CN115377582A - 电池单体、电池模组、电池包、储能系统及电动汽车 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电池单体、电池模组、电池包、储能系统和电动汽车。电芯包括正极极片、负极极片以及位于正极极片和负极极片之间的至少三层隔膜,处于至少三层隔膜的中间的第一隔膜为导电层,处于正极极片和第一隔膜之间的第二隔膜、以及处于负极极片和第一隔膜之间的第三隔膜为绝缘层,第一隔膜与通信芯片连接;在正极极片刺穿第二隔膜到达第一隔膜,或负极极片刺穿第三隔膜到达第一隔膜时,可能造成电芯内短路,通信芯片可以及时接收到第一隔膜发送的电信号,上报故障信息至电池管理单元,提高了电池使用的安全性。
Description
技术领域
本申请涉及储能器件技术领域,尤其涉及一种电池单体、电池模组、电池包、储能系统及电动汽车。
背景技术
锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长、自放电率低和无记忆效应等特性而被广泛地应用于户用储能、通信基站、数据中心、工商业储能、消费电子和车辆等产品中。然而,锂离子电池的安全事故常见报道,锂离子电池的安全问题严重威胁使用者的生命和财产安全。
电池制造过程中的瑕疵以及使用过程中过充、过放以及大倍率充电等可能造成锂枝晶或铜枝晶,都有可能会刺破电池的隔膜而导致电池的内短路,进而引发热失控的发生;另一方面,电动汽车如发生碰撞事故,可能会导致电池发生机械形变,进而造成内短路,引起电池的起火、爆炸。因此,及时检测到内短路并对电池进行安全处理,进而避免电池的起火、爆炸,对锂离子电池的使用具有重要的现实意义。
发明内容
本申请提供一种电池单体、电池模组、电池包、储能系统及电动汽车,用于及时检测电芯内短路,提高电池使用的安全性。
第一方面,提供了一种电池包,所述电池单体(11)包括壳体、以及位于所述壳体内的电芯(300,700,800)和通信芯片(504),所述电芯(300,700,800)包括正极极片(301,701,801)、负极极片(302,702,802)以及位于所述正极极片(301,701,801)和所述负极极片(302,702,802)之间的三层隔膜(303,703,803),所述至少三层隔膜(303,703,803)包括第一隔膜、第二隔膜和第三隔膜,所述第一隔膜位于所述第二隔膜和所述第三隔膜之间,所述第二隔膜位于所述正极极片(301,701,801)和所述第一隔膜之间,所述第三隔膜位于所述第一隔膜和所述负极极片(302,702,802)之间,其中,所述第一隔膜为导电层,所述第二隔膜和所述第三隔膜为绝缘层,所述第一隔膜与所述通信芯片(504)连接;在所述正极极片(301,701,801)刺穿所述第二隔膜到达所述第一隔膜,使得所述正极极片(301,701,801)与所述第一隔膜之间的电势差下降至小于或等于第一阈值时,或者,在所述负极极片(302,702,802)刺穿所述第三隔膜到达所述第一隔膜,使得所述负极极片(302,702,802)与所述第一隔膜之间的电势差下降至小于或等于第一阈值时,所述通信芯片(504)用于接收到所述第一隔膜发送的第一电信号后,上报第一故障信息至所述电池管理单元。
在该方面中,在正极极片刺穿第二隔膜到达第一隔膜,或负极极片刺穿第三隔膜到达第一隔膜时,可能造成电芯内短路,通信芯片可以及时接收到第一隔膜发送的电信号,上报故障信息至电池管理单元,提高了电池使用的安全性。
示例性地,至少三层隔膜是指有三层或三层以上的隔膜,该三层或三层以上的隔膜中间有一层是导电的隔膜,该三层或三层以上的隔膜中除该层导电的隔膜之外,其余层为绝缘的隔膜。
在一种可能的实现中,所述第一隔膜为以下任意一种:导电聚合物、薄膜碳、导电氧化物、石墨烯。
在又一种可能的实现中,所述导电聚合物为以下至少一种聚合物或至少两种聚合物的共聚物:聚乙炔、聚对苯撑、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吠喃、聚对本硫醚。
在又一种可能的实现中,所述薄膜碳为以下任意一种或多种的混合物:多孔碳纸、碳纤维、石墨烯层、碳纳米管、碳纳米线、活性炭。
在又一种可能的实现中,所述导电氧化物为以下任意一种或多种的混合物:铟锡氧化物、锑锡氧化物、铝锌氧化物。
在又一种可能的实现中,所述第二隔膜或所述第三隔膜为以下任意一种:不导电聚合物、陶瓷隔膜、无纺布、纤维隔膜。
在又一种可能的实现中,所述不导电聚合物为以下至少一种聚合物或至少两种聚合物的共聚物:聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙酸乙烯酯。
在又一种可能的实现中,所述电芯还包括传感器(503),所述传感器(503)被固定于所述正极极片(301,701,801)和/或所述负极极片(302,702,802)表面,所述传感器(503)与所述通信芯片(504)连接;所述传感器(503)用于检测到所述电芯内的温度和/或压力大于或等于第二阈值,向所述通信芯片(504)发送第二电信号;以及所述通信芯片(504)用于接收到所述第二电信号后,上报第二故障信息至所述电池管理单元。
在该实现中,通过在电芯中设置传感器,可以检测电芯内的温度和/或压力是否异常,从而及时地上报故障信息,提高电池使用的安全性。
示例性地,所述正极极片(301,701,801)可以是所述正极极片(301,701,801)和/或所述负极极片(302,702,802)覆载有活性物质的一面;所述负极极片(302,702,802)表面可以是所述负极极片(302,702,802)覆载有活性物质的一面。
示例性地,正极极片(301,701,801)靠近第二隔膜的一面可以覆载有活性物质,和/或正极极片(301,701,801)背离第二隔膜的一面可以覆载有活性物质。若正极极片(301,701,801)靠近第二隔膜的一面覆载有活性物质,则传感器(503)被固定于正极极片(301,701,801)靠近第二隔膜的一面;若正极极片(301,701,801)背离第二隔膜的一面覆载有活性物质,则传感器(503)被固定于正极极片(301,701,801)背离第二隔膜的一面。
示例性地,负极极片(302,702,802)靠近第三隔膜的一面可以覆载有活性物质,和/或负极极片(302,702,802)背离第三隔膜的一面可以覆载有活性物质。若负极极片(302,702,802)靠近第三隔膜的一面覆载有活性物质,则传感器(503)被固定于负极极片(302,702,802)靠近第三隔膜的一面;若负极极片(302,702,802)背离第三隔膜的一面覆载有活性物质,则传感器(503)被固定于负极极片(302,702,802)背离第三隔膜的一面。
示例性地,在正极极片(301,701,801)和/或负极极片(302,702,802)上固定传感器的位置不涂覆上述活性物质。
在又一种可能的实现中,所述传感器(503)为薄膜型传感器。
在又一种可能的实现中,所述传感器(503)粘合到所述正极极片(301,701,801)和/或所述负极极片(302,702,802)表面,或所述传感器(503)通过磁控溅射到所述正极极片(301,701,801)和/或所述负极极片(302,702,802)表面。
在该实现中,传感器被固定于正极极片和/或负极极片表面,对电芯的大体结构、尺寸和厚度没有造成破坏,使得含内置传感器的电芯可保持正常电芯的倍率、循环等性能。
在又一种可能的实现中,所述传感器(503)嵌合在所述正极极片(301,701,801)和/或所述负极极片(302,702,802)表面。
在该实现中,传感器可以嵌合在正极极片和/或负极极片表面,实现简单。
在又一种可能的实现中,所述传感器(503)被固定于所述正极极片(301,701,801)和/或所述负极极片(302,702,802)表面的边缘位置或中间位置。
示例性地,如果所述传感器(503)被固定于一个正极极片、负极极片或者多个正极极片、负极极片表面的中间位置,则该传感器(503)在纵轴方向的尺寸应小于正极极片和/或负极极片表面在纵轴方向的尺寸。
如果所述传感器(503)被固定于一个正极极片、负极极片或者多个正极极片、负极极片表面的边缘位置,则该传感器(503)在纵轴方向的尺寸可以小于或等于正极极片和/或负极极片表面在纵轴方向的尺寸。
在又一种可能的实现中,所述电芯由至少一个所述正极极片(301,701,801)、至少一个所述负极极片(302,702,802)和所述至少三层隔膜(303,703,803)堆叠而成。
在又一种可能的实现中,所述电芯由所述正极极片(301,701,801)、所述负极极片(302,702,802)和至少三层隔膜(303,703,803)卷绕而成。
示例性地,卷绕电芯的形状可以是方形、圆形等。
示例性地,上述堆叠或卷绕而成的裸电芯经烘烤、注液、静置、化成、老化、密封、容量测试,完成含内置传感器锂离子电池的制备。
第二方面,提供了一种电池模组,所述电池模组(1)包括电池管理单元和多个如第一方面或第一方面的任一种实现所述的电池单体(11),多个所述电池单体(11)之间串联/并联联接。
示例性地,多个所述电池单体(11)之间可以是串联连接,或多个所述电池单体(11)之间可以是并联连接,或多个所述电池单体(11)之间可以先串联连接,再并联连接,或多个所述电池单体(11)之间可以先并联连接,再串联连接。
第三方面,提供了一种电池包,所述电池包包括多个电池模组(1),所述多个电池模组(1)中的每个电池模组(1)包括电池管理单元和多个如第一方面或第一方面的任一种实现所述的电池单体(11),多个所述电池单体(11)之间串联/并联连接。
第四方面,提供了一种储能系统,包括转换器以及至少一个如第三方面所述的电池包,所述转换器与所述电池包连接,且用于对输入至所述电池包的电流或者自所述电池包输出的电流进行转换。
第五方面,提供了一种电动汽车,包括电机、车轮以及与所述电机电连接的如第四方面所述的储能系统,所述储能系统用于给所述电机提供电能。
附图说明
图1为本申请实施例提供的电池包中的电池模组的结构示意图;
图2为现有的电池单体的主剖视图;
图3为本申请实施例提供的一种叠片电池裸电芯制作示意图;
图4为本申请实施例提供的一种三层隔膜的示意图;
图5为本申请实施例提供的一种电芯的结构示意图;
图6为本申请实施例提供的一种薄膜型传感器的结构示意图;
图7为本申请实施例提供的一种包含传感器的叠片电池裸电芯制作示意图;
图8为本申请实施例提供的一种包含传感器的卷绕电池裸电芯制作示意图。
附图标记:
300:电芯;301:正极极片;302:负极极片;303:三层隔膜;3011:正极极耳;3021:负极极耳;501:壳体;502:电芯;503:传感器;504:通信芯片;5011:负极极柱;5012:正极极柱;5021:负极极耳;5022:正极极耳;505:电池管理单元;700:电芯;701:正极极片;702:负极极片;703:至少三层隔膜;704a、704b、704c:用于固定传感器的位置;800:电芯;801:正极极片;802:负极极片;803:至少三层隔膜;804a、804b、804c:用于固定传感器的位置。
具体实施方式
近些年来,随着人们生活水平的提高及环境保护意识的增强,人们都意识到能源是一个很值得关注的问题。出于能源和环境的考虑,电动汽车在各国政府和汽车制造商的推动下得到了快速的发展。其中,纯电动汽车以其真正实现“零排放”而称为电动汽车的重要发展方向。锂离子电池凭借其优良的性能成为新一代电动汽车的理想动力源,它具有重量轻、储能大、功率大、无污染、也无二次污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛,是电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动大货车等较为理想的车用蓄电池。
锂离子电池作为一种化学储能部件,正极是含锂化合物,负极是可嵌锂石墨,它们都浸没在含锂的有机溶剂中。在存储和使用过程中,正极与电解液、负极与电解液会不断地发生副反应,产生气体,其中,副反应是相对于电池工作所需的正极与电解液、负极与电解液的正常反应而言的;同时锂离子电池各组分很容易与水发生反应而变质,所以锂离子电池内部是一个隔绝水分的密闭腔体。因此随着锂离子电池内部气体的不断积累,导致锂离子电池内部界面、容纳锂离子电极的腔体发生形变,最终可能导致锂离子电池腔体发生破裂。为缓解锂离子电池腔体变形引发的问题,可以在锂离子电池表面设置一个泄压口,行业统称防爆阀。当锂离子电池内部压力达到阈值后,防爆阀被启动,在腔体表面制造一条裂缝,释放出腔体内的气体,降低锂离子电池腔体炸裂的风险。
防爆阀开启这一动作一般发生在锂离子电池寿命末期或电池内部异常反应产生时。防爆阀开启后,锂离子电池的电解液会与外界环境中的水发生反应,电解液变质该过程还伴随着发热。因此防爆阀开启后,锂离子电池存在一定的安全隐患,需要对锂离子电池防爆阀开启动作进行监控。
以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。虽然本申请的描述将结合较佳实施例一起介绍,但这并不代表此申请的特征仅限于该实施方式。恰恰相反,结合实施方式作申请介绍的目的是为了覆盖基于本申请的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提高对本申请的深度了解,以下描述中将包含许多具体的细节。本申请也可以不使用这些细节实施。此外,为了避免混乱或模糊本申请的重点,有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下,如果有用到,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。“上”、“下”、“左”、“右”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的,应当理解到,这些方向性术语是相对的概念,它们用于相对于的描述和澄清,其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
在本申请中,一结构大致呈某一形状,指从宏观看该结构总体呈现该形状,并在局部可能具有调整。如大致呈方形,可以理解为其中一边为弧形而非直线的形状也包括在范围内。一特征与另一特征大致同轴,可以理解为两特征的轴线之间的距离不超过任一特征在垂直于轴线的尺寸的20%。
在本申请中,如果有用到,除非另有明确的规定和限定,术语“连接”应做广义理解,例如,“连接”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以说直接相连,也可以通过中间媒介间接连接。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在下述实施例结合示意图进行详细描述时,为便于说明,表示器件局部结构的图会不依一般比例作局部放大,而且该示意图只是示例,其在此不应限制本申请保护的范围。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示,为本申请实施例提供的电池包中的电池模组的结构示意图,该电池包包括:多个电池模组。其中,多个电池模组中的每个电池模组1包括电池单体11。该多个电池单体11的形状可以相同。多个电池单体11间可以采用串联或并联联接,电池模组1中的电池单体11可以采用叠层排布,如依次堆叠。进一步地,电池单体11两侧还可以放置侧板使电池单体11排布整齐,并保证电池单体11堆放方向的模组机械强度。电池单体11的底部可以放置底板,以起到支撑电池单体11的作用,并且电池单体11的底部上还可以安装有电池模组固定装置,使得至少一个电池模组1固定在该底板上,电池模组1的端板上施加预紧力将电池压紧,并维持预紧力与侧板、底板联接。联接方式可采用铆接、焊接等方式。电池模组1最上部是顶盖板,将模组连接线密封。
至少一个电池单体11上还可以设置有防爆阀111。在电池单体11的存储和使用过程中,正极与电解液、负极与电解液会不断地发生副反应,产生气体。因此随着电池单体11内部气体的不断积累,当电池单体11内部压力达到阈值后,防爆阀111被启动,在腔体表面制造一条裂缝,释放出腔体内的气体,以降低电池腔体炸裂的风险。
该电池包还包括电池管理单元(battery management unit,BMU)(图中未示出),又可以称为电池保姆或电池管家。BMU用于对电池包的多个电池模组1进行管理,防止电池单体11出现过充电和过放电,延长电池单体11的使用寿命,监控电池单体11的状态。
本实施例中,上述电池单体11可以是锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池及镍氢电池等。
如图2所示,为现有的电池单体的主剖视图,电池单体11包括壳体112、电极组件113,还可以包括顶盖组件114。
其中,壳体112可具有六面体形状或其他形状,本申请对壳体112的形状不作限制。且每个电池单体11的壳体112的形状可以相同或不同。壳体112具有容纳电极组件113和电解液的内部空间。壳体112可以由例如铝、铝合金或塑料等材料制造。
电极组件113可通过将正极极片、负极极片以及隔膜一同围绕卷绕轴线螺旋卷绕而形成,其中,隔膜是介于正极极片和负极极片之间的绝缘体。电极组件113与电解液反应后将电能输出。
顶盖组件114覆盖在上述壳体112的开口。
然而,电池制造过程中的瑕疵以及使用过程中过充、过放以及大倍率充电等可能造成锂枝晶或铜枝晶,都有可能会刺破电池的隔膜而导致电池的内短路(正极极片与负极极片相互接触),进而引发热失控的发生;另一方面,电动汽车如发生碰撞事故,可能会导致电池发生机械形变,进而造成内短路,引起电池的起火、爆炸。因此,及时检测到内短路并对电池进行安全处理,进而避免电池的起火、爆炸,对锂离子电池的使用具有重要的现实意义。
本申请提供了一种电池单体、电池模组、电池包、储能系统和电动汽车。该电池单体包括壳体、以及位于壳体内的电芯和通信芯片,电芯包括正极极片、负极极片以及位于正极极片和负极极片之间的至少三层隔膜,处于至少三层隔膜的中间的第一隔膜为导电层,连接正极极片的第二隔膜和连接负极极片的第三隔膜为绝缘层,第一隔膜与通信芯片连接;在正极极片刺穿第二隔膜到达第一隔膜,或负极极片刺穿第三隔膜到达第一隔膜时,通信芯片用于接收到第一隔膜发送的第一电信号后,上报第一故障信息至电池管理单元。采用本申请的方案,在正极极片刺穿第二隔膜到达第一隔膜,或负极极片刺穿第三隔膜到达第一隔膜时,可能造成电芯内短路,通信芯片可以及时接收到第一隔膜发送的电信号,上报故障信息至电池管理单元,提高了电池使用的安全性。
如图3所示,为本申请实施例提供的一种叠片电池裸电芯制作示意图,电池单体包括壳体(图中未示出)、以及位于壳体内的电芯300和通信芯片(图中未示出),电芯300包括正极极片301、负极极片302以及位于正极极片301和负极极片302之间的至少三层隔膜303。至少三层隔膜303包括第一隔膜、第二隔膜和第三隔膜。其中,第一隔膜位于第二隔膜和第三隔膜之间,第二隔膜位于正极极片301和第一隔膜之间,第三隔膜位于第一隔膜和负极极片302之间。其中,第一隔膜为导电层,第二隔膜和第三隔膜为绝缘层,第一隔膜与通信芯片连接。
电芯300可以是上述电极组件113。
示例性地,至少三层隔膜303是指有三层或三层以上的隔膜,该三层或三层以上的隔膜中间有一层是导电的隔膜,该三层或三层以上的隔膜中除该层导电的隔膜之外,其余层为绝缘的隔膜。
正极极片301或负极极片302存在毛刺、金属颗粒,或电池发生机械形变,在正极极片301刺穿第二隔膜到达第一隔膜,使得正极极片301与第一隔膜之间的电势差下降至小于或等于第一阈值;或负极极片302刺穿第三隔膜到达第一隔膜,使得负极极片302与第一隔膜之间的电势差下降至小于或等于第一阈值时,则可能造成电芯内短路(正极极片301刺穿第二隔膜到达第一隔膜后,可能进一步刺穿第三隔膜,与负极极片302接触,造成内短路;或者负极极片302刺穿第三隔膜到达第一隔膜后,可能进一步刺穿第二隔膜,与正极极片301接触,造成内短路)。该第一隔膜在检测到正极极片301与第一隔膜之间的电势差下降至小于或等于第一阈值,或负极极片302与第一隔膜之间的电势差下降至小于或等于第一阈值时,向通信芯片发送电信号。通信芯片用于接收到第一隔膜发送的电信号后,上报第一故障信息至电池管理单元。从而,电池管理单元可以及时地获知电芯故障,对电池进行安全处理,进而避免电池的起火、爆炸,提高了电池使用的安全性。
上述至少三层隔膜303可以包括第一隔膜、第二隔膜和第三隔膜。其中,第一隔膜为导电层,第二隔膜和第三隔膜为绝缘层。第一隔膜位于第二隔膜与第三隔膜之间,第二隔膜位于正极极片301与第一隔膜之间,第三隔膜位于第一隔膜与负极极片302之间。
正极极片301存在毛刺、金属颗粒,或电池发生机械形变,正极极片301刺穿第二隔膜到达第一隔膜,使得正极极片301与第一隔膜之间的电势差下降至小于或等于第一阈值,通信芯片用于接收到第一隔膜发送的第一电信号后,上报第一故障信息至电池管理单元。
负极极片302存在毛刺、金属颗粒,或电池发生机械形变,负极极片302刺穿第三隔膜到达第一隔膜,使得负极极片302与第一隔膜之间的电势差下降至小于或等于第一阈值,通信芯片用于接收到第一隔膜发送的第一电信号后,上报第一故障信息至电池管理单元。
上述第一阈值可以是根据经验、实验等获得的,例如第一阈值是0V。
示例性地,第二隔膜位于正极极片301与第一隔膜之间,正极极片301刺穿第二隔膜到达第一隔膜,使得正极极片301与第一隔膜之间的电势差快速下降至0V,造成电芯内短路。通信芯片用于接收到第一隔膜发送的第一电信号后,上报第一故障信息至电池管理单元。
示例性地,第三隔膜位于负极极片302与第一隔膜之间,负极极片302刺穿第三隔膜到达第一隔膜,使得负极极片302与第一隔膜之间的电势差快速下降至0V,造成电芯内短路。通信芯片用于接收到第一隔膜发送的第一电信号后,上报第一故障信息至电池管理单元。
示例性地,上述电芯300和通信芯片封装在壳体内。
电芯300中的正极极片301具有正极极耳3011,以及负极极片302具有负极极耳3021。壳体上设置有正极极柱和负极极柱。正极极片301上的正极极耳3011与壳体上的正极极柱连接,负极极片302上的负极极耳3021与壳体上的负极极柱连接。
示例性地,上述正极极片301、至少三层隔膜303和负极极片302可以交替叠加或卷绕成电芯。
上述实施例中的通信芯片集成于电芯内部,可利用电池供电,可以实时监控正极极片与第一隔膜之间的电位,和/或负极极片与第一隔膜之间的电位,一旦发生内短路或监控到内部状态裱花,该通信芯片可以快速将故障上传给电池管理单元。
其中,上述第一隔膜为以下任意一种:导电聚合物、薄膜碳、导电氧化物、石墨烯。以上仅为示例,本申请实施例对第一隔膜的材料不作限制。
上述导电聚合物为以下至少一种聚合物或至少两种聚合物的共聚物:聚乙炔、聚对苯撑、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吠喃、聚对本硫醚。以上仅为示例,本申请实施例对导电聚合物的材料不作限制。
上述薄膜碳为以下任意一种或多种的混合物:多孔碳纸、碳纤维、石墨烯层、碳纳米管、碳纳米线、活性炭。以上仅为示例,本申请实施例对薄膜碳的材料不作限制。
上述导电氧化物为以下任意一种或多种的混合物:铟锡氧化物、锑锡氧化物、铝锌氧化物。以上仅为示例,本申请实施例对导电氧化物的材料不作限制。
第二隔膜或第三隔膜为以下任意一种:不导电聚合物、陶瓷隔膜、无纺布、纤维隔膜。以上仅为示例,本申请实施例对第二隔膜、第三隔膜的材料不作限制。
上述不导电聚合物为以下至少一种聚合物或至少两种聚合物的共聚物:聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙酸乙烯酯。以上仅为示例,本申请实施例对不导电聚合物的材料不作限制。
如图4所示,为本申请实施例提供的一种三层隔膜的示意图,第一隔膜为导电聚合物,第二隔膜和第三隔膜均为不导电聚合物。上述隔膜的三层结构均是多孔保证的锂离子迁移。第一、三层不导电聚合物保证隔绝电子,具有正常隔膜的功能。
另外,电池单体内部的压力、温度超出正常值,也可能引起电池的起火、爆炸等,因此,实时监控电池单体内部的压力、温度是十分重要的。
如图5所示,为本申请实施例提供的一种电芯的结构示意图,电池单体包括壳体501、以及位于壳体501内的电芯502和通信芯片504。该电芯502包括正极极片、负极极片以及位于正极极片和负极极片之间的至少三层隔膜。该电芯502还包括传感器503。传感器503可以被固定于正极极片和/或负极极片表面。传感器503与通信芯片504可以有线或无线连接。
示例性地,正极极片表面可以是正极极片覆载有活性物质的一面;负极极片表面可以是负极极片覆载有活性物质的一面。
示例性地,正极极片靠近第二隔膜的一面可以覆载有活性物质,和/或正极极片背离第二隔膜的一面可以覆载有活性物质。若正极极片靠近第二隔膜的一面覆载有活性物质,则传感器503被固定于正极极片靠近第二隔膜的一面;若正极极片背离第二隔膜的一面覆载有活性物质,则传感器503被固定于正极极片背离第二隔膜的一面。
示例性地,负极极片靠近第三隔膜的一面可以覆载有活性物质,和/或负极极片背离第三隔膜的一面可以覆载有活性物质。若负极极片靠近第三隔膜的一面覆载有活性物质,则传感器503被固定于负极极片靠近第三隔膜的一面;若负极极片背离第三隔膜的一面覆载有活性物质,则传感器503被固定于负极极片背离第三隔膜的一面。
示例性地,在正极极片和/或负极极片上固定传感器的位置不涂覆上述活性物质。
传感器503用于检测到电芯内的温度和/或压力大于或等于第二阈值,向通信芯片504发送第二电信号。
该第二阈值可以是根据经验或实验数据得到的。
通信芯片504用于接收到第二电信号后,上报第二故障信息至电池管理单元505。
示例性地,电池管理单元505可以根据第二电信号,确定电池的管理策略。
在图5中,电芯502中的正极极片的正极极耳5022与壳体501上的正极极柱5012连接,以及电芯502中的负极极片的负极极耳5021与壳体501上的负极极柱5011连接。
上述传感器503可以是一个集成的传感器,例如温度压力传感器;也可以是独立的温度传感器和压力传感器两个传感器。
上述传感器503可以是薄膜型传感器。如图6所示,为本申请实施例提供的一种薄膜型传感器的结构示意图。薄膜型传感器很薄,质轻,可以无源工作,可以用于探测细微的信号。该薄膜型传感器位于电芯502内部,可以准确地测量电芯内部的参数,如压力、温度等。且薄膜型传感器由于其厚度极薄,对电芯的大体结构、尺寸、厚度没有造成破坏,因此,含内置传感器的电芯可保持正常电芯的倍率、循环等性能。
上述实施例中的通信芯片集成于电芯内部,可利用电池供电。具体地,该通信芯片包括供电控制电路,该供电控制电路用于接通或断开传感器503的供电。
该通信芯片可以实时监控到电池内部的温度和/或压力,一旦温度和/或压力超出第二阈值,可以及时将故障上报给电池管理单元。
示例性地,该通信芯片可以包括处理器和收发装置,该处理器与收发装置耦合,处理器用于执行计算机程序或指令,以控制收发装置进行信息的接收和发送;当处理器执行计算机程序或指令时,处理器还用于通过逻辑电路或执行代码指令实现通信方法。其中,收发装置可以为收发器、收发电路或输入输出接口,用于接收来自通信芯片之外的其它器件的信号并传输至处理器或将来自处理器的信号发送给通信芯片之外的其它器件。该收发装置可以为收发电路或输入输出接口。
示例性地,该通信芯片可以包括至少一个处理器和接口,该至少一个处理器通过接口与存储器耦合,当该至少一个处理器运行存储器中的计算机程序或指令时,使得该通信芯片执行通信方法。可选的,该通信芯片可以由芯片构成,也可以包含芯片和其他分立器件,本申请实施例对此不作具体限定。
在通信芯片中,用于发送的单元可以是输出单元,比如输出电路或者通信接口;用于接收的单元可以是输入单元,比如输入电路或者通信接口。
在制作电芯时,在一个实现中,传感器503可以通过粘结剂粘合到正极极片表面,或者通过粘结剂粘合到负极极片表面。
在另一个实现中,传感器503可以通过磁控溅射到正极极片表面,或者也可以通过磁控溅射到负极极片表面。其中,磁控溅射是物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料,且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。磁控溅射法实现了高速、低温、低损伤。因为是在低气压下进行高速溅射,必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场,利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。
在又一个实现中,传感器503也可以嵌合在正极极片表面,和/或传感器503也可以嵌合在负极极片表面。该种方式实现简单。
电芯的制作方式包括:堆叠和卷绕。
如图7所示,为本申请实施例提供的一种包含传感器的叠片电池裸电芯制作示意图,上述电芯700可以是由至少一个正极极片701、至少一个负极极片702和至少三层隔膜703堆叠而成。具体地,可以是一个正极极片701、至少三层隔膜703、一个负极极片702、另一个正极极片701、至少三层隔膜703、另一个负极极片702等等如此循环堆叠而成电芯700。
上述传感器可以被固定在电芯700中的一个正极极片701、负极极片702或者多个正极极片701、负极极片702表面的边缘位置704a、704b(如图7所示的上面的图、中间的图)或者中间位置704c(如图7所示的下面的图)。具体地,可以将薄膜型传感器嵌合在正极极片701或负极极片702表面,或直接涂覆、磁控溅射到正极极片701或负极极片702表面,然后正极极片701、至少三层隔膜703、负极极片702一层一层堆叠制备三电极裸电芯。将裸电芯封装于电池壳体内,经烘烤、注液、静置、化成、老化、密封、容量测试,完成具备故障识别功能锂离子电池的制备。
需要说明的是,如果上述传感器被固定于一个正极极片701、负极极片702或者多个正极极片701、负极极片702表面的中间位置704c,则该传感器在纵轴方向的尺寸应小于正极极片和/或负极极片表面在纵轴方向的尺寸。
如果上述传感器被固定于一个正极极片701、负极极片702或者多个正极极片701、负极极片702表面的边缘位置704a、704b,则该传感器在纵轴方向的尺寸可以小于或等于正极极片和/或负极极片表面在纵轴方向的尺寸。
该电池中的正极极片刺穿第二隔膜或负极极片刺穿第三隔膜到达第一隔膜,可能造成电芯内短路,通信芯片可以及时接收到第一隔膜发送的电信号,上报故障信息至电池管理单元,提高了电池使用的安全性。
另外,通过在电芯中设置传感器,可以检测电芯内的温度和/或压力是否异常,从而及时地上报故障信息,提高电池使用的安全性。
如图8所示,为本申请实施例提供的一种包含传感器的卷绕电池裸电芯制作示意图,上述电芯800可以是由一个正极极片801、一个负极极片802和至少三层隔膜803卷绕而成。对于卷绕电芯,如图8所示,将传感器固定于卷绕电芯中正极极片801的两端位置804a、804b(如图8所示的上面的图和中间的图)或者中间位置804c(如图8所示的下面的图)。具体地,可以将薄膜型传感器嵌合在正极极片801表面,或直接涂覆、磁控溅射到正极极片801表面,然后正极极片801、至少三层隔膜803、负极极片802卷绕制备成传感器的裸电芯。将含内置传感器的裸电芯封装于电池壳体内,经烘烤、注液、静置、化成、老化、密封、容量测试,完成含内置传感器锂离子电池的制备。
或者,将传感器固定于卷绕电芯中负极极片802表面的两端位置或者中间位置。具体地,将薄膜型传感器嵌合在负极极片802表面,或直接涂覆、磁控溅射到负极极片802表面,然后正极极片801、至少三层隔膜803、负极极片802卷绕制备成传感器的裸电芯。将含内置传感器的裸电芯封装于电池壳体内,经烘烤、注液、静置、化成、老化、密封、容量测试,完成含内置传感器锂离子电池的制备。
或者,将传感器固定于卷绕电芯中正极极片801和负极极片802表面的两端位置或者中间位置。具体地,将薄膜型传感器嵌合在正极极片801和负极极片802表面,或直接涂覆、磁控溅射到正极极片801和负极极片802表面,然后正极极片801、至少三层隔膜803、负极极片802卷绕制备成传感器的裸电芯。将含内置传感器的裸电芯封装于电池壳体内,经烘烤、注液、静置、化成、老化、密封、容量测试,完成含内置传感器锂离子电池的制备。
需要说明的是,如果上述传感器被固定于一个正极极片701、负极极片702或者多个正极极片701、负极极片702表面的中间位置704c,则该传感器在纵轴方向的尺寸应小于正极极片和/或负极极片表面在纵轴方向的尺寸。
如果上述传感器被固定于一个正极极片701、负极极片702或者多个正极极片701、负极极片702表面的边缘位置704a、704b,则该传感器在纵轴方向的尺寸可以小于或等于正极极片和/或负极极片表面在纵轴方向的尺寸。本实施例对卷绕电芯的形状不作限制,可以是方形、圆形等。
该电池中的正极极片刺穿第二隔膜或负极极片刺穿第三隔膜到达第一隔膜,可能造成电芯内短路,通信芯片可以及时接收到第一隔膜发送的电信号,上报故障信息至电池管理单元,提高了电池使用的安全性。
另外,通过在电芯中设置传感器,可以检测电芯内的温度和/或压力是否异常,从而及时地上报故障信息,提高电池使用的安全性。
根据本申请实施例提供的一种电池包,电池单体包括壳体、以及位于壳体内的电芯和通信芯片,电芯包括正极极片、负极极片以及位于正极极片和负极极片之间的至少三层隔膜,位于第二隔膜和第三隔膜之间的第一隔膜为导电层,位于正极极片和第一隔膜之间的第二隔膜、以及位于第一隔膜和负极极片之间的第三隔膜为绝缘层,第一隔膜与通信芯片连接;在正极极片刺穿第二隔膜到达第一隔膜,或负极极片刺穿第三隔膜到达第一隔膜时,通信芯片用于接收到第一隔膜发送的第一电信号后,上报第一故障信息至电池管理单元。采用本申请的方案,在正极极片刺穿第二隔膜到达第一隔膜,或负极极片刺穿第三隔膜到达第一隔膜时,可能造成电芯内短路,通信芯片可以及时接收到第一隔膜发送的电信号,上报故障信息至电池管理单元,提高了电池使用的安全性;
另外,通过在电芯中设置传感器,可以检测电芯内的温度和/或压力是否异常,从而及时地上报故障信息,提高电池使用的安全性;
传感器被固定于正极极片和/或负极极片表面,对电芯的大体结构、尺寸和厚度没有造成破坏,使得含内置传感器的电芯可保持正常电芯的倍率、循环等性能。
本申请实施例还提供一种储能系统。该储能系统包括转换器和上述电池包,该转换器与电池包连接,且用于对输入至电池包的电流或者自电池包输出的电流进行转换。
储能系统通常应用于户用储能、站点能源、电动汽车、家庭储能、基站储能、数据中心备电储能、不间断电源(uninterruptible power supply,UPS)、智能光伏储能或储能电站等。
本申请实施例还提供了一种电动汽车。电动汽车,又可以称为新能源汽车,是一种利用电能驱动的汽车。该电动汽车包括电机、车轮以及与电机电连接的上述储能系统。
该储能系统为大容量、高功率的蓄电池。该储能系统可以给电动汽车的电机和/或其它组件提供电能。在一些示例中,储能系统可以由一个或多个可再充电锂离子或铅酸电池组成。此外,储能系统还可以采用其它的电池材料和配置,这里不做限定。在电动汽车行驶时,储能系统可以通过电池管理系统中的电机控制器(motor control unit,MCU)为电机供电,电机将储能系统提供的电能转换为机械能,从而驱动车轮转动,实现电动汽车的行驶。
在本申请的各个实施例中,如果没有特殊说明以及逻辑冲突,不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用,不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。
应理解,在本申请的描述中,除非另有说明,“/”表示前后关联的对象是一种“或”的关系,例如,A/B可以表示A或B;其中A,B可以是单数或者复数。并且,在本申请的描述中,除非另有说明,“多个”是指两个或多于两个。“以下至少一项(个)”或其类似表达,是指的这些项中的任意组合,包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如,a,b,或c中的至少一项(个),可以表示:a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c,其中a,b,c可以是单个,也可以是多个。另外,为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案,在本申请的实施例中,采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定,并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。同时,在本申请实施例中,“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言,使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念,便于理解。
可以理解的是,在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分,并不用来限制本申请的实施例的范围。上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定。
在上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的边缘部分,可以参见其他实施例的相关描述。
本申请实施例装置中的部件可以根据实际需要进行合并、划分和删减。本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例以及不同实施例的特征进行结合或组合。
在本申请的各个实施例中,如果没有特殊说明以及逻辑冲突,不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用,不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述,然而,在实施所要求保护的本申请过程中,本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书,可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中,“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤,“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施,但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
Claims (17)
1.一种电池单体,其特征在于,所述电池单体(11)包括壳体、以及位于所述壳体内的电芯(300,700,800)和通信芯片(504),所述电芯(300,700,800)包括正极极片(301,701,801)、负极极片(302,702,802)以及位于所述正极极片(301,701,801)和所述负极极片(302,702,802)之间的至少三层隔膜(303,703,803),所述至少三层隔膜(303,703,803)包括第一隔膜、第二隔膜和第三隔膜,所述第一隔膜位于所述第二隔膜和所述第三隔膜之间,所述第二隔膜位于所述正极极片(301,701,801)和所述第一隔膜之间,所述第三隔膜位于所述第一隔膜和所述负极极片(302,702,802)之间,其中,所述第一隔膜为导电层,所述第二隔膜和所述第三隔膜为绝缘层,所述第一隔膜与所述通信芯片(504)连接;
在所述正极极片(301,701,801)刺穿所述第二隔膜到达所述第一隔膜,使得所述正极极片(301,701,801)(302,702,802)与所述第一隔膜之间的电势差下降至小于或等于第一阈值时,或者,在所述负极极片(302,702,802)刺穿所述第三隔膜到达所述第一隔膜,使得所述负极极片(302,702,802)与所述第一隔膜之间的电势差下降至小于或等于第一阈值时,所述通信芯片(504)用于接收到所述第一隔膜发送的第一电信号后,上报第一故障信息至所述电池管理单元。
2.根据权利要求1所述的电池单体,其特征在于,所述第一隔膜为以下任意一种:导电聚合物、薄膜碳、导电氧化物、石墨烯。
3.根据权利要求2所述的电池单体,其特征在于,所述导电聚合物为以下至少一种聚合物或至少两种聚合物的共聚物:聚乙炔、聚对苯撑、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吠喃、聚对本硫醚。
4.根据权利要求2所述的电池单体,其特征在于,所述薄膜碳为以下任意一种或多种的混合物:多孔碳纸、碳纤维、石墨烯层、碳纳米管、碳纳米线、活性炭。
5.根据权利要求2所述的电池单体,其特征在于,所述导电氧化物为以下任意一种或多种的混合物:铟锡氧化物、锑锡氧化物、铝锌氧化物。
6.根据权利要求1所述的电池单体,其特征在于,所述第二隔膜或所述第三隔膜为以下任意一种:不导电聚合物、陶瓷隔膜、无纺布、纤维隔膜。
7.根据权利要求6所述的电池单体,其特征在于,所述不导电聚合物为以下至少一种聚合物或至少两种聚合物的共聚物:聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙酸乙烯酯。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的电池单体,其特征在于,所述电芯还包括传感器(503),所述传感器(503)被固定于所述正极极片(301,701,801)和/或所述负极极片(302,702,802)表面,所述传感器(503)与所述通信芯片(504)连接;
所述传感器(503)用于检测到所述电芯内的温度和/或压力大于或等于第二阈值,向所述通信芯片(504)发送第二电信号;
所述通信芯片(504)用于接收到所述第二电信号后,上报第二故障信息至所述电池管理单元。
9.根据权利要求8所述的电池单体,其特征在于,所述传感器(503)为薄膜型传感器。
10.根据权利要求8或9所述的电池单体,其特征在于,所述传感器(503)粘合到所述正极极片(301,701,801)和/或所述负极极片(302,702,802)表面,或所述传感器(503)通过磁控溅射到所述正极极片(301,701,801)和/或所述负极极片(302,702,802)表面。
11.根据权利要求8或9所述的电池单体,其特征在于,所述传感器(503)嵌合在所述正极极片(301,701,801)和/或所述负极极片(302,702,802)表面。
12.根据权利要求1-11中任一项所述电池单体,其特征在于,所述电芯由至少一个所述正极极片(301,701,801)、至少一个所述负极极片(302,702,802)和所述至少三层隔膜(303,703,803)堆叠而成。
13.根据权利要求1-11中任一项所述电池单体,其特征在于,所述电芯由所述正极极片(301,701,801)、所述负极极片(302,702,802)和至少三层隔膜(303,703,803)卷绕而成。
14.一种电池模组,其特征在于,所述电池模组(1)包括电池管理单元和多个如权利要求1至13中任一项所述的电池单体(11),多个所述电池单体(11)之间串联/并联连接。
15.一种电池包,其特征在于,所述电池包包括多个电池模组(1),所述多个电池模组(1)中的每个电池模组(1)包括电池管理单元和多个如权利要求1至13中任一项所述的电池单体(11),多个所述电池单体(11)之间串联/并联连接。
16.一种储能系统,其特征在于,包括转换器以及至少一个如权利要求15所述的电池包,所述转换器与所述电池包连接,且用于对输入至所述电池包的电流或者自所述电池包输出的电流进行转换。
17.一种电动汽车,其特征在于,包括电机、车轮以及与所述电机电连接的如权利要求16所述的储能系统,所述储能系统用于给所述电机提供电能。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Yezheng Inventor after: Yang Jinxing Inventor after: Zhang Liangyu Inventor before: Yang Jinxing Inventor before: Zhang Yezheng Inventor before: Zhang Liangyu |
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CB03 | Change of inventor or designer information |