CN111261923B - 一种圆柱形电池组系统及其安全运行、回收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种圆柱形电池组系统，其包括圆柱形电池组以及安全运行及安全回收系统。在圆柱形电池组系统中，通过安全运行及安全回收系统为圆柱形电池组中的电池单体进行注液、补液、加热、冷却、注入安全剂等操作，从而保证圆柱形电池组的运行安全以及回收安全。圆柱形电池的电池单体中包括中空且侧壁设有流通口的卷芯，卷绕部卷绕于卷芯上，卷绕部中的各层都采用多孔结构，因此允许流体从卷芯起由内向外流动或者从电芯外侧起由外向卷芯内流动，从而能够充分地浸润电极材料和隔离层、快速地将故障电池单元的电解液排出、及时地将电池单元内残余的电解液烘干或冷凝。本发明还提供了圆柱形电池组系统的安全运行方法和安全回收方法。

Description

一种圆柱形电池组系统及其安全运行、回收方法
技术领域
本发明涉及电池领域，具体地涉及一种可安全运行及安全回收的圆柱形电池组系统。
背景技术
锂离子电池因具有高能量密度和高循环效率等优势，在全球便携式电子设备市场中占据着大部分份额，并逐步开始应用于电动汽车和电力储能领域。现有动力锂电池和电网储能锂电池多是从手机电池等微小型电池发展而来，其结构设计和材料选择没有考虑可维护再生和回收处理的环节，五年左右的实际日历寿命和电池报废后带来的回收再生难题不仅增加了全产业链成本，也成为储能锂电池产业可持续发展面临的严峻挑战。
在传统的锂离子电池中，包括叠片锂离子电池以及小型卷绕锂离子电池。叠片锂离子电池单体容量大，但制作复杂、电池单体一致性差、安全可靠性差。与叠片电池相比，圆柱形电池具有结构稳定性好、组成部件少、极片分切简单、卷绕工艺操作简单高效的优点。目前存在的圆柱形电池一般为一次性封装不可拆卸的结构，当内部电解液消耗过多或干涸时，无法及时补充或重新注入新的电解液。而且，由于现有圆柱形电池普遍尺寸较小，在电池壳盖或电池内部设计空间极为有限，因此难以通过改造电池内外结构来强化换液功能以及改善换液效率。此外，目前的圆柱形锂离子电池对于低温环境带来的电池倍率、容量等性能下降以及低温析锂所造成的短路等安全故障也没有进行较好的解决。
另外，储能电池系统通常需要将大量电池单体进行串并联达到所需的功率容量要求，经过一段时间的使用，电池内部材料电化学性能的均一性发生变化，局部活性区域容易出现过充或过放，造成锂枝晶短路或电解液分解，继而引发电池的热失控，发生燃烧甚至爆炸。目前的储能锂电池系统缺乏内部可控的安全设计，一旦某个电池出现热失控，很容易导致电池系统的整体失控。此外，锂离子电池在回收处理过程中，仅仅是通过把电池电量放完，就装车运输至专门回收厂进行回收处理。这样一方面很难保证锂离子电池内部不再继续发生电化学反应，另一方面，锂离子电池内部还存在着电解液，因此很容易发生安全事故，进而导致锂离子电池在装车运输过程中发生燃烧爆炸。
发明内容
针对以上存在的问题，本发明提供一种可安全运行及安全回收的圆柱形电池组系统。该圆柱形电池组系统包括圆柱形电池组以及运行及回收系统。在圆柱形电池组系统中，通过运行及回收系统为圆柱形电池组中的电池单体进行注液、补液、加热、冷却、注入安全剂等操作，从而保证圆柱形电池组的运行安全以及回收安全。圆柱形电池的电池单体中包括中空且侧壁设有流通口的卷芯，卷绕部卷绕于卷芯上，卷绕部中的各层都采用多孔结构，因此允许流体从卷芯起由内向外流动或者从电芯外侧起由外向卷芯内流动，从而能够充分地浸润电极材料和隔离层、快速地将故障电池单元的电解液排出、及时地将电池单元内残余的电解液烘干或冷凝。尤其是针对大型高温圆柱形电池，可以确保电池组的安全运行以及安全回收。
本发明提供的技术方案如下：
根据本发明提供一种可安全运行及安全回收的圆柱形电池组系统，该圆柱形电池组系统包括圆柱形电池组以及运行及回收系统。圆柱形电池组包括电池组壳体以及容置于电池组壳体内的至少一个圆柱形的电池单体，电池单体包括圆柱形的单体壳体以及容置于单体壳体内的电芯。电芯包括内部中空且侧壁设有流通口的卷芯以及卷绕在卷芯上的卷绕部，卷绕部包括层叠设置的多孔正极材料层、多孔正极集流体、多孔隔离层、多孔负极集流体和多孔负极材料层，其中，多孔正极材料层、多孔正极集流体、多孔隔离层、多孔负极集流体和多孔负极材料层的个数和层叠顺序可以根据实际需要进行选择。由于卷芯的侧壁上设有流通口，并且电极材料层、隔离层和集流体均为多孔结构，因此从卷芯的中空的部分注入的流体能够均匀顺利地流向电芯的四周或者从电芯四周注入的流体能够均匀顺利地流向卷芯的中空的部分。在本发明中，电池单体为圆柱形的电池单体，圆柱形电池组包括若干个电池单体，电池组壳体的形状例如可以为长方体。圆柱形电池组系统中可以包括一个圆柱形电池组或者可以包括多个圆柱形电池组，也就是说，圆柱形电池组系统中的运行及回收系统可以经由管路同时与多个圆柱形电池组相连。
多孔正极集流体可以为具有通孔结构的厚度为1μm～2000μm、优选为0.05μm～1000μm的电子导电层，多孔正极集流体的孔径可以为0.01μm～2000μm、优选为10μm～1000μm，通孔孔隙率可以为10％～90％。多孔正极集流体可以为导电金属层，导电金属层为金属网或金属丝编织网，网孔可以为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，导电金属层为具有通孔结构的泡沫金属网；或者，导电金属层为多孔金属板或多孔金属箔，导电金属层的材料可以为不锈钢、铝或银等。或者，多孔正极集流体可以为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合的导电布，金属丝的材料可以为铝、合金铝、不锈钢或银等，有机纤维丝可以包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯等中的一种或几种。或者，多孔正极集流体为表面涂覆导电涂层或镀有金属薄膜的金属导电层、导电布、无机非金属材料、多孔有机材料等，导电涂层为导电剂与粘结剂的混合物或者导电涂层为导电剂、正极活性材料与粘结剂的混合物，混合的方式为粘接、喷涂、蒸镀或机械压合等，多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯等，无机非金属材料包括玻璃纤维无纺布、陶瓷纤维纸，导电剂为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、金属导电颗粒和金属导电纤维等中的一种或几种，金属导电颗粒或者金属导电纤维的材料可以为铝、不锈钢或银等，粘结剂可以为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠和改性聚烯烃等中的一种或几种。或者，多孔正极集流体为上述任意两种或几种所组成的组合体。
多孔负极集流体可以为具有通孔结构的厚度为1μm～2000μm、优选为0.05μm～1000μm的电子导电层，多孔负极集流体的孔径可以为0.01μm～2000μm、优选为10μm～1000μm，通孔孔隙率可以为10％～90％。多孔负极集流体可以为导电金属层，导电金属层可以为金属网或金属丝编织网，网孔可以为方形、菱形、长方形或其他多边形等；或者，导电金属层可以为具有多孔结构的多孔泡沫金属层；或者，导电金属层可以为多孔金属板或多孔金属箔，导电金属层的材料可以为不锈钢、镍、钛、锡、铜、镀锡铜或镀镍铜等。或者，多孔负极集流体可以为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合的导电布，金属丝的材料可以为不锈钢、镍、钛、锡、铜、镀锡铜或镀镍铜等；有机纤维丝包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯中的一种或几种。或者，多孔负极集流体可以为表面涂覆导电涂层或镀有金属薄膜的金属导电层、导电布、无机非金属材料、多孔有机材料，导电涂层可以为导电剂与粘结剂或导电剂、负极活性材料与粘结剂的复合物，复合的方式可以为粘接、喷涂、蒸镀或机械压合等，多孔有机材料可以包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯等，无机非金属材料可以包括玻璃纤维无纺布和陶瓷纤维纸等，导电薄膜的材料可以为不锈钢、镍、钛、锡、铜、镀锡铜或镀镍铜等，导电剂可以为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、金属导电颗粒和金属导电纤维中的一种或几种，金属导电颗粒或者金属导电纤维的材料可以为不锈钢、镍、钛、锡、铜、镀锡铜或镀镍铜等，粘结剂可以为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠和改性聚烯烃中的一种或几种。或者，多孔负极集流体可以为上述任意两种或多种的组合。
多孔隔离层的材料可以为电子不导电的多孔聚合物材料；或者，多孔隔离层的材料可以为电子不导电的无机非金属材料与有机聚合物复合的多孔材料；或者，多孔隔离层的材料可以为电子不导电的聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料；或者，多孔隔离层的材料可以为在电子不导电的多孔聚合物材料的孔隙内或在无机非金属材料与有机聚合物复合的多孔材料的孔隙内浸渍有离子导电的电解液或聚合物胶体材料，等等。
多孔电极材料层可以为干燥态或半干态的多孔的电极材料层，由于干燥态或半干态的电极活性导电颗粒之间存在空隙，因此形成了可供流体通过的多孔结构。例如，在锂浆料电池中，非粘接固定的正极活性导电颗粒和/或非粘接固定的负极活性导电颗粒的堆积孔隙率可大于5％并小于60％。在浸入电解液的情况下，非粘接固定的正极活性导电颗粒和/或非粘接固定的负极活性导电颗粒能够在电解液中移动并分别形成正极浆料和/或负极浆料。正极活性导电颗粒占正极浆料的质量比可以为10％～90％、优选地为15％～80％，负极活性导电颗粒占负极浆料的质量比可以为10％～90％、优选地为15％～80％。正极活性导电颗粒平均粒径可以为0.05μm～500μm，正极活性材料与导电剂的质量比可以为20～98：80～2；负极活性导电颗粒平均粒径可以为0.05μm～500μm，负极活性材料与导电剂的质量比可以为20～98：80～2。正极活性材料可以为磷酸铁锂、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂钒氧化物、钒氧化物、锂锰基氧化物(锂锰铬氧化物、锂锰钴氧化物、锂锰镍氧化物、锂锰铜氧化物)、V[LiM]O4(M＝镍或钴)、多原子阴离子正极材料(VOPO4、NASICON、硅酸盐类、钛酸盐类、硫酸盐类、硼酸盐类、R-Li3Fe2(PO4)3、Li3FeV(PO4)3、TiNb(PO4)3、LiFeNb(PO4)3)、铁化合物、钼氧化物等。负极活性材料可以为碳基负极材料、氮化物、硅及硅化物、锡基氧化物、硒化物、合金类负极材料、钛氧化物、过渡族金属氧化物、磷化物或金属锂等，碳基负极材料可以包括石墨、中间相碳微球、石墨化碳纤维、无定型碳材料、软碳、硬碳、富勒烯、碳纳米管、碳钴复合物、碳锡复合物和碳硅复合物等中的一种或几种，合金类负极材料可以包括锡基合金、硅基合金、锑基合金、锗基合金、铝基合金、铅基合金等中的一种或几种，过渡族金属氧化物可以包括钴氧化物、镍氧化物、铜氧化物、铁氧化物、铬氧化物和锰氧化物等中的一种或几种。导电剂可以为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、金属导电颗粒和金属导电纤维中的一种或几种。金属导电颗粒或者纤维的材料可为铝、不锈钢或银等。
为了实现圆柱形电池组的安全运行和安全回收，运行及回收系统包括电解液存储装置、气体存储装置、回收装置以及加热装置和/或冷却装置等。为了将电解液存储装置中的电解液或者气体存储装置中的气体注入以及排出电池组系统，在单体壳体上设有单体壳体注入端口和单体壳体排出端口、或者在单体壳体上设有单体壳体注入端口和单体壳体排出端口并且在电池组壳体上设有电池组壳体注入端口和电池组壳体排出端口。其中，单体壳体注入端口、单体壳体排出端口、电池组壳体注入端口和电池组壳体排出端口的数量分别可以为一个或多个。优选地，单体壳体注入端口设置于单体壳体的顶面，单体壳体排出端口设置于单体壳体的底面。例如，当单体壳体注入端口设置于单体壳体的顶面的中心处(与卷芯的位置相对应)时，单体壳体排出端口设置于单体壳体的底面的边缘处(与卷绕部的周边位置相对应)；或者例如，当单体壳体注入端口设置于单体壳体的顶面的边缘处(与卷绕部的周边位置相对应)时，单体壳体排出端口设置于单体壳体的底面的中心处(与卷芯的位置相对应)，这样可以使得流体由内至外或由外至内充分地流经整个卷绕部，从而迅速地实现对整个卷绕部的浸润、排液、干燥或冷却。
利用运行及回收系统可以对圆柱形电池组快速注液，其中，电解液存储装置经由管路与单体壳体注入端口相连，电解液存储装置中的电解液经由单体壳体注入端口以从内向外的顺序流过卷芯的流通口和多孔的卷绕部、或者以从外向内的顺序流过多孔的卷绕部和卷芯的流通口从而浸润电芯。电解液的流向与单体壳体注入端口和单体壳体排出端口的设置位置有关。例如，当从位于单体壳体顶部中心的单体壳体注入端口注入电解液、并且从位于单体壳体底部边缘的单体壳体排出端口抽吸单体壳体内的流体时，电解液从单体壳体注入端口进入卷芯的中空部分中，然后经由卷芯的流通口向外流过多孔的卷绕部，从而能够对电芯进行浸润。
利用运行及回收系统还可以对圆柱形电池组的安全运行和安全回收提供保障，其中，回收装置经由管路与单体壳体排出端口相连，使得电池单体中的电解液或气体经过单体壳体排出端口排出到回收装置中，气体存储装置经由管路与单体壳体注入端口相连，气体存储装置中的气体经由加热装置加热或经由冷却装置冷却后以从内向外的顺序流过卷芯的流通口和多孔的卷绕部、或者以从外向内的顺序流过多孔的卷绕部和卷芯的流通口从而将电芯中的残余的电解液加热蒸发或冷却凝固；或者，回收装置经由管路与单体壳体排出端口相连并且与电池组壳体排出端口相连，使得电池单体和电池组壳体中的电解液或气体分别经过单体壳体排出端口和电池组壳体排出端口排出到回收装置中，气体存储装置经由管路与电池组壳体注入端口相连，气体存储装置中的气体经由加热装置加热或经由冷却装置冷却后经过电池组壳体注入端口进入电池组壳体中从而将电池单体的电芯中的残余的电解液加热蒸发或冷却凝固。当圆柱形电池组在运行过程中某个电池单体发生故障时，可以实时在线将该发生故障的电池单体中的电解液排出并且通过在电池单体中注入加热气体蒸发剩余的电解液或者在电池单体中注入冷却气体冷凝剩余的电解液来实现整个电池组的安全运行。当圆柱形电池组进行回收时，为了保证回收过程的安全性，可将圆柱形电池组中全部电池单体的电解液排出并且通过在单体壳体/电池组壳体中注入加热气体蒸发剩余的电解液或者在单体壳体/电池组壳体中注入冷却气体冷凝剩余的电解液来保证回收电池的安全性。
为了促进流体的流动，在单体壳体注入端口与电解液存储装置之间的管路上可设有驱动装置，和/或在单体壳体注入端口与气体存储装置之间的管路上可设有驱动装置，和/或在单体壳体排出端口与回收装置之间的管路上可设有抽吸装置。另外，在电池组壳体注入端口与气体存储装置之间的管路上可设有驱动装置，和/或在电池组壳体排出端口与回收装置之间的管路上可设有抽吸装置。驱动装置和抽吸装置可以为气压驱动装置、液压驱动装置、泵驱动装置或者电机驱动装置等。
由于单体壳体内可能同时存在气体和液体，因此在单体壳体排出端口与回收装置之间的管路上可设有气液分离装置。气液分离装置经由管路与气体存储装置相连或者与加热装置和/或冷却装置相连，经气液分离装置分离出的液体进入到回收装置中并且经气液分离装置分离出的气体可循环进入到气体存储装置或者进入到加热装置和/或冷却装置中。在气液分离装置与气体存储装置之间的管路上还可设有气体循环过滤装置，从而可以对回收的气体过滤、干燥以便进行再次利用。
运行及回收系统还可包括安全剂存储装置。安全剂存储装置经由管路与单体壳体注入端口相连，使得安全剂存储装置中的安全剂能够注入到电池单体中并且至少部分安全剂以从内向外的顺序流过卷芯的流通口和多孔的卷绕部、或者以从外向内的顺序流过多孔的卷绕部和卷芯的流通口。安全剂可以为：二氧化碳、氮气、氩气、氦气、二氧化硫、七氟丙烷、十二氟-2-甲基-3-戊酮等中的一种或几种；或者，烷基磷酸酯类、芳香磷酸酯类、亚磷酸酯类、磷腈类、磷-卤有机化合物、磷酸三甲苯酯、甲基磷酸二甲酯、六甲基磷酰胺、四溴双酚、磷杂菲衍生物、氮磷烯添加剂和磷腈类化合物等中的一种或几种；或者，水、硅油、干粉灭火剂、泡沫灭火剂或气溶胶灭火剂等。
气体存储装置中的气体可以为氮气、空气、阻燃气体(例如，二氧化硫)和惰性气体中的一种或几种混合。加热装置和冷却装置可以分别设置于气体存储装置中或者可以设置于管路上。加热装置可以为电热丝、热铜板、热铝板、三维电加热管等。冷却装置可以为高压换热器、蒸汽压缩式循环装置、吸收式制冷循环装置等。
圆柱形电池组系统的电解液存储装置、气体存储装置、加热装置、冷却装置、安全剂存储装置等的启动和停止可以以手动方式进行操作。优选地，运行及回收系统还包括检测装置和控制装置。检测装置可设置于电池单体的单体壳体内用于检测和反馈电池单体的故障情况，检测装置可包括电压采集器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、气氛测试仪、内阻测试仪和烟雾传感器等中的一种或几种，控制装置用于接收检测装置反馈的数据并控制运行及回收系统的运行。
本发明的电池单体优选为大型圆柱形电池，其中，电池单体的直径可以为50mm～150mm、优选为85mm～110mm，电池单体的高度可以为200mm～350mm。对于传统的圆柱形电池来讲，由于散热困难而无法制造大型电池。但是，本发明的电池设有运行及回收系统，可以更好地对电池进行温度控制。特别是，本发明的电池单体优选为高温电池，这样可以利用大型圆柱形电池散热慢、易升温的特点，将传统电池中的缺点变成优点加以利用。通过运行及回收系统，可以快速将圆柱形电池组加热至所需温度并对温度进行平稳控制，使得圆柱形电池组在高温下稳定运行。当对某个发生故障的电池单体进行更换之前或者对整个圆柱形电池组进行回收之前，可以先将电池单体中的电解液排出，通过将电池单体中剩余的电解液加热蒸发或冷却凝固来彻底阻止电池单体内的电化学反应，从而实现电池的安全运行或安全回收。此处的高温电池指的是电池适用环境温度范围在40～100℃之间的电池。提高电池使用过程中的环境温度能够有效提高电池内部电极材料的反应活性，增加电解液离子导电率，有助于提高电池整体能量密度和功率密度。但同时也会增加电池内部在充放电过程中发生副反应的几率，因此高温电池需要特殊的电解液体系。高温电池中采用的电解液为高温电解液，高温电解液中的溶剂可以为沸点高于100℃的高极性非质子溶剂中的一种或几种，包括：碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，碳酸丁烯酯，1,2-二甲基碳酸乙烯酯，碳酸乙丁酯，碳酸甲丁酯，碳酸二丁酯，碳酸二乙酯，氯代碳酸乙烯酯，碳酸二正丙酯，碳酸二异丙酯，碳酸甲乙酯，碳酸乙丙酯，碳酸甲丙酯，碳酸甲异丙酯，γ-丁内酯，丁酸甲酯，丁酸乙酯，二乙氧基乙烷，缩二乙二醇二甲醚，缩三乙二醇二甲醚，环丁砜，二甲基亚砜，离子液体等。高温电解液中的电解质锂盐可以为以下热稳定性良好的锂盐中的一种或几种，包括：双草酸硼酸锂，草酸二氟硼酸锂，三氟甲基磺酸锂，二(三氟甲基磺酰)亚胺锂及其衍生物，二(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂等。高温电解液的添加剂可以包括以下一种或几种：防过充添加剂(碘化锂，二茂铁及其衍生物，邻对位二甲基取代苯，二甲基溴化苯，N-苯基马来酰亚胺等)，阻燃添加剂(含氟碳酸酯，有机磷酸酯，硅烷，硼酸酯等)，改善SEI膜添加剂(碳酸锂，溴代乙烯碳酸酯，溴代丁内酯，氯代甲酸甲酯，溴化锂，碘化胺，含硫化合物，丙烯腈，醋酸锰等)等。
下面，将具体说明电池单体的内部结构。
电池单体还可包括能够支撑电芯并允许流体向下通过的第一腔体支架，第一腔体支架将电芯与单体壳体的底面间隔开，从而在电芯与单体壳体的底面之间形成能够容置流体的第一腔体，单体壳体排出端口与第一腔体流体连通。由于通过第一腔体支架可以将电芯支撑起来并在电芯与单体壳体底面之间形成第一腔体，因此电芯中的液体可以在重力或者重力加外力的作用下顺利流入第一腔体中，经由与第一腔体流体连通的单体壳体排出端口可以方便地将第一腔体内的液体排出。当设有第一腔体支架时，单体壳体排出端口的位置可以不限于与卷芯或卷绕部边缘的位置相对应，而是可以设置于单体壳体底部的任意位置，只要单体壳体排出端口与第一腔体流体连通即可。
在第一腔体支架的底面上可设有支撑部，支撑部放置或固定于单体壳体的底面，支撑部的高度用以确定第一腔体的高度。支撑部例如可以为支柱，支柱的一端放置或固定于单体壳体的底面，支柱的高度大致等于第一腔体的高度。或者，第一腔体支架的边缘固定连接于单体壳体的侧壁上或者与单体壳体一体成型。第一腔体的高度例如可以为5mm～15mm，第一腔体的高度与电芯直径的比例例如可以为1:10。
在第一腔体支架的顶面上可设有卷芯固定部，卷芯固定部能够插入或套住卷芯的下端用以固定支撑卷芯，当卷芯固定部完全堵塞卷芯的下端时还可以确保流体完全流经卷芯侧壁的流通口。或者，第一腔体支架可与卷芯一体成型，通过将卷芯进行固定可以将第一腔体支架相应地进行固定或者通过将第一腔体支架进行固定可以将卷芯相应地进行固定，第一腔体支架可以位于卷芯的端部或与端部间隔一定距离的位置。
电池单体还可包括设置于电芯的卷绕部上方并允许流体向下通过的顶部支架，顶部支架的至少部分下表面与卷绕部的顶面相邻并且顶部支架的上表面与单体壳体的顶部的下表面相邻，从而阻止电芯的卷绕部沿电芯轴向方向移动。另外，顶部支架还可以用来防止卷芯和卷绕部在水平方向上移动。例如，顶部支架的远离中心的部分可以抵接于单体壳体的侧壁，并且顶部支架的中心部分可以与卷芯固定连接或一体成型。优选地，顶部支架设有外环部、内环部以及连接外环部与内环部的辐条或环面，外环部固定连接或抵接于单体壳体的侧壁上并且内环部套接于卷芯上、内环部插入卷芯的中空部分中或者内环部的底面固定连接于卷芯的顶面上。顶部支架可以将单体壳体顶面与卷绕部顶面之间的空间分割成多个腔体，各个腔体之间的流体互不连通。但是，顶部支架也可设有水平方向的通孔(也就是说，通孔的轴向与水平方向平行)或连通口，使得流体能够沿顶部支架的水平方向流动，从而在电芯的卷绕部顶面与单体壳体的顶部之间形成整体的第二腔体。在这种情况下，流体除了可以从卷芯朝向单体壳体侧壁向外流动，还可以从位于电芯顶部的第二腔体沿卷芯轴向向下流动，从而从多个方向和多个部分对电芯进行浸润、烘干或冷却。在电池组正常运行的情况下，第二腔体内可存储一定量的电解液，使得第二腔体起到电解液存储腔体的作用，从而可以及时补充电池在副反应中消耗的电解液并且因此能够确保电池性能。第二腔体的高度例如可以为5mm～15mm。
电池单体还可包括围绕电芯的第三腔体支架，第三腔体支架将单体壳体的侧壁与电芯间隔开从而在单体壳体的侧壁与电芯之间形成第三腔体。第三腔体可以与位于电芯上方的第二腔体流体连通，这样当注入电解液时，电解液可以从卷芯朝向单体壳体侧壁向外流动、从位于电芯顶部的第二腔体沿卷芯轴向向下流动以及从电芯外侧朝向卷芯向内流动。另外，在电池组正常运行的情况下，第三腔体还可以起到电解液存储腔体的作用，从而可以对电池及时补液。此外，在电芯的中心和电芯的外侧留有空间，可以有利地促进流体在单体壳体内的顺畅流动。第三腔体支架还可以起到固定电芯外围的作用，有效地壁免电芯最外侧卷绕层脱离电芯，电池在轻微震动时，可以起到缓冲及固定电芯的作用。第三腔体支架的材质可为绝缘材质，这样可有效地防止因内部电芯漏电而与单体壳体连通导电的情形。第三腔体支架也可以将电芯、第一腔体支架、顶部支架包覆形成为一整体电芯包，进一步固定零部件之间的安装位置，方便后续作为整体放置在单体壳体内。
在不设置第三腔体支架的情况下，也可以利用如下方式在单体壳体的侧壁与电芯之间形成腔体：例如，在单体壳体的侧壁上设有突起的支撑突起部，支撑突起部从电芯的四周对电芯进行支撑，通过支撑突起部能够在单体壳体的侧壁与电芯之间形成侧壁腔体；或者例如，在卷绕部的远离卷芯的端部连接有柔性栅板，柔性栅板上设有栅格或通孔，柔性栅板由柔性材料制成从而能够在卷绕部的外侧继续卷绕至少一周，通过柔性栅板能够在单体壳体的侧壁与电芯之间形成注排腔。柔性栅板同时还可以对卷绕部起到支撑和固定的作用。
上述第一腔体支架、顶部支架、第三腔体支架和柔性栅板的材料可以为绝缘耐电解液的聚合物树脂材料，例如为诸如聚乙烯、聚丙烯的聚烯烃及改性聚烯烃类、诸如聚四氟乙烯、聚六氟丙烯、聚偏氟乙烯的氟树脂类、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈类等；或者，可以为诸如氟橡胶、三元乙丙橡胶等耐电解液的橡胶材料；或者，可以为绝缘耐电解液的无机非金属材料；或者，可以为外覆耐电解液绝缘层的金属材料，金属材料可以为铝、不锈钢等。
电池单体还可包括绝缘卷绕膜，绝缘卷绕膜可以围绕第一腔体支架、电芯和顶部支架进行整体卷绕从而对第一腔体支架、电芯和顶部支架整体固定。绝缘卷绕膜的材料采用绝缘材料，绝缘卷绕膜可以为多孔膜或无孔膜。优选地，卷绕膜采用可耐电解液且具有一定韧性的聚合物材料，例如：聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)等。卷绕膜也可以采用纤维素膜、氨纶或芳纶膜等。
在电芯的中部设有卷芯，卷芯除了起到便于卷绕部卷绕的作用之外，本发明的卷芯和多孔卷绕部一起还起到便于流体顺利通过卷绕部的作用。卷芯内部中空且侧壁设有流通口，因此方便安全剂、电解液等液体注入电池单体以及对电芯浸润，在需要加热或者冷却时可以通入加热或者冷却的气体，有利于更快、更均匀地对电芯进行加热或者冷却。下面，将对电芯的卷芯进行详细说明。卷芯的内部中空且侧壁设有流通口。卷芯的高度可以小于等于电池单体的高度。卷芯可以通过第一腔体支架和/或顶部支架连接固定，或者卷芯可以与单体壳体的顶面和/或底面连接固定。例如，卷芯可以为圆筒，流通口的尺寸可相同或不同，圆筒的底部或顶部分别可以开口或封闭；或者，卷芯可包括上圆环、下圆环以及连接上圆环与下圆环的多个肋条，在相邻的两个肋条之间形成流通口；或者，卷芯可包括第一半圆柱筒和第二半圆柱筒，第一半圆柱筒和第二半圆柱筒能够合并为完整的圆柱筒，流通口设置于第一半圆柱筒的半圆形侧壁和/或平面侧壁上并且流通口设置于第二半圆柱筒的半圆形侧壁和/或平面侧壁上；或者，卷芯可以为由内筒和外筒组成的嵌套结构，内筒上不设置流通口，在外筒上设有流通口。卷芯的外径范围优选为10～60mm。卷芯材料可以为绝缘耐电解液的聚合物树脂材料，例如可以为诸如聚乙烯、聚丙烯的聚烯烃及改性聚烯烃类、诸如聚四氟乙烯、聚六氟丙烯、聚偏氟乙烯的氟树脂类、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈类等；或者，可以为绝缘耐电解液的无机非金属材料；或者，可以为铝、不锈钢等耐电解液的金属材料。当卷芯的材料为金属材料时，卷芯可以与电芯的正极极耳或者负极极耳电连接，使得卷芯还可以起到集流的作用。
下面，将详细介绍圆柱形电池组系统的安全回收方法以及安全运行方法。
圆柱形电池组系统的安全回收方法包括如下步骤：(a)将电池单体的单体壳体中的电解液和气体抽吸到回收装置中；(b)将气体存储装置中的气体加热后注入单体壳体或电池组壳体中，从而将单体壳体内残余的电解液蒸发；或者，将气体存储装置中的气体冷却后注入单体壳体或电池组壳体中，从而将单体壳体内残余的电解液冷凝。如果在回收过程中电池组内的电解液没有完全排出，就有可能导致电池由于短路等原因燃烧或爆炸。因此，仅通过单体壳体排出端口将单体壳体内的电解液排出不足以保证电池的安全性，需利用电解液(特别是高温电解液)高温蒸发或低温冷凝的性质，将单体壳体内的电解液去除或使其失去电化学反应能力。
为了进一步确保电池的安全回收，还可以加入如下步骤：
在步骤(b)之后还可包括如下步骤(c)：将安全剂存储装置中的安全剂注入单体壳体中。通过将无法进行电化学反应的安全剂注入电池单体中，可以进一步确保电池不会由于内部短路而引起燃烧或爆炸。
在步骤(a)之前还可包括如下步骤(s)：将圆柱形电池组进行放电，然后拆除圆柱形电池组中的各个电池单体之间的导电连接件。在步骤(s)中，优选地，当圆柱形电池组中包括n个电池单体时，圆柱形电池组放电后的电压≤0.5n V；当拆除各个电池单体之间的导电连接件之后，每个电池单体的电压≤0.5V。通过将电池组进行放电，可以进一步确保电池在回收过程中的安全性。
圆柱形电池组系统的安全运行方法主要是针对高温电池，通过利用本发明的圆柱形电池组系统能够实时在线对发生故障的电池进行排查、更换并及时恢复高温电池的高温工作环境，确保整个圆柱形电池组系统的正常安全运行。
圆柱形电池组系统的安全运行方法可包括如下步骤：(a)通过检测装置检测发生故障的电池单体；(b)停止圆柱形电池组的充放电操作；(c)停止对发生故障的电池单体加热；(d)将发生故障的电池单体内的电解液和气体抽吸至回收装置中；(e)将气体存储装置中的气体冷却后注入发生故障的电池单体中，将发生故障的电池单体冷却至预定温度；(f)更换发生故障的电池单体；(g)将气体存储装置中的气体加热后注入更换的电池单体，将更换后的电池单体加热至工作温度。其中，在步骤(e)之后还可包括如下步骤(m)：将安全剂存储装置中的安全剂注入发生故障的电池单体。在该方法中，是针对发生故障的电池单体进行操作，首先停止对发生故障的电池单体进行加热，然后将发生故障的电池单体内的电解液排出，接下来对电池单体注入冷却的气体(也可进一步注入安全剂)用以确保发生故障的电池在拆卸、运输、回收等过程中不会发生燃烧爆炸，在更换电池单体之后再将更换后的电池单体加热至所需温度。该方法能够在发生故障的电池单体的电芯由于发生着火或热失控而导致电芯温度异常升高时，直接将该单体电池单独进行抽液、冷却、注入安全剂，对电芯进行全方位、更彻底的隔离失效处理，响应迅速准确，因此能够第一时间处理电芯热失控导致的高温、燃烧以及爆炸等情况，而不会对整个电池系统造成更大的破坏。
在另一实施方式中，圆柱形电池组系统的安全运行方法可包括如下步骤：(a)通过检测装置检测发生故障的电池单体；(b)停止圆柱形电池组的充放电操作；(c)停止对圆柱形电池组进行加热；(d)将气体存储装置中的气体冷却后注入圆柱形电池组的电池组壳体中，将圆柱形电池组冷却至预定温度；(e)更换发生故障的电池单体；(f)将气体存储装置中的气体加热后注入圆柱形电池组的电池组壳体中，将圆柱形电池组加热至工作温度。在该方法中，是针对整个电池组进行操作，首先停止对整个电池组进行加热，然后通过将冷却的气体注入电池组壳体内将整个电池组进行冷却，在更换电池单体之后再将整个电池组加热至所需温度。在更换发生故障的电池单体之前，也可以将发生故障的电池单体内的电解液排出，然后对电池单体注入冷却的气体和安全剂，用以确保发生故障的电池在拆卸、运输、回收等过程中不会发生燃烧爆炸。该方法是当某个电池单体出现故障时，在电池组停止工作期间加热系统不用进行加热，因此能够在一定程度上降低电能损耗，提高能效。
本发明的优势在于：
(1)根据本发明的圆柱形电池组系统及其安全运行方法，在电池发生安全故障时，能够快速响应、抽取电解液并对电池进行降温处理，使得电池内离子扩散迁移困难，然后进一步注入安全剂，使得电池故障得不到进一步扩散。利用本发明的系统和方法，能够有效地解决大规模储能电池安全运行中的安全故障问题。
(2)本发明的圆柱形电池组的安全回收方法可采用抽出电解液及气体加热的方式，将电池单体内的残余电解液蒸发并排出，因此能够有效地提高报废电池的回收效率以及安全性。
(3)针对含有高温电解液的圆柱形电池组，通过抽取电解液并对电池进行降温处理，使得电池内离子扩散迁移困难，为了进一步确保电池回收过程中的安全还可以注入安全剂，从而能够有效地确保报废的高温电池的安全回收处理。
(4)电池内部的储液腔体储存一部分电解液，可以保持对电芯的浸润作用、而且可随时对电池进行电解液的补充，储液腔体起到保液、换液的作用，改善了电池的电化学反应，提高了电池的使用性能。
(5)本发明的电池单体换液结构简单、加工制造成本较低，另外，由于电池内部空间较大，因此便于在电池单体中灵活地设置换液部件。
(6)利用卷芯侧壁的流通口以及多孔的卷绕部，能够使得流体顺利地通过整个电芯，从而可以快速、充分地实现电芯的注液、烘干和冷却等。
附图说明
图1为根据本发明第一实施方式的圆柱形电池组系统的示意图；
图2为根据本发明第二实施方式的圆柱形电池组系统的示意图；
图3(a)-(b)为根据本发明的电池单体的示意图，其中，图3(a)为根据本发明一实施方式的电池单体的局部剖切的立体示意图，图3(b)为根据本发明另一实施方式的电池单体的截面示意图；
图4(a)-(b)为根据本发明的电池单体的第一腔体支架的示意图，其中，图4(a)为第一腔体支架的俯视立体示意图，图4(b)为第一腔体支架的仰视立体示意图；
图5(a)-(c)为根据本发明的电池单体的顶部支架的示意图，其中，图5(a)为根据一实施方式的顶部支架的立体示意图，图5(b)根据另一实施方式的顶部支架的立体示意图，图5(c)根据又一实施方式的顶部支架的立体示意图；
图6(a)-(b)为根据本发明的电池单体的第三腔体支架的示意图，其中，图6(a)为根据一实施方式的第三腔体支架的立体示意图，图6(b)为根据另一实施方式的第三腔体支架的立体示意图；
图7(a)-(d)为根据本发明的电池单体的卷芯的示意图，其中，图7(a)为根据一实施方式的卷芯的立体示意图，图7(b)为根据另一实施方式的卷芯的立体示意图，图7(c)为根据又一实施方式的卷芯的立体示意图，7(d)为根据再一实施方式的卷芯的立体示意图；
图8为根据本发明的圆柱形电池组系统的一安全运行方法的框图；
图9为根据本发明的圆柱形电池组系统的另一安全运行方法的框图；
图10为根据本发明的圆柱形电池组系统的一安全回收方法的框图；
图11为根据本发明的圆柱形电池组系统的另一安全回收方法的框图。
附图标记列表
1——圆柱形电池组
101——电池组壳体
102——电池组壳体注入端口
103——电池组壳体排出端口
2——运行及回收系统
201——电解液存储装置
202——气体存储装置
203——安全剂存储装置
204——回收装置
205——抽吸装置
206——气液分离装置
207——气体循环过滤装置
208——加热装置和/或冷却装置
209——多通阀
210——气体循环装置
3——电池单体
301——单体壳体
302——单体壳体注入端口
303——单体壳体排出端口
4——电芯
401——卷芯
402——流通口
403——卷绕部
404——上圆环
405——下圆环
406——肋条
407——第一半圆柱筒
408——第二半圆柱筒
409——内筒
410——外筒
5——顶部支架
501——通孔
502——第二腔体
503——外环部
504——内环部
505——环面
506——辐条
6——第一腔体支架
601——第一腔体
602——流通通道
603——卷芯固定部
604——支撑部
7——极柱
8——第三腔体支架
801——第三腔体
802——支撑突起部
803——内筒
804——外筒
具体实施方式
下面将结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
图1为根据本发明第一实施方式的圆柱形电池组系统的示意图。圆柱形电池组系统包括圆柱形电池组1以及运行及回收系统2。圆柱形电池组1与运行及回收系统2可以在生产或使用时组装在一起，在正常运行过程中以一个整体组装系统进行操作，无需额外设备的连接或对接，因此对电池故障可以做到及时发现、及时处理，并且操作简便。圆柱形电池组1包括电池组壳体101以及容置于电池组壳体101内的多个圆柱形的电池单体3。电池单体3包括圆柱形的单体壳体，在单体壳体上分别设有单体壳体注入端口302和单体壳体排出端口303，其中单体壳体注入端口302和单体壳体排出端口303的数量和位置并不限于图中所示。运行及回收系统2包括电解液存储装置201、气体存储装置202、安全剂存储装置203、回收装置204、抽吸装置205、气液分离装置206、气体循环过滤装置207以及加热装置和/或冷却装置208。单体壳体注入端口302经由管路和多通阀209连接于电解液存储装置201、气体存储装置202和安全剂存储装置203，在单体壳体注入端口302与气体存储装置202之间设置加热装置和/或冷却装置208。单体壳体排出端口303经由管路连接于回收装置204，在单体壳体排出端口303与回收装置204之间设置抽吸装置205和气液分离装置206，气液分离装置206经由管路连接于气体存储装置202，在气液分离装置206与气体存储装置202之间设置气体循环过滤装置207。
在电池注液过程中，通过切换多通阀209使得电池单体3与电解液存储装置201连通从而使得电解液存储装置201中的电解液进入单体壳体3中，同时启动抽吸装置205用以将电池单体3中的气体排出。在每个电池单体3内可设有诸如温度传感器的检测装置，当检测装置检测到某个电池单体发生故障时将检测到的信息传送至控制装置，控制装置将多通阀209切换至气体存储装置202使得气体存储装置202中的气体例如经冷却装置冷却后(冷却气体温度例如为-10℃～10℃)进入发生故障的单体壳体中并且同时在抽吸装置205的作用下将发生故障的单体壳体中的电解液排出至回收装置204，抽吸装置205抽出的流体经由气液分离装置206分离后分别使得电解液进入回收装置204并且使得气体经气体循环过滤装置207处理后重新进入冷却装置。继续向单体壳体3内注入冷却气体，从而通过单体壳体内部冷却的方式将单体壳体内残余的电解液冷却凝固。将多通阀209切换至安全剂存储装置203，将安全剂注入电池单体3中从而可以进一步确保电池的安全性。在电池回收过程中，可利用抽吸装置205将全部电池单体3内的电解液抽出，为了进一步确保回收电池的安全性还可以向电池单体3中注入安全剂。
图2为根据本发明第二实施方式的圆柱形电池组系统的示意图。该第二实施方式中的圆柱形电池组与上述第一实施方式中的圆柱形电池组类似，其不同之处在于，在电池组壳体101上还设有电池组壳体注入端口102和电池组壳体排出端口103。运行及回收系统2包括电解液存储装置201、气体存储装置202、安全剂存储装置203、回收装置204、抽吸装置205、气体循环装置210以及加热装置和/或冷却装置208。单体壳体注入端口302经由管路和多通阀209连接于电解液存储装置201和安全剂存储装置203，电池组壳体注入端口102经由管路连接于气体存储装置202，在电池组壳体注入端口102与气体存储装置202之间设置加热装置和/或冷却装置208。单体壳体排出端口303经由管路连接于回收装置204，在单体壳体排出端口303与回收装置204之间设置抽吸装置205。电池组壳体排出端口103经由管路连接于加热装置和/或冷却装置208，在电池组壳体排出端口103与加热装置和/或冷却装置208之间设置气体循环装置210(例如气体驱动装置)。
在电池注液过程中，通过切换多通阀209使得电池单体3与电解液存储装置201连通从而使得电解液存储装置201中的电解液进入单体壳体3中，同时启动抽吸装置205用以将电池单体3中的气体排出至回收装置204中。在每个电池单体3内可设有诸如气氛测试仪的检测装置，当检测装置检测到某个电池单体发生故障时将检测到的信息传送至控制装置，控制装置启动抽吸装置205用以将发生故障的单体壳体中的电解液排出至回收装置204。然后，将气体存储装置202中的气体例如经加热后(加热气体温度例如为40℃～60℃)注入电池组壳体101中，从而通过单体壳体外部加热的方式将单体壳体内残余的电解液蒸发并通过抽吸装置205抽出。将多通阀209切换至安全剂存储装置203，将安全剂注入电池单体3中从而可以进一步确保电池的安全性。在电池回收过程中，可利用抽吸装置205将全部电池单体3内的电解液抽出，为了进一步确保回收电池的安全性还可以向电池单体3中注入安全剂。
图3(a)-(b)为根据本发明的电池单体的示意图，其中，图3(a)为根据一实施方式的电池单体的局部剖切的立体示意图，图3(b)为根据另一实施方式的电池单体的截面示意图。如图3(a)所示，电池单体包括：单体壳体301，在单体壳体上设有单体壳体注入端口302和单体壳体排出端口；电芯4，其容置于单体壳体301内，包括内部中空且侧壁设有流通口402的卷芯401以及卷绕在卷芯401上的多孔的卷绕部403，卷绕部403包括层叠设置的多孔正极材料层、多孔正极集流体、多孔隔离层、多孔负极集流体和多孔负极材料层；顶部支架5，其设置于单体壳体301的顶面与电芯的卷绕部403之间用以限定卷绕部在电芯轴向Y上移动，顶部支架5还可以防止电芯4与单体壳体的顶部接触导致短接等问题，顶部支架5可以与电芯的卷芯401的顶端固定连接，顶部支架5的上表面与单体壳体的顶部的下表面接触并且顶部支架5的至少部分下表面与卷绕部403的顶面接触从而起到限位的作用；第一腔体支架6，其设置于单体壳体的底面与电芯的卷绕部403之间，第一腔体支架6支撑着电芯4并可以与电芯的卷芯的底端固定连接，在第一腔体支架6与单体壳体的底面之间间隔一定距离从而形成可以容置从电芯4流出的流体的第一腔体601；极柱7，其与电芯4的集流体电连接并从单体壳体引出。例如，在注入电解液时，从单体壳体注入端口302注入的电解液可以流过顶部支架5进入卷芯401中，进入卷芯401内的电解液从卷芯侧壁的流通口402由内向外流动，由于卷绕在卷芯上的卷绕部403为多孔结构，因此电解液可以快速浸润整个卷绕部403；在排出电解液时，从单体壳体排出端口排出第一腔体601中的电解液，电芯4中的电解液在重力和外部抽吸的作用下向下流入第一腔体601中，通过单体壳体排出端口继续将第一腔体601内的电解液排出。在利用加热气体蒸发剩余电解液或利用冷却气体冷凝剩余电解液时，从单体壳体注入端口302注入的加热气体/冷却气体可以流过顶部支架5进入卷芯401中，进入卷芯401内的气体从卷芯侧壁的流通口402由内向外流动，由于卷绕在卷芯上的卷绕部403为多孔结构，因此气体可以快速通过整个卷绕部403从而达到对卷绕部403内剩余的电解液蒸发汽化/冷却凝固的作用，之后气体进入第一腔体601中并从单体壳体排出端口被抽走。
在图3(b)中示出的实施方式与图3(a)中示出的实施方式的不同之处主要在于，在顶部支架5上设有水平方向X的通孔501以及在电芯与单体壳体的侧壁之间设有第三腔体支架8。水平方向的通孔501指的是通孔的轴线大致为水平方向，从而使得流体能够在顶部支架5中沿水平方向流动，这样可以在电芯4上方形成整体的第二腔体502。该第二腔体502可以容置电解液，使得第二腔体502中的电解液可以向下流动从而从电芯4上方对卷绕部403进行浸润，并且第二腔体502中的电解液可以及时补充由于电池副反应所消耗的电解液。第三腔体支架8在电芯4与单体壳体301的侧壁之间形成第三腔体801，该第三腔体801可以与第二腔体502流体连通。该第三腔体801可以容置电解液，使得第三腔体801中的电解液可以向内流动从而从电芯4外侧对卷绕部403进行浸润，并且第三腔体801中的电解液可以及时补充由于电池副反应所消耗的电解液。图3(b)中的箭头示出了流体在单体壳体内的流动路径，可以看出，流体可以从上向下、从内向外、从外向内流过卷绕部403，从而可以更加快速、充分地进行注液、加热或冷却。
图4(a)-(b)为根据本发明的电池单体的第一腔体支架的示意图，其中，图4(a)为第一腔体支架的俯视立体示意图，图4(b)为第一腔体支架的仰视立体示意图。如图4(a)所示，第一腔体支架上设有流通通道602从而使得流体能够穿过第一腔体支架向下流动。在第一腔体支架的上表面设有卷芯固定部603，卷芯固定部603能够插入卷芯的下端用以固定支撑卷芯。如图4(b)所示，在第一腔体支架的下表面设有柱状的支撑部604，支撑部604支撑在单体壳体的底面上用以在第一腔体支架与单体壳体的底面之间形成第一腔体。
图5(a)-(c)为根据本发明的电池单体的顶部支架的示意图，其中，图5(a)为根据一实施方式的顶部支架的立体示意图，图5(b)根据另一实施方式的顶部支架的立体示意图，图5(c)根据又一实施方式的顶部支架的立体示意图。如图5(a)所示，顶部支架包括外环部503、内环部504以及连接外环部503与内环部504的环面505，在内环部504上设有水平方向的通孔501。内环部504中的流体可以沿水平方向的通孔501进入环面505上方的空间进行储存，并可以及时通过水平方向的通孔501、经由内环部504进入卷芯中，从而可以及时地补充电解液。如图5(b)所示，顶部支架包括外环部503、内环部504以及连接外环部503与内环部504的辐条506。如图5(c)所示，顶部支架包括外环部503、内环部504以及连接外环部503与内环部504的辐条506，在外环部503和内环部504上设有水平方向的通孔501，使得内环部504中的流体可以经由内环部504上的通孔501进入外环部503与内环部504之间并且经由外环部503上的通孔501进入外环部503的外侧(例如，进入第三腔体中)。
图6(a)-(b)为根据本发明的电池单体的第三腔体支架的示意图，其中，图6(a)为根据一实施方式的第三腔体支架的立体示意图，图6(b)为根据另一实施方式的第三腔体支架的立体示意图。如图6(a)所示，第三腔体支架包括圆筒以及设于圆筒内壁上的诸如肋条的支撑突起部802。其中，圆筒的外径大致等于单体壳体的内径，使得圆筒可以插入单体壳体中，支撑突起部802可以支撑电芯，支撑突起部802之间的空间形成第三腔体801。如图6(b)所示，第三腔体支架为由内筒803和外筒804组成的双层圆筒的结构，双层圆筒的内筒803和外筒804的顶部连接和/或底部连接。内筒803上设有通孔，内筒803与外筒804之间形成第三腔体，第三腔体中的电解液可以从外侧对电芯进行浸润并且可以作为储液腔以便及时补充电解液。
图7(a)-(d)为根据本发明的电池单体的卷芯的示意图，其中，图7(a)为根据一实施方式的卷芯的立体示意图，图7(b)为根据另一实施方式的卷芯的立体示意图，图7(c)为根据又一实施方式的卷芯的立体示意图，7(d)为根据再一实施方式的卷芯的立体示意图。在图7(a)中，卷芯为圆筒结构，卷芯的内部中空，在卷芯的侧壁上设有多个圆形的流通口402。流通口402的孔径不同，圆筒的流通口402的孔径从圆筒的中部朝向圆筒的两端逐渐减小，从而使得原本浸润、烘干或冷却较慢的电芯中部可以通过更多的流体以便达到电芯整体浸润、烘干、冷却程度一致的目的。在图7(b)中，卷芯包括上圆环404、下圆环405以及连接上圆环404与下圆环405的多个肋条406，在相邻的两个肋条406之间形成流通口402。上圆环404、下圆环405和肋条406可一体成型。在图7(c)中，卷芯包括第一半圆柱筒407和第二半圆柱筒408，第一半圆柱筒407和第二半圆柱筒408能够合并为完整的圆柱筒。流通口402设置于第一半圆柱筒407的半圆形侧壁和第二半圆柱筒408的半圆形侧壁上。在图7(d)中，卷芯为由内筒409和外筒410组成的嵌套结构，也就是双层圆筒的结构，内筒409上不设置流通口，在外筒410上设有流通口402。在内筒409内部的腔体中以及在内筒409与外筒410之间的腔体中可以注入不同的流体，例如，在内筒409内部的腔体中注入加热的气体，在内筒409与外筒410之间的腔体中注入电解液。
图8为根据本发明的圆柱形电池组系统的一安全运行方法的框图。该安全运行方法主要是针对高温电池。高温电池在运行期限所需的工作温度较高，发生故障后存在的燃烧爆炸的风险也较大。针对高温电池中的电解液在预定温度范围(例如，40～100℃)之外电化学反应性能下降、并且高温蒸发或低温冷凝的特点，提出高温电池组的安全运行方法。首先，通过检测装置检测到发生故障的电池单体，检测装置将信号反馈给控制装置，控制装置停止电池组的充放电操作。然后，针对发生故障的电池单体进行如下操作：停止对发生故障的电池单体加热，抽取发生故障的电池单体内的电解液、气体等，对发生故障的电池单体注入冷却的气体使其降低温度，将安全剂注入发生故障的电池单体，将发生故障的电池单体拆除并换上新的电池单体。接下来，对更换的电池单体加热使其达到工作温度。为了安全起见，检查电池组是否安全，如果不存在发生故障的电池单体则启动电池组使其继续充放电，如果仍存在发生故障的电池单体则针对发生故障的电池单体再次进行更换操作。
图9为根据本发明的圆柱形电池组系统的另一安全运行方法的框图。该安全运行方法仍主要是针对高温电池。首先，通过检测装置检测到发生故障的电池单体，检测装置将信号反馈给控制装置，控制装置停止电池组的充放电操作。然后，针对整个电池组进行如下操作：停止对整个电池组加热，将冷却的气体注入电池组壳体内用以降低整个电池组的温度。接下来更换发生故障的电池单体。更换完成之后将加热的气体注入电池组壳体内用以提升整个电池组的温度。为了安全起见，检查电池组是否安全，如果不存在发生故障的电池单体则启动电池组继续充放电，如果仍存在发生故障的电池单体则停止对电池组的加热并针对发生故障的电池单体进行再次更换操作。
图10为根据本发明的圆柱形电池组系统的一安全回收方法的框图。该安全回收方法可以针对常用的常温电池或者可以针对高温电池，利用电池的电解液在高温下蒸发的特性来保证电池回收过程中的安全性。首先，将电池组放电，使得电池组(包括n个电池单体)的电压≤0.5n V，当拆除各个电池单体之间的导电连接件之后，检测每个电池单体的电压是否≤0.5V，如果电池单体的电压大于0.5V，则将该电池单体继续放电至电压≤0.5V。然后，抽取单体壳体内的电解液和气体，向单体壳体和/或电池组壳体内注入加热的气体，从而将单体壳体内残余的电解液蒸发。最后，对单体壳体内注入安全剂。
图11为根据本发明的圆柱形电池组系统的另一安全回收方法的框图。该安全回收方法可以针对高温电池，利用高温电池的一些高温电解液在低温下冷凝的特性来保证电池回收过程中的安全性。首先，将电池组放电，使得电池组(包括n个电池单体)的电压≤0.5nV，当拆除各个电池单体之间的导电连接件之后，检测每个电池单体的电压是否≤0.5V，如果电池单体的电压大于0.5V，则将该电池单体继续放电至电压≤0.5V。然后，抽取单体壳体内的电解液和气体，向单体壳体和/或电池组壳体内注入冷却的气体，从而将单体壳体内残余的电解液冷凝。最后，对单体壳体内注入安全剂。
本发明具体实施例并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (25)

1.一种圆柱形电池组系统，其特征在于，所述圆柱形电池组系统包括圆柱形电池组以及运行及回收系统，其中，所述圆柱形电池组包括电池组壳体以及容置于所述电池组壳体内的至少一个圆柱形的电池单体，所述电池单体包括圆柱形的单体壳体以及容置于所述单体壳体内的电芯，所述电芯包括内部中空且侧壁设有流通口的卷芯以及卷绕在所述卷芯上的多孔的卷绕部，所述卷绕部包括层叠设置的多孔正极材料层、多孔正极集流体、多孔隔离层、多孔负极集流体和多孔负极材料层，在所述单体壳体上设有单体壳体注入端口和单体壳体排出端口、或者在所述单体壳体上设有单体壳体注入端口和单体壳体排出端口并且在所述电池组壳体上设有电池组壳体注入端口和电池组壳体排出端口；其中，所述运行及回收系统包括电解液存储装置、气体存储装置、回收装置以及加热装置和/或冷却装置，
其中，所述电解液存储装置经由管路与所述单体壳体注入端口相连，使得所述电解液存储装置中的电解液经由所述单体壳体注入端口以从内向外的顺序流过所述卷芯的流通口和所述多孔的卷绕部、或者以从外向内的顺序流过所述多孔的卷绕部和所述卷芯的流通口从而浸润所述电芯，
其中，所述回收装置经由管路与所述单体壳体排出端口相连，使得所述电池单体中的电解液或气体经过所述单体壳体排出端口排出到所述回收装置中，所述气体存储装置经由管路与所述单体壳体注入端口相连，所述气体存储装置中的待加热的气体经由所述加热装置加热或待冷却的气体经由所述冷却装置冷却后以从内向外的顺序流过所述卷芯的流通口和所述多孔的卷绕部、或者以从外向内的顺序流过所述多孔的卷绕部和所述卷芯的流通口从而将所述电芯中的残余的电解液加热蒸发或冷却凝固；或者，所述回收装置经由管路与所述单体壳体排出端口相连并且与所述电池组壳体排出端口相连，使得所述电池单体和所述电池组壳体中的电解液或气体分别经过所述单体壳体排出端口和所述电池组壳体排出端口排出到所述回收装置中，所述气体存储装置经由管路与所述电池组壳体注入端口相连，所述气体存储装置中的待加热的气体经由所述加热装置加热或待冷却的气体经由所述冷却装置冷却后经过所述电池组壳体注入端口进入所述电池组壳体中从而将所述电池单体的电芯中的残余的电解液加热蒸发或冷却凝固。
2.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，在所述单体壳体注入端口与所述电解液存储装置之间的管路上设有驱动装置和/或在所述单体壳体排出端口与所述回收装置之间的管路上设有抽吸装置，所述驱动装置和所述抽吸装置为气压驱动装置、液压驱动装置、泵驱动装置或者电机驱动装置。
3.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，在所述单体壳体排出端口与所述回收装置之间的管路上设有气液分离装置，所述气液分离装置经由管路与所述气体存储装置相连或者与所述加热装置和/或冷却装置相连，经所述气液分离装置分离出的液体进入到所述回收装置中并且经所述气液分离装置分离出的气体循环进入到所述单体壳体中。
4.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，所述运行及回收系统还包括安全剂存储装置，所述安全剂存储装置经由管路与所述单体壳体注入端口相连，使得所述安全剂存储装置中的安全剂能够注入到所述电池单体中并且至少部分安全剂以从内向外的顺序流过所述卷芯的流通口和所述多孔的卷绕部、或者以从外向内的顺序流过所述多孔的卷绕部和所述卷芯的流通口，所述安全剂为：二氧化碳、氮气、氩气、氦气、二氧化硫、七氟丙烷、十二氟-2-甲基-3-戊酮中的一种或几种；或者，烷基磷酸酯类、芳香磷酸酯类、亚磷酸酯类、磷腈类、磷-卤有机化合物、磷酸三甲苯酯、甲基磷酸二甲酯、六甲基磷酰胺、四溴双酚、磷杂菲衍生物、氮磷烯添加剂和磷腈类化合物中的一种或几种；或者，水或硅油。
5.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，所述气体存储装置中的气体为氮气、空气、二氧化硫和惰性气体中的一种或几种混合。
6.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，所述运行及回收系统还包括检测装置和控制装置，所述检测装置用于检测和反馈所述电池单体的故障情况，所述检测装置包括电压采集器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、气氛测试仪、内阻测试仪和烟雾传感器中的一种或几种，所述控制装置用于接收所述检测装置反馈的数据并控制所述运行及回收系统的运行。
7.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，所述电解液为高温电解液，所述高温电解液中的溶剂为沸点高于100℃的高极性非质子溶剂。
8.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，所述电池单体还包括能够支撑所述电芯并允许流体向下通过的第一腔体支架，所述第一腔体支架将所述电芯与所述单体壳体的底面间隔开，从而在所述电芯与所述单体壳体的底面之间形成能够容置流体的第一腔体，所述单体壳体排出端口与所述第一腔体流体连通。
9.根据权利要求8所述的圆柱形电池组系统，其中，在所述第一腔体支架的下表面上设有支撑部，所述支撑部放置或固定于所述单体壳体的底面，所述支撑部的高度用以确定所述第一腔体的高度；或者，所述第一腔体支架的边缘固定连接于所述单体壳体的侧壁上或者与所述单体壳体一体成型。
10.根据权利要求8所述的圆柱形电池组系统，其中，在所述第一腔体支架的上表面上设有卷芯固定部，所述卷芯固定部能够插入或套住所述卷芯的下端用以固定支撑所述卷芯；或者，所述第一腔体支架与所述卷芯一体成型。
11.根据权利要求8所述的圆柱形电池组系统，其中，所述电池单体还包括设置于所述电芯的卷绕部上方并允许流体向下通过的顶部支架，所述顶部支架的至少部分下表面与所述卷绕部的顶面相邻并且所述顶部支架的上表面与所述单体壳体的顶部的下表面相邻，从而阻止所述电芯的卷绕部沿电芯轴向移动。
12.根据权利要求11所述的圆柱形电池组系统，其中，所述顶部支架设有外环部、内环部以及连接外环部与内环部的辐条或环面，所述外环部固定连接或抵接于所述单体壳体的侧壁上并且所述内环部套接于所述卷芯上、所述内环部插入所述卷芯的中空部分中或者所述内环部的底面固定连接于所述卷芯的顶面上，从而阻止所述电芯的卷芯和卷绕部在水平方向上移动。
13.根据权利要求11或12所述的圆柱形电池组系统，在所述顶部支架设有水平方向的通孔，使得流体能够沿所述顶部支架的水平方向流动，从而在所述电芯的卷绕部与所述单体壳体的顶部之间形成整体的第二腔体。
14.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，所述电池单体还包括围绕所述电芯的第三腔体支架，所述第三腔体支架将所述单体壳体的侧壁与所述电芯间隔开从而在所述单体壳体的侧壁与所述电芯之间形成第三腔体。
15.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，在所述单体壳体的侧壁上设有突起的支撑突起部，所述支撑突起部从所述电芯的四周对所述电芯进行支撑，通过所述支撑突起部能够在所述单体壳体的侧壁与所述电芯之间形成侧壁腔体。
16.根据权利要求11所述的圆柱形电池组系统，其中，所述电池单体还包括绝缘卷绕膜，所述绝缘卷绕膜围绕所述第一腔体支架、所述电芯和所述顶部支架进行整体卷绕从而对所述第一腔体支架、所述电芯和所述顶部支架整体固定，所述绝缘卷绕膜的材料为绝缘材料。
17.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，在所述卷绕部的远离所述卷芯的端部连接有柔性栅板，所述柔性栅板上设有栅格或通孔，所述柔性栅板由柔性材料制成从而能够在所述卷绕部的外侧继续卷绕至少一周，通过所述柔性栅板能够在所述单体壳体的侧壁与所述电芯之间形成注排腔。
18.根据权利要求1所述的圆柱形电池组系统，其中，所述卷芯为圆筒，所述卷芯的流通口的尺寸相同或不同；或者，所述卷芯包括上圆环、下圆环以及连接所述上圆环与下圆环的多个肋条，在所述相邻的两个肋条之间形成所述流通口；或者，所述卷芯包括第一半圆柱筒和第二半圆柱筒，所述第一半圆柱筒和第二半圆柱筒能够合并为完整的圆柱筒，所述流通口设置于所述第一半圆柱筒的半圆形侧壁和/或平面侧壁上并且所述流通口设置于所述第二半圆柱筒的半圆形侧壁和/或平面侧壁上；或者，所述卷芯为由内筒和外筒组成的嵌套结构，所述内筒上不设置所述流通口，在所述外筒上设有所述流通口。
19.一种如权利要求1至18中任一项所述的圆柱形电池组系统的回收方法，其特征在于，所述回收方法包括如下步骤：
(a)将电池单体的单体壳体中的电解液和气体抽吸到回收装置中；
(b)将气体存储装置中的待加热的气体加热后注入单体壳体或电池组壳体中，从而将所述单体壳体内残余的电解液蒸发；或者，将气体存储装置中的待冷却的气体冷却后注入单体壳体或电池组壳体中，从而将所述单体壳体内残余的电解液冷凝。
20.根据权利要求19所述的回收方法，其中，在步骤(b)之后还包括如下步骤(c)：将安全剂存储装置中的安全剂注入所述单体壳体中。
21.根据权利要求19所述的回收方法，其中，在步骤(a)之前还包括如下步骤(s)：将圆柱形电池组进行放电，然后拆除所述圆柱形电池组中的各个电池单体之间的导电连接件。
22.根据权利要求21所述的回收方法，其中，在所述步骤(s)中，当所述圆柱形电池组中包括n个电池单体时，所述圆柱形电池组放电后的电压≤0.5n V；当拆除各个电池单体之间的导电连接件之后，每个所述电池单体的电压≤0.5V。
23.一种如权利要求1至18中任一项所述的圆柱形电池组系统的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括如下步骤：
(a)通过检测装置检测发生故障的电池单体；
(b)停止所述圆柱形电池组的充放电操作；
(c)停止对所述发生故障的电池单体加热；
(d)将所述发生故障的电池单体内的电解液和气体抽吸至回收装置中；
(e)将气体存储装置中的待冷却的气体冷却后注入所述发生故障的电池单体中，将所述发生故障的电池单体冷却至预定温度；
(f)更换所述发生故障的电池单体；
(g)将气体存储装置中的待加热的气体加热后注入更换的电池单体，将所述更换后的电池单体加热至工作温度。
24.根据权利要求23所述的运行方法，其中，在步骤(e)之后还包括如下步骤(m)：将安全剂存储装置中的安全剂注入所述发生故障的电池单体。
25.一种如权利要求1至18中任一项所述的圆柱形电池组系统的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括如下步骤：
(a)通过检测装置检测发生故障的电池单体；
(b)停止圆柱形电池组的充放电操作；
(c)停止对所述圆柱形电池组进行加热；
(d)将气体存储装置中的待冷却的气体冷却后注入圆柱形电池组的电池组壳体中，将所述圆柱形电池组冷却至预定温度；
(e)更换所述发生故障的电池单体；
(f)将气体存储装置中的待加热的气体加热后注入所述圆柱形电池组的电池组壳体中，将所述圆柱形电池组加热至工作温度。
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