剂的顶部设置有点火装置，当冷却后的热失控烟气经过感应开关4时，点火装置启动，气溶胶发生剂被点燃，产生气溶胶烟雾，该气溶胶烟雾与冷却后的热失控烟气在混合装置3内混合，使可燃气体的浓度的降低，使其不可燃烧，进而避免发生安全事故。
33.实施例2
34.如图3所示，本实施例提供的电池热失控烟气处理装置包括冷却单元、稀释单元和混合装置3；冷却单元包括8个串联的冷却装置1，冷却装置1内填充有第一冷却物质。稀释单元包括稀释装置2和感应开关4，该感应开关4具体可为流量开关。稀释装置2设置在第8个冷却装置1的上方。第8个冷却装置1的出口通过旁路管道与稀释装置2的出口连通，感应开关4此时可设置在旁路管道上。稀释装置2内设置有气溶胶发生剂，感应开关4在感应到热失控烟气后启动稀释装置2，使得稀释装置2产生气溶胶烟雾，该气溶胶烟雾与冷却处理后的热失控烟气在混合装置3内混合，以降低热失控烟气中可燃气体的浓度，使其不可燃烧。同时，还可在稀释装置2和/或混合装置3内设置有第二冷却物质，用于对稀释气体、稀释烟雾和/或混合后的气体进行再次冷却。该第一冷却物质为物理冷却物质，第二冷却物质为物理冷却物质和/或化学冷却物质。上述物理冷却物质为陶瓷球、蜂窝陶瓷体、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛中的至少一种，化学冷却物质为金属碳酸盐、碱式碳酸盐中的至少一种。例如，碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸锰、碱式碳酸镁、碱式碳酸铜、粘合剂为羟乙基纤维素等材料或者复配材料。
35.本实施例中，对冷却装置1和稀释装置2的形状不进行限定，只要能够在其内部填充冷却物质和气溶胶发生剂即可，优先采用受力、耐压性较好的圆形罐体。相邻的冷却装置1通过弯管5或软管串联，弯管5内形成烟气的缓冲回流腔。每个冷却装置1内设置有2个多孔板，2个多孔板通过两端设有螺纹的连接杆轴向连接,第一冷却物质填充在相邻的两个多孔板中。稀释装置2为罐体结构，其内部填充有气溶胶发生剂，该气溶胶发生剂为冷气溶胶灭火剂，经气流分散固/液微粒生成气溶胶烟雾。当冷却后的热失控烟气经过感应开关4时，气溶胶发生剂产生气溶胶烟雾，该气溶胶烟雾与冷却后的热失控烟气在混合装置3内混合，使可燃气体的浓度的降低，使其不可燃烧，从而可以避免发生安全事故。此外，也可对气溶胶烟雾进行冷却后与冷却后的热失控烟气在混合装置3内混合，或者直接对稀释后的混合烟气进行冷却，避免温度过高产生二次灾害。
36.如图3所示，在本实施例中，在混合装置3的烟气出口处还连接有气体收集袋7，用于收集处理过的电池热失控烟气，这样避免了电池因为热失控中可燃气体泄露而导致的爆炸、着火等二次灾害。
37.实施例3
38.如图4所示，本实施例提供的电池热失控烟气处理装置包括冷却单元、吸附单元、稀释单元和混合装置3；冷却单元包括6个串联的冷却装置1，冷却装置1内填充有第一冷却物质，吸附单元包括2个吸附装置6，2个吸附装置6可串联设置在第6个冷却装置1的出口端，其内部设置有吸附物质，吸附物质可为活性炭、石墨、氧化铝、蒙脱石、硅酸盐、磷酸盐、多孔玻璃中的一种或多种的组合。稀释单元包括稀释装置2和感应开关4，感应开关4为流量开关。稀释装置2设置在第2个吸附装置6的上方。第2个吸附装置6的出口通过旁路管道与稀释装置2的出口连通，感应开关4可设置在旁路管道上。稀释装置2内设置有气溶胶发生剂，感
应开关4在感应到热失控烟气后启动稀释装置2，使得稀释装置2产生气溶胶烟雾，该气溶胶烟雾与冷却处理后的热失控烟气在混合装置3内混合。本发明首先对热失控烟气进行冷却处理和吸附处理，随后，吸附处理后的热失控烟气与稀释气体和/或稀释烟雾在混合装置3内混合，以降低热失控烟气中可燃气体的浓度，使其不可燃烧。
39.在本实施例中，稀释单元或混合装置3内还设置有第二冷却物质，用于对稀释气体和/或稀释烟雾或混合后的气体进行冷却。第一冷却物质和第二冷却物质为物理冷却物质。物理冷却物质为陶瓷球、蜂窝陶瓷体、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛中的至少一种。本发明在冷却物质和吸附材料合适的用量组合下，其排放到环境中的少量气体可以达到无色无味不燃的效果，从而避免了电池因为热失控导致的爆炸、着火等二次灾害，也降低了对环境的污染。由于本发明装置采用物理冷却的材料对电池热失控时喷出的物质进行降温，这类物质降温效果较好，性质稳定，更重要的是无气体产生，因此使得的后续的吸附材料吸附时的用量及吸附负荷大大降低。
40.本发明提供的电池热失控烟气处理装置中，相邻的冷却装置1和吸附装置6通过弯管5进行组装，使得其安装和拆卸方便，适用于现有大部分单体电池和组装电池，且无需对现有电池的结构进行更改，处理成本较低，适用范围较广。
41.实施例4
42.本实施例提供一种电池，包括上述实施例1、实施例2或实施例3中的电池热失控烟气处理装置。该电池热失控烟气处理装置与电池壳体上设置的泄爆口或泄爆管连接。当电池壳体内的电芯发生热失控而导致泄爆口打开，电池内部的高温物质会通过泄爆口或泄爆管进入冷却装置1，由冷却装置11中的冷却物质对其进行处理，使得高温物质中的部分固体颗粒以及气化的电解液重新冷凝，或者通过吸附材料对全部的液体以及剩余可燃气体进行吸附，没有被吸附的气体与稀释装置2中的气溶胶烟雾混合，随后再排放而不会引发爆炸、着火等危险。