CN107180934B - 一种电池热失控防护件及其制备方法和模具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池热失控防护件及其制备方法和模具，所述电池为单个电池或电池组，防护件包括隔热单元，该隔热单元包括两端开口的长方体，长方体中的相对内壁平行设有与该单元的轴向平行的通道，隔热单元设有用于达到阈值温度时的温度报警器，隔热单元的壁包括外层、中间层和内层，防护件的制备方法包括组装模具；制备阻燃材料，将阻燃材料注入模具；冷却脱模；将浇注成型的框与阻燃板压制成形，所用模具包括上端开口的外壳以及置于外壳底板上电池模型，本装置充分利用了阻燃材料的阻燃隔热特性以及密度小质量轻等优点，内层浇铸成型使阻燃材料以特定的形状和结构出现，充分发挥其阻燃隔热特性且方法简单易行，便于实现。
Description
技术领域：
本发明涉一种电池防护装置和防护装置的制备，具体涉及一种电池热失控防护件及其制备方法和模具。
背景技术：
广泛应用的锂离子电池时有发生火灾的事故，引发相关产品的大规模召回，给用户带来安全隐患、给锂离子电池有关的企业、行业均带来了重大的直接经济损失。
某些滥用条件下(如过充、高温、短路等)锂离子电池容易发生热失控，此过程中电池的内部和表面温度会骤然上升至几百度，电池以燃烧或爆炸的形式完成能量的释放，最终电池结构被破坏、电性能丧失。现阶段，锂离子电池大量应用于电动汽车或储能领域，使得锂离子电池常常以电池组或电池模块的形式应用于所属领域内，单体电池产生的燃烧或爆炸现象常常也会使其周围的电池受到影响，某块单体电池热失控可能引发其周围多块电池同样发生燃烧爆炸现象，甚至导致整个电池组或模块的大规模热失控及安全事故的产生。
单体电池的热失控不可避免时，应采取一切措施阻止锂离子电池热失控出现连锁反应。现在一般将由外界激励(充电、针刺、加热等)发生爆炸的电池称为主动电池(Initiative Battery,IB)，将由主动电池爆炸引起的发生爆炸或损坏的电池成为被动电池(Passive Battery,PB)。
锂离子电池发生热失控时，会释放出大量热量，常常伴随着燃烧或爆炸现象。阻燃材料不仅能够阻断电池热失控时释放出的热量，防止电池将过高的温度传播给周围的其他电池；而且还能够抑制火焰的传播，极大的降低或控制了由燃烧带来的一系列安全事故；同时，通过合理的布置，一定形状和数量的阻燃材料还能够衰减电池爆炸时带来的能量冲击，最大限度的保护周围电池以及相关人员设备的安全。
现有的锂离子电池的阻燃材料多以涂覆的方式涂覆在锂离子电池内部的正负极极片、隔膜上，这种方法虽然能对锂离子电池的起火燃烧起到了部分的减缓或遏制作用，但由于布置于电池内部有限的空间内，阻燃材料的形状和质量都受到影响，一般涂覆层厚度仅为0.5-10μm，导致阻燃效果并不理想，同时，由于阻燃涂层涂覆与电池正负极片或隔膜上，势必会对电池本身容量、功率性能或其他电学性能造成影响。此外，还有将阻燃剂作为添加剂添加到锂离子电池的电解液中的方法，以控制或阻断锂离子电池热失控时产生的火焰，此方法同样将阻燃材料设于电池内部，降低了阻燃效果，且不利于电池电解液的离子电导，从而导致电池电学性能的下降。此外，还有将锂离子电池封装于密闭的刚性腔体中，内部通入惰性气体的方法，这种方法虽然能够有效遏制锂离子电池热失控的传播，但对腔体的强度和密封性能要求都较高，且沉重的刚性外壳、繁琐的过程以及较高的成本构成了这种方法的推广和使用的瓶颈。
因此，需要提供一种技术方案来克服现有技术的不足。
发明内容：
为保证电池系统安全稳定运行，克服当个别单体电池出现安全问题导致发生燃烧爆炸等极端现象，使得电池安全事故扩大和发生热失控连锁反应的缺陷，本发明提出了一种防止锂离子电池热失控传播的防护件，所述电池为单个电池或电池组，其改进之处在于，所述防护件由隔热单元组成，所述隔热单元包括两端开口的长方体，所述长方体相对的侧壁内平行设有与该单元的轴向平行的通道，所述通道垂直贯通与所述侧壁垂直的壁。
优选技术方案为，所述隔热单元设有温度报警器用于达到阈值温度时报警。
优选技术方案为，所述通道横截面为圆弧形、V形或凹形。
优选技术方案为，所述隔热单元的壁为叠层结构，所述叠层包括外层、中间层和内层。
优选技术方案为，所述外层为隔温板，所述中间层为阻燃板，所述阻燃板为直径小于等于5.5mm的聚乙烯醇颗粒、高岭土和氧化石墨加热溶化后压制而成的板。
优选技术方案为，所述内层为浇注框，所述浇注框由阻燃材料制得，所述阻燃材料由重量份计的下述成分组成：阻燃材料载体40-70份、填充剂20-30份、阻燃剂20-40份、其他添加剂5-10份。
优选技术方案为，所述阻燃材料载体为聚丙烯；所述填充剂为碳酸镁；所述阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑、TCPP、十溴二苯乙烷、六溴环十二烷中的一种或几种；所述其他添加剂为玻璃纤维。
优选技术方案为，所述隔热单元内部放置锂离子电池。
本发明还提出了一种锂离子电池防护件制造方法包括如下步骤：
步骤一：组装模具；
步骤二：制备阻燃材料，将阻燃材料注入模具；
步骤三：冷却脱模；
步骤四：将浇注成型的框与阻燃板压制成一体结构。
优选技术方案为，所述模具包括围板、底板和电池模型，其中，所述电池模型尺寸大于或等于锂离子电池大小一致；
所述步骤二包括：将阻燃材料加热至260℃，分3-5次注入模具组中，每次注入时间2分钟，注入间隔为30分钟；
所述步骤三包括：将浇铸好的模具及阻燃材料于25℃下搁置至室温，待阻燃材料结构成型；将浇铸模具拆解，依次拆解围板、电池模型和底板，将浇铸完成的阻燃材料结构取出。
本发明还提出了一种制备权利要求1所述防护件的模具，具包括：上端开口的外壳以及置于外壳底板上的电池模型，构成所述外壳侧壁的四块围板中至少有一个围板采用钢条与钢板焊接而成，所述外壳底板包括两层钢板以及设于钢板间的支撑柱。
优选技术方案为，所述四个围板通过连接件活动连接；
优选技术方案为，所述电池模型为与所述底板相互独立设置的刚性件；
优选技术方案为，所述底板和四个围板的内壁均为粗糙度Ra<0.8μm的抛光面。
和最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1、防护件由隔热单元组成，可以根据实际使用需要对隔热单元任意组合使用，充分利用了阻燃材料的阻燃隔热特性以及密度小质量轻等优点设计了一种有效阻止锂离子电池热失控传播的阻燃结构。
2、隔热单元侧壁为叠层结构提高了防护件的安全性能，尤其是内层阻燃结构制备过程采用浇铸的方式，保证阻燃材料能够以特性的形状和结构出现，充分发挥阻燃隔热特性。同时，浇铸方法简单易行，便于实现。
3、内层阻燃浇注框制备所用模具围板上焊接有钢条，使得内层结构与电池接触部分为特殊的凹凸不平型，这种结构不仅保证了电池发生热失控时周围的阻燃材料能够有效的阻隔和削弱热量，更为重要的是，保证电池在正常工作过程中产生的热量能及时通过空气对流的方式消散。
附图说明
图1为隔热单元结构示意图；
图2为电池防护件的结构识图；
图3为电池防护件内层浇注框制备模具结构示意图；
图4为围板与钢条布置间距及方式图；
图5为模具底板结构及电池模型细节图；
图6为防护件与电池配合情况示意图。
附图标记说明：
1-通道；2-侧壁；3-电池槽；4-围板；5-底板；6-电池模型；7-螺栓；8-螺母；9-钢条；10-支撑柱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明中一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所有获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明提供的技术方案做详细说明。
实施例一
如图1-3所示，为本发明提供的一种电池热失控防护件及其制备方法和模具的结构示意图，防护件可以由一个或多个隔热单元组成，组合方式可根据实际需要自行确定，隔热单元为长方体形，长方体为一组平行面开口形的长方体框架，长方体相对的一组侧壁内平行设有与隔热单元的轴向平行的通道1，通道1垂直贯通与长方体设有通道的侧壁垂直的壁；长方体的侧壁为叠层结构，叠层结构包括外层、中间层和内层，其中外层为隔温板、中间层为阻燃板，内层为浇注框。
隔热单元设有温度报警器用于达到阈值温度时报警，此处温度预警装置作为独立的模块加装在阻燃材料结构外部，用于侦测阻燃材料在承受电池热失控以后的热力学特性，此温度报警器具有以下特性：当阻燃材料结构温度达到100℃时，报警器发出报警信息，提示为黄色报警级别；当阻燃材料结构温度达到200℃时，报警器发出报警信息，提示为橙色报警级别；当阻燃材料结构温度超过250℃时，报警器发出报警信息，提示为红色报警级别。
通道1位于隔热单元叠层结构壁内层，即浇注框的一组平行内壁上，且垂直贯通与其所在内壁垂直的另一组侧壁，通道1的横截面为圆弧形、V形或凹形。
中间层阻燃板为直径小于等于5.5mm的聚乙烯醇颗粒、高岭土和氧化石墨加热溶化后压制而成的板。
内层浇注框由阻燃材料制得，阻燃材料由重量份计的下述成分组成：阻燃材料载体40-70份、填充剂20-30份、阻燃剂20-40份、其他添加剂5-10份。
优选为阻燃材料由重量份计的下述成分组成：阻燃材料载体40份、填充剂25份、阻燃剂30份、其他添加剂5份。
阻燃材料载体为聚丙烯；填充剂为碳酸镁；阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑、TCPP、十溴二苯乙烷、六溴环十二烷中的一种或几种；所述其他添加剂为玻璃纤维。
实施例二
如图3所示，为电池防护件内层浇注框制备模具结构示意图，模具由不锈钢或其他熔点高于500℃的金属或其合金制得，包括：四个围板4、垂直于围板4的底板5、电池模型6、以及四周所用螺栓7和螺母8。
其中，围板4由90根长方体形钢条与一块钢板焊接而成，钢条焊接间距与分布如图4所示。其中一个围板4上方左右对称开两个与螺栓7和螺母8相配合的圆孔，下方也左右对称开两个与螺栓7和螺母8相配合的圆孔。
其中，四个围板4均为厚度相同的钢板，上下方均开两个与螺栓7和螺母8相配合的左右对称的圆孔，螺栓7和螺母8为相互配合的结构，螺栓长度根据围板4间距调整。
如图5所示，为模具底板结构及电池模型细节图，底板5为由两块钢板构成的双层结构，层间四角布置有四个均匀分布的相同的支撑柱10作为支撑，且支撑柱10上下端面与上下钢板通过焊接连接，电池模型6为与布置阻燃材料的锂离子电池等尺寸的刚性长方体，电池模型6与底板5之间相互独立，不采用连接。
其中，对焊接钢条的围板4每根钢条除焊接面以外其他5端面、剩余三个围板4的内壁侧、底板5上层钢板顶面、电池模型6各电池四周端面进行抛光处理，使得表面粗糙度Ra<0.8μm。
如图6所示，为防护件与锂离子电池配合情况示意图，浇注框制造包括以下步骤：步骤一：组装模具；步骤二：制备阻燃材料，将阻燃材料注入模具；步骤三：冷却脱模。
步骤一具体包括：将阻燃材料浇铸模具组装好，所述模具包括围板、底板和电池模型，其中，所述电池模型尺寸大于或等于锂离子电池大小一致；
步骤二具体包括：将阻燃材料加热至260℃，分3-5次注入模具组中，每次注入时间2分钟，注入间隔为30分钟；
步骤三具体包括：将浇铸好的模具及阻燃材料于25℃下搁置至室温，待阻燃材料结构成型；将浇铸模具拆解，依次拆解围板、电池模型和底板，将浇铸完成的阻燃材料结构取出。
本发明利用阻燃材料的阻燃隔热特性，对防护件内层采用浇铸的方法将其以特定形状和质量布置于电池周围，保障电池在发生热失控时不会引起其他电池出现连锁反应，扩大安全事故。同时，在阻燃隔热的同时又以特殊的设计保证了电池在正常使用过程中的散热和热量管理问题。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可以对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电池热失控防护件，所述电池为单个电池或电池组，其特征在于，所述防护件包括隔热单元，所述隔热单元包括两端开口的长方体，所述长方体相对的内壁平行设有与该单元的轴向平行的通道，所述通道垂直贯通与长方体设有通道的内壁垂直的壁；
所述隔热单元的壁包括外层、中间层和内层；
所述外层为隔温板，所述中间层为阻燃层，所述阻燃层为直径小于等于5.5mm的聚乙烯醇颗粒、高岭土和氧化石墨加热溶化后压制而成的板。
2.根据权利要求1所述的防护件，其特征在于，所述隔热单元设有温度报警器用于达到阈值温度时报警。
3.根据权利要求1所述的防护件，其特征在于，所述通道横截面为圆弧形、V形或凹形。
4.根据权利要求1所述的防护件，其特征在于，所述内层为浇注框，所述浇注框由阻燃材料制得，所述阻燃材料包括按重量份计的下述成分：阻燃材料载体40-70份、填充剂20-30份、阻燃剂20-40份和添加剂5-10份。
5.根据权利要求4所述的防护件，其特征在于，所述阻燃材料载体包括聚丙烯；所述填充剂包括碳酸镁；所述阻燃剂为从氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑、TCPP、十溴二苯乙烷和六溴环十二烷中选出的一种或几种；所述添加剂为玻璃纤维。
6.根据权利要求1所述的防护件，其特征在于，所述隔热单元为放置锂离子电池的单元。
7.根据权利要求1所述的防护件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：组装模具；
步骤二：制备阻燃材料，将阻燃材料注入模具；
步骤三：冷却脱模；
步骤四：将浇注成型的框与阻燃板压制成形。
8.根据权利要求7所述的防护件的制备方法，其特征在于，所述模具包括围板、底板和电池模型，其中，所述电池模型尺寸大于或等于电池大小一致；
所述步骤二包括：将阻燃材料加热至260℃，分3-5次注入，每次注入2分钟，注入间的时间间隔30分钟；
所述步骤三包括：将浇铸的模具及阻燃材料冷却至室温，待阻燃材料成型后脱去模具，拆出围板、电池模型和底板。
9.一种制备权利要求1所述防护件的模具，其特征在于，所述模具包括：上端开口的外壳以及置于外壳底板上的电池模型，构成所述外壳侧壁的四个围板中至少有一个围板采用钢条与钢板焊接而成，所述外壳底板包括两层钢板以及设于钢板间的支撑柱；
所述四个围板通过连接件活动连接；
所述电池模型为与所述底板相互独立设置的刚性件；
所述底板和四个围板的内壁均为粗糙度Ra<0.8μm的抛光面。
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