TW201508972A - 避免電池組中單元至單元之熱失控傳導的裝置及方法 - Google Patents

避免電池組中單元至單元之熱失控傳導的裝置及方法 Download PDF

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Abstract

一種電池塊體包括：第一稜柱形電池單元，其界定一第一實質上平面表面；第二稜柱形電池單元，其界定一第二實質上平面表面，該第二實質上平面表面係與該第一實質上平面表面成對置關係；及熱障，其懸吊於該第一實質上平面表面與該第二實質上平面表面之間，其中該熱障係與該第一實質上平面表面及該第二實質上平面表面兩者隔開。

Description

避免電池組中單元至單元之熱失控傳導的裝置及方法 【相關申請案】
本申請案主張2013年5月7日申請之美國臨時申請案第61/820,468號的權利。此申請案之全部教示係以引用方式併入本文中。
多單元電池塊體(並聯及/或串聯之單元)及電池組(並聯及/或串聯之塊體)易遭受個別單元失效之傳導。對於鋰離子電池，若一個單元變得熱失控(亦即，歸因於內部故障或曝露於不合規格或濫用條件)，則該單元典型地加熱至足以接著經由各單元之間的直接及間接接觸進行熱能之熱轉移而將失效傳導至鄰近單元的位準。此單元至單元失效傳導最終可級聯至電池塊體或電池組中之所有單元。稜柱形單元較可能發生此單元至單元傳導，此係因為該等單元傾向於由允許單元表面在正常充電及放電循環期間膨脹及收縮之材料建構而成，且該單元之平面表面傾向於在單元失控事件期間膨脹。有效地達成不允許單元熱失控失效傳導之設計典型地要求：在各單元之間存在大量間隔，因此產生較大電池組；或在每一單元周圍存在大量質量之非導熱或導熱材料，因此產生較重電池組。由於高體積及重量能量密度對於電池組為重要要求，故增加體積或重量會負面地影 響效能，且對於給定應用可引起不可接受之電池溶液。此等材料中之一些亦可妨礙將抑制單元為進行適當熱管理所需要之對流冷卻的氣流。
因此，需要一種避免單元至單元失效傳導之改良型方法。
本發明大體上係有關於一種電池塊體，其具有一熱障，該熱障插入於各單元之間以減少一失效單元與該等鄰近單元之間的導熱，從而避免初始失效之傳導。在一個具體實例中，一種電池塊體包括：第一稜柱形電池單元，其界定一第一實質上平面表面；第二稜柱形電池單元，其界定一第二實質上平面表面，該第二實質上平面表面係與該第一實質上平面表面成對置關係；及熱障，其懸吊於該第一實質上平面表面與該第二實質上平面表面之間，其中該熱障係與該第一實質上平面表面及該第二實質上平面表面兩者隔開。該熱障界定一第一末端及與該第一末端相對之一第二末端。該熱障可具有在介於約0.3mm與約1.6mm之間的範圍內之厚度。該電池塊體可進一步包括位於該熱障之該等對置末端中每一者處的一支撐隔片，該支撐隔片使該第一實質上平面表面與該第二實質上平面表面分離且將該熱障懸吊於該第一實質上平面表面與該第二實質上平面表面之間。該支撐隔片可為一可撓性支撐隔片。在一些具體實例中，該等支撐隔片可黏附至該第一實質上平面表面及該第二實質上平面表面中至少一者。該電池塊體可進一步包括一外殼，該外殼支撐該電池塊體之電池。該熱障可覆蓋該等對置之第一及第二實質上平面表面之表面面積的在介於約60%與約100%之間的範圍內之表面面積。該熱障可包括(例如)一陶瓷纖維材料或一聚合材料，諸如，一間芳族聚醯胺(meta-aramid)聚合材料。包括陶瓷纖維材料之該熱障可具有諸如約0.8mm或約1.6mm之厚度。包括間芳族聚醯胺聚合材料之該熱障可具有諸如約0.3mm、約0.5mm或約0.8mm之厚度。
本發明具有許多優勢，諸如，在一電池塊體中之一或多個單 元經歷一熱事件之後避免單元熱失控傳導，而不顯著地影響該電池塊體之能量密度。
【發明詳細說明】
以下為本發明之實例具體實例之描述。
通常需要使電池塊體具有儘可能高之能量密度，且因此將使單元定位成彼此極接近。典型地，將使單元定位成彼此接觸抑或彼此充分地近接，使得在熱失控期間，一個單元之失效將擴展至相鄰單元，從而造 成單元失效傳導至相鄰單元以使能夠將失效傳導至鄰近單元。在一些包裝設計中，可由於在鄰近單元之間存在導熱包裝封裝材料而加劇傳導問題。
本發明大體上係有關於一種電池塊體，其具有懸吊於各單元之間的熱障以減少失效單元與鄰近單元之間的導熱，從而最小化或消除一單元之失效將熱傳導至電池塊體中之鄰近單元的機會。本文所描述之方法亦最小化或消除單元熱失控傳導，而不顯著地影響電池塊體能量密度或裝配成本。
如本文所使用，電池塊體為稜柱形單元之並聯及/或串聯陣列。在圖1所展示之一個具體實例中，電池塊體100包括：第一稜柱形電池單元110，該第一稜柱形電池單元110界定第一實質上平面表面120；第二稜柱形電池單元130，該第二稜柱形電池單元界定第二實質上平面表面140，第二實質上平面表面140係與第一實質上平面表面120成對置關係；及熱障150，其懸吊於第一實質上平面表面120與第二實質上平面表面140之間，其中熱障150係與第一實質上平面表面120及第二實質上平面表面140兩者隔開。圖2中亦展示第一實質上平面表面120或第二實質上平面表面140。返回至圖1，熱障150界定第一末端160及與第一末端160相對之第二末端170。熱障150之厚度「d」足以最小化或消除單元失效自單元110、130中之一者至另一單元110、130之熱傳導的可能性，且將取決於電池、熱障之材料，及電池與熱障之間的距離。舉例而言，熱障150之厚度d可在介於約0.3mm與約1.6mm之間的範圍內，諸如，約0.4mm、約0.5mm、約0.6mm、約0.7mm、約0.8mm、約0.9mm、約1.0mm、約1.1mm、約1.2mm、約1.3mm、約1.4mm或約1.5mm。熱障150係由適合材料形成，以減少自單元110、130中之一者至另一單元110、130之熱對流或導熱。舉例而言，熱障150可包括：陶瓷纖維材料，諸如，由AGIS(賓夕法尼亞州安布勒市)製造之陶瓷纖維紙；玻璃纖維織物；或聚合材料，諸如，間芳 族聚醯胺聚合材料。在一個具體實例中，熱障150包括間芳族聚醯胺纖維之編織物，或摻合有由DuPontTM以NOMEX®為商標名稱而製造之對芳族聚醯胺纖維、抗靜電纖維或其他合成纖維的間芳族聚醯胺纖維之編織物。若其他熱絕緣材料具有相似特性(諸如，在高溫(例如，大於約300℃)下抵抗下垂或熔融之相似結構穩定性，及相似耐火性)，則亦可使用該等材料。
電池塊體100可進一步包括位於熱障150之對置末端160及170中每一者處的支撐隔片180，支撐隔片180使第一實質上平面表面120與第二實質上平面表面140分離且將熱障150懸吊於第一實質上平面表面120與第二實質上平面表面140之間。支撐隔片180之厚度典型地在介於約0.1mm與約0.3mm之間的範圍內，諸如，約0.15mm、約0.2mm或約0.25mm。
表面120與表面140之間的間隔「D」足以最小化或消除單元失效自單元110、130中之一者至另一單元110、130之熱傳導的可能性，且將取決於電池、熱障之材料，及電池與熱障之間的距離。舉例而言，表面120與表面140之間的間隔D可在介於約2mm與約3mm之間的範圍內，諸如，約2.1mm、約2.2mm、約2.3mm、約2.4mm、約2.5mm、約2.6mm、約2.7mm、約2.8mm或約2.9mm。支撐隔片180通常具充分可撓性以實質上遵循實質上平面表面120、140之輪廓。在一些具體實例中，支撐隔片180黏附至第一實質上平面表面120及第二實質上平面表面140中至少一者。適合隔片180之實例為諸如發泡膠帶之黏膠帶，例如，由3M(明尼蘇達州明尼亞波利市)製造之極高黏結(very high bond,VHB)發泡膠帶。典型地，黏膠帶具有充分熱穩定性以在熱事件期間將熱障固持於適當位置，且亦具有良好地黏結至諸如由PET塑膠材料構成之單元絕緣包覆材料之單元絕緣材料的能力。
電池塊體100可進一步包括外殼190，外殼190支撐電池塊 體100之電池110及130。在各種具體實例中，熱障150可覆蓋對置之第一實質上平面表面120及第二實質上平面表面140之表面面積至少約60%，諸如，約70%、約80%、約90%或約100%。圖3A展示電池塊體300之另一具體實例的端視圖。圖3B所展示的沿著A-A之截面圖展示八個單元310、熱障315及325，以及支撐隔片380。圖3C展示電池塊體300之側視圖，其中外殼390之部分隱藏熱障325。可在圖3D中看到熱障315及325兩者，圖3D為圖3C所展示之側視圖中沿著B-B而採取之截面的平面圖。
在另一具體實例中，一種用以避免一電池塊體中之單元至單元熱失控傳導的方法包括：將一熱障懸吊於一第一稜柱形電池單元之一第一實質上平面表面與一第二稜柱形電池單元之一第二實質上平面表面之間，其中該熱障係與該第一實質上平面表面及該第二實質上平面表面兩者隔開。該方法可進一步包括：將一支撐隔片懸吊於該熱障之一第一末端及與該第一末端相對之一第二末端中每一者處，該支撐隔片使該第一實質上平面表面與該第二實質上平面表面分離。該電池塊體、該熱障及該支撐隔片係如上文所描述。應將該熱障施加為使其居中於該稜柱形單元之該第一實質上平面表面或該第二實質上平面表面上。在一例示性具體實例中，該方法包括：運用雙面黏性發泡膠帶或螺桿而將一膠帶絕緣體試片對準夾具緊固至一工作台；將VHB膠帶切割成長度為約125mm之四個片段；及將七個絕緣體試片裝載至該絕緣體試片對準夾具中。該方法接著包括：沿著該等絕緣體試片之頂部邊緣施加該VHB膠帶；使該膠帶保持左右居中；及沿著該等絕緣體試片之底部邊緣重複該膠帶施加。該方法接著進一步包括：翻轉該等試片；及在該絕緣體試片對準夾具中使該等絕緣體試片重新對準，接著在該等絕緣體試片之後側上於該頂部邊緣及該底部邊緣處重複該膠帶施加，使該膠帶保持左右居中。接著，該方法包括：僅在該等絕緣體試片之前側上自頂部VHB膠帶及底部VHB膠帶移除透明保護膜；及在 每一絕緣體試片之間切割該頂部膠帶及該底部膠帶。將該等絕緣體試片安裝於單元上包括：將一試片面向上(該透明保護膜被移除之側面向上)置放於一單元試片對準夾具中；及將一單元置放於該絕緣體試片上方，使得該絕緣體試片居中於該單元之該實質上平面表面上。
例證
開發一種測試方法以提供用以評定各種絕緣材料之有效性的資料。第一步驟係產生將在稜柱形鋰離子單元中可靠地起始熱失控之測試情境。藉由迫使導電之硬化切削鋼釘通過完全充電之稜柱形鋰離子單元來實現熱失控之起始。所測試之稜柱形單元為在18×37×65長方形稜柱形狀況下之5300mAh單元(商標名稱Swing® 5300)。如圖4所展示，每一測試釘子400之直徑為大約3mm，且每一測試釘子400之長度為大約100mm，以保證完全地穿透通過測試單元。將釘子之一個末端切削成用以形成45度錐形之形狀。由具有足夠力以保證40毫米/秒之連續速度的液壓缸驅動釘子。針對每一測試來使用一新釘子以保證測試重複性，此係因為釘子上來自先前測試之殘餘物可在後續測試中引入非想要之可變性。
如圖5所展示，塑膠外殼502中由三個並聯稜柱形單元501組成之測試樣本係與適當大小之銅匯流條503並聯地電連接，以保證當該等單元中之一者藉由釘子穿透而短路時在該等單元之間存在足夠電流。將潛在熱障材料504切割成大約16mm乘46mm之矩形，且藉由黏發泡膠帶條帶而將潛在熱障材料504懸吊於每一對單元之間，如上文所描述。
將由用以安全地固持三單元測試塊體601之測試架604以及液壓缸605及釘子600組成的如圖6所展示之測試設置安裝於該塊體上方，其中該釘子係與中心單元對準，如圖6所展示。所有三個單元601皆配備有熱電偶以監視每一單元溫度。亦使用資料獲取系統而在匯流條603處監視塊體之電壓連同單元溫度，且以0.5秒/樣本之資料速率進行取樣。初始化 資料獲取系統以記錄資料，且接著啟動液壓缸，從而驅動釘子通過中心單元。對三個樣本重複該測試以改良結果之置信度。
評估準則由兩個度量組成：1)熱失控是否傳導至鄰近單元；及2)由鄰近單元記錄之最大溫度。若鄰近單元經歷熱失控事件，則測試被記錄為失敗。對於鄰近單元未經歷熱失控之測試組態，具有較低鄰近單元最大溫度之測試組態被認為較好。除了不具有熱障之對照以外，亦測試六個絕緣材料，且在表1及表2以及圖7所展示之曲線圖中概述結果。若干材料在減少傳導失效之數目及減少鄰近單元溫度方面示範顯著改良。0.8mm間芳族聚醯胺聚合材料表現得最好，其中無傳導且具有最低鄰近最大單元溫度。
本文所引證之所有專利、公開申請案及參照案之相關教示的 全文係以引用方式併入。
雖然已參考本發明之實例具體實例而特定地展示及描述本發明，但熟習此項技術者應理解，在不脫離由隨附申請專利範圍涵蓋的本發明之範疇的情況下，可在本發明中進行各種形式及細節改變。
前述內容將自隨附圖式中所說明的本發明之實例具體實例之以下更特定描述顯而易見，在該等圖式中，貫穿不同視圖，類似參考字元係指相同部件。圖式未必按比例，而是強調說明本發明之具體實例。
圖1為根據本發明的包括熱障之電池塊體的說明。
圖2為稜柱形單元之第一實質上平面表面或第二實質上平面表面的透視圖。
圖3A為根據本發明的包括熱障之電池塊體的端視圖。
圖3B為根據本發明的包括熱障之電池塊體沿著圖3A所展示之A-A的截面圖。
圖3C為根據本發明的包括熱障之電池塊體的側視圖。
圖3D為根據本發明的包括熱障之電池塊體沿著圖3C所展示之B-B而採取之截面的平面圖。
圖4為根據本發明的用以誘發稜柱形單元之失效以用於測試包括熱障之電池塊體之釘子的說明。
圖5為根據本發明的包括熱障之電池塊體之稜柱形單元的說明。
圖6為根據本發明的用於測試包括熱障之電池塊體之測試架的說明。
圖7為根據本發明的用於若干熱障材料之最大單元溫度的標繪圖。
100‧‧‧電池塊體
110‧‧‧單元
120‧‧‧表面
130‧‧‧單元
140‧‧‧表面
150‧‧‧熱障
160‧‧‧第一末端
170‧‧‧第二末端
180‧‧‧隔片
190‧‧‧外殼
d‧‧‧厚度
D‧‧‧間隔

Claims (16)

  1. 一種電池塊體，其包含：a)第一稜柱形電池單元，其界定一第一實質上平面表面；b)第二稜柱形電池單元，其界定一第二實質上平面表面，該第二實質上平面表面係與該第一實質上平面表面成對置關係；及c)熱障，其懸吊於該第一實質上平面表面與該第二實質上平面表面之間，其中該熱障係與該第一實質上平面表面及該第二實質上平面表面兩者隔開。
  2. 如申請專利範圍第1項之電池塊體，其中該熱障具有在介於約0.3mrm與約1.6mm之間的範圍內之厚度。
  3. 如申請專利範圍第1項之電池塊體，其中該熱障界定一第一末端及與該第一末端相對之一第二末端，且其中該電池塊體進一步包括位於該熱障之該等對置末端中每一者處的一支撐隔片，該支撐隔片使該第一實質上平面表面與該第二實質上平面表面分離且將該熱障懸吊於該第一實質上平面表面與該第二實質上平面表面之間。
  4. 如申請專利範圍第3項之電池塊體，其中該支撐隔片為一可撓性支撐隔片。
  5. 如申請專利範圍第3項之電池塊體，其中該等支撐隔片黏附至該第一實質上平面表面及該第二實質上平面表面中至少一者。
  6. 如申請專利範圍第5項之電池塊體，其進一步包括一外殼，該外殼支撐該電池塊體之電池。
  7. 如申請專利範圍第6項之電池塊體，其中該熱障覆蓋該等對置之第一及第二實質上平面表面之表面面積至少約60%。
  8. 如申請專利範圍第7項之電池塊體，其中該熱障覆蓋該等對置之第一及第二實質上平面表面之表面面積約100%。
  9. 如申請專利範圍第7項之電池塊體，其中該熱障包括一陶瓷纖維材料。
  10. 如申請專利範圍第9項之電池塊體，其中該熱障具有約0.8mm之厚度。
  11. 如申請專利範圍第9項之電池塊體，其中該熱障具有約1.6mm之厚度。
  12. 如申請專利範圍第7項之電池塊體，其中該熱障包括一聚合材料。
  13. 如申請專利範圍第12項之電池塊體，其中該聚合材料為一間芳族聚醯胺聚合材料。
  14. 如申請專利範圍第13項之電池塊體，其中該熱障具有約0.3mm之厚度。
  15. 如申請專利範圍第13項之電池塊體，其中該熱障具有約0.5mm之厚度。
  16. 如申請專利範圍第13項之電池塊體，其中該熱障具有約0.8mm之厚度。
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