CN214542383U - 高能量锂电池及包括该锂电池的电池罐和大型储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有防止热失控结构的高能量锂电池、包括多个高能量锂电池的电池罐以及大型储能系统。本实用新型的高能量锂电池用于发电电量的储存，包括电芯和容纳电芯的壳体，所述电芯的能量在2KWh以上，在所述壳体上设置有泄爆部件。正常工作状态时，可通过导热吸收液调节高能量锂电池的工作温度。当发生热失控时，高能量锂电池的泄爆部件发生破裂，让壳体内的电池组件与外界环境尽可能多的接触，让高能量锂电池的电解液等易燃物质迅速溶解到导热吸收液中，可迅速终止电芯内部的热失控反应，避免让整个电池系统发生热失控的风险。

Description

高能量锂电池及包括该锂电池的电池罐和大型储能系统

技术领域

本实用新型涉及一种具有防止热失控功能的高能量锂电池以及包括多个该高能量锂电池的大型储能系统。

背景技术

发电企业电力系统的特点是，每天的每时每刻，发电量是稳定和持续的，而用电量是变化的，用电每天有多次的波峰波谷。发电企业通常以波峰值为其发电值，从而保证供电的不间断，但这也造成在波谷时供过于求，因发电成本低于储电成本，因而造成大量的弃电现象，在各种储能方案中，锂离子电池储能体系的储电成本是最有可能低于平均发电成本的，然而锂离子电池储能体系要达到大规模使用的目标，需要克服下面两个问题。

一是由热失控引发的失火问题，锂离子电池在过充、短路、过热时或制造缺陷时，都会造成正负极内部短路，造成电芯内部瞬间产生大量气体和热量，电池内部在高温下隔膜、电解质等成分发生反应所造成的电池热失控燃烧，热失控时电芯阴极材料会产生大量的可燃气体，引发电池箱撕裂或爆炸，大量氧气参与燃烧会导致热失控扩散加剧，从而造成形成大面积火灾而难以抑制，危害性极大。

对于该问题，目前常用的防止热失控的方法为在电池箱内，电池模组外，设置气体灭火剂或水雾灭火剂蓬头，通过喷射灭火剂来达到灭火和降温效果，相对而言水雾灭火剂的灭火效果要好于气体灭火剂。

关于在灭火方面的专利也很多，如CN 111384341 A、CN 207353319 U、CN211428305 U专利，是通过在箱内的喷头向电池模组直接喷射灭火剂来达到降温和灭火效果，又如专利CN 111640891 A，是电池模组浸泡在静止的绝缘液体灭火剂中，在正常工作时，该绝缘液体灭火剂没有温度调节作用，但在电池热失控时，该绝缘液体灭火剂可起到灭火作用。目前常规的锂电池芯都带有泄爆阀，且泄爆阀的口径很小，在发生热失控时，会有大量气体从泄爆阀排出，灭火剂无法达到电芯内部，而电芯内部的高温反应会持续增加，依旧有造成相邻电芯发生热失控的风险，且上述专利的结构都很复杂，成本很高。

二是工作温度问题，商用二次锂电池电解液主要是由碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和六氟磷酸锂混合而成。其中，由于六氟磷酸锂60℃以上会发生分解，碳酸二甲酯等碳酸酯类溶剂为低闪点、易挥发的有机溶剂，在高于 55度时，可能引发热积累而导致热失控，而温度过低，又会明显影响锂离子电池的效率和寿命，因此，控制锂电池的工作环境至关重要。

对于该问题，目前常用的温控方法为温度过低时采取电加热，温度过高时通过风冷和水冷散热，相对而言水冷的散热效果要远好于风冷。

关于在水冷方面的专利很多，如CN 203895574、UCN 106058383 A、CN 207052730U、CN 108023140 A、CN110379974 A专利，都是通过水冷方式进行降温，其核心是将单个电芯或电池模组置于密封的电池仓内，冷却水围绕着电池仓进行降温，冷却水与电芯不直接接触，这使的热交换效率较低，且上述专利的结构都很复杂，成本很高。

当锂电池应用于大规模电力储能时，尤其在使用高能量电池时，因电池数量巨大，其对温度控制和安全性提出更高要求。

目前的技术和专利仅适合小能量电芯，目前锂电池电芯的能量最大为 0.6KWh，常见为0.2KWh左右。现有的大规模储能系统急需改进，缺少可有效用于发电电量储存的高能量电池。

实用新型内容

本实用新型针对前述发电电量储存时存在的热失控易造成危险、温度控制难等技术问题提出了有效的解决手段。

本实用新型的一个方面涉及一种具有防止热失控结构的高能量锂电池，用于发电电量的储存，其包括电芯和容纳电芯的壳体，所述电芯的能量在2KWh 以上，在所述壳体上设置有泄爆部件，当发生热失控时所述泄爆部件会发生破裂，以使电解液快速释放。

优选地，所述高能量锂电池的能量在5KWh-30KWh之间。

优选地，所述壳体为厚度5-15mm范围的铝合金。

优选地，所述壳体包括固定连接的上壳体和下壳体，所述泄爆部件设置在所述上壳体的下方。

优选地，所述泄爆部件设置在所述上壳体和下壳体的连接处。

优选地，所述高能量锂电池的上壳体与下壳体通过螺纹连接在一起，并通过螺纹宽窄和多少来控制泄爆压力。

优选地，所述高能量锂电池的上壳体与下壳体通过过盈配合连接，并通过过盈配合的松紧来控制泄爆压力。

优选地，所述上壳体具有收窄的小直径的瓶口，所述瓶口与封盖螺纹连接，所述瓶口为内接电芯正负极的导线的穿过通道以及电解液的注液口。

优选地，所述高能量锂电池内装有传感器，用于感应电芯是否正常工作，其导线出口与正负极导线出口一致。

本实用新型的又一方面提供一种用于大型储能系统的电池罐，其包括多个前述高能量锂电池，所述电池罐内部装有导热吸收液，所述高能量锂电池全部浸泡在所述导热吸收液中。

优选地，所述导热吸收液为具有较高的分解温度、较大的热容，可以溶解高能量锂电池中的电解液等易燃物质，或与其发生化学反应，使其变成不易燃的液体物质。

优选地，所述导热吸收液为水，硅油或者其他可溶解电解液或与电解液反应的液体。

优选地，所述导热吸收液要使高能量锂电池可全部浸泡在其中，并要高出泄爆面20厘米以上。

优选地，所述电池罐的上部设置有排气管，当发生电池热失控时，未被导热吸收液吸收的气体从所述排气管排出。

优选地，所述电池罐内设置有温度传感器，用于监控所述电池罐内的导热吸收液的温度。

优选地，所述电池罐上设置有警示灯，一旦有高能量锂电池发生热失控，警示灯会闪烁和响铃。

优选地，所述电池罐外面涂有绝缘材料。

优选地，所述电池罐为正方形、长方形和圆形中的任意一种。

本实用新型的最后一方面提供一种大型储能系统，其包括多个通过液体管道连接的前述电池罐，每个电池罐的出液口与相邻电池罐的进液口相连，并连接到温度控制装置，整个系统的导热吸收液通过所述液体管道连接成循环回路。

优选地，所述储能系统进一步包括补液箱、液体泵和冷热塔。

根据现有技术，目前锂电池电芯的能量最大为0.6KWh，常见为0.2KWh左右。而本实用新型所述的高能量锂电池的能量在2KWh以上,优选 5KWh-30KWh之间，这样在单个同等能量下，本实用新型的高能量锂电池可以省去大多数电池架、电池箱、电池保护板等装置，从而大幅降低拉整个电池组的成本。

根据现有技术，根据现有技术，锂电池壳体都带有泄爆阀，当锂电池电芯发生热失控时，其产生的大量热量从泄爆阀泄出，壳体始终完整，壳体内的电解液等易燃物质不与外界接触。而本实用新型所述的高能量锂电池由上壳体和下壳体组成，其均为耐压部件，当高能量锂电池发生热失控时，本实用新型所述的高能量锂电池的上壳体与下壳体由于泄爆部件破裂迅速分离，让高能量锂电池内部的电解液等易燃物质暴露在外部环境中。

根据现有技术，锂电池往往不具备防水功能，在遇水后容易出现电池内部电路短路而导致无法工作的情况，影响锂电池正常使用和使用寿命。而本实用新型所述的高能量锂电池的正负极可以由铜质导线从壳体的瓶口引出，其密封严密，可以长期浸泡在液体中。

根据现有技术，锂电池在通过液冷方式进行降温时，是将单个电芯或电池模组置于密封的电池仓内，冷液围绕着电池仓进行降温，冷液与电芯不直接接触，这使的热交换效率较低。而本实用新型所述的电池罐中高能量锂电池的外壳与导热吸收液直接接触，从而大幅度提高热交换效率。

根据现有技术，当锂电池发生热失控时，是通过在箱内的喷头向电池模组直接喷射灭火剂来达到降温和灭火效果，而锂电池芯都带有泄爆阀，且泄爆阀的口径很小，在发生热失控时，会有大量气体从泄爆阀排出，灭火剂无法达到电芯内部，而电芯内部的热失控反应会持续增加，依旧有造成相邻电芯乃至整个电池系统发生热失控的风险。而根据本实用新型的电池罐和大型储能系统，当高能量锂电池发生热失控时，其上下壳体由于泄爆部件破裂而迅速分离，让壳体内的电池组件与外界环境尽可能多的接触，让高能量锂电池的电解液等易燃物质迅速溶解到导热吸收液中，可迅速终止电芯内部的热失控反应，避免让整个电池系统发生热失控的风险。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1(a)为高能量锂电池1的正视图；图1(b)为高能量锂电池1的剖视图；

图2(a)为电池罐的正视图；图2(b)为电池罐A-A面的剖视图；图2(c)为电池罐的E-E面的剖视图；图2(d)为大型储能系统示意图。

附图标记说明：1、高能量锂电池；11、上壳体；12、下壳体；13、密封圈 A；14、泄爆面；15、固定法兰；16、密封圈B；17、封盖；18、导线；21、电池罐；2111、排气管；2112、进液管；2113、出液管；2114、电池支架；2115、支腿A；2116、下罐体；2117、上罐体；2118、螺栓组件；2119、密封圈A；2120、密封圈C；2121、封盖A；2122、导线套A；22、导热吸收液；231、冷热塔；232、液体泵；233、储液箱；234、液体管道

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

应当理解，在多个附图中使用的相同元件符号表示相同的组件或相同功能的组件。另外，附图仅用于说明而不是限制本实用新型的范围，并且不应视为按比例。

如图1(a)、图1(b)所示，本实用新型的高能量锂电池1的上壳体11与下壳体12是通过螺纹连接，螺纹上有密封圈13，这样可以保证壳体内的空间成密封状态。上壳体11上带有小直径的瓶口，其为内接电芯的正负极的导线18的穿过通道，在装配时，该瓶口可作为注液口和补液口，上壳体11的瓶口与封盖17 之间有密封圈B16，上壳体11的瓶口与封盖17通过螺纹连接，这样可以保证高能量锂电池1具有防水功能。泄爆部件14位于上壳体11与下壳体12的连接处，当高能量锂电池1反生热失控时，泄爆部件14整体或局部较薄，发生破裂，上壳体11与下壳体12因泄爆压力而迅速分离，让高能量锂电池内部的电解液等易燃物质暴露在外部环境中。高能量锂电池1的上壳体11上焊有固定法兰15，以便高能量锂电池1可以固定装配。

本实用新型的高能量锂电池被用于发电电量的储存，所述发电包括但不限于水力发电、风力发电、核能发电等。

进一步说明，上述技术方案中所述的高能量锂电池1的能量在2KWh以上, 优选5KWh-30KWh之间。

进一步说明，上述技术方案中所述的高能量锂电池1，为磷酸铁锂电池，也可选用锂钴氧化物，其他锂金属氧化物等锂电池。

进一步说明，上述技术方案中所述的高能量锂电池1的上壳体11与下壳体 12,其均为耐压部件，其材质优选为铝合金，厚度为5-15mm，也可选用同等强度的不锈钢等其它金属材质和非金属材质。

进一步说明，上述技术方案中所述的高能量锂电池1的上壳体11与下壳体 12的连接通过螺纹连接在一起，并通过螺纹宽窄和多少来控制泄爆压力。

进一步说明，上述技术方案中所述的高能量锂电池1的上壳体11与下壳体 12的连接可以通过过盈配合连接，并通过过盈配合的松紧来控制泄爆压力。

进一步说明，泄爆部件可以采用刻槽方式，刻槽厚度为壁厚的20-50％。

进一步说明，上述技术方案中所述的高能量锂电池1的上壳体11与下壳体 12的连接可以通过机械的方式连接，通过挤压上壳体11与下壳体12之间的橡胶密封圈来实现封盖的固定。

进一步说明，上述技术方案中所述的高能量锂电池1，其泄爆部件也可以位于电池壳体的侧面任意位置。由于电池壳体上方存在正负极导线、传感器接线等，为避免对这些部件的破坏，同时为了保证热失控时电解液等易燃物质与导热吸收液充分接触，泄爆部件优选不设置在电池壳体上方。

进一步说明，上述技术方案中所述的高能量锂电池1,其正负极是由铜质导线18从上壳体的瓶口连出，其密封严密，具有防水功能。

进一步说明，上述技术方案中的高能量锂电池1,可装有传感线，以感应电芯是否正常工作，其导线出口与正负极导线出口一致。

进一步说明，上述技术方案中的高能量锂电池1,可以根据装配需要在其壳体上可焊接如法兰盘15等其它装配部件。

如图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)所示，本实用新型的大型储能系统是将数个本实用新型提供的高能量锂电池1通过螺栓连接装到电池支架3114上，将上罐体2117、密封垫A2119、下罐体2116通过螺栓组件2118连接在一起，电池罐 21中充满导热吸收液22，高能量锂电池1全部淹没在导热吸收液22里。高能量锂电池1的导线18由上罐体2117的顶端导线孔中穿出，上罐体2117的上端导线孔内有导线套A2122和密封圈C2120，封盖A2121通过螺纹与上罐体2117 连接。大型储能系统由多个电池罐21组成，每个电池罐21的出液口2113与另一个电池罐21的进液口2112相连，并连接到冷热塔231，整个系统的液体通过液体管道234连接成循环回路，根据导热吸收液22的温度，在冷热塔231内对导热吸收液进行加热或冷却，并由液体泵232将温度合适的导热吸收液22送到各罐体。

这样，使高能量锂电池1与导热吸收液22直接进行热交换，实现循环降温的目的。当高能量锂电池1发生热失控时，在电池罐21内的高能量锂电池1的上壳体11与下壳体12在泄爆面14处迅速分离，让高能量锂电池1里面的电解液等易燃物质被导热吸收液22溶解吸收，从而达到阻止热失控目的。

进一步说明，上述技术方案中在电池罐21在充满导热吸收液22后，关闭进液管212和出液管213，可以作为独立电池柜，单独使用。

进一步说明，上述技术方案中所述的导热吸收液22需具有较高的分解温度、较大的热容，可以溶解吸收高能量锂电池1中的电解液等等易燃物质，或与高能量锂电池1中的电解液等易燃物质发生化学反应，使高能量锂电池1中的电解液等易燃物质变成不易燃。

进一步说明，上述技术方案中所述的导热吸收液22可以是水，硅油或者其他可溶解电解液或与电解液反应的液体。

进一步说明，上述技术方案中所述的导热吸收液22的液面高度，优选高出高能量锂电池1上部，使高能量锂电池1可全部浸泡在其中，并高出泄爆面20 厘米以上，这样可以有效地进行热交换和防止热失控。

进一步说明，上述技术方案中所述的电池罐21，上部有一个排气管2111，当发生电池热失控时，未被导热吸收液22吸收的气体可以从排气管2111排出，排气管2111可以直接连到室外，也可以与其它电池罐21的排气管2111连通，以便对其中的有害气体统一处理。

进一步说明，上述技术方案中所述的电池罐21,内有一个或多个温度传感器，时刻监控电池罐21内导热吸收液22的温度，并以次来调节导热吸收液22 温度，保证高能量锂电池1在最佳温度范围内工作。

进一步说明，上述技术方案中在A型电池罐21可装警示灯，一旦有高能量锂电池1发生热失控，警示灯会闪烁和响铃，以引起工作人员警觉，使其可以迅速采取下一步措施。

进一步说明，上述技术方案中，大型储能系统的数个电池罐21的连接方式为串联方式，也可以是并联方式，也可以是串并联相结合的方式。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。

由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。

Claims (24)

1.一种具有防止热失控结构的高能量锂电池，用于发电电量的储存，其特征在于，所述高能量锂电池包括电芯和容纳电芯的壳体，所述电芯的能量在2KWh以上，在所述壳体上设置有泄爆部件，当发生热失控时所述泄爆部件会发生破裂，以使电解液快速释放。

2.根据权利要求1所述的高能量锂电池，其中所述高能量锂电池的能量在5KWh-30KWh之间。

3.根据权利要求1或2所述的高能量锂电池，其中所述壳体为厚度5-15mm范围的铝合金。

4.根据权利要求1或2所述的高能量锂电池，其中所述的高能量锂电池的电池壳,其材质为与铝合金同等强度的不锈钢或非金属材质。

5.根据权利要求1所述的高能量锂电池，其中所述壳体包括固定连接的上壳体和下壳体，所述泄爆部件设置在所述上壳体的下方。

6.根据权利要求5所述的高能量锂电池，其中所述泄爆部件设置在所述上壳体和下壳体的连接处。

7.根据权利要求5所述的高能量锂电池，其中所述高能量锂电池的上壳体与下壳体通过螺纹连接在一起，并通过螺纹宽窄和多少来控制泄爆压力。

8.根据权利要求5所述的高能量锂电池，其中所述高能量锂电池的上壳体与下壳体通过过盈配合连接，并通过过盈配合的松紧来控制泄爆压力。

9.根据权利要求5所述的高能量锂电池，其中所述高能量锂电池的上壳体与下壳体的连接通过机械方式连接，通过挤压上壳体与下壳体之间的橡胶密封圈来实现封盖的固定。

10.根据权利要求1所述的高能量锂电池，其中所述泄爆部件采用刻槽方式，刻槽厚度为壁厚的20-50％。

11.根据权利要求5所述的高能量锂电池，其中所述上壳体具有收窄的小直径的瓶口，所述瓶口与封盖螺纹连接，所述瓶口为内接电芯正负极的导线的穿过通道以及电解液的注液口。

12.根据权利要求11所述的高能量锂电池，其中所述高能量锂电池的正负极由导线从壳体的瓶口连出，其密封严密，具有防水功能，可以长期浸泡在液体中。

13.根据权利要求1所述的高能量锂电池，其中所述高能量锂电池内装有传感器，该传感器直接与电芯中的电解液接触，用于感应电芯是否正常工作，其导线出口与正负极导线出口一致。

14.一种用于大型储能系统的电池罐，其特征在于，所述电池罐包括多个前述权利要求1所述的高能量锂电池，所述电池罐内部装有导热吸收液，所述高能量锂电池全部浸泡在所述导热吸收液中。

15.根据权利要求14所述的电池罐，其中所述导热吸收液为可以溶解高能量锂电池中的电解液，或与其发生化学反应，使其变成不易燃的液体物质。

16.根据权利要求15所述的电池罐，其中导热吸收液为水，硅油或者与电解液反应的液体。

17.根据权利要求14所述的电池罐，其中所述导热吸收液要使高能量锂电池可全部浸泡在其中，并要高出泄爆面20厘米以上。

18.根据权利要求14所述的电池罐，其中所述电池罐的上部设置有排气管，当发生电池热失控时，未被导热吸收液吸收的气体从所述排气管排出。

19.根据权利要求14所述的电池罐，其中所述电池罐内设置有温度传感器，用于监控所述电池罐内的导热吸收液的温度。

20.根据权利要求14所述的电池罐，其中所述电池罐上设置有警示灯，一旦有高能量锂电池发生热失控，警示灯会闪烁和响铃。

21.根据权利要求14所述的电池罐，其中所述电池罐外面涂有绝缘材料。

22.根据权利要求14所述的电池罐，其中所述电池罐为正方形、长方形和圆形中的任意一种。

23.一种大型储能系统，其特征在于，所述大型储能系统包括多个通过液体管道连接的前述权利要求14所述的电池罐，每个电池罐的出液口与相邻电池罐的进液口相连，并连接到温度控制装置，整个系统的液体通过所述液体管道连接成循环回路。

24.根据权利要求23所述的大型储能系统，其中所述储能系统进一步包括补液箱、液体泵和冷热塔。

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