CN114556677A - 电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供了电池系统以及在封闭空间中安全部署电池系统的相关方法，所述电池系统包括位于封闭空间(例如房间、数据中心或存储系统)内的多个模块，其中至少一个模块包括多个锂离子电芯和位于相邻锂离子电芯之间的热绝缘体，并且其中该电池系统通过缩放该系统以使封闭空间的内部可用体积(以升测量)在位于其中的锂离子电芯的安培小时(Ah)容量的约39±5倍至80±5倍的范围内，来提供必要的安全水平。用于测定Ah容量的相关锂离子电芯是相对于相邻锂离子电芯隔热的锂离子电芯。

Description

电池系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年6月26日提交的转让序列号为63/044,835的题为“BatterySystems”的临时专利申请和2021年3月29日提交的转让序列号为17/215,540的题为“Battery Systems”的非临时申请的优先权。前述临时申请和非临时申请的全部内容通过引用并入本文。
本申请还涉及本申请人/受让人先前提交的一系列专利申请，具体包括：
·题为“Lithium Ion Battery”的PCT申请(序列号PCT/US2013/064654)及其国内/国际同族/子案(具体包括美国专利No.9,685,644、No.9,871,236和No.10,629,876)；
·题为“Lithium Ion Battery with Thermal Runaway Protection”的PCT申请(序列号PCT/US2015/031899)及其国内/国际同族/子案(具体包括美国专利No.10,651,521)；
·题为“Low Pressure Disconnect Device for Lithium Ion Batteries”的PCT申请(序列号PCT/US2016/066663)及其国内/国际同族/子案(具体包括美国专利公开No.2018/0287127)；
·题为“Lithium Ion Battery”的美国专利No.10,637,022；
·题为“Lithium Ion Battery”的美国专利公开No.2018/0241020；
·题为“Lithium Ion Battery”的美国专利公开No.2019/0341585；
·题为“Lithium Ion Battery with Modular Bus Bar Assemblies”的美国专利公开No.2019/0097204；
·题为“Lithium Ion Battery”的美国专利公开No.2018/0375076；
·题为“Overcharge Electrical Disconnect System”的美国专利公开No.2019/0181419；
·题为“Lithium Ion Battery”的PCT申请(序列号PCT/US2019/034024)及其国内/国际同族/子案；
·题为“Housing for Rechargeable Batteries”的PCT申请(序列号PCT/US2019/043643)及其国内/国际同族/子案；
·题为“Lithium Ion Battery”的PCT申请(序列号PCT/US2019/043657)及其国内/国际同族/子案；
·题为“System and Method for Electrolyte Filling and ElectricalConnection of Lithium Ion Batteries”的PCT申请(序列号PCT/US2019/054685)及其国内/国际同族/子案；和
·题为“Modular Battery System”的PCT申请(序列号PCT/US2019/062967。
·前述专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及电池系统，其包括设置于封闭空间(例如室、数据中心或存储系统)内的多个模块，其中至少一个模块包括多个锂离子电芯和设置于相邻锂离子电芯之间的热绝缘体，并且其中该电池系统通过缩放该系统以使封闭空间的内部可用体积(以升测量)大于设置于其中的锂离子电芯的安培小时(Ah)容量的约七十(70)倍，来提供必要的安全水平；以及在封闭空间中安全部署电池系统的相关方法。
用于确定Ah容量的相关锂离子电芯是相对于相邻锂离子电芯隔热的锂离子电芯。因此，如果每个锂离子电芯单独地对于相邻的锂离子电芯隔热，则出于本公开的目的，Ah容量是单个锂离子电芯的Ah容量。相反，如果一组锂离子电芯共同地与相邻的锂离子电芯热隔离，则出于本公开的目的，Ah容量是前述一组锂离子电芯的累积Ah容量。这包括电芯并联和/或串联连接然后共同隔热的情况。从单个电芯的总容量的方面来描述串联电芯不是该术语的典型标准用法。
背景技术
锂离子电池系统应用广泛，包括用于动力驱动的能量存储和用于固定系统的能量存储。这些电池系统的模块集成了不同类型的多个锂离子电芯，包括小型圆柱形电芯、大型方形电芯或聚合物(或软包)电芯。通过在模块内并联和/或串联连接电芯来控制系统的容量和电压。较大的系统有多个模块，具有相似的串联或并联连接。为了优化成本和性能，电池的每个串联元件需要具有相同的以Ah为单位的容量。此外，为了安全操作，电池系统中使用的串联的电池模块或电芯的每个串需要具有相同的电压。根据应用，这些电池可能还具有额外的机械要求，例如几何格式/形状因数以及通过空气或液体冷却回路冷却的能力。
在当前实践中，部署电池储能系统(BESS)以在高功率使用期间支持电网，其中本地电网点无法支持能量流向高使用区域，例如人口稠密地区。在其他领域，人们希望加强电网以支持太阳能和风能以及水电的更高利用。可再生能源比天然气、煤和石油更便宜，可以在低功率期间储存在BESS中，并在高使用时利用。
然而，在传播失控和可燃气体导致储能装置发生起火和爆炸的领域中，已经识别出起火风险。这种风险可归因于两个主要原因：
1.热失控和热传播；以及
2.易燃/易爆气体的排放和相关着火，导致爆炸性起火
这些灾难性事件大多源于锂离子电芯内部短路，导致电芯发生热失控并传播至模块中的相邻电芯。然后发生模块到模块的传播，并导致连锁起火，其可蔓延到整个电池架和任何相邻的电池架。
BESS系统通常安装在外壳或专用建筑中，由多个存储能量的电池架、逆变器(将DC电压转换为可连接到电网的交流电压)和控制系统组成，该控制系统在电池架、逆变器之间以及从逆变器到电网控制(如建筑管理系统或集中管理调度)之间进行通信。当发生内部起火(通常来自内部短路)时，密集封装的锂离子电池的传播失控风险对于锂离子网格存储系统的广泛采用和成功是严重的问题。
由于所述的安全问题，美国保险商实验室(UL)和国家消防局(NFPA)颁布了许多标准。此外，一些地方消防部门已经采纳了关于安全系统构成的规则。目前，通常在许可过程中评估的安全数据(需要消防部门的批准和“有管辖权的机构”即AHJ的批准)是UL9540标准(系统级标准)、UL1973标准(电池架、模块和电芯)和UL9540a标准(告知电池系统安全性能的测试方法标准)。作为上述UL标准在地方实施的一个示例，最近发布的NFPA855标准是最近的FDNY电池安全规则的一部分，要求满足所有这些标准并设定如下标准：
·电池架分离的规定距离(除非测试另有证明)，
·爆燃排气系统的使用(当需要减轻爆炸时)，
·气体和烟雾传感、热检测，
·防火墙，
·洒水器或其他灭火系统的使用，
·相关的排气系统(将外壳中的可燃气体浓度降低到可燃下限(LFL)以下，从而避免爆炸)，和
·电气系统的电气和其他标准安全措施。
通常，外壳本身需要防火墙(2小时)和高通量洒水灭火系统，用于在连锁起火扩散至相邻架之前将其扑灭，如果无法扑灭这样的火，则必须将架隔开指定距离(约3英尺)。所有这些系统都增加了BESS的成本，并增加了系统的尺寸，从而限制部署的可能性。此外，在人口稠密的地区，需要创建安全屏障来保护财产和人员。
因此，存在对改进的模块化电池系统的需求，该系统可以容易地定制并可互换地用于设备中，同时考虑到对周围设备所需的改变的最小化。这样的电池允许应用的客户选择具有不同运行时间的电池，并因此根据客户的具体应用和储能需求来优化低成本。
发明内容
本公开提供了有利的电池系统，其尤其提供增强的安全性。本公开的示例性实施方案提供了一种电池系统，该电池系统包括：封闭空间；位于封闭空间内的锂离子电池，所述锂离子电池包括多个模块，其中所述多个模块中的至少一个包括多个锂离子电芯，并且其中所述多个锂离子电芯包括并排取向的第一锂离子电芯和第二锂离子电芯；和位于第一锂离子电芯和第二锂离子电芯之间的至少一个热绝缘体，其中所述至少一个热绝缘体具有至少0.3mm的厚度和小于0.5W/mK的绝缘导热率，其中封闭空间限定了以升测量的内部可用体积，该内部可用体积大于第一锂离子电芯的安培小时(Ah)容量的约39±5倍且小于80±5倍。
所公开的电池系统的示例性实施方式包括以下实施方式，其中：
·多个锂离子电芯是磷酸铁锂(LFP)电芯，并且其中每个LFP电芯的容量在10Ah至70Ah的范围内；
·封闭空间的内部可用体积大于390±50升；
·封闭空间的内部可用体积小于5,600±350升；
·多个锂离子电芯是锂镍锰钴氧化物(NMC)电芯，并且其中每个NMC电芯的容量在6Ah至50Ah的范围内，并且在某些情况下，封闭空间的内部可用体积大于240±30升，或封闭空间的内部可用体积大于4,000±250升；
·每个锂离子电芯具有压力激活排气口，并且在某些情况下，每个压力激活排气口配备有阻火器，压力激活排气口在低于约100-300psi的压力下被激活，和/或电池被配置为使得当激活时，通过每个压力激活排气口释放的气体被引导到填充有惰性气体的袋或通道。
·所述至少一个热绝缘体选自本文公开的一种或多种隔热材料；
·所述至少一个热绝缘体是陶瓷分离结构；
·所述至少一个热绝缘体是一种或多种公开的吸热材料；
·所述至少一个热绝缘体包括三水合铝；
·所述至少一个热绝缘体包括金属氧化物；
·所述至少一个热绝缘体包括矿物棉；
·所述至少一个热绝缘体包括硅酸盐基陶瓷材料；
·所述至少一个热绝缘体的厚度(以mm计)等于或大于锂离子电芯能量密度(以Wh/kg测量)的约1％；
·第一锂离子电芯是单独的锂离子电芯；和
·第一锂离子电芯是通过至少一个热绝缘体共同地与第二锂离子电芯热隔离的锂离子电芯组或子集。
本公开还提供了用于实施所公开的电池系统的方法。
从下面的描述中，特别是当结合附图阅读时，所公开的电池系统的附加特征、功能和益处将变得显而易见。
附图说明
为了帮助本领域技术人员制造和使用所公开的组件、系统和方法，参考附图，其中：
图1是示出电池系统故障安全机制的顺序的示意图；
图2A是与正常运行中的多芯锂离子电池相关的示例性模块电路的示意图；
图2B是在激活压力断开装置(“PDD”)之后与图2A的多芯锂离子电池相关的示例性模块电路的示意图；
图3是示例性PDD设计(在正常运行状态下)的示意图，其中保险丝位于电池外壳/盖的外部并与其负极端子相关联；
图4是图3的示例性PDD设计的示意图，其中PDD已经响应于电池外壳内的过压条件而被激活，并且与负极端子相关联的保险丝已经熔断；
图5是示例性多芯锂离子电池的分解图；
图5A是图5的示例性多芯锂离子电池的组装图；
图6是具有相关安全特征的示例性外壳组件的分解图；
图6A是图6的示例性外壳组件的组装图；
图7是示例性多芯子组件的分解图；
图7A是图7的示例性多芯子组件的组装图；
图8是示例性多芯锂离子电池的分解图；
图8A是图8的示例性多芯锂离子电池的组装图；
图9是示例性多芯锂离子电池的分解图；
图9A是图9的示例性多芯锂离子电池的组装图；
图10是示例性多芯锂离子电池的分解图；
图10A是图10的示例性多芯锂离子电池的组装图；
图11是另一示例性多芯锂离子电池的分解图；
图11A是图11的示例性多芯锂离子电池的组装图；
图12A-12C是三(3)个示意性侧视图，示出了可偏转圆顶响应于外壳内的压力增加的进展；
图13是示例性可偏转圆顶的截面侧视图；
图14是实验测试的充电电流、电芯电压和电芯表面温度的曲线图；
图15是用于测试压力断开装置的测试夹具的示意图；
图16是压力断开装置组件测试期间电流和温度变化的曲线图；
图17-19是位于拖车内，即示例性封闭空间内的电池系统的示意图；
图20-22是位于数据室内，即另一种示例性封闭空间内的电池系统的示意图；
图23是反映根据本公开的与在封闭空间中部署电池系统相关的步骤的流程图；
图24是电池系统内部的截面图，该电池系统包括用于电池系统内产生的气体的受控排放的排气通道；和
图25是并排关系的其间设置有隔板的八(8)个方形电芯的示意图。
具体实施方式
本公开提供了解决关键安全问题的电池储能系统(BESS)，例如用于电网支持和其他储能/输送应用。所公开的电池储能系统通过限制热失控和热传播的可能性，并通过解决与可能导致爆炸性质的着火和/或火的易燃/易爆气体相关的风险，降低了起火/爆炸的可能性。
在本公开的示例性实施方案中，提供了包括位于封闭空间(例如室、数据中心或存储系统)内的多个模块的电池系统。本公开的电池系统和用于电池系统部署的相关方法在封闭空间中具有广泛的适用性和实用性，该封闭空间限定内部容纳体积，电池系统位于该内部容纳体积中并且在其中运行，通常与电池存储和能量输送领域中已知的其他常规电子设备相结合。
包括在所公开的电池系统中的模块通常包括多个电池电芯，例如锂离子电芯，其被设计为存储和传递能量。如本领域已知的，锂离子电芯包括阳极、阴极、隔膜和电解质。锂离子电芯可以采用各种形式，包括圆柱形电芯、方形电芯、软包电芯及其变体。本公开不受特定电解质化学的限制或不限于特定电解质化学，并且具有跨电解质化学的适用性/实用性，如本领域中已知的。
根据本公开，与所公开的电池系统相关的模块中的至少一个包括位于相邻锂离子电芯之间的隔热材料，由此隔热材料隔离可能在隔热材料的第一侧出现的潜在温度升高，防止其传递到热绝缘材料的第二侧的锂离子电芯，达到传播第二侧的锂离子电芯的热失控和/或着火所必需的程度。在示例性实施方案中，隔热材料被定位成包围每个单独的锂离子电芯或以其他方式使每个单独的锂离子电芯相对于相邻的锂离子电芯隔离。在其他示例性实施方案中，隔热材料被定位成包围模块中的锂离子电芯组或子集或以其他方式使锂离子电芯组或子集与相邻的锂离子电芯隔离。例如，多个锂离子电芯的组/子集可以通过隔热材料的相互定位而被包围或与相邻的锂离子电芯隔离(例如，两个锂离子电芯、三个锂离子电芯、四个锂离子电芯等的组/子集)。锂离子电芯组/子集的数量在给定模块中可以相等，或者在模块中可以不同。
隔热材料可以采用各种形式，并且可以基于各种材料。例如，隔热材料可以包括一种或多种表现出吸热功能的材料，这有助于电池的安全性和/或稳定性。在本发明的示例性实施方式中，隔热材料可以包括结合了无机产气吸热材料的陶瓷基体。在使用中，隔热材料可以被操作成使得如果温度上升到预定水平以上，例如与正常操作相关的最大水平，隔热材料就可以用于提供一种或多种功能，以防止和/或最小化热失控的可能性。例如，除了隔热之外，隔热材料可以有利地提供一种或多种以下进一步的功能：(i)能量吸收；(ii)排出全部或部分由与隔热材料相关的吸热反应产生的气体，(iii)提高电池结构内的总压力；(iv)通过排出在与隔热材料相关的吸热反应过程中产生的气体，从电池系统中移除吸收的热量，和/或(v)稀释有毒气体(如果存在)并将其从电池系统中安全排出(全部或部分)。还应注意，与吸热反应相关的排出气体稀释了电解质气体，以提供机会来延缓或消除与电解质气体相关的燃点和/或可燃性。
所公开的隔热材料的隔热特性在它们应用于锂离子电池系统的不同阶段的性能组合方面是有利的。在制造状态下，隔热材料在小的温升期间或在热事件的初始阶段期间提供隔热。在这些相对低的温度下，隔热功能用于抑制热量产生，同时允许有限的传导以将热能缓慢扩散到整个热质。在这些低的温度下，隔热材料被选择和/或设计成不经历任何吸热的产气反应。这提供了允许温度偏移的窗口，而不对绝缘体和/或锂离子电池整体造成任何永久性损坏。对于锂离子型存储设备，与偏移或低水平升高相关的一般范围为60℃至200℃。通过选择在指出的温度范围内抵抗吸热反应的无机隔热材料，可以提供在所需的高温下启动第二吸热功能的锂离子电池。因此，根据本公开，通常希望与所公开的隔热材料相关的吸热反应首先在60℃至显著高于200℃的温度范围内启动。根据本公开使用的示例性隔热材料包括但不限于：
表1
Figure BDA0003579513410000091
这些隔热材料通常含有羟基或水合组分，可能与其他碳酸盐或硫酸盐结合。替代材料包括非水合碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐。常见的示例是碳酸氢钠，它在50℃以上分解产生碳酸钠、二氧化碳和水。如果与锂离子电池相关的热事件确实导致温度升高到所选吸热产气材料的吸热反应的启动温度以上，则所公开的隔热材料将有利地开始吸收热能，并由此为锂离子电池系统提供冷却和隔热两者。可能的能量吸收量通常取决于结合到隔热材料中的吸热产气材料的量和类型，以及吸热材料/系统相对于锂离子电池内的能量产生源的整体设计/定位。通过以受控的方式将热量分配到整个热质，相邻电芯的温度可以保持在临界分解温度或着火温度以下。然而，如果流过隔热材料的热量太大，即能量传导超过阈值水平，则相邻的电芯将在整个热质能够消散所储存的热量之前达到分解温度或着火温度。
在本公开的示例性实施方案中，电池系统包括至少一个热绝缘体，其位于锂离子电芯(或多个电芯)之间，以相对于相邻锂离子电芯隔热，其中至少一个热绝缘体具有至少0.3mm的厚度和小于0.5W/mK的绝缘导热率。
考虑到这些参数，与本公开相关的隔热材料被设计和/或选择为在锂离子电池系统的典型热事件的整个温度范围内(其可以达到超过900℃的温度)是热稳定的，抵抗过度收缩。这种与隔热相关的要求与许多隔热材料形成对比，所述隔热材料基于在300℃以上的温度下大幅收缩甚至着火的低熔点玻璃纤维、碳纤维或填料。这种与隔热相关的要求还将本文公开的隔热功能与膨胀型材料区分开来，因为本公开的材料不需要将装置部件设计成用于承受膨胀压力。因此，与使用相变材料的其他储能隔热系统不同，本公开的隔热材料可以不是有机的，因此在高温下暴露于氧气时不会燃烧。此外，由所公开的热隔离材料释放气体具有从储能装置/锂离子电池系统中移除热量和稀释任何有毒气体的双重目的，在控制和/或避免热失控条件方面特别有利。
本公开的隔热材料可以包含与无机吸热材料组合的陶瓷隔热基体，所述无机吸热材料被选择以在高于电池系统正常工作温度但低于易于因加热而导致热失控的预定温度的温度下产生排气。
根据本公开的示例性实施方案，吸热材料的量大于零，并且其量有效地提供载热和气体稀释效果。根据装置设计，低至1重量％产气的吸热材料可以是有效的，但是可能需要更高的量。
在隔热材料包括陶瓷基体和吸热材料的示例性实施方案中，陶瓷基体与吸热材料的重量比可以在1:19至9:1的范围内，优选在1:9至6:4的范围内。可以在不背离本公开的精神或范围的情况下实施替代的相对水平，只要在电池系统内实现期望的功能。
在隔热材料包括陶瓷基体的示例性实施方案中，陶瓷基体通常包括无机纤维和粘合剂，并且可以包括颗粒材料。颗粒材料本质上可以是微孔的，并且可以包括煅制陶瓷、遮光剂及其混合物。粘合剂可以包括液体粘合剂、干粘合剂或两者，并且可以是无机的、有机的或两者。可以存在遮光剂，并且根据产品形式，隔热材料可以包括水或其他溶剂作为成分。
示例性隔热材料的典型但非限制性配方在下表2中描述：
表2
材料类别 WT.％
陶瓷氧化物粉末 0-60wt％
遮光剂 0-30wt％
吸热材料 10-90wt％
干粘合剂 0-10wt％
液体粘合剂 0-60wt％
其中上述组分占隔热材料的大于60％、大于70％、大于80％或大于90％。组分的比例可以根据产品形式而变化。
无机纤维通常起到提供结构强度、隔热性能和防止在高温下收缩的作用。纤维赋予的结构强度允许隔热材料抵抗在正常操作或热事件期间可导致过度开裂的弯曲应力。由于纤维不是有机的或纯碳基的，它们不会燃烧并因此不会有助于产生放热。在升高的温度偏移期间，由于纤维的耐火性质，纤维总体上用于将基体保持在一起，这与在低于900℃(即在热事件期间通常达到的温度)的温度下燃烧或熔化的纤维不同。根据本公开可以使用的纤维包括陶瓷、E-玻璃、S-玻璃、多晶、磷酸、浸渍二氧化硅、石英或氧化锆纤维。根据设计标准，无机纤维可以不存在，但通常可以以3％或更多的量存在。
微孔隔热材料通常包括无机氧化物，其中孔径非常小，以至于该材料由于对流而干扰气体的平均自由程，同时还通过最小化颗粒之间的接触点来最小化传导。用于微孔材料的典型材料是陶瓷氧化物粉末，例如热解二氧化硅、热解氧化铝、热解氧化锆或其混合物。本公开的示例性实施方式所需的微孔材料的量通常是电池系统性质的函数。根据本公开，微孔材料可以以0％(即不存在)至具有至高60％微孔材料的实施方案的水平包含在所公开的隔热材料中。微孔组分的目的通常是将受影响的电芯隔离到一定水平，即向外流动的热通量足够低，使其可以通过传导而被传递通过整个组件，而不将受影响的电芯外部的任何点升高到热着火点以上。例如，如果电池系统的整体设计包括充分隔热的相对小的电芯和/或电池系统的特征在于相对低的能量容量，则可以需要非常少的微孔材料(如果有的话)。例如，在这样的情况下，陶瓷纤维基体材料的隔热特性可能是足够的。然而，如果隔热的电芯包含高水平的潜在热能，则相对高量的微孔材料可能是必要的和/或希望的，以防止相邻的电芯升高到着火温度以上，同时如果温度变得足够高，还为吸热材料提供反应和吸收能量的时间。
遮光剂是在温度上升到辐射热的水平的热扰动条件期间可以增强隔热材料性能的组分。对遮光剂的潜在需求通常取决于电池系统的热释放特性，与以上对微孔组分的描述类似。如果热事件期间的温度足够高以达到辐射热温度，则遮光剂将有助于减缓所产生的任何辐射热的传播。微孔材料、纤维基体或其组合本身可能不能有效地抵抗辐射热传递。常见的遮光剂材料包括TiO2、硅、氧化铝、粘土(既可用作遮光剂又可用作粘合剂)、SiC和重金属氧化物。这些遮光剂在热事件期间在正常操作温度下或甚至较低温度下不提供任何功能。遮光剂往往成本高且非常致密，因此增加了电池系统的重量。根据电池系统的设计和热事件期间热释放的性质，遮光剂添加的范围可以是0至30％。
根据本公开的示例性实施方案，吸热材料成分可以提供显著的益处。已知大多数储能装置/锂离子电池在60℃或更低的温度下工作良好。本公开所公开的吸热材料/系统通常被设计和/或选择为在高于该温度但优选足够低时开始它们各自的吸热反应，使得吸热材料/系统可以在热事件的初始时刻开始吸收热事件期间产生的热能，以最小化受影响的电芯和相邻电芯中的温度升高。当超过正常工作温度以上的设定水平时，吸热材料吸收热量并放出气体。放出的气体用于稀释、中和和带走热量。此外，突然产生的热量可用于发出信号或使储能装置中的排气口开始排气。所需要或希望的吸热材料的量通常取决于热隔离材料的其余部分的装置配置、能量密度和热导率。尽管可以使用不同的比率和/或范围，但是考虑了具有76重量％或更多吸热产气材料的吸热材料/系统。
还可以调节吸热产气材料的量以实现所需的产气量，并且类型的选择可以用于设定应该发生吸热产气的温度。在高度隔热的系统中，可能需要较高的温度，而在较不隔热的系统中，可能需要较低的温度来防止相邻电芯的温度达到临界着火温度。满足这些要求的典型无机吸热材料包括但不限于以下吸热材料：
表3
Figure BDA0003579513410000131
如上所述，这些吸热材料通常含有羟基或水合组分，可能与其他碳酸盐或硫酸盐结合。替代材料包括非水合碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐。常见的示例是碳酸氢钠，它在50℃以上分解产生碳酸钠、二氧化碳和水。
在本公开的示例性实施方案中，多芯电化学组件中的果冻卷(jelly roll)或封闭的果冻卷单元位于外壳中，其中单独的果冻卷或封闭的果冻卷单元由外壳材料或外壳材料的组合隔开。市售的封闭式果冻卷单元的实例是18650、183765、26650和其他类型的锂离子电芯，可从Sanyo、Panasonic、Sony、Samsung、LG等公司获得。每个果冻卷或封闭的果冻卷单元被外壳材料部分或全部包围。使用外壳的目的之一是通过在热滥用时延迟果冻卷之间的热传播来增加安全性。外壳的另一个目的是通过吸收由冲击能量、外部穿透、防止结构的振动损坏以及一些机械故障造成的损坏，来机械地保护果冻卷或封闭的果冻卷单元。外壳可以具有不同的配置和形式。它可以包括在块中形成的圆柱形孔，其中单独的果冻卷可以保持在这些圆柱形孔中。它可以是插入果冻卷之间或包裹单独的果冻卷以将它们分开、保持在适当位置并提供机械支撑的板、织物垫或网。外壳材料可以包括或由金属泡沫组成，例如铝泡沫、镍泡沫和不锈钢泡沫。这些泡沫的供应商包括Cymat和ERG。外壳还可以由固体、多孔或微孔陶瓷形成，例如氧化铝、硅酸盐基陶瓷和ZrO2等。这些材料的供应商包括ERG、CeramaTec、Morgan Advanced Materials、Saint Gobain、Zircar和Coors。具体材料包括但不限于以下供应商：材料类型；CeramTec：多孔Al2O3-SiO2复合材料(V 38氧化铝)：96％Al2O3；ZIRCAR CERAMICS：微孔SiO2-SiC复合材料(MICROSIL)：SiO2：85％，SiC：15％；MorganAdvanced Materials：微孔陶瓷(Min-K、BTU-BLOCK和Kaowoo)：Kaowoo：Al2O3-SiO2；Refractory Specialties：微孔陶瓷(MicroCell)：MicroCell S：Al2O3-SiO2 10％-35％，其他55％；Induceramic：多孔陶瓷(TC1250、TC1600和TC1750)：Al2O3-SiO2复合材料(Al2O3，在TC1250中：45％，在TC1600中：72％，并且在TC1750中，96％)。外壳材料可以进一步包括金属和碳材料或由其组成，例如Al、不锈钢、Ni、石墨和碳复合材料。此外，外壳材料可以包括聚合物材料或由其组成，例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯和丙烯共聚物以及特氟隆。
在示例性实施方案中，将至少一种吸热剂结合到外壳材料中以形成复合外壳材料。该吸热剂可以穿过材料定位在材料的孔中或在外壳内部形成的袋中作为复合材料。吸热剂可起到通过化学反应或物理转化从在某一转变温度下具有升高的温度的果冻卷中吸收热量的作用。化学吸热材料的一个示例是碳酸氢钠。当系统温度高于50℃时，碳酸氢钠吸热分解为碳酸钠、二氧化碳和水。
在本公开的进一步示例性实施方案中，将多种吸热材料结合到同一储能装置/锂离子电池中，其中成分吸热材料在不同的温度下开始它们各自的吸热反应。例如，碳酸氢钠可以与Al(OH)3[也称为ATH(三水合铝)]组合以提供根据本公开的双重响应吸热材料/系统。在这样的示例性实施方式中，可以预期碳酸氢钠在略高于50℃时开始吸收能量并放出气体，而ATH直到系统温度达到大约180-200℃时才开始吸收能量并放出气体。因此，根据本公开具体地考虑吸热材料可以是单一材料或吸热材料的混合物。
应注意，有些材料具有多于一个分解温度。例如，上述具有在220-240℃范围内开始的分解温度的水菱镁矿分步分解：首先在约220℃释放结晶水；然后在约330℃通过氢氧根离子分解释放更多的水；然后在约350℃释放二氧化碳。然而，这些分解中的步骤是固定的，并且不允许控制在什么温度下吸收热量和在什么温度下产生气体。
通过使用具有不同分解温度的两种或多种吸热材料的混合物，可以在比单独使用一种材料更宽的温度范围内控制冷却效果。两种或多种吸热材料可以包括一种或多种不产气的吸热材料以及一种或多种产气的材料。
通过使用在不同分解温度下放出气体的两种或更多种吸热材料的混合物，可以在比单独使用一种材料更宽的温度范围内控制气体的产生。因此，所使用的吸热材料的数量和性质可以定制，以给出定制的吸热和气体释放曲线。通过混合不同的吸热材料，对吸热和气体释放曲线的这种定制允许控制温度和压力的演变，以满足使用该材料的设备的设计要求。
隔热体的粘合剂相本质上可以是无机的或有机的，但优选是无机的。粘合剂相的目的是提供足够的结构完整性来组装该装置，在正常操作期间将电芯保持在适当的位置，并且任选地在热事件期间提供机械稳定性。可以改变粘合剂的类型和量，以实现组装和使用中的机械性能所需的期望刚性。允许高柔性隔热材料的粘合剂的一个示例是天然和/或合成乳胶材料。可使用一种或多种淀粉以产生更刚性的结构。也可以使用热固性粘合剂，尤其是当使用高水平微孔率时。对于那些不希望有机粘合剂的应用，则有利地使用无机粘合剂，例如但不限于硅酸钠、硅酸钾、胶体二氧化硅和胶体氧化铝。耐火粘土，例如高岭土，也可以用作粘合剂。这些粘土还含有水，水在高温下以吸热的方式挥发，在所公开的系统中提供进一步的益处。根据所采用的成型工艺，所有无机粘合剂可以以溶液/悬浮液或干燥形式添加到隔热材料中。
应注意，并非所有关于本公开的吸热材料/系统所公开的成分材料都与通常应用的制造路线兼容。为此，特定储能装置/电池的设计要求可以决定必要的和/或希望的制造路线。在为特定应用选择制造方法时，应注意：
a.脆性材料不如在机械滥用期间可以变形而没有裂缝的材料。因此，使所公开的吸热材料/系统的脆性最小化并增加可变形性的制造方法和配方通常是优选的。
b.从不能穿透果冻卷并导致内部短路的角度，与硬材料相比，软材料通常是优选的。另一方面，硬材料可以增加强度，从而可以减轻破碎并保护果冻卷。因此，在制造所公开的吸热材料/系统时优化所述软/硬属性的平衡的制造方法和配方通常是优选的。
c.一旦电芯或模块变形，希望即使在破碎之后吸热保护也尽可能均匀，使得热保护是完好的。因此，提供均匀性的制造方法和配方通常是优选的。
d.如果吸热材料/系统包含水，并且将与对水敏感的储能装置一起使用，则在相关储电装置的正常工作温度下，与吸热材料/系统相关的水的蒸气压理想地较低。
e.包括多个储电装置的装置的不同区域可能需要不同水平的吸热材料，因此可以应用在其范围内具有不同吸热材料浓度的材料。例如，该材料可包括：
·表面区域，其具有比所述材料主体内的区域更高浓度的吸热材料；和/或
·表面区域，其具有比所述材料的不同表面区域更高浓度的吸热材料
举例来说，下面描述了四种示例性的制造方法/配方组合。然而，本公开不限于这些示例性形式。
干压
根据本公开的所公开的吸热材料/系统的一种示例性制造方法是首先将成分干混在一起，然后在高压下将它们压制成所需的初始形状，直到形成微孔结构。如果需要高的生坯强度，则可以在混合步骤中加入干的热固性粘合剂，在这种情况下，在低于吸热材料释放气体的温度但是足够高以固化热固性粘合剂的温度下保持形状。这可以在压制步骤期间亦或之后进行。完成后，可以将所得形状机械加工成规定的设计。下面给出了用于该制造路线的典型配方。
表4
典型的干压成型配方
材料类别 WT.％
陶瓷粉末 0-60wt％
遮光剂 0-30wt％
吸热材料 10-60wt％
干粘合剂 0-10wt％
纤维 3-15wt％
预制件的渗透
在根据本公开的所公开的吸热材料/系统的替代示例性制造方法中，在以下过程中形成产品，在该过程中首先将纤维组分预成型为形状(预制件)，然后用含有剩余成分的悬浮液渗透。
预制件可以使用其他工业常用的真空成型技术(例如纸浆模塑、纸和陶瓷纤维成型)制造。在这些方法中，将纤维组分在液体中的稀释悬浮液(浆料)暴露于筛网，当液体(通常是水)被吸过时浆料成分在筛网上积累。浆料的浓度变化以匹配所使用的方法和纤维性能。有机或无机粘合剂也可以结合到该步骤中。一旦形状(或扁平材料)达到所需的厚度，将其从悬浮液中移出并干燥，直到获得用于允许渗透的足够的处理强度和开放孔隙率。
渗透可以通过将预制件(或扁平材料)浸入本公开的剩余非纤维成分的悬浮液中来实现。在该过程中毛细作用将悬浮液吸入孔隙、置换空气。如果需要，可以通过施加真空或压力来帮助渗透。然后将渗透的部分干燥以除去水。除去水后，粘合剂(如果存在)将硬化。然后，如果需要，可以进一步加工和/或处理所得材料，或者如果合适的话原样使用。
这种制造路线有助于生产具有高吸热材料负载的配方，容易实现80％的负载，并可扩展到更高的负载。表5示出了典型纤维预制件的干成分(当提到液体粘合剂时，这是指液体粘合剂的固化残余物)。
表5
典型的纤维预制件配方(干)
材料类别 WT.％
陶瓷氧化物粉末 -
遮光剂 -
吸热材料 -
干粘合剂 0-10wt％
液体粘合剂 10-40wt％
纤维 50-90％
下表6示出了典型的渗透悬浮液(当提到液体粘合剂时，这是指固化前的液体粘合剂)。
表6
典型的渗透悬浮液
材料类别 WT.％
陶瓷氧化物粉末
遮光剂 0-20wt％
吸热材料 4-85wt％
干粘合剂 0-5wt％
液体粘合剂 0-40wt％
纤维
水 15-45wt％
下面给出了通过这种制造路线生产的本公开所得最终形状的典型组成(当提到液体粘合剂时，这是指液体粘合剂的固化残余物)。
表7
经渗透部分的典型最终配方
材料类别 WT.％
陶瓷氧化物粉末 -
遮光剂 0-16wt％
吸热材料 32-80wt％
干粘合剂 0-5wt％
液体粘合剂 2-40wt％
纤维 10-18wt％
真空成型
渗透技术的一个特征是存在非纤维成分的浓度梯度。浓度在外表面最大并向中心降低。这是由于隔热基体起到了过滤器的作用，并在渗透物向表面进一步行进时限制渗透物。减少不均匀分布的一种方法是在一个步骤中形成具有所有成分的所公开的吸热材料/系统。在该示例性真空成型制造方法中，将所有的成分材料引入初始的稀浆料悬浮液中。然后通过通常应用于纸浆模塑、纸和陶瓷纤维工业中的标准真空成型技术将悬浮液成型为所需的形状(或扁平材料)。然后将得到的部件或纸干燥，并可以直接使用或进一步加工。
这种技术具有产生更均匀形状的优点，但是不太适合生产具有非常高的非纤维成分负载的配方。这是由于成型筛堵塞干扰了悬浮液被拉过的能力。因此，这种技术更适用于薄的产品，如纸，或横截面厚度小于10mm的近净形状。水悬浮液的使用通常排除了热解氧化物的使用，因为这些材料一旦暴露于水就不能产生微孔结构。
下表8示出了排除工艺用水的典型真空成型的成型化学品，其中当提到液体粘合剂时，这是指未固化的液体粘合剂。
表8
典型的真空成型的成型化学品
材料类别 WT.％
陶瓷氧化物粉末 -
遮光剂 0-30wt％
吸热材料 10-85wt％
干粘合剂 0-10wt％
液体粘合剂 3-15wt％
纤维 3-60wt％
可模制产品
根据本公开的吸热材料/系统还可以制成用于形成储能装置/电池组件的可模制材料，而不是制品的形式。可模制版本的制造通常开始于在混合器中湿混合组分，直到充分混合(例如，大约10分钟)。此时可加入生物杀灭剂，以防止储存期间霉菌生长。如果需要，可以包括pH调节剂。一旦混合完成，然后可以将可模制产品在组装前包装到填缝管或桶中用于储存和分配。在组装过程中，可以将可模制材料注射、压制或以其他方式放置到待隔热的区域中，并且将所得组件干燥以去除水。通常，如果使用无机粘合剂，则干燥部分将非常紧密地粘附到非隔热部件上，增加装置的结构完整性。这样的可模制的材料在干燥后几乎不需要或不需要额外的机械加工。
下表9中给出了可模制生产方法的典型配方。由于热解陶瓷氧化物的性质，它们通常不能用水进行湿法处理，因此这种制造方法通常排除将它们结合到本公开的实施方式中。
表9
典型的可模制配方
成分 WT.％
陶瓷氧化物粉末 -
遮光剂 0-15wt％
吸热材料 10-60wt％
粘土粘合剂 0-10wt％
液体粘合剂 5-60wt％
纤维 0-10wt％
添加的液体(例如水) 0-70wt％
应当注意，存在的液体可以包括液体粘合剂和/或还包括添加的液体。添加的液体中可以包括液体粘合剂的固化剂。
其他形式
材料可以是化学和/或机械发泡的泡沫形式。已知泡沫陶瓷用于隔热目的[例如美国专利No.4,596,834]，并且吸热材料可以包括泡沫成分的一部分和/或随后浸渍到泡沫中。类似于可模制组合物的组合物可以是发泡的。
典型的组合物
下面给出了已经证明根据本公开提供有效的吸热性质/功能的示例性组合物。
表10
Figure BDA0003579513410000201
Figure BDA0003579513410000211
成型材料的性质
以上描述指的是形成形状，包括扁平形状例如板和纸。用于本申请的这些形状可以具有特定的形式。例如，该形状可包括：
·具有凹槽的材料主体，该凹槽成型为容纳储能装置/电池或其电芯；
·具有多个凹槽的材料主体，每个凹槽成型为容纳储能装置/电池或其电芯；
·具有两个或多个具有不同吸热材料浓度的区域的材料；
·具有吸热产气材料梯度的材料；
·包括具有比材料主体内的区域更高吸热材料浓度的材料表面区域的材料；
·包括具有比材料的不同表面区域更高吸热材料浓度的材料表面区域的材料。
参考所公开的吸热材料/系统的示例性实施方式，应注意其在能量存储装置/锂离子电池内的定位/位置通常被选择为有助于本文所述的期望的能量吸收/转移功能，而不干扰与这种能量存储装置/锂离子电池相关的基础能量产生和存储。此外，通常希望所公开的吸热材料/系统被定位/放置成允许与具有相关排气功能有效的气体连通，从而允许由本公开的吸热反应产生的气态副产物的迅速且有效的脱气。
在本公开的示例性实施方案中，隔热材料可以采用毯或垫的形式，其被定位成与容纳在支撑构件内的果冻卷组件(特别是果冻卷组件的开口端)接触(或非常接近)。如果/当从一个或多个果冻卷释放时，所公开的毯可以基本上限制与相邻的果冻卷相互作用的热颗粒残余物(例如液体电解质和电解质气体)的量。
所公开的毯可以具有促进轴向气体和流体流过毯但显著减少毯内横向(例如从一侧到另一侧)流动的流动特性的特征。因此，与这样的气体/流体流相关的颗粒被迫通过毯的主体并进入电池系统外壳的共享气氛(或电池系统的单独的分隔区域)。在共享气氛中达到可应用的阈值压力的程度，含颗粒的气体/流体从外壳中排出，如本文所述。
在一个突出的实施方案中，毯可以由陶瓷材料(或类似材料)制成，其具有促进轴向流动通过其中的孔径/结构。陶瓷材料通常在相对高的温度下(例如高于200℃)是稳定的。在本公开的示例性实施方案中，设定所公开的毯的孔径的尺寸，使得(i)捕获较大的热颗粒/碎片，例如较大尺寸的碳化碎片、金属碎片、金属氧化物颗粒和熔化的金属颗粒，以确保那些较大的颗粒/碎片不接触相邻的果冻卷，以及(ii)促进较小的颗粒和气体穿过毯并离开排气口(如果排气口被激活的话)。出于本公开的目的，较小的颗粒是那些将自由通过排气口从而不会在排气口出口内被卡住/堵塞的颗粒。在一个突出的实施方案中，毯可以安装在汇流条下方；然而，毯可以安装在汇流条上方。
尽管用于控制来自电化学单元的气体/流体流动的前述结构被描述为毯，但是应注意，控制气体/流体流动的期望功能可以通过例如以一对一的方式定位在电化学单元附近的多个离散元件来实现。因此，单独的气体/流体流动元件可以定位在单独的果冻卷的开口端附近，以促进从果冻卷排出的气体/流体的轴向/非横向流动——同时捕获较大的颗粒——如上文参考所提出毯所述。以类似的方式，所公开的用于控制气体/流体流动的结构可以被配置/定尺寸为这样的结构，该结构相对于位于外壳内的电化学单元的子集(例如，一行或一列电化学单元)提供流动控制功能。
在示例性实施方案中，隔热材料(包括所公开的毯)可以全部或部分地由隔热矿物材料(例如，
Figure BDA0003579513410000221
材料、
Figure BDA0003579513410000222
材料、Comfort
Figure BDA0003579513410000223
材料和FabrockTM材料(Rockwool Group，Hedehusene，丹麦)；
Figure BDA0003579513410000224
材料，
Figure BDA0003579513410000225
材料(PromatInc.,Tisselt，比利时)和/或来自Morgan Thermal Ceramics(Birkenhead，英国)的钙-镁-硅酸盐羊毛产品)制成。隔热矿物材料可以用作复合材料并且包括纤维和/或粉末基体。矿物基体材料可以选自包括碱土硅酸盐棉、玄武岩纤维、石棉、火山玻璃纤维、玻璃纤维、多孔玻璃及其任意组合的组。矿物材料可以包括粘合材料，尽管这不是必需的。所公开的建筑材料可以是聚合物材料，并且可以选自包括尼龙、聚氯乙烯(“PVC”)、聚乙烯醇(“PVA”)、丙烯酸聚合物及其任意组合的组。矿物材料可以进一步包括阻燃添加剂，尽管这不是必需的，其示例包括三水合氧化铝(“ATH”)。矿物材料可以在多种介质(例如辊、片和板)中产生，并且可以是刚性的或柔性的。例如，该材料可以是压制的且致密的块/板，或者可以是海绵状且可压缩的多根交织的纤维。矿物材料还可以至少部分地与电池系统外壳的内壁相关联，以便在其内部提供隔热体。
为了在封闭空间内保持必要的安全水平，所公开的电池系统的能量容量不能超过本文所述的阈值水平：
·封闭空间的内部可用体积(以升计)必须在位于其中的锂离子电芯的安培小时(Ah)容量的约39±5倍至80±5倍的范围内，该锂离子电池通过如上所述的隔热材料与相邻的锂离子电芯隔热(参见下面曲线图#1中的斜率)。
·用于确定Ah容量的相关锂离子电芯是相对于相邻锂离子电芯隔热的锂离子电芯。因此，如果每个锂离子电芯单独地对于相邻的锂离子电芯隔热，则用于计算封闭空间的必要内部可用体积的Ah容量就是单独的锂离子电芯的Ah容量。相反，如果一组锂离子电芯共同地与相邻的锂离子电芯热隔离，则出于本公开的目的，Ah容量是前述一组锂离子电芯的累积Ah容量。这包括电芯并联和/或串联然后共同隔热的情况。如前所述，根据单个电芯的总容量来描述串联电芯并不是该术语的典型标准用法。
必要的内部可用体积相对于锂离子电芯能量容量的前述关系是基于这样的认识，即安全性与在所涉及的锂离子电芯中热失控期间产生的总气体量有关。因此，如果在“热失控”事件中仅涉及单个锂离子电芯(基于该电芯与相邻电芯的有效隔热)，则仅该电芯的能量容量就允许确定热失控事件产生的气体(基于电芯中存在的电解质)。相反，如果相对于锂离子电芯的子集实施隔热，例如，六个相邻电芯共同地与电池系统中的其他电芯热隔离，则六个电芯的总能量容量将决定由与锂离子电芯的这种子集相关的热失控事件产生的气体(基于存在于六个电芯中的电解质)。
基于在示例性锂离子电池系统的热失控过程中测量的气体组成比率，空气中排出气体的“可燃下限”(LFL)为约7.3％。LFL将根据所考虑的锂离子电池系统而变化，但是代表值7.3％对于描述本公开的电池系统是有用的，并且仅是示例性锂离子电池系统的说明。
当排出气体在空气中的体积比小于LFL的25％时，认为该气体不可燃。为满足不可燃要求，即空气中LFL小于25％，电芯容量和外壳中容纳排气的空隙体积具有如曲线#1所示(如下)的线性关系。根据实验研究，具有1.5g/Ah容量的电解质的量的电芯的空隙空间体积是电芯容量的约39倍。具有2.5g/Ah容量的电解质的量的电芯的空隙空间体积为电芯容量的约65倍。具有3.0g/Ah容量的电解质的量的电芯的空隙空间体积为电芯容量的约78倍。
曲线图#1
Figure BDA0003579513410000241
因此，如本文所述，与电池系统和整体安全性相关的火/爆炸风险可以从两个不同但相关的现象的角度来看：
a)内部火(来自锂离子电芯内部——例如，内部短路、过充或外部短路导致内部发热和起火)，和
b)外部火，其源自电池系统外部的来源。
由外部来源引起的火通常以常规方式解决，例如通过使用洒水器、惰性气体或各种类型的阻燃泡沫。然而，在电池系统内部引发的火更成问题。安全标准中提到了两个主要属性，它们影响系统级别所需的安全控制；
1.传播特性——当一个电芯完全进入热失控时故障传播的方式，以及
2.当一个或多个锂离子电芯被这样的火消耗时产生的可燃气体的量。
值得注意的是，与锂离子电池系统相关的爆炸性气体通常存在于包括氢气、一氧化碳和烃(例如甲烷和丙烷)的混合物中。所有锂离子电池都有类似的电解质，并且失控过程中产生的气体量基本上是失控事件过程中燃烧的电解质(和电池中的一些塑料)总质量的函数。
根据本公开，提供了一种电池系统，其减少产生的易燃(和易爆)气体的量，从而有效地限制失控传播。具体地，本公开通过防止单独的电芯单元传播到系统中的下一个/相邻单元，在系统的最低水平实现了该目标。通过在电芯水平上管理/控制传播，本公开显著减少或潜在地消除了对常规消防技术的需要和/或依赖，例如旨在灭火的洒水系统和/或基于惰性气体的系统。
因此，在本公开的示例性实施方案中，所公开的电池系统包括以下的组合：
·实施隔离每个电芯单元的结构(如本文所述)，使得传播不能被热传递现象驱动；
·实施有效地将可燃气体移离热源的结构，从而禁止/抑制邻近电芯的着火；和
·这样实施的结构，使得在发生可能转化为热失控的情况下，将可燃气体的产生限制在阈值水平以下，从而确保系统不达到可导致二次起火的可燃下限(LFL)限制。
·通过使用风扇或其他装置帮助混合热失控期间喷出的可燃气体，可进一步增强安全性。这避免了可能超过可燃性水平的更浓缩气体的袋。
出于本公开的目的，可燃气体的可燃下限(LFL)是系统内发生着火(例如在锂离子失控期间)所需的气体的最小或阈值百分比。当前的安全标准通常基于封闭空间中可燃气体的浓度来定义安全极限。例如，当前的安全标准将可燃气体的最大浓度设定为外壳(或外壳内可产生的任何封闭袋)内预设的气体混合物的LFL值的百分之二十五(25％)。因此，可以通过成熟的行业方法来衡量LFL。例如，如果外壳内具有可燃气体(或爆炸性气体混合物)，其特征是LFL极限为10％且总气体体积为25L，则外壳中达到可燃极限的空隙体积为250L或更小(不考虑可燃上限)。如果安全标准在25％的LFL处设置了附加的安全窗口，则可燃气体的空隙体积需要≥1000L才满足安全限制，或者换句话说，不能达到足以达到可燃性或引起爆燃爆炸的浓度。
与本公开相关的示例性安全标准是UL9540a测试标准，其考虑了围绕传播和可燃气体测量的实验数据(即可燃气体量和可燃性特性)。根据UL9540a测试标准，将锂离子电芯置于失控状态，测量产生的气体量及其成分(H2、CO、CH4、C2H6等)。然后研究这种混合物的着火特性并确定LFL极限。也可以评估其他因素，例如爆燃排放和爆炸因素，如压力和压力传播速度。然后，可以将建立的LFL极限与电池系统将被定位/容纳的外壳或室的体积进行比较。如果LFL超过外壳/室的体积，则在所述标准下存在起火风险。
UL9540a标准中包含的另一种方法需要测量电芯到电芯或模块到模块的传播。UL9540a标准的这一方面尤其评估了灭火系统用于限制对相邻架的影响以及可能产生的可燃气体总量的用途。
从监管的角度来看，如果AHJ的评估是可以基于外壳/室内的整体考虑来处理外部火(使得整个架不被烧毁)，并且如果AHJ进一步确定可以处理来自内部火的传播(使得相邻的电芯/模块不被点燃)，则在设计/实施可接受的安全缓解系统时，必须只考虑来自单个电芯的气体。相反，如果没有证明着火事件可以被限制到单个电芯，则必须改变安全缓解系统的尺寸以解决该初始电芯的整体级联效应，即，基于所涉及的电芯/模块的数量，所述单元/模块预期可以通过传播而被点燃，直到这样的传播结束或被适用的着火缓解系统停止。
在此背景下并且如上所述，本公开提供一种电池系统，其减少了产生的易燃(和易爆)气体的量，从而有效地限制失控传播的可能性。具体地，所公开的电池系统防止单独的电芯单元传播到系统中的下一个/相邻单元。通过在电芯水平上管理/控制传播，本公开显著减少或潜在地消除了对常规火控制技术的需要和/或依赖，例如旨在灭火的洒水系统和/或基于惰性气体的系统。此外，本公开提供了电池系统，该电池系统被设计成通过将构成电池系统的单独电芯的能量容量缩放到锂离子电池所处的外壳/室的可用空间/体积，来确保LFL水平保持在可接受的限度内。实际上，本公开通过控制以下之间的关系来提供期望的安全水平：(i)可从与锂离子电池相关的单个单元电芯产生的爆炸性气体的体积，(ii)单元电芯传播到相邻电芯/模块的能力，以及(iii)锂离子电池所处的外壳/室的尺寸。通过控制本文公开的上述关系，可以出于安全系统设计的目的限制/降低成本和火缓解的复杂性。值得注意的是，外壳(或相邻电芯之间的隔离材料，例如图24和25中的)可以设计成允许电芯之间的距离变窄，并且只要可燃气体快速分散、充分稀释并且不发生扩散，就可以消除对复杂的火缓解的需要。
电芯尺寸有实际的限制，其受限于失控期间的总能量(最终导致传播)、隔离材料和与外壳体积相关的气体量。因此，根据本公开，可以为安全系统的设计和实施建立锂离子电池的能量容量和外壳尺寸之间的关键关系。此外，通过利用外壳材料的隔热和任何吸热性质，可以进一步限定与电池Ah尺寸相关的距离。
在本公开的示例性实施方案中，提供了一种电池系统，其包括：(i)封闭空间(例如外壳或室)；(ii)位于封闭空间内的多个模块，其中多个模块中的至少一个包括多个锂离子电芯，并且其中多个锂离子电芯包括并排取向的第一锂离子电芯和第二锂离子电芯；和(iii)位于第一锂离子电芯和第二锂离子电芯之间的至少一个热绝缘体，其中至少一个热绝缘体具有至少0.3mm的厚度和小于0.5W/mK的绝缘导热率，其中封闭空间限定了以升测量的内部可用体积，该内部可用体积大于多个锂离子电芯中的一个单独的锂离子电芯的安培小时(Ah)容量的约39±5倍且小于80±5倍。所公开的锂离子电芯可以是容量大于10Ah且小于70Ah的LFP电芯，并且可以设置在开放体积(内部可用)大于390+50L且小于5600±350L的封闭空间中。所述锂离子电芯还可以是容量大于6Ah且小于50Ah的NMC电芯，并且可以设置在开放体积大于240±30L且小于4000±250L的封闭空间中。
所公开的锂离子电芯可以包括排气口，并且这样的排气口可以配备有阻火器。在示例性实施方案中，锂离子电芯的排气口可以在低于约300psi，更有利地低于100psi被激活。所公开的排气口/排气机构可被设计成向与电池系统相关的填充有惰性气体的袋中排气。
转到附图中描述的示例性实施方案，图1示出了容器/外壳设计的一系列故障安全机构(x轴示意性地表示系统内的压力)。P1代表电池正常工作的压力，P2代表应该激活压力断开装置(如果使用的话)的压力，P3代表应该激活排气机构的压力，P4代表当罐/容器密封、终端馈通和/或容器的其他部分开始泄漏时的压力(即容器/外壳的总额定压力)。对于安全操作来说，重要的是这些压力的间隔可以在大规模生产中实现，而没有一个部件的工作压力的生产的正态分布能够进入另一个部件的正态分布区域。
例如，过充电断开装置(即压力断开装置)不会导致电池过早短路(即P2在P1范围内)，因为这过早地使电池不能工作。类似地，如果排气口没有在其他结构开始泄漏之前激活(即，P3在P4范围内)，则不能控制由泄漏(或其他系统故障)导致的排气的方向，这可导致热气或火焰排放到相邻电芯中，从而导致级联故障。
在本文所公开类型的电池系统中建立排气结构时，希望提供一种排气机构，其在非常低的压力(图1中的P3)下运行，而没有在常规使用中由于在划线位置可保持相对高的金属残余物而导致有害故障的风险。P3的这种低压反过来允许使用机械密封的罐/容器，或者可以使用激光焊接来密封罐，因为P4压力也可以降低而没有与P3重叠的风险。因此，可靠地降低P3的能力可以转化为电池系统设计和操作的整体改进。
此外，排气口的面积应该相对大，以允许可靠的开启压力和可控的流动面积，从而允许更快的压力释放并消除电解质的雾化。较大的排气面积通常应产生具有更高安全性的设计。
在仅包括排气机构(即没有压力断开装置)的本公开的示例性实施方案中，排气压力(P3)在约10psig至约140psig的量级，并且容器的结构极限压力(P4)至少比排气压力高约10％。
在包括压力断开装置和排气机构两者的示例性实施方案中，压力断开装置被激活的压力通常取决于锂离子电池的整体设计。然而，激活所公开的压力断开装置的外壳内的阈值压力通常为10psig或更大，并且通常在10-40psig的范围内。在还包括排气机构的实施方案中，激活排气机构以排气(即从外壳释放加压气体)的压力通常比激活压力断开装置的压力大至少5psig。因此，例如，如果压力断开装置设置为在15psig下激活，则在本公开的示例性实施方案中，可以选择独立的排气结构以在20psig下排气。值得注意的是，外壳本身的总额定压力，即外壳可能失效的压力，通常设定为比激活排气结构的压力大至少5psig。因此，在上述示例中(在15psig下激活压力断开装置；在20psig下激活排气结构)，外壳通常设计为承受至少25psig的内部压力。外壳的额定压力对于界面焊缝和其他接头/开口具有特别的重要性，这些接头/开口包括更可能发生故障的密封机制。示例性的压力断开装置将在20psig至50psig下工作，并在60psig至300psig下排气，其中该结构保持>310psig，留下相对于设计压力的制造窗口。
目前存在几种排气口类型的几何形状，通常设计为在规定压力下在限定排气口的划线处失效。直线排气口、“Y”形排气口和径向排气口的主要问题是它们通常不会完全打开，因为裂缝扩展可能不总是选择相同的路径。通常优选圆形排气口，因为它可以快速打开大面积，并且残留的金属翻盖可以快速弯曲到一边，使得可以在不显著增加容器压力的情况下释放气体。最佳排气设计是有效的，因为在排气事件中，可以快速释放所有气体，而不会由于进一步的产气而在罐/容器内累积增加的压力。
例如，对于圆形或基本圆形的排气口，约1 1/2英寸的开口直径可以为本公开的电池提供合适的排气功能，尽管基于特定电池实施的特征/功能可以使用替代的直径开口。对于非圆形排气口，可以有效地使用约0.4cm2至约12cm2的总排气口面积，尽管也可以基于特定电池实施的特征/功能来提供替代的排气口面积。
尽管增加的排气面积限制了与排气事件相关的电解质雾化，但存在回火的风险。这种回火可以点燃在滥用条件(例如内部短路)期间没有失效的电芯内部隔离电极结构的电解质。为了限制这种风险，阻火器可以有利地位于排气口附近，以防止火焰前缘重新进入包含多辊结构的外壳。在本公开的示例性实施方案中，阻火器位于排气口结构的内部，即穿过由划线限定的区域和/或在划线附近，该划线形成/限定排气结构和或启动排气功能。
在单独的果冻卷失效的情况下，产生大量气体(～10升)，这些气体既是热的(～250-300℃)又易燃。发生排气后，这种气体可能在多果冻卷外壳的外部点燃。为了防止和/或减少火焰进入电芯的可能性，可以有利地将网放置/设置在排气区域上，以用作阻火器。该网的作用是将排出气流的温度降低到低于其自燃温度。
由于网用作热交换器，更大的表面积和更小的开口排出更多的热量，但减小网的开口面积会增加排气过程中网上的力。已发现30美国标准目、0.012英寸线径将有效地防止测试的大型锂离子电池的回火。其他网尺寸预计将有效发挥作用，但优选30目，因为它具有一般的供应可获得性和对锂离子电池有效的阻火功能。30目网具有40％的开口面积，这意味着在70psi的排气下，网必须承受70psi*0.6＝42lbf/in2的排气面积的瞬时力。对于合理的排气面积，例如用于锂离子应用的排气面积，由该载荷计算出的网中的应力是适中的。例如，对于直径为2英寸的排气口(大于常规电池容器的侧壁)，排气口处的网中的瞬时应力大致为：
((pi*1in2)*42lbf/in2)/(pi*2in*0.012*0.6*0.7854)＝～3714psi
铜的屈服强度为～20,000psi。
示例性压力断开装置(PDD)实施方式
在本公开的示例性实施方式中，提供了电流中断组件，即压力断开装置，其可以由锂离子电池，特别是多芯锂离子电池的内部压力条件激活。尽管下文描述了示例性压力断开装置和排气机构，但是本发明不限于这些示例性实施方案。相反，对于本领域技术人员显而易见的是，本公开可以用替代设计/操作的压力断开装置和排气机构来实施。
参考图2A-2B，示意性地描绘了包括多个多芯锂离子电化学单元(例如果冻卷)的示例性电池模块。更具体地，图2A-2B的示意图包括三(3)个不同的多芯锂离子电化学单元。尽管在图2A-2B中示意性地描绘了三个多芯锂离子单元，但是本公开不限于包括三个多芯锂离子单元的实施方式。
每个多芯锂离子电化学单元都与压力断开装置(PDD)相关联，并且如图2B示意性所示，第二个单元经历了触发PDD激活的过充电状态(如电路中的“X”示意性所示)。第二个单元的PDD激活导致电芯外部短路，基于熔断的保险丝，电化学单元与整个电路隔离。如下所述，保险丝有利地位于电池外壳的外部，并与负极端子相关联。响应于PDD的激活，电流绕过电池外壳。
转到图3和图4，提供了根据本公开的压力激活的示例性PDD组件10的示意图。PDD组件10包括与锂离子电池外壳(未示出)的盖14相关联的可偏转/可变形圆顶16。盖14有利地由铝制成，尽管在不脱离本公开的精神/范围的情况下可以使用替代材料(例如不锈钢)。可偏转/可变形的圆顶16与盖14相关联。可偏转/可变形圆顶16可由各种材料制成，包括相对于盖14的其余部分横截面减小的铝。因此，可偏转/可变形圆顶16可以与盖14一体形成，或者相对于盖14中限定的开口附接或粘附，例如相对于其焊接。
绝缘层18位于盖14和PDD激活臂20之间。绝缘层18通常延伸到电极区域22中，例如以将直立的铜端子24和汇流条26与盖14电绝缘。保险丝元件28与电极区域22相关联，以完成直立端子24和端子元件25之间的电路。
如图3所示，圆顶16和PDD激活臂20最初相对于彼此隔开，从而防止它们之间的电连通。绝缘层18中的间隙设置在圆顶16附近，从而当电池外壳内达到阈值内部压力时允许圆顶16和PDD激活臂20之间的物理接触和电连通。在示例性实施方案中，PDD激活臂20可以限定与圆顶16的几何形状配合的几何形状，例如从激活臂20的端部区域延伸的蘑菇状旋钮30，以确保它们之间的有效接触。对于本领域技术人员显而易见的是，可以采用替代的协同几何结构。
如图4所示，如果电池外壳内的内部压力超过一定水平，圆顶16将向上偏转，与PDD激活臂20的旋钮30接触，从而完成在汇流条26、直立端子24、保险丝28、端子元件25、激活臂20和盖14之间的电路。该电路的完成超过了保险丝28的容量，保险丝28“熔断”(如图4所示)，从而使与电池相关的所有电流绕过电池的外壳(包括盖)。
可使用Onderdonk方程计算合适的保险丝直径。
I保险丝＝面积*SQRT(LOG((T熔化-T环境)/(234–T环境)+1)/时间*33)
其中
T熔化是电线的熔化温度，以摄氏度为单位
T环境是环境温度，以摄氏度为单位
时间是熔断时间，以秒为单位
I保险丝是熔断电流，以安培为单位
面积是导线面积，以圆密耳为单位(其中“圆密耳”是千分之一英寸(密耳)导线直径的平方)。也就是说，它是直径为0.001英寸的圆的面积。)
假设熔断电流为700安培，应用Onderdonk方程得出以下导线直径结果：
融化时间(s) 1 5 10
铝线面积(mm<sup>2</sup>) 2.62 5.86 8.28
铝线直径(mm) 1.83 2.73 3.25
因此，Onderdonk方程表明，假设熔断电流为700安培，在图3和图4的示例性组件中，直径为2.73mm的铝保险丝对于五(5)秒的熔化时间是有效的。对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以采用替代的保险丝材料/直径，从而增加或减少熔断电流。
转到图5-11，提供了根据本公开的锂离子电池实施方式的示意图。首先参考图5，提供了示例性多芯锂离子电池100的分解图。图5A中提供了示例性锂离子电池的组装图。
电池100包括外罐或外壳102，其限定了用于容纳以下部件的内部区域：
·铝汇流条104，其限定多个(24个)开口(例如圆形开口)；
·外壳或支撑结构106，其限定多个(24个)间隔的基本上圆柱形的区域或空腔，这些区域或空腔被配置和定尺寸为容纳果冻卷/果冻卷套管子组件；
·多个(24个)果冻卷套管108，其被配置和定尺寸为容纳相应的果冻卷，并且定位在由外壳106限定的圆柱形区域内——果冻卷套管108可以由各种材料制成，例如聚合物或金属，并且可以采取聚合物和金属箔层压箔袋的形式；
·多个(24个)果冻卷110，即电化学单元，其被配置和定尺寸为定位在果冻卷外壳108内；
·多个(24个)基本上圆形的果冻卷背衬片111，其定位在汇流条104和果冻卷110之间；
·多个(24个)果冻卷盖112，其被配置和定尺寸为覆盖定位在由外壳106限定的空腔内的果冻卷110；
·铜汇流条114，其限定基本上H形的几何形状，以便与每个果冻卷110实现电连通；
·汇流条绝缘体116，其限定通常对应于汇流条114的几何形状的几何形状，以使汇流条114相对于电池组件的顶盖绝缘；
·多个(6个)防振垫，其定位在汇流条绝缘体116和顶盖之间，以吸收潜在的振动并最小化它们之间的相对运动；
·基本上为矩形的顶盖120，其被配置和定尺寸为与外罐102配合以将前述部件封装在其中；
·多个(24个)钢球122，其定位在顶盖120的外部，以阻塞顶盖120中形成的开口，以促进电解质引入果冻卷；
·一个或多个防振垫124，其定位在外罐102和外壳106的外壁之间，以进一步抑制振动并防止它们之间的移动。
值得注意的是，外罐/外壳102、汇流条104、外壳106和顶盖120的拐角通常在其各自的拐角处成圆角，以最小化尺寸并便于制造/组装。进一步值得注意的是，定位在外壳106内的果冻卷110限定了多芯组件，该多芯组件通常共享外罐102和顶盖120内的顶部空间，但彼此不横向连通。因此，与果冻芯110中的任何一个或多个的操作相关的任何压力和/或温度的累积将遍布共享的顶部空间，并且必要时将通过下文所述的安全设施来解决。然而，与第一果冻卷110相关联的电解质不与相邻的果冻卷110连通，因为从横向角度来看，由外壳106限定的基本上圆柱形区域将果冻卷110彼此隔开。套管108进一步有助于相邻果冻卷110之间的横向电解质隔离。
更进一步，图5-11所示的示例性电池100包括位于相邻果冻卷110之间的隔热材料(未示出)。如本文别处所述，隔热材料以足以防止热失控传播和/或相邻果冻卷着火的水平存在。隔热材料也可以整体或部分地结合在外壳106内(例如，作为其中的复合物和/或分散成分)。
进一步参考图5、5A、6、6A、7、7A、8和8A(统称为图5-8)，与锂离子电池100相关联的示例性安全特征包括排气组件200和压力断开装置(PDD)组件300。根据图5-8的示例性电池100，排气口组件200和PDD组件300的操作部件沿着外罐102的顶壁126安装/定位。然而，在不脱离本公开的精神/范围的情况下，基于本公开，对于本领域技术人员显而易见的是，可以实现排气组件200和/或PDD组件300中的一个或两个的替代定位(整体或部分)。
首先参考排气组件200，注意到外罐或外壳102的顶壁126限定了开口128。阻火器202和排气盘204安装在开口128两侧。通过排气适配环206在阻火器202和排气盘204的区域保持密封。可以采用各种安装机构将排气适配环206固定到顶壁126，例如焊接、粘合、机械安装结构等(包括其组合)。值得注意的是，排气盘204必须相对于顶壁126密封地接合，并且可以原位形成，例如通过划线和/或相对于顶壁126减小的厚度，如本领域中已知的。
如上所述，在单个果冻卷(或多个果冻卷)出现故障的情况下，可以产生大量气体(～10升)，这些气体既是热的(～250-300℃)又易燃。发生排气后，这种气体可能在多个果冻卷外壳外部点燃。为了防止火焰前缘进入外壳，可以提供网作为阻火器202，并且可以有利地放置或定位在排气区域(即开口128)上方。该网的作用是将排出气流的温度降低到低于其自燃温度。由于网用作热交换器，更大的表面积和更小的开口排出更多的热量，但减小网的开口面积会增加排气过程中网上的力。
转到电池100的电气方面，图5和图6的分解图示出了直立的铜端子115，该铜端子115用作所公开的锂离子电池的阳极，并且被配置和定尺寸为向上延伸穿过在外罐或外壳102的顶壁126中形成的另一开口130。直立端子115与外壳102内部的铜汇流条114和汇流条接头117电连通，并延伸穿过汇流条接头绝缘体119，以便暴露在外罐/外壳102的上方和外部。直立铜端子115的上端位于保险丝座302内，保险丝座302可以限定沿着外罐/外壳102的顶壁126安装的基本上矩形的非导电(例如聚合物)结构。直立端子115通过保险丝304与端子接触面121电连通。
保险丝304位于保险丝座302内，并在与直立的铜端子115和端子接触面121电连通的外罐/外壳102的外部。可以提供端子螺钉306以相对于保险丝座302和直立端子115固定保险丝304，并且保险丝元件可以通过保险丝盖308在保险丝座302内电绝缘。
基本上U形的端子310限定间隔开的法兰表面311，法兰表面311与外罐/外壳102的顶壁126电接触并安装接触。外壳102内部的铝汇流条104与外罐/外壳102电连通，从而与端子310建立电连通。对于本领域技术人员显而易见的是，端子310可以采用各种几何形式。端子310通常由铝制成，并用作所公开的锂离子电池的阴极。
因此，阳极端子接触面121和阴极端子310以并排关系定位在外壳102的顶壁126上，并且可用于电连接，从而允许从电池100向所需应用供应能量。
参考示例性PDD组件300，导电圆顶312相对于外罐/外壳102的顶壁126中限定的另一开口132定位。圆顶312最初相对于外罐/外壳102向内弯曲，并由此定位成通过其向外/向上偏转来响应外壳内压力的增加。可以通过通常相对于顶壁126焊接的圆顶适配环314，相对于顶壁126安装圆顶312。在示例性实施方式中，为了便于制造，圆顶适配环314可以预焊接到圆顶312的外周，从而由于圆顶适配环314提供的增加的表面积，有助于与相对于顶壁126安装圆顶312相关的焊接操作。
在图5-8所示的示例性实施方案中，非导电(即绝缘)锤架315定位成与圆顶312的顶面接合，从而将圆顶312与端子接触面121的下侧电绝缘，如下所述。
然而，可以设想，如本文所述，在本公开的替代实施方式中，可以省去不导电锤架315和编织物组件。在示例性的非编织实施方式中，向上/向外偏转圆顶312(基于外罐/外壳102内增加的压力)可以使圆顶312与端子接触面121的下侧直接接触。在选择该方法时，应注意流经圆顶312的电流不会对圆顶312的结构完整性产生负面影响。在这方面，参考图5-8的实施方案描述的锤架/编织物组件实施方式提供了一种示例性的方法，该方法通过将圆顶与端子接触面121的直接接触电隔离，避免和/或最小化圆顶的潜在结构损坏和/或失效。
进一步参考图5和图6，锤架315包括向上的延伸部，该延伸部被配置和定尺寸为穿过限定在导电编织物317中的开口，并卡接到位于编织物317的另一侧上的断开锤320。这样，锤架315和断开锤320相对于编织物317固定并与其一致地移动。编织物317通过编织物夹318相对于编织物基部316安装，并且子组件相对于外罐/外壳102的顶壁126固定，例如通过焊接。值得注意的是，导电编织物317是可延伸的，以便适应圆顶312、锤架315和断开锤320相对于外罐/外壳102的向上运动。
在使用中，响应于由外罐/外壳102和顶盖120限定的组件内的压力累积，圆顶312将相对于外罐/外壳102的顶壁126向上偏转。在充分向上偏转时，即基于与电池100相关联的内部压力达到阈值水平时，断开锤320与端子接触面121的下侧接触，端子接触面121与保险丝座302内的保险丝304电连通。由于编织物317的“拉伸”，允许断开锤320的向上运动。(导电的)断开锤320之间的接触完成了从盖126穿过编织物317、锤头320、端子接触面121、保险丝302和直立端子115的电路。该电路的完成将导致保险丝302“熔断”，由此从位于由外罐102和顶盖120限定的组件内的多芯部件断开电路。电流绕过外罐102。值得注意的是，PDD组件300的所有操作部件——除了可偏转圆顶312之外——有利地位于外罐102和顶盖120的外部。
转到图9，提供了替代示例性多芯锂离子电池400的分解图。图9A中提供了示例性锂离子电池的组装图。图9提供了参考图5-8的实施方案最初描述的排气组件200和PDD组件300的替代位置。更具体地，在图9的实施方案中，排气组件200和PDD组件300位于电池400的顶盖404上。电池400包括外罐402，外罐402限定了用于接收以下部件的内部区域：
·铝汇流条104，其限定多个(24个)开口(例如圆形开口)；
·外壳或支撑结构106，其限定多个(24个)间隔的基本上圆柱形的区域或空腔，这些区域或空腔被配置和定尺寸为容纳果冻卷/果冻卷套管子组件，并且从横向的角度将果冻卷相对于彼此隔开；
·多个(24个)果冻卷套管108，其被配置和定尺寸为容纳相应的果冻卷(即电化学单元)，并且定位在由外壳106限定的圆柱形区域内——果冻卷套管108可以由各种材料制成，例如聚合物或金属，并且可以采取聚合物和金属箔层压箔袋的形式，并且用于通过潜在的侧向流动进一步将与单个果冻卷/电化学单元相关联的电解质与相邻空腔隔离；
·多个(24个)果冻卷/电化学单元110，其被配置和定尺寸为定位在果冻卷外壳108内；
·多个(24个)基本上圆形的果冻卷背衬片(未示出)，其定位在汇流条104和果冻卷110之间；
·多个(24个)果冻卷盖112，其被配置和定尺寸为覆盖定位在外壳106内的果冻卷110；
·铜汇流条410，其限定基本上U形的几何形状，以便与每个果冻卷110实现电连通；
·汇流条绝缘体412，其限定通常对应于汇流条410的几何形状的几何形状，以使汇流条410相对于电池组件的顶盖绝缘；
·多个(6个)防振垫118，其定位在汇流条绝缘体412和顶盖之间，以吸收潜在的振动并最小化它们之间的相对运动；
·基本上为矩形的顶盖或盖子404，其被配置和定尺寸与外罐402配合，以将前述部件封装在其中，并支撑/容纳排气组件200和PDD组件300；
·多个(24个)钢球122，其定位在顶盖404的外部，以阻塞顶盖404中形成的开口，以促进电解质引入果冻卷；
·一个或多个防振垫124，其定位在外罐402和外壳106的外壁之间，以进一步抑制振动并防止它们之间的移动。
值得注意的是，外罐402、汇流条404、外壳106和顶盖404的拐角通常在其各自的拐角处成圆角，以最小化尺寸并便于制造/组装。进一步值得注意的是，定位在外壳106内的果冻卷110限定了多芯组件，该多芯组件通常共享外罐402和顶盖404内的顶部空间，但是从并排的角度来看彼此隔离。因此，与果冻芯110中的任何一个或多个的操作相关联的任何压力和/或温度的累积将遍布共享的顶部空间和/或大气区域，并且必要时将通过下文所述的安全设施来解决。
更进一步，示例性电池400包括位于相邻果冻卷110之间的隔热材料(未示出)。如本文别处所述，隔热材料以足以防止热失控传播和/或相邻果冻卷着火的水平存在。隔热材料也可以整体或部分地结合在外壳106内(例如，作为其中的复合物和/或分散成分)。
进一步参考图9，与所公开的锂离子电池400相关联的安全特征包括排气组件200和压力断开装置(PDD)组件300。根据图9的示例性电池400，排气组件200和PDD组件300的操作部件安装/定位在顶盖404的表面416上或相对于顶盖404的表面416安装/定位。
参考排气组件200，注意到顶盖404的表面416限定了开口418。阻火器202和排气盘204相对于开口418安装，即在这样的开口两侧。阻火器202和排气盘204通过排气适配环206相对于顶盖404的表面416安装。可以采用各种安装机构将排气适配环206固定到表面416，例如焊接、粘合、机械安装结构等(包括其组合)。值得注意的是，排气盘204必须相对于表面416密封地接合，并且可以原位形成，例如通过划线和/或相对于表面416减小的厚度，如本领域中已知的。
如上所述，在单独的果冻卷失效的情况下，可以产生大量气体(～10升)，这些气体既是热的(～250-300℃)又易燃。发生排气后，这种气体可能在多果冻卷外壳的外部点燃。为了防止火焰前缘进入由外罐402和顶盖404限定的内部体积，可以提供网作为阻火器202，并且可以有利地放置/定位在排气区域，即开口418上。有利地，该网的作用是将排出气流的温度降低到低于其自燃温度。由于网用作热交换器，更大的表面积/更小的开口排出更多的热量，但减小网的开口面积会增加排气过程中网上的力。
转到PDD组件300，图9的分解图示出了直立的铜端子115，该铜端子115用作锂离子电池400的阳极，并且被配置和定尺寸为向上延伸穿过在顶盖404的表面416中形成的另一开口420。直立端子115与位于由外罐402和顶盖404限定的内部体积内的铜汇流条410电连通，并延伸穿过汇流条绝缘体412和密封环422，以便暴露在顶盖404的上方。直立铜端子115的上端位于保险丝座406内，保险丝座406可以限定安装在顶盖404的表面416上的半圆形和方形的非导电(例如聚合物)结构。
直立端子115与包括或限定保险丝304和端子接触面305的导电元件313电连通。导电元件313位于保险丝座406内，并且安装在顶盖404的外部。锤头螺钉428将导电元件313相对于保险丝座406固定，并且与导电元件313配合以限定基本上矩形的端子接触表面，如图9A所示。除了暴露的端子接触表面305，导电元件313的导电部分可以通过保险丝盖308在保险丝座406内电绝缘。导电元件313搁置在保险丝座压紧环426上，压紧环426搁置在保险丝座406的暴露面上的空腔中。
进一步参考PDD组件300，导电圆顶312定位在顶盖404的表面416上限定的另一开口414中并相对于该开口安装，例如通过将圆顶312的外围边缘焊接到顶盖404。圆顶312最初相对于顶盖404向内弯曲，并由此定位成通过其向外偏转来响应由外罐402和顶盖404限定的外壳内的压力增加。基于由外罐402和顶盖404限定的组件内的压力积累，即超过阈值压力水平的压力积累，使圆顶312与导电元件313和/或锤头428的下侧直接接触。
在使用中，响应于由外罐402和顶盖404限定的组件内的压力增加，圆顶312将相对于由顶盖404的表面416限定的平面向上偏转。在充分向上偏转时，即基于与电池400相关联的内部压力达到阈值水平时，使圆顶312与导电元件313和/或锤头428的下侧直接接触。与导电元件/锤头428(其为导电的)的接触完成了从顶盖404穿过圆顶312、锤头428、导电元件313、保险丝304和直立端子115的电路。该电路的完成将导致保险丝304“熔断”，由此从位于由外罐402和顶盖404限定的组件内的多芯部件断开电路。电流绕过由外罐402和顶盖404限定的外壳。值得注意的是，除了圆顶312之外，PDD组件300的所有操作部件有利地位于外罐402/顶盖404的外部，并且圆顶312有利地相对于顶盖404中限定的开口418安装。
具有安装法兰311的基本上U形的端子310相对于表面416安装在顶盖404的相对的拐角区域中。端子310通常由铝制成，并用作电池400的阴极。对于本领域技术人员显而易见的是，端子310可以采用各种几何形式。
电池400的多芯设计和组件允许排气组件200和PDD组件300相对于外罐402及其顶盖404灵活定位。因此，如图5-8所示，提供了一种电池设计，其中排气组件和PDD组件都相对于外罐102的顶壁安装，而在图9中，提供了一种电池设计，其中排气组件和PDD组件都相对于顶盖404安装，顶盖404又相对于外罐402安装。通过所公开的锂离子电池的多芯设计至少部分地允许灵活定位，其中电化学单元/果冻卷不是单独密封的，而是打开/未密封的，并与共享的顶部空间/大气区域连通。因此，外壳的整个内部体积经历了内部压力的增加，这可能是由位于其中的电化学单元/果冻卷中的任何一个的故障引起的，并且排气组件/PDD组件可以位于任何方便的位置，只要排气组件/PDD组件能够感测和响应其中的共享气氛中的压力增加。此外，排气组件和PDD组件不需要位于外壳的同一表面上，如下面参照图11和11A所示。
参考图10，提供了另一示例性电池组件500，其基本上类似于参考图9和9A描述的电池组件400。然而，排气组件600不同于参照前面的示例性实施方案描述的排气组件200。
图10A中提供了具有替代排气组件600的示例性锂离子电池的组装图。排气组件600轴向安装于开口602，并位于顶盖404的表面416的下方。图5、6和9中所示的排气适配环206已经被省去；阻火器202和排气盘204通过其他安装方法如焊接、粘合、机械安装结构等(包括其组合)连接在顶盖404的表面416下方。值得注意的是，排气盘204必须相对于表面416密封地接合，并且可以原位形成，例如通过划线和/或相对于表面416减小的厚度，如本领域中已知的。排气组件600的功能与上述排气组件200的功能没有不同。
转到图11和11A，示意性地描述了根据本公开的另一示例性电池700。电池700包括外罐或外壳702，其限定了用于容纳以下部件的内部区域：
·铝汇流条704，其限定多个(24个)开口(例如圆形开口)；
·外壳或支撑结构706，其限定多个(24个)间隔的基本上圆柱形的区域或空腔，这些区域或空腔被配置和定尺寸为容纳果冻卷/果冻卷套管子组件；
·多个(24个)果冻卷套管708，其被配置和定尺寸为容纳相应的果冻卷，并且定位在由外壳706限定的圆柱形区域内——果冻卷套管708可以由各种材料制成，例如聚合物或金属，并且可以采取聚合物和金属箔层压箔袋的形式；
·多个(24个)果冻卷710，即电化学单元，其被配置和定尺寸为定位在果冻卷外壳708内；
·多个(24个)果冻卷盖712，其被配置和定尺寸为覆盖定位在由外壳706限定的空腔内的果冻卷710；
·铜汇流条714，其限定基本上H形的几何形状，以便与每个果冻卷710实现电连通；
·汇流条绝缘体716，其限定通常对应于汇流条714的几何形状的几何形状，以使汇流条714相对于电池组件的顶盖绝缘；
·绝缘带713和715，例如聚酰亚胺带，其在铜汇流条714上方和下方提供进一步的耐热绝缘；
·基本上为矩形的顶盖720，其被配置和定尺寸与外罐702配合以将前述部件封装在其中；
·多个(3个)支撑件或支柱711，其从外壳706延伸，并与顶盖720配合以在其间提供支撑/支柱——支撑件711可以以各种方式相对于顶盖720固定，例如螺纹接合、焊接固定、相对于相应孔的简单过盈配合等；相对于顶盖720的连接点之一以虚线723示出；
·多个(24个)钢球722，其定位在顶盖720的外部，以阻塞顶盖120中形成的开口，以促进电解质引入果冻卷；
·一个或多个防振垫724，其定位在外罐702和外壳706的外壁之间，以进一步抑制振动并防止它们之间的移动。
外罐/外壳702、汇流条704、外壳706和顶盖720的拐角通常在其各自的拐角处成圆角，以最小化尺寸并便于制造/组装。定位在外壳706内的果冻卷710限定了多芯组件，该多芯组件通常共享外罐702和顶盖720内的顶部空间，但彼此不横向连通。因此，与果冻芯710中的任何一个或多个的操作相关联的任何压力和/或温度的累积将遍布共享的顶部空间，并且必要时将通过下文所述的安全设施来解决。然而，与第一果冻卷710相关联的电解质不与相邻的果冻卷710连通，因为从横向的角度来看，由外壳706限定的基本上圆柱形区域将果冻卷710彼此隔开。套管708进一步有助于相邻果冻卷710之间的并排电解质隔离。
更进一步，示例性电池700包括位于相邻果冻卷710之间的隔热材料(未示出)。如本文别处所述，隔热材料以足以防止热失控传播和/或相邻果冻卷着火的水平存在。隔热材料也可以整体或部分地结合在外壳706内(例如，作为其中的复合物和/或分散成分)。
与所公开的锂离子电池700相关联的示例性安全特征包括排气组件800和压力断开装置(PDD)组件900。与参照图5-10描述的示例性电池设计不同，排气组件800和PDD组件900的操作部件不相对于电池外壳的同一外表面安装/定位，例如在电池外罐102的顶壁126上(如图5-8所示)或电池的顶盖404上(如图10所示)，而是部署在电池外壳的不同外表面上。
首先参考排气组件800，顶盖720限定了开口728。阻火器802和排气盘804安装在开口728两侧。在阻火器802和排气盘804的区域中保持密封，例如通过排气适配环(未示出)。可以采用各种安装机构来相对于顶盖720固定与排气组件800相关联的结构，例如焊接、粘合、机械安装结构等(包括其组合)。值得注意的是，排气盘804必须相对于顶盖720密封地接合，并且可以原位形成，例如通过划线和/或相对于顶壁720减小的厚度，如本领域中已知的。
在单个果冻卷(或多个果冻卷)出现故障的情况下，可以产生大量气体(～10升)，这些气体既是热的(～250-300℃)又易燃。发生排气后，这种气体可能在多个果冻卷外壳外部点燃。为了防止火焰前缘进入外壳，可以提供网作为阻火器802，并且可以有利地放置或定位在排气区域(即开口728)上方。该网的作用是将排出气流的温度降低到低于其自燃温度。由于网用作热交换器，更大的表面积和更小的开口排出更多的热量，但减小网的开口面积会增加排气过程中网上的力。
直立的铜端子725用作所公开的锂离子电池的阳极，并且被配置和定尺寸为向上延伸穿过在外罐或外壳702的顶壁726中形成的开口730。直立端子725与外壳702内部的铜汇流条714和汇流条接头717电连通，并延伸穿过汇流条接头绝缘体719，以便暴露在外罐/外壳702的上方和外部。直立铜端子725的上端位于保险丝座902内，保险丝座302可以限定沿着外罐/外壳702的顶壁726安装的基本上矩形的非导电(例如聚合物)结构。直立端子725通过保险丝904与端子接触面721电连通。
保险丝904位于保险丝座902内，并在与直立的铜端子725和端子接触面721电连通的外罐/外壳702的外部。保险丝部件可以通过保险丝盖908在保险丝座902内电绝缘。
基本上U形的端子910限定与外罐/外壳702的顶壁726电接触和安装接触的间隔开的法兰表面911。在示例性实施方案中，端子910定位在保险丝座902的延伸部903的上方，这有助于端子910的定位。在延伸部903中形成的孔内可以容纳常规的O形环905，以抑制保险丝座902相对于顶壁726的潜在振动/运动。在延伸部903中形成的孔907中可以容纳O形环905，使得O形环接合顶壁726的表面，并在保险丝座902和顶壁726之间建立稳定的关系。
外壳702内部的铝汇流条704与外罐/外壳702电连通，从而与端子910建立电连通。对于本领域技术人员显而易见的是，端子910可以采用各种几何形式。端子910通常由铝制成，并用作所公开的锂离子电池700的阴极。因此，阳极端子接触面721和阴极端子910以并排关系定位在外壳702的顶壁726上，并且可用于电连接，从而允许从电池700向所需应用供应能量。
参考示例性PDD组件900，导电圆顶912相对于外罐/外壳702的顶壁726中限定的第二开口732定位。圆顶912限定了在其中心横截面厚度增加的区域。因此，在示例性实施方案中，例如通过焊接或其他粘附方法，将导电膜盘913施加到圆顶912的中心区域，从而增加圆顶912在该中心区域的横截面尺寸。
圆顶912最初相对于外罐/外壳702向内弯曲，并由此定位成通过其向外/向上偏转来响应外壳内压力的增加。圆顶912可以通过圆顶适配环相对于顶壁726安装，该圆顶适配环通常焊接到圆顶912的外缘，然后相对于顶壁726进一步焊接，以相对于顶壁726固定圆顶912的外缘。可以包括密封O形环915，以在保险丝座902和圆顶912之间的界面区域中提供增强的密封。
参考图12A-12C，根据本公开描述了PDD 900(包括示例性的具体的圆顶912和锤头928)的附加特征和功能。锤头928限定了圆周法兰或头部区域930和从其延伸的螺纹柄932。螺纹柄932适于与形成在保险丝座902中限定的孔934中的相应螺纹接合。头部区域930与端子接触面721配合以限定其基本齐平的上表面。驱动零件936限定在头部区域930上，以便于与工具(例如螺丝刀等)相互作用，从而相对于孔932与锤头928螺纹接合。一旦旋入到位，锤头928就相对于圆顶912牢固地保持在所需位置，从而确保当电池外壳内的压力条件激活圆顶912时，圆顶912和锤头928之间可靠且精确的电接触。
在图12A-12C所示的组装状态下，锤头928的远端面938有利地延伸超过保险丝座902的下侧。锤头928的中心轴线(在图12B中显示为虚线“X”)基本上与圆形圆顶912的中心对齐。在图12A的初始位置，圆顶912从锤头928的远端面938向外弯曲。这种相对定向反映了一种状态，其中由罐702和顶盖720界定的体积内的压力在正常操作范围内，即，不在升高的水平，从而激活圆顶912的偏转响应。与根据本公开的锂离子电池的正常操作条件相关的压力将根据许多因素而变化，包括电池的功率/能量容量、位于外壳内的果冻卷/电化学单元的数量、共享气氛区域的体积、电解质的组成(具体包括脱气剂的类型和水平)。
在本公开的典型锂离子电池实施方式中，其中电池容量为30安培小时或更大，正常条件下的操作压力在0至5psig之间。因此，10psig至70psig之间的操作压力可被认为是PDD激活可接受的，尽管在本公开的示例性实施方式中，较低的压力范围，例如10psig至30psig范围内的压力，可被认为是可接受的压力操作范围。本公开的PDD被设计成在电池外壳内的选定压力(或有限的压力范围)下响应，例如20psig±0.1psig等。值得注意的是，可至少部分地选择PDD激活压力以确保电池外壳内的温度不超过可接受的水平，例如，内部温度不超过110℃至120℃。如果允许内部温度超过约110℃至120℃，则可出现重大问题，可能导致果冻卷/电化学单元的内部短路(例如基于隔膜收缩或破裂)和/或热失控。根据本公开，在预定压力阈值下激活所公开的PDD通常有效防止热失控和其他潜在的灾难性故障情况。
具体地，在本公开的示例性实施方案中，当内部压力达到PDD阈值时，圆顶盘弹起以接触锤头，导致正极端子和负极端子之间的短路，这导致保险丝故障。在保险丝故障(即“熔断”)后，连接到外部电路的负极端子与容器中的果冻卷绝缘，负极端子通过外壳和锤头保持连接到正极端子，导致电流直接从负极端子流向外壳，即绕过果冻卷。
在本公开的示例性实施方案中，并且如图13的截面图所示，圆顶912(在添加导电膜盘913之前)可以在其外周(但是在圆周安装法兰942的内部)包括或限定圆周凹槽940。凹槽940有助于圆顶912响应电池外壳内产生的内部压力。
在本公开的示例性实施方案中，圆顶912由铝制成，使得中心区域厚度为大约0.015至0.022英寸(有或没有膜盘913)，圆顶912的直径(不包括安装法兰区域942)为约1.18英寸，凹槽940内部的圆顶912的直径为约1.03英寸，锤头928的远端面938的半径为约0.06至0.08英寸，激活压力为约20至25psig，一旦膜盘913(直径为约0.404英寸)被施加到圆顶912的中心区域(图13中未示出)，从安装法兰942的顶面到圆顶912的以中心点计的距离“D”为约0.115英寸至约0.123英寸。
值得注意的是，如图12A-12C所示，锤头928的远端面938在由保险丝座902的下表面限定的平面下方延伸，从而封闭该远端面938和圆顶912的中心区域之间的间隙。锤头928的远端面938和圆顶912(其上施加有膜盘913)的中心区域之间的初始距离“Y”为约0.063英寸。因此，锤头928相对于保险丝座902的下表面的向下延伸减少了圆顶912与锤头928接触并与其完成电路所需的行进距离。初始间隔距离“Y”将根据PDD设计的细节而变化，PDD设计的细节基于诸如电池内要容纳的工作压力、圆顶912的设计参数和PDD 900被激活时的压力的因素。
根据本发明的一个示例性实施方案，一旦电池外壳内的压力达到或超过预定压力阈值，就开始图12B和图12C中示意性描述的序列。参考圆顶912响应于由外壳和顶盖限定的电池外壳内的升高的压力而进行的翻转过程，圆顶912将相对于锤头928的远端面938向上偏转。如图12B所示，在充分向上偏转时，即基于与电池相关的内部压力达到阈值水平，圆顶912的中心区域与锤头928的远端面938直接物理接触。将圆顶912和锤头放置成初始接触所需的移动距离等于初始间隔距离“Y”。然而，为了确保在锤头928的整个远端面938上的一致的、连续的且大面积的接触，圆顶912被配置和定尺寸为当翻转完成时经历比初始间隔距离“Y”大至少约0.02英寸的最小行进距离，例如如图12C所示。因此，例如在如上所述初始间隔距离“Y”为约0.063英寸的情况下，当完全翻转时，圆顶912的最小行进距离至少为约0.083英寸。因此，该最小行进距离大约为初始间隔距离“Y”的至少约120％至140％。由圆顶912的最小行进距离超过初始间隔距离“Y”事实所建立的“干扰”有助于确保短路模式下的正电连接，其使得电流可靠地绕过电池，并最小化与放电电流相关的不期望的温度升高的可能性。
如图12C所示，圆顶912的完全翻转导致圆顶912围绕锤头928的远端面938变形，从而进一步确保圆顶912相对于锤头928的一致、连续和大面积接触。对本领域技术人员显而易见的是，圆顶912和锤头928之间更完全和可靠的电接触降低了圆顶912烧穿的可能性，以及由于间歇接触导致的电涌/脉冲的不利可能性，间歇接触可能增加电化学单元和/或电解质的温度升高和热失控的可能性。膜盘913的存在或圆顶912的中心区域的其他增厚进一步增强了圆顶912和锤头928之间的一致、连续和大面积的接触。
进一步参考图12A-12C，注意到PDD 900相对于支撑结构706和果冻卷/电化学单元710的物理接近和关系。如图12A-12C中示意性描述的，支撑结构706的侧壁740以限定的方式与保险丝座902的下侧间隔开，从而清楚地建立和保持圆顶712的定位和操作所需的空间。因此，需要最小的空间来容纳圆顶712，从而允许电化学单元710的最大封装密度，而不牺牲PDD操作。圆顶712在其中移动的体积构成了用于定位在支撑结构706中的未密封电化学单元的共享大气区域。由于共享气氛区域和可用于圆顶712的定位和操作的相对大的空间，对于容量为30Ah和更高的电池，所公开的PDD能够在相对低的压力(例如低至10psig)下有效和可靠地操作。
更进一步地，本公开的PDD可设计成在第一压力，例如10至40psig(或更高，取决于电池设计)下激活，排气组件可设计成在比PDD的激活压力高至少5至10psig的第二压力下激活(即压力释放/排气)，并且电池外壳的整体设计(即焊接、密封、接头等)可设计成具有比排气组件的激活压力高至少5至10psig的失效额定压力。以这种方式，可以建立电池设计的安全响应顺序，以最小化与电池设计和操作相关的风险。
从每个所公开的电池系统中显而易见的是，本公开的PDD部件和排气结构基于相对于直接形成在外壳的罐或盖中的孔/开口安装的部件，有利地与电池外壳内的条件相互作用并对电池外壳内的状态作出响应。例如，在图5、6和11中，所公开的圆顶相对于罐本身中形成的开口安装，而在图9和10中，所公开的圆顶相对于盖中形成的开口安装。同样有利的是，在图5和6中，排气口相对于直接形成在罐中的开口安装，而在图9-11中，所公开的排气口相对于盖中形成的开口安装。
不需要中间或附属结构来支撑本公开的PPD和/或排气结构。实际上，根据本公开的实施方案，仅需要一个相对于电池内部的附加开口，即容纳铜端子通过的开口。所公开的电池系统的简单性和制造/组装容易性改善了所公开的电池系统的可制造性和成本参数。更进一步地，PDD和排气组件相对于所公开的电池的罐和/或盖的直接安装进一步增强了所公开的电池的低轮廓。低轮廓是指在提输送例如30Ah或更高的高容量电池系统时，容纳所公开的PDD和排气安全结构/系统所需的减小的体积或空间。
在示例性压力断开装置中减轻相对于圆顶产生的电弧
为了避免当圆顶激活时由于电弧产生而可能产生孔的圆顶盘烧穿的可能性，根据本公开已经开发了两种有利的设计选择：(i)较厚的圆顶盘，以及(ii)在盘上焊接附加的箔。这两个选择可以独立实施，也可以组合实施。
已经证明当施加800A DC电流时，圆顶盘的加厚和在圆顶盘上焊接附加的箔(由此增加圆顶盘区域的质量)可以避免圆顶盘中的烧穿孔。这些测试的结果示于下表1和2中。
表11：施加高DC电流后PDD组件中的圆顶盘
Figure BDA0003579513410000471
Figure BDA0003579513410000481
研究了附加的焊接金属箔的厚度和类型对不同厚度的Al箔和Cu箔焊接在Al圆顶盘上的圆顶盘突开压力的影响。基于这些研究，如表2所示，Al箔厚度或Cu箔厚度对圆顶突开压力没有显著影响。
表12：带有焊接的附加箔的圆顶突开压力
Figure BDA0003579513410000482
当产生电弧时，附加的金属箔可以有利地作为牺牲层，从而保护圆顶盘不被烧穿。此外，与本文公开的选择相关的较大热质量和较低电阻有利地减少了锤和圆顶盘之间接触区域处的局部热量。预期箔越厚和导电性越高，所公开的设计在防止电弧烧穿方面就越有效。
在实施设计以减轻当圆顶激活时(即当所公开的压力断开装置被触发时)烧穿的风险时，应注意可以有利地采用不同材料的选择和使用。例如，表现出较高熔点的材料可以是有利的，因为它们不太容易烧穿。此外，所选材料的导电性可以有利于圆顶触发器的设计和操作，例如，表现出更大导电率的材料将更有效/快速地耗散来自圆顶区域的电流，从而降低烧穿的风险。
实际上，圆顶(或其他PDD触发机构)响应压力断开条件的速度影响设计必须减轻潜在烧穿的程度，即圆顶/触发器响应越快，就越不可能发生烧穿条件(反之亦然)。因此，对于给定的PDD释放压力(例如40psi)，设计为在该压力下响应的圆顶/触发机构可以预期基于其结构材料、几何形状、厚度/质量等以特定速度响应。因此，对于第二PDD释放压力(例如90psi)，设计为在该压力下响应的特定圆顶/触发机构可以预期基于其结构材料、几何形状、厚度/质量等以潜在的不同速度响应。根据本公开，可以选择圆顶/触发机构的设计(例如，基于结构材料、几何形状、厚度/质量等)，以便鉴于PDD响应的预期速度而防止烧穿。
实验结果
1.带有压力断开装置的电池过充测试
a.测试程序
·使用根据图5的设计制造的锂离子电池，将包括24个果冻卷的80Ah电芯充电100％充电状态(SOC)，其中在室温下以16A的恒定电流至4.2V，随后在4.2V下恒压充电，并在电流达到4A时结束。记录电压和容量。
·过充测试：用32A的恒定电流对电芯充电。在电芯的中心放置热电偶。当电池的SOC达到200％时终止充电。
·过充电期间的充电电流、电芯电压和电芯表面温度变化绘制在图14中。
b.结果
·压力断开装置由约4.63V的系统条件激活。
·PDD激活后，充电电流绕过电芯。
·最高电芯表面温度为38℃。除了熔断保险丝之外，电芯没有表现出其他变化。因此，PDD装置有效地起到保护电池免受损坏的作用。
2.压力断开装置组件的测试
图15所示的测试装置用于测试根据本公开的压力断开装置。压力断开装置组件包括压力圆顶(焊接在铝片上)、锤、保险丝和保险丝座。测试夹具有适配器以适配压力圆顶。通过压力圆顶适配器施加预定的压力。锤接触区域边缘附近的压力圆顶上连接热电偶。电流钳连接到组件，并施加900安培的电流。
施加25psi的压力以激活该装置。测试过程中的电流和温度变化绘制在图16中。在压力圆顶激活后大约0.6秒，保险丝熔断。在压力圆顶处测得的最高温度为约86℃。因此，压力断开装置如所期望的那样运行，并且如果如本文所述相对于锂电池安装，将有效地保护电池。
转到图17-19，提供了第一示例性电池系统1000的示意图。电池1002位于拖车1004(即封闭空间)内，拖车1004包括铰接门1006a、1006b。电池1002限定了内部可用体积1008。电池1002位于架上或柜中，并且包括不可见的内部组件/设计特征，尤其包括多个模块，其中多个模块中的至少一个包括多个锂离子电芯，并且其中多个锂离子电芯包括并排取向的第一锂离子电芯和第二锂离子电芯，以及位于第一锂离子电芯和第二锂离子电芯之间的至少一个热绝缘体，其中至少一个热绝缘体具有至少0.3mm的厚度和小于0.5W/mK的绝缘导热率，值得注意的是，选择电池系统1000的能量容量，以确保内部可用体积1008(以升测量)在与电池1002相关联的多个锂离子电芯中的一个单独的锂离子电芯的安培小时(Ah)容量的约39±5倍至80±5倍的范围内。
图20-22描绘了电池系统1100，其包括位于包括铰链门1106的数据室1104(即，封闭空间)内的电池1102。数据室1104限定了了内部可用体积1108。电池1102位于架上或柜中，并且包括不可见的内部组件/设计特征，尤其包括多个模块，其中多个模块中的至少一个包括多个锂离子电芯，并且其中多个锂离子电芯包括并排取向的第一锂离子电芯和第二锂离子电芯，以及位于第一锂离子电芯和第二锂离子电芯之间的至少一个热绝缘体，其中至少一个热绝缘体具有至少0.3mm的厚度和小于0.5W/mK的绝缘导热率，值得注意的是，选择电池系统1100的能量容量，以确保内部可用体积1108(以升测量)在与电池系统1100相关联的多个锂离子电芯中的一个单独的锂离子电芯的安培小时(Ah)容量的约39±5倍至80±5倍的范围内。
参考图23，流程图1200提供了根据本公开的与在封闭空间中部署电池系统相关联的步骤的流程图；如流程图1200所示，根据本公开的示例性实施方式的电池系统部署的操作步骤包括：
·步骤1202：确定与被配置成容纳电池系统的封闭空间相关联的内部可用体积；
·步骤1204：选择用于放置在封闭空间内的电池系统，该电池系统被选择为使得：(i)电池系统尤其包括多个模块，其中多个模块中的至少一个包括多个锂离子电芯，并且其中多个锂离子电芯包括并排取向的第一锂离子电芯和第二锂离子电芯，以及位于第一锂离子电芯和第二锂离子电芯之间的至少一个热绝缘体，其中至少一个热绝缘体具有至少0.3mm的厚度和小于0.5W/mK的绝缘导热率，和(ii)电池系统的能量容量使得内部可用体积(以升测量)在与电池系统相关联的多个锂离子电芯中的一个单独的锂离子电芯的安培小时(Ah)容量的约39±5倍至80±5倍的范围内；以及
·步骤1206：将选择的电池系统放置在封闭空间内。
在本公开的另一个示例性实施方案中，提供了一种电池设计，其解决了模块中的两种主要热传递模式，即通过与相邻电芯接触的传导和通过排出气体的对流。
根据所公开的电池设计，通过与相邻电芯接触的传导可以通过包括尤其是放置在电芯之间的隔热垫来减轻。
关于第二个提到的传热原因，锂离子电芯的排气是易燃和热的。当外壳中的空隙空间不足时，排出的气体含量将高于LFL，这可导致着火或起火。如果火或热排放气体传播到相邻的电芯，这些电芯将发生热失控。因此需要尽可能地防止排放气体到达相邻的电芯。
参考图24，提供了电池模块1300的截面侧视图，其包括多个并排的电芯1302。隔热垫1303位于相邻电芯1302之间，从而最小化它们之间的热传递。当电芯1302经历热失控时，其排气口1304打开。陶瓷杯1305位于排气口1304上方，使得排出气体流过陶瓷杯1306。隔热覆盖层1306放置在每个单独的陶瓷杯1305和在其上横向延伸的排气通道1307之间。排出气体通过通道1307与和相应电芯1302相关联的每个陶瓷杯1305连通。当电芯1302经历排气和热失控时，隔热覆盖层1306将被排出气体吹掉，并且排出气体被引导到气体通过通道1307中。覆盖其他陶瓷杯1305的隔热覆盖层1307防止排出气体通过通道1307中的排出气体回流到模块1300中的其他电芯1302。因此，防止了排出气体到达相邻的电芯。
通常优选的是，排出气体通过通道1307预先填充有惰性气体，例如氮气、二氧化碳等。当排出气体流入气体通过通道1307时，由于没有空气，它不会被点燃。为了能够预填充惰性气体，需要密封排出气体通过通道1307。排出气体通过通道1307和单个陶瓷杯1305之间的密封可以放置在每个隔热覆盖层1306下面。这些密封需要足够弱，以允许排出气体突破这样的密封。此外，排出气体通过通道1307的至少一个端部也被弱密封，以在已经发生来自电芯1302的气体排放的情况下允许排出气体流过其中。排出气体通过通道1307的两端可以被弱密封，以允许排出气体在其两端的潜在释放。
根据示例性实施方案，排出气体通过通道1307可以用于单独的模块，但是也可以由电池组/单元中的多个模块共享。
转到图25，提供了示例性电池模块1400的透视图。模块1400包括并排关系的八(8)个电芯1402。垫1404，例如陶瓷垫，位于相邻电芯1402之间，以最小化其间的热传递。每个电芯1402设置有排气口1406，以允许排出由电池产生的气体，例如在热失控的情况下。相邻电芯1402基于在相邻电芯1402的端子之间连通的汇流条1408而彼此电连通。设置一对模块端板1410，在模块1400的每一端各有一个，并且模块带1412围绕整个模块组件延伸以相对于彼此固定电芯。因此，每个模块带1412围绕两个模块端板1410和并排电芯1402延伸(陶瓷垫1404位于其间)以限定组装的电池模块1400。
尽管已经参照示例性实施方案及其实施方式描述了本公开，但是本公开不限于这样的示例性实施方案或实施方式。相反，本公开可以在不脱离其精神或基本特征的情况下以其他形式实施。因此，本实施方案被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (23)

1.一种电池系统，其包括：
封闭空间；
位于所述封闭空间内的锂离子电池，所述锂离子电池包括多个模块，其中所述多个模块中的至少一个包括多个锂离子电芯，并且其中多个锂离子电芯包括并排取向的第一锂离子电芯和第二锂离子电芯；和
设置于第一锂离子电芯和第二锂离子电芯之间的至少一个热绝缘体，其中所述至少一个热绝缘体具有至少0.3mm的厚度和小于0.5W/mK的绝缘导热率，
其中所述封闭空间限定了以升测量的内部可用体积，所述内部可用体积在第一锂离子电芯的安培小时(Ah)容量的约34倍至85倍的范围内。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个锂离子电芯是磷酸铁锂(LFP)电芯，并且其中每个LFP电芯的容量在10Ah至70Ah的范围内。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述封闭空间的内部可用体积大于340升。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述封闭空间的内部可用体积小于5,950升。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个锂离子电芯是锂镍锰钴氧化物(NMC)电芯，并且其中每个NMC电芯的容量在6Ah至50Ah的范围内。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述封闭空间的内部可用体积大于210升。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述封闭空间的内部可用体积大于3750升。
8.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述锂离子电芯中的每一个都具有压力激活排气口。
9.根据权利要求8所述的电池系统，其中每个压力激活排气口都配备有阻火器。
10.根据权利要求8所述的电池系统，其中所述压力激活排气口在低于约100psi的压力下被激活。
11.根据权利要求8所述的电池系统，其中所述电池被配置成使得当激活时，通过每个压力激活排气口释放的气体被引导至填充有惰性气体的袋或通道。
12.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述至少一个热绝缘体选自本文公开的一种或多种隔热材料。
13.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述至少一个热绝缘体是陶瓷分离结构。
14.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述至少一个热绝缘体是一种或多种公开的吸热材料。
15.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述至少一个热绝缘体包括三水合铝。
16.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述至少一个热绝缘体包括金属氧化物。
17.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述至少一个热绝缘体包括矿物棉。
18.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述至少一个热绝缘体包括硅酸盐基陶瓷材料。
19.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述至少一个热绝缘体的厚度(以mm计)等于或大于以Wh/kg测量的锂离子电芯能量密度的约1％。
20.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述第一锂离子电芯是单独的锂离子电芯。
21.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述第一锂离子电芯是通过至少一个热绝缘体共同地与第二锂离子电芯热隔离的锂离子电芯组或子集。
22.根据权利要求21所述的电池系统，其中用于所述锂离子电芯组或子集的第一锂离子电芯的安培小时容量是包括在所述锂离子电芯组或子集中的锂离子电芯的累积安培小时容量。
23.根据权利要求1所述的电池系统，其进一步包括一个或多个风扇以增强封闭空间内的大气运动。
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