CN115799729B - 电池组以及电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供电池组以及电池装置。该电池组包括至少一个第一电池、至少一个第二电池以及隔热垫，隔热垫包括隔热主体以及设于隔热主体相对两侧的具有第一表面层的第一封装层和具有第二表面层的第二封装层；第一电池设于所述第一表面层，第二电池设于第二表面层；在BOL状态下，（第一表面层的温度为T1−第二表面层的温度T1'）/T1≥70%，在EOL（End of life）状态下，（第一表面层的温度T2−第二表面层的温度T2'）/T2≥60%，本发明所提供的电池组及电池装置，在受电池因热膨胀的挤压时，其隔热垫BOL下的厚度与EOL下的厚度变化幅度小，其能有效抑制电池内单元区域的温度变化，具有优异的热管控性能，能显著提高电池组以及电池装置的安全使用性能和循环性能。

Description

电池组以及电池装置

技术领域

本发明涉及电池隔热技术领域，具体涉及一种电池组以及电池装置。

背景技术

动力电池因其具有能量密度高、电池充放电速度快、使用寿命长且可循环使用等优点，被广泛用做于新能源汽车的动力来源。在使用过程中，当动力电池受到但当锂离子电池受到撞击、针刺或电池内部短路等，均会导致热量急剧增加，从而引起热失控，最终引发火灾或爆炸。且单个电芯发生热失控时，会将热量迅速传递到相邻的电芯，从而引起一系列的连锁反应，导致整个模组甚至整个电池包的热失控。因此，通常在相邻电芯之间设置隔热垫，以延缓热失控时热量的传递，也可以保证电池组在正常使用过程中电池单元区域内电池单元的温度均衡，以此提升模组的循环性能。

但是，现有的隔热垫材料通常采用纳米多孔材料，其极容易被压缩变薄，导致材料热阻降低，严重影响隔热性能，虽可在BOL状态下实现对电池组受热膨胀的热抑制，但在EOL状态下，因隔热垫被严重压缩而难以实现热抑制作用，从而使得电池产品在应用时存在较大的安全隐患，同时由于隔热垫隔热性能的恶化导致单元区域内电池的温度差异较大，且隔热垫失效导致厚度变化较大，相应的影响电池组循环性能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明目的之一在于提供一种电池组，该电池组通过将隔热垫设置于至少一个第一电池和至少一个第二电池之间，并通过控制隔热垫在BOL和EOL下的温差变化性能，实现对电池所产生热量的高效热抑制。

具体的，电池组包括至少一个第一电池、至少一个第二电池以及隔热垫，

隔热垫包括隔热主体以及设于隔热主体相对两侧的第一封装层和第二封装层；

所述第一封装层具有第一表面层以及所述第二封装层具有第二表面层，所述第一电池设于所述第一表面层，所述第二电池设于第二表面层；

在BOL（Begin of life）状态下，（T1−T1'）/T1≥70%，定义所述BOL（Begin oflife）状态为电池容量大于等于95%SOH（电池当前的容量与出厂容量的百分比）的状态，定义所述第一表面层的温度为T1，第二表面层的温度为T1'，其中T1和T1'的单位值为℃；

在EOL（End of life）状态下，（T2−T2'）/T1≥60%，定义所述EOL（End of life）状态为电池容量为70% SOH的状态，定义所述第一表面层的温度为T2，第二表面层的温度为T2'，其中T2和T2'的单位值为℃；

所述隔热主体采用多孔材料，孔径D范围为大于等于10nm，且小于等于30nm，厚度H1大于等于1㎜，小于等于5㎜；

所述隔热主体为陶瓷纤维气凝胶或玻璃纤维气凝胶。

通过合理设置隔热垫，使其设于至少一个第一电池和至少一个第二电池之间，从而使得本发明所提供的电池组结构，其位于隔热主体的两相对表面层（也即与电池接触的两相对侧面）的单元区域，且温差变化在BOL状态下≥70%，在EOL状态下≥60%，从而，隔热垫能有效地对电池产生的热量进行热抑制，进而保持电池组中电池受到的压力稳定，避免电池内部极片受力不均而导致电池性能衰减的缺陷。

本发明目的二在于还提供一种包括上述电池组的电池装置。因所采用的隔热垫具有优良的热管理性能，从而，在电池装置的反复充放电使用过程中，电池产生的热量能得到有效抑制，防止热量快速向相邻电池间的扩散，保持单元区域（也即隔热垫两侧的电池）内的温度均衡，避免热失控的发生，电池装置中隔热垫厚度变化较小，保持电池内部受到的压力稳定，提升电池装置循环寿命，同时电池装置的安全性得到更有效的保障。

具体实施方式

为了更好地理解和实施，下面将结合发明实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，若涉及术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指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装置或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。

除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本申请中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本发明实施例描述的技术方案适用于电池以及使用电池的用电设备。用电设备可以是车辆、手机、便携式设备等，但不限于此。本发明实施例对上述用电设备不做特殊限制。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例1所提供的电池组包括至少一个第一电池和至少一个第二电池，其中至少一个第一电池形成第一电池组，至少一个第二电池形成至少第二电池组，第一电池组和第二电池组分别设于隔热垫两侧。

该隔热垫包括隔热垫主体以及设于隔热垫主体相对两侧的第一封装层和第二封装层，其中第一封装层具有第一表面层，第二封装层具有第二表面层；第一电池组位于所述第一表面层一侧，第二电池组位于第二表面层一侧。

其中，隔热垫主体采用纳米多孔的陶瓷纤维气凝胶，陶瓷纤维气凝胶结构的纳米孔径D为15nm，厚度为3mm，其室温下的导热系数为0.015 W/(m.K)。

所述第一封装层和第二封装层粘接于所述隔热垫主体的两相对侧面上。

BOL状态下，隔热垫的隔热性能测试方法如下：

将加热面面积为5cm*5cm的加热块加热至800℃，将隔热垫的第二表面层贴近并固定在具有压力传感器的压块上，移动压块至隔热垫的第一表面层靠近加热块，控制压力传感器的压力为0.4MPa，维持1200s后，测试第一表面层中间的温度T1以及第二表面层中间的温度T1'，计算隔热垫隔热性能（T1−T1'）/T1，并测试此时隔热垫主体的厚度H1。

电池装置循环性能测试：

以1并24串的方式组装本实施例1的电池组并装配形成电池装置，即在模组端板中间设置编号为1-24的共24支电池，在每4支电池中间设置一个前述提及的隔热垫，即在编号4和编号5、编号8和编号9、编号12和编号13、编号16和编号17、编号20和编号21电池之间分别设置一个隔热垫，进行模组装配，焊接导电铝排使得电池串联连接；以1C满充满放进行循环测试，记录电池组容量衰减到70%容量保持率时的循环次数。

电池组容量衰减至70%SOH，取下隔热垫，并测试隔热垫厚度为1.8mm，并按以下方式测试电池EOL状态下隔热垫的隔热性能：

将加热面面积为5cm*5cm的加热块加热至700℃，将隔热垫的第二表面层贴近并固定在具有压力传感器的压块上，移动压块至隔热垫的第一表面层靠近加热块，控制压力传感器的压力为3MPa，维持1200s后，测试第一表面层中间的温度T2以及第二表面层中间的温度T2'，计算隔热垫的隔热性能（T2−T2'）/T2，并测试此时隔热垫主体的厚度H2。

计算（T2'−T1'）/T1'以及（H1-H2）/H1。

其中，SOH定义如下：

式中：Caged为电池当前容量；Crated为电池额定容量。

上述各测试及计算结果见表格1。

实施例2

本实施例2所提供的电池组结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫主体采用孔径20nm的陶瓷纤维气凝胶，隔热垫主体的厚度为1mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池装置，并以相同的测试方法进行电池组循环性能测试，测试结果见表格1。

实施例3

本实施例3所提供的电池组结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫主体采用的孔径25nm的陶瓷纤维气凝胶，厚度隔热垫主体的为2mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池装置，并以相同的测试方法进行电池组循环性能测试，测试结果见表格1。

实施例4

本实施例4所提供的电池组其结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫主体采用孔径为25nm的陶瓷纤维气凝胶，隔热垫主体的厚度为4mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池装置，并以相同的测试方法进行电池组循环性能测试，测试结果见表格。

实施例5

本实施例5所提供的电池组其结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫主体采用孔径为30nm的玻璃气凝胶，隔热垫主体的厚度为5mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池组，并以相同的测试方法进行电池组循环性能测试，测试结果见表格1。

实施例6

本实施例6所提供的电池组其结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫主体采用孔径为30nm的复合材料，隔热垫主体的厚度为5mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池组，并以相同的测试方法进行电池组循环性能测试，测试结果见表格1。

实施例7

本实施例7所提供的电池组其结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫主体采用孔径为20nm的复合材料，隔热垫主体的厚度为3mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池组，并以相同的测试方法进行电池组循环性能测试，测试结果见表格1。

对比例1

本对比例1所提供的电池组其结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫主体采用孔径为50nm的陶瓷纤维气凝胶，隔热垫主体的厚度为3mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池组，并以相同的测试方法进行电池组循环性能测试，测试结果见表格1。

对比例2

本对比例2所提供的电池组其结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫采用孔径为50nm的陶瓷纤维气凝胶，隔热垫主体的厚度为4mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池组，并以相同的测试方法进行电池组循环性能测试，测试结果见表格1。

对比例3

本对比例3所提供的隔热垫，其结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫主体采用孔径为50nm的玻璃纤维气凝胶，隔热垫主体的厚度为5mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池组，并以相同的测试方法进行电池组循环性能测试，测试结果见表格1。

对比例4

本对比例4所提供的电池组其结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫主体采用孔径为40nm的陶瓷纤维气凝胶，隔热垫主体的厚度为3mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池装置，并以相同的测试方法进行电池组循环性能测试，测试结果见表格1。

对比例5

本对比例1所提供的电池组其结构同实施例1所描述，区别在于隔热垫主体采用孔径为40nm的复合材料，隔热垫主体的厚度为3mm。

按与实施例1相同的方法进行隔热垫隔热性能测试以及按相同的方法组装电池组，并以相同的测试方法进行循电池组循环性能测试，测试结果见表格1。

表格1 本发明与对比例的隔热垫性能及电池组循环性能测试表

本领域技术人员根据众所周知的隔热垫的热阻公式可知，当电池组在充放电的循环过程中会发生鼓胀变形，电池鼓胀便会挤压设于电池间的隔热垫，从而导致隔热垫被压缩而厚度H减薄。当隔热垫厚度减薄时，随着厚度的减小，隔热垫的热阻会降低，隔热性能也因此而降低。因此，为了保证BOL状态下和EOL状态下的隔热垫其隔热性能尽可能相近，应控制BOL至EOL厚度变化越小越好。

结合表1可知，本发明所提供的各实施例，其电池组中所采用的隔热垫结构，其在BOL状态下，第一表面层的温度T1和第二表面层的温度T1'的变化率均超过70%，在EOL状态下，第一表面层的温度T2和第二表面层的温度T2'的变化率均超过60%，并且在BOL状态下的厚度H1与EOL状态下的厚度H2的变化率（H1-H2）/H1均≤60%。而对比例1-5其电池组中所采用的隔热垫，其在BOL状态下和EOL状态下，隔热垫主体第一表面层和第二表面层的温度变化率均不满足：（T1−T1'）/T1≥70%以及（T2−T2'）/T1≥60%，并且其隔热垫的厚度变化（H1-H2）/H1远超过60%，表明各对比例其BOL状态下的厚度与EOL状态下的厚度发生了较大变化，隔热垫压缩较为严重，隔热性能受到极大损害。

相较于采用孔径超过30nm的复合材料隔热材质以及气凝胶类材质，本发明通过采用孔径在10-30nm（含端点值）且厚度为1-5㎜（含端点值）的陶瓷纤维类气凝胶，以利用微孔结构增加气流流动阻力，以实现“锁住”空气分子以减少热对流的目的，以此进一步降低隔热垫的导热系数，从而进一步提高隔热性能。

另外，本发明通过采用另外孔径在10-30nm（含端点值）且厚度为1-5㎜（含端点值）的陶瓷纤维类气凝胶，可在隔热垫制备过程中结构性地防止液态硅橡胶的渗入，从而可避免气凝胶的颗粒孔隙结构被破坏，因而可获得更为优越的隔热性能。

相较而言，对比例因采用孔径大于30nm的隔热材料，此时隔热垫主体的导热比表面积因大孔径结构而相应减小，因而热传递路径中的热阻降低，从而导致隔热垫主体第一表面层和第二表面层之间的温度差异越大，从而影响对电池组热管理性能。

综上，本发明通过采用纳米孔径为15-30nm、厚度为1-5㎜的气凝胶类材料作为隔热垫，并将隔热垫设于相邻的第一电池和第二电池之间，从而利用微孔结构增加热阻且降低导热技术，从而获得优异的热抑制性能以及抗压缩性能，使得电池组内的单元区域内温度均衡；同时，电池组的循环寿命相较于对比例中采用的预氧化类纤维隔热垫而言，循环寿命得以大幅度提升。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电池组，包括至少一个第一电池、至少一个第二电池以及隔热垫，

隔热垫包括隔热主体以及设于隔热主体相对两侧的第一封装层和第二封装层；

所述第一封装层具有第一表面层以及所述第二封装层具有第二表面层，所述第一电池设于所述第一表面层，所述第二电池设于第二表面层；

其特征在于，

定义BOL（Begin of life）状态下，所述隔热垫的厚度为H1；

EOL（End of life）状态下，所述隔热垫的厚度为H2，所述H1和H2的单位为mm；

其中，所述H1和H2满足如下关系式：（H1-H2）/H1≤60%；

在BOL（Begin of life）状态下，（T1−T1'）/T1≥70%，定义所述BOL（Begin of life）状态为电池容量大于等于95%SOH（电池当前的容量与出厂容量的百分比）的状态，定义所述第一表面层的温度为T1，第二表面层的温度为T1', 其中T1和T1'的单位值为℃；

在EOL（End of life）状态下，（T2−T2'）/T2≥60%，定义所述EOL（End of life）状态为电池容量为70% SOH的状态，定义所述第一表面层的温度为T2，第二表面层的温度为T2'，其中T2和T2'的单位值为℃；

所述隔热主体采用多孔材料，孔径D范围为大于等于10nm，且小于等于30nm，厚度H1大于等于1㎜，小于等于5㎜；

所述隔热主体为陶瓷纤维气凝胶或玻璃纤维气凝胶。

2.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述T1'与T2'满足如下关系：0≤（T2'−T1'）/T1'≤60%。

3.根据权利要求2所述的电池组，其特征在于，所述T1'与T2'满足如下关系：0≤（T2'−T1'）/T1'≤40%。

4.根据权利要求3所述的电池组，其特征在于，所述T1'与T2'满足如下关系：0≤（T2'−T1'）/T1'≤30%。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的电池组，其特征在于，所述T1的范围限定为：600℃≤T1≤1000℃，所述T2的范围限定为500℃≤T2≤900℃。

6.根据权利要求5所述的电池组，其特征在于，所述H1满足如下设定：1≤H1≤3mm。

7.电池装置，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的电池组。