CN118299757A - 一种大容量电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大容量电池，主要解决现有大容量电池在安全方面存在缺陷的问题。该大容量电池包括并联的多个单体电池，各单体电池的内腔包括气体区和电解液区；各单体电池的气体区通过中空构件连通，中空构件用于给各单体电池内的气体排出提供通道。由于本发明大容量电池增加有通过中空构件构成的气体通道，该气体通道能够将各单体电池产生的高压气体或热失控产生的热失控烟气排出，从而避免了因气体无法排出造成电池壳体鼓胀等一系列影响大容量电池综合性能问题的产生。

Description

一种大容量电池

技术领域

本发明涉及一种大容量电池，主要应用于电化学储能领域。

背景技术

锂离子电池由于具有封装可靠度高、能量效率高、结构简单、扩容相对方便等多个优点，因此可将多个锂离子电池并联组成大容量锂电池，进而将大容量锂电池串并联应用在储能、动力电池等多个领域。然而，将锂离子电池并联组成大容量电池后，使其具有稳定的电性能和较高的安全性是需要解决的问题。

大容量锂电池在高温环境下存储、循环以及内部短路、过充过放等异常使用条件下，其内部的电解液易分解产生气体，气体在电池电芯内部聚集导致其内压升高，并带来一系列问题。首先，电解液与电极接触界面以及隔膜上会形成气泡，这些气泡会影响到锂离子的扩散与传输，造成电芯内阻增加，影响电芯电化学性能；其次，内部压力过高可能会导致电极变形，增加电芯内短路风险；高压气体还会导致电池壳变形并缩短电池的循环寿命，并且更严重的是，可能导致电池的着火或爆炸。

发明内容

本发明提供一种大容量电池，主要解决现有大容量电池在安全方面存在缺陷的问题。

为解决以上问题，本发明技术方案如下：

一种大容量电池，包括并联的多个单体电池，所述各单体电池的内腔包括气体区和电解液区；各单体电池的气体区通过中空构件连通，所述中空构件用于给各单体电池内的气体排出提供通道。由于本发明大容量电池增加有通过中空构件构成的气体通道，该气体通道能够将各单体电池产生的高压气体或热失控产生的热失控烟气排出，从而避免了因气体无法排出造成电池壳体鼓胀等一系列影响大容量电池综合性能问题的产生。

对于单体电池而言，例如现有市售的单体电池，内部电解液液位一般在方壳高度的70％左右，因此本发明中对于气体区的定义是单体电池电解液液面之上的区域，该区域主要用于容纳电池在化成或充放电循环中产生的气体，一般情况下，电池会因气体的产生而发生鼓胀；而对于电解液注入较满的电池，可直接将中空构件视为气体区，中空构件主要作用是在需要排出大容量电池内部产生的气体时，将气体排出。

进一步地，为方便大容量电池的制作和安装，上述中空构件包括设置在各单体电池上盖板上且与所述气体区连通的第一中空单元，以及用于将各第一中空单元之间进行密封连接的多个第二中空单元。对于中空构件的结构形式来讲，相对较多，但应至少保障各单体电池顶部区域的连通且密封，例如可以通过一根开设有与单体电池相同数量孔的细长管，通过软管或焊接等方式将细长管与各单体电池气体区连通；而第一中空单元和第二中空单元的方式，在加工时可以采用直接一次挤压成型，且连接强度及密封性好，整体成本可控，相对为较佳的结构形式。

进一步地，为防止大容量电池中某一单体电池内发生热失控时，其产生的高温气体对其它单体电池产生影响，上述所述第一中空单元与单体电池气体区之间的区域上还设置有开启压力为P1的单向阀，单向阀用于任意单体电池内的气体压力超过P1时，单向阀开启，将单体电池内的高压气体排出。以上P1根据单体电池壳体的材质和厚度决定，优选为0.5～0.7MPa，该压力一般为较薄电池壳体变形前所能承受的最大压力。

进一步地，所述中空构件上设置有泄压部件，所述泄压部件用于排出任意单体电池内的气体。由于中空构件与单体电池的气体区连接，高温气体通过泄压部件直接排出，而不会影响电解液。泄压部件的增设还可以在单体电池发生热失控时，利用排气通道及时排出高压气体，提高了在安全事故发生时大容量电池的安全性。

进一步地，所述泄压部件包括泄压阀，所述泄压阀设置在中空构件的一端或两端。所述泄压阀可手动或自动开启，定期开启所述泄压阀，各单体电池中气体区内的气体可经中空构件及泄压阀后排出。同时，上述泄压部件还包括泄爆膜，所述泄压阀设置在中空构件的一端，所述泄爆膜设置在中空构件的另一端。所述泄爆膜用于在任意单体电池发生热失控时，热失控烟气冲破泄爆膜排出中空构件；泄爆膜作为一种较佳的结构选择，主要用于热失控烟气产生后的排出。

进一步地，还可以在中空构件上增设以下机构作为对以上排气通道的进一步利用，从而来提升大容量电池的整体循环次数、容量上限和使用寿命：

第一、注换液机构

可以在中空构件上设置有用于向各单体电池内注入和/或抽出电解液的注换液机构，注换液机构设置在中空构件的一端，泄压部件设置在中空构件的另一端。注换液机构主要是向单体电池内注液和/或更换单体电池内的电解液，通过更换、加注电解液，均会对大容量电池的使用寿命、循环次数和容量上限有效提升。

第二、吸附机构

可以在中空构件内设置有吸附机构，该吸附结构内设置有吸附材料，吸附材料用于吸附随气体排出的电解液，防止电解液随气体排出产生危害。

进一步地，所述中空构件上还设置压力测量装置和/或报警装置，压力测量装置能够实时监测中空构件内的气体的压力，当中空构件内的气体压力超过设定值时，可通过泄压阀自动泄压或手动泄压，与此同时，还可通过报警装置提醒操作人员，进行手动泄压。

进一步地，所述中空构件由多段子中空构件构成；每个单体电池的上盖板上开设有两个通孔；

每一段子中空构件的两端分别与相邻单体电池上盖板上的其中一个通孔连通；

位于最外侧的两块单体电池剩余通孔中的至少一个设置有泄压部件或泄爆膜。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果如下：

本发明大容量电池增加有通过中空构件构成的气体通道，该气体通道能够将各单体电池产生的高压气体或热失控产生的热失控烟气排出，从而使得大容量电池的性能和安全性均进行提升。

附图说明

图1为本发明实施例1中大容量电池结构示意图；

图2为本发明实施例2中大容量电池结构示意图；

图3为本发明实施例3中大容量电池结构示意图一；

图4为本发明实施例3中大容量电池结构示意图二；

图5为本发明实施例4中大容量电池结构示意图；

图6为本发明实施例4中单体电池结构示意图。

附图标记：1-单体电池，2-中空构件，3-单向阀，4-泄压部件，5-注换液机构，6-吸附机构，7-压力测量装置，11-上盖板，12-子中空构件，13-支管，21-第一中空单元，22-第二中空单元，41-泄压阀，51-注液阀，52-注液泵，53-抽真空装置。

具体实施方式

下面将结合的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于以下实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电池在使用过程中会产生气体，而这些气体若无法及时排出，会导致电池综合性能的降低。对于大容量电池而言，产生气体的方式包括两种，一是在使用过程中随着充放电循环次数的增加，电解液中持续缓慢产生的气体，这种气体的特点是产生量较少，产生时间非常长，甚至贯穿了整个电池的使用寿命，该气体在电池内聚集至一定量后若不及时进行排气，随着电池壳体内部压力的不断增大，会致使电池壳体产生膨胀，当电池壳体膨胀后，会导致电池性能的快速下降；二是电池发生热失控时突然产生大量的热失控烟气，这种气体会在短时间内大量产生，若不及时排出可能会引发爆炸，尤其是见到明火后更易发生。

基于此，本发明大容量电池增加有通过中空构件构成的气体通道，中空构件设置的主要目的是及时排出以上两种气体，从而避免电池壳体发生臌胀、爆炸等，进而提高大容量电池的安全性和使用寿命。单体电池发生热失控时，常规的做法是在每一个单体电池上均设置泄压部件进行泄压，但对于大容量电池而言，若采用每个单体电池均设置一个泄压部件，泄压后的烟气有极大地可能性直接喷射至周围的单体电池从而导致更为严重连锁性事故发生，因此，共享的泄压体系则显得更为安全。因此，以上中空构件可作为共享的排气通道，也可以直接利用作为共享的泄压系统。

以上排气通道将大容量电池中产生的气体及时排出，以控制电池内部压力，由此防止电池膨胀以及电池内压增加引起的爆炸或着火等现象，有效避免电池内部压力过高而带来的安全性问题，大容量电池的安全性可以大幅提升。此外，本发明以上排气通道还能提高电池的电化学性能，延长电池的使用寿命，且更耐高温环境下使用。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的大容量电池包括并联的多个单体电池1，每个单体电池1包括壳体、上盖板11、下盖板、筒体和电芯；上盖板11、筒体、下盖板组成了电池壳体，上盖板11设置有正极和负极，电芯设置在电池壳体内，且大部分淹没在电解液内；其中，各电池壳体的上盖板11上设置有通孔，各通孔均与中空构件2密封连通构成了排气通道。由于组成大容量电池的各单体电池1顶部被相互连通，若某个单体电池1产气较多，那么这些多余的气体会与其它单体电池1顶部的气体进行连通及交换，这样各单体电池1内部气体环境更趋同，形成一个共享的气体区域，使得各单体电池处于一个均衡的气体环境中，不会因为某个单体电池1产气较多，而形成一个气体差异环境，避免了由于单体电池1的差异性对大容量电池产生影响。

本实施例中，上盖板11上设置有第一中空单元21，各单体电池1的第一中空单元21连通形成中空构件2(即排气通道)。采用各单体电池的上盖板11设置单独的第一中空单元21，最后进行拼接的方式，应确保连通后所形成的中空构件2密闭性，基于此，本实施例中提供以下较佳的结构方案：

(1)采用管状结构相互间过盈配合直接进行密封插接

具体地讲，若直接采用传统的螺纹连接结构进行密封，由于上盖板11和筒体为一体式结构，上盖板11上的第一中空单元21采用螺纹结构时，当左右两个单体电池进行螺纹连接时，两个电池无法相对旋转，因此螺纹连接无法操作。

基于此，建议采用了管状结构相互挤压连接的方式来实现各单体电池第一中空单元21的连接；在具体的挤压结构上，单体电池上第一中空单元21两端的连接端，一端可以设置为内壁呈锥形结构，另一端外壁设置为与前述内壁的锥形结构相适配的外锥形结构，适配的要求是，两个单体电池挤压连接时，一个单体电池1的外壁锥形结构挤入另一个单体电池1的内壁锥形结构中，且二者之间为过盈配合，确保挤压完成后的密封性；为了进一步提升密封性能，可以考虑在外壁上涂敷有耐电解液腐蚀的功能性涂层或设置柔性密封套等结构。

(2)采用中间连接件分别通过过盈配合进行密封插接

若采用(1)中的方式，将两个单体电池盖板上的第一中空单元21直接进行连接，对于两个单体电池的连接点来讲只有1个，连接点的减少有助于提升生产过程中的装配效率；但由于第一中空单元21直接设置在单体电池的上盖板11上，且挤压连接，因此对于加工精度要求极高，若相邻两个单体电池的第一中空单元21无法保障共线和共面，则挤压连接时，可能会导致第一中空单元21相对于上盖板11之间发生位移或导致上盖板11相对于壳体发生位移，进而导致电池损坏；因此，该方式工序相对简化但精度要求较高。

基于此，引入中间连接件来解决上述问题，参考(1)挤压连接，从而形成过盈配合以实现密封插接，即：用于将各第一中空单元21之间进行密封连接的多个第二中空单元22；第二中空单元将各第一中空单元之间进行密封，这样可以将加工导致的误差分摊至中间连接件上，降低了对于加工精度的要求，但对于相邻的两个单体电池，连接点从1个变成了2个，相对会降低生产过程中的加工效率。

(3)采用中间连接件分别通过螺纹连接进行密封连接

等同于(2)的连接方式，可以考虑将挤压的连接方式更换为螺纹连接方式，即第二中空单元22两端分别设置螺纹，采用螺纹连接时，相对于(2)的挤压方式，效率更低，且装配时应注意两侧单体电池的同步性，通过单独调整第二中空单元22，来同时实现对两侧单体电池上的第一中空单元21同时实现密封连接；当然，为了进一步提升密封性能，可以考虑在外壁上涂敷有耐电解液腐蚀的功能性涂层或设置柔性密封套等结构。

本实施例中，中空构件2上设置有泄压部件4，该泄压部件4可为泄压阀41，该泄压阀41具有两个作用，一是用于定期或不定期的排出大容量电池产生的气体，泄压阀41可以采用人工手动开启排气的方式，此时，在中空构件2上设置有压力测量装置7和/或报警装置，当气体压力到达设定排气阈值时，例如，达到0.7Mpa时，打开泄压阀41进行排气，当然，泄压阀41也可以采用自动排气的方式；二是任意单体电池1发生热失控时，其产生的高压气体通过泄压阀41排出。

当然也可以选择在中空构件2上设置泄爆膜，但是设置泄爆膜时，中空构件2上必须设置一个泄压阀41作为排气用，此时，泄压阀41设置在中空构件的一端，泄爆膜设置在中空构件的另一端。该泄爆膜用于热失控时泄爆用，泄压阀41在排气时用。电池常规使用时，通过泄压阀41排放气体，避免大容量电池发生热失控，若出现碰撞等外部因素使电池热失控时，通过泄爆膜实现泄爆。此外，若将上述泄压阀做泄爆用，其可能产生泄爆失效的风险，此时，该泄爆膜将作为备选方案，保证泄爆的可靠性。

另外，关于泄压部件(前述泄压阀41或泄爆膜的统称)的设置位置及数量，相对较为灵活，例如以下几种方式：在中空构件2的一端设置泄压阀41；或者，在中空构件2的一端设置泄压阀41，另一端设置泄爆膜，或者在中空构件2的两端均设置泄压阀41。优选的在中空构件2的两端均设置有泄压阀41。一般情况下，在大容量电池中，一般为一个单体电池1发生热失控，而单体电池1发生热失控时产生的烟气量及剧烈程度，主要与环境温度和单体电池1当时的荷电状态有关，电量越高、温度越高时，产生的气体量越大；特殊情况下，出现两个及以上单体电池1同时发生热失控时，产生的气体量更大；单一泄压阀41的排气量有限，可能无法及时有效排出从而导致了憋压，埋下了爆炸隐患，因此，两个泄压阀41形成双排气，有效避免了这一问题的产生。

此外，还可在中空构件2上增加备压机构。备压机构用于将单体电池1内的压力调整至设定值内，在单体电池1发生热失控之前对其进行安全的泄压处理，使得其安全性更好。电池正常使用过程中，若电池内压达到偏高值的上限时，此时电池虽然还可以正常使用，但已经存在不安全因素了。于是压力测量装置7和/或报警装置监测到压力过高时，发出报警信息，当接收到报警信息之后，日常维护人员携带一个便携式、可调压的备压机构，将此备压机构与中空构件2的泄压阀连接，而后利用备压机构的调压及泄压装置，按小幅泄压、而后保压的方式，并多次重复，缓慢地将电池内压下泄到正常值。

实施例2

如图2所示，本实施例提供的大容量电池包括并联的多个单体电池1(例如，该单体电池1为280Ah的单体电池)，单体电池1包括壳体、上盖板11、下盖板、筒体和电芯；上盖板11、筒体、下盖板组成了电池壳体，电芯设置在电池壳体内，电池壳体内还注入有电解液。本实施例中，上述中空构件2包括多孔管道，其中多孔管道的孔数量与单体电池1数量相同，各电池壳体上盖板11上的通孔与多孔管道连通的结构包括以下几种：

(1)通过支管分别连接，连接位置处均采用焊接；该方式的优势在于连接位置处的高可靠性，但整个焊接过程及焊接工艺较为复杂，相对成本较高；但对于大容量电池，尤其是应用在储能系统中的大容量电池而言，其使用时长基本在10年以上，因此，焊接方式是各连接方式中较佳的一种；

(2)通过支管分别连接，连接位置处均采用螺纹连接，螺纹连接处增加密封垫；该方式的优势在于连接成本较低，螺纹连接是一种最为常见的密封连接方式，但由于使用在储能系统中的大容量电池使用时间较长，螺纹连接的气密可靠性存疑，因此，在能够保障连接气密性的前提下，螺纹连接方式是最佳的实现方案；

(3)在各电池壳体上盖板11上的通孔位置处一体设置有支管，支管与多孔管道的各孔采用过盈配合的方式挤压装入；该方式从连接可靠性及装配过程来讲，均为较佳的一种方案，其本质上为过盈配合；但由于采用了挤压的方式来实现密封连接，因此必须保证挤压后的气密性，这对于相对挤压位置处的材质要求较为苛刻。

为防止大容量电池中某一单体电池1排气或发生热失控时，其排出的高温气体对其它单体电池1产生影响，此时在上述支管上设置有开启压力为P1的单向阀3，任意单体电池1内的高压气体超过P1时，单向阀3开启，将单体电池1内的高压气体排出至中空构件2内，然后通过中空构件排出。单向阀的设置，首选使得各单体电池的内腔压力始终处于P1以下，使各单体电池内的压力保持一致性，提高了大容量电池的性能。其次，单向阀的设置使单体电池1的内腔与中空构件2形成一个隔离，在某个单体电池排气时，不会对其它单体电池1产生过多的影响，使得各单体电池的排气和泄爆互不影响。以上P1根据单体电池1壳体的材质和厚度决定，优选为0.5～0.7MPa，该压力一般为较薄电池壳体变形前所能承受的最大压力。

当然，在设置以上单向阀3的时也可在中空构件2上设置泄压部件4，泄压部件4的设置具体可参考实施例1中的方式，此时，泄压阀41上的开启压力或泄压压力不做要求，只要中空构件2内存在高压气体，将其及时排出即可。此外，以上单向阀3和泄压阀41还可实现对单体电池1内腔的双重密封，即单向阀3为第一道密封，泄压阀41为第二道密封。

实施例3

如图3和图4所示，在实施例1或实施例2的基础上，为了进一步提升大容量电池的使用寿命，即提升大容量电池的循环次数，在单体电池1的排气通道的基础上，增加其它性能提升系统：

(1)注换液机构(该方案可在实施例1的基础上进行)

注换液机构5主要是向单体电池1内注液和/或更换单体电池1内的电解液；可以单独在中空构件2另一端直接增设注换液机构5；注换液机构5与中空构件2连接，用于给单体电池1内添加电解液。该注换液机构5具体包括注液阀51和注液泵52，注液阀51为三通阀，三通阀的第一端口与中空构件2内腔连通，第二端口与注液泵52连通，第三端口用于与抽真空装置53连接。补充电解液时，打开注液阀51，连接抽真空设备，可先通过抽真空对电池腔体和中空构件2进行抽真空，然后，通过注液阀51和注液泵52将外部储液装置中的电解液补充入电池腔体内。以上抽真空及加注电解液反复多次，直至各单体电池1中的气体被完全抽出，电解液也被加注至70％左右的液位。

当大容量电池长时间使用后，其性能已无法满足要求，此时可通过更换电解液的方式提高其性能。可通过以下方式更换电解液：打开注液阀51，连接抽真空装置53，向外抽取电解液，通过注液阀51和注液泵52将各单体电池1内的电解液排放至指定容器内，当抽到一定负压度后，停止，注液阀51与外部储液装置连接，外部储液装置中的电解液补充入单体电池内。为将大容量内旧的电解液更换完全，当抽到一定负压度后，停止，向单体电池的内腔加注氮气，从而达到内压平衡。多次重复以上抽液及加氮气的过程，直至电池内的电解液被抽取干净。然后，注液阀与外部储液装置连接，外部储液装置中的电解液补充入单体电池内。

(2)吸附机构(该方案可在实施例1或实施例2的基础上进行)

上述中空构件2内设置有吸附机构6，该吸附机构6内设置有吸附材料，该吸附材料可采用孔洞结构，例如可采用分子筛、活性炭等，吸附材料用于吸附随气体排出的电解液，防止电解液随气体排出产生危害。

实施例4

与上述实施例不同的是，如图5所示，本实施例中空构件由多段子中空构件12构成；每个单体电池的上盖板上开设有两个通孔。

每一段子中空构件12的两端分别与相邻单体电池上盖板11上的其中一个通孔连通；在位于最外侧的两块单体电池剩余通孔中的至少一个上设有泄爆膜或泄爆阀；需要说明的是，当在一个最外侧的单体电池剩余通孔上设置泄爆膜或泄爆阀，另一个最外侧单体电池的剩余通孔需要用堵头进行封堵。

由于组成大容量电池的各单体电池1顶部被相互连通，若某个单体电池1产气较多，那么这些多余的气体会与其它单体电池1顶部的气体进行连通及交换，这样各单体电池1内部气体环境更趋同，形成一个共享的气体区域，使得各单体电池处于一个均衡的气体环境中，不会因为某个单体电池1产气较多，而形成一个气体差异环境，避免了由于单体电池1的气体差异性对大容量电池产生影响。

为了便于子中空构件12与通孔的连接，本实施例中的多段子中空构件均可以采用铝管，在各单体电池上盖板上的通孔位置处一体设置有支管13(见图6)，子中空构件的两端与支管焊接。本实施例不要求大容量电池中所有单体电池的通孔共线，对加工精度要求较低。

Claims (11)

1.一种大容量电池，其特征在于：包括并联的多个单体电池，所述各单体电池的内腔包括气体区和电解液区；各单体电池的气体区通过中空构件连通，所述中空构件用于给各单体电池内的气体排出提供通道。

2.根据权利要求1所述的大容量电池，其特征在于：所述中空构件包括设置在各单体电池上盖板上且与所述气体区连通的第一中空单元，以及用于将各第一中空单元之间进行密封连接的多个第二中空单元。

3.根据权利要求2所述的大容量电池，其特征在于：所述第一中空单元与单体电池气体区之间的区域设置有开启压力为P1的单向阀。

4.根据权利要求3所述的大容量电池，其特征在于：所述P1为0.5～0.7MPa。

5.根据权利要求1至4任一所述的大容量电池，其特征在于：所述中空构件上设置有泄压部件，所述泄压部件用于排出任意单体电池内的气体。

6.根据权利要求5所述的大容量电池，其特征在于：所述泄压部件包括泄压阀，所述泄压阀设置在中空构件的一端或两端。

7.根据权利要求5所述的大容量电池，其特征在于：所述泄压部件包括泄压阀和泄爆膜，所述泄压阀设置在中空构件的一端，所述泄爆膜设置在中空构件的另一端。

8.根据权利要求5所述的大容量电池，其特征在于：所述中空构件上设置有用于向各单体电池内注入和/或抽出电解液的注换液机构，所述注换液机构设置在中空构件的一端，所述泄压部件设置在中空构件的另一端。

9.根据权利要求5所述的大容量电池，其特征在于：所述中空构件上设置有吸附机构，用于吸附随气体排出的电解液。

10.根据权利要求5所述的大容量电池，其特征在于：所述中空构件上还设置压力测量装置和/或报警装置。

11.根据权利要求1所述的大容量电池，其特征在于：所述中空构件由多段子中空构件构成；每个单体电池的上盖板上开设有两个通孔；

每一段子中空构件的两端分别与相邻单体电池上盖板上的其中一个通孔连通；

位于最外侧的两块单体电池剩余通孔中的至少一个设置有泄压部件或泄爆膜。