CN103890995A - 防止电池中单元的热失控传播 - Google Patents

Abstract

经受热失控过程的电池单元的特征在于在该电池单元的高局部温度。热绝缘体防止高温耗散至附近的电池单元使得在附近电池单元中触发热失控。此外，提供热导体，该热导体形成从经受热失控的电池单元汲取热的传导路径且以不在位于失效电池单元附近的电池单元中触发热失控的方式将热分布至其它电池单元。若从失效电池单元汲取掉足够的热量，则环绕该失效电池单元的那些电池单元的温度可保持足够低以防止环绕的电池单元经受热失控过程。

Description

防止电池中单元的热失控传播

技术领域

所描述的实施例通常涉及电池，特别地是防止电池中的热失控传播。

背景技术

电池中的单元可以以称作热失控的放热过程的形式而失效。单元中的热失控过程可由电池单元的制造缺陷、错误处置或滥用或升高单元的温度，或将单元暴露在来自外部源的高温的任一因素所导致。高温通常导致单元中的反应速率增加，由此导致电池单元温度的进一步升高以及因此反应速率的进一步增加。作为该热失控过程的结果，电池中的单元将大量热量释放至环绕单元的区域中。

通常需要多个单元以达到较高电压以及储存足够能量从而使电池针对其既定使用有效。由于电池的单元通常非常紧密地包装在一起，因此如果单元组件一部分中的一个单元经历热失控，则该失效单元的高温可以触发附近单元的热失控。这个过程可以导致附近单元释放热量且贯穿电池中的其余单元而传播热失控过程，使得电池级联失效并且释放大量能量。

发明内容

本发明的实施例使得电池的部件能够从经历热失控的单元将热量分布掉。在一个实施例中，电池包括从经历热失控的单元将热量汲取掉的热导体以及保护其它单元免受热暴露的热绝缘。热导体和热绝缘体形成从经受热失控的单元汲取热量并跨越与该热导体接触的其它单元分布热量的传导路径。通过从失效单元汲取热量，环绕单元的温度保持足够低以防止该环绕单元经受热失控过程。

从经受热失控的单元汲取热量的传导路径的配置可以改变。在一个实施例中，使用两个传热母线（thermal bus），一个母线位于单元组件的每一侧。该组件中的每个单元与同耦合至邻近单元的母线相对的母线直接接触——即，相邻的单元与交替的母线直接接触。在该单元之间和环绕该单元的区域包括绝缘材料。

在另一实施例中，绝缘体环绕每个单元，且单个热母线从失控单元中将热量传导离开并跨越其它单元中的每个单元分布热量。这样的配置减慢从失效单元到热母线以及从传热母线到环绕失效单元的单元的热传导速率。

附图说明

图1图示了被配置为在热失控过程期间从失效单元散热的电池。

图2图示了根据本发明的实施例的在第一配置中用于在热失控过程期间从失效电池单元散热的热导体和绝缘体的配置。

图3图示了根据本发明的实施例的在第二配置中用于在热失控过程期间从失效电池单元散热的热导体和绝缘体的配置。

图4为图示了根据一个实施例的在经历热失控的第一单元及其邻近单元之间温度随时间变化的图表。

附图仅出于示意性目的而描绘本发明的各个实施例。根据以下描述，本领域技术人员将能够认识到可在不背离本文描述的本发明的原理的情况下采用本文中所图示的结构和方法的可替代实施例。

具体实施方式

电池包含容纳一个或多个电化学电池单元的单元组件。每个单元将所储存的化学能转换成电能。电池包括将两个或更多单元连接在一起的电连接件以使该电池可输出更高电压，和/或更大容量。在将化学能转换成电能的过程期间，单元可能产生热量，且足够高量的热量可能导致单元失效并且触阀热失控过程。本发明的实施例提供一种从电池的单元组件中的单元将热量耗散掉以防止热失控的机制。

图1图示了被配置为在热失控过程期间从失效单元散热并避免热失控过程传播的电池。所示出的电池100包括若干单元组件102，该单元组件中的每个单元组件包括若干单元106、导体108以及绝缘体110。电池100将电信号输出至连接至该电池的一个或多个装置以使得该电池可给该装置供电。

每个单元106将所储存的化学能转换成电能。单元106可以是将化学能不可逆得转换成电能的一次性电池单元或可充电的二次性电池单元。单元类型可以包括但不限于锂、锂-离子、锂-硫、镍-金属氢化物、镍-镉、碱性。在一个实施例中，单元106是包括聚合物电解质的锂-离子单元；在可替代实施例中，使用液体电解质。单元机械封装可以为盒、金属罐或塑料或复合结构。单元的化学成分可以包括能够产生电能的任何组合。每个单元还可以包括多个电极，该电极包含具有不同化学成分的阴极和阳极。阴极可包括但不限于：锂钴氧化物、锂镍锰钴、磷酸铁锂。阳极材料可包括但不限于：碳、硅等。

热导体108从经受热失控过程的单元将热量传导离开并跨越与导体108接触的其余单元扩散热量。如以下更详细的描述，热导体108可以或可以不基于所采用的配置而与特定的单元106接触。可基于数个因素而选择热导体108的材料，该数个因素包括但不限于：金属的热传导性、金属的熔点、单元的化学成分的特性、单元中的电极的材料性质、重量、成本以及制造简易性。热导体108可由能够导热的多种材料构成。在一个实施例中，热导体108具有比在热失控过程期间可能产生的峰值温度高的熔点。例如，如果预期经受热失控的单元的最大预期为160摄氏度，则可以使用具有高于160摄氏度的熔点的导体材料。在一个实施例中，热导体108包括商用级铝1100-O，该商用级铝是柔韧且耐腐蚀的，但并不提供结构强度。在其它实施例中，热导体108材料可以包括但不限于：石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、铜、铝合金或银。在一个实施例中，热导体108终止于每个单元组件102的端部处；或者，该热导体连接至与另一单元组件相关联的附加传热母线；或该热导体连接至热交换器。

在一个实施例中，两个单元之间的热导体108的长度是根据触发单元中的热失控的温度而确定的。例如，如果在较高温度下触发单元中的热失控，则两个单元之间的热导体108的长度可以较短，因为每个单元可在单元触发失控之前达到较高温度。相比而言，如果单元在较低温度下经历热失控，则两个单元之间的热导体108的长度可以较长。

热绝缘体110使单元106与由其它单元产生的热量绝缘。围绕单元的热绝缘体110的配置可以改变，如下所述。此外，用于绝缘体110的材料可以包括陶瓷纤维，诸如氧化铝纤维。在其它实施例中，可使用二氧化硅气凝胶或玻璃纤维织物作为电池100中的绝缘体110。

图2图示了根据本发明的实施例在第一配置中用于在热失控过程期间从失效单元散热的热导体和绝缘体的配置。图2的电池组件200包括单元206a至206e、两个热导体母线208a和208b以及热绝缘体210。

在图2中所图示的实施例中，每个传热母线208a、208b与容纳在单元组件200中的交替的单元206接触。例如，导体母线208a与单元206b和206d连接且接触。类似地，导体母线208b与单元206a、206c和206e连接且接触。导体母线208与单元206之间的直接接触允许导体母线208从经历热失控的单元更快速地传导热量。将每个母线208a、208b连接至交替的单元206有助于使较高温度远离紧密邻近于经历失控的单元的单元。例如，如果单元206c正经历热失控，则传热母线208b不仅从单元206c而且从邻近的电池单元206b和206d将热传导离开。

在图2所图示的配置中，热绝缘体210使每个单元206与导体母线208绝缘。该绝缘体防止在经历热失控的单元处产生的热耗散至附近的单元。例如，如果单元206a经历热失控，则绝缘体210防止热耗散至单元206b。就此而论，绝缘体210允许更多在206a处产生的热量沿着由导体母线208b提供的传导路径耗散。

图3图示了根据本发明的实施例在第二配置中用于在热失控过程期间从失效单元散热的热导体和绝缘体的配置。图3的单元组件包括单元306a至306e、一个热导体母线308以及热绝缘体310。

在所图示的配置中，热导体母线308并不与容纳于单元组件300中的单元306直接接触。热绝缘体310使每个单元306绝缘以使得在失效单元的热失控事件期间产生的热量被缓慢地传导至位于该失效电池单元附近的点处的导体母线308，并且随后跨越整个母线耗散且由绝缘体310及附加的单元所吸收。通过跨越包括传热母线以及热绝缘体的系统的热质量分布热失控的热量，使其它单元的温度升高，但升高至低于将在其它单元中触发热失控的临界值的水平。本领域技术人员将理解该临界温度值取决于电池单元的化学成分。就此而论，基于单元组件中的每个或多个单元的临界温度而选择热导体母线308的长度和材料以及绝缘体310的量和材料。如参考图1所述，可响应于该临界温度而改变热绝缘体及热导体的长度和材料。在上述的配置中，在单元306与导体母线308之间不存在直接传导路径。然而，这样的配置允许在导体母线308处以较低速率发生传导。这样的配置的优点是单个导体母线308在尚未失效的单元当中更均等地散热。

图4是图示了根据具有图2中所图示的配置的一个实施例在经历热失控的第一单元T1及其邻近单元T2、T3、T4和T5当中温度随时间而变化的图表。在图4的示例中，每个单元为0.31''厚，在该单元之间具有0.005''厚的铝热导体和0.1''的陶瓷绝缘。0.005''厚的铝导体附接到0.015''厚的传热母线。如该图表所示，虽然失效单元T1曾经经历接近400摄氏度的温度，但其邻近单元甚至并未达到100度的温度。在图4中，单元T2及T3邻近失效单元T1；单元T4及T5邻近单元T2及T3但不邻近失效单元T1。如图4所示，随着热从失效单元T1耗散至邻近单元T2及T3，该邻近单元经历接近100摄氏度的温度。然而，传热母线有效地排放来自电池单元T2及T3的热量以防止在这些单元中的热失控传播。此外，单元T4及T5进一步远离失效单元T1且到达接近50摄氏度的温度。就此而论，传热母线将来自失效单元T1的热量有效地耗散到单元组件中进一步远离失效单元的那些单元。

出于示意性的目的已呈现本发明的实施例的以上描述；其并不旨在穷尽性的或将本发明限于所公开的精确形式。本领域技术人员可以理解的是鉴于以上揭示内容可进行许多修改和变化。

此说明的某些部分关于信息的运算的算法及符号表示方面描述本发明的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用该算法描述和表示将其工作的实质有效地传达给其它本领域技术人员。在功能上、计算上或逻辑上进行描述这些运算应该理解为由计算机程序或等效电路、微码及诸如此类来实施。此外，也已证明有时将此类运算配置称作模块是便利的而不丧失一般性。所描述的运算及其关联模块可被实现于软件、固件、硬件或其任一组合中。

可通过一个或多个硬件或软件模块单独地或与其它装置组合地执行或实施本文描述的步骤、操作或过程中的任一者。在一个实施例中，通过包括含有计算机程序代码的计算机可读媒介的计算机程序产品来实现软件模块，该计算机程序代码可通过用于执行所述的任一或所有步骤、操作或过程的计算机处理器来执行。

本发明的实施例也可由关于一种用于执行本文的运算的设备。可针对所需的目的具体地构造此设备，和/或该设备可以包括通用计算装置，该通用计算装置通过储存在计算机中的计算机程序而选择性地启动或重新配置。此计算机程序可储存在有形计算机可读储存媒介或适于储存电子指令且耦合至计算机系统总线的任一类型的媒介中。此外，本说明书中所提及的任何计算机系统可包含单个处理器或可为采用多个处理器设计来增加计算能力的架构。

本发明的实施例也可以是关于一种体现于载波中的计算机数据信号，其中该计算机数据信号包括计算机程序产品的任何实施例或本文中所述的其它数据组合。该计算机数据信号是存在于有形媒介或载波中且经调制或以其它形式编码与该载波中的产物，其是有形的且根据任何适合传输方法传输。

最后，本说明书中所使用的语言原则上是出于易读性和指导性目的而选择，且其也可不是描述或限制发明主题而选择的。因此，旨在使本发明的范围不受限于此详细说明而是受限于公开在基于本文的申请中的任何权利要求。因此，本发明的实施例所公开的内容旨在说明性的而非限定本发明的范围，本发明的范围记载在所附权利要求书中。

Claims (15)

1.一种电池，包括：

多个电池单元，所述多个电池单元被布置成一列，并且包括交错序列的第一单元和第二单元，所述单元的每个单元具有顶侧和底侧以及左侧和右侧，每个单元具有由热失控导致的最大预期峰值温度；

绝缘体，与每个单元接触并且防止每个第一单元与相邻的第二单元之间的直接物理接触；

第一传热母线，具有在每个第一单元的所述左侧的基本上平面部分以及远离所述平面部分延伸的多个凸缘，每个凸缘耦合至所述第一单元中的一个第一单元的顶部，所述第一传热母线由具有比所述最大预期峰值温度高的熔点的金属所构造；以及

第二传热母线，具有在每个第二单元的所述右侧的基本上平面部分以及远离所述平面部分延伸的多个凸缘，每个凸缘耦合至所述第二单元中的一个第二单元的顶部，所述第二传热母线由具有比所述最大预期峰值温度高的熔点的金属所构造。

2.根据权利要求1所述的电池，其中所述多个单元是包括聚合物电解质的锂离子单元。

3.根据权利要求1所述的电池，其中所述多个单元是包括液体电解质的锂离子单元。

4.根据权利要求1所述的电池，其中所述第一传热母线和所述第二传热母线由铝构造。

5.根据权利要求1所述的电池，其中所述第一传热母线和所述第二传热母线由石墨构造。

6.根据权利要求1所述的电池，其中所述第一传热母线和所述第二传热母线由石墨烯构造。

7.根据权利要求1所述的电池，其中所述第一传热母线和所述第二传热母线由碳纤维构造。

8.根据权利要求1所述的电池，其中所述第一传热母线和所述第二传热母线使用碳纳米管来构造。

9.根据权利要求1所述的电池，其中所述第一传热母线和所述第二传热母线由银构造。

10.根据权利要求1所述的电池，其中单元的所述列被容纳在第一单元组件中，并且所述电池进一步包括被布置成第二列的第二多个单元，所述第二列被容纳在第二单元组件中，所述第二单元组件通过第三传热母线耦合至所述第一单元组件。

11.根据权利要求1所述的电池，其中所述绝缘体包括陶瓷纤维。

12.根据权利要求11所述的电池，其中所述陶瓷纤维是氧化铝纤维。

13.根据权利要求1所述的电池，其中所述绝缘体包括二氧化硅气凝胶材料。

14.根据权利要求1所述的电池，其中所述绝缘体包括玻璃纤维织物。

15.一种电池，包括：

多个电池单元，被布置成一列，所述单元的每个单元具有顶侧和底侧以及左侧和右侧，每个单元具有由热失控导致的最大预期峰值温度；

绝缘体，与每个单元接触并且防止每个单元与相邻的单元之间的直接物理接触；

第一传热母线，具有在每个单元的所述左侧的基本上平面部分，所述第一传热母线由具有比所述最大预期峰值温度高的熔点的金属所构造；以及

第二传热母线，具有在每个单元的所述右侧的基本上平面部分，所述第二传热母线由具有比所述最大预期峰值温度高的熔点的金属所构造；

多个凸缘，每个凸缘在每个单元的所述底侧基本上平坦并且将所述第一传热母线连接至所述第二传热母线，每个凸缘与所述单元中的一个单元下方的所述绝缘体以及所述单元中的相邻的一个单元上方

的所述绝缘体接触，所述凸缘由具有比所述最大预期峰值温度高的熔点的金属所构造。

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