TW202137604A - 電化學電池套組之快速通氣 - Google Patents

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勞倫斯 喬瑟夫 斯唐
喬許亞 坦爾 海莫加恩
泰勒 史考特 馬修斯
尼可拉斯 史考特 強森
莎拉 茱茲達尼
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Abstract

一種電化學電池套組包括：一殼體，其具有一內部容積；複數個電化學電池，其設置在該內部容積內；一熱管理流體，其設置在該內部容積內，使得該複數個電化學電池與該熱管理流體熱連通；一或多個空間填料，其與該內部容積設置並直接接觸該熱管理流體；及一或多個流體出口埠，其經組態及配置在該電化學電池套組中，使得存在於該電化學電池套組中的任何蒸氣或氣體的至少90wt.%可在該電化學電池套組內的一熱失控事件的10秒內經由該等流體出口埠從該電化學電池套組排出。

Description

電化學電池套組之快速通氣
本揭露係關於用於使電化學電池套組內的流體快速通氣的物品系統及方法。
用於電化學電池套組的熱管理系統係描述於例如，美國專利申請公開案第2017/0279172號、美國專利第8,852,772號、美國專利申請公開案第2017/0279172號、德國專利申請案第102015005529號、及德國專利申請案第102013213550號中。
10:電化學電池套組/殼體/電池組套組/套組
10’:電池組套組
15:殼體
15’:上端部
20:內部空間/內部容積
25:模組
30:外殼
35:電化學電池
40:空間填料
100:電化學電池套組
110:稜柱形電化學電池/稜柱形電池
115:殼體
120:內部容積
140:空間填料
150:電通孔
240:空間填料
250:圓柱形電化學電池
260:空間填料
270:細長本體
280:中空部分
285:構件
300:電化學電池套組/殼體/套組
315:殼體
320:內部容積
340:空間填料
345:腔穴
350:側壁
401:釘子穿透孔
402:通氣孔
403:起始電池
411:電池/位置
412:釘子
413:線性致動器
CE1:比較例
CE2:比較例
CE3:比較例
F:熱管理流體
FL’:液位
FL”:液位
〔圖1〕係根據本揭露之一些實施例的電化學電池套組的示意側視圖。
〔圖2〕係根據本揭露之一些實施例的電化學電池套組的示意側視圖。
〔圖3〕係根據本揭露之一些實施例的電化學電池套組的示意側視圖。
〔圖4〕係根據本揭露之一些實施例的空間填料的透視圖。
〔圖5〕係設置成相鄰於複數個電化學電池之圖4之空間填料的俯視圖。
〔圖6〕係根據本揭露之一些實施例的空間填料的透視圖。
〔圖7〕係根據本揭露之一些實施例的電化學電池套組的示意透視圖。
〔圖8a〕至〔圖8c〕顯示用以評估說明及比較例的電化學電池套組殼體組態的示意圖。
〔圖9〕顯示用於說明及比較例之釘子穿刺測試的實驗設定。
電化學電池(例如，鋰離子電池組)係在世界各地極為大量的電子及電裝置之中廣泛使用，範圍從油電混合及電動車至動力工具、可攜式電腦、及行動裝置。
經常需要用於電化學電池套組(例如，鋰離子電池組套組)之熱管理系統，以便將電池之循環壽命最大化及達到安全目的。這些類型的熱管理系統用於控制/維持套組中的電池溫度。高溫可增加電池之容量衰退率及阻抗，同時減少其壽命。
雖然電化學電池通常是安全且可靠的能量儲存裝置，但在某些條件下會遭受稱為熱失控之災難性故障。熱失控是由熱所觸發之一系列內部放熱反應。過多熱的產生可能來自過度充電、過熱、或 來自內部電短路。內部短路一般係由製造缺陷或雜質、樹枝狀鋰形成、或機械損壞所造成。
電化學電池或電化學電池套組之有效熱管理可協助預防災難性的熱失控事件，亦同時為套組之有效率正常操作提供必要的持續熱管理。可例如藉由介電質流體使用一系統來達成此類熱管理，該系統係設計用於單相或兩相浸沒式熱管理/直接接觸式熱管理。在任一情況中，熱管理流體係放置成與電化學電池熱連通，以維持、升高、或降低電化學電池之溫度(亦即，可經由流體將熱傳遞至電化學電池或從電化學電池傳遞)。
在習知系統中，為了充分提供保護免於熱失控傳播的潛在有害影響，需要將顯著量的熱管理流體容納在電化學電池套組內。然而，可採用流體浸沒式熱管理的大多數產業至少部分地受到減少重量及降低成本的考量所驅動。就此而言，在已知的浸沒式熱管理系統中，用於適當地減輕免於熱失控事件可能所需的流體量可導致難以接受地高的套組重量或套組成本。因此，已考慮到用於最小化用以適當管理電化學電池套組溫度並充分提供保護免於熱失控傳播的潛在有害影響所需之熱管理流體量(且因此最小化電化學電池套組的重量與成本)的系統、及方法。例如，已討論到包括設置在其中的低成本輕量空間填料的電化學電池套組，使得電化學電池套組內的熱管理流體量可減少或最小化。
雖然對減少電化學電池套組之重量及成本係有利的，但已發現在一些情況中此類流體最小化系統及方法對防止熱失控係不足 夠的。具體而言，已發現至少部分由於電池內無足夠的熱管理流體來吸收與熱失控相關聯的熱之事實，以此等最小位準下存在的此類流體導致在熱失控事件期間增加內部溫度及壓力(甚至相對於不包括熱管理流體的習知電化學電池套組)，從而加劇熱失控傳播。因此，在具有少量熱管理流體的電化學電池套組中用於減輕熱失控傳播的系統及方法係所欲的。
大致上，本揭露係關於電化學電池或電池套組，其在一熱失控事件期間允許可能存在於該套組中的蒸氣或氣體(例如，從電池釋放的熱管理流體蒸氣、氣體之熱分解所導致的汽化熱管理流體、氣體)之快速通氣。發現此類快速通氣可減輕具有低/最小量的熱管理流體的電化學套組中之熱失控傳播。
如本文中所使用，「鏈中雜原子(catenated heteroatom)」意指碳原子以外之原子(例如氧、氮、或硫)，其鍵結至碳鏈(直鏈或支鏈或環內)中之至少兩個碳原子而形成碳-雜原子-碳鍵結。
如本文中所使用，「氟(fluoro-)」(例如，關於基團或部分，諸如在「氟伸烷基(fluoroalkylene)」或「氟烷基(fluoroalkyl)」或「氟碳化合物(fluorocarbon)」情況下)或「氟化(fluorinated)」意指(i)僅部分氟化而使得有至少一個碳鍵結氫原子，或(ii)全氟化。
如本文中所使用，「全氟(perfluoro-)」(例如，關於基團或部分，諸如在「全氟伸烷基(perfluoroalkylene)」或「全氟烷基(perfluoroalkyl)」或「全氟碳化物(perfluorocarbon)」情況下)或「全 氟化(perfluorinated)」意指完全氟化以使得除了可能另有指示以外，否則沒有可用氟置換的碳鍵結之氫原子。
如本文中所使用，電化學電池或電池套組之熱失控係定義為在其期間如下列之單一事件(或溫度尖峰)：(i)在電池或電池套組內任何位置處的溫度超過80℃；及(ii)每單位時間的溫度改變之變化(dT/dt)
Figure 110101704-A0202-12-0005-19
[1℃/s]。
如本文中所使用，單數形式「一(a/an)」及「該(the)」皆包括複數個被指稱物(referents)，除非內文明確地另有指示。如本說明書及所附實施例中所使用者，用語「或(or)」通常是用來包括「及/或(and/or)」的意思，除非內文明確地另有指示。
如本文中所使用者，以端點敘述之數字範圍包括所有歸於該範圍內的數字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.8、4、及5)。
除非另有所指，否則本說明書及實施例中所有表達量或成分的所有數字、屬性之測量及等等，在所有情形中都應予以理解成以用語「約(about)」進行修飾。因此，除非另有相反指示，在前述說明書及隨附實施例清單所提出的數值參數，可依據所屬技術領域中具有通常知識者運用本揭露的教示而企圖獲得之所欲性質而有所變化。起碼，至少應鑑於有效位數的個數，並且藉由套用普通捨入技術，詮釋各數值參數，但意圖不在於限制所主張實施例範疇均等論之應用。
在一些實施例中，本揭露係關於一種電化學電池套組，其經組態以使在該套組內的任何熱管理流體快速通氣。大致上，電化 學電池套組可包括一殼體，該殼體界定含有複數個電化學電池之一內部容積。熱管理流體可設置在殼體之內部容積內，使得流體與電化學電池的一或多者(至多全部)熱連通。熱連通可經由直接接觸浸沒或間接熱接觸而達成。在採用直接接觸式浸沒的實施例中，熱管理流體可圍繞並直接接觸電化學電池的一或多者(至多全部)的任何部分(至多完全包圍並直接接觸)。在一些實施例中，電化學電池可係可充電電池組(例如可充電鋰離子電池組)。
在一些實施例中，為了促進具有最小體積之熱管理流體的套組足夠的熱管理，本揭露之電化學電池套組可包括一或多個空間填料。空間填料可與熱管理流體直接接觸(例如，空間填料可係至少部分浸沒(至多完全浸沒)在熱管理流體中)。在一些實施例中，空間填料可具有小於熱管理流體的密度。在一些實施例中，空間填料可具有等於或大於熱管理流體之密度。為了本申請案之目的，應理解的是：套組內的電化學電池(例如，電池組)不應被視為空間填料。
現參照圖1，其描繪根據本揭露之一些實施例的電化學電池套組10(出於說明性目的，而未顯示空間填料)。電化學電池套組10可包括一殼體15，該殼體界定一內部空間20。複數個模組25可設置在內部空間20內。殼體10可以任何習知方式及允許內部空間受到流體密封的任何習知材料形成(除了例如在某些條件下可允許釋氣之一或多個通氣孔以外)。雖然電化學電池套組10僅以兩個模組顯示，但仍可僅採用一個模組25或採用大於兩個之任何數量的模組。
在一些實施例中，雖然未顯示，但可使用任何電導體(諸如匯流排、電線、電纜、或類似者)將模組25(及/或電化學電池)彼此電連接。可按特定應用所欲地將電池組模組以串聯組態、並聯組態、或並聯與串聯組態的一些組合電耦接。
在一些實施例中，模組25之各者可包括一外殼30，該外殼界定模組25之一內部容積且含有複數個電化學電池35。如圖1所示，電化學電池35可包括水平配置的圓柱形電池。然而，應理解的是，可採用任何類型的電化學電池。
在一些實施例中，外殼30可以任何習知方式及允許模組25之一內部容積容納固持/維持熱管理流體的任何習知材料形成。在一些實施例中，外殼30可完全包覆電化學電池35，使得外殼30形成圍繞電化學電池之整體之一連續外殼。替代地，外殼30可僅包覆電化學電池35之一部分(例如，外殼30之一或多側可係至少部分開放的)。在一些實施例中，模組25的內部容積可與殼體15之內部容積20流體連通。例如，外殼30之一上端部中之一或多個開口可允許流體從模組25之內部容積傳遞至殼體15之內部容積20(即，內部容積20可作用為容納在模組25內之流體的溢出部(overflow))。替代地或額外地，外殼30可包括一或多個入口/出口，其用於允許在模組25之內部容積與殼體15之內部容積20之間的流體流動。
在一些實施例中，熱管理流體F可設置在殼體之內部容積20內、模組25之內部容積內、或兩者。例如，在一些實施例中，熱管理流體F可設置在殼體或模組25之一或多者的內部容積內，使得 實質上殼體或模組25之內部容積未由電化學電池35(或模組25內之任何其他固體組件)佔據的全部體積(例如，至少80%、至少90%、至少95%、或至少99%)係由熱管理流體F所佔據。
為了說明之目的，在圖1中，熱管理流體F係設置在殼體15之內部空間20內，使得液位FL’遠低於殼體15之上端部15’，且模組25之表面區域的少數部分接觸熱管理流體F。
現參照圖2，其顯示一電池組套組10’，該電池組套組具有與電池組套組10相同的特徵(包括與殼體之內部容積20及模組25之內部容積設置之相同的熱管理流體F體積)，但亦包括根據本揭露之一或多個空間填料40。大致上，空間填料40可設置在殼體之內部容積20內未由模組25(或內部容積內之任何其他固體組件)佔據的任何地方。如圖2所示，採用三個空間填料40，其中在該等模組之各者與殼體15之一側壁之間設置一個填料，且在模組25之間設置一個填料。然而，應理解的是，圖2所描繪之空間填料40的數量、大小、形狀、及位置僅係以舉例方式呈現。亦即，可在不偏離本揭露之範圍下採用任何數量、大小、形狀、及位置的空間填料40。
仍參照圖2，由於空間填料40所佔據體積的緣故，在套組10之內部容積20內的熱管理流體的液位FL”(其體積又與圖1中所容納之熱管理流體體積相同)高於液位FL’，且因此模組25之表面區域的較大部分浸沒在熱管理流體F中。在一些實施例中，熱管理流體F可設置在內部容積20內，使得實質上套組10之內部容積20未由模組25、空間填料40、或內部容積20內之任何其他固體組件佔據的全部體 積(例如，至少80%、至少90%、至少95%、或至少99%)係由熱管理流體F所佔據。
如先前所討論者，本揭露之概念可相關於具有任何類型之電化學電池的電化學電池套組而採用。就此而言，圖3繪示根據本揭露之一些實施例的電化學電池套組100，其中容納複數個稜柱形電化學電池110。類似於圖1及圖2之實施例，電化學電池套組100包括一殼體115，該殼體界定一內部容積120，在該內部容積中容納複數個稜柱形電池110及複數個空間填料140。如同圖1及圖2之實施例，熱管理流體F亦可設置於殼體115之內部容積120內。
在一些實施例中，如關於圖3所最佳描述者，空間填料140之一或多者可經定大小及定形狀，以與設置在內部容積120內之一或多個結構或特徵的大小及形狀互補(例如，經定大小及定形狀使得空間填料140(或結合多個空間填料140)在具有最小空氣間隙的情況下圍繞特徵而貼合地適配)。例如，如圖3所示，空間填料140可經定大小及定形狀，以與延伸至內部容積120中之電通孔(electrical pass through)150的大小及形狀互補。空間填料140可以類似方式經定大小及定形狀，以與設置於內部容積120內之任何其他結構或特徵的大小及形狀互補。例如，現參照圖4A、圖4B、及圖5，其等繪示根據本揭露之一些實施例的空間填料240。如所示，空間填料240可經定大小及定形狀，以與相鄰圓柱形電化學電池250的大小及形狀互補，該等圓柱形電化學電池可如上所述設置在一電池組套組或電池組套組模組內。應理解的是，空間填料240以類似方式經定大小及定形狀，以與任何 數量之相鄰電化學電池(例如，相鄰電化學電池之2×2陣列)的大小及形狀互補。作為另一實例，參照圖6，空間填料可經定大小及定形狀為一套筒狀構件，該套筒狀構件具有經定大小及定形狀以與一個別電化學電池之大小與形狀互補之一腔穴。如圖6所示，空間填料260可包括一細長本體270，該細長本體具有一中空部分280，該中空部分界定經定大小及定形狀以與一圓柱形電池(未圖示)的大小及形狀互補之一腔穴。
在上述實施例之任一者中，且如在圖6中所示，本揭露之空間填料可亦包括一或多個構件(例如，鰭片、突起、起伏表面)，諸如構件285，該一或多個構件橫向於空間填料之本體的縱向尺寸而延伸。一般而言，此等構件可經組態以增加空間填料之表面積或體積，或最佳化電化學電池周圍的熱管理流體流動，以用於熱傳遞之目的。
現參照圖7，其描繪根據本揭露之一些實施例的電化學電池套組300(未顯示電化學電池及熱管理流體)。電化學電池套組300可包括一殼體315，該殼體具有複數個側壁，該複數個側壁界定一內部容積320。雖然圖7描繪為具有一開放頂側及一窗，該窗從側壁之一者延伸至內部容積320中，但應理解的是，此類特徵主要用於說明目的(即，殼體300可具有一頂蓋且不包括在任何側壁中之一窗)，且殼體315可具有允許內部容積320受到流體密封之任何形狀或組態。殼體300可以任何習知方式及任何習知材料形成。
在一些實施例中，雖然未顯示，但可使用任何電導體(諸如匯流排、電線、電纜、或類似者)將具有套組300的電化學電 池彼此電連接。可按特定應用所欲地將該等電池以串聯組態、並聯組態、或並聯與串聯組態的一些組合電耦接。
在一些實施例中，套組300可進一步包括複數個空間填料340，該複數個空間填料經組態為中空、細長構件，該等構件具有一開放頂部及底端，該等中空部分界定腔穴345，該等腔穴經定大小及定形狀以容納該等電化學電池的大小及形狀並延伸空間填料340之長度。例如，如圖所示，空間填料340可係形成為具有細長圓柱形腔穴，該等圓柱形腔穴之各者經定大小及定形狀以容納圓柱形電化學電池的大小及形狀。類似於圖4及圖5之實施例，在一些實施例中，空間填料340之外表面可經定大小及定形狀，以與相鄰空間填料之大小及形狀互補，使得相鄰空間填料340之間的空間或間隙(在任何方向上)經最小化或實質上消除。在此類實施例中，如將進一步在下文詳細討論，熱管理流體可經由腔穴345(完全地或主要地)在內部容積320內循環，而非經由可存在於相鄰空間填料340之間的通道。就此而言，在一些實施例中，空間填料340可存在於內部容積320內，使得未由電化學電池佔據之至少50%、至少75%、至少80%、或至少90%之總內部容積係由空間填料340所佔據。
雖然大致上適形於電化學電池的大小及形狀(該等電池在具有最小間隙之情況下適配於腔穴內)，但是在一些實施例中，腔穴345可相對於該等電化學電池而經定大小及定形狀，使得熱管理流體可在該腔穴之一側壁350及該等電化學電池之外表面之間通過。在此類實施例中，若在腔穴345內置中，則電化學電池的一外表面(圍 繞電池的整個周緣)可沿著腔穴345之長度與側壁350間隔一距離，該距離係介於0.01mm與10mm之間、介於0.01mm與4mm之間、介於0.1mm與1mm之間、或介於0.25mm與0.5mm之間。
如同前述實施例，一熱管理流體(未繪示)可設置在殼體315之內部容積320內。例如，在一些實施例中，熱管理流體可設置在內部容積320內，使得實質上內部容積320未由電化學電池或空間填料340(或內部容積320內之任何其他固體組件)佔據之全部體積(例如，至少80%、至少90%、至少95%、或至少99%)係由熱管理流體所佔據。如同前述實施例，給定空間填料的存在，則可能達成熱管理流體與電化學電池之表面的直接接觸，同時亦將與套組300之熱管理流體的總體積最小化。
如同前述實施例，圖7所描繪之空間填料340的數量、大小、形狀、及位置僅係以舉例方式呈現。亦即，可在不偏離本揭露之範圍下採用任何數量、大小、形狀、及位置的空間填料340。在一些實施例中，空間填料340可提供作為離散組件。替代地或額外地，空間填料340之一或多者(至多全部)可提供作為單一本體(諸如藉由一體地形成，或藉由經由一合適的緊固機構來耦合二或更多個空間填料)。
在上述實施例之任一者中，本揭露之電化學電池套組可包括一或多個流體出口埠，其經定位及組態以允許由於熱失控事件所產生的蒸氣及氣體(例如，從電池釋放的熱管理流體蒸氣、氣體之熱分解以及可能存在於電化學電池套組之內部中的任何其他流體所導致 的汽化熱管理流體、氣體)之快速通氣。通常，可藉由電化學電池之流體出口埠的數量及/或出口埠的接近度來達到快速通氣。就此而言，流體出口埠可經組態及配置在電化學電池套組中，使得存在於電化學電池套組中之至少90wt.%、至少95wt.%、或至少99wt.%的任何蒸氣或氣體熱可在一熱失控事件的10秒、5秒、或1秒內從該套組經由該等流體出口埠排出。進一步就此而言，在一些實施例中，流體出口埠可經組態及配置在電化學電池套組中，使得在一熱失控事件期間電化學電池套組內的內部壓力不超過正常環境壓力(1atm)的1倍、2倍、5倍、或10倍。仍進一步就此而言，在一些實施例中，流體出口埠可設置在電化學電池套組內，使得電化學電池之各者的至少一端(頂端或底端)上無一點距至少一個流體出口埠多於10mm、不多於5mm、或不多於1mm。此可藉由例如包括大量之相對小的流體出口埠(例如，與電化學電池之各者對準設置的流體出口埠)、或較小量之相對較大的流體出口埠來達到。
在一些實施例中，流體出口埠可包括在正常操作期間能夠防止流體通過、及在一熱失控事件(例如，回應於在電化學電池套組之內部容積內達成臨限溫度及/或壓力)時能夠允許流體通過的任何裝置。例如，流體出口埠可包括或經組態為爆破隔膜、洩壓閥、或類似者。在一些實施例中，流體出口埠可設置在電化學電池套組內(例如，在一側壁內)，使得其等與環繞電化學電池套組的外部環境及殼體之內部容積兩者流體連通(至少在一熱失控事件時)。應理解的是，流體出口埠可被視為僅包括蒸氣及氣體在排出至外部環境(例如，一 通氣口)之前立刻通過的裝置，或用於收集及以流體的方式將蒸氣及氣體導送至裝置(例如，一歧管)的此類裝置及導管。
在一些實施例中，本揭露之空間填料可包括一填料材料，且可選地，一膜至少部分地(且至多完全地)包覆該填料材料。
在一些實施例中，填料材料可包括密度(每單位體積質量)小於熱管理流體F之密度的任何材料，及/或可以比熱管理流體更低的成本購得。在一些實施例中，填料材料可具有大於熱管理流體之密度的密度。合適的填料材料之實例包括可壓縮氣體(例如，空氣)、聚合材料(諸如尼龍、聚碳酸酯、聚乙烯、聚胺甲酸酯、聚苯乙烯、或其組合)、相變材料(諸如用於在恆定溫度下吸收熱之石蠟)、或其組合。該等聚合材料之任何者可作為開孔或閉孔的發泡體存在。填料材料可經選擇使得其等係不可燃的或具有低可燃性，且可帶有HB、5VB、5VA、V-2、V-1或V-0之UL-94認證。填料材料可經選擇使得其等具有高電阻率(例如，大於1×104Ohm-cm)。在一些實施例中，填料材料可展現可壓縮性，以便允許電池膨脹並提供緩衝，其中楊氏模數不大於3000MPa(用於塑膠的模數)、不大於50MPa(用於橡膠的模數)、不超過15MPa(高密度發泡體)、或不大於1MPa(低密度發泡體)。
在一些實施例中，以填料材料之總體積計，可壓縮氣體可以至少50體積%、至少90體積%、至少95體積%、或至少99vol.%之量存在於該填料材料中。在一些實施例中，以填料材料之總重量計， 聚合物可以至少50wt.%、至少90wt.%、至少95wt.%、或至少99wt.%之量存在於該填料材料中。
在一些實施例中，填料材料的導熱率可藉由包括一或多種導熱填料材料來增強。例如，在填料材料包括聚合材料之實施例中，此類聚合材料可已將一或多種導熱無機填料材料(諸如陶瓷，諸如氧化物、氫氧化物、氧氫氧化物、矽酸鹽、硼化物、碳化物、或氮化物)分散遍及其本體。
在一些實施例中，用於該等空間填料之膜可包括任何與熱管理流體相容的材料(例如，在流體的存在下不會劣化，且不會導致熱管理流體的劣化)，且相對於熱管理流體、空氣、或兩者係不可滲透的。用於膜之合適材料的實例可包括聚合物或金屬化聚合物。具體實例包括經由鍍鋁聚合物、聚丙烯箔、PET箔、或PTFE箔。在其中未採用膜的實施例中，填料材料可包括與熱管理流體相容的材料(例如，在流體的存在下不會劣化(例如含有塑化劑的溶解)，且不會導致熱管理流體的劣化)。
在一些實施例中，二或更多片膜可經耦接或連接以至少部分地包覆該填料材料(例如，形成至少部分地包覆該填料材料的一囊)。例如，可將一膜之頂部及底部區段結合在一起，並繞一或多個邊緣密封以形成用於包覆填料材料之一囊或袋。在一些實施例中，該膜(或一或多個膜片，其共同地(或當連接時)構成整個膜)可由單一材料層或複數個材料層(例如，多層膜)形成。
在一些實施例中，本揭露之空間填料可特徵化為經密封、可壓縮之氣體填充囊。在此類實施例中，空間填料可包括可壓縮氣體或基本上由可壓縮氣體所組成，且該膜可完全包覆該空間填料，使得可壓縮氣體保持在由膜形成之的囊內(例如，經由繞膜之周緣所設置的密封件)。在此類實施例中，可壓縮氣體可佔據囊之總體積的至少95%、至少99%、或100%。
在一些實施例中，由在電化學電池套組殼體之內部容積內的空間填料所佔據的體積累積地可係由在電化學電池套組殼體之內部容積內的熱管理流體所佔據的體積的至少10%、至少20%、至少30%、至少40%、至少50%、至少60%、至少70%、至少80%、至少90%、至少100%、至少110%、至少150%、至少200%、至少300%、或至少500%。在一些實施例中，熱管理流體可存在於電化學電池套組殼體之內部容積中，使得以存在於該電化學電池套組中之電化學電池的總(累積)能量計，介於0.02與2公升/kW-h之間、0.02與1公升/kW-h之間、或介於0.02與0.5公升/kW-h之間。在一些實施例中，熱管理流體可存在於電化學電池套組殼體之內部容積中的量，以該電化學電池套組殼體之內部的總容積計，介於1與25vol.%之間、1與20vol.%之間、1與15vol.%之間、或介於1與10vol.%之間。
如先前所討論者，本揭露之空間填料可具有小於其等設置於其中之熱管理流體之密度的密度。因此，在一些實施例中，為了防止空間填料在套組內移動(例如，經由浮力)，空間填料可使用任 何合適的耦合機構固持就位。合適的耦合機構可包括黏著劑、緊固件、或在內部容積內作用以維持空間填料在內部容積內之位置的結構元件。
在一些實施例中，熱管理流體可包括或基本上由以下組成：鹵化化合物、油(例如，礦物油、合成油、或聚矽氧油)、或其組合。在一些實施例中，鹵化化合物可包括氟化化合物、氯化化合物、溴化化合物，或其組合。在一些實施例中，鹵化化合物可包括氟化化合物或基本上由氟化化合物組成。在一些實施例中，熱管理流體可具有小於約1e-5S/cm、小於約1e-6S/cm、小於約1e-7S/cm、或小於約1e-10S/cm的導電率(在攝氏25度)。在一些實施例中，熱管理流體可具有根據ASTM D150在室溫下測量之小於約25、小於約15、或小於約10的介電常數。在一些實施例中，熱管理流體可具有下列額外性質的任一者、任何組合、或全部：足夠低的熔點(例如<-40度C或-35度C)及高沸點(例如，對於單相熱傳遞，>80度C)、高導熱率(例如，>0.05W/m-K)、高比熱容量(例如，>800J/kg-K)、低黏度(例如，在室溫下<2cSt)、及不可燃性(例如，無閉杯閃點)或低可燃性(例如，閃點>100F)。在一些實施例中，具有此類性質的氟化化合物可包括氟醚、氟碳化物、氟酮、氟碸、及氟烯烴之任一者或組合或由氟醚、氟碳化物、氟酮、氟碸、及氟烯烴之任一者或組合組成。在一些實施例中，具有此類性質的氟化化合物可包括部分氟化化合物、全氟化化合物、或其組合，或由氟化化合物、全氟化化合物、或其組合組成。在一些實施例中，以熱管理流體之總重量計，熱管理 流體可包括以下量之氟化化合物：至少20%、至少50wt.%、至少75wt.%、至少90wt.%、至少95wt.%、或至少99wt.%。
在一些實施例中，本揭露之熱管理流體可係相對不具化學反應性、在操作範圍中的熱穩定、及無毒。工作流體可對環境具有低衝擊。就此而言，本揭露之工作流體可具有零或幾乎為零的臭氧損耗潛勢(ozone depletion potential,ODP)和小於500、300、200、100、或小於10的全球暖化潛勢(global warming potential,GWP；100yr ITH)。
在一些實施例中，本揭露之電化學電池套組可經組態以儲存電力並供應電力至任何電氣系統，諸如在一電池電動車(battery electric vehicle,BEV)、一插電式混合電動車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)、一混合電動車(hybrid electric vehicle,HEV)、一不斷電電力供電(uninterruptible power supply,UPS)系統、一住宅電氣系統、一工業電氣系統、一定置型儲能系統、或類似者中。
在一些實施例中，在電化學電池套組的操作或使用期間，熱管理流體可(例如，經由泵)在殼體之內部容積內循環、或循環至殼體之內部容積或從殼體之內部容積循環。例如，熱管理流體可透過管線或軟管提供至殼體，且可在週期性或連續地被輸送至散熱器或熱交換器之前，在模組或電化學電池周圍或介於模組或電化學電池之間流動。在一些實施例中，在流經散熱器或熱交換器之後，熱管理流體可再次被輸送至電化學電池。替代地，熱管理流體可不在殼體內循環、或可不循環至殼體或可不從殼體循環。
實例
藉由以下說明性實例進一步說明本揭露之目標及優點。除非另有註明，否則實例及說明書其餘部分中之所有份數、百分比、比率等皆以重量計，且除非另有指定，所使用之所有材料及設備係從一般供應商所獲得、或購得。在本文中使用下列縮寫：ml=毫升、mm=毫米、mm/sec=mm每秒、Ahr=安培小時、℃=攝氏度。
電化學電池組態
使用六個圓柱形格式的電化學電池(各電池具有21mm之直徑及70mm之長度)藉由使用工業級點焊機將電池及鎳條焊接在一起，以各自組裝四個1S6P電池組套組殼體(圖8a至圖8c)。表1提供關於電池組電池及鎳條的細節。電池組套組殼體包括含有六個中空圓柱形腔穴的空間填料，該等空間填料經定大小及定形狀以容納該電化學電池。殼體係由尼龍12製成，且包括具有0.21吋(5.3mm)之直徑的孔。測試殼體具有三個孔(如圖8a所示)或十一個孔。一孔總是位於殼體之中心以作為釘子穿透孔(在圖8a中的401)，而剩餘的孔作為通氣孔(在圖8a中的402)。
Figure 110101704-A0202-12-0019-1
Figure 110101704-A0202-12-0020-2
測試程序
在各測試之前，根據製造商的規範將電化學電池套組充電到100%充電狀態(state of charge,SOC)。將熱電偶定位在該電池套組中的電池(411)之三者的正側上。接著以鋁蓋板將殼體在頂部及底部處密封，並以所欲量的NOVEC 7300熱管理流體(可購自3M Company,Maplewood,MN,US)填滿、或不填滿(亦即，殼體含有一些空氣)。表2列出比較例CE1至CE3及實例1之電化學電池、空間填料、及熱管理流體或空氣的體積及體積分率。對於比較例CE2至CE3及實例1而言，在圓柱形腔穴之頂部處的任何過量的體積係以SCOTCH-WELD胺甲酸酯黏著劑(DP604NS，可購自3M Company,Maplewood,MN,US)填滿。此材料之體積係包括在表2中所列的空間填料之體積中。將填滿及密封的殼體固定在測試腔室中就位，使得電化學電池水平定向。
Figure 110101704-A0202-12-0020-3
使用表3給定的參數及條件來執行釘子穿透測試。針對各測試，將釘子定位在起始電池之表面處的釘子穿透孔(401)中(如圖8a及圖8b所示)。
Figure 110101704-A0202-12-0021-4
如圖9所示，使用釘子412固定至其之遠端控制線性致動器413來達到釘子移動。以釘子412穿刺起始電池403的同時監測位置411處的溫度。接著透過溫度監測與目視觀察之組合觀察熱失控傳播。當電池不再產生熱且未觀察到進一步的反應時，測試完成。為了此等實例之目的，熱失控係定義為在其期間：(i)在電池套組中任何位置處所測量的溫度超過80℃、及(ii)在任何時間點之溫度隨時間的變化(dT/dt)大於或等於1℃/sec的事件。根據表4之觀察評估釘子穿刺測試之結果。
Figure 110101704-A0202-12-0021-5
結果
於表5中呈現結果。對於比較例CE1而言，大部分熱管理流體在測試期間被排出，其中一些流體在測試完成後殘留在殼體中，而對於CE2、CE3、及實例1而言，沒有流體在測試後殘留在殼體中。在不含熱管理流體的比較例CE2中發生部分熱失控傳播，而在部分填充NOVEC 7300且僅含有兩個通氣孔的比較例CE3中發生全傳播。對於實例1而言，電池中包括總共10個通氣孔，且即使僅使用50ml的熱管理流體仍未觀察到熱失控傳播。此外，對於實例1而言，在測試結束後非常少的熱管理流體殘留在殼體中。
Figure 110101704-A0202-12-0022-6
本揭露中的各種修改與變更對於所屬技術領域中具有通常知識者將為顯而易見且不悖離本揭露之範圍與精神。應理解，本揭露不意欲受到本文所提出之說明性實施例及實例過度地限制，且此等實例及實施例僅係以舉例方式呈現，其中本揭露之範疇僅意欲由本文提出如下之申請專利範圍所限制。所有本發明所引用之參考資料係以參照方式被完整納入。
10’:電池組套組
40:空間填料
FL’:液位

Claims (19)

  1. 一種電化學電池套組，其包含：
    一殼體，其具有一內部容積；
    複數個電化學電池，其設置在該內部容積內；
    一熱管理流體，其設置在該內部容積內，使得該複數個電化學電池與該熱管理流體熱連通；
    一或多個空間填料，其與該內部容積設置並直接接觸該熱管理流體；及
    一或多個流體出口埠，其經組態及配置在該電化學電池套組中，使得存在於該電化學電池套組中的任何蒸氣或氣體的至少90wt.%可在該電化學電池套組內的一熱失控事件的10秒內經由該等流體出口埠從該電化學電池套組排出。
  2. 一種電化學電池套組，其包含：
    一殼體，其具有一內部容積；
    複數個電化學電池，其設置在該內部容積內；
    一熱管理流體，其設置在該內部容積內，使得該複數個電化學電池與該熱管理流體熱連通；
    一或多個空間填料，其與該內部容積設置並直接接觸該熱管理流體；及
    一或多個流體出口埠，其經組態及配置在該電化學電池套組中，使得在一熱失控事件期間該電化學電池套組內的內部壓力不超過正常環境壓力的5倍。
  3. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中由該電化學電池套組內的該等空間填料所佔據之體積累積地係由該電化學電池套組內的該熱管理流體所佔據之體積的至少50%。
  4. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中以該總內部容積計，該熱管理流體係以介於1與20vol.%之間的量存在於該內部容積中。
  5. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中以存在於該電化學電池套組中之電化學電池的總(累積)能量計，該熱管理流體係以介於0.02與2公升/kW-h之間的量存在於該內部容積中。
  6. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中該等流體出口埠係設置在該電化學電池套組內，使得該複數個電化學電池之各者的至少一端上無距離該等流體出口埠之至少一者大於10mm之點。
  7. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中該等空間填料具有一密度，該密度小於該熱管理流體之密度。
  8. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中該熱管理流體包含一鹵化流體或一油。
  9. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中該熱管理流體 具有小於1e-5S/cm的導電率(在攝氏25度)。
  10. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中該熱管理流體包含氟醚、氟碳化合物、氟酮、氟碸、或氟烯烴。
  11. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中以該熱管理流體之總重量計，該熱管理流體包含至少20wt.%之量的氟化化合物。
  12. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中該空間填料包含一填料材料，該填料材料包含一聚合材料，且其中以該空間填料之總重量計，該聚合材料係以至少50重量百分比之量存在於該空間填料中。
  13. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中該空間填料包含一填料材料，該填料材料包含一可壓縮氣體，且其中以該空間填料之總體積計，該可壓縮氣體係以至少95體積百分比之量存在。
  14. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中該空間填料包含一填料材料，該填料材料包含導熱無機填料粒子。
  15. 如前述請求項中任一項之電化學電池套組，其中該空間填料包含一膜，該膜至少部分地包覆一填料材料。
  16. 如請求項15之電化學電池套組，其中該膜與該熱管理流體相 容，且相對於該熱管理流體或空氣係不可滲透的。
  17. 如請求項15及16中任一項之電化學電池套組，其中該膜包含一聚合物或一金屬化聚合物。
  18. 一種電力系統，其包含：
    如請求項1至17中任一項之電化學電池套組，
    一熱交換器，其與該熱管理流體流體連通；
    一流體泵，其與該熱管理流體及該熱交換器流體連通；及
    一電負載，其中該電化學電池套組經電耦接至該電負載。
  19. 如請求項18之電力系統，其中該電負載係一馬達，該馬達用於推進一電動車。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023221827A1 (zh) * 2022-05-18 2023-11-23 高柏科技股份有限公司 电池包热管理系统

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2666091A (en) * 1951-04-12 1954-01-12 Emmet L Martin Electric storage battery for use in extreme climates
US20090176148A1 (en) * 2008-01-04 2009-07-09 3M Innovative Properties Company Thermal management of electrochemical cells
JP2009289668A (ja) * 2008-05-30 2009-12-10 Toyota Motor Corp 蓄電装置及び車両
US8852772B2 (en) 2011-11-15 2014-10-07 GM Global Technology Operations LLC Lithium ion battery cooling system comprising dielectric fluid
US9912019B2 (en) * 2013-05-20 2018-03-06 Hamilton Sundstrand Corporation Thermal management of electrical storage devices by coolant pool
DE102013213550A1 (de) 2013-07-11 2015-01-15 Robert Bosch Gmbh Batteriezelle mit einem prismatischen oder zylindrischen Gehäuse, Batteriemodul sowie Kraftfahrzeug
DE102015005529A1 (de) 2015-05-02 2016-11-03 Kreisel Electric GmbH Batterie-Speichermodul und Batterie-Speichersystem
US10784545B2 (en) 2016-03-25 2020-09-22 Xing Power Inc. Submerged cell modular battery system

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