CN116508201A - 适用于电化学电池的安全设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够适用于电化学电池(1)的安全设备，所述电池具有容器(10)，线圈放置在该容器(10)中，所述容器包括配备有至少一个破裂触发件的至少一个第一壁和被布置成确保将线圈保持在所述容器中的第二壁，所述至少一个破裂触发件被设计成在发生故障时破裂以排出气体，其特征在于，所述安全设备包括：‑固定设备，其被布置成确保抵靠所述电池的所述第二壁，以便在热失控的情况下将其固定到位并使线圈保持在所述容器的内部；‑气体释放设备，其被布置成确保在热失控的情况下将气体从电池中排出。

Description

适用于电化学电池的安全设备

技术领域

本发明涉及一种能够适用于电化学电池(例如圆柱形的电池)的安全设备。

背景技术

目前，从参考文献中可以最佳地了解最常用的18650型电化学锂电池。例如，专利US8323825B2对这种电池有所描述。最近，还提出了21700标准的电池。

这些18650、21700型或其它圆柱形的电池具有圆柱形容器，称为杯状体，在所述杯状体中放置有将两个电极连接在一起的卷体(也被称为线圈)。然后将电解质注入所述杯状体中。所述杯状体的下端关闭，上端打开，一个盖子附接到所述上端以密封地闭合盖子。

这种锂电池是密封的并且通常具有由其盖子承载的保护设备，以防止其在不当使用的情况下发生爆炸(就温度或电荷而言)。这些保护设备主要如下：

-电流中断设备(CiD)，其在杯状体中出现过压的情况下中断电流，而不影响该压力；

-过压排气口，其通常以防爆膜的形式生成，这使得它可以释放气体以防止爆炸；

-最后，还能够减弱杯状体本身，使得其在最佳条件下打开以防止更剧烈的爆炸。

过压排气口通常被设定为在15bar至20bar的值时破裂并且通常位于电池的正极侧。在21700型电池中，为了提高安全性，某些制造商在承载主排气口的相对侧上增加了额外的过压排气口，即在负极侧增加额外的过压排气口(Darcy等人于2018年出版的“DesignGuidelines for Safe High Performing Li-ion Batteries with 18650cells”)。然而，某些在正极上没有排气口的圆柱形电池架构在负极上具有排气口。

尽管存在过压排气口，但在系统中发生强热失控的情况下，反应的动力会使电池发生爆炸，这使得正极从电池上脱落并能够使线圈从电池中脱落。在容器的机械上最脆弱的壁被撕裂之后，会最有可能发生这种脱落。

此外，即使有可能使线圈仅脱落一半和/或喷射到相邻的电池上，由此仍会出现安全风险。电解质/线圈与相邻电池的直接接触会使相邻电池发热。然后，线圈的脱落会使相邻的电池失控。

本发明的目标是提出一种安全设备，该安全设备能够适用于电化学电池，并且能够在热失控的情况下避免线圈从电池中脱落，同时仍然能够确保气体被释放。

发明内容

通过一种能够适用于电化学电池的安全设备来实现这一目标，所述电池具有容器，线圈放置在所述容器中，所述容器包括配备有至少一个破裂触发件的第一壁和防止线圈离开所述容器的第二壁，所述破裂触发件被设计成在发生故障的情况下破裂以便排出气体，所述安全设备具有：

-固定设备，其用于确保基台抵靠容器的所述第二壁，以便在热失控的情况下将其固定到位并将线圈保持在所述容器的内部，

-气体释放设备，其用于确保在热失控的情况下将气体从电池中排出。

根据一个特定特征，固定设备具有相对于电池固定的框架和固定到所述框架的基台装置。

根据第一特定实施例：

-气体释放设备具有被称为密封板的板，所述密封板具有通孔，

-固定设备具有容纳在密封板中的所述通孔中的基台垫，并且被配置为抵接容器的所述第二壁，通道形成在所述垫与所述孔的内壁之间，以形成用于气体的通路，

-气体释放设备具有布置在所述通道中的封闭装置，以封闭所述通路。

根据特定特征，封闭装置具有唇形密封件。

根据另一特定特征，固定设备具有在同一公共基台板上形成的多个基台垫，所述公共基台板固定到所述框架。

根据另一特定特征，所述基台板具有至少一个通孔。

根据第二特定实施例：

-固定设备具有被设置成确保抵靠电池的第二壁的基台板和固定到框架并且被布置成压迫所述基台板的压板，所述基台板包括第一通孔并且所述压板包括第二通孔，

-气体释放设备具有布置在所述基台板与所述压板之间的可穿孔膜，从而形成用于由第一通孔和第二通孔产生的通路的封闭装置。

根据一个特定特征，基台板具有用于容纳金属箔的凹部。

根据另一特定特征，所述基台板具有用于电化学电池的容纳隔室。

根据本发明的特定方面，所述框架具有旨在容纳所述电化学电池的壳体。

本发明还涉及一种将如上所定义的安全设备用于圆柱形的电化学电池的用途。

根据一个特定特征，该电化学电池为18650型或21700型。

本发明的解决方案使得可以将正极置于应力/压力下，同时使得气体在热失控的情况下仍然能够逸出。

附图说明

其他的特征和优点将从参考附图所给出的以下详细描述中变得显而易见，在附图中：

-图1A示出了18650型或21700型锂电池的剖面示意图；

-图1B示出了图1A的电池，其示出了在热失控的情况下施加在容器壁上的主要力；

-图2A和图2B分别示出了在图1所示的锂电池中所使用的传统电流中断设备和排气口的立体图；

-图3示出了以交错布置方式生成多个电化学电池组的原理的俯视图；

-图4A和图4B示出了适用于电化学电池的本发明设备的第一实施例；

-图5A和图5B示出了适用于电化学电池的本发明设备的第二实施例；

-图6示出了适用于多个电池组的第一实施例；

-图7示出了适用于多个电池组的第二实施例；

-图8示出了图7的架构的实施例变体；

-图9示出了本发明设备的第三实施例；

-图10示出了适用于多个电池组的第三实施例。

具体实施方式

本发明主要旨在提出一种解决方案，该解决方案在电池中发生热失控的情况下可以避免线圈脱落。

在本说明书的剩下部分中，术语“顶部”、“底部”、“下”、“上”、“上方”和“下方”应参照图1所示的纵向轴线(X)来理解。

本发明的安全设备特别完美地适用于二次电化学锂电池。

本发明的安全设备主要是针对旋转圆柱形的电池(例如18650型或21700型)进行描述的，但应当理解，它能适用于具有不同外部形状的电池，特别是棱柱形的电池，不管电池的形状如何，其原理是可重复的。

参照图1A，常规的18650型或21700型二次锂电池具有圆柱形的形状，该圆柱形形状具有围绕轴线(X)展开的圆形底座。这种电池在例如专利US8323825B2中有所描述。

非限制地，这种锂电池1主要具有容器，该容器具有上头部、下头部和侧壁102，所述上头部包括承载正极的上壁100，所述下头部包括承载负极的下壁101。所述容器通常由圆柱形杯状体10和盖子15组成，所述盖子15固定到所述杯状体并在其上部使其闭合。该杯状体10限定了内部容积11，在所述内部容积11中放置了两个电极12(由图1中的单个组件示出)。所述两个电极12在柔性绝缘板的任一侧上生成，将柔性绝缘板的两侧卷起以形成容纳在杯状体10中的圆柱形组件，并形成线圈。然后将电解质注入杯状体的内部容积11中。中心插入件16能被轴向插入杯状体10中。该电池具有两个连接垫13、14，所述两个连接垫中的每个连接到不同的电极。在杯状体10的上部，所述杯状体10被盖子15密封地闭合。盖子15承载着堆叠件，所述堆叠件位于杯状体10内部并由过压排气口150、电流中断设备151、可能存在的PTC(正温度系数)类型的热敏电阻152和外部盖子153形成，所述外部盖子153形成用于连接电池的第一电子终端。

当杯状体10内的气体的压力变得过大时，电流中断设备151由排气口150致动。在这种过压的情况下，排气口150变形，直到位于其上方的电流中断设备151断开，然后导致供应电流被中断。如果杯状体内部的气体的压力继续增加，则排气口150会发生变形直至其断开，从而能够将气体释放到外部。

参考图2A且不受限制地，电流中断设备151可以采用环形154的形式，所述环形154与轴线(X)同轴并且包括直径桥155，电流通过所述直径桥155循环。当杯状体中的压力超过某个阈值时，该桥155能够断开，然后电池中的电流被中断。

如图2B所示且不受限制地，排气口可以采用圆盘156的形式，所述圆盘156与轴线(X)同轴并且具有弯曲轮廓157，所述弯曲轮廓157形成朝向电池内部的凹面。在压力的作用下，所述弯曲轮廓发生变形，以形成向外凸起的轮廓，并且当压力超过一定阈值时，排气口在气体压力的作用下断开。排气口可以具有形成破裂触发件的环形沟158。

主过压排气口通常被放置在电池的正极侧上，在电池的上部。可选地，所述主过压排气口可以通过放置在负极侧上的排气口来替换或补充。

本发明的安全设备能适用于一个或更多个电化学电池。

如图3所示，能将多个电池1专门地直立存放在壳体2中并将其相互串联/并联，通过使用金属箔3来确保连接，然后这些电池形成一个电池组。例如，能将电池1以交错方式存储。能够提供隔室或托盘以将电池1固定在壳体2中，使其位于隔室或托盘的上部和/或下部(20，图6至图8)。

如图1所示，在每个电池1上以金属条的形式创建箔片3，其与电池1的正极接触。

非限制地，箔片3可以由端片8承载，所述端片8被设计成分别位于电池的上头部或下头部、正极侧或负极侧。当多个电池并置时，这些端片8能连接在一起以形成单片502，从而形成用于壳体中的电池的所述固定托盘并充当并置的电池(图8)之间的间隔物。

根据本发明的特定方面，应当注意的是，本发明的安全设备旨在永久固定至电池。

图1B示出了在热失控的情况下施加在电池1的容器的壁上的力。已经发现，容器的上部具有机械弱点，该机械弱点与排气口的存在以及形成正极的盖子153的存在有关。所述盖子153能够显著地具有多个径向开口159，从而能够释放气体。然而，这些开口具有削弱其结构和机械强度的趋势。盖子153与侧壁102的压接连接构成了另一个脆弱区域，并且盖子153的变形会导致这种压接连接撕裂。在形成正极的壁的破裂的情况下，这种撕裂会协助线圈从电池的容器中脱落。

通常，该安全设备具有固定设备，该固定设备旨在固定到容器上并且被布置成确保容器壁保持在适当的位置，在热失控的情况下线圈最有可能通过该壁脱落。它可能是具有一定机械脆弱性的壁。

该固定设备被配置成确保尽可能靠近电池的旋转轴线(X)的机械抵靠。

常规地和非限制性地，该壁具有形成电池1的正极的盖子153。如上所述，在线圈脱落的情况下，该盖子153被放置在线圈路径中并且具有一定的机械脆弱性。

该安全设备还具有气体释放设备，所述气体释放设备被布置成确保在热失控的情况下将气体从电池中排出。

有利的是，该安全设备被设计成位于电池1的上头部上，从而承载正极。

然而，在一个实施例变体中，将可以看到，如果电池1的负极侧上具有过压排气口，则可以将安全设备定位在电池1的下头部上。在容器在负极侧上出现机械弱点的情况下，本发明设备将在负极上将特别有用，这种机械弱点可能会导致其破裂，并且在电池1发生热失控的情况下使线圈脱落。

固定设备具有相对于电池1固定的框架7和固定到所述框架7并且被布置成抵接容器壁的固定装置，所述容器壁用于将电池中的线圈固定。应该注意的是，必须将这种壁与承载破裂触发件的壁区分开来，后者当然被配置为在热失控的情况下破裂以释放气体。

气体释放设备具有面向破裂触发件布置的至少一个通道和用于该通道的闭合装置。该闭合装置被配置为在排气口破裂后，在生成的气体的压力下打开。

该安全设备能结合所述金属箔3。

可以根据各种不同的实施例生产该安全设备。

在图4A和图4B所示的第一实施例中，气体释放设备可以具有被称为密封板的板4，所述板4相对于轴线(X)横向固定到箔片3，例如通过粘合剂粘接或拧紧，并且具有形成通道的通孔40，所述通道40面向过压排气口的破裂触发件放置。

固定设备具有固定在所述框架7上的保持构件，并且具有例如在密封板的通孔40中容纳的基台垫5，在所述垫5和所述通孔40的内壁之间形成一个通道，例如环形通道50，该环形通道50形成用于在热失控的情况下释放气体的通路。

封闭装置具有环形形状的唇形密封件6，所述唇形密封件6被布置在所述通道50中以封闭所述通路。所述密封件6被配置为形成止回阀，并且在热失控的情况下仅允许在从电池1到外部在一个方向上释放气体，并防止气体从外部返回电池并避免热失控反应传播到相邻电池。图4B示出了热失控的情况下气体G的运动。

垫5可以在其侧壁上具有环形凹部51，所述密封件6容纳在环形凹部51中。

作为示例，基台垫5可以由塑料部件或螺钉组成，其主体被容纳且拧入板4上的孔40中。应该注意的是，密封板4的存在基本上是作为垫5的紧固支撑，使得所述垫5紧邻杯状体的壁。基台垫5紧邻形成电池1的正极的盖子153的上横向壁。

当多个电池1直立并置在同一壳体2中时，气体保留和释放设备可以共享。图6说明了该原理。因此，固定设备能具有支撑多个垫5的单个基台板52，所述多个垫5并行排列，从基台板52的一个面开始延伸，每个垫5专用于一个不同的电池以用于确保抵靠盖子153。类似地，密封板4配备有多个通孔，在每个通孔中都容纳有基台板52的一个不同的垫5，在每个垫周围放置有一个不同的唇形密封件6以确保对气体的控制。

非限制地，可以通过粘接或拧紧将基台板52固定到壳体2，这种接合使其具有固定功能，壳体2执行框架7的功能。基台板有利地配备有多个开口53，以允许气体在热失控的情况下从放置在壳体2中的一个或更多个电池1中逸出。这些孔经过精心布置，以便与气体出口通道相通。

类似地，可以通过粘合剂粘接或拧紧将密封板4固定到箔片3上。在密封板4与壳体2的内壁之间可以加入密封或凝胶类型的密封设备，以避免气体返回电池。

在图5A和图5B所示的第二实施例中，固定装置具有基台板500和压板400，所述基台板500相对于轴线(X)横向布置并固定在箔片3上，压板400被固定在框架7上并被布置成压迫所述基台板500。承载板500被配置成至少部分地抵接形成电池的正极的盖子153，以期能够在电池1发生热失控的情况下将其保持在适当的位置。

气体释放设备具有第一通孔501和第二通孔401，所述第一通孔501穿过所述承载板500制成，所述第二通孔401穿过所述压板400制成并朝向所述第一通孔501。这两个孔形成面向破裂触发件的通路。封闭装置具有可穿孔膜600(例如由塑料材料制成)，其被放置在两个板之间并被配置成封闭由两个孔形成的通路。薄膜600被配置成在破裂触发件破裂之后，在气体释放时穿孔。通孔501具有设定的直径，使得基台板500配备有与盖子153相邻的足够大的表面，这使得其能够在热失控的情况下保持线圈，同时仍然确保气体被释放。

正如在第一实施例中，当多个电池1被组合成位于同一壳体2内的电池组时，可以共享该装置，所述壳体2执行框架7的功能。图7说明了该原理。基台板500、薄膜600和压板400因此连接在一起以形成同一组件，薄膜600被压在基台板与压板之间，从而确保密封性。可以通过将基台板拧到压板上来制造该组件。压板400固定到壳体2。

根据一个实施例变体，所述基台板500可以具有隔室502，因此板500起到将电池固定在壳体2中的作用以及用于支撑箔片3的端片8的作用。图8说明了该实施例变体。

当电池1的负极侧具有过压排气口时，能够适时地提出第三实施例。该第三实施例是上述第二实施例的衍生，其应用于电池1的负极。因此，所用的参考资料与之前完全相同。

在图9和图10所示的第三实施例中，基台板500具有通孔，该通孔配备有内侧肩部，电池1的下头部位于所述内侧肩部上，从而在电池的下部形成用于固定电池的固定隔室502。用于确保电连接的箔片3被容纳在所述孔中。压板400固定到基台板500，可穿孔膜600被压在所述压板与所述基台板之间。薄膜600被配置成在排气口的破裂触发件破裂之后，在气体释放时穿孔。如图10所示，针对电池组中的每个电池1，能够重复该架构，其中，承载板500、可穿孔膜600和压板400由可由容纳在壳体2中的所有电池1共享。因此，基台板500具有多个隔室502，每个隔室用于容纳不同电池的下头部。压板400可以固定到壳体2。在基台板500与壳体的内壁之间可以引入密封或凝胶类型的密封设备，以避免气体返回电池1。

从上文中可以理解，本发明的解决方案具有许多优点，包括：

-它可以确保在热失控的情况下将线圈保持在电池中，同时仍然保留用于释放由反应产生的气体的溶液；

-它具有简单的架构；

-它能够很容易地适用于现有的电池，单独地或有组织地在同一个壳体中形成电池组。

Claims (12)

1.一种能适用于电化学电池(1)的安全设备，所述电池具有容器(10)，线圈放置在所述容器(10)中，所述容器(10)包括配备有至少一个破裂触发件的至少一个第一壁和防止线圈离开所述容器的第二壁，所述至少一个破裂触发件被设计成在发生故障时破裂以排出气体，其特征在于，所述安全设备具有：

-固定设备，其被布置成确保抵靠所述容器的所述第二壁，以便在热失控的情况下将其固定到位并使线圈保持在所述容器的内部，

-气体释放设备，其被布置成确保在热失控的情况下将气体从电池中排出。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固定设备具有相对于所述电池固定的框架(7)和固定到所述框架的基台装置。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：

-所述气体释放设备具有被称为密封板(4)的板，所述密封板(4)具有通孔(40)，

-所述固定设备具有基台垫(5)，所述基台垫(5)容纳在所述密封板的所述孔(40)中并被配置为抵接所述容器的所述第二壁，在所述垫与所述孔的内壁之间形成通道(50)，以便形成用于气体的通路，

-所述气体释放设备具有布置在所述通道(50)中的封闭装置，以便封闭所述通路。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述封闭装置具有唇形密封件(6)。

5.根据权利要求3和4中任一项所述的设备，其特征在于，所述固定设备具有在同一公共基台板(52)上形成的多个基台垫，所述公共基台板(52)固定到所述框架(7)。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述基台板(52)具有至少一个贯通开口(53)。

7.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：

-所述固定设备具有基台板(500)和压板(400)，所述基台板(500)被布置成确保基台抵靠所述容器的所述第二壁，所述压板(400)固定到所述框架(7)并被布置成压迫所述基台板(500)，所述基台板(500)包括第一通孔(501)并且所述压板包括第二通孔(401)，

-所述气体释放设备具有布置在所述基台板与所述压板之间的可穿孔膜，从而形成用于由第一通孔和第二通孔产生的通路的封闭装置。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述基台板具有用于容纳金属箔的凹部。

9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述基台板(500)具有用于电化学电池(1)的容纳隔室(502)。

10.根据权利要求2至9之一所述的设备，其特征在于，所述框架(7)具有用于容纳所述电化学电池(1)的壳体。

11.一种将根据权利要求1至10之一所述的安全设备用于圆柱形的电化学电池(1)的用途。

12.根据权利要求11所述的用途，其特征在于，所述电化学电池为18650型或21700型。