CN111192981A - 一种锂系电池及用于锂系电池的灭火装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于锂系电池的灭火装置，包括热敏外壳和封装于所述热敏外壳内部的灭火介质。本申请所提供的用于锂系电池的灭火装置，当电池发生热失控时，热敏外壳可破裂并释放出灭火介质，直接作用于电池内高温点，将灭火介质的抑制作用发挥到最大。相较于传统灭火装置，本申请所述的用于锂系电池的灭火装置，具有轻量化，反应灵敏，作用高效精准，使用安全，环保无污染等优点，易于实现大范围推广应用。本发明还提供一种包括上述灭火装置的锂系电池，具有上述技术优点。

Description

一种锂系电池及用于锂系电池的灭火装置
技术领域
本发明涉及锂系动力电池消防灭火技术领域，更具体地说，涉及一种用于锂系电池的灭火装置。本发明还涉及一种包括上述灭火装置的锂系电池。
背景技术
近年来，随着能源转型的渐次推进，高比能电池在电动汽车、智能电网等领域的应用越来越广泛。锂离子电池凭借其循环寿命长，能量密度高等优点，已成为了新能源领域的佼佼者。
虽然锂离子电池的性能优良，但当其处于滥用状态时，内部产生热量积累，触发电池固液表面膜(SEI)分解等反应，继而产生更多热量积累，触发难以控制的链式反应，造成电池发生热失控。热失控过程中，如不加以有效控制，极易在电池间乃至模组间发生扩散，继而发生大规模的火灾甚至爆炸事故。
针对电池易发生热失控的问题，一方面，已有许多机构对电解液等电池材料做了阻燃研究，但现有的锂离子电池预警与灭火装置不仅体积较大，而且大都不能覆盖所有电芯，当电池发生热失控时，其内部持续产生气体，电池内部压力较大，导致灭火剂无法进入电池内部高温点，灭火效率低，抑制效果差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于锂系电池的灭火装置，其反应灵敏，灭火高效精准，提升了电池使用的安全性。本发明还提供一种包括上述灭火装置的锂系电池，可靠性高，安全性好，避免了电池热失控等安全隐患的发生。
本发明提供一种用于锂系电池的灭火装置，包括热敏外壳和封装于所述热敏外壳内部的灭火介质，所述热敏外壳的外壁温度高于破裂温度时，所述热敏外壳受热熔融破裂释放所述灭火介质。
优选的，所述热敏外壳具体为一体成型的热敏管体。
优选的，所述热敏外壳包括热敏管体和设置于所述热敏管体外部的轻质支架，以及封装于所述热敏管体端部、用以防止所述灭火介质泄露的堵头。
优选的，所述灭火介质具体为全氟己酮。
优选的，所述轻质框架具体为热固性塑料框架。
优选的，所述堵头具体由绝缘膜包覆的碳纤维复合材料制成。
优选的，所述堵头的外径不超过所述热敏管体外径的8％。
优选的，所述热敏外壳由吹塑成型工艺加工。
本发明还提供一种锂系电池，包括上述任一项所述的灭火装置。
与上述背景技术相比，本发明提供一种用于锂系电池的灭火装置，包括热敏外壳和封装于热敏外壳内部的灭火介质，当电池内部温度异常升高时，热敏外壳能够快速熔融破裂，预先填充于热敏外壳内部的灭火介质快速释放并作用于电池内部的高温点，形成抑制氛围，实现高效精准灭火，可有效抑制电池热失控的发展，避免由热失控引发的大规模火灾与爆炸情况的发生。本申请所提供的用于锂系电池的灭火装置，反应灵敏高效，结构精简，不占用空间，且环保无污染，避免了现有灭火装置储压结构存在发生物理爆炸的安全隐患，热敏外壳采用高温破裂释放灭火介质的方式，灭火过程不汽化、无压力，安全可靠。
本发明所提供的锂系电池，具有灭火装置的上述技术优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明第一种实施例所提供的用于锂系电池的灭火装置的示意图；
图2为本发明第二种实施例所提供的用于锂系电池的灭火装置的示意图；
图3为本发明所提供的锂系电池的示意图；
图4为图3的内部示意图；
图5为图4的俯视图。
其中，1-热敏管体、2-堵头、3-轻质框架、4-电极材料卷、5-安全阀。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图5，图1为本发明第一种实施例所提供的用于锂系电池的灭火装置的示意图；图2为本发明第二种实施例所提供的用于锂系电池的灭火装置的示意图；图3为本发明所提供的锂系电池的示意图；图4为图3的内部示意图；图5为图4的俯视图。
本发明提供一种用于锂系电池的灭火装置，包括热敏外壳和灭火介质，灭火介质封装于热敏外壳的内部，为了增强安全性和可靠性，热敏外壳内部不填充压力，热敏外壳采用PVC等易熔材料制成，当热敏外壳接触位置处温度高于其破裂温度时，热敏外壳在接触位置熔融破裂，内部灭火介质得以集中释放，实现精准、高效灭火。
以VDA硬壳动力电池为例，电池内部的电极材料卷4与硬壳端盖间约有6mm-7mm的空隙区域，电池外部尺寸为长高厚尺寸为150×92×27mm，该灭火装置的具体尺寸及数量应依据电池内部空间结构设定，其放置在电池内部空间，且放置于硬壳电池电极材料卷4与硬壳端盖之间的空隙区域。
当电池处于异常工作状态，例如滥用状态时，随着热量的积累，电池内部容易发生SEI膜分解等反应，电池内部热量持续积聚，电池内部电池电极材料卷4的温度迅速上升，当其温度到达热敏外壳的预设温度时，高温点附近的热敏外壳受热熔融破裂，灭火介质释放；灭火介质释放后，一方面，灭火介质可通过相变等物理过程吸收大量热量；另一方面，电池内部的灭火介质浓度达到有效灭火浓度，即使电池发生热失控，电池内部也难以形成剧烈火焰，有效地起到灭火防止火灾发生的作用。
本申请的核心在于，采用热敏外壳内部封装灭火介质的灭火结构，在热失控发生的瞬间热敏外壳快速熔融破裂，释放内部预先填充的灭火介质驱动依靠其密闭空间中汽化产生的压力快速直接作用于电池内部高温点，形成抑制氛围，实现精准快速灭火，由此可有效抑制电池热失控的发展及由热失控引发的大规模火灾和爆炸。
在实际使用时，可以根据实际应用场景设计热敏外壳的长度和直径，具体地：当热敏外壳的长径比较小时，例如长径比数值小于3时(以下统称A型灭火装置)，此时热敏外壳长度较小，属于微型热敏管，此种情况下，热敏外壳为一体式结构，其封装经吹塑成型工艺获得，由此将灭火介质封装于热敏外壳内部；当热敏外壳的长径比较大时，例如大于或者等于3时(以下统称B型灭火装置)，热敏外壳由热敏管体1、堵头2和轻质框架3构成，堵头2设置于热敏管体1的一端，用于封装热敏管体1，防止灭火剂泄漏；轻质框架3由轻型材料制成，其为镂空框架式结构，设置于热敏管体1的外周，起防止管体变形、降低震动对管体影响之用，实现对管体的支撑和防护。
上述灭火介质具体为全氟己酮，全氟己酮的环境效益好，绝缘性高，且常温下为液态，易于存储，降温效果好，绝缘性好，可以作阻燃添加剂添加至锂系电池电解液中，且少量全氟己酮意外泄漏对电池的正常电性能影响不大。这样，吹塑成型工艺采用的高温高压气即为高温的全氟己酮蒸汽，温度恢复常温后，全氟己酮液化储存到微型灭火装置腔体中，实现灭火介质的封装。
本灭火装置中使用的灭火介质为全氟己酮，由于全氟己酮的释放需要依赖一定的工作压力，为了简化设计并提高系统的可靠性，本灭火装置中不预装高压气体，而是采用密闭微型腔体中全氟己酮汽化产生高压来驱动自身释放，以下验证此方法的有效性：
假设全氟己酮在充装时可将热敏管体1部分充满，那么全氟己酮的质量为m＝ρ·V，其中，m是全氟己酮质量，单位为g；ρ是全氟己酮的饱和液体密度，单位为g/ml；V是热敏管的体积，单位为cm3；经计算，全氟己酮的质量为1.6V。
进一步的，根据公式n＝m/M，其中，n是全氟己酮的物质的量，mol；m是全氟己酮质量，g；M是全氟己酮的摩尔质量，g/mol；由全氟己酮质量，可进一步计算全氟己酮的物质的量n。
全氟己酮的汽化温度为322.35K，全氟己酮汽化后，将均匀分布在整个灭火装置的热敏管体1中，假设所有药剂在322.35K时完全汽化，则根据气体状态方程P＝nRT/V，其中，P是全氟己酮产生的压力，单位为MPa；n是全氟己酮的物质的量，单位为mol；R是气体常数，为8.314cm3·MPa/(K·mol)；T是温度，单位为K；V是体积，单位为cm3；由此计算即可得到全氟己酮此时在热敏管体1内部的压力P。
通过上述计算可知，产生的压力与热敏管体1的尺寸无关，经计算，热敏管体1内灭火介质全部汽化可产生的瞬间高压P为3.43MPa，此瞬间高压大于全氟己酮的最小驱动压力，因此，采用汽化增压驱动的方式释放全氟己酮具有可行性。
出于方便安装的角度考量，热敏管体1的外径应不超过6mm，热敏管体1的长度由电芯的长度来设定，实际应用中，可以根据电芯内部空间长度定制热敏管体1的长度。
上述堵头2优选由绝缘膜包覆的碳纤维复合材料制成，其具有耐压能好，强度高，不易变形等优点，可以延长堵头2的使用寿命。此外，堵头2外径应不超过热敏管体1外径的8％，以方便对堵头2进行安装。
另外，上述轻质框架3具体为热固性塑料框架，也即，轻质框架3由热固性塑料与无机添加剂复合制成，此类框架质量轻，耐高温，抗腐蚀，强度高，抗变形性能好，可以在高温下维持良好的性能。
除此之外，本发明还提供一种包括上述灭火装置的锂系电池，该锂系电池内部预装有若干个灭火装置，其可以全部为A型灭火装置，也可以全部为B型灭火装置，还可以为A型与B型的混合，具体应根据锂系电池内部实际结构来设定，本文不作限定。
以市面上常见的VDA硬壳电池为例，其搭载有长140mm和55mm的两种尺寸的B型灭火装置，此时，全氟己酮的搭载量为14130mm3，常温下为液态，以液态体积计算，全氟己酮的质量为22.608g，全氟己酮的摩尔量为0.07mol，此量下的全氟己酮全部汽化后体积约为1662.3ml，硬壳电池电极材料卷4与硬壳端盖间空隙区域的体积为24.3ml，全氟己酮将弥散在空隙区域，发挥抑制燃烧的作用。
那么，使用本装置后，电池安全阀5是否会因为内压过大而使提前打开，对此进行以下计算。以硬壳动力电池为例，根据上述公式P＝nRT/V，其中，硬壳电池搭载的全氟己酮的量为0.07mol，T是汽化温度为322.35K，V是方形电池体积，其长宽高分别为150×92×27mm3，经计算，全氟己酮气化后产生的压力为0.0507MPa，如果以上部较小空间为扩散空间计算，其气化后产生的压力为0.6MPa。
对于该VDA硬壳电池来说，安全阀5的打开压力与弹簧的预设形变量有关，根据如下胡克定律：Pi＝X×k/(x0 2×π)，其中，Pi为设定的安全阀5破裂电池内压，k为弹簧的弹性变形系数，X为预设变形量，x0为排气孔的最小半径。
由上述公式可知，调节预设形变量X即可灵活调节开启安全阀5的压力，因此，应根据计算最大的压力，本实施例中使用0.6MPa作为设计形变量。按经验，一般情况下，18650安全阀5的预设压力为1.4～1.5MPa，方形硬壳电池的安全阀5打开预设压力为0.8MPa，因此，本申请中的灭火装置不会影响安全阀5的正常打开。特别的，如果求得电池内全氟己酮产生压力超过经验值，在不影响安全性的前提下可根据Pi＝X×k/(x0 2×π)改变弹簧的预设形变量，使其符合压力要求。
由上述可知，本发明所提供的锂系电池及锂系电池灭火装置具有以下优点：
第一，快速响应、高效灭火、精准作用：灭火装置预装于电池内部，当电池内部出现异常快速升温并超过装置管体预设阈值时，装置破裂并释放出高效灭火介质，本灭火装置可在锂系电池热失控初期即快速响应，通过点对点高效精准灭火对电池内部的异常高温或火灾行为做出快速处置。相较于现有灭火系统，本灭火装置可直接作用于电池内部，可从根源上切断热量的产生，更高效地控制火灾；
第二，结构具有轻量化，对电池系统能量密度影响较小：本装置采用轻量化设计，可预装于电芯内部，相较于现有灭火装置，本装置提高了空间的利用率，在一定程度上保证了电池成组成箱后的能量密度；
第三，绿色无污染，不会影响电芯的正常使用：灭火装置的灭火介质为新型哈龙替代品全氟己酮，此类灭火介质的环境效应低，大气中光解时间为1～2周，且全氟己酮的绝缘性好，具有一定的阻燃性能；
第四，无预先填充压力设计，提高了装置的安全性：该灭火装置采用全氟己酮，依靠其自身在密闭空间中汽化增压的方式驱动释放，相较于传统预先填充压力的驱动方式，对工艺水平的要求更低，且降低了发生泄漏后的损坏概率，因此，灭火介质自身汽化增压驱动的灭火方式可降低生产成本，同时提高系统安全性。
以上对本发明所提供的锂系电池及用于锂系电池的灭火装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于锂系电池的灭火装置，其特征在于，包括热敏外壳和封装于所述热敏外壳内部的灭火介质，所述热敏外壳的外壁温度高于破裂温度时，所述热敏外壳受热熔融破裂释放所述灭火介质。
2.根据权利要求1所述的用于锂系电池的灭火装置，其特征在于，所述热敏外壳具体为一体成型的热敏管体(1)。
3.根据权利要求1所述的用于锂系电池的灭火装置，其特征在于，所述热敏外壳包括热敏管体(1)和设置于所述热敏管体(1)外部的轻质框架(3)，以及封装于所述热敏管体(1)端部、用以防止所述灭火介质泄露的堵头(2)。
4.根据权利要求1所述的用于锂系电池的灭火装置，其特征在于，所述灭火介质具体为全氟己酮。
5.根据权利要求3所述的用于锂系电池的灭火装置，其特征在于，所述轻质框架(3)具体为热固性塑料框架。
6.根据权利要求3所述的用于锂系电池的灭火装置，其特征在于，所述堵头(2)具体由绝缘膜包覆的碳纤维复合材料制成。
7.根据权利要求6所述的用于锂系电池的灭火装置，其特征在于，所述堵头(2)的外径不超过所述热敏管体(1)外径的8％。
8.根据权利要求1～7任一项所述的用于锂系电池的灭火装置，其特征在于，所述热敏外壳由吹塑成型工艺加工。
9.一种锂系电池，其特征在于，包括上述权利要求1～8任一项所述的灭火装置。
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