阅读说明：本技术 一种高安全性的电池模组 (Battery module of high security ) 是由 陈才星 牛慧昌 李磊 李钊 姜羲 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高安全性的电池模组,包括至少两个单体电池及至少三个电池热失控阻隔板,单体电池及电池热失控阻隔板沿单体电池厚度方向间隔紧密排列,电池热失控阻隔板采用空心玻璃微珠通过烧结工序而成,空心玻璃微珠的外壁在烧结工序中融化形成烧结颈。本发明的有益效果是：本发明的高安全性的电池模组在单体电池间采用了电池热失控阻隔板作为阻隔结构,防止了局部区域或者单一电池的热失控扩展至周围电池的情况发生。(The invention discloses a high-safety battery module, which comprises at least two single batteries and at least three battery thermal runaway blocking plates, wherein the single batteries and the battery thermal runaway blocking plates are closely arranged at intervals along the thickness direction of the single batteries, the battery thermal runaway blocking plates are formed by sintering hollow glass beads, and the outer walls of the hollow glass beads are melted in the sintering process to form sintering necks. The invention has the beneficial effects that: according to the high-safety battery module, the battery thermal runaway barrier plate is adopted as the barrier structure among the single batteries, so that the situation that the thermal runaway of a local area or a single battery is expanded to the surrounding batteries is prevented.)

一种高安全性的电池模组

技术领域

本发明涉及电动汽车及储能系统技术领域，尤其涉及一种高安全性的电池模组。

背景技术

新能源电动汽车及储能系统所用电池，通常为锂二次电池。随着电池技术的发展，锂二次电池的能量密度越来越高，然而安全性能却难以得到保障。近年来新能源电动汽车及储能系统的大规模火灾事故时有发生，危及城市公共安全。

电池系统火灾事故通常由局部区域或单一电池热失控的扩展引起。单一电池热失控时产生大量的热，致使电池温度在短时间升高至800℃左右。由于电池系统内电池排列紧密，热量通过热辐射、热对流及热传导等途径迅速扩散至周围电池，诱发周围电池的热失控，进而导致大规模电池火灾，并释放大量有毒气体。为抑制大规模电池火灾，目前通常采用气凝胶、细水雾等灭火技术，扑灭明火，然而由于其降温速率慢，并不能完全阻隔电池热失控的扩展。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种高安全性的电池模组，主要解决局部区域或单一电池热失控导致周围电池热失控扩展的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种高安全性的电池模组，包括至少两个单体电池及至少三个电池热失控阻隔板，单体电池及电池热失控阻隔板沿单体电池厚度方向间隔紧密排列。

在一些实施方式中，单体电池为二次电池，单体电池之间采用串联/并联方式进行电连接。

在一些实施方式中，电池热失控阻隔板的厚度为1-10mm，电池热失控阻隔板的长度和宽度与单体电池一致；电池热失控阻隔板的参数需同时满足下列要求：密度为0.08-0.35g/cm³、导热系数为0.04-0.2W·m^-1·K^-1，以及抗压强度为0.5-20MPa。

在一些实施方式中，电池热失控阻隔板采用空心玻璃微珠通过烧结工序而成，空心玻璃微珠的外壁在烧结工序中融化形成烧结颈。

在一些实施方式中，空心玻璃微珠的真实密度为0.1g-0.6g/cm³。

在一些实施方式中，空心玻璃微珠的抗压强度为1.7-41Mpa。

在一些实施方式中，空心玻璃微珠的真实密度为0.125g/cm³，空心玻璃微珠的抗压强度为1.7Mpa。

在一些实施方式中，空心玻璃微珠的真实密度为0.46g/cm³，空心玻璃微珠的抗压强度为41Mpa。

在一些实施方式中，烧结工序的温度为550-750℃，烧结工序的时间为0.5-3小时。

在一些实施方式中，空心玻璃微珠在烧结前进行浮选，用于去除破碎的空心玻璃微珠。

本发明的有益效果为：

1.本发明的高安全性的电池模组在单体电池间采用了电池热失控阻隔板作为阻隔结构，防止了局部区域或者单一电池的热失控扩展至周围电池的情况发生。

2.本发明还通过对电池热失控阻隔板的制造提出要求，在防止热失控的基础上，对电池系统能量密度的影响降到了最低。

附图说明

图1为本发明实施例一和二中高安全性的电池模组的结构示意图；

图2为本发明电池热失控阻隔板的结构示意图；

图3为本发明电池热失控阻隔板的局部放大图。

其中：10-单体电池，20-电池热失控阻隔板，201-空心玻璃微珠，202-烧结颈。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实验人员发现，应用热失控阻隔材料是抑制或阻隔电池热失控扩展的有效方法之一。然而阻隔材料的添加必然会降低电池系统的能量密度，因而阻隔材料的密度需尽可能低，添加量需尽可能少。同时阻隔材料应同时具备导热系数低及阻燃的特点。另外考虑电池在热失控时会有较大程度的鼓包，为保证热阻隔性能，阻隔强度应具备较大的抗压强度。目前市面并未发现效果较好的电池热失控阻隔材料，及应用阻隔材料来提高电池系统安全性的实例。

如图1所示,本实施例提出了一种高安全性的电池模组，包括至少两个单体电池10及至少三个电池热失控阻隔板20，单体电池10及电池热失控阻隔板20沿单体电池厚度方向间隔紧密排列。单体电池10为二次电池，单体电池10之间采用串联/并联方式进行电连接。上述的电池模组的四周可设有铝合金板，通过机械设备将电池模组加紧后，再将铝合金板的边缘焊接为一整体，如此即可保证电池与隔板的紧密接触。另外，也可以通过塑料扣合的方式将电池模组夹紧。

本发明的高安全性的电池模组在单体电池间采用了电池热失控阻隔板作为阻隔结构，防止了局部区域或者单一电池的热失控扩展至周围电池的情况发生。

如图2所示，上述的电池热失控阻隔板20的厚度为1-10mm，电池热失控阻隔板20的长度和宽度与单体电池10一致；电池热失控阻隔板20的参数需同时满足下列要求：密度为0.08-0.35g/cm³、导热系数为0.04-0.2W·m^-1·K^-1，以及抗压强度为0.5-20MPa。

电池热失控阻隔板20采用空心玻璃微珠201通过烧结工序而成，空心玻璃微珠201的外壁在烧结工序中融化形成如图3所示的烧结颈202，该烧结颈202作为空心玻璃微珠201之间的连接点，具有较高的强度。

更进一步地，空心玻璃微珠201的真实密度为0.1g-0.6g/cm³。空心玻璃微珠201的壁厚通常差别不大，而外径差别较大，如K1型号的空心玻璃微珠201，其外径就在很大范围内变动，最大外径120微米，最小只有30微米。真实密度是能够同时反映壁厚和外径的一个宏观参数，故可以使用真实密度代替外径以及壁厚选型，若无条件测量空心玻璃微珠201的真实密度，则可以选择外径范围为5μm-150μm，壁厚为0.5-5μm的空心玻璃微珠201。空心玻璃微珠的抗压强度为1.7-41Mpa，选取不同的抗压强度的空心玻璃微珠，以适应不同的锂电池应用领域。

更进一步地，烧结工序的温度为550-750℃，烧结工序的时间为0.5-3小时。提供一种优选方案：675℃下烧结2小时，通过优选的烧结方案，空心玻璃微珠201的抗压强度能够满足要求。比675℃温度低的情况下空心玻璃微珠201同样可以烧结成型，但是抗压强度不太大，比较松散，但考虑到不同型号不同厂家的微珠的成分会有差异，烧结工序的温度为550-750℃，烧结工序的时间为0.5-3小时较为合适。

更进一步地，烧结工序在马弗炉中进行。

更进一步地，空心玻璃微珠在烧结前进行浮选，用于去除破碎的空心玻璃微珠201，避免破碎的空心玻璃微珠201存在缺口而导致无法烧结出烧结颈202，能够使电池热失控阻隔板获得更低的导热系数。

本发明还通过对电池热失控阻隔板的制造提出要求，在防止热失控的基础上，对电池系统能量密度的影响降到了最低。

下面选取两种相对极端的实施例对电池热失控阻隔板的隔热能力进行说明：

实施例一

高安全性的电池模组采用图1所示的5个单体电池10及6个电池热失控阻隔板，并沿单体电池10厚度方向间隔紧密排置，该单体电池10为锂离子电池(正极材料中关键元素比为Ni：Co：Mn＝5:2:3)。电池热失控阻隔板20采用真实密度为0.125g/cm³、抗压强度为1.7Mpa的空心玻璃微珠201，在温度为675℃的马弗炉中烧结2小时而成。所制备得到的电池热失控阻隔板的厚度为2mm，密度为0.086g/cm3，导热系数为0.05W·m-1·K-1，抗压强度为0.8MPa。试验采用900W的功率加热图1所示最左边的单体电池10，以触发其热失控。结果显示，触发热失控电池的最高温度约为750℃，其相邻的单体电池10在150秒后达到最高140℃的温度，其后开始下降。说明在该实施例中所制备的热失控阻隔板可成功完全阻隔电池热失控的扩展。与此同时，由于电池热失控阻隔板20的密度低，对电池系统的能量密度影响可低至0.5％。

综上，实施例一中的电池热失控阻隔板20由于其抗压强度相对较低，因此该高安全性电池模组可优选地用于储能系统等非频繁震动领域。

实施例二

高安全性的电池模组采用图1所示的5个单体电池10及6个电池热失控阻隔板，并沿单体电池10厚度方向间隔紧密排置，该单体电池10为锂离子电池(正极材料中关键元素比为Ni：Co：Mn＝5:2:3)。电池热失控阻隔板20采用真实密度为0.46g/cm³、抗压强度为41Mpa的空心玻璃微珠201，在温度为675℃的马弗炉中烧结2小时而成。所制备得到的电池热失控阻隔板20的厚度为2mm，密度为0.252g/cm3，导热系数为0.15W·m-1·K-1，抗压强度为15MPa。试验采用900W的功率加热图1所示最左边的单体电池10，以触发其热失控。结果显示，触发热失控电池的最高温度约为750℃，其相邻的单体电池10在其热失控后的5分钟内，均没有发生热失控。说明在该实施例中所制备的热失控阻隔板可成功抑制电池模组内的热量扩散，保证热失控在5分钟内不扩展。此处导热系数值提高，实际热阻是降低的，所以其热失控阻隔能力也相对较弱，对比实施例一，相当于阻隔能力最弱的一个极端。与此同时，虽然电池热失控阻隔板20的密度相对实施例一较高，但对电池系统的能量密度影响也可低至1.5％，对锂电池的能量密度影响也不算大。

综上，实施例二中的电池热失控阻隔板20由于其抗压强度相对较高，因此该高安全电池模组可优选地用于电动汽车等频繁震动领域。

可见，真实密度越低的空心玻璃微珠201，烧结出来的电池热失控阻隔板20导热系数越低，热失控阻隔能力越好；真实密度越低的空心玻璃微珠201，烧结出来的电池热失控阻隔板20的密度越低，对锂电池的能量密度的影响越低；而选用抗压强度越高的空心玻璃微珠201，则烧结出来的电池热失控阻隔板20抗压强度越高，适用于频繁震动领域。

对比例一

如图1所示相同的单体电池及其数量组成的模组，但是不添加热失控阻隔材料，试验测试数据显示，热失控从触发的电池扩展至相邻的电池仅用时35秒钟。

对比例二

如图1所示相同的单体电池及其数量组成的模组，但是阻隔材料选用的是厚度为2mm的环氧树脂板(电池模组内常用的绝缘材料)，其密度为实施例一中组隔板的20倍左右，导热系数约为0.3W·m-1·K-1，实验测试表明，热失控从触发的电池扩展至相邻的电池仅用时110秒钟。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。