CN112103435A - 一种储能电池模块阻燃结构及方法 - Google Patents
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Abstract
一种电池模块阻燃结构及方法，包括在电池模块的外壳内侧设置有气相阻燃材料。通过电池模块内部设置气相阻燃材料，达到电池热失控初期释放的气液混合物不会发生燃烧反应，也就不会有燃烧的剧烈放热效应出现，这样起到了阻燃的效果，使电池热失控产物温度不会继续升高，实现对电池模块的阻燃。
Description
技术领域
本发明属于电池产品阻燃技术领域，涉及一种储能电池模块阻燃结构及方法。
背景技术
近年来锂离子电池的安全问题引起广泛关注，在储能领域由于发生了多起储能电站火灾事故，储能用锂离子电池的安全性同样引起储能行业的高度重视。对于大规模储能电池系统，其往往是有多个电池簇构成，而每个电池簇是有多个电池模块构成，因此防止大规模储能电池的系统性火灾的关键在于防止电池模块的起火燃烧的蔓延性扩展。
采取阻燃材料作为防止电池模块起火燃烧的蔓延是一种有效的方式。通过专利检索，目前有多项专利技术涉及采用阻燃材料用来提高电池的安全性，其技术实质性特征有如下几类：
(1)一类是阻燃材料的组成及比例、制备方法，该类阻燃材料用于电池内部或壳体，作为电池的材料或配件，比如电解液(CN102569884A、CN107293788A、CN109860705A)、隔膜(CN107093683A、CN103579562A)、密封圈(CN104387763A)、外壳(CN109021382A)等；
(2)一类是阻燃材料的应用方式，比如用于新能源动力电池组的包裹保护材料(CN109294203A)、用于电池组的箱体包装或底板(CN104466053A)、隔板(CN111183534A、CN107275715A)等。
以上这些专利技术能够提高电池的安全性，但是对于防止电池模块的热失控连锁反应效果有限，尤其是对于抑制或者切断模块与模块之间的热传递效果有限，比如第一类专利对于抑制电池燃烧有效果，但是当电池起火燃烧以后是无法防止燃烧热量的向外散发的，而第二类专利虽然对防止热传递有效果，但是有非常明显的副作用，比如专利CN104466053A提供一种阻燃电池包及提高电池包阻燃性的方法，通过向箱内填充注入硅胶延缓电池包的爆炸事件，虽然操作简单成本低，但是不利于电池组的正常散热和维护更换，注入硅胶后电池组无法正常散热，影响了正常工作，而且当电池出现损坏需要更换时，还需要除去硅胶，操作难度大。
上述这些技术对于防止电池模块起火蔓延具有局限性，或者是不利于电池模块的正常运行散热及维护。
发明内容
本发明的目的是提供一种储能电池模块阻燃结构及方法，能够防止储能电池模块之间的热失控连锁反应、防止模块之间的起火燃烧蔓延，避免发生系统性火灾事故，而且不会对电池模块正常运行的散热和维护检修造成干扰，实施简单有效。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电池模块阻燃结构，包括在电池模块的外壳内侧设置的气相阻燃材料。
本发明进一步的改进在于，气相阻燃材料的厚度为1mm-3mm。
本发明进一步的改进在于，气相阻燃材料的厚度为1mm-3mm。
本发明进一步的改进在于，电池模块的外壳上开设有进风口和/或出风口，电池模块的进风口和/或出风口处设置有复合型阻燃板，复合型阻燃板上开设有若干孔洞与沟槽，孔洞与沟槽内设置有气相阻燃材料、膨胀剂和酸源。
本发明进一步的改进在于，气相阻燃材料为氮化物、碳酸盐、铵盐、红磷、有机磷系、三聚氰胺盐类、双氰胺、聚磷酸铵、硼酸胺、双氰胺甲醛树脂或氯化石蜡。
本发明进一步的改进在于，气相阻燃材料为三聚氮氨、氮化镁、氮化钙、氮化锶、氮化镨、碳酸钙、碳酸钠、碳酸钾或碳酸镁、氰胺、胍、双氰胺、羟甲基三聚氰胺、磷酸酯、有机磷盐、亚磷酸酯、氧化磷、磷氮化合物、三聚氰胺氰尿酸盐、三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺焦磷酸盐、三聚氰胺聚磷酸盐、三聚氰胺硼酸盐、三聚氰胺邻苯二甲酸盐或三聚氰胺草酸盐。
本发明进一步的改进在于，气相阻燃材料为三磷酸腺苷、氯硫磷、磷酸胺、磷酸氢胺、磷酰胺或丙烯羟乙基-苯氧基-二乙基磷酰胺。
本发明进一步的改进在于，复合型阻燃板上开设的孔洞与沟槽位置与电池模块的上面板、下面板上的孔洞与沟槽相对应。
本发明进一步的改进在于，膨胀剂为季戊四醇、山梨醇、纤维素、葡萄糖、蔗糖、果糖、丙三醇、乙二醇或淀粉。
本发明进一步的改进在于，酸源为聚磷酸铵、磷酸铵镁或硼酸锌。
一种储能电池模块阻燃方法，在电池模块的外壳内侧设置有气相阻燃材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过电池模块内部设置气相阻燃材料，达到电池热失控初期释放的气液混合物不会发生燃烧反应，也就不会有燃烧的剧烈放热效应出现，这样起到了阻燃的效果，使电池热失控产物温度不会继续升高。
进一步的，通过电池模块外部设置复合型阻燃板，复合型阻燃板上设置有孔洞与沟槽，孔洞与沟槽内设置有气相阻燃材料、膨胀剂和酸源，达到电池热失控气体，或者是内部气相阻燃反应失败后，仍然可以通过模块外部复合型阻燃板内的气相阻燃材料、膨胀剂和酸源，通过气相阻燃材料阻挡高温气体排出电池模块，使高温气体封闭在电池模块内部，并通过酸源的炭化反应持续吸收内部热量。通过外部膨胀剂的膨胀闭孔效应，使高温气体无法排出，避免了其它相邻电池模块收到高温的炙烤，保障了其它电池模块的安全性。
附图说明
图1为软包装电池构成的电池模块示意图。
图2为泄压阀向上的电池模块示意图。
图3为泄压阀在侧面的电池模块示意图。
图4为上面通风散热的电池模块示意图。
图5为下面通风散热的电池模块示意图。
图中，1为外壳，2为气相阻燃材料，3为电池，4为泄压阀，5为复合型阻燃材料板上的孔洞，6为电池模块上面板的孔洞，7为电池模块上面板，8为电池模块上面板上的沟槽，9为复合型阻燃材料板上的沟槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
本发明中术语含义：
热失控：储能电池受到外部激源的刺激后，电池内部发生复杂的物理化学、电化学副反应，这些副反应往往具有放热效应，放热效应会进一步提升电池的温度，直到电池内部出现大规模的放热副反应，此时电池的表现是电池表面温度会迅速上升(近似于直线上升)，其后果是电池内压急速提高，泄压阀破裂，喷出大量高温气液体。
电池起火燃烧：电池在热失控之后，会喷出大量高温气液体，这种高温的气液体，在电火花、火花存在的条件下，会迅速引燃，甚至会发生轰燃、爆炸等，瞬间放出大量的热量，可能会进一步引发其它电池的热失控反应。
气相阻燃材料：这种阻燃材料是在高温作用下，材料会发生化学反应释放出不燃性气态物质，这些不燃性气态物质的释放，降低了环境中的含氧量以及可燃气体的浓度，这样就使得可燃性气体不会燃烧，相当于抑制了可燃性气体的燃烧反应。
复合型阻燃材料：复合型阻燃材料包括气相阻燃材料、膨胀剂和酸源。这种阻燃材料在高温作用下，材料会发生化学反应，一方面是材料中的气源会释放出不燃性气态物质，起到气相阻燃材料的阻燃效果；另一方面材料通过化学反应会发生膨胀、炭化，形成泡沫状的炭化层，这层炭化层会阻止热量的进一步传递。在本发明中，采用复合型阻燃材料的目的，一是通过材料的膨胀使电池模开与外界环境的空气流通通道闭合，防止高温烟气扩散到模块之外，二是闭合后，通过继续的炭化反应吸收电池热量，并防止热量向外传递。
参见图1-图5，本发明的一种电池模块阻燃结构，具体如下：
1.1参见图1，在电池模块的外壳1内侧涂覆、或者粘贴一层1mm-3mm厚的气相阻燃材料2。
该气相阻燃材料的作用是：当电池3热失控使安全阀打开后，喷出高温气液体(300-800℃)，遇到模块外壳的内侧表面的气相阻燃材料后，气相阻燃材料在气液体的高温作用下发生气相分解反应，释放出包括但不限于CO2、N2等惰性气体以及其它高密度蒸汽，稀释空气中的氧气浓度和电池喷出的可燃性气液混合物的浓度，并带走部分热量，降低气体温度，避免发生起火燃烧。
该阻燃材料的特征是：①当温度高于300℃时，阻燃材料分解出不燃性气体或高密度蒸汽；②不燃性气体包括但不限于CO2、N2等，高密度蒸汽包括但不限于NH3、H2O和NO等。
气相阻燃材料2在电池模块未燃烧时为固态。
该阻燃材料的成分，包括但不限于遇热可分解的氮化物、碳酸盐、氮化物、铵盐、红磷、有机磷系、三聚氰胺盐类、双氰胺、聚磷酸铵、硼酸胺、双氰胺甲醛树脂、氯化石蜡等。
氮化物为三聚氮氨、氮化镁、氮化钙、氮化锶或氮化镨，
碳酸盐为碳酸钙、碳酸钠、碳酸钾或碳酸镁，铵盐为氰胺、胍、双氰胺或羟甲基三聚氰胺，有机磷系为磷酸酯、有机磷盐、亚磷酸酯、氧化磷、磷氮化合物，三聚氰胺盐类为三聚氰胺氰尿酸盐、三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺焦磷酸盐、三聚氰胺聚磷酸盐、三聚氰胺硼酸盐、三聚氰胺邻苯二甲酸盐或三聚氰胺草酸盐。
有机磷盐为三磷酸腺苷或氯硫磷；磷氮化合物为磷酸胺、磷酸氢胺、磷酰胺或丙烯羟乙基-苯氧基-二乙基磷酰胺。
1.2在电池模块的进风口和/或出风口处，装设网格状、条纹状或其它类型的复合性型阻燃板，厚度为1mm-3mm，网格面积在1cm2-4cm2，条纹空隙在0.2cm-1cm范围。
复合型阻燃板的孔洞与沟槽内设置有复合型阻燃材料，该阻燃材料的作用是：当电池热失控喷出高温气液后，会迅速蔓延至整个模块内部，并通过进风口、出风口向模块外扩散，当通过进风口、出风口时，防火涂料会遇热迅速膨胀形成多孔泡沫碳层，封闭住进风口、出风口，使高温气液体或其燃烧火焰封闭在电池模块内部，隔离热量，避免了火势的蔓延。
该阻燃材料的特征是：①当温度高于300℃时，阻燃材料会发生膨胀，迅速闭合阻燃板的孔洞、条纹空隙；②当温度高于300℃时，阻燃材料会发生碳化，表面形成多孔泡沫碳层，通过碳化吸收热量，以及隔离热量的传递。
1.3复合型阻燃材料成分，包括气相阻燃材料(气源)、膨胀剂(碳源)和酸源等。其中，气相阻燃材料包括遇热可分解的氮化物、碳酸盐、氮化物、铵盐、红磷、有机磷系、三聚氰胺盐类、双氰胺、聚磷酸铵、硼酸胺、双氰胺甲醛树脂、氯化石蜡等，
氮化物为三聚氮氨、氮化镁、氮化钙、氮化锶或氮化镨，碳酸盐为碳酸钙、碳酸钠、碳酸钾或碳酸镁，铵盐为氰胺、胍、双氰胺或羟甲基三聚氰胺，有机磷系为磷酸酯、有机磷盐、亚磷酸酯、氧化磷、磷氮化合物，三聚氰胺盐类为三聚氰胺氰尿酸盐、三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺焦磷酸盐、三聚氰胺聚磷酸盐、三聚氰胺硼酸盐、三聚氰胺邻苯二甲酸盐或三聚氰胺草酸盐。
膨胀剂包括但不限于季戊四醇、山梨醇、淀粉和含有多羟基的有机化合物等，酸源包括但不限于聚磷酸铵、磷酸铵镁和硼酸锌等。
含有多羟基的有机化合物为包括但不限于纤维素、葡萄糖、蔗糖、果糖、丙三醇、乙二醇与淀粉等。
2.电池模块内部的阻燃结构的设计：
2.1参见图1，对于采用铝塑膜材质的软包装电池构成的电池模块，由于软包装电池热失控导致电池内压增大，铝塑膜软包装破裂的方位并不是保持一个具体的方位，因此设计成该模块的外壳的内侧均匀涂覆1-3mm的气相阻燃材料，包括气相阻燃材料为粉体时，则涂覆在内侧壁面，气相阻燃材料为独立的膜层时，则粘贴。
2.2参见图2和图3，对于采用金属材质的硬壳电池构成的电池模块，在电池泄压阀4对面的模块外壳的内侧涂覆1-3mm的气相阻燃材料，其它内侧面涂覆1-3mm的气相阻燃材料，与泄压阀4正对面的模块外壳内侧的阻燃材料的厚度应大于其他模块外侧内侧的阻燃材料厚度。因此硬壳电池热失控导致电池内压增大，电池破裂的方位是固定的，即泄压阀4会首先开启，从泄压阀喷出高温气液体，因此在与之相对应的模块外壳的内侧涂覆1-3mm的气相阻燃材料，使气相阻燃材料首先受到高温作用充分反应产生不燃性气体。
3.电池模块外部的阻燃结构的设计：
参见图4和图5，对于采用通风散热模式的电池模块，在电池模块的上面、下面或者左面、右面均开设有孔洞或沟槽，以便空气的电池模块内外的空气流通，当模块内部的电池热失控起火燃烧时，释放的高温气液混合物或者烟气，会通过散热的孔洞或沟槽向模块外部散逸、喷射、扩散，从而可能引发热失控连锁反应或者引发系统性火灾。在电池模块上面板7、下面板或者左面板、右面板，设计安装一层复合型阻燃板，复合型阻燃材料板上的孔洞5与电池模块上面板的孔洞6与沟槽相对应，或复合型阻燃材料板上的孔洞5与沟槽位置与电池模块下面板上的孔洞与沟槽相对应；复合型材料阻燃板上的沟槽9与电池模块上面板的沟槽相8对应，或复合型阻燃板上的沟槽9位置与电池模块下面板上的沟槽相对应；但是尺寸控制在网格面积在1cm2-4cm2，条纹空隙在0.2cm-1cm范围。
一种储能电池模块阻燃方法为：当储能电池模块燃烧时，喷出高温气液体，设置在电池模块的外壳内侧的气相阻燃材料在气液体的高温作用下发生气相分解反应，释放出不燃性气态物质，实现对储能电池模块的阻燃。
对于不用阻燃材料的放置部位，电池模块内的气相阻燃材料放置是依据模块采用的电池种类来有所区别的，软包电池的模块内侧全部均匀涂覆气相阻燃材料，金属包装的电池模块内侧，在电池泄压阀正对面的一侧涂覆较厚的气相阻燃材料，其它部位涂覆较薄的阻燃材料；
电池模块外侧的复合型阻燃材料，其孔洞、空隙有要求，既要不明显影响到电池模块的正常散热，又要尺寸合适，能够通过材料的膨胀变形实现闭合。
本发明使用气相阻燃材料、复合型阻燃材料的使用方式，复合型材料的膨胀闭孔效应来阻止模块烟气和热量传递。
Claims (10)
1.一种电池模块阻燃结构，其特征在于，包括在电池模块的外壳内侧设置的气相阻燃材料。
2.根据权利要求1所述的一种电池模块阻燃结构，其特征在于，气相阻燃材料的厚度为1mm-3mm。
3.根据权利要求1所述的一种电池模块阻燃结构，其特征在于，电池模块的外壳上开设有进风口和/或出风口，电池模块的进风口和/或出风口处设置有复合型阻燃板，复合型阻燃板上开设有若干孔洞与沟槽，孔洞与沟槽内设置有气相阻燃材料、膨胀剂和酸源。
4.根据权利要求3所述的一种电池模块阻燃结构，其特征在于，气相阻燃材料为氮化物、碳酸盐、铵盐、红磷、有机磷系、三聚氰胺盐类、双氰胺、聚磷酸铵、硼酸胺、双氰胺甲醛树脂或氯化石蜡。
5.根据权利要求3所述的一种电池模块阻燃结构，其特征在于，气相阻燃材料为三聚氮氨、氮化镁、氮化钙、氮化锶、氮化镨、碳酸钙、碳酸钠、碳酸钾或碳酸镁、氰胺、胍、双氰胺、羟甲基三聚氰胺、磷酸酯、有机磷盐、亚磷酸酯、氧化磷、磷氮化合物、三聚氰胺氰尿酸盐、三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺焦磷酸盐、三聚氰胺聚磷酸盐、三聚氰胺硼酸盐、三聚氰胺邻苯二甲酸盐或三聚氰胺草酸盐。
6.根据权利要求3所述的一种电池模块阻燃结构，其特征在于，气相阻燃材料为三磷酸腺苷、氯硫磷、磷酸胺、磷酸氢胺、磷酰胺或丙烯羟乙基-苯氧基-二乙基磷酰胺。
7.根据权利要求3所述的一种电池模块阻燃结构，其特征在于，复合型阻燃板上开设的孔洞与沟槽位置与电池模块的上面板、下面板上的孔洞与沟槽相对应。
8.根据权利要求3所述的一种电池模块阻燃结构，其特征在于，膨胀剂为季戊四醇、山梨醇、纤维素、葡萄糖、蔗糖、果糖、丙三醇、乙二醇或淀粉。
9.根据权利要求3所述的一种电池模块阻燃结构，其特征在于，酸源为聚磷酸铵、磷酸铵镁或硼酸锌。
10.一种储能电池模块阻燃方法，其特征在于，当储能电池模块燃烧时，喷出高温气液体，设置在电池模块的外壳内侧的气相阻燃材料在气液体的高温作用下发生气相分解反应，释放出不燃性气态物质，实现对储能电池模块的阻燃。
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