CN115548523A - 电芯、电池模组、电池包及储能设备 - Google Patents

电芯、电池模组、电池包及储能设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电芯、电池模组、电池包及储能设备，电芯包括：电芯极组；电芯盖板，所述电芯盖板设在所述电芯极组的端面；壳体，所述壳体套设在所述电芯极组的除所述端面外的外侧，所述壳体包括内壳体、外壳体和均温件，所述均温件设置在所述内壳体的靠近所述外壳体的至少部分表面，所述均温件为毛细结构，所述内壳体和外壳体之间形成容纳空间，部分所述容纳空间内设置有传热工质。本发明的集成均温件的电芯壳体的均温性较好，极大地降低了电芯的温差，提高了电芯的对流换热效率，从而提高了电芯的安全性能以及使用寿命。

Description

电芯、电池模组、电池包及储能设备
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，本发明涉及电芯、电池模组、电池包及储能设备。
背景技术
现有的锂电池电芯由于内部结构复杂，导致热物性不均匀，各个方向的导热率随着SOC及SOH的变化差异巨大，这就导致锂电池在工作状态下温度分布不均，现有的外包铝壳只起到结构保护作用，不能给电芯提供很好的均温作用。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种电芯、电池模组、电池包及储能设备。本发明的集成均温件的电芯壳体的均温性较好，极大地降低了电芯的温差，提高了电芯的对流换热效率，从而提高了电芯的安全性能以及使用寿命。
在本发明的第一个方面，本发明提出了一种电芯。根据本发明的实施例，所述电芯包括：
电芯极组；
电芯盖板，所述电芯盖板设在所述电芯极组的端面；
壳体，所述壳体套设在所述电芯极组的除所述端面外的外侧，所述壳体包括内壳体、外壳体和均温件，所述均温件设置在所述内壳体的靠近所述外壳体的至少部分表面，所述均温件为毛细结构，所述均温件和外壳体之间形成容纳空间，部分所述容纳空间内设置有传热工质；所述毛细结构沿所述电芯的长度方向延伸，所述毛细结构至少包括一级毛细结构和网状毛细结构，所述网状毛细结构由所述一级毛细结构延伸形成，所述一级毛细结构设置在所述内壳体的底部，所述网状毛细结构设置在所述内壳体的顶部。
根据本发明上述实施例的电芯，通过在壳体中设置毛细结构的均温件，当电芯内部产热不均匀导致传导至壳体的热量不均匀时，传热工质在毛细结构的作用下流向温度较高的位置，传热工质在较高的温度下由液态转化为蒸汽，使温度较高位置的气压大于温度较低位置的气压，蒸汽在压降作用下向温度较低位置移动，由此大量的热量随蒸汽从温度较高位置流向温度较低位置，流向低温位置的蒸汽变为液态，又随毛细结构流向温度较高位置，如此往复，从而达到均热的目的。由此，本发明的集成均温件的电芯壳体的均温性较好，极大地降低了电芯的温差，提高了电芯的对流换热效率，从而提高了电芯的安全性能以及使用寿命。
另外，根据本发明上述实施例的电芯还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，除所述容纳空间内的所述传热工质外，所述容纳空间的剩余部分设置为负压状态。
在本发明的一些实施例中，所述一级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述网状毛细结构包括的毛细管的条数。
在本发明的一些实施例中，所述毛细结构还包括二级毛细结构，所述二级毛细结构由所述一级毛细结构延伸形成，所述网状毛细结构由所述二级毛细结构延伸形成，所述一级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述二级毛细结构包括的毛细管的条数，所述二级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述网状毛细结构包括的毛细管的条数。
在本发明的一些实施例中，所述毛细结构还包括三级毛细结构，所述二级毛细结构由所述一级毛细结构延伸形成，所述三级毛细结构由所述二级毛细结构延伸形成，所述网状毛细结构由所述三级毛细结构延伸形成，所述一级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述二级毛细结构包括的毛细管的条数，所述二级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述三级毛细结构包括的毛细管的条数，所述三级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述网状毛细结构包括的毛细管的条数。
在本发明的一些实施例中，基于所述毛细结构的总长度为100％，所述一级毛细结构的长度为25-35％，所述二级毛细结构的长度为25-35％，所述三级毛细结构的长度为25-35％，所述网状毛细结构的长度为5-15％。
在本发明的一些实施例中，所述网状毛细结构的总宽度不小于所述三级毛细结构的总宽度，所述三级毛细结构的总宽度不小于所述二级毛细结构的总宽度，所述二级毛细结构的总宽度不小于所述一级毛细结构的总宽度。
在本发明的一些实施例中，基于所述内壳体的靠近所述外壳体的表面的总面积为100％，所述毛细结构的面积不小于60％，优选不小于80％。
在本发明的一些实施例中，所述电芯为方型电芯，所述电芯盖板设在所述电芯极组的顶面，所述电芯盖板上设置有极柱。
在本发明的一些实施例中，所述传热工质为水。
在本发明的一些实施例中，所述毛细结构由铜粉烧结形成。
在本发明的一些实施例中，所述容纳空间的宽度与所述均温件的宽度相等。
在本发明的一些实施例中，所述传热工质的总体积为所述容纳空间总容积的40-60％。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种电池模组。根据本发明的实施例，所述电池模组具有以上实施例所述的电芯。由此，该电池模组的均温性能较好，从而提高了电池模组的安全性能以及使用寿命。
在本发明的第三个方面，本发明提出了一种电池包。根据本发明的实施例，所述电池包具有以上实施例所述的电池模组。由此，该电池包的均温性能较好，从而提高了电池包的安全性能以及使用寿命。
在本发明的第四个方面，本发明提出了一种储能设备。根据本发明的实施例，所述储能设备具有以上实施例所述的电池包，所述储能设备包括用于电力系统的发电侧的电力储能装置、用于电力系统的配电侧的电力储能装置和用于电力系统的用户侧的电力储能装置中的至少之一。由此，所述储能设备具有较高的安全性能和使用寿命，进一步满足了消费者的使用需求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的电芯的结构图；
图2是根据本发明实施例的电芯的A-A方向的剖视图；
图3是根据本发明实施例的壳体的剖视图；
附图标注：
1-电芯极组，2-壳体，3-电芯盖板，4-极柱，2-1-内壳体，2-2-均温件，2-3-容纳空间，2-4-外壳体，2-5-传热工质，2-2-1-一级毛细结构，2-2-2-二级毛细结构，2-2-3-三级毛细结构，2-2-4-网状毛细结构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种电芯，参考附图1和2，电芯包括：电芯极组1；电芯盖板3，电芯盖板3设在电芯极组1的端面；壳体2，壳体2套设在电芯极组1的除端面外的外侧，壳体2包括内壳体2-1、外壳体2-4和均温件2-2，均温件2-2设置在内壳体2-1的靠近外壳体2-4的至少部分表面，均温件2-2为毛细结构，均温件2-2和外壳体2-4之间形成容纳空间2-3，部分容纳空间2-3内设置有传热工质2-5。通过在壳体2中设置毛细结构的均温件2-2，当电芯内部产热不均匀导致传导至壳体2的热量不均匀时，传热工质2-5在毛细结构的作用下流向温度较高的位置，传热工质2-5在较高的温度下由液态转化为蒸汽，使温度较高位置的气压大于温度较低位置的气压，蒸汽在压降作用下向温度较低位置移动，由此大量的热量随蒸汽从温度较高位置流向温度较低位置，流向低温位置的蒸汽变为液态，又随毛细结构流向温度较高位置，如此往复，从而达到均热的目的。由此，本发明的集成均温件2-2的电芯壳体2的均温性较好，极大地降低了电芯的温差，提高了电芯的对流换热效率，从而提高了电芯的安全性能以及使用寿命。下面进一步对根据本发明实施例的电芯进行详细描述。
具体地，毛细结构沿电芯的长度方向延伸，毛细结构至少包括一级毛细结构和网状毛细结构，网状毛细结构由一级毛细结构延伸形成，一级毛细结构设置在温度较低的内壳体的底部，网状毛细结构设置在温度较高的内壳体的顶部，一级毛细结构包括的毛细管的条数小于网状毛细结构包括的毛细管的条数。上述毛细结构类似于叶脉的通道，网状毛细结构由一级毛细结构分叉形成，进一步提高了毛细回水能力。具体地，温度较低的液态传热工质经底部的一级毛细结构流向顶部的网状毛细结构，而顶部网状毛细结构的温度较高，使液态的传热工质变为蒸汽，使顶部位置的气压大于底部位置的气压，蒸汽在压降作用下向底部位置移动，由此大量的热量随蒸汽从顶部位置流向底部位置，流向底部的蒸汽变为液态，又随毛细结构流向顶部位置，如此往复，从而达到均热的目的。
根据本发明的一个具体实施例，除容纳空间内的传热工质外，容纳空间的剩余部分设置为负压状态，由此，降低了工质水的沸点，使水在电芯工作温度下就可蒸发吸热。
在本发明的实施例中，参考附图1和2，电芯为方型电芯，电芯盖板3设在电芯极组1的顶面，电芯盖板3上设置有极柱4，一般电流流向极柱4位置，导致极柱4位置产生的焦耳热明显大于其他位置产生的焦耳热，从而导致电芯顶部的热量明显大于其他位置。为了解决上述技术问题，通过在壳体中设置毛细结构的均温件，且毛细结构沿电芯的长度方向延伸，从而使热量能够沿电芯的长度方向流动，从而达到均热的目的。
作为再一些具体示例，毛细结构至少包括一级毛细结构、二级毛细结构和网状毛细结构，二级毛细结构由一级毛细结构延伸形成，网状毛细结构由二级毛细结构延伸形成，一级毛细结构设置在温度较低的内壳体的底部，网状毛细结构设置在温度较高的内壳体的顶部，一级毛细结构包括的毛细管的条数小于二级毛细结构包括的毛细管的条数，二级毛细结构包括的毛细管的条数小于网状毛细结构包括的毛细管的条数。上述毛细结构类似于叶脉的通道，二级毛细结构由一级毛细结构分叉形成，网状毛细结构由二级毛细结构分叉形成，进一步提高了毛细回水能力。同样地，温度较低的液态传热工质依次经底部的一级毛细结构和二级毛细结构流向顶部的网状毛细结构，温度较高的顶部网状毛细结构使液态的传热工质变为蒸汽，蒸汽在压降作用下向底部位置移动，由此大量的热量随蒸汽从顶部位置流向底部位置，如此循环往复，从而达到均热的目的。
作为又一些具体示例，参考附图3，毛细结构包括一级毛细结构2-2-1、二级毛细结构2-2-2、三级毛细结构2-2-3和网状毛细结构2-2-4，二级毛细结构2-2-2由一级毛细结构2-2-1延伸形成，三级毛细结构2-2-3由二级毛细结构2-2-2延伸形成，网状毛细结构2-2-4由三级毛细结构2-2-3延伸形成，一级毛细结构2-2-1包括的毛细管的条数小于二级毛细结构2-2-2包括的毛细管的条数，二级毛细结构2-2-2包括的毛细管的条数小于三级毛细结构2-2-3包括的毛细管的条数，三级毛细结构2-2-3包括的毛细管的条数小于网状毛细结构2-2-4包括的毛细管的条数。上述毛细结构类似于叶脉的通道，二级毛细结构2-2-2由一级毛细结构2-2-1分叉形成，三级毛细结构2-2-3由二级毛细结构2-2-2分叉形成，网状毛细结构2-2-4由三级毛细结构2-2-3分叉形成，进一步提高了毛细回水能力。同样地，温度较低的液态传热工质依次经底部的一级毛细结构2-2-1、二级毛细结构2-2-2和三级毛细结构2-2-3流向顶部的网状毛细结构2-2-4，温度较高的顶部网状毛细结构2-2-4使液态的传热工质变为蒸汽，蒸汽在压降作用下向底部位置移动，由此大量的热量随蒸汽从顶部位置流向底部位置，如此循环往复，从而达到均热的目的。
在本发明的实施例中，上述各级毛细结构的长度并不受特别限定，作为一些优选的方案，基于毛细结构的总长度为100％，一级毛细结构的长度为25-35％，二级毛细结构的长度为25-35％，三级毛细结构的长度为25-35％，网状毛细结构的长度为5-15％，由此，进一步提高了毛细结构的回水能力。需要说明的是，上述毛细结构的长度指的是毛细结构沿电芯长度方向的尺寸。
在本发明的实施例中，上述各级毛细结构的宽度并不受特别限定，作为一些优选的方案，网状毛细结构的总宽度不小于三级毛细结构的总宽度，三级毛细结构的总宽度不小于二级毛细结构的总宽度，二级毛细结构的总宽度不小于一级毛细结构的总宽度，由此，以便使一级毛细结构中的液态传热工质更加顺利地依次流向二级毛细结构、三级毛细结构和网状毛细结构，进一步提高了毛细结构的回水能力。需要说明的是，上述毛细结构的宽度指的是毛细结构沿电芯宽度方向的尺寸。
根据本发明的再一个具体实施例，基于内壳体的靠近外壳体的表面的总面积为100％，毛细结构的面积不小于60％，优选不小于80％，由此，进一步确保了毛细结构在电芯壳体中的均热能力，进一步提高了电芯的安全性能以及使用寿命。
在本发明的实施例中，上述传热工质的具体种类并不受特别限定，作为一个具体示例，传热工质可以为水，具有传热效率高且成本低廉的优点。
根据本发明的又一个具体实施例，容纳空间的宽度与均温件的宽度相等，由此，进一步确保了容纳空间内传热过程的有效进行，进一步提高了电芯壳体的均热效果。
根据本发明的又一个具体实施例，传热工质的总体积为容纳空间总容积的40-60％，由此，进一步确保了容纳空间内传热过程的有效进行，进一步提高了电芯壳体的均热效果。
在本发明的实施例中，上述毛细结构由铜粉烧结形成，具体方法如下：
(1)首先在电芯的内壳体外侧表面按照设定的叶脉通道的形状排布铜粉，烧结，使铜粉烧结形成毛细结构。
(2)使烧结有毛细结构的内壳体和外壳体之间形成容纳空间，对该容纳空间进行抽真空，使其形成负压状态，同时往该容纳空间内注入传热工质(例如水)，使该容纳空间的一部分充满传热工质，另一部分为负压状态。
(3)封壳，然后将电芯极组放入壳体内部，最后进行后续的电芯制作过程，需要说明的是，后续的电芯制作过程属于本领域的常规技术，在此不再赘述。
在本发明的实施例中，具体地，电芯极组包括依次卷绕的正极片、隔膜和负极片，正极片通过正极极耳与正极柱相连，负极片通过负极极耳与正极柱相连，这些内容均属于本领域的现有技术，在此不再赘述。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种电池模组。根据本发明的实施例，电池模组具有以上实施例的电芯。由此，该电池模组的均温性能较好，从而提高了电池模组的安全性能以及使用寿命。
在本发明的第三个方面，本发明提出了一种电池包。根据本发明的实施例，电池包具有以上实施例的电池模组。由此，该电池包的均温性能较好，从而提高了电池包的安全性能以及使用寿命。
在本发明的第四个方面，本发明提出了一种储能设备。根据本发明的实施例，储能设备具有以上实施例的电池包。由此，储能设备具有较高的安全性能和使用寿命，进一步满足了消费者的使用需求。具体地，该储能设备可以包括用于电力系统的发电侧的电力储能装置、用于电力系统的配电侧的电力储能装置(例如电化学储能装置)和用于电力系统的用户侧的电力储能装置中的至少之一。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (16)

1.一种电芯，其特征在于，包括：
电芯极组；
电芯盖板，所述电芯盖板设在所述电芯极组的端面；
壳体，所述壳体套设在所述电芯极组的除所述端面外的外侧，所述壳体包括内壳体、外壳体和均温件，所述均温件设置在所述内壳体的靠近所述外壳体的至少部分表面，所述均温件为毛细结构，所述均温件和外壳体之间形成容纳空间，部分所述容纳空间内设置有传热工质；所述毛细结构沿所述电芯的长度方向延伸，所述毛细结构至少包括一级毛细结构和网状毛细结构，所述网状毛细结构由所述一级毛细结构延伸形成，所述一级毛细结构设置在所述内壳体的底部，所述网状毛细结构设置在所述内壳体的顶部。
2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，除所述容纳空间内的所述传热工质外，所述容纳空间的剩余部分设置为负压状态。
3.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述一级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述网状毛细结构包括的毛细管的条数。
4.根据权利要求3所述的电芯，其特征在于，所述毛细结构还包括二级毛细结构，所述二级毛细结构由所述一级毛细结构延伸形成，所述网状毛细结构由所述二级毛细结构延伸形成，所述一级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述二级毛细结构包括的毛细管的条数，所述二级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述网状毛细结构包括的毛细管的条数。
5.根据权利要求4所述的电芯，其特征在于，所述毛细结构还包括三级毛细结构，所述二级毛细结构由所述一级毛细结构延伸形成，所述三级毛细结构由所述二级毛细结构延伸形成，所述网状毛细结构由所述三级毛细结构延伸形成，所述一级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述二级毛细结构包括的毛细管的条数，所述二级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述三级毛细结构包括的毛细管的条数，所述三级毛细结构包括的毛细管的条数小于所述网状毛细结构包括的毛细管的条数。
6.根据权利要求5所述的电芯，其特征在于，基于所述毛细结构的总长度为100％，所述一级毛细结构的长度为25-35％，所述二级毛细结构的长度为25-35％，所述三级毛细结构的长度为25-35％，所述网状毛细结构的长度为5-15％。
7.根据权利要求5所述的电芯，其特征在于，所述网状毛细结构的总宽度不小于所述三级毛细结构的总宽度，所述三级毛细结构的总宽度不小于所述二级毛细结构的总宽度，所述二级毛细结构的总宽度不小于所述一级毛细结构的总宽度。
8.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，基于所述内壳体的靠近所述外壳体的表面的总面积为100％，所述毛细结构的面积不小于60％，优选不小于80％。
9.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述电芯为方型电芯，所述电芯盖板设在所述电芯极组的顶面，所述电芯盖板上设置有极柱。
10.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述传热工质为水。
11.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述毛细结构由铜粉烧结形成。
12.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述容纳空间的宽度与所述均温件的宽度相等。
13.根据权利要求12所述的电芯，其特征在于，所述传热工质的总体积为所述容纳空间总容积的40-60％。
14.一种电池模组，其特征在于，所述电池模组具有权利要求1-13任一项所述的电芯。
15.一种电池包，其特征在于，所述电池包具有权利要求14所述的电池模组。
16.一种储能设备，其特征在于，所述储能设备具有权利要求15所述的电池包，所述储能设备包括用于电力系统的发电侧的电力储能装置、用于电力系统的配电侧的电力储能装置和用于电力系统的用户侧的电力储能装置中的至少之一。
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