CN100446338C

CN100446338C - 一种安全锂离子电池单元及安全锂离子电池组

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Publication number: CN100446338C
Application number: CNB2006100728495A
Authority: CN
Inventors: 周鲁
Original assignee: SHOUTIANEN BUSINESS MANAGEMENT CO Ltd
Current assignee: EMotor Advance Corp ltd
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2026-04-11
Also published as: CN1866604A

Abstract

一种安全锂离子电池单元及安全锂离子电池组，涉及电池领域，解决了现有技术尚不能根本杜绝锂离子电池自身的爆炸和燃烧，也不能有效应对由于个别电池爆炸和燃烧，波及相邻电池，进而导致电池组的爆炸和燃烧的问题；提供一种由N个单体电池，通过导热导电连接体直接连接，形成的安全锂离子电池单元单元，N大于等于最小单体数N_min。这样，在万一发生个别电池爆炸燃烧时，导热导电连接体及时收集并迅速分散局部热量至所有电池，以电池单元代替单体电池作为热吸收体，有效地降低电池组的温升，阻断电池连锁爆炸，最大限度的减少了各种用途的锂离子电池组因任何原因导致的爆炸燃烧所造成的危害。

Description

一种安全锂离子电池单元及安全锂离子电池组

技术领域

一种安全锂离子电池单元及安全锂离子电池组，涉及电池领域。

背景技术

锂离子电池自1990年问世以来，因其卓越的性能得到了迅猛的发展，并得以广泛地应用。锂离子电池具有能量密度高、储存性能好等多种优点，目前广泛应用于笔记本电脑、移动电话、数码相机、MP3播放机等多种电器，特别是移动电器中，是一种非常优秀的电源。其缺点是价格贵、使用条件比较苛刻，不耐滥用。由于过充电对锂离子电池造成伤害甚至爆炸，锂离子电池通常需要配置锂离子电池专用保护电路一起使用。保护电路可以在过充电、过放电、电流过大等情况下对电池或电池组进行保护。

锂离子电池的主要构成是由正极，负极，隔膜，电解液等基本的元素组成，一般是以下一些物质：

正极：钴酸锂(LiCoO₂)、镍酸锂(LiNiO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、磷酸亚铁锂(LiFePO₄)等；

负极：人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等；

隔膜：聚乙烯(PE)、聚丙稀(PP)等组成的单层或者多层的微多孔薄膜；

电解液：LiPF₆为电解质，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(MEC)等组成的一元、二元或者三元的混合溶剂。改变电解液的溶剂体系、电解质加入量、添加剂种类，可以制成不同品种牌号的电解液。

根据锂离子电池的性能要求，电解液所用的有机溶剂必须是非质子溶剂。为使电池体系有尽可能宽的工作温度范围和良好的安全性能，要求溶剂的熔点低、沸点高、蒸汽压低，因此单一溶剂不可能实现上述要求，必须由多种溶剂复合。一般情况下，通用型电解液选择高介电常数的环状碳酸酯溶剂和低黏度的链状碳酸酯溶剂进行复合。低温用途电解液选用低熔点的溶剂和高介电常数的环状碳酸酯溶剂进行复合。大功率动力型电解液选用高沸点、高闪点和高介电常数的环状碳酸酯溶剂进行复合。目前，最适合用作电解液溶剂的主要是碳酸酯类有机溶剂，包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)等。

较为通用的品种有含有DMC的三元体系。如：LiPF6/EC/DEC/DMC为电解液，其中LiPF6为导电盐，EC(碳酸乙烯酯)/DEC(碳酸二乙酯)/DMC(碳酸二甲酯)为复合溶剂。以及EC/DEC二元体系。

常用溶剂的特性如下：

EC碳酸乙烯酯：分子式：C₃H₄O₃

结构式：

分子量：88，熔点：35-38℃，沸点：248℃，闪点：＞125℃。

DEC碳酸二乙酯：分子式：C₅H₁₀O₃

结构式：

无色透明液体，易燃，有芳香味，不溶于水，能和醇、醚混溶。分子量：

118.13，熔点：-43℃，沸点：126℃，闪点：25℃。

DMC碳酸二甲酯：分子式：C₃H₆O₃

结构式：

常温下无色透明液体，分子量90.08，熔点4℃，沸点90.3℃，闪点17℃。着火点46.5℃，

EMC碳酸甲乙酯：分子式：C₄H₈O₃

结构式：

无色透明液体，分子量：104.1，熔点-55℃，沸点109℃，闪点：23℃。

锂离子电池的工作机理是：电池充电时，正极材料中的锂形成离子脱嵌，迁移并嵌入到负极改性石墨层中；电池放电时，锂离子从石墨层中脱嵌，穿过隔膜回嵌到正极材料中。随充放电的进行，锂离子不断的从正极和负极中嵌入和脱出，所以也称其为“摇椅电池”。锂离子电池单体的额定电压为3.6V，通常充电限制电压为4.2V，放电限制电压为2.5V。

反应式为(以LiCoO₂作正极材料为例)：

正极：

负极：

总反应：

电池化学结构式为：LiC₆||LiPF6+EC+DEC+MEC||LiCoO₂

作为高能量密度的电池，锂离子电池的安全备受关注。同时，也要求采用更为先进的安全技术。锂离子电池造成危害的途径主要有以下三种情形：

1.充电电压过高。在过充的情况下，可能导致热失控(或者过热)，会在电池内部引起燃烧反应，因为在电池内部存在着可燃的溶剂以及气态混合物。这种状态将导致电池充电时不安全、不可靠。过充电导致正极材料过度脱锂，晶格坍塌，锂在负极析出，高活性的锂与电解液反应，内压及温度急剧升高，导致爆炸及燃烧。

2.充电电流过大。锂离子电池充电5倍率以上容易发生爆炸，这主要是锂与石墨中6个碳形成LiC₆化合物的反应是有一定反应速度的。在小电流充电时，Li⁺+e→Li反应速度比Li+6C→LiC₆结合速度慢，不会形成锂原子堆积，因此比较安全。在过流(5C以上)时形成锂原子速度会比形成LiC₆速度快，因此会造成锂原子堆积，形成锂枝晶，刺穿隔膜，致使电池内阻短路，电池短路会使放电电流瞬间增大，放出大量热量，使电解液分解产生大量气体，内压急剧上升造成电池爆炸。

3.锂离子电池过热(如150℃以上)易发生爆炸。众所周知，当化学反应时呈指数型上升的热生成速率超出了反应体系的热发散能力时就会发展成自发热失控反应。由于锂在正极材料和石墨中是以离子状态存在，在受热条件下其活性大大增加，在超过150℃以上时正极材料和石墨对锂离子作用大大减弱，锂的电子与锂原子核距离很近，基本接近或达到锂原子状态，锂原子与电解液能发生反应，产生大量气体，内压迅速上升，造成电池爆炸和燃烧。

随着锂离子电池应用领域的不断扩大，锂离子电池逐步趋向大型化，特别是在电动自行车和电动汽车上作为动力电源使用的电池组，电池单体数量多，电池容量大，电解液用量多。一旦某种原因(如发生内部短路)使个别电池温度急剧升高，引起有机电解液燃烧，燃烧热会在该电池区域局部聚集，继而波及相邻电池，导致电池连锁爆炸，产生严重后果。

有机溶剂的燃烧反应会放出巨大的热量，锂离子电池电解液常用溶剂的燃烧热分别为：

EC：C₃H₄O₃+5/2O₂→3CO₂+2H₂O ΔH＝1161 KJ/M………………(1)

DEC：C₅H₁₀O₃+6O₂→5CO₂+5H₂O ΔH＝2715 KJ/M ……………(2)

DMC：C₃H₆O₃+3O₂→3CO₂+3H₂O ΔH＝1440 KJ/M ……………(3)

MEC：C₄H₈O₃+9/2O₂→4CO₂+4H₂O ΔH＝2000 KJ/M ……………(4)

(MEC的数据由DEC和DMC的估算而来)

无论电解液与正极释放出的O₂反应，还是与空气中的O₂反应，从热力学角度看，释放出的热量以溶剂燃烧反应形成CO₂时为最大，因此上述反应的ΔH代表了锂离子电池爆炸燃烧时释放的最大能量。

为了确保锂离子电池安全可靠的使用，锂离子电池业界进行了非常严格、周密的电池安全设计，以达到电池安全考核指标。已经采取的措施有：

(1)隔膜135℃自动关断保护

采用PE-PP-PE三层复合膜。在电池升温达到120℃的情况下，复合膜两侧的PE膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135℃时，PP膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。

(2)向电解液中加入添加剂

在电池电压高于4.2V的条件下，电解液添加剂与电解液中其他物质聚合，电池内阻大幅增加，电池内部形成大面积断路，电池不再升温。在有机电解液中添加热稳定性好和阻燃型的添加剂是非常重要的，如碳酸亚乙烯酯(简称VC)。含磷和含硼的添加剂闪点和沸点高、又有阻燃性和自熄性，芳香族化合物在电池过充状态氧化聚合，在活性物质表面形成了高阻抗的皮膜，抑制过充电流。

(3)电池盖或壳体复合结构

电池盖或壳体采用刻痕防爆结构，电池升温时，电池内部活化过程中所产生的部分气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度刻痕破裂、放气。

(4)各种环境滥用试验

进行各项滥用试验，如外部短路、过充、针刺、平板冲击、焚烧等，考察电池的安全性能。同时对电池进行温度冲击试验和振动、跌落、冲击等力学性能试验，考察电池在实际使用环境下的性能情况。

(5)电池组设置保护电路

电池组中单体电池与相邻电池逐一或串联或并联连接，并在电池组中设置保护电路，当电池出现过电压、过电流充电，异常温升，短路等情况时，保护电路及时动作，切断电流，继而保护电池组。

上述措施，很大程度上改善了锂离子电池自身的安全性，有效的减缓了由于锂离子电池可能爆炸和燃烧所造成的危害。但目前技术水平和措施尚不能根本杜绝锂离子电池自身的爆炸和燃烧，也不能有效应对由于个别电池爆炸和燃烧，波及相邻电池，进而导致电池组的爆炸和燃烧的严重后果。

发明内容

本发明的一个目的是为解决上述现有技术尚不能根本杜绝锂离子电池自身的爆炸和燃烧，也不能有效应对由于个别电池爆炸和燃烧，波及相邻电池，进而导致电池组的爆炸和燃烧的问题，提供一种安全锂离子电池单元。

本发明的另一个目的及由提供一种安全锂离子电池单元组成的安全锂离子电池组。

为实现上述目的，本发明的一个技术方案提供了一种安全锂离子电池单元，由2个以上的电池单体构成电池组单元，通过导热导电连接体连接。

所述电池组单元由不少于最小单体数N_min的电池单体构成，电池组单元中任意一个电池单体通过导热导电连接体与不少于N_min-1个电池单体直接相连。

电池单体通过导热导电连接体以焊接或铆接或卡扣的方式连接。

所述的电池单体构成电池组单元，通过导热导电连接体连接的连接方式为面式连接。N_min由下列公式表达：

N_min＝∑H/((W_cell·c_cell+W_cndt·c_cndt)·ΔT_max)

＝W_elyt·P·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+…+ΔHn·wn/mn)/((W_cell·

c_cell+W_cndt·c_cndt)·ΔT_max·(w1+w2+…+wn))

通常，为了不降低电池组的能量密度，会尽量降低连接体或其它附加材料的重量，当W_cell＞＞W_cndt时，上式简化为下式：

N_min＝∑H/(W_cell·c_cell·ΔT_max)

＝W_elyt·P·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+…+ΔHn·wn/mn)/(W_cell·

c_cell·ΔT_max·(w1+w2+…+wn))…………(5)

其中：

n：电解液的溶剂种类数

N_min：电池组单元中电池单体最少颗数，个

w1，w2，…，wn：溶剂1，2，…，n的重量份数

W_elyt：电池单体的电解液重量，g

W_cell：单体电池重量，g

W_cndt：连接片的重量，g

P：电解液的总溶剂重量百分比

ΔT_max：单体电池允许的最大温升，℃

ΔH1，ΔH2，…，ΔHn：溶剂1，2，…，n的燃烧热，J/M

∑H＝电解液燃烧释放的总热，KJ

m1，m2，…，mn：溶剂1，2，…，n的分子量

c_cell：单体电池的比热容，J/g·℃

c_cndt：导热导电连接体的比热容，J/g·℃

对于已经选定的单体电池和电解液种类，方程式(5)中ΔH，w，m，c均为定值，方程式(5)可以简化为：

N_min＝k·W_elyt/(W_cell·ΔT_max)…………………(6)

k为与ΔH，w，m，c有关的系数，具体为：

k＝P·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+…+ΔHn·wn/mn)/(c_cell·(w1+w2+…+wn))

方程式(6)表明，电池组单元的最小单体数量N_min与单体电池的电解液量W_elyt成正比，电解液量越多，需要越多的单体电池去分散个别电池的燃烧热量；与最大允许温升ΔT_max成反比，ΔT_max越小，需要越多的单体电池去分散个别电池的燃烧热量。

在一定的工作温度下，ΔT_max可以认为是定值，方程式(6)可以进一步简化为：

N_min＝k1·W_elyt/W_cell……………………………(7)

k1为与ΔH，w，m，c，ΔT_max有关的系数

k1＝P·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+…+ΔHn·wn/mn)/(c_cell·(w1+w2++wn)·ΔT_max)

方程式(7)表明，电池组单元的最小单体数量N_min与单体电池的电解液量和重量之比W_elyt/W_cell成正比。W_elyt/W_cell越大，电池组单元中需要越多的单体，鉴于在应用上，电池组单元的单体电池数是有限度的，因此单体电池的电解液量和重量之比W_elyt/W_cell有一个最大值。具体由电解液种类、电池的其他构成材料(如正极材料、负极材料、壳体材料等)、电池组允许的最大温升等决定。

对于任意容量的锂离子单体电池，采用EC∶DEC∶DME(w/w/w)＝1∶1∶1三元体系电解液，导电盐为LiPF₆ 1.0M/L(重量比为10％)，假定ΔT_max＝120℃，c_cell＝0.5J/g·℃，

由方程式(5)得到：

N_min＝W_elyt·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w3/m3)/(W_cell·c_cell·ΔT_max

·(w1+w2+…+wn))

＝W_elyt×(13.19+22.98+15.99)×90％×10³/(W_cell×0.5×120×3)

＝261W_elyt/W_cell

如果ΔT_max＝20，则

N_min＝W_elyt×(13.19+22.98+15.99)×90％×10³/(W_cell×0.5×20×3)

＝1565W_elyt/W_cell

则得到：单体电池电解液量与电池重量之比W_elyt/W_cell与电池单元中单体数N有如下关系

N/1565≤W_elyt/W_cell≤N/261……………………(8)

N为电池单元中实际单体电池数量

采用三元体系电解液时，W_elyt/W_cell最大值与N的关系见下表：

N	6	12	24	36	48	96
N	6	12	24	36	48	96	W<sub>elyt</sub>/W<sub>cell</sub>最大值	0.023	0.046	0.092	0.138	0.184	0.368

对于任意容量的锂离子单体，采用电解液为EC∶DEC(w/w)＝1∶1二元体系，导电盐为LiPF₆ 1.0M/L(重量比为10％)，假定ΔT_max＝120，c_cell＝0.5J/g·℃，

由方程式(5)得到：

N_min＝W_elyt·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2)/(W_cell·c_cell·ΔT_max·(w1+w2))

＝W_elyt×(13.19+22.98)×90％×10³/(W_cell×0.5×120×2)

＝271W_elyt/W_cell

如果ΔT_max＝20，则

N_min＝W_elyt×(13.19+22.98)×90％×10³/(W_cell×0.5×20×2)

＝1628W_elyt/W_cell

N/1628≤W_elyt/W_cell≤N/271………………(9)

N为电池单元中实际单体电池数量

采用二元体系电解液时，W_elyt/W_cell最大值与N的关系见表2

N	6	12	24	36	48	96
N	6	12	24	36	48	96	W<sub>elyt</sub>/W<sub>cell</sub>最大值	0.022	0.044	0.089	0.133	0.177	0.354

从方程式(8)和(9)可看出，三元电解液时与二元电解液时，W_elyt/W_cell最大值与电池单元中单体数N的关系很接近，意味着简单地改变电解液溶剂种类，对改善电池组安全性的贡献不大。关键在于单体电池的电解液量以及W_elyt/W_cell比值：N≥ZW_elyt/W_cell

当电解液为三元电解液时，Z＝261；当电解液为二元电解液时，Z＝271。

对于其它种类的二元、三元或多元电解液，由方程式(5)用样可以计算出W_elyt/W_cell最大值与电池单元中单体数N的关系，此处不赘述。

此外，对于在电解液中加入具阻燃、抑制过充电等效果的添加剂(如VC、含磷和含硼的添加剂和芳香族化合物等)的情形，由于添加剂用量很少(通常小于3％)，在电解液燃烧时，添加剂对总燃烧热的贡献很小，可以忽略。因此上述计算基本不受添加剂的影响。

对于导热导电连接体材质的选择，除了通常对导热导电连接体的高导电性要求外，主要考虑还要具有高的导热性，以便及时迅速的收集并分散热量，同时要兼顾经济性。常用的导电材料Ag，Al，Cu，Ni，Fe等的物理参数列于下表：3-

	Ag	Al	Cu	Ni	Fe
	Ag	Al	Cu	Ni	Fe	密度，g/cm<sup>3</sup>	10.5	2.7	8.96	8.91	7.86
电阻率，×10<sup>-8</sup>Ω·m	1.59	2.65	1.68	6.84	9.71	密度，g/cm<sup>3</sup>	10.5	2.7	8.96	8.91	7.86
电阻率，×10<sup>-8</sup>Ω·m	1.59	2.65	1.68	6.84	9.71	导热系数，J/m·℃·s	429	237	390	90	44
比热，J/g·℃	0.24	0.88	0.39	0.44	0.46	导热系数，J/m·℃·s	429	237	390	90	44

Ag，Al，Cu，Ni，Fe等金属或它们的合金都具有好的导电导热性，优选Ag，Al，Cu，再考虑到经济性，铜和铝应该是最佳选择。

导热导电连接体的形状可以是任意形状，如网格状、片状、筐状、线状、不规则体或上述各种形状的结合，优选片状，片状导热导电连接体上可以有由孔洞形成的图案。

导热导电连接体的形状更优选网格式片状。

燃烧热的多少与电解液的量成正比，单体电池的电解液用量越多，电解液燃烧产生的热越多；局部聚集的热量的多少与所产生的热是否被及时分散相关，分散越慢局部的温升越高，对相邻电池的影响越大。

以含4g采用EC/DEC/DMC三元体系电解液的锂离子电池为例，从方程式(1)、(2)、(3)可以计算出电解液在空气中完全燃烧时释放出的热量达60KJ，此时电池重量约达30g，以平均比热容0.5J/g·℃计，电池温升ΔT_cell将达

ΔT_cell＝60000J÷(30×0.5J/g·℃)＝4000℃

巨大的温升将导致相邻电池连锁爆炸燃烧，最终电池组热失控。

因此，如果采用小容量单体电池，或者及时分散出事故的单体电池产生的热量，将大大提高电池组的安全性，极大的保证使用者和设备的安全。

如果以含50个单体的电池组来分散上述热量，电池组温升ΔT_pack将为：

ΔT_pack＝60000J÷(50×30×0.5J/g·℃)＝80℃

对于工作温度为30℃左右的电池组，极限温度达110℃，不至于造成整个电池组的连锁爆炸燃烧。

一种安全锂离子电池单元的优选方案：其中单体电池的电解液量不超过15g；单体电池容量在7Ah以下；单体电池的电解液与电池重量之比小于0.40；电池单元内80％以上的单体电池通过导热导电连接体与不少于N_min-1个单体直接相连。

本发明的另一个技术方案提供了一种安全锂离子电池组。

安全锂离子电池组由X个电池单元构成电池组，电池单元由N个锂离子电池组成，X≥2，N≥N_min，电池组的正极端和负极端那两个电池单元中的任意一个单体电池通过高导热导电材料至少与N-1个单体电池直接相连，其它的X-2个电池单元中的单体电池通过高导热导电材料至少与2N-1个单体电池直接相连。单体电池既可以是圆柱形电池，也可以是矩形电池或其它任何形状的电池。

一种安全锂离子电池单元，由16个以上直径约为18毫米，高度约为65毫米的圆柱形锂离子电池通过导热导电连接体直接连接，形成电池单元，连接体材质为Ag、Cu、Al、Ni、Fe或它们中任意两种或多种金属组成的合金；由2个(含2个)以上电池单元组合成电池组。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1.本发明所制造的电池组，在万一发生个别单体电池爆炸燃烧时，导热导电连接体及时收集并迅速分散局部热量至所有电池，以电池组代替单体电池作为热吸收体，有效地降低电池组的温升，阻断电池连锁爆炸，最大限度的减少了各种用途的锂离子电池组因任何原因导致的爆炸燃烧所造成的危害。

2.本发明所制造的电池组，在万一发生个别单体电池损坏时，由于其他单体电池不会随之发生损坏，该电池组还可以继续使用，极大地延长了电池组的使用寿命；并且，由于单体电池通过导热导电连接体相联接，个别单体电池损坏时，只需将损坏的单体电池更换即可，便于维修且大大节约使用成本。

3.众所周知，锂电池的发展已经比较成熟和完善，提高电池本身的性能已经很困难，安全电路的发展更是经历过很长的阶段，其可以进步的余地已经很小。本发明扭转了现有技术中只能通过改善电池本身的性能和改变电路使电池更安全的技术偏见，提供了一种全新的设计理念，采用单体电池通过导热导电连接体相联接这种操作方法简单的设计，达到了从根本上解决锂电池安全的问题，取得了无法预料的技术效果；本发明提出了最小单体数N_min的技术概念，实际单体电池数大于等于最小单体数N_min。

4.本发明解决了现有技术一直以来无法解决的从根本杜绝锂离子电池自身的爆炸和燃烧，也不能有效应对由于个别电池爆炸和燃烧，波及相邻电池，进而导致电池组的爆炸和燃烧的技术难题，提供一种安全锂离子电池单元，经过上千次试验，本发明的安全锂离子电池单元的安全性达到100％。

5.传统的锂离子电池组组合方式是“单体与单体逐一相连”，是一种点式或链式连接方式，存在安全性的问题；本发明的锂离子电池组组合方式是“电池组单元中的单体通过导热导电连接体直接相连”，是一种面式连接方式，使整个电池组单元成为“热吸收体”，大大降低了电池组的温升，从而达到安全的目的。

附图说明

图1a是本发明中的网格式片状导热导电连接体的结构示意图；

图1b是本发明中的网格式片状导热导电连接体的另一结构示意图；

图2a.是本发明中第2个实施例电池组正极连接方式结构示意图；

图2b.是本发明中第2个实施例电池组负极连接方式结构示意图；

图3是本发明第4个实施例电池组正极连接方式结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明，但并不作为对本发明的限定。

在电池组单元中，单体电池占绝大部分重量，其次为导电导热连接片的重量，下面的计算假设单体电池重量远大于连接片的重量，热量全部由电池组单元分散吸收。单体电池的比热容是其构成材料比热容的加权平均值，本计算取值0.5J/g·℃。

实施例1

以AA 800mAh电池为单体的电池组，单体重量20g，电解液量约为2.0g，电解液为EC∶DEC∶DME(w/w/w)＝1∶1∶1三元体系，导电盐为LiPF₆1.0M/L，则

N_min＝W_elyt·P·(ΔH1·vw1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w3/m3)/

(W_cell·c_cell·T_max·(w1+w2+w3))

＝2.0×(1161×1÷88+2715×1÷118.13+1440×1÷90.08)×90％×10³

÷(20×0.5×ΔT_max×(1+1+1))

＝3.12×10³/ΔT_max

如果温升绝对值上限设为150℃，对一个工作温度30℃的该电池组单元，ΔT_max＝120，安全的电池组单元的单体电池数量应不小于26个。

如果严格要求ΔT_max为30℃，对一个工作温度30℃的该电池组单元，安全的电池组单元的单体电池数量应不小于104个。

实施例2

以18650 2200mAh锂离子电池为单体的电池组单元，单体电池重量42g，电解液量约为4.5g，电解液为EC∶DEC∶DME(w/w/w)＝1∶1∶1三元体系，导电盐为LiPF₆ 1.0M/L，则

N_min＝W_elyt·P·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w2/m3)/(W_cell·c_cell

·ΔT_max·(w1+w2+w3))

＝4.5×(1161×1÷88+2715×1÷118.13+1440×1÷90.08)×90％×10³÷

(42×0.5×ΔT_max×(1+1+1))

＝3.35×10³/ΔT_max

如果温升绝对值上限设为150，对一个工作温度30℃的该电池组单元，ΔT_max＝120，安全的电池组单元的单体电池数量应不小于28个。

如果严格要求ΔT_max为30℃，对一个工作温度30℃的该电池组单元，安全的电池组单元的单体电池数量应不小于112个。

实施例1与实施例2表明，随着电池容量的增加，电解液量也越来越多，而电解液与电池重量之比在下降，都要求有更多的单体电池去分担产生的热量。如果单体电池的电解液量超过限制，意外发生时，即使热量被及时收集并分散，电解液的燃烧热也会使电池组单元温度升高到130℃甚至150以上，电池组单元的安全性得不到保证。容量超过限制，会产生同样问题。

实施例2中，容量为2.2Ah的锂离子的电池，电解液量4.5g左右，安全的电池组中单体数量已经28颗，从具体应用角度出发，电池组的单体电池数量不宜太多，假定96个达到极限，意味着单体电池的电解液量不应超过15g，单体电池容量亦应控制在7Ah以下，才能保证电池组安全。

实施例3.

以53颗2200mAh 18650电池为单体(重量42g，电解液量约为4.5g，电解液为EC∶DEC∶DME(w/w/w)＝1∶1∶1三元体系，导电盐为LiPF₆1.0M/L)，按附图1a所示的导热导电连接体以附图2的方式组合成3.6V116.6Ah锂离子电池组单元。

由方程式(5)同样可以得到：

N＝W_elyt·P·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w3/m3)/(W_cell·

c_cell·ΔT_max·(w1+w2+w3))

＝4.5×(1161÷88+2715÷118.13+1440÷90.08)×90％×10³÷

(42×0.5×ΔT_max×(1+1+1))

＝3.35×10³/ΔT_max

ΔT_max＝3.35×10³/N＝3.35×10³÷53＝63℃

附图1a的连接片具有网格式结构，附图2中每个单体电池通过连接片与其它52颗单体直接(而不是逐一)相连，使任意一节电池产生的热量都能通过导热导电连接体收集并分散，大大降低了局部热量，有效地减缓了热失控的危害。本案的设计使整个电池组单元成为热的吸收体，避免了此前技术单体电池逐一相连，个别电池单体燃烧爆炸时局部高热波及相邻电池，发生连锁热失控，最终电池组热失控的危害，极大地提高了电池组的安全性。

由于∑H是电池的最大放出热量，因此在本例中电池组的最大可能温升为63℃，对处于30℃左右工作环境的电池组来讲，万一其中个别电池出现意外爆炸燃烧，由于单体电池容量小，电解液量也少，加之有导热导电连接体及时收集并分散产生的热量，电池组极限温度不超过100℃，不会出现电池组的连锁热失控，因此确保了电池组安全。

实施例4

如图3本发明第4个实施例电池组正极连接方式结构示意图和图4本发明第4个实施例电池组负极连接方式结构示意图所示。将2个例3中的53颗电池组单元由附图1b所示的导热导电连接体(连接片B)组合成附图3所示的7.2V 116.6Ah锂离子电池组。

由于53颗电池的正极与另一组53颗电池的负极通过导热导电连接体(附图1，连接片B)相连，任意一个电池是与2×53-1＝105颗电池直接相连，热量可以分散到105颗电池上，热量分散的效果更好，最大温升可以进一步降低。最大可以降低到ΔT_max＝32℃，电池组的安全性更好。

实施例5

将100个与例3同样方式组合的53颗电池组单元由附图1b所示的高导热连接片(连接片B)组合成360V锂离子电池组，该电池组用作电动汽车的动力电源。电池单体为直径约18毫米，高度约65毫米的圆柱锂离子电池；电解液采用EC∶DEC∶DME(w/w/w)＝1∶1∶1三元体系，导电盐为LiPF₆ 1.0M/L；依容量的不同，该单体的重量为39-50克，电解液含量为3-7克。

从此前分析可知，当电解液为7克，电池单体重量为39克时，这个电池组的N_min数值最大，具体为：

N_min＝W_elyt·P·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w2/m3)/(W_cell·

c_cell·ΔT_max·(w1+w2+w3))

＝7×(1161×1÷88+2715×1÷118.13+1440×1÷90.08)×90％×10³÷

(39×0.5×ΔT_max×(1+1+1))

＝5.61×10³/ΔT_max

如果温升绝对值上限设为150，对一个工作温度30℃的该电池组，ΔT_max＝120，安全的电池组的单体数量应不小于47个。

当电解液为3克，电池单体重量为50克时，这个电池组的N_min数值最小，具体为：

N_min＝W_elyt·P·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w2/m3)/(W_cell·c_cell·

ΔT_max·(w1+w2+w3))

＝3×(1161×1÷88+2715×1÷118.13+1440×1÷90.08)×90％×10³÷

(50×0.5×ΔT_max×(1+1+1))

＝1.87×10³/ΔT_max

如果温升绝对值上限设为150℃，对一个工作温度30℃的该电池组，ΔT_max＝120，安全的电池组的单体数量应不小于16个。

因此本例中N_min范围应为：16≤N_min≤47

鉴于本例中实际电池数为5300个，远远超过了N_min，因此电池组的安全性得到了保证。

事实上，当锂离子电池组含2个以上例3所示的电池单元时，除了电池组的正极端和负极端那两个电池单元中的单体电池以外，任意一个电池是与至少2×53-1＝105颗电池直接相连的。通常对于动力用途的锂离子电池组，串联数达到10以上，则至少有80％的单体是通过高导电导热连接片直接连接的。

推而广之，当由X个电池单元构成电池组，电池单元由N个锂离子电池组成，X≥2，N≥N_min，电池组的正极端和负极端那两个电池单元中的任意一个单体电池通过高导热导电材料至少与N-1个单体电池直接相连，其它的X-2个电池单元中的单体电池通过高导热导电材料至少与2N-1个单体电池直接相连。单体电池既可以是圆柱形电池，也可以是矩形电池或其它任何形状的电池。

Claims

1.一种锂离子电池单元，所述电池单元中实际电池单体数N大于等于2，所述电池单体通过导热导电连接体直接连接，其特征在于，所述电池单元中任意一个电池单体通过导热导电连接体与不少于最小单体数N_min-1个单体直接相连；电池组的最小单体数N_min由下式表达：

N_min＝k1·W_elyt/W_cell

其中k1＝P·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+……+ΔHn·wn/mn)/(c_cell·ΔT_max·(w1+w2+…+wn))

n：电解液的溶剂种类数

N_min：电池组中最少单体数，个w1，w2，…，wn：溶剂1，2，…，n的重量份数，g

W_elyt：电池单体的电解液重量，g

W_cell：电池单体重量，g

P：电解液的总溶剂重量百分比

ΔT_max：电池单体允许的最大温升，℃

ΔH1，ΔH2，…，ΔHn：溶剂1，2，…，n的燃烧热，J/Mm1，m2，…，mn：溶剂1，2，…，n的分子量

c_cell：电池单体的比热容，J/g·℃。

2.根据权利要求1所述锂离子电池单元，其特征在于，所述的电池单体通过导热导电连接体以焊接或铆接或卡扣的方式连接。

3.根据权利要求1所述锂离子电池单元，其特征在于，所述的导热导电连接体的材料选自Ag、Al、Cu、Ni、Fe或其中任意两种或多种的合金。

4.根据权利要求1所述锂离子电池单元，其特征在于，所述的导热导电连接体的形状为网格状、片状、线状或上述形状的结合。

5.根据权利要求1所述锂离子电池单元，其特征在于，所述电池单元中实际电池单体数N和电解液与电池重量之比W_elyt//W_cell的关系由下式表达：N≥ZW_elyt//W_cell

其中，Z的取值为261或271，当电解液采用EC∶DEC∶DME重量比为1∶1∶1的三元电解液，其导电盐为LiPF₆，在电解液中的重量比为10％，ΔT_max＝120℃，C_cell＝0.5J/g·℃时，Z值为261；当电解液采用EC∶DEC重量比为1∶1的二元电解液，其导电盐为LiPF₆，在电解液中的重量比为10％，ΔT_max＝120℃，C_cell＝0.5J/g·℃时，Z值为271。

6.根据权利要求1至5任一项所述锂离子电池单元，其特征在于，所述电池单体的电解液量不超过15g，所述电池单体的容量在7Ah以下，所述电池单体的电解液与电池重量之比小于0.40，电池单元内80％以上的电池单体通过导热导电连接体与不少于N_min-1个电池单体直接相连。