CN107887550B - 一种阻止动力电池热失控扩展的气溶胶蜂窝板及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种阻止动力电池热失控扩展的气溶胶蜂窝板，属于动力电池安全技术领域，包括蜂窝陶瓷层，所述蜂窝陶瓷层内填充有灭火剂，蜂窝陶瓷层的两侧由内至外依次对称安装有粘结层、绝缘阻燃纸层和绝缘阻燃薄膜层；还提供了一种所述气溶胶蜂窝板在电池模组结构上的应用。本发明通过气溶胶蜂窝板的结构与材料设计，并将其替代常规的PC板应在动力电池模组结构设计上，能够有效的从热失控扩展机理上切断其热量传播，从而极大地降低了热失控扩展的安全事故的发生可能。

Description

一种阻止动力电池热失控扩展的气溶胶蜂窝板及其应用

技术领域

本发明涉及一种阻止动力电池热失控扩展的气溶胶蜂窝板及其应用，属于动力电池安全技术领域。

背景技术

动力电池安全性是新能源汽车大规模推广应用过程中，各方最关注的焦点问题之一。

动力电池系统安全性问题主要分为3个层次，即“演变”、“触发”和“扩展”。“演变”是指动力电池安全性事故发生之前，故障可能经历了长期的演化过程；“触发”是“演变”过程的转折点，也可以是突发情况破坏了动力电池系统，并导致安全性事故。一般在进入触发阶段之后，锂离子动力电池内部的能量将会在瞬间集中释放，此过程不可逆且不可控，也称之为热失控(thermalrunaway)。热失控后的电池发生剧烈升温，温度可高达1000℃，并可以观察到冒烟、起火与爆炸等现象。热失控“触发”发生后，应防止热失控“扩展”的发生。

热失控触发后，局部单体热失控后释放的热量向周围传播，将可能加热周围电池并造成周围电池的热失控，也称之为热失控在电池组内的“扩展”。单体电池热失控所释放的能量是有限的，但是如果发生链式反应造成热失控的扩展，整个电池组的能量通过热失控释放出来，将会造成极大的危害。例如，25A·h三元锂离子电池(具有约0.1kW·h的电能)热失控时释放出的能量约为630kJ，相当于0.15kg TNT当量。对于一个具有60kW·h的纯电动车的动力电池系统而言，如果所有单体由于热失控扩展而释放出全部能量，将会相当于释放出90kg TNT当量的能量。也就是说，热失控扩展一旦发生，造成的危害将会很大。因此，人们需要防范热失控扩展的发生，就应把热失控局限于部分单体。

从热失控的扩展机理上来说，当热失控单体的周围电池受到的热失控扩展造成的加热功率大于其本身的散热功率时，受到加热的周围电池的温度就会升高，继而发生热失控扩展。在电池模块内，热失控扩展过程中的热量传递主要有两种路径：一种是通过导热，包括直接接触的相邻电池壳体之间的导热，以及通过单体电池之间的极柱连接件进行的导热，另一种是单体电池爆破喷射出来的高温物质洒落在周边电芯上并着火燃烧，该过程对周围电芯的传热与炙烤。

在预防热失控扩展的现有技术中，针对第一种热量传递途径的预防控制技术有多种。如电池及其极耳(授权公告号CN 202585594U)的专利，公布了一种能够防止短路的极耳，在电池极耳的金属层内设置具有正温度系数的热敏电阻，当极耳表面的温度升高到热敏电阻的临界值时，热敏电阻的温度急剧增加几个到几十个数量级，从而减小外部电路造成的极大电流产生，起到短路保护的作用；又如一种锂离子动力电池热保护连接结构及其连接方法(申请号CN107134560A)的专利，公布了一种锂离子动力电池热保护连接结构及其连接方法，通过为每块电芯装配单独热保护原件，在电池热失控时，易熔金属受热熔化，从而切断单体电芯与汇流铜排的物理电气连接，快速隔离超温电芯，阻止热失控电芯在过温状态下的热量向周边电芯传递。

针对第二种热量传递途径的预防热失控扩展控制技术，目前所见报道的不多。名称为具有灭火功能的电池盖(授权公告号CN103270643B)的专利，公布了一种具有灭火功能的电池盖，将存储灭火液与压缩空气的灭火罐设置到电池盖的内表面，当由于电池过热或漏电等导致电池内发生火灾时，灭火罐爆裂，灭火罐喷射灭火液到电池以扑灭火灾。但由于该灭火罐均匀布置在电动汽车的整个动力电池箱体内上部，当某一个单体电芯发生热失控时，其在箱体内部空间内均匀洒落灭火液，无法保证针对局部某一块单体电芯喷射足够剂量的灭火液，影响了其灭火效果；同时，随着电动汽车续航里程要求的增加，企业厂商们力争在有限的动力电池箱体空间内布置更多的单体电芯，这对任何占据箱体内空间的部件增加都提出了限制。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种阻止动力电池热失控扩展的气溶胶蜂窝板，在不增加空间需求的前提下，在动力电池箱体内的每一个电池模组结构设计中构筑防控结构，有效阻止单体电芯因热失控爆破喷射燃烧而向周边单体电芯扩散。本发明还提供了该气溶胶蜂窝板的应用。

为了实现上述目的，本发明采用的一种阻止动力电池热失控扩展的气溶胶蜂窝板，包括蜂窝陶瓷层，所述蜂窝陶瓷层内填充有灭火剂，蜂窝陶瓷层的两侧由内至外依次对称安装有粘结层、绝缘阻燃纸层和绝缘阻燃薄膜层。

作为改进，所述蜂窝陶瓷层的厚度为5-20mm，气孔率为75％-90％，孔径为1-4mm。

作为改进，所述蜂窝陶瓷层由Al₂O₃、Cr₂O₃、AlPO₄、高岭土、膨润土混合制成。

作为改进，所述灭火剂采用气溶胶粉剂，按重量百分比计，该气溶胶粉剂包括30-50％Sr(NO₃)₂、15-30％KNO₃、15-25％碱式碳酸镁、5-10％燃烧粘合剂。

另外，本发明还提供了一种所述气溶胶蜂窝板在电池模组结构上的应用。

作为进一步的改进，将气溶胶蜂窝板应用在圆柱形动力电池模组的结构上，所述圆柱形动力电池模组包括若干单体电芯一、电池支架、电极连接片和气溶胶蜂窝板，所述单体电芯一呈圆柱形，单体电芯一由两个电池支架固定，两个电池支架的外侧分别设有电极连接片，在电极连接片的外侧各设置一个所述气溶胶蜂窝板，并由外围支架紧固。

作为进一步的改进，两个电极连接片分别焊接在单体电芯一的正负极柱上。

作为进一步的改进，所述单体电芯一的正极柱上安装有防爆阀，所述气溶胶蜂窝板垂直正对着单体电芯防爆阀喷出方向。

作为改进，还可将气溶胶蜂窝板应用在方形动力电池模组的结构上，所述方形动力电池模组包括若干呈方形的单体电芯二、上支架、侧板、上塑料支架、下塑料支架、侧支架和气溶胶蜂窝板；

所述单体电芯二的上侧设有防爆孔，所述气溶胶蜂窝板水平放置在防爆孔的上方，气溶胶蜂窝板由上支架、两个侧板、上塑料支架、下塑料支架和侧支架紧固。

本发明中气溶胶蜂窝板抑制热失控扩展的原理是：当电池模组中某个单体电芯出现热失控爆破时，其通过防爆阀喷射出去的高温物质高速穿过气溶胶蜂窝板的粘结层、绝缘阻燃纸层与绝缘阻燃薄膜层，散射进入蜂窝陶瓷层内的纵横交错的空隙中，被蜂窝陶瓷的空腔所吸附，高温喷射物所携带的热量迅速通过蜂窝陶瓷的骨架扩散开来，温度得以迅速降低，避免了高温喷射物的反弹洒落及其对周边电芯的热量传递。同时，当单体电芯喷射出来的高温喷射物喷射穿过气溶胶蜂窝板外层材料的时候，巨大的的气压和喷射物冲击立即触发蜂窝陶瓷空腔中的气溶胶灭火剂发生喷射，气溶胶灭火剂沿着喷射物穿过的孔高速反向喷射在发生热失控的单体电芯及其周边，迅速吸收该单体电芯及周边导热连接件的高温热量，避免该热失控单体电芯的热量向周边单体电芯传递。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)该气溶胶蜂窝板安置在动力电池模组中，可以接触和控制每一个单体电芯，当某一个单体电芯发生热失控时，其所喷射出来的高温物质被该气溶胶蜂窝板所吸收，更重要的是，该蜂窝板所携带的气溶胶灭火剂基本上均能迅速反向喷向该单体电芯，有针对性地进行选择性喷射，对局部热失控的单体电芯喷射足够剂量的灭火剂，并非在整个电池箱体内部均匀喷射灭火剂，从而保证了灭火效果。

(2)该气溶胶蜂窝板具有良好的机械和绝缘防火性能，可以替代动力电池模组结构中的PC板，无需增加任何空间需求，可以在电池箱体内根据需求布置多组不同结构组合的动力电池模组。

附图说明

图1为本发明中气溶胶蜂窝板的结构示意图；

图2为本发明中气溶胶蜂窝板的爆炸结构示意图；

图3为本发明的圆柱形动力电池模组的结构示意图；

图4为本发明中气溶胶蜂窝板在圆柱形动力电池模组中的装配示意图；

图5为本发明中气溶胶蜂窝板在方形动力电池模组中的装配示意图；

图中：1、气溶胶蜂窝板，1a、截面，11、蜂窝陶瓷层，12、粘结层，13、绝缘阻燃纸层，14、绝缘阻燃薄膜层，2、圆柱形动力电池模组，21、单体电芯一，22、电池支架，23、电极连接片，3、方形动力电池模组，31、单体电芯二，32、防爆孔，33、上支架，34、侧板，35、上塑料支架，36、下塑料支架，37、侧支架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明提供了一种阻止动力电池热失控扩展的气溶胶蜂窝板，如图1所示，其截面1a展开，可看到呈蜂窝状，内部包含若干空腔，该气溶胶蜂窝板的分层爆炸图如图2所示，由中心的填充有气溶胶灭火剂的蜂窝陶瓷层11、两侧的粘结层12、绝缘阻燃纸层13、及包覆在最外侧的绝缘阻燃薄膜层14构成；

其中，蜂窝陶瓷层11的厚度为5-20mm，气孔率为75％-90％，孔径为1-4mm。所用材料包括Al₂O₃、Cr₂O₃、AlPO₄、高岭土、膨润土等，经混合、成型、干燥、烧成而得，具有高机械强度、良好的蓄热绝热和耐高温性能。

蜂窝陶瓷层11中填充的灭火剂采用气溶胶粉剂，按重量百分比计，其成分主要有30-50％Sr(NO₃)₂、15-30％KNO₃、15-25％碱式碳酸镁、5-10％燃烧粘合剂。该气溶胶为固体，易于灌装与吸附储存在蜂窝陶瓷层11内部的空腔中。

另外，本发明还提供了所述的气溶胶蜂窝板在电池模组结构上的应用，在电池组的结构设计中，将气溶胶蜂窝板1垂直正对着单体电芯防爆阀喷出方向。

具体地，应用于圆柱形动力电池模组2的结构设计上，如图3、图4所示，圆柱形单体电芯一21按照串并联连接要求平行地由电池支架22固定在一起，两侧的电极连接片23焊接在单体电芯的正负极柱上，在其外侧各布置一片气溶胶蜂窝板1，并由外围支架紧固在一起，构成圆柱形动力电池模组2。一般地圆柱形单体电芯一21的防爆阀在正极柱上，气溶胶蜂窝板1垂直正对着单体电芯防爆阀喷出方向。在常规圆柱形动力电池模组2的设计中，两侧的气溶胶蜂窝板1的位置，是通过安装常规PC板支撑紧固的。本发明采用气溶胶蜂窝板1代替常规PC板，在不增加空间需求的前提下，在动力电池箱体内的每一个电池模组结构设计中构筑防控结构，有效阻止单体电芯因热失控爆破喷射燃烧而向周边单体电芯扩散。

若是应用于方形动力电池模组3的结构设计上，如图5所示，一般情况下方形单体电芯二31均是平行并列地立在一起，其单体电芯二31的防爆孔32均在上侧。在方形动力电池模组3的上方布置一块气溶胶蜂窝板1，并由前后左右的上支架33、两个侧板34、上塑料支架35、下塑料支架36、侧支架37等将其紧固在一起。在常规的方形动力电池模组3的设计中，上方的气溶胶蜂窝板1的位置，也是由一个常规PC板压住的。

在动力电池组正常工作时，无论是圆柱形单体电芯一21还是方形单体电芯二31，气溶胶蜂窝板1的功能作用与常规的PC板无异。仅当电池模组中某个单体电芯出现热失控爆破时，气溶胶蜂窝板1起到预防热失控扩展的作用，将其控制在局部出现问题的单体电芯一21或单体电芯二31中。

该气溶胶蜂窝板安置在动力电池模组中，可以接触和控制每一个单体电芯，当某一个单体电芯发生热失控时，其所喷射出来的高温物质被该气溶胶蜂窝板所吸收，更重要的是，该蜂窝板所携带的气溶胶灭火剂基本上均能迅速反向喷向该单体电芯，有针对性地进行选择性喷射，对局部热失控的单体电芯喷射足够剂量的灭火剂，并非在整个电池箱体内部均匀喷射灭火剂，从而保证了灭火效果；该气溶胶蜂窝板具有良好的机械和绝缘防火性能，可以替代动力电池模组结构中的PC板，无需增加任何空间需求，可以在电池箱体内根据需求布置多组不同结构组合的动力电池模组。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种气溶胶蜂窝板在电池模组结构上的应用，其特征在于，所述气溶胶蜂窝板包括蜂窝陶瓷层（11），所述蜂窝陶瓷层（11）内填充有灭火剂，蜂窝陶瓷层（11）的两侧由内至外依次对称安装有粘结层（12）、绝缘阻燃纸层（13）和绝缘阻燃薄膜层（14）；所述灭火剂采用气溶胶粉剂，按重量百分比计，该气溶胶粉剂包括30-50%Sr(NO₃)₂、15-30%KNO₃、15-25%碱式碳酸镁、5-10%燃烧粘合剂；

将气溶胶蜂窝板应用在圆柱形动力电池模组（2）的结构上，所述圆柱形动力电池模组（2）包括若干单体电芯一（21）、电池支架（22）、电极连接片（23）和气溶胶蜂窝板（1），所述单体电芯一（21）呈圆柱形，单体电芯一（21）由两个电池支架（22）固定，两个电池支架（22）的外侧分别设有电极连接片（23），在电极连接片（23）的外侧各设置一个所述气溶胶蜂窝板（1），并由外围支架紧固；所述单体电芯一（21）的正极柱上安装有防爆阀，所述气溶胶蜂窝板（1）垂直正对着单体电芯防爆阀喷出方向。

2.根据权利要求1所述的一种气溶胶蜂窝板在电池模组结构上的应用，其特征在于，两个电极连接片（23）分别焊接在单体电芯一（21）的正负极柱上。

3.根据权利要求1所述的一种气溶胶蜂窝板在电池模组结构上的应用，其特征在于，所述蜂窝陶瓷层（11）的厚度为5-20mm，气孔率为75%-90%，孔径为1-4mm。

4.根据权利要求1或3所述的一种气溶胶蜂窝板在电池模组结构上的应用，其特征在于，所述蜂窝陶瓷层（11）由Al₂O₃、Cr₂O₃、AlPO₄、高岭土、膨润土混合制成。