電化學儲能系統(tǒng)中的防火或滅火的制作方法
【專利摘要】一種用于在含排布在儲存殼體中的儲存電池特別是鋰離子電池的電化學儲能系統(tǒng)中的防火或滅火的設(shè)備，其中將包括用于防火或滅火的化學化合物的有可膨脹的體積的組合物，設(shè)置在所述儲存殼體之內(nèi)或之上的一個或多個中空空間中的有限體積中，且可通過傳感器活化組合物的體積膨脹。
【專利說明】電化學儲能系統(tǒng)中的防火或滅火
[0001]本發(fā)明涉及在含排布于儲存殼體中的儲存電池、特別是鋰離子電池的電化學儲能系統(tǒng)中的防火或滅火。
[0002]在汽車領(lǐng)域，例如以“鋰電池”的形式使用這種儲能系統(tǒng)來作為機動車輛的電動驅(qū)動裝載提供電力的儲能系統(tǒng)。這種儲能系統(tǒng)可通常用來為電動設(shè)備提供電力，特別為電動驅(qū)動器提供電力。在這類系統(tǒng)中，將為平坦箔包裝的多個鋰離子電池(例如大于或等于130個)整批分組，來形成設(shè)置在模塊殼體中的儲存模塊。和常規(guī)電池類似，各儲存模塊具有兩連接端子。將由緊緊卷繞的層制成的圓柱狀鋰離子電池分組來形成儲存模塊也是本【技術(shù)領(lǐng)域】所公知的。
[0003]多個電力相互連接的儲存模塊形成儲能系統(tǒng)，該儲能系統(tǒng)像“電池” 一樣提供用于為機動車輛的電動驅(qū)動裝置提供動力的電能。
[0004]可因為電池失效發(fā)生熱逃逸和過熱，例如在事故之后特別是因為內(nèi)部短路。在許多情況下，所導致的火災危險不是立刻能辨別的，且可在顯著延遲最長達幾天或幾周之后，導致發(fā)生火災。鋰是高度反應性材料，常規(guī)的滅火劑不能用來撲滅這種火災。從DE102009035908A1可知，使用鈣(Ca)鹽的水性溶液和滅火凝膠來用于鋰離子電池中的滅火。
[0005]本發(fā)明的目的是詳細說明能有效地在特別是含鋰離子電池的電化學儲能系統(tǒng)中的防火或滅火的方法。
[0006]通過權(quán)利要求1所述的特征來實現(xiàn)這個目的。獨立權(quán)利要求包含本發(fā)明的有益效果O
[0007]在本發(fā)明中，為了在電化學儲能系統(tǒng)中的防火或滅火，將可膨脹體積的組合物設(shè)置在儲存殼體內(nèi)側(cè)或者外側(cè)的一個或多個中空空間的有限體積內(nèi)?？膳蛎浀慕M合物包括滅火劑，特別是化學化合物和/或礦物或玻璃體顆粒，用于防火或滅火。還可這樣制備可膨脹的組合物:使該可膨脹的組合物適于儲能系統(tǒng)特別是儲存電池中的防火或滅火。例如可提供傳感器單元來活化可膨脹的組合物的膨脹，該傳感器單元可檢測對電化學儲能系統(tǒng)或它的儲存殼體的任何損壞或毀滅，從而將在可膨脹的組合物中包括的用于防火或滅火的組合物或者滅火劑帶到電化學儲能系統(tǒng)之上或之內(nèi)的各危險位置。還可這樣實施傳感器單元:例如它可檢測任何的加速力或者制動力，如在事故中可能發(fā)生的那樣，然后引發(fā)對可膨脹的組合物的膨脹的活化。
[0008]例如通過電信號的對膨脹的活化，還可通過作為算法的結(jié)果來形成，使用該算法來分析車輛之內(nèi)或周圍的傳感器的各種信號。具體來說，分析的東西是信號例如來自對車輛或車輛周圍進行的加速力或者制動力的那些，例如來自在碰撞情況下出現(xiàn)的沖擊或者應力和應變。
[0009]在預碰撞信號的情況下，可類似地通過詢問獲取電池儲存含量，如有需要，活化組合物的膨脹。
[0010]為了通過傳感器活化膨脹，可以溫敏形式包含可膨脹的組合物，從而在特殊最低溫度下活化組合物的膨脹。還可使傳感器單元產(chǎn)生電信號，使用該電信號來引發(fā)可膨脹的組合物的膨脹。
[0011]可膨脹的組合物可優(yōu)選地分配給儲能系統(tǒng)的儲存模塊，所述儲存模塊包括各多個儲存電池。這確保了在所涉及的各儲存模塊，消除了火災的危險，或者火自行熄滅。為了這個，可將可膨脹的組合物設(shè)置在各儲存模塊的殼體內(nèi)側(cè)，也可設(shè)置在殼體外側(cè)。
[0012]優(yōu)選地可在儲能系統(tǒng)上提供放電裝置，或者可將儲能系統(tǒng)連接到放電裝置，其中可使用放電裝置的放電能來加速組合物的膨脹。還可使用放電能來活化組合物的膨脹。為了在有限的體積中設(shè)置可膨脹的組合物，可將可膨脹的組合物設(shè)置在一個或多個容器中。還可作為涂料提供可膨脹的組合物，該涂料包括粉末形式的至少一種防火或滅火的滅火齊U，例如在涂料涂層中。
[0013]還可作為成形體來提供可膨脹的組合物，例如以片狀形式。
[0014]可膨脹的組合物還可包括干燥的推進劑，其優(yōu)選地在膨脹時形成氮氣。合適的推進劑的示例包括疊氮化鈉(NaN3)、硝酸胍或氨基四唑(aminotetrazole)化合物。例如,用于填充安全氣囊的一種這樣的推進劑是本【技術(shù)領(lǐng)域】所公知的。當以干燥形式提供的推進劑活化時，它膨脹成氣體形式，并致使用于防火或滅火的至少一種滅火劑到達儲能系統(tǒng)中的各危險位置。
[0015]可膨脹的組合物還可包括容納在一個或多個容器中的處于壓力下的至少一種氣體或者氣體混合物。氣體或氣體混合物全部或部分的由惰性氣體組成，例如IS氣和/或氦氣，且例如氣體混合物可包括氬氣(98% )和氦氣(2% )?？蓪怏w或氣體混合物準備就緒地保持在壓力容器中，和用于防火或滅火的至少一種滅火劑一起。但是，還可將氣體或氣體混合物保存在獨立的容器中，膨脹時將它導向滅火劑所在的容器。
[0016]可在用于填充安全氣囊的混合氣體發(fā)生器中提供這種排布，例如即可在壓縮氣體罐中混合增壓氣體和滅火劑。然后，可將增壓氣體和滅火劑的混合物快速地帶到各位置，從而防止或撲滅在電池中的任意火。
[0017]為了防止火災，可膨脹的組合物可包括至少一種物質(zhì)作為滅火劑，其停止各儲存電池中任何不受控的化學反應，特別是放熱反應?？膳蛎浀慕M合物還可包括至少一種物質(zhì)，其可在各儲存電池的陽極和陰極之間形成阻擋物，特別是當隔膜或電解質(zhì)被損壞時。該物質(zhì)可以為形成樹脂物質(zhì)，例如。這種形成樹脂物質(zhì)可自身沉積在電極表面上，例如，因此防止電池內(nèi)側(cè)任何的短路。
[0018]在本發(fā)明中，可將至少一種形成氣溶膠的滅火劑用作可膨脹的組合物，或者在可膨脹的組合物中使用來滅火。在電化學儲能系統(tǒng)中，在儲存殼體之內(nèi)或之上提供這種滅火齊U。為了這個目的，可將滅火劑設(shè)置在儲存殼體內(nèi)側(cè)的一個或多個中空空間內(nèi)。還可在一個或多個設(shè)置在儲存殼體外側(cè)的容器中提供滅火劑。形成氣溶膠的滅火劑可這樣實施:可在儲能系統(tǒng)的工作溫度以上的特定最小溫度(例如大于或等于150°C)下活化該滅火劑，或者通過電信號來活化該滅火劑?？赏ㄟ^設(shè)置在儲存殼體之內(nèi)的溫度傳感器來產(chǎn)生電信號。
[0019]因為例如當形成氣溶膠時，滅火劑的快速膨脹，可將滅火劑設(shè)置在包圍儲能系統(tǒng)特別是電池系統(tǒng)的殼體內(nèi)側(cè)的小容器中。還可將滅火劑容納在用于儲存模塊提供的各殼體中。這樣，可快速和高效地撲滅局部位置的火災。如果用于滅火劑的容器設(shè)置在儲存殼體夕卜側(cè)之上，類似地因為它的快速膨脹將滅火劑帶到殼體內(nèi)側(cè)的火災位置。
[0020]可提供分配系統(tǒng)例如在殼體壁中，或可在模塊中提供帶閥門進口的管道系統(tǒng)，從而將用于防火或滅火的化學化合物帶到在儲能系統(tǒng)之內(nèi)或之上的各危險位置。
[0021]例如，形成氣溶膠的組合物包括可懸浮于惰性氣體中的微顆粒。暴露表面積和質(zhì)量的比例是較高的，從而可將滅火所需的活性材料的量保持到最低。微顆粒仍然懸浮于氣體較長時間，因此它們可滲入發(fā)生燃燒時存在的自然對流流動?？梢栽谌萜髦形丛鰤旱男问教峁┙M合物，或以在壓力容器中增壓的形式提供組合物。
[0022]在形成氣溶膠的組合物的情況下，優(yōu)選地使用形成固體氣溶膠的物質(zhì)，在活化時它可轉(zhuǎn)化成基于鉀化合物的快速膨脹的氣溶膠，例如。這種組合物可設(shè)置在用于滅火劑的一個或多個未增壓的容器中，優(yōu)選地在儲存殼體內(nèi)側(cè)。為了這個目的，可在儲存殼體內(nèi)側(cè)的一個或多個中空空間內(nèi)提供組合物。優(yōu)選地將組合物分配到各儲存模塊，組合物優(yōu)選地設(shè)置在各儲存模塊殼體內(nèi)側(cè)。還可作為涂料，或以片劑或顆粒的形式提供組合物。
[0023]優(yōu)選地在儲能系統(tǒng)之上提供放電裝置，當滅火時其提供用于分配滅火氣溶膠的放電能。
[0024]使用含鉀化合物的滅火劑進行滅火基于下述事實:在火中通過鉀化合物分解釋放的任何鉀都將與在燃燒中產(chǎn)生的自由基反應，形成非常穩(wěn)定的化合物氫氧化鉀。結(jié)果停止了燃燒中產(chǎn)生的自由基的鏈式反應，并撲滅火災。
[0025]這種形成氣溶膠的組合物用在用于在封閉空間中滅火的滅火設(shè)備。滅火設(shè)備和滅火系統(tǒng)是市售的，商標為Fire Pro?和Stat-X?。
[0026]在DE 19634006C2中，還描述了合適形成氣溶膠的組合物，其以重量百分數(shù)計包括下述:
[0027]
硝酸鉀 67 - 72
二氰基二酰胺9-16
酚醛樹脂8-12
苯甲酸鉀、碳酸氫鉀或者六氰高鐵酸鉀 4 - 12.
[0028]在這種情況下，二氰基二酰胺是形成氣體氣溶膠物質(zhì)。
[0029]優(yōu)選地，可這樣設(shè)置包括用于防火或滅火的滅火劑的可膨脹的組合物:可相繼的將組合物的膨脹活化兩次或更多次。這樣，在滅火之后發(fā)生的任何后續(xù)的火災都可再次撲滅。為此，可將可膨脹的組合物設(shè)置在能相繼活化的兩個或更多個裝置中。這多個裝置可在一個或多個分別的容器中提供。
[0030]用來防火或滅火的滅火劑還可包括礦物或玻璃體顆粒。這種顆粒可獨自形成滅火齊U，或與用于防火或滅火的化學物質(zhì)(例如如上所述的鉀化合物)一起形成滅火劑。優(yōu)選地,顆粒的粒度小于0.5毫米。甚至更優(yōu)選地，顆粒的粒度小于0.2毫米。可以中空微球的形式提供顆粒。例如,這種顆粒的制備可參見EP1832560A2。
[0031]附圖顯示了電化學儲能系統(tǒng)1，其可為用于車輛特別是用于機動車輛的電池。但是，它也可為以固定方式布置的電池。儲存電池3在儲能系統(tǒng)I中的儲存殼體2中排布。例如，電池可為鋰離子電池。在殼體內(nèi)側(cè)，設(shè)置了容器4，其中準備就緒地保存了優(yōu)選地壓實形式的有可膨脹體積的組合物。這種組合物可為用于防火或滅火的滅火劑。它可為用來防火或滅火的化學物質(zhì)。通過推進劑用于防火或滅火的滅火劑在儲存殼體2內(nèi)側(cè)分配。但是，也可為各儲存電池3，或者為有多個儲存電池3組成的各包裝提供含可膨脹的組合物的容器4。容器4還可設(shè)置在儲存殼體2的外側(cè)之上。
[0032]作為一種滅火劑，殼體4內(nèi)側(cè)的可膨脹的組合物還可包括礦物或玻璃體顆粒。不僅是礦物或玻璃體顆粒，用于防火或滅火的化學物質(zhì)也可用作滅火劑。
[0033]可通過傳感器活化在容器4中提供的組合物的體積的膨脹。為了這個目的，可提供一個或多個傳感器。例如可提供一個或多個溫度傳感器5和/或一個或多個加速度傳感器6。這樣，能檢測儲存殼體2中的任何過高的溫度。還可檢測任何過高的制動力或加速力，特別是對儲能系統(tǒng)I或儲存電池3造成的任何損壞。將傳感器5，6連接到分析器/控制器7，其可為電子計算機設(shè)備，例如車輛中的車載計算機。在分析器/控制器7中，就儲能系統(tǒng)I之內(nèi)或之上的防火或滅火而言分析來自傳感器的信號，并相應地提供用于引發(fā)容器4中保存的組合物體積膨脹的各控制信號。
【權(quán)利要求】
1.用于在含排布于儲存殼體中的儲存電池、特別是鋰離子電池的電化學儲能系統(tǒng)中的防火或滅火的設(shè)備， 其特征在于， 將包括用于防火或滅火的滅火劑的有可膨脹的體積的組合物，設(shè)置在所述儲存殼體之內(nèi)或之上的一個或多個中空空間中的有限體積中，其中可通過傳感器活化組合物的體積膨脹。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備， 其特征在于， 可通過特定的最小溫度或者通過電信號活化可膨脹的組合物。
3.如權(quán)利要求1或2任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 可膨脹的組合物可分配給儲能系統(tǒng)的儲存模塊，所述儲存模塊包括各多個儲存電池。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 所述可膨脹的組合物設(shè)置在各儲存模塊的殼體內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 在儲能系統(tǒng)上提供放電裝置，或者可將儲能系統(tǒng)連接到放電裝置，可使用放電裝置的放電能來膨脹組合物。
6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 所述可膨脹的組合物設(shè)置在一個或多個容器內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 作為涂料提供所述可膨脹的組合物。
8.如權(quán)利要求1-7任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 作為成形體提供所述可膨脹的組合物。
9.如權(quán)利要求1-8任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 所述可膨脹的組合物是形成氣溶膠的組合物。
10.如權(quán)利要求1-9任一項所述的設(shè)備， 其特征在于，用于防火或滅火的裝置包括化學化合物，該化學化合物與通過火災釋放的自由基反應形成至少一種穩(wěn)定的化合物。
11.如權(quán)利要求1-10任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 所述可膨脹的組合物包括至少一種堿金屬化合物，特別是鉀化合物。
12.如權(quán)利要求1-11任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 所述可膨脹的組合物包括硝酸鉀。
13.如權(quán)利要求1-12任一項所述的設(shè)備， 其特征在于，用于防火或滅火的裝置包括礦物或玻璃體顆粒。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備， 其特征在于，所述顆粒的粒度小于0.5毫米。
15.如權(quán)利要求1-14任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 所述可膨脹的組合物包括干燥的推進劑。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備， 其特征在于， 當所述推進劑膨脹時，它形成氮氣。
17.如權(quán)利要求1-14任一項所述的設(shè)備， 其特征在于， 所述可膨脹的組合物包括保存在容器中處于壓力下的氣體或氣體混合物。
18.—種電化學儲能系統(tǒng)，特別是包括鋰離子電池的儲能系統(tǒng)，為其提供根據(jù)權(quán)利要求1-17任一項所述的設(shè)備。
19.一種傳感器單元，其適于活化在根據(jù)權(quán)利要求1-18任一項所述的設(shè)備中的可膨脹的組合物，所述傳感器單元對作用于所述電化學儲能系統(tǒng)的過高加速力或制動力敏感，或者對所述電化學儲能系統(tǒng)中發(fā)生或者對所述電化學儲能系統(tǒng)造成的特別是對所述儲存殼體造成的任何損壞敏感。
20.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1-19中任一項所述的設(shè)備的可膨脹的組合物，其包括下述組分中的一種或更多種: -在各儲存電池特別是在鋰離子電池中，防止不受控的化學反應的至少一種物質(zhì)； -在所述儲能系統(tǒng)特別是在各儲存電池或鋰離子電池中的滅火的至少一種物質(zhì)； -在各儲存電池特別是鋰離子電池的陽極和陰極之間形成阻擋物的至少一種物質(zhì)； -至少一種形成氣溶膠的物質(zhì)； -可通過活化轉(zhuǎn)化成氣體形式的至少一種干燥的推進劑； -在壓力下保存的至少一種氣體或氣體混合物。
21.如權(quán)利要求20所述的可膨脹的組合物， 其特征在于， 滅火物質(zhì)包括至少一種鉀化合物，其在燃燒時分解來釋放鉀，鉀與在燃燒時產(chǎn)生的自由基反應形成穩(wěn)定的氫氧化鉀，和/或包括礦物或玻璃體顆粒。
22.如權(quán)利要求20或21所述所述的可膨脹的組合物，其特征在于，一種排布，該排布將組合物的膨脹活化兩次或更多次。
【文檔編號】H01M10/42GK104205414SQ201380018836
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月15日
【發(fā)明者】M·斯佩希特, K·邁勒 申請人:關(guān)鍵安全體系股份有限公司