專利名稱：一種安全鋰離子電池單元及安全鋰離子電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種安全鋰離子電池單元及安全鋰離子電池組，涉及電池領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋰離子電池自1990年問世以來，因其卓越的性能得到了迅猛的發(fā)展，并得以廣泛地應(yīng)用。鋰離子電池具有能量密度高、儲(chǔ)存性能好等多種優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)等多種電器，特別是移動(dòng)電器中，是一種非常優(yōu)秀的電源。其缺點(diǎn)是價(jià)格貴、使用條件比較苛刻，不耐濫用。由于過充電對(duì)鋰離子電池造成傷害甚至爆炸，鋰離子電池通常需要配置鋰離子電池專用保護(hù)電路一起使用。保護(hù)電路可以在過充電、過放電、電流過大等情況下對(duì)電池或電池組進(jìn)行保護(hù)。
鋰離子電池的主要構(gòu)成是由正極，負(fù)極，隔膜，電解液等基本的元素組成，一般是以下一些物質(zhì)正極鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳酸鋰(LiNiO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸亞鐵鋰(LiFePO4)等；負(fù)極人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等；隔膜聚乙烯(PE)、聚丙稀(PP)等組成的單層或者多層的微多孔薄膜；電解液LiPF6為電解質(zhì)，碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(MEC)等組成的一元、二元或者三元的混合溶劑。改變電解液的溶劑體系、電解質(zhì)加入量、添加劑種類，可以制成不同品種牌號(hào)的電解液。
根據(jù)鋰離子電池的性能要求，電解液所用的有機(jī)溶劑必須是非質(zhì)子溶劑。為使電池體系有盡可能寬的工作溫度范圍和良好的安全性能，要求溶劑的熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、蒸汽壓低，因此單一溶劑不可能實(shí)現(xiàn)上述要求，必須由多種溶劑復(fù)合。一般情況下，通用型電解液選擇高介電常數(shù)的環(huán)狀碳酸酯溶劑和低黏度的鏈狀碳酸酯溶劑進(jìn)行復(fù)合。低溫用途電解液選用低熔點(diǎn)的溶劑和高介電常數(shù)的環(huán)狀碳酸酯溶劑進(jìn)行復(fù)合。大功率動(dòng)力型電解液選用高沸點(diǎn)、高閃點(diǎn)和高介電常數(shù)的環(huán)狀碳酸酯溶劑進(jìn)行復(fù)合。目前，最適合用作電解液溶劑的主要是碳酸酯類有機(jī)溶劑，包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)等。
較為通用的品種有含有DMC的三元體系。如LiPF6/EC/DEC/DMC為電解液，其中LiPF6為導(dǎo)電鹽，EC(碳酸乙烯酯)/DEC(碳酸二乙酯)/DMC(碳酸二甲酯)為復(fù)合溶劑。以及EC/DEC二元體系。
常用溶劑的特性如下EC碳酸乙烯酯分子式C3H4O3結(jié)構(gòu)式 分子量88，熔點(diǎn)35-38℃，沸點(diǎn)248℃，閃點(diǎn)＞125℃。
DEC碳酸二乙酯分子式C5H10O3結(jié)構(gòu)式 無色透明液體，易燃，有芳香味，不溶于水，能和醇、醚混溶。分子量118.13，熔點(diǎn)-43℃，沸點(diǎn)126℃，閃點(diǎn)25。
DMC碳酸二甲酯分子式C3H6O3結(jié)構(gòu)式 常溫下無色透明液體，分子量90.08，熔點(diǎn)4℃，沸點(diǎn)90.3℃，閃點(diǎn)17℃。著火點(diǎn)46.5℃，EMC碳酸甲乙酯分子式C4H8O3結(jié)構(gòu)式 無色透明液體，分子量104.1，熔點(diǎn)-55℃，沸點(diǎn)109℃，閃點(diǎn)23℃。
鋰離子電池的工作機(jī)理是電池充電時(shí)，正極材料中的鋰形成離子脫嵌，遷移并嵌入到負(fù)極改性石墨層中；電池放電時(shí)，鋰離子從石墨層中脫嵌，穿過隔膜回嵌到正極材料中。隨充放電的進(jìn)行，鋰離子不斷的從正極和負(fù)極中嵌入和脫出，所以也稱其為“搖椅電池”。鋰離子電池單體的額定電壓為3.6V，通常充電限制電壓為4.2V，放電限制電壓為2.5V。
反應(yīng)式為(以LiCoO2作正極材料為例)正極負(fù)極總反應(yīng)電池化學(xué)結(jié)構(gòu)式為LiC6‖LiPF6+EC+DEC+MEC‖LiCoO2作為高能量密度的電池，鋰離子電池的安全備受關(guān)注。同時(shí)，也要求采用更為先進(jìn)的安全技術(shù)。鋰離子電池造成危害的途徑主要有以下三種情形1.充電電壓過高。在過充的情況下，可能導(dǎo)致熱失控(或者過熱)，會(huì)在電池內(nèi)部引起燃燒反應(yīng)，因?yàn)樵陔姵貎?nèi)部存在著可燃的溶劑以及氣態(tài)混合物。這種狀態(tài)將導(dǎo)致電池充電時(shí)不安全、不可靠。過充電導(dǎo)致正極材料過度脫鋰，晶格坍塌，鋰在負(fù)極析出，高活性的鋰與電解液反應(yīng)，內(nèi)壓及溫度急劇升高，導(dǎo)致爆炸及燃燒。
2.充電電流過大。鋰離子電池充電5倍率以上容易發(fā)生爆炸，這主要是鋰與石墨中6個(gè)碳形成LiC6化合物的反應(yīng)是有一定反應(yīng)速度的。在小電流充電時(shí)，反應(yīng)速度比結(jié)合速度慢，不會(huì)形成鋰原子堆積，因此比較安全。在過流(5C以上)時(shí)形成鋰原子速度會(huì)比形成LiC6速度快，因此會(huì)造成鋰原子堆積，形成鋰枝晶，刺穿隔膜，致使電池內(nèi)阻短路，電池短路會(huì)使放電電流瞬間增大，放出大量熱量，使電解液分解產(chǎn)生大量氣體，內(nèi)壓急劇上升造成電池爆炸。
3.鋰離子電池過熱(如150℃以上)易發(fā)生爆炸。眾所周知，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)時(shí)呈指數(shù)型上升的熱生成速率超出了反應(yīng)體系的熱發(fā)散能力時(shí)就會(huì)發(fā)展成自發(fā)熱失控反應(yīng)。由于鋰在正極材料和石墨中是以離子狀態(tài)存在，在受熱條件下其活性大大增加，在超過150℃以上時(shí)正極材料和石墨對(duì)鋰離子作用大大減弱，鋰的電子與鋰原子核距離很近，基本接近或達(dá)到鋰原子狀態(tài)，鋰原子與電解液能發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體，內(nèi)壓迅速上升，造成電池爆炸和燃燒。
隨著鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，鋰離子電池逐步趨向大型化，特別是在電動(dòng)自行車和電動(dòng)汽車上作為動(dòng)力電源使用的電池組，電池單體數(shù)量多，電池容量大，電解液用量多。一旦某種原因(如發(fā)生內(nèi)部短路)使個(gè)別電池溫度急劇升高，引起有機(jī)電解液燃燒，燃燒熱會(huì)在該電池區(qū)域局部聚集，繼而波及相鄰電池，導(dǎo)致電池連鎖爆炸，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。
有機(jī)溶劑的燃燒反應(yīng)會(huì)放出巨大的熱量，鋰離子電池電解液常用溶劑的燃燒熱分別為ECΔH＝1161KJ/M………………(1)DECΔH＝2715KJ/M……………(2)DMCΔH＝1440KJ/M……………(3)MECΔH＝2000KJ/M……………(4)(MEC的數(shù)據(jù)由DEC和DMC的估算而來)無論電解液與正極釋放出的O2反應(yīng)，還是與空氣中的O2反應(yīng)，從熱力學(xué)角度看，釋放出的熱量以溶劑燃燒反應(yīng)形成CO2時(shí)為最大，因此上述反應(yīng)的ΔH代表了鋰離子電池爆炸燃燒時(shí)釋放的最大能量。
為了確保鋰離子電池安全可靠的使用，鋰離子電池業(yè)界進(jìn)行了非常嚴(yán)格、周密的電池安全設(shè)計(jì)，以達(dá)到電池安全考核指標(biāo)。已經(jīng)采取的措施有(1)隔膜135℃自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)采用PE-PP-PE三層復(fù)合膜。在電池升溫達(dá)到120℃的情況下，復(fù)合膜兩側(cè)的PE膜孔閉合，電池內(nèi)阻增大，電池內(nèi)部升溫減緩，電池升溫達(dá)到135℃時(shí)，PP膜孔閉合，電池內(nèi)部斷路，電池不再升溫，確保電池安全可靠。
(2)向電解液中加入添加劑在電池電壓高于4.2V的條件下，電解液添加劑與電解液中其他物質(zhì)聚合，電池內(nèi)阻大幅增加，電池內(nèi)部形成大面積斷路，電池不再升溫。在有機(jī)電解液中添加熱穩(wěn)定性好和阻燃型的添加劑是非常重要的，如碳酸亞乙烯酯(簡(jiǎn)稱VC)。含磷和含硼的添加劑閃點(diǎn)和沸點(diǎn)高、又有阻燃性和自熄性，芳香族化合物在電池過充狀態(tài)氧化聚合，在活性物質(zhì)表面形成了高阻抗的皮膜，抑制過充電流。
(3)電池蓋或殼體復(fù)合結(jié)構(gòu)電池蓋或殼體采用刻痕防爆結(jié)構(gòu)，電池升溫時(shí)，電池內(nèi)部活化過程中所產(chǎn)生的部分氣體膨脹，電池內(nèi)壓加大，壓力達(dá)到一定程度刻痕破裂、放氣。
(4)各種環(huán)境濫用試驗(yàn)進(jìn)行各項(xiàng)濫用試驗(yàn)，如外部短路、過充、針刺、平板沖擊、焚燒等，考察電池的安全性能。同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)和振動(dòng)、跌落、沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)，考察電池在實(shí)際使用環(huán)境下的性能情況。
(5)電池組設(shè)置保護(hù)電路電池組中單體電池與相鄰電池逐一或串聯(lián)或并聯(lián)連接，并在電池組中設(shè)置保護(hù)電路，當(dāng)電池出現(xiàn)過電壓、過電流充電，異常溫升，短路等情況時(shí)，保護(hù)電路及時(shí)動(dòng)作，切斷電流，繼而保護(hù)電池組。
上述措施，很大程度上改善了鋰離子電池自身的安全性，有效的減緩了由于鋰離子電池可能爆炸和燃燒所造成的危害。但目前技術(shù)水平和措施尚不能根本杜絕鋰離子電池自身的爆炸和燃燒，也不能有效應(yīng)對(duì)由于個(gè)別電池爆炸和燃燒，波及相鄰電池，進(jìn)而導(dǎo)致電池組的爆炸和燃燒的嚴(yán)重后果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是為解決上述現(xiàn)有技術(shù)尚不能根本杜絕鋰離子電池自身的爆炸和燃燒，也不能有效應(yīng)對(duì)由于個(gè)別電池爆炸和燃燒，波及相鄰電池，進(jìn)而導(dǎo)致電池組的爆炸和燃燒的問題，提供一種安全鋰離子電池單元。
本發(fā)明的另一個(gè)目的及由提供一種安全鋰離子電池單元組成的安全鋰離子電池組。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案提供了一種安全鋰離子電池單元，由2個(gè)以上的單體電池構(gòu)成電池單元，通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體連接。
所述電池單元由不少于最小單體數(shù)Nmin的單體電池構(gòu)成，電池單元中任意一個(gè)單體電池通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體與不少于Nmin-1個(gè)單體電池直接相連。
電池單體通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體以焊接或鉚接或卡扣的方式連接，優(yōu)選以焊接的方式連接。
所述的單體電池構(gòu)成電池單元，通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體連接的連接方式為面式連接。Nmin由下列公式表達(dá)Nmin＝∑H/((Wcell·Ccell+Wcndt·Ccndt)·ΔTmax)＝Welyt·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+…+ΔHn·wn/mn)/((Wcell·Ccell+Wcndt·Ccndt)·ΔTmax·(w1+w2+…+wn))通常，為了不降低電池組的能量密度，會(huì)盡量降低連接體或其它附加材料的重量，當(dāng)Wcell＞＞W(wǎng)cndt時(shí)，上式簡(jiǎn)化為下式Nmin＝∑H/(Wcell·Ccell·ΔTmax)＝Welyt·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+……+ΔHn·wn/mn)/(Wcell·Ccell·ΔTmax·(w1+w2+…+wn))…………………………………(5)其中n電解液的溶劑種類數(shù)Nmin電池單元中單體電池最少顆數(shù)，個(gè)w1，w2，…，wn溶劑1，2，…，n的重量分?jǐn)?shù)，gWelyt單體電池的電解液重量，g
Wcell單體電池重量，gWcndt連接片的重量，gΔTmax單體電池允許的最大溫升，℃ΔH1，ΔH2，…，ΔHn溶劑1，2，…，n的燃燒熱，KJ/M∑H＝電解液燃燒釋放的總熱，KJm1，m2，…，mn溶劑1，2，…，n的分子量Ccell單體電池的比熱容，J/g·℃Ccndt導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體的比熱容，J/g·℃對(duì)于已經(jīng)選定的單體電池和電解液種類，方程式(5)中ΔH，w，m，c均為定值，方程式(5)可以簡(jiǎn)化為Nmin＝k·Welyt/(Wcell·ΔTmax)……………………………(6)k為與ΔH，w，m，c有關(guān)的系數(shù)，具體為k＝(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+…+ΔHn·wn/mn)/(Ccell·(w1+w2+…+wn))方程式(6)表明，電池單元的最小單體數(shù)量Nmin與單體電池的電解液量Welyt成正比，電解液量越多，需要越多的單體電池去分散個(gè)別電池的燃燒熱量；與最大允許溫升ΔTmax成反比，ΔTmax越小，需要越多的單體電池去分散個(gè)別電池的燃燒熱量。
在一定的工作溫度下，ΔTmax可以認(rèn)為是定值，方程式(6)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為Nmin＝k1·Welyt/Wcell………………………………………(7)k1為與ΔH，w，m，c，ΔTmax有關(guān)的系數(shù)k1＝(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+…+ΔHn·wn/mn)/(Ccell·(w1+w2+…+wn)·ΔTmax)方程式(7)表明，電池單元的最小單體數(shù)量Nmin與單體電池的電解液量和重量之比Welyt/Wcell成正比。Welyt/Wcell越大，電池單元中需要越多的單體，鑒于在應(yīng)用上，電池單元的單體電池?cái)?shù)是有限度的，因此單體電池的電解液量和重量之比Welyt/Wcell有一個(gè)最大值。具體由電解液種類、電池的其他構(gòu)成材料(如正極材料、負(fù)極材料、殼體材料等)、電池組允許的最大溫升等決定。
對(duì)于任意容量的鋰離子單體電池，采用EC∶DEC∶DME(w/w/w)＝1∶1∶1三元體系電解液，導(dǎo)電鹽為LiPF61.0M/L(重量比為10％)，假定ΔTmax＝120℃，Ccell＝0.5 J/g·℃，由方程式(5)得到Nmin＝Welyt·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w3/m3)/(Wcell·Ccell·ΔTmax·(w1+w2+…+wn))＝Welyt×(13.19+22.98+15.99)×90％×103/(Wcell×0.5×120×3)＝261Welyt/Wcell如果ΔTmax＝20，則Nmin＝Welyt×(13.19+22.98+15.99)×90％×103/(Wcell×0.5×20×3)＝1565Welyt/Wcell則得到單體電池電解液量與電池重量之比Welyt/Wcell與電池單元中單體數(shù)N有如下關(guān)系N/1565≤Welyt/Wcell≤N/261……………………(8)N為電池單元中實(shí)際單體電池?cái)?shù)量采用三元體系電解液時(shí)，Welyt/Wcell最大值與N的關(guān)系見下表

對(duì)于任意容量的鋰離子單體，采用電解液為EC∶DEC(w/w)＝1∶1二元體系，導(dǎo)電鹽為LiPF61.0M/L(重量比為10％)，假定ΔTmax＝120，Ccell＝0.5J/g·℃，由方程式(5)得到Nmin＝Welyt·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2)/(Wcell·ccell·ΔTmax·(w1+w2))＝Welyt×(13.19+22.98)×90％×103/(Wcell×0.5×120×2)＝271Welyt/Wcell如果ΔTmax＝20，則Nmin＝Welyt×(13.19+22.98)×90％×103/(Wcell×0.5×20×2)
＝1628Welyt/Wcell則得到單體電池電解液量與電池重量之比Welyt/Wcell與電池單元中單體數(shù)N有如下關(guān)系N/1628≤Welyt/Wcell≤N/271………………(9)N為電池單元中實(shí)際單體電池?cái)?shù)量采用二元體系電解液時(shí)，Welyt/Wcell最大值與N的關(guān)系見表2

從方程式(8)和(9)可看出，三元電解液時(shí)與二元電解液時(shí)，Welyt/Wcell最大值與電池單元中單體數(shù)N的關(guān)系很接近，意味著簡(jiǎn)單地改變電解液溶劑種類，對(duì)改善電池組安全性的貢獻(xiàn)不大。關(guān)鍵在于單體電池的電解液量以及Welyt/Wcell比值N≥ZWelyt/Wcell當(dāng)電解液為三元電解液時(shí)，Z＝261；當(dāng)電解液為二元電解液時(shí)，Z＝271。
對(duì)于其它種類的二元、三元或多元電解液，由方程式(5)用樣可以計(jì)算出Welyt/Wcell最大值與電池單元中單體數(shù)N的關(guān)系，此處不贅述。
此外，對(duì)于在電解液中加入具阻燃、抑制過充電等效果的添加劑(如VC、含磷和含硼的添加劑和芳香族化合物等)的情形，由于添加劑用量很少(通常小于3％)，在電解液燃燒時(shí)，添加劑對(duì)總?cè)紵裏岬呢暙I(xiàn)很小，可以忽略。因此上述計(jì)算基本不受添加劑的影響。
對(duì)于導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體材質(zhì)的選擇，除了通常對(duì)導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體的高導(dǎo)電性要求外，主要考慮還要具有高的導(dǎo)熱性，以便及時(shí)迅速的收集并分散熱量，同時(shí)要兼顧經(jīng)濟(jì)性。常用的導(dǎo)電材料Ag，Al，Cu，Ni，F(xiàn)e等的物理參數(shù)列于下表3-

Ag，Al，Cu，Ni，F(xiàn)e等金屬或它們的合金都具有好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，優(yōu)選Ag，Al，Cu，再考慮到經(jīng)濟(jì)性，銅和鋁應(yīng)該是最佳選擇。
導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體的形狀可以是任意形狀，如網(wǎng)格狀、片狀、筐狀、線狀、不規(guī)則體或上述各種形狀的結(jié)合，優(yōu)選片狀，片狀導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體上可以有由孔洞形成的圖案。
導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體的形狀更優(yōu)選網(wǎng)格式片狀。
燃燒熱的多少與電解液的量成正比，單體電池的電解液用量越多，電解液燃燒產(chǎn)生的熱越多；局部聚集的熱量的多少與所產(chǎn)生的熱是否被及時(shí)分散相關(guān)，分散越慢局部的溫升越高，對(duì)相鄰電池的影響越大。
以含4g采用EC/DEC/DMC三元體系電解液的鋰離子電池為例，從方程式(1)、(2)、(3)可以計(jì)算出電解液在空氣中完全燃燒時(shí)釋放出的熱量達(dá)60KJ，此時(shí)電池重量約達(dá)30g，以平均比熱容0.5J/g·℃計(jì)，電池溫升ΔTcell將達(dá)ΔTcell＝60000J÷(30×0.5J/g·℃)＝4000℃巨大的溫升將導(dǎo)致相鄰電池連鎖爆炸燃燒，最終電池組熱失控。
因此，如果采用小容量單體電池，或者及時(shí)分散出事故的單體電池產(chǎn)生的熱量，將大大提高電池組的安全性，極大的保證使用者和設(shè)備的安全。
如果以含50個(gè)單體的電池組來分散上述熱量，電池組溫升ΔTpack將為ΔTpack＝60000J÷(50×30×0.5J/g·℃)＝80℃對(duì)于工作溫度為30℃左右的電池組，極限溫度達(dá)110℃，不至于造成整個(gè)電池組的連鎖爆炸燃燒。
一種安全鋰離子電池單元的優(yōu)選方案其中單體電池的電解液量不超過15g；單體電池容量在7Ah以下；單體電池的電解液與電池重量之比小于0.40；電池單元內(nèi)80％以上的單體電池通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體與不少于Nmin-1個(gè)單體直接相連。
本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案提供了一種安全鋰離子電池組。
安全鋰離子電池組由X個(gè)電池單元構(gòu)成電池組，電池單元由N個(gè)鋰離子電池組成，X≥2，N≥Nmin，電池組的正極端和負(fù)極端那兩個(gè)電池單元中的任意一個(gè)單體電池通過高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料至少與N-1個(gè)單體電池直接相連，其它的X-2個(gè)電池單元中的單體電池通過高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料至少與2N-1個(gè)單體電池直接相連。單體電池既可以是圓柱形電池，也可以是矩形電池或其它任何形狀的電池。
一種安全鋰離子電池單元，由16個(gè)以上直徑約為18毫米，高度約為65毫米的圓柱形鋰離子電池通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體直接連接，形成電池單元，連接體材質(zhì)為Ag、Cu、Al、Ni、Fe或它們中任意兩種或多種金屬組成的合金；由2個(gè)(含2個(gè))以上電池單元組合成電池組。
有益效果本發(fā)明的有益效果在于1.本發(fā)明所制造的電池組，在萬一發(fā)生個(gè)別單體電池爆炸燃燒時(shí)，導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體及時(shí)收集并迅速分散局部熱量至所有電池，以電池組代替單體電池作為熱吸收體，有效地降低電池組的溫升，阻斷電池連鎖爆炸，最大限度的減少了各種用途的鋰離子電池組因任何原因?qū)е碌谋ㄈ紵斐傻奈：Α?br> 2.本發(fā)明所制造的電池組，在萬一發(fā)生個(gè)別單體電池?fù)p壞時(shí)，由于其他單體電池不會(huì)隨之發(fā)生損壞，該電池組還可以繼續(xù)使用，極大地延長了電池組的使用壽命；并且，由于單體電池通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體相聯(lián)接，個(gè)別單體電池?fù)p壞時(shí)，只需將損壞的單體電池更換即可，便于維修且大大節(jié)約使用成本。
3.眾所周知，鋰電池的發(fā)展已經(jīng)比較成熟和完善，提高電池本身的性能已經(jīng)很困難，安全電路的發(fā)展更是經(jīng)歷過很長的階段，其可以進(jìn)步的余地已經(jīng)很小。本發(fā)明扭轉(zhuǎn)了現(xiàn)有技術(shù)中只能通過改善電池本身的性能和改變電路使電池更安全的技術(shù)偏見，提供了一種全新的設(shè)計(jì)理念，采用單體電池通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體相聯(lián)接這種操作方法簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，達(dá)到了從根本上解決鋰電池安全的問題，取得了無法預(yù)料的技術(shù)效果；本發(fā)明提出了最小單體數(shù)Nmin的技術(shù)概念，實(shí)際單體電池?cái)?shù)大于等于最小單體數(shù)Nmin。
4.本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)一直以來無法解決的從根本杜絕鋰離子電池自身的爆炸和燃燒，也不能有效應(yīng)對(duì)由于個(gè)別電池爆炸和燃燒，波及相鄰電池，進(jìn)而導(dǎo)致電池組的爆炸和燃燒的技術(shù)難題，提供一種安全鋰離子電池單元，經(jīng)過上千次試驗(yàn)，本發(fā)明的安全鋰離子電池單元的安全性達(dá)到100％。
5.傳統(tǒng)的鋰離子電池組組合方式是“單體與單體逐一相連”，是一種點(diǎn)式或鏈?zhǔn)竭B接方式，存在安全性的問題；本發(fā)明的鋰離子電池組組合方式是“電池單元中的單體通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體直接相連”，是一種面式連接方式，使整個(gè)電池單元成為“熱吸收體”，大大降低了電池組的溫升，從而達(dá)到安全的目的。


圖1a是本發(fā)明中的網(wǎng)格式片狀導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體A的結(jié)構(gòu)示意1b是本發(fā)明中的網(wǎng)格式片狀導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體B的結(jié)構(gòu)示意2a.是本發(fā)明中第2個(gè)實(shí)施例電池組正極連接方式結(jié)構(gòu)示意2b.是本發(fā)明中第2個(gè)實(shí)施例電池組負(fù)極連接方式結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明第4個(gè)實(shí)施例電池組結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
在電池單元中，單體電池占絕大部分重量，其次為導(dǎo)電導(dǎo)熱連接片的重量，下面的計(jì)算假設(shè)單體電池重量遠(yuǎn)大于連接片的重量，熱量全部由電池單元分散吸收。單體電池的比熱容是其構(gòu)成材料比熱容的加權(quán)平均值，本計(jì)算取值0.5J/g·℃。
實(shí)施例1以AA 800mAh電池為單體的電池組，單體重量20g，電解液量約為2.0g，電解液為EC∶DEC∶DME(w/w/w)＝1∶1∶1三元體系，導(dǎo)電鹽為LiPF61.0M/L，則Nmin＝Welyt·(ΔH1·vw1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w3/m3)/(Wcell·ccell·ΔTmax·(w1+w2+w3))
＝2.0×(1161×1÷88+2715×1÷118.13+1440×1÷90.08)×90％×103÷(20×0.5×ΔTmax×(1+1+1))＝3.12×103/ΔTmax如果溫升絕對(duì)值上限設(shè)為150℃，對(duì)一個(gè)工作溫度30℃的該電池單元，ΔTmax＝120，安全的電池單元的單體電池?cái)?shù)量應(yīng)不小于26個(gè)。
如果嚴(yán)格要求ΔTmax為30℃，對(duì)一個(gè)工作溫度30℃的該電池單元，安全的電池單元的單體電池?cái)?shù)量應(yīng)不小于104個(gè)。
實(shí)施例2以186502200mAh鋰離子電池為單體的電池單元，單體電池重量42g，電解液量約為4.5g，電解液為EC∶DEC∶DME(w/w/w)＝1∶1∶1三元體系，導(dǎo)電鹽為LiPF61.0M/L，則Nmin＝Welyt·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w2/m3)/(Wcell·ccell·Tmax·(w1+w2+w3))＝4.5×(1161×1÷88+2715×1÷118.13+1440×1÷90.08)×90％×103÷(42×0.5×ΔTmax×(1+1+1))＝3.35×103/ΔTmax如果溫升絕對(duì)值上限設(shè)為150℃，對(duì)一個(gè)工作溫度30℃的該電池單元，ΔTmax＝120，安全的電池單元的單體電池?cái)?shù)量應(yīng)不小于28個(gè)。
如果嚴(yán)格要求ΔTmax為30℃，對(duì)一個(gè)工作溫度30℃的該電池單元，安全的電池單元的單體電池?cái)?shù)量應(yīng)不小于112個(gè)。
實(shí)施例1與實(shí)施例2表明，隨著電池容量的增加，電解液量也越來越多，而電解液與電池重量之比在下降，都要求有更多的單體電池去分擔(dān)產(chǎn)生的熱量。如果單體電池的電解液量超過限制，意外發(fā)生時(shí)，即使熱量被及時(shí)收集并分散，電解液的燃燒熱也會(huì)使電池單元溫度升高到130℃甚至150以上，電池單元的安全性得不到保證。容量超過限制，會(huì)產(chǎn)生同樣問題。
實(shí)施例2中，容量為2.2Ah的鋰離子的電池，電解液量4.5g左右，安全的電池組中單體數(shù)量已經(jīng)28顆，從具體應(yīng)用角度出發(fā)，電池組的單體電池?cái)?shù)量不宜太多，假定96個(gè)達(dá)到極限，意味著單體電池的電解液量不應(yīng)超過15g，單體電池容量亦應(yīng)控制在7Ah以下，才能保證電池組安全。
實(shí)施例3.
以53顆2200mAh 18650電池為單體(重量42g，電解液量約為4.5g，電解液為EC∶DEC∶DME(w/w/w)＝1∶1∶1三元體系，導(dǎo)電鹽為LiPF61.0M/L)，按附圖1a所示的導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體以附圖2的方式組合成3.6V116.6Ah鋰離子電池單元。
由方程式(5)同樣可以得到N＝Welyt·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w3/m3)/(Wcell·Ccell·ΔTmax·(w1+w2+w3))＝4.5×(1161÷88+2715÷118.13+1440÷90.08)×90％×103÷(42×0.5×ΔTmax×(1+1+1))＝3.35×103/ΔTmaxΔTmax＝3.35×103/N＝3.35×103÷53＝63℃附圖1a的連接片具有網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)，附圖2A和2B中每個(gè)單體電池通過連接片與其它單體直接(而不是逐一)相連，使任意一節(jié)電池產(chǎn)生的熱量都能通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體收集并分散，大大降低了局部熱量，有效地減緩了熱失控的危害。本案的設(shè)計(jì)使整個(gè)電池單元成為熱的吸收體，避免了此前技術(shù)單體電池逐一相連，個(gè)別電池單體燃燒爆炸時(shí)局部高熱波及相鄰電池，發(fā)生連鎖熱失控，最終電池組熱失控的危害，極大地提高了電池組的安全性。
由于∑H是電池的最大放出熱量，因此在本例中電池組的最大可能溫升為63℃，對(duì)處于30℃左右工作環(huán)境的電池組來講，萬一其中個(gè)別電池出現(xiàn)意外爆炸燃燒，由于單體電池容量小，電解液量也少，加之有導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體及時(shí)收集并分散產(chǎn)生的熱量，電池組極限溫度不超過100℃，不會(huì)出現(xiàn)電池組的連鎖熱失控，因此確保了電池組安全。
實(shí)施例4如圖3本發(fā)明第4個(gè)實(shí)施例電池組連接方式結(jié)構(gòu)示意圖所示。
電池箱外殼1，導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體2，電池單體3。將2個(gè)例3中的電池單元由附圖1B所示的導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體(連接片B)組合成附圖3所示的7.2V 116.6Ah鋰離子電池組。
由于53顆電池的正極與另一組電池單元的負(fù)極通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體(附圖1B，連接片B)相連，任意一個(gè)電池是與2×53-1＝105顆電池直接相連，熱量可以分散到105顆電池上，熱量分散的效果更好，最大溫升可以進(jìn)一步降低。最大可以降低到ΔTmax＝32℃，電池組的安全性更好。
實(shí)施例5將100個(gè)與例3同樣方式組合的電池單元由附圖1b所示的高導(dǎo)熱連接片(連接片B)組合成360V鋰離子電池組，該電池組用作電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源。電池單體為直徑約18毫米，高度約65毫米的圓柱鋰離子電池；電解液采用EC∶DEC∶DME(w/w/w)＝1∶1∶1三元體系，導(dǎo)電鹽為LiPF61.0M/L；依容量的不同，該單體的重量為39-50克，電解液含量為3-7克。
從此前分析可知，當(dāng)電解液為7克，電池單體重量為39克時(shí)，這個(gè)電池組的Nmin數(shù)值最大，具體為Nmin＝Welyt·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w2/m3)/(Wcell·Ccell·ΔTmax·(w 1+w2+w3))＝7×(1161×1÷88+2715×1÷118.13+1440×1÷90.08)×90％×103÷(39×0.5×ΔTmax×(1+1+1))＝5.61×103/ΔTmax如果溫升絕對(duì)值上限設(shè)為150℃，對(duì)一個(gè)工作溫度30℃的該電池組，ΔTmax＝120，安全的電池組的單體數(shù)量應(yīng)不小于47個(gè)。
當(dāng)電解液為3克，電池單體重量為50克時(shí)，這個(gè)電池組的Nmin數(shù)值最小，具體為Nmin＝Welyt·(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+ΔH3·w2/m3)/(Wcell·Ccell·
ΔTmax·(w1+w2+w3))＝3×(1161×1÷88+2715×1÷118.13+1440×1÷90.08)×90％×103÷(50×0.5×ΔTmax×(1+1+1))＝1.87×103/ΔTmax如果溫升絕對(duì)值上限設(shè)為150℃，對(duì)一個(gè)工作溫度30℃的該電池組，ΔTmax＝120，安全的電池組的單體數(shù)量應(yīng)不小于16個(gè)。
因此本例中Nmin范圍應(yīng)為16≤Nmin≤47鑒于本例中實(shí)際電池?cái)?shù)為5300個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Nmin，因此電池組的安全性得到了保證。
事實(shí)上，當(dāng)鋰離子電池組含2個(gè)以上例3所示的電池單元時(shí)，除了電池組的正極端和負(fù)極端那兩個(gè)電池單元中的單體電池以外，任意一個(gè)電池是與至少2×53-1＝105顆電池直接相連的。通常對(duì)于動(dòng)力用途的鋰離子電池組，串聯(lián)數(shù)達(dá)到10以上，則至少有80％的單體是通過高導(dǎo)電導(dǎo)熱連接片直接連接的。
推而廣之，當(dāng)由X個(gè)電池單元構(gòu)成電池組，電池單元由N個(gè)鋰離子電池組成，X≥2，N≥Nmin，電池組的正極端和負(fù)極端那兩個(gè)電池單元中的任意一個(gè)單體電池通過高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料至少與N-1個(gè)單體電池直接相連，其它的X-2個(gè)電池單元中的單體電池通過高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料至少與2N-1個(gè)單體電池直接相連。單體電池既可以是圓柱形電池，也可以是矩形電池或其它任何形狀的電池。
權(quán)利要求
1.一種安全鋰離子電池單元，由下列方式組成N個(gè)單體電池，通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體直接連接，形成所述電池單元，N大于等于2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述電池單元由N個(gè)電池單體構(gòu)成，N大于等于最小單體數(shù)Nmin，Nmin大于等于2，電池單元中任意一個(gè)單體通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體與不少于Nmin-1個(gè)單體直接相連；電池單元的最小單體數(shù)Nmin由下式表達(dá)Nmin＝k1·Welyt/Wcell其中k1＝(ΔH1·w1/m1+ΔH2·w2/m2+……+ΔHn·wn/mn)/(ccell·ΔTmax·(w1+w2+…+wn))n電解液的溶劑種類數(shù)Nmin電池組中最少單體電池?cái)?shù)，個(gè)w1，w2，…，wn溶劑1，2，…，n的重量分?jǐn)?shù)，gWelyt單體電池的電解液重量，gWcell單體電池重量，gΔTmax單體電池允許的最大溫升，℃ΔH1，ΔH2，…，ΔHn溶劑1，2，…，n的燃燒熱，KJ/Mm1，m2，…，mn溶劑1，2，…，n的分子量ccell單體電池的比熱容，J/g·℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述的電池單體通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體以焊接或鉚接或卡扣的方式連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述的電池單體通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體以焊接的方式連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述的導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體的材料選自Ag、Al、Cu、Ni、Fe或其中任意兩種或多種的合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述的導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體的材料選自Ag、Al、Cu或其中任意兩種或多種的合金
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述的導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體的材料選自銅和鋁。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述的導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體的形狀為網(wǎng)格狀、片狀、筐狀、線狀、不規(guī)則體或上述形狀的結(jié)合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述的導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體的形狀為片狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述的導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體的形狀為網(wǎng)格式片狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述電池組中實(shí)際電池單體數(shù)N和電解液與電池重量之比Welyt/Wcell的關(guān)系由下式表達(dá)N≥ZWelyt/Wcell當(dāng)電解液為三元電解液時(shí)，Z＝261；當(dāng)電解液為二元電解液時(shí)，Z＝271。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述單體電池的電解液量不超過15g。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述單體電池容量在7Ah以下。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，所述單體電池的電解液與電池重量之比小于0.40。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一所述安全鋰離子電池單元，其特征在于，電池單元內(nèi)80％以上的單體電池通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體與不少于Nmin-1個(gè)單體直接相連。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述安全鋰離子電池單元構(gòu)成的安全鋰離子電池組，其特征在于，由X個(gè)電池單元構(gòu)成電池組，電池單元由N個(gè)鋰離子電池組成，X≥2，N≥Nmin，電池組的正極端和負(fù)極端那兩個(gè)電池單元中的任意一個(gè)單體電池通過高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料至少與N-1個(gè)單體電池直接相連，其它的X-2個(gè)電池單元中的單體電池通過高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料至少與2N-1個(gè)單體電池直接相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述安全鋰離子電池組，其特征在于，一種安全鋰離子電池單元，由16個(gè)以上直徑約為18毫米，高度約為65毫米的圓柱形鋰離子電池通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體直接連接，形成電池單元，連接體材質(zhì)為Ag、Cu、Al、Ni、Fe或它們中任意兩種或多種金屬組成的合金；由2個(gè)以上，包括2個(gè)，電池單元組合成電池組。
全文摘要
一種安全鋰離子電池單元及安全鋰離子電池組，涉及電池領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有技術(shù)尚不能根本杜絕鋰離子電池自身的爆炸和燃燒，也不能有效應(yīng)對(duì)由于個(gè)別電池爆炸和燃燒，波及相鄰電池，進(jìn)而導(dǎo)致電池組的爆炸和燃燒的問題；提供一種由N個(gè)單體電池，通過導(dǎo)熱導(dǎo)電連接體直接連接，形成的安全鋰離子電池單元單元，N大于等于最小單體數(shù)N
文檔編號(hào)H01M10/50GK1866604SQ200610072849
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月11日
發(fā)明者周魯 申請(qǐng)人:首天恩經(jīng)營管理有限責(zé)任公司