CN109560236B - 具有一体式阻燃装置的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有一体式阻燃装置的电池(1)，其中所述电池(1)具有：阴极层(2)、隔离层(3)和阳极层(4)，其中所述隔离层(3)布置在所述阴极层(2)和所述阳极层(4)之间，其中所述隔离层(3)对电子是不可透过的并且对至少一种正型离子是可透过的，其中所述隔离层(3)具有阻燃装置，所述阻燃装置具有包含封闭腔(34)的至少一根玻璃纤维(30)，以及其中在所述腔(34)中布置有阻燃剂(31)。本发明提供了具有提高的耐火性的电池(1)。

Description

具有一体式阻燃装置的电池
技术领域
本发明涉及具有一体式阻燃装置的电池。
背景技术
电池或蓄电池被用来储存电能以用于后续放电。它们使得能够独立于供电网络或发电机来供电。电池还可以用于在飞行器中向电负载供电。
对于除飞行器之外的一般用途，已知的是复合电池，并且在其基本形式下，这些电池具有三个层。在这种情况下，隔离层布置在阴极层和阳极层之间。阴极层和阳极层可以包含通过碳纤维增强的聚合物。在这种情况下，可以例如用铁氧化物涂覆阴极层的纤维。隔离层可以由聚合物构成，所述聚合物具有由玻璃纤维构成的增强体。隔离层充当电子的电绝缘体。在这种情况下，锂离子可以通过隔离层但电子不可以。由于锂离子是易燃的，因此在飞行器中使用锂离子电池或蓄电池是危险的，因为飞行器只具有有限的灭火能力。
在这种背景下，例如DE 10 2010 041387 A1或EP 3 053 206 B1公开了在非结构化锂离子电池的壳体中使用阻燃剂。然而，锂离子电池可能在壳体内开始燃烧，因为火只在电池的壳体处与阻燃剂接触，也就是说电池的壳体可能由于火焰而达到高温。这会损害壳体的周围环境，并且在最坏的情况下会导致点燃壳体周围的材料。
发明内容
因此，本发明的目的是提供具有提高的耐火性的电池。
该目的通过独立权利要求的特征实现。有利的进展形成了从属权利要求的主题和以下描述的主题。
根据本发明，提供了具有一体式阻燃装置的电池，其中电池具有阳极层、隔离层和阴极层，其中隔离层布置在阴极层和阳极层之间，其中隔离层对电子是不可透过的并且对至少一种正型离子是可透过的，其中隔离层具有阻燃装置，所述阻燃装置具有具有封闭腔的至少一根玻璃纤维，以及其中在腔中布置有阻燃剂。
通过本发明，在电池中的温度升高的情况下，玻璃纤维被破坏且腔被打开，因此阻燃剂漏出并发挥其阻燃作用。由布置在电池中的锂离子所造成的起火风险因此通过漏出的阻燃剂而显著降低。如果火源在电池中发展或者从外部火源闪燃(flash over)至电池，则通过玻璃纤维的破坏而漏出的阻燃剂可以抑制起火，并且在理想的情况下还可以使其熄灭。除起火事件之外，玻璃纤维增强隔离层并且还充当阴极层和阳极层之间的电绝缘体。本发明由此提供了多功能玻璃纤维，其以简单且节约空间的方式另外提供了防火安全功能。电池的耐火性因此提高。
如果至少一根玻璃纤维具有临界温度，其中玻璃纤维在超过临界温度时破裂，并且阻燃剂从腔中漏出，这是有利的。
通过临界温度，可以精确地预先确定阻燃剂理应在何种温度条件下从腔中漏出。此外，这避免了必须首先使玻璃纤维熔化以打开腔，即，避免了必须通过熔化过程来使玻璃纤维的破坏发生。相反，玻璃纤维在达到玻璃纤维的熔点之前由于因玻璃纤维的截面上的温差所产生的内部应力而碎裂。与玻璃纤维的熔化相比，碎裂确保玻璃纤维内的腔在高于临界温度下是打开的，而不是熔融玻璃在不利的情况下在初始打开后继续密封腔或再次密封腔。
如果以这样的方式确定阻燃剂的量，使得在阻燃剂从腔中漏出之后电池中的火被抑制，这是便利的。
以这种方式，可以使阻燃剂的量与隔离层或电池内的边界条件精确地匹配，并因此足够的阻燃剂可用来熄灭电池中的火。此外，由此可以避免过大确定(overdimension)阻燃剂的量，并且因此可以在电池的生产中节约用于阻燃剂的成本。
如果阻燃剂为磷酸三苯酯，这是有利的。
磷酸三苯酯已被证明是对锂离子电池非常有效的阻燃剂。由此提供了用于锂离子电池的有效阻燃剂。此外，通过磷酸三苯酯的效用可以进一步减少所需阻燃剂的量，并因此可以至少在生产中节约额外的成本。因此，在第一说明性实施方案中，可以只有部分量的玻璃纤维具有包含阻燃剂的腔。作为替代或此外，还可以使用只具有非常小的腔的玻璃纤维，由此还使得可以减小玻璃纤维的外直径。这节省了重量和成本。节省重量在飞行器构造中是特别有利的。
如果隔离层包含聚合物，至少一根玻璃纤维作为增强纤维在所述聚合物中延伸，这是有利的。
此外，如果隔离层具有多根具有腔的玻璃纤维，所述玻璃纤维优选形成玻璃纤维垫，这是有利的。
通过提供多根具有腔的玻璃纤维，可以将阻燃剂均匀地分布在隔离层内。由此在隔离层的整个区域内提供有效的阻燃效果。如果玻璃纤维另外形成玻璃纤维垫，则由此可以避免在玻璃纤维之间形成无法供给阻燃剂的空余空间。此外，玻璃纤维垫提高隔离层的稳定性并因此也提高电池的稳定性。
如果腔沿玻璃纤维(优选沿整个玻璃纤维)延伸，这是有利的。
与只在玻璃纤维的全部长度的短部分内延伸的腔相比，沿整个玻璃纤维延伸的腔使得可以在玻璃纤维的整个长度内提供阻燃效果。由于玻璃纤维可以在其因温度升高而破裂的每个点处向包含阻燃剂的腔提供开口，因此防火安全性得以进一步提高。
此外，如果至少一根玻璃纤维的外径为8μm至14μm，优选为10μm至12μm，这是有利的。
具有这些外径的玻璃纤维足够坚固以在隔离层的聚合物中带来增强效果。如果同时假设较细的玻璃纤维在腔内储存足够的阻燃剂以实现足够的阻燃效果，则其将不具有所需的增强效果。如果玻璃纤维太粗，则不可能确保倘若起火，它们在正确的时间打开以使得阻燃剂能够从玻璃纤维的腔中漏出。
如果腔的直径为4μm至7μm，优选为5μm至6μm，这是有利的。
具有该范围内的直径的腔可以容纳足够的阻燃剂以发挥阻燃效果。此外，在这些直径下，粘合力和内聚力不够强而不足以在腔打开时使阻燃剂保留在腔中。
如果阴极层包含含有铁氧化物涂层的碳纤维，其中所述碳纤维包埋在阴极层中的聚合物中，这是有利的。
此外，根据本发明，提供了飞行器，其包括至少一个根据以上描述的电池、至少一个电负载、以及至少一根电引线，其中所述电池经由电引线连接至电负载。
因此，提供了这样的飞行器，其可以具有用于向飞行器内的电负载供电的可再充电锂离子电池，其中所述电池具有提高的耐火性。
如果至少一个电池布置在飞行器的舱室面板或结构中，特别是层合壳体或框架结构中，这是有利的。
因此，电池可以以灵活的方式配置在飞行器内。此外，如果例如电池固定在面板后面，则电池可以以节省空间并且还容易使用的方式布置在飞行器的内部。以这种方式，还可以将电池布置成靠近电负载，其结果是只需要向电池设置一根电源线，并且可以仅在之后对电负载进行分支。因此，飞行器的结构显著简化，并且如果电池故障，则只有少量电负载受影响。此外，电引线的消除还使得可以节省重量。
根据本发明，还提供了用于生产具有一体式阻燃装置的电池的方法，其中所述方法具有以下步骤：a)提供具有腔的至少一根玻璃纤维；b)用阻燃剂填充所述腔；c)封闭所述腔；以及d)将所述至少一根玻璃纤维布置在电池的隔离层中，其中将所述隔离层施加至阴极层或阳极层。
附图说明
以下通过附图参照一个说明性实施方案来描述本发明，在所述附图中：
图1示出具有一体式阻燃装置的电池的示意图；
图2示出具有腔和阻燃剂的玻璃纤维的示意图；
图3a、3b示出另一燃烧层上方的具有腔和阻燃剂的玻璃纤维的示意图；
图4a、4b示出带有具有一体式阻燃装置的电池的飞行器的示意图；以及
图5示出用于生产具有一体式阻燃装置的电池的方法的示意性流程图。
具体实施方式
下文中电池全部由附图标记1表示，如图1所示。
电池1包括阴极层2、隔离层3和阳极层4。隔离层3布置在阴极层2和阳极层4之间。
在这种情况下，阳极层4包含用碳纤维20增强的聚合物44。阳极层4还可以连接至与电引线建立接触的集流体层(未示出)。
阴极层2包含同样用碳纤维20增强的聚合物22。碳纤维20还设置有铁氧化物的涂层21。阴极层2还可以连接至与电引线建立接触的集流体层(未示出)。
隔离层3包含用玻璃纤维30增强的聚合物33。在此，隔离层3允许通过正离子，例如锂离子。隔离层3对电子是不可透过的。在充电过程期间，正离子从阳极层4通过隔离层3到达阴极层2。电子经由阴极层2被从外部进给以补偿正离子的电荷。在放电过程期间，正离子从阴极层2通过隔离层3到达阳极层4。在此同样地，电子经由阳极层4被进给以补偿正离子的电荷。
在这种情况下，如图2所示，玻璃纤维30具有沿整个玻璃纤维30延伸的腔34。在此，腔34是封闭的。此外，腔34包含阻燃剂31。阻燃剂31可以是磷酸三苯酯。
将玻璃纤维30编织成玻璃纤维垫。由此避免玻璃纤维30之间的空余空间。如果所有玻璃纤维30都具有包含阻燃剂31的腔34，则玻璃纤维垫使得隔离层3的整个区域能够被来自玻璃纤维30的腔34的阻燃剂31覆盖。因此，由于在隔离层3的每个点处布置有玻璃纤维30，所述玻璃纤维30具有在倘若起火而温度升高时可以供给阻燃剂31的腔34，因而可以提高隔离层3的整个区域内的耐火性。
此外，以这样的方式设计玻璃纤维30，使得其在温度升高时在高于临界温度下开始破裂。这在图3a中示出，其中火5已经在阳极层4中出现。在此，玻璃纤维30具有裂纹32，裂纹32穿过玻璃纤维30的壁延伸几乎远至腔34。裂纹32可以由玻璃纤维30的内部应力产生，所述内部应力由玻璃纤维30的截面上不同区域之间的温差引起。如果超过临界温度，则玻璃纤维30的壁在裂纹32处打开，打开玻璃纤维30的腔34。阻燃剂31然后从腔34通过玻璃纤维30出现到外面。在此，图3b示出阻燃剂31正在抑制火5并且即将熄灭火5。
在此，阻燃剂31的量足以使得能够熄灭电池1内的火5。
此外，玻璃纤维30的外径为10μm至12μm。因此，玻璃纤维30具有这样的外径，其尺寸被确定成使得倘若起火，玻璃纤维30可以由于温度升高而碎裂，并且玻璃纤维30内的腔34可以打开。
腔34的内径为5μm至6μm。该直径足以容置足够的阻燃剂31以提高期望的阻燃效果。
图4a示意性示出穿过飞行器6的截面。在这种情况下布置在飞行器6的内部63中的是舱室面板7，其沿内部63的外壁排列。在这种情况下，电池1布置在面板7后面。电池1通过电引线62连接至电负载61(在这种情况下是阅读灯)。在此，电池1经由电引线62向电负载61供电。
作为替代或此外，电池1可以整合到面板7中(未示出)。在这种情况下，电池1是面板7的一部分并因此可以与面板7同时生产。由此可以合并加工步骤并节约生产成本。此外，电池1不会与面板7分离，并因此在维护过程期间不需要检查电池1的紧固。由此可以降低维护成本。
在这种情况下，电池1还可以电连接至发电机或燃料电池或具有明显高于电池1的容量的另外的电池(未示出)。该连接然后用于对电池1充电。
图4b同样示出飞行器6的示意图。在该说明性实施方案中，电池1被固定在飞行器6的支撑结构8上。在此同样地，电池1通过电引线62连接至电负载61。电池1向电负载61供电。
该电池1也可以通过另外的电引线(未示出)连接至能量源或者具有比电池1的容量更大的容量的储能装置。
在这种情况下，可以将电池1布置和/或固定在飞行器6的飞行器结构的元件中的几乎任一者上。因此，可以根据需要将电池1以灵活的方式布置在飞行器6中，并且电池1可以以分散的方式为电负载供电。在此，电池1具有高耐火性，这在飞行器构造中是必不可少的。
图5示出用于生产具有一体式阻燃装置的电池的方法100的流程图的示意图。
在这种情况下，方法100包括步骤a)：提供101具有腔的至少一根玻璃纤维。在此，玻璃纤维的直径可以为10μm至12μm。在这种情况下，玻璃纤维中的腔的直径可以为5μm至6μm。在这种情况下，腔可以在玻璃纤维的整个长度内延伸。
在第二步骤b)中，用阻燃剂填充102腔。在此过程期间，可以将磷酸三苯酯进给到腔中。然而，还可以使用不同的阻燃剂。
在第三步骤c)中，封闭腔。这可以例如通过使玻璃纤维的端部熔化，或者例如通过加热玻璃纤维的端部然后压紧玻璃纤维的端部来实现。以这种方式，阻燃剂被截留在腔中并且不会从腔中漏出。只有当腔的壁被破坏时，阻燃剂才可以从腔中漏出。
在第四步骤d)中，将具有腔的玻璃纤维布置104在电池的隔离层中。在这种情况下，可以将具有腔和包含在其中的阻燃剂的多根玻璃纤维布置在隔离层中。隔离层还可以包含其中包埋有玻璃纤维作为增强纤维的聚合物。
此外，可以将玻璃纤维编织成覆盖整个隔离层的玻璃纤维垫。以这种方式，可以通过玻璃纤维将玻璃纤维的腔中的阻燃剂分布在整个隔离层内。此外，隔离层的稳定性被玻璃纤维垫提高。
在此，可以将隔离层固定在电池的阳极层或阴极层上。如果将隔离层固定在电池的阳极层上，则将阴极层布置并固定在隔离层上。如果将隔离层固定在电池的阴极层上，则将阳极层布置并固定在隔离层上。
在此，隔离层充当电绝缘体。在这种情况下，电绝缘是相对于电子的。正离子可以通过隔离层。在这种布置中，正离子可以在阳极层和阴极层之间的两个方向上向后和向前通过。
在生产之后，电池可以被布置在飞行器中。在这种情况下，电池可以在飞行器中的各个点处以分散的方式供给电能。因此，例如可以将电池布置在飞行器面板后面。作为替代或此外，可以将电池固定在飞行器的结构上，例如层合壳体中或框架结构中。

Claims (17)

1.一种具有一体式阻燃装置的电池，其中所述电池(1)具有：
阴极层(2)，
隔离层(3)，和
阳极层(4)，
其中所述隔离层(3)布置在所述阴极层(2)和所述阳极层(4)之间，
其中所述隔离层(3)对电子是不可透过的并且对至少一种正离子是可透过的，
其中所述隔离层(3)具有阻燃装置，所述阻燃装置具有包含封闭腔(34)的至少一根玻璃纤维(30)，以及
其中在所述封闭腔(34)中布置有阻燃剂(31)。
2.根据权利要求1所述的电池，其中所述至少一根玻璃纤维(30)具有临界温度，
其中所述玻璃纤维(30)在超过所述临界温度时破裂，并且所述阻燃剂(31)从所述封闭腔(34)中漏出。
3.根据权利要求2所述的电池，其中以这样的方式确定阻燃剂(31)的量，使得在所述阻燃剂(31)从所述封闭腔(34)中漏出之后所述电池(1)中的火(5)被抑制。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述阻燃剂(31)是磷酸三苯酯。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述隔离层(3)包含聚合物(33)，所述至少一根玻璃纤维(30)作为增强纤维在所述聚合物中延伸。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述隔离层(3)具有多根具有封闭腔(34)的玻璃纤维(30)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述封闭腔(34)沿所述玻璃纤维(30)延伸。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述至少一根玻璃纤维(30)的外径为8μm至14μm。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述封闭腔(34)的直径为4μm至7μm。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述阴极层(2)包含碳纤维(20)，所述碳纤维(20)包含铁氧化物涂层(21)，以及
其中所述碳纤维(20)包埋在所述阴极层(2)中的聚合物(22)中。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述至少一根玻璃纤维(30)的外径为10μm至12μm。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述封闭腔(34)的直径为5μm至6μm。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中所述隔离层(3)具有多根具有封闭腔(34)的玻璃纤维(30)，并且所述玻璃纤维(30)形成玻璃纤维垫。
14.一种飞行器(6)，包括：
至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的电池(1)，
至少一个电负载(61)，和
至少一根电引线(62)，
其中所述电池(1)经由所述电引线(62)连接至所述电负载(61)。
15.根据权利要求14所述的飞行器，其中所述至少一个电池(1)布置在所述飞行器(6)的舱室面板(7)或支撑结构(8)中。
16.根据权利要求14所述的飞行器，其中所述至少一个电池(1)布置在所述飞行器(6)的层合壳体或框架结构中。
17.一种用于生产具有一体式阻燃装置的电池的方法，其中所述方法(100)具有以下步骤：
a)提供(101)具有腔的至少一根玻璃纤维；
b)用阻燃剂填充(102)所述腔；
c)封闭(103)所述腔；以及
d)将所述至少一根玻璃纤维布置(104)在电池的隔离层中，其中将所述隔离层施加至阴极层或阳极层。
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