本發(fā)明屬于鋰電池技術領域，涉及一種防爆鋰離子電池組。

背景技術：

鋰離子電池具有電壓高、比能量高、循環(huán)性能好和環(huán)境友好等特點，已經越來越廣泛的應用到多種領域，包括電動車、風力發(fā)電、光伏發(fā)電、微電網、智能電網，高鐵列車、航空器、艦船等。

近幾年，隨著新能源汽車、大規(guī)模儲能示范工程的建設實踐，鋰離子電池的安全事故時有發(fā)生，有的事故已經造成十分嚴重的后果，事故的主要危害是起火爆炸，而引起事故起火爆炸的主要原因是鋰離子電池熱失控。

鋰離子電池爆炸，是電池內容物劇烈膨脹，形成容器性內高壓，電池外殼被脹開甚至炸裂分成多碎片，電池內各種活性物質瞬間噴射，與空氣中氧發(fā)生劇烈氧化反應，引發(fā)嚴重火災。

而鋰離子電池形成容器性內高壓，是因鋰離子電池存在制造缺陷，特別是鋰離子電池內短路。形成鋰離子電池內短路有多種原因，例如單質金屬顆粒物質污染正極或負極材料。這些顆粒物質污染的局部，鋰離子電池工作時就會引起局部電子、離子傳導異常，從而導致局部異常物理化學反應，該局部就可能引發(fā)高溫，局部高溫導致隔膜熔穿形成短路。

又如在鋰離子電池的制造工藝中，工藝控制誤差大，分布在正極與負極之間的隔膜存在皺褶，鋰離子電池工作時的熱脹冷縮效應，皺褶處可能斷裂，從而在隔膜處形成內短路。而鋰離子電池的制造工藝過程隔膜張力不勻，隔膜漏孔瑕疵，鋰離子電池工作時的反復熱脹冷縮，也都可能引起隔膜破損，造成鋰離子電池內短路。

在現(xiàn)有技術下，一些存在缺陷的鋰離子電池，內短路初期難于被發(fā)現(xiàn)。在鋰離子電池內短路初期，局部溫度升高，液相電解液汽化，汽化的電解液氣體體積迅速膨脹，溫度繼而升高；溫度升高，受熱膨脹加劇，壓力劇增，溫度驟升，形成劇烈的化學物理反應；在定容條件下，各種反應物在壓力劇增作用下，傳質、傳熱反應速率加快，進一步增劇物理反應和化學反應。

鋰離子電池的活性物質，特別是電解液在外界能量催化作用下，可能發(fā)生熱分解。在超過臨界工作溫度時，受過熱作用，壓力效應，就會發(fā)生分解并放出熱量，這種熱分解反應，一旦溫度上升達到一定值(爆炸物的爆發(fā)點)時，熱分解就會轉化為爆炸。

在現(xiàn)有的技術下，鋰離子電池存在引發(fā)燃燒危險源的可能，其危險在于安全閥直接向大氣泄壓。當缺陷電池內高壓形成時，直接向大氣泄放電池內部氣體，這些氣體含有高濃度電解液，這些電解液瞬間接觸大氣中的氧，便會迅速引起氧化反應。此外，電解液泄漏時與靜電作用，都可能起火。而且，起火如果發(fā)生在密閉的電池箱內，有可能由燃燒轉變?yōu)楸ā?/p>

在現(xiàn)有技術下，鋰離子電池存在引發(fā)連鎖反應機制的爆炸風險。在現(xiàn)有電池組中，多個單體鋰離子電池集成在一個電池箱內，某個單體鋰離子電池一旦發(fā)生爆炸，爆炸能在爆炸物內部以恒定地傳播速度持續(xù)進行，并引發(fā)多個單體鋰離子電池爆炸；而一旦在大規(guī)模電池集成系統(tǒng)發(fā)生此種情形，有可能引發(fā)爆轟，這是一種爆炸的穩(wěn)定狀態(tài)，其危害及其嚴重。

鋰離子電池爆炸，屬于鋰離子電池內部放熱反應同時存在壓力效應，這些反應往往是單體鋰離子電池的內短路引起的如下反應：

1)負極的熱分解，及其電解液的參與反應；

2)電解液分解的放熱反應；

3)正極的熱分解反應，及其電解液的參與反應。

上述三種反應形式在一定條件下，可以相互轉化。

鋰離子電池爆炸機理，符合爆炸理論基本規(guī)律，引起鋰離子電池爆炸的直接因素是溫度異常升高，壓力增大。

鋰離子電池爆炸機理遵循如下熱失控反應步驟；

1)內短路局部發(fā)熱；

2)高溫引起定容的鋰離子電池內壓力劇增；

3)壓力增加(由于傳質系數增加)促進電池內部化學反應及副反應的劇增程度；

4)繼而，電池內部化學反應加劇使熱量劇增；

5)壓力進一步升高(化學反應傳質系數進一步加劇)；

6)電芯過熱，引起的惡性循環(huán)反應，最終導致電池殼定容容器壓力過飽和；

7)電池殼耐壓承受強度超過極限，一些焊縫或缺陷的密封結構失效，空氣中氧進入，形成劇烈氧化，引發(fā)起火爆炸。

鋰離子電池爆炸規(guī)律遵循以下列邏輯鏈：

爆炸形成是熱反應加劇(熱反應包括了化學反應、物理反應的傳質運動)→壓力增加→溫度上升→熱反應加劇連鎖反應，熱效應、壓力效應、傳質反應連環(huán)劇增的邏輯反應過程，最終到達臨界點起火爆炸。

依據鋰離子電池起火爆炸形成機理，有效的防止爆炸發(fā)生，可以從如下途徑采取有效手段：阻斷形成高溫機制，阻斷傳質反應，阻斷電池殼內壓力持續(xù)增加。以上三種途徑都是克服電池爆炸起火的有效措施。

阻斷熱失控內高壓形成機制，應采用可靠泄壓。

阻斷高溫形成機制，應采取有效散熱。

阻斷傳質加劇機制，應填充惰性物質，抑制活性物質反應。

現(xiàn)有的技術針對高溫形成機制，在電池組的外殼采集溫度信號，當溫度高于設定溫度時，采用空氣對流散熱和液體傳導散熱。

但現(xiàn)有的鋰離子電池電芯的有效散熱存在許多技術瓶頸，而改善鋰離子電池電芯的散熱更存在不可逾越障礙，這是由于鋰離子電池電芯的組成結構所決定的。鋰離子電池的電芯，由多層正極涂層極片、負極涂層極片、高分子隔膜疊集。雖然正極極片集流體為鋁材，負極集流體為銅材，它們屬于良好的熱導體，但是由于其正極、負極活性物質涂層屬于粉體與膠體混合物，傳熱熱阻遠比銅材、鋁材大；分布在正極涂層極片、負極涂層極片之間的高分子隔膜也屬于導熱不良物質；電芯的涂層極片層數疊集越多，傳熱熱阻也就越大，傳熱熱阻越大，電池內蓄熱溫升問題就會越突出。電芯的涂層極片層數疊集越多，發(fā)生內短路幾率也越大。

在現(xiàn)有技術下，無論是空氣對流導熱還是液體傳導導熱都需要通過電芯殼體傳熱達到冷卻目的，由于電芯涂層極片層疊結構形成導熱不良，達到高效散熱十分困難，當內短路一旦發(fā)生，現(xiàn)有散熱技術難于使內短路的涂層極片異常產熱得到抑制。

此外，在現(xiàn)有技術中，在電芯的外殼采集溫度信號受干擾十分突出。不同的使用環(huán)境，不同充、放電狀態(tài)，電芯的外殼顯著溫度不同，電芯內極片的內短路溫度危險閾值判定十分困難。

現(xiàn)有的技術針對高壓形成機制，大多數都采用了爆破片或安全閥措施，爆破片的選型十分困難，當選擇爆破片厚度偏小時，臨界爆破壓力太小。爆破臨界壓力太小，使鋰離子電池內壓力還處于安全閾值之內，爆破片就爆破了；而一旦爆破片爆破了，同一集成電池箱內一組電池都可能受到爆破片爆破噴出可燃物污染，甚至直接引起起火。選擇爆破片厚度偏大，爆破臨界壓力偏大，鋰離子電池內壓力已經很高了，爆破片還處于未爆破狀態(tài)，一旦在很高的壓力爆破，鋰離子電池內的電芯物質隨著高壓泄放噴射出來，電芯內的可燃物質噴射而出時，直接引發(fā)次生危害。

金屬爆破片用于動力鋰離子電池，長時期處于振動下工作，而長時期處于振動條件下，金屬爆破片容易變形，變形的爆破片內應力發(fā)生改變，應力改變之后，設定的爆破安全閾值即發(fā)生了改變，作為長壽命的動力鋰離子電池，是否足于保障電池長期使用安全存在不確定性。

爆破片的另一個突出缺點是，破裂后不能復原，導致鋰離子電池一次性報廢。

且現(xiàn)有鋰離子電池制造工藝，金屬爆破片采用直接焊接法，將金屬爆破片固定在電池金屬殼頂部，焊接過程的高溫有可能導致金屬爆破片退火或變性，使原來的安全壓力爆破閾值發(fā)生改變。

因此，現(xiàn)有的金屬爆破片用于鋰離子電池控制內高壓，存在不確定性。

現(xiàn)有的技術針對阻斷傳質加劇機制，在電解液中添加阻燃劑。電解液中添加阻燃劑雖然具有一定的緩解燃燒作用，但是，隨著阻燃劑的加入，電解液離子、電子導電性能趨于劣化。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種防爆鋰離子電池組，以針對現(xiàn)有技術的上述缺陷，可檢測電池內壓力，控制電芯內壓。

為實現(xiàn)此目的，在基礎的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其包括多組鋰離子電芯、多組鋰離子電芯間隙填充物質、密封鋰離子電芯的外殼、正極端子、負極端子、安全閥、泄壓管，

所述的安全閥穿過所述的外殼頂部的殼蓋，其底端連接所述的泄壓管，所述的泄壓管的另一端浸沒在所述的多組鋰離子電芯間隙填充物質內；

所述的安全閥包括彼此相連的位于頂部的閥帽與位于底部的閥座，閥帽上開有泄壓孔，

其中：

所述的安全閥還包括信號通路器，其設置在所述的閥帽中間開孔的頂部，用于在所述的外殼內壓力超標時接通進行報警。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中所述的信號通路器包括絕緣柱，包封在絕緣柱內的兩根導電極柱，以及連接在一根導電極柱下方的彈性導電片。當所述的外殼內壓力超標時，所述的彈性導電片接通另一根導電極柱，從而接通所述的信號通路器進行報警。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中所述的防爆鋰離子電池組還包括設置在所述的外殼頂部的殼蓋上的安全閥座，用于固定所述的安全閥的閥座。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中所述的安全閥還包括自上而下依次連接的浮塞、閥芯桿、閥芯座、密封球，它們設置在彼此連接的閥帽中間開孔與閥座中間開孔內，且所述的浮塞位于所述的信號通路器的下方。當所述的外殼內壓力超標時，所述的密封球上行，并依次推動閥芯座、閥芯桿、浮塞上行，從而使所述的多組鋰離子電芯間隙填充物質能夠從所述的泄壓孔排出，進行外殼內泄壓。

在一種更加優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中所述的閥帽還包括柱式彈簧，其設置在彼此連接的閥帽中間開孔與閥座中間開孔內，所述的閥芯座上方，所述的閥芯桿外圍，用于穩(wěn)定壓力。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中所述的泄壓孔設置在所述的閥帽頂部的側面，并與所述的閥帽中間開孔連通。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中所述的多組鋰離子電芯間隙填充物質為硅油。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中所述的鋰離子電芯的組數為1-6組。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中所述的鋰離子電芯為軟包鋰離子電芯或硬包鋰離子電芯。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中單體軟包鋰離子電芯的外包圍護結構材料為鋁塑復合膜。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中所述的防爆鋰離子電池組還包括設置在所述的外殼頂部的殼蓋上的正極端子座與負極端子座，以及分別從所述的鋰離子電芯的頂部向外伸出并穿出所述的外殼頂部的殼蓋的正極引電極耳與負極引電極耳，

所述的正極端子座與負極端子座分別用于固定所述的正極引電極耳與所述的負極引電極耳；

所述的正極引電極耳的上方連接所述的正極端子，所述的負極引電極耳的上方連接所述的負極端子。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中單體鋰離子電芯的正極材料為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和/或鎳錳鈷酸鋰。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中單體鋰離子電芯的負極材料為天然石墨、人造石墨和/或鈦酸鋰。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種防爆鋰離子電池組，其中單體鋰離子電芯的正極與負極間的隔膜材料為單層聚乙烯微孔膜、單層聚丙烯微孔膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三層復合膜。

本發(fā)明的有益效果在于，利用本發(fā)明的防爆鋰離子電池組，可以檢測電池內壓力，控制電芯內壓；與此同時，一旦電池內高壓超過安全臨界閾值，電芯圍護結構出現(xiàn)破裂時，通過向鋰離子電池電芯內正負極涂層注入硅油，阻斷鋰離子電池電芯內的傳質反應。

鋰離子電池的安全性能決定了其可應用的場所，航空器、高鐵列車、艦船、潛艇、博物館、檔案館、數據中心等一些十分重要場所需要高可靠的安全性能。雖然本發(fā)明的防爆鋰離子電池組由于增加了安全閥、硅油，使質量比能量有所減小，但是，通過阻斷熱失控內高壓形成機制，阻斷傳質加劇機制，能夠抑制活性物質反應；泄壓時泄壓孔排出的是硅油，而不是電解液，能避免電解液噴出至大氣中與空氣的氧發(fā)生快速氧化反應導致起火，能避免噴出的電解液與電路中火花接觸被點燃，從而使防爆鋰離子電池組的安全性顯著提高。

附圖說明

圖1為示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的正面視圖。

圖2為圖1的俯視圖。

圖3為圖2沿c-c的剖視圖。

圖4為圖1沿a-a的剖視圖。

圖5為示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的外殼的正面視圖。

圖6為圖5沿d-d的剖視圖。

圖7為示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的鋰離子電芯的正面視圖。

圖8為圖7沿e-e的剖視圖。

圖9為示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的安全閥的結構示意圖。

圖10為示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的信號通斷器的結構示意圖。

圖11為示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的絕緣密封圈的結構示意圖。

圖12為圖11沿f-f的剖視圖。

圖13為圖11沿g-g的剖視圖。

圖14為示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的過盈套圈的結構示意圖。

圖15為圖14沿h-h的剖視圖。

圖16為圖11沿i-i的剖視圖。

圖17為示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的閥座的結構示意圖。

圖18為示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的閥帽的結構示意圖。

圖19為示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的浮塞、閥芯座連體結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作出進一步的說明。

示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的結構如圖1-19所示，包括密封鋰離子電芯組3的外殼1(又包括殼身1-1與殼蓋1-2)、安全閥座1-2a、正極端子座1-2f、負極端子座1-2h、正極端子2a、負極端子2b、2組鋰離子電芯3-1(為軟包鋰離子電芯)組成的鋰離子電芯組3、2組鋰離子電芯3-1間隙填充硅油、正極引電極耳3-2a、負極引電極耳3-2b、絕緣密封圈4(又包括凸沿4-1與通孔4-2)、過盈套圈5(又包括絕緣密封圈孔位5-1，端子座過盈安裝孔5-2)、安全閥6(又包括閥座6-1、閥帽6-2、信號通路器6-3、浮塞6-4、柱式彈簧6-5、閥芯桿6-6g、閥芯座6-6、密封球6-7、泄壓孔6-9)、泄壓管6-8(位于殼身1-1內)。

安全閥6穿過外殼1頂部的殼蓋1-2，其底端連接泄壓管6-8，泄壓管6-8的另一端浸沒在2組鋰離子電芯3-1間隙填充的硅油內。

位于安全閥6底部的閥座6-1固定在殼蓋1-2上設置的安全閥座1-2a上。閥帽6-2位于安全閥6的頂部，閥座6-1與閥帽6-2彼此相連。

閥帽6-2中間有貫穿其的開孔，信號通路器6-3設置在該開孔的頂部，用于在外殼1內壓力超標時接通進行報警。閥帽6-2頂部的側面開有泄壓孔6-9，泄壓孔6-9與閥帽6-2中間開孔連通。自上而下依次連接的浮塞6-4、閥芯桿6-6g、閥芯座6-6、密封球6-7設置在彼此連接的閥帽6-2中間開孔與閥座6-1中間開孔內，且浮塞6-4位于信號通路器6-3的下方。當外殼1內壓力超標時，硅油沿泄壓管6-8上行，導致密封球6-7上行，并依次推動閥芯座6-6、閥芯桿6-6g、浮塞6-4上行，從而使鋰離子電芯3-1間隙填充的硅油能夠從泄壓孔6-9排出，進行外殼1內泄壓。柱式彈簧6-5設置在彼此連接的閥帽6-2中間開孔與閥座6-1中間開孔內，閥芯座6-6上方，閥芯桿6-6g外圍，用于穩(wěn)定外殼1泄壓時的壓力。

閥座6-1中間貫穿其的開孔自上而下分別為內螺紋段6-1a(用于連接閥帽6-2)、等徑內孔段6-1b、錐孔6-1c(用于在不進行外殼1泄壓時卡住密封球6-7)與縮節(jié)段6-1d(下部接通泄壓管6-8)。

閥帽6-2中間開孔的上方為內螺紋端6-2a(用于連接固定信號通路器6-3)，下方為垂直內孔6-2c。垂直內孔6-2c與泄壓孔6-9相連。閥帽6-2下端的外側設置有外螺紋段6-2b，用于連接閥座6-1的內螺紋段6-1a。

信號通路器6-3包括絕緣柱6-3a，包封在絕緣柱6-3a內的兩根導電極柱6-3b，以及連接在一根導電極柱6-3b下方的彈性導電片6-3c。當外殼1內壓力超標時，彈性導電片6-3c接通另一根導電極柱6-3b，從而接通信號通路器6-3進行報警。

在外殼1的殼身1-1內，2組鋰離子電芯3-1分別向上向外伸出正極引電極耳3-2a與負極引電極耳3-2b。正極引電極耳3-2a與負極引電極耳3-2b穿出殼蓋1-2，上方分別連接正極端子2a與負極端子2b。正極端子座1-2f與負極端子座1-2h設置在殼蓋1-2上，分別用于固定正極引電極耳3-2a與負極引電極耳3-2b。

絕緣密封圈4包括外側的凸沿4-1與內側的通孔4-2。正極端子2a、負極端子2b分別安裝于2只絕緣密封圈4的通孔4-2內。絕緣密封圈4的凸沿4-1安裝于過盈套圈5的絕緣密封圈孔位5-1內。絕緣密封圈4的通孔4-2與正極端子2a、負極端子2b脹緊密封。絕緣密封圈4的凸沿4-1與過盈套圈5的絕緣密封圈孔位5-1脹緊密封。

過盈套圈5包括外側的絕緣密封圈孔位5-1與內側的端子座過盈安裝孔5-2。2只過盈套圈的端子座過盈安裝孔5-2分別與殼蓋1-2上的正極端子座1-2f、負極端子座1-2h過盈安裝。2只過盈套圈5與殼蓋1-2上的正極端子座1-2f、負極端子座1-2h過盈安裝既是緊固結構又是密封結構。

上述示例性的本發(fā)明的防爆鋰離子電池組的防爆泄壓工作原理如下：

鋰離子電芯組3安裝于殼身1-1與殼蓋1-2組成的外殼1內，外殼1內的鋰離子電芯3-1之間的間隙填充硅油。當軟包單體鋰離子電芯3-1出現(xiàn)內短路，溫度升高，壓力增大時，軟包單體鋰離子電芯3-1必然出現(xiàn)鼓脹。出現(xiàn)鼓脹的軟包單體鋰離子電芯3-1增大了占位殼身1-1與殼蓋1-2組成的外殼1的內部容積，導致硅油被擠壓，從安全閥6的泄壓管6-8上行。被擠壓的硅油上行推動安全閥6的密封球6-7、閥芯座6-6上行，柱式彈簧6-5被壓縮，被擠壓的硅油通過閥座6-1的錐孔6-1c上行，與閥芯座6-6連體的浮塞6-4隨之上行，浮塞6-4上行至推動信號通斷器6-3的彈性導電片6-3c與信號通斷器6-3的導電極柱6-3b接觸導通。信號通斷器6-3的彈性導電片6-3c與信號通斷器6-3的導電極柱6-3b接觸導通信號進行報警，屬于鼓脹的軟包單體鋰離子電芯3-1的壓力值達到或超過壓力設定值。利用該壓力值控制鋰離子電芯組3充放電狀態(tài)或采取必要緊急處理，以免出現(xiàn)熱失控造成危害。

浮塞6-4上行至推動信號通斷器6-3的彈性導電片6-3c與信號通斷器6-3的導電極柱6-3b接觸導通同時，被擠壓的硅油通過安全閥6的閥帽6-2的泄壓孔6-9排出。部分被擠壓的硅油排出之后，殼身1-1與殼蓋1-2組成的外殼1內壓減低，鼓脹的軟包單體鋰離子電池3-1的內壓力隨之降低。

從安全閥6的閥帽6-2的泄壓孔6-9排出的是硅油而不是電解液，能避免電解液噴出至大氣中與空氣的氧發(fā)生快速氧化反應導致起火，能避免噴出的電解液與電路中火花接觸被點燃。

由于柱式彈簧6-5的恒壓強作用，安全閥6的泄壓孔6-9排出部分硅油時，殼身1-1與殼蓋1-2組成的外殼1內壓下降，被擠壓的硅油上行壓強下降，密封球6-7受到的壓強也隨之降低，密封球6-7復位至閥座6-1錐孔6-1c處于關閉狀態(tài)，信號通斷器6-3的導電極柱6-3b與彈性導電片6-3c復位至開路狀態(tài)。

顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其同等技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。上述實施例或實施方式只是對本發(fā)明的舉例說明，本發(fā)明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實施，而不偏離本發(fā)明的要旨或本質特征。因此，描述的實施方式從任何方面來看均應視為說明性而非限定性的。本發(fā)明的范圍應由附加的權利要求說明，任何與權利要求的意圖和范圍等效的變化也應包含在本發(fā)明的范圍內。