防止電池中單元的熱失控傳播的制作方法
【專利摘要】經受熱失控過程的電池單元的特征在于在該電池單元的高局部溫度。熱絕緣體防止高溫耗散至附近的電池單元使得在附近電池單元中觸發(fā)熱失控。此外，提供熱導體，該熱導體形成從經受熱失控的電池單元汲取熱的傳導路徑且以不在位于失效電池單元附近的電池單元中觸發(fā)熱失控的方式將熱分布至其它電池單元。若從失效電池單元汲取掉足夠的熱量，則環(huán)繞該失效電池單元的那些電池單元的溫度可保持足夠低以防止環(huán)繞的電池單元經受熱失控過程。
【專利說明】防止電池中單元的熱失控傳播
【技術領域】
[0001]所描述的實施例通常涉及電池，特別地是防止電池中的熱失控傳播。
【背景技術】
[0002]電池中的單元可以以稱作熱失控的放熱過程的形式而失效。單元中的熱失控過程可由電池單元的制造缺陷、錯誤處置或濫用或升高單元的溫度，或將單元暴露在來自外部源的高溫的任一因素所導致。高溫通常導致單元中的反應速率增加，由此導致電池單元溫度的進一步升高以及因此反應速率的進一步增加。作為該熱失控過程的結果，電池中的單元將大量熱量釋放至環(huán)繞單元的區(qū)域中。
[0003]通常需要多個單元以達到較高電壓以及儲存足夠能量從而使電池針對其既定使用有效。由于電池的單元通常非常緊密地包裝在一起，因此如果單元組件一部分中的一個單元經歷熱失控，則該失效單元的高溫可以觸發(fā)附近單元的熱失控。這個過程可以導致附近單元釋放熱量且貫穿電池中的其余單元而傳播熱失控過程，使得電池級聯失效并且釋放
入里目匕里。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的實施例使得電池的部件能夠從經歷熱失控的單元將熱量分布掉。在一個實施例中，電池包括從經歷熱失控的單元將熱量汲取掉的熱導體以及保護其它單元免受熱暴露的熱絕緣。熱導體和熱絕緣體形成從經受熱失控的單元汲取熱量并跨越與該熱導體接觸的其它單元分布熱量的傳導路徑。通過從失效單元汲取熱量，環(huán)繞單元的溫度保持足夠低以防止該環(huán)繞單元經受熱失控過程。
[0005]從經受熱失控的單元汲取熱量的傳導路徑的配置可以改變。在一個實施例中，使用兩個傳熱母線(thermal bus),—個母線位于單元組件的每一側。該組件中的每個單元與同耦合至鄰近單元的母線相對的母線直接接觸一即，相鄰的單元與交替的母線直接接觸。在該單元之間和環(huán)繞該單元的區(qū)域包括絕緣材料。
[0006]在另一實施例中，絕緣體環(huán)繞每個單元，且單個熱母線從失控單元中將熱量傳導離開并跨越其它單元中的每個單元分布熱量。這樣的配置減慢從失效單元到熱母線以及從傳熱母線到環(huán)繞失效單元的單元的熱傳導速率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1圖示了被配置為在熱失控過程期間從失效單元散熱的電池。
[0008]圖2圖示了根據本發(fā)明的實施例的在第一配置中用于在熱失控過程期間從失效電池單元散熱的熱導體和絕緣體的配置。
[0009]圖3圖示了根據本發(fā)明的實施例的在第二配置中用于在熱失控過程期間從失效電池單元散熱的熱導體和絕緣體的配置。
[0010]圖4為圖示了根據一個實施例的在經歷熱失控的第一單元及其鄰近單元之間溫度隨時間變化的圖表。
[0011]附圖僅出于示意性目的而描繪本發(fā)明的各個實施例。根據以下描述，本領域技術人員將能夠認識到可在不背離本文描述的本發(fā)明的原理的情況下采用本文中所圖示的結構和方法的可替代實施例。
【具體實施方式】
[0012]電池包含容納一個或多個電化學電池單元的單元組件。每個單元將所儲存的化學能轉換成電能。電池包括將兩個或更多單元連接在一起的電連接件以使該電池可輸出更高電壓，和/或更大容量。在將化學能轉換成電能的過程期間，單元可能產生熱量，且足夠高量的熱量可能導致單元失效并且觸閥熱失控過程。本發(fā)明的實施例提供一種從電池的單元組件中的單元將熱量耗散掉以防止熱失控的機制。
[0013]圖1圖示了被配置為在熱失控過程期間從失效單元散熱并避免熱失控過程傳播的電池。所示出的電池100包括若干單元組件102,該單元組件中的每個單元組件包括若干單元106、導體108以及絕緣體110。電池100將電信號輸出至連接至該電池的一個或多個裝置以使得該電池可給該裝置供電。
[0014]每個單元106將所儲存的化學能轉換成電能。單元106可以是將化學能不可逆得轉換成電能的一次性電池單元或可充電的二次性電池單元。單元類型可以包括但不限于鋰、鋰-離子、鋰-硫、鎳-金屬氫化物、鎳-鎘、堿性。在一個實施例中，單元106是包括聚合物電解質的鋰-離子單元；在可替代實施例中，使用液體電解質。單元機械封裝可以為盒、金屬罐或塑料或復合結構。單元的化學成分可以包括能夠產生電能的任何組合。每個單元還可以包括多個電極，該電極包含具有不同化學成分的陰極和陽極。陰極可包括但不限于:鋰鈷氧化物、鋰鎳錳鈷、磷酸鐵鋰。陽極材料可包括但不限于:碳、硅等。
[0015]熱導體108從經受熱失控過程的單元將熱量傳導離開并跨越與導體108接觸的其余單元擴散熱量。如以下更詳細的描述，熱導體108可以或可以不基于所采用的配置而與特定的單元106接觸?？苫跀祩€因素而選擇熱導體108的材料，該數個因素包括但不限于:金屬的熱傳導性、金屬的熔點、單元的化學成分的特性、單元中的電極的材料性質、重量、成本以及制造簡易性。熱導體108可由能夠導熱的多種材料構成。在一個實施例中，熱導體108具有比在熱失控過程期間可能產生的峰值溫度高的熔點。例如，如果預期經受熱失控的單元的最大預期為160攝氏度，則可以使用具有高于160攝氏度的熔點的導體材料。在一個實施例中，熱導體108包括商用級鋁1100-0，該商用級鋁是柔韌且耐腐蝕的，但并不提供結構強度。在其它實施例中，熱導體108材料可以包括但不限于:石墨、石墨烯、碳纖維、碳納米管、銅、鋁合金或銀。在一個實施例中，熱導體108終止于每個單元組件102的端部處；或者，該熱導體連接至與另一單元組件相關聯的附加傳熱母線；或該熱導體連接至熱交換器。
[0016]在一個實施例中，兩個單元之間的熱導體108的長度是根據觸發(fā)單元中的熱失控的溫度而確定的。例如，如果在較高溫度下觸發(fā)單元中的熱失控，則兩個單元之間的熱導體108的長度可以較短，因為每個單元可在單元觸發(fā)失控之前達到較高溫度。相比而言，如果單元在較低溫度下經歷熱失控，則兩個單元之間的熱導體108的長度可以較長。
[0017]熱絕緣體110使單元106與由其它單元產生的熱量絕緣。圍繞單元的熱絕緣體110的配置可以改變，如下所述。此外，用于絕緣體110的材料可以包括陶瓷纖維，諸如氧化鋁纖維。在其它實施例中，可使用二氧化硅氣凝膠或玻璃纖維織物作為電池100中的絕緣體 110。
[0018]圖2圖示了根據本發(fā)明的實施例在第一配置中用于在熱失控過程期間從失效單元散熱的熱導體和絕緣體的配置。圖2的電池組件200包括單元206a至206e、兩個熱導體母線208a和208b以及熱絕緣體210。
[0019]在圖2中所圖示的實施例中，每個傳熱母線208a、208b與容納在單元組件200中的交替的單元206接觸。例如，導體母線208a與單元206b和206d連接且接觸。類似地，導體母線208b與單元206a、206c和206e連接且接觸。導體母線208與單元206之間的直接接觸允許導體母線208從經歷熱失控的單元更快速地傳導熱量。將每個母線208a、208b連接至交替的單元206有助于使較高溫度遠離緊密鄰近于經歷失控的單元的單元。例如，如果單元206c正經歷熱失控，則傳熱母線208b不僅從單元206c而且從鄰近的電池單元206b和206d將熱傳導尚開。
[0020]在圖2所圖示的配置中，熱絕緣體210使每個單元206與導體母線208絕緣。該絕緣體防止在經歷熱失控的單元處產生的熱耗散至附近的單元。例如，如果單元206a經歷熱失控，則絕緣體210防止熱耗散至單元206b。就此而論，絕緣體210允許更多在206a處產生的熱量沿著由導體母線208b提供的傳導路徑耗散。
[0021]圖3圖示了根據本發(fā)明的實施例在第二配置中用于在熱失控過程期間從失效單元散熱的熱導體和絕緣體的配置。圖3的單元組件包括單元306a至306e、一個熱導體母線308以及熱絕緣體310。
[0022]在所圖示的配置中，熱導體母線308并不與容納于單元組件300中的單元306直接接觸。熱絕緣體310使每個單元306絕緣以使得在失效單元的熱失控事件期間產生的熱量被緩慢地傳導至位于該失效電池單元附近的點處的導體母線308，并且隨后跨越整個母線耗散且由絕緣體310及附加的單元所吸收。通過跨越包括傳熱母線以及熱絕緣體的系統的熱質量分布熱失控的熱量，使其它單元的溫度升高，但升高至低于將在其它單元中觸發(fā)熱失控的臨界值的水平。本領域技術人員將理解該臨界溫度值取決于電池單元的化學成分。就此而論，基于單元組件中的每個或多個單元的臨界溫度而選擇熱導體母線308的長度和材料以及絕緣體310的量和材料。如參考圖1所述，可響應于該臨界溫度而改變熱絕緣體及熱導體的長度和材料。在上述的配置中，在單元306與導體母線308之間不存在直接傳導路徑。然而，這樣的配置允許在導體母線308處以較低速率發(fā)生傳導。這樣的配置的優(yōu)點是單個導體母線308在尚未失效的單元當中更均等地散熱。
[0023]圖4是圖示了根據具有圖2中所圖示的配置的一個實施例在經歷熱失控的第一單元Tl及其鄰近單元T2、T3、T4和T5當中溫度隨時間而變化的圖表。在圖4的示例中，每個單元為0.31’’厚，在該單元之間具有0.005’’厚的鋁熱導體和0.1’’的陶瓷絕緣。0.005’’厚的鋁導體附接到0.015’’厚的傳熱母線。如該圖表所示，雖然失效單元Tl曾經經歷接近400攝氏度的溫度，但其鄰近單元甚至并未達到100度的溫度。在圖4中，單元Τ2及Τ3鄰近失效單元Tl ;單元Τ4及Τ5鄰近單元Τ2及Τ3但不鄰近失效單元Tl。如圖4所示，隨著熱從失效單元Tl耗散至鄰近單元Τ2及Τ3，該鄰近單元經歷接近100攝氏度的溫度。然而，傳熱母線有效地排放來自電池單元Τ2及Τ3的熱量以防止在這些單元中的熱失控傳播。此夕卜，單元T4及T5進一步遠離失效單元Tl且到達接近50攝氏度的溫度。就此而論，傳熱母線將來自失效單元Tl的熱量有效地耗散到單元組件中進一步遠離失效單元的那些單元。
[0024]出于示意性的目的已呈現本發(fā)明的實施例的以上描述；其并不旨在窮盡性的或將本發(fā)明限于所公開的精確形式。本領域技術人員可以理解的是鑒于以上揭示內容可進行許多修改和變化。
[0025]此說明的某些部分關于信息的運算的算法及符號表示方面描述本發(fā)明的實施例。數據處理領域的技術人員通常使用該算法描述和表示將其工作的實質有效地傳達給其它本領域技術人員。在功能上、計算上或邏輯上進行描述這些運算應該理解為由計算機程序或等效電路、微碼及諸如此類來實施。此外，也已證明有時將此類運算配置稱作模塊是便利的而不喪失一般性。所描述的運算及其關聯模塊可被實現于軟件、固件、硬件或其任一組合中。
[0026]可通過一個或多個硬件或軟件模塊單獨地或與其它裝置組合地執(zhí)行或實施本文描述的步驟、操作或過程中的任一者。在一個實施例中，通過包括含有計算機程序代碼的計算機可讀媒介的計算機程序產品來實現軟件模塊，該計算機程序代碼可通過用于執(zhí)行所述的任一或所有步驟、操作或過程的計算機處理器來執(zhí)行。
[0027]本發(fā)明的實施例也可由關于一種用于執(zhí)行本文的運算的設備?？舍槍λ璧哪康木唧w地構造此設備，和/或該設備可以包括通用計算裝置，該通用計算裝置通過儲存在計算機中的計算機程序而選擇性地啟動或重新配置。此計算機程序可儲存在有形計算機可讀儲存媒介或適于儲存電子指令且耦合至計算機系統總線的任一類型的媒介中。此外，本說明書中所提及的任何計算機系統可包含單個處理器或可為采用多個處理器設計來增加計算能力的架構。
[0028]本發(fā)明的實施例也可以是關于一種體現于載波中的計算機數據信號，其中該計算機數據信號包括計算機程序產品的任何實施例或本文中所述的其它數據組合。該計算機數據信號是存在于有形媒介或載波中且經調制或以其它形式編碼與該載波中的產物，其是有形的且根據任何適合傳輸方法傳輸。
[0029]最后，本說明書中所使用的語言原則上是出于易讀性和指導性目的而選擇，且其也可不是描述或限制發(fā)明主題而選擇的。因此，旨在使本發(fā)明的范圍不受限于此詳細說明而是受限于公開在基于本文的申請中的任何權利要求。因此，本發(fā)明的實施例所公開的內容旨在說明性的而非限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍記載在所附權利要求書中。
【權利要求】
1.一種電池，包括: 多個電池單元，所述多個電池單元被布置成一列，并且包括交錯序列的第一單元和第二單元，所述單元的每個單元具有頂側和底側以及左側和右側，每個單元具有由熱失控導致的最大預期峰值溫度； 絕緣體，與每個單元接觸并且防止每個第一單元與相鄰的第二單元之間的直接物理接觸； 第一傳熱母線，具有在每個第一單元的所述左側的基本上平面部分以及遠離所述平面部分延伸的多個凸緣，每個凸緣耦合至所述第一單元中的一個第一單元的頂部，所述第一傳熱母線由具有比所述最大預期峰值溫度高的熔點的金屬所構造；以及 第二傳熱母線，具有在每個第二單元的所述右側的基本上平面部分以及遠離所述平面部分延伸的多個凸緣，每個凸緣耦合至所述第二單元中的一個第二單元的頂部，所述第二傳熱母線由具有比所述最大預期峰值溫度高的熔點的金屬所構造。
2.根據權利要求1所述的電池，其中所述多個單元是包括聚合物電解質的鋰離子單J Li ο
3.根據權利要求1所述的電池，其中所述多個單元是包括液體電解質的鋰離子單元。
4.根據權利要求1所述的電池，其中所述第一傳熱母線和所述第二傳熱母線由鋁構造。
5.根據權利要求1所述的電池，`其中所述第一傳熱母線和所述第二傳熱母線由石墨構造。
6.根據權利要求1所述的電池，其中所述第一傳熱母線和所述第二傳熱母線由石墨烯構造。
7.根據權利要求1所述的電池，其中所述第一傳熱母線和所述第二傳熱母線由碳纖維構造。
8.根據權利要求1所述的電池，其中所述第一傳熱母線和所述第二傳熱母線使用碳納米管來構造。
9.根據權利要求1所述的電池，其中所述第一傳熱母線和所述第二傳熱母線由銀構造。
10.根據權利要求1所述的電池，其中單元的所述列被容納在第一單元組件中，并且所述電池進一步包括被布置成第二列的第二多個單元，所述第二列被容納在第二單元組件中，所述第二單元組件通過第三傳熱母線耦合至所述第一單元組件。
11.根據權利要求1所述的電池，其中所述絕緣體包括陶瓷纖維。
12.根據權利要求11所述的電池，其中所述陶瓷纖維是氧化鋁纖維。
13.根據權利要求1所述的電池，其中所述絕緣體包括二氧化硅氣凝膠材料。
14.根據權利要求1所述的電池，其中所述絕緣體包括玻璃纖維織物。
15.一種電池，包括: 多個電池單元，被布置成一列，所述單元的每個單元具有頂側和底側以及左側和右側，每個單元具有由熱失控導致的最大預期峰值溫度； 絕緣體，與每個單元接觸并且防止每個單元與相鄰的單元之間的直接物理接觸； 第一傳熱母線，具有在每個單元的所述左側的基本上平面部分，所述第一傳熱母線由具有比所述最大預期峰值溫度高的熔點的金屬所構造；以及 第二傳熱母線，具有在每個單元的所述右側的基本上平面部分，所述第二傳熱母線由具有比所述最大預期峰值溫度高的熔點的金屬所構造； 多個凸緣，每個凸緣在每個單元的所述底側基本上平坦并且將所述第一傳熱母線連接至所述第二傳熱母線，每個凸緣與所述單元中的一個單元下方的所述絕緣體以及所述單元中的相鄰的一個單元上方 的所述絕緣體接觸，所述凸緣由具有比所述最大預期峰值溫度高的熔點的金屬所構 造。
【文檔編號】H01M2/10GK103890995SQ201280051880
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年3月28日 優(yōu)先權日:2011年9月19日
【發(fā)明者】T·P·穆尼茲 申請人:吉.埃羅公司