CN117916970A - 电池泄放口保护器 - Google Patents

Abstract

一种用于电池的泄放系统，包括接近电池的多个电化学电芯的每个电芯设置的泄放材料，该泄放材料配置为允许由于热事件而喷射出的物料流过该泄放材料。该系统还包括相对于泄放材料和多个电芯设置在固定位置的泄放装置，该泄放装置包括用于每个电芯的结构。该结构包括围绕对应于相应电芯的区域并远离相应电芯延伸的壁，该壁限定泄放路径，该泄放路径配置为引导喷射出的物料远离相应电芯。

Description

电池泄放口保护器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年9月2日提交的美国申请第63/240,110号的权益，其内容通过引用整体并入本文。

背景技术

电化学电芯在各种设备和应用中用作电源。这样的电芯被用作电池组，用于向例如电子设备、电动车辆、陆地车辆、飞机和/或船舶供电。这些电芯通常以多个电芯紧密集合成组使用，以实现高能量密度和小尺寸。由于电芯彼此接近，如果电芯发出热气体和物料(例如，由于内部短路、热失控或其他事件)，这会对相邻电芯造成损坏。期望为电芯组件或电芯组提供改进的设计，其提供免受损坏的保护并防止电芯的热失控损坏其他电芯并可能导致级联故障。

发明内容

用于电池的泄放(venting)系统的一个实施方案包括接近电池的多个电化学电芯的每个电芯设置的泄放材料，该泄放材料配置为允许由于热事件而喷射出的物料流过该泄放材料。该系统还包括相对于泄放材料和多个电芯设置在固定位置的泄放装置，该泄放装置包括用于每个电芯的结构。该结构包括围绕对应于相应电芯的区域并远离相应电芯延伸的壁，该壁限定泄放路径，该泄放路径配置为引导喷射出的物料远离相应电芯。

电池的一个实施方案包括设置在电芯外壳中的多个电化学电芯，以及泄放系统，该泄放系统包括接近电池的多个电化学电芯的每个电芯设置的泄放材料，该泄放材料配置为允许由于热事件而喷射出的物料流过该泄放材料。该泄放系统还包括相对于泄放材料和多个电芯设置在固定位置的泄放装置，该泄放装置包括用于每个电芯的结构。该结构包括围绕对应于相应电芯的区域并远离相应电芯延伸的壁，该壁限定泄放路径，该泄放路径配置为引导喷射出的物料远离相应电芯。

一种方法的实施方案包括操作电池，该电池包括设置在电芯外壳中的多个电化学电芯，该电池包括泄放系统。该泄放系统包括接近电池的多个电化学电芯的每个电芯设置的泄放材料和相对于泄放材料和多个电芯设置在固定位置的泄放装置，泄放装置包括用于每个电芯的结构。该结构包括围绕对应于相应电芯的区域并远离相应电芯延伸的壁，该壁限定泄放路径，该泄放路径配置为引导喷射出的物料远离相应电芯。该方法还包括，基于在受影响的电芯中发生的热事件，允许从受影响的电芯喷射出的物料流过泄放材料，并通过与受影响的电芯相关联的壁沿着泄放路径引导喷射出的物料远离受影响的电芯。

附图说明

图1描绘了电池组件的各方面，该电池组件包括多个单独的电化学电芯和用于泄放喷射出的物料和热量的部件；和

图2是图1的组件的单独的电化学电芯的剖面图；和

图3A和3B描绘了电池组件的各方面

图4A和4B描绘了电池组件的各方面；

图5A和5B描绘了图4A和4B的电池组件的各方面；

图6描绘了包括泄放材料和泄放装置的电池组件的各方面；

图7描绘了电池组件的各方面；和

图8是表示热事件示例的图。

具体实施方式

下面参考各种附图详细解释本公开的各个发明方面。描述示例以说明本公开的主题，而不是限制其范围。本领域普通技术人员将认识到以下描述中提供的各种特征的多种等同变型。

本公开涉及一种电化学电池，例如具有被配置为泄放喷射出的物料的部件的电芯组件。“喷射出的物料”包括微粒(例如，烟雾、导电颗粒和/或其他从电芯喷射出的颗粒或物质)、流体(例如，液体和气体)和/或其他可以从电芯喷射出的物料。在一个方面，泄放部件被配置成例如响应于热事件或其他事件，允许从泄放电芯喷射出的物料被引导远离泄放电芯和远离电芯组件的其他电芯，并且避免传播到电池或电芯组件中的其他电芯。该事件可能与电芯内部故障、物理损坏、过度充电、热量积聚或导致电芯进行泄放的任何其他情况有关。应注意，本公开的电芯组件及其部件不限于任何特定类型的电芯，如各方面可用于各种类型的电化学电芯，例如镍金属氢化物电芯、镍镉电芯、银锌电芯或锂离子电芯。此外，电芯可以具有任何合适的配置、尺寸或形状。例如，电芯可以是圆柱形、棱柱形或袋形电芯。

电池的一个方面包括多个单独的电化学电芯(例如，诸如锂离子电芯)，并且还包括具有泄放部件的泄放系统，该泄放部件允许泄放并为可以从电芯喷射的任何物料提供泄放路径。在一方面，泄放保护部件包括在每个单独的电芯上方设置或以其他方式接近每个单独的电芯设置的“泄放材料”，使得从电芯喷射出的物料将通过泄放材料。泄放材料被配置为在电芯上方打开或以其他方式允许从电芯喷射出的物料通过，同时具有足够的复原性(resilient)和/或受约束，使得相邻电芯中的泄放材料不会打开。泄放材料相对于电芯的“接近”位置是泄放材料的一部分在由电芯的泄放部件限定的泄放路径中的位置。泄放材料可具有可渗透结构以允许喷射出的物料容易地穿过其中，和/或可被配置成通过物理或化学手段由于喷射出的物料而破裂、撕裂或以其他方式打开。例如，泄放材料可以破裂以为喷射出的物料提供泄放路径，或者可以在与从电芯放出的热气体一起存在时熔化。泄放材料可以是可被喷射出的物料打开或破坏的，或者是允许喷射出的物料通过的可渗透材料。在一方面，泄放材料是电绝缘材料。

泄放部件还可包括相对于泄放材料设置在固定位置的泄放装置。在一方面，泄放装置限定泄放路径的至少一部分，该泄放路径引导喷射出的物料远离电芯并朝向组件的外部(例如，电池盒泄放口或其他期望位置)。泄放路径允许泄放喷射出的物料和能量，而不会损坏组件中的其他电芯。在一个实施方案中，泄放装置包括围绕对应于电芯的区域并迫使喷射出的物料和能量到达电芯上方的泄放区域的结构，并且还限制开口(例如，孔或裂口)的尺寸，使得开口不会迁移到其他电芯上方的区域。如下文进一步讨论的，泄放装置还可用于防止气体或其他材料在泄放材料下方移动至相邻电芯。

泄放材料和泄放装置可以以任何合适的方式定位和固定就位。例如，泄放材料通过机械紧固件固定至电芯组件和/或泄放装置或使用粘合剂粘附。在一方面，泄放装置被配置为夹紧或固定装置(其可以是单个装置或多个单独的部件)，其被配置为将泄放材料相对于每个电芯固定就位，而不干扰每个单独的电芯的泄放路径。

本文描述的电化学电芯和电芯组件的各方面呈现出许多优点并且解决了许多问题。为了满足电子设备的电压和容量需求，多电芯(Multi-cell)电池组变得越来越普遍。多电芯电池组可用于各种应用，例如汽车、航空、国防、航天、电网储能等。电芯可以彼此紧密接近地封装以获得高能量密度，但这可能会引起一些安全问题。例如，在热失控事件期间，物料(例如颗粒和气体)可能从电芯中喷射出。由于电芯紧密接近且封装紧凑，喷射出的物料可能会保持与邻近电芯紧密接近，从而在热失控事件期间导致短路并传播到一个或多个电芯。

电池可以包括电子管理系统以电控电芯操作。然而，这样的系统可能不能有效地应对诸如导致热失控的内部电芯故障或在几乎没有迹象的情况下发生的电芯泄放等情况。

本文描述的各方面提供了一种无源系统，以限制对电池、电芯组件或安装有电池的设备的损坏。各方面提供了用于喷射出的物料和气体的泄放路径，其有效地将物料和气体转移离开电芯，同时为电芯组中的其他电芯提供保护。喷射出的物料的泄放路径可以保持相对较小，以维持电芯组件的最高可行能量密度。

图1是电化学电芯组件10的一部分的剖面图，其包括串联和并联电连接的多个单独的电化学电芯12以实现期望的电压和容量。在一方面，电化学电芯12是锂离子电芯，但可以是任何其他合适类型的电芯。例如，组件10是包括多个圆柱形锂离子电芯的电池组。

组件10包括外壳14，其中多个电芯12封装在一起，并且如图所示，电芯可以沿相同方向定向并且彼此紧密接近。“紧密接近”可以是相邻电芯之间的距离为约1-100mm、2mm-90mm、5mm-100mm或者前述距离的上限和下限的任何合适的组合。例如，多个电芯12间隔约0.5mm至约10mm。每个电芯12都被泄放材料16覆盖，该泄放材料16被配置为提供电绝缘和隔热，并且还被配置为允许在导致电芯排放气体和/或固体物料的事件的情况下用于从电芯12喷射出的物料和气体的泄放路径。此类事件的一个示例是热失控。发生热失控的原因有多种，例如电芯内部故障、过度充电或放电造成的滥用、物理损坏以及过多的热量积聚。

在一方面，泄放材料16是多孔的、耐热绝缘材料，其被配置为允许喷射出的物料穿过其中。泄放材料被选择为耐热的，并且除了允许从给定电芯12的喷出之外，还为邻近或接近泄放路径的电芯12提供保护层。

泄放材料16可以允许喷射出的物料穿过材料内的通道，和/或可以允许喷射出的物料通过由于电芯泄放的力而破裂、爆裂或以其他方式打开而穿过。

泄放材料16还具有足够的模量、坚固性(substantiality)或坚固性(robustness)，以在除了泄放电芯12的电芯12处保持其完整性。泄放材料可以是织造或非织造材料，并且可以包括陶瓷或玻璃纤维。例如，泄放材料16可以是松散织造或非织造材料，例如陶瓷、多孔或渗透性高温塑料(例如，耐受约300摄氏度以上温度的塑料，尽管可以使用较低温度的塑料)、织造纤维、泡沫或耐热纸质材料。通常，泄放材料16被选择为具有使材料对高表面温度(例如，约600摄氏度至约1200摄氏度)的复原的特性。泄放材料16不限于此，并且可以包括任何类型的可以容易地允许从电芯12喷射出的气体和其他物料通过的材料或材料组合。泄放材料的示例包括陶瓷纤维纸、芳纶纤维材料、聚合物膜、聚酰胺聚合物、气凝胶层压材料、网状过滤器等。

图1示出了泄放材料16的示例，其被提供为覆盖每个电芯12的泄放材料(例如，织造材料或耐温纸)片。泄放材料16可以是整体部件，例如如图所示的单片，或者可以被配置为每个电芯12上方的单独材料部分。泄放材料16片可以是单层材料、多层材料或包括多层不同材料。泄放材料16是松散织造或以其他方式配置为限定通道或开口，以允许喷射出的物料容易地通过，同时为其他电芯12保持一层免受热量和碎片影响的保护层。可替代地或另外地，泄放材料16可以由于从电芯喷射而爆裂(例如，通过冲切“爆破盘”区域)或破裂，而在其他电芯中保持完好。

虽然图1中示出了单层，应当理解，可以使用多层或泄放材料(例如，相同或不同的材料)的组合。泄放材料可以包括任何类型的耐高温(例如热失控温度)的合适材料，并且可以被配置为提供泄放路径。示例包括耐温且不易燃的纸、耐火棉、陶瓷材料、高温塑料、各种类型的轻质(lightweight)、纤维、高温材料等。

在一方面，泄放材料16保持与每个电芯紧密接触或接近每个电芯，以防止任何喷射出的物料遵循不期望的路径。例如，紧密接触或接近防止喷射出的物料在泄放材料16下方流动并绕过期望的泄放路径。

可以使用各种材料和/或机械装置来将泄放材料16固定就位。示例包括粘合剂和高温绝缘胶带，它们与夹紧装置结合或作为夹紧装置的替代品。

在一个方面，电芯组件10包括泄放装置18，该泄放装置18被配置为提供喷射出的物料的泄放路径，并且可以被配置为将泄放材料16保持在相对于电芯12的固定位置(例如，通过将泄放材料16夹紧至电芯12和/或外壳14)。泄放装置18还可限定远离喷射电芯12的泄放路径的全部或部分。泄放路径允许喷射出的物料被泄放，而不损坏组件中的其他电芯。泄放装置18可以是单个整体或结构，或者可以包括多个部件或结构。

图1描绘了泄放装置18的示例，其是限定单独结构的单个整体部件，其中每个结构形成远离相应电芯12的泄放路径的部分。在该示例中，泄放装置18是扁平蜂窝状结构，该结构限定了围绕每个电芯12上方的区域(“泄放区域”)的六边形(或部分六边形)结构20。每个结构20限定远离相应电芯12的顶部和相关联的泄放区域垂直延伸的壁。应注意，该示例中的“垂直”是指与电芯12的纵轴平行的方向。结构20可以为泄放材料提供艰难的路径，以在冲击相邻电芯之前充分冷却，因此可以使用任何数量或类型的开口、通道、凹槽、导管(例如，管道)和/或其他配置。

泄放装置18可以以任何合适的方式固定至外壳14和泄放材料16。例如，泄放装置18可以粘附或固定(例如，通过螺钉或其他机械固定装置)至盖22，盖22继而固定至主体14。盖22，如图1所示，可限定侧壁24，侧壁24垂直延伸以在泄放装置18上方提供间隙或体积。可包括盖或其他特征以在泄放装置18上方水平延伸，以便限定泄放路径的一部分。该示例中的“水平”是指垂直于电芯纵轴的平面中的方向。泄放装置18可形成将泄放材料16固定就位的夹紧装置的全部或部分，或者泄放材料16可通过不同的固定装置固定就位。

图2是单独的电芯12和组件10的一部分的剖面，其示出了穿过泄放材料16提供并至少由泄放装置18限定的泄放路径的示例。泄放路径如箭头26所示，其说明喷射出的物料的流动。如图所示，泄放路径垂直地穿过泄放装置18，然后大致水平地延伸。盖22设置在距离泄放装置18的顶部选定的垂直距离处，并且限定了泄放装置上方的“自由区域”(及其相关联的泄放区域)，其提供与电芯12的足够间距以避免对其造成损坏。作为示例，侧壁24可具有约0.11英寸(或更大或更小)的垂直长度，并且自由区域(从泄放材料16到盖22)的厚度可为约0.3英寸(或更大或更小)。如图所示，喷射出的物料通过装置结构20垂直喷射，然后通过自由区域水平引导至期望位置，例如主体14的外部或散热器。

图3A和3B描绘了泄放装置18的其他示例。在这些示例中，每个电芯12是矩形棱柱电芯(具有如图3A所示的近似正方形的形状，或者如图3B所示的更细长的矩形形状)，泄放装置18限定了围绕每个电芯上方的矩形区域的单独的结构20。该示例中的泄放路径是穿过每个泄放区域的垂直路径，该泄放区域延伸至泄放装置18上方的自由区域。因此，来自给定电芯12的喷射出的物料可以垂直地流至自由区域并且随后水平地或沿任何合适的方向流动。

图4A、4B、5A和5B描绘了包括多个电芯12的电化学电芯组件10的实施方案。该实施方案中的电芯12是圆柱形锂离子电芯，然而该实施方案不限于此。电芯组件10可以包括与电芯12电隔离的附件(未示出)，并且可以由任何期望的材料(例如，钢铁、铝或其他导热材料)制成。电芯组件10的附件和/或其他部分用作散热器以帮助温度调节。

图4A是电芯组件10的剖面图，图4B是电芯组件10的一部分的透视图。外壳14设置在散热器40上，散热器40安装在安装板42上。泄放装置18和泄放材料16设置在外壳14和绝缘层44之间。绝缘层44将电芯12与受保护部件46(例如，PCB、电池盒等)隔离。

泄放材料16设置在多个电芯12上方，并且可以由打开(例如，破裂或爆裂)的材料制成，或者由对于在热失控或其他热事件期间从电芯喷射出的物料可渗透的材料制成。

在一个实施方案中，泄放装置18将泄放材料16保持在相对于电芯12的固定位置。在该实施方案中，泄放装置18是限定单独的结构20的主体，该结构20具有为喷射出的物料建立垂直路径的壁，使其流动远离喷射电芯12和其他电芯12。泄放装置18通过机械紧固件(例如螺栓或任何其他合适的机械装置)保持就位。以此方式，建立了泄放路径，其包括用于远离相应电芯12延伸的每个结构的垂直路径。例如，图4A示出了泄放路径的一部分，其包括建立在泄放装置18和绝缘材料44之间的间隙或空间中的大体水平的路径50。

图5A和图5B是电芯组件10的实施方案的俯视剖面图，其示出了由合适的附件、壳体或其他结构限定的泄放路径以及由泄放装置18限定的各个泄放结构20的各方面。图5A和5B还示出了与电芯12的正极端子56电连通的导体52。图5B示出了其中正极端子56通过引线接合(wire bonds)54并联连接至导体52的实施方案。

如图所示，每个结构20形成围绕相应电芯12正上方的空间的六边形壁，其限定用于喷射出的物料和能量的垂直路径。垂直路径终止于空腔(例如，如图4A中所示的泄放装置18和绝缘材料44之间的空间)，该空腔将喷射出的物料沿电芯12的外围上方和周围的水平路径50引导至组件中安全位置和/或外部位置(例如，通过电池盒泄放口)。

图6-8描绘了电芯组件10的实施方案并且说明了泄放材料16和泄放装置18对热事件的影响。如图6所示，电芯组件10包括以耐热纸形式的泄放材料16和在每个电芯上方限定六边形泄放路径的泄放装置18。如图7所示，电池组件10包括多个电芯12，表示为电池12a-g。

在该示例中，在位于中心的电芯12g中引发内部短路，导致热失控。在热失控事件之前和期间测量每个电芯12a-12g的温度。

图8描绘了在对应于事件的时间段内每个电芯的温度。图8示出了作为时间的函数的温度(以摄氏度为单位)的图。电芯12a的温度由曲线201表示，电芯12b的温度由曲线202表示，电芯12c的温度由曲线203表示，电芯12d的温度由曲线204表示。电芯12e的温度由曲线205表示，电芯12e的温度由曲线206表示，电芯12g的温度由曲线207表示。

如图所示，电芯12g的温度从约45摄氏度的初始温度上升，并且热失控在约88摄氏度的初始温度下开始并且随后急剧上升。然而，其余电芯并未受到显著影响，并且维持低于热失控初始温度的最高温度。

应当理解，本文描述的各种组件可以由多种材料中的任一种制成，包括例如金属、铜、铝、不锈钢、镍、钛、塑料、塑料树脂、尼龙、复合材料、玻璃和/或陶瓷，或者可能需要的任何其他材料。

或者，组合物、方法和制品可包含、由以下组成或基本上由以下组成：本文公开的任何适当的材料、步骤或组件。组合物、方法和制品可以附加地或可替代地配制为不含或基本上不含对实现组合物、方法和制品的功能或目标不必要的任何材料(或物种)、步骤或组件。

“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元素与另一个元素区分开。术语“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”不表示数量限制，并且应被解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有明确说明，“或”是指“和/或”。整个说明书中对“一些方面”、“一个方面”等的引用意味着结合该方面描述的特定元素被包括在本文描述的至少一个方面中，并且可以存在或不存在于其他方面中。另外，应当理解，所描述的元素可以在各种方面中以任何合适的方式组合。“其组合”是开放的并包括任何包含至少一种列出的组件或属性，可选地与未列出的类似或等效组件或属性一起的组合。

除非另有定义，本文中使用的技术和科学术语具有与本申请所属领域的技术人员通常理解的相同含义。所有引用的专利、专利申请和其他参考文献均通过引用整体并入本文。然而，如果本申请中的术语与并入的参考文献中的术语矛盾或冲突，则本申请中的术语优先于并入的参考文献中的冲突术语。

虽然已经描述了特定方面，但是申请人或本领域的其他技术人员可以想到是或可能是当前未预见到的替代、修改、变型、改进和实质等同物。因此，所提交的以及它们可以被修改的所附权利要求旨在涵盖所有这样的替代、修改、变型、改进和实质等同物。

Claims (20)

1.一种用于电池的泄放系统，包括：

泄放材料，其接近电池的多个电化学电芯的每个电芯设置，所述泄放材料配置为允许由于热事件而喷射出的物料流过所述泄放材料；和

泄放装置，其相对于所述泄放材料和多个电芯设置在固定位置，所述泄放装置包括用于每个电芯的结构，所述结构包括围绕对应于相应电芯的区域并远离相应电芯延伸的壁，所述壁限定泄放路径，所述泄放路径配置为引导喷射出的物料远离相应电芯。

2.根据权利要求1所述的泄放系统，其中每个结构远离所述多个电化学电芯延伸至泄放区域。

3.根据权利要求1所述的泄放系统，其中所述泄放材料是电绝缘的，并且耐受与热事件相关的温度。

4.根据权利要求3所述的泄放系统，其中所述泄放材料被配置为由于所述喷射出的物料而打开，以提供所述泄放路径。

5.根据权利要求3所述的泄放系统，其中所述泄放材料对所述喷射出的物料是可渗透的。

6.根据权利要求1所述的泄放系统，其中所述泄放装置被配置为将所述泄放材料固定在固定位置。

7.根据权利要求6所述的泄放系统，其中所述泄放装置被配置为通过夹紧装置将所述泄放材料夹紧至多个电化学电芯的外壳上。

8.根据权利要求1所述的泄放系统，其中所述泄放装置是限定用于每个电芯的结构的整体部件。

9.一种电池，包括：

设置在电芯外壳中的多个电化学电芯；和

泄放系统，包括：

泄放材料，其接近电池的多个电化学电芯的每个电芯设置，所述泄放材料配置成允许由于热事件而喷射出的物料流过所述泄放材料；和

泄放装置，其相对于所述泄放材料和多个电芯设置在固定位置，所述泄放装置包括用于每个电芯的结构，所述结构包括围绕对应于相应电芯的区域并远离相应电芯延伸的壁，所述壁限定泄放路径，所述泄放路径配置为引导喷射出的物料远离相应电芯。

10.根据权利要求1所述的电池，其中每个结构远离所述多个电化学电芯延伸至泄放区域。

11.根据权利要求1所述的电池，其中所述泄放材料是电绝缘的，并且耐受与热事件相关的温度。

12.根据权利要求3所述的电池，其中所述泄放材料被配置为由于所述喷射出的物料而打开，以提供所述泄放路径。

13.根据权利要求3所述的电池，其中所述泄放材料对所述喷射出的物料是可渗透的。

14.根据权利要求1所述的电池，其中所述泄放路径和所述结构允许所述喷射出的物料被引导远离相应电芯，而不会损坏所述多个电化学电芯中的其他电芯。

15.根据权利要求1所述的电池，其中所述泄放装置被配置为通过夹紧装置将所述泄放材料夹紧至所述电芯外壳上，所述夹紧装置将所述泄放材料固定在固定位置。

16.根据权利要求1所述的电池，其中所述泄放装置是限定用于每个电池的结构的整体部件。

17.一种方法，包括：

操作电池，所述电池包括设置在电芯外壳中的多个电化学电芯，所述电池包括泄放系统，所述泄放系统包括：

泄放材料，其接近电池的多个电化学电芯的每个电芯设置；和

泄放装置，其相对于所述泄放材料和多个电芯设置在固定位置，所述泄放装置包括用于每个电芯的结构，所述结构包括围绕对应于相应电芯的区域并远离相应电芯延伸的壁，所述壁限定泄放路径，所述泄放路径配置为引导喷射出的物料远离相应电芯；和

基于在受影响的电芯中发生的热事件，允许从所述受影响的电芯喷射出的物料流过所述泄放材料，并通过与所述受影响的电芯相关联的所述壁沿着所述泄放路径引导所述喷射出的物料远离所述受影响的电芯。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述结构引导所述喷射出的物料至泄放区域。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述泄放材料由于所述喷射出的物料而打开，以提供泄放路径。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述喷射出的物料被引导远离相应电芯，而不会损坏所述多个电化学电芯中的其他电芯。