CN220420708U - 一种以电解质作为制冷剂的二次电池 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种以电解质作为制冷剂的二次电池，包括多组电池单元、多组双极板和壳体，电池单元和双极板依次间隔地串联堆叠；二次电池设置有供电解质流通的流道，流道为开口槽，设置在电池单元与相邻的双极板之间的界面上；液态电解质既是电池单元中的离子传导媒介，也是电池单元的热交换媒介。这种以电解质作为制冷剂的二次电池，换热更直接，换热速度快、换热均匀，同时简化了电池结构，降低了成本，且可以大幅降低热失控引发燃烧安全事故的风险，用于新能源汽车等领域时，可大幅提高充电速度，消除“里程焦虑”。

Description

一种以电解质作为制冷剂的二次电池

技术领域

本申请涉及一种二次电池，尤其是一种以电解质作为制冷剂的二次电池。

背景技术

二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。根据活性物质种类不同，市场上主要有镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池、锂离子电池、聚合物锂离子电池等。

电池充电和放电的电化学反应过程中温度过低或过高，都会造成性能下降。温度过低时需要对电池进行加热，温度过高时需要对电池进行冷却，过高的温度还可能造成热失控，进而引发燃烧安全事故。

电池在充电和放电过程中，会产生热量，电流越大，热量越多。当作为动力电池用于汽车等应用场景时，需要具有大电流充电和/或放电的能力，尤其是为解决快速充电的目的而不断提高的充电电流，对电池提出了越来越高的冷却能力需求。

现有技术的电池热管理均为热电分离结构，即以液态或气态热交换流体流经电池单元或电池模块封装的外围，或者以热传导翘片的方式插入电池单元或电池模块之间，间接地与电池单元进行热交换。这种热管理方法换热速度低、换热不均匀，造成电池内部温度梯度较大，限制了电池性能发挥，热失控引发燃烧安全事故风险较大，用于汽车等动力电池领域时，充电速度受限，引发“里程焦虑”。

申请号CN2023108328121和CN2023217836123公布了一种采用热电一体的热管理结构技术方案，创新地将热交换流体直接引入至贴近电池单元侧，对电池单元直接进行热交换，大大提高了换热速度和均匀性。然而，该方案采用的热交换流体，与电池单元内部的电解质不是同一种类，因此，为避免热交换流体污染电解质，对密封提出了较高的要求。

发明内容

本申请的目的在于提供一种二次电池，采用热电一体的热管理结构，以电解质作为制冷剂（即热交换流体），引入电池单元内部，直接对电池单元进行热交换。

为达此目的，本申请采用以下技术方案。

本申请提供一种以电解质作为制冷剂的二次电池，包括多组电池单元、多组双极板和壳体，电池单元和双极板依次间隔地串联堆叠，电池单元和双极板串联堆叠体的最外侧两端分别电连接至电源负端子和电源正端子，电源负端子和电源正端子组成所述二次电池充电和放电的主接线端子；电池单元包括负极活性层、正极活性层和介于二者之间的隔膜，负极活性层和正极活性层均含有各自适用的电化学活性材料，隔膜为多孔的绝缘体，负极活性层、正极活性层和隔膜的孔隙中填充有液态电解质，电解质可以传导离子但不能传导电子；双极板为电导体，可以传导电子但不能传导离子。

二次电池设置有供电解质流通的第一通道、第二通道和流道；流道为开口槽，该开口槽设置在所述电池单元与相邻的所述双极板之间的界面上，即：该开口槽设置在该电池单元或设置在该双极板上，槽的开口面朝向对方。

流道的一端与第一通道或第二通道连通，或者两端分别与第一通道和第二通道连通。

优选地，流道设置在双极板上，其开口槽的开口面朝向与该双极板相邻的电池单元。

优选地，流道设置在电池单元的负极活性层上，其开口槽的开口面朝向与该负极活性层相邻的双极板。

优选地，流道设置在电池单元的正极活性层上，其开口槽的开口面朝向与该正极活性层相邻的双极板。

优选地，二次电池还设置有电解质输送泵和热交换器；电解质输送泵的一端连通所述第一通道，另一端连通所述第二通道，热交换器介于电解质输送泵与第一通道或第二通道之间。电解质在电解质输送泵的作用下流动，在热交换器内进行热交换。

优选地，二次电池还包括第一存储箱和第一阀门；第一存储箱内储存有液态或气态阻燃剂，第一存储箱通过第一阀门连通所述第一通道。

优选地，二次电池还包括第二存储箱和第二阀门；第二存储箱通过第二阀门连通所述第二通道。

由此可见，本技术方案中的液态电解质，既是电池单元中的离子传导媒介，也是电池单元的热交换媒介。因此，换热更直接，换热速度快、换热均匀，同时简化了电池结构，降低了成本。

在监控到热失控风险时，第一存储箱内的灭火阻燃剂通过第一阀门，置换或稀释电池单元内部的电解质，则可迅速抑制甚至彻底消除热失控风险，提高二次电池安全性。

用于新能源汽车等领域时，基于热交换和安全改善后，电池可以更快速度充电，例如以10C倍率充电，则可实现5分钟内充至80%电量，彻底消除“里程焦虑”。

本技术方案所述的二次电池，应指任何可再充电的电池类型，包括但不限于被称为锂离子电池、锂电池、锂硫电池、电化学电容器、超级电容器等等。此外，本技术方案可应用于电池应用领域，包括但不限于电动汽车、工程机器、农业机器、储能设备、发电机、飞机、航空器、航天器等设备。

本申请的有益效果：本技术方案所述的二次电池换热更直接，换热速度快、换热均匀，同时简化了电池结构，降低了成本，且可以大幅降低热失控引发燃烧安全事故的风险，用于新能源汽车等领域时，可大幅提高充电速度，消除“里程焦虑”。

附图说明

图1是本申请实施例一的以电解质作为制冷剂的二次电池横截面剖视结构示意图。

图2是图1的A-A向投影视图。

图3是本申请实施例二的以电解质作为制冷剂的二次电池横截面剖视结构示意图。

图4是图3的B-B向投影视图。

图中：100-二次电池；10-电池单元；11-负极活性层；12-隔膜；13-正极活性层；20-双极板；31-电源负端子；32-电源正端子；41-第一通道；42-第二通道；43-流道；50-壳体；61-电解质输送泵；62-热交换器；71-第一存储箱；72-第一阀门；73-第二存储箱；74-第二阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过二者之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、“底部”、“顶部”、“四周”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

图1至图2为本申请实施例一。

一种以电解质作为制冷剂的二次电池100，包括多组电池单元10、多组双极板20和壳体50，电池单元10和双极板20依次间隔地串联堆叠，电池单元10和双极板20串联堆叠体的最外侧两端分别电连接至电源负端子31和电源正端子32，电源负端子31和电源正端子32组成所述以电解质作为制冷剂的二次电池100充电和放电的主接线端子；所述电池单元10包括负极活性层11、正极活性层13和介于二者之间的隔膜12，负极活性层11和正极活性层13均含有各自适用的电化学活性材料，隔膜12为多孔的绝缘体，负极活性层11、正极活性层13和隔膜12的孔隙中填充有液态电解质，电解质可以传导离子但不能传导电子；双极板20为电导体，可以传导电子但不能传导离子。

所述二次电池100设置有供所述电解质流通的第一通道41、第二通道42和流道43；流道43为开口槽，该开口槽设置在所述电池单元10与相邻的所述双极板20之间的界面上，即：该开口槽设置在该电池单元10或设置在该双极板20上，槽的开口面朝向对方。本实施例中，所述流道43设置在所述双极板20上，其开口槽的开口面朝向与该双极板20相邻的所述电池单元10。

所述流道43的一端与第一通道41或第二通道42连通，或者两端分别与第一通道41和第二通道42连通。本实施例中，流道43的两端分别与第一通道41和第二通道42连通。

所述二次电池100还设置有电解质输送泵61和热交换器62；电解质输送泵61的一端连通所述第一通道41，另一端连通所述第二通道42；热交换器62介于电解质输送泵61与第一通道41或第二通道42之间，本实施例中，热交换器62介于电解质输送泵61与第一通道41之间。所述电解质在所述电解质输送泵61的作用下，以图示箭头为例的方向流动，在所述热交换器62内进行热交换。

所述二次电池100还包括第一存储箱71和第一阀门72；第一存储箱71内储存有液态或气态阻燃剂，第一存储箱71通过第一阀门72连通所述第一通道41。

所述二次电池100还包括第二存储箱73和第二阀门74；第二存储箱73通过第二阀门74连通所述第二通道42。

在监控到热失控风险时，第一存储箱71内的灭火阻燃剂通过第一阀门72，置换或稀释电池单元10内部的电解质，则可迅速抑制甚至彻底消除热失控风险，提高二次电池安全性。第二存储箱73和第二阀门74可用于电解质或残余流体的排出和存储。

基于热交换和安全改善后，电池可以更快速度充电，例如以10C倍率充电，则可实现5分钟内充至80%电量，彻底消除“里程焦虑”。

图3至图4所示为本申请实施例二，相对于实施例一有以下区别。

所述流道43设置在所述电池单元10的所述负极活性层11上，其开口槽的开口面朝向与该负极活性层11相邻的所述双极板20。该流道43的一端与第一通道41连通，另一端封堵。

所述流道43设置在所述电池单元10的所述正极活性层13上，其开口槽的开口面朝向与该正极活性层13相邻的所述双极板20。该流道43的一端与第二通道42连通，另一端封堵。

设置在所述负极活性层11上的流道43和设置在所述正极活性层13上的流道43呈交指状布置，液态电解质强制透过所述负极活性层11、正极活性层13和隔膜12的孔隙，在所述第一通道41和所述第二通道42之间流通。

所述电解质的流通方向可变，流通方向与所述电池单元10中的离子传导方向相同。具体地说，当二次电池100充电时，电池单元10中的离子传导方向由所述正极活性层13、透过所述隔膜12到达所述负极活性层11，此时电解质的流通方向由所述第二通道42依次透过正极活性层13、隔膜12、负极活性层11流向所述第一通道41。反之，当二次电池100放电时，电池单元10中的离子传导方向由负极活性层11、透过隔膜12到达正极活性层13，此时电解质的流通方向由第一通道41依次透过负极活性层11、隔膜12、正极活性层13流向第二通道42。电解质与离子流向相同，好处是，离子传导率更高，电池单元10充放电效率更高。

本实施例中，热交换器62介于电解质输送泵61与第二通道42之间。

由以上图1至图4所示本申请的以电解质作为制冷剂的二次电池100，包括多组电池单元10、多组双极板20和壳体50，电池单元10和双极板20依次间隔地串联堆叠；二次电池100设置有供电解质流通的流道43，流道43为开口槽，设置在电池单元10与相邻的双极板20之间的界面上；液态电解质既是二次电池中的离子传导媒介，也是电池单元的热交换媒介。

这种以电解质作为制冷剂的二次电池100，换热更直接，换热速度快、换热均匀，同时简化了电池结构，降低了成本，且可以大幅降低热失控引发燃烧安全事故的风险，用于新能源汽车等领域时，可大幅提高充电速度，消除“里程焦虑”。

显然，本申请的上述实施例仅仅是为了清楚说明本申请所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本申请权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种以电解质作为制冷剂的二次电池（100），包括多组电池单元（10）、多组双极板（20）和壳体（50），电池单元（10）和双极板（20）依次间隔地串联堆叠，电池单元（10）和双极板（20）串联堆叠体的最外侧两端分别电连接至电源负端子（31）和电源正端子（32），电源负端子（31）和电源正端子（32）组成所述二次电池（100）充电和放电的主接线端子；所述电池单元（10）包括负极活性层（11）、正极活性层（13）和介于二者之间的隔膜（12），负极活性层（11）和正极活性层（13）均含有各自适用的电化学活性材料，隔膜（12）为多孔的绝缘体，负极活性层（11）、正极活性层（13）和隔膜（12）的孔隙中填充有液态电解质，电解质可以传导离子但不能传导电子；双极板（20）为电导体，可以传导电子但不能传导离子，其特征是：

所述二次电池（100）设置有供所述电解质流通的第一通道（41）、第二通道（42）和流道（43）；流道（43）为开口槽，该开口槽设置在所述电池单元（10）与相邻的所述双极板（20）之间的界面上，即：该开口槽设置在该电池单元（10）或设置在该双极板（20）上，槽的开口面朝向对方；

所述流道（43）的一端与第一通道（41）或第二通道（42）连通，或者两端分别与第一通道（41）和第二通道（42）连通。

2.根据权利要求1所述的一种以电解质作为制冷剂的二次电池（100），其特征是：所述流道（43）设置在所述双极板（20）上，其开口槽的开口面朝向与该双极板（20）相邻的所述电池单元（10）。

3.根据权利要求1所述的一种以电解质作为制冷剂的二次电池（100），其特征是：所述流道（43）设置在所述电池单元（10）的所述负极活性层（11）上，其开口槽的开口面朝向与该负极活性层（11）相邻的所述双极板（20）。

4.根据权利要求1所述的一种以电解质作为制冷剂的二次电池（100），其特征是：所述流道（43）设置在所述电池单元（10）的所述正极活性层（13）上，其开口槽的开口面朝向与该正极活性层（13）相邻的所述双极板（20）。

5.根据权利要求1所述的一种以电解质作为制冷剂的二次电池（100），其特征是：所述二次电池（100）还设置有电解质输送泵（61）和热交换器（62）；电解质输送泵（61）的一端连通所述第一通道（41），另一端连通所述第二通道（42），热交换器（62）介于电解质输送泵（61）与第一通道（41）或第二通道（42）之间。

6.根据权利要求1所述的一种以电解质作为制冷剂的二次电池（100），其特征是：所述二次电池（100）还包括第一存储箱（71）和第一阀门（72）；第一存储箱（71）内储存有液态或气态阻燃剂，第一存储箱（71）通过第一阀门（72）连通所述第一通道（41）。

7.根据权利要求1所述的一种以电解质作为制冷剂的二次电池（100），其特征是：所述二次电池（100）还包括第二存储箱（73）和第二阀门（74）；第二存储箱（73）通过第二阀门（74）连通所述第二通道（42）。