CN104218193A - 一种具有防火防爆装置的锂电池及应用该电池的电动车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带防火防爆装置的锂电池，所述锂电池包括电芯组、电芯护套和外壳，电芯组置于电芯护套内，电芯护套置于外壳内，电芯护套与外壳的间隙中填充有能发生吸热反应并产生二氧化碳的碳酸氢盐粉末，外壳内表面与碳酸氢盐粉末之间设置有二氧化硅，外壳上设有疏通孔。本装置在锂电池使用过程中以受热时能发生吸热反应并产生二氧化碳的碳酸氢盐作为工作介质，对电池进行吸热和隔绝氧气，并可及时调控电池内压，通过采用以上综合防护方法，可有效防止起火、爆炸等事故发生，大大降低电池使用的安全风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有防火防爆装置的锂离子电池及其应用产品，更具体的说，它涉及一种具有防火防爆装置的锂离子电池及应用该电池的电动车。
背景技术
由于不可再生能源危机和环境污染严重，全球加速了绿色环保高性能锂离子电池的发展，锂离子电池的应用领域由数码产品领域延伸到交通动力、储能、航天、通信备用电源等领域，人们对锂离子电池的需求也由原先的几百毫安·时发展到上百甚至上千安·时，随着容量的提升，安全问题将更加难以控制，因此现在高容量锂离子电池安全性是众多企业研究的课题，如果能解决好锂离子电池起火、爆炸这一世界性难题，锂离子电池的应用必将进入更快更广的发展阶段。公开号为CN102044715A的发明于2011年5月4日公开了一种锂电池防爆装置，其包括锂电池壳体、正电极、负电极、橡胶片在内的结构,锂电池壳体上设有通气孔，通气孔上覆盖并固定有橡胶片，橡胶片的厚度为0.5-5mm。由于采用橡胶片作为防爆阀，无需另外开设注液孔向电池内注射电解液和氮气，将注液孔和防爆阀合为一体，结构简单，成本低，加工方便操作简单；使用时，只需用针管穿过橡胶片向内注射电解液和氮气，拔出针头后，利用橡胶片的弹性封闭了针孔，达到电解液和氮气不泄漏，锂电池正常工作。该发明适用于各种形状及不同厚度的锂电池。但是锂电池在发生爆炸主要是由于短路、因过度充电或环境温度过高导致的散热不畅等原因引起所谓“热失控”问题，“热失控”进而引发电池内压剧增，从而引起爆炸，因此防止锂电池爆炸不仅要及时排泄内压，还应从温度控制环节入手，多方面采取措施才能更有效地达到锂电池防爆目标，而该发明仅仅侧重于通过通气孔和防爆阀泄压，而不是采用更全面的防护措施，因此收效较为有限。
发明内容
锂离子电池极易因短路、散热不良等问题引起起火爆炸，而现有的锂离子电池防火防爆措施只能有限地改善部分问题而不能全面解决问题，为克服这一缺陷，本发明提供了一种针对锂离子电池起火爆炸成因强化防火防爆功能的锂离子电池防火防爆装置。
本发明的技术方案是：一种锂离子电池防火防爆装置，所述锂离子电池包括电芯组、电芯护套和外壳，电芯组置于电芯护套内，电芯护套置于外壳内，电芯护套与外壳的间隙中填充有碳酸氢盐粉末，外壳内表面与碳酸氢盐粉末之间设置有二氧化硅，外壳上设有疏通孔。本装置针对锂离子电池起火爆炸的机理进行被动反应式工作，即通过锂离子电池电芯温度的升高，使碳酸氢盐发生反应，一方面根据碳酸氢盐吸热分解的特性，将锂离子电池生成的热能吸收，起到抑制温度快速升高的作用，碳酸氢盐需要一定的温度才能发生分解反应，温度越高分解越彻底，此处设置的二氧化硅具有较好的隔热耐火性能，可以防止热能通过外壳的热传导而散失，因而更利于碳酸氢盐的分解，同时二氧化硅胶体还可以控制来自电池外部环境的热能输入，这样一方面碳酸氢盐消化内部热能的，另一方面绝热层阻止外部热能输入，双管齐下，更利于电池内部温度的控制；另一方面，根据碳酸氢盐受热分解生成二氧化碳的特性，利用二氧化碳逐步排挤电池内部的氧气，消除支持电芯发生燃烧的要素，从而达到抑制燃烧的目的；再者，在利用碳酸氢盐吸热降温的同时通过泄压阀将外壳内原有的空气及后来生成的二氧化碳及时排出，保持电池内压稳定在一安全水平上。通过上述措施，本装置可以有效防止锂离子电池起火爆炸，大大提高锂离子电池使用安全性。
作为优选，所述疏通孔上设有泄压阀，泄压阀包括阀体和活动阀块，阀体口上螺纹连接有阀盖，阀盖中心设有中心通孔，阀体内设有上大下小的锥台形的阀腔，活动阀块亦呈锥台形并适配地滑动设置于阀腔中，阀盖与活动阀块间设有一压簧，压簧一端钩挂于活动阀块上，另一端抵接在阀盖底面，压簧匝圈外径大于中心通孔直径。在自然状态下，活动阀块受压簧挤压，压紧在阀腔中，封堵住阀腔。当外壳内部气压增大时，活动阀块最终会因外壳内外的压力差而被向外顶开，解除对阀腔的封堵，从而使外壳内部过大的压力得到释放，确保电池内压处在较为安全的水平上，降低爆炸风险。另一方面泄压阀也是电池组装时进入外壳内部的少量空气的外泄通道，在外壳内不断生成的二氧化碳的排挤下，原有空气逐步被排空，在没有氧气的情况下，电池的电芯组不会发生燃烧，从而起到阻燃防火作用。
作为优选，所述疏通孔位于外壳顶部。所述灭火材料分解生成的二氧化碳密度大于同等条件下的空气密度，二氧化碳更易沉到外壳内底部，从而将原有空气挤到外壳内顶部，因此在外壳顶部设置疏通孔更利于原有空气的快速排空，以及新生成二氧化碳的储留，形成电池内部的缺氧环境，更好地实现阻燃防火的目的。
作为优选，电芯护套与电芯组的间隙中填充有减震阻燃材料。减震阻燃材料可以消弱电池载体因所处不良环境而引入的外部冲击，较好地保持电芯组的稳定，避免因剧烈震动导致短路，同时也有助于阻止意外起火的电芯组危害扩大化。
作为优选，所述减震阻燃材料为硅胶。硅胶流动性好、粘度低，具有绝缘性能、防水防潮性能、阻燃性能和良好的物理机械性能，可操作性好，用于电池内部电芯组减震阻燃十分合适。
作为优选，电芯护套用ABS塑料制成。ABS塑料具有良好的阻燃性能，即使在电芯组发生燃烧时也可以有效防止火势扩大，遏制更严重情况的发生。
作为另选，电芯护套用铝制成。本装置如果要利用灭火材料受热分解来产生功效，灭火材料需要足够受热才能分解，因此电芯护套应选用导热效果好的材料，以便把电芯组产生的热充分地导出并使灭火材料接受，铝的导热性能好而且相对于其它导热性能好的材料而言价格更为便宜，而且铝的密度较小，制成部件后更轻便，有利于电池整体的轻量化。
作为优选，外壳用铝制成。铝的密度较小，制成的外壳相对于铁、铅合金等更轻便，有利于电池整体的轻量化。
一种应用所述具有防火防爆装置的锂离子电池的电动车，电动车上设有所述的锂离子电池防火防爆装置。
本发明的有益效果是：
大大提高锂离子电池的安全防护性能，本装置在锂离子电池由于在外壳内表面设置有二氧化硅胶体，一方面可以防止外部高热量进入电池内部，降低电池使用安全风险，进一步地，使用过程中以碳酸氢盐作为工作介质，对电池进行吸热和隔绝氧气，并可及时调控电池内压，通过采用以上综合防护方法，可有效防止起火、爆炸等事故发生，大大降低电池使用的安全风险。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为本发明中泄压阀的的一种结构示意图；
图3为本发明中锂离子电池的一种结构示意图；
图4为本发明中锂离子电池的一种装配状态示意图。
图中，1-电芯组，2-电芯护套，3-外壳，4-泄压阀，5-阀体，6-活动阀块，7-阀盖，8-中心通孔，9-阀腔，10-压簧，11-碳酸氢盐粉末，12-绝热层。
具体实施方式
下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1、图2、图3、图4所示，一种电动车，使用一种具有防火防爆装置的锂离子电池，所述的锂离子电池包括电芯组1、电芯护套2和外壳3，电芯组1放置在电芯护套2内，电芯护套2置于外壳3内，电芯护套2和外壳3的间隙中填充有碳酸氢盐粉末11作为灭火材料，本实施例中为碳酸氢钠，电芯护套2由ABS制成，外壳3用铝制成，外壳3为一封闭的近似长方体，由壳体、上盖、底盖组成，外壳3的顶盖上设有一个疏通孔，最好在疏通孔上设有泄压阀4。泄压阀4包括阀体5和活动阀块6，阀体5口上螺纹连接有阀盖7，阀盖7中心设有中心通孔8，阀体5内设有上大下小的锥台形的阀腔9，活动阀块6亦呈锥台形并适配地滑动设置于阀腔9中，活动阀块6锥度与阀腔9锥度相等，阀盖7与活动阀块6间设有一压簧10，压簧10一端钩挂于活动阀块6上，另一端抵接在阀盖7底面，压簧10匝圈外径大于中心通孔8直径。压簧10选用合适的规格，当外壳3内部气压达到一定气压时大气压时，活动阀块6所受的外壳3内部压力恰好可以克服压簧10弹力。电芯护套2与电芯组1的间隙中填充有减震阻燃材料，本实施例中该减震阻燃材料为硅胶。外壳3内表面与碳酸氢钠之间设置有由二氧化硅形成的绝热层12，碳酸氢钠设于绝热层12与电芯护套2之间。
锂离子电池在工作过程中一旦因短路等原因发热时，电芯护套2内温度逐渐上升，且由于绝热层的阻隔，热能不易散发，外壳3内部温度以及外壳3内部气压也随之上升，当温度到达50℃，碳酸氢钠开始发生化学反应，分解成碳酸钠、水和二氧化碳，碳酸氢钠的热分解是个吸热过程，在热分解过程中不断消耗热能，这可以抑制外壳3内部温度快速上升。生成的二氧化碳混入外壳3内原有的空气后，外壳3内气压进一步增大，当外壳3内气压达到两个大气压时，活动阀块6可被外壳3内气压推动，克服压簧10的弹力上升，活动阀块6脱离原先与阀腔9的适配位置，活动阀块6与阀腔9腔壁间出现了空隙，外壳3内部气压便可经由该空隙外泄，直至外壳3内气压回落到两个大气压以下。二氧化碳不断产生，而外壳3内部原有的少量空气逐渐被排空，这样外壳3内部的氧气最终被排尽，而外壳3内部空隙最终全部被二氧化碳占据。没有了氧气，外壳3内部便失去了电芯组燃烧的必要元素，从而达到了阻燃防火的目的，避免发生更严重的安全事故。本实施例中，可以是在外壳3的顶盖上仅设有疏通孔，而不设泄压阀，锂离子电池在工作过程中一旦因短路等原因发热时，电芯护套2内温度逐渐上升到一定温度时，电芯内部物质产生反应，并导致电芯内部压力变大，电芯破裂，电芯内部产生的气体和颗粒等热源在内部压力的作用下，通过疏通孔喷出壳体外，减少了壳体内部的热源；同时外壳3内部温度的上升，碳酸氢钠开始发生化学反应，分解成碳酸钠、水和二氧化碳，碳酸氢钠的热分解是个吸热过程，在热分解过程中不断消耗热能，这可以抑制外壳3内部温度快速上升，产生的二氧化碳混入外壳3内原有的空气后，外壳3内气压进一步增大，将氧气通过疏通孔排出壳体3，并将外壳3内部与外部氧气隔绝，由于二氧化碳不断产生，而外壳3内部原有的少量空气逐渐被排空，这样外壳3内部的氧气最终被排尽，而外壳3内部空隙最终全部被二氧化碳占据，没有了氧气，外壳3内部便失去了电芯组燃烧的必要元素，从而达到了阻燃防火的目的，避免发生更严重的安全事故。另外，由于二氧化碳的产生，从疏通孔喷出的热源掺杂着二氧化碳，也大大降低了喷出热源的危险性。本实施例中，作为灭火材料的碳酸氢盐还可以是碳酸氢钾、碳酸氢钙、碳酸氢铵等可在不同温度点进行吸热分解并生成二氧化碳的碳酸氢盐，或是这些碳酸氢盐的混合物。
实施例2：
电芯护套2用铝制成，所述减震阻燃材料为阻燃腈氯纶纤维。其余同实施例1。
本发明的具有防火防爆装置的锂电池可以应用在如电动自行车、电动摩托车、电动汽车等交通工具上。
Claims (10)
1.一种具有防火防爆装置的锂电池，所述锂电池包括电芯组（1）、电芯护套（2）和外壳（3），电芯组（1）置于电芯护套（2）内，电芯护套（2）置于外壳（3）内，其特征是电芯护套（2）与外壳（3）的间隙中填充有碳酸氢盐粉末，外壳（3）内表面与碳酸氢盐粉末之间设置有二氧化硅，外壳（3）上设有疏通孔。
2.根据权利要求1所述的具有防火防爆装置的锂电池，其特征是所述疏通孔上设有泄压阀（4），泄压阀（4）包括阀体（5）和活动阀块（6），阀体（5）口上螺纹连接有阀盖（7），阀盖（7）中心设有中心通孔（8），阀体（5）内设有上大下小的锥台形的阀腔（9），活动阀块（6）亦呈锥台形并适配地滑动设置于阀腔（9）中，阀盖（7）与活动阀块（6）间设有一压簧（10），压簧（10）一端钩挂于活动阀块（6）上，另一端抵接在阀盖（7）底面，压簧（10）匝圈外径大于中心通孔（8）直径。
3.根据权利要求1所述的具有防火防爆装置的锂电池，其特征是所述疏通孔位于外壳顶部。
4.根据权利要求1所述的具有防火防爆装置的锂电池，其特征是所述碳酸氢盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢钙、碳酸氢铵或其混合物。
5.根据权利要求1所述的具有防火防爆装置的锂电池，其特征是电芯护套（2）与电芯组（1）的间隙中填充有减震阻燃材料。
6.根据权利要求5所述的具有防火防爆装置的锂电池，其特征是所述减震阻燃材料为硅胶。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的具有防火防爆装置的锂电池，其特征是电芯护套（2）用ABS塑料制成。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的具有防火防爆装置的锂电池，其特征是电芯护套（2）用铝制成。
9.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的具有防火防爆装置的锂电池，其特征是外壳（3）用铝制成。
10.一种电动车，其特征是，应用权利要求1或2或3或4或5或6所述的具有防火防爆装置的锂电池。
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