专利名称：电化学电池的热管理的制作方法
技术领域：
本发明所提供的系统和方法通常涉及包括氟化碳流体的可充电电化学电池的被 动双相热管理。
背景技术：
常规的可充电的电化学电池在正常工作状态下产生受控量的热。然而这些电池由 于各种因素的原因可能会不时地出现热量的迅速增加和释放。出现热量增加和释放的情况 可能是由于外因，如电池端子受到短路、电池受到物理损坏或电池里面产生内部缺陷。当电 化学电池中经历这种放热的迅速增加时，电池可能会进入意外模式，造成电池失效。虽然这 种热量的迅速增加和释放可能是相对不常见的，但如果在电化学电池堆或电化学电池组中 发生放热，那么从一个电池中释放的热量可能足以使其它周围的电池达到它们的热失控点 而导致连锁反应。
发明内容
锂离子电化学电池正越来越多地应用于电子设备，如膝上型电脑、移动电话和无 绳电动工具，并且正在考虑将其作为汽车电源。锂离子电池由于具有高能量密度潜力、非常 好的使用寿命和可再充电性而受到关注。电化学电池需要有热管理系统，特别是锂离子电 化学电池。需要能有不需要复合硬件(如泵或阀)和复杂密封的热管理系统。另外还需要 电化学电池有这样的热管理系统，在热失控状态下能够起到冷却电池的作用，和/或能够 压制任何在失控期间可能会产生的火势。此外，需要热管理系统成本低，便于携带，能够迅 速地散去大量的热。一方面提供一种用于电化学电池的被动热管理系统，包括非水传热介质、具有内 部和外部的容器(其中所述内部容纳传热介质)和至少部分地浸没在所述介质中的至少一 个或多个电化学电池。另一方面提供一种热管理系统，包括传热流体、一个或多个电化学电池和至少部 分地填充以所述传热流体的换热器，其中一个或多个电池与换热器是热接触的。最后提供一种电化学电池的被动热管理方法，包括提供填充以传热介质的容器， 使至少一个电化学电池部分地浸入所述介质，对电池充电或放电以产生受热的电池，从受 热的电池向介质传热，并通过介质的蒸发从受热的电池中散热。在本文件中“一个”和“所述”与“至少一个”可互换使用，表示一个或多个所述的要素；“合金”是指两种或更多种元素的混合，其中的至少一种是金属，且其中所得到的 材料具有金属性质；
“充电”是指对电池提供电化学能的过程；“脱锂”是指从电极材料中脱除锂的过程；“放电”是指从电池中取得电化学能的过程，例如当使用电池进行所需工作时；而 “金属”指的是金属和准金属(如硅和碳)两者，无论是元素态还是离子态的。所提供的用于电化学电池的热管理系统可以是被动式的，即，它不包括泵，但可以 通过对流来循环冷却剂。所提供的系统中可以使用具有高导热率的传热介质，如氢氟醚。它 们可以通过把热量从电池导向容纳介质的容器而带走电化学电池产生的热量。另外，它们 可以吸收电池产生的热量，方式是在电池的表面蒸发，然后在容器的表面上冷凝，从而实现 散热。同时，通过使用不助燃的传热介质，所提供的热管理系统能防止或压制另外可能由热 失控事件产生的火势。上述发明内容并非旨在描述本发明的每种实施方式的每个公开的实施例。接下来 的附图简要说明以及详细描述对示例性的实施例作出了更具体的说明。
图1是热管理系统的一个实施例的示意图，所述热管理系统包括浸没在传热介质 中的电化学电池阵列。图2是热管理系统的一个实施例的示意图，所述热管理系统包括与换热器相接触 的电化学电池阵列。图3A是管理系统的一个实施例的剖视图，所述热管理系统包括在容器中的电化 学电池阵列，所述容器至少部分地浸没在传热介质中。图3B是显示包括换热器的热管理系统的图3A的实施例的分解图。图4A和4B是对照例(图4A)和所提供的热管理系统的一个实施例(图4B)的性 能特性图。图5A和5B是另一对照例(图5A)和所提供的热管理系统的另一实施例(图5B) 的性能特性图。图6是所提供的热管理系统的又一实施例的性能特性图。
具体实施例方式所提供的锂离子电化学电池的热管理系统是被动系统。被动的意思是说，在系统 中没有使用或需要机械能或电能的泵。在被动系统(如所提供的系统)当中，通过对流可 以发生传热介质(另可称为冷却剂)的移动。使用被动式热管理系统能够避免在系统中使 用诸如泵和阀之类的复合硬件。通过热量从电池到传热介质的热对流和热量从传热介质向 容器表面的传递，所提供的系统可以散去锂离子电池(在锂化或放电过程中)产生的余热。 所提供的系统还可以通过在传热介质接触电池的位置处至少部分地蒸发传热介质来散去 余热。然后传热介质的受热蒸气可以移动到换热器的表面(也可以是容器的表面)，向换热 器传热，冷凝，然后流回传热介质储存器。按此方式，可以通过对流和通过利用介质的蒸发 热来散去多余的热量。所提供的系统可以包括非水传热介质。传热介质可以是液体。可用的示例性非水 传热液体包括全氟化碳(PFC)、全氟聚醚(PFPE)、全氟胺(PFA)、全氟醚(PFE)、硅油和烃油。PFC、PFPE, PFA和PFE在大气中显示的寿命值超过500年，并且可长达5，000年。另外，这 些材料可显示出高的温室效应潜能值(“GWP”)。GWP是在指定的整合时间范围上相对于由 一 (1)千克CO2所致的变暖而言，由释放一(1)千克样品化合物所致的合计潜在变暖。另 外硅油和烃油可能易燃。所提供的用于电化学电池的热管理系统可以包括不易燃的惰性非水传热介质。不 易燃的意思表示，所述介质不易助燃，特别是在热失控事件的条件下。惰性的意思是，在电 池的正常工作条件下，所述介质基本上不与电池的部件发生反应。对于需要惰性流体的传 热操作来说，可以使用氟化碳流体。氟化碳流体具有低毒性，基本上不刺激皮肤，没有化学 反应性，不易燃，并且具有高绝缘强度。诸如全氟碳、全氟酮、全氟聚醚、氢氟醚之类的氟化 碳流体可以提供不消耗同温层中的臭氧层的附加优点。在一些实施例中，所提供的热管理系统包括氢氟醚传热流体(或氢氟醚传热流体 的混合物)，它是惰性的，具有高绝缘强度、低电导率、化学惰性、热稳定性和有效的热传递 性。另外，所提供的系统包含的传热流体是液体，在宽温度范围上具有良好的传热特性。可 适用于所提供的系统的实施例的示例性氢氟醚包括由如下结构表示的化合物R1f-O-Rh-O-R1f'其中0是氧；R1f和R1f'独立地为氟代脂族基团，其中每个R1f和R1f'含有至少1 个氢原子；Rh是具有2至约8个碳原子和至少4个氢原子的直链、支链或环亚烷基基团，其 中Rh可以含有一个或多个链中杂原子，且其中氢氟醚化合物不含-0-CH2-0-。这一结构的 氢氟醚化合物公开在例如美国专利No. 6，953，082 ；No. 7，055，579 ；和No. 7，128，133 (均授 予Costello等人)和美国专利公开No. 2007/0018134 (costello等人)中。适用于所提供的系统的一些实施例的其它氢氟醚化合物包括环状氢氟醚化合物， 如公开在美国专利公开No. 2007/0267464(Vitcat等人)中的那些。这些化合物可以由通 式⑴和(II)表示
权利要求
一种用于电化学电池的被动热管理系统，其包括非水传热介质；具有内部和外部的容器，其中所述内部容纳所述传热介质；和至少一个或多个至少部分地浸没在所述介质中的电化学电池。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传热介质的沸点低于80°C。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述传热介质包含氟化碳流体，任选其中所述流 体是不易燃的。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述氟化碳流体包含氢氟醚。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述容器包括通口。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述容器的内部基本上处于大气压力下。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述容器包括冷凝面。
8.根据权利要求1所述的系统，其还包括冷凝器。
9.根据权利要求1所述的用于电化学电池的被动热管理系统，其中所述传热介质包含 一种或多种氢氟醚。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述氢氟醚的沸点低于80°C。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述容器包括通口。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述电池基本上浸没在所述介质中。
13.根据权利要求9所述的系统，其还包括冷凝器。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个电化学电池包括锂离子电池。
15.一种用于电化学电池的被动热管理系统，其包括 传热流体；一个或多个电化学电池；和换热器，其至少部分地填充以所述传热流体，其中至少一个电池与所述换热器是热接触的。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述流体是非水的。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述流体包含氢氟醚。
18.根据权利要求15所述的系统，其还包括 容器；和非水传热介质，其中所述容器至少部分地填充以所述介质，其中至少一个所述电池至少部分地浸没在 所述介质中，且其中所述介质与所述换热器是热接触的。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述介质包含氢氟醚。
20.一种电化学电池的被动热管理方法，该方法包括 提供至少部分地填充以传热介质的容器；使至少一个电化学电池部分地浸没在所述介质中； 对所述电池进行充电或放电以产生受热的电池； 从所述受热的电池向所述介质传热；以及 利用来自所述受热的电池的热量蒸发所述介质。
全文摘要
本发明所提供的系统和方法通常涉及可充电电化学电池的被动双相热管理。所提供的系统和方法可以包括非水传热介质，如氟化碳流体。诸如氢氟醚的氟化碳流体可用于所提供的系统。
文档编号H01M10/50GK101960657SQ200880127749
公开日2011年1月26日 申请日期2008年12月10日 优先权日2008年1月4日
发明者江俊伟, 道格拉斯·C·马格努森 申请人:3M创新有限公司