CN112635889A - 一种防爆电池 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种防爆电池，属于电池防爆技术领域，包括箱体和若干电池模组，若干电池模组置于箱体内部，箱体和若干电池模组的空隙充有活性气体，箱体的原料包括含碳硼烷的化合物，当置于箱体内的电池模组发生剧烈放热时，由于箱体的原料为碳硼烷复合材料，其中的碳硅烷和活性气体发生反应，产生陶瓷类物质，使得箱体发生陶瓷化，有效的阻隔电池模组的放热和燃烧，本发明实施例克服了目前对电池防爆阻燃的技术偏见，提供了一种电池防爆阻燃的新思路。

Description

一种防爆电池

技术领域

本发明属于电池防爆技术领域，特别涉及一种防爆电池。

背景技术

目前市面上常用的电池主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池两种，即方形电池和圆柱形电池，由于三元锂电池能量密度更高，可以实现更高的里程，现有的电动汽车大多数使用三元锂电池。但是三元锂电池为上百个小型圆柱形电池串联组成，每个小电池都可能失效。

电池爆炸主要由电芯长期过充或电池遭遇外部物理压力导致，失效形式多为锂电池瞬间放电产生高电流，击穿电池模组外壳，其能量释放为化学能释放，瞬间放热，导致产生爆炸，温度最高可达七八百度，箱体直接热熔，同时伴随爆炸产生的冲击波，将热量释放到箱体外部，连带其他零件失效燃烧，箱体和其他零件的阻燃作用很小。

申请人在发明过程中发现：目前的对电池进行防爆阻燃思路是：采用惰性气体(如：氩气、氦气等等)、二氧化碳或者氮气等等，来实现隔绝氧气，阻燃防火防爆的效果，如中国发明专利申请CN104218194A公开了一种具有防火防爆装置的锂电池，其方案是：所述锂电池包括电芯组、电芯护套和外壳，电芯组置于电芯护套内，电芯护套置于外壳内，电芯护套与外壳的空隙中填充有能发生吸热反应并产生二氧化碳的灭火材料，所述电芯护套与电芯组的空隙中填充有减震阻燃材料，外壳上设有疏通孔。所述锂电池的防火防爆装置在锂电池使用过程中以受热时能发生吸热反应并产生二氧化碳的灭火材料作为工作介质，对电池进行吸热和隔绝氧气，并可及时调控电池内压，通过采用以上综合防护方法，可有效防止起火、爆炸等事故发生，大大降低电池使后的安全风险，其通过在电芯护套和外壳的空隙填充能发生吸热反应并产生二氧化碳的灭火材料，通过化学反应产生二氧化碳对电池进行吸热和隔绝氧气。同时申请人还发现，在采用以上方法时仅能应对热量释放及灭火，但爆炸冲击波对零件造成的力学破坏是无法阻止的，热能在爆炸时可从零件破坏处扩展到外部其他零件，导致燃烧及连锁爆炸，未起到很好的防爆效果。

中国发明专利申请CN107958964A公开了一种防爆电池箱体装置，其原理在于电池爆炸时可以对爆炸产生的冲击波进行提前宣泄，从而保持箱体的主要结构。但申请人发现：此方案忽略了冲击波携带的热能，当热能被带到箱体外部时，由于为化学能释放，能量极高，会导致电池箱体其他周边零件受热失效，进而燃烧，虽然没有爆炸，但是依然无法阻止汽车快速自燃。

因此，现有技术中对于防爆电池箱体进行的改进，均无法有效地控制爆炸冲击波，并且无法控制爆炸产生的热量向外释放的问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的防爆电池。

本发明实施例提供了一种防爆电池，包括箱体和若干电池模组，若干所述电池模组置于所述箱体内部，所述箱体和若干所述电池模组的空隙充有活性气体，所述箱体的原料包括含碳硼烷的化合物。

可选的，以体积份计，所述活性气体包括二氧化碳70-90份、氧气10-30份。

可选的，所述含碳硼烷的化合物包括碳硼烷酚醛树脂、碳硼烷脲醛树脂、碳硼烷不饱和聚酯和碳硼烷环氧树脂中的至少一种。

可选的，所述箱体包括箱盖和箱本体，所述箱盖和所述箱本体密封连接；所述箱盖的原料包括邻位的含碳硼烷的化合物；所述箱本体的原料包括对位的含碳硼烷的化合物。

可选的，以重量份计，

所述箱盖的原料包括：碳硼烷(邻位)酚醛树脂25-35份、玄武岩纤维50-60份和第一助剂7.5-21份；

所述箱本体的原料包括：碳硼烷(对位)酚醛树脂35-45份、玄武岩纤维50-60份和第二助剂3.5-11份。

可选的，以重量份计，

所述第一助剂包括：相容剂1-3份、润滑剂1-2份、偶联剂0.5-1份、释氧剂5-15份；

所述第二助剂包括：相容剂1-3份、润滑剂1-2份、偶联剂0.5-1份、释氧剂1-5份；

所述相容剂包括马来酸酐接枝聚丙烯；

所述润滑剂包括硅酮类和聚四氟乙烯类中的至少一种；

所述释氧剂包括高锰酸钾和过氧化钙中的至少一种。

可选的，所述电池模组包括模组保护盒和模组本体，所述模组本体置于所述模组保护盒内，所述模组保护盒和所述模组本体的空隙充有惰性气体。

可选的，以体积份数计，所述惰性气体包括氩气70-90份、二氧化碳10-30份。

可选的，所述箱体包括箱盖和箱本体，所述模组保护盒包括保护盒本体和盖体，

以重量份计，所述盖体的成分包括：环氧树脂40-45份、玻璃纤维50-55份和第三助剂4-8份；

所述保护盒本体和所述箱本体一体成型，且所述保护盒本体和所述箱本体的原料相同。

可选的，所述第三助剂包括相容剂1-2份、润滑剂1-3份、抗氧剂2-3份；

所述相容剂包括马来酸酐接枝聚丙烯；

所述润滑剂包括硅酮类和聚四氟乙烯类中的至少一种。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的防爆电池，包括箱体和若干电池模组，若干电池模组置于箱体内部，箱体和若干电池模组的空隙充有活性气体，箱体的原料包括含碳硼烷的化合物，当置于箱体内的电池模组发生剧烈放热时，由于箱体的原料为含碳硼烷的材料，其中的碳硅烷和活性气体发生反应，产生陶瓷类物质，使得箱体发生陶瓷化，有效的阻隔电池模组的放热和燃烧，本发明实施例克服了目前对电池防爆阻燃的技术偏见，提供了一种电池防爆阻燃的新思路。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的箱体的爆炸示意图；

图2是本发明实施例提供的箱本体的俯视图；

附图标记：1-箱体，11-箱盖，12-箱本体，13-电池箱体密封胶，2-电池模组，21-模组保护盒，211-保护盒本体，212-盖体，213-模组保护盒密封胶，22-模组本体，3-进气阀。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

申请人在发明过程中发现：目前的对电池进行防爆阻燃思路是：采用惰性气体(如：氩气、氦气等等)、二氧化碳或者氮气等等，来实现隔绝氧气，阻燃防火防爆的效果，为此，申请人提出一种电池防爆阻燃的新思路，以克服目前的技术偏见。

根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种防爆电池，包括箱体和若干电池模组，若干所述电池模组置于所述箱体内部，所述箱体和若干所述电池模组的空隙充有活性气体，所述箱体的原料包括含碳硼烷的化合物。向箱体充入活性气体的具体操作为：箱体上设有进气阀，箱体和若干电池模组装配完成后，通过进气阀充入活性气体后，关闭进气阀。

另外需要说明的是，箱体和电池模组空隙间还可以安装一些附件，例如电池管理系统、配电盒等，以上列举用以说明本发明的一些具体实施方式，并不用以限定本发明。

作为一种可选的实施方式，含碳硼烷的化合物包括碳硼烷酚醛树脂、碳硼烷脲醛树脂、碳硼烷不饱和聚酯和碳硼烷环氧树脂中的至少一种，需要强调的是，以上对于含碳硼烷的化合物的列举仅用以表明本发明能够实施，并不用以对本发明进行限定，本发明实现的机理在于碳硼烷和活性气体发生反应陶瓷化，换而言之，只要是含有碳硼烷的化合物均能作为箱体的制备原料，故，在其他的实施例中也可以采用其他的、任意的含碳硼烷的化合物，在此不一一列举。

当置于箱体内的电池模组发生剧烈放热时，由于箱体的原料为含碳硼烷的化合物，其中的碳硅烷和活性气体发生反应，产生陶瓷类物质，使得箱体发生陶瓷化，有效的阻隔电池模组的放热和燃烧。

作为一种可选的实施方式，箱体包括箱盖和箱本体，箱盖和箱本体密封连接，具体而言，箱盖和箱本体的密封链接采用电池箱体密封胶粘接密封，一般情况下，箱盖作为上箱体，箱本体作为下箱体。

其中，箱盖的原料包括邻位的含碳硼烷的化合物；所述箱本体的原料包括对位的含碳硼烷的化合物。

采用以上设计，当电池模组发生剧烈放热时，其热量是朝上的，必然，箱盖是最先受热反应的，而申请人发现，邻位的含碳硼烷的化合物是更容易发生反应，因此，采用邻位的含碳硼烷作为箱盖的原料，能够在一开始发生放热时，及时的反应生产陶瓷类物质，起到阻燃防爆的效果，邻位的含碳硼烷的化合物比对位的含碳硼烷的化合物更易发生反应的机理是邻位相比对位分子结构更不稳定，开环所需能量更低，遇热情况下会在更低的温度发生开环反应；箱本体的原料采用对位的含碳硼烷的化合物，而不采用邻位的含碳硼烷的化合物的原因在于：箱本体承载电池的主要重量，在高温放热下需保持结构，采用对位可以保证在非极端高温情况下仍保证强度，防止电池塌陷掉落。

具体而言，箱盖以重量份计的成分包括：碳硼烷(邻位)酚醛树脂25-35份、玄武岩纤维50-60份、相容剂1-3份、润滑剂1-2份、偶联剂0.5-1份、释氧剂5-15份；箱盖采用模压成型，材料铺层角度为0°、0°/90°或者0°/45°；需要说明的是，玄武岩纤维为连续玄武岩纤维。

具体而言，箱本体以重量份计的成分包括：碳硼烷(对位)酚醛树脂35-45份、玄武岩纤维50-60份、相容剂1-3份、润滑剂1-2份、偶联剂0.5-1份、释氧剂1-5份，采用模压成型，材料铺层角度为0°、0°/90°或者0°/45°；需要说明的是，玄武岩纤维为连续玄武岩纤维。

以上箱盖和箱本体的具体实施方式的列举仅用于说明本发明，并不用以限定本发明，在其他的实施方式中，可以采用其他的含碳硼烷的化合物，另外其他成分按照本领域技术人员的常识作出适用性调整。

碳硼烷(邻、对)酚醛树脂的结构式如下：

作为一种可选的实施方式，相容剂包括马来酸酐接枝聚丙烯；润滑剂包括硅酮类和聚四氟乙烯类中的至少一种；释氧剂包括高锰酸钾和过氧化钙中的至少一种。

作为一种可选的实施方式，活性气体包括二氧化碳70-90份、氧气10-30份。

活性气体采用二氧化碳和氧气配合的原因是由于二氧化碳(1.98g/L)与氧气(1.43g/L)密度差异较大，汽车静置或平稳行驶时二氧化碳沉积于箱体内中下部，当汽车启动或平稳行驶时如电池模组发生剧烈放热反应时，其热量朝上喷发，最先接触氧气及箱盖，可保证箱盖中的释氧剂快速释放氧气，增加箱盖反应所需的氧气含量，加速箱盖降解生成陶瓷类物质的速度。

控制二氧化碳份数为70-90份的原因是保证二氧化碳在汽车静置及多数平稳行驶时，可沉积于箱体内中下部，仅箱盖接触氧气，该份数取值过大的不利影响是当剧烈放热反应发生时，释氧剂释放氧气，二氧化碳分数过大会导致氧气含量占比过低，不利于加速箱盖材料的开环反应，无法起到阻隔抑制放热反应的目的，过小的不利影响是当剧烈放热反应发生时，释氧剂释放氧气，二氧化碳份数过小会导致氧气含量占比过高，虽然会加速箱盖材料的开环反应速度，但也会同时加剧放热反应，导致放热反应速度大于陶瓷类物质生成速度，无法起到阻隔抑制放热反应的目的。

控制氧气份数为10-30份的原因是保证二氧化碳在汽车静置及多数平稳行驶时，可沉积于箱体内中下部，仅箱盖接触氧气，该份数取值过大的不利影响是当剧烈放热反应发生时，释氧剂释放氧气，会导致氧气含量占比过高，虽然会加速箱盖材料的开环反应速度，但也会同时加剧放热反应，导致放热反应速度大于陶瓷类物质生成速度，无法起到阻隔抑制放热反应的目的，过小的不利影响是当氧气含量占比过低时，不利于加速箱盖材料的开环反应，无法起到阻隔抑制放热反应的目的。

作为一种可选的实施方式，电池模组包括模组保护盒和模组本体，模组本体置于模组保护盒内，且模组保护盒和模组本体的空隙充有惰性气体。向模组保护盒充入惰性气体的具体操作为：每个模组保护盒上均设有进气阀，模组保护盒和模组本体装配完成后，通过进气阀充入惰性气体后，关闭进气阀。

采用以上设计，当发生局部短路造成的少量放热时，不发生爆炸，保护盒内的惰性气体可杜绝明火产生，降低自燃发生几率，当发生单个电芯热失控时，将其破坏控制在最小范围内，防止热蔓延到全部的模组和电芯。

作为一种可选的实施方式，惰性气体包括氩气70-90份、二氧化碳10-30份。

惰性气体采用氩气和二氧化碳配合的原因是氩气和二氧化碳混合具有抑爆的作用，当发生局部短路造成的少量放热时可以降低爆炸概率，杜绝明火产生。

控制氩气份数为70-90份的原因是氩气气体性质稳定，密度与二氧化碳接近，可以均匀混合并以氩气为主，在抑爆时发挥作用，该份数取值过大的不利影响是当氩气含量过高时，二氧化碳含量过低，抑爆作用降低仅能起到阻燃作用，过小的不利影响是当氩气含量过低时，二氧化碳含量过高，抑爆作用降低仅能起到阻燃作用。

控制二氧化碳份数为10-30份的原因是密度与氩气接近，可以均匀混合并以氩气为主，在抑爆时发挥作用，该份数取值过大的不利影响是当氩气含量过低时，二氧化碳含量过高，抑爆作用降低仅能起到阻燃作用，过小的不利影响是当氩气含量过高时，二氧化碳含量过低，抑爆作用降低仅能起到阻燃作用。

作为一种可选的实施方式，模组保护盒包括保护盒本体和盖体，盖体和保护盒本体密封连接，具体而言，盖体和保护盒本体通过模组保护盒密封胶粘接在一起；

以重量份计，盖体的成分包括：环氧树脂40-45份、玻璃纤维50-55份、相容剂1-2份、润滑剂1-3份、抗氧剂2-3份；需要说明的是，玻璃纤维为连续玻璃纤维；采用真空导入成型，材料铺层角度为0°、0°/90°或者0°/45°

保护盒本体和箱本体一体成型，且保护盒本体和箱本体的原料相同，在制备时同箱本体一起制备，采用模压成型，材料铺层角度为0°、0°/90°或者0°/45°。

采用以上设计，当发生多数短路造成的剧烈放热时，发生爆炸，模组保护盒的盖体降解，大量热量释放到箱体中的活性气体中，加热后的活性气体可加速箱体及保护盒本体中碳硼烷的降解速度，加速生成三氧化二硼、碳化硼等陶瓷类物质，使得箱体内表面及保护盒本体表面陶瓷化，阻隔电池模组的放热及燃烧。

根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种电动车，其采用如上提供的防爆电池。

下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的防爆电池箱体、防爆电池及电动车进行详细说明。

实施例1-8

实施例1-8的防爆电池箱体中的箱盖、箱本体及保护盒本体、盖体、活性气体、惰性气体的成分及份数和如下表所示：

对比例1

采用铝合金材料生产的电池箱体(无保护盒)。

对比例2

采用铝合金材料生产的电池箱体(无保护盒)。

对比例3

采用碳纤维复合材料生产的电池箱体(无保护盒)。

对比例4

采用碳纤维复合材料生产的电池箱体(无保护盒)。

实验例

将实施例1-8制备的产品和对比例1-4提供的产品进行短路爆炸试验，测试结果如下表所示：

由上表数据可知，相比于铝合金电池箱体和碳纤维复合材料电池箱体，实施例1-8均起到了不同程度的防爆效果改进，其中实施例4效果最好，在680℃温度下依然可以保证箱体整体轻微变形、无开裂，因此，本发明的防爆电池箱体能够起到防爆效果。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：

(1)本发明实施例中，电池箱体中采用模组保护盒结构，当发生单个电芯热失控时，将其破坏控制在最小范围内，防止热蔓延到全部的模组和电芯；

(2)本发明实施例中，保护盒本体和电池箱体采用碳硼烷复合材料制成，目的在于可以有效提高电池箱体和保护盒本体结构强度，同时爆炸高温环境下，模组保护盒的盖体降解，大量热量释放到箱体中的活性气体中，加热后的活性气体可加速电池箱体及保护盒本体中碳硼烷的降解速度，加速生成三氧化二硼、碳化硼等陶瓷类物质，使得箱体内表面及保护盒本体表面陶瓷化，阻隔电池模组的放热及燃烧。同时由于碳硼烷为笼式结构，在受热时笼式结构打开降解，大量吸热，可以吸收爆炸产生的热能散发，最终达到降低热能释放的目的；

(3)本发明实施例中，模组保护盒和电池箱体内采用不同种气体填充：模组保护盒内惰性气体降低明火燃烧性；电池箱体内活性气体作用为当模组保护盒的盖体失效时，加速电池箱体碳硼烷材料开笼速度，加快陶瓷类物质生成，达到隔热和阻燃的目的；

(4)本发明实施例中，保护盒本体和电池箱体中的释氧剂在高温环境下可以释放出氧气，加快碳硼烷材料降解速度，达到快速生成陶瓷类物质的目的；

(5)本发明实施例中，保护盒本体和电池箱体的复合材料结构在爆炸时可以降低爆炸产生的冲击波作用力，维持箱体形状，在电池模组爆炸时可局限于电池箱体内，热量及冲击波不会延伸至其他零件，大大降低汽车自燃风险。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种防爆电池，其特征在于，包括箱体和若干电池模组，若干所述电池模组置于所述箱体内部，所述箱体和若干所述电池模组的空隙充有活性气体，所述箱体的原料包括含碳硼烷的化合物。

2.如权利要求1所述的防爆电池，其特征在于，以体积份计，所述活性气体包括二氧化碳70-90份、氧气10-30份。

3.如权利要求1所述的防爆电池，其特征在于，所述含碳硼烷的化合物包括碳硼烷酚醛树脂、碳硼烷脲醛树脂、碳硼烷不饱和聚酯和碳硼烷环氧树脂中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的防爆电池，其特征在于，所述箱体包括箱盖和箱本体；所述箱盖的原料包括邻位的含碳硼烷的化合物；所述箱本体的原料包括对位的含碳硼烷的化合物。

5.根据权利要求4所述的防爆电池，其特征在于，以重量份计，

所述箱盖的原料包括：碳硼烷(邻位)酚醛树脂25-35份、玄武岩纤维50-60份和第一助剂7.5-21份；

所述箱本体的原料包括：碳硼烷(对位)酚醛树脂35-45份、玄武岩纤维50-60份和第二助剂3.5-11份。

6.根据权利要求5所述的防爆电池，其特征在于，以重量份计，

所述第一助剂包括：相容剂1-3份、润滑剂1-2份、偶联剂0.5-1份、释氧剂5-15份；

所述第二助剂包括：相容剂1-3份、润滑剂1-2份、偶联剂0.5-1份、释氧剂1-5份；

所述相容剂包括马来酸酐接枝聚丙烯；

所述润滑剂包括硅酮类和聚四氟乙烯类中的至少一种；

所述释氧剂包括高锰酸钾和过氧化钙中的至少一种。

7.如权利要求1所述的防爆电池，其特征在于，所述电池模组包括模组保护盒和模组本体，所述模组本体置于所述模组保护盒内，所述模组保护盒和所述模组本体的空隙充有惰性气体。

8.如权利要求7所述的防爆电池，其特征在于，以体积份数计，所述惰性气体包括氩气70-90份、二氧化碳10-30份。

9.如权利要求7所述的防爆电池，其特征在于，所述箱体包括箱盖和箱本体，所述模组保护盒包括保护盒本体和盖体，

以重量份计，所述盖体的成分包括：环氧树脂40-45份、玻璃纤维50-55份和第三助剂4-8份；

所述保护盒本体和所述箱本体一体成型，且所述保护盒本体和所述箱本体的原料相同。

10.如权利要求9所述的防爆电池，其特征在于，所述第三助剂包括相容剂1-2份、润滑剂1-3份、抗氧剂2-3份；

所述相容剂包括马来酸酐接枝聚丙烯；

所述润滑剂包括硅酮类和聚四氟乙烯类中的至少一种。

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