CN101573805B - 用于密封式蓄电池的安全装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于密封式电化学蓄电池(1)的安全装置，该安全装置包括：电路断路器(13)，该电路断路器由蓄电池的容器(2)内的过压来起动；和气体发生器(20)，当该气体发生器内的温度超过预定阈值时该气体发生器起动。所述安全装置可用于在故障的情况下并且在电解液蒸汽产生之前快速中断流过蓄电池的电流。

Description

用于密封式蓄电池的安全装置
技术领域
本发明涉及一种用于密封式蓄电池的安全装置。
背景技术
密封式蓄电池或密封式电化学发生器(这两个术语是等同的，在本申请的描述中将使用术语蓄电池)本身公知的包括电化学束(bundle)，该电化学束包括在浸透电解液的隔板的任一侧上的交替的正负电极；该电化学束构成蓄电池的芯。每个电极由金属集流体组成，该金属集流体在其至少一个面上支撑电化学活性物质。电极电连接到电流输出装置，该电流输出装置保证电极和与蓄电池相关联的外部应用之间的电连续。电极束布置在通过盖以密封的方式封闭的容器中。
本发明涉及任何类型的密封式蓄电池，特别涉及镍镉、镍金属混合和锂离子类型的蓄电池。这些蓄电池可以为圆柱形式或矩形形式(也被称为术语棱柱形)。
蓄电池通常设计成在所谓的额定状态下，即在给定的温度、电流和电压范围内工作。在额定状态外，例如在意外过载、短路、大于最大工作温度的温度等情况下，使用密封式蓄电池会产生爆炸的危险。实际上，这种情况导致了电解液的加热和电解液蒸汽的形成。这些蒸汽积聚在容器中导致蓄电池的内部压力的增加，这将导致容器的强烈爆裂以及对环境和旁人有毒且腐蚀性的化合物的释放。
存在有这样的安全装置，该安全装置能够防止气体积聚在密封式蓄电池的容器内并且当内部压力超过预定值时允许它们排空。
文献US-A-5 523 178描述了一种由阀构成的安全装置。然而，这种阀的缺点是具有复杂的设计。当它们的设计简单时，阀的缺点是仅在高压时打开或仅在超过很窄的压力范围时打开。此外，这种阀装置需要连结到能够不可逆地电隔离连接到蓄电池的设备的电路断路器。
文献EP-A-1 626 456描述了一种用于密封式蓄电池的安全装置，该安全装置组合了阀和电路断路器的功能。在容器的端壁中设置有薄壁部分，这种薄壁部分能够在容器中的过压的作用下撕裂。当薄壁部分撕裂时，一种极性的电极和对应的电流输出端子之间的电传导将被中断。文献EP-A-1 626 456的装置是令人满意的，然而，薄壁部分的撕裂仅当蓄电池中的压力达到大约8到12巴的高的水平时发生。蓄电池中的这种过压通常由芯失控(runaway)期间形成的电解液蒸汽的强的积聚引起。
文献WO-A-2004/049494描述了一种包含爆炸剂的电池，该爆炸剂能够从预定温度开始产生气体。所述爆炸剂可分散在一个电极的活性物质中或者可封闭在介于电极的活性物质和集流体之间的层中。爆炸剂产生的气体能够侵蚀电极，这将导致电池的阻抗增加；放电电流因此被限制。这篇文献没有描述电路断路器，而是描述了通过在电池过热期间释放的腐蚀性气体来使电池停用。
以本身已知的方式，在锂离子类型的蓄电池的端子处发生短路期间，将产生大约2500A的大电流持续大约1秒，随后大约600A的电流持续50秒。当这种电流穿过蓄电池持续50秒到1分钟时将加热，随后蓄电池的芯失控。这种失控将引起过压，从而触发如US-A-5 523 178中描述的装置的安全阀或使得EP-A-1 626 456中描述的薄壁部分撕裂。然而，人们设法防止导致剧烈反应并导致散发对环境有害的电解液蒸汽的芯的这种失控。
因此，需要一种安全装置，该安全装置可以在芯失控之前快速中断电流通过蓄电池；特别需要一种安全装置，该安全装置允许在电解液蒸汽已经能够大量形成之前打开电路。
发明内容
为此目的，本发明提出人工提高蓄电池的容器内的压力，以便一旦温度升高到阈值之上并且因此在蓄电池的芯失控之前就起动电路断路器。
本发明更特别地涉及一种用于密封式电化学蓄电池的安全装置，该安全装置包括：
电路断路器，该电路断路器由蓄电池的容器内的过压来起动；和
气体发生器，当该气体发生器内的温度超过预定温度阈值时该气体发生器起动。
根据实施例，当气体发生器内的温度超过预定温度阈值且持续时间大于预定持续时间阈值时气体发生器释放预定量的气体。
根据实现方法，所述预定温度阈值在130℃和150℃之间，并且所述预定持续时间阈值在10秒和20秒之间。
根据实施例，气体发生器在起动之前是容纳有活性粉末的密封囊(capsule)。
根据实施例，电路断路器由设置在蓄电池的容器的壁上的薄壁部分构成，所述薄壁部分能够被容器内的过压撕裂。
根据实施例，气体发生器的起动将导致容器内的压力大于或等于8巴。
根据实施例，气体发生器为圆柱形式。
本发明也涉及一种密封式蓄电池，该密封式蓄电池包括：
容器，所述容器用于容纳分别连接到正、负极电流输出端子的交替的正、负电极；和
布置在容器中的根据本发明的安全装置。
根据实施例，所述蓄电池包括将气体发生器连接到蓄电池的负极电流输出端子的热传导元件。
根据实施例，热传导元件由将蓄电池的电化学束(bundle)的负电极连接到负极电流输出端子的平坦连接件构成。
附图说明
通过阅读以例子的方式给出且结合附图进行的以下描述，本发明的其它特性和优点将变得显然，所述附图显示了配备有根据本发明的安全装置的密封式蓄电池的纵向剖视图。本发明涉及一种用于密封式蓄电池的安全装置。所述安全装置包括由蓄电池的容器内的过压而起动的电路断路器和当容器内的温度超过预定温度阈值时起动的气体发生器。
因此，在诸如短路的蓄电池的故障的情况下，气体发生器被起动并且释放给定体积的气体，这将增加蓄电池内的压力并引起电路断路器的起动。因此，电路断路器能够在由于芯的失控而已经能够形成电解液蒸汽之前起动。
具体实施方式
下面以通过例子的方式给出的优选实施方式来描述本发明。
附图以纵向横截面图显示出配备有根据本发明的安全装置的锂离子类型的圆柱形式的密封式蓄电池。应当理解，本发明可应用于任何其它类型和形式的密封式电化学蓄电池。
蓄电池1包括具有圆筒形壁2的容器，该容器的一个端部由基座3封闭，而另一端部4敞开。盖5布置在敞开端部上。所述盖支撑电流输出端子6和7。电流输出端子中的一个端子(在这个例子中是正极端子6)焊接到所述盖上。另一电流输出端子(在这个例子中是负极端子7)穿过所述盖。该另一电流输出端子可以通过例如螺纹连接或压接(crimping)等任何手段固定到盖上。密封件8将负极电流输出端子7与盖电绝缘。
通过卷绕正负电极和隔板而构成的电化学束9围绕用作排气口的空心轴10布置在容器中。平坦连接件11将束的正电极连接到容器2的基座3的壁上，容器的壁与盖有电传导性。另一平坦连接件12将束的负电极连接到负极电流输出端子7。环形密封件14布置在电化学束和容器的基座之间。它用作电绝缘体，以防止束的负电极部分和连接到正极端子的容器的壁之间电接触，该接触可引起短路。
所述蓄电池包括安全装置，该安全装置包括气体发生器20和电路断路器13，该电路断路器能够中断一种极性的电极和对应的电流输出端子之间的电传导。
根据示出的实施例，容器的基座3具有薄壁部分13，该薄壁部分能够被容器内的过压撕裂。这种电路断路器的实施例在上述文献EP-A-1 626 456中被详细描述。
根据实施例，气体发生器20容纳有活性粉末；当所述粉末被置于大于预定阈值的温度下时，它能够产生低于20巴的体积在200cm3和400cm3之间的气体。例如，气体发生器20可包括0.8克推进剂(PROPERGOL)类型的物质，该物质在大约140℃下反应。然而，可以使用其它活性粉末或混合物，只要它们的着火温度明显大于蓄电池的额定工作温度并且小于芯的临界失控温度，即阈值温度在大约130℃和大约150℃之间。
气体发生器20在起动之前是密封囊，即不接触蓄电池的电解液或电极的活性物质，同时温度不超过预定阈值。因此，与文献WO-A-2004/049494中描述的爆炸剂不同，根据本发明的气体发生器的活性粉末不存在由于粉末在某些工作电位下的不稳定而妨碍蓄电池工作的危险。气体发生器20被示出为圆柱形管的形式，优选地由具有良好导热性的材料(例如铜)制成；该管的两端部都封闭并且容纳有活性成分，该活性成分的着火可通过超过温度阈值来触发。气体发生器20具有相对小的尺寸；它可以插在蓄电池的容器2中而不显著改变电化学束9的布置。例如，对于如图所示的高度220mm且直径54mm的圆柱形蓄电池，气体发生器20的管可具有26mm的长度以及5mm的外径和4.4mm的内径。然而，应当理解，根据本发明的安全装置的气体发生器可以选择除圆柱形外的任何形状，例如小球或筒或其它形状。
气体发生器20可定位成靠近负极电流输出端子7，以便快速获得容器2中的温度升高。实际上，负极电流端子典型地由铜制成，并且在短路期间将由于大的电流的通过而被快速加热。也可以设置将气体发生器20连接到负极电流端子7的热传导元件25。根据示出的实施例，热传导元件25可由将束的负电极连接到负极电流输出端子7的平坦连接件12构成；典型地由铜制成的这种平坦连接件12可形成一定形状以便围绕气体发生器20的管。从而获得紧凑且有效的安全装置。
现在描述安全装置的操作。
在蓄电池发生故障的情况下，气体发生器20的环境温度由于短路或由于太高的外部温度而增加。在短路期间产生大的电流，该大的电流特别地加热负极电流输出端子7。然后，气体发生器20的管的温度增加，当热传导元件25将负极电流输出端子7连接到气体发生器的管时将更加快速地增加。
当气体发生器中的温度超过预定阈值(典型地大于130℃-150℃)且持续时间超过给定阈值(典型地为10秒到15秒)时，容纳在管中的粉末发生反应，且气体发生器释放给定体积的气体。然后，这个反应导致容器2中过压，从而导致电路断路器13起动。可选择气体发生器20中的活性粉末的量，以便在容器2中产生在4到20巴之间，优选地在8到12巴之间的压力。可选择薄壁部分13的厚度，以便能够在这种压力作用下撕裂。基座3的不变形部分可形成角度15，该角度可在薄壁部分撕裂期间防止电化学束的弹出。然后，过压通过撕裂而排空，并且蓄电池内的压力回复到大气压力。在出现撕裂的同时，正电极11的平坦连接件和容器2的壁之间的电传导被切断，中断了对用电设备的供应。
安全装置的触发是快速的(小于20秒)，并且在温度值远远超过蓄电池的额定工作值(典型地是140℃)的情况下发生。蓄电池中的这种温度可引起芯的失控，但这种温度位于负极电流端子(通过热传导元件连接到气体发生器的管)处。由于气体发生器的反应是快速的(典型地小于15秒)，因此蓄电池没有时间变热。因此避免了任何剧烈反应。电路断路器的起动由气体发生器的起动引起而不是由电解液蒸汽引起。因此根据本发明的安全装置能够避免散发任何有害蒸汽。
当电路断路器由容器的壁的薄壁部分构成时，该安全装置还具有以下优点：不会像使用串联安装的电路断路器的情况那样减小在电路中环流的电流密度。实际上，薄壁部分的选定厚度是用来保证电流通过的最大可能部分和用来允许薄壁部分撕裂的最小可能部分之间的折衷。
因此，该安全装置很适合于使用大电流密度的大功率应用(例如混合动力车辆)。
上面详细描述的实施例和附图必须被认为是以非限制性的示例的方式给出的；本发明不意图限制于这里提供的细节，而是可在不超出所附权利要求的范围的情况下进行修改。特别地，电路断路器可在容器内部或形成在除了容器的基座之外的壁上。

Claims (11)

1.一种用于密封式电化学蓄电池(1)的安全装置，该安全装置包括：
电路断路器(13)，该电路断路器由所述蓄电池的容器(2)内的过压来起动；以及
气体发生器(20)，当该气体发生器内的温度超过预定温度阈值时该气体发生器起动。
2.根据权利要求1所述的安全装置，其中，当所述气体发生器内的温度超过所述预定温度阈值且持续时间大于预定持续时间阈值时，所述气体发生器(20)释放预定量的气体。
3.根据权利要求2所述的安全装置，其中，所述预定持续时间阈值在10秒和20秒之间。
4.根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述预定温度阈值在130℃和150℃之间。
5.根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述气体发生器(20)在起动之前是容纳有活性粉末的密封囊。
6.根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述电路断路器由设置在所述蓄电池的容器(2)的壁(3)上的薄壁部分(13)构成，所述薄壁部分(13)能够被所述容器内的过压撕裂。
7.根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述气体发生器(20)的起动将导致所述容器(2)内的压力大于或等于8bar。
8.根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述气体发生器(20)为圆柱形式。
9.一种密封式蓄电池，该蓄电池包括：
容器(2)，该容器用于容纳分别连接到正极电流输出端子(6)和负极电流输出端子(7)的交替的正电极和负电极；以及
安全装置，该安全装置布置在所述容器中，并且为根据权利要求1到8中任一项所述的安全装置。
10.根据权利要求9所述的蓄电池，该蓄电池包括将所述气体发生器(20)连接到所述蓄电池的负极电流输出端子(7)的热传导元件(25)。
11.根据权利要求10所述的蓄电池，其中，所述热传导元件(25)由将所述蓄电池的电化学束的负电极连接到所述负极电流输出端子(7)的平坦连接件(12)构成。
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C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: SAFT GROUPE SA (SAFT)

Free format text: FORMER OWNER: ACCUMULATEURS FIXES

Effective date: 20110810

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20110810

Address after: French banjole

Applicant after: Saft (saft)

Address before: French banjole

Applicant before: SAFT

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CI01 Publication of corrected invention patent application

Correction item: Patentee

Correct: Accumulateurs Fixes|French banjole

False: Saft Groupe S. A.|French banjole

Number: 38

Volume: 27

ERR Gazette correction

Free format text: CORRECT: PATENTEE; FROM: SAFT GROUPE SA (SAFT): BAGNOLET, FRANCE TO: ACCUMULATEURS FIXES: BAGNOLET, FRANCE

CI01 Publication of corrected invention patent application

Correction item: Applicant name

Correct: Accumulateurs Fixes

False: Saft Groupe S. A.

Number: 46

Volume: 27

CI03 Correction of invention patent

Correction item: Applicant name

Correct: Accumulateurs Fixes

False: Saft Groupe S. A.

Number: 46

Page: The title page

Volume: 27

ERR Gazette correction

Free format text: CORRECT: NAME OF APPLICANT; FROM: SAFT GROUPE SA (SAFT) TO: ACCUMULATEURS FIXES

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20111116