TWI472085B - 於一電池中電池胞熱失控漫延之防止 - Google Patents

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Description

於一電池中電池胞熱失控漫延之防止
所闡述之實施例一般而言係關於電池，且特定而言，係關於於一電池中熱失控漫延之防止。
一電池中之電池胞可以稱為熱失控之一放熱程序之形式而失效。一電池胞中之一熱失控程序可係由電池胞之製造缺陷、錯誤處置或濫用或升高一電池胞之溫度或將電池胞曝露至來自一外部源之高溫之任一因素導致。高溫通常導致電池胞中之反應速率之一增加，藉此導致電池胞之溫度之一進一步增加及因此反應速率之一進一步增加。作為此熱失控程序之一結果，一電池中之電池胞將大量熱釋放至環繞該電池胞之區域中。
通常需要多個電池胞以達到較高電壓及儲存足夠能量從而使電池針對其既定使用有效。由於一電池之電池胞通常極緊密地堆積在一起，因此若一電池胞總成之一部分中之一個電池胞經歷熱失控，則彼失效電池胞之高溫可觸動附近電池胞之熱失控。此一程序可致使附近電池胞釋放熱且貫穿電池中之其餘電池胞漫延該熱失控程序，從而導致電池之一級聯失效且釋放大量能量。
本發明之實施例使得一電池之組件能夠自經歷熱失控之一電池胞將熱散佈掉。在一項實施例中，一電池包含自經歷熱失控之一電池胞將熱汲取掉之熱導體及保護其他電池 胞免受熱曝露之熱絕緣物。熱導體及熱絕緣體形成自經受熱失控之一電池胞汲取熱且跨越與該等熱導體接觸之其他電池胞散佈熱之傳導路徑。藉由自失效電池胞汲取熱，環繞電池胞之溫度保持足夠低以防止該等環繞電池胞經受熱失控程序。
自經受熱失控之電池胞汲取熱之傳導路徑之組態可變化。在一項實施例中，使用兩個熱匯流條，其中一電池胞總成之每一側定位一個匯流條。該總成中之每一電池胞與同耦合至鄰近電池胞之匯流條相對之匯流條直接接觸-亦即，毗鄰電池胞與交替匯流條直接接觸。在該等電池胞中間及環繞該等電池胞之區域包括一絕緣材料。
在另一實施例中，一絕緣體環繞每一電池胞，且一單個熱匯流條自一失控電池胞將熱傳導掉且跨越其他電池胞中之每一者散佈熱。此一組態減慢自一失效電池胞至熱匯流條及自熱匯流條至環繞該失效電池胞之電池胞之熱傳導之速率。
各圖僅出於圖解說明之目的而繪示本發明之各種實施例。依據以下論述，熟習相關技術者將易於認識到，可在不背離本文中所闡述之本發明之原理之情況下採用本文中所圖解說明之結構及方法之替代實施例。
一電池包含裝納一或多個電化學電池胞之一電池胞總成。每一電池胞將所儲存化學能轉換成電能。該電池包含將兩個或兩個以上電池胞連接在一起之電連接件以使得該 電池可輸出一較高電壓及/或較大容量。在將化學能轉換成電能之一程序期間，電池胞可產生熱，且一足夠高量之熱可致使電池胞失效且觸動一熱失控程序。本發明之實施例提供一種自一電池之一電池胞總成中之一電池胞將熱耗散掉以防止熱失控之機制。
圖1圖解說明經組態以在一熱失控程序期間自一失效電池胞耗散熱且避免該熱失控程序漫延之一電池。所圖解說明之電池100包含若干個電池胞總成102，該等電池胞總成中之每一者包含若干個電池胞106、一導體108及一絕緣體110。電池100將一電信號輸出至連接至該電池之一或多個裝置以使得該電池可給該等裝置供電。
每一電池胞106將所儲存化學能轉換成電能。一電池胞106可係將化學能不可逆地變換成電能之一一次電池胞或可再充電之一二次電池胞。一電池胞類型可包含(但不限於)鋰、鋰-離子、鋰-硫、鎳-金屬氫化物、鎳-鎘、鹼性電池胞。在一項實施例中，電池胞106係包括一聚合物電解質之一鋰-離子電池胞；在一替代實施例中，使用一液體電解質。電池胞機械封裝可係一盒、一金屬罐或一塑膠或複合結構。電池胞之化學性質可包含能夠產生電能之任一組合。每一電池胞亦可包括多個電極，該等電極包含具有不同化學性質之一陰極及一陽極。一陰極可包括(但不限於)：鋰鈷氧化物、鋰鎳錳鈷、磷酸鋰鐵。陽極材料可包含(但不限於)：碳、矽等。
熱導體108自經受一熱失控程序之一電池胞將熱傳導掉 且跨越與導體108接觸之其餘電池胞擴散該熱。如下文更詳細地闡述，熱導體108可或可不基於所採用之一組態而與一特定電池胞106接觸。可基於數個因素而選擇熱導體108之材料，該材料包含(但不限於)：金屬之熱傳導性、金屬之熔點、一電池胞之化學性質之特性、電池胞內之電極之材料性質、重量、製造成本及簡易性。熱導體108可由能夠傳導熱之多種材料構成。在一項實施例中，熱導體108具有高於可能在一熱失控程序期間產生之一峰值溫度之一熔點。舉例而言，若預期經受熱失控之一電池胞之一最大預期溫度為攝氏160度，則可使用具有高於攝氏160度之一熔點之一導體材料。在一項實施例中，熱導體108包含商用級鋁1100-O，該商用級鋁係柔韌且耐腐蝕的但並不提供結構強度。在其他實施例中，熱導體108材料可包含(但不限於)：石墨、石墨烯、碳纖維、碳奈米管、銅、鋁合金或銀。在一項實施例中，熱導體108端接於每一電池胞總成102之端部處；另一選擇係，該熱導體連接至與另一電池胞總成相關聯之一額外熱匯流條；或該熱導體連接至一熱交換器。
在一項實施例中，兩個電池胞之間的熱導體108之長度係根據觸發一電池胞中之熱失控之一溫度而判定。舉例而言，若在一較高溫度下觸發一電池胞中之熱失控，則兩個電池胞之間的熱導體108之長度可係較短，此乃因每一電池胞可在彼電池胞中觸發一失控之前達到一較高溫度。相比而言，若一電池胞在一較低溫度下經歷熱失控，則兩個 電池胞之間的熱導體108之長度可係較長。
熱絕緣體110使電池胞106與由其他電池胞產生之熱絕緣。圍繞電池胞之熱絕緣體110之組態可變化，如下文所闡述。另外，用於一熱絕緣體110之材料可包含一陶瓷纖維，諸如一種氧化鋁纖維。在其他實施例中，可使用二氧化矽氣凝膠材料或一玻璃纖維織物作為電池100中之一熱絕緣體110。
圖2圖解說明根據本發明之一實施例在一第一組態中用於在一熱失控程序期間自一失效電池胞耗散熱之熱導體及絕緣體之一組態。圖2之一電池胞總成200包含電池胞206a至206e、兩個熱導體匯流條208a及208b以及一熱絕緣體210。
在圖2中所圖解說明之實施例中，每一熱導體匯流條208a、208b與裝納於電池胞總成200中之交替電池胞206接觸。舉例而言，導體匯流條208a與電池胞206b及206d連接且接觸。類似地，導體匯流條208b與電池胞206a、206c及206e連接且接觸。導體匯流條208與電池胞206之間的直接接觸准許導體匯流條208自經歷熱失控之一電池胞更快速地傳導熱。將每一匯流條208a、208b連接至交替電池胞206有助於使較高溫度遠離緊密毗鄰於經歷失控之一電池胞之電池胞。舉例而言，若電池胞206c正經歷熱失控，則熱匯流條208b不僅自電池胞206c而且自毗鄰電池胞206b及206d將熱傳導掉。
在圖2中所圖解說明之組態中，一熱絕緣體210使每一電 池胞206與導體匯流條208絕緣。該絕緣體防止在經歷熱失控之一電池胞處產生之熱耗散至附近電池胞。舉例而言，若一電池胞206a經歷熱失控，則絕緣體210防止熱耗散至電池胞206b。因此，絕緣體210允許更多在206a處產生之熱沿著由導體匯流條208b提供之傳導路徑耗散。
圖3圖解說明根據本發明之一實施例在一第二組態中用於在一熱失控程序期間自一失效電池胞耗散熱之一熱導體及多個熱絕緣體之一組態。圖3之一電池胞總成300包含電池胞306a至306e、一個熱導體匯流條308及熱絕緣體310。
在所圖解說明之組態中，熱導體匯流條308並不與裝納於電池胞總成300中之電池胞306直接接觸。熱絕緣體310使每一電池胞306絕緣以使得在一失效電池胞中之一熱失控事件期間產生之熱緩慢地傳導至位於該失效電池胞附近之點處之導體匯流條308且然後跨越整個匯流條耗散且由絕緣體310及額外電池胞吸收。藉由跨越系統之熱塊體(包含熱匯流條及熱絕緣體)散佈熱失控之熱，使其他電池胞之溫度升高，但升高至低於將在其他電池胞中觸發熱失控之臨界值之一位準。如熟習此項技術者所理解，該臨界溫度值取決於電池胞化學性質。因此，基於電池胞總成中之每一或多個電池胞之臨界溫度而選擇熱導體匯流條308之長度及材料以及熱絕緣體310之量及材料。如參考圖1所闡述，可回應於該臨界溫度而改變熱絕緣體及熱導體之長度及材料。在上文所闡述之組態中，在電池胞306與導體匯流條308之間不存在直接傳導路徑。然而，此一組態准許 在導體匯流條308處以一較低速率發生傳導。此一組態之一優點係一單個導體匯流條308在尚未失效之電池胞當中更均等地耗散熱。
圖4係圖解說明根據具有圖2中所圖解說明之一組態之一項實施例在經歷熱失控之一第一電池胞T1及其鄰近電池胞T2、T3、T4及T5當中溫度隨時間而變化之一圖表。在圖4之實例中，每一電池胞係0.31"厚，其中在該等電池胞之間存在0.005"厚之鋁熱導體與0.1"厚之陶瓷絕緣物。0.005"厚之鋁導體附接至一0.015"粗之熱匯流條。如該圖表中所圖解說明，雖然失效電池胞T1曾經歷接近攝氏400度之溫度，但其鄰近電池胞並未達到甚至100度之溫度。在圖4中，電池胞T2及T3鄰近失效電池胞T1；電池胞T4及T5鄰近電池胞T2及T3但不鄰近失效電池胞T1。如圖4中所圖解說明，隨著熱自失效電池胞T1耗散至鄰近電池胞T2及T3，此等鄰近電池胞經歷接近攝氏100度之溫度。然而，熱匯流條自電池胞T2及T3有效地排放熱以防止此等電池胞中之熱失控漫延。另外，電池胞T4及T5進一步遠離失效電池胞T1且達到接近攝氏50度之溫度。因此，熱匯流條將熱自失效電池胞T1有效地耗散至一電池胞總成中進一步遠離失效電池胞之彼等電池胞。
出於圖解說明之目的，已呈現本發明之實施例之前述說明；其並非意欲為窮盡性的或將本發明限於所揭示之精確形式。熟習相關技術者可瞭解，鑒於以上揭示內容可進行諸多修改及變化。
此說明之某些部分就演算法及關於資訊之操作之符號表示方面闡述本發明之實施例。熟習資料處理技術者通常使用此等演算法說明及表示將其工作之實質有效地傳達給其他熟習此項技術者。在功能上、計算上或邏輯上進行闡述之此等操作應理解為由電腦程式或等效電路、微碼及諸如此類來實施。此外，亦已證明有時將此等操作配置稱作模組係便利的而不喪失一般性。所闡述之操作及其相關聯模組可體現於軟體、韌體、硬體或其任一組合中。
可藉助一或多個硬體或軟體模組單獨地或與其他裝置組合地執行或實施本文中所闡述之步驟、操作或程序中之任一者。在一項實施例中，藉助包括含有電腦程式碼之一電腦可讀媒體之一電腦程式產品來實施一軟體模組，該電腦程式碼可藉由用於執行所闡述之任一或所有步驟、操作或程序之一電腦處理器來執行。
本發明之實施例亦可係關於一種用於執行本文中之操作之設備。可針對所需目的具體地構造此設備，及/或該設備可包括一通用計算裝置，該通用計算裝置藉由儲存於電腦中之一電腦程式而選擇性地啟動或重新組態。此一電腦程式可儲存於一有形電腦可讀儲存媒體或適於儲存電子指令且耦合至一電腦系統匯流條之任何類型之媒體中。此外，本說明書中所提及之任何計算系統可包含一單個處理器或可係採用多個處理器設計來增加計算能力之架構。
本發明之實施例亦可係關於一種體現於一載波中之電腦資料信號，其中該電腦資料信號包含一電腦程式產品之任 何實施例或本文中所闡述之其他資料組合。該電腦資料信號係存在於一有形媒體或載波中且經調變或以其他方式編碼於該載波中之一產物，其係有形的且根據任何適合傳輸方法而傳輸。
最後，本說明書中所使用之語言原則上係出於易讀性及指導性目的而選擇，且其可並非為描述或限制發明標的物而選擇。因此，意欲使本發明之範疇並不受限於此詳細說明而是受限於發佈在基於本文之一申請案中之任何申請專利範圍。因此，本發明之實施例之揭示內容意欲為說明性的而非限定本發明之範疇，本發明之範疇陳述於以下申請專利範圍中。
100‧‧‧電池
102‧‧‧電池胞總成
106‧‧‧電池胞
108‧‧‧導體/熱導體
110‧‧‧絕緣體/熱絕緣體
200‧‧‧電池胞總成
206a‧‧‧電池胞
206b‧‧‧電池胞/毗鄰電池胞
206c‧‧‧電池胞
206d‧‧‧電池胞/毗鄰電池胞
206e‧‧‧電池胞
208a‧‧‧熱導體匯流條/導體匯流條/匯流條
208b‧‧‧熱導體匯流條/導體匯流條/匯流條
210‧‧‧熱絕緣體/絕緣體
300‧‧‧電池胞總成
306a-306e‧‧‧電池胞
308‧‧‧熱導體匯流條/導體匯流條
310‧‧‧熱絕緣體/絕緣體
T1‧‧‧第一電池胞/失效電池胞
T2‧‧‧鄰近電池胞/電池胞
T3‧‧‧鄰近電池胞/電池胞
T4‧‧‧鄰近電池胞/電池胞
T5‧‧‧鄰近電池胞/電池胞
圖1圖解說明經組態以在一熱失控程序期間自一失效電池胞耗散熱之一電池。
圖2圖解說明根據本發明之一實施例在一第一組態中用於在一熱失控程序期間自一失效電池胞耗散熱之熱導體及絕緣體之一組態。
圖3圖解說明根據本發明之一實施例在一第二組態中用於在一熱失控程序期間自一失效電池胞耗散熱之一熱導體及絕緣體之一組態。
圖4係圖解說明根據一項實施例在經歷熱失控之一第一電池胞及其鄰近電池胞當中溫度隨時間而變化之一圖表。
100‧‧‧電池
102‧‧‧電池胞總成
106‧‧‧電池胞
108‧‧‧導體/熱導體
110‧‧‧絕緣體/熱絕緣體

Claims (16)

  1. 一種電池，其包括：複數個電池胞，其配置成一系列交替之電池胞；一第一熱匯流條，其具有自該第一熱匯流條垂直延伸之一第一複數個凸緣，每一凸緣接觸該系列交替之電池胞之一第一系列之該等電池胞中之一者；一第二熱匯流條，其具有自第二熱匯流條垂直延伸之一第二複數個凸緣，每一凸緣接觸該系列交替之電池胞之一第二系列之該等電池胞中之一者；及一絕緣體，其防止該等電池胞之間的直接實體接觸。
  2. 如請求項1之電池，其中該複數個電池胞係包含一聚合物電解質之鋰離子電池胞。
  3. 如請求項1之電池，其中該複數個電池胞係包含一液體電解質之鋰離子電池胞。
  4. 如請求項1之電池，其中該第一熱匯流條及該第二熱匯流條係由鋁構造。
  5. 如請求項1之電池，其中該第一熱匯流條及該第二熱匯流條係由石墨構造。
  6. 如請求項1之電池，其中該第一熱匯流條及該第二熱匯流條係由石墨烯構造。
  7. 如請求項1之電池，其中該第一熱匯流條及該第二熱匯流條係由碳纖維構造。
  8. 如請求項1之電池，其中該第一熱匯流條及該第二熱匯流條係使用碳奈米管構造。
  9. 如請求項1之電池，其中該第一熱匯流條及該第二熱匯流條係由銀構造。
  10. 如請求項1之電池，其中該複數個電池胞含納於一第一電池胞總成中，且該電池進一步包括一第二複數個電池胞，該第二複數個電池胞含納於一第二電池胞總成內，該第二電池胞總成藉由一第三熱匯流條耦合至該第一電池胞總成。
  11. 如請求項1之電池，其中該絕緣體包含一陶瓷纖維。
  12. 如請求項11之電池，其中該陶瓷纖維係一種氧化鋁纖維。
  13. 如請求項1之電池，其中該絕緣體包含一種二氧化矽氣凝膠材料。
  14. 如請求項1之電池，其中該絕緣體包含玻璃纖維織物。
  15. 如請求項1之電池，其中該第一熱匯流條之該第一複數個凸緣自該第一熱匯流條垂直延伸且不接觸該第二熱匯流條。
  16. 如請求項1之電池，其中該第二熱匯流條之該第二複數個凸緣自該第二熱匯流條垂直延伸且不接觸該第一熱匯流條。
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