CN111420336A - 锂离子电池热失控燃爆安全防控方法及装置 - Google Patents

锂离子电池热失控燃爆安全防控方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池热失控燃爆安全防控方法及装置。微胶囊灭火剂，包括壳体、核体；所述核体的活性成分包括全氟己酮和水。含有微胶囊灭火剂的锂离子动力电池热失控安全防控装置。锂离子电池热失控燃爆安全防控方法包括：当锂离子动力电池出现热失控现象时，向该电池施加全氟己酮和水。本发明实施例提供的微胶囊灭火剂可用于锂离子动力电池热失控的安全防控，能够防止或降低锂离子电池热失控风险，降低锂离子电池箱(舱)起火概率。

Description

锂离子电池热失控燃爆安全防控方法及装置
技术领域
本发明涉及一种用于防止或降低锂离子电池热失控燃爆风险的防控方法及装置。
背景技术
目前，锂离子电池已得到广泛应用。由于难以避免的制造缺陷和其它内部、外部原因，锂离子电池常常会出现热失控现象，导致燃烧、爆炸等事故发生。热失控后引起的燃烧、爆炸事故对公共安全造成很大威胁，亟需防范和控制电池热失控和燃烧、爆炸的安全技术和安全防控装置。然而目前锂离子电池热失控燃爆安全防控方法还存在局限性。
发明内容
本发明实施例提供一种微胶囊灭火剂，可用于锂离子动力电池热失控的安全防控，能够防止或降低锂离子电池热失控风险，降低锂离子电池箱(舱)起火概率。
本发明人前期研究发现，全氟己酮与水联合作用可以快速熄灭电池明火，并在灭火后迅速对电池进行降温，从而抑制电池复燃和热失控传播；并且全氟己酮通过与水的“协同效应”，减少了氟化氢等有毒有害物质的产生，同时解除电池仓压力升高引发爆炸的风险。然而，进一步研究发现水长期存储会腐蚀金属设备。
基于以上研究，本发明提供实施例提供一种微胶囊灭火剂，包括壳体、核体；其中，所述核体的活性成分包括全氟己酮和水。
在本发明一些实施例中，所述核体的活性成分由全氟己酮和水组成。
在本发明一些实施例中，所述核体的活性成分中，全氟己酮与水的重量比为(2∶1)-(5∶1)，优选为(3∶1)-(4∶1)。在本发明一些实施例中，全氟己酮与水的重量比分别为3∶1或4∶1。
由于全氟己酮与水不相溶，若直接将二者包埋于壳体中制成微胶囊，实践中发现其灭火效果尚不能达到理想状态。为解决这个问题，发明人意外地发现，通过添加BTP(2-溴-3，3，3-三氟丙烯)可以使全氟己酮与水较好地包埋于微胶囊中，还可以显著增加微胶囊的灭火效能。
在本发明一些实施例中，所述核体中的活性成分还包括BTP(2-溴-3，3，3-三氟丙烯)。进一步地，BTP与全氟己酮的重量比为(1-3)∶(1-2)，优选为(1-2)∶(1-2)。在一些实施例中，BTP与全氟己酮的重量比分别为1∶1、2∶1、1∶2或3∶1。
在本发明一些实施例中，所述核体与壳体的重量比为8∶2-9∶1，例如9∶1。
在本发明一些实施例中，所述壳体可选择微胶囊常用的一些壁材，具体可选明胶、壳聚糖、葡萄糖酸-δ-内酯等中的一种或几种。
在本发明一些实施例中，所述壳体的主要材料为明胶。
为进一步使得微胶囊更容易在火焰核心区破裂，施放灭火剂，以提高灭火效能，本发明还对壳体的材料进行了研究。结果发现，通过在壳体中添加壁材添加剂即增塑剂、固壳剂、碱性组分可以调控微胶囊在制备时的pH环境，且可以调控微胶囊在火焰中的耐热冲击强度。
本发明中所提及的壁材不包括壁材添加剂。
在本发明一些实施例中，所述壳体的成分还包括壁材添加剂即增塑剂、固壳剂、碱性组分。
其中，所述增塑剂选自钠基蒙脱土。在本发明一些实施例中，所述增塑剂与壁材(例如明胶或壳聚糖或葡萄糖酸-δ-内酯)的重量比例为1∶5-7，优选为1∶6。
其中，所述固壳剂选自海藻酸钠、钾基硅藻土、钠基硅藻土中的一种或几种。在本发明一些实施例中，所述固壳剂与壁材(例如明胶或壳聚糖或葡萄糖酸-δ-内酯)的重量比例为1∶2-4，优选为1∶3-4。
其中，所述碱性组分选自多聚磷酸钠。在本发明一些实施例中，所述碱性组分与壁材(例如明胶或壳聚糖或葡萄糖酸-δ-内酯)的重量比例为1∶10-15，优选为1∶13-15。
通常，本发明所述微胶囊灭火剂可采用本领域常规技术制备。例如，以壳体材料(或者进一步加入增塑剂、固壳剂、碱性组分等辅料)制成胶液，以核体材料(即含全氟己酮和水的混合液，或者还包括BTP)作为液芯，制成微胶囊。
为进一步提高灭火效果，本发明还对所述微胶囊灭火剂的制备工艺进行了研究。结果发现，通过超声波震荡法可以增强微胶囊的交联反应，使得微胶囊更容易成型。
在本发明一些实施例中，在制备胶液时还包括在超声条件下进行交联反应。
实验证明，本发明实施例制备的微胶囊灭火剂能够有效防止或降低锂离子电池热失控风险，降低锂离子电池箱(舱)起火概率，特别适用于锂离子动力电池热失控的安全防控。
本发明还提供上述微胶囊灭火剂在锂离子动力电池热失控的安全防控中的应用。
本发明还提供一种锂离子动力电池热失控安全防控装置，其包括上述微胶囊灭火剂。
在本发明一些实施例中，所述锂离子动力电池热失控安全防控装置包括：
壳体；
上述微胶囊灭火剂，设置于由所述壳体形成的空腔内部。
在本发明一些实施例中，所述锂离子动力电池热失控安全防控装置的壳体还设置有泄压口，用于在温度上升到灭火剂(例如全氟己酮、水、BTP)的沸点时，微胶囊中的灭火剂发生液气相变，壳体内压力迅速上升，超过泄压口的泄压压力，使得泄压口打开，降低壳内压力，以防装置意外爆裂。
在本发明一些实施例中，所述锂离子动力电池热失控安全防控装置的壳体还设置有充装口，用于充填上述微胶囊灭火剂，使得该安全防控装置可以重复利用。
在本发明一些实施例中，所述锂离子动力电池热失控安全防控装置在使用时，将上述微胶囊灭火剂放置在由所述壳体形成的空腔内部的锂离子电池周围；当锂离子动力电池出现热失控现象时，随着电池温度升温，当电池周围环境的温度达到全氟己酮的沸点(49.2℃)前，微胶囊灭火剂中的全氟己酮受热发生液气相变，气体冲破外壳，将全氟己酮和水弥散在密闭由所述壳体形成的空腔内内，达到冷却降温和抑制火焰的目的。
本发明锂离子动力电池热失控安全防控装置适用于各种锂离子动力电池，例如大巴车锂电池、乘用车锂电池。
本发明还提供一种锂离子电池热失控燃爆安全防控方法，包括：当锂离子动力电池出现热失控现象时，向该电池施加全氟己酮和水。通过全氟己酮与水联合作用可以快速熄灭电池明火，并在灭火后迅速对电池进行降温，从而抑制电池复燃和热失控传播；并且全氟己酮通过与水的“协同效应”，减少了氟化氢等有毒有害物质的产生，同时解除电池仓压力升高引发爆炸的风险。全氟己酮与水联合作用，兼具有制冷和灭火作用。在一些实施例中，该安全防控方法还包括向该电池施加BTP(2-溴-3，3，3-三氟丙烯)，从而显著地提高灭火效果。
在本发明一些实施例中，上述安全防控方法中，全氟己酮和水在响应时间为1-2s(例如2s)，释放时间为10-13s(例如10s)时，在1-2s(例如2s)内可明火熄灭，并不易发生复燃。
在本发明一些实施例中，上述安全防控方法所用的全氟己酮和水(或者还包括BTP)由本发明上述微胶囊灭火剂提供。
有益效果：
本发明实施例将全氟己酮和水进行包壳，形成含液量高达90％以上具有核-壳结构的液芯微胶囊。直接将微胶囊充装在密闭电池仓内锂离子电池的周围。液芯微胶囊为粉体灭火介质，将水和电池以及电池仓隔离开来，有效避免了水长期存储对金属设备的腐蚀。当锂离子电池发生热失控，随着电池温度升温，当电池周围微胶囊的温度达到全氟己酮的沸点(49.2℃)前，微胶囊中的全氟己酮受热发生液气相变，气体冲破外壳，将全氟己酮和水弥散在密闭电池仓内，达到冷却降温和抑制火焰的目的。这样有效避免了高压充装带来的潜在的的泄露和爆炸风险，应用起来十分安全。不到10％的惰性外壳组分内含有一定量的碱性成分，可以有效吸附中和全氟己酮热分解产生的少量酸性氟化氢气体，减少了腐蚀性气体的逸散和对设备的腐蚀，大大提高了防控锂离子电池热失控过程的环保性。
因此，由全氟己酮和水耦合固体外壳形成的微胶囊粉体灭火介质，针对锂离子电池热失控，具有降温快、灭火效能高、腐蚀率低、安全、环保的优势。将此具有创造性的材料填充在密闭电池仓的锂离子电池周围能有效防控锂离子电池热失控及其引发的燃爆危险。
本发明实施例无须其它额外的驱动设施和外加其它力量进行驱动，简单可靠。水的加入降低了全氟己酮用量，降低了压力升高引发的爆炸风险。同时水可以抑制并吸附全氟己酮燃烧产生的氟化氢气体，大大提高了介质的环保性。微胶囊外壳有效阻断了水和金属设备的接触，避免了存储引发的腐蚀。本发明实施例安全防控方法及装置不仅限用于锂离子电池的安全防控，还可以用于其它场合初期火灾的快速降温和灭火，以及控制可燃气体燃烧向爆炸的过渡。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
以下所述BTP是指2-溴-3，3，3-三氟丙烯。
实施例1
本实施例提供一种微胶囊灭火剂，由壳体、核体组成；核体与壳体的重量比为9∶1；其中，所述核体的活性成分为全氟己酮和水，全氟己酮与水的重量比为3∶1；所述壳体为明胶。
本实施例该微胶囊灭火剂的制备方法包括：将明胶制成水溶液，并通过酸溶液调整至pH值在4.5左右，超声进行交联反应，静置，加入适量的全氟己酮和水，充分吸附后，制得具有核-壳结构的微胶囊灭火剂。
实验证明，本实施例微胶囊灭火剂对锂电池火的灭火效率是等量普通干粉灭火剂的2倍。
实施例2
本实施例提供一种微胶囊灭火剂，由壳体、核体组成；核体与壳体的重量比为9∶1；其中，所述核体的活性成分为全氟己酮和水，全氟己酮与水的重量比为3∶1；所述壳体主要由明胶、钠基蒙脱土、海藻酸钠和多聚磷酸钠组成；钠基蒙脱土与明胶的重量比为1∶6，海藻酸钠与明胶的重量比为1∶3，多聚磷酸钠与明胶的重量比为1∶13。
本实施例该微胶囊灭火剂的制备方法包括：将明胶、钠基蒙脱土和海藻酸钠分别用水溶解制成溶液，超声波震荡，经搅拌混合均匀后加入适量的多聚磷酸钠水溶液，并通过酸溶液调整pH值在4.5左右，超声进行交联反应，静置，加入适量的全氟己酮和水，充分吸附后，制得具有核-壳结构的微胶囊灭火剂。
实验证明，本实施例微胶囊灭火剂对锂电池火的灭火效率是等量普通干粉灭火剂的2.5倍。
实施例3
本实施例提供一种微胶囊灭火剂，由壳体、核体组成；核体与壳体的重量比为9∶1；其中，所述核体的活性成分为全氟己酮、BTP和水，BTP与全氟己酮的重量比为1∶1，全氟己酮与水的重量比为3∶1；所述壳体主要由明胶、钠基蒙脱土、海藻酸钠和多聚磷酸钠组成；钠基蒙脱土与明胶的重量比为1∶6，海藻酸钠与明胶的重量比为1∶3，多聚磷酸钠与明胶的重量比为1∶13。
本实施例该微胶囊灭火剂的制备方法基本上同实施例2，区别仅在在制成壳体材料后，再加入适量的全氟己酮、BTP和水，充分吸附后，制得具有核-壳结构的微胶囊灭火剂。
实验证明，本实施例微胶囊灭火剂对锂电池火的灭火效率是等量普通干粉灭火剂的5倍。
实施例4
本实施例提供一种微胶囊灭火剂，由壳体、核体组成；核体与壳体的重量比为9∶1；其中，所述核体的活性成分为全氟己酮、BTP和水，BTP与全氟己酮的重量比为2∶1，全氟己酮与水的重量比为4∶1；所述壳体主要由明胶、钠基蒙脱土、海藻酸钠和多聚磷酸钠组成；钠基蒙脱土与明胶的重量比为1∶6，海藻酸钠与明胶的重量比为1∶3，多聚磷酸钠与明胶的重量比为1∶13。
本实施例该微胶囊灭火剂的制备方法基本上参照实施例3。
实验证明，本实施例微胶囊灭火剂对锂电池火的灭火效率是等量普通干粉灭火剂的6倍。
实施例5
本实施例提供一种微胶囊灭火剂，由壳体、核体组成；核体与壳体的重量比为9∶1；其中，所述核体的活性成分为全氟己酮、BTP和水，BTP与全氟己酮的重量比为1∶2，全氟己酮与水的重量比为4∶1；所述壳体主要由壳聚糖、钠基蒙脱土、海藻酸钠和多聚磷酸钠组成(不含明胶和葡萄糖酸-δ-内酯)；钠基蒙脱土与壳聚糖的重量比为1∶6，海藻酸钠与壳聚糖的重量比为1∶4，多聚磷酸钠与壳聚糖的重量比为1∶13。
本实施例该微胶囊灭火剂的制备方法基本上参照实施例3。
实验证明，本实施例微胶囊灭火剂对锂电池火的灭火效率是等量普通干粉灭火剂的9倍。
实施例6
本实施例提供一种微胶囊灭火剂，由壳体、核体组成；核体与壳体的重量比为9∶1；其中，所述核体的活性成分为全氟己酮、BTP和水，BTP与全氟己酮的重量比为1∶2，全氟己酮与水的重量比为3∶1；所述壳体主要由葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)、钠基蒙脱土、钠基硅藻土和多聚磷酸钠组成(不含明胶和壳聚糖)；钠基蒙脱土与GDL的重量比为1∶6，钠基硅藻土和GDL的重量比为1∶4，多聚磷酸钠和GDL的重量比为1∶15。
本实施例该微胶囊灭火剂的制备方法基本上参照实施例3。
实验证明，本实施例微胶囊灭火剂对锂电池火的灭火效率是等量普通干粉灭火剂的7倍。
实施例7
本实施例提供一种微胶囊灭火剂，由壳体、核体组成；核体与壳体的重量比为9∶1；其中，所述核体的活性成分为全氟己酮、BTP和水，BTP与全氟己酮的重量比为3∶1，全氟己酮与水的重量比为3∶1；所述壳体主要由葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)、钠基蒙脱土、海藻酸钠和多聚磷酸钠组成(不含明胶和壳聚糖)；钠基蒙脱土与GDL的重量比为1∶6，海藻酸钠与GDL的重量比为1∶4，多聚磷酸钠与GDL的重量比为1∶15。
本实施例该微胶囊灭火剂的制备方法基本上参照实施例3。
实验证明，本实施例微胶囊灭火剂对锂电池火的灭火效率是等量普通干粉灭火剂的4倍。
对比例1
本对比例提供一种微胶囊灭火剂，由壳体、核体组成；核体与壳体的重量比为9∶1；其中，所述核体的活性成分仅为BTP；所述壳体主要由壳聚糖、钠基蒙脱土、海藻酸钠和多聚磷酸钠组成(不含明胶和葡萄糖酸-δ-内酯)；钠基蒙脱土与壳聚糖的重量比为1∶6，海藻酸钠与壳聚糖的重量比为1∶4，多聚磷酸钠与壳聚糖的重量比为1∶13。
本对比例该微胶囊灭火剂的制备方法基本上参照实施例3。
实验证明，本对比例微胶囊灭火剂对锂电池火的灭火效率是等量普通干粉灭火剂的80％。
实施例8
本实施例提供一种锂离子动力电池热失控安全防控装置，包括：
壳体；微胶囊灭火剂，设置于由所述壳体形成的空腔内部。其中，所述微胶囊灭火剂可与上文实施例1-7任一项相同。
进一步地，所述锂离子动力电池热失控安全防控装置的壳体还设置有泄压口，用于在温度上升到灭火剂(例如全氟己酮、水、BTP)
剂的沸点时，微胶囊中的灭火剂发生液气相变，壳体内压力迅速上升，超过泄压口的泄压压力，使得泄压口打开，降低壳内压力，以防装置意外爆裂。
进一步地，所述锂离子动力电池热失控安全防控装置的壳体还设置有充装口，用于充填上述微胶囊灭火剂，使得该安全防控装置可以重复利用。
所述锂离子动力电池热失控安全防控装置在使用时，将上述微胶囊灭火剂放置在由所述壳体形成的空腔内部的锂离子电池周围；当锂离子动力电池出现热失控现象时，随着电池温度升温，当电池周围环境的温度达到全氟己酮的沸点(49.2℃)前，微胶囊灭火剂中的全氟己酮受热发生液气相变，气体冲破外壳，将全氟己酮和水弥散在密闭由所述壳体形成的空腔内内，达到冷却降温和抑制火焰的目的。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种微胶囊灭火剂，包括壳体、核体；其中，所述核体的活性成分包括全氟己酮和水；优选地，所述核体的活性成分中，全氟己酮和水的重量比为(2∶1)-(5∶1)，更优选为(3∶1)-(4∶1)。
2.根据权利要求1所述的微胶囊灭火剂，其中，所述核体中还包括BTP(2-溴-3，3，3-三氟丙烯)；
优选地，BTP与全氟己酮的重量比为(1-3)∶(1-2)，更优选为(1-2)∶(1-2)。
3.根据权利要求1或2所述的微胶囊灭火剂，其中，所述壳体的壁材为明胶、壳聚糖、葡萄糖酸-δ-内酯中的一种或几种；
优选地，所述壳体中还含有增塑剂、固壳剂、碱性组分中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的微胶囊灭火剂，其中，所述增塑剂选自钠基蒙脱土；优选所述增塑剂与壁材的重量比例为1∶5-7，更优选为1∶6；和/或，
所述固壳剂选自海藻酸钠、钾基硅藻土、钠基硅藻土中的一种或几种；优选所述固壳剂与壁材的重量比例为1∶2-4，更优选为1∶3-4；和/或，
所述碱性组分选自多聚磷酸钠；优选所述碱性组分与壁材的重量比例为1∶10-15，更优选为1∶13-15。
5.权利要求1-4任一项所述微胶囊灭火剂的制备方法，包括：以壳体材料制成胶液，以核体材料作为液芯，制成微胶囊；
优选地，在制备胶液时还包括在超声条件下进行交联反应。
6.权利要求1-4任一项所述微胶囊灭火剂或权利要求5所述方法制备的微胶囊灭火剂在锂离子动力电池热失控的安全防控中的应用。
7.一种锂离子动力电池热失控安全防控装置，包括权利要求1-4任一项所述微胶囊灭火剂或权利要求5所述方法制备的微胶囊灭火剂。
8.一种锂离子动力电池热失控安全防控装置，包括：
壳体；
权利要求1-4任一项所述微胶囊灭火剂或权利要求5所述方法制备的微胶囊灭火剂，设置于由所述壳体形成的空腔内部。
9.一种锂离子电池热失控燃爆安全防控方法，包括：当锂离子动力电池出现热失控现象时，向该电池施加全氟己酮和水。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池热失控燃爆安全防控方法，其中，全氟己酮和水的响应时间为1-2s，释放时间为10-13s；和/或，所用的全氟己酮和水由权利要求1-4任一项所述微胶囊灭火剂或权利要求5所述方法制备的微胶囊灭火剂提供。
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