CN106659920A - 用于液体电解质电池组的安全方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于处理电池组中，特别是金属‑空气电池组中的电解质溶液的安全方法和机构。本发明的系统和方法保护电池组、保护电池组操作人员以及保护环境防止潜在的材料危害。本发明提供了通过形成固体或凝胶多孔聚合物结构来阻止潜在危险的电解质溶液的材料。所述聚合物多孔结构消耗或限制所述电解质溶液，从而防止它的潜在危险。

Description

用于液体电解质电池组的安全方法和系统
技术领域
本发明涉及用于处理电池组中，特别是金属-空气电池组中的电解质溶液的安全方法和机构。本发明的系统和方法保护电池组、操作人员以及环境防止潜在的材料危害。
背景技术
在许多电池组中，使用水溶液作为在电池组中进行的电化学反应所需的电解质溶液。一个实例是金属-空气电池或碱性电池组。金属-空气电池或碱性电池组鉴于它们潜在的高能量密度而是非常有吸引力的电源。在金属-空气电池中，氧化试剂(氧)是从电池的外部供应的。在电池组运行期间，在水溶液存在下在阴极上进行氧还原。所述水溶液是通常包含浓KOH或NaOH的碱性溶液。
然而，碱性电解质溶液(和其它电解质溶液)在故障的情况下，例如在金属空气电池组被放置在经历事故的车辆中时可能变得具有危害性。如果电池组系统在事故中被损坏，那么碱性电解质可能会溢出。碱性溶液具有腐蚀性并且可能会对溢出物附近的人造成皮肤刺激和其它健康危害。电解质的腐蚀性质还可能会影响金属和一些塑料，如果是从电池组或电池中溢出的话。
此外，当电池不处在负载下时，保留在金属空气电池中的电解质溶液会对电池中的金属阳极造成内容物腐蚀。这样的腐蚀释放氢气，这可能会引起爆炸。一个实例是铝阳极根据以下化学反应的氧化：
2Al+6H2O＝>2Al(OH)3+3H2
目前，没有令人满意的在事故或故障的情况下将电池组电解质维持在安全状态下的解决方案。需要找到这样的解决方案以将电池组安全地并入到车辆和其它操作系统中。
发明内容
在一个实施方案中，本发明提供了一种用于在紧急状况时固定电池组中的电解质的方法，所述方法包括将试剂添加到所述电解质中。
在一个实施方案中，所述试剂形成多孔固体材料，以使得所述电解质溶液被容纳在所述材料的孔隙中。在一个实施方案中，通过立即形成闭孔聚合物泡沫的刚性、半刚性层来阻止或包封潜在的电解质泄漏溢出物。在一个实施方案中，所述试剂是聚合物或聚合物前体。
在一个实施方案中，在将所述试剂添加到电解质中之前，所述电解质被保持在第一隔室中，并且所述试剂被保持在第二隔室中。
在一个实施方案中，所述第一隔室和所述第二隔室是连接的，并且所述连接部可以采取打开位置或闭合位置。在一个实施方案中，在打开所述连接部时，所述试剂被转移到所述电解质中。
在一个实施方案中，所述试剂具有吸收性。在一个实施方案中，所述试剂在与所述电解质接触时形成凝胶。
在一个实施方案中，本发明提供了一种系统，所述系统包括：
电池组，所述电池组包括：
电化学电池隔室和任选的电解质隔室；以及
用于储存所述试剂的储存单元；
其中所述储存单元接触或通过连接部连接到所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合。
在一个实施方案中，所述连接部采取打开位置或闭合位置。
在一个实施方案中，所述连接部通常是闭合的并且在紧急状况或事故时，所述连接部被打开。在一个实施方案中，所述紧急状况或事故状况是通过所述系统内或所述系统外部的传感器感应的，并且在接收到来自所述传感器的信号时所述连接部被打开。
在一个实施方案中，在打开所述连接部时，所述试剂被自发地转移到电化学电池隔室、电解质隔室或其组合中。
在一个实施方案中，在打开所述连接部时，使用转移装置将所述试剂转移到电化学电池隔室、电解质隔室或其组合中。
在一个实施方案中，所述电解质隔室包括内层和外层，所述内层包括电解质并且所述外层包括用于储存所述试剂的储存单元。在一个实施方案中，在电解质槽中破裂或刺穿时，所述试剂与电解质混合。
在一个实施方案中，所述试剂在与电解质接触之前或与电解质接触时形成凝胶或泡沫。
在一个实施方案中，本发明提供了一种使用系统在紧急状况时固定电池组中的电解质溶液的方法，所述系统包括：
电池组，所述电池组包括：
包括电解质的电化学电池隔室；以及
任选的包括电解质的电解质隔室；
用于储存所述试剂的储存单元；
其中所述储存单元接触或通过连接部连接到所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合，以使得所述连接部可以采取打开位置或闭合位置；并且
其中所述方法包括将所述试剂从所述储存单元中添加到所述电化学电池隔室中的电解质中以及任选地添加到所述电解质隔室中的电解质中，从而固定所述电解质。
附图说明
被视为本发明的主题在本说明书的结尾部分中被特别指出并且明确要求保护。然而，在组织和操作方法这两方面，可以通过在结合附图一起阅读时参考以下详细说明来最好地理解本发明以及其目的、特征和优势，其中：
图1示出了包括用于引入胶凝剂或发泡剂材料的入口的电解质槽。
图2示出了包括两个包括电解质的区域以及两个用于将胶凝剂或发泡剂材料引入到电池中的入口的电池。
图3示出了双层电解质槽，其中电解质溶液位于内层中并且胶凝剂或发泡剂材料位于外层中。胶凝剂或发泡剂在意外破裂或刺穿时被引入到电解质溶液中，如图中所示。
将了解的是，为了简单和清楚说明，图中所示的元件未必是按比例绘制的。举例来说，为了清楚起见，这些元件中的一些的尺寸可以相对于其它元件被放大。此外，在认为适当时，附图标记可以在图之间重复以指示相应的或类似的元件。
具体实施方式
在以下详细说明中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的深入了解。然而，本领域技术人员将了解的是，本发明可以在不存在这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，没有对公知的方法、程序、以及部件进行详细描述以免使本发明含糊不清。
本发明的方法
在一个实施方案中，本发明提供了一种用于在紧急状况时固定电池组中的电解质溶液的方法，所述方法包括将试剂添加到所述电解质中。
在一个实施方案中，所述试剂形成多孔固体材料，以使得所述电解质溶液被容纳在所述材料的孔隙中。在一个实施方案中，所述试剂是聚合物或聚合物前体。
在一个实施方案中，所述聚合物或聚合物前体包含异氰酸酯或聚异氰酸酯、异氰尿酸酯或聚异氰尿酸酯以及其组合物。在一个实施方案中，由异氰酸酯或聚异氰酸酯、异氰尿酸酯或聚异氰尿酸酯以及其组合物形成的多孔固体材料是聚氨酯泡沫。
在一个实施方案中，在将所述试剂添加到电解质中之前，所述电解质被保持在第一隔室中，并且所述试剂被保持在第二隔室中。在一个实施方案中，所述第一隔室和所述第二隔室是连接的，并且所述连接部可以采取打开位置或闭合位置。在一个实施方案中，在打开所述连接部时，所述试剂被转移到所述电解质中。
在一个实施方案中，所述第二隔室还包括气体推进剂，所述气体推进剂有助于将所述试剂从所述第二隔室转移到所述第一隔室中。
在一个实施方案中，所述试剂具有吸收性。在一个实施方案中，所述试剂是亲水性的。在一个实施方案中，所述试剂是亲水性聚合物。
在一个实施方案中，所述试剂在与所述电解质接触时形成凝胶。在一个实施方案中，所述试剂包含超吸收性聚合物。在一个实施方案中，所述超吸收性聚合物包括基于纤维素的聚合物、基于聚丙烯酸酯的聚合物、基于聚丙烯腈的聚合物、其组合以及其组合物。在一个实施方案中，所述聚合物是交联的，例如交联的聚丙烯酸酯。在一个实施方案中，所述试剂包含可溶液聚合的聚合物以及其组合物。在一个实施方案中，溶液聚合(在一个实施方案中是胶凝)包括使聚合物/聚合物前体交联。
在一个实施方案中，形成凝胶的聚合物是以干燥材料的形式提供的并且以干燥材料的形式储存在试剂储存隔室中。根据这一方面以及在一个实施方案中，所述干燥聚合物在紧急状况时被添加到液体电解质中并且所述聚合物吸收液体电解质或其部分并且变成凝胶。根据这一方面以及在一个实施方案中，所述凝胶的重量是所述干燥聚合物的10倍-20倍，即所述干燥聚合物吸收它的重量的10倍-20倍的液体。在一个实施方案中，在吸收液体电解质之后的凝胶与在吸收液体之前的干燥聚合物之间的重量比在以下范围：10-50或5-25、或10-100、或100-500、或25-75、或2-10、或5-15、或10-30。在一个实施方案中，在吸收液体时，干燥聚合物进行溶胀。在一个实施方案中，聚合物吸水并且变成凝胶的过程被称作胶凝或凝胶化。聚合物胶凝(凝胶化)。
在一个实施方案中，干燥聚合物通过吸收液体(例如水)形成凝胶是一个物理过程并且不涉及化学反应。在一个实施方案中，在单体、或低聚物、或前体聚合物分子的反应基团之间形成分子间键。
在一个实施方案中，所述试剂是单体，所述单体在从所述试剂储存单元中排出后转化成聚合物。在一个实施方案中，所述试剂是单体，所述单体在与包括电解质的一个或多个隔室中的电解质反应后转化成聚合物。在一个实施方案中，使用发泡剂使所形成的聚合物经历发泡。根据这一方面以及在一个实施方案中，所得的材料是多孔(即含有孔隙)的泡沫，所述泡沫能够在孔隙中容纳电解质或其部分。在一个实施方案中，所述试剂是聚合物。在一个实施方案中，将聚合物试剂与发泡剂在进入包括电解质的隔室时混合，从而吹胀以形成多孔泡沫。
在一个实施方案中，在被引入到电解质隔室/槽中时形成泡沫的试剂被称为“发泡剂”。在一个实施方案中，当试剂从试剂储存单元中释放时，它进行释放诸如CO2气体的气体的化学反应。这一气体有助于产生泡沫，并且它在一个实施方案中充当发泡剂。在一个实施方案中，使用多于一个试剂储存容器。根据这一方面以及在一个实施方案中，一个储存单元储存一种试剂并且另一个储存单元储存另一种试剂。在引入到包括电解质的容器中时，这两种试剂混合并且发生化学反应。这一化学反应的产物(在存在或不存在另外的发泡剂的情况下)产生泡沫或其它多孔固体或半固体材料。根据这一方面以及在一个实施方案中，将任何数目的试剂储存单元与本发明的系统和方法一起使用以产生所期望的试剂反应以在包括电解质的容器中得到泡沫或多孔材料。
在一个实施方案中，所述聚合物或聚合物前体形成凝胶材料以使得所述凝胶包含电解质。
在一个实施方案中，所述聚合物或聚合物前体包括超吸收性聚合物。在一个实施方案中，所述超吸收性聚合物包括基于纤维素的聚合物、基于聚丙烯酸酯的聚合物、基于聚丙烯腈的聚合物以及其组合物。
在一个实施方案中，所述聚合物或聚合物前体包括可溶液聚合的聚合物以及其组合物。在一个实施方案中，溶液聚合包括使聚合物/聚合物前体交联。
在一个实施方案中，形成凝胶/固体/半固体材料的聚合物包括有机聚合物、无机聚合物或其组合。在一个实施方案中，无机聚合物包括二氧化硅或其它基于Si的聚合物，如氧化硅结构、聚二甲基硅氧烷PDMS、以及主要包含Si、O、H和C的聚合物。
在一个实施方案中，有机聚合物包括聚烯烃、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚酯、聚酰胺、其任何衍生物或其组合。在一个实施方案中，根据本发明的聚合物可以是取代的或未取代的。在一个实施方案中，根据本发明的聚合物可以是饱和的或不饱和的。在一个实施方案中，根据本发明的聚合物可以是线性的或支化的。在一个实施方案中，所述聚合物可以是烷基化的。在一个实施方案中，所述聚合物可以是卤化的。在一个实施方案中，根据本发明的聚合物可以是氯化的或氟化的。在一个实施方案中，聚烯烃尤其可以包括聚异丁烯、聚乙烯、聚丙烯、或其任何组合。在一个实施方案中，所述聚合物尤其可以包括聚(α-甲基)苯乙烯。
共聚物是包含与单体“B”键合的单体“A”，从而形成包含两个(或更多个)单体的聚合物的聚合物。嵌段共聚物是其中“A”的链或嵌段与“B”的链(嵌段)键合(例如嵌段“A”和嵌段“B”)的共聚物。在一个实施方案中，根据本发明的聚合物是共聚物或嵌段共聚物。根据这一方面以及在一个实施方案中，所述共聚物包括聚二甲基硅氧烷/聚苯乙烯PDMS/PS、丁二烯/苯乙烯、丙烯酸酯/PS。所述共聚物包含任何两个或更多个构建嵌段以形成共聚物的嵌段。举例来说，来自本文上述的聚合物的清单的如本领域普通技术人员已知的任何两种或更多种材料可以用作包含至少两个单体/嵌段的共聚物中的单体或嵌段。在一个实施方案中，所述共聚物尤其可以包括嵌段共聚物、接枝共聚物、星形共聚物或无规共聚物。在一个实施方案中，所述试剂包含树枝状聚合物。
在一个实施方案中，将气体推进剂与试剂、聚合物或聚合物前体一起添加到电解质中。在一个实施方案中，所述气体推进剂吹胀所形成的聚合物，从而增加所形成的聚合物内的孔隙/空区。在一个实施方案中，所述气体推进剂参与聚合反应，并且在另一个实施方案中，它不参与聚合反应。在一个实施方案中，所述气体包括空气、N2、Ar、He、CO2或其组合。在一个实施方案中，所述气体包括小分子，如乙烯、乙烯衍生物、水、NH3、四甲基硅烷(TMS)或其组合。在一个实施方案中，所述气体推进剂被容纳在与电解质隔室直接连接或经由管道/导管连接的气瓶/容器中。在一个实施方案中，进入电解质隔室中的气体的量是由安装在气瓶上或附近的压力计控制的。在一个实施方案中，将气体从气瓶引入到电解质隔室中。在另一个实施方案中，将气体引入到试剂储存隔室中，并且从那里，将气体和聚合物/前体一起注入到电解质隔室中。
在一个实施方案中，在与电解质隔室中的电解质接触时形成由试剂、由聚合物或聚合物前体形成的多孔固体材料、凝胶或其组合。根据这一方面以及在一个实施方案中，将试剂、聚合物/前体以固体、气体或液体的形式引入到电解质中并且在与电解质接触时形成固体/半固体/凝胶。
在另一个实施方案中，在引入到电解质中之前形成多孔固体材料、凝胶或其组合。根据这一方面以及在一个实施方案中，将聚合物/前体在已经呈多孔固体/半固体/凝胶形式时引入到电解质中。
在一个实施方案中，使用泵、漏斗、注射器、通过重力、从一个或多个入口或其组合将试剂(例如聚合物/前体)引入到电解质隔室中。在一个实施方案中，在紧急状况时，在试剂储存容器与电解质容器之间的交界处出现如破裂/开裂/刺穿的开口时，自发地发生试剂(例如聚合物/前体)向电解质隔室中的引入。在一个实施方案中，包括入口的电解质槽示于图1中。在一个实施方案中，针对所引入的聚合物的量、聚合物引入的速率、和/或聚合物和电解质的压力和温度来控制聚合物/前体向电解质隔室中的引入。用于这一目的的控制系统是本领域已知的并且包括压力计、体积计、质量计和温度计、以及传感器、湿度传感器、包括处理器和反馈机构的程序控制系统、电机阀、管道、容器以及贮器。在一个实施方案中，如本文以上对于将试剂引入到电解质隔室中所述将试剂引入到一个或多个电池组电池中。在一个实施方案中，本文以上所述的入口是包括电解质的隔室与试剂储存单元之间的连接部的一部分。在一个实施方案中，所述连接部包括入口。
在一个实施方案中，在引入到电解质隔室中之前，试剂被保持在储存隔室中。在一个实施方案中，所述试剂在储存隔室中呈固体的形式。根据这一方面以及在一个实施方案中，所述试剂呈粉末、纤维、球粒、细粒、棒、盘、颗粒的形式。在一个实施方案中，如果所述聚合物呈颗粒的形式，那么所述颗粒的尺寸在纳米、微米、毫米、厘米范围或这些范围的组合内。在一个实施方案中，所述试剂在储存隔室中呈气体的形式。在一个实施方案中，所述试剂在储存隔室中是液体。在一个实施方案中，所述液体是纯的。在一个实施方案中，所述液体包含溶剂的混合物。在一个实施方案中，所述液体是包含一种或多种溶剂的溶液。在一个实施方案中，所述溶液包含溶剂和一种或多种溶质。在一个实施方案中，使用多于一种试剂。根据这一方面以及在一个实施方案中，两种或更多种试剂被保持在同一个储存隔室中。在另一个实施方案中，一种或多种试剂被保持在一个储存隔室中并且另一种试剂被保持在另一个隔室中。根据这一方面以及在一个实施方案中，将材料从不同的隔室以所期望的比率/速率引入到电解质隔室中并且在它们之间发生化学反应。在一个实施方案中，所述化学反应在电解质隔室中发生。在另一个实施方案中，在引入到电解质隔室中之前发生化学反应。根据这一方面以及在一个实施方案中，在储存隔室与电解质隔室之间放置反应容器或管道，其中发生聚合或其它化学反应。在一个实施方案中，不同或各种储存隔室不仅用于试剂，而且还用于储存气体/空气、引发剂、催化剂、溶剂以及参与或伴随形成固定电解质所需的凝胶/固体/半固体材料的所期望的化学反应的任何其它化学品。在一个实施方案中，形成凝胶/固体/半固体的化学反应在试剂储存隔室中发生并且从那里，凝胶/固体/半固体被转移到电池组/电解质隔室中。
在一个实施方案中，在试剂与电解质之间发生相互作用之后，在电解质隔室中所形成的或引入到电解质隔室中的固体/半固体/凝胶材料包含电解质或其部分作为所述材料的支架的一部分。在另一个实施方案中，电解质或其部分不是固体/半固体/凝胶支架的一部分，而是它被包括在或局限于或填充固体/半固体/凝胶材料内部的孔隙、洞、空隙或空区。在一个实施方案中，电解质或其部分(例如水)参与形成多孔固体/半固体材料或凝胶材料的反应。在另一个实施方案中，电解质或其部分(例如水)不参与形成多孔固体/半固体材料或凝胶材料的化学反应。
在一个实施方案中，电解质或其部分与多孔固体/半固体材料或凝胶材料进行化学键合。在另一个实施方案中，电解质或其部分(例如水)不与多孔固体/半固体材料或凝胶材料进行化学键合，而是物理附着到所述材料、由所述材料吸收、或物理固定。
在一个实施方案中，本发明提供了一种使用系统固定电池组中的电解质溶液的方法，所述系统包括：
电池组，所述电池组包括：
包括电解质的电化学电池隔室；以及
任选的包括电解质的电解质隔室；
用于储存所述试剂的储存单元；
其中所述方法包括将所述试剂从所述储存单元中添加到所述电化学电池隔室中的电解质中以及任选地添加到所述电解质隔室中的电解质中，从而固定所述电解质。
在一个实施方案中，当试剂被添加到电解质隔室中时，它形成将电解质溶液或其部分封闭在它当中的高度多孔的材料或凝胶。在一个实施方案中，这样的包括形成了如下的结构，其中小体积的电解质与其它小体积的电解质隔离(部分或完全)。因此，电解质不会带来风险，这是因为它不是以大体积存在的。由于电解质现在被封闭在凝胶或多孔固体/半固体中，因此电解质无法溢出，并且因此降低或消除了腐蚀、灼伤、刺激的风险。此外，可能引起爆炸和环境危害的危险的化学反应被防止或维持在低概率。在紧急情况下这样的电解质处理的一个优势在于所形成的凝胶/固体/半固体材料可以被安全处理并且从电解质隔室中取出。
在一个实施方案中，所述电池组和储存单元被放置在汽车中。在一个实施方案中，所述电池组是金属-空气电池组。在一个实施方案中，所述电池组包括阴极、阳极以及电解质隔室。在一个实施方案中，所述电解质隔室包括用于引入试剂的入口。在一个实施方案中，所述电解质隔室通过连接部与试剂储存单元连接。在一个实施方案中，所述连接部包括所述入口。
在一个实施方案中，以及如图3中所示，开始通过刺穿孔溢出的电解质引发与胶凝剂或发泡剂材料的反应。在一个实施方案中，这一反应产生泡沫或凝胶。由于双层槽是密封的，因此不需要将材料添加到槽中。
在一个实施方案中，所述电解质槽包括两个隔室(两层)，如图3中所示。电解质处于内部(深灰色)隔室中。所述试剂处于外部隔室(淡灰色，有点)中。当电解质从内部隔室溢出到外部隔室中时发生反应。在一个实施方案中，当在内层与外层之间发生刺穿/开裂时，电解质与试剂接触并且引发电解质与试剂之间的反应，在一个实施方案中如图3中所示。
在一个实施方案中，在将所述试剂添加到电解质中之前，所述电解质被保持在第一隔室中，并且所述试剂被保持在第二隔室中。在一个实施方案中，所述第一隔室和所述第二隔室被接触放置或通过连接部连接。在一个实施方案中，第一隔室与第二隔室或其部分之间的接触区在紧急状况下被打开以使来自这两个隔室的材料混合。在一个实施方案中，第一隔室与第二隔室之间的连接部可以采取打开位置或闭合位置。
本发明的电池组
在一个实施方案中，本发明提供了一种电池组，其中所述电池组包括在事故状况下具有即时隔离物的一个或多个电化学电池隔室和电解质隔室。
在一个实施方案中，所述一个或多个电化学电池与电解质隔室连接。在一个实施方案中，这一连接允许电解质在电池与电解质隔室之间循环。在一个实施方案中，当电池组处在“关闭”位置时，电池中的电解质被排空到电解质隔室中。在一个实施方案中，电解质隔室用作贮器以容纳用于电池组的电化学电池的电解质。在一个实施方案中，当电池组未被激活时，电解质处在电解质槽中，但是当电池组被激活时，电解质处在电解质槽中以及电池组的电池内。在一个实施方案中，本发明提供了一种在紧急状况时用于电解质槽中的电解质的固定装置。在一个实施方案中，本发明提供了一种在紧急状况时用于所述一个或多个电化学电池中的电解质的固定装置。在一个实施方案中，本发明提供了一种在紧急状况时用于所述电解质槽中的电解质和所述一个或多个电化学电池中的电解质这两者的固定装置。
在一个实施方案中，本发明提供了一种电池组，所述电池组包括一个或两个隔室。在一个实施方案中，本发明提供了包括电解质的电池组，所述电解质可以流过所述电池组中的电化学电池和流入/流出电解质隔室。在一个实施方案中，所述电池组包括电池堆和电解质槽。在一个实施方案中，所述电解质槽和所述电池堆彼此相隔一定距离。
在一个实施方案中，本发明提供了一种电池组，所述电池组包括电解质隔室。在一个实施方案中，所述电解质隔室还包括用于将试剂引入到所述电解质隔室中的入口。在一个实施方案中，所述电化学电池包括用于将试剂引入到电解质隔室中的入口。在一个实施方案中，电解质槽和电化学电池均包括用于将试剂引入到电解质隔室中的入口。在一个实施方案中，所述入口是一个或多个隔室与试剂储存单元之间的连接部的一部分。
在一个实施方案中，所述电池组包括一个电化学电池。在一个实施方案中，所述电池组包括两个电化学电池。在一个实施方案中，所述电池组包括4个、6个、12个或20个电池。在一个实施方案中，所述电池组中电池的数目在1至50的范围。在一个实施方案中，每一个电化学电池包括一个包括电解质的区域。在一个实施方案中，每一个电池包括两个包括电解质的区域，如图2中所描绘，其中示出了包括一个阳极、两个阴极以及两个电解质区域的电池。根据这一方面以及在一个实施方案中，在紧急状况时，试剂可以经由两个入口引入到这两个包括电解质的区域中，如图2中所述。对于包括多于两个电池或多于两个电解质区域的电池组来说，用于在紧急状况时引入试剂的入口数目可以相应地加以调整，例如在一个实施方案中，对于包括12个电池的电池组，使用用于引入试剂的12个入口，每一个电池使用一个入口。在另一个实施方案中，用于每一个电池的多于一个入口(以及用于电解质槽的多于一个入口)被配置用于将试剂高效地转移到电解质槽/隔室中。在一个实施方案中，所述电化学电池隔室是电池中包括电解质的区域。在一个实施方案中，所述电化学电池隔室是包括电解质区域、一个阳极(或多个阳极)以及一个阴极(或多个阴极)的隔室。
在一个实施方案中，所述电池组包括阴极和阳极。在一个实施方案中，所述电池组是金属-空气电池组。在一个实施方案中，所述电池组是燃料电池。在一个实施方案中，所述电池组是含有潜在危险的液体电解质的任何电池组。在一个实施方案中，所述电池组被安装在车辆中/上。在一个实施方案中，所述车辆是汽车。在一个实施方案中，所述车辆是摩托车或小型摩托车。在一个实施方案中，所述车辆是在地面上、在空中(无人驾驶飞行器或靶机)、在水下、在太空中、在水面上或其组合运行的无人驾驶车辆。
在一个实施方案中，所述电池组被安装和用于不是车辆的仪器/设备/机器中。
本发明的系统
在一个实施方案中，本发明提供了一种系统，所述系统包括：
电池组，所述电池组包括：
电化学电池隔室和任选的电解质隔室，其中所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合包括用于将试剂引入到所述一个或多个隔室中的入口；以及
用于储存所述试剂的储存单元；
其中所述储存单元与所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合连接以使得所述连接部可以采取打开位置或闭合位置。
在一个实施方案中，在诸如事故的紧急情况下需要所述试剂。根据这一方面以及在一个实施方案中，所述试剂从储存单元转移到电化学电池隔室中并且任选地转移到电解质隔室中，以使得所述试剂消耗或吸收或固定电解质或其部分。试剂对电解质的作用阻止了电解质溢出以及引起危险的化学反应。
在一个实施方案中，储存单元与一个或多个电池组隔室之间的连接部通常是闭合并且在紧急状况或事故时，所述连接部被打开。在一个实施方案中，所述电池组隔室包括一个电化学电池(或多个电化学电池)隔室以及电解质隔室。在一个实施方案中，在电池进行电化学操作之前、期间和/或之后，电解质在电化学电池隔室与电解质隔室之间循环。
在一个实施方案中，所述紧急状况或事故状况是通过所述系统内或所述系统外部的传感器感应的，并且在接收到来自所述传感器的信号时所述连接部被打开。
在一个实施方案中，紧急警报信号由处理器处理，并且所述处理器激活连接部的打开或控制连接部的打开的激活。
在一个实施方案中，在打开所述连接部时，所述试剂被自发地转移到电化学电池隔室、电解质隔室或其组合中。在一个实施方案中，所述试剂的自发转移是通过打开试剂单元与电解质隔室(或电池)之间的隔板，以使得试剂被转移到电解质隔室和/或电化学电池隔室中来实现的。根据这一方面以及在一个实施方案中，如果所述试剂是固体，那么它是基于隔室/单元之间的高度差而被转移的并且通过重力落入隔室中。如果所述试剂是液体，那么它流入隔室中。在打开两个容器之间的连接部时，气相试剂自发地从试剂单元转移到隔室中。
在其它实施方案中，不是将试剂转移到电解质隔室和/或电池隔室中，而是将电解质从电解质隔室和/或电池隔室转移到试剂的储存单元中。
在一个实施方案中，储存单元还包括气体推进剂。在一个实施方案中，所述储存单元包括试剂和气体推进剂，因此所述气体推进剂有助于试剂从储存单元排出并且进入到电化学电池隔室、电解质隔室或其组合中。在一个实施方案中，储存单元中气体推进剂的压力高于电化学电池隔室、电解质隔室或其组合中的气体压力。
在一个实施方案中，在打开所述连接部时，使用转移装置将所述试剂转移到电化学电池隔室、电解质隔室或其组合中。在一个实施方案中，所述转移装置包括泵、注射器、或旋转螺杆。
在一个实施方案中，所述电解质隔室包括内层和外层，所述内层包括电解质并且所述外层包括用于储存所述试剂的储存单元。在一个实施方案中，在电解质槽中破裂或刺穿时，所述试剂与电解质混合。
在一个实施方案中，所述试剂在与所述电解质接触时形成凝胶或泡沫。在一个实施方案中，所述系统还包括包含发泡剂的容器。在一个实施方案中，发泡剂与试剂一起被转移到电化学电池隔室、电解质隔室或其组合中，以使得所述发泡剂吹胀试剂或其产物，从而形成多孔材料。
在一个实施方案中，发泡剂与发泡试剂一起被容纳在试剂储存单元中。在一个实施方案中，发泡剂和气体推进剂是相同的气体。根据这一方面以及在一个实施方案中，气体推进剂/发泡剂有助于发泡剂试剂排出到包括电解质的隔室中并且将试剂吹成泡沫/多孔固体或半固体材料。
在一个实施方案中，本发明的系统还包括选自由以下各项组成的组的控制传感器：温度计、压力计、湿度计、位置计、加速度计或其组合。在一个实施方案中，本发明的系统响应于来自诸如汽车控制器、加速度计、气囊激活器或其组合的外部控制器的信号而被激活。
在一个实施方案中，所述电化学电池还包括阴极和阳极。
在一个实施方案中，本发明的系统和方法用于固定金属-空气电池组中的电解质。在一个实施方案中，本发明的系统和方法用于固定其它碱性电池组中的电解质。在一个实施方案中，本发明的系统和方法用于固定任何其它燃料电池中的电解质。在一个实施方案中，本发明的系统和方法用于固定包括潜在危险的液体电解质的任何电池组中的电解质。在一个实施方案中，本发明的系统和方法用于固定包括pH碱性电解质的电池组中的所述pH碱性电解质。在一个实施方案中，本发明的系统和方法用于固定包括酸性电解质的电池组中的所述酸性电解质。在一个实施方案中，本发明的系统和方法用于固定其中液体电解质包含危险的金属/金属离子/金属络合物和金属化合物的电池组中的电解质。
在一个实施方案中，本发明提供了一种系统，所述系统包括：
电池组，所述电池组包括电化学电池隔室和任选的电解质隔室；以及
用于储存所述试剂的储存单元；
其中所述储存单元接触或通过连接部连接到所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合。
在一个实施方案中，所述连接部可以采取打开位置或闭合位置。在一个实施方案中，储存单元与电化学电池隔室、电解质隔室或其组合之间接触的区域或其部分在紧急状况时被打开以使得来自所述储存单元的材料与来自电化学电池隔室、电解质隔室或其组合的电解质混合。
在一个实施方案中，本发明提供了一种系统，所述系统包括：
电解质隔室；以及
用于储存试剂的储存单元；
其中所述储存单元与所述电解质隔室接触或通过连接部与所述电解质隔室连接。
在一个实施方案中，试剂可以经由连接部从储存单元转移到电解质隔室中。在一个实施方案中，在紧急状况时，电解质隔室与储存单元之间的接触区至少部分被打开，从而允许试剂与电解质混合。如本文以上所述的本发明的方法适用于本发明的系统。
在一个实施方案中，电池隔室、电解质隔室或其组合包括用于将试剂引入到一个或多个隔室中的入口。在另一个实施方案中，电池隔室、电解质隔室或其组合不包括用于将试剂引入到一个或多个隔室中的入口。根据这一方面以及在一个实施方案中，在紧急状况时在一个或多个隔室中形成开口(例如发生刺穿)，并且与隔室接触放置的试剂在这一开口处/经由这一开口接触电解质。
定义
重力阀是一种安全特征。在发生事故的情况下，如果车辆或危险物的任何其它容器被颠倒或侧向翻转，那么所述阀门将用作关闭阀以阻止任何燃料或其它物质从诸如储气槽的槽中溢出。重力阀被安装在车辆中以防止可能引起危险情况/状况的溢出。
在一个实施方案中，试剂是化学品。在一个实施方案中，试剂是化学试剂。在一个实施方案中，试剂是物质。在一个实施方案中，试剂是呈气体、液体、溶液、悬浮液或固体的形式的化学品。在一个实施方案中，所述试剂包括单体、低聚物、聚合物或其组合。在一个实施方案中，所述试剂包括小分子(例如非聚合物分子)。
在一个实施方案中，所述试剂是泡沫、凝胶、海绵、多孔材料或其组合。在一个实施方案中，所述试剂是泡沫、凝胶、海绵、多孔材料或其组合的前体。在一个实施方案中，所述试剂是聚合物或聚合物前体。在一个实施方案中，所述试剂包括泡沫、凝胶、海绵、多孔材料或其组合。在一个实施方案中，所述试剂包括泡沫、凝胶、海绵、多孔材料或其组合的前体。在一个实施方案中，所述试剂是聚合物或聚合物前体。
在一个实施方案中，所述试剂是与电解质相互作用的材料。在一个实施方案中，所述试剂与电解质以化学方式和/或物理方式相互作用。在一个实施方案中，在试剂与电解质之间相互作用后，所述电解质无法溢出。在一个实施方案中，在试剂与电解质之间相互作用后，与所述试剂相互作用的电解质不以本体液体或本体溶液的形式存在。在一个实施方案中，在试剂与电解质之间相互作用后，与所述试剂相互作用的电解质无法流动。
超吸收性聚合物是能够相对于它们自身的质量吸收和保留大量液体的聚合物。在一个实施方案中，超吸收性聚合物可以吸收它的重量的50倍至500倍。在一些实施方案中，超吸收性聚合物可以变成99.9％吸收的液体。
前体是聚合物前体。在一个实施方案中，聚合物前体是将形成聚合物的单体。在一个实施方案中，前体可以是已经形成的低聚物或聚合物，它在与电解质接触时和/或在与从另一个隔室引入的另一种化学品接触时、或在压力/温度变化时、或在将前体与气体材料、引发剂、催化剂、化学品、小分子、或其组合混合时将形成所期望的聚合物或所期望的结构。
固定电解质意指将电解质保持在安全形式/环境、捕集电解质、阻止电解质、将它限制在多孔材料的孔隙内或凝胶内、消耗电解质形成另一种材料、将电解质分开、分成小部分、用于产生固体/半固体/凝胶材料、锁定、保护、封闭、固定、附着、抓住以防止移动/流动、利用、阻留、包封、截留或抓紧电解质。
在一个实施方案中，凝胶/固体/半固体材料吸收电解质或其部分。在一个实施方案中，凝胶/固体/半固体材料被电解质或其部分浸泡。在一个实施方案中，由于吸收电解质，因此固体材料变成凝胶；凝胶材料进行溶胀；凝胶/固体/半固体的尺寸增加、膨胀、胀大；固体/半固体材料溶胀；固体被电解质润湿；或其组合。
在一个实施方案中，“多孔”材料意指包含孔隙的材料。在一个实施方案中，多孔材料包括比无孔材料大的表面积。在一个实施方案中，所述材料中的孔隙是可由气体、液体、溶液或其组合到达的。
在一个实施方案中，气态推进剂用于将前体/其它试剂从它的容器中推动到其中它被被吹成一定形式的位置(例如进入电池组电池/电解质槽中)。
在一个实施方案中，发泡剂是功能不同于气体推进剂的气体。根据这一方面以及在一个实施方案中，发泡剂用于进行发泡。在一个实施方案中，发泡剂用于在形成期间产生泡沫中的“气泡”或孔隙。
在一个实施方案中，隔室或单元是槽、容器、器皿、电池、加压气瓶、单元、箱、瓶、罐或袋。
在一个实施方案中，紧急状况是事故。在一个实施方案中，紧急状况是可能引起危害或潜在危害的任何情形。在一个实施方案中，紧急状况是使人员处于风险中的情形。在一个实施方案中，紧急状况是其中容纳电解质的隔室，如电解质隔室和一个或多个电化学电池正在被刺穿、压折或碎裂、压破、破裂、爆裂、产生狭缝、裂开、撕裂、开裂、切开等的状态。在一个实施方案中，紧急状况是其中电解质或电解质/电池组周围环境的温度或压力升高到高于一定水平的情形。在一个实施方案中，紧急状况是在一个或多个电池组隔室被颠倒、侧向、或在除电池的安全位置/定向以外的任何其它方向上翻转时。在一个实施方案中，紧急状况是在包括电解质的隔室撞击物体或被物体撞击时。在一个实施方案中，紧急状况是在其中安装电解质隔室的汽车/车辆/系统/设备撞击物体或被物体撞击时。
在一个实施方案中，术语“一(a)”或“一(one)”或“一(an)”指的是至少一。在一个实施方案中，短语“两或更多”可以具有将适合具体目的的任何单位。在一个实施方案中，“约”或“大约”可以包括相对于所示的术语偏差+1％、或在一些实施方案中，偏差-1％、或在一些实施方案中，偏差±2.5％、或在一些实施方案中，偏差±5％、或在一些实施方案中，偏差±7.5％、或在一些实施方案中，偏差±10％、或在一些实施方案中，偏差±15％、或在一些实施方案中，偏差±20％、或在一些实施方案中，偏差±25％。
实施例
实施例1
电解质隔室中的紧急泡沫形成
将包括一个或多个相对封闭的电解质隔室的电池组放置在汽车中。所述隔室类似于具有用于通风和管线/电线通过的小开口的箱。所述隔室装备有呈灭火器形式的一个或多个小型加压气瓶。所述加压气瓶容纳试剂(如聚合物前体)组合物(含有或不含发泡剂)和气体推进剂。在被激活(例如与用于安全气囊相同的触发器)时，气态推进剂立即将试剂组合物排出到电解质隔室的内部空间中，其中它快速固化成半刚性的耐碱性的聚合物。在聚合物固化期间，发泡剂将它膨胀成闭合多孔的半刚性聚合物泡沫，所述泡沫有效地填充隔室的内部空间并且防止进一步的机械损伤和液体溢出。用于激活这一机构的触发器是本领域已知的并且基于任何已知的触发机制。在一个实施方案中，在安全气囊被触发的情况下，气体推进剂触发器也被激活。
所使用的聚合物前体是基于(聚)异氰酸酯和(聚)异氰尿酸酯组合物的组合物。在固化时，这样的聚合物产生CO2气体，该气体用作发泡剂。在一些实施方案中应用另外的发泡剂。在电解质隔室中形成的产物是聚氨酯泡沫，所述聚氨酯泡沫对电解质相对稳定。在一个实施方案中，通过为槽和隔室的呼吸开口装备重力阀来防止电解质在翻转、颠倒时溢出来采取另外的安全措施。在一些情况下以及在必要时，使用呈粒状或片状形式的“超吸收性聚合物”来处理电解质溢出。
实施例2
电解质隔室中的紧急凝胶形成
将包括相对封闭的电解质隔室的电池组放置在汽车中。所述隔室类似于具有用于通风和管线/电线通过的小开口的箱。隔室装备有与电解质隔室连接的聚合物或聚合物前体容器。当被激活(与用于安全气囊相同的触发器)时，实现电解质的快速凝胶化。干燥的聚合物凝胶化剂从聚合物容器中添加到电解质溶液中。所使用的聚合物是聚丙烯酸钠[Medisap 715(美国伊利诺伊州T西邓迪的M2聚合物技术公司(M2polymer technologiesInc,T west Dundee,Il,USA))]，添加相对少量的干燥聚合物，相对于电解质的总量10％w/w的干燥聚合物(向1kg电解质中添加100克聚合物)。在20秒内，所添加的聚合物将液体电解质变成凝胶，从而有效地将它固定。观测到，在电解质维持在高温下时，胶凝反应增强。
在隔室中发生破裂时，电解质隔室中所形成的凝胶防止电解质的大量溢出。在一个实施方案中，在紧急状况时胶凝剂被注入到工作电池组中以使它停止电解质循环。在工作电池组隔室中凝胶的形成防止水转移到阳极中，并且因此防止后续的氢气放出。
用作胶凝剂的材料被称作“超吸收性聚合物”。这些材料包括：基于纤维素、聚丙烯酸酯以及聚丙烯腈的材料。所使用或形成的聚合物在一些实施方案中是交联的并且在一些实施方案中是可溶液聚合的组合物。
根据这一实施例，在紧急状况下，电解质在电解质槽和一个或多个电化学电池中进行凝胶化。根据这一方面，通过凝胶化剂实现电解质溶液的立即凝胶化。在一个实施方案中，通过为槽和隔室的呼吸开口装备重力阀来防止电解质在翻转、颠倒时溢出来采取另外的安全措施。在一些情况下以及在必要时，使用呈粒状或片状形式的“超吸收性聚合物”来处理电解质溢出。
虽然在本文中已经说明和描述了本发明的某些特征，但许多改动方案、替代方案、变化方案以及等同方案现在将被本领域的普通技术人员想到。因此，应当了解的是，所附权利要求书意图涵盖所有这些落入本发明的真实精神范围内的改动方案和变化方案。

Claims (40)

1.一种用于在紧急状况时固定电池组中的电解质溶液的方法，所述方法包括将试剂添加到所述电解质中。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述试剂包括泡沫、凝胶、多孔材料、或其前体。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述试剂形成多孔固体材料以使得所述电解质溶液被容纳在所述材料的孔隙中。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述试剂是聚合物或聚合物前体。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述聚合物或聚合物前体包括异氰酸酯或聚异氰酸酯、异氰尿酸酯或聚异氰尿酸酯以及其组合物。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述由所述异氰酸酯或聚异氰酸酯、异氰尿酸酯或聚异氰尿酸酯、多元醇、以及其组合物、聚异氰酸酯预聚物或聚异氰尿酸酯预聚物形成的多孔固体材料是聚氨酯泡沫。
7.如权利要求1所述的方法，其中在将所述试剂添加到所述电解质中之前，所述电解质被保持在第一隔室中，并且所述试剂被保持在第二隔室中。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一隔室和所述第二隔室被接触放置或通过连接部连接。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述在所述第一隔室与所述第二隔室或其部分之间的接触的区域在紧急状况时被打开以使得来自所述两个隔室的材料混合。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述在所述第一隔室与所述第二隔室之间的连接部可以采取打开位置或闭合位置。
11.如权利要求8所述的方法，其中在打开所述连接部时，所述试剂被转移到所述电解质中。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述第二隔室还包括气体推进剂，所述气体推进剂有助于将所述试剂从所述第二隔室转移到所述第一隔室。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述试剂具有吸收性。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述试剂在与所述电解质接触时形成凝胶。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述试剂包含超吸收性聚合物。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述超吸收性聚合物包括基于纤维素的聚合物、基于聚丙烯酸酯的聚合物、基于聚丙烯腈的聚合物、其组合以及其组合物。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述吸收性试剂包含可溶液聚合的聚合物或其组合物。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述溶液聚合包括使所述聚合物/聚合物前体交联。
19.一种系统，所述系统包括：
●电池组，所述电池组包括电化学电池隔室和任选的电解质隔室；以及
●用于储存试剂的储存单元；
其中所述储存单元接触或通过连接部连接到所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述连接部可以采取打开位置或闭合位置。
21.如权利要求19所述的系统，其中所述在所述储存单元与所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合之间的接触的区域或其部分在紧急状况时被打开以使得来自所述储存单元的材料与来自所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合的电解质混合。
22.如权利要求19所述的系统，其中所述储存单元还包括气体推进剂。
23.如权利要求19所述的系统，其中所述连接部通常是闭合的并且在紧急状况或事故时，所述连接部被打开。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述紧急状况或事故状况是由所述系统内或所述系统外部的传感器感应的，并且其中在接收到来自所述传感器的信号时，所述连接部被打开。
25.如权利要求24所述的系统，其中所述信号由处理器处理，并且其中所述处理器激活所述连接部的打开或控制所述连接部的打开的激活。
26.如权利要求23所述的系统，其中在打开所述连接部时，所述试剂被自发地转移到所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合中。
27.如权利要求22所述的系统，其中所述储存单元包括所述试剂和所述气体推进剂，因此所述气体推进剂有助于所述试剂从所述储存单元排出并且进入到所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合中。
28.如权利要求27所述的系统，其中所述储存单元中所述气体推进剂的压力高于所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合中的气体压力。
29.如权利要求19所述的系统，其中在打开所述连接部时，使用转移装置将所述试剂转移到所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合中。
30.如权利要求29所述的系统，其中所述转移装置包括泵、注射器、或旋转螺杆。
31.如权利要求19所述的系统，其中所述电解质隔室包括内层和外层，所述内层包括所述电解质并且所述外层包括所述用于储存所述试剂的储存单元。
32.如权利要求31所述的系统，其中在所述电解质隔室中破裂或刺穿时，所述试剂与所述电解质混合。
33.如权利要求19所述的系统，其中所述试剂在与所述电解质接触时形成凝胶或泡沫。
34.如权利要求19所述的系统，其中所述系统还包括包含发泡剂的容器。
35.如权利要求34所述的系统，其中所述发泡剂与所述试剂一起被转移到所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合中，以使得所述发泡剂吹胀所述试剂或其产物，从而形成多孔材料。
36.如权利要求19所述的系统，所述系统还包括选自由以下各项组成的组的控制传感器：温度计、压力计、湿度计、位置计、加速度计或其组合。
37.如权利要求19所述的系统，其中所述系统是响应于来自诸如汽车控制器、加速度计、气囊激活器或其组合的外部控制器的信号而被激活的。
38.如权利要求19所述的系统，其中所述电化学电池还包括阴极和阳极。
39.一种用于在紧急状况时固定电池组中的电解质溶液的方法，所述方法包括：
○提供电池组，所述电池组包括：
●包括电解质的电化学电池隔室；
●任选的包括电解质的电解质隔室；
○提供用于储存试剂的储存单元；
其中所述储存单元接触或通过连接部连接到所述电化学电池隔室、所述电解质隔室或其组合；
○使所述来自所述储存单元的试剂与所述一个或多个隔室中的所述电解质接触，从而固定所述电解质。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述在所述试剂与所述电解质之间的接触是通过打开所述连接部、或通过打开所述储存单元与所述一个或多个包括所述电解质的隔室之间的接触区的至少一部分而实现的。
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