CN118104041A - 具有改善的安全的电池组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池组，其中，当在设置在电池组中的多个电池模块中的一个中出现发热或热失控时，电池组可以由于导热垫的蒸发而在基板和对应的电池模块之间形成分离空间，从而防止热量从对应的电池模块传播到相邻的电池模块，由此显示出改善电池组针对起火或爆炸的安全性的优点。

Description

具有改善的安全的电池组

技术领域

本发明涉及在热失控期间具有改善的安全性的电池组。

本申请要求在2022年9月1日提交的韩国专利申请No.10-2022-0110500的优先权的权益，该申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。

背景技术

目前，商业化的二次电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池和锂二次电池。其中，锂二次电池由于其与镍基二次电池相比自由充电和放电而几乎没有记忆效应的能力、非常低的自放电率和高能量密度而获得关注。

这些锂二次电池主要分别利用锂基氧化物和碳材料作为正极活性材料和负极活性材料。锂二次电池由电极组件和作为电池壳体的外部材料构成，在该电极组件中，分别涂覆有正极活性材料和负极活性材料的正极板和负极板在隔膜位于其间的情况下进行布置，在外部材料中，电极组件与电解液一起被密封和存储。

通常，根据外部材料的形状，锂二次电池可以被分类为其中电极组件被嵌入在金属罐中的罐型二次电池和其中电极组件被嵌入在铝层压片的袋中的袋型二次电池。

近年来，二次电池不仅已在诸如便携式电子设备之类的小型设备中被广泛使用，而且已在诸如汽车和用于电力和能量存储的能量存储系统(ESS)之类的大型设备中被广泛使用。二次电池装设在电池组中并且安装在中型和大型设备等上。这里，为了增加电池组的容量和输出，大量二次电池被包括在电池组中并且彼此电连接。这里，多个二次电池可以被容纳在一个模块壳体内部以构成一个电池模块，并且多个电池模块可以被容纳在一个电池组壳体内部以构成一个电池组。

通常，当在具有高于最佳温度的环境中使用时，二次电池可能劣化，并且在严重的情况下，二次电池可能爆炸或起火。此外，当使用多个二次电池来形成电池组时，来自小空间中的多个二次电池的热量可以聚集，使得电池组的温度更快速且严重地升高。特别地，通常在户外使用的用于车辆或电力存储设备的电池组频繁暴露于直射阳光并且可能经受严重的高温条件，诸如在夏季或在沙漠地区中。

此外，电池组由多个电池模块或多个二次电池配置。如果在配置电池组的多个电池模块或多个二次电池中的一些中出现异常情况，则可能发生发热。一旦发生发热，电池的温度就可以继续上升，超过预定的阈值温度并且发展到热失控状态。如果在其中多个电池单元堆叠在一起的电池模块或电池组内部发生这种热失控，则其可以引起电池单元的爆炸或起火。在这种情况下，火焰可能传播到其他正常操作的电池单元，导致多个电池单元的级联爆炸，这可能导致对安装有电池模块/电池组的设备的损坏，并且使用户暴露于安全隐患。

[现有技术文献]

韩国专利公开No.10-2019-0018389

发明内容

技术问题

因此，本发明的目的是提供一种通过有效地控制发热或热失控情形而具有改善的安全性的电池组。

技术方案

为了解决上述问题，

在示例性实施例中，本发明提供：

一种电池组，其容纳多个电池模块，所述电池组包括：

基板，其包括电池模块所位于的模块区域，

侧壁，其沿所述基板的边缘垂直延伸和联接，以围成所述模块区域，以及

电池组壳体，其包含联接到所述侧壁的隔板，并且划分所述基板以形成多个模块区域；

其中，所述隔板包括在其下端处的紧固部，所述紧固部向内突出并接合所述电池模块；并且

其中，电池组包括在电池模块与基板的模块区域之间的导热垫，该导热垫在高温下相变至气态以形成分离空间。

这里，紧固部可以基于侧壁的下端位于0.5mm至5.0mm的高度处。

另外，紧固部可以通过沿着隔板的下端以预定距离间隔开而形成为多个。

此外，导热垫可包括在100℃至800℃下蒸发或升华的聚合物。

另外，导热垫可具有其中导热填料分散在基质中的结构，基质包括在100℃至800℃下蒸发或升华的聚合物。

这里，导热填料可以包括以下材料中的一种或更多种：铝、铜、锌、镁、不锈钢、银、氧化铝(Al₂O₃)、硅(SiO₂)、氮化铝(AlN₃)、碳纳米管、碳化硅(SiC)、石墨和活性炭。

另外，导热填料可以是针状颗粒或纤维状颗粒。

此外，导热填料可以相对于导热垫的总重量以1重量％至30重量％的量被包含。

另外，导热垫可具有0.5mm至5.5mm的平均厚度，但厚度等于或大于电池模块与基板之间的分离距离。

此外，模块区域可以包括中央部分和外围部分，并且导热垫可以位于中央部分中。

有益效果

根据本发明的电池组具有以下优点：在设置在电池组中的多个电池模块中的任一个中发生发热或热失控的情况下，导热垫的蒸发可以通过在基板和对应的电池模块之间形成分离空间来抑制热量从该电池模块向相邻的电池模块传播，从而改善电池组针对起火或爆炸的安全性。

附图说明

图1是示出根据本发明的电池组的结构的立体图。

图2是根据本发明的电池组壳体的立体图和平面图。

图3是示出安装有电池模块的根据本发明的电池组的结构的截面图。

具体实施方式

本发明可以具有各种修改和各种示例，并且在附图中示出并在说明书中详细描述了特定示例。

然而，应当理解，本发明不限于特定实施例，并且包括在本发明的精神和技术范围内的所有修改、等同物或替代物。

术语“包括”、“包含”和“具有”在本文中用于指定在说明书中描述的特征、数字、步骤、动作、组件、构件或其组合的存在，并且应当理解，不预先排除存在或添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作、组件、构件或其组合的可能性。

另外，当层、膜、区域或板中的一部分设置在另一部分“上”时，这不仅包括该一部分“直接地”设置在该另一部分上的情况，而且还包括第三部分插设其间的情况。相对地，当层、膜、区域或板的一部分设置在另一部分“下方”时，这不仅包括该一部分被直接设置在另一部分的“下方”的情况，而且还包括第三部分插设其间的情况。另外，本申请中，“上”不仅可以包括设置在上部上的情况，而且还可以包括设置在下部上的情况。

在下文中，将更详细地描述本发明。

电池组

在一个实施例中，本发明提供：

一种电池组，其容纳多个电池模块，电池组包括：

基板，其包括电池模块所位于的模块区域，

侧壁，其沿基板的边缘垂直延伸和联接，以围绕所述模块区域，以及

电池组壳体，其包括隔板(bulkhead)，隔板联接到侧壁并且划分基板以形成多个模块区域；

其中，所述隔板包括在其下端处的紧固部，所述紧固部向内突出并接合(engage)所述电池模块；并且

其中，所述电池组包括在电池模块与所述基板的模块区域之间的导热垫，该导热垫在高温下相变至气态以形成分离空间。

根据本发明的电池组包括多个电池模块和容纳所述多个电池模块的电池组壳体。这里，电池组壳体包括：紧固部，其用于将电池模块固定到隔板的下部内侧，使得电池模块设置在以一定高度与基板间隔开的位置处；以及导热垫，其用于在高温下通过相变为气态来在基板和固定到紧固部的电池模块之间形成分离空间。由于导热垫在多个电池模块中的任一个中发热或热失控的情况下蒸发，紧固部和导热垫可以在基板和对应的电池模块之间形成分离空间。由此形成的分离空间可抑制对应电池模块的热量传播到相邻电池模块，从而抑制电池组的起火和/或爆炸。

图1至图3是示出根据本发明的电池组100的结构的立体图、平面图和截面图。在下文中，将参照图1至图3更详细地描述本发明。

本发明的电池组100包括电池模块110和其中容纳电池模块110的电池组壳体。

这里，本发明中涉及的电池模块110可以设置有用于存储这种二次电池的模块壳体。换句话说，模块壳体可以被认为构成电池模块110的外部部分或外部表面，并且这种模块壳体的内部可以容纳一个或更多个二次电池。特别地，当电池模块110配备有多个二次电池时，二次电池可以沿至少一个方向堆叠成多个。

在这种情况下，如果电池模块110中提供的二次电池是袋型二次电池，则可以在电池模块110中进一步提供多个可堆叠盒(stackable cartridge)。可堆叠盒可以被配置为可彼此堆叠以便利于袋型二次电池的堆叠，同时改善稳固度。另外，可堆叠盒可以配置有围绕袋型二次电池的边缘的框架。

此外，设置在电池模块110中的二次电池不限于上述袋型电池，而是可以是例如圆柱形电芯，即，电池模块110可以采用本领域已知的各种电池单元。

模块壳体可以形成为大致立方体形状，如图1所示。在这种情况下，模块壳体可以具有上部、下部、左侧部、右侧部、前端部和后端部。

此外，模块壳体可以在前端部和后端部中的至少一个上设置有模块端子。模块壳体可以以具有敞开的前端部和/或后端部以及用于存储二次电池的中空内部的主体部、覆盖前端部的前端盖和/或覆盖后端部的后端盖的形式配置。另选地，模块壳体可以包括主体部和上部盖，主体部具有敞开的上部并且形成为盒的形式以将二次电池存储在内部空间中，上部盖用于密封上部的敞开端部。此外，模块壳体可以以各种其他形式配置。

模块壳体可以以密封形式配置，以保护容纳在其中的二次电池免受外部物理和化学因素的影响。例如，模块壳体可以被配置成使得容纳在其中的二次电池的上部、下部、左侧部、右侧部、前部和后部全都被封闭，使得二次电池的上部、下部、左侧部、右侧部、前部和后部不暴露于外部。在这种配置中，模块壳体可以是单个电池模块的外部组件，并且可以是区分电池模块的外部和内部的边界。

模块壳体可以设置有电绝缘材料，例如塑料，以在电池模块110的外部和内部提供电绝缘。然而，模块壳体也可以由各种其他材料配置，或者可以进一步包括其他材料。

电池模块110中设置的多个二次电池可以彼此串联和/或并联电连接。此外，电池模块110的模块壳体可以在模块壳体的外侧(例如在模块壳体的前表面的上部上)设置有的模块端子(+端子、-端子)，以电连接到电池模块110内部的二次电池。这些模块端子可以经由电力电缆或汇流条(未示出)彼此电连接以用于将电池模块110彼此互连或将电池模块110与电池模块110外部的设备互连。用于此目的的电池模块110的特定配置未在本文中描述，因为可应用本领域中的配置。

电池模块110可以在电池组中设置为多个。此外，多个电池模块110可以沿左到右的方向布置，并使侧表面彼此面对。例如，电池组100可以包括至少两个电池模块110。在这种情况下，两个电池模块110可以沿左到右的方向布置，并使右侧和左侧彼此面对。

此外，电池组100可以包括包含上述电池模块110的电池组壳体。根据需要，电池组100还可以包括电池组壳体盖(未示出)，其在电池组壳体的上部联接到电池组壳体以覆盖电池模块110的上部。

这里，电池组壳体可以包括设置在电池模块110的下部并且包括电池模块110所位于的模块区域的基板120。此外，基板120可以具有在水平方向上延伸的板形形状。这里，水平方向是指平坦平面的平面方向。基板120可以设置有具有良好机械刚性的金属材料。

此外，多个电池模块110可以位于基板120的上部上。为此，基板120可以包括电池模块110所位于的模块区域，并且沿着基板的边缘垂直延伸以围绕模块区域的侧壁130可以联接在一起以形成用于容纳电池模块110的空间。

在这种情况下，基板120不仅可以执行在下部处提供电池模块100容纳的空间的功能，而且还可以执行散热器的功能以将由电池模块100产生的热量散发到外部。为此，基板120可以在与电池模块110被容纳在其上的一侧相对的另一侧上设置有冷却装置(未示出)，使得诸如冷却剂或空气的制冷剂可以在接触状态下流动。另外，侧壁130的联接可以本领域常规的方式(例如通过摩擦搅拌焊接等)执行。

此外，电池组壳体包括隔板140，隔板140将内部空间分成多个电池模块区域，使得多个电池模块110可以安装在由侧壁130提供的容纳空间中。在这种情况下，隔板140可以联接成使得两端分别垂直于两个相对的侧壁130，如图1所示，并且下端部被配置成联接到基板120的上表面。

另外，隔板140包括紧固部150，其将电池模块110固定到下端内部，使得电池模块110设置在以一定高度与基板120间隔开的位置处。

紧固部150位于隔板140的内部下部部分上，并且用于接合电池模块110的下表面以支撑电池模块110。为此，紧固部150可以不受特别限制，只要其具有在下部支撑电池模块110的形状即可。然而，优选地，其可以包括与电池模块110的下表面相对的侧部，如图2所示，并且可以包括穿过与电池模块110的下表面相对的侧部的紧固孔151，使得当该侧部与电池模块110的下表面接触时，具有螺纹结构的诸如螺栓(未示出)紧固构件可以固定。

在这种情况下，紧固部150可以设置成使得支撑在紧固部的上表面上的电池模块110与基板120间隔开预定距离。具体地，紧固部150可以相对于基板120的上表面设置在0.5mm至5.0mm的高度处，更具体地，紧固部150可以设置在0.5mm至3.0mm；0.5mm至1.5mm；或0.8mm至1.2mm的高度处。通过调节紧固部150的位置以满足相对于基板120的上表面的上述高度，本发明可避免过量间隔使在电池组100的正常操作期间内部散热的效率降低。此外，通过如上所述调节紧固部150的位置，当多个电池模块110中的任一个发热或在热失控期间，窄的分离距离可以防止热量通过用作散热器的基板120快速地传递到相邻的相邻电池模块110。

此外，紧固部150可以位于隔板140的内部下部部分上，但是多个紧固部150可以以预定距离间隔开，使得它们沿着电池模块110的下端边缘牢固地紧固。

在一个示例中，紧固部150可以设置在其中容纳有电池模块110的隔板140的内表面的两个下端部中的每一个处，如图2所示。

作为另一示例，紧固部150可以分别设置在其中容纳有电池模块110的隔板140的内表面的两个下端部和中央下部部分处。

电池组壳体包括在电池模块110与基板120之间通过紧固部150形成的分离空间中的导热垫160。导热垫160用于在电池组100的正常操作期间传递由电池模块110产生的热量，使得热量可以通过基板120消散。此外，导热垫160在电池组100的异常操作期间(例如在与导热垫160接触的电池模块110的发热和/或热失控期间)蒸发或升华，以在电池模块110与基板120之间形成分离空间。

为此，导热垫160可以包括在100℃至800℃下蒸发或升华以便在电池模块110的异常操作的情况下形成分离空间的聚合物。更具体地，导热垫160中包括的聚合物可以包括丙烯酸树脂、乙氧基树脂、聚苯乙烯基树脂、硅树脂、聚酯树脂、聚烯烃树脂等，并且可以通过向这些树脂使用添加剂或通过物理化学改性而在100℃至600℃、100℃至400℃、100℃至300℃或150℃至300℃下蒸发或升华。通过利用在上述范围内蒸发或升华的聚合物配置导热垫，与利用常规简单熔化聚合物配置的导热垫相比，本发明可以在电池模块110的发热和/或热失控期间由于导热垫的蒸发/升华的热量而实现冷却效果。此外，导热垫可以在电池组100的起火和/或爆炸发生之前分离被加热的电池模块110和基板120，从而防止从被加热的和/或热失控的电池模块110到相邻模块的热传播。

此外，导热垫160可以作为包括在100℃至800℃下蒸发或升华的聚合物的基质(matrix)(以下称为“聚合物基质”)通过其自身实现高导热率，并且可以具有其中导热填料分散在包括在100℃至800℃下蒸发或升华的聚合物的基质中的结构以实现更高的导热率。

在这种情况下，只要导热填料被应用于在电池、电池模块或电池组等中实现导热效果，导热填料可以应用而不受限制，但是导热填料可以具体地包括铝、铜、锌、镁、不锈钢、银、氧化铝(Al₂O₃)、硅(SiO₂)、氮化铝(AlN₃)、碳化硅(SiC)、碳纳米管、石墨和活性炭中的一种或更多种。

此外，导热填料可以相对于导热垫的总重量以1重量％至30重量％的量被包含，以防止在聚合物基质的蒸发或升华之后电池模块110与基板120接触。更具体地，基于导热垫的总重量，导热填料可以以以下量被包含：1重量％至20重量％、1重量％至10重量％、10重量％至30重量％、15重量％至30重量％、或10重量％至20重量％。

此外，导热填料可以是针状颗粒或纤维状颗粒，以便即使导热垫包含少量导热填料也实现导热垫的高导热率。在这种情况下，导热填料具有即使少量的导热填料被分散也能够在聚合物基质内部形成填料间导热网络的优点，从而实现高导热率。

这里，导热填料的平均尺寸可以是1000μm或更小，更具体地，900μm或更小、750μm或更小、500μm或更小、300μm或更小、100μm或更小、1μm至500μm、10μm至500μm、50μm至500μm、100μm至500μm、200μm至400μm、或50μm至300μm。这里，“平均尺寸”可以表示导热填料的“长轴长度”(通过颗粒中心的最长长度)和“短轴长度”(通过颗粒中心的最短长度)的平均值。通过将导热填充物的平均尺寸调整到上述范围，本发明可以防止在聚合物基质蒸发或升华之后电池模块110与基板120之间的接触，同时实现导热垫160的高传导性。

同时，导热垫160可以具有0.5mm至5.5mm的平均厚度，但是可以具有等于或大于电池模块110和基板120的分离距离的厚度。通过具有等于或大于电池模块110与基板120之间的分离距离的平均厚度，在电池组100的正常操作期间，由电池模块110产生的热量可以容易地耗散到基板120，即，从导热垫160的上表面耗散到导热垫160的下表面。此外，通过具有上述厚度条件，导热垫160具有能够在外力施加到电池组100时充当缓冲器的优点，尤其是当从上部施加外力时，从而提供更高的安全性。

此外，导热垫160可以设置在基板110的整个模块区域中，并且在一些情况下可以局部地设置。导热垫160可以设置在基板110的整个模块区域中，但是也可以局部地形成在特定区域中，具体地，形成在总面积的60％至99％中。因此，导热垫160可以增加与电池模块110接触的侧面的表面积，从而进一步提高导热性。

在一个示例中，模块区域可以包括中央部分和外围部分，并且导热垫可以位于中央部分中。在这种情况下，导热垫可以具有更有效地耗散内部热量的优点，内部热量在电池组的正常操作期间具有高频率和高程度的发热。

根据本发明的电池组具有这样的优点：通过具有上述配置，可以通过在发热或热失控的情况下由于导热垫的蒸发而在基板和对应的电池模块之间形成分离空间来抑制热量从设置在电池组中的多个电池模块中的任一个向相邻的电池模块传播，从而改善电池组针对起火或爆炸的安全性。

在下文中，将通过示例和实验例更详细地描述本发明。

然而，以下实施例和实验例是对本发明的说明，并且本发明不限于以下示例。

比较例。

制备电池组，其中八个包括十个袋型电芯的电池模块两个水平和两个垂直地被插入到电池组壳体中。在这种情况下，电池组壳体具有如图1所示的结构，但是“紧固部”和“导热垫”被排除。

示例。

制备电池组，其中八个包括十个袋型电芯的电池模块两个水平和两个垂直地被插入到电池组壳体中。在这种情况下，使用具有与图1相同结构的电池组壳体，并且应用具有等于电池模块和基板之间的分离距离的平均厚度(约1.8±0.2mm)的导热垫。在这种情况下，导热垫由具有如下表1所示的蒸发温度的聚合物基质构成，并且在具有导热填料的情况下，基于导热垫的总重量，将导热填料的含量调节至约15重量％。此外，应用于导热垫的所述导热填料的类型和布置如表1所示。

[表1]

实验例。

为了评估根据本发明的电池组的安全性，在安装在电池组中的电池模块中的一个中诱发热失控，并且测量在相邻于诱发了热失控的电池模块的电池模块中发生起火所花费的时间。

具体地，将示例和比较例中制备的电池组全部充电至100％ SOC。然后，将加热垫安装在容纳在电池组壳体中的八个电池模块中的四个放置在中间的电池模块中的任一个的上部上，并且加热垫在300W下运行以诱发放置在加热垫的下部中的电池模块的热失控。

这里，在从激活加热垫的时间起10分钟内观察电池组的内部的同时，i)测量放置在加热垫的下部中的电池模块起火所花费的时间，以及ii)检查与安装有加热垫的电池模块相邻放置的电池模块是否起火。结果示于下表2中。

[表2]

如表2所示，可以看出，根据本发明的电池组具有改善的高温安全性。

具体地，当电池模块暴露于高温时，发现示例的电池组抑制电池模块的起火，因为导热垫蒸发以在电池模块和基板之间形成分离空间，该分离空间用作散热器，防止了到相邻的电池模块的热传播。

相比之下，其中暴露于高温的电池模块和基板被定位成彼此接触的比较例中的电池组显示出在相邻电池模块中起火。

根据这些结果可推知，根据本发明的电池组可以在电池模块被加热到高温或热失控时通过由于导热垫的蒸发而在基板和对应的电池模块之间形成分离空间来抑制热量从电池模块到相邻电池模块的传播。

虽然已经参照本发明的优选示例描述了前述内容，但是本领域技术人员或本领域普通技术人员将理解，在不脱离在所附权利要求书中描述的思想和技术的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。

因此，本发明的技术范围不限于在说明书的详细描述中描述的内容，而是必须由专利的权利要求确定。

[附图标记]

100本发明的电池组 110电池模块

120：基板 130：侧壁

140：隔板 150：紧固部

151：紧固孔 160：导热垫

Claims (10)

1.一种电池组，所述电池组容纳多个电池模块，所述电池组包括：

基板，所述基板包括电池模块所位于的模块区域，

侧壁，所述侧壁沿所述基板的边缘垂直延伸和联接，以围绕所述模块区域，以及

电池组壳体，所述电池组壳体包含隔板，所述隔板联接到所述侧壁并且划分所述基板以形成多个模块区域；

其中，所述隔板包括在所述隔板的下端处的紧固部，所述紧固部向内突出并接合所述电池模块；并且

其中，所述电池组包括在所述电池模块与基板的所述模块区域之间的导热垫，所述导热垫在高温下相变至气态以形成分离空间。

2.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述紧固部基于所述侧壁的下端位于0.5mm至5.0mm的高度处。

3.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述紧固部通过沿着所述隔板的所述下端以预定距离间隔开而形成为多个。

4.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述导热垫包括在100℃至800℃蒸发或升华的聚合物。

5.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述导热垫具有其中导热填料分散在基质中的结构，所述基质包括在100℃至800℃蒸发或升华的聚合物。

6.根据权利要求5所述的电池组，其中，所述导热填料包括以下材料中的一种或更多种：铝、铜、锌、镁、不锈钢、银、氧化铝Al₂O₃、硅SiO₂、氮化铝AlN₃、碳纳米管、碳化硅SiC、石墨和活性炭。

7.根据权利要求5所述的电池组，其中，所述导热填料是针状颗粒或纤维状颗粒。

8.根据权利要求5所述的电池组，其中，所述导热填料相对于所述导热垫的总重量以1重量％至30重量％的量被包含。

9.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述导热垫具有0.5mm至5.5mm的平均厚度，厚度等于或大于所述电池模块与所述基板之间的分离距离。

10.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述模块区域包括中央部分和外围部分，并且所述导热垫位于所述中央部分中。